(57)【要約】【課題】光増幅における雑音指数、及び累積分散による伝送特性劣化の改善を可能とする、広い波長帯域に対応可能な光増幅伝送システム及び光増幅伝送システムの設計方法を提供する。【解決手段】プリチャープ調整機能１５を有する送信機１１と、ラマン増幅用光ファイバ２２を有する集中定数型ラマン増幅器１３とを備える光増幅伝送システムにおいて、前記送信機１１は、前記プリチャープ調整機能１５におけるチャープパラメータを前記集中定数型ラマン増幅器１３における前記ラマン増幅用光ファイバ２２の分散に基づき決定した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリチャープ調整機能を有する送信機と、
ラマン増幅用光ファイバを有する集中定数型ラマン増幅器と
を備える光増幅伝送システムにおいて、
前記送信機は、前記プリチャープ調整機能におけるチャープパラメータを前記集中定数型ラマン増幅器における前記ラマン増幅用光ファイバの分散に基づき決定する
ことを特徴とする光増幅伝送システム。
【請求項２】
ラマン増幅用光ファイバを有する集中定数型ラマン増幅器とプリチャープ調整機能を有する送信機とにより構成される光増幅システムの設計方法において、
前記集中定数型ラマン増幅器における所望のネットゲインと、前記集中定数型ラマン増幅器の励起光強度とを設定し、前記ラマン増幅用光ファイバのラマン利得率、実効断面積、及び群速度分散を用いて、雑音指数及び分散ペナルティを求める
ことを特徴とする光増幅伝送システムの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集中定数型ラマン増幅器を用いた光増幅伝送システム及び光増幅伝送システムの設計方法に属する。
【背景技術】
【０００２】
近年研究が進められているフォトニッククリスタルファイバは、コア部が純石英ガラス母材で形成され、該コア部の周辺に複数の空孔を設け、実効的なクラッド部としている。該空孔の直径、及び配置を変化させることにより、高い自由度で理論遮断波長、波長分散、及びモードフィールド径を設計することが可能である。このため、例えば、波長６５８〜１５５６［ｎｍ］といった可視から近赤外までの広い波長帯域で光通信を行なうことが可能である。
【０００３】
このような広い波長帯域で光通信を行なうために必要となる当該波長帯域に対応可能な光増幅器としては、ファイバラマン増幅器（下記非特許文献１参照）がある。
一方、光ファイバを伝搬した光パルス信号は、当該光ファイバ中の累積分散によりパルス波形に歪を生じる。このため、高速・長距離の光伝送では、累積分散の補償が不可欠であり、光伝送媒体と逆符号の波長分散特性を有する分散補償ファイバ（下記非特許文献２参照）等が用いられている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２３６７８１号公報
【非特許文献１】Ｍ．Ｎ．Ｉｓｌａｍ、“Ｒａｍａｎ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ”、ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＳＥＬＥＣＴＥＤ  ＴＯＰＩＣＳ  ＩＮ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、Ｖｏｌ．８、Ｎｏ．３、２００２年５月／６月、ｐ．５４８−５５９
【非特許文献２】Ｌ．Ｇ．Ｎｉｅｌｓｅｎ、外７名、“Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ  Ｆｉｂｅｒｓ”、ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．１１、２００５年１１月、ｐ．３５６６−３５７９
【非特許文献３】Ｃ．Ｆｕｋａｉ、外５名、“Ｏｐｔｉｍｕｍ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｆｏｒ  ａ  ＤＲＡ−Ｂａｓｅｄ  ＤＷＤＭ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ”、ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．３、２００５年３月、ｐ．１２３２−１２３８
【非特許文献４】Ｒ．Ｈ．Ｓｔｏｌｅｎ、“Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ  ｉｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”、ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ  ＯＦ  ＴＨＥ  ＩＥＥＥ、Ｖｏｌ．６８、Ｎｏ．１０、１９８０年１０月、ｐ．１２３２−１２３６
