JP7181458B2 - 光中継装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光信号を伝送する光通信システムにおいて使用される光中継装置に関する。
従来、通信サービスの高速化・大容量化とともに、幹線系光伝送システムで伝送されるトラフィックが爆発的に増大している。そのため、光伝送システムの伝送容量を飛躍的に増大する技術検討が進められており、中でも光ファイバの複数の異なる光伝搬モードにそれぞれ異なる信号を重畳して伝送する、モード分割多重(Mode-Division-Multiplexing: ＭＤＭ)光伝送技術の研究が近年急速に進んでおり、長距離ＭＤＭ光伝送システムでは、光増幅器を用いた光中継伝送が必要となる。
図１に示すのは、従来の長距離ＭＤＭ光伝送システムの模式図である。図１には、それぞれ単一波長または波長多重された信号光を発生する光送信装置１－１～１－３が示され、光送信装置１－１～１－３はそれぞれ光源、光変調手段、波長多重信号の送信装置の場合は波長合波器を備える。
光送信装置１－１～１－３からの送信光は、モード合波器２においてモード合波されてマルチモード光となり、伝送用のマルチモードファイバ５－１～５－３と光中継装置６－１～６－４が交互に配置された多段の中継区間（スパン）を経て、多段中継伝送される。
モード分波器３に達したマルチモード光はモード分波され、光受信装置４－１～４－３でそれぞれモード分波された信号光が受信される。光受信装置４－１～４－３は、それぞれ単一波長または波長多重された信号光を受信する装置であり、光電変換手段、電気信号処理手段、波長多重信号の受信装置の場合は波長分波器、その他信号光を受信するために必要となる光回路（例えば光遅延回路など）を備える。
ＭＤＭ光伝送では、伝送用マルチモード光ファイバ中でのモード間遅延差(Differential Mode Delay: ＤＭＤ)とモード間損失差(Differential Modal Loss:ＤＭＬ)が、伝送距離にしたがって蓄積して受信特性を劣化させることが問題となり、特に光中継による長距離ＭＤＭ光伝送システムではこの問題が顕著となる。このＤＭＤ，ＤＭＬの特性劣化の問題解決のために、光中継地点において、光の伝搬モードを入れ替えて伝送する巡回モード置換 (Cyclic-Mode-Permutated：ＣＭＰ）伝送と呼ばれる方式が提案され、ＤＭＤ，ＤＭＬの劣化を抑制することが長距離ＭＤＭ光伝送実験で実証されている(非特許文献１)。
K. Shibahara et al., "DMD-Unmanaged Long-Haul SDM Transmission over 2500-km 12-core X 3-mode MC-FMF and 6300-km 3-mode FMF Employing Intermodal Interference Cancelling Technique", in Proc. OFC2018, Post deadline Paper, Th4C.6.
図２に、従来の長距離ＭＤＭ伝送システムにおける巡回モード置換 (ＣＭＰ）方式の光中継装置を示す。図２には、モード分波器１０１、モード合波器１０２、シングルモード光増幅器１０３－１～１０３－３、可変光減衰器１０４－１～１０４－３が示される。モード分波器１０１およびモード合波器１０２のポートＣにはマルチモードファイバが接続され、モード分波器１０１およびモード合波器１０２のポート１～３の間はシングルモードファイバで接続されている。
モード分波器１０１のポートＣから入力したＬＰ01、ＬＰ11e、ＬＰ11oの３つの異なるモードが多重されたマルチモード信号光は、モード毎に基本モードへ変換されてモード毎に異なるポート１～３から出力される。すなわち、ＬＰ01モード信号光はモード分波器１０１のポート１（基本モードから基本モードのため実際にはモード変換なし）、ＬＰ11eモード信号光はポート２、ＬＰ11oモード信号光はポート３から出力される。
