JP3662723B2 - 光通信ネットワークを操作する方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信ネットワークに関し、特にこのようなネットワークのリンクに採用される増幅器チェーン（増幅器列）の全体的動作特性におけるゲインをダイナミックに制御するシステムと方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバの情報容量の劇的な増加は、適宜に離間したピーク放射波長を有する複数の異なった光ソースから同一の光ファイバを介して光信号を同時に送信することにより達成された。異なるピーク波長でもって各光ソースを走査することにより各光ソースからの独自のメッセージの完全性が保持され、そしてその後受信端で電気信号に変換される。この技術は波長分割多重化（wavelength division multiplexing（ＷＤＭ））の基本となっている。
【０００３】
波長切り換え光ネットワークは、現在の電気信号ネットワークよりも低コストで高容量のネットワークを提供できる。この光ネットワークのノードと再生器内の光学増幅器には、異なるルートにいく複数の信号チャネルが通過する。例えば稀土類元素をドープした光ファイバ増幅器（例、エルビウムドープ光ファイバ増幅器−ＥＤＦＡ）のような光学増幅器においては、増幅された自然放射（amplified spontaneous emission（ＡＳＥ））がノイズの主要源である。
【０００４】
ＡＳＥは、コヒーレントな光の自然放射から光増幅器の幅広いゲインバンド幅に亘って生成され、この光増幅器のランダムなノイズ成分となる。伝送用ファイバ内の信号パワーが高すぎる場合には、励起ブリリアン散乱（Stimulated Brillouin Scattering −ＳＢＳ）のような光学非線形性が発生し、さらにノイズが導入されることにより信号が劣化する。波長領域においては、波長λ₁ で動作するデータチャネルにより導入される利得飽和が、波長λ₂ の別のデータチャネルのレベル変化を引き起こす。
【０００５】
光学増幅システムにおいては、上記のノイズソース（源）は、増幅器動作範囲に対し、２種類の制限を課すことになる。低入力信号レベルにおいては増幅器のランダムノイズ寄与分であるＡＳＥが、ビットエラー（信号−自然ビートノイズ）を引き起こし、一方高入力信号レベルにおいては伝送用ファイバの非線形性が、ノイズを増加させて性能を劣化させる。
【０００６】
かくして送信データストリーム中の変動（これは１つあるいは複数の波長チャネルが追加される際あるいは取り出される際に発生する）は、多重波長ネットワーク内のサービスの信頼性と品質に対し、大きな影響を有する。例えば、ＥＤＦＡを通過する複数のチャネルは、ネットワークの再構成の結果として、あるいはチャネルの一部を遮断するような誤動作の結果として突然に変化する。
【０００７】
ネットワーク内のこのように影響された光増幅器内の交差飽和（Cross saturation）は、残りのチャネルのパワー変動を引き起こし、ネットワーク内の増幅器の数に比例して速度を変化させ、大きなネットワークにおいては、残りのチャネルのパワー変動は大きくそして長引くことになる。これらのパワーレベルが光学非線形性のしきい値を越えた場合、あるいはパワーレベルが低くなりすぎて十分なアイ開口（eye opening） を保持できない場合には、光増幅器を通過する残りのチャネルはエラーバーストを受けることになる。
【０００８】
例えばＥＤＦＡのような稀土類元素をドーピングした光ファイバ増幅器における利得媒体は、長い励起状態寿命、即ち緩和時間を有し、このためより大きな飽和エネルギを見込んでおり、このため高速データパルス（１ｎｓ）に応答して飽和状態を示さないものと見なされる。実際報告されるとことろによれば、個々の増幅器内の利得飽和と再生の過渡的影響は１００μ秒から１ｍ秒の時間スケールで発生する。［これに関しては、Desurvire et al. 著の Erbium Doped Fiber Amplifiers, p.412 (1994) を参照のこと。］
【０００９】
