JP4572511B2 - 光伝送システム及び光増幅方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、互いに波長の異なる複数信号チャネルを有する多重化信号光を伝送する光伝送システム、及び、その光伝送システムにおける多重化信号光の増幅方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（ＷＤＭ: Wavelength Division Multiplexing）光伝送システムは、所定の信号波長帯域に含まれる複数の信号チャネルが多重化された信号光（多重化信号光）が伝搬する光ファイバ伝送路を含み、大容量情報の高速送受信を可能にする。また、光ファイバ伝送路を信号光が伝搬する間に生じる伝送損失を補償するため、光増幅器が用いられる。
【０００３】
上記光増幅器として幾つかの種類が知られている。例えば、希土類元素添加光ファイバ増幅器は、希土類元素（例えば、Ｅｒ元素、Ｔｍ元素）が光導波領域に添加された光ファイバを光増幅媒体として利用し、この光ファイバに所定波長の励起光を供給して希土類元素を励起する。このような希土類元素の励起により、該希土類元素の励起準位と基底準位との間のエネルギー差に応じた特定信号波長域内の信号光を増幅することができる。
【０００４】
また、ラマン増幅器は、信号光が伝搬する光伝送路における非線形光学現象の一種である誘導ラマン散乱現象を利用した光増幅器であり、例えば、光伝送路が石英系光ファイバである場合、信号波長より１００ｎｍ程度短い波長の光がラマン増幅用励起光として利用される。また、半導体光増幅器は、電流供給により半導体内に反転分布を生じさせることで、その反転分布におけるエネルギー差に応じた特定波長帯域内の信号光を増幅する。
【０００５】
これら各種の光増幅器のうち、希土類元素添加光ファイバ増幅器及び半導体光増幅器それぞれは、一般にモジュール化された集中定数型光増幅器として利用され。一方、ラマン増幅器は、集中定数型光増幅器として利用されるだけでなく、分布型光増幅器としても利用され得る。分布ラマン増幅器は、光増幅媒体としてはモジュール化された光伝送路を有さず、中継区間に敷設された光ファイバ伝送路において信号光をラマン増幅する。
【０００６】
一方、更なる大容量化を図るべく、ＷＤＭ光伝送システムに適用される信号波長帯域の拡大が求められている。すなわち、これまで使用されてきたＣバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）に加えて、これより長波長側のＬバンド（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）も使用されるようになり、また、これより短波長側のＳバンド（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ）の使用が検討されている。
【０００７】
なお、従来の光伝送システムには、１５３０ｎｍ〜１６１０ｎｍの信号波長帯域において、平坦な光ＳＮＲスペクトルを得るよう、分布型増幅型ファイバラマン増幅器を用いたシステムがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３１４９０２号公報（第３〜４頁、第１〜１５図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、従来の光伝送システムを検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、Ｓ、Ｃ及びＬバンドを含む広帯域でＷＤＭ光伝送を行うとともに光増幅器により複数チャネルの信号光を増幅する場合、信号チャネル間で生じる雑音指数（ＮＦ: Noise Figure）のバラツキが問題となる。ここで、雑音指数ＮＦは、
ＮＦ＝ＰASE／(ｈ・ν・Δν・Ｇ) …(1)
なる式で表される。ＰASEは、光増幅器により生じる増幅された自然放出光（ＡＳＥ光: Amplified Spontaneous Emission Light）の光パワーである。ｈはプランク定数であり、νは信号光周波数であり、Δνは信号光周波数の分解能であり、Ｇは光増幅器の利得である。信号波長帯域における雑音指数のバラツキが大きいと、雑音指数の最悪値に合わせたシステム設計を行う必要があるので、伝送容量や光中継距離に制限が生じる。
【００１０】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、優れた雑音特性を有する光伝送システム及び光増幅方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光伝送システムは、光ファイバ伝送路と、該光ファイバ伝送路を伝搬する信号光に所望の利得を与えるとき、信号波長帯域における雑音特性を劣化させる要素として機能し得る光学デバイスとして、ラマン増幅器、希土類元素添加光ファイバ増幅器、半導体光増幅器などの集中型光増幅器を含むシステムにおいて、当該システム全体の雑音特性を改善するための構造を備える。
【００１２】
光ファイバ伝送路上に集中型光増幅器が配置された光伝送システムでは、光ファイバ伝送路における損失の波長依存性と、信号チャネル間で生じる誘導ラマン散乱に起因したパワー遷移（SRS tilt: Stimulated Raman Scattering Tilt）の影響により、信号光パワーは長波長側よりも短波長側の方がより低下する。必然的に、集中型光増幅器の利得は、長波長側よりも短波長側の方が大きくなるため、このように集中型光増幅器を含む光ファイバ伝送路全体において、信号波長帯域における雑音指数は長波長側よりも短波長側でより劣化することになる。そこで、この発明に係る光伝送システムは、集中型光増幅器を含む光ファイバ伝送路全体の雑音特性を改善するべく、ラマン増幅器をさらに備えたことを特徴としている。このラマン増幅器は、分布型ラマン増幅器であっても、また、集中型ラマン増幅器であってもよく、上記集中型光増幅器の上流に配置される。特に、このラマン増幅器は、信号波長帯域において長波長側から短波長側に向かって信号チャネルの光パワーが大きくなるよう、上記集中型光増幅器に入射されるべき信号光を予めラマン増幅する。
【００１３】
なお、上記ラマン増幅器が分布型ラマン増幅器である場合、互いに異なる波長の複数励起チャネルを有する励起光を出力する励起光源システムを備え、該励起光源システムからの励起光が供給されるラマン増幅用光ファイバとして、伝送路要素の上流側に位置する光ファイバ伝送路の一部が機能する。このとき、分布型ラマン増幅器における励起光源システムでは、ラマン増幅された信号光に含まれる信号チャネルの光パワーが長波長側から短波長側に向かって大きくなるよう、励起チャネルの光パワーがそれぞれ調節される。
【００１４】
一方、この発明に係る光増幅方法は、信号波長帯域内に存在する互いに異なる波長を有する複数信号チャネルの信号光が伝搬する光ファイバ伝送路と、該光ファイバ伝送路上に配置され、該光ファイバ伝送路を伝搬する信号光に所望の利得を与えるとき、該信号波長帯域における雑音特性を長波長側から短波長側に向かって劣化させる要素として機能し得る光学デバイスとを備えた光伝送システムにおいて、その雑音特性を改善すべく、第１光増幅ステップと、該第１光増幅ステップに続いて行われる第２光増幅ステップを備る。
【００１５】
具体的に、上記第１光増幅ステップは、上記光学デバイスの上流側に位置する上記光ファイバ伝送路の一部に複数チャネルの励起光を供給することにより、信号波長帯域において長波長側から短波長側に向かって信号チャネルの光パワーが大きくなるよう、上記信号光を予めラマン増幅する。また、上記第２光増幅ステップは、光ファイバ伝送路全体として、第１光増幅ステップにおいてラマン増幅された上記信号光を上記光学デバイスに導き、該光学デバイスにおいてさらにさらに増幅する。
【００１６】
この発明によれば、複数信号チャネルの信号光は、まずラマン増幅器、好ましくは分布型ラマン増幅器により増幅された後、集中定数型光増幅器により更に増幅される。当該システム全体の利得特性は、分布ラマン増幅器及び集中定数型光増幅器それぞれの利得特性の総和となる。分布ラマン増幅器から出力される信号光は、集中定数型光増幅器に入射される前に、信号チャネルの光パワーが信号波長帯域内において長波長側から短波長側に向かって大きくなっている。集中定数型光増幅器は、光ファイバ伝送路全体として信号波長帯域における雑音指数を短波長側から長波長側に向かって劣化させる要素であり、上記ラマン増幅器の利得スペクトルが信号波長帯域の短波長側でより大きくなるよう予め調節されることで、該短波長側における利得を低減しても当該システム全体で必要な利得は確保され、結果的に雑音特性の劣化要因が緩和される。このように、雑音特性の劣化要因に信号光が入射される前に、該信号光をより短波長側で光パワーが大きくなるようラマン増幅することにより、システム全体として必要な利得を確保した状態で、信号波長帯域における雑音指数のバラツキを効果的に低減することができる。
