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KR20000057679A - Distributed fiber amplifier for solitons - Google Patents

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KR20000057679A
KR20000057679A KR1019990705524A KR19997005524A KR20000057679A KR 20000057679 A KR20000057679 A KR 20000057679A KR 1019990705524 A KR1019990705524 A KR 1019990705524A KR 19997005524 A KR19997005524 A KR 19997005524A KR 20000057679 A KR20000057679 A KR 20000057679A
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KR
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soliton
erbium
waveguide
optical
optical waveguide
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Withdrawn
Application number
KR1019990705524A
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Korean (ko)
Inventor
알렌 에프. 에반스
Original Assignee
알프레드 엘. 미첼슨
코닝 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 알프레드 엘. 미첼슨, 코닝 인코포레이티드 filed Critical 알프레드 엘. 미첼슨
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Abstract

PURPOSE: A distributed optical amplifier is provided to reduce the effects of soliton-soliton interaction by introducing an optimum excursion in the soliton intensity. CONSTITUTION: A distributed optical amplifier for use with soliton transmission, which reduces the effects of soliton-soliton interaction by introducing an optimum excursion in the soliton intensity. An optimum operating regime is found wherein both the pulse intensity oscillations and the soliton-soliton interactions are taken into account.

Description

솔리톤용 섬유 분산증폭기{DISTRIBUTED FIBER AMPLIFIER FOR SOLITONS}Fiber dispersion amplifier for soliton {DISTRIBUTED FIBER AMPLIFIER FOR SOLITONS}

광 분산 증폭기의 개념은 1991년 2월 광파 기술 저널 Vol. 9, No. 2에서 심손 등의 "에르븀도프 분산이동 섬유 분산 증폭기의 성능"과 1993년 일본 전자 통신공학 Part 1, Vol. 75-B-I, No. 3에서 와다 등의 "에르븀 도프 광 분산 섬유의 소음 성능 및 손실 보상 특성"에 기재되어 있다. 각 출판물에서, 솔리톤 에너지 편차를 작게 유지해야할 필요성이 강조되었다. 심손 등의 228페이지, 2열, 두번째 문단을 참조하면, "비트율이 매우 높은 시스템은... 신호 증폭에서 단지 작은 반진폭이 있는 가시적 전송선이 필요할 것이다" 그리고, 231 페이지를 요약하면, "에르븀 농도와 손실이 낮은 섬유를 제조하기 위한 지속적인 노력은...이러한 광 분산 증폭기의 성능을 향상시킬 것이다 " 라고 기재되어 있다. 와다 등의 75페이지, 2열, 첫번째 문단을 참조하면, "특히, N=1인 솔리톤 전파에서, 전파 거리를 따라 펄스 형태를 유지하기 위해서는 펄스 에너지 편차를 약 20% 이하로 유지하는 것이 중요하기 때문에, 변화가 적은 광 신호 전송이 요구된다." 또한, 와다 등은 가장 긴 보상 길이를 제공하기 위하여 양방향 펌핑을 이용하는 잇점에 대해서도 논하고 있다(요약서, 75페이지, 첫째 및 둘째 문단 참조).The concept of optical dispersion amplifiers was published in February 1991 by the Journal of Optical Technology Vol. 9, No. 2, "Performance of Erbium-doped Distributed Mobile Fiber Dispersion Amplifiers" by Simson et al. 75-B-I, No. 3 is described in Wada et al. "Noise Performance and Loss Compensation Properties of Erbium-doped Light Dispersing Fibers". In each publication, the need to keep soliton energy deviations small was emphasized. Refer to Shimson et al. On page 228, column 2, second paragraph, "Very high bit-rate systems will require a visible transmission line with only a small half amplitude in signal amplification." And, summarizing page 231, "Erbium." "Continuous efforts to produce low density and low loss fibers will improve the performance of these optical dispersion amplifiers." See page 75, column 2, the first paragraph of Wada et al., "Especially for soliton propagation with N = 1, it is important to keep the pulse energy deviation below about 20% to maintain pulse shape along the propagation distance. Therefore, optical signal transmission with little change is required. " Wada et al. Also discuss the benefits of using bidirectional pumping to provide the longest compensation length (see Summary, page 75, first and second paragraphs).

이들 출판물과는 대조적으로, 본 발명은 예를 들어 길이가 50㎞ 내지 500㎞ 범위인 중간 길이의 시스템에서 솔리톤 신호 변화에 대한 다른 한계를 나타낸다. 또한, 상기 시스템에 있어서, 본 발명은 일방향 펌핑과 대조되는 양방향 펌핑의 잇점에 관한 상기 출판물과 대조된다. 이러한 본 발명은 중간 길이의 시스템에서, 솔리톤 펄스의 타이밍 지터(timing jitter; 순간이상)와 2개의 이웃한 솔리톤이 하나의 펄스로 붕괴되는 솔리톤 충돌을 일으킬 수 있는 솔리톤간의 상호작용에 대한 주위깊은 평가에 기인한다.In contrast to these publications, the present invention presents other limitations to soliton signal changes in medium length systems, for example, in the range from 50 km to 500 km in length. In addition, in the above system, the present invention contrasts with the above publication regarding the benefits of bidirectional pumping as opposed to unidirectional pumping. The present invention provides a marginal evaluation of the interaction between the timing jitter of soliton pulses and the solitons that can cause soliton collisions in which two neighboring solitons collapse into one pulse in a medium length system. Caused by.

본 발명은 솔리톤 신호 전송을 위해 안출된 광섬유 분산증폭기에 관한 것이다. 특히, 상기 광 분산증폭기는 긴 미재생 거리에서 매우 높은 비트율로 솔리톤간의 상호작용 효과를 최소화할 뿐만 아니라 자기 위상 변조와 선형 분산을 조화시키는데 가장 적합하다.The present invention relates to an optical fiber dispersion amplifier devised for soliton signal transmission. In particular, the optical dispersion amplifier is most suitable for harmonizing magnetic phase modulation and linear dispersion as well as minimizing solitton interaction effects at very high bit rates at long unreproduced distances.

