JP2015201880A

JP2015201880A - 光時分割多重伝送システム

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Publication number: JP2015201880A
Application number: JP2015119749A
Authority: JP
Inventors: 隆行黒須; Takayuki Kurosu
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: JPWO2013114965A1; WO2013114965A1; JP6074823B2

Abstract

【課題】光時分割多重伝送システムにおいて、高価な超高速光デバイスなどを使用することなく、品位の高い情報伝送を実現する。
【課題を解決するための手段】信号生成部１４においては、シンボルレートがｆ₀(baud/秒)の光パルス信号(ＲＺ信号)を出力する光送信機をＮ＋１個用いる。電気／光変換部１５のうち、チャンネルＣｈ₁〜Ｃｈ_Nに対応する光送信機は波長λ１を出力し、チャンネルＣｈ_N+1に対応する光送信機は波長λ２を出力する。受信機側では、分波器、λ２を透過するフィルタにより、波長λ２の光信号パルスのみが抽出され、光受信機、ＰＬＬ回路により、クロック周波数ｆ₀を抽出する。
【選択図】図１４

Description

本発明は、情報伝送の伝送レートを高めるための光時分割多重伝送システムに関する。

インターネットの急速な発展により、光通信に要求される伝送レートは年々高まっているが、電子デバイスの動作速度は限界に達しようとしている。
一般に、単位時間に送信できる符号(シンボル)の数をシンボルレート[baud/秒]と呼ぶが、電子デバイスの上限を超えるシンボルレートで信号を伝送するためには、光領域で信号を多重化する光時分割多重(ＯＴＤＭ)が必要となる。
ＯＴＤＭ伝送では強度または位相に変調の施された光パルス信号(ＲＺ信号と呼ばれる)を複数用意し、それらを高速に切り替えてシリアル信号に変換することで信号の多重化を図っている。

図１に、ＯＴＤＭ伝送の原理を示す。
例えば、多チャンネル信号送信機１として、シンボルレート(クロック周波数)がｆ₀[baud/秒]のＲＺ信号を出力する光送信機２をＮ個(Ｃｈ.１〜Ｃｈ.Ｎ)用い、これらが出力する光信号パルスを多重化装置(Ｍｕｘ)３で等間隔に配列してシリアル信号に変換する。ただし、ｆ₀[baud/秒]は、電気的な位相同期回路(ＰＬＬ回路)で対応し得る上限以下の値とする。
これにより、多重化装置(Ｍｕｘ)３からは、シンボルレートがｆ’＝Ｎ×ｆ₀[baud/秒]のＯＴＤＭ信号が生成される。

一方、受信機は、光入力側に分割装置(Ｄｅｍｕｘ)４を備えており、このＯＴＤＭ信号をＮ本のパラレル信号に分割(Ｄｅｍｕｘ)し、チャンネル毎に信号処理を行う。
このＤｅｍｕｘ操作を行うためには、元の送信機のシンボルレート(＝ｆ₀)に等しい周波数を持つ基準信号(クロック)が必要となる。したがって、受信機には受信したＯＴＤＭ光信号から、光クロック抽出部５によりこのクロック信号を生成する、いわゆる光クロック抽出機能が要求される。
ＯＴＤＭ信号の基本周波数は電子デバイスの動作速度の限界を超えるため、通常ＯＴＤＭ信号からクロック信号を抽出するためには非線形光学効果を利用した超高速光デバイスが必要となる。

このように、ＯＴＤＭ方式では多重/分割等の信号処理を電子デバイスの動作限界を超える速度で実行する必要があるが、これには非線形光学効果を応用した光デバイスが利用される。一般的な光デバイスは、信号光の入出力ポートと制御光の入力ポートを持ち、制御光のオン/オフにより信号光の強度や位相を制御する。

代表的な超高速光デバイスとしては、非線形ファイバーで生じる４光波混合や半導体サブバンド間遷移(ＩＳＢＴ)が示す相互位相変調を利用したものがあり、下記非特許文献１にみられるように、ＩＳＢＴ光ゲートを用いてシンボルレートが１７２Ｇ[baud/秒]のＯＴＤＭが実現されている。

