JP5212411B2

JP5212411B2 - 光信号再生装置及び光信号再生方法

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Publication number: JP5212411B2
Application number: JP2010075055A
Authority: JP
Inventors: 仁村井
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2030-03-29
Also published as: JP2011209404A

Description

本発明は、波形の歪や位相のばらつきが生じた光パルス信号を、増幅（Re-amplification）及び波形整形（Re-shaping）し、かつ位相のばらつきを修正（Re−timing）して３Ｒ再生する、光信号再生装置及び光信号再生方法に関する。

通信容量の急速な増加により、100Gbpsを超える光伝送システムの実現が期待されている。100Gbpsを超える伝送速度になると、光ファイバの波長分散、偏波モード分散、非線形光学効果、SNR（Singnal to Noise Ratio：信号ノイズ比）劣化等による伝送性能劣化がより顕著になるため、現行の10G/40Gbpsクラスのシステムと同等の伝送性能を維持することが困難となる。

これに関連した従来技術として、非特許文献1には、光ファイバの非線形効果を利用する非線形ループミラー（ＮＯＬＭ：Non-linear Optical Loop Mirror）を導入することによって160Gbps光信号の伝送品質改善を実現した全光３Ｒ再生中継器の技術が開示されている。

村井他、"160Gb/s 全光3R再生中継伝送のフィールド実証実験"、電子情報通信学会信学技法 OCS2008-122、2009-1

非特許文献１に開示されている光３Ｒ再生方式は、100Gbpsを超える超高速光伝送にも適用可能な再生中継手法であるが、ＥＤＦＡ（Erbium-doped Fiber Amplifier）や高非線形ファイバのような長尺の導波路を有する部品を多用するため、入力データとなる光パルス信号と、同じ光パルス信号から抽出したクロック信号との間にタイミングのずれ（ゆらぎ）が生じ、再生動作が不安定になるという課題がある。特に、160Gbpsクラスの超高速光伝送を実現するためには、少なくとも±1ps以内の精度でタイミングを調整する必要があり、僅かなタイミングのゆらぎであっても再生性能に大きく影響する。

本発明は、前記の課題を解決するためになされたものであり、波形の歪や位相のばらつきが生じた光パルス信号を３Ｒ再生するときの、入力データとなる光パルス信号と、同じ光パルス信号から抽出したクロック信号との間のタイミングのずれの影響を低減することを課題とする。

前記の課題を解決するために、本発明は、波形の歪や位相のばらつきが生じた入力光パルス信号を波形整形及び増幅するとともに位相のばらつきを修正することにより、再生光パルス信号を生成する光信号再生装置または光信号再生方法であって、前記入力光パルス信号のＯＮ／ＯＦＦを示す光制御信号を生成する制御信号生成手段と、所定のパルス波形を有する光再生クロック信号を生成する光再生クロック信号生成手段と、前記光制御信号と前記光再生クロック信号とを入力し、両者の論理積である前記再生光パルス信号を生成して出力する光論理ゲート部とを備え、前記光再生クロック信号生成手段は、前記光論理ゲート部に入力されて前記光論理ゲート部を通過した光制御信号のみを入力し、当該入力された光制御信号に前記光再生クロック信号を同期させることを特徴とする。

本発明によれば、波形の歪や位相のばらつきが生じた光パルス信号を３Ｒ再生するときの、入力データとなる光パルス信号と、同じ光パルス信号から抽出したクロック信号との間のタイミングのずれの影響を低減することができる。これにより、超高速光伝送の再生性能の向上を図ることができる。

本発明に係る光信号再生装置の概略構成図である。本発明に係る光論理ゲートデバイスの動作に関する説明図である。本発明に係る光信号再生方法の動作原理についての説明図である。従来の光信号再生装置の概略構成図である。従来の光信号再生方法の動作原理についての説明図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」という。）を、図面を参照しながら詳しく説明する。図１は、本発明に係る光信号再生方法を適用した光信号再生装置の一例を示す概略構成図である。本実施形態では、図１に示した光信号再生装置１は、波長がλs、伝送レートが160Gbpsで、ＲＺ−ＯＯＫ（Return to Zero-On Off Keying）の光パルス信号である入力信号（被再生信号）Ｓ１を再生して、元の波長λsと同じ３Ｒ再生信号Ｓ４を出力するものと仮定する。

