JPH0799787B2 - 光フアイバ通信装置 - Google Patents

光フアイバ通信装置

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JPH0799787B2
JPH0799787B2 JP59092720A JP9272084A JPH0799787B2 JP H0799787 B2 JPH0799787 B2 JP H0799787B2 JP 59092720 A JP59092720 A JP 59092720A JP 9272084 A JP9272084 A JP 9272084A JP H0799787 B2 JPH0799787 B2 JP H0799787B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は、一般的には通信分野に関し、殊に多重情報チ
ヤネルが単一モード光フアイバによつて伝送される光フ
アイバ通信装置に関する。
従来技術の説明 光フアイバ技術の進歩に伴い、極めて高速度で情報を伝
達する能力を有する光フアイバを製造することが可能で
あることが一般に認識され評価されるようになつてき
た。しかし、光フアイバ装置において可能な最大情報伝
送速度を利用するためには、データを時分割多重化する
か、また波長の異なる多重情報チヤネルが共通の通信路
を共有するようにしなければならない。時分割多重化に
関していえば、単一モード光フアイバの情報取扱速度
（すなわち、５×109pps）に近いパルス繰返数でスイツ
チングを行ないうる電子回路はもちろん存在しない。さ
らに、後者の波長分割多重化法についてはこれまで明ら
かにあまり進歩がなかつた。そのわけは、光フアイバ装
置におけるその諸問題の実際的解決法が一般に知られて
なかつたからである。これらの問題とは、一般に、低コ
ストの、スペクトル的に狭い、安定した源を得ることの
困難さ；特に単一モードフアイバにおいてフアイバを互
いに接合させること、また源からのエネルギをフアイバ
に結合させることの困難さ；信号を増幅することの困難
さ；選択的に信号をフアイバに加え、またフアイバから
取出すことの困難さ；に関連するものである。
スペクトル的に狭い、安定した源に関しては、好適な源
であるソリツドステート・レーザダイオードは高価であ
る。従つて、これを光フアイバ通信装置に利用すること
は、光ビツト速度が得られる場合に限つて経済的に正当
化される。例えば、発光ダイオードとグレーデツドイン
デツクス形光フアイバとが20キロメートル（Km）の幹線
によつて５×107パルス毎秒（pps）を伝送することがで
き、レーザダイオードと単一モード光フアイバとが同じ
長さの光フアイバにより５×9パルス毎秒を伝送するこ
とができるものとすると、後者のレーザダイオードと単
一モードフアイバとの組合わせは、前者の組合わせより
も100倍大きいコスト因子を有することになる。そのわ
けは、満足できる使用寿命をもつたレーザダイオード
は、現在発行ダイオードの100倍以上高価なものとなる
からである。
しかし、結合の分野において最近ある発展が行なわれ
た。例えば、米国特許第3.432.499号には、単一モード
光フアイバ内へ諸信号を波長多重化するための構造が開
示されている。米国特許第4.315.666号の発明などの諸
発明によれば、１つの単一モード光フアイバによつて多
数の波長チヤネルを伝送し、また通信線路上の任意の点
においてこれらの波長別チヤネルの任意のものを、他チ
ヤネルに対する妨害が極めて小さいようにし、かつ通信
線路の完全性を保ちつつ、導入または抽出することがで
きる。従つて、任意の１チヤネルに対し極端に高い変調
速度を用いなくても、極めて累積度すなわち集合度の高
い情報流を伝送しうる光フアイバ通信装置を構成するこ
とにより、大きいチヤネル容量を達成することができ
る。前記米国特許4,315,666号明細書には非回転対称フ
ァイバとして断面がほぼＤ型形状の「Ｄファイバ」が開
示さている。
公知のように、波長別の変調チヤネルを利用した実際的
な光フアイバ通信装置は、かなりの距離を経て情報を伝
送しなければならない。これもまた公知のように、光フ
アイバの減衰特性の低減には顕著な進歩があつたもの
の、それにも拘らず吸収および散乱の累積および合成効
果により、光フアイバを経て伝送される信号は減衰す
る。現存の光フアイバにおける減衰率は極めて低いが、
伝送距離の増大に伴つて信号は小さくなつて行くので、
信号の周期的な復元すなわち増幅が必要になる。従来の
古典的な通信装置においては、通信線路内にインライン
レピータを挿入して周期低信号増幅を行なつていたの
で、線路の完全性が中断されることになつた。古典的レ
ピータは、減衰した信号を受ける入力ポートと、増幅器
その他の信号処理装置と、下流側の通信線路に結合せし
められて、それへ復元された信号を供給する出力ポート
とを含んでいる。これらの装置においては、減衰した信
号がまず光電装置に加えられ、その光電装置は光信号を
対応する電気信号に変換する。次に、電子増幅器または
信号処理装置が、その信号を増幅し調整して信号の劣化
を補償する。その後、その電気信号はもう１つの光電装
置へ供給され、その出力である光信号が下流側の光フア
イバへ伝えられる。光信号の電気信号への変換、および
その光信号への再変換は、それらを行なわなければ完全
である光装置に対して、ある人工的制限を課することに
なる。さらに、レピータの故障は線路の完全性を失わせ
るので、古典的なインラインレピータを用いる方法は、
１つのレピータが故障しても、それによつて望ましくな
いほど大きい全装置的な影響を生じる。
上述のこと以外に、さらに多数の波長別チヤネルを伝送
する光フアイバ通信装置に用いられるレピータの製造は
極めて複雑で経費のかさむものになる。そのわけは、そ
れぞれのチヤネルを別々に線路から取出し、別々に処理
して再増幅と調整とを行ない、他信号と再多重化して次
の下流側の光フアイバ部分へ供給しなくてはならないか
らである。
純粋な光増幅に関しては、誘導ラマン散乱（stimulated
Raman scattering）を利用して１つの源の波長を他の
波長をもつた増幅出力に変換する装置が知られている
が、これまで情報保持信号、特に多重化された信号を増
幅するために、ラマン散乱を利用することが提案された
ことはなかつた。
発明の目的 本発明は、高いデータ速度で情報を伝送しうる、簡単で
信頼性に富み、かつ比較的に経済的な光フアイバ通信装
置を提供することを一般的な目的とする。
本発明のもう１つの目的は、伝送される信号が電子技術
によつてでなく純粋に光学的機構によつて増幅される光
フアイバ通信装置であつて、複数の情報を伝送する波長
別チヤネルを用い、波長変調によつて情報を伝送しうる
該光フアイバ通信装置を提供することである。
もう１つの目的は、光フアイバ伝送線路によつて伝送さ
れる諸信号を、その線路を中断することなく集約的に増
幅できる装置を提供することである。
さらにもう１つの目的は、いくつかのチヤネルを伝送す
る光フアイバ伝送線路に沿つて配置される予備的意味を
もつた過剰な増幅装置を提供することである。
さらに、もう１つの目的は、自動的に増幅器の電力レベ
ルを制御する装置を含む光フアイバ通信装置を提供する
ことである。
さらにもう１つの目的は、変調可能であり、スペクトル
的に狭く、経済的で安定な、光信号発生器を提供するこ
とである。
本発明のその他の諸目的は、一部は自明のものであり、
一部は以下において明らかにされる。以上の諸目的に対
応して、本発明の装置は、以下の詳細な開示において例
示されるような構造、諸要素の組合わせ、諸部品の配置
を有する。
発明の要約 上述の諸目的およびその他の諸目的に対応して本発明が
提供する光フアイバ通信装置は、諸装置を画定するよう
に結合せしめられた１つまたはそれ以上の光フアイバ線
路と、光フアイバ伝送線路に結合せしめられ該伝送線路
内へ情報保持信号を導入するようになつている装置と、
光フアイバ伝送線路に結合せしめられ光学的手段によつ
て情報信号を増幅するようになつている装置と、を含ん
でいる。
前記信号導入装置は、好ましくは、変調された波長別信
号を発生する信号発生器であつて、フアブリ・ペロー干
渉計に選択された長さの結合用光フアイバを経て結合せ
