JP4237527B2 - 波長多重光伝送システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバと光増幅器から構成される伝送路を使用した、ポイントツーポイントあるいはセンターノードと複数のリモートノードからなるリング状の長距離光伝送システム、短中距離の転送系伝送システム、あるいはＭＡＮ、ＬＡＮにおける波長多重光伝送技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の波長多重光伝送システムでは、図１に示すように、光ファイバ１と複数の光増幅器２から構成される伝送路３の両端に、固定的な周波数選択性を有する光合分波器、具体的には回折格子型、干渉膜フィルタ型、光導波路形、ファブリペロエタロン形等の光合分波器からなる波長多重分離部４が設けられ、さらにその先に１０Ｇルータ、ギガビットイーサ、２．５Ｇ端局、６００Ｍ端局等の多重する各光信号のノードが設けられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述した光合分波器の場合、図２に示すように多重する光信号の波長間隔が固定的、即ち通過周波数の帯域が固定的であるため、図１のように伝送容量の異なる光信号を多重した場合、使われない伝送帯域が生じる。すなわち必要な伝送容量に応じた柔軟で効率的な波長の配置や設定が行えないという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、ユーザあるいはネットワーク運営者が必要とする任意の伝送容量を伝送路間に設定でき、複数ユーザのそれぞれの帯域の光信号を効率的に一本の光ファイバに波長多重して伝送かつ分離可能にすることにある。
【０００５】
また本発明の目的は、前記目的の実現に際し、コヒーレント検波（ここではホモダイン検波）に必要な高価な局発光用の光源のコストを抑え、経済的なシステムを実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を実現するために本発明においては、波長多重分離部として周波数選択性が無く汎用品で簾価な光パワースプリッタ（光カプラと同義）を用いるとともに信号検出手段としてホモダイン検波技術を用い、電気信号段における帯域可変の電気フィルタ（ローパスフィルタ）により所要の帯域成分を抜き取る。この時、ホモダイン検波のために必要な局発光用の光源として、元々実装されている双方向伝送のための光信号送信用の光源を共用し低コスト化を実現する。
【０００７】
また、ホモダイン検波用の局発光として共用される送信用の光源を波長可変光源とすることにより、任意の波長帯に必要な伝送容量の光信号を波長多重分離可能とする。
【０００８】
あるいは送信用の光源とは別に搭載したホモダイン検波用の局発光用光源を波長可変光源とすることにより、任意の波長帯に必要な伝送容量の光信号を波長多重分離可能とする。
【０００９】
さらに送信用の光源を局発光用の光源として共用する場合、伝送路への光出力をできるだけ減じないようにするため、局発光出力は小さくせざるを得ない。このために受信光信号の光電力分岐手段（光パワースプリッタ）の損失を含む受信端側の光増幅器からフォトダイオード（ＰＤ）までの光減衰率Γの値の設定条件を最適化することにより、低い局発光出力においても所要の信号対雑音比を確保する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図３は長距離伝送用の双方向ポイントツーポイントシステムに本発明を適用した場合の概要を示すものであり、ここではそのうちの一方向のみ（図面に向かって光信号が左側から右側へ進む方向）に対応する部分を示す。
【００１１】
図中、１は光ファイバ、２は光増幅器、３は伝送路、１１は周波数選択性の無い光パワースプリッタ、１２は光送信部、１３はホモダイン検波による信号検出を行って受信光信号を電気信号に変換するホモダイン検波器、１４はホモダイン検波器１３の出力から所望の帯域の波長の電気信号を取り出す電気フィルタ（ローパスフィルタ）である。
【００１２】
光送信側においては、１０Ｇルータ、ギガビットイーサ、あるいは２．５Ｇ、１０Ｇ等の様々な伝送容量を持つ各伝送端局装置（図示せず）からの電気信号を、複数の光送信部１２によりＰＳＫやＤＰＳＫあるいはＡＳＫといった変調を施した、それぞれ波長の異なる光信号に変換するとともに、周波数選択性の無い光パワースプリッタ１１で合波する。
【００１３】
合波された光信号は、光ファイバ１及び複数の光増幅器２から構成される伝送路３を伝送し、光受信側で、同じく周波数選択性の無い光パワースプリッタ１１により分割される。分割されたそれぞれの光には送信された全ての信号波長成分が含まれている。
