JP4431704B2

JP4431704B2 - 光バッファ遅延器

Info

Publication number: JP4431704B2
Application number: JP2004218617A
Authority: JP
Inventors: 潤井上; 晋一中川
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2024-07-27
Also published as: JP2006041896A

Description

この発明は、高速光通信において顕著になるビット誤り率の増大を抑制することのできる光バッファ遅延器に関している。

膨大な情報量を伝送するために光通信技術が用いられており、最近では、伝送線のみならず、光パケット交換にも光技術が導入されつつある。一般に、光パケット交換では、光パケット転送処理が行われ、これには、光パケットスイッチが用いられる。光パケットスイッチでは、光パケットの衝突を防止するために、光信号のバッファ管理を行う。例えば、同時に光パケットが光パケットスイッチに到着した場合には、バッファに光パケットを格納して衝突を回避する。

この目的で用いられるバッファは、一般に半導体集積回路を用いたものや、長い光路もった遅延器を用いたものがある。一般に後者の場合は、記憶状態を保持することができない、という欠点を持っているが、高速動作には向いている。また、既に知られている光バッファでは、長さの異なる複数の光ファイバが用いられている。これは、遅延時間の異なる光遅延素子であり、その遅延時間の間、光パケットが蓄えられる。

しかし、光ファイバを用いた従来の光バッファでは、光ファイバの波長分散の影響があり通信速度においてそれに起因する限界が生じてしまう。このため、光通信に用いる光の波長での分散がゼロになるようにした分散シフトファイバが用いられる場合もある。しかし、この場合でも、長距離の伝送で遅延時間が大きくなる場合や、高密度波長多重(DWDM)伝送の場合には、高速光通信において波長分散の影響を無視できなくなる事が知られている。

長い光路を用いた光バッファ遅延器で、光路の波長分散特性が通信速度に及ぼす影響を抑制して、光通信の通信速度あるいはビット誤り率を改善する。

この発明により、光バッファ遅延器に入力した光信号にほぼ等しい出力信号が得られるので、光バッファ遅延器による、通信速度の低下、あるいはビット誤り率の増大を避けることができる。

また、光スイッチで光路を切り替える型の光バッファ遅延器においては、光路長の違いによる波長分散の違いが抑制され、波長分散の違いに起因する通信速度の低下を避けることができる。

また、光バッファ遅延器により波長シフトを起こさない構成にしたので、波長分割多重通信にも適用することができる。

また、光遅延素子として、光信号を伝送するためのネットワーク光路を用いることにより、構成部品数を削減することができる。

この発明は光パケットのみならずバーストデータなどにも適用可能である。連続データの場合で、単なる時間遅延を必要とする場合にも適用できる。また、本発明では光位相共役発生を用いているため、光信号の入出力で相関がとれる。このため、デジタルデータの他、信号位相を含めたアナログデータなどあらゆるデータフォーマットに対応できる。

光バッファ遅延器に入力した光信号にほぼ等しい出力信号が得られようにして、光バッファ遅延器による通信速度の低下を避けるために、本発明では、以下のようにする。まず、伝送された光信号を光ファイバなどを用いた光遅延素子に伝送する。この伝送は、分岐器やサーキュレータなどを通して行ってもよい。また、前記の光遅延素子から出力された光についてその位相共役光を位相共役鏡で生成する。位相共役光を位相共役鏡で生成する方法については、既によく知られている。

また、上記の位相共役光が上記の光路を逆にたどるようにする。これは、通常は、一般に、特別な操作を必要とはしない。位相共役鏡で反射した光は、そのままで光遅延素子を逆に伝播する。

また、前記の位相共役光が、上記の光スイッチを通過した後に、分岐手段を用いて新たな光路に出力する。この際の分岐手段としては、分岐器やサーキュレータ等を用いる事ができる。

