JP3869027B2 - 多重チャネル光ファイバ通信システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は波長分割多重を提供する高容量の光ファイバ通信に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エルビニウムにてドープされたファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の導入・商業化は、光ファイバ通信に大きな影響を与えている。これは、単一チャネルシステム内で一つの役割を果している。つまり、かなり長いファイバスパン長を通じて光から電気への変換を行なう中継器の代わりに使用されている。このファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、ほぼ１５５０ｎｍを中心とする動作波長を持つ。これは、シリカベースのファイバに対して望ましい低損失領域と一致し、端末及び他の補助装置は、この波長における使用が可能なように設計されている。
【０００３】
ＥＤＦＡは波長分割多重（ＷＤＭ）の実用上の実現を可能とする。幾つかのシステムが多重チャネル動作のために開発されているが、これらチャネルは、現在の技術水準の周波数安定性を確保するのに充分な間隔と、ＥＤＦＡの通過帯域内の総帯域幅の両方を備える。この能力、つまり、全てのチャネルを同時的に増幅する能力は、ＷＤＭについての関心を増大する結果となった。
【０００４】
１９９３年５月２８日付けで申請された米国特許出願Ｓ．Ｎ．０８／０６９５２号はそれまで見過ごされてきた問題を解決するシステムを開示し、クレイムする。最も進歩した単一チャネルシステムは、分散シフトファイバ（ＤＳＦ）を利用する。このタイプのファイバの設計は、単一モードシリカファイバ内の分散ナルポイントをその通常の１３１０ｎｍの位置から要望される１５５０ｎｍの搬送波波長の位置に“シフト”することに基づく。こうして色分散を排除することによって、数百キロメートルのスパン長を通じて、２．５ギガビット／秒（Ｇｂ／秒）のビット速度にてシステムを動作することが可能となった。残念なことに、ＷＤＭ動作を提供するシステムの設置と、計画されたＷＤＭ動作へのグレードアップは、考慮された条件下においては多重チャネル動作が非線形効果、つまり、４波混合（４ＷＭ）によって制限されることが判明し、延び延びとなり、通常の期待される距離と、ビット速度に対しては、４−チャネルシステムは除外される結果となった。これを克服するために、上記に引用の係属の特許出願は、低過ぎる分散の所での動作を回避することを要旨として提唱する。厳密に定義された小さな色分散が提供された場合は、ＤＳＦを使用した場合でも、４ＷＭによって妨害を受けるようなパーチャネルビット速度にて充分に動作することができることが発見された。上記の特許出願における他のシステム設計は、４ＷＭの制限（含蓄）を低減するために位相の不一致を確保することを目的として、分散の連結と、分散の補償を考慮したシステムを利用する。
【０００５】
もう一つの係属の米国特許出願Ｓ．Ｎ．０８／０６９９６２号は、好ましいとされる１５５０ｎｍ動作波長を中心とする複数のチャネルと共に使用されるための特定の有限分散ファイバ（“波長分割多重ファイバ”或は“ＷＤＭＦ”）について開示し、クレイムする。この請求に基づくファイバの設計は、この場合も引き続いて、ＤＳＦを使用して、現在及び近い将来考えられる単一チャネルシステムのビット速度をサポートすることができる。ただし、この発明によって提供される分散の値が、非常に長いスパン長、及び／或は、パワーレベルが現在の約１ｎｍワット動作よりもかなり高い場合に、高ビット動作を妨害する恐れがあるときは、このＷＤＭＦは通常の提唱されている補償ファイバによって分散が補償される。この方法では、補償されるべき分散が比較的小さいために、低いドーピングレベル、或は、短い長さの補償ファイバの使用が可能となり、従って、追加される挿入損失が低減される。
【０００６】
用語
ＷＤＭ− 波長分割多重を意味し、単一ファイバ内での多重チャネル動作を提供する。このアプローチは、単一の希土類イオンにてドープされたファイバ増幅器によってセットのチャネルを同時に増幅することを可能とするために重要である。エルビニウムにてドープされたファイバ増幅器は、１０−２０ｎｍのレンジ内の使用可能帯域幅△λを持つ。一般的には、考慮されるＷＤＭシステムは、このレンジ内のセットのチャネルに対する総帯域幅を持つ。
【０００７】
スパン− これは中継器の存在しないファイバ長を意味し、光増幅器が含まれることもある。スパンのいずれかの端において、電気と光の間の信号形式の変換が行なわれる。変換は、送信機、受信機、或は中継器によって行なわれる。
【０００８】
