以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
先ず、本発明を想到するに至った経緯について説明する。世に広く普及したEDFAを中継用光増幅器として用いた陸上の多段中継光通信システムにおいては、通常、利得平坦度を保つ為に、EDFA内に透過損失スペクトルが可変である光部品を具備するとともに、光伝送路のスパンロスの変動を検出して、前記の光部品の透過損失スペクトルを制御する。前記の光部品としては、損失が可変である可変光減衰器(VOA: Variable Optical Attenuator)が一般に用いられる。また、場合によっては、透過損失スペクトルの傾斜も可変である損失傾斜可変補償器(VASC: Variable Attenuation Slope Compensator)も用いられる。VASCについては文献「H. Hatayama, C. Hirose, K. Koyama, N. Akasaka, and N. Nishimura, "Variable attenuation slope compensator (VASC) using silica-based planar lightwave circuit technology for active gain slope control in EDFAs", OFC2000, Tech. Dig., WH7, 2000」に詳しく記載されている。
図1は、中継用光増幅器としてのEDFAの構成図である。この図に示されるEDFA100は、入力コネクタ101に入力した信号光(CバンドまたはLバンド)を光増幅し、その光増幅した信号光を出力コネクタ102から出力するものである。EDFA100は、WDM光フィルタ111〜116、光カプラ121〜126、フォトダイオード131〜136、光アイソレータ141〜145、レーザダイオード151〜154、EDF(光増幅媒体)161〜163、可変光減衰器(光部品)170、利得等化器180、DCF(分散補償光ファイバ)190、制御回路200および上位監視基板210を備える。
入力コネクタ101から出力コネクタ102へ至る信光伝送経路に沿って、WDM光フィルタ111、光カプラ123、光アイソレータ141、WDM光フィルタ113、EDF161、光アイソレータ142、VOA170、WDM光フィルタ114、EDF162、WDM光フィルタ115、光アイソレータ143、利得等化器180、光カプラ124、DCF190、光カプラ125、光アイソレータ144、WDM光フィルタ116、EDF163、WDM光フィルタ117、光アイソレータ145、光カプラ126およびWDM光フィルタ112が順に配置されている。
また、WDM光フィルタ111には光カプラ121を介してフォトダイオード131が接続されている。WDM光フィルタ112には光カプラ122を介してフォトダイオード132が接続されている。WDM光フィルタ113にはレーザダイオード151が接続されている。WDM光フィルタ114および115にはレーザダイオード152が接続されている。WDM光フィルタ116にはレーザダイオード153が接続されている。WDM光フィルタ117にはレーザダイオード154が接続されている。光カプラ123にはフォトダイオード133が接続されている。光カプラ124にはフォトダイオード134が接続されている。光カプラ125にはフォトダイオード135が接続されている。光カプラ126にはフォトダイオード136が接続されている。
制御回路200は、上位監視基板210から与えられる指示に基づいて、フォトダイオード133〜136それぞれから出力される電気信号を入力し、レーザダイオード151〜154それぞれから出力される励起光のパワーを制御する。また、制御回路200は、信号光のレベルのモニタ結果および他のモニタ結果(好適には、信号光を伝搬させる伝送用光ファイバに伝搬させた監視光のレベルのモニタ結果)に基づいて、VOA170の透過損失スペクトルを制御する。
入力コネクタ101には信号光および監視光(例えば波長1.51μm帯)が入力する。これら信号光および監視光はWDM光フィルタ111により分波されて、その分波された監視光は上位監視基板210に入力する。上位監視基板210では、入力した監視光に基づいて、前段の中継用光増幅器から送られてきたシステム情報(例えば信号光の波数)が解析される。そして、この解析結果に基づいて、上位監視基板210から制御回路200に対して指示が与えられる。また、後段の中継用光増幅器へ送るべき監視光が上位監視基板210から出力される。その出力された監視光は、WDM光フィルタ112により、EDF161〜163により光増幅された信号光と合波されて、出力コネクタ102から出力される。なお、入力した監視光のレベルは光カプラ121およびフォトダイオード131によりモニタされ、出力する監視光のレベルは光カプラ122およびフォトダイオード132によりモニタされる。
レーザダイオード151から出力された励起光は、WDM光フィルタ113を経てEDF161に前方向から供給される。レーザダイオード152から出力された励起光は、WDM光フィルタ114,115を経てEDF162に双方向から供給される。レーザダイオード153から出力された励起光は、WDM光フィルタ116を経てEDF163に前方向から供給される。レーザダイオード154から出力された励起光は、WDM光フィルタ117を経てEDF163に後方向から供給される。
