JP4571907B2 - 光ネットワークシステムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ伝送路および光増幅器を介して伝送される光信号をスイッチングする光信号切り替え装置（光クロスコネクト装置）を含む光ネットワークシステムおよびその制御方法に関する。

図１２は、光ネットワークシステムの構成例を示す（特許文献１）。図において、入力側の光ファイバ伝送路１１および光増幅器１２を介して伝送されたＮ系列の波長多重光信号は、光信号切り替え装置２０の光分波器２１でそれぞれ各波長の光信号に分波され、光スイッチ部２２の各入力ポートに入力される。光スイッチ部２２は、光スイッチ制御部２３の制御により各波長の光信号をそれぞれ所定の出力ポートにスイッチングする。各波長の光信号は、光信号切り替え装置２０の光合波器２４でそれぞれ合波されてＮ系列の波長多重光信号となり、出力側の光ファイバ伝送路１３および光増幅器１４を介して伝送される。

ところで、光ファイバ伝送路１１，１３の損失を補償するために用いられる光増幅器１２，１４は、その光増幅帯域内にある単一あるいは波長多重された複数の光信号を増幅することが可能である。ただし、入力光の有無あるいは光電力の変動によって過渡応答を生じ、その中を通過する光信号に対する利得変動を生じることが知られている。このような光増幅器の過渡応答は、入力信号電力変動の速度が光増幅器の利得緩和時間に近いほど顕著になる。この利得緩和時間は、例えば最も一般的に用いられているエルビウム添加光ファイバ増幅器の場合では数ｍｓ程度であり、一般には用いられる光増幅器の種類あるいは飽和強度等の動作条件によって変わる。

一方、光信号切り替え装置２０の光スイッチ部２２としては、例えば図１３に示すＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems) 光スイッチが知られている。ＭＥＭＳ光スイッチは、一対のＭＥＭＳミラーと光ファイバアレイを用い、ＭＥＭＳミラーの角度を駆動制御することにより複数の入出力ポート間の光信号のスイッチングが可能な構成である。このようなＭＥＭＳ光スイッチは、ＭＥＭＳミラーの角度を変化させる際に、図１４に示すようなミラー固有の機械的振動を発生することが知られている。その固有振動周波数は通常１ｋHz程度であるが、ミラー個々の製造ばらつき、角度条件等により一定しないため、これを完全に除去することは難しい。

また、ＭＥＭＳ光スイッチの光学系は、図１５に示すように、所定の２つのＭＥＭＳミラーの角度によって決定され、その精度は極めて高く制御される必要がある。したがって、ＭＥＭＳミラーの振動が完全に除去されない場合は、２つのＭＥＭＳミラーの角度がそれぞれの設定値に一致する一瞬のみ光出力が現れる特性をもつことになる。例えば、図１２に示すような光信号切り替え装置２０の光スイッチ部２２において、ある入力ポートに接続された出力ポートを他の出力ポートに切り替えた場合には、図１６に示すような出力が現れる場合がある。この図では、ＭＥＭＳミラーの固有振動周波数が１ｋHz程度でも、それよりもかなり短い間隔をもつ短パルス状の光出力が生じ、いくつかの短パルス光が出力され後に、徐々に定常状態の光出力レベルに落ち着くことを示している。なお、図中の「切り替え保護時間」は本発明で用いるものであり、詳しくは後述する。

このような光信号切り替え装置２０の光信号切り替え特性により光出力変動が生ずると、出力側の光ファイバ伝送路１３に接続される光増幅器１４でも、さらに過渡応答による光出力変動が生ずることがある。図１７は、図１６に示す光信号切り替え装置２０の光出力が光増幅器に直接入力されたときの光出力測定結果を示す。光信号切り替え装置２０において光信号切り替え時の最初に現れるわずかな短パルス光に対しても、光増幅器１４で非常に大きな過剰光出力が発生することがわかる。

また、光増幅器１４の過渡応答が定常状態に落ち着いた後でも、光信号切り替え装置２０の光信号切り替え特性（光スイッチ部２２の入出力ポート間（対応する波長間）の損失レベル差と、それに接続される光増幅器１４の光増幅特性（波長間のレベル偏差）により波長多重光信号の品質が決まる。したがって、光信号切り替え装置２０と光増幅器１４を含む光ネットワークシステムでは、光信号切り替え装置２０の光信号切り替え特性と光増幅器１４の光増幅特性を考慮して、システムの制御や設計が重要になる。ただし、これらの特性は、光信号切り替え装置２０や光増幅器１４の設置時、増設時、交換時等において変化する可能性があった（非特許文献２）。
特開平６−２９２２４６号公報 Makoto Murakami et al.,"Impact of MEMS-based optical cross connect switching on optical amplifier transient response for automatically switched optical network application", ＯＳＡ Topical Meetings,ＷＣ５, August 2005