솔리톤은 이상 광 도파관 섬유에 전파될 때 시간 또는 분광 파장 도메인에서 변하지 않는 광 펄스이다. 이상 도파관의 경우, 상기 도파관은 손실이 없으며, 솔리톤의 자기 위상 변조와 함께 솔리톤의 불변성을 유지하는 군속도 분산이라고 불리는 총분산을 갖는다. 비선형 자기 위상 변조는 솔리톤 강도에 좌우된다. 따라서, 솔리톤은 강도가 자기 위상 변조와 총 도파관 분산을 조화시키는데 요구되는 수준일 때만 불변성이다. 광 도파관에서 이동거리가 크지 않다면, 상기 솔리톤은 강도의 수준이 불변성에 요구되는 수준과 다를 때 정보를 전할 수 있다.Soliton is a light pulse that does not change in time or in the spectral wavelength domain when propagated over an ideal optical waveguide fiber. In the case of an ideal waveguide, the waveguide is lossless and has a total dispersion called group velocity dispersion that maintains the soliton's invariance with the soliton's magnetic phase modulation. Nonlinear magnetic phase modulation is dependent on soliton intensity. Thus, solitons are invariant only when the intensity is at a level required to balance magnetic phase modulation and total waveguide dispersion. If the travel distance in the optical waveguide is not large, the soliton can convey information when the level of intensity is different from the level required for invariance.

원거리 통신에 광 증폭기를 도입함으로서 솔리톤 데이터 전송이 실용화되었다. 국부 또는 집중 광 증폭기의 경우, 예를 들어, 에르븀 도프된 도파관 섬유는 길이가 수십 미터 이하이며, 증폭기사이의 간격은 솔리톤 주기보다 작아야 한다. 상기 솔리톤 주기는 z0= 9.53 × 10-5×T22D 인 관계식으로 주어지며, 여기서 z0는 솔리톤 주기이고, T는 ps단위의 솔리톤 펄스 폭이며, λ는 ㎚단위의 솔리톤 파장이고, D는 ps/㎚-㎞단위의 총분산이다. 이 관계식의 형태로 알 수 있는 바와 같이, 상기 솔리톤 주기는 솔리톤 펄스 폭을 감소시킴으로서 감소된다. 따라서, 솔리톤의 폭이 좁은 것을 의미하는 높은 데이터율이 필요한 시스템에 있어서, 광 증폭기 사이의 간격은 짧아지게 된다. 40Gbps에서, 광 증폭기 간격은 10㎞이하가 되어야 하기 때문에, 시스템에 소요되는 초기비용과 유지비가 막대하다.By introducing optical amplifiers in telecommunications, soliton data transmission has become practical. In the case of local or concentrated optical amplifiers, for example, erbium doped waveguide fibers should be tens of meters or less in length, and the spacing between amplifiers should be less than the soliton period. The soliton period is given by the relationship z 0 = 9.53 × 10 -5 × T 2 / λ 2 D, where z 0 is the soliton period, T is the soliton pulse width in ps, and λ is the soliton wavelength in nm And D is the total variance in units of ps / nm-km. As can be seen in the form of this relationship, the soliton period is reduced by reducing the soliton pulse width. Therefore, in a system requiring a high data rate, which means that the solitons are narrow, the spacing between the optical amplifiers becomes short. At 40 Gbps, the optical amplifier spacing must be less than 10 km, so the initial and maintenance costs for the system are enormous.

이러한 간격 문제에 대한 가능한 해결책은 예를 들어 에르븀과 같은 도팬트가 본질적으로 도파관 섬유 전체에 분산된 광 분산증폭기에 의해 제공된다. 소정의 펌프 광 에너지를 도파관에 적절한 간격의 길이로 연결함으로써, 솔리톤 강도가 조금도 변하지 않도록 도파관 섬유는 국부적으로 손실이 없도록 제조될 수 있다.A possible solution to this spacing problem is provided by an optical dispersion amplifier in which a dopant, for example erbium, is essentially dispersed throughout the waveguide fiber. By connecting the desired pump light energy to the waveguide at appropriately spaced lengths, the waveguide fibers can be made locally so that there is no change in soliton intensity.

광 분산 증폭기를 이용하여 이와 같이 본질적으로 불변성인 솔리톤의 전송 조건을 만족시키기 위하여,In order to satisfy the transmission conditions of this intrinsically invariable soliton using an optical dispersion amplifier,

상기 도파관에서의 펌프 신호 감쇠가 고려되어야만 하고;Pump signal attenuation at the waveguide must be taken into account;

무손실 전송 및 펌프 광 효율을 제공할 수 있도록 상기 도파관 섬유를 따라 에르븀 농도가 충분히 높게 선택되어야만 하며;Erbium concentration should be selected high enough along the waveguide fiber to provide lossless transmission and pump light efficiency;

작은 솔리톤 강도의 반진폭을 제공하기 위하여 국부 이득을 낮게 유지할 수 있도록 상기 도파관 섬유를 따라 에르븀 농도가 충분히 낮아야만 한다.The erbium concentration must be low enough along the waveguide fiber to keep the local gain low to provide a half amplitude of small soliton strength.

도 1은 에르븀 도프된 도파관 섬유의 개략 단면도이고,1 is a schematic cross-sectional view of an erbium doped waveguide fiber,

도 2a는 일방향 펌핑 거리에 대한 솔리톤 최대 펄스 강도의 그래프이며,2A is a graph of soliton maximum pulse intensity versus one-way pumping distance,

도 2b는 양방향 펌핑 거리에 대한 솔리톤 최대 펄스 강도의 그래프이고,2B is a graph of soliton maximum pulse intensity versus bidirectional pumping distance,

도 3a는 일방향 펌핑 거리에 대한 솔리톤 최대 펄스 강도의 그래프이며,3A is a graph of soliton maximum pulse intensity versus one-way pumping distance,

도 3b는 도파관의 특정 거리에서 도 3a로부터 2개의 솔리톤 펄스군의 일시적 변화를 나타낸 도면이고,FIG. 3B is a diagram showing the temporary change of two soliton pulse groups from FIG. 3A at a specific distance of the waveguide. FIG.

도 4a는 일방향 펌핑 거리에 대한 솔리톤 최대 펄스 강도의 그래프이며,4A is a graph of soliton maximum pulse intensity versus one-way pumping distance,

도 4b는 도파관에서 90㎞ 이동후 도 4a로부터 시간에 대해 2개의 솔리톤 펄스군의 변화를 나타낸 도면이고,4B is a view showing the change of two soliton pulse groups with respect to time from FIG. 4A after a 90 km movement in the waveguide.

