JP3588114B2 - 光学ネットワークにおける干渉雑音の減少 - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、光学ネットワークにおける漏話の減少に関し、特に、可干渉性でないビート雑音等の干渉雑音の減少に関する。
従来技術の説明
干渉雑音は、光波がそのパワーの一部分を発散する際に発生し、それは後に時間的な遅延を受けた後にその元のものと干渉する。時間的な遅延がソースの可干渉性時間を大幅に超過した場合、干渉雑音は可干渉性でないビート雑音と呼ばれる。この状況に当てはまらない場合、雑音は部分的に可干渉性か、もしくは本質的に可干渉性である。全てが光ファイバであるビット速度リミッタにおける遅延素子と、多段増幅されたリンクにおける反射およびレイリー後方散乱と、波長分割多重化（WDM）および光学時分割多重化（OTDM）スイッチングネットワークにおける漏話とを含むそのような干渉が生じる幾つかの構造が識別される。
OTDMスイッチングネットワークは高帯域幅トラフィックを支持することが証明され、付加的にビット速度、コード化フォーマット、および波長に透明性である。それらは、高解像度テレビジョン（HDTV）もしくは非同期伝送モード（ATM）セルにおけるバーストトラフィック等の連続的な高ビット速度のサービスをスイッチするように構成される。
振幅変位電鍵操作（ASK）デジタル伝送／直接検出を使用するOTDMスイッチングネットワークは、光ファイバ遅延ラインによって相互接続された２×２のスイッチング素子から構成されている（PCT/GB92/00400参照）。チャンネル間の漏話はそのようなネットワークにおいて生じ、その理由は、実際において、交差点は完全に分離された出力を有していないからである。ネットワークからの全てのTDMチャンネルは、不所望な漏話波形によって損なわれる。
そのような不所望な漏話の取扱いにおいて、既知のシステムは、可干渉性でない雑音の無い漏話を最小にすることに専念してきた。この漏話による劣化は、“強度の合計”のアプローチによってモデル化される。
発明の概要
本発明によれば、干渉雑音、特に、可干渉性でないビート雑音漏話は、可干渉性でない雑音のない漏話よりもより重要な意味を持つことが理解されている。可干渉性でないビート雑音漏話は、それらのビート周波数が受信器の帯域幅内に存在するように非常に緊密に整合された波長ソースか、もしくは光学ネットワークにおいて異なる遅延を有する単一のソースのいずれかから派生する可干渉性でない波形の干渉から生じる強い雑音である。可干渉性でないビート雑音は、大きいパワーへの悪影響およびビットエラー速度（BER）フロアを誘起することがわかった。誘起された性能劣化の大きさは、交差点の分離およびネットワークの寸法および構成に依存している。しかしながら、−15dBの分離によってネットワークの寸法は３もしくは４個の交差点に制限され、これはスイッチングネットワークの設計を考慮する際に厳しい制限となる。
本発明によれば、漏話およびデータが同じソースから派生した際に生じた干渉雑音、特に可干渉性でないビート雑音パワーは、ソースの中心周波数を変化させることによって光学ネットワークにおいて減少されることができることが認められた。
特に、本発明によれば、周波数ベースバンドを受信する受信器に連続的なビット期間中に光学ソースによって所定の中心周波数でデータがビット流として伝送される光学ネットワークにおいて干渉雑音パワーを減少する方法が提供され、その方法において、干渉雑音パワーをベースバンドから高い周波に再分配するようにソースの中心周波数を変化させ、それによって、ベースバンドにおける雑音を減少させる。
本発明の方法は、可干渉性でないビート雑音パワーを減少するための特定のアプリケーションを有している。
ソースはレーザダイオードを具備していると都合が良く、本発明によれば、中心周波数はレーザがオン状態にスイッチされた際の継続期間を制御することによって制御されることができる。レーザダイオードに関して、中心周波数はレーザがオン状態にスイッチされた期間中に減少し、レーザがオフ状態にスイッチされた期間中に増加することが発見された。これはレーザチップの加熱のためであるが、別の可能な現象が認められない訳ではない。
