JPS6248823A - 光通信方法及び光送信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、光通信方法及び同方法を実現する光送信装
置に関する。

（従来の技術） 単一モード光ファイバ等の光伝送路は本質的に群速度分
散と光学非線形性を有する。したがって光伝送路を用い
る光通信システムにおいて送信端から送信された光は、
光伝送路の分散や非線形性の影響を光転送路伝搬中に受
け、受信端で得られる光の強度や位相の変化のしかたは
送信端での状態とは一般に異なる。しかしながら従来の
光通信システムでは、符号識別に適した光、つまり光強
度変化を極力さけた理想に近い角度変調光を送信するも
のであった。

（発明が解決しようとする問題点） このように受信端での識別に適した光を送−信すると、
前記の如く光伝送路を伝搬するにつれて分散や非線形性
の影響を受けて光の強度や位相の変化のしかたが異なっ
たものになる結果、長距離伝搬後の光は符号識別に不向
きなものとなってしまい、これにより達成可能な伝送路
距離や伝送スピード（ビットレート）が制御されていた
。

本発明の目的は、群速度分散と光学非線形性を有する光
伝送路を用いる光伝送システムの伝送路距離の長大化及
び／もしくは伝送速度（ビットレート）の高速化を可能
にする方法を提供することである。また本発明の他の目
的は分散と非線形性を有する光伝送路を用いる光伝送シ
ステムの伝送路距離の長大化及びｌもしくは伝送速度の
高速化を可能にする光送信装置を提供することである。

（問題点を解決する手段） この発明は、受信端で歪の無い信号となるように、光伝
送路の特性を考慮して歪ませた信号を送信することを特
徴とする光通信方法となっている。また、この方法を実
現する装置として本発明では光源と、この光源からの出
力光の角度（位相または周波数）及び強度を変調する変
調手段と、送信すべきデータ、既に送信したデータ及び
以後に送信するデータに基づいて現在送信すべきデータ
の変調状態を決定して前記変調手段を制御する制御手段
とを少なくとも備えた構成となっている。

（作用） 単一モード光ファイバの光伝搬特性は波動方程式 によりよく表わされる（例えばＢ、Ｐネルソン他、オプ
チックス・コンミュニケイションズ、第４８巻、４号２
９２ページ、１９８３年）。ここで光の電界強度はｔ、
（ｔ、　ｚ）＝　−Ｅ　（ｔ、　ｚ）　ｅＸ　ｐ【ｉ（
ｗｔ−ｈｚ）ｌ＋複業共役項の平面波である。２は光の
進行方向を表わす座標で、ｔは時間、Ｗは光周波数、ｋ
、　ｋｌ、　ｋ２はそれぞれ光の位相速度、群速度そし
て群速度分散である。またＹは光の減衰率、−及びｎ２
はそれぞれ線形屈折率と非線形屈折率である。単位はｃ
ｇｓを用いている。

前記のように、単一モード光ファイバの光伝搬特性は式
（１）により表わされるので、例えばある形の光パルス
を光フアイバ入射端から２主人した場合、その光パルス
の形が光フアイバ伝搬に伴いどのように変形するかとい
う予測が可能であり、これは従来から行なわれていた。

