JP3934517B2 - ラマン増幅分散補償モジュールとそれを用いた光通信システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを通して伝送される光信号の色分散を補償するモジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
一定の長さ、またはそれ以上の長さの分散補償ファイバ(DCF)を含む分散補償モジュール(DCM)は、一般に光ファイバ通信システムのファイバを通して伝送される光信号の色分散を補償するための手段として知られている。したがってDCMは、敷設済みの長距離光ファイバ・ケーブルを、より新しく、かつ、より高いレートのケーブルに置き換える必要なく、既存のシステムによる、本来の設計範囲外の帯域幅および波長を有する信号の処理を可能にしている。したがって伝送帯域幅要求が増加すると、その要求の増加に応じて、DCMが有効な分散補償を提供すべき波長の範囲が広くなる。
【0003】
DCMに複数のタイプのファイバを使用することにより、より厳しい製造公差および広い帯域幅(50nm以上)に及ぶ分散、分散の傾斜、および場合によってはより高次数の分散の同時制御を始めとするいくつかの利点がもたらされている。DCM自体、数キロメートルに及ぶ、特定の信号減衰係数を有するファイバを使用しているため、分散補償機能およびラマン増幅機能を、単一ラマン増幅分散補償モジュールすなわち「RADCM」に組み込むことは有益である。
【0004】
信号伝送波長が、知られている希土類ドープ増幅器では処理することができない領域に近づくと、あるいは伝送帯域が、現在のエルビウム・ドープ光増幅器の伝送帯域を超えると、広帯域利得を有する離散型増幅器を備えることが不可欠になる。離散型ラマン増幅器には、(a)あらゆる波長範囲で動作し、供給されるポンプ波長によってのみ左右される、および(b)複数のポンプを複数の波長で使用することにより、利得−帯域幅の広い製品を実現することができる、という利点がある。
【0005】
しかしながら、既存のDCMは優れた分散特性を有しているが、必ずしも有効なRADCMに改変することはできない。例えば所与のDCMは、良好な分散補償を提供することはできるが、利用可能なラマン・ポンプ・パワーに十分な利得を提供することはできない可能性がある。また、分散を補償するためにDCMに使用されるファイバは、あまりにも長く、多重通路干渉(MPI)による雑音の原因になっている。あるいは分散を補償するためにDCMに使用されるファイバは、有効面積があまりにも狭く、不要な4光波混合(FWM)の原因になっている。
【0006】
上で言及したように、単一ファイバDCMをポンピングすることによって信号損失を補償するラマンの概念は、広く知られている。例えば、参照によりそのすべての関連部分が組み込まれる米国特許第5,887,093号(1999年3月23日)を参照されたい。36Elec.Lett.(2000年)の1355ページに掲載されている、S.A.E.Lewisらの論文に、各ファイバに供給されるポンプ・パワーの量と共に慎重に長さが選択された2本のファイバを備えた広帯域RADCMが記述されている。低雑音指数を維持するために、分散補償の大半を提供するファイバに比較的小さいポンプ・パワーが供給され、25%未満の利得に寄与しているが、それにもかかわらず主補償ファイバは、半分以上の雑音をもたらしている。さらに、複数のサーキュレータを備えた複雑な中間スパン・ポンプ配列が必要である。したがってLewisらは、ラマン利得と分散補償を個々に実現することができることを証明しているが、Lewisらの論文には、所望の分散補償およびラマン利得を同時に実現することができること、あるいはDCFが、広帯域または傾斜および湾曲補償のいずれかを実現することができることについては示されていない。
【0007】
参照によりそのすべての関連部分が組み込まれる米国特許第6,335,820号(2002年1月1日)に、DCFを使用するオプションを備えた多段増幅器が記載されている。しかしながら低雑音動作は、光アイソレータなどの中間距離損失性要素および中間距離ポンピング構成を使用することによって実現されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
