JP3625726B2 - Optical transmission device and optical transmission system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディジタル信号により位相変調された光信号を送受信する光伝送装置および光伝送システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
(IM−DD方式)
図9は、強度変調−直接検波(IM−DD)方式を用いた従来の波長多重光伝送システムの構成例を示す。
【0003】
図において、送信部10では、複数の光源11−1〜11−nで発生させた波長λ1〜λnの連続光を光強度変調器12−1〜12−nに入力し、送信信号でそれぞれ強度変調した光信号を生成する。各波長の光信号は、光合波器13で波長多重され、光ファイバ伝送路30−1〜30−mおよびその損失を補償する光増幅器31−1〜31−mを介して受信部20まで伝送される。受信部20では、光分波器21で各波長の光信号に分波し、それぞれ対応する受光素子22−1〜22−nに入力して直接検波し、電気信号に変換する。各電気信号は、識別再生回路23−1〜23−nにより識別再生され、受信信号として出力される。
【0004】
このようなIM−DD方式を用いた光伝送システムは、1波長のみを伝送する場合でも、広帯域および低損失な光ファイバ伝送路を用いているために、高ビットレートの信号を長距離伝送することができる。また、図9のように光増幅器31を用いることにより、光信号を光のままで増幅中継することができ、光信号を電気信号に変換して識別再生する再生中継器を用いる場合に比べて低コストな光伝送システムを構築できる。さらに、図9のような波長多重光伝送システムでは、光ファイバ伝送路30および光増幅器31を複数の波長で共有できるので、より経済的なシステムを構築できる。
【0005】
しかし、光ファイバ伝送路および光増幅器で生じる信号劣化要因により、光増幅器のみで中継することはできず再生中継器が必要になる。なお、波長多重光伝送システムでは、再生中継器は波長数分必要となり、波長多重による経済化効果が低減する。
【0006】
ここで、光増幅中継数の制限要因のうち、光増幅器の自然放出光(ASE光)による信号対雑音比(光SNR)の劣化、および光ファイバ伝送路の非線形光学効果による信号劣化について説明する。
【0007】
図9のように、光増幅器31のみにより多段に光信号の増幅中継を行う構成では、ASE光が光増幅器を通過するごとに累積される。このため、光信号とASE光との比である光SNRは、送信端に対して受信端で大きく劣化する。また、光SNRが小さくなると、受信部で符号誤り率が増加する。この符号誤り率を一定値以下に保持して信号品質を維持するには、光ファイバ伝送路への入力光パワーを上昇させ、送信端での光SNRを大きくする必要がある。
【0008】
しかし、光ファイバ伝送路への入力光パワーを上昇させると、光ファイバ伝送路の非線形光学効果による信号劣化が大きくなる。非線形光学効果は、光ファイバ中を高パワーの光が伝搬するとき、光と光ファイバが相互作用を起こし、光ファイバの屈折率が非線形応答を起こす現象である。光伝送システムで問題となる現象として、自己位相変調と群速度分散の相互作用(SPM+GVD)、相互位相変調と群速度分散の相互作用(XPM+GVD)、四光波混合、誘導ラマン散乱等がある。
【0009】
IM−DD方式を用いた光伝送システムにおいて、1波長のみを伝送させた場合には、SPM+GVD効果が顕著になることが報告されている(参考文献:A.Naka et al.,”Fiber transmission distance determined by eye opening degradation due to self−phase modulation and group−velocity dispersion”, IEE Electoronics Letters, vol.28, pp.2221−2222, 1992)。また、図9のような波長多重光伝送システムにおいて、光伝送路の零分散波長近傍以外の波長を用いた場合には、XPM+GVD効果が顕著になることが報告されている(参考文献:R.Hui et al.,”Cross−phase modulation in multispan WDM optical fiber systems”, IEEE Journal of Lightwave Technology, vol.17, pp.1018−1026, 1999) 。
【0010】
(DPSK−DD方式)
次に、IM−DD方式に比べて光SNR劣化の影響を低減できるDPSK−DD方式について説明する。DPSK−DD方式は、送信信号を光の位相の変化に対応させて伝送し、受信部で前後のビットを干渉させ、位相変化を強度信号に変換して復調する方式である。
【0011】
図10は、DPSK−DD方式を用いた従来の波長多重光伝送システムの構成例を示す。図において、送信部10では、複数の送信信号をそれぞれ符号化器14−1〜14−nに入力し、送信信号“0”を“01”または“10”とし、“1”を“11”と符号化する。複数の光源11−1〜11−nで発生させた波長λ1〜λnの連続光を光位相変調器15−1〜15−nに入力し、符号化器14−1〜14−nの出力信号によりそれぞれ位相変調した光信号を生成する。このとき、光信号の相対位相は符号化器14−1〜14−nの出力信号に対応し、0とπの2値の位相変調信号となる。各波長の光信号は、光合波器13で波長多重され、光ファイバ伝送路30−1〜30−mおよびその損失を補償する光増幅器31−1〜31−mを介して受信部20まで伝送される。
【0012】
受信部20では、光分波器21で各波長の光信号に分波し、それぞれ対応する光復調器24−1〜24−nに入力される。光復調器24は、光弁別器25とバランス型受光器26から構成される。光弁別器25は2入力2出力のマッハツェンダ干渉計により構成し、一方の入力ポートから入力した光信号を2分岐し、その一方に1ビット分時間遅延させた後に合波して2つの出力ポートに出力する。一方の出力ポートには、光の位相に変化が無ければ、干渉によって分岐された光信号が強め合って強度の大きい光信号を出力し、光の位相に変化があれば、干渉によって分岐された光信号が打ち消し合って強度の小さい光信号を出力する。
【0013】
送信部10側では、予め送信信号が光信号の位相変化に対応付けられているので、送信信号と等しい光強度信号が光弁別器25の一方の出力ポートから出力される。光弁別器25の他方の出力ポートには、論理反転した光信号が出力される。これらをバランス型受光器26で受光することにより、送信信号に応じた電気信号を復調することができる。各電気信号は、識別再生回路23−1〜23−nにより識別再生され、受信信号として出力される。
【0014】
ここで、光弁別器25の2つの出力ポートには、可干渉性のない光増幅器のASE光成分は均等に出力され、可干渉性のある光信号は相補的な光信号として出力される。このため、バランス型受光器26の出力にはASE光成分は相殺され、光信号成分は2倍になって出力される。したがって、IM−DD方式と光信号のピークパワーを等しくすると、DPSK−DD方式の光SNRは2倍になり、ASE累積による光SNR劣化の影響を低減することができる。しかし、非線形光学効果については、位相変調を用いた場合でも劣化が生じることが報告されている(参考文献:S.Norimatsu et al.,”The influence of cross−phase modulation on optical FDM PSK homodyne transmission systems”,IEEE Journal of Lightwave Technology, vol.11, pp.795−804, 1993) 。
【0015】
以上説明したように、IM−DD方式を用いた光伝送システムでは、光増幅器の多段中継に起因するASE光累積による光SNR劣化と、光ファイバ伝送路における非線形光学効果の影響により、光増幅中継数が制限されている。また、DPSK−DD方式を用いた光伝送システムでは、光SNR劣化に対する制限は緩和できるが、非線形光学効果の影響については低減できず、光増幅中継数の制限要因になっている。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光伝送システムにおいて問題となる非線形光学効果のうち、1波長伝送で問題となるSPM+GVD効果、波長多重伝送で問題となるSPM+GVD効果およびXPM+GVD効果について、詳細に説明する。
【0017】
(SPM+GVD効果)
まず、従来の光伝送システムにおいて、IM−DD方式におけるSPM+GVD効果の影響について説明する。
【0018】
図11は、IM−DD方式で生じる自己位相変調による光周波数変化を示す。(a) はNRZ(Non−Return to Zero) 符号を用いた強度変調信号の波形、(b) は誘起される自己位相変調によって生じる光周波数変化を示す。図11(a) に示すような強度変調信号が光ファイバ伝送路を伝搬すると、光ファイバの非線形屈折率を介して自光信号に光強度に比例した光位相変化が生じる。この光位相変化を自己位相変調(SPM)という。光位相変化の時間微分は光周波数変動に対応するため、図11(b) に示すように光強度変化に応じて位相が変化する際に光周波数変動が生じる。このように、NRZ符号を用いたIM−DD方式では、符号が変化するビットの境界でのみ光周波数変動が生じる。この光周波数変動が光伝送路中の群速度分散により、光強度変化に変換される効果をSPM+GVD効果という。
