JP3756354B2

JP3756354B2 - 波長多重伝送システム

Info

Publication number: JP3756354B2
Application number: JP20407299A
Authority: JP
Inventors: 明秀佐野; 宮本　　裕; 昭一郎桑原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-07-19
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2019-07-19
Also published as: JP2001036468A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長距離波長多重光伝送システムに関し、特に、伝送ファイバ入力パワーを増大せしめて、誤り率の低い高品質伝送システムを実現することが可能であり、また、中継器間隔を延長して経済的に構築することのできる波長多重伝送システムに係る。
【０００２】
【従来の技術】
長距離光伝送システムでは近年、多波長を同時に増幅できる広帯域の光増幅器の出現により、波長分割多重方式を用いた大容量伝送システムが実現されている。波長多重伝送システムの更なる大容量化、低コスト化、保守運用面での簡素化を図るためには、
【０００３】
（１）伝送路の間に用いられる線形光中継器の間隔を拡大する。
（２）１波長あたりの伝送速度を大きくする。
（３）各信号波長間の間隔を狭くする。
等の変更が必要である。
【０００４】
上記（１）および（２）の変更に対して、受信端でのＳＮ比を一定とするためには、各波長あたりの伝送ファイバ入力パワーを増大することが必要となるが、一方では、このパワーの増大により、以下に挙げるような伝送ファイバの波長分散値と、ファイバ中での非線形光学効果による特性劣化のために入力パワーが制限される。
【０００５】
（ａ）零分散波長近傍での４光波混合（ＦＷＭ）によるクロストーク
（ｂ）自己位相変調効果（ＳＰＭ）及びファイバ波長分散による波形歪
（ｃ）相互位相変調効果（ＸＰＭ）及びファイバ波長分散によるクロストーク
従来、これらの劣化要因に対しては、それぞれ以下のような対策が講じられていた。
【０００６】
（ａ）伝送ファイバの零分散波長が信号光の波長帯域と重ならないようにする
(参考文献：M.Jinno et al.,IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.10,p.454,1998)、あるいは波長間隔を不等間隔に設定し、ＦＷＭが発生しても他のチャネルに干渉しないようにする(参考文献：F.Forghieri et al.,IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.6,p.754,1994)。
【０００７】
（ｂ）送信端、線形光中継器内、または、受信端に配置した分散等化器により、パルス広がりがもっとも小さくなるように、総分散量を、調整する（参考文献：Y .Miyamoto et al.,Electron.Lett.,vol.30,p.797,1994 ）。
【０００８】
（ｃ）局所分散値の大きなファイバの使用、あるいは波長間隔を広げることで、波長間のウオ一クオフを大きくすることにより、相互位相変調効果を軽減する。分散等化を行って総分散量を零に近づけることにより強度変調成分を最小にする（参考文献：R.A.Saunders et al.,Electron.Lett.,vol.32,p.2206,1996 ）。
【０００９】
１波長あたりの伝送速度が比較的小さい伝送システムでは、これらの対策により、前述した劣化要因を抑圧することが可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、１波長あたりの伝送速度が高速の大容量波長多重伝送システムでは、以下のような問題点があった。
ＳＰＭと波長分散の複合効果によるチャーピングのため、パルス広がりが最小となる総分散量は一般に零分散と異なり、送信信号のチャーピング、伝送ファイバの局所分散値に依存する。
【００１１】
一方ＸＰＭによる位相変調は、総分散量が零からずれるに従って、ＰＭ−ＡＭ変換効果により強度変調に変換されるため、これがクロストークを引き起こす。すなわち、ＳＰＭに対する最適総分散量とＸＰＭに対する最適総分散量が異なるため、両者による波形歪を同時に等化することができない。
【００１２】
