JP6993369B2 - 光送受信装置及び光送受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバを利用した波長多重による伝送システムに関し、特に、光ファイバを用いた公衆網において、受動素子により光信号を分岐・合流させ、一本の光ファイバ回線を複数の加入者で共有するPassive optical network（以下、「ＰＯＮ」と表記する）の広帯域信号化（多重化）に適した光送受信装置及び光送受信方法に関する。

現在、通信事業者の基地局から各家庭まで光ファイバを敷設するＦＴＴＨ回線などで用いられるＰＯＮは、光ファイバ網の途中に分岐装置を介在させ、単一の波長を利用した時分割多重化により複数ユーザで共有することが行われている。将来的には使用可能な帯域を拡大するため、複数波長を用いるＷＤＭ－ＰＯＮの使用が検討されている。

一般的に知られているＷＤＭ－ＰＯＮの問題点としては、ＯＮＵ（Optical Network Unit：ユーザ側の光回線終端装置）からＯＬＴ（Optical Line Terminal：収容局側の光回線終端装置）への通信を意味する上り用における波長光源の安定性が挙げられる。ＷＤＭ－ＰＯＮにおけるＯＬＴ側では、様々なパワーで到達する各ＯＮＵ側からの信号を正確に受け取る必要があるため、上下の通信で波長が正確に制御されている必要がある。しかしながら、ＯＮＵは物理的にＯＬＴと離れて配置されているため、互いの波長を正確に制御することは困難であった。

この問題を解決するため、反射型半導体光増幅器（Reflective semiconductor optical amplifier：ＲＳＯＡ）を用いて、下り用の光信号を上り用の光信号に再利用する手法が知られている。この方法によって、上りの波長は下りの波長と同一になるため、上りの波長を把握でき上述した問題が解決可能となる。しかし、この手法を用いた場合、下り信号においては、上り信号用に再利用する光のキャリア成分のみならず変調成分も含んでいるため、正確に制御を行うには変調成分も抑圧しなければならないという問題点がある。

下り用の光信号を上り信号用に再利用する場合に、変調成分を抑圧する手法としてＲＳＯＡの飽和領域を意図的に用いることで、下りの変調成分を抑圧することが非特許文献１に開示されている。

また、非特許文献２では、ＲＳＯＡの構造を２セクション型にすることにより帯域拡大が実現可能なことが開示されている。

S. O Duill et al, "Efficient modulation cancellation using reflective SOAs," Opt. Express 20, B587-B594 (2012). P. Zhou et al,"Two-section RSOA with enhanced modulation-cancelling effect for self-seeded colorless WDM transmitter," in Proceedings of European Conference on Optical Communication (ECOC), paper M.2.E (2016).

しかしながら、非特許文献１に記載の手法によれば、変調帯域が犠牲になり、広帯域信号への適用が難しいという課題が存在する。例えば、ＦＴＴＨ回線の受信側について、各家庭のユーザの他に基地局をＷＤＭ－ＰＯＮで収容するような場合、Radio－over Fiber（ＲｏＦ）技術とＷＤＭ－ＰＯＮを併用する可能性もある。ＲｏＦとＷＤＭ－ＰＯＮを併用する状況においては、ＲｏＦのＲＦ信号は通常数十ＧＨｚに達するため、この手法を適用することは困難である。

非特許文献２で提案されたＲＳＯＡの構造を２セクション型にすることにより帯域拡大を実現する場合は、デバイス作成が複雑になりコスト増を招くという問題が生じる。

本発明は上記実情に鑑みて提案されたもので、広帯域信号化（多重化）されたＷＤＭ－ＰＯＮの使用に適した光送受信装置及び光送受信方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため本発明の請求項１に係る光送受信装置は、複数波長を用いたＷＤＭ－ＰＯＮの使用により光送信器（ＯＬＴ１０）で生成した広帯域の光信号を光ファイバ（２０）で伝送し複数の光受信器（ＯＮＵ３０）で受光する光送受信装置であって、前記光受信器（ＯＮＵ３０）が次の各部を備えたことを特徴としている。
前記光信号に対して、遅延差τを与えたパスと、位相回転φを与えたパスとに分けることで、前記光信号をキャリア成分と複数の信号成分とに分岐する信号分岐部（３１１）。
前記光信号のキャリア成分のみを上り用の光信号として利用する帰還分岐部（３１３）。
前記キャリア成分を変調して上り用の光信号とする変調部。
前記キャリア成分と前記信号成分と再度の合波を行う信号合波部（３１２）。
前記信号合波部で合成された下り用の光信号を電気信号に変換するフォトダイオード（３２）。