図１に示すように、光信号再生装置１は、入力信号（被再生信号）Ｓ１のパルス波形を整形して波長をλcに変換する波長変換部１１と、光論理ゲート部として動作する非線形ループミラー（以下、「ＮＯＬＭ」）２０と、ＮＯＬＭ２０に再生信号Ｓ４用の160GHz光再生クロック信号Ｓ３を出力する光クロック発生部２１との主たる構成要素を備えて構成される。

これに対し、図４に示した従来の光信号再生装置２は、非特許文献１にて開示されている全光３Ｒ再生中継器の概略構成を、図１と同じ構成要素を用いて表したものである。図１と図４とを比較して分かるように、両者の最大の違いは、160GHz光再生クロック信号を生成する光クロック発生部２１，２２が、クロック再生元となる信号を取り込む位置にある。すなわち、従来の光信号再生装置２（図４）では、ＮＯＬＭ２０に入力される制御信号Ｓ２を光カプラ１８ａの直前で分岐して取り込んでいるのに対して、本実施形態の光信号再生装置１（図１）では、光カプラ１８ｂから出力されるＮＯＬＭ２０からの出力信号を取り込み、そこに重畳されている制御信号Ｓ２の成分を抽出する。これによる両者の動作の違いについては後記にて説明する。

ここでは、まず、両者に共通するＮＯＬＭ２０の構造と、光論理ゲート部としての動作原理とについて説明する。ＮＯＬＭ２０は、偏波保持3dBカプラである２入力×２出力の光カプラ１８ｂ（第１の光カプラ）と、その２つの出力ポートに両端がループ状に接続された高非線形性を有する長尺の光ファイバ１９（例えば、長さ300m、分散1.2ps/nm/km、γ〜15W^-1km^-1、伝搬ロス1.9dB/kmの高非線形偏波保持ファイバがコイル状に形成されたもの）と、ループの途中に配置されたもう１つの偏波保持カプラである２入力×１出力の光カプラ１８ａ（第２の光カプラ）とから構成される全光学系の回路である。

光カプラ１８ｂの入力ポートＰ１には、入力信号Ｓ１と同じ波長λsを有する、再生信号Ｓ４の波形の元となる160GHz光再生クロック信号Ｓ３が入射され、この信号は、同一の信号強度を有する右回りのクロック信号Ｓ３Ｒと左回りのクロック信号Ｓ３Ｌとに２分割（50：50）されて、光ファイバ１９内を互いに逆方向に伝搬する。この２つのクロック信
号Ｓ３ＲとＳ３Ｌとが再びカプラ１８ｂに到達して合波されたときに、通常は両者の信号間の干渉により、入力ポートＰ２にはクロック信号Ｓ３の成分は出射されない。なお、光カプラ１８ｂの結合光となる左回りのクロック信号Ｓ３Ｌの位相が、入射光に対してπ／２ずれる場合であっても、入力ポートＰ２に到達するまでに光カプラ１８ｂを２回通過することとなり、結合部における位相変化の影響は相殺される。

一方、もう１つの光カプラ１８ａから、光クロック信号の波長λsとは異なる波長λcを有する信号強度が大きい制御信号Ｓ２が入射されると、光ファイバ１９が有する高非線形性により、光ファイバの屈折率が変化する相互位相変調（ＸＰＭ：Cross Phase Modulation）作用が誘起され、制御信号Ｓ２と同じ方向に伝搬するクロック信号Ｓ３Ｒの位相が変化する。この性質を利用して、制御信号Ｓ２の信号がＯＮとなったときにクロック信号Ｓ３Ｒの位相が丁度πだけシフトされるようにファイバ長や信号強度の調整を行っておく。これにより、制御信号Ｓ２によって位相がπだけシフトされた結果の右回りのクロック信号Ｓ３ＲＳと左回りのクロック信号Ｓ３Ｌとが再びカプラ１８ｂに到達して合波されたときの信号間の干渉がなくなるので、両者が合波された結果の光再生クロック信号が、光カプラ１８ｂの入力ポートＰ２から出射されることになる。

