JP4554519B2 - 光送信器 - Google Patents

Description

この発明は、光ファイバを通信線路として用いる光伝送システムに適用される光送信器に関するものである。

近年、長距離光伝送システムでは１．５μｍ帯の光を直接増幅できるエルビウム添加ファイバ増幅器（以下「ＥＤＦＡ ： Ｅｒｕｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」という。）を利用した光中継増幅伝送方式が主流となっている。さらに最近では、広帯域に増幅可能なＥＤＦＡの実現により波長多重伝送方式を用いた大容量伝送システムが実現されている。
さらなる大容量化と低コスト化が要求される昨今、これらの大容量化、低コスト化を実現するため、１チャネルあたりの伝送速度の増加および増幅帯域の有効利用（波長多重間隔の狭窄化）ならびに中継間隔の延伸化等が求められてきている。
しかしながら、伝送速度を増加させ、中継間隔を延伸化させることに伴い、受信端における光信号対雑音比には過大な要求が課せられていることになる。
かかる状況の中で、従来と同程度の光信号対雑音比でも受信感度を２倍向上させることが可能な変調方式として、差動位相シフトキーイング変調方式（以下「ＤＰＳＫ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ」変調方式という。）が注目を浴びている。
このＤＰＳＫ変調方式は、オン／オフの２値信号から生成される情報データ系列間の位相変化を差動符号化し、直流光を位相変調するものである。例えば、データ間の位相変化がない（すなわち、位相変化が“０”）場合には“オン”信号とし、パルス間で位相変化がある（すなわち、位相変化が“π”）場合には、“オフ”信号とする差動符号化信号を生成する。特に、位相変調器を用いて、この差動符号化信号の“オン”、“オフ”に基づいて（０、π）の位相変調を施したものが、ＮＲＺ（Ｎｏｎ−Ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−Ｚｅｒｏ）−ＤＰＳＫ変調方式である。
このＤＰＳＫ変調方式にあっては、送信端では、“オン”または“オフ”の２値信号から生成される情報データ系列間の位相変化を差動符号化した差動符号化信号にて連続（ＣＷ）光を位相変調している。
一方、受信端では、ＤＰＳＫ信号から差動符号化信号を生成し、さらに、この差動符号化信号から元のデータ信号を復号するようにしている。より具体的には、受信端では、１ビット遅延干渉計、２つのフォトディテクタ、識別器などを備えた自己遅延干渉検波器が、自己遅延検波と呼ばれる信号処理によってデータ信号を抽出している。
この自己遅延干渉検波器では、１ビット遅延干渉計における干渉結果の位相に応じて、２つのフォトディテクタを切り換えて処理する。具体的には、１ビット遅延干渉計で検出された検出信号の位相差が“０”のときには、一方のフォトディテクタで検出信号を処理し、位相差が“π”のときには他方のフォトディテクタで検出信号を処理する。さらに、いずれか一方のフォトディテクタで処理された信号を反転出力とし、両者の検出信号を後段の識別器へ入力し、データ信号を抽出する。すなわち、この検波器では、干渉結果の位相に応じてそれぞれ異なるフォトディテクタで処理するようにしている。したがって、従来の変調方式であるオン／オフキーイング変調（２値振幅変調）方式に比べて、２倍の受信感度が得られるという特徴を有している。
このように、従来の光伝送システムに用いられてきたオン／オフキーイング変調方式に比べ２倍の受信感度が得られるＤＰＳＫ変調方式は、高速光通信において長距離伝送を実現する可能性を有する変調方式である。
ＤＰＳＫ変調方式には、前述のＮＲＺ−ＤＰＳＫ変調方式の他に、このＮＲＺ−ＤＳＰＫ信号をさらに強度変調を行ってＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−Ｚｅｒｏ）信号に変換し、このＲＺ−ＤＰＳＫ信号を用いて信号伝送を行う光伝送装置の開示例が存在する（例えば、特許文献１，２など）。
これらの文献の中では、ＲＺ−ＤＰＳＫ変調方式を用いた光伝送装置の幾つかの例を開示するとともに、ＲＺ−ＤＰＳＫ変調方式に関する幾つかの論文を紹介している。
例えば、特許文献１は、「１．３ｕｍ零分散ファイバ伝送路を中継区間ごとに分散補償した線形中継系において、ＲＺ信号はＮＲＺ信号に比べて４０Ｇｂｉｔ／ｓにおいて再生中継距離を約３倍程度拡大できることをシュミレーションで予測している。」という内容が非特許文献１に記載されていることを明らかにしている。
また、特許文献１は、「１０−Ｇｂｉｔ／ｓ，８波長ＷＤＭ伝送系において、ＲＺ信号は、ＮＲＺ信号に比べて１チャネルあたりのパワーが増大できることを実験的に示している。」という内容が非特許文献２に記載されていることを明らかにしている。
その一方で、非特許文献３は、「ＲＺ−ＤＰＳＫ変調方式を用いて、５２００ｋｍの長距離伝送が達成された。」ことを報告している。
これらの記載内容は、ＤＰＳＫ変調方式を用いる効果というよりは、ＲＺ信号を用いた伝送効果の影響を表現しているものと考えられる。いずれにしても、高速光伝送システムでは、ＲＺ信号を用いた伝送を行うことが好ましいといえる。
特開２０００−１０６５４３号公報 特開２００１−２５１２５０号公報 Ｄ．Ｂｒｅｕｅｒ ｅｔ ａｌ，"Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ＮＲＺ ａｎｄ ＲＺ−Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｆｏｒｍａｔ ｆｏｒ ４０−Ｇｂｉｔ／ｓ ＴＤＭ Ｓｔａｎｄａｒｄ−Ｆｉｂｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ"，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．９ Ｎｏ．３ ｐｐ．３９８−４００，１９９７． Ｒ．Ｍ．Ｊｏｐｓｏｎ ｅｔ ａｌ，"Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−ｚｅｒｏ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｖｅｒ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ−ｆｉｂｅｒ"Ｒ．Ｍ．Ｊｏｐｓｏｎ ｅｔ ａｌ，ｉｎ Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍ．Ｃｏｎｆ．’９８ ＦＥ１，ｐ．４０６−４０７，１９９８． Ｂ．Ｚｈｕ ｅｔ ａｌ，"Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ３．２Ｔｂ／ｓ（８０ ｘ ４２．７Ｇｂ／ｓ）ｏｖｅｒ ５２００ｋｍ ｏｆ ＵｌｔｒａＷａｖｅ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ １００−ｋｍ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｍａｎａｇｅｄ ｓｐａｎｓ ｕｓｉｎｇ ＲＺ−ＤＰＳＫ ｆｏｒｍａｔ"，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ ＥＣＯＣ２００２、ｐａｐｅｒ ＰＤ．４．２，Ｓｅｐ．２００２．

