JP3740058B2

JP3740058B2 - 双方向光増幅中継器

Info

Publication number: JP3740058B2
Application number: JP2001393635A
Authority: JP
Inventors: 正豊角田; 勉久保
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: JP2003198483A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一本の伝送路で上り及び下り双方向の光信号伝送を行う双方向光伝送技術に使用するための光増幅中継器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
双方向光増幅伝送方式は上り及び下りの光信号が光ファイバ及び光増幅器を共用できるので、通常の単一方向光増幅伝送方式に比べシステムの経済化が可能である。双方向光増幅伝送方式に使用する双方向光増幅中継器として、これまで、上り・下り信号それぞれに専用の波長域を設定するタイプ（参考文献：IEE ，Electronics Letters ，vol.33，No.23 ，pp．1967−1978，1997、また、OECC'98，Paper 15Ａ２−3 ，Japan ，1998）、また、上り・下り信号で同一波長域を共有するタイプ（参考文献：IEE ，Electronics Letters ，vol.36，No.20 ，pp.1722−1724，2000）が提案されている。光増幅器の増幅帯域が有限であることを考慮すると、後者のタイプの方がより多くの波長信号数を持つ波長多重光の伝送が可能であり、双方向伝送による経済化効果が大きくなる。
【０００３】
後者のタイプの双方向光増幅中継器の構成例を図１に示す。本構成の基本構成要素は、単一方向光増幅器３と４個のポートを持つマッハツェンダ型合分波器２である。このマッハツェンダ型合分波器２は、一定の波長間隔で並べられた光信号からなる波長多重光が第一ポートに入力した時、偶数番目の光信号を第三ポートに、奇数番目の光信号を第四ポートに出力し、波長多重光が第二ポートに入力した時、偶数番目の光信号を第四ポートに、奇数番目の光信号を第三ポートに出力するような合分波特性を有している。単一方向光増幅器３は光アイソレータを内蔵しており、本例では、合分波器２の第三ポートから第四ポートに伝播する光信号は増幅するが、合分波器２の第四ポートから第三ポートに伝播する光信号の伝播を遮断するようになっている。
【０００４】
以下、図面で右から左に向かう方向を上り方向と定義して説明する。また、上り・下り信号として、それぞれ、偶数番波と奇数番波を使用する。伝送路１を伝播してきた上り信号（偶数番波）は、合分波器２の第一ポートに入力し、第三ポートから出力された後、単一方向光増幅器３で増幅され、合分波器２の第四ポートに入力し、第二ポートから伝送路５に出力される。一方、伝送路５を伝播してきた下り光信号（奇数番波）は合分波器２の第二ポートに入力し、第三ポートから出力された後、単一方向光増幅器３で増幅され、合分波器２の第四ポートに入力し、第一ポートから伝送路１に出力される。さて、偶数番目の光信号が伝送路５を下り方向に伝搬する場合には、この光信号は合分波器２の第二ポートに入力されるので、第四ポートから出力され、単一方向光増幅器３に反対方向から入力されるので、伝搬が遮断される。また、奇数波光信号が伝送路１に上り方向に伝搬する場合には、この光信号は合分波器２の第一ポートに入力されるので、第四ポートから出力され、単一方向光増幅器３に反対方向から入力されるので、伝搬が遮断される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
