JPS61212125A - 光パルス送信方法および装置 - 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） この発明は、元ファイバ伝送システムに適した元パルス
の送信方法およびその装置に関する。

（従５吋剋哲と七ｇ累蓬沙派） 長距離高速伝送システムに適し次元ファイバはその伝送
光の波長において非常に光損失が少ないこととともに、
同波長において群速度分散が少ないことが望ましい。し
かし長距離光伝送に適し几シリカ系光ファイバは１．５
ミクロン帯において０．２ｄＢ／ｋｍ以下という非常に
侵れた低損失特性を持つものの、そのゼロ分散波長は１
．３ミクロン帯にある（例えば末松、プロシーディング
スオブアイイーイー、第７１巻、６号、６９２ページ、
１９８３）。

従来は半導体レーザ全直接変調して元パルスを得ていた
。し刀λし、半導体レーザは元通信用光源として非常釦
優れるが、高速変調下ではその出力光の光波長が複雑（
Ｃ変化（′ｅＱ雑チャープ）する。

すなわち従来の光パルスは複雑なチャープパルス（ａ形
チャープではない）になってい友。この複雑なチャープ
をもつ光パルスは前記元ファイバの分散の影響を強く受
け、光ファイバ伝煮に伴−そのパルス＠が急激に広がる
。このため達成可能な通信速度は著しく制限される。ま
之この複雑なチャープをさけるために、半導体レーザ全
連続発振させ、外部変調器を用いてチャープの無い符号
化された元パルス列を得ることも行なわれていた。

しかし、チャープのない元パルスを用いても、そのパル
ス幅が狭くなると前記分散によジパルス幅広が９が生じ
、従って達成可能なビットレートが制限されるという問
題がある。

（発明の目的） 本発明の目的は、分散を有する光伝送路を用いる光伝送
システムの伝送距離の長大化及び／もしくは　　　　　
　　　　　　　　　　伝送速度（ビットレート）の高速
化を可能くする方法を提供することにある。また本発明
の他の目的は分散を有する光伝送路を用いる光伝送シス
テムの伝送距離の長大化及び／もしくは伝送速度の高速
化を可能にする元パルス送信装置を提供することである
。

（問題点を解決する友めの手段） 本発明は、送信される符号化され念光パルス列の中の各
々の元パルスのパルス幅ｉ　５．４　Ｘ　１０λＶ’１
Ｄｌｉ！〔秒、半値全幅〕としかつ、この元パルスにの
チャープを与えることにより、伝送距離の長大化及び／
もしくは伝送速度（ビットレート）の高速化を図ってい
る。

但しＤは光ファイバの群速度分散（ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ
）　）、ｌは伝送距離（ｒｎ）、λは光波長（ｍ）、で
ある。まｔｌこのような元パルス列を得るために１本発
明では送信装置を少なくとも光源と、光源から元パルス
列を取り出す手段と％光パルス列の光パルスを変調する
角度変調器と、時間の２乗に比例しｔ駆動電圧を、光パ
ルス列に同期して角度変調５に印加する角度変調器駆動
回路とから構成した。

ここで、元パルス列を取り出す手段としては、光源をパ
ルス的に駆動する駆動回路から成るもの。

あるいは、光源の駆動回路と、光源から出力された連続
光を強度変調する変調器と、この変調器を駆動する駆動
回路とから成るもの等、種々の構成があるが、いずれを
用いてもよい。

（作用） 光パルスの単一モード元ファイバ伝搬特性は一般化され
た非線形シュレジンガ方程式 忙より、よく記述される〔例えば、中塚他、フィジカル
　レピューレターズ誌、第４７巻、１３号、９１０ペー
ジ、１９８１年）。ここで元パルスの複素電界振幅、Ｅ
（Ｚ’ａｊ−’）ｍとしてＱｚ’、ｉ’）＝−ｇ　（ｚ
’、　ｉ’）　ｅｘｐ（ｉ　（ｘ−４’−に、ｚ／）　
）虞 ＋複素共役項　　　　　　（２） で表わされる平面波が仮定されている。　Ｚ’　（ｄ光
パルスの進行方向の座標で、χ′は時間、ω・は元の角
度波数セしてに・は光の単一モードファイバ中の伝搬定
数である。ま次式（２）と規格化され次式（１）との間
は χ＝　（ｉｔ　−に、ｚ’　）　　　　　　　（３ａ）
τ ｎ雪に・ Ｕ＝τ（−）”　　ｔ　　　　　　　（４ａ）２ｎ＊Ｉ
ＬＩ の変換により関係づけられている。ここでｌ′及び２′
は時間と距離、に１は群速度、ｋ、は群速度分散、ｎ、
け非線形屈折率、γは光損失係数である。

