JP3715168B2

JP3715168B2 - 光通信システム実現方法

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Publication number: JP3715168B2
Application number: JP2000035785A
Authority: JP
Inventors: バンハンセンパー; エヌニールセントーベン; ジョンステンツアンドリュー
Original assignee: ルーセントテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2020-02-14
Also published as: AU1498400A; CN1264231A; EP1054521A1; CN1236577C; DE60000233D1; EP1054521B1; CA2298408C; JP2000244398A; CA2298408A1; US6323993B1; ES2179001T3; DE60000233T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非線型光学効果による性能劣化を受けやすい光通信システムに関し、特に、波長分割多重化（ＷＤＭ）を用いるシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示されているように、従来技術に係る代表的な光ファイバ通信システムは、情報を伝達する光信号源１０、及び少なくとも一つの光レシーバ２０に当該信号を伝達する光ファイバ伝送線路１５を有している。例えば百キロメートルあるいはそれ以上のオーダーの長距離伝送が企図される場合には、信号回復及び増幅目的でリピータ２５が用いられるのが一般的である。ファイバスパン３０は隣接するリピータ間に延在し、通常、信号源と第一リピータとの間にも延在する。各ファイバスパンは、しばしば、リピータ内で光増幅器３５、４０によって終端される。この種の光増幅器は、通常は個別の、すなわち、ポンプ放射源が利得媒体と同一箇所に配置されているという意味で局所的なポンプ源を有する増幅器である。この種の個別増幅器３５は、代表的には、ポンプ放射源としての半導体レーザに結合された、光ファイバのうちのエルビウムがドープされた領域よりなる。
【０００３】
レシーバ２０の直前の最終個別増幅器（図１においては増幅器４０として示されている）が、しばしば、“リピータ増幅器”というよりも“プリアンプ（前置増幅器）”としてより良く特徴付けられることに留意されたい。なぜなら、その主要な機能が、さらに別のファイバスパンに対して中継することではなく、到達する信号を良好に受信するように条件を整えることであるからである。
【０００４】
隣接するリピータ間の距離を増大させて経済性を向上させる目的で、個別の増幅器に加えて、分散型増幅器の利用に多大の関心が集まってきている。増幅は、それがより長い距離にわたって実現される場合に“分散型”と言われるものであって、その結果得られる利得は、その距離にわたるファイバ損失を補償するために充分でありさえすれば良く、あらゆる場合において１メートルあたり０．１ｄＢのオーダーよりも小さい。
【０００５】
分散増幅器は、通常、遠隔ポンピングされる。すなわち、ポンピング放射源は利得媒体の近傍に位置していない。例えば、ラマン（Ｒａｍａｎ）増幅器の利得媒体は、しばしばスパン３０を構成している光ファイバのコアそのものである。（この目的でコアを有効な利得媒体とするためには、何ら光学的活性種をドーピングする必要はない。）遠隔地に配置されたポンピング光源５０からの放射が、ファイバセグメント５５からスパン３０に結合される。必ずしも必要ではないが、図１に示されているように、光源５０をポンピングされるスパンの直後に配置されたリピータ内部に設置することが通常便利である。ラマンポンピング光源は通常半導体レーザーである。
【０００６】
ラマン増幅は、例えば、L.E.Eskildsenらによって１９９６年６月６日に出願された“ラマン増幅による伝送容量のアップグレード方法及びそのシステム”という表題の米国特許出願第０８／６５９，６０７号に記載されている。
【０００７】
ラマン増幅以外の他の遠隔ポンピング分散増幅に係る形態も提案されている。例えば、エルビウム（Ｅｒ）を低濃度にドープされた部分がファイバスパンを構成している光ファイバのコアに含められて、リピータなどの遠隔位置からポンピングされることも可能である。このような技法は、例えば、J.R.Simpsonらによる“Ｅｒドープ分散ファイバ増幅器”という表題の論文（Paper PD-19, Proc. OFC 1990, 第PD19-1-PD19-4頁）に記載されている。Ｅｒドープ分散増幅器は、さらに、E.Desurvireによる“Ｅｒドープファイバ増幅器”という書籍（第２．６節、第１２１〜１３６頁）に記載されている。
【０００８】
さらに、遠隔ポンピング増幅器は必ずしも“分散”されている必要はなく、集中増幅であることも可能である。この種の増幅は、例えば、中庸あるいは高濃度にドープしたＥｒドープファイバよりなる部分を遠隔ポンピングすることによって実現されうる。
【０００９】