モード分波器１０１の３つのポートからの出力は、それぞれシングルモード光増幅器１０３－１～１０３－３で増幅された後、可変光減衰器１０４－１～１０４－３で各光増幅器出力信号光パワーが等しくなるように調整されて、モード合波器１０２のそれぞれ１～３ポートへ入力される。
モード合波器１０２の動作はモード分波器１０１の反対であり、モード合波器１０２のポート１へ入力した信号光はＬＰ01モードへ（基本モードから基本モードのため実際にはモード変換なし）、ポート２へ入力した信号光はＬＰ11eモードへ、ポート３へ入力した信号光はＬＰ11oモードへ変換され、これら３つの異なるモードが多重された信号光がモード合波器１０２のポートＣから出力される。
図２に示されるように、モード分波器１０１の出力ポートとモード合波器１０２の入力ポートは、互いに異なるモードに対応するポートへ入れ替えて接続されている。すなわち、１０１のポート１は１０２のポート２へ、１０１のポート２は１０２のポート３へ、１０１のポート３は１０２のポート１へ接続されている。
このように、次の中継区間においてモードを入れ替えるように中継装置で接続することで、図１のように複数の中継区間に渡ってマルチモード光を中継伝送する場合に、１つの送信光が各中継区間で順に異なるモードで伝送されることとなり、ＤＭＤとＤＭＬの蓄積を異なるモード間で均一化することができ、伝送特性が向上する。
しかしながら、図２に示した従来の光中継装置では、モード分波器１０１の損失による信号対雑音比(Signal to Noise Ratio:ＳＮＲ)の劣化が大きな問題となる。図２に示した光中継装置では、モード分波器１０１に入力される信号光は、中継区間の終端において強度が低下した信号であるため、モード分波器１０１の損失がＳＮＲの低下に大きく影響するためである。これは、ＣＭＰ方式でなくてもモード分波器を有するＭＤＭ光伝送システムの光中継装置に共通する課題である。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＭＤＭ光伝送システムの光中継装置において、モード分波器の損失による信号対雑音比(ＳＮＲ)の劣化を防ぐことが可能な光中継装置を提供することにある。
本発明の光中継装置は、モード分波器、モード合波器、可変光減衰器および少なくとも一つのマルチモード光増幅器を備え、一つのマルチモード光増幅器はモード分波器の入力側に配置されることを最も主要な特徴とする。
本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
（構成１）
入射マルチモードファイバに接続したモード分波器と、前記モード分波器に接続された複数のシングルモードファイバと、前記複数のシングルモードファイバそれぞれに接続されている可変光減衰器と、前記可変光減衰器を経由した複数のシングルモードファイバに接続されたモード合波器と、前記モード合波器に接続された出射マルチモードファイバで構成されるＭＤＭ光伝送システムの光中継装置であって、
少なくとも一つのマルチモード光増幅器を備え、
前記マルチモード光増幅器の一つは前記モード分波器の入力側に配置され、
前記モード分波器の出力ポートと前記モード合波器の入力ポートは、互いに異なるモードに対応するポートへ入れ替えて接続されている
ことを特徴とする光中継装置。
（構成２）
入射マルチモードファイバに接続したモード分波器と、前記モード分波器に接続された複数のシングルモードファイバと、前記複数のシングルモードファイバそれぞれに接続されている可変光減衰器と、前記可変光減衰器を経由した複数のシングルモードファイバに接続されたモード合波器と、前記モード合波器に接続された出射マルチモードファイバで構成されるＭＤＭ光伝送システムの光中継装置であって、
少なくとも一つのマルチモード光増幅器を備え、
前記マルチモード光増幅器の一つは前記モード分波器の入力側に配置され、
前記モード分波器と前記モード合波器との間に基本モード信号光を増幅するマルチコア光増幅器を備える
ことを特徴とする光中継装置。
（構成３）
