JPH0697890A - 光伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、光ファイバの特性変動があっても、
アイ・パターンを最適に保つのが容易な光伝送装置を提
供することを目的とする。 【構成】単一モードの半導体レーザ光１１を直接変調し
て得られた光強度信号を光ファイバ４₀ ，４₁ ，４₂ ，
４₃ に送出する光送信装置１１と、光ファイバ４₀ ，４
₁ ，４₂ ，４₃ の特性変動に応じて、光強度信号の光フ
ァイバ４₀ ，４₁，４₂ ，４₃ への送出パワーを制御す
る光増幅器１３，３３₁ ，３３₂ ，３３₃と、光ファイ
バ４₀ ，４₁ ，４₂ ，４₃ を介して光送信装置１と接続
され、光強度信号を受信する光受信装置２とを備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光伝送装置に係り、特に
電気的無再生伝送に用いられる光伝送装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より光通信技術の研究や開発が盛ん
に行なわれている。これは光信号伝送が電気信号伝送よ
り伝送速度や信号間の干渉等の点で優れているからであ
る。このような状況の中、変調時にも波長安定な光送信
器、超高速ＬＳＩ、光増幅器などの発展により、毎秒１
０ギガビットで数百ｋｍ以上の超高速電気的無再生中継
光ファイバ伝送が実現されつつある。

【０００３】毎秒１ギガビット以上の超高速変調された
光信号を長距離電気的無再生中継伝送する場合、中継器
間隔を広げたり光増幅器の雑音の影響を小さくしたりす
るために、光送信器や中間中継器は数ｍＷ以上の光パワ
ーを伝送用光ファイバに送出する。

【０００４】このような高出力伝送の場合、光ファイバ
の非線形性（Ｋｅｒｒ効果）により伝送中にスペクトル
が広がる。Ｋｅｒｒ効果は電界の二乗に比例して屈折率
が変化する現象であり、その比例係数である非線形屈折
率ｎ₂ は光ファイバ中で３．２×１０^-16 ｃｍ² ／Ｗ程
度の値を有する。このため、強くて短い光パルスは立上
がりの波長が長く、立ち下がりの波長が短くなる（自己
位相変調）。したがって、光ファイバが異常分散を示す
波長では光パルスは圧縮され、正常分散波長ではパルス
は広がる。

【０００５】受信アイ・パターンは適度なパルス圧縮が
かかったときに最も大きく開く。このため、Ｋｅｒｒ効
果の影響を除去し、超高速変調された光信号の受信ビッ
ト誤り率を低く保つためには、波長分散値を最適値近傍
の所定範囲内におさめる必要がある。特に電気的再生な
しに光増幅器を用いて長距離伝送する場合には、低ビッ
ト誤り率を実現できる波長分散許容範囲は狭くなる。

【０００６】光ファイバの分散特性や非線形性は、周囲
の環境変化や保守などにより若干変動するため、いった
ん敷設された光ファイバの特性を制御することは一般に
困難である。このため、通常は光送信器の光源であるレ
ーザのヒートシンク温度を変化させることで、所定の波
長分散になるように発振波長を制御する。

【０００７】しかしながら、温度による制御は時間遅れ
が大きく、継続的且つ安定な自動制御が難しいという問
題があった。また、光中継器により分割される複数の区
間からなる光ファイバ伝送系においては、最適な波長分
散値が区間ごとに少しずつ異なるが、波長による制御で
は個々の区間ごとに最適な制御を行なうことはできなか
った。また、敷設されたファイバにとって最適な波長範
囲が狭いため、波長軸上で多重できるチャンネル数に制
限があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の光
伝送装置では、光ファイバの特性変動に対してアイ・パ
ターンを最適に保つように、継続的かつ安定な自動制御
を行なうことは困難であるという問題があった。

【０００９】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、光ファイバの特性変動
があっても、アイ・パターンを最適に保つのが容易な光
伝送装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の光伝送装置（請求項１）は、単一モード
の半導体レーザ光を直接変調して得られた光強度信号を
光ファイバに送出する送出手段と、前記光ファイバを介
して前記送出手段に接続された前記光強度信号を受信す
る手段と、前記光ファイバから受信された前記光強度信
号に応じて、前記光強度信号の前記光ファイバへの送出
パワーをフィードバック制御する調整手段とを備えてい
ることを特徴とする光伝送装置。

【００１１】また、本発明の他の光伝送装置（請求項
２）は、単一モードの半導体レーザ光を直接変調して得
られた複数の光強度信号を波長多重して光ファイバに送
出する送出手段と、前記光ファイバの波長ごとの特性の
差異に応じて、前記複数の光強度信号の前記光ファイバ
への送出パワーを調整する調整手段と、前記光ファイバ
を介して前記送出手段に接続された前記複数の光強度信
号を受信する手段とを備えたことを特徴とする。

【００１２】

【作用】アイ・パターンは、光ファイバの分散と、自己
位相変調と、半導体レーザの直接変調にともなう波長チ
ャープの影響を受ける。そして、光ファイバに送出する
光強度信号の送出パワーが大きくなるほど、波長チャー
プの影響より自己位相変調の影響が強くなる。

【００１３】自己位相変調の場合、光ファイバが異常分
散を示す波長で光パルスは圧縮し、光ファイバが正常分
散を示す波長で光パルスは広がる。また、直接変調に伴
う波長チャープの場合、逆に光ファイバが異常分散を示
す波長で光パルスは広がり、光ファイバが正常分散を示
す波長で光パルスは圧縮する。

【００１４】アイ・パターンは光パルスが適度に圧縮す
る場合に良好になる。このため、アイ・パターンに対し
て良好な特性状態にある光ファイバが、光強度信号に対
して異常分散を示す方向に特性が変動したら、送出パワ
ーを大きくして相対的に自己位相変調の影響を強くして
光パルスの圧縮を強める。逆に、正常分散を示す方向に
特性が変動したら、送出パワーを小さくして相対的に波
長チャープの影響を強くして光パルスの圧縮を強める。
このような送出パワーの調整で常に良好なアイ・パター
ンが得られ、しかも、ヒートシンク温度を制御する場合
のような大きな時間遅れはない。