しかし本発明者は、ＥＤＦＡのチェーン（連鎖）内のゲインのダイナミック性（変化の速さ）は、これよりも２桁程度早く、大規模な波長ルーティングネットワークにおいては３桁以上の高速のゲインのダイナミック性があるものと予測している。これら増幅器チェーンの高速過渡特性は、多重波長光学ネットワークの設計およびその規模に対し、最終的には制限を与えることになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、光学ネットワークに採用される、それぞれの波長チャネルにおけるパワーレベルの変動や、あるいは時分割多重チャネルの場合には個々のタイムスロットの変動にもかかわらず信頼性よく制御できる増幅器を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、リンク毎のベースで波長ルーティングネットワークの構成要素（network elements（ＮＥ））の間のリンク内で、残りのチャネル（surviving channel）を保護するシステムと方法を提供するものである。本発明によれば、光学制御チャネルがリンク内の複数の光学増幅器の前に追加される。ダウンストリームリンクの不適切な負荷を阻止するために、この制御チャネルが次の波長ルーティングネットワーク構成要素で取り去られる。
【００１２】
制御チャネルのパワーは、高速フィードバック回路を用いて自動的に調節され、第１増幅器の入力点の信号チャネルと制御チャネルの全パワーを一定に保持する。かくしてリンク内の全ての光学増幅器のチャネル負荷がほぼ一定に保持され、チャネルがネットワーク故障あるいはネットワーク再構成の結果、追加されたり取り除かれたりする際に発生するエラーバーストの発生を低減する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の大規模光通信ネットワーク１０を示す。同図において大規模光通信ネットワーク１０は、波長分割多重化（ＷＤＭ）ネットワークとして示されているが、これは単なる一実施例であり、時分割多重化（ＴＤＭ）ネットワークのような他の多重化光学ネットワークにも本発明は適用できるものである。
【００１４】
同図において、波長分割多重化データは、複数のネットワークルーティング構成要素（例、交差接続交換器（ＸＣ））の間の複数の波長即ちチャネル上を伝送される。そしてこれらのネットワークルーティング構成要素は、大規模光通信ネットワーク１０全体に分配され、光ファイバリンクにより接続されている。大規模光通信ネットワーク１０のような光通信ネットワークは、このような数百ものネットワークルーティング構成要素を含むが、同図にはそのうち３個の交換器１２ａ，１２ｂ，１２ｃのみを示している。
【００１５】
図１において、例えば交差接続スイッチ１２ａと１２ｃとを接続するリンク１４である一対のネットワーク構成要素間の光ファイバリンクは、複数の光増幅器１６ａ〜１６ｎを有している。リンクに沿って配置された光学増幅器の種類とその間隔は、伝送用に用いられる波長バンドに依存している。例えば通信用の波長バンドは、その中心波長が１５５０ｎｍである。稀土類元素をドーピングした光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）のゲインプロファイルは、この波長（１５５０ｎｍ）に最も適したものと認められており、増幅器間の４０ｋｍの距離がリンク１４のような光ファイバリンクに対しては最も適したものと考えられている。
【００１６】
本発明によれば、大規模光通信ネットワーク１０のリンク１４に用いられているエルビウムドープの光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）のような一連の光学増幅器のゲインダイナミックは、１個の増幅器のゲインダイナミックよりも最大数桁程度まで高速である。さらにリンク内の増幅器の全てに対し入力パワーを一定に保持する技術を用いて、１つあるいは複数の波長チャネルが突然取り除かれたり、あるいは追加されたりするような場合（これはシステムの再構成あるいはシステム故障が発生した場合に起こる）、リングに沿って依然として伝送される生き残った残りのチャネルに対し、信頼性あるサービスを継続することができる。
【００１７】
