(57)【要約】【課題】波長多重された光信号を各チャンネル信号光に分波した後受信する光受信機において、隣接チャンネルクロストーク特性が良好で、なおかつ群遅延偏差による直線歪みによる劣化が少なく、符号誤り率が良好に長距離伝送が可能な高密度波長多重光伝送方式に適した光受信機を提供する。【解決手段】波長多重された信号光を入力し、波長多重を形成する各チャンネル信号光に波長多重信号光を分波する光分波手段である分波器２と、前記光分波手段によって分波された各チャンネル信号光の波長分散を補償する分散補償手段である分散補償モジュール３−１〜３−ｎと、前記分散補償手段によって分散補償された各チャンネル信号光の帯域制限を行う光フィルタリング手段であるバンドパスフィルタ６−１〜６−ｎを備えた光受信機において、前記光フィルタリング手段として最大平坦群遅延特性を有する誘電体多層膜光学フィルタを用いる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長多重された信号光を入力し、波長多重を形成する各チャンネル信号光に波長多重信号光を分波する光分波手段と、前記光分波手段によって分波された各チャンネル信号光の波長分散を補償する分散補償手段と、前記分散補償手段によって分散補償された各チャンネル信号光の帯域制限を行う光フィルタリング手段を備え、前記光フィルタリング手段として最大平坦群遅延特性を有する誘電体多層膜光学フィルタを用いたことを特徴とする光受信機。
【請求項２】
前記光分波手段として用いる分波器は、アレイ導波路回折格子型光回路で構成されることを特徴とする請求項１記載の光受信機。
【請求項３】
前記光分波手段として用いる分波器は、アレイ導波路回折格子型光回路と、分波する際に波長順に奇数番目のチャンネル群と偶数番目のチャンネル群とに分波するインターリーバで構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の光受信機。
【請求項４】
前記光フィルタリング手段として用いる誘電体多層膜光学フィルタは、信号光の通過波長帯域が前記光分波手段の各通過波長帯域よりも狭いフィルタ特性を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光受信機。
【請求項５】
前記光フィルタリング手段として用いる誘電体多層膜光学フィルタは、屈折率の高い光学薄膜層と屈折率の低い光学薄膜層の重ね合わせからなり、これらの連なりの中に異なる膜厚の隣り合う２層であってその膜厚の和が透過光信号波長λの１／２電気長となる層の組を１組以上有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光受信機。
【請求項６】
前記光フィルタリング手段として用いる誘電体多層膜光学フィルタは、信号光の通過帯域内の群遅延偏差が、信号光の伝送速度から与えられる１ビットタイムスロットの１／１０以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光受信機。
【請求項７】
前記光フィルタリング手段として用いる誘電体多層膜光学フィルタは、通過帯域の中心波長を制御する制御機構を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光受信機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長多重光伝送システムに関し、詳しくは光ファイバ中に波長の異なる複数の光信号を多重して情報を伝送する波長多重光伝送システムに用いる光受信機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネット普及に代表される通信需要の増大に伴い、特に大都市間を結ぶ幹線系の伝送能力の向上が重要となっている。そのために従来から幹線系では、光ファイバ１本当たりの伝送容量拡大の有力な手段として、波長多重光（ＷＤＭ）伝送方式が採用されている。
【０００３】
ＷＤＭ伝送方式は複数の信号光の波長をわずかにずらして多重することで、１本当たりの光ファイバの伝送能力を飛躍的に高める技術である。ＷＤＭ伝送方式においてさらに伝送容量を拡大するには、１チャンネル当たりの伝送速度の高速化と、多重するチャンネル数の増大が求められる。一方で、光ファイバで利用できる伝送帯域には限りがあることから、多重チャンネル数が大きくなるにつれて隣接チャンネルとの波長間隔は０．２ｎｍ〜０．８ｎｍ程度にまで狭くなってきており、さらに１チャンネル当たりの伝送速度が増大するにしたがい各チャンネル信号が必要とする光スペクトラム帯域は拡大している。
【０００４】
