JPS6334521A

JPS6334521A - 光伝送路

Info

Publication number: JPS6334521A
Application number: JP61177624A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Tajima; 一人田島
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-07-30
Filing date: 1986-07-30
Publication date: 1988-02-15

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。しかし従来の単
一モード光ファイバ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、光ソリトンは光ソリトン
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、プロシーデインゲ
ス　オプ　アイ　イー　イー　イー、第６９巻、９号、
　１１４５ページ、　１９８１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、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
とが行われている（例えばり、Ｆ、モレナウア他、オプ
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
ば光ｔｎ失の問題は解決されるが、数ｋｍ−１０ｋ１１
程度の短い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。

そこで、これらの問題を解決するために、光損失係数が
ｙ（１／ｃｍ）程度の群速度分散の異なる光ファイバを
複数接続することにより１、その全長における群速度分
散ｋｇ　　（ｓ”／ｃｍ）が光伝搬方向（軸方向）に対
して近似的に、ｋｔ　Ｆ”（ｋり　＋ｔｘｅ　ｘｐ　　（−２ｒ　ｚ）
　＝０の関係を満足する光フアイバ伝送路を用いること
が考えられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記のごと（、群速度分散の異なる光ファイバを複数接
続した光伝送路は、高価な光増幅器等を用いないで光ソ
リトンを長距離にわたり伝送させ得るが、コア径の異な
る光ファイバを接続しているため、その接Ｖｔ　損失（
スプライシング損失）が大きく、その結果、このような
光伝送路の最大長が制限されていた。

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ように、群速度分散の異なる
光ファイバを複数接続する光伝送路において、光フアイ
バ接続損失を減少させることにより、より長尺化した光
伝送路を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の光伝送路は、光損失係数γが同程度で群速度分
散の胃なる光ファイバを複数接゛続することにより、そ
の全長における群速度分散に２が光伝搬方向（軸方向）
に対して近似的に、ｋｇ　Ｆ”（ｋｚ　）＋αｅｘｐ　
（−２γｚ）　−〇の関係を満足する光伝送路において
、前記光ファイバの接続はコア径の大きい光ファイバから
コア径の小さい光ファイバを接続する接続手段で行われ
ていることを特徴としている。

〔作用〕

単一モード光ファイバの光伝搬特性は波動方程式％式％により表される（例えばＢ、Ｐネルソン他、オプチソク
ス・コミュニケイションズ、第４８巻、４号。

２９２ページ、　１９８３年）。ここで光の電界強度Ｅ
は、ε（ｔ、ｚ）　＝　　Ｅ（ｔ、ｚ）　　ｅｘｐ　（
ｉ　　（ωｔ−ｋｏ　ｚ）　）＋複素共役型の平面波である。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、ｋｏ　、に＋　、ｋｚはそれぞ
れ光の位相速度１群速度１群速度分散である。またγは
光の減衰率、ｎｏ及びｎｔ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、ｚ）／ｒ　　　　　　　（２ａ
）ｚ′＝ｚ／ζ　　　　　　　　　　　　（２ｂ）ｒ＝
ζγ　　　　　　　　　　　　　　（３ａ）（３ｂ）を用いて式（１１を変換するとｃ１ｚ′ が得られる。式（４）において右辺第１項が光ファイバ
の群速度分散の影響を表しく以後、第１項を分散型と呼
ぶ）、第２項が光ファイバの非線形性の影響を表す（以
後、第２項を非線形項と呼ぶ）。

ここで式（４）の非線形項がｅＸｐ（−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光
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、光ソリトンは分散型の影響のみ
を強く受ける結果、その幅が広がる。この問題を避ける
ためには分散型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、ｋｚ（ｚ’）＝ｋｚ（ｚ’＝ｏ）ｅＸｐ　（−２１”ｚ
’）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。

しかし現実の光ファイバの群速度分散は、そのコア径に
関係する（例えばり、グローゲ、アブライドオブチック
ス誌、第１０巻、　２２５２ページ、　１９７１年）。

従って、光ファイバの群速度分散に式（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、従って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 α と置き換える。ここでａ（ｚ’）は光ファイバの有効コ
ア径であり、αは後に指定する定数である。

