JP2001506419A - Distributed fiber amplifier for soliton communication. - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ソリトン通信に使用される分布型光増幅器であって、ソリトン強度に対して最適化された包絡線を導入することによってソリトン‐ソリトン相互作用による影響を減じる。パルス強度振幅及びソリトン‐ソリトン相互作用の双方を考慮して、最適化された動作範囲を見いだした。 (57) [Summary] A distributed optical amplifier used for soliton communication, which reduces the effects of soliton-soliton interaction by introducing an envelope optimized for soliton intensity. An optimized operating range was found, taking into account both the pulse intensity amplitude and the soliton-soliton interaction.

Description

【発明の詳細な説明】 ソリトン通信用分布型ファイバ増幅器 発明の背景 本発明は、ソリトン通信のために設計された分配型光増幅器に関する。さらに 詳細には、この分配型光増幅器は、非常に高いビットレートであっても、非再生 距離となるような長距離に亘って、ソリトン‐ソリトン相互作用の影響を最小限 に抑えるように自己位相変調と線形分散を釣り合わせて最適化するものである。 ソリトンは、理想的な光導波路ファイバを伝播するならば、時間若しくはスペ クトル波長範囲のいずれに対しても変化することのない光パルスである。理想的 な導波路の意味するところは、導波路が損失を有さずに、群速度分散とも呼ばれ る全分散を有していて、これらがソリトンの自己位相変調と共にソリトンの不変 性を維持するのである。非線形自己位相変調は、ソリトン強度に依存する。それ 故に、ソリトン強度が全導波路分散と自己位相変調との釣り合いに必要とされる レベルにある場合でのみ、ソリトンは不変である。光導波路の経路長があまり大 きくない場合、ソリトン強度レベルが不変性を有するために必要とされるレベル と異なっていたとしても、ソリトンは情報伝達能を有し得る。 長距離通信システムにおいて光増幅器は、ソリトンデータ通信試験に導入され てきた。すなわち、何カ所か若しく は一カ所にまとめられる光増幅器の場合において、例えば、エルビウム添加導波 路ファイバが数十メートル以下の長さであれば、増幅器間の間隔はソリトン周期 以下となるであろう。ソリトン周期は、関係式Z₀=9.53×10^-5×T²/λ²Dによって 与えられる。ここで、Z₀はソリトン周期、Tは単位psのソリトンパルス幅、λは 単位nmのソリトン波長、Ｄは単位ps/nm-kmの全分散である。この関係式からわか るように、ソリトン周期は、ソリトンパルス幅の減少と共に減少する。したがっ て、小さいソリトン幅を有するような、高いデータレートを要求されるシステム においては、光増幅器間の間隔がさらに短くなるのである。40Gbpsでは、光増幅 器の間隔は10km以下であって、故に、システムには厳しい初期コスト及びメンテ ナンスの重荷を課されることとなる。 この光増幅器間の間隔の問題に対する可能な解決方法は、例えば、エルビウム の如き添加材を、導波路ファイバの実質的に全長に亘って添加した分配型ファイ バ増幅器によって与えられる。適当な距離毎に導波路に予め選択されたポンプ光 エネルギーを結合することによって、導波路ファイバは、ある区間において無損 失にできる。故に、ソリトン強度は、長さと共に感知できるほどに変化すること はない。 実質的に不変であるソリトン通信の状態を達成するために、分配型光増幅器が 使用される。この分配型光増幅器において、 ‐導波路におけるポンプ信号の減衰を考慮に入れねばならない。 ‐導波路ファイバに沿ったエルビウム濃度は、無損失伝送及び適当なポンプ光効 果を与えるのに十分であるように選ばねばならない。 ‐導波路ファイバに沿ったエルビウム濃度は、ソリトン強度波形を小さな包絡線 (excursion)とするために低ローカルゲインを維持するのに十分な程に低くなけ ればならない。 分配型光増幅器の概念は、1991年２月のジャーナル・オブ・ライトウェーブテ クノロジーの第９巻、第２号のシンプソンらによる「分配型エルビウム添加分散 シフトファイバ増幅器の特性(Performance of a Distributed Erbium-Doped Dis persion-Shifted Fiber Amplifier)」及び1993年の電気通信学会誌(Electronics and Communications in Japan)のパート１の第75-B-I巻、第３号のワダらによ る「分配型エルビウム添加光ファイバの損失補償特性及びノイズ特性(Loss-Comp ensation Characteristics and Noise Performance of Distributed Erbium-Dop ed Optical Fibers)」に記載されている。これらの各々の刊行物において、ソリ トンエネルギー偏差を小さく保つ必要性が強調されている。シンプソンらの第22 8頁、第２段落、第２パラグラフで「将来、極めて高いビットレートのシステム が、...信号増幅において小さな包絡線のもののみを透過する通信 線...を要求する。」及び、第231頁の概要に「より低いエルビウム濃度を形成す る連続的な努力によって、より低損失のファイバが、...これらの分配型光増幅 器の特性を改善する...だろう。」という部分を参照されたい。ワダらの第75頁 、第２段落、第１パラグラフには、「特にN=1のソリトン伝播において、伝播距 離方向にパルスの形を保持するためには、パルス‐エネルギー偏差を約20％以下 に保つことが必要である。故に、小さいレベル変化の光信号通信が、必要とされ る。」ワダらは、更に、双方向ポンピングを使用する利点を述べており、これは 、最大限の長さの補償長さをあたえる（第75頁の概要の第１及び第２パラグラフ を参照されたい）。 これらの刊行物とは対照的に、本発明は中距離、例えば長さが50kmから500km の範囲の距離のシステムにおけるソリトン信号の変化について異なる制限を教示 する。加えて、これらのシステムにおいて、本発明の教示は、双方向ポンピング の利点について、一方向ポンピングと比較して知見を示す。この比較による教示 は、中距離システムの全長に亘って、ソリトン‐ソリトン相互作用を慎重に評価 して行われる。この相互作用は、２つの隣接したソリトンを１つのパルスに崩壊 させる如き、ソリトンパルス及びソリトン衝突においてジッター時間を生成し得 るのである。 発明の概要 本発明の第１の観点は、分布型エルビウム添加光増幅器 であって、約+3.0dBから+5.2dBの範囲のソリトンパルス強度包絡線を与えること によって、電子信号再生器の間の距離を延ばすものである。ソリトン強度包絡線 は、参照ソリトン強度と相対的に計測される。参照ソリトン強度は、通常、１次 の基本ソリトン強度と言われ、上記のように、自己位相変調は全分散Ｄと釣り合 っている。システムの動作波長λは、いわゆる異常領域にあって、ここでλ＞λ₀ (ゼロ分散波長)である。分布型ファイバ増幅器は、正味正の全分散Ｄを有する 。全分散Ｄは、ソリトン周期Z₀と比較して短い長さで負の包絡線を有し得て、正 の正味の全分散Ｄを与える。正の分散Ｄを生ずるコア屈折率分布を有する光導波 路ファイバの例は、米国特許出願第08/559,954号に開示されている。ポンプ光が 、エルビウム原子をエネルギー状態に励起するために、ファイバ増幅器が結合さ れ、信号強度の増幅を与える。エルビウムは、ファイバのコア領域に閉じこめら れている。 このようなファイバの実施態様では、エルビウムが実質的に一様に導波路ファ イバコアに沿って添加されていて、約20ppbから200ppbの範囲の濃度を有してい る。また、ポンプ光が導波路のこの部分に結合されて、この区間を独立区間とす るようになっている。 分布型増幅器導波路ファイバは、その全長に亘って、光学的に透明になるよう に、添加され、ポンプされる。すなわち、分配型ファイバ増幅器の入力端でのソ リトン強度は、 実質的に増幅器ファイバの出力端でのソリトン強度と等しいのである。 本発明の好適な実施例において、上記引用刊行物による教示とは対照的に、分 配型ファイバ増幅器は、１方向だけにポンプされる。ポンプ光は、ソリトン信号 に関して、同一若しくは反対方向に伝播され得る。 本発明の第二の実施例は、新規な分布型光増幅器を組み込んだ長距離通信シス テムである。長距離通信システムにおいて、ポンピング手段は、導波路ファイバ の長さ方向に間隔をあけて配置されており、分布型増幅器がソリトン信号に十分 な増幅を与えて全長に亘って光学的に透明となることを成し遂げる。 好適な実施例は、信号の方向に対して、同一若しくは異なる方向に一方向にポ ンピングすることを含む。換言すれば、ポンプ光は、増幅ファイバ内の信号光と 逆若しくは同一方向に伝播してもよい。 利用できるポンプレーザーのタイプ及び特性によって、ポンピング手段は、約 20kmから90kmまでの間隔を置き得る。 通常のソリトン通信システムにおいては、ソリトンパルスは、少なくともソリ トン周期の５倍の時間に分割されることを必要とされる。本発明においては、ソ リトン間隔は、この一般的な値未満であってもよい。つまり、他の実施例におい て、ソリトンパルスの時間分割は、およそソリトンパルス幅の５倍以下である。 この必要とされる時間間隔は、 ソリトン‐ソリトン相互作用若しくは衝突を制限するのに十分であって、非常に 高いデータ送信速度を与える。例えば、200Gbpsのデータ通信速度のためには、1 psのソリトンパルス幅と約5ps以下のパルス間隔を満たす。このような約‐50km 間隔ごとにポンプ手段を有するシステムでは、長さ約500kmのシステムに亘って 、約10^-2を上限とするビットエラー率を有するとされる。 長距離通信システムで使用される新規な増幅器は、ソリトン‐ソリトン相互作 用によってエラーを生ずるような距離を延長する。特に、衝突または崩壊が起こ るまでに、1psのソリトンが通過した距離は、少なくとも約30kmから50kmの範囲 にあって、そして300kmから400km程度に延長し得るのである。 図面の簡単な説明 図１は、エルビウム添加導波路ファイバを模式的に示した断面図である。 図2aは、一方向ポンピングにおけるソリトン最大パルス強度対距離のチャート 図である。 図2bは、双方向ポンピングにおけるソリトン最大パルス強度対距離のチャート 図である。 