JP3765954B2

JP3765954B2 - 光増幅中継伝送システム

Info

Publication number: JP3765954B2
Application number: JP30604599A
Authority: JP
Inventors: 邦明本島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: JP2001127711A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、励起レーザ光を光伝送路上に供給し、ラマン増幅効果によって該光伝送路上の光信号を増幅中継する光増幅中継伝送システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ラマン増幅効果を用い、光ファイバによる光伝送路上の光信号を増幅する分布型光ファイバ増幅器は、従来の３Ｒ（Reshaping：波形再生,Retiming：タイミング再生,Regenerating：再送信）機能を有する光中継器と比較し、伝送速度に依存しない中継器のの簡素化が可能であり、また波長多重による大容量化が可能である等の光伝送に望ましい特徴を有していることから、光通信システムの柔軟性を高めるキーコンポーネントとして期待されている。
【０００３】
図３は、従来の光増幅中継伝送システムにおける一中継区間の構成を示す図である。光増幅中継伝送システム全体は、図３に示した中継区間２０が従属接続された構成となり、送信端には図示しない光送信器が接続され、受信端には図示しない光受信器が接続される構成となる。
【０００４】
図３において、信号光入力端子２１には、図示しない前段の中継区間の出力である光信号が入力される。信号光出力端子２２からは、この中継区間２０によって増幅された光信号が出力され、図示しない後段の中継区間に入力される。中継区間２０における信号光入力端子２１と信号光出力端子２２との間は、光ファイバ２３によって接続される。
【０００５】
中継区間２０は、波長多重回路２８を有する。波長多重回路２８は、第１の励起光源２６および第２の励起光源２７からの励起レーザ光を低損失で合波する。光ファイバ２３上には、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）カプラによって実現される光結合器２４が設けられ、波長多重回路２８によって合波された励起レーザ光は、光結合器２４を介して光ファイバ２３上に入力される。
【０００６】
波長多重回路２８に入力される各励起レーザ光は、上述したように第１の励起光源２６および第２の励起光源２７によって発生される。励起光源制御回路２９は、第１の励起光源２６および第２の励起光源２７の光出力を制御する。波長多重回路２８から合波出力される励起レーザ光が光ファイバ２３上に入力されると、ラマン増幅作用が生じ、光ファイバ２３上における伝送損失が補償され、光ファイバ２３上の光信号は、ほぼ同一電力レベルを維持した状態で伝送される。
【０００７】
なお、光ファイバ２３上には、さらに光アイソレータ２５が設けられる。光アイソレータ２５は、後段の中継区間におけるラマン増幅作用によって発生した自然放出光であって、光信号と逆方向に伝搬される自然放出光を遮断する。
【０００８】
図４は、ラマン増幅利得の波長依存性を示す図である。図４において、特性３４は、第１の励起光源２６によって発生する励起レーザ光によるラマン増幅利得の波長依存性を示し、特性３５は、第２の励起光源２７によって発生する励起レーザ光によるラマン増幅利得の波長依存性を示す。また、特性３６は、第１の励起光源２６および第２の励起光源２７の励起レーザ光を合波した励起レーザ光によるラマン増幅利得の波長依存性を示す図である。ラマン増幅作用は、第１の励起光源２６あるいは第２の励起光源２７が発生する励起レーザ光の波長から約９０〜１００ｎｍ長波長側の波長を中心にそれぞれ５０ｎｍの増幅帯域を有する。
【０００９】
したがって、たとえば、第１の励起光源２６が発生する励起レーザ光の波長を１４５０ｎｍとし、第２の励起光源２７が発生する励起レーザ光の波長を１５００ｎｍとすると、それぞれの増幅帯域は１００ｎｍ長波長側にシフトし、これら第１および第２の励起光源２６，２７が発生した励起レーザ光を合波した励起レーザ光による増幅帯域は１５２５〜１６２５ｎｍとなる。この結果、約１００ｎｍの増幅帯域をもたせることができる。このように、励起光源を複数設け、複数の励起レーザ光を合波することによって、増幅帯域を広げることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した光増幅中継システムでは、高出力の励起光源として、マルチモード発振を行う多縦モードレーザを用いていた。多縦モードレーザを励起光源として用いて増幅を行う場合、モード分配雑音が光伝送路上に分散して強調され、大きな強度雑音を発生させる。
【００１１】
また、高出力の励起光源として、ファイバグレーティングによってコヒーレント・コラプス状態を発生させ、レーザ発振波長線幅を１ｎｍ以下に狭窄化した高出力レーザを用いる場合もある。このコヒーレント・コラプス状態を利用した擬似的単一縦モードレーザは、レーザ発振波長線幅を狭くしているのでモード分配雑音の影響は少ないが、原理的に強度雑音が大きい。
【００１２】
これら励起光源の強度雑音は、ラマン利得Ｇの変動をもたらす。次式（１）は、ラマン利得Ｇを定義する式である。すなわち、
【数１】

