JPH0212986A - ラマン増幅手段を持つ光通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 皮■公１ 本発明は光通信の領域に関する。より詳細には、本発明
はラマン増幅ＩＲａｍａｎ　ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏ
ｎ）手段を含むファイバ通信システムに関する。

発明の背景 今日使用されている長距離運搬光ファイバ通信システム
は、典型的には、信号再生器を要求する。このデバイス
は、光信号を検出し、対応する電子信号を生成するが、
これが増幅され、再整形され、そして、典型的には、タ
イミングを正され２次に適当な放射ソースを励起するた
めに使用され、これによって、新鮮な光パルスが生成さ
れ、これがこのファイバ内に注入される。ただし、上に
説明のタイプの電子再生器を使用することなく、光パル
スを増幅し、適当な条件下においては、これを再整形す
ることも可能なことが知られている。より具体的には、
ラマン効果を光信号を増幅するために使用できることが
認識されている。これに関しては、例えば、ここに参考
のために編入されているＲ、Ｈ，ストールン（Ｒ，Ｉｔ
。

５ｔｏｌｅｎｌによってＩ　旦Ｅ　Ｅ　（７）Ｘ！ｔｉ
ｌｌ　（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥ
Ｅ）、　Ｖｏｌ、６８、Ｎｏ、　　１０　（１９８０年
）、ページ１２３２−１２３６に掲載の論文を参照する
こと。

ラマン増幅はシリカをベースとする（つまり、重積にて
少なくとも５０％、典型的には、重量にて８０％以上の
シリカを含む）光ファイバ以外のファイバにおいては可
能であるが、具体性のため、以下の説明では、頻繁にシ
リカをベースとするファイバが言及され、また、シリカ
をベースとするファイバに対して適当な物質定ｇｌ　ｆ
ｍａｔｅｒｉａｌｃｏｎｓｔａｎｔｓ）が使用される。

このファイバは概もね１．２−１．６μｍのレンジ内に
２つの最小損失（１ｏｓ３　ｍｉｎｉｍａｌ　を持ち、
従って、シリカをベースとするファイバを使用する通信
システムは、通常、波長がこのレンジ内に入る信号放射
を使用する。

励起ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　ＲａｍａｎＳ
ｃａｔｔｅｒｉｎｇ、Ｓ　ＲＳ　）は、約１００から約
６００ｃｍ−’のレンジ内の周波数シフトに対して石英
ガラスげｕｓｅｄ　５ｉｌｉｃａ）内に大きな利得を生
成し、約４５０ｃｍ−’の周波数シフトに対して最大利
得が起こることが知られている。これは、シリカをベー
スとする光ファイバにおいては、波長λ。の放射（ここ
では信号放射と呼ばれる）が、波長え。

から波数を約１００から６００ｃｍ−’にシフトするの
に相当する量だけダウンシフト（ｄｏｗｎ−ｓｈｉｆｔ
、）される励起放射を介して増幅できることを意味する
。例えば、１．５６μｍの信号放射に対しては、適当な
励起放射は約１．４３と１．５４μｍの間の波長を持ち
、約１．４μｍの励起放射に対してピーク増幅が起こる
。また、ＳＲ３による増幅に対する固有いき値パワー（
ｉｎｈｅｒｅｎｔ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｐｎｗｅｒｅｌ
は存在しないことが知られている。ただし、使用が可能
な増幅が起こるためには、かなりの量の励起パワー、典
型的には１０ｍＷ以上をファイバ内に注入することが必
要である。これは、ラマン利得係数が比較的小さく、こ
れが石英ガラス内では、１０−”　ｃ　ｍ／ｗａｔｔの
オーダーであるためである。例えば、２５（μｍ）２の
コア面積のシングルモードシリカベースファイバ内の１
．５６μｍ信号放射に対して、０．３ｄＢ／ｋｍの利得
を達成するためには、励起波長が約１．４６μｍの場合
、１００ｍＷのオーダーの励起パワーが要求される。

また、励起ブリユアン散乱（ＳｔｉｍｕｌａＬｃｄＢｒ
ｉｌｌｏｕｉｎ　ＳｃａＬｔｅｒｉｎｇ　、　Ｓ　Ｂ　
Ｓ　）が光ファイバ内で起こり、この散乱は、ＳＢＳが
励起強度の大きな変動の原因となり、これがラマン利得
に対応する変動を与えるという事実、及びＳＢＳが励起
を欠乏させる原因となるという事実から、システム性能
に致命的な影響を与えることが知られている。これに関
しては、例えば、上に引用のＲ。

ト１．又トールンｆＲ，Ｉｌ、　５Ｌｏｌｅｎｌらの論
文を参１！ａすること。ＳＢＳは、励起ｐＨ！Ｈのｆｉ
ｉ位周波数当たり、ＳＲ３に対するピーク利得の数百倍
のピーク利得をもつ。ただし、５８５９１２幅は、典型
的には、非常に狭く、例えば、２０　Ｍ　Ｈｚのオーダ
ーである。

Ｇ、Ａ、　　コエフ（Ｇ、　Ａ、にｏｅｐｆ）　らは、
エレクトロニクス　レターズ（Ｅｌｅｃｔｏｎｉｃｓ　
Ｌｅｔｔ、ｅｒｓｌＶｏｌ、１８　（２２）、１９８２
年、ページ９４２−９４３において、シングルモードフ
ァイバ内における１、１１８μｍの所のラマン増幅及び
このＳＢＳによる制約を報告する。彼らはＳＢＳがラマ
ン利得に与えるＳＢＳの致命的な影響を観察し、その中
で、励起レーザーのスペクトル幅を１１調によってブリ
ユアンライン幅（ｌｒｉｌｌｏｕｉｎｌｉｎｅｗｉｄｔ
、ｈ　）以上の値に増加させると、ＳＢＳ利得が低減さ
れ、ブリユアン散乱（ＢｒｉｌｌｏｕｉｎｓｃａＬｔｅ
ｒｉｎｇ　ｌの抑止に使用できることを示唆する。また
、Ｅ、Ｐ、イッペン（Ｅ、　Ｐ、　Ｉｐｐｅｎ）及びＲ
，Ｈ，ストールン（Ｒ，Ｈ，５ｔｏｌｅｎｌらは、アプ
ライド　フィツクス　レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈ
ｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ　ｌ　、　Ｖｏｌ、２１　　
（１１）　、ページ５３９−５４１　（１９７２年）に
おいて、光ファイバ内のＳＢＳの観察に関して報告する
。

