JP3923030B2 - 光波形整形装置及び光伝送システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光波形整形装置及び光伝送システムに関し、例えば、光通信において伝送される光信号の波形を整形し、光信号の品質改善を図る光波形整形装置に適用できる。また、この光波形整形装置を介在させた光伝送システムに適用できる。
【0002】
【従来の技術】
例えば、多段の光増幅中継装置を介して光伝送する光伝送システムにおいて、伝送される光信号は、光増幅中継装置で付加されるASE(AmplifiedSpontaneous Emission)雑音や光ファイバの非線形特性により、信号雑音比(SNR)劣化、時間及び強度揺らぎなどの光信号の波形劣化に伴い伝送品質の劣化が生じるおそれがある。
【0003】
従来、このような問題を解決するために、光信号の波形劣化抑制方式の一つとして、下記の非特許文献1に記載されている半導体多重量子井戸(Multi−Quantum−Well;MQW)を用いた可飽和吸収素子(Saturable Absorbe;、以下SA素子)がある。
【0004】
このSA素子は、その光吸収特性に入射光強度依存性を有し、入射光強度がある光強度より低い場合には光吸収量を大きくし、入射光強度がある光強度より高い場合にはその光吸収量を相対的に小さくするものである。
【0005】
このような現象は、一般に可飽和吸収(Saturable Absorption)効果と呼ばれ、半導体素子のバンドギャップ波長λgと入射する光信号の波長λcとが比較的近い場合(但し、λg<λc)に顕著に見られる。
【0006】
以下では、下記の非特許文献1に記載されているSA素子を用いた光ファイバ伝送に伴う光信号の波形劣化抑制方式について説明する。
【0007】
非特許文献1では、上述したSA素子の入射光強度依存性のある光吸収特性を利用して、光信号の“1”及び“0”両レベルで揺らぎが生じた光信号がSA素子を通過すると、ある光強度より強度強度の低い“0”レベルの光は、“1”レベルに比べてSA素子による光吸収量が大きくなるため、“0”レベル揺らぎが相対的に抑制される(Figure1参照)。
【0008】
すなわち、光増幅装置により多段中継された光ファイバ伝送路において、数個の光増幅中継スパン毎にSA素子を配置することにより、光信号におけるASE雑音やファイバ中の非線形性に起因する雑音成分の累積が低減され伝送品質を改善することができる(Figure3参照)。
【0009】
【非特許文献1】
”20Gbit/s Polarization−Insensitive Quantum−well Saturable Absorber for 1.5um Long−haul Transmissions”,O.Leclerc et al.,ECOC2000,Post−deadline paper,3.5,2000.
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した非特許文献1に記載のSA素子を利用した波形劣化抑制方式は、SA素子の可飽和吸収の特性上、“0”レベルの揺らぎを抑制する効果はあるが“1”レベル揺らぎを抑制する効果はなく、この“1”レベル揺らぎにより伝送品質の劣化するとおそれがあった。
【0011】
そのため、より品質の高い光伝送の実現を図るために、“0”レベルの揺らぎ抑制と共に、“1”レベルの揺らぎに対しても抑制することで、光伝送の品質を向上させる光波形整形装置及び光伝送システムが求められている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、第1の本発明の光波形整形装置は、伝送路から伝送されてきた信号光の波形を整形する光波形整形装置において、(1)伝送路からの信号光を所定のピーク強度となるように調整する入射光強度調整手段と、(2)多重量子井戸構造の導波路型吸収素子で構成されるものであって、入射光強度調整手段により調整された信号光について、第1の光強度以上の光強度に対して、多重量子井戸構造の吸収層に発熱を生じさせることでバンドギャップを縮小させて、吸収層による光吸収量を増大して光強度の範囲を圧縮すると共に、上記第1の光強度より小さい第2の光強度以下の光強度に対して、可飽和吸収特性により光吸収量を増大して光強度の範囲を圧縮する光波形整形手段とを備えることを特徴とする。