しめられ、安定した信号源をなすように同調可能である
付勢自在利得媒体を含んだ前記信号発生器の形式を有す
る。
本発明の前記光信号増幅装置は、ラマンポンピング・ビ
ームを光フアイバ伝送線路に導入して、情報保持光信号
のエネルギレベルを増大させる装置の形式を有する。
本発明の光フアイバ通信装置においては、情報保持信号
が純光学的装置によつて容易に増幅されて減衰の悪影響
が補償され、それによつて伝送線路の完全性は損なわれ
ない。さらに、光フアイバを経て複数の波長別情報保持
チヤネルを送信し、またこれら複数の波長別情報保持チ
ヤネルを光増幅装置によつて一様に増幅することができ
る、波長変調装置が備えられている。
本発明の本質と考えられる新しい諸特徴は、特許請求の
範囲に詳細に記載されている。しかし、本発明の装置の
構成および動作方法、ならびに他の諸目的および諸利点
については、添付図面を参照しつつ行なわれる実施例に
関する以下の説明において明らかにされる。添付図面に
おいては、相異なる図においても同一部品は同一番号に
よつて指示されている。
詳細な説明 第１図には、本発明の通信装置の全体が、参照番号100
によつて示されている。第１図に示されているように、
通信装置100は、節点Ｎ1,N2，…Ｎnにおいて相互接続さ
れた複数の光フアイバセグメントＳ1,S2，…Ｓn-1,Snを
含んでいる。通信装置の位相幾何学的構造によつて、節
点Ｎは簡単な２フアイバ形の光結合すなわち接続を形成
するか、または第１図の節点Ｎ2およびＮ3に図示されて
いるような、もつと複雑な多フアイバ分岐形結合を形成
する。フアイバ間結合は、好ましくは米国特許第4,315,
666号に従つて構成される。結合せしめられた光フアイ
バＳ1,S2，…Ｓn-1,Snは、第１図に示されているよう
に、遠隔通信に適した開ループ装置形の通信装置すなわ
ち信号伝送装置をなする。容易にわかるように、通信装
置100は、制御装置およびデータ処理回路網において通
常そうであるように閉ループ形にすることもできる。情
報保持光信号は、後に詳述されるように信号発生器SGに
よつて選択された点において伝送線路内へ導入され、通
信装置を経て、伝送回線の出力ポートに結合せしめられ
たデータ受信装置DRなどの１つまたはそれ以上の利用装
置へ伝達される。情報保持光信号は、パルス位置変調、
パルス幅変調、等のような通常のパルス符号変調形式、
ならびに後に詳述される好適な変調された多重波長別チ
ヤネル形式を含むいくつかの形式のうちの１形式をとり
うる。
本発明においては、信号の増幅すなわち再生は、情報保
持光信号の周波数より高い周波数でポンプビームまたは
ポンプビーム群を伝送線路内へ注入して、周波数の低い
情報保持信号のラマン増幅を行なう、１つまたはそれ以
上のラマン効果増幅器を利用して行なわる。第１図に
は、ラマン増幅器RA1,RA2,RA3と、ラマン増幅器RA′と
の、２種類のラマン増幅器の実施例が示されているが、
これらの両実施例については詳細に後述される。ラマン
増幅器は、ラマン増幅器RA1,RA2，およびRA′の場合の
ように主たる幹線に沿つて配置してもよく、ラマン増幅
器RA3の場合のように分岐線路に沿つて配置してもよ
い。レピータの挿入によつて伝送線路の完全性が損なわ
れる古典的なインラインレピータ法の場合とは異なつ
て、ラマンポンプビームは光フアイバの連続部分に導入
されるのでフアイバの物理的完全性は保持される。
本発明の通信装置100においては、誘導ラマン効果を用
いて、情報保持光信号が増幅すなわち再生される。後に
詳述されるように、光信号増幅を用いれば、従来行なわ
れていたように光信号を電気信号に変換し、次にそれを
電子的に処理し、その電気信号を光信号に再変換するた
めに伝送線路の物理的完全性を中断する必要なしに、情
報保持信号を純光学的技術によつて集約的に一様に増幅
することができる。
自然ラマン効果は一般に、媒体が準単色性の光によつて
照射された場合に起こる散乱現象に関連している。散乱
光は主として単色照射の周波数を有するが、そのほか
に、元の照射ビーム中に存在したものよりも低周波の長
い波長が媒体から再放射され、その再放射は照射された
媒体の関数になつている。誘導ラマン散乱においては、
２つの単色光子源からの光子が媒体に入射せしめられ、
一方の光子源はポンプに相当して散乱周波数VSを有する
低周波数の他方よりも高い周波数VPを有する。この条件
下においては、低周波数VSの光子源が増幅される。この
増幅は、吸収および表面反射を無視すると次の式によつ
て与えられる。
PS（ｌ）＝PS（ｏ）exp〔ｇ（ΔＶ）Ppl/a〕 ただし、ここにΔｖ＝Vp−VS＞0,Pp/aはポンプ強度、ｌ
は媒体の長さ、である。項ｇ（ΔＶ）は利得係数と呼ば
れ、媒体のラマン断面積に関係しており、ラマン相互作
用の強さを表わす。
本発明の増幅器は、誘導ラマン散乱効果を利用すれば、
ポンプ源光子と信号とが利得媒体内を同一方向に進む場
合、波長別チヤネルによつて搬送される一連の信号が集
団的に光増幅されることに基づくものである。増幅が行
なわれる理由は、高周波、短波長のビームの光子が、低
周波、長波長の光子に変換されるからである。可能な利
得は、上述の利得係数ｇ（ΔＶ）によつて与えられ、第
２図にはドープされた融解シリカにおける利得係数が正
規化されて図示されている。第２図においては、ポンプ
周波数Vpは縦軸に一致しており、横軸に沿つて測つたΔ
Ｖは、通常の低周波の散乱周波数ではなく、ポンプ周波
数Vpと任意の搬送信号周波数VSとの間の周波数差を波数
差で表わしている。
融解ゲルマニア（fused germania）のラマン利得係数の
グラフは、第２図に示されているドープされた融解シリ
カのものと形状は類似しているが、いくぶん大きい。シ
リカもゲルマニアも共に、本発明の通信装置に用いられ
る光フアイバのための好適な材料である。また、第２図
に示されているラマン利得係数のスペクトル範囲が比較
的広いことにも注意すべきである。このようにして、選
択された周波数を有する一定のポンプビームすなわち増
幅ビームを用いて、ある範囲の低周波、長波長の情報保
持周波数に対し、さまざまなレベルでエネルギを与え
る、すなわちそれらを増幅することができる。
光ビームは、上述のラマン増幅効果を受けるほかに、ブ
リルアン後方散乱をも受け、それによつて１次波よりも
やや低周波ではあるが、ラマン散乱波よりは高周波の波
が生じて、１次波から後方へ伝搬する。ドープされた融
解シリカのブリルアン後方散乱利得係数は、第２図に極
めて誇張されて示されている（破線で図示）が、そのわ
けはその帯域幅が1.0オングストロームより小さいから
である。第２図に示されているように、ブリルアン利得
係数は１次ビームよりもやや低い周波数を有し、周波数
的には１次ビームからわずかの間隔しかもつておらず、
ラマン散乱利得係数よりも比較的大きい振幅をもつてい
る。
第１図に全体的に示され、さらに第３図に詳細に示され
ているように、本発明のラマン増幅器は、好ましくは、
後述のように別々の波長出力を有するレーザダイオード
の形式の、複数の個々のラマン増幅器光発生装置すなわ
ちポンプ源10を含む。それぞれの光発生器10は、好まし
くは光フアイバ間の波長選択同調結合に関する前述の米
国特許第4,342,499号に開示されている横方向結合技術
により主タツプ14に接続された、それぞれのカツプラ線
路セグメント13によつて結合せしめられている。主タツ
プ14は、同様にして主幹線12、すなわちフアイバS1に横
方向結合によつて結合せしめられている。その他のラマ
ン増幅器RAnは、信号レベルの維持に必要なだけ、伝送
線路に沿つて反復配置される。カツプラ線路セグメント
13とタツプ14との間の結合は、前述の特許および特許出
願に説明されているように波長選択的なものであるか
ら、第１ラマン発生器10からのポンプ信号が１つまたは
それ以上の他のラマン発生器10へ結合されることはな
く、結局、１つの光発生器10から発生したポンプエネル
ギが、他の光発生器10内へ反射されて、すなわち帰つて
きて、入ることは阻止される。
１つより多くのラマン光発生器10を使用すると、諸発生
器10の間の波長の分離度によつて、信号の実質的付加増
幅のみを行いうる、または付加増幅とチヤネル帯域幅の
