JP3871892B2

JP3871892B2 - Raman amplification optical system with reduced four-wave mixing effect

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Publication number: JP3871892B2
Application number: JP2001057526A
Authority: JP
Inventors: バングハンセンパー; ビー．リーロバート; ワイ．パークセオ; アルフレッドリードウィリアム; 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: 2000-03-03
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2021-03-02
Also published as: JP2001343673A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラマン増幅光システムに関し、特に、変調の不安定性と四波混合効果の存在を削減するために所定の分散特性を有する、伝送ファイバの利用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ラマン増幅という主題は文献においてはよく知られている。誘導ラマン増幅は、１つまたは複数の光信号を搬送している光ファイバ内に強いポンプ波を送り込む、非線形の光学的工程である。石英ガラス・ファイバにおいては、ポンプ波長が、１５００ｎｍの周辺にある信号波長よりも約１００ｎｍ短い場合に、ポンプは誘導ラマン散乱を介して信号を増幅するであろう。増幅が伝送ファイバ自体で発生するようになされている場合には、増幅器は「分散」増幅器と呼ばれる。ＩＥＥＥＰｈｏｔ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．９、１９９７、２６２ページに掲載の記事である、Ｐ．Ｂ．Ｈａｎｓｅｎ他による著の「Capacity upgrades of transmission systems by Raman amplification」において説明されているように、かかる分散増幅は通信システムのパフォーマンスを改善することが分かっている。たとえば、情報信号に対して逆伝搬する方向で、ファイバの一端にポンプ波が送り込まれる場合には、この信号は、その信号対雑音比が容認できないレベルに低下する前に増幅されるであろう。かかる増幅器のパフォーマンスは、その効果的または効果的であるに等しい雑音指数およびそのオン／オフ利得で表されることが多い。効果的な雑音指数は、分散ラマン増幅器と同じ雑音パフォーマンスを達成するために、同等な後増幅器が有するであろう雑音指数として定義される（たとえば、Rayleigh scattering limitations in distributed Raman pre-amplifiers）、Ｐ．Ｂ．Ｈａｎｓｅｎ他による著、ＩＥＥＥＰｈｏｔ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．１０、１９９８、１５９ページ参照）。実験的には、逆伝搬ラマン増幅を利用してスパンの雑音指数を計測し、次にそのスパンの受動損を差し引く（デシベルで）ことにより求めることができる。分散ラマン増幅器のオン／オフ利得は、ラマン・ポンプが「オン」である出力信号強度と、ラマン・ポンプが「オフ」である出力信号強度との差（デシベルでの）として定義される。
【０００３】
群速度および群速度分散の概念は、光ファイバの分野においてよく知られている。群速度は、光パルスが伝わる速度として定義され、一方、群速度分散は波長の関数としての群速度の変化として定義される。群速度分散Ｄは、ｐｓ／ｎｍ−ｋｍで表されることが多い。したがって、これらの点から、光が光導波管（光ファイバなど）内を伝わっている場合には、群速度分散は、導波管が製造される材料だけではなく、光を導くのに用いられるインデックス構造の特定の設計にも左右される。導波管分散として知られる後者の寄与は、光ファイバの分散特性を大幅に変更するために用いることができる。この点に関する完全な説明は、Fiber-Optic Communication System, Agrawal, John Wiley & Sons, Inc.、１９９２、第２章に記載されている。
【０００４】
光ファイバの分散特性は、そのゼロ分散波長（ＺＤＷ）（群速度分散がゼロである波長）とその分散勾配（波長の関数としての群速度分散の変化）とによって表されることが多い。たとえば、標準的な単モード光ファイバ（ＳＳＭＦ）は、石英ガラスの材料分散が殆どを占める分散を有するので、約１３００ｎｍのＺＤＷと、０．０７ｐｓ／ｎｍ²−ｋｍの分散勾配を有する。
【０００５】
群速度分散の効果は、光通信システム、特にラマン増幅を採用している光通信システムのパフォーマンスに有害になり得る。たとえば、オン／オフ・キーイングを採用している通信システムにおいては、群速度分散はパルスを拡げる場合があり、パルスをその隣接するビット・スロットに拡張して、それによって伝送された情報信号に誤りを導入する場合がある。この効果は、通信システム全体に、定期的に設けられる分散補償装置を含めることにより改善できる（ただし、追加費用をかけて）が、伝送ファイバの分散を１０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ未満に維持することが有利である。
【０００６】
制御しなければならない光伝送システムにおける光ファイバの別の特性は、信号波長での実効面積である（「実効面積」の詳しい説明は、Nonlinear Fiber Optics, Agrawal, Academic Press, 1995, second edition, pg. 43, Eq. 2.3.29を参照）。実効面積が増大すると、ファイバの分散ラマン増幅の効率が低下する。しかし、ファイバの実効面積が小さすぎると、他の非線形の光効果が大きくなり、光伝送システムのパフォーマンスを低下させる。したがって、伝送ファイバは、分散ラマン増幅の効率と、他の非線形効果によるシステムの低質化とを均衡させる有効な面積を有していなければならない。
【０００７】
１９９０年代の始めに、単一の光ファイバ内での多数の波長での情報の伝送に関して実験が行われた。「四波混合」（ＦＷＭ）として知られる（当該技術分野においては、四光子混合とも呼ばれる）非線形の光相互作用が、通信システムのパフォーマンスを制限し得ることが分かった。ＦＷＭにおいては、ν_i、ν_jおよびν_k（ν_k≠ν_i，ν_j）で示された３つの周波数が、ファイバの非線形性を介して相互作用し、新たな周波数ν_ijk＝ν_i＋ν_j−ν_kを生成する。ラマン増幅されたシステムは信号波長で伝搬する情報信号を利用し、異なったポンプ波長で、強いポンプ信号（多重モード・ポンプ・レーザまたはいくつかの単一モードのポンプ・レーザからなる）を分離するので、ＦＷＭが発生する。四波混合の概念は文献においてはよく知られており、参考文献Optical Fiber Communications, IIIA, Kaminow and Koch, Academic Press, San Diego, 1997,第８章において詳細に説明されている。四波混合の強さは、混合波長でファイバ分散を高めることにより、大幅に低下できることが知られている。非零分散移動ファイバ（ＮＺ−ＤＳＦ）として知られており、Ａ．Ｒ．Ｃｈｒａｐｌｙｖｙ他に付与された米国特許第５，３２７，５１６号において開示された、新たな等級の光ファイバは、ファイバのＺＤＷを１５５０ｎｍから離して若干高いか低い波長に移動させ、それによって、それらの波長で少量の分散を付加する。しかし、ＮＺ−ＤＳＦの現在のタイプは、１４８０〜１５１０ｍの波長範囲で分散ゼロを有する。
