JP2617612B2 - 光信号伝送システム - Google Patents

光信号伝送システム

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JP2617612B2 JP2263985A JP26398590A JP2617612B2 JP 2617612 B2 JP2617612 B2 JP 2617612B2 JP 2263985 A JP2263985 A JP 2263985A JP 26398590 A JP26398590 A JP 26398590A JP 2617612 B2 JP2617612 B2 JP 2617612B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光信号伝送システムに係わり、特に光増幅
器を含む光信号伝送システムに関する。
（従来の技術） 地上システムであれ海底システムであれ、長距離光通
信システムのコストは、光ファイバ伝送媒体により信号
中継器無しに結ばれる距離と密接に関係している。その
距離が増大するに連れて、システムの相対コストは敷設
コスト及び維持コストに関しては一般的に低下する。
文献に開示される現用及び計画中の長距離光通信シス
テムでは、各ファイバ・スパンの端部に集中増幅器を使
用することによって光ファイバの信号中継器無しでリン
クを長くする努力が為されている。飛び飛びに置かれた
各増幅器は、第１図に示されるファイバの次位置のスパ
ンに供給される光信号電力を、従来一般のアナログ同軸
ケーブル・システムの電子増幅器と殆ど同様な方法で直
線的に増幅させる。これに関しては、エス・イー・ミラ
ー（S.E.Miller）氏等によって編集され、1988年にアカ
デミック・プレス（Academic Press）社から発行された
「光ファイバ電気通信II（Optical Fiber Telecommunic
ationsII）」を参照のこと。一般的には光アイソレータ
は帰還作用を避けるために、増幅器と共に使用されてい
る。この理由は、光アイソレータが単一方向性の装置で
あり、従って、これを使用して得られる光システムもま
た単一方向になるからである。
光増幅は既に半導体増幅器とファイバ増幅器の双方に
よって達成されている。半導体増幅器では利得を得るた
めに注入キャリアからの誘導放出を利用し、他方、ファ
イバ増幅器では誘導ラマン散乱や誘導ブリリューアン散
乱、或いはD2分子やEr3+分子のようなファイバ添加不純
物によって利得を得ている。
これらの増幅器は簡単であり、再生光電式信号中継器
に対する安価な代替装置であるが、それらの使用によっ
てノイズが加わり、このノイズが一つの増幅部分から次
の増幅部分へ累積されていくという見過ごすことができ
ない問題がある。この問題に応じて、誘導ラマン散乱や
誘導ブリリューアン散乱を採用した分散増幅システムが
この問題を解決するものと見られていた。しかし、実質
的に均質な基体上で分散増幅を達成するための方法は、
双方向にポンピングが為されるファイバに対する穏当な
ポンピング能力に関しては、ファイバ長さが50km位に制
限されることが確認されている。このことはポンピング
能力がそのポンピング波長での光ファイバの損失係数に
より指数関数的に劣化する事実から理解することができ
る。
現在では、殆どの電気通信システム技術者が100km以
上が増幅器間に求められる光ファイバ・スパンの条件で
あるとしている。そのような長スパンに亘る伝送を飛び
飛びに配置されている増幅器段で以て達成するには、光
ファイバ中に送出される光信号の強度を伝送器において
増大することにより、そのような長尺ファイバの固有損
失問題を解決することは可能である。しかしながら、そ
のような解決方法では伝送ファイバ内で信号強度に顕著
な変動が生じてファイバ自体の中に非線形の影響を持つ
重大な問題を招き、更には信号増幅器が飽和する問題を
招くことも有る。
（発明の概要） 本発明によれば、光ファイバの長いスパンに亘っての