増大とを行ないうる、装置が構成される。発生器10の間
の出力スペクトルが接近しているほど、純粋の付加的信
号増幅のみが行なわれ、出力スペクトルが離れているほ
ど、チヤネル帯域幅の拡大と増幅とが行なわれる傾向に
なる。このことは、それぞれのポンプ周波数λ１，
λ２，λ３，…，λｎの寄与を表わす利得曲線を加算し
て得られる、累積利得を表わす正規化合成利得曲線を示
した第４図を参照すればよくわかる。容易にわかるよう
に、発生器の波長の間の分離が大き過ぎると、増幅は一
様に行なわれなくなる。従つて、チヤネル増幅度が可能
なピーク利得の25％より低くならないように、光発生源
10間の波長間隔はある程度小さくとられる。すなわち、
選択された全てのチヤネルが合成利得曲線の領域（Ａ）
の範囲内に入るような、広くて平坦な合成利得曲線を得
ることが望まれるのである。
ラマンポンプビームの発生源としては、多重ソリツドス
テート・レーザダイオード10が好適であるが、同様のス
ペクトル線の組を与える、別の実施例のラマン増幅器R
A′に用いられているような、後に詳述される他の発生
源もまた適している。他の発生源としては、YAGレーザ
によつて付勢される多線ラマン発振器なとがある。
限られた数の光子の、どのような増幅においてもそうで
あるが、レーザ増幅も雑音を伴うものであることは公知
である。光フアイバ伝送装置において光増幅が繰返され
ると、雑音が蓄積される。例えば、もし１パルス内にＮ
個の光子が存在し、このパルスが利得因子Ｇだけ増幅さ
れると、GNを中心とするある確率分布をもつた数の光子
が発生せしめられる。これによつて増幅されたビームが
フアイバ内を伝搬して行くのに伴い、この分布曲線はさ
らに広がつて行く。信号増幅とその後の伝送とが加わる
毎に、分布曲線は広がるのである。本発明においては、
信頼性のある情報伝送を行なうために必要とされるより
も高い信号レベルの使用、低い信号変調速度の使用、お
よび後に詳述される種類の狭いスペクトルの信号源の使
用、を含むいくつかの方法により、相次ぐ信号増幅およ
び再伝送から起こる雑音の蓄積効果が軽減される。本発
明の実施例においては、信号増幅器RAは好ましくは信号
レベルが Ｎ＝100R となる点まで低下した場所に配設される。ただし、ここ
にＮは１パルスあたりの光子数であり、Ｒは信号処理装
置間に直列に入つているラマン増幅器RAの数である。も
し、信号処理装置がない場合は、Ｒは、信号源と信号検
出器または他の信号利用装置との間のラマン増幅器RAの
数である。この判断基準は絶対的なものではなく、以下
の判断基準によるある融通性が許容される。もし、いく
つかの増幅器RAが存在して、それらの増幅器間の距離が
長くなつたり、短くなつたり変動する場合は、上述の判
断基準は平均を基礎とすることができる。統計的分布曲
線の広がり方は非直線的であり、その広がり方は平均値
が示すものより悪い。さらに、判断基準は線路に沿つて
の信号トラヒツクに依存し、その関数となる。コンピュ
ータデータの誤り率は、ビデオデータよりも遥かに小さ
くなくてはならない。もし、通信装置が主としてデータ
伝送に用いられる場合には、許容されるビデオデータの
誤り率を調節した後、ビデオ速度より低い速度でデータ
を伝送することによつて誤りの発生を減少せしめうるこ
とが、適当な設計の判断基準となる。例えば、商業ビデ
オにおいては108ボーの速度が適当であり、スタジオ品
質ビデオデータの供給には５×108ボーの速度が用いら
れる。これらのボー速度は現在コンピュータデータの伝
送に用いられているデータ速度よりも大きい。
変調がパルス符号技術の１つによつて行なわれる場合の
パルス帯域幅が、適度のパルス波形を保存するのに要求
される帯域幅を越えることは、群速度分散の観点から、
また自然ラマン散乱から生じる余分な雑音を情報搬送信
号チヤネル内に導入することから、望ましくない。信号
の波長成分の群速度分散は、信号チヤネル内における波
長の広がりに比例する。従つて、余分なスペクトル幅
は、分散のために信号パルスを不必要に広げることにな
り、そのために信号処理すなわち信号調整なしに信号が
伝送されうるフアイバの長さが減少することになる。
従来においては、信号波形の分散および劣化を最小限に
するために、零分散かつ／または広範囲にわたつて低分
散を示すフアイバを発展させるために実質的な努力がな
されてきた。さらに、分散領域を長波長、低周波の領域
へ偏移させることによつて、好適波長においての減衰を
小さくする試みもなされてきた。
本発明においては、それぞれのチヤネルの波長の広がり
を狭くすることによって分散問題は殆ど完全に解決され
る。このようにして、情報保持信号は、任意の所望領域
内において、その領域内における分散が小さいか否かに
拘らず、伝送されうることになる。さらに、少数の信号
チヤネルを極めて高い変調速度で使用するのとは反対
に、多数の間隔の狭い信号搬送チヤネルを低変調速度で
使用することによつて、利点が得られる。比較的低い変
調速度で変調された信号においては、極めて高い変調速
度を用いた場合の小さいパルス幅とは反対に、それぞれ
のパルスが長い持続時間すなわちパルス幅を有するた
め、該信号は分散劣化をあまり受けないのである。本発
明においては、通常使用される最高の信号源によつて与
えられる変調速度より高い変調速度は好ましくは用いな
いようにする。すなわち、パルス変調された３色ビデオ
は、108パルス毎秒程度で変調される。
自然ラマン散乱からの信号チヤネル内への余分な雑音の
導入に関しては、フアイバのそれぞれの可能な電磁状態
内へのポンプビームの自然ラマン散乱は、単位時間あた
りの光子数Ｓによつて表わされる。Ｎを既にその状態に
ある光子数とすれば、誘導散乱の速度はSNになる。パル
ス変調された信号の伝送という観点からは、パルス幅に
等しい任意の一定時間内には、パルスが存在している
か、またはいない場合がある。もしパルスがなければ、
パルスのない時間間隔に対応するそれぞれの可能なフア
イバの電磁状態内へＳ個の光子が散乱される。一方、同
じ持続時間のパルス幅内へは、もしそのパルス内にＮ個
の光子が存在していれば、SN個の光子が誘導される。パ
ルス間隔から得られる増幅された信号は、この場合 Ｎout＝（Ｎin＋ｎ）Ｇ−ｎ になる。ここに、Ｇは利得であり、ｎはパルス内の可能
な電磁状態の数である。また、Ｎinは増幅領域へ入る際
のパルス間隔内にある光子数であり、Noutはその領域か
ら出る際のパルス間隔内にある光子数である。利得がＧ
＝１（増幅なし）の場合には、それぞれの間隔内の光子
数は不変である。一方、利得Ｇが比較的に大きい場合
は、パルスのない間隔は、その時間間隔内の電磁状態の
数をｎとするとき、あたかもｎ個の光子を含んでいるか
のように作用する。パルス間隔内の電磁状態数ｎは、帯
域幅のパルス繰返数に対する比に比例するので、必要以
上に大きくない帯域幅を用いれば、パルス波形は適度に
維持され、信頼性のある情報伝送が行なわれることにな
る。
容易にわかるように、多数のラマン信号増幅器RAが直列
をなして存在し、それぞれの増幅器がそれぞれのパルス
のない領域にｎ個の光子を与える場合には、パルス間隔
と無パルス間隔との間の存在光子数比は急速に劣化し、
それによつてパルスの識別は次第に困難になる。従つ
て、所望の波形忠実度に適合する最小の帯域幅を使用す
ることが望ましい。さらに、直列をなすラマン増幅器RA
の総数をＲとし、パルス間隔の幅毎の状態数を再びｎで
表わすとき、信号処理を行なう前の信号レベルは、１パ
ルス内の光子数が20×Rnとなるレベルより低下すること
は許されない。これらの判断基準は、多数のラマン増幅
器を用いる状況下におけるSN比レベルを適当な状態に保
つためのものである。
さらに、パルス繰返数（PRR）の１ないし２倍の帯域幅
ならば適当であることがわかつている。帯域幅が２倍で
ある場合は、光子数に対する判断基準は前述のＮ＝100R
よりもゆるやかになる。帯域幅がパルス繰返数の５倍で
ある場合には、判断基準は同じになる。従つて、帯域幅
がパルス繰返数の５倍を超えて広げられると、電力レベ
ルを増大させる必要を生じる。
分散および増幅器雑音の双方とも、それぞれのチヤネル
の帯域幅を制限することによつて所望通りに制御でき
