JPH045296B2 - - Google Patents
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- JPH045296B2 JPH045296B2 JP58029639A JP2963983A JPH045296B2 JP H045296 B2 JPH045296 B2 JP H045296B2 JP 58029639 A JP58029639 A JP 58029639A JP 2963983 A JP2963983 A JP 2963983A JP H045296 B2 JPH045296 B2 JP H045296B2
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は単一モード・フアイバによる電磁パル
ス信号の伝送装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a device for transmitting electromagnetic pulse signals by means of a single mode fiber.
従来技術
近年光遠隔通信の分野では大幅な進歩があつ
た。数キロメートルの距離がある中継器間で数メ
ガビツト/秒の速度のデータを伝送するシステム
が現在設置されつつある。しかし、例えば大陸間
海底ケーブル・システムの如きシステムの経済性
はデータ速度および中継器間隔によつて強い影響
を受けるので、これらシステムの上記パラメータ
を改善する努力が継続されている。Prior Art Significant advances have been made in the field of optical telecommunications in recent years. Systems are currently being installed that transmit data at speeds of several megabits per second between repeaters over distances of several kilometers. However, since the economics of systems such as intercontinental submarine cable systems are strongly influenced by data rates and repeater spacing, efforts continue to improve these parameters of these systems.
現在入手し得るフアイバが比較的低損失でかつ
低分散な信号を伝送することが出来るが、更なる
改善が望まれる。そのためフアイバ遠隔通信リン
クにあつてはフアイバ伝送チヤネルの送端、即ち
入力ロケーシヨンと受端、即ち出力ロケーシヨン
の間の中間点に設けた所謂「中継器」において信
号の再生を行う必要がある。ここで「入力ロケー
シヨン」および「出力ロケーシヨン」なる用語は
単方向伝送を意味するが、後続の伝送にあたり
「入力ロケーシヨン」と「出力ロケーシヨン」を
逆転させることも可能である。 Although currently available fibers are capable of transmitting signals with relatively low loss and low dispersion, further improvements are desired. Therefore, in fiber telecommunications links, it is necessary to perform signal regeneration at a so-called "repeater" located at an intermediate point between the sending end, or input location, and the receiving end, or output location, of the fiber transmission channel. Although the terms "input location" and "output location" here refer to unidirectional transmission, it is also possible to reverse the "input location" and "output location" for subsequent transmission.
中継器は典型例では2つの機能を実行する。即
ち信号パルスの電力レベルを増大させることと、
パルスの再整形を行うことである。これに加え
て、中継器はしばしばパルスの再タイミングを行
う。電力レベルの増大は実際のフアイバ中で信号
が受ける減衰のために必要である。再整形はフア
イバ中における分散効果によりパルスが広がるた
めに必要である。再タイミングは適当なパルス間
隔を保持するのにしばしば必要とされる。 A repeater typically performs two functions. i.e. increasing the power level of the signal pulse;
This is to reshape the pulse. In addition to this, repeaters often perform pulse retiming. The increase in power level is necessary due to the attenuation that the signal undergoes in the actual fiber. Reshaping is necessary because the pulse spreads due to dispersion effects in the fiber. Retiming is often required to maintain proper pulse spacing.
フアイバ遠隔通信システムにおける中継器は典
型例では、信号を検出する手段、例えばフオトダ
イオード、フオトダイオードの出力に作用する手
段、例えば検出器の電気的出力信号の増幅および
再整形を行う手段、検出器の増幅および再整形さ
れた出力信号により典型例では変調される光放射
源、および光源の出力をフアイバに再結合する手
段により成る。前述の型の中継器は現在使用され
ているだけでなく、将来のフアイバ遠隔通信シス
テムでもまた使用されるものと考えられる。これ
に関しては例えばピー・イー・ラドレイ(P.E.
Radley)およびエー・ダブリユー・ホースレイ
(A.W.Horsley)のプロシーデイングズ・オブ・
ザ・インターナシヨナル・コンフアレンス・オ
ン・サブマリーン・テレコミユニケーシヨン・シ
ステムズ(Proceedings of the International
Conference on Submarine
Telecommonication Systems)、ロンドン、
1980年2月、頁173−176を参照されたい。 A repeater in a fiber telecommunications system typically includes a means for detecting a signal, e.g. a photodiode, a means for acting on the output of the photodiode, e.g. a means for amplifying and reshaping the electrical output signal of the detector, a detector. an optical radiation source, typically modulated by an amplified and reshaped output signal of the optical radiation source, and means for recombining the output of the optical source into the fiber. It is envisaged that repeaters of the type described above are not only currently in use, but will also be used in future fiber telecommunications systems. For example, P. E. Radley (PE
Radley) and AWHorsley's Proceedings of
Proceedings of the International Conference on Submarine Telecommunication Systems
Conference on Submarine
Telecommunication Systems), London;
See February 1980, pp. 173-176.
従来の中継器は典型例では多数の素子を含む複
雑な装置である。例えば典型的な光中継器は約50
のトランジスタを含んでいる。 Conventional repeaters are typically complex devices containing multiple elements. For example, a typical optical repeater has approximately 50
contains transistors.
(前出書参照)このように「電子的」に複雑で
あると、特に高いビツト速度のシステムにおける
レーザ源の信頼性の観点から、現在考えられてい
るフアイバ遠隔通信システムに対しては中継器の
コストがコストの主要な部分を占めることにな
る。 (See supra.) This ``electronic'' complexity makes it difficult to use repeaters for fiber telecommunications systems currently being considered, especially from the point of view of laser source reliability in high bit rate systems. will account for the major part of the cost.
これらの事実に対する従来の対応策はとりわけ
フアイバの質を改良することであり、その結果現
在では約50Kmの中継器間隔も可能であるように思
われる。それにも拘らず中継器の使用に伴つて生
じる困難さは別の解決法を要求しており、本発明
はその他の解決法に関連するものである。以下本
発明と関連したフアイバのいくつかの特性につい
て議論する。 Traditional countermeasures to these facts have been, inter alia, to improve the quality of the fibers, so that repeater spacings of about 50 km now seem possible. Nevertheless, the difficulties encountered with the use of repeaters require other solutions, and the present invention relates to other solutions. Some characteristics of fibers relevant to the present invention are discussed below.
