JP4826451B2

JP4826451B2 - 光増幅器を備えた光伝送装置

Info

Publication number: JP4826451B2
Application number: JP2006321022A
Authority: JP
Inventors: 中野博行; 竹内浩史; 増田宏
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-11-29
Also published as: CN101192889A; JP2008136014A; US20080199181A1; US7941049B2; CN101192889B

Description

本発明は光伝送装置に関わる。特に、複数の波長の光を1本の光ファイバ内に多重し、複数の波長を一括増幅する光増幅器を備えた波長多重伝送装置(WDM: Wavelength Division Multiplexer)に関する。

近年、より多くのデータを伝送するために、複数の異なる波長の光信号を多重する波長多重技術が用いられている。この波長多重された光信号を中継する光伝送装置として、伝送するデータの複数の波長の内の一部の波長を分岐して受信し、そして複数の波長の内の一部の波長を挿入して送信する、光分岐挿入装置(OADM: Optical Add/Drop Multiplexer)、複数の波長を任意の方路にスイッチングする光クロスコネクト装置(OXC: Optical Cross-Connect)などが期待されている。今後の長距離コア・ネットワーク、メトロ・ネットワークにおける光伝送装置の多くは、このようなOADM装置やOXC装置に置き換えられていくと考えられる。

光増幅器は、OADM装置やOXC装置を用いた光ネットワークにおいては、ノード間の伝送路損失で低下する光信号を増幅するだけでなく、光合波器、光分波器、光スイッチの挿入損失で低下する光信号のパワーを増幅することにより、必要な光SNR（Signal to Noise Ratio）を確保し、さらに光受信機の入力ダイナミックレンジ内に光レベルが収まるよう増幅することが必要である。このように、光増幅器はOADMやOXCを用いた光ネットワークにおいて重要な役割を果たすものであり、今後益々光ネットワーク全体に普及していくものである。したがって、光ネットワークの発展のためには、この光増幅器をより安価なコストで実現していくことは、極めて重要である。

光増幅器にドープファイバ等を用いる場合、励起光源から光増幅器へ導入される励起光が光信号を増幅するエネルギーを供給する。非特許文献１には、直列に接続した2つの光増幅器で、1つの励起光源からの励起光を共用する技術が記載されている。また、特許文献１や特許文献２の図4には、光信号の送信側の光増幅器と受信側の光増幅器とで励起光源を共用することが記載されている。

特開平６−２９６０５６号公報特開平６−１６４５１５号公報 H. Nakano, S. Sasaki, "Dispersion-Compensator Incorporated Optical Fiber Amplifier,"IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.7, NO.6, JUNE 1995.

OADMやOXCなどの光信号の中継を行う光伝送装置においては、信号品質確保に必要な光SNRを確保するため伝送路光ファイバの損失を補償するだけでなく、装置内の光合分波器や光スイッチなどの光部品を通過することにより光信号が被る損失を補償するためにも光増幅器が用いられる。しかし上記従来技術では、装置内の光学部品による損失を考慮して光増幅器を使用しておらず、このような光伝送装置についても励起光源の使用を工夫して安価な装置を製造することが要求されている。

本発明では上記課題を解決するために、光スイッチなどの光部品の入力側、出力側それぞれに設置されている光増幅部に対し、光部品を通過した光信号を増幅する光増幅部にて使用しきれずに残った励起光を、光部品へこれから出力される光信号を増幅する光増幅部に導入することを提案する。

本発明によれば、送信側光増幅器で余剰となった残留励起光を用いて、高出力光の受信光増幅器の増幅のための励起光として再利用することができるため、その分、受信側光増幅器に使用する励起光源の出力パワーまたは励起光源の個数を削減することができる。高出力光増幅器のコストは、励起光源が支配的であり、低コスト化できる。同時に、励起光源用の熱設計条件が緩和されるため、光増幅ボードの小型化できる効果がある。光増幅器は、今後の光ネットワークの全ノードで使用されるため、システム全体として光増幅器の低コスト化、小型化による効果は大きい。

