JPH06510135A - 飽和した増幅器を有する非線形光干渉計 - 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】 飽和した増幅器を有する非線形光干渉計本発明は、光伝送システムに関する。

既知の光伝送システムは、干渉計および光信号源を含む。

干渉計は第１および第２の人力ポートおよび第１および第２の出力ポートを有す る４ポートの光学カプラ、第１および第２の出力ポートと結合して光学的非線形 を含んでいる光結合手段、および光増幅器を具備する。光信号源は、干渉計の第 １の入力ポートに結合される。

このような干渉計の人力ポートに結合される光入力信号は光学カプラによって２ つの部分に分割され、その一部分は例えば光フアイバループによってカプラに戻 り再結合されるように結合手段を逆方向に逆伝播する。対称的なカプラに関して 、結合手段に沿った光通路は２つの部分に対して同様である。５０・５０のカプ ラおよび対称的に位置された増幅器に関して、前記の一部分は入力信号か初めに 入力されたポートから生ずるように再結合する。これは人力信号は干渉計によっ て「反射される」と表現される。このため、この構造はしばしば「ループ」か光 結合手段であるループミラーとして説明される。

別出願の国際特許出願、ＷＯ８８１０２８７５号明細書には非線形光結合手段、 すなわち二酸化珪素光ファイノくループを有する干渉計が記載され、それにおけ る結合手段に沿った２つの反対の伝播方向の対称性は異なる非線形効果（いわゆ る、非線形光ループミラーあるいはＮＯＬＭ）を与えるためにこわされる。これ は様々な方法で達成される。例えば、５０　：　５０でないカプラが使用される ことができる。この場合、導波体ループの両端部に結合される信号部分の強度は 等しくない。

人力信号の強度が十分であるとき、導波体を廻って反対方向に伝播する信号部分 は異なる屈折率を経験する。これは、信号か結合手段に戻る時に強度依存性の相 対的な位相シフトを有するため、異なる位相シフトを経験する２つの反対方向伝 播信号部分を生ずる。相対的な位相シフトの強度依存性は、既知のように入力ポ ートの出力が入力信号の強度の振動関数である装置を生ずる。第２の入力ポート （入力信号が結合されないポート）に存在する任意の信号は、干渉計によって「 送信される」と言われている。

さらに、ＮＯＬＭの対称性をこわす方法は、文献（Ｎ、　Ｅ、　Ｆｅｒｍａｎｎ 氏、Ｆ、Ｂａｂｅ＋１氏、Ｍ　Ｈｏｌｆｅｒ氏、およびＨ，Ｂｏｃｒｅｉｔｅｒ 氏による１９９０年のＯｐｌ、　Ｌｅ目、第１５巻の第７５２頁、「非線形増幅 ループミラー」）に開示されており、それにおける増幅器はこの場合５０　：　 ５０のカプラである光学カプラの出力ポートの１つに近接する非線形ループ内に 非対称的に位置される。

このような構造は特に導波体ループの非線形の探求により、通常のＮＯＬＭの特 性を小さな人力信号によってアクセスされるように改善する。Ｆｅ＋ｍａｎｎ氏 らによる文献に記載された実験は低い信号パワー、および増幅器の利得を飽和し ない反復率で行われれた。しかしながら、低いパルスフルエンスにより各個々の パルスにおける増幅器の飽和は依然として無視てきる程度であるが、増幅器の飽 和は装置の全体の利得の減少を導く。このような装置は非線形増幅ループミラー （ＮＡＬＭ）と呼ばれている。

このようなＮＯＬＭおよびＮＡＬＭは光伝送システムにおけるパルス成形、特に ペデスタル抑制を行うことができる。

このように、これらの装置はパルス間放射の抑制、および長距離におけるビット 濾波のために全ての光通信システムに利用できる可能性を有する。このような応 用は文献（１９９０年のｏｐ＋、　ｔｅｌ＋、　、第１５巻のに、Ｓｍ１ｔｈ氏 、Ｎ、　ｌ、　Ｄｏｒａｎ氏およびＰ、　Ｇ、　Ｊ。

Ｗｉｇｌｅｙ氏による「非線形光ループミラーを使用するパルス成形、圧縮およ びペデスタル抑制」）に記載されている。

ＮＡＬＭは、全光通信システムにおけるこのようなパルス成形に加えて増幅を行 う。しかしながら、ＮＡＬＭが振動出力を有する場合、入力信号の強度はループ ミラーによる反射を避けるために比較的一定でなければならない。

