JPWO2005114317A1 - ラマン増幅用光ファイバ、光ファイバコイル、ラマン増幅器及び光通信システム - Google Patents

Abstract

本発明は、非線形効果によるシステム特性の劣化を抑制しつつ増幅効率を増大させるラマン増幅用光ファイバ１を提供する。ラマン増幅用光ファイバ１は、励起光が供給されることにより信号光をラマン増幅するラマン増幅用光ファイバであって、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率（ｇＲ／Ａｅｆｆ，Ｒ）が５（Ｗ×ｋｍ）−１以上であり、波長１５５０ｎｍにおける非線形係数（ｎ２／Ａｅｆｆ，ｓ）が５．０×１０−９Ｗ−１以下であり、ゼロ分散波長λ０が信号光波長及び励起光波長に無く、カットオフ波長λＣが励起光波長以下である。

Description

本発明は、励起光が供給されることにより信号光をラマン増幅するラマン増幅用光ファイバと、このラマン増幅用光ファイバがボビンに巻かれた光ファイバコイルと、このラマン増幅用光ファイバを含むラマン増幅器と、このラマン増幅器を含む光通信システムとに関する。

近年、ブロードバンドインターネットサービスが着実に普及してきている事実からも、バックボーンネットワークの更なる大容量化の必要性は明らかである。この１０年で、光ファイバ通信システムの大容量化には、ＷＤＭ伝送技術を用いることが主流となり、使用できる信号波長帯を拡大することは、大容量化の限界を引き上げるための重要な開発課題となっている。

光通信システムを構成する要素は多数あるが、その中でも光増幅器は、使用できる信号波長帯を制限する要因となっている。現在、稼動している光通信システムに用いられている光増幅器は、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）であり、その利得帯域はＣバンドと呼ばれる約１５３０ｎｍから１５６５ｎｍの波長帯とＬバンドと呼ばれる約１５７０ｎｍから１６１０ｎｍの波長帯に限られている。一方で、光ファイバ中の誘導ラマン散乱を用いたファイバラマン増幅器は、励起波長を適切に選択することで、任意の波長帯を増幅することが可能なため、ＥＤＦＡで増幅できない帯域への適用が検討されている。ＣバンドやＬバンドへのラマン増幅器の適用が積極的に検討されない理由は、従来のラマン増幅器がＥＤＦＡと比較すると増幅効率が悪いという問題を抱えていたからである。

ラマン増幅器は、光ファイバを光増幅媒体とし、この光ファイバに励起光が供給されることにより信号光をラマン増幅することができるものであって、光ファイバ中の非線形光学現象の一つである誘導ラマン散乱を利用するものである。

このような観点からは、ラマン増幅器用光ファイバは高い非線形性を有するものが好ましい。例えば、下記特許文献１に開示されたラマン増幅器は、ラマン増幅用光ファイバとして信号光波長での波長分散の絶対値が６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の高非線形性光ファイバを用いて、集中定数的な光増幅を行うものである。

特開２００２−２７７９１１号公報

従来のラマン増幅器の設計では、光増幅器の基本特性パラメータである利得と雑音指数（ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ，ＮＦ）の他に、特にラマン増幅器で問題となるダブルレイリー散乱（ｄｏｕｂｌｅ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＤＲＢＳ）によるＭＰＩ（ｍｕｌｔｉ−ｐａｔｈ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）雑音と非線形位相シフト（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ，ＮＬＰＳ）に注意が払われてきた。利得とＮＦは、システム設計の立場から与えられる基本仕様であるため、これらの特性が一定であるという条件のもとで、ＭＰＩ雑音、ＮＬＰＳをできるだけ小さくすることが増幅器単体での設計目標となる。また、そのときに必要な励起パワーも増幅器の設計指針であり、これは増幅効率と言い換えることができる。

一般に、ＭＰＩ雑音とＮＬＰＳは増幅用ファイバを短くするほど小さくなるが、同時に増幅効率も悪くなるため、両者はトレードオフの関係にある。また、ＮＬＰＳを小さくするためには、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，Ｓ}）を小さくすればよく、増幅効率を上げるためには、ラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）を大きくすればよい。ここで、ｎ_２は非線形屈折率、Ａ_{ｅｆｆ，Ｓ}は信号波長における有効コア断面積、ｇ_Ｒはラマン利得係数、Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}は信号波長と励起波長における有効コア断面積の相加平均である。前述の通り、有効コア断面積が非線形係数とラマン利得効率の両方に関係していることから、非線形係数とラマン利得効率の間には、一方を大きくすると他方も同時に大きくなる傾向がある。従って、ここにもトレードオフの関係が存在する。このような背景から、トレードオフの関係にある双方の特性が許容範囲に収まるように増幅用ファイバの設計を行う必要がある。

一般に光ファイバ中の非線形効果は、ＷＤＭ信号の伝送品質を劣化させる場合が多い。具体的には、四光波混合（ＦＷＭ）、自己位相変調（ＳＰＭ）、相互位相変調（ＸＰＭ）、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）などが特性劣化の要因となりうる。ＦＷＭでは、ＡＳＥと同様に、信号光とは無関係の雑音光が、信号光と一緒に検出器に入ることにより、ランダムな干渉による強度雑音を生じさせる。ＳＰＭとＸＰＭはガラスの屈折率が光の強度に依存することにより、強度変調信号のパターンに応じた位相シフトが発生する現象で、位相シフトの時間変化（瞬時周波数の変化）が伝送路の分散と結合することにより、強度変調信号の波形に歪みを生じさせることがビット誤り率の増加につながる。ＳＢＳは信号光自身によるものと励起光によるものとがあり、いずれの場合も信号光強度の時間変動の原因となり、ビット誤り率を増加させる。

非線形効果の大きさを見積もるためのパラメータとして一般に用いられているＮＬＰＳは、ＳＰＭの大きさを表すパラメータであり、ファイバの分散に大きく影響されるＦＷＭとＸＰＭの効果を見積もるにはＮＬＰＳだけでは不十分である。例えば、ＦＷＭは位相整合が成り立たない限りその発生効率は低く、ラマン増幅用光ファイバとして信号光波長での波長分散の絶対値が６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下である高非線形性光ファイバを用いる場合には、波長分散の絶対値がゼロ付近に無いため、ＮＬＰＳが比較的大きな値になっていたとしても、ＦＷＭの影響による信号光の伝送品質劣化が抑制可能となる。一方、ＸＰＭの抑制に必要な波長分散の大きさはＦＷＭの場合よりは多少大きくなると予想されるが、その値は明らかにされていない。

本発明は、上記問題点を解消する為のものであり、非線形効果によるシステム特性の劣化を抑制しつつ増幅効率を増大させるためのラマン増幅用光ファイバと、このラマン増幅用光ファイバを用いた光ファイバコイルと、このラマン増幅用光ファイバを含むラマン増幅器と、このラマン増幅器を含む光通信システムとを提供することを目的とする。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、励起光が供給されることにより信号光をラマン増幅するラマン増幅用光ファイバであって、下記１）〜５）に記載の特性を全て有することを特徴とする。
１）波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下
２）１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率が５（Ｗ×ｋｍ）^−１以上
３）波長１５５０ｎｍにおける非線形係数が５．０×１０^−９Ｗ^−１以下
４）ゼロ分散波長λ_０信号光波長および励起光波長に無い
５）カットオフ波長λｃが励起光波長以下

また、本発明は、上記発明において、波長１５５０ｎｍにおける分散スロープの絶対値が０．０５ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、波長１５５０ｎｍにおける２０ｍｍφの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、ゼロ分散波長λ_０１３５０ｎｍ以下或いは１６７５ｎｍ以上の範囲内にあることを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、カットオフ波長λｃが１３５０ｎｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、ガラス部の外径が１００μｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、被覆部の外径が１５０μｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明は、上記いずれか一つに記載のラマン増幅用光ファイバがボビンに巻かれたことを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、両端に１．３μｍ帯にゼロ分散波長を有するシングルモード光ファイバが接続されたことを特徴とする。

また、本発明は、入力部から入力された信号光をラマン増幅して出力部より出力するラマン増幅器であって、前記入力部と前記出力部との間の少なくとも一部に設けられた上記いずれか一つに記載のラマン増幅用光ファイバと、前記ラマン増幅用光ファイバに対し前記ラマン増幅用の励起光を供給する励起光供給手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記入力部と前記出力部との間の少なくとも一部に前記ラマン増幅用光ファイバ以外のファイバが設けられたことを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記ラマン増幅用光ファイバ以外のファイバは、前記ラマン増幅用光ファイバと前記出力部との間の少なくとも一部に設けられたことを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記ラマン増幅用光ファイバ以外のファイバは、分散補償光ファイバ（ＤＣＦ）であることを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記ラマン増幅用光ファイバ以外のファイバは、正分散光ファイバであることを特徴とする。

また、本発明は、上記いずれか一つに記載のラマン増幅器を備えた光通信システムであって、信号光を伝送するとともに、前記ラマン増幅器により該信号光をラマン増幅することを特徴とする。

また、本発明は、入力部から入力された信号光をラマン増幅して出力部より出力するラマン増幅器の前記入力部と前記出力部との間の少なくとも一部に、下記６）〜９）に記載の特性を全て有することを特徴とするラマン増幅用光ファイバと該ラマン増幅用光ファイバに対し前記ラマン増幅用の励起光を供給する励起光供給手段とを備えた前記ラマン増幅器を備え、信号光を伝送するとともに、前記ラマン増幅器により該信号光をラマン増幅することを特徴とする。
６）ラマン増幅用光ファイバの出力端における信号パワーがＰｏｕｔ［ｍＷ／ｃｈ］、光波長多重（ＷＤＭ）信号の隣接信号の波長間隔がＳ［ｎｍ］のとき、信号光波長における波長分散値が−７．３９×Ｐｏｕｔ／Ｓ［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］以下
７）１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率が５［（Ｗ×ｋｍ）^−１］以上
８）ゼロ分散波長λ_０信号光波長および励起光波長に無い
９）カットオフ波長λｃが励起光波長以下

