(57)【要約】【課題】波長分割多重伝送系において光チャネル間クロストークの発生を抑圧する。【解決手段】波長分割多重伝送系において搬送波位相同期を用いた光ファイバ伝送システムであって、複数の光送信器１と、複数の光送信器１を入力側に接続して、搬送波位相同期させた状態にて多重化を行う多重化器と、多重化器の出力側に接続され、該多重化器で多重化された波長分割多重搬送波を伝送するための光ファイバ３と、光ファイバ３の中間に接続され、波長分割多重搬送波の増幅を行うための増幅中継器４と、光ファイバ３の終端側に接続される光受信器６とを備える。増幅中継器４は、位相感応型の光増幅中継器であり、中継増幅区間毎に光位相調整を行う。【選択図】図１
2015050670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長分割多重伝送系において搬送波位相同期を用いた光ファイバ伝送システムであって、
複数の光送信器と、
前記複数の光送信器を入力側に接続して、搬送波位相同期させた状態にて多重化を行う多重化器と、
前記多重化器の出力側に接続され、該多重化器で多重化された波長分割多重搬送波を伝送するための光ファイバと、
前記光ファイバの中間に接続され、波長分割多重搬送波の増幅を行うための増幅中継器と、
前記光ファイバの終端側に接続される一又は複数の光受信器と
を備え、
前記増幅中継器が、位相感応型の光増幅中継器であり、中継増幅区間毎に光位相調整を行うことを特徴とする光ファイバ伝送システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光ファイバ伝送システムであって、
前記増幅中継器が、
信号光と位相を同期させた励起光を発生させるための位相同期励起光発生部と、
該位相同期励起光発生部で発生された励起光と、波長分割多重搬送波の光位相差を調整するための光位相調整部と、
前記位相同期励起光発生部で発生された励起光でもって、波長分割多重搬送波を増幅するための光パラメトリック増幅部と、
を備えることを特徴とする光ファイバ伝送システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光ファイバ伝送システムであって、
前記光位相調整部が、分散補償手段を含むことを特徴とする光ファイバ伝送システム。
【請求項４】
請求項３に記載の光ファイバ伝送システムであって、
前記分散補償手段が、分散補償光ファイバを含むことを特徴とする光ファイバ伝送システム。
【請求項５】
請求項３に記載の光ファイバ伝送システムであって、
前記分散補償手段が、空間上に光波長を分散させる空間分散素子と空間位相変調素子を含む波長チャネル別光位相制御手段を含むことを特徴とする光ファイバ伝送システム。
【請求項６】
波長分割多重伝送系において搬送波位相同期を用いた光ファイバ伝送システムで用いる増幅中継器であって、
信号光と位相を同期させた励起光を発生させるための位相同期励起光発生部と、
該位相同期励起光発生部で発生された励起光と、波長分割多重搬送波の光位相差を調整するための光位相調整部と、
前記位相同期励起光発生部で発生された励起光でもって、波長分割多重搬送波を位相感応型で光増幅するための光パラメトリック増幅部と
を備えることを特徴とする光ファイバ伝送システム用増幅中継器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、増幅中継光ファイバ伝送システム及び光ファイバ伝送システム用増幅中継器に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日のネットワークトラフィックの増大により、より大容量のデータ伝送が切望されており、特に光ファイバを用いた通信の増強が求められている。光ファイバを用いた通信システムの概要を、図１３に示す。この通信システムでは、通信事業所間の通信を行う基幹系の大容量通信リンク（通信容量数１０Ｇｂｉｔ／ｓ程度以上）を実現するため、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）伝送系を採用している。
