JP2002509671A - 光ファイバ通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ソリトンもしくはソリトン状のパルス応用の光通信システムは複数の部分に分けられたある長さの光ファイバが、ファイバのその長さにわたる平均分散を各部分の分散から著しく異なるように並べて構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】 光ファイバ通信システム この発明は光ファイバ通信システム、とくにデータ伝送用にソリトンもしくは ソリトン状のパルスを採用している通信システムに関する。放出パルスがリター ン・トウ・ゼロ（ゼロに戻る、ＲＴＺ）位相変調されるようなシステムへの応用 も可能である。はっきりとソリトン状ではない、このようなシステムでは、ある 距離を進行した後には、パルスはソリトン状に変換される。 最近になって新しい部類の光ソリトンが分散管理したシステム内で発生するこ とが示され、このシステムでは負の（異常な）分散と正の（正常の）分散とのフ ァイバの交番する部分が使用されている。参考文献例として次のものがある。Su zuki,M.,Morita，I.,Edagawa,N.,Yamamoto,S.,Taga,H.,and Akiba,S.，‘Reduct ion of Gordon-Haus timing jitter by periodic dispersion compensation in soliton transmission’,Electron.Lett.,1995,31,(23),pp.2027-2029，Smith,N .J.,Knox,F.M.,Doran,N.J.,Blow,K.J.,and Bennion,I.，‘Enhanced power soli tons in optical fibres with periodic dispersion management’,Electron.Le tt.,1996,32,(1),pp54-55及びSmith,N.J.,Forysiak,W.,and Doran,N.J.，‘Redu ced Gordon-Haus jitter due to enhanced power solitons in strongly disper sion managed systems’,Electron.Lett.,1996,32,(22),pp2085-2086． また、別の文献として、題名が‘Energy scaling characteristics of solito ns in strongly dispersion-managed fibres’，のものOpt.Lett.,1996,21,(24) ,pp1981-1983,Smith et alがあり、ここでは著者らがこれらのソリトンのパワー を強化するための経験的な関係を求めていて、平均分散が異常であり、しかもそ の大きさが２つのセグメント（区分）内の分散よりも著しく小さい場合となって いる。これらの無損失計算はマップ内の放出点の重要性（最小チャープがいずれ かの部分の中心にある）を示してはいるが、正確なパルス形状を確立していなか ったし、パルスの長期安定性も確立していなかった。 我々は分散管理を用いることによって次のことを発見した。すなわち光通信シ ステムを使用し、そこでは反対符号の分散をもつファイバの交番している部分を 使用すると、送られたパルスが（分散性の面でもまた実効的な非直線性の面でも ） ひずみを生じないことである。もっともパルスの正しい形状が選ばれることを条 件としている。安定なパルス（ソリトン）をもつことは可能でこの場合に全体の 分散はゼロ、正常、もしくは異常とする。正常の分散に対してはソリトンは存在 しないが、この場合にもパルスは安定である。これがゼロ分散付近で波長多重を 可能としており、その理由は、分散が波長に依存しているものの、両方の符号が 発生するということは不可避であることによる。しかし新しいやり方では広い範 囲の波長にわたってソリトンが使用できるようにしている。 我々はパルスの形状は重要であることを発見した。こういったシステムについ てはパルスを適当な方法で予めチャープすることが重要である。チャープとパル ス継続の程度は必要とされるデータレートと、マップがどのように設計されてい るかに依存する。 