JP3850857B2

JP3850857B2 - 光通信のための方法及び光受信機

Info

Publication number: JP3850857B2
Application number: JP2004558378A
Authority: JP
Inventors: 和宏國松; 広弥江越
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2022-12-11
Also published as: WO2004054140A1; JPWO2004054140A1

Description

本発明は、一般的に光通信のための方法及び光受信機に関し、更に詳しくは高いパワーの信号光に適用可能な光通信のための方法及びその方法の実施に使用する光受信機に関する。

近年、低損失（例えば０．２ｄＢ／ｋｍ）な石英系の光ファイバの製造技術及び使用技術が確立され、光ファイバを伝送路とする光通信システムが実用化されている。また、光ファイバにおける損失を補償して長距離の伝送を可能にするために、光信号又は信号光を増幅するための光増幅器が実用に供されている。

従来知られているのは、増幅されるべき信号光が供給される光増幅媒体と、光増幅媒体が信号光の波長を含む利得帯域を提供するように光増幅媒体をポンピング（励起）するポンピングユニットとから構成される光増幅器である。

例えば、石英系ファイバで損失が小さい波長１．５５μｍ帯の信号光を増幅するために、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が開発されている。ＥＤＦＡは、光増幅媒体としてエルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）と、予め定められた波長を有するポンプ光をＥＤＦに供給するためのポンプ光源とを備えている。０．９８μｍ帯あるいは１．４８μｍ帯の波長を有するポンプ光を用いることによって、波長１．５５μｍを含む利得帯域が得られる。

光ファイバによる伝送容量を増大させるための技術として、波長分割多重（ＷＤＭ）がある。ＷＤＭが適用されるシステムにおいては、異なる波長を有する複数の光キャリアが用いられる。各光キャリアを独立に変調することによって得られた複数の光信号が光マルチプレクサにより波長分割多重され、その結果得られたＷＤＭ信号光が光ファイバ伝送路に送出される。受信側では、受けたＷＤＭ信号光が光デマルチプレクサによって個々の光信号に分離され、各光信号に基づいて伝送データが再生される。従って、ＷＤＭを適用することによって、多重数に応じて１本の光ファイバにおける伝送容量を増大させることができる。

光ファイバ通信システムへの光増幅及びＷＤＭの適用に伴い、光ファイバ伝送路を伝搬する信号光のパワーが大きくなり、これに対処することが実用上要求される。例えば、光増幅やＷＤＭが適用されない従来タイプのシステムでは、光受信機への光入力パワーが最大でも数ｄＢｍであり、それにより光受信機の部品が破壊されることは無かったのであるが、ＷＤＭ用の装置やラマン増幅による光増幅器の性能向上等に伴い光受信機への光入力パワーが１０数ｄＢｍを超えるようになると、光受信機の部品の耐力を考慮する必要がある。

具体的には、光受信機において光／電気変換器として用いられるアバランシェ・フォトダイオードが耐え得る光入力パワーの上限は概ね５ｄＢｍであるので、１０ｄＢｍを超える信号光が入力すると、部品破壊により光受信機が使用不能になるのである。

この問題に対処するために、大きなパワーを有する信号光を所定レベルまで減衰させる光減衰器を光受信機に設けることが提案され得るが、こうすると小さなパワーの信号光を受信することができなくなり、光受信機のダイナミックレンジが著しく劣化する。

よって、本発明の目的は、大きな光入力パワーがあっても光／電気変換器等の部品が破壊されるおそれのない光通信のための方法及び光受信機を提供することである。

本発明の他の目的は以下の説明から明らかになる。

本発明によると、信号光を伝送する光ファイバ伝送路を提供するステップと、実質的にそれよりも大きなパワーの光が入力したときにブリユアン散乱を生じさせる閾値を有するリミッタファイバを提供するステップと、前記光ファイバ伝送路により伝送された信号光を前記リミッタファイバに入力するステップと、前記リミッタファイバから出力された信号光を光／電気変換器により電気信号に変換するステップとを備え、前記リミッタファイバから出力される信号光の上限パワーが該信号光を受信する前記光／電気変換器のダイナミックレンジの上限となるよう前記閾値が設定され、前記閾値となるように、前記リミッタファイバの減衰係数、有効コア面積及びファイバ長が制御されている方法が提供される。

