JP4008484B2 - 光位相共役を用いた光ファイバ通信システム - Google Patents

Description

本発明は、光位相共役を用いた光ファイバ通信システムに関する。

非線形光学を適用することにより、従来の光技術では得られなかった新しい機能の達成や特性の改善が可能となる。特に、光位相共役を用いると、伝送路内での位相ゆらぎや波長分散の補償が可能となる。

従来の光通信システムは、線型の光学特性を有する光コンポーネントを用いて構築されており、シンプルではあるが、特性や機能に制限がある。最近の光通信システムの分野においては、数百ｋｍから数千ｋｍにも及ぶ無中継システム或いは光増幅中継システムが実現されつつあり、しかもその伝送速度は数Ｇｂ／ｓから１０Ｇｂ／ｓ以上にも及ぶ高速なものである。

こうしたシステムにおいては、多くの解決すべき問題があるが、その中でもファイバの波長分散の影響は最も重大で且つ深刻な問題の１つである。上述のシステムでは、波長分散等による影響を受け伝送特性が劣化し、ひいては伝送速度や伝送距離に制限を受ける。

波長分散に対する従来の対策は、第１にファイバの分散自体をできるだけ小さくすることに中心があった。その結果、伝送用中心波長である１．３μｍ，１．５５μｍで分散が０になるファイバが実現されている。

また、波長分散の影響を受けにくい光変調器の検討も進んでおり、ＬｉＮｂＯ₃ を用いた変調器等が開発されている。

更に、送信信号光に予め逆のチャーピングを与えておき、伝送路の波長分散により補償する方法や、受信機において光学的或いは電気的に分散補償を行う研究が進んでいる。

このように、波長分散に対する対策については、問題の深刻さを反映してか、送信機、伝送路、受信機のすべてにおいて研究が進められている。

信号光が強度変調或いは振幅変調されてなる光パルス（複数の光パルスからなるパルス列を含む）である場合、波長分散以外の原因によってパルス波形が歪むことがある。このような例としては、
（１）波長分散と光カー効果の相乗効果による波形歪み、
（２）光増幅多中継伝送における光アンプのＡＳＥ（Amplified Spontaneous
Emisson)雑音の累積によるランダムな位相揺らぎによる波形歪み、
等が顕著なものとして考えられる。本発明は、これらのうち特に（１）の波形歪みに対処するためのものである。

今、光パルスが分散媒質中を伝搬する場合を考える。チャープしていないパルスが分散媒質を透過する際、正常分散媒質（∂² β／∂ω² ＞０）の場合には、パルスの立ち上がりにおいて低周波側にシフトし、立ち下がりにおいて高周波側にシフトする。

一方、異常分散媒質（∂² β／∂ω² ＜０）の場合には、パルスの立ち上がりにおいて高周波側にシフトし、立ち下がりにおいて低周波側にシフトする。ここで、βは伝搬定数、ωは光の角周波数を表す。

そして、正常分散媒質においては波長が長いほど群速度が速く、異常分散媒質においては波長が短いほど群速度が速いため、いずれの場合にもパルス幅は広がることになる。

一方、光の強度が大きい場合には、光カー効果によって屈折率が

だけ変化する。ここに、ｎ₂ は非線形屈折率と呼ばれる量であり、シリカファイバの場合にはその値は約３．２×１０^-20 ｍ² ／Ｗである。光パルスが非線形媒質中で光カー効果を受けると、

だけスペクトルが拡散（チャープ）する。ここにΔｚは相互作用長である。この現象は、一般に自己位相変調（Self-phase modulation:ＳＰＭ）と称される。
このＳＰＭにより光パルスの立ち上がりにおいては低周波側にシフトし、立ち下がりにおいては高周波側にシフトする。このＳＰＭによるチャーピングのために分散の影響がより顕著になり、その結果、パルスの歪みがより著しくなる。そのため、光パルスが分散媒質中で光カー効果を受けると、正常分散媒質の場合には、パルスが分散だけの場合よりもさらに拡散するが、異常分散媒質の場合にはパルス圧縮が起きる。

従って、上記の波長分散の効果を考え合わせると、正常分散媒質の場合には大きなパルス拡散が発生し、異常分散媒質の場合には波長分散によるパルス拡散とＳＰＭによるパルス圧縮のうち大きいほうの効果が表れる。これら２つの効果をバランスさせたものが光ソリトンである。

一般に異常分散媒質においてＳＰＭによるパルス圧縮を加えたほうが高い信号ＳＮを保持できて都合がよいように考えがちであるが、最近光アンプを用いて高いレベルの光パワーで伝送できるようになったことと、分散シフトファイバの開発により比較的小さな波長分散値が実現できるようになったことにより、一概にパルス圧縮を加えた方がよいともいえなくなってきた。

つまり、パルス圧縮効果が大きくなりすぎて大きな波形歪みが発生するのである。特に、ＮＲＺパルスの場合には、パルスの立ち上がり、立ち下がり部分において集中的にパルス圧縮が起こるため、急激な波形変化や、極端な場合には、立ち下がり部分が立ち上がり部分を追い抜き、パルスが３つに分裂するようなことも起こる。また、長距離光増幅多中継伝送の場合には、信号光を励起光として光アンプの自然放出光との間で４光波混合が生じ、その影響が甚大になるという問題もある。

よって、本発明の目的は、波長分散と光カー効果の相乗効果による波形歪みを抑えた光ファイバ通信システムを提供することにある。

本発明の他の目的は、本発明システムにおいて偏波変動にかかわらず最適な受信状態を維持することにある。

本発明の更に他の目的は、本発明システムにおける監視制御を最適化することにある。

本発明の別の目的は、本発明システムを波長分割多重（ＷＤＭ）に適合させることにある。

本発明によれば、波長多重信号光を伝送する第１の光ファイバと、該第１の光ファイバから供給された上記波長多重信号光を受け、該波長多重信号光に対応する波長多重位相共役光を発生する位相共役光発生器と、該位相共役光発生器から供給された上記波長多重位相共役光を受け、該波長多重位相共役光を伝送する第２の光ファイバと、上記第２の光ファイバから出力された波長多重位相共役光を複数の波長多重位相共役光に分岐する分岐手段と、上記分岐手段により分岐された上記各波長多重位相共役光から各チャネルに該当する波長の信号光を選択する複数の光学フィルタと、前記複数の光学フィルタにより選択されたチャネル毎の残留分散補償量に見合った分散補償量で個別に分散補償する複数の分散補償器とを備え、上記第１及び第２の光ファイバがそれぞれ同数に分割されたときに、各分割区間のうち上記位相共役光発生器から順に数えたときに対応する区間の波長分散の平均値は同符号で且つ各分割区間の長さにほぼ反比例する値に設定されると共に、各分割区間における光周波数、信号光強度及び非線形屈折率の積の平均値は各分割区間の長さにほぼ反比例するように設定される光ファイバ通信システムが提供される。

