JP2009036802A

JP2009036802A - ラマン増幅用光ファイバ及びラマン増幅光伝送システム

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Publication number: JP2009036802A
Application number: JP2007198592A
Authority: JP
Inventors: Chisato Fukai; 千里深井; Kazuhide Nakajima; 和秀中島
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-07-31
Also published as: JP4777945B2

Abstract

【課題】ラマン増幅を用いた光伝送システムにおける信号対雑音比を向上させることを可能とするラマン増幅用光ファイバ及び当該ラマン増幅用光ファイバを用いたラマン増幅光伝送システムを提供する。
【解決手段】ラマン増幅用光ファイバＦ₂を信号光の伝搬方向に連続的に変化する屈折率分布を有しラマン利得率が前記伝搬方向に連続的に変化するようにすると共に、ラマン増幅光伝送システムを上記ラマン増幅用光ファイバＦ₂と、信号光の伝搬方向に一様な屈折率分布を有する単一モード光ファイバＦ₁と、前記ラマン増幅用光ファイバＦ₂の前記伝搬方向に対して後方に配置され、該ラマン増幅用光ファイバＦ₂に信号光の伝搬方向とは逆方向に伝搬する励起光を注入するラマン励起光源３とを有する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラマン増幅用光ファイバ及びラマン増幅光伝送システムに関する。

近年、光通信システムにおける光増幅技術として、光ファイバ中の光非線形現象の一つであるラマン増幅特性を利用した技術が広く検討されている。光ファイバ中のラマン増幅は、励起波長の選択により任意の波長帯域で実現することが可能であり（例えば、非特許文献１参照）、そのラマン増幅特性は、励起光の強度並びに増幅媒体となる光ファイバパラメータ、例えば、コアの添加材料、添加量、及び実効断面積等によって変化する（例えば、非特許文献２参照）。

尚、光ファイバの光ファイバパラメータは、当該光ファイバの屈折率分布により一意に決定する。このため、非特許文献３には、光ファイバコアのゲルマニウム添加濃度を向上し、且つ実効断面積を低減した高非線形光ファイバによる高利得ラマン増幅の実現性が報告されている。また、非特許文献４には、ラマン増幅特性の各種光ファイバパラメータへの依存性を考慮し、光ファイバ伝送路自身を増幅媒体として用いる分布ラマン増幅に好適な光ファイバの設計条件が開示されている。

一方、光ファイバ中の光非線形現象は、光ファイバ中の光強度に比例し、光ファイバの伝搬方向で順次、発生・累積する。従って、光ファイバ伝搬方向における光非線形性も制御することが可能となる。このため、例えば、特許文献１では光ファイバ伝搬方向におけるコアの比屈折率差とコア径を変化させることにより、ブリルアンシフト周波数が不均一となり、光ファイバ伝搬方向におけるブリルアン散乱の累積を低減し、当該光ファイバへの入力光強度を向上する技術が開示されている。

また、非特許文献５には、一様な屈折率分布を有する単一モード光ファイバで光伝送路を構成する場合における信号対雑音比（signal-to-noise ratio；ＳＮＲ）の改善効果（以下、ＳＮＲ改善効果という）について記載されている。

特開平１０−９６８２８号公報 S.Namiki，Y.Emori、"Ultrabroad-Band Raman Amplifiers Pumped and Gain-Equalized by Wavelength-Division-Multiplexed High-Power Laser Diodes"、IEEE JOURNAL ON SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS、VOL.7、NO.1、2001年、p.3-16 S.T.Davey，D,L,Williams，B.J.Ainslie，W.J.M.Rothwell，B.Wakefield、"Optical gain spectrum of GeO2-SiO2 Raman fibre amplifiers"、IEE PROCEEDINGS、Vol.136、NO.6、1989年、p.301-306 T.Miyamoto，M.Tanaka，J.Kobayashi，T.Tsuzaki，M.Hirano，T.Okuno，M.Kakui，M.Shigematsu、"Highly Nonlinear Fiber-Based Lumped Fiber Raman Amplifier CWDM Transmission Systems"、JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY、VOL.23、NO.11、2005年、p.3475-3483 C.Fukai，K.Nakajima，J.Zhou，K.Tajima，K.Kurokawa，I.Sankawa、"Optimum Optical Fiber Design for a DRA-Based DWDM Transmission System"、JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY、VOL.23、NO.3、2005年、p.1232-1238 R.J.Essiambre，P.Winzer，J.Bromage，C.H.Kim、"Design of Bidirectionally Pumped Fiber Amplifiers Generating Double Rayleigh Backscattering"、IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS、VOL.14、NO.7、2002年、p.914-916

しかしながら、従来の光ファイバにあっては、ラマン増幅特性、並びに当該光ファイバを用いたラマン増幅光伝送システムにおけるＳＮＲ改善効果の向上が十分ではないという問題があった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ラマン増幅を用いた光伝送システムにおける信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させることを可能とするラマン増幅用光ファイバ及び当該ラマン増幅用光ファイバを用いたラマン増幅光伝送システムを提供することにある。