ところで、上記の非特許文献、あるいは非特許文献に示された光伝送装置は、いずれもＲＺ信号の生成を光領域で行っている。光領域にてＲＺ信号を生成するということは、電気領域にてＮＲＺ信号を取り扱うことを意味する。
一方、この逆の場合、すなわち、電気領域にてＲＺ電気信号を取り扱う場合について、上記の特許文献１は、ＮＲＺ電気信号を電気領域で取り扱う場合に比べて電気回路に要求される帯域が２倍必要となり、高速化が難しいことを指摘している。
しかしながら、電気領域においてＲＺ信号を生成するということは、光送信器自身の回路規模を縮小し、装置の安定度やコスト面の優位性を活用できるといった利点を有することになる。
例えば、電気ＮＲＺ−ＤＰＳＫ信号を用いて、光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号を生成するタイプの光伝送装置にあっては、上記の特許文献２にも示されているように、まず、電気ＮＲＺ−ＤＰＳＫ信号を光位相変調器で位相変調し、その位相変調信号を光強度変調器で強度変調することで、光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号を生成する。つまり、電気ＲＺ−ＤＰＳＫ信号から光強度変調器だけを用いてダイレクトに光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号を生成する場合に比べて、余分な回路（この場合では、光位相変調器）を必要とする。
実際の装置の製作においては、温度特性や安定度の異なる複数の回路や装置のそれぞれの間で、温度制御や同期制御などの種々の制御を行う必要があり、装置規模が大きくなるほどこれらの制御の設計、製作に費やすマンアワーやコストが増加するといった欠点も存在する。
また、特許文献１では、従来のＲＺ電気信号をそのまま増幅する方式では、容量結合型の駆動回路を用いると信号のマーク率変動により駆動波形のＤＣレベル変動が生じ、駆動回路の出力ダイナミックレンジを約２倍以上とる必要があり、また、マーク率によって変動する光強度変調器のバイアス点をマーク率によって補償する制御回路が必要であるという点について指摘している。
しかしながら、上記の指摘は、ＤＰＳＫ伝送方式が用いられる以前の、ＲＺ−ＯＯＫ（Ｏｎ Ｏｆｆ Ｋｅｙｉｎｇ）伝送方式に対するものであり、ＲＺ−ＤＰＳＫ伝送方式では、前後のデータ間の位相変化のみが情報成分を有しているため、上記の指摘のような、マーク率変動やＤＣレベルの変動が大きな問題となることはない。
この発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号を用いた光伝送を行う光送信器において、電気ＲＺ−ＤＰＳＫ信号を用いて光変調を行うことによって、回路規模を削減し、機器の安定度やコスト面に優れた光送信器を提供することを目的とするものである。

