JPH02230222A - 光パルス圧縮増幅方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、光ファイバ中に信号光パルスを伝播させて信
号の伝送を行なう光ファイバ通信方式に係り、特に光フ
ァイバの分散特性によって生じる信号光パルス幅の広が
りと、光ファイバの損失特性によって生じる信号光パル
スの強度の低下とを補償する光パルス圧縮増幅方法に関
するものである。

（従来の技術） 光ファイバ通信方式においては、光ファイバの有する分
散特性と損失特性のために、信号光パルスは光ファイバ
中を伝播する間にパルス幅が広がり、かつ強度が低下し
てしまう。このため従来の光ファイバ通信方式では、所
定の長さだけ光ファイバ中を伝播した信号光パルスを電
気信号に変換した後、電気信号の波形を圧縮及び増幅し
て元の信号に戻し、この信号を再び信号光パルスに変換
して、光ファイバに送出していた。しかし、この方法で
は、光／電気，電気／光の変換回路が必要となり、信号
光パルスの圧縮・増幅装置が複雑になるという欠点を有
していた。

そこで、この欠点を解決するために、従来より二つの方
法が検討されている。一つは、信号光パルスを光パルス
圧縮器や光増幅器等の光回路を用いて、電気信号に変換
することなく信号光パルスのままで直接圧縮及び増幅を
行なう方法である。

他の方法は、光ファイバ増幅器を用いる方法である。近
年、光ファイバコア中に各種元素を添加することによっ
て、光ファイバ自身が光信号増幅機能を持つことが明ら
かになってきた。このような光ファイバ増幅器は、信号
を伝播させる光ファイバとほぼ類似した構造を有してい
るため、両者を低損失に接続できるという特徴を併せ持
つ。

一例として、光ファイバコア中にエルビウムを添加して
構成した光ファイバ増幅器を用いて、信号光パルスを増
幅する方法を採用した光ファイバ通信システムの構成を
第２図に示す（文献二木村、中沢“光ファイバレーザの
発振特性とその光通信への応用“レーザ学会研究会報告
ＲＴＭ−８７−１８　、ｐｐ．３１−３７．１９８８年
　１月）。

第２図において、１　ａ　＊　　１　ｂは信号光パルス
を伝播させる光ファイバ、２は光ファイバコア中ニエル
ビウムを添加して構成されたエルビウム添加光ファイバ
、３は光結合器、４は信号光パルス発生用光源、５は励
起光発生用光源、６は光ファイバ配線コードである。光
結合器３は、光ファイバカップラ等で構成され、その一
例を第３図の（ａ）及び（ｂ）に示す。第３図中に示す
光結合器３の端子３Ａには光ファイバ１ａの一端が、端
子３Ｂにはエルビウム添加光ファイバ２の一端が、端子
３Ｃには光ファイバ配線コード６の一端がそれぞれ接続
される。

このような構成において、信号光パルス発生用光源４で
発生され、光ファイバ１ａの他端に入射された信号先パ
ルスは、光ファイバ１ａを伝播した後、光結合器３の端
子３Ａがら端子３Ｂを経てエルビウム添加光ファイバ２
に入射される。一方、励起光発生用光源５で発生され、
光ファイバ配線コード６の他端に入射された励起光は、
光ファイバ配線コード６を伝播した後、光結合器３の端
子３Ｃから端子３Ｂを経てエルビウム添加光ファイバ２
に入射される。

上記経路を通ってエルビウム添加光ファイバ２に入射さ
れた信号光パルスは、光ファイバ１ａを伝播する間に、
光ファイバ１ａの分散特性と損失特性のために、パルス
幅が広がり、強度が低下しているが、エルビウム添加光
ファイバ２を伝播中に励起光がエルビウムを励起するこ
とによって増幅され、強度は光ファイバ１ａへの入射時
の強度にまで回復される。

なお、エルビウム添加光ファイバ中での励起光による信
号光パルスの増幅機構については、上記した文献及び文
献ｒＰａｕｌ　Ｌｌｒｑｕｈａｒｔ　　’Ｒｅｖ１ｅｗ
　ｏｒｒａｒｅ　ｅａｒｔｈ　ｄｏｐｅｄ　ｆｉｂｒｅ
　ｌａｓｅｒｓ　ａｎｄ　ａｓｐｌｌｒｌｅｒｓＩＥＥ
　Ｐｒｏｃ．　Ｖｏｌ．１３５　、Ｐｔｊ，　Ｎｏ．６
、ｐｐ．３８５−４０７（１９８ｇ）Ｊに詳しく述べら
れている。

