(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報を搬送する光信号の光源と、光信号を搬送する光ファイバ伝送路と、光信号を増幅するための増幅器と、光信号を検波し、そして復調するレシーバとを備える光ファイバ通信システムにおいて、
前記増幅器が高次ラマン効果増幅器からなり、該高次ラマン効果増幅器は光信号を一次ラマン効果分増幅する波長で一次ラマンポンプ光を光ファイバ伝送路内に入射する第一のポンプ光源と、一次ポンプ光を増幅する波長で二次ラマンポンプ光を光ファイバ伝送路内に入射する第二のポンプ光源とを備えており、
該一次ラマンポンプ光が前記伝送路内で光信号に対して単独で逆方向伝搬され、該二次ラマンポンプ光が該一次ラマンポンプ光に対して逆方向伝搬される光ファイバ通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光ファイバ通信システムにおいて、
前記増幅器が前記光ファイバ伝送路に沿って分布された複数の高次ラマン効果増幅器を備える光ファイバシステム。
【請求項３】
情報を搬送する光信号の光源と、光信号を搬送する光ファイバ伝送路と、光信号を増幅するための増幅器と、光信号を検波し、そして復調するレシーバとを備える光ファイバ通信システムにおいて、
前記増幅器が高次ラマン効果増幅器からなり、該高次ラマン効果増幅器は光信号を一次ラマン効果分増幅する波長で一次ラマンポンプ光を光ファイバ伝送路内に入射する第一のポンプ光源と、一次ポンプ光を増幅する波長で二次ラマンポンプ光を光ファイバ伝送路内に入射する第二のポンプ光源とを備えており、
該二次ポンプ光が前記伝送内で該一次ポンプに対して逆方向伝搬される光ファイバ通信システム。
【請求項４】
請求項１に記載の光ファイバ通信システムにおいて、
一次ポンプ光が光信号に対してストークス偏移の１／２〜３／２離調され、二次ポンプ光が信号に対してストークス偏移の３／２〜５／２離調される光ファイバ通信システム。
【請求項５】
請求項１に記載の光ファイバ通信システムにおいて、
一次ポンプ光の出力が二次ポンプ光の出力の１／２以下である光ファイバ通信システム。
【請求項６】
請求項１に記載の光ファイバ通信システムにおいて、
二次ポンプ光の中心波長が一次ラマンポンプ光の中心波長よりも１ストークス偏移大きい光ファイバ通信システム。
【請求項７】
請求項１に記載の光ファイバ通信システムにおいて、
伝送路の高次ラマン効果増幅器の後段にエルビウムをドープしたファイバ増幅器を備える光ファイバ通信システム。
【請求項８】
請求項１に記載の光ファイバ通信システムにおいて、
さらに二次ポンプ光を増幅するための三次ラマンポンプ光を伝送路内に入射する第三のポンプ光源を備える光ファイバ通信システム。
【請求項９】
請求項１に記載の光ファイバ通信システムにおいて、
該光信号と二次ポンプ光のいずれもが中心周波数を持ち、該信号の中心周波数と二次ポンプ光の中心周波数との間の周波数偏移が２６〜３２ＴＨｚである光ファイバ通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに関し、特に高次ラマン効果増幅器によって増幅された光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】
光ファイバ通信システムは、情報の大量高速伝送という大きな潜在性を実現しつつある。本質的には光ファイバシステムは、情報を搬送する光信号と、光信号を搬送する光ファイバ伝送路と、光信号を検波し、その情報を復調するレシーバとを備える。通常、信号波長はシリカファイバ中を伝搬するのに適した範囲にあり、その範囲内で波長の異なる複数のチャネルを持つことが望ましい。
【０００３】