光ファイバ通信システムにおける情報担持能力に係る要求の増大に応じて、種々の多重化技法が導入されてきている。波長分割多重化（ＷＤＭ）と呼称される技法においては、複数個のチャネルが単一の光ファイバ上に組み合わせられる。通常、対応するレーザーダイオードなどの光源が各々の波長チャネルに対して供給される。変調デバイスが、この種の各光源からの光出力をパターニングする目的で配置される。（あるいは、各光源が変調済み信号によって直接駆動される。）各々の波長チャネルは、情報を符号化する目的で変調された光キャリア周波数を含んでいる。変調とは、光キャリア上に情報を配置するあらゆる方法を意味しており、例えば振幅変調、周波数変調及び位相シフトキーイングなどを含んでいる。波長チャネルは有限の周波数幅を有しており、通常それは数百ＭＨｚから数十ＧＨｚの範囲である。
【００１０】
種々の波長チャネルは、一般的には１５５０ｎｍなどの中央通信波長の周囲にまとめられている。例えば、国際通信連合（ＩＴＵ）は、１００ＧＨｚの間隔で配置された波長チャネルの標準的グリッドを提案しており、１９３．１ＴＨｚに対応する波長を含んでいる。（周波数上での１００ＧＨｚのチャネル間隔は、波長におけるおよそ０．８ｎｍの間隔と等価である。）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
光通信においては、所謂非線型効果によって、ある種の困難が生じる。これらの非線型効果は、比較的高電力密度を有する光波と伝送媒体との間の相互作用によって生ずる。これらの効果は、それらがシステムの性能を劣化させるために望ましくない。これらの効果は通常光通信システムにおいて発生するが、とりわけＷＤＭシステムにおいてしばしば問題となる。ＷＤＭシステムの中でも、少なくとも１０の波長チャネルを有し、チャネル間隔がデータレートの２０倍あるいはそれ以下の場合に最も問題となる。
【００１２】
これらの非線型効果のうちの一つに、四光波混合として知られているものがある。この効果は隣接するチャネル間で発生する傾向があり、特に、信号帯、すなわち信号波長の範囲内で低分散の光ファイバにおいて特に発生する。他の非線型効果にクロスフェーズモジュレーション（クロス位相変調）が挙げられる。この効果も、（必ずしも隣接している必要はないが）相異なったチャネル間の相互作用の結果として発生する。しかしながら、クロス位相変調は、信号帯内で比較的大きな分散を有するファイバにおいて特に問題である。さらに別の非線型効果として、自己位相変調が挙げられる。この効果は、個々の波長チャネル内での信号歪みを引き起こす傾向がある。さらに別の非線型効果として、誘導ブリュアン(Brillouin)散乱（ＳＢＳ）が挙げられる。ＳＢＳは個々の波長チャネル内での後方散乱を引き起こし、アナログシステムにおいて特に問題であって、システム性能を制限する大きなファクタである。
【００１３】
非線型効果に係る劣化を低減あるいは回避する目的で、種々の技法が用いられてきている。例えば、四光波混合に起因する影響を低減する目的で、１．５〜８ｐｓ／ｋｍ／ｎｍという範囲の分散値がファイバに用いられるようになってきている。
【００１４】
しかしながら、非線型効果に起因する有害な影響を低減しつつ高容量通信を取り扱うことが可能な光ファイバ伝送システムに対する要求は残存している。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
高性能光通信システムにおいては、非線型効果は依然として重大な問題である。例えば、ビットレートが増大すると、それに従って平均光強度も増大する。非線型効果は強度レベルに対して急速に増大するため、これらの効果は高ビットレートシステムによって実現可能な性能を制限してしまう。さらに、前述されたような選ばれた分散特性を有するファイバが用いられた場合においても、四光波混合はチャネル密度に制限を与える。既設の低分散ファイバの継続使用が求められる場合には、四光波混合はより大きな困難をもたらす。
【００１６】
本発明は、光通信に係る方法及び関連するシステムを提供する。本発明の発明者は、単一あるいは複数個のファイバスパンに注入される強度レベルをある規定された量だけ低減することによって、望ましくない非線型効果が抑制されてシステム性能が向上されうることを見出した。前述された規定量低減は、影響を受けるスパンにおける遠隔ポンピング増幅によって可能となる。すなわち、遠隔ポンピング増幅がスパンに注入される強度の低減を可能にし、結果として、ファイバ非線型性に起因する不利益の低減を実現する。
【００１７】
本発明の実施例においては、本発明は、特定の増幅性能を有する光通信システムにおいて用いられることが可能なチャネル数を実質的に増加させる。詳細に述べれば、本発明の発明者は、システム性能を劣化させてチャネル数を制限する非線型相互作用が、特定のパラメータ範囲を有するように配置された特定の遠隔ポンピング増幅方式によって緩和されうることを見出した。これらの方式は、光通信システム内を伝播する信号の強度レベルを、集積される非線型効果が出力信号を実質的に劣化させるのに不充分であるレベルに制御する、という広義の特徴を共有している。
【００１８】
ある側面においては、本発明は、単一あるいは複数個の光ファイバスパンを有する光通信システム内で実行可能な、単一あるいは複数個の波長チャネルを占有している波長分割多重化信号増幅方法に係るものである。信号は、前記スパンのうちの少なくとも一つにおいて、遠隔ポンピング増幅を受ける。