この方法によると、大きなパワーの光入力があったときに、リミッタファイバ内でブリユアン散乱が生じて、リミッタファイバを通過する光のパワーが減少するので、光／電気変換器等の部品が破壊されることが防止され、本発明の目的が達成される。

本発明の他の側面によると、光ファイバ伝送路により伝送された信号光を受信する光受信機が提供される。この光受信機は、実質的にそれよりも大きなパワーの光が入力したときにブリユアン散乱を生じさせる閾値を有し、信号光が入力されるリミッタファイバと、リミッタファイバから出力された信号光を電気信号に変換する光／電気変換器とを備えている。

例えば、リミッタファイバとしては、光ファイバ伝送路の実効コア面積よりも小さな実効コア面積を有している光ファイバや、ファイバ伝送路の損失よりも小さな損失を有している光ファイバを用いることができる。

本発明によると、大きな光入力パワーがあっても光／電気変換器等の部品が破壊されるおそれのない光通信のための方法及び光受信機の提供が可能になるという効果が生じる。これにより高性能で寿命の長い光通信システム及び光受信機の提供が可能になり、光ファイバ通信の分野の発展に寄与するところが大きい。
形態

以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。

図１を参照すると、本発明を適用可能な光ファイバ伝送システムが示されている。このシステムは、送信側のＷＤＭ装置２と受信側のＷＤＭ装置４の間を光ファイバ伝送路６で結び、受信側のＷＤＭ装置４を複数の光ファイバ伝送路８により電気的処理ユニット１０に接続して構成されている。

送信側のＷＤＭユニット２は、複数の光ファイバ伝送路１２を介して受けた光信号を波長分割多重してＷＤＭ信号光を得るための光マルチプレクサ（ＭＵＸ）１４と、得られたＷＤＭ信号光を増幅する光増幅器（ＡＭＰ）１６とを含む。光増幅器１６により増幅されたＷＤＭ信号光は光ファイバ伝送路６により受信側のＷＤＭ装置４に伝送される。

受信側のＷＤＭ装置は、光ファイバ伝送路６により伝送されて減衰したＷＤＭ信号光を増幅する光増幅器１８と、光増幅器１８により増幅されたＷＤＭ信号光を波長に従って複数の光信号に分ける光デマルチプレクサ（ＤＭＵＸ）２０とを含む。光デマルチプレクサ２０から出力された光信号は、複数の光ファイバ伝送路８により電気的処理ユニット１０に送られる。

電気的処理ユニット１０は、光ファイバ伝送路８により伝送された光信号をそれぞれ電気信号に変換する複数の光／電気（Ｏ／Ｅ）変換器２２と、光／電気変換器２２により変換された電気信号に関して予め定められた処理を行う図示しない回路と、処理を完了した電気信号をそれぞれ光信号に変換する複数の電気／光（Ｅ／Ｏ）変換器２４とを含む。電気／光変換器２４により変換された光信号は複数の光ファイバ伝送路２６によって下流側の装置に伝送される。

このように構成されるシステムにおいては、ＷＤＭ及び光増幅の適用により、光ファイバ伝送路６での信号光のパワーは１０数ｄＢ以上になることがある。このように大きなパワーの信号光が装置の立ち上げに際してやメンテナンス時の誤接続等により各光ファイバ伝送路８を通って電気的処理ユニット１０に供給されると、光／電気変換器２２等が破壊するおそれがある。そこで、光ファイバ伝送路８及び光／電気変換器２２を含む符号２８で示される部分に本発明を適用することで、このような部品の破壊を未然に防止することができる。具体的には以下の通りである。

