JP3923030B2

JP3923030B2 - 光波形整形装置及び光伝送システム

Info

Publication number: JP3923030B2
Application number: JP2003161876A
Authority: JP
Inventors: 仁村井
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2023-06-06
Also published as: JP2004361789A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光波形整形装置及び光伝送システムに関し、例えば、光通信において伝送される光信号の波形を整形し、光信号の品質改善を図る光波形整形装置に適用できる。また、この光波形整形装置を介在させた光伝送システムに適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、多段の光増幅中継装置を介して光伝送する光伝送システムにおいて、伝送される光信号は、光増幅中継装置で付加されるＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）雑音や光ファイバの非線形特性により、信号雑音比（ＳＮＲ）劣化、時間及び強度揺らぎなどの光信号の波形劣化に伴い伝送品質の劣化が生じるおそれがある。
【０００３】
従来、このような問題を解決するために、光信号の波形劣化抑制方式の一つとして、下記の非特許文献１に記載されている半導体多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ；ＭＱＷ）を用いた可飽和吸収素子（ＳａｔｕｒａｂｌｅＡｂｓｏｒｂｅ；、以下ＳＡ素子）がある。
【０００４】
このＳＡ素子は、その光吸収特性に入射光強度依存性を有し、入射光強度がある光強度より低い場合には光吸収量を大きくし、入射光強度がある光強度より高い場合にはその光吸収量を相対的に小さくするものである。
【０００５】
このような現象は、一般に可飽和吸収（ＳａｔｕｒａｂｌｅＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）効果と呼ばれ、半導体素子のバンドギャップ波長λｇと入射する光信号の波長λｃとが比較的近い場合（但し、λｇ＜λｃ）に顕著に見られる。
【０００６】
以下では、下記の非特許文献１に記載されているＳＡ素子を用いた光ファイバ伝送に伴う光信号の波形劣化抑制方式について説明する。
【０００７】
非特許文献１では、上述したＳＡ素子の入射光強度依存性のある光吸収特性を利用して、光信号の“１”及び“０”両レベルで揺らぎが生じた光信号がＳＡ素子を通過すると、ある光強度より強度強度の低い“０”レベルの光は、“１”レベルに比べてＳＡ素子による光吸収量が大きくなるため、“０”レベル揺らぎが相対的に抑制される（Ｆｉｇｕｒｅ１参照）。
【０００８】
すなわち、光増幅装置により多段中継された光ファイバ伝送路において、数個の光増幅中継スパン毎にＳＡ素子を配置することにより、光信号におけるＡＳＥ雑音やファイバ中の非線形性に起因する雑音成分の累積が低減され伝送品質を改善することができる（Ｆｉｇｕｒｅ３参照）。
【０００９】
【非特許文献１】
”２０Ｇｂｉｔ／ｓＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ＩｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅＱｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌＳａｔｕｒａｂｌｅＡｂｓｏｒｂｅｒｆｏｒ１．５ｕｍＬｏｎｇ−ｈａｕｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓ”，Ｏ．Ｌｅｃｌｅｒｃｅｔａｌ．，ＥＣＯＣ２０００，Ｐｏｓｔ−ｄｅａｄｌｉｎｅｐａｐｅｒ，３．５，２０００．
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した非特許文献１に記載のＳＡ素子を利用した波形劣化抑制方式は、ＳＡ素子の可飽和吸収の特性上、“０”レベルの揺らぎを抑制する効果はあるが“１”レベル揺らぎを抑制する効果はなく、この“１”レベル揺らぎにより伝送品質の劣化するとおそれがあった。
【００１１】