【００１９】
信号は、それぞれ対応する入力対数強度レベルＰｉを有して各々の遠隔ポンピング（ＲＰ）スパンに入射する。各々のＲＰスパンにおいては、当該スパンの終端において少なくとも目標とする信号対雑音比（ＳＮＲ）を実現するように遠隔ポンピング増幅が実行される。目標値を実現するためには、（与えられたスパンにおける）遠隔ポンピング増幅は、入力対数強度レベルＰｉを、雑音を付加することなく対応する増分ΔＰだけブーストすることと等価である。“目標値”とは、システムの動作範囲内のあるレベルを示している。
【００２０】
例えば、増分ΔＰは、遠隔ポンピング増幅を停止し、全く元のＳＮＲに達するまでＰｉをブーストすることによって測定される。Ｐｉがブーストされた量がΔＰである。ここで言及されているＳＮＲは、いずれの方法で測定されても良い。
【００２１】
通信ケーブルによる出力としての信号を記述する目的で、性能指数が割り当てられうる。例示すれば、この性能指数は、各波長チャネルの対応するクオリティファクタである。信号解釈を信号統計に関連付ける公知のＱパラメータは、E.Desurvireによる前掲書の第１７８頁に記述されている。
【００２２】
以下、本明細書で用いられるいくつかの術語を導入する。本明細書においては、波長チャネルにおけるＱが２ｄＢ以上、すなわち３７％以上減少した場合に、出力品質が“劣化”させられた、として記述される。さらに、遠隔ポンピング増幅が停止されてその代わりに単一あるいは複数個のチャネルにおける入力対数強度レベルがＰｉ＋ΔＰにブーストされた場合に、当該ＲＰスパンは“強度補償”されている、として記述される。
【００２３】
本発明に係る方法の明確な特徴は、遠隔ポンピングが、適切な光出力強度レベルの維持を目的とする他の方法とは異なって、非線型効果が実質的に抑制されるように遠隔ポンピングが実行される、という点である。結果として、最終ＲＰスパンから開始して上流方向に単一あるいは複数個のＲＰスパンを強度補償していくと、出力品質が劣化させられるか、あるいは少なくとも一つのスパンの終端における目標とする強度レベルの回復が行なえない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
現在では、稠密波長分割多重（ＤＷＤＭ）信号を利用する高容量光伝送システムは、一般に、四光波混合などの非線型効果を抑制するのに充分な大きさの分散を有する光ファイバを有している。（隣接するあらゆる二つのチャネル間の周波数間隔がこれらのチャネルのデータレートの２００倍以下である場合に、当該ＷＤＭシステムは“稠密”であると考えられる。）従って、これらのシステムは、そのゼロ分散波長が信号波長帯の外部に位置するような所謂非零分散シフトファイバ（ＮＺＤＳＦ）を通常利用する。しかしながら、既設のゼロ分散シフトファイバ（ＺＤＳＦ）が大量に存在する。信号帯がゼロ分散波長と重複するあるいはその近傍に位置する場合においても、ＤＷＤＭ信号をこの種の既設のファイバ上で伝送することには、強力な経済的動機が存在する。
【００２５】
本発明の一実施例には、この種のファイバ設備に接続して用いられる特別のユーティリティが存在する。この種の実施例に従って、光ファイバ伝送システムは、光ＤＷＤＭ信号源、レシーバ、及び光信号をレシーバへ伝達する一連の光ファイバスパンを有している。既知の設計原理に従って、光源は、複数個の波長チャネル、特に前述されたＩＴＵ波長グリッドに従ったチャネルの各々において光放射を生成し、各々のチャネルにおける放射を変調し、及び全チャネルにおける変調済み放射を単一の光ファイバに多重化することが可能である。この種の目的に係る変調は、各々のチャネルに対するマッハツェンダー（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）変調器によって実現されうる。あるいは、放射源が変調済み信号によって直接駆動される。
【００２６】
光ファイバスパンの各々は、ある長さの分散シフトファイバを有している。ゼロ分散波長が、複数個のスパンのうちのあるもの、あるいはそれら全てにおいて、信号帯内あるいはそれに非常に近接して存在している場合も受け入れられる。代表的なスパン長は８０〜１００ｋｍである。本明細書に記載されている本発明の原理は、スパン長が１００ｋｍ以上の場合であっても適用可能であって、実際的な有用性を有していると思われる。同一の原理が８０ｋｍ未満のスパン長に対しても適用可能であるが、スパンをそのように短くする経済的動機は少ない。この種のスパンの個数は地域間距離に関しては４〜１０であり、大洋間距離に関しては２００〜３００である。以下に議論される理由から、比較的高いラマン効率を有するファイバを用いることが望ましい。ファイバは、考えている波長において７０平方ミクロン未満の実効面積を有する場合に比較的高いラマン効率を有していると見なされる。
【００２７】
