(57)【要約】【課題】分布ラマン増幅と集中型光増幅器を組み合わせた光増幅中継システムにおいて、送信光パワーに応じて分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分を最適化し、低雑音化および伝送距離の長距離化を図る。【解決手段】１中継区間の伝送損失を集中型光増幅器と分布ラマン増幅の併用により補償する構成としたときに、ＡＳＥ雑音と二重レーリー散乱による雑音を考慮した光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）の値が最大になるように、送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分を設定する。【選択図】　　　　図２
2004140671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集中型光増幅器と分布ラマン増幅により光信号の増幅を行う光増幅中継システムにおいて、
１中継区間の伝送損失（Ｒ［ｄＢ］）を集中型光増幅器（利得：Ｒ−Ｇｒ［ｄＢ］　）と分布ラマン増幅（利得：Ｇｒ［ｄＢ］　）の併用により補償する構成とし、
送信光パワーをＰ［ｍＷ］、１中継区間で発生するＡＳＥ雑音量をＰＡＳＥ　［ｍＷ］、送信光パワーＰに依存する二重レーリー散乱による雑音量をＰＤＲＳ（Ｐ）［ｍＷ］としたときに、ＡＳＥ雑音と二重レーリー散乱による雑音を考慮した光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）［ｄＢ］を
光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）＝１０ｌｏｇ１０（Ｐ／（ＰＡＳＥ　＋ＰＤＲＳ（Ｐ）））　　…（１）
と定義し、この光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）の値が最大になるように、送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分を設定する構成である
ことを特徴とする光増幅中継システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光増幅中継システムにおいて、
光信号を伝送する際に生じる分散と非線形効果による伝送波形のアイ開口劣化をＥｏｐ（Ｇｒ，Ｐ）［ｄＢ］としたときに、
光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）−Ｅｏｐ（Ｇｒ，Ｐ）　　　　…（２）
の値が最大になるように、送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分を設定する構成である
ことを特徴とする光増幅中継システム。
【請求項３】
請求項２に記載の光増幅中継システムにおいて、
光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）−Ｅｏｐ（Ｇｒ，Ｐ）の値が最大になる送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅利得をＧｒ２としたときに、
｛光ＳＮＲ（Ｇｒ２，Ｐ）−Ｅｏｐ（Ｇｒ２，Ｐ）｝−｛光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）−Ｅｏｐ（Ｇｒ，Ｐ）｝…（３）
の値が所定値以下になるように、送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分を設定する構成である
ことを特徴とする光増幅中継システム。
【請求項４】
請求項１に記載の光増幅中継システムにおいて、
光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）の値が最大になる送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅利得をＧｒ１としたときに、
Ｇｒ１−３＜Ｇｒ　＜Ｇｒ１　　　　　　　　　　…（４）
の範囲で送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分を設定する構成である
ことを特徴とする光増幅中継システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号の長距離伝送に用いる光増幅中継システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅中継システムでは、光伝送路中に適当な間隔で配置される光ファイバ増幅器などを用いた集中型光増幅器と、光伝送路に励起光を入射してラマン増幅を行う分布ラマン増幅がそれぞれ個別に検討されている。このうち分布ラマン増幅は、集中型光増幅器と比較してＡＳＥ雑音特性が優れていることが知られている（非特許文献１）。そのため、分布ラマン増幅は長距離伝送を実現する光増幅中継システムにおける増幅手段として有利であると考えられ、近年様々な機関から分布ラマン増幅を用いた長距離光伝送実験が報告されている（非特許文献２）。
