(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の光信号を増幅する方法であって、
リザボワ光信号を１以上の光信号とともに増幅するステップであって、該リザボワ光信号の強度レベルが該１以上の光信号の強度レベルの変化に応答して変化して、該１以上の光信号における利得変化に起因する障害を低減するように、該リザボワ光信号が、光増幅器の利得スペクトルにおける最大利得変化領域の近傍に位置し、該１以上の光信号の強度レベルよりも４倍大きい初期強度レベルを有している、ステップ
からなる方法。
【請求項２】
前記光増幅器が半導体光増幅器を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光信号の１つ以上が、光増幅器の利得スペクトル内でそれぞれの波長の複数の光チャネルを有するＷＤＭ信号であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、
前記複数の光チャネルのうちの１つ以上の入力強度レベルが減少する場合に、前記リザボワ光信号の前記強度レベルが増加して該複数の光チャネルのうちのその他のものの強度レベルにおける変化を低減し、及び、
前記複数の光チャネルのうちの１つ以上の入力強度レベルが増加する場合に、前記リザボワ光信号の前記強度レベルが減少して該複数の光チャネルのうちのその他のものの強度レベルにおける変化を低減する
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
前記リザボワ光信号の前記波長が、前記ＷＤＭ信号における前記複数の光チャネルの波長に対して相対的に前記利得スペクトルのより短波長側に位置することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
光通信システムにおける利得変化を補償する方法において、少なくとも１つの光増幅器の利得スペクトル内の第１の波長を有する少なくとも１つの光チャネルが該少なくとも１つの光増幅器によって増幅され、該方法が、
該少なくとも１つの光増幅器による増幅がなされる第２の波長を有するリザボワ光チャネルを供給するステップを有し、該リザボワ光チャネルの強度レベルが該第１の光チャネルの信号強度の変化に応答して変化して、該第１の光チャネルの信号における利得変化に起因する障害を低減するように、該第２の波長が該少なくとも１つの光増幅器の利得スペクトルにおける最大利得変化領域の近傍に位置し、該リザボワ光信号が該第１の光信号の強度レベルよりも４倍大きい初期強度レベルを有していることを特徴とする方法。
【請求項７】
前記リザボワ光チャネルの強度レベルの前記変化が前記第１の光チャネルの信号強度レベルの変化によって誘起される利得変化を受動的に補償することを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
波長分割多重化（ＷＤＭ）システムにおける利得変化を補償する方法において、利得スペクトル内でそれぞれの波長の複数の光チャネルを有するＷＤＭ信号が複数の光増幅器によって増幅され、該方法が、
該複数の光増幅器による増幅のための選択された波長の光チャネルを供給するステップであって、該選択された波長が、当該選択された波長の該光チャネルの強度レベルが該複数の光チャネルのうちの１つ以上のものの強度レベルの変化に応答して変化して該増幅されたＷＤＭ信号における利得変化を補償するように該利得スペクトル内で利得ピーク領域に位置している、ステップ
からなる方法。
【請求項９】
前記選択された波長の光チャネルの前記強度レベルの変化が前記複数の光チャネルのうちの前記１つ以上のものの強度レベルの変化によって誘起される利得変化を受動的に補償することを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
光通信経路における第１の光信号を増幅する少なくとも一つの光増幅器を含む光通信システムにおいて、
該光通信経路にリザボワ光信号を送信する光トランスミッタを有し、該リザボワ光信号が、該リザボワ光信号の強度レベルが該第１の光信号の強度レベルの変化に応答して変化して、該第１の光信号における利得変化に起因する障害を低減するように、該リザボワ光信号が該少なくとも一つの光増幅器の利得スペクトルにおける利得ピーク領域近傍に位置し、該リザボワ光信号が該第１の光信号の強度レベルよりも４倍大きい初期強度レベルを有していることを特徴とする光通信システム。
【請求項１１】
前記リザボワ光チャネルの前記強度レベルの変化が前記第１の光チャネルの強度レベルの変化によって誘起される利得変化を受動的に補償することを特徴とする請求項１又は１０記載の光通信システム。
【請求項１２】
前記光通信システムが波長分割多重化（ＷＤＭ）システムであり、前記第１の光信号が利得スペクトル内でそれぞれの波長の複数の光チャネルを有するＷＤＭ信号であることを特徴とする請求項１０に記載の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光増幅器に関し、特に、その種の増幅器を利用する光波システム及びネットワークに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅器は、光波通信システムにおいて、伝送経路における損失を補償する目的で信号のレベルをブーストするインライン増幅器として、トランスミッタ強度を増大させる電力増幅器として、及び、レシーバの前段で信号レベルをブーストする前置増幅器として、一般に用いられている。光ファイバで複合信号として伝播させられる相異なった波長の複数個の光チャネルを組み合わせる波長分割多重化（ＷＤＭ）システムにおいては、光増幅器は、全チャネルを同時に増幅できるという性質のために特に有用である。
【０００３】
