JP3784585B2 - 光ファイバ伝送のための方法、光デバイス及びシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバ伝送のための方法、光デバイス及びシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
低損失なシリカ光ファイバが開発されたことにより、光ファイバを伝送路として用いる光ファイバ通信システムが数多く実用化されてきた。光ファイバそれ自体は極めて広い帯域を有している。しかしながら、光ファイバによる伝送容量は実際上はシステムデザインによって制限される。最も重要な制限は、光ファイバにおいて生じる波長分散による波形歪みに起因する。光ファイバはまた例えば約０．２ｄＢ／ｋｍの割合で光信号を減衰させるが、この減衰による損失は、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を始めとする光増幅器の採用によって補償されてきた。
【０００３】
しばしば単純に分散と称される波長分散は、光ファイバ内における光信号の群速度が光信号の波長（周波数）の関数として変化する現象である。例えば標準的なシングルモードファイバにおいては、１．３μｍよりも短い波長に対しては、より長い波長を有する光信号がより短い波長を有する光信号よりも速く伝搬し、その結果としての分散は、通常、正常分散と称される。１．３μｍよりも長い波長に対しては、より短い波長を有する光信号がより長い波長を有する光信号よりも速く伝搬し、その結果としての分散は異常分散と称される。
【０００４】
近年、ＥＤＦＡの採用による光信号パワーの増大に起因して、非線形性が注目されている。伝送容量を制限する光ファイバの最も重要な非線形性は光カー効果である。光カー効果は光ファイバの屈折率が光信号の強度に伴って変化する現象である。屈折率の変化は光ファイバ中を伝搬する光信号の位相を変調し、その結果信号スペクトルを変更する周波数チャーピングが生じる。この現象は自己位相変調（self-phase modulation:ＳＰＭ）として知られている。ＳＰＭによってスペクトルが拡大されることがあり、この場合波長分散による波形歪みが更に大きくなる。
【０００５】
このように、光ファイバ通信においては、光ファイバの持つ分散やファイバ内の非線形光学効果による波形劣化が伝送限界の大きな要因となっている。分散の影響は信号帯域が拡大するほど大きくなり、およそ信号速度の二乗に比例して厳しくなる。従って、高速信号においては著しく伝送距離が制限される。これを補償するために各種の分散補償法が考案され、実用化されている。
【０００６】
分散による伝送波形歪みを補償する方法としては、分散補償器を用いる方法が最も一般的である。分散補償器としては、絶対値の大きな分散を提供する分散補償ファイバやファイバグレーティング等の補償デバイスが知られている。また、伝送路に正負の分散を交互に並べて実質的にゼロ分散の伝送路を構成する方法や、光位相共役器を伝送路内に配置して伝送路分散による位相変化を補償する方法も分散補償法として知られている。光位相共役器を用いた補償法では、非線形効果も補償可能である。
【０００７】
非線形効果の影響を簡易に補償する方法の１つとして、信号にプリチャーピングを施す方法がある。この方法では、伝送中の非線形効果によりパルスを圧縮して分散によるパルス広がりを補償し、あわせて高い光信号対雑音比（ＳＮＲ）を確保して伝送距離を稼ごうというものであり、実用システムにおいて広く採用されている。
【０００８】
光パルスは正常分散ファイバ中では波長が長くなる程群速度が速く、異常分散ファイバ中では波長が短いほど郡速度が速い。そこで、パルスの立上がり部分において長波長側に波長シフト（負チャープ）し、立下り部分において短波長側にシフト（正チャープ）するようなチャーピング、即ちアップチャープを与えると、異常分散ファイバ内では伝送によりパルス圧縮が起こる。一方、パルスの立上がり部分において短波長側に波長シフト（正チャープ）し、立下り部分において長波長側にシフト（負チャープ）するようなチャーピング、即ちダウンチャープを与えると、正常分散ファイバ内では伝送によりパルス圧縮が起こる。
【０００９】
更に、分散補償を行う際に、トータルの分散値をゼロとせず、若干の正常分散あるいは異常分散となるように設定し、この設定の下でプリチャーピングを行うことにより、やはりパルスの圧縮を起こすことが可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の分散補償法或いはプリチャーピングによる場合、伝送可能距離の拡大が十分でないという問題があった。
【００１１】
よって、本発明の目的は、伝送可能距離を拡大することができる光ファイバ伝送のための方法を提供することである。また、そのような方法の実施に適した光デバイス及びシステムを提供することも本発明の目的である。本発明の他の目的は以下の説明から明らかになる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によると、光ファイバ伝送のための方法が提供される。まず、分散を有する第１の光ファイバが提供される。次いで、光信号が第１の光ファイバを伝搬するのに従って時間軸上で圧縮されるように第１の光ファイバに光信号が供給される。そして、第１の光ファイバから出力された圧縮された光信号が飽和利得を有する光デバイスに供給される。第１の光ファイバから出力された圧縮された光信号のピークパワーは光デバイスが飽和利得を有するパワーである。
【００１３】
このように、本発明による方法では、第１の光ファイバ中で光信号を圧縮させることと圧縮された光信号を飽和利得を有する光デバイスに供給して波形整形を行うこととを組み合わせているので、伝送可能距離の効果的な拡大が可能になる。
【００１４】
例えば、光デバイスから出力された光信号は第２の光ファイバに供給される。この場合、本発明による方法では、上述した効果的な組み合わせにより、特に第２の光ファイバによる伝送距離が従来技術による場合と比べて飛躍的に拡大される。
【００１５】