【0013】
第2の本発明の光伝送システムは、複数の光増幅中継装置を介在させた光伝送システムにおいて、光増幅中継装置間に、第1の本発明の光波形整形装置を介在させることを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
(A)第1の実施形態
以下では、本発明の光波形整形装置及び光伝送システムの実施形態について図面を参照して説明する。
【0015】
本実施形態では、光信号の波形を整形する手段として多重量子井戸構造の導波路型吸収素子を適用することにより、光ファイバから伝送されてきた光信号の“0”レベルの揺らぎを抑制すると共に、“1”レベルの揺らぎを抑制する場合について説明する。
【0016】
(A−1)第1の実施形態の構成
図1は、本実施形態に係る光波形整形装置の構成を示すものである。図1に示すように、光波形整形装置100は、光増幅器2と、波形整形部3と、バイアス印加部5とを有するものである。なお、図1において、1は光波形整形装置100に入射する光信号を示し、4は光波形整形装置100から出射した光信号を示す。
【0017】
なお、図1には、図示しないが、伝送路である光ファイバからの光信号を収束するレンズを備え、そのレンズにより収束された光信号を波形整形部3が取り入れるようにしてもよい。
【0018】
光増幅器2は、入射した光信号を所定の光強度に増幅して、波形整形部3に与えるものである。本実施形態では入射光の光強度を可変して調整するものとして光増幅器2を適用するが、入射光強度を可変できるものであればよく、光強度を可変減衰も可能な可変利得制御装置も適用できる。
【0019】
波形整形部3は、多重量子井戸構造からなる導波路型の吸収素子である。波形整形部3は、“0”レベルの揺らぎ抑制特性及び入射光の“1”レベルの揺らぎ抑制特性を有するものである。この“0”レベルの揺らぎ抑制特性は、可飽和吸収特性によるものであり、又“1”レベルの揺らぎ抑制特性は、ある入力光強度以上になると、多重量子井戸構造の吸収層の吸収フォト・キャリア密度が高くなり吸収層で発熱し、この発熱により光吸収量を増加させる多重量子井戸構造の吸収層の光吸収特性を利用したものである。波形整形部3は、この多重量子井戸構造の光吸収特性により、“1”レベルの光強度について、高い光強度の場合光吸収量を大きくし、低い光強度の場合光吸収量を小さくすることで、“1”レベルの光強度の範囲を圧縮して揺らぎを抑制するものである。
【0020】
なお、この波形整形部3による“1”レベルの光強度の範囲の圧縮動作の詳細については後述する。
【0021】
バイアス印加部5は、波形整形部3にバイアスを印加するものである。波形整形部3は、バイアス印加部5から印加されるバイアスに応じて、多重量子井戸構造の吸収層が光吸収する応答速度を変化させることができる。
【0022】
(A−2)第1の実施形態の動作
(A−2−2)波形整形部3による波形整形動作について
次に、本実施形態の光波形整形装置の動作について図面を参照して詳説する。
【0023】
図1に示すように、伝送路である光ファイバを通して伝送されてきた光信号1は、光波形整形装置100に入射する。なお、伝送路である光ファイバと光波形整形装置100との間にレンズを備えた場合、レンズにより、伝送されてきた光信号の光束を収束して光波形整形装置100に入射させるようにしてもよい。
【0024】
光波形整形装置100に入射した光信号は、光増幅器2により、所望の光レベルに調整(図1では増幅)されて出射される。
【0025】
光増幅器3から出射された光信号は、波形整形部3に入射し、波形吸収部3が持つ可飽和吸収特性により“0”レベルの揺らぎが抑制されると共に、波形吸収部3の多重量子井戸構造の吸収層が発熱することにより“1”レベルの光強度の範囲が圧縮されて、波形が整形された光信号が出射される。
【0026】
以下では、波形吸収部3による入射光の“1”レベルの光強度の範囲の圧縮動作について図面を用いて詳細に説明する。