分散増幅を使用することにより、双方向光伝送を確実に
し且つそのような長いスパンに亘って光信号を均一に増
幅することができる。この分散増幅は、実質的にファイ
バのコア領域に希釈濃度で希土類元素不純物が添加され
た長尺のファイバと、不純物が添加されたファイバの少
なくとも一端にラマン効果と希土類元素添加不純物から
の誘導放出との双方によって光信号の増幅を起こさせる
のに適当な波長と信号強度とを持つ対応ポンピング信号
発生器とを有する増幅動作光ファイバを用いて達成され
る。この希釈濃度とは、飽和に近いとき希土類元素添加
不純物からの利得が実質的にファイバの損失に等しくな
る条件を実質的に満たす濃度範囲を意味する。
分散増幅は、一実施例においては、光ファイバの均質
なスパンに亘って実現されるが、他の実施例では、分散
増幅は、ポンピング信号発生器の数を増加すること無く
範囲拡大を行なうために、不純物の添加部分と無添加部
分との不均質な組み合わせを用いて実現される。即ち、
不純物が添加されている一本の増幅動作光ファイバによ
る分散増幅よりも、不純物添加ファイバと無添加ファイ
バとによる分散増幅とを組み合わせて用いた方が、より
長い距離のスパンを得ることが可能なことが明らかにさ
れる。後者の実施例では、一つのスパン内に含まれる不
純物添加ファイバが、所望により、希釈不純物濃度が相
違するセグメントを持つ構成である。
（実施例の説明） 将来の長距離光伝送システムのためのシステム設計
は、現在、信号中継器や信号再生器、或いはポンピング
・レーザなどのような、リンク上のシステム素子間にほ
ぼ100kmの相当に長いファイバ・スパンを取ることを要
条件にあげている。
このような環境において、本発明は長い光ファイバ・
スパンについて各スパンの端部に信号中継器や信号再生
器を必要としない無損失な代替装置を提供する。下記実
施例はそのような長いスパンとの関係で説明されるが、
それより短いスパン（1km以上100km以下）は勿論のこ
と、更に長いスパン（100km以上）でさえも本発明を用
いて達成し得る。
光通信システムの一例は第２図に図示され、この図に
おいては三個のリンクの分散増幅ファイバが、伝送器10
と受信器16との間の長距離を実質的にカバーする。この
図には単に三個のリンクの増幅ファイバが図示されてい
るが、このリンクの数は１からＮ（Ｎは大きな整数）の
間の任意の値を想定し得る。伝送器10は、伝送媒体11に
より光ファイバや空隙或いは光信号に対する何らかの適
当な導波装置等によって実現される第一リンクと光学的
に結合している。第２図に示される各リンクは、適切な
光学的結合素子（カプラー）30、31、…35を介して一ス
パンの光増幅ファイバの各端部に結合されそのスパンの
全体をポンピングするポンピング・レーザ21、22、23、
24を有し、それによってそのファイバの固有損失を最小
値にするのに充分な利得を達成する。
第一リンクは、一スパンの増幅ファイバ12を有し、こ
の増幅ファイバ12にはポンピング・レーザ21とポンピン
グ・レーザ22の双方がそれぞれカップラー30、カップラ
ー31によって光学的に結合され、ポンピング・レーザ21
が伝送光信号に順方向のポンピングを行ない、ポンピン
グ・レーザ22が被伝送光信号に逆方向のポンピングを行
なう。第三リンクは、一スパンの増幅ファイバ14を有
し、この増幅ファイバ14にはポンピング・レーザ23とポ
ンピング・レーザ24の双方がそれぞれカップラー34、カ
ップラー35によって光学的に結合され、ポンピング・レ
ーザ23が伝送光信号に順方向のポンピングを行ない、ポ
ンピング・レーザ24が伝送光信号に逆方向のポンピング
を行なう。この実施例では、レーザ22のような一個のポ
ンピング・レーザが二つのリンクの接続点に設置され
て、一方のリンクに対する順方向ポンピングと他方のリ
ンクに対する逆方向ポンピングとを、米国特許第4,699,
452号の第５図に示されるのと同様な方法で行なう。個
々のポンピング・レーザは、特定のリンクの要素を分離
