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JPH073961B2 - 光ファイバ通信システム及びその作動方法 - Google Patents

光ファイバ通信システム及びその作動方法

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Publication number
JPH073961B2
JPH073961B2 JP1324185A JP32418589A JPH073961B2 JP H073961 B2 JPH073961 B2 JP H073961B2 JP 1324185 A JP1324185 A JP 1324185A JP 32418589 A JP32418589 A JP 32418589A JP H073961 B2 JPH073961 B2 JP H073961B2
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JP
Japan
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laser amplifier
optical fiber
stream
optical
pulse
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JP1324185A
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プレゼイド アグローワル ゴバインド
アンダース オルソン ニルズ
Original Assignee
アメリカン テレフォン アンド テレグラフ カムパニー
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Publication date
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B10/25—Arrangements specific to fibre transmission
    • H04B10/2507—Arrangements specific to fibre transmission for the reduction or elimination of distortion or dispersion
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    • H—ELECTRICITY
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    • H04B10/2914—Repeaters in which processing or amplification is carried out without conversion of the main signal from optical form characterised by the medium used for amplification or processing using lumped semiconductor optical amplifiers [SOA]
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S5/50—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
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    • H—ELECTRICITY
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    • H04B2210/256—Distortion or dispersion compensation at the repeater, i.e. repeater compensation

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、情報のディジタル伝送用の光ファイバ通信シ
ステムと、このような系の作動方法とに関する。
［従来技術の説明］ 光ファイバ通信システムにおいては、ディジタルデータ
は光ファイバ内に光パルスを伝搬させることによって送
信ステーションから受信ステーションに伝送される。従
ってファイバの各々は代表例では、「搬送波（キャリ
ア）」と呼ばれる連続光学波のパルス符号変調または他
の種類のパルス変調によって形成される光パルスのディ
ジタルデータストリーム（シーケンス）を搬送（伝搬）
する。この搬送波は代表例では、例えば約1.5μｍの波
長のような近赤外線帯の波長を有する光のレーザ発振器
源によって供給されるような短調連続波光ビームであ
る。所定の各時間間隔（「スロット」）毎に搬送波の振
幅はディジタル情報の１ビットに従って変調され、これ
