JPH0738497A

JPH0738497A - 光ソリトン中継装置

Info

Publication number: JPH0738497A
Application number: JP5183078A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Kubota; 寛和久保田; Masataka Nakazawa; 正隆中沢
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1993-07-23
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 1995-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】光ソリトン伝送路中の光ソリトンパルスの雑
音を除去することにより、中継間隔を延長することがで
き、したがって、長距離、超大容量の光通信を経済的に
実現することができ、しかも保守管理が容易な光ソリト
ン中継装置を提供する。【構成】光ソリトン伝送用の中継装置８に備えられた
光増幅器３の入射側または出射側のいずれか一方に光強
度変調器５を設け、光強度変調器５にクロック信号抽出
部６を設けたことを特徴とする。また、光増幅器３の入
射側または出射側のいずれか一方に帯域透過型光フィル
ター４を設けてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ソリトン伝送路中の
光ソリトンパルスの雑音を除去することにより、中継間
隔を延長し、長距離、超大容量の光通信を経済的に実現
することができ、しかも保守管理が容易である光ソリト
ン伝送路の中継装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信において通信の容量を増加させる
ためには、光パルスのパルス幅及びパルス間隔を狭くし
て単位時間当りの光パルスの伝送密度を上げる必要があ
る。ところが、パルス幅を狭くすると、それに反比例し
て光パルスの周波数スペクトルが広がり、光ファイバー
中を伝搬する光はその周波数（すなわち、波長）によっ
て伝搬速度が異なる（群速度分散という）ため、光ファ
イバーを伝搬するにしたがって、光パルスの波形は広が
っていく。即ち、通常の光パルスを用いた光通信では、
光ファイバー中に存在する群速度分散の効果により前記
光パルスのパルス幅が広がり、その広がりの度合いはパ
ルス幅が狭いほど顕著となる。したがって、現状の技術
では、伝送容量をこれ以上上げることが難しく光通信の
大容量化には限界がある。

【０００３】現在用いられている石英を主成分とする光
ファイバーの群速度分散では、波長がおよそ１．３μｍ
（構造を工夫した光ファイバーでは、およそ１．５μ
ｍ）よりも長波長の波長帯域において、長波長の光ほど
伝搬速度が遅くなる異常分散特性がある。一方、高強度
の光パルスが光ファイバー中を伝搬すると、非線形光学
効果の一つである自己位相変調効果により、光パルスの
前側では波長が長波長側に、後ろ側では短波長側にそれ
ぞれシフトする。この光ファイバー中において異常分散
と自己位相変調効果が同時に起る場合、光パルスの前側
が遅れ後ろ側が進むためにパルス幅が圧縮され、この圧
縮の効果と群速度分散による広がりの効果とが釣り合っ
たところで光パルスは安定になる。これが光ソリトンで
ある。

【０００４】また、実用化されている光ファイバーに
は、ごくわずかではあるが光損失があるため、光ファイ
バー中を伝搬する光の強度は伝搬とともに減衰する。光
の減衰量は波長によって異るため、長距離の光通信を行
う場合には、光の強度の減衰が最も小さい波長帯域（最
低損失波長域）である１．５５μｍ帯域付近を使用する
ことが好ましい。この波長１．５５μｍ帯での光損失
は、１ｋｍ当り０．２ｄＢ（約５％）である。この１．
５５μｍ帯域は前述のように異常分散領域であり、光ソ
リトンはこの異常分散領域の最低損失波長域で形成され
るため、長距離の光通信にも有効である（文献１：A.Ha
segawa:Appl.Opt.23,p.3302(1984)）。このように、光
ソリトンには、群速度分散による広がりと非線形光学効
果（光カー効果）による圧縮が釣り合うことにより、光
ファイバー中を波形を変えずに伝搬するという特徴があ
る。したがって、光ソリトンを用いた伝送方法は長距
離、大容量の光通信を実現させる上で有望な方法であ
り、数多くの実験が行われ、研究されている。