ＮＡＬＭの振動出力を除去する１つの方法は、文献（１９９１年５月９日のＥｌ ｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、第２７巻、第１０号におけるＲ、Ａ、Ｂｅ ｔｔｓ氏、Ｓ、　１．　Ｆｒｌｓｋｅｎ氏、Ｃ，Ａ、　Ｔｅ　ｌ　ｆｏｒｄ氏お よびＰ、　Ｓ。

＾ｔｈｅ＋ｔｏｎ氏による「増幅するサグナックループを使用する全ての先パル ス圧縮」）に開示されている。それらの装置において、ループにおける非線形素 子は半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）である。これは、線形を供給するために振動 特性を抑制するが、応答を上昇する飽和した非線形を提供する。はぼ一定の出力 を供給するＮＡＬＭは、光通信システムにおける使用に魅力的である。

本発明は干渉計および光信号源を具備している光伝送システムを提供し、干渉計 は第１および第２の入力ポートおよび第１および第２の出力ポートを有する４ボ ートの光カブラを具備し、光結合手段は第１および第２の出力ポートを結合し、 光学的非線形を有し、光増幅器を含み、光信号源は干渉計の第１の入力ポートに 結合され、システムは光信号が増幅器を飽和して振動出力を抑制し、光信号のパ ワーは第１の入力ボートに結合される入力信号を第２の入力ポートに切替えるの に十分であるように構成されている。

この光伝送システムは、入力光パルスの強度の範囲が干渉計の出力に切替えられ るために、入力信号の強度の範囲にわたってほぼ一定の出力を得ることができる 。さらに、信号はほぼ一定の強度に増幅される。それ故、光伝送システムは信号 の増幅を行い、ＳｍＮｈ氏らによる文献に記載されたようなパルス成形および雑 音濾波を行う。これは、光通信システムの特定の応用である。

光源はパルス化されたレーザであり、その場合に本発明の光伝送システムは、可 変ピークパワー人カパルスであっても実質的に一定のピークパワーの雑音の濾波 された光パルスを第２の出力ポートで供給する。それ故、本発明のシステムは、 例えば水中リンクのような長距離光通信リンクにおいて中継器として使用される ことができる。

光増幅器は上記されたＮＡＬＭを参照して記載されたような結合手段の一部を構 成し、または切替えられる前に入力信号を増幅するために第１の人力ポートに結 合される。この後者の場合、干渉計は増幅器が結合手段の一部を形成しないので 例えば５０　：　５０でないカプラによって対称性をこわすことが必要である。

別の形態の導波体として例えばリジウムニオブ酸塩のような平坦な基板に形成さ れた導波体が使用されるが、干渉計は光フアイバループを含む。

光フアイバ干渉計の場合において、光増幅器はループを形成するファイバに接続 された光フアイバ増幅器であると便利である。また、半導体レーザ増幅器も使用 される。

ループの光ファイバは所望の非線形を示している材料から形成されることができ 、または分離した非線形素子がループに含まれてもよい。例えば、高い非線形の 素子はループの長さを短くするために半導体レーザ増幅器を備えていてもよい。

本発明は、第１および第２の入力ポートおよび第１および第２の出力ポートを有 する４ポートの先カプラを具備する干渉計の使用方法を提供し、光結合手段は第 １および第２の出力ポートを結合して光学的非線形を有し、光増幅器を含み、光 信号が増幅器を飽和し任意の振動出力を抑制するように干渉計の第１の入力ポー トに光信号源を結合し、光信号のパワーは第１の入力ポートに結合された入力信 号を第２の入力ポートに切替えるのに十分である。

本発明の実施例は、添付図面を参照して実例によって説明されている。

図１は、人力ポートに結合された増幅器を有する非線形光ループミラーの概略図 であり、 図２は、導波体ループ内に非対称的に位置される光増幅器を含んでいる非線形光 ループミラーの概略図であり、図３は、図１に示された非線形光ミラーのループ において循環しているパワー、および様々な入力ピークパワーによって生成され た結果的な非線形位相差を示しているグラフであり、 図４は、３つのパルス反復率のピーク入力パワーの関数である図１の実施例から のピーク出力パワーを示しているグラフであり、 図５は、入力ピークパワーの関数である図１の実施例の非線形位相のグラフであ り、 図６は、図１の実施例の増幅器によって与えられる利得と比較される人力ピーク パワーの関数である図１の実施例の利得を示しているグラフであり、 図７は、図２の実施例によって与えられる圧縮比を示しているグラフであり、 図８（ａ）および８（ｂ）は、実質的なパルス間放射、およびペデスタルのない 図１の実施例によって増幅される圧縮されたパルスを有する入力パルスの自己相 関特性を示しているオスシログラムの再生を示す図であり、図９は、人力パワー の関数として自己相関幅圧縮比を示しているグラフであり、 図１０は、図１の実施例の利得対平均人力パワーを示すグラフである。

