(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ通信システムであって、このシステムが：
第一の伝送帯域幅を有する光導波路の複数のセグメントから成る光伝送路；
導波路の一連のセグメントの間に結合された前記第一の帯域幅より狭い第二の帯域幅を有する少なくとも一つの光学要素；
前記第一の帯域幅内ではあるが、ただし、前記第二の帯域幅の外側の波長の少なくとも一つの光信号を含む光信号を該光伝送路に発射するための光送信機；および
前記光学要素の上流に配置された少なくとも一つの前記光信号を前記第二の帯域幅内の波長に変換するための少なくとも一つの波長変換器であって、４波混合による波長変換を生み出すために構成された少なくとも３本のテーパー状の合波ファイバからなり、該合波ファイバは後方散乱光の蓄積を防止するために分離器で分離された波長変換器を備えることを特徴とする光通信システム。
【請求項２】
さらに、前記光学要素の下流に配置された前記光学要素からの該少なくとも一つの光信号を前記第二の帯域幅内ではあるが、ただし、前記第一の帯域幅の外側の波長に変換するための追加の波長変換器を備えることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
【請求項３】
さらに、該波長変換器の上流に配置された該光伝送路において配置されるラマン増幅器を備えることを特徴とする請求項１記載の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信システム、より詳細には、伝送帯域幅を増加させるために波長変換器を用いる通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信システムは、莫大な量の情報を高速にて伝送するというそれらの大きな潜在能力を達成しつつある。光ファイバシステムは、本質的には、光源、光に情報を印加する変調器、光信号を運ぶ光伝送導波路、および信号を検出し、それらが運ぶ情報を復調する受信機から構成される。典型的には、伝送導波路は、光学要素、例えば、希土類ドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）によって相互接続された光ファイバの複数のセグメントから成る。光信号としては、複数の別個の波長信号のチャネルから構成される波長分割多重信号（ＷＤＭ信号）が用いられる傾向がますます優勢となりつつある。
【０００３】
従来のファイバシステムの重大な制約は、長距離伝送に用いられる光学要素の帯域幅に制限があることである。シリカ光ファイバは、広い帯域幅ウインドウを有し、伝送損失も低いが、ファイバセグメントの間に配置される幾つかの光学要素、例えば、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、これより狭い帯域幅を有し、伝送ファイバのウインドウを完全に活用することを妨げる。
【０００４】
シリカ光ファイバは、１２５０〜１６５０ｎｍの間の波長に対して０．４ｄＢ／ｋｍ以下の吸収係数を持ち、このため、シリカファイバは、この全スペクトラムに渡って長距離伝送に適する。ただし、現在のシステムは、典型的には、従来のエルビウムドープシリカファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が正常に動作できる１５３０〜１５６０ｎｍの波長レンジに制限される。模範的なエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、１５３０〜１６１０ｎｍの波長レンジに渡って動作できることが実証されているが（例えば、A.K.Srivastava et al.,“1 Tb/s Transmission of 100 WDM 10 Gb/s Channels Over 400 KM of TureWave（商標）Fiber”,OFC'98 Post Deadline Paper PD10(1998)参照）、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の動作レンジをさらに広い波長レンジに拡張できるかは疑わしい。
【０００５】
離散増幅器内には、通常、分散補償要素、利得平坦化フィルタ、および可変減衰器などの損失性要素が用いられる。これら要素の損失は２０ｄＢを超え、このため、２５ｄＢの外部利得を持つエルビウムドープファイバ増幅器では、４５ｄＢの内部利得を持つこととなる。これら増幅器の雑音指数は、典型的には、６ｄＢ以下である。増幅器は、実用的であるためには、多くの用途に対して、この要件を満たす必要がある。
【０００６】
一つの代替の増幅器として、ラマン（Raman）増幅器がある。この増幅器は、任意の波長において利得を提供することができ、１３００ｎｍと１５００ｎｍのレンジにおいて実証されている（例えば、P.B.Hansen et al.,“High Sensitivity 1.3 μm Optically Preamplified Receiver Using Raman Amplification”,Electron.Lett.,Vol.32,p.2164(1996)、およびK.Rottwitt et al.,“A 92 nm Bandwidth Raman Amplifier”,OFC'98 Post Deadline Paper PD6(1998)を参照）。ただし、短所として、ラマン増幅器は高いポンプ電力を必要とし、高利得増幅器では特にそうである。
【０００７】
もう一つの代替の増幅器としてパラメータ増幅器がある（例えば、E.Desurvire,Erbium Doped Fiber Amplifiers,p.451；Wiley,1994を参照）。これら増幅器は、典型的には、４波混合（ＦＷＭ）に基づく。ただし、これら増幅器は、短所として、非常に高いポンプ電力を必要とすることに加えて、位相整合を長いファイバ長に渡って達成するためにファイバ分散を非常に厳密に制御することを要求とされる。