エルビウム（Ｅｒ）ドープファイバ増幅器は、その利得特性及び光ファイバとの結合の容易さから、現在のＷＤＭ通信システムにおいて広く用いられている。Ｅｒドープファイバ増幅器は、信号チャネルの光強度がデジタルデータの“１”及び“０”を表現するように変調される強度変調デジタル光通信システムに関して特に望ましい。特に、ゆっくりとした利得ダイナミクスが、Ｅｒドープファイバ増幅器がＷＤＭシステムにおける全ての信号チャネルに対して、強度変調済みビットパターンにおけるビット遷移にかかわらず、一定の利得を実現することを可能にする。しかしながら、長距離伝送アプリケーションにおけるその有用性にもかかわらず、Ｅｒドープファイバ増幅器の欠点もよく知られている。例えば、Ｅｒドープファイバ増幅器は高価であり、結果として、都市内光ネットワークなどのアプリケーションに係る最もコスト効率の良い解を提供するものではない。さらに、Ｅｒドープファイバ増幅器は比較的狭い利用可能な帯域しか有さないため、よりチャネル数の多い、かつ、より広い利用可能帯域を有する新たな光ファイバを用いる、新しい長距離システムにおいては、より問題となりうる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
対照的に、半導体光増幅器は比較的安価であり、広い利得帯域を有し、他のデバイスと容易に集積化されうる。しかしながら、半導体光増幅器はいくつかの制限があり、そのため、現在の光通信システムにおけるその利用が制限されている。特に、半導体光増幅器の高速な利得ダイナミクスと非線型利得特性が問題となりうる。例えば、入力強度が変化するに連れて利得が変化し、現時点での通信システムの変調速度に対しては一定ではなく、よって、モード間歪みや飽和誘起クロストーク、すなわち、交差飽和などの問題を引き起こす。
【０００５】
簡潔に述べれば、交差飽和は、一方のチャネルの強度変調が他のチャネルにとって利用可能な利得の変調を引き起こす場合に発生する。例えば、特定のチャネルの利得が、それ自体の強度によるのみならず、システムにおける他のチャネルの強度によっても飽和する、ということである。交差飽和は強度変調システムにおいて特に問題である。なぜなら、チャネル強度が、ビットパターンに依存して、時間と共に変化するからである。それゆえ、あるチャネルの信号利得がビット毎に変化し、その変化が他のチャネルのビットパターンに依存する。この種の利得揺動は検出エラーを引き起こし、全体としてのビットエラーレート性能を劣化させる。
【０００６】
フィードフォワードあるいはフィードバック利得制御ループ、利得クランプ、及びポンピング光注入法などの利得制御方式が、モード間歪みや交差飽和の効果を低減する目的で提案されてきている。例えば、A.Salehによる“非線型性を低減した光増幅器”という表題の米国特許第５，０１７，８８５号（１９９１年５月２１日付け）、Doerrらによる“歪み及びクロストークを低減した多周波数光信号源”という表題の米国特許第５，５７６，８８１号（１９９６年１１月１９日）、Simonらによる“非線型歪みを低減した進行波半導体光増幅器”という表題の論文（Electronics Letters第３０巻第１号（１９９４年１月））、Tiemeijerらによる“１３００ｎｍ利得クランプＭＱＷレーザー増幅器における相互変調歪みの低減”という表題の論文（IEEE Photonics Technology Letters第７巻第３号（１９９５年３月））、及び、Yoshinoらによる“ポンピング光注入による半導体レーザー増幅器の飽和出力強度の改善”という表題の論文（IEEE Photonics Technology Letters第８巻第１号（１９９６年１月））を参照。これらは本発明の参照文献である。種々の欠点がある中でも、この種の利得制御方式は、フィードバックあるいはフィードフォワードループなどの付加回路が必要になるために、システムのコスト及び複雑さを増大させるという大きな欠点を有している。
【０００７】
あるいは、モード間歪みや交差飽和は、光増幅器を小信号領域、すなわち、非飽和領域で動作させることによって低減させられうる。しかしながら、実際のアプリケーションでは、高出力強度及び他の有効性を実現する目的で、光増幅器を飽和領域で動作させることが望ましい。例えば、ＷＤＭシステムは、高ダイナミックレンジ及び高信号帯雑音比に関して必要とされる高出力強度のために、通常飽和領域で動作する。従って、モード間歪みや交差飽和は、飽和領域で動作する光増幅器を有するシステムにおいて、依然として問題である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
光増幅器が飽和領域で動作する際に発生する歪み及びクロストークは、本発明の原理に従って、光増幅器への入力強度の変化によって引き起こされる利得変化を受動的に補償することによって、実質的に低減される。より詳細に述べれば、単一あるいは複数個の光増幅器を有するシステムにおいて、トラフィックを担う他の光チャネルに加えて少なくとも一つの光チャネルを供給することによって、受動的利得制御が実現される。この際、付け加えられた光チャネルは、利得変化の大部分を吸収すなわち受容し、一方、トラフィックを担うチャネルはわずかしかその影響を受けない。
【０００９】
光増幅器の利得帯域のピーク利得領域に近接した波長を有する光チャネルは、通常、最も強く利得変化の影響を受け、利得誘起クロストークに最も敏感であるため、前記付加される光チャネルは、本発明の一実施例においては、利得変化が最大であるそのピーク利得領域あるいはそれに近接した波長が割り当てられる。付加される光チャネルの波長及び初期強度を適切に選択することにより、付加される光チャネルの強度は、トラフィックを担うチャネルの強度レベルの変化に応答して上下する。このようにして、付加される光チャネルは、光増幅器への入力強度の変化によって引き起こされる利得変化を補償する“緩衝（リザボワ）”チャネルのように機能する。
【００１０】
