JP3737316B2 - 光中継器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信に利用する。本発明は光波長多重通信方式に利用する。本発明は、光信号を増幅する光増幅器と、この光増幅器に接続される光ファイバ内を伝送する光信号に分布ラマン増幅効果による利得を発生させる増幅手段とを併用する光中継器の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光波長多重通信方式では、一つの光ファイバにｎ個の異なる波長の光信号が伝送される。すなわち、送信装置ではそれぞれ情報信号により高速変調（例えばパルス変調）された、互いに波長の異なるｎ個の光信号を光合波器により一つに合波して、伝送線路となる一つの光ファイバの一端に送出する。受信装置では、その光ファイバの他端に現れるｎ個の異なる波長の光信号を光波長分波器により波長毎に分離して、ｎ個の光信号とし、そのｎ個の光信号をそれぞれ復調して情報信号を取り出す。
【０００３】
伝送線路となる光ファイバの内部では、その距離に応じて光信号が減衰するから、送信装置では光信号を光増幅器により増幅して高いパワーの光信号として光ファイバに送信し、受信装置でも光波長分波器に入力する前に到来する光信号を光増幅器により増幅する。伝送線路の距離が長いときには、伝送線路の途中に光増幅器を挿入して中継増幅することができる。光増幅器の入力端の雑音レベルから光増幅器の入力信号最小光パワーレベルが定まり、その光増幅器の出力歪から光増幅器の出力信号最大光パワーレベルが定まり、一般に、この入力信号最小光パワーレベル、出力信号最大光パワーレベルおよび光ファイバの減衰特性から、中継用の光増幅器を設置しなければならない一区間の伝送路の最大長さ（中継間隔）が定まる。光波長多重通信方式では、光増幅器の出力信号最大光パワーレベルはその多重数ｎの関数となる。
【０００４】
一方、光ファイバの内部には、屈折光がスペクトルに分解する光の分散現象がある。これは光波長により光ファイバ内部の屈折率がわずかに異なることから、伝送する光信号の波長（または周波数）により光ファイバ内の光伝搬速度が異なることに起因するものである。光信号にパルス変調を施すと実質的に光信号の波長帯域幅が拡がるから、これは、光の分散により送信端で送信した変調波形がそのまま受信端に到達しない、いわゆる被変調光信号の波形歪みとなって現れる。これは変調周波数、つまり情報信号の速度が大きいほど大きい影響を受けることになる。
【０００５】
この影響を回避するために、きわめて高速の情報信号（例えば１０Ｇｂ／Ｓ）を伝送する分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ，Dispersion Shift Optical Fiber) が知られている。これは、光信号の波長をその光ファイバの性質から光の分散が小さくなる波長に設定できるように工夫したものであり、現在の技術では例えば１．５５μｍＤＳＦなどが実用的に利用できる。光波長多重通信方式についてもこのような分散シフト光ファイバを利用して、ｎ個の光信号の波長の間隔をできるだけ狭くして、ｎ個の光信号のすべてを集中的にこの光分散の小さくなる波長に設定できるようにすることが、高速信号の伝送のために有利であると考えられている。
【０００６】
この分散シフト光ファイバを利用して光波長多重伝送通信を行うと、上記のように光増幅器の入力信号光パワーレベル、出力信号光パワーレベル、および光ファイバの伝送損失のほかに、中継用の光増幅器を挿入しなければならない一区間の伝送路の最大長さ（中継間隔）を制限する要素が発生する。これは光ファイバの非線形効果のひとつである四光波混合（ＦＷＭ，Four Waves Mixing,周波数がνａ、νｂ、νｃの３波より周波数がνa ＋νb −νc になる新たな光が発生する現象） によるものである。この非線形効果により発生した波の波長がｎ個の信号光波長により発生し、その発生光が別の信号光と同一波長となる可能性があり、この場合にはこれが雑音となる。この四光波混合は光ファイバの媒体で発生するものであり、その大きさは入力パワーの３乗に比例するため、この影響を抑えるには伝送路となる光ファイバへの入力パワーを小さくすることがきわめて効果的である。
【０００７】