望ましくは、第１の光ファイバに沿って少なくとも一つの光増幅器が設けられる。この場合、圧縮された光信号のピークパワーが飽和利得を与えるパワーの閾値よりも高くなるように容易に調節することができる。
【００１６】
第１の光ファイバの分散が正常分散である場合には、光信号がダウンチャープを有するようにプリチャーピングを施すことによって、光信号が第１の光ファイバを伝搬するのに従って時間軸上で圧縮され得る。
【００１７】
第１の光ファイバの分散が異常分散である場合には、光信号がアップチャープを有するようにプリチャーピングを施すことによって、光信号が第１の光ファイバを伝搬するのに従って時間軸上で圧縮され得る。
【００１８】
自己位相変調（ＳＰＭ）を利用すると、第１の光ファイバの分散及び光信号のパワーを適切に設定することによっても、光信号が第１の光ファイバを伝搬するのに従って時間軸上で圧縮され得る。
【００１９】
第１の光ファイバの分散を補償する分散補償器を第１の光ファイバに沿って設けることができ、また、第２の光ファイバの分散を補償する分散補償器を第２の光ファイバに沿って設けることができる。
【００２０】
第１の光ファイバの分散が実質的に等分される点の近傍に光位相共役器を設けることができ、また、第２の光ファイバの分散が実質的に等分される点の近傍に光位相共役器を設けることができる。
【００２１】
本発明の第２の側面によると、光ファイバを伝搬するのに従って時間軸上で圧縮された光信号が供給される光デバイスが提供される。この光デバイスは、入力パワーが増大するのに従って飽和する利得を光信号に与える半導体光増幅器を備えている。時間軸上で圧縮された光信号のピークパワーは半導体光増幅器が飽和する利得を有するパワーである。
【００２２】
本発明の第３の側面によると、光ファイバを伝搬するのに従って時間軸上で圧縮された光信号が供給される光デバイスが提供される。この光デバイスは、分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、ＤＦＢレーザが第１の波長で発振するようにＤＦＢレーザに電流を供給する回路とを備えている。光信号は第１の波長と異なる第２の波長を有している。その結果、ＤＦＢレーザは入力パワーが増大するのに従って飽和する利得を光信号に与えることができる。時間軸上で圧縮された光信号のピークパワーはＤＦＢレーザが飽和する利得を有するパワーである。
【００２３】
本発明の第４の側面によると、光ファイバ伝送のためのシステムが提供される。このシステムは、光送信機、第１の光ファイバ及び光デバイスを備えている。光送信機は光信号を出力する。第１の光ファイバは光信号が伝搬するのに従って時間軸上で圧縮されるように設けられている。第１の光ファイバから出力された圧縮された光信号は光デバイスに供給される。光デバイスは飽和利得を有する。第１の光ファイバから出力された圧縮された光信号のピークパワーは光デバイスが飽和する利得を有するパワーである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。同様の図を通じて同一の符号は類似又は同様の部品を示す。
【００２５】
図１は本発明によるシステムの第１実施形態を示すブロック図である。このシステムは、送信機２と、送信機２に第１の光ファイバ４により接続される利得飽和光アンプ６と、光アンプ６に第２の光ファイバ８により接続される受信機１０とを含む。送信機２は符号１２で示されるようにパルス状の光信号を第１の光ファイバ４に出力する。第１の光ファイバ４は送信機２から出力された光信号が伝搬するのに従って符号１４に示されるように時間軸上で圧縮されるように設けられている。第１の光ファイバ４から出力された圧縮された光信号は、光アンプ６に供給される。光アンプ６は飽和利得を有している。
【００２６】
光アンプ６に供給された圧縮された光信号は、光アンプ６により飽和利得を与えられて、パルスのトップ部分が平坦化されることにより波形整形される。波形整形された光信号は符号１６で示されるように第２の光ファイバ８に供給され、光ファイバ８により受信機１０にまで伝送される。
【００２７】
送信機２から出力された光信号は、第１の光ファイバ４を伝搬するのに従って時間軸上で圧縮される。そのために、第１の光ファイバ４が正常分散を有している場合には、送信機２から出力される光信号にはダウンチャープが与えられ、第１の光ファイバ４が異常分散を有している場合には、送信機２から出力される光信号にはアップチャープが与えられる。
【００２８】
このようなダウンチャープ或いはアップチャープのようなプリチャーピングを施すことが可能な図１のシステムに適した送信機の実施形態を図２により説明する。
【００２９】
図２に示される送信機は、連続波（ＣＷ）光を出力するレーザダイオード等からなる光源１８と、変調信号ＭＳを入力するためのポート２０と、変調信号ＭＳに基き、光源１８から出力されたＣＷ光を変調して光信号を生成するマッハツェンダ型光変調器（ＭＺ変調器）２２とを有している。生成された光信号は、光カプラ２４を通ってポート２６から第１の光ファイバ４へ送出される。
【００３０】
ＭＺ変調器２２は、光源１８に光学的に接続される入力ポート２２Ａと、光カプラ２４に光学的に接続される出力ポート２２Ｂと、入力ポート２２ＡにＹ分岐２８により光学的に結合される一対の光パス３０及び３２と、光パス３０及び３２を出力ポート２２Ｂに光学的に結合するためのもう一つのＹ分岐３４とを有している。
【００３１】
Ｙ分岐２８及び３４並びに光パス３０及び３２は、例えば、ＬｉＮｂＯ₃等からなる誘電体基板上に予め定められたパターンでＴｉ等を熱拡散させて光導波構造を形成することにより得ることができる。光パス３０及び３２に電界を印加するために、光パス３０及び３２上にはそれぞれ接地電極４２及び信号電極４４が設けられている。信号電極４４は例えば進行波形に提供される。入力ポート２２Ａに光源１８から供給されたＣＷ光はまず、Ｙ分岐２８においてパワーが実質的に等しい第１及び第２の分岐ビームに分岐される。第１及び第２の分岐ビームはそれぞれ光パス３０及び３２を伝搬し、Ｙ分岐３４で合流する。
【００３２】