本発明の一実施例に従って、対応する波長での複数個の光チャネルを有する波長分割多重化（ＷＤＭ）信号が、ＷＤＭシステムにおける単一あるいは複数個の半導体光増幅器によって増幅される。リザボワチャネルは、第一半導体光増幅器の前に、最大利得変化が生ずる点あるいはその近傍の波長、例えば、通常、半導体光増幅器の利得スペクトルのより短い波長領域、に挿入される。半導体光増幅器への入力強度が変化する、すなわち、入力されるトラフィックを担うを担うＷＤＭ光チャネルの強度レベルが変化すると、半導体光増幅器での利得変化がリザボワチャネルが位置しているところで最大となる。よって、リザボワチャネルが最大の利得変化を受けることになり、結果として、リザボワチャネルを付加しない場合により、トラフィックを担う光チャネルにおける歪み及びクロストークが受動的に補償される。
【００１１】
モード間歪み及び交差飽和の効果が本発明の原理に従って実質的に低減されるため、飽和領域で動作する光増幅器を有するシステムは、従来技術に係る方式と比較して実質的に改善されたビットエラーレートを実現することが可能となる。さらに、従来技術に係る能動的フィードバック及びフィードフォワードなどの方式の代わりに受動的補償が用いられるため、コスト及び複雑さが実質的に低減される。従って、このような解決法は容易に実装されることが可能であり、コストが主要な考慮事項である大都市領域での光ネットワークアプリケーションにおいて特に有効に利用されうる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本明細書において記述される実施例は半導体光増幅器を有する波長分割多重化（ＷＤＭ）システムにおける利用に特に適しており、この例に則して本発明が説明されているが、本発明の原理が他のタイプの光通信システム及び他のタイプの光増幅器と共に用いられうることは当業者には明らかである。例えば、本発明の原理は、単一の光チャネルを有する光通信システムに対して適用可能であり、また、前述された問題を引き起こすような利得ダイナミクスを有する他のタイプの光増幅器を有するシステムに対しても適用可能である。さらに、本発明の実施例が、データがビット“０”及び“１”を用いて伝送されるデジタル通信を参照して記述されているが、本発明の原理が他の符号化及び変調方式に対しても適用可能であることは明らかである。  従って、以下に示される実施例は、例示目的であって本発明を限定するものではない。
【００１３】
本発明の原理を理解するための基礎として、ＷＤＭシステムにおける利得関連問題の概観が以下に提供される。よく知られているように、ＷＤＭシステムにおけるインライン増幅に用いられる光増幅器は、ポンピング効率及びシステム的考察より、通常、飽和領域で動作する。飽和領域においては、増幅器の出力強度は、入力強度のある範囲での変化に対して、実質的に固定されたものとなる。結果として、増幅器の利得は入力強度の変化に関して一定ではない。増幅器の出力強度は、レシーバにおける信号帯雑音比が強度変調済み信号によって伝送されたビットパターンの正確な検出を可能にするよう、充分に高く無ければならない。
【００１４】
前述されているように、半導体光増幅器の固有の非線型性は、システム性能を劣化させる可能性がある。詳細に述べれば、半導体光増幅器の非線型特性のために、モード間歪みと飽和誘起クロストーク、すなわち、交差飽和、という二つの非常に重要かつ有害な効果が生ずる。図１は、出力強度、ＰOUT、がモード間歪みの影響を受けている場合の信号チャネルのアイダイアグラムを示している。より詳細に述べれば、強度レベル１０１は“０”ビットに関する定常的な強度レベルを示しており、強度レベル１０２はチャネル内の“１”ビットの定常的な強度レベルを示している。遷移点１０３に示されているように、送信されるビットパターンにおける“０”から“１”への遷移が発生した場合、“１”ビットの強度レベルがある時間期間だけ定常状態値１０２を越えており、増幅された信号における利得揺らぎが発生したことになる。従って、このタイプの非線型歪みは、信号チャネル内の強度変調に依存するものであるが、ビット検出の問題を引き起こし、システムの全体としてのビットエラーレート性能を劣化させる。
【００１５】
図２は、２チャネルシステムにおける信号チャネルの一方のアイダイアグラムである。例示目的のみのために２チャネルシステムが選択されていることに留意されたい。この例では、信号チャネルの出力強度Ｐoutが、ＷＤＭシステムにおける所謂クロストーク効果である交差飽和を介して、他のチャネルの状態に依存している。詳細に述べれば、一方のチャネルの出力強度Ｐoutが、システム内の他方のチャネルの強度変調によって影響を受け、互いのチャネルが独立に変調されているために、ランダムに変動してしまう。図示されているように、強度レベル２０１は“０”ビットに対する強度レベルを、強度レベル２０２はチャネル内の“１”ビットに対応する強度範囲をそれぞれ表わしている。特に、チャネル内の“１”ビットの強度レベルが、システム内の他方のチャネルの強度レベルに従って変化している。
【００１６】
例えば、他方のチャネルが“０”ビットを送信する場合には、図２に示されたチャネルのビット“１”の強度レベルは、実質的にシステム内の強度全てを有するようになるために、範囲２０２のより強い方の端点に位置するようになる。同様に、他方のチャネルが“１”ビットを送信する場合には、図２に示されたチャネルにおける“１”ビットの強度レベルは、システム内の総強度が双方のチャネル間で共有されるために、範囲２０２のより弱い方の端点に位置するようになる。結果として、一方のチャネルに対する信号強度が他方のチャネルにおける変調によって誘起された信号利得揺らぎに従って揺らぐため、このタイプの非線型歪みはビット検出の問題を引き起こし、システムの全体としてのビットエラーレート性能を劣化させる。
【００１７】
前述された実例の各々においては、２ｄＢｍという入力強度が用いられた。さらに、図１に示された例においては、１．２５Ｇビット／毎秒というチャネルレートが用いられ、図２に示された例においては、２．５Ｇビット／秒というチャネルレートが用いられた。これらのパラメータは、例示目的で選択されたものである。
