JPH09312618A

JPH09312618A - 光サージ対応光受信器

Info

Publication number: JPH09312618A
Application number: JP8126004A
Authority: JP
Inventors: Shoichiro Kuwabara; 昭一郎桑原; Tomoyoshi Kataoka; 智由片岡; Yoshiaki Sato; 良明佐藤; Nobuyuki Ishikawa; 展之石川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-05-21
Filing date: 1996-05-21
Publication date: 1997-12-02

Abstract

(57)【要約】【課題】光サージ回復時のリセット動作を不要としな
がら、光サージから受光素子その他を確実に保護する。【解決手段】主信号光の一部を分岐してその入力レベ
ルを検出する入力レベル検出手段と、入力レベル検出手
段の検出出力に応じて、受光素子またはプリアンプと電
源との接続をオン／オフする電源オン／オフ手段とを備
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光増幅器を用いた
光伝送システムで発生する光サージに対して、光受信器
を構成する受光素子その他を保護する機能を有する光サ
ージ対応光受信器に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバを用いた光伝送システムにお
いて、光信号を電気信号に変換することなく光のまま増
幅することができる光増幅器が開発されている。図９
は、光増幅器を用いた光伝送システムの構成を示す。図
において、５１−１，５１−２は端局装置、５２は光フ
ァイバ伝送路、５３は光送信器、５４は光受信器、５５
−１〜５５−３は光増幅器である。図９(a)は、光増幅
器５５−１を用いて光送信器５３の出力を高出力化し、
光増幅器５５−２を光プリアンプとして用いて光受信器
５４の感度を高める構成である。図９(b) は、(a) の構
成に加えて、光増幅器５５−３を線形中継器５０として
用いた構成である。なお、中継器としては、光信号を一
旦電気信号に変換し、識別再生してから光信号に再変換
する再生中継器がすでに実用化されている。ここに示す
線形中継器５０は、光のまま増幅するものであり、高速
信号にも容易かつ安価に対応できる特徴を有しており、
再生中継器と区別される。

【０００３】図１０は、光増幅器の構成例を示す。な
お、光増幅器としては半導体レーザを用いた構成のもの
もあるが、ここでは光ファイバ増幅器について示す。図
において、６１はエルビウム添加光ファイバ、６２は励
起レーザ、６３は光合波器、６４−１，６４−２は光ア
イソレータである。希土類元素を添加した光ファイバを
レーザ光で励起すると、特定波長の光信号を増幅するこ
とが知られている。エルビウム添加光ファイバ６１の場
合には、波長1.48μｍや0.98μｍのレーザ光で励起する
と、光伝送システムの信号光波長である1.55μｍを増幅
することができる。また、このような光増幅器は、高出
力，低雑音，安定な特性を有しており、図９に示す光伝
送システムの光増幅器として適している。

【０００４】ところで、光増幅器を用いた光伝送システ
ムは経済的であり、今後の光伝送システムとして期待さ
れている。しかし、光増幅器はアナログ増幅器であるの
で、光サージと呼ばれる現象があり、問題となってい
る。以下、光サージの発生原理について図１１および図
１２を参照して説明する。図１１は、光増幅器の飽和特
性による光サージ発生原理を示す。(a) は、入力レベル
が大きくなると出力レベルが飽和する様子を示す。ここ
で、(b) 〜(d) に示すタイミングチャートのように、無
入力状態の光増幅器に飽和を引き起こすような光パワー
を入力した場合には、光増幅器は当初、線形利得で動作
しようとするので、光サージと呼ばれる過渡現象が現れ
る。

【０００５】また、図９(b) に示す光伝送システムでは
光ファイバ長が異なり、個々の光ファイバの損失値は一
定にならない。この場合の光増幅器では、図１２(a) に
示すように光入出力レベルから最適な利得を自動調整
し、一定の出力を得る出力一定制御が行われる。これ
は、入力レベル検出回路８１および出力レベル検出回路
８２で光入出力レベルを検出し、それに応じて光増幅器
８３の励起光を制御するものである。ここで、図１２
(b) 〜(d) に示すタイミングチャートのように、その入
力が無くなると利得が最大となり、無入力状態から回復
したときに光増幅器の制御が間に合わず、光サージが現
れる。

