JPS62139502A

JPS62139502A - 光伝送路

Info

Publication number: JPS62139502A
Application number: JP60280370A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Tajima; 一人田島
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1985-12-13
Filing date: 1985-12-13
Publication date: 1987-06-23

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）この発明は超高速長距離光伝送システム用光伝送路に関
する。

（従来の技術）光ソリトンはその幅が光伝搬距離に依存しない光超短パ
ルスであるため、この性質を利用して超高速光通信シス
テムを実現することが提案されている。しかし従来の４
ｔ−モードを光伝送媒体として用いると、光ファイバの
光損失の影響のため、光ソリトンはソリトンとしての性
質を伝搬するにつれ失い、その幅が増大する（例えばＡ
、ハセガワ、Ｙ、コダマ、プロシーディングスオブアイ
イーイーイー、第６９巻９号、１１４５ページ、１９８
１年）。この結果、実現可能なビットレートが大幅に制
限される。そこで、前記の光ファイバの光損失を誘導ラ
マン増幅等の光増幅手段で補うことが行なわれている（
例えばり、Ｆ、モレナウア他、オブチックス、レターズ
誌、第１０巻、５号、２２９ページ、１９８５年）。こ
の方法によれば前記の光損失の問題は解決されるが、数
ｋｍ〜１０＆ｍ間隔で光伝送路に大がかりな光増幅器を
挿入する必要があるという大きな問題がある。

（発明が解決しようとする問題点）このように、通常の光ファイバを用いると、光ファイバ
の光伝送損失により光ソリトンはその幅が拡がってしま
い達成可能な伝送速度が制限され、また光増幅器を用い
ることによりこの問題を解決するためには、数ｋｍ〜１
０ｋｍ間隔で光増幅器を光伝送路に挿入する必要がある
ため、光通信システムが非常に高価なものになるのみな
らず、同システムの信頼性が低下するという問題があっ
た。

本発明の目的は、光増幅器を用いないで光ソリトンを長
距離にわたり伝搬させ得る光伝送路を提供することであ
る。

（問題点を解決する手段）光フアイバ中の光ソリトンは光ファイバの非線形性に起
因するソリトンを圧縮しようとする力と、光ファイバの
群速度分散に起因するソリトンを拡げようとする力をバ
ランスよく受ける結果、その幅を変化させることなく長
距離を伝搬する。

しかし前述の如く光ファイバは本質的に光損失を有する
ため、光ソリトンは光ファイバを伝搬するにつれその光
強度を失い、したがって光ファイバの非線形性の影響を
あまり受けなくなる。この結果、光ソリトンは光ファイ
バの群速度分散の影響のみを大きくうける結果、その幅
が拡がってしまう。そこで本発明の光伝送路は、前記の
光ソリトンの伝搬に伴う光ファイバの非線形性の減少を
補正するために群速度分散も伝搬距離に対して変化する
構造とした。すなわち、光損失係数がｙ（１／ｃｍ）で
、その群速度分散＝に２が光伝搬方向（軸方向）に対し
てに２Ｆ２（ｋ２）　＋　ａｅ　−２ｙｚ　＝　０を満足
するように変化している構造の光ファイバとした。但し
に２は群速度分散（ｓ／ｃｍ２）、２は光ファイバの伝
送方向距離（ｃｍ）、Ｆ（ｋ２）はに２の関数として表
わされた光ファイバのコア径（ｃｍ）、そしてαは２＝
０の時のに２により決定される定数である。

もう１つの光伝送路は、光損失係数がｙ（１／ａｍ）程
度の分散の異なる光ファイバを複数接続−することによ
り、その全長における分散が光伝搬方向（軸方向）に対
して近似的にに２Ｆ２（ｋ２）＋　ａｅ　−２ｙｚ　＝　０の関係を
満足することを特徴とする光伝送路である。

（作用）単一モード光ファイバの光伝搬特性は波動方程式によりよく表わされる（例えばＢ、Ｐネルソン他、オプ
チックス・コンミュニケイションズ、第４８巻、４号２
９２ページ、１９８３年）。ここで光の電界強度はｅ（
ｔ、ｚ）＝　−Ｅ（ｔ、ｚ）ｅｘｐ［ｉ（ωｔ−ｋｚ）
］十複素共役項の平面波である。２は光の進行方向を表
わす座標で、ｔは時間、ωは光周波数、ｋＱ、に１．に
２はそれぞれ光の位相速度、群速度そして群速度分散で
ある。またＹは光の減衰率、ｎＱ及びｎ２はそれぞれ線
形屈折率と非線形屈折率である。単位はｃｇｓを用いて
いる。

