JP2007114307A - チャープ切り替え回路及び光伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、送信チャープの切り替えに伴う光出力の変動を防止でき、光サージによるエラーの発生を防止できるチャープ切り替え回路及び光伝送システムを提供することを目的とする。
【解決手段】 Ｙ分岐で分岐された２系統の光信号それぞれを変調波で位相変調したのち、Ｘ分岐で合波するマッハツェンダ型変調器３０と、マッハツェンダ型変調器のＸ分岐から出力される２系統の光信号をチャープ切り替え信号に応じて合波して切り替える方向性結合器型光スイッチ３８を有する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、チャープ切り替え回路及び光伝送システムに関し、特に、送信チャープを切り替えるチャープ切り替え回路及び光伝送システムに関する。

光伝送システムは伝送容量の増大の必要性から、高速化（ビットレートの増加）、そして、１本の光ファイバに複数信号を異なる波長に載せ波長多重化、長距離化という方向で技術開発がすすめられている。

高速化がすすむと、信号の変調によるスペクトル広がりが伝送路のもつ分散とあいまって、伝送波形が歪むことにより、その伝送距離が制限される。この波形の歪は、送信部のもつチャープ（時間に依存した波長のシフト）と、伝送路分散及び伝送路のもつ非線形性により発生するチャープの相互関係に依存する。

マッハツェンダ（ＭＺ）型変調器は２方向の導波路における位相変調の比率を変えることにより送信器の出力のチャープ（時間に対する波長シフト）を調整することができる。送信器で発生するチャープは、伝送路のもつ分散、チャープとあいまることによりパルス圧縮または広がりを発生させるため、伝送路条件により、ほどよい送信器出力チャープを選ぶことで、分散による伝送距離制限を緩和させることが可能となる。

したがって、例えば距離などの伝送路条件が異なる経路に、信号を切り替えるというような場合に、マッハツェンダ型変調器のチャープを切り替えたいという必要性が生じる場合がある。例えば、図１に示すようなリング構成の光伝送システムにおける現用側（ワーク）パスと予備側（プロテクション）パスの切り替えなどである。

図１（Ａ），（Ｂ）において、リング状に接続されたノード１０ａ〜１０ｆにより光伝送システムが構成されている。各ノード１０ａ〜１０ｆでは光増幅及び分散補償を行っている。送信部１１から受信部１２に光信号を送信する場合、通常、ノード１０ｂは図１（Ａ）に示すようにノード１０ａから時計回りにノード１０ｂに至る現用側パスＡを選択する。

ノード１０ａ，１０ｂ間の光伝送路に障害が発生すると、図１（Ｂ）に示すようにノード１０ａから反時計回りにノード１０ｆ，１０ｅ、１０ｄ，１０ｃの経路でノード１０ｂに至る予備側パスＢに切り替える。

ここで、図２に示すように、パスＡにおける残留分散が負であるのに対し、パスＢにおける残留分散が正であるものとする。残留分散とチャープの符号の関係は図３に示すように、残留分散が負の場合チャープは正が適しており、残留分散が正の場合チャープは負が適している。このため、パスＡからパスＢに切り替える場合には、送信チャープを正から負に切り替える必要がある。

図４は、従来のマッハツェンダ型光変調器を用いたチャープ切り替え回路の一例の構成図を示す。マッハツェンダ型光変調器は光源１５から入力した光をＹ分岐１６で２つの異なる光導波路１７，１８に分離し、光導波路１７，１８それぞれで位相を変調し、再びＹ分岐１９で合波させることにより、その位相差を光出力のオン／オフに変換する。図５にマッハツェンダ型光変調器を用いたチャープ切り替え回路の入出力特性と入出力信号波形を示す。マッハツェンダ型光変調器では、高速駆動回路２１で入力信号（電気信号）の論理を反転させると同時に、動作点安定化回路２２でマッハツェンダ変調器の動作点をシフトさせて送信チャープを反転させている。