また、本発明は、上記発明において、前記ラマン増幅用光ファイバの波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記ラマン増幅用光ファイバの波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記ラマン増幅用光ファイバの波長１５５０ｎｍにおける分散スロープの絶対値が０．０５ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記信号光の波長が、１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長帯域（以下、Ｓバンドという場合がある）、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの波長帯域（以下、Ｃバンドという場合がある）、１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍの波長帯域（以下、Ｌバンドという場合がある）、１６２５ｎｍ〜１６７５ｎｍの波長帯域（以下、Ｕバンドという場合がある）の四つの波長帯域のうち少なくとも一つの波長帯域内に存在することを特徴とする。

また、本発明は、上記発明において、前記信号光の波長が、１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長帯域（Ｓバンド）、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの波長帯域（Ｃバンド）、１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍの波長帯域（Ｌバンド）、１６２５ｎｍ〜１６７５ｎｍの波長帯域（Ｕバンド）の四つの波長帯域のうち少なくとも二つ以上の隣り合う波長帯域内に存在することを特徴とする。

本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値を−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲とすることにより、非線形係数を抑制しつつラマン利得効率を増大させることができるという効果を奏する。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率が５［（Ｗ×ｋｍ）^−１］以上の範囲であることにより、高効率で信号光をラマン増幅することができるという効果を奏する。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける非線形係数が５．０×１０^−９［Ｗ^−１］以下の範囲であることにより、自己位相変調や相互位相変調などの非線形光学現象の影響による信号光の波形劣化を抑制することができるという効果を奏する。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、そのゼロ分散波長λ_０が信号光波長及び励起光波長に無いことにより、信号光及び励起光の四光波混合の影響による波形劣化を抑制することができるという効果を奏する。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、そのカットオフ波長λ_Ｃが信号光波長以下であることは当然の要求事項であるが、カットオフ波長λ_Ｃが励起光波長以下であることにより励起光もシングルモード伝播することができるので、励起光エネルギーを有効に使用することができるという効果を奏する。

つまり、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、十分なラマン利得を得ることができるうえ、非線形光学現象の影響による信号光の波形劣化も抑制することができるという効果を奏する。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける分散スロープの絶対値が０．０５ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下の範囲であることにより、広帯域での波長分散値変動が小さくなるので、波長１５５０ｎｍを中心とする広い波長範囲に渡って最適値が実現できるという効果を奏する。なお、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値を最適値にしても、波長分散が大きな傾きを持っていると、波長１５５０ｎｍ以外の波長における波長分散値は最適値からずれてしまう。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける２０ｍｍφの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下の範囲であることにより、１６７５ｎｍ以下の波長帯域で損失増加すること無く光ファイバコイルを作成することができるという効果を奏する。なお、曲げ損失は、光ファイバコイル作成の際に、長波長領域（約１５００ｎｍ以上）で損失増加を引き起こす要因となる。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、ゼロ分散波長λ_０が１３５０ｎｍ以下或いは１６７５ｎｍ以上の範囲に存在することにより、１４６０ｎｍ以上且つ１６７５ｎｍ以下の波長帯域にある信号光をラマン増幅する際に、四光波混合の影響による励起光と信号光の波形劣化を抑制することができるという効果を奏する。なお、ラマン増幅用励起光波長は信号光波長よりも１００ｎｍ〜１１０ｎｍ短波長になるので、１４６０ｎｍ以上且つ１６７５ｎｍ以下の波長帯域にある信号光の最短励起光波長は、１３５０ｎｍ以上になる。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、波長が１４６０ｎｍ以上の信号光の励起光がシングルモード伝播することができるので、波長が１４６０ｎｍ以上にある信号光の励起光エネルギーを有効に使用することができるという効果を奏する。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、光ファイバにかかる曲げ応力が減少するので、曲げ応力による光ファイバの信頼性低下を抑制することができるという効果を奏する。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、光ファイバをボビンに巻いて光ファイバコイルを作成した場合に、光ファイバコイルの小型化ができるという効果を奏する。

また、本発明によれば、上記いずれか一つに記載のラマン増幅用光ファイバを用いて本発明にかかる光ファイバコイルを作成するので、収納性に優れた集中定数型のラマン増幅器が実現できるという効果を奏する。

また、本発明にかかる光ファイバコイルを用いることで、前記ラマン増幅用光ファイバとアイソレータやＷＤＭカプラなどの光部品との結合が容易になるという効果を奏する。

また、本発明にかかるラマン増幅器は、上記いずれか一つに記載のラマン増幅用光ファイバを用いたものであるので、増幅効率が高く、非線形光学現象の影響による信号光の波形劣化を抑制することができるという効果を奏する。

また、本発明にかかるラマン増幅器を用いることにより、広帯域における伝送路光ファイバの波長分散補償が可能になると共に、分散補償光ファイバにおけるラマン増幅も可能となるという効果を奏する。さらに、分散補償光ファイバは一般に前記ラマン増幅用光ファイバよりも有効コア断面積が大きく、これを出力側に用いる構成においては、増幅器出力が同一の場合に、非線形効果によるシステム特性の劣化を更に小さくすることが可能となる。

また、本発明にかかるラマン増幅器を用いることにより、ラマン増幅用光ファイバによって累積される負の分散を正分散ファイバで補償することが可能になるという効果を奏する。また、一般に正分散ファイバは有効コア断面積を大きく設計するのに適しており、これを出力側に用いる構成においては、増幅器出力が同一の場合に、非線形効果によるシステム特性の劣化を更に小さくすることが可能となる。

また、本発明にかかる光通信システムは、上記いずれか一つに記載のラマン増幅器を用いたものであるので、信号光を長距離伝送することができ、更に、非線形光学現象や波長分散の影響による信号光の波形劣化を抑制することができるという効果を奏する。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、信号光波長における波長分散値を−７．３９＊Ｐｏｕｔ／Ｓ［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］以下の範囲とすることにより、非線形光学現象の影響による信号光の波形劣化を抑制することができるという効果を奏する。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率が５［（Ｗ×ｋｍ）^−１］以上の範囲であることにより、高効率で信号光をラマン増幅することができるという効果を奏する。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、そのゼロ分散波長λ_０信号光波長及び励起光波長に無いことにより、信号光及び励起光の四光波混合の影響による波形劣化を抑制することができるという効果を奏する。

また、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、そのカットオフ波長λ_Ｃが信号光波長以下であることは当然の要求事項であるが、カットオフ波長λ_Ｃが励起光波長以下であることにより励起光もシングルモード伝播することができるので、励起光エネルギーを有効に使用することができるという効果を奏する。

つまり、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバは、十分なラマン利得を得ることができるうえ、非線形光学現象の影響による信号光の波形劣化も抑制することができるという効果を奏する。したがって、本発明にかかる光通信システムは、このようなラマン増幅用光ファイバを備えることによって、かかるラマン増幅用光ファイバと同様の作用効果を享受する。

また、本発明にかかる光通信システムは、これに用いるラマン増幅用光ファイバの波長１５５０ｎｍにおける波長分散値を−２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲にすることにより、通常のシステム設計において、非線形光学現象の影響による信号光の波形劣化を抑制することができるという効果を奏する。

また、本発明にかかる光通信システムは、これに用いるラマン増幅用光ファイバの波長１５５０ｎｍにおける波長分散値を−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲とすることにより、非線形係数を抑制しつつラマン利得効率を増大させることができるという効果を奏する。

また、本発明にかかる光通信システムは、波長１５５０ｎｍにおける分散スロープの絶対値が０．０５ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下の範囲であることにより、広帯域での波長分散値変動が小さくなるので、波長１５５０ｎｍを中心とする広い波長範囲に渡って波長分散値の最適化を実現できるという効果を奏する。なお、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値を最適値にしても、波長分散が大きな傾きを持っていると、波長１５５０ｎｍ以外の波長における波長分散値は最適値からずれてしまう。

また、本発明にかかる光通信システムは、信号光の波長がＳバンド、Ｃバンド、Ｌバンド、およびＵバンドの四つの波長帯域のうち少なくとも一つの波長帯域内に存在することにより、信号光の損失が少なくなるので、信号光を長距離伝送することが可能となるという効果を奏する。なお、一般に光ファイバは、１４６０ｎｍ以上且つ１６７５ｎｍ以下の波長帯域で損失が最も低くなる。

また、本発明にかかる光通信システムは、信号光の波長がＳバンド、Ｃバンド、Ｌバンド、およびＵバンドの四つの波長帯域のうち少なくとも二つ以上の隣り合う波長帯域内に存在することにより、信号光を長距離伝送できるだけでなく、より大容量伝送できるようになるという効果を奏する。

［図１］図１は、本発明を適用したラマン増幅用光ファイバの屈折率プロファイルと横断面図を模式的に示す図である。
［図２］図２は、本発明を適用したラマン増幅用光ファイバについての波長分散値と有効コア断面積との相関を示すグラフである。
［図３］図３は、本発明を適用したラマン増幅用光ファイバの諸特性値の実測値を示す図表である。
［図４］図４は、本発明を適用したラマン増幅用光ファイバについての波長分散値と有効コア断面積との実測値に基づく相関を示すグラフである。
［図５］図５は、本発明を適用した他のラマン増幅用光ファイバの各諸特性値の実測値を示す図表である。
［図６］図６は、本発明を適用した光通信システムの主要な概略構成を示す図である。
［図７］図７は、図６に示す光ファイバコイルにおける伝送損失の波長依存性を示すグラフである。
［図８］図８は、本発明を適用した光通信システムのパワー変換効率と非線形位相シフトのシミュレーション結果示す図である。
［図９］図９は、本発明を適用した光通信システムの変形例１の主要な概略構成を示す図である。
［図１０］図１０は、本発明を適用した光通信システムの変形例２の主要な概略構成を示す図である。
［図１１］図１１は、本発明を適用した他のラマン増幅用光ファイバの各諸特性値の実測値を示す図表である。
［図１２］図１２は、図１１に示すラマン増幅用光ファイバにおける波長分散の波長依存性を示すグラフである。
［図１３］図１３は、ＸＰＭの影響を評価するためのＷＤＭ伝送実験系の一構成例を模式的に示すブロック図である。
［図１４］図１４は、本発明にかかるラマン増幅器の一構成例を模式的に示すブロック図である。
［図１５］図１５は、本発明にかかるラマン増幅器の利得特性の一例を示す図である。
［図１６］図１６は、受信機の一構成例を模式的に示すブロック図である。
［図１７］図１７は、ラマン増幅用光ファイバの分散とＸＰＭによるシステム特性劣化との関係を例示する図である。
［図１８］図１８は、隣接チャンネル間のデータを無相関にした場合のＸＰＭによるシステム特性劣化を説明する図である。

