JP2001103014A - 広帯域伝送のために波長変換器を用いる光ファイバ通信システム - Google Patents

広帯域伝送のために波長変換器を用いる光ファイバ通信システム

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JP2001103014A JP2000241962A JP2000241962A JP2001103014A JP 2001103014 A JP2001103014 A JP 2001103014A JP 2000241962 A JP2000241962 A JP 2000241962A JP 2000241962 A JP2000241962 A JP 2000241962A JP 2001103014 A JP2001103014 A JP 2001103014A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 広帯域伝送のために波長変換器を用いる光フ
ァイバ通信システムを提供する。 【解決手段】 送信機11は、中間の光学要素、光増幅
器13の帯域幅λの外側の波長帯域λ’内のチャネル
λ'1...λ'Nを含む信号を発射する。伝送ファイバ12
を経てこれら信号は波長変換器21によって対応する波
長λ1...λNに変換される。次に、光増幅器13により
直接に増幅され、その後、第二の波長変換器22により
元のチャネルλ'1...λ'Nにマッピングされる。波長変
換器は、4波混合(FWM)ベースとすることも、二次
非線形材、例えば、ニオブ酸リチウムを用いてこれを定
期的にポーリングすることも、あるいは、半導体光増幅
器を用いることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ通信シ
ステム、より詳細には、伝送帯域幅を増加させるために
波長変換器を用いる通信システムに関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバ通信システムは、莫大な量の
情報を高速にて伝送するというそれらの大きな潜在能力
を達成しつつある。光ファイバシステムは、本質的に
は、光源、光に情報を印加する変調器、光信号を運ぶ光
伝送導波路、および信号を検出し、それらが運ぶ情報を
復調する受信機から構成される。典型的には、伝送導波
路は、光学要素、例えば、希土類ドープファイバ増幅器
(EDFA)によって相互接続された光ファイバの複数
のセグメントから成る。光信号としては、複数の別個の
波長信号のチャネルから構成される波長分割多重信号
(WDM信号)が用いられる傾向がますます優勢となり
つつある。
【0003】従来のファイバシステムの重大な制約は、
長距離伝送に用いられる光学要素の帯域幅に制限がある
ことである。シリカ光ファイバは、広い帯域幅ウインド
ウを有し、伝送損失も低いが、ファイバセグメントの間
に配置される幾つかの光学要素、例えば、エルビウムド
ープファイバ増幅器(EDFA)は、これより狭い帯域
幅を有し、伝送ファイバのウインドウを完全に活用する
ことを妨げる。
【0004】シリカ光ファイバは、1250〜1650
nmの間の波長に対して0.4dB/km以下の吸収係
数を持ち、このため、シリカファイバは、この全スペク
トラムに渡って長距離伝送に適する。ただし、現在のシ
ステムは、典型的には、従来のエルビウムドープシリカ
ファイバ増幅器(EDFA)が正常に動作できる153
0〜1560nmの波長レンジに制限される。模範的な
エルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)は、15
30〜1610nmの波長レンジに渡って動作できるこ
とが実証されているが(例えば、A.K.Srivastava et a
l.,“1 Tb/s Transmission of 100 WDM 10 Gb/s Channe
ls Over 400 KM of TureWave(商標)Fiber”,OFC'98 P
ost Deadline Paper PD10(1998)参照)、エルビウムド
ープファイバ増幅器(EDFA)の動作レンジをさらに
広い波長レンジに拡張できるかは疑わしい。
【0005】離散増幅器内には、通常、分散補償要素、
利得平坦化フィルタ、および可変減衰器などの損失性要
素が用いられる。これら要素の損失は20dBを超え、
このため、25dBの外部利得を持つエルビウムドープ
ファイバ増幅器では、45dBの内部利得を持つことと