一方、各ノード１０ａ〜１０ｆの光増幅器はその応答が時間依存性をもつため、入力が変化すると出力が変化し、その変化量が累積していく場合がある。このような光の変動は受信側あるいは途中の経路にある光部品に過負荷を与え、ダメージを与える場合が考えられる。光増幅器をもち、かつ伝送路条件が異なる経路に対するチャープの切り替えを行う場合には、チャープの切り替えに伴う光出力の変動はできるだけ抑制したい。

なお、特許文献１には、チャープ極性に合わせて、マッハツェンダ光変調器の動作点を変化させることで、極性が反転されたチャープ光信号を得ることが記載されている。
特開平１１−２６６２００号公報

マッハツェンダ型光変調器の送信チャープを切り替えるために、入力信号の論理を反転させると同時にマッハツェンダ変調器の動作点をシフトさせる必要がある。マッハツェンダ型光変調器は、図６に示すように、周期的にくりかえす通過特性を有するため、送信チャープの切り替え時に、送信チャープが正（α＞０）の状態ａから、通過特性のトップ（またはボトム）状態ｂを通過して、送信チャープが負（α＜０）の状態ｃに遷移することになる。

この過程において、送信部の出力は高く（あるいは低く）なることになる。従って、送信チャープの切り替えに伴い必然的に光出力の時間的な変動が発生することになる。この光出力の時間的な変動が、各ノードに光増幅器をもつ光伝送システムに用いられると、図７に示すように、光増幅器の入力変動で光サージが発生し累積することにより、伝送後に受信側でエラーが発生する等の問題があった。

あるいは、これを防ぐために 各ノード光増幅器を一旦動作停止させるなどの操作が必要になり、切り替え時間が長くなるという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、送信チャープの切り替えに伴う光出力の変動を防止でき、光サージによるエラーの発生を防止できるチャープ切り替え回路及び光伝送システムを提供することを目的とする。

本発明の一実施態様のチャープ切り替え回路は、Ｙ分岐で分岐された２系統の光信号それぞれを変調波で位相変調したのち、Ｘ分岐で合波するマッハツェンダ型変調器と、
前記マッハツェンダ型変調器のＸ分岐から出力される２系統の光信号を任意に切り替える方向性結合器型光スイッチを有することにより、送信チャープの切り替えに伴う光出力の変動を防止できる。

また、前記チャープ切り替え回路において、
前記マッハツェンダ型変調器は、前記チャープ切り替え信号に応じて前記変調波の変調度を変えて前記２系統の光信号の位相変調を行うことによりチャープの絶対値を調整することができる。

本発明の一実施態様の光伝送システムは、
現用側パスの経路に異常があった場合に予備側パスに切り替える光伝送システムにおいて、
前記現用側パス及び予備側パスに光信号を送信する送信部に請求項１または２記載のチャープ切り替え回路を設け、
前記現用側パスから予備側パスへの切り替えと同時に、必要に応じて前記チャープ切り替え回路で送信チャープを切り替えることにより、光サージによるエラーの発生を防止できる。

また、前記光伝送システムにおいて、
全てのパスの送信チャープの符号が予め設定されている。

また、前記チャープ切り替え回路において、
前記マッハツェンダ型変調器及び前記方向性結合器型光スイッチにＬｉＮｂＯ_３を用いることができる。

本発明によれば、送信チャープの切り替えに伴う光出力の変動を防止でき、光サージによるエラーの発生を防止できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。

＜実施形態＞
図８は本発明のチャープ切り替え回路の一実施形態の構成図を示し、図９はそのブロック図を示す。図８及び図９において、マッハツェンダ型光変調器３０は光源３１から入力した光をＹ分岐３２で２つの異なる光導波路３３，３４に分離し、光導波路３３，３４それぞれの位相変調器３３ａ，３４ａで位相を変調し、再びＸ分岐３５で合波させ、光導波路３６，３７に導く。光導波路３６，３７それぞれに進んだ光は方向性結合器型光スイッチ３８に入力され、方向性結合器型光スイッチ３８から一方の光導波路３９に出力される。なお、光導波路４０はダミーである。