【００１７】
なお、上記ラマン増幅器から出力された信号光に含まれる信号チャネルのうち、信号波長帯域における最短波長の信号チャネルにおける光パワーと最長波長の信号チャネルにおける光パワーの差は、２ｄＢ以上であるのが好ましい。また、伝送路要素である上記集中型光増幅器の出力端における雑音特性として、信号波長帯域における最小雑音指数と最大雑音指数との差は、２ｄＢ以下であるのが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る光伝送システム等の実施形態を、図１〜図６を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
図１は、この発明に係る光伝送システムにおける一実施形態の構成を示す図である。この光伝送システム１は、光送信器１０、光ファイバ伝送路２０及び集中定数型光増幅器３０を備える。また、光ファイバ伝送路２０の終端近傍に光カプラ２１が設けられ、この光カプラ２１に励起光源部２２（励起光源システムに含まれる）が接続されている。
【００２０】
光送信器１０は、所定の信号波長帯域に含まれる、互いに異なる波長の複数信号チャネルを有する信号光（多重化信号光）を送出する。光ファイバ伝送路２０は、光送信器１０と集中定数型光増幅器３０との間の中継区間に敷設されており、光送信器１０から送出された多重化信号光を集中定数型光増幅器３０へ向けて伝送する。集中定数型光増幅器３０はモジュール化された構造を有し、光中継器あるいは光受信器内に設けられている。光ファイバ伝送路２０を伝搬してきた多重化信号光は入力端３１を介して当該集中型光増幅器に入力される。入力された多重化信号光は一括増幅された後、出力端３２を介して受信器に導く光ファイバ伝送路に送出される。
【００２１】
励起光源部２２は１又はそれ以上の励起チャネルの励起光（ラマン増幅用励起光）を出力する。光カプラ２１は、励起光源部２２から出力されたラマン増幅用励起光を、多重化信号光の伝搬方向とは逆方向から光ファイバ伝送路２０へ供給する。また、この光カプラ２１は、光ファイバ伝送路２０から到達した多重化信号光を、集中定数型光増幅器３０へ向かって出力する。すなわち、これら光ファイバ伝送路２０、光カプラ２１及び励起光源部２２は、ラマン増幅用励起光が供給された光ファイバ伝送路２０により信号波長帯域内の複数信号チャネルの信号光を伝送しながらラマン増幅する分布ラマン増幅器を構成している。特に、この分布ラマン増幅器は、信号波長帯域内において短波長であるほど信号チャネルの光パワーが大きくなるよう、多重化信号光を出力する。
【００２２】
光ファイバ伝送路２０は、波長１．３μｍ付近に零分散波長を有する標準的なシングルモード光ファイバ、波長１．３μｍより長波長側に零分散波長を有し波長１．５５μｍにおいて小さい正の波長分散を有する非零分散シフト光ファイバ、波長１．５５μｍ付近に零分散波長を有する零分散シフト光ファイバ、コア領域が実質的に純石英ガラスであってクラッド領域にＦ元素が添加されている純石英コア光ファイバ、及び、実効断面積が通常の光ファイバより拡大されているシングルモード光ファイバ、等の何れの光ファイバで構成されてもよい。また、光ファイバ伝送路２０は、これらのうち何れか２種以上の光ファイバが接続された構成であってもよいし、これらのうち何れか１種以上の光ファイバと分散補償光ファイバとが接続された構成であってもよい。
【００２３】
集中定数型光増幅器３０は、希土類元素添加光ファイバ増幅器、ラマン増幅器及び半導体光増幅器の何れであってもよい。希土類元素添加光ファイバ増幅器としては、Ｅｒ元素が添加された光ファイバを光増幅媒体として利用し、ＣバンドやＬバンドの信号光を増幅するタイプや、Ｔｍ元素が添加された光ファイバを光増幅媒体として利用し、Ｓバンドの信号光を増幅するタイプがある。光ファイバ伝送路２０の累積波長分散の絶対値が大きい場合には、この集中定数型光増幅器３０は分散補償機能をも有するのが好ましい。
【００２４】
また、中継スパンが長距離であって伝送損失が大きい場合には、所望の利得を得るために、多段構成の集中定数型光増幅器３０を利用するのが好ましい。特に、中継スパンが長距離であって、集中定数型光増幅器３０がラマン増幅器である場合には、所望の利得を得るためのみでなく、光増幅器内部で生じるレイリー散乱光やダブルレイリー散乱光の影響を低減するためにも、多段構成の集中定数型光増幅器３０が適している。
【００２５】
図１に示された光伝送システム１では、集中定数型光増幅器３０は２段構成のラマン増幅器となっている。すなわち、この集中定数型光増幅器３０は、入力端３１より出力端３２へ向かう信号光伝搬経路（光送信器１０と光受信器との間に設けられる光ファイバ伝送路の一部を構成する）に沿って順に、光アイソレータ３３１、光カプラ３１１、光ファイバ３４１、光カプラ３１２、光アイソレータ３３２、光カプラ３１３、光ファイバ３４２及び光カプラ３１４を備えており、また、光カプラ３１１に接続された励起光源部３２１、光カプラ３１２に接続された励起光源部３２２、光カプラ３１３に接続された励起光源部３２３、及び、光カプラ３１４に接続された励起光源部３２４をも備えている。
【００２６】
光アイソレータ３３１、３３２それぞれは、入力端３１から出力端３２へ向かう順方向には光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。励起光源部３２１〜３２４それぞれはラマン増幅用励起光を出力する。
【００２７】
光カプラ３１１は、励起光源部３２１から到達したラマン増幅用励起光を光ファイバ３４１へ供給（前方励起）するとともに、光アイソレータ３３１から到達した信号光を光ファイバ３４１へ出力する。光カプラ３１２は、励起光源部３２２から到達したラマン増幅用励起光を光ファイバ３４１へ供給（後方励起）するとともに、光ファイバ３４１から到達した信号光を光アイソレータ３３２へ出力する。
【００２８】
光カプラ３１３は、励起光源部３２３から到達したラマン増幅用励起光を光ファイバ３４２へ供給（前方励起）するとともに、光アイソレータ３３２から到達した信号光を光ファイバ３４２へ出力する。光カプラ３１４は、励起光源部３２４から到達したラマン増幅用励起光を光ファイバ３４２へ供給（後方励起）するとともに、光ファイバ３４２から到達した信号光を出力端３２へ出力する。
【００２９】
光ファイバ３４１、３４２それぞれは、ラマン増幅用励起光が供給されることで信号光を一括増幅する光増幅媒体である。光ファイバ３４１は、光カプラ３１１、３１２を介して供給された、励起光源部３２１、３２２からのラマン増幅用励起光により、光カプラ３１１を介して入力された信号光をラマン増幅し、そのラマン増幅された信号光を光カプラ３１２へ出力する。光ファイバ３４２は、光カプラ３１３、３１４を介して供給された、励起光源部３２３、３２４からのラマン増幅用励起光により光カプラ３１３を介して入力された信号光をラマン増幅し、そのラマン増幅された信号光を光カプラ３１４へ出力する。
【００３０】
光ファイバ３４１、３４２それぞれは、既述した各種の光ファイバの何れであってもよいし、負の波長分散を有する分散補償光ファイバ、非線形屈折率が大きいかあるいは実効断面積が小さい高非線形性光ファイバ、及び、所定の屈折率プロファイル及び所望の光学的特性を実現するために長手方向に沿った孔が断面内に分布しているホーリ光ファイバ、等の何れであってもよい。また、光ファイバ３４１、３４２それぞれは、これらのうちの何れか２種以上の光ファイバが接続された構成であってもよい。
【００３１】
光ファイバ３４１、３４２それぞれは、光ファイバ伝送路の波長分散を補償する機能を有するのが好ましく、また、光ファイバ伝送路の分散スロープをも補償するのが好ましい。この場合、光ファイバ３４１、３４２それぞれは、単一種類の光ファイバで信号波長帯域全体における波長分散を補償してもよいが、複数種類の光ファイバの組み合わせにより信号波長帯域全体における波長分散を補償してもよい。
【００３２】
励起光源部２１及び励起光源部３２１〜３２４それぞれは、例えば、ファブリ・ペロー型の半導体レーザ光源（ＦＰ-ＬＤ）、このＦＰ-ＬＤと光ファイバグレーティングとを組み合わせて出力波長の安定化を図るファイバグレーティングレーザ光源、分布帰還型レーザ光源、及び、ラマンレーザ光源、等の光源を含むのが好ましい。
【００３３】
また、励起光源部２１及び励起光源部３２１〜３２４それぞれは、広帯域で所望の利得スペクトルを得るために、複数波長の励起光を出力するのが好ましい。この場合、励起光源部２１及び励起光源部３２１〜３２４それぞれは、ラマン増幅用励起光に含まれる励起光成分（それぞれ励起チャネルに相当）を出力する複数の光源、及び、これら複数の光源より出力された励起光成分を合波して出力する光合波器を含む。
