JP4012450B2

JP4012450B2 - 双方向光通信システム

Info

Publication number: JP4012450B2
Application number: JP2002276017A
Authority: JP
Inventors: 光廣立田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2022-09-20
Also published as: JP2004112711A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバを用いた双方向光通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバ通信技術は研究段階から実用段階にはいり、既に市外電話通信網などの幹線系に大量に導入されている。更に、インターネットの急速な普及などに対応して、光ファイバを用いた通信網を家庭にまで広げる、所謂ＦＴＴＨ（Fiber To The Home ）の実現も間近いと期待されている。ここで問題となるのが、双方向通信システムの構成である。
【０００３】
図１は双方向通信システムの概念図であって、ユーザ端末２に対向する相手を局１と表示している。インターネットのホームページなどの信号は、図１には表示されていない経路で局１に到達した後、局１からユーザ端末２に向かって光ファイバ３を介して送出される。この信号を便宜上、慣習に従って下り信号と呼ぶ。一方、ユーザ端末２からはホームページへの接続要求信号などが局１に向かって発信される。これを慣習に従って上り信号と呼ぶことにする。
【０００４】
図８は、従来技術を用いた双方向光通信システムの一つの構成図を示す。この例では、ユーザ端末２は、光ファイバ３を介した下り信号光の受光器２２および上り信号を送信するための上り送信用光源２６を含めて構成される。光通信用の光源は用途により様々のものがある。例えば、光コードを用いたオーディオのＣＤ（コンパクトディスク）からＭＤ（ミニディスク）への録音は光ファイバ通信の一形態とも考えられる。
【０００５】
オーディオのＣＤからＭＤへの録音程度の伝送距離と伝送容量ならば、十分信頼性のある（故障の心配のない）民生品が得られるが、電話局と家庭を結ぶ大容量通信のためには高精度な温度管理などの特別な配慮が必要となり、図８の構成は技術的な実現可能性はあるもののコスト高となるという欠点がある。
【０００６】
一本の光ファイバに異なる多くの周波数の光信号を同居させて伝送する光周波数多重伝送は、多種多様なサービスに対応したり、伝送容量の増大に対処するのに効果的だと期待され、既に幹線系に導入されている。また、１つの局に接続されるユーザ端末の数が多くなると、光ファイバ通信網の建設コストの経済化のため、伝送路の一部共用が望まれる。
【０００７】
図９はこのような要求に応える一形態であって、パッシブダブルスター型と呼ばれる分岐光線路網でなる分岐部／光周波数フィルタ５に周波数多重伝送を組み合わせ、複数のユーザ端末（１，２，・・ｎ）に伝送したものである。このようなシステム構成で双方向光通信を実現するためには、図１０に示すように、分岐部／光周波数フィルタ５以降の専用光ファイバ７の区間では、１ユーザ端末あたり２本の光ファイバを使用し、１本は下り信号用に、他方は上り信号用に用いる構成が考えられる。
【０００８】
この構成では、１ユーザ端末あたり２本の光ファイバを必要とすることは経済性の観点から明らかな欠点である（第１の欠点）。また、一般に光周波数フィルタの性能（クロストークや挿入損失など）は出力ポートの数が増えるほど低下するため、分岐部／光周波数フィルタ５の出力ポートを１ユーザ端末あたり２つ必要とすることもまた欠点となる（第２の欠点）。更に、図８について説明したように、ユーザ端末に上り送信用光源２６を必要とすることは大きな欠点となる（第３の欠点）。
【０００９】