入力コネクタ101に入力した信号光は、WDM光フィルタ111、光カプラ123、光アイソレータ141およびWDM光フィルタ113を順に経てEDF161に入力し、このEDF161において光増幅される。EDF161において光増幅された信号光は、光アイソレータ142を経てVOA170に入力して、このVOA170により損失を受けてパワーが調整され、その後に、WDM光フィルタ114を経てEDF162に入力し、このEDF162において光増幅される。
EDF162において光増幅された信号光は、WDM光フィルタ115および光アイソレータ143を順に経て、利得等化器180により利得等化され、光カプラ124を経て、DCF190により分散補償される。DCF190により分散補償された信号光は、光カプラ125、光アイソレータ144およびWDM光フィルタ116を順に経てEDF163に入力し、このEDF163において光増幅される。EDF163において光増幅された信号光は、WDM光フィルタ117、光アイソレータ145、光カプラ126およびWDM光フィルタ112を順に経て、出力コネクタ102から外部へ出力される。
また、入力コネクタ101に入力した信号光の一部は光カプラ123により分岐されてフォトダイオード133により検出され、これにより、入力信号光レベルがモニタされる。出力コネクタ102から出力された信号光の一部は光カプラ126により分岐されてフォトダイオード136により検出され、これにより、出力信号光レベルがモニタされる。DCF190に入力する信号光の一部は光カプラ124により分岐されてフォトダイオード134により検出され、DCF190から出力した信号光の一部は光カプラ125により分岐されてフォトダイオード135により検出される。これらの検出結果は制御回路200に通知される。
レーザダイオード151は、励起出力一定制御され、または、電流一定制御される。レーザダイオード152は、フォトダイオード134によるモニタ結果に基づいて、DCF190に入力する信号光のパワーが一定になるように励起出力が制御される。レーザダイオード153,154は、フォトダイオード136によるモニタ結果に基づいて、出力コネクタ102から出力される信号光のパワーが一定になるように励起出力が制御される。レーザダイオード153,154は、互いに等しいパワーの励起光を出力する。
この図1に示されたとおり、EDFAは、伝送路光ファイバの波長分散を補償するためのDCFも内蔵するのが一般的である。DCFは強い非線形を持つために、DCFへの信号入力レベルはある所定のレベル(通常−2dBm/ch程度)以下に制御されねばならない。一方で、DCFは高い挿入損失(最悪10dB程度)を有するので、DCFへの信号入力をあまり下げては雑音特性の悪化につながる。即ち、DCF入力地点において、WDM信号光はなるべく−2dBm/ch程度に平坦に維持される必要がある。したがって、利得平坦度を保つための前記の損失スペクトルが可変である光部品は、DCFの上流部に挿入されねばならない。図1の例では、EDF161とEDF162との間にVOA170が挿入されている。
EDF161〜163それぞれの信号光出力レベルの制御は、レーザダイオード151〜154から出力される励起光のパワーを制御して行われる。EDF161の信号光出力には特に上限は無いので、レーザダイオード151は常に最大出力であってもよい。レーザダイオード152は、前記の通り、EDF162の出力信号レベルがなるべく−2dBm/ch程度になる様に制御する。このための手段としては、DCF190直前の信号光パワーをフォトダイオード134によりモニタして、そのモニタ値が所要の目的値に一致するようにレーザダイオード152の励起パワーを帰還制御するのが一般的である。所要の目的値の定め方の例は、後に説明する。EDF163の信号光出力レベル(即ち、次の区間への伝送路光ファイバへの信号光入力レベル)も、伝送路光ファイバ中での非線形現象を避ける為に、全チャンネルで所定のレベル近くに揃える必要がある。したがって、レーザダイオード153,154も、フォトダイオード136のモニタ値が或る所定の目標値になる様に、帰還制御されることが望ましい。
また、前記のスパンロスの変動を検出する方法としては、当該EDFA(N区間目とする)の信号光入力レベル(図1中のフォトダイオード133で検出)とN−1区間目のEDFAの信号光出力レベル(図1中のフォトダイオード136で検出)の差異を用いる方法、N−1区間目のEDFAが正常に動作しているものと仮定して当該EDFAの信号入力レベルの変化を用いる方法、等が挙げられる。但し、後者は、観測中に波数変動があった場合など、スパンロスと誤認する危険性があるので、上位監視システムから常時波数の情報を与えるなどの対策が必要である。
例えば後者の時、EDFAの信号入力レベルPin[dBm]の変化量ΔPin[dB]に基づき、VOAの光減衰量A[dB] の変化量ΔA[dB]が以下の様になるようにVOAを制御することが望ましい。但し、信号光波数変化がある時は、この制御を無効化する。
即ち、信号入力レベルが増えた分だけ、VOAの減衰量も等量だけ増すことで、EDFAに内蔵されるEDF単体の利得の大きさは保たれ、ひいては利得スペクトル形状が保たれて、利得平坦度が維持できる。