マッハツェンダ型合分波器の第一ポートから第三ポートへの光信号の通過率の波長依存性は、次式で与えられる。
Ｔ（１to３）＝10 log sin² ｛π（λ−λ₁ ）／2 Δλ｝ (1)
ここで、λは波長、λ₁ は１番目の光信号の波長、Δλは波長多重信号を構成する光信号の波長間隔である。また、第一ポートから第四ポートへの光信号の通過率の波長依存性は、次式で与えられる。
Ｔ（１to４）＝10 log cos² ｛π（λ−λ₁ ）／2 Δλ｝ (2)
図２に、第一ポートから第三ポートおよび第一ポートから第四ポートへの通過率の波長依存性を、それぞれ、実線と点線で示す。
【０００６】
図１に示した従来技術の双方向光増幅中継器では、光信号はマッハツェンダ型合分波器を２回通過するので、双方向光増幅中継器の利得の波長依存性は、上り方向が、
Ｇup＝Ｇ_o ＋20 log sin² ｛π（λ−λ₁ ）／2 Δλ｝ (3)
下り方向が、
Ｇdown＝Ｇ_o ＋20 log cos² ｛π（λ−λ₁ ）／2 Δλ｝ (4)
で与えられる。ここで、Ｇ_o は、単一方向増幅器の利得である。
図３に、従来技術の双方向光増幅中継器の上り利得と下り利得を、それぞれ、実線と点線で示す。
【０００７】
信号光（奇数番波および偶数番波）は中継器間にある伝送路によりＬ（dB）の損失を受け、また、双方向光増幅中継器よりＧ_o （dB）の利得を与えられる。Ｌ＝Ｇ_o となるように双方向光増幅中継器の利得を設定しておけば、信号光は伝送路で受けた損失を中継器で補償され、双方向伝送方式の両端にある受信器に所要の光パワーで入力され、必要な信号対雑音比を満足するように設計されている。
【０００８】
実際のシステムにおいては温度変動や経時変化により、信号光の波長が設定値から変化する。このため、光信号が双方向光増幅中継器より受ける利得は、図３に示されるようにＧ_o （dB）より小さくなり、伝送路で受けた損失を中継器で補償することができず、受信器に入力される光パワーは必要な信号対雑音比を満足する値より小さくなる。従って、従来技術の双方向光増幅中継器を用いた双方向光伝送方式では、所要の信号対雑音比を満足するためには、温度変化や経時変化に対して、非常に厳しい精度で信号光波長を所定値に保持することが求めらる。
【０００９】
従って、本発明は、温度変化や経時変化に対して、信号光波長の変動余裕度の大きな双方向光増幅中継器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、一定の波長間隔で並べられた光信号からなる波長多重光を第一ポートに入力した時、偶数番目の光信号を第三ポートに、奇数番目の光信号を第四ポートに出力し、該波長多重光を第二ポートに入力した時、偶数番目の光信号を第四ポートに、奇数番目の光信号を第三ポートに出力するような合分波特性を持つ４個のポートを持つマッハツェンダ型合分波器と、該マッハツェンダ型合分波器の第三ポートと第四ポートの間に配置され第三ポートから第四ポートに伝播する光信号を増幅する単一方向光増幅器から構成される双方向光増幅中継器において、該単一方向光増幅器と該マッハツェンダ型合分波器の第四ポートの間に損失媒体を配置し、該損失媒体の損失の波長依存性が上記波長多重光を構成する光信号と同一の波長間隔Δλで繰り返す周期性を有し、更に、各周期においての損失の波長依存性は、上記光信号の波長間隔より短い波長域δλで、光信号が上記マッハツェンダ型合分波器を２台通過した場合の通過率に等しい波長依存性を有している構成とした。
【００１１】
上記損失媒体は次式で表される損失波長依存性を有している。