【００１８】
エルビウムドープファイバ増幅器を用いるシステムでは、エルビウムドープファイバ増幅器のゆっくりとした利得ダイナミクスが、考えている変調速度に関しては有利である。なぜなら、この増幅器は、光チャネルにおける“１”及び“０”ビット間の遷移に対して“応答しない”からである。結果として、エルビウムドープファイバ増幅器は平均強度しか関知することが無く、よって、信号チャネルに対して一定の利得を供給する。このため、エルビウムドープファイバ増幅器の利得は線型特性を示し、結果として、モード間歪みや交差飽和は重要な問題点ではない。
【００１９】
これに対して、半導体光増幅器の利得ダイナミクスはエルビウムドープファイバ増幅器のそれよりも遙かに高速である。詳細に述べれば、半導体光増幅器の利得は入力強度が変化するに連れて高速に変化し、結果として、その利得は現時点での通信システムの変調速度に関しては一定ではない。よって、半導体光増幅器は非線型特性を示し、前述されているようなモード間歪みや交差飽和を引き起こし、それらが光通信システムにチャネル内で送信されるビットの検出のエラーを引き起こしうる。従って、本発明の発明者は、前述された問題を解決する必要が存在することを認識し、その解決法によって、単一チャネル及びＷＤＭシステムに関して、より効果で帯域が制限されたエルビウムドープファイバ増幅器の代わりに半導体光増幅器がより適した代替手段となりうることを明らかにする。
【００２０】
本発明の原理に従って、受動的な制御技法が提供され、結果として、モード間歪みや交差飽和が存在する場合においても、半導体光増幅器が波長分割多重化システムにおけるインライン増幅器として実効的に用いられうるようになる。より詳細に述べれば、本発明の発明者は、特定の波長を有する光チャネルを“リザボワ（緩衝剤）”としての機能を実行させる目的で用いることによって、半導体光増幅器を利用するＷＤＭシステムにおいて実質的にエラーフリーの伝送が実現されうることを見出した。このリザボワチャネルは、増幅器への入力強度の変化に応答してＷＤＭ信号内の他の光チャネルと光強度を共有する目的で用いられ、そうすることによって、モード間歪みや交差飽和の結果として半導体光増幅器内に発生する利得変化を実効的に制限する。実際、リザボワチャネルは、トラフィックを担う光チャネル間の入力強度の変化、ビットパターン遷移、他のチャネルからのクロストークなどの結果として発生する、前述された利得変化を補償する。結果として、半導体光増幅器内の利得変化は、ＷＤＭ信号におけるトラフィックを担う他のチャネルに対して、より少ない影響のみを有するようになる。
【００２１】
半導体光増幅器の利得特性を簡潔にまとめておくことは、本発明の原理に従った受動補償効果を実現するリザボワチャネルの適切な波長の選択を理解するために役立つと思われる。図３は、代表的な半導体利得媒体に関する、相異なったキャリア密度レベルｎでの利得スペクトル、すなわち、波長の関数としての利得を示している。例示及び説明を簡潔にする目的で、二つの相異なったキャリア密度レベルｎのみが示されており、以下に記述される。図示されているように、半導体光増幅器の真性利得は平坦ではなく、中心波長における利得ピークが存在してその両側で利得が低下する。
【００２２】
より詳細に述べれば、図３は、キャリア密度ｎ1及びｎ2（ｎ1＞ｎ2）のそれぞれに対応する二つの利得曲線３０１及び３０２を示している。図示されているように、より高いキャリア密度ｎ1は、より低いキャリア密度ｎ2に比較して、より高い利得を実現する。一般に、キャリア密度ｎは、ポンピング電流が一定と仮定すると、入力光強度ＰINの変化した場合に変化する。結果として、図３の曲線３０１及び３０２に示されているように、利得形状は入力強度及び利得ダイナミクスに依存して相異なったものとなる。ここでは、入力強度ＰINの揺らぎによって、利得が曲線３０１と３０２との間で変化するものと仮定する。以下に詳細に記述されているように、これらの利得変化Δｇは、信号歪み及びチャネル間すなわち飽和誘起クロストークなどの前述されている問題を生ずる。利得変化は、複数個の隣接する波長チャネル間で入力強度ＰINが通常一定ではないＷＤＭシステムにおいて特に問題である。
【００２３】
図３において、利得変化Δｇ0及びΔｇ1は、それぞれ波長λ0及びλ1で測定された、利得曲線３０１と３０２との間の利得シフトを表わしている。図３より、利得変化が利得ピーク、すなわち利得曲線の最高点付近でより大きいこと、よってΔｇ0＞Δｇ1、が明らかである。さらに、図３は、利得曲線３０１と３０２との間で測定された利得変化が、より長波長側領域よりもより短波長側領域でより大きいことをも示している。すなわち、利得曲線３０１と３０２との間の距離が、利得ピークの左側の波長領域に関して、利得ピークの右側の波長領域よりも大きい。従って、λ1＞λ0（すなわち、λ0がより短い波長でλ1がより長い波長）であるため、利得変化は、より短く、かつ、利得ピークにより近い波長λ0に向かって大きくなる。従って、利得飽和は波長依存性を有しており、ここでは利得ピークの周りの波長に関してより強く、利得ピークから離れるに従って漸次弱くなっていく。よって、歪み及び飽和誘起クロストークも波長依存性を有する。
【００２４】
それゆえ、リザボワチャネルの波長は、リザボワチャネルの強度レベルがＷＤＭ信号における単一あるいは複数個の他の波長の強度レベルの変化に応答して変化するように選択される。前述されているように、半導体光増幅器の利得ピーク近傍の波長を有する光チャネル、すなわち、高利得領域は、最も大きい利得変化を被りやすく、利得誘起クロストークに最も敏感である。よって、リザボワチャネルは、利得スペクトルにおける利得変化が最も大きくなる点あるいはその近傍、すなわち利得ピークあるいはその近傍のより短波長領域に位置する場合が最も効果的である、ということを本発明の発明者は見出した。従って、トラフィックを担う光チャネルは、より長波長領域に位置することが望ましい。
