JP2010028710A - 光増幅伝送システム及び光増幅伝送システムの設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光増幅における雑音指数、及び累積分散による伝送特性劣化の改善を可能とする、広い波長帯域に対応可能な光増幅伝送システム及び光増幅伝送システムの設計方法を提供する。
【解決手段】プリチャープ調整機能１５を有する送信機１１と、ラマン増幅用光ファイバ２２を有する集中定数型ラマン増幅器１３とを備える光増幅伝送システムにおいて、前記送信機１１は、前記プリチャープ調整機能１５におけるチャープパラメータを前記集中定数型ラマン増幅器１３における前記ラマン増幅用光ファイバ２２の分散に基づき決定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、集中定数型ラマン増幅器を用いた光増幅伝送システム及び光増幅伝送システムの設計方法に属する。

近年研究が進められているフォトニッククリスタルファイバは、コア部が純石英ガラス母材で形成され、該コア部の周辺に複数の空孔を設け、実効的なクラッド部としている。該空孔の直径、及び配置を変化させることにより、高い自由度で理論遮断波長、波長分散、及びモードフィールド径を設計することが可能である。このため、例えば、波長６５８〜１５５６［ｎｍ］といった可視から近赤外までの広い波長帯域で光通信を行なうことが可能である。

このような広い波長帯域で光通信を行なうために必要となる当該波長帯域に対応可能な光増幅器としては、ファイバラマン増幅器（下記非特許文献１参照）がある。
一方、光ファイバを伝搬した光パルス信号は、当該光ファイバ中の累積分散によりパルス波形に歪を生じる。このため、高速・長距離の光伝送では、累積分散の補償が不可欠であり、光伝送媒体と逆符号の波長分散特性を有する分散補償ファイバ（下記非特許文献２参照）等が用いられている。

特開平９−２３６７８１号公報 Ｍ．Ｎ．Ｉｓｌａｍ、"Ｒａｍａｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ｆｏｒ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ"、ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＬＥＣＴＥＤ ＴＯＰＩＣＳ ＩＮ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、Ｖｏｌ．８、Ｎｏ．３、２００２年５月／６月、ｐ．５４８−５５９ Ｌ．Ｇ．Ｎｉｅｌｓｅｎ、外７名、"Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ Ｆｉｂｅｒｓ"、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．１１、２００５年１１月、ｐ．３５６６−３５７９ Ｃ．Ｆｕｋａｉ、外５名、"Ｏｐｔｉｍｕｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａ ＤＲＡ−Ｂａｓｅｄ ＤＷＤＭ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ"、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．３、２００５年３月、ｐ．１２３２−１２３８ Ｒ．Ｈ．Ｓｔｏｌｅｎ、"Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｉｎ Ｆｉｂｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"、ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＴＨＥ ＩＥＥＥ、Ｖｏｌ．６８、Ｎｏ．１０、１９８０年１０月、ｐ．１２３２−１２３６ Ｒ．Ｊ．Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ、外３名、"Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ Ｐｕｍｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｄｏｕｂｌｅ Ｒａｙｌｅｉｇｈ Ｂａｃｋｃｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ"、ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．７、２００２年７月、ｐ．９１４−９１６ Ｍ．Ｏｈａｓｈｉ、外２名、"Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｏｓｓ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ Ｓｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ"、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、Ｖｏｌ．１０、Ｎｏ．５、１９９２年５月、ｐ．５３９−５４３ Ｅ．Ｂｒｉｎｋｍｅｙｅｒ、"Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ"、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、Ｖｏｌ．７０、Ｎｏ．８、１９８０年８月、ｐ．１０１０−１０１２ Ｇ．Ｐ．アグラワール著、小田垣孝訳、山田興一訳、「非線形ファイバー光学（原書第２版）」、第１版、吉岡書店、１９９７年５月２５日、ｐ．７８−８１ Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ、外１名、"Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈｉｒｐｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ"、ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．５、１９８６年５月、ｐ．３１８−３２０ 川上彰二郎、白石和男、大橋正治著、「アドバンスト・エレクトロニクスI−１６ 光ファイバとファイバ形デバイス」、培風館、１９９６年７月１０日、ｐ．２４−３３、７０−７３

