JP4283192B2

JP4283192B2 - デュオバイナリー光送信機

Info

Publication number: JP4283192B2
Application number: JP2004259420A
Authority: JP
Inventors: 薫金; 星澤黄
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2024-09-07
Also published as: CN1595844A; KR20050026311A; US7277646B2; EP1515461B1; DE602004002825T2; US20050053382A1; DE602004002825D1; KR100532305B1; JP2005086828A; EP1515461A1; CN1293709C

Description

本発明は、デュオバイナリー(duobinary)光送信技術を利用したデュオバイナリー光送信機に関する。

高密度波長分割多重方式(Dense Wavelength Division Multiplexing:以下、“ＤＷＤＭ”と称する。)の光送信システムは、一つの光ファイバ内に相互に異なる波長を有する多数のチャンネルで構成された光信号を送ることで送信効率を高めることができ、また、チャンネル数を増加させることで低いチャンネル送信速度で大容量信号を送ることができるので、最近のように送信量が増加している超高速インターネット網に有用に使われているシステムである。現在、ＤＷＤＭを使って１００個以上のチャンネルを一つの光ファイバを通して送るシステムが常用化されており、１０Ｔｂｐｓを越える伝送速度で、単一の光ファイバに２００個以上のチャンネルを４０Ｇｂｐｓで同時に送るシステムを開発するための研究も、活発に行われている。

しかしながら、急激なデータトラフィックの増加と４０Ｇｂｐｓ以上の高速データ送信要求によって、既存のＮＲＺ(Non Return to Zero:以下、“ＮＲＺ”と称する)を使用して光強度の変調時に５０ＧＨｚチャンネル間隔以下にした場合には、急激なチャンネル間の干渉と歪曲により、送信容量の拡張に限界があり、既存バイナリー(binary)ＮＲＺ送信信号のＤＣ周波数成分と変調時に拡散した高周波成分は、光ファイバ媒質での電波時の非線形と分散をもたらして、１０Ｇｂｐｓ以上の高速送信においては送信距離に限界が生じる。

最近、色分散(chromatic dispersion)による送信距離の制限を克服することができる光送信技術として、光デュオバイナリーの技術が注目されている。このデュオバイナリー変調方式は、光信号の強度に情報を乗せていながら'０'ビットで信号の位相が逆転されるという特徴を有している。デュオバイナリー信号は、既存のＯＯＫ信号よりも光スペクトラムで狭い線幅を有しているので、高密度波長分割多重方式(Dense Wavelength-Division Multiplexing；ＤＷＤＭ)の光送信システムでチャンネル間隔を狭めるのに有利であり、また、光ファイバの色分散についての強い耐性を有するので、ＯＯＫ信号を使用した場合と比較して２〜３倍さらに遠くに伝送することができる、という長所がある。さらに、デュオバイナリー信号は、光スペクトラムでキャリアトーン(carrier tone)成分（すなわちＤＣ周波数成分）が存在しないので、誘導ブリルアン散乱(stimulated Brillouin scattering；SBS)に対して強い、という長所もある。

図１は従来のデュオバイナリー光送信機を示す図である。

図１に示す従来のデュオバイナリー光送信機は、２-レベルの電気的なパルス信号を生成するパルス信号発生器(ＰＰＧ:pulse pattern generator)１０と、この２-レベルＮＲＺ電気信号を符号化するプリコーダ２０と、該プリコーダ２０から出力される２-レベルのＮＲＺ電気信号を３-レベルの電気信号に変換させて信号の帯域幅を減らす低帯域フィルタ３０，３１と、この３-レベル電気信号を増幅して光変調器駆動信号を出力する変調器駆動増幅器４０，４１と、搬送波を出力するレーザー光源(laser source)５０と、マッハツェンダータイプの光強度変調器(Mach-Zehnder interferometer type optical intensity modulator)６０と、で構成される。

このデュオバイナリー光送信機において、パルス信号発生器１０から生成された２-レベルのパルス信号は、プリコーダ２０によって符号化(encoding)される。プリコーダ２０から出力された２-レベルのバイナリー信号は、低帯域フィルタ３０及び３１に、それぞれ入力される。これら低帯域フィルタ３０，３１は、cosine２フィルタであることが理想的であるが、ベッセル-トムソンフィルタ(Bessel-Thomson filter)の使用により近似可能である。低帯域フィルタの帯域幅が二進データ速度の１／４に該当する３-ｄＢ帯域幅を有する場合(例えば、１０Ｇｂ／ｓデータの場合における２．５ＧＨｚのフィルタ)には、低帯域フィルタを通過した二進信号は、帯域幅が制限された３進信号(band-limited ternary signal)に変換される。すなわち、低帯域フィルタ３０，３１は、上記２-レベルバイナリー信号のクロック周波数(clock frequency)の約１／４に相当する帯域幅を有する。このような帯域幅の過度な制限は、コード間の干渉を引き起こし、このコード間の干渉によって、上記２-レベルバイナリー信号が３-レベルのデュオバイナリー信号(３-level Duo-binary signal)に変換させられる。

