(57)【要約】  複数の多波長分割多重光信号の光クロック再生用の光励起モード同期ファイバリングレーザは、前記複数の多波長分割多重光信号に対する複数の再生クロックとして、前記レーザの複数の出力を能動モード同期する。レーザ共振器は、前記多重光信号の少なくとも１つのビット周期の整数倍に対応したキャビティ長を有し、前記複数の波長分割多重光信号の前もって増幅させたものを受信して、位相の影響を受けないパラメトリック増幅と、再生クロックとして前記レーザ共振器の出力を空間的モード同期するための前記レーザ共振器を介して、前記レーザ共振器からの出力のある割合を再循環させることと、を通して利得変調を与える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の多波長分割多重光信号の光クロック再生用の光励起モード同期ファイバリングレーザであって、前記複数の多波長分割多重光信号に対する複数の再生クロックとして、前記レーザの複数の出力をモード同期するレーザであって、
前記多重光信号の少なくとも１つのビット周期の整数倍に対応したキャビティ長を有し、前記複数の多波長分割多重光信号の前もって増幅させたものを受信するレーザ共振器と、
前記共振器中に配置された非線形利得媒質と、
前記複数の再生クロックを増幅するための不均一に広がった利得を有し、前記複数の再生クロックの全波長での共振器損失の一部を補償する光増幅器と、
前記レーザ共振器中における再循環用の前記再生クロックの複数波長での光を通し且つ前記多波長分割多重光信号および前記多波長分割多重光信号と再生光クロックとの間で４波混合によって生じた複数のアイドラー波が、前記共振器中で再循環しないようにする波長セレクタと、
を含み、
前記レーザ共振器は、位相の影響を受けないパラメトリック増幅と、再生クロックとして前記レーザ共振器の出力を空間的モード同期するための前記レーザ共振器を介して、前記レーザ共振器からの出力のある割合を再循環させることと、を通して利得変調を与え、その結果、対応する多重光信号のクロック速度に対応した繰り返し周期で光パルスの周期列を有する前記再生光クロックの各々は、前記波長分割多重光信号のパルスの性質によってもたらされる、前記位相の影響を受けないパラメトリック利得の空間変調によって生じた、前記光励起レーザのモード同期によって発生し、
前記非線形利得媒質は、前記多波長多重光信号間、前記再生クロック間および前記複数の多波長多重光信号と前記再生クロックとの間、で４波混合を最小化するために、前記多波長分割多重光信号に対応する波長の全てで十分に大きな分散を有し、前記利得媒質は、前記複数の多波長分割多重光信号の前もって増幅させたものによって励起されて、複数の狭波長域で前記位相の影響を受けないパラメトリック増幅を通して効果的な利得変調を与え、対応する光信号および前記複数の狭波長域の各々の波長に直接隣接した前記複数の狭波長域の各々は、対応する再生光クロックの波長を含み、前記対応する光信号の各々は、前記再生光クロックを含む前記非線形利得媒質を介して前記光共振器において伝搬することを特徴とする光励起モード同期ファイバリングレーザ。
【請求項２】
前記光増幅器は、ラマン増幅器を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項３】
前記共振器は、能動モード同期リングレーザ構成で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項４】
前記共振器は、サニャックレーザ構成で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項５】
前記波長セレクタは、狭帯域フィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項６】
前記波長セレクタは、複数のチャープファイバブラッググレーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項７】
前記波長セレクタは、前記共振器長を前記多波長分割多重光信号の少なくとも１つのビット周期の整数倍に対応するように調整するための、複数のファイバブラッググレーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項８】
前記波長セレクタは、前記共振器長を調整するための調整自在なファイバ遅延線を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項９】
前記調整自在なファイバ遅延線は、能動的に安定していることを特徴とする請求項８に記載のレーザ。
【請求項１０】