然るに、最近、非特許文献1に記載されているように、陸上の光通信システムでも、伝送路中にEDFを挿入する遠隔励起が、伝送距離拡大および伝送容量向上の手段として注目され、分布ラマン増幅とともに採用され始めた。通常、遠隔励起は、特許文献1〜3に記載されているように海底無中継システムに用いられてきた。こうしたシステムでは、伝送路ファイバは温度が安定し人が容易に接触できない海底に存在し、また作業者が伝送路ファイバを敷設後に加工する確率も低く、スパンロスの変動はあまり生じないと考えられる。生じたとしても、多段中継を行っているわけではなく、良好な利得平坦度を保つ必要性は高くない。従って、伝送路の直前または直後のEDFAに損失スペクトルが可変である光部品はそもそも内蔵された形跡が無く、ましてやスパンロスが検出されたときに是を制御するという必要性が無かった。
本発明は、今日の陸上光通信システムのような多段中継を必要とする光通信システムにおいて、遠隔励起光増幅モジュールを導入した時に、中継用EDFAと伝送路との全体において利得平坦性を保つことを意図したものである。
図2は、遠隔励起光増幅モジュールの構成図である。この図に示される遠隔励起光増幅モジュール300は、入力コネクタ301に入力した信号光(CバンドまたはLバンド)を光増幅し、その光増幅した信号光を出力コネクタ302から出力するものである。遠隔励起光増幅モジュール300は、WDM光カプラ311〜316、光カプラ321,322、光アイソレータ341,342、EDF(光増幅媒体)361,362、および、自然放出光モニタ部371,372、を備える。
入力コネクタ301から出力コネクタ302へ至る信光伝送経路に沿って、WDM光カプラ311、光アイソレータ341、WDM光カプラ313、EDF361、光アイソレータ342、WDM光カプラ314、EDF362、WDM光カプラ315、WDM光カプラ312およびWDM光カプラ316が順に配置されている。
WDM光カプラ311,312は信号光と監視光とを合分波するものであり、これらの間には監視光バイパス路381が設けられている。WDM光カプラ313〜316は信号光と励起光とを合分波する。WDM光カプラ316は、励起光パワーの低下を極力防ぐ為に、WDM光カプラ312に対して信号光伝送の下流側に設けられている。光カプラ321は、WDM光カプラ316から到達した励起光を2分岐して、その分岐した励起光をWDM光カプラ313および光カプラ322それぞれへ出力する。光カプラ322は、光カプラ321から到達した励起光を2分岐して、その分岐した励起光をWDM光カプラ314,315それぞれへ出力する。
自然放出光モニタ部371は、EDF361で発生して側方に放射された自然放出光をモニタするためのものであり、自然放出光モニタ部372は、EDF362で発生して側方に放射された自然放出光をモニタするためのものである。
出力コネクタ302に励起光が入力すると、その励起光は、WDMカプラ316を経て光カプラ321に入力し、この光カプラ321により分岐される。光カプラ321により分岐された一方の励起光は、WDMカプラ313を経てEDF361に前方向から供給される。光カプラ321により分岐された他方の励起光は、光カプラ322により更に分岐され、WDMカプラ314,315を経てEDF362に双方向から供給される。
入力コネクタ301に信号光および監視光が入力すると、そのうちの監視光は、WDM光カプラ311、監視光バイパス路381、WDM光カプラ312およびWDM光カプラ316を経て、出力コネクタ302から外部へ出力される。一方、信号光は、WDM光カプラ311、光アイソレータ341およびWDM光カプラ313を順に経てEDF361に入力し、このEDF361において光増幅される。EDF361において光増幅された信号光は、光アイソレータ342およびWDM光カプラ314を順に経てEDF362に入力し、このEDF362において光増幅される。EDF362において光増幅された信号光は、WDM光カプラ315、WDM光カプラ312およびWDM光カプラ316を順に経て、出力コネクタ302から外部へ出力される。
このような遠隔励起光増幅モジュールの利得は、WDM信号光の波数の変動、スパンロス変動による入力信号光パワーの変動、スパンロス変動による励起光パワーの変動、というような原因で変動し得る。
図3〜図6それぞれは、図2に示された遠隔励起光増幅モジュール300の利得特性または雑音指数特性を示す図である。ここでは、外部から供給される励起光の波長を1.49μm帯とし、該励起光のパワーを23mWとし、EDF361およびEDF362それぞれのモードフィールド径を4.9μmとし、EDF361の吸収条長積を114dBとし、EDF362の吸収条長積を187dBとし、入力する多波長信号光が波長域1570nm〜1600nmに等間隔で分布しているとした。
図3は、入力信号光パワーの各値の場合における遠隔励起光増幅モジュールの利得特性を示す図である。図4は、入力信号光パワーの各値の場合における遠隔励起光増幅モジュールの雑音指数特性を示す図である。これらの図では、入力する信号光の波数が変動する場合を想定して、入力信号光パワーを0dBm〜−20dBmの範囲で調整した。図3から判るように、入力信号光の波数が変動すると、遠隔励起光増幅モジュールの利得特性も変動する。