以下に本発明の実施の形態を説明する。

図1に、OADMシステムの全体図を示す。左から、WDM端局ノード101 (ET: End Terminal)、OADMノード201、中継ノード301(REP: Repeater)、ETノード102と配置され、それぞれ伝送路光ファイバ400で双方向に接続されている。ここで、図の左側をWest側、右側をEast側と定義しておく。ETノード101はOADMシステムの中でWest側からEast側へ伝送される光信号を送出するノードであり、それぞれ異なる波長を持ったトランスポンダと接続されている。トランスポンダからの波長の異なる信号はそれぞれ合波器(MUX: Multiplexer)31により波長多重され、送信側光増幅器11を通して1本の伝送路光ファイバ400に送出される。合波器31が多重する波長数はシステムによって様々であり、例えば40から80波長程度の光信号が多重される。REPノード301は、波長多重された光信号をそのまま中継光アンプ61(LA: Line Amplifier)で一括増幅し、East側ETノード102に向けて光信号を送出する。East側ETノード102は、West側ETノード101から送出された信号またはOADMノード201でAddされた信号による波長多重信号を受信光増幅器24で一括増幅し、分波器(DMUX：Demultiplexer)42で各波長に波長分離し、それぞれの波長に対応するトランスポンダへ出力する。以上、West→East方向の信号伝搬について述べたが、East→West方向についても同様である。

図２にOADMノード201の構成を示す。OADMノード201はWest側伝送路光ファイバ400から入ってくる信号を受信し、受信側光増幅器(RA: Receiver Amplifier)22で増幅した後、OADM-スイッチ部51で挿入(Add)/分岐(Drop)または通過(Through)の処理をし、送信側光増幅器(TA： Transmitter Amplifier)13で再び増幅して、East側伝送路光ファイバ401へ送出する。逆方向も同様でありODAMノード201は、East側伝送路光ファイバ401から入ってくる信号を受信し、受信側光増幅器23で増幅した後、OADM-スイッチ部51でAdd/DropまたはThroughの処理をし、送信側光増幅器12で再び増幅して、West側伝送路光ファイバ400へ送出する。ここで、伝送路光ファイバ400との間で光信号の入出力を行う送信側光増幅器12と受信側光増幅器22は、West側光増幅ボード1222にまとめて搭載されている。また、伝送路光ファイバ401との間で光信号の入出力を行う送信側光増幅器13と受信側光増幅器23は、East側光増幅ボード1323にまとめて搭載されている。West側光増幅ボード1222において、送信側光増幅器12の残留励起光は伝送路光ファイバ400へ送出される波長多重光信号から分離され、受信側光増幅器22を通過した波長多重光信号の進行方向と逆向きに合波されることにより、受信側光増幅器22の増幅に使用される。また、East側光増幅ボード1323において、送信側光増幅器13の残留励起光は伝送路光ファイバ401へ送出される波長多重光信号から分離され、受信側光増幅器23を通過した波長多重光信号の進行方向と逆向きに合波されることにより、受信側光増幅器23の増幅に使用される。

送信側光増幅器(TA)の出力パワーは、伝送路ファイバの非線形効果による信号品質劣化の影響で制限されるため、送信側光増幅器ではなく、受信側光増幅器(RA)の出力パワーを増大させることが、光SNRを増加させ、伝送距離延伸に効果的である。このため、受信側光増幅器を高出力とする必要があり、本実施例では送信側光増幅器の残留励起光を受信側光増幅器に用いるよう光伝送装置を構成している。光増幅器の利得や出力光パワーは、例えばEr(エルビウム)ドープ光ファイバアンプを用いる場合は、そのErドープ光ファイバのEr濃度や長さ、励起光パワーにより決定され、光増幅器の入力パワーにより決定される。