【非特許文献５】Ｒ．Ｊ．Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ、外３名、“Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｒａｙｌｅｉｇｈ  Ｂａｃｋｃｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ”、ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．７、２００２年７月、ｐ．９１４−９１６
【非特許文献６】Ｍ．Ｏｈａｓｈｉ、外２名、“Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｌｏｓｓ  Ｐｒｏｐｅｒｔｙ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅｄ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒｓ”、ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、Ｖｏｌ．１０、Ｎｏ．５、１９９２年５月、ｐ．５３９−５４３
【非特許文献７】Ｅ．Ｂｒｉｎｋｍｅｙｅｒ、“Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ”、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、Ｖｏｌ．７０、Ｎｏ．８、１９８０年８月、ｐ．１０１０−１０１２
【非特許文献８】Ｇ．Ｐ．アグラワール著、小田垣孝訳、山田興一訳、「非線形ファイバー光学（原書第２版）」、第１版、吉岡書店、１９９７年５月２５日、ｐ．７８−８１
【非特許文献９】Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ、外１名、“Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｈｉｒｐｉｎｇ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ”、ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．５、１９８６年５月、ｐ．３１８−３２０
【非特許文献１０】川上彰二郎、白石和男、大橋正治著、「アドバンスト・エレクトロニクスI−１６  光ファイバとファイバ形デバイス」、培風館、１９９６年７月１０日、ｐ．２４−３３、７０−７３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献２に記載の分散補償ファイバでは、特に波長１．３μｍ帯より短波長側の波長帯域において、正の波長分散特性を単一モード条件で実現することは困難であり、当該波長帯域で負の波長分散特性を有する光伝送媒体の分散補償は行えないといった課題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、光増幅における雑音指数、及び累積分散による伝送特性劣化の改善を可能とする、広い波長帯域に対応可能な光増幅伝送システム及び光増幅伝送システムの設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決する第１の発明に係る光増幅伝送システムは、
プリチャープ調整機能を有する送信機と、
ラマン増幅用光ファイバを有する集中定数型ラマン増幅器と
を備える光増幅伝送システムにおいて、
前記送信機は、前記プリチャープ調整機能におけるチャープパラメータを前記集中定数型ラマン増幅器における前記ラマン増幅用光ファイバの分散に基づき決定する
ことを特徴とする。
【０００８】
上記の課題を解決する第２の発明に係る光増幅伝送システムの設計方法は、
ラマン増幅用光ファイバを有する集中定数型ラマン増幅器とプリチャープ調整機能を有する送信機とにより構成される光増幅システムの設計方法において、
前記集中定数型ラマン増幅器における所望のネットゲインと、前記集中定数型ラマン増幅器の励起光強度とを設定し、前記ラマン増幅用光ファイバのラマン利得率、実効断面積、及び群速度分散を用いて、雑音指数及び分散ペナルティを求める