符号の説明

１０，２０，２５ ラマン増幅器
３０ 受信機
３１ バンドパスフィルタ
３２ 光プリアンプ
３３ ＰＩＮフォトダイオード
３４ クロック抽出回路
４０ ラマン増幅器
４１ ラマン増幅用光ファイバ
４２，４３ ファブリペロー型半導体レーザ
４４，４５ 光部品
５０，５１ ＷＤＭ光源
５２，５３ 変調器
５４ 可変遅延線
５５ ３ｄＢカプラ
５６ ブースターＥＤＦＡ
５７ ＶＯＡ
５８，５９ ＳＭＦ
６０ インラインＥＤＦＡ
１００ ラマン増幅用光ファイバ
１１０，１１５，１３０ 光ファイバコイル
１５０ 励起光源
１６０ 合波部
１７０ 入力部
１８０ 出力部
７００，７０１，７０２ 光通信システム
７０３ ＷＤＭ伝送実験系

以下に、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバ、光ファイバコイル、ラマン増幅器及び光通信システムの好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致していない。

まず、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバ１もしくはラマン増幅用光ファイバ２について説明する。まず、ラマン増幅用光ファイバ１もしくはラマン増幅用光ファイバ２の屈折率プロファイルおよび断面図を、図１に模式的に示す。なお、ラマン増幅用光ファイバ１もしくはラマン増幅用光ファイバ２に対応するより具体的な実施例については後に詳述する。

図１に示すように、ラマン増幅用光ファイバ１もしくはラマン増幅用光ファイバ２のガラス部は、ＳｉＯ_２ガラスをベースとするものであり、光軸中心を含み直径がａである第１コアと、この第１コアを取り囲み直径がｂであって第１コアよりも屈折率が低い第２コアと、この第２コアを取り囲み、第１コアよりも屈折率が低く、第２コアよりも屈折率が高いクラッドとを含む。通常、このガラス部の外周には２層の紫外線硬化樹脂が被覆され、このようにしてラマン増幅用光ファイバを形成している。また、一般的にはこのガラス部の外径は１２５μｍであり、被覆部の外径は２５０μｍである。

なお、本明細書では、第１コアの直径ａおよび第２コアの直径ｂを以下のように定義する。第１コアの直径ａは、第１コアと第２コアの境界においてクラッドと同じ比屈折率差を有する位置での径とする。また、第２コア領域の直径ｂは、第２コアとクラッドの境界において、Δ２の１／２の比屈折率差を有する位置での径とする。

また、一般的にはこのクラッドは実質的に純ＳｉＯ_２から成るが、ＧｅＯ_２Ｆ元素が添加されていても良い。なお、ここで実質的に純ＳｉＯ_２ら成るとは、屈折率を調整するＧｅＯ_２やＦ元素などのドーパントが含まれていないことを意味し、Ｃｌ元素などが含まれていてもよい。また、屈折率プロファイルの調整は、添加するＧｅＯ_２やＦ元素の量を調整することにより可能であり、ＧｅＯ_２添加すると屈折率が高くなり、Ｆ元素を添加すると屈折率が低くなる。

ここで、第２コアの直径ｂに対する第１コアの直径ａの比をＲａ（＝ａ／ｂ）とし、クラッドに対する第１コアの比屈折率差をΔ１、クラッドに対する第２コアの比屈折率差をΔ２とする。また、純ＳｉＯ_２ガラスの屈折率に対するクラッド領域の比屈折率差をΔｃｌａｄとする。クラッド領域が実質的に純ＳｉＯ_２ら成る場合は、Δｃｌａｄ＝０％である。

本明細書においては、比屈折率差Δ１，Δ２，Δｃｌａｄは以下の式（１）〜（３）により定義される。

ここで、ｎ_Ｃ１は第１コアの最大屈折率、ｎ_Ｃ２は第２コアの最小屈折率、ｎ_ｇは純シリカの屈折率、ｎ_Ｃはクラッドの屈折率である。

ラマン増幅用光ファイバ１は、１）波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、２）１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率が５（Ｗ×ｋｍ）^−１以上であり、３）波長１５５０ｎｍにおける非線形係数が５．０×１０^−９Ｗ^−１以下であり、４）ゼロ分散波長λ_０が信号光波長および励起光波長に無く、５）カットオフ波長λｃが励起光波長以下である。

ここで、本明細書において、カットオフ波長λ_Ｃとは、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１で定義するカットオフ波長λ_Ｃをいう。その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。なお、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）はＸＰＭ法による測定値である。

このラマン増幅用光ファイバ１は、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値を上記１）に記載の範囲内とすることにより、非線形係数を抑制しつつラマン利得効率を増大させることができる。また、１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率が上記２）に記載の範囲内にあることにより、信号光を高効率でラマン増幅できる。また、波長１５５０ｎｍにおける非線形係数が上記３）に記載の範囲内にあることにより、自己位相変調や相互位相変調などの非線形光学現象の影響による信号光の波形劣化を抑制することができる。また、上記４）に記載のように、ゼロ分散波長λ_０が信号光波長及び励起光波長に無いことにより、信号光及び励起光の４光波混合の影響による波形劣化を抑制できる。また、上記５）に記載のように、カットオフ波長λ_Ｃが励起光波長以下であることにより、励起光エネルギーを有効に使用できる。

＜理論＞
次に、ラマン増幅用光ファイバ１もしくはラマン増幅用光ファイバ２のラマン利得効率及び非線形係数と、波長分散値との関係を理論的に説明する。

まず、ラマン増幅用光ファイバ１もしくはラマン増幅用光ファイバ２のラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）について説明する。ラマン利得係数ｇ_Ｒは、主に光ファイバのコア（第１コアおよび第２コア）の組成によって決まり、ラマン有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}は、同一のコアであっても波長分散値によって変化する。また、ラマン有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}は、光ファイバの径方向における励起光と信号光との重なりによるものであり、“ＥＣＯＣ２００２，Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ
３．３（２００２）”によると、下記の式（４）のように表される。

ここで、下付き添え字のｓ、ｐはそれぞれ信号光、励起光を表し、ω_ｉは角周波数を表し、Ｒ_ｉ（ｒ，ω_ｉ）は電界の横成分を表す（以下、同様）。また、式（４）の積分範囲はラマン増幅用光ファイバ１もしくはラマン増幅用光ファイバ２の全断面積Ａである。

また、上記の式（４）を直接計算しなくとも、Ｒ_ｉ（ｒ，ω_ｉ）をガウス型関数に設定すると、ラマン有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}は、励起光と信号光とに係る各有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｐ}，Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}の平均値として下記の式（５）のように表される。

ここで、式（４）によって表されるラマン有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}は、式（５）により十分良く近似できることが“ＯＥＣＣ，１５Ａ２−３（２００３）”に示されている。

次に、ラマン増幅用光ファイバ１もしくはラマン増幅用光ファイバ２の非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）について説明する。非線形屈折率ｎ_２は、ラマン利得係数ｇ_Ｒと同様に、主にラマン増幅用光ファイバ１もしくはラマン増幅用光ファイバ２のコアの組成によって決まる。従って、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）は、コアの組成が同一である場合には、信号光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}が最小となるとき最大となる。

次に、ラマン増幅用光ファイバ１もしくはラマン増幅用光ファイバ２における波長分散値と、Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}、Ａ_{ｅｆｆ，ｐ}及びＡ_{ｅｆｆ，ｓ}との関係について説明する。まず、例として図１に示す屈折率プロファイルを有するラマン増幅用光ファイバ１もしくはラマン増幅用光ファイバ２における光の電界分布から、波長分散値とＡ_{ｅｆｆ，Ｒ}、Ａ_{ｅｆｆ，ｐ}及びＡ_{ｅｆｆ，ｓ}とを算出した。当該算出結果を図２に模式的に示す。なお、波長分散値は、第２コアの直径ｂに対する第１コアの直径ａの比Ｒａを一定としたまま第２コアの直径ｂを変化させることにより変化させた。ここで、図２に示すグラフの横軸は、波長１５５０ｎｍにおけるラマン増幅用光ファイバ１もしくはラマン増幅用光ファイバ２の波長分散値［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］を示し、縦軸は、波長１５５０ｎｍの信号光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}［μｍ^２］、波長１４５０ｎｍの励起光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｐ}［μｍ^２］、及び式（４）から算出した波長１５５０ｎｍの信号光と波長１４５０ｎｍの励起光とによるラマン有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}の各々を示す。

図２に示すように、図１に示す屈折率プロファイルを有するラマン増幅用光ファイバ１もしくはラマン増幅用光ファイバ２では、ラマン有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}は所定の波長分散値領域で最小となる。従って、同一コアを用いる場合には、ラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）は、このラマン有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}が最小となる波長分散値領域で最大となる。その一方、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）は、信号光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}が最小となる波長分散値領域で最大となる。

更に、図２に示すように、励起光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｐ}が最小となる波長分散値領域と、信号光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}が最小となる波長分散値領域とは異なり、ラマン有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}は式（５）で表せられるので、適切な波長分散値領域、すなわち、励起光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｐ}が最小となるような波長分散値領域では、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）の低減化とラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）の増大化とが同時に実現できる。

この波長分散と励起光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｐ}および信号光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}との関係は、屈折率プロファイルやコアの組成の違いにより異なることが予想されるが、本発明のような波長１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率が５（Ｗ×ｋｍ）^−１以上であるラマン増幅用光ファイバをより低コストで実現しようとした場合、その屈折率プロファイルやコアの組成の自由度は制限される。従って、得られる波長分散と励起光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｐ}および信号光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}との関係についても、図２に示す結果とそれほど変化がない。

＜実測結果に基づく考察１＞
次に、ラマン増幅用光ファイバ１０１〜１０７（それぞれ、上記説明したラマン増幅用光ファイバ１に対応するより具体的な実施例）と、ラマン増幅用光ファイバ４０１〜４０３とを実際に作成して測定した各特性値の実測結果に基づき、ラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）と、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）と、波長分散値との関係について説明する。

ラマン増幅用光ファイバ１０１〜１０７，４０１〜４０３は、何れも、図１の屈折率プロファイルに示す構造を有し、Δ１＝２．８％、Δ２＝−０．２３％、Ｒａ＝０．４５であり、組成も同一のコアを用いた。なお、いずれもΔｃｌａｄ＝０％である。