しがし、ファイバ伝搬中の光パルスの形が分れば（例え
ばファイバの光出射端での光パルスの形）、式（１）よ
りその光パルスの過去における形（例えばファイバ入射
端での光パルス形）が分る。これは式（１）においてｔ
を−ｔとおきかえると（時間を逆転させると） となることから明らかである。つまり式（１）及び（２
）において、左辺は光の伝搬そのものを表わし、右辺は
光の伝搬に伴う変化を表わしているが、式（１）と（２
）を比較すると左辺の比較よりに１が−に１になってい
ることより光が逆の方向に進んでいることが分る。また
右辺の項はその符号がすべて逆転しているが、これは光
が伝搬中に全く逆の変化をすることを意味する３１以上
の議論は時間を及び位置ｚにかかわらず成立するので、
式（１）よりある光の過去の状態を求めることが可能で
ある。（これは式（１）が時間逆転に関して不変である
といわれる。もし式（１）の右辺で、時間の３階微分で
表わされるような現象が光に働いている時には前記の不
変性は成立しないことに注意。）したがって光ファイバ
を用いる光通信システムにおいて、受信端における所望
の光波形より送信端における光波形が分る。−例として
フエイズシフトキイイング（ＰＳＫ）コヒーレント光通
信システムを考える。ＰＳＫシステムでは情報が光の位
相変化として符号化される。例えばバイナリ数の“°１
′′を符号化するために光の位相を基準値からｎ／２、
また°′０”を同じ基準より−ｎ／２はどずれた位相に
よって表わすことが考えられる。この状態を図１の（ａ
）に示す。同図においては°’１１０１０００１１１’
”の情報が位相変化として符号化されている。このよう
にＰＳＫシステムでは位相変化として情報が符号化され
ているため、光強度は一定であることが望ましい。もし
光強度も変化すると、この変化は受信端で符号を識別す
る時に雑音となり、光通信システムの性能を劣化させる
。このため、従来のＰＳＫコヒーレント光通信システム
用光送信装置では、光強度が一定で位相が変調された光
を発生していた。しかし、このような光は光ファイバを
伝搬するにつれ、分散の影響を強く受ける。この傾向は
とットレートが高くなると特に著るしい。この結果、受
信端に到達した光の強度は送信時と異なり大きく変化し
たものとなり、故にシステムの性能劣化をきたしていた
。（位相も多少変化するが光パワーが数ｍＷ以下では無
視できる程度である。このことは筆者が理論的に発見し
たことである。）しかし本発明の光通信方法によると、
符号化による位相変化が図１の（ａ）の時、光強度も同
時に図１の（ａ）に示されているように変調することに
より前記の問題を避けることが可能である。図１の強度
波形は、受信端における理想的な電界波形、つまり位相
変化は図１（ａ）の位相波形のごとく変化する強度一定
の光の電界波形を境界条件として式（１）より受信端よ
りｌはともどった時、つまり時間的には約に、ｌ程度過
去の時の波形として求められたものである。このような
手順の正当性は式（１）の時間逆転に関する不変性とし
て既に説明した。したがって図１（ａ）の位相及び光強
度変化をもつ光を送信すれば、この光は光フアイバ伝搬
中に変化する結果、受信端では理想的なＰＳＫシグナル
光となり従来方法では不可能であった所の長距離伝送及
びｌもしくは高速伝送が可能である。

このような光送信方法を実現する光送信装置は、ある符
号を送信するに当たり、既に送信した符号及び以後に送
信する符号を考慮するものでなければならない。これは
図１（ａ）の光強度波形より明らかである。つまり符号
゛′０′”を送信するに当たり、その前の符号及び後の
符号が°′０″であるかｆｌｉｔｓであるかにより、必
要な強度変調方法が異なる。このため、前記の光送信方
法を実現する光送信装置は、光の強度と位相を変調する
手段と、既に送信した符号、現在送信すべき符号そして
以後に送信する符号からなるビットパターンにより、前
記強度及び位相変調をする手段を制御する。

（実施例） 図１を用いて本発明の角度変調方式光通信方法及び光送
信装置の実施例を説明する。図１（ｂ）のレーザダイオ
ード２は、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ　ＤＦＢ　ＤＣＰＢ
Ｈレーザで発振波長は１．５５ｐｍである。このレーザ
ダイオードはレーザ駆動回路１により出力４５ｍＷで連
続発振している。前記レーザダイオード２の出力光は位
相変調器３及び強度変調器４で変調された後レンズ５で
集光され単一モード光ファイバ６に注入される。前言己
の位相変調器３と強度変調器４の光損失と光フアイバ結
合損失を合わせると１０ｄＢで、ファイバ入力光パワー
は４．５ｍＷであった。一方、送信波形は図１（ａ）に
示されるＰＳＫシグナルでビットレートは２Ｇｂ／５（
ＮＲＺ）である。通常のＰＳＫ方式においては、図１（
ａ）で示されるような角度変調された光を送信するが、
光強度は一定になるように留意される。しかし本送信装
置では、本発明の光送信方法に従い光強度も図１（ａ）
に示されるように光強度も変調されている。この光強度
波形は光強度が一４３ｄＢｍの完全なＰＳＫシグナル、
つまりその位相は図１（ａ）に示される強度一定の光を
境界条件として前述の如く式（１）より求められた。た
だし式（１）のパラメータとして、前記単一モード光フ
ァイバ６の定数、ｎ、＝１．４５゜’　　ｎ２＝１．Ｉ
Ｘ１叶１３ｅｓｕ、有効半径＝１０ｐｍ、１０ｐ　１．
５５ｐｍ。