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光増幅における雑音指数、及び累積分散による伝送特性劣化の改善を可能とする、広い波長帯域に対応可能な光増幅伝送システム及び光増幅伝送システムの設計方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明に係る光増幅伝送システム及び光増幅伝送システムの設計方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る光増幅伝送システムの構成例を示す概略図である。
本発明に係る光増幅伝送システムは、所望の波長λSの信号光を生成する送信機１１と、前記波長λSよりも短い遮断波長特性を有する伝送用光ファイバ１２と、集中定数型ラマン増幅器１３と、受信機１４とにより構成される。
【００１１】
送信機１１は、光源、パルス発生器、及び変調器等の光信号を送信するために必要となるコンポーネントが含まれるものとし、特にプリチャープ調整機能１５を具備することを特徴とし、プリチャープの調整は、例えば、Ｚカット型のＬｉＮｂＯ3変調器において、チャープパラメータＣを制御する、つまり、印加電圧を調整することにより実現できる。
【００１２】
ここで、プリチャープとは、変調信号光にその光強度に応じた周波数変調を施し、波長分散によりパルス圧縮を起こさせるものである（上記特許文献１参照）。また、光位相φと光強度Ｉとを用いて表されるチャープパラメータＣは、チャープの程度を表す。チャープパラメータＣは、式（１）のように示される。
【数１】
2010028710.tif 000003
【００１３】
また、受信機１４は、光フィルタ、光電変換器、電気増幅器、及び電気フィルタ等の光信号を受光し、電気信号へ変換し、信号情報を読み取るためのコンポーネントが含まれる。図１に示す概略図では、集中定数型ラマン増幅器１３を、伝送用光ファイバ１２の出射端に接続する構成としているが、前記集中定数型ラマン増幅器１３は、前記伝送用光ファイバ１２の入射端、又は入射端及び出射端の両方に接続される構成であっても構わない。
【００１４】
図２は、本発明に係る光増幅伝送システムを構成する集中定数型ラマン増幅器１３の構成例を示す概略図である。
本発明に係る光増幅伝送システムに用いる集中定数型ラマン増幅器１３は、波長λPの励起光源２１と、前記励起波長λPよりも短い遮断波長特性を有するラマン増幅用光ファイバ２２と、前記波長λPの励起光を前記ラマン増幅用光ファイバ２２に結合する結合器２３とにより構成される。
【００１５】
励起光源の波長λPは、ラマン増幅による最大利得が得られる波長、すなわち、前記信号波長λSよりも１３．２［ＴＨｚ］短波長側にシフトした波長に設定されることが好ましい。例えば、信号波長λSが１．１２［μｍ］である場合、励起波長λPは１．０６［μｍ］とすることが好ましく、当該波長での出力を有する励起光源としては、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、又はイッテリビウム添加ファイバレーザが利用できる。
【００１６】
なお、前記結合器２３は、前記波長λSの信号光を、前記ラマン増幅用光ファイバ２２の入射端側、又は図１に示す受信機１４側に結合する機能を具備するものとする。また、図２に示す概略図では、励起光源２１、及び結合器２３を、ラマン増幅用光ファイバ２２の両端に接続する構成としたが、ラマン増幅用光ファイバ２２の入射端、又は出射端側のいずれか一方のみに接続される構成であっても構わない。
【００１７】
したがって、図１及び図２に示した構成例を用いることにより、所望の信号波長λSにおける、集中定数型ラマン増幅器１３を用いた単一モード光増幅伝送システムを実現することが可能となる。
【００１８】
本発明に係る集中定数型ラマン増幅器１３において、ラマン増幅用光ファイバ２２の長さ、ラマン利得率、及び損失係数を、それぞれＬ［ｋｍ］、ＣR［Ｗｋｍ-1］、α［ｄＢ／ｋｍ］とし、ラマン増幅用光ファイバ２２の入射側、及び出射側に接続された励起光源２１の励起光強度を、それぞれＰF[Ｗ]及びＰB[Ｗ]とすると、当該集中定数型ラマン増幅器１３のファイバ位置０からＬまでのネットゲインＧ（０，Ｌ）は、式（２）のように示される。
【数２】
2010028710.tif 000004
【００１９】
なお、式（２）は、上記非特許文献５の９１４頁右欄に、ファイバ位置ｚ1からｚ2におけるネットゲインＧ（０，Ｌ）が「Ｇ（ｚ1，ｚ2）＝ＴF（ｚ1，ｚ2）ＧR（ｚ1，ｚ2）」で求められる旨の記載があることから、同欄に記載の「ＴF（ｚ1，ｚ2）＝ｅｘｐ[−αs（ｚ2−ｚ1）]」と上記非特許文献５の式（２）で表されるＧR（ｚ1，ｚ2）とを乗ずることによって導出した。また、本願では、「ｚ1＝０、ｚ2＝Ｌ」としている。
【００２０】
また、雑音指数ＮＦは、式（３）（上記非特許文献５の９１５頁の式（７）参照）のように示される。