ネットワークは、主信号通路と、受信器に伝送されたデータのための不所望な漏話のための減衰された遅延された信号のための補助的信号通路の両方を与え、それによって、所定のビット期間中に発生する主通路からのレーザ放射は、先行する期間から遅延されたレーザ放射からの干渉を受ける。周波数を前述のように増加および減少させることによって、干渉信号間の周波数の差は最大にされることができ、それによって可干渉性でないビート雑音パワーがベースバンドから高い周波へ再分配され、その結果、帯域内の雑音が減少される。
さらに、データは、レーザがオン状態にスイッチされる干渉ビット期間中に、中心周波数間の周波数の差を最大にするようにコード化される。
本発明はまた、可干渉性でないビート雑音パワーが減少されたネットワークに拡張され、それは、連続的なビット期間中にデータをビット流としてネットワークを通して伝送するように動作する所定の中心周波数を有する光源と、周波数のベースバンドを検出する受信器と、可干渉性でないビート雑音パワーをベースバンドから高い周波に再分配するようにソースの中心周波数を変化させ、それによって、ベースバンドにおける雑音を減少させる手段とを含んでいる。
本発明がより完全に理解されるために、本発明の実施形態は、添付された図面に関連した例によって以下説明される。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のための実験的な装置の概略図である。
図2Aは、図１の装置に使用された32ビットの試験パターンおよび16ビットだけ遅延された干渉コピーのグラフであり、×印は、干渉雑音が存在すべき位置を示している。
図2Bは、受信器の帯域幅が2GHzである場合の出力における干渉雑音を有する信号を示している。
図2Cは、受信器が、データ伝送の帯域幅に整合された615MHzの帯域幅を有している際の出力を示している。
図3Aは、比較的低いビット速度（9.72Mビット／秒）のレーザの光出力を示すグラフである。
図3Bは、図3Aに示されているビットパターンに対して発生するレーザの中心波長における変化を示すグラフである。
図4Aは、レーザからの比較的高ビット速度（622Mビット／秒）の光出力を示すグラフである。
図4Bは、図4Aに示された出力信号に対するレーザの中心周波数の変化を示している。
図５は、本発明によって動作する光学ネットワークの概略図である。
図6Aは、図５に示されたレーザのモデル化された出力の中心周波数をビットシーケンス内の位置の関数として実線で示し、また、干渉を生成する対応する16ビットの遅延された信号を点線で示している。
図6Bは、伝送されたビットシーケンスを示している。
図6Cは、レーザの周波数と、16ビットだけ遅延された同じシーケンスのビットの周波数との間の差（すなわち、図6Aの実線と点線との間の周波数の差）を示している。
実施例
最初に図１を参照にすると、これは光学スイッチングネットワーク（もしくは可干渉性でないビート雑音漏話が生じるその他の光学ネットワーク）の特性をモデル化するために使用された実験用の配置を示している。レーザダイオード１からの光は、電力出力４を生成するフォトダイオード等の受信器３に光ファイバ２を通して放射される。従来の方法において、レーザダイオードは、ソース５からdcバイアスを供給される。さらに、レーザダイオードは、変調器６によって直接に変調され、図2Aの下方のグラフにおいて示されているような光学出力を生じる。この例において、32ビットの試験パターンが622Mビット／秒で発生される。レーザの波長は、典型的に1538nmである。
スイッチングネットワークにおいて、複数のスイッチング素子は、通常一緒にマトリックスに接続される。理論的に、単一の光通路は特定の信号のために設けられるが、実際には、種々のチャンネル間で漏話が生じるので、結果として信号と特定の受信器に多数の通路から生じる遅延された漏話波形が同時に存在する。図１において、これは既知の方法で位置8,9においてファイバ２に結合された第２の光ファイバ７によってシミュレートされる。減衰器10と遅延装置11は、ファイバ７の通路において一緒に接続され、典型的に16ビットの遅延がファイバ７を通過する信号に対して発生する。従って、接合点９において、ファイバ２を伝播する主信号は、16ビットの期間だけ遅延された減衰された信号から干渉を受け、それはスイッチングマトリックスにおいて漏話をシミュレートする。この干渉信号は図2Aの上部部分において示されている。