この発明にかかる光送信器は、データ信号に基づいて差動符号化信号を生成する差動符号化器と、前記差動符号化器から出力された差動符号化信号に基づいて電気領域のＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）信号である電気ＲＺ差動信号を生成するＲＺ符号化器と、前記電気ＲＺ差動信号に基づいて光領域のＲＺ信号である光ＲＺ−ＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）信号を生成するマッハツェンダ干渉計型強度変調器とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、データ信号に基づいた差動符号化信号が差動符号化器によって生成され、この差動符号化信号に基づいて電気領域のＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）信号である電気ＲＺ差動信号がＲＺ符号化器によって生成され、この電気ＲＺ差動信号に基づいて光領域のＲＺ信号である光ＲＺ−ＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）信号がマッハツェンダ干渉計型強度変調器によって生成される。

第１図は、この発明の実施の形態にかかる光送信器の構成を示すブロック図であり、第２図は、第１図に示す光送信器のうち、マッハツェンダ干渉型光変調器の構成例を示す模式図であり、第３図は、第１図に示す光送信器の主要部分の細部構成を示すブロック図であり、第４図は、本発明によるＲＺ−ＤＰＳＫ信号の変復調処理を説明するためのタイミングチャートであり、第５図は、２つのＲＺ差動信号から光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号が生成される過程を示した説明図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光送信器の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
第１図は、この発明の実施の形態にかかる光送信器の構成を示すブロック図である。同図に示す光送信器は、光源１、マッハツェンダ干渉計型強度変調器２、差動符号化器３、ＲＺ符号化器４を備えている。また、この光送信器のマッハツェンダ干渉計型強度変調器２には、光ファイバ線路６が接続されている。
つぎに、この実施の形態の動作について説明する。第１図において、差動符号化器３は、入力されたｆ［Ｇｂｉｔ／ｓ］のデータ信号を用いて、２つの差動信号（正相信号Ｄおよび逆相信号Ｅ（Ｄの反転信号））を生成してＲＺ符号化器４に出力する。ＲＺ符号化器４は、２つの論理積回路を備え、一方の論理積回路には、差動符号化器３から出力された正相信号Ｄとクロック信号とが入力され、他方の論理積回路には差動符号化器３から出力された逆相信号Ｅとクロック信号とが入力される。すなわち、ＲＺ符号化器４は、差動符号化器３から出力された２つの差動信号である正相信号Ｄおよび逆相信号Ｅをクロック信号に同期させたＲＺ化差動信号を生成してマッハツェンダ干渉計型強度変調器２に出力する。一方、マッハツェンダ干渉計型光強度変調器２では、光源１から発せられた連続（ＣＷ）光が入力され、ＲＺ符号化器４から出力されたＲＺ化差動信号によって強度変調された光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号として生成され、光ファイバ線路６に出力される。
第２図は、第１図に示す光送信器のうち、マッハツェンダ干渉型光変調器の構成例を示す模式図である。同図において、ＬｉＮｂＯ３基板１３上には、２つの経路の光導波路１９−１、１９−２と、電極２０−１〜２０−３，２１−１，２１−２がそれぞれ配置されている。光導波路１９−１、１９−２の一端（左端）および他端（右端）はそれぞれ結合され、一端には光入力（ＣＷ光）が入力され、他端からは光出力（本発明では、ＲＺ−ＤＰＳＫ信号）が出力される。光電極２１−１の一端にはデータ入力端子１７が接続され、電極２１−２の一端には反転データ入力端子１８が接続される。一方、電極２０−１〜２０−３は、接地される。マッハツェンダ干渉計型の光変調器は、光強度変調器として使用されるのが一般的であるが、本発明におけるマッハツェンダ干渉計型強度変調器２は、第２図に示すように干渉計を構成する各光路の位相を独立に変調（制御）できるものを用いることにより差動動作が可能な光強度変調器として機能させることができる。なお、データ入力端子１７および反転データ入力端子１８には、互いに位相が反転した２つの２値データ信号が入力されるが、それぞれのピーク間電圧は、マッハツェンダ干渉計型強度変調器２の半波長電圧に設定すればよい。
第３図は、第１図に示す光送信器の主要部分の細部構成を示すブロック図であり、第４図は、本発明によるＲＺ−ＤＰＳＫ信号の変復調処理を説明するためのタイミングチャートである。なお、第３図の図中に示したアルファベット記号Ａ〜Ｈの各部位での状態が、第４図のアルファベット記号Ａ〜Ｈに示した各波形にそれぞれ対応している。同図において、差動符号化器３は、１ビット遅延回路３１、排他的論理和回路３２、差動回路３３を備え、ＲＺ符号化器４は、論理積回路４１，４２を備えている。
