JP3495036B2 - 波長分散を補償した光通信システム及び該システムに適用可能な位相共役光発生装置 - Google Patents
波長分散を補償した光通信システム及び該システムに適用可能な位相共役光発生装置Info
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Description
共役光学の光通信システムへの適用に関し、さらに詳し
くは、波長分散を補償した光通信システム及び該システ
ムに適用可能な位相共役光発生装置に関する。
を有する光コンポーネントを用いて構築されており、シ
ンプルではあるが、特性や機能に制限がある。特に最近
においては、数百km〜数千kmにも及ぶ無中継システ
ム或いは光増幅中継システムが実現されつつあり、しか
もその伝送速度は数Gb/s〜数十Gb/sにも及ぶ高
速なものである。また、極めて線形性の良好な光変調器
を備えたアナログ光通信システムも実用化されつつあ
る。
波長分散の影響は、最も重大で且つ深刻な問題の一つで
ある。光伝送路において生じる波長分散は、伝送特性を
劣化させ、延いては伝送距離に制限が生じる。このた
め、波長分散を補償した光通信システムが要望されてい
る。
光伝送路として使用される光ファイバの分散をできるだ
け小さく抑えることである。例えば、波長1.3μm帯
及び/又は波長1.55μm帯でほぼ零分散になる光フ
ァイバが実現されている。
(動的波長変動)をできるだけ小さく抑えるために、送
信用光源を直接変調せずに、光源からの定常光を光変調
器により外部変調するシステムの検討も進められてい
る。優れた変調特性を有する光変調器として、LiNb
O3マッハツェンダ型光変調器が開発されている。
グを与えておき、伝送路の波長分散により補償する方法
や、受信機において非線形光フィルタを用いることや光
信号を電気信号に変換した後に分散補償を行うことが原
理的に可能であり、精力的に研究が進められている。
能性については、文献(A. Yariv, D. Fekete, and D.
M. Pepper, "Compensation for channel dispersion by
non-linear optical phase conjugation," Opt. Let
t., vol. 4, pp.52-54, 1979.)に示されている。
分散を補償した新規な光通信システムを提供することで
ある。
能な新規な位相共役光発生装置を提供することである。
と、信号光を伝送する第1の光伝送路と、該第1の光伝
送路から供給された上記信号光を受け、該信号光に対す
る位相共役光を発生する位相共役光発生手段と、該位相
共役光発生手段から供給された上記位相共役光を受け、
該位相共役光を伝送する第2の光伝送路とを備え、上記
位相共役光発生手段は、非線形光学媒質と、励起光を出
力する励起光源と、該励起光源から供給された上記励起
光を上記信号光とともに上記非線形光学媒質に供給する
信号光/励起光供給手段とを含む光通信システムが提供
される。
た信号光に対する位相共役光を発生する位相共役光発生
装置であって、非線形光学媒質と、励起光を出力する励
起光源と、該励起光及び上記信号光を受け、該励起光及
び該信号光を上記非線形光学媒質に供給する信号光/励
起光供給手段とを備え、上記信号光は第1の光パルスで
あり、上記励起光は該第1の光パルスに同期した第2の
光パルスであり、上記励起光源が該第2の光パルスを出
力するように該励起光源を駆動する駆動手段をさらに備
えた位相共役光発生装置が提供される。
手段を上述のように構成したので、第1の光伝送路から
供給された信号光に対する位相共役光を発生しこれを第
2の光伝送路により伝送することで、位相共役光が有す
る時間反転の性質の結果、波長分散が補償される。
れぞれ第1及び第2のシングルモード光ファイバであ
る。この場合、第1のシングルモード光ファイバで生じ
る波長分散と第2のシングルモード光ファイバで生じる
波長分散とがほぼ等しくなるようにしておくことによっ
て、システム全体での波長分散の影響をほぼ零にするこ
とができ、波長分散の補償を極めて効果的に行うことが
できる。
波長分散と第2のシングルモード光ファイバで生じる波
長分散とが異なる場合にも、システム全体での波長分散
は、第1のシングルモード光ファイバで生じる波長分散
及び第2のシングルモード光ファイバで生じる波長分散
のいずれよりも小さくなり、こうして波長分散が補償さ
れる。
質の具体例としては、TiBaO3,LiNbO3等の結
晶媒質或いは各種半導体さらには光ファイバ等があげら
れる。
は、光伝送路との整合性から、非線形光学媒質としては
光ファイバが最適である。この場合において、信号光の
波長と励起光の波長をわずかに異ならせて非縮退型の4
光波混合を生じさせるときには、光ファイバの零分散を
与える波長を励起光の波長に一致させておくことが望ま
しい。
において、信号光の波数ベクトルの大きさをアイドラ光
(位相共役光)の波数ベクトルの大きさにほぼ一致させ
ることができ、結果として理想的な位相整合が可能にな
る。
同期した光パルスからなる励起光を用いることによっ
て、波形整形或いはリタイミングされた光パルスからな
る位相共役光を出力させることができる。その具体的な
原理については後述する。
参照して詳細に説明する。
を示すブロック図である。光送信機1は、入力信号に基
づいて変調された信号光を光伝送路2に供給する。変調
方式は、例えば、コヒーレントな光若しくはコヒーレン
トでない光に対する強度変調又はコヒーレントな光に対
する振幅変調若しくは角度変調である。
相共役光発生手段3に供給される。位相共役光発生手段
3は、受けた信号光に対する位相共役光を発生する。
生した位相共役光を伝送して光受信機5に供給する。光
受信機5は、供給された位相共役光に基づいて、光送信
機1における入力信号に対応した復調信号を再生する。
送信機1における変調方式が強度変調である場合には、
フォトダイオード等の受光器を用いた直接検波が適して
おり、光送信機1における変調方式がコヒーレント光に
対する振幅変調又は角度変調である場合には、フォトダ
イオード等の受光器とローカル光とを用いたヘテロダイ
ン検波又はホモダイン検波が適している。
6と、励起光を出力する励起光源7と、励起光源7から
供給された励起光を光伝送路2から供給された信号光と
ともに非線形光学媒質6に供給する信号光/励起光供給
手段8とを含む。
形光学効果を呈するもので、3次の非線形光学効果が生
じている場合には、非線形光学媒質6においては、縮退
型又は非縮退型の4光波混合等により位相共役光が発生
する。
に生じる例えば石英系の光ファイバであり、この場合、
本発明の実施により波長分散が補償される。光伝送路2
で生じる波長分散が光ファイバ4で生じる波長分散にほ
ぼ等しい場合、本発明の実施により効果的に波長分散を
補償することができる。光伝送路2及び4が特にモード
分散のないシングルモード光ファイバである場合、本発
明による波長分散の補償は極めて効果的である。
ま、+z方向に進行するプローブ光(変調されていない
信号光に相当)が平面波として次の式で表されるものと
する。
は空間座標ベクトル、ωSはプローブ光の(角)周波
数、tは時間、kSは波数ベクトルの大きさを表し、
c.c.はその直前の項の複素共役をとることを意味す
る。但し、波数ベクトルの大きさk Sは、光路の屈折率
をn、真空中の光速をcとすると、kS=ωSn/cで与
えられる。このとき、(1) 式で表される光の位相共役光
は、次の(2A)式及び(2B)式で表される。
反射型位相共役光を表し、(2B)式は+z方向の進行波で
ある透過型位相共役光を表す。(1) 式及び(2A)式より明
らかなように、反射型位相共役光については、
をもつことがわかる。また、透過型位相共役光について
は、横方向の空間座標成分について時間反転の性質を持
つ。
で受ける線形の位相歪み(例えば波長分散の影響)や偏
波変動等の位相揺らぎを補償可能である。
を説明する。
光伝送路2に供給される信号光をE S1、光伝送路2から
位相共役光発生手段3に供給される信号光をES2、位相
共役光発生手段3から光伝送路4に供給される位相共役
光をEC1、光伝送路4から光受信機5に供給される位相
共役光をEC2とする。また、光伝送路2及び4の長さを
それぞれL1及びL2とする。このとき、送信信号をS
(t)とし、そのフーリエ変換をF(Ω)とすると、
べて十分に小さい値を持つものとする(Ω≪ωS)。光
伝送路2の伝搬定数をβ(ω)として、次のようにωS
に関してテーラー展開する。
供給される信号光ES2は、Ωに関する2次までの近似に
おいて次式で与えられる。
群速度vg及び群速度分散(GVD)はそれぞれ次の
(8), (9)式により与えられる。