【０００３】
しかし、送信光パワーが大きい場合や中継間隔が長い場合に分布ラマン増幅を用いると、ＡＳＥ雑音以外の主要な雑音成分となるうる二重レーリー散乱による雑音の影響が大きくなる。したがって、分布ラマン増幅を適用する際には、二重レーリー散乱が懸念材料になると指摘されている（非特許文献３）。
【０００４】
すなわち、ＡＳＥ雑音の低減には分布ラマン増幅が有効であるが、二重レーリー散乱による雑音の低減には集中型光増幅器が有効である。したがって、ＡＳＥ雑音と二重レーリー散乱の両方を考慮した場合には、最適な光増幅中継システムの構成として分布ラマン増幅と集中型光増幅器を組み合わせたものになると考えられる。
【０００５】
【非特許文献１】
那賀、小谷川、２００１年信学会総合大会、Ｂ−１０−４０
【非特許文献２】
Ｔ．Ｍａｔｓｕｄａ　ｅｔ　ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．　Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３８，ｐｐ．８１８−８１９，　２００２
【非特許文献３】
Ｓ．Ａ．Ｅ．Ｌｅｗｉｓ　ｅｔ　ａｌ．，ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．１２，ｐｐ．５２８−５３０，　２０００
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、分布ラマン増幅と集中型光増幅器を組み合わせた光増幅中継システムでは、二重レーリー散乱による雑音特性の定量的な評価はなされておらず、またＡＳＥ雑音と二重レーリー散乱の両方を考慮した光増幅中継システムの最適化に関する検討もなされていない。
【０００７】
なお、ＡＳＥ雑音量は送信光パワーに依存せず、集中型光増幅器より分布ラマン増幅の方が低雑音である。一方、二重レーリー散乱による雑音量は送信光パワーに比例し、分布ラマン増幅より集中型光増幅器の方が低雑音である。このような特性を考慮し、光増幅中継システムにおいて伝送距離を長距離化するためには、送信光パワーに応じて、分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分を最適化する必要がある。
【０００８】
本発明は、分布ラマン増幅と集中型光増幅器を組み合わせた光増幅中継システムにおいて、送信光パワーに応じて分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分を最適化し、低雑音化および伝送距離の長距離化を図ることができる光増幅中継システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
分布ラマン増幅と集中型光増幅器を組み合わせた光増幅中継システムでは、送信光パワーＰを大きくすると、ＡＳＥ雑音に対応する光ＳＮＲＡＳＥ　は大きくなる（改善される）が、二重レーリー散乱による雑音に対応する光ＳＮＲＤＲＳ　は小さくなる（劣化する）。また、分布ラマン増幅の利得配分を大きくすると、集中型光増幅器におけるＡＳＥ雑音量が相対的に低下するので光ＳＮＲＡＳＥ　は大きくなるが、分布ラマン増幅による経路平均パワーが大きくなって二重レーリー散乱による雑音量が大きくなるので光ＳＮＲＤＲＳ　は小さくなる。
【００１０】
以上の関係により、分布ラマン増幅と集中型光増幅器を組み合わせた光増幅中継システムでは、ＡＳＥ雑音に対応する光ＳＮＲＡＳＥ　と二重レーリー散乱による雑音に対応する光ＳＮＲＤＲＳ　を合わせた実効的な光ＳＮＲに対して、送信光パワーに応じた集中型光増幅器と分布ラマン増幅の利得配分の最適値が存在することになる。すなわち、送信光パワーに応じて最適な分布ラマン増幅の利得配分を設定することにより、低雑音の光増幅中継システムを構成することができる。
【００１１】
請求項１に記載の光増幅中継システムは、１中継区間の伝送損失を集中型光増幅器と分布ラマン増幅の併用により補償する構成としたときに、式（１）　で定義されるＡＳＥ雑音と二重レーリー散乱による雑音を考慮した光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）の値が最大になるように、送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分を設定する構成である。
【００１２】