光フアイバを通して伝送された電磁エネルギー
のパルスは減衰および分散を生じる。特に分散は
パルスを時間領域において広ろげることになる。
もしパルスの広がりが大であると、隣接パルスは
オーバラツプし、その結果信号の検出が不可能と
なる。単一モード・フアイバにあつては(即ちシ
ステムの動作波長において信号の基本モードのみ
が伝播するフアイバにあつては)、2つの主要な
分散メカニズムは物質分散と導波管分散である。
屈折率nなる物質は波長λにおいてd2n/dλ2が
0でない場合、物質分散を呈する。物理的には、
これはこの媒質中を伝播する平面波の位相速度が
波長と共に非線形に変化し、その結果光パルスが
該媒質中を伝播するとき広がることを意味する。
導波管分散は典型的にはまた波長に依存する。こ
こでは物質分散と導波管分散を組合わせたものを
“色分散”と呼ぶことにする。例えば典型的な単
一モード・フアイバにおける色分散効果により搬
送波の波長が1.5μmの10ピコ秒パルスは約650メ
ートル進むとその幅は倍となる。 Pulses of electromagnetic energy transmitted through optical fibers experience attenuation and dispersion. In particular, dispersion causes the pulse to spread out in the time domain.
If the pulse spread is large, adjacent pulses will overlap, making detection of the signal impossible. For single mode fibers (ie, fibers in which only the fundamental mode of the signal propagates at the operating wavelength of the system), the two primary dispersion mechanisms are material dispersion and waveguide dispersion.
A material with a refractive index n exhibits material dispersion when d 2 n /dλ 2 is not 0 at a wavelength λ. Physically,
This means that the phase velocity of a plane wave propagating in this medium varies non-linearly with wavelength, so that the light pulse spreads as it propagates through the medium.
Waveguide dispersion is also typically wavelength dependent. Here, the combination of material dispersion and waveguide dispersion will be referred to as "chromatic dispersion." For example, due to chromatic dispersion effects in a typical single mode fiber, a 10 picosecond pulse with a carrier wavelength of 1.5 μm doubles in width after traveling approximately 650 meters.
ある媒質中で波長範囲全体にわたつてd2n/dλ2>
0であると、その媒質はその波長範囲において常
分散状態にあると呼ばれる。他方d2n/dλ2<0であ
るような波長範囲はいわゆる異常分散範囲を形成
する。例えば硅素にあつては正規分散の範囲は短
い波長から約1.27μmまでの範囲であり、異常分
散範囲は約1.27μmからより長い波長の範囲であ
る。2つの範囲を分離する波長はd2n/dλ2=0とな
る波長であり、この波長において物質分散は1次
の0となる。この波長は媒質の組成に依存する。
色分散が1次の0となる波長も同様に組成に依存
するが、それに加えてフアイバの直径、ドーピン
グ・プロフイール等のフアイバのパラメータに依
存する。この波長は例えば適当に設計された単一
モードの硅素をベースとするフアイバでは約1.5μ
m程度にも長くなり得る。 If d 2 n/dλ 2 > 0 over the entire wavelength range in a medium, the medium is said to be normally dispersive in that wavelength range. On the other hand, a wavelength range in which d 2 n/dλ 2 <0 forms a so-called anomalous dispersion range. For example, for silicon, the normal dispersion range is from short wavelengths to about 1.27 μm, and the anomalous dispersion range is from about 1.27 μm to longer wavelengths. The wavelength that separates the two ranges is the wavelength where d 2 n/dλ 2 =0, and the material dispersion becomes first-order 0 at this wavelength. This wavelength depends on the composition of the medium.
The wavelength at which the chromatic dispersion is first-order zero also depends on the composition, but in addition depends on fiber parameters such as fiber diameter and doping profile. This wavelength is, for example, approximately 1.5μ for a suitably designed single-mode silicon-based fiber.
It can be as long as m.
データ速度の速いフアイバ遠隔通信システムに
おける搬送波波長の最も自然な選び方はフアイバ
における色分散が1次の0となる波長を選ぶこと
である。しかし、この波長においてさえ分散の高
次の項によるパルスの広ろがりが存在する。これ
に関しては例えばエフ・ピー・カプロン(F.P.
Kapron)の論文、エレクトロニクス・レターズ
(Electronics Letters)、第13巻、頁96−97(1977
年)を参照されたい。 The most natural choice of carrier wavelength in a high data rate fiber telecommunications system is to choose a wavelength for which the chromatic dispersion in the fiber is first order zero. However, even at this wavelength there is pulse broadening due to higher order terms of dispersion. Regarding this, for example, F.P. Capron (FP
Electronics Letters, Vol. 13, pp. 96-97 (1977)
Please refer to 2013).
最近色分散効果を補償するために単一モード・
フアイバの誘電率の非線形変化(ケル(Kerr)
効果)を使用すること、即ち「ソリトン
(Soliton)を使用することが提案されている。 Recently, single-mode
Nonlinear variation of the dielectric constant of the fiber (Kerr)
It has been proposed to use ``solitons'', i.e. ``solitons''.
ソリトン・パルスは、色分散による広ろがり効
果が、屈折率の電界への非線形依存性による収縮
により平衡した場合に生じる。単一モード・フア
イバ中におけるソリトンの存在とその安定な伝送
の可能性はエー・ハセガワ(A.Hasegawa)およ
びエフ・タパート(F.Tappert)の論文、アプラ
イド・フイジツクス・レターズ(Applied
Physics Letters)、第23巻、第3号、頁142−144
(1973年)により予測されていた。この論文は無
損失の単一モード・フアイバを扱つており、フア
イバのパラメータ、パルス幅および搬送波の波長
に依存するソリトンが存在し得る最小パルス・ピ
ーク電力の存在を明らかにしている。ハゼガワお
よびタパートのこれらの予測は1.45μmにおいて
約1ワツトのピーク電力を有する7ピコ秒のパル
スを単一モードフアイバを通して約700メートル
の距離だけ分散のない伝送を行なわせることによ
り実証された。これに関してはエル・エフ・モレ
ナウア(L.F.Mollenauer)等の論文、フイジカ
ル・レビユー・レターズ(Physical Review
Letters、第45巻、第13号、頁1095−1098(1980
年)を参照されたい。モレナウア等はまたいわゆ
る「平衡」ピーク電力P0を越えたピーク電力を
有するソリトン・パルスは狭くなるというハセガ
ワおよびタパートの予測も実証した。 Soliton pulses occur when the broadening effects due to chromatic dispersion are balanced by contraction due to the nonlinear dependence of the refractive index on the electric field. The existence of solitons in single-mode fibers and the possibility of their stable transmission are discussed in a paper by A. Hasegawa and F. Tappert, Applied Physics Letters.