図3aは、一方向ポンピングにおけるソリトン最大パルス強度対距離のチャート 図である。 図3bは、図3aの導波路の特定の距離における２つのソリトンパルス群の時間変 化を示す。 図4aは、一方向ポンピングにおけるソリトン最大パルス強度対距離のチャート 図である。 図4bは、導波路を90kmの伝送した後における図4aの時間に対する２つのソリト ンパルス群の変化を示すチャート図である。 図5は、ファイバ透明性に必要とされる強度（透過パワー）と入力信号強度の チャート図である。 発明の詳細な説明 非常に高いデータ信号速度をもって、非再生距離以上の距離を送信するならば 、信号対ノイズ比を実用程度に成し遂げるために通常と異なった手法を開発しな ければならず、全導波路分散Ｄ及び非線形効果を考慮する必要がある。情報キャ リアとしてソリトンを使用することは、このための手法である。ソリトンパルス の形成及び維持において、２つの分散の効果が互いにキャンセルしあうので、ソ リトン信号は、引力を受ける。すなわち、全導波路分散Ｄ及びパルス強度に依存 する非線形自己位相変調が、ソリトンの形を形成し、維持するのである。 自己位相変調の大きさはパルス強度によって決定されるので、ソリトン強度を 維持するために、導波路ファイバに沿った伝送においてソリトン強度を制御する ように考慮されなければならない。そこで、上記点を考慮して、ソリトン通信に 一緒に使用される分布型光増幅器の研究に至った。約40Gbpsといった非常に高い データ信号速度のために は、導波路の透明度を確保すること、すなわち入力強度が選択された距離に亘っ て出力強度と等しいだけでは、ソリトン強度を維持するのには十分ではない。必 要とされることは、局所的に減衰がゼロであって、さらに実質的にどんな‐距離 であっても、光学的に透明な導波路であることである。 それに加えて、他の機構によるソリトン‐ソリトン相互作用が、高いデータ信 号速度におけるソリトン長距離通信システムにおいても管理されなければならな い。光導波路ファイバ中のソリトンの伝播は、適当な位相によって、隣接したソ リトンに引力を付与し若しくは再パルス化を与える。隣接するソリトン間の間隔 が十分に小さいとき、相互作用による引力は、ソリトンの時間ジッターを生じ得 る。ソリトン間における力が距離の減少と共に指数関数的に増加するので、より 小さな間隔では、ソリトンの一組は合体するか又は１つの高い強度のパルスに崩 壊する。故に、相互の引力または再パルス化は、長距離通信システムにおけるビ ットエラー源となり、特に、上記のような近いパルス間隔を有するものでは、高 いデータ速度システムにおいて上記問題に直面する。 本発明において見いだされたことは、互いを擾乱する又は崩壊させるソリトン の感受性は、ソリトン強度の予め選択された包絡線を導入することで低減し得る ことである。このような強度包絡線は、選択された強度のポンプ源と共 に、選択されたドーパント濃度を有する分布型光増幅器を用いることによって導 くことが可能である。特に、1550nm近傍の動作波長でppb Er³⁺として表されるエ ルビウム添加濃度とポンプ強度が、参照強度レベルに関して約3.0dBから5.2dBま での強度包絡線を生じるように結合される一方で、分布型増幅器ファイバの一端 部から一端部まで、光学的な透明度を維持するのである。参照強度は、全分散Ｄ （群速度分散）及び自己位相変調との間の釣合いを与えるものである。ここで記 述した約500kmまでのシステムについて、本概念は、情報キャリアとしてのソリ トンの無欠性が、強度包絡線を注意深く限定することによって最も良好に維持さ れ、それによって自己位相変調を一定に維持する、とした技術の教示と対照的で ある。 分布型光増幅器導波路ファイバの断面が、図１において示される。コア領域４ は、コア内に領域６として示されるエルビウム又は他の添加物を含んでいる。領 域６の直径は、コア４の直径よりも通常、小さくされて、信号光と添加物原子と の衝突を増やしている。クラッド層２は、少なくともコア領域４の一部よりも低 い屈折率を有することによって、ファイバに沿って光が導波される。 強度包絡線を経るソリトン伝播の典型的なシミュレーションを図2aに示す。図 示された各曲線は、ソリトンの最大強度に対する分布型増幅器導波路の経路長の チャートである。200Gbpsの速度に対応して、1psの幅と5psの間隔を 有する９つのソリトンが、導波路を伝搬する場合をモデル化した。ファイバの群 速度分散Ｄは、２ps/nm-kmとする。ポンプ間隔は、20kmであり、ポンピングは一 方向である。ポンピング手段間の距離において、導波路は、光学的に透明である 。損失がない導波路を進行しているソリトンは、強度包絡線がなく、曲線８に示 される。10kmでの大きな強度スパイクは、ソリトン‐ソリトンの衝突であって、 システムの有効動作波長を示す。小さな強度包絡線が曲線９に示すように導かれ ているとき、さらにソリトン衝突が導波路に沿って起こる。曲線12によって示さ れる実質的な強度包絡線は、30km以上の経路長ではソリトン衝突を発生させない 。曲線10に最も特徴的に示される周期的なリプルは、強度包絡線によるソリトン 幅の変動である。曲線10において、最も高い強度包絡線のとき、ソリトンは整合 性を失い始めるということに注目されたい。例えば、およそ25kmの経路を経た後 の強度スパイク16を参照されたい。曲線12の強度包絡線よりも小さい強度包絡線 では、ソリトン衝突は、約30kmで起こる。故に、最適の強度包絡線は、曲線12及 び10の間にあって、約3dBから5.2dBの範囲にあるときである。 比較例として、図2bは、ポンピングが双方向であることを除いて、図2aのもの と同条件で導波路を伝播するソリトンパルスのチャート図である。前述のように 、曲線18で例示するような損失を有さない場合は、導波路を約10km経た 後でソリトン崩壊を示す。しかしこの場合、曲線22に見られるような、より高い 強度包絡線が、10km以上の距離で強いソリトン整合性を示さない。強度曲線は、 約19kmの経路を経た後、大きく振動を始めるのである。同様に、図示された、よ り低い強度包絡線では、ソリトン崩壊は、約18kmを経た後に強度スパイク20で示 される。図2a及び図2bを比較して、一方向ポンピングは、双方向ポンピングより も長距離に亘ってソリトン整合性を与えることが明らかである。 この結果は、直観に反する。なぜなら、双方向ポンピングは、分布型導波路増 幅器の全長に亘ってゲインのより良好な制御を可能とするからである。一方向ポ ンプされた場合の強化された特性の説明は、以下の通りである。導波路の入射端 部近傍のより高いゲインは、断熱的に、すなわちゆっくりと、ソリトンパルスを 圧縮する。すなわち、強度依存を有する自己位相変調は、導波路の入射端部の近 くでより大きいのである。線形（群速度）分散Ｄと、釣り合っていない自己位相 変調の一部は、ソリトンパルスの時間幅を狭くする効果を有する。ソリトンは、 分布型導波路ファイバ増幅器の入射端部において、より広い間隔を有し、故に、 強くは相互作用しないことをこの結果は示している。時間ジッターを誘導するソ リトン‐ソリトン相互作用は、より小さくなって、そして衝突は、時間のより広 いパルス間隔によって生じない。この説は正しいと思われるが、本 発明はこの説によって制限されることがなく、この正当性に依るものではない。 第２のシミュレーションが、図4aに示される。全導波路分散Ｄが、0.67ps/nm- kmであることを除いては、モデルにおいて使用されるパラメータは、上記例と同 一である。損失がない場合において、ソリトン衝突は、強度スパイク38で示すよ うに、約30kmで起こる。ソリトンのより低い強度包絡線は、曲線42として示され る。ソリトン最大強度は、前述の距離に亘って所望の振動を示す。ソリトン整合 性は、約80kmの導波路の伝送中において維持される。85kmから100kmまでにおい て見られる強度スパイクは、強いソリトン‐ソリトン相互作用である。曲線42に おける強度スパイク46は、ソリトン‐ソリトン衝突である。 曲線40は、ソリトンのより高い強度包絡線における最大パルス強度と距離の関 係を示している。ソリトン強度を変化させることによる振動は、予想されたよう に曲線42におけるよりも非常に大きい。しかしながら、ソリトン‐ソリトン衝突 は、100kmの導波路長でも起こらない。ここで再び衝突のない経路を増大させる ためのソリトン振動の最も良いトレードオフは、曲線40及び42におけるそれらの 間で強度包絡線に生じる。これは、90kmの導波路長を経た後のソリトンパルス強 度の時間に対するチャート図である図4bによって明確に示される。約5.2dBの強 度包絡線において、曲線48は、当初の９つのソリトンパルスを示し、パルスは それらの間の時間間隔を維持し、許容される信号対ノイズ比を与えることを所望 される振動を生ずる。 強度包絡線が3dB程度であって、曲線50の振動がより小さい間、時間位置52で 見られるような強いソリトン‐ソリトン相互作用が、時間間隔を劇的に変化させ るのである。より高い強度包絡線は、故に、より長い導波路長でエラーのないソ リトン信号の伝送を与えるのである。この結果は、先に引用した技術とは離れた ことを教示する。 第３の例は、ポンプ間隔及びソリトンパルス幅でソリトン強度包絡線の相互作 用を示すことを与えるものである。図3aにおいて、ソリトンパルス幅は2psであ り、ポンプ間隔は50kmである。導波路の全分散Ｄは、0.67ps/nm-kmとする。強度 スパイク28は、損失がないケースであって、約120kmに亘ってソリトン‐ソリト ン衝突がないことを示す。最大パルス強度曲線対ソリトン経路長26及び24は、よ り高い強度包絡線24の場合において再びより大きな振動を示す。曲線24の副構造 は、約180kmの経路長でソリトンの時間間隔をゆがめ始める。より低い強度包絡 曲線26において明らかな構造は、250kmを大きく上回る経路長までデータエラー を導き始めないであろう。故に、より幅広いソリトンパルス及びより広いポンプ 間隔において、より低い強度包絡線が、より長い距離においてエラーのない送信 を与えるのである。 導波路に沿った選択された距離でのソリトンパルスの時 間変化が、図3bに示される。各強度包絡線における最初のパルス間隔は、より低 い包絡線のソリトンパルス33及びより高い包絡線のソリトンパルス36の一連とし て示される。パルス列34において、5.2dB強度包絡線の200kmで生じる時間エラー に注目されたい。対照的に、パルス列35及び31で示されるように、400km以上の より長い経路長まで、3dB強度包絡線の場合では、エラーが生じない。 入力信号強度に対する導波路の透明性を達成するために必要とされるキロメー トル当たりの強度が、図５に示される。ここで、曲線54は49kmの導波路長に関し 、曲線56は55kmの長さに、曲線58は50kmの長さに、曲線60は154kmのファイバ長 さに関する。