本発明によると、光ファイバ通信システムを上述のように構成したので、波長分散と光カー効果の相乗効果による波形歪みを補償することができるようになるという作用が生じる。尚、高速システムに適用するために、以下の説明では光ファイバがシングルモードファイバであるとする。

以下、本発明の実施形態を添付図面に沿って詳細に説明する。

図１は本発明の光ファイバ通信システムの基本構成を示す図である。送信機２は、伝送データに基づく変調を行って信号光を生成し、この信号光Ｅ_S は、プローブ光として第１の光ファイバＳＭＦ１（長さＬ₁ ，分散Ｄ₁ ，非線形屈折率ｎ₂₁）で伝送された後、全伝送路の途中にある位相共役光発生器（Phase conjugator：PC) ６に入力する。

位相共役光発生器６でポンプ光Ｅ₀ を用いて信号光Ｅｓは位相共役光Ｅ_C に変換され、これを第２の光ファイバＳＭＦ２（長さＬ₂ ，分散Ｄ₂ ，非線形屈折率ｎ₂₂）で受信機４まで伝送する。

受信機４では、位相共役光を受光器で受け、信号検出がなされる。信号検出は、例えば、位相共役光を帯域フィルタで抽出した後の光直接検波や光ヘテロダイン検波によってなされる。これにより、伝送データが再生される。

尚、ここで用いられる光ファイバは例えばシリカファイバであり、光通信において一般的に用いられている１．３μｍ零分散ファイバや１．５５μｍ分散シフトファイバ等がその代表例である。また、信号光は周波数の異なる複数の光源からの出力信号光の周波数多重信号光でもよい。

位相共役光発生器６は、２次又は３次の非線形光学媒質と、この媒質に信号光及びポンプ光を供給する手段とを有する。２次の非線形光学媒質が用いられている場合は、パラメトリック効果により、また、３次の非線形光学媒質が用いられている場合には、縮退型或いは非縮退型の四光波混合により位相共役光が発生する。

３次の非線形光学媒質としては例えばシリカ光ファイバを用いることができ、この場合、４光波混合におけるポンプ光の波長を上記ファイバの零分散波長にほぼ一致させておくことにより、良好な位相共役光の発生が可能になる。

図２は位相共役光発生器の例を示すブロック図である。この位相共役光発生器は、非線形光学媒質としての光ファイバ１２１と、ポンプ光源としてのレーザダイオード１２２と、信号光及びポンプ光を加え合わせて光ファイバ１２１に供給する光学手段としての光カプラ１２３とを備えている。

光ファイバ１２１は望ましくはシングルモードファイバである。この場合において、信号光の波長と励起光の波長をわずかに異ならせて非縮退型の四光波混合を生じさせるときには、光ファイバ１２１の零分散を与える波長がポンプ光の波長（レーザダイオード１２２の発振波長）に一致するようにしておく。

光カプラ１２３は、４つのポート１２３Ａ，１２３Ｂ，１２３Ｃ及び１２３Ｄを有している。ポート１２３Ａには図１の第１の光ファイバＳＭＦ１が接続され、ポート１２３Ｂにはレーザダイオード１２２が接続され、ポート１２３Ｃには光ファイバ１２１の第１端が接続され、ポート１２３Ｄはデッドエンドにされている。光ファイバ１２１の第２端は、図１の第２の光ファイバＳＭＦに接続される。

尚、本願明細書において「接続」という語は、動作的な接続を意味し、光学的に直接接続される場合を含み、更に、光フィルタや光アイソレータ等の光学要素を介して接続される場合や偏光状態を適当に調整した上で接続される場合を含む。

光カプラ１２３は、ポート１２３Ａ及び１２３Ｂに供給された光をポート１２３Ｃから出力するように機能し、この光カプラ１２３としては、例えば、ファイバ融着型のもの、ハーフミラー、光合波器、偏光ビームスプリッタ等が使用される。

この構成によると、光カプラ１２３のポート１２３Ａに供給された信号光とポート１２３Ｂに供給されたポンプ光とを加え合わせて非線形光学媒質である光ファイバ１２１に供給することができるので、四光波混合により信号光を位相共役光で変換することができる。

図３は位相共役光発生器の他の例を示すブロック図である。この位相共役光発生器は、図２の例と対比して、レーザダイオード１２２と光カプラ１２３のポート１２３Ｂとの間に偏光スクランブラ（偏波スクランブラ）１２４を設けている点で特徴付けられる。

一般に、シングルモードファイバの偏波モードには、偏波面が互いに直交する２つの偏波モードが存在し、各種の外乱の影響によりこれら２つの偏波モードが結合して、結果として、ファイバの第１端に供給される光の偏波状態はこのファイバの第２端から出力される光の偏波状態に一致しない。従って、伝送路としてシングルモードファイバが用いられている場合には、位相共役光発生器に供給される信号光の偏波状態は、環境変化等によって時間と共に変動する。

一方、位相共役光発生器における信号光から位相共役光への変換効率は、位相共役光発生器に供給される信号光の偏波状態とポンプ光の偏波状態との関係に依存する。

図３の例によると、レーザダイオード１２２からのポンプ光を偏光スクランブラ１２４を介して信号光と合流させるようにしているので、供給される信号光の偏波状態が時間と共に変動する場合であっても、各種光デバイスの安定動作を実現することができる。

偏光スクランブラ１２４は、１／２波長板及び１／４波長板の組み合わせやＬｉＮｂＯ₃ 位相変調器等を用いて通常通り構成され、例えば、レーザダイオード１２２から出力されるポンプ光がほぼ直線偏光である場合には、その偏波面を回転するように機能する。

