JPWO2006025095A1 - ラマン増幅器および光通信システム - Google Patents

Abstract

ラマン増幅媒体を用いてキャリア光を増幅するラマン増幅器において、１００ＭＨｚ以上の高い周波数で強度変調された励起光を前記ラマン増幅媒体に供給する励起光源（３）と、キャリア光と励起光を合波して前記ラマン増幅媒体に導くＷＤＭ合波器（５）とを備え、ラマン増幅媒体は、低分散な特性を備え、キャリア光と励起光の通過伝搬時間差が小さいラマン増幅媒体とすることで、１００ＭＨｚ以上の高い周波数での強度変調を実現する。

Description

本発明は、信号を１００ＭＨｚ以上の高い周波数で強度変調するためのラマン増幅器および該ラマン増幅器を用いた光通信システムに関するものである。

光増幅器によってキャリア光に信号を変調する方法として、増幅媒体へ供給する励起光の強度を変調し、利得を変調する方法が用いられる。光増幅器としては、ＥＤＦ(Erbium-Doped
Fiber)を増幅媒体に用いるエルビウムドープ光ファイバ増幅器(ＥＤＦＡ)や、石英を母材とする光ファイバを増幅媒体に用いるラマン増幅器が用いられる。特許文献１や非特許文献１には、比較的高い周波数で変調するためには、ＥＤＦＡよりもラマン増幅器が適していることが開示されている。

特開平１１-３４４７３２号公報 特開２００１-３１１９７３号公報 ２００２年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会Ｂ-１０-１０７「分布ラマン増幅線路の利得変調特性に関する検討」(今井他)

しかしながら、特許文献１あるいは非特許文献１に開示されているように、従来のラマン増幅器を用いた変調方式は、光伝送システムの中で比較的低速な監視制御信号を変調するものでしかなかった。そのために、従来のラマン増幅器における変調周波数は比較的低く、高々１０ＭＨｚに満たないものであった。これらの文献には、更に高い周波数で変調できる可能性は示唆されているものの、実際に高周波数での変調を可能とするラマン増幅器は開示されていない。

一方、ラマン増幅器を一定利得の増幅器として用いるための適切な条件が種々検討されている。例えば、特許文献２のように、励起光や光ファイバの条件を適切に設計することで良好な増幅特性が得られることが知られている。しかし、特許文献２に開示されているものは、経時変動のない低雑音な一定利得の増幅特性を得るための条件であり、利得を積極的に変化させて信号を変調するためのものではない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、１００ＭＨｚ以上の高い周波数の信号を変調するためのラマン増幅器であって、実装容積が小さく、信頼性が高く、被変調キャリア光の偏光依存性や波長依存性が少なく、キャリア光の挿入損失が少ないラマン増幅器および該ラマン増幅器を用いた光通信システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ラマン増幅媒体を用いてキャリア光を増幅するラマン増幅器において、１００ＭＨｚ以上の周波数で強度変調された励起光を前記ラマン増幅媒体に供給する励起光源と、前記キャリア光と前記励起光を合波して前記ラマン増幅媒体に導く合波手段とを備え、前記ラマン増幅媒体は、低分散な特性を備え、キャリア光と励起光の通過伝搬時間差が小さいラマン増幅媒体であることを特徴とする。

本発明にかかるラマン増幅器は、低分散な特性を備え、キャリア光と励起光の通過伝搬時間差が小さいラマン増幅媒体を採用しているので、利得を積極的に変化させて信号を変調するラマン増幅器において、１００ＭＨｚ以上の高い周波数での強度変調が可能となるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１のラマン増幅器を示す構成図である。 図２は、光ファイバの分散特性と変調周波数の上限界の関係について説明するための図である。 図３は、実施の形態３のラマン増幅器を示す構成図である。 図４は、実施の形態４のラマン増幅器を示す構成図である。 図５は、本発明のラマン増幅器を適用する光通信システムの構成を示す図である。

