JP3289657B2 - Optical communication device - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ伝送路
を介して長距離および大容量の信号伝送を行う光通信装
置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical communication device for transmitting a long-distance and large-capacity signal via an optical fiber transmission line.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光ファイバ伝送路を用いた光通信装置
は、光ファイバが伝送媒体として低損失および広帯域で
あることから、超大容量通信ネットワークを支える技術
として注目されている。2. Description of the Related Art An optical communication apparatus using an optical fiber transmission line has been attracting attention as a technique for supporting an ultra-large-capacity communication network because an optical fiber has a low loss and a wide band as a transmission medium.
【０００３】光通信装置の構成要素は、入力電気信号を
光信号に変換する光送信部と、光ファイバ伝送路と、受
信光信号を電気信号に変換する光受信部である。光送信
部では、半導体レーザを直接変調するか、または光変調
器を用いて連続光を外部変調する構成により、入力ディ
ジタル信号に応じた光パルス列を生成し、光ファイバ伝
送路に送出する。光ファイバ通信を高速化するために
は、より時間幅の短い光パルスを生成する必要がある。
例えば、１Ｇbit/s の伝送速度では光パルス幅が１ｎｓ
となり、伝送速度が 100Ｇbit/s になると光パルス幅が
10ｐｓ以下の光パルスを生成する必要がある。最近で
は、モードロックレーザなどを用いてサブピコ秒オーダ
ーの光パルスを比較的容易に生成できるようになってお
り、このような短光パルスを用いて 100Ｇbit/s を越え
る超高速光伝送も可能になっている。[0003] The components of the optical communication device are an optical transmitter for converting an input electric signal into an optical signal, an optical fiber transmission line, and an optical receiver for converting a received optical signal into an electric signal. The optical transmitter generates an optical pulse train corresponding to an input digital signal by directly modulating a semiconductor laser or externally modulating continuous light using an optical modulator, and sends out the optical pulse train to an optical fiber transmission line. In order to speed up optical fiber communication, it is necessary to generate an optical pulse having a shorter time width.
For example, at a transmission rate of 1 Gbit / s, the optical pulse width is 1 ns.
When the transmission speed becomes 100 Gbit / s, the optical pulse width becomes
It is necessary to generate an optical pulse of 10 ps or less. Recently, it has become relatively easy to generate sub-picosecond-order optical pulses using mode-locked lasers, etc., and ultra-high-speed optical transmission exceeding 100 Gbit / s is possible using such short optical pulses. Has become.
【０００４】ところで、数百Ｇbit/s の光信号を生成す
ること自体は可能になってきたが、超高速光信号を数千
ｋｍに渡って伝送するためには解決すべき問題が残され
ている。まず、電気回路による速度制限がある。光ファ
イバ通信では、多重化回路、レーザ駆動回路、受光回
路、多重分離回路等の電気回路を必要とするが、これら
は数十Ｇbit/s 以上に高速化することは現時点では困難
である。Although it has become possible to generate an optical signal of several hundred Gbit / s, there are still problems to be solved in order to transmit an ultra-high-speed optical signal over several thousand km. I have. First, there is a speed limitation by an electric circuit. Optical fiber communication requires electrical circuits such as a multiplexing circuit, a laser driving circuit, a light receiving circuit, and a demultiplexing circuit, but it is difficult at present to increase the speed to several tens of Gbit / s or more.
【０００５】次に、光ファイバの分散によるパルス広が
りの問題がある。光ファイバ中を伝搬する光パルスは、
光ファイバがもつ分散によってパルス広がりを生じる。
このパルス広がりが伝送距離と伝送速度を制限する。ま
た、伝送速度が高速化して光パルスのピーク電力が大き
くなると、自己位相変調と呼ばれる非線形光学効果が光
ファイバ中で顕著になり、短光パルスのスペクトル幅が
広がり、さらに群速度分散の影響をうけてパルス広がり
を生じる原因となる。伝送距離を長くしようとすると、
光損失を補償するために大きなピーク電力の光を光ファ
イバに入力する必要があり、その場合も非線形光学効果
に起因する伝送波形歪みが生じてしまう。Next, there is a problem of pulse spread due to dispersion of the optical fiber. An optical pulse propagating in an optical fiber is
Pulse spreading is caused by the dispersion of the optical fiber.
This pulse spread limits the transmission distance and transmission speed. Also, as the transmission speed increases and the peak power of the optical pulse increases, the nonlinear optical effect called self-phase modulation becomes prominent in the optical fiber, the spectral width of the short optical pulse increases, and the effect of group velocity dispersion is further reduced. This causes pulse broadening. If you try to increase the transmission distance,
In order to compensate for optical loss, it is necessary to input light having a large peak power to an optical fiber, and in this case, transmission waveform distortion due to the nonlinear optical effect occurs.
【０００６】ここで、実際に、光ファイバの分散によっ
て伝送速度および伝送距離がどの程度制限されるかにつ
いて説明する。光ファイバ中を伝搬する光パルスは、伝
送距離が長くなると光ファイバが固有にもつ分散特性の
ためにパルス幅が広がる。光ファイバへの入力時点にお
ける光パルスの半値全幅をｗt0、伝送距離をＺ、光ファ
イバの分散値をＤ（ps/nm/km)とすると、光パルスが光
ファイバ中をＺ伝搬した時点での光パルス幅ｗt は、Here, how much the transmission speed and the transmission distance are actually limited by the dispersion of the optical fiber will be described. An optical pulse propagating in an optical fiber has a wider pulse width as the transmission distance becomes longer due to the dispersion characteristics inherent in the optical fiber. Assuming that the full width at half maximum of the optical pulse at the time of input to the optical fiber is w t0 , the transmission distance is Z, and the dispersion value of the optical fiber is D (ps / nm / km), at the time when the optical pulse propagates through the optical fiber in Z The optical pulse width w t of
【０００７】[0007]
【数１】 (Equation 1)
【０００８】で表される。なお、λは光波長、ｃは光速
である。また、光パルスを光ファイバ入力時点でチャー
ピングはなく、トランスフォームリミットパルスである
としている。## EQU1 ## Where λ is the light wavelength and c is the speed of light. Further, it is assumed that the optical pulse is a transform limit pulse without chirping at the time of input to the optical fiber.