測定したラマン増幅用光ファイバ１０１〜１０７，４０１〜４０３の諸特性値を図３に示す。ここで、ラマン増幅用光ファイバ１０１〜１０７，４０１〜４０３は、第２コアの直径ｂを変化させ、波長分散をはじめとする諸特性を変化させたものである。また、図３に示す「波長分散値」、「分散スロープ」、「非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）」及び「２０ｍｍφの曲げ損失」には、波長１５５０ｎｍにおける各特性値が示されている。また、図３に示す‘−’は、各特性値が測定可能範囲外であることを示す。すなわち、「ゼロ分散波長λ_０」は、１３００ｎｍ以上且つ１７００ｎｍ以下の範囲には存在しないことを意味し、また、波長１５５０ｎｍにおける「２０ｍｍφの曲げ損失」は、０．１ｄＢ／ｍ以下であることを意味する。

図３に示す各諸特性に係るラマン増幅用光ファイバ１０１〜１０７は、何れも、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、波長１５５０ｎｍにおける分散スロープの絶対値が０．０５ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であり、１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）が５（Ｗ×ｋｍ）^−１以上であり、波長１５５０ｎｍにおける非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）が５．０×１０^−９Ｗ^−１以下であり、ゼロ分散波長λ_０がＳバンドからＵバンドまでの信号光及びその励起光の波長範囲である１３５０ｎｍ以上且つ１６７５ｎｍ以下に無く、カットオフ波長λ_ＣがＳバンドの信号光の最短励起光波長である１３５０ｎｍ以下であり、波長１５５０ｎｍにおける２０ｍｍφの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下である。また、ラマン増幅用光ファイバ１０４〜１０７および４０１は、何れも、ガラス部の外径が１００μｍ以下であり、被覆部の外径が１５０μｍ以下である。

図３に示すように、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）が同一であるラマン増幅用光ファイバ１０１と４０３を比較すると、ラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）は、ラマン増幅用光ファイバ１０１のほうがラマン増幅用光ファイバ４０３よりも１３％程度大きくなっている。また、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）が同一であるラマン増幅用光ファイバ１０２〜１０４と、ラマン増幅用光ファイバ４０１とを比較すると、ラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）は、ラマン増幅用光ファイバ１０２〜１０４のほうがラマン増幅用光ファイバ４０１よりも５％程度大きくなっている。また、ラマン増幅用光ファイバ１０５〜１０７とラマン増幅用光ファイバ４０２，４０３とを比較した場合、ラマン増幅用光ファイバ１０５〜１０７のほうがラマン増幅用光ファイバ４０２，４０３よりも非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）が７％程度大きくなるのに対し、ラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）は２０％以上大きくなっている。

次に、測定されたラマン増幅用光ファイバ１０１〜１０７，４０１〜４０３の波長分散値とＡ_ｅｆｆとの関係を、光ファイバ中の光の電界分布から計算した結果と共に図４に示す。ここで、図４に示す各点は測定値を示し、各曲線は計算値を示している。また、横軸は、波長１５５０ｎｍにおける光ファイバの波長分散値［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］を示し、縦軸は、波長１５５０ｎｍの信号光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}［μｍ^２］、波長１４５０ｎｍの励起光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｐ}［μｍ^２］、及び波長１５５０ｎｍの信号光と波長１４５０ｎｍの励起光とによるラマン有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}をそれぞれ示している。測定値のラマン有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}は、上記の式（４）からは直接求められないため、各波長分散値における信号光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}と励起光有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，ｐ}との各測定値から上記の式（５）を用いて算出されたものである。更に、計算によるラマン有効コア断面積Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}は、図２に示す場合と同様に式（４）を用いて算出されたものである。

図４に示すように、試作により得られた実測値と計算値はよく一致しており、ラマン増幅用光ファイバ１は、ラマン増幅用光ファイバ１０１〜１０７のように、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲で、波長１４５０ｎｍの励起光有効コア断面積が最小となった。

この最適な波長分散値の範囲である−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下は、屈折率プロファイルやコアの組成の違いにより異なることが予想されるが、本発明のような波長１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率が５（Ｗ×ｋｍ）^−１以上であるラマン増幅用光ファイバをより低コストで実現しようとした場合、それほど変化がない。したがって本発明の実施例とは異なる屈折率プロファイルを有するラマン増幅用光ファイバであっても同じ波長分散値範囲、−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下とすることが有効である。

上記実測結果に基づく考察から、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下のラマン増幅用光ファイバ１０１〜１０７によれば、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）を抑制しつつラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）を増大させることができる。

＜実測結果に基づく考察２＞
次に、ラマン増幅用光ファイバ２０１〜２０３，３０１〜３０３（それぞれ、上記説明したラマン増幅用光ファイバ１に対応するより具体的な実施例）と、ラマン増幅用光ファイバ５０１，５０２，６０１，６０２とを実際に作成して測定した各特性値の実測結果に基づき、ラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）と、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）と、波長分散値との関係について説明する。

ラマン増幅用光ファイバ２０１〜２０３，５０１，５０２，３０１〜３０３，６０１，６０２は、何れも、図１の屈折率プロファイルに示す構造を有する。ラマン増幅用光ファイバ２０１〜２０３および５０１，５０２は、Δ１＝２．２％、Δ２＝−０．５５％、Ｒａ＝０．３３の同一コアが用いられ、Δｃｌａｄ＝０％である。ラマン増幅用光ファイバ３０１〜３０３および６０１，６０２は、全てラマン増幅用光ファイバ２０１〜２０３および５０１，５０２と同一コアが用いられているが、Δｃｌａｄが異なり、Δｃｌａｄ＝−０．２６％である。したがって、ラマン増幅用光ファイバ３０１〜３０３および６０１，６０２は、Δ１＝２．５％、Δ２＝−０．２９％、Ｒａ＝０．３３、Δｃｌａｄ＝−０．２６％である。ラマン増幅用光ファイバ３０１〜３０３および６０１，６０２は、クラッド領域に、Ｆ元素を添加することにより、Δｃｌａｄを負にしている。

ここで、測定したラマン増幅用光ファイバ２０１〜２０３，５０１，５０２および３０１〜３０３，６０１，６０２の諸特性値を、図５に示す。図５に示すラマン増幅用光ファイバ２０１〜２０３，５０１，５０２および３０１〜３０３，６０１，６０２は、第２コアの直径ｂを変化させ、波長分散をはじめとする諸特性を変化させたものである。また、図５に示す「波長分散値」、「分散スロープ」、「非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）」及び「２０ｍｍφの曲げ損失」には、波長１５５０ｎｍにおける各特性値が示されている。また、図５に示す‘−’は、各特性値が測定可能範囲外であることを示す。すなわち、「ゼロ分散波長λ_０」は、１３００ｎｍ以上且つ１７００ｎｍ以下の範囲には存在しないことを意味し、また、波長１５５０ｎｍにおける「２０ｍｍφの曲げ損失」は、０．１ｄＢ／ｍ以下の範囲にあることを意味する。

また、図５の表に示す本発明に係るラマン増幅用光ファイバ２０１〜２０３，３０１〜３０３は、何れも、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、波長１５５０ｎｍにおける分散スロープの絶対値が０．０５ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であり、１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）が５（Ｗ×ｋｍ）^−１以上であり、波長１５５０ｎｍにおける非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）が５．０×１０^−９Ｗ^−１以下であり、ゼロ分散波長λ_０がＳバンドからＵバンドまでの信号光及びその励起光の波長範囲である１３５０ｎｍ以上且つ１６７５ｎｍ以下に無く、カットオフ波長λ_ＣがＳバンドの信号光の最短励起光波長である１３５０ｎｍ以下であり、波長１５５０ｎｍにおける２０ｍｍφの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であり、ガラス部の外径が１００μｍ以下であり、被覆部の外径が１５０μｍ以下である。

図５に示すように、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）が同一であるラマン増幅用光ファイバ２０１と、ラマン増幅用光ファイバ５０１とを比較すると、ラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）は、ラマン増幅用光ファイバ２０１のほうがラマン増幅用光ファイバ５０１よりも４％程度大きくなっている。また、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）が同一であるラマン増幅用光ファイバ３０２，３０３とラマン増幅用光ファイバ６０１とを比較すると、ラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）は、ラマン増幅用光ファイバ３０２，３０３のほうがラマン増幅用光ファイバ６０１よりも２％以上大きくなっている。また、ラマン増幅用光ファイバ２０２，２０３と、ラマン増幅用光ファイバ５０２とを比較した場合は、ラマン増幅用光ファイバ２０２，２０３のほうが、ラマン増幅用光ファイバ５０２よりも非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）が６％程度大きくなるのに対し、ラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）は１３％以上大きくなっている。同様に、ラマン増幅用光ファイバ３０１と、ラマン増幅用光ファイバ６０２とを比較した場合は、ラマン増幅用光ファイバ３０１のほうがラマン増幅用光ファイバ６０２よりも非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）が３％程度大きくなるのに対し、ラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）は１２％程度大きくなっている。

上記実測結果に基づく考察から、ラマン増幅用光ファイバ２０１〜２０３，３０１〜３０３についても、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であると、非線形係数を抑制しつつラマン利得効率を増大できることが分かる。

ここで、ラマン増幅用光ファイバ２０１〜２０３，３０１〜３０３は、同一コアが用いられているが、Δｃｌａｄは互いに異なっている。図５に示すように、このΔｃｌａｄの差による諸特性値の差を、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が略同じ光ファイバ同士で比較すると、ラマン増幅用光ファイバ３０１〜３０３のほうがラマン増幅用光ファイバ２０１〜２０３よりも波長１５５０ｎｍにおける分散スロープの絶対値、Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}、Ａ_{ｅｆｆ，ｐ}、Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）が小さくなっており、ラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）が大きく、カットオフ波長λ_Ｃが長くなっている。ラマン増幅用光ファイバとしては、カットオフ波長λ_Ｃは最短励起光波長より短ければ良く、更に、分散スロープの絶対値、Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}、Ａ_{ｅｆｆ，ｐ}、Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}、非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）が小さく、ラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）が大きいほうが良い。ラマン増幅用光ファイバ３０１〜３０３のカットオフ波長λ_Ｃは、Ｓバンドの信号光の最短励起光波長よりも充分に短い値となっているので、ラマン増幅用光ファイバ３０１〜３０３のほうがラマン増幅用光ファイバ２０１〜２０３よりも好ましい。すなわち、ラマン増幅用光ファイバのΔｃｌａｄは負であるほうが好ましい。また、ラマン増幅用光ファイバの特性向上の点からは、Δｃｌａｄは−０．１５％以下がさらに好ましく、製造性の観点からは−０．７０％以上であることが好ましい。