損失＝　０．２ｄＢ／１ｃｍ、　Ｄ　＝−１５ｐｓ／（
ｎｍ−ｋｍ）を用いた。伝送距離は２３０ｋｍである。

さて、この波形を得るために用いる図１（ｂ）の強度変
調器４はポッケルスセルで半波長電圧は５Ｖである。ま
た位相変調器３もほぼ同様のポッケルスセルで半波長電
圧も同じ＜５Ｖである。これらの変調器は位相及び強度
変調器駆動回路７（以下変調器駆動回路と略記）により
、図１の（ａ）に示された波形が得られるように駆動さ
れる。変調器駆動回路７の構成は図２に、また図２中の
各部の波形は図３（ａ）〜（１）に示されている。図２
中の素子の大半は高速エミッタ力プルドロジック回路で
構成されている。この回路のゲート当たりの遅延時間は
０゜２ｎｓで、５Ｇｂ／ｓ以上のクロックで動作する。

図２において送信するデータはまずシフトレジスタ２０
１に入力される。シフトレジスタ２０１は、クロックの
立ち上がりで前記データをサンプルする。図２の信号線
ＳＯ〜Ｓ２は各レジスタの瞬時値を表わす。したがって
入力データとクロック、それにＳＯ〜Ｓ２の関係は図３
の（ａ）〜（ｅ）のようになる。ここで中間レジスタの
出力Ｓ１は現在送ろうとしているビットを保持し、Ｓ２
は先回送信したビット、ＳＯは次回送信するビットに対
応する。つまり、３ビツトの組み合わせ法は８通りある
が、ＳＯ〜Ｓ２はこれをバイナリ数で表わしている。そ
こでこのバイナリ数をバイナリｌデシマル変換器２０２
で十進数に変換する１、ここでビットパターンが１１１
だとＣ７出力が、０００だとＣＯ高出力、また１０１だ
とＣ５出力がオンとなる。この様子を図３の（ｆ）から
（ｈ）に示す。これらＣＯ〜Ｃ７出力は、それぞれ異な
る波形を発生する波形発生器２３０〜２３７へ接続され
ている。したがって、前記ビットパターンにより異なっ
た波形を発生できる。ここで発生すべき波形は図１（ａ
）の光強度波形と相似形であるが、本波形発生器２３０
〜２３７は図１の（ａ）の光強度波形からバイアス成分
（ＤＣ成分）を除いた波形を発生する。例えば既に送信
されたビットが′０′”で、今後送信するビットが’０
１”の時はＣ１がオンとなり波形発生器２３１がトリガ
される。そして波形発生器２３１は図３の（ｊ）に示さ
れる波形を発生する。つまり波形発生器２３０〜２３７
のうちどれかがビットパターンにより選ばれて、それぞ
れが前記ビットパターンに応じて適当な波形を発生する
。ここで図３においてＣＯと０７のライン、（ｒ）と（
ｈ）に全く出力がないのは、これらの出力の対応するビ
ットパターンにおいては光の強度が一定でよいためであ
る。これは図１においてビットパターンが０００及び１
１１の時の光強度波形より分る。したがって波形発生器
２３０と２３７はなくともよい。次に波形発生器２３０
〜２３７で交互に発生された信号ＷＯ〜Ｗ７（図３（ｉ
）〜（ｋ））はアナログＯＲ回路２０４により一つの信
号ラインにまとめられる。したがってアナログＯＲ回路
２０４の出力、Ｄは図３の（１）のようになる。この信
号はレベルシフタ２０５によりＤＣバイアスが加えられ
、その結果の波形は図１（ａ）の強度波形と相似形とな
る。これを増幅器２０６により、図１（ｂ）の強度変調
器４を駆動するのに適した電圧に変換することにより、
図１（ａ）に示される所望の光強度変調が可能である。

