JP2001522469A - ソリトンストリーム再生システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、移相半導体増幅器（Ａ）を有するサニャック干渉計（６）中にソリトンの列を通過させるステップと、前記増幅器を、振幅変調光同期信号（Ｙ）によって列の周波数ビットの半分の周波数で制御するステップとからなる方法であって、前記干渉計内の前記増幅器移相と前記信号パラメータが、前記列の２つの隣接するソリトンが、逆光位相関係で送信されるような値を受ける方法に関する。本発明は光ファイバ通信ネットワークに適用できる。

Description

【発明の詳細な説明】 ソリトンストリーム再生システムおよび方法 本発明は、ソリトンストリームを再生するためのシステムに関し、通信ネット ワークに応用できる。 光パルスストリームの形で、長距離の通信リンク上で伝送すべきデータを搬送 することはよく知られている。この種のストリームは、タイミングがとられてい る。すなわち、クロック時間が、「ビット周波数」を構成する所定の周波数で一 定のシーケンスで規定され、送信すべきデータは、各連続するクロック時間のパ ルスの有無によって２進形式で搬送される。パルスを、それをソリトンの形で導 波するファイバ中に送信できることが有利であることが、よく知られている。ソ リトンはそれを導くファイバに適合し、したがって特定の振幅時間プロファイル 、半値幅での非常に短い持続時間、および高いスペクトル純度によって特徴付け られることがよく知られている。ファイバに固有の色分散および非線形効果（カ ー効果）が補正されるので、ソリトンは、少なくとも理論的には、累積変形を受 けずにファ イバ中を伝搬するという利点を有する。ただし、この補正には、伝搬の際にパル スの平均パワーが保持される必要があるが、パワー損は回避できず、したがって リンクに沿った一連の光増幅器によって補正されなければならない。増幅器は、 一般に光ポンピングされたエルビウムドープファイバである。このパルスのパワ ー損を補正する必要性により、増幅器内の自然放出に関連する２つの不要な現象 が起こる。その１つは、対応するクロック時間のいずれかの側にランダムに配置 されたソリトンストリーム内の各ソリトンからなるゴードンハウスジッタである 。もう１つは、蓄積雑音である。これら２つの不要な現象は、品質を低下させる おそれがある、言い換えれば伝送誤り率を増大させるおそれがある。 これらの欠点を回避する従来技術の１つの方法は、光パルスストリーム、特に ソリトンストリームを同期して変調することである。この変調によって、ソリト ンストリームが再生される。この変調によって、ソリトンの正確な時間プロファ イルと位置が回復し、雑音がなくなるか少なくとも低減される。この方法の理論 は、H．KubotaおよびNakazawaの文献「Soliton transmission control in time and frequency domains」、IEEE J．Quantum Electronics v．29、no．7、pp．2189-2197、１９９３年７月に記載 されている。百万キロメートルにわたる１０Ｇビット／秒の伝送実験は、Nakaza wa他の文献（１９９１）「Experimental demonstration of soliton data trans mission over unlimited distance with soliton control in time and frequen cy domains」、Electronic Letters、v．29、no．9、pp．729-730、１９９３年 ４月２９日に記載されている。 光パルスストリームを再生するシステムは、J.K．LucekおよびK．Smith(1993) の「All optical signal regenerator」、Opt．Lett．V．18、no．15、pp．1226 -1228、１９９３年８月１日に記載されている。