JPWO2009113355A1 - 光通信システム - Google Patents

Abstract

本発明は、光伝送路としてのＰＢＧＦの適用を可能にするとともに、ＰＢＧＦ使用による大容量の情報伝送を可能にするための構造を備えた光通信システムに関する。当該光通信システム(1)は、光送信部(10)と、光受信部(20)と、光伝送路(30)を備える。光送信部(10)は、位相変調または光周波数変調された信号光を光伝送路(30)へ出力する。光伝送路(30)は、光送信部(10)から出力される信号光を光受信部(20)へ伝送する。光受信部(20)は、光送信部(10)から光伝送路(30)を経て伝送されてきた信号光を受信する。光伝送路(30)は、中空コアを有するフォトニックバンドギャップファイバを含む。

Description

本発明は、光通信システムに関するものである。

従来の光通信システムでは、一般に、信号光を出力する光送信器と、信号光を受信する光受信機との間に敷設された光伝送路として、単一コアを有するシングルモード光ファイバ（以下、通常の光ファイバという）が適用されている。

このような通常の光ファイバが光伝送路に適用された光通信システムでは、伝送容量を効率的に増大させる通信方式として、互いに波長の異なる複数チャネルの信号光を送受信する波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing、以下「ＷＤＭ」という）伝送が採用されている。
特開２００５−１１０２５６号公報 特開２００７−２８８５９１号公報 特開２００７−１２９７５５号公報 村尾覚志、他、「実効的単一モード極低損失中空コアフォトニックバンドギャップファイバの設計」、２００７年電子情報通信学会総合大会、Ｃ-３-５１ 武笠和則、他、「ＤＷＤＭ伝送用フォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＧＦ）に関する検討」、２００７年電子情報通信学会総合大会、Ｃ-３-５２ Optics Express, Vol.16, No.2, pp.753-791, 21 January 2008

発明者らは、従来の光通信システムについて検討した結果、以下のような課題を発見した。

通常の光ファイバの光伝送路では、損失の大幅な低減が困難であるので、伝送距離の長距離化を実現するためには、光伝送路へ入力される光パワーを増加させる必要がある。しかしながら、入力光パワーの増大は通常の光ファイバが適用された光伝送路における非線形光学現象の発現を誘発してしまう。そのため、現状では、光伝送路の低損失化、低非線形化の研究が盛んに行われている。特許文献１にはプリエンファシス等の手段で非線形性の影響を緩和することが提案されている。しかしながら、このような手段の追加は、当該光通信システムの構成をより複雑にする一方、非線形性緩和の効果が完全となるとは限らない。

また、単に低損失、低非線形性の光伝送媒体という観点のみに着目すると、中空コアを有するフォトニックバンドギャップファイバ（Photonic Band Gap Fiber、以下「ＰＢＧＦ」という）も、光伝送路の候補となり得るが、ＷＤＭ伝送用の光伝送路としてのＰＢＧＦの適用は困難であった。

なお、ＰＢＧＦは、クラッドを構成する２次元周期構造のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップを利用して中空コアに光を閉じ込めることにより、その光を導波させることができる。このようなＰＢＧＦは、中空コア以外の石英ガラス部分の光パワー比率を極めて小さく（全光パワーの１％以下）することにより、低非線形光学特性や低損失伝送の特徴を有する光伝送路を実現し得るものとして、研究開発がなされている（非特許文献１、２参照）。例えば、非特許文献１では、理論上の伝送損失が１０^−３ｄＢ／ｋｍ以下であるＰＢＧＦが提案されている。また、非特許文献２では、理論上の伝送損失が１０^−２ｄＢ／ｋｍ以下であるＰＢＧＦが提案されている。

ところが、ＰＢＧＦの最低損失値は、通常の光ファイバより小さくなる可能性があるものの、ＰＢＧＦの低損失な波長帯域の幅は通常の光ファイバより狭くなる傾向にある。例えば、損失１ｄＢ／ｋｍ以下の波長帯域で比較すると、通常の光ファイバでは１.０〜１.７μｍ程度の範囲であるのに対して、非特許文献１、２に記載されたＰＢＧＦでは０.２μｍ程度の幅となっている。したがって、光伝送路としてＰＢＧＦが適用された場合、従来の光伝送システムでは広い波長範囲でのＷＤＭ伝送が困難であった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、光伝送路としてのＰＢＧＦの適用を可能にするとともに、ＰＢＧＦ使用による大容量の情報伝送を可能にするための構造を備えた光通信システムを提供することを目的としている。

本発明に係る光通信システムは、少なくとも、光送信部と、光伝送路を備える。光送信部は、位相または光周波数が変調された信号光を出力する。光伝送路は、中空コアを有するフォトニックバンドギャップファイバを含み、光送信部から出力される信号光を伝搬する。