そのため、より品質の高い光伝送の実現を図るために、“０”レベルの揺らぎ抑制と共に、“１”レベルの揺らぎに対しても抑制することで、光伝送の品質を向上させる光波形整形装置及び光伝送システムが求められている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、第１の本発明の光波形整形装置は、伝送路から伝送されてきた信号光の波形を整形する光波形整形装置において、（１）伝送路からの信号光を所定のピーク強度となるように調整する入射光強度調整手段と、（２）多重量子井戸構造の導波路型吸収素子で構成されるものであって、入射光強度調整手段により調整された信号光について、第１の光強度以上の光強度に対して、多重量子井戸構造の吸収層に発熱を生じさせることでバンドギャップを縮小させて、吸収層による光吸収量を増大して光強度の範囲を圧縮すると共に、上記第１の光強度より小さい第２の光強度以下の光強度に対して、可飽和吸収特性により光吸収量を増大して光強度の範囲を圧縮する光波形整形手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
第２の本発明の光伝送システムは、複数の光増幅中継装置を介在させた光伝送システムにおいて、光増幅中継装置間に、第１の本発明の光波形整形装置を介在させることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（Ａ）第１の実施形態
以下では、本発明の光波形整形装置及び光伝送システムの実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
本実施形態では、光信号の波形を整形する手段として多重量子井戸構造の導波路型吸収素子を適用することにより、光ファイバから伝送されてきた光信号の“０”レベルの揺らぎを抑制すると共に、“１”レベルの揺らぎを抑制する場合について説明する。
【００１６】
（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、本実施形態に係る光波形整形装置の構成を示すものである。図１に示すように、光波形整形装置１００は、光増幅器２と、波形整形部３と、バイアス印加部５とを有するものである。なお、図１において、１は光波形整形装置１００に入射する光信号を示し、４は光波形整形装置１００から出射した光信号を示す。
【００１７】
なお、図１には、図示しないが、伝送路である光ファイバからの光信号を収束するレンズを備え、そのレンズにより収束された光信号を波形整形部３が取り入れるようにしてもよい。
【００１８】
光増幅器２は、入射した光信号を所定の光強度に増幅して、波形整形部３に与えるものである。本実施形態では入射光の光強度を可変して調整するものとして光増幅器２を適用するが、入射光強度を可変できるものであればよく、光強度を可変減衰も可能な可変利得制御装置も適用できる。
【００１９】
波形整形部３は、多重量子井戸構造からなる導波路型の吸収素子である。波形整形部３は、“０”レベルの揺らぎ抑制特性及び入射光の“１”レベルの揺らぎ抑制特性を有するものである。この“０”レベルの揺らぎ抑制特性は、可飽和吸収特性によるものであり、又“１”レベルの揺らぎ抑制特性は、ある入力光強度以上になると、多重量子井戸構造の吸収層の吸収フォト・キャリア密度が高くなり吸収層で発熱し、この発熱により光吸収量を増加させる多重量子井戸構造の吸収層の光吸収特性を利用したものである。波形整形部３は、この多重量子井戸構造の光吸収特性により、“１”レベルの光強度について、高い光強度の場合光吸収量を大きくし、低い光強度の場合光吸収量を小さくすることで、“１”レベルの光強度の範囲を圧縮して揺らぎを抑制するものである。
【００２０】
なお、この波形整形部３による“１”レベルの光強度の範囲の圧縮動作の詳細については後述する。
【００２１】
バイアス印加部５は、波形整形部３にバイアスを印加するものである。波形整形部３は、バイアス印加部５から印加されるバイアスに応じて、多重量子井戸構造の吸収層が光吸収する応答速度を変化させることができる。
【００２２】
（Ａ−２）第１の実施形態の動作
（Ａ−２−２）波形整形部３による波形整形動作について
次に、本実施形態の光波形整形装置の動作について図面を参照して詳説する。
【００２３】
図１に示すように、伝送路である光ファイバを通して伝送されてきた光信号１は、光波形整形装置１００に入射する。なお、伝送路である光ファイバと光波形整形装置１００との間にレンズを備えた場合、レンズにより、伝送されてきた光信号の光束を収束して光波形整形装置１００に入射させるようにしてもよい。