また、D．Sandel他の文献「Polar ization-independent regenerator with nonlinear optoelectronic phase-lock ed loop」、Optical Fiber Conference Proceedings、１９９４年、ＦＧ２頁も挙 げる価値がある。 M．Eiselt、W．PiperおよびH.G．Weberの文献「SLALOM:Semiconductor Laser Amplifier in a Loop Mirror」、Journal of Lightwave Technology、vol．13、 no．10、１９９５年１０月、ｐｐ．２０９９−２１１２には、いわゆるＳＬＡＬ ＯＭ装置が記載されている。この文献は、「SLALOM as Optical Retiming Device」と題された章に記載されているように、特にその装置を同期再生に使用 できることを示している。この文献には、再生装置、すなわち再生システムの不 可欠な構成要素が特に記載されておらず、代わりに再生装置の可能性を評価する 実験システムの不可欠な構成要素が記載されている。上記の文献に記載されてい る再生装置を、以下「従来技術のＳＬＡＬＯＭ再生装置」と呼ぶ。 上記の種類の従来技術の再生装置の不可欠な特徴のいくつかは、本発明のシス テムの特徴に類似している。これらの特徴は次の通りである。 再生すべきパルスストリームからなるデータ信号を受信する入力と、同じデー タを搬送する再生されたパルスストリームが供給される出力との間の光導波路。 再生すべきパルスストリームは、入力波長を有する。このストリームは、ビット 周波数で連続するクロック時間を規定するクロック速度を有する。この導波路の 一部は、干渉計ループを構成する。このループは、導波路をループの両方の端部 でループに結合するループカプラによって閉じられ、サニャック（Ｓａｇｎａｃ ）干渉計を構成する。 ループの中間点からある距離で干渉計ループに直列に接続された、半導体レー ザ増幅器からなるループ増幅器。導波路に沿ったこの距離を、以下「オフセット 距離」と呼ぶ。 最後に、再生すべきパルスストリームに対応するクロック時間を規定する光信 号を供給するクロック供給源。この信号は、干渉計ループ内に注入され、その中 で信号とストリームのパルスとの混変調を引き起こす。その波長は、クロック波 長と呼ばれる。 従来技術のＳＬＡＬＯＭ再生装置では、クロック供給源は、上記の信号をクロ ックパルスの形で供給する。パルスは、干渉計ループの導波路の入力に供給され る。ループカプラは、データ信号パルスとクロックパルスから成分を導出する。 これらの成分は、干渉計ループ内で２つの反対の方向に循環する。データ信号か ら導出された成分によって、ループ増幅器の一時的な飽和が起こる。上記増幅器 が、先行するパルスとの相対的な時間位置によって飽和状態または非飽和状態に ある時に、クロックパルスから導出されたパルスが増幅器に到達するように、上 記のオフセット距離が選択される。クロックパルスから導出された両方の成分が 、２つの異なる飽和状態で増幅器に到達する 場合、それらの成分はループカプラ内で強め合うように干渉し、したがって、ク ロックパルスは干渉計ループの導波路の出力に送信される。データ信号がクロッ クパルスに対して適切な時間位置にパルスを含む場合、すなわち、データ信号が 、クロックパルスの時間ウィンドウを開いている場合、この飽和が起こる。した がって、システムは、データ信号によって制御されるゲートのように動作する。 このようにして、データは、導波路の出力に送信されるクロックパルスからなる パルスストリームに転送される。したがって、新しいデータ信号はクロック波長 で供給される。 上記の従来技術の再生装置では、オフセット距離が、最初にデータを搬送する 信号の各パルスが引き起こすループ増幅器の飽和状態の持続時間の関数として規 定されることが明らかであろう。したがって、この距離は、増幅器内の電荷キャ リアの寿命の関数として規定される。 