知られている技術に鑑みて、DRS、MPIおよびFWMによる雑音が小さく、また、複雑な中間距離ポンピング・スキームまたは損失要素を何ら必要とすることなく、十分な利得、分散、および分散傾斜補償を実現するRADCMが依然として必要とされている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、伝送ファイバを通して導かれる光信号に生じる色分散を補償するための少なくとも2本の分散補償ファイバを有する種類の分散補償モジュールは、第1の長さ、入力端および出力端を有する第1の分散補償ファイバ(DCF)を備えており、第1のDCFは、第1のラマン利得係数(gR(λ))、第1のラマン実効ファイバ面積(Ar eff)、および第1の分散特性を有している。また、分散補償モジュールは、第2の長さ、入力端および出力端を有する第2のDCFを有しており、第2のDCFの入力端は、第2のDCFの入力端と第1のDCFの出力端の間にポンプ信号源が存在しない場合に、第1のDCFの出力端から光信号を受信するように配置されている。第2のDCFは、第2のラマン利得係数、第2のラマン実効ファイバ面積、および伝送ファイバを通して導かれ、第1のDCFの入力端に印加される際に光信号に生じる色分散を補償する所望のモジュール分散を生成するために、第1の分散特性と協動するように選択された第2の分散特性を有している。
【0010】
ポンプ光源は、第2のDCFの出力端または第1のDCFの入力端のいずれかに結合されている。ポンプ光源は、1つまたは複数の波長の特定のパワー・レベルを有しており、それにより光信号を増幅するための所定の帯域幅を有する所望のモジュール利得を生成している。また、第1および第2のDCFの長さは、モジュール利得が最適化され、かつ、所望の総合モジュール分散が維持されるように選択されている。
【0011】
本発明をより良く理解するために、添付の図面および特許請求の範囲の各請求と共に以下の説明を参照されたい。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明に従って構築されるRADCMの場合、複数の分散補償ファイバ(DCF)を組み合わせることによって、分散、相対分散傾斜(RDS)および高次数分散の同時制御が実現される。理論的には、それぞれ異なる分散特性を有する複数のファイバの様々な長さの組合せを無限の数だけ組み合わせることにより、所与の信号波長範囲に対して所望の総合モジュール分散を実現することができるが、以下に示す基準の1つまたは複数を適用することにより、モジュールのラマン利得特性およびラマン雑音特性を最適化することができる。
【0013】
1.モジュール内のDCFの長さが、総合モジュール利得が最小化され、かつ、目標分散が維持されるように選択される。
2.ポンプの利用率を改善し、かつ、複レイリー散乱による雑音を少なくするために、ファイバ・ブラッグ格子(FBG)などの反射器を使用して、入力信号波長における重大な挿入損失を招くことなく、非吸収ポンプ光がRADCMの信号入力端に再注入される。
3.1つまたは複数のDCFの長さが、50ps/nm−kmを超える大きさの分散をもたらすように選択され、かつ、少なくとも1つのDCFが、Aeff<20um2で20ps/nm−km未満の大きさの分散をもたらすことができること(以下、高非線形ファイバすなわち「HNLF」と呼ぶ)。HNLFはラマン利得係数が大きく、かつ、分散が小さく、また、分散傾斜および曲率が小さい。HNLFの傾斜および曲率が小さいことにより、総合モジュール分散が他のDCFの長さのわずかな変化に影響されず、総合モジュール利得が著しく大きくなる。
4.RADCMによって提供される総合分散補償に関しては、ファイバの順序は重要ではないが、ファイバの順序を最適化し、それによりラマン利得を最大にし、同時に複レイリー散乱、MPIおよびFWMによる雑音を最小にするためには、ファイバ損失、ラマン利得およびレイリー散乱を始めとするパラメータを考慮しなければならない。
