(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力部及び出力部を有するパルス再整形器からなる装置であって、
該パルス再整形器が１以上のファイバスパン、増幅器及び各々がいくらかの歪みを入力光パルス波形に導入するような機器を含む伝送システム内を伝搬した後で該再整形器の該入力部に到来する歪んだ入力光パルスを前記再整形器の整形された出力光パルスに変換するために適用され、該整形された出力光パルスが利用手段に供給され、該再整形器入力部の前記入力光パルスは第１の中心波長、パルスエネルギー及び有効パルス幅を持ち、該パルス再整形器は、前記再整形器入力部に供給される伝送光信号を前記再整形器出力部に接続する光学的に非線形な分散のある実質的に長さＬの導波路からなり、前記光導波路は、光学的に非線形な材料、及び所定の必要な分散を与える所定の有効屈折率の周期的変化を持つ該非線形材料中に構成された周期的構造からなり、
前記光学的に非線形な材料及び前記所定の周期的屈折率の変化が、
前記所定の周期的屈折率によって与えられた所定の分散、並びに該非線形材料及び光パルスエネルギーによって決まる非線形性によって、基本ソリトンパルスが、前記入力光パルスから変換された前記再整形された出力光パルスとして生成され、
該再整形された出力光パルスである該基本ソリトンパルスが実質的に前記第１の中心波長と同等な中心波長を有し、
該再整形された出力光パルスである該基本ソリトンパルスが実質的に変換限界にある光パルスとなるように選択され、
単一の基本ソリトンパルスが単一の歪んだ入力光パルスから前記出力光パルスとして生成される装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、該入力パルスに関連する前記パルスエネルギーが入力パルス幅をτとした場合のソリトンエネルギーＥ１(τ)を含むパルスエネルギー範囲のパルスエネルギーである装置。
【請求項３】
請求項２記載の装置において、前記ソリトンエネルギーＥ１(τ)は、
該入力パルスの中心波長をλ、Ａｅｆｆを該導波路の有効コア面積、β２を該導波路の群速度分散パラメータ、ｎ２を導波路の非線形性とすると、
【数１】
0003654502.tif 000005
で定義される装置。
【請求項４】
請求項２記載の装置において、該入力光パルスに関連する前記パルスエネルギーは０．２５Ｅ１(τ)から２．２５Ｅ１(τ)の範囲である装置。
【請求項５】
請求項３記載の装置において、該光導波路の前記長さＬがソリトン長Ｚ０以上であり、Ｚ０＝０．３２２πτ２／(２｜β２｜)  である装置。
【請求項６】
請求項１記載の装置において、前記光学的に非線形な材料はカルコゲナイト及びＬｉＮｂＯ３からなるグループから選択される装置。
【請求項７】
請求項１記載の装置において、該光学的に非線形な材料がＬｉＮｂＯ３であり、交互に極性を転じて準位相整合を与える装置。
【請求項８】
請求項１記載の装置において、前記光導波路がフォトニックバンドギャップを提供するように選択され、前記入力光パルスの中心波長に対して前記フォトニックバンドギャップを調整するのに適応した調整手段を含み、前記フォトニックバンドギャップが前記入力光パルスの中心波長から５％以内の短い波長帯域エッジを有する装置。
【請求項９】
請求項１記載の装置において、該導波路の有効屈折率の周期的変化が、アポダイズされたブラッグ回折格子を提供するように選択される装置。
【請求項１０】
請求項１記載の装置において、該装置は、送信機、受信機及び該送信機と受信機間で伝送された光信号を接続するための光導波路伝送路からなる光通信システムであって、前記光導波路伝送路は少なくとも前記パルス再整形器からなる装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光パルス再整形手段を含むアイテム（たとえば、光ファイバ通信システム）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】
従来の光ファイバ通信システムは、典型的に、“リピータ”と呼ばれる光−電子パルス再生器を使用していた。再生は、到来光パルスの検出、増幅、その結果生じる検出器出力の再整形および再タイミングを含んでいた。この方法は、比較的高価であるが、その他の点では、通信システムが比較的低いビットレートを有する限り申し分のないものであった。しかしながら、光−電子再生について言及した上述のものは、超高速（たとえば、チャンネル当たり約４０Ｇｂ／ｓ以上のデータレート）システムがインストールされる前に克服しなければならない障害を与える。
【０００３】
光ファイバ増幅器の開発は、光−電子的障害の除去に向かう重要なステップであった。しかしながら、このような増幅器は、パルス再整形と再タイミングを提供しない。
【０００４】
全光学的処理は、高速通信ネットワークにおける光−電子的障害を克服するためのキーである。特に、技術が、光を通す通信システムにおいてチャンネル当たり１００ギガビット／ｓのビットレートにむかって進むにつれて、全光学的パルス再生は、従来の電子リピータ技術に代わる重要なものとして広く認められている。
【０００５】
光学的制限とクロック復元に加えて、パルス再生は、光パルス再生の主要な関心事の１つである。
【０００６】