【０００９】さて、伝送される光信号がＲＺ変調信号で
あると仮定すると、光パルス幅ｗt0と伝送速度Ｂとの間
には、 Ｂ＝１／（２ｗt0) …(2) の関係がある。この (2)式を (1)式に代入して整理する
と、Now, assuming that the transmitted optical signal is an RZ modulated signal, the following relationship exists between the optical pulse width w t0 and the transmission speed B: B = 1 / (2w t0 ) (2) is there. Substituting equation (2) into equation (1) and rearranging,
【００１０】[0010]
【数２】 (Equation 2)
【００１１】となる。この (3)式から、伝送距離Ｚは伝
送速度Ｂの２乗に反比例していることがわかる。なお、
λ＝1.55（μm)、ｃ＝ 3.0×108 (m/s) 、Ｄ＝ 2.0（ps
/nm/km) 、Ｂ＝10（Ｇbit/s)とし、光パルス広がりが入
力光パルス幅ｗt0の20％を越えないという条件のもとで
伝送距離Ｚを算出すると、Ｚ＝ 330（km) となる。すな
わち、ＲＺ変調した10Ｇbit/s の光信号は、再生中継な
しで約 330ｋｍしか伝送できないことになる。## EQU1 ## From equation (3), it can be seen that the transmission distance Z is inversely proportional to the square of the transmission speed B. In addition,
λ = 1.55 (μm), c = 3.0 × 10 8 (m / s), D = 2.0 (ps
/ nm / km), B = 10 (Gbit / s), and when the transmission distance Z is calculated under the condition that the optical pulse spread does not exceed 20% of the input optical pulse width w t0 , Z = 330 (km) ). That is, an RZ-modulated optical signal of 10 Gbit / s can be transmitted only about 330 km without regeneration relay.
【００１２】次に、電気の処理速度を越える伝送速度を
実現する従来の光通信装置の構成を図５に示す。図にお
いて、光送信部は、短光パルス光源１、光分岐器２、複
数の強度変調器３−１〜３−４、複数の遅延制御器（例
えば長さの異なる光ファイバ）４−１〜４−４、光結合
器５により構成される。Next, FIG. 5 shows a configuration of a conventional optical communication device which realizes a transmission speed exceeding an electric processing speed. In the figure, an optical transmission unit includes a short optical pulse light source 1, an optical splitter 2, a plurality of intensity modulators 3-1 to 3-4, and a plurality of delay controllers (for example, optical fibers having different lengths) 4-1 to 4-1. 4-4, an optical coupler 5.
【００１３】短光パルス光源１から出力された数ピコ秒
幅の短光パルス列８は、光分岐器２により複数に分岐さ
れる（図５では４分岐）。分岐された各短光パルス列は
強度変調器３−１〜３−４に入力され、それぞれ対応す
る入力電気信号により変調される。各強度変調器の出力
は、遅延制御器４−１〜４−４を介して光結合器５で多
重され、送信光信号９として１本の光ファイバ伝送路６
に送信される。ここで、遅延制御器４−１〜４−４は、
多重される短光パルス列が時間軸上で一定間隔になるよ
うに、それぞれの短光パルス列の遅延を制御する。な
お、送信光信号９の光電力を大きくするために、必要に
応じて光増幅器が挿入される場合もある。以上が光送信
部の構成および動作である。The short light pulse train 8 having a width of several picoseconds output from the short light pulse light source 1 is split into a plurality of light beams by the optical splitter 2 (four in FIG. 5). Each of the branched short optical pulse trains is input to intensity modulators 3-1 to 3-4, and is modulated by a corresponding input electric signal. The outputs of the respective intensity modulators are multiplexed by the optical coupler 5 via the delay controllers 4-1 to 4-4, and are output as a transmission optical signal 9 in one optical fiber transmission line 6.
Sent to. Here, the delay controllers 4-1 to 4-4 are:
The delay of each short optical pulse train is controlled so that the multiplexed short optical pulse trains have a constant interval on the time axis. An optical amplifier may be inserted as needed to increase the optical power of the transmission optical signal 9. The above is the configuration and operation of the optical transmission unit.
【００１４】光送信部から出力された送信光信号９は、
光ファイバ伝送路６を伝搬して光受信器７に受信され、
電気信号に変換される。なお、光受信器７は、光非線形
効果を使った光分離回路などにより、電気処理が可能な
速度まで光信号速度を低速化した上で電気信号に変換す
る。その詳細についてはここでは省略する。The transmission optical signal 9 output from the optical transmission unit is
Propagated through the optical fiber transmission line 6 and received by the optical receiver 7,
Converted to electrical signals. The optical receiver 7 converts the optical signal into an electric signal after reducing the optical signal speed to a speed at which electric processing can be performed by an optical separation circuit using an optical nonlinear effect. The details are omitted here.
