JP2004511007A - ラマン増幅器 - Google Patents

Abstract

本発明では、種々異なるポンピング信号（Ｓλ_１，…，Ｓλ_Ｎ）が逆方向に光ファイバ（ＬＷＬ）に入力結合され、これによってＷＤＭ信号（Ｓλ_ｉ）が、励起されたラマン散乱によって増幅される。ここでは波長の異なるポンピングレーザの出力（Ｐ_１，…，Ｐ_Ｍ）を分配して、ＷＤＭ信号のすべてのチャンネルの信号対ノイズ比すなわちＯＳＮＲが伝送ファイバ端部において平坦な経過を有するようにする。付加的にすべてのチャンネルのレベルを調整するため、ラマン増幅器の出力側にフィルタ（Ｆ）が接続されて、すべてのチャンネルのレベル経過が同様に平坦化される。これによって、ＷＤＭ信号のすべてのチャンネルは、ファイバ端部において同じ信号対ノイズ比および同じレベルを有する。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１に上位概念に記載されたラマン増幅器に関する。
【０００２】
伝送の際に光信号が光ファイバによって減衰されることは公知である。したがって光信号は増幅しなければならないのである。信号の光伝送に対して２つの物理的な基準量、すなわち第１には増幅度が、また第２には光信号対ノイズＯＳＮＲ（ｏｐｔｉｓｃｈｅ Ｓｉｇｎａｌ−ｚｕ−Ｒａｕｓｃｈ）が重要である。ＷＤＭシステム（波長分割多重）では広い周波数領域にわたって上記の２つの基準量が、すべてのＷＤＭ信号に対して十分であり一定でなければならない。理想的なケースでは、信号レベルおよび信号対ノイズ比の経過は平坦になる。分配されたラマン増幅器を伝送ファイバに適用することより、光伝送システムの特性を格段に改善することが可能である。すべてのＷＤＭチャンネル（個別信号）はファイバ端部において、少なくとも近似的に同じ振幅を有するべきである。ゲインスペクトルが平坦でない経過をとった場合には、受信器のダイナミックレンジを上回ってしまうか、これが完全には利用されないことになる。
【０００３】
最適化の目標は、通常、伝送ファイバ区間の端部において個々のチャンネルの同じ出力レベルないしはできる限り平坦なゲインスペクトルが調整されるようにすることである。広い波長領域にわたって極めて平坦であるゲインスペクトルは、多くのポンピング波長を使用することによってのみ達成することができる。ＷＤＭ伝送システムに対する従来公知の分配式ラマン増幅器は、例えば、出力信号がそれぞれ別個の波長を有する複数のポンピングレーザによって動作する。
【０００４】
”Ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｒ^３＋ ｄｏｐｅｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｒｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｒｏｕｎｄ １．６μｍ”， Ｊ．Ｆ． Ｍａｓｓｉｃｏｔｔ， Ｒ． Ｗｙａｔｔ， Ｂ．Ｊ． Ａｉｎｓｌｉｅ， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．２８， Ｎｏ．２０， ２４ｔｈ Ｓｅｐｔ． １９９２には、１．５７〜１．６１μｍにおける４０ｎｍの信号バンド幅に対する増幅器が記載されている。ここではポンピング信号は２つのポンピングレーザによってファイバに供給される。伝送すべき信号の波長は１．６μｍであり、また第１のポンピングレーザの波長は１．４８μｍである。第２のポンピングレーザの出力およびより長い波長１．５５μｍはつぎのように選択される。すなわち、増幅器における３５％の反転分布時にＷＤＭ信号の入力側において、４０ｎｍのバンド幅にわたって分配されたＷＤＭチャンネルができる限り一定に増幅されるように選択されるのである。上記の刊行物の個所では増幅度およびＯＳＮＲを最適化するため、ポンピング源の種々異なるパワーがテストされている。この刊行物の個所の図２によれば、増幅度およびノイズ出力の経過は、約４０ｎｍのバンド幅にわたり、１．５５μｍにおける選択された８７ｍＷのポンピング出力に対して、また１．４８μｍにおける−１７ｄＢｍの付加的なポンピング出力に対して最適される。ノイズ出力の変動は、２４ｄＢのゲイン時には約１ｄＢである。ＷＤＭチャンネル間で約１０ｄＢのより大きなゲイン差が許容される場合には、３１ｄＢまでのより大きなゲインを達成することが可能である。