入射マルチモードファイバに接続したモード分波器と、前記モード分波器に接続された複数のシングルモードファイバと、前記複数のシングルモードファイバそれぞれに接続されている可変光減衰器と、前記可変光減衰器を経由した複数のシングルモードファイバに接続されたモード合波器と、前記モード合波器に接続された出射マルチモードファイバで構成されるＭＤＭ光伝送システムの光中継装置であって、
少なくとも一つのマルチモード光増幅器を備え、
前記マルチモード光増幅器の一つは前記モード分波器の入力側に配置され、
前記モード分波器と前記モード合波器との間に前記マルチモード光増幅器が増幅する信号光のモード数と同数の、基本モード信号光を増幅するシングルコア光増幅器を備える
ことを特徴とする光中継装置。
（構成４）
構成１に記載の光中継装置であって、
前記マルチモード光増幅器は、利得の波長依存性を相殺する波長等化フィルタを備えている
ことを特徴とする光中継装置。
以上記載したように、本発明によれば、ＭＤＭ光伝送システムの光中継装置において、少なくとも１つのマルチモード光増幅器を使用して、マルチモード光増幅器の１つはモード分波器の入力側に配置したので、モード分波器の損失による信号対雑音比(ＳＮＲ)の劣化を防ぐことが可能となる。
従来の長距離ＭＤＭ光伝送システムの模式図である。 従来のＭＤＭ光伝送システムにおける巡回モード置換 (ＣＭＰ）伝送方式の光中継装置の構成を示す図である。 本発明の光中継装置の第１の実施形態の構成を示す図である。 本発明の光中継装置の第１の実施形態を用いたＭＤＭ光伝送システムの伝送特性を示す図である。 本発明の光中継装置の第２の実施形態の構成を示す図である。 本発明の光中継装置の第２の実施形態を用いたＭＤＭ光伝送システムの伝送特性を示す図である。 本発明の光中継装置の第２の実施形態の変形例の構成を示す図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
(第１の実施形態)
図３には、本願発明の光中継装置の第１の実施形態の構成を示す。図３には、モード分波器１１、モード合波器１２、可変光減衰器１４－１～１４－３が示されている。２つのマルチモード光増幅器１５および１６は、モード分波器１１およびモード合波器１２が合分波するマルチモードの信号光をマルチモードのまま増幅できる。マルチモード光増幅器１５はモード分波器１１の入力側に設けられ、マルチモード光増幅器１６はモード合波器１２の出力側に設けられている。
モード分波器１１およびモード合波器１２の動作は、図２で説明した従来の光中継装置のものと同じである。モード分波器１１とモード合波器１２の間の接続も、シングルモード光増幅器が無い点を除き、図２の従来例と同様の巡回モード置換 (ＣＭＰ）方式であるが、必ずしもＣＭＰ方式である必要は無い。
また、マルチモード光増幅器１５と１６の両方またはいずれか一方は、マルチモード光増幅器１５と１６で得られる利得の和(dB単位)の波長依存性を相殺する波長等化フィルタ（不図示）を備えていてもよい。
可変光減衰器１４－１～１４－３は異なるモード間の信号光パワー差を調節して、各モード信号光パワーを等しいレベルにする。波長等化フィルタと可変光減衰器１４－１～１４－３の減衰量調整により、全てのモードの信号光において、波長特性が均一化し、かつモード間の光パワー差が抑圧できる。さらに、可変光減衰器１４－１～１４－３は、モード間の信号光パワー差を等化するだけでなく、伝送ファイバが曲げられるなどして発生するスパン損失変化を補償して時間的にも信号光パワーを安定に維持できる。
図４には、本願発明の第１の実施形態の光中継装置を使用したＭＤＭ光伝送システムの伝送特性を示す。図４では、20 Gbaud 16直角位相振幅変調(Quadrature Amplitude Modulation:ＱＡＭ)で変調された３モード(ＬＰ01モード、ＬＰ11eモード、ＬＰ11oモード) 40波波長多重信号を、１スパン80 kmで１８スパン伝送したときのＱファクタ(受信装置内の前方誤り訂正回路の前段におけるＱファクタ)を示す。