図5は、励起光パワーの各値の場合における遠隔励起光増幅モジュールの利得特性を示す図である。図6は、励起光パワーの各値の場合における遠隔励起光増幅モジュールの雑音指数特性を示す図である。これらの図では、入力する励起光のパワーを12.9mW、17.1mW、21.4mWおよび30.0mWの各値とした。図5から判るように、入力する励起光のパワーが変動すると、遠隔励起光増幅モジュールの利得特性も変動する。
更に、これらの要因が複合して、遠隔励起光増幅モジュールの利得特性の変動が発生する事態も考えられる。前記のスパンロスの変動を検出する方法のように、中継局において信号光レベルをモニタする手段だけでは、原因の切り分けが出来ない。例えば、WDM信号の波数が減少したとき、遠隔励起光増幅モジュールの利得は向上し、その下流にある中継局で1波当りの受信信号光レベルpin[dBm/ch]を次式により計算していた場合、見かけ上はスパンロスが減少する。ここで、Pin[dBm]はモニタされるトータル信号光パワー、nはWDM信号光の波数である。
このとき、遠隔励起光増幅モジュールとしては、図3に見られるように、帯域内の利得の大きさは向上するが同時に負の利得傾斜を発生する。従って、中継用EDFAとしては、トータル信号出力Pout[mW]を以下の式で表されるような目標値に合わせる制御さえ行えば、中継用EDFAの出力としては利得平坦度を保つことができる。損失スペクトルが可変である光部品の損失は更新してはならない。ここで、Pout[mW]は目標となるトータル信号光パワー、poutは予め設定された目標となるch当りの信号光パワー、nはWDM信号光の波数、PaseはASE光発生を考慮した補正値である。
仮に、このとき、1波当りの受信信号光レベルpin[dBm/ch]が増加したものと誤認してEDFAに内蔵されるVOAの減衰量を増してしまうと、中継用EDFA後には負の利得傾斜が発生してしまう。
非特許文献1に見られるように、EDFの遠隔励起を行うと、その為の励起光は同時にラマン増幅も引き起こす場合があるので、伝送路の信号出力から伝送路の信号入力を差し引いた、伝送路全体としての信号光利得GT[dB]は次式で表される。ここで、PN[dBm]は、N区間目の中継用EDFAの信号光入力パワーを表し、PN−1[dBm]は、N−1区間目の中継用EDFAの信号光出力パワーを表す。GR[dB]はラマン増幅によるOn-off利得、GE[dB]は遠隔励起光増幅モジュールの利得、L[dB]は伝送路ファイバが本来有する損失である。
尚、厳密を期するには遠隔励起光増幅モジュールと分布ラマン増幅によるASE光成分を補正することが望ましい。これらは何れも各々の利得に比例するので、上記の式の中のPNを下記の式で補正することが望ましい。ここで、α、βは各々の雑音指数から予め決められた係数である。
遠隔励起や分布ラマン増幅の無い従来のシステムで具備される中継用EDFAにおいては、該EDFAの入力信号レベルおよび出力信号レベルのモニタから得られるのはGTの情報のみである。然るに、GTの変動があったとしても、その要因がGEの変動であった場合は、遠隔励起や分布ラマン増幅の無い従来のシステムで採用されるプロテクション方式の様に、これに基づいてEDFA内部のVOAの減衰量Aを制御してしまうと、却って利得平坦度が悪化する。
VOAは波長依存性の無い損失を与えるので、その減衰量A[dB]の制御は、次式に従うことが望ましい。但し、(6a)式はラマン利得の変動が補助励起光の採用などで別途補償する機構を具備した場合の制御アルゴリズムを示す。また、(6b)式は、ラマン利得が信号光波長域において略平坦に保たれると仮定して、ラマン信号利得の変動をもVOAの制御で補償する場合の制御アルゴリズムを示す。
遠隔励起EDFや、時として更に分布ラマン増幅をも併用する多段中継光通信システムにおいては、中継用EDFAの入力信号レベルおよび出力信号レベルのモニタで検出されるGTの変動の原因を特定し、それに適合したプロテクション方法を採用することが必要である。
GTの変動の原因を特定する方式については後述することとして、GTの変動の原因が判っていたとして、これに適合したプロテクション方法を図7にまとめた。図7は、遠隔励起EDFと分布ラマン増幅を併用する多段中継光通信システムにおけるGT変動原因とプロテクション方法とを纏めた図表である。スパンロス変動は波長軸方向にほぼ均一な変化なので、GTの変動がスパンロスLの変動である特定された場合、或いは、GTの変動が複合的な要因で発生した場合でもスパンロスLの変動の寄与のみを定量的に求めることが出来たなら、VOAを用いて補償するのが適正である(図7中の第一列&第一行の◎、(6a)式の制御に相当する)。
尚、2波長以上の励起光を用いたラマン増幅の利得は、各波長の励起パワーの配分を最適化していれば、平坦度を保ったまま大きさのみを調整できる。図8は、80kmの通常1.3μm帯零分散単一モードファイバ(以下「SMF」)伝送路を1428nmと1460nmの2波長の励起光で分布ラマン励起した場合の利得スペクトルを示す図であり、図9は、そのときの所要励起パワーを示す図である。この様にラマン励起光パワーを調整すれば、スパンロス変動の補償も行える。しかし、この為には図10の様に余分な励起光源、または、出力に余裕のある励起光源を使用する必要があり、励起光源は只でさえ高価な部品なのに、一層コストが上昇する。更に、励起光源を追加することで消費電力も増大する。そこで図7中の第二列&第一行には○と表記している。