【００１５】光ファイバへの送出パワーは、光増幅器の
利得を変化させることで容易に自動制御できる。また、
光ファイバへの送出パワーは個々の中継器ごとに制御で
きるので、各区間ごとの最適制御が可能となる。

【００１６】また、波長多重光ファイバ伝送において
は、各チャンネルの光ファイバの波長分散値に応じて各
チャンネルの光ファイバへの送出パワーを調整すること
により、そのチャンネルの最適分散値を波長分散値に略
一致させることができる。したがって、高速長距離伝送
可能な波長多重チャンネルの数を増やすことができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。

【００１８】図１は、本発明の第１の実施例に係る１０
Ｇｂ／ｓ光伝送装置の要部概略構成を示す図で、電気系
や光アイソレータ，モニタ系などの細かな光部品は図示
していない。

【００１９】この光伝送装置は、大きく分けて、光送信
装置１と、光受信装置２と、光中継装置３₁ ，３₂ ，３
₃ と、伝送用零分散波長シフト光ファイバ（以下、伝送
用光ファイバともいう）４₀ ，４₁ ，４₂ ，４₃ とで構
成されている。なお、中継器間隔は約１００ｋｍであ
り、３段の光中継装置３₁ ，３₂ ，３₃ で中継すること
で合計４００ｋｍの電気的無再生中継伝送が行なわれ
る。

【００２０】光送信装置１の光源は、波長チャープの小
さな分布帰還型歪量子井戸半導体レーザ（以下、歪量子
井戸半導体レーザともいう）１１である。この歪量子井
戸半導体レーザ１１の発振波長はおよそ１．５５１μｍ
である。また、歪量子井戸半導体レーザ１１は駆動系１
２により１０Ｇｂ／ｓの信号で変調され、変調されたレ
ーザ光はエルビウムドープ光ファイバ増幅器（以下、光
ファイバ増幅器ともいう）１３で増幅された後、伝送用
光ファイバ４₀ に送出される。光増幅器１３には利得制
御回路１４と周波数ｆ₀ の低周波の正弦波電源１５が付
属している。光増幅器１３の利得は、正弦波電源１５に
より微小に変調されており、その結果として光増幅器１
３の出力パワーもｆ₀ で微小に変調されている。実際の
利得変調や利得制御は、光増幅器励起用半導体レーザの
出力を変えることにより実現できる。

【００２１】光中継装置３₁ ，３₂ ，３₃ には、エルビ
ウムドープ光ファイバ増幅器３３₁，３３₂ ，３３₃ ，
利得制御回路３４₁ ，３４₂ ，３４₃ 及び周波数ｆ₁ ，
ｆ₂，ｆ₃ の低周波の正弦波電源３５₁ ，３５₂ ，３５
₃ がそれぞれ付属している。エルビウムドープ光ファイ
バ増幅器３３₁ ，３３₂ ，３３₃ の利得は、正弦波電源
３５₁ ，３５₂ ，３５₃ により微小に変調されており、
その結果としてエルビウムドープ光ファイバ増幅器３３
₁ ，３３₂ ，３３₃ の出力パワーも周波数ｆ₁，ｆ₂ ，
ｆ₃ で微小に変調されている。

【００２２】光受信装置２は、光前置増幅器２３，光受
信器２４，フロントエンド２５，再生識別回路２６など
で構成されている。フロントエンド２５には平均出力レ
ベル測定回路２７とアイ開口測定回路２８とが付属して
いる。ＡＧＣは再生識別回路２６の中にあるので、フロ
ントエンド２５にはＡＧＣがかからない。したがって、
平均出力レベル測定回路２７は、受信光の平均“１”，
“０”レベル差を測定する。

【００２３】平均出力レベル測定回路２７の４つの出力
には、それぞれ周波数ｆ₀ ，ｆ₁ ，ｆ₂ ，ｆ₃ を中心周
波数とするフィルタが接続されている。同様に、アイ開
口測定回路２８の４つの出力には、それぞれ周波数
ｆ₀ ，ｆ₁ ，ｆ₂ ，ｆ₃ を中心周波数とするフィルタが
接続されている。これらフィルタの出力とこれらに対応
するフィルタの出力とを比較することで、エルビウムド
ープ光ファイバ増幅器１３３３₁ ，３３₂ ，３３₃ の利
得とアイ開口との関係を検出することができる。また、
上記フィルタの出力は一種のコンピュータである監視制
御系２９でモニタされる。

【００２４】伝送用零分散波長シフト光ファイバ４₀ ，
４₁ ，４₂ ，４₃ は、使用する波長において平均の波長
分散が＋１．０ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）から−１．０ｐｓ
／（ｎｍ・ｋｍ）の間になるように設定されているが、
分散値には区間によるばらつきがある。そこで、光中継
装置３₁ ，３₂ ，３₃ 及び光受信装置２には、標準条件
において、伝送用零分散波長シフト光ファイバ４₀ ，４
₁ ，４₂ ，４₃ ，の総分散を補償するような逆分散特性
を有する補償用光ファイバ３１₁ ，３１₂ ，３１₃ ，２
１が挿入されている。

【００２５】ただし、ここでは波長分散Ｄの符号は異常
分散を正にとるものとする。例えば、伝送用零分散波長
シフト光ファイバ４₀ の波長分散がＤ＝−１．０ｐｓ／
（ｎｍ・ｋｍ）で距離が１００ｋｍとすると、総分散は
−１００ｐｓ／ｎｍとなるので、波長分散１７ｐｓ／
（ｎｍ・ｋｍ）の通常の補償用光ファイバ３１₁ を光中
継装置３₁ の入力部に挿入することにより、最初の区間
の総分散をほぼ所定値にすることができる。しかし、補
償用光ファイバ３１による補償では補償量が固定されて
いるので、初期状態から環境の変化などで最適条件が変
化した場合の調整ができない。