【０００３】
このような伝送システムにおいて遠距離の地点での通信を実現するためには、光ファイバ８３の総延長距離を長くする必要があり、信号の減衰が避けられない。そこで、一定距離毎（例えば４０ｋｍ、８０ｋｍといった間隔で）に増幅中継器８４や再生中継器８７を設けることが必要となる。このような増幅中継器８４には従来、位相非感応のレーザ増幅器が利用されてきた。ここで再生中継器８７は高価であるため、再生中継器間の距離である再生中継間隔ＤＴを長くすることが求められている。
【０００４】
しかしながら再生中継間隔を制限する要因に、光チャネル間クロストークがある。ここで光チャネル間クロストークとは、ある光チャネルの信号光が、他の光チャネルの光波の影響を受けることである。その主な原因は、図１４に示すように、伝送路である光ファイバ８３中での四光波混合（ＦＷＭ）の発生による。四光波混合とは、異なる波長を持つ２つ又は３つの信号光が近接する波長間の相互作用によって、新たな光、すなわち四光波混合光（ＦＷＭ光）が別の波長域に発生する現象である。図１４の例では、例えば３つの信号光として光周波数ｆi、ｆj、ｆk、が同一の光ファイバ８３である伝送路に入力されると（光周波数ｆijk＝−ｆi＋ｆj＋ｆk、光位相θijk＝−θi＋θj＋θk）、新たなＦＷＭ光、が発生して出力光に混入される。四光波混合光が発生すると、図１５に示すように、本来の信号光であるＷＤＭ入力光に対して、同じ周波数位置にあるＦＷＭ光が重畳されて、結果として得られるＷＤＭ出力光は、信号光とＦＷＭ光が干渉し合い、クロストークが発生して信号波形が歪むという問題が生じていた。
【０００５】
このため従来は、クロストークが発生しないように入力信号の信号強度を抑えた状態で伝送を行っていた。しかしながら、信号強度を抑えると、ＳＮＲが減少し符号誤りが増加する虞もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３５４５９７７号公報
【特許文献２】特許５２１００３５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】A. Mizutori et al, OECC/PS 2013 WR4-4, 2013.
【非特許文献２】Y. Sakai, et al., OECC/PS, TuPR-7, 2013.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、波長分割多重伝送系において光チャネル間クロストークの発生を抑制して再生中継間隔の長延伸と伝送容量の増加が可能な増幅中継光ファイバ伝送システム及び光ファイバ伝送システム用増幅中継器を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の第１の側面に係る光ファイバ伝送システムによれば波長分割多重伝送系において搬送波位相同期を用いた光ファイバ伝送システムであって、複数の光送信器と、前記複数の光送信器を入力側に接続して、搬送波位相同期させた状態にて多重化を行う多重化器と、前記多重化器の出力側に接続され、該多重化器で多重化された波長分割多重搬送波を伝送するための光ファイバと、前記光ファイバの中間に接続され、波長分割多重搬送波の増幅を行うための増幅中継器と、前記光ファイバの終端側に接続される一又は複数の光受信器とを備えており、前記増幅中継器が、位相感応型の光増幅中継器であり、中継増幅区間毎に光位相調整を行うことができる。上記構成により、波長分割多重通信における信号光位相偏移成分を、位相感応光増幅中継器で減衰させることで、光チャネル間クロストークを抑圧することができる。
【００１０】