請求項２は、請求項１の光送受信装置において、
前記遅延差τ及び前記位相回転φは、前記キャリア成分の角周波数をωC、前記信号成分の変調周波数をωRFとした場合に、
τ＝π／ωRF
φ＝－ωCτ
を満足することを特徴としている。

請求項３は、請求項１の光送受信装置において、
前記光受信器（ＯＮＵ３０）は反射型半導体光増幅器（３３）を備え、
前記反射型半導体光増幅器（３３）により前記光信号のキャリア成分を上り用の光信号として帰還させることを特徴としている。

請求項４は、請求項１乃至請求項３に記載の光送受信装置において、
前記光受信器（ＯＮＵ３０）は基地局であることを特徴としている。

請求項５は、複数波長を用いたＷＤＭ－ＰＯＮの使用により光送信器で生成した広帯域の光信号を光ファイバで伝送し複数の光受信器で受光する光送受信方法であって、
強度変調のみを行って伝送される光信号に対して、遅延差τを与えたパスと、位相回転φを与えたパスとに分けることで、前記光信号をキャリア成分と信号成分とに分岐し、
前記光信号のキャリア成分のみを変調して上り用の光信号として帰還させて利用し、
前記信号成分とキャリア成分を再度合波した下り用の光信号を電気信号に変換して受信側信号とする、
ことを特徴とする光送受信方法。

本発明によれば、下り用の光信号のキャリア成分のみを分岐して上り用の光信号として利用することで、光受信器側の構造を複雑にすることなく、下り用の高周波変調信号成分を完全に除去することができるので、複数波長を用いるＷＤＭ－ＰＯＮに適した光送受信システムとすることができる。

本発明の光送受信装置のシステム構成を示すブロック図である。

本発明の光送受信装置を用いた光伝送システム（光伝送方法）について、図１を参照して説明する。
光伝送システムは、多重波長の光信号を送信する収容側のＯＬＴ１０と、多重波長の光信号を伝送する光ファイバ２０と、ＷＤＭスプリッタ２１により波長に応じて分岐された各光信号を受信する複数のユーザ側のＯＮＵ３０と、を備えて構成されている。ＯＬＴ１０側からは、ＷＤＭ－ＰＯＮを用いたＲｏＦ伝送を想定しており、ある波長の信号がＯＬＴ１０から基地局として機能するＯＮＵ３０へ送信される場合、信号はＷＤＭスプリッタ２１で抽出された後に各ＯＮＵ３０へと到達する。

ＯＬＴ１０は、強度変調のみが行われた両側波帯信号を送信する送信器１１と、サーキュレータ１２を介して上り信号を受信する受信器としてのフォトダイオード（ＰＤ）１３を備えている。送信器１１から送信される多重波長の両側波帯信号は、光ファイバ２０に伝送される。伝送される両側波帯信号Ｅin(t)は、数１の関数で表せる。

ただし、Acは光のキャリア成分の、ARFは変調信号成分の振幅を表している。また、数１では変調信号として正弦波信号を仮定しているが、帯域成分を持つ信号であっても、その周波数幅に対して変調周波数が十分に大きければ、近似的に数１を用いて表せる。

ＯＮＵ３０は、光信号を分岐させる非対称マッハツェンダー干渉計３１と、光電変換器としてのフォトダイオード（ＰＤ）３２と、上り用の光信号を帰還させる反射型半導体光増幅器３３とを備えている。