図10は、分布ラマン増幅モジュールに補助励起光源を具備した構成を示す図である。この図において、LD1,LD2は波長1428nmの励起光を出力し、LD3,LD4は波長1460nmの励起光を出力する。通常の場合にはLD2,LD4からは励起光が出力されないが、分布ラマン増幅器の利得劣化が検出された場合にはLD2またはLD4から励起光が出力される。各LDから出力された励起光は、偏波合成器、波長合成器、デポラライザおよびWDMカプラを経て、光伝送路へ供給される。このように補助励起光源LD2,LD4を具備する場合には、ラマン励起光パワーを調整することができて、スパンロス変動の補償も行えるものの、その一方で、コストが上昇し、消費電力が増大する。
2波長の励起光源の何れか一方が劣化した場合も、図9の関係を満たすように、他方の励起パワーを下げれば、ラマン利得GRの大きさは変わっても平坦性は維持される。この様な場合は、スパンロスの変動と同様にVOAによる制御が有効である(図7中の第一列&第二行の◎、(6b)式の制御に相当する)。
スパンロス変動や、若しくは平坦度を保ったままのラマン利得変動などを、中継起用EDFAもしくは遠隔励起EDFの利得変化で補償しようとすると、EDFは図2に示すとおり、利得の大きさが変化すると、利得の傾斜の発生も不可避である為に、WDM信号レベルの平坦度が保てず、非実用的である((図7中の第三列&第一行または第三列&第二行に相当する)。逆に、遠隔励起光増幅モジュールに到達する励起光のパワーの低下により遠隔励起EDFの利得が低下した場合は、利得の大きさが減少すると同時に、正の利得傾斜も発生してしまう。このとき、VOAの減衰量を減少させる等して補償すると、利得傾斜を補うことが出来ないので望ましくない(図7中の第一列&第四行の×に相当する)。
尚、(6a)式および(6b)式は、外部から与えられたスパンロスまたはラマン利得の変化量の情報に基づくVOAのフィードフォワード制御であるが、ラマン利得GRは複数波長の励起光によって実現できるものであり、ある波長の励起光源のみが劣化した場合は、ラマン利得の平坦性が崩れる可能性もある。こうしたラマン利得GRの平坦度の劣化をもVOAの制御で補償しようとする場合は、例えば図1のフォトダイオード134の地点で、信号光波長の中の2波長、2波長のASE、2波長に設けられた監視光、上記の何れかの組み合わせ、光パフォーマンスモニタ(通信装置内蔵型の光スペクトラムアナライザ)、のいずれかの手法により、信号光レベルの波長依存性を検出し、それが最小となるようにVOAの減衰量を制御する、いわゆる帰還制御を行うしかない。しかし、VOA制御により得られる傾斜はEDFの動的利得傾斜でありラマン利得GRの傾斜を100%補償できることは在り得ない(図7中の第一列&第三行の△に相当する)。
遠隔励起EDFを用いたシステムの最大の懸念点は、スパンロスの程度によっては遠隔励起EDFに到達する励起光のパワーが低下し、該EDFが増幅から吸収に転じてしまうことである。分布ラマン増幅の場合は、励起パワーが仮令ゼロになっても元の伝送路ファイバの損失に戻るだけであるが、遠隔励起EDFは所要の励起パワーを注入されない時は吸収体となってしまう。特にLバンドEDFの場合は、EDFの吸収条長積が大きい分、リスクが高い。
図11は、Cバンド用の遠隔励起光増幅モジュールにおいて励起光注入が遮断されたときの吸収スペクトルを示す。このCバンド用の遠隔励起光増幅モジュールに含まれるEDFの吸収条長積を440dBとした。図12は、図2に示されたLバンド用の遠隔励起光増幅モジュールにおいて励起光注入が遮断されたときの吸収スペクトルを示す。図13は、モードフィールド径が6μm程度であるEDFを用いたLバンド用の遠隔励起光増幅モジュールにおける励起光パワーと利得との関係を示す図である。
Cバンドの場合、トータル信号入力が高ければ吸収が飽和するが、Lバンドに至ってはトータル信号パワーに依存せず大きな損失が発生する。特にパスバンド最短波長にとっては、伝送路ファイバが破断した場合と同様である。この様な事態となった場合、最早や信号伝送が出来なくなるので、図14に示すとおり異なる伝送路として異なる経路に切り換えるルーティングによる処置まで必要になる。
図14は、遠隔励起光増幅モジュールを含む光波ネットワークの構成を示す図である。この図に示される光波ネットワーク400は、交換局411〜417、中継用EDFA421〜428、および、遠隔励起光増幅モジュール431,432、を備える。各交換局では、光レベルまたは電気レベルでADMやクロスコネクトが行われる。各交換局の間に敷設された光伝送路は上り及び下りの2心があり、各中継用EDFAおよび各遠隔励起光増幅モジュールは上り用および下り用で1セットである。
交換局411と交換局412との間の光伝送路上に中継用EDFA421が設けられている。交換局412と交換局413との間の光伝送路上に中継用EDFA422が設けられている。交換局414と交換局415との間の光伝送路上に遠隔励起光増幅モジュール431が設けられている。交換局411と交換局415との間の光伝送路上に中継用EDFA423が設けられている。交換局411と交換局414との間の光伝送路上に中継用EDFA424、遠隔励起光増幅モジュール432および中継用EDFA425が設けられている。交換局416と交換局417との間の光伝送路上に中継用EDFA426および中継用EDFA427が設けられている。交換局413と交換局417との間の光伝送路上に中継用EDFA428が設けられている。