【０００６】図９(b) に示す光伝送システムにおいて、
図１１および図１２に示す原理で光サージが発生する
と、各段の光増幅器で光サージが成長し、非常に大きな
光サージが生ずる可能性がある。実際に観測した例で
は、通常の出力が＋７〜９の光増幅器から＋20dBｍの光
サージが出力されている。図１３は、光サージの発生要
因を示す。

【０００７】光伝送システムでは、(a) 保守者が光コネ
クタを着脱したときに生ずる瞬断、(b) 光スイッチによ
り光ファイバの切り替え等を行ったときに生ずる瞬断、
(c)零符号が連続した場合における瞬断と同様の状態が
発生する。このような瞬断により上記の原理で光サージ
が発生する。なお、(c) の零符号連続はスクランブル等
の符号技術で回避できるが、(a),(b) は何らかの対策が
要求される。

【０００８】光サージで特に問題となるのは光受信器の
故障である。長スパン光伝送システムや大容量光伝送シ
ステムでは、高感度で広帯域の光受信器（受光素子やプ
リアンプ）が使用される。この光受信器は入力できる最
大レベルが小さいので、光サージのような過大入力があ
ると、受光素子やプリアンプが故障する可能性がある。
また、高感度の光受信器では、光プリアンプとして光増
幅器を用いた構成もあり、その光増幅器で発生する光サ
ージも故障の原因となることがある。

【０００９】以下、従来の光サージ対策例を示す。図１
４は、従来の光受信器の構成を示す（特願昭61−163738
号）。図において、７１は受光素子、７２はプリアン
プ、７３はＡＧＣ（自動利得制御）回路、７４は入力レ
ベル検出回路、７５は制御回路、７６は受光素子バイア
ス選択回路である。本構成は、高感度の光受信器に許容
以上の過大光入力があった場合に、受光素子７１やプリ
アンプ７２を故障から保護するものである。すなわち、
入力レベル検出回路７４がプリアンプ７２またはＡＧＣ
回路７３の出力から受光素子７１の入力レベルを推定
し、制御回路７５が過大入力と判断したときに、受光素
子バイアス選択回路７６を制御して受光素子７１のバイ
アス電圧を下げる（Ｖ１→Ｖ２）。バイアス電圧が下が
れば、受光素子７１の光−電気変換効率が下がるので、
過大入力による過渡電流が発生しなくなる。光サージも
過渡的な過大光入力であるので、この構成により光サー
ジに対応可能になっている。

【００１０】ところで、光サージは、光増幅器の特性、
光増幅器が使われているシステム構成、誘発原因が関わ
り合って発生するので、光サージの最大値を確定するこ
とは難しい。このような光サージに対処するには、受光
素子のバイアス電圧を下げるのではなく完全に遮断する
ことが必要になる。過大入力で故障しやすいプリアンプ
の電源を切っても同じ効果がある。

【００１１】しかし、図１５に示すフローチャートのよ
うに、光サージを検出して光受信器の動作を一旦停止さ
せると、光サージが収まって正常入力が回復したとき
に、入力レベル検出回路では受光素子の入力レベルを推
定できず、人手によるリセット作業が必要になる。リセ
ット作業は人為的にボタン操作を行い、オペレーション
システムから装置へ制御命令を送る必要があるので、回
復時間が長く、現実のシステムへの導入は難しい。

【００１２】図１６は、励起レーザ制御機能付きの光フ
ァイバ増幅器の構成を示す。図において、６１はエルビ
ウム添加光ファイバ、６２は励起レーザ、６３は光合波
器、６４−１，６４−２は光アイソレータ、６５は光カ
プラ、６６は受光素子、６７は制御部である。入力光信
号は、光カプラ６５を介して受光素子６６に入力され、
その入力レベルがモニタされる。制御部６７は、そのモ
ニタ出力を監視し、光サージの原因となる瞬断を検出し
たときに、励起レーザ６２の出力を下げるか停止させ
る。また、光入力が回復したときに励起レーザ６２の出
力を回復させる。この制御により光サージの発生を抑圧
することができる。

【００１３】しかし、例えば光スイッチの切り替えに伴
うような高速の瞬断が発生した場合には、光サージの発
生を抑圧できない場合がある。エルビウム添加光ファイ
バは、約１ミリ秒以下の瞬断に対して励起レーザの出力
を完全に停止させても、潜在利得が急に零にならず、図
１７に示すように入力が回復したときに光サージが発生
してしまう。

