JP4067937B2 - 光通信システム及び光通信方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバを用いた光通信システム及び通信方法に関し、とくに波長多重光通信システム及び通信方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバ通信において、一本の光ファイバの伝送容量を拡大する方法として波長多重通信がある。これは、波長の異なる複数の搬送波をそれぞれ異なる信号で2値変調し、これを一本の光ファイバに多重化して伝送し、受信側でこの信号を波長ごとに分波し、それぞれの信号を取り出す方式である(例えば、非特許文献1参照)。
【0003】
実際の光ファイバ通信に通常使用される1550nm帯の波長域では、周波数間隔100〜50GHzの搬送波を用いる波長帯域が規格化されている。この周波数間隔Δν=50GHzは波長間隔約0.4nmに相当することから、少なくとも分解能R=387(レイリー限界)をもつ波長分波手段が必要となる。このような合分波器としては、回折格子、ダイクロイックビームスプリッタ、アレイ導波路回折格子、縦続ファブリペロー・エタロンなど、標準的なデバイスが製品化されている。
【非特許文献1】
イヴァン・ピー・カミノウ(IVAN P.KAMINOW)、トーマス・エル・コッホ(THOMAS L.KOCH)編、「オプティカル・ファイバー・コミュニケーションズ IIIA (OPTICAL FIBER TELECOMMUNIVATIONS IIIA)」、(米国)、1997年、アカデミック・プレス(ACADEMIC PRESS)、第15章、図15−1
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
一方、変調速度も伝送容量を増大するために高速化している。しかし、時間領域で搬送波を高速変調することにより、搬送波の周波数領域でのスペクトルの広がりが生じる。このため、周波数間隔が小さく、波長が近接する搬送波のチャンネル間でクロストークが生じやすくなる。したがってWDMにおいては、チャンネル密度の増大(すなわち、チャンネル間隔の近接化)とチャンネル当たりのデータ伝送速度の増大(すなわち、信号の短パルス化)とを両立させることには限界があった。
【0005】
本発明は、このような問題を解決するため、周波数間隔が小さく、かつ高速変調を行う場合にも、クロストークの発生が少ない光通信システムを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、次のような光通信システムを対象とする。すなわち、複数の光源が発する互いに異なる波長の搬送波を、光変調器によってそれぞれ任意の伝送信号で振幅変調し、変調された互いに異なる波長の搬送波を波長合波器によって合波し、合波された波長多重光を1本の光ファイバに結合して伝送する。この光ファイバを伝送された波長多重光を波長分波器により複数の異なる波長の搬送波に再び分離し、複数の光検出器によってそれぞれの搬送波を変調している光信号を電気信号に変換して検出する。本発明は、このような光通信システムにおいて、光ファイバにより伝送された波長多重光を前記波長分波器に入射する前に第N高調波発生素子(Nは2以上の整数)によりN倍の周波数に変換することを特徴とする。
【0007】
このとき、受信局側で多重化された信号の周波数を変換する光通信システムには2つの考え方がある。第1の方法は、光ファイバを伝送された波長多重光のうち、特定の波長範囲にある全ての搬送波を第N高調波発生器によって同時にN倍の周波数に変換し、元のチャンネル間周波数間隔ΔνをN倍にする。これによって光分波器の分解能を1/Nに減少させることができる。
【0008】