光ファイバ通信システムの送信機から受信機への光パルスの伝播中、分散や非線形等のファイバ固有の性質が、時間およびスペクトル領域の両方におけるパルス歪みの原因となっている。その結果、システムのビットレートは、時分割多重（ＴＤＭ）システムおよび波長分割多重（ＷＤＭ）システムの両方でかなり増加している。したがって、パルス再整形に利用できる全光学的手段を持つことが望ましい。望ましくは、この手段は、コンパクトで、調整可能で、波長選択でき、そしてコスト的に有効なものであり、また、どんな分散的かつ非線形な光ファイバ通信システムにも適用可能なものだろう。この出願は、前記手段と、前記手段を含む通信システムを開示している。
【０００７】
M.Nakazawa et al., Electronics Letters， Vol.29(9), p.729, April 1993には、伝送ファイバが、Ｍ−０．４ｐｓ／ｋｍ／ｎｍの負の平均群速度分散を有するソリトン伝送ファイバであるソリトン伝送システムが開示されている。このシステムは、パルスを終始ソリトンパルスとして維持するように選択され、基本（Ｎ＝１）ソリトンのソリトンピークパワーが０．６５ｍＷくらいに低く、平均ソリトン周期が９３５ｋｍくらいの長さになっている。J.K.Lucek et al., Optical Letters, Vol.18(15),p.1226, August 1993には、非線形ファイバループミラーからなる全光学的信号再生器が開示されている。S.Bigo et al., IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.3(5), p.1208, Oct. 1997 には、非線形光ループミラーからなる手段によるソリトン再生が開示されている。B.J.Eggleton et al., Optics Letters, Vol.22(12), p.883, June 1997には、共通伝播コアモードとクラッディングモード間で光を結合する長周期ファイバ回折格子における全光学的スイッチングおよびパルス再整形が開示されている。B.J.Eggleton et al., Physical Review Letters, Vol.76(10), p.1627, March 1996には、結果的に非線形光パルス圧縮とソリトン伝播になるファイバブラッグ回折格子における非線形伝播効果の観測が開示されている。また、これらには、周期的構造のソリトン形成も開示されている。
【０００８】
光学的ソリトンの背景については、たとえば、“Optical Fiber Telecommunications”, Vol.III A, Chapter 12, pp.373-460, L.F.Mollenauer et al.や、“Optical Solitons-Theory and Experiment”, R.Taylor, editor, Cambridge University Press, 1992,especially pp.30-37 and 80-81や、“Nonlinear Fiber Optics,” 2nd edition, G.P.Agrawal, Academic Press, (1995), especially pp.42-43 and 144-147を参照されたい。
ここに引用されたすべての引例は、参照によりここに含まれる。
【０００９】
【用語解説および定義】
“ソリトン”パルスは、ここでは、伝送媒体、たとえば光ファイバ、の非線形性および二次分散の効果間のバランスを表す実質的に変換限界にある光パルスである。理想的なソリトンは、非線形波動方程式、たとえば非線形シュレーディンガーの波動方程式の解に対応している。実施目的のため、パルスは、ここではソリトンパルスとみなされるように十分に変換限界にある必要はなく、実質的に変換限界にあるパルスは、一般に、本発明の実施の際に受け入れ可能である。
【００１０】
光パルスは、そのスペクトル帯域幅とその時間幅の積がフーリエ時間−周波数関係で許される極小値であれば、ここではフーリエ“変換限界にある”パルスである。光パルスは、そのスペクトル帯域幅とその時間幅の積が公知のフーリエ時間−周波数関係で許される極小よりもせいぜい１０％大きければ、ここでは“実質的に変換限界である。”
【００１１】
光パルスは、ここでは、光ファイバ通信に使用可能な波長の電磁パルスであり、スペクトラムの可視部分の波長に限らない。
【００１２】
周期的光構造は、周期的構造を隣接する伝送媒体とインピーダンス整合させるのに対応して、その少なくとも一方の端部がスペクトラムの帯域外反射突出部をできるだけ小さくするように設計される場合“アポダイズ”される。
【００１３】
物理量Ｐは、量Ｐ（Ｑ）がＰ（Ｑ）＝χ０＋χ１Ｑ＋χ２Ｑ２＋χ３Ｑ３．．．、ここで磁化率χ２，χ３．．．のうちの少なくとも１つはゼロでない、の形式で表現できる場合は、物理量の非線形関数である。ここでは、Ｑは典型的には電界であり、Ｐは典型的には偏光であり、χ０，χ１．．．は一般に磁化率と呼ばれる。
【００１４】
“非線形光ループミラー”（ＮＯＬＭ）は、光カップラと、カップラの２つの出力ポートを接続する非線形光ファイバからなり、強度依存スイッチングを提供することができる。
【００１５】
“変則的な群速度分散"は、ここでは、以下に定義されるようなβ２による条件β２＜０に対応する。
【００１６】