ゼロ分散波長が前記複数の波長多重光信号のいづれかの波長または前記再生クロックの波長よりも短波長であるように、前記非線形利得媒質が前記共振器内に適切な分散勾配を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長分割多重光信号のクロックパルスを再生することを対象としている。特に、本発明は、多波長分割多重光信号についての同時のクロック再生に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長分割多重（ＷＤＭ）伝送システムの容量が、情報伝達の需要の高まりに応じて増大するにつれて、各伝送方式の最大到達距離は減少する。従って、トラフィックルーティングが行われるネットワークノードに付随する再生器の他に複数の再生器が、伝送リンクにわたって一定の間隔で必要とされる。再生器は、トラフィックルーティングおよび調整機能を与えるように、スイッチングノード中に必要であるということが議論され得るが、必ずしも任意の波長についてのトラフィックが、ノードを介して正しく送られるとは限らない。しかし、ノード間への再生器の使用は、付加的な機能性を提供することなしに、ネットワークコストを増大させる。従って、ＷＤＭ信号を再生するための費用効果の高い方法が、全波長逆多重化および光電子再生に代わる方策として必要とされる。システム製造者は、このことは、目標距離３０００ｋｍであるが実際の伝送限界は１５００ｋｍである４０Ｇｂｉｔ／ｓデータ転送速度のシステムに対して特に必要である、ということを示唆している。
【０００３】
３Ｒ再生器（振幅増幅，波形整形，タイミング再生）は、将来の高速および大容量のトランスペアレントな光ネットワークに有用な、全光再生器の周知例である。全光クロック再生は、３Ｒ全光再生器の主要な基礎的要素である。その理由は、クロック再生は、３Ｒ全光再生器のタイミング再生機能のために必要とされるからである。全光クロック再生に対する多くの単一チャンネルでの方法が提案され且つ実証されてきている。ある単一チャンネルクロック再生デバイスは、光ファイバのパラメトリック発振器を使用しており、当該発振器においては、クロック信号に対して振幅変調されたパラメトリック利得が、光位相の影響を受けない。多チャンネル全光クロック再生（ＭＯＣＲ）に関しては技術的な障害が増大するため、ほとんどのクロック再生方法は、１チャンネル動作用に設計されている。
【０００４】
最初のＭＯＣＲ方法において、２チャンネルの光クロック再生が、光ファイバにおける誘導ブリュアル散乱（ＳＢＳ）を使用して実証された。しかし、ブリュアン周波数偏移（Brillouin frequency shift）の波長依存性によって、このクロック再生デバイスに有効に利用できる全ての光帯域幅は、約３ｎｍだけである。この制限されたスペクトル範囲は、ＳＢＳに基づくＭＯＣＲの深刻な欠点である。第２の方法において、ＭＯＣＲは、２つの導波路ルータと一体化した半導体光増幅器アレイモジュール（ＡＷＧ）とエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）とによって形成された能動モード同期ファイバリングレーザでなされた。この方法には、幾つかの重大な欠点が存在する。第１に、ＥＤＦＡの一様な線広がりのため、ファイバレーザの多チャンネル動作は本質的に不安定である。第２に、このデバイスにおいて、アレイモジュールにおける各半導体光増幅器（ＳＯＡ）は、１つの対応するチャンネルのみに対する能動モード同期器として機能する。このことは、システムのコストおよび複雑さを増大させることとなる。第３に、ＳＯＡ−ＡＷＧブロック内の異なるチャンネルに対する経路長における差異を補償するための、多チャンネル動作に必要とされる手段が何も実施されていない。最後に、デバイスの全般的な速度は、ＳＯＡ応答速度によってさらに制限される。
【０００５】
従って、複数のＷＤＭ信号を同時に処理することができる、全光クロック再生および信号再生に用いるための改善された方法および装置の必要性がある。
【発明の開示】
【０００６】
本発明の第１の態様によると、複数の多波長分割多重光信号の光クロック再生用の光励起モード同期ファイバリングレーザは、前記複数の多波長分割多重光信号に対する複数の再生クロックとして、前記レーザの複数の出力を能動モード同期するレーザであって、前記多重光信号の少なくとも１つのビット周期の整数倍に対応したキャビティ長を有し、前記複数の波長分割多重光信号の前もって増幅させたものを受信するレーザ共振器と、前記共振器中に配置された非線形利得媒質と、前記複数の再生クロックを増幅するための不均一に広がった利得を有し、前記複数の再生クロックの全波長での共振器損失の一部を補償するパラメトリック光増幅器またはラマン増幅器と、前記レーザ共振器中における再循環に使われる、前記再生クロックの複数波長での光を通し且つ前記多波長分割多重光信号および前記多波長分割多重光信号と再生光クロックとの間で４波混合によって生じた複数のアイドラー波が、前記共振器中で再循環しないようにする波長セレクタと、を含み、前記レーザ共振器は、位相の影響を受けないパラメトリック増幅と、再生クロックとして前記レーザ共振器の出力を空間的モード同期するための前記レーザ共振器を介して、前記レーザ共振器からの出力のある割合を再循環させることと、を通して利得変調を与え、その結果、対応する多重光信号のクロック速度に対応した繰り返し周期で光パルスの周期列を有する前記再生光クロックの各々は、前記波長分割多重光信号のパルスの性質によってもたらされる、前記位相の影響を受けないパラメトリック利得の空間変調によって生じた、前記光励起レーザのモード同期によって発生し、前記非線形利得媒質は、前記多波長多重光信号間、前記再生クロック間および前記複数の多波長多重光信号と前記再生クロックとの間、で４波混合を最小化するために、前記多波長分割多重光信号に対応する波長の全てで十分に大きな分散を有し、前記利得媒質は、前記複数の多波長分割多重光信号の前もって増幅させたものによって励起されて、複数の狭波長域で前記位相の影響を受けないパラメトリック増幅を通して効果的な利得変調を与え、対応する光信号および前記複数の狭波長域の各々の波長に直接隣接した前記複数の狭波長域の各々は、対応する再生光クロックの波長を含み、前記対応する光信号の各々は、前記再生光クロックを含む前記非線形利得媒質を介して前記光共振器において伝搬することを特徴とする。