なる。これら増幅器の雑音指数は、典型的には、6dB
以下である。増幅器は、実用的であるためには、多くの
用途に対して、この要件を満たす必要がある。
【0006】一つの代替の増幅器として、ラマン(Rama
n)増幅器がある。この増幅器は、任意の波長において
利得を提供することができ、1300nmと1500n
mのレンジにおいて実証されている(例えば、P.B.Hans
en et al.,“High Sensitivity 1.3 μm Optically Pre
amplified Receiver Using Raman Amplification”,Ele
ctron.Lett.,Vol.32,p.2164(1996)、およびK.Rottwitt
et al.,“A 92 nm Bandwidth Raman Amplifier”,OFC'9
8 Post Deadline Paper PD6(1998)を参照)。ただし、
短所として、ラマン増幅器は高いポンプ電力を必要と
し、高利得増幅器では特にそうである。
【0007】もう一つの代替の増幅器としてパラメータ
増幅器がある(例えば、E.Desurvire,Erbium Doped Fib
er Amplifiers,p.451;Wiley,1994を参照)。これら増
幅器は、典型的には、4波混合(FWM)に基づく。た
だし、これら増幅器は、短所として、非常に高いポンプ
電力を必要とすることに加えて、位相整合を長いファイ
バ長に渡って達成するためにファイバ分散を非常に厳密
に制御することを要求とされる。
【0008】4波混合(FWM)は、波長の変換および
スペクトルの反転のためにも用いられる。この技術の提
唱される用途には、波長ルータ(例えば、S.J.B.Yoo,
“Wavelength Conversion Technologies for WDM Netwo
rk Applications”,J.Lightwave Technology,Vol.14,p.
955(1996)を参照)、光スイッチング、および中間での
スペクトルの反転などが含まれる(例えば、S.Watanabe
et al.,“Exact Compensation for Both Chromatic Di
spersion and Kerr Effect in a Transmission Fiber U
sing Optical Phase Conjugation”,J.Lightwave Techn
olgy,Vol.14,p.243(1996)を参照)。広帯域幅(例え
ば、70nm以上)に渡ってのスペクトル反転に対して
4波混合(FWM)を用いる(ただし、信号の増幅は行
なわない)通信システム(約−16dBなる反転効率)
が実証されている(例えば、S.Watanabe et al.,“Inte
rband Wavelegth Conversion of 320 Gb/s WDM Signal
Usinga PolarizationュInsensitive Fiber FourュWave Mi
xer”,ECOC’98(1998)を参照)。小さな有効面積のファ
イバを用いて、40nmに渡って、最高28dBまでの変換効率
を達成することが可能であるが(例えば、G.A.Nowak,e
t.al.,“LowュPower HighュEfficiency Wavelength Conve
rsion Based on Modulational Instability inHighュNol
inearity Fiber”,Opt.Lett.,Vol.23,p.936(1998)参
照)、ただし、28dBmなるポンプ電力が要求され
る。17dBmなるポンプ電力における概ね0dBの単一
チャネル利得が従来の分散シフトファイバにおいて報告
されているが、ただし、ファイバ損失が変換された信号
の残留損失となる(例えば、S.Watanabe et al.,“High
ly Efficient Conversion and Parametric Gain of Non
degenerate Forward FourュWave Mixing in a Singlemod
e Fiber”,Electron.Lett.,Vol.30,p.163(1994)参
照)。これら結果から、シリカファイバ内にパラメータ
増幅のみを用いる場合、30dBm以下のポンプ電力で
は、従来の地上通信システム内の離散増幅器に対して必
要とされる利得を提供することはできないことがわか