受信器３の出力が図2Bにおいて示されており、そこにおいて、干渉信号が出力信号において可干渉性でないビート雑音を生成することがわかる。図2Bにおいて示されている出力は、受信器の完全な帯域幅特性（2.0GHz）を示している。しかしながら、受信器３が狭い帯域幅を有するように同調され、データのベースバンドに対応する場合、可干渉性でないビート雑音漏話は、図2Cに示されているように減少されることがわかる。矢印13は、可干渉性でないビート雑音漏話が図2Bのグラフと比較して減少される位置を示す。従って、矢印13の位置において、可干渉性でないビート雑音が受信器３のベースバンド外にその周波数スペクトルを再分配できるようにする効果が存在する。本発明は、可干渉性でないビート雑音漏話を最小にするためにこの効果を利用する。再分配の機構は、レーザ１に適用された変調シーケンスに関係することが発見されている。これは、レーザ１によって生成された変調された光学波形の中心波長を異なるデータビット速度で測定することによって調査された。中心波長は、走査ファブリーペロー・エタロン（図示されていない）を使用して監視された。
図3Aにおいて、9.72Mビット／秒の比較的低い光学ビット速度を生成するように変調器６が動作された際に、レーザ１の中心波長は、図3Bに示されているように時間と共に変化することが認められた。レーザ１の中心波長はその動作温度の関数であり、装置は、変調の“オン”期間中に加熱を受けると仮定される。従って、図3Aに示されている“1"ビット期間中に、変調器６からの変調信号はレーザを加熱し、それによって、（対応する波長の増加と共に）その動作周波数の減少が進む。反対に、ビット波形の“ゼロ”期間中に、変調信号がない場合、レーザ１はその動作中心周波数の対応した増加と共に冷却される。従って、動作周波数は連続した“ゼロ”および“1"ビットに周期的に増加および減少し、それに従って、RC回路が同様に時間に依存する。試験下の装置に対して、1/e時定数は22.5nsに等しかった。
図4Aにおいて、622Mビット／秒の比較的高いビット速度の変調がレーザ１に行われた際の光学出力が示されている。光学出力の波長における変化が図4Bにおいて示されている。比較的高い変調周波数は、レーザの熱時定数の逆数よりも著しく大きく、結果として、ビット期間からビット期間へと時間と共に変化するレーザの動作波長は比較的小さい（図3B参照）。次の隣接したゼロと１ビットとの間で急激な周波数の推移があり、通常過渡的チャープと呼ばれるが、これは本発明の解析には重要ではない。
本発明によれば、レーザの光学中心周波数のビット速度への依存は、可干渉性でないビート雑音の、受信器３のベースバンド外の周波数への再分配を最大にするために使用されることができ、それによって、帯域内の内容を減少することができる。所定のデータ伝送ビット速度で、レーザに対する最適な熱時定数が決定されることができる。レーザソースは、その時定数が最適な値とできる限り密接に整列するように選択されるべきである。この方法において、特定の“1"ビット期間中に発生する光学中心周波数と干渉する遅延された信号の中心周波数との間の周波数の差を最大にすることが可能である。（この例において、16ビット期間の遅延された信号である）。周波数の差によって、可干渉性でないビート雑音パワーを受信器３のベースバンド外の高い周波に再分配させる。
この方法で可干渉性でないビート雑音パワーのフィルタ処理を最適化するスイッチングネットワークの簡単な例が、PCT/GB92/00400の図13に示されているネットワークに基づいて、図５に関連して以下に説明される。スイッチングマトリックスは、第１および第２の行R1,R2に配置された複数の２×２のクロスバースイッチング素子S1,1…S1,7;S2,1…2,7で構成されている。ネットワークによって、入力I1,I2に与えられた連続的なタイムスロットにおいてビット列を具備している光信号が選択的にスイッチされ、タイムスロットに基づいて再整理され、選択的に出力01,02に導かれる。従って、例えば、スイッチS1,1について考えてみると、I1への入力は、行R1もしくはR2のいずれかのスイッチS1,2もしくはS2,2の入力にスイッチされることができる。反対に、スイッチS1,6およびS2,6は、行R1およびR2の間で信号をスイッチバックすることができる。各行における連続的なスイッチは、異なるタイムスロットからの信号が時間内に再整理されることができるような方法で、例えば接続C1等の直接的な光ファイバ接続によって比較的短い遅延時間で接続され、また、例えば接続C2等の長い遅延を含む接続によっても接続される。十分な説明のために、PCT/GB92/00400の記載を参照されたい。
