KR20050096145A

KR20050096145A - 광전송 방법 및 광전송 장치

Info

Publication number: KR20050096145A
Application number: KR1020057013435A
Authority: KR
Inventors: 토시히꼬 히로오까; 마사타까 나까자와
Original assignee: 도꾸리쯔교세이호징 가가꾸 기쥬쯔 신꼬 기꼬
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2005-10-05
Also published as: EP1589679B1; US20060232847A1; JP4471572B2; EP1589679A4; WO2004068747A1; CN1736048B; US7747175B2; EP1589679A1; KR100759785B1; CN1736048A; JP2004266339A

Abstract

모든 선형 왜곡이 시간축 위에서 발생하여도 스펙트럼 형상은 완전히 보존되고 있다는 성질을 이용해서 파형 왜곡을 보상하는 것. 광펄스 송신기 (1)로부터 광파이버 전송로(2)를 거쳐 전송된 광펄스가 송신된다. 광푸리에 변환장치(3)은 광펄스를 입사하고, 시간축 위의 광펄스를 주파수축 위에 광펄스 변환하고, 주파수와 시간을 넣어 교환하고 광펄스의 주파수 스펙트럼을 시간축 위에 재생하는 것에 의해서, 광파이버 전송로(2)에 있어서의 선형 효과에 의한 파형 왜곡을 보상한다. 수광기(4)는 광푸리에 변환장치(3)으로부터 광펄스를 수광하고, 이것을 전기신호로 변환하는 것에 의해 광파이버 전송로 (2)의 전송 전의 펄스 파형을 얻는다.

Description

광전송 방법 및 광전송 장치{Optical Transmission Method And Optical Transmission Device}

기술분야

본 발명은 광전송 방법 및 광전송 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 임의의 분산 및 편파 모드 분산, 타이밍 지터를 가지는 광파이버에 전송되는 신호의 파형 왜곡을 푸리에 변환에 의해 동시에 게다가 완전히 보상하는 새로운 광전송 방법 및 광전송 장치에 관한 것이다.

배경기술

광파이버 내부의 파장 분산이나 편파 분산 등의 선형 효과는, 펄스의 확산이나 리플의 발생 및 중심 시간 위치의 시프트라고 했던 시간 파형의 왜곡을 가져오는 것이 잘 알려져 있다. 특히 1채널당 40 Gbit/s 이상의 초고속 시분할 다중전송에 있어서는, 3차 이상의 고차 분산이나 편파 모드 분산에 의한 파형 왜곡이 큰 영향을 미친다.

종래부터, 이와 같은 광파이버 전송로의 선형 왜곡 효과를 보상하기 위해서, 분산 보상 파이버나 그레이팅(grating)에 의한 2차 분산 보상, 역분산 슬로프 파이버에 의한 2차·3차 분산의 동시 보상, 위상공역소자를 이용한 분산 보상 등이 제안되었고, 등가적으로 분산 플랫 파이버 전송로를 실현해 왔다.

종래기술로, 3차 및 4차 분산의 보상기술로서는 지금까지, 전송 전에 적절한 2차 분산량을 갖는 파이버에 의한 신호에 선형 처프를 준 다음에 전송 파이버의 3차 또는 4차 분산의 크기에 따르는 사인 또는 코사인 위상 변조를 인가하는 것에 의해서, 각 차수의 분산을 각각 보상하는 기술이 Pelusi 등에 의해 보고되고 있다(비특허문헌 1 및 2 참조). 게다가, 종래기술로서, 코사인 위상 변조의 진폭과 타이밍을 적절히 선택한 것에 의해, 전송로의 3차, 4차 분산을 동시에 보상할 수 있음이 보고되고 있고, 이것에 의해, 1.28 Tbit/s-70km 광시분할 전송에 성공하고 있다(비특허문헌 3 및 4 참조). 또, 종래, 편파 모드 분산에 의한 군지연을 보상하기 위해 광(光)푸리에 전환이 제안되었다(비특허문헌 5).

비특허문헌１

M. D. Pelusi, Y. Matusi, and Suzuki, "Phase modulation of streched optical pluses for suppression of third-order dispersion effects in fiber transmission," Electron. Lett. 34, pp. 1675-1677(1998)

비특허문헌２

M. D. Pelusi, Y. Matusi, and Suzuki, "Forth-order dispersion suppression of ultrashort optical pulses by second-order dispersion and cosine phase modulation," Opt. Lett. Vol. 25, pp. 296-298(2000)

비특허문헌３

T. Yamamoto and M. Nakazawa, "Third- and fourth-order active dispersion compensation with a phase modulator in a terabit-per-second optical time-division multiplexed transmission," Opt. Lett. Vol. 26, pp. 647-649(2001)

비특허문헌 4

M. Nakazawa, T. Yamamoto, and K. R. Tamura, "1.28 Tbit/s-70 km OTDM transmission using third- and fourth-order simultaneous dispersion compensation with a phase modulator," ECOC 2000, PD. 2.6

비특허문헌 5

M. Romagnoli, P. Franco, R. corsini, A. Schffini, and M. Midrio, "Time-domain Fourie optics for polarization-mode dispersion compensation:, Opt. Lett. Vol. 24, pp. 1197-1199(1999)

발명의 개시

그러나 파이버에 의한 분산 보상은 간편하지만, 3차 분산까지 포함시킨 파장 분산의 일괄 보상은, 2차 분산과 3차 분산의 비율 매칭이 필요하기 때문에, 일반적으로는 어려운 기술로 되어 있다. 또한, 위상공역을 이용하는 경우에는 짝수 다음의 분산 밖에 보상할 수 없다는 큰 과제를 가진다. 게다가, 위상 변조를 이용한 전송 전 분산 보상 방식에서는, 위상 변조의 조정에 즈음하여 미리 전송로 전체의 분산값을 정확하게 알아둘 필요가 있다.

