(57)【要約】  本発明は、光直交周波数分割多重（ＯＯＦＤＭ）トランシーバを用いた信号送信の分野に関し、同じ組み合わせの波長をアップリンクおよびダウンリンクの信号送信に用いる、という用法に関する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同じ組み合わせの波長を用いてダウンリンクおよびアップリンクの信号送信を行うカラーレス光ＯＦＤＭ（ＯＯＦＤＭ：Optical Orthogonal Frequency Division Multiplex）型の受動光ネットワーク（ＰＯＮ：Passive Optical Network）アーキテクチャであって、
（ａ）電力スプリッタと、
（ｂ）エンドユーザごとの光カプラと、
（ｃ）（ｂ）の光カプラから出る信号のユーザ部分に連結された光検出器と、
（ｄ）ＯＯＦＤＭ信号入力用のポート１、ＲＳＯＡ装置に向けてＯＯＦＤＭ信号を送信すると共にエンドユーザアップリンク単一バンド信号を受信するポート２、そして、アップリンクＯＯＦＤＭ信号を送信するポート３という３つのポートを有する光サーキュレータと、
（ｅ）直列接続された２つのＳＯＡ、または、１つの反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）に直列接続された１つのＳＯＡ、または、１つのＲＳＯＡから成る信号浄化兼信号受信装置と、
（ｆ）２つのＳＯＡシステムのうち２番目のものまたはＲＳＯＡを光サーキュレータのポート３に接続する送信ラインと、を有し、
ＳＯＡおよびＲＳＯＡの両方または一方を強度変調器として用いることでカラーレス処理を実施すること、
を特徴とするカラーレスＯＯＦＤＭ型の受動光ネットワークアーキテクチャ。
【請求項２】
前記信号浄化兼信号受信装置は、２つの直列接続されたＳＯＡまたは１つのＲＳＯＡに直列接続された１つのＳＯＡから成ること、
を特徴とする請求項１に記載のカラーレスＯＯＦＤＭ型の受動光ネットワークアーキテクチャ。
【請求項３】
前記信号浄化兼信号受信装置は１つのＲＳＯＡから成ること、
を特徴とする請求項１に記載のカラーレスＯＯＦＤＭ型の受動光ネットワークアーキテクチャ。
【請求項４】
ＳＯＡ強度変調器およびＲＳＯＡ強度変調器の両方または一方を用いた、同じ組み合わせの波長によるダウンリンクおよびアップリンクのＯＯＦＤＭ信号送信を目的とした、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のカラーレスＯＯＦＤＭ型のＰＯＮアーキテクチャの利用方法であって、
（ａ）ＯＯＦＤＭダウンリンク信号をＮユーザに分割する電力スプリッタを設けるステップと、
（ｂ）各エンドユーザにつき１つずつ、Ｎ個の光カプラを設けるステップと、
（ｃ）各光カプラにおいて信号を２つの部分に分けるステップと、
（ｄ）光信号の第１の部分を電気信号の生成のために光センサに送り、その後、選択されたエンドユーザに送るステップと、
（ｅ）ダウンリンクの電気信号を反転するステップと、
（ｆ）３以上のポートを有する光サーキュレータのポート１に光信号の第２の部分を送るステップと、
（ｇ）光サーキュレータのポート２から出る光信号を、エンドユーザから発せられた単一バンド信号も受信するＲＳＯＡ装置に送り、さらに、反転後のダウンリンク信号をＲＳＯＡ装置に送るステップと、
（ｈ）選択されたエンドユーザから発せられた単一バンド信号を浄化信号に重畳するステップと、
（ｉ）前記選択されたエンドユーザの信号を、送信ラインを通して光サーキュレータのポート２に送るステップと、
（ｊ）光サーキュレータのポート２に入るアップリンク信号を、ダウンリンク信号に用いられたのと同一のルートを用いて、前記光サーキュレータのポート３から送るステップと、を有し、
前記カラーレスＯＯＦＤＭ型のＰＯＮアーキテクチャの性能が波長に依存すること、
を特徴とするカラーレスＯＯＦＤＭ型のＰＯＮアーキテクチャ利用方法。
【請求項５】
前記電力スプリッタは入力信号をＮユーザに分割し、Ｎは２pで表され、ｐは５から１０の範囲であること、
を特徴とする請求項４に記載のカラーレスＯＯＦＤＭ型のＰＯＮアーキテクチャ利用方法。
【請求項６】
前記光カプラは分割した入力信号を、エンドユーザに向かう３０％から５０％の部分と光サーキュレータに送られる５０％から７０％の部分とに分けること、
を特徴とする請求項４または５に記載のカラーレスＯＯＦＤＭ型のＰＯＮアーキテクチャ利用方法。
【請求項７】
前記光カプラは分割した入力信号を、エンドユーザに向かう４０％の部分と光サーキュレータに送られる６０％の部分とに分けること、
を特徴とする請求項６に記載のカラーレスＯＯＦＤＭ型のＰＯＮアーキテクチャ利用方法。
【請求項８】
ＲＳＯＡは、直列接続された２つのＳＯＡまたは１つのＳＯＡに接続された１つのＲＳＯＡと置き換えられ、
第１のＳＯＡ、すなわち、前記直列接続された２つのＳＯＡのうちの第１のＳＯＡまたは前記１つのＲＳＯＡに接続された１つのＳＯＡはダウンリンク信号の浄化に用いられ、前記直列接続された２つのＳＯＡのうちの２つ目のＳＯＡまたは前記１つのＲＳＯＡは、エンドユーザから発せられた信号を受信した上で、前記第１のＳＯＡからの浄化後の送信信号に加えるためであること、
を特徴とする請求項４乃至７のいずれか一項に記載のカラーレスＯＯＦＤＭ型のＰＯＮアーキテクチャ利用方法。
【請求項９】
前記ＲＳＯＡは、８０から１２０ｍＡ、好ましくは約１００ｍＡの駆動電流においてピークトゥーピーク値を有すること、
を特徴とする請求項４乃至７のいずれか一項に記載のカラーレスＯＯＦＤＭ型のＰＯＮアーキテクチャ利用方法。
【請求項１０】
入力電力は、キャリヤの周波数が大きくなるにつれて振幅が大きくなるように変調されること、
を特徴とする請求項４乃至９のいずれか一項に記載のカラーレスＯＯＦＤＭ型のＰＯＮアーキテクチャ利用方法。
【請求項１１】
同一のファイバにおいてダウンリンクおよびアップリンクの信号送信を行う目的で同じ組み合わせの波長を利用する、という請求項１に記載のカラーレスＯＯＦＤＭ型のＰＯＮの使用法。
【請求項１２】
カラーレス送信の実現のために用いる、というＳＯＡまたはＲＳＯＡを強度変調器として用いる使用法。
【請求項１３】
ＲＳＯＡが、標準ＳＭＦの分散パラメータを補償することを目的として周波数成分におけるネガティブチャープを有すること、
