JP4056933B2 - Optical fiber communication system using optical phase conjugation, apparatus applicable to the system, and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

【００３１】
ここに、Ｔ＝ｔ−β₁ｚ（β₁は伝搬定数）、αはファイバの損失、β₂はファイバの波長分散を表し、
【００３２】
【数２】

【００３３】
は、３次の非線形係数（光カー効果の係数）を表す。ここに、ｎ₂とＡ_effはそれぞれファイバの非線形屈折率と有効コア断面積を表す。ｃは真空中の光速である。ここでは１次分散までを考慮し、それより高次の分散は省略した。また、α，β₂，γはｚの関数であるとし、それぞれα（ｚ），β₂（ｚ），γ（ｚ）と表されるものとする。さらに、位相共役器の位置を原点（ｚ＝０）とする。ここで、以下の規格化関数を導入する。
【００３４】
【数３】

【００３５】
は、振幅を表し、α（ｚ）＞０の場合は伝送路が損失を持ち、α（ｚ）＜０の場合は利得を持つことをそれぞれ表す。Ａ（ｚ）≡Ａ（０）は損失無しの場合を表す。また、Ａ（ｚ）²＝Ｐ（ｚ）は光パワーに相当する。（７），（８）式を（５）式に代入すると、次の発展方程式が得られる。
【００３６】
【数４】

【００３７】
ここで、ｓｇｎ［β₂］≡±１は、β₂＞０，即ち正常分散の場合には＋１を、β₂＜０，即ち異常分散の場合には−１をそれぞれとる。
（１１）式が成り立てばその複素共役も成り立ち、次の式が得られる。
【００３８】
【数５】

【００３９】
複素共役光ｕ^*はｕに対する発展方程式と同じ発展方程式に従う。ただし、その際の伝搬方向は反転する。この動作はまさしく位相共役器の動作である。特に透過型の位相共役器においては上記のことは波長分散とＳＰＭとによる位相シフトを反転させることと等価である。
【００４０】
ここで、図２においては、第１の光ファイバ４の長さはＬ１ であり、第２の光ファイバ８の第１の部分８１の長さはＬ₂であるとする。また、位相共役器６はｚ座標及びζ座標の原点ｚ＝０（ζ＝０）に配置される。システム中間点１６のｚ座標及びζ座標はそれぞれＬ₂及びζ₀である。
【００４１】
第１の光ファイバ４においては、信号ビームｕ（Ｅｓ）は発展方程式（１１）に従って伝搬する。位相共役器６により信号ビームｕは位相共役ビームｕ^*（Ｅｃ）に変換される。位相共役ビームｕ^*は第２の光ファイバ８の第１の部分８１において発展方程式（１２）式に従って伝搬する。このときζ軸上の位相共役器６の位置（ζ＝０）に関して対称な位置にある任意の２点−ζ，ζにおける規格化距離ｄζ内において、（１１）式の右辺第一、二項の係数が等しくなるように各パラメータの値を設定すれば、−ζにおけるｕ^*はζにおけるｕの位相共役波となる。即ち、次の２式が条件となる。
【００４２】
【数６】

【００４３】
（１３）式は第１の光ファイバ４及び第１の部分８１の分散の符号が等しい必要性を示している。ファイバ内では、γ＞０，Ａ（ｚ）²＞０であることを考慮すると、上記条件は次のようにまとめることができる。
【００４４】
【数７】

【００４５】
第１の光ファイバ４内の（−ζ）における波長分散とＳＰＭとによる位相シフトは位相共役器６により符号が反転する。従って、この位相シフトによる波形歪みは第１の部分８１内の（ζ）における位相シフトによる歪みにより補償される。このように区間毎に上記のような設定による補償を繰り返していけば、全長に渡る補償が可能となる。
【００４６】
次に、上記の補償条件をｚ座標で記述する。（１５）式より、
【００４７】
【数８】

【００４８】
を得る。即ち、各区間内での非線形係数と光パワーの積に対する波長分散の比を等しくすることが条件となる。ここで、−ｚ₁，ｚ₂は次の式を満足させる２点である。
【００４９】
【数９】

【００５０】
（１６），（１７）式より（１８），（１９）式が得られる。
【００５１】
【数１０】

【００５２】
ｄｚ₁，ｄｚ₂はそれぞれ−ｚ₁，ｚ₂における小区間の長さであり、各区間長は当該区間内の分散に反比例するかあるいは非線形係数と光パワーの積に反比例する。ここで、分散β₂と分散パラメータＤの関係、Ｄ＝−（２πｃ／λ²）β₂を考慮すれば、（１８），（１９）式より以下の関係が得られる。Ｄはｚの関数であり、Ｄ（ｚ）とも表される。
【００５３】
【数１１】

【００５４】
分散及び非線形性について何れも位相共役器６に関して対称な二つの位置の一方における増加分と他方における減少分とが等しいことが補償の条件であることがわかる。
【００５５】
（２０），（２１）式は、補償のための必要条件であり、対応する２つの区間で総分散量とカー効果の総量とが等しくなることを示している。即ち、（１）式乃至（４）式の条件の有効性が確認された。
【００５６】
特にα，Ｄ及びγが実質的に一定であり且つパワーの変動が小さい場合には（２０），（２１）式を積分すれば、
【００５７】
【数１２】

【００５８】
を得る。ここで、Ｐ₁，Ｐ₂はそれぞれ第１の光ファイバ４及び第１の部分８１における平均パワーである。また、Ｄ₁，γ₁はそれぞれ第１の光ファイバ４の分散パラメータ及び非線形係数又はそれらの平均値、Ｄ₂，γ₂はそれぞれ第１の部分８１の分散パラメータ及び非線形係数又はそれらの平均値である。（２２），
（２３）式は分散補償及び平均値近似によるＳＰＭの補償法における条件と一致する。
【００５９】
実用的には、（２２）式の条件を満足するだけでも本発明を実施することができる。例えば、図１のシステムにおいて、第１の光ファイバ４の波長分散の平均値及び長さの積が第２の光ファイバ８の第１の部分８１の波長分散の平均値及び長さの積に実質的に一致するようにし、且つ、第２の光ファイバ８の第２の部分８２の波長分散の平均値及び長さの積が第３の光ファイバ１２の波長分散の平均値及び長さの積に実質的に一致するようにするのである。この設定により、波長分散による波形歪みが補償される。
【００６０】
望ましくは、更に（２３）式の条件を満足するために、第１の光ファイバ４における光パワーの平均値及び非線形係数の平均値並びに第１の光ファイバ４の長さの積が第１の部分８１における光パワーの平均値及び非線形係数の平均値並びに第１の部分８１の長さの積に実質的に一致するようにし、第２の部分８２における光パワーの平均値及び非線形係数の平均値並びに第２の部分８２の長さの積が第３の光ファイバ１２における光パワーの平均値及び非線形係数の平均値並びに第３の光ファイバ１２の長さの積に実質的に一致するようにする。この設定により、波長分散による波形歪みに加えて非線形性による波形歪みも補償される。
【００６１】
第１、第２及び第３の光ファイバ４，８及び１２を含む光路上に複数の光増幅器が設けられている場合には、これらのうちの隣り合う各２つの光増幅器の間隔を光路（光ファイバ）の非線形長よりも短く設定するのが望ましい。非線形長については後述する。
【００６２】
図２においては、システム中間点１６の上流側における補償の原理が示されている。システム中間点１６の下流側における補償の原理はこれと同じようにして理解することができるのでその説明を省略する。
【００６３】
図２による説明においては、（１０）式に示されるように、位相共役器６からの波長分散の累積値によって規格化座標が定義されている。その結果、要求される条件は、（１５）式により示されているように、位相共役器６からの波長分散の累積値が等しい第１の光ファイバ４及び第１の部分８１上の２点の各々における光パワー及び非線形係数の積と波長分散との比が実質的に一致することである。
【００６４】
図２においては、位相共役器６からの非線形効果の累積値（即ち光パワー及び非線形係数の積の累積値）によって規格化座標が定義されてもよい。この場合には、位相共役器６からの当該累積値が等しい第１の光ファイバ４及び第１の部分８１上の２点の各々における波長分散と光パワー及び非線形係数の積との比が実質的に一致することが条件となる。
【００６５】
次に、図２の原理の有効性を実証するための実験の結果について説明する。
【００６６】
図３を参照すると、実証実験で用いられたシステムのブロック図が示されている。
【００６７】
送信機（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）は図１の光送信機２に対応し、ファイバ補償器（Ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）は図１の第１の光ファイバ４に対応し、位相共役器（Ｐｈａｓｅ ｃｏｎｊｕｇａｔｏｒ）は図１の第１の位相共役器６に対応し、分散シフトファイバ（ＤＳＦ−１，２，・・・，４６）及びエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ１，２，・・・，４５）は図１の第２の光ファイバ８の第１の部分８１に対応する。伝送特性を測定するための受信機（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）は図１のシステム中間点１６に設けられた。
【００６８】
送信機における光源としては、３電極λ／４シフト型のＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還型レーザダイオード）が二つ用いられた。時分割多重された２０Ｇｂ／ｓの信号光Ｅ_S（波長λ_S＝１５５１ｎｍ）が、約４０ｐｓのパルス幅（ＦＷＨＭ）を有する１０Ｇｂ／ｓの２チャネルのＲＺ信号を時分割多重することによって生成された。１０Ｇｂ／ｓのＲＺパルスを生成するために、第１のＬｉＮｂＯ₃変調器（ＬＮ−１）を用いて１０−ＧＨｚの正弦波によりＥ_Sを強度変調し、次いで第２のＬｉＮｂＯ₃変調器（ＬＮ−２）を用いて１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺデータ信号（ＰＮ：２²³−１）によって強度変調を行った。変調されたＥ_SはパワーＰ₁で二段のＤＤ−ＤＣＦ１，２に入力され、これにより波形が予め補償された。
【００６９】
ここで、「ＤＤ−ＤＣＦ」は分散漸減型の分散補償ファイバ（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｆｉｂｅｒ：ＤＤ−ＤＣＦ）を表している。
【００７０】
ＤＤ−ＤＣＦの各々は５本のＤＣＦ（ＤＣＦ−ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ）を互いにスプライスして構成される。ＤＤ−ＤＣＦの各々の損失は０．４６ｄＢ／ｋｍであり、ＤＣＦの各々のモードフィールド径は約４μｍに設定された。
【００７１】
（１６）式の条件を近似的に満足するために、分散パラメータＤ₁はＤＤ−ＤＣＦの各々における平均光パワーの減少に従って減少すべきである。そのために、５本のＤＣＦの各々の長さ及びＤ₁は、表に示されるように設定された。
【００７２】
【表１】