複数の共伝搬ポンプおよび/または逆伝搬ポンプおよび信号波長を有し、かつ、それぞれ利得係数、損失およびレイリー散乱係数が異なる、異なる長さのファイバを有するRADCMの場合、総合モジュール利得特性および雑音特性は、各ファイバに対して、異なる波長信号間のラマン相互作用を考慮した次の結合微分方程式を解くことによって決定することができる。
【数1】
nf(z、ν) 距離z、周波数νにおける順方向パワー
nι(z、ν) 距離z、周波数νにおける逆方向パワー
α(ν) 減衰
γ(ν) レイリー散乱係数
gγ(Δν)gγ(ζ−ν) 周波数ζとνの間のラマン利得係数
Aeff ファイバの有効面積
h プランク定数
k ボルツマン定数
T ファイバ温度
【0014】
所与の通信システムに適用された場合におけるモジュールの性能を最適化するためには、上記方程式(式1)は、数値的に解かれることが好ましが、単一ポンプかつ単一微小信号の場合、特定の傾向があることが分かる。微小信号レジームにおいては、方程式の異なる部分を解析的により簡単に解くことができる。したがって、モジュールの出力部における信号パワーPoutは、ファイバの長さがLの場合、次式
【数2】
により、増幅器の入力部の信号パワーPinに関係している。上式でgr(λ)はラマン利得係数であり、AR effはファイバのラマン有効面積、PpはDCF中の入力ポンプ・パワー、また、αsは信号波長における損失である。Leffは、ポンプ波長におけるファイバの実効長であり、
【数3】
で与えられる。上式でαpはポンプ波長における損失である。
【0015】
モジュールの利得を最大化するためには、その特性が式2の指数を最大化する一定の長さのファイバに最大のポンプ・パワーを与えなければならない。例えば、それぞれその長さに対する損失係数が類似した2本のファイバを有するモジュールの場合、所望の分散特性を維持した上で、最大比率gR/AR effを有するファイバの可能最長長さを選択しなければならない。ファイバ損失および接続損失によってポンプ・パワーが減衰するため、利得の大きいファイバをモジュールのポンプ入力側に置かなければならない。
【0016】
雑音に対する考慮
HNLFのように高利得、低分散ファイバの場合、利得の増大による雑音の影響を回避するためにファイバの配置を修正しなければならない。モジュールの利得を最適化し、かつ、複レイリー散乱MPIを最小化するためには、ラマン利得係数が大きく、かつ、ラマン利得に対するレイリー散乱の比率が小さいHNLFによって提供される利得の量を最大化しなければならない。それにより事実上、主として利得ブロックになるHNLFの機能と、モジュール内における分散補償の大半を提供している1つまたは複数の他のDCFの機能が分割される。最大利得を得るためには、モジュールの高利得HNLF部分に最大ポンプ・パワーを与えなければならないが、HNLFの分散が小さいため、HNLFによって提供される利得の量と共にFWMによるペナルティが増加する。このような減損は、HNLFが総合モジュールにおける最大利得部分を提供する際に最も大きくなる。したがって、MPIおよびFWMによる雑音が小さいRADCMの場合、HNLFによって提供される利得の量とFWMの量の間で、実際的な妥協を計らなければならない。
【0017】
中間あるいは信号入力端にHNLFを備えた逆ポンプRADCMが構築され、その中でHNLFは、通常、8dBを超える正味利得から3dB未満の利得を提供している。これらのモジュールは、DRSによる低(−43dB)減損、および40Gb/sでの動作に十分な低FWMペナルティを示している。したがってHNLFを中間(あるいは逆ポンプモジュールの信号入力端)に配置することによっては可能最大利得は提供されないが、このような構成により、DRSおよびFWMによる重大な減損を招くことなく、利得を大きくすることができる。
【0018】
図1は、本発明に従って構築された2ファイバRADCM10を示したものである。RADCM10は、2本の分散補償ファイバ(DCF)12および14を有している。1つまたは複数の逆ポンプ16は、1つまたは複数の波長で、DCF14の信号出力端18にポンプ・パワーを供給している。また、1つまたは複数の共ポンプ20は、1つまたは複数の波長で、DCF12の信号入力端22にポンプ・パワーを供給している。ポンプ波長は適切に選択され、モジュール10の利得帯域幅を広げている。