これまでに超高速光デバイスを用いたクロック抽出方法がいくつか考案されているが、図２上段に示されるように、多重化されたＯＴＤＭ信号(ｆ’₀[baud/秒])には通常チャンネルに関する情報は含まれていないので、抽出されるクロック抽出信号のタイミングには、図２下段に示されるように、Ｎ通りの任意性がある(下記非特許文献２参照)。
したがって、受信装置において多重分離された信号のチャンネルを識別するためには、クロック信号がＯＴＤＭ信号に対して常に一定のタイミングで抽出されることが要求される。このため、下記非特許文献３に示されるように、データにチャンネル識別情報を付加して送信することが必要となる。

チャンネル識別情報は、図３に示されるように、光時分割多重信号にクロックパルスを重畳したものを送信信号とすることにより、データとは別の帯域(Outband)の波長を用いて送信することもできる。しかし、その場合、波長の占有帯域として、余分な帯域や電力が必要となり、さらには、抽出クロックのタイミングが伝送路の分散の影響を受け変動し易い等の問題もあるので、データ帯域内(Inband)でチャンネル識別情報を送信する方が望ましい。

これまでに光パルスの強度を用いて情報伝送する方式であるＯＯＫ方式(On-off keying)のＯＴＤＭ伝送に対しては、データ帯域内でチャンネル識別情報を伝送する方法が考案されているが、光パルスの位相を用いて情報伝送する方式であるＰＳＫ方式(Phase-shiftkeying)の信号に対しては、その様な方法を採用することは困難である。
近年、デジタルコヒーレント通信の普及に伴いＰＳＫ方式の重要度が高まっており、ＰＳＫ方式のＯＴＤＭ信号においてチャンネル識別を可能にするクロック抽出技術の開発は重要課題となっている。

黒須隆行、その他、「光時分割多重を用いたスーパーハイビジョン映像の伝送」、信学技報、IEICE Technical Report、IA2009-91、p.53-p.58、(2010）青梅恵之、尾路京一、山下育男、猪口勝司、「１６０Ｇｂｉｔ/ｓ光ＲＺ信号からの１０ＧＨｚクロック信号抽出の検討」、IEEJ Trans. EIS、vol.125、No.10、p.1608-p.1613、(2005) 藤井浩三、「超高速光信号処理技術の開発」、沖テクニカルレビュー、第２０４号、Vol.72、No.4、p.70-p.75、2005年10月黒須隆行他、「光時分割多重を用いたスーパーハイビジョン映像の伝送」、信学技報、IEICE Technical Report、IA2009-91、p.53-p.58、(2010)

ＯＯＫ方式のＯＴＤＭ信号に対しては、光パルス信号の電場の位相を制御してチャンネル識別情報をデータに付加する方法が２例提案されている。
第１の例は、図４に示されるように、短パルス光源６の出力に強度変調を施して生成されるＮチャンネルのシンボルレートｆ₀[baud/秒]のＲＺ光信号を多重化する際に、各チャンネルの光路長を調整して、隣接パルス間の光電場に固定した位相シフトφ１〜φＮを与える。これら位相シフトの大きさをチャンネル毎に変化させることにより、ＯＴＤＭ信号の光強度スペクトルにクロック周波数成分を付加し、光クロック抽出部８に出力している。
(上記非特許文献３参照)。
この例では、全光パルスの電場位相を精密に制御する必要があり、光信号の多重化(ＭＵＸ)部には高い作製精度が要求される。
また、温度等の環境の変化に対して光電場位相が変化しない様に各チャンネルの光路長にフィードバック制御を施す必要があり、多重度Ｎが増えるほどシステムが複雑になる。