ＤＳＦ− 分散シフトファイバを意味し、このファイバにおいては、総色分散がある基準波長値から搬送波波長に“シフト”される。
【０００９】
ＷＤＭＦ− 波長分割多重ファイバを意味し、１９９３年５月２８日付けで申請された米国特許出願ＳＮ０８／０６９９６２号において開示され、クレイムされている。ＷＤＭＦは１５５０ｎｍの波長において１．５−４ps/nm-kmの分散の絶対規模を持つ。
【００１０】
４ＷＭ−４波混合を意味する。説明のように、通常考慮されるＷＤＭシステムの主要な非線形の容量制限因子である。
【００１１】
ＥＤＦＡ− エルビニウムにてドープされたファイバ増幅器を意味する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のシステムは、文献に記述されているシステムにおいて一様に使用されている等間隔のＷＤＭチャネル動作とは対象的に、不等チャネル間間隔にて動作するように設計される。好ましい実施例は、任意の４ＷＭ生成物が指定の公称チャネル搬送波と一致することを阻止するアルゴリズムを満足する。このアルゴリズム設計基準に対し、さらに好ましいとされる条件が設定されるが、この条件は、例えばＥＤＦＡに対して、要求される通過帯域内の最小総帯域幅を与える最小間隔を規定する。
【００１３】
不等間隔チャネルは、当初は、有限分散を提供する代替として考慮された。ここに説明されるＷＤＭシステムは、ＷＤＭＦの使用の代替として、ＤＳＦにて動作することを“可能”にするために使用される可能性が高い。本発明を使用することによって、既に設置されているＤＳＦを使用するシステムを、多重チャネル用途として正当化できるのに充分なパーチャネルビット速度までアップグレードすることができる。詳細な説明において記述される情報は、アルゴリズムに基づく適当な間隔のチャネルは（等間隔チャネル動作のそれと比較して）容量を４倍増加させることを示唆する。
【００１４】
長期的な重要性としては、提唱されるアルゴリズムに基づくチャネル間隔は、“動作可能にされた”システム、例えば、動作の全４ＷＭ制約レンジを通じて、ＷＤＭＦにて動作するシステムに対して、同一の４倍の向上を許す。同一の利益が、他の動作可能にされたシステム、つまり、補償或は連結ファイバを使用するシステムについても得られる。このようなシステム内で利用されるファイバは、不等チャネル間隔を使用することによって、現在許容されている分散レベルよりも小さな分散を使用することができるようになる（これは、ドーピングレベルと関連する損失の低減という望ましい効果を持つ）。
【００１５】
実験は、８或はそれ以上のＷＤＭチャネルにて動作し、しかも、これらチャネルをＥＤＦＡ通過帯域内に納めることができる可能性を示す。必要とされるチャネル安定性、恐らくは、（一定の最小間隔の）等チャネル間隔の場合よりも一桁高い安定性、を確保するためのシステムが提供される。
【００１６】
【実施例】
概要
本発明によるシステム設計とシステム動作は、４ＷＭが容量の点で主要な制約となるような箇所において有益である。本発明は、ＤＳＦを採用する長距離多重チャネルシステムに対して有益である。ここでは、基準の“長距離多重チャネルシステム”は、スパン長が３６０ｋｍあり、３つの等間隔に配置されたＥＤＦＡを持ち、さらに４チャネルを持ち、総帯域幅が帯域通過要件を満たすシステムとして定義される。一例として、ＥＤＦＡの通過帯域は、最大約３０ｎｍである。現時点での実施においては、システムは、１０から２０ｎｍの総帯域幅を提供するように設計される。他のシステム要件としては、帯域は１５００ｎｍの波長を中心と、ビットエラー率は１０^-6／秒以下であるが要求される。
【００１７】
この前提と矛盾しない、ＤＳＦを採用して動作する３６０ｋｍスパン長、４チャネル、１ｍ幅／チャネルの等間隔ＷＤＭシステムは、約２Ｇｂ／秒の総容量を持つ。ここでの目的に対しては、このＤＳＦシステムは、“動作不能にされた（disabled）”システムと称されるが、本発明はこの“動作不能にされた”システムにも適用する。アルゴリズム的に決定された不等チャネル間隔を使用することによって、容量を少なくとも、他の実験研究によって判明しているのと同一の、４倍の倍数だけ増加させることができる（つまり、同上の総帯域幅に対して、容量を約１２Ｇｂ／秒まで増加することができる）。
【００１８】
