JP3494665B2 - 連鎖接続された光増幅器の動作方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【技術分野】本発明は一般に光増幅器、特に連鎖接続さ
れたエルビウムドープ光ファイバ増幅器を動作して、そ
の動作モードを改善する方法に関する。 【０００２】 【従来技術】光増幅器はある種の陸上および海底の長距
離伝送システムにおいて、光電気形の再生器に置き換わ
る可能性がある。この技術の利点はビット周波数や伝送
フォーマットに関係のない光のパイプを作ることがで
き、多数の中継器を使わないで波長分割多重信号を伝送
することができる。長距離にわたってデータを送信する
ときに生ずる困難は色分散、偏波分散、伝送ファイバの
非直線性、光増幅器の非直線性、雑音の累加である。最
近の実験では、光伝送方式の線形中継器としては半導体
増幅器とエルビウムドープファイバ増幅器を使用してい
る。最長の伝送距離は２２００ｋｍである。しかし７５
００ｋｍを越える大洋横断システムを動作するような長
距離伝送用のシステムの動作は今の所あまり確実でな
い。 【０００３】連鎖接続された光増幅器の信号対雑音比の
変化については、カンタムエレクトロン誌、第ＱＥ−１
８巻、第１０号、ｐｐ１５６０−１５６８（１９８２
年）のＴ．ムカイ他による“ＡｌＧａＡｓ半導体レーザ
プリアンプリファイアと線形中継システムにおけるＳ／
Ｎと誤り率特性”と題する論文に線形光増幅器について
述べられている。しかし実際には増幅される自然発光
（ＡＳＥ）と光増幅器から得られる電力用の信号の間で
の競合について増幅器の飽和を考慮しなければならな
い。多数の増幅器が存在するときには、雑音となるＡＳ
Ｅが連続した増幅器で成長し、信号電力より大きい雑音
電力になってしまうために、この問題は特にきびしい問
題となる。連鎖接続された光増幅器を持つ信号システム
においては、任意の段における光増幅器の利得飽和はＡ
ＳＥによる増幅器からの電力の抽出と前段からの信号お
よびＡＳＥの増幅によって生ずる。伝送システムを動作
する３つの方法はフリーラニング、一定総電力および一
定信号電力に分類される。３つのシステムの性能の差は
信号電力の伝搬とＡＳＥの成長によって生ずる。連鎖接
続された増幅器のシステムにおける増幅された自然発光
雑音の累積を減少する方法が必要となる。 【０００４】 【発明の要旨】種々の光増幅器は飽和状態で動作するの
に対して、集中型あるいは分布型の連鎖光増幅器のシス
テムにおけるＡＳＥ雑音の成長は、少なくとも複数の光
増幅器を、システムの損失より大きい非飽和利得を提供
するように動作することによってシステムのＡＳＥ雑音
の成長を制限することができることを以下に開示する。 【０００５】 詳細な説明 本発明は飽和モードで動作するとき高い信号対雑音比を
持つ連鎖接続された光増幅器を有する増幅器付きの光波
システムに関する。現在存在する増幅器付きの光波シス
テムに関する論文は増幅された信号（雑音）電力にその
利得が影響されないような理想的な不飽和の光増幅器に
関するものに限定されている。これらの文献は飽和、信
号電力とＡＳＥ雑音電力との競合、パンプ電力（ポンプ
電力）の信号電力への変換効率によって生ずる増幅器利
得の低下の重要性に気付いていないか、これを無視して
いる。光増幅器の動作についての理解が不完全であった
ために、ここで述べるような飽和増幅器を持つシステム
を動作できるかどうかについては明らかにはなっていな
かった。 【０００６】本発明においては、比較的高い信号対雑音
比で動作する増幅器付きの光波システムを動作する方法
を開示する。より詳しく述べれば、本発明においては、
伝送方式における連鎖接続された光増幅器を飽和状態で
動作することによって比較的高い信号対雑音比を得るこ
とができる。多数の光増幅器（例えば、１０個以上）に
ついて増幅器付きの光波システムが満足できる動作をす
るための条件を決め、システムを制御する３方法を明ら
かにする。２つの動作法では光電力、すなわち信号電力
あるいは全光電力（信号電力プラスＡＳＥ雑音電力）を
制御する。第３の動作方法では制御は行なわず、ＡＳＥ
のレベルが低いシステムを作り、パンプ電力を信号電力
に変換する能率が良い。これらの光波システムは集中増
幅器型でも分布増幅器型でもよい。分布光増幅器では集
中光増幅器より低雑音の動作が実現でき、ＡＳＥ雑音の
累加による飽和が減少し、信号対雑音比が改善される。
本発明においては、多数の増幅器を含み、利用可能な信
号対雑音比を持つ光波システムを実現できる。例えば、
１００ｋｍ間隔に増幅器を設ける場合に、８０個の増幅
器を持つ光伝送システムで大部分の大洋横断システムを