図３に図示された例では、レーザダイオード１２２から出力されるポンプ光に対して偏光スクランブラ１２４を作用させているが、光カプラ１２３のポート１２３Ａと図１の第１の光ファイバＳＭＦ１との間あるいは送信機に偏光スクランブラを配置して信号光に対して偏光スクランブラが作用するようにしてもよい。

次に、本発明の原理を説明する。光ファイバ伝送における信号光Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）＝Ｆ（ｘ，ｙ）φ（ｚ，ｔ）ｅｘｐ〔ｉ（ωｔ−ｋｚ）〕の伝搬は、一般に以下の非線形波動方程式によって記述可能である。ここに、Ｆ（ｘ，ｙ）は横方向のモード分布、φ（ｚ，ｔ）は光の複素包絡線を表し、このφ（ｚ，ｔ）は光の周波数ωに比べて十分にゆっくり変化すると仮定する。

ここに、Ｔ＝ｔ−β₁ ｚ（β₁ は伝搬定数）、αはファイバの損失、β₂ はファイバの波長分散を表し、

は、ファイバ内の光カー効果の係数を表す。ここに、ｎ₂ とＡ_eff はそれぞれファイバの非線形屈折率と有効コア断面積を表す。ｃは真空中の光速である。ここでは１次分散までを考慮し、それより高次の分散は省略した。また、α，β₂ ，γはｚの関数であるとし、それぞれα（ｚ），β₂ （ｚ），γ（ｚ）と表されるものとする。さらに、位相共役光発生器の位置を原点（ｚ＝０）とする。ここで、以下の規格化関数を導入する。

ここに、

は、振幅を表し、α（ｚ）＞０の場合は伝送路が損失を持ち、α（ｚ）＜０の場合は利得を持つことをそれぞれ表す。Ａ（ｚ）≡Ａ（０）は損失無しの場合を表す。また、Ａ（ｚ）² ＝Ｐ（ｚ）は光パワーに相当する。（５），（６）式を（３）式に代入すると、次の発展方程式が得られる。

ここで以下の変換を行う。

その結果、（７）式は以下のように変換できる。

ここで、ｓｇｎ［β₂ ］≡±１は、β₂ ＞０，即ち正常分散の場合には＋１を、β₂ ＜０，即ち異常分散の場合には−１をそれぞれとる。（９）式が成り立てばその複素共役も成り立ち、次の式が得られる。

複素共役光ｕ* はｕに対する発展方程式と同じ発展方程式に従う。ただし、その際の伝搬方向は反転する。この動作はまさしく位相共役光発生器の動作である。透過型の位相共役光発生器においては上記のことはＧＶＤ（群速度分散）とＳＰＭによる位相シフトを反転させることと等価である。

ここで図４のシステムを考える。長距離伝送においては伝送路損失を光増幅中継して補償する。図１の光ファイバＳＭＦ１及びＳＭＦ２にそれぞれ対応する伝送路Ｉ（長さＬ₁ ）と伝送路ＩＩ（長さＬ₂ ）の間に位相共役光発生器を配置する。

規格化座標（ζ軸）において、位相共役光発生器は中点ζ＝０に置き、受信機はζ＝ζ₀ に置く。伝送路Ｉ内（−ζ₀ ＜ζ＜０）においては、ｕ（ζ）は発展方程式（９）に従う。位相共役光発生器によりｕ（０）は位相共役光ｕ* （０）に変換される。ｕ* （ζ）は伝送路ＩＩ内（０＜ζ＜ζ₀ ）を発展方程式（１０）に従って伝搬する。

このときζ軸上の位相共役光発生器の位置（ζ＝０）に関して対称な位置にある任意の２点−ζ，ζにおける規格化距離ｄζ内において、（９）式の右辺第一、二項の係数が等しくなるように各パラメータの値を設定すれば、−ζにおけるｕ* はζにおけるｕの位相共役光となる。即ち、次の２式が条件となる。

（１１）式は伝送路Ｉ，ＩＩの分散の符号が等しい必要性を示しており、これは分散補償の条件と一致する。ファイバ内では、γ＞０，Ａ（ｚ）² ＞０であることを考慮すると、上記条件は次のようにまとめることができる。

伝送路Ｉ内の（−ζ）におけるＧＶＤとＳＰＭによる位相シフトは位相共役光発生器により符号が反転する。従って、この位相シフトによる波形歪みは伝送路II内の（ζ）における位相シフトによる歪みにより補償される。このように小区間毎に上記のような設定による補償を繰り返していけば、全長に渡る補償が可能となる。

次に、上記の補償条件をｚ座標で記述する。（１３）式より、

を得る。即ち、各区間内での非線形定数と光パワーの積に対する波長分散の比を等しくすることが条件となる。ここで、−ｚ₁ ，ｚ₂ は次の式を満足させる２点である。

（１４），（１５）式より（１６），（１７）式が得られる。

ｄｚ₁ ，ｄｚ₂ はそれぞれ−ｚ₁ ，ｚ₂ における小区間の長さであり、各区間長は当該区間内の分散に反比例するかあるいは非線形定数と光パワーの積に反比例する。ここで、分散β₂ と分散パラメータＤの関係、Ｄ＝−（２πｃ／λ₂ ）β₂ を考慮すれば、（１６），（１７）式より以下の関係が得られる。Ｄはｚの関数であり、Ｄ（ｚ）とも表される。

分散及び非線形効果についていずれも位相共役光発生器に関して対称な二つの位置の一方における増加分と他方の減少分とが等しいことが補償の条件であることがわかる。

（１８），（１９）式は、補償のための必要条件であり、対応する各小区間での総分散量と光カー効果の総量が等しくなることを示している。ここで（４）式とＩ＝Ｐ／Ａ_eff が光強度を表すことを考慮すると、伝送路Ｉと伝送路ＩＩの各小区間の分散値、非線形屈折率及び光強度の積を区間の長さに反比例するように設定し、且つその比が等しくなるように設定すれば補償可能であることを示している。