Ｄ、コツクー（Ｄ、　Ｃｏｔｔｅｒ）は、エレクトロニ
クス　レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ）　、　Ｖ　ｏ　１　。

１８　（１５）　、　１９８２年、ページ６３８−６４
０において、モノモードファイバ内の高パワー狭バンド
幅レーザーの伝送の際にＳＢＳを抑止するための技術を
開示する。この技術においては、Ｓ　１３　Ｓ利得を低
下するためにファイバ内に注入される光学用に位相変調
が加えられる。これは、例えば、レーザーとファイバと
の間に１周期的に駆動される光学位相変調器を置くこと
によって、あるいはこの放射場が２つの分離した互いに
接近した間隔の光学周波数を持つとき生成されるモード
　ビーティング効果（ｍｏｄｅ−ｂｅａｔｉｎｇ　ｅｆ
ｆｅｃｔ）を使用することによって達成される。これは
、少し異なる波長にて動作する２つの単一周波数レーザ
ーを使用することによって、あるいはもっと簡単に、２
つの縦モードにて動作するように設計された単一のレー
ザーを使用することによって達成することができる。こ
の原理が、Ｊ、ヘガーティ（Ｊ、　ｌｌｅｇａｒｔｙｌ
　らによって、エレクトロニクスレクーズ（Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）　、　Ｖ　ｏ　ｌ　、
　２１（７）、１９８５年、ページ２９０−２９２に掲
載の論文で応用されているが、彼らは、２ＧＨｚだけ離
された２つのモードにて動作するレーザーを使用する。

ＳＲ３は”線形（１ｉｎｅａｒｌ”パルス、つまり。

パルスピークパワーとパルスピーク幅との間の特別な関
係が要求されないパルスを増幅するために使用すること
ができるが、ＳＲ３による増幅は、ソリトン通信システ
ム内において使用するとより好ましい。Ａ、ハセガワ（
Ａ、　Ｈａｓｅｇａｗａｌ　らは、アプライド　フィジ
クス　レターズｌ　Ａｐｐ１６ｉｄＰｈｙｓｉｃｓ　Ｌ
ｅｔｔ、ｅｒｓ　）　、　Ｖｏ　１．２３　（３）　、
ページ１４２−１４４　（１９７３年）において、ある
条件下においては、形状保持パルス（ｓｈａｐｅｍａｉ
ｎｔａｉｎｉｎｇ　ｐｕｌｓｅｓ）　’ｈ’シングルモ
ード光ファイバ内に存在することを示す。これらパルス
は、ソリトンと呼ばれ、シリカをベースとするファイバ
内においては、典型的には、１．４５−１．６０μｍの
レンジの中心波長を持つ。ソリトンの存在が実験的に示
されており（Ｌ、Ｆ、モレナーュー　レターズｆｌ’ｈ
ｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）Ｖｏｌ
、４５　（１３）　、ページ１０９５−１０９８（１９
８０年）に掲８２）　、そして、これらの高容量通信シ
ステムに対する使用が開示されている（本請求と同一の
譲受人であるＡ、ハセガワ（Ａ、　ｌｌａｓｅｇａｗａ
ｌに１９８３年に９月２７日に公布された合衆国特許４
，４０６，５１６号にて開示される）。さらに、ソリト
ンはソリトン特性（ｓｏｌｉｔｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅ
ｒｌ　を失うことなく、非電子的に増幅できることが発
見された（ここに参考のために編入されたＡ、ハセガワ
（Ａ、　Ｈａｓｅｇａｗａ）によって、オブティクス　
レターズ（Ｏｐｔ、１ｃｓＬｅｔＬｅｒｓ　）　、　Ｖ
ｏ　ｌ　、　８、ページ６５０−６５２に掲載の論文を
参照）。本発明と同−譲渡人に譲渡の合衆国特許４，５
５８，９２１号は、ソリトンパルスのパルスの高さを増
加し、パルス幅を小さくするための非電子手段を含むソ
リトン光通信システムを開示する。また、これと関連し
ては、ここに参考のために編入されているＡ、ハセガワ
’７；ｌ　（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ）　、　Ｖ
ｏｌ、２３　（１９）　、ページ３３０２−３３０９　
（１９８４年）に掲載の論文を参照すること。パルスの
高さとパルス幅との間のこの結合はソリトンの属性であ
り、この存在がシングルモードファイバ内で実験的に確
認されており、損失がラマン利得にて補償される。これ
に関しては、Ｌ、Ｆ、モレナー（Ｌ、　Ｆ。

Ｍｏ１ｌｅｎａｕｅｒ　ｌらによって、オブティクス　
レタース（Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）、Ｖｏｌ、
　１０、ページ２２９−２３１　　（１９８５年）に掲
載の論文を参照すること。

ファイバ通信システム、特にソリトンシステム内の信号
パルスのラマン増幅は、現在使用されているパルス再生
と比較して潜在的に大きな長所を持ち、ラマン増幅スキ
ームは、ＳＢＳに起因する多量の励起ノイズの導入を回
避し、また、簡単に、しかも低コストにて実現できる。