図５において、DFBレーザ１は、スイッチングマトリックスS1の入力I1に接続された光ファイバ２に光学ビット流を供給する。出力01は、受信器３に接続される。受信器３は、典型的にフォトダイオードおよびデータビット流のベースバンドに同調された関連したローパスフィルタを備えている。
次に、レーザ２によって生成されるビット流について考えると、ビット流を受信器３にスイッチすることが所望されたときに、スイッチング素子S1,1…S1,7 S2,S4,は、矢印20によって図示されているように、信号のための主要な直線的通路を設けるように設定される。加えて、クロスオーバーは種々のチャンネル間で完全に分離することはないという事実のために、点線21で示されている第２の長い通路によって概略的に図示されている漏話がレーザ１と受信器３との間で生じる。従って、ビット流の遅延された減衰されたバージョンが付加的に受信器３に到達し、その信号と主通路20における信号とが干渉する。
変調されたビット流を生成するために、レーザ１はソース５によってバイアスされ、図１に関して説明されたのと同じ方法で変調器６によって直接変調される。本発明によれば、レーザ１は、システムを通して伝送するために特定化されるビット速度のために、可干渉性でないビート雑音パワーの抑制を最適化する熱時定数を有するように選択され、その結果、受信器３によって受信されたベースバンド信号における可干渉性でないビート雑音パワーは最小にされる。所定のデータ伝送ビット速度に対して、レーザの最適な熱時定数が決定される。レーザソースは、その熱時定数が最適な値のできる限り近くに整列するように選択されなければならない。この方法において、特定の“1"ビット期間中に発生する中心光学周波数と、干渉する遅延された信号に対して生じる中心光学周波数（この例において、16ビット期間の遅延された信号）との間の周波数の差を最大にすることが可能である。この周波数の差によって、受信器３のベースバンド外の高い周波に可干渉性でないビート雑音パワーを再分配させることができる。
受信器３は、データのベースバンドに密接に対応する帯域幅を有するように同調され、それによって、高い周波数にシフトされる可干渉性でないビート雑音パワーは検出されず、従って、受信器によって検出される信号において雑音が減少する。
実験において、リッジおよび埋設ヘテロ構造の両方の構成のバルクおよび多重量子ウェル（MQW）材料の両方から作られ、ｐ側が上方およびｐ側が下方の両方に設けられた６個のDFBレーザチップは、レーザ熱パラメータのレーザ構造に対する依存に関して検査される。全てのレーザはRC状の周波数変化をビット期間の関数として示すが、熱パラメータはｐ側が上方の埋設されたヘテロ構造DFBとして構成されたレーザにおいて最も好ましいものである。時定数は、全ての場合において約35nsである。一般的に、ｐ側が上方のものに設けられたレーザは、そのｐ側が下方の対応物よりも大きい周波数の変化を示す。
レーザソースは大きい変調深さで駆動されなければならず、これによって、ゼロと１ビットとの間の温度差が最大になり、さらに、干渉する１ビットの間の温度差が最大になる。すなわち、レーザはしきい値またはそれ以下にバイアスされなければならない。可干渉性でない雑音に加えて分散によって制限されたネットワークにおいて、しきい値以上でバイアスするという妥協によって、過渡的なチャ−プ振動の緩和が制動され、また、大きい変調深さが維持されなければならない。
再び図５を参照すると、ビットの光周波数に時間変化を誘起する別の方法において位相変調器が使用される。これは、スイッチングネットワークの第２の入力I2に接続された例によって示されている。概略的に示されたレーザソース22からのビット変調された光学信号流は、位相変調器23を通してレーザソース22の外部に供給され、それによって、“1"ビット間で周波数が変化される。