従来技術のＳＬＡＬＯＭ再生装置は、電気信号の使用に関連する帯域幅制限を 回避する「全光学的な」種類であるという利点を有する。他の全光学的なタイプ の従来技術の変調装置と比較して、その他のさまざまな利点を有することは明ら かであろ う。これらの利点は特に、その干渉計ループが、ＮＯＬＭタイプシステムの干渉 計ループよりもはるかに短く、ループが光ファイバを含み、変調装置が偏波の影 響を受けてはならない場合に、偏波面保存ファイバの使用を必要としないことで ある。統合された形で変調装置を実施することが時には極めて望ましく、光信号 が光ファイバリンクに沿って長距離を移動する時に、ランダム偏波が起こるので 、これらの利点は重要である。ただし、従来技術のＳＬＡＬＯＭ再生装置は、そ の動作が、ループ増幅器飽和状態の持続時間を規定する運用パラメータに大幅に 依存するのが明らかであるという特定の欠点を有すると思われる。さらに、同期 信号がソリトンストリームの再生に適用されたとすると、同期信号自体が、「ク ロックソリトン」として記述できるソリトンストリームの形をとらなければなら ないであろう。最後に、新しいデータ信号の波長は、入力で受信される信号の波 長とは異なるということを考慮に入れる必要がある。これは、多くの応用例で重 大な欠点となる。 本発明は次の目的を有する。 再生装置の半導体ループ増幅器の運用パラメータが、変化に対して比較的鈍感 なＳＬＡＬＯＭ再生装置を製作すること。 データ信号の元の光波長を保持すること。 より一般的に言えば、従来技術のＳＬＡＬＯＭ再生装置の利点を保持しながら その欠点を回避すること。 データがソリトンストリームで搬送される光ファイバ伝送システムの誤り率を 最小限にすること。 これらの目的を考慮して、本発明によるシステムは、特に、システムのループ 増幅器のオフセット距離が、 ＬＮ＝ｃ／２Ｂ が成り立つような公称オフセットＬＮの２０％に等しい最小値以上であることを 特徴とする。 オフセット距離はまた、公称オフセットに偶数の整数を掛けた積に等しい不正値 から少なくともこのオフセット距離の最小値だけ異なり、ｃは前記導波路中の光 速で、Ｂはソリトンストリームの前記クロック速度によって規定されるビット周 波数である。データ信号のクロック時間を表す信号は、その光エンベロープがビ ット周波数の半分の周波数を有する同期信号である。最後に、同期信号のエンベ ロープの振幅および位相と信号のパワーの平均値は、システムの入力に到達する ２つのソリトンであって、ソリトンストリーム内の２つの直接に連続するクロッ ク時間を占める２つのソリトンが、光逆相でシステムの出力に送信されるような 値である。 本発明を実行する方法について、非限定的な例により、添付の図面の助けを借 りて以下に説明する。 図面は本発明によるシステムを示す。 システムは以下の不可欠の構成要素を含む。 光導波路Ｇは、再生すべきソリトンの列Ｓを受信する入力２と、再生されたソ リトンストリームが供給される出力４との間に延びている。導波路は、光ファイ バ製かあるいはシステムが集積形式で実施される場合には基体上に形成してもよ い。ソリトンの波長は、入力波長を形成する。ストリームは、ビット周波数で連 続するクロック時間を規定するクロック速度を有する。導波路の一部は、干渉計 ループ６を構成する。ループは、導波路をループの両方の端部でループに結合す るループカプラ８によって閉じられ、サニャック干渉計を構成する。この種の干 渉計の動作は、それ自体よく知られており、おおむね次の通りである。入力光パ ルスＰＥが入力２で受信されると、カプラ８は、それをループ中を２つの反対の 方向に伝搬する２つの成分ＤＰおよびＲＰに分離する。次いでカプラは、パルス ＰＥに関係す る成分ＲＰに第１の移相π／２を加える。この成分がループを完了すると、カプ ラは、そこに第２の移相π／２を加えてから出力４に送信し、出力４で、この成 分は、カプラ８中を移相されずに導波路を伝搬した成分ＤＰと干渉する。