JP3640289B2 - 分散ラマン増幅器および遠隔ポンプ式エルビウム・ドープド・ファイバ増幅器を備えた光ファイバ通信システム - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、光ファイバ増幅器を備えた遠隔ポンプ式光ファイバ通信システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
遠隔ポンプ式エルビウム・ドープド・（Er-doped）ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）付きの光ファイバ通信システムが知られている。その例として、米国特許第５，３２３，４０４号では、送信器と受信器との間に配された１つのＥＤＦＡを有し、送信器にポンプ源を有し、かつポンプ放射が伝送ファイバを通じてＥＤＦＡに送信されるシステムが示されている。また、P. B. Hansen, ＯＦＣ '９５、カリフォルニア州サンディエゴ、１９９５年２月、ＰＤ２５も参照のこと。
【０００３】
遠隔ポンプ式ＥＤＦＡを備えた光ファイバ通信システムは、米国特許第５，３２３，４０４号で開示されているＥＤＦＡが１つだけのタイプに限定されるものではなく、任意の数のＥＤＦＡ（あるいは他の希土類元素ドープド・ファイバ増幅器でも可能）を有することができる。本明細書において、システムが「遠隔ポンプ式」の光ファイバ通信システムであると見なされるのは、そのシステムが少なくとも１つの離散光ファイバ増幅器（典型的にはＥＤＦＡ）を備え、離散増幅器のポンプ放射源と離散増幅器との間に距離があり、信号放射用の分散ラマン増幅器として機能するような伝送ファイバを通じてポンプ放射が離散増幅器に送信される場合である。周知のように、従来のシリカベースの単一モードファイバの場合、ピークのラマン利得は、信号放射波長λs (典型的には約１．５５μm）よりも約１００ｎｍ短い波長λpのポンプ放射の場合に起こる。これは、本明細書添付の図３で示されるように、約１３ＴＨｚの周波数偏移に相当する。
【０００４】
遠隔ポンプ式の光ファイバ通信システムにおいて高出力のポンプ源を使用すると、低ノイズの増幅および高出力を含む有利な結果をもたらし得る。さらに、高出力のポンプ源を使用すると、隣接する中継器間の距離を大きくすることが可能になるので、その典型的な結果としてはシステムの費用が低くなり、信頼性が高くなる。
【０００５】
高出力 (例えば１Ｗを超える) のポンプ源が知られている。例として、S. G. Grubb 等の「光増幅器とその適用）」（スイス国ダヴォス、１９７頁、１９９５年６月）を参照のこと。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
遠隔ポンプ式光ファイバ通信システムにおいて高出力のポンプ源を使用することによって効果がもたらされるが、高出力のポンプ源の使用は特に中継器を介するシステムでは欠点がある。例えば、高いポンプ出力は、伝送媒体における大きなラマン利得とレイリー散乱が原因となる多光路干渉（ＭＰＩ）をもたらし得ることを発見した。したがって、高いポンプ出力を備えた従来システムの有利な特徴を実質的に保持しながら、ＭＰＩの影響が少ない遠隔ポンプ式光ファイバ通信システムを利用可能とすることが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は請求項によって定義される。広い局面では、本発明は、類似の従来システムよりもＭＰＩの影響が少ない遠隔ポンプ式光ファイバ通信システムにおいて具現化される。簡単に言うと、これは、適切なポンプ波長の選択、すなわち、所定の信号波長について、ラマン増幅器をポンプするための最適波長よりも長く、かつＥＤＦＡをポンプするための最適波長よりも長いポンプ波長を選択することによって達成される。本明細書においてラマン増幅器をポンプするための最適波長をλ_p,Ramanとし、本明細書においてＥＤＦＡをポンプするための最適波長をλ_p,EDFAとする。増幅器をポンプする「最適な」波長とは、典型的には利得と雑音指数を含む最良の組み合わせの特徴をもたらす波長を意味する。
【０００８】
約１．５５μmの従来の信号波長、従来のシリカベースの伝送ファイバ、および従来のＥＤＦＡの場合、λ_p,Ramanは典型的には約１４５０ｎｍであり、λ_p,EDFAは典型的には約１４８０ｎｍである。
【０００９】
本発明の遠隔ポンプ式ファイバ通信システムの設計思想は、ポンプ波長がＥＤＦＡにもラマン増幅器にとっても最適ではないが、ＭＰＩを減らすことによって全体的な結果を改善するようなポンプの選択を伴う。