図3に、OADMノード201の内部構成を示す。West側から入力された波長多重信号は、受信側光増幅器22で一括増幅された後、分波器43で各波長の光信号に分離される。2×2光スイッチ510は、Add/Dropモードの場合には各波長の光信号を分岐・挿入し、Throughモードの場合には光信号を通過させる。Add/Dropモードの場合、分岐・挿入される光信号はOADMノード201に接続されたトランスポンダを経由して他の装置へ入力又は出力される。このときOADMシステム内では、West側のETノード101とOADMノード201の間で光パスが張られる。Throughモードの場合は、そのまま2×2光スイッチ510を通過してEast側へ伝送され、最終的にはEast側のETノード102のトランスポンダに接続される。この場合OADMシステム内ではETノード101−ETノード102間で光パスが張られる。2×2光スイッチ510の後段に位置する可変アッテネータ511は、入力された光信号を自動レベル制御(ALC: Automatic Level Control)により所望の光レベルに設定する。合波器33は各可変アッテネータ511からの光信号を再び波長多重し、送信側光増幅器11が波長多重信号を一括増幅した後、当該波長多重信号はEast側伝送路光ファイバに送出される。

図4にOADMノード201における光レベルダイア例を示す。縦軸は、1波長あたり（1チャネルあたり）の光パワーレベル[dBm/ch]である。ETノード101が出力する光信号の出力パワーレベルをPtoとする。ETノード101から送出されたパワーレベルPtoの光信号は、伝送路光ファイバ400の損失を受け、光レベルPriとなってOADMノード201で受信される。Priは、受信側光増幅器22で増幅されることにより、光レベルProに達する。Proは、OADMスイッチ51を通過するときの損失により、光レベルPtiまで減少する。Ptiは、送信側光増幅器13で再び光レベルPtoまで増幅され、伝送路光ファイバ401を通して次のREPノード301へ伝送される。

このレベルダイア例において、Ptoは伝送路光ファイバ400、401の非線形効果の影響を抑圧するために+1dBm/ch程度としながら、Proは光SNR確保のため+7dBm/ch程度まで比較的高い光レベルに設定する。つまりOADMスイッチ51による損失を考慮して、受信側光増幅器22は送信側光増幅器13よりも大きな光レベルの光信号を出力するよう設定されている。この場合、受信側光増幅器22が出力する光信号の全波長でのトータル光パワーレベルは、40波長の場合+23dBm、80波長の場合+26dBmとなり、通常使用されるErドープ光ファイバ増幅器の光出力レベルとしては極めて高い。この高出力光レベルを達成するため、励起光源のパワーとしては数百mW〜1Wクラスの高出力なものが必要となる。このため本実施例では、送信側光増幅器13を通過した余剰の励起光を受信側光増幅器22に導入する構成としている。

つぎに、送信側光増幅器13および受信側光増幅器22の構成について説明する。図5に送信側光増幅器13の構成を示す。送信側光増幅器13は、Erドープファイバ130、励起光源131、信号/励起光多重フィルタ132、および信号/励起光分離フィルタ133より構成される。右上の挿入図に、増幅の対象となる信号の信号波長帯と、励起光の波長である励起波長帯の関係を示す。Erドープファイバ光増幅器の場合、信号波長帯は1550nm帯または1580nm帯などであり、励起波長帯は980nm帯および1480nm帯などである。本実施例では1480nmの励起波長帯を2つに分けて、第一の励起波長帯λt（例えば1460〜1475nm）および第二の励起波長帯λr（例えば1480〜1495nm）とするが、波長帯の分け方はこの例に限られず、980nm帯の波長帯を2つの波長帯に分ける、または980nm帯と1480nm帯の波長帯をそれぞれ用いて波長帯λrまたは波長帯λtとしても良い。ここで、図5における送信側光増幅器13の励起光源131については第一の励起波長帯λtを使用することとする。波長多重光信号と励起光源131からの励起光は、信号/励起光多重フィルタ132で多重され、Erドープファイバ130を通過すると励起光のエネルギーを用いて波長多重光信号が増幅される。Erドープファイバ130で消費されなかった波長帯λtの残留励起光は、信号/励起光分離フィルタ133により分離され、送信側光増幅器13から受信側光増幅器23へ向けて出力される。