第2の方法は、光ファイバを伝送された波長多重光のうち、一つのチャンネルの搬送波のみを狭い波長帯域をもつ第N高調波発生器によってN倍の周波数に変換し、次いで波長分波器によって周波数変換された搬送波と周波数変換されない搬送波とを分離して光検出器に入射させ、周波数変換された搬送波の変調光信号を電気信号に変換して検出する。これをチャネル毎にn回繰り返す。
【0009】
何れの方法でもチャンネル間の周波数間隔は約N倍になり、光分波器の分解能を大幅に減少させることができるため、単純なダイクロイックミラー(ビームスプリッタ)などを使用できるようになる。
【0010】
本発明により、次の2つの効果が得られる。
(1)搬送波間の周波数間隔が広がるので、光信号の分離が極めて容易になり、より高密度な波長多重化あるいはチャンネル当たりの伝送速度の高速化が可能になる。
(2)通信に使用する波長帯(通常1550nm)を、ほぼその半分(780nm帯)に変換するので、InP系に代えてSi系あるいはGaAs系の汎用フォトダイオードが使用可能になる。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【0012】
本発明の光通信システムの基本構成を図1に示す。以下、本発明の基本構成を説明するために最低限必要な、2つの周波数の搬送波をもつ2チャンネルのシステムについて述べるが、本発明は本来、周波数の近接した多数のチャンネルを備えた光通信システムに対して効果を奏する。チャンネル数の多い実際のシステムにおけるより具体的な構成については後述する。
【0013】
図1に示すように、送信局側において、光源は、互いに異なる2つの周波数ν1、ν2の光源1−1、1−2で構成されている。これらの光源の発する搬送波の周波数領域でのスペクトルを図2(a)に示す。これらの搬送波に対し、光変調器2−1、2−2により、それぞれパルス時系列X1、X2で2値振幅変調を行う。このパルス時系列の変調速度をBビット/秒とすると、変調後の搬送波の周波数領域でのスペクトルは、図2(b)に示すようにB(Hz)程度に広がる。したがって、周波数間隔ΔνがB(Hz)より小さい場合は隣接チャンネル間でクロストークが発生しやすくなる。
【0014】
変調された搬送波は、送信局側で波長合波器3により合波されて波長多重光xとなり、光ファイバ4に入力され伝送される。この波長多重光xは途中長距離伝送による減衰を補償するため、また次に述べる第2高調波の発生を高効率で行うために、光ファイバ増幅器5により適宜増幅される。
【0015】
受信局側で、波長多重光xは、光ファイバ増幅器6で適宜増幅され、第N高調波発生手段である第2高調波発生器(Second Harmonic Generator(SHG):以下SHG素子という)7−1に入射する。SHG素子7−1は一方の搬送波の波長に位相整合されており、例えばν1の周波数成分が2倍の周波数に変換され、2ν1となる(波長は1/2になる)。次いで、周波数変換された搬送波と未変換の搬送波は、波長分波器8により分離され、周波数変換された搬送波を変調している光信号が光検出器9−1により電気信号(X1)に変換、復調される。一方、周波数変換されなかった周波数ν2の搬送波は、この搬送波の周波数ν2に位相整合されたSHG素子7−2に入射し、2ν2の周波数に変換された後、光検出器9−2によってその光信号が電気信号に変換される。周波数ν2の搬送波をそのまま光検出器9−2に入射させてもよいが、後述の理由で周波数変換するのが望ましい。
【0016】
図3に示すように、周波数変換後の2つの搬送波の周波数間隔は変換前の2倍(2Δν)になるため、2つのチャンネル間でのクロストーク発生を抑えることができる。さらに、周波数変換前のチャンネル間の周波数間隔Δν(=ν2−ν1)が非常に狭い場合、周波数変換された搬送波と未変換の搬送波との周波数間隔はおよそν1となり、Δνに比べて非常に広くなっているので、波長分波器8に要求される分解能は著しく緩和されるという効果がある。
【0017】
以上のような本発明の基本構成に基づき、光通信システムの具体的実施例を説明する。
【0018】