また、第２の側面に係る光ファイバ伝送システムによれば、前記増幅中継器が、信号光と位相を同期させた励起光を発生させるための位相同期励起光発生部と、該位相同期励起光発生部で発生された励起光と、波長分割多重搬送波の光位相差を調整するための光位相調整部と、前記位相同期励起光発生部で発生された励起光でもって、波長分割多重搬送波を増幅するための光パラメトリック増幅部とを備えることができる。上記構成により、波長分割多重通信における信号光位相偏移成分を、位相感応光増幅中継器で減衰させることで、光チャネル間クロストークを抑圧することができる。
【００１１】
さらに、第３の側面に係る光ファイバ伝送システムによれば、前記光位相調整部が、分散補償手段を含むことができる。
【００１２】
さらにまた、第４の側面に係る光ファイバ伝送システムによれば、前記分散補償手段が、分散補償光ファイバを含むことができる。
【００１３】
さらにまた、第５の側面に係る光ファイバ伝送システムによれば、前記分散補償手段が、空間上に光波長を分散させる空間分散素子と空間位相変調素子を含む波長チャネル別光位相制御手段を含むことができる。
【００１４】
さらにまた、第６の側面に係る光ファイバ伝送システム用増幅中継器によれば、波長分割多重伝送系において搬送波位相同期を用いた光ファイバ伝送システムで用いる増幅中継器であって、信号光と位相を同期させた励起光を発生させるための位相同期励起光発生部と、該位相同期励起光発生部で発生された励起光と、波長分割多重搬送波の光位相差を調整するための光位相調整部と、前記位相同期励起光発生部で発生された励起光でもって、波長分割多重搬送波を位相感応型で光増幅するための光パラメトリック増幅部とを備えることができる。上記構成により、波長分割多重通信における信号光位相偏移成分を、位相感応光増幅中継器で減衰させることで、光チャネル間クロストークを抑圧することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光ファイバ伝送システムを示すブロック図である。
【図２】位相同期励起光発生部の構成例を示すブロック図である。
【図３】光位相調整部の構成例を示すブロック図である。
【図４】光位相調整部の他の構成例を示すブロック図である。
【図５】光パラメトリック増幅部の構成例を示すブロック図である。
【図６】光パラメトリック増幅部の他の構成例を示すブロック図である。
【図７】位相非感応型のＥＤＦＡとＰＳＡの、入力光と出力光の位相差に対する利得を示すグラフである。
【図８】位相感応型のＥＤＦＡとＰＳＡの、入力光と出力光の位相差に対する利得を示すグラフである。
【図９】図９Ａは光ファイバ伝送後の光信号の分布を示す図、図９Ｂは図９Ａの光信号をＰＳＡを中継させた分布を示す図、図９Ｃは光ファイバ伝送前の光信号のＰＳＫ信号のコンスタレーション、図９Ｄは図９ＡのＰＳＫ信号のコンスタレーション、図９Ｅは図９ＤのＰＳＫ信号に対して分散補償を行ったコンスタレーション、図９Ｆは図９ＥのＰＳＫ信号に対してＰＳＡ増幅を行ったコンスタレーションを、それぞれ示している。
【図１０】搬送波位相同期ＷＤＭ伝送系の理論計算モデルを示す模式図である。
【図１１】図１１ＡはＰＩＡ中継、図１１ＢはＰＳＡ中継による、２，４，６段増幅中継後の信号空間上の信号光の軌跡を示すコンスタレーションである。
【図１２】光チャネル間クロストークによるアイ開口率とアイパターンを示すグラフである。
【図１３】光ファイバを用いた通信システムを示す概略図である。
【図１４】光ファイバ伝送路にＦＷＭ光が発生する様子を示す概念図である。
【図１５】ＦＷＭ光が発生したＷＤＭ光を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための光ファイバ伝送システム及び光ファイバ伝送システム用増幅中継器を例示するものであって、本発明は光ファイバ伝送システム及び光ファイバ伝送システム用増幅中継器を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
（光ファイバ伝送システム）
【００１７】
