JPH03218129A - 長距離用高速光通信方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 し発明の技術分野１ 本発明は、光直接増幅器を多段介入した長距離光通信シ
ステムにかかわり、特に高速光信号の伝送が可能な長距
離用高速光通信方式に関するものである。

［従来の技術］ 半導体レーザ増幅器等を用いて光信号を光のまま直接増
幅する光増幅器は、構成が簡素で伝送速度に対する制約
が無いため、単一モード光ファイバと組み合わせれば極
めて効率的な長距離光通信シスデムを構成できるメリッ
トがある。

第１０図は光増幅器を多段に用いた従来の長距離光通信
シスデムの概略図である。図において、１は半導体レー
ザ等の光源、２ａ〜２ｎは光信号ｌａ〜Ｉｎを伝送する
光ファイバ、３ａ〜３ｎは光信号しａ〜Ｌ（ｎ−１＞を
直接増幅する光増幅器、４は光信号１　ｎを復調する受
信装置をそれぞれ示す。

ディジタル通信情報ＤＩは、光源１により２値の尤信号
ｌａに変換され、光フフ・イバ２ａに送出される。光フ
７イバ２ａ〜２　（ｎ−　１　）内を伝送して減衰した
光信ＭＬａ−Ｌ　（ｎ−１　＞は、光ファイバ２ａ〜２
『）間にほぼ等間隔毎に多段挿入された光増幅器３ａ〜
３ｎにより増幅され、複数段の中継により受信装＠４に
到達する。これにより、ディジタル通信情報１）　［の
伝送が可能となる。このような伝送方式により高速信号
の伝送が基本的に可能であることは、文献（例えば、Ｎ
．　Ｅｄａｇａｗａｅｔｃ　“９０４ｋｍ．　１．２Ｇ
ｂｐｓ　ｎｏｎ−ｒｅｇｃｎｅｒａｔ１ｖｅ　ｏｐｔｉ
−ｃａｌ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍ
ｅｎｔ　ｕｓｉｎｇ　１２　［ｒｄｏｐｅｄ　ｆｉｂｅ
ｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”　ＰＤＡ−８，ＥＣＯＣ−
８９　）等に示される通り既に実験的に確認されている
。

［発明が解決しようとする課題］ 今まで、光増幅器を用いた長距離光通信シスデムに高速
な伝送速度の光信号を伝送するために、盛んに研究が行
われ種々の提案がなされている。

例えば、光信号の波長を石英光ファイバで損失が最も小
さい波長である１．５５μｍに設定し、かつ高速信号を
伝送する場合に問題となる分散を解決するために分散シ
フト光ファイバを用いることが既に提案されている。し
かしながら、従来の光増幅器を用いた長距離光通信ｈ式
では、１．２ギガビットの伝送速度で約１０００ｋｍの
伝送路を構成したものが、＠長の長距離光通信システム
として報告ざれているに過ぎず、約１万ｋｍの大洋横断
システムを構築するに程遠いものであった。

従って、光増幅器群を用いた長距離光通信システムで、
今後期待されるより高速の光信号を伝送することが可能
な長距離用高速光通信方式が強く望まれていたが、今ま
で何ら開示されていなかった。

こ）において、本発明は、前記した従来技術の課題に鑑
みなされたもので、光増幅器を用いた長距離光通信シス
テムに高速な伝送速度の光信号の伝送が可能な長距離用
高速光通信方式を提供せんとするものである。

［課題を解決するための手段］ 前記課題は、本発明の長距離用高速光通信方式が、次の
特徴的構成手段を採用することにより達成ざれる。

即ち、本発明の第１の特徴は、光フ冫・イバに複数の光
増幅器を多段挿入して構成される長距離光通信システム
に高速な光信号を伝送する長距離用高速光通信方式にお
いて、 所望の狭線幅でかつ単一波長を発振する光源からの光信
号を外部変調器で高速変調し、該高速変調された光信号
を光源の発振波長より良波長側に零分散波長を設定した
分散シフト光ファイバに入射して伝送することにある。

本発明の第２の特徴は、第１の特徴に加え、振幅変調す
る光位相変化を示すアルフＩパラメータが正である外部
変調器により光信号を変調することにある。

［作　用］ 本発明が講じた前記手段に至る原理とその作用を次に説
明する。

今まで、光増幅器を用いた長距離光通信システムで高速
な伝送速度の光信号を伝送できない理由としては、光増
幅器が発生するＭ音や光ファイバの分散等の伝送特性劣
化要因がシステムに沿って累積するためであると考えら
れていた。しかし、本発明者等は、２．４ギガビットの
高速信号による伝送実験を行なったところ、ファイバの
分散値が所定値を越えたとき急速に伝送特性が劣化する
現象を発見した。第２図は本発明による分散値と伝送特
性の劣化（ペナルティ）との相関関係を示す実験結果で
あり、分散値が８０００ピコ秒を少し越えると、伝送特
性の劣化を示すペナルティが急速に増加している。この
第２図における伝送特性の劣化は、従来知られている伝
送特性劣化の様子と異なり、まず劣化の始まる分散値が
小さいこと、更に、劣化の増大が８０００ピコ秒を少し
越えたファイバ分散値で急激であることが特徴である。