この干 渉は、これらの成分がループ６内のそれぞれの回路内で受けた別の移相に応じて 強め合ったり、弱め合ったりする。より詳細に言えば、干渉の強め合うまたは弱 め合う性質は、関係する２つの成分のこれらの別の移相のそれぞれの総計値の差 から生じる。その結果、パルスＰＥは、その差を制御する信号の値に従って、出 力４に送信されたり、送信されなかったりする。 半導体レーザループ増幅器Ａが、干渉計ループの中間点１０から一定の距離の 位置で干渉計ループと直列に接続されている。中間点は、ループの両端から等距 離の点である。ループ増幅器と中間点の間の導波路に沿った距離Ｌは、「オフセ ット距離」を構成する。本発明によれば、オフセット距離Ｌは、少なくとも上記 の最小値に等しく、前記不正値から少なくともこの最小値だけ異なる。 最後に、同期供給源１２は、同期波長を有し、ソリトンストリームＳのクロッ ク時間Ｈ１．．．Ｈ４を規定するような形で そのパワーが時間と共に変化する光同期信号Ｙを供給する。この同期信号Ｙは、 ループ増幅器Ａ中に注入され、ループ増幅器Ａ中で、波長選択同期カプラ１４に よって、ソリトンと信号との混変調を引き起こす。 本発明によれば、同期信号の光エンベロープは、再生すべきソリトンストリー ムのビット周波数の半分に等しい周波数を有する。さらに、エンベロープの振幅 および位相と信号のパワーの平均値は、入力２に到達し、ソリトンストリームＳ 内の２つの直接に連続するクロック時間（Ｈ３、Ｈ４）を占める２つのソリトン が、光位相関係が反転した状態で出力４に送信される値、すなわち、２つのソリ トンがシステムの入力で同相だった場合に、それらが逆相で送信される値である 。 ２つの連続する光パルスのこの逆相関係は、O.G．OkhotnikovおよびF.M．Arau joの文献「Pulse generation through optical switching in phase driven loo p mirror」、Electronics Letters、１９９５年１２月７日、Vol．31、No．25で 言及されている。この文献は、サニャック干渉計を構成する干渉計ループを使用 する光パルス生成装置を記載している。ループの増幅器は、オフセット位置にあ り、周波数が生成されるパルスの反復周波数 の半分である電気信号によって制御される。パルスは、その光位相が切り替わる ので交互に明るいパルスと暗いパルスに切り替わる。言及されるオフセット距離 は、本発明のオフセット距離とは異なる。 本発明に関しては、連続するソリトンを、「隣接ソリトン」と呼ぶことができ る。その光逆相関係は、伝送品質がソリトン衝突現象によって低下する危険を大 幅に抑制するという利点を有する。隣接ソリトン間の逆相関係のこの利点は、Pi erre-LucFrancoisおよびThierry Georgesの文献「Reduction of averaged solito n interaction forces by amplitude modulation」、Optics Letters、１９９３ 年４月１５日、Vol．18、No．8、pp．583-585に開示されている。 上記の逆相関係は、再生すべきソリトンストリーム内の時間ジッタまたは雑音 とは無関係に存在し、その結果、再生すべきソリトンストリームがジッタまたは 雑音に影響されない場合にも、本発明のシステムを使用できるという利点がある 。この利点は、表面的な分析から予測される結果と異なり、同期再生の第２段階 後でも失われない。 新しい特徴（すなわち、オフセット距離と同期信号のエンベ ロープの周波数）は、効果的な同期再生を達成するだけでなく、隣接ソリトンの 逆相関係の結果である利点を生む。本発明は、新しい特徴が使用される時に、逆 相関係が得られるような同期信号の振幅、位相、および平均パワーの値が存在す ることを教示する。これらの後者の値は、上記開示に基づいて、また特に、その 上にまたそれに加えて標準の試行錯誤だけが必要なＳＬＡＬＯＭ装置を記載して いる前述の文献に基づいて、当業者には明らかであろう。 