したがって多重化する各チャンネル信号を高密度に配置する場合には、隣接チャンネルの信号光がノイズとして入り込んでくるチャンネル間クロストークや、非線形効果によって異なるチャンネル間の信号光が影響し合い波形歪みを引き起こす相互位相変調の影響が深刻になってくる。隣接チャンネル間のクロストークを低減するには光信号の帯域制限技術や合分波技術が重要であり、相互位相変調の影響を低減するには伝送路の分散スロープ補償が重要な課題となる。
【０００５】
さらには、ある波長広がりをもつ光信号を伝送する場合、波長毎に伝送媒体の屈折率が異なることから波長毎に伝搬速度差が生じる。この現象は波長分散と呼ばれ、あるいは伝搬遅延時間に着目して群速度遅延（群遅延）とも呼ばれる。この波長分散量は伝搬速度を波長の関数として表した場合、群遅延を波長に関して１次微分した値で与えられる。群遅延が一定でないと、受信端において信号波形に遅延歪みが生じ、伝送容量は制限を受けることになる。
【０００６】
以下、図を用いて従来技術を説明する。
【０００７】
図８は従来の波長多重光伝送システムの構成を示すブロック図である。この図でｎは波長多重数、言い換えればチャンネル数を表す任意の数を示している。
【０００８】
光送信機１６において、ＬＤモジュール１２−１〜１２−ｎから発信された各レーザ光は伝送路の光ファイバによって導出され、符号化された伝送情報によって変調器１３−１〜１３−ｎにおいて光変調される。
【０００９】
次に、変調された各信号光は減衰器４−１〜４−ｎでチャンネル毎に光パワーを調整された後、決められた伝送帯域に収まるように合波器１４で多重化され、１本の光ファイバ１に光送信機１６から送出される。
【００１０】
光送信機１６で多重化された信号光は、光増幅器５で光パワーを増幅された後、途中の分散補償器１５で波長分散スロープの補償を受け受信機１７へ入力される。信号光の伝送途中において波長分散の影響が蓄積すると、各チャンネル信号光の相対到達時間に遅延が生じるとともに、信号光パルスに波形歪みが発生し、伝送品質が著しく劣化する。一方、波長分散が全くない伝送路では非線形効果の影響が大きくなり、異なるチャンネル信号光との相互作用で相互位相変調が発生し、波形歪みを引き起こす。このため、伝送途中の波長分散スロープはこれらの影響を鑑みて調整されている。
【００１１】
受信機１７に到達した信号光は、まず分波器２で各チャンネル信号光に分波され、各チャンネル信号光は分散補償モジュール３−１〜３−ｎで波長分散スロープの補償を受ける。
【００１２】
その後、減衰器４−１〜４−ｎで所定の光パワーに調整され、光増幅器５−１〜５−ｎで増幅された後、バンドパスフィルタ６−１〜６−ｎで帯域制限を受けてから受信モジュール７−１〜７−ｎで受信される。
【００１３】
受信機１７に入力した信号光には、伝送途中にある光増幅器５の雑音光や非線形効果の影響などにより、スペクトラム広がりが生じているため、長距離伝送後の信号品質を確保するためには受信モジュール７−１〜７−ｎの前段で狭帯域のバンドパスフィルタ６−１〜６−ｎで帯域制限をして信号光スペクトラムを狭窄化する必要がある。このバンドパスフィルタ６−１〜６−ｎとしては振幅特性が最大平坦であるバターワース型の誘電体多層膜光学フィルタが用いられる。
【００１４】
加えて言うとバンドパスフィルタ６−１〜６−ｎとして利用できるような、通過帯域内で群遅延特性が最大平坦なベッセル型の誘電体多層膜光学フィルタは、その実現が待ち望まれてはいたが実際には得られていなかった。例えば特開平８−８２８１５号公報ではソリトン条件を維持する目的で伝送路上にベッセル型の光学フィルタが配置されている。
【００１５】
【特許文献１】
特開平８−８２８１５号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方式によればバンドパスフィルタ６−１〜６−ｎは、通過帯域内の振幅特性が最大平坦特性となる、いわゆるフラットトップと呼ばれるバターワース型の誘電体多層膜光学フィルタを用いるしかなかった。その理由として、光学フィルタの薄膜構成の設計手法が十分に確立しておらず、設計理論と製造手法が精度良く一致せず、経験則に頼らざるを得ないところがあったことが大きい。したがって、通過帯域内で群遅延偏差が理論的に零になる特性を有する、群遅延特性が最大平坦なベッセル型の誘電体薄膜光学フィルタを実現した例はなかったに等しい。
【００１７】
図６は誘電体多層膜光学フィルタの通過帯域幅を説明する図である。フィルタ損失が最小となる波長を中心波長に定め、フィルタ損失の最小損失から例えば３ｄＢ落ちたところで中心波長に対して対称な波長域が図から求まる。このときこの波長域が３ｄＢ通過帯域幅と呼ばれる。