ここで、ガリレイ座標変換ｔ’＝（ｔ−に１ｚ）八　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　（２ａ）ｚ’＝ｚ／ζ　　　　　　　　　　
　　　　　　（２ｂ）を用いて式（１）を変換するとが得られる。式（４）において右辺第一項が先ファイバ
の群速度分散の影響を（以後分散項と呼ぶ）、第２項が
光ファイバの非線形性の影響をあられす（以後非線形項
と呼ぶ）。ここで式（４）の非線形項がｅ−２ｒｚ’の
割合で減少するが、これは光ファイバの光損失の影響で
先ファイバの非線形性の影響が２の増大につれ（つまり
光ソリトンが光ファイバを伝搬するにつれ）減少するこ
とを意味する。この結果、光ソリトンは前記分散項の影
響のみを強く受ける結果、その幅が広がる。この問題を
避けるためには分散項も非線形項と同じ割合で減少する
ようにすればよい。つまりに２（ｚ’　）＝に２（ｚ’＝ｏ）ｅ−２ｒ”　　　　
　　　　　　　（５）とする。この結果、光ソリトンが
光フアイバ伝搬後もその幅を全く変えないことは数値計
算により容易に確認できる。

しかし現実のファイバの分散はそのコア径に関係する（
例えばり、グローブ、アブライドオプチックス誌、第１
０巻、２２５２ページ、１９７１年）。従って、光ファ
イバの分散に式（５）のような距離依存性を持たせると
、同時に光ファイバのコア径も距離依存性を持つ。光フ
ァイバのコア径が変化すると光フアイバ内の光子密度が
コア径の２乗の逆数に比例して変化し、したがって前記
の非線形性の強さも同様に変化する。そこで、この点を
考慮して式（５）をとおきかえる。ここでａ（Ｚ”）は
光ファイバのコア径であり、αは後に指定する定数であ
る。さてここで、ａは一般にに２の関数として近似でき
る。この関係をａ　＝Ｆ（ｋ２）　　　　　　　　　　　　　　　　　
（７）とすると式（６）はに２Ｆ”（ｋ２）＋ａｚ−２ｒｚ＝＝０　　　　　　　
　　　　　　　　（８）となる。ここでは実座標を用い
た。前記のように光ファイバのコア径はａ＝Ｆ（ｋ２）
のようにに２の関数で近似できるが、代表的な方法は多
項式を用いる方法である。従って式（８）はに２の多項
方程式と考えることができる。従って式（８）は各２に
ついて解くことによりその２におけるに２の値が求まる
。そして、そのに２より式（７）を用いて先ファイバの
コア径が求まる。なお、αはｚ＝０の時のに２を決めれ
ば自動的に決定される。２＝０の時のに２の値は、通常
は実現可能な値のうち最大のものをとる。以上のように
コア径が２軸方向（光伝搬方向）に対して変化する光フ
ァイバを用いれば、光ソリトンをその幅を変えることな
く長距離にわたり伝搬させることが可能である。

（実施例）図を用いて本発明の光伝送路の実施例の説明をする。第
１図は光伝送路の一実施例の模式図である。同図に見ら
れるように、本実施例の光伝送路はコア径のわずかに異
なる単一モード光ファイバを多数接続したものである。

これらの各々の単一モード光ファイバの長さと、それら
のコア径の関係は以下のようにして決定した。

まずコア半径の異なる（２ｐｍ〜５１１ｍ）ステップ・
インデックス形単−モード光ファイバ２０種類以上につ
いて、それらの分散を測定した。その結果１、分散とコ
ア関係は第２図に示すごと（、はぼ線形の関係にあり、
これは概報告の文献中の理論とほぼ一到することが確認
された（例えばり、グローブ、アプライド・オプチック
ス誌、第１０巻、２２５２ページ、１９７１年及びＳ、
コバヤシ他、プロシーデインダスオブアイオーオーシー
（東京、１９７７年）、Ｂ８−３）。従となる。ここで
に２は群速度分散で（ｓ２／ｍ）、Ｃは３　Ｘ　１０８
ｃｍ、λＶａｅは真空中の光波長で、ここでは１．５５
　Ｘ　１０７６ｍとする。これを式（８）に代入すると
に２３＋４０ｘｋ２２＋４００ｘ２に２＋ａ’　ｅ−２
Ｙｚ＝０　　　　　　（１１）となる。波長１．５５ｐ
ｍではｘ＝１．２７５Ｘ１０−２７［ｓ２／ｍｌ、また
ファイバ入射端（ｚ＝０）の群速度分散は手持ちファイ
バ中の最大のものである。−２０（ｐｓ／ｎｍ）ｋｍの
ものとしたので［ｋ２　＝　２．５５　Ｘ　１Ｏ−２６
（ｓ２／　ｍ　）　］　。

］α＝−６．６３３ｘｌＯ−７となる。またファイバの
光伝送損失はどれも約０．２ｄＢ／ｋｍ程度であったの
でγ＝２．３Ｘ１０−７（１／ｃｍ）である。以上の係
数を用いて、各２点におけるに２を式（１１）より求め
、またこの結果と式（９）より求めたファイバコア径の
変化を第３図に実線により示しである。次に、手持ちの
径の異なるファイバを適当な長さに切断し、なるべく第
３図の実線に近くなるように第１図に示すように組み合
わせて接続した。その結果得られたソリトン光ファイバ
の群速度分散とコア径の距離依存性を第３図中に点線で
しめしである。なお、光ファイバの接続点における光損
失量は、ファイバ径がほとんど同じこともあり、０．０
５ｄＢ以下にすることができた。このようにして作られ
たソリトン光ファイバの屈折率の距離依存性はその理想
的なもの（第３図の実線）とは異なり第３図の点線のよ
うに階段状に変化しているが、この影響は極端に短い光
ソリトンを伝搬させる場合を除いて無視できるものであ
る。