도 5는 입력 신호 동력에 대한 섬유 투명성에 필요한 동력의 그래프이다.5 is a graph of the power required for fiber transparency to input signal power.

본 발명의 제 1 특징은 약 +3.0㏈ 내지 +5.2㏈ 범위의 솔리톤 펄스 동력 반진폭을 제공하여 전자 신호 발생기간의 거리를 증가시키는 에르븀 도프된 광 분산 증폭기이다. 상기 솔리톤 동력 반진폭은 전술한 바와 같이 자기 위상 변조가 총분산(D)과 균형을 이루는 기준 솔리톤 동력을 1로 하여, 참고 솔리톤 동력과의 비율로 측정된다. 시스템 작동 파장(λ)은 λ>λ0인 소위 불규칙 영역에서의 제로 분산 파장이다. 상기 분산 증폭기 섬유는 양(+)의 순 총분산(D)을 갖는다. 상기 총분산(D)은 양(+)의 순 총분산(D)을 제공하는 솔리톤 주기(z0)에 비해 작은 길이에서 음(-)의 반진폭을 가질 수 있다. 양(+)의 분산(D)을 발생시키는 코어 굴절율 프로파일을 가진 광 도파관 섬유의 예가 미국 특허 출원 번호 제 08/559,954호에 기재되어 있다. 신호 동력 증폭을 제공하는 에너지 상태로 에르븀 원자를 활성화시키기 위하여 상기 섬유 증폭기에 펌프 광이 연결된다. 상기 에르븀은 섬유의 코어 영역에 제한된다.A first feature of the present invention is an erbium-doped light dispersion amplifier that provides soliton pulse power half amplitudes in the range of about +3.0 kW to +5.2 kW to increase the distance of the electronic signal generation period. As described above, the soliton power half-amplitude is measured as a ratio with the reference soliton power, with a reference soliton power of 1 in which the magnetic phase modulation is balanced with the total dispersion (D). The system operating wavelength λ is the zero dispersion wavelength in the so-called irregular region where λ> λ 0 . The dispersion amplifier fiber has a positive net variance (D). The total variance (D) may have a negative half amplitude at a smaller length compared to the soliton period (z 0 ) which provides a positive net variance (D). An example of an optical waveguide fiber having a core refractive index profile that produces a positive dispersion (D) is described in US patent application Ser. No. 08 / 559,954. Pump light is coupled to the fiber amplifier to activate the erbium atoms in an energy state that provides signal power amplification. The erbium is limited to the core region of the fiber.

상기 제 1 특징의 실시예는 펌프 광이 도파관에 연결되는 위치의 분할에 따라 약 20ppb 내지 200ppb 범위의 농도를 가지며 도파관 섬유 코어를 따라 대체로 균일하게 에르븀이 도프된다.The embodiment of the first feature has a concentration in the range of about 20 ppb to 200 ppb depending on the division of the position where the pump light is connected to the waveguide and is erbium doped substantially uniformly along the waveguide fiber core.

상기 분산 증폭기 도파관 섬유는 섬유 길이에 광 투과성을 제공하도록 도프 및 펌프된다. 즉, 광 분산 증폭기의 출력에서의 솔리톤 동력은 본질적으로 상기 증폭기 섬유의 출력 단부에서의 솔리톤 동력과 동일하다.The dispersion amplifier waveguide fibers are doped and pumped to provide light transmission to the fiber length. That is, the soliton power at the output of the optical dispersion amplifier is essentially the same as the soliton power at the output end of the amplifier fiber.

전술한 출판물과 대조되는 본 발명의 바람직한 실시예에서, 광 분산 증포기는 단지 한 방향으로만 펌프된다. 펌프 광은 솔리톤 신호에 대해 동일 또는 대향방향으로 전파될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, in contrast to the aforementioned publications, the light dispersing vaporizer is pumped in only one direction. The pump light can propagate in the same or opposite direction to the soliton signal.

본 발명의 제 2 특징은 신규한 광 분산 증폭기와 관련된 원거리 통신 시스템이다. 원거리 통신 시스템에 있어서, 분산 증폭기가 광 투명성을 얻기 충분한 솔리톤 신호의 증폭을 제공하는 도파관 섬유 길이만큼 펌핑 수단은 이격된다.A second aspect of the invention is a telecommunication system associated with the novel optical dispersion amplifier. In telecommunication systems, the pumping means are spaced apart by waveguide fiber lengths where the dispersion amplifier provides amplification of the soliton signal sufficient to achieve optical transparency.

바람직한 실시예는 신호와 동일하거나 또는 서로다른 방향으로의 일방향 펌핑을 포함한다. 다르게 표현하면, 상기 펌프 광은 증폭 섬유에서 신호 광과 역류 또는 병류하여 전파될 수 있다.Preferred embodiments include one-way pumping in the same or different directions as the signal. In other words, the pump light can be propagated countercurrently or in parallel with the signal light in the amplifying fiber.

이용가능한 펌프 레이져의 형태와 특성에 따라, 펌핑 수단은 약 20㎞ 내지 90㎞ 이격될 수 있다.Depending on the type and nature of pump lasers available, the pumping means may be spaced between about 20 km and 90 km.

일반적인 솔리톤 통신 시스템은 솔리톤 펄스가 솔리톤 주기의 적어도 5배로 시간 분할되는 것을 요한다. 본 발명에서, 솔리톤 간격은 이와 같은 종래의 양보다 적을 수 있다. 따라서, 다른 실시예에서, 솔리톤 펄스의 시간 분할은 솔리톤 펄스 폭의 약 5배 이하이다. 이러한 시간 간격 필요성은 솔리톤간의 상호작용 또는 붕괴를 제한하여 매우 높은 데이터 전송률을 제공하기에 충분하다. 예를 들어, 200Gbps 데이터율에 있어서, 1ps의 솔리톤 펄스 폭과 5ps를 넘지 않는 펄스 간격이면 족하다. 약 50㎞ 이격된 펌핑 수단을 가진 이와 같은 시스템 형태는 약 500㎞ 시스템 길이에서 약 10-2인 비트 에러율 한도를 갖는것으로 여겨진다.Typical soliton communication systems require that the soliton pulse is time-divided at least five times the soliton period. In the present invention, soliton spacing may be less than this conventional amount. Thus, in another embodiment, the time division of the soliton pulse is less than about five times the soliton pulse width. This need for time intervals is sufficient to limit soliton interactions or collapses to provide very high data rates. For example, for a 200 Gbps data rate, a soliton pulse width of 1 ps and a pulse interval not exceeding 5 ps is sufficient. This type of system with pumping means spaced about 50 km apart is believed to have a bit error rate limit of about 10 −2 at about 500 km system length.