光ネットワークシステムでは、光信号切り替え装置の光信号切り替え時に生ずる光増幅器の過渡応答は、光信号切り替え装置の光信号切り替え特性（振動周波数や持続時間）と、光増幅器の光増幅特性（光増幅器の過渡応答特性や光増幅制御装置の周波数応答特性）に依存する。また、光信号切り替え装置や光増幅器が定常状態になった後でも、光信号切り替え装置の光信号切り替え特性（光スイッチ部の入出力ポート間（対応する波長間）の損失レベル差）と、光増幅器の光増幅特性（波長間のレベル偏差）に応じて、波長多重光信号の品質が決まる。

本発明は、光信号切り替え装置と光増幅器を有する光ネットワークシステムにおいて、光信号切り替え時の光増幅器の過渡応答や波長多重光信号の光レベルの変化による影響を低減し、高性能および高信頼性を確保し、運用性の向上を図ることができる光ネットワークシステムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、光ファイバ伝送路および光増幅器を介して伝送される複数の光信号を入出力し、複数の入出力ポート間で光信号の切り替え接続を行う光信号切り替え装置を含む光ネットワークシステムの制御方法において、光信号切り替え装置で光信号の切り替え時の切り替え速度または光出力レベルの振動周波数である光信号切り替え特性の情報を、光信号切り替え装置の出力側に接続される光増幅器に伝達し、光信号切り替え特性の情報を受けた光増幅器は、光信号切り替え特性の切り替え速度に応じて光増幅器の過渡応答特性を制御するか、または光信号切り替え特性の振動周波数に応じて光増幅制御回路の周波数応答特性を制御し、過渡応答を抑圧する。

第２の発明は、光ファイバ伝送路および光増幅器を介して伝送される複数の光信号を入出力し、複数の入出力ポート間で光信号の切り替え接続を行う光信号切り替え装置を含む光ネットワークシステムの制御方法において、光信号切り替え装置の入出力ポート間の損失レベル差である光信号切り替え特性の情報を、光信号切り替え装置の出力側に接続される光増幅器に伝達し、光信号切り替え特性の情報を受けた光増幅器は、光信号切り替え特性の損失レベル差に応じて波長間のレベル偏差を制御し、光増幅器から出力される波長間の光出力レベルを等化する。

第３の発明は、光ファイバ伝送路および光増幅器を介して伝送される複数の光信号を入出力し、複数の入出力ポート間で光信号の切り替え接続を行う光信号切り替え装置を含む光ネットワークシステムにおいて、光信号切り替え装置は、光信号の切り替え時の切り替え速度または振動周波数、あるいは入出力ポート間の損失レベル差である光信号切り替え特性の情報を監視信号として、光信号切り替え装置の出力側に接続される光増幅器に伝達する伝達手段を備え、光増幅器は、光信号切り替え特性の情報を受信し、光信号切り替え特性に応じて過渡応答特性、周波数応答特性、波長間のレベル偏差のいずれかを制御する手段を備える。ここで、伝達手段は、監視信号を主信号に波長多重する構成、または主信号の光強度を監視信号で変調する構成、またはＧＭＰＬＳ信号に監視信号を重畳する構成、または光増幅器までのデータコミュニケーションチャネルを用いて監視信号を伝送する構成である。

本発明の光ネットワークシステムおよびその制御方法は、簡単な構成で光信号切り替え装置の光信号切り替え時に発生する光増幅器の過渡応答、あるいは波長多重光信号の光信号レベル差による光信号品質劣化を十分に低下させることができる。これにより、光ネットワークシステムにおける光信号切り替え動作時間の短縮、コスト低減、信頼性および運用性の向上を図ることができる。

（制御方法の第１の実施形態）
図１は、本発明の光ネットワークシステムの制御方法の第１の実施形態を示す。ここでは、光信号切り替え装置における光出力振動に起因して発生する光増幅器の過剰光出力を低減するための方法において、光信号切り替え装置から伝達される光信号切り替え特性に光増幅器が対応する制御方法について説明する。