このチャートは、ソリトン入力強度が通常、0dBm以上の場合であっ ても、典型的なソリトンシステムの動作領域において必須のポンプ強度がなし遂 げられることを示し、ここで、曲線は急激に鋭くなる。例えば、約5dBの入力信 号強度で動作しており、20から200ppbの範囲のEr³⁺濃度を有する154kmリンクは 、現在の技術力では約60mWの全ポンプ強度を必要とする。 以上のように、本発明の課題は、ソリトンを用いた通信のための分布型光増幅 器であって、ソリトン強度に最適な包絡線を導くことによってソリトン‐ソリト ン相互作用の効果を減らす分布型光増幅器の提供である。パルス強度振動及びソ リトン‐ソリトン相互作用の双方が制御下で維持されるような最適化された操作 法が見いだされた。 上記の通り、本発明の特定の実施例が開示され、説明されたが、それにもかか わらず、本発明は、以下の請求の範囲によってのみ限定される。 BACKGROUND The present invention DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION soliton communication distributed fiber amplifier invention relates to a distributor type optical amplifier designed for soliton communication. More specifically, this distributed optical amplifier is self-contained to minimize the effects of soliton-soliton interactions over long distances, even at very high bit rates, over non-regenerative distances. The phase modulation and the linear dispersion are balanced and optimized. Solitons are optical pulses that do not change over time or in a spectral wavelength range if they propagate through an ideal optical waveguide fiber. What an ideal waveguide means is that the waveguide has no losses and has a total dispersion, also called group velocity dispersion, which, together with the soliton's self-phase modulation, maintains the soliton's invariance. is there. Nonlinear self-phase modulation depends on soliton intensity. Therefore, the soliton is invariable only if the soliton intensity is at the level required to balance the total waveguide dispersion with the self-phase modulation. If the path length of the optical waveguide is not very large, the soliton may have the ability to transmit information, even if the soliton intensity level is different from the level required to have invariance. Optical amplifiers in long-distance communication systems have been introduced for soliton data communication tests. That is, in the case of optical amplifiers that are integrated in several places or one place, for example, if the length of the erbium-doped waveguide fiber is less than several tens of meters, the spacing between the amplifiers will be less than the soliton period. The soliton period is given by the relational expression Z ₀ = 9.53 × 10 ⁻⁵ × T ² / λ ² D. Here, Z ₀ is the soliton period, T is the soliton pulse width in units of ps, λ is the soliton wavelength in units of nm, and D is the total dispersion in units of ps / nm-km. As can be seen from this relation, the soliton period decreases as the soliton pulse width decreases. Therefore, in a system requiring a high data rate such as having a small soliton width, the interval between the optical amplifiers is further reduced. At 40 Gbps, the spacing between the optical amplifiers is less than 10 km, thus placing a severe initial cost and maintenance burden on the system. A possible solution to this spacing problem between optical amplifiers is provided by a distributed fiber amplifier, for example, doped with an additive such as erbium over substantially the entire length of the waveguide fiber. By coupling preselected pump light energy to the waveguide at appropriate distances, the waveguide fiber can be lossless in certain sections. Thus, the soliton intensity does not change appreciably with length. To achieve a substantially constant state of soliton communication, a distributed optical amplifier is used. In this distributed optical amplifier: the attenuation of the pump signal in the waveguide must be taken into account. The erbium concentration along the waveguide fiber must be chosen to be sufficient to provide lossless transmission and a suitable pumping effect. The erbium concentration along the waveguide fiber must be low enough to maintain a low local gain in order to have a small excursion of the soliton intensity waveform. The concept of a distributed optical amplifier is described in Simpson et al., Vol. 9, No. 2, Journal of Lightwave Technology, February 1991, entitled "Performance of a Distributed Erbium- Doped Dispersion-Shifted Fiber Amplifier) and Wada et al., Part 1, Vol. 75-BI, No. 3, 1993, Electronics and Communications in Japan. Compensation characteristics and noise characteristics (Loss-Compensation Characteristics and Noise Performance of Distributed Erbium-Doped Optical Fibers). In each of these publications, the need to keep soliton energy deviations small is emphasized. In Simpson et al., P. 228, second paragraph, second paragraph, "In the future, very high bit-rate systems will require ... a communication line that only allows small envelopes in signal amplification ... And, on page 231 outline, "With continued efforts to produce lower erbium concentrations, lower loss fibers will ... improve the properties of these distributed optical amplifiers." . ". Wada et al., P. 75, second paragraph, first