게다가, 이러한 방식에서는 분산 보상량이 고정되어 있기 때문에 분산값의 시간적 변동에 따라서 분산 보상량을 다이나믹하게 변화시킬 수 없다. 이 때문에 종래부터 적응등화(適應等化)라고 하는 기술이 필요로 되어지고 있다. 더욱이, 이러한 방식에 있어서는 전부 편파 모드 분산의 보상이 불가능하다.

그래서, 본 발명은 이상의 점을 감안하고 이러한 과제점을 한꺼번에 해결하기 위해, 종래와 같이 시간축 상에서 파형 왜곡을 완전 보상할 수 있도록 하는 기술 대신에, 이른바 선형 왜곡이 시간축 위에서 발생해도 스펙트럼 형상은 완전히 보존되어 진다는 성질을 이용해서 파형 왜곡을 보상하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명은 푸리에 변환에 의한 전송 후의 광신호 스펙트럼 형상을 시간축 상의 1비트로 변환하는 것으로서 선형 왜곡이 완전히 없는 또는 거의 없는 원래의 신호 파형을 재현하고, 실질적으로 분산 프리(free)인 광파이버 전송을 실현하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 해결 수단에 의하면,

송신단에 있어서 광펄스를 디지털로 변조하고, 광파이버 전송로 내부를 전반(傳搬)시켜서, 그것을 수광기에서 전기 신호로 변환하는 광전송 방법에 있어서, 수광기 앞에 설치된 광푸리에 변환 장치에 의해서,

광파이버 전송로를 거치고 전송된 광펄스의 시간 파형을 그 주파수 스펙트럼 형상으로 변환하는 것에 의해, 광펄스가 광파이버에 있어서 받는 모든 선형 시간 왜곡을 그 주파수 스펙트럼 형상이 보존되는 것을 이용해서 제거하고, 광파이버 전송로에 의한 광펄스의 시간 파형 왜곡을 보상하는 광전송 방법 및 상기 광푸리에 변환장치와 수광기를 구비한 광전송 장치가 제공된다.

(작용)

본 발명을 이용하는 것에 의해, 지금까지는 보상이 곤란했던 임의의 분산이나 편파 모드 분산에 의한 시간 파형의 선형 왜곡을, 동시에 게다가 완전히 또는 거의 완전히 보상할 수 있기 때문에, 광파이버 통신의 통신 용량의 확대 및 전송 거리의 연장을 실현할 수 있다.

도면의 간단한 설명

제1도는 본 발명에 관계되는 푸리에 광전송 시스템의 한 실시 형태를 나타내는 그림이다.

제2도는 광펄스의 시간 파형에 대한 설명도이다.

제3도는 광펄스의 주파수 스펙트럼 형상 설명도이다.

제4도는 광푸리에 변환장치(3)의 구성도이다.

제5도는 광펄스의 파형 왜곡과 그 보상 효과를 나타내는 그림이다.

제6도는 광펄스의 파형 왜곡과 그 보상에 관한 수치계산 결과의 다른 일례를 나타내는 그림이다.

발명을 실시하기 위한 최적의 형태

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.

１. 시스템 구성·동작

제1도는 본 발명에 관계되는 푸리에 광전송 시스템의 한 실시 형태를 나타내는 그림이다. 이 푸리에 광전송 시스템은, 광펄스 송신기(1) 광파이버 전송로(2), 광푸리에 변환장치(3), 수광기(4)를 구비한다.

광펄스 송신기(1)은 광원으로부터 발생한 광펄스를 전기신호로 디지털 변조하는 것에 의해, 통신 대상인 정보를 짊어진 전기 신호를 광신호로 변조하고, 그 정보를 짊어진 광펄스 열(列)을 광파이버 전송로(2)에 출사한다. 여기에서, 신호 펄스의 펄스 폭과 그 스펙트럼 폭의 곱은 푸리에 한계조건(스펙트럼 폭을 Δν, 시간 펄스 폭을 Δτ라고 하면, 예를 들면 가우스형 펄스의 경우에는 ΔνΔτ≒0.441, sech형 펄스의 경우에는 ΔνΔτ≒0.315)을 만족하는 것이 바람직하다. 이와 같은 시간 파형에 대해서 전혀 과부족이 없는 스펙트럼 형을 가지는 광펄스는, 푸리에 한계적인 펄스(이후 트랜스 폼 리미트 펄스라고 부른다)라 불리고, 이 광펄스를 이용하는 것과 제일 성능이 좋은 이상적인 푸리에 광전송을 실현할 수 있다.