我々はまた、全体の分散がゼロであるときには特定のマップに対して好ましい イバの分散を、τはパルス継続時間を、またｌはファイバ長である。このことが 意味するのは、このシステムが（ゼロ分散の場合には）パルス継続時間（実効的 にはデータレート）により特定され、またファイバの分散、すなわち各部分の長 さは直ちに推測できるということである。例えば、もしτ＝２０ｐｓ（１０Ｇｂ シフトしたファイバの一般的数値）であれば、１６００ｋｍが理想とされる。数 値モデル化は周期的に分散管理したシステムであって経路平均分散が異常、ゼロ もしくは正常についてもそのいずれかであれば、安定な非線形伝送パルスが存在 することを示している。 新しい部類の安定なパルスは平均分散がゼロのときあるいは異常のときでも存 在することが示された。こういった安定なパルスの発見はゼロ（平均）分散のあ たりで波長分割多重（ＷＤＭ）システムにおいてソリトンの使用を可能とするも のであり、ここは分散勾配効果が原因で分散の両方の符号が不可避とされている ところである。 この発明の一つの特徴によると、ソリトンもしくはソリトン状のパルス応用光 通信システムが提供されていて、複数の部分に分けられたある長さの光ファイバ を含んでいて、そこでは外ファイバの長さの平均分散が各部分の分散から著しく 異なっている。 この発明の別の特徴によると、ソリトンもしくはソリトン状のパルス応用光通 信システムが提供されていて、複数の部分に分けられたある長さの光ファイバを 含んでいて、そこでは外ファイバの長さの平均分散が各部分の分散から著しく異 バ長である。 この発明を添付の図面を参照しながら例を挙げてとくに記述して行く。 図１はＥ＝０．０３ｐＪのパルスに対する１００，０００ｋｍの伝搬を示し、 である。パルスは異常部分の中点に示されている。 図２はＥ＝０．０３ｐＪのパルスについての１サイクルにわたる伝搬を示し、１ ある。図３はＥ＝０．２ｐＪのパルスについて全体でゼロ分散のときの８０００ である。パルスは異常部分の中点に示されている。 図４はゼロ分散の場合の分散マップについてのパルス幅対エネルギーを示す。（ ａ）はセグメントの境界におけるもの、（ｂ）は正常のセグメントの中点におけ るもの、（ｃ）は異常のセグメントの中点におけるものである。 図５ないし７はこの発明を示す分散マップである。 図８はこの発明の特徴によるソリトンもしくはソリトン状の通信システムを示す 模式図である。 我々はかなりの数値調査を個々のパルスについての２段階マップ上で先ずは損 失を無視して実行した。我々のとったプロセスは先ず長距離にわたり安定な解が もし存在すればそれを正確に確定するものである。一般に、もしある合理性をも った初期パルス形状と大きさでもって開始をし、各サイクルでの固定点でとった パルス幅は数サイクルにわたって振動し若干の放射がこぼれて、長期間安定なパ ルスが生ずる。我々はこういった発振の極値でパルス形状を平均することにより この効果を用いて、高精度をもつ収束した波形を素速く見付けるようにした。そ のときには我々は収束したパルスの安定性をチェックするために平均化を取除く こともできる。 この技術を用いて、長期間安定なパルスが実際に得られることを我々は発見し た。このときの条件は平均分散が各部分における分散から著しく異なっていると している。図１はこのようなパルスの例をディープマップ（深みのある写像）と して示し、ここでは全体の異常分散があり、パワー強化因子４．５の場合である 。漸進的な展開は放射の証を示しておらず、また対数目盛上で極めてよい安定性 が観測されたことを示している。図２はマップの第一の期間中の展開を示す。各 部分の中点では、パルスが曲線の（ガウス形の）中心と、線形の（指数関数形の ）翼部でディップ（へこみ）のあるものを有している。これらの点では、パルス は全体としてチャープしておらず、言い換えると、正確に同相であり、ディップ はゼロ点であり、大まかにはｔ²で周期的である。部分間の境界でパルスが一番 広幅なところでは、よりｓｅｃｈ（双曲線セカント）状（指数関数形）となり、 かなりチャープしている。こういった観測は強い分散マップでは一般的である。 正常仮定とは反対に、１サイクル中でパルスは自己に類似しておらず、言い換え ると、パワースペクトラムもまた展開をしめしている。 