光ファイバとは長距離にわたり、低損失で光信号を伝送することのできる組成をもった細いガラス線のことである。これは第一の屈折係数を持つコア（芯）を、第二の（低い）屈折係数を持つ被覆で覆ったものである。許容臨界角に満たない角度でコアに当たる光線はファイバコア内で全内反射する。これらの光線は大きく減衰することなくファイバに沿って導かれる。一般に、ファイバは高純度のシリカからなり、コアには屈折係数を上げるためにゲルマニウムがドープされる。伝送路は信号チャネルを追加（ａｄｄ）、または削除（ｄｒｏｐ）するための中間ノードで隔てられた多数の長いセグメントで構成されることもある。
【０００４】
光ファイバの減衰特性を低減するうえでは大きな進展がなされてきているが、その中を伝送される信号は吸収と散乱との蓄積的、複合的な影響により減衰する。したがって、長距離伝送においては定期的に増幅することが必要となる。
【０００５】
光の増幅のやり方の一つにラマン効果を利用したものがある。ラマン効果では、媒体中を伝わる光はそれよりも波長の低いポンプ光が同じ媒体中を伝わることで増幅される。単色ポンプ光によってポンピングされたシリカファイバの利得スペクトルは１９７２年に初めて測定された。最大利得は信号がポンプ光の周波数よりも約１３ＴＨｚ低いときに得られる。ポンプ光の周波数（または波長）と最大利得の周波数（または波長）との差は、一般的にストークス偏移と呼ばれ、増幅信号はストークス波と呼ばれる。信号から約１ストークス偏移分（ストークス偏移の１／２から３／２の範囲）離調されたポンプ光を使用することを一次ストークスポンピングと呼ぶ。
【０００６】
また、信号とポンプ光とを偏光を同じくした方が大幅に利得が高いことも知られている。この偏光感度は、ポンプを減極し、充分に速いタイムスケールにおいて偏光スクランブルすることによって、または偏光多重化された等出力を持った偏光ポンプ光２つを使用することによってなくすことができる。その例としてＹ．タムラ他による米国特許第４，８０５，９７７号「直接光増幅器用の光連結器」を参照。
【０００７】
分配一次ラマン効果増幅器を利用した信号増幅は、１９８６年１０月１４日にジョン  ダブリュ．ヒックス，Ｊｒ．に与えられた米国特許第４，６１６，８９８号の中に開示されている。ヒックス他のシステムは、伝送路に沿って複数の光ラマンポンプを間隔を置いて設けるものである。これらのポンプは光ファイバ中に１ストークス偏移分短い信号波長を持ったポンプ光を挿入し、こうすることでポンプ光よりも波長の低い信号をポンプ光の存在によって一次ラマン効果の分だけ増幅するというものである。
【０００８】
一次ストークスポンピングにはいくつかの制約がある。弱い信号を増幅する際の強力なラマンポンプの出力は、伝送ファイバ中に光が伝搬するときに必ず距離に対して指数関数的に減衰する。つまり、いくらポンプの出力が強くても、増幅効果の大半はファイバ中にポンプ光を挿入した地点の比較的近くでしか得られないことになる（通常２０ｋｍ以内）。これは、ラマンポンプが誘起可能な信号対雑音比の改善を著しく制限するものである。ポンプの出力を増加するにつれ、信号のレイリー散乱によって信号対雑音比の改善が制限される。
【０００９】
システムのなかには、分散ラマン増幅器の後段にエルビウム増幅器を使用するものもある。エルビウム増幅器の入力側での信号出力の増大は、分散ラマン増幅がない場合に比べてエルビウム増幅器の雑音指数を高めてしまう。これはエルビウム／ラマン複合増幅器の雑音指数を増し、したがって信号対雑音比の改善が損なわれる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、伝送信号を増幅するために、光信号の光源と光ファイバ伝送路を備える光ファイバ通信システムに、１つまたは複数の高次分散ラマン効果増幅器を光源の後段に設ける。従来の一次ラマン増幅器を使用した通信システムと比べ、高次増幅器システムでは低雑音、長いファイバスパン、および低非直線性が実現される。好適な実施形態では、このシステムは信号波長を１５３０〜１５７０ｎｍの範囲、一次ラマンポンピングを１４３０〜１４７５ｎｍの範囲、および二次ポンピングを約１３４５ｎｍとする。この利点は二次ポンプ光が信号光に対して前方向伝搬し、一次ポンプが信号に対して逆方向伝搬する点にある。