接地電極４２と信号電極４４との間に生じる電界が光パス３０及び３２の屈折率を互いに逆向きに変化させることにより、第１及び第２の分岐ビームの間には位相差が生じ、このように位相差が与えれた第１及び第２の分岐ビームがＹ分岐３４で干渉する結果、変調信号ＭＳに従って強度変調された光信号が出力ポート２２Ｂから出力される。
【００３３】
ＭＺ変調器２２を駆動し、その動作点を安定化するために、この送信機は、更に、重畳回路４６、バイアス回路４８、ローパスフィルタ５０、位相検出器５２、発振器５４及びフォトディテクタ（ＰＤ）５６を有している。
【００３４】
また、プリチャーピングを施すために、ポート５８に供給された制御信号ＣＳに基づいて動作するチャープパラメータ設定回路６０と２つの符号反転回路６２及び６４とが設けられている。
【００３５】
動作点安定化のために、発振器５４が出力する周波数ｆｏの低周波信号が用いられる。低周波信号は符号反転回路６４を通って重畳回路４６に供給される。変調信号ＭＳは、符号反転回路６２を通って重畳回路４６に供給される。重畳回路４６では、低周波信号が変調信号ＭＳに重畳されその結果得られた重畳信号が信号電極４４に供給される。重畳回路４６は、例えば、利得可変型の増幅器とこの増幅器を信号電極４４とＡＣ結合するためのキャパシタとから構成される。符号反転回路６２及び６４はチャープパラメータ設定回路６０により制御される。この制御のより特定的な説明は後で行う。
【００３６】
動作点が安定化するように制御されたバイアス電圧が、バイアス回路４８から信号電極４４に供給される。その制御を行うために、ＭＺ変調器２２の出力ポート２２Ｂから出力された光信号の一部が、フォトディテクタ５６により電気信号に変換される。この電気信号には周波数ｆｏの低周波成分が含まれ得る。
【００３７】
位相検出器５２は同期検波回路として提供される。位相検出器５２は、発振器５４からの低周波信号とフォトディテクタ５６からの低周波成分との位相比較を行う。その位相比較の結果は位相検出器５２の出力信号のＤＣ成分に現れるので、そのＤＣ成分がローパスフィルタ５０によって抽出されてバイアス回路４８にフィードバックされる。
【００３８】
このフィードバックループにおいては、フォトディテクタ５６からの低周波成分が最小となるようにバイアス回路４８がバイアス電圧を制御する。
【００３９】
図３を参照すると、図２に示されるＭＺ変調器２２の動作点安定化の原理が示されている。符号６５はＭＺ変調器２２への入力電気信号（重畳信号）の波形を示している。ＭＺ変調器２２の最適な動作点は、符号６６で示されるように、入力電気信号６５の両レベルが最大及び最小の出力光パワーを与える動作特性曲線によって決定される。ここで、動作特性曲線は、光パワーと印加電圧との関係を表すサインカーブによって与えられ、この動作特性曲線が電圧方向にシフトするのが動作点ドリフトである。
【００４０】
今、温度変動等により動作特性曲線が６８又は７０で示されるようにシフトすると、出力光信号には低周波成分が生じるようになり、シフトの方向は低周波成分の位相に反映される。即ち、動作特性曲線６８及び７０がそれぞれ与える出力光信号の包絡線の位相は、１８０°異なる。従って、図２に示されるように位相検出器５２を用いて同期検波を行うことによって、ＭＺ変調器２２の動作点が安定化される。
【００４１】
次に、図４の（Ａ）乃至（Ｄ）を参照して、符号反転回路６２及び６４を用いたチャープパラメータの切り換えについて説明する。ＭＺ変調器２２においては、干渉により光スイッチングが行われているので、干渉により本質的に生じる波長変動（チャーピング）を利用してプリチャーピングを行うことができる。プリチャーピングは、生成される光信号の１パルス内に波長（周波数）の変動を予め与えておくことにより、光ファイバ伝送路における分散及び／又は非線形効果による伝送波形の劣化を抑制するための方法である。
【００４２】
ＭＺ変調器２２の動作特性曲線はサインカーブで与えられるので、安定点となり得る動作点は複数ある。
【００４３】
図４の（Ａ）を参照すると、ＭＺ変調器２２の動作特性曲線が示されている。印加電圧として、一つの安定点Ｖｂ１の近傍の領域７２を使用して、図４の（Ｂ）の左側に示されるような正のパルスを与えると、領域７２においては印加電圧（Ｖ）の増大に従って、光パワー（Ｐ）が増大するので、図４の（Ｃ）の左側に示されるように、電圧パルスと同じ極性で光パルスが出力される。このとき、図４の（Ｄ）の左側に示されるように光パルスの立上がり部分では波長が平均値よりも短くなり立下り部分では長くなる。即ち、一つの光パルスにおいて波長が時間（ｔ）と共に短波長（高周波数）から長波長（低周波数）へシフトする。この現象はダウンチャープ又はレッドシフトと称される。
【００４４】
一方、他の安定点Ｖｂ２の近傍の領域７４を使用して、図４の（Ｂ）の右側に示されるような負の電圧パルスを与えると、領域７４においては印加電圧（Ｖ）の増大に従って光パワー（Ｐ）が減少することから、図４の（Ｃ）の右側に示されるように、電圧パルスとは逆極性で光パルスが出力される。このとき、図４の（Ｄ）の右側に示されるように、光パルスの立上がり部分では波長は長波長側にシフトし、立下り部分では短波長側にシフトする。即ち、一つの光パルスにおいて波長が時間（ｔ）と共に長波長（低周波数）から短波長（高周波数）へシフトする。この現象はアップチャープ或いはブルーシフトと称される。
【００４５】
光パルスのチャープパラメータαは、
α＝２（ｄΦ／ｄｔ）（ｄＳ／ｄｔ）／Ｓ
で与えられる。ここで、Φは光位相、Ｓは光強度である。
【００４６】
ダウンチャープの場合、チャープパラメータαは正の値を取り、アップチャープの場合、チャープパラメータαは負の値を取る。
【００４７】
光信号の波長が伝送路として使用される光ファイバのゼロ分散波長よりも短くて正常分散の領域にあるとき、長波長の光は短波長の光よりも光ファイバ中を速く進むので、予め、０＜α（ダウンチャープ）のプリチャーピングを与えておくことによりパルスの圧縮が生じる。逆に、異常分散の領域にあるときには、短波長の光は長波長の光よりも光ファイバ中を速く進むので、予め、α＜０（アップチャープ）のプリチャーピングを与えておくことによりパルスの圧縮が生じる。
【００４８】
図２の実施形態では、チャープパラメータ設定回路６０が安定点Ｖｂ１及びＶｂ２を切り替えることによって、チャープパラメータαの正負が切換えられる。