である。ここで、「Ｐ_p」は、光ファイバ２３に入力される励起レーザ光の電力である。また、「Ｌ」は、光ファイバ長である。また、「ｇ_R」は、ラマン利得係数であり、１．５５μｍにおいて０．６８＊１０^-13［ｍ／Ｗ］である。「Ａ」は、励起レーザ光のモードフィールド径であり、約５０μｍ²である。「Ｋ」は、信号光と励起光との偏波状態にかかわる係数であり、通常「２」の値である。「Ｌ_eff」は、光ファイバ２３の実効長である。「α_p」は、光ファイバ２３の損失であり、０．４６０５［neper／ｍ］である。
【００１３】
式（１）を用いて、利得変動ΔＧは、次式（２）によって表すことができる。すなわち、
【数２】

である。ここで、「ΔＰ_p」は、励起レーザ光の電力変動量である。
【００１４】
したがって、励起光源の強度雑音によって励起レーザ光の電力Ｐ_pが変動すると、ラマン利得Ｇも変動することになる。このラマン利得Ｇの変動は、各中継区間において積み重なり、受信器端では大きな伝送特性の劣化をもたらすという問題点があった。
【００１５】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、ラマン利得の変動量を抑えて伝送特性の劣化を防止することができる光増幅中継伝送システムを得ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光増幅中継伝送システムは、光伝送路上に複数の波長の励起レーザ光を入力し、ラマン増幅効果によって該光伝送路上を伝送する光信号を増幅して中継する光増幅中継伝送システムにおいて、波長の異なる複数の縦シングルモードの励起レーザ光を出力する複数の励起レーザを有した励起手段を備え、各励起レーザから出射された縦シングルモードの各励起レーザ光を前記光伝送路上に合波出力して前記光信号をラマン増幅することを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、励起手段の各励起レーザが、それぞれ波長の異なる複数の縦シングルモードの励起レーザ光を出力し、各励起レーザから出射された縦シングルモードの各励起レーザ光を光伝送路上に合波出力して送信器端から入力された光信号をラマン増幅し、光伝送路上におけるモード分配雑音を除去してラマン利得の変動を抑えるようにするようにしている。
【００１８】
つぎの発明にかかる光増幅中継伝送システムは、上記の発明において、前記複数の励起レーザは、半導体レーザと、前記半導体レーザから出射されたレーザ光を反射する反射器と、前記半導体レーザの出射端面と前記反射器とを接続し、前記励起レーザ光の波長に対応した所定長を有した光ファイバと、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、半導体レーザと反射器との間で外部共振器を構成し、所望のレーザ光を波長選択することによって実質的に縦シングルモードの励起レーザ光を出射する縦シングルモードレーザを実現し、光伝送路上におけるモード分配雑音を除去してラマン利得の変動を抑えるようにしている。
【００２０】
つぎの発明にかかる光増幅中継伝送システムは、上記の発明において、前記複数の励起レーザは、マルチセクションＤＢＲレーザであることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、マルチセクションＤＢＲレーザによって実質的に縦シングルモードの励起レーザ光を出射する縦シングルモードレーザを実現し、光伝送路上におけるモード分配雑音を除去してラマン利得の変動を抑えるようにしている。
【００２２】
つぎの発明にかかる光増幅中継伝送システムは、上記の発明において、前記複数の励起レーザは、前記光伝送路における中継区間の接続数を自然数Ｎとし、前記ラマン増幅によるラマン利得をＧとしたときに、各励起レーザの直流から前記光信号の伝送速度に対応する周波数に至るまでの相対強度雑音の積分値が、０．０１／（（Ｎ＾（１／４）＊Ｌｎ（Ｇ）＾（１／２））以下であることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、光伝送路における中継区間の接続数を自然数Ｎとし、前記ラマン増幅によるラマン利得をＧとしたときにおける、各励起レーザの直流から前記光信号の伝送速度に対応する周波数に至るまでの相対強度雑音の積分値が、０．０１／（（Ｎ＾（１／４）＊Ｌｎ（Ｇ）＾（１／２））以下となる励起レーザを用いて、励起レーザの相対強度雑音の影響を軽減するようにしている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光増幅中継伝送システムの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２５】
実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１について説明する。図１は、この発明の実施の形態１である光増幅中継伝送システムにおける一中継区間の構成を示す図である。光増幅中継伝送システム全体は、図１に示した中継区間１０が従属接続された構成となり、送信端には図示しない光送信器が接続され、受信端には図示しない光受信器が接続される構成となる。
【００２６】
図１において、信号光入力端子１には、図示しない前段の中継区間の出力である光信号が入力される。信号光出力端子２からは、この中継区間１０によって増幅された光信号が出力され、図示しない後段の中継区間に入力される。中継区間１０における信号光入力端子１と信号光出力端子２との間は、光ファイバ３によって接続される。
【００２７】
中継区間１０は、波長多重回路８を有する。波長多重回路８は、第１の励起光源６および第２の励起光源７からの励起レーザ光を低損失で合波する。光ファイバ３上には、ＷＤＭカプラによって実現される光結合器４が設けられ、波長多重回路８によって合波された励起レーザ光は、光結合器４を介して光ファイバ３上に入力される。
