JP5018499B2 - 光伝送システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバを介して異なる波長帯の光信号を送受信する光伝送システムに関するものである。

安価なイニシャルコストでＦＤＤＩ（Fiber-Distributed Data Interface）用途等の低速光通信用に敷設されたマルチモードファイバを１０Ｇｂｐｓの高速光通信用にアップグレードすることが検討されている。ところが、マルチモードファイバでは、コア内を多くのモードの光信号が通過するために、モード間の伝播遅延時間が異なり、伝送後の光波形が劣化しやすい。そこで、光ファイバの受信端において光から電気信号に変換した後、デジタルフィルタの一種である電子式分散補償回路（以下、イコライザという）を用いる方式が検討されている（例えば、下記非特許文献１及び非特許文献２参照）。また、シングルモードファイバにおいても、伝送によって生じる波長分散、偏波分散を補償するために、イコライザを利用する方式が検討されている。
Jack H. Winters,Richard D. Gitlin, "Electrical Signal Processing Techniques inLong-HaulFiber-Optic System", Transactions On Communications, 1990, vol. 38, No.9, p.1439-1453 P. Pepeljugoski, J. Schaub, J. Tierno, J. Kash, S. Gowda, B. Wilson,H. Wu, A. hajimiri, "Improved Performance of 10 Gb/s Multimode Fiber Optic Links UsingEqualization",Technical Digest of Optical Fiber Conference, 2003, ThG4

最近では、光ファイバ数の削減のために、一芯の光ファイバを用いて双方向通信を行う光伝送システムが１Ｇｂｐｓの伝送速度を中心に実用化され、現在より高速な信号伝送への適用が検討されている。このような一芯双方向光伝送システムにおいては、一芯の光ファイバの両端にレーザダイオード（以下、ＬＤという）の発光波長のみが異なる同一の送受信機（トランシーバ）が接続される。例えば、発光波長が１４９０ｎｍのＬＤから発生した光信号が光ファイバの一端から送信され、その光信号は、光ファイバの他端に接続されたトランシーバ内のイコライザにおいて波形整形され、さらにクロック再生回路（Clock Data Recovery）によってデータに復元されて上位レイヤへ転送される。また、発光波長が１３１０ｎｍのＬＤから発生した光信号が、光ファイバの一端において同様に処理されて上位レイヤへ転送される。

上記一芯双方向光伝送システムの応用例としては、例えば、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）のように局側と宅側とを接続することが挙げられる。また、ＬＡＮ環境での応用例も考えられ、この場合には大規模光スイッチと個々のコンピュータとの間のように規模が異なる装置間を接続するために用いられることが多い（以下、「局」という場合には、広義には光スイッチのように装置規模が相対的に大きな受信端を含み、「宅」という場合には、コンピュータのように装置規模が相対的に小さな受信端のことを含む。）。大容量電源が備えられており、環境温度調整も行われていることが多い局側に比較して、宅側では利用可能な電源容量は限られており、宅側に配置される設備は極力省電力化される必要がある。さらに、宅側装置はコストの点においても局側に比べて低く抑えられる必要がある。しかしながら、上記一芯双方向光伝送システムにおいては、局側及び宅側ともに同一構成を有しているので、消費電力及びコストが必然的に同等になってしまう傾向にあった。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、光波形の劣化を防止しつつ、宅側の消費電力の低減及び低コスト化を実現することが可能な光伝送システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光伝送システムは、局側トランシーバから宅側トランシーバに向かう下り光信号と、宅側トランシーバから局側トランシーバに向かう下り光信号とは異なる波長を有する上り光信号を、一の光ファイバを用いて送受する光伝送システムであって、局側トランシーバが、宅側トランシーバからの上り信号の信号波形を補正するためのタップ係数が設定される第１のデジタルフィルタと、下り信号を補正するタップ係数が設定される第２のデジタルフィルタとを備え、第２のデジタルフィルタのタップ係数が、第１のデジタルフィルタのタップ係数に対応して設定されている、ことを特徴とする。

