JP4309071B2 - 光伝送システム - Google Patents

Description

【０００１】
【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ω_sの情報信号と同時に発射されたω_p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２ω_pであり、信号のもつ異なる周波数と同時に混合されて、ω_out＝２ω_p−ω_s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λ_A乃至λ_D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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。

Images