この問題を解決するために、上述のような中継用の光増幅器とともに、併せてその光増幅器に接続される光ファイバの内部に分布ラマン効果による利得を発生させて、光増幅器の出力パワーレベルを低減することが提案された（P B Hansen et al., OFC'99 PD8-1)。しかしこの提案の中では、伝搬信号と逆方向にのみ励起光を注入するように構成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献によれば、上記提案にあるように信号と逆方向にのみ励起光を注入して分布ラマン効果による利得を発生する構成では、十分に光増幅器の出力光パワーレベルを低減することができず、四光波混合光の発生を充分に低減できない。また、一般に、分布ラマン効果による利得を利用することができる波長帯域はきわめて狭い波長帯域であるとともに、その分布ラマン効果による利得が発生する波長帯域の中心から離れるほど、利用できる効果が小さくなる性質がある。したがって中継を繰り返す毎に、分布ラマン効果による利得が発生する波長帯域は実質的に狭くなる。上記文献によれば、多重するｎ個の光信号の波長間隔を５０ＧＨｚとした場合にも、たかだか４中継、すなわち３３５ｋｍの伝送が可能であるにすぎない。この波長多重の間隔を１００ＧＨｚとする場合には、これが８中継まで可能になるが、その場合にも波長多重の間隔が１００ＧＨｚでは、一つの光信号に多重することができるチャンネル数は２５にすぎないことになる。
【０００９】
本発明は、これをさらに改良する光中継器および光通信方式を提供することを目的とする。本発明は、四光波混合により光波長多重信号の一部に発生する雑音を低減し、伝送距離を飛躍的に拡大することができる光中継器および光通信方式を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光中継器（１０）は、光波長多重信号を増幅する光増幅器（１）と、この光増幅器の入力側に接続された光ファイバ（１１）内で前記光増幅器に向かう光波長多重信号に対して分布ラマン効果による利得を発生させる励起光を信号と逆方向に注入する第一の手段（２、３）と、この光増幅器（１）の出力側に接続された光ファイバ内で前記光増幅器から送出された光波長多重信号に対して分布ラマン効果による利得を発生させる励起光を信号と同じ方向に注入する第二の手段（４、５）とを備えたことを特徴とする。ここで括弧内の数字は、実施例図面（図１）の参照符号である。これは構成を理解しやすいように書き添えたものであり、本発明を実施例に限定して解釈しようとするものではない。
【００１１】
すなわち、本発明は上記提案（P B Hansen et al) にあるように、中継用の光増幅器の出力側に接続された光ファイバ内を伝送する光波長多重信号に（前方励起により）分布ラマン効果による利得を発生させるとともに、この光増幅器の入力側に接続された光ファイバ内を伝送する光波長多重信号にも（後方励起により）分布ラマン効果による利得を発生させるものである。光増幅器の入力側に接続された光ファイバに励起光を注入すると、その光ファイバの後方の部分で分布ラマン効果による利得が発生するので、これを「後方励起」といい、光増幅器の出力側に接続された光ファイバに励起光を注入すると、その光ファイバの前方の部分で分布ラマン効果による利得が発生するので、これを「前方励起」ということにする。
【００１２】
これにより、光増幅器の増幅率を低くして光増幅器の出力光パワーレベルを下げることができる。光増幅器の最小入力光パワーレベルは、光増幅器の雑音特性により定まるから、中継間隔を一定とすると、出力光パワーレベルを下げるには光増幅器の増幅利得を下げなければならない。また、出力光パワーレベルを低くする必要がない場合には、本発明による効果を中継利得を増大させるように利用することもできる。
【００１３】
前方励起と後方励起のそれぞれの効果を簡単な模式的な図面を用いて説明すると、図２は光ファイバ内の信号光パワーの分布を示す図である。横軸は光ファイバ入力端からの距離であり、右端が光ファイバ出力端となる。この図に表示された値は正規化されている。一目盛りが１単位長と理解するとよい（さらに具体的な例示として、この１単位長は１．５５μｍＤＳＦの１０ｋｍである）。縦軸は光ファイバ内の信号光パワーである。これも正規化されて表示されている。縦軸のスケールは、前方励起も後方励起もなく光増幅器のみが用いられる場合に、その光増幅器の出力点の光パワーが「１」となるように正規化されたものである。縦軸は対数尺である。