本発明に係る光通信システムにおいて、光送信部は、信号光の個々のサブキャリアに位相変調を行うとともにＯＦＤＭによるマルチキャリア変調を行って該信号光を出力するのが好適である。なお、信号光の位相または光周波数の変調が個々のサブキャリアに位相変調を行うことに対応し、これらの変調した個々のサブキャリアを多重することがマルチキャリア変調を行うことに対応する。また、ＯＦＤＭは、周波数軸上で各サブキャリアの直交性を確保して各サブキャリアが相互に影響しないようにする手法である。この場合には、マルチキャリア変調により、光通信システムの伝送容量をさらに増大させることが可能となる。また、中空コアを有するフォトニックバンドギャップファイバを使用することにより、ＯＦＤＭにおいて問題となり得る大きなピーク対平均値パワー比と光ファイバの非線形性による伝送性能の劣化を回避できる。

本発明に係る光通信システムにおいて、光送信部は、信号光の振幅をも変調してこの信号光を出力するのが好適である。光送信部は、２値を超える多値で信号光を変調するのが好適である。光送信部は、フォトニックバンドギャップファイバの低損失波長帯域に含まれる２波長以上の信号光を多重化するのが好適である。また、フォトニックバンドギャップファイバの中空コアへの信号光パワー閉じ込め率は、９９％以上であるのが好適である。

なお、通常の光ファイバが光伝送路に適用された従来の光通信システムでは、振幅変調、位相変調、周波数変調などによる各信号チャネルの多値化は困難である。すなわち、通常の光ファイバの光伝送路では、損失の大幅な低減が困難であるので、振幅変調による多値化を進めると十分なＳＮ比を確保することができなくなる。また、通常の光ファイバの光伝送路では、非線形性の大幅な低減が困難であるので、位相変調、周波数変調による多値化を進めると、非線形性に起因する自己位相変調（ＳＰＭ）や周波数チャープの影響で十分なＳＮ比を確保することができなくなる。

本発明に係る光通信システムによれば、光送信部において信号光の位相変調または周波数変調を実施することにより、光伝送路としてのＰＢＧＦの使用を可能にし、このＰＢＧＦの使用により、上述のように課題として指摘した大容量の情報伝送が可能になる。

は、本発明に係る光通信システムの一実施形態の構成を示す図である。 は、本実施形態に係る光通信システムに含まれる光伝送路として、フォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＧＦ）の構造を示す切欠き斜視図である。

符号の説明

１…光通信システム、１０…光送信部、２０…光受信部、３０…光伝送路。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る光通信システムの各実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一要素、同一部位には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係る光通信システムの一実施形態の構成を示す図である。図１に示された光通信システム１は、光送信部１０と、光受信部２０と、これら光送信部１０および光受信部２０の間に設けられた光伝送路３０を備える。

光送信部１０は、位相または光周波数が変調された信号光を光伝送路３０へ出力する。光送信部１０は、信号光の振幅をも変調して該信号光を光伝送路３０へ出力してもよい。さらに、光送信部１０は、２値を超える多値で信号光を変調するのが好適である。光伝送路３０は、光送信部１０から出力される信号光を光受信部２０へ伝送する。光受信部２０は、光送信部１０から光伝送路３０を経て伝送されてきた信号光を受信する。

光伝送路３０は、中空コアを有するフォトニックバンドギャップファイバを含んで構成される。図２は、図１に示された光通信システム１に含まれる光伝送路３０として、フォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＧＦ）２の構造を示す切欠き斜視図である。

図２に示されたように、フォトニックバンドギャップファイバ２は、線状の石英ガラスからなり、一端に端面２ｃを、他端に端面２ｄをそれぞれ有している。また、フォトニックバンドギャップファイバ２は、空孔２ａおよび２ｂを有している。空孔２ａは、フォトニックバンドギャップファイバ２の長手方向（すなわち光軸方向Ａ）と交差する断面における中心部分に１つ形成されている。また、空孔２ａは、フォトニックバンドギャップファイバ２の内部を光軸方向に延びており、端面２ｃから端面２ｄへ貫通している。一方、空孔２ｂは、空孔２ａの周囲に複数形成されている。また、空孔２ｂは、それぞれフォトニックバンドギャップファイバ２の内部を光軸方向に延びており、端面２ｃから端面２ｄへ貫通している。

空孔２ｂは、フォトニックバンドギャップファイバ２の長手方向（すなわち光軸方向Ａ）と交差する断面においてフォトニック結晶構造を実現するような配列及び間隔で形成されている。これによって、空孔２ａの周囲に光の禁制帯であるフォトニックバンドギャップが発現し、空孔２ａ内及びその近傍にレーザ光Ｌを閉じ込めることができる。この結果、フォトニックバンドギャップファイバ２に入射したレーザ光Ｌは、主に空孔２ａ内を伝搬することとなる。この空孔２ａが中空コアとなる。