【0019】
図12は、NRZ符号を用いたIM−DD方式の1波長伝送時の信号波形を示す。ここでは、波長分散値 2.5ps/nm/kmの光伝送路を 120kmごとに光増幅中継し、360 km伝送した場合の波形変化を示す。(a) は伝送前、(b) は伝送後の波形を示す。なお、群速度分散のみの影響を除くため、伝送後に分散補償ファイバにより光伝送路の群速度分散を補償した。
【0020】
図12(b) 中の2つの矢印は、ともに送信信号の“1”を表しているが、前後のビットの符号に依存し、波形が大きく異なっていることがわかる。図11に示すように、自己位相変調の光周波数変動は、符号が変化するビットの境界のみで生じるが、この光周波数変動はその前後のビットに対して影響を与え、符号間干渉を生じさせる。この符号間干渉により、前後のビットの符号に依存した波形のばらつきが生じ、信号に誤りが生じることになる。
【0021】
次に、DPSK+DD方式におけるSPM+GDV効果の影響について説明する。
図13は、位相変調信号の光強度とその光周波数変化の関係を示す。(a) は位相変調信号の波形、(b) は誘起される自己位相変調によって生じる光周波数変化を示す。図13(a) に示すように、位相変調信号は送信信号を光の相対位相に対応させるため、光強度を一定にできるが、光位相は変化する。特に、符号が変化し、光の相対位相が“0”から“π”、“π”から“0”に変化するビットの境界で位相変化が生じる。
【0022】
上述したように、光位相変化の時間微分が光周波数変動になるので、光位相が変化するときのビット境界に図13(b) に示すような光周波数変動が生じる。光周波数変動は、群速度分散がある光ファイバを伝送すると光強度変化に変換されるため、位相変調信号においても強度変調信号と同様に送信信号に依存した強度変化を生じることになる。この送信信号に依存した強度変化により、上述のIM−DD方式と同様に、位相変調信号を用いた場合でもSPM+GVD効果による符号間干渉が生じ、波形劣化を招く。
【0023】
図14は、DPSK−DD方式の1波長伝送時の信号波形を示す。ここでは、図12に示す信号波形と同一条件で位相変調信号を伝送させた場合の波形変化を示す。(a) は伝送前、(b) は伝送後の光復調器の出力波形を示す。IM−DD方式の場合と同様に、図14(b) 中の2つの矢印は、ともに送信信号の“1”を表しているが、DPSK−DD方式においてもIM−DD方式と同様に前後ビットによって波形が大きく異なり、符号間干渉による波形のばらつきが生じている。
【0024】
なお、SPM−GVD効果による符号間干渉を低減させるために、IM−DD方式においてRZ(Return to Zero) 符号を用いることが検討されている。この場合には、SPM−GVD効果による劣化は低減されるが、ASE光による信号劣化は改善できない。
【0025】
(XPM+GVD効果)
次に、波長多重伝送で問題となるSPM+GVD効果およびXPM+GVD効果のうち、XPM+GVD効果について詳細に説明する。
【0026】
光強度により送信信号を伝送するIM−DD方式では、送信信号に対応した光強度変化が光ファイバの非線形屈折率を介して隣接波長の位相を変化させる。この位相変化により生じる光周波数変化が、群速度分散により強度揺らぎとして現れる効果をXPM+GVD効果という。
【0027】
図15は、NRZ符号を用いたIM−DD方式で波長多重伝送を行った場合の相互位相変調によって生じる光周波数変化を示す。図15(a),(b) は、波長λ1,λ2の光強度変調信号の波形を示す。図15(a),(b) 間の矢印は、光強度の変化によって隣接波長間の相互位相変調が生じる点を示し、例えば下向きの矢印は波長λ1の光信号が波長λ2の光信号に光周波数変化を生じさせることを意味する。図15(c) は、波長λ1の光信号の強度変化によって波長λ2の光信号に生じる光周波数変化を示す。
【0028】
図15(a),(b) に示すように、隣接波長間には送信信号の相関はないので、隣接チャネル間の強度変化には相関はない。このため、図15(c) に示すように、隣接チャネルの影響により生じた光周波数変化は自光信号とは無関係なランダムな変化となる。このランダムな光周波数変化は、光ファイバ中の群速度分散によりランダムな強度変化に変換される。
【0029】
次に、上述したXPM+GVD効果によるランダムな波形劣化の受信後の周波数分布について説明する。
図16は、NRZ符号を用いたIM−DD方式で生じるXPM+GVD効果の周波数分布を示す。ここでは、中心波長を連続光とし、他を10Gbit/s のビットレートでNRZ符号を用いて強度変調した3波長の波長多重光信号について、伝送時の中心波長の光信号を直接検波した場合の電気スペクトルを示す。
【0030】
この電気スペクトルは連続光を受光した際のものであるので、本来は周波数0Hz成分のみ存在し、他の周波数成分は存在しない。しかし、図16に示すように、本来スペクトルが存在しない領域にブロードなスペクトルが生じている。このスペクトルは、隣接波長のXPM+GVD効果によるランダムな強度変化によって生じたものである。XPM+GVD効果により生じたスペクトルは、図に示すように信号周波数帯域と重なっており、取り除くことは不可能である。このため、受信部においてランダムな信号劣化が生じることになる。
【0031】
以上、NRZ符号を用いたIM−DD方式におけるXPM+GVD効果の影響について説明したが、DPSK−DD方式についてもSPM+GVD効果と同様に信号劣化を生じる。また、RZ符号を用いたIM−DD方式についても、強度変化は送信信号に依存し、隣接波長にXPM+GVD効果によるランダムな信号劣化を与える。
【0032】
図17は、100 GHz間隔の3波長多重伝送実験により得られたアイパターンを示す。信号のビットレートは10Gbit/s とした。また、実験に用いた光伝送路は波長分散値 2.5ps/nm/kmであり、 120kmごとに光増幅中継し、360 km伝送した。なお、群速度分散のみの影響を除くため、伝送後に分散補償ファイバにより光伝送路の群速度分散を補償した。
【0033】
図17(a),(b),(c) は、それぞれNRZ符号を用いたIM−DD方式、RZ符号を用いたIM−DD方式、DPSK−DD方式のアイパターンを示す。なお、比較のために、伝送前のアイパターンもそれぞれ同時に示す。図に示すように、3波長多重伝送後のアイパターンは、伝送前と比較して波形がランダムに劣化し、“0”と“1”のレベル差が小さくなって誤りが生じやすくなっていることがわかる。このように、波長多重伝送を行った場合は、SPM+GVD効果に加え、XPM+GVD効果によりランダムな波形劣化を受けて信号が劣化する。
【0034】
なお、ここでは波長多重伝送を行った場合の非線形光学効果の例として、XPM+GVD効果による劣化について説明したが、光強度変化すなわち光パワーの変化が他の波長に影響を与える現象については、上記のXPM+GVD効果と同様の劣化を生じさせる。
【0035】
このように、光伝送システムでは、非線形光学効果と光SNR劣化の影響により信号が劣化する。特に、SPM+GVD効果およびXPM+GVD効果による影響は、従来技術を用いる光伝送システムにおいて光増幅中継数の大きな制限要因となっている。
【0036】
本発明は、SPM+GVD効果やXPM+GVD効果等の非線形光学効果、および光SNR劣化による光増幅中継数の制限を緩和し、光伝送路における再生中継器を最小限に抑えて経済的なネットワークを構築することができる光伝送装置および光伝送システムを提供することを目的とする。
【0037】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の光伝送装置は、単一波長の光を発生する光源と、ディジタル信号により単一波長の光を位相変調する位相変調手段と、位相変調された光信号の各ビットの境界における光信号強度がビットの境界以外の光信号強度と比較して相対的に小さくなるように強度変調する強度変調手段とを備え、位相変調および強度変調された光信号を送信する。
【0038】
請求項2に記載の光伝送装置は、異なる波長の光を発生する複数の光源と、複数のディジタル信号により各波長の光をそれぞれ位相変調する複数の位相変調手段と、位相変調された各波長の光信号の各ビットの境界における光信号強度がビットの境界以外の光信号強度と比較して相対的に小さくなるようにそれぞれ強度変調する複数の強度変調手段と、位相変調および強度変調された各波長の光信号を合波する光合波器とを備え、光合波器から出力される波長多重光信号を送信する。
【0039】
このように、ディジタル送信信号により位相変調されたビットの境界で、光強度が小さくなるように信号のビットに同期したタイミングで強度変調を行うので、送信波形の強度変化はすべてのビットにおいて一様になり、ビットの境界で光強度が小さくなる。これにより、SPM+GVD効果により生じる符号間干渉を抑圧でき、信号劣化を低減することができる。
【0040】
請求項3に記載の光伝送装置は、ディジタル信号により位相変調された光信号を復調して電気信号に変換する光復調手段と、電気信号を識別再生してディジタル信号を出力する識別再生手段とを備え、請求項1に記載の光伝送装置から送信された光信号を光復調手段に受信する。
【0041】