【００１４】
いま前方励起も後方励起もない場合には、光ファイバ内の信号光パワーの分布は距離にしたがって、対数的に比例して減衰するから図２の直線Ａのようになる。これに後方励起を行い光増幅器の入力に接続された光ファイバの中で分布ラマン効果による利得を発生させる。いまこの分布ラマン効果による利得を１０ｄＢ（電力比１０）とすると、光増幅器の出力光パワーレベルを１０ｄＢ下げることができる。したがって、この場合の信号光パワーの分布は直線Ａを平行に１０ｄＢ下げた状態となるとともに、この光ファイバの後方で分布ラマン効果による利得が発生し、信号が増幅され、全体として曲線Ｂのようになる。ここで分布ラマン効果による利得が１０ｄＢとすることは、実用的に不自然な値ではない。
【００１５】
後方励起を行わずに前方励起のみ（光増幅器の出力側のみの励起）を行うと、この場合の分布ラマン効果による利得を同じく１０ｄＢとすると、光増幅器の出力光パワーレベルを１０ｄＢ下げることができる。そしてこの場合には光ファイバの前方で分布ラマン効果による利得が発生するから、その信号光パワーの分布は曲線Ｃのようになる。そして、後方励起および前方励起をともに行うと、光増幅器の出力光パワーレベルを２０ｄＢ（電力比で百分の１）に下げることができ、その光ファイバ内の信号光パワーの分布は曲線Ｄのようになる。これら曲線Ｂ、Ｃ、Ｄの形状はそれぞれ理論計算によるものである。このように本発明により後方励起と併せて前方励起を行うことにより、光増幅器の信号レベルを下げる効果は相乗されることになる。
【００１６】
このように本発明の装置では、上述の四光波混合による雑音（出力光パワーの３乗に比例する）に対してきわめて有効であり、四光波混合による雑音について光増幅器を設置すべき距離（中継間隔）を制限する要因を大幅に改善できる。また、本発明により出力光パワーレベルを下げることにより、波長多重信号の相互干渉が小さくなるから、波長多重密度を上げることができる。これはとくに、上述の分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）を用いるときに有利である。
【００１７】
本発明では、前記第一の手段（２，３、後方励起）および前記第二の手段（４，５、前方励起）による光ファイバに注入される励起光による分布ラマン効果による利得が有効である波長域は、光増幅器（１）が増幅利得を有する波長域と重なるように設定することが光増幅器の出力光パワーレベルを低減するためには望ましい。図３はこの概念図である。この場合には、分布ラマン効果による利得は後方励起および前方励起がそれぞれを分担するのではなく、後方励起も前方励起もともに波長が重なるように設定する。
【００１８】
また、分布ラマン効果による利得が有効である波長範囲を大きくとるときには、前記第一の手段（２，３、後方励起）の励起光の波長と前記第二の手段（４，５、前方励起）の励起光の波長とは重ならないように設定することができる。図４はこの概念図である。この場合には、分布ラマン効果による利得は後方励起および前方励起がそれぞれを分担することになる。
【００１９】
本発明のもうひとつのカテゴリは光中継伝送路であって、上述の光中継器が光ファイバを介して複数個接続されたことを特徴とする。さらにこの光ファイバを分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）とするときには上述のように、波長多重の密度を高くすることができるからその効果が大きい。
【００２０】
本発明のさらにもうひとつのカテゴリは光波長多重通信方式であり、この光波長多重通信方式は、光波長多重信号を増幅する光増幅器の出力側に接続された光ファイバ内で前記光増幅器から送出された光波長多重信号に対して分布ラマン効果による利得を発生させる励起光を注入する第二の手段を含む送信装置と、光波長多重信号を増幅する光増幅器および分布ラマン効果による利得を発生させる励起光を注入する第一の手段および第二の手段を含む光中継伝送路と、光増幅器の入力側に接続された光ファイバ内で前記光増幅器に向かう光波長多重信号に対して分布ラマン効果による利得を発生させる励起光を注入する第一の手段を備えた受信装置とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