Physics Letters), Volume 23, No. 3, pp. 142-144
(1973). This paper deals with lossless single-mode fibers and reveals the existence of a minimum pulse peak power at which a soliton can exist, which depends on the fiber parameters, pulse width, and carrier wavelength. These predictions of Hazegawa and Tapert were demonstrated by dispersion-free transmission of a 7 picosecond pulse with a peak power of about 1 watt at 1.45 μm over a distance of about 700 meters through a single mode fiber. Regarding this, there are papers by L. F. Mollenauer et al., Physical Review Letters.
Letters, Vol. 45, No. 13, pp. 1095-1098 (1980
Please refer to 2013). Molenauer et al. also substantiated Hasegawa and Tapert's prediction that soliton pulses with peak powers above the so-called "equilibrium" peak power P 0 will become narrower.
最近、エー・ハセガワおよびワイ・コダマ
(Y.Kodama)は高データ速度単一モード・フア
イバ遠隔通信システムでソリトン・パルスを使用
することを提案した。これに関してはプロシーデ
イングズ・オブ・ザ・アイ・イー・イー・イー
(Proceedings of the IEEE)、第69巻、第9号、
1981年9月、頁1145−1150を参照されたい。この
論文な理想光フアイバ中でのソリトンの性質、高
次分散および損失のソリトンに対する効果ならび
に設計例および評価法について詳細に述べてい
る。 Recently, A. Hasegawa and Y. Kodama proposed the use of soliton pulses in high data rate single mode fiber telecommunications systems. Regarding this, see Proceedings of the IEEE, Volume 69, No. 9,
See September 1981, pp. 1145-1150. This paper describes in detail the properties of solitons in ideal optical fibers, the effects of higher-order dispersion and loss on solitons, and design examples and evaluation methods.
この提案されている遠隔通信システムは高いデ
ータ伝送速度を達成するために自己閉じ込む効果
を使用している。しかし彼らはパルス再生の問題
ならびに前述した従来の再生法に固有な問題点に
ついては何らふれていない。 The proposed telecommunications system uses self-confining effects to achieve high data transmission rates. However, they do not address the problem of pulse regeneration or the problems inherent in the conventional regeneration methods mentioned above.
発明の概要
本発明に従う光フアイバ遠隔通信装置はソリト
ン・パルスを伝送することの出来る単一モードの
光フアイバと、該フアイバ中を伝播するソリト
ン・パルスを増幅するべくフアイバに沿う中間位
置に各々配置された1つまたはそれ以上の非電子
的増幅器を含んでいる。ここで非電子的増幅器と
は、信号が増幅過程全体を通して光パルスの形態
を保存したまま光パルス信号を増幅するようつく
られた増幅器と定義される。SUMMARY OF THE INVENTION A fiber optic telecommunications device in accordance with the present invention includes a single mode optical fiber capable of transmitting soliton pulses, each positioned at an intermediate location along the fiber to amplify the soliton pulses propagating through the fiber. one or more non-electronic amplifiers. A non-electronic amplifier is defined herein as an amplifier constructed to amplify a light pulse signal while the signal preserves the form of the light pulse throughout the amplification process.
適当な増幅器の例としてガラス・レーザ、即ち
適当なイオン(即ちhをプランクの定数、cを真
空中の光速とするとき、hc/λ0だけエネルギー
が隔つたエネルギー・レベルを有するイオン)で
ドープされ、エネルギー・レベルの集団反転を生
じさせる電磁放射によつてポンピングされたガラ
ス媒質(典型例ではフアイバ)がある。他の増幅
手段の例としてはラーマン(Raman)増幅器、
例えばλ0ポンピング放射の「ストークス」
(Stokes)波長帯内にあるガラス媒質(典型例で
はフアイバ)がある。これに関しては例えばエ
ス・イー・ミラー(S.E.Miller)およびエー・ジ
ー・チノウエス(A.G.Chynoweth)編の本「オ
プテイカル フアイバ テレコミユニケーシヨン
ズ」(Optical Fiber Telecommunications)ア
カデミツクス・プレス(Academic Press)1979
年、頁127−132を参照されたい。更に他の増幅手
段の例として、λ0に等しい波長を有し、ソリトン
と同相で、パルス振幅より小さい振幅を有する連
続波(CW)を注入し、それによつてパルスと
CWの間の非線形相互作用によつてパルス振幅を
増大させる増幅手段がある。更に他の増幅手段の
例として増幅媒体として作用する半導体レーザが
ある。 An example of a suitable amplifier is a glass laser doped with suitable ions (i.e. ions with energy levels separated by hc/λ 0 , where h is Planck's constant and c is the speed of light in vacuum). There is a glass medium (typically a fiber) pumped by electromagnetic radiation that causes a collective reversal of energy levels. Examples of other amplification means include Raman amplifiers;
For example, the "Stokes" of λ 0 pumping radiation
There is a glass medium (typically a fiber) within the (Stokes) wavelength range. See, for example, the book "Optical Fiber Telecommunications" edited by SEMiller and AGChynoweth, Academic Press, 1979.
, pp. 127-132. An example of yet another amplification means is to inject a continuous wave (CW) with a wavelength equal to λ 0 , in phase with the soliton, and with an amplitude less than the pulse amplitude, thereby
There are amplification means to increase the pulse amplitude by non-linear interaction between the CWs. Another example of amplification means is a semiconductor laser that acts as an amplification medium.
前述の増幅器の例は非電子的増幅器の例であ
る。これら増幅器に共有の性質はパルスの位相の
保存を許容することにある。 The amplifier examples described above are examples of non-electronic amplifiers. A property shared by these amplifiers is that they allow preservation of the phase of the pulse.