図４で、〇、□、△は光送信装置が送信する信号光のモードがそれぞれ、ＬＰ01モード、ＬＰ11eモード、ＬＰ11oモードの場合のＱファクタを示している。図４には、同じＭＤＭ光伝送システムにおいて、従来の光中継装置を用いた場合のＱファクタも●、■、▲(それぞれＬＰ01モード、ＬＰ11eモード、ＬＰ11oモード)で併せて示している。
図４の5.7 dBの点線は、これ以上のＱファクタのときに誤りなく伝送できることを示し、これよりＱファクタが小さいときは伝送品質の劣化が大きく、正常に伝送できないことを意味している。同図から明らかなように、従来の光中継装置を使用して伝送させたときはＱファクタが5.7 dBを下回る信号光波長があるのに対し、本実施形態の光中継装置を使用した場合はＱファクタが全信号波長で5.7 dB以上となって、伝送品質が向上しており、本願発明の効果を現れている。
(第２の実施形態)
図５には、本願発明の光中継装置の第２の実施形態の構成を示す。図５には、モード分波器２１、モード合波器２２、可変光減衰器２４－１～２４－３が示されている。マルチモード光増幅器２５は、実施形態１（図３）のマルチモード光増幅器１５と同様に、モード分波器２１の入力側に設けられており、モード分波器２１が分波する前のマルチモードの信号光をマルチモードのまま増幅できる。
一方、図５の第２の実施形態の光中継装置では、出力側の光増幅器は、実施形態１（図３）と異なりマルチモード光増幅器ではなく、単一のファイバに複数のシングルモード増幅用コアを備えたマルチコア光増幅器２６である。マルチコア光増幅器２６は、モード合波器２２の前段に設けられ、モード分波器２１により分波され基本モードに変換され、可変光減衰器２４－１～３においてパワー調整された信号光を、それぞれのコアで増幅して、モード合波器２２のポート１～３に出力する。
図５のモード分波器２１およびモード合波器２２の動作は、上記で説明した従来の光中継装置（図２）、第１の実施形態の光中継装置（図３）のものと同じである。モード分波器１１とモード合波器１２の間の接続も、シングルモード光増幅器が無い点を除き、図２の従来例と同様の巡回モード置換 (ＣＭＰ）方式であるが、必ずしもＣＭＰ方式である必要は無い。
マルチモード光増幅器２５とマルチコア光増幅器２６の両方またはいずれか一方は、マルチモード光増幅器２５とマルチコア光増幅器２６で得られる利得の和(dB単位)の波長依存性を相殺する波長等化フィルタ（不図示）を備えている。
図５の可変光減衰器２４－１～２４－３は異なるモード間の信号光パワー差を調節して、各モード信号光パワーを等しいレベルにする。波長等化フィルタと可変光減衰器の減衰量調整により、全てのモードの信号光において、波長特性が均一化し、かつモード間の光パワー差が抑圧できる。さらに、可変光減衰器２４－１～２４－３は、モード間の信号光パワー差を等化するだけでなく、伝送ファイバが曲げられるなどして発生するスパン損失変化・変動を補償して、時間的にも信号光パワーを安定に維持できる。
図６には、本願発明の第２の実施形態の光中継装置を使用したＭＤＭ光伝送システムの伝送特性を示す。図６では、20 Gbaud 16直角位相振幅変調(Quadrature Amplitude Modulation: ＱＡＭ)で変調された３モード(ＬＰ01モード、ＬＰ11eモード、ＬＰ11oモード) 40波波長多重信号を、１スパン80 kmで１８スパン伝送したときのＱファクタ(受信装置内の前方誤り訂正回路の前段におけるＱファクタ)を示す。
図６で、〇、□、△は光送信装置が送信する信号光のモードがそれぞれ、ＬＰ01モード、ＬＰ11eモード、ＬＰ11oモードの場合のＱファクタを示している。図６には、同じＭＤＭ光伝送システムにおいて、従来の光中継装置を用いた場合のＱファクタも●、■、▲(それぞれＬＰ01モード、ＬＰ11eモード、ＬＰ11oモード)で併せて示している。
図６の5.7 dBの点線は、これ以上のＱファクタのときに誤りなく伝送できることを示し、これよりＱファクタが小さいときは伝送品質の劣化が大きく、正常に伝送できないことを意味している。同図から明らかなように、従来の光中継装置を使用して伝送させたときはＱファクタが5.7 dBを下回る信号光波長があるのに対し、本実施形態の光中継装置を使用した場合はＱファクタが全信号波長で5.7 dB以上となって、伝送品質が向上しており、本願発明の効果を現れている。