광파이버 전송로(2)는 임의 분산 및 편파 모드 분산을 가지는 각종 광파이버로 구성된 전송선로이다. 이것의 분산량은 시간적인 변동을 수반해도 좋다.

광푸리에 변환장치(3)은 광파이버 전송로(2)를 거치고 전송된 광펄스를 입사하고, 시간축 상의 펄스 신호 계열을 주파수축 상의 스펙트럼에 광푸리에 변환하는 것이다. 또한, 광푸리에 변화장치(3)은 고속 시분할 다중신호의 경우에는 저속 신호로 다중 분리한 후, 푸리에 변환을 실시하여도 좋다.

수광기(4)는 광푸리에 변환장치(3)을 따라서 광파이버 전송로 2에 있어서의 분산 및 편파 모드 분산이 보상된 광펄스를 수광(受光)하고, 이것을 전기신호로 변환하는 것이다. 수광기(4)는 예를 들면, PIN 및 APD 등의 적절한 광검출기가 이용된다.

다음으로, 이 푸리에 광전송 시스템 동작의 개요에 대해 설명한다. 광파이버 전송로(2)로 전반되는 광신호는, 일반적으로, 광시분할 다중신호가 입력된다. 본 실시 형태 동작에 관해서는, 광푸리에 변환장치(3)으로는 시분할 다중신호를 구성하는 광펄스 열이 입력되고, 광펄스 열을 구성하는 각 펄스에 주목하여 설명한다.

제2도에서, 광펄스의 시간 파형에 대한 설명도를 보여준다. 제2도 (a)~(c)는 각각 제1도 중의 광파이버 전송로 A~C 각 부분에 있어서의 광펄스 시간 파형의 개략을 나타낸다.

또한 제3도에서, 광펄스 주파수 스펙트럼 형상의 설명도를 보여준다. 제3도 (a)~(c)는 각각 제1도 중의 광파이버 전송로 A~C 각 부분에 있어서의 광펄스 주파수 스펙트럼의 개략을 나타낸다.

우선, 전기신호를 광펄스 송신기(1)에 의해 광펄스로 변환하고, 각 광펄스를 광파이버 전송로(2)에 입사하여, 각 광파이버 전송로(2) 내부를 전반시킨다. 이 광파이버 전송로(2)에 입사할 때에, 광펄스 시간 파형 u_in(t)(제2도 (a))가 푸리에 한계펄스(트랜스 폼 리미트 펄스)이도록, 광펄스 송신기(1)에 있어서 미리 주파수 스펙트럼 u_in(ω)을 정형해 두는 것이 적합하다(제3도 (a)).

광파이버 전송로(2) 내부를 전반하는 광펄스는, 통상 광파이버 전송로(2)가 가지는 분산 및 편파 모드 분산에 의해서 복잡한 선형 왜곡을 받는다. 통상의 광통신에서는 이 왜곡이 전송 성능을 결정한다. 그러나 본 실시의 형태에서는 광파이버 전송로(2)가 가지는 분산 및 편파 모드 분산은 광파이버 전송로(2)에 입사할 때의 스펙트럼 포락(包絡)형상을 전혀 변형시키지 않기 때문에, 완전한 원(原)파형을 주파수축 위에 재생할 수 있는 것이, 주요한 특징의 하나이다. 광파이버 중의 분산 효과는 스펙트럼의 각 주파수 성분의 위상 시프트로 변환되지만, 광검출기에서는 포락선만을 검출하기 때문에 이 위상 시프트는 전혀 문제가 되지 않는다. 즉, 광파이버 전송로(2)에서의 선형 왜곡을 받은 시간 신호를 u(t)(제2도 (b))라고 한다면, 광푸리에 변환장치에 의하여 그 주파수 스펙트럼 u(ω)(제3도 (b))을 시간축 위에 재생시키는 것이 포인트이다.

바꾸어 말하면, 전송되어진 광펄스의 시간 파형이 광푸리에 변환장치(3)을 통과하고, 시간과 주파수를 바꾸어 넣어 각 광펄스의 주파수 스펙트럼을 시간축 위에 재생하는 것에 의해서, 제1도 A에 있어서 광파이버 전송로 (2)에 이 입사광펄스의 주파수 스펙트럼(제3도 (a))을 출력단에 두고서 완전히 재생하는 것이 가능하게 된다(제2도 (c)). 광푸리에 변환장치(3)을 통과했던 광펄스는, 수광기(4)에 의해 다시 전기신호로 변환되고, 신호로서 추려진다. 우리들은 이 광전송 방식을 「푸리에 광전송」이라고 명명한다.

제4도에서, 광푸리에 변환장치(3)의 구성도를 보여준다. 광푸리에 변환장치(3)은, 광커플러(5), 클럭(clock)신호 추출회로(6), 위상 시프터(7), 전기 증폭기(8), 지연 파이버(9), 위상 변조기(10), 2차 분산요소(11)을 구비한다.

