JPS5927535B2 - 光フアイバ通信方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超広帯域の光ファイバ通信方式に関し、特に
、光ファイバによつて生ずる波長分散に基づく光伝送信
号の劣化を防止するようにしたものである。

一般に光ファイバ通信方式においては、光信号が伝送さ
れる速度が光の波長に依存する性質すなわち波長分散が
あるために、波長に拡がり幅を有する光によつて伝送さ
れるパルス信号の波形は、光ファイバ中を長距離伝搬し
た後にはそのパルス幅が拡がつてしまい、パルス信号の
広帯域性が失なわれるので、伝送帯域が制限されていた
。

また、同じく波長分散に起因して、光信号による通信の
過程において光信号の波長が変化すると、その波長の変
化に応じて光信号分散の態様が変化するために、受信端
において再生したパルス信号の位相に揺らぎが生じ、か
かるパルス位相の揺らぎによつても伝送容量が制限され
ていた。上述のように光ファイバ通信方式に著しい悪影
響を及ぼす波長分散を生ずる光信号の波長の拡がり乃至
波長の変化の原因としては、まず、光信号を発生させる
光源自体が有する波長の拡がり乃至波長の変化があり、
また、その他に、光波を高速度で強度変調することによ
つて発生する側帯波に基づく波長の拡がりがある。

しかして、前者は、光源装置の改良により、実際には困
難ではあるが、原理的には取り除くことが可能なもので
あるが、後者は、光波の高速度変調に本質的に伴なうも
のであつて、取り除くことは不可能である。しかしなが
ら、いずれにしても、光ファイバ通信方式において、光
信号の伝搬速度が光信号の波長に依存する性質に基づく
波長分散の影響を除去することができれば、単一モード
の光ファイバを用いた光通信系の性能を従来に比して飛
躍的に向上させることができる。

しかして、光フアイバ通信方式におけるかかる波長分散
の影響を除去するためには、従来は、（１）光フアイバ
の構成材料であるシリカ硝子の材質に基づいて決まる波
長分散、すなわち、いわゆる材料分散が零になる波長と
しての１．３μｍ近傍の値に光源の波長を合わせて光フ
アイバ通信を行なう。

（２）光フアイバによる光信号の伝送損失が最小になる
波長において波長分散が零になるように構成した光フア
イバ、例えば、上述の１．３μｍより長い波長に対して
波長１．３μｍのときよりコア径を小さくするなどした
光フアイバを用いて光フアイバ通信を行なう。

などの方策が検討されていた。

しかしながら、上述した（１）の場合には、１．３μｍ
近傍の波長を有する光信号に対しては光フアイバによる
伝送損失が大きく、光フアイバ通信の特質である低損失
性が失なわれることになり、また、（２）の場合には、
光フアイバを通常のケーブルと同様の構造にすることに
よつて伝送損失が増大し易い構造となり、あるいは、光
フアイバ相互間の接続を低損失で行なうことが困難であ
るなどの障害が伴ない、上述の（１）の場合におけると
同様に、光フアイバ通信方式の特質である低損失性が十
分には活かされない、という欠点があつた。本発明の目
的は、上述した従来の欠点を除去し、光フアイバによる
光信号の伝送損失の増大を招くことなく、光フアイバ中
の伝搬に伴つて生ずる波長分散の悪影響を除去した超広
帯域単一モードの光フアイバ通信方式を提供することに
ある。

すなわち、本発明光フアイバ通信方式は、光フアイバよ
りなる光伝送路の受信端に前記光フアイバの波長分散特
性に対して逆の波長分散特性を有する光等化器を設けて
前記光伝送路により光伝送信号に生じた波長分散を打消
して広帯域化するとともに、前記光等化器を、少なくと
も、前記光伝送信号にブラック反射をおこさせる格子を
表面の近傍に形成した光伝送媒質の基体を用いて構成し
たことを特徴とするものである。以下に図面を参照して
実施例につき本発明を詳細に説明する。