しかしながら、上記非特許文献２に記載の分散補償ファイバでは、特に波長１．３μｍ帯より短波長側の波長帯域において、正の波長分散特性を単一モード条件で実現することは困難であり、当該波長帯域で負の波長分散特性を有する光伝送媒体の分散補償は行えないといった課題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、光増幅における雑音指数、及び累積分散による伝送特性劣化の改善を可能とする、広い波長帯域に対応可能な光増幅伝送システム及び光増幅伝送システムの設計方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決する第１の発明に係る光増幅伝送システムは、
プリチャープ調整機能を有する送信機と、
ラマン増幅用光ファイバを有する集中定数型ラマン増幅器と
を備える光増幅伝送システムにおいて、
前記送信機は、前記プリチャープ調整機能におけるチャープパラメータを前記集中定数型ラマン増幅器における前記ラマン増幅用光ファイバの分散に基づき決定する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第２の発明に係る光増幅伝送システムの設計方法は、
ラマン増幅用光ファイバを有する集中定数型ラマン増幅器とプリチャープ調整機能を有する送信機とにより構成される光増幅システムの設計方法において、
前記集中定数型ラマン増幅器における所望のネットゲインと、前記集中定数型ラマン増幅器の励起光強度とを設定し、前記ラマン増幅用光ファイバのラマン利得率、実効断面積、及び群速度分散を用いて、雑音指数及び分散ペナルティを求める
ことを特徴とする。

本発明によれば、光増幅における雑音指数、及び累積分散による伝送特性劣化の改善を可能とする、広い波長帯域に対応可能な光増幅伝送システム及び光増幅伝送システムの設計方法を提供することができる。

以下に、本発明に係る光増幅伝送システム及び光増幅伝送システムの設計方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る光増幅伝送システムの構成例を示す概略図である。
本発明に係る光増幅伝送システムは、所望の波長λ_Sの信号光を生成する送信機１１と、前記波長λ_Sよりも短い遮断波長特性を有する伝送用光ファイバ１２と、集中定数型ラマン増幅器１３と、受信機１４とにより構成される。

送信機１１は、光源、パルス発生器、及び変調器等の光信号を送信するために必要となるコンポーネントが含まれるものとし、特にプリチャープ調整機能１５を具備することを特徴とし、プリチャープの調整は、例えば、Ｚカット型のＬｉＮｂＯ₃変調器において、チャープパラメータＣを制御する、つまり、印加電圧を調整することにより実現できる。

ここで、プリチャープとは、変調信号光にその光強度に応じた周波数変調を施し、波長分散によりパルス圧縮を起こさせるものである（上記特許文献１参照）。また、光位相φと光強度Ｉとを用いて表されるチャープパラメータＣは、チャープの程度を表す。チャープパラメータＣは、式（１）のように示される。

また、受信機１４は、光フィルタ、光電変換器、電気増幅器、及び電気フィルタ等の光信号を受光し、電気信号へ変換し、信号情報を読み取るためのコンポーネントが含まれる。図１に示す概略図では、集中定数型ラマン増幅器１３を、伝送用光ファイバ１２の出射端に接続する構成としているが、前記集中定数型ラマン増幅器１３は、前記伝送用光ファイバ１２の入射端、又は入射端及び出射端の両方に接続される構成であっても構わない。

図２は、本発明に係る光増幅伝送システムを構成する集中定数型ラマン増幅器１３の構成例を示す概略図である。
本発明に係る光増幅伝送システムに用いる集中定数型ラマン増幅器１３は、波長λ_Pの励起光源２１と、前記励起波長λ_Pよりも短い遮断波長特性を有するラマン増幅用光ファイバ２２と、前記波長λ_Pの励起光を前記ラマン増幅用光ファイバ２２に結合する結合器２３とにより構成される。

励起光源の波長λ_Pは、ラマン増幅による最大利得が得られる波長、すなわち、前記信号波長λ_Sよりも１３．２［ＴＨｚ］短波長側にシフトした波長に設定されることが好ましい。例えば、信号波長λ_Sが１．１２［μｍ］である場合、励起波長λ_Pは１．０６［μｍ］とすることが好ましく、当該波長での出力を有する励起光源としては、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、又はイッテリビウム添加ファイバレーザが利用できる。

なお、前記結合器２３は、前記波長λ_Sの信号光を、前記ラマン増幅用光ファイバ２２の入射端側、又は図１に示す受信機１４側に結合する機能を具備するものとする。また、図２に示す概略図では、励起光源２１、及び結合器２３を、ラマン増幅用光ファイバ２２の両端に接続する構成としたが、ラマン増幅用光ファイバ２２の入射端、又は出射端側のいずれか一方のみに接続される構成であっても構わない。

したがって、図１及び図２に示した構成例を用いることにより、所望の信号波長λ_Sにおける、集中定数型ラマン増幅器１３を用いた単一モード光増幅伝送システムを実現することが可能となる。