図面を参照すると、図１は第１および第２の人力ポートロおよび８、および第】 および第２の出力ポート１０および１２の４ポー＋−の融着光フアイバカプラ４ を具備するサグナックループ干渉計２から形成されている光伝送システムを示す 。出力ポート１０および１２は、光フアイバループ】４によって光学的に結合さ れる。干渉計２は単一の光ファイバ１４がら適切に形成され、２−っの部分がカ プラ４を形成するために融着される。

この実施例において、ループ１４はコーニング社がら入手される分散度ゼロの１ ゜５５μｍ程度で長さ８．８ｋｍの分散シフトされたファイバで構成される。こ のファイバの性質は、伝播効果によるパルス形成は無視できる程度であることを 保証する。また、ファイバ偏光制御装置１６は、装置を低いパワーで反射モード に調整するためにループ１４に含まれる。

３０ｍの長さのエルビウムでドープされたファイバ増幅器（ＥＤＲＡ）＋８は、 ファイバカプラ４の出力ポートｌＯに接合される。先ファイバカプラ２０は、１ ．４８μｍで５０ｍＷ程度の最大ポンプパワーを高パワーＭＱＷ半導体レーザ２ ２からＥ　Ｄ　Ｆ　Ａ　１８にポンプ放射として結合するために使用される。

これらの条件下で、ＥＤＦＡ１８は２８ｄＢの小さな信号利得および２４μＷの 時間平均飽和パワーを有する。上記ループパラメータおよび７．ｋｍの実効ルー プ長に関して、増幅器の飽和パワーは０．６ｍＷ程度である。

光源２４（２，５ＧＨｚの反復率および約５０μＷの平均パワーで約１２ｐｓ持 続時間の１．５４５μｍのパルスを供給する　能動的にモードロックされた半導 体レーザ）は、入力ポートロに接続される。レーザ２４によって生成されたパル スの測定された時間帯域幅の積は最良で０．４である。

図１の構造に関して、方形パルス伝送率Ｔが次のように与えられることは容易に 示される。

Ｔ＝Ｐ、／Ｐ。

−Ｇ　ｔｌ＋　２ａ　（１−ａ）［１＋ｃｏｓ［（１−ａ）　Ｇ−ａｌ　φ］＋ （１）ここで、φ（−２πｎ　２　Ｐ　ＩＬ　／λ”ｅｌ［）は非線形位相シフ トであり、ＰｌおよびＰｌはそれぞれ透過パワーおよび入力パワーであり、αは カプラのパワー結合係数であり、Ｌはは実効ファイバコア面積であり、Ｇは増幅 器のパワー利得（Ｐ　／Ｐ、）である。装置の切替えパワーＰ　、　（＝λｏｕ ｔ　＋ｎ　ｓａ Ａ　／２ｎ２　［（１−α）Ｇ−ａ］）はπに余弦関数の偏ｆｆ 角を設定することによって導出される。増幅器１８はループ対称性をこわし、α −０，５の絶対ペデスタル抑制と共に低い切替えパワーを供給する。１例として 、Ｇ　＝３０ｄＢ、αＳ ＝０．５およびＬ＝１０ｋｍに関してＰ　は０．２５ｍＷａ （Ａ　ｅｔ　＋　−５０ｕ　ｍ　−λ＝１．５５．ｃｚｍ）程度である。

図１に示された構造の利得飽和の効果を検討し、１＋Ｇ　／　（１＋Ｐ／Ｐｓａ 、）の利得を想定する。ここで、Ｓ Ｇ　は小信号利得てあり、Ｐ５．（は利得が３ｄＢだけ圧縮さＳ れる入力パワーである。この簡単な式は中程度のパワーより低い測定された全Ｅ ＤＦＡ（＜１ｍＷ平均）を説明し、高度に飽和された様式において物理的に正確 である。利得飽和の影響は、Ｇ　＝３０ｄＢ、　ｐ、、＝０．００１　（＝Ｐｓ ａ）、Ｓ α＝０．５およびｎ　Ｌ／λＡｅｌｆ””に対して、式（１）における正弦関数 の偏角、すなわち逆方向伝播波間の非線形位相差がＰ　について表示されている 図５を参照して良く説明される。