まず、本発明方式による光フアイバ通信系の原理的構成
を第１図ａに示す。

図示の原理的構成においては、光源および光変調器より
なる光送信機１から、単一モードの光フアイバよりなる
光伝送路２を介して、光復調器を備えた光受信機３に光
信号を伝送するにあたつて、光伝送路２の受信端に、光
フアイバの波長分散特性に対して逆の波長分散特性を有
する光等化器４を介在させたものである。しかして、か
かる構成の光フアイバ通信系において光送信機１から送
出する光信号は、光源からの光ビームを、方形波パルス
信号を印加した光変調器に導いて強度変調したものであ
るが、その送信光信号の時間軸の波形は、方形波パルス
変調に対して実際には、第１図ｂに示すような波形とな
り、その半値幅によつて表わすパルス幅Ｔを狭くして行
くと、送信光信号としての光パルスの波長軸上の波形、
すなわち、スペクトル分布は、第１図ｃもしくはｄに示
すように、光源からの光ビームが単一の波長λであるに
も拘わらず、波長軸上の拡がり、すなわち、スペクトル
幅Δλもしくは半値幅Δλ５を有するようになる。

なお、第１図ｃは、半導体レーザ光ビームを直接変調し
た場合に生ずる多モード発振によるスペクトルの拡がり
を示したものであり、また、第１図ｄは、理想的な半導
体レーザ光ビームを直接変調した場合、あるいは、単一
モードレーザの出力光ビームを外部変調した場合に生ず
るスペクトルの拡がりを示したものであつて、光ビーム
の強度変調によつて生ずる側帯波に基づく第１図ｂに示
した時間軸の拡がりを波長軸上のスペクトルの拡がりと
して示したものである。しかして、第１図ｃに示したよ
うな多モード発振によるスペクトルの拡がりにおけるス
ペクトル幅Δλの曲型例は１０〜２０ｎｍ（１ｎｍは１
／１０００００００００ｍ）であり、また、第１図ｄに
示したような単一モード発振のレーザ光ビームにおける
スペクトル軸Δλ１は、パルス変調信号のパルス幅が１
００ｐｓおよび１０ｐｓ（但し１ｐｓは１／１００００
００００００００Ｓ）のときに、それぞれ、０，０８５
ｎｍおよび０．８５ｎｍとなり、スペクトル幅Δλ５は
変調パルス幅に反比例して、光通信を広帯域化するため
に変調パルス幅を狭くするほど、実際に送出する光パル
スは著しいスペクトルの拡がりを呈することになる。し
かして、上述のようなスペクトルの拡がり、すなわち、
スペクトル幅を有する光パルスが光フアイバ中を伝搬す
ると、一般に、パルス信号の伝搬速度すなわち群速度は
その信号の周波数、したがつて、波長に依存するもので
あるから、光フアィバよりなる光伝送路２中を光パルス
が受信端までの距離Ｌを伝搬するのに要する時間τＬに
は、第１図ｅに示すように、群中各成分の伝搬時間を包
括した群伝搬時間としての幅が現われ、その時間幅に対
応して、受信光パルスのパルス幅は、第１図ｂに示した
送信パルスのパルス幅Ｔに比して著しい拡がりを呈する
ことになる。

光フアイバ中を光パルスが伝搬するに要する時間の波長
依存性、すなわち、群遅延の典型的な値としては、波長
１．６μｍの近傍においてとなる。

したがつて、送信光パルスが第１図ｃに示したようなス
ペクトルの拡がりを呈する多モード発振レーザ光ビーム
である場合には、上述の（１）式に従つて、光伝送路２
の１ｋＩ［ｌ毎に３００〜６００ｐｓの割合でパルス幅
の増大が生ずることになる。また、送信光パルスが第１
図ｄに示したようなスベクトルの拡がりを呈する単一モ
ード発振レーザ光ビームである場合には、変調パルス信
号のパルス幅を１００ｐｓおよび１０ｐｓとしたときに
、光伝送路２の１―毎に、それぞれ、２．６ｐｓおよび
２６ｐｓの割合でパルス幅の増大が生ずることになる。
すなわち、光フアイバによつて光伝送信号に生ずる波長
分散は、比較的狭いパルス幅の光パルス信号を伝送しよ
うとする際に大きい障害となる。そこで、本発明光フア
イバ通信方式においては、光伝送路２の受信端に、つぎ
に述べるように光フアイバが呈する波長分散特性とは逆
の波長分散特性を有する光等化器４を、第１図ａに示し
たように接続して受信機３に前置し、光伝送路２内にお
いて光伝送信号に生じた波長分散による悪影響を打ち消
して除去し、第１図ｆに示すように、第１図ｂに示した
送信光パルスのパルス幅にほぼ等しいパルス幅Ｔを有す
る受信光パルスを再生し得るようにしたのが特徴である
。

