JP4021690B2 - 高速通信用高分散光ファイバ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信システムに関し、特に、高速で高出力の通信で機能するシステム設計のための、光ファイバの分散値の範囲を規定することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバの損失を補償する光増幅器が出現してから、光ファイバ通信システムの伝送がチャンネルあたり１０Ｇｂ／ｓ以上に達するかどうかは、大部分が色分散によって制約されている。色分散によって信号スペクトルの異なる部分はシステムの遠端に異なった時間に届く。情報を搬送する光信号は、有限の（波長内に広がる）帯域幅を有している。もしこれらの波長が光ファイバを進む途中で異なる速度で伝搬すれば、そのパルスは分散してしまうであろう。色分散の主な原因は、材料分散や、シリカに対する屈折率の変動、すべての低損失伝送光ファイバの基本原料である。しかし、光ファイバの色分散は、導波路分散を用いることによって調整可能である。導波路分散の大きさは、材料分散と同じくらい、あるいはそれ以上のこともあるからである。
【０００３】
分散は波長分割多重方式（ＷＤＭ）のシステムにおいて特に有害である。なぜなら、多重信号を受け入れるのに必要な光の帯域幅は単チャネルのシステムよりも広いからである。Ｃバンド／Ｌバンド用に設計されたシステムは、１５３０〜１６００ｎｍの送信能力を必要とする。現在はそれよりも広い帯域幅のシステムさえ考えられており、将来はおそらく市販されるようになるであろう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
信号の分散の問題を解決するために、分散補償が可能となる以前に、分散シフトファイバ（ＤＳＦ）と呼ばれる低損失ファイバが発明された。しかし、波長分割多重方式（ＷＤＭ）の伝送では、ＤＳＦの４波混合（ＦＷＭ）による非直線ひずみの欠点から免れられない。中程度の分散量を有する光ファイバでは、ＦＷＭの影響を減らすために、非ゼロ分散シフトファイバ（ＮＺＤＳＦ：non-zero dispersion shifted fiber）が発明された。このようなファイバは、標準的なアンシフト・ファイバ（ＳＴＤ：standard unshifted fiber）と同様、チャネルあたり１０Ｇｂ／ｓ以上の適正な分散補償を要する。しかし、ＮＺＤＳＦはＳＴＤファイバより低分散補償で済む。それは、ＮＺＤＳＦはＳＴＤファイバの３分の１から４分の１の分散値しか有していないからである。（１５５０ｎｍのＮＺＤＳＦの分散値が４ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）程度に対して、ＳＴＤファイバの分散値は、１７ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）程度である。）
【０００５】
高速システム（チャネルあたり４０Ｇｂ／ｓ以上、または、短パルスで１０Ｇｂ／ｓ、すなわち、１５ｐｓ以下のパルス幅）では、伝送ファイバの高分散の影響で、同一チャネルから隣接するパルスを各スパン内でオーバーラップさせるほどパルスを著しく広げてしまう。従来の技術思想では、非直線による信号ひずみを生ずるパルス・オーバーラップをなくすように示唆されるだろう。しかし、パルス・オーバーラップが存在しても信号が伝送される可能性が発見された。この形態（regime）は、疑似線形伝送（psedo-linear transmission）と呼ばれる。たとえ疑似線形伝送が伝送中にパルス・オーバーラップを許容するとしても、パルス間の非直線の相互作用は伝送での制限要因である。パルスの歪みは高速システムの光ファイバの分散から予想される結果なのである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者は、生来の光ファイバの分散が、疑似線形形態においては、従来技術によって伝送される信号とは完全に異なる方法で作用することを発見した。驚くべきことに、疑似線形形態を用いると、高分散値のファイバにおいても光パルスは実際には小さな歪みで伝送される。