特にα，Ｄ及びγが一定であり且つパワーの変動が小さい場合には（１８），（１９）式を積分すれば、

ここで、損失を補償するための利得を与える方法について考えてみる。第１には、伝送路として分布定数的な利得媒質を用いることが挙げられる。例えば、ラマン増幅器やＥｒ³⁺イオンを希薄にドープしたドープファイバ増幅器等が考えられる。

本発明では、光カー効果と分散値の比を制御するようにしている。位相共役光発生器に関して等価的に対称の位置において同じ値の光カー効果と分散の比を与えることにより、完全な補償を実現することができる。

伝送路に沿ってこの比を大きくするためには、分散を徐々に小さくしていくか、光カー効果を徐々に大きくしていけばよい。分散の値を変化させることは、ファイバの設計により可能である。例えば、分散シフトファイバ（ＤＳＦ）の零分散波長を変化させることや、ファイバのコアとクラッドの比屈折率差やコア径を変えることにより上述の比を変化させることができる。

一方、光カー効果を変化させることは、非線型屈折率を変化させたり光強度を変化させることにより可能となる。即ち、損失、非線形屈折率、モードフィールト径及び分散から選択される少なくとも一つのファイバパラメータを連続的に変化させることにより、本発明に適用可能な光ファイバを製造することができる。ここでは、光強度を変化させる方法について考える。

例えば、損失のある伝送路に沿って光強度を大きくするためには、損失がさほど変化しない範囲で有効コア断面積Ａ_eff を次第に小さくしていけばよい。例えば、モードフィールド径（ＭＦＤ）が半分になれば光強度は約４倍になる。

もっと大きな損失に対しては更にＭＦＤを小さくしなければならないが、あまりＭＦＤを小さくすると損失が増えてしまい効果が出ない。現実的なＭＦＤの最小値はせいぜい２〜３μｍというところである。

１．３μｍ零分散ＳＭＦのＭＦＤが約１０μｍ、１．５５μｍＤＳＦのＭＦＤが約８μｍであることを考慮すると、ＭＦＤだけで対応可能な損失はＳＭＦで約７ｄＢ、ＤＳＦでは約６ｄＢということになる。

更に大きな損失がある場合でも、コア径を小さくすることの効果と、分散の値を小さくすることの効果を組み合わせて本発明を実施すればよい。例えば、分散の値を半分にすることができれば更に３ｄＢの損失がある場合でも（１４）式を満足する分布を実現することができる。

図５は本発明の第１実施形態を示す図である。ここでは、位相共役光発生器６を挟んで各伝送路の対称な位置ｚ_1j，ｚ_2j（（１５）式で定義されている）にある微小区間１ｊ（長さΔｚ_1j），２ｊ（長さΔｚ₂j）の各パラメータを、

となるように設定する。Ｄ_1j，ω₁ ，ｎ_21j , 〈Ｉ_1j〉はそれぞれ区間１ｊにおける分散パラメータ、光周波数、非線形屈折率、平均強度であり、Ｄ_2j，ω₂ ，ｎ₂₂j , 〈Ｉ_2j〉はそれぞれ区間２ｊにおける分散パラメータ、光周波数、非線形屈折率、平均強度である。

具体的な例を説明する。今、光ファイバＳＭＦ１の分散がＤ₁ ＝−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍで一定であり、光ファイバＳＭＦ２の分散がＤ₂ ＝−０．３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍで一定であるとする。このとき、（２０）式より、Ｌ₁ ／Ｌ₂ ＝Ｄ₂ ／Ｄ₁ ＝１／１００となる。

従って、例えば光ファイバＳＭＦ２の全長をＬ₂ ＝５０ｋｍとすると、Ｌ₁ ＝５００ｍとなる。このことは、５００ｍのファイバにより予め波形を歪ませておくことにより、５０ｋｍの歪みのない伝送が可能になることを示している。

或いは、ファイバパラメータの異なる複数のファイバを、（２２），（２３）式を満足するように縦列に配置し、各ファイバをスプライスして接続してもよい。

図６は本発明の第２実施形態を示す図である。ここでは、光アンプを使った多中継伝送に本発明を適用した場合を示している。今、光ファイバＳＭＦ２が伝送路であるとして、その途中に（Ｎ−１）個の光アンプＡ−１，・・・，Ａ−（Ｎ−１）を間隔ｌ₂ で中継して全長Ｌ₂ ＝Ｎｌ₂ の光増幅中継伝送を行う。このとき、図６に示されるように、光ファイバＳＭＦ１についても中継数と同じようにＮ等分し、各区間の距離をｌ₁ 、全長をＬ₁ とする。

このとき、Ｌ₁ とＬ₂ の比（ｌ₁ とｌ₂ の比）は、各ファイバの分散の逆数に比例するから、Ｌ₁ ＝（Ｄ₂ ／Ｄ₁ ）Ｌ₂ （ｌ₁ ＝（Ｄ₂ ／Ｄ₁ ）ｌ₂ ）とする。また、光カー効果については、位相共役光発生器６に関して対応する区間内の対応する各微小区間において（２３）式が成り立つようにしておく。

例えば、上述の分散値の場合には、中継区間５０ｋｍの伝送において、光ファイバＳＭＦ１を５００ｍ毎に区切って上記設定を行うことになる。従って、例えば光ファイバＳＭＦ１として５００ｍ毎に４０分割した全長２０ｋｍのファイバを用いれば、位相共役光発生器６の後５０ｋｍ毎の３９中継による全長２０００ｋｍの伝送が可能となる。

この場合、光ファイバＳＭＦ１の長さ５００ｍの各区間に対応する光ファイバＳＭＦ２の各区間の長さが異なることは言うまでもない。対応する区間は（１５）式で定義されており、光ファイバＳＭＦ１の区間のうち大きな分散の区間は光ファイバＳＭＦ２におけるより長い区間をカバーする。

ここでは分割を等間隔に行っているが、対応する区間毎に（２２），（２３）式が成り立てばよいから、特に等間隔である必要はない。特に、光ファイバＳＭＦ１については損失を補償する光増幅器が設けられていないので、現実的な分散やパワーでは条件を満たすことが困難になることもある。こうした場合には、Ｌ₁ を等間隔に分割せずに、損失によって強度が小さくなるにつれＬ₁ を大きくしていくことなどにより、分散やパワーについての要求を緩和することができる。

