JP2004519944A - スペクトル拡大ファイバを含む光通信システム - Google Patents

Abstract

本発明は非線形光ファイバにおけるパルス整形の効果を監視するためのシステムにおいて実施され、パルスのスペクトル成分は非線形ファイバを通過した後のパルスが如何に効果的に再生されたかを示す有用な指標を提供する。本発明に従えば、非線形ファイバを出たパルスの一部が分岐されて、選択された少なくとも一つのスペクトル領域におけるパルスエネルギの測定が行われ、選択されたスペクトル領域はパルスが効果的に再生される時にエネルギを得る領域である。

Description

【０００１】
本発明は光ファイバ通信システムにおけるパルス整形技術に関するものである。
更に詳細には、本発明は劣化した光パルスを再生するための非線形光反応の利用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発明の背景
高速光ファイバ通信システムにおいては、デジタルデータはファイバを伝播する光パルスの形で伝送される。理想的なパルスは時間領域で十分に局所化され、低バックグラウンドレベルとは区別できる程に突き出て、明瞭な輪郭の振幅を有する。しかしながらノイズ、波長分散及びその他の影響がパルスを広げ、パルスとバックグラウンドとの区別を不明瞭にする傾向がある。これらの影響は高レベルのパルス（例えば、バイナリシステムにおけるパルス）を低レベル（例えば、バイナリシステムにおけるゼロ）と誤認識させることになり、そしてその逆の結果にもつながる。これはひいてはシステムのビット誤り率（ＢＥＲ）を増大させることになる。
【０００３】
専門家達が光パルスの再生器を考案してきた。理想的には、光エネルギは高ノイズレベルを持ち、ピーク振幅値が減少し、かつパルス幅が広がった劣化パルスとして再生器に入り、そして低ノイズレベルの、元のピーク振幅値及びパルス幅を持ったパルスとして出て行く。例えこのパルスがそのような理想的反応の近似に過ぎないとしても、光再生器は長い伝播距離にわたるパルス劣化に対処するために光通信システムにおいて有益なものとなり得る。
【０００４】
光再生に関する研究の一つは２０００年１０月３１日に発行されたＰ．Ｖ．Ｍａｍｙｓｈｅｖの米国特許、Ｎｏ６，１４１，１２９、名称「全光式データ再生の方法及び装置」に記述されている。Ｍａｍｙｓｈｅｖ再生器の中心には非線形光ファイバ、即ち、パルスに関連する電磁界フィールドとファイバ材料との間の非線形結合を通して十分な振幅のパルスのスペクトル成分を変更することができる光ファイバがある。
【０００５】
そのような結合の結果として、パルスの高強度部分はスペクトル的に拡大し、逆にパルスの低強度部分は拡大量が鋭角的に減少する。スペクトル的に変更されたパルスはその後伝達特性が元のスペクトル成分からずれた（ｏｆｆｓｅｔ）フィルタを通過する。そのようなフィルタを再生器の出力フィルタと称する。出力フィルタは本質的にパルスの弱強度部分を遮断し、その部分はスペクトル的に拡大されない。しかし本質的にパルスの高強度部分を通過させるので、フィルタの通過帯域内に在る高強度化されたスペクトル成分を含むものとなる。パルスの最高強度部分、即ち通常は中央部分のみがフィルタを通過するが故に、パルスの原形の近似形が得られ、相対的に低レベルの背景雑音は排除される。必要に応じて、原振幅は非線形ファイバの前もしくは後、もしくは前後双方の増幅によって再生される。
【０００６】
通常、Ｍａｍｙｓｈｅｖ再生器は非線形ファイバの前に置かれた分散補償器を備える。この分散補償器はパルスがシステムを伝播する間に影響を受ける分散係数とは逆符号の分散係数を有する部材である。そのような部材はシステムの伝播の間に累積された分散を少なくとも近似的に相殺するために十分に大きな分散量を持つように選定され、ある場合には分散量が調整される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
われわれは、ある操作状況では、Ｍａｍｙｓｈｅｖ再生器は残留分散効果に非常に敏感であり、この残留分散が光パルスに影響し続けることを発見した。しかしながらこれらの影響の大きさは必ずしも前もっては知られてはいない。これが故に、非線形光ファイバにおけるパルス整形の効果を監視する必要性が生じる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