る。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】従って、広帯域伝送に
用の新たなタイプの光通信システムに対する必要性が存
在する。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、波長変換を光
通信システムの帯域幅を増加させるために用いる。一つ
の実施例においては、波長の変換と、離散光増幅器(O
A)による増幅とを組み合わせることで、通信システム
が離散光増幅器(OA)の利得帯域幅の外側の波長帯域
λ’内でも動作できるようにされる。送信機は、増幅器
の利得帯域幅λの外側の信号チャネル(λ'1,λ'2,...,
λ'N)を発射し、増幅器の上流の波長変換デバイスによ
って、チャネルλ'1,λ'2,...,λ'Nが増幅器の帯域幅λ
内の対応する波長λ12,...,λNにマッピング(写像
/変換)される。変換された信号は、光増幅器によって
直接に増幅され、増幅された信号は、増幅器の下流の第
二の波長変換デバイスによって、元のチャネルλ'1,λ'
2,...,λ'Nにマッピング(逆写像/逆変換)される。こ
うして、光増幅器(OA)の利得帯域幅λ内の信号と、
この利得帯域幅λ内に変換することができる信号の両方
を用いることで、光通信システムの容量が増加される。
関連する波長変換器、送信機および受信機も開示され
る。
【0011】本発明のアプローチは、エルビウムドープ
ファイバ増幅器(EDFA)の使用のみでなく、伝送ファイ
バより小さな帯域幅を有する利得平坦化要素、分散補償
ファイバ、可変減衰器、および任意の中間の要素の使用
にも同様に適用できるものである。
【0012】本発明の長所、性質、および様々な追加の
特徴が、本発明の実施例について以下の詳細な説明を付
録の図面と照らして読むことで一層明らかとなるもので
ある。
【0013】
【発明の実施の形態】図1は、波長分割多重(WDM)
送信機11、ある長さの伝送ファイバ12、エルビウム
ドープファイバ(EDFA)光増幅器13および波長分
割多重(WDM)受信機14から構成される従来の技術
による光ファイバ通信システム10を簡略的に示す。送
信機11は、エルビウムの利得帯域幅λ内に入る信号λ
1...λ Nを発射する。これら信号は、エルビウムドープ
ファイバ(EDFA)光増幅器13によって直接に増幅
され、受信機14に送信される。
【0014】図2は帯域幅を増加させるために波長変換
器を用いる光通信システム20を示す。このシステムに
おいては、送信機11は、中間の光学要素、例えば、光
増幅器13の帯域幅λの外側の波長帯域λ’内のチャネ
ルλ'1...λ'Nを含む信号を発射する。伝送ファイバセ
グメント12の後に、これら信号λ'1...λ'Nは波長変
換器21によって光増幅器の利得帯域幅λ内の対応する
波長λ1...λNにマッピング(写像/変換)される。次
に、これら信号波 長λ...Nが従来のエルビウムドープ
ファイバ(EDFA)光増幅器13を用いて直接に増幅
され、その後、増幅された波長λ1...λNの信号は第二
の波長変換器22を用いて元のチャネルλ'1...λ'N
マッピング(逆写像/逆変換)される。波長変換器は、
4波混合(FWM)ベースとすることも、二次非線形
材、例えば、ニオブ酸リチウムを用いてこれを定期的に
ポーリングすることも、あるいは、半導体光増幅器を用
いることもできる。これに関しては、S.Yoo,“Waveleng
th Conversion TechnologiesFor WDM Network Applicat
ions”,IEEE J. Of Lightwave Technol.,Vol.14,p.955
(1996)を参照されたい。
【0015】提唱される複合増幅器の雑音指数を十分に
低く保つためには、波長変換器は1〜10dBの間の利
得を提供する必要がある。ただし、この利得の大部分は
離散光増幅器によって提供することもできる。この事実
は、波長変換器に関する要件を大幅に低減させ、現実的
なポンプ電力にて光ファイバ内の4波混合(FWM)を
介して必要な変換を達成することを可能にする。
【0016】オプションとして、ファイバラマン前置増
幅器23によって、波長変換の前に、光ファイバのスパ
ンに比較的小量のラマン増幅を追加することもできる。
この予備増幅は、第一の波長変換器21の雑音指数およ
び変換効率に関する制約を低減する。ラマン予備増幅の
詳細に関しては、例えば、P.B.Hansen et al.,“Capaci