【００１１】
本発明の利点、性質、および種々の他の特徴は、添付の図面とともに詳しく説明する実施形態を通じてよりよく理解することができるだろう。
【発明の実施の形態】
【００１２】
図表に関し、図１は、１つまたはそれ以上の分散高次ラマン増幅器１０を使用する光ファイバ通信システム９の概略図である。通信システム９は情報を搬送する光信号の光源１１と、信号を少なくとも一つの光レシーバ１３に運ぶための光ファイバ伝送路１２を備える。伝送路１２は、複数のノード１４Ａ、１４Ｂ・・・で相互接続される複数の光ファイバセグメント１２Ａ、１２Ｂ・・・で構成することができる。一般的に、ノードにおいては信号チャネルを追加、または削除することができる。ラマン増幅器１０の後段には、エルビウムをドープした増幅器などのような希土類ドープ増幅器１５を設けることもできる。
【００１３】
光源１１は変調レーザ、または発光ダイオードとすることができる。好適には、波長分割多重化（ＷＤＭ）システムを実現するために波長の異なる複数の変調光信号が得られるレーザやダイオードのアレイとする。
【００１４】
伝送路１２は通信ファイバの１つまたはそれ以上のセグメントで構成することができ、ノードはＷＤＭ技術を利用したシステムにおいて公知の各種の追加／削除（ａｄｄ／ｄｒｏｐ）ノードとすることができる。
【００１５】
伝送路１２沿いに信号光源の後段には、伝送路１２の長さ全体にわたり複数のラマン増幅器１０が設けられる。増幅器１０は連続するファイバセグメントの中間の端部に設けるのが望ましい。
【００１６】
図２は、１つまたはそれ以上のラマンポンプ光源２０Ａと、１つまたはそれ以上の二次ラマンポンプ光源２０Ｂとで構成される、一般的な高次ラマン増幅器１０を示したものである。光源は、一般には、連結器伝送路セグメント２１のようなもので連結された半導体レーザである。これらはファイバ伝送路１２のなかに波長分割多重化装置２２によって連結される。この利点は、一次ポンプのλp1光は、伝送路１２内で通信信号光λsに対して逆方向伝搬されることによって、ポンプ光を介した混信が低減される点にある。ポンプ光源２０Ａと２０Ｂはラマン利得の偏光感度を最小限に留めるために、減極、偏光スクランブル、または偏光多重化されていることが望ましい。
【００１７】
高次増幅器１０は一次および二次のストークス偏移ポンプ光の両方を伝送ファイバに挿入する。一次ラマンポンプ光λp1は、ストークス偏移の１／２から３／４離調され、二次ポンプ光λp2はストークス偏移の３／２から５／２離調される。二次ポンプ光は伝送ファイバ内で一次ポンプ光を増幅し、一次ポンプ光は通信信号を増幅する。
【００１８】
本発明の場合のように、一次および二次ポンプ出力が同じ地点で挿入される場合、二次ポンプ光の減損が早まるのを防ぐために、一次ポンプ光の方が二次ポンプ光よりも入射出力が低い方が有利である。一次ポンプ光の出力は二次ポンプ光の半分以下であることが望ましい。図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、それぞれ、λp2＝１３６６ｎｍ、λp1＝１４４５ｎｍ、λs＝１５５５ｎｍであるときの距離に対する出力を示したものである。各グラフは次の場合を示したものである：（ａ）一次ポンプ光のみの場合、（ｂ）一次および二次ポンプ光の入射出力が等しい場合、および（ｃ）一次ポンプ光に出力１０ｍＷ、残りの出力が二次ポンプ光に与えられる場合である。一次ポンプ光は伝送ファイバ内でかなり遠距離（ベール距離相当）にて最大出力に達することに留意されたい。