２０ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）より大きい分散値のファイバの使用は、従来の設計原理に基づいた高速システムに適するとは考えられなかったあろう。しかし、我々は、例えば２０ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）よりも高い分散値のファイバが、信号の高出力レベルで、アイ・クロージャ・ペナルティを減少させるという点で、システムのパフォーマンスを向上させることを発見した。当該形態、そして本発明が適用できる形態における光パルスは、疑似線形モード伝送（ＰＬＭＴ）と称され、当該技術分野で既に知られ、受け入れられるようになってきている。本発明の目的を実現するためには、１．２５〜１．６５μｍの波長の光パルスを用いて、１０％〜５０％のデューティ・サイクル（パルス幅／パルス間隔）で、１５ｐｓ以下のパルス幅で、少なくとも１０Ｇｂ／ｓの伝送ビット・レートというのが限定要件である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の高容量で広帯域幅を有する光伝送システムは、レーザ源、モジュレータ、マルチプレクサ、長距離光ファイバ、レシーバ、増幅器、デマルチプレクサ、そして、主として分散補償手段からなる。本発明に影響を与えるこれらシステムの要素、伝送される情報の特徴は、下記に述べる。
【０００８】
ソース
高速データ・ソースは１０Ｇｂ／ｓ以上で１．２５〜１．６５μｍの波長のパルス・モードにおいて作動する、既知の設計のヘテロ構造のレーザからなる。ＷＤＭシステムでは、多重波長と多重ソースが各チャネルに一つずつ使用される。
【０００９】
ビット・レート
最新の技術のシステムは、１０Ｇｂ／ｓ以上で機能する。従来の標準ビット・レートは、４Ｘ倍でビット・レートを増加させるので、高生産性システムでは１０、４０、１６０、・・・Ｇｂ／ｓで動作する。既存の光ファイバ伝送の多くは、１０Ｇｂ／ｓよりも小さいビット・レートでしか機能しない。一般に、これらのシステムでは比較的高分散のファイバ、すなわち、ＮＺＤＳＦやＳＴＤファイバを使用する。しかし、このファイバを具備し高速（４０Ｇｂ／ｓ以上）で動作するシステムは、非効率的である。ＰＬＭＴシステムの出現で、これらのファイバを使用した効率的な高速の伝送は提供されたが、分散特性という観点からの伝送ファイバの最適化は達成されていない。
【００１０】
パルス特性
本発明による推奨デューティ・サイクルは、１０〜５０％である。デューティ・サイクルＤはパルス幅Ｔ_ｐとパルス間隔Ｔ_Ｂに関連し、
Ｄ＝Ｔ_ｐ／Ｔ_Ｂ
という関係になる。
システムのビット・レートＢは、パルス間隔Ｔ_Ｂに関連し、
Ｂ＝１／Ｔ_Ｂ
という関係を満たす。
そしてデューティ・サイクルＤは次のように表すことが可能である。
Ｄ＝Ｔ_ｐＢ
パルス幅Ｔ_ｐは、出力の半値全幅のパルス幅として定義される。
【００１１】
デューティ・サイクルは、システムの関連情報の密度を最大値で確立し、システム利用のメリットを表す数字として用いられることが可能である。低デューティ・サイクルでの使用は、短パルスが関連するチャネル間隔をより広く要求するので、帯域幅を浪費してしまう。本発明の原理の利点を生かすには、少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％のデューティ・サイクルが推奨される。
【００１２】
かなり低いデューティ・サイクル、すなわち１０％を下回るデューティ・サイクルは、極めて短いパルスの伝送が分散補償に必要な要件を軽減するとして、近年注目されている。それは、ある場合に、単独の分散補償手段がシステムのどの場所にも設置することを可能とする。これは、アクセスが送信側か受信側のどちらかで制限されるようなシステムにおいては重要かもしれない。しかし、今述べたように、それは多くの応用例で設計上の検討を覆す程の帯域幅を浪費する。例えば、２ｐｓのパルス幅を使用する４０Ｇｂ／ｓシステムでは、上述の基準よりも低い、たったの８％のデューティ・サイクルしか有さない。
【００１３】