＜光通信システム７００＞
次に、本実施の形態にかかる光通信システム７００について説明する。図６に、光通信システム７００の主要な概略構成を示す。図６に示すように、光通信システム７００は、ラマン増幅器１０を光増幅器として備える。ラマン増幅器１０は、ラマン増幅用光ファイバ１がボビンに巻かれた光ファイバコイル１１０と、この光ファイバコイル１１０に供給されるラマン増幅用励起光を出力する励起光源１５０と、励起光源１５０から出力されるラマン増幅用励起光を光ファイバコイル１１０に供給するための合波部１６０とを備える。

また、図６には、信号光の入力部１７０と、ラマン増幅された信号光（増幅光）を出力する出力部１８０とが更に示されているが、ラマン増幅器１０に使用されるアイソレータやＷＤＭカプラ等の光部品は示されていない。なお、この構成図では、励起光が信号光と逆方向から入力（後方励起）されているが、ラマン増幅器１０の構成としては励起光が信号光と同方向から入力（前方励起）されるような構成であっても良く、後方励起と前方励起とが組み合わされた構成であっても良い。

このラマン増幅器１０を用いた光通信システム７００では、励起光源１５０から出力されるラマン増幅用励起光は、合波部１６０を介して光ファイバコイル１１０に供給される。入力部１７０から入力された信号光は、光ファイバコイル１１０を伝送するとともに、ラマン増幅用励起光によりラマン増幅され、出力部１８０から増幅光として出力される。

この場合、ラマン増幅用励起光を出力する励起光源１５０には、ＳバンドからＵバンドまでの信号光を増幅するために、波長が１３５０ｎｍ以上且つ１５８０ｎｍ以下で出力パワーが１０ｍＷ以上のレーザ出力装置（図示略）が設けられている。この励起光源１５０に用いるレーザの波長や形態は、このラマン増幅器１０の用途によって適宜変更することが可能となっている。また、ラマン増幅の効率は励起光の偏光状態によって変動するので、励起光の偏光状態によりラマン増幅の効率が変動しないように、ラマン増幅用励起光はデポラライズ（無偏光状態化）された状態で合波部１６０から光ファイバコイル１１０に供給される構成となっている。

このラマン増幅器１０は、上記ラマン増幅用光ファイバ１が用いられているので、ラマン増幅の効率が高く、非線形光学現象の影響による信号光の波形劣化が抑制でき、広帯域で使用可能である。

次に、光通信システム７００に対するより具体的な実施例について説明する。以下、光ファイバコイル１１０は、上記ラマン増幅用光ファイバ１０５（図３に示す諸特性を有する）が、ラマン増幅用光ファイバ１として２ｋｍ用いられ、内径が４５ｍｍのボビンに巻き付けられて成るものとする。

光ファイバコイル１１０におけるラマン増幅用光ファイバ１０５の伝送損失の波長依存性を図７に示す。ここで、図７における横軸は光の波長［ｎｍ］、縦軸は各波長での伝送損失［ｄＢ／ｋｍ］を示している。また、１４６０ｎｍ、１５３０ｎｍ、１６００ｎｍ、１６７０ｎｍの各波長における伝送損失は、それぞれ０．７６ｄＢ／ｋｍ、０．６５ｄＢ／ｋｍ、０．６０ｄＢ／ｋｍ、０．６３ｄＢ／ｋｍである。

一般に、光ファイバを小さな内径のボビンに巻くと、長波長領域（約１５００ｎｍ以上）で伝送損失が増加する恐れがある。光ファイバコイル１１０において、ラマン増幅用光ファイバ１０５は内径が４５ｍｍのボビンに巻かれているが、図７に示すように長波長領域での損失増加は見られない。これは、このラマン増幅用光ファイバ１０５を用いた場合、信号光波長１５５０ｎｍにおける２０ｍｍφの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下になっているのが主な原因となっている。

また、被覆部の外径が１４２μｍであるため、被覆部の外径が２５０μｍ程度である一般的な光ファイバと比べると、長さが同じ場合には、光ファイバの体積が約３０％になる。このため、被覆部の外径が１５０μｍ以下であるラマン増幅用光ファイバ１０５を用いることにより、被覆部の外径が２５０μｍ程度である他のラマン増幅用光ファイバを用いる場合に比べて、光ファイバコイル１１０の小型化が実現できる。

また、一般的な光ファイバのガラス部の外径は１２５μｍであり、この光ファイバを、内径が６０ｍｍより小さなボビンに巻くと、この光ファイバにかかる曲げ応力により信頼性が一般に低下する。しかし、上記のラマン増幅用光ファイバ１０５は、ガラス部の外径が１００μｍ以下であるため、内径が４５ｍｍのボビンに巻いた際にも曲げ応力が小さく抑えられるので、信頼性の低下を招くことなく、光ファイバコイル１１０が作成できる。

なお、光ファイバコイル１１０は、１．３μｍ帯にゼロ分散波長を有する通常シングルモード光ファイバがその両端に接続された構成であってもよい。このような構成とすることで、アイソレータやＷＤＭカプラなどの光部品との結合が容易になる。たとえば、光ファイバコイル１１０の両端に１．３μｍ帯にゼロ分散波長を有する通常シングルモード光ファイバを接続したところ、接続損失は片端で０．１ｄＢであった。

＜数値シミュレーション結果＞
次に、上記構成を有する光通信システム７００について行った数値シミュレーション結果を以下に示す。入力部１７０から入力される信号光の波長（チャンネル）間隔を５０ＧＨｚとし、波長がＣバンド内、Ｌバンド内及びＣ＋Ｌバンド内（１５３０〜１６００ｎｍ）にある場合について、入力部１７０から入力される１チャンネル当たりの信号光入力パワーを０ｄＢ／ｃｈ、出力部１８０から出力される増幅光出力パワーを９ｄＢ／ｃｈとし、それぞれの場合における信号光のチャンネル数、励起光源１５０から出力されるラマン増幅用励起光の波長、合波部１６０から光ファイバコイル１１０に供給される励起光パワー、ラマン増幅器１０のパワー変換効率、ラマン増幅器１０における信号光の非線形位相シフトを、図８に示す。

ここで、ラマン増幅器１０のパワー変換効率は、［（出力部１８０から出力される増幅光出力パワーの合計）−（入力部１７０から入力される信号光入力パワーの合計）］と（合波部１６０から光ファイバコイル１１０に供給される励起光パワーの合計）の比［％］とした。ただし、この数値シミュレーションでは、ラマン増幅器１０における信号光の伝送損失は、ラマン増幅用光ファイバ１０５による伝送損失のみ考慮した。したがって、合波部１６０による伝送損失、ラマン増幅器１０で使用されている通常シングルモード光ファイバやアイソレータなどの光部品による伝送損失、ラマン増幅用光ファイバ１０５と通常シングルモード光ファイバとの接続損失等は考慮されていない。

図８に示すように、このラマン増幅器１０は、パワー変換効率が高く、信号光の非線形位相シフトが小さい。また、ラマン増幅用光ファイバ１０５の１４６０ｎｍ、１５３０ｎｍ、１６００ｎｍ、１６７０ｎｍの各信号光波長における波長分散値は、それぞれ、−４７．１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、−４７．３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、−４７．６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、−４７．９ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。従って、このラマン増幅器１０は、ＳバンドからＵバンドまでの信号光の増幅効率が高く、非線形光学現象の影響による信号光の波形劣化を抑制することができ、広帯域で使用可能なものである。

なお、上記した光通信システム７００に代えて図９に示す光通信システム７０１を用いてもよい。この光通信システム７０１は、本発明の実施の形態にかかる光通信システムの変形例１であり、分散補償光ファイバ（ＤＣＦ）がボビンに巻かれた光ファイバコイルを光通信システム７００にさらに設けた構成を有する。図９に、かかる光通信システム７０１の主要な概略構成を示す。図９に示すように、光通信システム７０１は、上記したラマン増幅器１０に代えてラマン増幅器２０を光増幅器として備える。ラマン増幅器２０は、上記説明したラマン増幅器１０の構成に、光ファイバコイル１３０が光ファイバコイル１１０と合波部１６０との間に更に設けられたものとなっている。ただし、光ファイバコイル１３０は光ファイバコイル１１０と合波部１６０との間でなくても良く、入力部１７０と光ファイバコイル１１０との間に設けても良い。

ラマン増幅器２０は、ラマン増幅用光ファイバ１がボビンに巻かれた光ファイバコイル１１０と、ＤＣＦがボビンに巻かれた光ファイバコイル１３０と、これらの光ファイバコイル１１０，１３０に供給されるラマン増幅用励起光を出力する励起光源１５０と、励起光源１５０から出力されるラマン増幅用励起光を光ファイバコイル１１０、１３０に供給するための合波部１６０とを備える。

また、図９には、信号光の入力部１７０と、ラマン増幅された信号光（増幅光）を出力する出力部１８０とが更に示されているが、ラマン増幅器２０に使用されるアイソレータやＷＤＭカプラなどの光部品は示されていない。なお、この構成図では、励起光が信号光と逆方向から入力（後方励起）されているが、ラマン増幅器２０の構成としては励起光が信号光と同方向から入力（前方励起）されるような構成であっても良く、後方励起と前方励起とが組み合わされた構成であっても良い。

このラマン増幅器２０を用いた光通信システム７０１では、励起光源１５０から出力されるラマン増幅用励起光は、合波部１６０を介して光ファイバコイル１１０，１３０に供給される。入力部１７０から入力される信号光は、光ファイバコイル１１０，１３０を伝送するとともに、ラマン増幅用励起光によりラマン増幅され、出力部１８０から増幅光として出力される。また、このラマン増幅器２０に使用されているＤＣＦによって、伝送路光ファイバの波長分散が広帯域で補償可能となる。

このラマン増幅器２０は、上記ラマン増幅用光ファイバ１が用いられているので、ラマン増幅の効率が高く、非線形光学現象の影響による信号光の波形劣化が抑制でき、広帯域で使用可能である。また、広帯域で伝送路光ファイバの波長分散を補償することも可能である。