【００７３】
ＤＤ−ＤＣＦの各々の長さは１３．７ｋｍであり、各々の総分散は−６６２．８ｐｓ／ｎｍであった。
【００７４】
尚、ＤＤ−ＤＣＦの各々に入力する光のパワーをＰ₁に設定するために、二つの光増幅器がカスケード接続された。
【００７５】
次いで、位相共役器が、２０ｋｍのＤＳＦにおける波長λ_P＝１５５４ｎｍのポンプ光Ｅ_Pを用いた非縮退型のフォワードＦＷＭ（四光波混合）によって、予め補償された（歪を与えられた）Ｅ_Sをこれと同方向に伝搬する位相共役光Ｅ_C（波長λ_C＝１５５７ｎｍ）に変換した。Ｅ_SからＥ_Cへの変換効率は−１２ｄＢであった。
【００７６】
次いで、位相共役光Ｅ_Cは、カスケード接続された４６本のＤＳＦ（０．２１ｄＢ／ｋｍ損失）及びこれらの間に設けられる４５個のＥＤＦＡ（各々の雑音指数は約６ｄＢ）からなる３０３６ｋｍの伝送路へ供給された。この伝送路のλ_Cにおける平均分散は−０．４４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであった。従って、二段のＤＤ−ＤＣＦにおける総分散と上記伝送路における総分散との間の差は約１０ｐｓ／ｍであった。各ＤＳＦの長さは６６ｋｍであり、各ＤＳＦへの光入力パワーＰ₂は＋６ｄＢｍに設定された。
【００７７】
Ｐ₁の最適値は上述の条件では＋１６ｄＢｍであった。ＤＤ−ＤＣＦの非線形係数γ₁は約１８．０Ｗ^-1ｋｍ^-1であると見積もられた。
【００７８】
誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）を抑圧するために、Ｅ_S及びＥ_Pはそれぞれ５００−ｋＨｚ及び１５０−ｋＨｚの正弦波信号により周波数変調された。受信機では、第３のＬｉＮｂＯ₃変調器（ＬＮ−３）及びフェイズロックループ（ＰＬＬ）を用いることによってＥ_Cは時分割デマルチプレキシングされ、ビットエラーレート（ＢＥＲ）が測定された。
【００７９】
比較のため、一つのＤＤ−ＤＣＦ及び２３本のＤＳＦを用いた１５１８ｋｍの伝送実験も行われた。
【００８０】
図４に測定されたＢＥＲの特性を示す。３０３６ｋｍの伝送の後であっても、１０^-9より小さいＢＥＲで信号の検出を行うことができた。１０^-9のＢＥＲにおける４．８ｄＢのパワーペナルティは、ＥＤＦＡの雑音等の理論値からのＳ／Ｎ劣化によるものであった。この実験ではλ_Cは各ＥＤＦＡにおけるゲインピークを与える波長λ_G≒１５５８．５ｎｍから１．５ｎｍほど離調していた。もしλ_Cをλ_Gに一致させることができれば、より高いＳ／Ｎ特性を得ることができる。１５１８ｋｍの伝送実験では、ペナルティは約１．２ｄＢであった。
【００８１】
図５Ａ〜５Ｅに３０３６ｋｍ伝送実験における検出された波形の変化の様子を示す。図５Ａは送信機の出力波形、図５Ｂは位相共役器の出力波形、図５Ｃは１５１８ｋｍ伝送後の波形、図５Ｄは２７０６ｋｍ伝送後の波形、図５Ｅは３０３６ｋｍ伝送後の波形をそれぞれ示している。予めひずめられた波形がＥＣ の伝搬に伴って次第に改善されていることが判る。図５Ｅにおける波形歪みの残留は、不完全な補償条件によるものであった。即ち、この実証実験では、ＥＤＦＡの間隔（ＤＳＦの長さ；６６ｋｍ）が非線形係数と光パワーの積の逆数で定義される非線形長よりも十分に短くないことにより、波形の改善が完全でなかったものである。
【００８２】
従って、本発明では、光増幅器を複数用いる場合には、これらの間隔を非線形長よりも短く設定することが望ましい。
【００８３】
また、ＤＤ−ＤＣＦにおけるＤＣＦの分割数を実験における５よりも大きくすることによって、補償を更に改善することができる。
【００８４】
図１の光ファイバ４，８及び１２の各々としてはシングルモードのシリカファイバを用いることができる。光ファイバ通信において用いられるシリカファイバとしては、１．３μｍ零分散ファイバや１．５５μｍ分散シフトファイバ等がある。
【００８５】
光送信機２における信号光の変調方式としては、光振幅（強度）変調、周波数変調、位相変調その他の実施可能なあらゆる変調方式が挙げられる。また、光受信機１４における信号検出は、光帯域フィルタによるフィルタリングの後での光直接検波、或いは光ヘテロダイン検波により行うことができる。
【００８６】
位相共役器６及び１０の各々は、２次又は３次の非線形光学媒質と、この媒質をポンピングする手段とを有する。２次の非線形光学媒質が用いられている場合には、パラメトリック効果により位相共役変換が行われ、また、３次の非線形光学媒質が用いられている場合には、縮退型或いは非縮退型の四光波混合により位相共役変換が行われる。
【００８７】
３次の非線形光学媒質としては例えばシリカファイバを用いることができ、この場合、四光波混合におけるポンプ光の波長をそのシリカファイバの零分散波長にほぼ一致させておくことにより、良好な位相共役変換がなされる。シリカファイバを用いた位相共役器は、高速性、広帯域性、低歪み性、及び伝送路との整合性において優れている。
【００８８】
３次の非線形光学媒質として、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いることもできる。ＳＯＡを用いた位相共役器は広帯域性及び小型化の面で優れている。
【００８９】
３次の非線形光学媒質として分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）それ自身を用いることもできる。電流注入によってＤＦＢ−ＬＤがポンプ光を生成し、四光波混合によって位相共役変換が行われる。従って、外部のポンプ光源が不要である。ＤＦＢ−ＬＤを用いた位相共役器は広帯域性及び小型化の面で優れている。ＤＦＢ−ＬＤを用いた位相共役器の詳細については、文献（H. Kuwatsuka, H. Shoji, M. Ma tsuda and H. Ishikawa,“THz freuency con- version using nondegenerate four-wave mix-ing process in a lasing long-cavity λ/4-shifted DFB laser”Electron. Lett., vol. 31, pp. 2108-2110, 1995)を参照されたい。
【００９０】
２次の非線形光学媒質としてはＬｉＮｂＯ₃やＡｌＧａＡｓ等からなる光導波路を用いることができる。この光導波路を用いた位相共役器は、疑似位相整合構造の採用により良好な位相整合を可能にすると共に、広帯域性において優れており、また位相共役ビームの抽出が容易である。これに関しては、例えば、文献(C.Q. Xu,H. Okayama and M. Kawahara, “1.5 μｍ band efficient broadband wavelength conversion by difference frequency generation in a periodically domain-inverted LiNbO３ channel waveguide ” Appl. Phys. Lett., vol. 63, No. 26, pp. 3559-3561, 1993)を参照されたい。
【００９１】
図６を参照すると、図１の位相共役器６及び１０の各々として用いることができる位相共役器が示されている。この位相共役器は、３次の非線形光学媒質としての光ファイバ１８と、ポンプ光源としてのレーザダイオード（ＬＤ）２０と、入力ビーム及びポンプ光を加え合わせて光ファイバ１８に供給するための光カプラ２２とを備えている。
【００９２】
光ファイバ１８は望ましくはシングルモードファイバである。この場合において、入力ビームの波長とポンプ光の波長をわずかに異ならせて非縮退型の四光波混合を生じさせるときには、光ファイバ１８の零分散波長がポンプ光の波長（ＬＤ２０の発振波長）に一致するようにしておく。光カプラ２２は４つのポート２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ及び２２Ｄを有している。ポート２２Ａには入力ビーム（信号ビーム又は第１の位相共役ビーム）が供給され、ポート２２ＢはＬＤ２０に接続され、ポート２２Ｃは光ファイバ１８の第１端に接続され、ポート２２Ｄはデッドエンドにされている。光ファイバ１８の第２端はこの位相共役器の出力ポートとなる。光カプラ２２は、ポート２２Ａ及び２２Ｂにそれぞれ供給された入力ビーム及びポンプ光をポート２２Ｃから出力する。光カプラ２２としては、例えば、ファイバ融着型のもの、ハーフミラー、光合波器、変更ビームスプリッタ等が使用される。
【００９３】
図７を参照すると、本発明の第１実施形態が示されている。第１の光ファイバ４としては、実証実験で用いられたような２つのＤＤ−ＤＣＦ２４が採用されている。各ＤＤ−ＤＣＦ２４の入力側には光増幅器２６が設けられており、これにより各ＤＤ−ＤＣＦ２４に供給される信号ビームのパワーが予め定められたレベルになるようにされている。第２の光ファイバ８の第１の部分８１は複数の光ファイバ２８をカスケード接続して構成される。各光ファイバ２８の間には、第１の部分８１における光パワーをほぼ一定に保つために、光増幅器３０が設けられている。第２の光ファイバ８の第２の部分８２は複数の光ファイバ３２から構成される。各光ファイバ３２の間には、第２の部分８２における光パワーをほぼ一定に保つために、光増幅器３４が設けられている。
【００９４】
特にこの実施形態では、システム中間点１６には、ノイズの除去が効果的に行われる光増幅器３６が設けられてる。第３の光ファイバ１２としては、実証実験で用いられたのと同じような２つのＤＤ−ＤＣＦ３８が採用されている。各ＤＤ−ＤＣＦ３８の入力側には、各ＤＤ−ＤＣＦ３８に供給される第２の位相共役ビームのパワーが予め定められたレベルになるようにするために、光増幅器４０が設けられている。
【００９５】
光送信機２、第１の光ファイバ４及び第１の位相共役器６は第１の端局４２に含まれ、第２の位相共役器１０、第３の光ファイバ１２及び光受信機１４は第２の端局４４に含まれる。端局４２及び４４は例えばそれぞれ別の大陸に設置され、この場合、これらの大陸間の海底に第２の光ファイバ８を伝送路として敷設することができる。
【００９６】
図８を参照すると、図７のシステムにおける光パワー等のダイアグラムが示されている。第１の光ファイバ４を構成する２つのＤＤ−ＤＣＦ２４の各々においては、非線形効果（非線形係数γ及び光パワーＰの積）が減少するのに伴って波長分散β₂が漸減しており、これにより非線形効果と波長分散の比（γＰ／β₂）がほぼ一定になるようにされている。
【００９７】
また、第２の光ファイバ８の途中には第２の光ファイバ８における光パワーをほぼ一定にするために複数の光増幅器３０，３４及び３６が設けられている。従って、この実施形態によると、パラメータが特別に設計されていない既設の光ファイバ伝送路を用いて或いは組み合わせて第２の光ファイバ８とすることができる。具体的には次の通りである。
【００９８】
今、第２の光ファイバ８の第１の部分８１として、図７に示されるように、複数の光ファイバ２８と複数の光増幅器３０とからなる既設の伝送路が提供されているとする。一般に既設の伝送路においては波長分散の平均値は一定であるから、光増幅器３０の各々の利得を適切に設定することによって、第２の光ファイバ８の第１の部分８１における非線形効果と波長分散の比（γＰ／β₂）を予め与えられた値ｘに設定することができる。伝送路についてこの比ｘが与えられると、端局４２において、ＤＤ−ＤＣＦ２４の各々における非線形係数及び光パワーの積γＰの分布と波長分散β₂の分布とが設定される。そしてこれにより第１の光ファイバ４における非線形効果と波長分散の比（γＰ／β₂）を第２の光ファイバ８の第１の部分８１に関する比ｘに一致させることができる。その結果、システム中間点１６において波形が元に戻るのである。
【００９９】
尚、ここでは第１の光ファイバ４の全長と第２の光ファイバ８の第１の部分８１とに関して一定の比ｘが得られるようにシステムが設計されているが、例えば第１の部分８１を構成する光ファイバ２８の各々が異なる波長分散β₂を有している場合には、第１の部分８１には異なる波長分散を有する複数の区間が生じるので、第１の光ファイバ４についても本発明に従って複数の区間に仮想的に分割し、対応する２つの区間について前述した条件を満足させることによって、システム中間点１６において波形を元に戻すことができる。
【０１００】
第２の光ファイバ８の第２の部分８２と第３の光ファイバ１２についても同じように設計することによって、光受信機１４において波形を元に戻すことができる。図８の例では、第２の光ファイバ８の第１の部分８１と第２の部分８２が同じ値の波長分散を有しているとしてダイアグラムが示されているが、異なる波長分散を有している場合であっても、端局４４において光増幅器４０の利得とＤＤ−ＤＣＦ３８の構成を適切に設定することによって、光受信機１４において波形を元に戻すことができる。
【０１０１】
このようにこの実施形態によると、第２の光ファイバ８を伝送路として用いることによって、波長分散及び非線形性を補償した極めて長距離な伝送システムの構築が可能になる。また、端局４２及び４４にそれぞれ位相共役器６及び１０を設けておくことによって、伝送路の途中に配置される１つの位相共役器も必要でないので、システムの保守性が向上する。即ち、一旦海底に敷設した伝送路については保守が極めて困難であることに鑑み、一般に複雑な構成を有する位相共役器は伝送路の途中に設けたくないという要求があるのであるが、本発明はこのような要求を満足するものである。
【０１０２】
尚、図７のシステムにおいて、システム中間点１６における波形改善を良好にするためには、光増幅器３０の間隔を非線形係数と光パワーの積の逆数で与えられる非線形長よりも十分短くすることが望ましい。同様に、光受信機１４における波形改善を良好にするためは、光増幅器３４の間隔を非線形長よりも十分に短くすることが望ましい。つまり、光増幅器の間隔を非線形長に比べて十分小さくすることによって、光パワーが全長に渡って一定（の平均パワー）であるとして扱うことができるのである。この場合、光ファイバ８の分散が一定であるにもかかわらず、位相共役器の前後で波長分散及び非線形効果の比が一定であるという条件が近似的に成り立つ。
【０１０３】
ところで、図７のシステムにおいては、複数の光増幅器が用いられていることから、ノイズが累積する。例えば、各光増幅器がＥＤＦＡである場合には、ＥＤＦ（エルビウムドープファイバ）において発生するＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｏｎ）によるノイズが累積する。
【０１０４】
本発明では、図２に示されるように、信号スペクトルは第１の光ファイバ４において徐々に広がり、第１の位相共役器６において信号スペクトルは一旦周波数軸上で裏返された後、第２の光ファイバの第１の部分８１において信号スペクトルは再び徐々に狭くなり、システム中間点１６において信号スペクトルは最も狭くなる。従って、本発明においては、システム中間点１６においてＡＳＥによるノイズを効果的に除去することができる。
【０１０５】
図９を参照すると、本発明のシステムに適用可能な光増幅器が示されている。光増幅媒体としてのＥＤＦ４６の第１端には、光カプラ４８を介して増幅すべきビームとレーザダイオード５０からの第１のポンプビームとが供給される。ＥＤＦ４６の第２端には、光カプラ５２を介してレーザダイオード５４からの第２のポンプビームが供給される。第１及び第２のポンプビームによってポンピングされているＥＤＦ４６に増幅すべきビームが供給されると、このビームは増幅され、光カプラ５２及び光帯域通過フィルタ５６を通ってこの光増幅器から出力される。
ＥＤＦ４６において発生するＡＳＥは増幅されたビームよりも十分広い帯域を有しているので、光帯域通過フィルタ５６によってＡＳＥの大部分を除去して増幅されたビームにおけるＳ／Ｎの低下を抑えることができる。
【０１０６】
図７のシステムにおいて、システム中間点１６に設けられる光増幅器３６に例えば図９に示される光増幅器を適用する場合には、システム中間点１６においては信号スペクトルが最も狭くなっていることから、信号スペクトルの帯域幅よりも僅かに広い通過帯域を有する光帯域通過フィルタをフィルタ５６として用いることによって、累積したＡＳＥによるノイズを効果的に除去することができる。
【０１０７】
尚、図９の光増幅器では２つのレーザダイオード５０及び５４を用いてＥＤＦ４６をポンピングしているが、何れか一方のレーザダイオードのみによってＥＤＦ４６をポンピングしてもよい。
【０１０８】
このように本発明の望ましい実施形態によると、第２の光ファイバ８におけるシステム中間点１６の近傍に第１の位相共役ビームの波長を含む通過帯域を有する光帯域通過フィルタを設けておくことによって、Ｓ／Ｎの劣化を効果的に防ぐことができる。
【０１０９】
図１０を参照すると、本発明の第２実施形態を示す光通信システムが示されている。この実施形態は、図１の基本構成と対比して、第２の光ファイバ８におけるシステム中間点１６に分岐ユニット５８が設けられている点で特徴付けられる。
【０１１０】
光送信機２が出力した信号ビームは第１の光ファイバ４により位相共役器６に供給される。位相共役器６は受けた信号ビームを位相共役ビームに変換して出力する。位相共役器６が出力した位相共役ビームは第２の光ファイバ８の第１の部分８１により分岐ユニット５８に供給される。分岐ユニット５８は、受けた位相共役ビームを第１及び第２の分岐ビームに分岐する。第１及び第２の分岐ビームは、それぞれ、第２の光ファイバ８の第２の部分８２−１及び８２−２により位相共役器１０−１及び１０−２に供給される。位相共役器１０−１は受けた第１の分岐ビームを位相共役ビームに変換し、これを光ファイバ（第３の光ファイバ）１２−１により光受信機１４−１へ送る。位相共役器１０−２は受けた第２の分岐ビームを位相共役ビームに変換し、これを光ファイバ（第３の光ファイバ）１２−２により光受信機１４−２へ供給する。
【０１１１】
光ファイバ４及び８１のパラメータ設定、光ファイバ８２−１及び１２−１のパラメータ設定、並びに光ファイバ８２−２及び１２−２のパラメータ設定は本発明に従って図１におけるのと同じようになされている。
【０１１２】
分岐ユニット５８はシステム中間点１６に設けられているので、この分岐ユニット５８において受けた位相共役ビームの伝送特性をモニタリングすることができる。そのために、分岐ユニット５８にはモニタ回路６０が付随的に設けられている。図示はしないが分岐ユニット５８に光受信機を接続してもよい。
【０１１３】
例えば、光送信機２、光ファイバ４及び位相共役器６は第１の大陸に設けられ、位相共役器１０−１、光ファイバ１２−１及び光受信機１４−１は第２の大陸に設けられ、位相共役器１０−２、光ファイバ１２−２及び光受信機１４−２は第３の大陸に設けられ、分岐ユニット５８及びモニタ回路６０はこれらの大陸の間の島に設けられる。分岐ユニット５８は正確にシステム中間点１６に設けられていなくても良く、波形が十分に改善されているという条件の下に分岐ユニット５８はシステム中間点１６からある程度離れた位置に設けられていてもよい。
【０１１４】
ここでは、本発明の第２実施形態を図１の基本構成に対比して説明したが、図７の第１実施形態を図１０の第２実施形態に適用してもよい。また、図１０では分岐ユニット５８が第１及び第２の分岐ビームを出力するとしているが、分岐ユニット５８が受けた位相共役ビームを３以上の分岐ビームに分岐し、これに対応して分岐ユニット５８の下流側の位相共役器及び光受信機を増設してもよい。
【０１１５】
図１１を参照すると、本発明の第３実施形態が示されている。ここでは、図１の基本構成をＷＤＭ（波長分割多重）に拡大適用するために、光マルチプレクサ（ＭＵＸ）６２及び光デマルチプレクサ（ＤＥ−ＭＵＸ）６４が用いられている。
【０１１６】
光送信機２−１，…，ｎ（ｎは１よりも大きい整数）は、互いに異なる波長を有する信号ビームをそれぞれ出力する。信号ビームは図１の第１の光ファイバ４にそれぞれ対応する光ファイバ４−１，…，ｎによって光マルチプレクサ６２に供給される。光マルチプレクサ６２は、受けた信号ビームを波長分割多重してＷＤＭ信号ビームを出力する。そしてこのＷＤＭ信号ビームが第１の位相共役器６に供給される。ここでは、光送信機２−１，…，ｎのそれぞれに専用の光ファイバ４−１，…，ｎが与えられているので、各波長チャネル毎に本発明によるパラメータの設定が可能である。即ち、波長チャネ
ルによって非線形係数や波長分散が異なるので、この実施形態によると波長チャネル毎の厳密な補償が可能になる。
【０１１７】
位相共役器６において位相共役変換されたＷＤＭ信号ビームは第２の光ファイバ８により第２の位相共役器１０に供給され、ここで更に位相共役変換される。位相共役器１０の出力ビームは光デマルチプレクサ６４に供給される。光デマルチプレクサ６４は受けたビームを波長チャネル毎に分離し、各チャネルのビームは図１の第３の光ファイバ１２に対応する光ファイバ１２−１，…，ｎによってそれぞれ光受信機１４−１，…，ｎに供給される。光ファイバ４−１，…，ｎの各々と第２の光ファイバ８の第１の部分８１とについてのパラメータ設定は図１の基本構成におけるのと同じようになされており、第２の光ファイバ８の第２の部分８２と光ファイバ１２−１，…，ｎの各々とについてのパラメータ設定も図１におけるのと同じようになされている。
【０１１８】
この実施形態では、位相共役器１０が出力したビームをｎチャネルに分けるために、光デマルチプレクサ６４を用いているが、１つの光受信機を用いる場合には光デマルチプレクサ６４は不要である。この場合には、光受信機はｎチャネルから所望のチャネルを選択するための光学的或いは電気的な手段を有している。
【０１１９】
尚、第３実施形態を図１の基本構成に対比して説明したが、図７の第１実施形態を第３実施形態に適用してもよい。
【０１２０】
図１２を参照すると、本発明の第４実施形態が示されている。ここでは、図１の基本構成と対比して、光ファイバ４、８及び１２の各々の波長分散と逆符号の波長分散を与える少なくとも１つの分散補償器（ＤＣ）６６が付加的に設けられている。図示された例では、分散補償器６６は位相共役器６及び１０の間の光ファイバ８の途中に設けられているが、分散補償器６６は光ファイバ８の入力端又は出力端に接続されていてもよい。また、分散補償器６６は、光ファイバ４の途中に設けられ若しくは入力端若しくは出力端に接続され又は光ファイバ１２の途中に設けられ若しくはその入力端若しくは出力端に接続されていてもよい。
【０１２１】
分散補償器６６としては絶対値が大きい波長分散を有する分散補償ファイバ（ＤＣＦ）を用いることができる。光ファイバ４、８及び１２の各々の分散が正常分散或いは異常分散の何れである場合でも、ＤＣＦからなる分散補償器６６を用いることによって、その長さを短く抑えることができるので、分散補償器６６における損失を小さく抑えることができる。特に、光ファイバ４、８及び１２の各々が正常分散を有している場合には、分散補償器６６としては１．３μｍ零分散ファイバが適している。例えば複数の分散補償器６６を光ファイバ８の途中に設ける場合には、その長手方向に分散補償器６６を均等間隔で設けるのが望ましい。
【０１２２】
図１２では図１の基本構成に分散補償器６６が付加されているが、本発明の第１乃至第３実施形態において少なくとも１つの分散補償器を付加的に設けてもよい。
【０１２３】
図１３を参照すると、ファイバグレーティングＦＧを用いた分散補償器の構成が示されている。この分散補償器は図１２の分散補償器６６として、或いは後述の用途で用いることができる。光パルスの両縁の波長がそれぞれλ₁及びλ₂である光パルスが光サーキュレータＯＣを通ってファイバグレーティングＦＧに供給される。ファイバグレーティングＦＧのグレーティングピッチは予め定められた分布を有しており、波長λ₁のビームは光サーキュレータＯＣに比較的近い位置でブラッグ反射され、波長λ₂のビームは比較的遠い位置でブラッグ反射される。これにより光パルスの圧縮が行われ、ファイバグレーティングＦＧからのブラッグ反射ビームを光サーキュレータＯＣを介して取り出すことによって、分散補償を行うことができる。
【０１２４】
図１４を参照すると、本発明の第５実施形態が示されている。ここでは、図１の基本構成と対比して、第１の光ファイバ４、第１の位相共役器６、第２の光ファイバ８、第２の位相共役器１０及び第３の光ファイバ１２にそれぞれ相当する光学要素を含む光学ユニット６８を更に備えたシステムが示されている。光学ユニット６８の第１端は、図１の光受信機１４に対応する点Ａにおいて第３の光ファイバ１２に接続され、光学ユニット６８の第２端は光受信機１４´に接続される。光学ユニット６８は、光ファイバ４、位相共役器６、光ファイバ８、位相共役器１０及び光ファイバ１２にそれぞれ相当する光ファイバ４´、位相共役器６´、光ファイバ８´、位相共役器１０´及び光ファイバ１２´を含む。光学ユニット６８は図１のシステム中間点１６に対応するシステム中間点１６´を有している。図１４の実施形態では、光学要素６８を１つだけ示しているが、点Ａと光受信機１４´との間に光学ユニット６８が複数直列に設けられていてもよい。
【０１２５】
この実施形態によると、図示されたシステムの各部分について本発明の条件を適用することによって、光送信機２と光受信機１４´との間の距離を十分に伸ばすことができる。また、システム中間点１６及び１６´並びに点Ａにおいては光信号の波形が元に戻っているので、これらの点にノードを設けることによって、光信号のアッド／ドロップ或いは光信号波形のモニタリングを容易に行うことができる。また、システム中間点１６及び１６´並びに点Ａの少なくとも何れかに図９の光増幅器の光帯域通過フィルタ５６を適用することによって、ＡＳＥによるノイズを効果的に除去することができる。
【０１２６】
尚、ここでは第５実施形態を図１の基本構成に対比して説明したが、図７の第１実施形態を第５実施形態に適用してもよい。
【０１２７】
図１５を参照すると、本発明の第６実施形態が示されている。図１１の第３実施形態では、図１の基本構成をＷＤＭ（波長分割多重）に適用するために、複数の光送信機２−１，…，ｎに対応して複数の第１の光ファイバ４−１，…，ｎを設け、複数の光受信機１４−１，…，ｎに対応して複数の第３の光ファイバ１４−１，…，ｎを設けている。これに対して、図１５の第６実施形態では、光送信機２−１，…，ｎの直後に光マルチプレクサ６２´を設け、光マルチプレクサ６２´と第１の位相共役器６との間に共通の第１の光ファイバ４を設けている。また、光受信機１４−１，…，ｎの直前に光デマルチプレクサ６４´を設け、第２の位相共役器１０と光デマルチプレクサ６４´との間に共通の第３の光ファイバ１２を設けている。
【０１２８】
光送信機２−１，…，ｎが出力する信号ビームの波長は互いに異なる。従って、もし、光送信機２−１と光受信機１４−１とに関する波長チャネルについて（１）〜（４）式の条件が満たされているとすれば、その波長チャネルについてはシステム中間点１６において波形が完全に元に戻るが、他の波長チャネルについては厳密な意味では（１）〜（４）式を満足することができないので、当該他の波長チャネルについてはシステム中間点１６において波形が完全には元には戻らないかもしれない。しかし、本発明では、システム中間点１６を中心として対称な条件設定を行うことによって、システム中間点１６で波形が完全に元に戻らない波長チャネルについても受信側で波形を実質的に完全に元に戻すことができる。
【０１２９】
図１６を参照すると、本発明の第７実施形態が示されている。ここでは、図１５の第２の光ファイバ８の第２の部分８２と、位相共役器１０と、第３の光ファイバ１２とが省略され、システム中間点１６に光デマルチプレクサ６４”が設けられている。図１６の位相共役器６が３次の非線形光学媒質を有しているとした場合における分散パラメータの設計例を説明する。
【０１３０】
図１７Ａに示されるように、光送信機２−１，…，ｎが出力する信号ビームの波長がそれぞれλ_S1，…，λ_Snとした場合、位相共役器６が出力する位相共役ビームの波長λ_C1，…，λ_Cnは、それぞれ、ポンプ光の波長λ_Pに対して信号ビームの波長λ_S1，…，λ_Snと対称の位置に配置される。もし、図１６のシステムにおいて、位相共役器６の前後の光ファイバ４及び第１の部分８１として同じ種類の光ファイバが用いられており、そのファイバが図１７ＡにＤ₁で示されるように分散パラメータが波長に依存して変化する特性を有しているとすると、信号ビームが受ける波長分散がチャネル毎に異なるので、補償が不完全になるかもしれない。そこで、図１７Ａに示される例では、波長λ_S1，…，λ_Snの信号ビームが伝搬する光ファイバ４としてＤ₁で示されるような特性のファイバを用いている場合には、波長λ_C1，…，λ_Cnの位相共役ビームが伝搬する第１の部分８１としてＤ₂で示されるようにポンプ光の波長λ_Pに対してＤ₁と対称の特性を有するようなファイバを用いるのである。例えば、第１の光ファイバ４の分散傾斜（２次分散；分散パラメータの波長微分）が正である場合には、第１の部分８１の分散傾斜を負にするのである。このようにして、各チャネルの信号ビームが受ける波長分散と対応する位相共役ビームが受ける波長分散とが等しくなるようにすることによって、波長分散及び非線形性をチャネル毎に補償することができる。
【０１３１】
特に、ＷＤＭが適用される場合には、各チャネルについて発生するＳＰＭだけでなく、チャネル間の相互作用によるＸＰＭ（相互位相変調）によっても波形劣化が生じるが、図１７Ａに示されるように分散パラメータを設計することによって、ＸＰＭを補償することができる。尚、図１６の実施形態にＤＤ−ＤＣＦを適用する場合には、ＤＤ−ＤＣＦの各々として例えば図１７Ａのものの特性を縦方向にシフトしたものを用いることができる。
【０１３２】
図１７Ｂに示されるように、分散傾斜がないファイバを用いることもできる。即ち、位相共役器６の前後において、光ファイバ４としては分散パラメータＤ₁が波長に従って変化しないファイバを用いるとともに、第１の部分８１としては分散パラメータＤ₂が波長に従って変化しないファイバを用いるのである。このように分散傾斜のないファイバを用いることによって、ＳＰＭ及びＸＰＭによる波形劣化だけでなく、チャネル間のＦＷＭを補償することができる。ＦＷＭの発生効率は各ファイバの分散値に依存するので、光ファイバ４と第１の部分８１とで分散パラメータを同じにするのが望ましい。尚、チャネル間のＦＷＭの発生効率は偏波依存性を有しているので、図１６のようにＷＤＭが適用される場合には、光送信機２−１，…，ｎの各々の直後或いは光マルチプレクサ６２´の直後に偏波スクランブラを設けるのが望ましい。また、図１７Ｂに示されるような特性を有するファイバを用いてＤＤ−ＤＣＦを構成することもできる。
【０１３３】
図１８Ａ及び１８Ｂを参照すると、本発明が適用可能な光ネットワークが示されている。図１８Ａに示される光ネットワークにおいては、３つの端局７０の間がそれぞれ光ファイバにより接続されており、各光ファイバの途中には光信号のアッド／ドロップのためのノード７２が設けられている。ターミナル７０の各々は図１の位相共役器６又は１０を有しており、光ファイバの各々について本発明の条件が満足されるようにしてある。各ノード７２は本発明に従うシステム中間点１６（図１参照）に配置されている。システム中間点では波形が元に戻っているので、システム中間点にノード７２を配置することによって、波形の劣化を考慮することなしに光信号のアッド／ドロップが可能になる。
【０１３４】
図１８Ａの光ネットワークにＷＤＭが適用される場合には、各ターミナル７０はＷＤＭのチャネル毎に位相共役器を有していることが望ましい。このように各ターミナル７０が複数の位相共役器を有する場合には、光信号がターミナル７０を通過するときに位相共役変換及び波長変換がチャネル毎に行われるので、各ターミナル７０において光信号の分岐や切り換え（クロスコネクト）が可能になる。
【０１３５】
図１８Ｂに示される光ネットワークにおいては、２つのターミナル７０が幹線上に配置され、ターミナル７０の間にノード７２が設けられている。また、ターミナル７０の各々はサブシステム７４に接続されている。サブシステム７４の各々はリング状光ファイバネットワークとその途中に設けられる複数のノード７６とを有している。
【０１３６】
この構成によると、例えば幹線ネットワークにＷＤＭが適用されている場合に、ＷＤＭの各チャネルをサブシステム７４の各々に割り当てることで、比較的低速なＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）を容易に提供することができる。
【０１３７】
図１９を参照すると、本発明による光通信システムの他の基本構成が示されている。このシステムは、信号ビームを出力する光送信機１０２と、信号ビームを伝送するための第１の光ファイバ１０４と、第１の光ファイバ１０４により伝送された信号ビームを位相共役ビームに変換して出力する位相共役器１０６と、位相共役ビームを伝送する第２の光ファイバ１０８と、第２の光ファイバ１０８により伝送された位相共役ビームを受ける光受信機１１０とを備えている。
【０１３８】
第１の光ファイバ１０４、位相共役器１０６及び第２の光ファイバ１０８を含む光路上には、光ファイバ１０４及び１０８の各々の波長分散と逆符号の波長分散を与える少なくとも１つの分散補償器１１２が設けられている。図示された例では分散補償器１１２は第２の光ファイバ１０８の途中に設けられているが、分散補償器１１２は第１の光ファイバ１０４の途中に設けられていてもよい。また、分散補償器１１２は光ファイバ１０４又は１０８の端部に設けられていてもよい。
【０１３９】
第１の光ファイバ１０４及び第２の光ファイバ１０８のパラメータ設定は、それぞれ、図１のシステムにおける第１の光ファイバ４及び第２の光ファイバ８の第１の部分８１のパラメータ設定に準じて行われる。例えば、第１の光ファイバ１０４の波長分散の平均値及び長さの積は、第２の光ファイバ１０８の波長分散の平均値及び長さの積に実質的に一致するようにされる。各波長分散の平均値を求めるためには、分散補償器１１２の分散値を含めてもよいし含めなくてもよい。
【０１４０】
図１９のシステムを実施する場合、光ファイバ１０４又は１０８として、波長１．５５μｍ帯で最低損失及び異常分散を与えるシングルモードファイバを使用したいという要求がある。その理由は、第１に、このようなシングルモードファイバからなる光ファイバ伝送路が既に多くの地域で敷設されておりこれをそのまま利用したいという点と、第２に、波長１．５５μｍ帯でＷＤＭを実施する場合にシングルモードファイバでは比較的大きな異常分散が生じることによりＸＰＭ及びＦＷＭによるチャネル間クロストークが生じにくいという点とに基づく。
【０１４１】
分散補償器１１２が無い場合、光ファイバ１０４を端局内に設け、光ファイバ１０８を伝送路として使用しようとすると、光ファイバ１０４を比較的短くする必要があるので、例えば光ファイバ１０８の分散パラメータが＋１８ｐｓ／ｋｍ／ｎｍである場合に、光ファイバ１０４の分散パラメータをそれより大きな値にする必要があるのであるが、現状ではこのような大きな異常分散を与える光ファイバは入手困難であるから、システムが制限されてしまう。これに対して、図１９のように分散補償器１１２を用いることによって、光ファイバ１０８の総分散を小さくすることができるので、光ファイバ１０８の分散パラメータと同等の分散パラメータを有する光ファイバ１０４の使用が可能になるのである。
【０１４２】
図示された例では、分散補償器１１２は１つだけ設けられているが、複数の分散補償器を長手方向に例えば均等に配置することによって、本発明の条件の設定を容易に行うことができるようになる。
【０１４３】
尚、光ファイバ１０４及び１０８が異常分散を与えるシングルモードファイバである場合には、分散補償器１１２としては正常分散を与える光ファイバを用いることができる。また、図１３により説明したファイバグレーティングを用いた分散補償器を用いることもできる。
【０１４４】
以下、本発明の付加的な説明を行う。本発明を実施する場合、最も単純には、図２並びに（２２）及び（２３）式から明らかなように、位相共役器の前後における総分散及び／又は総非線形効果がそれぞれ等しく設定される。（２２）及び（２３）式においては、Ｄ_j及びγ_j（ｊ＝１，２）を定数として扱っているが、実際のパラメータ設定では、分散値及び非線形係数はファイバの位置により異なる値を示すから、正確を期すためにはこれらの平均値が採用される。
【０１４５】
（２２）及び（２３）式による補償は、非線形効果が余り大きくない場合に成り立つ近似である。具体的は、光ファイバの長さ或いは光増幅器による中継間隔が光ファイバの非線形長に比べて十分短い場合に有効な近似である。例えば、非線形係数が２．６Ｗ^-1ｋｍ^-1である通常のＤＳＦ（分散シフトファイバ）により平均ピークパワー＋５ｄＢｍの信号光を伝送する場合を考えると、非線形長は１２１．６ｋｍとなる。従って、１００ｋｍ程度よりも短い光ファイバ長或いは光増幅器による中継間隔であれば、上述の近似により波長分散及び非線形効果を補償することができることになる。
【０１４６】
しかし、パワーが更に高くなると、光ファイバの損失による位相共役器前後の光パワー分布の非対称性により補償に限界が出る。このような場合には、本発明に従って（２０）及び（２１）式の条件を満足させることによって、波長分散及び非線形効果による波形歪みを補償することができる。
【０１４７】
一般的には伝送路には損失があるため、（２０）及び（２１）式を満足するためには、何らかの損失補償効果を与える必要がある。これにはいくつかの方法が考えられる。第１に、伝送路として分布定数的な利得媒質を用いることである。ラマン増幅器やＥＤＦを用いたインライン型の増幅器等が挙げられる。第２に、非線形効果と分散値の比を制御することである。損失によって非線形効果が伝送路に沿って減少することを補償するためには、伝送路に沿って分散を小さくしていくか或いは非線形効果を大きくしていけばよい。分散の値を変化させることは、光ファイバの設計により可能であり、有望である。例えば、分散シフトファイバ（ＤＳＦ）の零分散波長を変化させることや、ファイバのコア及びクラッド間の比屈折率差或いはファイバのコア径を変えることにより、分散の値を変化させることができる。一方、非線形効果を変化させることは、非線形屈折率を変化させたり光パワーを変化させることにより可能である。
【０１４８】
損失のある伝送路に沿って光強度を大きくするには、ファイバの有効コア断面積Ａ_effをファイバの長手方向に沿って次第に小さくすればよい。例えば、モードフィールド径（ＭＦＤ）が半分になれば、光強度は約４倍になる。従って、６ｄＢ程度の損失はこれだけで補償可能である。もっと大きな損失に対しては更にＭＦＤを小さくする必要があるが、余りＭＦＤを小さくし過ぎるとそれにより損失が増えてしまい逆効果となる。現実的なＭＦＤの最小値は３μｍ程度であろう。１．３μｍ零分散ＳＭＦ（シングルモードファイバ）のＭＦＤが約１０μｍ、１．５５μｍ零分散ＤＳＦ（分散シフトファイバ）のそれが約８μｍであることを考慮すると、ＭＦＤだけで対応可能な損失はＳＭＦで約１０ｄＢ、ＤＳＦでは約８ｄＢということになる。
【０１４９】
更に大きな損失がある場合には、ＭＦＤを小さくすると共に分散の値を小さくすることが考えられる。例えば、分散の値を半分にできれば、更に３ｄＢの損失のある場合でも分散と非線形効果との比を位相共役器に対して対称にすることが可能である。近年開発が進められている分散補償ファイバ（ＤＣＦ）においては、分散値を約−１２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍから−１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度の範囲で変化させることが可能であり、しかもＭＦＤを５μｍ以下にすることもできる。従って、分散値の異なる複数のＤＣＦを例えばスプライシングによりカスケード接続することによって、１０ｄＢ程度の損失の補償が可能となる。