【００２４】
光波形整形装置１００に入射した光信号は、光増幅器２により、所望の光レベルに調整（図１では増幅）されて出射される。
【００２５】
光増幅器３から出射された光信号は、波形整形部３に入射し、波形吸収部３が持つ可飽和吸収特性により“０”レベルの揺らぎが抑制されると共に、波形吸収部３の多重量子井戸構造の吸収層が発熱することにより“１”レベルの光強度の範囲が圧縮されて、波形が整形された光信号が出射される。
【００２６】
以下では、波形吸収部３による入射光の“１”レベルの光強度の範囲の圧縮動作について図面を用いて詳細に説明する。
【００２７】
図２は、波形整形部３への入射光及び出射光を取り出し、これらに基づいて入射光の光強度と波形整形部３を透過する透過率との関係（図２（ａ））、及び、入射光の光強度の範囲が圧縮される様子（図２（ｂ））を示すものである。
【００２８】
図２（ａ）では、波形吸収部３に印加するバイアス条件を変化させた場合の、入力光強度に対する透過率（透過特性は波形整形部３の挿入損失も含む。）を示す。なお、図２（ａ）において、プロット■、●及び▲は、印加するバイアスＶｂが、それぞれ、Ｖｂ＝−０．６Ｖ、−０．８Ｖ及び１．０Ｖに相当する。
【００２９】
図２（ａ）に示すように、波形整形部３に入射する光信号の入力光強度は、いずれのバイアス条件において、２０ｍＷ〜３０ｍＷまでは、入力光強度を増加すると透過率も増大するが、それ以上入力光強度を増加すると、逆にその透過率は指数関数的に減少していく。
【００３０】
このように、入力光強度が増加していき、ある入力光強度以上になると、透過率が再び減少に転じるのは、波形整形部３が持つ多重量子井戸構造の吸収層により光吸収される吸収フォト・キャリアによって吸収層が発熱し、バンドギャップが縮小することによる。
【００３１】
この多重量子井戸構造の吸収層の発熱は、波形整形部３が導波路型吸収素子であり、その吸収層が光吸収する入射断面積が１μｍ^２未満と光ファイバのそれよりも小さいので、吸収する吸収フォト・キャリアの密度が高くなるためである。
【００３２】
例えば、上述したＳＡ素子を利用する場合、ＳＡ素子が入射光を吸収する入射断面積は１３μｍ^２以下であり、本実施形態の波形整形部３の吸収層の断面積に比べて大きい。従って、この場合、ＳＡ素子が光吸収する吸収フォト・キャリア密度が低く、吸収層での発熱は導波路型吸収素子ほど顕著ではない。そのため、ＳＡ素子では、バンドギャップの縮小化が進まず、図２（ａ）で破線５で示すように、入力光強度を増加していっても、透過率が減少することなく単調増加となる。この場合の透過特性は下記式（１）で近似できる。
【００３３】
【数１】

また、発熱によるバンドギャップ縮小効果は、指数関数的な光吸収量の増加をもたらすので、吸収フォト・キャリアによる吸収層の発熱が入力強度に比例する場合、波形整形部３の透過特性は下記式（２）のように近似できる。
【００３４】
【数２】

このようにして、波形整形部３に入射した光信号の“１”レベルの揺らぎを抑制することができる。また、高速変調された光信号に対しても、波形整形部３の上述した透過特性が反映される場合には“１”レベルの揺らぎ抑制効果が期待できる。
【００３５】
次に、図２（ｂ）は、“１”レベルのピーク強度中央値を９０ｍＷになるように光増幅器１により入力光強度を調整した光信号（揺らぎを持つ光信号）のアイパターン７と、その光信号を波形整形部３に入力して波形を整形した光信号のアイパターン８を示す。
【００３６】
図２（ｂ）に示すように、波形整形部３に入射した揺らぎを持つ光信号は、多重量子井戸構造の導波路型吸収素子である波形整形部３の透過特性により、”１”レベルのピーク光強度が高い場合には多く吸収され、逆にピーク強度が低い場合には少なく吸収されるため、波形整形部３から出力される光信号のアイ・パターン８に示すように、”１”レベル揺らぎが抑制された信号となる。
【００３７】
このようにして、波形整形部３に入射された揺らぎを持つ光信号は、波形整形部３の透過特性により、その“１”レベルの光強度の範囲が圧縮されて揺らぎが抑制される。
【００３８】
また、波形整形部３は可飽和吸収特性を有しており、波形整形部３に入射した光信号は、“０”レベルの揺らぎも同時に抑制される。
【００３９】
以上のようにして、“０”レベル及び“１”レベルに揺らぎを持つ光信号は、波形整形部３により、“０”レベルの揺らぎ抑制と共に、“１”レベルの揺らぎも抑制されて出射される。