【００２６】図２に、３つの異なる正常分散値（D=-0.
5,-1,-2[ps/nm/km]) の伝送用零分散波長シフト光ファ
イバ４による伝達の場合について異常分散（Dc=17[ps/n
m/km]）の補償用光ファイバ３１の長さとアイ閉塞率と
の関係を示す。

【００２７】ここで、アイ閉塞率はタイムスロットの２
０％の識別時間に渡って得られる疑似ランダム信号のア
イ開口の大きさａに対する平均“１”，“０”レベル差
ｂの比をｄＢ表示したものである。なお、ａとｂはそれ
ぞれアイ開口測定装置２８と平均出力レベル測定装置２
７により測定することができる。

【００２８】図中、点線は光ファイバ送出パワーＰ_F が
１０ｄＢｍの場合、実線は光ファイバ送出パワーＰ_F が
１５ｄＢｍの場合を示している。また、矢印は伝送用光
ファイバ４と補償用光ファイバ３との総分散が０となる
補償用光ファイバの長さを示し、その位置より左側が正
常分散，右側が異常分散の領域となる。

【００２９】この図から、光ファイバ送出パワーＰ_F が
１０ｄＢｍの場合は総分散が０より正常分散側に最適範
囲があるが、１５ｄＢｍになると総分散が０付近に最適
範囲が移動することが分かる。

【００３０】したがって、伝送用光ファイバの波長分散
がＤ＝−１．０ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）の場合、補償用光
ファイバ３₁ ，３１₂ ，３１₃ ，２１による補償量を総
分散０となる完全補償条件の７割程度の値（長さ４ｋ
ｍ）、光送信装置１の光ファイバ送出パワーＰ_F を１３
ｄＢｍに初期設定しておき、総分散が異常分散側にシフ
トしたら光ファイバ送出パワーＰ_F を増し、逆に正常分
散側にシフトしたら送出パワーを減らすように制御すれ
ば、伝送用零分散波長シフト光ファイバ４₀ ，４₁ ，４
₂ ，４₃ の特性が変化したとしても、常にアイ閉塞率を
小さく保つことができる。

【００３１】図３に、伝送用零分散波長シフト光ファイ
バ４₀ ，４₁ ，４₂ ，４₃ が異常分散の場合の補償用光
ファイバの長さとアイ閉塞率との関係を示す。この図で
は、矢印の左側で総分散は異常分散，右側で総分散は正
常分散となる。

【００３２】送出パワーが１０ｄＢｍの場合は総分散が
０より正常分散側に最適範囲があるが、１５ｄＢｍでは
異常分散側に最適範囲が移動する。そこで、補償量を総
分散０付近に、送出パワーを１３ｄＢｍに初期設定して
おき、総分散が異常分散側にシフトしたら送出パワーを
増し、正常分散側にシフトしたら送出パワーを減らすよ
うに制御すればよい。

【００３３】このように、最適分散補償量にパワー依存
性がある理由は、以下のように説明できる。

【００３４】即ち、半導体レーザの直接変調に伴う波長
チャープは、 Δλ＝−（αλ² ／４πｃ₀ ）・｛ｄ（ｌｎＰ）／ｄｔ＋κＰ｝ …（Ｉ） で表される。

【００３５】ここで、α（＞０）は線幅増大係数、ｃ₀
は光速、Ｐは光出力、κは定数である。また、ｄ（・）
／ｄｔは微分演算を示している。

【００３６】式［I ］の右辺第１項はトランジェント・
チャープ項、第２項は断熱チャープ項と呼ばれている。
通常、歪量子井戸レーザを超高速変調した場合、トラン
ジェント・チャープが支配的となり、断熱チャープ項は
無視できる。

【００３７】この波長シフトΔλは、パルスの立上がり
においてΔλ＜０、つまり、ブルーシフト、パルスの立
ち下がりにおいてΔλ＞０、つまり、レッドシフトとな
る。このため、正常分散の場合にパルス圧縮が生じる。
適度なパルス圧縮のときにアイ開口が大きくなるので、
最適な分散値は小さな正常分散波長域にある。

【００３８】上述したように、光ファイバのＫｅｒｒ効
果による自己位相変調では、パルスの立上がりでレッド
シフト、立ち下がりでブルーシフトとなる。即ち、波長
変化の符号は波長チャープと逆である。

【００３９】自己位相変調の影響を受けた光パルスは異
常分散の場合にパルス圧縮が生じるから、異常分散側に
最適な分散補償値が存在する。パルス・パワーが大きく
なるほど自己位相変調の効果が大きくなるため、波長チ
ャープと正常分散とによる平衡より自己位相変調と異常
分散とによる平衡の方が好ましくなってくる。このた
め、送出パワーが大きくなるにつれて、最適補償量が異
常分散側へとシフトするわけである。

【００４０】光受信装置２の監視制御系２９は、信号伝
送系とは別の監視制御信号伝送系５と光送信装置１や光
中継装置３₁ 、３₂ 、３₃ の内部にある監視制御系と利
得制御回路１４、３４₁ 、３４₂ 、３４₃ を介して、エ
ルビウムドープ光ファイバ光増幅器１３、３３₁ 、３３
₂ 、３３₃ の利得を継続的に制御することができる。受
信アイ開口を大きくするように各エルビウムドープ光フ
ァイバ光増幅器１３、３３₁ 、３３₂ 、３３₃ の利得を
制御することで、伝送用零分散波長シフト光ファイバ４
₀ ，４₁ ，４₂ ，４₃ の特性変動があっても、アイ開口
を最適状態に保つことができる。一般に光ファイバの特
性変動の時定数は長いから、数百ｋｍの長いフィードバ
ック系であるにもかかわらず、安定な制御が可能であ
る。

【００４１】なお、外部変調方式の場合は、波長チャー
プがほとんどないため、光ファイバ送出パワーによらず
異常分散側に最適点がある。したがって、外部変調方式
では最適補償量の送出パワー依存性が小さく、本実施例
のような制御はそれほど有効でない。