【００４９】
より特定的には、発振器５４から重畳回路４６に供給される低周波信号の極性を反転させるために、符号反転回路６４が設けられている。符号反転回路６４によって低周波信号の極性が切換えられると、重畳回路４６に供給される低周波信号の位相が逆転し、その結果、フォトディテクタ５６を含むフィードバックループにおける制御の方向が逆になる。これにより、切換え前の安定点が図４の（Ａ）におけるＶｂ１であるとすれば、切り替え後の安定点はＶｂ２となる。その結果、チャープパラメータαの正負が逆転する。このようにして、ダウンチャープ及びアップチャープを選択することができる。
【００５０】
この場合、元の安定点Ｖｂ１においては、印加電圧の増大に従って光パワーが増大するが、切換え後の安定点Ｖｂ２においては、印加電圧の増大に従って光パワーが減少する。そこで、変調信号ＭＳにおけるハイレベル及びローレベルと、ＭＺ変調器２２から出力される光信号におけるハイレベル及びローレベルとの間の関係を同一に保つために、変調信号ＭＳのための符号反転回路６２が設けられているのである。
【００５１】
図５は図１に示される利得飽和光アンプ６の特性の例を示すグラフである。入力パワーＰ_S-inに対する出力パワーＰ_S-outの変化が示されている。入力パワーの閾値Ｐ_S0までは、出力パワーＰ_S-outは入力パワーＰ_S-inに比例し、入力パワーが閾値Ｐ_S0に等しくなるかそれよりも大きくなると、出力パワーはＰ_satで一定となる。
【００５２】
従って、図１に示されるシステムにおいて利得飽和光アンプ６に供給される光信号のピークパワーをＰ_S0よりも大きな値に設定することによって、パルスのトップを平坦化して光信号を波形整形することができる。一般に、時間軸上で圧縮されたパルスのピーク付近には最も高速の変調成分が含まれ易い。従って、利得飽和光アンプ６を用いた波形整形により、信号スペクトルの狭窄化が可能である。分散による波形歪みは、スペクトル広がり（ビットレート）の二乗に比例して厳しくなるので、スペクトルの狭窄化を行うことにより波形歪みを低減し、伝送距離を拡大することができる。
【００５３】
利得飽和光アンプ６に光信号が供給されると、その光信号のパルスのピーク付近では立上り及び立下り付近に比べてフォトン数が多くなるため利得飽和が強くなる。この現象を用いると、圧縮された光信号のように振幅揺らぎを持ったパルスのピーク付近の振幅揺らぎを抑圧することができる。利得飽和状態にない光半導体等の光アンプにおいては、吸収回復時間或いはキャリア密度変動の速度制限（通常数ＧＨｚ）のために入力光信号の速度が制限され、制限速度よりも高速の信号に対しては波形歪みが付加される。これに対して、利得飽和状態にある光アンプにおいては、誘導放出によって過剰なキャリアを活性層で再結合させるため、吸収回復時間を短縮化することが可能である。十分な飽和状態においては、数十ｐｓ以下の高速応答となるから、数十ｐｓ程度或いはそれ以下の短パルス或いは数十から１００Ｇｂ／ｓ程度の超高速信号に対しても波形整形が可能である。
【００５４】
このように、本発明によると、飽和利得を有する光デバイスを用いて信号光のビットレートやパルス形状等に依存しない簡易な全光波形整形器を提供することができる。また、その波形整形作用と光ファイバ伝送路における光信号の時間軸上での圧縮とを組み合わせることにより、伝送可能距離を拡大することができる。
【００５５】
図１に示されるシステムにおいて、伝送距離の拡大が可能になるのは次のように解釈することができる。即ち、本発明が適用されない場合に第２の光ファイバ８のある長さ（或いはある分散）が伝送限界を与えていたとすると、本発明を適用して利得飽和光アンプ６を用いて波形整形を行うことによって、波形整形された光信号の波形及びスペクトルを送信時の波形及びスペクトルに近づけることができ、第１の光ファイバ４の長さ（あるいは分散）分だけ伝送限界を拡大することが可能である。従って、分散に対するトレランスを第１の光ファイバ４内の分散分だけ大きくすることができることになる。分散補償が適用されるシステムにおいては、信号の高速化に伴って分散補償の精度に対する要求が高まっている。これは、分散に対するトレランスがビットレートの二乗に比例して厳しくなるからである。本発明によると、こうした分散トレランスを拡大することができ、システム全体の分散に対するマージンを拡大して、ひいてはシステムのコストダウンが可能になる。
【００５６】
図６は本発明による光デバイスの実施形態を示すブロック図である。この光デバイスは図１に示されるシステムにおいて利得飽和光アンプ６として用いることができる。この光デバイスは半導体光増幅器（ＳＯＡ）６６を備えている。光ファイバを伝搬するのに従って時間軸上で圧縮された光信号が、符号６８で示されるように、半導体光増幅器６６に供給される。
【００５７】
半導体光増幅器６６は、入力パワーが増大するのに従って飽和する利得を供給された光信号に与えるように、駆動回路７０によって駆動電流を与えられている。それにより、供給された光信号の波長がλ_Sである場合には、同じく波長λ_Sの波形整形された光信号が、符号７２で示されるように、半導体光増幅器６６から出力される。
【００５８】
但し、半導体光増幅器６６は自然放出光（ＡＳＥ）雑音を放出し、信号のオフレベルにおいては、このＡＳＥ雑音が主に増幅されるため、特にオフレベルにおいて雑音による劣化が顕著になることがある。そこでこの実施形態では、供給される光信号の波長λ_Sと異なる波長λ_Aを有するアシスト光を半導体光増幅器６６に供給するために、光源７４が設けられている。これにより、信号のオフレベルにおいても半導体光増幅器６６ではアシスト光の増幅に殆どの利得が費やされるため、雑音による劣化を小さく抑えることが可能になる。
【００５９】