【０００５】光損失によって生じる光ソリトンパルスの
強度の低下を補うために、最近では、光ソリトン伝送用
に開発されたエルビウム添加光ファイバー増幅器（ＥＤ
ＦＡ）が用いられている（文献２：M.Nakazawa et.al.:
Electron.Lett,Vol.25,p.199(Feb.1989)）。なお、１．
５μｍ帯付近で用いられる光増幅器としては、上述した
ＥＤＦＡ以外に半導体レーザーを用いたものなどが研究
されている。このような光増幅器を用いた光ソリトン伝
送方法はダイナミックソリトン伝送法と呼ばれている。
このＥＤＦＡにより光増幅を行うダイナミックソリトン
伝送法を光伝送路に適用すれば、１０Ｇbit/sの伝送容
量で、数千ｋｍから一万ｋｍの距離の通信が可能である
（文献３：M.Nakazawa et.al.:IEEE J.Quantum Electro
n.Vol.26,p.2095(1990)）。また、通常の光ソリトンを
用いない伝送容量の低い光通信においても、ＥＤＦＡを
使用すれば、数千ｋｍから一万ｋｍの距離の通信が可能
である（文献４：H.Taga et.al.:OFC/IOOC '93,PD1,(Fe
b.1993),San Jose）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、長距離の光
通信を行う場合、光増幅器を設置する間隔（中継間隔）
は数十ｋｍ程度までしか延長することができないという
問題点があった。これは、雑音が増加することによりＳ
／Ｎ比が劣化するためである。したがって、光伝送路中
に数多くの光増幅器を設置する必要が生じ、設置及び保
守のための費用がかさむという欠点がある。また、これ
らの雑音を除去する手段も無く、中継間隔は短く制限さ
れざるをえない。これは、光ソリトンパルスを用いた場
合であっても、また、光ソリトンでない通常の光パルス
を用いた場合であっても同様である。

【０００７】中継間隔を延長した場合に雑音が増加する
理由は、次の２点である。まず、一つは、増幅器の自然
放出光雑音（Amplified Spontaneous Emission;ASE）が
増加するためである。例えば、上述したように、光ファ
イバー中を伝搬する光の減衰量は、１．５５μｍ帯域に
おいて１ｋｍあたり０．２ｄＢ程度と非常に小さいが、
１００ｋｍの距離になると２０ｄＢもの減衰（すなわち
１／１００に減衰する）が起ることとなる。したがっ
て、光増幅器の増幅度を上げる必要があるが、増幅度を
上げるとＡＳＥが増加するので好ましくない。

【０００８】他の一つは、光ソリトンを形成しない散逸
波（非ソリトン成分：伝搬するとともに広がりを生じる
波）が増加するためである。光ソリトンを形成するため
には、光パルスの波形がｓｅｃｈ（注：双曲線正割関
数）型であり、かつ、群速度分散と自己位相変調効果と
が釣り合うことが必要であるが、光パルスがこれらの条
件からずれると、その光パルスの一部分から非ソリトン
成分が生じ雑音となる。この非ソリトン成分は、ダイナ
ミックソリトン伝送法においては中継間隔の２乗に比例
して増加する特性がある。すなわち、中継間隔をＬａ、
ソリトン周期とよばれるソリトンの特性距離をＬｃとす
ると、（Ｌａ／Ｌｃ）²に比例する。このＬｃはパルス
幅の２乗に逆比例して短くなるため、通信容量を増加さ
せるために光パルス幅を狭くした場合には、特に顕著と
なる。以上のように、中継間隔を延長した場合、これら
の雑音の蓄積によりＳＮ比が劣化し長距離の伝送を行う
ことができなくなるために、中継間隔を短く制限せざる
をえないという問題点があった。

【０００９】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であって、光ソリトン伝送路中の光ソリトンパルスの雑
音を除去することにより、中継間隔を延長することがで
き、したがって、長距離、超大容量の光通信を経済的に
実現することができ、しかも保守管理が容易な光ソリト
ン中継装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は次の様な光ソリトン中継装置を採用した。
すなわち、請求項１記載の光ソリトン中継装置は、光増
幅器の入射側または出射側のいずれか一方に光強度変調
器を設け、該光強度変調器にクロック信号抽出部を設け
たことを特徴としている。

【００１１】また、請求項２記載の光ソリトン中継装置
は、前記光増幅器の入射側または出射側のいずれか一方
に帯域透過型光フィルターを設けたことを特徴としてい
る。

【００１２】

【作用】本発明の光ソリトン中継装置では、ＡＳＥ雑音
及び光パルスの非ソリトン成分に起因する雑音が散逸波
であることを利用する。すなわち、本発明の請求項１記
載の光ソリトン中継装置では、前記光増幅器の入射側ま
たは出射側のいずれか一方に光強度変調器を設け、該光
強度変調器にクロック信号抽出部を設けたことにより、
光ファイバー中を伝搬する光ソリトンパルスに対して、
光ソリトンパルスに同期した強度変調を行い、光ソリト
ンパルスに同期していない雑音を除去する。これによ
り、中継間隔を制限する主要要因である光の雑音の累積
を除去し、中継間隔を延長することが可能となる。