第２の例は、本発明者らが先の出願(特願２０１１−０００１２２号)で提案しているもので、図５に示されるように、多チャンネル信号生成部でシンボルレートｆ₀[baud/秒]のＯＯＫ-ＲＺ光信号をＮチャンネル生成し、ＭＵＸ・チャンネル識別情報付与部１０により、特定のチャンネル(基準チャンネル)にのみ位相変調を施して時分割多重化を行う。
これにより、黒で示す基準チャンネルを他チャンネル(位相変調のないノーマルチャンネル)から識別することを可能にしている。なお、図中１１は位相変調検出部、１２はクロック抽出部、１３はＯＴＤＭ信号分割部である。
この方法では全パルスにわたって精密に光電場位相を制御する必要はないが、送信機にデータ送信用の強度変調器とチャンネル情報送信用の位相変調器が必要となるほか、受信機にも位相変調検出器が必要となるなどシステムが複雑になる場合がある。
また、これら２つの方法は、いずれも、光電場位相を利用するためＯＯＫ方式のＯＴＤＭには有効であるが、ＰＳＫ方式のＯＴＤＭには適用することができない。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、スペクトルの利用効率を下げることなく、システム構成が簡素な光時分割多重伝送システムを得ることである。

この課題を解決するため、本発明は、ＯＴＤＭ伝送においてパルス間隔に変調を施して、光強度スペクトルにクロック周波数の成分を付加することによって、受信機がデータに対し常に一定のタイミングでクロック信号を抽出することを可能にする。
より具体的には、本発明の光時分割多重伝送システムでは、次のような技術的手段を講じた。すなわち、シンボルレートがｆ₀[baud/秒]の光パルス信号(ＲＺ信号)を出力する光送信機をＮ個用い、それらＮ本のパラレル光信号を多重化装置により時間をずらして重ねることでシリアル信号に変換して送信し、該受信機において受信信号をパラレル信号に分離しチャンネル毎の信号処理を行う光時分割多重伝送システムにおいて、前記光送信機の少なくとも１つから出力される光信号パルスの波長を、他の前記光送信機から出力される光信号パルスの波長と異ならせるとともに、前記受信機が前記波長が異なる光信号パルスからの光信号パルスに基づいて、前記シンボルレートｆ₀を抽出し、チャンネル毎の信号処理を行うようにした。

本発明によれば、波長が異なる光信号パルスをデータ間に挿入することにより、光信号パルスの位相や強度を操作することなくＯＴＤＭ信号の強度スペクトルに、シンボルレートｆ₀あるいはその整数倍に等しい周波数成分を付加することができる。そして、付加された周波数成分に基づいて、クロック周波数ｆ₀[Hz]を抽出できるので、近年、デジタルコヒーレント通信の普及に伴い重要度の高まっている、光パルスの位相を用いて情報伝送するＰＳＫ方式においても、通常のＯＴＤＭ伝送と全く同じシステム構成でＯＴＤＭ信号にチャンネル識別情報を載せることができる。しかも、受信側では超高速光デバイスなどを用いずに通常の電子回路でクロック抽出が可能になる。
したがって、位相や強度変調などを利用してチャンネル識別情報をデータに付与する方法に比べて装置が簡素で、高い品質で信号を伝送することができる。また、本方法はＯＯＫ、ＰＳＫいずれの伝送フォーマットにも適用できる。

図１は、ＯＴＤＭ伝送の原理を示す図である。図２は、クロック信号を抽出する必要性を説明する図である。図３は、従来技術の一例を示す図である。図４は、従来技術の他の例を示す図である。図５は、従来技術のさらに他の例を示す図である。図６は、本発明の基本原理を説明するため、光信号パルスを同じ時間間隔で配列した従来のパルス列を示す図である。図７は、本Ｎチャンネルの信号毎にΔＴの時間間隔を挿入したパルス列を示す図である。図８は、送信側を示す図である。図９は、受信側を示す図である。図１０は、変型例における送信側を示す図である。図１１は、変型例における受信側を示す図である。図１２は、他の変型例における送信側を示す図である。図１３は、他の変型例における受信側を示す図である。図１４は、本発明の実施例における送信側を示す図である。図１５は、本発明の実施例における受信側を示す図である。

図６、図７に本発明の原理を示す。
ＯＴＤＭでは、通常、図６に示すように、横軸を時間としたとき、Ｃｈ₁〜Ｃｈ_Nの光信号パルス(ＲＺ光信号)ａを同じ時間間隔Ｔに配列する。
ここで、送信機のクロック周波数をｆ₀[Hz]、信号多重度をＮとすると、このＯＴＤＭ信号の光強度波形のスペクトルの基本周波数はｆ’＝Ｎ×ｆ₀[Hz]であり、ｆ₀[Hz]の周波数成分は含まれていない。
そこで、発明では、光信号を多重化する時にパルス間隔を一定ではなく、周期的に変化させるように配列することで、ＯＴＤＭ信号の光強度スペクトルに新たな周波数成分を付加する。