【００４０】
（Ａ−２−２）光信号の品質改善評価について
次に、波形整形部３による光信号の波形整形により、レベル揺らぎを持った光信号の品質改善評価について図面を参照して説明する。
【００４１】
光信号の品質は、符号誤り率（ＢｉｔＥｒｒｏｒ−Ｒａｔｅ；ＢＥＲ）を測定することにより評価でき、本実施形態では図３に示す品質評価装置を用いて光信号の品質評価を測定した。
【００４２】
本実施形態での品質評価装置は、図３に示すように、光送信器１３と、本実施形態に係る光波形整形装置１００と、光受信器１８と、Ｅ−ＤＥＴ１９とを有する。
【００４３】
光送信器１３は、連続光を発振する分布帰還型半導体レーザ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ−ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ；ＤＦＢ−ＬＤ）９と、外部から入力された４０ＧＨｚのクロックに基づいてＤＦＢ−ＬＤ９からの連続光を光短パルス列（ＲＺパルス列（ＦＷＨＭ；８ｐｓ））に変換して出射するＥＡ変調器１０と、光増幅器１１と、外部からの４０Ｇｂｉｔ／ｓデータ（電気信号）に基づいて増幅器９からの光短パルス列を光ＲＺ信号に変換して出力するＥＡ変調器１２とを有するものとする。
【００４４】
なお、ＥＡ変調器１２では、印加されるＤＣバイアス成分及び４０Ｇｂｉｔ／ｓ駆動電気波形の振幅を調整し、“１”レベルの揺らぎを持つ光信号を光波形整形装置１００に入射するものとする。
【００４５】
光送信器１３により生成された４０Ｇｂｉｔ／ｓの光ＲＺ信号（図３では第１の評価点１４を通過する光信号）は、光波形整形装置１００に入射される。
【００４６】
光波形整形装置１００において、入射した４０Ｇｂｉｔ／ｓ光ＲＺ信号は、光増幅器２及び可変減衰器１５により、波形整形部３に与える入力光強度が調整される。
【００４７】
ここでは、光信号は、光増幅器２により増幅された後、平均光強度が約１０ｄＢｍ（光ＲＺパルスの平均ピーク光強度（“１”レベルの平均光強度）でみると、約６０ｍＷに相当する）となるように、可変減衰器１５により調整されたものとする。
【００４８】
可変減衰器１５から出射された光信号は、波形整形部３に与えられ、波形整形部３の過飽和特性及び多重量子井戸構造の吸収層の光吸収特性により、波形整形されて出射される。このとき、光波形整形装置１００から出射される光信号は図３での評価点１７の光信号である。
【００４９】
第１の評価点を通過する光信号と第２の評価点を通過する光信号とは、光受信器１８に与えられ、光受信器１８及びＥ−ＤＥＴ１９において、これら光信号に基づいて光信号の品質評価する。
【００５０】
図４は、第１の評価点１４を通過する光信号のアイパターン（Ａ）と、第２の評価点１７を通過する光信号のアイパターン（Ｂ）とを示すものである。
【００５１】
図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、光波形整形装置１００により波形整形された第２の評価点１７を通過する光信号は、第１の評価点１４を通過する光信号に比べて“１”レベルの揺らぎが抑制されていることが分かる。
【００５２】
また、図５は、光波形整形装置１００を通過する前後の光信号のＢＥＲ（符号誤り率）を測定した結果を示すものであり、より精度の高い品質評価したものである。
【００５３】
図５に示すように、第２の評価点１７を通過する光信号（波形整形後）は、“０”レベル及び“１”レベルの双方で、第１の評価点１４を通過する光信号（波形整形前）より測定したＢＥＲが低く光信号の品質が改善されたことが分かる。また、このときのシステムのＱ値を見積もった結果も示す。
【００５４】
第１の評価点１４を通過する光信号のＱ値は、２１．７ｄＢであるのに対して、第２の評価点１７を通過する光信号のＱ値は２３．０ｄＢであり、全体としてシステムのＱ値を１．３ｄＢ程度向上させたことが分かる。
【００５５】
（Ａ−３）第１の実施形態の効果
以上、本実施形態によれば、多重量子井戸構造の導波路型吸収素子を用いることにより、光信号の“１”レベルの揺らぎ抑制と共に、“１”レベルの揺らぎ抑制も行なうことができる。
【００５６】
（Ｂ）第２の実施形態
次に、上述した実施形態の光波形整形装置１００を、複数の光増幅中継装置を介在させた光伝送システムに複数設置した場合の実施形態について説明する。
【００５７】
図６は、第２の実施形態に係る光伝送システムの全体構成を示したものである。