上記の課題を解決するための第１の発明に係るラマン増幅用光ファイバは、信号光の伝搬方向に連続的に変化する屈折率分布を有する光ファイバであって、ラマン利得率が前記伝搬方向に連続的に変化することを特徴とする。

第２の発明に係るラマン増幅用光ファイバは、第１の発明において、任意の信号波長帯域に零分散波長を有し、前記伝搬方向に一様な波長分散特性を有する光ファイバであって、当該光ファイバの入射端と出射端におけるラマン利得率が異なることを特徴とする。

第３の発明に係るラマン増幅用光ファイバは、第１の発明において、任意の信号波長帯域に平均零分散波長を有し、前記伝搬方向に波長分散特性が変化する光ファイバであって、当該光ファイバの入射端と出射端におけるラマン利得率が異なることを特徴とする。

第４の発明に係るラマン増幅用光ファイバは、第１の発明において、任意の信号波長帯域で負の波長分散特性を有する光ファイバであって、当該光ファイバの入射端と出射端におけるラマン利得率が異なることを特徴とする。

第５の発明に係るラマン増幅光伝送システムは、第１乃至第４のいずれか一つの発明に係るラマン増幅用光ファイバと、信号光の伝搬方向に一様な屈折率分布を有する光ファイバと、前記ラマン増幅用光ファイバの前記伝搬方向に対して後方に配置され、該ラマン増幅用光ファイバに信号光の伝搬方向とは逆方向に伝搬する励起光を注入するラマン励起光源とを有することを特徴とする。

上述した本発明に係るラマン増幅用光ファイバによれば、信号光の伝搬方向におけるラマン利得率を好適に制御することにより、ラマン増幅光伝送システムにおけるＳＮＲ改善効果の向上を可能とするといった効果を奏する。

また、本発明のラマン増幅用光ファイバ、並びにラマン増幅光伝送システムでは、任意の信号波長帯域における零分散波長特性も同時に満たすこととしたため、当該波長帯域における高速光伝送特性も好適にするといった効果も奏する。

また、本発明のラマン増幅用光ファイバ、並びにラマン増幅光伝送システムでは、任意の信号波長帯域における負の波長分散特性も同時に満たすこととしたため、当該使用波長帯域における単一モード光ファイバ中の累積分散の低減を可能とし、当該単一モード光ファイバを用いた高速光伝送特性も好適とするといった効果も奏する。

更には、本発明のラマン増幅用光ファイバでは、伝搬方向における屈折率分布を連続的に制御しているため、高入力光伝送システムや波長分割多重光伝送システムで問題となる、ブリルアン散乱による入力光強度制限や、４光波混合等による伝送特性劣化も低減するといった効果も奏する。

以下に、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係るラマン増幅光伝送システムの構成図である。図１に示すように、本実施形態のラマン増幅光伝送システムは、全長Ｌの光伝送路１を有している。当該光伝送路１は信号光の伝搬方向に一様な屈折率分布を有する長さＬ₁の単一モード光ファイバＦ₁と、信号光の伝搬方向に対して連続的に屈折率分布を変化させることにより信号光の伝搬方向に対して連続的にラマン利得率を変化させた長さＬ₂のラマン増幅用光ファイバＦ₂とから構成される。

更に、前記ラマン増幅用光ファイバＦ₂にはサーキュレータ（circulator；ＯＣ）２等を介してラマン励起光源（Ｐｕｍｐ）３、エルビウムドープファイバ増幅器（Erbium-doped fiber amplifier；ＥＤＦＡ）４、並びに受光部５が接続され、ラマン励起光源３からの励起光はサーキュレータ２を介してラマン増幅用光ファイバＦ₂へ、即ち信号光伝搬方向と反対方向へ入射されるようになっている。

ここで、前記全長Ｌの光伝送路１が、前記伝搬方向に一様な屈折率分布を有する単一モード光ファイバＦ₁のみで構成される、即ち、単一モード光ファイバＦ₁の長さＬ₁＝Ｌかつラマン増幅用光ファイバＦ₂の長さＬ₂＝０であるとすると、前記ラマン励起光源３からのラマン励起光の有無に伴うＳＮＲ改善効果Ｒ_SNR(F1)は、非特許文献５の記載等に基づき、次の（１）式にて定義することができる。

ここで、ＮＦ_pas(F1)、ＮＦ_act(F1)、並びにＲ_NL(F1)は、それぞれラマン励起光がない状態における雑音指数、ラマン励起光がある状態における雑音指数、並びに非線形性を示し、それぞれ次の（２）式、（３）式、並びに（４）式に表すことができる。