【００２５】
図３を参照すると、リザボワチャネルは、大きな利得変化を有する領域あるいはその近傍、例えば波長λ0、に割り当てられ、トラフィックを担うチャネルは、利得ピークより長い波長を有する領域、例えば波長λ1より長波長側、に割り当てられる。ここで、他のシステム設計パラメータが波長割り当て選択に影響を与えうることに留意されたい。例えば、トラフィックを担うチャネルが本発明の原理に従って利得ピークの長波長側の領域に配置される一方で、波長割り当ては、チャネルがシステムにおいて必要とされる充分な利得をどこで得られるかにも依存する。ある種のシステムは位置においては、トラフィックを担う光チャネルを高利得領域の近傍の波長に割り当てることが必要な場合もある。このような場合には、例えば、低データレートあるいは伝送距離が短いなど、他のものよりもより品質劣化を許容することが可能な信号に対してのみ、高利得領域の近傍の波長を割り当てることが望ましい。
【００２６】
以下の実施例は、上述された本発明の原理を例示するために実行された実験を記述するものである。一般に、パラメータは都市領域ネットワークを代表するものであるように選択された。しかしながら、種々の配置、デバイス、材料、大きさ、パラメータ、動作条件などは例示目的のみで提供されているものであり、本発明の範疇を制限するものではないことに留意されたい。
【００２７】
より詳細に述べれば、図４は、本発明の原理に従った実験的なシステム配置を示したブロック図である。この配置例及び実験では、波長分割多重化システム４００は、トランスミッタ部４０１、伝送部４２０、及びレシーバ部４５０を有している。トランスミッタ部４０１では、導波路ルータ（マルチプレクサ）４０２が、外部キャビティレーザー（ＥＣＬ）（図示せず）によって供給される、波長１５３４．９５ｎｍから１５５９．３６ｎｍの範囲に位置し、チャネル間隔１００ＧＨｚの３２個の信号チャネル（Ｎ＝３２）を組み合わせる目的で用いられた。全てのチャネルはＬｉＮｂＯ3変調器４０３によって変調され、その後、分散補償ファイバ（ＤＣＦ）４０４によってデコロレート（decorolate）された。データレートは各チャネル毎に２．５Ｇビット／秒で、２31−１の擬似乱数シーケンス（ＰＲＢＳ）が用いられた。偏光セレクタ４０５、エルビウムドープファイバ増幅器４０６、及び光減衰器４０７が、公知の技法及び動作原理に従って、トランスミッタ部４０１に用いられた。
【００２８】
リザボワチャネルは、分布帰還型レーザー（ＤＦＢ）４１０などのレーザー光源及び３ｄＢカップラ４１１などのカップラを用いて、伝送部４２０内の第一半導体光増幅器へ入力される前に追加された。分布帰還型レーザー４１０及び３ｄＢカップラ４１１の利用は例示目的のみであって本発明の範疇を限定するものではないことに留意されたい。よって、光チャネルを送信する他の手段、例えば他の公知のレーザー光源及びカップラなどは当業者には明らかであり、本発明の原理に従うものであることが企図されている。伝送部４２０では、標準的な単一モード伝送ファイバ４２５よりなる三つのスパンの前に、各々対応する半導体光増幅器４２１−４２３が配置されている。利得制御を有さない市販の単一段半導体光増幅器がこの実験に用いられた。他のタイプの半導体光増幅器も、本発明の原理に従って、同様に用いられうる。
【００２９】
半導体光増幅器４２１−４２３の小信号利得は、ポンピング電流が４００ｍＡの際に、およそ２０ｄＢであった。この実験では、各増幅器４２１−４２３が強飽和領域で動作しており、総入力強度がおよそ−３ｄＢｍに維持され、利得は１５ｄＢ（小信号利得よりおよそ５ｄＢ低い）、及び、出力強度はおよそ１２ｄＢｍであった。伝送ファイバスパン４２５は、各々４１から４２ｋｍの間の長さを有しており、スパン当たりおよそ９ｄＢの損失を有していた。可変減衰器４２６がそれぞれ各半導体光増幅器４２１−４２３の後段に配置され、総スパン損失をおよそ１５ｄＢとするようにされた。
【００３０】
レシーバ部４５０においては、エルビウムドープファイバ増幅器４５１が前置増幅器として用いられた。バンドパスフィルタ４５２が、適切な測定、例えばＢＥＲ及びアイ測定に関して、一度に単一のチャネルを選択する目的で用いられた。検出器／レシーバ４５３は、３２個のチャネルでのビット検出のために用いられた。
【００３１】
図５及び６は、図４に示された実験は位置において用いられたリザボワチャネルλRとＷＤＭ信号のうちのトラフィックを担う光チャネルλ1−λ32の波長割り当てを示すグラフである。より詳細に述べれば、伝送部の入力端（すなわち、半導体光増幅器４２１に入力される前）での強度スペクトルが図５に示されており、伝送部の出力端（すなわち、半導体光増幅器４２３から出力された後）での強度スペクトルが図６に示されている。リザボワチャネル５０１は、利得変化を低減する目的で、光増幅器の信号帯域すなわち利得スペクトル内に位置させられている。既に示されているように、最も有効に機能させるためには、リザボワチャネル５０１は、利得変化すなわち利得揺らぎが最大である点あるいはその近傍の利得スペクトル内の波長にに配置されるべきである。特に、半導体光増幅器の利得変化が（図３に示されているように）より短波長側でより大きいため、リザボワチャネル５０１は、信号スペクトルの長波長側ではなく短波長側に位置されるべきである。図５及び６で示された実施例においては、リザボワチャネル５０１の波長はおよそ１５３１．７８ｎｍに選択され、一方、トラフィックを担う光チャネル５０２は、１５３４．９５ｎｍから１５５９．３６ｎｍの波長範囲に配置された。ここで、この波長割り当ては例示目的であって本発明の範疇を制限するものではないことに留意されたい。
【００３２】