或いは、本発明の光伝送システムの制御方法は、局側トランシーバから宅側トランシーバに向かう下り光信号と、宅側トランシーバから局側トランシーバに向かう下り光信号とは異なる波長を有する上り光信号を、一の光ファイバを用いて送受する光伝送システムの制御方法であって、局側トランシーバにおいて、上り信号に対して第１のデジタルフィルタのタップ係数を設定して上り信号の波形を補正し、さらに、第１のデジタルフィルタのタップ係数に基づくタップ係数が設定された第２のデジタルフィルタを用いて補正された下り信号を、宅側トランシーバに向けて送信することを特徴とする。

このような光伝送システム及びその制御方法によれば、局側トランシーバの上り信号の受信特性に基づいて第１のデジタルフィルタのタップ係数が設定されることにより、上り信号の受信特性の歪みが補正されるとともに、その第１のデジタルフィルタのタップ係数に対応したタップ係数が第２のデジタルフィルタに設定されて、この第２のデジタルフィルタによって局側トランシーバの下り信号の送信特性が予め調整される。これにより、局側の受信特性で得たタップ係数を、同一の光ファイバを利用した局側の送信系に対応して設定することにより、宅側トランシーバの機能の一部を局側トランシーバに移して宅側の消費電力の低減及び低コスト化を図りながら、送受信系における光波形の劣化を防止することができる。

本発明の光伝送システムによれば、光波形の劣化を防止しつつ、宅側の消費電力の低減及び低コスト化を実現することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光伝送システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の好適な一実施形態にかかる光伝送システム１の概略構成図である。光伝送システム１は、局側トランシーバ２と宅側トランシーバ３とが１本の光ファイバ４の両端に接続された構成を有している。この光ファイバ４は、いわゆる一芯のマルチモードファイバ（MMF: Multi-Mode Fiber）であり、局側トランシーバ２の送信器５ａから出射された波長１４９０ｎｍの下り光信号が、この光ファイバ４を介して宅側トランシーバ３に向けて伝送され、宅側トランシーバ３から出射された波長１３１０ｎｍの上り光信号が、光ファイバ４を介して局側トランシーバ２の受信器５ｂに向けて伝送される。すなわち、光伝送システム１では、上り方向と下り方向とで異なる波長帯を有する光信号が一芯の光ファイバを用いて波長多重方式で送受信される。

宅側トランシーバ３は、局側トランシーバ２からの下り光信号を受光してその光信号を電気信号に変換するフォトダイオード（以下、ＰＤという）６と、ＰＤ６からの電気信号に基づいてデータを復元するクロック再生回路（Clock Data Recovery）７とを有する受信器８ｂと、外部の上位レイヤから伝送信号を受信するクロック再生回路９と、その伝送信号に応じた駆動電流を生成するＬＤ駆動回路（Laser Diode Driver）１０と、その駆動電流に応じて上り光信号を生成して光ファイバ４に出射するＬＤ１１とを有する送信器８ａとを備えている。

局側トランシーバ２は、送信器５ａと、受信器５ｂと、送信器５ａ及び受信器５ｂの動作を制御するコントローラ（制御回路）１２とを備えている。この送信器５ａは、クロック再生回路１３、ＬＤ駆動回路１４、及び下り光信号を生成するＬＤ１５のほか、ＬＤ１５に供給する駆動信号を補正するイコライザ（第２のデジタルフィルタ）１６、及びコントローラ１２による制御によりＬＤ１５の発光を強制的に停止する送信停止回路１７をさらに有している。また、受信器５ｂは、上り光信号を受光するＰＤ１８、及びクロック再生回路１９のほか、ＰＤ１８からの電気信号（受信信号）を補正するイコライザ（第１のデジタルフィルタ）２０及びＰＤ１８に入射する上り光信号を検知する光検知回路２１をさらに有している。