図4に示すように、光源として、周波数ν1 (193400GHz、波長:λ1=1550.12nm)、周波数ν2 (193450GHz、波長:λ2=1549.72nm)、周波数ν3(193500GHz、波長:λ3=1549.32nm)の各半導体レーザ11−1、11−2、11−3を用いる。周波数間隔Δνは50GHz、波長間隔Δλは約0.4nmである。以下、簡単のため、3チャンネル分の数値だけを例示するが、実際には図示のように必要チャンネル数(n)だけ50GHz間隔の光源を用いる。光源の半導体レーザとしては波長安定化した分布帰還型(DFB)レーザ等が好適である。
【0019】
これらの搬送波は、LiNbO3等を用いた光変調器12−1、12−2、12−3、…、12−nにより、それぞれ変調速度10Gbpsのパルス時系列X1、X2、X3、…、Xnで2値振幅変調される。これにより、図5(a)に示すように、各スペクトルの広がりは10GHz程度となる。
【0020】
次いで、変調された各搬送波は波長合波器13により合波されて波長多重光xとなり、光ファイバ14に入力され伝送される。波長多重光xは伝送による減衰を考慮してエルビウムドープ光ファイバ増幅器(EDFA)15により適宜増幅しておく。本実施例では、さらに目的とする距離の伝送を行った後、EDFA16を用いて、約100mWの強度となるように増幅した。
【0021】
次いで、この波長多重光xはSHG素子17−1に入力される。このSHG素子17−1は周波数ν1を中心とする極めて狭い帯域にのみ位相整合しているため、周波数ν1だけが2倍の周波数2ν1に変換される。波長はλ1/2=775.06nmとなる。一方、SHG素子17−1はν2〜νnの周波数には位相整合しないため、周波数ν1の搬送波以外の搬送波は周波数変換されない。尚、他のSHG素子17−2、17−3、・・・、17−(n−1)は、SHG素子17−2が周波数ν2に、SHG素子17−3が周波数ν3に、以下同様にSHG素子17−(n−1)が周波数νn-1にそれぞれ位相整合されている。
【0022】
次いで、周波数2ν1に変調された搬送波は、波長分波器18−1により、周波数変換されていない残りの搬送波と分離される。分離された変調光信号は、次いで受光素子19−1により電気信号に変換される。2ν1とν2との周波数間隔は193350GHzで元のν1とν2の周波数間隔50GHzに比して非常に大きいため、波長分波器18−1の要求性能は大幅に緩和され、波長分解能の比較的小さい分波器でも使用できる。本実施例では、エッジ波長を1000nm付近に設計した誘電体多層膜フィルタを使用した。また、周波数変換後の波長域が780nm程度となるので、光検出器19−1としては、Siを用いた高速PIN受光素子を用いた。
【0023】
次いで、周波数ν2の搬送波がSHG素子17−2によって周波数変換され、波長分波器18−2によって分離され、受光素子19−2により電気信号に変換される。その他の周波数ν3〜νn-1の搬送波yは、同様に、それぞれSHG素子17−3〜17−(n-1)によって周波数変換され、波長分波器18−3〜18−(n−1)によって分離され、受光素子19−2〜19−(n−1)によって電気信号に変換される。最後に周波数νnの搬送波がSHG素子17−nに入射して2νnの周波数に変換された後、光検出器19−nによってその光信号が電気信号に変換される。最後の周波数νnの搬送波は、そのまま光検出器19−nに入射させて電気信号に変換してもよいが、光検出器19−nに他と共通なSi受光素子を使用することがシステム設計上望ましいため、他と同様にして変換した。
【0024】
このようにして最終的に、周波数変換後の全ての搬送波の周波数間隔が、図5(b)に示すように、変換前の2倍(2Δν)となり、隣接チャンネル間でのクロストーク発生を抑えることができる。さらに、周波数変換前のチャンネル間の周波数間隔Δνに比べて、周波数変換された搬送波と未変換の搬送波の周波数間隔は上述のように非常に広くなっているので、上記の方式においては波長分波器18−1〜18−(n−1)に要求される性能は緩和されるという効果がある。