本発明の一実施例を示す図２を参照すると、光源１００からの光信号は、通常個別のＥｒドープファイバ増幅器であるブースト増幅器１０５に入射し、その後、第一ファイバスパン１１０に入射する。ファイバスパン１１０は、リピータ１１５において終端されている。リピータ１１５内には、直前のファイバスパン１１０内のファイバコアを遠隔ポンピングするラマンポンピング源１２０が設置されている。ラマンポンピングの代表的な中心波長は１４５４ｎｍである。（当業者には、ラマンポンピング波長が増幅される波長帯から反ストークス（ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ）シフトと呼称される実効的な値だけ下側に存在しなければならないことは明らかである。）
【００２８】
光通信システムにおけるラマン増幅は、例えば、A.J.Stentzらによる１９９９年１月１９日付の米国特許出願第０９／２３３，３１８号、及び、L.E.Eskildsenらによる１９９６年６月６日付の米国特許出願第０８／６５９，６０７号に記載されている。
【００２９】
リピータ１１５内には、さらにＥｒドープファイバ増幅器１２５が配置されている。これは、公知の設計原理によって示されているように、３つの個別の増幅段、１２５．１〜１２５．３から構成されている。カスケード接続されたラマン及びＥｒ増幅器から得られる総出力強度の最大値の例は２２．５ｄＢｍである。これは比較的高い値であり、実質的により低い値であっても効果的であることに留意されたい。
【００３０】
カスケード接続された増幅器の複合利得スペクトルの利得平坦化は、公知の設計原理に従って実現される。実際、本発明の発明者は、信号帯全体、実際には１５３２ｎｍから１５６５ｎｍ、にわたる利得の変化が１．０ｄＢ未満に抑制されうることを見出した。
【００３１】
以降のファイバスパン１３０は、リピータ１１５と同様のリピータによって終端される。
【００３２】
本発明の発明者は、上述された種類のシステムに係るラボラトリプロトタイプに関して（以下に記述されているような）実験的テストを実行した。第一の実験においては、用いられたプロトタイプは、８つのスパンに分割された総実効長６７０．４ｋｍを有し、各々が波長１５５０ｎｍにおいて１７．５ｄＢの損失を有していた。第一の実験では、各々のスパンにおいて４４０ｍＷのラマンポンピングを用い、１００ＧＨｚの間隔を有するように配置された波長範囲１５４１．７５ｎｍ〜１５６１．０１ｎｍの範囲における２５チャネル内で信号が送出された。
【００３３】
第二の実験においては、用いられたプロトタイプは、４つのスパンに分割された総実効長３３５．２ｋｍを有していた。第二の実験では、各々のスパンにおいて４４０ｍＷのラマンポンピングを用い、同一の波長範囲内で５０ＧＨｚの間隔を有するように配置された４９チャネル内で信号が送出された。
【００３４】
第一の実験では、２５チャネル間での最小光信号帯雑音比（ＯＳＮＲ）は２２．１ｄＢであり、全てのチャネルが１６．３ｄＢを越えるＱ値を有していた。このＱ値は３×１０^-11のビットエラーレートに対応する。
【００３５】
第二の実験では、４９チャネル間での最小ＯＳＮＲは２０．７ｄＢより大きく、全てのチャネルが少なくとも１６．３ｄＢのＱ値を有していた。前述されているように、これは３×１０^-11以下のビットエラーレートに対応する。
【００３６】
重要なのは、この分散ラマン増幅の例においては、遠隔ポンピングを用いることによって、双方の実験の場合とも、総入射強度をわずか４．１ｄＢｍに低減することが可能であったことである。結果として、このような低入射強度により、特に四光波混合のような非線型効果が実質的に抑圧された。（ここで示された例においてはある種の非線型効果が主要なものであったが、別のシステムにおいては非線型効果の組み合わせが主たるものである場合もあり得ることに留意されたい。）実際、ある具体的チャネルに一致する四光波混合積の総強度は、第一の実験においては信号強度より１９．７ｄＢ低いものであり（この実験では全てのチャネルは同一方向の直線偏光であって四光波混合をさらに起こしやすい条件であった）、第二の実験においては信号強度より２１．９ｄＢ低いものであった（この場合には、チャネルはより近接していたものの偏光方向は相対的に任意であった）。
【００３７】
実際、実験においては、各々のリピータの第一段に遠隔ポンピング増幅を適用した。このことによって、システムの雑音性能が著しく改良されることが見出された。この改良により、各々のスパンに入射される信号の強度を四光波混合や他の非線型効果を実質的に抑制するのに充分な程度まで低減することが可能になった。
【００３８】
これに対して、遠隔ポンピングを利用しないシステムにおいては、非線型効果の結果として実質的な性能劣化が生ずることは明らかである。この種の劣化は、例えば、システムから受信される信号のＱ値の減少などで明らかとなる。
【００３９】
本発明に従った遠隔ポンピング増幅を用いることにより、システム全体のＱ値が少なくとも２ｄＢ、すなわち少なくとも３７％改善されることは明らかである。つまり、本発明に従ってシステムの全てのスパンにおいて強度補償を行なうことにより、非線型効果を、Ｑ値を少なくとも２ｄＢ劣化させることが困難な程度にすることが可能である。実際、このような劣化は、多スパンシステムの全てを強度補償しない場合においてもしばしば生ずるものである。その代わり、このような劣化をもたらすためには、最終段から始めて逆方向に遠隔ポンピングされたスパンのうちのいくつかを強度補償することで充分である。
【００４０】