【００１４】その原因について、図１８に示す３準位モ
デルを参照して説明する。励起レーザは、基底準位Ｎ１
からＮ３へエネルギーを励起し、Ｎ３からＮ２へ遷移し
たエネルギーが増幅に使われる。このモデルでわかるよ
うに、励起レーザの出力を停止してｈν₃₁を零にして
も、τ₃₂は急に零にならない。また、Ｎ２のエネルギー
は、無入力状態では自然放出寿命τ₂₁で消費されるが、
その時間は約13ミリ秒程度であり、増幅で消費されるほ
ど急激に使われない。どの程度の瞬断で光サージが発生
するかは光増幅器の特性によるが、エルビウム添加光フ
ァイバを用いた光ファイバ増幅器では、図１６の方法を
用いても約１ミリ秒以下の瞬断で発生する光サージを抑
えることはできなかった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
図１４および図１６に示す従来の方法は、光サージの解
決方法としては有効ではあるが完全ではない。一方、光
増幅器を用いた光伝送システムを広く普及させるために
は、光サージに対する対策が不可欠である。本発明は、
回復作業時間が長くなるリセット動作を不要としなが
ら、光サージから受光素子その他を確実に保護すること
ができる光サージ対応光受信器を提供することを目的と
する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】図１は、本発明の光サー
ジ対応光受信器の原理構成を示す。図において、受光素
子７１，プリアンプ７２，ＡＧＣ回路７３は従来と同様
の光受信器を構成する要素である。本発明の特徴は、受
光素子７１の前段で入力レベルを検出し、それが光サー
ジを示すときに受光素子７１またはプリアンプ７２の電
源を遮断するところにある。１０は入力レベル検出手
段、２０は入力レベル検出手段の出力に応じてバイアス
用電源３１と受光素子７１、プリアンプ用電源３２とプ
リアンプ７２との接続をオン／オフする電源オン／オフ
手段である。本構成では、電源遮断後にも入力レベルを
検出することができるので、入力回復後には直ちに受光
素子７１またはプリアンプ７２を動作させることができ
る。

【００１７】図２は、本発明の光サージ対応光受信器に
おける光サージの検出方法を示す。図において、(a) は
光入力レベルから光サージを直接検出して電源オフとす
る方法である。すなわち、光入力レベルが所定値を越
えたときに光サージと判断して電源オフとし、所定値
を下回ったときに光サージ回復と判断して電源オンとす
る。しかし、この方法では、光サージの立ち上がり特性
が不明瞭であったり検出速度が追従できなければ、電源
を遮断する制御が間に合わないことがある。

【００１８】(b) は、光入力レベルから瞬断を検出し、
光サージの発生を予期して電源オフとする方法である。
すなわち、光入力レベルが所定値を下回ったときに入
力断と判断して電源オフとし、光入力レベルが所定値
を越えたときに入力回復と判断し、さらに所定の保護時
間ｔを経過したときに電源オンとする。しかし、この方
法では、自然放出光が光入力レベルの一部となっている
ときには瞬断を検出できないことがある。例えば、図３
に示すように、何らかの原因により発生した瞬断は、多
段に接続された線形中継器５０で発生する自然放出光
（雑音光）により補償されてしまい、光入力レベルの有
無だけからは瞬断を検出することができなくなる。特
に、出力一定制御を行っている光増幅器では、無入力時
に自然放出光を多量に出力し、光のレベルだけを一定に
保つようになっており、その傾向が顕著である。

【００１９】(c) は、入力レベル検出手段で光電気変換
された電気信号のフレーム周期の断を検出し、光サージ
の発生を予期して電源オフとする方法である。この方法
は、(b) の欠点に対応するものである。主信号が国際標
準のフレームフォーマットを用いていることを利用す
る。新しい同期多重方式では、 125μｓ周期のＳＤＨフ
レームを採用しており、これは伝送速度に依存しない。
そこで、電気信号からフィルタで８ｋHz成分のみを抽出
し、その有無で瞬断および瞬断回復を検出することがで
きる。すなわち、フレーム断になったときに電源オフと
し、フレームが検出され、さらに所定の保護時間ｔを経
過したときに電源オンとする。