원거리 통신에 채용된 신규한 증폭기는 에러를 발생시키는 솔리톤간의 상호작용사이에 긴 거리를 제공한다. 특히, 붕괴 또는 충돌이 발생하기 전에 1ps 솔리톤이 이동한 거리는 적어도 약 30㎞ 내지 50㎞ 범위이고, 300㎞ 내지 400㎞로 클 수도 있다.The novel amplifiers employed in telecommunications provide a long distance between error-prone soliton interactions. In particular, the distance traveled by the 1ps soliton before the collapse or collision has occurred is in the range of at least about 30 km to 50 km, and may be as large as 300 km to 400 km.

긴 미재생 거리에서 전송되는 매우 높은 데이터율에서, 실용적인 신호대 잡음비를 얻기 위하여 특수한 방법이 개발되어야 하며, 총 도파관 분산(D)과 비선형 효과가 고려되어야 한다. 정보 운반체로 솔리톤을 사용하는 것은 그 방법중 하나이다. 솔리톤 펄스의 형성과 유지에서 2개의 분산 효과가 서로 상쇄되기 때문에 솔리톤 신호법은 매력적이다. 즉, 총 파장분산(D)과 펄스 강도 독립 비선형 자기 위상 변조는 서로 작용하여 솔리톤의 형태를 형성하고 유지하게 된다.At very high data rates transmitted over long unreproduced distances, special methods must be developed to obtain a practical signal-to-noise ratio, and total waveguide dispersion (D) and nonlinear effects must be considered. Using soliton as an information carrier is one of the methods. Soliton signaling is attractive because the two dispersion effects in the formation and retention of soliton pulses cancel each other out. That is, the total wavelength dispersion (D) and the pulse intensity independent nonlinear magnetic phase modulation interact with each other to form and maintain the shape of the soliton.

자기 위상 변조의 크기는 펄스 강도에 좌우되기 때문에, 솔리톤 형태의 유지에 있어서 주된 관심사는 솔리톤이 도파관 섬유를 따라 이동할 때 솔리톤 강도의 조절이다. 이러한 관심사가 솔리톤 전송과 함께 사용하기 위한 광 분산 증폭기의 연구를 이끌었다. 약 40 Gbps를 넘는 매우 높은 데이터율의 전송에 있어서, 도파관 투명성 확립 즉, 입력 동력이 선택된 거리에서 출력 동력과 동일하도록 보장하는 것은 솔리톤 형태를 유지하는데 불충분하다. 제로와 동일한 국부 감쇠를 가짐으로서 본질적으로 모든 길이에서 광 투명성을 갖는 도파관이 필요하다.Since the magnitude of the magnetic phase modulation depends on the pulse intensity, a major concern in maintaining soliton form is the control of soliton intensity as the soliton travels along the waveguide fibers. This interest led to the study of optical dispersion amplifiers for use with soliton transmission. For very high data rate transmissions above about 40 Gbps, establishing waveguide transparency, i.e., ensuring that the input power is equal to the output power at a selected distance, is insufficient to maintain the soliton form. There is a need for a waveguide having local attenuation equal to zero, thereby having optical transparency at essentially all lengths.

또한, 높은 데이터율의 솔리톤 원거리 통신 시스템에서 솔리톤간의 상호작용이 관리되는 또 다른 구성이 구비된다. 광 도파관 섬유에서 이동하는 솔리톤은 상대 위상에 따라 이웃 솔리톤에 인력 또는 척력을 가한다. 이웃 솔리톤과의 간격이 충분히 작아질 때, 상호 인력은 솔리톤에 타이밍 지터를 발생시킬 수 있다. 솔리톤간의 힘은 거리가 감소할수록 지수함수로 증가하기 때문에, 더 작은 간격에서 상기 솔리톤 쌍은 하나의 고강도 펄스로 붕괴 또는 충돌하게 된다. 따라서, 상호 인력 또는 척력은 특히 높은 데이터율 시스템에서 만나는 것과 같은 폐쇄 펄스 간격을 가진 원거리 통신 시스템에서의 비트 에러의 근원이다.In addition, another configuration is provided in which soliton interaction is managed in a high data rate soliton telecommunication system. The soliton traveling in the optical waveguide fiber exerts an attractive or repulsive force on the neighboring soliton, depending on its relative phase. When the distance from neighboring solitons is sufficiently small, mutual attraction can cause timing jitter in the solitons. Since the force between solitons increases exponentially as the distance decreases, at smaller intervals the soliton pairs collapse or collide in one high intensity pulse. Thus, mutual attraction or repulsion is a source of bit error, especially in telecommunication systems with closed pulse intervals such as those encountered in high data rate systems.