構成することができる。 【０００７】エルビウムドープファイバ増幅器は伝送方
式用にいくつもの利点がある。挿入損失の低さ、利得が
偏波と関係ないこと、クロストークの低さ、飽和出力電
力の高さなどである。小信号に対する利得が高い増幅器
では雑音指数を低くすることができ、雑音の累加に敏感
な連鎖接続増幅器に適したものとなる。以下において
は、エルビウム増幅器のレート方程式を使って、静的シ
ステム動作をシミュレートしているが、これは飽和増幅
器の雑音に対応する評価である。方程式を簡単に修正す
れば、分布型光増幅器をモデル化でき、こうすれば、全
伝送路にわたるファイバに軽くエルビウムをドープして
伝送損失を補償するようにパンピングする方式となる。
このタイプの増幅器についての改善された雑音特性につ
いては以下に開示する。次に連鎖接続された光増幅器の
いくつかの可能な動作条件をシミュレートするために飽
和増幅器のモデルを使う。その後で、これらの方式のビ
ット誤り率特性と光フィルタの効果を述べる。 【０００８】 エルビウムドープファイバ増幅器はグラ
ウンドレベル（１）、メタステーブルレベル（２）、パ
ンプレベル（３）のポピュレーション密度を持つ３レベ
ルのシステムとしてモデル化される。これらのポピュレ
ーションのパンプ電力（Ｐ_ｐ）、信号電力（Ｐ_ｓ）およ
びＡＳＥ（Ｐ_ａ）の効果を示すレート方程式は次のよう
になる。 【数式１】保存則によってＮ_３＝Ｎ_ｔ−Ｎ_１−Ｎ_２であり、Ｎ_１、
Ｎ_２、Ｎ_３はそれぞれグラウンドレベル、メタステーブ
ルレベル、パンプレベルのポピューレーション密度であ
り、Ｎ_ｔはＥｒ^３＋の密度である。添字＋はパンプ電力
とＡＳＥが信号と同方向に伝わることを示し、−は信号
と逆方向に伝わることを示す。パンプ（ｐ）と信号
（ｓ）の吸収（ａ）、放出（ｅ）断面はσ
_{ｓ，ｐ；ａ，ｅ，ｅ２}である。λ_ｐ＝１４５０−１５０
０ｎｍでメタステーブル状態にパンプされると、増幅器
はパンプ放出断面σ_ｐｅ２＝σ_ｐｅである２レベルシス
テムとして動作し、他の吸収バンド（例えば、λ_ｐ＝９
８０ｎｍ）へのパンピングは、σ_ｐｅ２＝０となる。他
のパラメータとしてはファイバのコア断面積Ａ、信号−
コアオーバラップΓ_ｓ、パンプコアオーバラップΓ_ｐが
ある。イオンの半径方向の分布あるいは光モードのよう
な他の影響はここでは考えていない。これはエルビウム
イオンは光モードのピーク強度の領域に限られており、
Γ_ｓ，ｐ は小さいと仮定しているからである。レベル
３から２への非放出性の遷移レートはＡ_３２であり、レ
ベル２から１への放出性の遷移レートはＡ_２１である。
連鎖接続されたファイバ増幅器の動作を計算するとき
に、アルミノ−シリケートガラス中のエルビウムのパラ
メータはλ_ｐ＝１４８０ｎｍでパンプされ、λ_ｓ＝１５
４５ｎｍの信号を増幅するものとする。表１はファイバ
増幅器に適用できる材料のパラメータとファイバのパラ
メータを示している。 表 １ 計算に使用するファイバ増幅器のパラメータ 【数式２】 【０００９】パンプ、信号およびＡＳＥの空間的展開を
示す対流方程式は次のようになる。 【数３】 【００１０】式（５）の第２項は両方の偏波状態につい
て、増幅器の均一な帯域ΔＶの中で単位長さ当りに発生
するＡＳＥ電力である。損失項α_s,p は増幅器の内部損
失を表わし、これはスパン長に等しい長さの分布型光増
幅器の場合には重要となる。α_s,pは伝送ファイバの通
常の信号とパンプの減衰である。 【００１１】 式（１）−（５）をｄＮ_ｉ／ｄｔ＝０と
して定常状態についてとき、増幅器が飽和した場合の増
幅された信号と出力ＡＳＥ電力を得る。増幅器の利得は
Ｇ＝Ｐ_ｓ（１）／Ｐ_ｓ（０）として計算でき、順方向お
よび逆方向の自然放出雑音指数はｎ_ｓｐ ^＋＝Ｐ
_ａ ^＋（１）／（２ｈｖ_ｓΔｖ（Ｇ-１））、ｎ_ｓｐ ⁻＝
Ｐ_ａ ⁻（０）／（２ｈｖ_ｓΔｖ（Ｇ-１））で定義され
る。伝送システムにおける信号と雑音の展開は数値計算
で求められる。しかしこれらの式を簡単化すれば、実現
できる利得と増幅器の雑音指数Ｆ＝２ｎ_ｓｐについての
便利な式が得られる。メタステーブルレベル（σ_ｐｅ２
＝σ_ｐｅ）へのパンピングの場合にはＰ_ｓ＝０、（Ｐ_ｐ
^＋＋Ｐ_ｐ ⁻）＞＞Ｐ_ｔｈ＝ｈｖ_ｐＡＡ_２１／σ_ｐａΓ_ｐ
という制約の中では式（１）（２）から次式を得る。 【数式３】 【００１２】ここでλ_p、λ_sへのＧ_maxとＦ_minの依存は
断面比ｒ_p＝σ_pa／σ_pe、ｒ＝σ_sa／σ_seで陽に現れて
いる。増幅器の利得の波長依存性を測定するためには、
増幅器の物理長Ｌ_ampを一定とし、ｌ＝Ｌ_ampΓ_sσ_se（λ
_s）Ｎ_Tを信号波長と共に変化する。従って、ある規準信