【０００８】
先行技術においてよく知られている別の非線形の光学的工程は、変調の不安定性である。この非線形の光学的工程において、非線形の屈折指数は、この工程がなければ位相不整合化されてしまったであろう、四波混合工程を位相整合する役割を果たす。その結果は、小さい正の値の群速度分散（Ｄ）に関する送り込まれた波長の周囲の側波帯の生成であり、ここで、側波帯の周波数オフセットは分散の減少と共に増加する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
将来のシステムにおいては、比較的高い強度のラマン源ならびに多数のラマン・ポンプ源を使用することが望ましいので、ラマン増幅光伝送システムにおいて、変調の不安定性および四波混合の効果を回避する装置を開発する必要がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
先行技術に欠けている点は本発明によって解決される。本発明は、ラマン増幅光システムに関し、特に、変調の不安定性および四波混合効果の存在を削減するために、所定の分散特性を有する伝送ファイバを用いたラマン増幅光システムに関する。
【００１１】
本発明によれば、ラマン増幅光システムは、上記の効果を制限するために、予め決定されたセットの制約によって定められた伝送ファイバを含むように形成されている。特に、本発明の伝送ファイバは、信号波長で、１０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ未満の大きさの分散も示しながら、あらゆる所望のポンプ波長で、正ではない分散または＋１．５ｐｓ／ｎｍ−ｋｍよりも大きい分散の何れかを示すことにより、変調の不安定性を制限するように設計されている。分散（Ｄ）をこれらの領域に留まるように慎重に制御することにより、ポンプによって生成されたあらゆる連続帯（すなわち、側波帯）は、比較的狭く、大きいラマン増幅の領域から離れたままになることが分かった。そのため、この連続帯と関連づけられたあらゆる雑音構成要素は最小になる。
【００１２】
また、本発明によれば、四波混合（ＦＷＭ）の存在は、伝送ファイバのゼロ分散波長（ＺＤＷ）が、ポンプ波長と、大きいラマン利得を得ているあらゆる信号波長との間の中央値にならないことを確実にすることにより削減される。ＺＤＷがこれら２つの波長値のほぼ平均であるならば、ファイバの分散は、信号帯域内の周波数を有するＦＷＭ構成要素の位相整合を許容にして、これらのＦＷＭ雑音構成要素が増幅されることを許容し、伝送信号の品質を低下させることが分かっている。
【００１３】
本発明によって形成されるラマン増幅器伝送ファイバおよび通信システムの更に別の特性は、以下の説明の中で、付属の図面を参照することにより明らかになるであろう。
【００１４】
【発明実施の形態】
本願は２０００年３月３日出願の暫定出願第６０／１８６／７９３号の利益を主張する。
【００１５】
図１は、伝送ファイバ１４内で分散ラマン増幅を生成するために、逆伝搬ラマンポンプ源１２を利用した例示的な通信システム１０を示している。以下で詳細に説明する特定の条件の下で、ポンプ１２から伝送ファイバ１４に入る光波（「Ｐ」で示した）の存在は、最初にポンプと共伝搬し、図１に「Ｉ」で示した入力光波信号に対して逆伝搬する雑音構成要素を発生させる場合がある。これらの雑音構成要素は、ポンプ源１２に最も近い２０ｋｍ以内のファイバにおいて、すなわち、ポンプ源１２からの波Ｐが最も強いときに、顕著に生成される。これらの雑音構成要素は次に、ファイバ１４の全長に沿って、レイリー後方散乱により反射される。また、離散的な反射が、伝送路（たとえば、ロータリ・スプライス）に沿って、様々な構成要素からのスパンにおいて生ずる。反射された雑音構成要素はラマン利得によって増幅され、光波信号（図１では「Ｏ」で示した）と共にシステムを出るので、システムのパフォーマンスを潜在的に低下させる。不要なポンプ・エネルギーが情報信号源に入ることを防止するために入力アイソレータ１６を用いることができ、同様に、出力に残された無関係なポンプの量をできるだけ少なくするために、出力アイソレータ１８を用いることができる。
【００１６】
これらの雑音源を説明するために用いられる実験的配置２０を図２に示した。図示したように、広帯域源２２（ＬＥＤなど）からの出力は、ラマン利得と雑音指数とをプローブするために、「試験中のファイバ」２４の一端に送り込まれる。分散ラマン利得を生成するために、ファイバ２４の他端から、波長分割マルチプレクサ２８を通して、「試験中のファイバ」２４のスパン内にラマン・ポンプ２６が送り込まれる（１４５０ｎｍの波長で）。次に、図２に示したように、残存ポンプ光の光スペクトル、ラマン増幅自然放出（ＡＳＥ）、および逆伝搬方向でスパンに存在するあらゆる生成雑音構成要素を計測するために、光タップ２９および第１の光スペクトル分析器３０が用いられる。（１）広帯域ＬＥＤ源２２のみが「オン」になっている、（２）広帯域ＬＥＤ源２２およびラマン・ポンプ２６の両方が「オン」になっている、（３）ラマン・ポンプ２６のみが「オン」になっているという３つの条件の下で、スパンの末端に存在する光スペクトルを計測するために、第２の光スペクトル分析器３２が用いられる。スペクトル分析器３２によって収集されるこれらの計測値を用いて、ラマン・オン／オフのスペクトルおよび実効雑音指数スペクトルを計算できる。全ての場合に、実効雑音指数は、「試験中のファイバ」２４が波長分割マルチプレクサ２８に接合される点と関連づけられる。一例において、計測値は、１５ｄＢから２５ｄＢの範囲にあるピーク・ラマン・オン／オフ利得について、２ｄＢの増分で得られたものである。
【００１７】
図３〜図５は、図２の試験配置２０において敷設された、８０ｋｍの長さのＴｒｕｅＷａｖｅＭｉｎｕｓ（登録商標）ファイバ上で取られたデータのプロットである。このファイバは、約１６００ｎｍのＺＤＷおよび０．０８ｐｓ／ｎｍ²−ｋｍの分散勾配を示す。このファイバにおいて、１４５０ｎｍのポンプ波長での分散はほぼ−１２ｐｓ／ｎｍ−ｋｍである。図３には、１５ｄＢから２５ｄＢの範囲にあるピーク利得に関するオン／オフ・ラマン利得スペクトルを示した。図４は、光スペクトル分析器３０（図２参照）によって捕らえられた残存ポンプ・スペクトルのプロットである。図示したように、図４における顕著な特徴は、１４５０ｎｍでの残存ポンプおよび１５５０ｎｍ付近で生成されたラマン利得からのＡＳＥである。様々なラマン利得（光スペクトル分析器３２によって捕らえられた）に関する実効雑音指数スペクトルを、図５に示した。図３から図５の全てにおける曲線は、先行技術を例示するものとみなされる。
【００１８】
図６から図８は、図２の試験配置２０において敷設された、８０ｋｍの長さのＴｒｕｅＷａｖｅＰｌｕｓ（登録商標）ファイバで取られた類似のデータのプロットである。ポンプ源２６に最も近い２０ｋｍの長さのファイバは、約１５００ｎｍの平均ＺＤＷおよび０．０７ｐｓ／ｎｍ²−ｋｍの分散勾配を示している。このファイバにおいて、ポンプ波長（１４５０ｎｍ）での分散はおよそ−３．５ｐｓ／ｎｍ−ｋｍである。図６は、１５ｄＢから２５ｄＢの範囲にあるピーク利得に関するオン／オフ・ラマン利得スペクトルを示しており、ここで、これらのスペクトルは、従来の先行技術のファイバ・システム（図３参照）のスペクトルと類似である。図７に示したように、図４のスペクトルと比べて、残存ポンプ・スペクトルにおいて、１５５０ｎｍ付近の雑音強度に大きな上昇が見られる。この雑音の上昇は、図５の有効雑音指数スペクトルと比較して、図８にプロットした有効雑音指数スペクトルにおいても明らかに示されている。この雑音の発生源は、１４５０ｎｍ付近のポンプ波長内の四波混合（ＦＷＭ）および１５５０ｎｍ付近の逆伝搬ラマンＡＳＥであることが分かっている。これらのＦＷＭ構成要素はラマン利得によって増幅されて、信号と同じ方向に伝搬するように後方散乱される。ＦＷＭ雑音は、ポンプ周波数と、大きいラマン利得を得ているあらゆる周波数との平均である周波数で、伝送ファイバのＺＤＷが発生するときは常に、信号内で発生することが分かっている。これらの条件の下で、伝送ファイバの分散は、ＦＷＭ構成要素の成長を位相整合する役割を果たし、雑音構成要素が重大なレベルにまで増大することを許容する。波長について言えば、これは、ポンプ波長と大きいラマン利得を得ているあらゆる波長との平均にほぼ等しいゼロ分散波長に対応する。本発明の教示を理解するために、この効果を「ＦＷＭ効果」と呼ぶことにする。