また、いうまでもなく、もっと短い適当なコア径の光フ
ァイバを接続することにより、より理想に近いソリトン
ファイバを造ることができる。

光伝送路の性能をテストするためにソリトンレーザを用
意した。ソリトンレーザに関してはオプチックスレター
ズ誌、第９巻、１号、１３ページ、１９８４年に発明者
のり、Ｆ、モレナウア他より詳しく説明されているので
、ここでは簡単な説明にとどめる。ソリトンレーザとは
、光ファイバによる外部注入同期機構をもつカラーセン
タレーザで、その光ファイバの長さとコア径を適当に選
ぶことによりカラーセンタレーザの出力と同期可能なモ
ード数の範囲で任意の幅と強度を有する光パルスを発生
できる。そこで、前記光ファイバの長さを適当に調節し
たところ、波長が１．５５１１ｍで半値全幅が１７ｐｓ
、ピーク強度が約１．５Ｗの光パルスを連続的に発生す
ることができた。ところが、前記先任送路入射端におい
て幅が１７ｐｓの光パルスが同光伝送路が保持するソリ
トンであるためにはそのピーク強度は１５５ｍＷ程度で
なければならない。そこで、ソリトンレーザと光伝送路
の結合損失も考慮して前記ソリトンレーザの出力光を光
減衰器を通して光伝送路に注入することにした。このよ
うにして注入した光ソリトンの光伝送路伝搬後の幅を測
定したところ、光強度は光損失により大幅に減衰してい
るにもかかわらず、はとんど幅は変化していないことが
確認された。

以上本発明の光伝送路の一実施例について説明したが、
本発明はこの実施例に限定されるものではない。本実施
例ではステップインデックス形の単一モード光ファイバ
を用いたが、これは他の屈折率分布をもつ光ファイバを
用いてもよい。他の構造の光ファイバを用いる場合は、
その群速度分散とコア径の関係が本実施例の場合とは異
なることが予想されるが、このような光ファイバを用い
ても基本的には本実施例と同じ手続により光伝送路をつ
くることが可能である。また、異なる屈折率分布をもつ
光ファイバを組み合わせてもよい。

また光伝送路を量産する場合を考えると、本実施例のよ
うに異なる径のファイバを組み合わせるよりは１．光フ
アイバ製造時に光ファイバの母材より光ファイバを引く
速度を適当に調節すれば、そのコア径がテーパ状に変化
する理想的な光伝送路が得られる。

最後に、本実施例においては、幅が１７ｐｓの光ソリト
ンに関して説明したが、同実施例の光伝送路はｌｐｓ以
下の幅の光ソリトン伝搬させることが可能であることを
注意しておく。

（発明の効果）本発明により、超短光パルスである光ソリトンを、その
幅を変えることなく長距離にわたり伝搬させることが可
能となり、光通信システムの伝送速度を大幅に向上させ
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は光伝送路の一実施例の模式図である。同図にお
いて、光ファイバの幅と長さの関係は実際とは異なる。第２図は実施例で用いたステップインデックス形単−モ
ード光ファイバのファイバコア径と群速度分散の関係を
示す。第３図は光伝送路の群速度分散とコア径と長さの関係を
示す。同図において実線はコア径がテーパ状に変化する
先ファイバを用いた光伝送路、そして点線はコア径の異
なる単一モードファイバを接続した光伝送路を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光損失係数がγ（１／ｃｍ）で、その群速度分散
ｋ＿２が光伝搬方向（軸方向）に対してｋ＿２Ｆ＾２（ｋ＿２）＋ａｌ−２γｚ＝０〔但しｋ＿
２は群速度分散（ｓ／ｃｍ＾２）、ｚは光ファイバの伝
送方向距離（ｃｍ）、Ｆ（ｋ＿２）はｋ＿２の関数とし
て表わされた光ファイバのコア径（ｃｍ）、そしてａは
ｚ＝０の時のｋ＿２により決定される定数である。〕を満足するように変化している光ファイバから成ること
を特徴とする光伝送路。
（２）光損失係数がγ（１／ｃｍ）程度の分散の異なる
光ファイバを複数接続することにより、その全長におけ
る分散が光伝搬方向（軸方向）に対して近似的にｋ＿２Ｆ＾２（ｋ＿２）＋ａｌ−２γｚ＝０〔但しｋ＿
２は群速度分散（ｓ／ｃｍ＾２）、ｚは光ファイバの伝
送方向距離（ｃｍ）、Ｆ（ｋ＿２）はｋ＿２の関数とし
て表わされた光ファイバのコア径（ｃｍ）、そしてａは
光伝送路入射端の光ファイバのｋ＿２により決定される
定数である。〕の関係を満足することを特徴とする光伝送路。