図１に示した本発明の一実施例においては、本発明によるリンク制御は、パワータップ１８と光ディテクタ２０と制御回路２２を有するフィードバック構成により実現される。そしてこのフィードバック構成は、光ディテクタ２０により検出された伝送パワーレベルの変動を、出力エラー信号を調整することによりそして光ソース２４（例、半導体レーザ）の出力パワーレベルを制御し、そして光学増幅器のゲインバンド内の波長λ_c における制御信号を出力することにより応答するものである。このようにして生成された制御チャネルλ_c が、波長選択性カプラ２６によりリンク内に戻される。
【００１８】
制御チャネルのパワーレベルを制御することにより、あるリンク内の光学増幅器の一部あるいは全てに供給される光学信号のパワーレベルを維持することができる（制御チャネルが導入される場所に依存して）。図１の実施例においては、フィードバック制御回路（２０，２２，２４）が、第１増幅器１６ａの前に導入され、その結果光学増幅器の全てへの光パワー入力がほぼ一定レベルに維持される。
【００１９】
好ましくはこの制御チャネルは、次の波長ルーティングネットワーク構成要素（図１では光増幅器１６ｎ）で取り除かれて、下流方向リンクへの不適切な負荷となるのを阻止する。これは別のフィルタを追加することにより、あるいはネットワーク構成要素内に共通に配置されたディマルチプレクサのフィルタ動作の副産物として容易に実行できる。この構成の利点として波長ルーティングネットワーク構成要素間の増幅器は、制御がリンクバイリンクベースで処理されるので特別な制御回路あるいは修正を必要としない。
【００２０】
リンク制御の生き残ったチャネルパワー保護の実験設備例を図２に示す。ＭＯＮＥＴチャネル波長に同調された７個の可調レーザの出力が結合され、そのうち５個のレーザ出力が溶融ファイバカプラを介し、他の２個のレーザ出力は、第２カプラを介して出力され、そして各々のグループが増幅された。５個のレーザの出力は、音響光学変調器を通過して、損失とこれらのチャネルの追加をシミュレートし、その後２×２のカプラ内で他の対と結合された。このチャネルは２．５Ｇｂ／秒でもって変調された。
【００２１】
リンク制御チャネル（λ_c ＝１５５４ｎｍ）がリンク内の第１増幅器の前でサーキュレータとブラググレーティングを用いて追加された。全てのチャネルが存在するときの信号チャネルと制御チャネルを示すスペクトラムを図３に示す。実際のシステムにおいては、グレーティングブラグ波長は、信号チャネルのバンドの外側近傍にあるよう選択され、それにより信号チャネルの完全なコンプリメントが利用できるようになる。
【００２２】
信号チャネルと制御チャネルの全パワーの一部が取り出され検出される。高速フィードバック回路を用いて全パワーを一定に維持するためにライン制御チャネルのパワーを調整する。その後信号チャネルと制御チャネルは、全長が５６０ｋｍの標準のシングルモードファイバの７個の増幅区間を伝播し、そしてバンドパスフィルタを通過してチャネル７を選択した。そしてそのビットエラーレートを測定した。
【００２３】
７つのチャネルが送信されている間およびチャネル１，２，３，５，７，８の６つのチャネルが送信されている間測定が実行された。１，２，３，５，８番目のチャネルが１ＫＨｚ（図４）の周波数でもってオンオフで変調され、残りのチャネル７が、導入された交差飽和に起因して７チャネル伝送（２個の残ったチャネル）に対しては２ｄＢを越える損失を、そして６チャネル伝送（１個の生き残ったチャネル）に対しては３ｄＢを越える損失を受けた。
【００２４】
最後にリンクを通してパワーを一定に維持するために、制御チャネルが動作した状態で測定を実行した。この測定結果を図５に示す。制御しなかった場合には、チャネル７は、大きなパワー変動を被り、これにより伝送ファイバ内の光学非線形性に起因するＢＥＲ性能を劣化させた。一方、本発明による高速リンク制御がある場合にはパワー変動は緩和された。
【００２５】
図２の実験装置で用いられたフィードバック回路は、４μｓ後のパワー増加を制限し、より高速な回路は、パワー変動を制限し、さらにより効率的に制限すると思われる。本発明の制御回路が存在する場合でもチャネル７の保護は成功し（図４参照）、損失は１ｄＢの数十パーセントまで低減され、エラーが消滅した。
【００２６】