そこで、発明者等は、第２図の伝送特性劣化現象の要因
を解明するために、受信信号の雑音分析及びコンピュー
タによる理論解析を行なった。

第３図は本発明にＪ、る実験結果であり、観測されたＭ
音の周波数特性と、推論にもとずく計算結果の特性図で
ある。両者はよく一致しており、これらの実験結果から
、大きな分散を有する光ファイバを高速信号で伝搬する
場合には、光源に含まれる発振波長の微弱な位相の揺ら
ぎが娠幅成分に変換され、光ファイバ内での新たな雑音
となることが判明した。今まで、分散値を増加させれば
伝送特性が劣化することは良く知られていたが、従来そ
の原因は、フフ・イバ分散が増加することにより、伝送
信号波形が歪むことによるものであると考えられていた
。すなわち、本発明者等は高速信号を伝送する場合、伝
送特性劣化の要因が単にファイバ分散の増加に依るもの
だけでなく、発娠波長の微弱な位相の揺らぎも大きな要
因になると考えた。そこで、本発明では位相の揺らぎを
極力少なくするために、光信号を発振する光源の線幅を
極めで狭くした。

次に、長距離方式を実現する場合には、従来から指摘さ
れているように分散による波形歪みが問題となる。これ
を解決するには、すでに知られているように、ファイバ
の分散を小さくするか、光パルス波形の立ち上がり・立
ち下がりに生じる光波長の変化を小さくすることが有効
である。許容される光の波長の変化量は、光信号が伝送
されるファイバの総分散量とビットレートに依存する。

第４図はりチュウム・ナイオベート外部変調器を用いた
場合の伝送速度と許容分散量の関係を説明するための本
発明による全ファイバ分散と伝送特性劣化の関係図であ
る。伝送特性劣化であるペナルティーは受信アイ波形の
劣化（アイが閉じる給）で示している。通常、１０％程
度までの劣化であれば品質劣化は少なく良好な伝送が司
能である。一般に、光ファイバの製造歩留まりの観点が
ら、ｌｋｍあたりの分散値としては１ピコ秒／ｎｍ以上
が現実的であり、大洋横断級のシステムで分散値を極端
に小さくすることは、システムのコストアップにつなが
るため好ましくない。

従来の伝送システムでは、伝送信号の波長は光ファイバ
の零分敗波長より長く、かつ外部変調器は光パルスの立
ち上がり時に短波長側に変化するため、光信号が光ファ
イバ内を伝搬するとパルス幅が狭くなる。このような状
態での伝送をパルス圧縮とよび、第４図に示すとおり、
２．５ギガビットでも１　００００ビ］秒すなわち、約
１００００ｋｍの光ファイバを伝送することができる。

光パルス信号の歪みとしては、このほか光ファイバ内を
高電力の光信号を伝送することにより発生する変調不安
定現象がある。第５図は本発明の原理を説明するための
振幅特性図であり、図のように伝送前のパルス波形α図
と伝送後のパルス波形α一図とは形が大きく変わり、パ
ルス波形αの高周波成分が伝送後では強調される歪みと
なる。

本発明ではこの変調不安定現象を解決して光パルス信号
の波形歪を低減するために、光ファイバの分散を負、す
なわち、光信号の波長を光ファイバの零分散波長より短
く設定した。この場合、信号パルスは九フファイバの分
散により前述のパルス圧縮とは逆のパルス広がりを発生
し、第４図に示すように伝送可能な光ファイバ長は短く
なる。

上述のように、本発明はこのようなパルス波形α一歪み
に対する解決方法として、従来の波形歪に加え、位相の
揺らぎの対策を施したものである。

［実施例１１ 第１図は本発明に依る第１の実施例であり、長距離高速
光通信方式の概略図である。従来構成（第１０図）と異
なる点は、光源１０の発振波長が光ファイバの零分散波
長より短波長側（もしくは伝送用の光ファイバ１２ａ〜
１２ｎの零分散波長が光源ゴ０の発振波長に比べ長波長
側）に設定され、かつその線幅（発振波長の位相揺らぎ
）が十分に小さい光源１１を用いたことと、光源出力Ｌ
１をパルス信号１２に変換するりチュウム・ブイオペー
ト等の外部変調器１１を用い、かつそのパルス信号Ｌ２
発生時の波長の変化を示すアルファパラメータが正（パ
ルスの立ち上がりで出力信号波長が長波長側にシフト）
に設定されていることにある。なお、１３ａ〜１３ｎは
光ファイバ１２ａ〜１２ｎ間にほぼ等間隔に多段挿入さ
れる光増幅器群、１４は伝送ざれた光信号Ｌｎを電気信
号Ｓに変換する受信装置であり、従来と同一構成である
。