ソリトン・パルスは「増幅」の時点、即ちエネ
ルギーがパルスに転写される(これに関しては前
出のハセガワおよびコダマの論文を参照された
い)ときにその最終的(即ち漸近的)形状および
パルスの高さを達成するのではなく、パルスは増
幅を受けた後にフアイバ中を通つて伝播して行く
間にパルス幅と振幅の変化を受け、以下で規定す
るオーダの距離LNLを伝播した後その最終形状と
振幅を達成することが理解されよう。 The soliton pulse changes its final (i.e., asymptotic) shape and pulse height at the point of "amplification", that is, when the energy is transferred to the pulse (see Hasegawa and Kodama, cited above). Rather than achieving a constant value, the pulse undergoes changes in pulse width and amplitude as it propagates through the fiber after being amplified, and after propagating a distance L NL of the order of magnitude specified below, its final It will be appreciated that the shape and amplitude are achieved.
初期パルス電力およびパルス幅ならびに増幅器
の間隔および増幅率は、前述の変化によりパルス
が狭くなり、かつ振幅が増大するように選ぶと有
利である。 The initial pulse power and pulse width as well as the amplifier spacing and amplification factor are advantageously chosen such that the aforementioned changes result in a narrower pulse and an increased amplitude.
以下付図を参照して本発明の実施例について述
べる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
実施例の説明
ハセガワおよびコダマ(前掲書P.1147)によつ
て示されたように、ソリトン・パルスの平衡ピー
ク電界φ0、即ち無損失理想フアイバ中において
そのパルス波形を無限に保持する信号のピーク電
界は次式で与えられる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As shown by Hasegawa and Kodama (ibid., p. 1147), the equilibrium peak electric field φ 0 of a soliton pulse, i.e., a signal that maintains its pulse shape indefinitely in a lossless ideal fiber, is The peak electric field is given by the following equation.
φ0=√2(−λ2∂2n/∂λ2)/ω0t0√n2 1/2 (1)
この式でλは自由空間における搬送波の波長、
nはフアイバの屈折率、ω0は搬送波の角周波数、
t0は半値パルス幅、n2はフアイバの非線形屈折率
である。式(1)は平衡ピーク電力P0を規定するの
に使用することが出来る。 φ 0 =√2(−λ 2 ∂ 2 n/∂λ 2 )/ω 0 t 0 √n 2 1/2 (1) In this equation, λ is the wavelength of the carrier wave in free space,
n is the refractive index of the fiber, ω 0 is the angular frequency of the carrier wave,
t 0 is the half-maximum pulse width and n 2 is the nonlinear refractive index of the fiber. Equation (1) can be used to define the equilibrium peak power P 0 .
P0=(1/2)vgφ0 2ε0sn2 (2)
この式でvgは群速度c/n(cは光速)であり、
ε0は真空の誘電率、Sはフアイバの断面積、nは
フアイバの屈折率である。 P 0 = (1/2) v g φ 0 2 ε 0 sn 2 (2) In this equation, v g is the group velocity c/n (c is the speed of light),
ε 0 is the permittivity of vacuum, S is the cross-sectional area of the fiber, and n is the refractive index of the fiber.
ハセガワおよびコダマによつて示されたよう
に、1ソリトン・パルスは1/4P0と9/4P0の間の
ピーク電力に対して存在することが出来る。P0
と9/4P0の間のピーク電力を有するソリトンは伝
送期間中にパルスが狭くなり、1/4P0とP0の間の
ピーク電力を有するソリトンは伝送期間中にパル
スが広ろがる。前出の著者らはまたソリトン・パ
ルスの発生に必要な要件ならびに単一モード・フ
アイバソリトン伝送システムの設計条件について
明らかにしているが、ここではこれら要件および
条件については繰返さない。複数個のソリトン・
パルスは9/4P0を越すピーク電力を有している。
本発明において複数個のソリトン・パルスを使用
することも可能であるが、望ましくはない。 As shown by Hasegawa and Kodama, one soliton pulse can exist for peak powers between 1/4P 0 and 9/4P 0 . P 0
Solitons with a peak power between and 9/4P 0 have a narrow pulse during the transmission period, and solitons with a peak power between 1/4P 0 and P 0 have a wide pulse during the transmission period. The aforementioned authors have also identified the requirements necessary for the generation of soliton pulses and the design conditions for a single mode fiber soliton transmission system, and these requirements and conditions will not be repeated here. Multiple solitons
The pulse has a peak power greater than 9/4P 0 .
Although it is possible to use multiple soliton pulses in the present invention, it is not desirable.
ここはパルス再生とパルス増幅を区別する方が
便利である。「再生」とは少くともパルスの振幅
が増大され、パルス幅が減少される過程を意味す
るものとする。この再生は典型例では通常中継器
と呼ばれる装置で実行され、信号を担う実体が光
子から例えば電子に、そして再び電子から光子に
変化することを含んでいる。 Here it is more convenient to distinguish between pulse regeneration and pulse amplification. "Regeneration" shall mean at least a process in which the amplitude of the pulse is increased and the pulse width is decreased. This regeneration is typically performed in a device commonly called a repeater and involves changing the entity carrying the signal from a photon to, for example, an electron and then back again from an electron to a photon.
これに対し「増幅」はパルスの振幅が実質的に
変化される過程を意味し、パルスの幅、即ち形状
を変化させる手段は設けられていない場合を言
う。ここで言う振幅の変化とは増加を指す。増幅
過程の少くとも1部分は典型例ではここでは増幅
器と呼ぶ装置により実行される。 On the other hand, "amplification" refers to a process in which the amplitude of a pulse is substantially changed, and refers to the case where no means for changing the width or shape of the pulse is provided. A change in amplitude here refers to an increase. At least a portion of the amplification process is typically performed by a device referred to herein as an amplifier.
本発明を実現するに当り、増幅器に加えて例え
は大きなケル(Kerr)係数を有する物質より成
るフアイバのセクシヨンよりなる付加的な非電子
的パルス整形手段を用いることも考えられる。 In implementing the invention, it is also conceivable to use, in addition to the amplifier, additional non-electronic pulse shaping means, for example a section of fiber made of a material with a large Kerr coefficient.