【０００８】
４波混合（ＦＷＭ）は、波長の変換およびスペクトルの反転のためにも用いられる。この技術の提唱される用途には、波長ルータ（例えば、S.J.B.Yoo,“Wavelength Conversion Technologies for WDM Network Applications”,J.Lightwave Technology,Vol.14,p.955(1996)を参照）、光スイッチング、および中間でのスペクトルの反転などが含まれる（例えば、S.Watanabe et al.,“Exact Compensation for Both Chromatic Dispersion and Kerr Effect in a Transmission Fiber Using Optical Phase Conjugation”,J.Lightwave Technolgy,Vol.14,p.243(1996）を参照）。広帯域幅（例えば、７０ｎｍ以上）に渡ってのスペクトル反転に対して４波混合（ＦＷＭ）を用いる（ただし、信号の増幅は行なわない）通信システム（約−１６ｄＢなる反転効率）が実証されている（例えば、S.Watanabe et al.,“Interband Wavelegth Conversion of 320 Gb/s WDM Signal Using a PolarizationュInsensitive Fiber FourュWave Mixer”,ECOC’98(1998)を参照）。小さな有効面積のファイバを用いて、40nmに渡って、最高28dBまでの変換効率を達成することが可能であるが（例えば、G.A.Nowak,et.al.,“LowュPower HighュEfficiency Wavelength Conversion Based on Modulational Instability in HighュNolinearity Fiber”,Opt.Lett.,Vol.23,p.936(1998)参照）、ただし、２８ｄＢｍなるポンプ電力が要求される。１７ｄＢｍなるポンプ電力における概ね０dBの単一チャネル利得が従来の分散シフトファイバにおいて報告されているが、ただし、ファイバ損失が変換された信号の残留損失となる（例えば、S.Watanabe et al.,“Highly Efficient Conversion and Parametric Gain of Nondegenerate Forward FourュWave Mixing in a Singlemode Fiber”,Electron.Lett.,Vol.30,p.163(1994)参照）。これら結果から、シリカファイバ内にパラメータ増幅のみを用いる場合、３０ｄＢｍ以下のポンプ電力では、従来の地上通信システム内の離散増幅器に対して必要とされる利得を提供することはできないことがわかる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、広帯域伝送に用の新たなタイプの光通信システムに対する必要性が存在する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、波長変換を光通信システムの帯域幅を増加させるために用いる。一つの実施例においては、波長の変換と、離散光増幅器（ＯＡ）による増幅とを組み合わせることで、通信システムが離散光増幅器（ＯＡ）の利得帯域幅の外側の波長帯域λ’内でも動作できるようにされる。送信機は、増幅器の利得帯域幅λの外側の信号チャネル（λ'1,λ'2,...,λ'N）を発射し、増幅器の上流の波長変換デバイスによって、チャネルλ'1,λ'2,...,λ'Nが増幅器の帯域幅λ内の対応する波長λ1,λ2,...,λNにマッピング（写像／変換）される。変換された信号は、光増幅器によって直接に増幅され、増幅された信号は、増幅器の下流の第二の波長変換デバイスによって、元のチャネルλ'1,λ'2,...,λ'Nにマッピング（逆写像／逆変換）される。こうして、光増幅器（ＯＡ）の利得帯域幅λ内の信号と、この利得帯域幅λ内に変換することができる信号の両方を用いることで、光通信システムの容量が増加される。関連する波長変換器、送信機および受信機も開示される。
【００１１】
本発明のアプローチは、エルビウムドープファイバ増幅器（EDFA）の使用のみでなく、伝送ファイバより小さな帯域幅を有する利得平坦化要素、分散補償ファイバ、可変減衰器、および任意の中間の要素の使用にも同様に適用できるものである。
【００１２】
本発明の長所、性質、および様々な追加の特徴が、本発明の実施例について以下の詳細な説明を付録の図面と照らして読むことで一層明らかとなるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、波長分割多重（ＷＤＭ）送信機１１、ある長さの伝送ファイバ１２、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦＡ）光増幅器１３および波長分割多重（ＷＤＭ）受信機１４から構成される従来の技術による光ファイバ通信システム１０を簡略的に示す。送信機１１は、エルビウムの利得帯域幅λ内に入る信号λ1...λNを発射する。これら信号は、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦＡ）光増幅器１３によって直接に増幅され、受信機１４に送信される。
【００１４】