る。帯域幅を制御すれば、任意の一定スペクトル領域内
のチヤネル数を増加させ、それによつて一定数のチヤネ
ルにおける諸チヤネルをラマン利得曲線のより狭い範囲
内に収めることもできる。信号搬送チヤネルの選択され
た組を、第４図のラマン利得係数曲線の領域「Ａ」のよ
うな狭い領域内へ圧縮すなわち集合化すれば、これらの
チヤネルの組を通じてほぼ平坦な利得を実現することが
容易になり、また、短波長、高周波のチヤネルから長波
長、低周波のチヤネルへのエネルギの移動が所望される
ように少なくなる。これに関連して、データ受信装置に
おいてチヤネルの識別を効果的に行ないうるために、チ
ヤネル間の間隔は、変調速度より小であつてはならず、
かつ、変調速度の３倍より大であつてはならない。
第２図のラマン利得曲線を参照すれば、チヤネルの圧縮
すなわち集合化の望ましい特徴がわかる。図示されてい
るように、ラマン増幅器の利得スペクトル上における利
得は、ポンプビームと信号搬送チヤネルとの間の波数差
とともに一様でない変化をする。チヤネルの広がりが比
較的大きい場合は、諸チヤネルに与えられるそれぞれの
利得は等しくならず、あるチヤネルは他のチヤネルより
も大きく増幅されることになる。この等しくない増幅す
なわち利得の効果には、それぞれの追加のラマン増幅が
乗算される。チヤネル帯域幅を狭く集合化すなよわち圧
縮すると、チヤネルスペクトルおよびスペクトル位置
は、第４図の利得領域「Ａ」のようの諸チヤネルを通じ
て平坦な利得を与えるようになつているラマン利得係数
の部分に集められる。
ラマン増幅器のポンプビームの導入に伴う１つの効果
は、ラマン増幅器のポンプビームからエネルギを受けて
ブリルアン後方散乱が発生することである。融解シリカ
においては、ブリルアン散乱の利得スペクトルの大きさ
は、ラマン散乱利得スペクトルより遥かに大きいので、
ラマン増幅器のポンプビームエネルギが所望の増幅され
た信号に変換されることなく、波長のわずかに偏移した
後方への進行波に変換される傾向が生じる。この自然ラ
マンブリルアン散乱によつて発生した波が、ラマン増幅
器のポンプビームと反対の方向に進むとき、自然波はさ
らにブリルアン散乱を誘導して増幅される。もしラマン
増幅器のポンプビームのスペクトル線幅がブリルアン散
乱の線幅より小さければ、この増幅率はラマン増幅の増
幅率の100倍程度の大きさになる。従つて、後方へのブ
リルアンビームが全信号電力の1/100に達すると、ラマ
ンポンプビーム電力の1/2が望ましくない後方進行波に
変換されるようになり、その後は極めて急速に、ポンプ
電力の殆ど全てが望ましくない波に変換されることにな
る。
ブリルアン後方散乱は、ポンプ電力の損失の原因になる
だけでなく、それは増幅を変動させる原因にもなる。詳
述すると、ラマン増幅器のポンプビームがターンオフさ
れた時、その立上り区間は自然後方散乱を発生し、それ
はラマンポンプビームの後続部分によつて累進的に増幅
される。ブリルアン散乱によつて生じた波がさらにフア
イバ内を進行して行くとき、ちようどフアイバに入つて
来た部分はその後方進行波によつて次第に大きく「逆増
幅」される。フアイバ内を十分に透過した後には、ちよ
うど入つて来た波の部分は、後方進行波に完全に変換さ
れる。その後は、ポンプ波の強度は振動することにな
る。もちろん、これによつて所望信号のラマン増幅は変
動することになり、増幅の非効率の問題よりも大きい重
大問題が発生する。
上述の、ラマン増幅器のポンプ波の動的過程および効率
は、第３代の波の発生、すなわちブリルアン後方波から
のブリルアン後方散乱の発生によつて、また、４光子混
合過程から起こるスペクトル線の拡大によつて、さらに
複雑化される。上述の、ラマン増幅器のポンプ電力のブ
リルアン後方波への変換、およびこの後方波から生じる
時間的変動を防止する、また最小化するためには、ポン
プビームをスペクトル的に広げることが望ましい。ブリ
ルアン利得はラマン利得よりも遥から大きいが、スペク
トル的には極めて狭い（約７×107Hz）。しかし、第２
図には極めて広くして示されている。従つて、ラマン増
幅器のポンプ線が１つではなく２つ使用され、それらが
７×107Hzより大きい間隔をもつていれば、それぞれの
ポンプビームは自身のブリルアン後方波とは相互作用す
るが、他のポンプビームの後方波とは遥かに小さい相互
作用しかしない。しかも、ラマン利得は極めて広いの
で、双方のポンプ線は組合わされることによつて、一定
の信号チヤネルまたは信号チヤネルの組をポンプするよ
うになる。ラマンスペクトル線は２つ以上（所望される
ラマン利得の１デシベル毎に、７×107Hzより大きい間
隔をもたせて）用いることが望ましい。もし、ラマンポ
ンプ線が上述の７×107Hzより広がつていれば、この規
則はそれに対応して緩和される。
ここに述べる実施例においては、ラマン増幅器のポンプ
源としてソリツドステート・レーザダイオードが用いら
れる。レーザダイオードのスペクルト線幅は通常107Hz
よりずつと大きいものとされているが、必ずしもそうで
はない。もし、そのようなダイオードが連続電力モード
で（変調されずに）使用される場合は、全電力は最終的
には１スペクルト線内に入ることになり（特に、レーザ
ダイオードがそれを行なうように設計されている場合
は）、その線はスペクトル的に極めて狭くなる。正確な
波長は時間的にいくぶん変動するが、これによる周波数
変動が連続的かつ高速度で起こらない限り、この周波数
変動はブリルアン後方波の影響を防止または打消すため
には役立たず、事実そのようには起こらない。従つて、
本発明においては、いくつかのスペクトル線が供給され
る。多数のダイオードを用いると、信頼性も増大する。
もし、１つのダイオードが故障しても、信号搬送チヤネ
ルに与えられる全体的利得はわずかしか低下しないので
ある。
多数のレーザダイオードの使用により、従来利用されて
いた古典的レピータの場合にはなかつた、故障時にも動
作しうるという特性が得られる。
複数のレーザダイオード源を使用して複数のスペクトル
線を供給するほかに、ダイオードに入力される電力を変
調することによつてソリツドステートレーザの出力スペ
クトルを信頼性をもつて慎重に広げ、それによつて複数
のスペクトル線を発生させることもできる。例えば、変
調速度が５×107Hzより大であれば、（変調された信号
線のフーリエ変換から）少なくとも２つの狭いスペクト
ル線が発生せしめられる。電力入力を信号変調周波数の
５倍より小な任意の周波数で変調すると、信号チヤネル
に利得のリツプルを与え、それが信号の識別および解釈
を妨害するようになる。ブリルアン後方波を防止するの
に適する１レーザダイオードあたりの電力より多くの電
力が用いられ、変調によるスペクトル線の分裂または拡
大が用いられる場合には、その変調速度は少なくとも信
号変調速度の10倍でなければならない。さらに、ラマン
ビームを、信号の群速度と異なる群速度で進行させるこ
とにより、ラマンビーム内の任意のパターンによつて信
号チヤネルを掃引し、それによつてインプリント（impr
inting）を減少させる装置を備える。
信号チヤネルに過度にインプリントしないための最大リ
ツプル波長に対する判断基準は、まずラマン増幅が起こ
る伝送線路の長さを確定することによつて得られる。こ
れはもちろん、線路損失その他の損失によつて変化す
る。損失が現実的な0.25dB/kmであると仮定すると、そ
の場合のラマンポンプ電力の低下因子は10kmに対して２
となる。もし、信号電力への転化によつてポンプ電力の
低下がこれより速くなるならば、もつと短い長さを用い
る。
安全なリツプル波長の最大値を計算するためには、ポン
プビームの群速度と、信号チヤネルの群速度との差に増
幅長を乗じ、それを該両群速度の平均値で除算したもの
が、ダイオードの変調速度に対応するリツプル波長より
大でなければならないとする。これは次の不等式によつ
て表わされる。
いくつかのラマンポンプ線を用いると、短波長のポンプ
線が長波長のポンプ線をポンプする傾向を生じる。従つ
て、相次ぐそれぞれの低周波、長波長のダイオードの出
力レベルは、信号チヤネルに対する全体的に平坦な利得
曲線を得るために下方へ調節、または補償されるべきで
ある。
変調速度が108パルス毎秒である場合には、ポンプビー