符号の説明

１ ラマン増幅器
２ ラマン増幅用光ファイバ
３ 励起光源
４ ＬＤ駆動・変調回路
５ ＷＤＭ合波器
６ 入力端
７ 出力端
８ 励起光
９ 信号源。

以下に、本発明にかかるラマン増幅器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は実施の形態１のラマン増幅器を示す構成図である。図１に示すように、実施の形態１のラマン増幅器１は、ラマン増幅媒体であるラマン増幅用の低分散光ファイバ２と、励起光源である励起ＬＤ(レーザダイオード)３と、励起ＬＤを駆動するとともにＬＤ光を変調するためのＬＤ駆動・変調回路４と、励起光８とキャリア光を合波するＷＤＭ(Wavelength
Division Multiplex)合波器５と、キャリア光が入力する光ファイバの入力端６と、キャリア光が出力される光ファイバの出力端７とを備えている。９はラマン増幅器１に信号を与える１００ＭＨｚの信号源である。

入力端６から入力されたキャリア光は、ＷＤＭ合波器５を経てラマン増幅用光ファイバ２へ導かれ、出力端７から出力される。ＷＤＭ合波器５は、波長の異なる励起光とキャリア光を効率よく合波して同一の光ファイバ内に導くものであり、ファイバ融着延伸型のものや誘電体膜のフィルタ型のものが採用されるが、その他の合波手段を用いてもよい。

信号源９から出力される信号に基づいて、ＬＤ駆動・変調回路４が励起ＬＤ３を駆動し、強度を変調された励起光８がＷＤＭ合波器５を経てラマン増幅用光ファイバ２へ導かれる。ＬＤ駆動・変調回路４では、信号源９からの信号の０または１に応じた強度でそのまま変調するベースバンド変調を行っても良いし、他に例えばより高い周波数のサブキャリア搬送波に電気的に信号を重畳した上で励起光を変調するサブキャリア変調を行っても良い。ラマン増幅用光ファイバ２では、励起光の強度が変調されているために、キャリア光に与えられる利得が変調される。その結果、出力端７からは、強度が変調されたキャリア光が出力される。

図１は、ラマン増幅用光ファイバ２を励起光とキャリア光が同一方向に伝搬する前方励起構成となっている。前方励起型のほうが、高い周波数での変調に適していることは、非特許文献１などで知られている通りである。さらに、本発明では、信号源９の１００ＭＨｚという高い周波数でキャリア光を変調するために、ラマン増幅用光ファイバ２が低分散な特性を備えており、これによりキャリア光と励起光の通過伝搬時間差を小さくするようにしている。

光ファイバ２の分散特性と変調周波数の上限界の関係について説明する。例えば、ラマン増幅用光ファイバの分散値の絶対値が２６ps/nm/km、長さが６.１kmであり、キャリア光の波長が１５５０nm、励起光の波長が１４５０nmの場合を考える。両光の波長差は１００nmである。図２のように、平均強度１０、周期１１、励起光振幅１２で励起光強度を変調した場合に、キャリア光は周期１１、キャリア光振幅１４で変調される。図２の下側は、変調周波数３０ＭＨｚで変調した場合のキャリア光の測定波形を示している。

ここで注意すべきは、励起光の強度が矩形に変調されており、立ち上がりに要する時間は十分小さいにも関わらず、変調されたキャリア光の立ち上がり時間１３には、数ｎｓ程度を要していることである。変調周波数をさらに高くすると、周期１１は短くなるが、立ち上がり時間１３は変わらない。立ち下がりも、立ち上がりと同程度の時間を要するので、立ち上がり時間と立ち下がり時間の合計と周期１１が一致する場合が変調周波数の上限界となる。

この変調周波数の上限界を決める立ち上がりと立ち下がりの時間は、ラマン増幅用光ファイバ２の持つ分散特性によって、キャリア光と励起光の波長の違いに応じて通過伝搬時間の差が発生していることを原因としている。つまり、ラマン増幅用光ファイバ２に同時に入射したキャリア光と励起光は、ラマン増幅用光ファイバ２の持つ分散特性によって、光ファイバ２の出力端７から出力される際には、時間差が発生する。光ファイバ２の中においては、キャリア光は伝搬しながら強度を変調されていくが、キャリア光と励起光との間に時間ずれが発生しているために、変調波形が鈍り、有限の立ち上がり時間が発生するのである。本実施の形態１においては、ラマン増幅用光ファイバ２として低分散特性をもつものを採用することにより、この立ち上がり時間を小さくし、これによりこれまでにない高い周波数での変調をラマン増幅器で可能とする。