【００１５】さて、光ファイバ伝送６を伝搬する超高速
の送信光信号９は、光ファイバ中の分散の影響を顕著に
受け、受信光信号１０のように波形歪みが生じる。これ
を避けるために、光ファイバの零分散波長を用いたり、
光ファイバの長手方向で分散値を調整して全体で総分散
量を小さくする分散補償技術が用いられる。The ultra-high-speed transmission optical signal 9 propagating through the optical fiber transmission 6 is significantly affected by dispersion in the optical fiber, and a waveform distortion occurs like the reception optical signal 10. To avoid this, use the zero dispersion wavelength of the optical fiber,
A dispersion compensation technique for adjusting the dispersion value in the longitudinal direction of the optical fiber to reduce the total dispersion amount as a whole is used.
【００１６】しかし、従来の分散補償技術は、伝送速度
や伝送距離を大きくする上で有効ではあるが、総分散量
を０にすることは困難であり、光ファイバの分散が伝送
距離を制限することに変わりはない。また、光ファイバ
の長手方向で分散を調整するためには特殊仕様の光ファ
イバが必要となり、光ファイバ伝送路の敷設コストを大
きくするとともに、汎用性がない問題があった。Although the conventional dispersion compensation technique is effective in increasing the transmission speed and transmission distance, it is difficult to reduce the total dispersion to zero, and the dispersion of the optical fiber limits the transmission distance. That is no different. Further, in order to adjust the dispersion in the longitudinal direction of the optical fiber, an optical fiber of a special specification is required, which increases the laying cost of the optical fiber transmission line and has a problem of lack of versatility.
【００１７】[0017]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の光通信装置では、光ファイバ伝送路における伝送速度
および伝送距離が大きくなると、光ファイバ中の分散効
果や非線形光学効果のために各短光パルスが広がり、隣
接する短光パルスと重なってしまう。これらの影響は、
伝送速度の２乗に比例して大きくなるので、高速伝送を
実現する上で大きな傷害になっていた。As described above, in the conventional optical communication device, when the transmission speed and the transmission distance in the optical fiber transmission line increase, each short-circuit occurs due to the dispersion effect and the nonlinear optical effect in the optical fiber. The light pulse spreads and overlaps with the adjacent short light pulse. These effects are:
Since it becomes larger in proportion to the square of the transmission speed, it has been a serious injury in realizing high-speed transmission.
【００１８】また、光ファイバの分散の影響を低減する
ために提案されている光ファイバの分散特性を考慮した
従来の分散補償技術は、汎用性がなく、かつ装置全体が
高価になる問題があった。Further, the conventional dispersion compensation technique proposed in consideration of the dispersion characteristics of the optical fiber, which has been proposed to reduce the influence of the dispersion of the optical fiber, has a problem that it is not versatile and the whole apparatus becomes expensive. Was.
【００１９】本発明は、光ファイバ中を伝搬する光信号
の信号速度を等価的に小さくする構成をとることによ
り、光ファイバ中の分散や非線形光学効果の影響を低減
し、超高速かつ長距離の信号伝送を実現する光通信装置
を提供することを目的とする。The present invention reduces the effects of dispersion and non-linear optical effects in an optical fiber by adopting a configuration in which the signal speed of an optical signal propagating in the optical fiber is reduced equivalently. It is an object of the present invention to provide an optical communication device that realizes the signal transmission of the above.
【００２０】[0020]
（空間光学系と光時間パルス伝搬系との同等性）光時間
パルスが分散媒質中を伝搬するときの振る舞いと、点光
源から放射された光空間パルスが空間中を伝搬するとき
の振る舞いは、同じ扱いが可能であることが知られてい
る。すなわち、分散媒質中を伝搬する光時間パルスは分
散の影響でパルス広がりが生じ、空間中を伝搬する光空
間パルスは回折の影響でパルス広がりが生じるというも
のである。(Equivalence between spatial optical system and optical time pulse propagation system) The behavior when the optical time pulse propagates in the dispersion medium and the behavior when the optical spatial pulse emitted from the point light source propagates in space are: It is known that the same treatment is possible. That is, an optical time pulse propagating in a dispersion medium causes pulse spread due to the effect of dispersion, and an optical spatial pulse propagating in space causes a pulse spread due to the effect of diffraction.
【００２１】ここで、図２を参照し、光時間パルスの分
散媒質中の伝搬と光空間パルスの空間伝搬の同等性につ
いて説明する。図２(a) は、レンズを用いた結像系を示
す。物体面１１にある光スポットはレンズ１３を介して
像面１５に像を形成する。このとき、物体面−レンズ間
の距離Ｌ1 、レンズ−像面間の距離Ｌ2 、レンズの焦点
距離ｆとの間には、 １／Ｌ1 ＋１／Ｌ2 ＝１／ｆ …(4) の結像公式が成り立つ。なお、Ｌ1 とＬ2 をレンズの焦
点距離ｆの２倍（２ｆ）に設定すれば、像面には横倍率
１の倒立像が形成される。物体面１１上での光強度分布
（４つの光スポット）１６に対する像面１５上での光強
度分布（４つの光スポット）１７は、倒立像の様子を示
したものである。Here, with reference to FIG. 2, the equivalence between the propagation of the optical time pulse in the dispersion medium and the spatial propagation of the optical spatial pulse will be described. FIG. 2A shows an imaging system using a lens. The light spot on the object plane 11 forms an image on the image plane 15 via the lens 13. At this time, the distance L 1 between the object plane and the lens, the distance L 2 between the lens and the image plane, and the focal length f of the lens are: 1 / L 1 + 1 / L 2 = 1 / f (4) The imaging formula holds. If L 1 and L 2 are set to twice (2f) the focal length f of the lens, an inverted image with a lateral magnification of 1 is formed on the image plane. The light intensity distribution (four light spots) 17 on the image plane 15 with respect to the light intensity distribution (four light spots) 16 on the object plane 11 shows an inverted image.