ty Upgrades of Transmission Systems by Raman Ampli
fication”,IEEE Photon.Technol.Lett.,Vol.9,p.262(1
997)を参照されたい。
【0017】図3は、図2のシステムに用いるための一
つの好ましい波長変換デバイスを示す。波長変換デバイ
ス21は、同時伝搬ポンプ源30、帯域幅λ’内の信号
をλpのポンプ(入力)と混合するための上流波長分割
(WDM)マルチプレクサ31、およびおのおのがある
長さのテーパーファイバ32A、32B、32Cから成
る複数の(ここでは3個の)4波混合セクションを備え
る。段間分離器33は、混合セクションを互いにおよび
システムの残りの部分から分離することで、後方散乱光
が蓄積(ビルドアップ)するの防止する。出力の所で帯
域幅λ内の出力がデマルチプレクサ34から取り出され
る。
【0018】動作においては、λpの強い同時伝搬ポン
プ(入力)が、上流の波長分割マルチプレクサ(WD
M)31の所で、信号帯域(入力信号)λ’と混合され
る。光ファイバセクション32A、32B、32C(典
型的には全長L=15Km)内でλpとλ’を4波混合
することで、シフトされた波長λの信号が生成される。
位相整合の配慮から、ポンプ波長λpは、ファイバセク
ション32A、32B、32Cのゼロ分散波長の近傍で
あることを要求される。第一の波長変換器にて必要とさ
れる利得を得るためには、20dBm以上のポンプ電力
が必要となる。ただし、この電力レベルおよびファイバ
長では、狭ライン幅ポンプの誘導ブリユアン散乱(Stim
ulated Brillouin scattering(SBS)が著しくなり、後
方散乱波の生成を通じてポンプ消耗が起こる。詳しく
は、例えば、G.P.Agrawal,NonlinearFiber Opticsを参
照されたい。
【0019】誘導ブリユアン散乱(SBS)を抑制する
ための2つの技法を以下に示す: 1)混合ファイバの総長Lを、後方散乱光の蓄積を防止
するために、段間分離器33によって分離された長さL
/3の3つのセクション(32A、32B、32C)に
分割する。
【0020】2)後方散乱光の周波数(約10GHzな
るストークスシフト)は、ファイバの有効屈折率および
ポンプ周波数の両方に比例する。ファイバの直径を各段
において変化させること(例えば、K.Shiraki et.al.,
“Suppression of StimulatedBrillouin Scattering in
a Fiber by Changing the Core Radius”,ElectronLet
t.Vol.31,p.668(1995)およびK.Tsujikawa et.,“New SB
S Suppression Fiberwith Uniform Chromatic Dispersi
on to EnhanceュWave Mixing”,IEEE PhotonTechnol.Let
t.,Vol.10,p.1139(1998)を参照)、およびポンプ30の
時間積分された周波数ライン幅を広げることで、生成さ
れる後方散乱波の周波数を数GHzに渡って変調するこ
とができる。ブリユアンライン幅は約20MHzである
ために、この変調の結果として誘導ブリユアン散乱(S
BS)閾値は増加する。
【0021】この段内のチャネル間の4波混合(FW
M)は、増幅前の信号レベルは低いために問題とはなら
ない。波長変換器は、偏光解消ポンプ30を用いること
で入力信号の偏光とは独立させることができる(例え
ば、M.M.Howerton et.al.,“SBSSuppression Using a D
epolarized Source for High Power Fiber Application
s”,J.Ligtwave Technol.,Vol.14,p.417(1996))。
【0022】図4は、代替の通信システム40を示す。
このシステムにおいては、送信機11は、エルビウムド
ープファイバ増幅器(EDFA)の増幅帯域幅λ内の波
長と、エルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)の
帯域幅の外側の波長λ’の両方を発射する。これら2つ
の波長帯域(λ、λ’)がデマルチプレクサ43によっ
て並列経路41、42上に分離される。経路42上の帯
域幅λ内のチャネルは、エルビウムドープファイバ増幅
器(EDFA)13Bを用いて直接に増幅され、経路4
1上のλ’内のチャネルは、最初に、第一の波長変換器