我々の調査の最も驚くべき結果は、このような安定なパルスが、平均異常分散 をもつマップの数多くの異なる形式についてのみ存在するのではなく、正しく平 衡のとれた、すなわちゼロ平均分散をもつマップについても、また平均分散が正 常の場合ですらも存在するということである。各場合には、パルスは図１と２と に示したものと類似している。例えば、図３は安定なパルスを示し、この場合は 全体の分散がないものである。これは注目すべき結果であり、その理由は、この パルスが確かに非線形であり、また通常の感覚での非線形性の平衡をとる対象と なる全体の分散が存在しないのに、パルスは何のスペクトル拡がりを示していな いということにある。この場合に、パワー強化を論ずるのは明らかに不適切であ るが、図３のパラメータについてはパルスエネルギーは一定の分散−２．５(ｐ ｓ)²／ｋｍに対して同一幅をもつ通常のソリトンがもつエネルギーと等価であ る。これは明らかに顕著なエネルギーであり、ゼロ分散で安定なソリトン状の動 作を可能としている。実際に、分散制御なしのシステム内で見られるのとは対照 的に、０．０７(ｐｓ)²／ｋｍの第三次分散を含むことがパルスの破壊を生じさ せていないことを我々が見付けたのである。 全体で正常の分散の場合には、同じように驚くべき結果を得ており、分散管理 がこういった明るいソリトン状のパルスについての分散の正確な非線形抑圧を可 能としていることである。我々は全体で正常な分散の小さな値に対する安定なパ ルスを得ており、例えば分散がそれぞれ−１０(ｐｓ)²／ｋｍと＋１０．８(ｐｓ )²／ｋｍである８０ｋｍ部分で得ている。無論これは均一な正常分散についての 通常の明るいソリトンでは不可能のことである。 我々はエネルギーについてのパルス幅のもつ依存性も調査した。例を挙げると 、ゼロ平均分散の場合を考えるとし、適切なスケール合せをした後に実効的に唯 一つの独立パラメータが存在するとすると、図４は特定のマップ（ｌ_1,2＝８０ ｋ ｍで、β ＝±１０（ｐｓ） ／ｋｍ）についてのパルス幅のエネルギ一依存を 示す。パルス幅のエネルギーについてのほぼ線形の依存が存在し、正常ファイバ では増加し、異常ファイバでは減少しているのが通常のソリトンとは対照的であ り、この場合にはエネルギーはパルス幅に逆比例しているので、パルス幅はエネ ルギーがゼロに向うと無限大に向う。そこで我々は特定のマップに対しては小さ なパルスエネルギーに対して‘好ましい’最適パルス幅となることが出現するこ とを観測した。 我々はまた我々の新しい安定なパルスについて莫大な研究を行ない、エネルギ 一強化は平均分散に依存し、マップの深さに複雑な仕組みで依存することを発見 した。 注目すべき安定性と、いずれの符号（もしくはゼロ）の分散に対する超安定な ソリトン状の伝搬の可能性とは明らかに高データレートの長距離ソリトン通信が 全体でのゼロ分散の辺りで可能であるはずであることを示唆している。非常に低 い平均分散で動作することによって、タイミングジッタ効果はある範囲の波長に 対して事実上除去されたようにすること（仮想除去）が可能であり、したがって ＷＤＭがスライド式フィルタとか能動制御とかを要せずに可能となる。 安定な分散管理したソリトン状パルスは異常とゼロの平均分散に対して、正常 の平均分散に対してと同様に存在する。観察の範囲は全体で異常な分散にまで展 開され、それ故に、これらのパルスは長距離でＷＤＭのシステムに適している。 適切に特別仕様とした初期パルスを我々の数値プロセスから得ることができ、最 適性能を達成できる。正しいパルス形状はサイクル内の位置に依存し、したがっ て放出点に依存する。 許される分散の範囲は異常素子が正常ファイバ（素子）よりももっと長く（あ るいはもっと非線形で）あるとするとかなり拡げられる。したがって分散補償に 対する格子（グレーテング）は同じマップ強度についてより大きな全体の正常分 散を可能とする。よってもっと長い異常部分をもつ非対称マップについてより広 い波長範囲が存在する。（非対称が反対になっているとすると逆も真となる）。 分散管理したソリトンは高速光通信用の優れた媒体である。標準ソリトンと比 較すると、そのパワーは強化されていて、ゼロ及び正常平均分散で伝搬可能であ り、Gordon-Hausジッタが減り、パルス相互作用が減って、ノイズマージンが増 すことになる。