本発明に係る集中定数型ラマン増幅器１３において、ラマン増幅用光ファイバ２２の長さ、ラマン利得率、及び損失係数を、それぞれＬ［ｋｍ］、Ｃ_R［Ｗｋｍ^-1］、α［ｄＢ／ｋｍ］とし、ラマン増幅用光ファイバ２２の入射側、及び出射側に接続された励起光源２１の励起光強度を、それぞれＰ_F[Ｗ]及びＰ_B[Ｗ]とすると、当該集中定数型ラマン増幅器１３のファイバ位置０からＬまでのネットゲインＧ（０，Ｌ）は、式（２）のように示される。

なお、式（２）は、上記非特許文献５の９１４頁右欄に、ファイバ位置ｚ₁からｚ₂におけるネットゲインＧ（０，Ｌ）が「Ｇ（ｚ₁，ｚ₂）＝Ｔ_F（ｚ₁，ｚ₂）Ｇ_R（ｚ₁，ｚ₂）」で求められる旨の記載があることから、同欄に記載の「Ｔ_F（ｚ₁，ｚ₂）＝ｅｘｐ[−α_s（ｚ₂−ｚ₁）]」と上記非特許文献５の式（２）で表されるＧ_R（ｚ₁，ｚ₂）とを乗ずることによって導出した。また、本願では、「ｚ₁＝０、ｚ₂＝Ｌ」としている。

また、雑音指数ＮＦは、式（３）（上記非特許文献５の９１５頁の式（７）参照）のように示される。

ここで、ｈν、Ｂ_e及びＢ_oは、それぞれ光子エネルギー、電気フィルタ帯域幅、及び光フィルタ帯域幅を表し、Ｎ_ASE及びＰ_DRSは、それぞれ雑音成分の自然放出光による光パワー密度、及び二重レイリー散乱による雑音パワーを表す。

さらに、波長λにおけるラマン利得率Ｃ_R（λ）は、ラマン増幅用光ファイバ２２のコアの比屈折率差Δ、及び実効断面積Ａ_effを用いて、式（４）のように示される。なお、本発明において、λ_S、及びλ_Pは、それぞれ信号波長、及び励起波長を示し、λは信号波長、又は励起波長のいずれかを示す。

なお、式（４）は、上記非特許文献３の１２３３頁左欄に記載の励起波長が１．４５μｍ（同頁ＴＡＢＬＥ Ｉ参照）の時のラマン利得率Ｃ_Rを表す式（６）において、ラマン増幅用光ファイバ２２としてゲルマニウム添加ファイバを用いることを仮定し、ｇ₁＝２．１６を代入した。

また、上記非特許文献４の１２３２頁右欄、下から４行目に「励起波長λの時のラマン利得係数は、励起波長１［μｍ］の時のラマン利得係数に対して「１／λ」を乗ずることで求められる」旨の記載があることから、上記ラマン利得率Ｃ_Rに対して、さらに「（１．４５×１０^-6）／λ_P」を乗ずることによって導出した。

また、損失係数α（λ）は、ラマン増幅用光ファイバ２２のコアの比屈折率差Δ、及び実効断面積Ａ_effを用いて、式（５）のように示される。

なお、式（５）は、上記非特許文献６の５３９頁左欄に記載の損失α_Tを表す式（１）において、レイリー散乱損失係数０．８［ｄＢ／ｋｍ μｍ⁴］とラマン増幅用光ファイバ２２としてゲルマニウム添加ファイバを用いることを仮定して、「Ａ＝Ａ₀（１＋０．４４Δ）」を代入し、上記非特許文献６の５３９頁左欄に記載の赤外吸収損失α_IRを表す式（３）に上記非特許文献６の５４０頁左欄４行目に記載の吸収損失係数６．６５×１０¹²と５２．６２を代入することによって導出した。

また、Ｎ_ASE（上記非特許文献５の９１４頁の式（１）参照）は、ラマン増幅用光ファイバ２２のコアの比屈折率差Δ、及び実効断面積Ａ_effを用いて、式（６）のように示される。

また、Ｐ_DRS（上記非特許文献３の１２３３頁の式（１０）参照）は、ラマン増幅用光ファイバ２２のコアの比屈折率差Δ、及び実効断面積Ａ_effを用いて、式（７）のように示される。

ここで、Ｐ_inは信号入力強度である。

また、Ｇ（ｚ，Ｌ）はファイバ位置ｚからＬまでのネットゲイン、Ｒ（λ_S）はレイリー後方散乱係数であり、コアの屈折率ｎ_coreを用いて式（８）のように示される。

なお、式（８）は、式（８）の右辺第１項は、上記非特許文献６の５３９頁右欄に記載のレイリー散乱損失係数α_Rを表す式（２）に対して、同欄に記載のゲルマニウム添加ファイバにおけるレイリー散乱係数Ａを表す式（５）、及び上記非特許文献６の５４０頁左欄７行目に記載の純シリカガラスのレイリー散乱係数０．８［ｄＢ／ｋｍ μｍ⁴］を代入することによって導出した。