【００１９】
図９から図１１は、８０ｋｍの長さのＴｒｕｅＷａｖｅＲｅｄｕｃｅｄＳｌｏｐｅ（登録商標）ファイバ上で取られたデータのプロットである。ポンプ源２６に最も近い２０ｋｍの長さのファイバは、約１４７０ｎｍのＺＤＷおよび０．０４７ｐｓ／ｎｍ²−ｋｍの分散勾配を示している。このファイバにおいては、ポンプ波長での分散はほぼ−１．０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍである。図１０に示したように、「ＦＷＭ効果」は１４９０ｎｍ付近でいくつかの雑音構成要素を生成するが、強度レベルは図７の値に比べて大幅に削減される（遙かに低いラマン利得のために）。ポンプ・スペクトルは、おそらくは位相整合がよくないＦＷＭのために、非常に低い強度レベルで幾分か広がってしまうことに留意されたい。１５００ｎｍよりも大きい波長については、図１０および図１１の何れにおいても、「過度な」雑音特性は目立っていない。
【００２０】
図１２から図１４も、８０ｋｍの長さのＴｒｕｅＷａｖｅＲｅｄｕｃｅｄＳｌｏｐｅ（登録商標）ファイバで取られたデータのプロットであるが、この場合に、ポンプ源２６に最も近い２０ｋｍの長さのファイバは、約１４２８ｎｍのＺＤＷと０．０４２ｐｓ／ｎｍ²−ｋｍの分散勾配を示している。このファイバにおいて、ポンプ波長での分散は約０．９ｐｓ／ｎｍ−ｋｍである。図示したように、図１３のプロットを図４のプロットと比較したときに、１４５０ｎｍよりも大きい波長での残存ポンプ・スペクトルのプロットに大きな相違がある。１５５０ｎｍでＡＳＥを介してポンプ波長から延びる比較的大きな雑音の連続帯も示されている。１４６０ｎｍで生成されるピークもあり、ここで、この種の特徴は変調の不安定性を示している。本発明によれば、図１３に示したように、このポンプ波長で非常に低い正のＤの値についてこの連続帯が生成されるが、図１０に示したように、このポンプ波長で非常に低い負のＤの値については生成されないとすると、変調の不安定性は連続帯生成において重要な役割を果たすものと推測される。この説明のために、この効果を「連続帯効果」と呼ぶことにする。２３および２５ｄＢのピーク利得について、１５３０ｎｍ未満の波長でポンプによって生成される大きい雑音構成要素は、図１２に示したのと同じ条件の下におけるオン／オフ利得の正確な計測を妨げることに留意されたい。
【００２１】
図１５から図１７は７０ｋｍの長さのファイバに関連づけられており、ここで、ポンプ源に最も近い２５ｋｍは、約１４０８ｎｍの平均ＺＤＷおよび０．３９ｐｓ／ｎｍ²−ｋｍの分散勾配を示している。このファイバにおいては、このポンプ波長での分散はほぼ１．６ｐｓ／ｎｍ−ｋｍである。図示したように、このポンプ波長でのより高い分散により、連続帯生成は、図１２から図１４に示したレベルから削減されるが、これは図４のプロットに比べて図１７において特に顕著である。
【００２２】
図１８から図２０は６９ｋｍの長さのファイバと関連づけられており、ここで、ポンプ源に最も近い１５ｋｍは、約１３７６ｎｍの平均ＺＤＷと０．０３７ｐｓ／ｎｍ²−ｋｍの分散勾配を示している。このファイバにおいては、ポンプ波長での分散はほぼ２．７ｐｓ／ｎｍ−ｋｍである。ポンプ波長でのこのより高い分散によって、連続帯生成は上記の図１５から図１７に示したレベルから更に削減される。
【００２３】
図２１から図２５において、図５の実効雑音指数曲線（ここで、「ＦＷＭ効果」および「連続帯効果」は完全にない）と、図８、１１、１４、１７および２０の実効雑音指数曲線との比較をそれぞれ行う。比較は、単に図５の値を上記の図における値から引いて、その結果をプロットすることにより行う（ここで、たとえば、図２１は図５および図８においてプロットした値との差を表している）。最大の損失は「ＦＷＭ効果」に起因し得ることが明らかであり、ここで、１４ｄＢのピーク損失が２５ｄＢのピーク・オン／オフ利得について図２１に示されており、実質的な損失（＞１ｄＢ）は１５ｄＢという低いピーク・オン／オフ利得について観察される。図２２は、約１４７０ｎｍのＺＤＷのファイバにおいて、１４５０ｎｍポンプについて１５００ｎｍよりも大きい信号波長では、損失は全く計測され得ないことを示している。図２３は、最大のオン／オフ利得について、特に、ポンプ波長に最も近い波長について、「連続帯効果」によって引き起こされることを示している。図２４および図２５は、「連続帯効果」から生ずる損失は、ポンプ波長での分散がより大きい値に高められるときに削減されることを示している。
【００２４】
したがって、これらの発見の全てに基づくと、変調の不安定性および四波混合と関連づけられた雑音構成要素の存在を削減するために、本発明に従って伝送ファイバ特性に関するパラメータ空間を定める。図２６は、波長（λ）の関数としての群速度分散（Ｄ）で、このパラメータ空間の定義を示している。本発明の発見によれば、変調の不安定性の効果は、ファイバ分散Ｄを、可能なポンプ波長の範囲において正ではなく、または１．５ｐｓ／ｎｍ−ｋｍよりも大きくなるように維持することにより、伝送システム・ファイバにおいて削減される。図２６を参照すると、図面において、「可能なポンプ波長の範囲」（Ｐ）はλ_p1〜λ_p2として示されており、それと関連づけられた回避する分散値は「Ｄ５」と符号を付した暗い部分で示されている。更に、あらゆる信号波長（図２６において範囲λ_s1〜λ_s2で示されている）で、分散Ｄの大きさは、不等式Ｄ２＜Ｄ＜Ｄ１ｐｓ／ｎｍ−ｋｍまたはＤ４＜Ｄ＜Ｄ３ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの何れかを満たす。ここで、これらの限界は、図面において領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３およびＤ４で示されている。Ｄ２およびＤ３と示された有限な分散の限界は、上記で参照したＣｈｒａｐｌｙｖｙ他において教示されているように、ＷＤＭシステムにおいて信号波長のＦＷＭを抑制するために必要である。一般的に、また、上記のような発見によれば、ポンプ波長で分散値が負であれば、変調の不安定性は生じない。これは、図１３のプロット（ポンプ波長で比較的低い（０．９）の正の分散を有するファイバに関するもの）を、図７および図１０のプロット（ポンプ波長で負の分散を有するファイバに関するもの）と比較することにより理解できる。代替的に、ポンプ波長でのファイバ分散が正であって１．５ｐｓ／ｎｍ−ｋｍよりも大きければ、最大利得の周波数移動は削減され、ポンプ生成連続帯の幅を狭める。しかし、信号波長で過大な分散値を有することには不利点がある。特に、これらの波長での大きい分散は分散補償を必要とし、これは高価になり得る。この最後の要因は、ポンプ波長の範囲における分散を制御することほど重要ではないが、システム全体のコスト・パフォーマンスの改善につながるであろう。Ｄ４よりも低い（すなわち、更に負の）分散を有する伝送ファイバは、満足なシステム・パフォーマンスのために必要とされるよりも小さい実効面積を特徴的に有している。
【００２５】
本発明の別の態様によれば、ゼロ分散波長（ＺＤＷ）がポンプ波長と大きいラマン利得を得る波長との間の中央値でないことを確実にすることにより、通信システムにおいて四波混合（ＦＷＭ）は削減される。以下の関係は、伝送ファイバのゼロ分散周波数（ＺＤＦ）でこのパラメータ空間を定義しており、ここでＺＤＦのために回避する周波数の範囲は次の式によって定められる。
【数１】