【数３】
2010028710.tif 000005
ここで、ｈν、Ｂe及びＢoは、それぞれ光子エネルギー、電気フィルタ帯域幅、及び光フィルタ帯域幅を表し、ＮASE及びＰDRSは、それぞれ雑音成分の自然放出光による光パワー密度、及び二重レイリー散乱による雑音パワーを表す。
【００２１】
さらに、波長λにおけるラマン利得率ＣR（λ）は、ラマン増幅用光ファイバ２２のコアの比屈折率差Δ、及び実効断面積Ａeffを用いて、式（４）のように示される。なお、本発明において、λS、及びλPは、それぞれ信号波長、及び励起波長を示し、λは信号波長、又は励起波長のいずれかを示す。
【数４】
2010028710.tif 000006
【００２２】
なお、式（４）は、上記非特許文献３の１２３３頁左欄に記載の励起波長が１．４５μｍ（同頁ＴＡＢＬＥ  Ｉ参照）の時のラマン利得率ＣRを表す式（６）において、ラマン増幅用光ファイバ２２としてゲルマニウム添加ファイバを用いることを仮定し、ｇ1＝２．１６を代入した。
【００２３】
また、上記非特許文献４の１２３２頁右欄、下から４行目に「励起波長λの時のラマン利得係数は、励起波長１［μｍ］の時のラマン利得係数に対して「１／λ」を乗ずることで求められる」旨の記載があることから、上記ラマン利得率ＣRに対して、さらに「（１．４５×１０-6）／λP」を乗ずることによって導出した。
【００２４】
また、損失係数α（λ）は、ラマン増幅用光ファイバ２２のコアの比屈折率差Δ、及び実効断面積Ａeffを用いて、式（５）のように示される。
【数５】
2010028710.tif 000007
なお、式（５）は、上記非特許文献６の５３９頁左欄に記載の損失αTを表す式（１）において、レイリー散乱損失係数０．８［ｄＢ／ｋｍ  μｍ4］とラマン増幅用光ファイバ２２としてゲルマニウム添加ファイバを用いることを仮定して、「Ａ＝Ａ0（１＋０．４４Δ）」を代入し、上記非特許文献６の５３９頁左欄に記載の赤外吸収損失αIRを表す式（３）に上記非特許文献６の５４０頁左欄４行目に記載の吸収損失係数６．６５×１０12と５２．６２を代入することによって導出した。
【００２５】
また、ＮASE（上記非特許文献５の９１４頁の式（１）参照）は、ラマン増幅用光ファイバ２２のコアの比屈折率差Δ、及び実効断面積Ａeffを用いて、式（６）のように示される。
【数６】
2010028710.tif 000008
【００２６】
また、ＰDRS（上記非特許文献３の１２３３頁の式（１０）参照）は、ラマン増幅用光ファイバ２２のコアの比屈折率差Δ、及び実効断面積Ａeffを用いて、式（７）のように示される。
【数７】
2010028710.tif 000009
ここで、Ｐinは信号入力強度である。
【００２７】
また、Ｇ（ｚ，Ｌ）はファイバ位置ｚからＬまでのネットゲイン、Ｒ（λS）はレイリー後方散乱係数であり、コアの屈折率ｎcoreを用いて式（８）のように示される。
【数８】
2010028710.tif 000010
【００２８】
なお、式（８）は、式（８）の右辺第１項は、上記非特許文献６の５３９頁右欄に記載のレイリー散乱損失係数αRを表す式（２）に対して、同欄に記載のゲルマニウム添加ファイバにおけるレイリー散乱係数Ａを表す式（５）、及び上記非特許文献６の５４０頁左欄７行目に記載の純シリカガラスのレイリー散乱係数０．８［ｄＢ／ｋｍ  μｍ4］を代入することによって導出した。
【００２９】
また、式（８）の右辺第２項は、上記非特許文献７の１０１１頁右欄に記載の式（１２）における後方散乱ファクターＳを表す式から導出した。上記非特許文献７において、ｎ、ω0、ω及びｃは、それぞれコアの屈折率、モードフィールド径、角周波数、及び光速を表している。そして、本願ではコアの屈折率をｎcoreとしているので「ｎ＝ｎcore」である。
【００３０】
また、本願で使用している実効断面積Ａeffは、モードフィールド径ω0を用いて、「Ａeff＝πω02」と表すことができる。さらに、一般に、波数ｋは、ｋ＝ω／ｃであり、波長λを用いて表すと「ｋ＝２π／λ」となる。したがって、後方散乱ファクターＳについて、式（９）を導出することができる。
【００３１】
【数９】
2010028710.tif 000011
【００３２】
したがって、本発明に係る集中定数型ラマン増幅器１３を用いた光増幅伝送システムにおいて、所望のネットゲインＧ（０，Ｌ）、並びに励起光強度ＰF及びＰBを設定し、ラマン増幅用光ファイバ２２におけるラマン利得率ＣR、及び実効断面積Ａeffの、コアの比屈折率差Δに対する依存性、並びに前記式（２）〜式（９）を用いることにより、当該光増幅伝送システムにおける雑音指数ＮＦの特性を設計することが可能となる。