【００１４】
分割された光は、それぞれの波長に対応した局発光が入力された複数のホモダイン検波器１３に入力され、ホモダイン検波されて、必要とするベースバンドの電気信号として取り出される。ホモダイン検波器１３からの信号は、さらにローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４により隣接する波長帯の信号が除去され、対応するルータや端局装置（図示せず）に入力される。
【００１５】
図４は本発明の波長多重光伝送システムの実施の形態を示すもので、ここでは双方向伝送のために上り下り別々の伝送路が準備された通常の光ファイバ伝送システムに対応する例を示す。
【００１６】
図中、２０Ａ，２０Ｂは光送信部、３０Ａ，３０Ｂは光受信部であり、これらは同一の波長を光信号を使用する双方向の伝送系を構成する。光送信部２０Ａ，２０Ｂは、レーザダイオード（ＬＤ）及びその駆動回路からなる送信用光源２１と、局発光供給用光パワースプリッタ２２と、変調器２３とからなり、また、光受信部３０Ａ，３０Ｂは、受信信号光と局発光を合波するためのハーフミラー３１と、フォトダイオード（ＰＤ）及び受信回路からなるホモダイン検波器３２と、ローパスフィルタ３３とからなっている。なお、光パワースプリッタ１１は光受信部３０Ａの直前にあるもののみ図示したが、実際には他の光受信部の直前及び光送信部の直後にも存在する。
【００１７】
図４では光送信部２０Ａからの変調前の光信号の一部を光受信部３０Ａのホモダイン検波に必要な局発光として利用でき、また、光送信部２０Ｂからの変調前の光信号の一部を光受信部３０Ｂのホモダイン検波に必要な局発光として利用できる構成としている。
【００１８】
ここで、送信用光源２１として波長可変光源を用いることができる。また、送信用光源とは独立に局発用波長可変光源を搭載させても良い。さらにローパスフィルタ３３は電気フィルタであるから、容易に帯域を可変させることができる。このような構成により伝送容量の異なる信号を多重する場合、図２に示したような使われない伝送帯域を生じさせることなしに必要容量に応じた柔軟で効率的な波長の配置や設定が行える。
【００１９】
図５はセンターノードと複数のリモートノードからなるリングシステムに本発明を適用した場合の概要を示すもので、図中、４１，４２は上り下りのリングファイバ、４３はセンターノード、４４はリモートノードである。
【００２０】
光分岐用の光カプラは、リモートノード４４内に実装される場合と、リングファイバ４１，４２上に外置きされる場合とがある。どちらの場合も上りの光信号の一部を下りのホモダイン検波用の局発光として用いる構成を示している。リモートノード４４内の構成はポイントツーポイントの場合の光送信部と光受信部とを併せた構成であり、また、センターノード４３内の構成は各波長の信号に対応したポイントツーポイントの場合の光送信部と光受信部と光パワースプリッタとを併せた構成である。
【００２１】
本発明では、低い局発光レベルでも所要の信号対雑音比（ＳＮＲ）を満足させることが重要になる。
【００２２】
図６は本発明の波長多重光伝送システムを説明するために受信部における信号対雑音比を求めるための説明図である。以下、信号対雑音比（ＳＮＲ）を導出し、局発光パワーが小さい場合にも所要のＳＮＲを得るための条件を算出する。
【００２３】
図６に示すように、受信側の光パワースプリッタ１１の損失を含む受信端の光増幅器２ｋからホモダイン検波器のフォトダイオード（受光素子）までの光損失（光減衰率で定義）をΓとして、光増幅多中継ＷＤＭシステムでホモダイン検波した時のＳＮＲを求めると、
ＳＮＲ（Γ）＝４Ｔ₀〈ｎ_in〉／｛２Ｋｎ_sp＋（１／ＧΓ）
＋（Ｎ_c／〈ｎ_LO〉）｝ ……（１）
となる（但し、Ｇ−１＝Ｇが成り立つほどＧは大きいとする）。
【００２４】
ここで、Ｎｃは
Ｎ_c＝〈ｎ_in〉＋ｍ_tＫｎ_spΔｆ＋２Ｋ〈ｎ_in〉ｎ_spＧΓ
【００２５】
＋ｍ_tＫ²ｎ_sp ²ＧΓΔｆ＋σ_th ²／（ＧΓ） ……（２）
であり、回路の熱雑音をあらわす電子数のゆらぎである分散σ_th ²は等価入力換算雑音電流密度をｉ_th ²とするとｉ_th ²＝２ｅ²σ_th ²である。その他の記号の定義は表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
次に、式（１）で与えられるＳＮＲを最大とする光減衰率Γを求める。式（１）をΓで微分して∂ＳＮＲ（Γ）／∂Γ＝０となる条件から最適Γ_optを求めると
Γ_opt＝（１／Ｇ）｛（〈ｎ_LO〉＋σ_th ²）