上記第１の欠点に限れば、図１１に示すように、分岐部／光周波数フィルタ５に接続された２本の光ファイバを合分波器に接続し、その後、１本の光ファイバでユーザ端末まで導くことにより解決する。しかしながら、この場合にも依然として、上記第３の欠点は解決されない。また、変調形式の異なる信号を同一の伝送路光ファイバを用いて双方向に伝送する双方向光通信方法もある（特許文献１参照）。しかし、この方法も上記第３の欠点は解決されない。しかも、インターネットの急速な普及などに対応し、特に双方向通信を家庭にまで広げるとなると、解決すべき課題が多々ある。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−９８１３７号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来技術を用いた双方向光通信システムでは、ユーザ端末は、下り信号光の受光器および上り信号を送信するための光源を含めて構成されるが、周波数多重技術を活用するために、この光源の温度管理は高精度（１／１０００度程度）を要す。これを回避するため１ユーザ端末あたり２本の光ファイバを用いる方法もあるが、１ユーザ端末あたり２本の光ファイバを必要とし、かつ光周波数フィルタの出力ポートを１ユーザ端末あたり２つ必要として高コストのみならず性能面でも問題が生じていた。そこで本発明の目的は、ユーザ端末に光源を設置することなく、かつ、１ユーザ端末あたり一本の専用光ファイバを用いた安価で信頼性の高い双方向光通信システムを実現することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る双方向光通信システムは、局とユーザ端末を光ファイバで結ぶ双方向光通信システムにおいて、前記局に接続された一本の光ファイバと、前記一本の光ファイバを介して局から送られてくる光のうち、偏光方向が互いに直交した特定の２つの周波数の光を透過させる複屈折光周波数フィルタと、前記複屈折光周波数フィルタ透過光をその偏光状態を保ったままユーザ端末まで導く偏波保持光ファイバと、ユーザ端末により構成される。
【００１３】
こうして、複屈折周波数フィルタでは、周波数が隣接する透過光の偏光方向が互いに直交していることに着目し、周波数多重伝送システムの主要なコストを占める光周波数フィルタのポート数を最小限とする手段としてその複屈折性を積極的に利用することにより、ユーザ端末に光源を設置することなく、かつ、１ユーザ端末あたり１本の専用光ファイバを用いて、安価で信頼性の高い双方向光通信システムを実現することができる。
【００１４】
本発明の請求項２に係る双方向光通信システムは、請求項１記載の双方向光通信システムにおいて、前記局はユーザ宛送信用光源、ユーザ用受光器、ユーザ発信信号用光源、合分波器でなる複数のユーザ用光源・受光器類と１つの光周波数合分波器とで構成される。
【００１５】
こうして、双方向通信を実現するには上り・下り用の２つの信号光が必要であるため、これらを局に設置した１つまたは２つの光源で供給するためにはユーザ発信信号用として無変調光を局からユーザまで配送する必要があるが、このように局を構成することにより、ユーザ端末に光源を設置することなく、かつ、１ユーザ端末あたり１本の専用光ファイバを用いて、安価で信頼性の高い双方向光通信システムを実現することができる。
【００１６】
本発明の請求項３に係る双方向光通信システムは、請求項１記載の双方向光通信システムにおいて、前記ユーザ端末は前記偏波保持光ファイバ出力光をその偏光方向に従い分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタで分離された光のうち一方を受光する光検出器と、他方をユーザが送出すべき信号に従い変調器により変調を加えたのち、再び前記偏光ビームスプリッタに入射して前記複屈折光周波数フィルタに到達せしめる手段とにより構成される。
