JPH11512536A

JPH11512536A - 光パルス伝搬

Info

Publication number: JPH11512536A
Application number: JP9511743A
Authority: JP
Inventors: ペイン，デイビッド・ニール; グルディニン，アナトリー; ゴンチャレンコ，イゴール・アンドレービッチ
Original assignee: ユニバーシティ・オブ・サウザンプトン
Priority date: 1995-09-11
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 1999-10-26
Also published as: GB2346025A; WO1997010652A3; AU707426B2; EP0850515A2; GB0007939D0; AU6935196A; CA2231422C; US6498669B1; WO1997010652A2; DE69633291T2; EP0850515B1; GB2346025B; DE69633291D1; CA2231422A1

Abstract

(57)【要約】分散のある光ファイバを介して光パルスを伝搬させる方法であって、この光ファイバの第１部分を伝搬する間に非線形分散補償を与えるのに十分なパルス強度で光パルスをこの光ファイバに送り出すステップと、そしてその光ファイバの残る第２部分の分散を実質的に補償する対チャープ装置を設けるステップとを有する方法。

Description

【発明の詳細な説明】光パルス伝搬本発明は、光パルス伝搬に関する。群速度分散（ＧＶＤ）は、光ファイバ伝送システムの利用可能最大ビット・レートに限界を与える主たる現象である。短いパルスが光ファイバを伝搬すると、このパルスのいろいろなスペクトル成分が（ＧＶＤによって）異なる速度で伝わり、パルス広がりとなる。「青」（より短い波長）成分が「赤」（より長い波長）成分よりも速く伝搬するスペクトル領域を考えると（このような状況は、通常の非分散変移単一モード光ファイバで１３００ｎｍ以上の波長に対して起こる）、このパルスの前端にはより短い波長スペクトル成分を含み、逆に、より長い波長のものはこのパルスの後端に見られる。換言すると、瞬間的な周波数はパルスの中で変化し、パルスは「チャープ」されたのである。パルス広がりΔτは、 Δτ＝Ｄｚδλ で表すことができるが、ここで、Ｄはｐｓ/ｎｍ・ｋｍの色分散、ｚは光ファイバの長さ、δλはパルスのスペクトル幅である。伝送システムの最大パルス繰り返し周波数を制限するのは、このパルス広がりなのである。このパルス広がりを最小にする、あるいは減少させる知られている方法の一つは、パラメータＤが零に近い分散変移光ファイバを使用することである。高いビット・レートを得る別の方法は、光ファイバが作製されるガラス（通常、不純物を添加したシリカ）の非線形特性を使って群速度分散を補償（これを最小にしようとする代わりに）することである。シリカ・ガラスの屈折率は、線形成分と非線形成分の組合せで表現することができることが知られている。後者はｎ_n1＝ｎ₂Ｉの形で記述でき、ｎ₂は、いわゆる、非線形屈折率（シリカ・ガラスにおいては、２.６・１０^-16ｃｍ²/Ｗ）、Ｉは光の強度である。屈折率の非線形部分によって、位相変化 φ_n1＝ｋｎ₂Ｉｚ＝２πｎ₂Ｉｚ/λ が起こり（λは波長）、光の強度Ｉが時間によって変化するなら（光のパルスで見られるように）、屈折率の非線形性によって、パルスの中での瞬間的な周波数が変動する。実際、パルス位相は、 φ＝ω₀ｔ−φ₁−φ_n1＝ω₀ｔ−ｋｎｚ−ｋｎ₂Ｉ(t)ｚの形で記述でき、ω₀はパルスの中心周波数、φ₁は線形位相変移である。パルス位相の１次微分ｄφ/ｄｔ＝ω＝ω₀−ｋｎ₂ｚｄＩ(t)/ｄｔはパルスの瞬間周波数である。従って、屈折率の非線形性によって、分散によって誘起されたチャープに対して反対の符号のパルス・チャープとなる（１３００ｎｍより長い波長領域での光ファイバの分散が正と仮定して）。物理的には、光ファイバの非線形性によってパルスのスペクトルの赤成分が青成分より速く伝搬するので、この効果を利用することによって分散によって誘起されるパルス広がりを補償することができると解釈される。パルスの分散広がりを屈折率の非線形性を利用して打ち消すには、所定のパルス幅τ_cと分散に対して或るパルス強度が必要であるのは明らかである。非線形圧縮によって均衡を取られている分散広がりを持つこのようなパルスのことをソリトンという。これらの強度は、いわゆる基本ソリトンＩ_sの強度に対応しており、Ｉ_s＝０.３２２λ³Ｄ/（４π²τ² _c）の形に記述することができる。従って、分散が下がり、パルスが広がり、強度が落ちたら、分散によって誘起された広がりを補償する必要がある。ソリトンには多くの興味深い特性があるが、下記に最も重要なソリトンの特性を列挙している。これらは、これ以降＃１ないし＃７として参照する。１．ソリトンは、その時間・帯域幅の積がτΔν＝０.３１５であるが、ここでΔν＝ｃδλ/λ²はソリトンのスペクトル帯域幅である。２．ソリトンの位相は、そのパルスの中では一定である。３．ソリトンの時間的な形状はｓｅｃｈ²ｔ（ｔは時間）である。４．ソリトンの強度とパルス幅には相互関係があり、Ｐτ²＝Ｃｏｎｓｔ・Ｄ（通常、τ＝５ｐｓおよびＤ＝１ｐｓ／ｎｍ・ｋｍに対してＰ＝１０ｍＷ）。５．或る距離を伝搬すると、非ｓｅｃｈ²ｔパルスは、ソリトン（ｓｅｃｈ²ｔ）パルスと非ソリトン成分に進化する。６．スプリアス放射を伴ったソリトンは、修正されたパラメータ（中心周波数、強度、パルス幅）を持つ別のソリトンと、非ソリトン成分とに転換する。