光送信部１０は、フォトニックバンドギャップファイバ２の低損失波長帯域に含まれる２波長以上の信号光を多重化するのが好適であり、このように多重化された信号光が光伝送路３０へ出力される。また、フォトニックバンドギャップファイバ２の中空コアへの信号光パワー閉じ込め率は、９９％以上であるのが好適である。

石英ガラスを利用したＰＢＧＦにおいて、中空コア（空孔２ａ）部分への信号光パワー閉じ込め率を９９％以上（すなわち、石英ガラス部分への信号光パワー染み出し率を１％以下）とし、中空コア部分を減圧した上で封止する等の手段により真空に近い状態に保てば、非線形性を１／１００以下にすることが可能になる。また、このような条件下では、損失についても材料固有の損失の１／１００以下にすることが可能になる。損失に関しては、フォトニックバンドギャップ構造設計に起因する閉じ込め損失、中空コア部分と石英ガラス部分との界面での散乱損失等の要因もある。しかしながら、これら要因を低減することにより、従来の光ファイバの損失の１／１０以下の損失とすることができる。

本実施形態に係る光通信システム１において、信号光の多値変調として１６値の振幅変調と１６値の位相変調とを組み合わせた場合を考える。光伝送路３０として用いられるＰＢＧＦは、損失および非線形性の両面で通常の光ファイバの１／１０以下となっている。そのため、最大振幅および最大位相変化量については従来の光通信システムと同等としたままであっても、伝送に必要なＳＮ比確保の可能性がある。したがって、振幅または強度の２値変調を行っている一般的な光通信システムと比較して、本実施形態に係る光通信システムは、同一シンボルレートで８倍のビットレート(log₂(16x16))を実現することができる。

一例として、４０Ｇシンボル／秒の場合、上記の例では３２０Ｇｂｐｓの伝送容量となる。さらに、ＰＢＧＦは、通常の光ファイバと比較して、低損失の波長帯域が狭い傾向にあるとは言っても、数十ｎｍの伝送波長帯域を確保できる可能性が十分にあるので、ＷＤＭ伝送を実現することができる可能性もある。一例として、４０Ｇシンボル／秒、振幅１６値、位相１６値で、波長間隔０.４ｎｍ、波長帯域幅８０ｎｍ（すなわち、２００波）のＷＤＭ伝送を実施すれば、システム全体としてＰＢＧＦの１本当たりの伝送容量は６４Ｔｂｐｓとなる。

次に、ＰＢＧＦとして以下のような２種類のＰＢＧＦ-１およびＰＢＧＦ-２を考え、一波長当たりの伝送容量に関して、従来の通常のシングルモード光ファイバ（Single Mode Fiber、以下「ＳＭＦ」という）と比較する。ＰＢＧＦ-１は、中空コア部分への光パワー閉じ込め率が９０％以上であり、波長１.５５μｍにおいて損失が０.２ｄＢ／ｋｍであり、非線形定数が２x１０^−１１／Ｗである。ＰＢＧＦ-２は、中空コア部分への光パワー閉じ込め率が９９％以上であり、波長１.５５μｍにおいて損失が０.０１２ｄＢ／ｋｍであり、非線形定数が２x１０^−１２／Ｗである。また、ＳＭＦは、波長１.５５μｍにおいて損失が０.２ｄＢ／ｋｍであり、非線形定数が３x１０^−１０／Ｗである。なお、非線形定数は、２次の屈折率ｎ_２と実効断面積Ａeffとの比（ｎ_２／Ａeff）で表される。

光伝送路としてＳＭＦを使用する場合、振幅変調または位相変調により一波長当たり４０Ｇｂｐｓの伝送容量は十分実現可能である。一方、ＰＢＧＦ-１は、ＳＭＦと比較すると、損失については同等で、非線形性については１／１５となっている。それ故、ＰＢＧＦ-１において、ＳＭＦと同等な入力パワーとした場合には、ファイバの非線形性に起因する位相ノイズを１／１５とすることができる。そのため、位相変調の場合に１６値までの多値化を行っても、ＳＭＦを使用する場合と同等なシンボルレート（→４０Ｇシンボル／秒）において、同程度な伝送品質が維持される。したがって、ＰＢＧＦ-１を使用して１６値の位相変調を行うことで一波長当たり１６０Ｇｂｐｓの光通信システムが実現可能となる。