このような光波ネットワーク400において、例えば、中継用EDFA424と遠隔励起光増幅モジュール432との間の光伝送路で故障が発生すると、遠隔励起光増幅モジュール432に到達する励起光のパワーが著しく低下し、事実上、その光伝送路は破断した場合と同様の事態になる。このような場合には、交換局411と交換局414との間の信号光伝送経路を、図中の点線で示される直接の経路から、交換局416および交換局417を経る間接の経路に、切り替える必要がある。
とはいえ、本方式は当該伝送路に留まらず光波ネットワーク全体に影響を及ぼす、最も影響の大きいプロテクション方法である。図7中の中継用光増幅器中VOA制御や中継局中の補助励起光制御が不可であったときに、最後の手段として用いることが望ましい。
以上に述べた様に、プロテクション方法は様々あるが、これらを状況に合わせて的確に採択するには、発生した障害(即ちGT低下)の原因を定量的に特定することが必須である。
(4)式より明らかな様に、伝送路のロス(または利得)は、GR、GEおよびLの3つの変数により決定される。これらは互いに連動する場合もあるが、互いに独立して変動する場合もあり得るので、個々の変数を定量的に決定するには最低3つのモニタ方法が必要である。
先ず、(4)式に述べたとおり、伝送路全体としての利得GTは、通常、中継用EDFAに設けられている入出力モニタ用のフォトダイオードにより検出される。
GEの検出には以下の2通りの方法が考えられる。その第1の方法は、遠隔励起用EDFの側方自然放出光をモニタし、伝送路の上流または下流の中継局まで、伝送路とは異なるファイバを用いて伝搬させる方法である。第2の方法は、遠隔励起用EDFに到達する励起光をモニタする方法である。上記の第2の方法のためには、図15または図16に示される光通信システムの構成とすればよい。
図15は、遠隔励起光増幅モジュールに到達する励起光をモニタすることができる光通信システムの第1の構成例を示す図である。この図に示される光通信システム500では、通信局511と通信局512との間の光伝送路531,532上に遠隔励起光増幅モジュール521が設けられていて、遠隔励起光増幅モジュール521に対して信号光伝送の上流側および下流側の光伝送路531,532に光ファイバブラッググレーティング541,542が設けられている。
この光通信システム500では、通信局511から出力された信号光は、光伝送路531により伝送され、光ファイバブラッググレーティング541を透過し、遠隔励起光増幅モジュール521により光増幅され、光ファイバブラッググレーティング542を透過し、光伝送路532により伝送されて、通信局512により受信される。
通信局511から遠隔励起光増幅モジュール521に順方向に供給される励起光は、光伝送路531により伝送され、その大部分のパワーが光ファイバブラッググレーティング541を透過して、遠隔励起光増幅モジュール521内のEDFに供給されるが、一部の励起光は、光ファイバブラッググレーティング541により反射されて、光伝送路531を経て通信局511に戻り、この通信局511においてパワーがモニタされる。
また、通信局512から遠隔励起光増幅モジュール521に逆方向に供給される励起光は、光伝送路532により伝送され、その大部分のパワーが光ファイバブラッググレーティング542を透過して、遠隔励起光増幅モジュール521内のEDFに供給されるが、一部の励起光は、光ファイバブラッググレーティング542により反射されて、光伝送路532を経て通信局512に戻り、この通信局512においてパワーがモニタされる。
このようにして、図15に示される光通信システム500では、通信局511,512から遠隔励起光増幅モジュール521に供給される励起光のパワーがモニタされる。
図16は、遠隔励起光増幅モジュールに到達する励起光をモニタすることができる光通信システムの第2の構成例を示す図である。この図に示される光通信システム600では、通信局611と通信局612との間の光伝送路631,632上に遠隔励起光増幅モジュール621が設けられていて、遠隔励起光増幅モジュール621に対して信号光伝送の下流側の光伝送路632に光カプラ642が設けられ、また、光カプラ642と通信局612との間に光伝送路652が設けられている。
この光通信システム600では、通信局611から出力された信号光は、光伝送路631により伝送され、遠隔励起光増幅モジュール621により光増幅され、光カプラ642を経て、光伝送路632により伝送されて、通信局612により受信される。
通信局612から遠隔励起光増幅モジュール621に逆方向に供給される励起光は、光伝送路632により伝送され、その大部分のパワーが光カプラ642を経て、遠隔励起光増幅モジュール621内のEDFに供給されるが、一部の励起光は、光カプラ642により分岐されて、光伝送路652を経て通信局612に戻り、この通信局612においてパワーがモニタされる。このようにして、図16に示される光通信システム600では、通信局612から遠隔励起光増幅モジュール621に供給される励起光のパワーがモニタされる。