【０００７】
本発明のさらなる機能および利点は、以下の詳細な説明において説明され、詳細な説明から当業者にはある程度明らかであるかまたは添付の図面と同様に、詳細な説明および特許請求の範囲に説明されているように本発明を実施することによって認識されるであろう。
【０００８】
前述の概要および以下の詳細な説明はともに、本発明の単なる例示であり、特許請求の範囲に記載されているような発明の性質および特性を理解するための概要または構成を与えることを目的としているということが理解されるべきである。
【０００９】
添付の図面は、本発明のさらなる理解を与えるために含まれており、本明細書中に組み込まれ且つその一部を構成している。図面は、本発明の１または２以上の実施例を示しており、詳細な説明とともに本発明の原理および動作を説明する働きをしている。
【発明の詳細な説明】
【００１０】
多チャンネルの全光クロック再生（ＭＯＣＲ）に対する新規の方法は、表題が「波長分割多重光信号のクロックパルス再生」である米国特許出願第１０／１５３，９５７号（出願日：２００３年８月１１日）においてA. Ellisによって提案されており、本特許出願は、本特許出願と同一の出願人に譲渡されたものである。この方法は、光ファイバのパラメトリック発信器に基づいており、周期的に変調された利得は、ファイバにおける位相敏感ＦＷＭプロセスに起因する。位相敏感パラメトリック増幅動作は、例えば温度変化のような環境に起因する共振器長シフトによって、本質的に不安定である。この問題を解決するために、上記米国特許出願において、共振器長を安定させるための受動的な方法として格子が提案されている。格子は、入力信号のクロック周波数に適合した共振器長を実際に維持することができる、ということを実験結果は示している。しかし、ＦＷＭプロセスに起因する共振器の利得変調は光位相に敏感であるため、上述の方法は、クロックと入力信号との間の任意の光位相シフトに起因する振幅雑音を抑制するために、まだ技術的な障害を有している。多チャンネル動作に対してノンゼロ分散シフトファイバ（ＮＺ−ＤＳＦ）を使用してもやはり、共振器長の安定性についての潜在的な問題は存在している。多チャンネルの場合における共振器損失を補償するために、エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦＡ）を使用することは、ＥＤＦＡの均一に広がった利得に起因したチャンネル間のモード競合による不安定動作の原因となり得る。
【００１１】
パラメトリック増幅プロセスの基本的な性質によって、ポンプ光，信号光およびアイドラー光の３つの光信号全てがファイバレーザリングループ（fiber laser ring loop）の入力に存在する場合には、それらの間に特定の位相関係あるならば、位相敏感増幅のみが起こる。従って、ポンプ光，信号光およびアイドラー光が全て、高非線形分散シフトファイバ（ＨＮＬ−ＤＳＦ１またはＨＮＬ−ＤＳＦ２）の入力に存在する場合は、増幅プロセスは位相敏感である。位相敏感パラメトリック増幅器に関しては、ポンプ光および信号光は、リング共振器の外側から供給され、アイドラー光は共振器において循環する。つまり、３つ全ては非線形ファイバの入力に入力される。異なるクロックは相互作用しない。その理由は、異なるクロック各々の信号全ては、異なる位相を有しているからである。このことは、利点であると同時に設計の難題でもある。何故ならば、伝送路によってもたらされる光信号は、始めるための明確な位相を有していると考えられるからである。
【００１２】
一方、ポンプ光および信号光が、非線形ファイバ（例えば、高非線形分散シフトファイバＨＮＬ−ＤＳＦ１またはＨＮＬ−ＤＳＦ２）の入力に存在している場合は、増幅プロセスは位相の影響を受けない（phase-insensitive）。従って、ポンプ光および信号光が、位相の影響を受けない場合において存在する場合には、光波の位相は問題とはならない。その理由は、アイドラー信号は、増幅器の内部で自動的に適切な位相で発生するからである。位相の影響を受けないパラメトリック増幅器の共振器においては、信号（これはパラメトリックポンプとして機能する）および共振器中で再循環するクロックのみが、非線形ファイバの入力に入力される。従って、信号とクロックとの間の光位相の関係は重要ではない。アイドラー光は、パラメトリックプロセスにおいてさらに発生されるが、このアイドラー光は、フィルタ（例えば格子）によって浪費され、アイドラー光は再循環しないようになるかまたは非線形ファイバの入力に到達しないようになる。
【００１３】
この位相の影響を受けない方法は、光波の位相を観察する必要性がないということに関して利点を与える。しかし、位相敏感設計の利点が取り除かれ、信号は相互作用する可能性がある。従って、パラメトリック増幅の他の基本的特性が実行される。ポンプ波長が、高非線形分散シフトファイバ（ＨＮＬ−ＤＳＦ１）のゼロ分散（媒質が有限の正の分散を有する場合）よりもはるかに長波長であるように設計されているならば、パラメトリック利得帯域は極めて狭い。その後、パラメトリック利得は、スペクトルにおけるポンプ光のすぐ左右にのみ位置付けられる。従って、媒質（ファイバ）が、適切な設計で選択され、入力は、波長において十分に分離されているので、各々はすぐ隣の自己のクロックを増幅し且つ変調するようになり、遠く離れた他の信号およびクロックには影響を与えないようになる。