上記損失媒体による損失Ｌc の損失波長依存性を図４に示す。
【００１２】
本発明の双方向光増幅中継器の利得の波長依存性を図５に示す。Ｇ_o −Ｌ_c が中継器間伝送路損失Ｌと等しくなるように単方向増幅器の利得Ｇ_o を設定しておけば、信号光は伝送路で受けた損失を中継器で補償され、双方向伝送方式の両端にある受信器に所要の光パワーで入力され、必要な信号対雑音比を満足することができる。図５に示されるように、本発明の中継器は、ある波長範囲δλに亘って波長に対して平坦な利得Ｇ_o −Ｌ_c を有しているので、信号光の波長が±δλ／2 変動しても、中継器より信号光が受ける利得は変化せず、受信器での信号対雑音比を所要のレベルに保持することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図６に示す。本例では、一定の波長間隔で並べられた光信号からなる波長多重光を使用し、上り方向の情報伝送には偶数番目の波長信号が、また、下り方向の情報伝送には奇数番目の波長信号が、割り当てられている。伝送路１を上り方向（図面では右から左方向）に伝播してきた光信号（偶数番波長）は、マッハツェンダ型合分波器２の第一ポートに入力し、第三ポートから出力された後、単一方向光増幅器３で増幅され、次に、損失媒体４で特定の損失を受けた後、合分波器２の第四ポートに入力し、第二ポートから伝送路５に入力され上り方向に伝播していく。一方、伝送路５を伝播してきた下り光信号（奇数番波長）はマッハツェンダ型合分波器２の第二ポートに入力し、第三ポートから出力された後、単一方向光増幅器３で増幅され、次に、損失媒体４で特定の損失を受けた後、合分波器２の第四ポートに入力し、第一ポートから伝送路１に入力され下り方向に伝播していく。
【００１４】
単一方向光増幅器３の利得は、波長依存性を殆ど持っておらず、使用している波長多重光の波長範囲では、ほぼ一定のＧ_o である。マッハツェンダ型合分波器２の通過特性は、第一ポートから第三ポート（あるいは第二ポートから第四ポート）の場合は、式(1) で表され、また、第一ポートから第四ポート（あるいは第二ポートから第三ポート）の場合は、式(2) で表される。また、損失媒体４の損失の波長依存性は、式(5) 〜式(8) で与えられる。尚、単一方向光増幅器として、希土類元素をドープされる光ファイバ増幅器、半導体光増幅器、ラマン増幅器の各種の光増幅器と光アイソレータとの組み合せを用いることができる。
【００１５】
マッハツェンダ型合分波器２が式(1) と式(2) の通過特性、損失媒体４の損失が式(5) 〜式(8) の波長依存性を有しているので、本発明の双方向光増幅中継器を通過する時、上り信号光（偶数番波長光）と下り信号光（奇数番波長光）は、それぞれ、図５の実線と点線で表示される波長依存性を持つ利得を本発明の中継器から受ける。単一方向光増幅器３の利得Ｇ_o は、本発明の中継器間の伝送路損失をＬとすると、Ｌ＝Ｇ_o −Ｌ_c となるように調整されている。ここで、損失媒体による損失Ｌ_c は式(8) で与えられる値である。
【００１６】
図５で示されるように、本発明の双方向光増幅中継器を通過する波長多重信号（構成する光信号の波長λ_i ，（i ＝１，２，３，--- ））は、λ_i −δ／2 からλ_i ＋δ／2 の波長域では、Ｇ_o −Ｌ_c の利得を得る。従って、光信号の波長が変動しても変動幅が±δ／2 の範囲であれば、伝送路損失に等しい利得を得る。即ち、伝送路で受けた損失を中継器が補償するので、光信号は要求される信号対雑音比を満足するのに必要な光パワーを持って受信器に入力される。
【００１７】
損失媒体４の具体的な構成例を図７に示す。本例の損失媒体４は、基本周期の異なる４種のマッハツェンダ干渉器６、７、８、及び９を伝送路に沿って直列に接続した構成とする。マッハツェンダ干渉器６の基本周期を、増幅すべき波長多重光の光信号の波長間隔の繰返し周期であるΔλとし、マッハツェンダ干渉器７の基本周期をΔλ／２とし、マッハツェンダ干渉器８の基本周期をΔλ／４とし、マッハツェンダ干渉器９の基本周期はΔλ／８とする。すなわち、各マッハツェンダ干渉器６、７、８、及び９の損失の基本周期は、Δλ／２ⁱ とする。但し、ｉ＝０，１，２，３とする。
【００１８】
ところで、周期Δλを有する任意の周期関数Ｆ（ｘ）は、有限個のフーリェ級数
【外１】