請求項4に記載の光伝送装置は、複数のディジタル信号により各波長の光信号がそれぞれ位相変調された波長多重光信号を各波長の光信号に分波する光分波器と、各波長の光信号を復調してそれぞれ電気信号に変換する複数の光復調手段と、各電気信号を識別再生してそれぞれ対応するディジタル信号を出力する複数の識別再生手段とを備え、請求項2に記載の光伝送装置から送信された波長多重光信号を光分波器に受信して分波する。
【0042】
また、光復調手段で復調された電気信号のクロック周波数以上の周波数成分を減衰させる手段を備えてもよい(請求項5)。本発明の光伝送装置から送信された光信号は、送信信号のクロック周波数と一致した成分により強度変調された波形となる。したがって、XPM+GVD効果による波形劣化は隣接チャネルの強度変化の周期であるクロック周波数およびその逓倍の周波数に生じるので、復調信号からクロック周波数以上の成分を減衰させることにより、XPM+GVD効果による波形劣化を低減することができる。
【0043】
また、光復調手段は、入力された光信号を前後のビット間で干渉させ、光信号の位相変調成分を強度変調成分に変換する光弁別器と、光弁別器の出力光信号を電気信号に変換する光電変換器とにより構成してもよい(請求項6)。
【0044】
請求項7に記載の光伝送システムは、請求項1に記載の光伝送装置と、この光伝送装置から送信された光信号または波長多重光信号を伝送する光ファイバ伝送路と、光ファイバ伝送路を伝送された光信号を受信する請求項3に記載の光伝送装置とを備えた構成である。
【0045】
請求項8に記載の光伝送システムは、請求項2に記載の光伝送装置と、この光伝送装置から送信された光信号または波長多重光信号を伝送する光ファイバ伝送路と、光ファイバ伝送路を伝送された波長多重光信号を受信する請求項4に記載の光伝送装置とを備えた構成である。
【0046】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の光伝送装置および光伝送システムの第1の実施形態を示す。DPSK−DD方式による変復調部の基本的な部分は、図10に示す従来の構成と同様である。ここでは、1波長の光信号を伝送する構成を示す。
【0047】
図において、送信部10では、ディジタル送信信号を符号化器14に入力して符号化する。光源11から出力される波長λ1の連続光は光位相変調器15に入力され、符号化器14の出力信号により位相変調される。この位相変調信号は、クロック信号で駆動される光強度変調器16に入力され、ビットの境界で光強度が小さくなるようにビットごとに強度変調される。この光信号は、光ファイバ伝送路30−1〜30−mおよびその損失を補償する光増幅器31−1〜31−mを介して受信部20まで伝送される。
【0048】
受信部20では、受信した光信号が光復調器24に入力される。光復調器24は、光弁別器25とバランス型受光器26から構成される。光弁別器25は2入力2出力のマッハツェンダ干渉計により構成し、一方の入力ポートから入力した光信号を2分岐し、その一方に1ビット分時間遅延させた後に合波して2つの出力ポートに出力する。一方の出力ポートには、送信信号と等しい光強度信号が出力され、他方の出力ポートには論理反転した光強度信号が出力される。光弁別器25から出力される2つの光強度信号はバランス型受光器26に受光され、送信信号に応じた電気信号が復調される。電気信号は識別再生回路23により識別再生され、ディジタル受信信号として出力される。
【0049】
このように本発明の特徴は、送信部10を構成する光伝送装置にあり、送信する位相変調信号に対して光強度変調器16を用いてビットの境界で光強度が小さくなるように強度変調するところにある。受信部20を構成する光伝送装置は従来のもので対応することができる。
【0050】
本実施形態は、1波長の光信号を伝送するものであるが、このときに影響を与える非線形光学効果はSPM+GVD効果である。上述したように、NRZ符号を用いるIM−DD方式、DPSK−DD方式では、SPM+GVD効果により生じる符号間干渉によって信号が劣化する。本実施形態では、ディジタル送信信号により位相変調されたビットの境界で、光強度が小さくなるように信号のビットに同期したタイミングで強度変調を行う。このため、送信波形の強度変化はすべてのビットにおいて一様になり、ビットの境界で光強度が小さくなる。ビットの境界の光強度を小さくすれば、SPM+GVD効果により生じる符号間干渉を抑圧でき、信号劣化を低減することができる。
【0051】
なお、本実施形態では、送信部10から位相変調信号を送信し、受信部20で光弁別器25およびバランス型受光器26を用いた復調処理を行う構成であるので、従来のDPSK−DD方式と同様に受信感度を高め、光増幅器31のASE光の影響を小さくすることができる。RZ符号を用いたIM−DD方式でも、SPM+GVD効果により生じる符号間干渉を抑圧できるが、本発明の構成ではASE光の影響も合わせて低減できるところに特徴がある。
【0052】
図2は、第1の実施形態における1波長伝送時の信号波形を示す。ここでは、ビットレート10Gbit/s の信号を波長分散値 2.5ps/nm/kmの光伝送路で 120kmごとに光増幅中継し、360 km伝送した場合の波形変化を示す。(a) は伝送前、(b) は伝送後の光復調器の出力波形を示す。なお、群速度分散のみの影響を除くため、伝送後に分散補償ファイバにより光伝送路の群速度分散を補償した。
【0053】
従来のIM−DD方式やDPSK−DD方式では、図17に示すように、SPM+GVD効果による符号間干渉により、前後のビットの依存して波形が変化し劣化が生じているのに対して、本実施形態では符号間干渉を抑圧できるので波形劣化が小さいことが分かる。
【0054】
図3は、第1の実施形態における伝送後の符号誤り率特性を示す。なお、実験条件は図2の実験と同様である。本実験では、光伝送路の損失を30dBに固定し、光伝送路への光入力パワーを変化させた場合の符号誤り率を示す。図中の●印は、光入力パワーが小さい場合の符号誤り率であるが、後述する3波長伝送時の符号誤り率を転用した。これは、光入力パワーが小さい場合には、非線形光学効果の影響はなく、1波長伝送時の符号誤り率とほぼ一致するからである。図3(a) はNRZ符号を用いたIM−DD方式、図3(b) はRZ符号を用いたIM−DD方式、図3(c) はDPSK−DD方式であり、図3(d) が本実施形態の符号誤り率である。
【0055】
光伝送路への光入力パワーを減少させると、符号誤り率が悪化する。これは、上述したASE光による光SNR劣化の影響により、光入力パワーに下限が存在することを示す。一方、光伝送路への光入力パワーを上昇させると、符号誤り率がやはり悪化する。これは、非線形光学効果による影響で波形が劣化したことによる制限である。この上限、下限間の光入力パワーの範囲が広いほど、ASE光および非線形光学効果の影響が小さく、光増幅中継数を大きくすることができる。基準となる符号誤り率を10−9以下とすると、これを満たす光入力パワーの範囲は、図3(d) に示す本実施形態のものが最大であり、ASE光および非線形光学効果の影響を低減できることがわかる。
【0056】
なお、本実施形態では、光復調器24の光弁別器25としてマッハツェンダ干渉計を用いた構成を示したが、SPM+GVD効果による符号間干渉の低減効果は光復調器の構成によらないので、他の復調方式を用いた場合でも同様に光伝送路中で生じる符号間干渉を低減することができる。
【0057】
また、光復調器24の復調信号からクロック周波数以上の成分を減衰させる手段として、例えば図1に示すように、受信部20の光復調器24と識別再生器23との間にフィルタを配置してもよい。本実施形態の送信部10では、光送信波形のすべてのビットが一様な強度変化となるので、SPM+GVD効果による波形劣化もすべてのビットに同様に生じる。その結果、復調後の波形劣化は、クロック周波数と一致またはその逓倍の周波数成分に生じる。したがって、光復調器24の出力に対してクロック周波数以上の成分を減衰させるフィルタを用いることにより、復調後の波形劣化を改善することができる。
【0058】
(第2の実施形態)
図4は、本発明の光伝送装置および光伝送システムの第2の実施形態を示す。DPSK−DD方式による変復調部の基本的な部分は、図10に示す従来の構成と同様である。ここでは、n波長多重伝送する構成を示す。
【0059】
図において、送信部10では、複数のディジタル送信信号をそれぞれ符号化器14−1〜14−nに入力して符号化する。複数の光源11−1〜11−nで発生させた波長λ1〜λnの連続光を光位相変調器15−1〜15−nに入力し、符号化器14−1〜14−nの出力信号によりそれぞれ位相変調した光信号を生成する。各波長の位相変調信号は、それぞれクロック信号で駆動される光強度変調器16−1〜16−nに入力され、ビットの境界で光強度が小さくなるようにビットごとに強度変調される。各波長の光信号は、光合波器13で波長多重され、光ファイバ伝送路30−1〜30−mおよびその損失を補償する光増幅器31−1〜31−mを介して受信部20まで伝送される。
【0060】
受信部20では、光分波器21で各波長の光信号に分波し、それぞれ対応する光復調器24−1〜24−nに入力される。光復調器24は、光弁別器25とバランス型受光器26から構成される。光弁別器25は2入力2出力のマッハツェンダ干渉計により構成し、一方の入力ポートから入力した光信号を2分岐し、その一方に1ビット分時間遅延させた後に合波して2つの出力ポートに出力する。一方の出力ポートには、送信信号と等しい光強度信号が出力され、他方の出力ポートには論理反転した光強度信号が出力される。光弁別器25から出力される2つの光強度信号はバランス型受光器26に受光され、送信信号に応じた電気信号が復調される。各光復調器24−1〜24−nから出力される電気信号は、それぞれ識別再生回路23−1〜23−nにより識別再生され、ディジタル受信信号として出力される。