図において、光信号切り替え装置２０は光信号の切り替えを行う前に、光増幅器１４に光信号切り替え特性を伝達する。ここでの光信号切り替え特性は、例えば図１６に示すような光出力の振動周波数や切り替え速度（光出力レベルが定常状態になるまでの時間、光増幅器が非常に大きな過剰光出力が発生する時間）である。また、光出力振動がない場合には、光出力の立ち上がり時間としてもよい。光増幅器１４では、この光信号切り替え特性の切り替え速度に対応する時間を「切り替え保護時間」として定義し、この切り替え保護時間に対応して光増幅特性（過渡応答特性）を制御し、また励起光レベルを下げるような制御を行ってもよい。これにより、光増幅器１４の過渡応答を抑圧して過剰光出力の発生を抑えることができる。

また、光増幅器１４の光増幅制御回路は、単純な光入力信号レベル変化（増減）のみを想定しているので、その光増幅特性（周波数応答特性）は図２に破線で示すように単純な低域遮断特性をもつ。したがって、図１６に示すような振動する入力光信号に対して光増幅利得制御が追従できない。そこで、図２に実線で示すように、光信号切り替え特性として取得する入力光信号の振動周波数に応じて、光増幅制御回路の応答を大きくすることにより光増幅器１４の光出力を安定にする。

このように、光信号切り替え装置２０から通知される光信号切り替え特性（振動周波数、切り替え速度）に応じて光増幅器１４が光増幅特性を制御し、過渡応答特性や光増幅制御回路の周波数応答特性を対応させることにより、光増幅器１４で過渡応答による過剰な光出力変動を抑えることができる。

（制御方法の第２の実施形態）
図３は、本発明の光ネットワークシステムの制御方法の第２の実施形態を示す。ここでは、光信号切り替え装置における光出力振動に起因して発生する光増幅器の過剰光出力を低減するための方法において、光増幅器から伝達される光増幅特性に光信号切り替え装置が対応する制御方法について説明する。

図において、光信号切り替え装置２０が光信号の切り替えを行う前に、光増幅器１４から光信号切り替え装置２０に光増幅特性を伝達する。ここでの光増幅特性は、例えば光増幅器１４の過渡応答特性である。光信号切り替え装置２０がＭＥＭＳミラーで構成される場合には、この光増幅特性に応じて個々のミラー駆動波形あるいはミラー角度調整により光信号切り替え特性（切り替え速度、切り替え波形）を変化させ、光増幅器１４の過渡応答による光出力変動を低減する制御を行う。

図４は、光信号切り替え装置２０の制御系の構成例を示す。図において、ミラー駆動波形調整回路１５は、入力する光増幅器１４の光増幅特性に対応するミラー駆動波形信号を生成し、Ｄ／Ａ変換器１６、電圧駆動回路１７を介してミラーの電極に印加する。これにより、ミラーは光増幅器１４の光増幅特性に対応して駆動される。なお、入力する光増幅特性に対応するミラー駆動波形信号、またはその駆動電圧波形を記憶する手段を備えるようにし、光増幅特性に対応する駆動電圧波形を直接出力する構成としてもよい。

このように、光増幅器１４から通知される光増幅特性（過渡応答特性）に応じて光信号切り替え装置２０が光信号切り替え特性を制御し、切り替え速度や切り替え波形を変化させることにより、光増幅器１４で過渡応答による過剰な光出力変動を抑えることができる。

（制御方法の第３の実施形態）
図５は、本発明の光ネットワークシステムの制御方法の第３の実施形態を示す。ここでは、光信号切り替え装置における各入出力ポート間の損失レベル差がシステムに与える影響を低減する方法において、光信号切り替え装置から伝達される光信号切り替え特性に光増幅器が対応する制御方法について説明する。

図において、光信号切り替え装置２０が光信号の切り替えを行って光出力レベルが安定した後に、光信号切り替え装置２０から光増幅器１４に光信号切り替え特性を伝達する。ここでの光信号切り替え特性は、図６(1) に示すように光信号切り替え装置２０の入出力ポート間（対応する波長間）の損失レベル差に関する情報である。この情報は、入出力ポート間の組み合わせに対応して予め記憶手段に記憶しておいてもよい。光増幅器１４では、図６(2) に示すように、この光信号切り替え特性で示される入出力ポート間の損失レベル差を解消するような光増幅特性（波長間のレベル偏差）を設定する。これにより、各波長の光出力レベルが等化され、信号品質劣化を防ぐことができる。