図２は帯域幅を増加させるために波長変換器を用いる光通信システム２０を示す。このシステムにおいては、送信機１１は、中間の光学要素、例えば、光増幅器１３の帯域幅λの外側の波長帯域λ’内のチャネルλ'1...λ'Nを含む信号を発射する。伝送ファイバセグメント１２の後に、これら信号λ'1...λ'Nは波長変換器２１によって光増幅器の利得帯域幅λ内の対応する波長λ1...λNにマッピング（写像／変換）される。次に、これら信号波 長λ...Nが従来のエルビウムドープファイバ（ＥＤＦＡ）光増幅器１３を用いて直接に増幅され、その後、増幅された波長λ1...λNの信号は第二の波長変換器２２を用いて元のチャネルλ'1...λ'Nにマッピング（逆写像／逆変換）される。波長変換器は、４波混合（ＦＷＭ）ベースとすることも、二次非線形材、例えば、ニオブ酸リチウムを用いてこれを定期的にポーリングすることも、あるいは、半導体光増幅器を用いることもできる。これに関しては、S.Yoo,“Wavelength Conversion Technologies For WDM Network Applications”,IEEE J. Of Lightwave Technol.,Vol.14,p.955(1996)を参照されたい。
【００１５】
提唱される複合増幅器の雑音指数を十分に低く保つためには、波長変換器は１〜１０ｄＢの間の利得を提供する必要がある。ただし、この利得の大部分は離散光増幅器によって提供することもできる。この事実は、波長変換器に関する要件を大幅に低減させ、現実的なポンプ電力にて光ファイバ内の４波混合（ＦＷＭ）を介して必要な変換を達成することを可能にする。
【００１６】
オプションとして、ファイバラマン前置増幅器２３によって、波長変換の前に、光ファイバのスパンに比較的小量のラマン増幅を追加することもできる。この予備増幅は、第一の波長変換器２１の雑音指数および変換効率に関する制約を低減する。ラマン予備増幅の詳細に関しては、例えば、P.B.Hansen et al.,“Capacity Upgrades of Transmission Systems by Raman Amplification”,IEEE Photon.Technol.Lett.,Vol.9,p.262(1997)を参照されたい。
【００１７】
図３は、図２のシステムに用いるための一つの好ましい波長変換デバイスを示す。波長変換デバイス２１は、同時伝搬ポンプ源３０、帯域幅λ’内の信号をλｐのポンプ（入力）と混合するための上流波長分割（ＷＤＭ）マルチプレクサ３１、およびおのおのがある長さのテーパーファイバ３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃから成る複数の（ここでは３個の）４波混合セクションを備える。段間分離器３３は、混合セクションを互いにおよびシステムの残りの部分から分離することで、後方散乱光が蓄積（ビルドアップ）するの防止する。出力の所で帯域幅λ内の出力がデマルチプレクサ３４から取り出される。
【００１８】
動作においては、λpの強い同時伝搬ポンプ（入力）が、上流の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）３１の所で、信号帯域（入力信号）λ’と混合される。光ファイバセクション３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ（典型的には全長Ｌ＝１５Ｋｍ）内でλpとλ’を４波混合することで、シフトされた波長λの信号が生成される。位相整合の配慮から、ポンプ波長λpは、ファイバセクション３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃのゼロ分散波長の近傍であることを要求される。第一の波長変換器にて必要とされる利得を得るためには、２０ｄＢｍ以上のポンプ電力が必要となる。ただし、この電力レベルおよびファイバ長では、狭ライン幅ポンプの誘導ブリユアン散乱（Stimulated Brillouin scattering（SBS）が著しくなり、後方散乱波の生成を通じてポンプ消耗が起こる。詳しくは、例えば、G.P.Agrawal,Nonlinear Fiber Opticsを参照されたい。
【００１９】
誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）を抑制するための２つの技法を以下に示す：
１）混合ファイバの総長Ｌを、後方散乱光の蓄積を防止するために、段間分離器３３によって分離された長さL／3の３つのセクション（３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ）に分割する。
【００２０】
２）後方散乱光の周波数（約１０ＧＨｚなるストークスシフト）は、ファイバの有効屈折率およびポンプ周波数の両方に比例する。ファイバの直径を各段において変化させること（例えば、K.Shiraki et.al.,“Suppression of Stimulated Brillouin Scattering in a Fiber by Changing the Core Radius”,Electron Lett.Vol.31,p.668(1995)およびK.Tsujikawa et.,“New SBS Suppression Fiber with Uniform Chromatic Dispersion to EnhanceュWave Mixing”,IEEE Photon Technol.Lett.,Vol.10,p.1139(1998)を参照）、およびポンプ３０の時間積分された周波数ライン幅を広げることで、生成される後方散乱波の周波数を数ＧＨｚに渡って変調することができる。ブリユアンライン幅は約２０ＭＨｚであるために、この変調の結果として誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）閾値は増加する。
【００２１】