본 발명에서 발견된 것은 솔리톤 강도의 소정 반진폭을 유도함으로서 서로 섭동하거나 서로 충돌하는 솔리톤의 자화율이 감소될 수 있다는 것이다. 이와 같은 강도 반진폭은 선택된 강도의 펌프원과 함께 선택된 도팬트 농도를 가진 광 분산 증폭기를 이용하여 유도될 수 있다. 특히, 약 1550㎚ 작동에 대한 ppb Er-3으로 표시되는 에르븀인 도팬트 농도와 펌프 동력은 합성되어 분산 증폭기 섬유의 단부에서 단부까지 광학 투명성을 유지함과 아울러, 기준 동력 수준에 대하여 약 3.0㏈ 내지 5.2㏈의 강도 반진폭을 생성하게 된다. 상기 기준 동력은 총분산(D)(군속도 분산)과 자기 위상 변조간의 균형을 제공하는 것이 취해질 수 있다. 여기에 기술된 약 500㎞까지의 시스템에 있어서, 이 개념은 강도 반진폭을 신중하게 제한하여 자기 위상 변조를 일정하게 유지함으로서 정보 운반체로서의 솔리톤 형태가 가장 잘 유지되는 종래의 기술과 대조된다.What is found in the present invention is that by inducing a predetermined half amplitude of soliton intensity, the susceptibility of solitons perturbed or colliding with each other can be reduced. This intensity half-amplitude can be derived using an optical dispersion amplifier having a selected dopant concentration with a pump source of selected intensity. In particular, the dopant concentration, which is erbium and pump power, expressed as ppb Er- 3 for about 1550 nm operation, is synthesized to maintain optical transparency from end to end of the dispersion amplifier fiber, while at about 3.0 kW to This produces an amplitude half amplitude of 5.2 dB. The reference power may be taken to provide a balance between total variance D (group velocity variance) and magnetic phase modulation. For systems up to about 500 km described here, this concept contrasts with the prior art in which soliton forms as information carriers are best maintained by carefully limiting the intensity half amplitude to keep the magnetic phase modulation constant.

광 분산 증폭기 도파관 섬유의 단면이 도 1에 도시되어 있다. 코어 영역(4)는 영역(6)으로 표시된 에르븀 또는 다른 도팬트를 코어 내부에 포함한다. 영역(6)은 신호 광과 도팬트 원자사이의 충돌단면을 증가시키기 위하여 통상적으로 코어(4)보다 직경이 작다. 피복층(2)은 섬유를 따라 광을 안내하기 위하여 코어 영역(4)의 적어도 일부보다 낮은 굴절율을 갖는다.The cross section of the optical dispersion amplifier waveguide fiber is shown in FIG. 1. The core region 4 comprises erbium or other dopant, represented by the region 6, inside the core. Region 6 is typically smaller in diameter than core 4 to increase the cross section of impact between the signal light and the dopant atoms. The coating layer 2 has a lower refractive index than at least a portion of the core region 4 for guiding light along the fiber.

강도 반진폭을 겪는 전파 솔리톤의 모델 시뮬레이션이 도 2a에 도시되어 있다. 각각의 곡선은 분산 증폭기 도파관에서의 이동거리에 대한 솔리톤 최대 강도를 나타낸다. 200Gbps율에 해당하는 1ps폭과 5ps간격을 가진 9개의 솔리톤이 도파관에서 전파할 때 모델링되었다. 섬유에서 군속도 분산(D)은 2ps/㎚-㎞로 설정되었다. 펌프 간격은 20㎞이고, 펌핑은 일방향이다. 상기 도파관은 펌핑 수단간의 거리에서 광학적으로 투명하다. 동력 반진폭이 없는 무손실 도파관에서 이동하는 솔리톤은 곡선(8)으로 표시된다. 10㎞에서 큰 강도 스파이크(spike)는 솔리톤간의 충돌이며, 시스템의 유효 작동 길이를 표시한다. 곡선(9)으로 도시된 바와 같이 작은 동력 반진폭이 유도될 때, 상기 솔리톤 충돌은 도파관을 따라 더 멀리서 발생된다. 곡선(12)으로 표시된 후속 동력 반진폭은 30㎞ 이상의 이동 거리에서 솔리톤 충돌이 발생하지 않는다. 곡선(10)에서 두드러진 주기적 리플(ripple)은 동력 반진폭으로 인한 솔리톤 폭 변동이다. 곡선(10)의 최고 동력 반진폭에서, 예를 들어, 강도 스파이크(16)를 참조하면 솔리톤은 약 25㎞를 이동한 후 형태를 잃기 시작한다. 곡선(12)보다 동력 반진폭이 낮을 때, 솔리톤 충돌은 약 30㎞에서 발생된다. 따라서, 최적의 동력 반진폭은 곡선(12)과 곡선(10) 사이에 있으며, 범위는 약 3㏈ 내지 5.2㏈이다.A model simulation of the propagation soliton undergoing an intensity half amplitude is shown in FIG. 2A. Each curve represents the soliton maximum intensity versus travel in the dispersion amplifier waveguide. Nine solitons with 1ps width and 5ps spacing, corresponding to a 200Gbps rate, were modeled as they propagate in the waveguide. Group velocity dispersion (D) in the fiber was set to 2 ps / nm-km. The pump spacing is 20 km and the pumping is in one direction. The waveguide is optically transparent at the distance between the pumping means. The soliton traveling in a lossless waveguide without power half amplitude is represented by the curve (8). A large intensity spike at 10 km is a collision between solitons, indicating the effective operating length of the system. When a small power half amplitude is induced, as shown by curve 9, the soliton collision occurs farther along the waveguide. Subsequent power half amplitudes, represented by curve 12, do not cause soliton collisions at travel distances greater than 30 km. The noticeable periodic ripple in curve 10 is the soliton width variation due to the power half amplitude. At the highest power half amplitude of curve 10, for example, referring to intensity spike 16, the soliton begins to lose shape after traveling about 25 km. When the power half amplitude is lower than the curve 12, soliton collision occurs at about 30 km. Thus, the optimum power half amplitude is between curve 12 and curve 10, and ranges from about 3 Hz to 5.2 Hz.

비교예로서, 도 2b는 펌핑이 양방향인 것을 제외하고 도 2a에 기술된 것과 동일한 조건하에서 도파관에 전파되는 솔리톤 펄스의 그래프이다. 앞에서와 같이, 곡선(18)으로 표시된 무손실의 경우는 도파관에서 약 10㎞ 이동 후 솔리톤 충돌을 나타낸다. 그러나, 이경우 곡선(22)으로 예시된 최고 동력 반진폭 곡선은 10㎞를 지난 거리에서 증가된 솔리톤 형태를 나타내지 않는다. 상기 강도 곡선은 약 19㎞를 이동한 후 큰 진폭을 나타낸다. 이와 유사하게, 최저 동력 반진폭에서 솔리톤 쇄약이 약 18㎞ 이후 강도 스파이크(20)에 의해 입증되었다. 도 2a와 도 2b를 비교할 때, 일방향 펌핑은 양방향 펌핑보다 더 긴 거리에서 솔리톤 형태를 제공하는 것이 명백해졌다.As a comparative example, FIG. 2B is a graph of soliton pulses propagating in the waveguide under the same conditions as described in FIG. 2A except that pumping is bidirectional. As before, the lossless case indicated by curve 18 represents a soliton collision after about 10 km travel in the waveguide. However, the highest power half amplitude curve illustrated by curve 22 in this case does not exhibit an increased soliton configuration over a distance of 10 km. The intensity curve shows a large amplitude after traveling about 19 km. Similarly, soliton breakdown at the lowest power half amplitude was demonstrated by the intensity spike 20 after about 18 km. Comparing FIGS. 2A and 2B, it has been evident that one-way pumping provides a soliton configuration at longer distances than two-way pumping.