を特徴とする請求項１２に記載のＳＯＡ強度変調器またはＲＳＯＡ強度変調器の使用法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光直交周波数分割多重（ＯＯＦＤＭ：Optical Orthogonal Frequency Division Multiplex）トランシーバを用いた信号送信の分野に関し、波長分割多重受動光ネットワーク（ＷＤＭ−ＰＯＮ：Wavelength Division Multiplex − Passive Optical Network）において同じ波長の組み合わせを用いて行うアップリンクおよびダウンリンクの信号送信に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンドユーザへのブロードバンドサービスの提供について、ＷＤＭ−ＰＯＮは、いくつかの優れた特徴を有することから、信頼のできる解決法と見なされてきた。そうした特徴とは、例えば、広い帯域幅が保証された高品質データサービス、高い光分岐率（split ratio）、拡張された送信到達範囲（transmission reach）、集約されたバックホール回線、単純化されたネットワークアーキテクチャ、エンドユーザプライバシ保護の拡張がある。この点については、例えば、非特許文献１または非特許文献２に記載されている。
【０００３】
光直交周波数分割多重（ＯＯＦＤＭ）技術を使用すればマルチモードファイバ（ＭＭＦ：Multi Mode Fibre）送信リンクにおける光モード分散効果を緩和できることは公知である。これについては、例えば、非特許文献３に記載されている。これは更に、単一モードファイバ（ＳＭＦ）型長距離送信システムにおける波長分散補償のために用いることができる点でも効果的である。そうしたシステムについては、例えば、以下の文献に記載されている。すなわち、非特許文献４または非特許文献５である。
【０００４】
それ以外に、例えば以下のような効果をもたらす。すなわち、チャネルスペクトル特性の効率的利用、成熟したデジタル信号処理（ＤＳＰ：Digital Signal Processing）の活用によるコストの効率化、周波数領域および時間領域の両方におけるハイブリッド帯域割り当ての動的実施、そして、光ネットワークの複雑性を大幅に軽減できること、である。
ＯＯＦＤＭの送信性能については、ロングホールシステムを含む全ての光ネットワークシナリオに関する研究が行われ、報告がなされている。例えば、非特許文献６や非特許文献７に記載されたものが挙げられる。また、非特許文献８や非特許文献９などには大都市圏ネットワークが記載されている。あるいは、非特許文献１０または非特許文献１１などには、ローカルエリアネットワークが記載されている。
【０００５】
従来技術の既存システムは全て、オフライン信号処理生成波形を用いた任意波形発生器（ＡＷＧ：Arbitrary Waveform Generator）からのＯＯＦＤＭ信号の送信が基礎となっている。受信機では、送信されたＯＯＦＤＭ信号がデジタル記憶オシロスコープ（ＤＳＯ：Digital Storage Oscilloscope）でキャプチャされ、キャプチャされたＯＯＦＤＭシンボルをオフライン処理して受信データが復調される。こうしたオフライン信号処理の手法では、リアルタイム送信を保証するのに必要な実際のＤＳＰハードウェアの精度および速度により課せられる限界は考慮されない。
【０００６】
また、適応変調型光ＯＦＤＭ（ＡＭＯＯＦＤＭ：Adaptively Modulated Optical Orthogonal Frequency Division Multiplex）として知られる信号変調技術を導入することで改善され、以下の効果をもたらすものとなっている。
−  システムとしての柔軟性、ロバスト性、送信性能、および互換性；
−  伝送路のスペクトル特性の有効利用、不完全なシステムおよびネットワーク要素の適用的利用、個々のサブキャリヤ電力およびＯＦＤＭシンボル内のビットが周波数領域で必要に応じて変更可能であること；
−  既存のマルチモードファイバが使用できること；
−  設置および保守のコストが低いこと。
【０００７】
これらの点については、例えば、非特許文献１２または非特許文献１３に記載され、議論されている。また、それ以外の特性として、以下のものがある。
−  アナログデジタル変換（ＡＤＣ）に関連する信号量子化およびクリッピング効果の影響、および、最適ＡＤＣパラメータの決定；
−  送信性能の最大化。
【０００８】
これらについては、非特許文献１４に記載されている。
また、いくつかの文献は、ダウンリンクおよびアップリンク送信に同じ波長を用いるシステムを開示している。例えば、特許文献１は、ダウンリンクおよびアップリンクの送信に２つの別個のファイバを用いるシステムを開示しているが、これはＯＦＤＭ信号送信には関連がない。それ以外の文献としては以下のものがある。非特許文献１５には、特殊な設計の反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ：Reflective Semiconductor Optical Amplifier）を用いてダウンリンク信号とアップリンク信号との間の漏話を軽減することが開示されている。ただし、これが有効なのは、信号ビットレートが比較的低い場合のみである。非特許文献１６には、ＳＯＡを用いてダウンリンク信号を浄化し（clean）、アップリンク信号を変調することが開示されているが、これはＯＦＤＭ信号送信用に設計されたものではない。非特許文献１７には、ダウンリンク、アップリンクの送信に２つの別個のファイバを用いるシステムが開示されており、さらに、低信号速度での送信についても述べられている。非特許文献１８には、アップリンク送信専用のシステムが開示されている。これはまた、ＷＤＭ／ＴＤＭ ＰＯＮアーキテクチャでも用いられる。非特許文献１９には単一方向送信が開示されている。ここではＲＳＯＡは用いられず、アレイ導波路回析格子（ＡＷＧ）が用いられる。
【０００９】
これらの文献はいずれも、ダウンリンク信号とアップリンク信号との間の漏話、そして、後方レイリー散乱の影響という２つの重要な問題に触れていない。これらの２つの要因によって、達成可能な信号送信性能の上限が決定される。例えば、これら２つによる影響を補償しなければ、達成されるアップリンク信号ビットレートの上限は、２５ｋｍの距離で７Ｇｂ／ｓ未満となる。
【００１０】
ダウンリンクおよびアップリンク信号伝達に同じ組み合わせの波長および／またはファイバを用いたシステムにおける、システム性能の更なる向上のために著しく発達した技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／００９３３６０号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Grobe and Elbers (K. Grobe and J. -P. Elbers, in IEEE Commun. Mag. vol. 46, no.1 , pp. 26-34, 2008)