【００１８】
図７はバターワース型のバンドパスフィルタの光学特性を示す図である。
【００１９】
このようなバターワース型のバンドパスフィルタは、成膜プロセスにおける制御誤差に起因する光学フィルタの中心波長ズレに対する許容量が大きくなる利点はあるが、通過帯域内の群遅延偏差が６〜８ピコ秒と甚だ大きくなる顕著な欠点があった。すなわち４０ギガビット／秒以上で変調される高速通信においては、１ビットのタイムスロットが２５ピコ秒以下になるため、受信処理に必要な帯域内における群遅延偏差はおおむねその１／１０である２．５ピコ秒以下であることが望ましいが、バターワース型のバンドパスフィルタの群遅延偏差は６〜８ピコ秒と大きいので、分散補償モジュール３−１〜３−ｎで補償された各チャンネル信号光の帯域制限を行う際に、実際は更に波形歪みを加える結果になっていた。
【００２０】
バターワース型のバンドパスフィルタのこの問題を解決する対策として、通過帯域幅を広げて群遅延偏差の小さい波長領域で使用する方法も検討されているが、この場合ロールオフを急峻にして矩形に近い透過特性を実現しなければならず、求められる成膜精度を著しく厳しいものにしており、誘電体多層膜光学フィルタの製造歩留まりを悪くしコストを上げる原因になった。また通過帯域幅を広げた結果として、高密度に配置された信号光の選択特性が劣化してしまう弊害も起きていた。
【００２１】
本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、波長多重された光信号を各チャンネル信号光に分波した後受信する光受信機において、隣接チャンネルクロストーク特性が良好で、なおかつ群遅延偏差による直線歪みによる劣化が少なく、符号誤り率が良好に長距離伝送が可能な高密度波長多重光伝送方式に適した光受信機を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、波長多重された信号光を入力し、波長多重を形成する各チャンネル信号光に波長多重信号光を分波する光分波手段と、前記光分波手段によって分波された各チャンネル信号光の波長分散を補償する分散補償手段と、前記分散補償手段によって分散補償された各チャンネル信号光の帯域制限を行う光フィルタリング手段を備え、前記光フィルタリング手段として最大平坦群遅延特性を有する誘電体多層膜光学フィルタを用いることを特徴とする光受信機である。
【００２３】
すなわち、本発明によれば、群遅延特性が最大平坦なベッセル型の誘電体多層膜光学フィルタを用いて光受信機を構成したため、光受信機の前段部で分散補償を行った後にバンドパスフィルタで帯域制限を加えても、妨害信号を十分に排除する高い選択性を有したまま、希望信号には直線歪みの劣化を与えず、符号誤り率を劣化させることなく、通信品質を維持でき、従来になく受信特性に優れた光受信機が可能になる。
【００２４】
また、前記光分波手段として用いる分波器は、アレイ導波路回折格子型光回路で構成されることを特徴とする。
【００２５】
また、前記光分波手段として用いる分波器は、アレイ導波路回折格子型光回路と、分波する際に波長順に奇数番目のチャンネル群と偶数番目のチャンネル群とに分波するインターリーバで構成されることを特徴とする。
【００２６】
また、前記光フィルタリング手段として用いる誘電体多層膜光学フィルタは、信号光の通過波長帯域が前記光分波手段の各通過波長帯域よりも狭いフィルタ特性を有することを特徴とする。
【００２７】
また、前記光フィルタリング手段として用いる誘電体多層膜光学フィルタは、屈折率の高い光学薄膜層と屈折率の低い光学薄膜層の重ね合わせからなり、これらの連なりの中に異なる膜厚の隣り合う２層であってその膜厚の和が透過光信号波長λの１／２電気長となる層の組を１組以上有することを特徴とする。
【００２８】
また、前記光フィルタリング手段として用いる誘電体多層膜光学フィルタは、信号光の通過帯域内の群遅延偏差が、信号光の伝送速度から与えられる１ビットタイムスロットの１／１０以下であることを特徴とする。
【００２９】
さらに、前記光フィルタリング手段として用いる誘電体多層膜光学フィルタは、通過帯域の中心波長を制御する制御機構を有することを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態として、本発明による光受信機について説明する。
【００３１】
図１は本発明の第１の実施形態における光受信機のブロック図である。
【００３２】
波長多重された信号光は光ファイバ１によって分波器２に入力される。分波器２で各チャンネル信号光に分波された各チャンネル信号光は、分散補償モジュール３−１〜３−ｎで波長分散スロープの補償を受ける。