前述されているように、四光波混合は、信号帯内でファイバが低分散を有する場合に特に主となる非線型効果である。このようなファイバが用いられる場合には、本発明によって実現される利点を計る別の指標は、各遠隔ポンピングされているスパンにおいて四光波混合の効果を評価することである。各波長チャネルに関して、各々の遠隔ポンピングされたスパンの端部での望ましくない四光波混合積の強度が信号強度で除され、比が求められる。各スパンにおいて強度補償を行なうことにより、各チャネルに関してこの比が増大する。これらの比は全て加算され、強度補償されたこれらスパン全体にわたる総和が計算される。本発明に従った少なくとも複数のシステムにおいては、各個別のチャネルに関して、遠隔ポンピングされた全てのスパンにわたるこの総和は、−１５ｄＢ未満である。しかしながら、強度補償がこれらのスパンのうちの、最終段から始めて少なくとも一つのある部分に対して適用された場合には、この総和が−１５ｄＢを越えるチャネルが少なくとも一つは存在する。
【００４１】
四光波混合は、チャネルが例えば２００ＧＨｚ未満の間隔で近接して配置されており、特に周波数に関して均等に配置されている場合に、より問題になることはよく知られている。よって、このような状況下においても、特に、少なくともいくつかの波長チャネルに関しては分散が３ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ未満であって、さらにいくつかの波長チャネルに関しては１．５ｐｓ／ｎｍ−ｋｍであったような場合に、本発明に係る方法を用いることによって高システム性能が実現できているということは重要である。
【００４２】
以上、ラマン媒体の遠隔ポンピング増幅が記述された。しかしながら、他の媒体もこのような状況下で有用であれば同様に遠隔ポンピングされることに留意されたい。よって、例えば、遠隔増幅は、分散Ｅｒ（あるいは他の希土類元素がドーピングされた）ファイバにおいても実現されうる。このようなファイバにおいては、例えば１ｋｍ以上という比較的長いファイバスパンにおいて比較的低濃度の希土類不純物が含まれる。遠隔増幅は、より高濃度に不純物をドープしたより短いファイバセグメントにおいても実現されうる。例えば、ある長さのＥｒドープファイバがファイバスパンに挿入され、信号と逆方向に伝播するポンピングビームによって伝送ファイバを介してポンピングされうる。この種の配置においては、ポンピングビームがポンピング源からＥｒドープされたセグメントへ伝播することによって、Ｅｒドープされた部分での利得と同時に伝送ファイバ部分でのラマン利得も実現することができる。
【００４３】
本発明に係る原理がアナログ及びデジタル光通信システムの双方に対して適用可能であることに留意されたい。ＳＮＲ及び性能指数のＱファクタはデジタルシステムを記述する際に一般に用いられるが、アナログシステムの性能を記述するためには他の性能指数がしばしば用いられる。それらには、キャリア対雑音比（ＣＮＲ）、複合二次歪み値（ＣＳＯ）、及び複合三次うなり（ＣＴＢ）などが含まれる。これらの性能指数は、前掲のE.Desurvireによる参照文献のそれぞれ第１９６頁及び第２０２頁において定義されている。アナログシステムに対して適用された場合の本発明によってもたらされる性能向上の一つの指標に、対応するアナログシステムのスパンにおける強度補償が含まれる。強度補償は、強度の増分ΔＰが、ＳＮＲではなく対応するＣＮＲの対数比である、という点を除いて、実質的に前述されているように実現される。本発明の原理を利用すると、アナログシステムの遠隔ポンピングされたスパンのうちのいくつかを最後のスパンから開始して逆方向に強度補償することにより、システム全体としてのＣＮＲ、ＣＳＯ、あるいはＣＴＢのうちの少なくとも一つにおいて少なくとも２ｄＢの劣化がもたらされることになる。
【００４４】
ＳＢＳは、ファイバの分散特性に関わりなく発生しうる非線型効果である。本発明の原理は、なかんずくＳＢＳを抑制するのに有効である。例えば、あるスパンにおいて与えられたチャネルに６ｄＢｍを越える強度が入射させられるようなシステムにおいては、そのスパンでの強度補償がそのチャネルにおいてＳＢＳのために反射される光強度を少なくとも−１５ｄＢ増大させる。
【００４５】
図３は、ＳＢＳを抑制する目的で本発明の原理が適用されることによって、その性能が実質的に改善されたアナログ光通信システム例を示している。信号源２００は、標準的な単一モードファイバよりなる単一のスパンの２０５にアナログ光信号を入射する。スパン２０５は、信号をレシーバ２１０へ伝達する。
【００４６】
例として、信号源２００は、１５５０ｎｍの放射を発生するＣＡＴＶ半導体レーザー送信器２１５、及びそれに引き続く位相変調器２２０及び振幅変調器２２５を有している。位相変調器は、部分的にＳＢＳを抑制する目的で、レーザー放射のスペクトル幅を２．５ＧＨｚに拡大する。（さらなる拡大は、システム性能を劣化させる可能性がある。）チャネル当たり例えば３．３％の光変調深度を用いた振幅変調器は、例えば７７ＡＭ−ＶＳＢビデオチャネル２３０の情報内容をレーザービーム上に符号化する。信号源２００は、ＣＮＲが５５ｄＢ、ＣＳＯが−７０ｄＢｃ、及びＣＴＢが−７０ｄＢｃで、ファイバに結合される強度が１７ｄＢｍの放射を生成する。
【００４７】
ファイバスパン２０５は、例えば＋１７ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの分散、有効面積７０平方ミクロン、長さ６０ｋｍ、及びスパン損失１８ｄＢを有している。