【００３３】
一方、チャープ特性を有する波長λの光信号パルスが、群速度分散がβ2[ｐｓ／ｋｍ]である長さＬ[ｋｍ]の分散媒質を透過した後における、分散による伝送特性に対するペナルティＤＰ[ｄＢ]は、入射パルス幅Ｔ0、及びチャープパラメータＣを用いて、式（１０）のように示される。
【００３４】
なお、式（１０）は、上記非特許文献８の８１頁に記載のパルスの拡がり因子を表す式（３．２．２７）をデシベル表記にしたものである。また、上記非特許文献８におけるｚ、Ｔ、Ｔ0、ｉ、及びＣは、それぞれ距離、群速度νgで時間ｔのパルスとともに進行する座標系で測られた時間「Ｔ＝ｔ−ｚ／νg」、入射パルス幅、虚数、及びチャープパラメータＣを表す。
【数１０】
2010028710.tif 000012
ここで、Γはガンマ関数を示す。また、ｍは、パルスの形状を関数として示すための補正関数であり、例えば、ガウス型パルス、及び超ガウス型パルスの場合、それぞれｍ＝１、ｍ＞１である（上記非特許文献８参照）。なお、ｍは、上記非特許文献９の式（５）に示されるように、パルスの半値幅σと立ち上がり時間τrから求めることができる。
【００３５】
また、群速度分散β2は、前記分散媒質の当該波長λにおける波長分散Ｄ[ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ]と式（１１）の関係を有する。
【数１１】
2010028710.tif 000013
ここで、ｃは光速を示す。
【００３６】
図３は、群速度分散と長さの積、つまり累積群速度分散β2Ｌと、分散によるペナルティＤＰの関係の一例であり、チャープパラメータＣをパラメータとして記述した図である。ここで、Ｔ0、及びｍは、それぞれ５０［ｐｓ］、及び１．５を用いた。図３より、群速度分散と長さの積β2Ｌが正、及び負である場合、チャープパラメータＣを、それぞれ負、及び正の値に設定することにより、分散によるペナルティＤＰを負に制御できることが分かる。
【００３７】
したがって、前記ラマン増幅用光ファイバ２２の信号波長λSにおける、波長分散Ｄ、並びに前記式（１０）及び式（１１）を用いることにより、本発明に係る光増幅伝送システムを構成する集中定数型ラマン増幅器１３における、分散による伝送特性に対するペナルティＤＰを設計することが可能となり、かつ当該ペナルティＤＰをチャープパラメータＣの符号により制御することが可能となる。
【実施例】
【００３８】
以下に、本発明に係る集中定数型ラマン増幅器１３を用いた光増幅伝送システムの設計例について、信号波長λSを１．１２［μｍ］、励起波長λPを１．０６［μｍ］、当該光増幅伝送システムにおける所望のネットゲインＧ（０，Ｌ）を３０［ｄＢ］、励起光強度ＰF及びＰBの比率を１：１、全励起光強度「ＰP＝ＰF＋ＰB」を０．５〜１［Ｗ］とした場合について、図を用いて説明する。なお、本実施例では、励起光強度ＰF及びＰBの比率を１：１としたが、当該励起光強度ＰPの比率は任意に設定することが可能である。
【００３９】
図４は、本発明に係る光増幅伝送システムの実施例で用いた、ラマン増幅用光ファイバ２２の断面方向の屈折率分布を示す概念図である。
本実施例では、ラマン増幅用光ファイバ２２として、コアにゲルマニウムを添加した石英ファイバを用いた。ここで、Δ、及びａはそれぞれコア部４１とクラッド部４２との比屈折率差、及びコア半径を表す。
【００４０】
また、クラッド部４２の屈折率は、純石英のレベルとした。なお、本実施例では、ラマン増幅用光ファイバ２２の屈折率分布としては、本実施例のコアにゲルマニウムを添加したステップ型の屈折率分布を有する構造に限らず、任意の屈折率分布を有する構造であっても構わない。
【００４１】
図５は、図４に示した屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバ２２において、遮断波長λCを１．０６［μｍ］、すなわち、所望の光増幅伝送システムにおける励起波長λP以下とする、コアの比屈折率差Δとコア半径ａの関係を示す図である。
本実施例においては、多層分割法（上記非特許文献１０参照）を用いて数値計算により、１．０６［μｍ］以下の遮断波長を実現する比屈折率差Δとコア半径ａの関係を求めた。
【００４２】
図５中の実線は、遮断波長λCが１．０６［μｍ］となるときのコア部とクラッド部との比屈折率差Δに対するコア半径ａの関係を示し、実線以下の斜線で示される領域で比屈折率差Δに対するコア半径ａを設計することにより、１．０６［μｍ］以下の遮断波長λCを実現することが可能となる。
【００４３】
図６は、図５に示した遮断波長λC条件において、波長１．１２［μｍ］における実効断面積Ａeffとラマン利得率ＣRのコアの比屈折率差Δに対する依存性を示す図である。