尚、図15に示された構成により励起光の反射を検出する後者の場合、遠隔励起光増幅モジュールにおいて反射される励起光が、伝送路ファイバ中でRayleigh散乱された励起光に埋もれて正確にモニタ出来ない危険性がある。この場合、励起光を十分高速なOn-Off変調しながら伝送路ファイバに注入すれば、Rayleigh散乱成分は伝搬遅延がさまざまな成分が混在しているのでOn-Off変調のパターンは消失する。遠隔励起光増幅モジュールから反射された励起光は、励起口注入時と同じOn-Off変調パターン(010101…で可)で同期検波すれば、正確に検出できる。尚、上記の変調の周波数は、遠隔励起光増幅モジュールに至るまでの伝送路の伝搬遅延時間をτとすると、逆数(1/τ)より十分大きいことが望ましく、より望ましくは10/τ以上である。遠隔励起光増幅モジュールが伝送路下流端から50km離れていた場合、τは250μsである。このとき変調周波数は40kHz以上であることが望ましい。
尚、励起光の変調周波数が十分高ければ、EDFの励起寿命は10msであり、逆方向励起されたラマン利得も伝搬時間以上の遅い変化しか追随しないので、GRおよびGEともに安定する。尚、On-Off変調でなくとも、変調周波数が40kHz以上の正弦波変調等でも効果は同じである。
上記第2の方法における励起光モニタは、遠隔励起光増幅モジュールの利得をモニタする目的だけでなく、図14に示した光波ネットワークにおいてルーティング処置を行う際の警報信号としても使える。GTの値を用いても良いが、信号光波数が少ない場合など(5)式の様な補正が必要となる可能性があり、最悪、遠隔励起光増幅モジュールまたはラマン増幅器のASEを信号と誤認する恐れもあるので、励起光をモニタした方が簡便かつ確実である。
こうした反射手段によるモニタ方式は、励起光だけでなく監視光に用いても良い。この場合、遠隔励起光増幅モジュールの上流と下流のスパンロスを独立してモニタすることが可能となり、より適切なプロテクションが行える。例えば、スパンロス発生点が遠隔励起光増幅モジュールの上流であった場合、遠隔励起光増幅モジュールで発生するASE成分の割合が増すので、(5)式の係数αを更新する等である。
上記の第1の方法および第2の方法の何れでも、励起光モニタ成分を、伝送路と異なるファイバで中継局まで伝搬させる際、前記の伝送路とは異なるモニタ用ファイバにおいて環境温度の変化などによるロスの変動が発生した場合、正確なモニタが行えない。この様な事態を回避するためには、伝送路用ファイバと同一のテープ心線にモニタ用ファイバを収めるなど、ケーブル内部で構造的に両者を極力近傍に配置することが望ましい。
上記の第1および第2の方法以外にGEをモニタする方法として、信号波長域以外の波長の監視光を用いる方法が考えられる。例えば、最も一般的である波長1510nm付近での利得GE0[dB]は均一広がり近似に基づき次式で与えられる。ここで、a1,C1は、下記(8)式,(9)式で与えられる係数である。g*(λ)は、波長λにおける単位長当りの非飽和利得である。α(λ)は、波長λにおける単位長当りの非飽和吸収である。λsは信号波長域中心波長であり、λsvは監視光の波長である。
ここで、λsが1547nmであり、λsvが1510nmであったとすると、a1は0.76あり、C1は−0.91・Eである。Eは遠隔励起用EDFの物理的な長さを表す。(8)式,(9)式の計算は、製造時または敷設時に予め計算して結果のみを係数として中継用EDFA制御回路に記録しておけばよく、稼動時に定常的に計算を行う必要は無い。
信号光波長と監視光波長とは互いに十分近く、スパンロスの変動は何れの波長でもほぼ等しいと看做すことが出来る。仮にラマン利得GRが十分に小さくて無視できるシステムの場合、図1中のフォトダイオード133,136により信号光波長域での伝送路透過利得が下記式から求められる。
更に、図1のフォトダイオード131,132により監視光波長域での伝送路透過利得GT0が下記式から求められる。
求めたいのは、GEおよびLの2つのパラメータなので、上記(10)式および(11)式の2つの方程式を解けば、以下の通り計算することが出来る。下記の(12b)に基づき、中継用EDFA内部のVOAの減衰量を制御することができる。
遠隔励起光増幅モジュールに使用されるEDFのg*(λ)およびα(λ)は、EDF単体の評価により容易に求めることが出来る。更に、遠隔励起光増幅モジュール内に、励起パワーモニタ用の分岐カプラや反射部品を設ける必要が無いので、励起パワーも低下せずに済む。更に、中継起用光増幅器のハードウェアの構成としても従来の図1のものが流用可能であり、実用的なモニタ方法と言える。
上記の実施例は、監視光は遠隔励起EDF内を通過するケースである。しかし、(12a)式および(12b)式の様な演算を中継局の中で行う必要があり、制御回路の負担が大きくなる。ここで、遠隔励起光増幅モジュールに、図2中のWDMカプラ311,312の様に信号光と監視光とを合分波するフィルタを具備するなら、図1のフォトダイオード131,132により監視光波長でのスパンロスLsvをモニタできる。Lsvと信号波長域のスパンロスLとは次式の簡単な関係がある。
ここでは、遠隔励起光増幅モジュール中に設けられた信号/監視WDMフィルタの損失があるが、通常、その損失値は、高々1dB/個程度なので、10dBを超える(時として30dBにも及ぶ)スパンロスから見ると、無視できるほどに小さい。尚、信号/監視WDMフィルタは、1.55/1.51μm帯WDMフィルタであれば、中継用EDFAと共通の部品を用いることが出来、コスト的に有利である。