【０１５０】
伝送路（例えば図７の光ファイバ８の第１の部分８１）の平均分散が−０．５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるとすると、補償ファイバ（例えば図７の第１の光ファイバ４）の平均分散を−５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍにすることにより、伝送路の１／１００の長さの補償ファイバによりシステムを構築可能である。この場合、例えば補償ファイバの損失が０．４ｄＢ／ｋｍであれば、分散値の絶対値を０．４ｄＢ／ｋｍの割合で小さくしていくことにより、補償条件を実現することができる。伝送路の全長が２０００ｋｍである場合には２０ｋｍの補償ファイバを用いることになり、その際の分散値の差は８ｄＢである。
【０１５１】
尚、補償ファイバ内の光強度も伝送路における光強度の１００倍程度にする必要があるが、例えば補償ファイバのＭＦＤが４μｍであれば光パワーとしては２５倍程度で済むことになる。
【０１５２】
光増幅器を用いた長距離伝送においては、伝送路として正常分散ファイバを用いることが光増幅器の雑音光による非線形歪みを低減する上でよいことが分かっている。従って、上述のＤＣＦを用いたシステム構成は有望である。
【０１５３】
図６の位相共役器において、非線形光学媒質として用いられる光ファイバ１８に供給される信号光若しくはポンプ光又は光ファイバ１８において発生する位相共役光のパワーが光ファイバ１８における誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）の閾値を越えると、信号光から位相共役光への変換効率が小さくなる。ＳＢＳの影響を抑圧するためには、信号光及びポンプ光の少なくとも何れか一方に周波数変調又は位相変調を掛ければよい。その際の変調速度は数１００ｋＨｚ程度で十分であり、この変調速度は信号光における変調速度よりも一般に十分に低いので、ＳＢＳを抑圧するための変調により伝送特性が劣化する恐れはない。
【０１５４】
通常のＤＳＦ（分散シフトファイバ）の非線形係数γは２．６Ｗ^-1ｋｍ^-1程度と小さいので、位相共役光を発生させるための非線形光学媒質、例えば図６の光ファイバ１８として通常のＤＳＦを用いる場合に十分な変換効率を得るためには、ファイバ長を１０ｋｍ以上にすることが要求される。従って、ファイバ長を短くするのに十分大きな非線形係数γを有するＤＳＦの提供が要望されているのである。位相共役光を発生させるための非線形光学媒質として使用されるＤＳＦの長さを短くすることができるとすれば、その零分散波長を高精度に管理することができ、従ってポンプ光の波長をＤＳＦの零分散波長に正確に一致させるのが容易になり、その結果広い変換帯域を得ることができる。ここで、変換帯域は、あるパワーの位相共役光が得られる条件下におけるポンプ光及び信号光の最大の離調波長（離調周波数）として定義される。
【０１５５】
（６）式により定義される非線形係数γを大きくするためには、非線形屈折率ｎ₂を大きくし或いは有効コア断面積Ａ_effに対応するモードフィールド径（ＭＦＤ）を小さくすることが有効である。非線形屈折率ｎ₂を大きくするためには、例えば、クラッドにフッ素等をドープし或いはコアに高濃度のＧｅＯ₂をドープすればよい。コアにＧｅＯ₂を２５乃至３０ｍｏｌ％ドープすることによって、非線形屈折率ｎ₂として５×１０^-20ｍ²／Ｗ以上の大きな値が得られている（通常のシリカファイバでは約３．２×１０^-20ｍ²／Ｗ）。ＭＦＤを小さくすることは、比屈折率差Δ又はコアの形状の設計により可能である。このようなＤＳＦの設計はＤＣＦ（分散補償ファイバ）の場合と同様である。例えば、コアにＧｅＯ₂を２５乃至３０ｍｏｌ％ドープし、且つ、比屈折率差Δを２．５乃至３．０％に設定することによって、４μｍよりも小さなＭＦＤの値が得られている。これらの総合効果として、１５Ｗ^-1ｋｍ^-1以上の大きな非線形係数γの値が得られている。
【０１５６】
他に重要な要素として、このような大きな値の非線形係数γを提供するＤＳＦがポンプ帯域に含まれる零分散波長を有するべきであることが挙げられる。零分散波長とポンプ帯域とのこのような一致性は、ファイバパラメータ（例えば比屈折率差Δ及びＭＦＤ）を次のようにして設定することにより可能である。通常の光ファイバにおいては、ＭＦＤを一定にした条件で比屈折率差Δを大きくすると、分散値は正常分散領域で大きくなる。位相共役器による前置補償或いは後置補償に用いられる前述のようなＤＤ−ＤＣＦはこのような原理により実現するものである。一方、コア径を大きくすると分散は減少し、コア径を小さくすると分散は大きくなる。従って、ＭＦＤをポンプ帯域に適合するある値に設定した後に、零分散波長がポンプ光の予め定められた値に一致するようにコア径を調節することによって、ポンプ光に対する零分散が得られる。
【０１５７】
長さＬ、損失αの光ファイバにおける変換効率η_Cは、
η_C＝ｅｘｐ（−αＬ）（γＰ_PＬ）² … (24)
で近似することができる。ここで、Ｐ_Pは平均ポンプ光パワーである。従って、非線形係数γが１５Ｗ^-1ｋｍ^-1のファイバは通常のＤＳＦに比べて２．６／１５≒１／５．７程度の長さで同じ変換効率を達成可能である。通常のＤＳＦにあっては、十分大きな変換効率を得るためには前述のように１０ｋｍ程度の長さが必要であるのに対して、このように大きな非線形係数γを有するファイバにあっては、１乃至２ｋｍ程度の長さで同様の変換効率を得ることができる。実際には、ファイバ長が短くなる分損失も小さくなるので、同じ変換効率を得るために更にファイバ長を短くすることができる。このような短い長さのＤＳＦにおいては、零分散波長の制御性が良くなり、従って、ポンプ光の波長を零分散波長に正確に一致させることができ、広い変換帯域を得ることができる。更に、数ｋｍのファイバ長であれば、偏波面保存能力が確保されているので、このようなＤＳＦの使用は、高い変換効率及び広い変換帯域を達成し偏波依存性を排除する上で極めて有効である。
【０１５８】
光ファイバを用いて四光波混合を有効に発生させるためには、信号光、ポンプ光及び位相共役光の位相を整合させることが重要である。位相不整合量Δｋは次のように近似される。
Δｋ＝δω²β₂（ω_P）＋２γＰ_P … (25)
ここに、β₂（ω_P）はポンプ光周波数ω_Pにおける波長分散であり、δωは信号光及びポンプ光の周波数差である。特別大きなパワー（例えば１００ｍＷ以上）のポンプ光を用いない限り、（２５）式の第２項は第１項に比べて十分小さいのでこれを無視することができる。従って、位相整合（Δｋを限りなく０に近付けること）は、ポンプ光の波長をファイバの零分散波長に一致させることにより得られる。しかし、実際のファイバにおいては、零分散波長が長手方向にばらついているので、位相整合条件をファイバ全長に渡って保つことが容易ではない。
【０１５９】
このように、位相共役光を発生するための非線形光学媒質として光ファイバを有している装置においては、変換帯域は光ファイバの分散により制限される。従って、光ファイバの長手方向の分散が完全に制御され、例えば全長（正確には非線形長）に渡り唯一の零分散波長を有する光ファイバが作られたとすれば、ポンプ光波長をその零分散波長に合わせることにより、事実上無限大の（分散傾斜が直線上である範囲内で制限のない程広い）変換帯域が得られる。しかし、実際には、光ファイバの製造技術上の問題により零分散波長が長手方向にばらつくため、
位相整合条件が理想状態からずれ、これにより変換帯域が制限される。
【０１６０】
しかし、このような場合であっても、光ファイバを切断して複数の小区間に分割し、零分散波長の似ている区間同士をスプライス等により繋ぎ合わせていく（当初のファイバ端から数えた順番とは違う順番で）ことにより、全長における平均分散は同じであるにも関わらず、広い変換帯域を有する位相共役器を提供するのに適した光ファイバを得ることができる。
【０１６１】
或いはまた、十分広い変換帯域を得るのに必要な程度に高精度な分散制御が可能な長さ（例えば数１００ｍ以下）のファイバを予め多数用意しておき、所要の零分散波長のものを組み合わせてスプライスして所要の変換効率を得るのに必要な長さのファイバを得、これを用いて位相共役器を提供することによって、広い変換帯域を得ることができる。
【０１６２】
このようにして変換帯域を拡大する場合には、非線形光学媒質のポンプ光入力端の近くでポンプ光のパワーが高いので、ポンプ光入力端の近くに零分散波長の小さい部分或いは零分散波長のばらつきが小さい部分を集めることが有効である。また、必要に応じて順次分割数を増やしたり、ポンプ光入力端から離れた位置で比較的分散値の大きなところでは、分散値の正負を交互に配置する等により適切に組み合わせることによって、更に変換帯域を拡大することができる。
【０１６３】
光ファイバを分割するに際して各区間をどの程度短くすれば十分か否かの目安としては、例えば、非線形長を基準にすればよい。非線形効果の補償におけるのと同様、非線形長に比べて十分短いファイバ内でのＦＷＭ（四光波混合）においては、位相整合はそのファイバの平均分散値に依存すると考えることができる。一例として、非線形係数γが２．６Ｗ^-1ｋｍ^-1のファイバで３０ｍＷ程度のポンプ光パワーを用いたＦＷＭにおいては、非線形長は１２．８ｋｍ程度になるから、その１／１０程度、即ち１ｋｍ程度が１つの目安となる。他の例としては、非線形係数γが１５Ｗ^-1ｋｍ^-1のファイバで３０ｍＷ程度のポンプ光パワーを用いたＦＷＭにおいては、非線形長は２．２ｋｍ程度になるから、その１／１０程度、即ち２００ｍが１つの目安となろう。何れにしても、非線形長に比べて十分短いファイバの平均零分散波長を測定し、ほぼ同じ値のものを組み合わせて所要の変換効率を有する非線形光学媒質を提供すれば、広い変換帯域の位相共役器を得ることができる。
【０１６４】
このように、本発明によると、位相共役光を発生するための非線形光学媒質を有する装置を製造するための第１の方法が提供される。この方法では、まず、光ファイバが切断されて複数の区間に分割され、次いで、非線形光学媒質を用いた非縮退四光波混合における変換帯域が最大になるように複数の区間が並べ替えられて繋ぎ合わされることにより非線形光学媒質が提供される。この非線形光学媒質にポンプ光及び信号光を供給することによって、位相共役光が発生する。信号光から位相共役光への変換帯域は十分に広くなっているので、例えば信号光として、異なる波長を有する複数の光信号を波長分割多重してなるＷＤＭ信号光が用いられている場合に、複数の光信号は一括して位相共役光（複数の位相共役光信号）に変換される。
【０１６５】
望ましくは、複数の区間の各々の分散値（例えばポンプ光に対する分散値）が測定され、非線形光学媒質にポンプ光を入力するときの入力端に近い側に比較的分散値の小さい区間が配置されるように複数の区間が並べ替えられる。これにより、ポンプ光のパワーが高い部分で効果的に位相整合条件を得ることができるので、変換帯域が効果的に拡大される。
【０１６６】
望ましくは、複数の区間の少なくとも一部は分散値の正負が交互になるように繋ぎ合わされる。これにより、光ファイバの各部分の平均分散を小さく抑えることができるので、変換帯域の効果的な拡大が可能になる。
【０１６７】
また、本発明によると、位相共役光を発生するための非線形光学媒質を有する装置を製造するための第２の方法が提供される。この方法では、まず、光ファイバが切断されて複数の区間に分割され、次いで、複数の区間の各々の分散値（例えばポンプ光に対する分散値）が測定され、その後、非線形光学媒質を用いた非縮退四光波混合による所要の変換帯域を得るのに十分小さい分散値を有する区間だけが選ばれて繋ぎ合わされることにより非線形光学媒質が得られる。この第２の方法により得られた非線形光学媒質を用いて位相共役器を構成した場合にも、広い変換帯域が得られているので、ＷＤＭ信号光の一括変換が可能である。
【０１６８】
本発明による第１及び第２の方法の各々においては、最初に光ファイバが切断されて複数の区間に分割されるが、本発明はこれに限定されない。例えば、次のように必要に応じて光ファイバを切断することもできる。
【０１６９】
即ち、本発明によると、位相共役光を発生するための非線形光学媒質を有する装置を製造するための第３の方法が提供される。この方法では、まず、光ファイバの零分散波長の偏差が測定され、次いで、測定された偏差が予め定められた範囲を越えている場合に光ファイバが切断され切断された各ファイバの零分散波長の偏差が予め定められた範囲内に入るようにされ、その後、ポンプ光の波長に実質的に等しい零分散波長を有する光ファイバ又は切断されたファイバが選ばれて、選ばれたファイバを繋ぎ合わせることにより非線形光学媒質が得られる。
【０１７０】
零分散波長の偏差の測定は、例えば、零分散波長に従って四光波混合の発生効率が異なることを用いて行うことができる。一般に、波長分散は群速度の波長依存性を測定することにより求めることができるのであるが、上述のように、四光波混合の位相整合はポンプ光波長と零分散波長とが一致するときに最良の条件となるので、零分散波長は、ポンプ光と信号光の波長差を例えば１０〜２０ｎｍ程度の比較的大きな一定の値にした状態でポンプ光波長に対する四光波混合（位相共役光）の発生効率を測定し、最大の発生効率を与えるポンプ光波長として求めることができる。また、四光波混合の発生効率はポンプ光の強度の二乗に比例する。従って、零分散波長が光ファイバの長手方向に変化している場合、一般的には、信号光及び励起光を光ファイバの一方の端面から入力した場合と他方の端面から入力した場合とで異なる零分散波長が測定される。従って、これら２つの零分散波長の測定値に基づいてその光ファイバの零分散波長の偏差を求めることができる。具体的には次の通りである。
【０１７１】
図２０を参照すると、零分散波長の偏差が小さい非線形光学媒質の製造プロセス１２０が示されている。ステップ１２２においては、零分散波長の許容範囲Δλ₀が決定される。範囲Δλ₀は、所要の変換帯域からシステムの要求特性として決定することができ、その具体的な値は例えば２ｎｍである。次いでステップ１２４では、零分散波長の偏差δλが測定される。例えば、光ファイバＦ１が与えられると、前述の四光波混合の発生効率により、信号光及び励起光を光ファイバＦ１の第１端から入力した場合に得られる零分散波長λ₀₁と、光ファイバＦ１の第２端から信号光及びポンプ光を入力した場合に得られる零分散波長λ₀₂とが測定される。この場合、｜λ₀₁−λ₀₂｜を以て零分散波長の偏差δλの代替値とすることができる。
【０１７２】
続いてステップ１２６では、偏差δλが範囲Δλ₀よりも小さいか否かが判断される。ここでは、δλ≧Δλ₀であるとして先のフローを説明すると、ステップ１２８では、光ファイバＦ１が切断により光ファイバＦ１Ａ及びＦ１Ｂに二分割される。ステップ１２８の後ステップ１２４に戻り、光ファイバＦ１Ａ及びＦ１Ｂの各々について偏差δλが測定され、各測定値についてステップ１２６で判断がなされる。ここでは、各偏差δλがΔλ₀より小さいとすると、このフローは終了する。尚、ステップ１２８における光ファイバＦ１の切断点は任意であり、従って、光ファイバＦ１Ａ及びＦ１Ｂの長さは等しいかもしれないし異なるかもしれない。
【０１７３】
上述の説明では、ステップ１２４及び１２６が繰り返されているが、ステップ１２４及び１２６は繰り返されないかもしれないし更に多く繰り返されるかもしれない。例えば、零分散波長の偏差が小さい光ファイバＦ２が与えられた場合には、ステップ１２６の１回目の判断で条件が満たされ、この場合には光ファイバＦ２は切断されない。一方、零分散波長が長手方向に大きくばらついている光ファイバＦ３が与えられると、光ファイバＦ３は最初のステップ１２８で光ファイバＦ３Ａ及びＦ３Ｂに分割され、２度目の判断ステップ１２６で光ファイバＦ３Ａは条件を満足するものの光ファイバＦ３Ｂが条件を満足しない場合には、２度目のステップ１２８において光ファイバＦ３Ｂが光ファイバＦ３Ｂ１及びＦ３Ｂ２に分割されてこのフローが終了するかもしれない。この場合、オリジナルの光ファイバＦ３から３つの光ファイバＦ３Ａ，Ｆ３Ｂ１及びＦ３Ｂ２が得られており、各ファイバの零分散波長の偏差は許容範囲Δλ₀よりも小さくなっていることとなる。
【０１７４】
このようにして得られた複数の光ファイバ片（光ファイバＦ１Ａ，Ｆ１Ｂ，…）を零分散波長の値毎に整理しておき、四光波混合のためのポンプ光の波長に実質的に等しい零分散波長を有する光ファイバ片を選んで繋ぎ合わせて所要の変換効率を得ることができる長さにすることによって、長手方向おける零分散波長のばらつきが極めて小さい非線形光学媒質を得ることができる。この非線形光学媒質を用いて位相共役器を構成することによって、広い変換帯域を得ることができる。
【０１７５】
零分散波長λ₀₁及びλ₀₂の値がほぼ一致しているとしても、零分散波長の長手方向のバラツキが大きい光ファイバも想定される。例えば、零分散波長の長手方向の分布が光ファイバの長手方向の中央に対して対称な場合である。このような場合には、プロセス１２０に先立って、その光ファイバを少なくとも２つの光ファイバ片に分割することを行って、各光ファイバ片についてプロセス１２０を適用すればよい。或いは、プロセス１２０を複数回繰り返してもよい。
【０１７６】
実験により、本発明方法により得られた非線形光学媒質を用いて構成される位相共役器が１０Ｇｂ／ｓの信号に対して４０ｎｍより広い変換帯域を有していることが明らかとなった。この位相共役器は、信号光とポンプ光との離調波長が２１ｎｍを超える範囲で、離調波長に依存せずに、ポンプ光パワー＋１５ｄＢｍの下で変換効率としてほぼ一定の値−１０．９ｄＢを有していた。即ち、変換帯域は４０ｎｍよりも広い。その非線形光学媒質は、具体的には、７５０ｍの高度非線形分散シフトファイバ（ＨＮＬ−ＤＳＦ：ｈｉｇｈｌｙ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｓｈｉｆｔｅｄ ｆｉｂｅｒ）であった。ＨＮＬ−ＤＳＦは各２５０ｍの３つの区間をスプライシングすることにより得られた。区間毎の平均零分散波長はそれぞれ１５４７．３ｎｍ、１５４６．３ｎｍ及び１５４８．４ｎｍであった。結果としてのＨＮＬ−ＤＳＦの平均零分散波長は１５４７．２ｎｍと測定された。ＭＦＤ（モードフィールド形）は３．８μｍ、非線形係数γは２０．４Ｗ^-1ｋｍ^-1、分散傾斜は０．０３２ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍであった。
【０１７７】
このように、非線形係数の大きな光ファイバを用いると共に、本発明方法を適用して零分散波長の偏差を概略±１ｎｍ内に収めることによって、高い変換効率で且つ広い変換帯域を有する位相共役器の提供が可能になる。非線形光学媒質として光ファイバを有する従来の位相共役器の変換帯域が精々数ｎｍであることを考慮すると、本発明方法により得られる効果は従来技術に対して自明でなく或いは進歩性を有しており或いは臨界性を有している。特に、後述するような実施形態のように、位相共役器を用いて光ネットワーク間でＷＤＭ信号光の一括変換を行う場合には、本発明による変換帯域の拡大は極めて効果的である。
【０１７８】
本発明による第１、第２又は第３の方法により得られた非線形光学媒質は、図６の位相共役器の光ファイバ１８として採用可能である。この場合、レーザダイオード２０から出力されるポンプ光の波長と光ファイバ１８の零分散波長との一致性を極めて高精度に保つことができるので、広い変換帯域を得ることができる。
【０１７９】
図２１を参照すると、位相共役器の他の構成例が示されている。この位相共役器は非線形光学媒質として図６におけるのと同様な光ファイバ１８が用いられている。光ファイバ１８は望ましくは本発明による第１、第２又は第３の方法により提供されている。また、ポンプ光源としてレーザダイオード２０が用いられている。信号光及びポンプ光を非線形光学媒質としての光ファイバ１８に双方向に導波させるために、光カプラ１３２及び偏波ビームスプリッタ１３４が用いられている。光カプラ１３２はポート１３２Ａ，１３２Ｂ及び１３２Ｃを有し、ポート１３２Ａ及び１３２Ｂに供給された光をポート１３２Ｃから出力する。ポート１３２Ａには入力ポート１３０が接続され、ポート１３２Ｂは光ファイバ１３３によりポンプ光源としてのレーザダイオード２０に接続される。偏波ビームスプリッタ１３４はポート１３４Ａ，１３４Ｂ，１３４Ｃ及び１３４Ｄを有している。ポート１３４Ａ及び１３４Ｂ間とポート１３４Ｃ及び１３４Ｄ間とは、第１の偏波面（例えば紙面に垂直な偏波面）により結合され、ポート１３４Ａ及び１３４Ｃ間とポート１３４Ｂ及び１３４Ｄ間とは、第１の偏波面に垂直な第２の偏波面（例えば紙面に平行な偏波面）により結合されている。ポート１３４Ａは光ファイバ１３５によりポート１３２Ｃに接続され、ポート１３４Ｂ及び１３４Ｃ間には非線形光学媒質としての光ファイバ１８が接続され、ポート１３４Ｄは出力ポート１３６に接続されている。光ファイバ１８の途中には、１／４波長板及び１／２波長板等を用いて通常通り構成される偏波制御器１３８が設けられており、この偏波制御器１３８は、光ファイバ１８の入力及び出力の偏波状態が一致するような制御を行う。
【０１８０】
入力ポート１３０からの信号光及びレーザダイオード２０からのポンプ光は、光カプラ１３２を介して偏波ビームスプリッタ１３４のポート１３４Ａに供給される。供給された信号光及びポンプ光は、偏波ビームスプリッタ１３４により第１及び第２の偏波面をそれぞれ有する第１及び第２の偏波成分に分離される。第１及び第２の偏波成分は、光ファイバ１８を互いに逆方向に伝搬する。このとき、光ファイバ１８内においては、四光波混合によって、互いに逆方向に伝搬する２つの位相共役成分が発生する。即ち、第１の偏波面を有する位相共役成分はポート１３４Ｂからポート１３４Ｃに向けて伝搬し、第２の偏波面を有する位相共役成分はポート１３４Ｃからポート１３４Ｂに向けて伝搬する。偏波ビームスプリッタ１３４に供給された第１及び第２の位相共役成分は偏波合成され、その結果としての位相共役光がポート１３４Ｄから出力ポート１３６に向けて出力される。
【０１８１】
レーザダイオード２０から出力されるポンプ光の偏波面は、偏波ビームスプリッタ１３４で分離される第１及び第２の偏波成分への、ポンプ光の分配比が１：１になるように設定されるのが望ましい。例えば、偏波ビームスプリッタ１３４のポート１３４Ａに供給されるポンプ光の偏波面が第１及び第２の偏波面に対してそれぞれほぼ４５°傾斜するように、レーザダイオード２０が設定される。こうしておくと、光ファイバ１８に互いに逆方向に導波される信号光の直交二偏波成分に対して、ポンプ光の直交二偏波成分がそれぞれ一致した偏波面で以て作用するので、入力ポート１３０における信号光の偏波状態の変動に関わらず一定強度の位相共役光を得ることができる。即ち、発生効率が入力信号光の偏波状態に依存しない位相共役器の提供が可能になる。
【０１８２】
偏波ビームスプリッタ１３４のポート１３４Ａに供給されるポンプ光の偏波面が第１及び第２の偏波面に対してそれぞれほぼ４５°傾斜するようにするためには、実質的に直線偏波としてレーザダイオード２０から出力されるポンプ光の偏波面を維持してこれをポート１３４Ａに供給することが要求される。そのためには、光ファイバ１３３及び１３５の各々として偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）を用いることができる。
【０１８３】
ＰＭＦは径方向に主軸を有している。ＰＭＦは、主軸に平行な偏波面を有する偏波成分或いは主軸に垂直な偏波面を有する偏波成分の偏波状態を維持してこれを伝搬させる。従って、ポート１３４Ａにおいてポンプ光の偏波面を第１及び第２の偏波面に対して４５°傾斜させるためには、光ファイバ１３５として用いられるＰＭＦの主軸を第１及び第２の偏波面に対して４５°傾斜させればよい。
【０１８４】
しかしながら、光ファイバ１３５としてＰＭＦが用いられる場合、直線偏波に必ずしも限定されない信号光もこのＰＭＦを通ることになり、ＰＭＦを通る信号光の直交二偏波モード間の遅延により偏波分散が生じるかもしれない。この偏波分散に対処するためには、光ファイバ１３５として用いられるＰＭＦを、長さが実質的に等しい第１及び第２のＰＭＦをスプライス接続することにより提供すればよい。当該スプライス接続点においては、第１のＰＭＦの第１の主軸と第２のＰＭＦの第２の主軸とは互いに直交するようにされ、これにより偏波モード間の遅延が相殺されて偏波分散が解消される。例えば、第１の主軸が第１の偏波面に対して時計回り方向に４５°傾斜している場合には、第２の主軸は第１の偏波面に対して反時計回り方向に４５°傾斜するようにされる。
【０１８５】
尚、前述したように、光ファイバ１８の非線形係数が十分大きくその長さが偏波面保存能力を有している程度に短い場合には、偏波制御器１３８を省略することができる。
【０１８６】
このように、本発明によると、発生効率が入力信号光の偏波状態に依存せず、且つ、偏波分散が小さい位相共役器が提供される。この位相共役器は、偏波ビームスプリッタと、非線形光学媒質と、ポンプ光源と、カップリング手段とを備えている。偏波ビームスプリッタは第１乃至第４のポートを有する。第１及び第２のポート間並びに第３及び第４のポート間は第１の偏波面により結合される。第１及び第３のポート間並びに第２及び第４のポート間は第１の偏波面に垂直な第２の偏波面により結合される。非線形光学媒質は第２及び第３のポート間に動作的に接続される。ポンプ光源はポンプ光を出力する。カップリング手段は、信号光及びポンプ光をそれぞれ受ける第１及び第２の入力ポート並びに出力ポートを有する光カプラと、出力ポート及び偏波ビームスプリッタの第１のポート間に動作的に接続される偏波保持ファイバとを含む。カップリング手段は、信号光及びポンプ光を偏波ビームスプリッタの第１のポートに供給する。
【０１８７】
偏波保持ファイバは、偏波ビームスプリッタの第１のポートにおけるポンプ光の偏波面が第１及び第２の偏波面に対して実質的に４５°傾斜するように設定される主軸を有している。
【０１８８】
望ましくは、偏波保持ファイバは、スプライス接続された第１及び第２の偏波保持ファイバからなり、これらは互いに直交する第１及び第２の主軸を有している。
【０１８９】
図２２は、広い変換帯域を有する位相共役器によるＷＤＭ信号光の一括変換を説明するための図である。ＷＤＭ信号光は、異なる波長λ₁，λ₂，…，λ_Nを有するＮチャネルの光信号を波長分割多重（ＷＤＭ）することにより得られる。ここでは、λ₁が最短波長であり、λ_Nが最長波長であるとする。ポンプ光の波長λ_Pは例えばλ₁よりも短く設定される。ポンプ光を用いた非縮退四光波混合によって、ＷＤＭ信号光は変換光に変換される。変換光は、異なる波長λ₁´，λ₂´，…，λ_N´を有するＮチャネルの変換光信号からなる。ＷＤＭ信号光における各チャネルの光信号と変換光における各変換光信号の配置はポンプ光の波長λ_Pに対して対称である。
【０１９０】
非線形光学媒質として光ファイバを用いた四光波混合においては、変換帯域がほぼ平坦であるため、各チャネルの光信号に対してほぼ同じ変換効率で波長変換及び位相共役変換を行うことができる。従って、各チャネルに対して伝送路の波長分散と非線形効果とによる波形歪みを補償可能であり、長距離大容量の伝送が可能である。図２２においては、長波長帯から短波長帯への変換を示しているが、光ファイバによる変換帯域は零分散波長に関して対称であるから、短波長帯から長波長帯への変換も同様にして可能であることは言うまでもない。
【０１９１】
図２３は、波長変換及び位相共役変換が適用されるシステムの実施形態を示す図である。各々ＷＤＭが適用される複数の光ファイバネットワークＮＷ１，ＮＷ２及びＮＷ３は、光ファイバ伝送路１４０及びノード１４２によって接続されている。ネットワークＮＷ１及びＮＷ２間における変換を行うために、光ファイバ伝送路１４０の途中には位相共役器ＰＣ１１が設けられ、ネットワークＮＷ２及びＮＷ３間の変換を行うために、光ファイバ伝送路１４０の途中には位相共役器２３が設けられている。ネットワークＮＷ１，ＮＷ２及びＮＷ３においては、それぞれ、異なる波長帯λ_1j，λ_2j，λ_3jのＷＤＭ伝送が行われているものとする。位相共役器ＰＣ１１は波長帯λ_1j及びλ_2j間で波長変換及び位相共役変換を行い、位相共役器ＰＣ２３は波長帯λ_2j及びλ_3j間で波長変換及び位相共役変換を行う。光ファイバ伝送路１４０の途中には、波長分散及び非線形効果による波形歪みが本発明に従って最も改善される位置が幾つかできるので、各ノード１４２はそのような位置に設けられている。各ノード１４２は、光信号の付加及び抽出を行うための光アッド／ドロップ装置を含む。光アッド／ドロップ装置はＷＤＭ信号光或いは変換光における全チャネル或いは一部のチャネルに対して機能する。例えば、光ファイバネットワークＮＷ１の波長帯λ_1jが図２２に示されるＷＤＭ信号光により与えられており、位相共役器ＰＣ１１におけるポンプ光の波長がλ_Pであるとすると、光ファイバネットワークＮＷ２の波長帯λ_2jは変換光の帯域によって与えられる。
【０１９２】
このようなシステム構成によると、位相共役器による波形歪みの補償と波長変換機能とが有効に活かされるので、柔軟性に富んだ長距離大容量システムの構築が可能になる。また、このようなネットワーク間伝送への応用は、次の点で最近特に重要である：
（１）光増幅器の広帯域化；
（２）伝送路として使用される光ファイバの分散のバラエティー化。
【０１９３】
これらのうち、（１）は最近におけるＥＤＦＡ（エルビウムドープファイバ増幅器）の広帯域化に関係しており、（２）は伝送信号の高速化とＷＤＭ伝送を行うための分散制御に関係している。最近、５０ｎｍを超えるような広帯域でしかもＷＤＭを指向した利得の平坦性に優れたＥＤＦＡが開発されている。将来的に更に帯域が拡大し、６０〜８０ｎｍ程度の広帯域なＥＤＦＡが開発されよう。このようなＥＤＦＡの広帯域化は、ＷＤＭのチャネル数（伝送容量）を大きくするのに役立っているのは勿論であるが、図２３に示されるようなネットワーク間伝送等において新しい概念の導入を可能とする。
【０１９４】
例えば、図２４に示されるように、図２３の光ファイバネットワークＮＷ１及びＮＷ２の波長帯が設定されている場合、光ファイバネットワークＮＷ１及びＮＷ２間において本発明による有効な伝送が可能である。図２４において、符号１４４は光増幅器（例えばＥＤＦＡ）の比較的平坦な利得帯域を示している。
【０１９５】
このようにネットワーク毎に用いる波長帯が異なることの理由の１つは、ネットワーク毎に用いる伝送路としての光ファイバが異なる処にある。既に実用化されている光ファイバとしては、１．３μｍ零分散シングルモードファイバ（所謂標準ＳＭＦ）と、１．５５μｍ分散シフトファイバ（ＤＳＦ）とがある。一方、最近におけるＥＤＦＡの開発により、特に高速長距離伝送の中心は１．５５μｍ帯となってきている。
【０１９６】
標準ＳＭＦが＋１６〜＋２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度の大きな異常分散値を示すのに対して、ＤＳＦでは±１〜２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度の小さな分散値に抑えることができるので、１．５５μｍ帯における高速長距離伝送に対してはＤＳＦの方が有利である。しかし、既に多くの標準ＳＭＦが敷設されており、これを伝送路として用いなければならないネットワークも多い。こうしたネットワークからＤＳＦを用いたネットワークへの接続においては、ＤＳＦの最適な分散値となる波長帯への波長変換が必要になり、従って、このような場合に本発明は有効である。
【０１９７】
一方、各々ＤＳＦを用いたネットワーク間の接続においても本発明は有効である。その理由は、ＷＤＭにおいては必ずしも分散が小さい方が有利である訳ではないからである。比較的高速のＷＤＭにおいては、所要の信号対雑音比（ＳＮＲ）を確保するために、各チャネルのパワーレベルはかなり高く設定する必要がある。この場合、伝送路として使用される光ファイバの分散が小さいと、四光波混合により隣接チャネル間のクロストークが発生し、伝送特性が劣化する。この影響を避けるため、最近では、零分散波長を信号帯域から大きくシフトさせた比較的大きな分散のファイバ（Nonzero dispersion-shifted fiber) を用いることがある。このように伝送路として使用される光ファイバのバラエティーが豊富になった分、いろいろな波長帯でのネットワーク構成が可能となり、こうしたネットワーク間を接続する場合において本発明のような広帯域な波長変換及び位相共役変換が有効となる。
【０１９８】
最近では、光ファイバと共にＥＤＦＡのバラエティーも豊富になっているが、何といっても一般的なＥＤＦＡは１．５３μｍ帯及び１．５５μｍ帯に利得ピークを有するタイプである。このうち前者はブルーバンド、後者はレッドバンドと称されている。
【０１９９】
図２５は、図２３における波長帯の他の設定例を示す図である。ここでは、光ファイバネットワークＮＷ１の波長帯は符号１４６で示されるＥＤＦＡのレッドバンドに含まれ、光ファイバネットワークＮＷ２の波長帯は符号１４８で示されるＥＤＦＡのブルーバンドに含まれている。このような設定によると、光ファイバ伝送路１４０或いは各ネットワークがインライン型のＥＤＦＡを含む場合に、レッドバンド及び位相共役変換を容易に行うことができる。
【０２００】
図２６は、図２３における分散配置の例を示す図である。Ｄ₁及びＤ₂（各々単位はｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）は、それぞれ、光ファイバネットワークＮＷ１及びＮＷ２における分散を表している。図では、各ネットワーク内で正常分散ファイバを用いてＷＤＭを行う例が示されている。
【０２０１】
図２２に示されるように、波長変換によりチャネル配置が反転するので、各チャネルに対する変換前後の分散の影響が異なることが予想されるが、中心付近のチャネルに対して分散の影響がほぼ同じになるようにするとともに、各ネットワーク内で分散補償を行うことにより、この問題は解決可能である。尚、各ネットワーク内の分散は正常分散であってもよいし異常分散であってもよい。
【０２０２】
以上のように、本発明によると、異なる波長を有する複数の光信号を波長分割多重（ＷＤＭ）してなるＷＤＭ信号光のための複数の光ファイバネットワークと、これらを結ぶための少なくとも１つの変換器とを備えた光ファイバ通信システムが提供される。変換器が、複数の光信号の波長変換及び位相共役変換を一括に行うことによって、柔軟性に富んだ長距離大容量のシステムの構築が容易になる。
【０２０３】
図２７は、図６に示される位相共役器の改良例を示す図である。ここでは、第１及び第２の光帯域阻止フィルタ１５２及び１５４と光帯域通過フィルタ１５６とが付加的に設けられている。信号光（入力ビーム）は第１の帯域阻止フィルタ１５２を通って光カプラ２２のポート２２Ａに供給され、非線形光学媒質としての光ファイバ１８内で発生した位相共役光は第２の光帯域阻止フィルタ１５４及び光帯域通過フィルタ１５６をこの順に通って出力される。フィルタ１５４及び１５６の接続順序は逆でもよい。
【０２０４】
図２８Ａを参照すると、図２７に示される光フィルタ１５２，１５４及び１５６の各特性が示されている。図２８Ａにおいて縦軸は透過率、横軸は波長を示している。第１の光帯域阻止フィルタ１５２は、符号１５８で示されるように、光ファイバ１８内で発生する位相共役光の波長λ_Cの波長を含む阻止帯域を有している。即ち、波長λ_Cの近傍の領域におけるフィルタ１５２の透過率は実質的に０％であり、それ以外の領域における同透過率は実質的に１００％である。第２の光帯域阻止フィルタ１５４は、符号１６０で示されるように、レーザダイオード２０から出力されるポンプ光の波長λ_Pを含む比較的狭い阻止帯域を有している。即ち、波長λ_Pの近傍の領域におけるフィルタ１５４の透過率は実質的に０％であり、それ以外の領域における同透過率は実質的に１００％である。光帯域通過フィルタ１５６は、符号１６２で示されるように、光ファイバ１８内で発生する位相共役光の波長λＣ の波長を含む通過帯域を有している。即ち、波長λ_Cの近傍の領域におけるフィルタ１５６の透過率は実質的に１００％であり、それ以外の領域における同透過率は実質的に０％である。
【０２０５】
図２８Ｂ〜２８Ｄを参照すると、図２７の位相共役器の各位置において観測される光スペクトルが示されている。図２８Ｂは、第１の光帯域阻止フィルタ１５２の出力のスペクトルを示している。ここでは、信号光は、ＡＳＥ光に重畳されたＷＤＭ信号光により与えられている。第１の光帯域阻止フィルタ１５２が用いられていることにより、符号１６４で示されるように、ＡＳＥスペクトルには雑音電力が極めて小さい窓が形成される。図２８Ｃは光ファイバ１８の出力のスペクトルを示している。光ファイバ１８内における非縮退四光波混合の結果位相共役変換及び波長変換が行われ、ＷＤＭ信号光は変換光に変換される。ＷＤＭ信号光及び変換光間における各チャネルの波長配置は、前述したように、ポンプ光の波長λ_Pに対して対称である。
【０２０６】
変換光の各チャネルの波長は窓１６４内に含まれる。図２８Ｄは光帯域通過フィルタ１５６の出力のスペクトルを示している。第２の光帯域阻止フィルタ１５４が狭い阻止帯域を有していることにより、ポンプ光のパワーは効果的に抑圧されている。また、光帯域通過フィルタ１５６を採用していることにより、窓１６４の近傍におけるＡＳＥ光が効果的に抑圧されている。
【０２０７】
図２７の実施形態では、ポンプ光を除去するための光帯域阻止フィルタ１５４を光ファイバ１８の出力側に設けているので、受信局或いは光伝送路の下流側に配置される光デバイスに対するポンプ光の影響が低減され、位相共役光の処理（抽出及び増幅等）を容易に行うことができる。例えば、位相共役器の下流側に光増幅器が設けられている場合、パワーの大きいポンプ光がその光増幅器に供給されると光増幅器が飽和してしまい、所要の利得を得ることができない可能性があるのであるが、図２７のような構成を採用することによって、このような問題を解決することができる。
【０２０８】
特に、図２７の実施形態では、光帯域阻止フィルタ１５４及び光帯域通過フィルタ１５６が光ファイバ１８の出力側にカスケード接続されているので、ポンプ光の抑圧を効果的に行うことができ、従って、ポンプ光のパワーを大きくして変換効率を効果的に高めることができる。例えば、光ファイバ１８の出力側に光帯域通過フィルタ１５６だけを設けた場合、フィルタ１５６の製造技術上ポンプ光の除去能力が低いかもしれないことを考慮すると、フィルタ１５４及び１５６の組み合わせは効果的である。その意味において、図２７の実施形態により得られる、ポンプ光及び／又は信号光を効果的に除去し得るという効果は、従来技術に対して自明ではなく或いは進歩性を有しており或いは臨界性を有している。
【０２０９】
図２７の実施形態において、光ファイバ１８の入力側に光帯域阻止フィルタ１５２を設けているのは、発生させられるべき位相共役光の波長λ_Cの近傍においてＡＳＥ雑音を予め除去するためである。その結果、信号対雑音比（ＳＮＲ）の劣化を防止することができる。
【０２１０】
図２７は図６に示される位相共役器の改良を示しているが、同様の改良を図２１に示される位相共役器に施してもよい。この場合、第１の光帯域阻止フィルタ１５２は入力ポート１３０と光カプラ１３２のポート１３２Ａとの間に設けられ、第２の光帯域阻止フィルタ１５４及び光帯域通過フィルタ１５６は偏波ビームスプリッタ１３４のポート１３４Ｄと出力ポート１３６との間に設けられる。
【０２１１】
以上のように、本発明によると、位相共役光を発生させるための装置として、ＳＮＲの劣化が少なく且つ下流側への影響が小さい位相共役器が提供される。この位相共役器は、非線形光学媒質と、ポンプ光源と、光帯域阻止フィルタとを備えている。非線形光学媒質は第１端及び第２端を有しており、第１端には信号光が供給される。ポンプ光源は第１端及び第２端の少なくとも何れかからポンプ光を非線形光学媒質に供給する。光帯域阻止フィルタは非線形光学媒質の第２端に動作的に接続される。光帯域阻止フィルタはポンプ光の波長を含む阻止帯域を有している。