【００１４】
残念なことに、パラメトリック利得幅が狭いときには、当該利得は小さくもある。従って、第２の増幅器が、共振器のほぼ発振閾値レベルまで全てのクロックの利得を高めるという選択がある。しかし、その第２の増幅器は、全てのクロックを一緒に増幅するので、相互利得変調は最小限に抑えられる必要がある。従って、第２の増幅器は不均一に広がっていることが好ましい。
【００１５】
図１を参照すると、光ファイバパラメトリック発信器における、安定な多チャンネルの全光クロック再生を実現するために、位相の影響を受けないクロック再生回路が示されている。信号入力ファイバ１は、例えば波長分割マルチプレクサ（図示せず）のようなカプラによって、約５００ｍの長さを有する分散シフト非線形媒質（高非線形分散シフトファイバ３の一例）に連結されている。概して、ループまたは共振器に対する起点は、リング共振器のどこにあっても良い。しかし、このレーザ共振器の例においては、起点は非線形ファイバ（ＨＮＬ−ＤＳＦ１）３の入力にある。その理由は、クロック信号は当該入力で開始するからである。
【００１６】
分散シフトファイバ３からの出力は、バンドパスフィルタ７に入力される。バンドパスフィルタからの出力は、２つの経路に分かれる。バンドパスフィルタ７からの第１経路は、分散シフトファイバ３とは反対の分散特性を有する分散補償ファイバを構成する、調整自在なファイバ遅延線９に連結される。ファイバ遅延線９の後に、第１経路は、不均一に広がった利得を有する光増幅器５６によって増幅され、その後、信号入力ファイバ１に再び連結されて、能動モード同期ファイバリングレーザの構成または共振器が完成することとなる。バンドパスフィルタ７からの第２経路は、クロック出力ファイバを含む。
【００１７】
本発明の教示によると、パラメトリック光増幅器５６は共振器中に配置されている。光増幅器５６は、再生クロックの全波長での共振器損失の一部を補償するための複数の再生クロックを増幅するために、不均一に広がった利得を有している。増幅器５６は、不均一に利得が広がっていることによって、チャンネル間のモード競合を解消し且つ共振器損失を補償するために広帯域であることが好ましい。従って、増幅器５６は、単一のデバイスで２つ以上の光チャンネルに対する安定な全光クロック再生を実現し、チャンネル総数およびスペクトル範囲は、共振器損失を補償するために使用された増幅器５６の光利得帯域幅によってのみ制限される。光増幅器５６は、パラメトリックまたはラマン増幅器であり得る。
【００１８】
図２を参照すると、位相の影響を受けない共振器ループが示されており、図１のバンドパスフィルタ７は、光サーキュレータ２３および格子構造で置換されている。当該格子構造は、例えば、光学分岐２１における格子２５およびスルー３１を含む、複数のチャープファイバブラッググレーティング（ＣＦＢＧ）である。さらに、図１の光増幅器５６は、波長分割マルチプレクサ４で置換されており、当該波長分割マルチプレクサは、第２の高非線形分散シフトファイバ３３に、波長λpでポンプ光入力５をカップリングする。
【００１９】
パラメトリック増幅器を有する多チャンネルクロック再生デバイスの、この例示的な構成において、システムは、２つの光カプラ２，３５、２箇所の高非線形分散シフトファイバすなわち利得媒質３，３３、１つの光サーキュレータ２３、４つの多重チャンネルに対する２５，２７，２９および３１のような多くのチャープファイバブラッググレーティング（チャンネル数と同じ）、1つの波長分割（付加）マルチプレクサ５および１つの連続波（ＣＷ）ポンプレーザ源６からなっている。
【００２０】
ＨＮＬ−ＤＳＦ２すなわち利得媒質３３（パラメトリック増幅器に対して使用される）に関しては、非線形ファイバのゼロ分散は、チャンネル帯域幅の中間近辺にあるべきであり、パラメトリック増幅器のポンプ波長近辺でもある。例えば、デバイスがＣ帯域（１５２５ｎｍ〜１５６５ｎｍ）で働く場合には、非線形ファイバ３３のゼロ分散は１５４５ｎｍ近辺であるべきである。
【００２１】
図３を参照すると、図２の動作原理が、利得特性を表示して説明されており、λs1・・λsnは各々、入力チャンネル１・・ｎの波長である。λs1・・λsnは、各チャンネル１・・ｎに対する再生クロックの波長である。ｉthＣＦＢＧ（すなわちｉthチャンネルのクロック波長λC1)の中心波長は、ｉth入力チャンネル信号（λs1）によって与えられる、非線形ファイバ（ＨＮＬ−ＤＳＦ１）３のパラメトリック利得ピーク’（λC1)の１つに設定される。後述されるように、非線形ファイバを適切に設計することまたはファイバ長を適切に選択することによって、各チャンネル信号によって生じた利得は、波長ドメインにおいて分離されるであろう。従って、各クロック信号の利得は、対応する入力信号によって独立して変調される。共振器損失を補償するために、一箇所の高非線形分散シフトファイバ（ＨＮＬ−ＤＳＦ２）３３で構成されるパラメトリック増幅器５６は、ポンプ入力５において高出力ＣＷ光６によって励起される。ポンプ光出力が、クロック信号の出力よりもかなり大きいときには、ポンプ減衰（pump depletion）は無視され、増幅器５６は、その利得が不均一に広がっているかのように働く。標準のＥＤＦＡとは違って、増幅器５６によってもたらされるモード競合は解消される。ＣＦＢＧが適切に設計されると、後述されるように、各チャンネルのクロックは、多様な対応する入力信号のビット周期に等しい往復遅延値（round-trip delay）を許容するように、自動的にその波長を調節することができる。従って、多チャンネルの能動モード同期リングレーザは、空間変調を通して形成され、各共鳴（クロック）チャンネルの信号利得が、対応する入力チャンネルデータのみによって強く空間的に変調される。クロック信号は、各入力データストリームから独立して抽出される。