［ラマン増幅手段を持つ光通信システム　（０ｐｔｉｃ
ａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａ−ｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　
Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ　Ｒａｍａｎ　Ａｍｐｌｉｆｉｃ
ａｔｉｏｎＭｅａｎｓ）　］と命名される本発明と同−
譲渡人による合衆国特許筒４，６９９，４５２号はこの
システムを開示する。

あらゆる光学ソリトンベースの長距離伝送システム、例
えば、前述の特許４５２号に開示のシステムに対して、
ラマン利得が励起システムとファイバ内に伝送される信
号の相対的な偏波に依存することが確認された。残念な
ことに、実験的に、通常の光ファイバ、例えば、前述の
°４５２号において示唆される光ファイバ内の複屈折と
関連する分散（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｌは、この相対偏
波を完全に平均化するには不十分な規模であることが発
見された。このため、システム利得は温度、ファイバの
よじれ、及び他の妨害にて、非決定的論的に変動する傾
向を持つ。関連するが、この問題の発見のもっと重要な
結果は、偏波分散（ｐｏｌａｒｉｚａｔｏｉｎｄｉｓｐ
ｅｒｓｉｏｎ　ｌ　とも呼ばれるこの複屈折の分散が、
修正されなければ、システム内の最終的な伝送速度を制
限するということである。

ｆＢＡｌ五叉至 複屈折の分散、つまり、偏波分散のこの致命的な影響は
、本発明の原理に従う光ファイバ通信システムによって
克服されるが、このシステムは、偏波保持光ファイバを
伝送媒体として使用し、また、この偏波保持ファイバ内
の信号放射の広バンド励起放射ソース、好ましくは、複
数の励起放射ソースによるラマン増幅を採用する。これ
らソースは、結果として、ファイバコア内の所望の偏波
に対するこの励起放射強度（ｐｕｍｐ　ｒａｄｉａｔｉ
ｏｎｉｎｊｅｎｓｉｔｙｌが臨界強度１ｃより小さくな
るような励起放射スペクトル（ｐｕｍｐ　ｒａｄｉａｔ
ｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｕｍｌを与えるように選択される
。より具体的には、励起放射のこの励起放射スペクトル
内の任意の波長え、を中心とするλ、におけるこのファ
イバのブリユアンライン幅（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　１ｉ
ｎｅ　ｗｉｄｔｈ）と等しい幅の第１のスペクトル間隔
の平均強度が、結果として、この第１のスペクトル間隔
内の放射の１０％を励起ブリユアンｌｓｔｉｍｕｌａｔ
ｅｄ　Ｂｒ１ｌｌｏｕｉｎ）放射に変換する第１のスペ
クトル間隔内の平均強度より小さくされる。複数の励起
ソースの使用は、励起ノイズ及び励起ブリユアン散乱に
起因する励起欠乏（ｐｕｍｐ　ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）を
低減するばかりか、システムの信頼性を向上させ、コス
トを低減する。

好ましい実施態様においては、本発明はソリトンファイ
バ通信システムであり、励起放射が偏波保持ファイバの
１つあるいは複数の中間位置において注入される。

１紋ｌ盈Ｊ 本発明によるファイバ導波路通信システム（ｆｉｂｅｒ
ｇｕｉｄｅ　ｃｏｍｎ＋ｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｓｙｓ
ｔｅｍｓ）は励起放射（ｐｕｍｐ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ
）の広バンドソース、好ましくは、励起放射の複数のソ
ースを含むが、このソースの特性として、中心波長及び
スペクトル幅が任意の波長の所で偏波保持ファイバ（ｐ
ｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ　ｆｉ
ｂｅｒｌのファイバコア内の励起放射強度が以下に定義
される臨界値を超えないように選択される（光ファイバ
は相対的に高い屈折率を持つコア、及びこのコアと接触
してこれを包囲する相対的に低い屈折率を持つクラッド
から成る）゛。この複数の励起放射ソースとしては、離
散ソース、例えば、ｌｉｉ敗半導体レーザー、ガスレー
ザー、コヒレントあるいはノンコヒレントの他のソース
、あるいはチップ上に集積されたデバイスのアレイなど
が含まれる。

現在の好ましい実施態様に右いては、これらソースとし
ては離散半導体レーザーが使用される。

離散ソースと集積ソースの組合せを使用することも、あ
るいは複数のソース担体チップを使用することもできる
ことは勿論である。さらに、ソリトンシステム（５ｏｌ
ｉｔｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｌ　を含む長距離運搬通信
システム（ｌｏｎｇ−ｈａｕｌ　　ｃｏｍｍｕｎｉｃａ
ｔｉｏｎｓｓｙｓｔｅｍｓ　ｌにおいては、励起放射が
、通常、複数のファイバ位置の所でファイバ内に注入さ
れる。

隣接する注入ポイント間の適当な間隔（要するに、中継
器間隔）は通信システムの特性に依存し、周知の方法に
よって決定することができる。これに関、しては、例え
ば、Ａ、ハセガワ（Ａ、　ｌｌａｓｅｇａｗａ）　、ア
プライド　オブテ　クス（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃ
ｓｌ、Ｖｏｌ、　２３、ベージ３３０２−本発明による
複数の励起ソースの使用は、実質的に、ＳＢＳに起因す
る励起ノイズ（ｐｕｐＩｌｎｏｉｓｅｌを排除するばか
りか、システムの信頼性を向上させるばかりか、コスト
を低減する。信頼性の向上は、システム内の１つあるい
は、複数の励起ソースの故障さえもが、本発明によると
、結果として、システム性能を低下させないという理由
による。この場合、残りのソースがより高い出力パワー
にてランし、故障したソースの埋め合せを行なう、また
、低パワーソースは、通常、高パワーソースより長い寿
命を持つ。