【０２１２】
本発明を実施する場合、各光フィルタとしてはファイバグレーティングを用いることができる。光学媒質（例えばガラス）の屈折率が光照射によって恒久的に変化する場合、その媒質は感光性であると言われる。この性質を用いることにより、光ファイバのコアにファイバグレーティングを作製することができる。このようなファイバグレーティングの特徴は、グレーティングピッチとファイバモードの有効屈折率とによって決定される共振波長近傍の狭い帯域で光をブラッグ反射させることである。ファイバグレーティングは、例えば、フェイズマスクを用いて波長２４８ｎｍ又は１９３ｎｍで発振するエキシマレーザを照射することによって作製することができる。
【０２１３】
例えば、ファイバグレーティングを用いて図２７に示される光帯域阻止フィルタ１５２及び１５４の各々を作製することによって、正確で且つ狭い阻止帯域を得ることができる。
【０２１４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、位相共役器を用いて波長分散及び非線形性を効果的に補償することができるので、長距離大容量の光ファイバ通信システムの提供が可能になる。また、そのようなシステムに使用するのに適した広い変換帯域で高い変換効率の位相共役器及びその製造方法の提供が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の光ファイバ通信システムの基本構成を示すブロック図である。
【図２】図２は図１のシステムにおける補償の原理の説明図である。
【図３】図３は実証実験で用いたシステムのブロック図である。
【図４】図４はＢＥＲ（ビットエラーレート）特性を示す図である。
【図５】図５の（Ａ）乃至（Ｂ）は図３のシステムにおける波形の変化を説明するための図である。
【図６】図６は本発明に適用可能な位相共役器の構成例を示すブロック図である。
【図７】図７は本発明の光通信システムの第１実施形態を示すブロック図である。
【図８】図８は図７のシステムにおける光パワー等のダイアグラムを示す図である。
【図９】図９は本発明に適用可能な光増幅器のブロック図である。
【図１０】図１０は本発明の光通信システムの第２実施形態を示すブロック図である。
【図１１】図１１は本発明の光通信システムの第３実施形態を示すブロック図である。
【図１２】図１２は本発明の光通信システムの第４実施形態を示すブロック図である。
【図１３】図１３はファイバグレーティングを用いた分散補償器を示す図である。
【図１４】図１４は本発明の光通信システムの第５実施形態を示すブロック図である。
【図１５】図１５は本発明の光通信システムの第６実施形態を示すブロック図である。
【図１６】図１６は本発明の光通信システムの第７実施形態を示すブロック図である。
【図１７】図１７Ａ及び１７Ｂは図１６のシステムにおける分散パラメータの設計例を示す図である。
【図１８】図１８の（Ａ）及び（Ｂ）は本発明が適用可能な光ネットワークの例を示す図である。
【図１９】図１９は本発明の光ファイバ通信システムの他の基本構成を示すブロック図である。
【図２０】図２０は本発明による非線形光学媒質の製造プロセスの実施形態を示す図である。
【図２１】図２１は本発明に適用可能な他の位相共役光発生器の構成例を示す図である。
【図２２】図２２は広い変換帯域を有する位相共役器によるＷＤＭ（波長分割多重）信号光の一括変換を説明するための図である。
【図２３】図２３は波長変換及び位相共役変換が適用されるシステムの実施形態を示す図である。
【図２４】図２４は図２３における波長帯の設定例を示す図である。
【図２５】図２５は図２３における波長帯の他の設定例を示す図である。
【図２６】図２６は図２３における分散配置の例を示す図である。
【図２７】図２７は図６に示される位相共役器の改良例を示すブロック図である。
【図２８】図２８の（Ａ）は図２７に示される光フィルタ１５２，１５４及び１５６の特性を示す図、（Ｂ）〜（Ｄ）は図２７に示される位相共役器の各位置において観測されるスペクトルを示す図である。
【符号の説明】
２ 光送信機
４ 第１の光ファイバ
６ 第１の位相共役器
８ 第２の光ファイバ
１０ 第２の位相共役器
１２ 第３の光ファイバ
１４ 光受信機
１１２ 分散補償器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical fiber communication system using optical phase conjugation, an apparatus applicable to the system, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Due to the development of low-loss silica optical fibers, many optical fiber communication systems using optical fibers as transmission lines have been put into practical use. The optical fiber itself has a very wide bandwidth. However, the transmission capacity by optical fiber is practically limited by the system design. The most important limitation is due to waveform distortion due to chromatic dispersion occurring in the optical fiber. Optical fibers also attenuate optical signals, for example at a rate of about 0.2 dB / km, but the loss due to this attenuation has been compensated by the adoption of optical amplifiers such as erbium doped fiber amplifiers (EDFAs).
[0003]
Chromatic dispersion, often referred to simply as dispersion, is a phenomenon in which the group velocity of optical signals in an optical fiber changes as a function of the wavelength (frequency) of the optical signal. For example, in a standard single mode fiber, for wavelengths shorter than 1.3 μm, an optical signal with a longer wavelength propagates faster than an optical signal with a shorter wavelength, and the resulting dispersion is Usually called normal dispersion. For wavelengths longer than 1.3 μm, an optical signal having a shorter wavelength propagates faster than an optical signal having a longer wavelength, and the resulting dispersion is referred to as anomalous dispersion.
[0004]
In recent years, non-linearity has attracted attention due to the increase in optical signal power due to the adoption of EDFA. The most important nonlinearity of an optical fiber that limits the transmission capacity is the optical Kerr effect. The optical Kerr effect is a phenomenon in which the refractive index of an optical fiber changes with the intensity of an optical signal. The change in refractive index modulates the phase of the optical signal propagating through the optical fiber, resulting in frequency chirping that alters the signal spectrum. This phenomenon is known as self-phase modulation (SPM). The spectrum is expanded by SPM, and waveform distortion due to wavelength dispersion is further increased.
[0005]
As described above, the chromatic dispersion and the Kerr effect give waveform distortion to the optical signal as the transmission distance increases. Therefore, in order to enable long-distance transmission over an optical fiber, chromatic dispersion and nonlinearity need to be controlled, compensated or suppressed.
[0006]
As a technique for controlling chromatic dispersion and nonlinearity, a technique using a regenerative repeater including an electronic circuit for a main signal is known. For example, a plurality of regenerative repeaters are arranged in the middle of the transmission line. In each regenerative repeater, optical / electrical conversion, regeneration processing, and electrical / optical conversion are performed in this order before the waveform distortion of the optical signal becomes excessive. Is called. However, this method has a problem that an expensive and complicated regenerative repeater is required and the electronic circuit of the regenerative repeater limits the bit rate of the main signal.
[0007]
Optical solitons are known as a technique for compensating for chromatic dispersion and nonlinearity. An optical signal pulse having an amplitude, a pulse width, and a peak power precisely defined with respect to a given anomalous dispersion value is generated, whereby pulse compression caused by SPM and anomalous dispersion due to the optical Kerr effect The optical soliton propagates while maintaining its waveform in balance with the spread of the pulse due to dispersion.
[0008]
Another technique for compensating for chromatic dispersion and nonlinearity is the application of optical phase conjugation. For example, a method for compensating for chromatic dispersion in a transmission line has been proposed by A. Yariv et al. (A. Yariv, D. Fekete, and DM Pepper, “Compensation for channel dispersion by nonlinear optical phase conjugation” Opt. Lett., vol. 4, pp. 52-54, 1979). The optical signal is converted into phase conjugate light at the intermediate point of the transmission line, and the waveform distortion caused by the chromatic dispersion received in the first half of the transmission line is compensated by the distortion caused by the chromatic dispersion in the second half of the transmission line.
[0009]
In particular, if the factors of the phase change of the electric field at the two points are the same, and the environmental change that causes the factors is gentle within the light propagation time between the two points, the phase conjugate is intermediate between the two points. Phase change is compensated by arranging a phase conjugate light generator (S. Watanabe, “Compensation of phase fluctua-tion in a transmission line by optical conjugation” Opt. Lett., Vol. 17, pp. 1355-1357, 1992). Therefore, the waveform distortion caused by the SPM is also compensated by adopting the phase conjugator. However, when the optical power distribution before and after the phase conjugator is non-target, the compensation for nonlinearity is incomplete.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The inventor previously proposed a technique for overcoming incomplete compensation due to optical power asymmetry when using a phase conjugator (S. Watanabe and M. Shirasaki, “Exact compensation for both chromatic dispersion”). and Kerr effect in a transmission fiber using optical phase conjugation ”J. Lightwave Technol., vol. 14, pp. 243-248, 1996). The phase conjugator is arranged in the vicinity of the point where the dispersion value before and after the transmission line or the total amount of the nonlinear effect becomes equal in the transmission path, and various parameters before and after that are set for each minute section. However, since the phase conjugator is arranged in the middle of the transmission line, for example, when the transmission line is laid between continents, the phase conjugator may have to be submerged on the seabed. In this case, maintenance of the phase conjugator becomes difficult. It can be proposed that the first half or the second half of the transmission line is arranged in the transmitting terminal station or the receiving terminal station, and the other half of the transmission line is laid between continents. In this case, since the phase conjugator can be provided in the transmitting terminal station or the receiving terminal station, its maintenance is easy. However, in this case, the parameter setting is biased between the first half and the second half of the transmission path, and the compensation may be incomplete.
[0011]
Accordingly, it is an object of the present invention to provide an optical fiber communication system that can effectively compensate for chromatic dispersion and nonlinearity by using two or more phase conjugators.
[0012]
Another object of the present invention is to provide an optical fiber communication system that does not require a phase conjugator to be disposed in the middle of a transmission line in order to compensate for chromatic dispersion and nonlinearity.
[0013]
Another object of the present invention is to provide an apparatus applicable to such a system and a manufacturing method thereof.
[0014]
Other objects of the present invention will become clear from the following description.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, Based on signal light and pump light A method for manufacturing a device having a nonlinear optical medium for generating phase conjugate light comprising: A first zero dispersion wavelength obtained when the signal light and the pump light are input from one end of the optical fiber, and a second zero wavelength obtained when the signal light and the pump light are input from the other end of the optical fiber. Obtained from the absolute value of the difference from the zero dispersion wavelength Measuring the deviation of the zero dispersion wavelength of the optical fiber; and (b) cutting the optical fiber when the deviation exceeds a predetermined range. A first zero dispersion wavelength obtained when the signal light and the pump light are input from one end of each optical fiber and a second zero wavelength obtained when the signal light and the pump light are input from the other end of the optical fiber Obtained from the absolute value of the difference from the zero-dispersion wavelength Allowing the deviation of the zero dispersion wavelength of each optical fiber to fall within the above range; and (c) Said The optical fiber having the zero dispersion wavelength substantially equal to the wavelength of the pump light or the cut light Obtaining the nonlinear optical medium by selecting and splicing fibers.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0019]
Referring to FIG. 1, the basic configuration of the optical fiber communication system of the present invention is shown. The optical transmitter (OS) 2 outputs a signal beam. The first optical fiber 4 has a first end 4A and a second end 4B corresponding to the input end and output end of the signal beam, respectively. A first phase conjugator (1st PC) 6 is operatively connected to the second end 4B.
[0020]
In this application, an element and another element are operatively connected, including the case where these elements are directly connected, and the optical signal (or electrical signal) between these elements. This includes cases where these elements are provided with a relevance that allows delivery.
[0021]
The first phase conjugater 6 converts the signal beam supplied from the first optical fiber 4 into a first phase conjugate beam and outputs it. The second optical fiber 8 has a third end 8A and a fourth end 8B corresponding to the input end and the output end of the first phase conjugate beam, respectively. A second phase conjugator (2nd PC) 10 is operatively connected to the fourth end 8B. The second phase conjugater 10 converts the first phase conjugate beam supplied from the second optical fiber 8 into a second phase conjugate beam and outputs it. The third optical fiber 12 has a fifth end 12A and a sixth end 12B corresponding to the input end and the output end of the second phase conjugate beam, respectively. An optical receiver (OR) 14 is provided to receive the second phase conjugate beam transmitted by the third optical fiber 12.
[0022]
A system intermediate point 16 is set in the middle of the second optical fiber 8. For example, the system intermediate point 16 is defined as a point where the waveform distortion is minimized, and a specific position thereof will be described later. The second optical fiber 8 includes a first portion 81 between the third end 8A and the system intermediate point 16, and a second portion 82 between the system intermediate point 16 and the fourth end 8B.
[0023]
Each parameter in the optical fibers 4, 8, and 12 is set as follows, for example.
[0024]
First, the first optical fiber 4 is virtually divided into N sections (N is an integer greater than 1) 4 (# 1,..., #N), and the first portion 81 of the second optical fiber 8 is divided. Are virtually divided into the same number of sections 81 (# 1,..., #N). At this time, the product of the average value of the chromatic dispersion and the section length of the two corresponding sections counted from the first phase conjugator 6 is substantially matched. That is, the average value and section length of the chromatic dispersion (or dispersion parameter) of the i (1 ≦ i ≦ N) -th section 4 (#i) counted from the first phase conjugater 6 in the first optical fiber 4 are calculated. D each _1i And L _1i And the average value and section length of the chromatic dispersion (or dispersion parameter) of the i-th section 81 (#i) counted from the first phase conjugater 6 in the first portion 81 of the second optical fiber 8 respectively. D _2i And L _2i And when
D _1i L _1i = D _2i L _2i … (1)
Is satisfied. Further, the average value of the optical power and the average value of the nonlinear coefficient in the section 4 (#i) are respectively expressed as P _1i And γ _1i And the average value of the optical power and the average value of the nonlinear coefficient in the section 81 (#i) are P _2i And γ _2i And when
P _1i γ _1i L _1i = P _2i γ _2i L _2i … (2)
Is satisfied.
[0025]
On the other hand, the second portion 82 of the second optical fiber 8 is virtually divided into M (M is an integer greater than 1) sections 82 (# 1,..., #M). Are virtually divided into the same number of sections 12 (# 1,..., #M). At this time, in the second portion 82 of the second optical fiber 8, the average value and interval of the chromatic dispersion of the j (1 ≦ j ≦ M) -th interval 82 (#j) counted from the second phase conjugater 10 D for each length _3j And L _3j And the average value and the section length of the chromatic dispersion of the jth section 12 (#j) counted from the second phase conjugater 10 in the third optical fiber 12 are D _4j And L _4j And when
D _3j L _3j = D _4j L _4j … (3)
Is satisfied. Further, the average value of the optical power and the average value of the nonlinear coefficient in the section 82 (#j) are respectively expressed as P _3j And γ _3j And the average value of the optical power and the average value of the nonlinear coefficient in the section 12 (#j) are P _4j And γ _4j And when
P _3j γ _3j L _3j = P _4j γ _4j L _4j … (Four)
Is satisfied.
[0026]
In the system of FIG. 1, the waveform distortion once increases before and after the first phase conjugator 6, but chromatic dispersion and nonlinearity are compensated at the system intermediate point 16 by the conditions of the equations (1) and (2). Then, the waveform once returns to the original state. This recovered waveform is again distorted before and after the second phase conjugator 10, but as a result of the chromatic dispersion and nonlinearity being compensated for in the optical receiver 14 under the conditions of the equations (3) and (4), the waveform is Return to the original again.
[0027]
In addition, the system of the present invention is tolerant to setting errors of parameters such as the length of the second optical fiber 8 that may be laid on the seabed or the like. That is, even if the waveform does not completely return to the original state at the system intermediate point 16, this imperfection is reproduced by the second portion 82, the second phase conjugater 10, and the third optical fiber 12. Thus, the waveform can be restored substantially completely in the optical receiver 14.
[0028]
Referring to FIG. 2, the principle of chromatic dispersion and nonlinearity compensation is shown. Here, the principle of compensation from the optical transmitter 2 to the system intermediate point 16 will be described. First, prior to the description of FIG. 2, general items of the phase conjugate wave will be described.
[0029]
The propagation of an optical signal E (x, y, z, t) = F (x, y) φ (z, t) exp [i (ωt−kz)] in optical fiber transmission is generally described by the following nonlinear wave equation. Is possible. Here, F (x, y) represents a lateral mode distribution, φ (z, t) represents a complex envelope of light, and this φ (z, t) is sufficiently larger than the frequency ω of light.
Assume that it changes.
[0030]
[Expression 1]