【００１０】
特に本発明は、送信器と、受信器と、送信器と受信器とを信号伝送するように接続するとともに、少なくとも１つのＥＤＦＡを備える伝送リンクと、信号放射波長λ_sより短い波長λ_pのポンプ放射源とを備える光ファイバ通信システム（典型的には多波長システム）において具現化される。ポンプ放射源とＥＤＦＡとの間には距離がおかれ、ポンプ放射は、λ_sでラマン利得を提供するように選択されたシリカベースの単一モード光ファイバを備える伝送リンクの少なくとも一部を介してＥＤＦＡに送信される。重要なことは、λ_p が、前記ラマン利得をもたらすための最適波長であるλ_p,Ramanよりも長く、またＥＤＦＡをポンプするための最適波長であるλ_p,EDFAよりも長くなるように選択されること、そして選択されたλ_pが、結果として多光路干渉の低減をもたらすということである。約１．５５μmの従来の信号波長に対して、λ_pは典型的には約１４９０〜１５１０ｎｍの範囲にある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、マルチスパン光ファイバ通信システム１０の略図である。ここで、符号１１〜１３は、送信器、受信器、そして送信器と受信器とを接続する光ファイバ伝送路を示す。このシステムは、典型的には、複数の信号チャネルの間にわずかな距離（例えば１ｎｍの距離）をおいている多波長システムである。したがって、送信器１１は実際には、アイソレータ、分極コントローラ、変調器、マルチプレクサなどの公知の関連要素を有する多数の送信器を備える。また送信器は、典型的にはＥＤＦＡなどの出力増幅器も備える。同様に、受信器１２は、信号チャネルを分離するデマルチプレクシング手段を有する多数の受信器を備えるのが典型的である。
【００１２】
光ファイバ伝送路は、縦の破線で示される１つ以上の中継器スパンを備える。マルチスパン経路において、これらのスパンは概してほぼ同一である。一例としてのスパン２０の概略が図２に示されている。ここで符号２１〜２２はそれぞれ、ポンプレーザーと、信号放射とは反対の方向にポンプ放射が伝搬するように選択的に伝送路にポンプ放射を結合するように機能する従来の方向性結合器（頻繁にＷＤＭという）とを示す。符号２３〜２５は、伝送ファイバ、エルビウム・ドープド・ファイバ、および任意の光アイソレータをそれぞれ示す。記号ｘは、従来通りファイバの継ぎ目を示す。
【００１３】
ポンプレーザーは、例示的には９１５ｎｍレーザーダイオードアレーによってポンプされる二重クラッドファイバを備える高出力レーザーであり、二重クラッドファイバの出力は縦続接続されたラマンレーザーによって望ましい波長に変換される。例として、上述のS. G. Grubb等による論文を参照のこと。この種のポンプレーザーは市販されており、約１４５０〜１５００ｎｍの範囲の望ましい波長で１Ｗを超える光出力を提供することができる。
【００１４】
図２の伝送ファイバ２３は、従来のゲルマニウム・ドープド・されたシリカベース・ファイバ、例示的には約１５８０ｎｍで分散ゼロである市販の分散偏移ファイバでもよい。例えば、伝送ファイバの長さは約１００ｋｍである。
【００１５】
公知の方法でポンプレーザーによってポンプされると、エルビウム・ドープド・ファイバ２４は、約１．５５μｍの波長の信号放射のための光増幅器として機能する。信号伝搬の方向は、図２の矢印によって示されている。周知のように、適切な波長のポンプ放射が存在する場合、伝送ファイバにおける信号放射は、誘導ラマン効果（ＳＲＳ）による利得が生じ得る。したがってスパン２０は、伝送ファイバ２３において、２つの利得要素、すなわちＥＤＦＡ２４と分散ラマン増幅器とを含む。図２で示される例示的構成では、ＥＤＦＡ２４は遠隔ポンプ式増幅器である。
【００１６】
図３は、典型的なゲルマニウム・ドープド・シリカファイバのラマン利得のスペクトルを示す。図からわかるとおり、この利得は、約１３ＴＨｚの周波数偏移に相当する、信号とポンプとの間の波長の差の明白な最大値を有する。１５５０ｎｍの信号放射の場合、約１４５０ｎｍの波長のポンプ放射が最大のラマン利得を提供する。
【００１７】
定義では、遠隔ポンプ式光ファイバ通信システムは、従来のエルビウム・ドープド・ファイバ増幅器と、ポンプ源とファイバ増幅器の間に配された分散ラマン増幅器とを備え、従来のシリカベース伝送ファイバはラマン利得媒体を提供する。
【００１８】