【００２８】
波長多重回路８に入力される各励起レーザ光は、上述したように第１の励起光源６および第２の励起光源７によって発生される。励起光源制御回路９は、第１の励起光源６および第２の励起光源７の光出力を制御する。波長多重回路８から合波出力される励起レーザ光が光ファイバ３上に入力されると、ラマン増幅作用が生じ、光ファイバ３上における伝送損失が補償され、光ファイバ３上の光信号は、ほぼ同一電力レベルを維持した状態で伝送される。
【００２９】
光ファイバ３上には、さらに光アイソレータ５が設けられる。光アイソレータ５は、後段の中継区間におけるラマン増幅作用によって発生した自然放出光であって、光信号と逆方向に伝搬される自然放出光を遮断する。
【００３０】
第１の励起光源６および第２の励起光源７は、それぞれ半導体レーザ１１，１２と、波長選択性をもった反射器１３，１４と、半導体レーザ１１，１２と反射器１３，１４とをそれぞれ接続する数ｍｍ程度のそれぞれ所定長を有した光ファイバ１５，１６とを有する。反射器１３および光ファイバ１５と、反射器１４および光ファイバ１６とは、それぞれ半導体レーザ１１，１２の外部共振器を構成する。
【００３１】
したがって、各外部共振器は、光ファイバ１５，１６の共振器長に対応して、各半導体レーザ１１，１２が発するレーザ光のうちの所望の縦シングルモードのレーザ光を選択する。この選択された縦シングルモードのレーザ光は、反射器１３，１４から所定の透過率をもって波長多重回路１３，１４にそれぞれ出力される。この場合、半導体レーザ１１，１２の出力端の前面は、無反射コーティングされており、前面における反射率はほぼ０％に抑えられている。
【００３２】
この結果、光ファイバ１５，１６間での反射戻り光による低周波雑音や周期性雑音の発生が低減される。なお、無反射コーティングによらず、光ファイバ１５，１６の斜め研磨によっても反射戻り光による雑音発生を防ぐことができる。なお、半導体レーザ１１，１２は、それぞれ異なる発振波長をもつとともに、反射器１３，１４による波長選択も異なる。
【００３３】
したがって、第１の励起光源６および第２の励起光源７から出射される励起レーザ光は、雑音が低減され、出力変動の少ない縦シングルモードとして波長多重回路８に出力される。
【００３４】
この結果、従来の縦モードレーザで問題となったモード分配雑音による影響を抑圧することができる。すなわち、第１の励起光源６および第２の励起光源７から出射される励起レーザ光は、縦シングルモードであるので、原理的にモード競合によるモード分配雑音が発生せず、光ファイバ３上における励起レーザ光の分散に起因したモード分配雑音によるラマン利得の変動が発生しないことになる。
【００３５】
また、従来のコヒーレント・コラプス状態を利用した擬似的縦シングルモードレーザで問題となった相対強度雑音（relative intensity noise）に起因するラマン利得の変動を回避することができる。
【００３６】
なお、上述した実施の形態１では、第１の励起光源６および第２の励起光源７とを、利得媒質としての半導体レーザ１１，１２と反射器１３，１４とこれらをそれぞれ接続する光ファイバ１５，１６とによって構成して実質的に縦シングルモードレーザ光を生成するようにしていたが、これに限らず、実質的に縦シングルモードレーザ光を出力するものであればよく、たとえば、半導体チップ上に集積化したマルチセクションＤＢＲ（分布ブラッグ反射型：Distributed Bragg Reflector）レーザを第１および第２の励起光源６，７として用いてもよい。
【００３７】
また、第１および第２の励起光源６，７として、ＤＦＢ（分布帰還型：Distributed feedback）レーザ、外部に波長選択素子としてのグレーティングを設けた外部回折格子付きレーザ、２つのレーザを従属接続して複合共振器構成をとったＣ³（Cleaved Coupled Cavity）レーザ等を用いて構成してもよい。要は、第１および第２の励起光源６，７が、ラマン増幅帯域を広げることができる異なる波長であって、実質的に縦シングルモードを選択出力することができるものであればよい。
【００３８】
この実施の形態１によれば、光中継増幅伝送システムの各中継区間におけるラマン増幅用の励起レーザとして実質的に縦シングルモード光を出力する励起光源を用いるようにしているので、ラマン利得の変動を低減することができ、結果的に受信器端での伝送特性の劣化を防止することができる。
【００３９】
実施の形態２．
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、ラマン増幅の励起光源として実質的に縦シングルモードレーザ光を出力できる励起光源を用いて雑音を低減してラマン利得の変動を抑えるようにしていたが、この実施の形態２では、さらに励起光源の相対強度雑音の値が所定値以下となる励起光源を用い、これによってラマン利得の変動を抑え、受信感度の劣化を抑えるようにしている。
【００４０】
ラマン増幅作用を用いて、伝送速度Ｂ［ｂｉｔ／ｓ］の光信号をＮ個の中継区間を介して伝送する光増幅中継伝送システムであって、各中継区間１０の距離が約７０ｋｍのときの各中継区間１０の光ファイバ損失が１４．０ｄＢである場合に、この光ファイバ損失をラマン増幅作用によって補償する光増幅中継伝送システムである場合、式（１）によって、励起レーザ光に必要な電力Ｐ_pは、２５０ｍＷとなる。
【００４１】
このとき、励起光源の相対強度雑音ＲＩＮ（ｆ）を用いて、中継区間数が「２００」の中継区間を経由した光信号の受信器端の相対強度雑音ｒおよびパワーペナルティＲ_pは、それぞれ次式（３）および（４）で示される。すなわち、
【数３】

