JP4309071B2 - 光伝送システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速の光伝送システムに関し、特に、ラマン増幅を有する光位相共役器を利用して伝送ファイバにおける4波混合及び他のカー効果の非線形性を低減する光伝送システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
伝送媒体として光ファイバを利用する光通信システムにおいては、より高速のシステムデータレートやより長い非反復距離を実現するには、波長分散やファイバの非直線性という大きな障害がある。波長分散はしばしば単に「分散」として表現され、(光ファイバのような)光伝送媒体を通過する光信号の速度が光信号波長の関数として変化する現象である。
【0003】
波長分散の問題は、世界中に存在する光伝送システムの基礎構造の多くを編成している標準の単一モードファイバ(SMF)において特に大きい。標準のSMFは一般的に約1330nmの波長において分散ゼロを示し、分散ゼロの波長より長い波長になると正の分散をもつ。
【0004】
分散は周波数に対するファイバの伝搬定数における変化に置き換えて表される。一次及び二次の群速度分散は、角周波数ωに対するファイバ伝搬定数βの第2及び第3の微分係数又はβ2及びβ3を表す。これより高い次数の項はほとんどの場合において、ほぼゼロと見なすことができる。
【0005】
光波伝送システムにおいて使用する場合には、一次及び二次の分散は波長に対する微分係数に置き換えて表現されるのが普通である。このため、一般的に一次の群速度分散は、パルス波長における変化に対するファイバの単位長さでのパルス伝搬時間における変化として表現される。この場合において、シンボルD(λ)は一次の群速度分散を示すものとしてよく用いられ、その単位は一般的にナノキロメータに対するピコ秒(ps/nm−km)である。二次の群速度分散はλps/nm2の単位が用いられ、D(λ)の波長に対する微分係数として表現される。
【0006】
さらに、波長分散及びグラスファイバ内における固有のカー効果の非直線性は伝送能力を制限する。このような非直線性のために、屈折率は適用する光信号の強度に応じて増加する。ファイバの屈折率の変化はファイバを通過する光信号の位相を変調し、これにより信号の周波数スペクトルが再分布する。マルチチャネルシステムにおいては、その中で1つの信号が他の信号の変調を生じることになり、この現象はそれ自身信号波長を取り囲む好ましくないスペクトルのサイドバンドとして現れる。
【0007】
通常、このような非直線性は4波混合(FWM)、自己位相変調(SPM)及び直交位相変調(XPM)として分類される。光ファイバでの遠距離通信においては、分散及び非直線性は制御されるか、補償されるか、又は抑圧されなければならない。
【0008】
さらに、このような非直線性は、ファイバ内に注入する光電力が増加するにつれてかえって悪くなる。光ファイバで搬送される情報の変調レートが速ければ速いほど、光の非直線性の悪化に対応してチャネルごとに使用される電力は増加する。同時に、低分散のファイバも広く用いられ、稠密波長分割多重(DWDM)の光システムが情報能力において増加する要求の解決として期待されている。
【0009】
このような2つの決定的な要素は、上記した好ましくないスペクトルのサイドバンドの発生を激化させる一因になる。その上、XPM及びSPMのペナルティもまた、チャネル空間が低下する場合と同様に、低分散のファイバを使用する場合には増加する。したがって、このようなサイドバンド内に存在する光信号を低下するための技術及びその非直線性を低減するための技術が光通信システムにおいて強く要望されている。
【0010】
このような非直線性の存在を克服するための従来の技術の1つに中間スパン光位相伝搬の使用がある。光パルスの位相伝搬は結果においてパルスの時間反転であるので、光ファイバスパンの中間点に位置する光位相伝搬は、スパンの後半で共役信号が伝搬するときに生成される同一の一次の群速度分散によって、スパンの前半の一次の群速度分散が補償されるようにする。
【0011】