すなわち、図１に示す例では、送信側における各光送信機から出力させる光信号パルスのクロック周波数をｆ₀[Hz]、信号多重度をＮとした場合、多重化装置(Ｍｕｘ)３において、一連のＮ個の光信号パルスのうち、最後のチャンネルからの光信号パルスと、次に始まる最初のチャンネルと間に、ΔＴの時間間隔を挿入することにより、図７に示されるようなパルス配列を得ることができる。
このようにして生成されたＯＴＤＭ信号の光強度スペクトルには、ＰＬＬ回路を用いて抽出するのに十分な強度のクロック周波数成分が付け加えられる。また、分割装置において、ΔＴの存在に基づいてチャンネル識別することも可能となる。

図８、図９に、チャンネル識別を可能とするパルス配列の代表例を示す。図８は送信側、図９は受信側である。
送信側において、クロック周波数ｆ₀[Hz]のクロック信号(電気信号)に同期して、信号生成部１４では伝送レートｆ₀[baud/秒]の電気信号がＮチャンネル生成され、各電気信号は電気光学変調器などからなる電気/光変換部１５によりＲＺ光信号に変換される。これらＮチャンネルのパラレルＲＺ光信号は光時分割多重化部１６により伝送レートｆ’＝Ｎ×ｆ₀[baud/秒]のシリアル信号に変換される。
そして、電気/光変換部１５と光時分割多重化部１６とを接続する光路長を、チャンネル毎に一定の長さずつ変化させること等により、光時分割多重化部１６からは、チャンネル(Ｃｈ₁)からチャンネル(Ｃｈ_N)まで、均一の時間間隔に並んだ光信号パルスが出力され、その後に光時分割多重化部１６が前述のΔＴに相当するギャップを挿入し、このサイクルを繰り返す。
こうして図７Ａに示されるように、光時分割多重部１６から、チャンネル(Ｃｈ₁)〜チャンネル(Ｃｈ_N)から等間隔の光信号パルス列の後に、この均一の時間間隔よりΔＴだけ長いパルス間隔を有するＯＴＤＭ信号(伝送レートＮ×ｆ₀[baud/秒])が出力されることになる。

一方、受信側においては、図９に示されるように、分波器１７によりこのＯＴＤＭ信号からその一部が分岐させられ、クロック抽出部１８内において、フォトダイオードなどからなる光受信器１９により、ΔＴのギャップを抽出することにより、ＰＬＬ回路２０を介して、クロック周波数ｆ₀[Hz]を取り出すことができる。
この例では、チャンネル(Ｃｈ₁〜Ｃｈ_N)からは、シンボルレート(周波数)がｆ₀[baud/秒］の光信号パルスが、Ｎ個等間隔に出力されるが、光時分割多重化装置１６では、(Ｎ＋１)のチャンネルからの光信号を処理するものとし、Ｃｈ_Nからの光信号パルスの次に、(Ｎ＋１)個目の光信号パルスがあるものとして多重化を行う。しかし、(Ｎ＋１)個目の光信号パルスは存在しないため、１光信号パルス分と通常の時間間隔分だけ、チャンネル(Ｃｈ_N)の光信号パルスと次サイクルのチャンネル(Ｃｈ₁)の光信号パルスの間に時間的なギャップが形成されることになる。

そして、(Ｃｈ_N+1)の光送信機は存在しないため、多重化した光信号パルスには、チャンネル１からのパルスからチャンネルＮまでの光信号パルスが等間隔に並び、その後空パルスを挟んで、再びチャンネル１からのパルスからチャンネルＮまでの等間隔の光信号パルスが続き、これを繰り返すことになる。

受信機では、クロック抽出部１８において、この空パルスにより光信号パルスの時間間隔が増大したことを検出することにより、送信機側から、シンボルレート(周波数)がｆ₀[baud/秒]の光信号がＮチャンネル多重化されて送信されていることを認識することができる。また、空パルスの後にチャンネル１からチャンネルＮの信号が順次送られてくるので、空パルスを基準にしてデータのチャンネルを識別し、ＯＴＤＭ信号分割部２１によりＯＴＤＭ信号を分離することができる。