【００１３】また、請求項２記載の光ソリトン中継装置
では、前記光増幅器の入射側または出射側のいずれか一
方に帯域透過型光フィルターを設けたことにより、所定
の波長帯域の光信号を透過させ、それ以外の光信号を除
去する。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて詳細
に説明する。図１は本実施例の光ソリトン中継装置を用
いた光ソリトン伝送路を示す構成図であり、図１におい
て、１は光ソリトン発生器、２は伝送用光ファイバー、
３は光増幅器、４はＮ（Ｒ）段の光増幅器３に接続され
た光フィルター、５は光フィルター４に接続された光変
調器、６は光変調器５に接続されたクロック信号抽出
部、７は受光器である。そして、光増幅器３、光フィル
ター４、光変調器５及びクロック信号抽出部６により本
実施例の中継装置８が構成されている。ここでは、光ソ
リトン伝送路中のＮ段及びＲ段に中継装置８を設けてい
る。また、図１中、Ｌａは中継間隔（光増幅器３間の間
隔）であり、伝送用光ファイバー２の長さに等しい。

【００１５】光ソリトン発生器１は、符号化した（情報
を載せた）１．５５μｍの波長帯域の光トリソンパルス
を発生するものであり、例えば、ＤＦＢ構造の半導体レ
ーザー、光変調器、光増幅器などから構成されている。
伝送用光ファイバー２は、例えば、１．５μｍの波長帯
域付近に零分散領域が存在する群速度分散特性と光損失
波長特性を有する石英系単一モード光ファイバーであ
る。光増幅器３は、光ソリトンパルス信号を光のまま増
幅するもので、例えば、エルビウム添加光ファイバー増
幅器（ＥＤＦＡ）、半導体光増幅器等を用いることがで
きる。

【００１６】光フィルター４は、光の帯域透過型フィル
ター（パンドパスフィルター）であり、例えば、干渉多
層膜フィルター、ファブリペロー（Fabry-Perot）共振
器等を用いることができる。光変調器５は、光強度を変
調するもので、例えば、ニオブ酸リチウム（LiNbO₃）製
のマッハツェンダ（Mach-Zehnder）型変調器、電界吸収
型半導体変調器、半導体光増幅器等を用いることができ
る。クロック信号抽出部６は、光ソリトンパルス列から
クロック信号を抽出し、そのクロック信号を光変調器５
へ供給するものである。

【００１７】受光器７としては、高速応答特性を持つＰ
ＩＮ構造のフォトダイオードなどを用いることができ
る。なお、光フィルター４は、構成部品として光増幅器
２の中にも含まれるため、光増幅器２内の光フィルター
を用いる構成にした場合、独立した光フィルター４を用
いなくともよい。

【００１８】次に、前記中継装置８を用いた光ソリトン
伝送方法について説明する。まず、光ソリトン発生器１
により光トリソンパルスを発生させ、この光ソリトンパ
ルスを伝送用光ファイバー２に入射し該光ファイバー２
中を伝搬させる。この光ファイバー２の光損失により伝
搬する光信号の強度が低下するため、光増幅器３により
光ソリトンパルスの強度を回復させる（１段目の光増幅
動作）。この動作をＮ−１回（ここでは、１〜１０回程
度）繰り返し行なった後に、この光トリソンパルスをＮ
段目の中継装置８に入射させる。

【００１９】この中継装置８では、光フィルター４およ
び光変調器５により、光増幅器３により強度を回復させ
た光ソリトンパルスに光のままで制御を加える。このと
き、クロック信号抽出部６により、到着した光ソリトン
パルス列からクロック信号を抽出し、そのクロック信号
を基準にして、光変調器５の変調周波数と位相を光ソリ
トンパルス列の周波数と位相に一致させ、光ソリトン信
号に同期した強度変調を行う。その後、この光トリソン
パルスに対してＮ＋１段〜Ｒ−１段で１段目と同様の光
増幅動作を行なった後に、この光トリソンパルスをＲ段
目の中継装置８に入射させ、再度光ソリトン信号に同期
した強度変調を行う。この光トリソンパルスは、所要の
距離伝搬した後に受光器７により光ソリトン信号を受光
する。

【００２０】なお、光フィルター４および光変調器５は
これらの設置順序を変えても同等の効果が得られる。ま
た、光フィルター４および光変調器５を光増幅器３の入
射側または出射側のいずれか一方に設置した場合、また
は光増幅器３を鋏むように設置した場合、のいずれにお
いても同等の効果が得られる。また、クロック信号抽出
部６への入力信号光は光増幅器３の入射側、光フィルタ
ー４の入射側、光変調器５の入射側、またはこれらの出
射側等いずれの位置からでもとることができる。

【００２１】ここで、光ソリトン伝送路に本実施例の中
継装置８を用いた場合と用いない場合とを比較してみる
と、用いない場合（光変調器５によるソリトン制御を行
わない場合）では、１０Gbit/sの通信容量の場合、Ｌａ
は２０〜３０ｋｍ程度であったが、用いた場合では１０
０ｋｍ程度まで延長することができた。この場合、光ソ
リトン発生器１から受光器７までの光ファイバーの総長
は１万ｋｍ以上とすることができた。また、通信容量を
更に上げて２０Gbit/s，４０Gbit/s等とした場合におい
ても、同様の効果が得られた。