なお、本実施例では、遮断波長λCが１．０６［μｍ］であるときの、波長１．１２［μｍ］における比屈折率差Δと実効断面積Ａeffの関係を、多層分割法（上記非特許文献１０参照）を用いて数値計算により求めた。また、波長１．１２［μｍ］における比屈折率差Δとラマン利得率ＣRの関係を式（４）を用いて求めた。
【００４４】
図７は、図５に示した遮断波長λC条件において、波長１．１２［μｍ］における波長分散Ｄと群速度分散β2のコアの比屈折率差Δに対する依存性を示す図である。
なお、本実施例では、遮断波長λCが１．０６［μｍ］であるときの波長１．１２［μｍ］における比屈折率差Δと波長分散Ｄの関係を、多層分割法（上記非特許文献１０参照）を用いて数値計算により求めた。また、波長１．１２［μｍ］における比屈折率差Δと群速度分散β2の関係を式（１１）を用いて求めた。
【００４５】
図８は、図６に示した実効断面積Ａeff及びラマン利得率ＣRのコアの比屈折率差Δに対する依存性を用い、ネットゲインＧ（０，Ｌ）＝３０［ｄＢ］の要求条件を満たす等ＮＦ特性を、コアの比屈折率差Δ及びラマン増幅用光ファイバ２２のファイバ長Ｌの関数としてプロットした図である。
【００４６】
つまり、比屈折率差Δ（ラマン利得率ＣRと損失係数α）とファイバ長Ｌのプロット点において、励起光強度ＰF及びＰBを少しずつ可変し、ネットゲインＧ（０，Ｌ）が３０［ｄＢ］となる励起光強度ＰF及びＰBを式（２）を用いて求め、次に、各比屈折率差Δ（ラマン利得率ＣRと損失係数α）とファイバ長Ｌ、ネットゲインＧ（０，Ｌ）、及びその時の励起光強度ＰF及びＰBを用いて、式（３）から雑音指数ＮＦを求めプロットした図である。なお、伝送速度は１０［Ｇｂｉｔ／ｓ］とし、電気フィルタ帯域幅Ｂe、及び光フィルタ帯域幅Ｂoは、それぞれ７［ＧＨｚ］及び１０［ＧＨｚ］とした。また、集中定数型ラマン増幅器１３への信号入力強度Ｐinは−３０［ｄＢｍ］とした。
【００４７】
図８中の実線、及び破線は、それぞれ雑音指数ＮＦ、及び全励起光強度ＰPを示す。全励起光強度ＰPが０．５〜１［Ｗ］である場合、比屈折率差Δが約０．６％以上、すなわち、ラマン利得率ＣRを約２［Ｗｋｍ-1］以上、ファイバ長Ｌを１［ｋｍ］以上に設定することにより、３．２〜５［ｄＢ］の雑音指数ＮＦ特性を保持したまま、３０［ｄＢ］のネットゲインＧ（０，Ｌ）を実現可能であることがわかる。
【００４８】
特に、全励起光強度ＰPが０．５［Ｗ］の場合、比屈折率差Δを１．１％以上にすることによって３０［ｄＢ］のネットゲインＧ（０，Ｌ）を実現し、ファイバ長Ｌを７．５［ｋｍ］以下に設定することにより、４［ｄＢ］以下の雑音指数ＮＦ特性を実現可能であるためより好ましい。
【００４９】
図９は、図８に示した等ＮＦ特性において、全励起光強度ＰPが０．５及び１［Ｗ］の時のコアの比屈折率差Δに対する累積群速度分散β2Ｌの特性を示す図である。
なお、各コアの比屈折率差Δにおける累積群速度分散β2Ｌは、図７及び図８からそれぞれ累積群速度分散β2Ｌ、及びファイバ長Ｌを読み取り算出した。全励起光強度ＰPが０．５、及び１［Ｗ］において、それぞれ累積群速度分散β2Ｌが２５、及び５０［ｐｓ］以上と正の値をとり、比屈折率差Δの減少とともに累積群速度分散β2Ｌが大きくなることがわかる。
【００５０】
図１０は、図９に示した累積群速度分散β2Ｌ特性における、分散による伝送特性のペナルティＤＰのコアの比屈折率差Δに対する依存性を示す図である。
ここで、各比屈折率差における分散ペナルティは、チャープパラメータＣは−０．７を用いて式（１０）より求めた。また、入射パルス幅Ｔ0、及びパルス形状補正係数ｍは、それぞれ５０［ｐｓ］、及び１．５を用いた。図１０より、累積群速度分散β2Ｌが正の値をとるため、チャープパラメータＣを負に設定することにより、分散による伝送特性のペナルティＤＰを負に制御できることが分かる。
【００５１】
図１１は、符号誤り率ＢＥＲ特性における、雑音指数ＮＦの低減、及び分散ペナルティＤＰの低減効果を示す概念図である。
一般に、雑音指数ＮＦの低減により、信号対雑音比特性を改善することが可能となり、同一の受光パワーＰRECにおける符号誤り率ＢＥＲを減少させることが可能となる。また、分散ペナルティＤＰが負に低減されることにより、所望の符号誤り率ＢＥＲを実現する受光パワーＰRECを減少させることが可能となる。
【００５２】
つまり、図１１中の実線で示される符号誤り率ＢＥＲ特性を有する光増幅伝送システムにおいて、雑音指数ＮＦ、又は分散ペナルティが低減した場合、図１１中の破線で示される受光パワーＰRECにおける符号誤り率ＢＥＲの値が、それぞれの矢印で示される方向ヘシフトするため、図１１中の実線で示される符号誤り率ＢＥＲ特性を、破線で示される符号誤り率ＢＥＲ特性へ改善することが可能となる。