【非特許文献２】Shumate (P. W. Shumate in J. Lightwave Technol.,vol 26, no.9, pp.1093-1103, 2008)
【非特許文献３】Jolley et al. (N.E. Jolley, H. Kee, R. Richard, J. Tang, K. Cordina, presented at the National Fibre Optical Fibre Engineers Conf., Annaheim, CA, March 11, 2005, Paper OFP3)
【非特許文献４】Lowery et al. (A.J. Lowery, L. Du, J. Armstrong, presented at the National Fibre Optical Fibre Engineers Conf., Annaheim, CA, March 5, 2006, paper PDP39)
【非特許文献５】Djordjevic and Vasic (I.B. Djordjevic and B. Vasic, in Opt. express, 14, no9, 37673775, 2006)
【非特許文献６】Masuda et al.( H. Masuda, E. Yamazaki, A. Sano, T. Yoshimatsu, T. Kobayashi, E. Yoshida, Y. Miyamoto, S. Matsuoka, Y. Takatori, M. Mizoguchi, K. Okada, K. Hagimoto, T. Yamada, and S. Kamei, "13.5-Tb/s (1 35x1 1 1 -Gb/s/ch) no-guard-interval coherent OFDM transmission over 6248km using SNR maximized second-order DRA in the extended L-band," Optical Fibre Communication/National Fibre Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC), (OSA, 2009), Paper PDPB5)
【非特許文献７】Schmidt et al. (B.J.C. Schmidt, Z. Zan, L.B. Du, and A.J. Lowery, "100 Gbit/s transmission using single-band direct-detection optical OFDM," Optical Fibre Communication/National Fibre Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC), (OSA, 2009), Paper PDPC3)
【非特許文献８】Duong et al. (T. Duong, N. Genay, P. Chanclou, B. Charbonnier, A. Pizzinat, and R. Brenot, "Experimental demonstration of 1 0 Gbit/s for upstream transmission by remote modulation of 1 GHz RSOA using Adaptively Modulated Optical OFDM for WDM-PON single fiber architecture," European Conference on Optical Communication (ECOC), (Brussels, Belgium, 2008), PD paper Th.3. F.1 )
【非特許文献９】Chow et al. (C.-W. Chow, C.-H. Yeh, C.-H. Wang, F.-Y. Shih, C.-L. Pan and S. Chi, "WDM extended reach passive optical networks using OFDM-QAM," Optics Express, 16, 12096-12101, July 2008)
【非特許文献１０】Qian et al. (D. Qian, N. Cvijetic, J. Hu, and T. Wang, "108 Gb/s OFDMA-PON with polarization multiplexing and direct-detection," Optical Fibre Communication/National Fibre Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC), (OSA, 2009), Paper PDPD5)
【非特許文献１１】Yang et al. (H. Yang, S.C.J. Lee, E. Tangdiongga, F. Breyer, S. Randel, and A.M.J. Koonen, "40-Gb/s transmission over 100m graded-index plastic optical fibre based on discrete multitone modulation," Optical Fibre Communication/National Fibre Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC), (OSA, 2009), Paper PDPD8)
【非特許文献１２】Tang et al. (J. Tang, P.M. Lane and K.A. Shore in IEEE Photon. Technol. Lett, 18, no1, 205-207, 2006 and in J. Lightw. Technol., 24, no1, 429-441, 2006)
【非特許文献１３】Tang and Shore (J. Tang and K.A. Shore, in J. Lightw. Technol., 24, no6, 2318-2327, 2006)
【非特許文献１４】Tang and Shore (J. Tang and K.A. Shore, in J. Lightw. Technol., 25, no3, 787-798, 2007)