本発明の実施において重要なことは、偏波保持ファイバ
が使用されることである。ここでの用語゛１偏波保持（
ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ）
”は、通常、”偏波保存Ｊｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　
ｐｒｅｓｅｒｖｉｎｇｌ　”と呼ばれているファイバも
含むものと理解されるべきである。偏波保持ファイバの
例及びこれを製造する方法に関しては、合衆国特許筒４
，１７９゜１８９号及び４，２７４，８５４号を参照す
るこ本発明の原理は、さまざまなタイプの偏波、例えば
、線形あるいは円形偏波に対して適用するため、さまざ
まなタイプの光ファイバが使用できる０例えば、用語”
偏波保持光ファイバ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｍａ
ｉｎｔａｉｎｉｎｇ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒｌ”
は楕円ファイバ、プリフォームを潰して形成されるファ
イバ、スパンファイバ、単一カイラリティツイストｆｓ
ｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｒａｌｉｔｙ　ｔｗｉｓｔ）、ある
いは交互するカイラリティツイストの順次セクションを
採用する円形コアファイバ等を含む６ 光ファイバは、これが要求される偏波とこの直角の偏波
との間の伝搬定数（ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｃｏｎｓｔ
ａｎｔｌ　を介して強く分化されたとき、偏波のある状
態を保持する傾向を持つ。この分化（ｄｉｆｆｅｒｅｎ
ｔｉａｔｉｏｎ）は欠陥（ｄｅｆｅｃｔｓ）がモダル間
散乱（ｉｎｔｅｒｍｏｄａｌ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）
を起こす能力を低減させる。楕円及び他の類似のファイ
バは強い一定の線形複屈折を示し、これは、２つの直角
の偏波のどちらかを保存する傾向を持つ。ツイストされ
たファイバは、典型的には、弱い複屈折率を持ち、ツイ
ストあるいはせん断応力は左右の円形偏波の間の大きな
光活動あるいは強い分化を誘因する。これに関しては、
Ｒ，アルリッチ（Ｒ，Ｕｌｒｉｃｈｌらによる往Ｌ」■
１．１８、ページ２２４１　（１９７９年）に記載の論
文、及びＪ、サカイ（Ｊ、　５ａｋａｉｌらによるＴｒ
ａｎｓ、　ＩＥＣＥ　ｏｆ　Ｊａ　ａｎ、　Ｅ　６　Ｂ
、ベージ７（１９８５年）に記載の論文を参照すること
。

特に注意しないかぎり、用語”偏波（ｐｏｌａｒｉｚａ
ｔｉｏｎｌ”は光通信システムに対して可能な全てのタ
イプの偏波を含むものとする。ただし、典型的には、２
つの偏波、つまり、線形偏波及び円形偏波のみが特に重
要である。円形偏波された光を波長依存方向性結合器（
ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｄｉｒｅｃ
ｔｉｏｎａｌ　ｃｏｕｐｌｅｒｓ）を通じて偏波保持フ
ァイバに注入するとき遭遇される問題は、λ／４ファイ
バループをこの結合器の前後に使用し、円形から線形偏
波への変換及び線形から円形偏波への変換を達成するこ
とによって克服される。

本発明による一例としての通信システムが第１図に簡略
的に示される。ここで、１０は偏波保持光ファイバであ
り、１１は（波長λ。の信号放射の）電磁放射１２のソ
ースであり、１３は放射１２の偏波保持ファイバ内に結
合するための手段であり、そして、１４は信号放射を検
出するための手段、例えば、光検出器である。さらに、
１５は励起放射ソースのアレイであり、１６は全ての１
５の能動のソースによって放出された励起放射のトータ
ルであり、そして、１７は励起放射をこの偏波保持ファ
イバ内に結合するための手段である０通信システムの周
知の部分１例えば、ドライブ回路、検出回路、接続具、
減衰器、出力手段等は第１図には示されない。さらに、
本発明によるソリトンシステム（ｓｏｌｉｔｏｎ　５ｙ
ｓｔｅ＋ｍｌにおいては、典型的には、信号パルスがフ
ァイバリンクを通じてのこれらの伝送を通じてソリトン
（ｓｏｌｉｔｏｎｓ）をとどめるようにするために励起
パワー及び／あるいは信号パワーを監視及び調節するた
めの手段が提供される。また、典型的には、偏光子、偏
波検出結合器（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉ
ｔｉｖｅ　ｃｏｕｐｌｅｒｓｌ、及び偏波変換器（線形
から円形への変換器など）が光源内において使用され、
また、偏波光通信のための結合手段が使用される。これ
ら要素及び手段は従来のものであり、図面からは省略さ
れている。

当業者においては周知のごと（、励起放射は偏波保持フ
ァイバ内にこれが信号放射と同一方向に、あるいは逆方
向に伝搬するように注入でき。

また、一部分が同一方向に伝搬し、残りが逆方向に伝搬
するように注入することもできる。典型的には、信号放
射はパルス形式を持ち、励起放射は定常波あるいはパル
ス形式をもつ。パルス形式の励起放射の使用は、同一方
向に伝搬する信号パルスとの使用には、通常、適当でな
い。

伝搬分散（ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｄｉｓｐｅｒｓｉ
ｏｎ）の影響の排除が本発明の第１の目的ではあるが、
本発明の第２の目的として　ＩＮ号放射をＳＲＳの手段
によってＳＢＳに起因する大きなノイズパワーを導入す
ることなく、信号放射を増幅することがある。本発明の
システムにおいては、励起パワーがスペクトル領域を通
じて分散され、ファイバコア内の任意の波長λｐの所で
の励起放射の強度が、この波長の所のＳＢＳに対する臨
界強度１．より小さくされる６ 本発明の目的に対しては、Ｉｃは、結果として、スペク
トル間隔内の放射の１０％が励起ブリユアン放射（ｓｔ
ｉｍｕｌａｔｅｄ　Ｂｒ１ｌｌｏｕｉｎ　ｒａｄｉａｔ
ｉｏｎｌに変換されるような光ファイバのコア内の平均
放射強度として定義される（波長λ２を中心とし、ファ
イバ内の波長え、の所のブリユアンライン幅に等しいス
ペクトル間隔内の放射強度）。