７．時間的に近接する２つのソリトンは、光学的場が重複することによって相互作用し合う。ソリトン間相互作用を回避するには、ソリトン間の分離時間は、それらのパルス幅の５倍以上なければならない。ソリトンが損失のある光ファイバを伝搬すると、その強度は低下し、ソリトン特性＃４によってそれは広くなる。ソリトンが広くなると、それは近接するパルスと相互作用をするようになり、このことは伝送システムでは容認されない。別の重要な問題はソリトン特性＃５に関するものである。損失のある光ファイバの中を伝搬する間に、ソリトンには或る距離で本質的に非線形のパルスにとどまって、そのスペクトル帯域幅が狭くなる結果となるが、その距離を伝わった後は、その強度は非線形屈折率を圧縮する効果にとっては不十分で、光ファイバの分散の均衡を取ることはできず、ソリトンは、スペクトルの広がりには何ら顕著な変化を受けないで、単に、時間的に広がるだけである。このことは、元々帯域幅を制限したパルスがチャープされたものになってしまうということである。ソリトンがより遠くへ伝搬すればする程、それは理想的なｓｅｃｈ²ｔ形状からかけ離れたものとなり、伝搬パルスの中の非ソリトン成分の割合の大きさが大きくなってしまうのである。増幅されると、この非ソリトン成分は、ソリトン特性＃５によって発せられる。物理的には、非ソリトン成分は、ソリトンよりも速く、あるいは遅く伝搬する分散パルスであって、主パルスに相互作用してそのパラメータを変え、あまつさえそれを破壊してしまうのである。この非線形結合の強さは、非ソリトン成分の強度に依存し、このソリトンの形状の「理想ソリトン」からの違いの度合いが大きければ大きいほど、非ソリトン成分が主パルスの伝搬に大きく影響する。この状況は、一連の光ファイバ・リンクと光増幅器の連鎖を通常有している伝送システムの中を、ソリトンが伝搬すると更に悪くなる。各ステージでソリトンは非ソリトン成分を発生し、数段階の増幅ステージを通ると、非ソリトン成分のレベルは高くなり、２つの場の間の非線形結合によってソリトンは壊れてしまう。このようにソリトン・パルスとこれに付随する非ソリトン成分との相互作用によって、ソリトンは不安定になってしまう。この効果を減らす方法としてかつて提案されたものの１つは、増幅器の間隔をソリトン分散距離ｚ_d、これはτ²/Ｄにほぼ等しいが、これより短くすることである。こうすることによって、必要な増幅器間隔を犠牲にして放射される非ソリトン成分の量を減少させるのである。この方法は高くつき、従って、商業的には望ましくない。例えば、群速度分散が１７ｐｓ/ｎｍ・ｋｍ当たりの標準的な光通信ファイバにおいては、分散距離は、５ｐｓパルスに対して０.５ｋｍ、５０ｐｓパルスに対して４０ｋｍのオーダーであって、増幅器の間隔は、通常、この距離以下でなければならない。改善法としては、特有分散が１ｐｓ/ｎｍ・ｋｍの分散変移光ファイバを使い、分散距離、即ち、適正増幅器間隔を５ｐｓパルスに対して７ｋｍ、５０ｐｓパルスに対して７００ｋｍの長さにすることができる。従って、実際的には、ソリトンの不安定性によって、パルス幅と増幅器間隔が制限されるだけでなく、ソリトン伝送システムには分散変移光ファイバを使用することが不可欠となる。ソリトン特性＃６に関して別の重大な問題がある。各増幅器において、少量ではあるが背景に増幅された自発放射がソリトンに加えられる。このノイズによって、ソリトン中心周波数を含めてソリトンのパラメータがランダムに変動し、ソリトンの到着時刻が不確実になってタイミング・ジッタとなってしまう。要約すれば、ソリトンと非ソリトン成分との非線形結合がソリトンの安定性を決めるキー・パラメータであって、増幅器間隔が適正な距離にしてあるシステムでソリトンを安定に伝搬させる最良の方法は、非ソリトン成分の量を減らすことである。このために、多数の実用的ソリトン伝送システムが、いわゆるソリトン伝送制御技術の利用を提案している。ソリトン伝送制御には主として２つの考え方がある。第１のものの主たるターゲットは、非ソリトン成分にソリトンより大きい伝送損失を与えて非ソリトン成分を減らそうというものである。非ソリトン成分を最小にする、あるいは減らすのに幾つかの方法が提案されている。第１の方法（［１］を付与した下記の引用文献１を参照）においては、振幅変調器がその伝送のピークでソリトンを通過させるように調節した。指定された時間スロットから外れた位置になってしまったパルスを再調節した。この方法の主な欠点は、伝送システムの全長にわたって間隔を置いて余分な変調器を組み込まなければならないということである。［２］に別のアプローチが示されているが、ここでは、光学フィルタ（いわゆる案内フィルタ）のピーク伝送周波数を光ファイバ・リンクに沿って設けてあるフィルタ・ステーション毎に次第に変えた。これによって、そのリンクが雑音に対して不透過で、ソリトンに対して透過的であるようにしている。しかし、周波数をスライドさせる技術には、非常に正確な光学フィルタのセットを正しい順序で光ファイバ・リンクに設けなければならないということがある。以前に提案された第３の技術は、非線形利得（あるいは損失）を利用することである。その着想の主たる点は、濾波と飽和吸収器との両方を使って、ソリトンが経験した損失に対して損失を付加して線形放射をさせるというものである。光ファイバ増幅器/飽和吸収器の組合せで線形利得の超過分が、それ以前の光ファイバ部で経験したソリトン損失を補償できる程に高いものの、線形放射損失を補償できる程度には高くない場合、非ソリトン成分を低いレベルに抑圧してソリトンを安定して伝搬させることができる。この方法の主な問題点は、飽和吸収器の回復時間が有限であるということである。従って、光学ソリトンの光ファイバ通信リンク内の伝搬を安定化させる改善された技術が必要である。