以下、図２を参照して、イコライザ１６，２０の構成について詳細に説明する。

同図に示すイコライザ２０は、波長１３１０ｎｍの上り光信号に含まれる分散を電気的に補償する役割を有するトランスバーサルフィルタであり、ＰＤ１８からの電気信号の波形整形を行う。イコライザ２０には、ＰＤ１８から電気信号が入力され、波長１３１０ｎｍの上り光信号の分散が電気的に補償される。具体的には、イコライザ２０は、遅延回路Ｔ及び乗算器Ｃ_０〜Ｃ_ｍにより複数のタップが構成された前方等価（Feed Forward Equalizer）部３１と、遅延回路Ｔ及び乗算器Ｄ_０〜Ｄ_ｎにより複数のタップが構成された後方等価（Decision Feed-backEqualizer）部３３とを備えている。前方等価部３１では、遅延回路Ｔにより入力信号に対して1ビットずつ遅延した各信号に、各乗算器Ｃ_０〜Ｃ_ｍにおいてｃ_００〜ｃ_ｍ０の各係数をかけ、加算器３５に出力している。後方等価部３３では、出力信号を比較器３７で“１”、“０”判定し、遅延回路Ｔによりその判定後の信号（“１”もしくは“０”）に対して1ビット分ずつ遅延した信号に、各乗算器Ｄ_０〜Ｄ_ｎにおいてｄ_００〜ｄ_ｎ０の各係数をかけ、加算器３５に出力する。加算器３５では、前方等価器３１および後方等価器３３からの各信号Ｃ_０〜Ｃ_ｍ、Ｄ_０〜Ｄ_ｎについてその総和を計算し、これを比較器３７に出力する。そして、前方等価部３１における上記タップ係数（補償係数）ｃ_００〜ｃ_ｍ０、及び後方等価部３３における上記各タップ係数（補償係数）ｄ_００〜ｄ_ｎ０は、後述するコントローラ１２から送信される設定信号ｉによって適切な値に設定される。例えば、コントローラ１２は、比較器３７の入力と出力との差を誤差信号として検知し、これが最小となる様に各タップ係数ｃ_００〜ｃ_ｍ０、ｄ_００〜ｄ_ｎ０を調整する。

また、イコライザ１６は、イコライザ２０と全く同一の構成を有し、ＬＤ駆動回路１４から入力されたＬＤ１５の駆動信号の波形整形を行う。イコライザ１６の前方等価部３１及び後方等価部３３におけるタップ係数（補償係数）ｃ_０１〜ｃ_ｍ１，ｄ_０１〜ｄ_ｎ１は、コントローラ１２から送信される設定信号ｉによって適切な値に設定される。

イコライザ２０における比較器３７への入力信号と出力信号(“１”もしくは“０”）との誤差信号は、コントローラ１２に送信され、コントローラ１２では、この誤差信号に基いて入力信号と出力信号との誤差が最小となるように各タップ係数ｃ_００〜ｃ_ｍ０,ｄ_００〜ｄ_ｎ０が決定される。そして、コントローラ１２から送信される設定信号ｉにより、イコライザ２０の前方等価部３１のタップ係数ｃ_００〜ｃ_ｍ０、及び後方等価部３３のタップ係数ｄ_００〜ｄ_ｎ０が更新される。このようにタップ係数ｃ_００〜ｃ_ｍ０，ｄ_００〜ｄ_ｎ０が最適化され設定されることで、光ファイバ４の帯域不足による上り光信号の歪みに対して、ＰＤ１８からの電気信号を対象にして最適の波形整形を行うことができる。例えば、ＭＭＦである光ファイバ４の伝送特性は、高域が劣化するような特性を有するのが一般的である。そこで、イコライザ２０により電気信号の高域を持ち上げることで結果的に平坦に近い受信特性を得ることができる。