また、エルビウム添加光ファイバの場合、励起光の波長
を０．５１４μｍにすると、波長１．５５３〜１．８０
３μｍ帯の信号光パルスを、また励起光の波長を１．４
８μｍにすると波長ｔ．＋ａｓμｍの信号光パルスを増
幅できる（文献二木村、中沢“Ｌａｓｌｎｇｅｈａｒａ
ｃｔｅｒ１ｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｅｒ　”−ｄｏｐｅｄ　
ｓｉｌＩｃａ　ｆ’ｌｂｒｅｓｆｒｏｍ　１５５３　ｕ
ｐ　ｔｏ　１８０３ｎｍ’　Ｊ．Ａｐｐｌ，Ｐｈｙｓ．
、Ｖｏｌ．６４、Ｎｏ．２、ｐｐ．　５１８　〜５１ｇ
（１９８ｇ）及び中沢、木村、鈴３＋ 木＠Ｅｌ’ｆ’ｌｃｌｅｎｔ　Ｅｒ　−ｄｏｐｅｄ　ｏ
ｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ａｎｔｉｒｊｅｒ　　ｐｕ
ｍｐｅｄ　　ｂｙ　　ａ　　１．４８　　ｔｔ　　ｒｎ
　　　ＪｎｌＣａＡｓＰ　　ｌａｓｅｒ　　ｄｊｏｄｅ
−　Ａｐｐｌ，　Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ５４、
Ｎｏ．　４、９ｐ．　２９５〜２９７、（１９８９））
。しかもこのようなエルビウム添加光ファイバでは、現
在光ファイバ通信方式で用いられている最低損失波長帯
（１．５μｍ帯）の光信号を２０ｄＢ以上増幅できるた
め、通信用信号光パルスの増幅方法として極めて有効で
ある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、前者の方法では、小形で特性の安定した
光回路が必要となるが、実現が困難な状況にある。また
、このような光回路を用いる場合、信号光パルスを伝播
させる光ファイバと光回路との接続損失が大きくなると
いう問題点がある。

また、後者の方法では、信号光パルスの増幅を行なうこ
とはできるものの、光ファイバ１ａの分散特性のために
広がったパルス幅を元通りに回復することができない。

従って、この方法では、信号光パルスの幅を回復するた
めに、電気回路、即ち、光／電気，電気／光変換回路を
用いざるを得す、これでは光通信における信号中継装置
の複雑化、大型化を招くという欠点を有していた。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、信号光パルスを電気信号に変換することなく
、光のままで信号光パルスの波形圧縮及び強度増幅を、
順次もしくは同時に行なうことができ、小型にして簡易
な構成の信号中継装置を実現できる光パルス圧縮増幅方
法を提洪することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）では、信号光パ
ルスの波長よりも短い波長に対して群速度分散が零で、
かつ、この零分散波長よりも短波長に対して正常分散、
長波長に対して異常分散の特性を有する圧縮用光ファイ
バに、信号光パルスと励起光パルスとを同時に入射して
信号光パルスのパルス幅を圧縮し、次いで、圧縮された
信号光パルスと励起光パルスとを希土類元素添加光ファ
イバに入射して信号光パルスの増幅を行なうようにした
。

また、請求項（２）では、信号光パルスの波長よりも短
い波長に対して群速度分散が零で、かつ、この零分波散
波長よりも短波長に対して正常分散、長波長に対して異
常分散の特性を有する希土類元素添加光ファイバに、信
号光パルスと励起光パルスとを同時に入射して信号光パ
ルスのパルス幅の圧縮及び増幅を行なうようにした。

（作　用） 請求項（１）によれば、圧縮用光ファイバに、伝送路で
ある光ファイバを伝播する間にパルス幅が広がり、強度
が低下した信号光パルスと、励起光パルスとが同時に入
射される。これにより圧縮用光ファイバ中において励起
光パルスが引き起こす非線形光学効果によって、信号光
パルスにチャーブが発生し、異常分散の効果によって信
号光パルスのパルス幅が圧縮される。

次に、パルス幅が圧縮された信号光パルスと、励起光パ
ルスが希土類元素添加光ファイバに入射される。これに
より、希土類元素添加光ファイバ中において、励起光パ
ルスによってエルビウムが励起され、エルビウムが引き
起こす励起増幅効果によって信号光パルスが増幅される
。