このような技術があれば、高いビット・レートおよび/ または大きな増幅器分離を利用することが潜在的に可能になるのである。本発明は、分散光ファイバを介して光学パルスを伝搬させる方法を提供するものであって、この方法は、光ファイバに、この光ファイバの第１部分での伝搬中の非線形分散補償を行うのに十分なパルス強度の光パルスを送り出すステップと、そしてその光ファイバの残る第２部分の分散を実質的に補償する１つまたはそれ以上の対チャープ装置を設けるステップとを有している。本発明は、光ファイバでのパルス伝搬に新たな混成技術を提供する。最初、光ファイバの第１部分において、この光ファイバに送り出されるパルスは、光ファイバの分散を非線形分散補償をさせ得るほど強い。この光ファイバの第２部分において、光ファイバの損失とパルス広がりによって、パルスの強度が不十分で最早この効果を発揮し得ないほどになると、対チャープ装置を設けて第２部分での分散を補償させるようにする。この線形/非線形の混成技術によれば、伝送リンクにおける実用可能な増幅器間隔を大きくすることができる。対チャープ装置は、第２部分のどこに取り付けてもよいが、第２部分の出力にある増幅器パッケージの１部分とするのが好ましい。送り出しステップは、光送信機、別の光ファイバ、増幅器などからパルスを送り出せばよい。本発明の実施態様は、安定したソリトン伝搬を得る課題を非ソリトン成分の量を制御することによって解決している。この技術をチャープ帯域幅制限増幅（ＣＢＬＡ）と呼ぶ。前述のように、損失のある光ファイバをソリトンが伝搬すると、その強度は低下し、従って広がり、帯域制限されたパルスであったものがチャープされたものとなってしまう。増幅されると、チャープされた非線形パルスは基本ソリトンと非ソリトン成分とに分かれ、そして、何段かの増幅段を通ると、非ソリトン成分の部分が受け入れ難いほど大きくなって、ソリトンを壊してしまう（光ファイバの損失を補償するために光ファイバに高強度のパルスを注入したり、多ソリトン圧縮効果を利用してソリトン広がりを補償したりしても、更に高いレベルの非ソリトン成分が発生するので効果がなく、これもまたソリトンを破壊してしまうということを指摘しておかなければならない）。しかし、チャープへの対抗をソリトンに対して課して光ファイバ分散誘起チャープを補償すると、ソリトンは線形放射が減少し、壊れないでより遠くまで伝搬することができる。従って、本発明の実施態様においては、チャープ帯域幅制限増幅を利用して安定にソリトンを伝搬させるようにする。本発明は、また、対チャープ装置と帯域幅制限光学フィルタを有する光学的増幅器も提供する。本発明は、また、そのような増幅器を介して接続されている２つまたはそれ以上の単位長さの光ファイバを有する光学的伝送リンクも提供する。本発明は、また、光学的ソリトン様のパルスをそのようなリンクの入力に供給するために接続されている光送信機と、前記リンクから光信号を受信するために接続されている光受信機とを有する光通信装置も提供する。本発明は、また、分散のある光ファイバと、光パルスを光ファイバに送り出す光送信機であって、そのパルス強度がこの光ファイバの第１部分を通って伝搬する間に非線形分散補償をし得る程である光通信機と、そして光ファイバの残る第２部分の分散を実質的に補償する対チャープ装置とを有する光通信装置を提供する。本発明の別の側面および好適な特徴は添付の請求の範囲に定義してある。本発明の１つの側面に関して定義してある好適な特徴は、本発明の他の側面にも適用できるものとされたい。以下に本発明を添付図面を参照して例示によって説明して行くが、これらを通じて、同様の部分は同様の参照番号で参照しており、図１ａないし１ｃは、群速度分散と非線形性の現象を示している略グラフであり、図２ａおよび２ｂは、光ファイバ損失によるソリトン広がりを示している略グラフであり、図３ａは、一連の光ファイバリンクと通常の増幅器の連鎖の略図であり、図３ｂは、図３ａの連鎖を通るソリトンが壊れるのを示している略グラフであり、図４は、光伝送システムの略図であり、図５ａおよび５ｂは、それぞれＣＢＬＡ無しと有りの場合のソリトン伝搬を示している略図であり、図６は、ＣＢＬＡの前と後のソリトン位相を示している略グラフであり、図７は、チャープ帯域幅制限増幅器の略図であり、図８は、チャープ帯域幅制限増幅器の別の実施態様の略図であり、図９は、ＣＢＬＡを使用している光通信装置の略図であり、図１０ａは、部分的分散補償とスペクトル濾波を有する４０Ｇビット/秒システムにおけるパルス対の伝搬を示している略軌跡マップであり、図１０ｂは、部分的分散補償やスペクトル濾波の無い４０Ｇビット/秒システムにおけるパルス対の伝搬を示している略軌跡マップであり、図１１ａは、増幅器を通った直後の光パルスの瞬間的な形状を示している略グラフであり、図１１ｂは、増幅器間でのパルス位相変動を示している略グラフであり、図１２は、タイミング・ジッタと雑音光子の数を距離の関数として示している略グラフである。図１ａないし１ｃは、序論で述べている群速度分散と非線形性の現象を示している略グラフである。特に、図１ａには、光ファイバ・リンクを介して伝送されたパルスの強度が時間によって変化するのを示しており、図１ｂには、ＧＶＤによって誘起されたチャープを示しており、図１ｃには、光ファイバの非線形性によって誘起されている実質的に正反対のチャープを示している。図２ａおよび２ｂには、光ファイバ損失によるソリトン広がりを示している略グラフである。これらの図には両方とも、伝搬距離につれて、ソリトン・パルスのピーク強度が下がり、パルス幅が広がっていることを示している。時間の単位をソリトン・パルス幅に対して正規化しているが、距離の単位は任意である。