【００４２】かくして本実施例によれば、光ファイバの
分散特性が変化しても、これに対応させて光ファイバへ
の送出パワーを調整することで、自己位相変調と波長チ
ャープとの影響の割合を制御することにより、常に光パ
ルスが適度に圧縮された状態にでき、もって、アイ開口
を最適状態に保つことができる。しかも、従来技術のヒ
ートシンク温度による波長制御のような時間遅れの問題
もない。

【００４３】なお、本実施例に係る発明は、以上説明し
た実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱し
ない範囲で種々変形して使用することができる。例え
ば、光ファイバ特性の変動は緩やかなので、分散変動監
視システムは常に稼働している必要はなく、保守時だけ
動かすようにしてもよい。この場合、制御系は時分割で
共用できる。

【００４４】即ち、それぞれの光増幅器利得変調の周波
数は同じでよく、平均出力レベル測定回路２７とアイ開
口測定回路２８の出力も一つで十分である。

【００４５】また、アイ閉塞率の測定を行なう代わり
に、直接光ファイバの分散量を測定したり、スペクトル
変動を測定したりして、その結果に基づいて光増幅器の
利得を制御してもよい。なお、監視制御信号伝送系５は
復路の光ファイバ信号伝送系を利用することもできる。

【００４６】図４は、本発明の第２の実施例に係る１０
Ｇｂ／ｓ×５チャンネル波長多重光伝送装置の要部構成
を示す図で、光伝送に関わる主要部のみを示し、監視・
制御系、電気信号処理部、周辺設備、光アイソレータ、
励起用光源、フィルタなどは図示していない。なお、図
１の光伝送装置と対応する部分には図１と同一符号を付
してあり、詳細な説明は省略する。

【００４７】この光伝送装置は、大きく分けて、光送信
装置１と、光受信装置２と、光中継器３と、中継用光フ
ァイバケーブル４とで構成されている。本実施例の光伝
送装置では、５波長の光が波長多重化されており、合計
の信号容量は５０Ｇｂ／ｓとなる。

【００４８】中継用光ファイバケーブル４は分散シフト
ファイバであり、その平均の零分散波長λ₀ は１．５５
μｍ近辺にある。中継器間隔は約１００ｋｍであり、３
段の中継で合計約４００ｋｍの電気的無再生中継が行な
われる。

【００４９】光送信器１には、直接変調方式光送信モジ
ュール１０１が５個含まれ、この直接変調方式光送信モ
ジュール１０１の光源は、変調時の波長チャープが小さ
い、分布帰還型単一モード歪量子井戸レーザである。こ
の歪量子井戸レーザのＩｎＧａＡｓ井戸層には約１％の
圧縮歪が導入されている。各直接変調方式光送信モジュ
ール１０１は出力部に光増幅器１０２が付属しており、
その利得制御により光ファイバ送出パワーを０〜＋１５
ｄＢｍの範囲で制御することができる。それぞれの波長
の光は、合波器１０３で波長多重化され、中継用光ファ
イバ４に送り出される。

【００５０】光受信器２には、分波器１２１及び５個の
前置光増幅器付き光受信モジュール１２２があり、各波
長の光を分離受信することができる。

【００５１】一般的な零分散波長シフト光ファイバはＳ
＝０．０５ｐｓ／（ｎｍ² ・ｋｍ）程度の二次分散を有
しており、零分散波長の短波長側で正常分散、長波長側
で異常分散となる。本実施例では、波長間隔は２．５ｎ
ｍであり、最も短い波長チャンネルの波長分散値は＋
０．５ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）、最も長い波長チャンネル
の波長分散値は＋１．０ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）である。
区間当りの総分散は、最短波長チャンネルで５０ｐｓ／
ｎｍ、最長波長チャンネルで１００ｐｓ／ｎｍとなる。

【００５２】光中継器３には、逆分散ファイバ１３１と
光増幅器１３２とが設けられており、それぞれ前段の中
継用光ファイバ４の分散と損失とを補償する。逆分散フ
ァイバ１３１は長さ１ｋｍ、分散−７０ｐｓ／（ｎｍ・
ｋｍ）程度の波長分散を有する特殊な光ファイバであ
る。分散補償量は波長により若干異なるが、約−７０ｐ
ｓ／ｎｍである。

【００５３】図３により、最短波長チャンネルの光ファ
イバ送出パワーを１０ｄＢｍ、最長波長チャンネルの送
出パワーを１５ｄＢｍとすると、どちらもアイ閉塞率約
１ｄＢのきれいなアイを実現できる。中間のチャンネル
はこの間のパワーに設定すればよい。

【００５４】かくして本実施例によれば、短波長側のチ
ャンネルより長波長側のチャンネルの送出パワーを大き
くすることで、波長分散値の違いにもかかわらず、各チ
ャンネルとも最適なアイ開口を実現できる。

【００５５】なお、本実施例に係る発明は、上述した実
施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない
範囲で種々変形して使用することができる。例えば、伝
送速度を波長により変えたり、波長間隔を不均等にした
り（四光波混合が起こりにくくなる）、各チャンネルの
伝送距離を変えたりしてもよい。

【００５６】また、本実施例では光中継器３において多
波長一括増幅を行っているが、光分合波器を用いてチャ
ンネルごとに異なる光増幅器で増幅を行なってもよい。

【００５７】更に、第１の実施例と同様に、各波長とも
継続的に出力制御を行なったり、区間ごとに出力の最適
制御を行なってもよい。

【００５８】更にまた、フラット分散ファイバのような
特殊なファイバを利用する時には、波長の長短でなく分
散値に応じて光ファイバ送出パワーを設定すればよい。

【００５９】図５は、本発明の第３の実施例に係る１０
Ｇｂ／ｓ波長多重光ファイバ伝送装置の概略構成を示す
図で、光伝送に関わる主要部のみを示し、監視・制御
系、電気信号処理部、周辺設備、光アイソレータ、励起
用光源、フィルタなどは図示していない。なお、図１の
光伝送装置と対応する部分には図１と同一符号を付して
ある。

【００６０】本実施例の光ファイバ伝送装置では、中継
器間隔は約１００ｋｍであり、３段の中継で合計約４０
０ｋｍの電気的無再生中継を行なう。また、８波長の光
が波長多重化されており、合計の信号容量は８０Ｇｂ／
ｓとなる。