図２の条件において、その時間のずれ量を見積ると、
(光ファイバの分散値の絶対値２６ps/nm/km)×(光ファイバの長さ６.１km)
×(励起光−キャリア光間の波長差１００nm)＝１６ｎｓ
となる。したがって、１／１６ｎｓ＝６３ＭＨｚが変調周波数の上限界の目安であり、この条件のままでは１００ＭＨｚの周波数でキャリア光を変調することはできない。

そこで、ラマン増幅用光ファイバの長さを６.１km、キャリア光と励起光の波長をそれぞれ１５５０nm、１４５０nmとし、光ファイバ２の分散値の絶対値を、
１/[(励起光源の変調周波数１００MHz[THz])×(光ファイバの長さ６.１[km])
×(励起光−キャリア光間の波長差１００[nm])]
＝１６ps/nm/km
よりも絶対値が小さい分散値とすれば、周波数１００ＭＨｚの信号源９でキャリア光を変調することができる。

なお、特許文献２では、励起光源の持つ雑音の影響を排し、変動のない一定の利得で光を増幅するラマン増幅器が開示されており、そのために分散値の小さな光ファイバを用いている。これに対し、本実施の形態１では、高い周波数で強度変調した励起光を用いて積極的にキャリア光の強度の変調を実行するために、分散値の小さな光ファイバ２を用いている。すなわち、両者は、分散値の小さな光ファイバを用いるという点では共通であるが、前者には被増幅光を積極的に変動させるという視点が全くない。

このように、実施の形態１においては、分散値の小さなラマン増幅用光ファイバ２を用いてラマン増幅を行うようにしたので、１００ＭＨｚ以上の高い周波数の信号を変調することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、図２の測定で用いた光ファイバのラマン利得係数は、通常の光ファイバに比べると比較的高い２.５/W/mであるが、更に利得係数の高い光ファイバを用いることで変調速度の上限界を高くする効果が得られる。利得係数は、大きな値であるほど、同じ励起光強度および同じ光ファイバ長で得られる利得が高くなる。言い換えると、利得係数の大きなラマン増幅用光ファイバを採用すると、短い光ファイバ長でキャリア光を強度変調できるため、光ファイバの中での伝搬遅延時間を小さくすることができる。

例えば、２００３ 年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会C-３-６２「集中型ラマン増幅器用ファイバの検討」(谷口他)に記載されているような、利得係数が２倍程度大きい５/W/mの光ファイバを用いれば、その長さが半分程度の３kmで、十分なキャリア光の変調振幅が得られる。

実施の形態１の条件において、ラマン利得係数が５/W/mのラマン増幅用光ファイバ２を採用した場合、その変調周波数の上限界は、
１/[(光ファイバの分散値の絶対値１６ps/nm/km)×(光ファイバの長さ３km)
×(励起光-キャリア光間の波長差１００nm)]＝２０８ＭＨｚ
となる。

つまり、分散値の絶対値が小さい光ファイバを用いるだけでなく、ラマン利得係数が高い特性も併せ持つ光ファイバを用いることで、変調周波数の上限界を更に高くする効果が得られる。また、光ファイバ２が短くなることで、ラマン増幅器１を小型化する効果がある。さらに、ラマン増幅器１におけるキャリア光の損失を低減する効果もあるため、低損失な変調器が得られる効果もある。