（制御方法の第４の実施形態）
図７は、本発明の光ネットワークシステムの制御方法の第４の実施形態を示す。ここでは、光信号切り替え装置における各入出力ポート間の損失レベル差がシステムに与える影響を低減する方法において、光増幅器から伝達される光増幅特性に光信号切り替え装置が対応する制御方法について説明する。

図において、光信号切り替え装置２０が光信号の切り替えを行って光出力レベルが安定した後に、光増幅器１４から光信号切り替え装置２０に光増幅特性を伝達する。ここでの光増幅特性は、波長間のレベル偏差に関する情報である。光信号切り替え装置２０がＭＥＭＳミラーで構成される場合には、この光増幅特性に応じて個々のミラー駆動波形あるいはミラー角度調整によって得られる光損失特性を変化させ、光増幅器１４で波長間のレベル偏差が解消するように入出力ポート間（対応する波長間）の損失レベル差を設定する。このような構成は、例えば図４に示すような制御系により実現することができる。これにより、光増幅器１４から出力される各波長の光出力レベルが等化され、信号品質劣化を防ぐことができる。

（光ネットワークシステムの第１の実施形態）
図８は、本発明の光ネットワークシステムの第１の実施形態を示す。ここでは、制御方法の第１の実施形態に示した光信号切り替え特性（持続時間、振動周波数）が光信号切り替え装置２０の光スイッチ部２２に依存する特性であるため、故障等により光信号切り替え装置２０を交換したときに、光信号切り替え前に光信号切り替え特性の情報を光増幅器１４へ伝達する場合の伝送構成を示す。また、制御方法の第３の実施形態に示した光信号切り替え特性として入出力ポート間の損失レベル差が異なる場合も同様であり、光信号切り替え後に光信号切り替え特性の情報を光増幅器１４へ伝達する場合の伝送構成を示す。

図において、光信号切り替え装置２０は、出力する光信号に光信号切り替え特性の情報を重畳し、各光増幅器１４に伝送する。光信号切り替え特性の情報（監視信号）を重畳する方法としては、主信号に監視信号を波長多重する方法、主信号の光強度を監視信号で変調する方法がある。また、ＧＭＰＬＳ（Generalized Multi-Protocol Label Switching）と呼ばれる光ネットワークシステムでは、光パス設定信号を各装置間でやりとりし、ネットワークの中に自在に光パスを設定することが可能であるが、このＧＭＰＬＳ信号の中に光信号切り替え特性の情報を重畳する方法でもよい。

また、図９に示すように、光信号切り替え装置２０から光増幅器１４に対するデータコミュニケーションチャネルを用い、光信号切り替え特性の情報を伝達する構成としてもよい。

（光ネットワークシステムの第２の実施形態）
図１０は、本発明の光ネットワークシステムの第２の実施形態を示す。ここでは、制御方法の第２の実施形態に示した光増幅器１４から光増幅特性（過渡応答特性、周波数応答特性）の情報を、光信号切り替え前に光増幅器１４から光信号切り替え装置２０へ伝達する場合の伝送構成を示す。また、制御方法の第４の実施形態に示した光増幅特性として波長間のレベル偏差が異なる場合も同様であり、光信号切り替え後の光増幅特性の情報を光信号切り替え装置２０へ伝達する場合の伝送構成を示す。

図において、一般に光中継装置３１内には上り下り対向回線の光増幅器１４−１，１４−２が対になっている場合が多いので、光信号切り替え装置２０の出力側に接続された光増幅器１４−１の光増幅特性の情報を、この対向回線を介して伝達する。光信号切り替え装置２０で各光増幅器からの情報を区別するためには、波長を変える等の一般的な手段を利用すればよい。

また、図１１に示すように、光増幅器１４から光信号切り替え装置２０に対するデータコミュニケーションチャネルを用い、光増幅特性の情報を伝達する構成としてもよい。

以上説明した光ネットワークシステムおよびその制御方法では、光信号切り替え装置２０から光増幅器１４へ光信号切り替え特性の情報を伝達し、あるいは光増幅器１４から光信号切り替え装置２０へ光増幅特性の情報を伝達し、その情報を伝達された側でそれぞれ各情報に応じた制御を行うようになっているが、各情報を双方向にやりとりし、光信号切り替え装置２０および光増幅器１４で相補的な制御を行うようにしてもよい。