本発明は非線形光ファイバにおけるパルス整形の効果を監視するためのシステムにおいて実施されている。更に詳細には発明の実施例によれば、非線形ファイバを通過した後のパルスのスペクトル成分はパルスが如何に効果的に再生されたかを示す有用な指標を提供する。このように広い観点からの本発明によれば、非線形ファイバを出たパルスの一部が分岐されて、選択された少なくとも一つのスペクトル領域におけるパルスエネルギの測定が行われる。選択されたスペクトル領域はパルスが効果的に再生される時にエネルギを得る傾向がある領域である。
【０００９】
本発明の特定の実施例では、選択されるスペクトル領域はＭａｍｙｓｈｅｖ再生器の出力フィルタによって定義される。このような実施例おいては、一つの有用なアプローチは出力フィルタ直後のパルスエネルギを出力フィルタ直前のパルスエネルギと比較することである。本発明の他の実施例においては、分岐されたパルスエネルギは選択された波長周の狭帯域のような少なくとも一つのスペクトル領域におけるエネルギを測定するために設置された光スペクトル解析器に入れられる。
【００１０】
もう一つの観点においては、本発明の実施例は非線形光ファイバにおけるパルス整形の効果に関する情報が再生器入力点での残留分散を動的に変化させるためにフィードバックされる光通信システムを含む。より広い意味で、前記のスペクトル測定はシステムの性能水準を示すための、もしくは一つの操作パラメータを調節してシステム性能を改善するための制御信号へと繋がる。このように調節され得る操作パラメータは非線形ファイバの前に置かれた可変分散補償器の調整や、再生器に結合された、もしくはシステムの他の場所に置かれた一つもしくは複数の光増幅器の利得や、再生器の出力フィルタの調整を含んでいる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
詳細な説明
以下の説明では図の一連の関連を簡明にし、図により発明の理解を容易にするため同じような図に対しては同一の参照番号を用いる。また明白に特定されない限り、図は縮尺に描かれていない。
【００１２】
具体的な特徴、構成及び装置について以下に検討されるが、これらは例示のためにのみ行われるものである。
当業者は容易に他のステップ（工程）、構成及び装置も本発明の概念と範囲から逸脱することなく有用であると認識すべきである。
【００１３】
図１の光通信システムは伝送光ファイバ１０、可変分散補償器１５、光増幅器２０、再生器２５、出力光ファイバ３０及び受信機３２を含む。再生器２５は光増幅器３５、高非線形ファイバ４０及び出力フィルタ４５を含む。ファイバ４０の典型的な特性は、長さ２．０１０ｋｍ、波長１５５０ｎｍにおける損失が０．８１ｄＢ／ｋｍ、波長１５５０ｎｍにおける分散が−０．４８ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ、波長１５５０ｎｍにおける分散スロープが０．０２０ｐｓ／ｎｍ^２−ｋｍ、零分散波長が１５７４ｎｍ、モードフィールド径が４．０２μｍ、カットオフ波長が１１９０ｎｍ、挿入損失が２．５ｄＢである。
【００１４】
同種の再生器が前記のＭａｍｙｓｈｅｖ特許出願に記述されている。少なくとも幾つかの場合には、高非線形ファイバ４０に入る信号が一定の平均パワーを有するような方法で増幅器３５を動作させるためにこれは有用であろう。これは例えば他の場合、もしパワーが増加すれば、例え残留分散が一定であったとしても、パルス広がりが生じるであろうが故に有用である。システムは再生器の前に置かれる圧縮段階５０を選択的に含んでもよい。圧縮段階は通信ファイバ内部での誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）の影響を抑制するために有用である。
【００１５】
図に例示された圧縮段階は光増幅器５５、高非線形ファイバ６０及び標準シングルモード（ＳＳＭ）ファイバ６５を含む。光学圧縮については例えば１９９５年発行Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、 Ｇ．Ｐ．Ａｇａｗａｌ著「非線形ファイバ光学、第６章」に記述されている。
【００１６】