また、式（８）の右辺第２項は、上記非特許文献７の１０１１頁右欄に記載の式（１２）における後方散乱ファクターＳを表す式から導出した。上記非特許文献７において、ｎ、ω₀、ω及びｃは、それぞれコアの屈折率、モードフィールド径、角周波数、及び光速を表している。そして、本願ではコアの屈折率をｎ_coreとしているので「ｎ＝ｎ_core」である。

また、本願で使用している実効断面積Ａ_effは、モードフィールド径ω₀を用いて、「Ａ_eff＝πω₀ ²」と表すことができる。さらに、一般に、波数ｋは、ｋ＝ω／ｃであり、波長λを用いて表すと「ｋ＝２π／λ」となる。したがって、後方散乱ファクターＳについて、式（９）を導出することができる。

したがって、本発明に係る集中定数型ラマン増幅器１３を用いた光増幅伝送システムにおいて、所望のネットゲインＧ（０，Ｌ）、並びに励起光強度Ｐ_F及びＰ_Bを設定し、ラマン増幅用光ファイバ２２におけるラマン利得率Ｃ_R、及び実効断面積Ａ_effの、コアの比屈折率差Δに対する依存性、並びに前記式（２）〜式（９）を用いることにより、当該光増幅伝送システムにおける雑音指数ＮＦの特性を設計することが可能となる。

一方、チャープ特性を有する波長λの光信号パルスが、群速度分散がβ₂[ｐｓ／ｋｍ]である長さＬ[ｋｍ]の分散媒質を透過した後における、分散による伝送特性に対するペナルティＤＰ[ｄＢ]は、入射パルス幅Ｔ₀、及びチャープパラメータＣを用いて、式（１０）のように示される。

なお、式（１０）は、上記非特許文献８の８１頁に記載のパルスの拡がり因子を表す式（３．２．２７）をデシベル表記にしたものである。また、上記非特許文献８におけるｚ、Ｔ、Ｔ₀、ｉ、及びＣは、それぞれ距離、群速度ν_gで時間ｔのパルスとともに進行する座標系で測られた時間「Ｔ＝ｔ−ｚ／ν_g」、入射パルス幅、虚数、及びチャープパラメータＣを表す。

ここで、Γはガンマ関数を示す。また、ｍは、パルスの形状を関数として示すための補正関数であり、例えば、ガウス型パルス、及び超ガウス型パルスの場合、それぞれｍ＝１、ｍ＞１である（上記非特許文献８参照）。なお、ｍは、上記非特許文献９の式（５）に示されるように、パルスの半値幅σと立ち上がり時間τ_rから求めることができる。

また、群速度分散β₂は、前記分散媒質の当該波長λにおける波長分散Ｄ[ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ]と式（１１）の関係を有する。

ここで、ｃは光速を示す。

図３は、群速度分散と長さの積、つまり累積群速度分散β₂Ｌと、分散によるペナルティＤＰの関係の一例であり、チャープパラメータＣをパラメータとして記述した図である。ここで、Ｔ₀、及びｍは、それぞれ５０［ｐｓ］、及び１．５を用いた。図３より、群速度分散と長さの積β₂Ｌが正、及び負である場合、チャープパラメータＣを、それぞれ負、及び正の値に設定することにより、分散によるペナルティＤＰを負に制御できることが分かる。

したがって、前記ラマン増幅用光ファイバ２２の信号波長λ_Sにおける、波長分散Ｄ、並びに前記式（１０）及び式（１１）を用いることにより、本発明に係る光増幅伝送システムを構成する集中定数型ラマン増幅器１３における、分散による伝送特性に対するペナルティＤＰを設計することが可能となり、かつ当該ペナルティＤＰをチャープパラメータＣの符号により制御することが可能となる。

以下に、本発明に係る集中定数型ラマン増幅器１３を用いた光増幅伝送システムの設計例について、信号波長λ_Sを１．１２［μｍ］、励起波長λ_Pを１．０６［μｍ］、当該光増幅伝送システムにおける所望のネットゲインＧ（０，Ｌ）を３０［ｄＢ］、励起光強度Ｐ_F及びＰ_Bの比率を１：１、全励起光強度「Ｐ_P＝Ｐ_F＋Ｐ_B」を０．５〜１［Ｗ］とした場合について、図を用いて説明する。なお、本実施例では、励起光強度Ｐ_F及びＰ_Bの比率を１：１としたが、当該励起光強度Ｐ_Pの比率は任意に設定することが可能である。