本発明の光ネットワークシステムの制御方法の第１の実施形態を示す図。 光増幅制御回路の周波数応答特性を示す図。 本発明の光ネットワークシステムの制御方法の第２の実施形態を示す図。 光信号切り替え装置２０の制御系の構成例を示す図。 本発明の光ネットワークシステムの制御方法の第３の実施形態を示す図。 第３の実施形態の制御例を示す図。 本発明の光ネットワークシステムの制御方法の第４の実施形態を示す図。 本発明の光ネットワークシステムの第１の実施形態を示す図。 本発明の光ネットワークシステムの第１の実施形態の変形例を示す図。 本発明の光ネットワークシステムの第２の実施形態を示す図。 本発明の光ネットワークシステムの第２の実施形態の変形例を示す図。 光ネットワークシステムの構成例を示す図。 ＭＥＭＳ光スイッチの構成例を示す図。 ＭＥＭＳミラーの固有振動特性を示す図。 ＭＥＭＳミラーの光学系を示す図。 光信号切り替え装置２０の光出力例を示す図。 光増幅器１４の光出力例を示す図。

符号の説明

１１，１３ 光ファイバ伝送路
１２，１４ 光増幅器
１５ ミラー駆動波形調整回路
１６ Ｄ／Ａ変換器
１７ 電圧駆動回路
２０ 光信号切り替え装置
２１ 光分波器
２２ 光スイッチ部
２３ 光スイッチ制御部
２４ 光合波器
３１ 光中継装置

Claims (4)

1. 光ファイバ伝送路および光増幅器を介して伝送される複数の光信号を入出力し、複数の入出力ポート間で光信号の切り替え接続を行う光信号切り替え装置を含む光ネットワークシステムの制御方法において、
   前記光信号切り替え装置で光信号の切り替え時の切り替え速度または光出力レベルの振動周波数である光信号切り替え特性の情報を、前記光信号切り替え装置の出力側に接続される光増幅器に伝達し、
   前記光信号切り替え特性の情報を受けた光増幅器は、前記光信号切り替え特性の切り替え速度に応じて光増幅器の過渡応答特性を制御するか、または前記光信号切り替え特性の振動周波数に応じて光増幅制御回路の周波数応答特性を制御し、過渡応答を抑圧する
   ことを特徴とする光ネットワークシステムの制御方法。
2. 光ファイバ伝送路および光増幅器を介して伝送される複数の光信号を入出力し、複数の入出力ポート間で光信号の切り替え接続を行う光信号切り替え装置を含む光ネットワークシステムの制御方法において、
   前記光信号切り替え装置の入出力ポート間の損失レベル差である光信号切り替え特性の情報を、前記光信号切り替え装置の出力側に接続される光増幅器に伝達し、
   前記光信号切り替え特性の情報を受けた光増幅器は、前記光信号切り替え特性の損失レベル差に応じて波長間のレベル偏差を制御し、前記光増幅器から出力される波長間の光出力レベルを等化する
   ことを特徴とする光ネットワークシステムの制御方法。
3. 光ファイバ伝送路および光増幅器を介して伝送される複数の光信号を入出力し、複数の入出力ポート間で光信号の切り替え接続を行う光信号切り替え装置を含む光ネットワークシステムにおいて、
   前記光信号切り替え装置は、光信号の切り替え時の切り替え速度または振動周波数、あるいは入出力ポート間の損失レベル差である光信号切り替え特性の情報を監視信号として、前記光信号切り替え装置の出力側に接続される光増幅器に伝達する伝達手段を備え、
   前記光増幅器は、前記光信号切り替え特性の情報を受信し、前記光信号切り替え特性に応じて過渡応答特性、周波数応答特性、波長間のレベル偏差のいずれかを制御する手段を備えた
   ことを特徴とする光ネットワークシステム。
4. 請求項３に記載の光ネットワークシステムにおいて、
   前記伝達手段は、前記監視信号を主信号に波長多重する構成、または主信号の光強度を前記監視信号で変調する構成、またはＧＭＰＬＳ信号に前記監視信号を重畳する構成、または前記光増幅器までのデータコミュニケーションチャネルを用いて前記監視信号を伝送する構成である
   ことを特徴とする光ネットワークシステム。

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