(第２の実施形態の変形例)
図７には、本発明の第２の実施形態の変形例の構成を示す。この変形例では、図５の本実施形態２で使用したマルチコア光増幅器２６を、コア数分のシングルコアの光増幅器(基本モードのみを増幅する)２７－１～２７－３で置き換えて、図５の実施形態２と同じ効果を得ることができる。
以上のように本発明によれば、ＭＤＭ光伝送システムの光中継装置において、マルチモード光増幅器を使用して、マルチモード光増幅器の全部または一部はモード分波器の入力側に配置することにより、モード分波器の損失による信号対雑音比(ＳＮＲ)の劣化を防ぐことが可能な光中継装置を実現できる。
１－１～１－３ 光送信装置
２、１０２、１２，２２ モード合波器
５－１～５－３ マルチモードファイバ
６－１～６－４ 光中継装置
３、１０１、１１，２１ モード分波器
４－１～４－３ 光受信装置
１０３－１～１０３－３ シングルモード光増幅器
１０４－１～１０４－３、１４－１～１４－３，２４－１～２４－３ 可変光減衰器
１５、１６，２５ マルチモード光増幅器
２６ マルチコア光増幅器
２７－１～２７－３ シングルコアの光増幅器

Claims (4)

  1. 入射マルチモードファイバに接続したモード分波器と、前記モード分波器に接続された複数のシングルモードファイバと、前記複数のシングルモードファイバそれぞれに接続されている可変光減衰器と、前記可変光減衰器を経由した複数のシングルモードファイバに接続されたモード合波器と、前記モード合波器に接続された出射マルチモードファイバで構成されるＭＤＭ光伝送システムの光中継装置であって、
    少なくとも一つのマルチモード光増幅器を備え、
    前記マルチモード光増幅器の一つは前記モード分波器の入力側に配置され、
    前記モード分波器の出力ポートと前記モード合波器の入力ポートは、互いに異なるモードに対応するポートへ入れ替えて接続されている
    ことを特徴とする光中継装置。
  2. 入射マルチモードファイバに接続したモード分波器と、前記モード分波器に接続された複数のシングルモードファイバと、前記複数のシングルモードファイバそれぞれに接続されている可変光減衰器と、前記可変光減衰器を経由した複数のシングルモードファイバに接続されたモード合波器と、前記モード合波器に接続された出射マルチモードファイバで構成されるＭＤＭ光伝送システムの光中継装置であって、
    少なくとも一つのマルチモード光増幅器を備え、
    前記マルチモード光増幅器の一つは前記モード分波器の入力側に配置され、
    前記モード分波器と前記モード合波器との間に基本モード信号光を増幅するマルチコア光増幅器を備える
    ことを特徴とする光中継装置。
  3. 入射マルチモードファイバに接続したモード分波器と、前記モード分波器に接続された複数のシングルモードファイバと、前記複数のシングルモードファイバそれぞれに接続されている可変光減衰器と、前記可変光減衰器を経由した複数のシングルモードファイバに接続されたモード合波器と、前記モード合波器に接続された出射マルチモードファイバで構成されるＭＤＭ光伝送システムの光中継装置であって、
    少なくとも一つのマルチモード光増幅器を備え、
    前記マルチモード光増幅器の一つは前記モード分波器の入力側に配置され、
    前記モード分波器と前記モード合波器との間に前記マルチモード光増幅器が増幅する信号光のモード数と同数の、基本モード信号光を増幅するシングルコア光増幅器を備える
    ことを特徴とする光中継装置。
  4. 請求項１に記載の光中継装置であって、
    前記マルチモード光増幅器は、利得の波長依存性を相殺する波長等化フィルタを備えている
    ことを特徴とする光中継装置。
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