また、分布ラマン増幅と集中型光増幅器を組み合わせた光増幅中継システムでは、送信光パワーＰを大きくしたり、分布ラマン増幅の利得配分を大きくすると、経路平均パワーが増加するために非線形効果の影響によって波形劣化が大きくなる。
【００１３】
このため、請求項２に記載の光増幅中継システムは、この光信号を伝送する際に生じる分散と非線形効果による伝送波形のアイ開口劣化を考慮し、式（１）　で示される光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）と、アイ開口劣化Ｅｏｐ（Ｇｒ，Ｐ）［ｄＢ］の差（式（２））の値が最大になるように、送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分を設定する構成である。これにより、光ＳＮＲと、分散と非線形効果による波形劣化を考慮した伝送性能は、送信光パワーと分布ラマン増幅の利得配分を最適化することにより最大となる。
【００１４】
請求項３に記載の光増幅中継システムは、利得の経時変化を考慮し、実際に用いる分布ラマン増幅の利得許容範囲を設けるものである。すなわち、式（２）　の光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）−Ｅｏｐ（Ｇｒ，Ｐ）の値が最大になる送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅利得をＧｒ２としたときに、式（３）　で示される
｛光ＳＮＲ（Ｇｒ２，Ｐ）−Ｅｏｐ（Ｇｒ２，Ｐ）｝−｛光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）−Ｅｏｐ（Ｇｒ，Ｐ）｝
の値が所定値以下になるように、送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分を設定する構成である。
【００１５】
また、分布ラマン増幅と集中型光増幅器を組み合わせた光増幅中継システムでは、比較的長距離伝送した場合における分散と非線形効果による波形劣化を考慮したとしても、せいぜい式（１）　の光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）の値が最大になる送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅利得Ｇｒ１より３ｄＢ減らした範囲に分布ラマン増幅の最適利得配分が存在するといえる。
【００１６】
請求項４に記載の光増幅中継システムは、アイ開口劣化Ｅｏｐ（Ｇｒ，Ｐ）を求めず、式（４）　に示すＧｒ１−３＜Ｇｒ　＜Ｇｒ１の範囲で送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分を設定する構成である。これにより、分布ラマン増幅の利得の経時変動性による急激な性能劣化を回避し、伝送性能をほぼ最大限発揮させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の光増幅中継システムの構成例を示す。図において、光送信装置１と光受信装置２は、光ファイバ伝送路３と集中型光増幅器４を１中継区間として、複数ｎの中継区間を介して接続される。各中継区間は、光ファイバ伝送路３に前方と後方からそれぞれ励起光を入力して分布ラマン増幅を行う構成であり、集中型光増幅器４と併用して１中継区間の伝送損失を補償するように構成される。
【００１８】
ここで、中継間隔をＬ＝１００ｋｍ　、信号光および励起光の損失をそれぞれαｓｄＢ　＝０．２５ｄＢ／ｋｍ　、αｐｄＢ　＝０．４ｄＢ／ｋｍ　、伝送前の雑音を０、集中型光増幅器４のＮＦを３ｄＢとする。このとき、１中継区間の伝送損失Ｒ［ｄＢ］は
Ｒ＝αｓｄＢ　×Ｌ＝２５ｄＢ
となる。この１中継区間の伝送損失Ｒを補償する全利得のうち、分布ラマン増幅による利得をＧｒ［ｄＢ］　とおくと、集中型光増幅器４による利得は
Ｒ−Ｇｒ　＝　（２５−Ｇｒ）［ｄＢ］
となる。
【００１９】
この光増幅中継システムにおいて、発生するＡＳＥ雑音ＰＡＳＥ　［ｍＷ］は、プランク定数をｈ［Ｊ・ｓ］、信号光周波数をν［Ｈｚ］、信号光の伝送速度をＢ［ｂｉｔ／ｓ　］、集中型光増幅器の直前まででラマン増幅により発生するＡＳＥ雑音をＮｒ　［ｍＷ］、集中型光増幅器により発生するＡＳＥ雑音をＮｅ　［ｍＷ］とおくと、
ＰＡＳＥ　＝２ｈνＢ（Ｎｒ　×１０（２５−Ｇｒ）／１０＋Ｎｅ　）　…（５）
が成り立つ。
【００２０】
信号光および励起光の減衰定数をαｓ　およびαｐ　、全ラマン励起光パワーにおける前方ラマン励起光パワーの比率をｒとおくと、ファイバ長手方向の位置ｚにおける信号光利得Ｇ（ｚ）　は、
2004140671.tif 000003
ｇｐ＝［αｐ／（１−ｅｘｐ（−αｐｚ））］（Ｇｒ／１０）　ｌｏｇ１０　　　…（７）
と表される。
【００２１】