위상 변조기(10)으로서는 예를 들면, LibNO₃등의 전기광학 효과를 이용한 위상 변조기가 적합하게 이용된다. 위상 변조기(10)은, 또는 EA(Electronic-Absorption)나 SOA(Semiconductor Optical Amplifier) 등에 있어서의 위상변조 효과를 이용해도 좋다. 위상 변조기(10)에는 일반적으로 편파의존성이 있는 것이 많지만, 무편파형 광디바이스 또는 편파 다이버서티(diversity)에 의한 방법을 채용해서 무편파화를 도모하는 것이 바람직하다. 위상 변조기(10)의 구동 주파수는 각 펄스 전송의 전송 속도이다.

위상 변조기(10)은, 광파이버 전송로(2)의 전송 후 펄스로 동시에 일어나서 위상 변조를 인가하기 위해서, 전송신호의 일부를 광커플러에 의해 분기하여, 한쪽을 지연 파이버에, 다른 한쪽을 클럭신호 추출회로(6)에 이끈다. 클럭신호 추출회로(6)은, 전송신호에 포함되는 클럭신호(정현파신호)를 추출하고, 얻어진 클럭 주파수로 위상 시프터(7) 및 전기증폭기(8)을 지나서, 위상 변조기(10)을 구동한다. 위상 시프터 및 광지연 파이버(9)는, 그 사이 위상 변조기가 광펄스에 최적으로 동시에 일어나서 인가되도록 기능한다. 만약 변조 타이밍이 온도 등에 의해 빗나가는 경우에는, 위상 시프터(7)이 자동적으로 위상 시프터량을 조절하여, 최적의 변조를 인가하는 기술을 이용할 수 있다. 전기증폭기(8)은, 위상 시프터(7)의 출력에 의해 위상 변조기 (10)을 구동하기 위한 구동신호를 출력한다.

또한, 2차 분산요소(11)로서는, 예를 들면, 1.3 ㎛ 파장 대역 부근에 영분산 영역이 존재하는 군속도 분산특성을 가질 것 같은 단일모드 광파이버 혹은 회절격자대, 파이버 브래그 그레이팅, VIOA형 가변분산보상기, 어레이 도파로 회절격자 및 회절격자와 공간변조기의 편성 등을 이용할 수 있다.

광푸리에 변환장치 단체는, 비특허문헌 5에 기재된 광푸리에 변환에 관계된 Romagnoli 등의 논문과 같이, 원래 편파 모드 분산에 의한 군지연을 보상하기 위해 제안된 것이다. 그러나 Romagnoli 등의 논문 등의 종래기술에서는 광푸리에 변환장치를 편파 모드 분산만을 보상하는 것에 이용하고 있을 뿐이다. 따라서, 본 실시 형태의 광푸리에 변환장치(3)과 같이, 새로운 일반적인 개념으로서 시간과 주파수를 넣고 바꾸는 것에 의해 무왜곡 전송을 하는 아이디어에는, 종래는 도달하고 있지 않았다. 본 발명은 특히, 시간축 위에서의 왜곡을 스펙트럼 위에 변환하는 것에 의해 모든 선형 왜곡을 제거하는 푸리에 광전송이라고 하는 새로운 원리 및 기술을 제안하는 것이다.

２. 파형 왜곡 보상에 관한 상세

다음으로 본 푸리에 광전송 방식을 이용해서 임의의 분산 및 편파 모드 분산을 가지는 광파이버 전송로의 선형 효과에 의한 광펄스 파형 왜곡이 본 실시 형태의 구성에서 어떻게 보상되는지를 상세하게 설명한다.

광파이버 속의 펄스 전반은, 그 전송파 주파수에 비교해서 펄스 포락선이 천천히 변화하는 경우에는 포락선근사에 따라서 기술된다. 여기에서는 그 펄스의 천천히 변화하는 전계 포락선 진폭을 u(z, t), 매질 중의 전반정수를 β(ω), 반송파의 주파수를 ω₀ 라고 한다. 여기에서, ｔ는 시간, ｚ는 광파이버의 길이 방향 위치(좌표), ω는 주파수이다. 이 때 광파이버 속을 전반하는 전계 ｅ(ｚ,ｔ)는

[수학식 1]

라고 표시된다. 여기에서,

[수학식 2]

로 주어진다. 다만

이다.

광파이버와 같은 분산성 매질중에 있어서 광전계ｅ(ｚ, ｔ)는 맥스웰 방정식

[수학식 3]

을 만족하므로, 광전계 ｅ(ｚ,ｔ) 주파수 스펙트럼 E(ｚ, ω)는 다음 방정식을 만족한다(또한, 주파수 스펙트럼을, 간단하게 스펙트럼이라고 하는 경우가 있다).

[수학식 4]

여기에서 Ｅ(ｚ, ω)는,

[수학식 5]

로 주어진다. 또한 식(4)에서는, 반송 주파수파에 비교해서 펄스 스펙트럼의 확산이 그다지 크지 않기 때문에, ω²는 ω₀ ²과 근사하다.

여기에서 포락선 (ｚ, ｔ)에 관계하는 방정식이 중요하고, ｕ(ｚ, ｔ) 푸리에 변환 Ｕ（ｚ, ω－ω₀）에 관해서 생각한다. 즉 Ｅ(ｚ, ω)는 방정식 (1)과 (5)에 의해

[수학식 6]

라고 고쳐쓸 수 있다. 단 Ｕ(ｚ, ω－ω₀）는

[수학식 7]

로 주어진다.