【0019】
DCF12および14の長さの最適化によるRADCM10の利得の最適化
図2は、図1に従って構築され、かつ、100kmのTWRSと組み合わされた、それぞれ長さが異なるDFC12および14を使用した2つのRADCMの残留分散(全動作波長範囲に対する最大分散と最小分散の差)を示したものである。2つのRADCMはいずれも、ファイバ12および14にHSDKおよびTHOR8A774を使用している。一方のモジュールには、2.907kmのHSDKおよび2.66kmのTHOR8A774が使用され(曲線1)、もう一方のモジュールには、1.5kmのHSDKおよび5.385kmのTHOR8A774が使用されている(曲線2)。2つのモジュールに対する残留分散窓(図2)は同じであるが、図3に示すように、2つのモジュールの利得は、著しく異なっている。2.9kmのHSDKを使用したモジュールの利得は、所与のポンプ・パワーの量に対して、もう一方のモジュールの利得より3dB大きくなっている。
【0020】
DCF12および14の順序の最適化によるRADCM10の利得の最適化
複数のタイプのDCFを使用したRADCMの場合、総合分散は、モジュール内で構成されるファイバの順序には無関係であるが、ポンプ・パワーは、ポンプ・パワーがファイバを通って伝搬するとパワーが減衰するため、モジュールの利得は、ポンプおよび入力信号との関係において、所与のDCFの配置に依存している。したがって、最大利得効率を有するファイバに最大ポンプ・パワーを導くことによって、より大きい利得が得られる。
【0021】
図4は、2.907kmのHSDKおよび2.660kmのTHOR8A774を有するRADCM10の利得を示したものである。曲線1は、HSDKファイバをRADCMのポンプ側の近傍に配置した場合の計算利得を示し、曲線2は、HSDKファイバをモジュールの信号側に配置した場合の利得を示している。この利得は、ラマン利得係数がTHOR8A774ファイバより大きいHSDKファイバをRADCMのポンプ側に配置した場合の利得より著しく大きくなっている(1.5dB以上)。
【0022】
RADCM10におけるHNLFファイバの使用
図1に示すRADCM10のDCF12および14の一方は、大きさが50ps/nm−kmを超える分散を有しており、もう一方のDCFの分散の大きさは、20ps/nm−km未満であるが、その利得効率は他方より大きい。このような場合、本明細書において高非線形ファイバすなわちHNLFとして参照する後者のファイバは、評価できるほどの分散補償をモジュール10に提供しないが、前者のファイバの利得を大きくするために使用されている。
【0023】
HNLFの相対分散傾斜(RDS)は、典型的な分散補償ファイバの相対分散傾斜の半分未満であることが理想的であるが、よりいっそう重要なことは、HNLFの相対分散曲率(RDC)を、典型的なDCFの相対分散曲率より小さくしなければならないことである。
【0024】
図5は、D=−4.9ps/nm−km、D’=0.017ps/nm2−km、D”=−8.9*10−5ps/nm3−kmの特性を有するHNLFを備える場合と備えない場合のRADCMの分散および利得を示したものである。HNLFを備えないRADCMのHSDKの長さは3.3kmであり、THOR8A774の長さは2.18kmである。HNLFを備えたモジュールのHSDKの長さは2.62km、THOR8A774の長さは3.1kmであり、HNLFの長さは3.0kmである。HNLFのRDSが小さいため、2つのモジュールの分散は、図5に示すようにほぼ同じであるが、モジュールにHNLFを備えることにより、図6に示すように、利得が著しく大きくなっている。RADCM内におけるファイバの順序は、モジュールの信号入力側がTHOR8A774、ポンプ側がHSDKであり、その間がHNLFである。この順序では最大利得を得ることはできないが、上で考察した雑音の観点からすれば、より好都合である。この順序により、DRS係数(Rc)が−43dBに小さくなり、また、FWNによるペナルティを低減することができる。
【0025】
ポンプ反射
図7は、本発明の他の実施形態によるRADCM100を示したものである。