ここで、ＮＦ_EDFA、ｈν、Ｂ_e、Ｂ_s、並びにＰ_inは、それぞれエルビウムドープファイバ増幅器４の雑音指数、光子エネルギー、電気フィルタ帯域、光フィルタ帯域、並びに入射信号パワーを表し、光伝送路１に用いる光ファイバパラメータに依存しない。また、γ、Ｌ_eff、Ｇ_R、Ｔ_F、Ｎ_ASE、並びにＰ_DRSは、それぞれ光非線形性、有効相互作用長、ラマンゲイン、伝送損失、自然放出光の雑音成分、並びに二重レイリー散乱雑音を表し、光伝送路１に用いる光ファイバ（ここでは、単一モード光ファイバＦ₁）の長さＬ、実効断面積、非線形屈折率、ラマン利得係数、並びにレイリー散乱係数等の光ファイバパラメータ、即ち光ファイバの屈折率分布に依存して変化する。

そして、非特許文献４には、前記光ファイバの屈折率分布に依存して変化する光ファイバパラメータを、当該光ファイバの比屈折率差Δの関数として記述する手法が開示されている。

また、前記光ファイバの比屈折率差Δは、当該光ファイバのコアの屈折率ｎ_core、及び純石英の屈折率ｎ_SiO2を用いて次の（５）式により定義される。

従って、（１）式から（５）式、並びに非特許文献４、及び非特許文献５に開示された技術を用いることにより、伝搬方向に対して一様な屈折率分布を有し、当該屈折率分布から一意に決定される任意の光ファイバパラメータを有する単一モード光ファイバＦ₁を用いた光伝送路１における、ラマン励起光の有無に伴うＳＮＲ改善効果Ｒ_SNR(F1)を得ることができる。

一方、信号光の伝搬方向に一様な屈折率分布を有する長さＬ₁の単一モード光ファイバＦ₁と、信号光の伝搬方向に対して屈折率分布が変化する、即ち信号光の伝搬方向に対して光ファイバパラメータが変化するラマン増幅用光ファイバＦ₂とから構成される光伝送路１における、ラマン励起光の有無に伴うＳＮＲ改善効果は、図２に示すように、ラマン増幅用光ファイバＦ₂がｎ個の微小セグメントｆ₁，ｆ₂，ｆ₃，…，ｆ_n-1，ｆ_nから構成されると仮定することにより得ることができる。

これにより、図１に示した本実施形態の単一モード光ファイバＦ₁及びラマン増幅用光ファイバＦ₂で構成される、全長Ｌの光伝送路１における、ラマン励起光の有無に伴うＳＮＲ改善効果Ｒ_SNR(F1+F2)は、それぞれラマン励起光がない状態における雑音指数ＮＦ_pas(F1+F2)、ラマン励起光がある状態における雑音指数ＮＦ_act(F1+F2)、並びに非線形性Ｒ_NL(F1+F2)を表す次の（６）式、（７）式、並びに（８）式を用いて評価することが可能となる。

ここで、Ｇ_R（ｉ）及びＴ_F（ｉ）はそれぞれセグメントｆ_iにおけるラマンゲイン及び伝送損失であり、ｍ番目のセグメントｆ_mにおけるラマンゲインＧ_R（ｍ）、伝送損失Ｔ_F（ｍ）、自然放出光の雑音成分Ｎ_ASE、及び二重レイリー散乱雑音Ｐ_DRSは、それぞれ次の（９）式から（１２）式に表すことができる。また、Ｐ（０）は入射信号パワーＰ_inを表す。

ここで、Ｃ_R、Ｐ_P、α_P、α_S、並びにＲ_Fは、それぞれラマン利得率、励起パワー、励起波長、信号波長における損失係数、並びにレイリー散乱係数である。

上記（６）式において、伝搬方向に一様な屈折率分布を有する単一モード光ファイバＦ₁における光ファイバパラメータを適用し、上記の数式を用いて次の（１３）式を求めることにより、単一モード光ファイバＦ₁及びラマン増幅用光ファイバＦ₂を用いた本実施形態のラマン増幅光伝送システムの、従来技術、即ち伝搬方向に一様な屈折率を有する単一モード光ファイバＦ₁のみを用いた場合に対するＳＮＲ改善効果を得ることが可能となる。

尚、前記ラマン増幅用光ファイバＦ₂は、図１に示す構成に限らず、サーキュレータ２、ラマン励起光源３、及びエルビウムドープファイバ増幅器４とともに受光部５装置内に組み込まれる形態であっても構わない。また、本実施形態に係るラマン増幅光伝送システムは、前記エルビウムドープファイバ増幅器４を除いた形態で構成することも可能である。

また、ラマン増幅用光ファイバＦ₂としては、任意の信号波長帯域に零分散波長を有し、信号光の伝搬方向に一様な波長分散特性を有するもの、又は、任意の信号波長帯域に平均零分散波長を有し、信号光の伝搬方向に波長分散特性が変化するもの、又は、任意の信号波長帯域で負の波長分散特性を有するものであって、該光ファイバの入射端と出射端におけるラマン利得率が異なるように屈折率分布を制御したものを適用すると好適である。

図３〜図１０を用いて本発明の第１の実施例に係るラマン増幅用光ファイバ及びラマン増幅光伝送システムについて説明する。本実施例は、図１に示し上述した実施形態において説明した構成に適用されるものであって、図１に示したラマン増幅用光ファイバＦ₂として、波長１５５０ｎｍ帯に零分散波長λ₀を有するラマン増幅用光ファイバを用いる例である。