パルスの広ろがりによりソリトン・パルスを劣
化させる唯一の要因はフアイバの損失であり、損
失および色分散(高次の分散を含む)はソリト
ン・パルスの基本形状を実質的には変化させない
から、本質的でないパルス整形手段を設けること
なく、ソリトン・パルスの非電子的増幅手段を提
供することによりパルス幅保存チヤネルを得るこ
とが可能である。換言すると、ソリトン・パルス
の非電子的増幅は、従来必要とされていた複雑な
パルス再生の役目を果すことになる。 Since the only factor that degrades a soliton pulse due to pulse broadening is fiber loss, losses and chromatic dispersion (including higher order dispersion) do not substantially change the basic shape of the soliton pulse. It is possible to obtain a pulse width preserving channel by providing non-electronic amplification means for the soliton pulse without providing extraneous pulse shaping means. In other words, non-electronic amplification of soliton pulses will serve as the complex pulse regeneration that was previously required.
第1図は本発明を具現する一般化されたフアイ
バ遠隔通信システムの概略図である。パルス発生
手段(電磁放射のパルス源)10により放射され
た電磁放射パルスは結合手段11により単一モー
ド・フアイバ12に結合される。パルスの発生は
入力信号15により制御される。いかなる実際の
フアイバもそこを通して伝送されるパルスを減衰
させるので、非電子的増幅器13に到来するパル
スの振幅もフアイバの入力ロケーシヨンに結合さ
れたときに比べると小さくなつている。増幅器1
3で増幅されたのち、パルスはフアイバを通して
更に伝送され、更なる増幅器13で周期的に再増
幅され、最終的にパルスは伝送チヤネルの出力ロ
ケーシヨンに達し、検出手段14により検出され
る。パルスの再整形は典型例では伝送期間中に行
なわれる。信号16は検出手段から抽出される。
この信号16は信号15が担つていた情報を含ん
でいる。 FIG. 1 is a schematic diagram of a generalized fiber telecommunications system embodying the present invention. The electromagnetic radiation pulses emitted by the pulse generating means (pulse source of electromagnetic radiation) 10 are coupled into the single mode fiber 12 by the coupling means 11 . The generation of pulses is controlled by input signal 15. Since any real fiber attenuates the pulses transmitted therethrough, the amplitude of the pulses arriving at non-electronic amplifier 13 is also reduced compared to when coupled to the input location of the fiber. amplifier 1
After being amplified at 3, the pulses are transmitted further through the fiber and periodically re-amplified by further amplifiers 13, and finally the pulses reach the output location of the transmission channel and are detected by detection means 14. Pulse reshaping typically occurs during transmission. A signal 16 is extracted from the detection means.
This signal 16 contains the information carried by signal 15.
ソリトン・パルスが存在するための要件は搬送
波の波長がフアイバの異常分散領域中に存在する
ことである。ここで「搬送波の波長」とはパル
ス・スペクトラムの中心波長を意味する。硅素を
ベースとするフアイバの場合、この条件は搬送波
の波長が約1.27μm以上でなければならないこと
を意味する。本発明に従うシステムの動作に有利
な波長は1.5μmの近傍である。何故ならば硅素を
ベースとするフアイバは典型例ではこの波長領域
で最小の損失(フアイバの損失は0.2db/Km程度
に低くなる)を有しているからである。 The requirement for the existence of a soliton pulse is that the wavelength of the carrier wave lies within the anomalous dispersion region of the fiber. Here, "carrier wavelength" means the center wavelength of the pulse spectrum. For silicon-based fibers, this condition means that the wavelength of the carrier wave must be approximately 1.27 μm or greater. An advantageous wavelength for operation of the system according to the invention is in the vicinity of 1.5 μm. This is because silicon-based fibers typically have minimal loss in this wavelength range (fiber losses can be as low as 0.2 db/Km).
適当な波長と強度を有する任意のコヒーレント
電磁放射源を使用することが出来る。例えば放射
源として適当な半導体レーザやガス・レーザを使
用することが出来る。パルス状放射をフアイバ中
に結合する手段はまた当業者にあつては周知であ
り、ここでは述べない。同様に信号パルスを検出
する手段も当業者にあつては周知であり、ここで
は議論しない。 Any coherent electromagnetic radiation source of suitable wavelength and intensity can be used. For example, suitable semiconductor lasers or gas lasers can be used as radiation sources. Means of coupling pulsed radiation into fibers are also well known to those skilled in the art and will not be described here. Similarly, means for detecting signal pulses are well known to those skilled in the art and will not be discussed here.
増幅器手段としてはドープされたガラス・レー
ザ、ラーマン・レーザ・半導体レーザおよび以下
で詳述する連続波(CW)注入を使用する増幅器
などが考えられる。 Possible amplifier means include doped glass lasers, Raman lasers, semiconductor lasers, and amplifiers using continuous wave (CW) injection as detailed below.
第2図は元来各々が約14ピコ秒のパルス幅を有
し、約57ピコ秒離れた2つのパルスが、断面積
20μm2なる硅素をベースとする単一モード・フア
イバを通つて伝播した場合のパルス形状を時間的
な順序をおつて計算した結果を示すものである。
このパルスは1.5μmの搬送波波長を有し、フアイ
バはこの波長の周波数において0.2db/Kmの損失
を有するものと仮定している。更にパルスは1.26
×106V/mの入力電圧を有し、仮定の条件の下
における平衡ピーク電力P0は105mWであるもの
とする。曲線20はソリトンに対する計算で求め
られたパルス波形である。即ちここではn2=1.2
×10-22(m/V)2なる非線形屈折率が計算に使用
された。第2図から分るように、増幅が行なわれ
ないと、ソリトン・パルスは大幅に広ろがり、
22.5Km後にはパルスは実質的に合体してしまう。
曲線21は曲線20のパルスと同じ初期振幅と幅
を有する2つの線形パルスに対する計算で求めら
れたパルス波形である。ここで「線形」とは屈折
率の非線形係数が0であることを意味する。図か
ら分かるように、約7.5Km後に線形パルスは極端
な変形を受けることになる。 Figure 2 shows that two pulses, each originally having a pulse width of about 14 picoseconds and separated by about 57 picoseconds, have a cross-sectional area
This figure shows the temporal order of the calculated pulse shape when propagating through a 20 μm 2 silicon-based single mode fiber.