また、請求項（２）によれば、上記した励起光パルスに
よる非線形光学効果及び励起増幅効果が、希土類元素添
加光ファイバ中で同時に発現され、信号光パルスのパル
ス幅の圧縮及び増幅が行なわれる。

（実施例） 第１図は、本発明による光パルス圧縮増幅方法を採用し
た光ファイバ通信システムの第１の実施例を示す構成図
であって、従来例を示す第２図と同一構成部分は同一符
号をもって表す。即ち、１ａ，ｌｂは信号光パルスを伝
播させる伝送路用光ファイバ、２は光ファイバコア中に
希土類元素であるエルビウムを添加して構成された信号
光パルス増幅用エルビウム添加光ファイバ、３は光結合
器、３Ａ．３Ｂ，３Ｃは光結合器３の端子、４は例えば
波長１．５３５μｍの光を出射するレーザからなる信号
光パルス発生用光源、５ａは励起光パルス発生用光源で
、例えば波長１．４６μｍで、後記する信号光パルス圧
縮用光ファイバ７において、交差位相変調（クロスフ二
一ズモジュレーション，　ｃｒｏｓｓ　ｐｈａｓｅ　ｍ
ｏｄｕｌａｔｉｏｎ）と呼ばれる非線形光学効果を発現
させ、かつ、エルビウム添加光ファイバ２においてエル
ビウムを励起して、信号光パルスの増幅を可能とするの
に充分な強度の励起光パルスを発生するレーザから構成
されている。

６は光ファイバ配線コードである。

７は信号光パルス圧縮用光ファイバで、信号光パルスの
波長よりも短い波長に対して群速度分散が零で、かつ、
この零分散波長よりも短波長に対して正常分散、長波長
に対して異常分散であるような特性を有し、光結合器３
の端子３Ｂとエルビウム添加光ファイバ２間に挿入され
、その一端は端子Ｂと、他端はエルビウム添加光ファイ
バ２の一端と接続されている。

第４図は、信号光パルス圧縮用光ファイバ７の群速度分
散特性を示すグラフで、横軸は波長、縦軸は群速度分散
を表している。第４図において、λ。（−１．４９８μ
ｍ）は群速度分散（δυｇ／δλ）が零となる波長、即
ち零分散波長である。

第４図から明らかなように、信号光パルス圧縮用光ファ
イバ７の群速度分散は、零分散波長λ。よりも短波長で
は正（＋）、零分散波長λ。よりも長波長では負（一）
となっている。

この群速度分散が正の領域では、周波数の低い光、即ち
波長の長い光は、周波数の高い光に比べて光ファイバ中
の伝播速度が速くなる（以下、この領域を正常分散領域
という）。一方、群速度分散が負の領域では、周波数の
高い光は、周波数の低い光よりも光ファイバ中の伝播速
度が速くなる（以下、この領域を異常分散領域という）
。

次に、上記構成による動作を、第４図及び第５図に基づ
いて説明する。

信号光発生用光源４から光ファイバ１ａに入射された信
号光パルスは、光ファイバ１ａを伝播中に、光ファイバ
１ａの分散特性により光パルス幅（波形）が広がり、損
失特性により強度が低下する。このように、波形及び強
度共に劣化した信号光パルスは、光結合器３の端子３Ａ
から端子３Ｂを経て信号光パルス圧縮用光ファイバ７に
入射される。

一方、励起光パルス発生用光源５ａによって励起光パル
スを発生させ、この励起光パルスは光ファイバ配線コー
ド６、光結合器３の端子３Ｃ，端子３Ｂを経て、信号光
パルス圧縮用光ファイバ７に入射される。この時、信号
光パルスと励起光パルスとは、互いに周期が等しくて、
かつ、゛信号光パルス圧縮用光ファイバ７及びエルビウ
ム添加光ファイバ２上を重なり合って伝播するように入
射される。

信号光パルス圧縮用光ファイバ７に、微弱な信号光パル
スと強度の大きい励起光パルスとが同時に入射されると
、強度の大きい励起光パルスが、上記した交差位相変調
と呼ばれる非線形光学現象効果を発現させる。零分散波
長（λ。’）１．４９８μｍの信号光パルス圧縮用光フ
ァイバ７中では、波長（λ　）１．４６μｍの励起光パ
ルスによりｐ 波長（λ　）１．５３５μｍの信号光パルスに、Ｓ いわゆるチャーブ（光の周波数シフト）を与え、第５図
の（ｂ）に示すように、信号光パルスの周波数は時間に
対して変化するようになる。