本発明のリンク制御技術は高速であり、チャネル負荷の変動はリンクの全パワーの変動になり、チャネル出力パワー，（ＥＤＦＡネットワークの変動よりも遥かに遅い）個々のＥＤＦＡのゲインあるいはＡＳＥよりも遥かに遅い変動を検出する系よりもより高速の保護と応答が可能となる。増幅器毎のベースではなくリンク毎のベースで修正を実行することにより、必要なハードウェアが単純化され、ネットワークのＥＤＦＡの複雑さが増加することなくさらにまた波長ルーティングネットワークのアーキテクチャにより適したものとなる。
【００２７】
本発明によるリンク制御の利点は、信号チャネルの情報コンテンツから生じる全パワーの変動を打ち消すことができる点である。長い一連の増幅器の高速過渡応答は、単一の増幅器に対し発生するよりも遥かに高い周波数まで（大規模ネットワークに対しては１０ＭＨｚの高周波数まで）増幅器チェーン内の交差飽和に起因するクロストークとなる。
【００２８】
本発明のリンク制御チャネルは、交差飽和が発生するような周波数範囲に対して、全パワーの変調を削除することにより、このクロストークを削除している。本発明の他の利点は、チャネル負荷の変動の検出と，フィードバック回路によってのみ制限される速度の検出が可能となり、そしてより少ないハードウェアでもって実現でき、低周波数チャネルパワー変動の削除が可能で、増幅器に対し変更を加えることがない点である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、光学ネットワークに採用される、それぞれの波長チャネルにおけるパワーレベルの変動や、あるいは時分割多重チャネルの場合には個々のタイムスロットの変動にもかかわらず信頼性よく制御できる増幅器を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一連の光学増幅器列とリンク制御を用いた光ネットワークの一部を表すブロック図
【図２】本発明によるリンク制御の有効性を評価する検査試験装置を表すブロック図
【図３】図２の検査試験装置内のリンク制御パワータップで得られた波長チャネルスペクトラムを表す図
【図４】６個あるいは７個の多重波長チャネルが図２の検査試験装置内に用いられた５６０ｋｍの伝送区間に亘って伝送された際の本発明によるリンク制御を有する場合と有しない場合のビットエラーレートの比較を表すグラフ
【図５】前記のテスト伝送区間に亘って一定のパワーを維持するために制御チャネルを有する場合と有しない場合の残りの波長チャネル内で観測されたパワー変動の比較を表す図
【符号の説明】
１０ 大規模光通信ネットワーク
１２ 交差接続スイッチ
１４ リンク
１６ 光増幅器
１８ パワータップ
２０ 光ディテクタ
２２ 制御回路
２４ 光ソース
２６ 波長選択性カプラ

Claims (15)

1. 入力端末と出力端末とを有する光通信パスと、前記光通信パスに沿って配置された複数の光学増幅器とを含む光通信ネットワークを操作する方法であって、
   前記光通信ネットワークの光通信パスに沿って、複数の多重化光学信号チャネルを伝送する伝送ステップと、
   前記光学増幅器のゲインバンド内の波長である光学制御チャネルを、前記複数の光学増幅器の上流側で前記光通信パスに導入する導入ステップと、
   前記複数の光学増幅器の上流側における前記多重化光学信号チャネルの少なくとも１つのパワーの変化に応動して、前記光学制御チャネルのパワーレベルを調整する調整ステップと、
   前記光通信ネットワークの下流方向リンクへの不適切な負荷を防止するために、前記複数の光学増幅器の下流側で前記光学制御チャネルを取り除くステップとからなることを特徴とする方法。
2. 前記光学制御チャネルは前記通信パス内の少なくとも２個の光学増幅器を通過し、そして前記光学増幅器の少なくとも一部は稀土類元素をドープした光ファイバ増幅器であることを特徴とする請求項１の方法。
3. 前記調整ステップは、全ての光信号チャネル内の全信号パワーレベルをモニタするステップを含み、そして波長分割多重化信号が前記伝送ステップの間送信されることを特徴とする請求項１の方法。
4. 時分割多重化信号が前記伝送ステップの間伝送されることを特徴とする請求項１の方法。
5. 前記光通信ネットワークの入力端末と出力端末との間に前記通信パスを確立するために、第１チャネルルーティング構成要素から第２チャネルルーティング構成要素に前記光信号チャネルの少なくとも１つを選択的にルーティングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１の方法。