This pulse has a carrier wavelength of 1.5 μm and the fiber is assumed to have a loss of 0.2 db/Km at this wavelength frequency. Furthermore, the pulse is 1.26
Assume that the input voltage is ×10 6 V/m and the equilibrium peak power P 0 under assumed conditions is 105 mW. A curve 20 is a calculated pulse waveform for a soliton. That is, here n 2 = 1.2
A nonlinear refractive index of ×10 −22 (m/V) 2 was used in the calculations. As can be seen in Figure 2, without amplification, the soliton pulse broadens significantly;
After 22.5 km, the pulses essentially merge.
Curve 21 is the calculated pulse waveform for two linear pulses having the same initial amplitude and width as the pulses of curve 20. Here, "linear" means that the nonlinear coefficient of refractive index is 0. As can be seen, the linear pulse undergoes extreme deformation after about 7.5 Km.
第3図は2つの周期的に増幅されたソリトンに
対する計算により求めたパルス波形を示す。フア
イバの性質は第2図の場合と同一であるものと仮
定しており、また同一の初期パルス波形および振
幅が使用されている。9.4Km、18.8Kmおよび28.2Km
後に1.9dbの増幅が行なわれるものと仮定してい
る。図から分かるように、これらの条件の下では
ソリトン・パルスは実質的にその形状および他の
属性を保持している。 FIG. 3 shows the calculated pulse waveforms for two periodically amplified solitons. The fiber properties are assumed to be the same as in FIG. 2, and the same initial pulse waveforms and amplitudes are used. 9.4Km, 18.8Km and 28.2Km
It is assumed that 1.9 db amplification is performed afterwards. As can be seen, under these conditions the soliton pulse substantially retains its shape and other attributes.
第4図は、第2図および第3図で仮定したと同
じ初期条件の2つのソリトンが先に仮定したと同
じ性質を有するフアイバを通して伝播し、かつ
CW注入を行つた場合のパルス波形を計算した図
である。CWはパルスの搬送波の波長と同じ波長
を有し、ソリトンと同相であり、初期ソリトンの
ピーク振幅の11%の振幅を有するものと仮定して
いる。注入は9.4Km、18.8Kmおよび28.2Kmのところ
で行なわれるものと仮定する。第4図から分るよ
うに、仮定した条件の下では、ソリトン・パルス
はまたその形状および他の属性を実質的に保持し
ている。 FIG. 4 shows that two solitons with the same initial conditions as assumed in FIGS. 2 and 3 propagate through a fiber with the same properties as previously assumed, and
FIG. 3 is a calculated diagram of a pulse waveform when CW injection is performed. The CW is assumed to have the same wavelength as the pulse carrier wavelength, to be in phase with the soliton, and to have an amplitude of 11% of the peak amplitude of the initial soliton. Assume that injections occur at 9.4 Km, 18.8 Km and 28.2 Km. As can be seen in FIG. 4, under the assumed conditions, the soliton pulse also substantially retains its shape and other attributes.
第5図および第6図は6.75Km毎に約1.3dbの増
幅を行つた場合における1080Kmおよび5940Kmのと
ころでのソリトン・パルス対を計算によつて求め
たものである。仮定したフアイバの特性は第2図
の場合と同一であり、入力ピーク電力は11.2m
W、最大値の1/2のところのパルス幅は約42ピコ
秒、パルス間隔は約170ピコ秒、搬送波波長は
1.5μmである。第5および6図の曲線50は入力
パルスを表わし、第5図の曲線51はフアイバを
1000Km以上通つた後のソリトンを表わし、第6図
の曲線60はフアイバを約6000Km通つた後の同じ
ソリトン対を示す。図から分かるように、パルス
の形状は仮定の条件の下では極めて良く保存され
ている。第6図で見られるパルス間隔の変化は2
つのソリトン間の相互干渉によるものである。 Figures 5 and 6 show the calculated soliton pulse pairs at 1080 km and 5940 km when amplification of about 1.3 db is performed every 6.75 km. The assumed fiber characteristics are the same as in Figure 2, and the input peak power is 11.2m.
W, the pulse width at 1/2 of the maximum value is about 42 picoseconds, the pulse interval is about 170 picoseconds, and the carrier wavelength is
It is 1.5 μm. Curve 50 in Figures 5 and 6 represents the input pulse, and curve 51 in Figure 5 represents the fiber.
Curve 60 in FIG. 6 represents the same soliton pair after passing about 6000 km through the fiber. As can be seen, the shape of the pulse is very well preserved under the hypothesized conditions. The change in pulse interval seen in Figure 6 is 2
This is due to mutual interference between two solitons.
ハセガワおよびコダマ(前掲書P.1147)が述べ
ているように、平衡ピーク電力以外の初期ピーク
電力を有するパルスは伝播によりパルス幅および
振幅が変化することになる。例えばその包絡線が
aq0 sech(q0τ)(但し1/2a3/2)で与えられ
る入力パルスはa∽q0 sech(a∽q0τ)(但しa∽=
(1+2α)、a=1+α、1α1<1/2)で与えられ
る包絡線を有する1つのソリトン・パルス(減衰
のない場合)を漸近的に与える。従つて、a=3/
2の場合1つのソリトン・パルスの最大可能な振
幅はa∽=2となり、漸近ソリトンのピーク電力
は入力パルスのピーク電力の約4倍となり、漸近
幅は初期パルス幅の約1/2に減少する。同様に、
ソリトン・パルスがa(a>1)倍されると、フ
アイバの振幅が無い場合、結果として得られる漸
近ソリトンの振幅は元のソリトン・パルスの約
(2a−1)倍となり、幅は元のパルス幅の約(2a
−1)-1倍に減少する。 As stated by Hasegawa and Kodama (ibid., p. 1147), a pulse having an initial peak power other than the equilibrium peak power will undergo a change in pulse width and amplitude as it propagates. For example, the envelope
The input pulse given by aq 0 sech (q 0 τ) (where 1/2a3/2) is a∽q 0 sech (a∽q 0 τ) (where a∽=
Asymptotically give one soliton pulse (in the undamped case) with an envelope given by (1+2α), a=1+α, 1α1<1/2). Therefore, a=3/
2, the maximum possible amplitude of one soliton pulse is a∽=2, the peak power of the asymptotic soliton is about 4 times the peak power of the input pulse, and the asymptotic width is reduced to about 1/2 of the initial pulse width. do. Similarly,
When the soliton pulse is multiplied by a (a > 1), in the absence of fiber amplitude, the resulting asymptotic soliton has an amplitude approximately (2a - 1) times the original soliton pulse, and a width of the original soliton. Approximately (2a) of pulse width
-1) Decrease by -1 times.