光の位相共役光への変換効率をT(Ω)、位相変位をφ
(Ω)とすると、位相共役光発生手段3から光伝送路4
に供給される信号光EC1は次のように表される。
としてωSに関してテーラー展開すると次の式が得られ
る。
送路4から光受信機5に供給される位相共役光EC2を求
めると次の式が得られる。
4における遅延の和(∂β(ωS)/∂ω)L1+(∂
β′(ωC)/∂ω)L2で与えられ、信号光が光伝送路
2を伝搬するときの分散と位相共役光が光伝送路4を伝
搬するときの分散とが、次の式の条件が満足されるとき
に相殺されることがわかる。
特性が同じである場合には、光伝送路2の長さを光伝送
路4の長さと等しくすることによって、分散の効果的な
補償が可能である。また、光伝送路2及び4の分散特性
が異なる場合には、(13)式を満足するように各光伝送路
2及び4の長さを設定することによって、分散の効果的
な補償が可能である。
光及び位相共役光の周波数が異なる非縮退型4光波混合
により位相共役光を得る場合についてのものであるが、
信号光の周波数と励起光の周波数が一致する縮退型4光
波混合プロセスにより位相共役光が発生する場合におい
ても、同じように分散の補償が可能である。この場合ω
S=ωCとすればよい。
原理の説明図である。位相共役光の発生には、4光波混
合、特に前方4光波混合を用いるのが望ましい。
るように、高い強度の励起光EP(周波数ωP)によりも
たらされる3次の非線形光学プロセス、具体的には、励
起光の一部と信号光の相互作用により形成される物質励
起波による残りの励起光の自己回折効果により、周波数
ωS、波数kSの信号光ESから、周波数ωS、波数k Sの
信号光ES´と、周波数ωI、波数kIのアイドラ光EI´
が発生する。
ωP、波数kPの励起光EPを信号光と同じ方向から非線
形光学媒質11に供給する場合には、kI=2kP−kS
となるから、アイドラ光は入射方向と同じ方向に出力さ
れる。
係が成り立つ。
の周波数配置を図3に示す。周波数軸上において、信号
光及びアイドラ光は励起光を中心として対称の位置にあ
ることがわかる。図中Δω=|ωP−ωS|=|ωP−ωI
|は、信号光及びアイドラ光と励起光との周波数差を表
す。
作用長をLとすれば、生成方程式は次のように与えられ
る。
質11の屈折率及び3次の非線形定数を表す。また、<
χ(3)>は非線形定数χ(3)の全ての偏波状態についての
平均を表す。ここでは、位相整合が成り立っている(|
δk|=|2kP−kS−kI|=0)とした。
合(EI=0)を考えると、出力アイドラ光EI´が入力
信号光ESの位相共役光になっていることが明らかであ
る。また、信号光及びアイドラ光に対する利得GS及び
GIは、
用いた位相共役光の発生においては、信号の増幅も同時
に実現されることがわかる。従って、波長分散の補償の
みならず信号の減衰に対する補償も可能になり、高性能
な光中継器の実現が可能になる。
実施例を示すブロック図である。図1の非線形光学媒質
6、励起光源7及び信号光/励起光供給手段8にそれぞ
れ対応する光ファイバ21、レーザダイオード22及び
光カプラ23が用いられる。
望ましくはシングルモード光ファイバである。この場合
において、信号光の波長と励起光の波長をわずかに異な
らせて非縮退型の4光波混合を生じさせるときには、光
ファイバ21の零分散を与える波長が励起光の波長(レ
ーザダイオード22の発振波長)に一致するようにして
おく。
B,23C及び23Dを有している。ポート23Aには
図1の光伝送路2が接続され、ポート23Bにはレーザ
ダイオード22が接続され、ポート23Cには光ファイ
バ21の第1端が接続され、ポート23Dはデッドエン
ドにされる。光ファイバ21の第2端は図1の光伝送路
4に接続される。
は、動作的な接続を意味し、光学的に直接接続される場
合を含み、さらに、光フィルタや光アイソレータ等の光
デバイスを介して接続される場合や偏光状態を適当に調
整した上で接続される場合を含む。
A及び23Bに供給された光をポート23Cから出力す
るように機能し、この光カプラ23としては、例えば、
ファイバ融着型のもの、ハーフミラー、光合波器、偏光
ビームスプリッタ等が使用される。
のポート23Aに供給された信号光とポート23Bに供
給されたレーザダイオード22からの励起光とをともに
非線形光学媒質である光ファイバ21に導波させること
ができるので、4光波混合により透過型の位相共役光を
発生することができ、この位相共役光を図1の光伝送路
4に供給することができる。
実施例を示すブロック図である。この実施例は、図4の
位相共役光発生手段の第1実施例と対比して、光ファイ
バ21内で発生した位相共役光を、光バンドパスフィル
タ31及び光増幅器32をこの順に介して図1の光伝送
路4に供給している点で特徴付けられる。
る。光増幅器32の一つの構成例は、Er等の希土類元
素がドープされたドープファイバと、励起光を出力する
励起光源と、この励起光を増幅すべき光とともにドープ
ファイバに供給する手段とを含む。
起光、雑音光等の不所望な光を除去するためのものであ
る。このような不要な光を除去することによって、例え
ば、レーザダイオード22からの励起光によって光増幅
器32の動作が飽和されるのを回避することができ、光
ファイバ21内で生じた位相共役光を十分に増幅するこ
とができる。
の励起光の強度は信号光及び位相共役光の強度に比べて
極めて高いので、光バンドパスフィルタ31を用いて励
起光等の不要な光を除去することによって、高強度な励
起光が後段の光伝送路内でさらに非線形光学効果を生じ
させる恐れがない。
不要な光を除去することによって、図1の光受信機5で
受けた位相共役光に基づき復調信号を再生するに際し
て、励起光の存在による復調の困難を排除することがで
きる。
媒質内で効率よく位相共役光を発生させるために、図1
の光伝送路2と光カプラ23のポート23Aの間に光増
幅器及び光バンドパスフィルタをこの順に挿入してもよ
い。
励起光の強度が十分高い場合には、光ファイバ21に供
給された信号光の強度よりも光ファイバ21内で発生す
る位相共役光の強度が高くなることがあるので、このよ
うな増幅作用が生じている場合には、光増幅器32は用
いなくてもよい。
実施例を示すブロック図である。この実施例は、図4の
位相共役光発生手段の第1実施例に対比して、励起光源
としてのレーザダイオード22と光カプラ23のポート
23Bとの間に偏光スクランブラ41を設けている点で
特徴付けられる。
モードには、偏光面が互いに直交する2つの偏光モード
が存在し、各種の外乱の影響によりこれら2つの偏光モ
ードが結合して、結果として、光ファイバの第1端に供
給される光の偏光状態はこの光ファイバの第2端から出
力される光の偏光状態に一致しない。従って、図1の光
伝送路2としてシングルモード光ファイバが用いられて
いる場合には、位相共役光発生手段3に供給される信号
光の偏光状態は、環境変化等によって時間とともに変動
する。
明らかなように、図1の位相共役光発生手段3における
信号光から位相共役光への変換効率は、位相共役光発生
手段3に供給される信号光の偏光状態と励起光の偏光状
態との関係に依存する。
よると、レーザダイオード22からの励起光を偏光スク
ランブラ41を介して信号光と合流させるようにしてい
るので、供給される信号光の偏光状態が時間とともに変
動する場合でも、信号光から位相共役光への変換効率を
一定にして位相共役光発生手段の安定動作を実現するこ
とができる。
び1/4波長板等を用いて通常通り構成され、例えば、
レーザダイオード22から供給される励起光がほぼ直線
偏光である場合には、その偏光面を回転するように機能
する。供給される信号光の偏光状態の環境条件の変化等
に起因する変動は比較的ゆっくりなので、偏光スクラン
ブラ41の動作周波数(例えば偏光面の回転周期の逆
数)を1〜100KHz程度に設定しておくことによっ
て、十分に偏光依存性を排除することができる。
給される励起光に対して偏光スクランブラ41を作用さ
せているが、図1の光伝送路2から光カプラ23のポー
ト23Aに供給される信号光に対して偏光スクランブラ
を作用させるように構成してもよい。また、励起光及び
信号光の双方に対して偏光スクランブラを作用させるよ
うに構成してもよい。
実施例を示すブロック図である。この実施例では、図1
の光伝送路2から供給された信号光を偏光面が互いに直
交する第1及び第2偏光成分に分離する偏光ビームスプ
リッタ51と、偏光ビームスプリッタ51からの第1及
び第2偏光成分に基づいてそれぞれ位相共役光を発生す
る位相共役光発生装置52及び53と、位相共役光発生
装置52及び53からの各位相共役光を合流させる偏光
合成器54とを含む。
スプリッタを用いることができ、この偏光合成器54で