[0031]
Where T = t−β ₁ z (β ₁ Is the propagation constant), α is the fiber loss, β ₂ Represents the chromatic dispersion of the fiber,
[0032]
[Expression 2]

[0033]
Represents a third-order nonlinear coefficient (coefficient of optical Kerr effect). Where n ₂ And A _eff Represents the nonlinear refractive index and effective core area of the fiber, respectively. c is the speed of light in vacuum. Here, up to the first order dispersion was considered, and higher order dispersion was omitted. Α, β ₂ , Γ are functions of z, and α (z), β ₂ It is assumed that (z) and γ (z) are expressed. Further, let the position of the phase conjugator be the origin (z = 0). Here, the following normalization function is introduced.
[0034]
[Equation 3]

[0035]
Represents an amplitude. When α (z)> 0, the transmission path has a loss, and when α (z) <0, it represents a gain. A (z) ≡A (0) represents the case of no loss. A (z) ² = P (z) corresponds to optical power. Substituting equations (7) and (8) into equation (5) yields the following evolution equation:
[0036]
[Expression 4]

[0037]
Where sgn [β ₂ ] ≡ ± 1 is β ₂ > 0, ie +1 for normal dispersion, β ₂ <0, i.e., -1 for anomalous dispersion.
If equation (11) holds, the complex conjugate also holds, and the following equation is obtained.
[0038]
[Equation 5]

[0039]
Complex conjugate light u ^* Follows the same evolution equation as that for u. However, the propagation direction at that time is reversed. This operation is exactly the operation of a phase conjugator. Particularly in a transmission type phase conjugator, the above is equivalent to inverting the phase shift caused by chromatic dispersion and SPM.
[0040]
Here, in FIG. 2, the length of the first optical fiber 4 is L1, and the length of the first portion 81 of the second optical fiber 8 is L. ₂ Suppose that The phase conjugator 6 is arranged at the origin z = 0 (ζ = 0) of the z coordinate and the ζ coordinate. The z coordinate and ζ coordinate of the system intermediate point 16 are respectively L ₂ And ζ ₀ It is.
[0041]
In the first optical fiber 4, the signal beam u (Es) propagates according to the evolution equation (11). The signal beam u is converted into a phase conjugate beam u by the phase conjugater 6. ^* Converted to (Ec). Phase conjugate beam u ^* Propagates in the first part 81 of the second optical fiber 8 according to the equation (12). At this time, within the normalized distance dζ at any two points −ζ and ζ that are symmetrical with respect to the position of the phase conjugater 6 on the ζ axis (ζ = 0), the first and second terms on the right side of the equation (11) If the value of each parameter is set so that the coefficients of ^* Is the phase conjugate wave of u at ζ. That is, the following two expressions are the conditions.
[0042]
[Formula 6]

[0043]
Equation (13) indicates that the signs of dispersion of the first optical fiber 4 and the first portion 81 must be equal. In the fiber, γ> 0, A (z) ² Considering that> 0, the above conditions can be summarized as follows.
[0044]
[Expression 7]

[0045]
The phase shift due to chromatic dispersion and SPM at (−ζ) in the first optical fiber 4 is inverted in sign by the phase conjugater 6. Therefore, the waveform distortion due to this phase shift is compensated by the distortion due to the phase shift at (ζ) in the first portion 81. Thus, if compensation by the above settings is repeated for each section, compensation over the entire length becomes possible.
[0046]
Next, the compensation condition is described in terms of the z coordinate. From equation (15)
[0047]
[Equation 8]

[0048]
Get. That is, the condition is that the ratio of the chromatic dispersion to the product of the nonlinear coefficient and the optical power in each section is equal. Where -z ₁ , Z ₂ Are two points that satisfy the following expression.
[0049]
[Equation 9]

[0050]
Equations (18) and (19) are obtained from equations (16) and (17).
[0051]
[Expression 10]

[0052]
dz ₁ , Dz ₂ Respectively -z ₁ , Z ₂ The length of each section is inversely proportional to the dispersion within the section or inversely proportional to the product of the nonlinear coefficient and the optical power. Where variance β ₂ And dispersion parameter D, D = − (2πc / λ ² ) Β ₂ Is considered, the following relationship is obtained from the equations (18) and (19). D is a function of z and is also expressed as D (z).
[0053]
[Expression 11]

[0054]
It can be seen that the condition for compensation is that the increase in one of the two positions symmetrical with respect to the phase conjugator 6 and the decrease in the other are equal for both dispersion and nonlinearity.
[0055]
Equations (20) and (21) are necessary conditions for compensation, and indicate that the total dispersion amount and the total Kerr effect are equal in the two corresponding sections. That is, the effectiveness of the conditions of formulas (1) to (4) was confirmed.
[0056]
In particular, when α, D, and γ are substantially constant and the power fluctuation is small, if the equations (20) and (21) are integrated,
[0057]
[Expression 12]

[0058]
Get. Where P ₁ , P ₂ Are average powers in the first optical fiber 4 and the first portion 81, respectively. D ₁ , Γ ₁ Are respectively the dispersion parameter and nonlinear coefficient of the first optical fiber 4 or their average value, D ₂ , Γ ₂ Are respectively the dispersion parameter and the non-linear coefficient of the first portion 81 or their average values. (22),
Equation (23) agrees with the conditions in the SPM compensation method based on dispersion compensation and average value approximation.
[0059]
Practically, the present invention can be implemented only by satisfying the condition of the expression (22). For example, in the system of FIG. 1, the product of the average value and the length of the chromatic dispersion of the first optical fiber 4 is the product of the average value and the length of the chromatic dispersion of the first portion 81 of the second optical fiber 8. And the product of the average value and the length of the chromatic dispersion of the second portion 82 of the second optical fiber 8 is substantially equal to the average value and the length of the chromatic dispersion of the third optical fiber 12. It is made to substantially agree with the product. With this setting, waveform distortion due to chromatic dispersion is compensated.
[0060]
Preferably, in order to further satisfy the condition of the equation (23), the product of the average value of the optical power and the average value of the nonlinear coefficient in the first optical fiber 4 and the length of the first optical fiber 4 is the first The optical power average value and the nonlinear coefficient average in the second portion 82 are substantially matched to the product of the average optical power value and the nonlinear coefficient in the portion 81 and the length of the first portion 81. The product of the value and the length of the second portion 82 substantially match the product of the average value of the optical power and the nonlinear coefficient of the third optical fiber 12 and the length of the third optical fiber 12. To. This setting compensates for waveform distortion due to nonlinearity in addition to waveform distortion due to chromatic dispersion.
[0061]
When a plurality of optical amplifiers are provided on the optical path including the first, second, and third optical fibers 4, 8, and 12, the distance between each two adjacent optical amplifiers is set to the optical path ( It is desirable to set it shorter than the nonlinear length of the optical fiber). The nonlinear length will be described later.
[0062]
In FIG. 2, the principle of compensation upstream of the system midpoint 16 is shown. The principle of compensation on the downstream side of the system intermediate point 16 can be understood in the same manner as that described above, and therefore the description thereof is omitted.
[0063]
In the description with reference to FIG. 2, the normalized coordinates are defined by the accumulated value of the chromatic dispersion from the phase conjugater 6, as shown in the equation (10). As a result, the required conditions are two points on the first optical fiber 4 and the first portion 81 where the accumulated value of the chromatic dispersion from the phase conjugater 6 is equal, as shown by the equation (15). The ratio of the product of the optical power and nonlinear coefficient and the chromatic dispersion in each of the two substantially matches.
[0064]
In FIG. 2, the normalized coordinate may be defined by the accumulated value of the nonlinear effect from the phase conjugator 6 (that is, the accumulated value of the product of the optical power and the nonlinear coefficient). In this case, the ratio of the chromatic dispersion to the product of the optical power and the nonlinear coefficient at each of the two points on the first optical fiber 4 and the first portion 81 having the same accumulated value from the phase conjugater 6 is substantially equal. Must be consistent.
[0065]
Next, the result of an experiment for demonstrating the effectiveness of the principle of FIG. 2 will be described.
[0066]
Referring to FIG. 3, a block diagram of the system used in the demonstration experiment is shown.
[0067]
The transmitter corresponds to the optical transmitter 2 in FIG. 1, the fiber compensator corresponds to the first optical fiber 4 in FIG. 1, and the phase conjugator corresponds to the first optical coupler in FIG. 1 corresponds to the phase conjugator 6 of FIG. 1, and the dispersion shifted fiber (DSF-1, 2,..., 46) and the erbium doped fiber amplifier (EDFA 1, 2,..., 45) are the second light in FIG. Corresponding to the first portion 81 of the fiber 8. A receiver for measuring the transmission characteristics is provided at the system midpoint 16 in FIG.
[0068]
Two 3-electrode λ / 4 shift type DFB-LDs (distributed feedback laser diodes) were used as light sources in the transmitter. Time-division multiplexed 20 Gb / s signal light E _S (Wavelength λ _S = 1551 nm) was generated by time division multiplexing a 10 Gb / s 2-channel RZ signal with a pulse width (FWHM) of about 40 ps. To generate a 10 Gb / s RZ pulse, the first LiNbO _Three E with a 10-GHz sine wave using a modulator (LN-1) _S Intensity modulated and then a second LiNbO _Three 10 Gb / s NRZ data signal (PN: 2) using a modulator (LN-2) ^{twenty three} The intensity was modulated according to -1). Modulated E _S Is power P ₁ Are input to the two-stage DD-DCFs 1 and 2 so that the waveforms are compensated in advance.
[0069]
Here, “DD-DCF” represents a dispersion-decreasing dispersion-compensating fiber (DD-DCF).
[0070]
Each of the DD-DCFs is configured by splicing five DCFs (DCF-a, b, c, d, e) to each other. Each loss of DD-DCF was 0.46 dB / km, and the mode field diameter of each DCF was set to about 4 μm.
[0071]
In order to approximately satisfy the condition of equation (16), the dispersion parameter D ₁ Should decrease with decreasing average optical power in each of the DD-DCFs. Therefore, the length of each of the five DCFs and D ₁ Were set as shown in the table.
[0072]
[Table 1]

