JP4469295B2 - 光通信方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は光通信に関し、より詳細には、半導体光増幅器を使用して光信号を処理および増幅する方法および装置に関する。

光制限増幅器は入力パワーの変動に影響を受けない出力パワーをもたらす光増幅器である。光制限増幅器のゲインは入力パワーとともに変動し、応答時間は光増幅器のゲイン回復時間によって特徴付けられる。光制限増幅器の例としては深飽和エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）および深飽和半導体光増幅器（ＳＯＡ）などがある。飽和ＥＤＦＡのゲイン回復時間は通常ミリ秒程度であり、一方飽和ＳＯＡのゲイン回復時間はピコ秒からナノ秒までである。ゲイン回復時間に応じて、光制限増幅器は光通信システムにおいて広い範囲の潜在的な適用例を見出すことができる。光制限増幅器は発射パワーを調整するために光送信機においてパワー等化器として使用することができる。光制限増幅器は過渡光パワー変動を抑制するために光アドドロップ（ａｄｄ−ｄｒｏｐ）・ノードにおいて使用することができる。光制限増幅器は受信機のパワー・ダイナミック・レンジを大きくするために受信機の前に光前置増幅器として使用することができる。光制限増幅器はまた光ラベル付き信号上の振幅シフト・キー（ＡＳＫ）光ラベルを消去するために使用することができる。ＥＤＦＡのゲイン・ダイナミクスが極めて遅いので、その入力における遅いパワー変動を抑制するためにのみ良く、高速パワー等化には適さない。他方、ＳＯＡははるかに速いゲイン・ダイナミクスを有し、はるかに小さい時間スケール上で光パワーを調整することができる。しかしながら、パワー制限増幅器として深飽和ＳＯＡを使用することは、ＳＯＡのゲイン回復時間がビット期間に匹敵し、したがってＳＯＡが従来のオンオフ・キーイング（ＯＯＫ）光信号で深飽和領域において動作するときに強い波形歪みが起こるので実際的でないと考えられている。
Ｏｐｔｉｃａｌ π／２−ＤＳＰＫ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｔｏ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｍｏｄｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１５，ｐｐ．１６３９−１６４１，２００３ Ｏｐｔｉｃａｌ π／２−ＤＰＳＫ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｔｏ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｍｏｄｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ」、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１５，ｐｐ．１６３９−１６４１，２００３

飽和ＳＯＡの性能を改善するために新規の変調方式が考えられている。最近、ＳＯＡにおけるクロスゲイン変調の大幅な低減がリターンツーゼロ差動位相シフト・キーイング（ＲＺ−ＤＰＳＫ）による波長分割多重（ＷＤＭ）伝送に対してうまく証明された。Ｐ．Ｓ．ＣｈｏおよびＪ．Ｂ．Ｋｈｕｒｇｉｎの「Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｃｒｏｓｓ−ｇａｉｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ＳＯＡ ｕｓｉｎｇ ＲＺ−ＤＰＳＫ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍａｔ」，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．１５，ｐｐ．１６２−１６４，２００３参照。しかしながら、光信号のパワーを迅速に等化するために光パワー制限増幅器として深飽和ＳＯＡを使用する従来技術の方式は提案されていない。

本発明は光増幅の方法を提供する。本方法は、位相シフト・キー光信号を生成し、増幅された光パワーを所定のまたは所望のレベル（たとえばＳＯＡの飽和出力パワー）に自動的に調節、制限または調整するために深飽和の半導体光増幅器を通して光信号を伝搬することを含む。

位相シフト・キーイングを使用した複数のチャネルを含む光信号をデマルチプレクスするためのデマルチプレクサと、複数の光チャネルをマルチプレクスするためのマルチプレクサと、デマルチプレクサおよびマルチプレクサに結合され、複数のチャネルの光パワー等化を行うように適合された複数の半導体光増幅器とを含むチャネル・パワー等化器も提供される。