【0061】
本実施形態では、第1の実施形態と同様に、ディジタル送信信号により位相変調されたビットの境界で、光強度が小さくなるように信号のビットに同期したタイミングで強度変調を行うので、送信波形の強度変化はすべてのビットにおいて一様になり、ビットの境界で光強度が小さくなる。これにより、SPM+GVD効果により生じる符号間干渉を抑圧でき、信号劣化を低減することができる。
【0062】
次に、本実施形態において、XPM+GVD効果によって生じる信号劣化を低減する原理について説明する。
図5は、第2の実施形態で相互位相変調によって生じる光周波数変化を示す。図5(a),(b) は、波長λ1,λ2の位相変調・強度変調信号の波形を示す。図5(a),(b) 間の矢印は、相互位相変調により隣接波長間の光強度変化による光周波数変動が生じる点を示す。例えば下向きの矢印は、波長λ1の光信号が波長λ2の光信号に光周波数変化を生じさせることを意味する。図5(c) は、波長λ1の光信号の強度変化によって波長λ2の光信号に生じる光周波数変化を示す。
【0063】
本実施形態では、図5(a),(b) に示すように、ディジタル送信信号は光の位相により伝達されるので、光強度は送信信号によらず、ビットの境界で常に光強度が小さくなる。このため、送信信号のクロック周波数と一致した成分により強度変調された波形となる。また、全てのビットが同一の強度変調を受けるため、図中の矢印のように、XPM+GVD効果も全てのビットで一様に影響を与える。この結果、図5(c) に示すように、隣接チャネルからの相互位相変調により生じる光周波数変化の周期はビットレートと一致することになる。
【0064】
このように、本実施形態におけるXPM+GVD効果による波形劣化は、隣接チャネルの強度変化の周期であるクロック周波数およびその逓倍の周波数に生じる。したがって、光復調器24の復調信号からクロック周波数以上の成分を減衰させる手段として、例えば図4に示すように、受信部20の光復調器24と識別再生器23との間にフィルタを配置することにより、XPM+GVD効果による波形劣化を低減することが可能となる。
【0065】
ここで、第2の実施形態におけるXPM+GVD効果による波形劣化の受信後の周波数分布について説明する。
図6は、第2の実施形態におけるXPM+GVD効果の周波数分布を示す。ここでは、中心波長を連続光とし、他を本発明により位相変調・強度変調したビットレート10Gbit/s の3波長の波長多重光信号について、伝送時の中心波長の光信号を直接検波した場合の電気スペクトルを示す。
【0066】
この電気スペクトルは連続光を受光した際のものであるので、本来は周波数0Hz成分のみ存在する。他の周波数成分は、隣接波長のXPM+GVD効果による影響を示している。IM−DD方式では、図16に示すように信号帯域全域にわたりブロードなスペクトルが生じていたが、本実施形態のXPM+GVD効果による波形劣化は、隣接チャネルの強度変化の周期であるクロック周波数およびその逓倍の周波数に生じている。したがって、その波形劣化成分は、クロック周波数以上の成分を減衰させるフィルタにより容易に取り除くことができる。
【0067】
図7は、第2の実施形態の構成による3波長多重伝送実験により得られたアイパターンを示す。信号のビットレートは10Gbit/s とした。また、実験に用いた光伝送路は波長分散値 2.5ps/nm/kmであり、 120kmごとに光増幅中継し、360 km伝送した。なお、群速度分散のみの影響を除くため、伝送後に分散補償ファイバにより光伝送路の群速度分散を補償した。図17に示す従来構成では、3波波長多重伝送後のアイパターンが大きく波形劣化していたが、本実施形態の構成では3波長多重伝送後のアイパターンに顕著な劣化が見られず、SPM+GVD効果およびXPM+GVD効果による波形劣化が抑圧できていることがわかる。
【0068】
図8は、第2の実施形態における伝送後の符号誤り率特性を示す。なお、実験条件は図2の実験と同様である。本実験では、光伝送路の損失を30dBに固定し、光伝送路への光入力パワーを変化させた場合の符号誤り率を示す。図8(a) はNRZ符号を用いたIM−DD方式、図8(b) はRZ符号を用いたIM−DD方式、図8(c) はDPSK−DD方式であり、図8(d) が本実施形態の符号誤り率である。なお、参考のために、1波長伝送時の符号誤り率についても表示している(▲印)。
【0069】
1波長伝送時と3波長伝送時の符号誤り率を比較すると、光伝送路への光入力パワーが大きい場合に、3波長伝送時の符号誤り率が高くなることがわかる。これは、波長間の相互作用によるXPM+GVD効果により生じる波形劣化が原因であるが、その中では図8(d) に示す本実施形態のものが符号誤り率の劣化が最小限に抑えられていることが分かる。
【0070】
このXPM+GVD効果による波形劣化は、上述したように復調出力に対してクロック周波数以上の成分を減衰させる手段を用いることにより低減することができる。実験では、光復調器の帯域がビットレートである10GHz程度のものを用いることにより、XPM+GVD効果による波形劣化を低減でき、符号誤り率の劣化を抑圧できた。ここで、基準となる符号誤り率を10−9以下とすると、これを満たす光入力パワーの範囲は、図8(d) に示す本実施形態のものが最大であり、ASE光および非線形光学効果の影響を低減できることがわかる。これにより、光増幅中継数を増やすことができ、経済的な光伝送システムを構築することができる。
【0071】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光伝送装置および光伝送システムは、ディジタル送信信号により位相変調されたビットの境界で、光強度が小さくなるように信号のビットに同期したタイミングで強度変調を行うので、送信波形の強度変化はすべてのビットにおいて一様になり、ビットの境界で光強度が小さくなる。これにより、SPM+GVD効果により生じる符号間干渉を抑圧でき、信号劣化を低減することができる。
【0072】
また、本発明の光伝送装置から送信された光信号は、送信信号のクロック周波数と一致した成分により強度変調された波形となる。したがって、XPM+GVD効果による波形劣化は隣接チャネルの強度変化の周期であるクロック周波数およびその逓倍の周波数に生じるので、復調信号からクロック周波数以上の成分を減衰させることにより、XPM+GVD効果による波形劣化を低減することができる。
【0073】
なお、復調信号からクロック周波数以上の成分を減衰させる構成は、1波長伝送時にも効果がある。すなわち、光送信波形のすべてのビットが一様な強度変化となるので、SPM+GVD効果による波形劣化もすべてのビットに同様に生じる。その結果、復調後の波形劣化は、クロック周波数と一致またはその逓倍の周波数成分に生じる。したがって、復調信号からクロック周波数以上の成分を減衰させることにより、復調後の波形劣化を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光伝送装置および光伝送システムの第1の実施形態を示すブロック図。
【図2】第1の実施形態における1波長伝送時の信号波形を示す図。
【図3】第1の実施形態における伝送後の符号誤り率特性を示す図。
【図4】本発明の光伝送装置および光伝送システムの第2の実施形態を示すブロック図。
【図5】第2の実施形態で波長多重伝送を行った場合の相互位相変調によって生じる光周波数変化を示す図。
【図6】第2の実施形態におけるXPM+GVD効果の周波数分布を示す図。
【図7】第2の実施形態の構成による3波波長多重伝送実験により得られたアイパターンを示す図。
【図8】第2の実施形態における伝送後の符号誤り率特性を示す図。
【図9】IM−DD方式を用いた従来の波長多重光伝送システムの構成例を示すブロック図。
【図10】DPSK−DD方式を用いた従来の波長多重光伝送システムの構成例を示すブロック図。
【図11】IM−DD方式で生じる自己位相変調による光周波数変化を示す図。
【図12】NRZ符号を用いたIM−DD方式の1波長伝送時の信号波形を示す図。
【図13】位相変調信号の光強度とその光周波数変化の関係を示す図。
【図14】DPSK−DD方式の1波長伝送時の信号波形を示す図。
【図15】NRZ符号を用いたIM−DD方式で波長多重伝送を行った場合の相互位相変調によって生じる光周波数変化を示す図。
【図16】NRZ符号を用いたIM−DD方式で生じるXPM+GVD効果の周波数分布を示す図。
【図17】100 GHz間隔の3波波長多重伝送実験により得られたアイパターンを示す図。
【符号の説明】
10 送信部
11 光源
12 光強度変調器
13 光合波器
14 符号化器
15 光位相変調器
16 光強度変調器
20 受信部
21 光分波器
22 受光素子
23 識別再生器
24 光復調器
25 光弁別器
26 バランス型受光器
30 光ファイバ伝送路
31 光増幅器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical transmission apparatus and an optical transmission system that transmit and receive an optical signal phase-modulated by a digital signal.