式（１）の第４項は非線形屈折率の影響を表わすがこの
項は光損失が０．２ｄＢ／Ｋｓの長距離高速光伝送シス
テムに適したシリカ糸ファイバの場合、ファイバ入力元
パワーが数ｍＷ以下では無視できる佃島、電属、昭６０
レーザー学会講演予稿集）、本発明は筆者が新たに導出
した解析解に基づくが、この解は上記のように非紐形屈
折率が無視できる時に成立する。この解は 但し ψ（ｚ　９ｊ−）　＝＋Ｃｆｚ）ｉ２＋　ｂ（ｚ）　　
（ｆｆｉりと表わされる。この解は線形にチャープした
ガウス形パルスは伝搬距離にかかわらず、常に線形にチ
ャープし念ガウス形パルスであることを示している。さ
らにそのガウス形パルスの伝搬特性はａ（ｚ）、　Ｗ（
ｚｌ、　Ｃ（ｚ）及びｂ（ｚ）の４つのパラメータの２
依存性により完全に記述される。このうち重要なのＦｉ
、パルス＠を表わすＷ（Ｚ）とチャープの強度を表わす
Ｃ（Ｚ）であ夕、これらは Ｗ２（ｚ）＝　ｃ、（ｚ十ｃ、）　　＋４７Ｃ１（６ａ
）と表わされる。但しＣ１とＣ１は任意の積分定数であ
る。長距離高速光伝送りステムにおける光パルスの形は
ガウス形でよく近似されるので、式（５１と（６）で与
えられる解は元パルスの単一そ−ドファイバ伝搬特性の
一般解とみなしてよい。

この解より、本発明の光通信用元パルス送信方法を！５
ｉ！明するために％まずチャープのない元パルスを元伝
送路〈入射させ次場合の伝送限界を求める。

この場合に送信可能な最小パルス＠は式（６）よりＷｍ
　＝　２　Ｖ’　Ｌ　　　　　　　　　（７）となる。

一方１式（６）から伝送距離が無限に長い場合、パルス
＠は２＝−〜から−Ｃ，まで単調に挟まり、Ｚ　：＝　
−Ｃ、から〜Ｉ／ｃかけて単調に広がることが分る。ま
た式（６ｂ）から、２＝−〜から−ｃ、までパルスは負
の線形チャープを有し、２ニー　Ｃ、から〜の間は正の
線形のチャープを有することが分る。但し１元伝送路が
負の分散を持つと仮定し之（式（６ｂ）で上の符号が適
用する）。

従がって、もし送信端と受信端で元パルスの幅が同、じ
になるように、光ファイバに入射される元パルスに負の
線形のチャープを与えれば、パルス間の相互干渉に起因
する問題を避けることができ、故に伝送距離を最大にで
きることが分る。

この時の伝送限界は式（６）より Ｗ″′・　ｌ　Ｃ：Ｖ′２ム　　　　　　　　　（ｄ）
と求まる。この時、ファイバに入射される元パルスに与
えるチャープの強度は式（６ｂ）よりＣ＝千台　　　　
　　　　　　　（９）と求まる。式（８）と（力金比較
すると１式（９）で与えられる線形のチャープをファイ
バに入射される元パルスに与えることによシ、ビットレ
ートが同じならば（パルス幅が同じならば）伝送距離ｔ
２倍にできることが分る（もし伝送距離が同じならばビ
ットレートがＶ／２−倍）。

式（９）で与えられるチャーブ強戸は伝送距離と伝送速
度の積を最大にする最適値であるが１式（７）で卑見ら
れるチャープのない元パルスのパルス幅ヨタ狭いパルス
幅及び／もしくけ長い伝送距離を可能にするチャープ強
度にはある幅があフ、それは式％式％（ と求まる。但し弐〇〇は負の群速度分散の場合で、正の
分散の場合は符号及び不等号が逆である。弐〇〇の与え
る範囲を（無次元化された規格化座標よ５）実際の値で
表わすと１式（３ン及びに、＝λＤ／〔２πＸ（３Ｘ１
０））の関係忙より となる。ここでλは光波長（ｍ）、ｌ′は伝送距離〔ｍ
〕、そしてＤはファイバの群速麓分赦（ｐｓ７　（ｎｍ
、　ｋｍ）　）である。但し、伝送距ＪＩｍを増大させ
る時における上記のｊ′は増大後の値であり、その時の
７アイパ入力端及びｌ′伝搬後の光パルス幅はチャープ
のない光パルスのパルス幅ト同シで５．４　ｋ　１０　
λＶ／預Ｉ　（秒、半値全幅）程度である。また伝送距
離が一定の場合におけるｌ伝送後の元パルス＠は、チャ
ープ強度が Ｖ’１ＤＩ７　　　（秒）程度である。この時のファイ
バに入力させるパルス幅は上記の最小パルス幅と同じで
、最適チャープ以外のチャープを与えるとｌ伝送後のパ
ルス幅は入力パルス幅よフ広くなる。

