(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信器（１）、増幅器（２）、光ファイバー伝送ライン（３）及び色分散補正モジュール（４；４Ａ．．．４Ｎ）を有する通信システムにおける光信号伝送方法であって、公称線形な特性を中心とする変動を信号光周波数（ω）の関数として示す群遅延特性τ（ω）を有する少なくとも１つの補正モジュール（４；４Ａ．．．４Ｎ）により、ファイバー（３）により生じる色分散の補正を行う前記方法において、
色分散による上記システム全体の性能低下を表す曲線を求め、そして
所与のファイバー長に対して、この低下曲線上の動作点であって前記公称特性に従って行われた場合の補正に対応した値を中心として変動する該動作点が前記低下曲線の制限された勾配の領域内に位置するように、前記補正を行って上記変動の効果を最小にする
ことを特徴とする光信号伝送方法。
【請求項２】
低下曲線の前記領域は、微分が実質的にゼロとなる領域とすることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記低下曲線は、色分散補正が行われるラインのスパン長さを変えた際の伝送信号のパワーペナルティとして求めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
波長分割多重化された複数のチャンネルでの伝送の場合、各チャンネルに対する低下曲線を求め、各チャンネルに対して前記変動の効果を個別に最小化することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
チャープ光ファイバーグレーティングに基づいた少なくとも１つの補正モジュール（４；４Ａ．．．４Ｎ）により補正を行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。
【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、ラインの色分散補正が、公称的には線形の特性を有する補正モジュール（特に、チャープ（ｃｈｉｒｐｅｄ）  光ファイバーグレーティング）により行われる光信号伝送方法、及びこのような方法を用いた通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
異なる特性のシリカファイバーは、光ファイバー通信システムにおいて最も一般に使用される伝送ラインである。このようなファイバーの一つである所謂従来の単一モードファイバーは、世界中に広まり敷設ラインの半分以上を占めており、所謂「第２伝送ウインドウ」内の波長（すなわち１．３μｍを中心とする波長）にて色分散を実質的に示さない。
ファイバーに沿って伝播することによる光信号の減衰を補正するために、光増幅器がますます使用されつつあり、これにより、中継器における光−電気変換及びその逆変換をする必要が取り除かれる。しかしながら、最も一般に使用される光増幅器は、所謂「第３伝送ウインドウ」内の波長（すなわち１．５μｍを中心とする波長）にて最高の動作効率を示す。従来のファイバーは、このような波長では、減衰は最小であるが、１５〜２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍのオーダーのかなりの色分散を示す。その結果、大きなパルス拡張が生じ、このことが長距離高ビットレート伝送の障害となる。
特に、色分散効果は、信号のビットレートが大きくなるにしたがって増大し、約１０Ｇｂｉｔ／ｓのビットレートともなればＮＲＺ信号に多大な影響を与える。実際問題として、オペレーターにとっては直接興味あるこのような条件下では、色分散により従来ファイバーの最長リンクが約７０ｋｍに制限される。従って、より長いリンクを得るためには、色分散補正技術を利用する必要がある。
【０００３】
上記補正技術の一つとして、チャープ光ファイバーグレーティング（すなわちピッチが可変であるグレーティング）を使用することに、大いに関心が寄せられる。というのは、このようなグレーティングにより、コンパクトで低挿入損失の補正モジュールを実現し得るであろうからである。