【００２２】図２(b) は、図２(a) の空間光学系に対応
する光時間パルス伝搬系を示す。レンズ１３と位相変調
器１９が対応する。その前後に、分散付加部として光フ
ァイバ１８，２０が接続される。空間を伝搬する光空間
パルスが回折によって広がることは、光時間パルスが光
ファイバ１８，２０中の分散によって広がることに対応
する。したがって、物体面−レンズ間の距離Ｌ1 に対応
するのは、光時間パルス伝搬系では信号入力端から位相
変調器１９に至るまでの総分散量である。FIG. 2 (b) shows an optical time pulse propagation system corresponding to the spatial optical system of FIG. 2 (a). The lens 13 and the phase modulator 19 correspond. Before and after that, optical fibers 18 and 20 are connected as dispersion adding sections. Spreading of an optical spatial pulse propagating in space by diffraction corresponds to spreading of an optical time pulse by dispersion in the optical fibers 18 and 20. Accordingly, the object surface - to accommodate the distance L 1 between the lens, the optical time pulse propagation system is the total dispersion amount from the signal input end to the phase modulator 19.
【００２３】空間光学系では、レンズ１３を通過する光
空間パルスを位相（空間）変調することにより、パルス
幅の拡大縮小が可能である。この光空間パルスに対する
レンズ１３の作用は、光時間パルスが存在する時間領域
に渡って２次関数または部分的に２次関数で漸近できる
正弦波関数で表される位相（時間）変調をかけることに
より実現できる。In the spatial optical system, the pulse width can be scaled up or down by phase (spatial) modulating the optical spatial pulse passing through the lens 13. The action of the lens 13 on the optical space pulse is to apply a phase (time) modulation represented by a sine wave function that can be asymptotically represented by a quadratic function or a partial quadratic function over the time domain in which the optical time pulse exists. Can be realized by:
【００２４】ここでは、時間レンズとして変調周波数ｆ
m の正弦波関数で変調する位相変調器１９を考える。こ
の位相変調器１９の前後に接続される光ファイバ１８，
２０の分散値をＤ1 ，Ｄ2 、長さをｌ1 ，ｌ2 とする
と、光学系の結像公式に対応する式は、 １／Ｌt1＋１／Ｌt2＝１／ｆt …(5) Ｌt1＝−λＤ1ｌ1 …(6) Ｌt2＝−λＤ2ｌ2 …(7) ｆt ＝ｃ／２πλＡｆm2 …(8) となる。なお、λは光波長、ｃは光速、Ａは位相変調指
数を表す。 (8)式のｆtは、空間光学系におけるレンズ
の焦点距離ｆに対応しており、ここでは焦点時間と呼
ぶ。 (5)〜(8) 式からレンズ系を用いた像伝送や像変換
を時間軸上で実現できることがわかる。光ファイバ１８
の入力端での光時間波形２２に対する光ファイバ２０の
出力端での光時間波形２３は、空間光学系における倒立
像に対応する様子を示したものである。Here, the modulation frequency f is used as a time lens.
Consider a phase modulator 19 that modulates with a sine wave function of m. Optical fibers 18 connected before and after this phase modulator 19,
Assuming that the variance value of 20 is D 1 , D 2 and the lengths are l 1 and l 2 , the expression corresponding to the imaging formula of the optical system is 1 / L t1 + 1 / L t2 = 1 / ft . ) L t1 = −λD 1 l 1 (6) L t2 = −λ D 2 l 2 (7) f t = c / 2πλAfm 2 (8) Here, λ is the light wavelength, c is the speed of light, and A is the phase modulation index. (8) of f t corresponds to the focal length f of the lens in space optics, referred to herein as focusing time. Equations (5) to (8) show that image transmission and image conversion using the lens system can be realized on the time axis. Optical fiber 18
The optical time waveform 23 at the output end of the optical fiber 20 with respect to the optical time waveform 22 at the input end of FIG. 7 shows a state corresponding to an inverted image in the spatial optical system.
【００２５】以上示したように、光時間パルスが分散媒
質を伝搬する際の振る舞いは、空間光学系に置き換える
ことが可能である。空間光学系におけるレンズは、光時
間パルス伝搬系において光時間パルスに位相変調をかけ
ることに相当する。したがって、位相変調器と分散媒質
を組み合わせることにより、空間光学系と同等の効果を
光時間パルスに作用させることができる。As described above, the behavior when the optical time pulse propagates through the dispersion medium can be replaced with a spatial optical system. The lens in the spatial optical system corresponds to performing phase modulation on the optical time pulse in the optical time pulse propagation system. Therefore, by combining the phase modulator and the dispersion medium, the same effect as in the spatial optical system can be applied to the optical time pulse.
【００２６】以下、本発明の光通信装置の動作原理を図
３に示す空間光学系に置き換えて説明する。図３におい
て、物体面２４、第１レンズ（焦点距離ｆ1 ）２６、物
体面−第１レンズ間の距離Ｌ1 （＝ｆ1 ）、第２レンズ
（焦点距離ｆ2 ）２８、像面３０、第２レンズ−像面間
の距離Ｌ2 （＝ｆ2 ）とする。Hereinafter, the principle of operation of the optical communication apparatus according to the present invention will be described by substituting the spatial optical system shown in FIG. 3, an object plane 24, a first lens (focal length f 1 ) 26, a distance L 1 (= f 1 ) between the object plane and the first lens, a second lens (focal length f 2 ) 28, and an image plane 30 , A distance L 2 (= f 2 ) between the second lens and the image plane.