この段内のチャネル間の４波混合（ＦＷＭ）は、増幅前の信号レベルは低いために問題とはならない。波長変換器は、偏光解消ポンプ３０を用いることで入力信号の偏光とは独立させることができる（例えば、M.M.Howerton et.al.,“SBS Suppression Using a Depolarized Source for High Power Fiber Applications”,J.Ligtwave Technol.,Vol.14,p.417(1996))。
【００２２】
図４は、代替の通信システム４０を示す。このシステムにおいては、送信機１１は、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の増幅帯域幅λ内の波長と、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の帯域幅の外側の波長λ’の両方を発射する。これら２つの波長帯域（λ、λ’）がデマルチプレクサ４３によって並列経路４１、４２上に分離される。経路４２上の帯域幅λ内のチャネルは、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１３Ｂを用いて直接に増幅され、経路４１上のλ’内のチャネルは、最初に、第一の波長変換器２１によってλ内の波長に変換され、次に、第二のエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１３Ａを用いて増幅される。その後、λ内の波長は、第二の波長変換器２２によってλ’内の波長に戻される。これら２つの波長帯域は、その後、マルチプレクサ４４によって再結合され、伝送ライン１２を通じて受信機１４へと送信される。
【００２３】
図２および図４のシステムに用いられる従来の光ファイバ増幅器は、２０ｄＢ以上の信号利得を提供することができ、利得平坦化要素および分散補償要素を含むことができる。第二の波長変換器２２は、高い総システム効率を維持するためには、ほぼ１の利得を必要とする。ただし、この段においては信号のレベルが増幅されているために、第二の波長変換器２２の雑音指数は、第一の変換器２１ほど重要ではない。チャネル間の４波混合（ＦＷＭ）を高分散傾斜ファイバ１２を用いて最小に維持する必要がある。
【００２４】
図５は、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の増幅帯域幅λ内の波長チャネルおよびλの外側の波長λ’内の両方の波長チャネルを発射することができる一例としての送信機１１を示す。送信機１１は、λ内の波長チャネルのソース５０およびλ’内のチャネルの第二のソース５１を備える。第二のソース５１は、本質的には、帯域幅λの従来の送信機５２、送信機５２の出力を増幅するためのエルビウムドープ増幅器５３、および波長λのチャネルをλ’のチャネルにマッピングするための波長変換器５４を備える。ソース５０からの波長λのチャネルとソース５１からの波長λ’のチャネルはマルチプレクサ５５によって結合される。オプションとして、ラマン増幅器５６（例えば、５〜１０ｄＢにてカウンターポンプされる２ｋｍのファイバ）を送信機５２とマルチプレクサ５５との間に配置することもできる。
【００２５】
図６は、λ内およびλ’内の両方の波長チャネルを受信することができる一例としての受信機１４を示す。受信機１４は、λとλ’のチャネルを分離するためのデマルチプレクサ６０を備える。λのチャネルは、λ内の波長に対する第一の従来の受信機６１に向けられる。λ’のチャネルは、λ’内の波長に対する受信機６２に向けられる。受信機６２は、λ’のチャネルをλのチャネルに変換するための波長変換器６３、および変換されたチャネルを増幅するためのエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）６４を備える。変換および増幅されたチャネルは、その後、第二の従来の受信機６５に向けられる。好ましくは、λ’のチャネルは、オプションとして、波長変換器６３による変換の前に、ラマン増幅器６６によって予備増幅される。
【００２６】
上述の実施例は本発明の原理を適用を表す可能な多数の実現の幾つかを示すもので、当業者においては、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の多数の様々な構成を容易に考えられるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光ファイバ通信システムの略図を示す図である。
【図２】本発明による増幅器構成を用いる光ファイバ通信システムを示す図である。
【図３】図２の通信システムに対する波長変換器を示す図である。
【図４】代替の光ファイバ通信システムを示す図である。
【図５】図２および図４のシステムに対する一例としての送信機を示す図である。
【図６】図２および図４のシステムに対する一例としての受信機を示す図である。
【符号の説明】
１０  従来の技術による光ファイバ通信システム
１１  波長分割多重（ＷＤＭ）送信機
１２  伝送ファイバ
１３  エルビウムドープファイバ（ＥＤＦＡ）光増幅器
１４  波長分割多重（ＷＤＭ）受信機
２０  本発明による光通信システム
２１  第一の波長変換器
２３  ラマン前置増幅器
３０  ポンプ源
３１  上流波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）
３２  テーパードファイバ（４波混合セクション）
３３  段間分離器
３４  デマルチプレクサ
４０  代替の通信システム
４３  デマルチプレクサ
５０  第一のソース
５１  第二のソース
５２  送信機
５３  エルビウムドープ増幅器
５４  波長変換器
５５  マルチプレクサ
６０  デマルチプレクサ
６１、６２、６５  受信機
６６  ラマン増幅器
【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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