図４は、本発明に係る光増幅伝送システムの実施例で用いた、ラマン増幅用光ファイバ２２の断面方向の屈折率分布を示す概念図である。
本実施例では、ラマン増幅用光ファイバ２２として、コアにゲルマニウムを添加した石英ファイバを用いた。ここで、Δ、及びａはそれぞれコア部４１とクラッド部４２との比屈折率差、及びコア半径を表す。

また、クラッド部４２の屈折率は、純石英のレベルとした。なお、本実施例では、ラマン増幅用光ファイバ２２の屈折率分布としては、本実施例のコアにゲルマニウムを添加したステップ型の屈折率分布を有する構造に限らず、任意の屈折率分布を有する構造であっても構わない。

図５は、図４に示した屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバ２２において、遮断波長λ_Cを１．０６［μｍ］、すなわち、所望の光増幅伝送システムにおける励起波長λ_P以下とする、コアの比屈折率差Δとコア半径ａの関係を示す図である。
本実施例においては、多層分割法（上記非特許文献１０参照）を用いて数値計算により、１．０６［μｍ］以下の遮断波長を実現する比屈折率差Δとコア半径ａの関係を求めた。

図５中の実線は、遮断波長λ_Cが１．０６［μｍ］となるときのコア部とクラッド部との比屈折率差Δに対するコア半径ａの関係を示し、実線以下の斜線で示される領域で比屈折率差Δに対するコア半径ａを設計することにより、１．０６［μｍ］以下の遮断波長λ_Cを実現することが可能となる。

図６は、図５に示した遮断波長λ_C条件において、波長１．１２［μｍ］における実効断面積Ａ_effとラマン利得率Ｃ_Rのコアの比屈折率差Δに対する依存性を示す図である。
なお、本実施例では、遮断波長λ_Cが１．０６［μｍ］であるときの、波長１．１２［μｍ］における比屈折率差Δと実効断面積Ａ_effの関係を、多層分割法（上記非特許文献１０参照）を用いて数値計算により求めた。また、波長１．１２［μｍ］における比屈折率差Δとラマン利得率Ｃ_Rの関係を式（４）を用いて求めた。

図７は、図５に示した遮断波長λ_C条件において、波長１．１２［μｍ］における波長分散Ｄと群速度分散β₂のコアの比屈折率差Δに対する依存性を示す図である。
なお、本実施例では、遮断波長λ_Cが１．０６［μｍ］であるときの波長１．１２［μｍ］における比屈折率差Δと波長分散Ｄの関係を、多層分割法（上記非特許文献１０参照）を用いて数値計算により求めた。また、波長１．１２［μｍ］における比屈折率差Δと群速度分散β₂の関係を式（１１）を用いて求めた。

図８は、図６に示した実効断面積Ａ_eff及びラマン利得率Ｃ_Rのコアの比屈折率差Δに対する依存性を用い、ネットゲインＧ（０，Ｌ）＝３０［ｄＢ］の要求条件を満たす等ＮＦ特性を、コアの比屈折率差Δ及びラマン増幅用光ファイバ２２のファイバ長Ｌの関数としてプロットした図である。

つまり、比屈折率差Δ（ラマン利得率Ｃ_Rと損失係数α）とファイバ長Ｌのプロット点において、励起光強度Ｐ_F及びＰ_Bを少しずつ可変し、ネットゲインＧ（０，Ｌ）が３０［ｄＢ］となる励起光強度Ｐ_F及びＰ_Bを式（２）を用いて求め、次に、各比屈折率差Δ（ラマン利得率Ｃ_Rと損失係数α）とファイバ長Ｌ、ネットゲインＧ（０，Ｌ）、及びその時の励起光強度Ｐ_F及びＰ_Bを用いて、式（３）から雑音指数ＮＦを求めプロットした図である。なお、伝送速度は１０［Ｇｂｉｔ／ｓ］とし、電気フィルタ帯域幅Ｂ_e、及び光フィルタ帯域幅Ｂ_oは、それぞれ７［ＧＨｚ］及び１０［ＧＨｚ］とした。また、集中定数型ラマン増幅器１３への信号入力強度Ｐ_inは−３０［ｄＢｍ］とした。

図８中の実線、及び破線は、それぞれ雑音指数ＮＦ、及び全励起光強度Ｐ_Pを示す。全励起光強度Ｐ_Pが０．５〜１［Ｗ］である場合、比屈折率差Δが約０．６％以上、すなわち、ラマン利得率Ｃ_Rを約２［Ｗｋｍ^-1］以上、ファイバ長Ｌを１［ｋｍ］以上に設定することにより、３．２〜５［ｄＢ］の雑音指数ＮＦ特性を保持したまま、３０［ｄＢ］のネットゲインＧ（０，Ｌ）を実現可能であることがわかる。