合成された位相共役光は図1の光伝送路4に供給され
る。
は、例えば図4の構成が採用される。
置52及び53に供給される信号光の第1及び第2偏光
成分は共に直線偏光であるから、位相共役光発生装置5
2及び53において、供給された信号光(第1又は第2
偏光成分)の偏光状態を励起光の偏光状態に一致させる
のが容易であり、偏光依存性のない位相共役光発生手段
の実現が可能になる。つまり、図1の光伝送路2から供
給される信号光の偏光状態の変動にかかわらず、一定強
度の位相共役光を光伝送路4に供給することができる。
実施例を示すブロック図である。励起光源としてレーザ
ダイオード22が用いられ、非線形光学媒質6として光
ファイバ21が用いられている点はこれまでの第1乃至
第4実施例と同じである。
形光学媒体である光ファイバ21に双方向に導波させる
ために、信号光/励起光供給手段は、光カプラ61と偏
光ビームスプリッタ62とを含む。
61Cを有し、ポート61A及び61Bに供給された光
をポート61Cから出力する。ポート61Aには図1の
光伝送路2が接続され、ポート61Bには励起光源とし
てのレーザダイオード22が接続される。
A,62B,62C及び62Dを有し、ポート62A及
び62Bに供給された光を直交2偏光成分に偏光分離
し、これらの2偏光成分をそれぞれポート62C及び6
2Dから出力する。また、偏光ビームスプリッタ62
は、ポート62C及び62Dに供給された光を直交2偏
光成分に偏光分離し、これらの2偏光成分をそれぞれポ
ート62A及び62Bから出力する。
1Cが接続され、ポート62Bには図1の光伝送路4が
接続され、ポート62C及び62D間には光ファイバ2
1が接続される。光ファイバ21の途中には、1/4波
長板及び1/2波長板等を用いて通常通り構成される偏
光制御器63が設けられており、この偏光制御器63
は、光ファイバ21に供給された光の偏光状態と光ファ
イバ21から出力する光の偏光状態とが一致するような
制御を行う。
ーザダイオード22からの励起光と合流され、これら信
号光及び励起光は、偏光ビームスプリッタ62で第1偏
光成分とこの第1偏光成分の偏光面に直交する偏光面を
有する第2偏光成分とに分離される。第1及び第2偏光
成分は、それぞれ光ファイバ21を互いに逆方向に伝搬
して、さらにもう一度偏光ビームスプリッタ62を通過
するときに偏光合成されてポート62Bから出力され
る。
光の偏光面は、偏光ビームスプリッタ62で分離される
第1及び第2偏光成分への、レーザダイオード22から
の励起光の分配比が1:1になるように、設定される。
即ち、偏光ビームスプリッタ62のポート62Aに供給
される励起光の偏光面は、第1及び第2偏光成分の偏光
面に対してそれぞれほぼ45°傾斜するように、レーザ
ダイオード22が設定される。
逆方向に導波される信号光の直交2偏光成分に対して、
励起光の直交2偏光成分がそれぞれ一致した偏光面でも
って作用するので、光ファイバ21内で互いに逆方向に
発生した位相共役光を偏光ビームスプリッタ62で合成
してポート62Bから出力したときに、供給された信号
光の偏光状態の変動にかかわらず一定強度の位相共役光
を得ることができる。
実施例を示すブロック図である。この実施例は、図8の
位相共役光発生手段の第5実施例と対比して、光ファイ
バ21として偏光面保存型の定偏波ファイバ21′を用
いている点で特徴付けられる。
21′に供給された光の偏光状態が定偏波ファイバ2
1′から出力される光の偏光状態に一致するように、偏
光ビームスプリッタ62に接続される。この場合、定偏
波ファイバ21′の主軸は、偏光ビームスプリッタ62
で偏光分離される直線偏光の偏光面に平行である。この
実施例によると、図8の偏波制御器63が不要になるの
で、装置の構成を簡単にすることができる。
7実施例を示すブロック図である。非線形光学媒質とし
ての光ファイバ21と、励起光源としてのレーザダイオ
ード22と、偏光ビームスプリッタ62と、偏光制御器
63とが用いられている点は、図8の位相共役光発生手
段の第5実施例と同じである。
て消費されずに残った励起光を発生した位相共役光と分
離するために、図1の信号光/励起光供給手段8は、光
カプラ71と1/2波長板73と偏光ビームスプリッタ
62とを含む。また、励起光を供給するポートと位相共
役光を取り出すポートとを分離するために、信号光/励
起光供給手段は、さらに光サーキュレータ72を含む。
A,72B及び72Cを有し、ポート72Aに供給され
た光をポート72Bから出力し、ポート72Bに供給さ
れた光をポート72Cから出力し、ポート72Cに供給
された光をポート72Aから出力するように機能する。
され、ポート72Cは図1の光伝送路4に接続される。
B,71C及び71Dを有し、ポート71A及び71B
に供給された光を等分配してポート71C及び71Dか
ら出力し、ポート71C及び71Dに供給された光を等
分配してポート71A及び71Bから出力する。光カプ
ラ71としては、例えばハーフミラーやファイバ融着型
のものが用いられる。
としてのレーザダイオード22が接続され、ポート71
Bには光サーキュレータ72のポート72Bが接続さ
れ、ポート71Dは偏光ビームスプリッタ62のポート
62Bに接続される。
71Cと偏光ビームスプリッタ62のポート62Aの間
の光路に挿入され、この1/2波長板73は供給された
光の偏光面を90°回転させる。
ら光カプラ71のポート71Aに供給される励起光の偏
光状態と、レーザダイオード22から光サーキュレータ
72を介して光カプラ71のポート71Bに供給される
信号光の偏光状態とが一致するようにされている。い
ま、これらの励起光及び信号光がそれぞれ紙面に垂直な
偏光面を有する直線偏光であるとしてこの実施例におけ
る動作を説明する。
それぞれ供給された励起光及び信号光は、等分配されて
ポート71C及び71Dから出力する。ポート71Cか
ら出力された信号光及び励起光は、1/2波長板73で
偏光面を90°回転され、紙面に平行な偏光面を有する
直線偏光として偏光ビームスプリッタ62のポート62
Aに供給される。
光は、ポート62Dから光ファイバ21に供給され、光
ファイバ21内で図の反時計回りに伝搬するときに同方
向に位相共役光が発生する。
ト62Cから偏光ビームスプリッタ62に供給されポー
ト62Bから出力する。
光ビームスプリッタ62のポート62Bに供給された信
号光及び励起光は、紙面に垂直な偏光面を有しているの
で、これら信号光及び励起光は、ポート62Dから光フ
ァイバ21に供給され、光ファイバ21内で図中の反時
計回りに伝搬するときに位相共役光が発生する。
ト62Cから偏光ビームスプリッタ62に供給され、ポ
ート62Aから出力される。ポート62Aから1/2波
長板73に供給された位相共役光及び励起光は、偏光面
を90°回転されて紙面に平行な直線偏光として光カプ
ラ71のポート71Cに供給される。
される励起光及び位相共役光と偏光ビームスプリッタ6
2のポート62Bから光カプラ71のポート71Dに供
給される励起光及び位相共役光とは、共に紙面に平行な
偏光面を有しており、且つ、これらが経てきた光路の長
さは完全に一致する。
C及び71Dに供給された励起光及び位相共役光のう
ち、励起光は主としてポート71Aから出力され、位相
共役光は主として71Bから出力される。
た光は、光サーキュレータ72を介して図1の光伝送路
4に供給される。
の光ファイバ21内での位相共役光の発生に際して残留
した励起光と発生した位相共役光とを、光フィルタ(例
えば図5の光バンドパスフィルタ31)を用いることな
しに分離することができる。位相共役光の発生に際して
用いられる励起光の強度は信号光及び発生した位相共役
光の強度に比べて極めて高いので、このような高強度の
励起光を位相共役光と分離する上で、図10の実施例は
有用である。
あるが、周波数分割多重された複数の信号光に対しても
本発明を適用可能である。
ための実験及びその結果を説明する。この実証実験の詳
細については文献(S. Watanabe, T. Naito and T. Chik
ama,"Compensation of Chromatic dispersion in a sin
gle-mode fiber by opticalphase conjugation", IEEE
photon. Technol. Lett., 5, 92-95, 1993.)に示されて
いる。
ブロック図である。信号光源81としては、発振波長λ
S=1546nmで駆動される3電極λ/4シフト型の
DFB−LD(分布帰還型レーザダイオード)が使用さ
れた。
(S. Ogita, Y. Kotaki, M. Matsuda, Y. Kuwahara, H.