1998年の8月25日に渡辺氏に発行された米国特許5,798,853号には、このような従来の光位相共役のアレンジが記載されている。上記したように、中間スパン光位相共役は、ファイバ内における吸収が低い限り、同じ時間反転の論拠に基づいてファイバにおける非直線性を全体的に低減することができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ファイバの非直線性の問題に対するこの従来のソリューション及び他の従来のソリューションは、ファイバ吸収が低い状況においてしか光位相共役を適用できないという問題がある。通常、吸収はファイバの長さの関数であるので、従来の光位相共役技術は短いスパンの状況において最適であるので(また、非直線性はスパンが長くなるほど問題になるのが事実であるので)、長距離通信システムにおけるファイバの非直線性を解決する必要がある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は従来技術の課題を解決するものであり、伝送ファイバにおける4波混合及びカー効果の非直線性の存在を低減するためにラマン増幅を有する光位相共役を利用する光伝送システムに関するものである。
【0014】
本発明によれば、ファイバの長さに従って対称な電力分布を提供するために、各ファイバスパンに(又は、他の実施形態においては1つ置きのファイバスパンに)、ラマン利得を挿入することによって位相共役の補償を改善する。指定したスパンにおけるこの利得の提供によって、4波混合及びその他の非直線性が十分に低減される。
【0015】
本発明によれば、各ラマン増幅信号は、情報信号の方向に対して後方伝搬として適用される。あるいは、後方伝搬のラマン励起はOPCデバイスの後のファイバスパンにおいてのみ使用可能とする。
本発明によれば、光位相共役器の周囲に対称な電力分布を提供するラマン増幅技術は、実質的にはいかなる共役器のアレンジにも使用することが可能である。
【0016】
【発明の実施の形態】
光位相共役を利用した従来の光伝送システム10を図1に示す。システム10は、連続した光ファイバ部16の間に配置されたいくつかのファイバ増幅器14で形成された光ファイバ伝送経路の一方の端部に光信号送信機12を備えている。その増幅器は、例えばエルビウム添加ファイバ増幅器(EDFA)であり、光ファイバの減衰を補償し、伝送経路全体で電力分散を無損失に近づけるように間隔をおいて配置される。
【0017】
光受信機18は、図に示すように、伝送経路の他方の他方の端部に位置している。システム10はまた、システムの「中間スパン」に配置された光位相共役器(OPC)20を備えている。OPC20はファイバにおける波長分散及び非直線性の影響を補償するために入力信号の位相共役を生成する。OPC20は各ファイバスパンの分散の正確な認識は要求とせず、中間点が知見でき、結果として2つの半分が累積された同じ分散を生成するだけでよい。また、図1に示すように、伝送システムの半分の各々に沿った光電力分散の(簡略化された)グラフがある。
【0018】
図2は、周期的電極構造のLiNbO3の(PPLN)導波路のように、高い効率の非直線性の材料で形成されたカスケード式の二次の非直線性(χ(2))デバイスとして定義されたOPC20の例を示している。この特定の光位相共役器は単なる例にすぎず、光位相共役器を実現するための多様なアレンジが存在することはいうまでもない。
【0019】
一般的に、光位相共役器は様々なωsの情報信号と同時に発射されたωpの強度の励起信号を利用する。この特異なOPCデバイスにおいては、励起及び信号はともに1.5μm帯域内にある。励起周波数は導波路内では2倍の2ωpであり、信号のもつ異なる周波数と同時に混合されて、ωout=2ωp−ωsの式で示す波長シフトされた出力が発生される。その変換された電界は入力信号の電界の複合共役であり、入力信号のチャープを反転するのに使用できるという特徴がある。
【0020】
図2に示すように、OPC20は周期的電極構造のLiNbO3導波路の基板22を有し、基板22の中で所定の波長λpと(この例では)波長λA乃至λDで変調された複数の情報信号とが結合される。特に、1.5μm帯域の波長変換におけるχ(2)に基づくデバイスは1550nm領域において励起を用いる。
【0021】
励起信号は最初にエルビウム添加ファイバ増幅器24によって増幅され、次にバンドパスフィルタ26を通してフィルタ処理されて、存在するおそれがある自然放射増幅光(ASE)をすべて抑制する。この増幅されフィルタ処理された励起信号は、次に4つの異なる波長の光信号と合成されて、PPLN導波路22の中に注入される。
【0022】
図3は、PPLN導波路22からの出力を示し、入力信号(A,B,C及びD)と共に、PPLN導波路22で生成された位相共役信号(A’,B’,C’及びD’)に関連するスペクトルが見られる。図3のグラフから明らかなように、各チャネルに対する波長の変換効率は実質的に同一である。これ以上の詳細な特性及び光位相共役の動作についてはこの明細書の別の箇所で明らかにされるが、このことは本発明の主要な事柄に密接な関係がある訳ではない。
【0023】