“カルコゲナイト  ガラス（Chalcogenide glass）”は、１つ以上の列ＶＩ元素（たとえば、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）、典型的にはＧｅ，Ａｓ，ＳｂまたはＴｅのうちの１つ以上からなる。アモルファス材料を指す。典型的なキャルコジナイド  ガラスは、組成Ａｓ２Ｓ３を有する。
“フォトニック  バンドギャップ”により、我々は、ここでは，電磁波伝播が禁じられている周波数帯域を表すつもりである。特に、ほんのわずかな伝送が、この周波数帯域内で生じ、典型的には、この周波数帯域外で約２０ｄＢ以下になる。
“全光学的”とは、光から電気への変換及びその逆がなく、いかなる処理も光信号及び光学機器だけを用いて行うことを意味する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
光ファイバ通信システムにおいて、線形パルス圧縮技術は、分散で導入されるような線形パルス歪みを補正することができる。しかしながら、光パルス伝送において一般に出会う非線形歪を補正するために、非線形技術が必要とされる。
【００１８】
本発明によるパルス再整形手段は、導波路の縦軸に沿って周期的に変化する光学特性を有する非線形光導波路（光ファイバまたはプレイナー（planar））からなる。好適な実施例において、導波路コアの有効屈折率は周期的に変化し、ブラッグ回折格子を形成する。
【００１９】
説明を容易にするため、周期的に変化する光学特性（または複数の特性）を有する非線形導波路は、使用される変化のタイプにかかわらず、今後“回折格子”と呼ばれる。
【００２０】
適当な波長および振幅の光パルスは、回折格子に入射され、その中を伝播して、有効な群速度分散を経験する。この群速度分散は、変則的で大きく、典型的にはその大きさのオーダーが従来の光ファイバより大きい。
【００２１】
より詳細には、到来する歪んだパルスが、（以下に説明される）下部閾値を超えた場合、回折格子の非線形性は分散を平均させ、歪んだパルスは、実質的に変換限界のパルスに変換される。到来パルスは、通常、前段の伝送路の分散及び非線形性によって歪む。歪んだ到来パルスは光パルス再成形器に供給され、これにより再成形された光出力パルスが提供される。再成形されたパルスは、通常、後段で使用する手段に供給される。
【００２２】
本発明の実施例は、１つのまたは分割したコンパクトな再整形デバイスにおける高い群速度分散と高い非線形性（典型的にカー（Kerr）非線形性）を併用している。群速度分散は、典型的に、シリカガラス中の分散より大きさのオーダーが数段大きい。これは、再整形デバイスのパルス伝播軸に沿った周期的な有効屈折率変調の手段で達成される。その結果、ソリトンに必要な独特の長さ（一般に、ソリトン周期またはソリトン長と呼ばれる）は、従来のシリカガラスと比較した場合、大きさのオーダーが多いことにより軽減され、コンパクトで安定なパルス再整形デバイスが可能となる。さらに、ソリトン形成の最大ピークエネルギーは、群速度分散と非線形性の比に比例するので、高い群速度分散に存在時の大いに非線形な材質（たとえば、カルコゲナイト  ガラス、つまりＬｉＮｂＯ３）の使用は、ソリトン形成に必要な最小パルスピークエネルギーを適度なレベルに保つ。
【００２３】
パルス再整形デバイスの２つ以上の部分（たとえば、高い非線形性を有する１つの部分と、高い群速度分散を有する１つ以上の部分）への分割が可能であり、これらの部分は、ソリトン周期と比較して短い。さらに、本発明によるパルス再整形デバイスと関連しているのは、パルス再整形デバイスの部分間に配置された、または何か他の望ましい順序に配置された１つ以上の増幅器、典型的には前置増幅器のような１つ以上の利得部分である。
【００２４】
広義の態様において、本発明は、改善された全光学的パルス再整形を伴う装置（たとえば、光ファイバ通信システム）で具体化される。
【００２５】
より詳細には、本発明は、上記パルス再整形器に供給されたスペクトル的かつ時間的に歪んだ光パルスを実質的に有限変換された光パルスに変換するのに適応した全光パルス再整形器からなる装置において具体化される。
【００２６】
重要なことに、パルス再成形器は、入力部と、入力部に対する出力部と、該パルス再成形器の入力部と出力部を光信号伝達のために接続する光導波路を有する。光導波路は有効屈折率を有する周期的変化を伴う光学的に非線形な材料からなる。光学的に非線形な材料と周期的変化は、閾値エネルギー以上のピークエネルギーのスペクトル的に時間的に歪んだ光パルスに対して、スペクトル的に時間的に歪んだパルスが、利用手段（例えば、後段に配置された光ファイバ又は受信機）に供給される実質的に変換限界にある光パルスに再成形される。
【００２７】
本発明による装置は、典型的に、スペクトル的かつ時間的に歪んだパルスにおける線形的な分散を補償する手段を含み、さらに、上記光パルスにおける非線形的なパルス歪を補償する手段も含む。線形的な分散のうちの少なくともいくつかを補償する手段は、従来の分散補償ファイバまたは他の知られている技術、たとえば線形的なパルス圧縮とすることができる。しかしながら、一般に、線形的なパルス歪と非線形的なパルス歪は共に、同一構造において補償される。これらの効果は、一般に、約１メートルの長さのデバイスにおいて達成される。
【００２８】
以下の説明は、一般に、パルス再整形器における導波路が線形的および非線形的歪の補償を提供する、好適な実施例に関するものである。
【００２９】