【００３４】
励起光源部２１及び励起光源部３２１〜３２４それぞれは、それに含まれる光源が偏波依存性を有する場合に、光源より出力された励起光を偏波合成する偏波合成器を含むのが好ましく、光源から出力された励起光を無偏光化するデポラライザを含んでもよい。
【００３５】
ラマン増幅が行われる光増幅媒体である光ファイバ伝送路２０及び光ファイバ３４１、３４２それぞれは、信号光伝搬方向と同一方向に励起光が供給（前方励起）されてもよいし、信号光伝搬方向と逆の方向に励起光が供給（後方励起）されてもよい。また、双方向に励起光が供給（双方向励起）されてもよい。図１に示された光通信システム１では、光ファイバ伝送路２０は後方励起され、光ファイバ３４１、３４２それぞれは双方向励起されている。
【００３６】
図２は、図１に示された光伝送システム１の動作を説明するためのグラフである。図２（ａ）は、光ファイバ伝送路２０を伝搬した後の信号光パワーの波長特性（パワースペクトル）を示し、グラフＧ２００ａは当該光伝送システム１のパワースペクトル、グラフＧ２００ｂは比較例のパワースペクトルを示す。図２（ｂ）は、当該光伝送システム１全体の利得特性を示し、グラフＧ２１０ａは光伝送システム１のＮＥＴ利得、グラフＧ２１０ｂは比較例のＮＥＴ利得を示す。また、図２（ｃ）は、集中定数型光増幅器３０により増幅された後の雑音特性を示し、グラフ２２０ａは当該光伝送システム１の雑音指数、グラフＧ２２０ｂは比較例の雑音指数を示す。なお、この実施形態に係る光伝送システム１は、図１に示されたように、光ファイバ伝送路２０と、集中型光増幅器３０と、該光ファイバ伝送路２０をラマン増幅用光ファイバとして利用する分布定数型ラマン増幅器とを備える。一方、比較例に係る光伝送システムは、当該実施形態と同様に、光ファイバ伝送路２０と、集中型光増幅器３０とを備えるが、該集中型光増幅器３０に到達する前に信号光をラマン増幅する構造は備えていない。
【００３７】
信号波長帯域に含まれる複数信号チャネルの信号光は、光送信器１０から欠く信号チャネルが多重化された状態で光ファイバ伝送路２０へ送出される。この光ファイバ伝送路２０には励起光源部２２からラマン増幅用励起光が供給されており、光ファイバ伝送路２０を伝搬している間に信号光はラマン増幅される。また、上述のように、光ファイバ伝送路２０を伝搬した後の多重化信号光は、短波長の信号チャネルであるほど高パワーとなり、信号波長帯域の最短波長及び最長波長それぞれにおける信号チャネルの光パワーの差ΔＰが２ｄＢ以上であるのが好ましい（図２（ａ）中のグラフＧ２００ａ）。なお、光ファイバ伝送路２０において信号光がラマン増幅されない場合（比較例）では、光ファイバ伝送路２０の伝送損失の波長特性や信号チャネル間で生じる誘導ラマン散乱に起因したパワー遷移の影響により、短波長側の光パワーが小さくなる（図２（ａ）中のグラフＧ２００ｂ）。
【００３８】
光ファイバ伝送路２０を伝搬した信号光は、入力端３１を介して集中定数型光増幅器３０に入力し、この集中定数型光増幅器３０により増幅された後、出力端３２を介して出力される。このとき、励起光源部３２１〜３２４それぞれから出力される励起チャネルの波長及び光パワーが適切に設定されて、集中定数型光増幅器３０から出力される信号チャネルそれぞれの光パワーが一定となるように、集中定数型光増幅器３０における増幅動作が制御される。すなわち、光ファイバ伝送路２０を含む分布ラマン増幅器及び集中定数型光増幅器３０を含む全体の利得の波長依存性が平坦となるように、集中定数型光増幅器３０における増幅動作が制御される（図２（ｂ））。
【００３９】
したがって、この発明では、集中定数型光増幅器３０に入力される信号光は短波長の信号チャネルほど高パワーであるので、集中定数型光増幅器３０の利得スペクトルは短波長であるほど小さくなるように設定され、それゆえ、集中定数型光増幅器３０により増幅された後の雑音指数が改善される（図２（ｃ）中のグラフ２２０ａ）。信号波長帯域における雑音指数のバラツキ（＝最大雑音指数−最小雑音指数）が２ｄＢ以下であるのが好ましい。一方、比較例では、集中定数型光増幅器３０に入力される信号光は短波長の信号チャネルほど低パワーであるので、集中定数型光増幅器３０の利得スペクトルは短波長であるほど大きくなるように設定され、それゆえ、集中定数型光増幅器３０により増幅された後の雑音指数は短波長側で著しく劣化する（図２（ｃ）中のグラフＧ２２０ｂ）。
【００４０】
【実施例】
次に、この発明に係る光伝送システムにおける実施例の具体的な構成について、比較例とともに説明する。光送信器１０から送出される多重化信号光は、信号波長帯域１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍに含まれる光周波数間隔１００ＧＨｚの１２６チャネルを含み、各信号チャネルの光パワーは０ｄＢｍであった。実施例及び比較例それぞれにおける光ファイバ伝送路２０は、標準的なシングルモード光ファイバであって、長さが１００ｋｍであった。
【００４１】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施例に係る光伝送システムの集中定数型光増幅器３０に含まれる光ファイバ３４１、３４２それぞれの伝送損失特性及び波長分散特性を示すグラフである。光ファイバ３４１、３４２それぞれは、ファイバ非線形性（自己位相変調による位相シフト）とラマン増幅特性とのトレードオフを考慮して設計されており、光ファイバ伝送路２０の波長分散を広帯域に亘って補償することができる。光ファイバ３４１、３４２それぞれの長さは５．５ｋｍであった。なお、比較例でも同様である。
【００４２】
光ファイバ３４１、３４２それぞれは、波長１４８０ｎｍにおいて、０．５１ｄＢ／ｋｍの伝送損失α、−１０９．２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散、−０．４６ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍの分散スロープ、２１４．１ｐｓ／ｎｍ／ｄＢのＦＯＭ−ｄ、３．９ｍ／Ｗのラマン利得係数ｇR、１３μｍ2の実効断面積Ａeff、１．６（１／Ｗ／ｄＢ）のＦＯＭ-ｒを有する。光ファイバ３４１、３４２それぞれは、波長１５５０ｎｍにおいて、０．４０ｄＢ／ｋｍの伝送損失α、−１４７．７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散、−０．６０ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍの分散スロープ、３４３．５ｐｓ／ｎｍ／ｄＢのＦＯＭ−ｄ、３．９ｍ／Ｗのラマン利得係数ｇR、１６μｍ2の実効断面積Ａeff、５．１（１／Ｗ／ｄＢ）のＦＯＭ-ｒを有する。また、光ファイバ３４１、３４２それぞれは、波長１６００ｎｍにおいて、０．４２ｄＢ／ｋｍの伝送損失α、−１７３．４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散、−０．３８ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍの分散スロープ、４１２．０ｐｓ／ｎｍ／ｄＢのＦＯＭ−ｄ、３．９ｍ／Ｗのラマン利得係数ｇR、１９μｍ2の実効断面積Ａeff、６．５（１／Ｗ／ｄＢ）のＦＯＭ-ｒを有する。
【００４３】
なお、ファイバ長の影響とは無関係にラマン利得特性を評価すべく、上記ＦＯＭ−ｒ（Figure of Merit of Raman）は、励起光波長において、αに対するｇR／Ａeffの比として定義されている。また、ファイバ長とは無関係に分散特性を評価すべく、ＦＯＭ−ｄ（Figure of Merit of Dispersion）は、信号光波長において、αに対する波長分散の比で定義されている。
【００４４】
図４は、実施例及び比較例それぞれにおけるラマン増幅用励起光の波長及びパワーを纏めた表である。なお、この表中で空欄は未使用波長であることを意味する。
【００４５】