paragraph states, "Especially in the case of soliton propagation with N = 1, the pulse-energy deviation must be less than about 20% in order to maintain the pulse shape in the direction of propagation distance. Therefore, small-level-change optical signal communication is needed. "Wada et al. Further state the advantage of using bidirectional pumping, which has the maximum length. (See paragraphs 1 and 2 in the overview on page 75). In contrast to these publications, the present invention teaches different limitations on soliton signal variations in systems at medium distances, for example, distances ranging from 50 km to 500 km in length. In addition, in these systems, the teachings of the present invention show the benefits of bi-directional pumping as compared to one-way pumping. The teachings of this comparison are made by carefully evaluating the soliton-soliton interaction over the entire length of the medium range system. This interaction can create jitter time in soliton pulses and soliton collisions, such as decaying two adjacent solitons into one pulse. SUMMARY OF THE INVENTION A first aspect of the present invention is a distributed erbium-doped optical amplifier that provides a soliton pulse intensity envelope in the range of about +3.0 dB to +5.2 dB to provide a signal between electronic signal regenerators. It increases the distance. The soliton intensity envelope is measured relative to the reference soliton intensity. The reference soliton intensity is usually referred to as the first order fundamental soliton intensity, and the self-phase modulation is balanced with the total dispersion D as described above. The operating wavelength λ of the system is in the so-called extraordinary region, where λ> λ ₀ (zero dispersion wavelength). Distributed fiber amplifiers have a net positive total dispersion D. The total variance D can have a negative envelope with a shorter length compared to the soliton period Z ₀ , giving a positive net total variance D. An example of an optical waveguide fiber having a core index profile that produces a positive dispersion D is disclosed in U.S. patent application Ser. No. 08 / 559,954. A fiber amplifier is coupled to the pump light to pump the erbium atoms to an energy state, providing amplification of the signal strength. Erbium is confined in the core region of the fiber. In such a fiber embodiment, erbium is substantially uniformly doped along the waveguide fiber core and has a concentration in the range of about 20 ppb to 200 ppb. Also, the pump light is coupled to this portion of the waveguide so that this section becomes an independent section. The distributed amplifier waveguide fiber is doped and pumped along its entire length to be optically transparent. That is, the soliton intensity at the input end of the distribution fiber amplifier is substantially equal to the soliton intensity at the output end of the amplifier fiber. In a preferred embodiment of the present invention, in contrast to the teachings of the above cited publications, distributed fiber amplifiers are pumped in only one direction. The pump light may be propagated in the same or opposite direction with respect to the soliton signal. A second embodiment of the present invention is a long-distance communication system incorporating a novel distributed optical amplifier. In long-haul communication systems, the pumping means are spaced along the length of the waveguide fiber and the distributed amplifier provides sufficient amplification of the soliton signal to be optically transparent over the entire length. Get things done. The preferred embodiment includes one-way pumping in the same or different direction relative to the direction of the signal. In other words, the pump light may propagate in the opposite or the same direction as the signal light in the amplification fiber. Depending on the type and characteristics of the pump laser available, the pumping means may be spaced from about 20 km to 90 km. In a typical soliton communication system, a soliton pulse needs to be divided into at least five times the soliton period. In the present invention, the soliton spacing may be less than this general value. That is, in another embodiment, the time division of the soliton pulse is about 5 times or less the soliton pulse width. This required time interval is sufficient to limit soliton-soliton interactions or collisions, and provides very high data transmission rates. For example, for a data communication speed of 200 Gbps, a soliton pulse width of 1 ps and a pulse interval of about 5 ps or less are satisfied. Such a system having pump means at intervals of about -50 km has a bit error rate of up to about 10 ^-2 over a system of about 500 km in length. New amplifiers used in long-haul communication systems extend the distance so that errors are caused by soliton-soliton interactions. In particular, the distance traveled by a 1 ps soliton before a collision or collapse occurs can be at least in the range of about 30 to 50 km, and can be extended to about 300 to 400 km. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an erbium-doped waveguide fiber. FIG. 2a is a chart of soliton maximum pulse intensity versus distance in one-way pumping. FIG. 2b is a chart of soliton maximum pulse intensity versus distance in bidirectional pumping. FIG. 3a is a chart of soliton maximum pulse intensity versus distance in one-way pumping. FIG. 3b shows the time evolution of two soliton pulses at a particular distance in the waveguide of FIG. 3a. FIG. 4a is a chart of soliton maximum pulse intensity versus distance in one-way pumping. FIG. 4b is a chart showing the change of two soliton pulse groups with respect to the time of FIG. 4a after transmitting 90 km through the waveguide. FIG. 5 is a chart of intensity (transmission power) required for fiber transparency and input signal intensity. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION If transmitting over a non-reproducing distance with very high data signal rates, unusual techniques must be developed to achieve a practical signal-to-noise ratio. It is necessary to consider the waveguide dispersion D and the non-linear effect. The use of solitons as information carriers is a technique for this. In the formation and maintenance of the soliton pulse, the soliton signal is attracted as the effects of the two dispersions cancel each other. That is, the nonlinear self-phase modulation, which depends on the total waveguide dispersion D and the pulse intensity, forms and maintains the shape of the soliton. Since the magnitude of the self-phase modulation is determined by the pulse intensity, it must be considered to control the soliton intensity in the transmission along the waveguide fiber in order to maintain the soliton intensity. Therefore, in consideration of the above points, a study has been made on a distributed optical amplifier used together with soliton communication. For very high data signal rates, such as about 40 Gbps, ensuring waveguide transparency, i.e., input strength equal to output strength over a selected distance, is not enough to maintain soliton strength. is not. What is needed is an optically transparent waveguide with zero attenuation locally and at virtually any distance. In addition, soliton-soliton interactions by other mechanisms must be managed in soliton long-haul communication systems at high data rates. Propagation of a soliton in an optical waveguide fiber can attract or repulse adjacent solitons by appropriate phase. When the spacing between adjacent solitons is small enough, the attractive force of the interaction can cause soliton time jitter. At smaller intervals, a set of solitons coalesce or collapse into one high intensity pulse, as the force between solitons increases exponentially with decreasing distance. Thus, mutual attraction or repulsing is a source of bit error in long-haul communication systems, and especially with those with close pulse spacing as described above, faces the above problems in high data rate systems. It has been found in the present invention that the susceptibility of solitons to perturb or collapse each other can be reduced by introducing a preselected envelope of soliton strength. Such an intensity envelope can be derived by using a distributed optical amplifier having a selected dopant concentration with a pump source of the selected intensity. In particular, the erbium doping concentration and the pump intensity, expressed as ppb Er ³⁺ at operating wavelengths around 1550 nm, are coupled to produce an intensity envelope from about 3.0 dB to 5.2 dB with respect to the reference intensity level, while the distribution Optical transparency is maintained from one end to the other end of the shaped amplifier fiber. The reference intensity provides a balance between the total dispersion D (group velocity dispersion) and the self-phase modulation. For the systems described here up to about 500 km, the concept suggests that the integrity of the soliton as an information carrier is best maintained by carefully limiting the intensity envelope, thereby keeping the self-phase modulation constant. , In contrast to the teachings of the art. A cross section of a distributed optical amplifier waveguide fiber is shown in FIG. The core region 4 includes erbium or other additives shown as region 6 in the core. The diameter of the region 6 is usually smaller than the diameter of the core 4 to increase the collision between the signal light and the additive atoms. The cladding