この光波長多重通信方式は、光増幅器の出力光信号パワーレベルがきわめて小さく設定できるので、光ファイバ内で発生する四光波混合が妨害を与える可能性をきわめて小さくすることができるとともに、光増幅器のパワーレベルが小さくなることにより設計の自由度がいちじるしく向上する効果がある。
【００２２】
【発明の実施の形態】
長距離の光ファイバを用いて本発明の試験を行うことは簡単でないので、ここでは擬似的に長距離の光ファイバ伝送路を構成する周回系を用いて、本発明の効果を確認するための試験を行った。その試験の形態と試験結果を以下に説明する。
【００２３】
図５は本発明の効果を確認するための試験系の構成図である。送信装置２０により光多重数ｎ＝３２チャンネル、チャンネル間隔５０ＧＨｚ、それぞれ擬似情報信号（１０Ｇｂ／Ｓ）で変調された光波長多重信号を作り、これをスイッチＳＷ１を短く閉じることにより、バースト信号として２×２合波器４１を経由して試験用の光ファイバ１１に入射する。光ファイバ１１は距離８０ｋｍのＤＳＦ（Dispersion Shift Optical Fiber) であり、この光ファイバ１１の出口に光増幅器１を設ける。
【００２４】
この光増幅器１の出力端のスイッチＳＷ２を閉じることにより、このバースト信号はこの光ファイバ１１を周回する。この光増幅器１の入力端には励起光源２から方向性結合器３を介して、光ファイバ１１に対して後方励起を行う。この光増幅器２の出力端に相当する位置には方向性結合器５を設け、励起光源４から前方励起を行う。この後方励起および前方励起により、光ファイバ１１の中を通過する光信号に対して、それぞれ分布ラマン効果による利得が発生する。すなわち、この装置により光ファイバ１１を周回するバースト信号は光増幅器１で増幅されるとともに、その入力側の後方励起により分布ラマン効果による利得が発生し、その出力側の前方励起により分布ラマン効果による利得が発生する。後方励起光源２の波長は１４４０ｎｍであり、前方励起光源４の波長は１４６０ｎｍである。
【００２５】
バースト信号がこの光ファイバ１１の周回系を適当な回数だけ周回したときに、スイッチＳＷ２を開き周回を停止させ、このバースト信号を２×２合波器４１を介して受信装置３０に取り込む。この受信装置３０に取り込まれる信号は２×２合波器４２により分岐して、スペクトラムアナライザ４３に接続し、波形観測を行うことができる。この波形観測により光信号の利得を測定することができる。
【００２６】
受信装置３０では、光波長多重信号を光分波器３２によりそれぞれ３２個の光信号に分離し、それぞれ受光回路３５により電気信号に復元し、バースト信号が周回により伝送した距離にしたがって、信号誤り率を誤り率測定器３６により測定することができる。
【００２７】
送信装置２０に挿入した分散補償光ファイバは、１個の変調器で変調されたそれぞれ１６チャンネルの間のビットパターンの相関をなくすための波長分散を与えるために利用するものである。また受信装置３０に挿入したシングルモード光ファイバは、送信装置に挿入した分散補償光ファイバの波長分散値を打ち消すために利用するものである。これらは試験系の精度を上げるための操作であり、本発明の構成とは直接に関係がない。
【００２８】
図６に波長利得特性の試験結果を示す。横軸に光波長をとり、縦軸に利得（ｄＢ表示）をとる。白丸は光増幅器１の利得特性であり、黒丸は分布ラマン効果による利得特性であり、三角印は総合利得特性であり、それぞれ図５に示す試験系により実測された結果である。総合利得（三角印）が矢印で示す利用波長帯域でほぼ１周回区間のスパン損失（３１ｄＢ）になるように利得調節を行った。
【００２９】
図７に６４０ｋｍ相当（８周回）の伝送後の光パワースペクトルを示す。（ａ）は全チャンネルの伝送後スペクトルであり、（ｂ）は試みにチャンネル１６だけを除いた場合の伝送後スペクトルである。これにより長距離伝送によっても正しく波長多重が行われていることが確認できる。
【００３０】
図８に６４０ｋｍ相当の伝送を行う前後の情報信号アイパターンを示す。本発明の方式により６４０ｋｍの伝送後にも十分鮮明にアイパターンが現れ、二値識別が可能であることがわかる。
【００３１】