図２は、ＮＯＬＭ２０による光再生クロック信号Ｓ３のスイッチング動作を説明するための模式的な信号波形図である。図中、破線は光ファイバ１９内を互いに逆方向に伝搬して光カプラ１８ｂに到達した２つのクロック信号の波形であり、実線は光カプラ１８ｂの入力ポートＰ２から出射される信号の波形である。図２の左部分は、制御信号Ｓ２がＯＦＦとなっているときの、右回りのクロック信号Ｓ３Ｒと左回りのクロック信号Ｓ３Ｌとが同位相となって互いに信号を打ち消し合う様子を、物理的な振動現象に模して逆位相の波形で表現したものである（逆向きに伝搬する同位相の信号が上下対象に描かれている）。また、図２の右部分は、同様に、制御信号Ｓ２がＯＮとなっているときの、πだけ位相がシフトした右回りのクロック信号Ｓ３ＲＳと、左回りのクロック信号Ｓ３Ｌとが逆位相となって互いに信号を強め合う様子を同位相の波形で表したものである（逆位相の信号同士が重なって描かれている）。

このように、ＮＯＬＭ２０は、制御信号Ｓ２がＯＮのときにだけ入力ポートＰ１に入射された光再生クロック信号Ｓ３を入力ポートＰ２に透過させて出力する。つまり、ＮＯＬＭ２０は、制御信号Ｓ２と光再生クロック信号Ｓ３との論理積値を出力する超高速の光ＡＮＤゲートとして機能する。

入力信号Ｓ１は、例えば、波長λsが1550nmである160GbpsのＲＺ−ＯＯＫ光パルス信号である。波長変換器１１は、例えば、ＥＤＦＡ、高非線形分散平坦化ファイバ、及び信号切り出し用波長フィルタによる基本構成を２段にカスケート゛接続したMamyshev型波長変換器であり、入力信号Ｓ１のパルス波形の整形（Re-shaping〉と、波長λsとは異なる制御信号Ｓ２としての波長λc（例えば、1541nm）への波長の変換とを行う。波長変換された信号は、ＥＤＦＡなどの光増幅器１２ａによって増幅されたのちに、例えば透過帯域が3.5nmの光バンドパスフィルタである光フィルタ１３ａによって、λcの前後の波長成分だけが透過され、光カプラ１８ａを介して制御信号Ｓ２としてＮＯＬＭ２０に入射される。

この制御信号Ｓ２は、光ファイバ１９内を右回りに伝搬して光カプラ１８ｂの入力ポートＰ１にその信号成分が出射され、光サーキュレータ１７によって光フィルタ１３ｃ側に分岐させられたのち、例えば透過帯域が3.5nmの光バンドパスフィルタである光フィルタ１３ｃを透過した波長λc近傍の波長成分だけが抽出され、クロック再生回路１４に入力される。

クロック再生回路１４は、入力される160Gbpsの制御信号から、同期回路によって40GHz
の電気クロック信号を抽出してモード同期レーザ１５へ出力する。モード同期レーザ１５は入力された40GHzの電気クロック信号に同期して、波長λsで変調された所定幅（例えば、2ps）の基準光パルス信号を生成し、光増幅器１２ｂによって増幅された基準光パルス信号は、時分割多重回路１６に入力される。

時分割多重回路１６は、入力された40GHzの基準光パルス信号をビット多重（同一周期内に基準光パルス信号を等時間間隔で４回繰り返す）ことによって160GHzの光パルス信号を生成して出力し、この信号が光増幅器１２ｃによって増幅されたものが、光再生クロック信号Ｓ３として、光サーキュレータ１７及び光カプラ１８ｂを介してＮＯＬＭ２０に入射される。