Onaka, H. Miyata, and H. Ishikawa,"FM response of
narrow-linewidth, multielectrode λ/4 shift DFB la
ser", IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 2, pp.165-
166, 1990.)に示されている。
sNRZデータ列(PN:27−1)で直接変調され
た。変調方式は連続位相周波数シフトキーイング(CP
FSK)であり、変調指数は0.87に設定された。
光伝送路2に相当するシングルモードファイバ82(損
失:0.23dB/km) に供給された。シングルモー
ドファイバ82の長さL1は80kmであり、波長λSに
おける分散D1は1324ps/nmであった。
れた信号光は、位相共役光発生器83に供給され、ここ
で波長λCが1552nmである位相共役光に変換され
た。発生した位相共役光は、図1の光伝送路4に対応す
るシングルモードファイバ84により伝送され光カプラ
87でローカル光源85から偏光制御器86を介して供
給されたローカル光とともにヘテロダイン受信機88に
供給された。
シングルモードファイバ82のそれと同等であり、その
長さL2は72km、波長λCでの分散D2は1203p
s/nmであった。
ブロック図である。供給された信号光はErドープファ
イバを備えた光増幅器91により増幅され、半値全幅が
3nmである光フィルタ92を通過しさらに偏光制御器
93で偏光状態を制御された後、光カプラ94で励起光
源95からの励起光源と合流された。励起光源95とし
ては、波長λP=1549nmで動作する3電極型のD
FB−LDが用いられた。
が23kmで損失が0.25dB/kmである分散シフ
トファイバ96に供給され、この分散シフトファイバ9
6内においては、非縮退型の前方4光波混合プロセスに
よって、周波数が低い方向に変換された位相共役光が発
生した。
光及び励起光の強度はそれぞれ+6.1dBm及び+
7.4dBmであった。分散シフトファイバ96の零分
散波長は、良好な位相整合を達成するために、λPに一
致する1549nmに設定された。
値全幅が0.7nmの光フィルタ97を通過した後、さ
らに光増幅器98で増幅されて図11のシングルモード
ファイバ84に供給された。
の出力光のスペクトルを示している。Aで示されるピー
クは位相共役光についてのもの、Bで示されるピークは
励起光についてのもの、Cで示されるピークは信号光に
ついてのもの、Dで示されるピークは周波数が高まる方
向に変換された励起光についてのものである。
あって、この値は信号光からの変換効率−25.1dB
に相当している。
される信号光の強度レベルはほぼ一致していた。Aのピ
ークがDのピークに比べて十分高いレベルであったとい
う結果は、励起光の波長を分散シフトファイバ96の零
分散波長に一致させたことで良好な位相整合が達成され
たことを示している。
波長λL=1552nmで駆動される3電極型のDFB
−LDが採用された。また、ヘテロダイン受信機88に
おいては、バランス型の光/電気変換器が使用された。
ヘテロダイン検波信号はフィルタを通過した後遅延型の
復調器により復調された。中間周波信号の中心周波数は
8.7GHzに設定され、位相共役光のビートスペクト
ルの半値全幅は約6MHzであった。
特性を示す図である。黒塗りの三角印は送信光源81か
らの信号光を5mの光伝送路を介して直接受信部に伝送
したときの特性を表し、黒塗りの丸印は送信光源81か
らの信号光を5mの光伝送路と位相共役光発生器83と
を介して受信側に伝送したときの特性を表し、白抜きの
丸印は図11のシステムを動作させたときの特性を表
し、白抜きの三角印は図11のシステムから位相共役光
発生器83を除いて動作させたときの特性を表してい
る。
3を用いなかったときの受信感度は、ビット誤り率10
-9で−42.5dBmであり、信号光の152km(シ
ングルモードファイバ82及び84の長さの和に相当)
の伝送に際しての分散によるパワーペナルティは1.6
dBであった。尚、位相共役光発生器83を用いない場
合の測定に際してのローカル光源85の発振波長は15
46nmであった。
83を用いることにより、パワーペナルティは0.8d
B改善された。
て、位相共役光発生器83未使用時に対して使用時のパ
ワーペナルティが0.6dB劣化しているのは、位相共
役光発生器83において信号対雑音比が劣化しているか
らであると考えられる。
84間の分散の差を考慮すると、以上の実験結果は、位
相共役光発生器83の使用により効果的な分散の補償が
達成されたことを示している。
調されてなる光パルス(複数の光パルスからなるパルス
列を含む。)である場合、波長分散以外の原因によって
パルス波形が歪むことがある。このような例としては、
(1)波長分散と光カー効果の相乗効果による波形歪
み、(2)光増幅多中継伝送における光アンプのASE
雑音の累積によるランダムな位相揺らぎによる波形歪
み、等が顕著なものとして考えられる。以下、こうした
波長分散以外の原因によるパルス波形の歪みにも対処し
得る実施例を説明する。(1)について 光パルスが分散媒質中を伝送する場合を考える。図15
に示したように、チャープしていないパルスが分散媒質
を透過する際、正常分散媒質(∂2β/∂ω2>0)の場
合には、パルスの立ち上がりにおいて低周波側にシフト
し、立ち下がりにおいて高周波側にシフトする(いわゆ
るアップ・チャーピング)。一方、異常分散媒質(∂2
β/∂ω2<0)の場合には、パルスの立ち上がりにお
いて高周波側にシフトし、立ち下がりにおいて低周波側
にシフトする(いわゆるダウン・チャーピング)。そし
て、正常分散媒質においては波長が長い程群速度が速
く、異常分散媒質においては波長が短い程群速度が速い
ため、いずれの場合にもパルス幅は拡がることになる。
効果によって屈折率が
0nは非線形屈折率とよばれる量であり、シリカファイ
バの場合には3.2×10-16cm2/W程度の大きさで
ある。光パルスが光カー効果を受けると、
相互作用長である。これを自己位相変調(Self-phase mo
julation: SPM)と称している。SPMにより光パルスの
立ち上がりにおいては低周波側にシフトし、立ち下がり
においては高周波側にシフトする(アップ・チャーピン
グ)。そのため、この光パルスが分散媒質中で光カー効
果を受けると、正常分散媒質の場合にはパルスが拡散す
るが、異常分散媒質の場合にはパルス圧縮が起きる。
せると、正常分散媒質の場合には大きなパルス拡散が発
生し、異常分散媒質の場合には波長分散によるパルス拡
散とSPMによるパルス圧縮が相殺しあい、どちらか効
果の大きなものが残ることになる。特に、これら2つの
効果をバランスさせたものが光ソリトンである。
るパルス圧縮を加えた方がよいように考えがちである
が、最近光アンプを用いて高いレベルの光パワーで伝送
するようになったことと、分散シフトファイバの開発に
より比較的小さな波長分散値が実現できるようになった
こととから、いちがいにパルス圧縮を加えた方がよいと
も言えなくなってきた。
て大きな波形歪みが発生するのである。特に、NRZパ
ルスの場合には、パルスの立ち上がり、立ち下がり部分
においてのみパルス圧縮がおきるため、急激な波形変化
や、極端な場合には、立ち下がり部分が立ち上がり部分
を追い抜き、パルスが3つに***するようなことも起き
る。この様子を図16に示す。
ると考えられる。図17の構成において考える(ここで
は伝送路は異常分散媒質とした)。構成は図1の基本構
成と同じである。ここで、PCは位相共役光発生装置を
表す。ただし、波長分散のみの補償では、2つの伝送路
の全分散値を等しくするだけでよかったが、SPMの効
果も補償するためには、伝送路の非線形屈折率の値や光
パワーの値を制御することが望ましい。このとき、信号
光と位相共役光のスペクトルが反転することから、分散
による波形歪みもSPMによる波形歪みも補償されるこ
とになる。波長分散の補償条件は(13)式であり、SPM
の補償条件は、以下の考察から明らかになる。
て、光カー効果により生じる項を考慮すると、(6),(7),
(10),(11),(12)式は、それぞれ次に示すように(6′),
(7′),(10 ′), (11′), (12′) 式に変形される。
くて無視することができる場合には、前述の(13)式の条
件が満足されるときに波長分散が補償されるのである。
できない場合には、波長分散と光カー効果の非線形作用
によりパルスの形状が歪む。このパルス形状の歪は、
(20の4)式におけるΦ1(Ω,L1)と (20の5)式におけ
るΦ2(Ω,L2)を等しくすることにより補償すること
ができる。ここでは、最も簡単な近似として、各々の影
響を独立に補償することを考える。
と同様であり、光カー効果による影響は、以下の条件が
なりたてば補償されることになる。
路2に対応)及び第2の光ファイバ(図1の光伝送路4
に対応)の損失係数をそれぞれα1及びα2とすると、
9)式で与えられる。
光の平均パワーを表し、PCは第2の光ファイバ内での
位相共役光の平均パワーを表す。即ち、PS及びPCは次
の (20の10) 式及び (20の11) 式で与えられる。
を補償した上で、第1の光ファイバにおける非線形屈折
率と平均パワーと光周波数とファイバ長との積を第2の
光ファイバにおける非線形屈折率と平均パワーと光周波
数とファイバ長との積に等しく設定しておくことによ
り、光カー効果によるパルス歪の補償も可能になる。
ぞれ第1及び第2の光ファイバの非線形屈折率を表し、
Aeffは光ファイバの有効コア面積を表す。