これは、説明を容易にするためだけであり、当業者は、本発明がこのように制限されないことがわかる。回折格子（この用語はここで使用されている）を有する導波路は、パルス形成デバイス全体と同様に、ブラッグソリトンパルス再整形器（ＢＳＰＲ）と呼ばれる。
【００３０】
ソリトンエネルギーＥ１（τ）は、チャープされていない双曲ｓｅｃｈ（hyperbolic sech）形状の入力パルスの場合について容易に計算することができ、上記に言及された下部閾値はＥ１（τ）／４である。実際には、入力パルスは、通常、チャープされていないｓｅｃｈ形状を持たず、閾値エネルギーを判別するために数値的シミュレーションが用いられる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図面は必ずしも縮尺されていない、すなわち比例していない。異なる図面における同一の特徴は、一般に同一数字で示されている。
【００３２】
図１は、本発明による典型的な光ファイバ伝送システム１０を概略的に示す。このシステムは、送信機１１と、受信機１２と、送信器と受信機を信号伝達可能に接続する伝送路とからなる。伝送路は、典型的に、従来の光伝送ファイバ１４を含み、また任意的に、１．５μｍ波長領域または何か他の適当な波長領域における光信号を増幅するように選択された１つ以上の光増幅器（１５１，１５２，．．．１５ｍ，．．．１５ｎ）、典型的には光ファイバ増幅器、たとえばエルビウムドープ式ファイバ増幅器を含む。
【００３３】
また、図１のシステムは、歪んだパルス１７を受信して再整形し、実質的に有限変換されたパルス１８を発生するブラッグソリトンパルス再整形器（ＢＳＰＲ）１６を含む。このパルス１８は受信機１２の方へ伝播する。ＢＳＰＲ１６は、受信機１２の直前に配置することができることがわかる。
図１のシステムは、典型的に１波長で動作する。しかしながら、１つ以上の動作波長を有するシステム（すなわち、ＷＤＭシステム）は知られており、ＢＳＰＲは、このようなシステムにおいて好適に使用することができる。これは、ｑチャンネルＷＤＭシステムを概略的に示す図２で例示される。送信機１１からのＷＤＭ信号は、増幅器１５へ下流伝播し、従来のデマルチプレクサ１９（たとえば、アレイ式導波路回折格子；たとえば、H.Takahashi et al., Electronics Letters，Vol.26, p.87 (1990)参照）で多重分離される。次いで、多重分離されたチャンネルは、再整形用の各ＢＳＰＲ１６１〜１６９に供給される。各ＢＳＰＲ１６１−１６９は適切な波長に調整されている。次いで、再整形されたパルスは、従来のマルチプレクサ２０で多重化され、後段の受信機１２で使用する手段へ伝搬する。
【００３４】
図１および図２は、コネクタ、アイソレータまたはＷＤＭカップラ等の従来の特徴を示していないことがわかる。また、ＷＤＭシステムにおいては、ＢＳＰＲ１６１−１６９は、並列に配置する必要はないが、直列に配置することができ、原理上、送信機と受信機間の望ましい位置のどこにでも配置することができ、チャンネル当たりのＢＳＰＲ１６１−１６９の数は、１つ以上になることがあることがわかる。さらに、見本にされた回折格子（たとえば、F.Ouellette et al., Electronics Letters, Vol.31, p.899 (1995)参照）は、並列または直列のどちらかに接続された複数のＢＳＰＲの代替装置として使用することができる。
【００３５】
本発明によるＢＳＰＲは、ＢＳＰＲ１６１−１６９を介して伝搬するパルスの電界に対してかなりの非線形性を示す導波路に形成されるブラッグ回折格子からなる。ブラッグ回折格子は、パルスが、従来の光ファイバの群速度分散よい（絶対値が）大きさのオーダーが大きい変則な有効群速度分散を経験するように選択される。さらにＢＳＰＲ１６１−１６９は、導波路の非線形性が実質的に分散を平均させるように選択され、それにより、所定の歪んだパルスは、実質的に変換限界のパルスに変換される。
【００３６】
したがって、送信機からＢＳＰＲへの伝送中に、たとえ分散と非線形性によって光パルスが理想的なフーリエ変換限界の形状からは程遠い形状にまでに歪められてしまったとしても、ＢＳＰＲを介した歪んだ入力パルスの伝送は、歪んだ光パルスを滑らかで実質的に変換限界のものに再成形する結果となる。
【００３７】
図３は、典型的なＢＳＰＲ３０を概略的に示す。数字３１は、典型的には、ガラス質シリカの非線形性より少なくとも１００倍大きなカー(Kerr)非線形性（大きなχ３に対応する）を有する光導波路（典型的には、光ファイバ）を示している。典型的には、この導波路３１のファイバは、導波路３１のファイバに形成されたアポタイズされたブラッグ回折格子を有するカルコゲナイト（例えば、Ａｓ２Ｓ３）からなる。この非線形ファイバは、従来の（例えば、シリカベースの）伝送ファイバ１４に重ね継ぎされている。数字３２は、歪んだ入力パルスを示し、数字３３は、実質的にフーリエ変換限界の再成形されたパルスを示している。ブラッグ回折格子は、その短い波長帯域エッジが再成形されるべきパルスの中心は長に近い（例えば、５％以内の）フォトニックバンドギャップを有するように選択される。この帯域エッジの選択の結果、ブラッグ回折格子を介する伝搬に基づくパルスによって経験される群速度分散（ＧＶＤ）は変則的になり、シリカベースの光ファイバで経験されるＧＶＤよりオーダーを数段大きく（少なくとも１００倍に）することができる。
【００３８】