【0027】
図2は、波形整形部3への入射光及び出射光を取り出し、これらに基づいて入射光の光強度と波形整形部3を透過する透過率との関係(図2(a))、及び、入射光の光強度の範囲が圧縮される様子(図2(b))を示すものである。
【0028】
図2(a)では、波形吸収部3に印加するバイアス条件を変化させた場合の、入力光強度に対する透過率(透過特性は波形整形部3の挿入損失も含む。)を示す。なお、図2(a)において、プロット■、●及び▲は、印加するバイアスVbが、それぞれ、Vb=−0.6V、−0.8V及び1.0Vに相当する。
【0029】
図2(a)に示すように、波形整形部3に入射する光信号の入力光強度は、いずれのバイアス条件において、20mW〜30mWまでは、入力光強度を増加すると透過率も増大するが、それ以上入力光強度を増加すると、逆にその透過率は指数関数的に減少していく。
【0030】
このように、入力光強度が増加していき、ある入力光強度以上になると、透過率が再び減少に転じるのは、波形整形部3が持つ多重量子井戸構造の吸収層により光吸収される吸収フォト・キャリアによって吸収層が発熱し、バンドギャップが縮小することによる。
【0031】
この多重量子井戸構造の吸収層の発熱は、波形整形部3が導波路型吸収素子であり、その吸収層が光吸収する入射断面積が1μm2未満と光ファイバのそれよりも小さいので、吸収する吸収フォト・キャリアの密度が高くなるためである。
【0032】
例えば、上述したSA素子を利用する場合、SA素子が入射光を吸収する入射断面積は13μm2以下であり、本実施形態の波形整形部3の吸収層の断面積に比べて大きい。従って、この場合、SA素子が光吸収する吸収フォト・キャリア密度が低く、吸収層での発熱は導波路型吸収素子ほど顕著ではない。そのため、SA素子では、バンドギャップの縮小化が進まず、図2(a)で破線5で示すように、入力光強度を増加していっても、透過率が減少することなく単調増加となる。この場合の透過特性は下記式(1)で近似できる。
【0033】
【数1】
また、発熱によるバンドギャップ縮小効果は、指数関数的な光吸収量の増加をもたらすので、吸収フォト・キャリアによる吸収層の発熱が入力強度に比例する場合、波形整形部3の透過特性は下記式(2)のように近似できる。
【0034】
【数2】
このようにして、波形整形部3に入射した光信号の“1”レベルの揺らぎを抑制することができる。また、高速変調された光信号に対しても、波形整形部3の上述した透過特性が反映される場合には“1”レベルの揺らぎ抑制効果が期待できる。
【0035】
次に、図2(b)は、“1”レベルのピーク強度中央値を90mWになるように光増幅器1により入力光強度を調整した光信号(揺らぎを持つ光信号)のアイパターン7と、その光信号を波形整形部3に入力して波形を整形した光信号のアイパターン8を示す。
【0036】
図2(b)に示すように、波形整形部3に入射した揺らぎを持つ光信号は、多重量子井戸構造の導波路型吸収素子である波形整形部3の透過特性により、”1”レベルのピーク光強度が高い場合には多く吸収され、逆にピーク強度が低い場合には少なく吸収されるため、波形整形部3から出力される光信号のアイ・パターン8に示すように、”1”レベル揺らぎが抑制された信号となる。
【0037】
このようにして、波形整形部3に入射された揺らぎを持つ光信号は、波形整形部3の透過特性により、その“1”レベルの光強度の範囲が圧縮されて揺らぎが抑制される。
【0038】
また、波形整形部3は可飽和吸収特性を有しており、波形整形部3に入射した光信号は、“0”レベルの揺らぎも同時に抑制される。
【0039】
以上のようにして、“0”レベル及び“1”レベルに揺らぎを持つ光信号は、波形整形部3により、“0”レベルの揺らぎ抑制と共に、“1”レベルの揺らぎも抑制されて出射される。
【0040】
(A−2−2)光信号の品質改善評価について
次に、波形整形部3による光信号の波形整形により、レベル揺らぎを持った光信号の品質改善評価について図面を参照して説明する。
【0041】
光信号の品質は、符号誤り率(Bit Error−Rate;BER)を測定することにより評価でき、本実施形態では図3に示す品質評価装置を用いて光信号の品質評価を測定した。