するために、両方のリンクに対してでは無く、一方また
は他方のリンクにポンピングを行なうために採用し得
る。両方のリンクに対してポンピングを行なう構成は上
記米国特許第4,699,452号の第６図、及び1986年に発行
された「アイ・イー・イー・イー、量子エレクトロニク
ス技報（IEEE Journal of Quantum Electronics）」、
巻QE−22、第１号、の第157頁に掲載されているエル・
エフ・モレナウアー（L.F.Mollenauor）氏等による記事
に示されている。
ポンピング・レーザ21、22、23、24は、一連のスパン
の増幅ファイバ内に伝送光信号の波長で増幅を行なうた
めに、その波長での連続波（CW）モードまたは擬似連続
波（擬似CW）モードで動作するように選択される。例え
ばエルビウム、（Er3+）が希釈添加された増幅ファイバ
は、1.53μｍ乃至1.58μｍの範囲の波長の伝送光信号を
増幅するために、1.46μｍ乃至1.48μｍの波長範囲のポ
ンピング信号を必要とする。ここで、ポンピング信号の
波長と伝送光信号の波長とが明確に分離できるように選
択されているときには、ラマン効果による増幅ファイバ
内での別の増幅もまた可能である。溶融シリカ・ファイ
バに関しては、充分なポンピング・パワー（30mW乃至10
0mW）が与えられているときには、ポンピング周波数以
下のほぼ450cm-1の周波数を中心とする相当に広い周波
数範囲に亘り顕著なラマン増幅が達成される。ここで、
得られたラマン利得量はそのファイバに供給されたポン
ピング・パワーの量に比例する。これに関しては、例え
ば先にあげたモレナウアー氏等による記事の第165頁、
第13図を参照のこて。以下で述べられる如く、半導体レ
ーザから得られるパワーのような適度なポンピング・レ
ーザ・パワーがラマン利得及びそのファイバの添加不純
物イオンの励起による利得を得るのに充分である。
カップラー30、31、32、33、34、35はこの分野の技術
者に周知な標準的な方向性カップラーである。この実施
例では、波長依存性の方向性カップラーがポンピング信
号の優れた交差結合を達成し、同時に増幅された伝送光
信号の優れた直接結合を達成するために採用される。ど
ちらの型のカップラーでも、各々が対応しているポンピ
ング・レーザからの光のパワーを導波装置及びファイバ
に結合する手段を提供し、それら導波装置及びファイバ
上には伝送光信号が伝搬送され、同時にこの被伝送光信
号がファイバ11からファイバ12へ、ファイバ12からファ
イバ13へと順々に、実質的に妨害無く進むことが可能と
なる。これらのカップラーはファイバ、半導体及び誘電
体（例えばニオブ酸リチウム）導波装置で実現可能であ
る。更に、二色性ミラー（ダイクロイック・ミラー）の
ような光学素子が光結合に使用可能である。
増幅ファイバ12、13、14は、その媒体にそのファイバ
中の添加不純物イオンの励起による利得により、それに
ラマン効果による利得にもより、被伝送光信号の分散増
幅を行なう。これらのファイバは少なくとも1kmの長さ
であり、一般的には10kmまたは数10kmの長さである。エ
ルビウム、ホルミウム、ネオジミウム等のような希土類
元素添加不純物を主としてファイバのコア領域に添加す
ることが可能である。不純物イオンをファイバのコア領
域に集中して添加することにより、不純物イオンと光信
号に対する光フィールド間の相互作用が実質的に最適化
されるので、所定のポンピング・パワーに対して最大飽
和レベルを得ることが可能となる。溶融シリカ・ファイ
バは、その伝送特性が光信号が約1.5μｍの波長で伝搬
するのに良く適合している。このシステムの総合的な伝
送性能を改善するために，増幅ファイバのベースとして
分散偏移ファイバ即ち単偏光ファイバ、例えば偏光持続
型ファイバや偏光保持型ファイバを使用するのが望まし
いであろう。このような不純物添加ファイバを作るため
の製作技術はこの分野の技術者に周知であり、且つ米国
特許第4,787,927号にも記載されている。