【００６１】光送信器１には、外部変調方式光送信モジ
ュール７１が４個と、直接変調方式光送信モジュール７
２が４個含まれている。中継光ファイバ４は分散シフト
ファイバであり、その平均の零分散波長λ₀ は１．５４
５μｍ近辺にある。

【００６２】図６に、本実施例の発振波長の配置を示
す。外部変調方式光送信モジュール７１の発振波長は、
約１．５４８μｍ、約１．５５３μｍ、約１．５５８μ
ｍ、約１．５６３μｍに配置されており、一方、直接変
調方式光送信モジュール７２の発振波長は、約１．５４
３μｍ、約１．５３８μｍ、約１．５３３μｍ、約１．
５２８μｍに配置されている。

【００６３】また、本実施例では、外部変調方式光送信
モジュール７１の外部光変調器として、ＬｉＮｂＯ₃ を
用いたマッハツェンダー型変調器を使用するが、半導体
電界吸収型光変調器を使用しても構わない。また、外部
変調方式光送信モジュール７１の光源には分布帰還型単
一モード半導体レーザを使用している。

【００６４】直接変調方式光送信モジュール７２の光源
は、変調時の波長チャープが小さい、分布帰還型単一モ
ード歪量子井戸レーザである。ＩｎＧａＡｓ井戸層には
約１％の圧縮歪が導入されている。

【００６５】図７は、この歪量子井戸レーザの波長チャ
ープの大きさを、無歪量子井戸レーザやバルク半導体レ
ーザのそれとを比較して示す図である。

【００６６】図７（ａ）は、バイアス電流を発振しきい
値に合わせた場合の波長チャープの伝送速度依存性、図
７（ｂ）は、１０Ｇｂ／ｓ変調時の波長チャープのバイ
アス電流（Ｉ_b −Ｉ_th）依存性である。ここで、変調振
幅は４０ｍＡであり、波長チャープは時間平均スペクト
ルの２０ｄＢ幅で定義している。また、バイアス電流を
発振しきい値の５ｍＡ上に設定した場合の歪量子井戸レ
ーザの１０Ｇｂ／ｓ変調時の波長チャープ量は約０．４
ｎｍである。

【００６７】図７（ａ）から歪量子井戸レーザは、ビッ
トレートに関係なく、無歪量子井戸レーザやバルク半導
体レーザより、チャープ幅が狭いことが分かる。また、
図７（ｂ）から歪量子井戸レーザは、バイアス電流に関
係なく、無歪量子井戸レーザやバルク半導体レーザよ
り、チャープ幅が狭いことが分かる。

【００６８】各モジュール７１、７２は出力部に光増幅
器が付属しており、約１０ｄＢｍの光を送出することが
できる。それぞれの波長の光は、合波器１３で波長多重
化され、中継用光ファイバ４に送り出される。合波器１
３の挿入損や監視モニタ用の分岐のため、中継用光ファ
イバ４に送り出される各波長の出力は約８ｄＢ、合計出
力は約１７ｄＢｍとなっている。

【００６９】光受信器２には、分波器２１及び８個の前
置光増幅器付き光受信モジュール７３があり、各波長の
光を分離受信することができる。また、光中継器３には
光増幅器が設けられており、前段の光ファイバの損失を
補償する。

【００７０】ここで、Ａｌ₂ Ｏ₃ を添加したＥｒドープ
光ファイバ増幅器を使用すれば、１．５２８μｍから
１．５６３μｍの波長多重光を一括増幅することができ
る。この代わりに、いったん波長分離を行なって複数の
光増幅器で増幅後再び波長多重を行なっても良い。更
に、光増幅器は直列に多段構成としてもよい。更にま
た、スポンテニアス・エミッションによる雑音光を除く
ためには、各チャンネルの信号波長のみを通過させる波
長フィルタを使用することが望ましい。各波長の光信号
の中継器出力は約８ｄＢｍである。全波長の合計出力は
約１７ｄＢｍである。

【００７１】図８は、光受信器２の受信後のアイ開口ペ
ナルティＰｅと光ファイバの波長分散Ｄとの関係を示す
特性図である。図中、実線は外部変調方式を示し、破線
は直接変調方式を示している。

【００７２】ここで、アイ閉塞率は、タイムスロットの
２０％の識別時間帯（２０ｐｓ）に渡って得られるアイ
開口の大きさをａ、この識別時間帯の平均の“１”レベ
ルと“０”レベルのレベル差をｂとするとき、Ｐｅ（単
位：ｄＢ）＝−１０ｌｏｇ₁₀（ａ／ｂ）により定義し
た。また、光受信器の帯域は１０ＧＨｚとした。波長分
散Ｄの符号は、異常分散を正に取っている。二次の分散
Ｓは約０．０５ｐｓ／ｎｍ² ／ｋｍであり、１ｐｓ／ｎ
ｍ／ｋｍは零分散波長λ₀ からのずれに換算して２０ｎ
ｍに相当する。

【００７３】この図から外部変調方式の場合には、Ｄ＞
０の波長でアイ開口ペナルティが低くなることが分か
る。これはＫｅｒｒ効果による自己位相変調と異常分散
とが平衡することで、適切なパルス圧縮効果が得られる
ためである。正常分散では自己位相変調によりパルスが
広がり、アイが閉じてしまう。逆に、異常分散が強すぎ
ると、一つのパルスが多数の細かいパルスに分解する
（変調不安定現象）などして、アイのトレースが広がっ
てしまう。

【００７４】直接変調にともなう波長チャープは、立上
がりの波長が短く、立ち下がりの波長が長い。これは、
自己位相変調による波長シフトと逆であり、Ｄ＜０でＰ
ｅが低くなる。