【００１７】
本発明の請求項４に係る双方向光通信システムは、請求項３記載の双方向光通信システムにおいて、前記変調器は反射型変調器で構成される。
【００１８】
こうして、複屈折周波数フィルタの周波数が隣接する透過光の偏光方向が互いに直交する複屈折特性を利用することにより、ユーザ端末に光源を設置する必要のない簡単な構成で、１ユーザ端末あたり一本の専用光ファイバを用いた安価で信頼性の高い双方向光通信システムを実現することである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
双方向通信を実現するには上り・下り用の２つの信号光が必要である。これらを局に設置した１つまたは２つの光源で供給するためにはユーザ発信信号用として無変調光を局からユーザまで配送する必要がある。更に、１ユーザ当たり１本の光ファイバを用いてシステムを構成するためには、必然的に周波数の異なる２光源が必要となるため、周波数多重伝送システムが不可欠となる。
【００２０】
本発明は、複屈折周波数フィルタでは、周波数が隣接する透過光の偏光方向が互いに直交していることに着目し、周波数多重伝送システムの主要なコストを占める光周波数フィルタのポート数を最小限とする手段としてその複屈折性を積極的に利用したことに特徴がある。
【００２１】
次に本発明の実施形態を図を参照して説明する。図２は本発明の実施形態の一例を示し、システムの全体構成図である。このシステムは、局１、共用ファイバ３、複屈折光周波数フィルタ４、各ユーザ毎に専用の偏波保持光ファイバ６、各ユーザ毎のユーザ端末２から構成される。
【００２２】
局１の構成は、図３に示すように、全ユーザ共用部品である光周波数合分波器１７、１ユーザあたり２本の光ファイバによりこれに接続された各ユーザ毎に対応するユーザＮ用光源・受光器類部（Ｎ：１,２,・・・）１０で構成される。例えば、ユーザ１用光源・受光器類１０はユーザ１宛送信用光源１１、ユーザ１用受光器１２、ユーザ１発信信号用光源１３で構成され、ユーザ１宛送信用光源１１は第１の入力光ファイバ１５により直接光周波数合分波器１７に接続されている。
【００２３】
ユーザ１用受光器１２とユーザ１発信信号用光源１３は、それぞれ光ファイバで接続された合分波器１４を介して、第２の入力光ファイバ１６により光周波数合分波器１７に接続されている。光周波数合分波器１７は入力されたすべての異なる周波数光を混合して合流ポートに接続された共用光ファイバ３に出力する。図３にはユーザ１用光源・受光器類１０の構成についてのみ詳しく描いており、他のユーザＮ用光源・受光器類については略記している。
【００２４】
図４はユーザ端末２の内部構造を示し、偏光ビームスプリッタ２１、受光器２２、合分波器２３、変調器２４で構成されている。ユーザが送信すべき送信信号８は、ここでいうユーザ端末２の外部から供給されるが、図４には併せて示している。
【００２５】
次に、本発明の動作について図２〜図５を参照して詳しく説明する。はじめに、局１からユーザ１端末２に宛て送られる下り信号光について述べる。図３に示すように局１において、周波数ν₁ のユーザ１宛送信用光源１１を出た光は、１本の光ファイバ１５を介して光周波数合分波器１７に導かれる。
【００２６】
光周波数合分波器１７は周波数があらかじめ定められた値、ν_k （ｋ＝１,２,・・）の光のみをただ１つの合流ポートに接続された１本の共用光ファイバ３に送出する素子である。前記ユーザ１宛送信用光源の周波数ν₁ はこのような透過周波数のうちの１つである。光周波数合分波器１７から送出された光は共用光ファイバ３により図２の複屈折光周波数フィルタ４に導かれる。
【００２７】
複屈折光岡波数フィルタ４の動作と具体例を説明するまえに、複屈折を持たない光周波数フィルタについてまず説明する。複屈折を持たない光周波数フィルタは、前述の局内に設置された光周波数合分波器１７と実質的に同一のものであり、入力ポートと合流ポートを取り替えて用いる。即ち、１つの合流ポートから入射した複数の周波数の光があるとき、予め定められた特定の周波数の光のみが、予め定められた分波ポートから出力される。