非対称マップを使用することによって、ソリトンパワーはさらに 強化され、しかも正常平均分散形態でのアクセス可能な帯域幅を増大できること を我々は発見した。波長分割多重（ＷＤＭ）システムを用いるシステムについて は非対称マップは隣のチャンネルとの中でソリトンパワーを等化できる。臨界マ ップ強度は、しかしながら、マップ非対称によっては影響を受けず、分散管理し たソリトンシステムについての最適強度はオーダー４の程度である。 ２段マップでは、分散が正常と異常との間で交番し、パルスの進展は非線形シ ュレディンガ（ＮＬＳ）方程式によりモデル化される。 ァイバの分散と非線形係数である。損失のあるファイバでのパルスの進展もまた この方程式によりモデル化できるが、増幅期間は分散管理の期間とは異なること を条件とする。２段マップ内の定常解は３つのパラメータによって特徴付けがさ え字１と２とは正常と異常との分散ファイバをそれぞれ示し、Ｌ_nはファイバ長 であり、τ_FWHMは異常ファイバの中点における半値幅である）と、正規化した平 は非線形効果に関してファイバがどの程度等しいかを示している。等しい非対称 （γ₁＝γ₂）をもつ２つのファイバに対して、δはこの分散とゼロ付近の平均分 離との比であり、これはちょうど長さの比δ＝Ｌ₁／Ｌ₂となっている。 A.Berntson,N.J.Doran,W.Forysiak and J.H.B.Nijhof,Opt.Lett.とD.Anderson ,Phy.Rev.A27,3135(1983)の変分法を用いることによって、分散管理されたソリ正規化した平均分散とマップ非対称性δとの関数として他の仮定なしにほぼ計算 できる。Ｎ²のもつ物理的な意義はそれが異常分散ファイバの中点における基本 的なソリトンパワーの一部分のパワーを表わしていることである。この計算の結 果は異なる非対称についての３つの場合に対して図５に示されている。図５ａ（ δ＝１０）は標準ファイバ（ＳＳＭＦ）により補償された分散シフトしたファイ バ（ＤＳＦ）の場合であり、図５ｂ（δ＝１）は対称の場合（分散の大きさが等 しい）を示し、また図５ｃ（δ＝０．１）は分散補償ファイバ（ＤＣＦ）により グレードアップされたＳＳＭＦの場合を示す。この図は輪郭のプロットであって 、各線は固定の正規化平均分散してマップ強度／パワー平面内にあるものに対応 している。図５の変分予測は図６に示した数値シミュレーションにより定性的に 確認されたものである。 図５ａないし５ｃの基本的構造は同じである。各々では、ゼロ及び正常平均分 散に対して臨界強度、Ｓ＝４．８（数値的にはＳ＝３．９、図６ｂ参照）が存在 する。この臨界強度はマップ非対称性とは独立している。正常分散領域における 低い方のエネルギー分岐は不安定で、数値的には見付けられないことは図６ａを 参照されたい。図５における変化は、マップ非対称性が減少すると、分散が平均 してより異常となる（あるいはより正常でなくなる）ようにシフトされ、言い換 えると正常平均分散に対する領域は図５ａから図５ｃに向うときに生長して行く 。このことは正常分散ファイバの中で非線形と分散性の効果が同じ符号の周波数 チャープ生じさせることに注目することにより説明できる。非線形チャープをす ることはそこで分散性チャープをすることを置換できて、正常ファイバはそれが より非線形となるな従って短くできる。 図５に示した場合についてソリトンパラメータを比較すると、所与の平均分散 についての最高パワーはＤＣＦによって補償されたＳＳＭＦに対して得られてい る（図５ｃ）。この場合はまた正常平均分散領域内で最大帯域幅を与えてもいる （図７参照）。図７は図５と同じデータを示しているが、異なる表現としている 。一定のマップ強度についての線は正常分散形態内で低δに対してより深く浸透 しており、これが分配勾配を経て、より大きな帯域幅に対応している。このこと の意味するところは正常平均分散での分散管理されたソリトンを実験的に観測す るための機会は低δ（ＳＳＭＦ＋ＤＣＦ）に対してよりよいことになることであ る。アクセス可能な帯域幅はこの場合図７ａ（ＤＳＦ＋ＳＳＭＦ）におけるより も約１０倍も大きい。最後に、図７はソリトンパワーの平均分散での変動は低δ で最低であることを示している。ＷＤＭを用いるシステムではこれは隣のチャン ネル内のパワーの等化を与える。 