実施例では、励起光源部２２から光ファイバ伝送路２０へ供給されるラマン増幅用励起光は、それぞれ波長１４０５ｎｍ（パワー１９７．３ｍＷ）、波長１４１０ｎｍ（パワー６３．１ｍＷ）、波長１４２０ｎｍ（パワー１２３．１ｍＷ）、波長１４４０ｎｍ（パワー７４．１ｍＷ）、及び、波長１４５５ｎｍ（パワー３０．０ｍＷ）の５チャネルを含む。励起光源部３２１から光ファイバ３４１へ順方向に供給されるラマン増幅用励起光は、それぞれ波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、及び、波長１４２５ｎｍ（パワー１００．０ｍＷ）の２チャネルを含む。励起光源部３２２から光ファイバ３４１へ逆方向に供給されるラマン増幅用励起光は、それぞれ波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４２５ｎｍ（パワー７２．５ｍＷ）、波長１４５５ｎｍ（パワー３４．２ｍＷ）、波長１４７０ｎｍ（パワー３１．８ｍＷ）、波長１４８０ｎｍ（パワー３６．９ｍＷ）、及び、波長１５１５ｎｍ（パワー４６．５ｍＷ）の６チャネルを含む。励起光源部３２３から光ファイバ３４２へ順方向に供給されるラマン増幅用励起光は、波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、及び、波長１４２０ｎｍ（パワー１０３．２ｍＷ）の２チャネルを含む。励起光源部３２４から光ファイバ３４２へ逆方向に供給されるラマン増幅用励起光は、波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４２０ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４４０ｎｍ（パワー６５．８ｍＷ）、波長１４７０ｎｍ（パワー７６．４ｍＷ）、波長１４８０ｎｍ（パワー２７．７ｍＷ）、及び、波長１５１５ｎｍ（パワー５４．７ｍＷ）の６チャネルを含む。
【００４６】
比較例において、励起光源部２２から光ファイバ伝送路２０へラマン増幅用励起光は供給されなかった。励起光源部３２１から光ファイバ３４１へ順方向に供給されるラマン増幅用励起光は、波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４１０ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、及び、波長１４２５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）の３チャネルを含む。励起光源部３２２から光ファイバ３４１へ逆方向に供給されるラマン増幅用励起光は、波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４１０ｎｍ（パワー７９．４ｍＷ）、波長１４２５ｎｍ（パワー７９．４ｍＷ）、波長１４５５ｎｍ（パワー５４．４ｍＷ）、波長１４７０ｎｍ（パワー３４．７ｍＷ）、波長１４８０ｎｍ（パワー１２．５ｍＷ）、及び、波長１５１５ｎｍ（パワー３０．３ｍＷ）７チャネルを含む。励起光源部３２３から光ファイバ３４２へ順方向に供給されるラマン増幅用励起光は、波長１４２０ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）の１チャネルのみ含む。励起光源部３２４から光ファイバ３４２へ逆方向に供給されるラマン増幅用励起光は、波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４１０ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４２０ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４４０ｎｍ（パワー１３３．４ｍＷ）、波長１４７０ｎｍ（パワー２７．６ｍＷ）、波長１４８０ｎｍ（パワー２３．８ｍＷ）、及び、波長１５１５ｎｍ（パワー２２．２ｍＷ）の７チャネルを含む。
【００４７】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施例及び比較例それぞれにおける利得特性及び雑音特性をそれぞれ示すグラフである。これらグラフに示されたように、実施例及び比較例の何れでも、光ファイバ伝送路２０の伝送損失と同程度の利得が得られた。雑音特性については、比較例では、短波長側で劣化しており、信号波長帯域内における雑音指数の偏差は５．２ｄＢであった。実施例では、短波長側で比較例に対して６．０ｄＢだけ改善されており、信号波長帯域内における雑音指数のバラツキ（＝最大雑音指数−最小雑音指数）は１．６ｄＢであった。
【００４８】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施例及び比較例それぞれにおけるＭＰＩクロストーク（Multi-Path Interference Cross Talk）特性及び非線形位相シフト特性をそれぞれ示すグラフである。ＭＰＩクロストークは、信号光強度に対する多経路干渉強度の比を表す（V. Curri, et al., "STATISTICAL PROPERTIES AND SYSTEM IMPACT OF MULTI-PATH INTERFERENCE IN RAMAN AMPLIFIERS", Proc. 27th Eur. Conf. on Opt. Comm. (ECOC2001-Amsterdam) Tu.A.1.2参照）。また、非線形位相シフトは、光伝送路内部で生じる自己位相変調により生じる。実施例では、ＭＰＩクロストーク及び非線形位相シフトは何れも良好であった。
【００４９】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、複数信号チャネルの信号光は、先ず分布ラマン増幅器によりラマン増幅され、その後に集中定数型光増幅器により増幅される。全体の利得特性は、分布ラマン増幅器及び集中定数型光増幅器それぞれの利得特性を総合したものとなる。分布ラマン増幅器から出力される信号光は、信号波長帯域内において短波長の信号チャネルほど高パワーになるようラマン増幅された後、集中定数型光増幅器に入力される。したがって、集中定数型光増幅器では信号波長帯域における短波長側の利得を大きくする必要がないため、所望の利得を確保した状態でシステム全体における雑音指数のバラツキが大幅に改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る光伝送システムにおける一実施形態の構成を示す図である。
【図２】図１に示された光伝送システムの動作を説明するためのグラフである。
【図３】図１に示された光伝送システムにおける集中定数型光増幅器に含まれる光ファイバの伝送損失特性及び波長分散特性を示すグラフである。
【図４】この発明に係る光伝送システムの実施例及び比較例それぞれにおけるラマン増幅用励起光の波長及びパワーを纏めた表である。
【図５】は、この発明に係る光伝送システムの実施例及び比較例それぞれにおける利得特性及び雑音特性（雑音指数）を示すグラフである。
【図６】この発明に係る光伝送システムの実施例及び比較例それぞれにおけるＭＰＩクロストーク特性及び非線形位相シフト特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…光伝送システム、１０…光送信器、２０…光ファイバ伝送路、２１…光カプラ、２２…励起光源部、３０…集中定数型光増幅器、３１１〜３１４…光カプラ、３２１〜３２４…励起光源部３３１、３３２…光アイソレータ、３４１、３４２…光ファイバ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、互いに波長の異なる複数信号チャネルを有する多重化信号光を伝送する光伝送システム、及び、その光伝送システムにおける多重化信号光の増幅方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（ＷＤＭ: Wavelength Division Multiplexing）光伝送システムは、所定の信号波長帯域に含まれる複数の信号チャネルが多重化された信号光（多重化信号光）が伝搬する光ファイバ伝送路を含み、大容量情報の高速送受信を可能にする。また、光ファイバ伝送路を信号光が伝搬する間に生じる伝送損失を補償するため、光増幅器が用いられる。
【０００３】
上記光増幅器として幾つかの種類が知られている。例えば、希土類元素添加光ファイバ増幅器は、希土類元素（例えば、Ｅｒ元素、Ｔｍ元素）が光導波領域に添加された光ファイバを光増幅媒体として利用し、この光ファイバに所定波長の励起光を供給して希土類元素を励起する。このような希土類元素の励起により、該希土類元素の励起準位と基底準位との間のエネルギー差に応じた特定信号波長域内の信号光を増幅することができる。
【０００４】
また、ラマン増幅器は、信号光が伝搬する光伝送路における非線形光学現象の一種である誘導ラマン散乱現象を利用した光増幅器であり、例えば、光伝送路が石英系光ファイバである場合、信号波長より１００ｎｍ程度短い波長の光がラマン増幅用励起光として利用される。また、半導体光増幅器は、電流供給により半導体内に反転分布を生じさせることで、その反転分布におけるエネルギー差に応じた特定波長帯域内の信号光を増幅する。
【０００５】