[0073]
The length of each DD-DCF was 13.7 km and the total dispersion of each was −662.8 ps / nm.
[0074]
The power of light input to each DD-DCF is P ₁ Two optical amplifiers were cascaded to set
[0075]
The phase conjugator is then operated at a wavelength λ in a 20 km DSF. _P = 1554nm pump light E _P Pre-compensated (distorted) by non-degenerate forward FWM (four-wave mixing) using _S Phase conjugate light E propagating in the same direction as _C (Wavelength λ _C = 1557 nm). E _S To E _C The conversion efficiency to was -12 dB.
[0076]
Next, the phase conjugate light E _C Was supplied to a 3036 km transmission line consisting of 46 cascaded DSFs (0.21 dB / km loss) and 45 EDFAs (each noise figure is about 6 dB) provided between them. Λ of this transmission line _C The average dispersion at −0.44 ps / nm / km. Therefore, the difference between the total dispersion in the two-stage DD-DCF and the total dispersion in the transmission line was about 10 ps / m. The length of each DSF is 66 km, and the optical input power P to each DSF ₂ Was set to +6 dBm.
[0077]
P ₁ The optimum value was +16 dBm under the above conditions. Nonlinear coefficient γ of DD-DCF ₁ Is about 18.0W ^-1 km ^-1 It was estimated that
[0078]
To suppress stimulated Brillouin scattering (SBS), E _S And E _P Were frequency modulated by sinusoidal signals of 500-kHz and 150-kHz, respectively. At the receiver, the third LiNbO _Three By using a modulator (LN-3) and a phase-locked loop (PLL) _C Was time-division demultiplexed and the bit error rate (BER) was measured.
[0079]
For comparison, a 1518 km transmission experiment using one DD-DCF and 23 DSFs was also performed.
[0080]
FIG. 4 shows the measured BER characteristics. Even after 3036 km transmission, ^-9 The signal could be detected with a smaller BER. 10 ^-9 The power penalty of 4.8 dB at BER was due to S / N degradation from theoretical values such as EDFA noise. In this experiment, λ _C Is the wavelength λ giving the gain peak in each EDFA _G ≈1558.5 nm to 1.5 nm detuned. If λ _C Λ _G Higher S / N characteristics can be obtained. In the 1518 km transmission experiment, the penalty was about 1.2 dB.
[0081]
5A to 5E show changes in the detected waveform in the 3036 km transmission experiment. 5A shows the output waveform of the transmitter, FIG. 5B shows the output waveform of the phase conjugator, FIG. 5C shows the waveform after 1518 km transmission, FIG. 5D shows the waveform after 2706 km transmission, and FIG. 5E shows the waveform after 3036 km transmission. . It can be seen that the predistorted waveform is gradually improved with the propagation of EC. The residual waveform distortion in FIG. 5E was due to incomplete compensation conditions. That is, in this demonstration experiment, the EDFA interval (DSF length; 66 km) is not sufficiently shorter than the nonlinear length defined by the reciprocal of the product of the nonlinear coefficient and optical power. It is a thing.
[0082]
Therefore, in the present invention, when a plurality of optical amplifiers are used, it is desirable to set these intervals shorter than the nonlinear length.
[0083]
Further, the compensation can be further improved by making the number of divisions of the DCF in the DD-DCF larger than 5 in the experiment.
[0084]
As each of the optical fibers 4, 8 and 12 in FIG. 1, a single mode silica fiber can be used. Silica fibers used in optical fiber communication include 1.3 μm zero dispersion fiber and 1.55 μm dispersion shifted fiber.
[0085]
Examples of the modulation method of the signal light in the optical transmitter 2 include all possible modulation methods such as optical amplitude (intensity) modulation, frequency modulation, phase modulation, and the like. Signal detection in the optical receiver 14 can be performed by optical direct detection after filtering by an optical bandpass filter or optical heterodyne detection.
[0086]
Each of the phase conjugators 6 and 10 has a second-order or third-order nonlinear optical medium and means for pumping the medium. When a second-order nonlinear optical medium is used, phase conjugate conversion is performed by a parametric effect, and when a third-order nonlinear optical medium is used, a degenerate or non-degenerate type four is used. Phase conjugate conversion is performed by light wave mixing.
[0087]
As the third-order nonlinear optical medium, for example, a silica fiber can be used. In this case, a favorable phase conjugate conversion can be achieved by making the wavelength of the pump light in the four-wave mixing substantially coincide with the zero dispersion wavelength of the silica fiber. Is made. A phase conjugator using a silica fiber is excellent in high speed, wide band, low distortion, and consistency with a transmission line.
[0088]
A semiconductor optical amplifier (SOA) can also be used as the third-order nonlinear optical medium. A phase conjugator using an SOA is excellent in terms of wide bandwidth and miniaturization.
[0089]
A distributed feedback laser diode (DFB-LD) itself can also be used as the third-order nonlinear optical medium. The DFB-LD generates pump light by current injection, and phase conjugate conversion is performed by four-wave mixing. Therefore, an external pump light source is unnecessary. A phase conjugator using a DFB-LD is excellent in terms of wide bandwidth and miniaturization. For details of the phase conjugator using DFB-LD, see the literature (H. Kuwatsuka, H. Shoji, M. Matsuda and H. Ishikawa, “THz freuency con- version using nondegenerate four-wave mix-ing process in a lasing long-cavity λ / 4-shifted DFB laser ”Electron. Lett., vol. 31, pp. 2108-2110, 1995).
[0090]
LiNbO as a second-order nonlinear optical medium _Three An optical waveguide made of AlGaAs or the like can be used. The phase conjugator using this optical waveguide enables good phase matching by adopting a quasi phase matching structure, is excellent in broadband property, and easily extracts a phase conjugate beam. In this regard, for example, literature (CQ Xu, H. Okayama and M. Kawahara, “1.5 μm band efficient broadband wavelength conversion by difference frequency generation in a periodically domain-inverted LiNbO3 channel waveguide” Appl. Phys. Lett., Vol. 63, No. 26, pp. 3559-3561, 1993).
[0091]
Referring to FIG. 6, there is shown a phase conjugator that can be used as each of the phase conjugators 6 and 10 of FIG. This phase conjugator includes an optical fiber 18 as a third-order nonlinear optical medium, a laser diode (LD) 20 as a pump light source, and an optical coupler for adding an input beam and pump light to the optical fiber 18 and supplying them. 22.
[0092]
The optical fiber 18 is preferably a single mode fiber. In this case, when non-degenerate four-wave mixing is caused by slightly different the wavelength of the input beam and the wavelength of the pump light, the zero dispersion wavelength of the optical fiber 18 becomes the wavelength of the pump light (the oscillation wavelength of the LD 20). Make sure they match. The optical coupler 22 has four ports 22A, 22B, 22C and 22D. An input beam (signal beam or first phase conjugate beam) is supplied to the port 22A, the port 22B is connected to the LD 20, the port 22C is connected to the first end of the optical fiber 18, and the port 22D is set to a dead end. ing. The second end of the optical fiber 18 becomes the output port of this phase conjugator. The optical coupler 22 outputs the input beam and pump light respectively supplied to the ports 22A and 22B from the port 22C. As the optical coupler 22, for example, a fiber fusion type, a half mirror, an optical multiplexer, a change beam splitter, or the like is used.
[0093]
Referring to FIG. 7, a first embodiment of the present invention is shown. As the first optical fiber 4, two DD-DCFs 24 used in the demonstration experiment are employed. An optical amplifier 26 is provided on the input side of each DD-DCF 24 so that the power of the signal beam supplied to each DD-DCF 24 becomes a predetermined level. The first portion 81 of the second optical fiber 8 is configured by cascading a plurality of optical fibers 28. An optical amplifier 30 is provided between the optical fibers 28 in order to keep the optical power in the first portion 81 substantially constant. The second portion 82 of the second optical fiber 8 is composed of a plurality of optical fibers 32. An optical amplifier 34 is provided between the optical fibers 32 in order to keep the optical power in the second portion 82 substantially constant.
[0094]
Particularly in this embodiment, the system intermediate point 16 is provided with an optical amplifier 36 that effectively removes noise. As the third optical fiber 12, two DD-DCFs 38 similar to those used in the demonstration experiment are employed. An optical amplifier 40 is provided on the input side of each DD-DCF 38 so that the power of the second phase conjugate beam supplied to each DD-DCF 38 has a predetermined level.
[0095]
The optical transmitter 2, the first optical fiber 4, and the first phase conjugator 6 are included in the first terminal station 42, and the second phase conjugator 10, the third optical fiber 12, and the optical receiver 14 are It is included in the second terminal station 44. The terminal stations 42 and 44 are installed, for example, on different continents. In this case, the second optical fiber 8 can be laid as a transmission line on the seabed between these continents.
[0096]
Referring to FIG. 8, a diagram of optical power etc. in the system of FIG. 7 is shown. In each of the two DD-DCFs 24 constituting the first optical fiber 4, the chromatic dispersion β is reduced as the nonlinear effect (product of the nonlinear coefficient γ and the optical power P) decreases. ₂ As a result, the ratio of nonlinear effect to chromatic dispersion (γP / β ₂ ) Is almost constant.
[0097]
A plurality of optical amplifiers 30, 34 and 36 are provided in the middle of the second optical fiber 8 in order to make the optical power in the second optical fiber 8 substantially constant. Therefore, according to this embodiment, the second optical fiber 8 can be formed by using or combining existing optical fiber transmission lines whose parameters are not specifically designed. Specifically, it is as follows.
[0098]
Assume that an existing transmission line including a plurality of optical fibers 28 and a plurality of optical amplifiers 30 is provided as the first portion 81 of the second optical fiber 8 as shown in FIG. In general, since the average value of chromatic dispersion is constant in the existing transmission line, the nonlinear effect and wavelength in the first portion 81 of the second optical fiber 8 are set by appropriately setting the gain of each optical amplifier 30. Ratio of dispersion (γP / β ₂ ) Can be set to a predetermined value x. Given this ratio x for the transmission line, at the terminal station 42, the distribution of the nonlinear coefficient and optical power product γP in each of the DD-DCFs 24 and the chromatic dispersion β ₂ Is set. As a result, the ratio of the nonlinear effect and the chromatic dispersion in the first optical fiber 4 (γP / β ₂ ) Can be matched to the ratio x for the first portion 81 of the second optical fiber 8. As a result, the waveform returns to the original state at the system intermediate point 16.
[0099]
Here, the system is designed so as to obtain a constant ratio x with respect to the entire length of the first optical fiber 4 and the first portion 81 of the second optical fiber 8, but for example, the first portion 81 Each of the optical fibers 28 constituting the chromatic dispersion β ₂ Since the first portion 81 has a plurality of sections having different wavelength dispersions, the first optical fiber 4 is virtually divided into a plurality of sections according to the present invention and By satisfying the above-described conditions for the two sections, the waveform can be restored to the original state at the system intermediate point 16.
[0100]
By designing the second portion 82 of the second optical fiber 8 and the third optical fiber 12 in the same manner, the waveform can be restored in the optical receiver 14. In the example of FIG. 8, the diagram shows that the first portion 81 and the second portion 82 of the second optical fiber 8 have the same value of chromatic dispersion, but have different chromatic dispersion. Even if it is, the optical receiver 14 can return the waveform to the original by appropriately setting the gain of the optical amplifier 40 and the configuration of the DD-DCF 38 in the terminal station 44.
[0101]
Thus, according to this embodiment, by using the second optical fiber 8 as a transmission line, it is possible to construct a very long-distance transmission system that compensates for chromatic dispersion and nonlinearity. Further, by providing the phase conjugators 6 and 10 at the terminal stations 42 and 44, respectively, one phase conjugator arranged in the middle of the transmission path is not necessary, so that the maintainability of the system is improved. That is, in view of the fact that it is extremely difficult to maintain a transmission line once laid on the seabed, generally there is a requirement that a phase conjugator having a complicated configuration is not provided in the middle of the transmission line. This requirement is satisfied.
[0102]
In the system of FIG. 7, in order to improve the waveform improvement at the system intermediate point 16, the interval between the optical amplifiers 30 should be sufficiently shorter than the nonlinear length given by the inverse of the product of the nonlinear coefficient and the optical power. desirable. Similarly, in order to improve the waveform improvement in the optical receiver 14, it is desirable to make the interval between the optical amplifiers 34 sufficiently shorter than the nonlinear length. That is, by making the interval between the optical amplifiers sufficiently smaller than the nonlinear length, the optical power can be treated as being constant (average power) over the entire length. In this case, although the dispersion of the optical fiber 8 is constant, the condition that the ratio of the chromatic dispersion and the nonlinear effect is constant before and after the phase conjugator is approximately established.
[0103]
By the way, in the system of FIG. 7, since a plurality of optical amplifiers are used, noise accumulates. For example, when each optical amplifier is an EDFA, noise due to ASE (Amplified Spontaneous Emisson) generated in EDF (erbium-doped fiber) is accumulated.
[0104]
In the present invention, as shown in FIG. 2, the signal spectrum gradually spreads in the first optical fiber 4, and after the signal spectrum is once reversed on the frequency axis in the first phase conjugater 6, In the first part 81 of the optical fiber, the signal spectrum gradually narrows again, and at the system midpoint 16, the signal spectrum is the narrowest. Therefore, in the present invention, noise due to ASE can be effectively removed at the system intermediate point 16.
[0105]
Referring to FIG. 9, there is shown an optical amplifier applicable to the system of the present invention. A beam to be amplified and a first pump beam from the laser diode 50 are supplied to the first end of the EDF 46 as an optical amplification medium via an optical coupler 48. The second pump beam from the laser diode 54 is supplied to the second end of the EDF 46 via the optical coupler 52. When the beam to be amplified is supplied to the EDF 46 pumped by the first and second pump beams, the beam is amplified and output from the optical amplifier through the optical coupler 52 and the optical bandpass filter 56. .
Since the ASE generated in the EDF 46 has a sufficiently wider band than the amplified beam, the optical bandpass filter 56 removes most of the ASE and suppresses the decrease in S / N in the amplified beam. it can.
[0106]
In the system of FIG. 7, when the optical amplifier shown in FIG. 9 is applied to the optical amplifier 36 provided at the system intermediate point 16, the signal spectrum is the narrowest at the system intermediate point 16. By using an optical bandpass filter having a passband slightly wider than the spectral bandwidth as the filter 56, accumulated noise due to ASE can be effectively removed.
[0107]
Although the EDF 46 is pumped using the two laser diodes 50 and 54 in the optical amplifier of FIG. 9, the EDF 46 may be pumped by only one of the laser diodes.
[0108]
Thus, according to a preferred embodiment of the present invention, by providing an optical bandpass filter having a passband including the wavelength of the first phase conjugate beam in the vicinity of the system intermediate point 16 in the second optical fiber 8. S / N degradation can be effectively prevented.
[0109]
Referring to FIG. 10, an optical communication system showing a second embodiment of the present invention is shown. In contrast to the basic configuration of FIG. 1, this embodiment is characterized in that a branch unit 58 is provided at the system intermediate point 16 in the second optical fiber 8.
[0110]
The signal beam output from the optical transmitter 2 is supplied to the phase conjugater 6 by the first optical fiber 4. The phase conjugater 6 converts the received signal beam into a phase conjugate beam and outputs it. The phase conjugate beam output from the phase conjugator 6 is supplied to the branch unit 58 by the first portion 81 of the second optical fiber 8. The branching unit 58 branches the received phase conjugate beam into first and second branch beams. The first and second branched beams are supplied to the phase conjugators 10-1 and 10-2 by the second portions 82-1 and 82-2 of the second optical fiber 8, respectively. The phase conjugator 10-1 converts the received first branched beam into a phase conjugate beam, and sends this to the optical receiver 14-1 via the optical fiber (third optical fiber) 12-1. The phase conjugator 10-2 converts the received second branched beam into a phase conjugate beam, and supplies this to the optical receiver 14-2 through the optical fiber (third optical fiber) 12-2.
[0111]
The parameter settings for the optical fibers 4 and 81, the parameter settings for the optical fibers 82-1 and 12-1, and the parameter settings for the optical fibers 82-2 and 12-2 are made in the same manner as in FIG. .
[0112]
Since the branching unit 58 is provided at the system midpoint 16, the transmission characteristic of the phase conjugate beam received by the branching unit 58 can be monitored. For this purpose, the branch unit 58 is provided with a monitor circuit 60. Although not shown, an optical receiver may be connected to the branch unit 58.
[0113]
For example, the optical transmitter 2, the optical fiber 4, and the phase conjugater 6 are provided on the first continent, and the phase conjugater 10-1, the optical fiber 12-1, and the optical receiver 14-1 are provided on the second continent. The phase conjugator 10-2, the optical fiber 12-2, and the optical receiver 14-2 are provided on the third continent, and the branch unit 58 and the monitor circuit 60 are provided on an island between these continents. The branch unit 58 may not be accurately provided at the system intermediate point 16, and the branch unit 58 is provided at some distance from the system intermediate point 16 under the condition that the waveform is sufficiently improved. Also good.
[0114]
Here, the second embodiment of the present invention has been described in comparison with the basic configuration of FIG. 1, but the first embodiment of FIG. 7 may be applied to the second embodiment of FIG. Further, in FIG. 10, the branch unit 58 outputs the first and second branch beams. However, the phase conjugate beam received by the branch unit 58 is branched into three or more branch beams, and the branch units corresponding thereto are branched. A phase conjugator and an optical receiver on the downstream side of 58 may be added.
[0115]
Referring to FIG. 11, a third embodiment of the present invention is shown. Here, an optical multiplexer (MUX) 62 and an optical demultiplexer (DE-MUX) 64 are used in order to extend and apply the basic configuration of FIG. 1 to WDM (wavelength division multiplexing).
[0116]
The optical transmitters 2-1,..., N (n is an integer greater than 1) output signal beams having different wavelengths. The signal beam is supplied to the optical multiplexer 62 by optical fibers 4-1,..., N corresponding to the first optical fiber 4 in FIG. The optical multiplexer 62 wavelength-division-multiplexes the received signal beam and outputs a WDM signal beam. This WDM signal beam is supplied to the first phase conjugater 6. Here, since dedicated optical fibers 4-1,..., N are provided to the optical transmitters 2-1,..., N, the parameters according to the present invention can be set for each wavelength channel. That is, the wavelength channel
Since the nonlinear coefficient and chromatic dispersion differ depending on the channel, this embodiment enables strict compensation for each wavelength channel.
[0117]
The WDM signal beam that has undergone phase conjugation conversion in the phase conjugator 6 is supplied to the second phase conjugator 10 through the second optical fiber 8, where it is further subjected to phase conjugation conversion. The output beam of the phase conjugator 10 is supplied to the optical demultiplexer 64. The optical demultiplexer 64 separates the received beam for each wavelength channel, and the beam of each channel is respectively received by the optical receiver 14-1 by the optical fibers 12-1, ..., n corresponding to the third optical fiber 12 of FIG. ,..., N. The parameters for each of the optical fibers 4-1,..., N and the first portion 81 of the second optical fiber 8 are set in the same manner as in the basic configuration of FIG. 8, the parameter settings for the second portion 82 and each of the optical fibers 12-1,..., N are made in the same manner as in FIG.
[0118]
In this embodiment, the optical demultiplexer 64 is used to divide the beam output from the phase conjugator 10 into n channels. However, when one optical receiver is used, the optical demultiplexer 64 is not necessary. In this case, the optical receiver has optical or electrical means for selecting a desired channel from n channels.
[0119]
Although the third embodiment has been described in comparison with the basic configuration of FIG. 1, the first embodiment of FIG. 7 may be applied to the third embodiment.
[0120]
Referring to FIG. 12, a fourth embodiment of the present invention is shown. Here, in contrast to the basic configuration of FIG. 1, at least one dispersion compensator (DC) 66 that provides chromatic dispersion opposite to the chromatic dispersion of each of the optical fibers 4, 8, and 12 is additionally provided. Yes. In the illustrated example, the dispersion compensator 66 is provided in the middle of the optical fiber 8 between the phase conjugaters 6 and 10, but the dispersion compensator 66 is connected to the input end or output end of the optical fiber 8. May be. The dispersion compensator 66 may be provided in the middle of the optical fiber 4 or connected to the input end or the output end, or may be provided in the middle of the optical fiber 12 or connected to the input or output end of the optical fiber 12.
[0121]
As the dispersion compensator 66, a dispersion compensating fiber (DCF) having a chromatic dispersion having a large absolute value can be used. Even if the dispersion of each of the optical fibers 4, 8 and 12 is either normal dispersion or abnormal dispersion, the length can be suppressed short by using the dispersion compensator 66 made of DCF. The loss at 66 can be kept small. In particular, when each of the optical fibers 4, 8, and 12 has normal dispersion, a 1.3 μm zero dispersion fiber is suitable as the dispersion compensator 66. For example, when a plurality of dispersion compensators 66 are provided in the middle of the optical fiber 8, it is desirable to provide the dispersion compensators 66 at equal intervals in the longitudinal direction.
[0122]
In FIG. 12, the dispersion compensator 66 is added to the basic configuration of FIG. 1, but in the first to third embodiments of the present invention, at least one dispersion compensator may be additionally provided.
[0123]
Referring to FIG. 13, the configuration of a dispersion compensator using a fiber grating FG is shown. This dispersion compensator can be used as the dispersion compensator 66 in FIG. The wavelength of both edges of the light pulse is λ ₁ And λ ₂ Is supplied to the fiber grating FG through the optical circulator OC. The grating pitch of the fiber grating FG has a predetermined distribution, and the wavelength λ ₁ Of the beam is Bragg reflected at a position relatively close to the optical circulator OC, and the wavelength λ ₂ The beam is Bragg-reflected at a relatively far position. Thereby, the optical pulse is compressed, and dispersion compensation can be performed by taking out the Bragg reflected beam from the fiber grating FG through the optical circulator OC.
[0124]
Referring to FIG. 14, a fifth embodiment of the present invention is shown. Here, in contrast to the basic configuration of FIG. 1, the first optical fiber 4, the first phase conjugater 6, the second optical fiber 8, the second phase conjugater 10, and the third optical fiber 12 are included. A system is shown that further comprises an optical unit 68, each containing corresponding optical elements. The first end of the optical unit 68 is connected to the third optical fiber 12 at a point A corresponding to the optical receiver 14 of FIG. 1, and the second end of the optical unit 68 is connected to the optical receiver 14 ′. The optical unit 68 includes an optical fiber 4 ′, a phase conjugator 6 ′, an optical fiber 8 ′, and a phase conjugator 10 corresponding to the optical fiber 4, the phase conjugater 6, the optical fiber 8, the phase conjugater 10, and the optical fiber 12, respectively. 'And optical fiber 12'. The optical unit 68 has a system midpoint 16 'corresponding to the system midpoint 16 of FIG. In the embodiment of FIG. 14, only one optical element 68 is shown, but a plurality of optical units 68 may be provided in series between the point A and the optical receiver 14 ′.
[0125]
According to this embodiment, the distance between the optical transmitter 2 and the optical receiver 14 ′ can be sufficiently extended by applying the conditions of the present invention to each part of the illustrated system. Further, since the waveform of the optical signal is restored at the system intermediate points 16 and 16 'and the point A, it is easy to add / drop the optical signal or monitor the optical signal waveform by providing nodes at these points. Can be done. Further, by applying the optical bandpass filter 56 of the optical amplifier of FIG. 9 to at least one of the system intermediate points 16 and 16 ′ and the point A, noise due to ASE can be effectively removed.
[0126]
Although the fifth embodiment has been described here in contrast to the basic configuration of FIG. 1, the first embodiment of FIG. 7 may be applied to the fifth embodiment.
[0127]
Referring to FIG. 15, a sixth embodiment of the present invention is shown. In the third embodiment of FIG. 11, in order to apply the basic configuration of FIG. 1 to WDM (wavelength division multiplexing), a plurality of first optical fibers corresponding to a plurality of optical transmitters 2-1,. .., N are provided, and a plurality of third optical fibers 14-1,..., N are provided corresponding to the plurality of optical receivers 14-1,. On the other hand, in the sixth embodiment of FIG. 15, an optical multiplexer 62 ′ is provided immediately after the optical transmitters 2-1,..., N, and the optical multiplexer 62 ′ and the first phase conjugater 6 are interposed. A common first optical fiber 4 is provided. Also, an optical demultiplexer 64 'is provided immediately before the optical receivers 14-1, ..., n, and a common third optical fiber 12 is provided between the second phase conjugater 10 and the optical demultiplexer 64'. ing.
[0128]
The wavelengths of the signal beams output from the optical transmitters 2-1, ..., n are different from each other. Therefore, if the conditions of the equations (1) to (4) are satisfied for the wavelength channel related to the optical transmitter 2-1 and the optical receiver 14-1, the system intermediate point 16 is set for the wavelength channel. However, since the waveforms (1) to (4) cannot be satisfied in a strict sense for other wavelength channels, the waveform at the system intermediate point 16 is not obtained for the other wavelength channels. It may not be completely restored. However, in the present invention, by setting a symmetrical condition around the system intermediate point 16, the waveform is substantially completely restored on the receiving side even for a wavelength channel whose waveform does not completely return to the original state at the system intermediate point 16. Can be returned to.
[0129]
Referring to FIG. 16, a seventh embodiment of the present invention is shown. Here, the second portion 82 of the second optical fiber 8, the phase conjugater 10, and the third optical fiber 12 of FIG. 15 are omitted, and an optical demultiplexer 64 ″ is provided at the system midpoint 16. A design example of a dispersion parameter when the phase conjugator 6 in Fig. 16 has a third-order nonlinear optical medium will be described.
[0130]
As shown in FIG. 17A, the wavelengths of the signal beams output from the optical transmitters 2-1,. _S1 , ..., λ _Sn In this case, the wavelength λ of the phase conjugate beam output from the phase conjugater 6 _C1 , ..., λ _Cn Respectively, the wavelength λ of the pump light _P For the wavelength λ of the signal beam _S1 , ..., λ _Sn Are arranged at symmetrical positions. If the optical fiber 4 before and after the phase conjugator 6 and the first portion 81 are used in the system of FIG. 16, the same type of optical fiber is used. ₁ If the dispersion parameter has a characteristic that varies depending on the wavelength as shown in FIG. 1, compensation may be incomplete because the chromatic dispersion received by the signal beam differs from channel to channel. Therefore, in the example shown in FIG. 17A, the wavelength λ _S1 , ..., λ _Sn As the optical fiber 4 through which the signal beam propagates, D ₁ When using a fiber with the characteristics indicated by _C1 , ..., λ _Cn As the first portion 81 through which the phase conjugate beam propagates, D ₂ As shown by the wavelength λ of the pump light _P Against D ₁ A fiber having a symmetrical characteristic is used. For example, when the dispersion slope (secondary dispersion; wavelength differentiation of dispersion parameter) of the first optical fiber 4 is positive, the dispersion slope of the first portion 81 is made negative. Thus, chromatic dispersion and nonlinearity can be compensated for each channel by making the chromatic dispersion received by the signal beam of each channel equal to the chromatic dispersion received by the corresponding phase conjugate beam.
[0131]
In particular, when WDM is applied, waveform degradation occurs not only by SPM generated for each channel but also by XPM (cross phase modulation) due to the interaction between channels, but as shown in FIG. Can be compensated for. When the DD-DCF is applied to the embodiment shown in FIG. 16, for example, the DD-DCF having the characteristics of FIG. 17A shifted in the vertical direction can be used.
[0132]