また、光路長の違いによる波長分散の違いが抑制され、波長分散の違いに起因する通信速度の低下を避けることができるようにするために、次の様な構成部品を用いる。

まず、伝送された光信号を複数の光遅延素子から選択した光遅延素子に光信号を送る光スイッチを用いる。この光スイッチによって、遅延時間の異なる光遅延素子から、最適な遅延素子に光信号を振り向ける。光スイッチから伝送された光信号を遅延させる光遅延素子であって、これは上記のものである。この光遅延素子の遅延時間は、光パケットの衝突を避けるために十分なものであればよい。また、前記光遅延素子からの光の位相共役光を生成する位相共役鏡を備え、この位相共役鏡によって時間反転した光信号を生成する。

上記の位相共役光は上記の光路を逆にたどるようにする。これは、上記と同様で、通常は、一般に、特別な操作を必要とはしない。位相共役鏡で反射した光は、そのままで光遅延素子を逆に伝播する。また、前記の位相共役光が、上記の光スイッチを通過した後に、新たな光路に出力するための分岐手段を用いる。この際の分岐手段としては、上記と同様に、分岐器やサーキュレータ等を用いる事ができる。

光バッファ遅延器により波長シフトを起こさないようにするためには、上記の位相共役鏡は、無波長シフト位相共役鏡であればよい。無波長シフト位相共役鏡についてはすでに知られており、これを用いることによって、位相共役光が波長シフトを受けることなくもとの光路を逆にたどるようになるので、入力した光信号と同じ波長の光信号を出力することができる。このように波長シフトを無くすことによって、波長分割多重変調方式においても使用することができる。

また、光遅延素子として、ネットワーク上で光信号を伝送するための光路を用いることも可能であり、伝送用と、遅延用とで共用することにより、構成部品数を削減することができる。

また、通常の位相共役光では、入力した光信号から、僅かに波長シフトを受けている。入力した光信号と同じ波長の光信号を出力することができる場合は、波長分割多重変調方式においても使用することができるので、光通信に用いる場合は、波長シフトが無い位相共役光の方が都合がよい場合がある。このための位相共役鏡は図２（ｂ）に示すブロック図のように、無波長シフト位相共役光生成器を用いる。また、図３（ａ）に、無波長シフト位相共役光生成器のブロック図の一例を示す。これは、４光波混合によるものである。また、図３（ｂ）に、ポンプ光Ａ１６、ポンプ光Ｂ１９、光信号１７、位相共役光（ＯＰＣ）信号１８の直交関係を示す。

先ず本発明の実施例を図１を用いて説明する。図１は、光バッファ遅延器の一例を示すブロック図である。光路に入力した光信号は、分岐器（あるいはサーキュレータ）３を通り、光遅延素子で、時間的な遅延を受ける、遅延時間は、この光遅延素子の長さできまる。光遅延素子１を通過した光信号は、位相共役鏡２で反射され、光遅延素子１を逆戻りする。光遅延素子１を通過した光信号は、分岐器（あるいはサーキュレータ）３により、出力用の光路に振り向けられる。このように出力される光信号は、光遅延素子１を往復する際に波長分散効果が往路と復路で相殺される。

ここで、位相共役鏡による反射は、通常の反射とは異なり、図２（ａ）に示すように、位相共役光生成器で生成された位相共役光を入力部と位置を同じくする出力部から出力するものである。位相共役光を生成する方法は、すでにいくつかの方法が報告されており、４光波混合、ブリルアン散乱、フオトリフラクティブ媒質を用いた自己励起型位相共役発生などによる方法で発生することが出来ることが知られている。

また、通常の位相共役光では、入力した光信号から、僅かに波長シフトを受けている。入力した光信号と同じ波長の光信号を出力することができ場合は、波長分割多重変調方式においても使用することができるので、光通信に用いる場合は、波長シフトが無い位相共役光の方が都合がよい場合がある。このための位相共役鏡は図２（ｂ）に示すブロック図のように、無波長シフト位相共役光生成器を用いる。また、図３（ａ）に、無波長シフト位相共役光生成器のブロック図の一例を示す。これは、４光波混合によるものである。また、図３（ｂ）に、ポンプ光Ａ１６、ポンプ光Ｂ１９、光信号１７、位相共役光（ＯＰＣ）信号１８の直交関係を示す。