また、ＳＭＦを使用する場合と同等の位相ノイズを許容した場合、ＰＢＧＦ-１への入力パワーは、ＳＭＦの１５倍まで許容され得る、振幅変調の場合には光ＳＮ比も１５倍改善される。このことは、振幅変調の場合には１６値までの多値化を行っても、ＳＭＦを使用する場合と同等なシンボルレート（すなわち、４０Ｇシンボル／秒）において、同程度な伝送品質が維持されることを意味する。したがって、ＰＢＧＦ-１を使用して１６値の振幅変調を行うことで一波長当たり１６０Ｇｂｐｓの光通信システムが実現可能になる。

ＰＢＧＦ-２は非線形性に加えて損失についてもＳＭＦの１／１６程度となっている。それ故、ＳＭＦと同等な入力パワーとした場合には、ファイバの非線形性に起因する位相ノイズを１／１６程度とすることができるとともに、振幅変調における光ＳＮ比も１６倍程度改善される。なお、入力光パワーを１６倍にすることと、入力光パワー同等のまま損失を１／１６とすることは等価である。この結果、ＳＭＦを使用する場合と同等なシンボルレートにおいて、同程度の伝送品質を維持しつつ、１６値までの位相変調、１６値までの振幅変調に対応することができ、両者を組合せることにより一波長当たり３２０Ｇｂｐｓの光通信システムが実現され得る。

光の位相および振幅を変調する方式の一例として、非特許文献３や特許文献２に記載されているＱＡＭが挙げられる。文献１のFig.８において、原点からの距離が光の振幅に対応し、横軸（Ｉ軸）からの角度が光の位相に対応し、Fig.８に図示される８-ＱＡＭの場合、振幅は２値であり、位相は各振幅に対して４値（９０度ステップ）であって、全体として８値（３ビット）の変調を行っている。また、特許文献２の図３には１６値（４ビット）の変調の例が開示されている。

非特許文献３のFig.９には、ＱＡＭを含む複数の変調方式について、周波数利用効率(Spectral Efficiency)とビット当りの所要ＳＮ比（SNR per bit）との関係が示されている。何れの変調方式においても、多重度（非特許文献３のTable.６中のConstellation Size M に対応）が大きくなるほど、周波数利用効率が向上するが、これに伴いビット当りの所望ＳＮ比も増大する。他の変調方式と比較すると、ＱＡＭは、同一周波数利用効率を達成するためのビット当り所望ＳＮ比が最も小さく、この点で効率の良い変調方式と言える。一方、ＱＡＭにおいても、Constellation Size Mが４を超える場合には、ビット当りの所望ＳＮ比の増大を免れない。

これに対して、本実施形態に係る光通信システムでは、低非線形で低損失の中空コアを有するフォトニックバンドギャップファイバを光伝送路として用いることで、入射光パワーをより大きくする、あるいは、入射光パワーの減衰をより小さくすること出来るため、ＳＮ比を改善させることが可能となる。

また、非特許文献３のpp.785-789に記載されているとおり、光の位相および振幅を変調した上で、さらにＯＦＤＭによる多重化を行い、光通信の伝送容量増加を図ることも可能である。一方、非特許文献３のp.798の最後の部分にも記載されているとおり、ＯＦＤＭにおいてはピークパワーの平均値パワーに対する比であるピーク対平均値パワー比（ＰＡＲ）が大きくなる可能性があり、このために光ファイバの非線形性による伝送性能の劣化が懸念される。特許文献３にはピーク対平均値パワー比を低減させるための工夫の一例が開示されている。しかしながら、特許文献３の工夫を実現するためには、当該特許文献３に記載された処理、および、この処理を実現するための装置が必須となる。

これに対して、本実施形態に係る光通信システムでは、低非線形で低損失の中空コアを有するフォトニックバンドギャップファイバを光伝送路として用いることにより、特許文献３に記載された処理等を行わなくとも、光ファイバの非線形性による伝送性能の劣化を招くことなくＯＦＤＭによる多重化を実現することができる。

Claims (6)

1. 位相または光周波数が変調された信号光を出力する光送信部と、
   中空コアを有するフォトニックバンドギャップファイバを含み、前記光送信部から出力される信号光を伝送する光伝送路と、
   を備えた光通信システム。
2. 請求項１記載の光通信システムにおいて、
   前記光送信部は、前記信号光の個々のサブキャリアに位相変調を行うとともにＯＦＤＭによるマルチキャリア変調を行って該信号光を出力する。
3. 請求項１または２記載の光通信システムにおいて、
   前記光送信部は、前記信号光の振幅をも変調する。
4. 請求項１〜３のいずれか一項記載の光通信システムにおいて、
   前記光送信部は、２値を超える多値で前記信号光を変調する。
5. 請求項１記載の光通信システムにおいて、
   前記光送信部は、前記フォトニックバンドギャップファイバの低損失波長帯域に含まれる２波長以上の信号光を多重化する。
6. 請求項１記載の光通信システムにおいて、
   前記フォトニックバンドギャップファイバの中空コアへの信号光パワー閉じ込め率は、９９％以上である。

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