光導波路３３，３４の位相変調器３３ａ，３４ａそれぞれには高速駆動回路４２から周波数ＧＨｚオーダーの変調信号が供給される。高速駆動回路４２は、図１０に示すように、変調信号とチャープ切り替え信号を供給され、チャープ切り替え信号が値０のとき変調信号を非反転で出力し、チャープ切り替え信号が値１のとき変調信号を反転して出力する論理反転部４３と、論理反転部４３の出力する変調信号を供給されて増幅し出力するドライバ４４から構成されている。また、方向性結合器型光スイッチ３８の位相変調器３８ａにはチャープ切り替え信号が供給される。位相変調器３３ａ，３４ａ及び３８ａとしては、ＬｉＮｂＯ_３またはＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰまたはＧａＮ等を用いる。

マッハツェンダ型光変調器３０のＸ分岐３５から後の２方路の光導波路３６，３７における光信号は互いに相補する光出力が得られる。つまり、一方がオンの場合にもう一方の出力はオフになる。それに対して、位相はＸ分岐の両方とも同じになる。従って、位相関係は同一で光の出力は逆転する異なる光出力が得られる。図１１にマッハツェンダ型光変調器３０の入出力特性と、変調信号及び光導波路３３，３４出力波形、位相及びチャープ波形を示す。

ここで、チャープ量を表わすパラメータであるαパラメータは、光強度Ｓ、光の位相φとすると、（１）式で表わされる。

α＝２・Ｓ（δφ／δｔ）／（δＳ／δｔ） …（１）
（１）式において、分母のδＳ／δｔが光導波路３６，３７出力で逆の関係にあることから、Ｘ分岐の２出力のチャープは反転していることがわかる。

なお、光導波路３３，３４それぞれの電界強度をＥ_１（ｔ，ｚ＝０），Ｅ_２（ｔ，ｚ＝０）、入力光強度をＳ_０、光導波路３３，３４それぞれの位相変調効率をη_ａ，η_ｂとすると、チャープ量αは次のように定義される。なお、ω_０は光の角周波数、Ｖ（ｔ）は電圧、Ｖ_πはＭＺ変調器のＶパイ電圧、α_ＭＺはＭＺ型変調器のαパラメータである。

次に、方向性結合器型光スイッチ３８の特性について検討する。方向性結合器型光スイッチ３８は２つの光導波路３６，３７に位相差を生じさせ、その位相差により出力する光導波路の方路を選択するものである。このとき、２方路の出力（光導波路３９，４０）の光強度の合計は２方路の入力（光導波路３６，３７）の光強度の合計に等しいという特性をもつ。

マッハツェンダ変調器３０のＸ分岐３５における２方路の出力（光導波路３６，３７）を光方向性結合型３８の２つの導波路の入力（光導波路３６，３７）に直結しているため、光導波路３９，４０の光強度の合計は光導波路３６，３７の光強度の合計を保った状態（すなわち一定）で、その比率を切り替える動きをするものになる。

ここで Ｘ分岐３５の出力は チャープが反転しているが、平均光出力は同じになる。従って、方向性結合器型光スイッチ３８の切り替えの間における一方の光導波路３９出力は一定値を保つことができる。すなわち、スイッチを切り替える間の光出力の変動はない。図１２に切替え時の光導波路４０における光導波路３６成分の光強度を破線で示し、光導波路３７成分の光強度を実線で示す。

光導波路３６，３７の光強度をＩｉｎ１，Ｉｉｎ２、光導波路４０，３９の光強度をＩｏｕｔ１，Ｉｏｕｔ２とし、光方向性結合型３８の混合比率をａとすると、以下の式が成立する。