【0025】
本発明による上記システムを構成するには、各搬送波の周波数に対してだけ位相整合するように調整されたSHG素子が必要となる。使用したSHG素子はLiNbO3の光導波路に周期的なドメイン反転構造を導入した疑似位相整合(Quasi-Phase Matching、QPM)素子である。その斜視図を図6(a)に、またそのA−A’断面図を図6(b)示す。このQPM素子107はLiNbO3結晶基板110の表面にイオン交換法等によりストライプ状の高屈折率部分を形成し、これをチャンネル光導波路120とする。この光導波路120の光伝搬方向(長手方向)に沿って一定周期Λでドメイン反転領域130を長さLにわたって形成する。図6(b)のドメイン反転領域130における矢印は分極の方向を模式的に示したものである。この構造は導波路表面に所望の周期をもつ電極を形成し、LiNbO3結晶に電界を印加することによって形成できる。
【0026】
周波数ν1を2倍に変換する場合には、ドメイン反転の周期Λ1は次のように決定される。周波数ν1、2ν1の光に対する導波路の伝搬定数をそれぞれβ1(υ)、β1(2υ)とすると、位相整合条件は、
2β1(υ)+K1=β1(2υ)
となる。ここで、K1=2π/Λ1である。伝搬定数を実効屈折率N1(υ)、N1(2υ)を使って書き表せば、上式は、
Λ1=(λ1/2)/(N1(2υ)−N1(υ))
となる。ただしλ1は周波数ν1に対応する波長である(λ1=c/ν1、cは光速)。
【0027】
周波数ν2(波長λ2)の隣接チャンネルでも同様な関係が成り立ち、分極反転の周期Λ2が決定される。いま、両チャンネルの波長間隔をΔλ(=λ2−λ1)、実効屈折率の変化分をそれぞれΔN12(υ)、ΔN12(2υ)とすると、上式は、Λ2=〔(λ1+Δλ)/2〕/〔(N1(2υ)−N1(υ))+(ΔN
12(2υ)−ΔN12(υ))〕
となる。
【0028】
LiNbO3の屈折率は波長分散があるため、1550nmと780nmの波長帯では屈折率の絶対値も異なるが、波長に対する変化率も異なる。Δλ(=0.4nm)はλ1(=1550nm)に比して無視できるほど小さいが、(ΔN12(2υ)−ΔN12(υ))は(N1(2υ)−N1(υ))に比して無視できない。すなわち、Δλ程度の波長変化に対してもΛ1とΛ2が等しいとは見なせない。
【0029】
したがって、周波数ν1のチャンネル用に設計されたSHG素子17−1は隣接チャンネルの周波数に対しては第2高調波の発生効率が極めて低くなる。SHG出力が最大値の1/2になる波長幅はドメイン反転領域の長さLに依存するが、この長さLが5cm程度であれば、波長幅は0.2nm以下となり、チャンネル間隔0.4nmの場合には充分使用できる。周波数ν1〜νnに対してドメイン反転周期Λ1〜ΛnのQPM素子を用意すれば図2のような光通信システムを構成することができる。
【0030】
本発明の光通信システムにおいては、各SHG素子により、各チャンネルの周波数のみが変換されるため、チャンネル間のクロストーク発生はほぼ完全に防止できる。また未変換のチャンネルの波長とは波長差が大きいので、容易に分離ができる。さらに1550nm帯の波長が780nm帯に変換されるので、光検出器19−1〜19−(n−1)として汎用のSi系受光素子が使用できる。
【0031】
図7に他の実施形態を示す。但し、送信局側、すなわち波長多重光xを光ファイバ14に結合するまでの構成は図4に示す光通信システムと同様であるので、図7ではこれを省略している。図7に示す光通信システムでは、各SHG素子27−1〜27−3が搬送波の波長範囲を分割した3つの波長区分に位相調整されている。ここでは、SHG素子27−1が第1の周波数区分(ν1〜νk)、SHG素子27−2が第2の周波数区分(ν(k+1)〜νm)、SHG素子27−3が第3の周波数区分(ν(m+1)〜νn)にそれぞれ位相調整されている。