【００３３】
その後、減衰器４−１〜４−ｎで所定の光パワーに調整され、光増幅器５−１〜５−ｎで増幅された後、バンドパスフィルタ６−１〜６−ｎで帯域制限を受けてから受信モジュール７−１〜７−ｎで受信される。
【００３４】
分波器２としては、一括分波が可能なアレイ導波路回折格子型光回路を用いると光受信機を小型に構成できる。アレイ導波路回折格子型光回路は一定の光路長差を有する複数のアレイ導波路を有し、各アレイ導波路を伝搬した信号光には波長に依存する位相差が与えられる。その結果、アレイ導波路の出射端では信号光の干渉により波長に依存した焦点位置が決まり、その位置に予め出射光路を用意しておくことで複数波長を一括して分波する分波器として機能する。
【００３５】
しかしながら、アレイ導波路回折格子型光回路は製造工程の制御誤差に起因する位相誤差が発生しやすく、アレイ導波路回折格子型光回路の群遅延偏差を５〜１０ピコ秒以下に抑えることは困難であるため、アレイ導波路回折格子型光回路だけで信号光の狭窄化を行うのは難しい。
【００３６】
つまり、受信機に入力した信号光には、伝送途中にある光増幅器の雑音光や非線形効果の影響などにより、スペクトラム広がりが生じているため、長距離伝送後の信号品質を確保するためには受信モジュールの前段で狭帯域のバンドパスフィルタ６−１〜６−ｎで帯域制限をする必要がある。信号光の帯域制限を行う目的から、このバンドパスフィルタ６−１〜６−ｎの通過帯域幅は、分波器２の各チャンネルの通過帯域幅よりも狭く、信号選択特性がより優れていることが必須であることは言うまでもない。
【００３７】
本実施例で用いるバンドパスフィルタ６−１〜６−ｎは、原理的に通過帯域内で群遅延偏差がないベッセル型の最大平坦群遅延特性を有する誘電体多層膜光学フィルタである。バンドパスフィルタ６−１〜６−ｎの通過帯域内で群遅延偏差が生じないため、言い換えれば通過帯域内で信号光の伝搬遅延時間がほぼ一定であるため波形歪みを生じない特徴を有する。
【００３８】
通過帯域内で群遅延偏差がないベッセル型特性を有するバンドパスフィルタの設計手法の一例は、本出願人によって先に出願された、特開２００２−２５８０３６によって示される。その概略を以下に説明する。目的とする透過特性を有する光学フィルタをｓパラメータで行列表現するとき、この行列は複素周波数ｓの３つの多項式で完全に表現される。これらの多項式より基準化低域通過型フィルタの素子値が定まり、回路網理論を用いて該基準化低域通過型フィルタを周波数変換、等価変換することにより誘電体多層膜光学フィルタの層構成が求まる。この手法をもちいれば、信号光の通過帯域内において原理的に群遅延偏差がほとんどない誘電体多層膜光学フィルタの設計が可能である。
【００３９】
図４は本発明の誘電体多層膜光学フィルタを構成する層の組を示す図である。１０は低屈折率の材料を示し、１１は高屈折率の材料を表す。本発明で用いられるベッセル型のバンドパスフィルタを設計通りに成膜するには、特開２００２−２５８０３６号公報で示される設計手法で求めた各膜層を構成する材料の屈折率や総数を具体化する手法が重要になる。つまり、実際には膜層を構成する材料の定数や層数を任意に選ぶことは困難であるが、異なる膜厚の隣り合う２層からなる層を１組とし、その１組の膜厚が透過波長λの１／２電気長となるような層の組を１組以上有する構成にすることで、設計上端数となって現れる定数や層数を精度良く近似することが可能となる。
【００４０】
特に１チャンネルあたりの伝送速度から与えられる１ビットのタイムスロットに対して、受信処理に必要な帯域内における群遅延偏差はその１／１０以下であることがビットエラーレートの改善の点で望ましい。群遅延偏差がこれより大きい場合、受信感度劣化を示すパワーペナルティが１ｄＢを超える恐れがある。
【００４１】
図５は本発明の誘電体多層膜光学フィルタの光学特性を示す図である。通過帯域内における群遅延偏差が抑制されており、３ｄＢ通過帯域幅の中ではほぼ平坦な群遅延偏差特性を有していることが分かる。
【００４２】
図２は本発明の第２の実施形態における光受信機のブロック図である。前述していない図中の符号が示す意味は、８がインターリーバ、２−１〜２−２は分波器を示している。本構成において、波長多重された信号光はまずインターリーバ８に入力し、波長順に奇数番目のチャンネル群と偶数番目のチャンネル群とに分波される。この構成によれば、分波器２−１〜２−２の周期特性を著しく緩和することが可能であるが、光受信モジュール７−１〜７−ｎの前段に配置されたバンドパスフィルタに要求される光学性能は実施の形態１と変わらないため、その効果も同等である。
【００４３】