【００５３】
したがって、所望のネットゲインＧ（０，Ｌ）及び全励起光強度「ＰP＝ＰF＋ＰB」を設定し、ラマン増幅用光ファイバ２２のラマン利得率ＣR、及び実効断面積Ａeffの、コアの比屈折率差Δに対する依存性を用いて、集中定数型ラマン増幅器１３のＮＦ特性を導出し、かつ、ラマン増幅用光ファイバ２２の累積群速度分散β2Ｌの、コアの比屈折率差Δに対する依存性を用いて、集中定数型ラマン増幅器１３の分散ペナルティＤＰ特性を導出することにより、当該集中定数型ラマン増幅器１３の雑音指数ＮＦ特性、及び分散による伝送特性劣化を改善した単一モード光増幅伝送システムを実現することが可能となる。
【００５４】
より具体的には、全励起光強度ＰPが０．５［Ｗ］のとき、比屈折率差Δ、及びファイバ長Ｌをそれぞれ１．２％、及び５．３［ｋｍ］に設定することにより、３．８［ｄＢ］の雑音指数ＮＦ、及び−０．２５［ｄＢ］の分散ペナルティＤＰを実現可能である。また、全励起光強度ＰPが１［Ｗ］の場合、比屈折率差Δ、及びファイバ長Ｌをそれぞれ０．６％、及び６［ｋｍ］に設定することにより、３．６ｄＢの雑音指数ＮＦ、及び−０．２５［ｄＢ］の分散ペナルティＤＰを実現可能である。
【００５５】
次に、本発明に係る光増幅伝送システムの実施例において説明した、集中定数型ラマン増幅器を用いた単一モード光増幅伝送システムの設計方法について説明する。
本実施例に係る光増幅伝送システムの設計においては、具体的には、式（２）〜式（１１）を用いて、各パラメータの設定を経て、図８及び図１０のチャートを求める。
求められた図８と図１０とを比較し、雑音指数ＮＦが低く、かつ良好な分散ペナルティＤＰ特性が得られる比屈折率差Δとファイバ長Ｌとの関係（例えば、比屈折率差１．１％、ファイバ長７．５［ｋｍ］と言うように具体的な数値）を見つける。
そして、この比屈折率差Δとファイバ長Ｌとを有するラマン増幅用光ファイバ２２を用いた光増幅システムを構成することにより、当該システムにおける性能（雑音指数ＮＦと分散ペナルティＤＰ）を図８と図１０から把握することができる。
【００５６】
ここで、「雑音指数ＮＦが低く、かつ良好な分散ペナルティＤＰ特性」は、使用するシステムにおける受光パワーＰRECと符号誤り率ＢＥＲとの関係（図１１参照）によって変わる。すなわち、受光パワーＰRECと符号誤り率ＢＥＲのグラフの傾きの絶対値が大きい場合には、分散ペナルティＤＰの改善が大きい方が効果が高いため、例えば、ＰP＝０．５［Ｗ］であれば、図１０から分散ペナルティの改善が最大となる比屈折率差Δを１．１％とすることが望ましい。
逆に、受光パワーＰRECと符号誤り率ＢＥＲのグラフの傾きの絶対値が小さい場合には、雑音指数ＮＦが小さい方が効果が高いため、例えば、ＰP＝０．５［Ｗ］であれば、図８から比屈折率差Δを２％とすることが望ましい。
【００５７】
次に、本発明に係る光増幅伝送システムの実施例において説明した、集中定数型ラマン増幅器１３を用いた単一モード光増幅伝送システムの設計方法の手順について説明する。
図１２は、本発明に係る光増幅伝送システムの実施例において説明した、集中定数型ラマン増幅器１３を用いた単一モード光増幅伝送システムの設計方法に関するフローチャートを示す図である。
図１２に示すように、はじめに、ステップＳ１において、光増幅伝送システムの所望のネットゲインＧ（０，Ｌ）、励起光強度ＰF及びＰB、及びプリチャープ調整機能１５のチャープパラメータＣの絶対値を設定する。
【００５８】
次に、ステップＳ２において、ラマン増幅用光ファイバ２２のラマン利得率ＣR、実効断面積Ａeff、及び群速度分散のコアの比屈折率差Δに対する依存性の関係を求める。図４の屈折率分布において、例えば、多層分割法を用いることにより、図５のような、遮断波長λC特性を満たす比屈折率差Δとコア半径ａとの関係を求める。この関係から、図６及び図７の実効断面積Ａeffや波長分散Ｄを求めることができる。
【００５９】
次に、ステップＳ３において、集中定数型ラマン増幅器１３の雑音指数ＮＦ特性を導出する。ステップＳ２までのステップで、ネットゲインＧ（０，Ｌ）、励起光強度ＰF及びＰB、比屈折率差Δ、実効断面積Ａeff、及びラマン利得率ＣRが求められているため、式（３）〜式（９）を用いて雑音指数ＮＦを算出することが可能である。これにより、図８のような比屈折率差Δとファイバ長Ｌを変化させた時の雑音指数ＮＦ特性を求めることができる。なお、図８では励起光強度ＰF及びＰBを比屈折率差Δ及びファイバ長Ｌの変化に対してネットゲインＧ（０，Ｌ）が３０［ｄＢ］となるように設定してある。
【００６０】