【数４】

である。
【００４２】
なお、励起光源の相対強度雑音ＲＩＮ（ｆ）は、周波数ｆの関数である。また、「Ｑ」は、パワーペナルティ（受信感度劣化）を定義する所定の符号誤り率における値であり、符号誤り率が「１０^-9」の場合における値Ｑは「６」である。値Ｑを「６」とし、受信器端の相対強度雑音ｒが「０．１」の場合、パワーペナルティは、２ｄＢとなる。また、式（３）において、平方根を示す括弧内は、各中継区間で使用される励起レーザ光の電力の変動量に対する二乗平均の和を示している。この場合、各励起光源の出力変動は無相関であることを前提としている。
【００４３】
図２は、図１における中継区間１０の数が２００である場合における受信器端の受信感度劣化と励起光源の相対強度雑音との関係を示す図である。図２では、光信号の伝送速度をパラメータとし、１０Ｇｂｉｔ／ｓ、２０Ｇｂｉｔ／ｓ、および４０Ｇｂｉｔ／ｓのときにおける符号誤り率が１０^-9での受信感度劣化と励起光源の相対強度雑音ＲＩＮとの関係を示している。
【００４４】
図２において、符号誤り率「１０^-9」における励起光源の相対強度雑音に起因する受信感度劣化を２ｄＢ以下に抑圧するには、伝送速度が１０Ｇｂｉｔ／ｓの場合、励起光源の相対強度雑音ＲＩＮを−１５４ｄＢ／Ｈｚ以下にし、伝送速度が２０Ｇｂｉｔ／ｓの場合、励起光源の相対強度雑音ＲＩＮを−１５７ｄＢ／Ｈｚ以下にし、伝送速度が４０Ｇｂｉｔ／ｓの場合、励起光源の相対強度雑音ＲＩＮを−１６０ｄＢ／Ｈｚ以下にすればよいことがわかる。
【００４５】
この場合、直流から伝送速度Ｂ［Ｈｚ］までの励起光源の相対強度雑音ＲＩＮ（ｆ）の積分値は、受信器端の相対強度雑音ｒを示す式（３）を参照し、受信器端の相対強度雑音ｒが０．１未満となるように、次式（５）を満足すればよい。すなわち、
【数５】

である。ここで、「Ｌｎ」は、自然対数を示す。
【００４６】
すなわち、中継区間数Ｎをもつ光伝送路に対してラマン利得Ｇのラマン増幅によって伝送速度Ｂの光伝送を行って、符号誤り率が１０^-9での受信感度劣化を２ｄＢ以下とするには、直流から伝送速度Ｂまでの励起光源の相対強度雑音ＲＩＮ（ｆ）の積分値Ｉが次式（６）を満足するようにすればよい。
【数６】