図１に、本発明の一実施の形態に係る光ファイバ伝送システム１００のブロック図を示す。この光ファイバ伝送システム１００は、波長分割多重伝送系において搬送波位相同期を用いている。具体的には、光ファイバ伝送システム１００は、複数の光送信器１、１、．．．と、複数の光送信器１を入力側に接続して、搬送波位相同期させた状態にて多重化を行う多重化器２と、多重化器２の出力側に接続され、該多重化器２で多重化された波長分割多重搬送波を伝送するための光ファイバ３と、光ファイバ３の中間に接続され、波長分割多重搬送波の増幅を行うための増幅中継器４と、光ファイバ３の終端側に接続されて、増幅中継器４で増幅された波長分割多重搬送波の分波を行うための分波器５と、分波器５で分波された各光チャネル信号を受信するための複数の光受信器６、６、．．．とを備えている。尚、分波器を用いない方法もある。例えば、光受信器が光ホモダイン／光ヘテロダイン／光イントラダイン受信器であって、光電変換部及びそのフロントエンド部の帯域遮断特性を調整することにより、局発光と光電変換部等に光チャネル弁別機能を有しせしめることで、必ずしも分波器を用いないことも可能である。このような構成は、複数の光受信器を並列させる場合の光分配損等が問題にならない場合等に適用できる。
（増幅中継器４）
【００１８】
増幅中継器４は、位相感応型の光増幅中継器である（詳細は後述）。この増幅中継器４は、信号光と位相を同期させた励起光を発生させるための位相同期励起光発生部１１と、位相同期励起光発生部１１の制御信号でもって、この位相同期励起光発生部１１で発生された励起光と、波長分割多重搬送波の光位相差を調整するための光位相調整部１２と、位相同期励起光発生部１１で発生された励起光でもって、波長分割多重搬送波を増幅するための光パラメトリック増幅部１３とを備えている。
（位相同期励起光発生部１１）
【００１９】
位相同期励起光発生部１１は、信号光（ＷＤＭ信号光）と光位相同期した励起光を発生する。位相同期励起光発生部１１の構成例を図２に示す。この図に示す位相同期励起光発生部１１は、励起光源１４と、波長チャネル選択器１５と、光９０°ハイブリッド１６と、バランスレシーバ１７と、乗算器１８と、ループフィルタ１９と、制御回路２０を備えている。図２の例では、ＷＤＭ信号光の各波長チャネルがＢＰＳＫ信号で、その光周波数が励起光周波数に対して対称な２波長からなる場合の構成例を示している。ＷＤＭ信号光の内、ある単一の波長チャネルのみが波長チャネル選択器１５により選択される。また励起光源１４は、出力光の光周波数を電圧によって制御して励起光を発生させる電圧制御光源である。この信号光と励起光の光周波数差と光位相が、所定の値に安定化するように、光９０°ハイブリッド１６、バランスレシーバ１７、乗算器１８、ループフィルタ１９で構成された光位相同ループ回路により、励起光源１４が制御される。また波長チャネル選択器１５を切り替えることにより、各波長チャネルに対して位相誤差信号が検出され、これが光位相調整部１２に送られる。なお図２では説明の簡素化のため、入力信号光は規定の偏波としているが、任意の偏波の入力の場合は、偏波ダイバーシチ構成を採用できる。
（光位相調整部１２）
【００２０】
光位相調整部１２は、入力する光位相同期したＷＤＭ光を構成する各波長チャネル間の光位相を調整する。光位相調整部の構成例を図３に示す。この図に示す光位相調整部１２Ａは、１対Ｎ光スイッチ２１と、Ｎ対１光スイッチ２２と、光スイッチ駆動制御部２３を備えている。１対Ｎ光スイッチ２１は、光スイッチ駆動制御部２３からの信号によって、入力光をＮポートある出力ポートのいずれか１つに出力する。Ｎ対１光スイッチ２２は、光スイッチ駆動制御部２３からの信号によって、Ｎ個の入力ポートのいずれか１つ（１対Ｎ光スイッチ２１の光出力ポートがｉポートなら、ｉポートから）の入力光を、１つの出力ポートに出力する。なお、後述する分散補償光ファイバ（Dispersion Compensation Fiber：ＤＣＦ）は分散値を有し、各波長チャネルの間に異なる位相シフトを与える。この場合は、外部から与えられる制御信号により、各チャネルに与える位相シフト量を調整できる。