【0042】
本実施形態での品質評価装置は、図3に示すように、光送信器13と、本実施形態に係る光波形整形装置100と、光受信器18と、E−DET19とを有する。
【0043】
光送信器13は、連続光を発振する分布帰還型半導体レーザ(Distributed Feedback−Laser Diode;DFB−LD)9と、外部から入力された40GHzのクロックに基づいてDFB−LD9からの連続光を光短パルス列(RZパルス列(FWHM;8ps))に変換して出射するEA変調器10と、光増幅器11と、外部からの40Gbit/sデータ(電気信号)に基づいて増幅器9からの光短パルス列を光RZ信号に変換して出力するEA変調器12とを有するものとする。
【0044】
なお、EA変調器12では、印加されるDCバイアス成分及び40Gbit/s駆動電気波形の振幅を調整し、“1”レベルの揺らぎを持つ光信号を光波形整形装置100に入射するものとする。
【0045】
光送信器13により生成された40Gbit/sの光RZ信号(図3では第1の評価点14を通過する光信号)は、光波形整形装置100に入射される。
【0046】
光波形整形装置100において、入射した40Gbit/s光RZ信号は、光増幅器2及び可変減衰器15により、波形整形部3に与える入力光強度が調整される。
【0047】
ここでは、光信号は、光増幅器2により増幅された後、平均光強度が約10dBm(光RZパルスの平均ピーク光強度(“1”レベルの平均光強度)でみると、約60mWに相当する)となるように、可変減衰器15により調整されたものとする。
【0048】
可変減衰器15から出射された光信号は、波形整形部3に与えられ、波形整形部3の過飽和特性及び多重量子井戸構造の吸収層の光吸収特性により、波形整形されて出射される。このとき、光波形整形装置100から出射される光信号は図3での評価点17の光信号である。
【0049】
第1の評価点を通過する光信号と第2の評価点を通過する光信号とは、光受信器18に与えられ、光受信器18及びE−DET19において、これら光信号に基づいて光信号の品質評価する。
【0050】
図4は、第1の評価点14を通過する光信号のアイパターン(A)と、第2の評価点17を通過する光信号のアイパターン(B)とを示すものである。
【0051】
図4(A)及び(B)に示すように、光波形整形装置100により波形整形された第2の評価点17を通過する光信号は、第1の評価点14を通過する光信号に比べて“1”レベルの揺らぎが抑制されていることが分かる。
【0052】
また、図5は、光波形整形装置100を通過する前後の光信号のBER(符号誤り率)を測定した結果を示すものであり、より精度の高い品質評価したものである。
【0053】
図5に示すように、第2の評価点17を通過する光信号(波形整形後)は、“0”レベル及び“1”レベルの双方で、第1の評価点14を通過する光信号(波形整形前)より測定したBERが低く光信号の品質が改善されたことが分かる。また、このときのシステムのQ値を見積もった結果も示す。
【0054】
第1の評価点14を通過する光信号のQ値は、21.7dBであるのに対して、第2の評価点17を通過する光信号のQ値は23.0dBであり、全体としてシステムのQ値を1.3dB程度向上させたことが分かる。
【0055】
(A−3)第1の実施形態の効果
以上、本実施形態によれば、多重量子井戸構造の導波路型吸収素子を用いることにより、光信号の“1”レベルの揺らぎ抑制と共に、“1”レベルの揺らぎ抑制も行なうことができる。
【0056】
(B)第2の実施形態
次に、上述した実施形態の光波形整形装置100を、複数の光増幅中継装置を介在させた光伝送システムに複数設置した場合の実施形態について説明する。
【0057】
図6は、第2の実施形態に係る光伝送システムの全体構成を示したものである。
【0058】
図6に示すように、本実施形態の光伝送システム200は、送信装置21と、受信装置22と、システム中に介在する複数の光増幅中継装置23と、第1の実施形態のn(nは正の整数)個の光波形整形装置100−1〜100−nとを有する。
【0059】