実施の形態１で採用した励起光源３は、波長が１４５０nmのレーザダイオードであるが、これにはＥＤＦＡの海底中継器で実績のある高信頼なレーザダイオードが使用可能である。さらに、励起光源３として複数の励起レーザダイオードを用いた冗長構成とすることにより、より高い信頼性が得られる。また、ＷＤＭ合波器５やラマン増幅用光ファイバ２は、比較的容易に信頼性を高くできる受動部品であるため、ラマン増幅器１はキャリア光を変調する高信頼なラマン増幅器となる。ラマン増幅器は、利得の偏光依存性を容易に低減することができるため、偏光依存性の小さい増幅器となる。ラマン増幅器は利得帯域が広く、利得の波長依存性が小さいため、波長依存性も小さい増幅器となる。実施の形態５にて後述するように、これらの利点を備えた増幅器によって、海底に設置された地震計、津波計、温度計、カメラなどの観測装置からの観測信号をキャリア光に変調し、海底ケーブルを介して陸上に設置された受信装置へ伝送することで、高信頼な遠隔海底観測システムを実現することができる。

実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３のラマン増幅器を示す構成図である。図３においては、ラマン増幅用光ファイバ２として、正の分散特性を持つ光ファイバ２ａと、負の分散特性を持つ光ファイバ２ｂを交互に接続した構成としている。その他の構成は、図１と同様である。

光ファイバ２ａ、２ｂを交互に接続して分散特性を相殺させることによって、ラマン増幅用光ファイバ２としての分散を小さくすることができる。例えば、ファイバ２ａ、２ｂとして、それぞれ分散値が１７ps/nm/km、−２６ps/nm/kmであって、長さがそれぞれ３km、２kmとしておけば、ラマン増幅用光ファイバ２としての分散は、[１７ps/nm/km×３km＋(−２６ps/nm/km)×２km]×２=−２ps/nmと小さくなる。したがって、実施の形態３においては、実施の形態１や実施の形態２で分散値の小さな光ファイバ２を用いるのと同様に、より高い周波数で変調することが可能となる。

実施の形態４．
図４は本発明の実施の形態４のラマン増幅器を示す構成図である。図４に示す実施の形態４においては、図１のラマン増幅器が２段に縦列接続されているような構成となっている。実施の形態１と同様に、キャリア光と励起光の波長はそれぞれ１５５０nm、１４５０nmとし、ラマン増幅用光ファイバ２の分散値は、１６ps/nm/kmである。２つの光ファイバ２の各長さは、実施の形態１の半分の３ｋｍとしている。

この構成によれば、１つのラマン増幅用光ファイバ２で得られるキャリア光の変調振幅は半分になってしまうものの、２つの光ファイバ２で変調されることにより、実施の形態１と同様に十分な変調振幅が得られる。一方、変調速度の上限界は、
１/[ (光ファイバの分散値の絶対値１６ps/nm/km)×(光ファイバの長さ３km)
×(励起光-キャリア光間の波長差１００nm)]=２０８ＭＨｚ
となり、実施の形態１の２倍の周波数（２０８ＭＨｚ）での変調が可能となる。

実施の形態５．
図５は本発明の実施の形態１〜４の何れかのラマン増幅器を用いた光通信システムを示す構成図である。この光通信システムは、波長多重されたキャリア光を送信する送信装置１００と、波長多重されたキャリア光を受信する受信装置１０１と、光ファイバケーブル１０２と、中継器１０３と、観測装置１０４とを有している。観測装置１０４は、実施の形態１〜４の何れかに示したラマン増幅器１と、データ処理部１０５と、地震計、津波計、温度計、カメラなどの観測部１０６とを備えている。

陸上に設置された送信装置１００から送出された波長多重キャリア光が、海底ケーブルである光ファイバケーブル１０２を伝搬し、光ファイバケーブル１０２での伝搬損失を補償する中継器１０３を経て、海底に設置された観測装置１０４に至る。観測装置１０４では、地震計、津波計、温度計、カメラなど観測装置１０６が備えられており、それらの観測信号に対して、Ｄ／Ａ変換、多重化、サブキャリア変調化などの所要の処理をデータ処理部１０５で施した後、ラマン増幅器１にて一部波長のキャリア光を変調する。観測装置１０４から送出された波長多重キャリア光は、光ファイバケーブル１０２、中継器１０３を経て、陸上に設置された受信装置１０１に至る。