【００２１】
さらに光位相調整部の他の構成例を図４に示す。この光位相調整部１２Ｂは、光サーキュレータ２４と、第一レンズ２５と、回折格子２６と、第二レンズ２７と、液晶空間変調素子（Liquid Crystal on Silicon：ＬＣＯＳ）２８と、ＬＣＯＳ駆動制御部２９とを備えている。光位相調整部１２Ｂに入力されたＷＤＭ信号光は、光サーキュレータ２４の右方に通過し、第一レンズ２５により空間的な平行ビームとなって、回折格子２６に入射する。また回折格子２６と第二レンズ２７により、各波長チャネル信号はＬＣＯＳ２８上の異なる位置に分散される。さらにＬＣＯＳ２８は、この素子上の異なる位置に入射される光に、任意の位相シフトを与えて反射する。この反射光は第二レンズ２７、回折格子２６、第一レンズ２５等を通過し、光サーキュレータ２４により下方に出力される。この構成においても、外部から与えられる制御信号により、各波長に与える位相シフト量を調整できる。また図４の構成を、図３の構成と組み合わせて使用することもできる。
（光パラメトリック増幅部１３）
【００２２】
光パラメトリック増幅部１３は、励起光とＷＤＭ信号光を入力し、内部に含む光パラメトリック増幅媒質である光非線形媒質における励起光とＷＤＭ信号光の相互作用により、ＷＤＭ信号光を一括増幅する。光パラメトリック増幅部の一例を図５に示す。この図に示す光パラメトリック増幅部１３Ａは、光カップラ３１と、高非線形光ファイバ（ＦＷＭ）３２と、光フィルタ３３とを備える。この光パラメトリック増幅部１３は、ＷＤＭ信号光と位相が同期した励起光が、光カップラ３１により合波され、光パラメトリック媒質である高非線形光ファイバ３２に入力される。この高非線形光ファイバ３２中での光伝搬により生じるＦＷＭ効果によって、非縮退パラメトリック増幅が生じる。ここで励起光周波数に対して、各波長チャネルの信号光（２つの周波数成分からなる）周波数が対称の関係にあるので、位相依存利得が生じる。そして出力側に配置された光フィルタ３３により、励起光が遮断され、信号光のみが次段の伝送路光ファイバに出力される。
【００２３】
さらに光パラメトリック増幅部１３の他の構成例を図６に示す。この図に示す光パラメトリック増幅部１３Ｂは、光カップラ３１と、第一周期分極反転ニオブ酸リチウム（Periodically Poled Lithium Niobate：ＰＰＬＮ）３４と、第二ＰＰＬＮ３５と、光フィルタ３３を備える。この例では、光パラメトリック媒質にＰＰＬＮを使用している。励起光はまず、第一ＰＰＬＮ３４で第二高調波（ＳＨＧ）に変換された後、光カップラ３１で信号光と合波されて、第二ＰＰＬＮ３５を伝搬し、差周波光発生（ＤＦＧ）により、位相感応増幅される。このように、ＰＰＬＮをＤＦＧのみならず、ＳＨＧ変換デバイスとしても用いることができる。他の構成は、図５と同様のものが利用できる。
（分散補償手段）
【００２４】
また光位相調整部１２は、分散補償手段を含む。分散補償手段には、例えば分散を補償する分散補償光ファイバ（例えばカットオフシフトファイバ、分散シフトファイバ、ノンゼロ分散シフトファイバ、分散フラットファイバ、ホーリーファイバ）を挿入する、あるいは分散補償器（例えばＶＩＰＡ分散補償、ＦＢＧ分散補償、エタロン分散補償、ＰＭＤ分散補償、電気分散補償）や符号処理等を利用する等、既知の方法が利用できる。好ましくは、空間上に光波長を分散させる空間分散素子と空間位相変調素子を含む波長チャネル別光位相制御手段を分散補償手段に利用する。
（ＰＳＡ）
【００２５】
位相感応光増幅器（Phase  Sensitive  Amplifier：ＰＳＡ）とは、利得が、入力する信号光の光位相に依存している光増幅器であり、光パラメトリック増幅を用いて実現することができる。これに対して、半導体光増幅器（ＳＯＡ）や、希土類添加光ファイバ増幅器（例えばＥＤＦＡ（Erbium-doped fiber amplifier））等のレーザ増幅器やラマン増幅器は、入射光の光位相に依存せず増幅し、入射光と同相の増幅光を出力する位相非感応型光増幅器（Optical Phase Insensitive Amplifier）である。