【００２８】
このような機能を持つ素子として、アレイ導波路回折格子ＡＷＧ（Arrayed Wave guide Graing）が販売されている。また、同様の機能は図５に示すように、入力端子から入射した光ν₁ ，ν₂ ，ν₃ ・・・を複数の端子宛に等パワー分配する光分岐素子と、各々の出力端子に１つずつ接続され特定の周波数の光のみを透過させるＦＰＥ（ファブリ・ペロ・エタロン）群を用いて実現することもできる。
【００２９】
次に、複屈折光周波数フィルタについて説明する。複屈折とは、同一の物質でありながら、光の偏光方向によって異なる屈折率をもつ現象であって、基板上に構成された光導波路に特に顕著にみられる。
【００３０】
前述のアレイ導波路回折格子もファブリ・ペロ・エタロン群も、いずれの場合にも、特定の出力ポートの透過率が、素子内の光の通り道の光路長（屈折率と実長の積）と光の波長の比に依存する性質を利用して、入射光をその周波数に従ってフィルタしている。現実の光導波路には複屈折現象がみられフィルタ特性は複雑になる。即ち、入射光の偏光状態に依存して光路長が異なるため、同一ポートでありながらフィルタの透過周波数が異なる。
【００３１】
図６は複屈折を持つファブリ・ペロ・エタロンの透過特性を示す。本来、ファブリ・ペロ・エタロンの透過特性は周波数に関して完全に周期的となり、その周期はＦＳＲとよばれるが、複屈折を持つファブリ・ペロ・エタロンの場合には、図６に示すように、透過信号成分ν_j は２つの近接した要素ν_j(1)、ν_j(2)を持つ。
【００３２】
ここで、周波数ν_j(1)＜ν_j(2)とするとき、２つの複屈折主軸のうち、ν_j(1)は光速が遅い軸に、ν_j(2)は光速が速い軸に対応している。エタロン入射時の偏光状態が複屈折主軸に対して傾いた楕円偏光であっても、これらの透過光は出射時には、互いに偏光方向が直交した直線偏光になっている。また、近接した透過ピークの周波数差δ＝ν_j(2)−ν_j(1)は複屈折の大きさに比例している。
【００３３】
本発明では１つの出力ポートから２種類の周波数光が得られ、かつその偏光方向が直交していることを利用する。例えば、図２のユーザ１宛送信用光源１１の周波数ν₁ をν_j(1)に一致させると、この光は複屈折光周波数フィルタ４を通過して偏波保持光ファイバ６に結合する。
【００３４】
偏波保持光ファイバ６は複屈折性の極めて大きな光ファイバであり、市販されている。通常の光ファイバにみられる複屈折の大きさが１０^-7から１０^-6程度であるのに対し、偏波保持光ファイバ６の複屈折は１０^-4程度の大きさとなるように製作されている。このため、通常の光ファィバ内では伝搬と共に偏光状態はランダムに変化してしまうが、直線偏光を偏波保持光ファイバ６の偏光主軸に平行または垂直に入射する場合には、入射時の偏光状態がそのまま偏波保持光ファイバ６の出射端まで保たれるという特徴がある。
【００３５】
本発明では、複屈折光周波数フィルタ４を通過した周波数ν₁ （＝ν_j(1)）のユーザ１宛送信光の偏光方向を、偏波保持光ファイバ６の主軸に一致させる。この状態をν₁ ^⊥と書くことにする。図４には、偏波保持光ファイバ６から偏光方向の固定された周波数ν₁ のユーザ１宛送信光ν₁ ^⊥がユーザ端末２に入射する様子が描かれている。
【００３６】
ユーザ端末２内の偏光ビームスプリッタ２１は、入射光の特定の偏光方向成分を第１のポートに、また、これと直交する偏光成分を第２のポートへと導く素子である。本発明の実施例では、ユーザ１宛送信光はすべて特定の方向に偏光した直線偏光となっているから、この方向を偏光ビームスプリッタ２１の第１ポート透過方向に一致させておくことにより、第１ポートに接続された受光器により損失なく受信される。