本発明によるシステムアプローチは、“動作可能にされた（enabled ）”システム、つまり、スパンを構成するファイバの大部分に対して、少なくとも１．５ps/nm-kmの絶対値の最小色分散が提供される、等間隔システムに対しても適用する。（このタイプの３６０ｋｍ、４チャネルシステムは、本発明が適用されない場合は、上記のように、約１２０Ｇｂ／秒の容量を持つ）。このタイプのシステムについても、本発明によって、４倍を楽に超える、同一の向上（約９００Ｇｂ／秒まで）が得られる。この同一の倍数は、この最低限界を大幅に下回る分散値に対しても適用する。少なくとも近い将来の目的に対しては、約４ps/nm-kmを超えるファイバ分散であれば、等間隔チャネルの場合でも、充分な容量が保証される。従って、動作可能にされたシステム内で使用されるための、不等チャネル間隔に対する好ましい実施例は、この１．５から４ps/nm-kmのファイバ分散レンジを対象とする。
【００１９】
図３と図４は１０−チャネルシステムを示す。図２と、例１及び例２は、実験的な８−チャネルシステムを示す。最適光帯域幅Ｂ_opt （式３）が使用された場合は、これらシステムとより複雑なシステムを、ＥＤＦＡ通過帯域内に適合できることが示される。これより少ないチャネル数にて動作するシステムは、これと同一帯域幅を占める場合は、これより広い間隔にされる。帯域幅が増加されると見返りとして、周波数安定性要件が緩やかになり、４波混合も低減される。
【００２０】
暗黙の内に、本発明の教示は、４ＷＭによって容量が制限されるシステムの容量の増加に向けられることが理解できる。換言すれば、等間隔チャネルを持つ他の点で同一のシステムは、４ＷＭによって容量が制限される。ＤＳＦ、ＷＤＭＦ、連結、或は補償のいずれを使用して動作するかに関係なく、容量の向上は、総帯域幅が同一の場合、おおむね同一である。この倍率は、結果として得られる不等間隔システムが、なお引き続いて、４ＷＭによる制約を受けるという想定を前提とするものであり、そうでない場合は、向上は少なくなる。本発明の教示は、容量の大きな向上が期待できる場合は、終極的な制約が４ＷＭによるか、色分散によるか、或は他の非線形な影響によるか、に関係なく有益に適用することができる。
【００２１】
約４ps/nm-kmより大きな分散のファイバを使用する場合は、等間隔チャネルのＷＤＭシステムであっても、通常は、４ＷＭ制約を持たない。このために、一つの好ましい実施例においは、０から４ps/nm-kmの絶対値レンジ内の分散を持つファイバが使用される。ただし、将来のビット速度需要を考えると、本発明がこれより大きな分散のファイバに対しても有効となる可能性が高い。この点で、将来のグレードアップに対して不等チャネル間隔が正当化されることが考えられる。
【００２２】
ここでの具体的な記述は約１５５０ｎｍのシステム波長に対して行なわれる。ＥＤＦＡが広く受け入れられているために、本発明の最初の効果は、この波長のシステムにおいて実現される可能性が高い。ただし、本発明は、より広い範囲で適用できる。つまり、本発明は、光ファイバ上を伝送される他の光周波数においても動作できる。例えば、１３１０ｎｍでのシステム動作は、現時点においてはあまり関心が持たれてないが、この波長において効果的なファイバ増幅器の出現でこの偏見が打破される可能性があり、さらには、両波長における同時的な動作も考えられる（後者においては分散を平坦化したファイバの使用が考えられる）。従って、ここでの具体的な波長と関連しての議論は、単に、一例としての議論であると見なされるべきである。一例として、“動作不能にされた”システムと“動作可能にされた”システムの議論は、選択されたシステム波長と相対的な対応する分散値を持つシステムを代表するものと考慮されるべきである。
【００２３】
つまり、分散値はシステム波長に対する相対的な値であり、一般的には、システム波長値は、送信機によって設定される。例えば、グレードアップ時に、異なるシステム波長に変更されたり、異なるシステム波長が加えられた場合は、分散値も相対的に変動する（図５参照）。
【００２４】
同様に、ここでの議論は、一般的に、均質のファイバのスパンについて述べるものである。本発明によるシステムは、異なる性質のファイバのファイバ長から構成されるスパン内においても同様に有益である。連結方式のシステムの議論は、このことを含蓄的に示す。補償方式のシステムは、比較的短い補償ファイバ長を含むスパンを使用する。後者においては、スパンは、恐らくは、９５％以上の均質のファイバと、残りの補償ファイバから構成される。
【００２５】
光チャネルの間隔
チャネルの割り当てには、“Golomb Ruler”に基づく整数線形プログラム（ＩＬＰ）が使用される。これに関しては、J.P.Robinson、“Optimum Golomb Rulers ”、IEEE Transactions on Computers、Vol.ｃ−２８、Ｎｏ．１２、１９７９年１２月、ページ９４３、９４４を参照すること。この論文には、不等チャネル間隔を使用して容量を増加できる可能性が示される。より具体的には、純粋に数学的なGolomb Rulerのバリエーションが、不慣れな問題に有益に適用される。つまり、４ＷＭの問題は、従来このチャネル割り当ての問題に適用されてきたチャネルの間隔より大きなチャネル間隔を要求する。