上述のとおり、従来のＥＤＦＡは、典型的には１４８０ｎｍの放射でポンプされた場合に最適に機能する。
【００１９】
遠隔ポンプ式システムにおける波長が、ＥＤＦＡまたはラマン増幅器の最適性能をもたらす波長よりも長くなるように選択された場合に、大幅な性能の改善がなされることが発見された。特に、λ_pが１４９０ｎｍ以上であるポンプ放射源を選択することによって、有害なＭＰＩを減らし、全体的な性能を改善することが可能である。これは特に、長さが１０００ｋｍ以上である海底システムのような多段階の遠隔ポンプ式光ファイバ通信システムの場合に当てはまる。
【００２０】
例えば、１５５８ｎｍの波長の信号の場合、所定の従来のゲルマニウム・ドープド・シリカベース伝送ファイバにおける最大ラマン利得は、ポンプ波長が約１４５８ｎｍの場合に得られる。従来のエルビウム・ドープド・増幅器ファイバは、１４８０ｎｍでポンプされた場合に性能が最適になる。したがって、波長が１４９０ｎｍであるポンプ放射は、ＥＤＦＡまたはラマン増幅器のいずれかの最適ポンプ波長とはそれぞれ非常に異なる。しかし、１４９０ｎｍのポンプ放射を使用すると、少なくとも部分的にはＭＰＩが減少するので、遠隔ポンプ式光ファイバ通信システムの性能を改善することができる。
【００２１】
図４は上記の内容を例示した図である。図４のデータは、以下に説明する段階に類似する２２の同一段階を有する例示的な遠隔ポンプ式光ファイバ通信システムにおけるラマン増幅器とエルビウム・ドープド・増幅器の組み合わせに関する。この図は、２つの貢献するノイズ機構、つまり増幅自発放出すなわちＡＳＥ（曲線４１）およびＭＰＩ（曲線４２）についての、ポンプ波長（１．１ワットのポンプ出力）の関数としての信号対ノイズ比を示す。この図からわかるように、ＡＳＥによるノイズはポンプ波長とは比較的無関係であるが、ＭＰＩによる信号対ノイズ比は少なくとも約１４９０ｎｍまではポンプ波長の増加と共に大きく増加する。図４はこのように、前述のようなポンプ波長の離調から生じる利点を明示している。ポンプ出力が高くなると、ポンプ波長が長くなっても性能を改善することができる。
【００２２】
図５は、例示的なＥＤＦＡ（長さ２２メートル、ポンプ出力１０ｍＷ、信号電力−６ｄＢｍ）のポンプ波長の関数として利得（曲線５１）と雑音指数（曲線５２）を示している。図からわかるとおり、利得と雑音指数は、ポンプ波長の関数として比較的ゆっくりと変化するため、本発明による「離調された」遠隔ポンプ式光ファイバ通信システムの設計が容易になる。
【００２３】
図６は、他の例示的な遠隔ポンプ式システムにおける一段階６０の略図である。このシステムは試験台で実施され、それぞれ２．５Ｇｂｉｔ／ｓの８チャネルを有する５２８０ｋｍを超える伝送を模擬実験した。中継器間の各スパンは２４０ｋｍであった。このシステムは、中継器のスパンが８０ｋｍである従来の局所ポンプ式ＥＤＦＡを用いた類似のシステムに匹敵する性能を達成し、中継器の費用を節約し、かつ遠隔ポンプ式システムで達成できる信頼性を改善することを示した。
【００２４】
図６では、符号６１と６２はそれぞれ、第一中継器と、隣接する第二中継器とを示す。符号６３１〜６３６はそれぞれ８０ｋｍの伝送ファイバを示すものであり、この伝送ファイバは市販の分散偏移ファイバであって、これに適切な長さの分散を補うファイバが追加される。これは図では示されていない。符号６４１および６４２はそれぞれ、遠隔に位置したＥＤＦＡ６５２および６５５にポンプ出力を提供するために使用される、８０ｋｍの低損失の純粋シリカコア伝送ファイバを示す。符号６５１〜６５５はエルビウム・ドープド・ファイバを示し、符号６６１〜６６４はＷＤＭを示し、符号６７１〜６７４はポンプレーザーを示す。図６は数個の光アイソレータをも示しているが、継ぎ目は示さない。
【００２５】
ポンプ源６７２からのポンプ放射（１４８５ｎｍ）は、８０ｋｍの低損失の純粋シリカコア・ファイバ６４１およびＷＤＭ６６２を介してＥＤＦＡ６５２を遠隔でポンプする。ポンプ６７３（中継器６１のポンプ６７１に相当する）からのポンプ放射（１４９５ｎｍ）は、ＥＤＦＡ６５４および６５３に提供され、両ＥＤＦＡの間には８０ｋｍの伝送ファイバ６３５がある。伝送ファイバは、中継器６１から中継器６２の方向に伝播する信号放射にラマン利得をもたらす。
【００２６】
伝送ファイバは、約１５８０ｎｍのゼロ分散波長を有し、かつ信号波長で約−２ｐｓ／ｎｍ・ｋｍの色分散となる分散偏移ファイバからなるものであった。累積した分散は、約１７ｐｓ／ｎｍ・ｋｍの色分散を有する従来の単一モードファイバによって４８０ｋｍごとに補われた。追加の分散は受信器で補われた（図示されていない）。利得等化は４８０ｋｍごとに提供された（図示されていない）。各スパンにある３つの従来のアイソレータは、二重のレイリー反射によって引き起こされるＭＰＩを低減させた。