図３ａは、序論で述べているような、一連の光ファイバリンク１０と通常の増幅器２０の連鎖の略図でる。図３ｂは、このような連鎖を通るソリトンが壊れるのを示している略グラフである。時間の単位は、ソリトン・パルス幅に対して正規化し、距離の単位は、光ファイバ分散長に対して正規化してある。図４は、本発明の実施態様に従った光伝送システムの略図である。ＣＢＬＡを使用したソリトン制御の方法を示すために、図４に描いている伝送システムについてシミュレーション・モデルを使って以下に説明する。図４において、このシステムは、或る長さの光ファイバ３０と、振幅伝送関数がＨ(ω)＝(１＋２ｉωＢ)^-1、ここで、ωはパルス中心周波数に対する光周波数、Ｂはフィルタの光学的帯域幅、の帯域通過光学フィルタ３０と、光増幅器５０と、そしてチャープ装置６０とを有している。分割ステップ・フーリエ法を使って非線形シュレーディンガー方程式を解いて、光ファイバ３０内の伝搬をモデル化した。チャープ装置については、Ａ(ω)→ Ａ(ω)ｅｘｐ(ｉαω²)に従って入ってくるパルスを変換するモデルを使ったが、ここでαはチャープ強度を表す無次元量である。フィルタのスペクトル帯域幅は、ソリトン帯域幅の４倍の広さに選定した。フィルタ４０とチャープ装置６０有り、無しでモデル化し、本発明の実施態様を利用する利点を示した。図５ａに、スペクトル濾波と反チャープの両方が無い場合のソリトン伝搬を示している。ソリトンは、数段の増幅段を通ると不安定になり壊れてしまっている。ＣＢＬＡの有るシステム（図５ｂ）においては、ソリトンは遥かに安定で、分散変移光ファイバの中を顕著な劣化を何ら受けずに１００００ｋｍ以上も伝搬することができる。増幅器間の損失は１０ｄＢで、増幅器間隔は３分散長に等しくしてある。フィルタによる付加的な利得は０.２ｄＢで、光学的チャープ強度パラメータα＝０.６、即ち物理単位では、５ｐｓパルスについて４ｐｓ²である。チャープの効果によって、増幅器間のパルス幅変動は２０％以下になり、これによって増幅器間隔を３分散長にすることができ、このことは、従来のソリトン・システムにとっての１分散長以下という要求とは比べようもない。図６は、ＣＢＬＡの前と後のソリトン位相を示している略グラフであるが、事実、チャープ要素６０の前と後のパルス位相を示している。図６は、損失で誘起されたチャープを殆ど完全に補償していることを示している。増幅器間で２０ｄＢの損失に対しても同様なソリトン安定性を得ることができるが、チャープ強度は上げなければならないということを指摘しておかなければならない。以下の議論については、ソリトンがその非線形特性を維持する距離をｚ_a＝Ｎ² /Γと定義するが、ここで、Γは１分散長での光学的損失で、Ｎは入力ソリトンの階数である。（この非線形長の定義は、損失有りの非線形シュレーディンガー方程式に対して摂動法が適用できるという内容の［４］で与えられているものに近い）。ソリトンが線形パルスとして伝搬する、増幅器間の光ファイバの残りの長さの間での分散広がりを最小にするためには、分散補償法を使わなければならない。補償されるべき分散の量(正規化した単位で)は、０.５（ｚ_a−ｚ_n）に等しい（ｚ_n≦ｚ_aの値に対して）。意図的にパルス反チャープをすると、光ファイバ分散をδ＝αだけ低減する効果がある。２つの量を等しくすると、増幅器間隔、光ファイバ損失および必要なチャープ強度の間の関係を簡単に、即ち、２α＝（ｚ_a−Ｎ²/Γ）にすることができる。この場合、１０ｄＢの損失に対してΓ＝０.７７、２０ｄＢの損失に対して１.５４であって、必要な対チャープ強度は、それぞれ０.５６および０.８２という理論値になり、これは数値計算によって見出されたもの（それぞれ０. ５９および０.８３）に近い。従って、本実施態様では部分分散補償を使用する。ＣＢＬＡを使う場合、ソリトン安定性を変化させるのに調整可能な４つの重要なパラメータがある。これらは、（i）フィルタ帯域幅、（ii）増幅器利得、（i ii）増幅器間隔および（iv）チャープ強度である。上記のコンピュータ・シミュレーションでは、フィルタ帯域幅をソリトンの帯域幅の３ないし１０倍にするのが好ましく、チャープ強度は増幅器間隔と増幅器間の損失によって変わり、次の式 α＝０.５ｚ_a（１−(１＋０.０２Γ)²／０.２３Γ）に従って選定するのが好まく、ここで、ｚ_aは分散長における増幅器間隔（即ち、ｚ_a＝ｚ/ｚ_d）、そして、ΓはｄＢで表した増幅器間の光学的損失である。例えば、増幅器間隔が３分散長に等しければ、増幅器間の損失が１０ｄＢあるシステムでは、対チャープ強度を０.６にする必要があり、２０ｄＢの損失のシステムならソリトンに対する対チャープを０.８３に等しい強度にしなければならない。言い換えると、第１のケースでは光ファイバの分散の４０％を、第２のケースでは５５％を補償するのである。増幅器間隔を大きくすると、伝搬するソリトンが発する非ソリトン成分の量が増加することになり、この量は、増幅器間の物理的な距離だけでなく、ソリトン・パルス幅および光ファイバ分散によっても変わるということを理解すべきであり、我々のコンピュータ・シミュレーションでは、安定してソリトンを伝搬させるには、次の不等式ｚ_a＝ｚ/ｚ_d≦３あるいはｚ≦２τ²/（Ｄλ²）が満足されなければならないということが分かったが、ここで、ｚはｋｍで表した増幅器間隔、τはｐｓで表したソリトン帯域幅、Ｄはｐｓ／ｎｍ・ｋｍで表した光ファイバ分散、そしてλはミクロンで表した動作波長である。また、物理単位で表したチャープ強度は実際のパルス幅によって変わり、次の式 α_ph＝ατ²/４に従って選定されるべきであるということも理解すべきであって、ここで、α_ph はｐｓ²で表した物理的チャープ強度、αは式（１）で与えられる正規化チャープ強度、そしてτはｐｓで表したソリトン・パルス幅である。