식 (6)을 식 (4)에 대입하고, Ｕ(ｚ, ω－ω₀）가 z에 관해서 완만하게 변하고 있기 때문에 z에 관한 2회 미분을 무시하고, β²－β₀ ²≒２β₀(β－β₀）를 이용하면, Ｕ(ｚ, ω－ω₀）을 만족하는 전반 방정식으로서 다음식

[수학식 8]

을 얻을 수 있다. 여기에서 시간 영역에서의 기본 방정식에 관해 생각한다면, 식 (2)에 의해

[수학식 9]

라고 표시할 수 있다.

더욱이, 식 (9)를 역푸리에 변환하는 것에 의해, u(z, t)를 만족하는 파동방정식으로서

[수학식 10]

이 최종적으로 얻어진다. 단, 여기에서

[수학식 11]

이다(이하에서는 ω－ω₀를 다시 ω라고 정의한다).즉 전송로의 선형 효과에 의한 펄스의 시간 파형 왜곡은 식 (10)에서 완전하게 표현되게 된다.

그 한편으로, 일반적으로, 모든 선형 효과 하에서는 광신호는 주파수 영역에 있어서 위상 변화를 받아들일 뿐이고, 스펙트럼 형상은 완전히 보존되고 있는 것에 주목하고 싶다(이하 식 (12) 참조). 여기에서, 광펄스 송신기 1로부터 길이 ｚ＝ξ인 광파이버 전송로(2) 속으로 입사되는 광펄스의 광펄스의 시간 신호 파형을 u_in(t)(=u(0, t)), 그 주파수 스펙트럼을 Ｕ_in（ω）（＝Ｕ(０, ω)）라고 하고, 광파이버 전송로(2) 속에서 선형 왜곡을 받았던 시간 신호 파형을 u(t) = u(z, t), 그 주파수 스펙트럼을 U(ω)(=Ｕ(ｚ, ω)）라고 한다. 식 (8)을 적분해서, 길이 ξ인 파이버를 전반한 후의 스펙트럼은,

[수학식 12]

로 주어진다. 즉, 스펙트럼 형상은 위상변화 exp［ｉβ(ω)ξ］을 제외하고 완전히 보존된다는 것이 밝혀진다.

한편, 여기에서 길이 ξ인 광파이버 전송로(2)의 수신단 B에 있어서 시간 파형 ｕ(ξ, ｔ)로부터, 광푸리에 변환장치(3)을 이용해서 주파수 스펙트럼 Ｕ(ξ, ω)를 얻는 방법을 이하에서 서술한다. 단 이하에서는 ｕ(ξ, ｔ)를ｕ(ｔ), Ｕ(ξ, ω)를 Ｕ(ω)라고 한다.

우선, 전반 후 펄스 신호 ｕ(ｔ)가 위상 변조기(10)에 의해 방물형(放物型)의 위상변조 exp(iKｔ²／２）를 받은 후의 시간 신호는, u(t)에 그 위상변화량을 곱하고

[수학식 13]

로 주어진다. 위상 변조기(10)의 입출력 파형은, 입력이 u(t), 출력이 식 (13)의 u'(t)가 된다. 위상 변조기(10)의 처리는, 식 (13)의 우변에서 입력 파형 u(t)에 위상 exp(iKｔ²／２）을 곱하고 있는 부분에 상당한다. 위상 변조기(10)에 미리 주어 두는 파라미터는 처프율 K이다. 이것은 위상 변조기의 인가전압의 크기에 따라 제어할 수 있다. 또한, 위상변조 타이밍이나 구동 주파수에 대해서는, 클럭신호 추출회로(6)이나 위상 시프터(7), 광지연 파이버(9)를 이용해서, 전송 신호로서 이것의 정보를 추출·조정한다.

여기에서 v(t)를 2차 분산요소(11)에 의한 분산 k''L 속을 전반한 후의 신호라고 한다면, v(t)는, u'(t)가 더해져 D=k''L로 표현되어진 2차 분산(요소)을 전반 후의 시간 파형으로서, 하기와 같이 주어진다.

[수학식 14]

즉, 2차 분산요소(11)의 입력 파형은, 입력이 식 (13)의 u'(t), 출력이 식 (14)의 v(t)로 되고, v(t)는 u'(t)를 푸리에 변환한 것에 주파수축 상에서 2차 분산함수 ｅｘｐ（ｉＤω²／２）를 곱하고, 거기에 더해 그 전체를 역변환하는 것에 의해 얻어진다.

다음에, 여기에서 그 위상 변조기의 위상변조 파라미터 K=1/D를 충족시키도록 선택한다. 또한 변수 T=t'-t를 도입하면 식 (14)는 다음과 같이 변형된다.