이 결과는 양방향 펌핑이 분산 도파관 증폭기 길이에서 더 나은 이득의 제어를 허용하기 때문에 직관에 반한다. 일방향 펌프된 경우에 있어서, 향상된 성능에 대한 설명은 다음과 같다. 도파관의 시작 단부 부근에서 높은 이득은 단열적으로 즉, 서서히 솔리톤 펄스를 억압한다. 즉, 강도에 좌우되는 자기 위상 변조는 도파관의 시작 단부 부근에서 더 크다. 상기 자기 위상 변조 부분은 솔리톤 펄스의 시간 폭을 좁히는 선형(군속도)분산(D)에 의해 상쇄되지 않는다. 그 결과, 상기 솔리톤은 분산 도파관 섬유 증폭기의 시작 단부에서 더 넓게 이격되어 강하게 상호작용하지 않는다. 시간에서 넓은 펄스 간격으로 인해 충돌은 발생되지 않으며, 솔리톤간의 상호작용으로 유도된 타이밍 지터는 더 작다. 이 설명이 옳은 것으로 여겨질 지라도, 본 발명은 이 설명에 의해 한정되지 않으며 이의 정확성에 좌우되지 않는다.This result is counterintuitive because bidirectional pumping allows better control of the gain in distributed waveguide amplifier lengths. In the case of one-way pumping, the description of improved performance is as follows. The high gain near the start end of the waveguide is adiabatic, ie, slowly suppresses the soliton pulse. That is, the magnetic phase modulation, which depends on the intensity, is greater near the start end of the waveguide. The magnetic phase modulating portion is not canceled by linear (group velocity) variance D, which narrows the time width of the soliton pulse. As a result, the soliton is spaced farther apart at the start end of the distributed waveguide fiber amplifier and does not interact strongly. No collisions occur due to wide pulse intervals in time, and the timing jitter induced by the soliton interactions is smaller. Although this description is believed to be correct, the invention is not limited by this description and does not depend on its accuracy.

제 2 시뮬레이션이 도 4a에 도시되어 있다. 모델에 사용된 계수는 총분산(D)이 0.67 ps/㎚-㎞인 것을 제외하고 이전의 예와 동일하다. 무손실의 경우에 있어서, 솔리톤 충돌은 강도 스파이크(38)로 표시된 바와 같이 약 30㎞에서 발생한다. 솔리톤의 최저 동력 반진폭은 곡선(42)로 표시된다. 솔리톤 최대 강도는 앞에서와 같은 거리에서 예측된 진폭을 나타낸다. 솔리톤 강도는 도파관에서 약 80㎞ 이동까지 유지된다. 85㎞ 내지 100㎞에 표시된 강도 스파이크는 솔리톤간의 강한 상호작용이다. 곡선(42)의 강도 스파이크(46)는 솔리톤간의 충돌이다.The second simulation is shown in FIG. 4A. The coefficients used in the model are the same as in the previous example, except that the total variance (D) is 0.67 ps / nm-km. In the case of lossless, soliton impingement occurs at about 30 km, as indicated by the intensity spike 38. The lowest power half amplitude of the soliton is represented by the curve 42. The soliton maximum intensity represents the predicted amplitude at the same distance as before. Soliton intensity is maintained up to about 80 km travel in the waveguide. The intensity spikes indicated at 85 km to 100 km are strong interactions between solitons. Intensity spike 46 in curve 42 is a collision between solitons.

곡선(40)은 솔리톤의 높은 동력 반진폭 거리에 대한 최대 펄스 강도를 나타낸다. 솔리톤 강도 변화로 인한 진폭은 예상과 같이 곡선(42)보다 훨씬 크다. 그러나, 100㎞ 도파관 이동 거리에서 솔리톤간의 충돌은 발생하지 않는다. 증가된 무충돌 이동으로 인한 솔리톤 진폭의 최선의 균형은 곡선(40)(42)사이의 동력 반진폭에서 발생한다. 이러한 관찰은 도파관에서 90㎞의 이동 거리 이후 시간에 대한 솔리톤 펄스의 강도가 도시된 도 4b에서 가장 명확하게 알 수 있다. 약 5.2㏈의 동력 반진폭에서, 곡선(48)은 적절한 신호대 잡음비를 발생시킬 것으로 예상되는 진폭을 이루며 자신의 시간 간격을 유지하는 최초의 9개 솔리톤을 나타낸다.Curve 40 represents the maximum pulse intensity for the high power half amplitude distance of the soliton. The amplitude due to the soliton intensity change is much larger than the curve 42 as expected. However, collisions between solitons do not occur at 100 km waveguide travel. The best balance of soliton amplitude due to increased collision free movement occurs in the power half amplitude between curves 40 and 42. This observation is most clearly seen in Fig. 4b, where the intensity of the soliton pulses with respect to time after a travel distance of 90 km in the waveguide is shown. At a power half amplitude of about 5.2 Hz, curve 48 represents the first nine solitones that maintain their time intervals with the amplitude expected to produce an appropriate signal-to-noise ratio.

동력 반진폭이 단지 3㏈이기 때문에 곡선(50)에서 진폭은 작지만, 시간 위치(52)에서 볼수 있는 바와 같이 솔리톤간의 강한 상호작용은 시간 간격을 급격하게 변화시키게 된다. 따라서, 더 높은 동력 반진폭은 더 긴 도파관 길이에서 에러없는 솔리톤 신호 전송을 제공한다. 이 결과는 위에서 언급한 종래기술과 다르다.Although the amplitude is small in curve 50 because the power half amplitude is only 3 dB, the strong interaction between solitons, as seen at time position 52, will change the time interval drastically. Thus, higher power half amplitudes provide error-free soliton signal transmission at longer waveguide lengths. This result is different from the prior art mentioned above.