上記したように、図1に示す従来技術のアレンジの問題は、光位相共役が最適であるのは(非直線性を除去するという観点から)吸収が低いファイバでのシステムにおいてであり、このため比較的短いファイバスパンにOPCの使用が制限されることである。
【0024】
図1に示すように、光電力は信号はOPC20に到達する時間によって大きく低下することは明らかである。理論的に言えば、OPCが最も効果的であるのは、図4に示すように、「対称」電力分散を示すシステムにおいてである。明らかに、このことは仮定的な状況である。ファイバの吸収は常に電力を減少させる結果になるからである。
【0025】
本発明のアレンジは、各ファイバスパンにラマン利得を挿入することによってこの制限を克服し、その結果、伝送システムの半分で共に「対称」電力分散を提供する。図5は本発明によって形成された光システム100の例を示し、図1に示した構成と同じものについては、図1の参照番号に「0」を追加して示されている。
【0026】
本発明において、第1のラマン光源2201はシステム100内において第1の光ファイバ部1601に沿って増幅を提供する。第2のラマン光源2202は第2の光ファイバ部1602に沿って増幅を提供する。ラマン増幅の結果、分離した各スパンに沿った光電力は実質的に「対称」になり、光電力分散は、図6に示すグラフのようになる。したがって、OPC200の性能は大きく改善され、また一般的に、いかなる長さに対しても使用できるようになる。
【0027】
図7及び図8は、本発明によるラマン利得をOPCの後に提供することによって実行できる直線性の改善を示している。図7(a)は、800kmWDMネットワークにおける10Gb/sの中心チャネルに関連する「従来技術」のアイダイアグラムを示している。中心チャネルが分析のために選択されたのは、この領域に最大レベルの直交位相変調が存在するからである。図7(b)は、従来の中間スパンのOPCデバイスを使用した場合の同じチャネルに関連するアイダイアグラムを示している。図に示すように、アイダイアグラムの「論理1」レベルにわたって比較的大きいノイズ量が残っている。
【0028】
これに対して、図7(c)は、OPCデバイスの後のファイバスパンにラマン増幅を組み込んだ場合の10Gb/sシステムの同じ中心チャネルにおけるアイダイアグラムを示している。図7(a)〜(c)は、800kmWDMネットワークにおける10Gb/sにおける同様のアイダイアグラムを示している。どの場合においても、ラマン増幅を含むことによって、自己位相変調及び直交位相変調の両方の存在が大きく低減されているのがわかる。
【0029】
本発明による改善が実行された結果を図9のグラフに示す。図9に示すピークAは、ファイバの160kmを通って伝搬したときの変化しないWDMチャネルを表している。高い方のピーク(1)は望ましいWDMチャネルであり、弱い方のピーク(2)は4波混合及び非直線性の結果である。これに対して、ピークBは本発明のシステムに関連するものであり、4波混合サイドバンド(すなわち、望ましいWDMチャネルの強い方のピーク(1)に対する弱い方のピーク)が大きく低減されているのがはっきりとわかる。
【0030】
図5に示した本発明のアレンジにおいては、ファイバスパン1601及び1602の両方において後方伝搬の利得信号を提供するようにラマン光源220が配置されている。しかしながら、最も一般的な形態において、本発明でカー効果の非直線性が補償できるのは、ラマン励起をOPCデバイスの後に行う場合のみである。図10は、同じように連合した電力分散スペクトルを有する本発明のアレンジをさらに一般化したものを示している。
【0031】
図に示すように、光信号は最初に増幅器300(EDFAが望ましい)を通過し、第1のセクションである光伝送ファイバ310に結合される。スパン310を通過する信号と共に累積された非直線的な位相は、スパン310に関連する電力分布の影の部分(網点部分)によって示される。この後、光信号は(上記したものと同じ関数の)OPC320を通過して、第2のセクションである光伝送ファイバ330に結合される。
【0032】
ラマン励起340はファイバ330の出力端において利得を結合するのに用いられる。この第2のファイバスパン330に関連する電力分布も図10において影の領域(網点部分)に示され、ファイバの出力端に向かう補償により入力部分であるファイバ310における非直線的な存在とバランスを採ることになる。一般的に、図10に示すようなアレンジは、完全な伝送システムについて全体として所望の長さを得るために何回も反復することができる。
【0033】
言うまでもなく、本発明のこれらのアレンジ及び本発明の他のアレンジは、光位相共役アレンジのどのようなタイプにも有効であり、図2に示した特定の実施形態は一例に過ぎない。