本発明は、このような超高速送受信器より構成される大容量波長多重伝送システムにおいて、ＳＰＭに対する最適総分散量を、ＸＰＭに対する最適総分散量である零分散とすることにより、両者による波形劣化を抑圧し、許容ファイバ入力パワーを増加させることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記目的は前記「特許請求の範囲」に記載した手段により達成される。すなわち、請求項１の発明による波長多重伝送システムは、複数の異なる波長の光送信器と、波長分割多重回路と、伝送ファイバと、伝送ファイバの損失を補償する光線形中継器と、波長分離回路と、それぞれの波長に対応した光受信器とを含んでなる波長多重伝送システムにおいて、
【００１４】
光送信器のチャープ係数αを，０または正とし、入力端から有効相互作用長ｚ_effまでの範囲の局所分散値がすべての波長に対して正常分散（負分散）であり、各波長における総分散量が、ほぼ零となるように分散等化する手段を設けたことを特徴とする。
【００１５】
ここで、αは電界の位相φ及び振幅Ｅを用いて、“数１”で与えられ、ｚ_effは伝送ファイバの区間長Ｌ及び損失係数ａを用いて“数２”で与えられる。
【００１６】
【数１】

【００１７】
【数２】

【００１８】
すでに敷設されている伝送ファイバに対しては、伝送ファイバの入力端から有効相互作用長までの範囲の局所零分散波長に対して短波長側に各信号光波長を設定する波長可変手段を・送信装置内に設けると良い。
【００１９】
さらに、伝送ファイバの分散値は分散スロープを持つため、すべての信号光波長に対して総分散量を零にするためには、波長ごとに分散等化器を用意する必要があるが、分散スロ一プ等化器を用いることによりひとつの分散等化器と分散スロープ等化器により、すべての信号光波長に対して相互位相変調に対する総分散量を零にすることができる。
【００２０】
請求項２の発明は、前記請求項１に記載の波長多重伝送システムにおいて、それぞれの波長に対応する光受信器ごとに光分散等化器を具備せしめて構成したものである。
【００２１】
請求項３の発明は、前記請求項１に記載の波長多重伝送システムにおいて、各波長に共通の分散等化器および分散スロープ等化器を送信端、または光線形中継器内または受信端に備えて構成したものである。
【００２２】
請求項４の発明は、前記請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の波長多重伝送システムにおいて、光送信器を、伝送ファイバの少なくとも入力端から有効相互作用長までの範囲の局所零分散波長に対して短波長側に設定できる波長可変手段を有せしめて、構成したものである。
【００２３】
請求項５の発明は、前記請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の波長多重伝送システムにおいて、光送信器のチャープ係数が０以上１以下となるように構成したものである。
【００２４】
請求項６の発明は、前記請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の波長多重伝送システムにおいて、伝送ファイバの少なくとも入力端から有効相互作用長までの範囲の局所分散値がすべての波長に対して−３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であるように構成したものである。さらに、前記波長多重伝送システムにおいて、前記分散スロープ等化器は、非線形にチャープさせたチャープドファイバグレーティングであることが好ましい。また、前記分散スロープ等化器は、多段の非対称Ｍａｃｈ - Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計で構成されたＰＬＣ分散等化器であることが好ましい。また、前記分散等化器は、チャープドファイバグレーティングであることが好ましい。また、前記波長可変手段が、ＤＢＲ−ＬＤ又は外部共振器付ＬＤであることが好ましい。また、前記光送信器のチャープ係数は、変調器にＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型変調器、あるいは電界吸収型変調器を用い、駆動信号のバイアス制御により、零または正とすることが好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態に関し、実施例に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施例を示す図である。同図において、数字符号１は送信装置、２−１〜２−ｎは、それぞれ送信機（Ｔｘ）、３は合波器、４，１４は光増幅器、５，９，１１は分散シフトファイバ（負分散）、６，１０，１２は分散シフトファイバ（負分散、正分散、零分散）、７，８は光線形中継器、１３は受信装置、１５は分波器、１６−１〜１６−ｎは分散等化器、１７−１〜１７−ｎは、受信機（Ｒｘ）を表している。