【００５８】
図６に示すように、本実施形態の光伝送システム２００は、送信装置２１と、受信装置２２と、システム中に介在する複数の光増幅中継装置２３と、第１の実施形態のｎ（ｎは正の整数）個の光波形整形装置１００−１〜１００−ｎとを有する。
【００５９】
第２の実施形態において、伝送路として用いられる光ファイバの種類や伝送速度は、光波形整形装置１００−１〜１００−ｎが有効に作用する範囲であれば特に限定されず広く適用できる。
【００６０】
第２の実施形態では、ある光増幅中継装置から次の光増幅中継装置に光信号を転送する間隔を１スパンとした場合、Ｎ（Ｎは正の整数）スパン毎に、光波形整形装置１００−１〜１００−ｎを介在させた場合を示す。勿論、スパン数は任意であってもよく、又光波形整形装置１００を設置するスパン期間が一定でなくてもよい。例えば、光増幅中継装置間の距離や伝送環境に応じて変化させてもよい。
【００６１】
（Ｂ）第２の実施形態の効果
以上、本実施形態によれば、光信号の“０”レベルの揺らぎ抑制をすると共に、“１”レベルの揺らぎ抑制を行なう光波形整形装置１００−１〜１００−ｎを、光伝送システムに介在させることにより、光信号の品質を向上させた光伝送を実現できる。
【００６２】
（Ｃ）他の実施形態
（Ｃ−１）上述した第１及び第２の実施形態の波形整形部３は、多重量子井戸構造の導波路型吸収素子として説明した。この導波路型吸収素子の構成例として、例えば、半導体基板はＩｎＰ、導波路はＩｎＧａＡｓＰで作成されたものを適用できる。
【００６３】
（Ｃ−２）上述した第２の実施形態では、光波形整形装置を光増幅中継装置とは異なる装置として説明したが、光増幅中継装置が光波形整形装置を内蔵するようにしてもよい。
【００６４】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、“０”レベルの揺らぎ抑制と共に、“１”レベルの揺らぎ抑制を行なうことができ、光伝送の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の光波形整形装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態の光波形整形装置を透過した光信号の入力光強度と透過率との関係及びアイパターンを示す図である。
【図３】第１の実施形態の光波形整形装置による波形整形により光信号の品質を評価する品質評価装置の構成図である。
【図４】波形整形前と波形整形後の光信号のアイパターンとを示す図である。
【図５】波形整形前と波形整形後の光信号のＢＥＲ（符号誤り率）を示す図である。
【図６】第２の実施形態の光伝送システムの全体構成図である。
【符号の説明】
３…波形整形部、１００…光波形整形装置、２１…送信装置、２２…受信装置、
２３…光増幅中継装置。

Claims

伝送路から伝送されてきた信号光の波形を整形する光波形整形装置において、
上記伝送路からの信号光を所定のピーク強度となるように調整する入射光強度調整手段と、
多重量子井戸構造の導波路型吸収素子で構成されるものであって、上記入射光強度調整手段により調整された信号光について、第１の光強度以上の光強度に対して、多重量子井戸構造の吸収層に発熱を生じさせることでバンドギャップを縮小させて、吸収層による光吸収量を増大して光強度の範囲を圧縮すると共に、上記第１の光強度より小さい第２の光強度以下の光強度に対して、可飽和吸収特性により光吸収量を増大して光強度の範囲を圧縮する光波形整形手段と
を備えることを特徴とする光波形整形装置。
上記光波形整形手段に印加するバイアスを調整し、多重量子井戸構造の吸収層による光吸収の応答速度を調整するバイアス印加手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の光波形整形装置。
上記光波形整形手段は、半導体基板がＩｎＰであり、導波路がＩｎＧａＡｓＰであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波形整形装置。
上記入射光強度調整手段が、光増幅器、あるいは、光増幅器と光減衰器との組み合わせで構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光波形整形装置。
複数の光増幅中継装置を介在させた光伝送システムにおいて、
上記光増幅中継装置間に、請求項１〜４のいずれかに記載の光波形整形装置を介在させることを特徴とする光伝送システム。