【００２７】本構成では、物体面２４から放射される光
ビームのスポット径と、像面３０に結像する光ビームの
スポット径の比は、第１レンズ２６と第２レンズ２８の
焦点距離の比のみによって決まり、第１レンズ２６と第
２レンズ２８の距離には依存しない。また、物体面上で
の光強度分布（４つの光スポット）３１、第１レンズ−
第２レンズ間での光強度分布３２、像面上での光強度分
布（４つの光スポット）３３に示すように、物体面２４
の４つの光スポットから放射された光は第１レンズ２６
に至るまでにそれぞれ広がり、第１レンズ−第２レンズ
間では互いに重なりあい、進行方向にわずかに異なる平
行ビーム束として伝搬する。これは、光軸に対して垂直
方向の空間周波数が、第１レンズ−第２レンズ間では物
体面上および像面上に比べて小さくなっていると考える
ことができる。In this configuration, the ratio of the spot diameter of the light beam radiated from the object plane 24 to the spot diameter of the light beam focused on the image plane 30 is the focal length of the first lens 26 and the second lens 28. It is determined only by the ratio and does not depend on the distance between the first lens 26 and the second lens 28. Further, the light intensity distribution (four light spots) 31 on the object plane, the first lens
As shown in the light intensity distribution 32 between the second lenses and the light intensity distribution (four light spots) 33 on the image plane, the object plane 24
Light emitted from the four light spots of the first lens 26
, And overlap with each other between the first lens and the second lens, and propagate as a slightly different parallel beam bundle in the traveling direction. This can be considered that the spatial frequency in the direction perpendicular to the optical axis is smaller between the first lens and the second lens than on the object plane and the image plane.
【００２８】この空間光学系を光時間パルス伝搬系に当
てはめると次のようになる。入力の短光パルス列は第１
時間レンズに至るまでの間に、分散により広がって第１
時間レンズに入力される。第１時間レンズはこの光パル
スに対して位相変調を施し、伝送路に出力する。一方、
受信側では、第２時間レンズにより入射光パルス列が収
束光に変換され、像面上にもとの短光パルス列を再現す
る。When this spatial optical system is applied to an optical time pulse propagation system, the following is obtained. The input short optical pulse train is the first
Before reaching the time lens, it spreads by dispersion and becomes the first
Input to the time lens. The first time lens performs phase modulation on the light pulse and outputs the light pulse to the transmission path. on the other hand,
On the receiving side, the incident light pulse train is converted into convergent light by the second time lens, and the original short light pulse train is reproduced on the image plane.
【００２９】空間光学系からの類推から、入力パルス列
と出力パルス列との倍率は、第１時間レンズと第２時間
レンズ間の付加分散量には依存せず、第１時間レンズと
第２時間レンズの各焦点距離の比のみによって決まる。
これは、光パルス列を光ファイバを用いて伝送する際
に、伝送距離に関係なくパルス広がりのない波形伝送が
可能なことを示す。By analogy with the spatial optical system, the magnification of the input pulse train and the output pulse train does not depend on the amount of additional dispersion between the first time lens and the second time lens, but the first time lens and the second time lens. Is determined only by the ratio of each focal length.
This indicates that when an optical pulse train is transmitted using an optical fiber, waveform transmission without pulse spread is possible regardless of the transmission distance.
【００３０】また、第１時間レンズと第２時間レンズ間
では、光パルス列はそれぞれ大きく広がり、互いに重な
りあった状態で伝搬する。これは、入力時点（空間光学
系では物体面に相当）での伝送速度が光ファイバ中を伝
搬中は小さくなることを意味する。分散によるパルス広
がりは伝送速度の２乗に比例して大きくなるので、光フ
ァイバ中を伝搬する信号速度を等価的に小さくすること
は、分散や非線形光学効果による波形ひずみを低減する
効果がある。Further, between the first time lens and the second time lens, the light pulse trains spread widely, and propagate in a state where they overlap each other. This means that the transmission speed at the time of input (corresponding to the object plane in the spatial optical system) decreases during propagation through the optical fiber. Since the pulse spread due to dispersion increases in proportion to the square of the transmission speed, equivalently reducing the signal speed propagating through the optical fiber has the effect of reducing waveform distortion due to dispersion and nonlinear optical effects.
【００３１】したがって、図３のような光時間パルス伝
搬系を光通信装置に組み込むことにより、従来問題とな
っていた分散や非線形光学効果による波形ひずみを大幅
に低減でき、実現可能な伝送速度、伝送距離を飛躍的に
伸ばすことができる。Therefore, by incorporating the optical time pulse propagation system as shown in FIG. 3 into the optical communication device, waveform distortion due to dispersion and nonlinear optical effects, which has been a problem in the past, can be greatly reduced, and the transmission speed and achievable transmission speed can be reduced. The transmission distance can be greatly increased.
【００３２】[0032]
【発明の実施の形態】図１は、本発明の光通信装置の第
１の実施形態を示す。また、各部 (a)〜(e)における信
号波形例も示す。FIG. 1 shows a first embodiment of the optical communication apparatus according to the present invention. In addition, examples of signal waveforms in each part (a) to (e) are also shown.
【００３３】本実施形態の光通信装置は、光送信部３
４、光ファイバ伝送路３５、光受信部３６から構成され
る。光送信部３４は、電気／光変換部３７、分散付加部
３８、時間レンズとして用いられる位相変調部３９から
構成される。光受信部３６は、時間レンズとして用いら
れる位相変調部４０、分散付加部４１、光／電気変換部
４２から構成される。The optical communication apparatus according to the present embodiment
4. It comprises an optical fiber transmission line 35 and an optical receiver 36. The optical transmission unit 34 includes an electric / optical conversion unit 37, a dispersion addition unit 38, and a phase modulation unit 39 used as a time lens. The light receiving unit 36 includes a phase modulating unit 40 used as a time lens, a dispersion adding unit 41, and an optical / electrical converting unit 42.