【００２７】
ポンプレーザーは、レーザーダイオードアレイからの９１５ｎｍの放射（望ましい波長のポンプ放射が公知の方法で形成された）によって二重クラッドファイバをポンプすることによって形成された。それぞれのポンプ源は、約１．２Ｗの光出力を単一モードファイバに発することができた。
【００２８】
図７は、伝送ファイバ６３５においてＥＤＦＡ６５１で始まりラマン増幅器で終わる、１つのスパンを通しての伝送の間の信号電力の進展変化を示す。
【００２９】
図８は、送信された電力のスペクトルを示し、図９は、５２８０ｋｍの伝送の後に受信されたスペクトルを示す。受信器では、信号対ノイズ比は約１１ｄＢであった。
【００３０】
前述の遠隔ポンプ式の例示的な光ファイバシステムは、ＭＰＩを低減するために役立つ特徴を備えている。しかしながら、ＭＰＩはある程度は依然として存在していた。前述のように、ポンプ放射を最大ラマン利得の波長からさらに離調することによって、本発明による通信システムにおいてさらにＭＰＩを減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マルチスパン遠隔ポンプ式光ファイバ通信システムの略図である。
【図２】図１で示されたタイプの通信システムの１スパンの略図である。
【図３】周波数偏移の関数としてのラマン利得を示す図である。
【図４】λ_s＝１５５８ｎｍの場合のポンプ波長の関数としての信号対ノイズ比の例示的データを示す図である。
【図５】例示的なＥＤＦＡの場合の波長の関数としての利得と雑音指数のデータを示す図である。
【図６】例示的な多段階遠隔ポンプ式光ファイバ通信システムの一部の略図である。
【図７】図６のシステムにおける信号電力と距離の関係を示す図である。
【図８】図６のシステムにおける送信電力スペクトルを示す図である。
【図９】図６のシステムにおける受信電力スペクトルを示す図である。

Claims (5)

1. 送信器（１１）と、受信器（１２）と、送信器と受信器とを信号伝送するように接続するとともに、少なくとも１つのエルビウム・ドープド・光ファイバ増幅器（２４）を備える光ファイバ伝送リンク（１３）と、信号波長λ_ｓより短い波長λ_ｐのポンプ放射源とを備える光ファイバ通信システム（１０）であって、該ポンプ放射源（２１）と該エルビウム・ドープド・光ファイバ増幅器との間に距離がおかれ、ポンプ放射は、信号波長でラマン利得をもたらすように選択されたシリカベースの単一モード光ファイバを備えた該光ファイバ伝送リンクの少なくとも一部を介して、エルビウム・ドープド・光ファイバ増幅器に伝送されるものであり、
   λ_ｐが、該ラマン利得をもたらすための最適波長λ_{ｐ，Ｒａｍａｎ}よりも長く、かつエルビウム・ドープド・光ファイバ増幅器をポンプするための最適波長λ_{ｐ，ＥＤＦＡ}よりも長くなるように、１４９０〜１５１０ｎｍの範囲から選択され、選択されたλ_ｐが、結果として多光路干渉の低減をもたらすことを特徴とする光ファイバ通信システム。
2. 前記光ファイバ伝送リンクが、多数のほぼ同一の中継器スパンを備える請求項１記載のシステム。
3. 前記中継器スパンの所定の１スパンが１００ｋｍよりも長い請求項２記載のシステム。
4. 所定の中継器スパンのポンプ放射源が、ダイオード・ポンプ式ファイバレーザーである請求項３記載のシステム。
5. 希土類元素ドープド・光ファイバ増幅器と、該光ファイバ増幅器をポンプするポンプ放射を伝送する、信号波長でラマン利得をもたらすように選択されたシリカベースの単一モード光ファイバとを有する光ファイバ通信システムに、光ポンプ出力を提供する方法であって、
   該信号波長よりも短く、該光ファイバ増幅器をポンプするための最適波長λ _{ｐ，ＥＤＦＡ} よりも長く、そして該ラマン利得をもたらすための最適波長λ _{ｐ，Ｒａｍａｎ} よりも長くなるように、１４９０〜１５１０ｎｍの範囲からポンプ波長を選択する工程と、
   前記希土類元素ドープド・光ファイバ増幅器を前記単一モード光ファイバを介して前記ポンプ波長で遠隔でポンプする工程とを備え、これにより前記通信システムにおける多光路干渉が低減することを特徴とする方法。

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