じ非線形屈折率をもち、信号光と位相共役光の周波数が
等しい(縮退4光波混合:ωS=ωC)場合には、同じ長
さにして、平均パワーを等しくすればよいことになる。
しかし、実際には各パラメータは微妙に異なるし、信号
光と位相共役光の入力波形は異なる(なぜなら位相共役
光は歪んだ波形の線形変換光であるから)ため、各光パ
ルスのピーク・パワーが異なることになり、結果として
光カー効果の大きさが異なり、その補償に限界がでる。
実際には、各パラメータ(特に平均パワーと長さ)を調
整して最適化(波長分散の補償との整合も考慮して)を
行うのが望ましい。
きなパワー変動があるために、PCの前後での光カー効
果に対して時間反転の性質から大きく逸脱してしまい、
結果として補償が不十分となる。このような場合には、
途中にいくつかの光アンプを設置して小さな損失を小さ
な利得で補償し、できるだけ小さなパワー変動に抑える
ようにするのが望ましい。こうすることにより、上記の
平均パワーによる近似に近い条件が達成され、十分な補
償が可能となる。
布定数型の光アンプにより伝送路の損失を補償しながら
伝送する場合には、時間反転条件が成り立つ結果、理想
的な波形歪みの補償が実現できることはいうまでもな
い。
路の途中に設けて中継器として使用しているが、本発明
はこれに限定されない。例えば、PCを受信機の近くに
設けて、プリアンプとして使用してもよい。プリアンプ
は、通常送信機及び受信機から遠方に位置する中継器に
比べて管理が容易である。尚、波長分散及び光カー効果
の影響を補償したシステムの具体例については後述す
る。
れるD値を用いて書き直すと次式が得られる。ここで、
λS及びλCはそれぞれ信号光及び位相共役光の波長であ
る。
光伝送路としてD1=1.8ps/nm/kmの分散シ
フトファイバを用い、これをD2=18ps/nm/k
mの第2の光伝送路により補償することを考える。この
ようなファイバは1550nm帯での分散シフトファイ
バを異常分散領域で用いるとともに、ゼロ分散波長が1
310nm帯のシングルモードファイバを1550nm
で用いることによって容易に実現可能である。この場
合、D2/D1=10であるから、 (20の12)式よりL2は
L1のおよそ1/10倍に設定することになる。すなわ
ち、もしもL1=100kmならばL2=10km、L1
=1000kmならばL2=100kmに設定できる。
このとき、2つのファイバの非線形屈折率がさほど違わ
ないとすれば、第2の光伝送路における位相共役光の平
均光強度を第1の光伝送路における信号光の平均光強度
の約10倍の値に設定することにより、光カー効果によ
る波形歪みの補償が可能になる。
ほぼ等しい場合には、第1及び第2の光伝送路の長さの
違いに応じて、 (20の9)式を満足するように、非線形屈
折率を設定すればよい。非線形屈折率が大きいファイバ
として、カルコゲナイトガラスからなるファイバが知ら
れている。(2)について 信号光が強度変調或いは振幅変調されてなる光パルスで
ある場合に波長分散以外の原因によってパルス波形が歪
む現象は、特に、多数の光増幅器を用いて多段光増幅中
継を行う場合に顕著であり、その対策が要望されてい
る。
システムのブロック図である。光送信機1から出力され
た信号光は、その途中に1つ又は複数の光増幅器101
が挿入された光伝送路2を介して光中継器102に供給
される。光中継器102で波形整形、増幅、タイミング
調整等の処理をなされた信号光は、その途中に1つ又は
複数の光増幅器103が挿入された光伝送路4を介して
光受信機5に伝送される。
(図1参照)を含む場合に波長分散が補償されることは
これまでに説明した通りである。伝送距離が長くなっ
て、図18に示されるように、1つ又は複数の光増幅器
を用いて信号光を伝送する場合、各光増幅器において生
じる自然放出光(ASE)による微小な振幅揺らぎが信
号光に付加され、信号光自らのパワーによる光カー効果
によって生じる位相シフトのランダム化(所謂自己位相
変調(SPM))や、信号光を励起光とする自然放出光
の4光波混合過程を通じて、信号光のスペクトルが拡散
する。その結果がパルス波形の歪みである。
光海底伝送等の長距離伝送システムにおいて盛んに研究
されている。信号光のパワー及び光増幅器の利得を可能
な限り小さくしたり、狭帯域の光フィルタを用いて自然
放出光を低減すること等が提案されているが、有効な解
決策は未だないのが現状である。
相共役光発生装置のブロック図である。非線形光学媒質
6、励起光源7及び信号光/励起光供給手段8が用いら
れている点は、図1の位相共役光発生手段3と同じであ
る。
光が信号光/励起光供給手段8を介して非線形光学媒質
6に供給され、一方、励起光源7は光パルスOP2から
なる励起光を、信号光/励起光供給手段8を介して非線
形光学媒質6に供給する。光パルスOP1とOP2は同
期するようにされている。
P1とOP2が同期するように励起光源7を駆動する駆
動手段111をさらに備えている。
ルスSPを出力するパルスジェネレータ112と、基準
パルスSPを調整された遅延時間だけ遅延させて励起光
源7に供給する可変遅延回路113と、非線形光学媒質
6から出力される位相共役光を第1及び第2の分岐光に
分岐する光分岐回路114と、第1の分岐光を受け、そ
の平均パワーを検出する受光回路115と、受光回路1
15で検出された平均パワーが最大になるように可変遅
延回路113における遅延時間を調整するタイミング回
路116とを含む。
光は光伝送路4(図18等参照)に送出される。第1の
分岐光のパワーは第2の分岐光のパワーに比べて十分小
さくてよい。
いては後述する。
中継器102に適用することによって、波長分散が補償
されるという効果が生じる他、波形整形、リタイミン
グ、増幅等が可能になる。波長分散の補償を効果的に行
うためには、図18のシステムにおいて、光伝送路2に
おける総分散量と光伝送路4における総分散量とがほぼ
等しくなるようにされ、光増幅器101の数と光増幅器
103の数は例えば等しくされる。
信機5を結ぶ光伝送路における光受信機5に近い所に配
置して使用することもできる。この場合、波形改善等を
行った直後に受信することができるので、高性能な前置
増幅器を提供することができる。或いは、図19の装置
は光受信機5に含まれていてもよい。その具体例につい
ては後述する。
1つだけ図示されているが、光送信機1と光受信機5を
結ぶ光伝送路の途中に光中継器を複数設けてもよい。
なされる原理について詳細に説明する。図2の説明並び
に(14)式乃至(20)式から明らかなように、4光波混合に
おいては、励起光EPと信号光ESが非線形光学媒質中で
相互作用する結果、EPES *に比例した物質励起波がで
き、これによりさらに励起光EPがkI=2kP−kSの方
向に自己回折されてアイドラ光(位相共役光)EIが生
じる。結果として、アイドラ光EIの複素振幅AI(t)
は次式で与えられる。
ぞれ励起光パルスの複素振幅を表す。励起光パルスの複
素振幅が2つあるのは、励起光の作用が2光子過程に相
当するからである。つまり、励起光は4光波混合過程に
おいて2光波に相当する。
信号光パルスと励起光パルスの重なり領域で発生してい
ることがわかる。発生するアイドラ光パルス(位相共役
光パルス)II(t)は次式で与えられる。
t1及びt2は励起光パルスの信号光パルスに対する時間
ずれを表す。励起光源が1つである場合には、t1及び
t2は等しい値をとるが、2つの励起光源を用いる場合
を含む一般形においては、t1及びt2は必ずしも一致し
ない。
形光学媒質の応答時間よりも十分に長い場合を想定して
いる。この場合、物質系からの応答は十分に得られ、光
波と媒質との非線形相互作用による分極は定常値に達す
る。
プローブ光(信号光)のパルス幅と等しいか、それより
も短くなる。また、励起光パルスが対称形である場合に
は、供給された信号光のパルス波形が対称形でないとし
ても、発生する位相共役光のパルス波形は対称形に近づ
く。
WHM)がTSの信号光とパルス幅がTPである矩形波の
励起光パルスとによる4光波混合を考える。但し、各パ
ルスの中心は時間的に一致している(t1=t2=0)と
する。このとき、(22)式より次式が得られる。
間ずれを表す。また、簡単のため励起パルスの強度は規
格化した。
ルス幅にほぼ等しいか或いはそれよりも大きい場合にお
ける各光パルスの波形図である。同図において、(A)
は信号光パルス、(B)は励起光パルス、(C)は位相
共役光パルスを表す。
ぼ等しい場合には、発生した位相共役光のパルス形状は
供給された信号光のパルス形状にほぼ一致する。尚、励
起光のパルス幅が信号光のパルス幅よりも大きい場合に
も、位相共役光のパルス形状は信号光のパルス形状にほ
ぼ一致する。
ス幅よりも小さい場合の各波形図を表す。同図におい
て、(A)は信号光パルス、(B)は励起光パルス、
(C)は位相共役光パルスを表す。
も小さい場合には、発生する位相共役光パルスの形状は
その幅が励起光のパルス幅により制限されたものにな
る。従って、信号光に基づき位相共役光を発生させると
きに、パルス幅を減少させて波形整形を行うことができ
る。
使用する励起光のパルス形状が単純な矩形波であるとし
たが、本発明はこれに限定されず、任意パルス波形の励
起光を用いて信号光に対する波形整形を行うことができ
る。
ス波形整形を行う場合、非線形光学媒質に供給される信
号光に対して、供給する励起光を同期させることが要求
される。この同期を行うための駆動手段111(図19
参照)の動作の具体例を説明する。
パルスSPは、可変遅延回路113により、調整された
遅延量だけ遅延されて、タイミングを調整された基準パ