特に、全励起光強度Ｐ_Pが０．５［Ｗ］の場合、比屈折率差Δを１．１％以上にすることによって３０［ｄＢ］のネットゲインＧ（０，Ｌ）を実現し、ファイバ長Ｌを７．５［ｋｍ］以下に設定することにより、４［ｄＢ］以下の雑音指数ＮＦ特性を実現可能であるためより好ましい。

図９は、図８に示した等ＮＦ特性において、全励起光強度Ｐ_Pが０．５及び１［Ｗ］の時のコアの比屈折率差Δに対する累積群速度分散β₂Ｌの特性を示す図である。
なお、各コアの比屈折率差Δにおける累積群速度分散β₂Ｌは、図７及び図８からそれぞれ累積群速度分散β₂Ｌ、及びファイバ長Ｌを読み取り算出した。全励起光強度Ｐ_Pが０．５、及び１［Ｗ］において、それぞれ累積群速度分散β₂Ｌが２５、及び５０［ｐｓ］以上と正の値をとり、比屈折率差Δの減少とともに累積群速度分散β₂Ｌが大きくなることがわかる。

図１０は、図９に示した累積群速度分散β₂Ｌ特性における、分散による伝送特性のペナルティＤＰのコアの比屈折率差Δに対する依存性を示す図である。
ここで、各比屈折率差における分散ペナルティは、チャープパラメータＣは−０．７を用いて式（１０）より求めた。また、入射パルス幅Ｔ₀、及びパルス形状補正係数ｍは、それぞれ５０［ｐｓ］、及び１．５を用いた。図１０より、累積群速度分散β₂Ｌが正の値をとるため、チャープパラメータＣを負に設定することにより、分散による伝送特性のペナルティＤＰを負に制御できることが分かる。

図１１は、符号誤り率ＢＥＲ特性における、雑音指数ＮＦの低減、及び分散ペナルティＤＰの低減効果を示す概念図である。
一般に、雑音指数ＮＦの低減により、信号対雑音比特性を改善することが可能となり、同一の受光パワーＰ_RECにおける符号誤り率ＢＥＲを減少させることが可能となる。また、分散ペナルティＤＰが負に低減されることにより、所望の符号誤り率ＢＥＲを実現する受光パワーＰ_RECを減少させることが可能となる。

つまり、図１１中の実線で示される符号誤り率ＢＥＲ特性を有する光増幅伝送システムにおいて、雑音指数ＮＦ、又は分散ペナルティが低減した場合、図１１中の破線で示される受光パワーＰ_RECにおける符号誤り率ＢＥＲの値が、それぞれの矢印で示される方向ヘシフトするため、図１１中の実線で示される符号誤り率ＢＥＲ特性を、破線で示される符号誤り率ＢＥＲ特性へ改善することが可能となる。

したがって、所望のネットゲインＧ（０，Ｌ）及び全励起光強度「Ｐ_P＝Ｐ_F＋Ｐ_B」を設定し、ラマン増幅用光ファイバ２２のラマン利得率Ｃ_R、及び実効断面積Ａ_effの、コアの比屈折率差Δに対する依存性を用いて、集中定数型ラマン増幅器１３のＮＦ特性を導出し、かつ、ラマン増幅用光ファイバ２２の累積群速度分散β₂Ｌの、コアの比屈折率差Δに対する依存性を用いて、集中定数型ラマン増幅器１３の分散ペナルティＤＰ特性を導出することにより、当該集中定数型ラマン増幅器１３の雑音指数ＮＦ特性、及び分散による伝送特性劣化を改善した単一モード光増幅伝送システムを実現することが可能となる。

より具体的には、全励起光強度Ｐ_Pが０．５［Ｗ］のとき、比屈折率差Δ、及びファイバ長Ｌをそれぞれ１．２％、及び５．３［ｋｍ］に設定することにより、３．８［ｄＢ］の雑音指数ＮＦ、及び−０．２５［ｄＢ］の分散ペナルティＤＰを実現可能である。また、全励起光強度Ｐ_Pが１［Ｗ］の場合、比屈折率差Δ、及びファイバ長Ｌをそれぞれ０．６％、及び６［ｋｍ］に設定することにより、３．６ｄＢの雑音指数ＮＦ、及び−０．２５［ｄＢ］の分散ペナルティＤＰを実現可能である。