号波長、すなわちｌ_so＝ｌ（λ_so）についてｌを定める
のがよく、Ｇ_maxはそのとき 【数５】 となる。 【００１３】 式（７）と（８）は増幅器の吸収と蛍光
スペクトラムから求められた断面比を持つエルビウムド
ープ光増幅器の最小雑音指数と最大利得を求めるのに有
効である。Ｇ_ｍａｘとＦ_ｍｉｎのこれらの値は、同一の
ｌ、λ_ｐおよびλ_ｓを持つが、信号とＡＳＥが存在する
条件で動作し、増幅器が最大の変換を行なわないような
場合の増幅器について数値的に計算される値の上限と下
限になっている。図１と図２はλ_ｐが１４５０ｎｍから
１５１０ｎｍであり、ｌ_ｓｏ＝９、λ_ｓｏ＝１５３１ｎ
ｍのときのアルミノシリケートガラスのファイバについ
て求めたＧ_ｍａｘとＦ_ｍｉｎを示す。これについてはＩ
ＥＥＥ、光波技術ジャーナル第７巻、第５号、頁８３５
−８４５（１９８９）のＥ．デザビアによる“エルビウ
ムドープ単一モードファイバの自然放出の増幅”と題す
る論文を参照されたい。短い波長でパンピングすると高
い増幅器の反転が得られ、この結果利得は高くなり、雑
音指数は小さくなる。量子制限された信号増幅、すなわ
ち Ｆ＝３ｄＢはλ_ｐ＝１４５０ｎｍでパンプすること
によって実際に実現できる。最近の実験では１４９３ｎ
ｍのパンピングで雑音指数Ｆ＝４．１ｄＢが得られてお
り、これはアルミノシリケートガラスのファイバについ
て予測されたＦ_ｍｉｎ＝４．３ｄＢに極めて近い。 【００１４】伝送システムにおいては、光増幅器は伝送
ファイバと連鎖接続され、信号帯域外のＡＳＥを除去す
るために光フィルタを挿入する。図１、図２はＡｌ₂Ｏ₃
−ＳｉＯ₂ コアを持つエルビウムドープファイバ増幅器
の最大利得、最小雑音のカーブである。図３に示すシス
テムＡＳＥ電力 【数６】 の成長によって生ずる各段の利得と出力信号電力の変動
を含めるよう一般化されている。ファイバ増幅器の場合
には、第１に述べるように増幅器は同一であると仮定
し、自然放出雑音係数ｎ_spは式（１）〜（５）より得ら
れる。各スパンの損失Ｌと正規化されたフィルタ帯域ｂ
＝Ｂ₀／Δｖ は一定に保たれる。光フィルタの帯域Ｂ₀
＝１ｎｍ（１２６ＧＨｚ）は信号帯域の外のＡＳＥ電力
を最小化し、連鎖接続された増幅器の帯域がＧｂ／ｓの
信号伝送用に充分であることを保証するという兼ね合い
で決められる。雑音の計算では光フィルタの後でＡＳＥ
光スペクトルは矩形をしているものと仮定する。ＡＳＥ
スペクトルのフィルタとシステム利得が理想的でない場
合の影響については後で述べる。 【００１５】連鎖接続された集中型ファイバ増幅器のシ
ステムではＡＳＥによる増幅器からの電力の抽出と、前
段からの信号とＡＳＥの増幅によってどの段においても
光増幅器の利得の飽和が生ずる。ｉ番目増幅器における
ＡＳＥと信号の全出力電力は次のようになる。 【数７】 【００１６】 【数式４】 は送信機の出力電力である。各増幅器の光アイソレータ
によってシステムを通してのＡＳＥの逆方向の伝搬を防
止する。送信電力Ｐ_ｓ，０は送信機の前に置かれた電力
光増幅器でも生ずることがあり得るが、増幅器は強く飽
和しており、Ｐ_ａ，０ ^＋は無視できるものと仮定する。
もし波長間隔が広すぎてチャネルごとの正味の利得に大
きな差がなければ、Ｐ_ｓ，０ はＷＤＭ信号の全電力と
してよい。 【００１７】ファイバ増幅器のふるまい、従って連鎖接
続された増幅器のふるまいはＬ、λ_p、λ_sおよびパンピ
ングの方向と電力による。例えば、同方向のパンプ（Ｐ
_p ⁺＞０，Ｐ_p ^-＝０）の増幅器の雑音係数は逆方向パンプ
（Ｐ_p ⁺＞０，Ｐ_p ^-＞０）の場合より一般に低い。これは
入力におけるポピュレーション反転が高いためである。
また最大の反転が達成されて最大利得Ｇ_maxになっても、
増幅器の飽和電力はパンプ電力と共に増大する。 【００１８】図４は代表的な増幅条件Ｌ＝３０ｄＢの区
間減衰、正規化帯域ｂ＝０．０４の場合の同方向および
逆方向パンプについての連鎖接続された増幅システムの
出力信号電力と全出力ＡＳＥ電力を示している。区間減
衰の値は１００ｋｍのファイバの２５ｄＢの損失と増幅
器の挿入損失の５ｄＢの余裕を示している。帯域は２５
ｎｍの増幅器の均等なライン幅に対して、１ｎｍのフィ
ルタを使うことを意味する。送信信号電力Ｐ_so＝９ｍＷ
の場合、各々の光増幅器の飽和利得は３０ｄＢであり、
これはＧ_o＝３５ｄＢより５ｄＢ低い。エルビウムドー
プファイバの利得飽和の最長の過渡応答時間を考えて
も、これをＧｂ／ｓのシステムで、パターン変化やクロ
ストークを生じないで動作することができる。これにつ
いてはＣ.Ｒ.ガイルス他の光レター誌、第１４巻、第１
６号、頁８８０−８８２（１９８９）の“エルビウムド