また、光ファイバＳＭＦ２についても分散を一定にせず、例えば各中継区間を分割してパワーの高い部分では比較的分散を大きくし、パワーが小さい部分では比較的分散を小さくすることにより、等価的に損失の効果を小さくすることができる。こうした方法により、光ファイバＳＭＦ１における分散やパワーについての要求を緩和することが可能である。

こうした方法における分割は細かければ細かいほど有効であることはいうまでもないが、実際には数分割程度でも十分有効である。必要な分割数は伝送速度と伝送距離によって決まる。

又、図６の実施形態では、光ファイバＳＭＦ２を光増幅中継伝送しているが、光ファイバＳＭＦ１を光増幅中継伝送した後同様の方法により光ファイバＳＭＦ２にて補償してもよい。その例を図７に示す。

図７は本発明の第３実施形態を示す図である。ここでは、位相共役光発生器６の前後で中継数を同じにしておき、位相共役光発生器６に関して対称な区間において（２２），（２３）式が成り立つように設定する。具体的には、第１の光ファイバＳＭＦ１の途中にはＮ個の光増幅器Ａ１−１，・・・，Ａ１−Ｎが設けられており、第２の光ファイバＳＭＦ２の途中には同じくＮ個の光増幅器Ａ２−１，・・・，Ａ２−Ｎが設けられている。

この実施形態ではＬ₁ を長くすることができるので、これに対応してＬ₂ も長くなり、長距離伝送が可能になる。

その際、前述のように光ファイバＳＭＦ２における分散を一定にせず、例えば各中継区間を分割してパワーの高い部分では比較的分散を大きくし、パワーの小さい部分では比較的分散を小さくすることにより、等価的に損失の効果を小さくすることができる。

図８は本発明の第４実施形態を示す図である。ここでは、平均強度近似を用いた伝送において、分散と光カー効果も伝送路内で一定でない場合についての応用が示されている。まず、分散パラメータの平均値について、

が成り立つようにし、更に非線型屈折率と光強度の積の平均値について、

が成り立つように設定する。これによりおおよその補償が可能となる。

補償の残留分については、図８に示されるように、光ファイバＳＭＦ２と受信機４との間に設けられた長さＬ₃ の第３の光ファイバＳＭＦ３の分散Ｄ₃ とこの中の光カー効果ｎ₂₃Ｉ₃ を適当に調節することにより、ほぼ完全な補償が可能になる。

図９は本発明の第５実施形態を示す図である。この実施形態は、図８の第４実施形態を光増幅多中継伝送系に適用したものである。この場合、位相共役光発生器６の前後に複数の中継器を設け、位相共役光発生器６に関して対応する区間において（２２），（２３）式が成り立つように設定すればよいし、より大雑把には、特願平５−２２１８５６号に示されるように、全長における平均値において上式が成り立つように設定してもある程度の補償は可能である。さらに補償の程度をよくするためには、図８の第４実施形態におけるのと同様にして第３の光ファイバＳＭＦ３を用い、その分散Ｄ₃ と光カー効果ｎ₂₃Ｉ₃ を調節すればよい。

ところで、実際の長距離伝送システムにおいては、周囲環境により分散値に揺らぎが生じる。特に、温度変動による分散値の変動の影響は大きく、これは特に零分散付近の小さな分散値に設定したシステムの場合に顕著である。

零分散付近の分散値は、信号光の波長を変えることにより２次分散の傾斜（約０．０８ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍ）に従って変えることが可能である。一方、四光波混合を用いて位相共役光を発生させるシステムにおいては、位相共役光の角周波数をω_C ，ポンプ光の角周波数をω_P ，信号光の角周波数をω_S とすると、ω_C＝２ω_P −ω_S の関係があるから、ω_S またはω_P を変えることによりω_C を変えることが可能である。

このように、送信機においてω_S を調整するか、図示しない端局から送られる制御信号により位相共役光発生器６においてω_P を調整することにより、分散の変動に合わせて常時最適な伝送を行うことができる。

図１０は光ファイバＳＭＦ１及びＳＭＦ２のそれぞれの零分散波長ω₁₀，ω₂₀に対する信号光、ポンプ光及び位相共役光の周波数配置を示す図である。

もしも、２つのファイバの分散曲線が環境の変化により同じ方向にシフトしたとすると（図の鎖線参照）、ω_S とω_C を同じ方向にシフトさせるのがよいが、ω_S の変化に対してω_C は反対方向にシフトするので、ω_S を変化させつつω_Pをω_S と同じ方向に同じだけ変化させるのがよい。図１０のような最も単純な場合には、ω_S とω_P を同じ方向に同じ大きさ（Δω）だけシフトすればよい（ω_C ＋Δω＝２（ω_P ＋Δω）−（ω_S ＋Δω））。現実には、分散の変動は単純なものではないので、状況に合わせて適宜補正することになる。実際には、端局において受信波形をモニターする等しながらω_S とω_P の微調整を行って最適状態を得る。

図１１は本発明の第６実施形態を示す図である。この実施形態は基本的には平均強度を用いたものであるが、光アンプ間のパワーの変化（低下）の影響を緩和するために、図７に示した分散の制御を行うものである。

具体的には、各中継区間を数分割し、伝送方向に向かって次第に分散値を小さくしていくものである。一例を図１２に示す。

ここでは、伝送路の平均分散をＤ₁ ＝−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ，Ｄ₂ ＝−０．３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍに設定する場合において、各中継区間を３分割し、伝送方向に向かって−０．３５，−０．３０，−０．２５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍになるように設定した例を示している。

このとき、中継区間が例えば５１ｋｍであれば、１７ｋｍ毎に分割することになり、分散の傾斜は約−０．０４ｄＢ／ｋｍ程度になる。従って、例えばファイバの損失が−０．２０ｄＢ／ｋｍであれば、（２３）式で表される比の変化を約−０．１６ｄＢ／ｋｍに低下することが可能となる。

これにより、より損失の小さな状態と等価な状態を実現することができる。従って、光アンプの中継区間を拡大することが可能である。また、同じ中継間隔でも、歪みの補償効果を向上させることができる。