さて以上で説明したよ５に１元ファイバに入射する元パ
ルスに式ａυで与えられる線形のチャープを与えること
により、光伝送システムの伝送距離の増大及び／もしく
は伝送速度の向上が可能である。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

図１は本発明の実施例の構成を示すブロック図、図２は
図１の実施例の各部における波形を示した図である。

図Ｉにおいて、半導体レーザＩは半導体レーザ駆動回路
２により駆動され％図２（ａＪＫ示されているような符
号化された元パルス列を発生する。これらの元パルスの
パルス幅は１００ｐＳ　（半値全＠）でピットレートで
いえば５　Ｇｂ／ｓである。ま九これらの元パルスはチ
ャープをもたない。この元パルス列は角度ｆ調器３に入
射される。

この角度変調器３はポッケルスセルで、角度変調器駆動
回路４によシ駆動される。角度変調器３は半導体レーザ
１の発する光パルス列中の各々の元パルスに同じような
角度変調を加えなければならない。このため、角度変１
１駆動回路はその内部に７エイズロツクトループＣＰＬ
Ｌ）６に持ち、さらＫＰＬＬ６　　は半導体レーザ駆動
回路２から同助信周５′ｔ−受けることにより半導体レ
ーザの発する元パルス列と同期して発振している。ま交
角度ｆ調器３は角度変調器駆動回路４により印加される
瞬時電圧に比例した位相変化を前記元パルス列に与える
。従がって、前記元パルス列に線形のチャープを与える
ためには、その駆ｆｉ電圧を時間の２乗に比例して変化
させる必要がある。この友め前記角度変調器駆動回路４
は内部に波形整形回路７を有し、前記ＰＬＬの出力を図
ｚ（ｂ）Ｋ示すような波形に変換する。図３は前記の波
形整形回路７の構成を示すブロック図、図４は図３の■
、■及び０点における電圧波形を示す。図３中、入力端
子３１すなわち０点における入力電圧波形は図４（ａ）
Ｋ示されているが、これは図１中のＰＬＬ６の出力波形
であり、従がって前記元パルス列と時間的に同期してい
る。図３に示すようＫこの電圧波形を電圧−電流交換器
３２により電流波形に変換する。また図３中のスイッチ
３３は図４（ａ）４Ｃ示されている時間区間Ｔ１の間は
閉じていてＴ、の間はひらく。

したがって図３のコンデンサあけ期間Ｔ、の間は電圧−
電流交換回路３２により定電流で充電され、その結果０
点の電圧は図４＠に示される如く時間に比例して増加す
る。期間Ｔ■の間は前述の如く図３中のスイッチ３３が
開き％Ｔ１の間に充電されたコンデンサあは期間Ｔ、の
間にスィッチ３３ヲ通して放電する。この結果、図３の
０点における電圧波形は図４の（ｂ）で示されるように
なる。これを積分器３５により積分すると０点では図４
の（ｅ）で示される電圧波形が得られる。これをインバ
ータ３６に入力させると、出力端３７よりその出力とし
て図２のΦ）で示される波形が得られる。これは前記の
如く、図１の波形整形回路７の出力であるが、これを電
圧増幅器８に入力させる。電圧増幅器８の出力は、角度
変調器３が光パルスに適当な強度のチャープを与えるよ
うに調節される。つ−１前項作用の部分くおいて述べた
最適チャー１４にはめの角度変調器出力電圧は次のよう
Ｋなる。この実施例では、前記半導体レーザ１の発振波
長はλ＝　１．５５μｍで、超低損失な光ファイバ１０
はこの波長において損失が最小であＶ％ま之群速度分散
ＶｉＤ＝−１５ｐｓ／（ｎｍ、　ｋｍ）である。従って
２００Ｋｍ（Ｊ！’＝２００ｘｌＯｍ　）　伝送におけ
る最適チャープ量は−１１０（Ｈ２／秒）程度である。