有効コア径は光ファイバの有効コア面積（例えばＳ、Ｅ
、　　ミラー編、オプチカルファイバテレコミュニケイ
ションズ、アカデミツクプレス、１３０ページ）に対応
する径であり、光ファイバの実際のコア径に非常に近い
。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　（ｋり　　　　　　　　　　
　（７）とすると式（６）は、ｋｇ　　Ｆ”（ｋｇ）−ｚｒｅｘｐ　　（−２７Ｚ）＝
Ｏ（８１となる。ここでは実座標を用いた。このように
光ファイバの有効コア径はａ＝Ｆ（ｋ２）のようにｋｔ
の関数で近似できるが、代表的な方法は多環式を用いる
方法である。従って式（８）はに！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８の値が求まる。そして、そ
のに２より式（７）を用いて光ファイバの有効コア径が
求まる。なお、αは２＝Ｏの時のに８を決めれば自動的
に決定される。２−０の時のｋｔＯ値は、通常は実現可
能な値のうち最大のものをとる。

以上のように有効コア径が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。

ところで、以上で説明した光伝送路を実現する一方法と
して、群速度分散の異なる通常の単一モード光ファイバ
を複数接続することにより、弐（８）を近似的に満足さ
せることが考えられる。しかし、以上の説明で明らかな
ように、この場合はコア径の異なる光ファイバを接続し
なければならない。

コア径の異なる光ファイバを直接接続すると、前述した
ように大きな接続損失を生ずる。これは、光ファイバの
光損失が実効的に増加したと考えてよく、この影響は式
（６）より、望ましいものでないことが分かる。つまり
式（６）より、光ファイバの損失（ｒ）が増加すると、
群速度分散（ｋ８）を、より短距離の間に変化させなけ
ればならないことが分かる。一方、光ファイバの群速度
分散の制御可能な範囲は有限である。その結果、前記の
接続損失は、光通信路の最大長を減少させてしまう。

従って、前記のように群速度分散の異なる光ファイバを
接続する場合は、コア径の異なる光ファイバを低損失で
接続しうるファイバカブラを用いる必要がある。

〔実施例〕

図を用いて本発明の光伝送路の実施例を説明する。

第１図は光伝送路の一実施例の模式図である。

第１図に見られるように、本実施例の光伝送路は、有効
コア径のわずかに異なる単一モード光ファイバ１，２．
３・・・を多数接続した（図では、単一モード光ファイ
バのコア径をｂ＋、ｂｚ、ｂｓで示している）もので、
コア径の異なる光ファイバを低損失で接続する接続手段
としてコア径がテーパー状に変化するファイバ１１．１
２・・・（ファイバカプラと呼ぶことにする）を用いた
。なお、第１図は模式図であり、実際には各々のファイ
バは数ｉから数十−であるのに対し、ファイバカプラの
長さは数＋１程度である。これらの各々の単一モード光
ファイバの長さと、それらの有効コア径の関係は以下の
ようにして決定した。

まず有効コア半径の異なる（２μ１１１〜５μｌ１１）
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、それらの群速度分散を測定した。その
結果、群速度分散と有効コア半径は第２図に示すごとく
、はぼ線形の関係にあり、これは既報告の文献中の理論
とほぼ一敗することが確認された〔例えばり、グローゲ
、アプライド・オプチノクス誌、第１０巻、　２２５２
ページ、　１９７１年及びＳ、コバヤシ他、プロシーデ
インゲス　オブ　アイ　オー　オー　シー（東京、１９
７７年）、Ｂ８−３〕。従って式（７）の関係は、となる。ここでに２は群速度分散（ｓ２／ｍ）で、には
、２πＣである。弐〇〇において、Ｃは真空中の光速度３×１０
１１ｍ／Ｓ、λｖ、ｃは真空中の光波長で、ここでは１
．５５Ｘ１０−６ｍとする。これを式（８）に代入する
と、ｋｇ’　＋４０にｋｚ”　＋４００　に２に、　＋
　ｏ：　’　ｅｘｐ（−２γｚ）−０となる。