以下に詳細に記述されるように、リザボワチャネル５０１の初期強度レベル、すなわち入力強度も重要な考慮事項である。一般に、リザボワチャネル５０１の初期強度レベルはトラフィックを担う光チャネル５０２のそれよりも高くすべきである。なぜなら、リザボワチャネル５０１は、入力強度の変化に従って他の光チャネルと強度を共有することができなければならないからである。リザボワチャネル５０１に関する適切な強度レベルを選択する際には、他の公知のパラメータも考慮する必要があることに留意されたい。例えば、リザボワチャネル５０１の強度レベルがあまりにも高すぎると、他のシステム障害、例えば、誘導ブリルアン（Brillioun）散乱（ＳＢＳ）などの強度依存光学障害が、システム性能を劣化させる可能性がある。さらに、リザボワチャネルを供給することによって、他の光チャネルにおいて利用可能な強度が減少させられるというある程度のトレードオフが存在する。従って、リザボワチャネル５０１の適切な強度レベルは、複数個のパラメータに依存する。図５及び６に示された実施例においては、リザボワチャネル５０１の強度は、その入力において、トラフィックを担う光チャネル５０２のそれよりもおよそ１２ｄＢから１３ｄＢ高い、すなわち、トラフィックを担う光チャネル５０２よりもリザボワチャネル５０１の強度の方がおよそ４バイ大きい。
【００３３】
実際の動作においては、リザボワチャネル５０１は受動補償機構として機能し、このことによってトラフィックを担う光チャネルにおける利得変化が実質的に低減される。より詳細に述べれば、リザボワチャネル５０１の波長及びその強度レベルを増幅器の利得ピーク領域の近傍で適切に選択することによって、光増幅器の入力における強度揺らぎ（例えば、トラフィックを担うチャネルの追加あるいは削除、チャネル内のビットパターンの変化など）に起因する利得変化が抑制される。例えば、増幅器への総入力強度が、例えば予想される値よりも減少する場合には、増幅器内の利得変化の結果として、残存するトラフィックを担うチャネルにおける出力強度が通常揺らぐ（増加する）。しかしながら、本発明に従った方式においては、リザボワチャネル５０１の強度が増加して、他の方式では残存するトラフィックを担うチャネルにおいて発生するはずの強度増加を抑制する。逆に、総入力強度が例えば予想される値よりも増大する場合には、残存するトラフィックを担うチャネルにおける出力強度が通常減少する。しかしながら、本発明に従った方式においては、リザボワチャネル５０１の強度が減少して、残存するトラフィックを担うチャネルの強度は減少しない。従って、リザボワチャネル５０１は、トラフィックを担うチャネルの強度レベルが揺らぐ場合にトラフィックを担うチャネルと強度を共有する、受動補償チャネルである。
【００３４】
本発明の原理に従ったリザボワチャネルの動作をさらに理解するために、各々“０”及び“１”ビットによって強度変調されることが可能な四つのトラフィックを担うチャネルを有する、簡略化されたシステム例を考える。この例においては、入力強度の変化はチャネル内のビットパターンの変化の結果であると仮定する。前述されているように、変化は、チャネルの追加／削除の結果としても起こりうる。
【００３５】
リザボワチャネルが用いられない第一のシナリオにおいては、入力強度の変化は、利得変化の結果として、トラフィックを担うチャネルにおける前述された揺らぎを引き起こす。例えば、全チャネルがビット“１”を担っている場合には、総強度Ｐは各チャネルそれぞれに分配されており、各々のチャネルはＰのおよそ１／４の強度を有している。三つのチャネルが“１”を伝達して一つのチャネルが“０”を伝達する場合には、総強度Ｐはビット“１”を担う三つのチャネル間で分配され、それぞれのチャネルはＰのおよそ１／３の強度を有する。同様に、二つのチャネルが“１”を伝達して二つのチャネルが“０”を伝達する場合には、ビット“１”を担うチャネルはＰのおよそ１／２の強度を有する。最後に、三つのチャネルが“０”を伝達して一つのチャネルが“１”を伝達する場合には、ビット“１”を有する一つのチャネルが全強度Ｐを有することになる。よく知られているように、Ｐの１／２からＰへの揺らぎは３ｄＢの強度変化を表わし、極めて大きいものである。結果として、この場合には、強度変化は非常に大きくなる。
【００３６】
本発明の原理に従って、増幅器の利得スペクトルの利得ピークの近傍にリザボワチャネルを配置することにより、強度変化が実質的に低減される。前述された図４から６に示された配置例においては、リザボワチャネルの初期強度レベルは、トラフィックを担うチャネルよりも４倍大きい、すなわちおよそ１２−１３ｄＢ高い。よって、この例では、リザボワチャネルは、トラフィックを担うチャネル四つ全てを組み合わせたものとほぼ等しい強度を初期には有していることになる。
【００３７】
リザボワチャネルにこの初期強度レベルを与えた場合、トラフィックを担うチャネルの全てがビット“１”を伝達する場合には、総強度Ｐはトラフィックを担うチャネルとリザボワチャネルとの間で分配され、トラフィックを担うチャネルが強度Ｐのおよそ１／８を各々有し、リザボワチャネルが強度Ｐのおよそ１／２（すなわち４倍の強度）を有している。トラフィックを担うチャネルのうちの三つがビット“１”を伝達して一つのチャネルがビット“０”を伝達する場合には、総強度Ｐはトラフィックを担うチャネルのうちの三つとリザボワチャネルとの間で分配され、ビット“１”を伝達するトラフィックを担うチャネルが強度Ｐのおよそ１／７を各々有し、リザボワチャネルが残りの強度を有している。特に、リザボワチャネルの強度レベルは、リザボワチャネルが存在しない場合に強度全体を共有することになる、利用可能なトラフィックを担うチャネルが一つ分少ないことを補償するために上昇する。同様に、トラフィックを担うチャネルのうちの二つがビット“１”を伝達して二つのチャネルがビット“０”を伝達する場合には、総強度Ｐはトラフィックを担うチャネルとリザボワチャネルとの間で分配され、トラフィックを担うチャネルが強度Ｐのおよそ１／６を各々有し、リザボワチャネルが残りの強度を有している。この場合には、リザボワチャネルの強度レベルは、リザボワチャネルが存在しない場合に強度全体を共有することになる、利用可能なトラフィックを担うチャネルが二つ分少ないことを補償するために上昇する。最後に、三つのチャネルがビット“０”を伝達して一つのチャネルがビット“１”を伝達する場合には、ビット“１”を伝達する一つのチャネルは総強度Ｐのおよそ１／５を有しており、リザボワチャネルが残存する強度を有する。この場合には、リザボワチャネルの強度レベルは、リザボワチャネルが存在しない場合に強度全体を共有することになる、利用可能なトラフィックを担うチャネルが三つ分少ないことを補償するために上昇する。