【００２６】
ここで、従来の位相非感応型光増幅器であるＥＤＦＡと、本実施の形態に係る光ファイバ伝送システムで採用した位相感応型光増幅器の、信号光と励起光の位相差θin［rad］と利得Ｇ［ｄＢ］の関係の例を図７に示す。また、信号光と励起光の位相差θin［rad］を横軸に、出力光の位相θoutを縦軸に取ったグラフを、図８に示す。これらの図に示すように、従来のＥＤＦＡ（図において破線で示す）では、位相差によらず利得が一定であるのに対し、ＰＳＡ（図において実線で示す）では位相差に依存することが判る。すなわち、信号光が励起光と同位相の成分については振幅が増幅され、一方で信号光が励起光と直交する成分については振幅が減衰する。この性質を利用することで、ＰＳＡを用いてＦＷＭ光を減衰できる（詳細は後述）。
【００２７】
位相感応型光増幅器は、縮退及び非縮退光パラメトリック増幅を用いて実現できる。縮退光パラメトリック増幅を用いる場合では図７に示すように、直交する２つの位相成分の片方には利得Ｇを、他方には減衰１／Ｇを与える。利得を与える光位相と、入力する信号光の平均光位相とが一致したとき、位相非感応光増幅器が被る標準量子限界（雑音指数３ｄＢ以上）を被らない無雑音（雑音指数０ｄＢ）の光増幅が原理的に可能となる。非縮退パラメトリック増幅を用いる場合では、信号光として、光パラメトリック過程におけるシグナルとアイドラの関係（例えば励起光周波数に対して、信号光周波数とアイドラ光周波数が対称に配置されている）にある２波を入力する。このとき、利得の入力光位相依存性がπ／Ｎ（Ｎは２以上の整数）の周期性を有しせしめることも可能である。
【００２８】
一方、従来のＥＤＦＡは、図８に示すように、位相がずれた場合に線形変化してしまうので、位相の違いが出力光に出てしまう。これに対してＰＳＡでは、出力光位相対入力光位相の依存性は、ステップ状の形状を示すので、ある程度の入力光位相のズレがあっても出力する光の位相は大きく変化しない。すなわち、この特性の違いから後に詳述する効果により光信号ごとのクロストークが起きないという利点を有する。
【００２９】
図１に示す光通信では、光ファイバ３内を通過する数十波以上の光通信波長のＷＤＭ伝送系で、増幅中継器４がＰＳＡを備えることで、伝送路光ファイバ内にて発生する光チャネル間クロストーク光を増幅中継器が抑圧し、光チャネル間クロストークを抑圧するという優れた作用効果を発揮する。
【００３０】
ここで、本実施の形態による四光波混合の抑制効果を図９Ａ〜図９Ｆに示す。これらの図において、図９Ａは各増幅中継スパンにおける光ファイバ伝送後の光信号の分布を示しており、光信号に光位相変動ＶＲが見られる。これに対し、光ファイバ伝送後の光信号をＰＳＡに中継させることで、図９Ｂに示すように変動ＶＲ’を圧縮できる。具体的には、図９Ｃのコンスタレーションに示すようなＰＳＫ信号が、光ファイバ伝送路を伝搬されることで、図９Ｄの線幅が細い矢印に示すようにＦＷＭ光が発生し、光信号の位相が変動する（ここでは光信号の減衰は、説明のため無視している）。すなわち、光チャネル間クロストークが発生し伝送性能が劣化する。
【００３１】
これに対し、各光チャネル間の光位相を揃える（分散補償）を行うことで、図９Ｅに示すように波長チャネル間クロストーク光であるFWM光の位相を信号光位相と直交化できる。すなわち、信号光の振幅変動が減少し、殆ど位相変動のみとなる。この後更にＰＳＡ増幅を行うことで、図９Ｆに示すようにＦＷＭ光の振幅を減衰させ、θ方向（位相方向）の雑音を抑制できる。なぜなら、PSAは前述の入力光位相対出力光位相の依存性がステップ状となるため、入力光の位相変動を吸収するからである。
（四光波混合）
【００３２】