【非特許文献１５】Huang et al. (Yin-Hsun Huang; Gong-Cheng Lin; Hai-Lin Wang; Yi-Hung Lin; Sun-Chien Ko; Jy-Wang Liaw; Gong-Ru Lin;, "Weak-resonant-cavity FPLD based down-stream amplitude squeezer for injection-locking RSOA transmitter in DWDM-PON," Lasers and Electro-Optics, 2009 and 2009 Conference on Quantum electronics and Laser Science Conference. CLEO/QELS 2009. Conference on, vol., no., pp.1-2, 2-4 June 2009)
【非特許文献１６】Takesue et al. (Takesue, H.; Sugie, T.;, "Wavelength channel data rewrite using saturated SOA modulator for WDM networks with centralized light sources," Lightwave Technology, Journal of, vol.21 , no.11 , pp. 2546- 2556, Nov. 2003)
【非特許文献１７】Huang et al. (Ming-Fang Huang; Jianjun Yu; Hung-Chang Chien; Chowdhury, A.; Chen, J.; Sien Chi; Gee-Kung Chang;, "A Simple WDM-PON Architecture to Simultaneously Provide Triple-play Services by Using One Single Modulator," Optical Fiber communication/National Fiber Optic Engineers Conference, 2008. OFC/NFOEC 2008. Conference on, vol., no., pp.1-3, 24-28 Feb. 2008)
【非特許文献１８】Cho et al. (Cho, Seung-Hyun; Lee, Wooram; Park, Mahn Yong; Lee, Jiehyun; Kim, Chulyoung; Jeong, Geon; Kim, Byoungwhi;, "Demonstration of Burst Amplified Uplink for RSOA-based WDM/TDM Hybrid PON Systems Using SOA as a Multi-Channel Preamplifier," Optical Communications, 2006. ECOC 2006. European Conference on, vol., no., pp.1-2, 24-28 Sept. 2006)
【非特許文献１９】Bock et al. (Bock, C ; Prat, J.; Walker, S.D.;, "Hybrid WDM/TDM PON using the AWG FSR and featuring centralized light generation and dynamic bandwidth allocation," Lightwave Technology, Journal of, vol.23, no.12, pp.3981-3988, Dec. 2005)
【非特許文献２０】Cho et al. (K. Y. Cho, Y. Takushima, and Y. C. Chung, in IEEE Photon. Technol. Lett. vol.20, no.18, pp.1533-1535, 2008) 、または、 文献Omella et al. (M. Omella, V. Polo, J. Lazaro, B. Schrenk and J. Prat, presented at the European Conference on Optical Communication (ECOC), Brussels, Belgium, 2008, PD Paper Tu.3.E.4)
【非特許文献２１】Yeh et al. (C. H. Yeh, C.W. Chow, C. H. Wang, F. Y. Shih, H. C. Chien, and S. Chi, in Opt. Express., vol.16, no.16, pp.12296-12301, 2008)
【非特許文献２２】Lee et al. (W. Lee, M. H. Park, S. H. Chao, J. Lee, C. Kim, G. Jeong, and B. W. Kim, in IEEE Photon. Technol. Lett. vol.17, no.11, pp. 2460-2462, 2005) 、または、文献Omella et al. (M. Omella, I. Papagiannakis, B. Schrenk, D. Klonidis, J. A. Lazaro, A. N. Birbas, J. Kikidis, J. Prat, and I. Tomkos, in Opt. Express., vol.17, no.7, pp.5008-5013, 2009)
【非特許文献２３】Duong et al. (T. Duong, N. Genay, P. Chanclou, B. Charbonnier, A. Pizzinat, and R. Brenot, presented at the European Conference on Optical Communication (ECOC), Brussels, Belgium, 2008, PD Paper Th.3.F.1 )
【非特許文献２４】Guo et al. (L. Q. Guo, and M. J. Connelly, in Optics Communications, vol.281, no.17 pp.4470-4473, 2008)、または、文献Arellano and Prat (C. Arellano, and J. Prat, presented at the International Conference on Transparent Optical Network (ICTON), 2005. Paper We.A1.4)