上記のように、分散補償器は固定式か可変式である。下記に説明されるように、補償器１５のような可変補償器は光再生器の性能の最適化調整ができるために有用である。可変分散補償器は既知のものであり、例えば２００１年１月３０日登録のＬ．Ｅ．Ａｄａｍｓ等の米国特許Ｎｏ．６，１８１，８５２“可変コーティング光グレーティング装置”及び２０００年１１月１４日登録のＬ．Ｅ．Ａｄａｍｓ等の米国特許Ｎｏ．６，１４８，１２７“可変分散補償期及びそれを含む光学システム”に記述されている。
【００１７】
略述すると、前記引用特許に記述された種類の分散補償器はファイバの長手方向に単調に変化するグレーティング周期を有する分布ブラッグ反射器が形成されたファイバ部分を含む。このような構造による光反射は導入光とブラッググレーティングとの間の共振干渉に依存する。結果として、導入光が反射される前に反射器内に侵入する有効距離は導入光の波長に依存する。グレーティング周期の変化割合（即ち“チャープ”）が適切に調節されるならば、パルスの先行するスペクトル成分は相対的に遅延されることとなり、かくして、先行部分が後続部分より反射器内により深く侵入することによってパルスの先行部分が後続部分と一致することになる。
【００１８】
相対的遅延量はファイバ軸に沿ってグレーティング周期の変化割合を制御することにより調整できる、即ち可変できる。制御信号は、例示の場合は電気信号であるが、必要とされる制御を実行するために用いられる。例えば、チャープはブラッグ反射器が形成されているファイバに温度傾斜を生じさせることにより、もしくはファイバに添加された磁性要素に軸方向の力を付与するためのソレノイドを用いて機械的な変形を生じさせることによって調整できる。制御信号は例えば温度傾斜を付与するためのヒータやソレノイドを励磁するための電流源の制御に用いられる。
【００１９】
また図１に示される光学分岐装置７０は高非線形再生ファイバから出るパルスエネルギの一部をモニタファイバに入力させ、そこからスペクトルモニタに入力させる。以下に説明するように、スペクトルモニタによる測定は再生器が如何に有効に動作したかを示す指標を提供する。非線形再生器ファイバを含む他の型のファイバが用いられる可能性もあるが、典型的には標準ファイバが分岐装置の入出力に接続される。分岐装置７０は例えば融着型カプラ、傾斜型ファイバグレーティング、或いは光の一部をスペクトルモニタ要素に入力させ、一部を伝送ファイバに戻すための固体光学素子に結合されたファイバ端部を含む。スペクトル測定は薄膜干渉フィルタ、ファイバブラッググレーティングフィルタ、長周期ファイバグレーティング、傾斜ファイバグレーティング及びエタロンを含む各種のフィルタにより達成され得る。
【００２０】
図２に、伝送ファイバ１０から可変分散補償器１５により受信された入力光データ列の波長スペクトル８５及びスペクトルモニタ８０で受信されたデータ列の波長スペクトル９０が重ねて表示されている。スペクトル９０は完全分散補償のために調整された補償器１５によって測定された。時間的に拡大されたパルスを含む入力データ列は比較的に狭い波長範囲のエネルギを含むことは図２から明らかであるが、これに対し補償されたデータ列は、パルスが時間的により狭い範囲に閉じ込められており、本質的により広いスペクトル範囲を占める。補償されたデータ列のスペクトル９０は多数のサイドバンドを含むことも明らかである。このサイドバンド構造はデータ列の変調の結果であり、この場合、変調は４０Ｇｂ／ｓのデータ速度を生じさせるために実行されたものである。
【００２１】
データ列のスペクトル広域化に関連する出力フィルタ４５の動作は図３に模式的に例示される。この図において、スペクトル９５は再生器を出たデータ列のスペクトルである。スペクトル１００は出力フィルタ４５の通過帯域幅である。再生器におけるスペクトル広域化はフィルタ４５を実際に通過したスペクトル９５のエネルギ量を増大させる傾向があることが理解され、通過帯域幅１００内に存在することも理解される。そして、それ故にフィルタ４５を実質的に通過するのである。いろいろな中心周波数及び／もしくは幅がスペクトル１００に対してぁまろ特定され得る。フィルタ４５は特定の中心スペクトルや幅を分離するように設計され、ある場合は、調整される。フィルタ４５の精密な設計や調整は再生器の性能に影響を与える。それ故、フィルタ４５は達成しうる最善の性能を提供するために有利になるように選択されもしくは制御される。
【００２２】