ブラッグ回折格子のバンドギャップは、典型的には、回折格子を引張るかまたはその温度を変えることによって容易に調整することができる。典型的には、バンドギャップは、パルスのＧＶＤが回折格子内の非線形性とちょうどバランスするように調整される。これが、ソリトンの形成のための条件である。
【００３９】
図４は、本発明による他の典型的なＢＳＰＲ４０を概略的に示す。数字４１は、縦続接続された高いχ２材料、典型的にはＬｉＮｂＯ３で形成された導波路を指している。導波路は、典型的には、従来通りに陽子交換で形成される。ＢＳＰＲは、それぞれ周期ＬｐおよびＬｎの２つの周期性を示す。後者は、有効屈折率の変動周期であり、前者は、準位相整合を提供するように選択されたポーリング長である。有効屈折率の変動は、典型的に、導波路における描画された層（典型的には、シリコン窒化物）の存在に起因している。Ｌｎは、適当な光バンドギャップを提供するように選択される。導波路に沿って伝播するパルスで経験される分散は、典型的には導波路に沿った力の印加により、またはその温度を変化させることにより調整される。周期性Ｌｐは、実質的には、L.E.Myers et al., J.Optical Soc of America B, Vol.12(11), p.2102 (1995)およびM.A.Arbore et al., Optics Letters, Vol.22(3), p.151 (1997)により説明されているように、ＬｉＮｂＯ３のポーリングで形成される。また、たとえば、米国特許第５，０３６，２２０号を参照されたい。
【００４０】
図３及び４にそれぞれ示された上述の代表的両ＢＳＰＲ３０及び４０は波長選択性である。従って、ＷＤＭシステムにおける個々のチャネルはこれらのＢＳＰＲ３０又は４０でアドレスされる。ＢＳＰＲの分散を調整することで、装置の動作は、ＢＳＰＲ出力パルスのパルス幅を実質的に一定に保ちながら異なる入力パルスエネルギーレベルに適応できる。一方、ＢＳＰＲの入力部で所与のパルスピークパワーとパルス幅を持つ入力パルスに対して、分散を変えることでＢＳＰＲ出力部における出力パルス幅を変えることができる。
【００４１】
本発明は、“リターンツーゼロ”伝送フォーマットを使用する実質的にどんな光ファイバ通信システムでも実施できるが、もちろん、適当な光ファイバ通信システムに組み込むのに利用できる別部品でも実施することができる。ＢＳＰＲの光導波路は、光ファイバか平たい光導波路のどちらでも良い。
【００４２】
次に、解析的に決定される場合のソリトン特性の要約を示す。これらの解析結果は、ｓｅｃｈ入力パルスを仮定している。その結果は、本発明によるＢＳＰＲの設計および動作におけるガイドとして役立つことができる。入力パルスがｓｅｃｈパルスでない状況に関する類似の結果は、数字的シミュレーションによって既知の仕方で得ることができる。
【００４３】
周知のように、ソリトンパルスのエネルギーの下限および上限は共に、基本（ｎ＝１）ソリトンの形成と関連している。パルス幅をτとして、最大の半分の全幅を有する変換限界の双曲セカント（ｓｅｃｈ）形状のパルス（ＦＷＨＭ）τでスタートすると、パルスエネルギーの下限および上限は、パルス幅τを有する基本（Ｎ＝１）ソリトンのソリトンパルスエネルギーに対応するソリトンパルスエネルギーＥ１（τ）の、それぞれ２５％および２２５％になる。群速度分散β２、有効コア面積Ａｅｆｆ、真空中の光速ｃ、パルス中心波長λ、非線形性ｎ２およびパルス幅τに関してソリトンパルスＥ１（τ）は、
【数２】
0003654502.tif 000002
で与えられる。たとえば、上記に引用したJ.R.Taylorによる本、特に３４ページと図４．２を参照されたい。後者は、なかんずく、基本ソリトンに含まれる全パルスエネルギーの関数を示す。
【００４４】
入力エネルギーＥｉｎ（τ）＜Ｅ１（τ）に関して、入力における幅τを有する理想的な有限変換されたｓｅｃｈ形状パルスを再び仮定すると、このパルス幅は、ＢＳＰＲを介する伝播の間に広がるのに対して、Ｅｉｎ（τ）＞Ｅ１（τ）に関しては、パルス幅は狭くなる。
【００４５】
ソリトン形成のためのレングススケール特性は、
【数３】
0003654502.tif 000003
のように定義されるいわゆるソリトンレングスｚ０である。意図されたように動作するＢＳＰＲに対して、ｚ０は、一般に、ＢＳＰＲの長さＬに等しいかまたはそれより小さくなっているべきである。
【００４６】
当業者には分かるように、パルスは一般にＢＳＰＲの入力部ではフーリエ変換限界になっていないので、上述のエネルギー閾値は基準としての意味しかない。パルス幅τのパルスがＢＳＰＲの出力で必要な場合、ソリトンパルスを形成するためには少なくともＥ１（τ）のエネルギーがＢＳＰＲの入力部に供給されなければならない。ＢＳＰＲの入力パルスの歪みの度合いによって、入力エネルギーはこのエネルギーＥ１（τ）の値を多少は超えていなければならない。例えば、図６及び７に示す場合において、入力エネルギーＥｉｎ（τ）はソリトンエネルギーＥ１（τ）を係数１．２５だけ超えている。エネルギーの差は連続体に結合される。
【００４７】
Ｅ１（τ）は分散に依存し、この分散は本発明によるＢＳＰＲの任意で可変なパラメータであるということが注目されるべきである。従って、ＢＳＰＲの分散｜β２｜が減少した場合、所与のパルス幅τのソリトンを形成するのにより少ないエネルギーしか必要とされない。しかしながら、条件ｚ０＜Ｌが分散の取り得る減少量を制限する。
【００４８】