以上説明したように、ラマン増幅用光ファイバ１は、励起光が供給されることにより信号光をラマン増幅するラマン増幅用光ファイバであって、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）が５（Ｗ×ｋｍ）^−１以上であり、波長１５５０ｎｍにおける非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）が５．０×１０^−９Ｗ^−１以下であり、ゼロ分散波長λ_０が信号光波長及び励起光波長に無く、カットオフ波長λ_Ｃが励起光波長以下である。これにより、非線形係数を抑制しつつラマン利得効率を増大させたラマン増幅用光ファイバ１（ラマン増幅用光ファイバ１０１〜１０７，２０１〜２０３，３０１〜３０３を含む）と、このラマン増幅用光ファイバ１を用いた光ファイバコイル１１０と、このラマン増幅用光ファイバ１を含むラマン増幅器１０，２０と、このラマン増幅器１０，２０を含む光通信システム７００，７０１とが実現できる。

＜光通信システム７０２＞
次に、本実施の形態の変形例２にかかる光通信システムについて説明する。図１０は、本発明を適用した光通信システムの変形例２の主要な概略構成を示す図である。図１０に示すように、この光通信システム７０２は、図６に例示した光通信システム７００のラマン増幅器１０に代えてラマン増幅器２５を備える。このラマン増幅器２５は、上述したラマン増幅器１０の光ファイバコイル１１０に代えて光ファイバコイル１１５を備える。その他の構成は光通信システム７００と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。

このような光通信システム７０２は、入力部１７０から入力された信号光をラマン増幅して出力部１８０より出力するラマン増幅器２５を備え、この信号光を伝送するとともに、ラマン増幅器２５によってこの信号光をラマン増幅することを特徴とする。このラマン増幅器２５は、入力部１７０と出力部１８０との間の少なくとも一部に、下記６）〜９）に記載の特性を全て有することを特徴とするラマン増幅用光ファイバ２と、かかるラマン増幅用光ファイバ２に対してラマン増幅用励起光を供給する励起光源１５０とを備える。
この場合、ラマン増幅用光ファイバ２は、上述したラマン増幅用光ファイバ１とほぼ同様にボビンに巻きつけられ、光ファイバコイル１１５としてラマン増幅器２５内に設けられる。
６）増幅用ファイバの出力端における信号パワーがＰｏｕｔ［ｍＷ／ｃｈ］、光波長多重（ＷＤＭ）信号の隣接信号の波長間隔がＳ［ｎｍ］のとき、信号光波長における波長分散値が−７．３９×Ｐｏｕｔ／Ｓ［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］以下
７）１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率が５［（Ｗ×ｋｍ）^−１］以上
８）ゼロ分散波長λ_０が信号光波長および励起光波長に無い
９）カットオフ波長λｃが励起光波長以下

このラマン増幅用光ファイバ２は、信号光波長における波長分散値を上記６）に記載の範囲内とすることにより、非線形光学現象の影響による信号光の波形劣化を抑制するができる。また、１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率が上記７）に記載の範囲内にあることにより、信号光を高効率でラマン増幅できる。また、上記８）に記載のように、ゼロ分散波長λ_０が信号光波長及び励起光波長に無いことにより、信号光及び励起光の四光波混合の影響による波形劣化を抑制できる。また、上記９）に記載のように、カットオフ波長λ_Ｃが励起光波長以下であることにより、励起光エネルギーを有効に使用できる。

なお、光通信システム７０２は、図１０に示すように後方励起される構成となっているが、上述した光通信システム７００，７０１とほぼ同様に前方励起されるような構成であってもよいし、後方励起と前方励起とが組み合わされた構成であってもよい。また、光通信システム７０２は、上述した光通信システム７０１とほぼ同様に光ファイバコイル１３０をさらに備えてもよい。この場合、光ファイバコイル１３０は、光ファイバコイル１１１５と合波部１６０との間に設けてもよいし、入力部１７０と光ファイバコイル１１５との間に設けてもよい。

＜実測結果に基づく考察３＞
次に、ラマン増幅用光ファイバ８０１〜８０９（それぞれ、上記説明したラマン増幅用光ファイバ２に対応するより具体的な実施例）を実際に作成して測定した各特性値を図１１に示す。図１１において、ラマン増幅用光ファイバ８０１〜８０９は、何れも、図１の屈折率プロファイルに示す構造を有し、Δ１＝２．８％、Δ２＝−０．１７％、Ｒａ＝０．４８であり、組成も同一のコアを用いた。なお、いずれもΔｃｌａｄ＝−０％である。

ここで、ラマン増幅用光ファイバ８０１〜８０９は、第２コアの直径ｂを変化させ、波長分散をはじめとする諸特性を変化させたものである。また、図１１に示す「波長分散値」、「分散スロープ」、「非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）」及び「２０ｍｍφの曲げ損失」には、波長１５５０ｎｍにおける各特性値が示されている。また、図１１に示す‘−’は、各特性値が測定可能範囲外であることを示す。すなわち、「ゼロ分散波長λ_０」は、１３００ｎｍ以上且つ１７００ｎｍ以下の範囲には存在しないことを意味し、また、波長１５５０ｎｍにおける「２０ｍｍφの曲げ損失」は、０．１ｄＢ／ｍ以下であることを意味する。

図１１に示す各諸特性に係るラマン増幅用光ファイバ８０１〜８０９は、何れも、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、波長１５５０ｎｍにおける分散スロープの絶対値が０．０５ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であり、１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）が５（Ｗ×ｋｍ）^−１以上であり、ゼロ分散波長λ_０がＳバンドからＵバンドまでの信号光及びその励起光の波長範囲である１３５０ｎｍ以上且つ１６７５ｎｍ以下に無く、カットオフ波長λ_ＣがＳバンドの信号光の最短励起光波長である１３５０ｎｍ以下であり、波長１５５０ｎｍにおける２０ｍｍφの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下である。また、ラマン増幅用光ファイバ８０１〜８０９は、何れも、ガラス部の外径が１００μｍ以下であり、被覆部の外径が１５０μｍ以下である。

ラマン増幅用光ファイバ８０１〜８０９の中で最も波長分散値の小さいラマン増幅用光ファイバ８０９の波長分散の波長依存性を図１２に示す。ここで、図１２における横軸は光の波長［ｎｍ］、縦軸は各波長での波長分散値［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］を示している。また、１４６０ｎｍ、１５３０ｎｍ、１５５０ｎｍ、１５６５ｎｍ、１６２５ｎｍ、１６７５ｎｍの各波長における波長分散値は、それぞれ−２２．７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、−２１．６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、−２１．４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、−２１．２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、−２０．７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、−２０．４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。

波長１５５０ｎｍにおける波長分散値を最適値にしても、波長分散が大きな傾きを持っていると、波長１５５０ｎｍ以外の波長における波長分散値は最適値からずれてしまう。上記のラマン増幅用光ファイバ８０９は、波長１５５０ｎｍにおける分散スロープの絶対値が０．０５ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であることにより、広帯域での波長分散値変動が小さくなっており、１４６０ｎｍ以上且つ１６７５ｎｍ以下の広い波長範囲に渡って最適値が実現されている。

図１３は、本発明にかかる光伝送システムのＸＰＭの影響を評価するためのＷＤＭ伝送実験系の一構成例を模式的に示すブロック図である。図１３に示すように、このＷＤＭ伝送実験系７０３は、本発明にかかるラマン増幅器４０（すなわち上述したラマン増幅器１０，２０，２５のいずれかと同様の構成を有するラマン増幅器）を有し、かかるラマン増幅器４０の非線形効果によるシステム特性の劣化、特にＸＰＭによる劣化を評価するためのものである。この場合、ＷＤＭ伝送実験系７０３は、ラマン増幅器４０を備えた光伝送系すなわち本発明にかかる光伝送システム（たとえば上述した光伝送システム７００〜７０２）を有し、かかるラマン増幅器４０を用いてシステム特性の劣化を評価することによって、本発明にかかる光伝送システムのシステム特性の劣化（特にＸＰＭによるシステム特性の劣化）を評価できる。なお、ここでは、波長帯域１５７０．４ｎｍから１６０３．２ｎｍにわたり４０チャンネルのＷＤＭ信号を１００ＧＨｚ間隔で配置し、信号帯域の中央に位置する第２１番チャンネル（波長１５８７．０ｎｍ）のシステム特性を評価している。

図１３において、ＷＤＭ光源５０，５１は、４０チャンネルのＣＷレーザと波長合波器とを接続して実現され、必要なチャンネルを適宜選択して光信号を出力する。基本的には、ＷＤＭ光源５０，５１が奇数チャンネルと偶数チャンネルとを別々に波長合波し、その後、変調器５２が奇数チャンネルの信号光を強度変調し、変調器５３が偶数チャンネルの信号光を強度変調するように構成される。しかし、発明者による、これまでの基礎検討において、評価対象である第２１番チャンネルの近傍の第１５番、第１７番、第１９番、第２３番、第２５番、および第２７番の各チャンネルは、第２１番チャンネルと同じ奇数チャンネル側の変調器５２を通すよりも、もう一方の偶数チャンネル側の変調器５３を通した方がシステム特性の劣化が大きいことが確認された。このため、かかる６つの奇数チャンネルは、ＷＤＭ光源５１から選択し、例外的に偶数チャンネル側の変調器５３を通すことにした。

変調器５２，５３に送る電気信号は、パターン長２^３１−１、１０．６６４Ｇｂ／ｓ周期の擬似乱数ビット列（ＰＲＢＳ）で、変調フォーマットはＮｏｎ−ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ ｚｅｒｏ（ＮＲＺ）とした。二つの変調器５２，５３には、ビットが反転したデータが送られており、偶数チャンネル側の信号線には、可変遅延線５４を挿入し、二つの変調器５２，５３から出力される光信号のビットスロットの相対関係を調節できるようにしてある。更に、それらのビットパターンが無相関になるように、両者を合波するための偏波保持型の３ｄＢカプラ５５と変調器５２，５３とを接続するファイバの長さを２ｍ程度変えてある。ここで、偏波保持型の３ｄＢカプラ５５を使用しているのは、ＷＤＭチャンネル間の非線形相互作用を効率的に発生させるためである。