layer 2 has a lower refractive index than at least a part of the core region 4 so that light is guided along the fiber. A typical simulation of soliton propagation through an intensity envelope is shown in FIG. 2a. Each curve shown is a chart of the path length of the distributed amplifier waveguide against the maximum intensity of the soliton. We modeled a case where nine solitons having a width of 1 ps and a spacing of 5 ps propagated through a waveguide corresponding to a speed of 200 Gbps. The group velocity dispersion D of the fiber is 2 ps / nm-km. The pump interval is 20 km and pumping is unidirectional. At the distance between the pumping means, the waveguide is optically transparent. A soliton traveling in a lossless waveguide has no intensity envelope and is shown in curve 8. The large intensity spike at 10 km is a soliton-soliton collision, indicating the effective operating wavelength of the system. When a small intensity envelope is derived as shown in curve 9, further soliton collisions occur along the waveguide. The substantial intensity envelope shown by curve 12 does not generate a soliton collision for path lengths greater than 30 km. The periodic ripple most characteristically shown in the curve 10 is the variation of the soliton width due to the intensity envelope. Note that in curve 10, at the highest intensity envelope, the solitons begin to lose consistency. See, for example, the intensity spike 16 after a path of approximately 25 km. With an intensity envelope smaller than that of curve 12, the soliton collision occurs at about 30 km. Thus, the optimal intensity envelope lies between curves 12 and 10, and is in the range of about 3 dB to 5.2 dB. As a comparative example, FIG. 2b is a chart diagram of a soliton pulse propagating through the waveguide under the same conditions as in FIG. 2a, except that pumping is bidirectional. As described above, without loss as illustrated by curve 18, soliton collapse is shown after approximately 10 km through the waveguide. However, in this case, the higher intensity envelope, as seen in curve 22, does not show strong soliton consistency at distances greater than 10 km. The intensity curve begins to oscillate after a path of about 19 km. Similarly, at the lower intensity envelope shown, soliton collapse is indicated by an intensity spike 20 after approximately 18 km. Comparing FIGS. 2a and 2b, it is clear that unidirectional pumping provides soliton matching over longer distances than bidirectional pumping. This result is counterintuitive. This is because bidirectional pumping allows for better control of the gain over the entire length of the distributed waveguide amplifier. A description of the enhanced properties when unidirectionally pumped follows. The higher gain near the entrance end of the waveguide compresses the soliton pulse adiabatically, ie slowly. That is, the intensity-dependent self-phase modulation is greater near the entrance end of the waveguide. The linear (group velocity) dispersion D and part of the unbalanced self-phase modulation have the effect of narrowing the time width of the soliton pulse. The results show that solitons have a wider spacing at the input end of the distributed waveguide fiber amplifier and therefore do not interact strongly. Soliton-soliton interactions that induce time jitter are smaller and collisions are not caused by wider pulse intervals in time. Although this theory seems correct, the invention is not limited by this theory and does not rely on this validity. A second simulation is shown in FIG. 4a. The parameters used in the model are the same as in the above example, except that the total waveguide dispersion D is 0.67 ps / nm-km. In the absence of loss, a soliton impact occurs at about 30 km, as indicated by intensity spike 38. The lower intensity envelope of the soliton is shown as curve 42. The soliton maximum intensity exhibits the desired vibration over the aforementioned distance. Soliton matching is maintained during transmission over approximately 80 km of waveguide. The intensity spike seen from 85 km to 100 km is a strong soliton-soliton interaction. The intensity spike 46 in curve 42 is a soliton-soliton collision. Curve 40 shows the relationship between maximum pulse intensity and distance at the higher intensity envelope of the soliton. The vibration from changing the soliton intensity is much greater than in curve 42 as expected. However, soliton-soliton collision does not occur with a waveguide length of 100 km. Here again the best tradeoff of soliton oscillations to increase the collision free path occurs in the intensity envelope between them in curves 40 and 42. This is clearly illustrated by FIG. 4b, which is a chart of soliton pulse intensity versus time after