【００２０】以上示した３つの方法では、いずれも瞬断
検出・瞬断回復の閾値設定にヒステリシス特性をもたせ
ることができるので、リセット動作を必要としない安定
な動作を実現することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）図４は、本発明の第１の実施形態を
示す。図において、入力レベル検出手段１０は、光カプ
ラ１１、受光素子１２、入力レベル検出回路１３により
構成される。すなわち、光カプラ１１で分岐された入力
光信号の一部が受光素子１２で電気信号に変換され、入
力レベル検出回路１３で光入力レベルが検出される。こ
の値は、受光素子７１の光入力レベルに対応している。

【００２２】電源オン／オフ手段２０は、入力レベル検
出回路１３の出力により制御されるスイッチ２１，２２
により構成され、バイアス用電源３１と受光素子７１、
プリアンプ用電源３２とプリアンプ７２の接続をオン／
オフする。すなわち、光入力レベルによって光サージが
検出（図２(a))されるか、光サージの発生が予測される
状態（図２(b),(c))になれば、スイッチ２１またはスイ
ッチ２２をオフとする。また、光サージ回復後にはスイ
ッチ２１またはスイッチ２２をオンとすることにより、
直ちに受光素子７１またはプリアンプ７２を動作させる
ことができる。

【００２３】（第２の実施形態）図５は、本発明の第２
の実施形態を示す。本実施形態は、受光素子７１の前段
に光プリアンプ４０が接続された光受信器に適用したも
のである。光プリアンプ４０は、光カプラ４１、光カプ
ラ４１で分岐された光を電気信号に変換する受光素子４
２、その電気信号に応じて利得・出力制御が行われる光
増幅器４３により構成される。

【００２４】ここでは、入力レベル検出手段１０は、光
プリアンプ４０の光カプラ４１および受光素子４２を兼
用し、さらに入力レベル検出回路１３を付加した構成と
なる。これによりコスト削減が可能である。その他は第
１の実施形態と同様である。すなわち、光プリアンプ４
０の光増幅器４３の制御に用いられる受光素子４２の出
力を入力レベル検出回路１３に入力し、その検出出力に
応じてバイアス用電源３１と受光素子７１、プリアンプ
用電源３２とプリアンプ７２の接続をオン／オフする。

【００２５】（第３の実施形態）図６は、本発明の第３
の実施形態を示す。本実施形態は、線形中継器の監視用
に主信号光とは異なる波長の監視光（1.51μｍ， 1.3μ
ｍ，1.48μｍ帯）を波長多重により伝送する光伝送シス
テム（図９(b))において、受光素子７１の前段に光プリ
アンプ４０′が接続された光受信器に適用したものであ
る。光プリアンプ４０′は、監視光を分波する光分波器
４４、光分波器４４で分波された監視光を電気信号に変
換する受光素子４５、光増幅器４３により構成される。
受光素子４５の出力は線形中継器監視部４６に与えら
れ、所定の監視制御に用いられる。

【００２６】ここでは、入力レベル検出手段１０は、光
プリアンプ４０′の光分波器４４および受光素子４５を
兼用し、さらに入力レベル検出回路１３を付加した構成
となる。これによりコスト削減が可能である。その他は
第１の実施形態と同様である。すなわち、受光素子４５
の出力を入力レベル検出回路１３に入力し、その検出出
力に応じてバイアス用電源３１と受光素子７１、プリア
ンプ用電源３２とプリアンプ７２の接続をオン／オフす
る。

【００２７】（第４の実施形態）図７は、本発明の第４
の実施形態を示す。本実施形態は、第２の実施形態の入
力レベル検出回路１３に代えてフレーム周期検出回路１
４を備えたことを特徴とする。なお、本実施形態は第１
の実施形態に適用しても同様である。

【００２８】光カプラ４１で分岐された光は受光素子４
２で電気信号に変換され、光増幅器４３の利得・出力制
御に用いられるとともに、フレーム周期検出回路１４で
フレーム周期（８ｋHz成分）の有無が検出される。それ
に応じて、バイアス用電源３１と受光素子７１、プリア
ンプ用電源３２とプリアンプ７２の接続がオン／オフさ
れる。