尚、本実施例では、一例として信号光波長、及び励起波長を、それぞれ１５５０ｎｍ、及び１４５０ｎｍとし、図１に示したラマン増幅光伝送システムにおける伝送路の全長Ｌを８０ｋｍとした。

図３は、波長１５５０ｎｍ帯で零分散波長λ₀を有するラマン増幅用光ファイバＦ₂の断面方向の屈折率分布を表す概念図である。図３中に示す値６１，６２，６３はそれぞれ第一コア部、第二コア部、クラッド部の屈折率を示している。ラマン増幅用光ファイバＦ₂のクラッド部は純石英からなり、図３中に示すΔ₁₁、Δ₁₂、及びａ₁₁、ａ₁₂は、それぞれクラッド部、即ち、純石英の屈折率に対する第一コア部、第二コア部の比屈折率差、及び第一コア部、第二コア部の半径を表す。本実施例では、一例として第一コア部の屈折率分布のベキ乗数αを２、第二コア部の屈折率分布のベキ乗数αを１０００とした。また、第二コア半径ａ₁₂に対する第一コア半径ａ₁₁の比率Ｒ_a（本実施例ではＲ_a＝ａ₁₁／ａ₁₂）を０．５とした。

図４は、図３に示した屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバＦ₂において、零分散波長λ₀を１５５０ｎｍとしたときのクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁に対する、波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａ_effの関係を示すグラフである。図４から、仮にクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁を１．０％と仮定した場合、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁と、クラッド部と第二コア部の比屈折率差Δ₁₂の比率ＲΔを０．０５から０．２まで可変することにより、零分散波長λ₀を１５５０ｎｍとしたまま、実効断面積Ａ_effを図中破線矢印で示される領域、即ち概ね３１μｍ²から４６μｍ²までの領域で変化させることが可能となることがわかる。

また、比率ＲΔを０．０５と仮定した場合、当該ラマン増幅用光ファイバＦ₂のクラッド部と第一コア部との比屈折率差Δ₁₁を０．７％から１．３％まで可変することにより、零分散波長λ₀を１５５０ｎｍとしたまま、実効断面積Ａ_effを約７０μｍ²〜２２μｍ²まで変化させることが可能となることがわかる。

図５は、図３に示した屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバにおいて、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁と、クラッド部と第二コア部の比屈折率差Δ₁₂の比率ＲΔを０．０５としたときの、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁に対する各零分散波長λ₀における実効断面積Ａ_effの関係を示すグラフである。本実施例では、零分散波長λ₀を１５５０ｎｍと仮定したが、図３に示した屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバＦ₂を用いることにより、図５に示すように当該ラマン増幅用光ファイバＦ₂のクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁が０．３４％から１．４４％までの範囲において、実効断面積Ａ_effを９４μｍ²から２２μｍ²まで変化させ、かつ零分散波長λ₀を１３５０ｎｍ〜１７５０ｎｍまで可変することも可能となることがわかる。

図６は図４に示したクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁に対する波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａ_effの関係を満たすときの、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁に対するラマン利得率Ｃ_Rの関係を示すグラフである。図６より、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁を１．０％と仮定した場合、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁と、クラッド部と第二コア部の比屈折率差Δ₁₂の比率ＲΔを０．０５から０．２の範囲で可変することにより、零分散波長λ₀を１５５０ｎｍとしたまま、ラマン利得率Ｃ_Rを図６中破線矢印で示される領域、即ち概ね１．０ＷＫｍ^-1から１．５ＷＫｍ^-1まで変化させることが可能となることがわかる。

また、比率ＲΔを０．０５と仮定した場合、当該光ファイバのクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁を０．７から１．３％まで可変することにより、零分散波長λ₀を１５５０ｎｍとしたまま、ラマン利得率Ｃ_Rを概ね０．６ＷＫｍ^-1から２．３ＷＫｍ^-1まで変化させることが可能となることがわかる。

図７は図５に示したクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁に対する各零分散波長λ₀における実効断面積Ａ_effの関係を満たすときの、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁に対するラマン利得率Ｃ_Rの関係を示すグラフである。図７より、当該光ファイバのクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁が０．３４から１．４４％までの範囲において、ラマン利得率Ｃ_Rを概ね０．４ＷＫｍ^-1から２．７ＷＫｍ^-1まで変化させ、かつ零分散波長λ₀を１３５０ｎｍから１７５０ｎｍまで可変することも可能となることがわかる。

図８は、本実施例に係るラマン増幅光伝送システムにおける励起光パワーＰ_Pに対するＳＮＲ改善効果Ｒ_SNR(F1+F2)、及び、図１に示す光伝送システムにおいて光伝送路１に単一モード光ファイバＦ１のみを用いた場合のＳＮＲ改善効果Ｒ_SNR(F1)の一例を表すグラフである。尚、ラマン増幅用光ファイバＦ₂の零分散波長λ₀は１５５０ｎｍとし、伝搬方向に一様な屈折率分布を有する単一モード光ファイバＦ₁は、図３に示した屈折率分布を有し、そのクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁、及び波長１５５０ｎｍにおけるラマン利得率Ｃ_Rは、図４、及び図６の結果を参照し、一例としてそれぞれ１．０％、及び１．５ＷＫｍ^-1とした。また、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁と、クラッド部と第二コア部の比屈折率差Δ₁₂の比率ＲΔは０．０５とした。