【００２６】
４ＷＭは、非線型のプロセスであって、周波数の３つの波ｆ_i 、ｆ_j 、ｆ_k （ｋ≠ｉ、ｊ）が光ファイバの三次の電気的弱さを介して相互作用し、結果として、以下の周波数の波を生成する。
【数２】

こうして、３つの同時に伝播する波が、４ＷＭによって、９つの新たな光波を生成する。
【００２７】
ＷＤＭシステムにおいては、４ＷＭが３つのチャネル波の全ての可能な選択に対して起こる。この問題は、チャネル数が増大すると、一層重大になる。８−チャネルシステムにおいては、４ＷＭによって何百という新しい波が生成される。従来のＷＤＭシステムにおいては、チャネルは、典型的には、周波数が等間隔に離される。等間隔のチャネルは、システムの帯域幅内に入る全てのＷＤＭ生成物項がピタリとチャネル周波数内に入り、ＳＮ比を減少させるため４ＷＭの悪影響を増長させる。加えて、検出器の所で、助変数利得によって“１”のビットに関する歪が助長されるが、これがさらにＳ／Ｎ比を減少される。
【００２８】
ＷＤＭシステムの任意の二つのチャネルの周波数間隔が全ての他のペアのチャネル間隔と異なる場合は、公称チャネル周波数の所で生成される４ＷＭ波は存在しない。上の要件を満足させる設計上の方法論が提唱されている。この方法は、無線システム内の三次の記号間干渉の悪影響を低減するために提唱された方法と関係がある。これに関しては、W.C.Babcock による論文、“Intermoulation interference in radio systems”、Bell Syst. Tech. J., vol. ３１、ページ６３−７３、１９５３年１月号；及びM.D.Atkinson、N.Santoro 、J.Urrutia らによる論文、“Integer sets with distinct sums and differences and carrier frequency assignments for nonlinear repeaters ”、IEEE Trans. Commun.、vol.COM-34、ページ６１４−６１７、１９８６年６月号を参照すること。シミュレーションと実験結果から、上に提唱のチャネル割り当ては、４ＷＭに起因する性能の劣化を食い止めるのにかなりの効果があることを示す。
【００２９】
チャネル割り当ての設計は、整数線形計画法（ＩＬＰ）問題に還元することができる。つまり、利用可能な光帯域幅が４ＷＭ波によって占拠される帯域幅よりも大きな帯域幅Δ_f の同数のスロットに分割される（帯域幅Δ_f は、常にあるチャネルの帯域幅よりも大きく、例えば、０．１ｎｍに対しては、０．１５ｎｍとなる）。基準（任意の）光周波数ｆ₀ が与えられた場合、ｉ−番目のスロットは、光周波数ｆ_i ＝ｆ_o ＋ｎ_i Δｆ付近を中心とする位置に置かれる。ここで、ｎ_i は、ｉ番目の周波数スロットのスロット番号として参照される整数である。スロット番号の観点からは、式（１）は以下のように書き表わすことができる。
【数３】

【００３０】
ｎ_ijk がｉ、ｊ、ｋの任意の選択に対して任意のチャネルスロット番号と一致しない場合は、これら信号によって生成される４ＷＭ波は、任意のこれらチャネルスロット上には生成されない。Ｎが伝送されるべきチャネルの数であるとすると、（スロット番号の昇順に、つまり、ｎ₁ 、ｎ₂ 、．．．、ｎ_N の順に）Ｎ個のスロットが
【数４】

となるように選択される。式（２）は、チャネルスロットの任意の二つの異なるペアに対してチャネル間の周波数間隔が各ペアで異なることを要求することと同等である。
【００３１】
４ＷＭの問題は、こうして、ＩＬＰ問題に、つまり、隣接する要素のＮ（Ｎ−１）／２個の部分和
【数５】

或は、周波数単位にて表現された場合は、
【数６】

が全て互いに異なるようなＮ−１個の正の整数（ｍ₁ 、ｍ₂ 、．．．、ｍ_N-1 ）のベクトルを見つける問題に還元される。通常のシステムにおいては、チャネルの近接に関する実施上の制約があり、また、総帯域幅が最小であるという要求が存在する。これは、以下の総計
【数７】

が最小であるという要件にて表わすことができ、これを満たすことによって、ＷＤＭシステムによって占拠される総光帯域幅（Ｂ_opt ＝ＳΔｆ）を最小にすることができる。
【００３２】
受信機端においては、光フィルタを使用してチャネルを分離した後に検出が行なわれる。チャネルスロット間の最小周波数間隔（Δｆ_c ＝ｎΔｆ）が不用チャネルの適当量の破棄のために要求される。これは、ＩＬＰ問題に追加の制約ｍ_i ≧ｎを課すが、ここで、ｎ△ｆは隣接するチャネル間の最小周波数間隔である。
【００３３】
このＩＬＰ問題は、ＮＰ−完結であり、一般的には、これを解くための効率的な方法が知られており、最適解は、コンピュータによる徹底的な計算によって得ることができる。