前記したように、光カプラ１８ｂの入力ポートＰ１に入射された光再生クロック信号Ｓ３は、入力信号Ｓ１と同一のデータが変調された制御信号Ｓ２によって入力ポートＰ２への出力がＯＮ／ＯＦＦ制御されたのちに、例えば透過帯域が3.5nmの光バンドパスフィルタである光フィルタ１３ｂによって波長λs近傍の波長成分だけが抽出され、再生信号Ｓ４として出力される。

図３は、本発明に係る光信号再生方法の動作原理の説明図である。図中、図３（ａ）は、光クロック信号に対する相対的時間位置変化（Ｔｗ：ウォークオフ時間）を考慮した制御信号Ｕｓ（ｔ）を示したものである。この相対的な時間位置の変化は、光ファイバの分散により制御信号と光クロック信号の伝播速度が異なることに起因し、Ｔｗ＝Ｄ・Δλ・Ｌである。ここで、Ｄは、光ファイバの分散値、Δλは、波長離調、Ｌは光ファイバ長である。図３（ｂ）は、ＸＰＭによる位相変化プロファイル（制御信号の二乗積分）を示し、その位相変化Δφ（最大値：π）は、相対的時間位置変化：Ｔｗと制御信号Ｕｓ(ｔ)のパルス形状により決定される。図３（ｃ）は、制御信号と同じ伝播方向の光クロック信号を示し、この光クロック信号に重畳される位相変化は制御信号Ｕｓ（ｔ）のパルスエネルギーに比例する。通常、制御信号Ｕｓ（ｔ）の光ファイバへの入力タイミングは、光ファイバ出力における時間位置が、同方向に伝播するクロック信号Ｕｃ（ｔ）の時間中心に対して対称になるように調整する。例えば、制御信号Ｕｓ（ｔ）の光ファイバを通過する時間が、光クロック信号Ｕｃ（ｔ）よりも3ｐｓだけ遅い場合、即ち、Ｔｗ＝3ｐｓである場合を考える。このとき、光ファイバの入力端において、制御信号Ｕｓ（ｔ）を光クロック信号Ｕｃ（ｔ）よりも1.5ｐｓ（Ｔｗ／２）だけ先行させて入力すれば、光ファイバ出力端において、制御信号Ｕｓ（ｔ）は、光クロック信号Ｕｃ（ｔ）に対して1.5ｐｓ（Ｔｗ／２）だけ遅れて出力され、図３（ａ）及び図３（ｃ）の相対時間位置関係が実現する。このような関係にある場合、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、制御信号Ｕｓ（ｔ）をポンプ光とするＸＰＭによって誘起される位相変化プロファイルの時間中心は、光クロックＵｃ（ｔ）の時間中心と完全に一致し、理想的な位相変調が光クロックＵｃ（ｔ）に重畳される。そして、図３（ｄ）は、再生信号を示し制御信号Ｕｓ（ｔ）がオンのとき、すなわち、図３（ｃ）における光クロック信号Ｕｃ（ｔ）の位相がπだけシフトした場合に再生される。

図１に示すように、再生すべきデータを表す制御信号Ｓ２と光クロック信号Ｓ３Ｒは、入射経路が異なる。このため、制御信号Ｓ２において、ＮＯＬＭ２０の入口から光カプラ１８ａ、光ファイバ１９を経由して出口に到達するまでの間に、外界の温度変化や振動、風圧等による圧力変化の影響などによる伝播時間揺らぎ、いわゆるタイミングゆらぎが生じる。しかしながら、本実施形態に係る光信号再生方法においては、ＮＯＬＭ２０に入射する光再生クロックの元となる信号を、ＮＯＬＭ２０を出射した制御信号から取り込むので、制御信号Ｓ２のタイミング揺らぎ情報が光再生クロックにフィードバックされる。これにより、光再生クロックＳ３Ｒと、そのスイッチング動作に利用する制御信号Ｓ２との相対時間位置のずれを低減でき、再生性能の改善が図られる。