제 3 실시예는 펌프 간격 및 솔리톤 펄스 폭과의 솔리톤 동력 반진폭의 상호작용을 나타낸다. 도 3a에서, 솔리톤 펄스 폭은 2ps 이고, 펌프 간격은 50㎞이다. 도파관의 총분산(D)은 0.67 ps/㎚-㎞로 설정되었다. 강도 스파이크(28)는 약 120㎞에서 솔리톤간의 충돌이 나타나는 무손실의 경우를 보여준다. 솔리톤 이동거리(26)(24)에 대한 최대 펄스 강도 곡선은 높은 동력 반진폭(24)의 경우에 대한 큰 진폭을 나타낸다. 곡선(24)의 가장자리 형태는 약 180㎞ 이동거리에서 솔리톤의 시간 간격을 왜곡시키기 시작한다. 낮은 동력 반진폭 곡선(26)에서 명확한 형태는 이동거리가 250㎞를 초과한 후 데이터 에러를 유도하기 시작한다. 따라서, 넓은 솔리톤 펄스와 넓은 펌프 간격에 있어서, 낮은 동력 반진폭은 에러없는 장거리 전송을 제공한다.The third embodiment shows the interaction of the soliton power half amplitude with the pump interval and the soliton pulse width. In FIG. 3A, the soliton pulse width is 2 ps and the pump interval is 50 km. The total dispersion (D) of the waveguide was set to 0.67 ps / nm-km. The intensity spike 28 shows a lossless case where collisions between solitons appear at about 120 km. The maximum pulse intensity curve for the soliton travels 26 and 24 represents a large amplitude for the case of the high power half amplitude 24. The edge shape of curve 24 begins to distort the soliton's time interval at about 180 km travel. The clear shape in the low power half amplitude curve 26 begins to induce data errors after the travel distance exceeds 250 km. Thus, for wide soliton pulses and wide pump intervals, low power half amplitudes provide long error-free transmission.

도파관을 따라 선택된 거리에서 솔리톤 펄스의 시간 전개가 도 3b에 도시되어 있다. 낮은 반진폭과 높은 반진폭에 대한 초기 펄스 간격이 일련의 솔리톤 펄스(33)(36)로 도시되어 있다. 200㎞에서 5.2㏈ 동력 반진폭의 펄스 트레인(34)에 타이밍 에러가 발생한다. 이와는 대조적으로, 3㏈ 동력 반진폭의 경우에는 펄스 트레인(35)(31)으로 알 수 있는 바와 같이 이동거리가 400㎞를 넘을 때 까지 에러가 발생하지 않는다.The time evolution of the soliton pulse at a selected distance along the waveguide is shown in FIG. 3B. Initial pulse intervals for low and high half amplitudes are shown as a series of soliton pulses 33 and 36. At 200 km, a timing error occurs in the pulse train 34 of 5.2 kHz power half amplitude. In contrast, in the case of the 3 kHz power half amplitude, as shown by the pulse trains 35 and 31, no error occurs until the travel distance exceeds 400 km.

입력 신호 동력에 대해 도파관 투명성에 도달하는데 필요한 킬로미터당 동력이 도 5에 도시되어 있다. 여기서 곡선(54)은 49㎞ 도파관 길이에 관한 것이고, 곡선(56)은 55㎞, 곡선(58)은 50㎞, 곡선(60)은 154㎞에 관한 것이다. 상기 그래프는 곡선이 급격하게 경사지는 솔리톤 입력 동력이 보통 0 dBm 이상일 경우에도 일반 솔리톤 시스템 작동영역에 필요한 펌프 동력이 얻어질 수 있음을 나타낸다. 예를 들어, 약 5㏈인 입력 신호 동력에서 작동하고 20 내지 200 ppb 범위의 Er-3농도를 가진 154㎞ 링크는 약 60㎽의 총 펌프동력을 필요로 하며, 이는 본 발명으로 가능하다.The power per kilometer needed to reach waveguide transparency for the input signal power is shown in FIG. 5. Here curve 54 relates to the 49km waveguide length, curve 56 relates to 55km, curve 58 to 50km and curve 60 to 154km. The graph shows that the pump power required for the normal soliton system operating area can be obtained even when the soliton input power whose curve is steeply sloped is usually above 0 dBm. For example, a 154 km link operating at an input signal power of about 5 kW and having an Er- 3 concentration in the range of 20 to 200 ppb requires a total pump power of about 60 kW, which is possible with the present invention.

따라서, 본 발명은 솔리톤 전송과 함께 사용하기 위한 광 분산 증폭기를 제공하고, 이는 솔리톤 강도에 최적의 반진폭을 유도함으로서 솔리톤간의 상호작용 효과를 감소시키게 된다. 최적의 작동 형태는 펄스 강도 진폭과 솔리톤간의 상호작용 모두 제어되는 것으로 밝혀졌다.Thus, the present invention provides an optical dispersion amplifier for use with soliton transmission, which induces an optimal half amplitude in soliton intensity, thereby reducing the effect of soliton interaction. The optimum mode of operation has been found to control both the pulse intensity amplitude and the interaction between solitones.

본 발명의 특정 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 다음의 청구범위에 의해서만 한정된다.While specific embodiments of the invention have been shown and described, the invention is limited only by the following claims.