【００４８】
重要なことには、ラマンポンピング源２３５が、信号とは逆の伝播方向に、１４５５ｎｍ、３００ｍＷのポンピング放射をスパン２０５の出力端から入射する。
【００４９】
ポンピング源２３５が遮断される場合には、スパン２０５の強度補償がなされるが、（前述されているように）ＣＮＲを上昇させ、ＳＢＳ閾値が越えられてしまい、反射光強度の少なくとも−１５ｄＢとなってしまう。
【００５０】
前述されているように、クロス位相変調（ＣＰＭ）はやっかいな非線型効果の一つである。ＣＰＭは高データレートにおいて、そして、例えば局所分散が１０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍより大きいような比較的高い分散を有するファイバにおいては全てのデータレートで特に問題である。（厳密に言えば、ここでは群速度分散のことについて言及している。）非常に簡潔に述べれば、ＷＤＭシステムを伝播する信号は、カー（Ｋｅｒｒ）非線型性と呼称される効果によって、同時に伝播するチャネルに関して位相ひずみを誘導する。分散は、この位相ひずみを、システム性能を劣化させる傾向を有する振幅歪みに変換する。相異なった波長チャネルは一般に相異なった群速度を有するため、同時に伝播するチャネル内のビットが伝送の間に互いにウォークスルーする傾向を有してしまう。原理的には、ＣＰＭ位相歪みは、このウォークスルー全体を経る間にその全体あるいは部分がキャンセルされるはずである。しかしながら、対応する群速度がごくわずかしか違わない場合にはウォークスルーに時間がかかり、その間に著しいファイバ減衰を被ってしまう。このような場合には、有効な打ち消しは生じない。よって、チャネル間隔が減少させられると、有効な打ち消しの量は減少する傾向を有しており、残存するＣＰＭの量は増大する傾向がある。ＣＰＭ位相シフトの打ち消しは、隣接するチャネルにおけるパルスがスパンの開始部において部分的にオーバーラップしている場合にも不完全となる。
【００５１】
多重スパンシステムにおけるＣＰＭに係る共鳴現象が観測されている。非常に簡潔に述べれば、あるスパンに入射する際に同時に伝播する信号対のビット間で誘導された位相ひずみが、次のスパンに入射する際に歪まされたビットが干渉しているチャネルの他のビットと一致した場合に増大させられる、というものである。システムのビットエラーレートにおける共鳴ピークは、（チャネル間隔が一定に保たれた場合に）ビットレート掃引におけるいくつかの位置に、そして、（ビットレートが一定に保たれた場合に）チャネル間隔掃引におけるいくつかの位置に、それぞれ存在することが予測される。
【００５２】
この共鳴現象は、A.R.Chraplyvyらによる１９９８年９月１５日付の“クロス位相変調を低減した波長分割多重化システム”という表題の米国特許出願第０９／１５３，６０５号に詳細に記述されている。これは、本発明の参照文献である。このChraplyvyによる文献では、ＣＰＭを低減するための種々の技法が議論されている。それらには、可変クロック位相差の利用が含まれる。クロック位相差は、チャネル対間でのビット遷移時間の時間差である。ＣＰＭを抑制するために、干渉するチャネル対間のクロック位相差は、相異なったスパンへの入力において、異なるように設定される。
【００５３】
Chraplyvyによる文献において議論されている他の技法には、相異なったスパンへ相異なった長さの分散補償ファイバを追加する方法、チャネル間でのビット変調レートあるいはクロック位相遅延を変化させる方法、及び各チャネルに関して相異なった波長選択位相遅延を用いる方法などが含まれる。
【００５４】
Chraplyvyによる文献において議論されている種類の光通信システムの特徴が図４に示されている。このシステムに含まれるのは、それぞれの波長λ₁−λ_Nでの放射を生成する光源３００、及び、それぞれのデータ信号源３１０によって生成されたデータ信号でそれぞれの波長を変調する対応する変調器３０５である。それぞれの遅延回路３１５が、対応するデータ信号に遅延すなわち位相シフトを付加する。データ信号間でこの種の遅延の量を変化させることによって、システム内のＣＰＭの累積を低減することが可能である。マルチプレクサ３２０は、それぞれの変調器からの出力を組み合わせ、単一あるいは複数個のファイバスパンにわたって伝送されるＷＤＭ信号を生成する。図示されているのは第一ファイバスパン３２５及び最終ファイバスパン３３０である。各々のファイバスパンは、図示されているように、個別の光増幅器３３５で開始されて個別の光増幅器３３５で終了する。デマルチプレクサ３４０は最終ファイバスパンからＷＤＭ信号を受信し、それを波長チャネル毎に対応する光レシーバ３４５へと分配する。波長遅延回路３５０は、各々のスパンにおいてそれぞれ可変遅延を課する。この種の回路はスパン内のいずれの点に配置することも可能であるが、図示されているように、影響を受けるスパンの開始部における光増幅器の段間に配置することが特に有利である。
【００５５】