図５で“高次解”としるした利用域は異常分散ファイバの長さがソリトン期間 よりも長い状態に対応している。この領域は図５では除かれているが、その理由 は部分的には明瞭化のためであるとともに、変分近似では同じ解がより短い異常 ファイバによっても常に達成され、言い換えればより低い平均分散で常に達成さ れることによる。 したがって、非対称分散マップは分散管理されたソリトンシステムの性能を最 適化するために使用することができる。とくにＤＣＦによって補償されたＳＳＭ Ｆをもつシステムはより大きなソリトンパワーを有し、正常平均分散でより多く の帯域幅を与え、またＷＤＭシステムにおけるチャンネルパワーの等化をもたら し、これは対称システムや分散シフトしたファイバを用いるシステムと対比され る。 ソリトン応用の通信システムが図８に示されている。これはソリトン源Ｔと、 継続して正常と異常分散を有する継続する素子Ａ₁，Ｂ₁〜Ａ_n，Ｂ_nで成る光導波 路とで構成されている。素子Ｂ₁等は素子Ａ₁内の分散に対する補償を与える。正 常分散素子は帯域通過フィルタ（図８ｂ）を備えて用意されてよく、理想的には 帯域幅が最小となる素子の中央に置かれる。このようなフィルタはパラメータＳ の緩和を許すことになり、挿入される適切なフィルタではＳ＝２が適したものと する。分散補償は異常分散を有するファイバを備えるか、あるいはフラグ格子Ｇ （図８ｃ）のような線形素子を備えるかのいずれかで実行できる。このような構 成はサーキュレータＣを作るのに必要となる。 ここで記述してきた分散管理は非常に高速の単一チャンネルのゼロ分散点、も しくは波長分割多重に対してゼロ分散点付近で正確に動作ができるようにする。 もしゼロ分散付近のＷＤＭが採用されるのであれば同じ群速度をもつチャンネル を避けるために注意が求められる。もしこれが避けられないのであれば、システ ムの中心付近に“二重（ダブル）”ステップを含む必要があろう。 分散勾配補償を採用でき、それを補償用素子内に置くか周期的に置くかしてよ いし、あるいはまたシステムの端に置いてもよい。正弦状の分散の変化もまた上 述のすべての状態に適したものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ニジョフ、ヨロエン・ヘンリクス・ベルナ ルダス イギリス国、ビー23・５ディーワイ、バー ミングハム、アーディントン、メドウイ ン・グローブ ８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数の部分に分けられたある長さの光ファイバを含むソリトンもしくはソリ トン状のパルス応用光通信システムであって、該ファイバの長さの平均分散が各 部分の分散から著しく異なっていることを特徴とする通信システム。 ２．前記ファイバの長さの全体の分散が実質的にゼロでなることを特徴とする請 求項１記載の通信システム。 ３．前記システムは単一チャンネルシステムである請求項２記載の通信システム 。 ４．前記システムは波長分割多重システムであり、実質的にゼロ分散をもつ周波 数付近で動作可能な複数のチャンネルを有しているシステムであることを特徴と する請求項１記載の通信システム。 ５．実質的に等しい群速度をもつチャンネルを排除していることを特徴とする請 求項１記載の通信システム。 ６．実質的に等しい群速度をもつ前記チャンネル内のソリトンのコアレッセンス を禁止するための手段を備えて、実質的に等しい群速度をもつチャンネルを排除 していることを特徴とする請求項１記載の通信システム。 ７．少くとも１つのプラグ格子を分散補償素子として含んでいることを特徴とす る請求項１記載の通信システム。 ８．帯域通過フィルタを帯域幅が最小である正常の分散素子の構成要素として含 んでいることを特徴とする請求項１記載の通信システム。 ９．前記帯域通過フィルタは前記正常の分散素子の中央に実質的に置かれている 請求項１記載の通信システム。 10．請求項１記載のソリトンもしくはソリトン状のパルス応用光通信システムで あって、複数の部分に分けられたある長さの光ファイバを含み該ファイバの長さ の平均分散が各部分の分散から著しく異なっており、かつパルス継続時間の二乗 続時間で、ｌはファイバ長とすることとする）に等しいことを特徴とする通信シ ステム。