【0032】
そのため、伝送された波長多重光xのうち、周波数ν1〜νkの搬送波だけがSHG素子27−1により2倍の周波数に変換される。そして、この周波数2ν1〜2νkの搬送波は波長分波器28−1によりそれぞれ分離されて取り出され、その変調光信号が受光素子29−1〜29−kにより電気信号に変換される。また、周波数ν(k+1)〜νnの搬送波はSHG素子27−1では周波数変換されることなく、波長分波器28−1を透過するが、周波数ν(k+1)〜νmの搬送波はSHG素子27−2により周波数変換され、波長分波器28−2によってそれぞれ分離され、受光素子29−(k+1)〜29−mにより電気信号に変換される。そして、残る周波数ν(m+1)〜νnの搬送波yはSHG素子27−3によって周波数変換され、波長分波器28−3によってそれぞれ分離され、受光素子29−(m+1)〜29−nにより電気信号に変換される。尚、各SHG素子27−1〜27−3の前にはそれぞれ光ファイバ増幅器16−1〜16−3が配置されてもよい。
【0033】
ここでは全周波数範囲を3つの波長区分に分割する例を示したが、勿論、分割数は3に限られず、必要に応じて変更しても同様に構成できる。また、搬送波の全てを1つのSHG素子により周波数変換してもよい。その場合でも周波数変換後の全ての搬送波の周波数間隔は、図5(b)に示すように、変換前の2倍になるため、隣接チャンネル間でのクロストーク発生を抑えることができる。
【0034】
上記の実施例においては光通信用の1550nm帯で使用できるSHG素子としてLiNbO3によるQPM素子を使用したが、LiTaO3やKTP(TiOPO4)の結晶を用いたQPM素子も使用できる。また、光軸方向に沿って周期的にリンをドープした石英系光ファイバによっても1550nm帯において第2高調波を発生できる。これらSHG素子は、光ファイバ通信システムと整合性がよい。QPM素子に限らず、KTPやBBO(β-BaBO3)などの複屈折性光学結晶を用いて第2高調波を発生させることもできる。この場合には結晶軸に対して光の入射方向を定められた方向に選ぶ、いわゆる角度位相整合などの手段を用いる必要がある。
【0035】
上記のように通常、光通信で使われる搬送波の周波数を2倍にすることにより、波長では、1300nm帯と1550nm帯が650nmから780nmの波長の信号となるため、受光素子は上記のSiの他、GaAsを材料としたものも使用できる。これら、SiおよびGaAsを材料とした受光素子は従来のInP系の材料による受光素子より安価に製造でき、またSiの場合にはSi−Ge系のヘテロバイポーラトランジスタなどSi系電子デバイスと一括集積化が可能である。
【0036】
また、高調波は3次以上の高次のものを用いてもよい。高次のものほど波長間隔が広がるので、波長分波器の分解能は低くてよいという利点がある。言い換えれば、WDMチャンネル密度がクロストーク発生の恐れなしに増加できる。しかし、一般に高調波の発生効率は次数が増加するほど低下するので、変換後に大きな増幅が要求されるという問題がある。
【0037】
【発明の効果】
本発明によれば、搬送波の周波数間隔を2倍またはそれ以上にすることができ、信号分離が容易になる。また、通常光通信で使われる搬送波周波数を2倍にすることにより、それぞれの光信号をSiまたはGaAsを材料とした汎用の受光素子で電気信号に変換できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光通信システムの基本構成を示す概略図である。
【図2】2つの搬送波の周波数スペクトル(a)およびその変調された搬送波の周波数スペクトル(b)を示す図である。
【図3】波長変換前後の2つの変調された搬送波の周波数スペクトルを示す図である。
【図4】本発明の光通信システムの実施例を示す概略図である。