Ｎｒ　、Ｎｅ　は、集中型光増幅器の反転分布定数をｎｓｐとすると、
【００２２】
【数１】
2004140671.tif 000004
【００２３】
と表される。
信号光の送信光パワーをＰ［ｍＷ］、レーリー散乱係数をρ、位置ｚから散乱して位置（ｚ−ｘ）におけるレーリー散乱光の利得をＧＲＳ（ｚ，ｘ）　、位置（ｚ−ｘ）から散乱して位置Ｌにおける二重レーリー散乱光の利得をＧＤＲＳ（ｚ，ｘ）とすると、送信光パワーＰに依存する二重レーリー散乱による雑音量ＰＤＲＳ（Ｐ）［ｍＷ］は
【００２４】
【数２】
2004140671.tif 000005
【００２５】
と表される。
以上の式を用いて、後方励起ラマン増幅（ｒ＝０）、ν＝１．９３５　×１０１４、ρ＝１０−７とした場合、送信光パワーＰ＝−１０ｄＢｍ、−５ｄＢｍ、０ｄＢｍ、５ｄＢｍ、１０ｄＢｍにおける１中継区間　１００ｋｍ伝送後のＡＳＥ雑音と二重レーリー散乱による雑音を考慮した光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）［ｄＢ］と、分布ラマン増幅の利得配分Ｇｒ［ｄＢ］　の関係を図２に示す。なお、この実効的な光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）は、式（１）　のように
光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）＝１０ｌｏｇ１０（Ｐ／（ＰＡＳＥ　＋ＰＤＲＳ（Ｐ）））
と定義される。ＰＡＳＥ　は式（５）　および式　（６）〜（９）　で表され、ＰＤＲＳ（Ｐ）は式（１０）および式（６），（７），（１１），（１２）　で表される。
【００２６】
集中型光増幅器のみを用いた場合（Ｇｒ　＝０）の光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）は、送信光パワーＰにほぼ比例していることがわかる。送信光パワーＰが−５ｄＢｍ以内の場合は、分布ラマン増幅の利得配分Ｇｒ　を大きくするほど光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）は大きくなるが、送信光パワーＰが−５ｄＢｍを越えると、分布ラマン増幅の利得配分Ｇｒ　に応じて光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）の最大値ができる。すなわち、分布ラマン増幅のみを用いた場合（Ｇｒ　＝２５）よりも、集中型光増幅器と分布ラマン増幅を最適に組み合わせた方が光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）が大きくなる。各送信光パワーＰにおける集中型光増幅器と分布ラマン増幅の最適な組み合わせは、図２の点線のようにシフトする。
【００２７】
ここで、各送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅の利得配分Ｇｒ　の最大値Ｇｒ１を表１に示す。例えば、送信光パワー０ｄＢｍのとき、最適な利得配分の組み合わせは、分布ラマン増幅利得が約２１ｄＢ、集中型光増幅利得が約４ｄＢとなる。
【００２８】
【表１】
2004140671.tif 000006
【００２９】
（第２の実施形態）
分布ラマン増幅と集中型光増幅器を組み合わせた光増幅中継システムでは、分布ラマン増幅の利得配分を大きくするほど経路平均パワーが増加するため、伝送中に生じる非線形効果による影響が大きくなる。したがって、非線形効果の影響を考慮した最適な分布ラマン増幅の利得配分Ｇｒ　は、ＡＳＥ雑音および二重レーリー散乱のみを考慮した場合の最大値Ｇｒ１よりも若干小さくなる。
【００３０】
ここで、図１に示す光増幅中継システムにおける分散と非線形効果による伝送波形のアイ開口劣化（波形劣化量）Ｅｏｐ（Ｇｒ，Ｐ）［ｄＢ］は、総伝送距離、分散距離、非線形距離をＬｔｏｔａｌ　、ＬＤ　、ＬＮＬとすると、
Ｅｏｐ（Ｇｒ，Ｐ）＝０．０１×Ｌｔｏｔａｌ２　／ＬＤ　ＬＮＬ　　　…（１３）
と近似できる（参考文献１：Ｎａｋａ，　Ｓａｉｔｏ，”Ｉｎ−Ｌｉｎｅ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｄｉｓｔａｎｃｅ　Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｂｙ　Ｓｅｌｆ−Ｐｈａｓｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｇｒｏｕｐ−Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ”，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．２，ｐｐ．２８０−２８７，１９９４、参考文献２：Ｎａｋａ，　Ｓａｉｔｏ，”Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　Ｉｎ−Ｌｉｎｅ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｉｔｈ　Ｇｒｏｕｐ−Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ”，　Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．５，ｐｐ．８６２−８６７，１９９５）　。