ここで、ＦＷＭによる光チャネル間クロストークについて説明する。伝送系に光ファイバを用いた通信では、１９９０年代後半以降、大容量化のために波長分割多重（ＷＤＭ： Wavelength Division Multiplexing）技術が採用されてきた。この技術を採用している実用化システムでは、標準化された光周波数グリッドに合致した光周波数（波長）を有する個別の半導体レーザを多重相当数実装して実現している。この場合、光ファイバ伝搬中に、光ファイバ内での光非線形現象の発現に伴い伝送性能が制限される。光非線形現象の内四光波混合（Four-Wave Mixing：ＦＷＭ）と呼ばれる現象により隣接グリッドの光周波数位置に新たな光が誘発されてしまうからである。この誘発された光は、当該グリッドに配置されたレーザ光源の信号にビート雑音として影響を及ぼし、伝送特性を劣化させる。これは、誘発された光が個別の半導体レーザ光源からの光とは無相関状態にあるため、ビート雑音を生み出すためである。このビート雑音強度は、誘発された光が微弱であっても信号光のＳＮＲへの影響は大きく、信号光強度と比較して−３０ｄＢを超えると、誤り率特性に影響が現れる。
【００３３】
ビート雑音の影響を抑制するには、これまで光ファイバへの入力光強度を弱める方法が多く施されてきた。しかしながらこの方法では、ＳＮＲが低下するため、デジタル信号伝送時における伝送符号誤り率の上昇に繋がり、伝送品質を低下させる要因となる。
【００３４】
これに対し本発明者らは、搬送波が互いに光位相同期したＷＤＭ伝送系で、伝送路光ファイバ中に生じる四光波混合光の光位相も信号光に対して同期させることで、光（波長）チャネル間ＦＷＭクロストークを抑圧できることを見出した。具体的には、位相感応型光増幅器（Phase Sensitive Amplifier：ＰＳＡ）を増幅中継器として、搬送波位相同期ＷＤＭ伝送系に適用し、さらにＰＳＡでＦＷＭによる信号光位相偏移成分を減衰させることで、光チャネル間クロストークを大幅に抑圧できることを見出した。
【００３５】
ＰＳＡは従来、多波長の光伝送を想定したものでなく、単波長（一つの光）の光増幅を目的に、将来の超高速・大容量光通信システムにおける低雑音増幅器への適用を期待されていた。換言すると、ＰＳＡを搬送波位相同期多波長光伝送通信に用いることは現状では想定されておらず、これらの研究例も無い。
（理論計算モデル）
【００３６】
本発明者らは、波長分割多重伝送系において搬送波位相同期にＰＳＡを適用することの有用性を裏付けるため、ＢＰＳＫ変調、搬送波位相同期ＷＤＭ−増幅中継伝送系における光チャネル間クロストークによる符号間干渉の数値シミュレーションを行った。ここで、シミュレーションの理論計算のモデル図を、図１０に示す。この図に示す光ファイバ伝送システムは、光ファイバ３を伝送路とするＰＳＫ変調信号のＭ波ＷＤＭ伝送系であり、Ｎ段の増幅中継器４による中継後、各波のホモダイン受信を行う。ここでデータはＭ系列とした。このシステムにおいて、ｋ番目の光チャネルの変調波電界は次式で与えられる。
2015050670.tif 000003
【００３７】
上式において、ωは基準搬送波の角周波数、Δωは光チャネル間角周波数間隔、θdkとθkはそれぞれｋ番目の光チャネルのＰＳＫ位相角と搬送波初期位相を、それぞれ示している。各ｋに関して、θkは次式のように設定した。
2015050670.tif 000004
【００３８】
増幅中継器４は、エルビウム添加光ファイバ増幅器（Erbium-Doped Fiber Amplifier：ＥＤＦＡ）のように、入力光位相に依存せず、伝送路損失分の利得を与える位相非感応型光増幅（ＰＩＡ）の場合と、同相位相成分に利得を直交位相成分に減衰を与える基本型ＰＳＡの場合の両方を計算した。ＰＳＡ増幅では、各光チャネルの平均光位相を抽出・移相後、位相感応増幅するものとした。光ファイバ伝送路中の光波の伝搬は、損失、分散、光非線形係数を想定した非線形シュレジンガー方程式を用いて計算した。各光チャネル検波信号のアイパターンを用いて符号間干渉を評価した。
（シミュレーション結果）
【００３９】