ム内のスペクトル線間の間隔は少なくとも109sec-1であ
るべきである。同様にして、２つのスペクトル線間に生
じる任意のビートパターン（および複合ビートパター
ン）は、レーザダイオードの変調に対して上述された判
断基準と同じ判断基準に従う波長をもつたリツプルを発
生するべきである。従つて、信号の帯域幅に比し波長的
に広い間隔をもつたポンプビーム内のスペクトルを作り
出すための装置も備えられる。
上述のように、ブリルアン後方散乱を最小にするには、
ラマンポンプビーム内に複数、例えば20の、スペクトル
線を含ませることが望ましい。それぞれが１つのスペク
トル線をもつた20の別別のレーザダイオードを用いる
か、または、多重線を与えるように変調されたもつと少
ない数のダイオードを用いるかは、得られる１ダイオー
ドあたりの電力、予想される信頼性と寿命、および伝送
線路に沿つて印加される信号数、による。最適の構造設
計は、ダイオードのコストと動作特性とがさらに進展す
れば変化することになる。いずれにしても、信号の多重
化、検出、および再生には１チヤネルにつき１個のダイ
オードを必要とするので、波長チヤネル数が１ラマン信
号増幅器あたりのダイオード数を超える時は、前述のラ
マン形信号増幅器は経済性のみから正当化される。現段
階の技術においては、こきに述べるラマン信号増幅器
は、少なくとも20の波長別チヤネルが存在するならば、
成分コストの点のみから、その使用が正当化されるので
ある。さらに、信頼性の因子を考慮に入れても、ここに
述べるラマン信号増幅器は、チヤネル数が少ない場合に
は正当化される。
第１図に関連して説明したように、長い伝送線路に沿つ
ていくつかのラマン信号増幅器を使用するのが、最も厳
格で最も見事な結果を与える使用法であるが、単一のラ
マン信号増幅器を使用しても、ある場合には利点がえら
れる。例えば、広汎な変調、スイツチング、および多重
化を要する極めて短い通信装置においては、ここに述べ
た形式のラマン増幅は信号増幅を行なうのに使用されう
る。またそれは、線路が短くても、信号を一回ポンプす
るのに有利である。
さらに、市内回路網、市内分配装置、または交換局にお
いては、単に検出および識別の信頼性を高め、経済的で
感度の低い検出器を使用しうるように、光子雑音を防止
するために必要である以上のレベルまで信号を増幅する
と有利である。
信号パルスの発生に関しては、パルス繰返数が低い場合
には、通常のソリツドステートレーザダイオードで十分
である。しかし、108パルス毎秒のパルスの発生には、
通常のソリツドステートレーザは実用的ではない。その
わけは、出力が狭いスペクトル幅のパルスではなくなる
からである。レーザダイオードが電流パルスを受けた後
発振を開始すると、それはまずいくつかの次数をもつた
共振線を発生するが、ピークに最も近い次数のものの実
質的利得が最大である。この中央次数のものは、ダイオ
ードがそのように設計されていれば、側部次数のものか
らエネルギを取出し、最終的には中央共振線は次数に狭
くなるが、若干のドリフトを伴う。従つて、この形の出
力は、ここで説明される種類の、狭い線を用い、高度に
多重化が行なわれる装置には適さない。
上述のことにかんがみ、本発明の実施例であるパルス信
号発生器SGは、外部の干渉計形空胴すなわち共振空胴装
置を有する、増幅器として動作する利得媒体を組込んで
おり、これが組合せ装置のスペクトル出力を正確に制御
する。第５図に示されているように、公知の利得媒体18
は、この利得媒体を付勢してその原子レベルにおける原
子分布数の逆転を行なうための公知の装置を有してお
り、また反射端24を備え、光フアイバピグテール22に結
合せしめられていて、これに出力を供給する。光フアイ
バピグテール22は、フアブリーペロー共振装置20に横方
向結合せしめられており、フアブリーペロー共振装置20
はさらに幹線12に横方向結合せしめられている。第５図
のパルス信号発生器SGにおいて、フアブリーペロー共振
器20は、所定波長の光エネルギを発振させ、それを利得
媒体18を通して、組合せ装置がレーザ作用によつて所望
波長の出力を発生するまで後送する。パルス信号発生器
SGは始動が遅いので、高速の高繰返数パルスの発生また
は高速変調には適さない。しかし、パルス信号発生器SG
がいつたん発振すると、その波長出力はフアブリーペロ
ー装置と同様に実質的に安定する。フアブリーペロー装
置20は、この装置における「はずみ車」として作用す
る。従つて、利得媒体18からエネルギが取出されても、
パルス信号発振器SGは、空胴の長さにそのフイネスを乗
じたものに対応した追加時間の間エネルギを発射し続け
る。この外部同調形組合せ発振器は、このようにして狭
いスペクトル線源として使用することができる。容易に
わかるように、第５図の信号発生器SGは、もしフアブリ
・ペロー空胴20が後述のように高速同調可能なものであ
れば、狭スペクトル線変調源としても使用できる。
第5a図には、固定周波数の信号が存在する （すなわち、期間ΔT1内）か、または存在しない（すな
わち、期間ΔT2内）ようにする、通常のパルス発振変調
方式が示されている。情報は、パルス符号変調方式にお
いて通常行なわれるように、期間ΔＴ内に信号が存在す
るか、しないかを検出することによつて受信される。第
5b図には、本発明における波長偏移変調方式が示されて
いるが、この図においては、実質的に一定振幅の信号
が、期間ΔT3内においては第１の所定波長λ０を、期間
ΔT4内においては第２図の選択波長λ１を有するように
変調されている。第5b図においては、波長λ１は波長λ
０より長い。情報は、一定振幅の波形に対して波長偏移
を施すことによつて与えられ、同様にして相次ぐ期間Δ
Ｔ内における偏移を検出することによつて復号される。
本発明においては、第5a図または第5b図の変調方式が使
用できるが、第5b図に示されている波長偏移変調方式の
ような、信号振幅を一定にしうる変調方式の方が好まし
い。そのわけは、そのような変調方式においては、１信
号チヤネルが他の信号チヤネルを誘導ラマン散乱または
その他の非直線効果によつて増幅する直接漏話も、また
１チヤネルの信号が消耗することによつてラマンポンプ
ビームにインプリントし、さらにポンプビームが他の信
号チヤネルにインプリントする間接漏話も、共に最小化
されるからである。
上述の波長偏移変調においては、一定振幅の信号が発生
せしめられるので、漏話によるチヤネル間の変調は、波
長によるラマン利得の変化に波長変化を乗じたものに比
例するのみとなる。波長偏移は極めて小さいので、この
効果は無視できる。波長偏移変調においてはまた、一定
の変調速度で送信するのに必要とされるスペクトル線幅
が減少せしめられる。
上述の波長偏移変調によつて使用される第５図の信号発
生器においては、フアブリ・ペロー空胴20内に蓄えられ
たλ０のエネルギは、直ちにλ１に偏移する。ここに、
添字０は最初の状態を示し、添字１は最後の状態を示し
ており、光学的長さo/λ０＝光学的長さl/λ１になつて
いる。このようにして、フアブリ・ペロー空胴20は、エ
ルルギの放出および再補充を持つことなく直ちに変化し
た共振波長に同調することができ、波長偏移変調方式を
用いて高い変調速度を達成することができる。組合せ装
置によつて発生せしめられたエネルギは、最初に偏移せ
しめられた波長が共振空胴20から帰つて利得媒体18に入
ると直ちに波長を偏移せしめる。この変調応答の時間遅
延は従って、ほとんど全てが、共振空胴20の経路長を変
化させるための機械的または物理的時間遅延である。
このエネルギ源の主たる利点は、共振空胴20が利得媒体
18から分離されているために、波長出力が、出力の波長
を不安定にする傾向がある利得媒体18内の状態によらな
くなる点にある。その理由は、共振フアブリ・ペロー空
胴20のフアイバー構成が熱的変化に影響されにくく、従
つて通常の利得媒体およびこれに関連するエネルギポン
プ構造よりも容易に熱的影響を受けないようにできるか
らである。
公知にように、フアブリ・ペロー空胴は多くの共振次数
を有するが、もし所望ならぱ、不必要な次数のものは装
置自体の内部で抑制するか、または外部フイルタを用い
て抑制することができる。フアブリ・ペロー空胴の不必
要な共振次数が外部的に抑制される場合には、フアブリ