【００７５】即ち、波長チャープと正常分散とが平衡す
ることで適切なパルス圧縮効果が得られる。逆に、異常
分散波長ではパルス広がりでアイが閉じてしまう。送出
パワーが大きくなると自己位相変調と異常分散との平衡
によってもパルス圧縮が得られるようになる。しかし、
発明者らの研究によれば、自己位相変調と波長チャープ
がきれいに相殺しないため、送出パワーが依存性が強
く、実用上、正常分散の場合と比べてアイを開かせるの
は困難である。

【００７６】図８の矢印は本実施例の波長配置を示して
いる。波長間隔が狭すぎると、四光波混合により波長間
のクロストークが生じたり、分合波器の仕様が厳しくな
るので、波長間隔を狭めて高密度多重化するのが困難で
ある。

【００７７】したがって、直接変調方式のみ或いは外部
変調方式のみの場合は、アイ開口ペナルティＰｅの低い
波長領域に多数のチャンネルを配置することができな
い。

【００７８】これに対して本実施例では、長波長側で外
部変調方式、短波長側で直接変調方式を採用すること
で、各チャンネルのペナルティを大きくせずに、多数の
チャンネルを配置することができる。なお、外部変調方
式において最適波長より長波長側にチャンネルを配置し
ていないのは、光増幅器の帯域制限のためである。

【００７９】かくして本実施例によれば、外部変調方
式、直接変調方式、いずれか一方の変調方式のみを用い
た場合と比較して広い波長範囲を利用することが可能に
なり、波長多重超高速長距離光伝送装置の波長多重度を
上げることができ、もって、より大量の情報を低いコス
トで長距離伝送することが可能となる。

【００８０】なお、図４はあくまでも一例であって、光
ファイバへの送出パワー，変調波形，ファイバのパラメ
ータなどによって、波長分散Ｄとアイ開口ペナルティＰ
ｅとの関係は変動する。要は、１チャンネル当たりに大
情報、例えば、毎秒５ギガビット以上の情報を伝送する
場合には、光信号チャンネルを以下のように多重化すれ
ば良い。

【００８１】即ち、波長多重光伝送に使用される光ファ
イバの平均の零分散波長λ₀ から±５ｎｍの範囲の所定
の波長をλ₁ をとするとき、外部変調方式により電気信
号が光信号に変換されるチャンネルをλ₁ の長波長側
に、半導体レーザの直接強度変調方式により電気信号が
光信号に変換されるチャンネルをλ₁ の短波長側に、そ
れぞれ少なくとも１チャンネル配置する。

【００８２】このような配置するのは、低チャープ半導
体レーザの直接変調により超高速変調した光信号の長距
離伝送に最適な波長は、零分散波長より短波長側にある
からである。これは本発明者等により見出だされた事実
である。しかし、直接変調の場合は正常分散側に、外部
変調の場合は異常分散側に最適波長があるのは、一般的
な関係である。

【００８３】なお、送出パワーが低すぎると光増幅器で
の信号対雑音比が悪くなり、高すぎるとＫｅｒｒ効果に
よる波形やスペクトルの歪みが大きくなるので、送出パ
ワーには最適な範囲がある。

【００８４】本実施例に係る発明は、上述した実施例に
限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で
種々変形して使用することができる。例えば、伝送速度
を波長により変えたり、波長間隔を一定でなくしたり
（四光波混合が起こりにくくなる）してもよい。

【００８５】また、図９に示すように、各チャンネルの
伝送距離を変えたりしてもよい。図９の場合、端局装置
５は、分波器５４、合波器５５によりチャンネルを分岐
合波し、ある波長に対しては光送信器５１ないし光受信
器５２として、他の波長に対しては光中継器５３として
働く。

【００８６】図１０は、本発明の第４の実施例に係る
２．５Ｇｂ／ｓ光送信装置の構成を示す図である。電気
系や細かな光部品は図示していない。

【００８７】図中、６１は光源としての波長チャープが
小さい分布帰還型の歪量子井戸半導体レーザを示してお
り、この歪量子井戸半導体６１は駆動系６２により、
２．５Ｇｂ／ｓの光信号で変調され、そして、この歪量
子井戸半導体６１の光出力は光アイソレータを含む光学
系６３を介して、進行波型半導体レーザ増幅器６４に導
かれる。この進行波型半導体半導体レーザ増幅器６４の
出力はエルビウムドープ光ファイバ増幅器６５で平均出
力１０ｄＢｍ以上に増幅されて伝送用光ファイバ６６に
送出される。

【００８８】ここで、半導体レーザの直接変調による波
長シフトは、半導体レーザの光出力をＰ₁ としたとき、 Δλ＝−（αλ² ／４πｃ₀ ）・｛ｄ（ｌｎＰ₁ ）／ｄｔ＋κＰ₁ ｝…（１） で表される。

【００８９】ここで、α（＞０）は線幅増大係数、ｃ₀
は光速、Ｐは光出力、κは定数である。また、ｄ（・）
／ｄｔは微分演算を示している。

【００９０】式（１）の右辺第１項はトランジェント・
チャープ項、第２項は断熱チャープ項と呼ばれる。通
常、歪量子井戸レーザを超高速変調した場合、トランジ
ェント・チャープが支配的となり、断熱チャープ項は無
視できる。

【００９１】半導体レーザ増幅器４の利得Ｇ（＝Ｐ₀ ／
Ｐ_in）は、Ｇ＝Ｇ₀ ／（１＋Ｐ₀ ／Ｐ_SAT ）で表され
る。ここで、Ｇ₀ は非飽和利得、Ｐ_inは光入力、Ｐ₀ は
光出力、Ｐ_SAT は飽和出力である。この関係を書き直す
と、 Ｐ₀ ＝（４Ｇ₀ Ｐ_inＰ_SAT ＋Ｐ_SAT ² ／４）^1/2 −Ｐ_SAT ／２ …（２） と表される。

【００９２】図１１に、Ｇ₀ ＝１００、Ｐ_SAT ＝１ｍＷ
としたときの、式（２）の光入出力の関係を実線で示
す。また、図１１中の点線は、次式（３）において、Ｐ
_U ＝［１ｍＷ］，Ｐ_A ＝４０［ｍＷ］，Ｐ_C ＝１７．５
［ｍＷ］として得られる光入出力特性である。