【００２６】
同図に示した波長多重伝送システムは、伝送用光ファイバを介して接続された送信装置１と受信装置１３との間に、伝送ファイバの損失を補償するために設置された光線形中継器７，８を配置した構成である。
【００２７】
本発明の特徴は、送信信号のチャープ係数を０または正とし、各伝送区間の入力端から有効相互作用長までの範囲ではすべての信号光波長に対して局所分散値が負となるように伝送ファイバの分散値を設定し、かつ各波長における総分散量をほぼ零になるように分散等化器により等化したところにある。
【００２８】
送信装置１は、波長の異なるいくつかの光送信回路（Ｔｘ１〜Ｔｘｎ）と、異なる波長の信号を合波する合波器３と、合波後の信号を増幅する後置光増幅器４よりなる。
【００２９】
受信装置１３は伝送後の光信号を増幅する前置光増幅器１４と、波長多重された信号を分離する分波器１５と、各波長における伝送路の総分散量を補償する分散等化器１６−１〜１６−ｎと、各波長の光信号を受信して再生された電気信号を出力する光受信回路（Ｒｘ１〜Ｒｘｎ）１７−１〜１７−ｎとを備える。
【００３０】
光増幅器、光線形中継器としては、例えばエルビウム添加ファイバ増幅器が用いられる。合波器及び分波器には、例えばアレイ導波路格子フィルタが用いられる。分散等化器には、例えばチャープドファイバグレーティングが用いられる。送信信号のチャープは、変調器にMach-Zehnder型変調器、あるいは電界吸収型変調器を用いた場合でも、駆動信号のバイアス制御により制御が可能である。
【００３１】
図２に、１波長で伝送した場合の伝送ファイバの局所分散値及び総分散量に対するアイ開口度のファイバ入力パワー依存性のシミュレーション結果を示す。ここで、それぞれの曲線は各入力パワーにおけるアイ開口度１ｄＢとなる等高線を示しており、曲線で囲まれた内側の部分が各入力パワーでの伝送可能領域となる。このシミュレーシヨンでは、線形中継器間隔１００ｋｍ、トータル４００ｋｍの伝送路を仮定し、各区間での分散値は長手方向に一様であると仮定している。
【００３２】
この計算結果からわかるように、（ｃ）で示す送信器のチャープパラメータαが＋０．７の場合には、ファイバ入力パワーが＋７あるいは＋１０ｄＢｍのハイパワー領域においても、局所分散値が負分散である領域では総分散量が零分散近傍で伝送可能領域が存在ずる。
【００３３】
一方、（ａ）で示すαが−０．７の場合には、どの局所分散値においても総分散量が正分散の領域に伝送可能領域が存在することがわかる。また（ｂ）で示すα＝０の場合には、局所分散値が負の領域で、零分散近傍で伝送可能領域が存在するが、最適総分散量は、α＝＋０．７の場合に比べて正分散側にシフトしているのがわかる。
【００３４】
この結果は以下のように説明できる。すなわち、ファイバへの入力パワーが低い線形伝送の領域では、α＞０の場合には、負分散側でパルス圧縮が起こるため、アイ開口度が良い。これに対し、入力パワーの増大により、ＳＰＭによる非線形チャープの影響で、このパルス圧縮が起きる分散量が正分散側にシフトしていく。
【００３５】
一方、α＜０では線形伝送領域でも正分散側でパルス圧縮が起きるため、パワーを増加させても零分散近傍が最適値になることはないことによる。この結果は１波長での計算結果であるが、波長多重システムに拡張した場合でも、ＳＰＭの効果は１波長の場合と同様であり、これにＦＷＭ及びＸＰＭの効果が重畳されることになる。
【００３６】
ＦＷＭの影響は、すでに述べたように、零分散波長領域を信号光波長に使用するのを避ける、あるいは信号の波長間隔を不等間隔化することにより回避できるのは周知の事実であるが、ＸＰＭに対しては、ＸＰＭで生じた位相変調成分のＰＭ−ＡＭ変換効果による強度変調への変換を最小化するために、総分散値を零分散に等化する必要がある。
【００３７】
このように、αが負の条件では、ＳＰＭのみを考慮した場合の総分散量の最適値と、ＸＰＭの効果を考慮に入れた最適値である零分散と異なるため、α≧０の場合に比べて入力パワーが制限される。これに対して、αが正または０でかつ伝送ファイバの局所分散値が負分散の領域では、伝送ファイバの非線形光学効果によるパワー制限を大きく緩和することが可能であることがわかる。
【００３８】