つぎに第３図を用いて、データ信号から光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号が生成される処理の流れを説明する。同図において、データ信号（Ａ）と、１ビット遅延回路からの出力（以下「遅延回路出力」という。）（Ｂ）とが入力された排他的論理和回路３２の出力（以下「排他的論理和回路出力」という。）（Ｃ）は、差動回路３３に入力される。また、差動回路３３の反転出力である正相差動信号（Ｄ）の出力は、ＲＺ符号化器４の論理積回路４１に入力されるとともに、１ビット遅延回路３１にも入力される。一方、差動回路３３の非反転出力である逆相差動信号（Ｅ）は、ＲＺ符号化器４の論理積回路４１に入力される。なお、差動回路３３の反転出力を正相差動信号とし、非反転出力を逆相差動信号と呼称しているのは便宜上であり、どちらをどのように呼称しても構わない。ただし、電気領域における“１”レベルまたは“０”レベルの解釈と、光領域における“１”レベルまたは“０”レベルとの解釈とが、相互に矛盾のない形で実現できるように、差動信号の正相、逆相を決定すればよい。
また、差動回路３３からそれぞれ出力された正相差動信号（Ｄ）および逆相差動信号（Ｅ）は、論理理積回路４１，４２にそれぞれ入力され、クロック信号の入力に同期して、それぞれ正相ＲＺ差動信号（Ｆ）および逆相ＲＺ差動信号（Ｇ）をマッハツェンダ干渉計型強度変調器２出力する。マッハツェンダ干渉計型強度変調器２は、これらの正相ＲＺ差動信号（Ｆ）および逆相ＲＺ差動信号（Ｇ）を用いて光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号を生成する。
つぎに、第４図を用いて、データ信号から光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号が生成されるときの回路動作について、第３図の図中に示したアルファベット記号Ａ〜Ｈの各部位での信号状態を用いて説明する。
第４図おいて、入力されるデータ信号（Ａ）は、例えば、“０００００１０００１１０”のビット列とする。一方、排他的論理和回路出力（Ｃ）の初期状態は０であるものとすれば、１ビット遅延回路出力（Ｂ）の最初のビットは“１”レベルである。このとき、排他的論理和回路出力（Ｃ）は、データ信号（Ａ）と遅延回路出力（Ｂ）の排他的論理和の出力となり“１”レベルとなる。また、正相差動信号（Ｄ）は、排他的論理和回路出力（Ｃ）とは逆相の“０”レベルであり、一方、逆相差動信号（Ｅ）は、排他的論理和回路出力（Ｃ）と同相の“１”レベルとなる。以下、正相差動信号（Ｄ）の出力が１ビット遅延回路３１に入力されることで、同図（Ａ）〜（Ｅ）に示すビット列が得られる。
さらに、正相差動信号（Ｄ）および逆相差動信号（Ｅ）が論理積回路４１，４２にそれぞれ入力され、クロック信号に同期した正相ＲＺ差動信号（Ｆ）および逆相ＲＺ差動信号（Ｇ）がそれぞれ生成される。また、これらの正相ＲＺ差動信号（Ｆ）および逆相ＲＺ差動信号（Ｇ）に基づいて光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号（Ｈ）が生成される。なお、この光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号（Ｈ）は、光強度が連続したパルス列となるが、逆相ＲＺ差動信号（Ｇ）で変調された場合と正相ＲＺ差動信号（Ｆ）で変調された場合とでは、相対位相がそれぞれ０，πで変調される。また、この光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号（Ｈ）を復号する際には、一般的な光ＤＰＳＫ信号と同様に、隣接ビットとの位相差を強度変調することによって、元のデータ信号が得られる。
第５図は、２つのＲＺ差動信号から光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号が生成される過程を示した説明図である。同図に示すように、第１図のマッハツェンダ干渉計型強度変調器２の光透過特性に対してＤＣバイアス点を透過特性の谷（消光点）として、２つの電極（電極１および電極２）に対して２つのＲＺ差動信号（正相ＲＺ差動信号および逆相ＲＺ差動信号）を印加する。光強度は連続したパルス列となるが、透過特性の谷を境に相対位相がπ変化することから、２つのＲＺ差動信号を印加することで相対位相が０／πと変調される。
以上説明したように、この発明にかかる光送信器によれば、データ信号に基づいた差動符号化信号が差動符号化器によって生成され、差動符号化信号に基づいて電気領域のＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）信号である電気ＲＺ差動信号がＲＺ符号化器によって生成され、電気ＲＺ差動信号に基づいて光領域のＲＺ信号である光ＲＺ−ＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）信号がマッハツェンダ干渉計型強度変調器（２）によって生成されるようにしているので、回路規模の削減や機器の安定度の増加、あるいはコスト低減に寄与することができるという効果を奏する。
また、この発明にかかる光送信器によれば、自己の出力を１ビット遅延させた遅延出力とデータ信号との排他的論理和出力の反転出力である正相差動信号と、排他的論理和出力の非反転出力である逆相差動信号とを用いることで、電気領域における電気ＲＺ−ＤＰＳＫ信号を生成し、また、この正相差動信号をクロック信号に同期して出力した正相ＲＺ差動信号と、この逆相差動信号をクロック信号に同期して出力した逆相ＲＺ差動信号との２信号からなる電気領域のＲＺ差動信号を生成するようにしているので、回路規模の削減や機器の安定度の増加、あるいはコスト低減に寄与することができるという効果を奏する。