ここで、送信側光増幅器13の利得制御について説明する。波長多重光を増幅するためには、利得の波長依存性の変動を抑圧するために、全波長のトータル入力パワー（Pin）とトータル出力パワー（Pout）の比であるPout/Pinを一定にする利得一定制御を行うことが必要である。図5においては、入力モニタ13aと出力モニタ13bで各値をモニタし、このモニタ結果を利得一定制御回路13cにより励起光源131にフィードバックして出力パワーを変化させることにより、Pout/Pinを一定に制御することができる。これは、一般に実施されている制御方法である。なお、入力モニタ13aや出力モニタ13bで監視する光信号の大きさは、波長多重光信号のパワーレベルでも良いし、波長多重光信号に含まれる光信号の一部、又は波長多重光信号のうちの特定の波長の光信号のパワーレベルを測定するようにしても良い。

図6に、受信側光増幅器22の構成を示す。受信側光増幅器22は、Erドープファイバ220、波長帯λrまたは波長帯λtのいずれか任意の波長帯の励起光を出力する励起光源221、波長帯λtの励起光を出力する励起光源222、信号/励起光多重フィルタ223、信号/励起光多重フィルタ224および励起光多重フィルタ225より構成される。波長多重信号と励起光源221からの光は、信号/励起光多重フィルタ223により多重され、かつ励起光源222からの光も信号/励起光多重フィルタ224により波長多重光信号と多重されることにより、Erドープファイバ220で波長多重光信号信号が増幅される。図1の送信側光増幅器12で消費されなかった波長帯λtの残留励起光は、励起光多重フィルタ225により多重され、信号/励起光多重フィルタ224を通して、Erドープファイバ220の増幅に利用される。ここで、信号/励起光多重フィルタ224は、波長帯λtの励起光を左から右に、波長帯λrの励起光を下から右に、信号波長帯を右から左に透過させるフィルタであり誘電体多層膜などにより作製することができる。

受信側光増幅器22の利得制御について説明する。入力モニタ22aで光信号のレベルPinを、出力モニタ22bで光信号のレベルPoutをそれぞれモニタし、利得一定制御回路22cにより励起光源221および222にフィードバックして出力パワーを変化させることにより、Pout/Pinを一定に制御する。送信側光増幅器12から入力される残留励起光に対しては制御をかけないことで、受信側光増幅器22から送信側光増幅器12への干渉を防止している。また、送信側光増幅器12からの残留励起光のパワー変動があった場合も、励起光源221および222に対する制御でその変動を抑圧する。なお、利得一定制御回路22cは、励起光源221及び222の両方を制御するのみならず、それらの少なくともいずれかを制御するようにしても良い。

図7に図6とは異なる構成の受信側光増幅器25を示す。図6の受信側光増幅器22との違いは、励起光多重フィルタ226および227である。励起光多重フィルタ227は、送信側光増幅器12からの波長帯λtの励起光と、励起光源222からの波長帯λrの励起光を多重する。そして信号/励起光多重フィルタ226は、信号/励起光多重フィルタ226からの波長帯λtと波長帯λrの励起光と信号光とを多重する。受信側光増幅器25の利得制御については、図6の説明と同様である。なお、一台の光伝送装置の中で、受信側光増幅器22と25は任意に組み合わせて使用することができる。つまりEast側に受信側光増幅器22を使用し、West側に受信側光増幅器25を使用しても良い。

このように、利得や出力光パワーが比較的小さい場合に、残留励起光が存在するという点に着目し、本発明では、この残留励起光を別の光増幅器に利用することを考え、さらに残留励起光の波長と、別の光増幅器の励起光波長を異なった波長とした。このように励起光の波長を異なるものとすることで、送信側光増幅器からの残留励起光と励起光源222からの励起光とを波長多重カプラにより効率よく多重することができ、受信側光増幅器22、25の利得や出力光パワーを増加させることができる。