21によってλ内の波長に変換され、次に、第二のエル
ビウムドープファイバ増幅器(EDFA)13Aを用い
て増幅される。その後、λ内の波長は、第二の波長変換
器22によってλ’内の波長に戻される。これら2つの
波長帯域は、その後、マルチプレクサ44によって再結
合され、伝送ライン12を通じて受信機14へと送信さ
れる。
【0023】図2および図4のシステムに用いられる従
来の光ファイバ増幅器は、20dB以上の信号利得を提
供することができ、利得平坦化要素および分散補償要素
を含むことができる。第二の波長変換器22は、高い総
システム効率を維持するためには、ほぼ1の利得を必要
とする。ただし、この段においては信号のレベルが増幅
されているために、第二の波長変換器22の雑音指数
は、第一の変換器21ほど重要ではない。チャネル間の
4波混合(FWM)を高分散傾斜ファイバ12を用いて
最小に維持する必要がある。
【0024】図5は、エルビウムドープファイバ増幅器
(EDFA)の増幅帯域幅λ内の波長チャネルおよびλ
の外側の波長λ’内の両方の波長チャネルを発射するこ
とができる一例としての送信機11を示す。送信機11
は、λ内の波長チャネルのソース50およびλ’内のチ
ャネルの第二のソース51を備える。第二のソース51
は、本質的には、帯域幅λの従来の送信機52、送信機
52の出力を増幅するためのエルビウムドープ増幅器5
3、および波長λのチャネルをλ’のチャネルにマッピ
ングするための波長変換器54を備える。ソース50か
らの波長λのチャネルとソース51からの波長λ’のチ
ャネルはマルチプレクサ55によって結合される。オプ
ションとして、ラマン増幅器56(例えば、5〜10d
Bにてカウンターポンプされる2kmのファイバ)を送
信機52とマルチプレクサ55との間に配置することも
できる。
【0025】図6は、λ内およびλ’内の両方の波長チ
ャネルを受信することができる一例としての受信機14
を示す。受信機14は、λとλ’のチャネルを分離する
ためのデマルチプレクサ60を備える。λのチャネル
は、λ内の波長に対する第一の従来の受信機61に向け
られる。λ’のチャネルは、λ’内の波長に対する受信
機62に向けられる。受信機62は、λ’のチャネルを
λのチャネルに変換するための波長変換器63、および
変換されたチャネルを増幅するためのエルビウムドープ
ファイバ増幅器(EDFA)64を備える。変換および
増幅されたチャネルは、その後、第二の従来の受信機6
5に向けられる。好ましくは、λ’のチャネルは、オプ
ションとして、波長変換器63による変換の前に、ラマ
ン増幅器66によって予備増幅される。
【0026】上述の実施例は本発明の原理を適用を表す
可能な多数の実現の幾つかを示すもので、当業者におい
ては、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、
他の多数の様々な構成を容易に考えられるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の光ファイバ通信システムの略図を示す図
である。
【図2】本発明による増幅器構成を用いる光ファイバ通
信システムを示す図である。
【図3】図2の通信システムに対する波長変換器を示す
図である。
【図4】代替の光ファイバ通信システムを示す図であ
る。
【図5】図2および図4のシステムに対する一例として
の送信機を示す図である。
【図6】図2および図4のシステムに対する一例として
の受信機を示す図である。
【符号の説明】
10 従来の技術による光ファイバ通信システム 11 波長分割多重(WDM)送信機 12 伝送ファイバ 13 エルビウムドープファイバ(EDFA)光増幅器 14 波長分割多重(WDM)受信機 20 本発明による光通信システム 21 第一の波長変換器 23 ラマン前置増幅器 30 ポンプ源 31 上流波長分割マルチプレクサ(WDM) 32 テーパードファイバ(4波混合セクション) 33 段間分離器 34 デマルチプレクサ 40 代替の通信システム 43 デマルチプレクサ 50 第一のソース 51 第二のソース 52 送信機 53 エルビウムドープ増幅器 54 波長変換器 55 マルチプレクサ 60 デマルチプレクサ 61、62、65 受信機 66 ラマン増幅器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01S 3/30 H04B 9/00 E H04J 14/00 V 14/02 H04B 10/02 (72)発明者 アンドリュー ジョン ステンツ アメリカ合衆国 08809 ニュージャーシ ィ,クリントン,グースタウン ドライヴ 9