ここで、本実施例では、ラマン増幅用光ファイバＦ₂のラマン利得率は信号光の伝搬方向に対して一次元的に変化する（本実施例では信号入射端側から信号出射端側に向かって増加）ものとして、伝搬方向に一様な屈折率分布を有する単一モード光ファイバＦ₁のラマン利得率Ｃ_R-F1に対する、信号光の伝搬方向に対して屈折率分布の変化によりラマン利得率を連続的に変化させたラマン増幅用光ファイバＦ₂の信号入射端におけるラマン利得率Ｃ_R-F2-inと信号出射端におけるラマン利得率Ｃ_R-F2-outとの変化率をＲ_CRとして、次の（１４）式に定義し、０．５とした。

尚、Ｃ_R-F2-inとＣ_R-F2-outの和の２分の１は、Ｃ_R-F1に等しいものと仮定した。また、ラマン増幅用光ファイバＦ₂の長さＬ₂、入射信号光パワーＰ_in、並びに伝送速度Ｂはそれぞれ２０ｋｍ、−１０ｄＢｍ、並びに１０Ｇｂｉｔ／ｓとした。図８より、伝搬方向に一様な屈折率分布を有する単一モード光ファイバＦ₁のみを用いる場合のＳＮＲ改善効果Ｒ_SNR(F1)、及び単一モード光ファイバＦ₁及び伝搬方向にラマン利得率を変化させたラマン増幅用光ファイバＦ₂を用いた場合のＳＮＲ改善効果Ｒ_SNR(F1+F2)は、励起光パワーＰ_Pの増加とともに増大し、それぞれ励起光パワーが１７０ｍＷ、及び１８０ｍＷのとき、ＳＮＲ改善効果はそれぞれ約６．５ｄＢ、及び７．０ｄＢで最大となることが分かる。

従って、それぞれのＳＮＲ改善効果Ｒ_SNR(F1)、及びＲ_SNR(F1+F2)の最大値の差分として得られる、本実施例に係るラマン増幅用光ファイバを用いたときの、伝搬方向に一様な屈折率分布を有する光ファイバのみを用いた場合に対するＳＮＲ改善効果Ｒ_SNRは０．５ｄＢとなる。

即ち、光伝送路１を単一モード光ファイバＦ₁とラマン増幅用光ファイバＦ₂とから構成することにより、光伝送路１を伝搬方向に一様な屈折率分布を有する単一モード光ファイバＦ₁のみで構成した場合に比べ、ラマン増幅光伝送システムにおけるＳＮＲ改善効果がより向上することがわかる。

図９は、図４、及び図６に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバを有する図１に記載の全長Ｌ（＝Ｌ₁＋Ｌ₂）＝８０ｋｍのラマン増幅光伝送システムにおいて、ＳＮＲ改善効果Ｒ_SNRと、本実施例のラマン増幅用光ファイバＦ₂の長さＬ₂との関係を示すグラフである。図中の３本の実線は、前記ラマン利得率の変化率Ｒ_CRが異なる場合における計算結果を示す。図９において、いずれのラマン利得率の変化率Ｒ_CRにおいても、伝搬方向にラマン利得率Ｃ_Rが変化したラマン増幅用光ファイバＦ₂の長さＬ₂が３０ｋｍから４０ｋｍ付近において、良好なＳＮＲ改善効果Ｒ_SNRが得られることがわかる。

図１０は、図４、及び図６に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバＦ₂を有する図１に記載のラマン増幅光伝送システムにおけるＳＮＲ改善効果Ｒ_SNRと、ラマン利得率の変化率Ｒ_CRの関係を示すグラフである。尚、ラマン増幅用光ファイバＦ₂の長さＬ₂は３５ｋｍとした。図１０から、ラマン利得率の変化率Ｒ_CRが０より大きい領域でＳＮＲ改善効果Ｒ_SNRが０より大きくなり、本実施例に係るラマン増幅用光ファイバＦ₂、並びに当該ラマン増幅用光ファイバＦ₂を用いたラマン増幅光伝送システムによりＳＮＲ改善効果を得られることがわかる。

以上に説明したように、本実施例によれば、ラマン増幅用光ファイバＦ₂のラマン利得率を制御し、該ラマン利得率を伝搬方向に連続的に変化させることにより、ラマン増幅光伝送システムにおけるＳＮＲ改善効果の向上を可能とするといった効果が得られる。

また、本実施例に係るラマン増幅用光ファイバＦ₂及びラマン増幅光伝送システムによれば、任意の信号波長帯域における零分散波長特性も同時に満たすこととしたため、当該波長帯域における高速光伝送特性も好適にするといった効果も奏する。