本発明による光等化器４が呈する逆波長分散特性は、光
フアイバが呈する（１）式に示した波長分散特性に対し
てつぎのように表わすことができる。

ここに、τ１は光パルスが光等化器４中を通過するに要
する時間、すなわち、光等化器４による遅延時間であり
、かかる逆波長分散特性を有する光等化器４の具体的構
成については以下に詳述する。本発明の光フアイバ通信
系において、上述のような光等化器の受信端介挿により
光伝送路において生じた波長分散の影響による光パルス
伝送信号のパルス幅の拡がりが除去されると、光フアイ
バ自体による前述したような種の伝送帯域制限が解かれ
、所期のとおりの超広帯域光通信系を容易に実現するこ
とが可能となる。つぎに、本発明光フアイバ通信方式に
おいて上述のように光伝送路の受信端に介挿する光等化
器の具体的構成の例を第２図ａ−ｇおよび第３図ａ〜ｇ
にそれぞれ示す。

まず、第２図ａに示す本発明の光等化器は、単一の硝子
材基板６上にまとめて構成してあり、その基板６を構成
する硝子材平板は、第２図ｂに示すように、表面からの
深さに応じて屈折率が減少するとともに、入射光の強さ
が表面の近傍において最大となるような平板状光導波路
を構成している。

しかして、単一モード光フアイバ５を介して送信機１か
ら伝送された来た光パルス伝送信号は、この平板状光導
波路６に注入されると、第２図ｃに拡大して示すように
、その入力端に設けた集積型レンズ９により平行光ビー
ムに変換されてその平板状光導波路６中を伝搬する。そ
の光導波路を構成する硝子材基板６の表面の領域７Ａに
は第２図ｅに示すような格子溝７Ｃが刻まれており、そ
の格子溝７Ｃの法線は、第２図ｄに示すように、光パル
ス信号の伝搬方向に対して４５すの角度をなしており、
また、格子溝相互間の間隔ｐは、第２図ｃに示すように
設定したｘ軸上の座標値ｘに応じ、第２図ｆに示すよう
に漸減させてある。さらに、硝子材基板６の表面におい
て上述の領域７Ａと平行に設定した領域７Ｂには、第２
図ｃに示す線Ｘ−Ｘ′に関し領域７Ａにおけると対称に
同様の格子溝７Ｃを刻んで格子８を形成してある。した
がつて、平板状光導波路６に注入され変換された平行光
ビームは、その領域７Ａ中を伝搬中に、その波長λに応
じた距離ＸＢ（λ）の位置において格子回折によるブラ
ック反射を生じて全反射し、第２図ｃに示すように９０
射偏向して領域７Ｂに入射し、引続いて、領域７Ｂ中の
格子溝７Ｃによりさらに同様に９０領偏向してｘ軸の負
の方向に伝搬し、硝子材基板６の出力端に設けた集積型
レンズ１０により収束された後にその光導波路６から取
出されて光検出器１１に導かれる。しかして、上述した
ような格子回折による光ビームのブラツク反射は、格子
の線間隔ｐと光ビームの波長λとが次式を満す点におい
て生ずる。