【００１９】
本発明は下記の具体例を考えることでよりよく理解することができる。
例１
光ファイバ通信システムでは、一次ポンプ光は１４３０〜１４７５ｎｍの波長を持ち、偏光多重化ダイオードのセットによって発生される。この波長範囲での総出力は１００ｍＷ未満である。二次ポンプは約１３４５ｎｍで、出力は４００ｍＷである。一次および二次ポンプは波長分割多重され、信号の伝搬とは逆の方向に伝送ファイバ内に挿入される。信号波長は１５３０〜１５７０ｎｍの範囲である。伝送ファイバは、有効断面積約５５μの長さ８０ｋｍの非ゼロ分散シフトファイバからなる。
【００２０】
信号波長が受ける利得を伝送中にさらに遠距離に押し出すことで、二次ラマンポンプが発生する等価雑音指数を一次ラマンポンプのそれよりも低くすることができる。その効果は図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃに示す。図４Ａは（ａ）一次ポンプ光のみの場合、（ｂ）一次および二次ポンプ光の入射出力が等しい場合、および（ｃ）一次ポンプ光に出力１０ｍＷ、残りの出力が二次ポンプ光に与えられた場合の総出力に対する利得を示すグラフである。図４Ｂは、それぞれ同じ場合における総出力に対する等価雑音指数であり、図４Ｃは利得に対する雑音指数を示したものである。等価利得に対し、二次ポンピングの場合は必ず等価雑音指数が低く、ポンプ出力の等価雑音指数が等しいとき、二次ポンピングの場合の等価利得が低い。これらの条件下では、エルビウム増幅器の入力に達する信号出力は二次ラマンポンプを使用した方が、一次ラマンポンプを使用した場合と比べて低く、分散ラマン増幅が加わることによるエルビウム増幅器の雑音指数の増大が抑えられる。
【００２１】
二次ラマンポンプの中心波長を一次ラマンポンプの中心波長よりも１ストークス偏移大きく設定することで、一次ポンプの長い波長を短い波長が増幅する際に誘起される利得傾斜を補償するのに二次ポンプを利用することができる。この効果は図５に示す。各ポンプ内の出力の波長分布は、図６に示すような幅の広い、平坦な信号利得を発生するように形作ることができる。
【００２２】
図７は、別の高次ラマン増幅構成を示したもので、一次および二次ポンプの光源２０Ａと２０Ｂが伝送路１２に沿って間隔を置いて設置され、ポンプが伝送路１２に沿って逆方向に伝搬しているものである。ここでは一次ラマンポンプ光源２０Ａからの光は伝送路１２中に、通信信号に対して逆方向伝搬する方向に挿入され、二次ラマンポンプ光源２０Ｂからの光は信号に対して前方向伝搬する方向に挿入される。
【００２３】
図７の構成の利点は、信号と二次ポンプ光との周波数に大きな差があることから、信号は前方向伝搬する二次ラマンポンプからはわずかなラマン利得しか得られないという点である。したがって、二次ポンプから信号に移送される雑音は極わずかである。それでもなお、逆方向伝搬する一次ポンプは、伝送スパンの最初部の部分において二次ポンプによって大きく増幅される。このジオメトリーを利用することで、伝送スパン全体において信号に対して大きなラマン利得を実現し、ひいては信号の出力エクスカーションを最低限に抑えることができる。信号の出力エクスカーションを最低限に抑えることで、光の非直線性によるシステム障害を減らすことができる。二次ポンプから通信信号への雑音の移送を最小限に抑えるため、信号の中心周波数と二次ポンプの中心周波数との周波数偏移は２６〜３２ＴＨｚの範囲内でなければならない。
【００２４】
この実施形態は、下記の具体例を通じてよりよく理解することができる。
例２