／（２Ｋｎ_sp〈ｎ_in〉＋ｍ_tＫ²ｎ_sp ²Δｆ）｝^1/2 ……（３）
が得られる。
【００２８】
式（３）で示される条件を物理的に説明すると、
局発光のショット雑音電力＋熱雑音電力
＝信号〜ＡＳＥビート雑音電力＋ＡＳＥ〜ＡＳＥビート雑音電力
即ち、
〈ｎ_LO〉＋σ_th ²
＝２Ｋｎ_sp（ＧΓ）²〈ｎ_in〉＋ｍ_tＫ²ｎ_sp ²（ＧΓ）²Δｆ ……（４）
ということになる（但し、「熱雑音電力」とはホモダイン検波器の受光素子以降の回路の熱雑音電力であり、「信号〜ＡＳＥビート雑音電力」とは信号光と伝送路中の複数の光増幅器から生じる自然放出光（ＡＳＥ）とのビート雑音電力であり、「ＡＳＥ〜ＡＳＥビート雑音電力」とはＡＳＥとＡＳＥとのビート雑音電力である。）。
【００２９】
この条件を満足する時、ＳＮＲは最大になる。このΓに関する条件が本発明の特徴的な構成要件である。具体的な値でその効果を示す。表１に示した値を用いて計算したＳＮＲを図７に示す。図７でＰ_Lは局発光レベルであるが−２０ｄＢｍという小さな値でも最適Γに設定することでＳＮＲを最大化させＳＮＲを例えば２０ｄＢ以上にすることができる。
【００３０】
図８は所要のＳＮＲを２０ｄＢと仮定した場合に可能となる分岐数を示している。Ｐ_L＝０ｄＢｍの場合の例であるが、結合損失等の過剰損失をα（光透過率で定義）とし、光分岐数をｎとするとΓ（ｄＢ）は
−１０ｌｏｇΓ＝−１０ｌｏｇα＋１０ｌｏｇｎ（ｄＢ） ……（５）
となる。図８ではαを１０ｄＢとした場合でも１０２４分岐が可能であることを示している。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、光パワースプリッタとホモダイン検波の組み合わせにおいて局発光と送信光源の共用化により低コストに任意帯域の設定が可能な波長多重伝送システムを構成できる。
【００３２】
図９は本発明の波長多重伝送システムによる帯域利用状況の一例を示すものである。従来、固定的であった波長配置を柔軟に変更し、効率的にユーザの必要容量に応じた帯域設定が可能となる。特に電気段フィルタの急峻で安定したフィルタ特性により、従来と比較して高密度に波長多重が可能となり、周波数利用効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の波長多重伝送システムの一例を示す構成図
【図２】従来の波長多重伝送システムにおける帯域利用状況の一例を示す説明図
【図３】ポイントツーポイントシステムに本発明を適用した場合の概要を示す構成図
【図４】 本発明の波長多重光伝送システムの実施の形態を示す構成図
【図５】リングシステムに本発明を適用した場合の概要を示す構成図
【図６】本発明のシステムにおける光受信部の信号対雑音比を求めるための説明図
【図７】光減衰量ΓとＳＮＲの関係を示すグラフ
【図８】所要のＳＮＲを２０ｄＢと仮定した場合に可能となる可能な分岐数を示すグラフ
【図９】本発明の波長多重伝送システムによる帯域利用状況の一例を示す説明図
【符号の説明】
１：光ファイバ、２：光増幅器、３：伝送路、１１：光パワースプリッタ、１２，２０Ａ，２０Ｂ：光送信部、１３，３２：ホモダイン検波器、１４，３３：ローパスフィルタ、２１：送信用光源、２２：局発光供給用光パワースプリッタ、２３：変調器、３０Ａ，３０Ｂ：光受信部、３１：ハーフミラー、４１，４２：上り下りのリングファイバ、４３：センターノード、４４：リモートノード。

Claims (1)

1. 光ファイバと複数の光増幅器から構成される伝送路を用いて複数の波長の異なる光信号を伝送する波長多重光伝送システムであって、
   伝送路の両端に波長多重分離部として周波数選択性の無い光パワースプリッタを設け、
   さらに受信側の光パワースプリッタの後段にホモダイン検波による信号検出を行って受信光信号を電気信号に変換するホモダイン検波器と、該ホモダイン検波器の出力から所望の帯域の波長の電気信号を取り出す電気フィルタとを設けた波長多重光伝送システムにおいて、
   前記ホモダイン検波器の受光素子に入力される、信号光と前記複数の光増幅器から生じる自然放出光（ＡＳＥ）とのビート雑音電力及びＡＳＥとＡＳＥとのビート雑音電力の和が、
   前記ホモダイン検波器に入力される局発光のショット雑音電力及び前記受光素子以降の回路の熱雑音電力の和に等しくなるように、
   前記受信側の光パワースプリッタの損失を含む、最も受信端寄りの光増幅器の出力端子から前記受光素子までの光減衰率の値を設定した
   ことを特徴とする波長多重光伝送システム。

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