第６図は本発明による−［分に狭線幅な５ＭＨ　ｚの光
源１０と従来の光通信で用いられる線幅が３００ＭＨｚ
の中−し−ドレーザ光源１との比較結果であり、伝送光
ファイバ２８〜２ｎ．１２ａ〜１２ｎの分散値に対する
受信特性の劣化の特性図である。図から明らかなように
、線幅が大きい従来の光源１では、約ｓｏｏｏピコ秒で
ベブルティ（劣化）が急速に起こるのに対し、本発明の
線幅が５ＭＨｚの光源１０では劣化がほとんど無く、分
散による波形歪みが発生する約１　２０００ピコ秒まで
良好な伝送が可能である。要求される線幅は伝送速度や
光ファイバ長により異なるが、第７図の実験結宋および
１論訂算結果が示フように、本発明が対象とするシステ
ムの伝送速度を２．４から４．８ギガビットで、光ファ
イバ分散を５０００ピコ秒以上とした場合、光［１０の
線幅（スペクトル幅）が少なくとも５０ＭＨＺ以下とす
ることが要求される。なお、高品質な伝送路を考慮し、
史にペナルティを劣化さけるには、光源１０の線幅を２
　０　Ｍ　Ｈ　ｚから１０Ｍｆ−１ｚ以下にすることが
好ましい。このような条件を満たす光源１０としては、
従来の単一モードレーザでは不十分であり、キャビテイ
長を特に長く設計した甲一モドレーｌアや、外部共撮器
を付加したレーザ、さらに多層量子井戸構造のレーり’
（ＭＱＷレーザ）がある。

また、変調不安定による波長の歪対策として、光ファイ
バ１２ａ〜１２ｎの零分敗波良を光源１０の発振波長よ
りも長波長側にずらしておけばよい。その場合、光ファ
イバ１２ａ〜１２ｎの零分散波長と光源１０の発振波長
との波長差は、伝送速度や方式長により異なるが、前述
の２．４ギガビットでは１００００ｋｍ伝送を行う場合
、分散シフト光ファイバの適用を考慮して、１０から３
０ナノメートル程度と必要となる。

上述のように、本発明はこのようなパルス波形歪みに対
する対策に加え、位相の揺らぎの対策を施して光増幅器
１３８〜１３ｎを多段に用いた長距離高速光通信を実質
上可能としたものである。

［実施例２１ 次に本発明の第２実施例であるファイバ分散による波形
歪を解決する方ｒ人について説明する。

第８図は外部変調器１１のアルファパラメータの変化に
対する伝送特性劣化であるペナルティの大きさを示す本
発明の特性図である。なお、伝送のペナルティーはアイ
劣化呈で示している。光フ？イバ１２ａ〜１２ｒｌの総
分散量は変調不安定現象を回避するため、負に設定され
ーｉ　ｏｏｏｏピコ秒と−２００００ピコ秒である。第
８図は正の分散で示しているが光１１ｊｉ１０波長を光
ファイバ１２８〜１２ｎの零分散値より短波長側に設定
した場合、ｔ１の分散吊となるので、アルファパラメー
タの符号を反転して＋０．５から＋１．５に設定づるこ
とにより良好な伝送が可能となる。

外部変調器１１をこのような負のアルファパラメータで
動作させる方法について簡単に説明する。

第９図で（ａ）は外部変調器１１の印加電圧に対ずる光
出力の本発明に依る特性図である。印加電圧が零で光は
透過オン、｝Ｖまたは一Ｖでオフとなる。同図（ｂ）は
本発明に用いる外部変ａＩ！器１１の構成例を示すが、
Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　０　３結晶基板１５上の光導彼路１６
に入射した入力光信号Ｌ１を途中で分岐し、各分岐路１
６ａ．１６ｂに電極１７，１８を通して変調パルス電圧
電ＩＱ１９の電界Ｅを印加し、光信号［−１の伝搬位相
を変化させ、出力で再び合成することにより、光信号Ｌ
２を打ち消したりオフ、透過オンさせる。図中２０は負
荷抵抗である。