さらに、入力エネルギーは、ＢＳＰＲの後段に配置された光増幅器による信号パルスの増幅によって調整することができることがわかる。実際問題として、システム性能は、典型的に、増幅器利得とＢＳＰＲ分散の選択で最適化される。
【００４９】
理想的な光ソリトンは、双曲セカント（ｓｅｃｈ）形状を有する。また、このような形状のパルスは、多くのパルス化レーザ、たとえばＥｒドープ式ファイバレーザやモードロック式半導体レーザの自然の出力である。本発明の実施例では、伝送路への入力パルスは、ｓｅｃｈ形状でも良いが、ｓｅｃｈ形状にする必要はない。なぜなら、非ｓｅｃｈパルスは、一般に、本発明によるＢＳＰＲを介する伝送の間にｓｅｃｈ形状に形成されるからである。
【００５０】
ソリトンエネルギーは、ＢＳＰＲの導波路が大きな非線形性を有する場合、光ファイバ通信システムと互換性のある比較的低い値にあってもよい。典型的には、導波路は、縦続接続された第２次（χ２）非線形性を有する材質（たとえば、ＬｉＮｂＯ３）または大いに非線形な第３次（χ２）材料、たとえばカルコゲナイト  ガラスを伴う材料からなる。たとえば、D.Y.Kim et al., Optics Letters, Vol.19 page,868 (1994)や、S.R.Friberg et al., IEEE J. of Quantum Electronics, Vol.23, page2089 (1987)や、M.Asobe et al., J. of Non-Crystalline Solids, Vol.164-166, page1223 (1993)を参照されたい。
【００５１】
要約すれば、図１において、ほぼｓｅｃｈ形状を有するパルスは、送信機１１の次に示され、ファイバリンクに接続された入力パルスを示す。下流方向へのパルスの伝播中、パルスは、群速度分散（線形的な効果）とファイバ非線形性（たとえば、カー非(kerr)線形性）とに起因する歪みを経験する。単独で作用する前者は、パルスの時間的プロフィルを変化させ、後者は、スペクトル的プロフィルと時間的プロフィルの両方を変化させる。一般に、前者と後者は共に、光ファイバ内に存在する。これらは、相互作用して、図１の増幅器１５の近くに線図で概略的に示されるように、パルスの複雑な時間的かつスペクトル的構造を生じさせる。たとえば、スペクトルおよび時間領域における一定位相を有する、初めは有限変換されているパルスは、同形でなくかつ非線形なスペクトル的および時間的位相を有するパルスに変わる。これらの歪みは、プリズム対や回折格子や線形的なファイバブラッグ回折格子等の線形的な分散補償方式では補償することができず、非線形的な補償方式を必要とする。ＢＳＰＲは、図１に概略的に示されるように、要求される歪んだパルスの線形的および非線形的な歪みを提供して、歪んだパルスを実質的に変換限界のパルスに変換する。
【００５２】
目下好適な実施例では、ＢＳＰＲは、線形的および非線形的の両方の再整形を提供する、大いに分散する周期的構造からなる簡単な単一のデバイスである。しかしながら、好適でない代替例では、線形的な分散補償デバイス（たとえば、分散補償ファイバ）とＢＳＰＲが、直列に伝送リンクに配置される。前者は、パルスの線形的な位相歪みを部分的に修復するのに対して、後者は、非線形的な歪みと残りの線形的な歪みを補償するように選択される。
【００５３】
次に、２つの典型的なＢＳＰＲを説明する。第１のＢＳＰＲは、カルコゲナイト  ガラスコアおよびクラッディングを有する光ファイバを使用し、第２のＢＳＰＲは、周期的に極のあるＬｉＮｂＯ３に形成された平たい導波路を使用している。
【００５４】
例１
Ａｓ２Ｓ３ベースのコアおよびクラッディングを有する１本の光ファイバが用意される。典型的には、コア組成はＡｓ３８Ｓ６２であり、クラッディング組成はＡｓ３６．８Ｓ６３．２である。アポダイズされたブラッグ回折格子は、従来の赤色光に対する露出によって光ファイバに形成される。一定の屈折率変調を伴う回折駆使の長さＬｇは１１０ｃｍであり、各々のアポダイズ化部分の長さＬａは１１ｃｍである。屈折率変調周期Ｌｎは、第１次（ｍ＝１）のブラッグ条件
Ｌｎ＝λＢ／２ｎ
が、ブラッグ波長λＢ＝１．５５μｍおよびコア屈折率ｎ＝２．３９に対して満足されるように選択された３２４ｎｍである。図５は、光ファイバと屈折率特性のエンベロープとを概略的に示し、５１および５２は、それぞれ、ファイバコアおよびクラッディングを指し、Δｎ／ｎは正規化された屈折率変動である。また、ＬｇおよびＬａも示されている。ブラッグ回折格子と関連しているのは、群速度分散β２であり、ここでは、
β２＝−（ｎ／ｃ）２（１／δ）（κ／δ）２／［１−（κ／δ）２］３／２
である。
この式では、ｃは光速、κ＝πΔｎη／λＢは結合係数、Δｎは屈折率変調、ηはコア中のパルスエネルギーの留分である。調整パラメータ
δ＝（ｎ／ｃ）（ω−ωＢ）
である。ここで、ωはラジアル周波数、ωＢはラジアルブラッグ周波数である。ブラッグ回折格子のフォトニック  バンドギャップの中心からの波長ずれは、
Δλ＝−（λＢ２δ）／（２πｎ）
で与えられる。
【００５５】
上記のことからわかるように、群速度分散（ＧＶＤ）の符号は、デバイスが動作しているバンドギャップのサイドによって決まる。典型的に、本発明によるＢＳＰＲでは、ＧＶＤが負（すなわち、β２＜０）の場合の（δ＞κに対応する）フォトニック  バンドギャップ以上の周波数範囲が重要である。原理上、通常の分散領域（β２＞０）において、またはバンドギャップ内でさえ、ＢＳＰＲの動作は可能であるが、好適ではない。