図１３は本発明の第７実施形態を示す図である。この実施形態は、本発明を光増幅多中継伝送系に適用した場合に、光ファイバＳＭＦ１内において非線形効果と分散の比が一定になるようにしたものである。

即ち、光ファイバＳＭＦ１を複数の区間に分割し、各区間ｊにおける分散値Ｄ_1jΔｚ_1jの値の総和が光ファイバＳＭＦ２の総波長分散に一致するようにし、且つ、各区間ｊにおける非線形効果と分散の比（∝ｎ₂₁Ｉ_Sj／Ｄ_1j）の値を一定に設定する。一方、光ファイバＳＭＦ２では平均値近似を用いた光増幅多中継伝送を行う。光ファイバＳＭＦ１内での非線形効果の総量を光ファイバＳＭＦ２における非線形効果の平均値の総量に一致させるものである。光ファイバＳＭＦ２についても、光ファイバＳＭＦ１と同じように設定してもよい。

損失によるＩ_Sjの低下を、Ｄ_1jを次第に小さくすることで補償することができるので、非線形効果と分散の比を一定にすることができる。また、区間の長さΔｚ_1jを損失に反比例する形で長くすることにより、各区間での分散値を一定にすることができる。即ち、ｎ₂₁Ｉ_SjΔｚ_1jが一定になるようにし、且つ、Ｄ_1jΔｚ_1jが一定になるようにするのである。

この実施形態では、光ファイバＳＭＦ１の分割数を光ファイバＳＭＦ２における中継数と同じにしているが、このような平均値近似においては、実用上は、光ファイバＳＭＦ１の分割数を光ファイバ２の中継数よりも少なくしても効果が得られる。即ち、同数の分割におけるいくつかの分割毎の平均値で代用するものである。この際の効果は、伝送速度と伝送距離に依存する。

図１４は本発明の第８実施形態を示す図である。この実施形態では、位相共役光発生器６から出力された光を光カプラ８或いはそれに代わる図示しない光スイッチにより２分岐し、一方の分岐光は光ファイバＳＭＦ２（長さＬ₂ ）により受信機４（＃１）に伝送し、他方の分岐光は光ファイバＳＭＦ３（長さＬ₃ ）により受信機４（＃２）に伝送する。

光ファイバＳＭＦ２には光増幅器Ａ２−１，２，・・・，Ｎ2 が設けられており、光ファイバＳＭＦ３には光増幅器Ａ３−１，２，・・・，Ｎ3 が設けられている。

この実施形態のように、本発明を伝送路の分岐について応用した場合にも、非線形光学媒質６からの光を分岐して各受信機４（＃１，＃２）までの距離に見合った分散と光強度により伝送可能である。

図１５は本発明の第９実施形態を示す図である。この実施形態では、波長多重伝送において複数の第３のファイバを用いて追加補償を行っている。図において、１０（＃１，＃２，・・・，＃Ｎ）は光ファイバＳＭＦ２により伝送された位相共役光についてチャネル選択を行う光学フィルタを示している。各光学フィルタ１０（＃１，＃２・・・，＃Ｎ）から出力された光は、それぞれ補償用の光ファイバＳＭＦ３−１，２，・・・，Ｎを介して受信機４（＃１，＃２，・・・，＃Ｎ）に伝送される。

Ｎチャンネルの波長多重信号光Ｅ_S1，Ｅ_S2，・・・，Ｅ_SN（周波数：ω_S1，ω_S2，・・・，ω_SN）を光ファイバＳＭＦ１により伝送した後、位相共役光発生器６によりＮチャンネルの波長多重位相共役光Ｅ_C1，Ｅ_C2，・・・，Ｅ_CN（周波数：ω_C1，ω_C2，・・・，ω_CN）に変換し、光ファイバＳＭＦ２により伝送後、各受信機により受信する。

このとき、光ファイバＳＭＦ１、ＳＭＦ２での各チャンネルの分散は図１６のようになっている。

位相共役光発生器を用いた分散補償においては、位相共役光発生器の前後で分散の符号が同一である必要があるから、零分散に対して、図１６のような周波数配置になる。図に示された例では、正常分散から正常分散への変換になっている。この場合、光ファイバＳＭＦ１では第１チャネルに対する分散の絶対値が最小値であるのに対して、光ファイバＳＭＦ２においては第Ｎチャネルに対する分散の絶対値が最小値になっている。

従って原理的には、全チャネルに対して同時に完全な分散補償を行うことは困難である。図１５の第９実施形態は、このような場合に対して、光ファイバＳＭＦ２の出力を分岐した後各チャネルについて周波数選択を行い、その後各チャネル毎の残留補償量に見合った第３のファイバＳＭＦ３−１，２，・・・，Ｎを用いて追加補償を行っているものである。

図１７に示される本発明の第１０実施形態は、全チャネルを等しく理想的に補償するためのものである。ここでは、各チャネル毎に信号光を別々のファイバＳＭＦ１１，１２，・・・，１Ｎで伝送し、その際、異なる分散に見合う強度（Ｉ₁₁，Ｉ₁₂，Ｉ_1N）で伝送する。光ファイバＳＭＦ１の出力光を各チャネル毎の位相共役光発生器６（＃１），（＃２）・・・，（＃Ｎ）或いは全チャネルを一括して図示しない１つの位相共役光発生器で位相共役光に変換し、これらを共通の光ファイバＳＭＦ２で伝送して図１５の第９実施形態におけるのと同じようにして受信する。

但し、複数の信号光或いは位相共役光を合波する光マルチプレクサの図示は省略されている。ここでは第３の光ファイバＳＭＦ３は不要である。尚、この際の各チャネルの分散と非線形効果の設定は、これまでに述べたいずれの方法によってもよい。

ところで、位相共役光発生器は偏光依存性を持つため、信号光の偏光状態により変換効率が異なり、それによりシステム特性が不安定となる。また、位相共役光発生器や光増幅器に用いられる光部品には偏光依存性のあるものが多く、これらを多段接続したときに信号レベルが不安定となる。

これを抑えるためには、偏波ダイバーシティ或いは偏波能動制御を適用するか、信号光或いはポンプ光について偏波スクランブルを行えばよい。特に、送信機において信号光の偏波スクランブルを行う方法は、構成が簡単である上、現在長距離伝送において問題となっている各種の偏波依存性の影響を除去する上からも有望である。