更には、本実施例のラマン増幅用光ファイバでは、伝搬方向における屈折率分布を連続的に制御しているため、高入力光伝送システムや波長分割多重光伝送システムで問題となるブリルアン散乱による入力光強度制限や、４光波混合等による伝送特性劣化も低減するといった効果も奏する。

尚、本発明に適用されるラマン増幅用光ファイバとしては、本実施例の波長１５５０ｎｍ帯に零分散波長を有するラマン増幅用光ファイバＦ₂に限らず、図３に示した以外の任意の屈折率分布、例えば、セグメント型等が適用可能である。

図１１〜図１６を用いて本発明の第２の実施例に係るラマン増幅用光ファイバ及びラマン増幅光伝送システムについて説明する。本実施例は、図１に示し上述した実施形態において説明した構成に適用されるものであって、図１に示したラマン増幅用光ファイバＦ₂として波長１５５０ｎｍ帯で負の波長分散を有するラマン増幅用光ファイバを用いる例である。

尚、本実施例に係るラマン増幅光伝送システムにおいては、図１に示し上述した伝搬方向に一様な屈折率分布を有する単一モード光ファイバＦ₁として１．３μｍ帯零分散単一モード光ファイバを用い、当該１．３μｍ零分散単一モード光ファイバＦ₁のラマン利得率Ｃ_R、損失係数α_S、並びに長さＬ₁は、それぞれ０．４４ＷＫｍ^-1、０．２ｄＢ／ｋｍ、並びに８０ｋｍとした。また、当該１．３μｍ帯零分散単一モード光ファイバＦ₁の波長１５５０ｎｍにおける波長分散Ｄ、並びに分散スロープＳは、それぞれ１７ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ、及び０．０５６ｐｓ／ｎｍ・ｋｍとした。

図１１は本実施例で用いた、波長１５５０ｎｍ帯で負の波長分散特性を有するラマン増幅用光ファイバＦ₂の断面方向の屈折率分布を表す概念図である。図１１中に示す値７１，７２，７３はそれぞれ第一コア部、第二コア部、クラッド部の屈折率を示している。ラマン増幅用光ファイバＦ₂のクラッド部は純石英からなり、図１１中、Δ₂₁、Δ₂₂、及びａ₂₁、ａ₂₂はそれぞれクラッド部、即ち、純石英の屈折率に対する第一コア部、第二コア部の比屈折率差、及び第一コア部、第二コア部の半径を表す。

ここで、第二コア半径ａ₂₂に対する第一コア半径ａ₂₁の比率をＲ_a（本実施例ではＲ_a＝ａ₂₁／ａ₂₂）として定義する。また、本実施例において、クラッド部と第二コア部の比屈折率差Δ₂₂は−０．５％とした。

図１２は、図１１に示される屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバＦ₂において、波長１５５０ｎｍにおける分散対スロープ比（ＲＤＳ）が０．００３３ｎｍ^-1となるときの、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₂₁と、第二コア半径ａ₂₂との関係を表すグラフである。ここで、任意の波長λにおける分散対スロープ比（ＲＤＳ）は、その波長λにおける波長分散Ｄλと分散スロープＳλを用いて、次の（１５）式により定義される。

また、図１２で用いた分散対スロープ比（ＲＤＳ）の値は１．３μｍ帯零分散単一モード光ファイバＦ₁の波長１５５０ｎｍにおける前記波長分散Ｄ、並びに分散スロープＳの代表値である１７ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ、並びに０．０５６ｐｓ／ｎｍ²・ｋｍから決定した。図１２に示される比屈折率差Δ₂₁と第二コア半径ａ₂₂の関係を有するラマン増幅用光ファイバＦ₂を用いることにより、波長１５５０ｎｍ帯における前記１．３μｍ帯零分散単一モード光ファイバＦ₁中の累積分散を効率よく補償することが可能となる。

図１３は、図１２に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバＦ₂のクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₂₁に対する、波長１５５０ｎｍにおける波長分散Ｄの関係を示すグラフである。図１３より、仮に、ラマン増幅用光ファイバＦ₂の波長１５５０ｎｍにおける波長分散Ｄを−２００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍに設定すると、図中の破線矢印で示すように比率Ｒ_aが０．３２から０．２０の範囲において、比屈折率差Δ₂₁を概ね１．９％から３．０％の領域で可変することにより、当該ラマン増幅用光ファイバＦ₂の波長１５５０ｎｍにおける波長分散特性を保持することが可能となることがわかる。

図１４は、図１２に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバＦ₂のクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₂₁に対する、波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａ_effの関係を示すグラフである。図１３及び図１４より、仮に、ラマン増幅用光ファイバＦ₂の波長１５５０ｎｍにおける波長分散Ｄを−２００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍに設定した場合、当該ラマン増幅用光ファイバＦ₂の実効断面積を図１４中の破線矢印で示される領域、即ち、概ね２３μｍ²から１２μｍ²まで変化させることが可能となる。