次に、ステップＳ４において、集中定数型ラマン増幅器１３の分散ペナルティＤＰ特性を導出する。図７から比屈折率差Δと群速度分散β2との関係が、図８から特定の励起光強度ＰF及びＰB（例えば、０．５［Ｗ］）における比屈折率差Δとファイバ長Ｌとの関係が、それぞれ求められることから、図９のような比屈折率差Δと累積群速度分散β2Ｌ（群速度分散β2とファイバ長Ｌとの積）との関係が求められ、式（１０）を用いることによって、図１０に示される分散ペナルティＤＰ特性を求めることができる。
【００６１】
最後に、ステップＳ５において、ラマン増幅用光ファイバ２２の比屈折率差Δとファイバ長Ｌ、及びプリチャープ調整機能１５のチャープパラメータＣの符号を決定する。図８及び図１０から、雑音指数ＮＦが低く、かつ、良好な分散ペナルティＤＰ特性となる比屈折率差Δとファイバ長Ｌの関係を見出す。
【００６２】
以上説明したように、本発明に係る光増幅伝送システムによれば、ラマン増幅用光ファイバ２２を有する集中定数型ラマン増幅器１３と、プリチャープ調整機能１５を有する送信機１１とを具備することとしたため、任意の信号波長における分散ペナルティＤＰの改善を可能とする光増幅伝送システムを実現することができる。
【００６３】
また、本発明に係る光増幅伝送システムの設計方法として、当該光増幅伝送システムにおける、所望のネットゲインＧ（０，Ｌ）、及び励起光強度ＰF及びＰBをパラメータとし、ラマン増幅媒体の実効断面積Ａeff、ラマン利得率ＣR、及び群速度分散β2の比屈折率差Δに対する依存性との関係を考慮に入れ、集中定数型ラマン増幅器１３の雑音指数ＮＦ特性と分散ペナルティＤＰを導出することとしたため、当該光増幅伝送システムの伝送性能を改善することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、例えば、集中定数型ラマン増幅器を用いた光増幅伝送システム及び光増幅伝送システムの設計方法に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る光増幅伝送システムの構成例を示す概略図である。
【図２】本発明に係る光増幅伝送システムを構成する集中定数型ラマン増幅器の構成例を示す概略図である。
【図３】群速度分散と長さの積、つまり累積群速度分散β2Ｌと、分散によるペナルティＤＰの関係の一例であり、チャープパラメータＣをパラメータとして記述した図である。
【図４】本発明に係る光増幅伝送システムの実施例で用いた、ラマン増幅用光ファイバの断面方向の屈折率分布を示す概念図である。
【図５】図４に示した屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバ２２において、遮断波長λCを１．０６［μｍ］、すなわち、所望の光増幅伝送システムにおける励起波長λP以下とする、コアの比屈折率差Δとコア半径ａの関係を示す図である。
【図６】図５に示した遮断波長λC条件において、波長１．１２［μｍ］における実効断面積Ａeffとラマン利得率ＣRのコアの比屈折率差Δに対する依存性を示す図である。
【図７】図５に示した遮断波長λC条件において、波長１．１２［μｍ］における波長分散Ｄと群速度分散β2のコアの比屈折率差Δに対する依存性を示す図である。
【図８】図６に示した実効断面積Ａeff及びラマン利得率ＣRのコアの比屈折率差Δに対する依存性を用い、ネットゲインＧ（０，Ｌ）＝３０［ｄＢ］の要求条件を満たす等ＮＦ特性を、コアの比屈折率差Δ及びラマン増幅用光ファイバの長さＬの関数としてプロットした図である。
【図９】図８に示した等ＮＦ特性において、全励起光強度ＰPが０．５及び１［Ｗ］の時のコアの比屈折率差Δに対する累積群速度分散β2Ｌの特性を示す図である。
【図１０】図９に示した累積群速度分散β2Ｌ特性における、分散による伝送特性のペナルティＤＰのコアの比屈折率差Δに対する依存性を示す図である。
【図１１】符号誤り率ＢＥＲ特性における、雑音指数ＮＦの低減、及び分散ペナルティＤＰの低減効果を示す概念図である。
【図１２】本発明に係る光増幅伝送システムの実施例において説明した、集中定数型ラマン増幅器を用いた単一モード光増幅伝送システムの設計方法に関するフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１１  送信機
１２  伝送用光ファイバ
１３  集中定数型ラマン増幅器
１４  受信機
１５  プリチャープ調整機能
２１  励起光源
２２  ラマン増幅用光ファイバ
２３  結合器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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