同図（Ｃ）は＋■を印加した時の電界Ｅの分布を示す。

同図（ｄ）は−■を印加した場合である。

信号の立ち上がり時の波長シフトは、各分岐路１６ａ，
１６ｂに印加される電界Ｅが異なることにより、分岐路
１６ａ．１６ｂの位相特性に僅かな差が発生することに
起因する。従って、（Ｃ），（ｄ）から明らかなように
、２つの分岐路１６ａ，１６ｂに印加される電界［の分
布は印加づる電圧の極性により逆転するため、本来、負
のアルフ７パラメータを持つ外部変調器１１を正の特性
として利用することが可能となる。

［発明の効果１ かくして、本発明は所望の狭線幅でかつ甲一波長を発振
する光源から光信号を外部変調器で高速変調し、該高速
変調された光信号を光源の発振波長よりも長波長側に零
分散波長を分散シフトしたノ 光ファイバに入射して伝送することにより、光増幅器を
用いた良距離光通信システムに高速信号を伝送すること
が出来る。

線幅が５　０　Ｍ　Ｈ　ｚ以下の光源で光信号を発振す
ることにより、光源の位相揺らぎを低減することができ
る。

光信号を、娠幅変調する外部変調器の電界光位相変化を
示すアルファパラメータが正である外部変調器により変
調することにより、光ファイバの分散による波形の歪を
改善することができる。

アノレファパラメータの値が＋０．５から＋１．５の間
にすることにより、伝送特性の劣化を低減することがで
きる。

かくして、本発明の光源１０の位相揺らぎによる雑音、
変調不安定現象、及び光ファイバ分散による波形歪みの
影費を回避することができるため、光増幅器を用いた長
距離用高速光通信システムに高速な信号を初めて実現可
能にしたものであり、光増幅中継方式、特に長距離の光
海底ケーブルｈ式等への適用が期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例で長距離用高速光通信方
式の概略図、第２図は本発明の原理作用を説明するファ
イバ分散とペナルティとの特性図、第３図は本発明によ
る周波数と雑音電力スペクトル密度の実験結果と理論結
果の特性図、第４図は本発明による波形歪みによる伝送
特性劣化の特性図、第５図は本発明による変調不安定現
象による波形歪みの特性図、第６図は本発明と従来の光
源の線幅よる比較図、第７図は本発明の実験結果にもと
ずく要求光源線幅の計算値、第８図は変調器のアルファ
パラメータに対する要求値、第９図（ａ）．（ｂ）．（
ｃ）．（ｄ）はそれぞれ外部変調器の光出力特性図．外
観斜面図．各動作図、第１０図は従来の光増幅通信方式
の構成図である。 １，１０・・・光源　　　　２ａ〜２ｎ．１２ａ〜１２
ｎ・・・光ファイバ ３ａ〜３ｎ．１３ａへ・１３ｎ・・・光増幅器４．１４
・・・受信装置　１１・・・外部変調器１５・・・結晶
基板　　　１６・・・光導波路ノ １６ａ，１６ｂ・・・分岐路 １７．１８・・・電極　　１９・・・変調パルス電圧電
源 ２０・・・負荷抵抗 ＤＩ・・・デジタル通信情報 Ｅ−・・電界　　　　　　Ｌａ−Ｌｎ．１１　〜Ｌｎ・
・・光信号 Ｓ・・・電気信号 第１図 第２図 ４０００　　　　　　８０００　　　　　　１２０００
ファイハ分Ｉ牧（ヒ゜コ移゜／ｎｍ） 雑音電力又ペクト／Ｌ乞魔（２ｄＢ／ｄｉｖ）第４図 第５図 ＠間 第６図 第８図 アルファ／＼６ラメ 堺 求 壌 ？！ （Ｈｚ） （Ｃ） （ｂ） （ｄ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光ファイバに複数の光増幅器を多段挿入して構成さ
   れる長距離光通信システムに高速な光信号を伝送する長
   距離用高速光通信方式において、所望の狭線幅でかつ単
   一波長を発振する光源からの光信号を外部変調器で高速
   変調し、 該高速変調された光信号を光源の発振波長より長波長側
   に零分散波長を設定した分散シフト光ファイバに入射し
   て伝送することを特徴とする長距離用高速光通信方式。 ２、線幅が５０ＭＨｚ以下の前記光源で前記光信号を発
   振することを特徴とする請求項第１項記載の長距離用高
   速光通信方式。 ３、前記光信号を、光位相変化を示すアルファパラメー
   タが正である外部変調器によりパルス振幅変調すること
   を特徴とする請求項第１項記載の長距離用高速光通信方
   式。 ４、前記光位相変化を示すアルファパラメータの値が＋
   ０．５から＋１．５の間であることを特徴とする請求項
   第３項記載の長距離用高速光通信方式。