【００３７】
次に、ユーザ１が局宛に信号を送る方法について述べる。図３に示すように、このための光源（ユーザ１発信信号用光源）１３はユーザ端末ではなく局１に設置される。ユーザ１発信信号用光源１３の周波数をν₂ とし、ν₁ と区別する。
【００３８】
局内の合分波器１４は２ポート側から順方向に用いる場合は入射光の一部または全部を１つの出力ポートに導く合波器として働き、１ポート側から逆方向に用いる場合は２つのポートに分割して出力されるための分波器として働く。ユーザ１発信信号用光源１３を出た光はこの合分波器１４を経由して光周波数合分波器１７に結合される。
【００３９】
ユーザ１発信信号用光源１３の周波数ν₂ を、光周波数合分波器１７の第ｊの出力ポートの複屈折にもとづく第２透過周波数ν_j(2)に一致させておくことにより、周波数ν₁ （＝ν_j(1)）のユーザ１宛送信光と同じ第ｊ出力ポートから出射させることができる。このとき、その偏光方向は周波数ν₁ （＝ν_j(1)）のユーザ１宛送信光と直交している。これをν₂〃と表記する。
【００４０】
図２において、複屈折光周波数フィルタ４の第ｊポートに接続された偏波保持光ファイバ６の主軸はユーザ１宛送信光の偏光方向に一致しているから、これと直交する偏光方向を持つユーザ１発信信号用光の偏光状態もまた、直線偏光に保たれたままユーザ端末２に到達する。
【００４１】
図４には、ユーザ１宛送信光ν₁ ^⊥と直交する直線偏光として、ユーザ１発信信号用光ν₂〃がユーザ端末２に入射する様子が描かれている。結局、偏波保持光ファイバ６から偏光ビームスプリッタ２１には、偏光方向の直交する２つの周波数の光、ν₁ ^⊥ 及びν₂〃が入射する。前者は第１のポートに出力され受光器２２に入力されるが、後者、即ち、ユーザ１発信信号用光は第２のポートに出力され、合分波器２３を経由して変調器２４に導かれる。
【００４２】
ここに至るまで、ユーザ１発信信号用光は無変調であったが、ユーザ端末２内の変調器２４を通過の際、ユーザが局宛に送出すべき送信信号８に従って変調を受ける。変調を受けたユーザ１発信信号光は前記合分波器２３の第２のポートに導かれ、再び偏光ビームスプリッタ２１に達する。
【００４３】
この時、変調を受けたユーザ１発信信号光の周波数は変調帯域程度の変化しか受けず、事実上ν₂ のままとして扱えるが、偏光方向については若干の変化が生じうる。偏光ビームスプリッタ２１への入射光の偏光方向ゆらぎがあっても、偏光ビームスプリッタ２１はその透過軸成分のみを透過させることから、偏波保持光ファイバ６に結合する光は偏波が保存される。
【００４４】
但し、この入射光の偏光方向ゆらぎは偏波保持光ファイバ６への結合効率に影響するので、可能な限り偏光方向を偏光ビームスプリッタ２１の第２ポート透過軸に一致させることが望ましい。
【００４５】
偏光ビームスプリッタ２１を逆進する周波数ν₂ のユーザ１発信信号光は、再び偏波保持光ファイバ６へ結合し、図２における複屈折光周波数フィルタ４、共用光ファイバ３を経て、図３の局１内の光周波数合分波器１７を通過して、局内の合分波器１４に到達し、更に合分波器１４の第２の出力ポートに接続されたユーザ１用受光器１２により受信される。
【００４６】
図７はユーザ端末２の第２の構成例であって、反射型変調器２５を用いることにより、ユーザ端末内に合分波器を不要としている。反射型変調器２５の具体例としては、液晶変調器、あるいはより高速動作が可能なものとして、ＬiＮｂ０₃などの電気光学効果を用いた位相変調器を反射鏡と組み合わせて実現できる。
【００４７】