【非特許文献２５】J. L. Wei, A. Hamie, R. P. Giddings, and J. M. Tang, "Semiconductor optical amplifier-enabled intensity modulation of adaptively modulated optical OFDM signals in SMF-based IMDD systems," J. Lightwave Technol., vol.27, no.16, pp.3679-3689, 2009)
【非特許文献２６】Wei et al. (J. L. Wei, X. L. Yang, R.P. Giddings and J. M. Tang, in Opt. Express., vol.17, no.11, pp.9012-9027, 2009)
【非特許文献２７】Giddings et al. (R.P. Giddings, X.Q. Jin and J.M. Tang in Opt. Express, 17, 2009)
【非特許文献２８】Wei et al. (J.L. Wei, X.Y. Yang, R. P. Giddings and J.M. Tang in Opt. Express, 17, 9012-9027, 2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、光ネットワークアーキテクチャの変更なしに、入出力再構成可能性の向上や動的帯域割り当てが確実に実現できるようにすること、を目的とする。
また、本発明は、ＷＤＭ−ＰＯＮにおいて、同じ組み合わせの波長を用いてダウンリンクおよびアップリンクの信号送信を行うこと、を目的とする。
また、本発明は、ＷＤＭ−ＰＯＮにおいて、同じファイバを用いてダウンリンクおよびアップリンクの信号送信を行うこと、を目的とする。
【００１４】
また、本発明は、少なくともＣバンドにおいて、広い波長窓を有するカラーレス（colourless）の光トランシーバを提供することを目的とする。
更に、本発明は、追加のハードウェアなしに、伝達路におけるスペクトル変形の事前補償を行えるようにすることを目的とする。
また、本発明は、ダウンリンク、アップリンク送信間の漏話を軽減することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、後方レイリー散乱の影響を軽減することを目的とする。
また、本発明は、反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）の動作条件を最適化することで光ネットワークユニットにおけるトランシーバの構造を単純化することを目的とする。
また、本発明は、ＲＳＯＡの設計を最適化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、上記の目的は、独立請求項において定義された構成によって達成される。
【発明の効果】
【００１７】
また、好適な実施の形態を従属請求項において定義してある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の受動光ネットワークを示す図である。
【図２】反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）を示す概略図である。
【図３】ファイバ分散がある場合とファイバ分散がない場合とでの、半導体光増幅器（ＳＯＡ）、０.３および０.９の後面反射率を有するおよび反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）について、ｋｍ単位の送信距離を横軸に、信号線の通信速度（signal line rate）をＧｂ／ｓ単位で示す図である。
【図４】バイアス電流を１００ｍＡとして、ＳＯＡ、０.３、０.６、０.９の後面反射率を有するＲＳＯＡについて、ｄＢｍ単位の光入力電力を横軸に、光利得をｄＢ単位で示す図である。
【図５】注入光電力を−１０ｄＢｍとして、ＳＯＡ、０.３、０.６、０.９の後面反射率を有するＲＳＯＡについて、ｍＡ単位のバイアス電流を横軸に、光利得をｄＢ単位で示す図である。
【図６】注入光電力を＋１０ｄＢｍとして、ＳＯＡ、０.３、０.６、０.９の後面反射率を有するＲＳＯＡについて、ｍＡ単位のバイアス電流を横軸に、光利得をｄＢ単位で示す図である。
【図７】強度変調器としてＲＳＯＡを用いた、カラーレスかつリアルタイムの光直交周波数分割多重（ＯＯＦＤＭ）送信を行うための試験システム構成を示す図である。
【図８】（ａ）は、下記の５つの異なるシナリオについて、ＭＨｚ単位の周波数を横軸に、正規化電力をｄＢ単位で示す図であって、それらシナリオとは、（１）ＲＳＯＡ単独、（２）ＤＡＣ周波数応答のみが存在する電気的アナログ背中合わせ（back-to-back）構成、（３）ＲＳＯＡおよびＤＡＣからの組み合わせ負担（combined contribution）、（４）送信機の逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）から受信機の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）への光背中合わせ構成、（５）全長２５ｋｍの送信システム、である。  （ｂ）は、光背中合わせ構成および２５ｋｍのＳＳＭＦ構成について、１５５０ｎｍの波長におけるＭＨｚ単位の周波数を横軸に、正規化送受信サブキャリヤ電力をｄＢ単位で示す図である。なお、同図には更に、周波数を横軸に、誤り分布を％単位で示してある。
【図９】光背中合わせ構成の場合および２５ｋｍのＳＳＭＦでの送信の場合について、１５３５、１５４０、１５５０、１５６０ｎｍの波長でのビット誤り率（ＢＥＲ）性能を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、同じ組み合わせの波長を用いてダウンリンクおよびアップリンクの信号送信を行うＯＦＤＭ型受動光ネットワーク（ＰＯＮ）アーキテクチャを開示しており、当該アーキテクチャは以下を有する。
（ａ）電力スプリッタと、
（ｂ）エンドユーザごとの光カプラと、
（ｃ）（ｂ）の光カプラから出る信号のユーザ部分に連結された光検出器と、
（ｄ）ＯＯＦＤＭ信号入力用のポート１、ＲＳＯＡ装置に向けて信号を送信すると共にエンドユーザアップリンク信号を受信するポート２、そして、アップリンク信号を送信するポート３という３つのポートを有する光サーキュレータと、
（ｅ）直列接続された２つのＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）、または、１つの反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）に直列接続された１つのＳＯＡ、または、１つのＲＳＯＡから成る信号浄化兼信号受信装置と、