パルス波形がその漸近的な1つのソリトンに落
ち着く前にその形状は振動し、パルスはエネルギ
ーを幾分失うことに注意されたい。硅素をベース
とするフアイバの場合、振動周期LNL(メートル)
はほぼ次式で与えられている。 Note that before the pulse waveform settles into its asymptotic single soliton, its shape oscillates and the pulse loses some energy. For silicon-based fibers, the vibration period L NL (meters)
is approximately given by the following formula.
LNL(m)=5.3λ(μm)S(μm2)/P(W)
ここでP(W)はパルスのピーク電力(watt)、
λ(μm)はμmで表わした搬送波の波長、Sは
フアイバ・コアのコア断面積を(μm)2で表わし
たものである。 L NL (m) = 5.3λ (μm) S (μm 2 ) / P (W) where P (W) is the peak power of the pulse (watt),
λ (μm) is the wavelength of the carrier wave in μm and S is the core cross-sectional area of the fiber core in (μm) 2 .
ソリトン・パルスを増幅する手段としてソリト
ン搬送波と同じ波長および実質的に同じ位相を有
するCWをフアイバ中に注入する手段が使用でき
る。この注入を用いるとより狭い幅とより大きな
振幅を有するソリトン・パルスが得られる。パル
スの増幅に使用されないCWの部分は、適当な位
置に設けられた後続の増幅点において更にCWを
注入するとCWの破壊相互作用が生じ、除去され
る。 Injecting a CW into the fiber having the same wavelength and substantially the same phase as the soliton carrier can be used as a means to amplify the soliton pulses. Using this injection, soliton pulses with narrower width and larger amplitude are obtained. The portion of the CW that is not used for pulse amplification is removed by further injection of CW at a subsequent amplification point located at an appropriate location, resulting in destructive interaction of the CW.
解析の結果によると搬送波とCWの波長および
位相が等しいソリトンの振幅はCWの振幅の約π
倍だけ増加し、幅も同じ量だけ減少することが示
される。このようにして、減衰によつてソリトン
の振幅が約1/πE0に減少したとき振幅E0なる
CWをフアイバ中に注入するならば、元のソリト
ン構造が復元されることになる。 According to the analysis results, the amplitude of a soliton whose carrier wave and CW have the same wavelength and phase is approximately π of the CW amplitude.
It is shown that the width increases by a factor of 1 and the width decreases by the same amount. In this way, when the amplitude of the soliton decreases to about 1/πE 0 due to damping, the amplitude E 0 becomes
If CW is injected into the fiber, the original soliton structure will be restored.
使用されないCWの望ましくない累積は、相続
いて注入されたCWに破壊的相互作用を及ぼすと
同時に、ソリトン搬送波には常に建設的相互作用
を及ぼすように注入点の間隔を定めることにより
回避することが出来る。このような間隔を選ぶこ
とは常に可能である。何故ならばソリトンの位相
は伝播している間に連続的にシフトするのに対
し、CWは一定位相に留るからである。ハセガワ
およびコダマ(前出)は伝播距離の関数としてソ
リトン位相を決定する式を与えたが、適当なCW
の注入点はこの式を使用することにより決定でき
る。ソリトンの初期位相がτ0であると、CWの注
入はmを正の整数として、位相が
τ(T)=2π/m+τ0
となるような伝播距離Tのところで行えばよい。 The undesired accumulation of unused CWs can be avoided by spacing the injection points so that they always have a constructive interaction with the soliton carrier while at the same time having a destructive interaction with successively injected CWs. I can do it. It is always possible to choose such an interval. This is because the phase of a soliton shifts continuously during propagation, whereas the phase of a CW remains constant. Hasegawa and Kodama (ibid.) gave a formula for determining the soliton phase as a function of propagation distance, but with a suitable CW
The injection point of can be determined by using this formula. If the initial phase of the soliton is τ 0 , the CW injection may be performed at a propagation distance T such that the phase is τ(T)=2π/m+τ 0 , where m is a positive integer.
第2図に関連して述べたと同じパラメータを用
いるCWの繰返し注入による増幅の例として、元
のソリトンが約14ピコ秒の幅を有し、約105mW
の平衡ピーク電力を与える場合、9.4Km毎に振幅
1.8×105V/mのCWを注入することによりソリ
トン・パルスを実質的に不変に保持することが可
能である。 As an example of amplification by repeated injections of CW using the same parameters described in connection with Figure 2, the original soliton has a width of about 14 ps and a power of about 105 mW.
When giving a balanced peak power of , the amplitude every 9.4Km
It is possible to keep the soliton pulse virtually unchanged by injecting a CW of 1.8×10 5 V/m.
単一モード光フアイバ 12 非電子的増幅器 13Single mode optical fiber 12 Non-electronic amplifier 13
第1図は本発明を具現した遠隔通信システムの
例を示す図、第2図は増幅を行なわない場合の1
対のソリトン・パルスと、1対の線形パルスに対
する計算によつて求めたパルス波形を示す図、第
3図は周期的に増幅した1対のソリトン・パルス
に対する計算によつて求めたパルス波形を示す
図、第4図は周期的な連続波(CW)注入を行つ
た1対のソリトン・パルスならびに連続波
(CW)注入を行なわない場合のソリトン・パル
ス対に対する計算によつて求めたパルス波形を示
す図、第5および6図は夫々約1000Kmおよび約
6000Kmのフアイバを通して伝播した周期的に増幅
されたソリトン・パルス対に対する計算により求
めたパルス波形を示す図である。
〔主要部分の符号の説明〕特許請求の範囲
符号
Fig. 1 is a diagram showing an example of a remote communication system embodying the present invention, and Fig. 2 is a diagram showing an example of a remote communication system in which no amplification is performed.