図1に示すRADCM10と同一または類似のコンポーネントには、100が追加された対応する参照番号が振られている。RADCM100は、非吸収ポンプ・エネルギーを有効に利用するためのポンプ反射器をファイバ・ブラッグ格子130の形態で備えた複数の分散補償ファイバ112および114を備えている。通常、DCF112および114の長さは10km未満であるため、モジュールの利得および効率の両方を改善するための格子130によってポンプ・パワーが反射して戻されない限り、相当なポンプ・パワーがモジュールから出て行ってしまうことになる。
【0026】
ポンプ反射器の使用による利得の最適化
モジュール100の信号入力端122に、図7に示す格子130のようなポンプ反射器を使用することにより、ポンプ・エネルギーをより有効に利用することができる。このような配列によりモジュールの利得が大きくなり、かつ、複レイリー散乱によるペナルティが低減される。ポンプ116は、モジュールに入力される光信号の波長より短い波長で動作するため、入力信号波長における損失が最小(例えば0.1〜0.2dB)になるようにポンプ反射器を構成することができる。ポンプの幾分かは信号と共に伝搬するため、ポンプ信号クロストークによって生じる減損を防止するためには、ポンプ116用のレーザは、そのRIN雑音がシステム・レシーバの周波数範囲外になるように選択しなければならない。
【0027】
図8は、RADCM100の信号入力端122で反射されるポンプ波長の数が異なる場合の、モジュール利得に対する影響を示したものである。すべてのポンプを反射させる場合、いくつかの波長に対して利得を3dB以上大きくすることができるが、ポンプ間の相互作用によって大きな利得傾斜がもたらされるため、ポンプ・パワーのすべてを反射させることは必ずしも好都合ではない。反射させるべきポンプの最適数は、ポンプおよび信号波長の総数、パワー、およびDCF112、114の個々の特性、例えば損失およびラマン利得などによって決まる。
【0028】
図9は、一方がポンプ反射器無しの4.5kmのHSDKを備え、もう一方がポンプ反射器を有する3.0kmのHSDKを備えた2つのRADCMの利得を示したものである。2つのモジュールの利得は類似しているが、図10を参照すると、長さの短いHSDKファイバおよびFBGポンプ反射器を利用しているモジュールに対する複レイリー散乱によるペナルティが著しく低減されている。
【0029】
図11は、波長を関数としたDCFの分散特性をグラフで示したものである。
分散特性は、図に示すように特定の波長で変曲する変曲点200を有している。変曲点200では、分散特性の傾斜の変化率(すなわち二次導関数)が実質的にゼロである。本発明によれば、このモジュールの場合、1つまたは複数のDCFは、その変曲点がシステム伝送ファイバの動作波長範囲あるいは動作波長範囲の近傍になるように選択されることが好ましい。DCFをこのように選択することにより、このモジュールによる伝送ファイバの最適分散補償が可能となる。
【0030】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、特許請求の範囲の各請求項によって明らかにされている本発明の精神および範囲を逸脱することなく、様々な変更および改変を加えることができることは、当分野の技術者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるRADCMの第1の実施形態の略図である。
【図2】長さが異なるDCFを使用した2つのRADCMの残留分散を示すグラフである。
【図3】図2の2つのRADCMの利得を示すグラフである。
【図4】DCFの順序が入れ代わったRADCMの利得を示すグラフである。
【図5】HNLFファイバを有する場合と有さない場合のRADCMの残留分散を示すグラフである。
【図6】図5のRADCMの利得を示すグラフである。
【図7】本発明の第2の実施形態によるRADCMの略図である。
【図8】図7のRADCMの入力端で反射されるポンプの数を関数とした利得を示すグラフである。
【図9】一方がポンプ反射器を備えた2つのRADCMの利得を示すグラフである。
【図10】図9の2つのRADCMの複レイリー散乱を示すグラフである。