（ｆ）前記２つのＳＯＡから成るシステムのうち２番目のものまたはＲＳＯＡを光サーキュレータのポート３に接続する送信ライン。
【００２０】
図１は、本発明のＰＯＮ（Passive Optical Amplifier）アーキテクチャを示す。
電力スプリッタは、受信したダウンリンクの光信号をＮエンドユーザに分割する。Ｎは２pで表され、ｐは５〜１０の範囲である。ｐの値は６とするのが通常であり、好ましい。
光カプラは分割された光信号を、エンドユーザに送る部分とアップリンク送信に用いる部分とに分ける。エンドユーザに送る部分は光信号の３０〜５０％（好ましくは約４０％）であり、信号の残りの部分（５０〜７０％、好ましくは約６０％）は、信号浄化装置に送られる。
【００２１】
光サーキュレータに送られるダウンリンク信号の部分は、当該サーキュレータの前段に配置されたＳＯＡ装置で浄化することができるが、必須ではない。
ＲＳＯＡ装置は、ダウンリンク信号を浄化すると共に、エンドユーザから発せられた信号を送信するのに用いられる。光カプラは市販のものであり、様々な分岐率で用いることができる。
【００２２】
光センサは、光カプラから出た信号のエンドユーザ部分に結合され、当該信号をエンドユーザに送信する。光サーキュレータは３つのポートを有する。ポート１は入力信号（予め浄化されたものでもよい）の受信に用いられ、ポート２はＲＳＯＡ装置に向けての信号送信およびエンドユーザからの信号の受信に用いられ、ポート３はアップリンク信号の送信に用いられる。
【００２３】
ＲＳＯＡ装置に入る電気信号については、当該装置に入る前に反転させることで、ダウンリンク信号とアップリンク信号との間の漏話を軽減することが好ましい。
本発明による第１の実施の形態では、信号浄化兼エンドユーザ信号送信装置は、直列接続された２つのＳＯＡから成る。
光増幅器は、光信号を（先ず電気信号に変換することなく）増幅する装置である。入射光は、増幅器の利得媒体における誘導放出によって増幅される。反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）において、利得媒体は半導体により実現される。ＲＳＯＡは、ファブリペローレーザダイオードと類似した構成を有するが、追加の構成として、端面に反射防止設計要素を有する。端面での反射は、反射防止コーティングおよび／または傾斜導波管および／または窓領域を持たせることで、０.００１％未満にまで下げることができる。こうした構成では、キャビティからの電力の損失は利得よりも大きく、そのために、増幅器をレーザとして動作させることはできない。これらは通常、周期表の１３族から１５族の金属を含む化合物（例：ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰ／ＩｎＡｌＧａＡｓ）から作られる。動作の際の信号波長は、通常０.８５μｍから１.６μｍの範囲であり、生成される利得は最高で３０ｄＢである。
【００２４】
ＯＯＦＤＭ送信性能の波長依存性を軽減するために、ＳＯＡの動作条件を最適化する必要がある。ＳＯＡの動作条件を最適化することで、もはや波長に依存しない（すなわち「カラーレス」となった）ＯＯＦＤＭ送信機を作り出すことができる。これは、バイアス電流、駆動電流、および、注入される光電力を調節することで実現される。
最適なＳＯＡ動作条件は波長に依存する。ＣＷ波長が大きくなると、最適ＳＯＡバイアス電流は小さくなり、最適光入力電力および駆動電流のピークトゥーピーク電力はほとんど変化しない。最適光入力電力は、波長に依存しないことが望まれる。この結果を実現するのに必要な最適バイアス電流は、波長が短くなるにつれて大きくなるように制御する。
【００２５】
ＳＯＡ強度変調器の出力において、時間ｔにおける、変調後光信号の電力および位相は、以下のように書き表すことができる。
Pout(t) = Pin(t)exp[h(t)]
Φout(t) = Φin(t) - 1/2αh(t)
上記の式において、Pout、Φoutはそれぞれ、光出力信号の電力、位相であり、Pin、Φinは光入力信号の電力、位相である。ｈは集積ＳＯＡの光利得であり、αは線幅助長係数である。入力光信号と出力光信号とが線形関係があることは、追加の放送信号および／またはリンクスペクトル変形の事前補償を請け負う信号を、ＳＯＡ強度変調器の送信性能に影響を及ぼすことなしに、入力光信号に変調することができる、ということを示している。
【００２６】
第1のＳＯＡは信号の浄化に用いられ、利得対入力電力曲線における非線形部分に対する作業を行う。当該信号における大きな強度ピークは切り捨てられ、小さいピークは増幅され、それによって実質的に平坦な応答曲線が生成される。第１のＳＯＡから出た信号は第２のＳＯＡに送られる。当該第２のＳＯＡは、アップリンク送信のためにエンドユーザから発せられる信号も受信する。前記エンドユーザ信号は、第１のＳＯＡによって生成される相当に平坦な応答曲線に重畳される。
【００２７】
本発明による第２の好適な実施の形態では、上記２つの直列接続されたＳＯＡが１つのＲＳＯＡに置き換えられる。
低コストかつ小型で電力消費が小さいこと、ファイバ送信窓全体を完全にカバーできること、大規模のモノリシック集積が可能であることから、反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）は顧客光ネットワーク装置（ＯＮＵ）にとって非常に望ましいものである。ＲＳＯＡを用いることで、例えば以下のような、いくつかの重要なＷＤＭ−ＰＯＮ機能が実現されてきた。
−  非特許文献２０に記載された信号変調；
−  非特許文献２１に記載されたカラーレスネットワーク運用；
−  非特許文献２２に記載された双方向性送信網アーキテクチャ。
【００２８】
図２にＲＳＯＡを示す。
強度変調・直接検波（ＩＭＤＤ）シングルモードファイバ（ＳＭＦ）でのＲＳＯＡ強度変調済みＡＭＯＯＦＤＭ信号の送信性能の実験的検証については、非特許文献２３に報告されている。
ここで挙げる必要のある重要問題は数多い。例えば、ＲＳＯＡ性能に影響を及ぼす物理機構を特定し、ＲＳＯＡの動作条件および設計を最適化することで、送信性能、システムの柔軟性およびロバスト性を最大限に高める必要がある。通常のバイアス電流および駆動電流に加えて、ＲＳＯＡに対しては更に、ダウンリンク電気ＯＦＤＭ信号のインバース（inverse）である電流によってバイアスを加えることで、アップリンク信号とダウンリンク信号との間の漏話効果を軽減することができる。
【００２９】
標準シングルモードファイバ（ＳＭＦ）の波長分散を補償するのにＲＳＯＡ強度変調由来の周波数チャープを用いるのも効果的である。