非対称マッハツェンダー干渉計３１は、光信号に対して、遅延差τを与えたパスと、位相回転φを与えたパスとに分けることで、前記光信号をキャリア成分と変調成分（信号成分）とに分岐する信号分岐部３１１と、キャリア成分と変調成分と再度の合波を行う信号合波部３１２と、光信号のキャリア成分のみを上り用の光信号として利用する帰還分岐部３１３を備えている。
また、分岐されたキャリア成分の波長を検出することで、非対称マッハツェンダー干渉計３１における角周波数ωC、変調周波数ωRFの値を後述する適正値に調整する制御系を備えている。信号合波部３１２で合成された光信号が下り用の光信号としてフォトダイオード（ＰＤ）３２に入力されて電気信号に変換される。

各パスの光ファイバに対しては、遅延差τ、位相回転φを調整するための電極あるいは温度変化部が設置されている。位相回転φは、電極への印加電圧あるいはヒータなどによる温度調整により光ファイバの屈折率を変化させて光路長を変化させることで調整する。遅延差τは、あらかじめ変調周波数ωRFに応じた遅延差を光回路上に与えておくことで実現されるが、ωRFに応じた遅延差に厳密に一致させるため、同光回路上にはφと同様に、微調整用の電極あるいは温度変化部が備えられている。

信号分岐部３１１で分岐された信号成分Ｅ1(t)とキャリア成分Ｅ2(t)は、それぞれ数２及び数３の関数で表せる。

光信号はＯＬＴ１０側から光ファイバ（伝送路）２０を通過し、ＯＮＵ３０側へと導かれる。両側波帯信号は、搬送波を信号波電流で振幅変調するときスペクトラムのうえで搬送波の両側に側波帯が生じ、これを搬送波とともに伝送するものである。マルチキャリア伝送では、このような複数の両側波帯信号が同時に搬送される。

本発明では、分岐された光信号のキャリア成分のみを上り用の光信号として帰還させれば、複雑な回路を用いることなく高周波変調信号成分が完全に除去された上り用の光信号が得られることに着目したものである。
ＯＮＵ３０で受信した光信号は非対称マッハツェンダー干渉計３１に導かれ、信号分岐部３１１において、上側パスでは下側パスに対して遅延差τが与えられ、かつ下側パスでは位相回転φが与えられるように構成している。
その後、上側と下側のパスは２×２カプラに導かれるが、この際に「τ」及び「φ」が以下の条件（１）（２）を満たすと、２×２カプラの片側の出力から光信号のキャリア成分のみが、もう片側の出力から信号成分のみが出力される。

τ＝π／ωRF 式（１）
φ＝－ωCτ 式（２）

式中、ωCは光信号のキャリアの角周波数を、ωRFは光信号の信号成分の変調周波数をそれぞれ意味している。

この構成を実現するためには、非対称マッハツェンダー干渉計３１において、式（１）及び式（２）を満足する遅延差τ及び位相回転φとなるように調整する必要があり、そのために、角周波数ωC及び変調周波数ωRFを検出する。角周波数ωCは信号分岐部３１１で得られたキャリア成分の波長から検出部され、変調周波数ωRFはフォトダイオード（ＰＤ）３２の出力となる電気信号（ＲＦパワー）からそれぞれ検出される。

キャリアの角周波数ωCは、キャリア成分から波長から検出されるもので、例えばスペクトラムアナライザで電圧がピークとなる周波数を検出し、角周波数ωCとする。

変調周波数ωRFは、ＰＤ３２で受信した後の電気信号である出力ＲＦパワーからの出力が最大となる周波数を検出し、変調周波数ωRFとする。

検出された角周波数ωC及び変調周波数ωRFから、式（１）（２）により「τ」「φ」が決まるので、遅延差τ及び位相回転φが所定の値となるように制御系での制御が行われる。この制御は、信号分岐部３１１以降の各パスを挟む位置に設置された電極への印加電圧を調整したり、周囲温度を変化させることなどで各パスの光ファイバの屈折率を調整することで行われる。

ＯＮＵ３０は、帰還分岐部３１３の先に反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）３３が接続されている。反射型半導体光増幅器は、反射部（ミラー）と、変調部と、増幅部を備え、帰還分岐部３１３を介して分岐されたキャリア成分を反射部で反射させ、折り返しの信号に変調するとともに増幅された信号が上り用（ＯＮＵからＯＬＴ）の光信号となる。
分離されたキャリア成分は、２つに分岐された後、一方は光サーキュレータ３４を通過後、反射型半導体光増幅器３３へと導かれ、他方は信号合波部３１２で変調成分と再合波された後、フォトダイオード（ＰＤ）３２で検出される。ここで検出される光信号は、通常のキャリア（キャリア成分）と両側波帯（変調成分）を含む信号である。