高い入力パワーでは、Ｐ　１は大きなＧ　の１／Ｇ　にはｓａ　ｓｓ　ｓｓ は等しいので、非線形位相差はπＰｓａｔ／Ｐｓａとしても表示されるπＧＰ　 にクランプされる。それ故、ＰＳ□＝Ｐ５８　ｓａｔ ス（破線曲線）に関する計算された利得特性を示す図６で明らかである。比較の ため、ファイバ増幅器利得特性は同じ数値のＧ　およびＰ　（実線）に対して示 されている。低いｓｓ　ｓａｔ 入力パワーにおいて、装置は反射モードであり、したがって小信号ｆす尚は十分 に抑制される。しかしながら、入力パワーが増加すると装置は伝送状態に近づき 、Ｐ、　＞Ｐ　に対するｌ　５ａ ＥＤＦＡ１８の伝送状態に効率が近接する。パルス間のループの可変応答か不完 全な切替えおよびパルス成形を生じさせることが期待される。これは高パワーに おいてＥ　Ｄ　Ｆ　Ａ　１８に関して効率の小さな（２−３ｄＢ）減少に大きく 影響するが、ループ増幅器はパルス圧縮および低レベル光抑制から利益を得る。

さらに、増幅器の飽和は問題とするパワー範囲にわたって比較的一定の非線形位 相差に対する上昇を生ずるので、パルス成形特性は入力レベルに全く鈍感である 。これは本発明の重要な特徴の１っであり、圧縮比（τ　／τ４）が１０５ｏｕ ｔ　＋ｎ の入力パワー変化に対して０．５５から０．７５までしか変化しないことが図７ に示されている。これは、入力パワーがこのような従来のＮＯＬＭの正弦波出力 を通って循環するループミラー構造に明らかに見られる複雑なパルス成形に全く 対照的である。図７において入力パワーの範囲に関しては明らかではないが、τ 。ｕｔ　／τｉｎは低パワー（線形）動作に関して１となる。

パルスの持続時間は、第２高調波自己相関測定から推断される。伝送されたパル スの自己相関成形は入力パワーの関数として顕著な変化はしない。これは、人力 および出力相関幅の比が３．５ｍＷ（１２０ｍＷピーク）までの平均パワーに対 して人力パワーが表示されている図９に示されている。約０．５５の比が２００ ＸＰ　のパワーの範囲において２０％ａ 以下で変化する。装置の利得は、５０μＷ（１，６ｍＷピーク）の平均入力パワ ーで生ずる１７ｄＢの最大値を有する図６において記載された曲線で与えられる 。特性は、ループファイバ１４に関係した３ｄＢの損失および低い（２８（ＩＢ ）ＥＤＦＡ利得を考慮した図６に示される特性と一致している。

濾波されたパルスの／ｊｌ１１定された時間帯域幅積が入力と本質的に同じであ ることに注意すべきである。

さらに、強度濾波特性の明らかな説明は図８（ａ）および８（ｂ）に示されてい る。増幅され、（６ｐｓまで）短くされ、ペデスタルのない出力（図８（ｂ）参 照）は、実質的なパルス間放射を有する人力パルス（図８（ａ）参照）に対して 示される。この特性は入力パワーの全範囲にわたって見られる。

本発明の別の実施例は図２に示されており、それにおいて図１のエルビウム増幅 器１８が干渉計２の入力ポートロに結合されている。

この場合、ＮＯＬＭの対称性は図１の対称的な５０　：　５０のカプラ４の位置 における非対称的なカプラ２４の使用によってこわされ、切替えパワーＰＳｂは 増幅器１８の利得によって除算される標準的なループミラー（＝Ｐ　）のパワー （Ｇ＝１ａ に関して−ＰｓＡ）である。図１および図２の装置の切替えパワーの比は、次の 式によって与えられる。

Ｐ５．／ＰＳＢ＝　［（１−α）　Ｇ−αコ　／［（１−２α）　Ｇ］大きいＧ （一般的にはその状態である）に関して、式（２）Ｐ、ｂ／Ｐｓａ＝　（１−α ）／　（１−２α）と簡略化することがわかる。α−０，４の値に関して、図１ の装置の切替えパワーの利点は大きくて係数３である。しかしながら、図１の装 置の実際の利点はαか０．　５にほぼ等しいときに実現される。

この場合、ファイバ増幅器１８はループの対称性をこわすので、低い切替えパワ ーはα＝０．５の絶対ペデスタル抑制と共に維持される。例えばＧ　＝３０ｄＢ 、α＝０．５およびＬ＝Ｓ 置に関して、αが０．５に近付くときに切替えパワーは急速に無限大になる。

