JP6341601B2 - 波長多重分離器とそれを用いた波長多重器 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ無線技術で用いられる波長多重技術に適用できる波長多重分離器とそれを用いた波長多重器に関する。

ミリ波周波数帯の電波を対象とした光ファイバ無線（ＲｏＦ）ネットワークは、同電波を利用した無線アクセスネットワークを効果的に広域化できることから、将来のインフラ技術として期待されている。さらに、波長分割多重（ＷＤＭ）技術は、ミリ波周波数帯ＲｏＦネットワークにおいては、アンテナを配置するリモートアクセスユニット（ＲＡＵ）の装置構成を簡易にすることでコストと消費電力を最小にし、ＷＤＭ信号の多重・分離機能を有する遠隔ノード（ＲＮ）で多数のＲＡＵにＲｏＦ信号を広く分配できるために非常に魅力的である。したがって、ＷＤＭ技術を用いたミリ波周波数帯ＲｏＦネットワークは、費用対効果に優れているだけでなく、維持費が安く、低消費電力構造にすることも可能である。

無線アクセスとその通信速度の飛躍的需要増大を受け、如何にして光アクセス網（固定網）と連携してモバイルトラフィックを収容するかが重要な課題となっている。物理的な観点からは、当該課題の解決の一手段としてＲｏＦ技術がある。この技術は、無線アクセス網のフロントホールに関する標準化においても注目されている。例えば最近では、標準化作業中のＮＧ−ＰＯＮ２（Next Generation Passive Optical Network２）においても、ＰｔＰＷＤＭ（Point To Point Wavelength Division Multiplex）方式を用いたモバイルトラフィックの収容についての議論がなされているなど、注目度の高い状況にある。一般に、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex）技術と上記ＲｏＦ技術の融合は、近い将来、必須になると考えられている。また、モバイル以外の様々な無線システム（例えば、放送、標準電波、レーダ、ワイヤレスセンサなど）においても、多数の地点で無線信号の集配信を行う際には、ＷＤＭ技術とＲｏＦ技術の融合が、主要な要素技術になることは必至である。

例えば、中央局（ＣＳ）に置いた従来の電気的クロスコネクトスイッチ（ＸＣ−ＳＷ）で、分散アンテナシステム（ＤＡＳ）のトラフィックコントロールを実現することで、この要件を満たすことができる。しかし、そのような電気的な動的チャネル割当（ＤＣＡ）では、ＣＳ専用領域の中の無線信号間の電磁干渉（ＥＭＩ）を完全には避けにくい。そのため、ＤＣＡを光領域で行う動的光チャネル割当は、電磁干渉に対する一つの解となる。

従来の動的光チャネル割当装置としては、例えば図１に示す分配合流型光スイッチボード（ＤＣＳＷ：Delivery and Coupling Switch）が知られている。このＤＣＳＷは、熱光学スイッチ（ＴＯ−ＳＷ）で光路を切替え、光カプラで合流し光路単位で光信号の分配合流を行なうもので、波長分割多重伝送方式の場合に、波長の異なるチャネルについて分配合流を行なうものではない。つまり、ＤＣＳＷは、波長分割多重伝送方式の複数の光チャネル成分を含んだ光信号をそれぞれの入力ポートから入力する場合に、入力したそれぞれの光信号をＴＯ−ＳＷを用いて動的に任意の出力先に割り当て、出力ポートごとの光カプラで上記のＴＯ−ＳＷから出力されたそれぞれの光信号を電力合成によって多重して、出力するものであった。しかし、この従来方式では、光路の切替えは２分岐を重ねるもので、チャネル数ｎについて、チャネル数の増加と共に、分岐損失が増大することで挿入損失が増大するという欠点があった。この分岐損失がシステム性能に影響する場合には、その損失を補償するために光増幅などによる電力供給が避けられない。さらに、用いられた光カプラの特性では波長選択性がないため、波長分割多重伝送方式で任意に割り当てられた複数の光周波数チャネル成分を収集し、全チャネル成分を一つの光路に波長分割多重化できる機能がなかった。

上記を解決した従来方式として、光カプラの代わりにアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を用いたものも提案されている（特許文献１）が、単一波長毎のチャネル切り換えが行われるものであるため、複数波長成分を含むＲｏＦ信号やチャネルが光周波数重畳された信号などを取り扱えなかった。