ープファイバ増幅器の過渡利得とクロストーク”と題す
る論文を参照されたい。さらにこのような高飽和状態の
増幅器では、パンプ電力から信号電力への変換効率は高
く、この例で示す３０ｍＷのパンピング電力の場合には
３０％が達成される。 【００１９】伝送システムにおいては、ＡＳＥは線形に
増加し、連続した増幅器の出力信号電力を低下させる。
同方向パンプの場合、１０，０００ｋｍでは１ｎｍの帯
域で信号は５．７ｍＷに減少し、ＡＳＥ電力は３．２５
ｍＷとなる。逆方向パンプの場合には、増幅器の雑音指
数は若干高くなって最終増幅器の出力で 【数９】 となる。このような光増幅システムは大電力の場合にブ
リルイン分散と伝送ファイバ中の自己位相変調によって
さらに信号が劣化する。一定振幅信号伝送（ＦＳＫある
いはＰＳＫ）あるいはソリトン伝送ではこれらのファイ
バの非線形性による劣化をおさえることはできるが、Ａ
ＳＥの成長と信号電力の低下は不変である。ＡＳＥの累
加を減少する一つの方法はシステムの全増幅器利得Ｇ
_systemをファイバと部品の損失と等しくしておきながら
増幅器の間隔を短くすることである。この場合には受信
器におけるＡＳＥ光電力は 【数１０】 に比例する。ここでＮはシステム中の増幅器の数で、各
増幅器の利得は 【数１１】 となる。伝送ファイバの利得を小さくして、ＡＳＥ電力
をｌｎ（Ｇ_system）に比例するようにする分布増幅の場
合にはＮを大きくして雑音特性を改善することになる。 【００２０】 次に連鎖接続されたファイバ増幅器を持
つシステムのことを考えよう。分布増幅器では増幅器全
体を通して信号レベルを相対的に高く保つことができる
ので、雑音指数を低くできる可能性があることが知られ
ている。特性長が１／Γ_ｓσ_ｓｅＮ_ｔであるエルビウム
増幅器ではそれ自身ファイバになっているような非常に
長い増幅器を作るためにドーパント濃度を減少すること
がありえる。エルビウムを小さいコア径の中に限定して
信号と添加領域の重なりを減少して増幅器の長さを縮め
ることもできる。レイリー散乱、ＯＨ吸収、不純物その
他によるファイバの損失によって分布増幅器として使用
できる最大長が限定され、これは式３−５における損失
項α_ｓ、α_ｐとしてモデル化される。図５は正常減衰
０．２５ｄＢ／ｋｍ（α_ｓ＝α_ｐ＝５．７６×１０^−５
ｍ^−１でＰ_ｐ ^＋＝Ｐ_ｐ ⁻＝３０ｍＷで両方向パンプによ
る１００ｋｍの長さの分布増幅器を図示している。単位
利得を実現するためにファイバにはＮ_ｔ＝８.３×１０
^１４ｃｍ^−３で添加してあり、これは通常の集中増幅器
より約１／１０００である。入力信号電力は１００μＷ
であるが、分布増幅器では一定にはなっておらず、パン
プ電力が大きい両端では大きくなり、増幅器の中間では
小さくなっている。システムの他の制約条件から要求さ
れれば、エルビウムの濃度を下げてパンプ電力を上げ増
幅器中での変換を一定にすることになって信号レベルを
下げることができる。パンプ電力が高い場合には（Ｐ_ｐ
＞５０ｍＷ）、ラマン利得が大きくなり、パンプ電力依
存の利得係数を持つ項を加えることによって式（３−
５）に入れることができる。 【００２１】図６は各区間の出力信号電力をＰ_s,0＝０.
１ｍＷに保ち、増幅器の間に結合損失がない場合の一連
の連鎖接続された分布増幅器を通してのＡＳＥと信号の
伝搬の様子を示している。この例で使用している分布増
幅器は区間長１００ｋｍの図５で示した両方向パンプ増
幅器である。分布増幅器の主要な利点であるＡＳＥの低
さは図５を図３の集中増幅器の場合と比較すれば明かで
ある。図３ではＡＳＥ電力は２桁も高くなっている。分
布増幅器の欠点の一つは比較的にパンプ電力が大きく、
信号に伝送ファイバ中で損失があるためパンプ電力の要
求がほぼ２倍になるということである。またシステムを
通しての信号電力が高いために、この実施例では集中増
幅器の実施例より伝送ファイバの非直線がもっと重要に
なる。これはソリトンを維持するための自己位相変調を
用いるソリトン伝送では利点になることもあるが、通常
の光パルス伝送ではパルス幅が広がることもある。 【００２２】 本発明の原理に従えば、連鎖接続された
集中増幅器を飽和モードで動作して所望のシステム性能
を出すにはいくつかの方法がある。まず利得係数ｇが局
所的に均一の飽和をしている、すなわちｇ＝（１／（１
＋Ｐ／Ｐ_ｓａｔ））とし、増幅器が均等にパンプされる
とすると増幅器の利得の陰関数表現は 【数式５】 となる。ここでＧ_ｏは不飽和利得で、Ｐ_ｉｎはエルビウ
ムドープファイバの全入力電力である。これについて
は、Ａ．Ｅ．シーグマンの“レーザ”、ユニバーシティ
サービス ブック社（カリフォルニア州ミルバレー）１