ルスSP′となって励起光源7に供給される。励起光源
7は、例えばレーザダイオードを用いて構成され、供給
された遅延パルスに同期した励起光パルスOP2を出力
する。
2が非線形光学媒質6に供給されると、信号光パルスO
P1と励起光パルスOP2とが時間軸上で重なり合って
いるときに位相共役光パルスPCが非線形光学媒質6か
ら出力される。
光パルスPCは、その一部を光分岐回路114で分岐さ
れ、その分岐光の平均パワーは受光回路115によって
検出される。
とが完全に同期したときに、受光回路115で検出され
る平均パワーが最大になる。従って、受光回路115で
検出される平均パワーが最大になるように、タイミング
回路116が可変遅延回路113における基準パルスS
Pのタイミングを調整することによって、信号光パルス
OP1と励起光パルスOP2を同期させることができ
る。
の具体例としては、供給された信号光パルスからクロッ
ク成分を抽出し、このクロック成分に基づき励起光源7
を駆動するように構成されるものがある。
ある場合には、パルス間の相互作用によりパルス間隔が
変動し、クロック抽出が困難になる場合があるので、こ
のような場合には、図19に示される駆動手段111の
具体例が適している。
光の符号形式(コード)がNRZコードである場合の各
光パルスの波形図である。図18の光増幅中継システム
における光中継器102は、図19の位相共役光発生装
置を有しているものとする。
送出される送信信号光パルス、(B)は光中継器102
が受ける伝送信号光パルス、(C)は光中継器102に
おいて供給される励起光パルス、(D)は光中継器10
2から送出される位相共役光パルスのそれぞれの波形を
表している。
=1/B)のNRZパルスである場合には、同じビット
レートでパルス幅T′(T′<T)の全オンRZパルス
からなる励起光パルスを用いることにより、生成される
位相共役光パルスのパルス幅T″をTよりも細くするこ
とができる。
号光パルスのパルス幅が波長分散やSPMの影響により
送信信号光パルスに対比して拡がっている場合には、
T″≒1/Bとなるように波形整形が可能である。ま
た、多くの場合、伝送信号光パルスのタイミングも微妙
にずれているが、このずれも図22の波形整形過程にお
いて修正される。
各光パルスの波形図である。図23の(A)〜(D)は
それぞれ図22の(A)〜(D)に対応している。
Zパルスである場合には、同じビットレートでパルス幅
T′(T′≦T)の全オンRZパルスからなる励起光パ
ルスを用いることにより、位相共役光パルスのパルス幅
T″をTよりも小さくすることができる。
やSPMの影響により送信信号光パルスにおける当初の
設定値d/B(dデューティ比)よりも拡がっている場
合には、この方法によりT″≒d/Bとなるように波形
整形が可能である。
効果について考える。まず第1に、波形整形によりSN
比が改善される。コヒーレント光を用いた光通信におい
ては、損失を受けても量子雑音によって決まるSN比
(所謂ショット雑音限界)は保存されるので、受信機で
検波した際の送信信号に対するSN比の低下は、主とし
て、光伝送路における付加雑音若しくは隣接パルス間の
干渉又は受信機における熱雑音によってもたらされる。
が放出するASE雑音が最も大きい。また、隣接パルス
間の干渉は、波長分散やSPMによる波形歪みが主な原
因である。
ていることがあるので、これによる雑音の累積は増加す
る。しかしながら、位相共役光発生装置において波形整
形を行うことにより、隣接パルス間の干渉雑音を減らす
ことが可能になるので、結果としてSN比を回復可能で
ある。この様子を図24に示す。
て、(A)は波形劣化した伝送信号光パルスの波形図、
(B)は波形整形された位相共役光パルスの波形図を表
している。波形整形によって干渉雑音を除去可能である
ことがわかる。
送信号光パルスの時間軸上の揺らぎを補正して、リタイ
ミングされた位相共役光パルスを生成することができ
る。従って、この位相共役光パルスを受信側に伝送した
ときに、受信に際しての位相余裕を大きくすることがで
きる。
信の研究が盛んになされている。光ソリトン通信の場合
にも、信号光は自らの電界の2乗に比例する位相シフト
を受けるが、光増幅中継する場合には、光増幅器のAS
Eによるランダムな強度変調によるランダムな位相変調
により、パルスのランダムな群速度揺らぎが発生し、こ
れにより受信パルスのタイミングずれが生じ、伝送特性
が劣化する。
限界はGordon-Haus 限界と呼ばれ、光ソリトン通信の限
界を与えるものとなっている。これを克服するための各
種の方策が検討されているが、いずれもトリッキーなも
のであり、実現にはほど遠い。
ように、パルスのタイミングを補正することができるの
で、この原理を用いてGordon-Haus 限界を越える伝送を
実現することができる。これを図25により説明する。
合の各光パルスの波形図である。(A)は送信信号光パ
ルス、(B)は伝送信号光パルス、(C)は励起光パル
ス、(D)は位相共役光パルス、(E)は出力一定化パ
ルスにそれぞれ対応する。
トレートBのソリトンパルスであるとする。この信号光
が伝送された結果、ビットレートがB+ΔBであるよう
にタイミングが揺らいでいる場合、同じビットレートB
の全オンRZパルスからなる励起光パルスを用いること
によって、タイミング揺らぎがΔBよりも小さなソリト
ンパルスからなる位相共役光パルスを生成可能である。
高は、信号光パルスと励起光パルスのタイミングずれに
依存するので、位相共役光パルスの波高のばらつき(図
25の(D)参照)を補償するために、出力一定光増幅
器を用いるのがよい。
和領域にあるファイバ型光増幅器があげられる。或い
は、応答速度の速い半導体型光増幅器の駆動電流へのフ
ィードバックを行うことにより、光増幅器出力が一定に
なるようにしてもよい。さらに、過飽和吸収体と線形光
増幅器を組み合わせたり非線形光学効果を用いて出力一
定光増幅器を構成してもよい。
適した改良例を示すブロック図である。光中継器10
2′に図16の位相共役光発生装置が適用される点につ
いては図18のシステムと同じであるが、この例では、
励起光源として、遠隔地に設置されたソリトン光源12
1を用いている。
光パルスはできるだけ形がきれいで高いパワーであるこ
とが望ましい。ところが、図18及び図26に示される
ように、多段の光増幅中継を行う場合には、光中継器を
人が容易に近づくことができない場所(例えば山奥や海
中)に設置されることが多いので、光中継器についての
監視が要求される。
るだけ簡素にしたいという基本的な要求もある。こうし
た観点から、遠隔地に設置された光中継器に本発明の位
相共役光発生装置を適用しようとする場合には、励起光
パルス用の励起光源を遠隔伝送用に構成することが要求
されるのである。
の影響による励起光パルスの波形劣化を防止するため
に、励起光パルスをソリトンパルスにすることが望まし
い。ソリトンパルスは光ファイバの波長分散や位相シフ
トとバランスした形で伝送するので、パルス波形を保存
した状態で光中継器に伝送することができる。
がるので、光ファイバの損失が問題になる程遠距離の伝
送を行う場合には、ソリトン光源121におけるパルス
幅を予め所要のものよりも狭くしておくか、励起光パル
ス伝送用の光伝送路の途中で光増幅器を用いて伝送損失
を補償する等の対策がなされることが望ましい。
文献に開示された公知技術を用いて構成することができ
る。 (1) G. Eisenstein et al., "Active mode-locking cha
racteristics of InGaAsP single mode fiber composit
e cavity lasers", IEEE J. Quantum Electron.,vol. Q
E-22, pp.142-148, 1986. (2) R. S. Tucker et al.,"40 GHz active mode-lockin
g in a 1.5 μm monolithic extended-cavity laser",E
lectron. Lett., vol.25, pp.621-622, 1989. (3) M. C. Wu et al.,"Transform-limited 1.4 ps opti
cal pulses from a monolithic colliding-pulse mode-
locked quantum well laser", Appl. Phys. Lett., vo
l. 57, pp.759-761, 1990. (4) M. Suzuki et al., "Transform-limited 14 ps opt
ical pulse generationwith 15 GHz repetition rate b
y InGaAsP electroabsorption modulator", Electron.
Lett., vol. 28, pp.1007-1008, 1992. (5) K. Iwatsuki et al., "Generation of transform-l
imited gain-switchedDFB-LD pulses < 6 ps with line
ar fiber compression and spectral window",Electro
n. Lett., vol. 27, pp.1981-1982, 1992. (6) K. Smith et al.,"Totally integrated erbium fib
er soliton laser pumped by laser diode", Electron.