【００２２】
高非線形分散シフトファイバ（ＨＮＬ−ＤＳＦ２）３３によって実施されるパラメトリック増幅器５６は、共振器損失を補償するために使用される。概して、ポンプ入力５でのＣＷポンプ光出力は、再生クロック信号の出力よりもかなり大きい。従って、ポンプ減衰は無視され得る。従って、ファイバ３３は不均一に利得が広がっている増幅器として機能する。それ故、標準のＥＤＦＡとは違って、パラメトリック増幅器５６によってもたらされるモード競合は解消され得る。
【００２３】
あらゆるクロックチャンネルを完全にカバーすることができる、広い利得帯域幅を得るために、（ＨＮＬ−ＤＳＦ２）ファイバすなわち利得媒質３３は、極めて小さい分散勾配および所望のポンプ波長（λp）に可能な限り近いゼロ分散波長で設計されなければならない。不必要なチャンネルクロストークを回避するために、概して、チャンネルおよびクロック信号が持つ波長域の外側に、ポンプ波長が設定されることが望ましい。図３に示されるように、ポンプ波長をチャンネル信号の波長の中央にすることも可能である。この場合には、パラメトリック増幅によってもたらされたアイドラー波長が、他の信号またはクロックのスペクトル位置と一致しないように、一部のクロック再生用チャンネルおよびポンプ波長位置は、注意深く選択されなければならない。
【００２４】
パラメトリック増幅器５６の利得は、共振器損失の大部分を補償するレベルに設定されるべきであるが、全てのクロックチャンネルに対する連続発振の閾値以下に設定されるべきである。付加的な利得平坦化フィルタ（図示せず）が必要とされるかもしれない。
【００２５】
次に、非線形ファイバ（ＨＬＦ−ＤＦＳ１）すなわち利得媒質３のパラメトリック利得帯域幅の制御が、図６および図７によって示されている。位相敏感設計とは異なり、本発明のクロック再生は、光位相の影響を受けないパラメトリック増幅を使用しており、能動モード同期に必要な利得変調を与えている。位相の影響を受けないことについての極めて重要な利点は、共振器長の干渉の安定化が必要とされず且つ入力信号の位相ノイズ量に、何らの制限がおかれていないということである。しかし、各クロック波長での狭帯域増幅が、多チャンネル動作を許容するために実現されなければならない。パラメトリック利得帯域幅の重複に起因した、隣接するクロックチャンネル間のクロストークを回避するために、非線形ファイバ（ＨＬＤ−ＤＳＦ１）すなわち利得媒質３は、適切に設計されるべきでありまたは（および）ファイバ長は、適切に選択されるべきである。
【００２６】
パラメトリック利得帯域幅は、式（１）のように近似的に表される。
【００２７】
【数１】
2007506375.tif 000003
【００２８】
式（１）において、Ｌはファイバ長であり、β2は分散パラメータであり、Ωsは位相整合状態に対応した、ポンプ波と信号波との間の周波数シフトである。式（１）は、利得帯域幅は、ファイバ長と同様に分散パラメータの増大とともに減少する、ということを示している。従って、ＨＮＬ−ＤＳＦ１すなわち利得媒質３のパラメトリック利得帯域幅を制御するために、２つの方法が使用され得る。第１に、利得帯域幅は、ファイバのゼロ分散ポイントおよび分散勾配を適切に設計することによって制御される。第２に、利得帯域幅は、ただファイバ長を変えることによって容易に調整され得る。さらに、２つの方法を組み合わせても使用され得る。しかし、有限ファイバ分散は、クロック信号と入力信号との間にウオークオフ（walk-off）を引き起こし、デバイス動作に必要な変調を効率的に減少させ且つクロックパルスを非対称にさせる。従って、クロストークを最小限にするための最小の許容チャンネル間隔および最大の許容ウオークオフが、同時に考慮されるべきである。ウオークオフは、入力信号パルス幅の５０％以上ではない範囲内に制限されるべきである。
【００２９】
２５および３１を含むＣＦＢＧを使用することによる共振器長安定化は、クロック再生システムの動作を改善する。受動的な共振器長安定化構造においては、共振器中にＣＦＢＧを組み入れることによって、レーザが自動的に外部信号ビットレートと同期性を維持することが可能になる。格子はチャープされるので、効果的な鏡映面位置は波長によって決まる。結果として、共振器長または光の郡速度における僅かな変化は、レーザ波長の僅かなシフトによって補償され得る。
【００３０】
特定のビットレートｆに対して、レーザ動作を受動的に安定させるために必要とされる最小のＣＦＢＧの長さは、以下の不等式（２）から見積もられることができる。
【００３１】
【数２】
2007506375.tif 000004
【００３２】