但し、Lfの挿入損失は、スパンロスLから見れば小さくとも、遠隔励起光増幅モジュールの利得GEは数dBという場合も往々にして有り得るので、この利得GEに対しては無視できない。特に、特許文献2のFig.13Aに示されている様に、遠隔励起光増幅モジュールの入出力端に信号/監視WDMフィルタを設けてしまうと、到達する励起パワーが一層減衰してしまう。図13に見られる様に、殊に励起パワーが増幅と吸収の閾値に近い場合は、仮令1dBの挿入損でも影響が大きい(特にパスバンド最短波長の利得は6dBも変動している)。
したがって、図2に見られる様に、出力端には先ず励起光をバイバスする励起/信号WDMフィルタを具備することが望ましい。或いは、図17の様に、励起/信号の分波と信号/監視光の合波を行うWDMフィルタを用いても良い。図17は、遠隔励起光増幅モジュールの構成図である。尚、この図に示される構成は、逆方向励起のみで駆動できるCバンド用遠隔励起EDFモジュールの場合である。
図17に示される遠隔励起光増幅モジュール700は、入力コネクタ701に入力した信号光を光増幅し、その光増幅した信号光を出力コネクタ702から出力するものであって、WDM光カプラ711,712およびEDF761を備える。図18は、図17に示される遠隔励起光増幅モジュール700に含まれるWDM光カプラ712の反射・透過の特性を示す図である。
下流側から出力コネクタ702に到達した励起光(波長1.49μm帯)は、WDM光カプラ712により反射されて、EDF761に供給される。上流側から入力コネクタ701に到達した監視光(波長1.51μm帯)は、WDM光カプラ711を透過し、監視光バイパス路781を経て、WDM光カプラ712を透過して、出力コネクタ702から出力される。上流側から入力コネクタ701に到達した信号光(波長1.55μm帯)は、WDM光カプラ711により反射され、EDF761により光増幅され、WDM光カプラ712により反射されて、出力コネクタ702から出力される。
以上に説明した何れの実施例も、伝送路ファイバ中のラマン利得が無視できる場合であった。次に説明する実施例においては、ラマン利得GRが無視できない場合を考える。或る一波長で励起したときのラマン利得は均一広がりと看做せるので、たとえば図8に示す様に、信号光波長域および監視光波長それぞれにおける利得[dB表示]は比例関係にある。尚、図8においては上述のとおり、図9の関係を満たすように2波長の励起パワー比率は保たれており、ラマン利得GRの大きさは変わっても平坦性は維持されていると仮定する。この様な場合は、スパンロスの変動と同様にVOAによる制御が有効である(図7中の第一列&第二行の◎、(6b)式の制御に相当する)。
信号光波長域がCバンドで、監視光の波長が1510nmであった場合、比例係数は0.745である。ちなみに、監視光の波長が1610nm、1620nm、1630nmそれぞれであった場合も、この線形な関係は崩れず、比例係数は各々0.282、0.223、0.195である。兎も角、一般的に、この比例係数をb1とすると、上記の(13)式は下記の様に書き換えられる。
例えば、遠隔励起光増幅モジュールの利得GEが上述の側方自然放出光モニタか励起光モニタにより求められた場合、上記の(4)式と(14)式を連立させることで、LおよびGRも下記の様に算出できる。
尚、ラマン励起用の複数の波長の励起パワーの関係が、上記図9の様な関係を満たさない場合、各励起波長に対応するラマン利得は独立に変化し得る。この場合、ラマン利得はGRという一つのパラメータではなく、GR i(i=1〜N)というN個のパラメータの総和(利得はdB表示)で表される。この場合は、スパンロスLも含めてN+1個の独立したパラメータがあるので、光通信システムの状態を完全にモニタするには、N個の波長の監視光によるモニタが望ましい。この時、上記(14)式は次式のようにN×Nの行列を用いた線形な連立方程式となる。尚、行列要素のbij(ここでi,jは何れも1〜Nの整数)は何れもラマン利得係数と監視光波長とから求められる定数なので、(16)式は、bijの逆行列を計算するなどの演算を行えば解く事が出来、GR iは求められる。
この(16)式は、前述の監視光が光増幅モジュール内部を通過する場合にも適用できる。この場合、GR i以外にGEも求める必要があるので、行列の要素数は(N+1)×(N+1)となる。
100…EDFA(中継用光増幅器)、101…入力コネクタ、102…出力コネクタ、111〜116…WDM光フィルタ、121〜126…光カプラ、131〜136…フォトダイオード、141〜145…光アイソレータ、151〜154…レーザダイオード、161〜163…EDF(光増幅媒体)、170…可変光減衰器(光部品)、180…利得等化器、190…DCF(分散補償光ファイバ)、200…制御回路、210…上位監視基板。
300…遠隔励起光増幅モジュール、301…入力コネクタ、302…出力コネクタ、311〜316…WDM光カプラ、321,322…光カプラ、341,342…光アイソレータ、361,362…EDF(光増幅媒体)、371,372…側方自然放出光モニタ部、381…監視光バイパス路。
500…光通信システム、511,512…通信局、521…遠隔励起光増幅モジュール、531,532…光伝送路、541,542…光ファイバブラッググレーティング。