Lett., vol. 27, pp.244-246, 1991. (7) D. J. Richardson et al.,"Pulse repetition rate
s in passive, selfstarting, femtsecond soliton fib
er laser", Electron. Lett., vol. 27, pp.1451-1453,
1991. (8) S. V. Chernikov et al., "Tunable source of 4 p
s to 230 fs solitonsat repetition rates from 60-20
0 Gbit/s", OAA'92, Paper PD7, 1992. 本発明の位相共役光発生装置の応用例として、時分割多
重(TDM)された光パルスの分離(DEMUX)への
適用がある。光パルスが高速になるにつれ、実際に変復
調を行うエレクトロニクスの動作速度の限界に近づいて
ゆく。これを打破するための一例として、光TDMと称
される方法が提案されている。この方法では、光デバイ
スの帯域が十分に広いことを利用している。
チャネルの光パルスを、その一方のタイミングを調整し
ながら一つのチャネルに合流させるのである。
ルスOP11は、光カプラ等からなる光マルチプレクサ
134を介して光伝送路2に送出される。他方の信号光
発生器132からの信号光パルスOP12は、遅延時間
が可変な光遅延回路133を通り光マルチプレクサ13
4を介して光伝送路2に送出される。
速度であるとすれば、光遅延回路133における遅延時
間を適切に設定することによって、光伝送路2に送出さ
れる信号光パルスOP13の速度を信号光パルスOP1
1及びOP12の速度の2倍にすることができる。
高速化に適したものであり、この光TDMを繰り返し行
うことにより、原理的には伝送速度の上限はない。
を生成することができたとしても、光受信機において光
パルスの分離(DEMUX)を行い得なければ意味がな
い。本発明の位相共役光発生装置は、このような光パル
スの分離に適用することができる。具体的には次の通り
である。
れた光パルス)の分離に適した光受信機の例を示すブロ
ック図である。例えば図27の光送信機において生成さ
れた高速な信号光パルスOP13は、光カプラ等からな
る信号光/励起光供給手段8を介して非線形光学媒質6
に供給される。
を介して非線形光学媒質6に供給される励起光パルスO
P14は、信号光パルスOP13に対して、多重数(こ
の例では2)の逆数に比例した速度を有している。
らの基準パルスSPに基づいて駆動される点は、図19
の位相共役光発生装置におけるのと同じである。この場
合、基準パルスSPは前述したような励起光パルスOP
14が得られるように速度を調整されている。
パルスを時分割多重してなる信号光パルスOP13の
内、励起光パルスOP14が同期する低速光パルスのみ
について位相共役光パルスPCを生じさせることができ
るので、低速パルスのいずれかを選択的に取り出すこと
ができる。つまり、時分割多重された光パルスの分離が
可能になるのである。
応する位相共役光PCは、光分岐回路114で分岐さ
れ、その分岐光の一方は受信部141に供給されてデー
タが再生される。分岐光の他方は、受光回路115に供
給され、図16で説明した原理に従って、励起光パルス
OP14と信号光パルスOP13における低速光パルス
との同期ずれが生じないように、基準パルスSPのタイ
ミングが調整される。
信号光の偏波状態にかかわらず位相共役光の生成効率を
安定に保つことができる位相共役光発生装置の実施例を
説明する。これらの位相共役光発生装置は、図1のシス
テムにおける位相共役光発生手段3として用いることが
できる他、図19の装置或いは図28の光受信機にも適
用可能である。
を示す図である。信号光/励起光供給手段としては、光
カプラ151が用いられ、非線形光学媒質としては定偏
波ファイバ152が用いられている。供給された信号光
と励起光源7からの励起光は、光カプラ151で合流し
て定偏波ファイバ152に入力する。
面を有する実質的な直線偏波であり、この予め定められ
た偏波面が定偏波ファイバ152の主軸に対してほぼ4
5°傾斜するように励起光源7の配置等が設定される。
波成分を等しく一定に保つことができるので、任意の偏
波状態の信号光に対して位相共役光の生成効率を安定に
保つことができる。
ての定偏波ファイバ152の長さが長くなるのに従っ
て、定偏波ファイバ152の2つの主軸方向の偏波に対
する屈折率のわずかな違いによる位相ずれが生じる可能
性があるので、励起光パワーを高くするか或いは定偏波
ファイバ152の非線形定数を大きくすることによっ
て、短い定偏波ファイバ152で足りるようにすること
が望ましい。
は、定偏波ファイバ152の材料や構造により決定され
る。標準的なファイバにおいては、10mの長さに対し
て約17psのずれが発生する。従って、ビットレート
が60Gb/s程度の信号光に対して1ビットの偏波分
散となって現れる。この場合、実際に伝送可能な信号光
の伝送速度は10Gb/s程度になる。定偏波ファイバ
の長さが長くなればさらに伝送可能な信号光の伝送速度
は低下する。
イバの長さを短くすることなしに高ビットレートの信号
光に対応可能な実施例を説明する。
を示す図である。この実施例は、図29の実施例と対比
して、非線形光学媒質がほぼ同じ長さの2本の定偏波フ
ァイバ152A及び152Bからなる点で特徴付けられ
る。
れらの主軸同士が互いに直交するように接続される。励
起光は予め定められた偏波面を有する実質的な直線偏波
である。実質的な直線偏波を出力する励起光源として
は、例えばレーザダイオードを用いることができる。
は、定偏波ファイバ152Aの第1端に供給される。こ
のとき、励起光の偏波面が定偏波ファイバ152Aの主
軸に対してほぼ45°傾斜するように、励起光源7の配
置が設定される。
ファイバ152Bの第1端に接続される。定偏波ファイ
バ152Bの第2端からは、定偏波ファイバ152A及
び152B内で生じた位相共役光が出力する。
偏波ファイバ152A及び152Bの長さを等しく設定
しているので、定偏波ファイバ152Aで生じた直交2
偏波成分間の位相ずれは定偏波ファイバ152Bにおい
て生じる直交2偏波成分間の位相ずれと相殺され、定偏
波ファイバ152Aと152Bの総長が長い場合でも、
これによって信号光の伝送速度が制限されることがな
い。
果の影響を補償したシステムの具体例について説明す
る。
である。
を示すブロック図である。ここでは、線形光増幅器によ
る光増幅多中継伝送システムにおいて、各中継器間の伝
送路の途中に位相共役光発生装置を置いて、その前後の
ファイバによるパルス歪を補償しながら伝送する構成を
示している。具体的には次の通りである。
途中に、複数の位相共役光発生装置PCと複数の線形光
増幅器LAとを設けている。光伝送路はこの例ではシン
グルモードファイバからなる。
送信機1の側から、シングルモードファイバSMF−m
1と位相共役光発生装置PC−mとシングルモードファ
イバSMF−m2と線形光増幅器LA−mとの組(mは
自然数)をN組この順に設けている。
側のシングルモードファイバSMF−m1の波長分散と
下流側のシングルモードファイバSMF−m2の波長分
散とが同符号で且つほぼ等しい値にしておくことによっ
て、システム全体において波長分散を累積的に補償する
ことができる。
相共役光発生装置PC−mの上流側のシングルモードフ
ァイバSMF−m1における平均光パワーと光周波数と
非線形屈折率と長さの積が下流側のシングルモードモー
ルドSMF−m2における平均光パワーと光周波数と非
線形屈折率と長さの積に等しくしておくことによって、
波長分散及び光カー効果の影響を累積的に補償すること
ができる。
を示すブロック図である。この実施例では、光送信機
1′の内部に第1の光伝送路としてのシングルモードフ
ァイバSMF−1と位相共役光発生装置PCとを設け、
このシングルモードファイバSMF−1に光変調器OM
からの波長λS の出力光をパワーP1 で供給する。シン
グルモードファイバSMF−1の長さはL1 、分散はD
1 、非線形屈折率はn21である。
は、波長λC の位相共役光に変換され、この光はパワー
P2 でこのシステムの伝送路となる第2の光伝送路とし
てのシングルモードファイバSMF−2により光受信機
5に伝送される。シングルモードファイバSMF−2の
長さはL2 、分散はD2 、非線形屈折率はn22である。
2) 式を満足するように各パラメータを設定すること
で、波長分散及び光カー効果の影響を補償することがで
きる。尚、 (20の9)式を適用するに際して、光周波数ω
S及びωCはそれぞれ波長λS及びλCの逆数に比例する。
歪のない光パルスを受信することができ、しかも、位相
共役光発生装置PCを中継器として使用する場合のよう
に位相共役光発生装置PCが伝送路の途中にないので、
偏光依存性等に対する考慮が不要である(光送信機内で
あれば一定偏光の状態を確保しやすい)。
機1′内に設けるシングルモードファイバSMF−1の
D1及びn21をできるだけ大きくすることが望ましい。
これにより、比較的小さい値のD2及びn22を有するシ
ングルモードファイバSMF−2を長く設定することが
できるので、長距離伝送が容易になる。
を示すブロック図である。この実施例では、位相共役光
発生装置PCと第2の光伝送路としてのシングルモード
ファイバSMF−2を光受信機5′内に設け、シングル
モードファイバSMF−2から出力する光を光検波器O
Dで検波するようにしている。従って、この場合には、
第1の光伝送路としてのシングルモードファイバSMF
−1がこのシステムの伝送路として機能する。
同様に各パラメータの条件を設定しておくことによっ
て、波長分散及び光カー効果の影響を補償することがで
きる。尚、図32の実施例と対比して、シングルモード
ファイバSMF−1内における偏波変動を考慮すると、
光受信機5′には偏波変動に対する対策が要求される
が、位相共役光発生装置PCにおいて励起光による波長
選択機能があることを考えると、図33のシステムは光
周波数多重伝送システム等において有望な構成である。
ようにした以上の実施例では、波長分散による光パルス