passing a waveguide length of 90 km. At an intensity envelope of about 5.2 dB, curve 48 shows the original nine soliton pulses, which maintain the time interval between them and produce the oscillations desired to provide an acceptable signal-to-noise ratio. Occurs. While the intensity envelope is on the order of 3 dB and the oscillation of curve 50 is smaller, the strong soliton-soliton interaction as seen at time position 52 changes the time interval dramatically. A higher intensity envelope therefore provides for error-free transmission of soliton signals at longer waveguide lengths. This result teaches away from the technique cited above. A third example gives the indication of the interaction of the soliton intensity envelope with pump spacing and soliton pulse width. In FIG. 3a, the soliton pulse width is 2 ps and the pump interval is 50 km. The total dispersion D of the waveguide is 0.67 ps / nm-km. The intensity spike 28 is a lossless case, indicating no soliton-soliton collision for about 120 km. The maximum pulse intensity curves versus soliton path lengths 26 and 24 again exhibit greater oscillations in the case of the higher intensity envelope 24. The substructure of curve 24 begins to distort the soliton time interval with a path length of about 180 km. The structures apparent in the lower intensity envelope curve 26 will not begin to introduce data errors up to path lengths much greater than 250 km. Thus, at wider soliton pulses and wider pump spacing, a lower intensity envelope provides error-free transmission at longer distances. The time variation of the soliton pulse at a selected distance along the waveguide is shown in FIG. 3b. The first pulse interval in each intensity envelope is shown as a series of lower envelope soliton pulses 33 and higher envelope soliton pulses 36. Note the time error that occurs at 200 km of the 5.2 dB intensity envelope in pulse train 34. In contrast, as shown by pulse trains 35 and 31, up to longer path lengths of 400 km or more, no error occurs in the case of a 3 dB intensity envelope. The intensity per kilometer required to achieve waveguide transparency with respect to input signal intensity is shown in FIG. Here, curve 54 relates to a waveguide length of 49 km, curve 56 relates to a length of 55 km, curve 58 relates to a length of 50 km, and curve 60 relates to a fiber length of 154 km. This chart shows that the required pump strength is achieved in the operating region of a typical soliton system, even when the soliton input strength is typically above 0 dBm, where the curve sharply sharpens. For example, a 154km link operating with an input signal strength of about 5dB and having an Er3 ⁺ concentration in the range of 20 to 200ppb would require a total pump strength of about 60mW with current technology. As described above, an object of the present invention is to provide a distributed optical amplifier for communication using soliton, which reduces the effect of the soliton-soliton interaction by guiding an optimal envelope to the soliton intensity. The provision of an amplifier. An optimized procedure has been found in which both the pulse intensity oscillation and the soliton-soliton interaction are maintained under control. While certain embodiments of the invention have been disclosed and described, as described above, the invention is nevertheless limited only by the following claims.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｂ 10/18 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，Ａ Ｕ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ， ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，Ｔ Ｊ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. ⁷ Identification symbol FI Theme court ゛ (Reference) H04B 10/18 (81) Designated country EP (AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), AL, AM, AT, AU, AZ, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CZ, DE, DK , EE, ES, FI, GB, GE, HU, ID, IL, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, AZ, N

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １． 有限の長さと、正味正の全分散Ｄと、外周クラッド層に接するコア領域と 、を有する光導波路ファイバであって、前記コア領域は基底状態であって且つ前 記導波路ファイバの全長に亘って分布されたエルビウムを含む光導波路ファイバ と、 ポンプ光を与えて、前記エルビウムを前記基底状態よりも上のエネルギー 状態に励起する光ポンピング手段と、 前記導波路ファイバにポンプ光及びソリトンパルスを注入するカップリン グ手段と、からなる分布型エルビウム添加光導波路ファイバ増幅器であって、 前記分布型導波路ファイバ増幅器は、約+3.0dBから+5.2dBの範囲に各ソリ トンの強度最大値を有する包絡線を生じ、規定化されたユニットにおいて１次の 値を有する参照基本ソリトン強度に関して、自己位相変調が群速度分散Ｄと釣り 合っていることを特徴とする分布型エルビウム添加光導波路ファイバ増幅器。 ２． 前記エルビウムは実質的に均一に前記光導波路ファイバに沿って分布し、 Er³⁺濃度が約20ppbから200ppbの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の光 導波路ファイバ増幅器。 ３． ポンプ光が前記導波路ファイバの全長に亘って光学的に透明となるように 選択される強度レベルを有すること を特徴とする請求項１記載の光導波路ファイバ増幅器。 ４． ポンプ光が一方向に前記導波路ファイバを伝播することを特徴とする請 求項１記載の光導波路ファイバ増幅器。 ５． 