この３-レベルデュオバイナリー信号は、変調器駆動増幅器４０，４１によって増幅された後に、マッハツェンダータイプの光強度変調器６０の駆動信号として利用される。すなわち、レーザー光源５０から出力された搬送波が、マッハツェンダータイプの光強度変調器６０の駆動信号によって位相及び光強度変調されて、その結果、光強度変調器６０からは、搬送波から変調された２-レベルの光デュオバイナリー信号が出力される。なお、低帯域フィルタ３０，３１と変調器駆動増幅器４０，４１の位置については、相互に変える（或いは切り替える）ことができる。

図１の光送信機から発生したデュオバイナリー信号は、低帯域フィルタの特性に大きく依存するので、印加される二進信号のパターン長さによって、その性能が大きく変化する。また、マッハツェンダー変調器を使うので、バイアス電圧の変化にも敏感である。したがって、光送信機の温度変化等によってマッハツェンダー変調器のバイアス電圧が変化する場合に、システムの性能が劣化することがある。

このようなデュオバイナリー光送信機は、分散が強く、また、信号帯域幅が狭いという問題点があることから、これを解決するために、位相変調器と光学フィルタを使用するデュオバイナリー光送信機が提案された。

図２は、位相変調器と光学フィルタを使用するデュオバイナリー光送信機のブロック構成を示す図である。なお、図２のプリコーダ１１０、駆動増幅器１２０及びレーザー光源１３０については、図１の構成要素と同一であるため、その説明を省略する。

図２を参照すると、このデュオバイナリー光送信機においては、プリコーダ１１０からの符号化された二進データ信号は、駆動増幅器１２０を通じて光位相変調器１４０に印加される。光位相変調器１４０は、入力される光信号の位相を変調する。位相変調された光信号は、帯域幅が二進信号送信速度の約７０%に該当する帯域幅(例えば、１０Ｇｂ／ｓデータの場合における７ＧＨzのフィルタ)を有した光学フィルタ１５０を通じて、デュオバイナリー信号に変換される。

図２の光送信機で発生したデュオバイナリー信号は、光ファイバの分散に対する耐性が図１の光送信機のそれと比較して少し落ちるが、図１の光送信機の問題点であるパターン長さ及びマッハツェンダー変調器のバイアス位置への依存性の問題を解決した方法である。しかしながら、図２の光送信機は、優れた分散特性を備えかつ通過帯域が狭い光学フィルタを要求するので、その実現が容易でないという短所がある。

上記背景に鑑みて、本発明の目的は、既存のデュオバイナリー光送信機の短所を除去し、パターン長さ及びマッハツェンダー変調器のバイアス位置による依存性問題を解決した、新たなデュオバイナリー光送信機を提供することにある。

本発明の他の目的は、既存のデュオバイナリー光送信機の短所を除去し、通過帯域が狭い光学フィルタが必要な問題点も解決したデュオバイナリー光送信機を提供することにある。

かかる目的を達成するために、本発明のデュオバイナリー光送信機は、二進データの電気信号をコーディングするプリコーダと、ＣＷ(continuous wave)光を生成するＣＷ光源と、前記ＣＷ光源からの光信号の位相を、前記プリコーダの出力電気信号に基づいて変調させる光位相変調器と、前記光位相変調器から出力された光信号に対して、該光信号の入力される偏光状態に依存した時間遅延を加える複屈折素子と、前記複屈折素子から出力される光信号が印加される際に、特定の偏光方向の光信号のみを透過する偏光器と、を具備する。

本発明のデュオバイナリー光送信機によれば、位相変調器と複屈折素子と偏光器とを含んで構成されることにより、光変調器のバイアスに無関係となり、三進信号を使用しないので、パターン依存性もない。また、本発明のデュオバイナリー光送信機は、実現が容易でない狭帯域光学フィルタを使用しないので、経済的な実現も可能になる。

以下、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記説明において、本発明の要旨のみを明瞭にするために、公知の機能又は構成についての詳細な説明は省略する。

図３は本発明の第１の実施形態によるデュオバイナリー光送信機の構成を示す図であり、図４は本発明の第２の実施形態による交代表示反転(alternate mark inversion：ＡＭＩ)光送信機の構成を示す図である。図５は本発明によるデュオバイナリー／交代表示反転光送信機の原理を説明するための信号波形の一例を示す図である。