本発明に関しては、同期信号のピークピーク振幅は、入力波長を有し入力２で 受信される入力光パルスに必要なピークピーク振幅よりもはるかに大きい。これ は、その光パルスと同期信号の変調の時間関係によって、出力４に送信されるか または送信されないためである。この議論は、同じ光パルスの、それぞれ順方向 と逆方向に干渉計ループ上を伝搬する２つの成分ＤＰおよびＲＰ間のループ増幅 器Ａ内で誘起される位相差を考慮することで精緻なものにできる。位相差は、そ れぞれの成分が増幅器を通過する２つの時間の同期信号のパワーの変化に関係す るか、または少なくともこれら２つの時間にそれぞれ先行する、その持続時間が 増幅器内の電荷キャリアの寿命によって規定さ れる２つの期間の間の同期信号のパワーの変化に関係する。 本発明に関しては、２つの連続するクロック時間に対応する位相差の値は、２ つのクロック時間の中央時間に対応する値を中心としてほぼ対称である。システ ムがソリトンの同期再生を達成するには、中央時間に対応する位相差の値は、入 力パルスがシステムの出力に送信されるのを防止しなければならない。その結果 、同期信号の変調の振幅は、位相差の極値の差が、問題の光パルスを、同期信号 とのその時間関係に従って送信または排除できる差のほぼ２倍になる程度である 。 ループ増幅器としての使用に適した従来技術の増幅器で得られる位相変化は、 特に変化を引き起こす同期信号のパワー自体が限定されている時には、現実には 限定されている。このことから、本発明に関しては、オフセット距離が、少なく とも、位相変化の可能な最小値で、本発明の目的を達成できる概算の最適値を有 することが望ましい。このことから、オフセット距離Ｌは、前記公称オフセット ＬＮの８０％から１２０％の範囲内にあることが好ましく、公称オフセットに偶 数の整数を掛けた積だけ増加する場合がある。これは次の形で表すことができる 。 ０．８＜Ｌ／ＬＮ−２ｋ＜１．２ 上式でｋは整数である。最適オフセット値Ｌは、式（２ｋ＋１）ＬＮによって概 算される。この距離の不正値は、式２ｋ・ＬＮによって与えられる。これらの不 正値は、ループ振幅と同期信号の特性にかかわらず、システムが動作不能な値で ある。これらの最適な不正値を与える式は、同期信号の変調によって、ループ増 幅器が引き起こす移相の変化が正弦波になる状況で正確になる。 代表的な一実施形態では、同期信号Ｙの変調は、ほぼ正弦波になる。 システムは、入力波長の光を出力４に選択的に送信する波長フィルタＦをさら に含むことが好ましい。 同期供給源１２は、クロック回復ユニットを構成するクロック回復カプラ１６ と導波路１８を介して、ソリトンストリームＳによって制御されることが好まし い。このユニットは、同期信号にソリトンストリームに適した位相を加える位相 整合手段２０を設ける。 同期供給源１２はS．KawanishiおよびM．Saruwatariの文献「New-type phase- locked loop using traveling-wave laser-diode optical amplifier for very high-speed optical transmission」、Electronics Letters １９８８年１１月１０日、Vol．24 No． 23、pp．1452-1453に記載のクロック回復システムに類似したクロック回復シス テムを含む場合がある。同期供給源１２は、また正弦波形と必要な周波数を、ク ロック回復で得られた信号の光エンベロープに加えるシステムを含むことができ る。このシステムはN．Onoderaの文献「THz optical beat frequency generatio n by modelocked semiconductor lasers」、Electronics Letters １９６６年５ 月２３日Vol．32、No．11、pp．1013-1014に記載のシステムに類似している。 