Ｉｉｎ１＋Ｉｉｎ２＝Ｉｏｕｔ１＋Ｉｏｕｔ２
Ｉｏｕｔ１＝ａ・Ｉｉｎ１＋（１−ａ）・Ｉｉｎ２
Ｉｏｕｔ２＝（１−ａ）・Ｉｉｎ１＋ａ・Ｉｉｎ２
ここで、Ｉｉｎ２＝Ｉｉｎ１とすると
Ｉｏｕｔ２＝Ｉｉｎ１
ただし、Ｉｉｎ１もＩｉｎ２も変調信号なので厳密には時間に対して変化しているが、変調速度は十分に速いため平均パワーで議論してよい。

図１３はチャープ切り替えのシーケンスを示す。時点ｔ１でチャープ切り替え信号の値が０から１（または１から０）に変化する。時点ｔ２で方向性結合器型光スイッチ３８は切り替えを開始し、時点ｔ３で論理反転部４３は論理反転を開始する。その後、時点ｔ５で論理反転部４３は論理反転を終了し、時点ｔ６で方向性結合器型光スイッチ３８は切り替えを終了する。なお、時点ｔ２〜ｔ６の時間は例えば１０数ｍｓｅｃ〜数１０ｍｓｅｃであり、光伝送システムでパス切り替えに許容されている時間内である。

このように、上記実施形態においては、光導波路３９から出力する光信号の送信チャープを反転させる際に、光信号の強度が時間的な変動を防止することができる。

図１４を用いて、リング構成の光伝送システムにおける現用側パスと予備側パスの切り替えについて説明する。図１４（Ａ），（Ｂ）において、リング状に接続されたノード５０ａ〜５０ｆにより光伝送システムが構成されている。各ノード５０ａ〜５０ｆでは光増幅及び分散補償を行っている。送信部５１から受信部５２に光信号を送信する場合、通常はノード５０ｂにおいて、図１４（Ａ）に示すようにノード５０ａから時計回りにノード５０ｂに至る現用側パスＡを選択する。この場合の送信部５１における送信チャープαは負である。

ノード５０ａ，５０ｂ間の光伝送路に障害が発生すると、ノード５０ｂは信号断を検出し、監視制御部（ＯＳＣ）５３を経由してノード５０ａ及び送信部５１に通知する。

送信部５１は送信チャープαを正に切り替え、ノード５０ａは図１４（Ｂ）に示すようにノード５０ａから反時計回りにノード５０ｆ，５０ｅ、５０ｄ，５０ｃの経路でノード５０ｂに至るパスＢに切り替える。また、ノード５０ｂにおいて、ノード５０ａから時計回りにノード５０ｂに至る予備側パスＢを選択する。

なお、監視制御部５３には、全てのパスについて送信チャープの符号は正負のいずれが最適であるかを予め設定されている。
（付記１）
Ｙ分岐で分岐された２系統の光信号それぞれを変調波で位相変調したのち、Ｘ分岐で合波するマッハツェンダ型変調器と、
前記マッハツェンダ型変調器のＸ分岐から出力される２系統の光信号をチャープ切り替え信号に応じて合波して切り替える方向性結合器型光スイッチを
有することを特徴とするチャープ切り替え回路。
（付記２）
付記１記載のチャープ切り替え回路において、
前記マッハツェンダ型変調器は、前記チャープ切り替え信号に応じて前記変調波の変調度を変えて前記２系統の光信号の位相変調を行うことによりチャープの絶対値を調整することを特徴とするチャープ切り替え回路。
（付記３）
現用側パスの経路に異常があった場合に予備側パスに切り替える光伝送システムにおいて、
前記現用側パス及び予備側パスに光信号を送信する送信部に付記１または２記載のチャープ切り替え回路を設け、
前記現用側パスから予備側パスへの切り替えと同時に、必要に応じて前記チャープ切り替え回路で送信チャープを切り替えることを特徴とする光伝送システム。
（付記４）
付記３記載の光伝送システムにおいて、
全てのパスの送信チャープの符号が予め設定されていることを特徴とする光伝送システム。
（付記５）
付記１または２記載のチャープ切り替え回路において、
前記マッハツェンダ型変調器及び前記方向性結合器型光スイッチにＬｉＮｂＯ_３を用いたことを特徴とするチャープ切り替え回路。
（付記６）
付記１または２記載のチャープ切り替え回路において、
前記マッハツェンダ型変調器及び前記方向性結合器型光スイッチにＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰを用いたことを特徴とするチャープ切り替え回路。
（付記７）
付記１または２記載のチャープ切り替え回路において、
前記マッハツェンダ型変調器及び前記方向性結合器型光スイッチにＧａＮを用いたことを特徴とするチャープ切り替え回路。