なお、図１０(受信側)、図１１(送信側)に示されるように、信号生成部１４において、光信号パルスを発しないチャンネル(Ｃｈ_N+1)を設けてもよい。
また、この例では、光信号パルス間の時間間隔を通常のものと異ならせたものを、Ｃｈ_Nからの光信号パルスと次サイクルのＣｈ₁からの光信号パルスとの間に設けたが、Ｃｈ₁〜Ｃｈ_N-1のいずれの間に設けてもよいし、光信号パルス間の時間間隔を、空パルス１個分としたが、複数個分としてもよい。

要は、チャンネル(Ｃｈ₁)〜チャンネル(Ｃｈ_N)の光信号パルス間のうち、等間隔に設定された時間間隔とは異なる時間間隔を少なくとも１つ形成すれば、ＰＬＬ回路２０により、これを特定することにより、クロック周波数ｆ₀を抽出することが可能となるから、等間隔に設定された時間間隔より短い時間間隔となるようにしてもよい。

この例では、チャンネル(Ｃｈ₁)〜チャンネル(Ｃｈ_N)の光信号パルス間のうち、特定の光信号パルス間の時間間隔を、等間隔に設定された時間間隔と異なる時間間隔を設定することにより、クロック周波数ｆ₀を抽出するようにした。しかし、チャンネル(Ｃｈ₁)〜チャンネル(Ｃｈ_N)の光信号パルス間のうち、他とは異なるユニークな時間間隔を少なくとも１つ形成すれば、ＯＴＤＭ信号の光強度スペクトルには必ずクロック周波数成分が含まれることになるので、特定の光信号パルス間に限らず、任意の光信号パルス間に、他とは異なる時間間隔を設定すれば、ＰＬＬ回路２０によりクロック周波数ｆ₀を抽出することが可能となる。

上では、チャンネル(Ｃｈ₁)〜チャンネル(Ｃｈ_N)の光信号パルス間のうち、特定の光信号パルス間の時間間隔を、等間隔に設定された時間間隔と異なる時間間隔を設定することによりクロック周波数を抽出するようにしたが、チャンネル(Ｃｈ₁)〜チャンネル(Ｃｈ_N)の光信号パルスの時間間隔を所定周期で変化させ、この周期でクロック周波数の抽出を行ってもよい。
すなわち、図１２(送信側)、図１３(受信側)に示されるように、チャンネル(Ｃｈ₁)〜チャンネル(Ｃｈ_N)からのＮ個の光信号パルスをＭ個(ＭはＮの約数)ずつ分割する。そして、Ｍ毎に隣り合う光信号パルスの時間間隔がＴ₁〜Ｔ_Mとなるよう、電気/光変換部１５と光時分割多重化部１６間の光路長を変化させ、Ｎ個の光信号パルスに、周期的に時間間隔が変化するＭ個の光信号パルス群をＮ/Ｍ個を形成する。

このようにして形成されたＯＴＤＭ信号の光強度スペクトルには、周波数(Ｎ/Ｍ)ｆ₀[Hz]に新たな成分が加えられる。このＯＴＤＭ信号は、クロック抽出部１８において、光受信機１９を介してＰＬＬ回路２０に入力され、(Ｎ/Ｍ)ｆ₀[Hz]の周波数成分を検出し、これを分周器２２によりＭ/Ｎ倍することにより、クロック周波数ｆ₀を抽出し、ＯＴＤＭ信号分割部２１に出力することが可能となる。