【００３４】
要求される総光帯域幅の下限Ｂ_opt は、単に、ｍ_i が互いに異なり（ｎより大きい）という条件から見つけることができる。これは：
【数８】

を要求する。ここで、Ｂ_c ＝（Ｎ−１）△ｆ_c はチャネルが△ｆ_c の間隔にて等間隔に離された従来のＷＤＭシステムの総光帯域幅である。
【００３５】
図１３には、Ｂ_opt ／Ｂ_c として定義された帯域幅拡張係数とＷＤＭシステム内のチャネル数Ｎとの関係が最小間隔パラメータｎの様々な値に対して示される。実線はコンピュータによる徹底的な計算から得られた値に基づいてプロットされたものであり、一方、点線は式（４）からの下限を表わす。ｎ≧５で、最高１０チャネルまでは、要求される下限が達成可能である。
【００３６】
上記の考慮事項、つまり、ｎ≧５は、帯域幅拡張係数が適用されるか否かに関係なく、殆どのシステムの設計において重要である。このｎ比、つまり、任意の４ＷＭの最小チャネル間隔と任意のチャネルまでの最小距離との比は、自己位相変調に起因するチャネルの広がりに対する備えである。ある程度の間隔を保証することによって、ＷＤＭ生成物とチャネルによって生成されるうなり生成物も低減される。この比として、５の値が達成可能であり、これは妥当な保証である。より少ないチャネル数、例えば、４チャネルの場合は、帯域通過要件が緩和し、より大きな比（最高１０或はそれ以上）が可能となる。状況次第では、２程度の小さな比でも充分である場合もある。
【００３７】
提唱される不等チャネル間隔が混合生成物をチャネル周波数のスロットの外側に追いやるためいかに効果的であるかが図３と４に比較にて示される。図３と４には、各周波数スロット△ｆ上に入る混合生成物の数が、１０チャネルシステム、ｎ＝５、△ｆ_c ＝１ｎｍの場合に対して示される。図３においては、殆どの４ＷＭ混合生成物がチャネル搬送波と一致し、従って、総帯域幅は、９ｎｍとなる。注意すべき点は、システムの帯域幅内の全ての混合生成物がこれらチャネルによって占拠されるスロット上に位置し、結果として、最大の干渉が生成され、また、幾つかのチャネル上には５０個以上の４ＷＭ波が存在することである。図４は不等チャネル間隔を使用した場合の効果を示す。帯域幅拡張係数は、図１３より、１．８であり、従って、帯域幅は１６ｎｍに増大されるが、反面、これらチャネルによって占拠されるスロット上に混合生成物は存在しない。これら生成物は、チャネル間のスロット上に均一に分布し、これらの影響は、受信機の所でフィルタすることが可能である。
【００３８】
受信機の所で要求されるチャネルを選択するために使用される光フィルタは、チャネルスロット近傍のスロット内で生成された４ＷＭ波を幾分の減衰を伴って通過させる。チャネルとこれら４ＷＭ波との間のうなりによって生成された波もフィルタする必要がある。これは電気フィルタによって行なわれる。従って、Δｆは、充分に大きく取り、チャネル波と４ＷＭ波の大きな重複を回避して、チャネル周波数の不安定性を許す必要がある。４ＷＭ波のｒｍｓ周波数ジッタは、チャネルのｒｍｓ周波数ジッタの３倍あるために、チャネル周波数の安定性がΔｆ／１０の桁である場合は、Δｆが２Ｒより大きいという前提の下では、スペクトルのスーパインポジションは無視できる程度となる。ここでＲはビット速度を表わす。要求されるチャネルに歪を与えることなしに充分な除去の量を確保するためには、Δｆ_c ≧１０Ｒの最小チャネル間隔を提供することが必要であり、従って、ｎ＝△_c ／△ｆ≒５の値が適当である。
【００３９】
本発明の教示を使用するか否かの選択は、最終的には、コストの問題である。控え目に見た場合は、このアルゴリズム的に決定されるチャネル間隔は、±０．５Å（±５ＧＨｚ）のチャネル安定性を要求する。これとは対象的に、（不等間隔システムの最小間隔値に等しい間隔を持つ）等間隔チャネルに対する要件は、単に、チャネル重複の回避である。つまり、±０．５ｎｍの安定性であり、要求が一桁小さい。この要求レベルの安定性は、例えば、これらチャネルを△ｆに等しい自由スペクトルレンジを持つファブリペロフィルタの選択されたモードにロックすることによって達成可能である。
【００４０】
図３と図４は、アルゴリズム的に決定される不等チャネル間隔が混合生成物をチャネル周波数のスロットの外側に保つためにいかに効果的であるかを示す。図３は、１５００ｎｍの公称搬送波波長を中心とする１０個の等間隔（１２５ＧＨｚの間隔）チャネルに対するプロットである。（このコンピュータによる解は、純粋に、チャネル１、６、１６等における数値を示すものである）。縦軸は混合生成物の数を示す。チャネルとチャネルとの間隔は１ｎｍであり、ここでは、光フィルタによるチャネル選択に対する最小間隔が考慮された。この結果として、９ｎｍの総帯域幅が得られ、この帯域幅内の全ての混合生成物はチャネルのスロット上に位置する。