図３に示すように、本発明の第１の実施形態によるデュオバイナリー光送信機は、連続波光信号を発生するＣＷ(continuous wave)レーザー２３０と、ＣＷレーザー２３０からの光信号の位相を、印加される電気信号に従って変調させる光位相変調器２４０と、前述した２-レベルＮＲＺ電気信号を符号化するプリコーダ２１０と、プリコーダ２１０の出力した２-レベル電気信号を増幅して光変調器駆動信号として光位相変調器２４０に出力（印加）する変調器駆動増幅器２２０と、光位相変調器２４０の後段に接続され、二つ以上の屈折率を有している複屈折素子２５０と、複屈折素子２５０の後段に接続され、特定の偏光方向の光信号のみを透過させる偏光器２６０と、を備えた構成となっている。ここで、ＣＷレーザー２３０は、連続波光信号を生成して、生成した連続波光信号を光位相変調器２４０に提供するものであり、連続波レーザーダイオードを使用することができる。

図４に示す本発明の第２の実施形態によるデュオバイナリー光送信機３００は、第１の実施形態によるデュオバイナリー光送信機２００とは、偏光器の構成のみが異なっており、他の構成要素については同一なので、以下の動作説明では、上記２つの実施形態について適宜、同時並行的に説明する。

以下、上記のような構成を有する本発明を適用したデュオバイナリー光送信機２００，３００の動作を、図５の波形図を参照して説明する。

図３乃至図５を参照すると、各実施形態のデュオバイナリー光送信機２００，３００には、例えば図５の(ａ)に示す二進データ信号が入力される。この二進データ信号は、先ずデュオバイナリー光送信機２００，３００のプリコーダ２１０，３１０に入力される。この例では、図５の(ａ)に示すように、二進データ信号が"０１０１１０００１１１０１０１０１"のデータ列を有する。この二進データ信号は、プリコーダ２１０，３１０で図５の(ｂ)のようにコーディングされる。プリコーダ２１０，３１０は、公知のように、二進入力シーケンスを他のシーケンスに変換するプリコーディング処理を実行する。このようなプリコーダ２１０，３１０は、一般的には、入力シーケンスと、それの１ビット遅延されたシーケンスを入力として有する排他的論理合(ＸＯＲ)ゲートと、前記入力シーケンスを１ビット遅延させて排他的論理合ゲートに出力する遅延器とで構成されている。そして、プリコーディング処理は、光送信システムにおいて、二進データを送信するのに好適に変更するためのものである。プリコーダ２１０，３１０からの二進データ信号は、変調器駆動増幅器２２０，３２０を経て、光位相変調器２４０，３４０に印加される。

光位相変調器２４０，３４０は、印加される電気信号に従って駆動増幅器２２０，３２０から供給される光信号の位相を変調させる。図５の(ｃ)は、光位相変調器によって位相変調された信号を示す。図５の(ｃ)で斜線で表示された部分は、光信号が存在する部分であり、各ビットに'０'又は'π'で表示された内容は、光信号の相対的な位相を意味する。

このような図５の(ｃ)に示すように位相変調された信号は、複屈折素子２５０，３５０に入射される。複屈折素子２５０，３５０は、光位相変調器２４０，３４０から出力された光信号に対して、入力される偏光状態によって時間遅延を印加する。この場合、複屈折素子２５０，３５０の偏光軸は、入力信号の偏光軸と４５゜の角度をなすように設定される。これにより、複屈折素子２５０，３５０に印加される光信号の半分は早い偏光軸(fast axis)に伝播し、残りの半分は遅い偏光軸(slow axis)に伝播する。図５の(ｃ)が早い偏光軸に入射した光信号であると仮定すれば、図５の(ｄ)は遅い偏光軸に入射した光信号である。図５において、複屈折素子２５０，３５０の早い偏光軸はｘ-偏光軸（ｘ−ｐｏｌ）と同一方向であり、遅い偏光軸はｙ-偏光軸（ｙ−ｐｏｌ）と同一方向である。

複屈折素子２５０（又は３５０）の屈折率の差は、位相変調器２４０，３４０に印加される二進信号の送信速度の１ビット周期と同一になるように設定する。複屈折素子２５０，３５０の屈折率の差が決まっている場合には、複屈折素子２５０の長さは、次の数１に従って算出される。

ここで、Δnは遅い偏光軸の屈折率と早い偏光軸の屈折率差であり、Ｌは複屈折素子の長さ、ｃは光速、そして、Ｔは二進信号のビット周期(bit duration)である。複屈折素子２５０，３５０を通過した信号は、早い偏光軸と遅い偏光軸を過ぎた信号の偏光及び位相関係によって、図５の(ｅ)のように示される。

複屈折素子は、方解石(calcite)のような物質を用いて構成することもできるが、光通信システムで適用されるためには、光ファイバ形態の素子が好適である。偏光維持光ファイバ(Polarization Maintaining Fiber；ＰＭＦ)は、光ファイバの形態で複屈折の性質を有しているので、本発明の複屈折素子に使用することができる。