従って、或る長さの分散補償光ファイバを使って総合的な分散を零にした論文［８］に対して、本実施態様は、ソリトン伝送システムにおいて、対チャープ増幅によって部分的分散補償を行い、結果として、ソリトン安定性を実質的に改善し、パルス幅を減少させ、増幅器間隔を延ばし、伝送ビット・レートを上げることができるようにするのである。この技法の１つの実施例を図７に示している。増幅器ユニットは、光増幅器７０と、狭帯域光学フィルタ８０と、光学サーキュレータ９０と、そしてチャープ光ファイバ格子とからなっている。ソリトンは、或る長さの光ファイバ１１０を伝搬した後、光学サーキュレータに入り、チャープ格子（３）から反射して損失により誘起されたチャープを補償し、光学サーキュレータと帯域通過光学フィルタとを通過した後は、光ファイバ増幅器において増幅される。例えば、０.５ｐｓ/ｎｍ・ｋｍ（ソリトン・パルス幅が１０ｐｓで、マーク− スペース比が１：５）の分散のある分散変移光ファイバをベースにした２０Ｇｂ /秒のシステムにおいては、本発明技術を使うことによって、増幅器間隔を１００ｋｍにまで（ＣＢＬＡ無しでは通常４０ｋｍから）延ばせることになる。必要なチャープ強度は１４ｐｓ²である。４０Ｇｂ/秒のシステムでは、パルス幅が５ｐｓ必要で、増幅器間隔を５０ｋｍに間で延ばすことができ、チャープ強度は４ｐｓ²である。本発明技術を適用した別の関連例としては、通常１７ｐｓ/ｎｍ・ｋｍの群速度分散のある標準的な非分散変移通信ファイバを使ったシステムがある。１０Ｇｂ /秒のシステム（パルス幅２２ｐｓ）に対するこのケースの場合は、増幅器間隔が２５ｋｍまで延ばせ、必要とされるチャープ強度は約４０ｐｓ²である。ＣＢＬＡの可能な別の実施態様を図８に示しているが、ここでは、光増幅器７０と帯域通過フィルタ８０の後に、チャープ動作を与える非線形増幅ループ・ミラー（ＮＯＬＭ）１２０がある。図９は、連続している実質的にソリトン様のパルスを有する光信号を発生する光送信機１３０と、光ファイバ・リンク１１０と、ＣＢＬＡ１４０と、光受信機１５０とを有する光通信装置の略図である。増幅器ユニット(即ち、増幅器、フィルタ、チャープ装置)の中の部品の順序は任意であり、そのユニットの特異な構成によって変わるということを強調しておきたい。更に、２つまたはそれ以上の部品を組み合わせて１つの多機能ユニットにし、同じ動作、即ち、チャープ帯域幅制限増幅をさせる場合も幾つかある。また、本発明の範囲内の基本的な着想の実施例は更に幾つか有るということも理解すべきであり、その内の幾つかを下記に概説する。チャープを作り出す、別個に知られている技術のどれでも増幅器ユニットに組み込むことができる。これらは、例えば、半導体前置増幅器や、光ファイバや、非線形屈折率の大きい平面導波路を使用することが含まれる。上記の議論は波長が１５５０ｎｍのソリトンについて論じたが、このソリトン伝送制御の概念は、例えば、１３００ｎｍなどで動作するといった、どのようなソリトン伝送システムにも適用できる。ソリトン制御の方法をいろいろ使ってソリトン伝送実験を行った結果を下記の表１にまとめている。本発明技術は、最短パルスを使うこともできるし、増幅器間隔とビット・レートについて優れた値の製品を提供するのである。また、この技術は、既存の伝送システムを１０Ｇｂ/秒の速さにまで能力を上げることができる。このタイプのデータ伝送の更なる特徴の幾つかを、図１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂおよび１２を参照しながら下記に説明する。これらの結果は、ある長さの光ファイバと増幅器ユニットとを有する伝送システムの数値モデルを基にしている。光ファイバの中での伝搬を、いわゆる分割ステップ・フーリエ法を使ってモデル化し、非線形シュレーディンガー方程式（ＮＳＥ）を解いた。このモデルの増幅器間隔は１００ｋｍ、光ファイバ損失は０. ２ｄＢ/ｋｍ、光ファイバ分散は０.１７ｐｓ/ｎｍ・ｋｍ、そして第３次分散は０ .０７ｐｓ/ｎｍ・ｋｍに選定した。各増幅器ユニットは、集中増幅器と、光ファイバの全長にわたる分散の６０％を補償することのできる線形チャープ光ファイバ格子としてモデル化した。通常のチャープ光ファイバ格子の反射曲線は、頂部が平坦で肩が急勾配になっているので、光ファイバ格子の反射の空間依存性をバターワース型の形状を使ってと記述しており、ここで、ｗは光周波数、Ｂは格子のスペクトル帯域幅、そしてｍはバターワース・フィルタの階数である。４０Ｇビット/秒の伝送システムをモデル化するのに、４.５ｐｓのパルス幅と、２５ｐｓのパルス分離を使用した。各格子でのその濾波特性から来る付加的な利得は、ｍ＝３に対して０.１２ｄＢであったが、ファブリ・ペロー形（ｍ＝１）は０.４ｄＢの利得を余分に受ける。図１０ａは、このモデルを使って得られたパルス対の伝搬を示している略軌跡マップであるが、これは無限の距離（理想的には）にわたってソリトン伝搬が安定していることを示している。図１０ｂは、チャープ補償の無い場合の同様なマップである。このデータは、部分的分散補償のあるシステムにおいては放射された非ソリトン成分の部分が非常に小さいので、ソリトンと非ソリトン成分との間の非線形結合が弱くなっており、このソリトンは、無限の距離（理想的には）にわたって本質的に損なわれないままになっている。本出願の第１優先日より後に発行された論文［１０］では、このようなシステムにおけるパルス形状は、通常のソリトンの双曲線的な正割ではなく、ガウス形である。このモデルにおいても、図１１ａに略記しているのと同様な特徴が見られ、この図には増幅直後のパルスの瞬時波形を示している。