【００３８】
リザボワチャネルを有さない場合と比較すると、リザボワチャネルにおいて強度を共有することによって、トラフィックを担うチャネルにおける強度揺らぎの度合が低減されることが明らかである。特に、リザボワチャネルを有さない場合の揺らぎはより激しく、１から１／２、１／３へという具合である。これに対して、トラフィックを担うチャネルの４倍の強度を有するリザボワチャネルを導入することによって、トラフィックを担うチャネルにおける強度揺らぎがより緩やかに、すなわち、１／５から１／６、１／７へという具合になる。
【００３９】
リザボワチャネルはトラフィックを担うチャネルと共に増幅器の入力に供給されるので、リザボワチャネルは、入力強度の変化に基づいて強度を共有することによって、他の光チャネルにおける強度揺らぎを受動的に補償する。よって、本発明の原理は、従来技術における能動制御方式において用いられているようなあらゆる能動フィードバックあるいはフィードフォワード回路を有さずに適用することが可能である。従って、リザボワチャネルは低コストであって複雑ではなく、しかしながら従来技術に係る配置と比較して、入力強度揺らぎの補償に関しては非常に効率的である。
【００４０】
リザボワチャネルは、無変調であっても、必要とされる付加的な機能を実行する目的で変調されていてもよい。例えば、リザボワチャネルは、強度依存誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）などの光非線型性を補償するといった特定の機能を実行する目的で変調されてもよい。さらに、リザボワチャネルは、システムあるいはシステム内のコンポーネントを管理するための制御情報あるいは監督情報を担うテレメトリチャネルとして用いられることも可能である。変調されたリザボワチャネルの他の用法は当業者には明らかである。
【００４１】
リザボワチャネルを有さない場合と有する場合のシステム性能の比較が図７及び８に示されている。より詳細に述べれば、図７及び８は、代表的なチャネルに係るアイダイアグラムを示している。図７に示されているように、リザボワチャネルを用いない場合には、図８に示されているリザボワチャネルを用いた場合と比較して、明らかに大きな歪みを有している（すなわち、より“目”が閉じている）。図８は、リザボワチャネルを用いた場合に、検出器の地点で全てのチャネルに関して“目”が開いていることを示している。
【００４２】
図４に示された配置例における信号伝送に係るビットエラーレート（ＢＥＲ）測定データが図９に示されている。曲線５５０−５５２の各々は、目安として用いられるように、種々のデータ点を通過するように引かれている。図示されているように、曲線５５２は、図４に示されたシステム４００におけるトランスミッタ部４０１からレシーバ部４５０へ伝達部４２０を通過せずに送出される信号のビットエラーレート性能のベースラインを表わしている。すなわち、曲線５５２は、半導体光増幅器４２１−４２３からのモード間歪みや交差飽和の影響が無い場合のビットエラーレート性能を示している。曲線５５０の近傍に示されている測定点より明らかなように、全３２個のチャネルにおける実質的にエラーフリーな伝送が、リザボワチャネルを用いることによって、およそ１ｄＢから２ｄＢの強度ペナルティで実現されている。リザボワチャネルを用いない場合は、曲線５５１に沿って示されている数個の代表的なチャネルに関して、ペナルティがより大きいことが示されている。曲線５５１は、受信される強度が増加すると、ＢＥＲのさらなる低減がなされないような点にＢＥＲが到達する、という重要な事実を示している。従って、曲線５５０（リザボワチャネル有り）と曲線５５１（リザボワチャネル無し）との比較から、リザボワチャネルを用いることによってＢＥＲ性能が実質的に改善されうることが明らかである。
【００４３】
ここで、前述された議論において、半導体光増幅器が強飽和条件下で動作していることが仮定されている、ということに留意されたい。増幅器がより緩やかな飽和条件あるいは線型領域で動作している場合には、歪み及びクロストークはより少なくなる。
【００４４】
本発明の原理は、飽和条件下で動作させられるカスケード接続された半導体光増幅器を用いたＷＤＭシステムにおいて特に有用である。例えば、カスケード接続された半導体光増幅器を有する多スパンシステムにおいては、強度揺らぎは複数のファクタに依存する。その種のファクタの一例は伝送ファイバの分散であり、相異なった信号チャネルにおけるビットの相対的なシフト、すなわち、相異なったチャネルにおけるビットが相異なった速度で伝播することに起因するビット相互の相対的なシフト、が引き起こされる。分散が少ないシステムに関しては、信号がシステム内を伝播するに連れて、強度揺らぎは減少するはずである。しかしながら、より大きな分散を有するシステムにおいては、相異なった光チャネルにおけるビット間の相対的なシフトが、後段の半導体光増幅器の入力強度におけるさらなる揺らぎを引き起こす可能性がある。公知の分散補償技法に加えて、本発明の原理は、分散関連の強度揺らぎを制御する目的で、この種のカスケード接続増幅器配置においても用いられうる。
【００４５】