ここで、ν_maxは周波数ν_pの所与の単色ラマンポンプに関する最大ラマン利得の周波数として定義され、Δν⁺は、利得係数が最大利得係数の半分である場合の周波数（ν_maxよりも大きい）とν_maxとの間の差として定義され、Δν^-は、ν_maxと、利得係数が最大利得係数の半分である場合の周波数（ν_maxよりも小さい）との間の差として定義される。上記の関係は図２７に図示されており、特に、図２６および図２７において領域を示す文字「Ｅ」として示されていて、ポンプ波長範囲とファイバＺＤＷのために回避される信号波長範囲との間の特定の領域を示している。
【００２６】
この制約は、四波混合の生成物のいずれも信号波長範囲にはなく、したがって所望の情報信号と共に増幅を受けることがないことを確実にすることにより、ＦＷＭを大幅に削減する。実用上の光ファイバの設計に関する別の制約は、信号波長での実効面積が、他の非線形効果を抑制するために十分に大きいままでなければならないことである。
【００２７】
総括すれば、許容可能な分散値およびファイバＺＤＷの範囲を制限すること、ならびに最小実効面積を制限することにより定められるパラメータ空間は、実施されたときに、変調の不安定性および四波混合からの雑音寄与が大幅に削減されたことを示すファイバ特性を定めることにつながる。正の分散勾配（Ｆ１で示した）と負の分散勾配（Ｆ２で示した）とを示す異なったファイバの例を図２６に示した。このように、ファイバＦ１またはＦ２の何れかを伝送ファイバとして用いることにより（または、実際には、定められたパラメータ空間を満たす他のあらゆるファイバ）、これらの雑音構成要素はできるだけ小さくできる。
【００２８】
ポンプおよび情報信号の両方に関する好適な波長範囲を含む特定の実施形態を説明してきたが、本発明の主題は本明細書に添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることを理解されたい。更に、信号波長での雑音増加の効果は理解されていないので、現在利用可能な光ファイバはここで権利請求している特性を備えておらず、また、権利請求している特性を示すファイバの製造は困難であると思われることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】逆伝搬ポンプ構造を用いて、分散ラマン増幅通信システムにおける雑音構成要素の生成を示した略図である。
【図２】各種の送信ファイバ用の分散ラマン増幅器のパフォーマンスを評価するために用いられる、実験的配置の略図である。
【図３】オン／オフ・ラマン利得が、ポンプ「オン」での出力信号強度のポンプ「オフ」での出力信号強度に対する比率として定義されている場合の、入力ポンプ強度および公称平均ゼロ分散波長（ＺＤＷ）が１６００である伝送ファイバの範囲にわたって、図２の配置で計測された、オン／オフ・ラマン利得スペクトルのプロットである。
【図４】図３の入力ポンプ強度および伝送ファイバの範囲にわたって、光スペクトル分析器で計測された、残存ポンプ光のプロットである。
【図５】実効雑音指数が計測雑音指数（増幅器が「オン」の状態で）からファイバ自体に起因する受動的指数を引いた値として定義されている場合の、図３の配置の実効雑音指数スペクトルを示した図である。
【図６】オン／オフ・ラマン利得が、ポンプ「オン」での出力信号強度のポンプ「オフ」での出力信号強度に対する比率として定義されている場合の、入力ポンプ強度および公称平均ゼロ分散波長（ＺＤＷ）が１５００である伝送ファイバの範囲にわたって、図２の配置で計測された、オン／オフ・ラマン利得スペクトルのプロットである。
【図７】図６の入力ポンプ強度および伝送ファイバの範囲にわたって、光スペクトル分析器で計測された、残存ポンプ光のプロットである。
【図８】実効雑音指数が計測雑音指数（増幅器が「オン」の状態で）からファイバ自体に起因する受動的指数を引いた値として定義されている場合の、図６の配置の実効雑音指数スペクトルを示した図である。
【図９】オン／オフ・ラマン利得が、ポンプ「オン」での出力信号強度のポンプ「オフ」での出力信号強度に対する比率として定義されている場合の、入力ポンプ強度および公称平均ゼロ分散波長（ＺＤＷ）が１４７０である伝送ファイバの範囲にわたって、図２の配置で計測された、オン／オフ・ラマン利得スペクトルのプロットである。
【図１０】図９の入力ポンプ強度および伝送ファイバの範囲にわたって、光スペクトル分析器で計測された、残存ポンプ光のプロットである。
【図１１】実効雑音指数が計測雑音指数（増幅器が「オン」の状態で）からファイバ自体に起因する受動的指数を引いた値として定義されている場合の、図９の配置の実効雑音指数スペクトルを示した図である。
【図１２】オン／オフ・ラマン利得が、ポンプ「オン」での出力信号強度のポンプ「オフ」での出力信号強度に対する比率として定義されている場合の、入力ポンプ強度および公称平均ゼロ分散波長（ＺＤＷ）が１４２８である伝送ファイバの範囲にわたって、図２の配置で計測された、オン／オフ・ラマン利得スペクトルのプロットである。
【図１３】図１２の入力ポンプ強度および伝送ファイバの範囲にわたって、光スペクトル分析器で計測された、残存ポンプ光のプロットである。
【図１４】実効雑音指数が計測雑音指数（増幅器が「オン」の状態で）からファイバ自体に起因する受動的指数を引いた値として定義されている場合の、図１２の配置の実効雑音指数スペクトルを示した図である。
【図１５】オン／オフ・ラマン利得が、ポンプ「オン」での出力信号強度のポンプ「オフ」での出力信号強度に対する比率として定義されている場合の、入力ポンプ強度および公称平均ゼロ分散波長（ＺＤＷ）が１４０８である伝送ファイバの範囲にわたって、図２の配置で計測された、オン／オフ・ラマン利得スペクトルのプロットである。
【図１６】図１５の入力ポンプ強度および伝送ファイバの範囲にわたって、光スペクトル分析器で計測された、残存ポンプ光のプロットである。
【図１７】実効雑音指数が計測雑音指数（増幅器が「オン」の状態で）からファイバ自体に起因する受動的指数を引いた値として定義されている場合の、図１５の配置の実効雑音指数スペクトルを示した図である。
【図１８】オン／オフ・ラマン利得が、ポンプ「オン」での出力信号強度のポンプ「オフ」での出力信号強度に対する比率として定義されている場合の、入力ポンプ強度および公称平均ゼロ分散波長（ＺＤＷ）が１３７６である伝送ファイバの範囲にわたって、図２の配置で計測された、オン／オフ・ラマン利得スペクトルのプロットである。
【図１９】図１８の入力ポンプ強度および伝送ファイバの範囲にわたって、光スペクトル分析器で計測された、残存ポンプ光のプロットである。
【図２０】実効雑音指数が計測雑音指数（増幅器が「オン」の状態で）からファイバ自体に起因する受動的指数を引いた値として定義されている場合の、図１８の配置の実効雑音指数スペクトルを示した図である。
【図２１】入力ポンプ強度の範囲にわたって、公称平均ＺＤＷが１５００ｎｍ（図８）および１６００ｎｍ（図５）であるファイバ上で計測された、実効雑音指数の差（デシベル）のプロットである。
【図２２】入力ポンプ強度の範囲にわたって、公称平均ＺＤＷが１４７０ｎｍ（図１１）および１６００ｎｍ（図５）であるファイバ上で計測された、実効雑音指数の差（デシベル）のプロットである。
【図２３】入力ポンプ強度の範囲にわたって、公称平均ＺＤＷが１４２８ｎｍ（図１４）および１６００ｎｍ（図５）であるファイバ上で計測された、実効雑音指数の差（デシベル）のプロットである。
【図２４】入力ポンプ強度の範囲にわたって、公称平均ＺＤＷが１４０８ｎｍ（図１７）および１６００ｎｍ（図５）であるファイバ上で計測された、実効雑音指数の差（デシベル）のプロットである。
【図２５】入力ポンプ強度の範囲にわたって、公称平均ＺＤＷが１３７６ｎｍ（図２０）および１６００ｎｍ（図５）であるファイバ上で計測された、実効雑音指数の差（デシベル）のプロットである。
【図２６】本発明により変調の不安定性および四波混合の効果を削減するために回避される波長の関数として様々な分散領域を示す、群速度分散（Ｄ）対波長（λ）のプロットである。
【図２７】本発明により変調の不安定性および四波混合の効果を削減するために回避される特定の周波数を示す、ポンプ周波数と信号周波数との間の関係のプロットである。
【符号の説明】
１２逆伝搬ラマンポンプ源
１４伝送ファイバ
１６入力アイソレータ
１８出力アイソレータ
２２広帯域源
２４試験中のファイバ
２６ラマン・ポンプ
２８波長分割マルチプレクサ
２９光タップ
３０第１の光スペクトル分析器
３２第２の光スペクトル分析器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to Raman-amplified optical systems, and more particularly, to the use of transmission fibers having predetermined dispersion characteristics to reduce the presence of modulation instability and four-wave mixing effects.
[0002]
[Prior art]
The subject of Raman amplification is well known in the literature. Stimulated Raman amplification is a non-linear optical process that sends a strong pump wave into an optical fiber carrying one or more optical signals. In quartz glass fiber, if the pump wavelength is about 100 nm shorter than the signal wavelength around 1500 nm, the pump will amplify the signal via stimulated Raman scattering. An amplifier is called a “distributed” amplifier if the amplification is to occur in the transmission fiber itself. IEEE Photo. Tech. Lett. Vol. P. 9, 1997, page 262. B. Such distributed amplification has been found to improve communication system performance, as described in Hansen et al., “Capacity upgrades of transmission systems by Raman amplification”. For example, if a pump wave is fed into one end of the fiber in a direction that propagates backward with respect to the information signal, this signal will be amplified before its signal-to-noise ratio drops to an unacceptable level. . The performance of such an amplifier is often expressed in terms of its effective or effective noise figure and its on / off gain. Effective noise figure is defined as the noise figure that an equivalent post-amplifier would have to achieve the same noise performance as a distributed Raman amplifier (eg, Rayleigh scattering limitations in distributed Raman pre-amplifiers), P . B. Hansen et al., IEEE Photo. Tech. Lett. Vol. 10, 1998, 159). Experimentally, it can be determined by measuring the noise figure of a span using backpropagation Raman amplification and then subtracting (in decibels) the passive loss of that span. The on / off gain of a distributed Raman amplifier is defined as the difference (in decibels) between the output signal strength at which the Raman pump is “on” and the output signal strength at which the Raman pump is “off”.
[0003]
The concept of group velocity and group velocity dispersion is well known in the field of optical fibers. Group velocity is defined as the speed at which light pulses travel, while group velocity dispersion is defined as the change in group velocity as a function of wavelength. The group velocity dispersion D is often expressed in ps / nm-km. Thus, from these points, when light is traveling in an optical waveguide (such as an optical fiber), group velocity dispersion is used to guide light as well as the material from which the waveguide is manufactured. It also depends on the specific design of the index structure. The latter contribution, known as waveguide dispersion, can be used to significantly change the dispersion characteristics of an optical fiber. A complete description of this point can be found in Fiber-Optic Communication System, Agrawal, John Wiley & Sons, Inc., 1992, Chapter 2.
[0004]
The dispersion characteristics of an optical fiber are often expressed by its zero dispersion wavelength (ZDW) (wavelength at which group velocity dispersion is zero) and its dispersion gradient (change in group velocity dispersion as a function of wavelength). For example, a standard single-mode optical fiber (SSMF) has a dispersion that is dominated by quartz glass material dispersion, so a ZDW of about 1300 nm and 0.07 ps / nm. ² It has a dispersion slope of -km.
[0005]
The effect of group velocity dispersion can be detrimental to the performance of optical communication systems, particularly optical communication systems employing Raman amplification. For example, in a communication system that employs on / off keying, group velocity dispersion may spread a pulse, which extends the pulse to its adjacent bit slot, thereby causing an error in the transmitted information signal. May be introduced. This effect can be improved by including a dispersion compensator provided periodically in the entire communication system (but at an additional cost), but the dispersion of the transmission fiber can be kept below 10 ps / nm-km. It is advantageous.
[0006]
Another characteristic of optical fibers in optical transmission systems that must be controlled is the effective area at the signal wavelength (for a detailed description of "effective area", see Nonlinear Fiber Optics, Agrawal, Academic Press, 1995, second edition, pg 43, Eq. 2.3.29). As the effective area increases, the efficiency of fiber dispersion Raman amplification decreases. However, if the effective area of the fiber is too small, other non-linear light effects become large and degrade the performance of the optical transmission system. Therefore, the transmission fiber must have an effective area that balances the efficiency of distributed Raman amplification with the degradation of the system due to other nonlinear effects.