【００３４】光送信部３４の電気／光変換部３７では、
入力電気信号(a) を密に並べた有限長の短光パルス列
(b) に変換して出力する。この短光パルス列(b) は、分
散付加部３８に入力されてパルス幅が広げられ、互いに
重なった状態の光パルス列(c)として位相変調部３９に
入力される。位相変調部３９では、入力された有限長の
光パルス列(c) に対して、２次関数で表される位相変調
を付加する。このとき、光パルスの強度分布は変化しな
いものの、位相変調を付加されたためにそれ以上分散を
付加しても時間的に広がらないパルス（空間光学系では
平行ビームに相当）として光ファイバ伝送路３５に送出
される。In the electrical / optical converter 37 of the optical transmitter 34,
A finite-length short optical pulse train in which the input electrical signals (a) are densely arranged
Convert to (b) and output. The short optical pulse train (b) is input to the dispersion adding unit 38, the pulse width of which is widened, and is input to the phase modulating unit 39 as an optical pulse train (c) overlapping each other. The phase modulator 39 adds phase modulation expressed by a quadratic function to the input finite-length optical pulse train (c). At this time, although the intensity distribution of the optical pulse does not change, the optical fiber transmission line 35 is converted into a pulse (corresponding to a parallel beam in a spatial optical system) which does not spread in time even if dispersion is further added due to the addition of phase modulation. Sent to
【００３５】一方、光ファイバ伝送路３５の他端にある
光受信部３６では、まず位相変調部４０に入力された有
限長の光パルス列に対して位相変調を付加する。これ
は、空間光学系に置き換えれば、平行ビームを収束光に
変換することに相当する。続いて、位相変調部４０から
出力される光パルス列(d) は、分散付加部４１に入力さ
れて元の重なりあわない短光パルス列(e) に変換されて
光／電気変換部４２に入力される。この短光パルス列
(e) のパルス間隔は、光送信部３４の位相変調部３９の
焦点時間（空間光学系では焦点距離に相当）と、光受信
部３６の位相変調部４０の焦点時間との比によって決ま
る。図１では、この比が４の場合を示す。すなわち、送
信側の短光パルス列(b) を時間方向に４倍に引き伸ばし
た短光パルス列(e) が得られる。On the other hand, the optical receiver 36 at the other end of the optical fiber transmission line 35 first applies phase modulation to the finite-length optical pulse train input to the phase modulator 40. This corresponds to converting a parallel beam into convergent light when replaced with a spatial optical system. Subsequently, the optical pulse train (d) output from the phase modulating unit 40 is input to the dispersion adding unit 41, converted into the short non-overlapping short optical pulse train (e), and input to the optical / electrical converting unit 42. You. This short light pulse train
The pulse interval (e) is determined by the ratio between the focal time of the phase modulator 39 of the optical transmitter 34 (corresponding to the focal length in the spatial optical system) and the focal time of the phase modulator 40 of the optical receiver 36. FIG. 1 shows a case where the ratio is 4. That is, a short light pulse train (e) obtained by expanding the short light pulse train (b) on the transmitting side four times in the time direction is obtained.
【００３６】なお、短光パルス列(b) と短光パルス列
(e) とでは信号順序が反転する。これは、空間光学系に
おいて像面に倒立像が得られることに相当する。このよ
うな信号の反転は、電気信号に変換された後に電気処理
段で容易に修正可能であり、信号伝送上の問題にはなら
ない。The short light pulse train (b) and the short light pulse train
(e) and the signal order are reversed. This corresponds to obtaining an inverted image on the image plane in the spatial optical system. Such an inversion of the signal can be easily corrected in the electric processing stage after being converted into an electric signal, and does not pose a problem in signal transmission.
【００３７】ここで、 (a)〜(e) に示す各信号波形を比
較すると、伝送される信号速度（１秒当たりのビット数
Ｂ）に対して、光ファイバ伝送路３５中を伝搬する光信
号は等価的に伝送速度が１／４になっていることがわか
る。また、ピーク光電力も光パルス広がりにより小さく
なっている。これらにより、光ファイバ伝送路３５上で
問題となる分散や非線形光学効果による波形歪みが低減
され、伝送速度および伝送距離を大幅に大きくすること
ができる。Here, when comparing the signal waveforms shown in (a) to (e), the light propagating in the optical fiber transmission line 35 with respect to the transmitted signal speed (the number of bits per second B) is shown. It can be seen that the transmission rate of the signal is equivalent to 1/4. Also, the peak optical power is reduced due to the spread of the optical pulse. As a result, waveform distortion due to dispersion and nonlinear optical effects, which are problems on the optical fiber transmission line 35, is reduced, and the transmission speed and transmission distance can be greatly increased.
【００３８】なお、位相変調部３９，４０としては、強
誘電体結晶（ニオブ酸リチウム等）中の電気光学効果を
利用した光位相変調器や、光ファイバ中の非線形光学効
果を利用した位相変調器を用いることができる。また、
分散付加部３８，４１としては、プリズム対を用いたも
のや、有限の分散値を有する光ファイバを用いることが
できる。The phase modulating sections 39 and 40 may be an optical phase modulator utilizing an electro-optic effect in a ferroelectric crystal (such as lithium niobate) or a phase modulation utilizing a nonlinear optical effect in an optical fiber. Vessel can be used. Also,
As the dispersion adding units 38 and 41, a unit using a prism pair or an optical fiber having a finite dispersion value can be used.