[0002]
[Prior art]
(IM-DD method)
FIG. 9 shows a configuration example of a conventional wavelength division multiplexing optical transmission system using an intensity modulation-direct detection (IM-DD) system.
[0003]
In the figure, in the
[0004]
Such an optical transmission system using the IM-DD system transmits a high bit rate signal over a long distance because it uses a broadband and low-loss optical fiber transmission line even when only one wavelength is transmitted. be able to. Further, by using the
[0005]
However, due to the signal deterioration factor generated in the optical fiber transmission line and the optical amplifier, it is not possible to relay only by the optical amplifier, and a regenerative repeater is required. In the wavelength division multiplexing optical transmission system, as many regenerative repeaters as the number of wavelengths are required, and the economic effect of wavelength multiplexing is reduced.
[0006]
Here, among the limiting factors of the number of optical amplification repeaters, the signal-to-noise ratio (optical SNR) degradation due to the spontaneous emission light (ASE light) of the optical amplifier and the signal degradation due to the nonlinear optical effect of the optical fiber transmission line will be described. .
[0007]
As shown in FIG. 9, in a configuration where optical signals are amplified and relayed in multiple stages using only the
[0008]
However, when the input optical power to the optical fiber transmission line is increased, signal degradation due to the nonlinear optical effect of the optical fiber transmission line increases. The nonlinear optical effect is a phenomenon in which when high-power light propagates through an optical fiber, the light and the optical fiber interact with each other, and the refractive index of the optical fiber causes a nonlinear response. Phenomena that cause problems in optical transmission systems include the interaction between self-phase modulation and group velocity dispersion (SPM + GVD), the interaction between cross-phase modulation and group velocity dispersion (XPM + GVD), four-wave mixing, and stimulated Raman scattering.
[0009]
In an optical transmission system using the IM-DD system, it is reported that the SPM + GVD effect becomes remarkable when only one wavelength is transmitted (reference: A. Naka et al., “Fiber transmission distance”. “determined by eye opening degrading due to self-phase modulation and group-velocity dispersion”, IEEE Electronics Letters, vol. 28, pp. 2221-2222, 222.2222. Further, in the wavelength division multiplexing optical transmission system as shown in FIG. 9, it is reported that the XPM + GVD effect becomes remarkable when a wavelength other than the vicinity of the zero dispersion wavelength of the optical transmission line is used (reference: R.D. Hui et al., “Cross-phase modulation in multispan WDM optical fiber systems”, IEEE Journal of Lightwave Technology, vol.
[0010]
(DPSK-DD system)
Next, the DPSK-DD system that can reduce the influence of optical SNR degradation compared to the IM-DD system will be described. The DPSK-DD scheme is a scheme in which a transmission signal is transmitted in correspondence with a change in the phase of light, the front and rear bits are interfered by a receiving unit, and the phase change is converted into an intensity signal and demodulated.
[0011]
FIG. 10 shows a configuration example of a conventional wavelength division multiplexing optical transmission system using the DPSK-DD system. In the figure, the
[0012]
In the
[0013]
On the
[0014]
Here, to the two output ports of the
[0015]
As described above, in an optical transmission system using the IM-DD system, optical amplification repeater is affected by optical SNR degradation due to ASE light accumulation caused by multi-stage relaying of an optical amplifier and nonlinear optical effects in an optical fiber transmission line. The number is limited. In the optical transmission system using the DPSK-DD system, the restriction on the optical SNR degradation can be relaxed, but the influence of the nonlinear optical effect cannot be reduced, which is a limiting factor for the number of optical amplification repeaters.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
Of the nonlinear optical effects that are a problem in the conventional optical transmission system, the SPM + GVD effect that is a problem in single wavelength transmission, the SPM + GVD effect and the XPM + GVD effect that are problems in wavelength multiplexing transmission will be described in detail.
[0017]
(SPM + GVD effect)
First, the influence of the SPM + GVD effect in the IM-DD system in the conventional optical transmission system will be described.
[0018]
FIG. 11 shows an optical frequency change due to self-phase modulation that occurs in the IM-DD system. (A) is a waveform of an intensity modulation signal using an NRZ (Non-Return to Zero) code, and (b) is an optical frequency change caused by induced self-phase modulation. When an intensity-modulated signal as shown in FIG. 11A propagates through the optical fiber transmission line, an optical phase change proportional to the light intensity occurs in the self-optical signal through the nonlinear refractive index of the optical fiber. This optical phase change is called self-phase modulation (SPM). Since the time differentiation of the optical phase change corresponds to the optical frequency fluctuation, the optical frequency fluctuation occurs when the phase changes according to the optical intensity change as shown in FIG. As described above, in the IM-DD system using the NRZ code, the optical frequency fluctuation occurs only at the boundary between the bits where the code changes. The effect that this optical frequency variation is converted into a change in light intensity due to group velocity dispersion in the optical transmission line is called an SPM + GVD effect.
[0019]
FIG. 12 shows a signal waveform at the time of one-wavelength transmission of the IM-DD system using the NRZ code. Here, a change in waveform is shown when an optical transmission line having a chromatic dispersion value of 2.5 ps / nm / km is optically amplified and relayed every 120 km and transmitted by 360 km. (A) shows the waveform before transmission, and (b) shows the waveform after transmission. In order to eliminate the influence of only the group velocity dispersion, the group velocity dispersion of the optical transmission line was compensated with a dispersion compensating fiber after transmission.
[0020]
The two arrows in FIG. 12B both represent “1” of the transmission signal, but it can be seen that the waveforms are greatly different depending on the sign of the preceding and succeeding bits. As shown in FIG. 11, the optical frequency fluctuation of self-phase modulation occurs only at the bit boundary where the code changes, but this optical frequency fluctuation affects the bits before and after that and causes intersymbol interference. . Due to the intersymbol interference, a variation in waveform depending on the code of the preceding and succeeding bits occurs, and an error occurs in the signal.
[0021]
Next, the influence of the SPM + GDV effect in the DPSK + DD system will be described.
FIG. 13 shows the relationship between the light intensity of the phase modulation signal and its optical frequency change. (A) shows the waveform of the phase modulation signal, and (b) shows the optical frequency change caused by the induced self-phase modulation. As shown in FIG. 13 (a), since the phase modulation signal makes the transmission signal correspond to the relative phase of the light, the light intensity can be made constant, but the optical phase changes. In particular, a phase change occurs at a bit boundary where the sign changes and the relative phase of light changes from “0” to “π” and from “π” to “0”.
[0022]
As described above, since the temporal differentiation of the optical phase change becomes the optical frequency fluctuation, the optical frequency fluctuation as shown in FIG. 13B occurs at the bit boundary when the optical phase changes. Since the optical frequency variation is converted into a light intensity change when transmitted through an optical fiber having group velocity dispersion, the intensity change depending on the transmission signal is generated in the phase modulation signal as well as the intensity modulation signal. Due to the intensity change depending on the transmission signal, intersymbol interference due to the SPM + GVD effect occurs even when the phase modulation signal is used, as in the case of the above-described IM-DD system, resulting in waveform deterioration.