【0034】
特許請求の範囲に記載した発明の構成要件の後の括弧内の符号は、構成要件と実施例と対応づけて発明を容易に理解させる為のものであり、特許請求の範囲の解釈に用いるべきのものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】システムの長さに従って光電力分布を描写した従来の光電送システムを示す図。
【図2】光位相共役器の例を示す図。
【図3】図2のカスケード式のχ(2)の光共役器を用いた光位相共役の結果であるグラフを示す図。
【図4】伝送システムの長さに従った対称な電力分布を有する仮定的な光伝送システムを示す図。
【図5】各ファイバスパンにラマン利得を加えて後方伝搬のラマン利得により対称な電力分布を提供する本発明の伝送システムの例を示す図。
【図6】本発明によるラマン利得を有することによって対称な電力分布における改善のグラフを示す図。
【図7】本発明におけるラマン増幅を用いて性能の改善を示す10Gb/sのWDMでのアイダイアグラムを示す図。
【図8】本発明におけるラマン増幅を用いて性能の改善を示す40Gb/sのWDMでのアイダイアグラムを示す図。
【図9】従来のシステムと本発明のアレンジとにおいて波長の関数としての光電力について比較して本発明によるサイドローブ低減の可能性のグラフを示す図。
【図10】OPCの後のスパンにおいてのみラマン利得を有し光伝送システムの所望の長さに達するために多数回の反復が可能なラマン増幅ユニットの例を示す図。
【符号の説明】
10 従来の光伝送システム
12 光送信機
14 光増幅器
16 光ファイバ部分
18 光受信機
20 光位相共役器(OPC)
22 周期的電極構造のLiNbO3の(PPLN)導波路
24 エルビウム添加ファイバ増幅器(EDFA)
26 バンドパスフィルタ
100 本発明の光伝送システム
120 光送信機
140 光増幅器
160 光ファイバ
180 光受信機
200 光位相共役器(OPC)
220,340 ラマン励起
300 エルビウム添加ファイバ増幅器(EDFA)
310,330 光ファイバ
320 周期的電極構造のLiNbO3の光位相共役器
Claims (10)
- A)既知の光電力吸収特性を有し、オリジナルの位相をもつ入力信号を光送信機から受信して、受信した前記入力信号を伝搬させる入力光ファイバの伝送スパンと、
B)前記入力光ファイバの伝送スパンの終端に配置され、前記入力光ファイバの伝送スパンによる伝送に起因する非直線性を実質的に除去するために、位相共役化された光信号を形成することによって前記入力信号の前記オリジナルの位相を変換する光位相共役器と、
C)既知の光電力吸収特性を有し、前記光位相共役器に結合されて前記位相共役化された光信号を受信して、前記位相共役化された光信号を光受信機の側に伝搬させる出力光ファイバの伝送スパンと、
D)前記出力光ファイバの伝送スパンに後方伝搬の利得信号を注入するために配置され、前記入力光ファイバと前記出力光ファイバとの間に実質的に対称な光電力分布を供給するラマン利得要素と
を備えた光伝送システム。 - 前記光位相共役器は、前記入力光ファイバの長さが前記出力光ファイバの長さと実質的に等しくなるように、システムの中間点に実質的に配置される
ことを特徴とする請求項1記載の光伝送システム。 - 前記入力光ファイバ内に後方伝搬の利得信号を注入するために配置された第2のラマン利得要素をさらに有する
ことを特徴とする請求項1記載の光伝送システム。 - 前記光位相共役器は、カスケード式のx(2)波長変換器である
ことを特徴とする請求項1記載の光伝送システム。 - 光増幅器は前記入力光ファイバの伝送スパンに沿って配置されている
ことを特徴とする請求項1記載の光伝送システム。 - 前記光増幅器はエルビウム添加ファイバ増幅器からなる
ことを特徴とする請求項5記載の光伝送システム。 - 光増幅器は前記出力光ファイバの伝送スパンに沿って配置されている
ことを特徴とする請求項1記載の光伝送システム。 - 前記光増幅器はエルビウム添加ファイバ増幅器からなる
ことを特徴とする請求項7記載の光伝送システム。 - E)前記入力光ファイバに沿って配置されている第1の光増幅器と、
F)前記出力光ファイバに沿って配置されている第2の光増幅器と
をさらに有することを特徴とする請求項1記載の光伝送システム。 - 前記第1及び第2の光増幅器はエルビウム添加ファイバ増幅器からなる
ことを特徴とする請求項9記載の光伝送システム。
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