【００３９】図４は、本発明の光通信装置の第２の実施
形態を示す。図において、光送信部は、図５に示す従来
構成と同様の短光パルス光源１、光分岐器２、複数の強
度変調器３−１〜３−４、複数の遅延制御器４−１〜４
−４、光結合器５の後段に、分散付加部として光ファイ
バ４３および位相変調器４４を有する構成である。光受
信部は、光受信器７の前段に、位相変調器４６および分
散付加部として光ファイバ４８を有する構成である。FIG. 4 shows a second embodiment of the optical communication apparatus according to the present invention. In the figure, the optical transmitter includes a short optical pulse light source 1, an optical splitter 2, a plurality of intensity modulators 3-1 to 3-4, and a plurality of delay controllers 4-1 to 4-1 similar to the conventional configuration shown in FIG. 4
-4, a configuration in which an optical fiber 43 and a phase modulator 44 are provided as a dispersion adding section at a stage subsequent to the optical coupler 5. The optical receiving unit has a configuration in which a phase modulator 46 and an optical fiber 48 as a dispersion adding unit are provided in a stage preceding the optical receiver 7.
【００４０】短光パルス光源１から出力された短光パル
ス列は、光分岐器２により複数に分岐される（本実施形
態では４分岐）。分岐された各短光パルス列は強度変調
器３−１〜３−４に入力され、それぞれ対応する入力電
気信号により変調される。各強度変調器の出力は、遅延
制御器４−１〜４−４を介して光結合器５で多重され
る。遅延制御器４−１〜４−４は、多重される短光パル
ス列が時間軸上で一定間隔になるように、それぞれの短
光パルス列の遅延を制御する。The short light pulse train output from the short light pulse light source 1 is split into a plurality of light beams by the optical splitter 2 (four in this embodiment). Each of the branched short optical pulse trains is input to intensity modulators 3-1 to 3-4, and is modulated by a corresponding input electric signal. The output of each intensity modulator is multiplexed by the optical coupler 5 via the delay controllers 4-1 to 4-4. The delay controllers 4-1 to 4-4 control the delay of each of the short optical pulse trains so that the multiplexed short optical pulse trains have a constant interval on the time axis.
【００４１】光結合器５から出力される短光パルス列４
９は、光ファイバ４３の分散によってパルス幅が広げら
れ、互いに重なった状態の光パルス列５０として位相変
調器４４に入力される。位相変調器４４では、光パルス
列５０に対して位相変調（線形な周波数変位）を付加し
て光ファイバ伝送路６に送出する。The short optical pulse train 4 output from the optical coupler 5
9 is input to the phase modulator 44 as an optical pulse train 50 whose pulse width is widened by the dispersion of the optical fiber 43 and overlapped with each other. The phase modulator 44 adds phase modulation (linear frequency displacement) to the optical pulse train 50 and sends out the optical pulse train 50 to the optical fiber transmission line 6.
【００４２】一方、光ファイバ伝送路６の他端にある光
受信部では、まず位相変調器４６で入力された光パルス
列に対して位相変調（線形な周波数変位）を付加する。
続いて、位相変調器４６から出力される光パルス列５１
は、光ファイバ４８に入力されて分散が付加され、元の
重なりあわない短光パルス列５２に変換されてる。この
短光パルス列５２は、光受信器７で電気信号に変換され
る。On the other hand, the optical receiver at the other end of the optical fiber transmission line 6 first applies phase modulation (linear frequency displacement) to the optical pulse train input by the phase modulator 46.
Subsequently, an optical pulse train 51 output from the phase modulator 46
Is input to the optical fiber 48, added with dispersion, and converted into the original non-overlapping short optical pulse train 52. This short optical pulse train 52 is converted into an electric signal by the optical receiver 7.
【００４３】なお、本発明の光通信装置の伝送特性は、
原理的に光ファイバ伝送路の分散量には依存しないが、
総分散量が必要以上に大きくなると、隣接する短光パル
ス間でクロストークが生じる場合がある。その場合に
は、従来から用いられている分散補償技術を併用するこ
とにより対応することができる。The transmission characteristics of the optical communication device of the present invention are as follows:
In principle, it does not depend on the dispersion amount of the optical fiber transmission line,
If the total dispersion is unnecessarily large, crosstalk may occur between adjacent short optical pulses. In such a case, it is possible to cope with this by using a conventionally used dispersion compensation technique.
【００４４】[0044]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光通信装
置は、光ファイバ伝送路中を伝送される光信号の信号速
度を等価的に小さくすることができるので、光ファイバ
伝送路の分散や非線形光学効果の影響を低減し、超高速
かつ長距離の光信号伝送を実現することができる。ま
た、信号伝送特性が光ファイバ伝送路の分散特性に依存
しないので、伝送路として使用する光ファイバの自由度
が大きく、超高速かつ長距離の光通信システムを経済的
に実現することができる。As described above, the optical communication apparatus according to the present invention can equivalently reduce the signal speed of an optical signal transmitted through an optical fiber transmission line, so that the dispersion of the optical fiber transmission line can be reduced. And the effect of non-linear optical effects can be reduced, and an ultra-high-speed and long-distance optical signal transmission can be realized. Further, since the signal transmission characteristics do not depend on the dispersion characteristics of the optical fiber transmission line, the degree of freedom of the optical fiber used as the transmission line is large, and an ultra-high-speed and long-distance optical communication system can be economically realized.
【図１】本発明の光通信装置の第１の実施形態を示す
図。FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of an optical communication device according to the present invention.