の波形歪の補償とSPMによる光パルスの波形歪の補償
とを独立に行うという近似のもとでシステムを構築して
いる。実際の実験結果からも、このような近似で定性的
な説明はできるし、効果も確認されている。しかし、よ
り厳密な補償を行うためには、もう少し詳細な考察が必
要である。
る補償は位相共役光の時間反転性を用いているという点
である。波長分散についてはその定常的な性質から完璧
な補償が可能であるが、SPMについては、光カー効果
がピークパワーに依存するため、補償の度合いが光伝送
路における長手方向のパワー分布に依存することにな
る。その意味では、伝送路の損失が無視できる場合、或
いは分布定数的な光増幅器を用いる場合には時間反転の
パワー分布を得ることが可能である。
を最も一般的な集中定数的な光増幅器により行う場合に
は、位相共役光発生装置の前後におけるパワー分布が対
称とはならないから、正確には光カー効果に対する時間
反転性もなりたたないことになる。また、光の電界Eは
波動方程式に従って伝搬していくが、波長分散と光カー
効果がともに存在する場合には、この2つの効果が互い
に影響しながら波動が伝搬する。実際、伝送路中の光強
度変動等を含んだより厳密な議論をするためには、以下
の非線形シュレジンガー方程式でよく説明できることが
示されている。
く座標系を表し、Γは減衰定数を表す。これをもう少し
現象論的に見てみる。位相共役光発生装置の前後では、
信号光と位相共役光とでスペクトル及びチャーピングの
符号が反転する。また、パルスの歪はこのチャーピング
と分散の相互作用であることは前に示した通りである。
従って、SPMを補償するためには、チャーピングを補
償する必要がある。その補償条件は次式で与えられる。
含まれていることである。これは、光の振幅変動に依存
してチャーピング量が異なること、即ちパルスの形状に
よってチャーピング量が異なることを表している。従っ
て、光のパワー分布が位相共役光発生装置の前後で対称
でない場合には、チャーピングの時間反転性が正確な意
味ではなりたたないことになる。
次の(26)式で与えられることを考慮すると(nは線形屈
折率)、前述の (20の6)式から (20の11) 式の議論は(2
5)式において時間微分がない場合、即ち位相シフトを扱
った場合に相当することがわかる。
び図35により説明する。
を示すブロック図である。光送信機1からの信号光はシ
ングルモードファイバSMF−1で位相共役光発生装置
PCに送られ、ここで位相共役光に変換されてシングル
モードファイバSMF−2により光受信機5に伝送され
る。図の下側には、長手方向(z方向)におけるパワー
分布が示されている。
MF−2が異常分散ファイバである場合に、位相共役光
発生装置PCに供給される信号光ではパルス圧縮が生じ
ている。従って、位相共役光発生装置PCの後の平均パ
ワーPC(L1)を最初のパワーPS(0)と同じにする
と、位相共役光発生装置PCの後のパルスの平均のピー
クパワーが最初のそれよりも大きくなってしまう。そこ
で、PC(L1)<PS(0)とすることにより、シング
ルモードファイバSMF−2内での光カー効果をできる
だけシングルモードファイバSMF−1内のそれに近づ
けようとするものである。
の実験においては、光送信機1の光出力を11dBmに
設定し、位相共役光発生装置PCの光出力を5dBmに
設定した。尚、正常分散ファイバを用いる場合には、波
長分散とSPMの相乗効果によりパルス幅が拡大される
から、PC(L1)>PS(0)とすることが望ましい。
この場合にも、各ファイバ内の平均ピークパワーをほぼ
等しくするという点では、異常分散ファイバを用いる場
合と同様である。
を示すブロック図である。この実施例では、位相共役光
発生装置PCの後のシングルモードファイバSMF−2
をN分割し(Nは自然数)、分割された各ファイバSM
F−21,SMF−22,…,SMF−2Nの入力パワ
ーPCj(j=1,2,…,N)を次第に大きくしてい
き、各ファイバ内の平均パワーの変化が、シングルモー
ドファイバSMF−1内の長手方向のパワー分布とほぼ
対称になるように設定するものである。
条件、(13)式及び (20の9)式を満足することである。即
ち、分散の比に応じて光パワーの比が決定されるのであ
る。また、図32の例では、シングルモードファイバS
MF−1をN分割して、分割された各ファイバの入力パ
ワーを次第に大きくする構成をとることもできる。
イバSMF−2内の光カー効果がシングルモードファイ
バSMF−1内の光カー効果の時間反転により近いもの
になり、厳密な意味での波長分散及び光カー効果の補償
が可能になる。分割数Nを大きくすることにより、対称
性が良好になり、より良い補償が可能になる。
パワーを次第に大きくするために、シングルモードファ
イバSMF−2の途中に複数の線形光増幅器を設けてい
るが、これによる光伝送路内での光パワーの不連続な変
化を防止するために、分布定数的な光増幅器を用いても
よい。
ば、位相共役光発生装置PCと光受信機5を結ぶシング
ルモードファイバSMF−2にEr(エルビウム)等の
希土類元素をドープしておき、受信機5の側から予め定
められた波長のポンプ光を供給することなどで実現され
る。この場合、シングルモードファイバ長手方向におけ
るドープ濃度に連続的な変化を与えることで、利得の長
手方向の変化を生じさせ、前述の対称性の確保を容易に
してもよい。また、ラマンアンプ、ブリルアンアンプ等
の非線形効果を用いた光アンプを用いることもできる。
実施例を示すシステムのブロック図である。シングルモ
ードファイバSMF−1からの信号光は、光カプラ16
2の第1ポートに入力する。光カプラ162の第2ポー
トには、情報信号源164により変調される励起光源1
66からの励起光が、偏波制御器168を介して供給さ
れる。光カプラ162で加え合わされた信号光及び励起
光が非線形媒質170に入力すると、ここで位相共役光
が発生し、この位相共役光は光カプラ172で2分岐さ
れる。分岐された一方の位相共役光はシングルモードフ
ァイバSMF−2に送出され、他方の位相共役光は光フ
ィルタ174を通って受光器176で電気信号に変換さ
れる。
ルが最大になるように、励起光の偏波状態と励起光源1
66の発振波長を制御する。偏波制御器168はλ/2
板とλ/4板に相当するものを組み合わせることにより
構成することができる。また、励起光の波長は、励起光
源166として使用されるレーザダイオードの温度やバ
イアス電流により制御することができる。
波長分散を補償した新規な光通信システムの提供が可能
になるという効果が生じる。また、本発明によると、こ
のシステムに適用可能な新規な位相共役光発生装置の提
供も可能になるという効果が生じる。
図である。
説明図である。
ク図である。
ク図である。
ク図である。
ク図である。
ク図である。
ク図である。
ック図である。
る。
ある。
クトルを示す図である。
る。
る。
みを補償することができるシステムの構成図である。
ロック図である。
生装置のブロック図である。
同じ場合の波形図である。
小さい場合の波形図である。
る。
である。
を示すブロック図である。
図である。
を示すブロック図である。
ある。
ある。
ック図である。
ック図である。
ック図である。
ック図である。
ック図である。
すシステムのブロック図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 光ファイバからなる非線形光学媒質と、
励起光を出力する励起光源と、該励起光源から供給され
た上記励起光を第1の光伝送路から受信した信号光とと
もに上記非線形光学媒質に供給する信号光/励起光供給
手段とを備え、 上記励起光源はレーザダイオードであり、 上記信号光/励起光供給手段は、 第1乃至第4ポートを有し、該第1ポートには上記第1
の光伝送路が接続され、該第2ポートには上記レーザダ
イオードからの上記励起光が供給され、該第1及び第2
ポートに供給された光を等分配して該第3及び第4ポー
トから出力し、該第3及び第4ポートに供給された光を
等分配して該第1及び第2ポートから出力する光カプラ
と、 第1乃至第4ポートを有し、該第2ポートには上記光カ
プラの第4ポートが接続され、該第3及び第4ポートに
は上記光ファイバの第1及び第2端がそれぞれ接続さ
れ、該第1及び第2ポートに供給された光の直交2偏光
成分を該第3及び第4ポートから出力し、該第3及び第
4ポートに供給された光の直交2偏光成分を該第1及び
第2ポートから出力する偏光ビームスプリッタと、 上記光カプラの第3ポート及び上記偏光ビームスプリッ
タの第1ポート間の光路に挿入される1/2波長板とを
含み、 上記光カプラの第1及び第2ポートにそれぞれ供給され
る上記信号光及び上記励起光の偏光状態は一致し、 該非線形光学媒質から出力される該信号光に対する位相
共役光を第2の光伝送路へ送信することを特徴とする位
相共役光発生装置。 - 【請求項2】 上記第1の光伝送路に接続された第1ポ
ートと上記光カプラの第2ポートに接続された第2ポー
トと上記第2の光伝送路に接続された第3ポートとを有
し、該第1ポートに供給された光を該第2ポートから出
力し該第2ポートに供給された光を該第3ポートから出
力する光サーキュレータをさらに備えたことを特徴とす
る請求項1に記載の位相共役光発生装置。
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JP4-278662 | 1992-10-16 | ||
JP10412093 | 1993-04-30 | ||
JP5-104120 | 1993-04-30 | ||
JP2002371008A JP3495036B2 (ja) | 1992-10-16 | 2002-12-20 | 波長分散を補償した光通信システム及び該システムに適用可能な位相共役光発生装置 |
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2002
- 2002-12-20 JP JP2002371008A patent/JP3495036B2/ja not_active Expired - Lifetime
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