この光通信システムによれば、海底に設置された観測装置１０６の観測信号を陸上に設置された受信装置に伝送することが可能な、遠隔観測システムが実現できる。送信装置１００と受信装置１０１は、異なる場所の陸上局舎に設置されていても良く、同一場所の陸上局舎に設置されていてもよい。実施の形態２でも述べた通り、ラマン増幅器１は高い信頼性で実現できることから、高信頼性が要求される海底ケーブルシステムに適している。また、小型、低損失、低偏光依存性、低波長依存性などの特性も、海底の遠隔観測システムを実現するために適した特質である。

なお、上記の各実施の形態においては、励起光の波長は１４５０nm、キャリア光の波長は１５５０nmの場合を例として示したが、他の波長のキャリア光と、それをラマン増幅するのに適した他の波長を有する励起光を用いるようにしてもよい。また、変調周波数としては、１００ＭＨｚに限らず、１００ＭＨｚ以上の任意の周波数を用いるようにしてもよい。また、ラマン増幅用媒体としては、石英を母材とした光ファイバの場合を示したが、他の手段でも良く、例えば、テルライトを母材とする光ファイバのような、ラマン増幅に適した他のラマン増幅媒体を用いるようにしてもよい。

以上のように、本発明にかかるラマン増幅器は、１００ＭＨｚ以上の高い周波数の信号を変調するための光変調器に有用であり、特に、地震計、津波計、温度計、カメラなどの観測部の信号を用いて励起光を変調する海底の遠隔観測システムに用いられるラマン増幅器に適している。

Claims (9)

1. ラマン増幅媒体を用いてキャリア光を増幅するラマン増幅器において、
   １００ＭＨｚ以上の周波数で強度変調された励起光を前記ラマン増幅媒体に供給する励起光源と、
   前記キャリア光と前記励起光を合波して前記ラマン増幅媒体に導く合波手段と、
   を備え、前記ラマン増幅媒体は、低分散な特性を備え、キャリア光と励起光の通過伝搬時間差が小さいラマン増幅媒体であることを特徴とするラマン増幅器。
2. 前記ラマン増幅媒体が光ファイバであり、
   前記光ファイバの分散値の絶対値が小さく、
   前記光ファイバの長さ、前記励起光源の変調周波数、前記励起光と前記キャリア光間の波長差に対して、
   光ファイバの分散値の絶対値[ps/nm/km]
   ≦１/[(励起光源の変調周波数[THz])×(光ファイバの長さ[km])
   ×(励起光−キャリア光間の波長差[nm])]
   の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載のラマン増幅器。
3. 前記ラマン増幅媒体が、５/W/km以上の高いラマン利得効率を持つ光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載のラマン増幅器。
4. 前記ラマン増幅媒体が、５/W/km以上の高いラマン利得効率を持つ光ファイバであることを特徴とする請求項２に記載のラマン増幅器。
5. 前記ラマン増幅媒体が光ファイバであり、
   前記励起光の波長が１.４〜１.５μｍの範囲内であり、
   前記キャリア光の波長が１.５〜１.６μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のラマン増幅器。
6. 前記ラマン増幅媒体が、分散値が正負の異なる光ファイバを交互に接続したものであることを特徴とする請求項１に記載のラマン増幅器。
7. 請求項１に記載のラマン増幅器を複数多段に接続する構成であることを特徴とするラマン増幅器。
8. キャリア光を送信する送信装置と、
   前記送信装置からのキャリア光を受信し、変調されたキャリア光を送信する請求項１に記載のラマン増幅器と、
   ラマン増幅器からのキャリア光を受信する受信装置と、
   が光ファイバケーブルで接続されていることを特徴とする光通信システム。
9. 前記ラマン増幅器に接続され、各ラマン増幅器に観測信号を入力する観測装置を更に備え、
   前記ラマン増幅器は、観測装置からの観測信号を用いてキャリア光を変調することを特徴とする請求項８に記載の光通信システム。
   

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