【００４１】
図４は類似するシステムとの比較を示すが、ここでは、アルゴリズム的に指定されたチャネル１、６、１６、２２、３０、３９、５０、５７、６９、８２が用いられる。最小許容チャネル間隔を保持するためには、１．８の帯域幅拡張係数（式４）が必要とされ、総帯域幅は１６ｎｍとなる。ただし、ここでは、全ての混合生成物がチャネルスロット間のスロット上に位置し、これらの影響はフィルタすることが可能である。
【００４２】
例
例１と例２に報告される多数の実験データは図２の回路に関して得られたものである。この二つの例は、他の点では同一のシステムで、等チャネル間隔と不等チャネル間隔を比較するものである。比較結果が図６、７、８、９、１０の形式にて報告される。
【００４３】
図２は、ＤＳＦの１３７ｋｍ長を通じて、８個の１０−Ｇｂ／秒チャネルのリピータレス伝送を実現する８−チャネル回路を示す。それらの放射波長λ₁ からλ₈ によって表わされる８個の外部空洞レーザが４ｘ１パシブ結合器３０、３１と、２ｘ１受動結合器３２によって多重化され、ＬｉＮｂＯ₃ 変調器３５によって１０Ｇｂ／秒の疑似ビット流が生成された。１５５０ｎｍにおいて１６ps/nm-kmの色分散を持つ低い偏波モード分散（ＰＭＤ）を持つシフトなしのファイバの２０ｋｍスプールによって、離散遅延が導入され、１０Ｇｂ／秒の速度にて３−ビットシフト／チャネルが与えられた。（この方法によって、全てのチャネル上に同時的に置かれた同一の１０Ｇｂ／秒ビット流が、個別に変調されたチャネルをシミュレートするようにされた。）低いＰＭＤは（等間隔と不等間隔チャネルの両方に対して）４ＷＭの最悪のケースを提供する。ＥＤＦＡ３７によって増幅された後に、これら信号は発射パワーを調節するために可変パワー減衰器３８に送られた。要素３８が、ＤＳＦの１３７ｋｍスプール３９と一体となって適当な挿入損失と４ＷＭを提供するために使用されたが、この分散シフトファイバは０．２４ｄＢ／ｋｍの挿入損失を持つ。最悪シナリオを提供するために、チャネル周波数は、等間隔チャネルと不等間隔チャネルの両者に対して、ゼロ分散波長λ₀ が（搬送波波長λ₂ とλ₃ の）チャネル２と３の間に等しく離れて位置するように選択された。入力スペクトルと出力スペクトルが接合４１或は４２から派生された信号を使用して光スペクトル分析器４０にて観察された。信号は次にＥＤＦＡ４３を経て、その後、可変光フィルタ４４、４５、ＥＤＦＡ４６、可変光フィルタ４７へと流された。（三つの市販のフィルタが所要の弁別のために使用された。このフィルタ配列は、非選択チャネルの２３ｄＢ以上の除去を行なった。）要素４８と４９によって、光から電気への変換と電子的フィルタリングが行なわれた。市販のフィルタ内に通常含まれている電子的フィルタにて、問題なく、チャネル搬送波とこれと接近した４ＷＭ生成物との間のうなりの結果としてのスプリアス信号がフィルタリングされた。結果がビットエラー率検査セット５０とオシロスコープ５１を使用して観察された。要素５０は、疑似ビット流（ＰＲＢＳ）を生成する機能も持つが、この疑似ビット流は、この実験では、２³¹−１ビットを含んだ。５２の所の生成されたビット流と５３の所の入力ビット流との比較が行なわれた。
【００４４】
例１
図２のシステムが１．６ｎｍの等間隔を持ち、従って１１．２ｎｍの総帯域幅を持つチャネルに対して使用された。入力スペクトルと出力スペクトルが図６と８に示される。出力アイダイアグラムが図１０に示される。発射パワーは３ｄＢｍ（２ｍｗ）が使用された。
【００４５】
例２
同一のシステムが不等間隔チャネルに対して５ｄＢｍの発射パワーにて使用された。このケースにおいては、１１．２ｎｍの同一の総帯域幅を維持する目的で、最小間隔が１ｎｍの最小チャネル間隔に設定された。入力スペクトルと出力スペクトルが図７と図９に示され；出力アイダイアグラムが図１１に示される。この例２と例１の両方において、アイダイアグラムは第三のチャネル（最悪のチャネル）に対するものである。
【００４６】
混合生成物のレベルは、不等間隔の場合の方が高いが（図８と９を比較）、これは発射パワーが高いためである。ただし、不等間隔チャネルは、発射パワーが高いのにもかかわらず相対的に開いたアイを持つことが分かるが（図１１と図１０を比較）、この事実は本発明を支持する。図８（等間隔チャネル）と図９（不等間隔チャネル）の出力スペクトルを比較すると、４ＷＭ生成物が不等間隔チャネルの場合は、チャネル帯域幅の外側の所に生成されることが分かる。
【００４７】
このシステムに対するブリユアンしきい値は１０ｄＢｍであったが、これは、９ｄＢｍの最高発射パワーよりも高い値である。このこと及び他の考察事項からこのシステムは、改良は見られるが、引き続いて、４ＷＭによる容量の制約を持つことが認められる。