図３は本発明の第２の実施例を示す図である。同図において、数字符号２１は送信装置、２２−１〜２２−ｎは、それぞれ送信機（Ｔｘ）、２３は合波器、２４，３４は光増幅器、２５，２９，３１は分散シフトファイバ（負分散）、２６，３０，３２は分散シフトファイバ（負分散、正分散、零分散）、２７，２８は光線形中継器、３３は受信装置、３５は分波器、３６−１〜３６−ｎは分散等化器、３７−１〜３７−ｎは受信機（Ｒｘ）、３８−１〜３８−ｎは波長可変手段を表している。
【００３９】
既設の伝送路を用いて、単一波長伝送システムを波長多重伝送システムにアップグレードする場合には、伝送ファイバの零分散波長はすでに決まっているため、信号光波長の波長帯域が固定されている送信装置では所望の分散値を得ることが困難である。
【００４０】
この場合には、送信装置内に波長可変手段を設けて、信号光波長を伝送路の零分散波長よりも短波長側に設定することにより、上記第一の実施例の場合と同様の効果を得ることができる。すなわち、各伝送区間での零分散波長をλｍとすると、信号光波長λ_sjは、λ_sj＜λ_0i（for ｊ＝１〜ｎ，ｉ＝１〜Ｎとなるように設定すればよい。
【００４１】
伝送ファイバとして例えば分散シフトファイバが敷設されている場合には、ファイバの零分散波長は１．５５μｍ程度であるため、信号光波長はこれよりも短波長帯を用いればよい。波長可変手段としては、例えば各送信光源にＤＢＲ−ＬＤや、外部共振器付ＬＤなどが使用できる。
【００４２】
光線形中継器としては、信号光として１．５３μｍ程度であればエルビウム添加ファイバ光増幅器や半導体光増幅器が使用できる。またさらに短波長側では、ツリウム添加ファイバ光増幅器や、半導体光増幅器などが使用できる。信号光波長を伝送路の零分散波長の短波長側に設定することにより、局所分散値は負分散となるので、前記第一の実施例と同様の効果が得られることは説明するまでもない。
【００４３】
図４は本発明の第３の実施例を示す図である。同図において、数字符号４１は送信装置、４２−１〜４２−ｎは、それぞれ送信機（Ｔｘ）、４３は合波器、４４，５４は光増幅器、４５，４９，５１は分散シフトファイバ（負分散）、４６，５０，５２は分散シフトファイバ（負分散、正分散、零分散）、４７，４８は光線形中継器、５３は受信装置、５５は分波器、５６は分散等化器、５７−１〜５７−ｎは受信機（Ｒｘ）、５８はスロープ等化器を表している。
【００４４】
伝送ファイバの分散値は波長に対して一定ではなく分散スロープを持つため、伝送後の総分散量は波長に対して異なる値を取る。４０Ｇbit ／ｓ程度の超高速伝送システムでは、受信波形に許容される総分散量が数１０ｐｓ／ｎｍ程度と非常に小さいため、各波長ごとに分散等化器を設けて総分散量を零にする必要がある。
【００４５】
これに対して、送信端、線形中継器内、あるいは受信端に伝送ファイバとは逆のスロープを持つ分散スロープ等化器を用いることにより、一組の分散等化器と分散スロープ等化器により、すべての信号光波長に対して総分散量を零とすることが可能である。
【００４６】
分散スロープ等化器としては、非線形にチャープさせたチャープドファイバグレーティングや、多段の非対称Mach-Zehnder干渉計で構成されたＰＬＣ分散等化器などを用いることができる。この分散スロープ等化器の使用により、分散等化器の数を減らし、受信装置の構成、装置サイズの低減などの効果が得られる。
【００４７】
図５に送信器のチャープ係数に対ずる受信波形のアイ開口ベナルティ依存性のシミユレーシヨン結果を示す。このシミュレーシヨンは、伝送ファイバとして局所分散値・３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの正常分散ファイバを用い、中継器問隔１００ｋｋｍ、総伝送距離４００ｋｍの条件で１波長伝送を行つた場合の結果であり、総分散値は０ｐｓ／ｎｍとしている。
【００４８】
図５から、送信器のチャープ係数として０以上１以下の値を取ることにより、良好な受信特性が得られることがわかる。さらに、局所分散値が負で絶対値が、−３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下である場合には、伝送ファイバ中での波形歪が緩和されることから、より良好な特性が得られることは明らかである。
【００４９】
以上の説明から分かるように、送信器のチャープ係数を０以上１以下に設定することにより、伝送路の局所分散値が負であり、総分散値を０ｐｓ／ｎｍに等化した場合に、より良好な受信特性が得られる。
【００５０】