Figure 3 shows the pulse waveform calculated for a pair of soliton pulses and a pair of linear pulses. Figure 3 shows the pulse waveform calculated for a pair of periodically amplified soliton pulses. Figure 4 shows the calculated pulse waveforms for a pair of soliton pulses with periodic continuous wave (CW) injection and a pair of soliton pulses without continuous wave (CW) injection. Figures 5 and 6 show distances of approximately 1000 km and approximately 1,000 km, respectively.
FIG. 3 shows the calculated pulse waveform for a pair of periodically amplified soliton pulses propagated through a 6000 Km fiber. [Explanation of codes of main parts] Claim codes
Claims (1)
0、 (b) 入力ロケーシヨンおよび入力ロケーシヨンか
ら離間した出力ロケーシヨンを有するフアイバ
伝送チヤンネルであつて、波長λ0の放射に対し
て単一モードフアイバで有り、かつ与えられた
波長領域で異常分散を有する光フアイバからな
るフアイバ伝送チヤンネル12、 (c) 入力ロケーシヨンで1つ以上の該パルスを該
チヤンネルに結合するための手段11およびチ
ヤンネルを通して入力ロケーシヨンから出力ロ
ケーシヨンまで伝送されるパルスを出力ロケー
シヨンで検出するための手段14であつて、チ
ヤンネルにおける与えられた位置でのパルス波
形がピークパワーおよびパルス幅で規定される
ものであり、該単一モードフアイバが波長λ0で
損失を有し、その損失によりパルスのピークパ
ワーが入力ロケーシヨンからの距離の増大とと
もに減少するような手段、および (d) 入力ロケーシヨンと出力ロケーシヨンの中間
に位置し、パルスのピークパワーを増加するた
めの少なくとも1つの非電子的増幅器13であ
つて、信号が増幅過程を通して光パルスの形態
を保持したまま光パルス信号を増幅するよう作
られた非電子的増幅器を含む光フアイバ遠隔通
信装置において、 (e) λ0は光フアイバの異常分散波長領域にあり、 (f) 該パルスは、そのパルス幅が非電子的増幅器
における増幅の結果として減少するような性質
を有するものであり、これにより近接パルスの
合併を実質的に予防することができる、 ことを特徴とする光フアイバ遠隔通信装置。 2 特許請求の範囲第1項に記載の装置におい
て、 該パルスがフアイバ伝送チヤンネルの少なくと
も一部においてソリトンパルスで有ることを特徴
とする光フアイバ遠隔通信装置。 3 特許請求の範囲第1項に記載の装置におい
て、 非電子的増幅器が「ポンプ」放射と呼ばれる実
質的に連続的な波形の電磁放射を単一モード光フ
アイバに注入するための手段を含むことを特徴と
する光フアイバ遠隔通信装置。 4 特許請求の範囲第3項に記載の装置におい
て、 非電子的増幅器のおのおのがガラスフアイバ増
幅器を含むことを特徴とする光フアイバ遠隔通信
装置。 5 特許請求の範囲第4項に記載の装置におい
て、 ガラスフアイバ増幅器が、hをプランク定数、
cを真空中の光速度とするとき、h・c/λ0に実
質的に等しいエネルギーによつて分離されたエネ
ルギーレベルを有するイオンでドープされたフア
イバからなることを特徴とする光フアイバ遠隔通
信装置。 6 特許請求の範囲第3項、第4項又は第5項に
記載の装置において、 ポンプ放射の波長はλ0よりは短いことを特徴と
する光フアイバ遠隔通信装置。 7 特許請求の範囲第1項に記載の装置におい
て、 λ0は少なくとも1.5μmであることを特徴とする
光フアイバ遠隔通信装置。[Claims] 1 (a) Pulse source 1 of electromagnetic radiation with carrier wavelength λ 0
(b) a fiber transmission channel having an input location and an output location spaced from the input location, the fiber being a single mode fiber for radiation of wavelength λ 0 and having anomalous dispersion in a given wavelength range; a fiber transmission channel 12 consisting of an optical fiber, (c) means 11 for coupling one or more said pulses to said channel at an input location and detecting at an output location the pulses transmitted through the channel from the input location to the output location; 14, wherein the pulse shape at a given position in the channel is defined by a peak power and a pulse width, and the single mode fiber has a loss at wavelength λ 0 and the loss means such that the peak power of the pulse decreases with increasing distance from the input location; and (d) at least one non-electronic amplifier located intermediate the input and output locations for increasing the peak power of the pulse. 13, in a fiber optic telecommunication system including a non-electronic amplifier designed to amplify a light pulse signal while the signal retains the form of a light pulse throughout the amplification process, (e) λ 0 is the length of the optical fiber. (f) the pulse is of such a nature that its pulse width is reduced as a result of amplification in a non-electronic amplifier, thereby substantially preventing merging of adjacent pulses; A fiber optic telecommunications device characterized in that: 2. A fiber optic telecommunications device according to claim 1, characterized in that the pulses are soliton pulses in at least a portion of the fiber transmission channel. 3. The apparatus of claim 1, wherein the non-electronic amplifier includes means for injecting a substantially continuous waveform of electromagnetic radiation, referred to as "pump" radiation, into the single mode optical fiber. A fiber optic remote communication device characterized by: 4. The apparatus of claim 3, wherein each of the non-electronic amplifiers comprises a glass fiber amplifier. 5. The device according to claim 4, wherein the glass fiber amplifier has h as Planck's constant,
Optical fiber telecommunications characterized in that it consists of fibers doped with ions having energy levels separated by energies substantially equal to h·c/λ 0 , where c is the speed of light in vacuum. Device. 6. A fiber optic telecommunications device according to claim 3, 4 or 5, characterized in that the wavelength of the pump radiation is shorter than λ 0 . 7. A fiber optic telecommunications device according to claim 1, characterized in that λ 0 is at least 1.5 μm.
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