によりこのような各時間スロットの間に搬送波は例えば
２進ディジタル「１」または「０」のそれぞれを表わす
ための標準高さのパルスを含んだり、またはパルスを全
く含まなかったりする。このようにパルス変調された光
ビームはファイバセグメント（ファイバ伝送線）内を伝
搬する。なお、ファイバセグメントの各々は送信ステー
ションから受信ステーションまで伸長している。受信ス
テーションにおいて、代表例では、ファイバセグメント
は単一の再生装置にて終端して信号を再生する。受信ス
テーションでは雑音を低減し、かつパルスの振幅を標準
レベルに再生してさらに別のファイバ内に伝搬させる
か、または他の用途に使用したりする。
技術の進歩と共に、比較的高価なファイバ伝送線の所要
数を付随的に増加することなく系のデータ処理容量を増
大するために、所要データ伝送速度に従ってパルス繰返
し率が増大される。これらのパルス繰返し率が8Gb/sの
データ伝送速度に対応する8GHzの値以上に増大される
と、伝送媒体すなわちファイバ材料による光分散によっ
て信号が減衰するために特に約1.5μｍの搬送波波長の
場合に大きな問題が発生する。ファイバ材料内のこの光
分散の結果として、ディジタル光パルスのストリームが
光ファイバセグメントの一方の端部（入力端）に導入さ
れたとき、ストリームは、他端部（出力端）から品質が
低下した光出力パルスすなわち時間的及び空間的に分散
された（「不鮮明にされた（smeared」）光出力パルス
のストリームとして出てくる。ファイバセグメントの長
さが増大すると分散の効果が蓄積され、これによりパル
スの不鮮明化（smearing）がより甚だしくなる。従って
ファイバセグメントの長さがしきい値以上に増大する
と、出力パルスはそれだけ認識困難（再生困難）にな
る。
たとえパルス形状が、その光スペクトルが有限フーリエ
変換であるので分散の効果を最小化し、従ってファイバ
スパンを最大化するようなものであったとしても、ファ
イバ内の分散による信号の品質低下がなお大きな問題点
となりうる。
ファイバが伝搬信号を分散させると同時にファイバはま
た散乱または他の現象によって光を吸収し、これにより
信号レベルが低下されるので望ましくない。従って分散
の問題は、約1.3μｍの波長を有する搬送波のような光
分散をより受けにくい波長を有する搬送波を使用するこ
とによって解決可能ではあるが、このとき吸収現象がフ
ァイバスパンに関してさらに厳しい限度を与えるであろ
う。
エレクトロニクス・アンド・コミュニケーションズ・イ
ン・ジャパン（Electronics and Communications in Ja
pan）、第59C巻、第３号、117−125頁（1976年）に発表
されたティー・スズキ（鈴木俊雄）による論文「誘電体
光線路におけるパルス伝送特性の改良のためのチャープ
パルスの利用」の中に、その屈折率がパルス繰返し率と
同期している付加外部交流周波数電界によって周波数変
調される（時間依存性移送変調と同等）ところのニオブ
酸リチウム結晶の中にパルスストリームを通過させるこ
とによってパルスストリームの光周波数を変調するため
にチャープパルス技術を使用することが提案されてい
る。ここには搬送波の光周波数はパルスの先導（前方）
端縁からの従動（後方）端縁に至って単調に変化したこ
と；従ってパルスは「チャープ（chirp）」されたこ
と、この結果、パルスは、光ファイバの最初の部分内を
パルスが伝送される間に分散によって圧縮されたこと；
パルスのチャーピングは分散の効果を補償するのに役立
ち、かつパルスを認識可能な形状（形態）で伝搬可能な
ファイバセグメントの全長は増大したこと；すなわちパ
ルスのチャーピングはスパンを増大したことが記載され
ている。しかしながらこの技術は、ニオブ酸リチウムの
ような電気光学結晶内を伝搬する間に信号レベルが著し
く低下すること、並びに結晶内に比較的大きな付加電界
を必要とすること、従って顕著なチャープを形成してこ
れによりファイバスパンの著しい増大すなわち少なくと
も約50％を増大（少なくとも約1.5の倍率）するために
必要な不当に大量のエネルギーを消費すること等の望ま
しくない幾つかの欠点を有する。パルス繰返し率が増大
し、従って電気光学結晶に付加される電界の周波数が増
大すると共にこれらの欠点は益々厳しく働くので、この
技術は約1GHz以上のパルス繰返し率に対しては実用化は
困難である。光パルスをチャープし、従ってそれを圧縮
するための他の技術は、1986年５月13日付でのバラント
（Balant）他によって発行された「光パルスの圧縮装置
及び方法」という名称の米国特許第4,588,957号に記載
のように、ファイバそれ自身の中における自己位相変調
によって、ファイバ内を伝搬しながら、鋭い光パルスを
チャーピングする技術を含む。しかしながら、10GHz以
上のパルス繰返し率に対してはこの技術は１パルスあた
り10ピコジュールより大きいエネルギーを必要とし、望
ましくない。
従って、近赤外線内の搬送波波長を有し、かつ約8GHzの