図１５は、図１２に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバＦ₂のクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₂₁に対する、ラマン利得率Ｃ_Rの関係を示すグラフである。図１３及び図１５において、ラマン増幅用光ファイバＦ₂の波長１５５０ｎｍにおける波長分散Ｄを−２００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍと仮定すると、当該ラマン増幅用光ファイバＦ₂の伝搬方向におけるラマン利得率Ｃ_Rを図１５中に破線矢印で示す領域、即ち、概ね３．１ＷＫｍ^-1から７．９ＷＫｍ^-1まで可変することが可能となる。また、このときのラマン増幅用光ファイバＦ₂の長さＬ₂を６．８ｋｍとすることにより、前記長さ８０ｋｍの１．３μｍ帯零分散単一モード光ファイバＦ₁中の波長１５５０ｎｍにおける累積分散をゼロとすることが可能となる。

図１６は、図１２から図１５に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバＦ₂を有する図１に示したラマン増幅光伝送システムにおけるＳＮＲ改善効果Ｒ_SNRと、当該ラマン増幅用光ファイバＦ₂のラマン利得率の変化率Ｒ_CRとの関係を示すグラフである。

ここで、本実施例では、ラマン増幅用光ファイバＦ₂のラマン利得率は一次元的に変化（本実施例では信号入射端側から信号出射端側に向かって増加）するものとした。また、従来技術、即ち伝搬方向に一様な屈折率分布を有する単一モード光ファイバＦ₁のみで光伝送路が構成される（ラマン利得率の変化率Ｒ_CR＝０）場合には、前記Ｌ₁＝８０ｋｍの１．３μｍ帯零分散単一モード光ファイバＦ₁の波長１５５０ｎｍにおける累積分散を補償するため、前記長さＬ₂のラマン増幅用光ファイバＦ₂の代わりに、長さＬ₂で伝搬方向に一様な屈折率分布を有する分散補償ファイバが接続されるものとした。

尚、当該分散補償ファイバの波長１５５０ｎｍにおける波長分散Ｄ、ラマン利得率Ｃ_R、並びに損失係数α_Sは、図１０から図１３の結果を参照し、一例としてそれぞれ−２００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ、５．５ＷＫｍ^-1、並びに０．３ｄＢ／ｋｍとした。尚、信号光波長λ_S、及び励起光波長λ_Pはそれぞれ１５５０ｎｍ、及び１４５０ｎｍとし、入射信号光パワーＰ_in、並びに伝送速度Ｂはそれぞれ−１０ｄＢｍ、並びに１０Ｇｂｉｔ／ｓとした。

図１６から、ラマン増幅用光ファイバＦ₂のラマン利得率の変化率Ｒ_CRが０より大きい領域で、ラマン増幅用光ファイバＦ₂を用いたラマン増幅光伝送システムにおけるＳＮＲ改善効果が向上することがわかる。特に、変化率Ｒ_CRが０．４８以上の領域では、１ｄＢ以上のＳＮＲ改善効果が得られることがわかる。

以上に説明したように、本実施例によれば、光伝送路１を単一モード光ファイバＦ₁とラマン利得率Ｃ_Rを信号光の伝播方向に連続的に変化させたラマン増幅用光ファイバＦ₂とから構成することにより、ラマン増幅光伝送システムにおけるＳＮＲ改善効果の向上を可能とするといった効果を奏する。また、任意の信号波長帯域における負の波長分散特性も同時に満たすこととしたため、当該使用波長帯域における単一モード光ファイバ中の累積分散の低減を可能とし、当該単一モード光ファイバを用いた高速光伝送特性も好適とするといった効果も奏する。

更には、本実施例に係るラマン増幅用光ファイバでは、伝搬方向における屈折率分布を連続的に制御しているため、高入力光伝送システムや波長分割多重光伝送システムで問題となる、ブリルアン散乱による入力光強度制限や、４光波混合等による伝送特性劣化も低減するといった効果も奏する。

このように、本実施例によれば、ラマン増幅を用いた光伝送システムにおける信号対雑音比を向上させることを可能とするラマン増幅用光ファイバ及び当該ラマン増幅用光ファイバを用いたラマン増幅光伝送システムが得られる。

尚、本発明に適用されるラマン増幅用光ファイバとしては、本実施例の波長１５５０ｎｍ帯で負の波長分散特性を有するラマン増幅用光ファイバＦ₂に限らず、図１１に示した以外の任意の屈折率分布、例えば、多重クラッド型等、が適用可能である。

また、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、例えば、信号光の伝搬方向に対してラマン利得率が連続的に変化するラマン増幅用光ファイバを、信号入射端側のラマン利得率に比較して信号出射端側のラマン利得率が低くなるように構成する等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

本発明は、単一モード光ファイバを用いた光信号通信における出力端での信号光の信号対雑音比特性を改善するラマン増幅用光ファイバ並びにラマン増幅光伝送システムに適用して好適なものである。