【０００５】
特許明細書ＥＰ０１３９０８１Ａ２にはラマン増幅器が記載されている。この増幅器は、それぞれ複数のポンピング源を備え相前後して配置される複数のラマン増幅器段（ＲＡ１，ＲＡ２…）を有し、ここでこれらのポンピング源の波長は互いに接近している。これによってラマン−ゲインスペクトルの最大値は、より平坦になり、ＷＤＭチャンネルはこの増幅器の出力側において類似のレベルを有する（第１３頁、第９〜１１行）。
【０００６】
したがって本発明の課題は、信号対ノイズ比の最適な経過を有する増幅器を提供することである。さらにすべてのＷＤＭチャンネルに対して増幅度ができる限り同じになるようにしたい。
【０００７】
この課題は本発明により、請求項１の特徴部分に記載された特徴的構成を有するラマン増幅器によって解決される。
【０００８】
有利な発展形態は、従属請求項に記載されている。
【０００９】
ここでは複数のポンピングレーザを有するラマン増幅器が示されており、そのポンピング波長およびパワーは、ＯＳＮＲの経過が最適化されるように選択されている。ＷＤＭチャンネルの周波数が、ストークス偏移の分（１３．２ＴＨｚシフト時に最大の増幅度）だけ、ポンピング源の周波数の方にシフトされる場合、このチャンネルは最適に増幅される（”Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ”， ２． Ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｇｏｖｉｎｄ Ｐ． Ａｇｒａｗｌ， 第３８１頁， 図８．１１を参照されたい）。実践的にはコスト上の理由によってポンピング源の個数ＭはＷＤＭチャンネルの数よりも小さいため、これらのチャンネルはそれぞれ異なって増幅されてしまう。これにより、レベルおよびノイズ比の経過は、ＷＤＭ信号のバンド幅にわたって相当たり理想的にはならない。わずかな個数のポンピング源の波長およびパワーを有利に選択することによって、ＷＤＭ信号の全バンド幅に対してノイズ比を最適化することが可能である。
【００１０】
本発明の分配式ラマン増幅器に対して、個々のポンピング波長におけるポンピングビームの割合の配分はつぎのように選択される。すなわち伝送ファイバ区間の出力側で個々のチャンネルが、同じレベルではなく、同じ信号対ノイズ比を有するように選択されるのである。
【００１１】
このテクニックを使用することによって、区間端部における最小のノイズ比またはブリッジすべき区間の長さが増大される。さらにラマン増幅器のゲインスペクトルは平坦に経過し、ひいては受信器のダイナミックレンジが制限されたり、または上回ってしまうことがないようにすべきである。しかしながらシステム特性の改善に対して重要であるのは、各伝送ファイバ区間で発生するノイズ比および最小のチャンネルレベルである。この分配式ラマン増幅器によってすべてのチャンネルが同程度にゲインを得られるようにするため、ラマン増幅部が使用されている伝送ファイバの個所においてすべてのチャンネルの最小レベルないしはノイズ指数（Ｒａｕｓｃｈｚａｈｌ）はできる限り一致しなければならない。そうでなければ、達成可能なシステム最適化は、最小レベルないしは最悪のノイズ特性を有するチャンネルによって制限されてしまう。伝送ファイバ区間の出力側におけるチャンネルのレベル分布ないしはゲインスペクトルの経過は、フィルタによって平坦化される。
【００１２】
したがってこの場合、チャンネルは、フィルタの出力側において同じ信号品質ならびに同じレベルを有する。この結果は、これらの信号が伝送ファイバの入力側において同様に同じレベルおよび同じ信号対ノイズ比を有するという前提の元に成り立つ。
【００１３】
理想的にはこの伝送システムの中間増幅器は、平坦なレベル−ゲインスペクトルを有しており、ここで上記の中間増幅器は通例、エルビウムがドーピングされたファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）からなる。これに対してＥＦＤＡが平坦のレベル−ゲインスペクトルは有するが平坦なノイズ指数スペクトルを有しない場合、このような動作の場合に対しても、分配式ラマン増幅器の出力側においてチャンネルの信号対ノイズ比の分布を最適化することが可能である。このためにはラマン増幅器のポンピング信号のパワーの配分を適合させて、これらのチャンネルがラマン増幅器の出力側において同じ信号対ノイズ比を有するようにしなければならない。