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光ファイバ通信システムであって、この
    システムが:第一の伝送帯域幅を有する光導波路の複数
    のセグメントから成る光伝送路;導波路の一連のセグメ
    ントの間に結合された前記第一の帯域幅より狭い第二の
    帯域幅を有する少なくとも一つの光学要素;前記第一の
    帯域幅内ではあるが、ただし、前記第二の帯域幅の外側
    の波長の少なくとも一つの光信号を含む光信号を発射す
    るための光送信機;および前記光学要素の上流に配置さ
    れた前記光信号を前記第二の帯域幅内の波長に変換する
    ための少なくとも一つの波長変換器を備えることを特徴
    とする光通信システム。
  2. 【請求項2】 さらに、前記光学要素の下流に配置され
    た前記光学要素からの光信号を前記第二の帯域幅内では
    あるが、ただし、前記第一の帯域幅の外側の波長に変換
    するための追加の波長変換器を備えることを特徴とする
    請求項1に記載の光通信システム。
  3. 【請求項3】 光信号を発射するための光送信機、光信
    号を伝送するための光伝送ファイバ、利得帯域幅λを有
    する光増幅器、および光信号を受信するための光受信機
    から構成される光ファイバ通信システムであって、 改善点として、前記光送信機が前記増幅器利得帯域幅λ
    の外側の利得帯域幅λ’内の一つあるいは複数の信号を
    発射し、このシステムが、前記増幅器による増幅の前に
    前記帯域λ’内の信号を前記帯域λ内の信号に変換する
    ための第一の波長変換器および前記増幅された帯域λ内
    の信号を前記帯域λ’内の信号に変換するための第二の
    波長変換器を備えることを特徴とする光ファイバ通信シ
    ステム。
  4. 【請求項4】 前記第一の波長変換器が帯域λ’内のセ
    ットの信号λ'1,λ' 2...λ'Nをλ内のセットの信号λ1,
    λ2...λNにマッピング(写像/変換)し、前記第二の
    波長変換器がλ12...λNをλ'1,λ'2...λ'Nにマッ
    ピング(逆写像/逆変換)することを特徴とする請求項
    3に記載のシステム。
  5. 【請求項5】 前記送信機が帯域λ’内の一つあるいは
    複数の信号および帯域λ内の一つあるいは複数の信号を
    発射し、このシステムが、さらに、λ’とλ内の信号を
    増幅のために異なる経路上に分離するためのマルチプレ
    クサを備えることを特徴とする請求項3に記載のシステ
    ム。
  6. 【請求項6】 前記帯域λに対する経路が、前記帯域λ
    内の信号を増幅するためのエルビウムドープファイバ増
    幅器(EDFA)を備えることを特徴とする請求項5に
    記載のシステム。
  7. 【請求項7】 さらに、前記帯域λ’とλに対する経路
    上の信号を、その後の伝送のために再結合するためのデ
    マルチプレクサを備えることを特徴とする請求項5に記
    載のシステム。
  8. 【請求項8】 エルビウムドープファイバ増幅器(ED
    FA)の増幅帯域幅λの外側の帯域幅λ’内の波長の光
    波長チャネルのソースであって、このソースが:帯域λ
    内の波長チャネルのソース;帯域λ内のチャネルを増幅
    するためのエルビウムドープファイバ増幅器(EDF
    A);および前記帯域λ内のチャネルを帯域λ’内のチ
    ャネルに変換するための波長変換器を備えることを特徴
    とする光波長チャネルのソース。
  9. 【請求項9】 エルビウムドープファイバ増幅器(ED
    FA)の増幅帯域幅λの外側の帯域λ’内の光波長チャ
    ネルを受信するための受信機であって、この受信機が:
    帯域λ’内の波長チャネルを帯域λ内の波長チャネルに
    変換するための波長変換器;帯域λ内の波長チャネルを
    増幅するためのエルビウムドープファイバ増幅器(ED
    FA);および増幅された帯域λ内の波長チャネルを受
    信するための受信機から構成されることを特徴とする受
    信機。
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