ところが、信号光パルスの波長λ　（−１．　　５Ｓ ３５μｍ）は上記した異常分散領域にあるため、周波数
の違いに対応して、伝播する信号光パルスの群速度が異
なる（第４図）。具体的には、第５図に示すように、チ
ャーブによって信号光パルスの立上り部（第５図の（ａ
）における光パルスの前部）では、周波数が低く、信号
光パルスの立下がり部（第５図（ａ）の光パルスの後部
）では周波数が高くなる。さらに、異常分散領域では、
周波数の低い部分は速度が遅く、周波数の高い部分では
速度が速くなるため、信号先パルス圧縮用光ファイバ７
を伝播中に、信号光パルスの立下がり部は立上り部に徐
々に追い付いていき、この結果、信号光パルスの幅が狭
くなる。

このような交差位相変調による信号光パルスの圧縮は、
信号光パルスの波長λ　が異常分散領域Ｓ にあり、励起光パルスの波長λ　が、第４図に示ｐ すように、信号光パルス圧縮用光ファイバ７の零分散波
長λ０を中心として、信号光パルスの波長λ　に相対す
るような波長、即ち、λｐ−２λ。

Ｓ −λ８の関係にあるとき、最も効率良く発現する（Ｂ．
ｊａｓｋｏｒｚｙｎｓｋａ　ｓ　　Ｄ．Ｓｃｈａｄｔ，
　　”Ａｌｌ−ｆｌｂｅｒ　ｄ１ｓｔｒ１ｂｕｔｅｄ　
　ｃｏｇｐｒｅｓｓｒｏｎ　　ｏｒ　　ｗｅａｋ　　ｐ
ｕｌｓｅｓ　　ｉｎ　　ｔｈｅ　　ｒｅｇｌｌｅ　Ｏｊ
　　ｎｅｇａｔｔｖｅ　ｇｒｏｕｐ−ｖｅ＋ｏｃｔｔｙ
　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎＩＥＥＥ，Ｊ．Ｑ．Ｅ　　Ｓ　
Ｖｏｌ．２４、Ｎｏ．１０　　、ｐｐ．２１７　〜２１
２０（１９８８）。

次いで、信号光パルス圧縮用光ファイバ７で圧縮された
微弱な信号光パルスと励起光パルスとが、エルビウム添
加光ファイバ２に入射され、励起光パルスがエルビウム
を励起して、波長１．５３５μｍの光を誘起し、これが
信号光パルスを増幅する。

このように、信号光パルス圧縮用光ファイバ７でパルス
幅゛を圧縮され、エルビウム添加光ファイバ２で増幅さ
れた信号光パルスは、次の伝送路である光ファイバ１ｂ
に導波される。

以上説明したように、本第１の実施例によれば、伝送路
である光ファイバ１ａを伝播する間にパルス幅が広がり
、強度が低下した光パルスに励起光パルスを合波させ、
伝送路用光ファイバと構造の類似した信号光パルス圧縮
用光ファイバ７及び信号光パルス増幅用エルビウム添加
光ファイバ２によって、信号光パルスを光のままで圧縮
及び増幅を行なうことができるので、光通信における信
号中継装置を、複雑な電気回路を要することな《小形に
して簡易に構成できる。

なお、信号光パルス圧縮用光ファイバ７の長さ及び構造
は圧縮しようとする信号光パルスの幅、波長、強度によ
って最適なものに設計する必要がある。一例としては、
数（至）〜数百ｍ長の１．５μｍ帯分散シフト光ファイ
バを挙げることができる。

また、エルビウム添加光ファイバ７については、文献に
述べられているように、添加量約１０００９ｐｍ　１長
さ３　．　　５　ｍ　ｓコア系６．９ａｍ．比屈折率差
０．８５％のものを使用してもよい。これらのパラメー
タは、増幅度、信号光パルス波長等によって、最適化を
図る必要がある。

第６図は、本発明による光パルス圧縮増幅方法を採用し
た光ファイバ通信システムの第２の実施例を示す構成図
である。本第２の実施例と前記第１の実施例の異なる点
は、信号光パルス増幅用エルビウム添加光ファイバ２と
光ファイバ１ｂとの間に、信号光パルス圧縮用光ファイ
バ７ａ及び光結合器３ａを挿入、接続し、光結合器３ａ
の端子３Ｃ側には、光ファイバ配線コード６ａを介して
励起光パルスを入射させる励起光パルス発生用光源５ｂ
を配置し、エルビウム添加光ファイバ２を中心として、
対称な構成としたことにある。