これは図２（Ｃ）に示すようにパルス幅（１００１）Ｓ
）に相当する時間内に光周波数が４．０Ｈｚ減小するこ
とに相当する。ま之これは前記パルス幅の間に位相が約
２．４ラジアン変化することに相当する。前記角度変調
器３の半波長電圧（光の位相をπ変化させる之めに必要
な電圧）は５ボルトであるので、図２（ｂ）の電圧波形
（角度変調器駆動回路の出力波形）はピーク値で４ボル
トである。このような元パルス列をレンズ９全通して元
ファイバ１０に注入すると、最初の１１００Ｋの間は元
パルスの幅は減小し続け、次の１００ＫＩ１１の間は逆
に広がり、結果として２００ｈ地点で入力端を同じパル
ス幅になる。

つまり通信速度５Ｑｂ／ｓで２００　Ｋ！１１の伝送が
可能である。比較のために、もしチャープのない元パル
スを用いて５Ｑｂ／ｓの伝送速度を実現する条件を計算
すると、そのためには入力パルス幅ｔ−８５ｐｓ程度に
狭める必要があり、また伝送距離も１００−程度に限ら
れることが分る。

以上は本発明の光通信用光パルス送信装置の一実施例で
あり、本発明はこれに限られるわけでは・ない。本実施
例においては半導体レーザを直接変調することにより、
符号化された元パルス列を得意が、これけＣＷ全発振る
レーザの出力光を外部強度変調器で変調してもよい。ま
定角度変調器駆動回路も本実施例に用いた以外のものが
多数考えられる。例えば本実施例においてはＰＬＬを用
いて半導体レーザ駆動回路に角度変調器駆動回路を同期
させ次が、このＰＬＬ出力と同じものは半導体レーザ駆
動回路の出力電圧波形のデユーティ−比を単一シッット
ーマルチバイブレータで変え、さらに遅延回路でタイミ
ングをとることくより得られる。ま次回３の波形整形回
路中釦ある電圧−電流変換器は単なる定電流電源でもよ
い。ま九本実施例ではチャープのない半導体レーザを用
いたがチャープのある半導体レーザを用い、そのチャー
プを角度変調器で所望の線形チャープに変換するよう角
度変調器駆動回路を改造してもよい。

（発明の効果） 本発明によフ、光伝送路の分散特性が伝送限界を決定す
るような光伝送システムの伝送距離の長大化及び／もし
くは伝送速度（ピットレ・−ト）の高速化が可能である
。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の光送信装置の一実施例を示すプロ、り図
で、図２（ａン、　（ｂ）、　（Ｃ）ａこの実施例の各
部における光強度、亀圧、及び光周波数の波形を示す。 図１において、１は半導体レーザ、２は半導体レーザ駆
動回路、３は角度変調器、４は角度変調器駆動回路、５
は同期信号、９はレンズ、１０は元ファイバである。ま
た４の角度変調器駆動回路は６のＰＬＬ（７エイズロツ
クトループ）、７の波形整形回路、及び８の電圧増幅器
からなる。 図２において、（ａ）は半導体レーザｌの出力する光パ
ルス列の光強度波形、巾）は角度変調器３ｔ−駆動する
電圧波形、そしてｆｃ）は角度変調器３の出力光の周波
数波形を示す。 図３は、図１の波形整形回路７の構成を示すブロック図
。 図４は図３の■、■）及び０点における電圧波形を示す
。 図３において、３１は入力端子、３２は電圧−電流変換
器、３３はスイッチ、３４はコンデンサ、３５は積分器
、３６はインバータ、そして３７は出力端子を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、群速度分散がＤ〔（ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ）〕で長さが
   ｌ〔ｍ〕の単一モード光ファイバを用いる光通信システ
   ムにおいて、 ５．４×１０λ√（｜Ｄ｜ｌ）（秒、半値全幅）のパル
   ス幅を有し、かつ、 （８×１０＾１＾３）／（λ＾２Ｄｌ）〜（１×１０＾
   １＾５）／（λ＾２Ｄｌ）（Ｈｚ／秒）の線形チャープ
   を有する光パルスから成る光パルス列を送信することを
   特徴とする光パルス送信方法。 ２、光源と、この光源から光パルス列を取り出す手段と
   、光パルス列の各光パルスを変調する角度変調器と、時
   間の２乗に比例した駆動電位を前記光パルス列に同期し
   て前記角度変調器に印加する角度変調器駆動回路とを少
   なくとも備えていることを特徴とする光パルス送信装置
   。