図１８は本発明の第１１実施形態を示す図である。この光ファイバ通信システムは、図６の第２実施形態と対比して、第１の光ファイバＳＭＦ１として偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）を用いている点で特徴付けられる。

送信機２は実質的に直線偏波である信号光を出力する。一般に偏波保持ファイバは少なくとも１つの主軸を有しており、この主軸に平行な偏波面を有する直線偏光を、その偏波面を維持して伝送可能である。

送信機２からの信号光は、その偏波面が第１の光ファイバＳＭＦ１の主軸に平行になるように第１の光ファイバＳＭＦ１へ供給される。第１の光ファイバＳＭＦ１と位相共役光発生器６は、第１の光ファイバＳＭＦ１から出力される信号光の偏波面が位相共役光発生器６におけるポンプ光の偏波面に一致するように互いに接続される。

波長分散と光カー効果の相乗効果による波形歪みを補償するための条件については、図６の第２実施形態におけるのと同じであるからその説明を省略する。

４光波混合（ＦＷＭ）や光パラメトリック増幅により生成される位相共役光の生成効率は、入力信号光及びポンプ光の偏波状態に依存する。本実施形態においては、位相共役光発生器６へ入力する信号光の偏波状態が定まっているので、位相共役光発生器６において安定且つ高効率で位相共役光を発生させることができる。

望ましくは、送信機２、第１の光ファイバＳＭＦ１及び位相共役光発生器６は送信局内に配置され、第２の光ファイバＳＭＦ２は伝送路として用いられ、受信機４は受信局内に配置される。

図１９は本発明の第１２実施形態を示す図である。この実施形態では、（Ｎ−１）個の光増幅器Ａ−１，・・・，Ａ−（Ｎ−１）は第１の光ファイバＳＭＦ１の途中に設けられ、位相共役光発生器６と受信機４は第２の光ファイバＳＭＦ２により接続されている。

第１の光ファイバＳＭＦ１は偏波保持ファイバからなり、便宜上ここでは各ファイバ区間の主軸方向が一致しているものとする。そして、各光増幅器Ａ−１，・・・，Ａ−（Ｎ−１）の信号光出力側には、それぞれ偏光子１２−１，・・・，１２−（Ｎ−１）が設けられている。各偏光子の偏光主軸は各光増幅器から出力される信号光の偏波面にほぼ平行になるように設定される。即ち、各偏光子の偏光主軸は各ファイバ区間の主軸にほぼ平行になるように配置されている。

望ましくは、送信機２は送信局内に配置され、第１の光ファイバＳＭＦ１は伝送路として用いられ、位相共役光発生器６、第２の光ファイバＳＭＦ２及び受信機４は受信局内に配置されている。

偏波保持ファイバからなる第１の光ファイバＳＭＦ１を伝送路として用いる場合、その長さは通常１０ｋｍ以上になるので、第１の光ファイバＳＭＦ１の入力端に実質直線偏波である信号光を供給したとしても、第１の光ファイバＳＭＦ１の出力端においては信号光の直線偏波状態が崩れる可能性がある。そこで、この実施形態では、各光増幅器の信号光出力側において信号光の偏波状態を改善しているのである。従って、偏光子１２−１，・・・，１２−（Ｎ−１）はそれぞれ光増幅器Ａ−１，・・・，Ａ−（Ｎ−１）の信号光入力側に設けられていてもよい。また、偏光子は全ての光増幅器に付加される必要はない。

この実施形態においても、図１８の第１１実施形態におけるのと同様に、偏波変動に係わらず最適な受信状態を維持することが可能になる。

図２０は位相共役光発生器の更に他の例を示す図である。この位相共役光発生器は、図２の位相共役光発生器と対比して、ポンプ光源として２つのレーザダイオード１２２Ａ及び１２２Ｂを有している点で特徴付けられる。

レーザダイオード１２２Ａ及び１２２Ｂはそれぞれ実質的に直線偏波である第１及び第２のポンプ光を出力する。第１及び第２のポンプ光はこれらの偏波面が互いに直交するように偏波カプラ１２５により合成され、光カプラ１２３を介して非線形光学媒質である光ファイバ１２１へ供給される。

望ましくは、第１及び第２のポンプ光は互いに異なる光周波数を有しており、これらの差は信号光の伝送速度に対応する周波数と等しいかそれよりも大きく設定される。また望ましくは、第１及び第２のポンプ光はほぼ同振幅である。

この位相共役光発生器の構成によると、非線形光学媒質である光ファイバ１２１内において常に位相共役光が発生するので、信号光の偏波変動に係わらず最適な受信状態を維持することができる。

図２１は本発明の第１３実施形態を示す図である。光送信機２、第１の光ファイバＳＭＦ１及び位相共役光発生器６は、送信局ＳＴに含まれる。第２の光ファイバＳＭＦ２は伝送路として用いられ、受信機４は受信局ＲＴに含まれる。

受信局ＲＴは、光受信機４における伝送情報の再生の品質を示すパラメータをモニタリングするモニタ回路１４を更に含む。モニタ回路１４はモニタ信号を出力する。

送信局ＳＴは制御器（フィードバック手段）１６を更に含む。制御器１６は、モニタ回路１４からのモニタ信号を受け、モニタ回路１４においてモニタリングされたパラメータが最適な値になるように光送信機２における信号光の波長若しくはパワー又は位相共役光発生器６におけるポンプ光の波長若しくはパワーをフィードバック制御する。

例えば、信号光及び／又はポンプ光の波長の制御により、伝送路の分散が最適な値に維持され、信号光及び／又はポンプ光のパワーの制御により、分散と光カー効果の相乗効果による波形歪みが適切に補償される。

図２２は本発明の第１４実施形態を示す図である。光送信機２は送信局ＳＴに含まれ、第１の光ファイバＳＭＦ１が伝送路として用いられる。受信局ＲＴは、位相共役光発生器６、第２の光ファイバＳＭＦ２、光受信機４及びモニタ回路１４を含む。