本発明は半導体光増幅器（ＳＯＡ）を使用して光信号を処理および増幅する方法を提供する。図１は本発明の諸態様による半導体光増幅器を示す。深飽和半導体光増幅器（ＳＯＡ）１００はリターンツーゼロ差動位相シフト・キーイング信号（ＲＺ−ＤＰＳＫ）である入力光信号を増幅するために使用される。ＲＺパルスは好ましくは５０％以下のデューティー・サイクルを有する。ビット速度は一般に、１００ｐｓ（または２５ｐｓ）のビット期間に対応する１０Ｇｂ／ｓ（または４０Ｇｂ／ｓ）である。ＳＯＡは好ましくは、ビット期間よりも大きいゲイン回復時間を有する。

従来技術の教示によれば、深飽和領域で動作するＳＯＡは従来のオンオフ・キーイング（ＯＯＫ）信号では十分に作動せず、ＳＯＡの高速ゲイン・ダイナミクスのためにひどい波形歪みまたはパターン効果を生じることが理解される。しかしながら、本発明の諸態様によれば、ＲＺ−ＤＰＳＫ信号の効率的な光パワー増幅および／またはパワー等化を行うために深飽和ＳＯＡが使用される。

従来のＯＯＫ信号とは異なり、ＤＰＳＫ信号は２つの隣接する光パルス間の相対位相シフトについての２進情報を符号化し、たとえば、デジタル「１」はπ位相シフトによって表わされ、デジタル「０」は無位相シフトによって表わされる。したがって、ＲＺ−ＤＰＳＫ信号の強度プロファイルは、それが搬送する２進情報（すなわちデータ独立強度プロファイル）とは無関係であり、ＳＯＡにおけるパターン効果は深飽和領域においても排除することができる。

本発明は、たとえば、データ独立強度プロファイル信号と同じ利点を与えながら、ＲＺまたはＮＲＺにかかわらず、π／２−ＤＰＳＫと呼ばれるＤＰＳＫ変形を含む他の変調フォーマットを使用して適用することができることが理解されよう（参照により本明細書に組み込まれるＸ．Ｗｅｉ他の「Ｏｐｔｉｃａｌ π／２−ＤＰＳＫ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｔｏ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｍｏｄｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ」、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１５，ｐｐ．１６３９−１６４１，２００３参照）。本発明によって使用することができる、データ独立強度プロファイルをもつ別の変調フォーマットはリターンツーゼロ差動直交位相シフト・キーイング（ＲＺ−ＤＱＰＳＫ）である。

本明細書で使用する「深飽和」について特定の実施形態に関して以下で述べる。図２は本発明の諸態様の実験証明で使用したＳＯＡの出力パワー対入力パワー特性を示す。ＳＯＡは約２００ｐｓのゲイン回復時間をもつ市販のユニットとした。駆動電流は２００ｍＡに設定した。入力信号はＲＺ−ＤＰＳＫとした（実験証明の追加の詳細については以下で述べる）。

ＳＯＡのゲインは小信号領域で２０ｄＢであり、入力パワーが−１０ｄＢｍに増加したときに約３ｄＢだけ低下する。図２に示すように、Ｐ_ｏｕｔ（ｄＢｍ）対Ｐ_ｉｎ（ｄＢｍ）プロットにおける傾斜を使用して飽和の程度を定量した。Ｐ_ｏｕｔ（ｄＢｍ）対Ｐ_ｉｎ（ｄＢｍ）の傾斜が０．７５よりも大きい領域を線形領域と呼び、Ｐ_ｏｕｔ（ｄＢｍ）対Ｐ_ｉｎ（ｄＢ）の傾斜が０．７５よりも小さい領域を本明細書では飽和領域と呼び、Ｐ_ｏｕｔ（ｄＢｍ）対Ｐ_ｉｎ（ｄＢ）の傾斜が０．２５よりも小さい領域を本明細書では深飽和領域と呼ぶ。図２に示す例において、Ｐ_ｉｎ＜−１５ｄＢｍは線形領域であり、Ｐ_ｉｎ＜−１５ｄＢｍは飽和領域であり、Ｐ_ｉｎ＞−４ｄＢｍは深飽和領域である。