図３（ａ）に示す無波長シフト位相共役光生成器では、入力した波長１５５０．１２ｎｍの光信号は、光増幅器７−１（ＥＤＦＡ：エルビウム添加ファイバ増幅器）で増幅された後、帯域幅５ｎｍの濾波器８−１を通り、偏光子９−１として動作する偏波保持ファイバを通り、波長１５４４．９１nmのレーザ光源６−１からのレーザ光と合波器１０−１で合波される。一方、レーザ光源６−１からのレーザ光は、光増幅器７−２で増幅された後、帯域幅５ｎｍの濾波器８−２を通り、偏光子９−２を通り、合波器１０−１に送られる。ここで、光増幅器としては、半導体型の光増幅器を適用することもできる。また、偏光子としては、偏光板や全反射角を用いたものでも代用することができる。また、レーザ光源としては、ダイオードレーザに限定する必要は無く、使用する波長帯のレーザ光を発生するものであれば用いることができる。また、濾波器としては、ファイバブラッグ格子の他にファブリ・ペロ型共振器なども用いることが出来る。

合波器１０−１からの光信号は、波長１５５５．３６nmのレーザ光源６−２からの光と合波器１０−２で合波される。このように合波された光信号は、５００ｍ長の高い光非線形性を持った光ファイバ（ＨＮＬＦ）１１において、４波混合による直交偏光２重ポンピング法で混合される。光ファイバ（ＨＮＬＦ）１１の分散とゼロ分散波長は、０．０４４ｐｓ/ｎｍ/ｋｍ、１５４８．５ｎｍである。ここで使用できるHNLFはこの仕様のものに限らず、分散値が小さく、光非線形性が大きいものであれば、長さは短くてもよい。また、この光学特性を満足するものであれば、他の非線形素子を用いても差し支えない。

ここで、図３（ｂ）に示すように、入力した光信号と、レーザ光源６−１からのポンプ光Ａとを同じ偏光方向に設定し、これらと直交する偏光であるレーザ光源６−２からのポンプ光Ｂとを４光波混合で混合すると、ポンプ光Ｂと同じ偏光方向をもち、入力した光信号の共役光である光信号が得られる。

この共役光を偏波フィルタ（ビームスプリッタ）１２、濾波器１３、光増幅器１４、濾波器１５により、濾波あるいは増幅することにより、入力した光信号の位相共役光を生成するものである。

図４は、複数の遅延時間を選択できるようにした光バッファ遅延器を示すブロック図である。入力した光信号は、その光信号に設けられたラベルに記載された情報に従って遅延時間が与えられるが、このためには、入力した光信号の一部を分岐して、コントローラ２２でその遅延情報を解析する。遅延素子２１は、コントローラによる信号遅延と光信号との伝搬遅延との整合をとるためのものである。コントローラ２２からの制御信号により、光スイッチ２３を制御して、光信号を振り向けるチャネルを決める。例えば、チャネル０では、遅延を与えずに反射する。また、チャネル１から３では、順次遅延時間が増加するように設定する。チャネル１から３では、それぞれの遅延素子を通過した後、それぞれ位相共役鏡により位相共役光が反射される。

上記の例では、光遅延素子を用いているが、これを、ネットワークを形成している光ファイバを用いて代用することができる。実際のネットワークを用いることによって、大容量のバッファを作ることができ、既設の伝送路を用いるために、ネットワークの運用率も上がり，コスト低減につながる。図５は、ノードＡ３０、ノードＢ３１、ノードＣ３２が含まれるネットワークを示す。例えば、２つのデータ信号、２５−１（光パケットＡ）と２６−１（光パケットＢ）は、ともにノードＣを通過するものとする。データ２５−１が、ノードＡでデータ２６−１と衝突しそうなときには、ノードＡは、データ２６−１用にノードＢへの道を開き、ノードＢは、データ２６−１用にノードＡへの道を開く。つまり光パケットＢについては、ノードＡ−Ｂ間を往復させて遅延させる。これでデータ衝突の問題が解消される。