ＲＳＯＡは、構成要素コストの低さ、光利得の高さ、ノイズ指数の低さ、光信号消光比の大きさのため、ＳＯＡの代替としては非常に魅力的である。この点については、例えば、非特許文献２４に記載されている。
【００３０】
しかしながら、ＳＯＡは、入力飽和電力が大きいことから、良好な光直線性（optical linearity）を示す。ＳＯＡ強度変調器はＷＤＭ−ＰＯＮ用のＡＭＯＯＦＤＭモデムで使用することができる。これについては、例えば、非特許文献２５または非特許文献２６に述べられている。これら文献の執筆者によれば、距離６０ｋｍの、ＳＯＡ強度変調済みＡＭＯＯＦＤＭ信号のカラーレス３０Ｇｂ／ｓシングルモードファイバ送信については、１５１０ｎｍから１５９０ｎｍの範囲の波長において可能である。
【００３１】
この第２の実施の形態で、ＲＳＯＡは光サーキュレータのポート２に連結される。駆動電流は通常８０〜１２０ｍＡの範囲であり、約１００ｍＡが好ましい。消光比が過度に高いと、信号クリッピングが発生し、信号に歪みが生じる。
しかしながら、低い光入力電力で動作するＲＳＯＡを用いることの利点は、標準ＳＭＦの分散パラメータによって生じるものとは符号が反対の、制御可能な負周波数チャープを相当に生じさせることができる、という点であることに留意すべきである。こうした特性を利用することで、リンク電力量が固定の場合の送信容量、または、送信容量が固定の場合のリンク電力量のいずれかを向上させることができる。このことは、例えば図３に見られる。同図には、ＲＳＯＡの後面反射率ｒを様々に変えながら、ＳＯＡおよびＲＳＯＡに波長分散がある場合とない場合とについて送信性能を比較した結果を示してある。最長１００ｋｍ以上の距離では、ファイバ分散がある場合は、ファイバ分散がない場合よりも送信容量が高くなることが分かる。ＲＳＯＡの負周波数チャープは動作条件に応じて決まるものであり、そのため、分散補償は動的制御可能となる。ＳＭＦの正周波数チャープは距離に正比例する。例えば、通常の８０ｋｍの送信距離の場合、約２ｄＢの負の電力ペナルティが存在し、それは、２ｄＢの光電力利得があることを意味する。いずれの場合も、ＲＳＯＡ動作条件およびＲＳＯＡ設計の最適化が非常に重要である。
【００３２】
本発明による第３の実施の形態における浄化兼ユーザデータ受信システムは、第１のＳＯＡがＲＳＯＡに直列連結されて成る。
やはり、第２のＳＯＡまたは前記ＲＳＯＡを動作させることで、エンドユーザから発せられた信号をアップリンク送信のために光領域に変換する。その後、信号は伝送路を通って光サーキュレータのポート２に送られる。
【００３３】
アップリンク送信では、エンドユーザから発せられたＯＯＦＤＭ信号を用いてＳＯＡ／ＲＳＯＡを駆動し、ＳＯＡ／ＲＳＯＡに注入されたダウンリンク光信号を変調させる。再変調後の光信号は、光サーキュレータのポート２に入り、その後、下り送信に用いられるのと同じファイバリンクに結合される。アップリンク送信のためにエンドユーザによって生成される信号は単一バンド信号であり、それは、後方レイリー散乱の影響を軽減するためである。
【００３４】
その後、エンドユーザ信号は、光サーキュレータのポート３を経て、ダウンリンク信号と同じ組み合わせの波長で送信される。
また、本発明は、同じ組み合わせの波長でダウンリンクおよびアップリンクの信号送信を行う方法を開示する。当該方法は以下のステップから成る。
（ａ）Ｎユーザの間でダウンリンク信号を分離する電力スプリッタを設けるステップと、
（ｂ）各エンドユーザにつき１つずつ、Ｎ個の光カプラを設けるステップと、
（ｃ）各光カプラにおいて信号を２つの部分に分離するステップと、
（ｄ）光信号の第１の部分を電気信号の生成のために光センサに送り、その後、選択されたエンドユーザに送るステップと、
（ｅ）ダウンリンクの電気信号を反転するステップと、
（ｆ）３つ以上のポートを有する光サーキュレータのポート１に光信号の第２の部分を送るステップと、
（ｇ）光サーキュレータのポート２から出る信号を、直列接続された２つのＳＯＡから成るシステムのうち先ず第１のＳＯＡに送り、その後第２のＳＯＡに送る、あるいは、前記信号を、１つのＳＯＡがＲＳＯＡに直列接続されて成るシステムのうち先ずＳＯＡに送り、その後ＲＳＯＡに送る、あるいは、光サーキュレータのポート２から出る前記信号をＲＳＯＡに送るステップと、
（ｈ）ステップ（ｅ）の反転後のダウンリンク電気信号をＲＳＯＡまたは第２のＳＯＡ装置に送るステップと、
（ｉ）選択されたエンドユーザから生じた単一バンド信号を、第２のＳＯＡまたはＲＳＯＡのいずれかの浄化信号に重畳するステップと、
（ｊ）前記選択されたエンドユーザの信号を伝送ラインを通して光サーキュレータのポート２に送るステップと、
（ｋ）光サーキュレータのポート２に入るアップリンク信号を、ダウンリンク信号に用いられたのと同一のルートを用いて、前記光サーキュレータのポート３を通して送るステップ。
【００３５】
ＳＯＡおよびＲＳＯＡは最適化される。また、ＳＯＡまたはＲＳＯＡの動作条件は、入力光電力に関して利得が一定である領域で作動するように選択される。
加えて、電力入力は、受信機側で最適振幅が得られるように変調される。高周波キャリヤでは非常に大きな損失が生じるのに対して、低周波キャリヤの損失は非常に小さいことが知られている。受信機側では、振幅範囲が狭いため、信号は低周波では切り捨てられ、高周波でかろうじて検出される。この問題を補償するために、入力電力を変調して、低周波における振幅を狭くする。周波数が高くなるにつれ、前記入力電力は次第に大きくなる。こうした動きを図８（ｂ）に示す。
【００３６】
後方レイリー散乱およびアップリンク信号とダウンリンク信号との間の漏話という２つの主要問題は、それぞれ、アップリンク単一バンド信号を用いること、そして、電気的ダウンリンク信号を反転することによって、大幅に軽減される。
実施例
実施例１
図２は、長さＬのキャビティを有するＲＳＯＡ強度変調器を示す概略図である。後面には高反射コーティングが施されるのに対し、前面のコーティングはＳＯＡと同様のものである。後面の反射率は記号ｒで示す。
【００３７】
光利得特性に関するＲＳＯＡおよびＳＯＡの性能を比較し、その結果を検討した。時間ｔにおける光利得ＧRSOAおよびＧSOAはそれぞれ以下のように定義される。
ＧRSOA(ｔ) ＝ Ｐout（ｔ）／Ｐin（ｔ）
ＧSOA（ｔ） ＝ Ｐ+Z=L（ｔ）／Ｐin（ｔ）
上記の式において、Ｐout、Ｐin、Ｐ+は、それぞれ、出力光信号、入力光信号、そして前方伝搬光信号の電力である。
【００３８】
ＳＯＡおよびＲＳＯＡへの持続波（ＣＷ）光入力電力に基づき、様々な後面反射率の値で算出した光利得を、図４に示す。また、ＳＯＡおよびＲＳＯＡへのバイアス電流を横軸に、様々な値の後面反射率で算出した光利得をグラフ化した。図５のグラフは入力光電力が−１０ｄＢｍの場合であり、図６のグラフは入力光電力が＋１０ｄＢｍの場合である。