【００９３】 Ｐ₀ ＝Ｐ_A ｌｏｇ₁₀（Ｐ_in／Ｐ_U ）＋Ｐ_C …（３） 式（２）の光入出力特性は式（３）の光入出力特性ほど
飽和特性がきつくないが、Ｐ_in＝１〜８ｍＷ程度の範囲
で使うものとすれば、式（３）は式（２）の比較的よい
近似式となっている。

【００９４】半導体レーザ増幅器６４は、活性層に亜鉛
のドーピングを行なうことで、キャリア寿命を約０．１
ｎｓ以下に低減してある。このため、２．５Ｇｂ／ｓで
変調された光信号に追従して利得の飽和が起こる。Ｐ_in
＝Ｐ₁ とおくと、半導体レーザ増幅器６４の出力Ｐ₀ の
波長変動は、式（１）と式（２）とにより、おおよそ−
ｄＰ₀ ／ｄｔに比例することになる。エルビウムドープ
光ファイバ増幅器６５の入出力特性は線形と考えること
ができるので、光送信装置出力Ｐ_X の波長変動もおおよ
そ−ｄＰ_X ／ｄｔに比例する。

【００９５】一方、自己位相変調による波長変動は、光
ファイバ中での光のパワーをＰ_F とするとき、ｄＰ_F ／
ｄｔに比例する。実際には、光パワーは光ファイバを伝
搬するにしたがってロスや波長分散のために変化してい
く。しかし、自己位相変調の影響は光パワーが大きい光
送信装置近傍で大きいので、波長分散が比較的小さい波
長領域では、近似的にＰ_F はＰ_X に比例できるものと考
えることができる。

【００９６】したがって、Ｐ_X をうまく制御すれば、波
長分散により波形が大きく変化するまえに、波長チャー
プの影響Δλ〜−ｄＰ_X ／ｄｔを、自己位相変調による
波長シフトΔλ〜ｄＰ_F ／ｄｔでおおむね補償すること
ができる。

【００９７】図１２は、本実施例の光送信装置の光ファ
イバ送出パワーとアイ開口ペナルティとの関係を従来の
それと比較して示す図である。これは分散Ｄが−２ｐｓ
／ｎｍ／ｋｍの正常分散ファイバで、２．５Ｇｂ／ｓで
変調された光信号を５００ｋｍ伝送した場合のものであ
る。

【００９８】ここで、アイ閉塞率は、タイムスロットの
２０％の識別時間帯（８０ｐｓ）に渡って得られるアイ
開口の大きさをａ、この識別時間帯の平均の“１”レベ
ルと平均の“０”レベルのレベル差をｂとするとき、Ｐ
ｅ（単位：ｄＢ）＝−１０ｌｏｇ₁₀（ａ／ｂ）により定
義した。即ち、Ｐｅが小さいほど、アイが大きく開いて
誤り率が小さい。

【００９９】また、従来の光送信装置は、本実施例の半
導体レーザ増幅器４を用いておらず、公知の技術で代用
している。また、半導体レーザ１のバイアス電流は発振
しきい値に設定されており、このバイアスレベルから上
に振幅５０ｍＡの２．５Ｇｂ／ｓＮＲＺ信号で変調をか
けている。光中間中継増幅器は１００ｋｍ毎に挿入さ
れ、前段の伝送損失を補償している。

【０１００】図１２から、本実施例の光送信装置のほう
が従来のそれよりファイバ送出パワーを大きくできるこ
とが分かる。これは自己位相変調と波長チャープとの相
殺効果が大きくなったため、パワーを大きくしても自己
位相変調の影響を受け難くできた効果である。

【０１０１】したがって、従来技術と比べて中継間隔を
長くしたり、伝送品質を上げたりすることが可能にな
り、本実施例の光送信装置を光中継増幅器を用いて長距
離電気的無再生中継伝送を行なう光伝送装置の一部とし
て使うことができる。

【０１０２】図１３は、ファイバ送出パワーを１６ｄＢ
ｍに固定して、アイ開口ペナルティを距離の関数として
プロットした図である。パワーと距離以外の条件は、図
１２の場合と同じであり、図１２の場合と同様に１００
ｋｍごとに中継増幅器を入れて、前段の伝送損失を補償
している。

【０１０３】図１３から、本実施例の場合のほうが伝送
距離が長くなっても、アイ開口ペナルティの劣化が低い
ことが分かる。このため、中継段数を増加することによ
り、電気的無再生中継可能な距離をより長くできる。

【０１０４】以上述べたように、実施例の光送信装置に
よれば、半導体レーザの直接変調を利用しているにもか
かわらず、波長チャープや自己位相変調の影響を受け難
い、高速長距離の光伝送が可能になる。

【０１０５】また、正常分散の光ファイバの代わり、異
常分散のファイバを用いた場合は、若干バイアス電流を
上げて波長チャープを小さくするだけで、正常分散の場
合と同様に従来に比べて長距離の伝送を実現できる。

【０１０６】なお、上記実施例に対して次のような種々
の変形を行なっても良い。例えば、半導体レーザ６１と
半導体レーザ増幅器６４は１チップに集積化することも
可能である。また、半導体レーザ増幅器６４を多段接続
してもよい。更に、半導体レーザ６１や半導体レーザ増
幅器６４の特性も上記実施例に限定されるものではな
い。

【０１０７】また、伝送用光ファイバ６６の最初の部分
にのみほぼ零分散に近い光ファイバを接続し、その自己
位相変調により波長チャープの影響をある程度補償して
から、分散の大きな伝送用光ファイバに光信号を送出し
てもよい。図１２で説明したように、本発明によれば、
１段あたりの中継間隔を伸ばせるので、中間中継増幅器
を用いない光伝送システムにおいても大きな効果が得ら
れる。中間中継増幅器を用いる場合、光中継増幅器にも
飽和特性を有する半導体レーザ増幅器を配して、分散的
に補償を行っても良い。