[0007]
In the early 1990s, experiments were conducted on the transmission of information at multiple wavelengths within a single optical fiber. It has been found that non-linear optical interactions known as “four-wave mixing” (FWM) (also referred to in the art as four-photon mixing) can limit the performance of communication systems. In FWM, ν _i , Ν _j And ν _k (Ν _k ≠ ν _i , Ν _j ) Interact with each other through the nonlinearity of the fiber and the new frequency ν _ijk = Ν _i + Ν _j −ν _k Is generated. A Raman amplified system utilizes information signals propagating at signal wavelengths and separates strong pump signals (consisting of multimode pump lasers or several single mode pump lasers) at different pump wavelengths Therefore, FWM occurs. The concept of four-wave mixing is well known in the literature and is described in detail in the references Optical Fiber Communications, IIIA, Kaminow and Koch, Academic Press, San Diego, 1997, Chapter 8. It is known that the strength of four-wave mixing can be significantly reduced by increasing fiber dispersion at the mixing wavelength. Known as non-zero dispersion moving fiber (NZ-DSF). R. A new grade of optical fiber disclosed in U.S. Pat. No. 5,327,516 to Chraplyvy et al. Moves the ZDW of the fiber away from 1550 nm to a slightly higher or lower wavelength, thereby reducing their Add a small amount of dispersion at the wavelength. However, the current type of NZ-DSF has zero dispersion in the wavelength range of 1480-1510 m.
[0008]
Another non-linear optical process well known in the prior art is modulation instability. In this non-linear optical process, the non-linear refractive index serves to phase match the four-wave mixing process that would otherwise have been phase mismatched. The result is the generation of sidebands around the input wavelength for small positive values of group velocity dispersion (D), where the sideband frequency offset increases with decreasing dispersion.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In future systems, it would be desirable to use a relatively high-intensity Raman source and a number of Raman pump sources, so a device that avoids modulation instability and the effects of four-wave mixing in a Raman-amplified optical transmission system. Need to develop.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The lack of prior art is solved by the present invention. The present invention relates to a Raman amplification optical system, and more particularly to a Raman amplification optical system using a transmission fiber having a predetermined dispersion characteristic in order to reduce the instability of modulation and the presence of a four-wave mixing effect.
[0011]
In accordance with the present invention, the Raman amplification optical system is configured to include a transmission fiber defined by a predetermined set of constraints to limit the above effects. In particular, the transmission fiber of the present invention exhibits non-positive dispersion or greater than +1.5 ps / nm-km at any desired pump wavelength, while also exhibiting a dispersion of less than 10 ps / nm-km at the signal wavelength. It is designed to limit modulation instability by indicating any of the dispersion. By carefully controlling the dispersion (D) to remain in these regions, any continuous bands (ie, sidebands) generated by the pump remain relatively narrow and away from regions of large Raman amplification. I found out that As such, any noise components associated with this continuous band are minimized.
[0012]
Also, according to the present invention, the presence of four-wave mixing (FWM) means that the zero dispersion wavelength (ZDW) of the transmission fiber is at the median between the pump wavelength and any signal wavelength that obtains a large Raman gain. Reduced by ensuring that it does not. If the ZDW is approximately the average of these two wavelength values, the dispersion of the fiber will allow phase matching of FWM components having frequencies within the signal band and that these FWM noise components will be amplified. It is known to allow and reduce the quality of the transmitted signal.
[0013]
Further characteristics of the Raman amplifier transmission fiber and communication system formed by the present invention will become apparent in the following description with reference to the accompanying drawings.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
This application claims the benefit of provisional application 60/186/793, filed March 3, 2000.
[0015]
FIG. 1 illustrates an exemplary communication system 10 that utilizes a back-propagating Raman pump source 12 to generate distributed Raman amplification in a transmission fiber 14. Under certain conditions described in detail below, the presence of a light wave (denoted “P”) that enters the transmission fiber 14 from the pump 12 first co-propagates with the pump and is denoted by “I” in FIG. In some cases, noise components are generated that propagate back to the input lightwave signal. These noise components are prominently generated in the fiber within 20 km closest to the pump source 12, that is, when the wave P from the pump source 12 is the strongest. These noise components are then reflected by Rayleigh backscatter along the entire length of the fiber 14. Also, discrete reflections occur in the span from various components along the transmission path (eg, rotary splice). The reflected noise component is amplified by the Raman gain and exits the system with the lightwave signal (shown as “O” in FIG. 1), potentially reducing system performance. The input isolator 16 can be used to prevent unwanted pump energy from entering the information signal source, and similarly the output isolator 18 can be used to minimize the amount of extraneous pump left at the output. Can be used.
[0016]
An experimental arrangement 20 used to illustrate these noise sources is shown in FIG. As shown, the output from the broadband source 22 (such as an LED) is fed into one end of a “fiber under test” 24 to probe the Raman gain and noise figure. A Raman pump 26 is fed (at a wavelength of 1450 nm) from the other end of the fiber 24 through the wavelength division multiplexer 28 and into the span of the “fiber under test” 24 to generate the distributed Raman gain. Next, as shown in FIG. 2, in order to measure the optical spectrum of the residual pump light, Raman amplified spontaneous emission (ASE), and any generated noise components present in the span in the back propagation direction, the optical tap 29 and A first optical spectrum analyzer 30 is used. (1) Only the broadband LED source 22 is “ON”, (2) Both the broadband LED source 22 and the Raman pump 26 are “ON”, (3) Only the Raman pump 26 is “ A second optical spectrum analyzer 32 is used to measure the optical spectrum present at the end of the span under the three conditions of being “on”. Using these measurements collected by the spectrum analyzer 32, a Raman on / off spectrum and an effective noise figure spectrum can be calculated. In all cases, the effective noise figure is associated with the point at which the “fiber under test” 24 is joined to the wavelength division multiplexer 28. In one example, the measurements were taken in 2 dB increments for peak Raman on / off gains ranging from 15 dB to 25 dB.
[0017]
3-5 are plots of data taken on an 80 km long TrueWave Minus® fiber laid in the test arrangement 20 of FIG. This fiber has a ZDW of about 1600 nm and 0.08 ps / nm ² A dispersion slope of -km is shown. In this fiber, the dispersion at the pump wavelength of 1450 nm is approximately -12 ps / nm-km. FIG. 3 shows the on / off Raman gain spectrum for the peak gain in the range of 15 dB to 25 dB. FIG. 4 is a plot of the residual pump spectrum captured by the optical spectrum analyzer 30 (see FIG. 2). As shown, the salient features in FIG. 4 are the ASE from the residual pump at 1450 nm and the Raman gain generated near 1550 nm. The effective noise figure spectrum for various Raman gains (captured by the optical spectrum analyzer 32) is shown in FIG. The curves in all of FIGS. 3-5 are considered to exemplify the prior art.
[0018]