一方で、従来の光伝送システムでは下り光信号の歪みの補償は、宅側の受信器によって行われるのが一般的である。これに対して、本実施形態の光伝送システム１では、コントローラ１２が局側受信器に備えるイコライザ２０のタップ係数を局側送信器に備えるイコライザ１６に反映するように制御している。すなわち、コントローラ１２では、イコライザ２０のタップ係数ｃ_００〜ｃ_ｍ０，ｄ_００〜ｄ_ｎ０を決定した際に、イコライザ１６のタップ係数ｃ_０１〜ｃ_ｍ１，ｄ_０１〜ｄ_ｎ１を、タップ係数ｃ_００〜ｃ_ｍ０，ｄ_００〜ｄ_ｎ０と同一値に決定し、設定信号ｉによりイコライザ１６の前方等価部３１のタップ係数ｃ_０１〜ｃ_ｍ１、及び後方等価部３３のタップ係数ｄ_０１〜ｄ_ｎ１を更新する。このようにタップ係数ｃ_０１〜ｃ_ｍ１，ｄ_０１〜ｄ_ｎ１が最適化され設定されることで、光ファイバ４の帯域不足による下り光信号の歪みに対して、予め歪みを持ってＬＤ１５が駆動されるので、受信側ではイコライザを用いることなく光信号が受信可能となる。より詳細には、イコライザ２０のタップ係数は、歪んだ受信特性の高域を持ち上げて平坦化するように設定されているので、このタップ係数を送信側に設定することは局側送信端において予め高域側を持ち上げて送信することを意味する。結果として、ＭＭＦを介して伝送される際に高域側が劣化する受信特性が相殺されることになり、受信側で平坦な受信特性を得ることができる。なお、上り光信号と下り光信号とで伝送波長が異なることにより伝送による劣化の度合いも異なるため、その度合いに応じてイコライザ２０のタップ係数からイコライザ１６のタップ係数を演算して求めてもよい。

また、光伝送システム１では起動時にイコライザ１６が光ファイバ４の帯域特性を補償するようには設定されておらず、そのため宅側トランシーバ３では下り光信号を正常に受信することができない。このことを回避するために、起動時には局側トランシーバ２の送信停止回路１７がＬＤ１５の発光を停止するように設定されており、コントローラ１２は、起動後に光ファイバ４が接続されてイコライザ２０の設定が完了した後に、ＬＤ１５が下り光信号を送信するように制御する。具体的には、コントローラ１２は、光検知回路２１がＰＤ１８における上り光信号の受信を検知した後、イコライザ２０のタップ係数が収束したか否かを判定する。このタップ係数の収束は、イコライザ２０から出力される誤差信号が所定の範囲内に収まったか否かにより判定される。そして、コントローラ１２は、タップ係数が収束した後に、送信停止回路１７による発光停止を解除してＬＤ１５の発光を開始するように制御する。

以上説明した光伝送システム１及びその制御方法によれば、局側トランシーバ２の上り信号の受信特性に基づいてイコライザ２０のタップ係数ｃ_００〜ｃ_ｍ０，ｄ_００〜ｄ_ｎ０が設定されることにより、上り信号の受信特性の歪みが補正されるとともに、そのイコライザ２０のタップ係数ｃ_００〜ｃ_ｍ０，ｄ_００〜ｄ_ｎ０と同一値のタップ係数ｃ_０１〜ｃ_ｍ１，ｄ_０１〜ｄ_ｎ１がイコライザ１６に設定されて、このイコライザ１６によって局側トランシーバ２の下り信号の送信特性が予め調整される。具体的には、イコライザ２０のタップ係数ｃ_００〜ｃ_ｍ０，ｄ_００〜ｄ_ｎ０は、一芯光ファイバ４の１３１０ｎｍの帯域特性を反映しており、このタップ係数ｃ_００〜ｃ_ｍ０，ｄ_００〜ｄ_ｎ０をコントローラ１２を介して送信系のイコライザ１６に設定することにより、光ファイバの帯域不足が補償された光信号を生成することが可能となり、イコライザを有しない宅側受信器によっても受信可能となる。これにより、宅側トランシーバ３の機能の一部を局側トランシーバ２に移して宅側の消費電力の低減及び低コスト化を図りながら、送受信系における光波形の劣化を防止することができる。一芯双方向のトランシーバ（送信系、受信系、及び制御の基本部分のみ）の消費電力は、通常最大で約１Ｗ程度であるのに対して、イコライザ（前方等価部８段、後方等価部４段）の消費電力は１．５Ｗ程度であるので、宅側のトランシーバからイコライザを削減できることの効果は相当なものとなる。