チャープ光ファイバーグレーティングは、各々が所与の波長を反射し且つその他の波長全てを透過する一連の定ピッチグレーティングと比較し得る。一般に、ピッチはグレーティングに沿って線形に変わる。このようなグレーティングを用いた補正モジュールが、光ファイバー伝送ラインに接続され、補正されるべき信号内の異なる波長の信号がグレーティングに沿って進み、反射され、異なる伝送遅延を有するラインに再挿入され得る。色分散を補正するために、これが利用できる。この補正を行うためには、グレーティングがファイバーにおける群遅延と相補的な様式にて光周波数ωに線形依存した群遅延τを有するように、ピッチ特性を選択する必要がある。
しかしながら、チャープグレーティングが通常示す光周波数に対する群遅延特性は、技術的な理由により（特に、有限長のグレーティングを得ることが不可能なこと、及びピッチ変化から生じる不連続性を原因として）完全には線形ではない。特性τ（ω）におけるリップルの存在（すなわち、線形特性を中心とする変動の存在）は、システム性能に影響する。特に、リップル周期（光周波数に換算して）が伝送信号のビットレートに近いとき、上記色分散効果は、リップル周期に依存してより高くなる。これらのリップルは、たとえ時間的に一定であっても、実際には予見できず、伝送システムへのその影響は、厳密には光搬送波周波数に依存する。光搬送波周波数は、公知のようにその公称値を中心として変動し得る。よって、実際にはそれらの補正は不可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、この効果を抑える唯一の方法は、出来るだけ上記リップルを制限して保つグレーティングを製造することである。それにもかかわらず、製造コストを制限するために、所定長さ（通常は１００ｋｍより短い）のラインスパンにおける色分散を補正するグレーティングを製造していることを考慮すべきである。よって、より長いラインに亘る色分散を補正するためには、幾つかのグレーティングを利用する必要があり、それらの個々の効果が累積して生じる。
よって、それらリップルの影響を小さくする方法について、明らかに関心が寄せられる。この問題についての解決策は、文献からこれ以上は得られない。
この発明は、色分散補正がグレーティングにより行われる光通信システムの挙動に関して発明者により為された正確な分析に基づく。この分析によれば、システムでのグレーティング特性τ（ω）におけるリップルの効果は、グレーティングの全体特性（すなわち上記リップルの振幅と周波数）に依存するだけでなく、送信器、ライン増幅器及びファイバーに関するパラメータにも依存する。特に、グレーティング欠陥に対して十分に大きな公差（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）  を示す構成が存在する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明により提供される光信号伝送方法では、補正モジュールの光周波数特性τ（ω）に対して、遅延群の公称線形特性を中心とする変動の影響を最小にするために、色分散を原因とするシステム性能の低下を表す曲線が求められ、所与のラインスパン長に対する補正は、低下曲線上の動作点が前記曲線の制限された勾配の領域内に保持されるように行われる。
後に示されるように、この解決策は、発明者により注目されたことによる事実、すなわち、グレーティング欠陥の影響は、理想値を中心として変動する補正として見ることができるということに基づく。
有利には、補正モジュールは、チャープ光ファイバーグレーティングの使用に基づく。
低下曲線は、例えば、分散補正が行われるファイバー長を変える際の伝送システムの基準条件に対するパワーペナルティ（ｐｏｗｅｒ  ｐｅｎａｌｔｙ）  を表す曲線（すなわちアイダイアグラムクロージャー（ｅｙｅ  ｄｉａｇｒａｍ  ｃｌｏｓｕｒｅ）  を表す曲線）とし得る。
本発明は、本方法を用いる光ファイバー伝送システムをも提供し、色分散補正のため、少なくとも１つの補正モジュールが使用される。補正モジュールは、光周波数に対する遅延群特性が、公称的には線形であり、補正されたライン長が、色分散によるシステム性能低下を表す曲線の最小値（又は少なくとも制限された勾配を有する領域内）にシステム動作点を位置させるような勾配を有する。