図２において生成された波形の例は、以下において図６に関連して説明される。図6Aにおいて、図6Bに示されているような変調されたビット流に応答した、レーザの中心周波数に対する計算された周波数の変化が示されている。数学的に、雑音のシーケンス依存性はレーザチップの変調歴およびそのレーザ周波数への影響を考慮することによって理解される。レーザ周波数に関する限り、レーザは、その入力および出力がそれぞれレーザ駆動電流およびレーザ光周波数である線形の１次システムによってモデル化されている。線形のシステムそれ自体は、“抵抗”によって分路された“キャパシタンス”で構成されていると仮定され、以下の式で説明される。
入力電流 Ｃ∝（df/dt＋f/RC）
ここにおいて、ｆは光の周波数であり、
Ｃは“キャパシタンス”であり、
Ｒは“抵抗”であり、
ｔは時間である。
図6Aにおける実線は直線的な信号通路に対する信号流に対応しているが、破線は漏話信号21に対応する。この例において、漏話信号は、16ビット期間だけ遅延される。図6Cにおいて、図6Aに示された２つの信号の間の波長の差が示されている。図6Bにおける星印は、可干渉性でないビート雑音パワーが受信器の帯域幅によって定められたベースバンド内にあると推測される位置を示している。しかしながら、図2Aと比較して、可干渉性でないビート雑音パワーは、本発明の手段によってビット流におけるビット期間の大半の間に帯域外に分配され、それによって、雑音が著しく減少する。
前述の説明から、所定のビット期間の間に光学ソースの可干渉性時間が減少された場合、可干渉性でないビート雑音パワーはベースバンドから高い周波に再分配され、それによって、帯域内の内容は減少される。
この現象を利用する別の試みは、伝送されたデータを適切にコード化することである。例えば、伝送されたビット流における連続した１もしくは０の数は予め定められた数に制限されることができ、その数以下で、結果的な熱効果によって飽和温度が生成される。その代わりに、データビットはもっと長いシーケンスに符号化されてもよい。

Claims (5)

1. 周波数ベースバンドを検出する受信器に、 所定の中心周波数を有する光ソースによる連続的なビッ ト期間中に、データがビット流として伝送される光学ネットワークにおける干渉雑音を減少する方法であって、雑音パワーがベースバンドからより高い周波に再分配されるように時間と共にソースの中心周波数を変化させ、それによってベースバンドにおける雑音を減少させるス テップを含み、
   データビットが予め定められた値であるときに、中心周 波数はビット期間中に予め定められた方向に実質的に一定方向に次第に変化することを特徴とする方法。
2. 中心周波数は、データビットが第１の値であるときに、ビット期間中に第１の方向に実質的に一定方向に次第に変化し、データビットが第２の異なる値であるときに、ビット期間中に第２の反対方向に変化する請求項１記載の方法。
3. ソースはレーザを具備し、ビットはレーザを変調することによって決定され、そして
   レーザの周波数は、レーザの強度が比較的高い強度にな るように変調された場合にビット期間中に第１の方向に 次第に変化し、そして中心周波数はレーザの強度が比較 的低い強度になるように変調された期間中に第２の反対 方向に変化する請求項１または２記載の方法。
4. 連続的なビット期間中にネットワークを通してデータをビット流として伝送するように動作可能である所定の中心周波数を有する光ソースと、
   周波数ベースバンドを検出する受信器と、
   干渉雑音パワーをベースバンドからより高い周波に再分配するようにソースの中心周波数を変化させ、それによって、ベースバンドにおける雑音を減少させる手段とを 含む干渉雑音が減少された光学ネットワークであって、
   データビットが予め定められた値であるときに、中心周波数はビット期間中に予め定められた方向に実質的に一定方向に次第に変化することを特徴とする光学ネットワーク。
5. 信号通路のための主通路および減衰され遅延された信号のための補助的な通路が受信器に伝送されるデータのために設けられ、それによって、所定のビット期間中に発生する主通路からの光の放射が先行するビット期間からの遅延された放射によって干渉を受け、また、干渉ビット期間中に中心周波数間の周波数の差を最大にするようにデータをコード化するコード化手段を含んでいる請求項４記載の光学ネットワーク。

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