シリカ系光ファイバのようなファイバ中の希土類元素
添加不純物は容易に飽和状態にポンピングすることがで
きる。ここで用語「飽和状態」は、殆どの添加不純物イ
オンが光学的に励起された状態にあることを意味する。
飽和状態の希土類元素添加不純物から得られる利得は、
供給されたポンピング・パワーに対する依存性が純粋な
ラマン利得を用いるシステムより実質的に低い。シミュ
レーション実験によって、ファイバ12のような分散増幅
ファイバ内の添加不純物イオンの大部分がポンピング・
パワーの広い変動範囲に亘って励起状態のままであるこ
とが見出だされた。例えば、ポンピング・パワーが50パ
ーセント減少しても励起状態の添加不純物には単に５パ
ーセントの低下しか起きなっかた。ポンピング・パワー
が更に50パーセント低下したときは添加不純物には更に
10パーセントの低下が起きた。これらの場合では、ファ
イバ中の希土類元素添加不純物の濃度は稀薄である。即
ち、この単位容量当たり添加不純物イオン濃度は、添加
不純物イオンがほぼ飽和状態のとき、実質的に光ファイ
バの損失と等しい大きさの利得を生じるのに充分であ
る。ほぼ0.2dB/kmの固有損失を示すエルビウム添加のシ
リカ系ファイバに対しては、希釈添加不純物濃度は1014
cm-3台であると見積もられている。このような希釈濃度
は等価的に十億当たり数個である。この程度の希釈濃度
は、短いファイバ増幅器に現在共通的に用いられている
1018cm-3台の不純物濃度と対照的である。
スパンにポンピングを行なう増幅ファイバを用いるこ
とにより得られる利点を評価するには、不純物無添加フ
ァイバ（ラマン増幅のみを行なう）と希土類元素不純物
添加ファイバ（誘導放出からの利得とラマン増幅とを行
なう）を用いる分散増幅の一本の双方向ポンピング・リ
ンクの動作に注目するのが最良である。第３図は一定レ
ベルのポンピング信号強度が与えられている不純物添加
ファイバと不純物無添加ファイバとの利得係数を示す曲
線図であり、不純物添加ファイバの場合には安定した実
質的に均一な不純物添加のプロフィールを示している。
第３図に示されるように、これらの光ファイバは80kmの
長さを持つように選択され、ポンピング信号のパワー・
レベルはほぼ50mWに固定されている。これらの不純物添
加は希土類元素添加不純物Er3+をこれらファイバに相違
する濃度で添加することによって為され、それらの特性
は曲線37、38及び39で示されている。これらの添加不純
物濃度は、曲線37のもので0.5×1014cm-3であり、曲線3
8のもので1.0×1014cm-3であり、曲線39のもので1.5×1
014cm-3である。曲線36は不純物無添加ファイバの特性
を示す。これらの特性曲線を検討することにより、分散
エルビウム・イオンにより得られる利得によって80kmの
リンクに亘りファイバの固有損失をこのファイバの各端
部に印加される比較的に低いポンピング信号で実質的に
均等に消去することが可能であることが明白である。実
質的に完全な消去は、1.07×1014cm-3の添加不純物濃度
で得られる。この結果は第３図の曲線を第４図に示すよ
うに統合することにより、より良く理解できる。
第４図は不純物無添加ファイバ（曲線41）と不純物添
加ファイバ（曲線42）とに関する相対信号エネルギー対
ファイバ上の位置を示す比較図である。これらファイバ
は80kmの長さに選択されその各端部にポンピングが為さ
れた。これら曲線の比較から、不純物が希釈添加された
ファイバの動作には他方の不純物無添加ファイバに比し
て顕著に低いポンピング・パワーしか必要とされない。
特に、不純物が希釈添加されたファイバに必要なポンピ
ング・パワーは不純物無添加ファイバに必要なポンピン
グ・パワーに比しその四分の一に低減されている。更
に、不純物添加ファイバの信号レベル変動が不純物無添
加ファイバの信号レベル変動より相当低いことは重要な
注目点である。即ち、信号レベル変動が大きいとそのフ
ァイバに大きく有害な非線形影響を生じる。伝送リンク