【００２２】図２は本実施例の中継装置の雑音除去の原
理を示す図である。光増幅器３から発生するＡＳＥ及び
光パルスの非ソリトン成分による散逸波は、時間的に一
様な強度を有する連続した雑音である。この雑音は、図
２に示したように、光変調器５を通ることにより、図中
（ア）の波形のように時間的に光強度が変化するように
変調される。このとき、変調の山の部分は入力と同じ光
強度を有するが、変調の谷の部分は光強度が弱くなるた
めに全体としては雑音が減少する。また、（ア）の波形
の雑音部分は伝送路を伝わる間に光ファイバー２の群速
度分散により広がっていくが、光ソリトンパルスの部分
は広がらない。したがって、伝搬後には（イ）のような
波形の光信号となる。この光信号は、次の光変調器５に
より再び変調されて（ウ）のような波形の光信号とな
り、前記同様に雑音部分は減少する。ここでは、光ソリ
トンパルスの中心と変調波形の山を一致させることが重
要であり、クロック信号抽出部６がその働きを行なって
いる。

【００２３】図３は本実施例の中継装置８による雑音除
去の効果を解析した結果をグラフ化したものである。図
から明かなように、中継装置８を用いない場合（破線）
では雑音が指数関数的に累積していくが、中継装置８を
用いた場合では雑音が一定量以下に抑制されていること
がわかる。

【００２４】図４は、本実施例の中継装置８の効果確認
のために行なった計算機によるシミュレーション解析の
結果を示す図である。ここでは、各光増幅器３の間隔、
すなわち光ファイバー２の長さを１００ｋｍとし、１０
Ｇbit/sに相当する光ソリトンパルスを該光ファイバー
２中を伝搬させた場合の伝搬距離毎の波形の変化を、入
力波形を含め１０００ｋｍごとに２万ｋｍまで示してあ
る。図から明かなように、光ソリトンパルスが２万ｋｍ
まで安定した状態で伝搬することがわかる。一方、中継
装置８を用いない場合では、光ソリトンパルスは１００
ｋｍの光ファイバー２中を伝搬することができず、光増
幅器３の間隔を２０〜３０ｋｍ以下にした場合に伝搬で
きることが確認された。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
記載の光ソリトン中継装置によれば、光増幅器の入射側
または出射側のいずれか一方に光強度変調器を設け、該
光強度変調器にクロック信号抽出部を設けたので、光フ
ァイバー中を伝搬する光ソリトンパルスに対して、光ソ
リトンパルスに同期した強度変調を行い、光ソリトンパ
ルスに同期していない雑音を除去することができる。し
たがって、中継間隔を制限する主要要因である光の雑音
の累積を除去することができ、中継間隔を延長すること
ができる。

【００２６】また、請求項２記載の光ソリトン中継装置
によれば、前記光増幅器の入射側または出射側のいずれ
か一方に帯域透過型光フィルターを設けたので、所定の
波長帯域の光信号を透過させ、それ以外の光信号を除去
することができる。

【００２７】以上により、光増幅器の設置間隔を従来の
２〜３倍に延長することができ、したがって、長距離光
通信を行うシステムを構築する場合に必要とされる光増
幅器の数を半減させることができ、それゆえ設備の建設
および保守の費用を大幅に削減することができる光ソリ
トン伝送路の中継装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の中継装置を用いた光ソリト
ン伝送路を示す構成図である。

【図２】本発明の一実施例の中継装置の雑音除去の原理
を示す図である。

【図３】本発明の一実施例の中継装置による雑音除去の
効果を解析した結果を示す図である。

【図４】本発明の一実施例の中継装置のシミュレーショ
ン解析の結果を示す図である。

【符号の説明】１光ソリトン発生器２伝送用光ファイバー３光増幅器４光フィルター（帯域透過型フィルター）５光変調器（光強度変調器）６クロック信号抽出部７受光器８中継装置Ｌａ中継距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０４Ｂ 10/17 10/16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光増幅器を備えた光ソリトン伝送用の中
継装置であって、前記光増幅器の入射側または出射側のいずれか一方に光
強度変調器を設け、該光強度変調器にクロック信号抽出
部を設けたことを特徴とする光ソリトン中継装置。
【請求項２】請求項１記載の光ソリトン中継装置にお
いて、前記光増幅器の入射側または出射側のいずれか一方に帯
域透過型光フィルターを設けたことを特徴とする光ソリ
トン中継装置。