本第２の実施例によれば、前記第１の実施例の効果に加
えて、片方向のみではなく、双方向からの信号パルスの
圧縮及び増幅を行なうことができる。

第７図は、本発明による光パルス圧縮増幅方法を採用し
た光ファイバ通信システムの第３の実施例を示す構成図
である。本第３の実施例と前記第１の実施例の異なる点
は、信号光パルス圧縮用光ファイバ７と信号光パルス増
幅用エルビウム添加光ファイバ２とを、光結合器３ｂを
介して接続し、光結合器３ｂの端子３Ｃ側には、前記第
２の実施例と同様に光ファイバ配線コード６ｂを介して
励起光パルスを入射させる励起光パルス発生用光源５Ｃ
を配置したことにある。

本第３の実施例によれば、前記第１の実施例の効果に加
えて、交差位相変調を誘起する励起光パルスと、エルビ
ウム添加光ファイバ２の増幅効果を誘起する励起光パル
スとを分散できるので、励起光パルス発生用光源５ａ，
５ｂの出力パワーを小さくできる。従って、小形で安定
な半導体レーザを用いることが可能となる。

なお、上記第１乃至第３の実施例においては、信号光パ
ルス圧縮用光ファイバと信号光パルス増幅用光ファイバ
とを別個に構成したが、これに限定されるものではなく
、例えばエルビウム添加光ファイバにおいて、第４図に
示すような群速度分散を持つように屈折率分布等の光フ
ァイバのパラメータを選定することにより、一つのエル
ビウム添加光ファイバ中で、信号先パルスの圧縮及び増
幅を同時に実現できる。これにより、光通信における信
号中継装置を、さらに小形化及び簡易化することができ
る。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）によれば、例えば伝
送路を伝播する間にパルス幅が広がり、強度が低下した
信号光パルスと、信号光パルス伝播用光ファイバと構造
の類似した光ファイバによって、光のままで圧縮及び増
幅を行なうことができる。従って、光／電気，電気／光
変換回路等の複雑な電気回路を要することはないので、
小形にして簡易な構成の装置で信号光パルスの中継を行
なうことができる。また、この光通信における信号中継
装置の簡易化を通じて、光通信システムの経済化、高信
頼化を図ることができる。

また、請求項（２）によれば、請求項（１）の効果に加
えて、さらに光通信における信号中継装置の小形化、簡
易化を図れる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光パルス圧縮増幅方法を採用した
光ファイバ通信システムの第１の実施例を示す構成図、
第２図は従来方法を採用した光ファイバ通信システムの
構成図、第３図は光結合器の構成例を示す図、第４図は
本発明に係る信号光パルス圧縮用光ファイバの群速度分
散特性を示すグラフ、第５図は本発明に係るチャーブ動
作を説明するための図、第６図は本発明による光パルス
圧縮増幅方法を採用した光ファイバ通信システムの第２
の実施例を示す構成図、第７図は本発明による光パルス
圧縮増幅方法を採用した光ファイバ通信システムの第３
の実施例を示す構成図である。 図中、ｌａ，ｌｂ・・・伝送路用光ファイバ、２・・・
信号光パルス増幅用エルビウム添加光ファイバ、３．３
ａ，３ｂ・・・光結合器、４・・・信号光パルス発生用
光源、５ａ，５ｂ，５ｃ・・・励起光パルス発生用光源
、６．６ａ．６ｂ・・・光ファイバ配線コード、７・・
・信号光パルス圧縮用光ファイバ。 特許出願人　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　　吉　田　精　孝 第 図 ３Ｃ （ａ） （ｂ） 光結合器の構成例

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）信号光パルスの波長よりも短い波長に対して群速
   度分散が零で、かつ、この零分散波長よりも短波長に対
   して正常分散、長波長に対して異常分散の特性を有する
   圧縮用光ファイバに、信号光パルスと励起光パルスとを
   同時に入射して信号光パルスのパルス幅を圧縮し、 次いで、圧縮された信号光パルスと励起光パルスとを希
   土類元素添加光ファイバに入射して信号光パルスの増幅
   を行なう ことを特徴とする光パルス圧縮増幅方法。
2. （２）信号光パルスの波長よりも短い波長に対して群速
   度分散が零で、かつ、この零分波散波長よりも短波長に
   対して正常分散、長波長に対して異常分散の特性を有す
   る希土類元素添加光ファイバに、信号光パルスと励起光
   パルスとを同時に入射して信号光パルスのパルス幅の圧
   縮及び増幅を行なうことを特徴とする光パルス圧縮増幅
   方法。