−４ｄＢｍ＜Ｐ_ｉｎ＜４ｄＢｍ（全パワー変動８ｄＢ）の深飽和領域において、ＳＯＡ出力パワーの変動は２ｄＢ未満である。本発明の諸態様によれば、ＳＯＡの深飽和領域における出力パワー変動の抑制によって制限増幅が与えられる。

図３は本発明の一実施形態よるＲＺ−ＤＰＳＫ送信機用の制限増幅器としてのＳＯＡの性能を証明するために使用した実験装置３００を示す。実験装置３００は比較のためにＮＲＺ−ＤＰＳＫ、ＲＺ−ＯＯＫおよびＮＲＺ−ＯＯＫなどの他の変調フォーマットをテストするために変更することができることを当業者は理解するであろう。（ＮＲＺ−ＤＰＳＫおよびＮＲＺ−ＯＯＫの場合、パルス発生器はバイパスされる。ＯＯＫの場合、マッハ−ツェンダー変調器のドライバ電圧およびバイアスを調節する必要があり、光遅延干渉計および平衡検出器を正規検出器と交換する。）

装置３００を使用してＲＺ−ＤＰＳＫ、ＮＲＺ−ＤＰＳＫ、ＲＺ−ＯＯＫ、およびＮＲＺ−ＯＯＫ信号を研究した。レーザ３１０は１５５０ｎｍで動作する同調可能レーザとした。パルス発生器３２０は繰返し数（ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ）１０ＧＨｚおよびデューティー・サイクル５０％をもつチャープなし光パルスを生成した。マッハ−ツェンダー変調器３３０は長さ２^３１−１の１０Ｇｂ／ｓ擬似乱数ビット・シーケンス（ＰＲＢＳ）で駆動した。ＥＤＦＡ−１ ３４０を使用してＳＯＡ３５０の深飽和領域に達するように信号パワーを増幅した。ＳＯＡ３５０入力信号の光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）は３５ｄＢよりも高く（雑音パワーに対して０．１ｎｍ帯域幅で規定した）、したがってＥＤＦＡ−１ ３４０によって生成された増幅瞬時放出（ＡＳＥ）雑音の効果を無視することができた。ＳＯＡ３５０入力における信号パワーは可変光減衰器ＶＯＡ−１ ３６０を調節することによって−２８ｄＢｍと４ｄＢｍの間で変動した。ＶＯＡ−２ ３７０およびＥＤＦＡ−２ ３８０を使用してＳＯＡ３５０出力信号の受信機感度を測定した。ＶＯＡ３６０、３７０はパワー・レベルを監視するために組込み光パワー・メータを有した。光帯域通過フィルタＯＢＰＦ−１ ３８５およびＯＢＦ−２ ３８６はそれぞれ０．６ｎｍと０．８ｎｍの３ｄＢ帯域幅を有した。１００ｐｓ遅延をもつ光遅延干渉計３９０および平衡検出器３９５を使用してＤＰＳＫ信号を検出した。

図４ａ〜ｐはＳＯＡ３５０の入力において４つの異なるパワー・レベル（それぞれａ−ｄ、ｅ−ｈ、ｉ−ｌ、およびｍ−ｐ）をもつＲＺ−ＤＰＳＫ、ＮＲＺ−ＤＰＳＫ、ＲＺ−ＯＯＫ、およびＮＲＺ−ＯＯＫの受信信号のアイ・ダイアグラムを示す。ＳＯＡ３５０入力パワー（Ｐ_ｉｎ）はアイ・ダイアグラムの上に示されている。