このように、双方向通信を実現するには上り・下り用の２つの信号光が必要であるため、これらを局に設置した１つまたは２つの光源で供給するためにはユーザ発信信号用として無変調光を局からユーザまで配送する必要があり、更に、１ユーザ当たり１本の光ファイバを用いてシステムを構成するためには、必然的に周波数の異なる２光源が必要となるので、周波数多重伝送システムが不可欠となるが、本発明は、複屈折周波数フィルタでは、周波数が隣接する透過光の偏光方向が互いに直交していることに着目し、複屈折周波数フィルタを用いることにより、周波数多重伝送システムの主要なコストを占める光周波数フィルタのポート数を最小限とする手段としてその複屈折性を積極的に利用したものである。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように本発明は、複屈折周波数フィルタでは、周波数が隣接する透過光の偏光方向が互いに直交していることに着目し、周波数多重伝送システムの主要なコストを占める光周波数フィルタのポート数を最小限とする手段としてその複屈折性を積極的に利用することにより、ユーザ端末に光源を設置することなく、かつ、１ユーザ端末あたり１本の専用光ファイバを用いて、安価で信頼性の高い双方向光通信システムを実現することができる。
【００４９】
また、双方向通信を実現するには上り・下り用の２つの信号光が必要であるため、これらを局に設置した１つまたは２つの光源で供給するためにはユーザ発信信号用として無変調光を局からユーザまで配送する必要があるが、本発明のように、局とユーザ端末を構成することにより、ユーザ端末に光源を設置することなく、かつ、１ユーザ端末あたり１本の専用光ファイバを用いて、安価で信頼性の高い双方向光通信システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】双方向通信システムの概念図。
【図２】本発明の双方向通信システムの全体構成図。
【図３】本発明の局の構成図。
【図４】本発明のユーザ端末の第１の構成図。
【図５】複屈折を持たない光周波数フィルタの実施例図。
【図６】複屈折ファブリ・ペロ・エタロンの透過特性図。
【図７】本発明のユーザ端末の第２の構成図。
【図８】従来の双方向光通信システムの第１の構成図。
【図９】分岐光線路型光周波数多重伝送システム（一方向伝送）
【図１０】従来の双方向光通信システムの第２の具体的構成図。
【図１１】従来の双方向光通信システムの第３の具体的構成図。
【符号の説明】
１局
１１ユーザ１宛送信用光源
１２ユーザ１用受光器
１３ユーザ１発信信号用光源
１４合分波器
１５，１６第１、第２の入力光ファイバ
１７光周波数合分波器
２ユーザ端末
２１偏光ビームスプリッタ
２２受光器
２３合分波器
２４変調器
２５反射型変調器
３共用光ファイバ
４複屈折光周波数フィルタ
５分岐部／光周波数フィルタ
６偏波保持光ファイバ
７専用光ファイバ
８送信信号
１０ユーザ用光源・受光器類

Claims

局とユーザ端末を光ファイバで結ぶ双方向光通信システムにおいて、前記局に接続された一本の光ファイバと、前記一本の光ファイバを介して局から送られてくる光のうち、偏光方向が互いに直交した特定の２つの周波数の光を透過させる複屈折光周波数フィルタと、前記複屈折光周波数フィルタ透過光をその偏光状態を保ったままユーザ端末まで導く偏波保持光ファイバと、ユーザ端末により構成される双方向光通信システム。
前記局はユーザ宛送信用光源、ユーザ用受光器、ユーザ発信信号用光源、合分波器でなる複数のユーザ用光源・受光器類と１つの光周波数合分波器とで構成されることを特徴とする請求項１記載の双方向光通信システム。
前記ユーザ端末は前記偏波保持光ファイバ出力光をその偏光方向に従い分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタで分離された光のうち一方を受光する光検出器と、他方をユーザが送出すべき信号に従い変調器により変調を加えたのち、再び前記偏光ビームスプリッタに入射して前記複屈折光周波数フィルタに到達せしめる手段とにより構成されることを特徴とする請求項１記載の双方向光通信システム。
前記変調器は反射型変調器であることを特徴とする請求項３記載の双方向光通信システム。