【０１０８】また、エルビウムドープ光ファイバ増幅器
６５を使用しないで半導体レーザ増幅器６５のみを使用
した多段光中継システムにも応用できる。この場合、飽
和特性を利用しない半導体レーザ増幅器のキャリア寿命
は長めに設定するのが好ましい。エルビウムドープ光フ
ァイバ増幅器６５を使用しない光伝送システムの場合に
は、１．５５μｍ帯以外の波長でも効果が得られる。

【０１０９】なお、本実施例に係る発明は、上述した実
施例や変形例に限定されるものではない。要は、単一モ
ード半導体レーザの直接変調により電気信号を光強度信
号に変換するＥ／Ｏ変換部、その出力光を増幅する光増
幅部に加えて、サブリニアな入出力特性を有する光媒質
を用いて、前記Ｅ／Ｏ変換部の出力光を歪ませれば良
い。ここで、前記サブリニアな入出力特性を有する光媒
質は、実効的なキャリア寿命が信号のビットレートの逆
数に相当する時間よりも短い半導体レーザ増幅器により
実現される。

【０１１０】このようにすれば、前記半導体レーザの出
力光パワーＰ₁ が、その変調に伴う波長シフト（波長チ
ャープ）によって、おおむね−ｄ（ｌｏｇ（Ｐ₁ ））／
ｄｔに比例するので、前記光媒質のサブリニア特性とし
て、例えば、前記光媒質出力Ｐ₂ がｌｏｇ（Ｐ₁ ）＋Ｃ
とすれば、前記光媒質を通した後の信号光の波長シフト
はおおむね−ｄＰ₂ ／ｄｔに比例する。

【０１１１】一方、自己位相変調効果による波長シフト
はファイバ中の光パワーをＰとすると、ｄＰ／ｄｔに比
例するから、両者の関数型は等しく、符号が逆になる。

【０１１２】したがって、波長チャープと自己位相変調
とのバランスをとることで両者の影響を相殺でき、半導
体レーザの直接変調により、波長チャープや自己位相変
調の影響を受け難い、高速長距離の光伝送が可能にな
る。

【０１１３】なお、前記光媒質出力は完全にｌｏｇ（Ｐ
１ ）＋Ｃに比例している必要はなく、少なくとも単調
でサブリニアな入出力特性を有していれば、部分的なが
ら上記作用を得ることができる。ただし、前記光媒質の
利得飽和特性が高速変調された信号に追従しなければな
らない。例えば、エルビウム・ドープ光ファイバ増幅器
の場合は、励起準位の寿命が通常μｓから数十ｍｓと長
いため、利得飽和は平均出力パワーに依存し、高速信号
には追従できない。これに対して、半導体レーザ増幅器
では、反転分布の時定数、つまり、キャリア寿命は通常
１ｎｓオーダ−であり、毎秒１ギガビット・オーダーの
変化に追従する。更に、活性層にドーピングを行なうな
どしてキャリア寿命を故意に短くしておけば、毎秒数ギ
ガビット以上の信号にも利得特性が追従するようにでき
る。

【０１１４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、波
長分散特性などの光ファイバの特性変動などがあって
も、光ファイバ送出パワーを調整して波長チャープと自
己位相変調とのバランスをとることにより、受信アイ開
口を常に大きく保つことができ、もって、安定な高速長
距離光ファイバ伝送を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る光伝送装置の要部
概略構成を示す図。

【図２】正常分散の伝送用光ファイバを用いた場合の異
常分散の補償用光ファイバの長さとアイ閉塞率との関係
を示す特性図。

【図３】異常分散の伝送用光ファイバを用いた場合の正
常分散の補償用光ファイバの長さとアイ閉塞率との関係
を示す特性図。

【図４】本発明の第２の実施例に係る光伝送装置の要部
構成を示す図。

【図５】本発明の第３の実施例に係る光伝送装置の要部
構成を示す図。

【図６】図５の光伝送装置の発振波長の配置を示す図。

【図７】歪量子井戸レーザの波長チャープの大きさを、
無歪量子井戸レーザやバルク半導体レーザのそれとを比
較して示す図。

【図８】アイ閉塞率と光ファイバの波長分散との関係を
示す特性図。

【図９】図５の光伝送装置の変形例を示す図。

【図１０】本発明の第４の実施例に係る光送信装置の要
部構成を示す図。

【図１１】入力パワーと出力パワーとの関係を示す特性
図。

【図１２】図１０の光送信装置のファイバ送出パワーと
アイ閉塞率との関係を従来のそれと比較して示す図。

【図１３】図１０の光送信装置の伝送距離とアイ閉塞率
との関係を従来のそれと比較して示す図。

【符号の説明】

１…光送信装置 ２…光受信装置 ３₁ ，３₂ ，３₃ …光中継装置 ４₀ ，４₁ ，４₂ ，４₃ …光ファイバ １１，１０１…半導体レーザ ２１，３１₁ ，３１₂ ，３１₃ ，１３１…補償用ファイ
バ １３，２３，３３₁ ，３３₂ ，３３₃ ，１０２，１３２
…光増幅器 １４，３４₁ ，３４₂ ，３４₃ …利得制御回路 ２７…平均出力レベル測定回路 ２８…アイ開口測定回路 ２９…監視制御系

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単一モードの半導体レーザ光を直接変調し
   て得られた光強度信号を光ファイバに送出する送出手段
   と、 前記光ファイバを介して前記送出手段に接続された前記
   光強度信号を受信する手段と、 前記光ファイバから受信された前記光強度信号に応じ
   て、前記光強度信号の前記光ファイバへの送出パワーを
   フィードバック制御する調整手段とを具備してなること
   を特徴とする光伝送装置。
2. 【請求項２】単一モードの半導体レーザ光を直接変調し
   て得られた複数の光強度信号を波長多重して光ファイバ
   に送出する送出手段と、 前記光ファイバの波長ごとの特性の差異に応じて、前記
   複数の光強度信号の前記光ファイバへの送出パワーを調
   整する調整手段と、 前記光ファイバを介して前記送出手段に接続された前記
   複数の光強度信号を受信する手段とを具備してなること
   を特徴とする光伝送装置。