ここに、ｎ１は平板状光導波路６の等価屈折率である。
しかして、第２図ｆに示したように距離ｘに応じて漸減
する線間隔ｐは次式（４）で表わされる。

ここに、Ｃは真空中の光速であり、波長λの光がブラッ
ク反射により全反射して上述したように折返す点の距離
ＸＢ（λ）は、（３）式および（４）式からの解として
つぎのようになる。そこで距離ｘ−０の基準位置から折
返し点ＸＢまでの光ビームの往復に要する群遅延τ５は
（６）式よりつぎのようになる。

となり、前述した（２）式による光等化器の条件を満た
している。

上述のような構成の光等化器における格子領域７Ａ，７
Ｂの長さｌに対する等化可能な波長領域の幅（λＭａｘ
−λ―）と光伝送路２を構成する光フアイバの長さＬの
範囲とを数値例によつて第２図ｇに示す。

図から明らかなように、上述したような格子溝を、例え
ば２？程度の距離に亘つて高精度に製作することができ
れば、第２図ｇの斜線部以外の範囲が等化可能の領域と
なる。つぎに、第３図ａに示す光等化器は、単一モード
光フアイバ１２の出射端に波長−角度変換器１３と角度
一遅延時間変換器１４とを順次に縦続接続して構成する
。

そのうち、波長一角度変換器１３は、例えば、第３図ｂ
に示すように、通常の単一モード光フアイバと同様の硝
子コア１６および硝子クラツド１７によつて構成してあ
り、単一モード光フアイバ１２のコア１５から入射した
光パルス信号は直ちに硝子コア１６に進入する。その硝
子コア１６の表面には、第３図ｃに示すように、周期的
に配列した環状突起１７が形成されており、その硝子コ
ア１６中を伝搬する波長λの光は、つぎの式（自）を満
たす角度θの方向に放射される。すなわち、第３図ｂに
示したような構造の波長一角度変換器１３においては、
放射角θを９０以下に設定するので、２次以上の格子回
折は生ぜず、となる。

ここに、Ｎ３およびＮ４は、それぞれ、硝子コア１６お
よび硝子クラツド１７をそれぞれ構成する硝子材の屈折
率であり、また、ｐ″は、環状突起１７の相互間隔であ
る。しかして、その環状突起１７の間隔ｐ′と光放射角
θとの間の関係は第３図ｆに示すようになるので、環状
突起１７の間隔ｐ′は波長λ／Ｎ３の半分よりもわずか
に大きい値に設定する。しかして、硝子コア１６から放
射された光は、第３図ｂに示すように波長一角度変換器
１３の入射端に設けた反射膜１８によりほぼ完全に反射
されて折返し、この波長一角度変換器１３に縦続接続し
た角度一遅延時間変換器１４に、第３図ｅに示すように
、角度θをもつて入射する。

その入射光が有する波長λの拡がりに対応したλ射角θ
、すなわち、波長一角度変換器１３における放射角θの
拡がりは第３図ｇに示すようになり、例えば、放射角θ
を１０３程度に設定した場合には、波長λの拡がりは１
ｎｍ当り０．５た程度となる。なお、波長一角度変換器
１３の長さは、入射した光がほぼ完全に放射されるよう
にするために数Ｍｍ乃至１？程度に設定して、十分な長
さとするのが好適である。しかして、角度一遅延時間変
換器１４は、例えば、第３図ｄに示すように、長さｌの
誘電体円柱をもつて構成し、第３図ｅに示したように、
角度θをもつて入射した光がつぎの式（１１）で表わす
遅延時間τ″をもつて次段の光検出器（図示せず）に到
達するようにする。