本発明を図４に示されているようなシステムに適用することによって、さらなる利点が生成される。本発明に従ってさらに図示されているのは、各ファイバスパンにおける遠隔ポンピング増幅を実現するためのラマンポンピング源３５５である。個別の増幅器３３５は各ファイバスパンの開始部において信号利得を実現するが、各ラマン（あるいは他の遠隔）ポンピングは、実質的にそれら個別の増幅器の下流に位置するファイバ部分における信号利得を実現する。遠隔ポンピング増幅のために、個別の増幅器における利得を低下させることが可能であり、従って、ＣＰＭが最も問題になる各ファイバスパンの開始部で注入される信号強度が低下させられることが可能である。
【００５６】
ＣＰＭの抑制目的では、本発明は、局所分散が１０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍよりも大きく、２００ＧＨｚ未満の間隔で配置された少なくとも一対の波長チャネルで用いられている、少なくとも二つのファイバスパンを有するＷＤＭシステムにおいて用いられるのが最も効果的である。
【００５７】
前述の第一及び第二の実験は、図５に示されている研究所向けプロトタイプを用いて実行された。波長範囲１５４１．７５ｎｍから１５６１．０１ｎｍにわたって５０ＧＨｚの間隔で配置された４９のレーザー光源が、二つのバンク４００及び４０５に配置された。レーザーはスタガ配置されており、一方のバンクは奇数チャネルのみを含み、他方は偶数チャネルのみを含んでいた。各々のバンクにおける全てのレーザーは、それぞれマッハ＝ツェンダー（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）変調器４１０、４１５を用いて変調された。これらの変調器を用いて、２³¹−１の擬似乱数ビットシーケンスの形態を有するデータが、１０Ｇｂ／ｓのデータレートで変調された。変調器４１０及び４１５からの組み合わせられた出力は、ハイブリッド増幅器４２０を含むファイバループに入力された。増幅器４２０の出力において、光１０％カップラ４２５が光信号を分割してレシーバ４３０とスペクトルアナライザ４３５へ導いた。ファイバスパンは、およそ５０平方ミクロンの有効断面積を有する分散シフトファイバよりなる５つの部分４４０．１〜４４０．５を有していた。各部分のそれぞれの長さ及びゼロ分散波長は次の通りであった：部分４４０．１は２３．０２５ｋｍ及び１５４７．８ｎｍ；部分４４０．２は１０．４６８ｋｍ及び１５４９．９ｎｍ；部分４４０．３は１６．７９４ｋｍ及び１５７８．５ｎｍ；部分４４０．４は１５．７１２ｋｍ及び１５４９．７ｎｍ；部分４４０．５は１７．７９５ｋｍ及び１５４７．４ｎｍ。
【００５８】
ハイブリッド増幅器４２０は、伝送ファイバ内のラマン利得を用いる分散第一段及びそれに引き続く三段のＥｒドープファイバ増幅段４４５．１〜４４５．３を有していた。（ラマンポンピング源は、図中では参照番号４５０で示されている。）
【００５９】
第一の実験においては、前述されているように、１００ＧＨｚ毎に等間隔に配置された２５のチャネルが八つのループを通じて伝播させられた。全てのチャネルが単一の変調器によって符号化されたため、ループに入射させられる前にある長さの−８２ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの分散を有する分散補償ファイバが挿入され、隣接チャネル間の相関の解消が図られた。受信前の段階では、全てのチャネルは＋１６０ｐｓ／ｎｍの分散を受けていた。図６は、この実験において前述の２５チャネルに関して測定されたＱ値及び対応するビットエラーレート（ＢＥＲ）を示している。
【００６０】
第二の実験においては、前述されているように、全４９チャネルが四つのループを通じて伝播させられた。図７は、この実験において前述の４９チャネルに関して測定されたＱ値及び対応するビットエラーレート（ＢＥＲ）を示している。
【００６１】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので，この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００６２】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、望ましくない非線型効果を抑制してシステム性能を向上させた光通信に係る方法及び関連するシステムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術に係る光通信システム例を模式的に示す図。
【図２】本発明に係る光通信システムの一実施例を模式的に示す図。
【図３】本発明が適用されたアナログ光通信システム例を模式的に示す図。
【図４】 Chraplyvyによる参照文献において議論されている種類の光通信システムを模式的に示す図。
【図５】本発明の原理の有効性を例示する目的で行なわれた実験に用いられた装置を模式的に示す図。
【図６】図５に示された装置において取得された特性を示す図。
【図７】図５に示された装置において取得された特性を示す図。
【符号の説明】
１０光信号源
１５光ファイバ伝送線路
２０光レシーバ
２５リピータ
３０ファイバスパン
３５、４０光増幅器
５０ポンピング光源
５５ファイバセグメント
１００光源
１０５ブースト増幅器
１１０ファイバスパン
１２０ラマンポンピング源
１２５Ｅｒドープファイバ増幅器
１３０ファイバスパン
１３５リピータ
２００信号源