図９に６４０ｋｍ伝送後の各チャンネルの誤り率１０（−９乗）におけるパワーペナルティを示す。６４０ｋｍの伝送後にも全チャンネルにおいて誤り率１０（−９乗）が達成されていることがわかる。
【００３２】
比較例として、図５に示す試験系で、ちなみに前方励起を停止して後方励起のみを用いた場合には、同じく５０ＧＨｚ間隔３２チャンネルの条件で、各チャンネルの誤り率１０（−９乗）が達成できる最大伝送可能距離は４中継区間３２０ｋｍであった。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、光増幅器と双方向の分布ラマン効果による増幅を利用することにより、光ファイバの入力光パワーレベルを低減することができ、これにより光ファイバの非線形効果による歪みを低減することができる。これにより従来例伝送不可能であった零分散領域において、高い密度の波長光多重伝送を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例光多重通信方式のブロック構成図。
【図２】本発明の効果を説明する光ファイバ内の信号光パワーの分布を示す図。
【図３】光増幅器による利得と分布ラマン効果による利得の波長帯域を説明する図。
【図４】光増幅器による利得と分布ラマン効果による利得の波長帯域を説明する図（前方励起と後方励起の波長帯域を違えた場合）。
【図５】本発明の試験系のブロック構成図。
【図６】本発明の試験結果を示す波長利得特性図。
【図７】本発明の試験結果を示す６４０ｋｍ相当伝送後の信号光スペクトル図。
【図８】本発明の試験結果を示す６４０ｋｍ相当伝送後の情報信号アイパターン。
【図９】本発明の試験結果を示す６４０ｋｍ相当伝送後の誤り率１０（−９乗）におけるチャンネル毎のパワーペナルティ。
【符号の説明】
１ 光増幅器
２ 励起光源（後方励起用）
３ 方向性結合器
４ 励起光源（前方励起用）
５ 方向性結合器具
１０ 光中継器
１１ 光ファイバ
１２ 光ファイバ
２０ 送信装置
３０ 受信装置

Claims (7)

1. 光波長多重信号を増幅する光増幅器と、この光増幅器の入力側に接続された光ファイバ内で前記光増幅器に向かう光波長多重信号に対して分布ラマン効果による利得を発生させる励起光を注入する第一の手段と、この光増幅器の出力側に接続された光ファイバ内で前記光増幅器から送出された光波長多重信号に対して分布ラマン効果による利得を発生させる励起光を注入する第二の手段とを備えたことを特徴とする光中継器。
2. 前記第一の手段および前記第二の手段により光ファイバに注入される励起光による分布ラマン効果の利得領域の波長域は、前記光増幅器が増幅利得を有する波長領域と重なるように設定された請求項１記載の光中継器。
3. 前記第一の手段の励起光の波長と前記第二の手段の励起光の波長とが重なるように設定された請求項２記載の光中継器。
4. 前記第一の手段の励起光の波長と前記第二の手段の励起光の波長とは重ならないように設定された請求項２記載の光中継器。
5. 請求項１記載の光中継器が光ファイバを介して複数個接続された光中継伝送路。
6. 前記光ファイバが分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）である請求項２記載の光中継伝送路。
7. 光波長多重信号を増幅する光増幅器と、この光増幅器の入力側に接続された光ファイバ内で前記光増幅器に向かう光波長多重信号に対して分布ラマン効果による利得を発生させる励起光を注入する第一の手段と、この光増幅器の出力側に接続された光ファイバ内で前記光増幅器から送出された光波長多重信号に対して分布ラマン効果による利得を発生させる励起光を注入する第二の手段とを備え光中継器が光ファイバを介して複数個接続された光中継伝送路と、
   光波長多重信号を増幅する光増幅器の出力側に接続された光ファイバ内で前記光増幅器から送出された光波長多重信号に対して分布ラマン効果による利得を発生させる励起光を注入する第二の手段を含む送信装置と、
   光波長多重信号を増幅する光増幅器と、この光増幅器の入力側に接続された光ファイバ内で前記光増幅器に向かう光波長多重信号に対して分布ラマン効果による利得を発生させる励起光を注入する第一の手段を備えた受信装置と
   を備えた光波長多重通信方式。

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