ある光ファイバと関連する”ブリユアンライン幅（Ｂｒ
ｉｌｌｏｕｉｎ　ｌｉｎｅｗＬｄｔｈ）　”は放射の狭
いラインソースにて決定されるブリユアン自然散乱スペ
クトル（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　５ｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ
　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｓｐｅｃｔｒｕｍｌのＦＷＨＭ
　（半最大値の所での全幅）である。ラインソースは、
ソースラインの幅がブリユアンライン幅よりかなり小さ
い場合に”狭い°°と呼ばれる。

一例として、純粋の、あるいは少しゲルマニウムがドー
プされた石英ガラスコアを持つ光ファイバにおいては、
１．４６μｍ励起放射のブリユアンライン幅は約１８Ｍ
Ｈｚである。このファイバが８μｍコア直径及び約０．
２ｄＢ／ｋｍの損失を持つシングルモードファイバであ
る場合は。

！ゎは０．０４ｍＷ／　（ｇｍ）”である、これは、約
１．４６ｇｍの所の任意の１８ＭＨｚ幅のスペクトル領
域内の励起パワーが約２ｍＷを超えないことを意味する
。

シングルモードファイバ内の放射強度■は放射パワーＰ
と以下の関係を持つ。

１＝ＰＡ’ ｆｆ ここで、Ａ　ａ　ｔ　ｒは有効コア面積であるａＡｍｔ
ｔを計算するための方法は、Ｓ、Ｅ、　　ミラー（Ｓ、
　Ｅ。

ＩＪｉｌｌｅｒ）及びＡ、Ｇ、チノウエス（Ａ、　Ｇ、
　Ｃｈｙｎｏｗｅｔｈｌからよる著書［光ファイバ通信
（Ｏｐｔｉｃａｌ　ＦｉｂｅｒＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉ
ｃａＬｉｏｎｓｌ、アカデミツクブレス（Ａｃａｄｅｍ
ｉｃ　Ｐｒｅｓｓｌ、１９７９年、ベージ１２７−１３
５、特に、ページ１３０に示されている。ただし、典型
的には、こうして計算されるＡ　ａ　ｆ　ｔの値は、シ
ングルモードファイバのコア領域サイズに十分に接近し
ており、殆どの目的に対して、Ａ　ｅ　ｔ　ｔに対して
コア領域の値を代用することが許される。

光放射ダイオード及び他のノンコヒレント放射ソースが
、原ｆｉｌ＋として、本発明の実施に使用できるが、こ
こでは、半導体レーザーが励起放射の好ましいソースで
あると考えられる。周知のごとく、半導体レーザーは、
典型的には、第２図に示されるように、複数ラインの放
射スペクトルを持つ。個々の比較的狭いビーク２０はレ
ーザーの縦モードと関連する。このモード間隔はレーザ
ー設計、特に、共振子の長さ及び能動領域の屈折率に依
存し、通常、Ｏｌｎｍのオーダーを持つ、第２図はまた
放射スペクトルの包絡線２１を示す。

ある放射ソースの出力の強度包絡線はこのソース出力を
特性化するために使用できる。より具体的には、あるソ
ースの中心波長及びスペクトル幅は、ここでは、それぞ
れ、強度包絡線内の最大と対応する波長、及び強度包絡
線の半最大値の所の全幅として定義される。半導体レー
ザーは、モードロッキング（ｍｏｄｅ　ｌｏｃｋｉｎｇ
ｌなしには、典型的には、５ｃｍ−のオーダーのスペク
トル幅、つまり、１．５μｍの波長の所で約１ｎｍのオ
ーダーの幅を持つ。さらに、このようなレーザーにおい
ては、シングル放射モードのライン幅は、狭いが、典型
的には、ブリユアンライン幅よりはかなり大きい。上に
記述の強度基準が全ての波長の所で満たされるよう励起
放射が有限のスペクトル幅を持つべきであるという本発
明の教示によると、多数のレージングモード（ｌａｓｉ
ｎｇ　ｍｏｄｅｓｌ及び／あるいは比較的広い放出モー
ド（ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｅｓｌを持つレーザーを
使用することが有利である。

石英ガラスの場合は、ラマン利得係数（Ｒａｍａｎｇａ
ｉｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　）のピークは、約２０
０ｃｍの幅を持つ（利得の領域はもっと広く、５００ｃ
ｍ−のオーダーを持つ）、従って、励起ソースは、これ
らの中心周波数がピーク幅の全であるいは一部を含み、
更に、場合によってはピーク幅の外側の重要な利得の全
であるいは一部を含むスペクトル領域を通じて分布する
ように選択される。

例えば、え。＝１．５μｍであり、１０個の励起放射ソ
ースが使用される場合は、これらソースは、中心周波数
が概むね約１．４４μｍと約１．４８μｍの間の波長領
域を通じて分布されるように選択される。中心周波数は
、従って、約４ｎｍだけ異なり、実質的にソーススペク
トルの重複は存在しない、ただし、ソースが重複が回避
されるような間隔を持つことは、２つあるいはそれ以上
のソースが重複した場合でも、同一モードのラインが重
複する確立は比較的小さなため、必ずしも要求されない
。これに加えて、２つあるいはそれ以上のモードライン
が重複する場合でも上に記述の強度基準が簡単に満たさ
れる。これは、１つのモードライン内のブリユアンライ
ン幅に等しいスペクトルレンジ内の強度は、典型的には
、本発明の原理に従って設計されたシステム内の臨界強
度の非常に小さな部分を構成するためである。