As shown in FIG. 17B, a fiber having no dispersion slope can also be used. That is, before and after the phase conjugator 6, the optical fiber 4 has a dispersion parameter D ₁ Is used as the first portion 81, and the dispersion parameter D is used as the first portion 81. ₂ A fiber is used that does not vary with wavelength. By using a fiber having no dispersion slope in this way, not only waveform deterioration due to SPM and XPM but also FWM between channels can be compensated. Since the generation efficiency of FWM depends on the dispersion value of each fiber, it is desirable that the dispersion parameter is the same between the optical fiber 4 and the first portion 81. Since the generation efficiency of FWM between channels has polarization dependence, when WDM is applied as shown in FIG. 16, immediately after each of the optical transmitters 2-1,. It is desirable to provide a polarization scrambler immediately after the optical multiplexer 62 '. Further, the DD-DCF can be configured using a fiber having characteristics as shown in FIG. 17B.
[0133]
18A and 18B, an optical network to which the present invention is applicable is shown. In the optical network shown in FIG. 18A, three terminal stations 70 are connected by optical fibers, and a node 72 for adding / dropping optical signals is provided in the middle of each optical fiber. . Each terminal 70 includes the phase conjugator 6 or 10 of FIG. 1, so that the conditions of the present invention are satisfied for each of the optical fibers. Each node 72 is located at a system midpoint 16 (see FIG. 1) according to the present invention. Since the waveform is restored to the original at the system midpoint, the optical signal can be added / dropped without considering the waveform degradation by arranging the node 72 at the system midpoint.
[0134]
When WDM is applied to the optical network of FIG. 18A, each terminal 70 preferably has a phase conjugator for each WDM channel. When each terminal 70 has a plurality of phase conjugators as described above, phase conjugation conversion and wavelength conversion are performed for each channel when the optical signal passes through the terminal 70. Therefore, branching of the optical signal at each terminal 70 is performed. Or switching (cross-connect).
[0135]
In the optical network illustrated in FIG. 18B, two terminals 70 are arranged on the main line, and a node 72 is provided between the terminals 70. Each terminal 70 is connected to a subsystem 74. Each of the subsystems 74 has a ring-shaped optical fiber network and a plurality of nodes 76 provided in the middle thereof.
[0136]
According to this configuration, for example, when WDM is applied to a main line network, it is possible to easily provide a relatively low-speed LAN (local area network) by assigning each channel of WDM to each of the subsystems 74. it can.
[0137]
Referring to FIG. 19, there is shown another basic configuration of the optical communication system according to the present invention. This system includes an optical transmitter 102 that outputs a signal beam, a first optical fiber 104 that transmits the signal beam, and a signal beam transmitted by the first optical fiber 104 that is converted into a phase conjugate beam. A phase conjugator 106 for outputting, a second optical fiber 108 for transmitting the phase conjugate beam, and an optical receiver 110 for receiving the phase conjugate beam transmitted by the second optical fiber 108 are provided.
[0138]
On the optical path including the first optical fiber 104, the phase conjugator 106, and the second optical fiber 108, at least one dispersion compensator 112 that provides chromatic dispersion opposite in sign to the chromatic dispersion of each of the optical fibers 104 and 108. Is provided. In the illustrated example, the dispersion compensator 112 is provided in the middle of the second optical fiber 108, but the dispersion compensator 112 may be provided in the middle of the first optical fiber 104. Further, the dispersion compensator 112 may be provided at the end of the optical fiber 104 or 108.
[0139]
The parameter settings of the first optical fiber 104 and the second optical fiber 108 are in accordance with the parameter settings of the first portion 81 of the first optical fiber 4 and the second optical fiber 8 in the system of FIG. Done. For example, the product of the average value and the length of the chromatic dispersion of the first optical fiber 104 is made to substantially match the product of the average value and the length of the chromatic dispersion of the second optical fiber 108. In order to obtain the average value of each chromatic dispersion, the dispersion value of the dispersion compensator 112 may or may not be included.
[0140]
When the system of FIG. 19 is implemented, there is a demand to use a single mode fiber that gives the minimum loss and anomalous dispersion in the wavelength 1.55 μm band as the optical fiber 104 or 108. The reason for this is that, firstly, an optical fiber transmission line composed of such a single mode fiber has already been laid in many areas and it is desired to use it as it is, and secondly, WDM in a wavelength band of 1.55 μm. Is based on the point that relatively large anomalous dispersion occurs in a single-mode fiber and cross-channel crosstalk due to XPM and FWM is unlikely to occur.
[0141]
When the dispersion compensator 112 is not provided, if the optical fiber 104 is provided in the terminal station and the optical fiber 108 is used as a transmission line, the optical fiber 104 needs to be relatively short. In the case of +18 ps / km / nm, it is necessary to set the dispersion parameter of the optical fiber 104 to a value larger than that. However, at present, it is difficult to obtain an optical fiber that gives such a large anomalous dispersion. Will be limited. On the other hand, since the total dispersion of the optical fiber 108 can be reduced by using the dispersion compensator 112 as shown in FIG. 19, the optical fiber 104 having a dispersion parameter equivalent to the dispersion parameter of the optical fiber 108 is used. It can be used.
[0142]
In the illustrated example, only one dispersion compensator 112 is provided. However, the conditions of the present invention can be easily set by arranging a plurality of dispersion compensators, for example, equally in the longitudinal direction. It becomes like this.
[0143]
When the optical fibers 104 and 108 are single mode fibers that give anomalous dispersion, an optical fiber that gives normal dispersion can be used as the dispersion compensator 112. Further, a dispersion compensator using the fiber grating described with reference to FIG. 13 can also be used.
[0144]
The following is an additional description of the present invention. When the present invention is implemented, the simplest is that the total dispersion and / or the total nonlinear effect before and after the phase conjugator are set to be equal, as is apparent from FIG. 2 and the equations (22) and (23). In the equations (22) and (23), D _j And γ _j (J = 1, 2) is treated as a constant, but in the actual parameter setting, the dispersion value and nonlinear coefficient show different values depending on the position of the fiber, so these average values are adopted for accuracy. The
[0145]
Compensation by the equations (22) and (23) is an approximation that holds when the nonlinear effect is not so large. Specifically, the approximation is effective when the length of the optical fiber or the relay interval by the optical amplifier is sufficiently shorter than the nonlinear length of the optical fiber. For example, the nonlinear coefficient is 2.6 W ^-1 km ^-1 Considering the case where signal light with an average peak power of +5 dBm is transmitted by a normal DSF (dispersion shifted fiber), the nonlinear length is 121.6 km. Therefore, if the optical fiber length is shorter than about 100 km or the relay interval by the optical amplifier, the chromatic dispersion and the nonlinear effect can be compensated by the above approximation.
[0146]
However, when the power is further increased, compensation is limited due to the asymmetry of the optical power distribution before and after the phase conjugater due to the loss of the optical fiber. In such a case, waveform distortion due to chromatic dispersion and non-linear effects can be compensated by satisfying the conditions of equations (20) and (21) according to the present invention.
[0147]
In general, since there is a loss in the transmission line, it is necessary to give some loss compensation effect in order to satisfy the expressions (20) and (21). There are several ways to do this. First, a distributed constant gain medium is used as the transmission line. Examples thereof include a Raman amplifier and an inline amplifier using an EDF. Secondly, the ratio between the nonlinear effect and the dispersion value is controlled. In order to compensate for the non-linear effect decreasing along the transmission line due to loss, it is only necessary to reduce the dispersion along the transmission line or increase the non-linear effect. Changing the dispersion value is possible and promising depending on the design of the optical fiber. For example, the dispersion value can be changed by changing the zero-dispersion wavelength of the dispersion-shifted fiber (DSF), or changing the relative refractive index difference between the fiber core and the clad or the fiber core diameter. On the other hand, it is possible to change the nonlinear effect by changing the nonlinear refractive index or changing the optical power.
[0148]
To increase the light intensity along a lossy transmission line, the effective core area A of the fiber _eff Can be made smaller along the length of the fiber. For example, if the mode field diameter (MFD) is halved, the light intensity is about 4 times. Therefore, a loss of about 6 dB can be compensated by this alone. For a larger loss, it is necessary to further reduce the MFD. However, if the MFD is made too small, the loss increases, which has the opposite effect. The practical minimum value of MFD will be about 3 μm. Considering that the MFD of 1.3 μm zero dispersion SMF (single mode fiber) is about 10 μm and that of 1.55 μm zero dispersion DSF (dispersion shifted fiber) is about 8 μm, the loss that can be handled by MFD alone is SMF. This is about 10 dB and about 8 dB with DSF.
[0149]
If there is a larger loss, it is conceivable to reduce the MFD and the dispersion value. For example, if the value of dispersion can be halved, the ratio of dispersion and nonlinear effect can be made symmetrical with respect to the phase conjugator even when there is a loss of 3 dB. In dispersion-compensating fiber (DCF), which is being developed in recent years, it is possible to change the dispersion value in a range of about −120 ps / nm / km to −10 ps / nm / km, and the MFD is 5 μm or less. It can also be. Therefore, a loss of about 10 dB can be compensated by cascading a plurality of DCFs having different dispersion values by, for example, splicing.
[0150]
If the average dispersion of the transmission line (for example, the first portion 81 of the optical fiber 8 in FIG. 7) is −0.5 ps / nm / km, the average of the compensation fiber (for example, the first optical fiber 4 in FIG. 7). By setting the dispersion to −50 ps / nm / km, a system can be constructed with a compensation fiber having a length of 1/100 of the transmission line. In this case, for example, if the loss of the compensation fiber is 0.4 dB / km, the compensation condition can be realized by decreasing the absolute value of the dispersion value at a rate of 0.4 dB / km. When the total length of the transmission path is 2000 km, a compensation fiber of 20 km is used, and the dispersion value at that time is 8 dB.
[0151]
The light intensity in the compensation fiber needs to be about 100 times the light intensity in the transmission line. For example, if the MFD of the compensation fiber is 4 μm, the light power is about 25 times.
[0152]
In long-distance transmission using an optical amplifier, it has been found that using a normal dispersion fiber as a transmission line is sufficient for reducing nonlinear distortion due to noise light of the optical amplifier. Therefore, a system configuration using the above-described DCF is promising.
[0153]
In the phase conjugator of FIG. 6, the signal light or pump light supplied to the optical fiber 18 used as the nonlinear optical medium or the power of the phase conjugate light generated in the optical fiber 18 is stimulated Brillouin scattering (SBS) in the optical fiber 18. When the threshold value is exceeded, the conversion efficiency from signal light to phase conjugate light decreases. In order to suppress the influence of SBS, frequency modulation or phase modulation may be applied to at least one of signal light and pump light. In this case, a modulation rate of about several hundreds of kHz is sufficient, and this modulation rate is generally sufficiently lower than the modulation rate of signal light. Therefore, there is no fear that transmission characteristics will be deteriorated by modulation for suppressing SBS.
[0154]
The nonlinear coefficient γ of a normal DSF (dispersion shifted fiber) is 2.6 W ^-1 km ^-1 In order to obtain sufficient conversion efficiency when using a non-linear optical medium for generating phase conjugate light, for example, a normal DSF as the optical fiber 18 in FIG. 6, the fiber length should be 10 km or more. Is required. Therefore, it is desired to provide a DSF having a nonlinear coefficient γ that is sufficiently large to shorten the fiber length. If the length of the DSF used as the nonlinear optical medium for generating the phase conjugate light can be shortened, the zero dispersion wavelength can be managed with high accuracy, and therefore the wavelength of the pump light is changed to the DSF. Therefore, it is easy to accurately match the zero-dispersion wavelength, and as a result, a wide conversion band can be obtained. Here, the conversion band is defined as the maximum detuning wavelength (detuning frequency) of the pump light and the signal light under the condition that phase conjugate light with a certain power is obtained.
[0155]
In order to increase the nonlinear coefficient γ defined by the equation (6), the nonlinear refractive index n ₂ Or effective core area A _eff It is effective to reduce the mode field diameter (MFD) corresponding to. Nonlinear refractive index n ₂ In order to increase the thickness, for example, the cladding is doped with fluorine or the like, or the core is highly doped with GeO. ₂ May be doped. GeO in the core ₂ Is doped with 25 to 30 mol% of the non-linear refractive index n ₂ As 5 × 10 ^-20 m ² / W or larger values are obtained (about 3.2 × 10 6 for a normal silica fiber) ^-20 m ² / W). The MFD can be reduced by designing the relative refractive index difference Δ or the shape of the core. The DSF design is the same as that of DCF (dispersion compensating fiber). For example, GeO in the core ₂ And a relative refractive index difference Δ is set to 2.5 to 3.0%, an MFD value smaller than 4 μm is obtained. As these total effects, 15W ^-1 km ^-1 The value of the above large nonlinear coefficient γ is obtained.
[0156]
Another important factor is that a DSF that provides such a large value of the nonlinear coefficient γ should have a zero dispersion wavelength included in the pump band. Such coincidence between the zero dispersion wavelength and the pump band is possible by setting the fiber parameters (for example, relative refractive index difference Δ and MFD) as follows. In a normal optical fiber, when the relative refractive index difference Δ is increased under the condition that the MFD is constant, the dispersion value increases in the normal dispersion region. The DD-DCF as described above used for pre-compensation or post-compensation by the phase conjugator is realized by such a principle. On the other hand, increasing the core diameter decreases the dispersion, and decreasing the core diameter increases the dispersion. Therefore, after setting the MFD to a certain value suitable for the pump band, the zero dispersion for the pump light can be obtained by adjusting the core diameter so that the zero dispersion wavelength matches the predetermined value of the pump light.
[0157]
Conversion efficiency η in optical fiber of length L and loss α _C Is
η _C = Exp (-αL) (γP _P L) ² … (twenty four)
Can be approximated by Where P _P Is the average pump light power. Therefore, the nonlinear coefficient γ is 15 W ^-1 km ^-1 This fiber can achieve the same conversion efficiency with a length of about 2.6 / 15≈1 / 5.7 compared to a normal DSF. In a normal DSF, in order to obtain a sufficiently large conversion efficiency, a length of about 10 km is necessary as described above, whereas in a fiber having such a large nonlinear coefficient γ, Similar conversion efficiency can be obtained with a length of about 1 to 2 km. Actually, the loss is reduced as the fiber length is shortened, so that the fiber length can be further shortened in order to obtain the same conversion efficiency. In such a short DSF, the controllability of the zero dispersion wavelength is improved, so that the wavelength of the pump light can be exactly matched to the zero dispersion wavelength, and a wide conversion band can be obtained. Furthermore, if the fiber length is several kilometers, the polarization plane preserving ability is ensured. Therefore, the use of such DSF is extremely effective in achieving high conversion efficiency and a wide conversion band and eliminating polarization dependence. It is valid.
[0158]
In order to effectively generate four-wave mixing using an optical fiber, it is important to match the phases of signal light, pump light, and phase conjugate light. The phase mismatch amount Δk is approximated as follows.
Δk = δω ² β ₂ (Ω _P ) + 2γP _P … (twenty five)
Where β ₂ (Ω _P ) Is the pump optical frequency ω _P Where δω is the frequency difference between the signal light and the pump light. Unless the pump light with an extraordinarily large power (for example, 100 mW or more) is used, the second term of the equation (25) is sufficiently smaller than the first term, and can be ignored. Accordingly, phase matching (making Δk as close to 0 as possible) can be obtained by matching the wavelength of the pump light with the zero dispersion wavelength of the fiber. However, in an actual fiber, the zero dispersion wavelength varies in the longitudinal direction, so it is not easy to maintain the phase matching condition over the entire length of the fiber.
[0159]
Thus, in an apparatus having an optical fiber as a nonlinear optical medium for generating phase conjugate light, the conversion band is limited by the dispersion of the optical fiber. Therefore, if the dispersion in the longitudinal direction of the optical fiber is completely controlled, for example, an optical fiber having a single zero dispersion wavelength over the entire length (exactly nonlinear length) is produced, the pump light wavelength is set to the zero dispersion wavelength. Therefore, a virtually infinite conversion band (infinitely wide within a range in which the dispersion slope is linear) can be obtained. However, in reality, the zero dispersion wavelength varies in the longitudinal direction due to problems in optical fiber manufacturing technology.
The phase matching condition deviates from the ideal state, which limits the conversion band.
[0160]
However, even in such a case, the optical fiber is cut and divided into a plurality of small sections, and sections having similar zero dispersion wavelengths are connected by splicing or the like (counted from the original fiber end). By doing so, an optical fiber suitable for providing a phase conjugator having a wide conversion band can be obtained even though the average dispersion in the entire length is the same.
[0161]
Alternatively, a large number of fibers with a length (for example, several hundreds of meters or less) that can be controlled with high accuracy to the extent necessary to obtain a sufficiently wide conversion band are prepared in advance, and those having the required zero dispersion wavelength are combined. A wide conversion band can be obtained by obtaining a fiber having a length necessary for splicing and obtaining a required conversion efficiency and using this to provide a phase conjugator.
[0162]
When the conversion band is expanded in this way, the power of the pump light is high near the pump light input end of the nonlinear optical medium. Therefore, a portion with a small zero dispersion wavelength or a zero dispersion wavelength near the pump light input end. It is effective to collect portions with small variations. In addition, if necessary, the number of divisions is increased sequentially, or in places where the dispersion value is relatively large at a position away from the pump light input end, further conversion is performed by appropriately combining the dispersion values such as by alternately arranging positive and negative values. Bandwidth can be expanded.
[0163]
For example, a nonlinear length may be used as a standard for determining how short each section is to be sufficient when dividing an optical fiber. As in the compensation of nonlinear effects, in FWM (four wave mixing) in a fiber that is sufficiently shorter than the nonlinear length, it can be considered that phase matching depends on the average dispersion value of the fiber. As an example, the nonlinear coefficient γ is 2.6 W ^-1 km ^-1 In the FWM using the pump light power of about 30 mW with the above fiber, the nonlinear length is about 12.8 km, so about 1/10, that is, about 1 km is one standard. As another example, the nonlinear coefficient γ is 15 W ^-1 km ^-1 In the FWM using the pump light power of about 30 mW in the fiber, the nonlinear length is about 2.2 km, so about 1/10, that is, 200 m will be one standard. In any case, if the average zero-dispersion wavelength of a fiber that is sufficiently shorter than the nonlinear length is measured and a nonlinear optical medium having a required conversion efficiency is provided by combining the same values, a phase conjugate with a wide conversion band can be obtained. Can be obtained.
[0164]
Thus, according to the present invention, a first method for manufacturing a device having a nonlinear optical medium for generating phase conjugate light is provided. In this method, the optical fiber is first cut and divided into a plurality of sections, and then the plurality of sections are rearranged and connected so that the conversion band in non-degenerate four-wave mixing using a nonlinear optical medium is maximized. Together, a nonlinear optical medium is provided. By supplying pump light and signal light to this nonlinear optical medium, phase conjugate light is generated. Since the conversion band from signal light to phase conjugate light is sufficiently wide, for example, when WDM signal light obtained by wavelength division multiplexing a plurality of optical signals having different wavelengths is used as signal light, The plurality of optical signals are collectively converted into phase conjugate light (a plurality of phase conjugate light signals).
[0165]
Desirably, the dispersion value of each of the plurality of sections (for example, the dispersion value for the pump light) is measured, and a section having a relatively small dispersion value is arranged on the side close to the input end when the pump light is input to the nonlinear optical medium. A plurality of sections are rearranged as shown. As a result, the phase matching condition can be effectively obtained at a portion where the power of the pump light is high, so that the conversion band is effectively expanded.
[0166]
Desirably, at least a part of the plurality of sections are connected so that the positive and negative of the dispersion value are alternated. Thereby, since the average dispersion | distribution of each part of an optical fiber can be restrained small, the conversion band can be expanded effectively.
[0167]
The present invention also provides a second method for manufacturing a device having a nonlinear optical medium for generating phase conjugate light. In this method, first, the optical fiber is cut and divided into a plurality of sections, and then dispersion values (for example, dispersion values for the pump light) of the plurality of sections are measured, and thereafter, a non-linear optical medium is used. A non-linear optical medium can be obtained by selecting and connecting only sections having a dispersion value sufficiently small to obtain a required conversion band by degenerate four-wave mixing. Even when a phase conjugator is configured using the nonlinear optical medium obtained by the second method, a wide conversion band is obtained, so that WDM signal light can be converted all at once.
[0168]
In each of the first and second methods according to the present invention, the optical fiber is first cut and divided into a plurality of sections, but the present invention is not limited to this. For example, the optical fiber can be cut as necessary as follows.
[0169]
That is, according to the present invention, a third method for manufacturing a device having a nonlinear optical medium for generating phase conjugate light is provided. In this method, first, the deviation of the zero dispersion wavelength of the optical fiber is measured, and then the zero dispersion wavelength of each fiber cut and cut when the measured deviation exceeds a predetermined range. Of the optical fiber having a zero dispersion wavelength substantially equal to the wavelength of the pump light, or a cut fiber is selected, and the selected fibers are spliced together. As a result, a nonlinear optical medium is obtained.
[0170]
The measurement of the deviation of the zero dispersion wavelength can be performed, for example, using the fact that the generation efficiency of the four-wave mixing differs according to the zero dispersion wavelength. In general, chromatic dispersion can be obtained by measuring the wavelength dependence of the group velocity, but as described above, the phase matching of four-wave mixing is best when the pump light wavelength and the zero-dispersion wavelength match. Therefore, the zero-dispersion wavelength is generated by four-wave mixing (phase conjugate light) with respect to the pump light wavelength in a state where the wavelength difference between the pump light and the signal light is set to a relatively large constant value of about 10 to 20 nm, for example The efficiency can be measured and determined as the pump light wavelength that gives the maximum generation efficiency. The generation efficiency of four-wave mixing is proportional to the square of the intensity of the pump light. Therefore, when the zero-dispersion wavelength changes in the longitudinal direction of the optical fiber, in general, the signal light and the pumping light differ depending on whether they are input from one end face of the optical fiber or the other end face. The zero dispersion wavelength is measured. Therefore, the deviation of the zero dispersion wavelength of the optical fiber can be obtained based on the measured values of these two zero dispersion wavelengths. Specifically, it is as follows.
[0171]
Referring to FIG. 20, a manufacturing process 120 of a nonlinear optical medium having a small deviation of zero dispersion wavelength is shown. In step 122, the allowable range of zero dispersion wavelength Δλ ₀ Is determined. Range Δλ ₀ Can be determined as a required characteristic of the system from a required conversion band, and a specific value thereof is, for example, 2 nm. Next, at step 124, the zero dispersion wavelength deviation δλ is measured. For example, given the optical fiber F1, the zero dispersion wavelength λ obtained when the signal light and the pumping light are input from the first end of the optical fiber F1 due to the generation efficiency of the four-wave mixing described above. ₀₁ And zero dispersion wavelength λ obtained when signal light and pump light are input from the second end of the optical fiber F1. ₀₂ And are measured. In this case, | λ ₀₁ −λ ₀₂ | Can be used as a substitute value for the deviation δλ of the zero dispersion wavelength.
[0172]
Subsequently, at step 126, the deviation δλ is in the range Δλ. ₀ Or less is determined. Here, δλ ≧ Δλ ₀ In step 128, the optical fiber F1 is divided into two optical fibers F1A and F1B by cutting. Returning to step 124 after step 128, the deviation δλ is measured for each of the optical fibers F1A and F1B, and a determination is made at step 126 for each measured value. Here, each deviation δλ is Δλ ₀ If it is smaller, the flow ends. Note that the cut point of the optical fiber F1 in step 128 is arbitrary, and therefore the lengths of the optical fibers F1A and F1B may be equal or different.
[0173]
In the above description, steps 124 and 126 are repeated, but steps 124 and 126 may or may not be repeated. For example, when the optical fiber F2 having a small deviation of the zero dispersion wavelength is given, the condition is satisfied by the first determination in step 126, and in this case, the optical fiber F2 is not cut. On the other hand, when an optical fiber F3 having a long dispersion of zero dispersion wavelength is given, the optical fiber F3 is divided into optical fibers F3A and F3B in the first step 128, and the optical fiber F3A is divided in the second determination step 126. If the condition is satisfied but the optical fiber F3B does not satisfy the condition, the optical fiber F3B may be divided into the optical fibers F3B1 and F3B2 in the second step 128, and this flow may end. In this case, three optical fibers F3A, F3B1, and F3B2 are obtained from the original optical fiber F3, and the deviation of the zero dispersion wavelength of each fiber is within the allowable range Δλ. ₀ It will be smaller than.
[0174]
A plurality of optical fiber pieces (optical fibers F1A, F1B,...) Obtained in this way are arranged for each value of zero dispersion wavelength, and zero substantially equal to the wavelength of pump light for four-wave mixing. By selecting and splicing optical fiber pieces having a dispersion wavelength so as to obtain a required conversion efficiency, it is possible to obtain a nonlinear optical medium in which variation of the zero dispersion wavelength in the longitudinal direction is extremely small. A wide conversion band can be obtained by configuring a phase conjugator using this nonlinear optical medium.
[0175]
Zero dispersion wavelength λ ₀₁ And λ ₀₂ Even if the values are substantially equal, an optical fiber having a large variation in the longitudinal direction of the zero dispersion wavelength is also assumed. For example, this is the case where the longitudinal distribution of the zero dispersion wavelength is symmetric with respect to the longitudinal center of the optical fiber. In such a case, prior to the process 120, the optical fiber may be divided into at least two optical fiber pieces, and the process 120 may be applied to each optical fiber piece. Alternatively, the process 120 may be repeated multiple times.
[0176]