このような異常なパルス波形についての考え得る説明としては、ガウス・パルスは、急峻な翼を持っているので、光ファイバの全長の内の第１部分において高い自己位相変調を行わせ、このことによって放射された非ソリトン成分の部分を最小に、あるいは減少させるのである。増幅器間の位相変動を図１１ｂに略図にしてある。非コヒーレント増幅による不可避の効果は、各増幅器が信号に雑音を混ぜてしまうということである。システムが非線形であるので、自発的放射雑音がソリトン振幅を変化させるだけでなく、搬送波周波数まで変化させ、これによって、いわゆるパルス・ウォークオフ（ゴードン・ハウス・ジッタ）を起こす。インライン周波数フィルタがゴードン・ハウス・ジッタを減少させる強力な手段であるということが示されている［１１］。しかし、フィルタの強さは、フィルタの中心周波数の近傍のｃｗ放射が大きくなるということによって制限を受けるので、この効果を最小に、あるいは減少させるには、バターワース・フィルタを使用することが推奨されてきた［１２］。この内容によれば、光ファイバ格子をチャープ装置として利用することによって、そのシステムの信号対雑音比をインライン・フィルタを使って改善することができ、同時に、パルス・ウォークオフも抑えることができるのである。図１２に、各増幅器がパルスに下式の変動のランダムな周波数変移を与えるときのパルス位置の標準的な変動［１３］を示しており、ここで、Ａ_eftは光ファイバ・コアの有効面積、η_spは増幅器の雑音因子、Ｐ/Ｐ_f は基本ソリトンのピーク・パワーに対する取り出しピーク・パワーの比（このモデルでは２.５に等しい）である。７５００ｋｍを伝搬すると、標準的なジッタの変動は１.２４ｐｓ（１０^-9のビット誤り率に対して、パルス・ジッタは２５／(３×６.１)＝１.３６ｐｓでなければならない）である。時間窓Ｔの中で自発的に発せられる光子の総数は、［１１］の６.１８の式を使って計算することができ、ここで、Γは光ファイバ損失、ｆ＝(Ｇ−１)²／(ＧｌｎＧ)は雑音強調ファクタ、Ｄ(ｘ)はドーソン関数、そしてδｇは超過フィルタ損失である。また、図１２には、超過利得０.４ｄＢ（通常のファブリー・ペロー・フィルタ）、および０.１２ｄＢ（ｍ＝３のバターワース・フィルタ）を持つシステムにおける雑音光子が増加していることも示している。モデル化したシステムでの平均的な４.５ｐｓのソリトンは１０⁶の光子を含んでいるので、２０ｄＢのＳＮＲに対して通常のフィルタを使ってもビット誤り無しに３５００ｋｍ伝搬させることができ、更に、バターワース型フィルタなら距離は７５００ｋｍ以上である。従って要約すれば、本発明の実施態様は、ソリトン様の光パルスを実質的に増幅する光増幅器であって、この増幅器は、対チャープ装置と帯域制限光学フィルタとを有している光増幅器を提供する。引用文献 1．Kubota,H，et al: "Soliton transmission control in time and frequency domains"，IEEE J．Quantum Electron.，29，2189,（1993） 2．Widdowson，T．et al，Electronics Letters，30，1866,（1994） 3．Mollenauer，L.F．et al: "The sliding-frequency guiding filter: animpr oved form of soliton jitter control"，Opt.Lett.，17，1575,（1992） 4．Matsumoto，M．et al: "Numerical study of the reduction of instability in bandwidth-limited amplified soliton transmission"，Opt.Lett.，18，89 7,（1993） 5．Atkinson，D．et al，Opt.Lett.，19，1514,（1994） 6．Blow，K.J．et al: "The asymptotic dispersion of soliton pulses in los sy fibres"，Optica Communications，52，367,（1985） 7．Desem，C．et al: "Effect of chirping on soliton propagation in single -mode optical fibres"，Opt.Lett.，11，248,（1986） 8．Suzuki，M．et al: "Timing jitter reduction by periodic dispersion com pensation in soliton transmission"，OFC'95，paper PD20,（1995） 9．Edagawa，N．et al: "20 Gbit/s 8100km straight-line single-channel sol iton-based RZ transmission experiment using periodic dispersion compensa tion"，ECOC '95，paper Th.A3.5（1995） 10．Smith，N.J．et al: "Enhanced power solitons in optical fibres with p eriodic dispersion management" Electron Lett，1996，32，54 11．Mecozzi，A.，"long distance soliton transmission with filtering，JOS A B，1992，10，2321 12．Mecozzi，A.,: "Soliton transmission control by Butterworth filters" Opt Lett，1995，20,1859 13．Marcuse，D.，"An alternative derivation of the Gordon-Haus effect"， J Lightwave Techn，1992，10，273