【図２】空間光学系と光時間パルス伝搬系の同等性につ
いて説明する図。FIG. 2 is a diagram for explaining the equivalence of a spatial optical system and an optical time pulse propagation system.
【図３】本発明の光通信装置の動作原理を説明する図。FIG. 3 is a diagram illustrating the operation principle of the optical communication device according to the present invention.
【図４】本発明の光通信装置の第２の実施形態を示す
図。FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of the optical communication device according to the present invention.
【図５】従来の光通信装置の構成を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional optical communication device.
１ 短光パルス光源 ２ 光分岐器 ３ 強度変調器 ４ 遅延制御器 ５ 光結合器 ６ 光ファイバ伝送路 ７ 光受信器 １１，２４ 物体面 １３ レンズ １５，３０ 像面 １８，２０ 光ファイバ １９ 位相変調器 ２６ 第１レンズ ２８ 第２レンズ ３４ 光送信部 ３５ 光ファイバ伝送路 ３６ 光受信部 ３７ 電気／光変換部 ３８，４１ 分散付加部 ３９，４０ 位相変調部 ４２ 光／電気変換部４２ ４３，４８ 光ファイバ ４４，４６ 位相変調器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Short light pulse light source 2 Optical splitter 3 Intensity modulator 4 Delay controller 5 Optical coupler 6 Optical fiber transmission line 7 Optical receiver 11, 24 Object plane 13 Lens 15, 30 Image plane 18, 20 Optical fiber 19 Phase modulation Device 26 First lens 28 Second lens 34 Optical transmitting unit 35 Optical fiber transmission line 36 Optical receiving unit 37 Electric / optical converting unit 38, 41 Dispersion adding unit 39, 40 Phase modulating unit 42 Optical / electrical converting unit 42 43, 48 Optical fiber 44,46 Phase modulator
Claims (5)
を出力する光送信部と、前記短光パルス列を伝送する光
ファイバ伝送路と、前記光ファイバ伝送路を介して伝送
された短光パルス列を電気信号に変換する光受信部とを
備えた光通信装置において、 前記光送信部は、前記短光パルス列に分散を付加する分
散付加部と、分散付加部でパルス幅が広げられた光パル
ス列を位相変調して前記光ファイバ伝送路に送出する位
相変調部とを備え、かつ前記分散付加部における分散
量、前記位相変調部における位相変調波形および位相変
調量が、前記位相変調部における焦点時間に応じて設定
される構成であり、 前記光受信部は、前記光ファイバ伝送路を介して伝送さ
れた光パルス列を位相変調する位相変調部と、位相変調
された光パルス列に分散を付加して前記短光パルス列を
再生する分散付与部とを備え、かつ前記分散付加部にお
ける分散量、前記位相変調部における位相変調波形およ
び位相変調量が、前記位相変調部における焦点時間に応
じて設定される構成であることを特徴とする光通信装
置。1. An optical transmitter for outputting a short optical pulse train modulated by an input electric signal, an optical fiber transmission line for transmitting the short optical pulse train, and a short optical pulse train transmitted via the optical fiber transmission line. An optical communication device comprising: an optical receiving unit that converts an optical signal into an electric signal.The optical transmitting unit includes a dispersion adding unit that adds dispersion to the short optical pulse train, and an optical pulse train whose pulse width is widened by the dispersion adding unit. A phase modulation unit for phase-modulating the signal and transmitting the same to the optical fiber transmission line, and a dispersion amount in the dispersion adding unit, a phase modulation waveform and a phase modulation amount in the phase modulation unit, and a focal time in the phase modulation unit. The optical receiving unit, the phase modulation unit that phase-modulates the optical pulse train transmitted via the optical fiber transmission line, the dispersion to the phase-modulated optical pulse train A dispersion imparting unit that reproduces the short optical pulse train in addition to the above, and the amount of dispersion in the dispersion adding unit, the phase modulation waveform and the amount of phase modulation in the phase modulation unit, according to the focal time in the phase modulation unit An optical communication device having a configuration that is set.
ら出力された短光パルス列を複数に分岐する光分波器
と、分岐された各短光パルス列をそれぞれ対応する入力
電気信号で変調する複数の光強度変調器と、各光強度変
調器から出力される変調された短光パルス列が時間軸上
で一定間隔になるようにそれぞれ所定の遅延を与える複
数の遅延制御器と、各遅延制御部から出力される遅延調
整された短光パルス列を合波して分散付加部に出力する
光合波器とを備えたことを特徴とする光通信装置。2. The optical communication device according to claim 1, wherein the optical transmitter includes a short light pulse light source, an optical demultiplexer that splits the short light pulse train output from the short light pulse light source into a plurality of light pulses, A plurality of light intensity modulators that modulate each of the branched short light pulse trains with a corresponding input electric signal, and a modulated short light pulse train output from each light intensity modulator has a constant interval on a time axis. A plurality of delay controllers that respectively provide predetermined delays to the respective optical signals, and an optical multiplexer that multiplexes the delay-adjusted short optical pulse trains output from the respective delay control units and outputs the multiplexed short optical pulse trains to the dispersion adding unit. Optical communication device.
用いた構成であることを特徴とする光通信装置。3. The optical communication device according to claim 1, wherein the phase modulator has a configuration using an optical phase modulator utilizing an electro-optic effect.
を用いた構成であることを特徴とする光通信装置。4. The optical communication device according to claim 1, wherein the phase modulator has a configuration using an optical phase modulator utilizing a nonlinear optical effect.
ァイバであることを特徴とする光通信装置。5. The optical communication device according to claim 1, wherein the dispersion imparting unit is an optical fiber having a finite dispersion value in a used wavelength range.
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