本発明でも上記ＡＷＧなどの分光手段を用いるが、ＡＷＧには、つぎのような入出力関係があることが知られている（特許文献２の図５）。つまり、図２（ａ）に示す様に入力端子のならびの際上端に波長ν１からνｎの光を入力した場合に、その出力端には、入力した場合に、それぞれの出力端に、順にν１からνｎが出力されるときに、図２（ｂ）に示す様に、例えば、ｎ−１番目の端子に、ν１からνｎの光を入力すると、ｎ−１番目、ｎ番目の出力端子には、それぞれ、ν１、ν２が出力され、また、１からｎ−２番目の出力端子には、ν３からνｎの光が出力される。

ここで、既に知られた図３に示す波長多重分離器の動作を説明する(特許文献１、非特許文献１)。これは、１つの光カプラ（ＯＣ）と２ｘＮ（２入力Ｎ出力）ＡＷＧから成るものであるが、次の様な動作をする。この構成例では、例えば、ＡＷＧは６２．５ＧＨｚ間隔入力と２５ＧＨｚ間隔出力を持ち、ＡＷＧの各出力は図３（ｂ）に示すように、それぞれ１つの搬送波と側帯波（例えば上側帯波）との組を１組ずつ選択する。この多重分離器では、ＡＷＧの狭帯域通過特性を積極的に利用している。

図３の入力信号には、図３（ａ）に示す様に、各チャネル内に整然と並んで配置された波長多重信号が想定されている。しかし、図６に示すように、（ａ）副搬送波と変調波との間隔にばらつきがあったり、（ｂ）信号強度がチャネル毎に異なっていたり、する場合がある。この場合には、この波長多重分離器では、信号強度の異なる副搬送波と変調波が組み合わされる場合が生じ、出力チャネルに依存した出力となる場合が多い。
本発明では、図６に示すような波長多重信号についても安定な分離出力が得られるようにするものである。

特開２００８−６７０４８号公報 特開２００９−３３２２６号公報

T.Kuri, H.Toda and K.Kitayama, "Novel Demultiplexer for Dense Wavelength-Division-Mutliplexed Millimeter-Wave-Band Radio-Over-Fiber Systems With Optical Frequency Interleaving Technique", IEEE PHOFONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 19, NO. 24. DECEMBER I5, 2007

従来技術では、光ファイバ無線信号が、所定の１つの周波数間隔をもつ場合ついてのみに波長多重分離が可能であった。これに対して、本発明では、上記光ファイバ無線信号の周波数間隔を変更した場合でも対応できるようにする。

このために、本発明の波長多重分離器では、分光手段と光路切替器と制御器とを備え、
上記分光手段は、複数の入力側光路から入力された光を分光して複数の出力側光路に出力するものであり、
上記光路切替器は、光路の切替えによって該光路切替器の入力側光路並び順を入れ替えて出力することで上記分光手段に入力する光路を入れ替えるものであり、
上記制御器は、上記光路切替器を制御して上記分光手段に入力する光路の入れ替えを外部からの操作によって行うものであり、
上記光路切替器と上記分光手段とは偏波無依存のものであり、
上記光路切替器の入力側光路と上記分光手段の出力側光路、および該光路切替器と該分光手段とをつなぐ光路を偏波保持型の光路とすることで、
上記光路切替器への入力光の入力側光路並び順についての相対的偏波構成に、上記分光手段からの出力光の入力側光路並び順に対応する出力側光路並び順についての相対的偏波構成を同じにしたものである。

また、その光路切替器は、少なくとも一つの入力端について、その入力端からの入力が、複数の出力端へ有意に分配されるものであるである。

上記光路切替器は、その入力端側と出力端側に、光路長の差の影響を抑制するための遅延手段を設けたものである。

また、上記光路切替器から入力する光路における上記分光手段の入力側から出力側への透過特性は、許容値を１ｄＢとする平坦性を示す周波数幅が出力側での隣接光周波数間隔に対して３７％以上であるものを用いる。

また、本発明は波長多重器であって、上記波長多重分離器の出力側光路から入力し、上記光路切替器の入力側光路から出力することで波長多重信号を得るものである。

従来技術ではある決められた一つの特定の周波数間隔をもつ光ファイバ無線信号についてのみしか波長多重分離ができなかったことに対し、従来、光パワースプリッター（例えば３ｄＢ光カップラー）を用いていたところを、本発明では通常のＯＮ／ＯＦＦ動作だけではない分岐率可変型スイッチを採用する。ここでいうスイッチの分岐率とは、１入力２出力素子における２つの出力電力の比率と定義する。これによって光ファイバ無線信号の周波数間隔の変更に対応できるようになった。特に、スイッチの分岐率を１：１とし、多入力・多出力の分光装置（実施例ではアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ））の入力ポートを自由に選べるようにすることで、光ファイバ無線信号における複数の周波数間隔に対応できるようになった。