通信システムにおいては、一次ポンプ光は偏光多重化ダイオードの組が発生する１４３０〜１４７５ｎｍの範囲の波長を持つ。この波長範囲内の総出力は約３００ｍＷである。二次ポンプ光は約１３４５ｎｍで出力は４００ｍＷである。一次ポンプ光は信号に対して逆方向伝搬する方向で伝送ファイバ内に挿入される。二次ポンプ光は信号に対して前方向伝搬する方向で伝送ファイバ内に挿入される。信号波長は１５３０〜１５７０ｎｍの範囲内である。伝送ファイバは、有効断面積約５５μの長さ４０ｋｍの非ゼロ分散シフトファイバからなる。
【００２５】
図８は、例２のシステムを使用したときの通信信号出力の変化を示すグラフである。
【００２６】
図９は、他の実施形態を示したもので、ここでは高次ラマンポンプをさらに一歩発展させ、一次、二次、および三次（それぞれ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）ポンプ光が伝送ファイバに挿入される。一次および二次ポンプが三次ポンプよりも出力が低い場合、信号が受けるラマン利得のピーク位置は伝送系のさらに遠距離に押し出され、通信対雑音指数がさらに改善される。１５５０ｎｍに近い信号を使用する通常の通信システムにおいては、一次、二次、三次ポンプの中心波長は約λp1＝１４５０、λp2＝１３６０、λp3＝１２９０ｎｍである。１４５０ｎｍに近いポンプの帯域が大きい場合、１４５０ｎｍ近辺の短い波長スペクトルによる１４５０ｎｍ近辺の長い波長スペクトルの増幅を、二次と三次ストークスポンプ光を短い波長に偏移することで補償することができるという利点がある。例えば、一次、二次、三次ポンプを１４３０〜１４７５ｎｍ、１３４５ｎｍ、および１２７０ｎｍとすることができる。これよりも高次のラマンポンプも可能だが、短い波長における標準伝送ファイバの損失の増加によって制限される。
【００２７】
上に解説した実施形態は、本発明の原理の応用例となる数多くの実施形態のうち、そのわずかなものを詳説したに過ぎないことを理解する必要がある。この分野に精通した者であれば、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、これ以外にも種々様々な装置を容易に作り上げることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】高次ラマン増幅器を使用する光ファイバ通信システムの概略図である。
【図２】典型的な高次ラマン増幅器を示す。
【図３Ａ】３種類の異なるラマン増幅構成における通信信号出力の変化を示すグラフである。
【図３Ｂ】３種類の異なるラマン増幅構成における通信信号出力の変化を示すグラフである。
【図３Ｃ】３種類の異なるラマン増幅構成における通信信号出力の変化を示すグラフである。
【図４Ａ】図３にグラフ化した３つの異なる構成の等価利得および等価雑音指数を示すグラフである。
【図４Ｂ】図３にグラフ化した３つの異なる構成の等価利得および等価雑音指数を示すグラフである。
【図４Ｃ】図３にグラフ化した３つの異なる構成の等価利得および等価雑音指数を示すグラフである。
【図５】二次ラマンポンプの中心波長を偏移させることで利得傾斜を補償することができる様子を示す定性スペクトル図表である。
【図６】出力のスペクトル分布を変化させることで信号利得を平坦にすることができる様子を示す定性図表である。
【図７】高次ラマン増幅器の他の実施形態を示す。
【図８】図７の増幅器を使用したときの通信信号出力の変化を示すグラフである。
【図９】別のラマン増幅器を示す。
これらの図面は、本発明のコンセプトを説明するためのものであって、本発明を図示しているが、定性グラフを除き正確な縮尺でないことを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
0003712902.tif 000009
【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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