３つのアイ・ダイアグラムを測定するために、ＥＤＦＡ−２ ３８０の入力におけるパワー・レベルを比較的高く（−２０ｄＢｍ）設定してＯＮＳＲの劣化を回避した。上述のように、ＲＺ−ＯＯＫおよびＮＲＺ−ＯＯＫは高い入力パワーに対して強いパターン効果を示す。ＯＯＫのゼロ・レール上の大きい「雑音」は、「０」が「１」よりもはるかに高いゲインを受けることに起因する。比較して、ＲＺ−ＤＰＳＫは受信アイ・ダイアグラムにおいてほとんど歪みを示さない深飽和領域において明確な利点を有することがわかった。

ＲＺ−ＤＰＳＫ図におけるＲＺ形状は深飽和でも不変である。１ビット期間よりも長いＳＯＡゲイン回復時間（実験では２００ｐｓ）を有することに起因し、したがってゲインはＳＯＡ３５０が深飽和したとしても１ビット・スロットでは迅速に変化しないことが理解できた。これは、図５に示す光パワー・スペクトルの広がりによって示されるように、パルスに若干のチャープを導入する。しかしながら、パルスに導入されるチャープはパルスごとに同等であり、本質的に２つの隣接するパルス間の位相差のみがＲＺ−ＤＰＳＫ信号によって符号化されるデータを決定するので、ＲＺ−ＤＰＳＫの性能に対する飽和誘起チャープの影響は最小である。

図６は図４のアイ・ダイアグラムについての１６の状態に対応する測定された受信機感度（ＥＤＦＡ−２ ３８０への入力パワー）を示す。ビット誤り率（ＢＥＲ）は１０^−９であった。ＲＺ−ＤＰＳＫの受信機感度はＳＯＡ３５０の飽和度に実際上無関係であり、一方、すべての他のフォーマットはＳＯＡ３５０が強く飽和したときに著しい劣化を受ける。これはアイ・ダイアグラムの観察と一致し、飽和したＳＯＡが性能の無視できる劣化をもつＲＺ−ＤＰＳＫ送信機で使用することができることを確証する。

飽和したＳＯＡによってＲＺ−ＤＰＳＫ信号に導入されたチャープは信号の分散公差にある程度まで影響することがあることが理解される。この効果を定量するために、図３の実験装置３００を使用してＳＯＡ出力信号を標準シングル・モード・ファイバ（ＳＭＦ）および異なる長さの分散補償ファイバ（ＤＣＦ）で送信した。ファイバをＳＯＡ３５０とＯＢＰＦ−１ ３８５の間に挿入した。自己位相変調（ＳＰＭ）が起こらないようにファイバ中に発射した光パワーを０ｄＢｍ未満に減衰させた。群速度分散（ＧＶＤ）に対する測定された受信機感度を図７に示し、これは飽和したＳＯＡからのチャープの影響が小さいことを示す。飽和誘起チャープは主としてこの実験証明で光残留分散を０から正の値までシフトした。

本発明の一実施形態では、深飽和ＳＯＡがＲＺ−ＤＰＳＫ（またはその変形）送信機（図示せず）において効率的なパワー・ブースタ増幅器として使用される。深飽和はまたコネクタの変動および送信機の様々な段における変調器損失に対してＳＯＡからの最終出力パワーを調整するのを助ける。

図８に示す本発明の別の実施形態では、複数の深飽和ＳＯＡ８１０が複数のチャネル８２０の光パワー等化を行うためのチャネル・パワー等化器として使用される。

図９に示す本発明の別の実施形態では、マルチプレクサ９２０によってマルチプレクスされる信号の過渡光パワー変動を抑制するために複数の深飽和ＳＯＡ９１０が光アドドロップ・ノード９００に使用される。

また、本発明は受信機のパワー・ダイナミック・レンジを改善するためにＲＺ−ＤＰＳＫ受信機に適用することもできることが理解される。さらに、本発明はまた、光ラベル付きＲＺ−ＤＰＳＫ信号上の振幅シフト・キー（ＡＳＫ）光ラベルを消去するために使用することができる。

本発明について例示的な実施形態を参照しながら説明したが、この説明は限定的な意味で解釈すべきではない。説明した実施形態の様々な変更、ならびに本発明が関係する当業者に明らかな本発明の他の実施形態は添付の特許請求の範囲で規定された本発明の原理および趣旨にあると考えられる。