[수학식 15]

즉, 식 (15)의 결과로부터 광푸리에 변환장치(3)의 출력시간 파형 v(t)(그림 2(c))는, 실제, 광푸리에 변환장치 3의 입력파형 스펙트럼 Ｕ(ω)(그림 3(b))에 비례하고 있는 것이 밝혀진다. 이 때

[수학식 16]

이다. 바꾸어 말하면, 광푸리에 변환장치 3의 출력시간 파형 υ(ｔ)는, 시간축을 ｔ/Ｄ＝ω라고 스케일 변환할 때의, 광푸리에 변환장치(3)의 입력파형 스펙트럼 형상 Ｕ(ω)에 대응하고 있다.

한편, 식 (12)에서 나타낸 것과 같이, 선형 전송이 스펙트럼을 보존하는 것이라는 성질로부터, 수신단 B에서의 스펙트럼 Ｕ(ω)의 포락선 형상(그림 ３(ｂ))은 송신단 Ａ에서의 신호 스펙트럼 Ｕ(０, ω)（＝Ｕ_in（ω））의 포락선 형상（그림 ３(ａ)）과 같다. 즉 식 (12) 및 (15)로부터, v(ｔ)는 최종적으로는 광파이버 전송로(2)에서의 입력신호 스펙트럼 Ｕ_in을 이용해서 식 (17)과 같이 표현된다.

[수학식 17]

즉, v(t)에 의해서, 입력 스펙트럼 Ｕ_in（ω）의 형상을 출력으로 재생할 수 있게 된다. 위상 변조기(10)과 2차 분산요소(11)의 조합으로 광펄스의 푸리에 변환상을 생성할 수 있다고 하는 것 자체는 이미 알려져 있지만, 본 발명에서는 광푸리에 변환을 위한 장치를 이용하고 파형 무왜곡 전송을 실현할 수 있다고 하는 점이 포인트이다.

그리고, 여기에서, 신호 파형이 트랜스 폼 리미트라면 주파수 스펙트럼으로부터 시간 파형을 곧 구할 수 있다는 것이 밝혀진다. 예로서, 광파이버 전송로(2)에의 입력신호 시간 파형이 가우스형 Ｕ_in(ｔ)＝Ａexp(-ｔ²／2Ｔ₀ ²) 트랜스 폼 리미트 파형인 경우를 생각한다. 가우스형 펄스는 sech형 펄스와 함께, 푸리에 변환에 의해서 파형의 함수 형태가 변하지 않는 펄스이다. 즉 그 스펙트럼은

[수학식 18]

이다. 이 때 광푸리에 변환장치(3)의 출력파형은, 식 (17)의 결과로부터, ω를 ｔ/Ｄ로 대치하고 다음 식으로 주어진다.

[수학식 19]

여기에서, 2차 분산의 절대값 ｜Ｄ｜＝Ｔ₀ ²으로 선택하고

[수학식 20]

로 된다. 수광기(4)가 구비한 통상의 광검출기에서는 광전계의 강도 Ｉ(ｔ) ＝｜ｖ(ｔ)｜²을 검출하기 때문에 식 (20)의 ｖ(ｔ)로부터 다음 식과 같이 송신단 A에서의 시간 파형 Ｕ_in(ｔ)＝Ａexp(-ｔ²／2Ｔ₀ ²) (그림 2(a))를 직접 재현하는 것이 가능해진다.

이와 같이, 파형이 가우스형인 경우, ｜Ｄ｜＝Ｔ₀ ² 이라고 선택한다면, 식 (17)에 있어서 스펙트럼 Ｕ_in(t/D)가 그대로 시간 파형 Ｕ_in(t)에 대응하고 있는 것으로부터, 결국, 광파이버 전송로의 선형 효과를 받기 전의 시간 파형을 출력 C에 있어서 시간축 위에 직접 충실히 또는 완전히 재현할 수 있는 점이 포인트이다.

일반적으로, 파형이 가우스형이 아닌 경우는, 수광기(4)의 출력으로 그 광전계의 강도 Ｉ(ｔ) ＝｜ｖ(ｔ)｜²이 다음 식과 같이 얻어진다.

이 방정식에서는 전송 왜곡이 선형이라면, 그 구체적인 종류나 크기와는 일체 관계없이 보상되는 것이 중요하다. 그 때문에, 분산값의 크기나 다이나믹한 시간 변동, 나아가 분산의 차수에 의존하지 않는다고 하는 것이 최대의 특징 중의 하나이다. 또한 솔리톤과 같은 비선형 펄스의 전송에 있어서도 스펙트럼 형상이 전반에 있어서 유지되는 것이라면, 완전히 동일하게 적용할 수 있다. 즉 솔리톤도 시간폭 Δτ와 스펙트럼폭 Δν 사이에 트랜스 폼 리미트 관계가 있기 때문에 본 방정식을 이용할 수 있다. 분산 매니지(manage)(DM) 솔리톤에 관해서도, 처프가 제로가 되는 최단 펄스의 위치 혹은 적당한 파이버를 삽입하고 강제적으로 처프를 제로로 하는 것에 의해 본 방식을 이용할 수 있다.

