JP3625726B2 - 光伝送装置および光伝送システム - 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
【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
Claims (8)
- 単一波長の光を発生する光源と、
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。 - 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。 - 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、
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。 - 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、
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。 - 請求項３または請求項４に記載の光伝送装置において、
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。 - 請求項３または請求項４に記載の光伝送装置において、
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。 - 請求項１に記載の光伝送装置と、
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。 - 請求項２に記載の光伝送装置と、
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。
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