【００２９】ここで、図９(b) に示す光伝送システムに
おいて、以上示した各実施形態の光サージ対応光受信器
と、線形中継器５０または光プリアンプとして図１６に
示す励起レーザ制御機能付きの光増幅器を組み合わせる
ことにより、効果的に光サージに対処することができ
る。その構成例を図８に示す。５４′は第１〜第４の実
施形態の光サージ対応光受信器である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は光サージ
で故障しない光受信器を実現することができる。また、
入力レベルに応じて励起レーザを制御する光増幅器を組
み合わせた光伝送システムを構成すれば、光サージから
保守者の目を保護し、光コネクタの溶融損傷などを防ぐ
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光サージ対応光受信器の原理構成を示
すブロック図。

【図２】本発明の光サージ対応光受信器における光サー
ジの検出方法を示す図。

【図３】光信号の瞬断を検出できなくなる状況を説明す
る図。

【図４】本発明の第１の実施形態を示すブロック図。

【図５】本発明の第２の実施形態を示すブロック図。

【図６】本発明の第３の実施形態を示すブロック図。

【図７】本発明の第４の実施形態を示すブロック図。

【図８】光伝送システムへの本発明の適用例を示すブロ
ック図。

【図９】光増幅器を用いた光伝送システムの構成を示す
ブロック図。

【図１０】光増幅器の構成例を示すブロック図。

【図１１】光増幅器の飽和特性による光サージ発生原理
を示す図。

【図１２】光増幅器の出力一定制御による光サージ発生
原理を示す図。

【図１３】光サージの発生要因を示す図。

【図１４】従来の光受信器の構成を示すブロック図。

【図１５】従来の光受信器の問題点を示すフローチャー
ト。

【図１６】励起レーザ制御機能付きの光ファイバ増幅器
の構成を示すブロック図。

【図１７】励起レーザ制御機能付きの光ファイバ増幅器
の問題点を示す図

【図１８】３準位系のエネルギー準位を示す図。

【符号の説明】

１０入力レベル検出手段１１光カプラ１２受光素子１３入力レベル検出回路１４フレーム周期検出回路２０電源オン／オフ手段２１，２２スイッチ３１バイアス用電源３２プリアンプ用電源４０光プリアンプ４１光カプラ４２，４５受光素子４３光増幅器４４光分波器４６線形中継器監視部５０線形中継器５１端局装置５２光ファイバ伝送路５３光送信器５４光受信器５５光増幅器６１エルビウム添加光ファイバ６２励起レーザ６３光合波器６４光アイソレータ７１受光素子７２プリアンプ７３ＡＧＣ回路７４入力レベル検出回路７５制御回路７６受光素子バイアス選択回路８１入力レベル検出回路８２出力レベル検出回路８３光増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０４Ｂ 10/08 (72)発明者石川展之東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光伝送路から入力される主信号光を電気
信号に変換する受光素子と、前記受光素子の出力信号を増幅して後段の処理手段に出
力するプリアンプと、前記主信号光の一部を分岐してその入力レベルを検出す
る入力レベル検出手段と、前記入力レベル検出手段の検出出力に応じて、前記受光
素子または前記プリアンプと電源との接続をオン／オフ
する電源オン／オフ手段とを備えたことを特徴とする光
サージ対応光受信器。
【請求項２】請求項１に記載の光サージ対応光受信器
において、受光素子の前段に主信号光の入力レベルが一定になるよ
うに制御する光プリアンプを備え、入力レベル検出手段は、前記光プリアンプの入力レベル
検出出力を用いて電源オン／オフ手段を制御する構成で
あることを特徴とする光サージ対応光受信器。
【請求項３】光伝送路から入力される主信号光を電気
信号に変換する受光素子と、前記受光素子の出力信号を増幅して後段の処理手段に出
力するプリアンプと、前記光伝送路から主信号光とともに入力される監視光を
分波し、その入力レベルを検出する入力レベル検出手段
と、前記入力レベル検出手段の検出出力に応じて、前記受光
素子または前記プリアンプと電源との接続をオン／オフ
する電源オン／オフ手段とを備えたことを特徴とする光
サージ対応光受信器。
【請求項４】請求項１または請求項２に記載の光サー
ジ対応光受信器において、入力レベル検出手段は、主信号光のフレーム周期を抽出
し、その有無または大小により電源オン／オフ手段を制
御する構成であることを特徴とする光サージ対応光受信
器。