３. 파형 왜곡의 예

제5도는, 광펄스의 파형 왜곡과 그 보상 효과를 나타내는 그림이다. 이 그림은 본 실시 형태의 푸리에 광전송 방식에 있어서 분산보상 효과를 확인하기 위해서 비특허문헌 4의 실험 파라미터(parameter)를 이용해서 수치계산을 행한 결과를 나타낸 것이다. 이 그림에서는, 동그라미, 파선, 실선이, 각각 도 1의 A, B, C의 각 점(즉 광파이버 전송로(2) 전송 전, 전송 후, 광푸리에 변환장치(3)의 출력)에 있어서 광신호의 시간 파형을 나타내고 있다.

여기에서는, 일례로서, 제1도의 A에 대한 시간 파형은 반치전폭 380 fs 가우스형이라고 가정하였다. 또한 광파이버 전송로를 구성하는 길이 ξ＝69.4 km의 누적분산은 각각 β₂ξ＝－0.0037ps², β₃ξ＝－0.0038ps³, β₄ξ＝0.0058ps⁴이라고 가정하였다. 이 때 T₀＝228 fs이다. 이 전송로의 분산보상에 필요한 광푸리에 변환장치의 분산량 및 위상변조 파라미터는, ｜Ｄ｜(＝１/｜Ｋ｜）＝Ｔ₀ ²＝0.052ps²으로 계산된다. 광푸리에 변환장치의 2차 분산요소로서 1.3 ㎛ 영분산 모드 파이버(ｋ"＝－20ps²／km）를 이용하기로 한다면, 필요한 길이는 Ｌ＝2.6 ｍ이다. 한 대의 위상 변조기가 짧은 파이버에 의해 간단하게 파형 재생을 할 수 있는 것도 본 방식의 특징 중의 하나이다. 또한 이 때 위상 변조기의 처프율은 K=1/D=-19.2ps^-2이다.

이 전송로에 있어서 β₄의 값이 크기 때문에 4차 분산이 지배적이고, 광푸리에 변환장치에 의한 분산보상 전에는 4차 분산에 의하여 펄스가 시간축에 대칭으로 넓어져서 파형이 크게 왜곡되고 있다. 그러나 본 방식에 의한 광푸리에 변환을 행한 것에 의해서, 전송로에의 입력 시간 파형이 충실하게 재현되고 있는 것이 밝혀졌다.

제6도는 광펄스의 파형 왜곡과 보상에 관한 수식계산 결과의 다른 일례를 나타내고 있다. 이 그림은 본 실시 형태의 효과를 확인하기 위해 행하였던 수치계산 결과의 다른 일례를 나타낸 것이다. 이 그림도 동일하게 동그라미, 파선, 실선이, 각각 그림 1의 A, B, C의 각 점에 있어서 광신호의 시간 파형을 나타내고 있다. 여기에서는 그림 1의 A에 대한 시간 파형은 반치전폭 380 fs 가우스형이라 하고, 전송로를 구성하는 길이 69.4 km의 파이버 누적분산은 각각 β₂ξ＝－0.0037ps², β₃ξ＝0.1ps³, β₄ξ＝-0.0058ps⁴이라고 가정하였다. 즉, 그림 5의 분산특성에 대해서, 이 전송로에서는 4차 분산부호를 반전시키고 3차 분산을 대폭 늘렸다. 이 때문에 3차 분산의 영향이 현저하게 나타나, 광푸리에 변환장치에 의한 분산보상 전에는 시간축에 비대칭적으로 왜곡되고 있는 모양을 알게 된다. 그러나 본 방식에 의한 광푸리에 변환장치를 이용한 분산보상을 행한 것에 의해서, 광파이버 전송로에의 입력 시간 파형이 정확하게 복원될 수 있는 것을 알 수 있다.

산업상 이용가능성(발명의 효과)

이상 상세하게 설명한 것과 같이, 본 발명에 의하면, 위상 변조기와 2차 분산을 이용해 구성된 광푸리에 변환장치를 이용해서, 광파이버 전송로에 있어서 선형 왜곡을 받은 광펄스 열(列)의 시간 파형을 그 불변량인 주파수 스펙트럼으로 변환해서, 전송로 입력에 있어서의 신호 스펙트럼을 재현하고 정보를 직접 꺼낼 수 있다. 따라서 본 발명의 푸리에 광전송 방식을 이용하는 것으로 광파이버 전송로의 전반 특성에 의존하지 않고 정보를 정확하게 전송시킬 수 있게 되었다.

또한, 본 발명에 의하면 임의의 분산 및 편파 모드 분산을 가지는 광파이버 전송로의 선형 효과에 의한 광펄스 시간 파형의 파형 왜곡을 동시에 게다가 완전히 보상할 수 있고, 광파이버 통신의 통신용량 확대 및 전송거리 연장이 가능하게 된다. 또, 광파이버 전송로 분산이나 편파 모드 분산의 정밀한 제어를 전혀 필요로 하지 않기 때문에 실용적이고 경제적인 광파이버 통신을 실현할 수 있게 된다.