これら各種の光増幅器のうち、希土類元素添加光ファイバ増幅器及び半導体光増幅器それぞれは、一般にモジュール化された集中定数型光増幅器として利用され。一方、ラマン増幅器は、集中定数型光増幅器として利用されるだけでなく、分布型光増幅器としても利用され得る。分布ラマン増幅器は、光増幅媒体としてはモジュール化された光伝送路を有さず、中継区間に敷設された光ファイバ伝送路において信号光をラマン増幅する。
【０００６】
一方、更なる大容量化を図るべく、ＷＤＭ光伝送システムに適用される信号波長帯域の拡大が求められている。すなわち、これまで使用されてきたＣバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）に加えて、これより長波長側のＬバンド（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）も使用されるようになり、また、これより短波長側のＳバンド（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ）の使用が検討されている。
【０００７】
なお、従来の光伝送システムには、１５３０ｎｍ〜１６１０ｎｍの信号波長帯域において、平坦な光ＳＮＲスペクトルを得るよう、分布型増幅型ファイバラマン増幅器を用いたシステムがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３１４９０２号公報（第３〜４頁、第１〜１５図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、従来の光伝送システムを検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、Ｓ、Ｃ及びＬバンドを含む広帯域でＷＤＭ光伝送を行うとともに光増幅器により複数チャネルの信号光を増幅する場合、信号チャネル間で生じる雑音指数（ＮＦ: Noise Figure）のバラツキが問題となる。ここで、雑音指数ＮＦは、
ＮＦ＝ＰASE／(ｈ・ν・Δν・Ｇ) …(1)
なる式で表される。ＰASEは、光増幅器により生じる増幅された自然放出光（ＡＳＥ光: Amplified Spontaneous Emission Light）の光パワーである。ｈはプランク定数であり、νは信号光周波数であり、Δνは信号光周波数の分解能であり、Ｇは光増幅器の利得である。信号波長帯域における雑音指数のバラツキが大きいと、雑音指数の最悪値に合わせたシステム設計を行う必要があるので、伝送容量や光中継距離に制限が生じる。
【００１０】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、優れた雑音特性を有する光伝送システム及び光増幅方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光伝送システムは、光ファイバ伝送路と、該光ファイバ伝送路を伝搬する信号光に所望の利得を与えるとき、信号波長帯域における雑音特性を劣化させる要素として機能し得る光学デバイスとして、ラマン増幅器、希土類元素添加光ファイバ増幅器、半導体光増幅器などの集中型光増幅器を含むシステムにおいて、当該システム全体の雑音特性を改善するための構造を備える。
【００１２】
光ファイバ伝送路上に集中型光増幅器が配置された光伝送システムでは、光ファイバ伝送路における損失の波長依存性と、信号チャネル間で生じる誘導ラマン散乱に起因したパワー遷移（SRS tilt: Stimulated Raman Scattering Tilt）の影響により、信号光パワーは長波長側よりも短波長側の方がより低下する。必然的に、集中型光増幅器の利得は、長波長側よりも短波長側の方が大きくなるため、このように集中型光増幅器を含む光ファイバ伝送路全体において、信号波長帯域における雑音指数は長波長側よりも短波長側でより劣化することになる。そこで、この発明に係る光伝送システムは、集中型光増幅器を含む光ファイバ伝送路全体の雑音特性を改善するべく、ラマン増幅器をさらに備えたことを特徴としている。このラマン増幅器は、分布型ラマン増幅器であっても、また、集中型ラマン増幅器であってもよく、上記集中型光増幅器の上流に配置される。特に、このラマン増幅器は、信号波長帯域において長波長側から短波長側に向かって信号チャネルの光パワーが大きくなるよう、上記集中型光増幅器に入射されるべき信号光を予めラマン増幅する。
【００１３】
なお、上記ラマン増幅器が分布型ラマン増幅器である場合、互いに異なる波長の複数励起チャネルを有する励起光を出力する励起光源システムを備え、該励起光源システムからの励起光が供給されるラマン増幅用光ファイバとして、伝送路要素の上流側に位置する光ファイバ伝送路の一部が機能する。このとき、分布型ラマン増幅器における励起光源システムでは、ラマン増幅された信号光に含まれる信号チャネルの光パワーが長波長側から短波長側に向かって大きくなるよう、励起チャネルの光パワーがそれぞれ調節される。
【００１４】
一方、この発明に係る光増幅方法は、信号波長帯域内に存在する互いに異なる波長を有する複数信号チャネルの信号光が伝搬する光ファイバ伝送路と、該光ファイバ伝送路上に配置され、該光ファイバ伝送路を伝搬する信号光に所望の利得を与えるとき、該信号波長帯域における雑音特性を長波長側から短波長側に向かって劣化させる要素として機能し得る光学デバイスとを備えた光伝送システムにおいて、その雑音特性を改善すべく、第１光増幅ステップと、該第１光増幅ステップに続いて行われる第２光増幅ステップを備る。
【００１５】
具体的に、上記第１光増幅ステップは、上記光学デバイスの上流側に位置する上記光ファイバ伝送路の一部に複数チャネルの励起光を供給することにより、信号波長帯域において長波長側から短波長側に向かって信号チャネルの光パワーが大きくなるよう、上記信号光を予めラマン増幅する。また、上記第２光増幅ステップは、光ファイバ伝送路全体として、第１光増幅ステップにおいてラマン増幅された上記信号光を上記光学デバイスに導き、該光学デバイスにおいてさらにさらに増幅する。
【００１６】
この発明によれば、複数信号チャネルの信号光は、まずラマン増幅器、好ましくは分布型ラマン増幅器により増幅された後、集中定数型光増幅器により更に増幅される。当該システム全体の利得特性は、分布ラマン増幅器及び集中定数型光増幅器それぞれの利得特性の総和となる。分布ラマン増幅器から出力される信号光は、集中定数型光増幅器に入射される前に、信号チャネルの光パワーが信号波長帯域内において長波長側から短波長側に向かって大きくなっている。集中定数型光増幅器は、光ファイバ伝送路全体として信号波長帯域における雑音指数を短波長側から長波長側に向かって劣化させる要素であり、上記ラマン増幅器の利得スペクトルが信号波長帯域の短波長側でより大きくなるよう予め調節されることで、該短波長側における利得を低減しても当該システム全体で必要な利得は確保され、結果的に雑音特性の劣化要因が緩和される。このように、雑音特性の劣化要因に信号光が入射される前に、該信号光をより短波長側で光パワーが大きくなるようラマン増幅することにより、システム全体として必要な利得を確保した状態で、信号波長帯域における雑音指数のバラツキを効果的に低減することができる。
【００１７】
なお、上記ラマン増幅器から出力された信号光に含まれる信号チャネルのうち、信号波長帯域における最短波長の信号チャネルにおける光パワーと最長波長の信号チャネルにおける光パワーの差は、２ｄＢ以上であるのが好ましい。また、伝送路要素である上記集中型光増幅器の出力端における雑音特性として、信号波長帯域における最小雑音指数と最大雑音指数との差は、２ｄＢ以下であるのが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る光伝送システム等の実施形態を、図１〜図６を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
図１は、この発明に係る光伝送システムにおける一実施形態の構成を示す図である。この光伝送システム１は、光送信器１０、光ファイバ伝送路２０及び集中定数型光増幅器３０を備える。また、光ファイバ伝送路２０の終端近傍に光カプラ２１が設けられ、この光カプラ２１に励起光源部２２（励起光源システムに含まれる）が接続されている。
【００２０】
光送信器１０は、所定の信号波長帯域に含まれる、互いに異なる波長の複数信号チャネルを有する信号光（多重化信号光）を送出する。光ファイバ伝送路２０は、光送信器１０と集中定数型光増幅器３０との間の中継区間に敷設されており、光送信器１０から送出された多重化信号光を集中定数型光増幅器３０へ向けて伝送する。集中定数型光増幅器３０はモジュール化された構造を有し、光中継器あるいは光受信器内に設けられている。光ファイバ伝送路２０を伝搬してきた多重化信号光は入力端３１を介して当該集中型光増幅器に入力される。入力された多重化信号光は一括増幅された後、出力端３２を介して受信器に導く光ファイバ伝送路に送出される。