上に説明の励起レーザーは偏波された光を放出すること
に注意する。この放出される偏波は偏波保存ファイバに
対して要求されるモードと同一になるように調節するこ
とができる。この場合、ソースから送出される信号は常
に、例えば、ネット単位利得（ｎｅｔ　ｕｎｉｔｙｇａ
ｉｎ）に増幅され、所望の偏波内の信号はこれが偏波保
持ファイバを伝搬するとき平均的には有効損失を被らな
い。興味深いことに、所望の偏波内でない偏波保持ファ
イバ内の信号はラマン利得（Ｒａｍａｎ　ｇａｉｎ）を
受けない。つまり、望ましくない偏波信号は偏波保持フ
ァイバの全バシブ敗逸損失１ｆｕｌｌ　ｐａｓｓｉｖｅ
　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｌｏｓｓｌ　を受ける。従っ
て、ラマン利得メカニズムと周期的に制御された偏波保
持との組合せは、所望の偏波信号の長距離伝送を可能に
する。

この時点において、偏波保持と能動利得メカニズム（ａ
ｃｔｉｖｅ　ｇａｉｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）が本発明
において以下に協力するかを理解することが大切である
。

以下の簡単な説明は単純なモデルを通じてこれらポイン
トを解説する６偏波モードＰＩを保存する傾向を持つ損
失レートα／　ｋ　ｍの偏波保持ファイバを考慮し、周
期的に注入される励起光（Ｐ１ｍ波された光）からのラ
マン利得がこの偏波モード内の信号強度を２と独立した
−１１の所に保持するものと想定する。そして、直角モ
ードＰ２への散乱レートをｈ　／　ｋ　ｍであると想定
する。すると、モードラインの光の強度を支配する式は
以下のように表わされる。

ｚ この偏波保持ファイバをしばらく（１／αの数倍）伝搬
した後、この２つの偏波要素は以Ｆの式によって表わさ
れる平衡状態となる。

■、　　　　　　　α 従って、ｈ〈〈αであるかぎり、光の大部分がモードＰ
Ｉにとどまる。実際には、ｈ＝０．００２／ｋｍ及びα
＝０．０５／ｋｍが考えられる。従って、上の後者の式
からＩ、／Ｉ□＝０．０４が与えられる。

モードＰ２からの光はｈ　Ｉ２　＝　（ｈ”／α）１１
の速度にてＰＩ内に後方に向って散乱される。この速度
は非常に小さいが（上に与えられる典型的な数を使用し
た場合は、８　Ｘ　１−−Ｊｌ　／ｋｍ）、これにもか
かわらず、ＰＬモード内の単位利得のために、Ｐ２モー
ドから後方に散乱される光が累積されるため、これは、
距離α／　ｈ　２では元の１１自体と匹敵する値となる
。従って、そこそこ数千キロメートルの長さの偏波保持
ファイバのセクションに対しては、後方散乱（ｂａｃｋ
　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、多くの場合、おそらく重
大な問題とはならない。しかし、長いファイバ経路に対
しては１重大な問題として、後方散乱された光が元の信
号パルスに再導入されるか否か、あるいはこれがどの程
度であるかが問題となる。

メインパルスと後方散乱された光の間の分散（ｄｉｓｐ
ｅｒｓｉｏｎｌを克服するための２つの可能な方法が存
在する（これは単独に、あるいは組合せて使用すること
ができる）。第１に、高速モードと低速モードの同定を
定期的に交換することが簡囃にでき、これらモード間の
平均分散をほぼゼロにすることができる。長いファイバ
は、常に、短いセグメントを互いに溶融して製造され、
従って、線形偏波を保存したい場合、高速軸を個々の溶
融されたジヨイントの所で互いに直角に方位することが
面ｍにできる。どのような場合であっても、メインモー
ド内に後方散乱された光は、メインパルスの（中心の）
前あるいは後に数ピコ秒以上離れてくることはなく、従
って、数１０ピコ秒幅のパルスに十分にアタッチされた
ままにとどまる傾向を持つ。第２に、メインモード内の
パルスがソリトンの場合（これは非常に長いファイバの
場合のみ可能である）、問題はこれらソリトンの傾向に
よって大きく助けられる。つまり、このファイバの非線
形特性によって、一定に引き付けられ、これによって、
Ｐ２モードからの後方散乱された低強度の光が再導入さ
れる。

本発明を実現するためのさまざまな一例としてのスキー
ムが第３図から第６図に簡略的に示される。第３図は光
信号を一方向に運び、励起放射を別の方向に運ぶ光ファ
イバＩＯを示し、その他は同一である第４図は、同一方
向に伝搬する信号放射及び励起放射を示す。第５図及び
第６図は、方、両方向に励起放射を運ぶ偏波保持光ファ
イバを示す。ここで、第５図は励起放射を分割するため
のデバイダ５０を示し、そして、第６図は独立した複数
の励起ソースの使用を図解する。第５図はまた単方向信
号流を示し、一方、第６図は双方向信号流を示す。ここ
に示されるシステムは、単に一例として示されるもので
あり、他のスキームも可能であることは勿論である。第
３図から第６図において、参照番号１５は励起ソースの
総和（ａｇｇｒｅｇａｔｅ）を示し１番号３０は励起放
射を結合器３１にガイドする機能を持つ偏波保持ファイ
バを示す（第５図においては、励起放射はスプリッタ５
０にガイドされる）。結合器３１は、励起放射を多量の
信号放射を外に結合することなく、伝送ファイバ上に結
合する機能を持つ。