式（２）において、ｎは有効屈折率であり、ｃは光の速度であり、ΔλはＣＦＢＧの全てのチャープであり、Ｄは共振器ファイバの平均分散パラメータであり、Ｌcはレーザ共振器長であり、Ｄgは格子分散である。Ｄgは式（３）によって近似的に与えられる。
【００３３】
【数３】
2007506375.tif 000005
【００３４】
式（３）において、Ｌgは格子長である。
【００３５】
異なる共振器長が、異なるチャンネルに対して要求されるときに、各ＣＦＢＧ２５は、それ自身の再生クロック信号に対して、唯一のレーザ共振器長を定める。このことは、多チャンネル動作に関して、完全にゼロに等しい全共振器分散を有する必要がない、ということを意味する。
【００３６】
スペクトル選択に関して、ＣＦＢＧ２５，３１は、反射およびスペクトルフィルタリングの機能を組み合わせる。ＣＦＢＧ２５または３１の各々は、対応する修復されたチャンネルクロック信号を反射し且つＣＷポンプ６，ＡＳＥおよびＦＷＭタームなどを含む、他の波長全てでの光（最終的にレーザ共振器を出る）を通過する。個々の反射ピークは、対応するＣＦＢＧ２５または３１を歪ませるかまたは温度チューニングすることによって、容易に調整され得る。
【００３７】
ラマン増幅器を有する位相の影響を受けないループに関して、２つの構成が示されている。第１の構成は、図２に示されているループ構成と同じであり、ＨＮＬ−ＤＳＦ２媒質３３のＣＷポンプ光が、図５のラマンポンプ波長で励起されるということを除いては、サニャックレーザ構成（Sagnac laser configuration）として使用されることもできる。
【００３８】
図４を参照すると、第２のラマン増幅器構成が示されている。図２のパラメトリック増幅器５６は、例えば波長分割マルチプレクサ４１，４２のような２つの別個のカプラおよび利得媒質３によって連結された、２つのラマンポンプ源を加えることによって、ラマン増幅器として同時に使用されている。当該利得媒質は、ホーリーファイバ，フォトニックバンドギャップファイバ，ラマンファイバまたは他のいかなる高非線形分散シフトファイバであり得る。図５に示されているように、ラマンポンプ光の波長が適切に選択されると、ラマン利得帯域幅は、全てのチャンネルのクロック信号を完全にカバーすることができる。従って、同じ非線形ファイバ（ＨＮＬ−ＤＳＦ）すなわち利得媒質３は、パラメトリック利得変調およびラマン増幅の両方に対して非線形媒質として働く。概して、ＣＷポンプ光出力は、クロック信号の出力よりもかなり大きい。従って、ポンプ減衰は無視することができる。さらに、ラマン増幅器の利得は、少なくとも部分的に不均一に広がっている。従って、標準のＥＤＦＡを使用するときとは違って、増幅器によってもたらされるモード競合は解消される。他の全ての設計問題は、図２および図３で述べられたことと同じである。
【００３９】
従って、本発明の新規なクロック再生デバイスは、多チャンネル動作に対する共振器長シフトとチャンネル間のモード競合との両方によってもたらされる不安定性という課題を解決するために特に設計されている。第１に、チャンネル間のモード競合を解消するために、図２の第２のファイバによって実施される、広帯域のパラメトリック光増幅器５６すなわち広帯域のパラメトリック光増幅器５６が、ラマンファイバを有するラマン光増幅器で置換される。または、２つのポンプ源６１，６２を加えることによって、同一の高非線形分散シフトファイバ３を使用するラマン光増幅器が、共振器損失を補償するために使用される。
【００４０】
位相の影響を受けないパラメトリック利得を使用すると、共振器の干渉安定性は必要とされず且つ入力信号の位相ノイズには何の制限もおかれない。半導体をベースにしたクロック抽出器と比較して、位相の影響を受けないループは、ファイバ非線形の極めて速い応答時間によって、かなりの高ビットレートで動作することができる。
【００４１】
位相の影響を受けない設計は、例えばレーザ共振器中における格子２５，３１のような、多くのチャープファイバブラッググレーティング（ＣＦＢＧ）を使用して、レーザ波長の僅かなシフトによって周囲の共振器長変化を自動的に補償するので、出力パルス繰返し率を入力クロック周波数に受動同期することが可能になる。パラメトリック利得は、光位相の影響を受けないので、位相の影響を受けない設計は、任意の信号の位相変動に起因するノイズもない。
【００４２】
図６を参照すると、高非線形分散シフトファイバ３の代表的な分散曲線が示されている。高非線形分散シフトファイバ３は、Ｃ帯域（１５３５ｎｍ〜１５７０ｎｍ）の外側にゼロ分散波長を有するように設計されているが、より短波長側であることが好ましい。ファイバ３を用いて使用される光学効果は、図１，図２または図４のリング共振器構成における、４波混合に基づくパラメトリックレーザの高調波モードロッキングである。ポンプ光および信号がファイバの入力、特には分散シフトファイバ３の入力にあるときに、パラメトリック利得は顕在化する。位相敏感または位相の影響を受けないということに関わらず、パラメトリック利得の効率は、信号とポンプ光との間の位相整合状態およびファイバの非線形係数に関連している。パラメトリック利得帯域幅は、位相不整合と非線形効果誘導位相シフト（nonlinear effect induced phase shift）との間の相互作用によって決まり、ポンプ波長がゼロ分散波長とかけ離れているときには狭くなる。