本実施例ではこのために増幅器２０６の出力電圧は図１
（ａ）のＤＣレベルに相当する部分で３．２５Ｖ、最大
値に相当する部分で５■になるように調節しである。一
方、位相変調は、従来と同一方法で可能である。つまり
、図２において位相変調器を駆動する増幅器２０７はデ
ータにより直接制御される。波形発生器２３０〜２３７
は遅延線と単安定マルチバイブレータ回路とＯＲ回路の
組み合わせで構成されている。また、同図のアナログＯ
Ｒ回路２０４は多入力増幅回路でレベルシフタ２０５の
機能も合わせてもつものを用いた。またこれらの回路の
遅延時間により、増幅器２０６に至る経路では、増幅器
２０７に至る経路に比べて６．２ｎｓの伝搬遅延が生じ
たため、図２には記入されていないが、増幅器２０７の
手前に遅延回路を挿入してこれに対処した。また、増幅
器２０６及び２０７は図１（ｂ）の位相変調器３および
強度変調器４を駆動するために５■の出力電圧が必要な
ため、マイクロウェーブ用高速ＧａＡｓＦＥＴにより構
成した。

以上の回路により、図１（ｂ）の位相変調器３及び強度
変調器４を駆動したところ、図１（ａ）で示される波形
にほぼ近い変調が行なえた。この光は図１（ｂ）の単一
モード光ファイバ６を２３０ｋｍ伝搬した後にほとんど
強度変化のないほぼ理想的な光波形となり、２Ｇｂ／５
（ＮＲＺ）で−４３ｄＢｍの感度を持ツＰＳＫヘテロダ
イン受信装置で、必要とされるエラーレートを確保でき
た。もちろん多少の強度変化は受信された光に見られた
が、これらはデータレートよりかなり高い周波数成分か
らなり、帯域通過フィルタで容易に除去できた。ここで
試しに送信端で強度変調器４を取りのぞいた所、予想ど
おり受信端で大きな光強度変化が生じ、全く符号識別が
不可能であった。

以上本発明の角度変調方式光通信方法及び光送信装置に
ついて一実施例を用いて説明したが、本発明はこの実施
例に限定されるものではない。本実施例では光ファイバ
の分散の影響のある光通信システムを例にとったが、本
発明の光送信方法は光ファイバの非線形性が問題となる
時でも同様に適用可能である。また、ここではＰＳＫコ
ヒーレント光通信システムについて説明したが、本発明
は周波数変調（ＦＳＫ）方式にもそのまま適用できる。

、またビットレイトが高くなると、前後のビットパター
ンにより光強度のみならず光の位相も異なった変調をす
る必要がある場合があるが、これは本発明で説明したの
と同様の方法で強度変調器のみならず位相変調器を駆動
することで可能である。

また本実施例においては簡単のために送信すべき符号と
、その前後の符号のみを考慮したが、特にビットレート
が高くなると前後の１符号のみならず前後２符号以上（
したがって５ビット以上からなるピッ１−パターン）を
考慮しなければならないが、これも本実施例の簡単な拡
張例である。また本実施例においてはダイオードレーザ
を連続発振させ、外部強度変調器により強度変調を施し
たが、高速変調時でも発振周波数の変化がほとんどない
レーザダイオードを直接変調しても同様の結果が得られ
る。またこれと同様の結果は、チャープ制御領域を持つ
レーザダイオードの発光領域とチャープ制御領域駆動電
流を適当に制御することでも得られる。また本発明の光
送信装置中の位相及び強度変調器駆動回路は、データの
クロックより早い能動素子は必要としない。したがって
従来装置におけるパリティビットやＣＲＣ（サイクリッ
クリダンダンシーコード）発生回路と同様のテクノロジ
ーで実現可能である。

（発明の効果） 本発明により、光伝送路の分散特性や非線形性が伝送限
界を決定するような光伝送システムの伝送距離の長大化
及びｌもしくは伝送速度（ビットレート）の高速化が可
能である。

装置の一実施例を示す図で、同図において１はレーザ駆
動回路、２はレーザダイオード、３は位相変調器、４は
強度変調器、５はレンズ、６は単一モード光夕、２０２
はバイナリｌデシマル変換器、２３０〜２３７は波８０
−８２、（Ｄ〜（ｈ）はＣＯ〜Ｃ７、（ｉ）〜（ｋ）は
ＷＯ−Ｗ７、そしてｌはＤにおける波形を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、受信端で歪の無い信号となるように、光伝送路の特
   性を考慮して歪ませた信号を送信することを特徴とする
   光通信方法。 ２、光源と、この光源からの出力光の角度（位相または
   周波数）及び強度を変調する変調手段と、送信すべきデ
   ータ、既に送信したデータ及び以後に送信するデータに
   基づいて現在送信すべきデータの変調状態を決定して前
   記変調手段を制御する制御手段とを少なくとも備えてい
   ることを特徴とする光送信装置。