【００４８】
図１２は、例１と例２のシステム動作に対して、縦軸に対数にてエラーの確率を示し、横軸に発射パワーを示す。不等チャネル間隔に対するデータ点は丸によって表わされ、等チャネル間隔に対するデータ点は四角によって表わされる。伝送パワーが低い場合、つまり、−２ｄＢｍより低い場合は、等間隔システムも不等間隔システムも４ＷＭに関しては同一の性能を示す。パワーが増加されて行くと、等チャネル間隔のシステムでは、性能が急激に劣化し、ビットエラー率が１０^-6を超える。一方、不等チャネル間隔のシステムでは、発射パワーが最高約＋７ｄＢｍに増加されるまで、引き続いて、性能の向上が見られる。（ビットエラー率の初期の向上は増幅器ノイズによる寄与の相対的な低減に起因する。）
【００４９】
図１２の不等チャネル間隔のシステムは、２ｄＢｍから最高７ｄＢｍのレンジの発射パワーでは、本質的にエラーフリー（１０^-11 以下のビットエラー率）が実現される。
【００５０】
不等チャネル間隔のシステムについてのエラー率の上昇傾向は、一部は単にパワーの４ＷＭ生成物への変換に起因するパワーの欠乏によるものと考えられる。ただし、これら４ＷＭ生成物はチャネル帯域の外側に入ることは前述の通りである。
【００５１】
他の図面
図１はＷＤＭシステムである。このシステムは、４つの送信機１０、１１、１２、１３と、これに結合されたパッシブ４：１結合器１４を含む。結合された信号は、ファイバ伝送ライン１５内に導入されるが、ライン１５には二つの光増幅器１６と１７が設けられる。受信機端の所で、この４チャネル信号は、デマルチプレクサ１８によって分離され、その後、分離された信号は、４つの再生器１９、２０、２１、２２に送られる。
【００５２】
図５は、等チャネル間隔のシステム（曲線６０）と不等チャネル間隔のシステム（曲線６１）のビット容量を分散の関数として比較する。座標の数値は、３６０ｋｍスパン長、４チャネルのシステムに対するものである。ゼロ分散の所では、等チャネル間隔のシステムは、約２Ｇｂ／秒の容量を持つ。これも同様にゼロ分散のファイバを持つ不等チャネル間隔のシステムでは、容量が約１２Ｇｂ／秒に増加する。曲線を比較することにより、分散値の全レンジにおいておおむね同一の向上が実現され、１５００ｎｍのシステム波長にて、またＷＤＭＦ（この波長にて２．０ps/nm-kmの分散を持つファイバ）を使用して動作する“動作可能にされた”システムにおいては、約１２０Ｇｂ／秒の容量が約９００Ｇｂ／秒の容量にまで増加されることが理解できる。
【００５３】
同一の曲線の形状と、同一の容量の関係がより複雑なシステムについても当てはまる。８チャネルシステムの場合の例１と例２はこの関係を示す。
【００５４】
容量の向上の議論には、ある想定がなされた。つまり、４倍の向上（６ｄＢ）は、総帯域幅に変更がない場合の想定である。この想定は、総帯域幅が通常通過帯域の考慮事項、つまり、ＥＤＦＡ通過帯域によって制約されるために適切なものである。但し、４ＷＭの効率は、チャネル間隔が減少すると増加するために、この想定は、本発明のアプローチに不利な想定であり、４倍の向上は控え目な倍数であると言える。一方、最小チャネル間間隔のみが堅持され、総帯域幅が拡張された場合は、混合効率が単一のチャネルペアを除いて、他の全てのチャネルに対して低減される。この拡張された帯域幅に対しては、向上は約９ｄＢ（約８倍の倍数）である。
【００５５】
図５は、本発明を代表するシステムであり、４つ以上のチャネルを含むが、現時点においては、このようなシステムが考慮されている。より長いシステムでは、より長いスパン、或は複数のスパンが含まれ、これら４つの送信機は再生器の機能を果たす。比較の対象として考えられる等チャネル間隔の４−チャネルシステムのスパン長は３６０ｋｍであり、増幅器の間隔は１２０ｋｍである。チャネル間隔、つまり、搬送波波長の差異は、２００ＧＨｚ（或は約１．５ｎｍ）である。これに対応する本発明によるシステムは、１８０、２００、２２０ＧＨｚの間隔を持つチャネルを使用する。ファイバ路は、前述のように、主に、ファイバ端からファイバ端まで一定の分散のファイバ、或は連結された或は補償されたファイバから構成される。
【００５６】
図１３に示されるデータは、一定の帯域幅の場合に、最小チャネル間隔を決定するために使用することができる。チャネル数は、単純に、拡張係数の逆数だけ低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】不等間隔チャネルを使用するＷＤＭシステムの一般的な回路図である。
【図２】本発明の開示に使用されたデータの幾らかを得るために使用された実験用ＷＤＭシステムの回路図である。
【図３】従来の等チャネル間隔を使用した場合の４波混合生成物の周波数とＷＤＭチャネル周波数の関係を示すプロットである。