図３を参照すると、図１の実施例に関する入力ピークパワーの関数として２つの 反対の伝播方向に循環するパワーが示されており、（ａ）はポート１２とエルビ ウム増幅器１８の入力の間を反時計方向に循環するパワーであり、（ｂ）はエル ビウム増幅器から出力ポート１２への時計方向にループにおいて循環するパワー である。図３のグラフの実線の曲線（Ｃ）は入力ピークパワーの関数であるルー プを２方向に循環するパルスの非線形位相シフトを示し、明瞭に認められるよう に、非線形位相シフトは実質的に高いピークパワーで一定となる。

図４を参照すると、１．２および３ｋＨｚに等しい３つの異なるパルス反復率ｆ における入力ポートロの光信号入力のピーク入力パワー（ｍ　Ｗ　）の関数とし てポート８からのピーク出力パワーのグラフが示されている。この場合ｓ　１　 ｋ　Ｈｚに等しいｆに関して”　ｇａｌは図１の干渉計の切替えパワーＰ　１　 の５倍に等しい。出力パワーは入力パワーの振動的間ａ 数であることが認められる。飽和パワーは周波数の増加により切替えパワーに近 接して変化するので、ピーク出力パワーはＰ　に対応しているピーク出力パワー に対してさらに一定ａ に近付く。増幅器の飽和が第１の切替えピークで入力パワーを第２の人力ポート ８に切り替えるのに必要なパワーを生ずるように干渉計２が光伝送システムにお いて動作される場合、はぼ一定の出力パワーは切替えパワーより上で達成される 。

これは、光源からの光信号の人力パワーに比較的鈍感であるパルス成形および増 幅特性を提供する。

図１０を参照すると、光源２４からの光信号の平均入力パワーの関数として図１ の実施例の利得のグラフが示されている。

入力ピークパワー ピーク人力パワー　（ｍ　Ｗ　） 入力ピークバワ− 平均入力パワー　（ｍＷ） ０．００１　Ｃ０１０，＋　１ 平均入力パワー　（ｍＷ） 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成６年３Ｊ］２日

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．干渉計および光信号源を具備し、干渉計は第１および第２の入力ポートおよ び第１および第２の出力ポートを有する４ポートの光カプラを具備し、光結合手 段は第１および第２の出力ポートを結合して光学的非線形を有し、光増幅器を含 み、光信号源は干渉計の第１の入力ポートに結合され、光信号が増幅器を飽和し て振動出力を抑制し、光信号のパワーは第１の入力ポートに結合される入力信号 を第２の入力ポートに切替えるのに十分である光伝送システム。
2. ２．光源がパルス化されたレーザである請求項１記載のシステム。
3. ３．システムは実質的に一定のピークパワーの雑音の除去された光パルスを第２ の出力ポートで供給するものである請求項２記載のシステム。
4. ４．光増幅器が結合手段の一部を構成している請求項１乃至３のいずれか１項記 載のシステム。
5. ５．光増幅器が第１の入力ポートに結合され、切替えられる前に入力信号を増幅 する請求項１乃至３のいずれか１項記載のシステム。
6. ６．光カプラが５０：５０でないカプラである請求項５記載のシステム。
7. ７．干渉計が光ファイバループを含む請求項１乃至６のいずれか１項記載のシス テム。
8. ８．光増幅器がループを形成するファイバに接続されている光ファイバ増幅器で ある請求項７記載のシステム。
9. ９．光増幅器が半導体レーザ増幅器である請求項７記載のシステム。
10. １０．光ファイバが所望の非線形を示している材料から形成されている請求項７ 乃至９のいずれか１項記載のシステム。
11. １１．分離した非線形素子が光ファイバループに含まれている請求項７乃至９の いずれか１項記載のシステム。
12. １２．半導体レーザ増幅器が光ファイバループ中に設けられている請求項１１記 載のシステム。
13. １３．干渉計がリチウムニオブ酸塩のような平坦な基板に形成されている導波体 である請求項１乃至６のいずれか１項記載のシステム。
14. １４．第１および第２の入力ポートおよび第１および第２の出力ポートを有する ４ポートの光カプラを具備し、光結合手段は第１および第２の出力ポートを結合 して光学的非線形を有し、光増幅器を含んでいる干渉計を使用し、光信号が増幅 器を飽和し振動出力を抑制するように干渉計の第１の入力ポートに光信号源を結 合し、光信号のパワーは第１の入力ポートに結合された入力信号を第２の入力ポ ートに切替えるのに十分である干渉計の使用方法。