複屈折素子２５０，３５０を通過した光信号は、偏光器２６０，３６０に入力される。偏光器２６０、３６０は、複屈折素子２５０，３５０からの光信号をデュオバイナリー信号又は交代反転（alternate mark inversion：ＡＭＩ)信号に変換する。ここで、変換される信号の性質は、偏光器２６０，３６０の偏光軸に左右される。すなわち、図５の(ｆ)のように偏光器の軸が４５゜軸と一致する場合には、デュオバイナリー信号が発生し、図５の(ｇ)のように偏光器の軸が１３５゜軸と一致する場合には、交代反転（ＡＭＩ)信号が発生する。図４では、偏光器の軸が１３５゜軸と一致するように設定して交代反転信号を発生する光送信機の実施形態を示している。

図３又は図４の光送信機の場合、偏光器の軸方向のみの差で、デュオバイナリー信号送信器或いは交代反転信号送信器に変わるので、軸の方向が可変可能な偏光器を使うことで、必要に応じて、出力信号をデュオバイナリー又は交代反転信号に切り替えるようにすることも可能である。また、他の方法としては、偏光器の代わりに偏光ビームスプリッター(polarization beam splitter)を使うことも可能であり、この場合には、偏光ビームスプリッターの一側出力としてデュオバイナリー信号が発生し、他の一側出力として交代反転信号が発生するデュオバイナリー／交代反転信号光送信機の構成とすることができる。そして、かかる構成の光送信機を環形（ring-shaped）光通信網に使用する場合には、偏光ビームスプリッターからの２個の出力を、それぞれ経路スイッチング(path switching)させる構成とすることにより、該光通信網の信頼性向上を図ることが可能となる。

以上、本発明の詳細について具体的な実施形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。従って、本発明の範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲及びその範囲と均等なものにより定められるべきである。

従来のデュオバイナリー光送信機の一構成例を示す図である。位相変調器と光学フィルタを使用するデュオバイナリー光送信機のブロック構成を示す図である。本発明の第１実施形態によるデュオバイナリー光送信機の構成を示す図である。本発明の第２実施形態による交代表示反転光送信機の構成を示す図である。本発明によるデュオバイナリー／交代表示反転光送信機の原理を説明するための信号波形の一例を示す図である。

符号の説明

２００，３００デュオバイナリー光送信機
２１０，３１０プリコーダ
２３０ＣＷレーザー（ＣＷ光源）
２４０，３４０光位相変調器
２５０，３５０複屈折素子
２６０，３６０偏光器
２２０，３２０駆動増幅器

Claims

二進データの電気信号をコーディングするプリコーダと、
ＣＷ(continuous wave)光を生成するＣＷ光源と、
前記ＣＷ光源からの光信号の位相を、前記プリコーダの出力電気信号に基づいて変調させる光位相変調器と、
前記光位相変調器から出力された光信号に対して、該光信号の入力される偏光状態に依存した時間遅延を加える複屈折素子と、
前記複屈折素子から出力される光信号が印加される際に、特定の偏光方向の光信号のみを透過する偏光器と、
を具備することを特徴とするデュオバイナリー光送信機。
前記光位相変調器は、マッハツェンダー変調器で構成される請求項１に記載のデュオバイナリー光送信機。
前記複屈折素子は、偏光維持光ファイバ(Polarization Maintaining Fiber；ＰＭＦ)で構成される請求項１に記載のデュオバイナリー光送信機。
前記偏光器は、一側の出力としてデュオバイナリー信号を発生し、他の一側の出力として交代反転（alternate mark inversion：ＡＭＩ)信号を発生する偏光ビームスプリッター(polarization beam splitter)で構成される請求項１に記載のデュオバイナリー光送信機。
前記複屈折素子は、二進電気信号の定数倍ビット周期に該当する屈折率の差を有する請求項４に記載のデュオバイナリー光送信機。
前記複屈折素子の偏光軸は、前記光位相変調器から出力された信号の偏光軸と４５゜の角度をなすように設定される請求項１に記載のデュオバイナリー光送信機。
前記ＣＷ光源は、連続波レーザーダイオードである請求項１に記載のデュオバイナリー光送信機。
前記プリコーダと前記光位相変調器の間に結合された駆動増幅器をさらに含む請求項１に記載のデュオバイナリー光送信機。
光信号は、前記複屈折素子によって、早い偏光軸（fast axis）及び遅い偏光軸（slow axis）に分離されて送信される請求項６に記載のデュオバイナリー光送信機。
前記偏光器の軸方向は、その出力信号を変化させるように選択的に変更される請求項１に記載のデュオバイナリー光送信機。