ファイバ増幅器によって劣化されない高い信号対ノイズ比を有するチャンネルはラマン増幅の際に無視することができ、また低い信号対ノイズ比を有するチャンネルないしはＥＤＦＡが低いノイズ比を有するチャンネルは、ラマン増幅の際に別個に考慮しなければならない。ＥＤＦＡは平坦なゲインスペクトルを有するため、チャンネルのレベルは、その時点で同じ信号対ノイズ比を代償にして相異なるようにされる。しかしながらチャンネルのレベルは、ラマン増幅器の出力側において互いに大きく偏差してはならない。これはここでもこの動作の場合に対して固有に最適化されたフィルタを用いることによって達成することが可能である。
【００１４】
本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する。ここで、
図１には、本発明の増幅器が示されており、
図２には、ポンピング出力が分配されて平坦なレベルスペクトルがファイバの端部で達成される場合に、チャンネルのレベル経過が伝送ファイバに沿って示されており、
図３には、ポンピング出力が分配されて信号対ノイズ比の平坦なスペクトルがファイバの端部で得られる際のチャンネルのレベル経過が伝送ファイバに沿って示されており、
図４には、平坦なゲインスペクトルの際および最適化された信号対ノイズ比の際の、ラマン増幅器の出力側における信号対ノイズ比の比較が示されている。
【００１５】
図１には新しい増幅器の配置構成が示されている。分配式ラマン増幅器の入力側ＥではファイバＬＷＬにＷＤＭ信号が供給される。ここで仮定しているのは、ＷＤＭ信号がＮ個のチャンネルを有し、これらが相応する波長λ_１〜λ_Ｎを有することである。Ｍ個のポンピング源（レーザ）Ｐ_１〜Ｐ_Ｍの出力信号は、波長マルチプレクサ（周波数分配器 Ｆｒｅｑｕｅｎｚｗｅｉｃｈｅ）ＭＵＸおよび入力結合装置ＥＶを介して、伝送ファイバＬＷＬにＷＤＭ信号の伝搬方向とは逆方向に（ｋｏｎｔｒａｄｉｒｅｋｔｉｏｎａｌ）に供給される。出力信号の波長λ_Ｐ１〜λ_ＰＭは、ファイバグレーティングＦＧ_１〜ＦＧ_Ｍを用いて安定化される。この新しいラマン増幅器の出力側ＡにはフィルタＦが前置接続されており、このフィルタはすべてのチャンネルのレベルを調整して、これらのチャンネルのレベル経過を出力側Ａにおいて平坦にする。
【００１６】
図２には伝送ファイバに沿った個々のチャンネルのレベル経過が、同じ出力レベルを達成するラマン増幅器の設計について示されている。６つのポンピングレーザダイオードの波長は、ファイバグレーティングＦＧ_１〜ＦＧ_６により、出力側ファイバにおいてつぎの中間波長、すなわち１４０９ｎｍ，１４２４ｎｍ，１４３８ｎｍ，１４５３ｎｍ，１４６７ｎｍ，１４８２ｎｍに安定化される。この例に対しては個々のポンピングレーザの出力パワーを調整して、すべてのチャンネルがファイバーの出力側から、ラマン増幅を行っても近似的に同じレベルを有するようにする。これは、例えば各ポンピング出力、２３ｄＢｍ，２３ｄＢｍ，１９ｄＢｍ，１８ｄＢｍ，１８ｄＢｍ，１８ｄＢｍによって達成される。ファイバの入力側では、１５３０．３３ｎｍ〜１５６１．４２ｎｍの波長領域の４０個のチャンネルが、１００ＧＨｚチャンネル間隔および１チャンネル当たり＋３ｄＢｍのレベルで供給される。伝送ファイバ区間は、１００ｋｍの長さおよび０．２２ｄＢ／ｋｍの減衰定数を有し、これは２２ｄＢの総減衰に相応する。ラマンポンピングレーザをスイッチオフすると、これらのチャンネルは、チャンネル当たり−１９ｄＢｍの出力レベルでファイバの後方の端部に到着する。図２において際立っているのは、チャンネルの最小レベルが大きく異なっていることであり、これは伝送ファイバにおける減衰が異なることによって発生する。
【００１７】
図３には、本発明により設計された増幅器における、チャンネルのレベル経過がファイバに沿って示されている。６つのポンピングレーザのパワーはここでは０ｄＢｍ，２６ｄＢｍ，２２ｄＢｍ，１８ｄＢｍ，１６ｄＢｍ，１０ｄＢｍに選択されている。ここではポンピング出力の合計は２８．３ｄＢｍで一定のままである。図１と比較すると、ファイバにおけるチャンネルの最小レベルの偏差は格段に少ないが、伝送ファイバの端部におけるレベルは図２と比べると互いに大きく偏差する。
【００１８】