【００２１】
励起光源部２２は１又はそれ以上の励起チャネルの励起光（ラマン増幅用励起光）を出力する。光カプラ２１は、励起光源部２２から出力されたラマン増幅用励起光を、多重化信号光の伝搬方向とは逆方向から光ファイバ伝送路２０へ供給する。また、この光カプラ２１は、光ファイバ伝送路２０から到達した多重化信号光を、集中定数型光増幅器３０へ向かって出力する。すなわち、これら光ファイバ伝送路２０、光カプラ２１及び励起光源部２２は、ラマン増幅用励起光が供給された光ファイバ伝送路２０により信号波長帯域内の複数信号チャネルの信号光を伝送しながらラマン増幅する分布ラマン増幅器を構成している。特に、この分布ラマン増幅器は、信号波長帯域内において短波長であるほど信号チャネルの光パワーが大きくなるよう、多重化信号光を出力する。
【００２２】
光ファイバ伝送路２０は、波長１．３μｍ付近に零分散波長を有する標準的なシングルモード光ファイバ、波長１．３μｍより長波長側に零分散波長を有し波長１．５５μｍにおいて小さい正の波長分散を有する非零分散シフト光ファイバ、波長１．５５μｍ付近に零分散波長を有する零分散シフト光ファイバ、コア領域が実質的に純石英ガラスであってクラッド領域にＦ元素が添加されている純石英コア光ファイバ、及び、実効断面積が通常の光ファイバより拡大されているシングルモード光ファイバ、等の何れの光ファイバで構成されてもよい。また、光ファイバ伝送路２０は、これらのうち何れか２種以上の光ファイバが接続された構成であってもよいし、これらのうち何れか１種以上の光ファイバと分散補償光ファイバとが接続された構成であってもよい。
【００２３】
集中定数型光増幅器３０は、希土類元素添加光ファイバ増幅器、ラマン増幅器及び半導体光増幅器の何れであってもよい。希土類元素添加光ファイバ増幅器としては、Ｅｒ元素が添加された光ファイバを光増幅媒体として利用し、ＣバンドやＬバンドの信号光を増幅するタイプや、Ｔｍ元素が添加された光ファイバを光増幅媒体として利用し、Ｓバンドの信号光を増幅するタイプがある。光ファイバ伝送路２０の累積波長分散の絶対値が大きい場合には、この集中定数型光増幅器３０は分散補償機能をも有するのが好ましい。
【００２４】
また、中継スパンが長距離であって伝送損失が大きい場合には、所望の利得を得るために、多段構成の集中定数型光増幅器３０を利用するのが好ましい。特に、中継スパンが長距離であって、集中定数型光増幅器３０がラマン増幅器である場合には、所望の利得を得るためのみでなく、光増幅器内部で生じるレイリー散乱光やダブルレイリー散乱光の影響を低減するためにも、多段構成の集中定数型光増幅器３０が適している。
【００２５】
図１に示された光伝送システム１では、集中定数型光増幅器３０は２段構成のラマン増幅器となっている。すなわち、この集中定数型光増幅器３０は、入力端３１より出力端３２へ向かう信号光伝搬経路（光送信器１０と光受信器との間に設けられる光ファイバ伝送路の一部を構成する）に沿って順に、光アイソレータ３３１、光カプラ３１１、光ファイバ３４１、光カプラ３１２、光アイソレータ３３２、光カプラ３１３、光ファイバ３４２及び光カプラ３１４を備えており、また、光カプラ３１１に接続された励起光源部３２１、光カプラ３１２に接続された励起光源部３２２、光カプラ３１３に接続された励起光源部３２３、及び、光カプラ３１４に接続された励起光源部３２４をも備えている。
【００２６】
光アイソレータ３３１、３３２それぞれは、入力端３１から出力端３２へ向かう順方向には光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。励起光源部３２１〜３２４それぞれはラマン増幅用励起光を出力する。
【００２７】
光カプラ３１１は、励起光源部３２１から到達したラマン増幅用励起光を光ファイバ３４１へ供給（前方励起）するとともに、光アイソレータ３３１から到達した信号光を光ファイバ３４１へ出力する。光カプラ３１２は、励起光源部３２２から到達したラマン増幅用励起光を光ファイバ３４１へ供給（後方励起）するとともに、光ファイバ３４１から到達した信号光を光アイソレータ３３２へ出力する。
【００２８】
光カプラ３１３は、励起光源部３２３から到達したラマン増幅用励起光を光ファイバ３４２へ供給（前方励起）するとともに、光アイソレータ３３２から到達した信号光を光ファイバ３４２へ出力する。光カプラ３１４は、励起光源部３２４から到達したラマン増幅用励起光を光ファイバ３４２へ供給（後方励起）するとともに、光ファイバ３４２から到達した信号光を出力端３２へ出力する。
【００２９】
光ファイバ３４１、３４２それぞれは、ラマン増幅用励起光が供給されることで信号光を一括増幅する光増幅媒体である。光ファイバ３４１は、光カプラ３１１、３１２を介して供給された、励起光源部３２１、３２２からのラマン増幅用励起光により、光カプラ３１１を介して入力された信号光をラマン増幅し、そのラマン増幅された信号光を光カプラ３１２へ出力する。光ファイバ３４２は、光カプラ３１３、３１４を介して供給された、励起光源部３２３、３２４からのラマン増幅用励起光により光カプラ３１３を介して入力された信号光をラマン増幅し、そのラマン増幅された信号光を光カプラ３１４へ出力する。
【００３０】
光ファイバ３４１、３４２それぞれは、既述した各種の光ファイバの何れであってもよいし、負の波長分散を有する分散補償光ファイバ、非線形屈折率が大きいかあるいは実効断面積が小さい高非線形性光ファイバ、及び、所定の屈折率プロファイル及び所望の光学的特性を実現するために長手方向に沿った孔が断面内に分布しているホーリ光ファイバ、等の何れであってもよい。また、光ファイバ３４１、３４２それぞれは、これらのうちの何れか２種以上の光ファイバが接続された構成であってもよい。
【００３１】
光ファイバ３４１、３４２それぞれは、光ファイバ伝送路の波長分散を補償する機能を有するのが好ましく、また、光ファイバ伝送路の分散スロープをも補償するのが好ましい。この場合、光ファイバ３４１、３４２それぞれは、単一種類の光ファイバで信号波長帯域全体における波長分散を補償してもよいが、複数種類の光ファイバの組み合わせにより信号波長帯域全体における波長分散を補償してもよい。
【００３２】
励起光源部２１及び励起光源部３２１〜３２４それぞれは、例えば、ファブリ・ペロー型の半導体レーザ光源（ＦＰ-ＬＤ）、このＦＰ-ＬＤと光ファイバグレーティングとを組み合わせて出力波長の安定化を図るファイバグレーティングレーザ光源、分布帰還型レーザ光源、及び、ラマンレーザ光源、等の光源を含むのが好ましい。
【００３３】
また、励起光源部２１及び励起光源部３２１〜３２４それぞれは、広帯域で所望の利得スペクトルを得るために、複数波長の励起光を出力するのが好ましい。この場合、励起光源部２１及び励起光源部３２１〜３２４それぞれは、ラマン増幅用励起光に含まれる励起光成分（それぞれ励起チャネルに相当）を出力する複数の光源、及び、これら複数の光源より出力された励起光成分を合波して出力する光合波器を含む。
【００３４】
励起光源部２１及び励起光源部３２１〜３２４それぞれは、それに含まれる光源が偏波依存性を有する場合に、光源より出力された励起光を偏波合成する偏波合成器を含むのが好ましく、光源から出力された励起光を無偏光化するデポラライザを含んでもよい。
【００３５】
ラマン増幅が行われる光増幅媒体である光ファイバ伝送路２０及び光ファイバ３４１、３４２それぞれは、信号光伝搬方向と同一方向に励起光が供給（前方励起）されてもよいし、信号光伝搬方向と逆の方向に励起光が供給（後方励起）されてもよい。また、双方向に励起光が供給（双方向励起）されてもよい。図１に示された光通信システム１では、光ファイバ伝送路２０は後方励起され、光ファイバ３４１、３４２それぞれは双方向励起されている。
【００３６】
図２は、図１に示された光伝送システム１の動作を説明するためのグラフである。図２（ａ）は、光ファイバ伝送路２０を伝搬した後の信号光パワーの波長特性（パワースペクトル）を示し、グラフＧ２００ａは当該光伝送システム１のパワースペクトル、グラフＧ２００ｂは比較例のパワースペクトルを示す。図２（ｂ）は、当該光伝送システム１全体の利得特性を示し、グラフＧ２１０ａは光伝送システム１のＮＥＴ利得、グラフＧ２１０ｂは比較例のＮＥＴ利得を示す。また、図２（ｃ）は、集中定数型光増幅器３０により増幅された後の雑音特性を示し、グラフ２２０ａは当該光伝送システム１の雑音指数、グラフＧ２２０ｂは比較例の雑音指数を示す。なお、この実施形態に係る光伝送システム１は、図１に示されたように、光ファイバ伝送路２０と、集中型光増幅器３０と、該光ファイバ伝送路２０をラマン増幅用光ファイバとして利用する分布定数型ラマン増幅器とを備える。一方、比較例に係る光伝送システムは、当該実施形態と同様に、光ファイバ伝送路２０と、集中型光増幅器３０とを備えるが、該集中型光増幅器３０に到達する前に信号光をラマン増幅する構造は備えていない。