波長１．５５μ醜ではに−１，２７５Ｘｌ０−”　　（
ｓ”　／ｍ〕、またファイバ入射端（２＝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（ｐ
ｓ／ｎｍ）／―のものとしたので（ｋｇ　＝２．５５Ｘ
１０−”　　（ｓ”　　７ｍ）　　、ＣＸ＝　　６．６
３３　　Ｘｌ０−”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、ｙ　＝
２．３　Ｘｌ０−’（１／ｃｍ）である０以上の係数を
用いて、各２点におけるに２を式ａυより求め、またこ
の結果と式（９）より求めたファイバの有効コア径の変
化を第３図に実線により示している。

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
すようにファイバカプラと組み合わせて接続した。その
結果得られた光伝送路の群速度分散と有効コア径の距離
依存性を第３図中に点線で示しである。

なお、第１図で明らかなように、ここで用いたファイバ
カプラは通常の単一モード光ファイバと同じような構造
であるが、そのコア径がテーパー状に軸方向に変化して
いる。このようなテーパー状のファイバカプラの特性に
ついてはり、マルクーゼ、ベル　システム　テクニカル
　ジャーナル。

１９７０年１０月号、　１６６５−１６９３ページに詳
しいが、コア径の変化率が小さければそれに伴う放射損
失は無視できる。例えばコア径を半分にしぼる場合でも
、コア径の１０００倍程度の距離をもってコア径を徐々
に変化させれば、放射損失は事実上ゼロである。単一モ
ード光ファイバのコア径は１０μ醜程度であるので、第
１図のファイバカプラは約ｌａｍ程度で十分である。し
かしこのような短いファイバカプラは実際の取り扱い上
不便なため、ファイバカプラの長さは約５０ｃｍとした
。また第１図に模式的に示されているように、ファイバ
カプラの入力側コア径は約１２μｍで、また出力側のコ
ア径は約４μｍとした。このため、同一のファイバカプ
ラを全ての接続点で使用できるのみならず、軸ずれに対
する接続損失がほとんどなくなった。実際に接続に伴う
損失（スプライシング損失）はほとんどなかった、また
、このように短いファイバカプラの光ソリトンの伝搬に
及ぼす影響は、事実上ない。このようにして作られた光
伝送路の群速度分散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、言うまでもなく、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、より理想に近い光伝送路
を構成することができる。

本実施例の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ソ
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
．５５μ−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、光転送路入射端において幅が１７ｐｓの光パルス
が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１５５　ｍＷ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、
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
）置火により大幅に減衰しているにもかかわらず、その
幅がほとんど変化していないことがＴＩＩ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
例ではステソプインデノ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、
その群速度分散と有効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合せてもよい。

また、本実施例では、テーパー状にコア径の変化するフ
ァイバカプラを用いたが、これは他の構造のものでもよ
い。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、本実施例の光伝送路はｌｐ
ｓ以下の幅の光ソリトンを伝搬させることも可能である
。

〔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
ることが可能となる。

【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、第２図は実施例
で用いたステソプインデソクス形単−モード光ファイバ
のファイバの有効コア半径と群速度分散の関係を示す図
、第３図は光伝送路の群速度分散と有効コア径と長さの関
係を示す図である。１．２．３・・・単一モード光ファイバ１１、１２・・
・ファイバカプラ１．２．３−・−一一単一モード′光ファイバ１１　１
２−−−−ファイバカプラｂ、〜ｂｓ−−−−ファイバコア径第１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光損失係数γが同程度で群速度分散の異なる光フ
ァイバを複数接続することにより、その全長における群
速度分散ｋ＿２が光伝搬方向（軸方向）に対して近似的
に、ｋ＿２Ｆ＾２（ｋ＿２）＋αｅｘｐ（−２γｚ）＝０但
し、Ｆ（ｋ＿２）はｋ＿２の関数として表された光ファイバ
の有効コア径、ｚは光ファイバの伝送方向距離、 αは光ファイバ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光伝送路において、前記光ファイバの接続はコア径の大きい光ファイバから
コア径の小さい光ファイバを接続する接続手段で行われ
ていることを特徴とする光伝送路。