[0023]
FIG. 14 shows a signal waveform at the time of one wavelength transmission of the DPSK-DD system. Here, the waveform change when the phase modulation signal is transmitted under the same condition as the signal waveform shown in FIG. 12 is shown. (A) shows the output waveform of the optical demodulator before transmission, and (b) shows the output waveform of the optical demodulator after transmission. As in the case of the IM-DD system, the two arrows in FIG. 14B both represent “1” of the transmission signal. In the DPSK-DD system, the front and rear bits are the same as in the IM-DD system. The waveform varies greatly depending on the waveform, and the waveform varies due to intersymbol interference.
[0024]
In order to reduce intersymbol interference due to the SPM-GVD effect, use of an RZ (Return to Zero) code in the IM-DD scheme has been studied. In this case, deterioration due to the SPM-GVD effect is reduced, but signal deterioration due to ASE light cannot be improved.
[0025]
(XPM + GVD effect)
Next, the XPM + GVD effect will be described in detail among the SPM + GVD effect and XPM + GVD effect that are problematic in wavelength division multiplexing transmission.
[0026]
In the IM-DD system that transmits a transmission signal based on light intensity, a change in light intensity corresponding to the transmission signal changes the phase of an adjacent wavelength via the nonlinear refractive index of the optical fiber. The effect that the optical frequency change caused by this phase change appears as intensity fluctuation due to group velocity dispersion is called XPM + GVD effect.
[0027]
FIG. 15 shows changes in optical frequency caused by cross-phase modulation when wavelength division multiplexing transmission is performed by the IM-DD method using an NRZ code. FIGS. 15A and 15B show waveforms of light intensity modulation signals having wavelengths λ1 and λ2. The arrows between FIGS. 15A and 15B indicate points where cross-phase modulation occurs between adjacent wavelengths due to a change in light intensity. For example, the downward arrow indicates that an optical signal with wavelength λ1 is converted into an optical signal with wavelength λ2. It means to cause a frequency change. FIG. 15C shows the change in optical frequency that occurs in the optical signal with wavelength λ2 due to the change in intensity of the optical signal with wavelength λ1.
[0028]
As shown in FIGS. 15A and 15B, there is no correlation between transmission signals between adjacent wavelengths, so there is no correlation in intensity change between adjacent channels. For this reason, as shown in FIG. 15C, the optical frequency change caused by the influence of the adjacent channel becomes a random change unrelated to the own optical signal. This random optical frequency change is converted into a random intensity change by group velocity dispersion in the optical fiber.
[0029]
Next, a frequency distribution after reception of random waveform deterioration due to the XPM + GVD effect described above will be described.
FIG. 16 shows a frequency distribution of the XPM + GVD effect generated in the IM-DD system using the NRZ code. Here, a case where a center wavelength optical signal at the time of transmission is directly detected with respect to a three-wavelength wavelength multiplexed optical signal in which the center wavelength is continuous light and the others are intensity-modulated using an NRZ code at a bit rate of 10 Gbit / s. Electric spectrum is shown.
[0030]
Since this electric spectrum is obtained when continuous light is received, only the
[0031]
As described above, the influence of the XPM + GVD effect in the IM-DD scheme using the NRZ code has been described, but the signal degradation also occurs in the DPSK-DD scheme similarly to the SPM + GVD effect. Further, also in the IM-DD system using the RZ code, the intensity change depends on the transmission signal, and random signal deterioration due to the XPM + GVD effect is given to the adjacent wavelength.
[0032]
FIG. 17 shows an eye pattern obtained by a three-wavelength multiplex transmission experiment at 100 GHz intervals. The bit rate of the signal was 10 Gbit / s. The optical transmission line used in the experiment had a chromatic dispersion value of 2.5 ps / nm / km, and was optically amplified and relayed every 120 km for 360 km. In order to eliminate the influence of only the group velocity dispersion, the group velocity dispersion of the optical transmission line was compensated with a dispersion compensating fiber after transmission.
[0033]
FIGS. 17A, 17B, and 17C show eye patterns of the IM-DD system using the NRZ code, the IM-DD system using the RZ code, and the DPSK-DD system, respectively. For comparison, the eye patterns before transmission are also shown at the same time. As shown in the figure, the eye pattern after three-wavelength multiplex transmission has a waveform that randomly deteriorates compared to before transmission, and the level difference between “0” and “1” becomes small and errors are likely to occur. I understand that. In this way, when wavelength division multiplexing transmission is performed, in addition to the SPM + GVD effect, the signal deteriorates due to random waveform deterioration due to the XPM + GVD effect.
[0034]
Here, as an example of the nonlinear optical effect in the case of performing wavelength division multiplexing transmission, the deterioration due to the XPM + GVD effect has been described. However, the phenomenon in which the change in light intensity, that is, the change in optical power affects other wavelengths is described above. It causes the same degradation as the XPM + GVD effect.
[0035]
Thus, in the optical transmission system, the signal deteriorates due to the influence of the nonlinear optical effect and the optical SNR deterioration. In particular, the influence of the SPM + GVD effect and the XPM + GVD effect is a major limiting factor for the number of optical amplification repeaters in an optical transmission system using the conventional technology.
[0036]
The present invention relaxes restrictions on the number of optical amplification repeaters due to nonlinear optical effects such as the SPM + GVD effect and XPM + GVD effect, and optical SNR degradation, and constructs an economical network by minimizing regenerative repeaters in the optical transmission line An object of the present invention is to provide an optical transmission device and an optical transmission system that can be used.
[0037]
[Means for Solving the Problems]
An optical transmission apparatus according to
[0038]
The optical transmission apparatus according to
[0039]
In this way, intensity modulation is performed at the timing synchronized with the bit of the signal so that the light intensity becomes small at the boundary between the bits modulated by the digital transmission signal, so that the intensity change of the transmission waveform is uniform in all bits. Thus, the light intensity decreases at the bit boundary. As a result, intersymbol interference caused by the SPM + GVD effect can be suppressed, and signal degradation can be reduced.
[0040]
An optical transmission device according to
[0041]
The optical transmission device according to claim 4, an optical demultiplexer that demultiplexes a wavelength-multiplexed optical signal obtained by phase-modulating each wavelength optical signal by a plurality of digital signals into each wavelength optical signal, and each
[0042]
Further, there may be provided means for attenuating a frequency component equal to or higher than the clock frequency of the electrical signal demodulated by the optical demodulation means. The optical signal transmitted from the optical transmission apparatus of the present invention has a waveform whose intensity is modulated by a component that matches the clock frequency of the transmission signal. Therefore, the waveform degradation due to the XPM + GVD effect occurs at the clock frequency that is the period of the intensity change of the adjacent channel and its multiplied frequency. Therefore, the waveform degradation due to the XPM + GVD effect is reduced by attenuating the component above the clock frequency from the demodulated signal. be able to.
[0043]
The optical demodulating means also interferes the input optical signal between the previous and next bits, converts the phase modulation component of the optical signal into an intensity modulation component, and converts the optical signal output from the optical discriminator into an electrical signal. You may comprise by the photoelectric converter to convert (Claim 6).
[0044]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided an optical transmission system according to the first aspect, an optical fiber transmission line for transmitting an optical signal or a wavelength multiplexed optical signal transmitted from the optical transmission apparatus, and an optical fiber transmission line. The optical transmission apparatus according to
[0045]
An optical transmission system according to an eighth aspect includes an optical transmission device according to the second aspect, an optical fiber transmission line for transmitting an optical signal or a wavelength multiplexed optical signal transmitted from the optical transmission apparatus, and an optical fiber transmission line. The optical transmission apparatus according to claim 4, which receives a wavelength-multiplexed optical signal transmitted through the optical fiber.
[0046]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment of an optical transmission apparatus and an optical transmission system of the present invention. The basic part of the modem unit according to the DPSK-DD system is the same as the conventional configuration shown in FIG. Here, a configuration for transmitting an optical signal of one wavelength is shown.