我々は再生器の性能は再生器へ入力する光パルスに存在する分散の残留効果に非常に敏感であることを発見した。例示のため、分散補償器１５の調整を変化させながら、図１のシステムにおける受信機３２の受信機感度の一連の実験測定値を図４のグラフ１０５としてプロットした。分散の影響の最も完全な相殺はおよその再生器内の累積分散がおよそ３９０ｐｓ／ｎｍとなったときに生じた。グラフにプロットされた感度は最小受信パワーレベルであったが、ビット誤り率（ＢＥＲ）は１０^−９に過ぎないものであった。最も有利な受信機感度は分散補償器の最適調整近辺のおよそ１０ｐｓ／ｎｍの範囲で得られたということが図から明らかになるであろう。補償器がこの範囲の外側で、この範囲から調整されている時には、受信機感度は急速に劣化することが発見された。
【００２３】
我々は、少なくとも幾つかのスペクトルサイドバンドにおける光パワーの大きさと例えば受信器感度の測定から決定される、再生器性能との間にある有用な相関関係を発見した。例示のために、グラフ１０５にプロットされたデータポイントに対応する可変分散補償器の各設定値で選択されたサイドバンドにおける全光パワーを図４のグラフ１１０としてプロットした。選択されたサイドバンドは中心波長から長波長側に６番目のサイドバンドであった。中心波長は１５５２．６ｎｍ、そして６番目のサイドバンドはおよそ１５５４．５ｎｍで生じた。サイドバンドパワーは図１のシステムのスペクトルモニタにより測定されたスペクトルから計算された。グラフ１１０に示された実験に対しては、スペクトルモニタにはヒューレットパッカード社の光スペクトル解析器が用いられた。
【００２４】
サイドバンドパワーの比較的高い値は受信機感度の最も有利なレベルを産み出す可変分散補償器の設定範囲に対して生じることがグラフ１１０とグラフ１０５との比較から明らかであろう。結果として、測定されたサイドバンドパワーは再生器が如何に効果的に動作しているかを示す指標として有用である。以下により詳細に検討されるように、測定されたサイドバンドパワーは通信システムの一つもしくは複数の動作パラメータを自動的に調整するためのフィードバックループにおいても用いられうる。例えばサイドバンドパワー測定値あるいはそこから引き出された信号は可変分散補償器１５の制御に用いられる。
【００２５】
他の例では、同じパワーそして信号が増幅器３５のような光増幅器の利得の制御に用いられる。そしてさらに別の例では、その同じパワー或いはそこから引き出された信号が例えば中心周波数をシフトすることにより、或いはそのバンド幅を変更することにより出力フィルタ４５の制御に用いられる。
【００２６】
本発明の実施例に関する実験データは例えば必ずしもすべてのサイドバンドが補償器１５の調整の変化につれ一致した動作をすることを示すわけではない。例えば、図２の実験のように、二つの波長の領域（状況）を観察した。内側の領域では、中心波長スペクトル１５５２．６ｎｍの両側に約２ｎｍ広がった特定の入力強度で、分散補償量が増加するにつれ、上昇と下降のサイドバンドが観察された。
【００２７】
しかしながら中心波長から２ｎｍ以上外側の波長領域では、サイドバンドの大きさ（即ち全光パワー）は残留分散効果が減少するにつれ一致して増大した。強度の増大により、内側領域と外側領域の間の境界は中心周波数から遠くへ移動した。この観察結果は少なくともある場合には再生器内でパワーレベルを一定に維持することが適切な再生器性能のためにもスペクトルモニタリングの目的にも有利であることを示唆している。
【００２８】
一つの有用なモニタリングの構成は外側波長領域内に従属的に存在するように選択された単一のサイドバンド中のパワーをモニタすることである。他の有用なモニタリングの構成は、所定の次数より大きな全てのサイドバンド、もしくは外側領域内に存在する全てのサイドバンド中のパワーを測定することである。この２番目の構成は通常はより強度の高いモニタ信号を提供し、それ故モニタ装置に対する要件を緩やかにするので有利である。しかしながら、我々は全ての高次のサイドバンド（即ち残留分散に関して単調な動作傾向を示したサイドバンド）の合計が選択されたある単一のサイドバンドのようには分散補償に関して一致した動作を示さなかったことも同様に観察した。
【００２９】