チャネルあたり１６０Ｇｂ／ｓのシステムでは、パルス幅は減少する。４０Ｇｂ／ｓシステムにおいて極めて短いとみなされるパルス幅でも、１６０Ｇｂ／ｓにおいては比較的長いと考えられる。本発明の推奨するデューティ・サイクルを用いる１６０Ｇｂ／ｓシステムにも高分散の規定が適用される。すなわち、推奨デューティ・サイクルは４０Ｇｂ／ｓと比較して１６０Ｇｂ／ｓでもほとんど同じである。１６０Ｇｂ／ｓシステムにおいて、最小デューティ・サイクル１０％での使用では０．６２５ｐｓの推奨パルス幅ということになる。最小デューティ・サイクル２０％では１．２５ｐｓのパルス幅になる。任意の高速信号用の推奨パルス幅は、ビット・レートを変数Ｂとすると、
０．１＜Ｔ_ＰＢ＜０．５
と表せる。
【００１４】
マルチプレクサ／デマルチプレクサ
ここで述べたシステムに有用なマルチプレクサとデマルチプレクサは、標準的なものなので詳細な説明は割愛する。しかし、極めて高容量のシステムの特性、本発明の好ましい応用例では、マルチプレクサおよびデマルチプレクサは多数のチャネル、すなわち１０個以上のチャネルで作動する。より一般的には、極めて高容量のシステムはＣバンド、Ｌバンドの両方において１０個以上のチャネルで、つまり合わせて少なくとも２０個のチャネルで作動する。チャネルあたりのビット・レートが増加するにつれて、全システムの大容量を維持しながらも、チャネルの数は減少する。
【００１５】
増幅器
また、本発明に使用される増幅器は典型な標準エルビウム増幅器である。これらは伝送パスに従って望ましいファイバに組み入れられる。そして、エルビウムをドープしたファイバの端部に光グレーティング部分を有することもある。そして、ファイバは、０．９８ｎｍポンプ源に接続している。
【００１６】
パルス・パワー
高容量システムは一般に、伝送手段の非線形の特性のために、何らかの形でひずみを処理するようなシステム設計が必要とされるほど大きなひずみを引き起こしてしまうと考えられている。多様な条件を考慮すると、通常、量的な定義は相対的なものとなる。けれども本発明によって設計され構築されたシステムは、−６〜１２ｄＢｍの範囲の基準となる時間平均出力レベルを有するだろう。
【００１７】
実施例
本発明の原理を明らかにするために、多数の異なる分散値を有するファイバにおけるパルス伝送についてシュミレーションの測定を行った。これらの測定結果を座標にプロットしたのが図１である。測定された特性はｄＢにおけるアイ・クロージャ・ペナルティで、光ファイバでの非直線と分散の影響によるパルス劣化の標準的な指標である。使用されたファイバの長さは８０ｋｍ、波長は１．５５μｍ、ビット・レートは１６０Ｇｂ／ｓであった。データは２０％と３３％の二種類のデューティ・サイクルで作成された。２０％デューティ・サイクルのデータは実線の曲線で、３３％デューティ・サイクルのデータは破線の曲線で表されている。それぞれに対応するパルス幅は、１．２５ｐｓと２．１ｐｓである。これらのパルス幅は、上述の推奨されるものに比べて低く、パルスの詳細において４Ｘ倍で増加するビット・レートとしての変化を表している。しかし、２０％と３３％のデューティ・サイクルはＰＬＭＴでは典型的なものである。４０Ｇｂ／ｓのシステムでパルス幅がそれぞれ５ｐｓと８．３ｐｓでの実験結果も質的には類似すると予測できる。アイ・クロージャはパルス歪みの単位であり、本質的には、１と０ビット間の識別範囲を表している。図１のデータから、実際に分散が増加するにつれ、システムの性能が向上しているのは明らかである。この特異な動きは完全に従来技術と反するものである。極めて高分散、すなわち５０ｐｓ／ｎｍよりも大きい場合、アイ・クロージャ・ペナルティはかなり低く、ほとんど横ばいである。分散ｓに対するペナルティｐのｄｐ／ｄｓ曲線の傾斜が０．２よりも小さい場合に、この形態で機能すれば、ファイバの分散特性はシステム設計において無視できる。高分散レベルでは分散補償手段の設計の必要条件は、より厳しくなる。しかし、分散補償ツールの進化によって高分散レベルで機能する費用対効果の高いシステム設計が可能になると期待されている。
【００１８】
図２Ａ〜Ｄは、次表のような異なる分散値のアイ・クロージャ・ペナルティを表した線図である。

【００１９】
アイ・クロージャ・ペナルティの低さが、システムの性能のよさに対応する。２ｄＢのペナルティは一般に、最新のシステム設計で上限値と考えられる。図２は、最適な伝送が、両方のデューティ・サイクルで伝送ファイバ分散値の最高値で生ずることを明確に示している。