図３は本発明の第３の実施形態における光受信機のブロック図である。前述していない図中の符号が示す意味は、９−１〜９−ｎが制御部を示している。すなわち、光受信モジュールで受信される信号光パワーが最大となるように、制御部９−１〜９−ｎで比較演算し、その結果を元にバンドパスフィルタ６−１〜６−ｎを調整して常にバンドパスフィルタ６−１〜６−ｎの中心波長を信号光の波長に合致させる。誘電体多層膜光学フィルタの振幅特性は信号光の入射角度に依存するため、例えば信号のフィルタ入射角度を調整すればバンドパスフィルタ６−１〜６−ｎの中心波長は調整できる。あるいは、振幅特性の面分布を有する誘電体多層膜光学フィルタを用いれば、誘電体多層膜光学フィルタをスライドさせて信号光の透過位置をずらしてもバンドパスフィルタ６−１〜６−ｎの中心波長を調整できる。
【００４４】
以上本実施形態に示した光受信機によれば、従来の光受信機１７ではバターワース型のバンドパスフィルタ６−１〜６−ｎが用いられていたため、通過帯域内の群遅延偏差が６〜８ピコ秒と大きく、信号光に直線歪みの劣化を与え、符号誤り率を悪くして通信品質が劣化していた欠点を解消して、妨害信号を十分に排除する高い選択性を有し、希望信号には直線歪みの劣化を与えず、符号誤り率を劣化させることなく、通信品質を維持でき、従来になく受信特性に優れた光受信機が実現する。
【００４５】
【実施例】
図１は本発明の実施の形態１における光受信機のブロック図である。図中の符号が示す意味については、前述してあるため説明を省略する。
【００４６】
ベッセル型光学フィルタを試作し、実施の形態１の構成に適用した。試作したベッセル型光学フィルタは、３ｄＢ通過帯域幅が０．６５ｎｍ、２０ｄＢ通過帯域幅が１．５ｎｍであり、チャンネル間隔０．８ｎｍのＷＤＭ伝送を想定した特性になっている。比較したバターワース型光学フィルタは、３ｄＢ通過帯域幅が０．５６ｎｍ、２０ｄＢ通過帯域幅が０．９ｎｍの、同じくチャンネル間隔０．８ｎｍのＷＤＭ伝送用のものである。その結果、４０ギガビット／秒光変調信号のＱ値ペナルティは、ＲＺ信号、ＣＳ−ＲＺ信号、ＮＲＺ信号のいずれにおいても、バターワース型フィルタを用いた受信機に比較して改善された。
【００４７】
すなわち、本発明によれば、ベッセル型のバンドパスフィルタの透過特性は信号光の光スペクトラムとよく整合されており、中心波長ズレに対してもバターワース型のバンドパスフィルタを用いた光受信機に比較してＱ値ペナルティにして最大２〜３ｄＢ改善される。
【００４８】
【発明の効果】
すなわち、本発明によれば、最大平坦群遅延特性を有するベッセル型の誘電体多層膜光学フィルタを用いて光受信機を構成したため、光受信機の前段部で分散補償を行った後にバンドパスフィルタで帯域制限を加えても、妨害信号を十分に排除する高い選択性を有したまま、希望信号には直線歪みの劣化を与えず、符号誤り率を劣化させることなく、通信品質を維持でき、従来になく受信特性に優れた光受信機が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光受信機の第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の光受信機の第２実施形態を示すブロック図である。
【図３】本発明の光受信機の第３実施形態を示すブロック図である。
【図４】本発明の誘電体多層膜光学フィルタを構成する層の組を示す図である。
【図５】本発明の誘電体多層膜光学フィルタの光学特性を示す図である。
【図６】誘電体多層膜光学フィルタの通過帯域幅を説明する図である。
【図７】従来の誘電体多層膜光学フィルタの光学特性を示す図である。
【図８】従来の波長多重光伝送システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１    光ファイバ
２、２−１〜２−２    分波器
３、３−１〜３−ｎ    分散補償モジュール
４−１〜４−ｎ    減衰器
５ａ、５ｂ、５−１〜５−ｎ    光増幅器
６−１〜６−ｎ    バンドパスフィルタ
７−１〜７−ｎ    光受信モジュール
８    インターリーバ
９−１〜９−ｎ    制御部
１０    低屈折率材料
１１    高屈折率材料
１２−１〜１２−ｎ    ＬＤモジュール
１３−１〜１３−ｎ    変調器
１４    合波器
１５    分散補償器
１６    光送信機
１７    光受信機
【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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