分配合流型光スイッチボードの従来例を示す図である。 本発明で用いるＡＷＧの特性を示す図である。 リモートノード（ＲＮ）の構成例の波長多重分離器を示す図である。 本発明の波長多重分離器を示す図である。 遅延手段を設けた光路切替器の例を示すブロック図である。 入力する波長多重信号に、（ａ）副搬送波と変調波との間隔にばらつきがあったり、（ｂ）信号強度がチャネル毎に異なっていたり、する場合を示す図である。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図４に本発明の波長多重分離器のブロック図を示す。この例では、光路切替器３として、１６×１６ポートの分岐率可変型マトリクス光スイッチを使用している。この光スイッチの各要素は、マッハツェンダー型に構成された熱光学スイッチであり、この光路切替器３は、制御器４で制御される。この光路切替器３の出力は、分光手段２のＡＷＧの第９から第２４ポートに入力している。この波長多重分離器には、上記ＡＷＧのチャネル構成に整合するように分割された各周波数帯域にある変調波や副搬送波が周波数多重化された光信号を入力する。
この構成によって、分光手段２に入力する光路を入れ替えることが可能となり、上記ＡＷＧの特定の出力光路に、複数の光路からそれぞれの波長について抽出した光信号を得ることができる。

多入力、多出力の光路切替器としては、ゲートスイッチによる格子型マトリクススイッチやクロスバー型スイッチによる非閉塞スイッチなどが知られており、また、スイッチ素子としては、方向性結合器型、マッハツェンダー干渉計型、半導体光吸収型、可動式反射鏡型、など種々のものが知られている。本発明は、これらの場合を含め、その他の場合でも適用することができる。

例えば、上記ＡＷＧの特性が２５ＧＨｚの間隔で並ぶものである場合、図３の原理から、周波数間隔が２５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、７５ＧＨｚ、１００ＧＨｚなどとなるような２つの入力端子を選ぶことにより、それぞれ、２５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、７５ＧＨｚ、１００ＧＨｚなどの周波数差をもったＲｏＦ信号を出力端子から分離して得ることは容易である。

図４の構成において、光路切替器３の光スイッチの入力側光路と、分光手段２のＡＷＧの出力側光路、および、該光スイッチと該ＡＷＧとをつなぐ光路に偏波保持光路を使用し、該光スイッチと該ＡＷＧとは偏波無依存のものを用いることによって、上記光路切替器への入力光の入力側光路並び順についての相対的偏波構成を保持して、上記分光手段からの出力光の入力側光路並び順に対応する出力側光路並び順についての相対的偏波構成と同じにすることができる。ここで言う相対的偏波構成とは、例えば、偏光方向が全て同じ方法であったり、偏光楕円率と偏光方位角が同じ順序や同じ差で並んでいたりすることである。

図５は、光路切替器３がマトリクス型の光スイッチの場合に、経路の違いによって生じる光路長の差から生じる遅延時間を均一にするために、その入力側光路と出力側光路に光路長の違いを補償するための遅延手段を設けたものである。図５は、ゲートスイッチ間の遅延時間が横方向で均一にｔ１、縦方向で均一にｔ２で、縦にｍ+１、横にｎ+１の光路がある場合である。遅延素子４ａの横列における遅延時間はｔ１差でゼロからｎ×ｔ１まで、遅延素子４ｂの縦列における遅延時間はｔ２差でゼロからｍ×ｔ２まで、設けることで、遅延素子光路切替器３を通過する際の遅延時間を等しくする。このように通過に要する遅延時間を等しくすることによって、極短パルスにも対応できるようになる。

また、必要に応じて、上記ＡＷＧにおけるチャンネルごとの遅延時間の違いを遅延素子を用いて均すことが望ましく、この遅延素子が上記光路切替器の出力側の遅延素子を部分的に兼ねるように構成することもできる。

また、上記光スイッチを構成する要素スイッチについては、通常のＯＮ／ＯＦＦ動作だけでなく分岐率が可変の分岐率可変型スイッチを採用することもできる。これは、効果が確認できる比率で変更することが可能であるものである。これによって上記分光手段の特定の光路から多様な出力を得ることができるようになり、波長多重分離器としての出力も多様にすることができるようになる。