利得のピークは、郡速度分散位相シフトが、非線形位相シフトすなわちΔｋ＝−２γＰによって補償される波長で観察される。γは非線形係数、Ｐはポンプ出力およびΔｋは郡速度分散位相不整合である。同時に、線形色分散近似においては、Δｋ∝Ｄλ（λP−λ0）（λP−λS）2である。ここで、Ｄλはゼロ分散波長での分散勾配、λPはポンプ波長、λSは信号波長およびλ0はゼロ分散波長である。異なるポンプ位置に対するパラメトリック利得の帯域幅は、図７に示されている。ゼロ分散波長とかけ離れると、パラメトリック利得は狭い帯域幅を有する。この事実は、位相の影響を受けない設計において使用され、数個のチャンネルに対する多波長クロック再生システムを構築する。各チャンネルは、狭帯域幅の位相の影響を受けないパラメトリックプロセスに対するポンプとして使用される。ブラッググレーティング２５または３１からの狭い利得は、抽出されたチャンネル間での重大なクロストークは観測されない、ということを保証する。
【００４３】
好ましいファイバは、コア領域のゲルマニウムコドープによって且つディプレストクラッド領域（depressed cladding region)のフッ素コドープで作製される。プラズマ化学蒸着（ＰＣＶＤ）および内付けＣＶＤ（ＭＣＶＤ）法の両方は、かかるファイバプロファイルを実現することができる。提案されるファイバは、αプロファイル型ファイバである。提案される設計のα値は、α＝５である。内部のコア半径は２．５μｍである。内部コアの最大屈折率は、１．４８５である。ディプレストクラッドの屈折率は、１．４５１である。ディプレストクラッドの半径は、３μｍである。外側のクラッドの屈折率は、シリカ値で１．４５７である。計算されたファイバ分散は、図８に与えられている。ゼロ分散波長は、１．４４１５μｍである。ゼロ分散波長での分散勾配は、０．０７ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2である。１．５５μｍで有効なモードフィールド面積は１５μｍ2である。
【００４４】
ファイバ分散と分散勾配は、増幅領域におけるシュレディンガー方程式の数値解によって、このファイバ３においてパラメトリック利得帯域幅をモデリングするために使用され得る。図９の利得曲線は、進行波の増幅構成の場合に対して計算されている。異なる入力信号波は、チャンネの点では、クロック再生システムについての考えられ得る実用的な実施を見積もるために使用されていた。各信号の信号入力出力は、１０ｍＷに等しかった。使用されたファイバ長は１ｋｍである。この場合におけるパラメトリック利得帯域幅は、再生されたチャンネル間隔を与える。ここで設計されたファイバに対する、このチャンネル間隔は、２ｎｍのオーダーである。再生されたチャンネル間の２ｎｍの間隔は、図２および図４のファイバブラッググレーティング２５，３１の適切な設計によって保証されるであろう。このチャンネル間隔は、４０Ｇｂｉｔ／ｓに再生するクロックおよび高データビットレートを可能にする。
【００４５】
もう１つの重要点は、格子分散に関連している。０．２ｎｍの全チャープを有する１ｃｍ長の格子（上述されたように、１０Ｇｂ／ｓのクロック再生を安定させるために必要とされる最小の長さ）に関して、格子分散は、大体５００ｐｓ／ｎｍである。かかる大きな分散は、レーザ共振器における短パルスの循環を不可能にさせる。以下の簡単な説明は、このことは必ずしも正確ではないということを示している。１００％の変調度で正弦関数的に変調された単色の光波（クロック信号の最も単純な形態である）を考慮してみる。
【００４６】
【数４】
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【００４７】
式（４）において、ωは搬送周波数およびΩは変調（クロック）周波数である。周知のように、この信号のスペクトルは、搬送周波数でのメインピークと±Ωでの２つの付加ピークとによって表され、式（４）の変形によって示され得る。
【００４８】
【数５】
2007506375.tif 000007
【００４９】
この信号がチャープ格子から反射されるときに、３つのスペクトル成分全てに対する実効的な反射面は異なるであろう。少なくとも線形チャープ格子の場合に関しては、搬送周波数成分に関する差異成分および周波数合計の位相シフトθの量は、異符号で同じであろう。この結果として得られる信号は式（６）によって表される。
【００５０】
【数６】
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【００５１】
式（６）は、容易に式（７）に変形される。
【００５２】
【数７】
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【００５３】
式（７）から明らかなように、チャープ格子からの我々の単純な例としての信号の反射は、どんなに分散が大きくとも変調信号の位相シフトをもたらすが、変調信号の歪みの原因となったりまたは変調信号の形状を変化させる原因とはならない。
【００５４】
実際的なモード同期レーザにおいて、大きな共振器分散は、レーザ出力パルスがチャープされる原因となり得る。しかし、このことは、正確な分散符号を有するファイバの長さまたはＣＦＢＧに基づく補正器によって、容易に補正され得る。
【００５５】