図１４，図１５は、本発明の実施例に基づく送信側と受信側の構成をそれぞれを示している。
本実施例では。光信号パルス間の時間間隔を変更するのに代え、チャンネル(Ｃｈ₁)〜チャンネル(Ｃｈ_N)からのＮ個の光信号パルス毎に、他の光信号パルスとは異なる波長とする光パルスを少なくともひとつ挿入する。
すなわち、図１４に示されるように、信号生成部１４において、本来の情報を伝達するチャンネル(Ｃｈ₁)〜チャンネル(Ｃｈ_N)に加え、チャンネル(Ｃｈ_N+1)の電気信号を形成し、チャンネル(Ｃｈ_N+1)に対応する電気/光変換部１５のうち、チャンネル(Ｃｈ₁)〜チャンネル(Ｃｈ_N)に対応する光送信機は、例えば波長λ１を出力し、チャンネル(Ｃｈ_N+1)に対応する光送信機は、波長λ２のパルス列を出力するようにする。すなわち、光時分割多重化部１６から、Ｎチャンネル分のデータ(黒の波形)毎に、他波長のパルス光が介在する信号がＯＴＤＭ信号として出力されることになる。
このようにして形成されたＯＴＤＭ信号は、データパルスとクロックパルスを含むものとなり、図１５に示されるように、受信側において、分波器１７、λ２を透過するフィルタ２３に入力され、波長λ２の光信号パルスのみが抽出され、光受信機１９、ＰＬＬ回路２０によりクロック周波数ｆ₀[Hz]を抽出することが可能となる。

一方、分波器１７から、λ１を透過するフィルタ２４を介して抽出された波長λ１の光信号パルスは、チャンネル(Ｃｈ₁)〜チャンネル(Ｃｈ_N)からの光信号パルスを、分波器２５を介して、ＯＴＤＭ信号分割部２１に出力され、受信側で信号データとして処理される。
なお、図１５に示されるように、受信側において、フィルタ２４によりチャンネル(Ｃｈ_N+1)からの波長λ２の光信号パルスを取り除くことにより、空パルスが形成されたＯＴＤＭ信号を、分波器２５を介して光受信機１９に送り、空パルスにより時間間隔を他の光信号パルス間と異なるものとすることにより、ＰＬＬ回路２０によりシンボルレートｆ₀を抽出するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、Ｎ本のチャンネルからの光信号パルスに波長が異なる光信号パルスを挿入することにより、ＯＴＤＭ信号の強度スペクトルにクロック周波数成分を付加することができる。これにより、光パルスの位相を用いて情報伝送するＰＳＫ方式においても、通常のＯＴＤＭ伝送と全く同じシステム構成でＯＴＤＭ信号にチャンネル識別情報を載せることができる。しかも、受信側では超高速光デバイスなどを用いずに通常の電子回路でクロック抽出が可能になる。
このため、例えば、近年研究が進んでいるスーパーハイビジョン用映像信号を伝送するための通信システムなどに広く採用されることが期待できる。

１多チャンネル信号送信機
２光送信機
３多重化装置
４分割装置
５光クロック抽出部
６短パルス光源
７ＯＴＤＭ信号生成部
８光クロック抽出部
９多チャンネル信号生成部
１０ＭＵＸ・チャンネル識別情報付与部
１１位相変調検出部
１２クロック抽出部
１３ＯＴＤＭ信号分割部
１４信号生成部
１５電気/光変換部
１６光時分割多重化部
１７分波器
１８クロック抽出部
１９光受信機
２０ＰＬＬ回路
２１ＯＴＤＭ信号分割部
２２分周器
２３フィルタ(λ１を透過)
２４フィルタ(λ２を透過)
２５分波器

Claims

シンボルレートがｆ₀[baud/秒]の光パルス信号(ＲＺ信号)を出力する光送信機をＮ個用い、多重化装置によりそれらＮ本のパラレル光信号を時間をずらして重ねることでシリアル信号に変換して送信し、該受信機において受信信号をパラレル信号に分離しチャンネル毎の信号処理を行う光時分割多重伝送システムにおいて、
前記光送信機の少なくとも１つから出力される光信号パルスの波長を、他の前記光送信機から出力される光信号パルスの波長と異ならせるとともに、前記受信機が前記波長が異なる光信号パルスからの光信号パルスに基づいて、前記シンボルレートｆ₀を抽出し、チャンネル毎の信号処理を行うことを特徴とする光時分割多重伝送システム。
前記受信機において、前記波長の異なる光信号パルスをフィルタにより取り除き、空パルスを形成し、該空パルスにより、他の光信号パルス間の時間間隔と異なるものとすることにより、シンボルレートｆ₀を抽出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載された光時分割多重伝送システム。