特定のアプリケーションに依存して本発明の原理に関連して取り扱われなければならない、半導体光増幅器の他のパラメータが存在する。例えば、半導体光増幅器の雑音指数（例えば、通常６ｄＢ以上）及び出力強度（例えば、通常１５ｄＢｍ以下）は、長距離伝送アプリケーションにおいては、他の補助的技法と共に取り扱われなければならない。さらに、例えば四光波混合、自己位相変調、交差位相変調などのファイバベースのシステムにおける他の非線型効果のいくつかを取り扱うための別の技法も用いられうる。結果として、本発明の原理は、ＷＤＭアプリケーションにおける半導体光増幅器の広範な利用を妨げてきた飽和誘起クロストーク効果を処理する。よって、これらの問題が解決されることによって、本発明の原理は、都市内アプリケーションなどのような、ＷＤＭ伝送における低コスト解を実現するために容易に適用されうる。
【００４６】
既に指摘されているように、リンク制御及びポンピング制御などの種々の利得制御方式がエルビウムドープファイバ増幅器及び他の増幅器並びにレーザーに関して研究されてきている。これらの方式においては、利得あるいは総強度がモニタされ、その情報が制御チャネルあるいはポンピングを能動的に制御する目的で使用される。これらの方式の全ては、本発明の原理に従ったリザボワチャネルを用いる半導体光増幅器ベースのシステムにおいても、依然として利用されうる。例えば、これらの方式におけるモニタリング波長は、（もっとも高感度な位置でモニタする目的で）利得ピーク領域あるいはその近傍に配置されるべきである。同様に、制御チャネルは、ＰOUTを一定に維持するためにリザボワチャネルのＰINを効果的に変化させる目的で、利得ピーク領域あるいはその近傍に配置されることが最も効果的である。
【００４７】
さらに、本発明の原理に従うリザボワチャネルによって提供される受動補償は、光増幅システムのビットエラーレート性能を改善するための別の技法を補充することも可能である。例えば、リザボワチャネルは、同時に提出された米国特許出願第０９／２５３，２５９号（Chraplyvy 27-13-15-22-14）に記載されている技法と共に用いられうる。この文献は、それ全体が本発明の参照文献であり、その技法においては、システムの検出スレッショルドレベルが、モード間歪みやクロストークが存在する場合においてもより正確な検出を実現するように調節される。
【００４８】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので，この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。例えば、本明細書に記載されている種々の実施例の多くはインライン増幅器アプリケーションを指向したものであるが、本発明の原理は、光増幅器が、単一チャネル光通信システムあるいは波長分割多重化システムにおけるトランスミッタの後段の電力増幅器あるいはレシーバの前段の前置増幅器として用いられた場合にも適用可能である。さらに、本明細書に記載されている本発明に係る方法が、半導体光増幅器のみならず、利得ダイナミクスが他のファクタと組み合わせられて前述された利得に関連した問題を生じうる、他のあらゆるタイプの光増幅器に対しても適用可能である。これらの他のファクタには、例えば、増幅される信号の伝送速度（例えば、高データレート）が含まれる。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、光増幅器が飽和領域で動作する際に発生する歪み及びクロストークを低減する方法及びそのシステムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  半導体光増幅器ベースのシステムにおけるモード間歪みの効果を示すアイダイアグラム。
【図２】  半導体光増幅器ベースのシステムにおける交差飽和の効果を示すアイダイアグラム。
【図３】  代表的な半導体光増幅器の利得スペクトルを模式的に示すグラフ。
【図４】  本発明の原理が適用されたＷＤＭシステムの一実施例を模式的に示すブロック図。
【図５】  本発明の原理に従ったシステムでの伝送経路内の第一光増幅器への入力スペクトルにおける信号強度をを信号チャネル及びリザボワ補償チャネルに係る波長の関数として示すグラフ。
【図６】  本発明の原理に従ったシステムでの伝送経路内の最終増幅器の出力スペクトルにおける信号強度をを信号チャネル及びリザボワ補償チャネルに係る波長の関数として示すグラフ。
【図７】  補償されていない信号を用いるＷＤＭシステムにおける強度分布と交差飽和を示すアイダイアグラム。
【図８】  本発明の原理に従って補償された信号を用いるＷＤＭシステムにおける強度分布と交差飽和を示すアイダイアグラム。
【図９】  本発明の原理の例示に対応する図４に示されたシステム配置を用いたビットエラーレートの測定例を示すグラフ。
【符号の説明】
１０１  “０”ビットに対する定常的な強度レベル
１０２  “１”ビットに対する定常的な強度レベル
１０３  遷移点
２０１  “０”ビットに対する定常的な強度レベル
２０２  “１”ビットに対する定常的な強度レベル
４００  波長分割多重化システム
４０１  トランスミッタ部４０１
４０２  マルチプレクサ
４０３  変調器
４０４  分散補償ファイバ
４０５  偏光セレクタ
４０６  エルビウムドープファイバ増幅器
４０７  可変減衰器
４１０  分布帰還型レーザー
４１１  ３ｄＢカップラ
４２０  伝送部
４２１、４２２、４２３  半導体光増幅器
４２５  伝送ファイバスパン
４２６  可変減衰器
４５０  レシーバ部
４５１  エルビウムドープファイバ増幅器
４５２  バンドパスフィルタ
４５３  レシーバ
５０１  リザボワチャネル
５０２  トラフィックを担うチャネル
５５０  リザボワチャネルを有する場合のビットエラーレート性能
５５１  リザボワチャネルを有さない場合のビットエラーレート性能
５５２  測定系のベースライン
【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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