図７は本発明による光デバイスの他の実施形態を示すブロック図である。この光デバイスは図１に示されるシステムにおいて利得飽和光アンプ６として用いることができる。この光デバイスは、レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域（ストップバンド）を有する分布帰還（ＤＦＢ）レーザとしてのＤＦＢレーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）７６を備えている。阻止帯域の幅は例えば０．５乃至１．０ｎｍである。ＤＦＢ−ＬＤ７６は、阻止帯域に含まれる波長λ₀でレーザ発振するように、駆動回路７８によって駆動電流を与えられている。発振の結果得られた発振レーザ光は、符号８０で示されるように、ＤＦＢ−ＬＤ７６から出力される。発振レーザ光は一般的には連続波（ＣＷ）光である。
【００６０】
発振状態にあるＤＦＢ−ＬＤ７６は、クランプされた一定の利得を発振レーザ光に関して有している。この発振状態にあるＤＦＢ−ＬＤ７６に、阻止帯域に含まれない波長λ_Sを有する光信号が、符号８２で示されるように供給される。供給された光信号はＤＦＢ−ＬＤ７６内で波形整形され、その結果得られた光信号が符号８４で示されるようにＤＦＢ−ＬＤ７６から出力される。出力光信号は波長λ_Sを有している。
【００６１】
ＤＦＢ−ＬＤ７６の駆動は、図示されたように駆動回路７８を用いてＤＦＢ−ＬＤ７６に一定の駆動電流（バイアス電流）を供給することにより行い得るが、本発明はこれに限定されず、光ポンピング等の他の方法によりＤＦＢレーザが駆動されても良い。
【００６２】
ＤＦＢ−ＬＤ７６が電流駆動される場合、その駆動電流を一定値に設定すれば、レーザ発振及び信号増幅に寄与するキャリア総数は一定であり、ＤＦＢ−ＬＤ７６から出力される総フォトン数も一定となる。従って、光パルスとして与えられる光信号を入射すると、パルスのピーク付近では立上り及び立下り付近に比べてフォトン数が多くなるため、利得飽和が強くなるという効果が生じる。この効果を用いると、振幅揺らぎを持った光信号のパルスのピーク付近の振幅揺らぎを抑圧することができ、波形整形を行うことができる。
【００６３】
このように、本発明のある側面によると、出力飽和特性或いは飽和利得を有するＤＦＢレーザが用いられ、その特性に基き、波形整形して得られた光信号がＤＦＢレーザから出力される。
【００６４】
本発明によると、カスケード接続された複数の光増幅器を用いた多段中継伝送システム等において、ＡＳＥの累積による振幅雑音の累積を抑圧することも可能である。ＡＳＥの累積による波形劣化は、主に信号／ＡＳＥビート雑音によるものであり、波形劣化は信号パルスのピーク付近で最も顕著となる。従って、本発明を適用することとなり、このような波形劣化を有効に補償することができる。
【００６５】
図７に示される実施形態のようにＤＦＢレーザを用いた場合に、図５に示される特性において、一定の飽和出力パワーＰ_satが得られる理由は、入力パワーＰ_s-inが閾値Ｐ_S0に達するとレーザ発振が停止し、それよりも大きな入力パワーでは利得が飽和して出力パワーが一定になるところにある。従って、光信号がハイレベル及びローレベルを有する光パルスによって与えられている場合には、例えば、ローレベルをゼロレベルに設定し、且つ、ハイレベルを閾値Ｐ_S0よりも大きな値に設定することによって、光信号のハイレベルでの振幅揺らぎはＤＦＢレーザ内で有効に抑圧され得る。
【００６６】
このように本発明のある側面によると、光信号のハイレベルでの振幅揺らぎがＤＦＢレーザ（或いは利得飽和光アンプ）内で抑圧されるように、光信号のパワーが調節される。しかし、本発明はこれに限定されず、光信号のハイレベルが閾値Ｐ_S0よりも小さな値に設定されても良い。なぜならば、ＤＦＢレーザの動的特性等によっては、閾値よりも小さな入力パワーに対しても出力パワーが飽和する傾向にある場合があるからである。
【００６７】
図７に示される実施形態では、圧縮された光信号をＤＦＢ−ＬＤ７６に供給するために、第１の光ファイバ４（図１参照）の出力端とＤＦＢ−ＬＤ７６の第一端とを光学的に結合するための図示しないレンズを使用し得る。また、ＤＦＢ−ＬＤ７６から出力された光信号を第２の光ファイバ８に効率良く導入するために、第２の光ファイバ８の入力端とＤＦＢ−ＬＤ７６の第２端とを光学的に結合する図示しないレンズが使用され得る。各レンズは各ファイバの先端を加熱することにより各ファイバと一体に形成され得る。
【００６８】
ＤＦＢ−ＬＤ７６の阻止帯域は、レーザ発振可能な波長の範囲として定義されるので、発振レーザ光の波長λ₀は阻止帯域に含まれている。供給されるべき光信号の波長λ_Sは阻止帯域に含まれないことのみによって限定される。
【００６９】
図７に示される光デバイスは、アシスト光をＤＦＢ−ＬＤ７６に供給する光源８６を付加的に備えている。アシスト光はＤＦＢ−ＬＤ７６の阻止帯域に含まれない波長λ_Aを有している。波長λ_Aは光信号の波長λ_Sに一致するか否かによって限定されないが、後段での信号処理を考慮すると、波長λ_Aはλ_Sと異なることが望ましい。
【００７０】
アシスト光を用いることにより、特に光信号のローレベルにおいて過剰なノイズの増加を抑えることができ、又、光信号のローレベルが連続する場合に不所望なレーザ発振を防止して光デバイスの動作が安定になる、という技術的効果が生じる。アシスト光が用いられていない場合、光信号のローレベルに累積するＡＥＳ−ＡＳＥビート雑音や伝送波形歪みによるローレベルの乱れを効果的に抑圧することができないことがある。また、光信号のハイレベル及びローレベルの変化に伴ってＤＦＢ−ＬＤ７６の発振状態と発振停止状態とが繰り返されるので、光デバイスの動作が不安定になることがある。
【００７１】
この実施形態では、アシスト光は一定のパワーを有している。従って、光信号のローレベルにおいても一定のパワーのアシスト光がＤＦＢ−ＬＤ７６に供給されることとなり、上述した技術的効果が得られるものである。アシスト光のパワーは、例えば光信号のローレベルでの雑音の増加を抑圧するように調節される。
【００７２】
図６及び図７に示される実施形態の各々においては、アシスト光が光信号と同じ向きに伝搬するように光源７４及び８６が設けられているが、アシスト光が光信号と逆向きに伝搬するように光源７４及び８６の光学的な接続が変更されても良い。
【００７３】