他方、反射型半導体光増幅器３３へと導かれた光は、キャリア成分のみを保有しているため、そのキャリアを用いて上り用データストリームで変調した後、サーキュレータ３５を通過してＯＬＴ１０側に伝送される。
この例では、反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）３３を使用したが、分岐されたキャリア成分が直接上り用の（反射及び増幅が行われない）光信号としてＯＬＴ１０側へ帰還させる構成であってもよい。

上述した光送受信装置によれば、非対称マッハツェンダー干渉計３１の信号分岐部３１１において、遅延差τを与えた上側パスと、位相回転φを与えた下側パスとに分岐し、τ＝π／ωRF、φ＝－ωCτを満たすことで、光信号をキャリア成分と信号成分とに分けることができる。

そして、信号成分とキャリア成分を信号合波部３１２で再度の合波を行って受光側での光信号を得るとともに、帰還分岐部３１３を介してキャリア成分を上り用の光信号として利用することができ、複雑な回路を用いることなく、高周波成分が完全に除去された上り用の光信号を得ることができる。

なお、上述した光送受信装置のシステムでは、キャリア成分と信号成分との再度の合波を行う信号合波部３１２を設け、合波信号を光電変換器（フォトダイオード３２）に入力するように構成しているが、例えば、非対称マッハツェンダー干渉計３１でキャリア成分と信号成分とに分岐した後に、キャリア成分を破棄して新たにローカル光と合波するようにしても良い。

１０…ＯＬＴ（光送信器）、 １１…送信器、 ２０…光ファイバ、 ３０…ＯＮＵ（光受信器）、 ３１…非対称マッハツェンダー干渉計、 ３２…フォトダイオード（光電変換器）、 ３３…反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）、 ３１１…信号分岐部、 ３１２…信号合波部、 ３１３…帰還分岐部。

Claims (5)

1. 複数波長を用いたＷＤＭ－ＰＯＮの使用により光送信器で生成した広帯域の光信号を光ファイバで伝送し複数の光受信器で受光する光送受信装置であって、
   前記光受信器は、
   前記光信号に対して、遅延差τを与えたパスと、位相回転φを与えたパスとに分けることで、前記光信号をキャリア成分と複数の信号成分とに分岐する信号分岐部と、
   前記光信号のキャリア成分のみを上り用の光信号として利用する帰還分岐部と、
   前記キャリア成分を変調して上り用の光信号とする変調部と、
   前記キャリア成分と前記信号成分と再度の合波を行う信号合波部と、
   前記信号合波部で合成された下り用の光信号を電気信号に変換するフォトダイオードと、
   を備えたことを特徴とする光送受信装置。
2. 前記遅延差τ及び前記位相回転φは、前記キャリア成分の角周波数をωC、前記信号成分の変調周波数をωRFとした場合に、
   τ＝π／ωRF
   φ＝－ωCτ
   を満足する請求項１に記載の光送受信装置。
3. 前記光受信器は反射型半導体光増幅器を備え、
   前記反射型半導体光増幅器により前記光信号のキャリア成分を上り用の光信号として帰還させる請求項１に記載の光送受信装置。
4. 前記光受信器は基地局である請求項１乃至請求項３に記載の光送受信装置。
5. 複数波長を用いたＷＤＭ－ＰＯＮの使用により光送信器で生成した広帯域の光信号を光ファイバで伝送し複数の光受信器で受光する光送受信方法であって、
   強度変調のみを行って伝送される光信号に対して、遅延差τを与えたパスと、位相回転φを与えたパスとに分けることで、前記光信号をキャリア成分と信号成分とに分岐し、
   前記光信号のキャリア成分のみを変調して上り用の光信号として帰還させて利用し、
   前記信号成分とキャリア成分を再度合波した下り用の光信号を電気信号に変換して受信側信号とする、
   ことを特徴とする光送受信方法。

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