にこの新規な増幅ファイバを採用することにより、光信
号を充分に分散増幅して光ファイバの全長に亘ってその
ファイバの固有損失を有効に補償し、付随する信号レベ
ルの変動を低レベルにすることが可能である。
上記実施例では、添加不純物濃度が希釈され光ファイ
バの全長に亘って均一にされていることが認められてい
る。この実施例は実際に実施するのに最も簡単なもので
あろうが、本発明においては、ファイバの長さ方向に沿
って添加不純物濃度が直線的に変化するような、より複
雑な添加不純物濃度を利用する。更に不純物添加ファイ
バ部分と不純物無添加ファイバ部分とを相互接続して、
段階的に、特に直線関数や放物線関数のような特定の変
化関数で漸近するようにすることもできる。
ファイバの添加不純物濃度が漸近変化するそのような
例の一つは、第６図に示されるように、不純物が希釈添
加されたファイバ・セクション（セクション12−１、20
km長、添加不純物濃度n0）を不純物が低希釈で添加され
たファイバ・セクション（セクション12−２、40km長、
添加不純物濃度n1＞n0）に接続し、次いでこの後者のセ
クションを不純物がより希釈添加された最終ファイバ・
セクション（セクション12−３、20km長、添加不純物濃
度n0）に接続することによって実現される。ファイバ長
に対するその利得係数（曲線51）と相対信号エネルギー
（曲線52）とが、第６図に示されるファイバに関して第
５図に図示されている。第６図に示されるように組み合
わされたファイバが、第２図中のファイバ12のようなフ
ァイバの何れのスパンとも交換可能であることは勿論の
ことである。第５図に示されている特性に関しては、こ
の複数セクション構成のファイバが各端部から僅か50mW
のポンピング信号源によってポンピングされている。こ
こで、ファイバの長さ方向に沿う信号レベル変動は同じ
レベルのポンピング信号強度を与えられている不純物の
添加が不均一なファイバ（第４図参照）における信号レ
ベル変動より低い。
第６図に示されるファイバを、例えばこの第６図に示
される組み合わせの各端部に不純物無添加ファイバの長
さ部分を数回加えることによって長距離に亘るように延
長することが望ましい。この形態では、不純物無添加フ
ァイバが純粋なラマン利得を生じ、他方、不純物添加組
み合わせファイバが第５図に図示されているように動作
するであろう。
各ファイバ・スパンはポンピング信号源からポンピン
グ信号源までほぼ80kmの長さに図示されているが、本発
明はファイバの添加不純物濃度の希釈度を適当に組み合
わせ且つポンピング信号パワーをスパンの距離に応じた
適当なものとすることによってより長い距離に適用可能
である。一本のファイバ或いは組み合わされたファイバ
・セクションによるスパンの全長は1km以上である。
ここで、上記された原理に従って実現された分散増幅
ファイバ・システムから自然放出されるノイズのパワー
は、同じ距離のスパンで配置され一連の集中増幅器即ち
飛び飛びに置かれた増幅器から自然放出されるノイズの
パワーより顕著に低い。これらノイズの強度の比率は次
式のように与えられる。
ここでGSは集中増幅器のステージ利得である。集中増幅
器が100km離され、標準のファイバ損失率が0.21dB/kmの
場合においては、必要なステージ利得はほぼ21dBである
ことが示される。従って、集中システムでの自然放出ノ
イズは、上記原理に従って実現された分散システムでの
自然放出ノイズより26倍の大きさである。この結果、高
い伝送ルート（≧2.5Gbps）と10-9の期待誤り率を持つ
長距離伝送システム（約7500km）においては、集中増幅
器システムに対する受信信号強度は分散システムでの受
信信号強度より26倍大きくなければならない。このよう
な高い信号強度はファイバの非直線性と、事によると飛
び飛びに置かれた増幅器の飽和効果について重大な問題
に至る。
【図面の簡単な説明】
第１図は光ファイバの各スパンの後端に飛び飛びに増幅