Claims

송신단에 있어서 광펄스를 디지털 변조하고, 광파이버 전송로 내부를 전반시켜서, 그것을 수광기에서 전기신호로 변환하는 광전송 방법에 있어서,

수광기 앞에 설치된 광푸리에 변환장치에 의해서, 광파이버 전송로를 거치고 전송된 광펄스의 시간 파형을 그 주파수 스펙트럼 형상으로 변환하는 것에 의해, 광펄스가 광파이버에 있어서 받는 모든 선형 시간 왜곡을 그 주파수 스펙트럼 형상이 보존되는 것을 이용해서 제거하고, 수광단에 있어서 원래의 신호 파형을 재현하는 것을 특징으로 하는 광전송 방법.
제1항에 있어서, 전송되는 광펄스로서, 펄스의 반치전폭과 주파수 스펙트럼 폭의 곱이 푸리에 한계조건을 충족시키는 펄스 또는 트랜스 폼 리미트인 펄스를 이용한 것에 의해, 그 시간 파형의 푸리에 변환이 그 펄스의 스펙트럼 형상에 완전히 또는 실질적으로 대응하는 것을 특징으로 하는 광전송 방법.
제1항에 있어서, 전송되는 광펄스로서, 시간 파형과 스펙트럼 파형이 같은 또는 거의 같은 광펄스를 이용하는 것을 특징으로 하는 광전송 방법.
제1항에 있어서, 광펄스로서 광솔리톤(soliton)을 이용하는 것을 특징으로 하는 광전송 방법.
제1항에 있어서, 광파이버에 있어서 펄스 왜곡의 원인이 되는 임의의 분산, 편파 모드 분산을 완전히 보상하고, 무왜곡 전송을 실현하는 것을 특징으로 하는 광전송 방법.
제1항에 있어서, 임의의 분산, 편파 모드 분산이 시간적으로 변동해도 항상 무왜곡 광전송을 실현하는 것을 특징으로 하는 광전송 방법.
송신단에 있어서 광펄스를 디지털 변조하고, 광파이버 전송로 내부를 전반시켜서, 그것을 수광기에서 전기신호로 변환하는 광전송에 사용되는 광전송 장치에 있어서,

수광기; 및

상기 수광기 앞에 설치된 광푸리에 변환 장치;

를 구비하고,

상기 광푸리에 변환 장치에 의해서, 광파이버 전송로를 거치고 전송된 광펄스의 시간 파형을 그 주파수 스펙트럼 형상으로 변환하는 것에 의해, 광펄스가 광파이버에 있어서 받는 모든 선형 시간 왜곡을 그 주파수 스펙트럼 형상이 보존되는 것을 이용해서 제거하고, 수광단에 있어서 원래의 신호 파형을 재현하는 것을 특징으로 하는 광전송 장치.
제7항에 있어서,

상기 광푸리에 변환장치는,

광파이버 전송로 전송 후의 광펄스 열(列)에 대하여, 구동 주파수가 그 펄스 전송의 전송 속도에 의해 설정되고, 광펄스 열에 동기(同期)해서 각 광펄스에 위상변조를 인가하기 위한 위상 변조기; 및

상기 위상 변조기부터 출력된 광펄스에 대하여, 군속도 분산을 주기 위한 분산 요소

를 구비하는 것을 특징으로 하는 광전송 장치.
제7항에 있어서, 상기 광푸리에 변환장치는, 위상 변조기와 분산 요소를 구비하고,

상기 위상 변조기의 위상변조 처프율 K와 분산요소의 군속도 분산 D가 K=1/D의 관계를 충족시키는 것을 특징으로 하는 푸리에 광전송 장치.
제7항에 있어서, 상기 광푸리에 변환장치는, 위상 변조기를 구비하고,

상기 위상 변조기는, LiNbO₃ 등의 전기광학효과를 이용한 소자, EA(Electro-Absorption) 또는 SOA(Semiconductor Optical Amplifier)등에 있어서 위상변조효과를 이용한 소자의 어느 한쪽을 가지는 것을 특징으로 하는 광전송 장치.
제7항에 있어서, 상기 광푸리에 변환장치는, 분산 요소를 가지고,

상기 분산요소는, 군속도 분산 특성을 가지는 단일 모드 광파이버 등의 광파이버, 회절 격자대, 파이버 브래그 그레이팅, VIPA 형 가변분산보상기, 어레이 도파로 회절격자, 및 회절격자와 공간변조기의 조합 등을 이용하는 것을 특징으로 하는 광전송 장치.
제7항에 기재한 광전송 장치에 있어서,

상기 광푸리에 변환장치는,

입력된 광펄스 열(列)의 일부를 분기하는 광커플러;

상기 광커플러에 의하여 분기된 광펄스 열의 한 방향을 입사하고, 광펄스 열을 지연하기 위한 광지연소자;

상기 광커플러에 의하여 분기된 광펄스 열의 다른 방향을 입사하고, 광펄스 열에 포함되는 클럭 신호를 추출하는 클럭 신호 추출회로;

얻어진 클럭 신호의 위상 시프트량을 조정하고 출력하기 위한 위상 시프터;

상기 지연소자로부터의 광펄스 열을 입력하고, 상기 위상 시프터로부터의 출력에 의하여 구동되고 광펄스 열을 위상 변조하는 위상 변조기; 및

상기 위상 변조기로부터의 광펄스 열을 입력하고, 광펄스에 2차 분산을 주어 상기 수광기에 출력하는 분산 요소;

를 첨가하여 구비하는 것을 특징으로 하는 광전송 장치.