一つの別のモニタリング構成が図５に示されている。図１に示されたシステムの同様な要素と共通する図５のシステムの要素は類似の参照番号によって参照される。図５のモニタリング構成はモニタリングの目的のためにスペクトル選択を行うフィルタを用いる。例示されたように、再生器出力フィルタ４５もこのモニタリング機能のために用いられる。しかしながら、少なくともある幾つかの場合には、このモニタリング機能を実施するためには異なった特性を有する別のフィルタを用いることが好ましいと思われる。
【００３０】
図示のシステムでは、カップリング要素１１５及び１２０がフィルタ４５のそれぞれ直前直後に置かれる。これらの要素の各々は例としては溶融型ファイバカプラもしくはファイバグレーティング分岐装置や固体光分岐装置のような他の広帯域分岐装置である。要素１１５及び１２０の各々は高非線形ファイバ４０から出力される光の一部光のパワーを測定する光検出器へ分岐する。要素１２０から受けたパワーの要素１１５から受けたものに比べた割合は再生器内で受けたスペクトル広がりの有用な尺度を提供する。かくして、このようなパワー割合は有用な制御信号あるいはフィードバック信号を提供することができる。
【００３１】
再生器フィルタにフィルタ１２５を付加したモニタリング構成が図６から９に示される。
【００３２】
特許請求の範囲及びこれらの均等物の全範囲により定められる本発明の概念と範囲から逸脱せずに、ここに記述された発明の実施例に多くの変更と置換が容易になされ得ることは当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ａおよびｂは本発明の実施例に関する光通信システムの簡略図である。
【図２】
入力光データに図１の光通信システムのスペクトルモニタで受けたデータを重ね合わせて示すグラフである。
【図３】
図１の光通信システムにおける出力フィルタの動作を出力フィルタへの入力スペクトルと出力フィルタからの出力スペクトルにより示したグラフである。
【図４】
図１の光通信システムにおける受信機の感度を示すグラフである。
【図５】
本発明の他の実施例による光通信システムの簡略図である。
【図６】
本発明の他の実施例によるモニタリングの構成を示す簡略図である。
【図７】
他のもう一つの実施例によるモニタリングの構成を示す簡略図である。
【図８】
さらに他のもう一つの実施例によるモニタリングの構成を示す簡略図である。
【図９】
ａおよびｂはさらに他のもう一つの実施例によるモニタリングの構成を示す簡略図である。

Claims (19)

1. 少なくとも幾つかの入力光パルスに対して非線形応答を有し、少なくともそのパルスのスペクトル広がりを生じさせる光要素と、
   非線形要素を通過した光パルスのスペクトル広がりを示す測定を行うように構成された波長選択検出器と、
   そして当該検出器との関係を受けて、システムの動作の過程で、当該測定値に応じて、診断信号即ちフィードバック信号を提供するように構成されたデバイス又は回路と
   を含むことを特徴とする光通信システム。
2. 非線形要素は自己位相変調を現す光ファイバであ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. 非線形要素の上流側に置かれた可変分散補償器（ＴＤＣ）を含み、そしてそこでは当該デバイスもしくは当該回路が可変分散補償器を調節するためのフィードバック信号を提供するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
4. 非線形要素の上流側に置かれた一つもしくは一つ以上の光増幅器を含み、そしてそこでは当該デバイスもしくは該回路が少なくともその一つの前記増幅器へフィードバック信号を提供し、それによって非線形ファイバへ入力されるパルスの振幅を制御するように構成されてことを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
5. さらに非線形要素の上流側に置かれた一つもしくは一つ以上の光帯域フィルタを含み、そしてそこでは当該デバイスもしくは当該回路は少なくともその一つのフィルタへフィードバック信号を提供し、それによって非線形要素へ入力されるパルスのスペクトルの成分を制御するように、少なくとも中心スペクトルの一つ、もしくはフィルタの帯域形状を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