【００５６】
κに近いずれδに対して、第３次分散β３は、ＢＳＰＲの性能に影響を及ぼすことがあり、ここでは、β３は、
【数４】
0003654502.tif 000004
で与えられる。
【００５７】
τ３／β３がτ２／β２よりかなり小さい限りは、第３次分散は、ＢＳＰＲ動作に対して無視することができる。
【００５８】
上述の典型的なＢＳＰＲでは、パラメータは、結合係数κ＝１７５９０ｍ−１、ずれδ＝２０６２０ｍ−１になるように選ばれる。これは、約１０６の係数だけ標準的な単一モード通信ファイバの（１．５５μｍにおける）ＧＶＤより大きい−１５．７５×１０６ｐｓ２／ｋｍの回折格子のＧＶＤ（β２）を生じる。
【００５９】
１００ｐｓくらいの短いパルスについては、対応するソリトン周期は、ブラッグ回折格子を通る歪んだパルスの伝播に基づき、実質的に帯域幅制限されたパルスが生じることがあるという事実を表す、約０．３２ｍになる。
【００６０】
上記に引用されたκおよびδの値は、回折格子のないカルコゲナイトにおける光速の５２％にすぎない、回折格子に沿った群速度を発生する。同時に、これらのパラメータに対して、パルスエネルギーは、回折格子の外側に比較して回折格子内で５の係数だけ増大する。
【００６１】
上記に引用した値を有するκ，δおよびλＢを用いて２×１０−１４ｃｍ２／Ｗになるようにカルコゲナイトファイバ回折格子の非線形屈折率ｎ２（χ３に対応する）を採用すると、幅τ＝１００ｐｓを有する基本（Ｎ＝１）ソリトンに対する回折格子の外側で必要な最小エネルギーは、４３ｐＪになる。２５％デューテイサイクルを有するパルスストリームに対して、このエネルギーは、９５ｍＷの平均パワーに変換される。入力パルスの歪みに依存して、この値は、多かれ少なかれ超過する必要がある。図６および図７に示されているように特定の歪んだ入力パルスに対して、ＢＳＰＲ出力における１００−ｐｓソリトンの入力エネルギーは、τ＝１００ｐｓに対する対応する基本ソリトンエネルギーＥ１（τ）＝４３ｐＪと係数１．２５だけ異なる５４ｐＪになる。
【００６２】
上記の例は、歪んだパルスが本発明によるＢＳＰＲにより容易に再整形されることを示している。
【００６３】
図６は，上述のＢＳＰＲを通るパルス伝播の数値的シミュレーションの結果を示す。このシミュレーションは、大いに歪んだ入力パルスが、回折格子長内で実質的にｓｅｃｈ形状を有する実質的に変換限界の出力パルスになることを示している。また、図７は、上述のＢＳＰＲにおけるパルス再整形の数値的シミュレーションの結果を示す。詳細には、この図は、大いに歪んだ入力パルスの光パワーおよび位相と、再整形された出力パルスのパワーおよび位相を示す。このシミュレーションは、出力パルスが実質的に変換限界にあり、実質的にｓｅｃｈ形状からなることを示している。
【００６４】
例２
この例のＢＳＰＲは、周期的に変化する有効屈折率を有する周期的に極のある平たいＬｉＮｂＯ３（または、大きなχ２非線形性を有する他の材質）導波路からなる。図８は、このような導波路を概略的に示し、数字８１はＬｉＮｂＯ３本体を指し、数字８２は導波路の陽子交換されたコアを指し、数字８３は周期的に変化する有効屈折率を提供する光学的に実質的に線形的な材質、たとえばシリコン窒化物からなる描画層を指している。図４に示されるように、ポーリング周期はＬｐであり、回折格子周期はＬｎである。描画された線形的な層８３は、従来の手段、たとえば、堆積、フォトリソグラフィおよびエッチングにより形成される。他の実施例では、描画層は、化学線への露出で形成された回折格子を備えたキャルコジナイド層と置換される。
【００６５】
典型的には、導波路は５ｃｍの長さを有し、陽子交換されたコアは２．５μｍの幅と約１μｍの深さを有する。シリコン窒化物層は、典型的には０．２５μｍの厚さであり、保持される部分と除去される部分の長さが等しくなっている。
【００６６】
ポーリング周期は、典型的に１８．８μｍに選択され、それにより、ＬｉＮｂＯ３内で準位相整合が達成され、λＦ＝１．５５４μｍの基本波に対する波形−ベクトル不整合ΔｋＬ＝１０πとなる。不整合Δｋ＝（４π／λＦ）［ｎ（λＳＨ）−ｎ（λＦ）］−２π／Ｌｐであり、ここで、λＳＨは第２高調波の波長、ｎ（λＳＨ）およびｎ（λＦ）は、それぞれ、λＳＨおよびλＦにおけるコア屈折率である。
【００６７】
状態ΔｋＬ＝１０πは、実質的に、パルスの有効な非線形位相シフトを最適化し、有効な非線形のシュレーディンガーの方程式に関してソリトン伝播の簡単な記述を可能にする。たとえば、G.I.Stegman et al., Optics Letters, Vol.18(1), p.13 (1996)や、G.I.Stegman et al., Optical and Quantum Electronics, Vol.28, p.1691 (1996)を参照されたい。対応する有効な非線形の屈折率ｎ２＝２．３×１０−１１ｃｍ２／Ｗとなる。縦軸の屈折率変調周期Ｌｎは、ブラッグ条件で決定される。λＦにおける屈折率ｎ＝２．２を有するＬｉＮｂＯ３に対しては、Ｌｎ＝３５３ｎｍとなる。屈折率変調は、描画されたシリコン窒化物の提供によって達成される。
【００６８】
ＬｉＮｂＯ３の他のポーリングを伴う、周期的に変化する有効屈折率を有するＬｉＮｂＯ３導波路をＬｉＮｂＯ３で製造する技術は知られている。たとえば、L.E.Myers et al.,  J. of the Optical Society of America B, Vol.12(11), Nov. 1995, p.2102や、M.A.Arbore et al., Optics Letters, Vol.22(3), Feb. 1, 1997, p.151を参照されたい。