多チャンネルデバイスに関して、パラメトリック利得の波長依存性によって、異なるチャンネルの再生クロック信号は、通常は異なる振幅を有する。必要に応じて、それらの振幅は、対応するＣＦＢＧの反射強度を変えることによって容易に一様にし得る。
【００５６】
提案されたクロック再生のデバイス動作は、パラメトリック増幅に基づいているので、増幅ファイバのゼロ分散波長に出来る限り近いポンプ光照射を有することが望ましい。しかし、ゼロ分散付近における動作は、レーザ共振器中に存在する全てのスペクトル成分間での不必要な４波混合の原因ともなり、チャンネル相互間のクロストークを若干もたらすこととなる。ポンプ光は、共振器において最も強力な信号であるので、最も有害な干渉は、ポンプ信号と再生クロック信号とが混合することによって生じる。従って、ポンプ波長が標準のチャンネル波長の１つと同じである場合またはポンプ波長が多様なチャンネル間隔によって、チャンネル波長のいずれからも離れている場合には、そのことは好ましくない。
【００５７】
ポンプ波長を、隣接する２つのチャンネル波長間の中心に設定するのが最も有利である。
例として、図７に示されている略図が考慮されるかもしれない。ここで、ポンプ波長は、２つの標準的なチャンネル波長の間の中ほどに位置している。この略図は、２つのさらなる利点を有している。第１に、ポンプ光の左右両方の波長スペースは、さらなるチャンネルが再生されることを可能にするために使用される。第２に、ＲＺ信号および再生クロックは、相応して残りの且つ標準的なチャンネルの波長さえも占有し、このことは、それらがインタリーバとして知られている市販のデバイスによって組み合わされ得る（分離され得る）ということを意味している。もちろん、全てのＲＺ信号がポンプ光の片側にあり、全ての再生クロック信号が他方側にあるという略図も使用され得るが、過剰なＦＷＭタームおよび関連するクロストークを最小限にするように、再生用のＷＤＭシステムの他の全てのチャンネルを供給することのみが必要であるかもしれない。
【００５８】
高調波モード同期ファイバレーザに伴う主要な問題の１つは、いわゆるスーパーモードノイズである。簡単な言葉では、数百メートル長のレーザ共振器では、縦モード間隔は１ＭＨｚ未満である。多くのスーパーモードは、チャンネル帯域幅内に存在し、これらのスーパーモード間のモード競合は、生成された光パルスの大振幅変動の原因となる。ＣＦＢＧの使用による共振器長におけるドリフトにも関わらず、提案されたレーザは、干渉の安定性がない場合でさえ、外部クロックに対する同期を自動的に維持することができる。従って、多峰性の（comb-like）透過スペクトルおよびクロック周波数または入力信号のクロック周波数の低調波に等しい自由スペクトル域（ＦＳＲ）を有する光フィルタが共振器中に入れられ、スーパーモードの１つまたは有限のサブセットのみを選択することとなる。その結果、スーパーモードノイズが抑制される。多峰性透過スペクトルを有する光フィルタは、ファイバループ干渉計，従来のファブリペロ−フィルタまたはＦＢＧに基づくファブリペロ−フィルタであり得る。
【００５９】
光再生器設計の当業者には明らかであるように、分散シフトファイバの代わりに、非線形媒質がＫＴＰ結晶，半導体光増幅器またはＰＰＬＮを構成し得る。
【００６０】
本明細書で説明されているように、本発明の好ましい実施例に対するさまざまな改良が、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の精神または範囲から逸脱することなくなされ得る、ということが当業者には明らかであろう。従って、本発明の改良およびバリエーションが添付の特許請求の範囲内およびそれらの均等物の範囲内にあるならば、本発明は、当該改良およびバリエーションを対象とするということを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、本発明の教示に基づいた、位相の影響を受けないパラメトリック増幅器に基づいた、リングレーザクロック再生回路の概略図である。
【図２】第２の高非線形分散シフトファイバ３３によって実施される、図１の光増幅器５６の概略図である。
【図３】図３は、図２の共振器の利得特性のグラフである。
【図４】図４は、ラマン増幅器として実行される、図１の光増幅器５６の概略図である。
【図５】図４の共振器の利得特性のグラフである。
【図６】図６は、共振器に対するファイバ長として使用され得る単一モードファイバ２８と比較した、本発明による図１，図２または図４の高非線形分散シフトファイバ３に対する波長に応じた分散のグラフである。
【図７】図７は、パラメトリック利得曲線が、ゼロ分散波長に対して信号チャンネルの位置に応じて図示されている、図１のファイバ３に対する設計図表である。
【図８】図８は、図１のファイバ３に対する波長設計図表に応じた分散である。
【図９】図９は、図１のファイバ３において励起したパラメトリック利得帯域幅のプロファイルおよび図１のファイバ３に対するチャンネル空間位置を示している。
【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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【国際調査報告】
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