【図４】図３と同一の座標を使用して、本発明による好ましい不等チャネル間隔のシステムの場合の図３と同一の特性を示す。
【図５】等間隔チャネルと不等間隔チャネルの多重チャネルＷＤＭシステムの総容量と色分散の大きさとの関係をプロットする。
【図６】等間隔チャネルに対する入力スペクトルを示す（等間隔チャネルの場合とアルゴリズム的に決定されたチャネル間隔の場合のスペクトルの比較を示す）。
【図７】不等間隔チャネルに対する入力スペクトルを示す（等間隔チャネルの場合とアルゴリズム的に決定されたチャネル間隔の場合のスペクトルの比較を示す）。
【図８】等間隔チャネルの場合の出力スペクトルを示す（等間隔チャネルの場合とアルゴリズム的に決定されたチャネル間隔の場合のスペクトルの比較を示す）。
【図９】不等間隔チャネルの場合の出力スペクトルを示す（等間隔チャネルの場合とアルゴリズム的に決定されたチャネル間隔の場合のスペクトルの比較を示す）。
【図１０】図８の条件における等間隔チャネルの場合のｎｗ単位のパワーとｎｓ単位の時間を座標とするアイダイアグラムを示す。
【図１１】図９の条件における不等チャネル間隔の場合のｎｗ単位のパワーとｎｓ単位の時間を座標とするアイダイアグラムを示す。
【図１２】それぞれ図８と図９の条件における等間隔チャネルの場合と不等チャネル間隔の場合のエラー率と発射パワーの関係を比較して示す。
【図１３】本発明のシステムに対して同一の最小チャネル間間隔を維持するために要求される帯域幅拡張を示す。

Claims (9)

1. 多重化されたチャネル搬送波を生成し、変調し、かつ光伝送ライン内に導入するための送信機と、該チャネル搬送波のデマルチプレキシングを遂行するための受信機と、一端を該送信機によって接続されかつ他端を該受信機によって接続された少なくとも一つのファイバスパンを含む光ファイバの伝送ラインと、該伝送ラインに設けた光増幅器とを含む波長分割多重光導波路システムにおいて、該チャネル搬送波が“システム波長”を中心として分布する“総帯域幅”内に“搬送波波長”を持っており、該ファイバスパンが少なくとも一つの光増幅器を含んでおり、
   該波長分割多重光導波路システムは少なくとも波長λ_１ 、λ_２ 、λ_３ 、λ_４ の４つのチャネルを提供しており、前記チャネル搬送波が達成可能なシステム容量を制限する４波混合（４ＷＭ）生成物を生成する総帯域幅は充分狭く、
   チャネル間の周波数間隔は不等であり、かつ、これらの間隔は、４ＷＭ生成物の内の任意のものの波長が任意のチャネル搬送波の波長と実質的に一致することを回避するのに充分な大きさを有することによって、容量に対する４ＷＭによる制限が軽減される該波長分割多重光導波路システムにおいて、
   前記ファイバスパンの大部分を構成するファイバの波長分散は、前記システム波長において測定されたとき、１．５−４．０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ分散値を持つことを特徴とする波長分割多重光導波路システム。
2. （最小チャネル間間隔）と（任意のチャネルからの任意の４ＷＭ生成物までの最小距離）との比が少なくとも２の値に等しいことを特徴とする請求項１の波長分割多重光導波路システム。
3. 前記システム波長がおおむね１５５０ｎｍであることを特徴とする請求項１の波長分割多重光導波路システム。
4. 前記光増幅器がエルビニウムにてドープされたファイバ増幅器であることを特徴とする請求項３の波長分割多重光導波路システム。
5. 前記多重チャネル搬送波が少なくとも８チャネルを含むことを特徴とする請求項１の波長分割多重光導波路システム。
6. 少なくとも２．５ギガビット／秒のチャネル当りのビット速度を持つことを特徴とする請求項１の波長分割多重光導波路システム。
7. 少なくとも３６０ｋｍのスパン長を持ち、また、少なくとも１０ギガビット／秒のシステム容量を持つことを特徴とする請求項１の波長分割多重光導波路システム。
8. 前記スパンが少なくとも二つのファイバ増幅器を含むことを特徴とする請求項７の波長分割多重光導波路システム。
9. 前記チャネル間の周波数間隔ｍ_ｉ △ｆ（ここで、ｉ＝１、．．．、Ｎ−１であり、Ｎはチャネル数を表わし、△ｆは任意のチャネルからの任意の４ＷＭ生成物までの最小距離を表わす）が任意の二つのチャネル間の間隔、つまり
   

   

   が他のペアのチャネル間間隔と異なるという条件を、全てのｍ_ｉ がｎ以上であるという制限の下で満足し、ここでｎが１より大きな整数を表わし、ｎ△ｆが許容最小チャネル間隔を表わすことを特徴とする請求項１の波長分割多重光導波路システム。

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