基底状態のエルビウムと、有限長さであって正味正の全分散Ｄを有し且つ 外周クラッド層に接するコア領域とを有する光導波路ファイバであって、前記コ ア領域が前記エルビウムを前記光導波路ファイバの全長に亘って分布する少なく とも１つのエルビウム添加光導波路ファイバと、 あらかじめ選択された入力強度を有し、前記エルビウム添加光導波路に結 合されて前記エルビウムを基底状態よりも上のエネルギー状態に励起する光ポン ピング手段と、 前記エルビウム添加光導波路を伝搬する複数のソリトンを発生させる手段 と、からなる光導波通信システムであって、 各ソリトンの最大強度における包絡線は約+3.0dBから+5.2dBの範囲にあっ て、規定化されたユニットにおいて１次の値を有する参照基本ソリトン強度に関 して、自己位相変調が群速度分散Ｄと釣り合っていることを特徴とする光導波路 通信システム。 ６． 前記光ポンピング手段は前記導波路ファイバの長さ方向に沿って離間され て配され、前記光ポンピング手段の予め選択された強度が隣接するポンピング手 段間において 導波路長さの光学的透明性を与えることを特徴とする請求項５記載の光導波路通 信システム。 ７． 前記ポンピング手段からの光が一方向に前記導波路ファイバを伝播するこ とを特徴とする請求項６記載の光導波路通信システム。 ８． 前記光ポンピング手段間の間隔が約20kmから90kmの範囲であることを特 徴とする請求項７記載の光導波路通信システム。 ９． 前記ソリトンパルスは、ソリトンの時間幅の約５倍よりも大きくない時間 間隔を有していることを特徴とする請求項５記載の光導波路通信システム。 10． 前記ソリトン時間幅は、約１psであることを特徴とする請求項９記載の光 導波路通信システム。 11． ビットエラー率が、90kmのポンピング手段において約10^-9よりも大きくな いことを特徴とする請求項10記載の光導波路通信システム。 12． ソリトン‐ソリトン相互作用が約10^-9よりも大きい伝送エラー率を引き起 こす前にソリトンが通過するシステムの全長は、30kmから500kmであることを特 徴とする請求項９記載の光導波路通信システム。[Claims] 1. An optical waveguide fiber having a finite length, a net positive total dispersion D, and a core region in contact with an outer cladding layer, wherein the core region is in a ground state and extends over the entire length of the waveguide fiber. An optical waveguide fiber containing distributed erbium; an optical pumping means for supplying pump light to excite the erbium to an energy state higher than the ground state; and injecting a pump light and a soliton pulse into the waveguide fiber. A distributed erbium-doped optical fiber amplifier comprising: a coupling means; and the distributed waveguide fiber amplifier comprises an envelope having a maximum intensity of each soliton in a range of about +3.0 dB to +5.2 dB. The resulting self-phase modulation is balanced with the group velocity dispersion D with respect to the reference elementary soliton intensity having the first order value in the specified unit. Distributed erbium doped optical waveguide fiber amplifier, characterized in that. 2. The optical waveguide fiber amplifier according to claim 1, wherein said erbium is substantially uniformly distributed along said optical waveguide fiber and has an Er3 ⁺ concentration in a range of about 20 ppb to 200 ppb. 3. 2. The optical waveguide fiber amplifier according to claim 1, wherein the pump light has an intensity level selected to be optically transparent over the entire length of the waveguide fiber. 4. The optical waveguide fiber amplifier according to claim 1, wherein pump light propagates in the waveguide fiber in one direction. 5. An optical waveguide fiber having ground state erbium and a core region having a finite length and a net positive total dispersion D and contacting an outer cladding layer, wherein the core region includes the erbium and the optical waveguide fiber. At least one erbium-doped optical waveguide fiber distributed over the entire length of the erbium-doped optical waveguide and coupled to the erbium-doped optical waveguide to excite the erbium to an energy state above a ground state Optical pumping means, and means for generating a plurality of solitons propagating in the erbium-doped optical waveguide, wherein the envelope at the maximum intensity of each soliton is about +3.0 dB to +5.2 dB. Self-phase modulation with respect to a reference elementary soliton intensity in the range and having a first order value in the specified unit An optical waveguide communication system, characterized in that are commensurate with the group velocity dispersion D. 6. The optical pumping means is spaced apart along the length of the waveguide fiber, and a preselected intensity of the optical pumping means provides optical transparency of the waveguide length between adjacent pumping means. The optical waveguide communication system according to claim 5, wherein: 7. 7. The optical waveguide communication system according to claim 6, wherein light from said pumping means propagates in said waveguide fiber in one direction. 8. 8. The optical waveguide communication system according to claim 7, wherein an interval between said optical pumping means is in a range of about 20 km to 90 km. 9. The optical waveguide communication system according to claim 5, wherein the soliton pulse has a time interval that is not more than about 5 times the time width of the soliton. Ten. The optical waveguide communication system according to claim 9, wherein the soliton time width is about 1 ps. 11． ^11. The optical waveguide communication system according to claim 10, wherein the bit error rate is not greater than about ^{10-9 at the} 90 km pumping means. 12． 10. The optical waveguide communication system according to claim 9, wherein the total length of the system through which the soliton passes before the soliton-soliton interaction causes a transmission error rate greater than about ^10-9 is between 30km and 500km.