Claims (12)

바닥 상태이고 도파관 섬유의 길이를 따라 분산된 에류븀을 포함하며 주위의 피복층과 접촉된 코어영역, 양(+)인 순 총분산(D) 및 소정 길이를 가진 광 도파관 섬유와;An optical waveguide fiber in a ground state and containing erbium dispersed along the length of the waveguide fiber and having a core area in contact with the surrounding coating layer, positive net dispersion (D), and a predetermined length; 상기 바닥 상태 이상의 에너지 상태로 에르븀을 활성화시키기 위해 펌프 광을 제공하는 광 펌핑 수단; 및Optical pumping means for providing pump light to activate erbium in an energy state above the ground state; And 상기 도파관 섬유에 펌프 광과 솔리톤 펄스를 투입하기 위한 커플링 수단으로 구성되며,And coupling means for injecting pump light and soliton pulses into the waveguide fiber, 자기 위상 변조가 군속도 분산(D)과 균형을 이루는 표준화된 유닛에서 1인 서수를 가진 기준 솔리톤 동력에 대해 약 +3.0 ㏈ 내지 +5.2㏈ 범위의 각 솔리톤의 최대 동력에서 반진폭을 생성하는 것을 특징으로 하는 에르븀 도프 광 도파관 섬유 분산 증폭기.Magnetic phase modulation generates a half amplitude at the maximum power of each soliton in the range of about +3.0 kW to +5.2 kW for a reference soliton power with an ordinal number of 1 in a standardized unit that balances group velocity variance (D). Erbium dope optical waveguide fiber dispersion amplifier made with. 제 1 항에 있어서, 상기 에르븀은 상기 광 도파관 섬유를 따라 대체로 균일하게 분포되며, 상기 Er-3농도는 약 20 ppb 내지 200ppb 범위인 것을 특징으로 하는 에르븀 도프 광 도파관 섬유 분산 증폭기.The erbium-doped optical waveguide fiber dispersion amplifier according to claim 1, wherein the erbium is distributed substantially uniformly along the optical waveguide fiber, and wherein the Er −3 concentration is in the range of about 20 ppb to 200 ppb. 제 2 항에 있어서, 상기 펌프 광은 상기 도파관 섬유 길이에 광학 투명성을 제공하도록 선택된 동력 수준을 가진 것을 특징으로 하는 에르븀 도프 광 도파관 섬유 분산 증폭기.3. The erbium dope optical waveguide fiber dispersion amplifier according to claim 2, wherein the pump light has a power level selected to provide optical transparency to the waveguide fiber length. 제 1 항에 있어서, 상기 펌프 광은 도파관 섬유에서 일방향으로 전파되는 것을 특징으로 하는 에르븀 도프 광 도파관 섬유 분산 증폭기.The erbium-doped optical waveguide fiber dispersion amplifier according to claim 1, wherein the pump light propagates in one direction in the waveguide fiber. 바닥 에너지 상태이고 도파관의 길이를 따라 분산된 에류븀을 포함하며 주위의 피복층과 접촉된 코어영역, 양(+)인 순 총분산(D) 및 소정 길이를 가진 적어도 하나의 에르븀 도프 광 도파관 섬유와;At least one erbium-doped optical waveguide fiber having a core length, positive net dispersion (D), and a predetermined length, including a core region in the bottom energy state and containing erbium dispersed along the length of the waveguide and in contact with the surrounding coating layer; ; 상기 바닥 상태 이상의 에너지 상태로 에르븀을 활성화시키기 위해 상기 에르븀 도프 도파관에 연결되고,미리 선택된 입력 동력을 가진 광 펌핑 수단; 및Optical pumping means connected to said erbium-doped waveguide and having a preselected input power to activate erbium in an energy state above the ground state; And 상기 에르븀 도프 도파관에 전파되는 다수개의 솔리톤을 발생시키기 위한 수단으로 구성되며,And a means for generating a plurality of solitones that are propagated in the erbium-doped waveguide, 각 솔리톤의 최대 동력에서 반진폭이 자기 위상 변조가 군속도 분산(D)과 균형을 이루는 표준화된 유닛에서 1인 서수를 가진 기준 솔리톤 동력에 대해 약 +3.0 ㏈ 내지 +5.2㏈ 범위인 것을 특징으로 하는 광 도파관 원거리 통신 시스템.The half amplitude at the maximum power of each soliton is characterized in that it ranges from about +3.0 kW to +5.2 kW for the reference soliton power with an ordinal number of 1 in a standardized unit where the magnetic phase modulation is balanced with the group velocity variance (D). Optical waveguide telecommunication systems. 제 5 항에 있어서, 상기 광 펌핑 수단은 도파관 섬유 길이를 따라 이격되며, 상기 광 펌핑 수단의 미리 선택된 동력은 이웃한 펌핑 수단 사이에 도파관 길이의 광 투명성을 제공하는 것을 특징으로 하는 광 도파관 원거리 통신 시스템.6. The optical waveguide telecommunication of claim 5, wherein the optical pumping means are spaced along the waveguide fiber length and the preselected power of the optical pumping means provides optical transparency of the waveguide length between neighboring pumping means. system. 제 6 항에 있어서, 상기 펌핑 수단으로부터 광은 도파관 섬유에서 일방향으로 전파하는 것을 특징으로 하는 광 도파관 원거리 통신 시스템.7. An optical waveguide telecommunications system according to claim 6, wherein the light from the pumping means propagates in one direction in the waveguide fibers. 제 7 항에 있어서, 상기 광 펌핑 수단 사이의 간격은 약 20㎞ 내지 90㎞ 범위인 것을 특징으로 하는 광 도파관 원거리 통신 시스템.8. An optical waveguide telecommunications system according to claim 7, wherein an interval between said optical pumping means is in a range of about 20 km to 90 km. 제 5 항에 있어서, 상기 솔리톤 펄스는 솔리톤 시간 폭의 약 5배 이하인 시간 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 광 도파관 원거리 통신 시스템.6. The optical waveguide telecommunications system of claim 5, wherein the soliton pulses have a time interval that is about five times or less the soliton time width. 제 9 항에 있어서, 상기 솔리톤 시간 폭은 약 1ps인 것을 특징으로 하는 광 도파관 원거리 통신 시스템.10. The optical waveguide telecommunications system of claim 9, wherein the soliton time width is about 1 ps. 제 10 항에 있어서, 상기 비트 에러율은 90㎞인 펌핑 수단 간격에 대해 약 10-9이하인 것을 특징으로 하는 광 도파관 원거리 통신 시스템.11. The optical waveguide telecommunications system of claim 10, wherein the bit error rate is about 10 -9 or less for a pumping means spacing of 90 km. 제 9 항에 있어서, 솔리톤간의 상호작용이 약 10-9이하인 전송 에어율을 야기하기 이전에 솔리톤이 이동한 시스템 길이가 약 30㎞ 내지 500㎞인 것을 특징으로 하는 광 도파관 원거리 통신 시스템.10. The optical waveguide telecommunications system of claim 9, wherein the system length traveled by the soliton is about 30 km to 500 km before the soliton interaction results in a transmission air rate of about 10 -9 or less.
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