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年１０月２０日【補正内容】本発明は、光通信装置であって、分散のある光ファイバリンクと、光パルスを光ファイバに送り出す光送信機であって、そのパルス強度がこの光ファイバの第１部分を通って伝搬する間に非線形分散補償をし得る程である光通信機と、その光ファイバの第１の長さよりも長い距離だけその光ファイバで離されている１連の増幅器ユニットであって、各増幅器ユニットが、その光ファイバの第２部分の分散を実質的に補償する対チャープ装置と、第１の長さと増幅器間隔との間には違いがあるが、そしてそのパルス強度がこの光ファイバの第１部分を通って伝搬する間に非線形分散補償をし得る程である増幅光パルスを送り出す増幅器とを有する１連の増幅器ユニットとを有している光通信装置を提供する。本発明は、光ファイバでのパルス伝搬に新たな混成技術を提供する。最初、光ファイバの第１部分において、この光ファイバに送り出されるパルスは、光ファイバの分散を非線形分散補償をさせ得るほど強い。この光ファイバの第２部分において、光ファイバの損失とパルス広がりによって、パルスの強度が不十分で最早この効果を発揮し得ないほどになると、対チャープ装置を設けて第２部分での分散を補償させるようにする。この線形/非線形の混成技術によれば、伝送リンクにおける実用可能な増幅器間隔を大きくすることができる。対チャープ装置は、第２部分のどこに取り付けてもよいが、第２部分の出力にある増幅器パッケージの１部分とするのが好ましい。送り出しステップは、光送信機、別の光ファイバ、増幅器などからパルスを送り出せばよい。本発明の実施態様は、安定したソリトン伝搬を得る課題を非ソリトン成分の量を制御することによって解決している。この技術をチャープ帯域幅制限増幅（ＣＢＬＡ）と呼ぶ。前述のように、損失のある光ファイバをソリトンが伝搬すると、その強度は低下し、従って広がり、帯域制限されたパルスであったものがチャープされたものとなってしまう。増幅されると、チャープされた非線形パルスは基本ソリトンと非ソリトン成分とに分かれ、そして、何段かの増幅段を通ると、非ソリトン成分の部分が受け入れ難いほど大きくなって、ソリトンを壊してしまう（光ファイバの損失を補償するために光ファイバに高強度のパルスを注入したり、多ソリトン圧縮効果を利用してソリトン広がりを補償したりしても、更に高いレベルの非ソリトン成分が発生するので効果がなく、これもまたソリトンを破壊してしまうということを指摘しておかなければならない）。しかし、チャープへの対抗をソリトンに対して課して光ファイバ分散誘起チャープを補償すると、ソリトンは線形放射が減少し、壊れないでより遠くまで伝搬することができる。従って、本発明の実施態様においては、チャープ帯域幅制限増幅を利用して安定にソリトンを伝搬させるようにする。本発明は、また、光通信の方法であって、分散のある光ファイバリンクに、この光ファイバの第１部分での伝搬中の非線形分散補償を行うのに十分なパルス強度の光パルスを送り出すステップと、そして、その光ファイバの第１の長さよりも長い距離だけその光ファイバで離されている１連の増幅器ユニットであって、各増幅器ユニットが、その光ファイバの第２部分の分散を実質的に補償する対チャープ装置と、第１の長さと増幅器間隔との間には違いがあるが、そしてそのパルス強度がこの光ファイバの第１部分を通って伝搬する間に非線形分散補償をし得る程である増幅光パルスを送り出す増幅器とを有する１連の増幅器ユニットを設けるステップとを有する方法を提供する。本発明の別の側面および好適な特徴は添付の特許請求の範囲に定義してある。本発明の１つの側面に関して定義してある好適な特徴は、本発明の他の側面にも適用できるものとされたい。以下に本発明を添付図面を参照して例示によって説明して行くが、これらを通じて、同様の部分は同様の参照番号で参照しており、図１ａないし１ｃは、群速度分散と非線形性の現象を示している略グラフであり、請求の範囲１．光通信装置であって、分散のある光ファイバリンク（１１０）と、光パルスを光ファイバに送り出す光送信機（１３０）であって、そのパルス強度がこの光ファイバの第１部分を通って伝搬する間に非線形分散補償をし得る程である光通信機と、その光ファイバの第１の長さよりも長い距離だけその光ファイバで離されている１連の増幅器ユニット（１４０）であって、各増幅器ユニットが、その光ファイバの第２部分の分散を実質的に補償する対チャープ装置（１００）と、第１の長さと増幅器間隔との間には違いがあるが、そしてそのパルス強度がこの光ファイバの第１部分を通って伝搬する間に非線形分散補償をし得る程である増幅光パルスを送り出す増幅器（７０）とを有する１連の増幅器ユニットとを有している光通信装置。２．請求項１に記載の装置において、対チャープ装置のチャープ強度αが実質的に α＝０.５ｚ_a（１−(１＋０.０２Γ)²／０.２３Γ）で与えられ、ここで、ｚ_aがその光ファイバの１分散長の複数倍の光ファイバ長で、Γがデシベルで表したその光ファイバの光学的損失である装置。３．請求項１あるいは請求項２に記載の装置において、それら送り出されるパルスがソリトン様のパルスである装置。４．