【００６９】
この構造を、結合係数κ＝５３６ｍ−１およびずれパラメータδ＝６２８ｍ−１となるように選択すれば、１００−ｐｓソリトン形成に対してＢＳＰＲ入力で必要な最少エネルギーは、０．８３ｐＪとなる。２５％デューテイサイクルを有するパルスストリームに対して、このエネルギーは、１．８４ｍＷの平均パワーに変換される。例１のように、入力パルスの歪みに依存して、この値は、多かれ少なかれ超過する必要がある。
【００７０】
本発明による光通信システムのビットレートと、許されるビットエラーレートと、伝送レングスとに依存して、スペクトル的フィルタまたは時間的フィルタまたはその両方を用意して、ＢＳＰＲの出力端においてソリトンパルスに含まれていない、したがって時間領域で分散するパルスの一部を消去することが望ましい。パルスのうちのこの非ソリトン部分は、“分散波”と呼ばれることがある。電子光学的に制御されるデバイスは、時間的フィルタとして約１００ＧＨｚまで使用することができるが、もっと高いビットレートに対しては、全光学的時間的フィルタ（好適には、速い非線形性に基づく）が望ましい。その一例は、非線形光ループミラー（ＮＯＮＭ）である。たとえば、N.J.Doran et al.,Optics Letters, Vol.13, p.56 (1988)や、N.J.Smith et al., Journal of the Optical Society B, Vol.12, p.1117 (1995)や、W.S.Wong et al., Optics Letters, Vol.22, p.1150 (1997)を参照されたい。
【００７１】
図９は、ＮＯＬＭを用いた本発明による光ファイバ通信システムの関連部分を概略的に示す。数字９１〜９４は、それぞれ、説明したようなＢＳＰＲと、線形的なブラッグファイバ回折格子と、非線形的なファイバループと、非対称カップラを指している。
【００７２】
要約すれば、ＮＯＬＭにおいて、非線形スイッチングは、カップラの結合比をバランスさせるか、または非線形ループファイバにおける分散もしくは非線形性を不均衡にさせることによって達成される。さらに、これらの技術のどんな組み合わせも可能である。ＮＯＬＭ設計パラメータの適切な選択により、ＮＯＬＭは、パルスの比較的高い強度のソリトン部分を伝送し、分散波を排除する。典型的には、光アイソレータ（図示しない）が、反射する分散波によるシステムの外乱を避けるために備えられる。周波数領域における残りのサイドバンドは、適当なスペクトル的フィルタ（図示しない）、典型的にはバンドパスフィルタ回折格子で任意的に消去される。
【００７３】
上述のＢＳＰＲと同様に、ＮＯＬＭは、極めて早いカー非線形性に基づいており、約３×１０１４Ｈｚまでの非常に高い周波数で機能することができる。
【００７４】
上述の実施例は単なる例示であり、種々の他の実施例が可能であり、企図されることがわかる。たとえば、周期的屈折率変調を伴う縦続接続された第２次非線形ファイバのように、カルコゲナイト  ガラスの平たい導波路フォトニック  バンドギャップ構造が可能である。さらに、ある程度望ましい特性、たとえば改善された断熱的ソリトン構造を達成するために回折格子がチャープ（ｃｈｉｒｐ）され、ＢＳＰＲは、通常の分散要求で（したがって、暗いソリトンの再整形を斟酌して；上記に引用したＡｇｒａｗａｌによる本を参照）、またはバンドギャップの内側でさえ、動作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による典型的な光ファイバ伝送システムを概略的に示す図である。
【図２】  本発明による典型的な光ファイバ伝送システムを概略的に示す図である。
【図３】  本発明の模範的な実施例の適切な態様を概略的に示し、高いχ３非線形性を有するＢＳＰＲ（典型的には、カルコゲナイト  ガラス  ファイバ）を示す図である。
【図４】  本発明の模範的な実施例の適切な態様を概略的に示し、縦続接続された高いχ２材料を用いたＢＳＰＲ（たとえば、周期的に極のあるＬｉＮｂＯ３）を示す図である。
【図５】  典型的なＢＳＰＲと、位置の関数としてのその正規化ピーク屈折率とを概略的に示す図である。
【図６】  コンピュータシミュレーションで決定された場合の、ＢＳＰＲを介するパルス伝播によるパルス再整形を示す図である。
【図７】  コンピュータシミュレーションで決定された場合の、ＢＳＰＲへの入力パルスと、対応する出力パルスの、時間の関数としての光パワーと光位相を示す図である。
【図８】  平坦な周期的に極のある導波路を備えた典型的なＢＳＰＲを概略的に示す図である。
【図９】  ＢＳＰＲと非線形的な光ループミラーを備えた本発明によるシステムの適切な態様を概略的に示す図である。
【図１】
0003654502.tif 000006
【図２】
0003654502.tif 000007
【図３】
0003654502.tif 000008
【図４】
0003654502.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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