次に、図３〜６には、光伝送システム１において光ファイバ４を伝送した後の光信号のアイパターンを示す。

図３は、波長１３１０ｎｍの上り光信号が２２０ｍの光ファイバ４を伝送した後のイコライザ２０による補償前のアイパターンであり、図４は、同一の上り光信号のイコライザ２０による補償後のアイパターンである。このときに最適化されたイコライザ２０のタップ係数は、ｃ_００＝０．１６９，ｃ_１０＝−０．６３５，ｃ_２０＝１．９７２，ｃ_３０＝０．２３７，ｃ_４０＝−０．０７６，ｄ_００＝−０．４６１，ｄ_１０＝０．００１，ｄ_２０＝０．０１３となっている。補償前のＥＯＰ（Eye Opening Penalty）が６．２６ｄＢであるのに対して、タップ係数を最適化したイコライザ通過後のＥＯＰは、０．１７ｄＢとなっており、信号光の受信特性がかなり改善されていることがわかる。なお、ＥＯＰは、ｘを伝送劣化後のアイダイアグラムの開口部の強度幅、ｙを伝送劣化前のアイダイアグラムの開口部の強度幅とした場合に、ｘ／ｙで定義される。

一方、図５は、イコライザ１６によって変調が加えられていない波長１４９０ｎｍの下り光信号が２２０ｍの光ファイバ４を伝送した後のアイパターンであり、図６は、イコライザ１６によって変調が加えられた下り光信号の光ファイバ４の伝送後のアイパターンである。図６のＥＯＰは０．８３ｄＢであり、図５のＥＯＰ＝４．２１ｄＢに比較してアイ開口部を十分に大きくすることができている。このように、波長１３１０ｎｍに最適化されたタップ係数を波長１４９０ｎｍに適用した場合にも十分なアイ開口部の確保が可能である。

本発明の好適な一実施形態にかかる光伝送システムの概略構成図である。 図１のイコライザの詳細構成を示すブロック図である。 図１の光伝送システムにおいて補償前の上り光信号のアイパターンを示す図である。 図１の光伝送システムにおいて補償後の上り光信号のアイパターンを示す図である。 図１の光伝送システムにおいて変調されていない下り光信号のアイパターンを示す図である。 図１の光伝送システムにおいて変調された下り光信号のアイパターンを示す図である。

符号の説明

１…光伝送システム、２…局側トランシーバ、３…宅側トランシーバ、４…光ファイバ、１２…コントローラ（制御部）、１６…イコライザ（第２のデジタルフィルタ）、２０…イコライザ（第１のデジタルフィルタ）、ｃ_００〜ｃ_ｍ０，ｄ_００〜ｄ_ｎ０，ｃ_０１〜ｃ_ｍ１，ｄ_０１〜ｄ_ｎ１…タップ係数。

Claims (4)

1. 局側トランシーバから宅側トランシーバに向かう下り光信号と、前記宅側トランシーバから前記局側トランシーバに向かう前記下り光信号とは異なる波長を有する上り光信号を、一の光ファイバを用いて送受する光伝送システムであって、
   前記局側トランシーバが、
   前記宅側トランシーバからの前記上り信号の信号波形を補正するためのタップ係数が設定される第１のデジタルフィルタと、
   前記下り信号を補正するタップ係数が設定される第２のデジタルフィルタとを備え、
   前記第２のデジタルフィルタのタップ係数が、前記第１のデジタルフィルタのタップ係数に対応して設定されている、
   ことを特徴とする光伝送システム。
2. 前記一の光ファイバはマルチモードファイバである、
   ことを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
3. 局側トランシーバから宅側トランシーバに向かう下り光信号と、前記宅側トランシーバから前記局側トランシーバに向かう前記下り光信号とは異なる波長を有する上り光信号を、一の光ファイバを用いて送受する光伝送システムの制御方法であって、
   前記局側トランシーバにおいて、前記上り信号に対して第１のデジタルフィルタのタップ係数を設定して前記上り信号の波形を補正し、
   さらに、前記第１のデジタルフィルタのタップ係数に基づくタップ係数が設定された第２のデジタルフィルタを用いて補正された前記下り信号を、前記宅側トランシーバに向けて送信する、
   ことを特徴とする光伝送システムの制御方法。
4. 前記一の光ファイバはマルチモードファイバである、
   ことを特徴とする請求項３記載の光伝送システムの制御方法。

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