・ペロー空胴内に存在する諸線は得られるダイオード出
力を使用するので、所望の共振線の方に得られるエネル
ギは減少し、そうでなければ一定エネルギレベルのパル
スであるはずのものの内にリプルを生ぜしめる。不必要
な共振次数は、第5c図に示されている装置を用いて抑制
できる。そこに示されているように、利得媒体18の左端
の鏡24は、右側のものと同様のフアイバピグテール22′
とフアイバフアブリ・ペロー空胴20′とによつて置き換
えられている。左端のフアブリ・ペロー空胴20′は、共
振線特性が右側の空胴20に対してバーニアとしての関数
を有するように設計されているので、所望次数の共振の
みが、右側におけるその次数の共振と一致する。容易に
わかるように、第5c図の示されているような２重フアブ
リ・ペロー空胴20および20′は全体として、所望のスペ
クトル線において実質的なエネルギレベルで共振する信
号発生装置を構成する。第5c図に示されている装置にお
いて、左側のフアブリ・ペロー空胴20′は、同時に両装
置を変調する必要がないように、波長変調による同調偏
移を共振線の幅内にあるようにする低いフイネスをもた
なくてはならない。
第５図および第5c図に示されているような、光フアイバ
ピグテールによる、利得媒体とフアブリ・ペロー共振器
との結合は、反射端をもつたピグテールが変調されるレ
ーザダイオードに結合せしめられる従来技術の装置とは
実質的に異なる。後者の場合には、共振空胴は光フアイ
バピグテールとこれに結合したレーザダイオード空胴と
の双方から構成される。もし、ダイオード空胴上のピグ
テールの有効共振空胴長が、光Ｑ空胴の1/2幅内の任意
の波長の約1/4ラジアンより小さくなければ、装置は発
振しない。レーザダイオードは、ある量のエネルギをそ
のボデー内へ捨てるが、その量は、ダイオードがレーザ
作用をしているか否かによる。また、ダイオードがレー
ザ作用を行なわなくなると、ダイオードは温度変化を受
け、従つて光路長が変化する。この偏移は、位相の損失
量がレーザ作用を再開させるようになるまで、継続され
る性質を有する。この性質は、フイブリ−ペロー空胴20
に対するピグテール長が増加するのに伴つて一層生じや
すくなるので、この性質は本発明においては抑制されな
くてはならない。過度に長いピグテールから生じる望ま
しくない結果は、すでにピグテール内において第１波長
でダイオードの方向へ進行している波列が、１往復して
フアブリ・ペロー空胴内へ帰るまで同じ波長を保持し続
け、その後になつてから波長偏移が行なわれることであ
る。従つて、上述の装置がスペクトル的に狭い変調器と
して用いられ、フアブリ・ペロー共振器が波長出力を変
化させるためのパルスを受けると、それは最初そのエネ
ルギを出力幹線上へ放出し始める。ピグテール／利得媒
体内の往復時間に等しい期間の間、適正波長のエネルギ
はフアブリ・ペロー空胴内へ補給されない。その期間が
経過すると、初めて正しい、偏移された波長の光がフア
ブリ・ペロー共振器から出て利得媒体を通つて帰り、フ
アブリ・ペロー共振器のエネルギレベルは再び補給を受
け始める。
接続用の光フアイバピグテールが長くなると、エネルギ
補給のないこの期間はもちろん長くなる。もし、エネル
ギ補給のない期間がある上限を超えて増大すると、光フ
アイバ幹線への出力エネルギは容易にわかる程度に低下
する。過度に長いピグテールから起こる最終的結果は、
２つの交番波長から成る一定レベルの出力ではなく、減
衰する形式の出力を生じるようになることである。もち
ろん、一定振幅の信号が所望される場合にはこの状態は
望ましくないので、適当な長さを正しく考慮するか、ま
たは別種の信号発生器を用いることによつて回避され
る。
第5d図には、この効果を軽減するための信号発振器の別
の適当な実施例が示されており、この実施例はやはり、
利得媒体18と、端部鏡24と、好ましくは関連のフアブリ
・ペロー空胴20の長さの10倍より小さい短い長さのピグ
テール22と、発振を起こすためにピグテール（または、
もつと一般的な意味では、低Ｑ空胴内のある要素）の光
路長を変化せしめる光学的に駆動される帰還装置と、を
含んでいる。これは、ピグテール22から、またはその代
わりに低Ｑ空胴のある部分から光の小部分をタツプフア
イバ23を用いて取出すことによつて行なわれる。例え
ば、フアブリ・ペロー空胴内の反射率は決して100％で
はないので低Ｑ空胴内の光の相当部分はピグテール22内
にある。このエネルギの全部、または一部が、光応答装
置PDを作動させるために用いられ、光応答装置PDは、公
知のように動作する理論回路LCを駆動するが、これにつ
いては後述する。
もし、ピグテール22からエネルギが来ないか、または極
めて低レベルのエネルギしか来ない場合には、論理回路
LCは制御信号「CTRL」を発生し、この信号が低Ｑ空胴の
光路長を変化（増加または減少）させる。それは、発振
（すなわち、レーザ動作）が起こるまで、変化を１方向
に緩やかに駆動し続ける。次に、帰還制御回路技術にお
いて公知のように、帰還出力信号「CTRL」がピグテール
22から最大量のエネルギが得られる向きに駆動を行な
う。駆動速度の任意の変動（例えば乱調）は、複合２重
空胴内に発振を確立するために必要な全体的時定数に対
応したものとなる。例えば、もしフアブリ・ペロー共振
空長20が108Hzの半値幅を有する場合は、発振が確立さ
れるための時間長は10-8秒より大であり、かつ10-7秒よ
り小である。
第5d図に示されている帰還回路によつて、装置は利得媒
体18の光路長に低速の変動があつても、適度によく同調
された状態に留まる。信号そのものと混同させる可能性
のある、望ましくない振幅またはレベルの変動の印加を
避けるためには、帰還ループの時定数を少なくとも装置
のパルス繰返数の10倍から100倍の長さにして、帰還ル
ープによつて与えるられる振幅またはレベルの補正が多
数のパルス上に広がる形で行なわれ、データ受信装置に
対しての識別問題が起こらないようにしなければならな
い。２重空胴光回路の全体は、この回路を熱的および機
械的な衝撃および変動から遮断して、スプリアス信号出
力が形成されないようにして取付ける必要がある。もち
ろん、利得媒体18および帰還電子回路に対する電源も、
雑音やトランジエントのないものであるべきである。
結合後（どのような結合装置が用いられたかによら
ず）、利得媒体18の２面間の反射を十分に減少させて、
利得媒体18そのものの内部の往復路における損失が、組
合わされて延長された空胴の事実上の端部間の往復路内
における損失よりも大きくなるようにすべきである。こ
れによつて、利得が発振を起こすまで増大せしめられた
時、フアブリ・ペロー空胴20によつて制御される所望モ
ードが、利得媒体18の不必要な内部発振へエネルギを失
わないようになる。
第５図、第5c図、および第5d図に関連して上述された装
置によつて行なわれる波長偏移変調は、単に出力信号を
して、２つの出力波長（すなわち、第5b図に関連して上
述されたλ０またはλ１）の一方に同調せしめられたも
う１つのフアブリ・ペロー装置を通過せしめに変換され
うる。信号発生器の２つの出力波長の一方に同調せしめ
られた、このもう１つのフアブリ・ペロー装置の出力
が、所望の振幅変調信号出力になるのである。このもう
１つの同調フアブリ・ペロー装置の使用は、変調器のも
つと古典的なオン／オフ・キーイングよりは好ましい。
そのわけは、オン／オフ・キーイングは、パルスの正確
な制御を妨げ、高変調速度を人工的に制限し、データ受
信装置内にパルス識別問題を発生させる、リンギングを
起こす可能性があるからである。
前述のレーザダイオード／フアブリ・ペロー信号源はま
た、変調器としてではなく、狭いスペクトル線の光源と
しても使用できる。しかし、変調を行ないたい時には、
第６図に示されている、所望の波長偏移変調を行なうた
めのフアブリ・ペロー装置の好適な実施例がある。そこ
に示されているように、その変調器は上部および下部の
延長支持部34aおよび34bを有する「Ｃ」字形断面をもつ
た取付具34を含んでいる。上部および下部の支持部34a
および34bの間には、両面に電極28および30を有する圧
電結晶26と、光フアイバ32とが取付けられている。電極