本発明によるシステムは、典型的には、また、励起ソー
スのバッテリーの出力を偏波保持ファイバ３０に結合す
るための手段を必要とする。これを達成するための一例
としての手段が第７図に簡略的に示されるが、ここで、
１５１．１５２．。

１５ｎは、それぞれ励起放射１７１，１７２１、、．１
７ｎ個のソースを示す、励起放射のこのｎ個のビームは
光学ゲーティング７０の表面に向けられる。このゲーテ
ィングはこれらｎ個のビームを単一のビーム１６に結合
する機能を持ち、これが適当な結合手段７１によって偏
波保持ファイバ３０内に結合される。

２つあるいはそれ以上の励起ソースの出力を、これらソ
ース間の相互作用を起こすことなく、単一の偏波保持フ
ァイバに結合するための他の方法も知られている。例え
ば、長いテーパー溶融ファイバ結合器（ｔａｐｅｒ　ｆ
ｕｓｅｄ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｕｐｌｅｒｓ）を使用する
こともできる。もう１つの一例としてのスキームが第８
図に示される。ここで、１５１−１５４は偏波された放
射を放出する（ｎ個のバッテリーの中の）４つの独立し
た励起ソースを示す。例えば、ソース１５１及び１５３
は、それぞれ、ある基準方向に対して直角に偏波される
中心波長え、工及びん−の放射を放出し、ソース１５２
及び１５４は、それぞれ、この基準方向に対して平行に
偏波される波長λ−及びλ−の放射を放出する。ファイ
バ８２は偏波保存クイブであり、結合２３８１は偏波選
択結合器であり（Ａ、アシャキン（Ａ、　Ａｓｈｋｉｎ
ｌ　らによって１９８５年５月２３日に申請された本発
明と同−輪渡人による合衆国特許申請Ｎｏ、　７３７　
、２５７号を参照）、そして結合器８０は前に述べた波
長依存タイプの結合器である。

励起放射の伝送ファイバへの結合はさまざまな方法によ
って達成することができ、また、これを達成する新たな
方法が将来発見される可能性も十分にある。従って、本
発明に従う複数のソースからの励起放射を結合するため
の全ての可能な方法が本発明の範囲に含まれると考えら
れるべきである。

ここでは、複数の同一場所に置かれた励起ソースの使用
が好ましいとされたが、本発明は、その出力が強度基準
を満す広バンドソースによっても実現できる。例えば、
固体タイオードを広バンドソースとして使用することも
考えられる。ただし、これは、この出力をシングルモー
ド光ファイバに効率的に結合するための手段が開発され
ることが前提となる。

一例としての実施態様においては、光ファイバ伝送チャ
ネルは、１．５６μｍにおいて０．１８ｄＢ／ｋｍの損
失、そして１．４６μｍにおいて０．２９ｄＢ／ｋｍの
損失を示す２　ｐ　ｓ　／　ｎ　ｍｋｍの分散、２５（
μｍ）２の有効コア、及び２２００ｋｍの長さを持つ偏
波保持分散シフトシリカベースファイバから成る。モー
ドロックレーザーがλ＝１．５６μｍにバンド幅が制限
されたパルスを生成する。これらパルスがファイバに結
合されるが、このレーザーは、結合されるパルスが２７
ｍＷのビークパワーを持ち、実質的に、双曲線セカンド
（ｓｅｃｈｌ形状を持ち、ギして７．５ｐｓのパルス幅
を持つように調節される。これらパルスは、従って、こ
のファイバ内において、基本（Ｎ＝１）ソリトンである
。ファイバに沿って約４０ｋｍの間隔で励起放射注入ポ
イントが置かれる。これらポイントの個々の所には、中
心波長が、波長間隔１．４４から１．４８μｍを通じて
実質的に規則正しい間隔を持つ１０個の半導体レーザー
励起放射ソースのバッテリーが置かれる。

これらソースは、２０ｎｍの平均半幅（ａｖｅｒａｇｅ
ｈａｌｆｗｉｄｔｈ　）を持ち典型的には、約１０個の
モードにて放射する。個々の注入ポイントの所でファイ
バに結合される総励起パワーは４０ｍＷであり、このフ
ァイバコア内の励起パワーはどこでも、このファイバ内
のブリユアンライン幅、つまり、約１８ＭＨｚに等しい
励起放射スペクトル内に任意の波長領域において１．ｏ
ｍＷよりかなり低い（この強度はどこでも０．０４ｍＷ
／　（μｍ）２よりかなり低い）。この持続励起放射は
、ゲーティング及び波長依存結合器によってこのファイ
バ内に双方向に結合される。この信号パルスのこの４０
ｋｍ増幅器間隔を通じてのラマン利得は、本質的にこの
距離を通じての信号損失に等しく、結果として、ソリト
ンパルスの安定した伝送が得られ、１３Ｇビット／秒ま
でのビット速度に対して、１０−’／ビット以下のエラ
ー率を達成することが可能である。このシステムの受信
端において、これらパルスが従来の手段によって検出さ
れる。

上の例にて示されるソリトンベース伝送システムを使用
した場合、本発明は以下の長所を提供する。

正味システム利得は、これによって、励起及び伝送信号
の相対偏波のきまぐれなうねりから解放される。

良く保持された（固定の）偏波は、結果として、要求さ
れる励起パワーを大きく低減する（励起偏波及び信号偏
波が全ての可能な相対偏波を通じて変動するようなシス
テムの２分の１ですむ）、良く保持された（固定の）偏
波は、励起レーザーの数及び／あるいはコストを低減す
る。また、固定の偏波は、変動する相対信号／励起偏波
がパワー到着時間に及ぼす影響を排除する傾向を持つ、
つまり、このソリトンシステムに関しての最初の実験か
ら、この励起がパルスされた場合。