図６に、伝送ファイバの局所分散値に対する受信波形のアイ開口ペナルティ依存性のシミュレーシヨン結果を示す。このシミュレーションは、送信器チャープ係数＋０．７、中継器間隔１００ｋｍ、総伝送距離４００ｋｍの条件で１波長伝送を行った楊合の結果であり、総分散値は０ｐｓ／ｎｍとしている。図６から、局所分散値を０〜−３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとすることにより、より良好な受信特性が得られることがわかる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればファイバ中での非線形光学効果（ＳＰＭ及びＸＰＭ）による波形歪を抑圧することができる。従って、ファイバへの入力パワーを増加させることが可能となるから、誤り率の低い高品質伝送システムを構築することができる利点がある。一方、同様の理由により中継器間隔を延長することにより、経済的な伝送システムを構築することができる利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】アイ開口度１ｄＢ劣化の等高線の計算結果の例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施例を示すブロック図である。
【図５】アイ開口ペナルティの伝送ファイバ局所分散依存性の計算結果の例を示す図である。
【図６】アイ開口ペナルティの伝送ファイバ局所分散値依存性の計算結果の例を示す図である。
【符号の説明】
１，２１，４１送信装置
２−１〜２−ｎ，２２−１〜２２−ｎ，４２−１〜４２−ｎ送信器
３，２３，４３合波器
４，１４、２４、３４，４４，５４光増幅器
５，９，１１，２５，２９，３１，４５，４９，５１分散シフトファイバ
６，１０，１２，２６，２９，３２，４６，５０，５２分散シフトファイバ
１３，３３，５３受信装置
７，８，２７，２８，４７，４８光線形中継器
１５，３５，５５分波器
１６−１〜１６−ｎ，３６−１〜３６−ｎ，５６分散等化器
１７−１〜１７−ｎ，１７−１〜１７−ｎ，５７−１〜５７−ｎ受信器

Claims

互いに異なる波長をもつ複数の光送信器と、波長多重回路と、伝送ファイバと、伝送ファイバの損失を補償する光線形中継器と、波長分離回路と、それぞれの波長に対応した光受信器とを含んでなる波長多重伝送システムにおいて、
光送信器のチャープ係数が零または正であり、
伝送ファイバの少なくとも入力端から有効相互作用長までの範囲の局所分散値がすべての波長に対して正常分散であり、
伝送ファイバと分散等化器の分散量の和からなる相互位相変調に対する総分散量がすべての波長に対して零となるように分散等化する手段を設けたことを特徴とする波長多重伝送システム。
それぞれの波長に対応する光受信器ごとに光分散等化器を具備せしめたことを特徴とする請求項１に記載の波長多重伝送システム。
各波長に共通の分散等化器および分散スロープ等化器を送信端、または光線形中継器内、または受信端に備えたことを特徴とする請求項１に記載の波長多重伝送システム。
光送信器は、伝送ファイバの少なくとも入力端から有効相互作用長までの範囲の局所零分散波長に対して短波長側に設定できる波長可変手段を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の波長多重伝送システム。
光送信器のチャープ係数が０以上１以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の波長多重伝送システム。
伝送ファイバの少なくとも入力端から有効相互作用長までの範囲の局所分散値がすべての波長に対して−３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の波長多重伝送システム。
前記分散スロープ等化器は、非線形にチャープさせたチャープドファイバグレーティングであることを特徴とすることを特徴とする請求項３に記載の波長多重伝送システム。
前記分散スロープ等化器は、多段の非対称Ｍａｃｈ - Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計で構成されたＰＬＣ分散等化器であることを特徴とする請求項３に記載の波長多重伝送システム。
前記分散等化器は、チャープドファイバグレーティングであることを特徴とする請求項２、３、７又は８に記載の波長多重伝送システム。
前記波長可変手段が、ＤＢＲ−ＬＤ又は外部共振器付ＬＤであることを特徴とする請求項４に記載の波長多重伝送システム。
前記光送信器のチャープ係数は、変調器にＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型変調器、あるいは電界吸収型変調器を用い、駆動信号のバイアス制御により、零または正とすることを特徴とする請求項１から１０に記載のいずれかの波長多重伝送システム。