９８６年刊を参照されたい。このようにＰ_ｓａｔを定義
すれば、Ｇ＝Ｇ_ｏ／２，Ｇ_ｏ＞＞１のときにＰ_ｏｕｔ＝
０．６９Ｐ_ｓａｔ である。これには増幅器内で生じた
ＡＳＥによる自己飽和は含まれていないが、ＡＳＥは連
鎖接続された区間を通して伝搬し、次の増幅器を飽和さ
せる。このときに第ｉ番目の増幅器のドープされたファ
イバの出力における全電力と信号出力は次のようにな
る。 【数式６】 ここでＰ_{ｏｕｔ，０}＝Ｐ_ｓ，０である。各々の段のフィ
ルタ帯域はＢ_ｏ である。各々の増幅器の自然放射雑音
は一定であると仮定しているが、ファイバ増幅器全体に
ついてのシミュレーションから得られた結果ではこれは
妥当な近似であることが分る。不飽和利得と飽和電力は
ファイバの設計とパンプ電力によって決まる。代表的に
はファイバ増幅器はパンプ電力と共に小信号利得が変化
するように動作し、飽和電力はパンプ電力を変化するこ
とによって調整される。従って、以下の例においては、
Ｇ_ｏ，ｉ＝Ｇ_ｏ（定数）であり、Ｐ_{ｓａｔ，ｉ}はシステ
ムの目的を達するために調整できるようなパラメータで
ある。飽和電力と不飽和利得の役割は簡単に逆転するこ
とができる。すなわち、Ｐ_ｓａｔ＝一定でＧ_ｏ，ｉが可
変であるモデルを作ることができ、これは半導体光増幅
器でインジェクション電流を調整する場合に似て来るこ
とになる。 【００２３】次に連鎖接続されたファイバ増幅器システ
ムの３つの実施例について考える。第１の実施例は先に
述べたフリーラニングのシステムで、この場合には全出
力電力あるいは出力信号電力には制約は存在しない。図
７はＧ₀＝３５ｄＢ，Ｐ_sat＝８ｍＷ，ＬＧ_o＝３である
１００個の連鎖接続された増幅器についてのＧ_i，Ｐ_as
e,i，Ｐ_s,i，Ｐ_out,iのプロットである。もしＬＧ_o＝１
であれば、飽和効果を無視した場合のように増幅器の飽
和によって信号は 【数１４】 の係数で信号は急速に小さくなることに注意されたい。
システムのフリーラニングの動作を説明するために、送
信電力は１ｍＷと小さくしてある。第１の増幅器の後
で、信号電力はＰ_s,oより大きくなるが、利得が飽和し、
ＡＳＥが成長するので、信号は８番目の増幅器で低下す
る。 【００２４】第２の実施例では、システム中を通して全
出力電力を一定 すなわちＰ_out,i＝Ｐ_s,oとしている。
これを 式（１２）に代入すれば、各段の利得は次のよ
うになる。 【数１５】 また２ｎ_spｈｖＢ_oＬＬＰ_s,o，Ｇ＝１／Ｌ 【数１６】 の限界に入っている。 【００２５】図８は送信電力Ｐ_s,o＝８.９ｍＷの場合の
１００個の増幅器を通してのＡＳＥの成長と信号のプロ
ットを示している。これはＰ_s,oが飽和利得を、最初の増
幅器から、区間損失にほぼ等しくするようにＰ_s,oを選択
した場合のフリーラニング増幅器の特別の場合を示して
いる。この差はシステムの条件が変化したときにはＰ
_out,i＝Ｐ_s,oを保つためにＰ_sat,iを制御できるから生
じたものである。しかし、各々の増幅器からのＡＳＥの
追加によって、各増幅器が正確に損失を補償するように
することはできないから、距離と共に信号は減少する。
１００個の増幅器のあとで、信号対雑音比はＰ_s,o＝１
ｍＷ のフリーラニングの場合より大幅に改善するが、
これは送信機における電力増幅器によってＰ_s,o を大き
くできるからである。 【００２６】 システムの最後の実施例においては、監
視によって各々の増幅器の出力における信号電力を一定
にする。これはパンプ電力の内の最大部分を信号に変換
するという点で最も能率の良いモードではないが、それ
でも望ましい動作モードである。この場合にはＰ_ｓ，ｉ
＝Ｐ_ｓ，ｏであり、従って ＬＧ_ｉ＝１ 【数式７】である。式（１１）を書き直してＰ_{ｓａｔ，ｉ}の式を得
て、さらに Ｐ_ｉｎ，ｉ＝Ｐ_{ｏｕｔ，ｉ}／Ｇを代入すると 【数式８】 を得る。各々の連続した増幅器の飽和電力は若干上昇し
て、ＡＳＥの成長によって生ずる利得の飽和を補償す
る。図９は増幅器の先の方に行くに従って、Ｐ
_{ｏｕｔ，ｉ}，Ｐ_{ａｓｅ，ｉ}，Ｐ_{ｓａｔ，ｉ}はすべて増大
して行く様子を示している。ここでＰ_{ｓａｔ， 1}＝４.６
ｍＷであり最終段ではＰ_{ｓａｔ，１００}＝７.８ｍＷと
なる。送信電力は小さいが、増幅器の平均飽和電力が高
いときにはフリーラニングシステムと雑音特性は似て来
る。この３種の動作モードを比較すると、雑音ではな
く、システムの運用、監視および保守の考慮によってシ
ステムにとってどの方法が良いかが決まることが分る。
例えば、一定の信号電力を監視するという要求からシス
テムをブラインド運転することはできなくなり、各増幅