[0047]
In the figure, a
[0048]
In the receiving
[0049]
As described above, the present invention is characterized in the optical transmission apparatus constituting the
[0050]
In the present embodiment, an optical signal having one wavelength is transmitted, but the nonlinear optical effect that affects this is the SPM + GVD effect. As described above, in the IM-DD system and the DPSK-DD system using the NRZ code, the signal deteriorates due to intersymbol interference caused by the SPM + GVD effect. In this embodiment, intensity modulation is performed at a timing synchronized with the bits of the signal so that the light intensity is reduced at the boundary of the bits modulated by the digital transmission signal. For this reason, the intensity change of the transmission waveform is uniform in all bits, and the light intensity is reduced at the bit boundary. If the light intensity at the bit boundary is reduced, intersymbol interference caused by the SPM + GVD effect can be suppressed, and signal degradation can be reduced.
[0051]
In this embodiment, the phase modulation signal is transmitted from the
[0052]
FIG. 2 shows a signal waveform during one-wavelength transmission in the first embodiment. Here, a waveform change is shown when a signal having a bit rate of 10 Gbit / s is optically amplified and relayed every 120 km through an optical transmission line having a chromatic dispersion value of 2.5 ps / nm / km and transmitted at 360 km. (A) shows the output waveform of the optical demodulator before transmission, and (b) shows the output waveform of the optical demodulator after transmission. In order to eliminate the influence of only the group velocity dispersion, the group velocity dispersion of the optical transmission line was compensated with a dispersion compensating fiber after transmission.
[0053]
In the conventional IM-DD system and DPSK-DD system, as shown in FIG. 17, the inter-code interference due to the SPM + GVD effect causes the waveform to change depending on the preceding and following bits, while deterioration occurs. In the embodiment, since intersymbol interference can be suppressed, it can be seen that waveform deterioration is small.
[0054]
FIG. 3 shows the code error rate characteristics after transmission in the first embodiment. The experimental conditions are the same as in the experiment of FIG. In this experiment, the code error rate when the optical transmission line loss is fixed at 30 dB and the optical input power to the optical transmission line is changed is shown. The mark ● in the figure indicates the code error rate when the optical input power is small, but the code error rate at the time of three-wavelength transmission described later was diverted. This is because, when the optical input power is small, there is no influence of the nonlinear optical effect, and it almost coincides with the code error rate at the time of one-wavelength transmission. FIG. 3A shows an IM-DD system using an NRZ code, FIG. 3B shows an IM-DD system using an RZ code, FIG. 3C shows a DPSK-DD system, and FIG. Is the code error rate of this embodiment.
[0055]
When the optical input power to the optical transmission line is decreased, the code error rate is deteriorated. This indicates that there is a lower limit to the optical input power due to the influence of the optical SNR degradation caused by the ASE light described above. On the other hand, when the optical input power to the optical transmission line is increased, the code error rate also deteriorates. This is a limitation due to the deterioration of the waveform due to the influence of the nonlinear optical effect. As the range of the optical input power between the upper limit and the lower limit is wider, the influence of the ASE light and the nonlinear optical effect is smaller, and the number of optical amplification repeaters can be increased. The reference code error rate is 10 -9 Assuming that the range of the optical input power satisfying this is the maximum in the present embodiment shown in FIG. 3D, it can be seen that the influence of the ASE light and the nonlinear optical effect can be reduced.
[0056]
In the present embodiment, the Mach-Zehnder interferometer is used as the
[0057]
Further, as means for attenuating a component having a clock frequency or higher from the demodulated signal of the
[0058]
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows a second embodiment of the optical transmission apparatus and the optical transmission system of the present invention. The basic part of the modem unit according to the DPSK-DD system is the same as the conventional configuration shown in FIG. Here, a configuration for n-wavelength multiplexing transmission is shown.
[0059]
In the figure, a
[0060]
In the receiving
[0061]
In this embodiment, as in the first embodiment, intensity modulation is performed at the timing synchronized with the bit of the signal so that the light intensity is reduced at the boundary of the bit modulated by the digital transmission signal. The intensity change is uniform for all bits, and the light intensity decreases at the bit boundaries. As a result, intersymbol interference caused by the SPM + GVD effect can be suppressed, and signal degradation can be reduced.
[0062]
Next, the principle of reducing signal degradation caused by the XPM + GVD effect in this embodiment will be described.
FIG. 5 shows an optical frequency change caused by cross phase modulation in the second embodiment. FIGS. 5A and 5B show waveforms of phase modulation / intensity modulation signals of wavelengths λ1 and λ2. The arrows between FIGS. 5 (a) and 5 (b) indicate the point at which optical frequency variation occurs due to light intensity changes between adjacent wavelengths due to cross-phase modulation. For example, the downward arrow means that the optical signal with the wavelength λ1 causes an optical frequency change in the optical signal with the wavelength λ2. FIG. 5C shows the change in optical frequency that occurs in the optical signal with wavelength λ2 due to the change in intensity of the optical signal with wavelength λ1.
[0063]
In this embodiment, as shown in FIGS. 5A and 5B, since the digital transmission signal is transmitted by the phase of the light, the light intensity is always small at the bit boundary regardless of the transmission signal. Become. Therefore, the waveform is intensity-modulated with a component that matches the clock frequency of the transmission signal. In addition, since all bits are subjected to the same intensity modulation, the XPM + GVD effect also affects all bits uniformly as indicated by arrows in the figure. As a result, as shown in FIG. 5C, the period of the optical frequency change caused by the mutual phase modulation from the adjacent channel coincides with the bit rate.
[0064]
As described above, the waveform deterioration due to the XPM + GVD effect in the present embodiment occurs in the clock frequency that is the period of the intensity change of the adjacent channel and the multiplied frequency thereof. Accordingly, as means for attenuating a component having a clock frequency or higher from the demodulated signal of the
[0065]
Here, the frequency distribution after reception of waveform degradation due to the XPM + GVD effect in the second embodiment will be described.
FIG. 6 shows the frequency distribution of the XPM + GVD effect in the second embodiment. Here, for a wavelength multiplexed optical signal of 3 wavelengths with a bit rate of 10 Gbit / s, in which the center wavelength is continuous light and the others are phase-modulated and intensity-modulated according to the present invention, the optical signal of the center wavelength at the time of transmission is directly detected. Electric spectrum is shown.
[0066]
Since this electric spectrum is obtained when continuous light is received, originally only a
[0067]
FIG. 7 shows an eye pattern obtained by a three-wavelength multiplex transmission experiment according to the configuration of the second embodiment. The bit rate of the signal was 10 Gbit / s. The optical transmission line used in the experiment had a chromatic dispersion value of 2.5 ps / nm / km, and was optically amplified and relayed every 120 km for 360 km. In order to eliminate the influence of only the group velocity dispersion, the group velocity dispersion of the optical transmission line was compensated with a dispersion compensating fiber after transmission. In the conventional configuration shown in FIG. 17, the eye pattern after the three-wavelength multiplex transmission has greatly deteriorated in the waveform. However, in the configuration of the present embodiment, the eye pattern after the three-wavelength multiplex transmission does not significantly deteriorate, and SPM + GVD. It can be seen that the waveform deterioration due to the effect and the XPM + GVD effect can be suppressed.
[0068]
FIG. 8 shows the bit error rate characteristics after transmission in the second embodiment. The experimental conditions are the same as in the experiment of FIG. In this experiment, the code error rate when the optical transmission line loss is fixed at 30 dB and the optical input power to the optical transmission line is changed is shown. 8A shows the IM-DD system using the NRZ code, FIG. 8B shows the IM-DD system using the RZ code, FIG. 8C shows the DPSK-DD system, and FIG. Is the code error rate of this embodiment. For reference, the code error rate at the time of one-wavelength transmission is also shown (▲ mark).
[0069]
Comparing the code error rate at the time of 1 wavelength transmission and that at the time of 3 wavelength transmission, it can be seen that the code error rate at the time of 3 wavelength transmission increases when the optical input power to the optical transmission line is large. This is due to the waveform degradation caused by the XPM + GVD effect due to the interaction between wavelengths. Among them, the present embodiment shown in FIG. 8D minimizes the degradation of the code error rate. I understand that.
[0070]
The waveform deterioration due to the XPM + GVD effect can be reduced by using a means for attenuating a component equal to or higher than the clock frequency for the demodulated output as described above. In the experiment, it was possible to reduce waveform deterioration due to the XPM + GVD effect and suppress deterioration of the code error rate by using an optical demodulator whose bandwidth is about 10 GHz which is a bit rate. Here, the reference code error rate is 10 -9 Assuming that the range of the optical input power satisfying this is the maximum in this embodiment shown in FIG. 8D, it can be seen that the influence of the ASE light and the nonlinear optical effect can be reduced. Thereby, the number of optical amplification repeaters can be increased, and an economical optical transmission system can be constructed.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, the optical transmission apparatus and the optical transmission system of the present invention perform intensity modulation at a timing synchronized with the bit of the signal so that the optical intensity becomes small at the boundary of the bit modulated by the digital transmission signal. Therefore, the intensity change of the transmission waveform is uniform for all bits, and the light intensity is reduced at the bit boundaries. As a result, intersymbol interference caused by the SPM + GVD effect can be suppressed, and signal degradation can be reduced.