【０００６】
【実施例】
図１から分かるように、色分散補正される完全光伝送システムは、次のものにより略示され得る。
（ア）送信器１。
（イ）増幅装置２（特に能動ファイバー増幅器）。図を簡単にするため、１つの増幅器のみ送信器１の出力に配置して示す。
（ウ）光ファイバー伝送ライン３。伝送信号上に色分散を誘導する。この色分散は、従来のシリカファイバーが使用される場合には、１７ｐｓ／ｎｍ／Ｋｍのオーダーである。
（エ）色分散補正装置。これは、１以上のチャープ光ファイバーグレーティング４を含むのが好ましい。ラインに沿ったこの装置の数と位置は、他のことよりもリンク長及び信号パワーに依存する。図を簡単にするために、単一のグレーティングから成る装置が示され、この装置は、光サーキュレーター５を介してライン３に接続される。
（オ）受信器６。
【０００７】
図１は、ただ１つの波長での信号伝送に関係する。波長分割伝送の場合には、図２が適用される。図２では、Ｎ個の送信器１Ａ．．．１Ｎが存在し、それらの信号は、マルチプレクサー７を介してラインに多重化される。また、Ｎ個の受信器６Ａ．．．６Ｎが存在し、それぞれのチャンネルに関係した信号をデマルチプレクサー８を介して受け取る。その各補正装置は、一般にＮ個のカスケード状グレーティング４Ａ．．．４Ｎを含み、その各々は、チャンネルの一つの信号を補正できる。
【０００８】
図３は、チャープグレーティングの群遅延特性τの挙動を、信号の光周波数ωの関数として示す。この特性は、公称的には線形であり、線τ１  により示される特定の勾配ａを有する。それにもかかわらず、上記述べたように、製造上の理由のため、群遅延は線形特性に対応する値に対して予見できない変動を示し、従って、その実際の挙動は、線τ２  により示されるものである。さらに、ソースの放出周波数については公称値に対する公差区間が存在し、このような周波数は、実際の値を中心として予測不可能に変動する。よって、動作点（実際に補正されたファイバー長）は、正確には決めることができず、それは特性に沿って予測不可能に移動し、それにより、正確な補正を行うのを不可能にする。
【０００９】
全体の伝送システムの挙動を分析することにより、発明者は、τ（ω）のリップルが、独立的にはシステム性能に依存せず、伝送システムへのそれらの全影響が、送信器、増幅器システム及び伝送ライン（特に非補正ライン長）のパラメータにも依存することを確信した。よって、システム性能へのペナルティを最小にするためには、総ライン長の所与の部分による分散を補正し且つ最小リップルを示すグレーティングを使用することで十分ではなく、グレーティングを挿入するシステムを考慮する必要がある。
実際問題として、図４に示されるような特性曲線は、ファイバーの非補正長Ｌ（ｋｍ）の関数として性能低下（送信器１での開口と称されるアイダイアグラムのペナルティＥＣ（ｄＢ））を表す。曲線を描くのに必要なデータは、例えば図１にブロック９として示されるようなシステムに接続されるビットエラーレート測定用の従来装置を用いて、当該技術で周知の方法により得ることができる。
【００１０】
図４の曲線は、１．５５μｍにて分散Ｄ＝１７ｐｓ／ｎｍ／Ｋｍの従来ファイバーの線形条件下での１０Ｇｂｉｔ／ｓ伝送の場合、所謂チャープパラメータαの異なる値（０，−１）を有する異なる２タイプの送信器に関する。パラメータαは、外部変調器によるスプリアス周波数変調を特徴付ける係数である。このタイプの変調器は、色分散補正が第一に要求される伝送システムに一般に存在する。これらの曲線は、チャープパラメータが異なれば、色分散に対する異なるシステム感度が存在することを示す。特にチャープパラメータが負の値を有する送信器は、従来ファイバーにてより良い性能を示す。
図４の曲線は、τ（ω）のリップルを除いて、理想グレーティングを描く。理想グレーティングの場合、類似の曲線がなお適用できる。後に分かるように、非補正ファイバー長は可変と見なし得る。図５は、α＝−１の場合の幾つかの曲線を示し、所謂等価ファイバー長Ｌｅｑ（図１及び図２のファイバー３の長さＬＦ  と、同じ勾配の特性を有する理想グレーティングにより補正された長さとの差）の関数として、異なる補正条件に関する。τ（ω）のリップル効果は、曲線が制限された勾配（好ましくはゼロ勾配）を有する低下曲線の領域内に非補正ファイバー長が配置されるように作用することで最小化され得ることが導かれる。これらの条件下で、システム公差は最高となる。