図8および図9の構成図を用いて、本発明の第２の実施例を説明する。図8と図9は、OXCノードの構成図であり、方路1から方路6までの伝送路ファイバから入出力される波長多重光信号を、波長毎に任意の方路に切り替えたり、そのOXCノード自身にあるクライアント装置へ信号を出力したり、クライアント装置からの信号を入力したりするシステムである。図を簡略化するため、図8と図9に分けて記載している。

図8では、方路1、方路2、方路3の伝送路光ファイバから入ってくる信号を受信し、受信側光増幅器22で増幅する。分波器43は増幅後の光信号を波長ごとの光信号に分波し、この波長ごとの光信号と、クライアント装置から入力された信号は、マトリクススイッチ71で経路を切り替えられる。各波長の光信号の一部はクライアント装置へ経路を切り替えられ、その他の信号は合波器33で波長多重された後に方路4、方路5、方路6へと出力される。送信側光増幅器13は、方路4、方路5、方路6へ出力される光信号を再び増幅する。

図9のOXCノードは、方路4、方路5、方路6の伝送路光ファイバから入ってくる信号を受信し、受信側光増幅器23で増幅した後、分波器43により波長ごとに分離する。マトリックススイッチ71は、この波長ごとの光信号とクライアント装置から入力された信号それぞれの経路を切り替え、一部をクライアント装置へ、一部を合波器33へ出力する。送信側光増幅器12は、方路1、方路2、方路3へ出力される波長多重光信号を再び増幅する。

送信側光増幅器12と受信側光増幅器22は図1と同様に、方路1（または方路2または方路3）側光増幅ボード1222に搭載されており、送信側光増幅器13と受信側光増幅器23は方路4（または方路5または方路6）側光増幅ボード1323に搭載されている。光増幅ボード1222において、送信側光増幅器12の残留励起光は主信号から分離され、Eｒドープファイバ220を通過する主信号に合波されることにより、受信側光増幅器22の増幅に使用される。また、光増幅ボード1323において、送信側光増幅器13の残留励起光は主信号から分離され、Erドープファイバ220を通過する主信号に合波されることにより、受信側光増幅器23の増幅に使用される。

光増幅器ボードの構成の一実施例を示す図である。 OADMシステムの全体図の一実施例である。 OADMノードの内部構成の一実施例を示す図である。 OADMノードにおける光レベルダイアの一実施例を示す図である。送信光増幅器TAの構成の一実施例を示す図である。受信光増幅器RAの構成の一実施例を示す図である。受信光増幅器RAの構成の一実施例を示す図である。 OXCの構成の一実施例を示す図である。 OXCの構成の別の一実施例を示す図である。

符号の説明

101、102‥WDM端局ノード
201‥OADMノード
301‥中継ノード
1222‥West側光増幅ボード
1323‥East側光増幅ボード
12、13、14‥送信側光増幅器
22、23、24、25‥受信側光増幅器
13a、22a‥入力モニタ
13b、22b‥出力モニタ
13c、22c‥利得一定制御回路
130、220‥Erドープファイバ
131、221、222‥励起光源
132、223、224、226‥信号/励起光多重フィルタ
13‥信号/励起光分離フィルタ
225、227‥励起光多重フィルタ
400‥伝送路光ファイバ
31、32、33‥合波器
41、42、43‥分波器
51‥OADM-スイッチ
510‥2×2スイッチ
511‥可変減衰器
61、62‥中継光増幅器
71‥マトリクススイッチ