従来のリング構成の光伝送システムにおける現用側パスと予備側パスの切り替えを説明するための図である。 伝送距離と残留分散の関係を示す図である。 伝送距離とチャープの関係を示す図である。 従来のマッハツェンダ型光変調器を用いたチャープ切り替え回路の一例の構成図である。 マッハツェンダ型光変調器を用いたチャープ切り替え回路の入出力特性と入出力信号波形を示す図である。 従来のチャープ切り替えと出力変動を説明するための図である。 光増幅器の入力変動による光サージ発生を説明するための図である。 本発明のチャープ切り替え回路の一実施形態の構成図である。 本発明のチャープ切り替え回路の一実施形態のブロック図である。 高速駆動回路の一実施形態のブロック図である。 マッハツェンダ型光変調器の入出力特性と、変調信号及び光導波路出力波形、位相及びチャープ波形を示す図である。 方向性結合器型光スイッチの特性を示す図である。 チャープ切り替えのシーケンスを示す図である。 リング構成の光伝送システムにおける現用側パスと予備側パスの切り替えを説明するための図である。

符号の説明

３０ マッハツェンダ型光変調器
３１ 光源
３２ Ｙ分岐
３３，３４，３６，３７，３９ 光導波路
３５ Ｘ分岐
３８ 方向性結合器型光スイッチ
４２ 高速駆動回路
４３ 論理反転部
４４ ドライバ
５０ａ〜５０ｆ ノード
５１ 送信部
５２ 受信部

Claims (5)

1. Ｙ分岐で分岐された２系統の光信号それぞれを変調波で位相変調したのち、Ｘ分岐で合波するマッハツェンダ型変調器と、
   前記マッハツェンダ型変調器のＸ分岐から出力される２系統の光信号をチャープ切り替え信号に応じて合波して切り替える方向性結合器型光スイッチを
   有することを特徴とするチャープ切り替え回路。
2. 請求項１記載のチャープ切り替え回路において、
   前記マッハツェンダ型変調器は、前記チャープ切り替え信号に応じて前記変調波の変調度を変えて前記２系統の光信号の位相変調を行うことによりチャープの絶対値を調整することを特徴とするチャープ切り替え回路。
3. 現用側パスの経路に異常があった場合に予備側パスに切り替える光伝送システムにおいて、
   前記現用側パス及び予備側パスに光信号を送信する送信部に請求項１または２記載のチャープ切り替え回路を設け、
   前記現用側パスから予備側パスへの切り替えと同時に、必要に応じて前記チャープ切り替え回路で送信チャープを切り替えることを特徴とする光伝送システム。
4. 請求項３記載の光伝送システムにおいて、
   全てのパスの送信チャープの符号が予め設定されていることを特徴とする光伝送システム。
5. 請求項１または２記載のチャープ切り替え回路において、
   前記マッハツェンダ型変調器及び前記方向性結合器型光スイッチにＬｉＮｂＯ_３を用いたことを特徴とするチャープ切り替え回路。

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