他方、図５を参照して、従来の光信号再生方法の動作原理を説明する。ＮＯＬＭ２０の入口から光カプラ１８ａ、光ファイバ１９を経由して出口に到達するまでの間に、制御信号Ｕｓ（ｔ）において同様なタイミングの揺らぎがあった場合、従来の光信号再生方法では、ＮＯＬＭ２０に入射する光再生クロックの元となる信号を、導波路（ＮＯＬＭ２０）を経由する前の入口側から取り込むので、光再生クロックＳ３Ｒには、そのタイミング揺らぎの情報がフィードバックされない。このため、図５（ａ）、及び図５（ｃ）に示すように、生成される光再生クロックＳ３Ｒと、そのスイッチング動作に利用する制御信号Ｕｓ（ｔ）との間のタイミングのずれが発生し、ＸＰＭによる位相変化プロファイルも、図５(ｂ)に示すように、最適なタイミングからΔＴだけシフトする。この影響により、光再生クロックＳ３Ｒに重畳される位相変化はπよりも小さくなり、図５（ｄ）に示すように再生信号Ｕｃ（ｔ）の信号強度が低下して信号再生エラーが発生する確率が大きくなる。

したがって、本発明に係る光信号再生方法によれば、高非線形ファイバを伝搬した制御信号から光再生クロックを抽出するので、入力信号と同様な、ＮＯＬＭ２０の入口から光カプラ１８ａ、光ファイバ１９を経由して出口に到達するまでに生じる、外部環境変化等によるタイミング揺らぎの影響を吸収することができる。これにより、制御信号と光再生クロック間のタイミングのずれを低減させることができる。

なお、本発明の実施の態様はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。例えば、本実施形態においては、光論理ゲート部としてＮＯＬＭを用いたが、偏波ビームスプリッタを備える偏波分離スイッチなどの他の光ゲート素子を用いてもよい。

１、２光信号再生装置
１１波長変換器（制御信号生成手段）
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ光増幅器
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ光フィルタ
１４クロック再生回路（クロック抽出手段）
１５モード同期レーザ（基準光パルス信号生成手段）
１６時分割多重回路（時分割多重化手段）
１７光サーキュレータ
１８ａ光カプラ（第２の光カプラ）
１８ｂ光カプラ（第１の光カプラ）
１９光ファイバ（非線形光ファイバ）
２０非線形ループミラー（ＮＯＬＭ）（光論理ゲート部）
２１、２２光クロック発生部（光再生クロック信号生成手段）
Ｐ１、Ｐ２入力ポート
Ｓ１入力信号（入力光パルス信号）
Ｓ２制御信号（光制御信号）
Ｓ３光再生クロック信号
Ｓ３Ｒ、Ｓ３Ｌクロック信号
Ｓ４再生信号