本発明の実施形態に係るラマン増幅用光ファイバを用いたラマン増幅光伝送システムの構成を示す図である。本発明の実施形態に係るラマン増幅用光ファイバの伝搬方向における光ファイバパラメータ変化の概念を示す説明図である。本発明の実施例１に係る波長１５５０ｎｍ帯に零分散波長特性を有するラマン増幅用光ファイバの断面方向の屈折率分布を表す概念図である。図３に示す屈折率分布を有する本発明の実施例１に係るラマン増幅用光ファイバにおいて、零分散波長を１５５０ｎｍとしたときのクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁に対する波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａ_effの関係を示すグラフである。図３に示される屈折率分布を有する本発明の実施例１に係るラマン増幅用光ファイバにおいて、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁と、クラッド部と第二コア部の比屈折率差Δ₁₂の比率ＲΔを０．０５としたときのクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁に対する各零分散波長における実効断面積Ａ_effの関係を示すグラフである。図３に示される屈折率分布を有する本発明の実施例１に係るラマン増幅用光ファイバにおいて、零分散波長を１５５０ｎｍとしたときのクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁に対するラマン利得率Ｃ_Rの関係を示すグラフである。図３に示される屈折率分布を有する本発明の実施例１に係るラマン増幅用光ファイバにおける、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₁₁に対するラマン利得率Ｃ_Rの関係を示すグラフである。本発明の実施例１に係るラマン増幅光伝送システムにおいて、波長１５５０ｎｍ帯に零分散波長特性を有する本発明のラマン増幅用光ファイバを用いた場合の励起光パワーＰ_Pに対するＳＮＲ改善効果Ｒ_SNRの計算結果の一例を示すグラフである。図４及び図６に示される設計条件を満たす本発明の実施例１に係るラマン増幅用光ファイバを有する図１に記載のラマン増幅光伝送システムにおいて、ＳＮＲ改善効果Ｒ_SNRと、当該ラマン増幅用光ファイバの長さＬ₂との関係を示すグラフである。図４及び図６に示される設計条件を満たす本発明の実施例１に係るラマン増幅用光ファイバを有する図１に記載のラマン増幅光伝送システムにおいて、ＳＮＲ改善効果Ｒ_SNRと、当該ラマン増幅用光ファイバのラマン利得率の変化Ｒ_CRとの関係を示すグラフである。波長１５５０ｎｍ帯で負の波長分散特性を有する本発明の実施例２に係るラマン増幅用光ファイバの断面方向の屈折率分布を表す概念図である。図１１に示される屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバにおいて、従来の１．３μｍ帯零分散単一モード光ファイバと同等の分散対スロープ比（ＲＤＳ）を実現するクラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₂₁と、第二コア半径ａ₂₂との関係を表すグラフである。図１２に示される設計条件を満たす本発明の実施例２に係るラマン増幅用光ファイバにおいて、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₂₁に対する波長１５５０ｎｍにおける波長分散Ｄの関係を示すグラフである。図１２に示される設計条件を満たす本発明の実施例２に係るラマン増幅用光ファイバにおいて、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₂₁に対する波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａ_effの関係を示すグラフである。図１２に示される設計条件を満たす本発明の実施例２に係るラマン増幅用光ファイバにおいて、クラッド部と第一コア部の比屈折率差Δ₂₁に対するラマン利得率Ｃ_Rの関係を示すグラフである。図１２から図１５に示される設計条件を満たす本発明の実施例２に係るラマン増幅用光ファイバを有する図１に記載のラマン増幅光伝送システムにおいて、ＳＮＲ改善効果Ｒ_SNRと、当該ラマン増幅用光ファイバのラマン利得率の変化率Ｒ_CRとの関係を示すグラフである。

符号の説明

Ｆ１単一モード光ファイバ
Ｆ２ラマン増幅用光ファイバ
１光伝送路
２サーキュレータ
３ラマン励起光源（Ｐｕｍｐ）
４エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）
５受光部

Claims

信号光の伝搬方向に連続的に変化する屈折率分布を有する光ファイバであって、ラマン利得率が前記伝搬方向に連続的に変化することを特徴とするラマン増幅用光ファイバ。
任意の信号波長帯域に零分散波長を有し、前記伝搬方向に一様な波長分散特性を有する光ファイバであって、当該光ファイバの入射端と出射端におけるラマン利得率が異なることを特徴とする請求項１記載のラマン増幅用光ファイバ。
任意の信号波長帯域に平均零分散波長を有し、前記伝搬方向に波長分散特性が変化する光ファイバであって、当該光ファイバの入射端と出射端におけるラマン利得率が異なることを特徴とする請求項１記載のラマン増幅用光ファイバ。
任意の信号波長帯域で負の波長分散特性を有する光ファイバであって、当該光ファイバの入射端と出射端におけるラマン利得率が異なることを特徴とする請求項１記載のラマン増幅用光ファイバ。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のラマン増幅用光ファイバと、信号光の伝搬方向に一様な屈折率分布を有する光ファイバと、前記ラマン増幅用光ファイバの前記伝搬方向に対して後方に配置され、該ラマン増幅用光ファイバに信号光の伝搬方向とは逆方向に伝搬する励起光を注入するラマン励起光源とを有することを特徴とするラマン増幅光伝送システム。