【図5】多数の搬送波の波長変換前(a)と後の周波数スペクトルを示す図である。
【図6】QPM素子の斜視図(a)とその断面図(b)である。
【図7】本発明の光通信システムの他の実施例を示す概略図である。
【符号の説明】
1、11,21 半導体レーザ
2、12,22 光変調器
3、13,23 波長合波器
4、14 光ファイバ
5,6、15,16 光ファイバ増幅器
7、17,27 SHG素子(第N高調波発生手段)
8、18,28 波長分波器
9、19,29 光検出器
107 QPM素子
110 基板
120 光導波路
130 ドメイン反転領域
Claims (8)
- 互いに異なる波長の搬送波を発生する複数の光源と、前記光源からの搬送波をそれぞれ任意の伝送信号で振幅変調する光変調器と、前記光変調器により変調された互いに異なる波長の搬送波を合波する波長合波器と、前記波長合波器からの波長多重光を伝搬させる1本の光ファイバと、前記光ファイバを伝搬した波長多重光を波長の異なる複数の搬送波に分離する波長分波器と、前記波長分波器により分離された個々の搬送波を変調している光信号を電気信号に変換する複数の光検出器とを備える光通信システムにおいて、
前記光ファイバにより伝搬された波長多重波をN倍の周波数に変換する第N高調波(Nは2以上の整数)に変換する手段が、前記波長分波器の直前に挿入されていることを特徴とする光通信システム。 - 前記第N高調波を発生する手段が、前記搬送波の数と同数の第N高調波発生素子から構成され、かつ個々の第N高調波発生素子が一つの搬送波の波長に位相整合していることを特徴とする請求項1に記載の光通信システム。
- 前記各第N高調波発生素子に後続して、該第N高調波発生素子により周波数変換された一つの搬送波と周波数変換されない搬送波とを分波する波長分波器を備えることを特徴とする請求項2記載の光通信システム。
- 前記第N高調波を発生する手段が、前記搬送波の波長範囲を分割した波長区分に対応して設けられる複数の第N高調波発生素子で構成され、かつ個々の第N高調波発生素子が一つの波長区分の波長帯に対して位相整合していることを特徴とする請求項1記載の光通信システム。
- 前記各第N高調波発生素子に後続して、該第N高調波発生素子により周波数変換された複数の搬送波と周波数変換されない搬送波とを分波し、さらに周波数変換された複数の搬送波を個々の搬送波に分波する波長分波器を備えることを特徴とする請求項4記載の光通信システム。
- 複数の光源が発する互いに異なる波長の搬送波を、光変調器によりそれぞれ任意の伝送信号で振幅変調し、変調された互いに異なる波長の搬送波を波長合波器により合波し、合波された波長多重光を1本の光ファイバに結合して伝送し、光ファイバを伝搬した波長多重光を波長分波器により複数の異なる波長の搬送波に再び分離し、個々の搬送波を変調している光信号を複数の光検出器により電気信号に変換して検出する光通信方法において、
前記光ファイバにより伝送された波長多重光を、前記波長分波器に入射する前に、第N高調波発生素子(Nは2以上の整数)によりN倍の周波数に変換することを特徴とする光通信方法。 - 前記光ファイバを伝送した波長多重光の中の一つの搬送波を前記第N高調波発生素子によりN倍の周波数に変換し、次いで前記波長分波器により周波数変換された搬送波と周波数変換されない搬送波とを分離し、該周波数変換された搬送波を光検出器に入射させて電気信号に変換して検出することを特徴とする請求項6記載の光通信方法。
- 前記光ファイバを伝送した波長多重光の中の特定の波長範囲にある搬送波を前記第N高調波発生素子によりN倍の周波数に変換し、次いで前記波長分波器により周波数変換された搬送波と周波数変換されない搬送波とを分離し、さらに周波数変換された搬送波を分離して光検出器に入射させて電気信号に変換して検出することを特徴とする請求項6記載の光通信方法。
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