図２を参照すると、本発明による光受信機の第１実施形態が示されている。以下の説明では、図１に符号２８で示される部分を光受信部と称することにする。この実施形態では、光ファイバ伝送路８の下流側、即ち光ファイバ伝送路８と光受信部２８との間にリミッタファイバ３０を接続し、光ファイバ伝送路８及びリミッタファイバ３０をこの順に通過した光信号（信号光）を光減衰器（ＡＴＴ）３２により予め定められたレベルまで減衰して光／電気変換器２２に入力するようにしている。

図３を参照すると、一般的なシングルモードファイバの誘導ブリユアン散乱によるリミッタ効果が示されている。横軸はファイバに入力する信号光のパワー（ｄＢｍ）、縦軸は信号光の入力方向と逆向きに生じる散乱光のパワー（ｄＢｍ）及び信号光の入力方向と同じ向きに通過して出力される光のパワー（ｄＢｍ）である。入力する信号光のパワーが５ｄＢｍを超えるあたりから出力光のパワーが飽和してくると共に散乱光のパワーが急激に増大してきていることがわかる。

従って、図２に示されるようにリミッタファイバ３０を光ファイバ伝送路８の下流側に挿入することによって、概ね５ｄＢｍのパワーでのリミッタ機能が得られることになり、過剰なパワーの信号光が光受信部２８に入力することが防止される。また、物理現象としての誘導ブリユアン散乱効果の応答性は極めて高速であるので、光サージ等の急激な光パワーの変化にも容易に対応することができる。

次に、リミッタファイバ３０がリミッタとして作動する閾値について考察する。誘導ブリユアン散乱の閾値Ｐ_ｔｈは次の式で近似される。

Ｐ_ｔｈ＝２１ＫＡ_ｅｆｆ／ｇＬ_ｅｆｆ
ここで、Ｋは偏波状態の自由度に依存する定数、Ａ_ｅｆｆはファイバの有効コア面積、ｇはブリユアン利得係数、Ｌ_ｅｆｆは次式で定義されるファイバの有効長さである。

Ｌ_ｅｆｆ＝（１−ｅｘｐ（−αＬ）／α）
ここで、αはファイバの減衰係数、Ｌはファイバの長さである。

従って、ファイバの有効コア面積Ａ_ｅｆｆを小さくするか、ファイバの減衰係数αを小さくするか、ファイバ長さＬを長くすることによって、閾値を小さくすることができる。換言すれば、これらのパラメータを適切に設定することで、所望の閾値を得ることができるのである。例えば、リミッタファイバ３０の有効コア面積Ａ_ｅｆｆ及び減衰係数αは光ファイバ伝送路８のそれよりそれぞれ小さく設定され、それにより誘導ブリユアン散乱の閾値が小さくなるようにされる。

図２の実施形態では、リミッタファイバ３０に入力する光のパワーが誘導ブリユアン散乱の閾値を越えると、通過する光はそれ以上パワーが増大しなくなり、約１０ＧＨｚ周波数シフトした散乱光（反射光）が生じる。光／電気変換器２２のダイナミックレンジが−５ｄＢｍ〜−１０ｄＢｍであるとすると、リミッタファイバ３０を通過する光の最大パワーは５ｄＢｍであるので、光減衰器３２での減衰を１０ｄＢ程度に設定しておくことによって、アバランシェフォトダイオード等を用いて構成される光／電気変換器３２が過大入力で破壊されることを未然に防止することができる。

図４は本発明による光受信機の第２実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、図２に示される実施形態と対比して、光ファイバ伝送路８とリミッタファイバ３０の間に光アイソレータ３４を付加的に設けている点で特徴付けられる。光アイソレータ３４は図示された向き、即ち光ファイバ伝送路８からリミッタファイバ３０に向かう方向にのみ光を通すように機能する。

この構成によると、リミットファイバ３０で信号光伝搬方向と反対向きに導波された散乱光が光ファイバ伝送路８を通って上流側に伝わらなくなるので、上流側に設けられている他の装置に対する散乱光の悪影響を排除することができる。