次に、本発明に係る光増幅伝送システムの実施例において説明した、集中定数型ラマン増幅器を用いた単一モード光増幅伝送システムの設計方法について説明する。
本実施例に係る光増幅伝送システムの設計においては、具体的には、式（２）〜式（１１）を用いて、各パラメータの設定を経て、図８及び図１０のチャートを求める。
求められた図８と図１０とを比較し、雑音指数ＮＦが低く、かつ良好な分散ペナルティＤＰ特性が得られる比屈折率差Δとファイバ長Ｌとの関係（例えば、比屈折率差１．１％、ファイバ長７．５［ｋｍ］と言うように具体的な数値）を見つける。
そして、この比屈折率差Δとファイバ長Ｌとを有するラマン増幅用光ファイバ２２を用いた光増幅システムを構成することにより、当該システムにおける性能（雑音指数ＮＦと分散ペナルティＤＰ）を図８と図１０から把握することができる。

ここで、「雑音指数ＮＦが低く、かつ良好な分散ペナルティＤＰ特性」は、使用するシステムにおける受光パワーＰ_RECと符号誤り率ＢＥＲとの関係（図１１参照）によって変わる。すなわち、受光パワーＰ_RECと符号誤り率ＢＥＲのグラフの傾きの絶対値が大きい場合には、分散ペナルティＤＰの改善が大きい方が効果が高いため、例えば、Ｐ_P＝０．５［Ｗ］であれば、図１０から分散ペナルティの改善が最大となる比屈折率差Δを１．１％とすることが望ましい。
逆に、受光パワーＰ_RECと符号誤り率ＢＥＲのグラフの傾きの絶対値が小さい場合には、雑音指数ＮＦが小さい方が効果が高いため、例えば、Ｐ_P＝０．５［Ｗ］であれば、図８から比屈折率差Δを２％とすることが望ましい。

次に、本発明に係る光増幅伝送システムの実施例において説明した、集中定数型ラマン増幅器１３を用いた単一モード光増幅伝送システムの設計方法の手順について説明する。
図１２は、本発明に係る光増幅伝送システムの実施例において説明した、集中定数型ラマン増幅器１３を用いた単一モード光増幅伝送システムの設計方法に関するフローチャートを示す図である。
図１２に示すように、はじめに、ステップＳ１において、光増幅伝送システムの所望のネットゲインＧ（０，Ｌ）、励起光強度Ｐ_F及びＰ_B、及びプリチャープ調整機能１５のチャープパラメータＣの絶対値を設定する。

次に、ステップＳ２において、ラマン増幅用光ファイバ２２のラマン利得率Ｃ_R、実効断面積Ａ_eff、及び群速度分散のコアの比屈折率差Δに対する依存性の関係を求める。図４の屈折率分布において、例えば、多層分割法を用いることにより、図５のような、遮断波長λ_C特性を満たす比屈折率差Δとコア半径ａとの関係を求める。この関係から、図６及び図７の実効断面積Ａ_effや波長分散Ｄを求めることができる。

次に、ステップＳ３において、集中定数型ラマン増幅器１３の雑音指数ＮＦ特性を導出する。ステップＳ２までのステップで、ネットゲインＧ（０，Ｌ）、励起光強度Ｐ_F及びＰ_B、比屈折率差Δ、実効断面積Ａ_eff、及びラマン利得率Ｃ_Rが求められているため、式（３）〜式（９）を用いて雑音指数ＮＦを算出することが可能である。これにより、図８のような比屈折率差Δとファイバ長Ｌを変化させた時の雑音指数ＮＦ特性を求めることができる。なお、図８では励起光強度Ｐ_F及びＰ_Bを比屈折率差Δ及びファイバ長Ｌの変化に対してネットゲインＧ（０，Ｌ）が３０［ｄＢ］となるように設定してある。

次に、ステップＳ４において、集中定数型ラマン増幅器１３の分散ペナルティＤＰ特性を導出する。図７から比屈折率差Δと群速度分散β₂との関係が、図８から特定の励起光強度Ｐ_F及びＰ_B（例えば、０．５［Ｗ］）における比屈折率差Δとファイバ長Ｌとの関係が、それぞれ求められることから、図９のような比屈折率差Δと累積群速度分散β₂Ｌ（群速度分散β₂とファイバ長Ｌとの積）との関係が求められ、式（１０）を用いることによって、図１０に示される分散ペナルティＤＰ特性を求めることができる。

最後に、ステップＳ５において、ラマン増幅用光ファイバ２２の比屈折率差Δとファイバ長Ｌ、及びプリチャープ調整機能１５のチャープパラメータＣの符号を決定する。図８及び図１０から、雑音指数ＮＦが低く、かつ、良好な分散ペナルティＤＰ特性となる比屈折率差Δとファイバ長Ｌの関係を見出す。