図６及び図７に示される実施形態の各々においては、波形整形された光信号を抽出するために、波長λ_Sを含む通過帯域を有する光バンドパスフィルタを用いるのが望ましい。これにより、図６に示される実施形態では光信号をアシスト光と容易に分けることができ、又、図７に示される実施形態では光信号をアシスト光及び発振レーザ光と容易に分けることができる。又、必要に応じて光アンプ及び光アイソレータ等の付加的な光デバイスを設けてもよい。
【００７４】
尚、ＤＦＢレーザを用いた波形整形に関する付加的な詳細については特願平１１−１３３５７６号に記載されている。
【００７５】
図８は本発明によるシステムの第２実施形態を示すブロック図である。このシステムは、図１に示される第１実施形態と対比して、第１の光ファイバ４の分散を補償する分散補償器８８が第１の光ファイバ４に沿って付加的に設けられている点で特徴付けられる。第１の光ファイバ４での伝送中に分散により歪んだ波形は、分散補償器８８により補償される。このとき、第１の光ファイバ１及び分散補償器８８の分散と、送信機２から出力される光信号に与えられるプリチャーピング、光パワー及び分散補償量を適切に設定して、利得飽和光アンプ６に供給される光信号が時間軸上で圧縮されるようにする。そして、利得飽和光アンプ６により波形整形を行った後、第２の光ファイバ８により光信号を受信機１０まで伝送する。
【００７６】
通常、高い光ＳＮＲを確保するためには、できるだけ高いパワーで伝送するのが望ましいが、こうすると非線形効果によりスペクトルが広がり、分散により波形歪みが大きくなる。しかしながら、異常分散とアップチャープとの組み合わせの場合のようにパルス圧縮を与えることにより、波形歪みを少なくして、光ＳＮＲを高くすることができる。この場合、パルス圧縮を受けた信号は帯域が拡大しているため、更に伝送をするための波形歪みが特に著しくなるが、本発明に従って最も高速変調成分の多いパルスのトップ部分を平坦化することによりスペクトルを狭め、第２の光ファイバ８における伝送波形歪みをより小さく抑えることにより、伝送距離を拡大することができる。また、分散補償を光アンプによる多段中継伝送に適用した長距離伝送においては、信号光と光アンプのＡＳＥ雑音光とのビート雑音が伝送距離の制限要因となるが、本発明によればこのビート雑音を抑圧でき、更に伝送距離の拡大が可能となる。
【００７７】
図示はしないが、第２の光ファイバ８の分散を補償する分散補償器を第２の光ファイバ８に沿って設けることによって、更なる伝送距離の拡大が可能になる。
【００７８】
図９は本発明によるシステムの第３実施形態を示すブロック図である。このシステムは、図１に示される第１実施形態と対比して、送信機２から出力される光信号に与えられるプリチャーピング、光パワー、ファイバの分散値及び位相共役器９０を設置する位置を適切に設定して、利得飽和光アンプ６に供給される光信号が時間軸上で圧縮されるようにしている点で特徴付けられる。光位相共役器９０は例えば第１の光ファイバ４の分散が実質的に等分される点の近傍に設けられる。
【００７９】
光位相共役器９０は、例えば、非線形光学媒質と、非線形光学媒質において非縮退型の四光波混合により光信号が位相共役変換（波長変換）されるようにポンプ光を非線形光学媒質に供給するポンプ源とから構成することができる。非線形光学媒質として光ファイバが用いられる場合には、その光ファイバのゼロ分散波長にポンプ光の波長を一致させておくことによって、位相整合条件が満たされ易くなり、高い変換効率及び広い変換帯域を得ることができる。
【００８０】
光位相共役器９０を採用したことにより、第１の光ファイバ４において生じる伝送路分散による位相変化を補償することができることに加えて、光信号の高いパワー等に起因する第１の光ファイバ４内における非線形効果も補償可能である。従って、本発明による効果と相俟って、伝送距離を拡大することができる。また、光位相共役による波形歪補償を光アンプによる多段中継伝送に適用した長距離伝送においては、信号光と光アンプのＡＳＥ雑音光とのビート雑音が伝送距離の制限要因となるが、本発明によればこのビート雑音を抑圧でき、更に伝送距離の拡大が可能となる。
【００８１】
図示はしないが、第２の光ファイバ８の分散が実質的に等分される点の近傍に光位相共役器を付加的に設けても良い。この場合、第２の光ファイバ８における伝送波形歪みをより小さく抑えることができ、伝送距離を更に拡大することができる。
【００８２】
図１０は本発明によるシステムの第４実施形態を示すブロック図である。このシステムは、図１に示される第１実施形態と対比して、第１及び第２の光ファイバ４及び８の各々に沿って少なくとも一つの光アンプ９２が付加的に設けられている点で特徴付けられる。このような多中継伝送システムにおいては、前述したように、本発明を適用することによって、ＡＳＥの累積による振幅雑音の累積を抑圧することができる。また、第１の光ファイバ４に沿って設けられる光アンプ９２の利得を調節することによって、利得飽和光アンプ６に供給される圧縮された光信号のピークパワーを光アンプ６において飽和利得を与えるパワーの閾値よりも高く設定するのが容易である。
【００８３】
以上説明した本発明によるシステムの実施形態では、利得飽和光アンプ６は送信機２と受信機１０とを結ぶ光ファイバ伝送路の途中に設けられている。従って、利得飽和光アンプ６は、全光２Ｒ再生中継器或いは全光３Ｒ再生中継器の波形整形セクションとして用いることができる。図示はしないが、第２の光ファイバ８を省略して、利得飽和光アンプ６を受信機内に設けても良い。
【００８４】
本発明はＷＤＭ（波長分割多重）と組み合わせて実施しても良い。例えば、図１に示されるシステムにおいては、利得飽和光アンプ６により全チャネルを一括して補償することができる場合には、図１に示されるシステムをそのままＷＤＭに適用することができる。ＷＤＭのチャネル間クロストーク等の影響により１台の利得飽和光アンプ６で全チャネルを一括して補償することができない場合には、第１の光ファイバ４により伝送されたＷＤＭ信号光を例えば光デマルチプレクサを用いてチャネルごとに或いは適当な数の複数のチャネルごとに分岐した後、複数の利得飽和光アンプを用いて各チャネルごとに或いは適当な数の各複数のチャネルごとに波形整形を行ってその後光マルチプレクサを用いて合流して第２の光ファイバ８により伝送するようにすれば良い。