本発明による様々な方法の工程を特定のシーケンスを参照しながら開示し、述べたが、本発明はそれらの特定のシーケンスでそれらの工程の一部または全部を実施する方法に限定されない。

本発明の諸態様によるＳＯＡを示す図である。 ＳＯＡのゲイン飽和特性を示すプロットである。 本発明の一態様による光通信システムの実験セットアップの概略図である。 ａ〜ｐは様々な入力パワーでの異なる変調フォーマットの受信光信号のアイ・ダイアグラムを示す図である。 異なるＳＯＡ入力パワー・レベルをもつＳＯＡの出力における光パワー・スペクトルを示す図である。 様々なＳＯＡ入力パワー・レベルにおける異なる変調フォーマットの測定された受信機感度を示す図である。 −１８ｄＢｍ、−１０ｄＢｍ、−３ｄＢｍおよび＋４ｄＢｍの入力パワーをもつＳＯＡによって増幅されたＲＺ−ＤＰＳＫ信号の測定された受信機感度を示す図である。 本発明によるゲイン等化器の一実施形態を示す図である。 本発明によるパワー等化機能をもつ光アドドロップ・マルチプレクサの一実施形態を示す図である。

Claims (7)

1. 位相シフト・キー光信号を生成する工程と、
   増幅された光パワーを調整するために深飽和の半導体光増幅器を通して前記光信号を伝搬する工程とを含み、
   前記増幅された光パワーが飽和出力パワーに調整され、前記光増幅器のΔＰ _ＯＵＴ （ｄＢ）／ΔＰ _ＩＮ （ｄＢ）が約０．２５未満であり、Ｐ _ＯＵＴ が前記光増幅器から出力された光信号のパワーであり、Ｐ _ＩＮ が前記光増幅器に入力される光信号のパワーであることを特徴とする方法。
2. 前記光増幅器のゲイン回復時間が前記光信号のビット期間よりも大きい請求項１に記載の方法。
3. 前記光信号が、ＲＺ−ＤＰＳＫ信号、π／２−ＤＰＳＫ信号、一定強度ＤＰＳＫ信号、およびＲＺ−ＤＱＰＳＫ信号からなるグループから選択される信号である請求項１に記載の方法。
4. 位相シフト・キー光信号を生成する手段と、
   前記光信号の増幅された光パワーを調整するために深飽和の半導体光増幅器を通して前記光信号を伝搬する手段とを備え、
   前記増幅された光パワーが飽和出力パワーに調整され、前記光増幅器のΔＰ _ＯＵＴ （ｄＢ）／ΔＰ _ＩＮ （ｄＢ）が約０．２５未満であり、Ｐ _ＯＵＴ が前記光増幅器から出力された光信号のパワーであり、Ｐ _ＩＮ が前記光増幅器に入力される光信号のパワーであることを特徴とする装置。
5. 半導体光増幅器を通して光信号を伝搬する前記手段が、
   前記光信号をデマルチプレクスするデマルチプレクサと、
   前記光信号の複数の光チャネルをマルチプレクスするマルチプレクサと、
   前記複数のチャネルの光パワー等化を行うように適合された、前記デマルチプレクサおよび前記マルチプレクサに光結合する複数の半導体光増幅器とを備える請求項４に記載の装置。
6. 半導体光増幅器を通して光信号を伝搬する前記手段が、
   ＲＺ−ＤＰＳＫ光信号の光ラベル付き部分が除去されるように前記半導体光増幅器を通して振幅シフト・キー光ラベル付き部分を有するＲＺ−ＤＰＳＫ光信号を伝搬するように適合される請求項４に記載の装置。
7. 半導体光増幅器を通して光信号が伝搬する前記手段が、
   過渡光パワー変動を抑制し、前記光信号のチャネル間の光パワー等化を行うように適合された、前記マルチプレクサに光結合する複数の半導体光増幅器を備える請求項４に記載の装置。

Images