【００３７】
信号波長帯域に含まれる複数信号チャネルの信号光は、光送信器１０から欠く信号チャネルが多重化された状態で光ファイバ伝送路２０へ送出される。この光ファイバ伝送路２０には励起光源部２２からラマン増幅用励起光が供給されており、光ファイバ伝送路２０を伝搬している間に信号光はラマン増幅される。また、上述のように、光ファイバ伝送路２０を伝搬した後の多重化信号光は、短波長の信号チャネルであるほど高パワーとなり、信号波長帯域の最短波長及び最長波長それぞれにおける信号チャネルの光パワーの差ΔＰが２ｄＢ以上であるのが好ましい（図２（ａ）中のグラフＧ２００ａ）。なお、光ファイバ伝送路２０において信号光がラマン増幅されない場合（比較例）では、光ファイバ伝送路２０の伝送損失の波長特性や信号チャネル間で生じる誘導ラマン散乱に起因したパワー遷移の影響により、短波長側の光パワーが小さくなる（図２（ａ）中のグラフＧ２００ｂ）。
【００３８】
光ファイバ伝送路２０を伝搬した信号光は、入力端３１を介して集中定数型光増幅器３０に入力し、この集中定数型光増幅器３０により増幅された後、出力端３２を介して出力される。このとき、励起光源部３２１〜３２４それぞれから出力される励起チャネルの波長及び光パワーが適切に設定されて、集中定数型光増幅器３０から出力される信号チャネルそれぞれの光パワーが一定となるように、集中定数型光増幅器３０における増幅動作が制御される。すなわち、光ファイバ伝送路２０を含む分布ラマン増幅器及び集中定数型光増幅器３０を含む全体の利得の波長依存性が平坦となるように、集中定数型光増幅器３０における増幅動作が制御される（図２（ｂ））。
【００３９】
したがって、この発明では、集中定数型光増幅器３０に入力される信号光は短波長の信号チャネルほど高パワーであるので、集中定数型光増幅器３０の利得スペクトルは短波長であるほど小さくなるように設定され、それゆえ、集中定数型光増幅器３０により増幅された後の雑音指数が改善される（図２（ｃ）中のグラフ２２０ａ）。信号波長帯域における雑音指数のバラツキ（＝最大雑音指数−最小雑音指数）が２ｄＢ以下であるのが好ましい。一方、比較例では、集中定数型光増幅器３０に入力される信号光は短波長の信号チャネルほど低パワーであるので、集中定数型光増幅器３０の利得スペクトルは短波長であるほど大きくなるように設定され、それゆえ、集中定数型光増幅器３０により増幅された後の雑音指数は短波長側で著しく劣化する（図２（ｃ）中のグラフＧ２２０ｂ）。
【００４０】
【実施例】
次に、この発明に係る光伝送システムにおける実施例の具体的な構成について、比較例とともに説明する。光送信器１０から送出される多重化信号光は、信号波長帯域１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍに含まれる光周波数間隔１００ＧＨｚの１２６チャネルを含み、各信号チャネルの光パワーは０ｄＢｍであった。実施例及び比較例それぞれにおける光ファイバ伝送路２０は、標準的なシングルモード光ファイバであって、長さが１００ｋｍであった。
【００４１】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施例に係る光伝送システムの集中定数型光増幅器３０に含まれる光ファイバ３４１、３４２それぞれの伝送損失特性及び波長分散特性を示すグラフである。光ファイバ３４１、３４２それぞれは、ファイバ非線形性（自己位相変調による位相シフト）とラマン増幅特性とのトレードオフを考慮して設計されており、光ファイバ伝送路２０の波長分散を広帯域に亘って補償することができる。光ファイバ３４１、３４２それぞれの長さは５．５ｋｍであった。なお、比較例でも同様である。
【００４２】
光ファイバ３４１、３４２それぞれは、波長１４８０ｎｍにおいて、０．５１ｄＢ／ｋｍの伝送損失α、−１０９．２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散、−０．４６ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍの分散スロープ、２１４．１ｐｓ／ｎｍ／ｄＢのＦＯＭ−ｄ、３．９ｍ／Ｗのラマン利得係数ｇR、１３μｍ2の実効断面積Ａeff、１．６（１／Ｗ／ｄＢ）のＦＯＭ-ｒを有する。光ファイバ３４１、３４２それぞれは、波長１５５０ｎｍにおいて、０．４０ｄＢ／ｋｍの伝送損失α、−１４７．７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散、−０．６０ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍの分散スロープ、３４３．５ｐｓ／ｎｍ／ｄＢのＦＯＭ−ｄ、３．９ｍ／Ｗのラマン利得係数ｇR、１６μｍ2の実効断面積Ａeff、５．１（１／Ｗ／ｄＢ）のＦＯＭ-ｒを有する。また、光ファイバ３４１、３４２それぞれは、波長１６００ｎｍにおいて、０．４２ｄＢ／ｋｍの伝送損失α、−１７３．４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散、−０．３８ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍの分散スロープ、４１２．０ｐｓ／ｎｍ／ｄＢのＦＯＭ−ｄ、３．９ｍ／Ｗのラマン利得係数ｇR、１９μｍ2の実効断面積Ａeff、６．５（１／Ｗ／ｄＢ）のＦＯＭ-ｒを有する。
【００４３】
なお、ファイバ長の影響とは無関係にラマン利得特性を評価すべく、上記ＦＯＭ−ｒ（Figure of Merit of Raman）は、励起光波長において、αに対するｇR／Ａeffの比として定義されている。また、ファイバ長とは無関係に分散特性を評価すべく、ＦＯＭ−ｄ（Figure of Merit of Dispersion）は、信号光波長において、αに対する波長分散の比で定義されている。
【００４４】
図４は、実施例及び比較例それぞれにおけるラマン増幅用励起光の波長及びパワーを纏めた表である。なお、この表中で空欄は未使用波長であることを意味する。
【００４５】
実施例では、励起光源部２２から光ファイバ伝送路２０へ供給されるラマン増幅用励起光は、それぞれ波長１４０５ｎｍ（パワー１９７．３ｍＷ）、波長１４１０ｎｍ（パワー６３．１ｍＷ）、波長１４２０ｎｍ（パワー１２３．１ｍＷ）、波長１４４０ｎｍ（パワー７４．１ｍＷ）、及び、波長１４５５ｎｍ（パワー３０．０ｍＷ）の５チャネルを含む。励起光源部３２１から光ファイバ３４１へ順方向に供給されるラマン増幅用励起光は、それぞれ波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、及び、波長１４２５ｎｍ（パワー１００．０ｍＷ）の２チャネルを含む。励起光源部３２２から光ファイバ３４１へ逆方向に供給されるラマン増幅用励起光は、それぞれ波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４２５ｎｍ（パワー７２．５ｍＷ）、波長１４５５ｎｍ（パワー３４．２ｍＷ）、波長１４７０ｎｍ（パワー３１．８ｍＷ）、波長１４８０ｎｍ（パワー３６．９ｍＷ）、及び、波長１５１５ｎｍ（パワー４６．５ｍＷ）の６チャネルを含む。励起光源部３２３から光ファイバ３４２へ順方向に供給されるラマン増幅用励起光は、波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、及び、波長１４２０ｎｍ（パワー１０３．２ｍＷ）の２チャネルを含む。励起光源部３２４から光ファイバ３４２へ逆方向に供給されるラマン増幅用励起光は、波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４２０ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４４０ｎｍ（パワー６５．８ｍＷ）、波長１４７０ｎｍ（パワー７６．４ｍＷ）、波長１４８０ｎｍ（パワー２７．７ｍＷ）、及び、波長１５１５ｎｍ（パワー５４．７ｍＷ）の６チャネルを含む。
【００４６】