請求項３に記載の装置において、各増幅器ユニットが帯域制限光学フィルタ（８０）をである装置。５．請求項５に記載の装置において、その光ファイバに送り出されたソリトン・パルスの光学的帯域幅の約３倍と約１０倍との間の帯域幅をその帯域制限フィルタが持っている装置。６．前記請求項の内のいずれかに記載の装置において、対チャープ装置が光学的サーキュレータによってその光ファイバの光信号路に結合されている反射器である装置。７．請求項１ないし５のいずれかに記載の装置において、対チャープ装置が伝送装置である装置。８．請求項６あるいは請求項７に記載の装置において、対チャープ装置が１つまたはそれ以上のチャープ格子を有している装置。９．請求項６あるいは請求項７に記載の装置において、対チャープ装置が非線形ループ・ミラーを有している装置。１０．請求項７に記載の装置において、対チャープ装置が非線形屈折率を持つ或る長さの光ファイバを有している装置。１１．請求項７に記載の装置において、最初に述べた光ファイバに直列に接続されており、その最初に述べた光ファイバの分散とは逆向きの分散を持っている或る長さの第２光ファイバを対チャープ装置が有している装置。１２．請求項６あるいは請求項７に記載の装置において、対チャープ装置が非線形屈折率を持っている半導体増幅器を有している装置。１３．光通信の方法であって、分散のある光ファイバリンク（１１０）に、この光ファイバの第１部分での伝搬中の非線形分散補償を行うのに十分なパルス強度の光パルスを送り出す（１３０）ことと、そして、その光ファイバの第１の長さよりも長い距離だけその光ファイバで離されている１連の増幅器ユニット（１４０）であって、各増幅器ユニットが、その光ファイバの第２部分の分散を実質的に補償する対チャープ装置（１００）と、第１の長さと増幅器間隔との間には違いがあるが、そしてそのパルス強度がこの光ファイバの第１部分を通って伝搬する間に非線形分散補償をし得る程である増幅光パルスを送り出す増幅器（７０）とを有する１連の増幅器ユニットを設けることとを有する方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者ゴンチャレンコ，イゴール・アンドレービッチドイツ連邦共和国デー−58084ハーゲン、エレクトロテッヒニク、エルゲー・アルゲマイン・ウント・テオレーティッシェ、フェルン・ユニベルジテート

Claims

【特許請求の範囲】１．分散のある光ファイバを介して光パルスを伝搬させる方法であって、この光ファイバの第１部分を伝搬する間に非線形分散補償を与えるのに十分なパルス強度で光パルスをこの光ファイバに送り出すステップと、そして、その光ファイバの残る第２部分の分散を実質的に補償するために１つまたはそれ以上の対チャープ装置を設けるステップとを有する方法。２．請求項１に記載の方法において、対チャープ装置のチャープ強度αが実質的に α＝０.５ｚ_a（１−(１＋０.０２Γ)²／０.２３Γ）で与えられ、ここで、ｚ_aがその光ファイバの１分散長の複数倍の光ファイバ長で、Γがデシベルで表したその光ファイバの光学的損失である方法。３．請求項１あるいは請求項２に記載の方法において、それら送り出されるパルスがソリトン様のパルスである方法。４．請求項３に記載の方法であって、その光ファイバの第２部分に接続する帯域制限光学フィルタを与えるステップを有する方法。５．請求項５に記載の方法において、その光ファイバに送り出されたソリトン・パルスの光学的帯域幅の約３倍と約１０倍との間の帯域幅をその帯域制限フィルタが持っている方法。６．前記請求項の内のいずれかに記載の方法において、対チャープ装置が光学的サーキュレータによってその光ファイバの光信号路に結合されている反射器である方法。７．請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、対チャープ装置が伝送装置である方法。８．請求項６あるいは請求項７に記載の方法において、対チャープ装置が１つまたはそれ以上のチャープ格子を有している方法。９．請求項６あるいは請求項７に記載の方法において、対チャープ装置が非線形ループ・ミラーを有している方法。１０．請求項７に記載の方法において、対チャープ装置が非線形屈折率を持つ或る長さの光ファイバを有している方法。１１．請求項７に記載の方法において、最初に述べた光ファイバに直列に接続されており、その最初に述べた光ファイバの分散とは逆向きの分散を持っている或る長さの第２光ファイバを対チャープ装置が有している方法。１２．請求項６あるいは請求項７に記載の方法において、対チャープ装置が非線形屈折率を持っている半導体増幅器を有している方法。１３．前記請求項の内のいずれかに記載の方法であって、その光ファイバの出力において、あるいはその近くで光パルスを光学的に増幅するステップを有する方法。１４．請求項５および請求項１３に記載の方法であって、その増幅ステップを行う増幅器と、対チャープ装置と、そして帯域制限フィルタとを有する増幅器パッケージを設けるステップを有する方法。１５．対チャープ装置と帯域幅制限光学フィルタを有する光増幅器。１６．請求項１５に記載の増幅器を介して接続されている、２またはそれ以上の単位長さの光ファイバを有する光伝送リンク。１７．請求項１６に記載のリンクの入力に光学的ソリトン様パルスを供給する光送信機と、そしてこのリンクの出力からの光信号を受信する様に接続されている光受信機とを有している光通信装置。１７．光通信装置であって、分散のある光ファイバと、この光ファイバの第１部分を伝搬する間に非線形分散補償を与えるのに十分なパルス強度で光パルスをこの光ファイバに送り出す光送信機と、そして、その光ファイバの残る第２部分の分散を実質的に補償する対チャープ装置とを有する光通信装置。