図５は本発明による光受信機の第３実施形態を示すブロック図である。ここでは、図４に示される実施形態における光アイソレータ３４に代えて光サーキュレータ３６が用いられている。光サーキュレータ３６は３つのポート３６Ａ、３６Ｂ及び３６Ｃを有しており、ポート３６Ａに供給された光をポート３６Ｂから出力し、ポート３６Ｂに供給された光をポート３６Ｃから出力し、ポート３６Ｃに供給された光をポート３６Ａから出力するように機能する。従って、図示されるように、ポート３６Ａを光ファイバ伝送路８に接続し、ポート３６Ｂをリミッタファイバ３０に接続しておくことによって、図４に示される実施形態と同様の効果を得ることができる。

図６は本発明による光受信機の第４実施形態を示すブロック図である。ここでは、図５に示される実施形態と同様の光サーキュレータ３６を用い、リミッタファイバ３０内で生じた散乱光を光サーキュレータ３６により取り出すようにしている。また、光減衰器３２に代えて、可変光減衰器（ＶＡＴＴ）３８が用いられている。光サーキュレータ３６のポート３６Ｃから出力された散乱光は、フォトディテクタ（ＰＤ）４０によりそのパワーに応じた電気信号に変換され、制御回路４２に供給される。制御回路４２は、供給された電気信号に基いて可変光減衰器３８を制御する。例えば、散乱光のパワーが小さいときには可変光減衰器３８の減衰が零に又は小さくされ、散乱光のパワーが大きいときには同減衰が大きくされる。この制御により、光受信機の耐力が更に向上すると共に、可変光減衰器３８による減衰の変化の分だけ光受信機のダイナミックレンジが拡大される。

図７は本発明による光受信機の第５実施形態を示すブロック図である。この実施形態では、信号光の波長と異なる波長を有するリバース光をリミッタファイバ３０に信号光伝搬方向と逆の向きに供給するために、その光源としてレーザダイオード（ＬＤ）４４を付加的に設けられている。レーザダイオード４４は、例えば、光ファイバ伝送路８からリミッタファイバ３０に入力した信号光がリミッタファイバ３０内でラマン増幅されるような波長に設定されている。レーザダイオード４４から出力されたリバース光は光カプラ４６を介してリミッタファイバ３０に供給される。

一般的に、１５５０ｎｍの帯域では、ラマン効果は＋１３ＴＨｚ（波長換算では約１００ｎｍ）シフトした周波数にピークがあり、４０ＴＨｚを超える帯域に渡って広く増幅効果が得られる。従って、信号光がリミッタファイバ３０内でラマン増幅されることにより、リミッタファイバ３０の見かけ上の損失を限りなく零に近づけることができ、前述した原理に従って誘導ブリユアン散乱の閾値を下げることができる。

レーザダイオード４４の波長は、上述の実施形態では例えば約１６５０ｎｍに設定されるが、誘導ブリユアン散乱で生じる光の波長に一致させてもよい。こうしておくと、リミッタファイバ３０内で信号光から散乱光へのパワーシフトが大きくなるので、同じく誘導ブリユアン散乱の閾値を下げることができる。

図１は本発明を適用可能な光ファイバ伝送システムのブロック図；図２は本発明による光受信機の第１実施形態を示すブロック図；図３は光ファイバにおける散乱パワー（左縦軸）及び出力パワー（右縦軸）と入力パワー（横軸）との関係の例を示すグラフ；図４は本発明による光受信機の第２実施形態を示すブロック図；図５は本発明による光受信機の第３実施形態を示すブロック図；図６は本発明による光受信機の第４実施形態を示すブロック図；そして図７は本発明による光受信機の第５実施形態を示すブロック図である。