ここに、Ｎ５は、角度一遅延時間変換器１４を構成する
誘電体円柱の屈折率である。

上述のような構成による光等化器における入射光の遅延
時間τ７の波長依存性は、上述の（代）式および（１１
）式からつぎのようになる。

上式（１２）に対する数値例として、ＣＯｓＯ〕１とし
、さらに、Ｎ４＝Ｎ５、ｐ二０．５μｍとすると、とな
る。

しかして、上述の式（１３）によれば、光伝送路を構成
する光フアイバの長さ１ｋｎ１当りで生ずる波長分散の
影響は、角度一遅延時間変換器１４の長さｌを４．５ｍ
に設定した第３図ａに示す構成の光等化器を用いて完全
に打消すことが可能となり、光伝送路を構成する光フア
イバの長さＬに応じてこの種の光等化器における角度一
遅延時間変換器の長さ１を選定すれば、任意の長さＬの
光フアイバによつて生じた波長分散を完全に等化してそ
の影響を除去することができることになる。なお、第３
図ａに示した構成の光等化器は、第２図ａに示した構成
の光等化器の適用が困難な場合、例えば、多モード発振
レーザ光ビームを光伝送信号として数Ｋｇ以上の光伝送
路により光フアイバ通信を行なうような場合にも十分に
適用することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、光フ
アイバ通信方式において、送信光伝送信号が本質的に有
する波長の揺らぎの光フアイバ伝送によつて生ずる拡が
りの影響を確実容易に除去して所期の超広帯域光フアイ
バ通信を実現することができる、という顕著な効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａおよびｂ−ｆは本発明方式による光フアイバ通
信系の原理的構成および光伝送信号波形の例をそれぞれ
示すプロツク線図および波形図、第２図中、ａは同じく
その光等化器の構成例を示す斜視図、ｂは同じくその基
板の特性を示す特性曲線図、ｃは同じくその光等化器の
動作の態様を示す上面図、ｄは同じくその基板上の格子
の構成を示す線図、ｅは同じくその格子の構成例を示す
断面図、ｆは同じくその格子の構成の他の態様を示す線
図、ｇは同じくその光等化器の作用の範囲を示す特性曲
線図、第３図中、ａは同じくその光等化器の他の構成例
を示す斜視図、ｂは同じくその光等化器の動作の態様を
示す側面図、ｃは同じくその波長一角度変換器のコアの
構成例を示す斜視図、ｄは同じくその角度一遅延時間変
換器の構成例を示す斜視図、ｅは同じくその角度−遅延
時間変換器の動作の態様を示す線図、ｆおよびｇは同じ
くその光等化器の特性例をそれぞれ示す特性曲線図であ
る。 １・・・・・・光送信機、２・・・・・・光伝送路、３
・・・・・・光受信機、４・・・・・・光等化器、５・
・・・・・単一モード光フアイバ、６・・・・・・格子
、６Ａ・・・・・・基板表面、７，８・・・・・・格子
、７Ａ，７Ｂ・・・・・・格子領域、７Ｃ・・・・・・
格子溝、９，１０・・・・・・光集積レンズ、１１・・
・・・・光検出器、１２・・・・・・単一モード光フア
イバ、１３・・・・・・波長一角度変換器、１４・・・
・・・角度一遅延時間変換器、１５・・・・・・単一モ
ード光フアイバコア、１６・・・・・・硝子コア、１７
・・・・・・硝子クラツド、１８・・・・・・反射膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光ファイバよりなる光伝送路の受信端に前記光ファ
   イバの波長分散特性に対して逆の波長分散特性を有する
   光等化器を設けて前記光伝送路により光伝送信号に生じ
   た波長分散を打消して広帯域化するとともに、前記光等
   化器を、少なくとも、前記光伝送信号にブラッグ反射を
   おこさせる格子を表面の近傍に形成した光伝送媒質の基
   体を用いて構成したことを特徴とする光ファイバ通信方
   式。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の通信方式において、表
   面からの深さに応じて屈折率が減少する光伝送媒質の基
   板をもつて前記光伝送媒質の基体とするとともに、前記
   基板の表面に前記光伝送信号の伝搬方向に対しほぼ４５
   度の角度をなして間隔が漸減する格子溝を配列して前記
   格子を構成したことを特徴とする光ファイバ通信方式。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の通信方式において、表
   面に環状突起を等間隔に配列して前記光伝送媒質の基体
   とした硝子コアとその硝子コアを囲繞する硝子クラッド
   とからなつて一端に反射膜を有する波長一角度変換器の
   他端に前記硝子クラッドとほぼ同径の円柱状誘電体材料
   からなる角度−遅延時間変換器を接続して前記光等化器
   を構成したことを特徴とする光ファイバ通信方式。