数字の例を挙げると、ビット周波数Ｂは、５ＧＨｚの大きさで、干渉計ループ 長は約５ｃｍ〜１００ｍの範囲内、例えば５ｍ前後で、パルスの２つの成分がル ープ増幅器に到達する時間の間のオフセット距離によって生じる時間オフセット は、例えば、式２ｎＬ／ｃ＝３５ｐｓで得られる。上式で、ｎは、干渉計ループ を構成するファイバ内でこれらの成分から見た屈折率である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ソリトンストリームを再生するためのシステムであって、 再生すべきソリトンストリーム（Ｓ）を受信する入力（２）と再生されたソリ トンストリームが供給される出力（４）との間の光導波路（Ｇ）であって、ソリ トンストリームは、入力波長とストリームのビット周波数Ｂでストリームの連続 するクロック時間を規定するクロック速度とを有し、導波路の一部は、干渉計ル ープ（６）を構成し、干渉計ループは、干渉計ループの２つの端部で導波路を干 渉計ループ自体に結合するループカプラ（８）によって閉じられ、サニャック干 渉計を構成し、干渉計ループの中間点（１０）は、導波路に沿って２つの端部か ら等距離にある光導波路（Ｇ）と、 前記干渉計ループに直列に接続された半導体ループ増幅器によって構成された ループ増幅器（Ａ）であって、導波路に沿ったループ増幅器と中間点との距離が 、オフセット距離（Ｌ）を構成し、前記オフセット距離（Ｌ）が、 ＬＮ＝ｃ／２Ｂ が成り立つような公称オフセットＬＮの２０％である最小値以 上であり、オフセット距離は、公称オフセットに偶数の整数を掛けた積に等しい 不正値と少なくともこの最小値だけ異なり、ｃは前記導波路中の光速であるルー プ増幅器（Ａ）と、 前記ソリトンストリームＳのクロック時間（Ｈ１．．．Ｈ４）を規定し、同期 波長を有し、信号の光エンベロープに従って変化するパワーを有する、光同期信 号（Ｙ）を供給する同期供給源（１２）であって、光エンベロープが前記ビット 周波数の半分に等しい周波数を有する同期供給源（１２）と、 前記同期信号（Ｙ）を前記ループ増幅器（Ａ）中に注入して、その中で前記ソ リトンと同期信号との混変調を引き起こす手段（１４）であって、同期信号の前 記エンベロープの振幅および位相と信号のパワーの平均値は、前記入力（２）に 到達する２つのソリトンであって、前記ソリトンストリーム（Ｓ）の２つの直接 に連続するクロック時間（Ｈ３、Ｈ４）を占める２つのソリトンが、光位相関係 が反転した状態で前記出力（４）に送信される値である手段（１４）とを含んで いるシステム。 ２．前記オフセット距離（Ｌ）が、前記公称オフセット（ＬＮ）の８０％から１ ２０％の範囲内にあり、公称オフセットに偶数の整数を掛けた積だけ増加する場 合があることを特徴とする請 求の範囲第１項に記載のシステム。 ３．同期信号（Ｙ）の前記変調が、ほぼ正弦波になることを特徴とする請求の範 囲第１項に記載のシステム。 ４．システムが、前記入力波長で光を前記出力（４）に選択的に送信する波長フ ィルタ（Ｆ）をさらに含んでいることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のシ ステム。 ５．前記同期信号に前記ソリトンストリームに適した位相を加える移相整合手段 （２０）を有するクロック回復ユニットを構成するクロック回復カプラ（１６） と導波路（１８）を介して、前記同期供給源（１２）が、前記ソリトンストリー ムによって制御される請求の範囲第１項に記載のシステム。 ６．前記ソリトンストリームが、データ信号を構成する請求の範囲第１項に記載 のシステム。 ７．ソリトンストリームを再生する方法であって、ソリトンストリーム（Ｓ）は 、オフセット半導体増幅器（Ａ）を有するサニャック干渉計（６）中に入り、オ フセット半導体増幅器は、ストリームのビット周波数の半分の周波数で振幅変調 された光同期信号（Ｙ）によって制御され、前記干渉計内の増幅器のオフセット と前記同期信号のパラメータは、前記ストリームの２ つの隣接するソリトンが、光位相関係が反転した状態で送信されるような値であ る方法。