Claims

信号光を伝送する光ファイバ伝送路を提供するステップと、
実質的にそれよりも大きなパワーの光が入力したときにブリユアン散乱を生じさせる閾値を有するリミッタファイバを提供するステップと、
前記光ファイバ伝送路により伝送された信号光を前記リミッタファイバに入力するステップと、
前記リミッタファイバから出力された信号光を光／電気変換器により電気信号に変換するステップとを備え、
前記リミッタファイバから出力される信号光の上限パワーが該信号光を受信する前記光／電気変換器のダイナミックレンジの上限となるよう前記閾値が設定され、
前記閾値となるように、前記リミッタファイバの減衰係数、有効コア面積及びファイバ長が制御されている方法。
前記光ファイバ伝送路と前記リミッタファイバの間に接続される光アイソレータを提供するステップを更に備えた請求項１記載の方法。
前記リミッタファイバから出力された信号光を減衰させるステップと前記ブリユアン散乱により生じた散乱光のパワーに応じて前記信号光の減衰を制御するステップとを更に備えた請求項１記載の方法。
信号光を伝送する光ファイバ伝送路を提供するステップと、
実質的にそれよりも大きなパワーの光が入力したときにブリユアン散乱を生じさせる閾値を有するリミッタファイバを提供するステップと、
前記光ファイバ伝送路により伝送された信号光を前記リミッタファイバに入力するステップと、
前記リミッタファイバから出力された信号光を減衰させるステップと、
前記減衰させた信号光を電気信号に変換するステップと、
前記光ファイバ伝送路と前記リミッタファイバの間に光サーキュレータを接続するステップと、
前記光サーキュレータを介して前記ブリユアン散乱により生じた散乱光を取り出すステップと、
前記散乱光のパワーに応じて前記信号光の減衰を制御するステップとを備えた方法。
前記リミッタファイバに前記信号光の波長と異なる波長を有するリバース光を前記信号光の伝搬方向と逆の方向に供給するステップを更に備えた請求項１記載の方法。
前記リバース光は前記信号光が前記リミッタファイバ内でラマン増幅されるように設定される波長を有している請求項５記載の方法。
前記リバース光は前記ブリユアン散乱により生じる散乱光の波長と同じ波長を有している請求項５記載の方法。
光ファイバ伝送路により伝送された信号光を受信する光受信機であって、
実質的にそれよりも大きなパワーの光が入力したときにブリユアン散乱を生じさせる閾値を有し、前記信号光が入力されるリミッタファイバと、
前記リミッタファイバから出力された信号光を電気信号に変換する光／電気変換器とを備え、
前記リミッタファイバから出力される信号光の上限パワーが該信号光を受信する前記光／電気変換器のダイナミックレンジの上限となるよう前記閾値が設定され、
前記閾値となるように、前記リミッタファイバの減衰係数、有効コア面積及びファイバ長が制御されている光受信機。
前記光ファイバ伝送路と前記リミッタファイバの間に接続される光アイソレータを更に備えた請求項８記載の光受信機。
前記リミッタファイバから出力された信号光を減衰させる光減衰器と前記ブリユアン散乱により生じた散乱光のパワーに応じて前記光減衰器を制御する制御回路とを更に備えた請求項８記載の光受信機。
光ファイバ伝送路により伝送された信号光を受信する光受信機であって、
実質的にそれよりも大きなパワーの光が入力したときにブリユアン散乱を生じさせる閾値を有し、前記信号光が入力されるリミッタファイバと、

前記リミッタファイバから出力された信号光を減衰させる光減衰器と、
前記光減衰器から出力された信号光を電気信号に変換する光／電気変換器と、
前記光ファイバ伝送路と前記リミッタファイバの間に接続される光サーキュレータと、
前記光サーキュレータを介して取り出された前記ブリユアン散乱による散乱光を電気信号に変換するフォトディテクタと、
前記フォトディテクタの出力に基いて前記光減衰器を制御する制御回路とを備えた光受信機。
前記リミッタファイバに前記信号光の波長と異なる波長を有するリバース光を前記信号光の伝搬方向と逆の方向に供給する光源を更に備えた請求項８記載の光受信機。
前記リバース光は前記信号光が前記リミッタファイバ内でラマン増幅されるように設定される波長を有している請求項１２記載の光受信機。
前記リバース光は前記ブリユアン散乱により生じる散乱光の波長と同じ波長を有している請求項１２記載の光受信機。
前記リミッタファイバは前記光ファイバ伝送路の実効コア面積よりも小さな実効コア面積を有している請求項８記載の光受信機。
前記リミッタファイバは前記光ファイバ伝送路の損失よりも小さな損失を有している請求項８記載の光受信機。