図５のそれぞれのノードにおいては、位相共役光を反射光として戻す構成をもっており、その構成の一例を図６のブロック図に示す。入力した光信号の一部を分岐器２０で分岐して、コントローラ２２−１でその光信号に書かれたラベル情報を解析する。このラベル情報が、光信号を反射して戻すことを要求する内容である場合は、コントローラ２２−１は、光スイッチ２３−１を制御して、光信号を位相共役鏡２−４の接続されたチャネル０に振り向ける。ラベル情報の内容によっては、コントローラ２２−１は、光スイッチ２３−１を制御して、光信号を他のノードへ続くチャネル１〜３に振り向ける。このような構成にすることにより、複数のノードにまたがる伝送路を遅延用に用いることが可能である。また、上記と同様に、遅延素子２１は、コントローラによる信号遅延と光信号との伝搬遅延との整合をとるためのものである。位相共役鏡２−４は、波長シフトのあるものでも波長シフトのないものでも用いることが出来るのは明らかである。

本発明の光バッファ遅延器では、屈折率の大きな材料でつくった光路、あるいは、長さを大きくとった光路などを用いて実現した遅延器で遅延時間を大きく設定しても、原理的に位相分散が発生せず、これによる波形の乱れは発生しない。このため、実際の光バッファ遅延器を用いて光信号遅延を行った場合でも、高速通信においてビット誤り率の増大を抑制することが出来る。従って同じビット誤り率では、より高速で通信できるようになる。

本発明の光バッファ遅延器を示すブロック図である。本発明で用いる位相共役鏡を示すブロック図である。（ａ）位相共役光生成器を示すブロック図である。（ｂ）ポンプ光、入射光、位相共役光の偏光方向を示す図である。複数の遅延時間を選択できるようにした光バッファ遅延器を示すブロック図である。伝送線を遅延素子に用いたネットワークを示す図である。ネットワークのノードにおける位相共役光を反射光として戻す構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、１−１、１−２、１−３光遅延素子
２、２−１、２−２、２−３、２−４位相共役鏡
３分岐器
４、４−１分岐器
５位相共役光生成器
６−１、６−２レーザ光源
７−１、７−２、７−３光増幅器
８−１、８−２、８−３濾波器
９−１、９−２、９−３偏光子
１０−１、１０−２合波器
１１高い非線形性を持った光ファイバ
１２偏波フィルタ
１３濾波器
１４光増幅器
１６ポンプ光Ａ
１７光信号
１８位相共役光信号
１９ポンプ光
２０分岐器
２１遅延器
２２、２２−１コントローラ
２３、２３−１光スイッチ
２４反射ループ
２５、２６、２７、２８、２９光路
２５−１、２９−１光パケットＡ
２６−１、２７−１、２７−２光パケットＢ

Claims

光通信における光パケット交換に用いる光バッファ遅延器であって、
伝送された光パケットを複数の光遅延素子から選択した光遅延素子に送る光スイッチと、
上記光スイッチから伝送された光パケットを遅延させる光遅延素子と、
前記光遅延素子からの光の位相共役光を生成する無波長シフト位相共役鏡と、
上記の位相共役光が上記光スイッチから上記無波長シフト位相共役鏡に至る光路を逆にたどる構成と、
上記の光路を逆にたどる前記の位相共役光が上記の光スイッチを通過した後に、上記光通信に用いる新たな光路に前記の位相共役光を振り向ける分岐手段と、を、備えることを特徴とする光バッファ遅延器。
上記無波長シフト位相共役鏡は、４波混合による直交偏光２重ポンピング法を用いた無波長シフト位相共役鏡であることを特徴とする請求項１に記載の光バッファ遅延器。
光遅延素子として、光パケットを伝送するための上記光通信に用いる光路を用いることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の光バッファ遅延器。