【００８５】
続いて、本発明の実証実験について図１１乃至図１４により説明する。
【００８６】
図１１は実証実験に用いたシステムのブロック図である。波長１５５８ｎｍの信号光（Ｓｉｇｎａｌ）を電界吸収（ＥＡ）型変調器（ＥＡ ｍｏｄ．）を用いて１０ＧＨｚの正弦波で強度変調し、更にＬＮ変調器（ＬＮ ｍｏｄ．）を用いて１０Ｇｂ／ｓのランダム信号（ＰＮ：２^23-1）で変調した。生成されたパルスは幅約３０ｐｓのＲＺパルスであった。
【００８７】
このＲＺ変調パルスを長さ２０ｋｍ、分散約＋１６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの単一モードファイバ（Ｆｉｂｅｒ−１）で伝送後、波長１５４０ｎｍのアシスト光（Ａｓｓｉｓｔ）と合波した後、利得飽和光アンプ或いは利得クランプト光アンプとしてのＤＦＢ−ＬＤに入力した。このとき、ＤＦＢ−ＬＤに入力したアシスト光のパワーは約１５ｍＷであった。ＤＦＢ−ＬＤの駆動電流は４００ｍＡであり、発振波長は１５５０ｎｍ、発振パワーは約４０ｎＷであった。ＤＦＢ−ＬＤから出力した信号光は、Ｆｉｂｅｒ−１と同じ分散を持ち、長さＬの単一モードファイバ（Ｆｉｂｅｒ−２）で伝送した後、受信機（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）により受信した。
【００８８】
図１２は実験で用いられたＤＦＢ−ＬＤの入力パワーＰ_Sinに対する出力パワーＰ_Soutの変化の測定結果を示すグラフである。この測定では、変調されていない信号光を用いた。入力が約８ｍＷ以上で出力パワーが飽和していることがわかる。
【００８９】
次に、変調されたＲＺパルスに対して、そのピークパワーが上述の測定された閾値８ｍＷを十分超えるように設定を行って、伝送実験を行った。波形の変化の様子を図１３の（Ａ）〜（Ｅ）に示す。（Ａ）はオリジナルの波形、（Ｂ）はＤＦＢ−ＬＤの入力波形、（Ｃ）はＤＦＢ−ＬＤの出力波形、（Ｄ）はＤＦＢ−ＬＤによる波形整形を行わなかった場合におけるＬ＝４０ｋｍでの受信波形、（Ｅ）はＤＦＢ−ＬＤによる波形整形を行った場合におけるＬ＝４０ｋｍでの受信波形である。ＤＦＢ−ＬＤを用いた波形整形により、パルスのピーク付近が若干縦方向に潰されており、４０ｋｍ伝送における波形整形による波形の劣化抑制の効果が顕著に見られた。ＤＦＢ−ＬＤを通さない場合には、分散と非線形効果により著しく波形が歪んでいるが（Ｄ）、ＤＦＢ−ＬＤを通すことにより、その歪みが抑圧されているのが明白である（Ｅ）。
【００９０】
図１４に伝送距離に対するパワーペナルティ（ＢＥＲ＝１０^-9）の変化の様子を示す。ＤＦＢ−ＬＤを用いることにより、伝送距離が１５乃至２０ｋｍ拡大していることがわかる。即ち、本発明による方法により、分散補償無しにＤＦＢ−ＬＤを設けた点の前２０ｋｍ分伝送距離を拡大可能であることが確認された。
【００９１】
本発明の方法による効果はビットレートやパルス形状に依存しない。実際、この実験で用いた３０ｐｓのＲＺパルスは３０Ｇｂ／ｓ以上のビットレートに相当するものであり、十分高速伝送に適用可能であることが明らかである。本発明は簡易な方法でありながら、伝送距離を（分散補償無しに）拡大可能である。また、システムの分散に対するトレランスを拡大可能であり、特に高ビットレートにおいて大きな問題となる分散補償の厳しい設定精度を緩和可能である。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、伝送可能距離を拡大することができる光ファイバ伝送のための方法の提供が可能になるという効果が生じる。また、そのような方法に適用可能な新規な光デバイス及びシステムの提供が可能になるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明によるシステムの第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】図２は本発明によるシステムに適用可能な送信機の実施形態を示すブロック図である。
【図３】図３は動作点安定化の原理を説明するための図である。
【図４】図４の（Ａ）〜（Ｄ）はチャープパラメータの切り替えを説明するための図である。
【図５】図５は利得飽和光アンプの特性の例を示すグラフである。
【図６】図６は本発明による光デバイスの実施形態を示すブロック図である。
【図７】図７は本発明による光デバイスの他の実施形態を示すブロック図である。
【図８】図８は本発明によるシステムの第２実施形態を示すブロック図である。
【図９】図９は本発明によるシステムの第３実施形態を示すブロック図である。
【図１０】図１０は本発明によるシステムの第４実施形態を示すブロック図である。
【図１１】図１１は実証実験に用いたシステムのブロック図である。
【図１２】図１２は実験で用いたＤＦＢ−ＬＤの特性を示すグラフである。
【図１３】図１３の（Ａ）〜（Ｅ）は実験結果を示す波形図である。
【図１４】図１４は実験におけるパワーペナルティの改善を示すグラフである。
【符号の説明】
２ 送信機
４ 第１の光ファイバ
６ 利得飽和光アンプ
８ 第２の光ファイバ
１０ 受信機

Claims (26)

1. （ａ） 分散を有する第１の光ファイバを提供するステップと、
   （ｂ） 上記第１の光ファイバに光信号を供給し、上記光信号が上記第１の光ファイバを伝搬するのに従って時間軸上で圧縮されるようにするステップと、
   （ｃ） 上記第１の光ファイバから出力された圧縮された光信号を飽和利得を有する光デバイスに供給するステップとを備え、
   上記第１の光ファイバから出力された圧縮された光信号のピークパワーは上記光デバイスが上記飽和利得を有するパワーである方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   上記光デバイスから出力された光信号を第２の光ファイバに供給するステップを更に備えた方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   上記第１の光ファイバに沿って少なくとも一つの光増幅器を設けるステップと、