３ｄＢカプラ５５によって一つにまとめられた４０チャンネルのＷＤＭ信号は、ブースターＥＤＦＡ５６により増幅され、その後、光可変減衰器（ＶＯＡ）５７とＳＭＦ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）５８とを順次通ってラマン増幅器４０に入力される。ラマン増幅器４０への入力信号パワーは、このＶＯＡ５７で調節する。ラマン増幅器４０の直前に置かれたＳＭＦ５８は、ラマン増幅用光ファイバ４１での累積分散を打ち消すくらいの長さに調節した。なお、このラマン増幅用光ファイバ４１は、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバ１，２のいずれかと同様の特性を有するものであって、ラマン増幅器４０の増幅媒体である。このように設定することで、各変調器５２，５３からのＷＤＭ信号は、ラマン増幅用ファイバ４１の中で光信号パワーが最も大きくなる増幅器出力側において、それぞれ時間的に同期するようになる。つまり、第２１番チャンネルの近傍の隣接チャンネル（第１４番から第２０番チャンネルと第２２番から第２８番チャンネル）は、同じタイミングで０，１の間を切り替わることになる。その結果、第２１番チャンネルが受けるＸＰＭは、それらのチャンネルから受ける非線形効果が加算されたものとなり、第２１番チャンネルにとって最悪の状態を作り出すことができる。

また、可変遅延線５４は、変調器５２から出力された光信号と変調器５３から出力された光信号のビットスロットの時間的なずれがブースターＥＤＦＡ５６の出力端において約１／２ビットとなるように設定する。この場合、第２１番チャンネルのシステム特性劣化が最大になることが、発明者の基礎検討結果によって判った。このため、かかる設定を全ての評価において用いた。また、ラマン増幅用光ファイバ４１の分散を補償するためのＳＭＦ５８は、上述したように、ラマン増幅器４０の前に配置してある。このため、かかる光信号の時間ずれは、ラマン増幅器４０の出力端においても同様になる。

次に、上述した評価に用いたラマン増幅器４０について説明する。図１４は、ラマン増幅器４０の一構成例を模式的に示すブロック図である。図１４に示すように、ラマン増幅器４０は、後方励起構成を有する。具体的には、ラマン増幅器４０は、上述したラマン増幅用光ファイバ４１、中心波長１４８５ｎｍのファブリペロー型半導体レーザ４２，４３、光部品４４，４５を備える。この場合、ラマン増幅器４０は、ファブリペロー型半導体レーザ４２，４３を偏波合成したものを励起光源として用いる。かかる励起光源がラマン増幅用光ファイバ４１へ入射する励起光のパワーは、全ての実験において４１０ｍＷに固定した。

また、光部品４４，４５は、アイソレータおよびＷＤＭカプラ等を備えたものであり、ラマン増幅用光ファイバ４１の前段および後段にそれぞれ設けられる。かかる光部品４４，４５の損失は、それぞれ０．７ｄＢおよび０．８５ｄＢであった。図１５は、ＷＤＭ伝送実験系７０３によって評価したラマン増幅器４０の利得特性の一例を示す図である。なお、ここで用いたラマン増幅用光ファイバ４１の利得効率は、波長１４５０ｎｍ励起で約６．３［（Ｗ×ｋｍ）^−１］であった。また、ラマン増幅用光ファイバ４１のファイバ長は２ｋｍ、波長１４５０ｎｍにおける損失は、約０．８ｄＢ／ｋｍであった。図１５に示すように、ラマン増幅器４０は、第２１番チャンネル付近において利得が最大となっている。この場合、帯域全体での利得平坦度は、４〜５ｄＢと大きいが、中央付近の２０チャンネル程度において平坦度１ｄＢ以内に収まっている。

ここで、図１３に示したＷＤＭ伝送実験系７０３の説明に戻る。評価対象のラマン増幅器４０から出力されたＷＤＭ信号は、ＸＰＭによる位相雑音を強度雑音に変換するためのＳＭＦ５９を通過し、その後、光プリアンプを用いた受信機３０に入力される。ここでは、ＳＭＦ５９の距離を５０ｋｍにしている。これは、ＳＭＦ５９の距離が短くて付加する分散が小さ過ぎる場合、位相雑音が強度雑音に十分変換されず、非線形効果によるペナルティの観測が難しくなる点と、ＳＭＦ５９の距離が長過ぎる場合、分散によるペナルティが大き過ぎて評価の基準としているＢＥＲ＝１０^−９が達成できなくなる点との二点を考慮した結果である。

また、ＳＭＦ５９での非線形効果を可能な限り小さく抑えつつ、受信器３０に入力されるＯＳＮＲを可能な限り高く保つために、ＳＭＦ５９の中間にインラインＥＤＦＡ６０を設置した。ここでは、二つに分割されたＳＭＦ５９への入力パワーを、各々−１０ｄＢｍ／ｃｈ以下にしてあるため、ＳＭＦ５９で生じる非線形効果は、観測できない程度に小さいといえる。

次に、上述したＷＤＭ伝送実験系７０３の受信機３０について説明する。図１６は、受信機３０の一構成例を模式的に示すブロック図である。図１６に示すように、受信機３０は、バンドパスフィルタ３１、光プリアンプ３２、ＰＩＮフォトダイオード３３、およびクロック抽出回路３４を備える。この場合、受信機３０に入力された光信号は、まず、第２１番チャンネルを選択するためのバンドパスフィルタ３１と光プリアンプ３２とを順次通過し、その後、光信号波形を電気に変換するためのＰＩＮフォトダイオード３３とクロック抽出回路３４とに入力される。受信機３０は、かかるＰＩＮフォトダイオード３３およびクロック抽出回路３４の出力を用いてビットエラーレート（ＢＥＲ）を測定する。なお、光プリアンプ３２は、前段および後段の二段構成であり、この前段への入力パワーを受信パワーとして定義する。また、光プリアンプ３２の中段には、この前段で発生するＡＳＥを取り除くためにバンドパスフィルタを挿入してある。

以上に説明したＷＤＭ伝送実験系７０３を用い、１０^−９のＢＥＲを得るために必要な受信パワー（受信感度）をシステム特性の評価基準とし、ラマン増幅器４０の出力やラマン増幅用光ファイバ４１の種類を変えながら、受信感度の劣化を調べた。具体的には、波長分散の異なる複数のラマン増幅用光ファイバを用い、ＸＰＭの影響がある場合とＸＰＭの影響がない場合とのそれぞれについて、ラマン増幅用光ファイバ毎の増幅器出力パワーと受信感度との関係を調べた。上述したシステム特性劣化は、かかる受信感度の劣化を調査した結果をもとに評価される。

図１７は、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバの分散とＸＰＭによるシステム特性劣化との関係を例示する図である。このシステム特性劣化の評価においては、波長分散の異なる三種類のラマン増幅用光ファイバ８０１，８０６，８０９（図１１に示す諸特性を有する）を２ｋｍ程度用い、ＸＰＭの影響がある場合（４０チャンネル全てを使用）とＸＰＭの影響がない場合（いくつかの隣接チャンネルを使用しない）とのそれぞれについて、かかるラマン増幅用光ファイバ毎に増幅器出力パワーと受信感度との関係を調べた。なお、かかる評価における励起パワーは一定にしている。このため、ラマン増幅器の出力調整は、ラマン増幅器に対する光信号の入力パワー調整によって行っている。

図１７に示すように、この受信感度は、基本的に、ＸＰＭの影響がある場合、ラマン増幅器の出力パワーが上昇するに連れて劣化し、ＸＰＭの影響がない場合、ラマン増幅器の出力パワーが上昇するに連れて一旦向上し、その後、劣化が始まる。また、図１７により、ラマン増幅用ファイバ８０１，８０６，８０９の波長分散の絶対値が大きいほど、ＸＰＭによる受信感度の劣化が小さいことがわかる。したがって、上述したラマン増幅用光ファイバ４１を増幅媒体とするラマン増幅器４０を用いた光通信システムでは、このラマン増幅用光ファイバ４１の波長分散の絶対値をより大きくすることによって、このＸＰＭによる受信感度の劣化を抑制できる。

なお、ＸＰＭの影響を無くすために減らす隣接チャンネルの数は、発明者の基礎検討の結果から判断し、ファイバ毎に変えている。この場合、かかる隣接チャンネルの数は、波長分散の絶対値が大きくＸＰＭの影響が小さいファイバほど、少なくなっている。上述したシステム特性劣化の評価に用いた三種類のラマン増幅用光ファイバ（図１７参照）のうち、ラマン増幅用光ファイバ８０６，８０９は、波長分散以外の特性がほぼ同一であると見なせる。一方、ラマン増幅用光ファイバ８０１は、波長分散の絶対値を大きくしたことによって有効コア断面積Ａ_ｅｆｆが大きくなっているので、他のラマン増幅用光ファイバ８０６，８０９に比してラマン利得効率（ｇ_Ｒ／Ａ_{ｅｆｆ，Ｒ}）と非線形係数（ｎ_２／Ａ_{ｅｆｆ，ｓ}）とが若干小さくなっている。

このようにシステム特性劣化を評価する場合、ＷＤＭ伝送実験系７０３は、ラマン増幅用光ファイバ内でのＸＰＭが最大になるように各種条件が設定された。しかし、光信号パワーが最大になるラマン増幅器の出力端において、複数の隣接チャンネルのオンオフが同期しているという状況は、極めて不自然である。かかる複数の隣接チャンネルは、少なくとも個々のビット値が無相関であるようにする必要がある。このため、ラマン増幅器４０の前段に配置したＳＭＦ５８の長さを適切に調整し、これによって、１００ＧＨｚ離れた隣接チャンネル同士がラマン増幅器４０の出力端において時間的に丁度２ビットずれるようにした。このように構成することによって、第２１番チャンネルに作用する複数の隣接チャンネルのビットスロットがラマン増幅器４０の出力端において揃うとともに、各チャンネルの持つデータは、ランダムにすることができる。かかる構成を採用したＷＤＭ伝送実験系７０３を用いることによって、実用の光通信システムに起こりうる現実的かつ最悪の条件での試験が可能となる。この場合、ＷＤＭ伝送実験系７０３に最後に付加するＳＭＦ５９の長さは、特性を比較し易くするために、ＷＤＭ伝送実験系７０３の系全体の総分散を一定に保つように調整した。

図１８は、隣接チャンネル間のデータを無相関にした場合のＸＰＭによるシステム特性劣化を説明する図である。なお、図１８には、かかるシステム特性劣化の評価結果として、上述した試験方法に従ってラマン増幅用光ファイバ８０６，８０９について評価した結果を示す。