器を配置する構成を採用している従来技術による長距離
光伝送システムを単純化して示すブロック・ダイヤグラ
ム、 第２図は本発明の原理による分散増幅を採用した複数ス
パン長距離光伝送システムの実施例を示す図、 第３図は不純物非添加シリカ・ガラス・ファイバと不純
物添加シリカ・ガラス・ファイバとに関する利得係数対
ファイバ上位置を示す曲線図、 第４図は不純物非添加シリカ・ガラス・ファイバと不純
物添加シリカ・ガラス・ファイバとに関する相対的エネ
ルギー対ファイバ上位置を示す曲線図、 第５図は第６図の増幅動作光ファイバに関する利得係数
及び相対的エネルギーの対ファイバ上位置を示す曲線
図、 第６図は本発明の原理による複数部分増幅動作光ファイ
バを単純化して示す略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−143380（ＪＰ，Ａ) 米国特許4699452（ＵＳ，Ａ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光信号を送信する伝送器（10）、光信号を
    受信する受信器（16）及び希土類元素の不純物イオンが
    添加されたセクションを含む前記伝送器と前記受信器と
    の間を接続する光ファイバ（11〜15）とからなる光信号
    伝送システムにおいて、 前記添加不純物イオンの状態を励起して伝送される第１
    波長（1.53〜1.58μｍ）の光信号を増幅するための誘導
    放出を起こさせる第２波長（1.46〜1.48μｍ）の第１ポ
    ンピング信号を発生する信号源（21〜24）と、及び前記
    第１ポンピング信号を前記光ファイバに光学的に結合す
    る手段（30〜35）とが前記伝送器と受信器との間に複数
    個配置され、 各光学的結合手段の間の前記光ファイバの少なくとも１
    つのスパン（12、13又は14）は、順に第１セクション、
    第２セクション及び第３セクションとからなり、 前記スパンの端部である前記第１セクションと第３セク
    ションは前記希土類元素の添加不純物を有さず、前記ス
    パンの中央である第２のセクションは前記希土類元素の
    不純物を含むことを特徴とする光信号伝送システム。
  2. 【請求項２】光信号を送信する伝送器（10）、光信号を
    受信する受信器（16）及び希土類元素の不純物イオンが
    添加されたセクションを含む前記伝送器と前記受信器と
    の間を接続する光ファイバ（11〜15）とからなる光信号
    伝送システムにおいて、 前記添加不純物イオンの状態を励起して伝送される第１
    波長（1.53〜1.58μｍ）の光信号を増幅するための誘導
    放出を起こさせる第２波長（1.46〜1.48μｍ）の第１ポ
    ンピング信号を発生する信号源（21〜24）と、及び前記
    第１ポンピング信号を前記光ファイバに光学的に結合す
    る手段（30〜35）とが前記伝送器と受信器との間に複数
    個配置され、 各光学的結合手段の間の前記光ファイバの少なくとも１
    つのスパン（12、13又は14）は、順に第１セクション、
    第２セクション及び第３セクションとからなり、 前記スパンの一方の端部である前記第１セクションは、
    第１濃度n0の希土類元素添加不純物イオンを含み、前記
    スパンの中央部である前記第２セクションは、第２濃度
    n1の希土類元素添加不純物イオンを含み、前記スパンの
    他方の前記第３セクションは、第３濃度n2の希土類元素
    添加不純物イオンを含み、そして各濃度間に、n0＜n1、
    n2＜n1なる関係が有ることを特徴とする光信号伝送シス
    テム。
  3. 【請求項３】前記添加不純物イオンの濃度は、n0がn2に
    ほぼ等しいことを特徴とする請求項２記載の光信号伝送
    システム。
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