パルス繰返し率を有する光パルスを伝搬可能なファイバ
のスパンを増大するための技術であって、かつ従来技術
の欠点を排除した技術の開発が要求されている。
［発明の概要］ 本発明は、飽和半導体レーザ増幅器すなわちゲイン飽和
状態で作動される半導体レーザ増幅器は増幅器内を伝搬
する光ビームの振幅を増大可能であるばかりでなく光ビ
ームを顕著に位相変調し、従って周波数を変調するとい
う我々の発見を基礎にしている。特に我々は、飽和半導
体レーザ増幅器が８ないし16GHzの範囲内のパルス繰返
し率を有し、かつ近赤外線帯の波長の光搬送波を有する
光パルスに顕著なチャープを与えることが可能であり、
この結果、チャープパルスが光ファイバセグメントの最
初の部分内に導入され、かつその中を伝搬した後に著し
く圧縮されるので、従って分散が原因となるパルスの品
質低下は、ファイバセグメントのこのような最初の部分
を伝搬パルスが通り抜ける間は起こらないということを
発見した。従ってパルス内のチャープはパルスがファイ
バの最初の部分内を伝搬するときにパルスを圧縮するよ
うにファイバ内の分散を補償し、これによってスパンの
増大を可能とする。もしこの最初の部分の長さがセグメ
ントの（全体）長さのかなりの割合を占めるならば、こ
の条件のときだけスパンは著しく増大されることは明ら
かである。
特定の実施態様においては、約1.5μｍの単調搬送波波
長を有する有限近似フーリェ変換光パルスは、好ましく
はチャネル化基板埋め込みヘテロ構造の形状を有する飽
和半導体レーザ増幅器内を通過することによってチャー
プされる。このように約16GHzの繰返し率を有するパル
スに対しては、レーザ増幅器によるパルスのチャーピン
グはファイバスパンを約15kmから70kmへすなわち４より
大きい倍率で増大するように働く。同時にレーザ増幅器
はパルス高さ（振幅）を増大し、従って信号レベルをも
増大し、この結果これらの増大はファイバ内の伝搬の間
における任意の光散乱及び吸収または他の信号損失を補
償する。
本発明の構成、性質、特徴及び利点は、図面を参照しな
がら以下の詳細説明を読めばさらによく理解されよう。
［実施例］ 図示のように、変調レーザ装置11が飽和半導体レーザ増
幅器13に光結合されている。変調レーザ装置11は光パル
スの出力ストリームを発生し、それをファイバセグメン
ト12（または他の光カップラ）を通して飽和半導体レー
ザ増幅器13に供給する。レーザ装置11はレーザを入力電
圧Vinによって変調する。従ってその出力ストリームは
光搬送波上における一連の光パルスである。ファイバセ
グメント12に供給される出力ストリームは周波数f0（搬
送波周波数）を中心とする対称フーリェスペクトル16を
有する。
半導体レーザ増幅器13はファイバセグメント12に接続さ
れていてファイバセグメント12から光パルスの出力スト
リームを受取る。レーザ増幅器13はこの光パルスストリ
ームを増幅器、同時にチャープする。レーザ増幅器13は
光ファイバセグメント14に接続され、これによりファイ
バセグメント12からのストリームに応答してチャープ光
パルスの形成ストリームを光ファイバセグメント14に供
給する。ファイバセグメント12とは違い、ファイバセグ
メント14は、それが顕著な光分散を示すような長い長さ
を有する。ストリームをチャープしているため、レーザ
増幅器13から出るストリームは非対称で、かつ通常f0よ
りは低い周波数f01を中心とするフーリェスペクトル17
を有する。このストリームがファイバセグメント14の最
初（左側）の部分を伝搬するとき、パルスは圧縮され；
ストリームがファイバセグメント14の中間部分を伝搬す
るとき、パルスはそれらの当初の幅に膨脹し；さらにス
トリームがファイバセグメント14の最終（右側）の部分
を伝搬するとき、パルスは認識可能限界長さを超えない
範囲までさらに膨脹する。なお、ファイバセグメント14
は後述のように認識可能限界長さを超えない適切な長さ
を有する。
ファイバ14の出力端（右側端部）は標準的なアバランシ
ェ（電子なだれ）ホトダイオードまたは標準的なPINホ
トダイオードのような光検出器25に接続されている。光
検出器25での検出の結果、発生された電気出力信号は、
２進ディジタル電気出力信号、例えば、所定の時間スロ
ット内にパルスが存在することを表わすための「高」レ
ベルとこのようなパルスが存在しないことを表わすため
の「低」レベルとを形成するように設けられた比較器26
に与えられる。比較器26の出力端は他の変調レーザ装置
31かまたは利用装置27かのいずれかあるいはそれらの両
方に電気的に結合されている。従って、変調レーザ装置
31または利用装置27あるいはそれらの両方は比較器26か
ら２進ディジタル電気出力信号を受取る。変調レーザ装
置31は、変調レーザ装置31を他の飽和半導体レーザ増幅
器33に光結合するためのファイバセグメント32または任
意の標準光カップラの入力端に光結合された出力端を有
する。変調レーザ装置31が比較器26から出力信号を受取
ったとき、このレーザ装置31はパルスの出力ストリーム