例えば、入力する波長多重信号が、図６（ａ）に示すように副搬送波と変調波との間隔にばらつきがある場合に、ＡＷＧのチャネルの透過特性により、そのチャネルの中心からずれた変調波は減衰される。しかし、副搬送波がそのチャネルのほぼ中心にある場合、上記変調波の場合に比べて減衰が少ないため、副搬送波の強度を抑制することが求められる。上記分岐率可変型スイッチは、このような状況において副搬送波の強度を調整して、変調波の強度とバランスを取る際に用いることができる。また、図（ｂ）に示すように信号強度がチャネル毎に異なる状況は、２つの信号源からの多重信号の合波信号の場合などに、発生することがある。このような波長多重信号で、強度小の副搬送波と強度大の変調波との組み合わせを光ダイオードで復調すると、ＡＭ変調での過変調信号のダイオード検波と同様に、歪んだ出力信号が得られ、望ましい状態ではない。つまり、この場合は、強度大の変調波を上記分岐率可変型スイッチで調整して、副搬送波と変調波の強度バランスをとることが望まれる。

また、制御器４による光路切替器３の制御は、図には示していないが、上記の周波数間隔や信号強度を帰還してＡＷＧの各チャネルにおける信号強度のバランスをとる制御を、含むことが望ましい。

図４の光路切替器３は、より具体的には、例えばＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit、プレーナ光波回路）上にマッハツェンダー型干渉計を形成し、その一方の光路ヒーターを用いて加温することで干渉状態を変えてスイッチとしたもので、１６ch入力×１６ch出力の市販品（ＮＴＴエレクトロニクス）である。また、分光手段２のＡＷＧは、チャンネル間隔が２５ＧＨｚで３２ｃｈ入力×４０ｃｈ出力のものである。透過スペクトル型は、フラットトップ型が望ましく、例えば、１ｄＢバンド幅は、波長1556.353〜1548.509ｎｍ（0.2nm/ch）において、９．３ＧＨｚ以上であり、これは、チャネル間隔の３７％に相当する。

上記波長多重分離器の出力側から、上記ＡＷＧのチャネル構成に整合するように分割された各周波数帯域にある変調波や副搬送波を入力し、上記光路切替器の入力側から出力することで波長多重信号を得ることができる。つまり、上記波長多重分離器は、波長多重器として動作するものである。

本発明をミリ波周波数帯のＲｏＦネットワークに適用することで、光搬送波と側帯波との組み合わせを自由に選択し、送信するミリ波の周波数帯を容易に変更することができるようになる。
また、ミリ波周波数帯のＲｏＦ信号におけるミリ波の収容には、波長多重化が容易な波長の光を用いて収容する。例えば、ＲｏＦ信号の送信の際に選択したうちの搬送波と同じ波長の光を用いる。

１ 波長多重分離器
２ 分光手段
３ 光路切替器
４ 制御器
５ａ、５ｂ 遅延素子

Claims (5)

1. 分光手段と光路切替器と制御器とを備え、
   上記分光手段は、複数の入力側光路から入力された光を分光して複数の出力側光路に出力するものであり、
   上記光路切替器は、光路の切替えによって該光路切替器の入力側光路並び順を入れ替えて出力することで上記分光手段に入力する光路を入れ替えるものであり、
   上記制御器は、上記光路切替器を制御して上記分光手段に入力する光路の入れ替えを外部からの操作によって行うものであり、
   上記光路切替器と上記分光手段とは偏波無依存のものであり、
   上記光路切替器の入力側光路と上記分光手段の出力側光路、および該光路切替器と該分光手段とをつなぐ光路を偏波保持型の光路とすることで、
   上記光路切替器への入力光の入力側光路並び順についての相対的偏波構成に、上記分光手段からの出力光の入力側光路並び順に対応する出力側光路並び順についての相対的偏波構成を同じにしたものであることを特徴とする波長多重分離器。
2. 上記光路切替器は、少なくとも一つの入力端について、その入力端からの入力が、複数の出力端へ有意に分配されるものであることを特徴とする請求項１に記載の波長多重分離器。
3. 上記光路切替器は、その入力端側と出力端側に、光路長の差の影響を抑制するための遅延手段を設けたものであることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の波長多重分離器。
4. 上記光路切替器から入力する光路における上記分光手段の入力側から出力側への透過特性は、許容値を１ｄＢとする平坦性を示す周波数幅が出力側での隣接光周波数間隔に対して３７％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の波長多重分離器。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の波長多重分離器の出力側光路から入力し、上記光路切替器の入力側光路から出力することで波長多重信号を得ることを特徴とする波長多重器。

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