【００２０】
図１の曲線を再び参照すると、比較的高い分散値を有するファイバの使用の利点の開示は、プラス・マイナス両方の分散値を含むことが明白である。伝送目的で、例えば１０ｋｍ以上の距離で、マイナスの分散値を有する光ファイバを使用することはまれなことである。よって、本発明はＰＬＭＴシステム用の光ファイバの使用、伝送に適する長さで、−５ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）以下の分散値、好ましくは−８ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）以下の分散値のファイバの使用を意図するものである。
【００２１】
伝送に用いられる光ファイバは、所定の長さ以上の光ファイバに必要とされる中継器の数を制限するために、極めて低い損失を有する。ファイバの長さは１０ｋｍ以上のものがよく知られている。分散補償や比較的性能の低いシステムに用いられる短いファイバと区別するために、一般に、少なくとも１ｋｍの長さのファイバが伝送ファイバとみなされる。
【００２２】
本発明には付加的なさまざまな変形が可能である。当該技術が提案された原理やそれと同等のものに基本的に立脚していれば、この明細書の詳細な教義から逸脱していても、当然のことながら上述された本発明の範囲内であると思慮する。
【００２３】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号がある場合は、本発明の一実施例の対応関係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ＰＬＭＴのアイ・クロージャ・ペナルティとして表したファイバ分散対パルス歪みをプロットした線図である。
【図２】図２は、異なる４段階の光ファイバ分散値に対応するアイの線図である。

Claims (4)

1. 光信号伝送システムであって、
   （ａ）デジタルパルスのソースであって、該パルスが、
   （ｉ）少なくとも１０Ｇｂ／ｓのビットレートＢ、
   （ii）１．２５〜１．６５μｍの波長、
   （iii）１５ｐｓ以下のパルス幅Ｔ_Ｐ、及び
   （iv）２０％〜５０％のデューティサイクル
   を有するデジタルパルスのソース、並びに
   （ｂ）前記デジタルパルスのソースを所定長の光ファイバに接続する手段であって、該所定長の光ファイバは少なくとも１ｋｍの長さがある、手段
   からなり、
   該所定長の光ファイバが５０ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）より大きい分散値又は−５０ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）未満の分散値を有することを特徴とする光信号伝送システム。
2. 前記ビットレートＢと前記パルス幅Ｔ_Ｐが、０．２＜Ｔ_ＰＢ＜０．５の関係にあることを特徴とする請求項１記載の光信号伝送システム。
3. 所定長の光ファイバを介して光デジタルパルスの形式で情報を伝送する方法であって、
   （ａ）デジタルパルスのソースを提供するステップであって、該パルスが
   （ｉ）少なくとも１０Ｇｂ／ｓのビットレートＢ、
   （ii）１．２５〜１．６５μｍの波長、
   （iii）１５ｐｓ以下のパルス幅Ｔ_Ｐ、及び
   （iv）２０％〜５０％のデューティサイクル
   を有する、ステップ、並びに
   （ｂ）前記デジタルパルスを少なくとも１ｋｍの長さの光ファイバに沿って伝送するステップ
   からなり、
   該光ファイバが５０ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）より大きい分散値又は−５０ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）未満の分散値を有することを特徴とする方法。
4. 前記ビットレートＢとパルス幅Ｔ_Ｐが、０．２＜Ｔ_ＰＢ＜０．５の関係にあることを特徴とする請求項３記載の方法。

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