【００３１】
式（１）　で示される光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）と、式（１３）で示される伝送波形のアイ開口劣化Ｅｏｐ（Ｇｒ，Ｐ）の差（請求項２の式（２））の値と、分布ラマン増幅の利得配分Ｇｒ　の関係を図３に示す。ここでは、分散値３．０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ　、非線形係数２．１６×１０−３／Ｗｍ　の光ファイバ伝送路中に、４３Ｇｂｉｔ／ｓのＮＲＺ信号を４０００ｋｍ伝送することを想定している。この縦軸の値は、光ＳＮＲと、分散と非線形効果による波形劣化の両方を考慮した伝送後の伝送性能を表しており、この値が大きいほど劣化の少ない波形であることを示す。
【００３２】
各送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅の利得配分Ｇｒ　の最大値Ｇｒ２を表２に示す。
【００３３】
【表２】
2004140671.tif 000007
【００３４】
さらに、送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分このＧｒ２に対して請求項３の式（３）　で示される
｛光ＳＮＲ（Ｇｒ２，Ｐ）−Ｅｏｐ（Ｇｒ２，Ｐ）｝−｛光ＳＮＲ（Ｇｒ，Ｐ）−Ｅｏｐ（Ｇｒ，Ｐ）｝
の値が所定値以下になるようにして許容範囲を設ける。これにより、分布ラマン増幅の利得の経時変動性による急激な性能劣化を回避し、伝送性能をほぼ最大限発揮させることができる。
【００３５】
また、表１に示すＧｒ１と、表２に示すＧｒ２の差は、最大でも３ｄＢ程度（送信光パワー１０ｄＢｍのときに　２．７ｄＢ）であることがわかる。したがって、分散と非線形効果による波形劣化を考慮したとしても、分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分の最適値は、請求項４の式（４）　に示す
Ｇｒ１−３＜Ｇｒ　＜Ｇｒ１
の範囲にあり、図２では両矢印の範囲となる。例えば、送信光パワー０ｄＢｍのときの分布ラマン増幅利得の範囲が１８〜２１ｄＢ、集中型光増幅利得の範囲が７〜４ｄＢとなる。
【００３６】
また、本発明は送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅と集中型光増幅器の最適な利得配分を与えるものであるが、各中継区間に対する利得配分の最適点を導出することができる。この送信光パワーＰと中継区間に対する最適な分布ラマン増幅の利得比率を図４に示す。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光増幅中継システムは、分布ラマン増幅と集中型光増幅器の利得配分を光送信パワーに応じて最適化することにより、ＡＳＥ雑音および二重レーリー散乱による光ＳＮＲ劣化を効果的に抑えることができる。
【００３８】
また、分散と非線形効果による波形劣化を考慮したとしても、分布ラマン増幅および集中型光増幅器で構成された光増幅中継システムにおける伝送性能を最大限に発揮させることができ、長距離伝送が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光増幅中継システムの構成例を示す図。
【図２】送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅の利得配分Ｇｒ　の最適値を示す図。
【図３】分散と非線形効果の影響を考慮した送信光パワーＰに対する分布ラマン増幅の利得配分Ｇｒ　の最適値を示す図。
【図４】送信光パワーＰと中継区間に対する最適な分布ラマン増幅の利得比率を示す図。
【符号の説明】
１　光送信装置
２　光受信装置
３　光ファイバ伝送路
４　集中型光増幅器
【図１】
2004140671.tif 000008
【図２】
2004140671.tif 000009
【図３】
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【図４】
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