段を信号が進むときの適切な監視ができるようになる。
しかし一定の信号を監視することによって、信号を不適
切な場合に検出する必要がなくなるので、ハードウエア
の複雑さは軽減される。 【００２７】 信号と雑音がすべての増幅器を通して伝
播したあとで、受信機における検出によって、光は電気
信号に変換されるが、ディジタルデータ伝送の場合に
は、電気雑音によって汚された“０”と“１”の列にな
っている。電気雑音は受信回路の生ずる雑音、信号とＡ
ＳＥからのショット雑音、信号−自然放射（ｓ−ｓｐ）
ビート雑音および自然放射−自然放射（ｓｐ−ｓｐ）ビ
ート雑音の和である。量子制限検出の場合には、主要な
雑音はｓ−ｓｐビート雑音であり、光フィルタの帯域が
信号帯域よりかなり大きい場合には、大きいｓｐ−ｓｐ
ビート雑音も存在する。 【００２８】ビート雑音による劣化は受信信号とＡＳＥ
光電力から推定できる。（これについてはＹ．山本のＩ
ＥＥＥカンタム エレクトロニクス ジャーナル、第Ｑ
Ｅ−−６巻、第１０号、頁１０７３−１０８１（１９８
０）の“ＰＣＭ−ＩＭ光伝送システムにおける半導体レ
ーザ増幅器の雑音と誤り率”およびＣ．Ｒ．ガイル他の
ファイバレーザ増幅器についてのＳＰＩＥ会議、マサチ
ューセッツ州ボストン（１９８９年）の１１７１−３２
番論文の“高速ファイバ光通信方式のエルビウムドープ
ファイバ増幅器”を参照）この場合には信号とＡＳＥ光
電流で表わしたビート項によって生ずる電気的雑音信号
を知る必要がある。 【数１９】 ここでＢ_eは受信機の電気的帯域であり、光電流は 【数２０】 である。ηは検出の量子能率である。電気的帯域はデー
タ周波数の約半分であり、０の光信号電力は０であると
仮定している。Ｓ．Ｄ．パーソニックのベルシステムテ
クニカルジャーナル誌、第５２巻、第１号、頁１１７−
１３３（１９７３）の“単純なディジタル光通信システ
ムにおける量子増幅器の応用”を参照すれば、受信機の
達成可能なビット誤り率（ＢＥＲ）に関連する受信機の
Ｑパラメータは次式で与えられる。 【数２１】 ここで“１”と“０”における全雑音電力はＩ²
_noise"1"、Ｉ² _noise"0"である。ガウス性雑音の近似の
場合にはＢＥＲ＝１×１０^-14のときＱ＝７.６５であ
る。式（１７）と（１８）から、他の雑音の効果は小さ
いと仮定すれば、ＱはＲ_B＝Ｂ_o／Ｂ_e，Ｒ_ase＝Ｐ_ase／
Ｐ_sとして次式で表わされる。 【数２２】 屡々Ｒ_Bは指定され、Ｒ_aseは所望のＢＥＲを達成するよ
うに許容できる最大のＡＳＥを決定するために計算され
る。例えば、１ｎｍ幅の光フィルタ（１５４５ｎｍでＢ
_o＝１２６ＧＨｚ）Ｂ_e＝１.２５ＧＨｚ（２．５Ｇｂ／
ｓのデータ速度)、Ｑ＝７．６５，Ｒ_ase＝０．７４とす
れば、１×１０^-14のＢＥＲを達成するＡＳＥ電力は信
号電力の約７５％とな。ｓｐ−ｓｐビート雑音を減少す
るために受信機で幅の狭い帯域の光フィルタを使用すれ
ば、システムの感受は若干向上する。 【００２９】 これらの例はすべて伝送距離１０,００
０ｋｍで１０^−１４以下のＢＥＲの条件を満足する。例
えば増幅器雑音指数、デバイスのエージング、ファイバ
の損失による追加の汚損があれば、もっと大きいマージ
ンが必要になるとはいえ、この性能は代表的な大洋横断
に必要な７５００ｋｍを上まわっている。分布増幅器の
例では、各段の入力信号と出力信号はわずかに１００μ
Ｗでも、１０，０００ｋｍでＲ_ａｓｅ＝０．４４９とい
う最も良い雑音性能を有します。フリーラニング、Ｐ
_ｏｕｔ調整、Ｐ_ｓ調整についての先の例のＲ_ａｓｅはそ
れぞれ０．７４、０．６０、０．７１である。一定Ｐ
_ｏｕｔについては低い値となっているが、これは送信電
力が若干高くなっているためである。平均信号電力が数
ミリワットであるソリトン伝送システムの場合には分布
増幅器の場合にこれより良い信号対雑音比が得られる。
集中増幅器のシステムでは全電力一定の例はフリーラニ
ングおよび一定信号電力システムより若干性能が良くな
るだけである。 【００３０】先に述べたＡＳＥ電力の計算は各増幅器が
理想的な矩形の帯域フィルタを持ち、増幅器の利得スペ
クトルが平坦であるものとして求めた。実際にはフィル
タは理想的ではなく、またフィルタの通過帯域内の利得
スペクトルも平坦ではない。従って連鎖接続された増幅
器の終端におけるＡＳＥスペクトルの形も決まることに
なる。まずＡＳＥスペクトルと利得が通過帯域の中で、
直線的に変化する、すなわちａをＡＳＥの平坦さの係
数、λ_cをフィルタの中心波長として 【数２３】 と仮定する。また各々の増幅器では同一のフィルタが使
用されるものとする。実際にはこれは本当ではなく、こ
の仮定はフィルタの平均化を行なっていることになる。