次に、２，４，６段増幅中継後の受信光信号の信号空間上での符号点を、ＰＩＡ中継の例を図１１Ａに、ＰＳＡ中継の例を図１１Ｂに、それぞれ示す。これらに図において、ａ、ａ’は２段増幅中継後、ｂ、ｂ’は４段増幅中継後、ａ、ａ’は４段増幅中継後、ｃ、ｃ’は６段増幅中継後の星座図を、それぞれ示している。ここで変調符号は、符号速度１０Ｇｂｉｔ／ｓ、ＲＺ−ＢＰＳＫ符号とした。また増幅中継区間距離を８０ｋｍ、伝送路ファイバの損失を０．３ｄＢ／ｋｍ、送信光パワーを１ｍＷ、光チャネル周波数間隔を５０ＧＨｚ、波長多重数を５とした。図１１Ａ及び図１１Ｂは、ＦＷＭの影響が最も大きいと思われる周波数中心の光チャネルであるｋ＝３のものである。また、伝送路ファイバの２次及び３次分散は、ＦＷＭが大きく生じるようにどちらも零とした。ＰＳＡ中継系では、各光チャネルの位相を揃えて増幅している。
【００４０】
図１１Ａに示すように、ＰＩＡ増幅中継系では、ＦＷＭにより信号点の符号間での偏差が累積する。また自己位相変調により符号内での位相が回転していることが判明した。これに対してＰＳＡ中継では、図１１Ｂに示すように、中継時に直交位相の偏差が抑圧され累積していないことが判明した。さらに中継段数に対するアイ開口率とアイパターンを、図１２に示す。この図から、光チャネル間クロストークによるアイ開口率が低下していることが判る。同図中のアイパターンはＰＳＡ中継時とＰＩＡ中継時の、それぞれの５段中継後の検波波形である。ＰＳＡ中継ではＦＷＭによるアイ開口劣化が抑圧されていることが判明した。
【００４１】
以上のように、ＢＰＳＫ変調、搬送波位相同期ＷＤＭ−増幅中継伝送系における光チャネル間クロストークによる符号間干渉の数値シミュレーション結果から、ＰＳＡ中継によるクロストーク抑圧の有用性が確認された。すなわち、位相同期ＷＤＭ伝送においてＰＳＡ増幅中継を適用することにより、ＦＷＭによる光チャネル間クロストークを抑圧できることが確認された。この結果、再生中継器間の間隔を従来の数倍以上に延長でき、再生中継器間の間に設置する増幅中継器も、従来の増幅中継器に比べて設置個数を減少させることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の光ファイバ伝送システム及び光ファイバ伝送システム用増幅中継器は、次世代の大容量光通信ネットワークの増幅中継器として好適に利用できる。
【符号の説明】
【００４３】
１００…光ファイバ伝送システム
１…光送信器
２…多重化器
３…光ファイバ
４…増幅中継器
５…分波器
６…光受信器
１１…位相同期励起光発生部
１２、１２Ａ、１２Ｂ…光位相調整部
１３、１３Ａ、１３Ｂ…光パラメトリック増幅部
１４…励起光源
１５…波長チャネル選択器
１６…光９０°ハイブリッド
１７…バランスレシーバ
１８…乗算器
１９…ループフィルタ
２０…制御回路
２１…１対Ｎ光スイッチ
２２…Ｎ対１光スイッチ
２３…光スイッチ駆動制御部
２４…光サーキュレータ
２５…第一レンズ
２６…回折格子
２７…第二レンズ
２８…液晶空間変調素子（ＬＣＯＳ）
２９…ＬＣＯＳ駆動制御部
３１…光カップラ
３２…高非線形光ファイバ（ＦＷＭ）
３３…光フィルタ
３４…第一周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）
３５…第二ＰＰＬＮ
８３…光ファイバ
８４…増幅中継器
８７…再生中継器
ＤＴ…再生中継間隔
ＶＲ、ＶＲ’…変動
【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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【図１０】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１１】
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【図１２】
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