【００４７】
この式（６）を満足する励起光源を、図１に示した第１および第２の励起光源として用いることによって、たとえば中継区間数が２００である光増幅中継伝送システムにおける受信器端の受信感度劣化を２ｄＢ以下に抑えることができる。
【００４８】
この実施の形態２によれば、直流から伝送速度Ｂまでの励起光源の相対強度雑音の積分値が所定値内の励起光源を用いることによって、受信器端における受信感度劣化を抑えることができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、励起手段の各励起レーザが、それぞれ波長の異なる複数の縦シングルモードの励起レーザ光を出力し、各励起レーザから出射された縦シングルモードの各励起レーザ光を光伝送路上に合波出力して送信器端から入力された光信号をラマン増幅し、光伝送路上におけるモード分配雑音を除去してラマン利得の変動を抑えるようにするようにしているので、受信器端に入力される光信号の受信感度劣化を抑え、伝送特性の劣化を抑えることができるという効果を奏する。
【００５０】
つぎの発明によれば、半導体レーザと反射器との間で外部共振器を構成し、所望のレーザ光を波長選択することによって実質的に縦シングルモードの励起レーザ光を出射する縦シングルモードレーザを実現し、光伝送路上におけるモード分配雑音を除去してラマン利得の変動を抑えるようにしているので、受信器端に入力される光信号の受信感度劣化を抑え、伝送特性の劣化を抑えることができるという効果を奏する。
【００５１】
つぎの発明によれば、マルチセクションＤＢＲレーザによって実質的に縦シングルモードの励起レーザ光を出射する縦シングルモードレーザを実現し、光伝送路上におけるモード分配雑音を除去してラマン利得の変動を抑えるようにしているので、受信器端に入力される光信号の受信感度劣化を抑え、伝送特性の劣化を抑えることができるという効果を奏する。
【００５２】
つぎの発明によれば、光伝送路における中継区間の接続数を自然数Ｎとし、前記ラマン増幅によるラマン利得をＧとしたときにおける、各励起レーザの直流から前記光信号の伝送速度に対応する周波数に至るまでの相対強度雑音の積分値が、０．０１／（（Ｎ＾（１／４）＊Ｌｎ（Ｇ）＾（１／２））以下となる励起レーザを用いて、励起レーザの相対強度雑音の影響を軽減するようにしているので、受信器端に入力される光信号の受信感度劣化を抑え、伝送特性の劣化を抑えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１である光増幅中継伝送システムにおける一中継区間の構成を示す図である。
【図２】中継区間数が２００である場合における受信器端の受信感度劣化と励起光源の相対強度雑音との関係を示す図である。
【図３】従来の光増幅中継伝送システムにおける一中継区間の構成を示す図である。
【図４】ラマン増幅利得の波長依存性を示す図である。
【符号の説明】
１信号光入力端子、２信号光出力端子、３，１５，１６光ファイバ、４光結合器、５光アイソレータ、６第１の励起光源、７第２の励起光源、８波長多重回路、９励起光源制御回路、１０中継区間、１１，１２半導体レーザ、１３，１４反射器。

Claims

光伝送路上に複数の波長の励起レーザ光を入力し、ラマン増幅効果によって該光伝送路上を伝送する光信号を増幅して中継する光増幅中継伝送システムにおいて、
波長の異なる複数の縦シングルモードの励起レーザ光を出力する複数の励起レーザを有した励起手段を備え、各励起レーザから出射された縦シングルモードの各励起レーザ光を前記光伝送路上に合波出力して前記光信号をラマン増幅することを特徴とする光増幅中継伝送システム。
前記複数の励起レーザは、
半導体レーザと、
前記半導体レーザから出射されたレーザ光を反射する反射器と、
前記半導体レーザの出射端面と前記反射器とを接続し、前記励起レーザ光の波長に対応した所定長を有した光ファイバと、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光増幅中継伝送システム。
前記複数の励起レーザは、マルチセクションＤＢＲレーザであることを特徴とする請求項１に記載の光増幅中継伝送システム。
前記複数の励起レーザは、前記光伝送路における中継区間の接続数を自然数Ｎとし、前記ラマン増幅によるラマン利得をＧとしたときに、各励起レーザの直流から前記光信号の伝送速度に対応する周波数に至るまでの相対強度雑音の積分値が、０．０１／（（Ｎ＾（１／４）＊Ｌｎ（Ｇ）＾（１／２））以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光増幅中継伝送システム。