このフィルタのモデルでは、３段の２重の半波干渉フィ
ルタが利用され、その伝達関数は ｆ（λ）＝１／［１
＋（（λ−λ_c）／Ｂ₁）⁶］である。ここでＢ₁ は単一
のフィルタの３ｄＢ帯域である。これは低挿入損失で作
られる標準的なタイプのフィルタであり、所望の矩形フ
ィルタを良く近似したものである。Ｎ段を通したあとの
連鎖システムの等価光フィルタは ｆ（λ）^Nの形を持
ち、単一のフィルタに比べてシステム帯域は狭くなる。
このようなフィルタの伝達関数を用いれば、Ｎ段を通っ
た後の３ｄＢ帯域はＮが大きいとき（ｌｎ２／Ｎ）^1/6
に減ずる。Ｎ＝１００ではシステムの帯域幅は単一のフ
ィルタの場合より４３．７％小さくなる。通常はシステ
ムの光帯域が指定され、本件の例では単一フィルタの帯
域はＢ₁＝２．２９Ｂ₀＝２．２９ｎｍとなる。 【００３１】フィルタの特性が分れば、Ｎ段を通したあ
とのＡＳＥ電力は次のようになる。 【数２４】 各々の増幅段の信号電力が一定であるような特に興味の
ある特定の場合には、問題はＬＧ_i（λ）＝１ と単純化
される。さらにａ＝０と仮定すれば、Ｎ段を通ったあと
のＡＳＥのスペクトルＳ（λ）は単に 【数２５】 となる。図１０は１〜１００増幅段の場合のＡＳＥスペ
クトルである。ＡＳＥスペクトルは大部分のＡＳＥはＮ
＞＞１の段から発生するからシステムの伝達関数に似た
ものになる。この場合にはシステムの伝達関数はゆっく
りしか変化しない。３０段を通したあとで、ＡＳＥスペ
クトルは単一の増幅器の＋フィルタからの帯域の半分と
なる。式（１）−（５）の雑音の計算についてこれを補
正すれば、Ｂ_oを単一のフィルタの帯域でなく、累積した
ＡＳＥ帯域幅とすることにより近似される。 【００３２】最後に、増幅器の利得がフィルタの通過帯
域の中で平坦でないときには、累積利得とＡＳＥスペク
トルにはこれ以外の歪みが生ずる。図１１はａ＝−０．
０５であるとき、すなわち各増幅器の利得がフィルタの
帯域（１ｎｍ）を通して５％減少するときの累積された
ＡＳＥスペクトルを示している。これによってＡＳＥス
ペクトルは短い波長の方に向かい、幅はかなり狭くなっ
て、頂上の平たい所は小さくなる。１００増幅器のあと
で、システムの３ｄＢ帯域幅は単一のフィルタの帯域幅
の０．１５６倍になる。信号をＡＳＥスペクトルのピー
クに中心を合わせることによって歪みの効果は最小化さ
れる。またフィルタの形を若干変更して利得スペクトル
を補償し、フィルタ帯域の利得の平坦性を改善すること
によって歪みを修正することができる。 【００３３】連鎖接続された光増幅器の信号と雑音の伝
播は増幅器の特性とシステム設計によって決まる。エル
ビウムドープファイバ増幅器は雑音が低く利得が大きい
から長距離伝送のすぐれた候補になる。ファイバ増幅器
のレート方程式モデルを保って伝送システムのシミュレ
ーションを行なった。１．５μｍの伝送システムでは、
２．５Ｇｂ／ｓ（ソネットの速度）で１０，０００ｋｍ
を超えるシステムが分散の効果と伝送ファイバの非線形
を考えなければ可能である。送信信号電力を増大した
り、低損失の伝送ファイバを使ったり、増幅器の挿入損
失を小さくとたり、あるいは光ファイバの帯域幅を小さ
くしたりすれば、これより距離を延ばすことができる。 【００３４】 分散ファイバ増幅器では、パンプ電力を
大きくしたり、潜在的に区間長を短くすることによって
極めて低雑音の動作を実現することができる。この点に
ついては、エルビウムドープ分散増幅器は伝送ファイバ
のラマン増幅に似ている。 【００３５】伝送システムを調整する３つの明らかな方
法が可能であり、システム性能をシミュレートするため
に光増幅器の飽和の単純なモデルを使用した。フリーラ
ニングシステム、全電力一定システム、信号電力一定シ
ステムの３者の間では雑音特性に大きな差は生じない。
監視の必要があるということから考えれば、これが直接
情報伝送を監視し、信号中の監視データの抽出が便利に
なることから一定信号システムが良い。フリーラニング
システムの利点はこれが常にパンプ電力の最大部分を信
号電力に変換し、増幅器の連鎖から最大の信号対雑音比
を達成することで平衡することである。 【００３６】標準的な光フィルタの設計は典型的なシス
テム要求と互換性があると思われる。１００段の増幅の
あとでは単一フィルタの帯域幅に比べてシステム帯域は
ほぼ半分になる。さらに、光フィルタの伝達特性を適切
に設計することによって増幅器の利得スペクトルの構造
を変更することもできる。

【図面の簡単な説明】 【図１】Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２，ｌ＝９のＥｒ^３＋ファ
イバ増幅器λ_ｓｏ＝１５３１ｎｍ、パンプ波長１４５０