28および30には電源が接続されていて、励振電圧によつ
て結晶26を通常のように駆動する。結晶は電圧効果によ
つて物理的にひずみ、従つて、前述のフアブリ・ペロー
共振器を構成するフアイバ32に圧力を加えることにな
る。フアイバ32および結晶26の両者は、接合剤または他
の手段によつて取付具34上に構造的にいつしよに固定さ
れているので、振動する結晶26からの圧力は、よい信頼
性で光フアイバ32へ伝達される。容易にわかるように、
結晶26から加わる圧力によつてフアイバ32の光路長、従
つてフアブリ・ペロー空胴の共振特性は効果的に変化せ
しめられる。
一般に、光フアイバは２つの偏波モードを有し、加わつ
た圧力は１偏波モードの径路長を、他の偏波モードの径
路長よりも大きく変化させる。従つて、前述のように変
調されたフアブリ・ペロー共振器は、２つの偏波状態に
起因する２組のスペクトル線を有することになる。第２
の所望されない偏波状態は、以下に述べるように単一偏
波フアイバを使用するとによつて消去される。
単一偏波光フアイバは、（第6a図に示されているよう
に）空胴38をもつたクラツド40内に単一モードコア36を
配置することによつて作られる。第７図には、波長の関
数としての伝搬定数のグラフが示されている。第７図に
おいて、P1およびP2は、空胴38内のコア36における２つ
の垂直偏波モードの伝搬曲線を示し、n1はコア36の屈折
率を示し、n2はクラツド40の屈折率を示し、１は空胴38
（すなわち空気）の屈折率を示す。波長領域（ａ）は、
１偏波モードが最低次数モードのカツトオフを越えてい
る領域である。第6a図に示されている光フアイバ構造
は、第５図、第5c図、および第5d図に示されている変調
自在フアブリ・ペローのフアイバ構成の代わりに単一偏
波モードの所望の変調を与えることができる。空胴38に
よつて表わされるような空胴をもつた光フアイバは、通
常の化学的蒸着によつて作られるプリフオームとして便
宜に製造することはできないが、化学的蒸着その他の方
法で作られたプリフオームは、公知のロツドアンドチユ
ーブ法（rod and tube method）に類似した方法、およ
び／または、公知の溶融光フアイバ製品に対して通常用
いられる多フアイバプリフオーム技術によつて組合せ
て、一層複雑なプリフオームにすることができる。
コア材料36と周囲のクラツド材料40との間には熱膨張特
性の不整合が与えてあるので、製造工程における綿引き
後にフアイバ32が冷却される時、フアイバ32内には永久
的な内部応力が発生する。この意図的な熱膨張特性の不
整合は、複雑屈折性を増大させるので、フアイバの偏波
保持特性を改善し、それによつて単一偏波モードのみが
優勢であるスペクトル領域を広げることになる。
上述の単一偏波光フアイバは、１モードが他モードに対
してカツトオフされる波長領域内で動作するかどうかに
拘らず、前述の単一偏波フアブリ・ペロー装置の構造の
及ばない諸利点を有する。この単一偏波光フアイバはま
た、伝送線路用の偏波保持フアイバとしても有用であ
る。上述の幾何学的構造を有する光フアイバによつて作
り出される複屈折性は、従来の文献に報告された最良の
結果と明らかに同等であるか、またはそれより良い結果
を与える。さらに、上述の幾何学的構造を有する光フア
イバは、外部摂動による偏光の１状態から他状態への散
乱を受けにくい。このフアイバになんらかの外圧が加わ
ると、主として複屈折の１主軸に沿つた応力を生じるの
で、いずれの主軸に沿つて偏波した光の偏波状態も殆
ど、または全く変化せしめられない。もし１つの偏波ネ
ードのみが存在する場合ならば、機械的な絶縁が依然と
して有用である。そのわけは、機械的絶縁により、外部
摂動に起因するその１つの偏波モードからの散乱によつ
て生じる損失が防止されるからである。
第５図、第5c図、および第5d図に示され、また以上にお
いて説明された変調自在ダイオード装置は、第１図およ
び第２図のラマンポンプビーム発生器の代わりの実施例
になりうる。それぞれのビーム発生器の横方向出力は、
第３図に示されているような波長選択タツプに整合させ
ることができる。さらに、もし発生器およびタツプの波
長が環境の変化によつて別々にドリフトを起こせば、不
整合と効率の問題が発生する。従つて、線路タツプ自体
が、上述の変調自在信号発生器のレーザダイオード出力
を制御するようにすると便宜である。従つて、フアブリ
・ペロー共振器は、好ましくはタツプ波長同調器の双方
として用いられる。前述のフアブリ・ペロー空胴は多重
共振線を有するが、第１図のラマン増幅器RA′によつて
代表されるラマン増幅ポンプビームとして用いれる時
は、この特徴を利点となる。そのわけは、後述のよう
に、ブリルアン後方散乱を防止するために、ラマン増幅
ポンプビーム内のスペクトル線の数を増大させることが
所望されるからである。
第１図に示されているようなタツプ装置は、幹線の長さ
に沿つて直列にいくつか配置され、それによつて完全な
ラマン増幅装置が形成される。横方向結合を用いている
ので、従来のレピータを用いた場合のように、光伝送フ
アイバの物理的完全性を損う必要はない。十分な出力と
ブリルアン後方散乱を防止するのに十分なスペクトル線
数とをもつていれば、ラマン増幅を行なうためには、１
つの発生器で十分である。しかし、信号源の故障を考え
ると、単一信号源では信頼性が低下するので好ましくな
い。従つて、複数の信号発生器を用いて、個々の故障に
よる装置の被影響度を低下させる。
第５図、第5c図、第5d図、および第６図に関連して上述
された形式のラマン増幅ポンプビーム装置は、幹線の短
い部分上の組立点にあらかじめ作りつけておくのが便宜
であり、この幹線挿入体は、もし所望ならば非波長選択
性結合を用いて主幹線内に接合することができる。別個
の線路の挿入によつて光フアイバの物理的完全性は中断
され、ポンプ線は両方向へ注入される。両方向性のポン
ピングは、第１図に概略的に示されている広域板フイル
タWBFのような広帯域フイルムタツプを装置のレーザダ
イオードの上流に配置することによつて克服される。幹
線に横方向結合せしめられるこのフイルタタツプは、全
てのポンプビーム用レーザダイオード線を通過させる十
分広い帯域を有すべきであるが、信号チヤネルを通過さ
せてはならない。タツプフアイバの左端部には鏡がある
ので左方へ進む光は反射されて線路内へ帰され、所望方
向へ進行せしめられる。左法／右方径路はもう１つの干
渉計を構成しているが、その諸フアブリ・ペロー共振器
との相互作用は、この通信装置に悪影響を与えることは
ない。
ラマン増幅ポンプビームに必要とされる全電力は、コア
材料、幹線のコア直径、所望の利得量、単位長あたりの
幹線損失、および全信号出力などの諸因子による。特定
の例を以下にあげる。
例 もし、コア材料が10％のゲルマニアGeO2によつてドープ
された融解シリカであれば、カツトオフ状態において単
一モードで動作する、直径４ミクロンのコアにおけるラ
マン利得は、ポンプ出力の１ワツトあたり、約50dB/Km
になる。この利得は、全信号出力がポンプ出力に比し小
さい限り、単位面積あたりのポンプ出力に比例し、幹線
の長さに沿つて単純な指数関数利得が生じる。もし、線
路損失が1dB/kmならば、有効増幅長は約6Kmになる。も
し、10dBの全信号利得が所望されるならば、1/30ワツト
のポンプ出力が必要である。もし、全信号増幅が1/30ワ
ツトを越えれば、所望される信号出力を十分に供給しう
る量の、さらに大きいポンプ出力が必要になる。
装置内における信号出力レベルを選択する場合、チヤネ
ル毎の最低レベルは光る雑音に関する前述は判断基準に
よつて決定される。最高レベルは通常、チヤネル間ラマ
ン増幅によつて決定される。もし、定振幅変調が使用さ
れる場合であれば、この効果から起こるチヤネル間の漏
話は無視できるが、信号レベルの調整に関して生じる諸
問題を回避するための注意が必要となる。前述のよう
に、短波長チヤネルは長波長チヤネルをポンプする。こ
の効果を補償するには、それぞれのラマン増幅段RA（ま
たはRA′）における短波長チヤネルによる利得が大きく
なるように合成ラマン利得曲線を整形して、短波長チヤ
ネルが長波長チヤネルをポンプするためのエネルギをも
つようにし、それによつて、より直接的な、すなわち