Claims

波形の歪や位相のばらつきが生じた入力光パルス信号を波形整形及び増幅するとともに位相のばらつきを修正することにより、再生光パルス信号を生成する光信号再生装置であって、
前記入力光パルス信号のＯＮ／ＯＦＦを示す光制御信号を生成する制御信号生成手段と、
所定のパルス波形を有する光再生クロック信号を生成する光再生クロック信号生成手段と、
前記光制御信号と前記光再生クロック信号とを入力し、両者の論理積である前記再生光パルス信号を生成して出力する光論理ゲート部と
を備え、
前記光再生クロック信号生成手段は、前記光論理ゲート部に入力されて前記光論理ゲート部を通過した光制御信号のみを入力し、当該入力された光制御信号に前記光再生クロック信号を同期させる
ことを特徴とする光信号再生装置。
前記再生光パルス信号は、前記光再生クロック信号生成手段により生成された前記光再生クロック信号と前記通過した光制御信号との相互位相変調により生成された信号であることを特徴とする請求項１に記載の光信号再生装置。
前記光論理ゲート部は、
第１の入力端に入射される前記光再生クロック信号を２つの出力端に均等な強度で分岐して出射するとともに、前記再生光パルス信号が第２の入力端に出射される、２入力×２出力の第１の光カプラと、
両端が前記第１の光カプラの前記２つの出力端にループ状に接続された非線形光ファイバと、
前記非線形光ファイバの途中に設置され、前記光制御信号を合波して入射する、第２の光カプラと
を備えた非線形ループミラーである
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光信号再生装置。
前記光再生クロック信号の波長は、前記入力光パルス信号の波長と同一であり、
前記光制御信号の波長は、光バンドパスフィルタによって前記光再生クロック信号と分離される波長であり、
前記光再生クロック信号は、少なくとも前記第２の光カプラにより入射した信号を基にして生成される
ことを特徴とする請求項３に記載の光信号再生装置。
前記光再生クロック信号生成手段は、さらに
前記光制御信号から前記クロック周波数のＮ分の１の周波数のクロック信号を抽出するクロック抽出手段と、
前記Ｎ分の１の周波数のクロック信号から前記Ｎ分の１の周波数をもつ基準光パルス信号を生成する基準光パルス信号生成手段と、
前記基準光パルス信号を同一周期内に等時間間隔でＮ回繰り返すことにより前記クロック周波数をもつ前記光再生パルス信号を生成する時分割多重化手段と
を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光信号再生装置。
波形の歪や位相のばらつきが生じた入力光パルス信号を波形整形及び増幅するとともに位相のばらつきを修正することにより、再生光パルス信号を生成する光信号再生方法であって、
前記入力光パルス信号のＯＮ／ＯＦＦを示す光制御信号を生成する制御信号生成工程と、
所定のパルス波形を有する光再生クロック信号を生成する光再生クロック信号生成工程と、
前記光制御信号と前記光再生クロック信号とを入力し、両者の論理積である前記再生光パルス信号を、光論理ゲート部によって生成して出力する再生光パルス信号生成工程と
を含み、
前記光再生クロック信号生成工程において、前記光論理ゲート部に入力されて前記光論理ゲート部を透過した光制御信号のみを入力し、当該入力された光制御信号に前記光再生クロック信号を同期させる
ことを特徴とする光信号再生方法。
前記再生光パルス信号は、前記光再生クロック信号生成手段により生成された前記光再生クロック信号と該光制御信号との相互位相変調により生成された信号であることを特徴とする請求項６に記載の光信号再生方法。
前記光論理ゲート部は、
第１の入力端に入射される前記光再生クロック信号を２つの出力端に均等な強度で分岐して出射するとともに、前記再生光パルス信号が第２の入力端に出射される、２入力×２出力の第１の光カプラと、
両端が前記第１の光カプラの前記２つの出力端にループ状に接続された非線形光ファイバと、
前記非線形光ファイバに前記光制御信号を合波して入射する第２の光カプラと
を備えた非線形ループミラーである
ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の光信号再生方法。
前記光再生クロック信号の波長は、前記入力光パルス信号の波長と同一であり、
前記光制御信号の波長は、光バンドパスフィルタによって前記光再生クロック信号と分離される波長であり、
前記光再生クロック信号は、少なくとも前記第２の光カプラにより入射した信号を基にして生成される
ことを特徴とする請求項８に記載の光信号再生方法。
前記光再生クロック信号生成工程は、さらに
前記光制御信号から前記クロック周波数のＮ分の１の周波数のクロック信号を抽出するクロック抽出工程と、
前記Ｎ分の１の周波数のクロック信号から前記Ｎ分の１の周波数をもつ基準光パルス信号を生成する基準光パルス信号生成工程と、
前記基準光パルス信号を同一周期内に等時間間隔でＮ回繰り返すことにより前記クロック周波数をもつ前記光再生パルス信号を生成する時分割多重化工程と
を含むことを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の光信号再生方法。