なお、ここでは、４０ｍＡの固定のピークトゥーピーク（ＰＴＰ）値を有する１０ＧＨｚの正弦波駆動電流を用いた。
【００３９】
図４、５、６から見て取れることは、ＲＳＯＡとＳＯＡとが類似した光利得変化傾向を有すること、にもかかわらず、特定の動作条件で光利得差が生じること、である。図４に示すように、光入力電力が−１０ｄＢｍ未満の場合、ＲＳＯＡの光利得はＳＯＡよりも大きくなり、当該利得は後面反射率が高いほど大きい。こうした傾向は、１０ｄＢｍ超の入力電力に対応する強飽和領域では逆転する。
実施例２
本発明による別の実施例では、１ＧＨｚのＲＳＯＡ強度変調器の性能を、２５ｋｍの標準シングルモードファイバ（ＳＳＭＦ）での、７.５Ｇｂ／ｓのカラーレス・リアルタイム・エンドトゥーエンド光直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）送信において評価した。実験設備を図７に示す。
【００４０】
Altera Stratix II GXフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）型ＯＯＦＤＭトランシーバアーキテクチャを選択したが、これは、リアルタイムデジタル信号処理（ＤＳＰ）、チャネル推定、シンボル同期、ビット誤り率（ＢＥＲ）計測、オンライン性能監視を行うものであり、強度変調器をＲＳＯＡに置き換えた点を除けば、非特許文献２７に記載されたものと同じである。各サブキャリヤのデジタル振幅はオンラインで調節可能であった。３２のサブキャリヤが用いられ、うち正周波数帯域の１５がデータの搬送に用いられた。８サンプルサイクリックプリフィックスを用い、各ＯＯＦＤＭシンボルに４０のサンプルを与えた。内蔵システムクロックは１００ＭＨｚに設定した。そして、並列信号処理の手法を用いた結果、１００ＭＨｚシンボルレートが得られた。８ビットのデジタルアナログ変換／アナログデジタル変換（ＤＡＣ／ＡＤＣ）を４ＧＳ／ｓで動作させ、２ＧＨｚの信号帯域幅を実現した。１５の情報搬送サブキャリヤ全てで１６−ＱＡＭを採った。ＯＯＦＤＭトランシーバは、原信号（raw signal）で７.５Ｇｂ／ｓのビットレートを実現し、そのうち６Ｇｂ／ｓはユーザデータを送るのに用いた。
【００４１】
可変レーザ光源によって持続波（ＣＷ）光波を供給し、その後、当該持続波（ＣＷ）光波を、光出力電力が変調可能なエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、マルチプレクサ、そして、挿入損失が１ .４ｄＢの光サーキュレータに通した。そこから、光サーキュレータに通したＣＷ光波を、５ｄＢｍの光電力で、１.１２５ＧＨｚの電気変調帯域幅を有するＲＳＯＡに導入した。２ＧＨｚの２.１Ｖピークトゥーピーク電気アナログリアルタイムＯＦＤＭ信号と８４ｍＡのＤＣバイアス電流を、６ＧＨｚの帯域幅バイアスティーに印加し、ＲＳＯＡ内でＣＷ光波を変調した。変調後のリアルタイムＯＯＦＤＭ信号は、その後、５ｄＢの損失を伴って、２５ｋｍのＳＳＭＦを通して送信された。
【００４２】
受信機では、デマルチプレクサ、可変光減衰器、そして３ｄＢカプラの通過後に、−１７ｄＢｍの受信感度を有する１２ＧＨｚのＰＩＮ＋ＴＩＡ光センサを用いて、伝送されたＯＯＦＤＭ信号を、データ復調のために電気領域に変換した。このＲＳＯＡ駆動電流およびバイアス電流、並びに５ｄＢｍＣＷ光電力は、データ伝送中のパラメータ最適化から得られた最適値であった。これらのパラメータ値は、Ｃバンド内の光波長に関しては、実質的に変化しなかった。
【００４３】
図８（ａ）は、第1サブキャリヤに正規化された計測周波数応答を、以下の複数の異なるシナリオについて示している。
（１）ＲＳＯＡ単独；
（２）ＤＡＣ周波数応答のみが存在する電気的アナログ背中合わせ構成；
（３）ＲＳＯＡおよびＤＡＣからの組み合わせ負担（combined contribution）；（４）送信機の逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）から受信機の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）への光背中合わせ構成（optical back-to-back configuration）；
（５）全長２５ｋｍの送信システム
同図からは、２５ｋｍのシステムの周波数応答が、信号スペクトル領域で最高２６ｄＢ減衰したことが見て取れる。こうした急速なロールオフは、主に以下の３つの要因によると考えられる。すなわち、ＤＡＣ（入力フィルタリングに起因）、ＲＳＯＡ（狭い変調帯域幅に起因）、動的ＲＳＯＡ周波数チャープ効果による信号スペクトル変形である。前記変形は、非特許文献２８に述べられている通り、動作条件の影響を非常に受けやすい。
【００４４】
電力負荷が等しい場合、ＦＦＴ出力において、低周波サブキャリヤの複素値は符号付き８ビット値の範囲からオーバーフローする一方、高周波サブキャリヤの配置点（constellation point）は互いにマージし始め、計測された総チャネルＢＥＲは１.０×１０-2よりも悪いという結果になった。
図８（ｂ）は、光背中合わせかつ２５ｋｍのＳＳＭＦ送信の場合について、可変電力負荷技術の実施および効果を示す。送信機における可変電力が負荷されたサブキャリヤ電力と、受信機におけるチャネル等化前の受信サブキャリヤ電力とを、いずれも第1サブキャリヤに正規化し、周波数を横軸として示してある。また、当該グラフには誤り分布も示してある。送信機における各サブキャリヤのデジタルサブキャリヤ振幅を調節して、全てのサブキャリヤにおいて、確実にＢＥＲ分布が１０％未満で実質的に均一になるようにした。加えて、総チャネルＢＥＲも最小となった。
【００４５】
サブキャリヤ振幅分布およびＲＳＯＡ動作条件を最適化した後、ＯＯＦＤＭ信号を、リアルタイム７.５Ｇｂ／ｓで、２５ｋｍのＳＳＭＦエンドツーエンド送信した場合のＢＥＲ性能を、異なる複数の波長について図９に示してある。同図からは、Ｃバンドの全波長にわたってＢＥＲは１.０×１０-3未満であり、２ｄＢ未満の電力ペナルティが実現されたことが見て取れる。これは、リアルタイムＲＳＯＡ型トランシーバでカラーレス動作をサポートできることを示している。光波長が短くなるにつれて電力ペナルティが急激に下がる様子が図９に見られるが、これは、短波長によってＲＳＯＡ変調後信号の消光比が大きくなることで説明がつく。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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