ここで、１０．６６４Ｇｂ／ｓのビット周期は９３．８ｐｓであり、１５８７ｎｍにおける１００ＧＨｚの周波数差に相当する波長差は約０．８４ｎｍである。また、ラマン増幅用光ファイバ４１としてラマン増幅用光ファイバ８０９を用いた場合、その総分散は−４２ｐｓ／ｎｍであり、ラマン増幅用光ファイバ４１としてラマン増幅用光ファイバ８０６を用いた場合、その総分散は−８７ｐｓ／ｎｍである。従って、ラマン増幅用光ファイバ８０９を用いた場合は、２６５ｐｓ／ｎｍのＳＭＦ５８をラマン増幅４０の前段に配置し、ラマン増幅用光ファイバ８０６を用いた場合は、３１０ｐｓ／ｎｍのＳＭＦ５８をラマン増幅器４０の前段に配置する。これによって、ラマン増幅器４０の出力端における累積分散は、２２３ｐｓ／ｎｍになる。このことは、波長が０．８４ｎｍずれる毎に９３．８ｐｓの二倍の遅延が発生することに相当する。

図１８に示すように、−６ｄＢｍ／ｃｈの増幅器出力パワーに対応する受信感度は、ラマン増幅用光ファイバ８０９を用いた場合、＋３ｄＢｍ／ｃｈの増幅器出力パワーに対応する受信感度とほぼ同じになり、ラマン増幅用光ファイバ８０６を用いた場合、＋６ｄＢｍ／ｃｈの増幅器出力パワーに対応する受信感度とほぼ同じになる。すなわち、ラマン増幅用光ファイバ８０９を用いた場合、かかる＋３ｄＢｍ／ｃｈ程度（増幅用ファイバ出力で＋３．８５ｄＢｍ／ｃｈ）の増幅器出力パワーが、ＸＰＭによるシステム特性劣化すなわち受信感度劣化を波長分散のみによる受信感度劣化と同等またはそれ以下に抑制できる増幅器出力パワーの上限である。また、ラマン増幅用光ファイバ８０６を用いた場合、かかる＋６ｄＢｍ／ｃｈ程度（増幅用ファイバ出力で＋６．８５ｄＢｍ／ｃｈ）の増幅器出力パワーが、ＸＰＭによる受信感度劣化を波長分散のみによる受信感度劣化と同等またはそれ以下に抑制できる増幅器出力パワーの上限である。

一般に、ＸＰＭの効果は、信号光のパワーに比例して大きくなり、作用長は、近似的にファイバの分散とＷＤＭ信号の波長間隔との積に反比例するといえる。この原理に基づき、図１８に示す結果を分析する。増幅後の光信号によるシステム特性劣化を波長分散のみによる受信感度劣化と同等以下に抑制可能なＸＰＭの上限値を仮にＸとすると、このＸＰＭ上限値Ｘは、ラマン増幅用光ファイバの出力パワーＰ［ｍＷ］と、ラマン増幅用光ファイバの波長分散値Ｄ［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］と、ＷＤＭ信号の波長間隔Ｓ［ｎｍ］とを用い、次式（６）によって示される。

なお、この式（６）に示すｋは、比例係数である。

ここで、式（６）より、ラマン増幅用光ファイバに要求される波長分散値の上限値Ｄｍａｘは、システムの条件すなわちラマン増幅用光ファイバの出力パワーＰとＷＤＭ信号の波長間隔Ｓとによって決まり、上述したラマン増幅用光ファイバ８０９，８０６の各結果をそれぞれ用いて次式（７），（８）で示すことができる。

なお、式（７）による上限値Ｄｍａｘは、ラマン増幅用光ファイバ８０９の結果を用いた場合の波長分散値の上限値であり、式（８）による上限値Ｄｍａｘは、ラマン増幅用光ファイバ８０６の結果を用いた場合の波長分散値の上限値である。

かかる式（７）による上限値Ｄｍａｘと式（８）による上限値Ｄｍａｘは、その誤差が３％程度であるので、ほぼ一致しているといえる。したがって、本発明では、これら両者の平均値を用い、ラマン増幅用光ファイバに要求される波長分散値の上限値Ｄｍａｘを次式（９）によって定義する。

この式（９）を用いることによって、出力パワーＰと波長間隔Ｓとが如何なる組み合わせであっても、かかるラマン増幅用光ファイバ（たとえばラマン増幅器４０の増幅媒体であるラマン増幅用光ファイバ４１）に要求される波長分散値の上限値Ｄｍａｘを導出することができる。しかし、通常のシステム設計において、一般的に、ラマン増幅器による増幅器出力パワーは＋３ｄＢｍ／ｃｈよりも大きく、ＷＤＭの信号間隔は１００ＧＨｚである。このため、通常のシステム設計では、波長分散値Ｄが−２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であっても許容されることは殆どない。したがって、通常のシステム設計においては、ラマン増幅用光ファイバ８０１〜８０９等に例示されるラマン増幅用光ファイバ２に対し、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることが要求される。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係るラマン増幅用光ファイバ、光ファイバコイル、ラマン増幅器、および光通信システムの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるラマン増幅用光ファイバ１，２、光ファイバコイル１１０，１１５，１３０、ラマン増幅器１０，２０，２５、光通信システム７００，７０１，７０２の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

以上のように、本発明にかかるラマン増幅用光ファイバ、光ファイバコイル、ラマン増幅器、および光通信システムは、信号光のラマン増幅に有用であり、特に、非線形効果によるシステム特性の劣化を抑制しつつ増幅効率を高めてラマン増幅を行うものとして適している。

Claims (21)

1. 励起光が供給されることにより信号光をラマン増幅するラマン増幅用光ファイバであって、下記１）〜５）に記載の特性を全て有することを特徴とするラマン増幅用光ファイバ。
   １）波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下
   ２）１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率が５（Ｗ×ｋｍ）^−１以上
   ３）波長１５５０ｎｍにおける非線形係数が５．０×１０^−９Ｗ^−１以下
   ４）ゼロ分散波長λ_０が信号光波長および励起光波長に無い
   ５）カットオフ波長λｃが励起光波長以下
2. 波長１５５０ｎｍにおける分散スロープの絶対値が０．０５ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のラマン増幅用光ファイバ。
3. 波長１５５０ｎｍにおける２０ｍｍφの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のラマン増幅用光ファイバ。
4. ゼロ分散波長λ_０が１３５０ｎｍ以下或いは１６７５ｎｍ以上の範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載のラマン増幅用光ファイバ。
5. カットオフ波長λｃが１３５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のラマン増幅用光ファイバ。
6. ガラス部の外径が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のラマン増幅用光ファイバ。
7. 被覆部の外径が１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のラマン増幅用光ファイバ。
8. 請求項１〜７のうち何れか一項に記載のラマン増幅用光ファイバがボビンに巻かれたことを特徴とする光ファイバコイル。
9. 両端に１．３μｍ帯にゼロ分散波長を有するシングルモード光ファイバが接続されたことを特徴とする請求項８に記載の光ファイバコイル。
10. 入力部から入力された信号光をラマン増幅して出力部より出力するラマン増幅器であって、
    前記入力部と前記出力部との間の少なくとも一部に設けられた請求項１〜７のうち何れか一項に記載のラマン増幅用光ファイバと、
    前記ラマン増幅用光ファイバに対し前記ラマン増幅用の励起光を供給する励起光供給手段と、
    を備えたことを特徴とするラマン増幅器。
11. 前記入力部と前記出力部との間の少なくとも一部に前記ラマン増幅用光ファイバ以外の光ファイバが設けられたことを特徴とする請求項１０に記載のラマン増幅器。
12. 前記ラマン増幅用光ファイバ以外の光ファイバは、前記ラマン増幅用光ファイバと前記出力部との間の少なくとも一部に設けられたことを特徴とする請求項１１に記載のラマン増幅器。
13. 前記ラマン増幅用光ファイバ以外の光ファイバは、分散補償光ファイバであることを特徴とする請求項１１または１２に記載のラマン増幅器。
14. 前記ラマン増幅用光ファイバ以外の光ファイバは、正分散光ファイバであることを特徴とする請求項１１または１２に記載のラマン増幅器。
15. 請求項１０〜１４のうち何れか一項に記載のラマン増幅器を備え、信号光を伝送するとともに、前記ラマン増幅器により該信号光をラマン増幅することを特徴とする光通信システム。
16. 入力部から入力された信号光をラマン増幅して出力部より出力するラマン増幅器の前記入力部と前記出力部との間の少なくとも一部に、下記６）〜９）に記載の特性を全て有することを特徴とするラマン増幅用光ファイバと該ラマン増幅用光ファイバに対し前記ラマン増幅用の励起光を供給する励起光供給手段とを備えた前記ラマン増幅器を備え、信号光を伝送するとともに、前記ラマン増幅器により該信号光をラマン増幅することを特徴とする光通信システム。
    ６）ラマン増幅用光ファイバの出力端における信号パワーがＰｏｕｔ［ｍＷ／ｃｈ］、光波長多重信号の隣接信号の波長間隔がＳ［ｎｍ］のとき、信号光波長における波長分散値が−７．３９＊Ｐｏｕｔ／Ｓ
    ［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］以下
    ７）１４５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率が５（Ｗ×ｋｍ）^−１以上
    ８）ゼロ分散波長λ_０が信号光波長および励起光波長に無い
    ９）カットオフ波長λｃが励起光波長以下
17. 前記ラマン増幅用光ファイバの波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１６に記載の光通信システム。
18. 前記ラマン増幅用光ファイバの波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上且つ−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１６に記載の光通信システム。
19. 前記ラマン増幅用光ファイバの波長１５５０ｎｍにおける分散スロープの絶対値が０．０５ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１６〜１８のうち何れか一項に記載の光通信システム。
20. 前記信号光の波長が、１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ、１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ、１６２５ｎｍ〜１６７５ｎｍの四つの波長帯域のうち少なくとも一つの波長帯域内に存在することを特徴とする請求項１５または１６に記載の光通信システム。
21. 前記信号光の波長が、１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ、１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ、１６２５ｎｍ〜１６７５ｎｍの四つの波長帯域のうち少なくとも二つ以上の隣り合う波長帯域内に存在することを特徴とする請求項１５または１６に記載の光通信システム。

Images