【００１１】
本発明をより良く理解するために、発明が基づく理論的考察を述べる。スタート仮説として、群遅延τ（ω）の個々のリップルの挙動は、実質的に正弦曲線（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ）と考えられるとする。よって、次の関係式を適用する。
τ（ω）＝ａω＋Ａｓｉｎ（２πω／Ω＋φ）        （１）
ここで、ａは、上記説明した意味を有し、Ａ、Ω、φは、それぞれリップルの振幅、周期（光信号周波数にて測定）及び位相である。
この近似は、任意ではなく、ライン上伝送される信号のバンド幅に対応するωの区間に対する特定の一般損失を意味せず、通常文献中で使用される。
【００１２】
総グレーティング分散は、ｄτ／ｄωにより与えられる。もし理想グレーティング（Ａ＝０）が考えられると、分散は明らかに一定であり、その値はａである。しかしながら、ファイバーに対する分散は、β２  ・ＬＦ  により与えられる。ここで、β２  は色分散係数（ｐｓ２  ／ｎｍ）であり、ＬＦ  はファイバー長である。従って、もし色分散係数β２  を有するファイバーに適用されるならば、係数（特性の勾配）ａを有する理想グレーティングは、ファイバー長Ｌ０Ｃ  ＝ａ／β２  内の色分散を補正できる。換言すれば、色分散に関してまるで長さＬｅｑ＝ＬＦ  −Ｌ０Ｃ  を有するファイバーによりラインが形成されるように、システムは振る舞う。
もしτ（ω）の変動が例えばΩ／２π＞２０ＧＨｚであるくらい相対的に遅いならば、例えば１０Ｇｂｉｔ／ｓ（既に述べたようにこれはオペレータにとって実際上直接興味あるビットレートである）の信号へのそれらの効果は、（１）式のテーラー級数展開の第１次項のみを考慮することにより解析的に記載できる。この近似では、グレーティングは、周波数ωｓ  の信号に関し、次式により与えられる補正長ＬＣ  を有する理想補正ユニットとして振る舞う。
【数１】
0003599269.tif 000002
【００１３】
従って、光周波数ωｓ  の光信号は、Ｌ０Ｃ  を中心として変化し且つリップル振幅及び位相に依存する補正長を経験する。関係式（２）は、システムが搬送波周波数に極度に感応することを示し、そのため、数ＧＨｚの変化（すなわち、数百ナノメーターの変化、よってレーザーの公称波長に対する公差より低い変化）も大いに異なる値のＬＣ  を導く。
この仮定は、信号ビットレートに匹敵するグレーティングリップル周波数の値に対して実行される数値シミュレーションによっても確認される。この値に対しては、級数展開近似は正しいとされない。
上記説明をさらに明確にするために、伝送システムの性能評価の幾つかの数値例がここで与えられる。考慮しているシステムは、送信器１を使用し、従来の光ファイバーの１３０Ｋｍラインに１０Ｇｂｉｔ／ｓ信号を送出する。受信側では、Ａ＝１０ｐｓのグレーティングが存在した。この評価のため、システム性能は、それぞれα＝０とα＝−１を有する２つの送信器に対して比較される。性能は、異なる値のφに対して受信器でのアイダイアグラムの分析により得られた。
【００１４】
図６と図７は、Ω／２π＝５０ＧＨｚ（波長区間で言えば周期Ω＝０．４ｎｍに対応）の群遅延の遅い変動、及びΩ／２π＝１２．５ＧＨｚ（Ω＝０．１ｎｍ）の速い変動、すなわち関連する伝送ビットレートに匹敵する変動のそれぞれに対して、ファイバー等価長ＬＦ  −Ｌ０Ｃ  が変化する際の最高及び最低ケースのペナルティ間の差（すなわちアイダイアグラムクロージャーにおける差）に関する図を示す。図４では、縦標軸はｄＢで、横座標はｋｍで示される。
【００１５】