ｎｍ＜λ_ｐ＜１５１０ｎｍで信号波長１５００ｎｍ＜λ
_ｓ＜１６００ｎｍの最大利得（Ｇ_ｍａｘ）のカーブを示
す図である。 【図２】Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２，ｌ＝９のＥｒ^３＋ファ
イバ増幅器λ_ｓｏ＝１５３１ｎｍ、パンプ波長１４５０
ｎｍ＜λ_ｐ＜１５１０ｎｍで信号波長１５００ｎｍ＜λ
_ｓ＜１６００ｎｍの最小雑音（Ｆ_ｍｉｎ）のカーブを示
す図である。 【図３】増幅器利得Ｇ_i、飽和電力Ｐ_sat、伝送距離の全
損失Ｌ、光フィルタの帯域Ｂ_oのときの連鎖増幅器シス
テムの説明図である。 【図４】パンプ電力を３０ｍＷ，Ｐ_s,o＝９ｍＷ，ｂ＝
０.０４，Ｌ＝０.００１のとき、パンプ信号の同方向伝
播（−）および逆方向伝播（---） のときの連鎖接続し
た集中光増幅器の信号電力（Ｐ_s）と増幅された自然放
射電力（Ｐ_ase）のプロットを示した図である。 【図５】Ｐ_p ⁺＝Ｐ_p ^-＝３０ｍＷ，Ｌ_amp＝１００ｋｍ，
Ｎ_Er ³⁺＝８．３×１０¹⁴ｃｍ^-3,Ｐ_s,o＝０.１ｍＷ，ｂ
＝０．０４である両方向パンプの分布ファイバ増幅器に
おける信号電力（Ｐ_s）と増幅された自然発光電力（Ｐ
_ase）のプロット。矢印は関連するスケールを示す図で
ある。 【図６】図４に図示されたタイプの連鎖接続分布光ファ
イバ増幅器における信号電力（Ｐ_s）と増幅された自然
発光電力（Ｐ_ase）のプロットを示した図である。 【図７】Ｇ_o＝３５ｄＢ，Ｐ_sat＝８ｍＷ，ＬＧ_o＝３，
Ｐ_so＝１ｍＷ，Ｎ_sp＝１.３であるようなフリーラニン
グ型の集中増幅器の連鎖の全電力（Ｐ_TOT）、信号電力
（Ｐ_s）、利得（Ｇ）および増幅された自然発光電力
（Ｐ_ase）のプロットを示した図である。 【図８】Ｇ_o＝３５ｄＢ，Ｐ_sat＝８ｍＷ，ＬＧ_o＝３，
Ｐ_s,0＝８.９ｍＷ，Ｎ_sp＝１.３であるような一定出力
電力の集中型光増幅器の連鎖の全電力（Ｐ_TOT）、信号電
力（Ｐ_s）および増幅された自然発光電力（Ｐ_ase）のプ
ロットを示した図である。 【図９】Ｇ_o＝３５ｄＢ，ＬＧ_o＝３，Ｐ_s,0＝５ｍＷ，
Ｎ_sp＝１.３である一定信号電力の集中型光増幅器の連
鎖における飽和電力（Ｐ_sat）、信号電力（Ｐ_s）および
増幅された自然発光電力（Ｐ_ase）のプロットを示した
図である。 【図１０】各段に１ｎｍの帯域光フィルタをもつ伝送シ
ステムを通したときのＡＳＥスペクトルの変化をプロッ
トした図であって、フィルタ帯域内でＡＳＥスペクトル
の利得が平坦な場合の図である。 【図１１】各段に１ｎｍの帯域光フィルタを持つ伝送シ
ステムを通したときのＡＳＥスペクトラムの変化をプロ
ットした図であって、フィルタ帯域内でＡＳＥスペクト
ルの利得が平坦な場合の図である。 【符号の説明】 ＯＡ 光増幅器 Ｌ 各スパンの損失 Ｇ_i 光増幅器の利得 Ｐ_s,o 送信電力

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エマニュエル デザーヴィアー アメリカ合衆国 07748 ニュージャー シィ，ミドルタウン，クノールウッド ドライヴ 1110 (72)発明者 クリントン ランディ ギルズ アメリカ合衆国 07733 ニュージャー シィ，ホルムデル，ストーンヘンジ ド ライヴ 12 (56)参考文献 特開 平４−18527（ＪＰ，Ａ) Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ ｒｓ，Ｖｏｌ．26 Ｎｏ．14（５ｔｈ Ｊｕｌｙ 1990）ＰＰ．1032−1034

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 光放射信号を発生する送信機と、該信号
   の受信器と、送信器から受信器に進むにしたがい次々と
   光信号を増幅するための集中型又は分布型のエルビウム
   ドープ光ファイバ増幅器とが連鎖接続された光増幅器の
   伝送システムにおける自然放出雑音の増幅を制限する方
   法であって、 各エルビウムドープ光ファイバ増幅器を飽和状態で動作
   させるステップと、 光信号が光通信リンクを通して１つの増幅器から次の増
   幅器へと進む間に、光信号を、各光増幅器の出力のとこ
   ろで、その光増幅器の入力で受信された光信号のパワー
   レベルに関わらず実質的に一定のパワーレベルに増幅す
   るステップと、 各連続する光ファイバ増幅器のポンプ飽和パワーを、増
   幅された自然放出雑音の増加により生じる利得飽和を補
   償するように増加させるステップとを含むことを特徴と
   する方法。