6. 検出器は非線形要素を出た光パルスのエネルギの一部を受けるように構成された光スペクトル分析器を含むことを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
7. 検出器は一つもしくは一つ以上の独立した検出要素を含み、前記各々の検出要素はエネルギが中央波長帯域と複数の波長サイドバンド内に分布した少なくとも幾つかのパルスに対し各々の該検出要素は中央帯域以外のそれぞれの波長サイドバンド中もしくは一群の波長サイドバンド中のエネルギを検出するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
8. 検出器は、非線形要素から出た光パルスのエネルギの一部を該パルスが光フィルタへ入る前に検出するように構成された要素と、さらに光フィルタを通過した後の前記パルスのエネルギの一部を検出するように構成された別の要素を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 非線形要素の下流側に置かれ、その帯域が一つの中心波長、一つの帯域幅及び一つの帯域形状を有し、検出器は前記中心波長、前記帯域幅及び該帯域形状の少なくとも一つを制御するために有効なフィードバック信号を提供するように構成されている光フィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
10. 少なくともある入力光パルスに対して非線形応答を有し、少なくともその幾つかのパルスに対しスペクトル広がりを生じさせる光要素と、
    非線形要素の下流側に置かれ、その帯域が一つの中心波長、一つの帯域幅、一つの帯域形状そして一つの波長分散値を有し、かつ前記中心波長、前記帯域幅、前記帯域形状そして前記波長分散値の少なくとも一つが可変である少なくとも一つの光フィルタ、
    システムの動作の過程で前記光フィルタへ制御信号を送り、それによって前記中央波長、前記帯域幅、前記帯域形状そして該波長分散の少なくとも一つを制御するために効果的なデバイスもしくは回路をふくむことを特徴とする光通信システム。
11. デバイスもしくは回路は非線形要素へ入力される光パルスのスペクトル成分の変化に応じて制御信号を送るように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光通信システム。
12. 非線形要素へ入力される光パルスの持続幅の変化に応じて制御信号を送るように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光通信システム。
13. 非線形要素へ入力される光パルスの伝送速度の変化に応じて制御信号を送るように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光通信システム。
14. 非線形要素の性能の変化に応じて制御信号を送るように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光通信システム。
15. システムの性能指数の変化に応じて制御信号を送るように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光通信システム。
16. システムのビット誤り率の変化に応じて制御信号を送るように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光通信システム。
17. 光フィルタはファイバブラッググレーティング、もしくはホログラフィックグレーティング、もしくはファブリペローグレーティングもしくはエタロンの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１０に記載の光通信システム。
18. 光フィルタは熱的に、もしくは機械的に、もしくは光学的に可変であることを特徴とする請求項１０に記載の光通信システム。
19. 非線形要素の上流側に置かれた一つもしくは一つ以上の光帯域フィルタを含み、そこでは該デバイスもしくは回路は少なくともその一つのフィルタへフィードバック信号を提供し、それによってフィルタの波長分散を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。

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