以上説明したように、本発明に係る光増幅伝送システムによれば、ラマン増幅用光ファイバ２２を有する集中定数型ラマン増幅器１３と、プリチャープ調整機能１５を有する送信機１１とを具備することとしたため、任意の信号波長における分散ペナルティＤＰの改善を可能とする光増幅伝送システムを実現することができる。

また、本発明に係る光増幅伝送システムの設計方法として、当該光増幅伝送システムにおける、所望のネットゲインＧ（０，Ｌ）、及び励起光強度Ｐ_F及びＰ_Bをパラメータとし、ラマン増幅媒体の実効断面積Ａ_eff、ラマン利得率Ｃ_R、及び群速度分散β₂の比屈折率差Δに対する依存性との関係を考慮に入れ、集中定数型ラマン増幅器１３の雑音指数ＮＦ特性と分散ペナルティＤＰを導出することとしたため、当該光増幅伝送システムの伝送性能を改善することができる。

本発明は、例えば、集中定数型ラマン増幅器を用いた光増幅伝送システム及び光増幅伝送システムの設計方法に利用することが可能である。

本発明に係る光増幅伝送システムの構成例を示す概略図である。 本発明に係る光増幅伝送システムを構成する集中定数型ラマン増幅器の構成例を示す概略図である。 群速度分散と長さの積、つまり累積群速度分散β₂Ｌと、分散によるペナルティＤＰの関係の一例であり、チャープパラメータＣをパラメータとして記述した図である。 本発明に係る光増幅伝送システムの実施例で用いた、ラマン増幅用光ファイバの断面方向の屈折率分布を示す概念図である。 図４に示した屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバ２２において、遮断波長λ_Cを１．０６［μｍ］、すなわち、所望の光増幅伝送システムにおける励起波長λ_P以下とする、コアの比屈折率差Δとコア半径ａの関係を示す図である。 図５に示した遮断波長λ_C条件において、波長１．１２［μｍ］における実効断面積Ａ_effとラマン利得率Ｃ_Rのコアの比屈折率差Δに対する依存性を示す図である。 図５に示した遮断波長λ_C条件において、波長１．１２［μｍ］における波長分散Ｄと群速度分散β₂のコアの比屈折率差Δに対する依存性を示す図である。 図６に示した実効断面積Ａ_eff及びラマン利得率Ｃ_Rのコアの比屈折率差Δに対する依存性を用い、ネットゲインＧ（０，Ｌ）＝３０［ｄＢ］の要求条件を満たす等ＮＦ特性を、コアの比屈折率差Δ及びラマン増幅用光ファイバの長さＬの関数としてプロットした図である。 図８に示した等ＮＦ特性において、全励起光強度Ｐ_Pが０．５及び１［Ｗ］の時のコアの比屈折率差Δに対する累積群速度分散β₂Ｌの特性を示す図である。 図９に示した累積群速度分散β₂Ｌ特性における、分散による伝送特性のペナルティＤＰのコアの比屈折率差Δに対する依存性を示す図である。 符号誤り率ＢＥＲ特性における、雑音指数ＮＦの低減、及び分散ペナルティＤＰの低減効果を示す概念図である。 本発明に係る光増幅伝送システムの実施例において説明した、集中定数型ラマン増幅器を用いた単一モード光増幅伝送システムの設計方法に関するフローチャートを示す図である。

符号の説明

１１ 送信機
１２ 伝送用光ファイバ
１３ 集中定数型ラマン増幅器
１４ 受信機
１５ プリチャープ調整機能
２１ 励起光源
２２ ラマン増幅用光ファイバ
２３ 結合器

Claims (2)

1. プリチャープ調整機能を有する送信機と、
   ラマン増幅用光ファイバを有する集中定数型ラマン増幅器と
   を備える光増幅伝送システムにおいて、
   前記送信機は、前記プリチャープ調整機能におけるチャープパラメータを前記集中定数型ラマン増幅器における前記ラマン増幅用光ファイバの分散に基づき決定する
   ことを特徴とする光増幅伝送システム。
2. ラマン増幅用光ファイバを有する集中定数型ラマン増幅器とプリチャープ調整機能を有する送信機とにより構成される光増幅システムの設計方法において、
   前記集中定数型ラマン増幅器における所望のネットゲインと、前記集中定数型ラマン増幅器の励起光強度とを設定し、前記ラマン増幅用光ファイバのラマン利得率、実効断面積、及び群速度分散を用いて、雑音指数及び分散ペナルティを求める
   ことを特徴とする光増幅伝送システムの設計方法。

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