を発生する。パルスの出力ストリームはファイバセグメ
ント32によって受取られ、それによって著しい変調なし
に飽和半導体レーザ増幅器33に供給される。
飽和レーザ増幅器33の出力端はさらに他のファイバセグ
メント34の入力端に光結合されている。従って、セグメ
ント32によって受取られたストリームはレーザ増幅器13
と全く同様な方法で飽和半導体レーザ増幅器33によって
増幅され、かつチャープされてチャープパルスのストリ
ームに形成される。このチャープパルスのストリームは
ファイバセグメント34に入り、かつファイバセグメント
14を伝搬するパルスのストリームに対して上に説明した
のと全く同様にファイバセグメント34を伝搬する。
従って、光検出器25、比較器26、変調レーザ装置31、セ
グメント32、及び飽和半導体レーザ増幅器33は一緒にな
って再生器30を形成する。再生器30はパルスをそれらの
当初の振幅及び形状にすなわちそれらがレーザ増幅器13
から出たときにそれらが有していたものと同じフーリェ
スペクトルに再生する。
同様に、他の光検出器35、比較器36、変調レーザ装置4
1、セグメント42、及び飽和半導体レーザ増幅器43は一
緒になって他の再生器40を形成する。再生器40の出力は
さらに他のファイバセグメント44及び、他の使用装置37
のいずれかあるいはそれらの両方に供給される。半導体
レーザ増幅器13、31及び43は実質的に同一の構造、すな
わち代表例ではチャネル化基板埋め込みヘテロ構造を有
するのが有利である。
このように、これらのレーザ増幅器によって与えられる
チャープは各パルスの中心部分範囲ではほぼ直線であ
り、かつ２πの有効部分だけ位相をシフトすることによ
り、代表例では約πの位相シフトによって周波数を下方
にシフトさせる。これらの飽和レーザ増幅器の各々によ
って得られる純ゲインは、挿入損失を考慮しても約10な
いし15dB（デジベル）以上となりうる。
代表例では変調レーザ装置11、31及び41は内部的にまた
は外部的に電気信号（例えばVin）によって変調される
実質的に同一なモード固定半導体レーザ装置であり、各
々約1.5μｍの波長を有する光搬送波の少なくとも有限
近似フーリェ変換パルスを供給するのに適した構造を有
する。
ファイバセグメント12、14、32、34、42及び44は代表例
では標準的な市販用等級のシリカファイバである。光搬
送波波長（＝C/f0）を1.5μｍとし、かつパルス繰返し
率を約16GHzとして行なった、実際の成功試験例によれ
ば、ファイバセグメント12、32及び42が全て約10kmに等
しく一方ファイバセグメント14、34及び44が全て約70km
に等しいことが有利である。パルス繰返し率が約8GHzの
場合は、16GHzにおける試験からの外挿法（ビットレー
トとファイバ長さの積を固定）によれば、ファイバセグ
メント14、34及び44の長さは約220kmぐらいに大きくて
もよい。レーザ増幅器によってパルスをチャープすると
中心周波数f0はやや低い周波数f01に下方シフトする。
代表例では約40GHzシフトさせるが、これは約0.0003μ
ｍの波長増加に対応する。
本発明を特定の実施態様について詳細に説明してきた
が、本発明の範囲から逸脱することなく種々変更するこ
とが可能であろう。
【図面の簡単な説明】
図は本発明の特定の実施態様によるファイバ光ディジタ
ル伝送系のブロック図ある。 13……第１の飽和半導体レーザ増幅器 14……第１のファイバセグメント 33……第２の飽和半導体レーザ増幅器 34……第２のファイバセグメント
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−212125（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】情報のディジタル伝送用光ファイバ通信シ
    ステムにおいて、 光パルスの第１の入力ストリームを受入れかつ増幅して
    チャープ（chirped）光パルスの第１のレーザ増幅器出
    力ストリームを生成するための第１の飽和半導体レーザ
    増幅器（13）と、 チャープ光パルスの第１のレーザ増幅器出力ストリーム
    を第１のレーザ増幅器から受入れるように配置された入
    力端を有する第１の光ファイバセグメントであって、第
    １のレーザ増幅器出力ストリームのチャープ光パルスが
    第１の光ファイバセグメントの長さ方向のかなりの割合
    を占める最初の部分を通して伝搬する間にこの第１のレ
    ーザ増幅器出力ストリームのチャープ光パルスを圧縮し
    て第１の光ファイバセグメントのスパンを増大させ、且
    つ、認識可能な光パルスの第１のファイバ出力ストリー
    ムを第１の光ファイバセグメントの出力端から出力する
    ように構成された第１の光ファイバセグメント（14）
    と、 を含む情報のディジタル伝送用の光ファイバ通信システ
    ム。
  2. 【請求項２】光パルスの第１のファイバ出力ストリーム