図４により、公知のラマン増幅器および本発明のラマン増幅器の出力側における光信号対ノイズ比を比較することができる。平坦なレベルスペクトルを有する従来技術の増幅器に対して、ＯＳＮＲ経過は、波長が長くなるのに伴って著しく上昇する。これに対して本発明の増幅器では、チャンネルのより平坦なＯＳＮＲ経過が達成される。本発明の増幅器の最小のＯＳＮＲ値は、３９．６ｄＢであり、これに対して公知の増幅器のいくつかのチャンネルは、３８．８ｄＢ以下の格段に小さいＯＳＮＲ値を有する。したがって本発明の増幅器によって、同じ総ポンピング出力で、格段に改善されたシステム特性が達成されるのである。本発明による増幅器におけるＯＳＮＲ経過の小さな変動は、ポンピングレーザの出力波長をさらに最適化することによって、または付加的なポンピングレーザを使用することによってさらに低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の増幅器を示す図である。
【図２】
ポンピング出力が分配されて平坦なレベルスペクトルがファイバの端部で達成される場合にチャンネルのレベル経過を伝送ファイバに沿って示す線図である。
【図３】
ポンピング出力が分配されて信号対ノイズ比の平坦なスペクトルがファイバの端部で得られる際のチャンネルのレベル経過を伝送ファイバに沿って示す線図である。
【図４】
平坦なゲインスペクトルの際および最適化された信号対ノイズ比の際の、ラマン増幅器の出力側における信号対ノイズ比の比較を示す線図である。

Claims (9)

1. 波長（λ_１，…，λ_Ｎ）の異なる複数の光チャンネル（Ｓλ_１，…，Ｓλ_Ｎ）を含み光ファイバ（ＬＷＬ）を介して伝送されるＷＤＭ信号（Ｓλ_１−Ｓλ_Ｎ）に対するラマン増幅器において、
   ポンピング源（Ｐ_１，…，Ｐ_Ｍ）の出力および波長（λ_Ｐ１，…，λ_ＰＭ）を選択して、ＷＤＭ信号のすべての光チャンネル（Ｓλ_１，…，Ｓλ_Ｎ）が、伝送ファイバ（ＬＷＬ）の端部にて少なくとも近似的に同じＯＳＮＲ比を有するようにされていることを特徴とするラマン増幅器。
2. ポンピング信号に対する入力結合装置（ＥＶ）が伝送ファイバ区間（ＬＷＬ）の端部に配置されており、
   該入力結合装置を介してポンピング信号がＷＤＭ信号に対して逆方向に伝送ファイバ（ＬＷＬ）に供給される、
   請求項１に記載のラマン増幅器。
3. 伝送ファイバ（ＬＷＬ）に供給する前に、（Ｐ_１，…，Ｐ_Ｍ）のポンピング信号をまとめる波長マルチプレクサ（ＭＵＸ）が設けられている、
   請求項１または２に記載のラマン増幅器。
4. ポンピング源（Ｐ_１，…，Ｐ_Ｍ）としてレーザダイオードが設けられている、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載のラマン増幅器。
5. ファイバグレーティング（ＦＧ_１，…，ＦＧ_Ｍ）を光フィルタとして各ポンピング源（Ｐ_１，…，Ｐ_Ｍ）に後置接続して、ポンピング信号が、安定化された狭い波長領域を有するようにする、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載のラマン増幅器。
6. ポンピング源（Ｐ_１，…，Ｐ_Ｍ）の出力が、ＷＤＭ信号のすべてのチャンネルの増幅に対して個別に調整される、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載のラマン増幅器。
7. 増幅されたＷＤＭ信号の平坦なレベル経過を達成するため、ラマン増幅器の出力側にフィルタ（Ｆ）が設けられている、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載のラマン増幅器。
8. 前記ラマン増幅器は、１００ｋｍの伝送区間の後、１．５μｍの波長窓にて８０ｎｍのＷＤＭバンド幅に対し、０．５ｄＢよりも小さなＯＳＮＲゲインスペクトルの偏差を有する、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載のラマン増幅器。
9. 波長１４０９ｎｍ，１４２４ｎｍ，１４３８ｎｍ，１４５３ｎｍ，１４６７ｎｍ，１４８２ｎｍおよび分配された出力０ｄＢｍ，２６ｄＢｍ，２２ｄＢｍ，１８ｄＢｍ，１６ｄＢｍ，１０ｄＢｍを有するポンピング信号が設けられている、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載のラマン増幅器。

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