２０５ファイバスパン
２１０レシーバ
２１５レーザー送信器
２２０位相変調器
２２５振幅変調器
２３０ビデオチャネル
２３５ラマンポンピング源
３００光源
３０５変調器
３１０データ信号源
３１５遅延回路
３２０マルチプレクサ
３２５、３３０ファイバスパン
３３５光増幅器
３４０デマルチプレクサ
３４５光レシーバ
３５０波長遅延回路
３５５ラマンポンピング源
４００、４０５レーザーバンク
４１０、４１５光変調器
４２０ハイブリッド増幅器
４２５光カップラ
４３０光レシーバ
４３５スペクトルアナライザ
４４５Ｅｒドープファイバ増幅段
４５０ラマンポンピング源

Claims

リピータユニットで分離された複数の光ファイバスパンからなるＤＷＤＭ通信システムを動作させるための方法であって、該システムにおいて、各リピータユニットが複数の波長チャネルを持つ光信号をそれぞれの注入信号電力レベルにおいてその後に続くスパンに注入し、該システムは、目標とする信号対雑音比（ＳＮＲ）が各スパンの端部で適合又は充足されなければならないという設計基準を有し、該システムは受信信号の解読におけるエラーを引き起こす非線形光効果にさらされ、該エラーは、高い品質ファクタＱ値が低いビットエラーレート（ＢＥＲ）に関連するようなＱ値による信号の統計に関係し、該方法は、
少なくとも１つのスパンに対して、該スパンの終端で目標のＳＮＲに到達するのに必要な電力の不足分ΔＰだけ不足する注入電力レベルで光信号を注入するステップであって、ΔＰはＱ値をチャネル毎に少なくとも２ｄＢ上昇させるために選択されるステップ、及び
遠隔ポンピング増幅を前記少なくとも１つのスパン内の該光信号に付加することによって前記不足分を補償するステップ
からなる方法。
請求項１記載の方法において、
前記光信号を送出するデータレートが存在し、
光信号が少なくとも２つのチャネルで送出され、及び
周波数において前記データレートの２００倍以下の間隔を有する光信号を伝達する少なくとも一対のチャネルが存在する
ことを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、通信ケーブルの該光ファイバスパンがゼロ分散・分散シフトファイバからなることを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、該遠隔ポンピング増幅がラマン増幅によって実行されることを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、前記信号注入が、該光信号をエルビウムドープファイバ増幅器において増幅するステップからなることを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、
少なくとも１つのスパンを介して伝送された該光信号が、該スパンの終端に到達する前に遠隔ポンピングされたラマン増幅によって増幅され、その後該スパンの終端に到達した後にエルビウムドープファイバ増幅器によって増幅されることを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、
該光信号が少なくとも２５波長チャネルで送出されるデータからなり、
該２５チャネルのうちの各隣接する対間の周波数間隔が１００ＧＨｚ以下であり、
該目標ＳＮＲレベルが少なくとも２０．７ｄＢであり、及び
前記２５チャネルの各々のＱ値が少なくとも１６．３ｄＢとなるようにΔＰが選択される
ことを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、該光信号が少なくとも２５波長チャネル上で送出されるデータからなり、該２５チャネルが２００ＧＨｚ以下の周波数間隔で等間隔に隔てられていることを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、
該光信号が、１００ＧＨｚ以下の間隔で隔てられるとともに各チャネル当たり少なくとも１０ＧＨｚの割合で送信される２５以上の波長チャネルにおけるデータからなり、
さらに、ＢＥＲを前記波長チャネル毎に３×１０ ^−１１未満に低減するようにΔＰが選択される方法。
リピータユニットで分離された複数の光ファイバスパンからなる通信システムを動作させるための方法であって、該システムにおいて、各リピータユニットは１以上の波長チャネルを占有するアナログ光信号をそれぞれの注入信号電力レベルにおいてその後に続くスパンに注入し、該システムは目標とするキャリア対雑音比（ＣＮＲ）が各スパンの端部で適合又は充足されなければならないという設計基準を有し、該システムは、システム全体としてのキャリア対雑音比、システム全体としての複合２次歪み値又はシステム全体としての複合３次うなりの少なくとも１つによって測定されるようなシステム性能の低下を引き起こす非線形光効果にさらされ、該方法は、
少なくとも１つのスパンに対して、該スパンの終端で目標のＣＮＲに到達するのに必要な電力の不足分ΔＰだけ不足する注入電力レベルで光信号を注入するステップであって、ΔＰは該少なくとも１つの性能測定値を少なくとも１つの波長チャネルで少なくとも２ｄＢ改善するように選択されるステップ、及び
遠隔ポンピング増幅を前記少なくとも１つのスパン内の該光信号に付加することによって前記不足分を補償するステップ
からなる方法。