比較例において、励起光源部２２から光ファイバ伝送路２０へラマン増幅用励起光は供給されなかった。励起光源部３２１から光ファイバ３４１へ順方向に供給されるラマン増幅用励起光は、波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４１０ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、及び、波長１４２５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）の３チャネルを含む。励起光源部３２２から光ファイバ３４１へ逆方向に供給されるラマン増幅用励起光は、波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４１０ｎｍ（パワー７９．４ｍＷ）、波長１４２５ｎｍ（パワー７９．４ｍＷ）、波長１４５５ｎｍ（パワー５４．４ｍＷ）、波長１４７０ｎｍ（パワー３４．７ｍＷ）、波長１４８０ｎｍ（パワー１２．５ｍＷ）、及び、波長１５１５ｎｍ（パワー３０．３ｍＷ）７チャネルを含む。励起光源部３２３から光ファイバ３４２へ順方向に供給されるラマン増幅用励起光は、波長１４２０ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）の１チャネルのみ含む。励起光源部３２４から光ファイバ３４２へ逆方向に供給されるラマン増幅用励起光は、波長１４０５ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４１０ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４２０ｎｍ（パワー１９９．５ｍＷ）、波長１４４０ｎｍ（パワー１３３．４ｍＷ）、波長１４７０ｎｍ（パワー２７．６ｍＷ）、波長１４８０ｎｍ（パワー２３．８ｍＷ）、及び、波長１５１５ｎｍ（パワー２２．２ｍＷ）の７チャネルを含む。
【００４７】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施例及び比較例それぞれにおける利得特性及び雑音特性をそれぞれ示すグラフである。これらグラフに示されたように、実施例及び比較例の何れでも、光ファイバ伝送路２０の伝送損失と同程度の利得が得られた。雑音特性については、比較例では、短波長側で劣化しており、信号波長帯域内における雑音指数の偏差は５．２ｄＢであった。実施例では、短波長側で比較例に対して６．０ｄＢだけ改善されており、信号波長帯域内における雑音指数のバラツキ（＝最大雑音指数−最小雑音指数）は１．６ｄＢであった。
【００４８】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施例及び比較例それぞれにおけるＭＰＩクロストーク（Multi-Path Interference Cross Talk）特性及び非線形位相シフト特性をそれぞれ示すグラフである。ＭＰＩクロストークは、信号光強度に対する多経路干渉強度の比を表す（V. Curri, et al., "STATISTICAL PROPERTIES AND SYSTEM IMPACT OF MULTI-PATH INTERFERENCE IN RAMAN AMPLIFIERS", Proc. 27th Eur. Conf. on Opt. Comm. (ECOC2001-Amsterdam) Tu.A.1.2参照）。また、非線形位相シフトは、光伝送路内部で生じる自己位相変調により生じる。実施例では、ＭＰＩクロストーク及び非線形位相シフトは何れも良好であった。
【００４９】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、複数信号チャネルの信号光は、先ず分布ラマン増幅器によりラマン増幅され、その後に集中定数型光増幅器により増幅される。全体の利得特性は、分布ラマン増幅器及び集中定数型光増幅器それぞれの利得特性を総合したものとなる。分布ラマン増幅器から出力される信号光は、信号波長帯域内において短波長の信号チャネルほど高パワーになるようラマン増幅された後、集中定数型光増幅器に入力される。したがって、集中定数型光増幅器では信号波長帯域における短波長側の利得を大きくする必要がないため、所望の利得を確保した状態でシステム全体における雑音指数のバラツキが大幅に改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る光伝送システムにおける一実施形態の構成を示す図である。
【図２】図１に示された光伝送システムの動作を説明するためのグラフである。
【図３】図１に示された光伝送システムにおける集中定数型光増幅器に含まれる光ファイバの伝送損失特性及び波長分散特性を示すグラフである。
【図４】この発明に係る光伝送システムの実施例及び比較例それぞれにおけるラマン増幅用励起光の波長及びパワーを纏めた表である。
【図５】は、この発明に係る光伝送システムの実施例及び比較例それぞれにおける利得特性及び雑音特性（雑音指数）を示すグラフである。
【図６】この発明に係る光伝送システムの実施例及び比較例それぞれにおけるＭＰＩクロストーク特性及び非線形位相シフト特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…光伝送システム、１０…光送信器、２０…光ファイバ伝送路、２１…光カプラ、２２…励起光源部、３０…集中定数型光増幅器、３１１〜３１４…光カプラ、３２１〜３２４…励起光源部３３１、３３２…光アイソレータ、３４１、３４２…光ファイバ。
Claims (6)
- 信号波長帯域内に存在する互いに異なる波長を有する複数信号チャネルの信号光を送出する送信器と、
前記信号光が伝搬する光ファイバ伝送路と、
前記光ファイバ伝送路上に配置され、前記信号波長帯域における雑音特性を長波長側から短波長側に向かって劣化させる要素として機能する多段構成の集中定数型ラマン増幅器とを備え、Ｓ、Ｃ及びＬバンドを含む広帯域でＷＤＭ光伝送を行う光伝送システムであって、
前記信号光の進行方向から見て前記集中定数型ラマン増幅器の上流側に配置され、前記信号波長帯域における信号チャネルの光パワーが長波長側から短波長側に向かって大きくなるよう、前記集中定数型ラマン増幅器に入射される前記信号光を予めラマン増幅するラマン増幅器を備え、
前記ラマン増幅器は、互いに異なる波長の複数励起チャネルを有する励起光を出力する励起光源システムと、そして、該励起光源システムから励起光が供給されるラマン増幅用光ファイバとして、前記信号光の進行方向から見て前記集中定数型ラマン増幅器の上流側に位置する前記光ファイバ伝送路の一部を備えた分布型ラマン増幅器を含み、
前記分布型ラマン増幅器は、ラマン増幅された信号光に含まれる信号チャネルの光パワーが長波長側から短波長側に向かって大きくなるよう、前記励起チャネルの光パワーをそれぞれ調節することを特徴とする光伝送システム。 - 前記ラマン増幅器から出力された信号光に含まれる信号チャネルのうち、前記信号波長帯域における最短波長の信号チャネルにおける光パワーと最長波長の信号チャネルにおける光パワーの差は、２ｄＢ以上であることを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
- 前記集中定数型ラマン増幅器の出力端における雑音特性として、前記信号波長帯域における最小雑音指数と最大雑音指数との差は、２ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１記載の光伝送システム。
- 信号波長帯域内に存在する互いに異なる波長を有する複数信号チャネルの信号光が伝搬する光ファイバ伝送路と、該光ファイバ伝送路上に配置され、該信号波長帯域における雑音特性を長波長側から短波長側に向かって劣化させる要素として機能する多段構成の集中定数型ラマン増幅器とを備え、Ｓ、Ｃ及びＬバンドを含む広帯域でＷＤＭ光伝送を行う光伝送システムにおける光増幅方法であって、
前記信号光の伝搬方向から見て前記集中定数型ラマン増幅器の上流側に位置する前記光ファイバ伝送路の一部に複数励起チャネルの励起光を供給し、前記信号波長帯域において長波長側から短波長側に向かって信号チャネルの光パワーが大きくなるよう、前記信号光を予めラマン増幅する第１光増幅ステップと、
前記第１光増幅ステップに続いて行われるステップであって、ラマン増幅された前記信号光を前記集中増幅型ラマン増幅器に導き、該集中増幅型ラマン増幅器においてさらに増幅する第２光増幅ステップを備え、
前記第１光増幅ステップにおいて、前記励起光に含まれる複数励起チャネルの光パワーは、ラマン増幅された信号光に含まれる信号チャネルの光パワーが長波長側から短波長側に向かって大きくなるよう、それぞれ調節されることを特徴とする光増幅方法。 - 前記第１光増幅ステップにおいてラマン増幅された信号光の信号チャネルのうち、前記信号波長帯域における最短波長の信号チャネルにおける光パワーと最長波長の信号チャネルにおける光パワーの差は、２ｄＢ以上であることを特徴とする請求項４記載の光増幅方法。
- 前記第２光増幅ステップにおける増幅後の雑音特性として、前記信号波長帯域における最小雑音指数と最大雑音指数との差は、２ｄＢ以下であることを特徴とする請求項４記載の光増幅方法。
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