6. 前記光通信ネットワークの入力端末と出力端末との間に前記通信パスを確立するために、少なくとも１つのチャネルルーティング構成要素を用いて前記光信号チャネルの少なくとも１つを選択的にルーティングするステップを含み、
   前記チャネルルーティング構成要素は、固定あるいは再構成可能な波長選択性交差接続装置と、固定あるいは再構成可能な波長追加／取り除きマルチプレクサと、固定あるいは再構成可能な波長ルータと、固定あるいは再構成可能な波長交換交差接続装置からなるグループから選択された要素であることを特徴とする請求項１の方法。
7. 前記調整ステップは、ネットワークの再構成あるいはネットワーク故障の結果、光学信号チャネルが追加されるかあるいは取り除かれたときに実行されることを特徴とする請求項１の方法。
8. 入力端末と出力端末とを有する光通信パスと、前記光通信パスに沿って配置される複数の光学増幅器とを含む光通信ネットワークであって、
   前記光通信ネットワークの光通信パスに沿って、複数の多重化光学信号チャネルを伝送する伝送手段と、
   前記光学増幅器のゲインバンド内の波長である光学制御チャネルを、前記複数の光学増幅器の上流側で前記光通信パスに導入する導入手段と、
   前記複数の光学増幅器の上流側における前記多重化光学信号チャネルの少なくとも１つ のパワーの変化に応動して、前記光学制御チャネルのパワーレベルを調整する調整手段と、
   前記光通信ネットワークの下流方向リンクへの不適切な負荷を防止するために、前記複数の光学増幅器の下流側で前記光学制御チャネルを取り除く手段とからなることを特徴とする光通信ネットワーク。
9. 前記光学制御チャネルは前記通信パス内の少なくとも２個の光学増幅器を通過し、そして前記光学増幅器の少なくとも一部は、稀土類元素をドープした光ファイバ増幅器であることを特徴とする請求項８のネットワーク。
10. 前記調整手段は全ての光信号チャネル内の全信号パワーレベルをモニタし、
    前記伝送手段は前記光学通信パスを介して波長分割多重化信号を送信することを特徴とする請求項８のネットワーク。
11. 前記伝送手段は前記光学通信パスを介して時分割多重化信号を送信することを特徴とする請求項８のネットワーク。
12. 第１チャネルルーティング構成要素と第２チャネルルーティング構成要素をさらに有し、
    前記第１チャネルルーティング要素は、前記光通信ネットワークの入力端末と出力端末との間に前記通信パスを確立するために、少なくとも１つの前記光信号チャネルを第２チャネルルーティング構成要素にルーティングすることを特徴とする請求項８のネットワーク。
13. 前記光通信ネットワークの入力端末と出力端末との間に前記通信パスを確立するために、少なくとも１つの前記光学信号チャネルをルーティングする少なくとも１つのチャネルルーティング構成要素をさらに有し、
    前記チャネルルーティング構成要素は、固定あるいは再構成可能な波長選択性交差接続装置と、固定あるいは再構成可能な波長追加／取り除きマルチプレクサと、固定あるいは再構成可能な波長ルータと、固定あるいは再構成可能な波長交換交差接続装置からなるグループから選択された要素であることを特徴とする請求項８のネットワーク。
14. 光学通信パスに沿って配置された複数の光学増幅器を制御する装置であって、
    前記光学増幅器のゲインバンド内の波長である光学制御チャネルを、前記複数の光学増幅器の上流側で前記光通信パスに導入する手段と、
    前記複数の光学増幅器の上流側における、前記光学通信パスに沿って伝送される少なくとも１つの信号チャネルのパワーの変化に応動して、前記光学制御チャネルのパワーレベルを調整する手段と、
    前記光通信ネットワークの下流方向リンクへの不適切な負荷を防止するために、前記複数の光学増幅器の下流側で前記光学制御チャネルを取り除く手段とからなることを特徴とする装置。
15. 固定あるいは再構成可能な波長選択性交差接続装置と、固定あるいは再構成可能な波長追加／取り出しマルチプレクサと、固定あるいは再構成可能な波長ルータと、固定あるいは再構成可能な波長交換交差接続装置からなるグループから選択されたチャネルルーティング構成要素をさらに含むことを特徴とする請求項１４の装置。

Images