[0072]
The optical signal transmitted from the optical transmission apparatus of the present invention has a waveform that is intensity-modulated by a component that matches the clock frequency of the transmission signal. Therefore, the waveform degradation due to the XPM + GVD effect occurs at the clock frequency that is the period of the intensity change of the adjacent channel and its multiplied frequency. Therefore, the waveform degradation due to the XPM + GVD effect is reduced by attenuating the component above the clock frequency from the demodulated signal. be able to.
[0073]
Note that the configuration for attenuating a component having a frequency equal to or higher than the clock frequency from the demodulated signal is also effective during one-wavelength transmission. That is, since all the bits of the optical transmission waveform have a uniform intensity change, the waveform deterioration due to the SPM + GVD effect also occurs in all the bits in the same manner. As a result, the waveform deterioration after demodulation occurs in the frequency component that matches or is multiplied by the clock frequency. Therefore, waveform deterioration after demodulation can be improved by attenuating a component having a clock frequency or higher from the demodulated signal.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of an optical transmission apparatus and an optical transmission system according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing a signal waveform during one-wavelength transmission in the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a code error rate characteristic after transmission in the first embodiment.
FIG. 4 is a block diagram showing a second embodiment of the optical transmission apparatus and the optical transmission system of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an optical frequency change caused by cross-phase modulation when wavelength division multiplexing is performed in the second embodiment.
FIG. 6 is a view showing a frequency distribution of an XPM + GVD effect in the second embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing an eye pattern obtained by a three-wavelength wavelength division multiplexing transmission experiment according to the configuration of the second embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a code error rate characteristic after transmission in the second embodiment.
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration example of a conventional wavelength division multiplexing optical transmission system using the IM-DD scheme.
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration example of a conventional wavelength division multiplexing optical transmission system using a DPSK-DD system.
FIG. 11 is a diagram showing a change in optical frequency due to self-phase modulation that occurs in the IM-DD system.
FIG. 12 is a diagram showing a signal waveform at the time of one-wavelength transmission in the IM-DD system using an NRZ code.
FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the light intensity of a phase modulation signal and the change in its optical frequency.
FIG. 14 is a diagram showing a signal waveform at the time of one-wavelength transmission in the DPSK-DD system.
FIG. 15 is a diagram showing an optical frequency change caused by cross-phase modulation when wavelength division multiplexing transmission is performed by the IM-DD method using an NRZ code.
FIG. 16 is a diagram showing a frequency distribution of an XPM + GVD effect generated in an IM-DD system using an NRZ code.
FIG. 17 is a diagram showing an eye pattern obtained by a three-wavelength wavelength multiplex transmission experiment at intervals of 100 GHz.
[Explanation of symbols]
10 Transmitter
11 Light source
12 Light intensity modulator
13 Optical multiplexer
14 Encoder
15 Optical phase modulator
16 Light intensity modulator
20 Receiver
21 Optical demultiplexer
22 Light receiving element
23 Identification regenerator
24 optical demodulator
25 Light discriminator
26 Balance type receiver
30 Optical fiber transmission line
31 Optical amplifier
Claims (8)
ディジタル信号により前記単一波長の光を位相変調する位相変調手段と、
前記位相変調された光信号の各ビットの境界における光信号強度がビットの境界以外の光信号強度と比較して相対的に小さくなるように強度変調する強度変調手段とを備え、
前記位相変調および前記強度変調された光信号を送信することを特徴とする光伝送装置。A light source that generates light of a single wavelength;
Phase modulation means for phase modulating the light of the single wavelength by a digital signal;
Intensity modulation means for intensity-modulating the optical signal intensity at each bit boundary of the phase-modulated optical signal so as to be relatively small compared to the optical signal intensity other than the bit boundary ;
An optical transmission apparatus that transmits the phase-modulated and intensity-modulated optical signal.
複数のディジタル信号により前記各波長の光をそれぞれ位相変調する複数の位相変調手段と、
前記位相変調された各波長の光信号の各ビットの境界における光信号強度がビットの境界以外の光信号強度と比較して相対的に小さくなるようにそれぞれ強度変調する複数の強度変調手段と、
前記位相変調および前記強度変調された各波長の光信号を合波する光合波器とを備え、 前記光合波器から出力される波長多重光信号を送信することを特徴とする光伝送装置。A plurality of light sources that generate light of different wavelengths;
A plurality of phase modulation means for respectively phase-modulating the light of each wavelength by a plurality of digital signals;
A plurality of intensity modulation means for modulating the intensity so that the optical signal intensity at the boundary of each bit of the optical signal of each wavelength subjected to phase modulation is relatively smaller than the optical signal intensity other than the boundary of the bit ;
An optical transmission device comprising: an optical multiplexer that multiplexes the optical signals of the respective wavelengths subjected to the phase modulation and the intensity modulation, and transmits a wavelength-multiplexed optical signal output from the optical multiplexer.
前記電気信号を識別再生して前記ディジタル信号を出力する識別再生手段とを備え、
請求項1に記載の光伝送装置から送信された光信号を前記光復調手段に受信することを特徴とする光伝送装置。An optical demodulation means for demodulating an optical signal phase-modulated by a digital signal and converting it into an electrical signal;
Identifying and reproducing means for identifying and reproducing the electrical signal and outputting the digital signal;
An optical transmission device, wherein the optical demodulation unit receives an optical signal transmitted from the optical transmission device according to claim 1.
前記各波長の光信号を復調してそれぞれ電気信号に変換する複数の光復調手段と、
前記各電気信号を識別再生してそれぞれ対応するディジタル信号を出力する複数の識別再生手段とを備え、
請求項2に記載の光伝送装置から送信された波長多重光信号を前記光分波器に受信して分波することを特徴とする光伝送装置。An optical demultiplexer for demultiplexing a wavelength-multiplexed optical signal obtained by phase-modulating each wavelength optical signal by a plurality of digital signals into each wavelength optical signal;
A plurality of optical demodulation means for demodulating the optical signals of the respective wavelengths and respectively converting them into electrical signals;
A plurality of identification and reproduction means for identifying and reproducing each electric signal and outputting a corresponding digital signal,
An optical transmission device, wherein the optical demultiplexer receives and demultiplexes a wavelength multiplexed optical signal transmitted from the optical transmission device according to claim 2.
前記光復調手段で復調された電気信号のクロック周波数以上の周波数成分を減衰させる手段を備えたことを特徴とする光伝送装置。In the optical transmission device according to claim 3 or 4,
An optical transmission apparatus comprising means for attenuating a frequency component equal to or higher than a clock frequency of the electrical signal demodulated by the optical demodulation means.
光復調手段は、入力された光信号を前後のビット間で干渉させ、光信号の位相変調成分を強度変調成分に変換する光弁別器と、光弁別器の出力光信号を電気信号に変換する光電変換器とにより構成された
ことを特徴とする光伝送装置。In the optical transmission device according to claim 3 or 4,
The optical demodulating means interferes the input optical signal between the previous and next bits, converts the phase modulation component of the optical signal into an intensity modulation component, and converts the output optical signal of the optical discriminator into an electrical signal An optical transmission device comprising a photoelectric converter.
前記光伝送装置から送信された光信号または波長多重光信号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伝送された前記光信号を受信する請求項3に記載の光伝送装置と
を備えたことを特徴とする光伝送システム。An optical transmission device according to claim 1;
An optical fiber transmission line for transmitting an optical signal or wavelength multiplexed optical signal transmitted from the optical transmission device;
An optical transmission system comprising: the optical transmission device according to claim 3, which receives the optical signal transmitted through the optical fiber transmission line.
前記光伝送装置から送信された光信号または波長多重光信号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伝送された前記波長多重光信号を受信する請求項4に記載の光伝送装置と
を備えたことを特徴とする光伝送システム。An optical transmission device according to claim 2;
An optical fiber transmission line for transmitting an optical signal or wavelength multiplexed optical signal transmitted from the optical transmission device;
An optical transmission system comprising: the optical transmission apparatus according to claim 4, which receives the wavelength-multiplexed optical signal transmitted through the optical fiber transmission line.
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