Claims

波長多重光信号を伝送する光伝送装置において、
第１の光伝送路からの波長多重光信号を、第１の励起光源からの励起光を用いて増幅する第１の光増幅部と、
前記第１の光増幅器からの波長多重光信号を、波長ごとに経路を切り替える第１のスイッチ部と、
前記第１のスイッチ部からの波長多重光信号を、第２の励起光源からの励起光を用いて増幅し第２の光伝送路へ出力する第２の光増幅部と、
第３の光伝送路からの波長多重光信号を、第３の励起光源からの励起光を用いて増幅する第３の光増幅部と、
前記第３の光増幅器からの波長多重光信号を、波長ごとに経路を切り替える第２のスイッチ部と、
前記第２のスイッチ部からの波長多重光信号を、第４の励起光源からの励起光を用いて増幅し第４の光伝送路へ出力する第４の光増幅部とを有し、
前記第１の光増幅部は、前記第４の励起光源から出力され前記第４の光増幅部で使用された励起光の残りである第１の残留励起光を使用し、
前記第３の光増幅部は、前記第２の励起光源から出力され前記第２の光増幅部で使用された励起光の残りである第２の残留励起光を使用し、
前記第１の励起光源の励起光の波長帯と前記第４の励起光源の励起光の波長帯とは異なり、
前記第２の励起光源の励起光の波長帯と前記第３の励起光源の励起光の波長帯とは異なることを特徴とする光伝送装置。
請求項１に記載の光伝送装置において、
前記第１の光増幅部は、前記第１の残留励起光を波長多重光信号に合波する第１の波長多重部と、前記第１の励起光源からの励起光を波長多重光信号に合波する第２の波長多重部とを有し、
前記第３の光増幅部は、前記第２の残留励起光を波長多重光信号に合波する第３の波長多重部と、前記第３の励起光源からの励起光を波長多重光信号に合波する第４の波長多重部とを有することを特徴とする光伝送装置。
請求項１に記載の光伝送装置において、
前記第１の光増幅部は、前記第１の残留励起光を前記第１の励起光源からの励起光に合波する第１の波長多重部と、前記第１の前記波長多重部からの前記第１の残留励起光と前記第１の励起光源からの励起光とを含む励起光を波長多重光信号に合波する第２の波長多重部とを有し、
前記第３の光増幅部は、前記第２の残留励起光を前記第３の励起光源からの励起光に合波する第３の波長多重部と、前記第３の波長多重部からの前記第２の残留励起光と前記第３の励起光源からの励起光とを含む励起光を波長多重光信号に合波する第４の波長多重部とを有することを特徴とする光伝送装置。
請求項１に記載の光伝送装置において、
前記第２の光増幅部は、波長多重光信号から前記第１の残留励起光を分離する第１の波長分波部を有し、
前記第３の光増幅部は、波長多重光信号から前記第２の残留励起光を分離する第２の波長分波部を有することを特徴とする光伝送装置。
請求項２又は３に記載の光伝送装置において、
前記第１の光増幅部は、第５の励起光源および前記第５の励起光源からの励起光を波長多重光信号に合波する第５の波長多重部を有し、
前記第４の光増幅部は、第６の励起光源および前記第６の励起光源からの励起光を波長多重光信号に合波する第６の波長多重部を有することを特徴とする光伝送装置。
請求項１に記載の光伝送装置において、
前記第１の光増幅部は、
当該第１の光増幅部へ入力される波長多重光信号の少なくとも一部のパワーレベルを監視する第１のモニタ部と、
当該第１の光増幅部から出力される波長多重光信号の少なくとも一部のパワーレベルを監視する第２のモニタ部と、
前記第１のモニタ部および前記第２のモニタ部の監視したパワーレベルに基づいて、前記第１の励起光源から出力される励起光の大きさを制御する利得制御部とを有することを特徴とする光伝送装置。
請求項５に記載の光伝送装置において、
前記第１の光増幅部は、
当該第１の光増幅部へ入力される波長多重光信号の少なくとも一部のパワーレベルを監視する第１のモニタ部と、
当該第１の光増幅部から出力される波長多重光信号の少なくとも一部のパワーレベルを監視する第２のモニタ部と、
前記第１のモニタ部および前記第２のモニタ部の監視したパワーレベルに基づいて、前記第１の励起光源および前記第５の励起光源の少なくともいずれかから出力される励起光の大きさを制御する利得制御部とを有することを特徴とする光伝送装置。
請求項１に記載の光伝送装置において、
前記第１の光増幅部および前記第４の光増幅部は同じ光増幅ボードに搭載され、
前記第２の光増幅部および前記第３の光増幅部は同じ光増幅ボードに搭載されていることを特徴とする光伝送装置。