    から得られた光パルスの第２の入力ストリームを受入
    れ、かつ増幅してチャープ光パルスの第２のレーザ増幅
    器出力ストリームを生成するように配置された第２の飽
    和半導体レーザ増幅器と、 チャープ光パルスの第２のレーザ増幅器出力ストリーム
    を第２のレーザ増幅器から受入れるように配置された入
    力端を有する第２の光ファイバセグメントであって、第
    ２のレーザ増幅器出力ストリームのチャープ光パルスが
    第２の光ファイバセグメントの長さ方向のかなりの割合
    を占める最初の部分を通して伝搬する間にこの第２のレ
    ーザ増幅器出力ストリームのチャープ光パルスを圧縮し
    て第２の光ファイバセグメントのスパンを増大させ、且
    つ、認識可能な光パルスの第２のファイバ出力ストリー
    ムを第２の光ファイバセグメントの出力端から出力する
    ように構成された第２の光ファイバセグメントと、 をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の通信シス
    テム。
  3. 【請求項３】光パルスの第１の入力ストリームを第１の
    半導体レーザ増幅器に入力して増幅し、かつチャープす
    るとともに、第１の入力ストリームが第１のレーザ増幅
    器を通過する間にこの第１のレーザ増幅器を電荷キャリ
    ア飽和の状態で作動するステップと、 第１の入力ストリームを第１のレーザ増幅器から出力し
    て顕著な光分散を示す第１の光ファイバセグメントに入
    力し、その中を伝搬させることにより、この第１の入力
    ストリームの光パルスが第１の光ファイバセグメントの
    長さ方向の最初の部分内を伝搬する間に著しいパルス圧
    縮を発生させて第１の光ファイバセグメントのスパンを
    著しく増大させ、且つ、認識可能な光パルスの第１のフ
    ァイバ出力ストリームを第１の光ファイバセグメントの
    出力端から出力するステップと、 を含むことを特徴とする光ファイバ通信システムの作動
    方法。
  4. 【請求項４】第１のファイバ出力ストリームから得られ
    た光パルスの第２の入力ストリームを第１の半導体レー
    ザと実質的に同一の第２のレーザ増幅器に入力して増幅
    し、かつチャープするとともに、第２の入力ストリーム
    が第２のレーザ増幅器を通過する間にこの第２のレーザ
    増幅器を電荷キャリア飽和の状態で作動するステップ
    と、 第２の入力ストリームを第２のレーザ増幅器から出力し
    て顕著な光分散を示す第２の光ファイバセグメントに入
    力し、その中を伝搬させることにより、この第２の入力
    ストリームの光パルスが第２の光ファイバセグメントの
    長さ方向の最初の部分内を伝搬する間に著しいパルス圧
    縮を発生させて第２の光ファイバセグメントのスパンを
    著しく増大させ、且つ、認識可能な光パルスの第２のフ
    ァイバ出力ストリームを第２の光ファイバセグメントの
    出力端から出力するステップと、 をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の作動方
    法。
JP1324185A 1988-12-20 1989-12-15 光ファイバ通信システム及びその作動方法 Expired - Fee Related JPH073961B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/288,340 US4979234A (en) 1988-12-20 1988-12-20 Saturated semiconductor laser amplifier for compensation of optical fibre dispersion
US288340 1988-12-20

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JPH02223938A JPH02223938A (ja) 1990-09-06
JPH073961B2 true JPH073961B2 (ja) 1995-01-18

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JP1324185A Expired - Fee Related JPH073961B2 (ja) 1988-12-20 1989-12-15 光ファイバ通信システム及びその作動方法

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US (1) US4979234A (ja)
EP (1) EP0375253A3 (ja)
JP (1) JPH073961B2 (ja)
SE (1) SE8903258L (ja)

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