「等化された」増幅応答を実現すればよい。定振幅変調
が使用されない場合には、チヤネル間に漏話を生じる
が、これは信号レベルを下げることによつて制御されう
る。いずれの場合にも、最高ベレルは、用いられる信号
チヤネルの総数と、チヤネル間の間隔の影響を受ける。
たとえ、わずかな数のチヤネルしか用いられなくても、
最高信号レベルは他の非線形光学効果によつて決定され
ることになる。最高信号レベルは決定されえても、以下
の限界以内で動作させる方が安全である。
チヤネルスペクトルが300cm-1（波数）を越えない場合
は、１チヤネルあたり１ミリワツトを越えないように、
また全信号出力が100ミリワツトを越えないようにす
る。これは、１ないし1.5ミクロンの波長範囲での定振
幅変調を仮定している。ラマン増幅段あたりの所望利得
は、最高安全信号レベルの最低安全信号レベルに対する
比に等しい。
信号レベルの制御を行なう検出器および制御装置は、線
路12から出力の小部分を取出す部分タイプＴ（第８図）
から成る。タツプＴは必ずしも波長選択的なものでなく
てもよいが、そうであつてもよい。Ｔタツプに続いて３
つのフイルタタツプFT1、FT2、FT3があるが、これらの
帯域幅は極めて狭いものではない。それぞれフイルタタ
ツプは検出器D1、D2、D3に接続されており、これらの検
出器の出力はラマンポンプからの入力を調節するための
制御信号として使用される。いくつかの増幅区域を経た
後、真の帰還信号（第９図）が信号チヤネルから増幅の
後取出され、使用されていていチヤネルを経て上流部へ
帰還されて、分配信号レベルに対して追加の調節を行な
う。定出力レベルを伝送する１つまたはそれ以上の非変
調信号チヤネルが前記信号チヤネル間に挿入されて、基
本線路情報用に用いられ、それによつて伝送レベル情報
が得られる。活動する信号チヤネルは、レベルが各瞬間
における実際の変調速度によつて変化するために、これ
を単独て監視用に用いることは望ましくない。しかし、
前述の波長偏移変調信号発生器SGを利用した、波長偏移
変調を用いれば、諸チヤネルは変調とは無関係に一定レ
ベルを伝送することができ、そのそれぞれか単独で、ま
たはグループをなして下流部の出力レベルに関する情報
を供給することによつて前の増幅区域を制御することが
できる。
本技術分野に精通する者ならば容易にわかるように、特
許請求の範囲に定められている本発明の精神および範囲
から逸脱することなく、上述の実施例に対してさまざま
な変更および改変を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、周期的に信号の再生を行なうためにラマン効
果増幅を利用した本発明光通信装置の概略構成図、第２
図は、融解シリカにおける正規化されたラマン利得係数
およびブリルアン利得係数を示すグラフ、第３図は、ラ
マン効果光信号増幅器および信号発生器の実施例を示す
概略構成図、第４図は、本発明において使用される多重
ラマン効果ビーム増幅における、合成ラマン利得曲線
（破線）を示すグラフ、第５図は、本発明のパルス信号
発生器の実施例を示す概略構成図、第5a図は、情報がパ
ルスの存在または不存在によつて符号化されるパルス符
号変調方式を説明するためのグラフ、第5b図は、情報が
選択された波長の存在または不存在によつて伝送される
定振幅波長偏移変調方式を示すためのグラフ、第5c図
は、第５図に示されている信号発生器の別の実施例を示
す構成図、第5d図は、第５図に示されている形式の変調
自在信号発生器の概略構成図、第６図は、本発明に従っ
て信号変調を行なう変調自在フアブリ・ペロー装置の概
略構成図、第6a図は、第６図の変調自在フアブリ・ペロ
ー装置に用いられる単一偏波モードフアイバの概略構成
図、第７図は、第6a図の構造をもつフアイバの伝搬定数
を波長の関数として示すグラフ、第８図は、第３図のレ
ーザダイオードの制御を行なうための信号レベル検出装
置の概略構成図、および第９図は、前の増幅器を制御す
るための増幅信号情報の帰還構造を示す全体図である。 10……レーザ・ダイオード、12……主幹線、13……カツ
プラ線路セグメント、14……主タツプ、100……光フア
イバ通信装置、（SG）……パルス信号発生器、（S1、
S2、S3、…、Sn-1、Sn）……光フアイバセグメント、
（RA1、RA2、RA3、RA′）……ラマン増幅器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｂ 10/00 10/22

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】所定の材料で構成さたコアを光ファイバ伝
    送線路と、 該光ファイバ伝送線路に結合せしめられて、複数の情報
    保持光信号であってそれぞれが所定波長の別々のチャネ
    ルによって搬送されるような該複数の情報保持光信号を
    該光ファイバ伝送線路上へ導入し、該光ファイバ伝送線
    路によって伝送されるようにする情報保持光信号導入装
    置と、及び 該情報保持光信号導入装置の下流の所定位置において横
    方向に前記光ファイバ伝送線路に結合せしめられて全て
    の該情報保持光信号を集約的に光増幅する光増幅装置で
    あって、該光増幅装置が、該情報保持光信号のすべてを
    誘導ラマン散乱を利用して集約的に増幅するために、該
    情報保持光信号の波長に関連した所定の波長で光エネル
    ギを該光ファイバ伝送線路へ導入するための、少くとも
    １つの非回転対称光ファイバタップを含むような該光増
    幅装置とを備えることを特徴とする光ファイバ通信装
    置。
  2. 【請求項２】複数の情報保持光信号のそれぞれが所定波
    長の別々のチャネルを用いて光ファイバ伝送線路により
    伝送されるようになっている、所定の材料で構成された
    コアを含む光ファイバ伝送装置に用いられる増幅器であ
    って、 該伝送線路上の該信号が導入される位置の下流にある所
    定位置において横方向に該伝送線路に光結合せしめら
    れ、全ての該情報保持光信号を集約的に光増幅するため
    の光増幅装置が備えられ、かつ該光増幅装置が、該情報
    保持光信号のすべてを誘導ラマン散乱を利用して集約的
    に増幅するために、該情報保持光信号の波長に関連した
    所定の波長で光エネルギを該光ファイバ伝送線路へ導入
    するための、少くとも１つの非回転対称光ファイバタッ
    プを備えることを特徴とする増幅器。
  3. 【請求項３】次の各項記載のものを備えていることを特
    徴とする光信号発生器。 イ）細長い利得媒体、 ロ）該利得媒体内エネルギを導入して該利得媒体の原子
    分布数を逆転させることにより該利得媒体がその材料組
    成の特性による不規則さで相異なる波長をもった光エネ
    ルギを自然放出するようにする装置、及び ハ）該利得媒体の外部反射装置であって、該利得媒体に
    光結合せしめられており、該利得媒体から光エネルギを
    受けて該エネルギをあらかじめ選択された波長で振動せ
    しめ、該あらかじめ選択された波長の該エネルギを該媒
    体を通して帰還することによって誘導放出による増幅を
    行ない、それによって前記信号発生器をして出力として
    該あらかじめ選択された波長のコヒーレント電磁波を発
    生せしめ、前記外部反射装置が光エネルギを該あらかじ
    め選択された波長で振動させるように構成された共振フ
    ァイバ空胴を含んでおり、また前記利得媒体から実質的
    に分離されていることによって該利得媒体内の状態に比
    較的影響されないようになっているために、そうなって
    いない場合には不安定になる前記信号発生器の出力波長
    が安定化せしめられ、さらに前記外部反射装置が前記利
    得媒体の１端部に結合せしめられ該利得媒体から光エネ
    ルギを受けるようになっている伝達ファイバセグメント
    を含んでおり、前記共振ファイバ空胴が該伝達ファイバ
    セグメントに結合せしめられている。
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