FIGS. 6-8 are plots of similar data taken with the 80 km long TrueWave Plus® fiber laid in the test arrangement 20 of FIG. The 20 km long fiber closest to the pump source 26 has an average ZDW of about 1500 nm and 0.07 ps / nm. ² A dispersion slope of -km is shown. In this fiber, the dispersion at the pump wavelength (1450 nm) is approximately -3.5 ps / nm-km. FIG. 6 shows on / off Raman gain spectra for peak gains in the range of 15 dB to 25 dB, where these spectra are the spectrum of a conventional prior art fiber system (see FIG. 3). It is similar. As shown in FIG. 7, there is a significant increase in the noise intensity near 1550 nm in the residual pump spectrum compared to the spectrum of FIG. This increase in noise is also clearly shown in the effective noise figure spectrum plotted in FIG. 8 compared to the effective noise figure spectrum in FIG. The sources of this noise have been found to be four wave mixing (FWM) within the pump wavelength near 1450 nm and back-propagating Raman ASE near 1550 nm. These FWM components are amplified by Raman gain and backscattered to propagate in the same direction as the signal. FWM noise has been found to occur in the signal whenever ZDW of the transmission fiber occurs at a frequency that is the average of the pump frequency and any frequency that has obtained a large Raman gain. Under these conditions, the dispersion of the transmission fiber serves to phase match the growth of the FWM component, allowing the noise component to increase to a critical level. In terms of wavelength, this corresponds to a zero dispersion wavelength that is approximately equal to the average of the pump wavelength and any wavelength that obtains a large Raman gain. In order to understand the teachings of the present invention, this effect will be referred to as the “FWM effect”.
[0019]
9-11 are plots of data taken on an 80 km long TrueWave Reduced Slope® fiber. The 20 km long fiber closest to the pump source 26 has a ZDW of about 1470 nm and 0.047 ps / nm. ² A dispersion slope of -km is shown. In this fiber, the dispersion at the pump wavelength is approximately -1.0 ps / nm-km. As shown in FIG. 10, the “FWM effect” produces several noise components around 1490 nm, but the intensity level is significantly reduced compared to the values in FIG. 7 (with much lower Raman gain). for). Note that the pump spectrum will spread somewhat at very low intensity levels, possibly due to FWM with poor phase matching. For wavelengths greater than 1500 nm, “excessive” noise characteristics are not noticeable in either FIG. 10 or FIG.
[0020]
FIGS. 12-14 are also plots of data taken with an 80 km length of TrueWave Reduced Slope® fiber, where the 20 km length fiber closest to the pump source 26 is approximately 1428nm ZDW and 0.042ps / nm ² A dispersion slope of -km is shown. In this fiber, the dispersion at the pump wavelength is about 0.9 ps / nm-km. As shown, there is a significant difference in the plot of the residual pump spectrum at wavelengths greater than 1450 nm when the plot of FIG. 13 is compared to the plot of FIG. A relatively large noise continuum extending from the pump wavelength via the ASE at 1550 nm is also shown. There is also a peak generated at 1460 nm, where this type of feature indicates modulation instability. According to the present invention, this continuous band is generated for a very low positive D value at this pump wavelength, as shown in FIG. 13, but very much at this pump wavelength, as shown in FIG. Given that low negative D values are not generated, modulation instability is assumed to play an important role in continuous band generation. For the purpose of this explanation, this effect will be referred to as the “continuous band effect”. It is noted that for 23 and 25 dB peak gains, the large noise components generated by the pump at wavelengths below 1530 nm prevent accurate measurement of on / off gain under the same conditions as shown in FIG. I want.
[0021]
FIGS. 15-17 are associated with a 70 km long fiber, where the 25 km closest to the pump source has an average ZDW of about 1408 nm and 0.39 ps / nm. ² A dispersion slope of -km is shown. In this fiber, the dispersion at this pump wavelength is approximately 1.6 ps / nm-km. As shown, due to the higher dispersion at this pump wavelength, continuum generation is reduced from the levels shown in FIGS. 12-14, which is particularly noticeable in FIG. 17 compared to the plot of FIG. is there.
[0022]
FIGS. 18-20 are associated with a 69 km long fiber, where the 15 km closest to the pump source has an average ZDW of about 1376 nm and 0.037 ps / nm. ² A dispersion slope of -km is shown. In this fiber, the dispersion at the pump wavelength is approximately 2.7 ps / nm-km. With this higher dispersion at the pump wavelength, continuous band generation is further reduced from the levels shown in FIGS. 15-17 above.
[0023]
21 to 25, the effective noise figure curve of FIG. 5 (here, “FWM effect” and “continuous band effect” are completely absent) and the effective noise figure curves of FIGS. 8, 11, 14, 17 and 20 are shown. Compare with each. The comparison is made by simply subtracting the values of FIG. 5 from the values in the above figure and plotting the results (where, for example, FIG. 21 represents the difference from the values plotted in FIGS. 5 and 8). ) It is clear that the maximum loss can be attributed to the “FWM effect”, where a 14 dB peak loss is shown in FIG. 21 for a 25 dB peak on / off gain, and a substantial loss (> 1 dB). ) Is observed for peak on / off gains as low as 15 dB. FIG. 22 shows that for a 1450 nm ZDW fiber, no loss can be measured at signal wavelengths greater than 1500 nm for a 1450 nm pump. FIG. 23 shows that it is caused by the “continuous band effect” for maximum on / off gain, especially for wavelengths closest to the pump wavelength. 24 and 25 show that the loss resulting from the “continuous band effect” is reduced when the dispersion at the pump wavelength is increased to a larger value.
[0024]
Thus, based on all of these discoveries, a parameter space for transmission fiber characteristics is defined in accordance with the present invention to reduce the presence of noise components associated with modulation instability and four-wave mixing. FIG. 26 shows the definition of this parameter space with group velocity dispersion (D) as a function of wavelength (λ). According to the discovery of the present invention, the effect of modulation instability is achieved by keeping the fiber dispersion D not positive in the range of possible pump wavelengths or greater than 1.5 ps / nm-km. Reduced in transmission system fiber. Referring to FIG. 26, in the drawing, “range of possible pump wavelengths” (P) is λ _p1 ~ Λ _p2 The avoidance variance value associated therewith is indicated by the dark portion labeled “D5”. Furthermore, any signal wavelength (range λ in FIG. _s1 ~ Λ _s2 The magnitude of the dispersion D satisfies either the inequality D2 <D <D1 ps / nm-km or D4 <D <D3 ps / nm-km. Here, these limits are indicated in the drawing by regions D1, D2, D3 and D4. The finite dispersion limits, denoted D2 and D3, are necessary to suppress the signal wavelength FWM in a WDM system, as taught by Chraplyvy et al., Referenced above. Generally, according to the above discovery, if the dispersion value is negative at the pump wavelength, modulation instability does not occur. This is the plot of FIG. 13 (for a fiber with a relatively low (0.9) positive dispersion at the pump wavelength) and the plot of FIGS. 7 and 10 (for a fiber with negative dispersion at the pump wavelength). ) And can be understood. Alternatively, if the fiber dispersion at the pump wavelength is positive and greater than 1.5 ps / nm-km, the maximum gain frequency shift is reduced, narrowing the width of the pumping continuum. However, having an excessive dispersion value at the signal wavelength has disadvantages. In particular, large dispersions at these wavelengths require dispersion compensation, which can be expensive. This last factor is not as important as controlling dispersion in the pump wavelength range, but will lead to improvements in overall system cost performance. A transmission fiber having a dispersion lower (ie, more negative) than D4 characteristically has a smaller effective area than is required for satisfactory system performance.
[0025]
In accordance with another aspect of the present invention, four-wave mixing (FWM) in a communication system is ensured by ensuring that the zero dispersion wavelength (ZDW) is not the median between the pump wavelength and the wavelength to obtain a large Raman gain. Is reduced. The following relationship defines this parameter space at the zero dispersion frequency (ZDF) of the transmission fiber, where the range of frequencies to avoid for ZDF is defined by:
[Expression 1]