発明者により行われた分析により、図６と図７の曲線は、図４と図５の対応曲線の微分のモジュール特性を実質的に再現する挙動を有することが分かった。よって、図４と図５に示された曲線及び式（２）から、システム性能に対する遅延群リップルの影響を導出できる。φを変えると、ＬＣ  は式（２）に従って値Ｌ０Ｃを中心として変わる。従って、アイ開口も変わり、最大変化は、非補正長の値ＬＦ  −Ｌ０Ｃ  に対応してペナルティ曲線の微分値に依存する。よって、もしＬＦ  −Ｌ０Ｃ  がペナルティ曲線の最小値（ここで微分が零になる。）にてシステムが動作するような値であるなら、システムへの影響は最小化される。図６の曲線と図４及び図５の曲線を比較することにより、本発明が使用されるならリップル効果は実際には無視されることが示される。特に、リップルの影響は、α＝０の場合にはＬＦ  −Ｌ０Ｃ  ≒０に対して最小化され、α＝−１の場合にはＬＦ  −Ｌ０Ｃ  ≒３０ｋｍに対して最小化されることが分かる。
図７は、信号ビットレートに匹敵する周波数のリップルの場合も、たとえリップル効果が遅い変動の場合のように完全には打ち消すことができないとしても、それを最小化できることを示す。
波長分割伝送では、各チャンネルに対して同じ挙動が観察される。
【００１６】
上記説明したことは、既に述べたように、従来のファイバーライン上での信号の線形伝搬の場合、すなわち、非線形現象（例えば自己位相変調）がもはや無視し得ないようなレベルにまで増幅器２が光信号パワーを上昇させない場合に適用される。これらの非線形現象は、τ（ω）のリップルに対するシステム感度に影響する。２０ｍＷのオーダーのパワーを有する信号を用いて図１の一システムに行われるテストは、リップル効果を打ち消すことがなお可能なことを示した。しかしながら、この場合には、自己位相変調により、前の場合とは異なる非補正ファイバー長に対して最小の性能低下が生じる。例えば、図８と図９から分かるように、最小の性能低下は、ＬＦ  −Ｌ０Ｃ  ≒５５ｋｍに対して得られる。その結果は、α＝０に対する非線形条件下でのテストに関し示され、図４及び図６と図７のα＝０に関する曲線とそれぞれ比較され得る。
ラインに沿って分布した増幅器により引き起こされる非線形効果の場合、テストは、個々のスパン上で補正することが有利であること、及び補正全体を最適化するためには個々の補正の適応化が必要であることも示した。
【００１７】
上記説明は非制限的な例として単に与えられていること、及び変更及び／又は改変が本発明自身の範囲を逸脱することなく可能であることは明らかである。特に、チャープグレーティングによる補正を参照してでさえ、上記説明は、群遅延特性がこのようなグレーティングと類似の挙動を行う如何なる補正モジュールにも適用される。さらに、たとえ単一のラインスパンが示され説明されてきたとしても、本発明は、各々が補正モジュールを備えた幾つかのラインスパンの場合にも適用できる。もちろん、この補正モジュールは、スパンの始めに配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバー伝送システムの簡略化されたブロック図であり、光ファイバーグレーティングにより色分散補正される。
【図２】図１の図と同様のブロック図であり、波長分割多重化伝送システムに関する。
【図３】光ファイバーグレーティングを用いた補正モジュールにおける群遅延−光周波数特性を示す図である。
【図４】異なるリップル周波数および伝搬条件の場合の群遅延によるシステム低下を示す図である。
【図５】異なるリップル周波数および伝搬条件の場合の群遅延によるシステム低下を示す図である。
【図６】異なるリップル周波数および伝搬条件の場合の群遅延によるシステム低下を示す図である。
【図７】異なるリップル周波数および伝搬条件の場合の群遅延によるシステム低下を示す図である。
【図８】異なるリップル周波数および伝搬条件の場合の群遅延によるシステム低下を示す図である。
【図９】異なるリップル周波数および伝搬条件の場合の群遅延によるシステム低下を示す図である。
【符号の説明】
１、１Ａ．．．１Ｎ  送信器
２  増幅器
３  光ファイバー伝送ライン
４、４Ａ．．．４Ｎ  色分散補正モジュール
５  光サーキュレーター
６、６Ａ．．．６Ｎ  受信器
７  マルチプレクサー
８  デマルチプレクサー
【図１】
0003599269.tif 000003
【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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