の和で近似できる。ここで、
【数１】

となる。従って、（５）式で表される周期Δλを有する周期関数Ｌa ＝Σｆn （λ）も、（９）式のフーリェ級数による次式のように近似表示ができる。
【数２】

基本周期がΔλ／ｎであるマッハツェンダ干渉器はその損失の波長依存性が、（９）式で与えられるので、（１０）式より、周期Δλを有する周期関数Ｌa で表わされる損失波長依存性を有する損失媒体又は損失手段は、基本周期がΔλ／ｎであるマッハツェンダ干渉器を直列に接続することにより実現が可能である。
【００１９】
図８(a),(b),(c) 及び(d) にマッハツェンダ干渉器６、７、８及び９の損失波長依存性を示す。尚、図８は周期２Δλ部分のみを表示しているが、本図で示されている依存性が周期Δλで繰り返される。図８(e) は、マッハツェンダ干渉器６、７、８及び９を伝送路に沿って直列に接続した損失媒体すなわち損失手段の波長依存性を示す。この損失手段の損失波長依存性は図４に示す損失の波長依存性にほぼ対応している。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の双方向光増幅中継器は、温度変化や経時変化等で信号光の波長が少々変動しても、伝送路で受けた損失に等しい利得を信号光に与えることできる。言い換えると、信号光に要求される波長精度の余裕度が大きな双方向光増幅中継器の実現が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の双方向光増幅中継器の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の構成要素であるマッハツェンダ型合分波器の通過特性を示す図である。
【図３】従来技術の双方向光増幅中継器の利得の波長依存性を示す図である。
【図４】本発明の構成要素である損失媒体の損失の波長依存性を示す図である。
【図５】本発明の双方向光増幅中継器の利得の波長依存性を示す図である。
【図６】本発明の双方向光増幅中継器の構成例を示すブロック図である。
【図７】本発明による損失媒体の一例の構成を示す線図である。
【図８】図７に示す損失媒体及びその構成要素である干渉器の損失波長依存性を示す図である。
【符号の説明】
１，５伝送路
２マッハツェンダ型合分波器
３単一方向増幅器
４損失媒体

Claims

４個のポートを有し、一定の波長間隔で並べられた光信号からなる波長多重光が第一ポートに入力した時、偶数番目の光信号を第三ポートに出力し、奇数番目の光信号を第四ポートに出力し、該波長多重光が第二ポートに入力した時、偶数番目の光信号を第四ポートに出力し、奇数番目の光信号を第三ポートに出力する合分波特性を持つマッハツェンダ型合分波器と、前記マッハツェンダ型合分波器の第三ポートと第四ポートとの間に配置され、第三ポートから第四ポートに伝播する光信号を増幅する単一方向光増幅器とを具える双方向光増幅中継器において、
前記マッハツェンダ型合分波器の第三ポートと第四ポートとの間に、前記単一方向光増幅器に直列に配置され、入力する光信号に損失を与える損失手段を有し、
該損失手段による損失の波長依存性が、前記波長多重光を構成する光信号の波長間隔の周期性とほぼ同一の周期性を有し、さらに、各周期における損失の波長依存性は、上記光信号の波長間隔より短い波長域で、光信号が上記マッハツェンダ型合分波器を２回通過した場合の通過率とほぼ対応する波長依存性を有していることを特徴とする双方向光増幅中継器。
４個のポートを有し、一定の波長間隔Δλで並べられた光信号からなる波長多重光が第一ポートに入力した時、偶数番目の光信号を第三ポートに出力し、奇数番目の光信号を第四ポートに出力し、該波長多重光が第二ポートに入力した時、偶数番目の光信号を第四ポートに出力し、奇数番目の光信号を第三ポートに出力する合分波特性を持つマッハツェンダ型合分波器と、前記マッハツェンダ型合分波器の第三ポートと第四ポートとの間に配置され、第三ポートから第四ポートに伝播する光信号を増幅する単一方向光増幅器とを具える双方向光増幅中継器において、
前記マッハツェンダ型合分波器の第三ポートと第四ポートとの間に前記単一方向光増幅器に直列に配置され、ｉ＝０，１，２，３^....ｎとした場合に、損失の基本周期がΔλ／２ⁱ で表される直列接続したｎ個のマッハツェンダ干渉器を有することを特徴とする双方向増幅中継器。