Where ν _max Is the frequency ν _p Is defined as the frequency of maximum Raman gain for a given monochromatic Raman pump ⁺ Is the frequency at which the gain factor is half the maximum gain factor (ν _max Greater than) and ν _max Is defined as the difference between ^- Is ν _max And the frequency when the gain factor is half the maximum gain factor (ν _max Is less than). The above relationship is illustrated in FIG. 27, and in particular, shown as the letter “E” in FIG. 26 and FIG. 27 indicating the region between the pump wavelength range and the signal wavelength range avoided for the fiber ZDW. The specific area between is shown.
[0026]
This constraint greatly reduces FWM by ensuring that none of the four-wave mixing products are in the signal wavelength range and therefore do not undergo amplification with the desired information signal. Another constraint on practical optical fiber design is that the effective area at the signal wavelength must remain large enough to suppress other nonlinear effects.
[0027]
In summary, the parameter space defined by limiting the allowable dispersion values and the range of the fiber ZDW, and limiting the minimum effective area, when implemented, is from modulation instability and four-wave mixing. This leads to defining fiber properties that indicate that the noise contribution has been significantly reduced. Examples of different fibers showing a positive dispersion slope (indicated by F1) and a negative dispersion slope (indicated by F2) are shown in FIG. Thus, by using either fiber F1 or F2 as the transmission fiber (or in fact any other fiber that satisfies the defined parameter space), these noise components can be made as small as possible.
[0028]
While specific embodiments including suitable wavelength ranges for both pumps and information signals have been described, it is to be understood that the subject matter of the present invention is limited only by the claims appended hereto. Furthermore, because the effects of increased noise at the signal wavelength are not understood, currently available optical fibers do not have the characteristics claimed here, and the fiber that exhibits the claimed characteristics. It should be understood that manufacturing seems to be difficult.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the generation of noise components in a distributed Raman amplification communication system using a backpropagation pump structure.
FIG. 2 is a schematic diagram of an experimental arrangement used to evaluate the performance of a distributed Raman amplifier for various transmission fibers.
FIG. 3 shows input pump strength and nominal mean zero dispersion wavelength when on / off Raman gain is defined as the ratio of output signal strength at pump “on” to output signal strength at pump “off”. FIG. 3 is a plot of the on / off Raman gain spectrum measured with the arrangement of FIG. 2 over a range of transmission fibers where (ZDW) is 1600. FIG.
FIG. 4 is a plot of residual pump light measured with an optical spectrum analyzer over the input pump intensity and transmission fiber range of FIG.
FIG. 5 is an effective noise figure for the arrangement of FIG. 3 when the effective noise figure is defined as the measured noise figure (with the amplifier “on”) minus the passive figure due to the fiber itself. It is the figure which showed the spectrum.
FIG. 6: Input pump strength and nominal mean zero dispersion wavelength when on / off Raman gain is defined as the ratio of output signal strength at pump “on” to output signal strength at pump “off”. FIG. 3 is a plot of the on / off Raman gain spectrum measured with the arrangement of FIG. 2 over a range of transmission fibers with (ZDW) 1500;
7 is a plot of residual pump light measured with an optical spectrum analyzer over the input pump intensity and transmission fiber range of FIG.
FIG. 8 shows the effective noise figure for the arrangement of FIG. 6 when the effective noise figure is defined as the measured noise figure (with the amplifier “on”) minus the passive figure due to the fiber itself. It is the figure which showed the spectrum.
FIG. 9: Input pump strength and nominal mean zero dispersion wavelength when on / off Raman gain is defined as the ratio of output signal strength at pump “on” to output signal strength at pump “off”. 3 is a plot of the on / off Raman gain spectrum measured with the arrangement of FIG. 2 over a range of transmission fibers having a (ZDW) of 1470;
10 is a plot of residual pump light measured with an optical spectrum analyzer over the input pump intensity and transmission fiber range of FIG. 9. FIG.
FIG. 11 shows the effective noise figure for the arrangement of FIG. 9 when the effective noise figure is defined as the measured noise figure (with the amplifier “on”) minus the passive figure due to the fiber itself. It is the figure which showed the spectrum.
FIG. 12: Input pump strength and nominal mean zero dispersion wavelength when on / off Raman gain is defined as the ratio of output signal strength at pump “on” to output signal strength at pump “off”. 3 is a plot of the on / off Raman gain spectrum measured with the arrangement of FIG. 2 over a range of transmission fibers with a (ZDW) of 1428.
13 is a plot of residual pump light measured with an optical spectrum analyzer over the input pump intensity and transmission fiber range of FIG.
14 is an effective noise figure for the arrangement of FIG. 12, where the effective noise figure is defined as the measured noise figure (with the amplifier “on”) minus the passive figure due to the fiber itself. It is the figure which showed the spectrum.
FIG. 15: Input pump strength and nominal mean zero dispersion wavelength when on / off Raman gain is defined as the ratio of output signal strength at pump “on” to output signal strength at pump “off”. FIG. 3 is a plot of the on / off Raman gain spectrum measured with the arrangement of FIG. 2 over a range of transmission fibers where (ZDW) is 1408;
16 is a plot of residual pump light measured with an optical spectrum analyzer over the input pump intensity and transmission fiber range of FIG.
FIG. 17 shows the effective noise figure for the arrangement of FIG. 15 when the effective noise figure is defined as the measured noise figure (with the amplifier “on”) minus the passive figure due to the fiber itself. It is the figure which showed the spectrum.
FIG. 18: Input pump strength and nominal mean zero dispersion wavelength when on / off Raman gain is defined as the ratio of output signal strength at pump “on” to output signal strength at pump “off”. FIG. 3 is a plot of the on / off Raman gain spectrum measured with the arrangement of FIG. 2 over a range of transmission fibers where (ZDW) is 1376;
FIG. 19 is a plot of residual pump light measured with an optical spectrum analyzer over the input pump intensity and transmission fiber range of FIG.
FIG. 20 shows the effective noise figure for the arrangement of FIG. 18 when the effective noise figure is defined as the measured noise figure (with the amplifier “on”) minus the passive figure due to the fiber itself. It is the figure which showed the spectrum.
FIG. 21 is a plot of the effective noise figure difference (decibel) measured over a fiber with nominal average ZDW of 1500 nm (FIG. 8) and 1600 nm (FIG. 5) over a range of input pump strengths.
FIG. 22 is a plot of the effective noise figure difference (decibel) measured over a fiber with nominal average ZDW of 1470 nm (FIG. 11) and 1600 nm (FIG. 5) over a range of input pump strengths.
FIG. 23 is a plot of the effective noise figure difference (decibel) measured over a fiber with nominal average ZDW of 1428 nm (FIG. 14) and 1600 nm (FIG. 5) over a range of input pump strengths.
FIG. 24 is a plot of the effective noise figure difference (decibel) measured over a fiber with nominal average ZDWs of 1408 nm (FIG. 17) and 1600 nm (FIG. 5) over a range of input pump strengths.
FIG. 25 is a plot of effective noise figure difference (decibels) measured on fibers with nominal average ZDW of 1376 nm (FIG. 20) and 1600 nm (FIG. 5) over a range of input pump strengths.
FIG. 26 is a plot of group velocity dispersion (D) versus wavelength (λ) showing various dispersion regions as a function of wavelength avoided to reduce modulation instability and four-wave mixing effects according to the present invention. is there.
FIG. 27 is a plot of the relationship between pump frequency and signal frequency showing specific frequencies avoided to reduce modulation instabilities and four-wave mixing effects according to the present invention.
[Explanation of symbols]
12 Back-propagation Raman pump source
14 Transmission fiber
16 input isolator
18 output isolator
22 Broadband source
24 Fiber under test
26 Raman pump
28 Wavelength division multiplexer
29 Light tap
30 First optical spectrum analyzer
32 Second optical spectrum analyzer