以上のように、本発明は、光ファイバを通信線路として用いる光伝送システムを構成する光送信器に有用である。

Claims (4)

1. データ信号に基づいて差動符号化信号を生成する差動符号化器と、
   前記差動符号化器から出力された差動符号化信号に基づいて電気領域のＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）信号である電気ＲＺ差動信号を生成するＲＺ符号化器と、
   前記電気ＲＺ差動信号に基づいて光領域のＲＺ信号である光ＲＺ−ＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）信号を生成するマッハツェンダ干渉計型強度変調器と、
   を備えたことを特徴とする光送信器。
2. 前記光ＲＺ−ＤＰＳＫ信号は、（０，π）の差動位相によって変調されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光送信器。
3. 前記差動符号化信号は、正相差動信号と該正相差動信号の出力を反転した逆相差動信号との２信号からなり、
   前記電気ＲＺ差動信号は、
   前記正相差動信号をクロック信号に同期して出力した正相ＲＺ差動信号と、
   前記逆相差動信号をクロック信号に同期して出力した逆相ＲＺ差動信号と、
   からなることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の光送信器。
4. 前記正相差動信号は、自己の出力を１ビット遅延させた遅延出力と前記データ信号との排他的論理和出力の反転出力であり、
   前記逆相差動信号は、前記排他的論理和出力の非反転出力であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の光送信器。

Images