ソリトンと同一方向に伝搬する励起パルスの間の”衝突
“によって、この２つのパルス間の非線形相互作用がこ
の衝突の期間を通じて変動する場合、このソリトンの周
波数及び速度に正味シフトを生成する傾向を持つことが
発見された。この非線形相互作用は、この励起及び信号
パルスのこの確率的に変動する偏波に依存するため、こ
れらが総和された結果として、パルス到着時間にジッタ
ー　（ｊｉｔｔｅｒｌが起こる。この効果は、偏波の変
動及び励起放射のパルシングの両方を要求することに注
意する。偏波の変動の排除は、従って、励起放射の時間
変動（パルシング）が存在した場合でも、このタイミン
グジッター（ｔｉｍｉｎｇ　ｊｉｔｔｅｒｌを排除する
傾向を持つ。

良く保持された偏波は、−偏波分散（ｐｏＬａｒｉｚａ
−ｔｉｏｎ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）を排除する。つま
り、普通のファイバ内においては、この信号は２つの直
角に偏波された成分に分離する傾向を持ち、個々がこの
２つの偏波の異なる伝搬定数のために、異なる到着時間
を持つ傾向がある。この効果は、情報を劣化する傾向を
持ち、また、普通のシステムの容量を大きく制約する。

ソリトンは（ソリトンによって誘導される屈折率の変化
がファイバの複屈折より大きな場合は）この効果に耐え
る傾向を持つが、これらが可能な全ての条件下において
耐えるという保証はない、しかし、信号の伝送に対して
単一の良（定義された偏波を使用することによって、偏
波分散効果を完全に回避できることに注意する。

固定され、また良く定義された偏波の使用は、また、補
助デバイス、例えば、ファイバ方向性結合器等が偏波に
依存しない特性を持たなければならないという制約を解
消する。従って、これはまた、”偏波されない［ｕｎｐ
ｏｌａｒｉｚｅｄｌ”システムに対しては通常考えても
みられない偏波選択性デバイスの使用を可能とし、従っ
て、使用可能なファイバデバイスのレンジを広げる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理による通信システムを簡略的に示
す図： 第２図は半導体レーザーの一例としてのスペクトルを示
す図： 第３から６図は一例としてのラマン増幅スキームを簡略
的に示す図： 第７図及び第８図は励起放射を光ファイバに結合するた
めの一例としての技術を簡略的に図解する図である。 なお、図面を通じて同一の番号が類似の要素を示すのに
使用される。 ［主要部分の符号の説明］ １１・・・信号ソース １５・・・励起ソース ３１・・・結合器 ５０・・・デバイダ ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、４ ＦＩＧ、　５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ラマン増幅を持つ光ファイバ通信システムにおいて
   、該システムが 波長λ＿０の第１の電磁放射を生成するための第１の手
   段、コア及びクラッドを持つある長さの偏波保持光ファ
   イバ、該第１の放射を検出するための検出器手段、及び
   該第１の放射を該光ファイバに第１のファイバ位置にお
   いて結合するための手段を含み、該結合された第１の放
   射が該ファイバ内を該第１のファイバ位置から離れた第
   ２のファイバ位置に導かれ、該第２のファイバ位置の所
   で該結合された第１の放射の少なくとも幾らかが放出さ
   れ該検出器手段によって検出され；該システムがさらに 該偏波保存光ファイバ内の該第１の放射に対する要求さ
   れる信号偏波モードと関連する所定の偏波の第２の電磁
   放射を生成するための第２の手段を含み、ここで、該第
   ２の放射と第２の放射スペクトルとが関連し；該システ
   ムがさらに 該第２の放射を該偏波保持光ファイバ内に該第１のファ
   イバ位置と該第２のファイバ位置との間の第３のファイ
   バ位置の所で結合するための手段を含み； 該第２の手段が該光ファイバのブリユアンライン幅より
   大きな幅を持つ第２の放射スペクトルを結果として与え
   、さらに、該ファイバ内の第２の放射の強度が任意の波
   長λ＿ｐの所で臨界強度Ｉ＿ｃより小さくなるように、
   選択された第２の放射ソースを含むことを特徴とする光
   ファイバ通信システム。 ２、請求項１に記載の通信システムにおいて、該第２の
   手段が少なくともｉ番目及びｊ番目の第２の放射ソース
   を含み、個々の第２の放射ソースと中心波長及びスペク
   トル幅とが関連し、該ｉ番目及び該ｊ番目の第２の放射
   ソースが、該ｉ番目及びｊ番目の第２の放射ソースの該
   中心波長が少なくとも概むね該ｉ番目の第２の放射ソー
   スの該スペクトル幅だけ異なるように選択されることを
   特徴とする光通信システム。 ３、請求項２に記載の通信システムにおいて、該少なく
   ともｉ番目及びｊ番目の第２の放射ソースが半導体レー
   ザーであることを特徴とする光ファイバ通信システム。 ４、請求項２に記載の通信システムにおいて、該第１の
   放射がパルス放射であり、該光ファイバ内に結合される
   該第１の放射が該ファイバ内においてソリトンパルスを
   形成することを特徴とする光ファイバ通信システム。 ５、請求項２に記載の通信システムにおいて、該偏波保
   持光ファイバがシリカをベースとする光ファイバであり
   、λ＿０が１．２から１．６μｍのレンジであり、該第
   ２の放射スペクトルがλ＿０より約０．１μｍだけ短い
   波長λ＿ｐを含み、そして、該ファイバ内の該第２の放
   射の強度が該第２の放射スペクトル内の任意の波長にお
   いて０．０４ｍＷ／（μｍ）＾２より小さいことを特徴
   とする光ファイバ通信システム。 ６、請求項１に記載の通信システムにおいて、該第１の
   放射がパルス放射であり、該第２の放射が持続波放射で
   あることを特徴とする光ファイバ通信システム。