Claims

An optical fiber used in a Raman-amplified optical transmission system, the transmission system including an information signal source that provides an input signal in a predetermined wavelength range λ _{s1 to} λ _s2 and in a predetermined wavelength range λ _{p1 to} λ _p2 Utilizing a Raman amplification pump, the fiber is of a predetermined group so as to exhibit a value that is either positive or greater than 1.5 ps / nm-km in the pump wavelength range λ _{p1 to} λ _p2 . maintaining the velocity dispersion, and the zero dispersion frequency is maintained between the wavelength range lambda _s1 to [lambda] _s2 of the input signal and the pump wavelength range lambda _p1 to [lambda] _p2 and the pump signal used to produce the Raman amplification by keeping away from the average value between the frequency of the maximum Raman gain, which is controlled so as to reduce the noise component in the region of the Raman amplification, a predetermined group velocity It illustrates dispersion and the zero dispersion wavelength, an optical fiber.

The optical fiber according to claim 1, further comprising group velocity dispersion having a value between -10 ps / nm-km and +10 ps / nm-km in the signal wavelength range λ _{s1 to} λ _s2 .

The optical fiber according to claim 1, wherein the pump wavelength range is defined as 1430 to 1465 nm and the signal wavelength range is defined as 1530 to 1565 nm.

The optical fiber according to claim 1, wherein the pump wavelength range is defined as 1465 to 1510 nm and the signal wavelength range is defined as 1565 to 1610 nm.

The optical fiber according to claim 1, wherein the pump wavelength range is defined as 1430 to 1510 nm and the signal wavelength range is defined as 1530 to 1610 nm.

An optical fiber used in a Raman amplification optical transmission system, the transmission system including an information signal source that provides an input signal in a predetermined wavelength range λ _{s1 to} λ _s2 , and in a predetermined wavelength range λ _{p1 to} λ _p2 utilizing Raman amplification pump, said fiber maintains a zero dispersion frequencies between the wavelength range lambda _s1 to [lambda] _s2 of the input signal and the pump wavelength range lambda _p1 to [lambda] _p2 and to cause Raman amplification Indicating a predetermined zero dispersion wavelength that is controlled to reduce the four-wave mixing noise component in the region of Raman amplification by keeping it away from the average of the frequency of the pump signal used and the frequency of maximum Raman gain Is an optical fiber.

An information signal source for providing an input signal in a predetermined wavelength range λ _{s1 to} λ _s2 ;
An optical transmission fiber coupled to the output of the information signal source to provide transmission of an optical signal to a predetermined location;
A Raman amplification pump coupled to the optical transmission fiber in a manner that generates Raman amplification of the input signal in the optical transmission fiber, wherein the pump source generates a pump wave in a predetermined wavelength range λ _{p1 to} λ _p2 And the fiber maintains a predetermined group velocity dispersion so that it exhibits a value that is either not positive or greater than 1.5 ps / nm-km in the pump wavelength range λ _{p1 to} λ _p2 and, and maintaining and the pump signal used to produce the Raman amplification frequency and maximum Raman between the zero dispersion frequency and said pump wavelength range lambda _p1 to [lambda] _p2 and a wavelength range lambda _s1 to [lambda] _s2 of the input signal The predetermined group velocity dispersion controlled to reduce noise components in the region of Raman amplification by maintaining away from the average value of the gain frequency and the frequency A Raman amplification optical transmission system including a Raman amplification pump exhibiting a zero dispersion wavelength.

The Raman-amplified light according to claim 7, wherein the transmission fiber further includes group velocity dispersion having a value between −10 ps / nm-km and +10 ps / nm-km in the signal wavelength range λ _{s1 to} λ _s2 . Transmission system.

The Raman-amplified optical transmission system according to claim 7, wherein the pump wavelength range is defined as 1430 to 1465 nm and the signal wavelength range is defined as 1530 to 1565 nm.

The Raman-amplified optical transmission system according to claim 7, wherein the pump wavelength range is defined as 1465 to 1510 nm and the signal wavelength range is defined as 1565 to 1610 nm.

The Raman-amplified optical transmission system according to claim 7, wherein the pump wavelength range is defined as 1430-1510 nm and the signal wavelength range is defined as 1530-1610 nm.

An information signal source for providing an input signal in a predetermined wavelength range λ _{s1 to} λ _s2 ;
An optical transmission fiber coupled to the output of the information signal source to provide transmission of an optical signal to a predetermined location;
A Raman amplification pump source coupled to the optical transmission fiber in a manner that generates Raman amplification of the input signal in the optical transmission fiber, the pump source being pumped in a predetermined wavelength range λ _{p1 to} λ _p2 supplying waves, it said fiber, the pump used to produce a by and Raman amplification maintain zero dispersion frequencies between the wavelength range lambda _s1 to [lambda] _s2 of the input signal and the pump wavelength range lambda _p1 to [lambda] _p2 Raman amplification pump exhibiting a predetermined zero dispersion wavelength controlled to reduce the four-wave mixing noise component in the region of Raman amplification by maintaining away from the average value of the signal frequency and the maximum Raman gain frequency And a Raman amplification optical transmission system.