Experiments have revealed that a phase conjugator configured using a nonlinear optical medium obtained by the method of the present invention has a conversion band wider than 40 nm for a 10 Gb / s signal. This phase conjugator has an almost constant value of −10.9 dB as the conversion efficiency under the pump light power of +15 dBm without depending on the detuning wavelength in the range where the detuning wavelength of the signal light and the pump light exceeds 21 nm. Had. That is, the conversion band is wider than 40 nm. Specifically, the nonlinear optical medium was a highly nonlinear dispersion-shifted fiber (HNL-DSF) of 750 m. HNL-DSF was obtained by splicing three sections of 250 m each. The mean zero dispersion wavelengths for each section were 1547.3 nm, 1546.3 nm, and 1548.4 nm, respectively. The average zero dispersion wavelength of the resulting HNL-DSF was measured to be 1547.2 nm. MFD (mode field type) is 3.8 μm, nonlinear coefficient γ is 20.4 W ^-1 km ^-1 , Dispersion slope is 0.032ps / nm ² / Km.
[0177]
Thus, by using an optical fiber having a large nonlinear coefficient and applying the method of the present invention to keep the deviation of the zero-dispersion wavelength within approximately ± 1 nm, a phase conjugater having a high conversion efficiency and a wide conversion band can be obtained. Provision becomes possible. Considering that the conversion band of a conventional phase conjugator having an optical fiber as a nonlinear optical medium is at most several nanometers, the effect obtained by the method of the present invention is not obvious to the prior art or has an inventive step. Or has criticality. In particular, when the WDM signal light is batch-converted between optical networks using a phase conjugator as in an embodiment described later, the expansion of the conversion band according to the present invention is extremely effective.
[0178]
The nonlinear optical medium obtained by the first, second or third method according to the present invention can be employed as the optical fiber 18 of the phase conjugater of FIG. In this case, since the coincidence between the wavelength of the pump light output from the laser diode 20 and the zero dispersion wavelength of the optical fiber 18 can be maintained with extremely high accuracy, a wide conversion band can be obtained.
[0179]
Referring to FIG. 21, another configuration example of the phase conjugator is shown. This phase conjugator uses an optical fiber 18 similar to that shown in FIG. 6 as a nonlinear optical medium. The optical fiber 18 is preferably provided by the first, second or third method according to the present invention. A laser diode 20 is used as a pump light source. An optical coupler 132 and a polarization beam splitter 134 are used to guide the signal light and the pump light bidirectionally to the optical fiber 18 as a nonlinear optical medium. The optical coupler 132 has ports 132A, 132B, and 132C, and outputs the light supplied to the ports 132A and 132B from the port 132C. The input port 130 is connected to the port 132A, and the port 132B is connected to the laser diode 20 as a pump light source by an optical fiber 133. The polarization beam splitter 134 has ports 134A, 134B, 134C, and 134D. The ports 134A and 134B and the ports 134C and 134D are coupled by a first polarization plane (for example, a polarization plane perpendicular to the paper surface), and the ports 134A and 134C and the ports 134B and 134D are coupled with each other. They are coupled by a second polarization plane perpendicular to the wavefront (for example, a polarization plane parallel to the paper surface). The port 134A is connected to the port 132C by an optical fiber 135, the optical fiber 18 as a nonlinear optical medium is connected between the ports 134B and 134C, and the port 134D is connected to the output port 136. In the middle of the optical fiber 18, a polarization controller 138 configured as usual using a quarter-wave plate and a half-wave plate is provided, and the polarization controller 138 is provided in the optical fiber 18. Control is performed so that the polarization states of the input and output coincide with each other.
[0180]
The signal light from the input port 130 and the pump light from the laser diode 20 are supplied to the port 134A of the polarization beam splitter 134 via the optical coupler 132. The supplied signal light and pump light are separated by the polarization beam splitter 134 into first and second polarization components having first and second polarization planes, respectively. The first and second polarization components propagate through the optical fiber 18 in opposite directions. At this time, two phase conjugate components propagating in opposite directions are generated in the optical fiber 18 by four-wave mixing. That is, the phase conjugate component having the first polarization plane propagates from the port 134B toward the port 134C, and the phase conjugate component having the second polarization plane propagates from the port 134C toward the port 134B. The first and second phase conjugate components supplied to the polarization beam splitter 134 are polarization-combined, and the resulting phase conjugate light is output from the port 134D toward the output port 136.
[0181]
The polarization plane of the pump light output from the laser diode 20 is set so that the distribution ratio of the pump light to the first and second polarization components separated by the polarization beam splitter 134 is 1: 1. Is desirable. For example, the laser diode 20 is set so that the polarization plane of the pump light supplied to the port 134A of the polarization beam splitter 134 is inclined by approximately 45 ° with respect to the first and second polarization planes. In this way, since the orthogonal two polarization components of the pump light coincide with the orthogonal two polarization components of the signal light guided in the opposite directions to the optical fiber 18, the input plane operates. Regardless of fluctuations in the polarization state of the signal light at the port 130, phase conjugate light having a constant intensity can be obtained. That is, it is possible to provide a phase conjugator whose generation efficiency does not depend on the polarization state of the input signal light.
[0182]
In order that the polarization plane of the pump light supplied to the port 134A of the polarization beam splitter 134 is inclined by approximately 45 ° with respect to the first and second polarization planes, the laser is substantially linearly polarized. It is required to maintain the polarization plane of the pump light output from the diode 20 and supply it to the port 134A. For that purpose, a polarization maintaining fiber (PMF) can be used as each of the optical fibers 133 and 135.
[0183]
The PMF has a main axis in the radial direction. The PMF maintains a polarization state of a polarization component having a polarization plane parallel to the main axis or a polarization component having a polarization plane perpendicular to the main axis and propagates the polarization state. Therefore, in order to incline the polarization plane of the pump light by 45 ° with respect to the first and second polarization planes at the port 134A, the main axis of the PMF used as the optical fiber 135 is set with respect to the first and second polarization planes. Can be inclined at 45 °.
[0184]
However, when PMF is used as the optical fiber 135, signal light that is not necessarily limited to linearly polarized light also passes through this PMF, and polarization dispersion occurs due to a delay between orthogonal two polarization modes of the signal light passing through the PMF. It may be. In order to cope with this polarization dispersion, the PMF used as the optical fiber 135 may be provided by splicing the first and second PMFs having substantially the same length. At the splice connection point, the first main axis of the first PMF and the second main axis of the second PMF are made to be orthogonal to each other, so that the delay between the polarization modes is canceled and polarization dispersion is achieved. Is resolved. For example, when the first main axis is inclined 45 ° clockwise with respect to the first polarization plane, the second main axis is inclined 45 ° counterclockwise with respect to the first polarization plane. To be done.
[0185]
As described above, the polarization controller 138 can be omitted when the nonlinear coefficient of the optical fiber 18 is sufficiently large and the length thereof is short enough to have the polarization plane preserving ability.
[0186]
Thus, according to the present invention, a phase conjugator is provided in which the generation efficiency does not depend on the polarization state of the input signal light and the polarization dispersion is small. The phase conjugator includes a polarization beam splitter, a nonlinear optical medium, a pump light source, and coupling means. The polarization beam splitter has first to fourth ports. The first polarization plane is coupled between the first and second ports and between the third and fourth ports. The first and third ports and the second and fourth ports are coupled by a second polarization plane perpendicular to the first polarization plane. A nonlinear optical medium is operatively connected between the second and third ports. The pump light source outputs pump light. The coupling means is operatively connected between an optical coupler having first and second input ports and an output port for receiving signal light and pump light, respectively, and the output port and the first port of the polarization beam splitter. A polarization maintaining fiber. The coupling means supplies the signal light and the pump light to the first port of the polarization beam splitter.
[0187]
The polarization maintaining fiber has a main axis that is set so that the polarization plane of the pump light at the first port of the polarization beam splitter is substantially inclined by 45 ° with respect to the first and second polarization planes. Yes.
[0188]
Desirably, the polarization maintaining fiber comprises first and second polarization maintaining fibers that are spliced, and these have first and second principal axes that are orthogonal to each other.
[0189]
FIG. 22 is a diagram for explaining batch conversion of WDM signal light by a phase conjugator having a wide conversion band. WDM signal light has different wavelengths λ ₁ , Λ ₂ , ..., λ _N Are obtained by wavelength division multiplexing (WDM). Here, λ ₁ Is the shortest wavelength, and λ _N Is the longest wavelength. Wavelength λ of pump light _P Is for example λ ₁ Is set shorter. The WDM signal light is converted into converted light by non-degenerate four-wave mixing using pump light. The converted light has different wavelengths λ ₁ ´, λ ₂ ', ..., λ _N It consists of an N-channel converted optical signal having '. The arrangement of the optical signal of each channel in the WDM signal light and the converted optical signal in the converted light is the wavelength of the pump light _P Is symmetric.
[0190]
In the four-wave mixing using an optical fiber as a nonlinear optical medium, the conversion band is substantially flat, so that wavelength conversion and phase conjugate conversion can be performed on the optical signal of each channel with substantially the same conversion efficiency. Therefore, it is possible to compensate for the waveform distortion due to the chromatic dispersion of the transmission path and the nonlinear effect for each channel, and long-distance and large-capacity transmission is possible. In FIG. 22, the conversion from the long wavelength band to the short wavelength band is shown. However, since the conversion band by the optical fiber is symmetric with respect to the zero dispersion wavelength, the conversion from the short wavelength band to the long wavelength band is similarly performed. It goes without saying that it is possible.
[0191]
FIG. 23 is a diagram illustrating an embodiment of a system to which wavelength conversion and phase conjugate conversion are applied. A plurality of optical fiber networks NW1, NW2, and NW3 to which each WDM is applied are connected by an optical fiber transmission line 140 and a node 142. A phase conjugator PC11 is provided in the middle of the optical fiber transmission line 140 in order to perform conversion between the networks NW1 and NW2, and in the middle of the optical fiber transmission line 140 in order to perform conversion between the networks NW2 and NW3. A phase conjugator 23 is provided. In the networks NW1, NW2 and NW3, respectively, different wavelength bands λ _1j , Λ _2j , Λ _3j WDM transmission is performed. The phase conjugator PC11 has a wavelength band λ. _1j And λ _2j Wavelength conversion and phase conjugation conversion are performed between them, and the phase conjugator PC23 _2j And λ _3j Wavelength conversion and phase conjugate conversion are performed between them. In the middle of the optical fiber transmission line 140, there are some positions where the waveform distortion due to the chromatic dispersion and the nonlinear effect is most improved according to the present invention. Therefore, each node 142 is provided at such a position. Each node 142 includes an optical add / drop device for adding and extracting optical signals. The optical add / drop device functions for all channels or a part of channels in the WDM signal light or converted light. For example, the wavelength band λ of the optical fiber network NW1 _1j Is given by the WDM signal light shown in FIG. 22, and the wavelength of the pump light in the phase conjugator PC11 is λ. _P The wavelength band λ of the optical fiber network NW2 _2j Is given by the bandwidth of the converted light.
[0192]
According to such a system configuration, since the waveform distortion compensation and the wavelength conversion function by the phase conjugator are effectively utilized, it is possible to construct a long-distance and large-capacity system rich in flexibility. In addition, such applications for inter-network transmission are particularly important recently:
(1) Broadband optical amplifier;
(2) Variety of dispersion of optical fibers used as transmission lines.
[0193]
Of these, (1) relates to the recent widening of the bandwidth of EDFA (erbium-doped fiber amplifier), and (2) relates to the speeding up of transmission signals and dispersion control for performing WDM transmission. Recently, an EDFA having a wide bandwidth exceeding 50 nm and excellent in gain flatness directed to WDM has been developed. In the future, the band will be further expanded and a broadband EDFA of about 60 to 80 nm will be developed. Such widening of the EDFA is of course useful for increasing the number of WDM channels (transmission capacity), but it is possible to introduce a new concept in inter-network transmission as shown in FIG. And
[0194]
For example, as shown in FIG. 24, when the wavelength bands of the optical fiber networks NW1 and NW2 in FIG. 23 are set, effective transmission according to the present invention is possible between the optical fiber networks NW1 and NW2. In FIG. 24, reference numeral 144 indicates a relatively flat gain band of an optical amplifier (for example, EDFA).
[0195]
One of the reasons that the wavelength band used for each network is different is that the optical fiber as a transmission path used for each network is different. Optical fibers that have already been put into practical use include a 1.3 μm zero dispersion single mode fiber (so-called standard SMF) and a 1.55 μm dispersion shifted fiber (DSF). On the other hand, with the recent development of EDFA, the center of high-speed and long-distance transmission has become 1.55 μm band.
[0196]
Standard SMF exhibits a large anomalous dispersion value of about +16 to +20 ps / nm / km, whereas DSF can suppress the dispersion value to a small dispersion value of about ± 1 to 2 ps / nm / km. DSF is more advantageous for high-speed and long-distance transmission. However, many standard SMFs have already been laid, and there are many networks that must use them as transmission paths. In connection from such a network to a network using a DSF, wavelength conversion to a wavelength band that provides an optimum dispersion value of the DSF is required. Therefore, the present invention is effective in such a case.
[0197]
On the other hand, the present invention is also effective in connection between networks using DSFs. The reason is that a smaller dispersion is not always advantageous in WDM. In a relatively high-speed WDM, the power level of each channel needs to be set to be quite high in order to ensure a required signal-to-noise ratio (SNR). In this case, if the dispersion of the optical fiber used as the transmission path is small, crosstalk between adjacent channels occurs due to four-wave mixing, and transmission characteristics deteriorate. In order to avoid this influence, recently, a relatively large dispersion fiber (Nonzero dispersion-shifted fiber) in which the zero dispersion wavelength is greatly shifted from the signal band may be used. Since the variety of optical fibers used as transmission paths is thus rich, network configurations in various wavelength bands are possible. When connecting between such networks, wideband wavelength conversion and Phase conjugate conversion is effective.
[0198]
Recently, the variety of EDFAs is increasing along with optical fibers. However, the general EDFA is a type having gain peaks in 1.53 μm band and 1.55 μm band. Of these, the former is called the blue band and the latter is called the red band.
[0199]
FIG. 25 is a diagram illustrating another setting example of the wavelength band in FIG. Here, the wavelength band of the optical fiber network NW1 is included in the red band of the EDFA indicated by reference numeral 146, and the wavelength band of the optical fiber network NW2 is included in the blue band of the EDFA indicated by reference numeral 148. According to such setting, when the optical fiber transmission line 140 or each network includes an inline EDFA, the red band and the phase conjugate conversion can be easily performed.
[0200]
FIG. 26 is a diagram illustrating an example of the distributed arrangement in FIG. D ₁ And D ₂ (Each unit is ps / nm / km) represents the dispersion in the optical fiber networks NW1 and NW2, respectively. In the figure, an example of performing WDM using normal dispersion fiber in each network is shown.
[0201]
As shown in FIG. 22, since the channel arrangement is inverted by wavelength conversion, the influence of dispersion before and after conversion on each channel is expected to be different. However, the influence of dispersion on the channel near the center is almost the same. This problem can be solved by performing dispersion compensation in each network. The distribution within each network may be normal distribution or abnormal distribution.
[0202]
As described above, according to the present invention, a plurality of optical fiber networks for WDM signal light obtained by wavelength division multiplexing (WDM) of a plurality of optical signals having different wavelengths, and at least one conversion for connecting them. An optical fiber communication system is provided. When the converter performs wavelength conversion and phase conjugate conversion of a plurality of optical signals at once, it is easy to construct a flexible long-distance and large-capacity system.
[0203]
FIG. 27 is a diagram showing an improved example of the phase conjugator shown in FIG. Here, first and second optical bandpass filters 152 and 154 and an optical bandpass filter 156 are additionally provided. The signal light (input beam) is supplied to the port 22A of the optical coupler 22 through the first band rejection filter 152, and the phase conjugate light generated in the optical fiber 18 as the nonlinear optical medium is the second optical band rejection filter. 154 and the optical bandpass filter 156 are output in this order. The connection order of the filters 154 and 156 may be reversed.
[0204]
Referring to FIG. 28A, the characteristics of the optical filters 152, 154 and 156 shown in FIG. 27 are shown. In FIG. 28A, the vertical axis indicates the transmittance, and the horizontal axis indicates the wavelength. As indicated by reference numeral 158, the first optical band rejection filter 152 has a wavelength λ of phase conjugate light generated in the optical fiber 18. _C And a stop band including a wavelength of. That is, the wavelength λ _C The transmittance of the filter 152 in the region near is substantially 0%, and the transmittance in the other regions is substantially 100%. As indicated by reference numeral 160, the second optical band rejection filter 154 has a wavelength λ of pump light output from the laser diode 20. _P Has a relatively narrow stopband. That is, the wavelength λ _P The transmittance of the filter 154 in the region in the vicinity of is substantially 0%, and the transmittance in the other regions is substantially 100%. The optical bandpass filter 156 has a passband including the wavelength λC of the phase conjugate light generated in the optical fiber 18 as indicated by reference numeral 162. That is, the wavelength λ _C The transmittance of the filter 156 in the region in the vicinity of is substantially 100%, and the transmittance in the other regions is substantially 0%.
[0205]
Referring to FIGS. 28B to 28D, the optical spectrum observed at each position of the phase conjugator of FIG. 27 is shown. FIG. 28B shows the spectrum of the output of the first optical band stop filter 152. Here, the signal light is given by the WDM signal light superimposed on the ASE light. By using the first optical band stop filter 152, a window with extremely small noise power is formed in the ASE spectrum as indicated by reference numeral 164. FIG. 28C shows the output spectrum of the optical fiber 18. As a result of the non-degenerate four-wave mixing in the optical fiber 18, phase conjugate conversion and wavelength conversion are performed, and the WDM signal light is converted into converted light. As described above, the wavelength arrangement of each channel between the WDM signal light and the converted light is the wavelength λ of the pump light. _P Is symmetric with respect to.
[0206]
The wavelength of each channel of converted light is included in window 164. FIG. 28D shows the output spectrum of the optical bandpass filter 156. Since the second optical band stop filter 154 has a narrow stop band, the power of the pump light is effectively suppressed. Further, by employing the optical bandpass filter 156, the ASE light in the vicinity of the window 164 is effectively suppressed.
[0207]
In the embodiment of FIG. 27, the optical band rejection filter 154 for removing the pump light is provided on the output side of the optical fiber 18, so that the pump light for the optical device arranged on the downstream side of the receiving station or the optical transmission line. Thus, phase conjugate light processing (extraction, amplification, etc.) can be easily performed. For example, when an optical amplifier is provided on the downstream side of the phase conjugator, the optical amplifier is saturated when pump light having a large power is supplied to the optical amplifier, and the required gain may not be obtained. However, such a problem can be solved by adopting the configuration shown in FIG.
[0208]
In particular, in the embodiment of FIG. 27, since the optical band stop filter 154 and the optical band pass filter 156 are cascade-connected to the output side of the optical fiber 18, the pump light can be effectively suppressed. The conversion efficiency can be effectively increased by increasing the power of the pump light. For example, when only the optical bandpass filter 156 is provided on the output side of the optical fiber 18, the combination of the filters 154 and 156 is effective considering that the pump light removal capability may be low due to the manufacturing technology of the filter 156. It is. In that sense, the effect of being able to effectively remove the pump light and / or signal light obtained by the embodiment of FIG. 27 is not obvious or has an inventive step or is critical to the prior art. have.
[0209]
In the embodiment of FIG. 27, the optical band stop filter 152 is provided on the input side of the optical fiber 18 because the wavelength λ of the phase conjugate light to be generated _C This is because the ASE noise is previously removed in the vicinity of. As a result, signal-to-noise ratio (SNR) degradation can be prevented.
[0210]
Although FIG. 27 shows an improvement of the phase conjugator shown in FIG. 6, a similar improvement may be applied to the phase conjugator shown in FIG. In this case, the first optical band rejection filter 152 is provided between the input port 130 and the port 132 A of the optical coupler 132, and the second optical band rejection filter 154 and the optical band pass filter 156 are included in the polarization beam splitter 134. Provided between port 134D and output port 136.
[0211]
As described above, according to the present invention, as a device for generating phase conjugate light, a phase conjugator with little deterioration in SNR and little influence on the downstream side is provided. The phase conjugator includes a nonlinear optical medium, a pump light source, and an optical band rejection filter. The nonlinear optical medium has a first end and a second end, and signal light is supplied to the first end. The pump light source supplies pump light to the nonlinear optical medium from at least one of the first end and the second end. The optical band stop filter is operatively connected to the second end of the nonlinear optical medium. The optical band stop filter has a stop band including the wavelength of the pump light.
[0212]
When the present invention is implemented, a fiber grating can be used as each optical filter. A medium is said to be photosensitive if the refractive index of the optical medium (e.g. glass) changes permanently upon irradiation. By using this property, a fiber grating can be produced in the core of the optical fiber. The feature of such a fiber grating is that light is Bragg reflected in a narrow band near the resonance wavelength determined by the grating pitch and the effective refractive index of the fiber mode. The fiber grating can be manufactured, for example, by irradiating an excimer laser that oscillates at a wavelength of 248 nm or 193 nm using a phase mask.
[0213]
For example, an accurate and narrow stop band can be obtained by making each of the optical band stop filters 152 and 154 shown in FIG. 27 using a fiber grating.
[0214]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to effectively compensate for chromatic dispersion and nonlinearity using a phase conjugator, and thus it is possible to provide a long-distance and large-capacity optical fiber communication system. In addition, it is possible to provide a phase conjugator having a high conversion efficiency in a wide conversion band suitable for use in such a system, and a manufacturing method thereof.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of an optical fiber communication system according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the principle of compensation in the system of FIG.
FIG. 3 is a block diagram of the system used in the demonstration experiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating BER (bit error rate) characteristics.
FIGS. 5A to 5B are diagrams for explaining changes in waveforms in the system of FIG. 3;
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of a phase conjugator applicable to the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing a first embodiment of an optical communication system of the present invention.
8 is a diagram showing a diagram of optical power and the like in the system of FIG.
FIG. 9 is a block diagram of an optical amplifier applicable to the present invention.
FIG. 10 is a block diagram showing a second embodiment of the optical communication system of the present invention.
FIG. 11 is a block diagram showing a third embodiment of the optical communication system of the present invention.
FIG. 12 is a block diagram showing a fourth embodiment of the optical communication system of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a dispersion compensator using a fiber grating.
FIG. 14 is a block diagram showing a fifth embodiment of the optical communication system of the present invention.
FIG. 15 is a block diagram showing a sixth embodiment of the optical communication system of the present invention.
FIG. 16 is a block diagram showing a seventh embodiment of the optical communication system of the present invention.
17A and 17B are diagrams showing design examples of dispersion parameters in the system of FIG.
18A and 18B are diagrams showing examples of optical networks to which the present invention can be applied.
FIG. 19 is a block diagram showing another basic configuration of the optical fiber communication system of the present invention.
FIG. 20 is a diagram showing an embodiment of a manufacturing process of a nonlinear optical medium according to the present invention.
FIG. 21 is a diagram showing a configuration example of another phase conjugate light generator applicable to the present invention.
FIG. 22 is a diagram for explaining collective conversion of WDM (wavelength division multiplexing) signal light by a phase conjugator having a wide conversion band.
FIG. 23 is a diagram illustrating an embodiment of a system to which wavelength conversion and phase conjugate conversion are applied.
FIG. 24 is a diagram showing an example of setting the wavelength band in FIG.
FIG. 25 is a diagram illustrating another example of setting the wavelength band in FIG.
FIG. 26 is a diagram illustrating an example of a distributed arrangement in FIG.
FIG. 27 is a block diagram showing an improved example of the phase conjugator shown in FIG. 6;
28A is a diagram showing the characteristics of the optical filters 152, 154 and 156 shown in FIG. 27, and FIGS. 28B to D are observed at each position of the phase conjugator shown in FIG. It is a figure which shows the spectrum made.
[Explanation of symbols]
2 Optical transmitter
4 First optical fiber
6 First phase conjugator
8 Second optical fiber
10 Second phase conjugator
12 Third optical fiber
14 Optical receiver
112 dispersion compensator

Claims (2)

A method for manufacturing a device having a nonlinear optical medium for generating phase conjugate light based on signal light and pump light , comprising:
(A) First zero dispersion wavelength obtained when the signal light and the pump light are input from one end of the optical fiber, and obtained when the signal light and the pump light are input from the other end of the optical fiber. Measuring the deviation of the zero dispersion wavelength of the optical fiber obtained from the absolute value of the difference from the second zero dispersion wavelength ;
(B) A first obtained when the signal light and the pump light are input from one end of each optical fiber cut by cutting the optical fiber when the deviation exceeds a predetermined range . The deviation of the zero dispersion wavelength of each optical fiber obtained from the absolute value of the difference between the zero dispersion wavelength and the second zero dispersion wavelength obtained when the signal light and the pump light are input from the other end of the optical fiber is Making it fall within the above range;
(C) a method comprising the steps of obtaining the nonlinear optical medium by joining select the optical fiber or the cut fiber having a zero-dispersion wavelength substantially equal to the wavelength of the pump light. An apparatus manufactured by the method according to claim 1 .

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