   上記圧縮された光信号のピークパワーが上記飽和利得を与えるパワーの閾値よりも高くなるように調節するステップとを更に備えた方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、
   上記第１の光ファイバの分散は正常分散であり、
   上記ステップ（ｂ）は上記光信号がダウンチャープを有するようにプリチャーピングを施すステップを含む方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   上記第１の光ファイバの分散は異常分散であり、
   上記ステップ（ｂ）は上記光信号がアップチャープを有するようにプリチャーピングを施すステップを含む方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、
   上記第１の光ファイバの分散を補償する分散補償器を上記第１の光ファイバに沿って設けるステップを更に備えた方法。
7. 請求項２に記載の方法であって、
   上記第２の光ファイバの分散を補償する分散補償器を上記第２の光ファイバに沿って設けるステップを更に備えた方法。
8. 請求項１に記載の方法であって、
   上記第１の光ファイバの分散が実質的に等分される点の近傍に光位相共役器を設けるステップを更に備えた方法。
9. 請求項２に記載の方法であって、
   上記第２の光ファイバの分散が実質的に等分される点の近傍に光位相共役器を設けるステップを更に備えた方法。
10. 光ファイバを伝搬するのに従って時間軸上で圧縮された光信号が供給される光デバイスであって、
    入力パワーが増大するのに従って飽和する利得を上記光信号に与える半導体光増幅器を備え、
    上記時間軸上で圧縮された光信号のピークパワーは上記半導体光増幅器が上記飽和する 利得を有するパワーである光デバイス。
11. 請求項１０に記載の光デバイスであって、
    上記光信号の波長と異なる波長を有するアシスト光を上記半導体光増幅器に供給する光源を更に備えた光デバイス。
12. 光ファイバを伝搬するのに従って時間軸上で圧縮された光信号が供給される光デバイスであって、
    分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、
    上記ＤＦＢレーザが第１の波長で発振するように上記ＤＦＢレーザに電流を供給する回路とを備え、
    上記光信号は上記第１の波長と異なる第２の波長を有し、それにより上記ＤＦＢレーザは入力パワーが増大するのに従って飽和する利得を上記光信号に与え、
    上記時間軸上で圧縮された光信号のピークパワーは上記ＤＦＢレーザが上記飽和する利得を有するパワーである光デバイス。
13. 請求項１２に記載の光デバイスであって、
    上記第１の波長と異なる第３の波長を有するアシスト光を上記ＤＦＢレーザに供給する光源を更に備えた光デバイス。
14. 光信号を出力する光送信機と、
    上記光信号が伝搬するのに従って時間軸上で圧縮されるように設けられた第１の光ファイバと、
    上記第１の光ファイバから出力された圧縮された光信号が供給される飽和利得を有する光デバイスとを備え、
    上記第１の光ファイバから出力された圧縮された光信号のピークパワーは上記光デバイスが上記飽和する利得を有するパワーであるシステム。
15. 請求項１４に記載のシステムであって、
    上記光デバイスから出力された光信号が供給される第２の光ファイバを更に備えたシステム。
16. 請求項１４に記載のシステムであって、
    上記光デバイスは入力パワーが増大するのに従って飽和する利得を上記光信号に与える半導体光増幅器を備えているシステム。
17. 請求項１６に記載のシステムであって、
    上記光デバイスは上記光信号の波長と異なる波長を有するアシスト光を上記半導体光増幅器に供給する光源を更に備えているシステム。
18. 請求項１４に記載のシステムであって、
    上記光デバイスは、分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、上記ＤＦＢレーザが第１の波長で発振するように上記ＤＦＢレーザに電流を供給する回路とを備えており、
    上記光信号は上記第１の波長と異なる第２の波長を有し、それにより上記ＤＦＢレーザは入力パワーが増大するのに従って飽和する利得を上記光信号に与えるシステム。
19. 請求項１８に記載のシステムであって、
    上記光デバイスは上記第１の波長と異なる第３の波長を有するアシスト光を上記ＤＦＢレーザに供給する光源を更に備えているシステム。
20. 請求項１４に記載のシステムであって、
    上記第１の光ファイバに沿って設けられた少なくとも一つの光増幅器を更に備え、
    上記圧縮された光信号のピークパワーは上記飽和利得を与えるパワーの閾値よりも高くなるように設定されるシステム。
21. 請求項１４に記載のシステムであって、
    上記第１の光ファイバは正常分散を有し、
    上記光送信機は上記光信号がダウンチャープを有するようにプリチャーピングを施す手段を含むシステム。
22. 請求項１４に記載のシステムであって、
    上記第１の光ファイバは異常分散を有し、
    上記光送信機は上記光信号がアップチャープを有するようにプリチャーピングを施す手段を含むシステム。
23. 請求項１４に記載のシステムであって、
    上記第１の光ファイバに沿って設けられ上記第１の光ファイバの分散を補償する分散補償器を更に備えたシステム。
24. 請求項１５に記載のシステムであって、
    上記第２の光ファイバに沿って設けられ上記第２の光ファイバの分散を補償する分散補償器を更に備えたシステム。
25. 請求項１４に記載のシステムであって、
    上記第１の光ファイバの分散が実質的に等分される点の近傍に設けられた光位相共役器を更に備えたシステム。
26. 請求項１５に記載のシステムであって、
    上記第２の光ファイバの分散が実質的に等分される点の近傍に設けられた光位相共役器を更に備えたシステム。

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