【図11】動作波長を関数としたDCFの分散を示すグラフである。
Claims (9)
- 複数の分散補償ファイバ(DCF)を有する種類のラマン増幅分散補償モジュール(RADCM)であって、該複数のDCFが、伝送ファイバを通して導かれる光信号に生じる色分散を補償するように協動し、
第1の長さ、入力端および出力端を有し、かつ、第1のラマン利得係数、第1のラマン実効ファイバ面積、および第1の分散特性を有する第1のDCFと、
第2の長さ、入力端および出力端を有する第2のDCFであって、前記第2のDCFの前記入力端が、前記第1のDCFの前記出力端から光信号を受信するように配置され、また、前記第2のDCFが、前記第1のラマン利得係数、前記第1のラマン実効ファイバ面積、および前記第1の分散特性とは異なる第2のラマン利得係数、第2のラマン実効ファイバ面積、および第2の分散特性を有し、該第2の分散特性が、前記光信号の分散が前記第1及び第2のDCFによって補償されるように選択される、前記第2のDCFと、
前記第2のDCFの前記出力端または前記第1のDCFの前記入力端のいずれかに結合されたポンプ光源であって、分散補償すべき光信号を増幅するために、所定の帯域幅を有するモジュール利得を得るための特定のパワー・レベルを有する1つまたは複数の波長の光を出力する、ポンプ光源とを備え、
前記RADCMによるモジュール全体での所望の分散補償を維持しながら、[(gR(λ)/AR eff)(PP)(Leff)−(αS)(L)]について最大の値を有する1つのDCFの長さ(L)を可能な限り長くしており、これにより前記モジュール利得が最適化され、ここで、gR(λ)はラマン利得係数、AR eff はラマン有効面積、PPは前記1つのDCFに入力されるポンプ・パワー、αSは伝送信号波長における前記1つのDCFの損失、また、Leffはポンプ光の波長における前記1つのDCFの実効長であり、そしてLeff=(1/αP)(1−e−α p L)であり、αpがポンプ光波長における前記1つのDCFの損失である
RADCM。 - 前記ポンプ光源が前記第2のDCFの前記出力端に結合され、かつ、前記第1のDCFの前記入力端に配置された1つまたは複数のポンプ光反射器を備える、請求項1に記載のRADCM。
- 前記1つまたは複数のポンプ光反射器がファイバ・ブラッグ格子である、請求項2に記載のRADCM。
- 第3のDCFを備え、前記第3のDCFが、前記第1のDCFの前記出力端から光信号を受信するように配置された入力端を有し、および該入力端で受信した光信号を前記第2のDCFの前記入力端に提供するように配置された出力端を有し、前記第3のDCFの相対分散傾斜(RDS)は前記第1及び第2のDCFのRDSよりも小さい、請求項1に記載のRADCM。
- 前記第1及び第2のDCFのうちの1つのDCFの分散が約20ps/nm−km未満であり、有効面積が約20μm2未満である、請求項1に記載のRADCM。
- 前記第1及び第2のDCFのうちの1つのDCFの分散が約50ps/nm−kmを超える、請求項5に記載のRADCM。
- 前記第1及び第2のDCFのうちの少なくとも1つのDCFの分散特性が、モジュールが補償すべき伝送ファイバの動作帯域幅内、あるいは動作帯域幅の近傍にある波長において変曲点を有している、請求項1に記載のRADCM。
- 前記第1及び第2のDCFのうちの1つのDCFの分散が10ps/nm−km未満であり、かつ、前記第1及び第2のDCFのうちの他のDCFが、前記1つのDCFと前記ポンプ光源との間に配列される、請求項5に記載のRADCM。
- 光ファイバ通信システムであって、光信号を送信するためのトランスミッタ、光信号を所望の経路を介して伝送するためのシステム伝送ファイバ、光信号を受信するためのレシーバ、及び、前記トランスミッタと前記レシーバの間の前記伝送ファイバに動作可能に結合された、前記伝送ファイバによって光信号に生じる色分散を補償するための請求項1に記載のRADCMを備える光ファイバ通信システム。
Applications Claiming Priority (2)
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