第2の実施形態において、伝送路として用いられる光ファイバの種類や伝送速度は、光波形整形装置100−1〜100−nが有効に作用する範囲であれば特に限定されず広く適用できる。
【0060】
第2の実施形態では、ある光増幅中継装置から次の光増幅中継装置に光信号を転送する間隔を1スパンとした場合、N(Nは正の整数)スパン毎に、光波形整形装置100−1〜100−nを介在させた場合を示す。勿論、スパン数は任意であってもよく、又光波形整形装置100を設置するスパン期間が一定でなくてもよい。例えば、光増幅中継装置間の距離や伝送環境に応じて変化させてもよい。
【0061】
(B)第2の実施形態の効果
以上、本実施形態によれば、光信号の“0”レベルの揺らぎ抑制をすると共に、“1”レベルの揺らぎ抑制を行なう光波形整形装置100−1〜100−nを、光伝送システムに介在させることにより、光信号の品質を向上させた光伝送を実現できる。
【0062】
(C)他の実施形態
(C−1)上述した第1及び第2の実施形態の波形整形部3は、多重量子井戸構造の導波路型吸収素子として説明した。この導波路型吸収素子の構成例として、例えば、半導体基板はInP、導波路はInGaAsPで作成されたものを適用できる。
【0063】
(C−2)上述した第2の実施形態では、光波形整形装置を光増幅中継装置とは異なる装置として説明したが、光増幅中継装置が光波形整形装置を内蔵するようにしてもよい。
【0064】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、“0”レベルの揺らぎ抑制と共に、“1”レベルの揺らぎ抑制を行なうことができ、光伝送の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態の光波形整形装置の構成を示すブロック図である。
【図2】第1の実施形態の光波形整形装置を透過した光信号の入力光強度と透過率との関係及びアイパターンを示す図である。
【図3】第1の実施形態の光波形整形装置による波形整形により光信号の品質を評価する品質評価装置の構成図である。
【図4】波形整形前と波形整形後の光信号のアイパターンとを示す図である。
【図5】波形整形前と波形整形後の光信号のBER(符号誤り率)を示す図である。
【図6】第2の実施形態の光伝送システムの全体構成図である。
【符号の説明】
3…波形整形部、100…光波形整形装置、21…送信装置、22…受信装置、
23…光増幅中継装置。
Claims (5)
- 伝送路から伝送されてきた信号光の波形を整形する光波形整形装置において、
上記伝送路からの信号光を所定のピーク強度となるように調整する入射光強度調整手段と、
多重量子井戸構造の導波路型吸収素子で構成されるものであって、上記入射光強度調整手段により調整された信号光について、第1の光強度以上の光強度に対して、多重量子井戸構造の吸収層に発熱を生じさせることでバンドギャップを縮小させて、吸収層による光吸収量を増大して光強度の範囲を圧縮すると共に、上記第1の光強度より小さい第2の光強度以下の光強度に対して、可飽和吸収特性により光吸収量を増大して光強度の範囲を圧縮する光波形整形手段と
を備えることを特徴とする光波形整形装置。 - 上記光波形整形手段に印加するバイアスを調整し、多重量子井戸構造の吸収層による光吸収の応答速度を調整するバイアス印加手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の光波形整形装置。
- 上記光波形整形手段は、半導体基板がInPであり、導波路がInGaAsPであることを特徴とする請求項1又は2に記載の光波形整形装置。
- 上記入射光強度調整手段が、光増幅器、あるいは、光増幅器と光減衰器との組み合わせで構成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光波形整形装置。
- 複数の光増幅中継装置を介在させた光伝送システムにおいて、
上記光増幅中継装置間に、請求項1〜4のいずれかに記載の光波形整形装置を介在させることを特徴とする光伝送システム。
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