制御器１６は、制御対象が位相共役光発生器６におけるポンプ光の波長又はパワーである場合には、受信局ＲＴに含まれ、制御対象が光送信機２における信号光の波長又はパワーである場合には、送信局ＳＴに含まれる。

尚、図２１又は図２２のシステムにおいて、モニタ回路１４から制御器１６へ供給するモニタ信号の伝送は、このシステムの伝送路によることができる。例えば双方向伝送を行って、逆方向の信号光に低速の監視信号を重畳等するとよい。

次に、本発明を波長分割多重（ＷＤＭ）に適合させる場合において図１６により説明した問題を解決するいくつかの実施形態を説明する。

図２３は本発明の第１５実施形態を示す図である。送信機２（＃１，＃２，・・・，＃Ｎ）は互いに異なる波長（光周波数）の信号光Ｅ_S1，Ｅ_S2，・・・，Ｅ_SNを出力する。これらの信号光の光周波数はω_S1，ω_S2, ・・・，ω_SNである。

これらの信号光は複数の第１の光ファイバＳＭＦ１１，ＳＭＦ１２，・・・，ＳＭＦ１Ｎによって伝送され、スターカプラ等からなる光マルチ／デマルチプレクサ１８によって加え合わされると共に分岐される。

分岐された信号光はそれぞれ位相共役光発生器６（＃１，＃２・・・，＃Ｍ）へ供給される。位相共役光発生器６（＃１，＃２・・・，＃Ｍ）は供給された複数の信号光の少なくとも１つに対応する位相共役光を発生する。発生した位相共役光はそれぞれ光フィルタ２０（＃１，＃２・・・，＃Ｍ）を透過した後複数の第２の光ファイバＳＭＦ２１，ＳＭＦ２２，・・・，ＳＭＦ２Ｍによってそれぞれ光受信機４（＃１，＃２・・・，＃Ｍ）へ伝送される。

複数の第２の光ファイバによって伝送される位相共役光は、Ｅ′_C1，Ｅ′_C2，・・・，Ｅ′_CMで示されている。

第１の光ファイバＳＭＦ１ｊ（ｊ＝１，２，・・・，Ｎ）のそれぞれの長さはＬ_1j、分散はＤ_1j、非線形係数はγ_1jであり、各信号光のパワーはＰ_1jであるとする。また、第２の光ファイバＳＭＦ２ｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｍ）のそれぞれの長さはＬ_2k、分散はＤ_2k、非線形係数はγ_2kであり、各位相共役光のパワーはＰ_2kであるとする。

このとき、次の２つの条件が満足されるように各パラメータが設定される。

Ｄ_1jＬ_1j＝Ｄ_2kＬ_2k＝（一定）
γ_1jＰ_1j／Ｄ_1j＝γ_2kＰ_2k／Ｄ_2k＝（一定）
尚、ここでの一定という意味には、各ファイバ内の任意の区間における平均値が一定であるということが含まれる。

ここで、各第２の光ファイバＳＭＦ２ｋによる波形歪みの補償は、光フィルタ２０（＃ｋ）の帯域を通過する位相共役光に対して最適化されるように設定されている。また、位相共役光発生器６（＃ｋ）と光フィルタ２０（＃ｋ）の組み合わせによって抽出されるチャネルＥ′_Ckは、信号光の任意の１チャネル又はその近傍の光フィルタの帯域に含まれる複数のチャネルの位相共役光である。

各光フィルタを透過するチャネルは、位相共役光発生器におけるポンプ光の波長制御及び／又は光フィルタの透過波長の制御により任意に設定可能である。

このシステムは、例えば、第２の光ファイバが伝送路として用いられている場合には分配システムとして機能し、第２の光ファイバが受信局或いは中継器内にある場合にはチャンネル交換（クロッシング）システムとして機能する。

図２４は本発明の第１６実施形態を示す図である。このシステムは、図２３の第１５実施形態と対比して、複数の光送信機２（＃１，＃２，・・・，＃Ｎ）に対して共通の第１の光ファイバＳＭＦ１が用いられている点で特徴付けられる。

この変更に伴い、第１の光ファイバＳＭＦ１の入力端は光マルチプレクサ２２を介して各光送信機２（＃ｊ）に接続され、出力端は光デマルチプレクサ２４を介して各位相共役光発生器６（＃ｋ）に接続される。

この共通の第１の光ファイバＳＭＦ１における分散は全チャネルに対してほぼ一定になるようにされている。例えば、第１の光ファイバＳＭＦ１としては、分散の大きな分散シフトファイバ、１．５５μｍ帯の信号光に対する１．３μｍ帯零分散ファイバ、１．３μｍ帯の信号光に対する１．５５μｍ帯零分散ファイバを用いることにより、上述の条件を満足することができる。

このような共通の第１の光ファイバＳＭＦ１に対して、各第２の光ファイバＳＭＦ２ｋが本発明の条件を満足することにより、各チャネルについて最適な受信状態を得ることができる。

図２５は本発明の第１７実施形態を示す図である。ここでは、第１の光ファイバとして、比較的大きな分散のＮ個の光ファイバＳＭＦ１１′，ＳＭＦ１２，・・・，ＳＭＦ１Ｎ′と比較的小さな分散の共通の光ファイバＳＭＦ１′とを組み合わせたものが用いられている。

光ファイバＳＭＦ１１′，ＳＭＦ１２′，・・・，ＳＭＦ１Ｎ′と光ファイバＳＭＦ１′とは光マルチプレクサ２２によって接続されており、光ファイバＳＭＦ１′と各位相共役光発生器６（＃ｋ）とは光デマルチプレクサによって接続されている。

このシステムにおいても、第１の光ファイバと第２の光ファイバについて所定の条件を満足させることによって、各チャネルについて波形歪みを良好に補償することができ、最適な受信状態を得ることができる。

図２６はチャネルセレクタの一例を示す図である。ここでは、チャネルセレクタ２６は、各光送信機２（＃ｊ）に付随して設けられている。

チャネルセレクタ２６は、光送信機２（＃ｊ）からのデータに基づき制御信号を発生する。チャネルセレクタ２６からの制御信号はコントローラ２８へ供給される。

コントローラ２８は、供給された制御信号に基づき、所望のチャネルの信号光を選択するために、位相共役光発生器６（＃ｋ）におけるポンプ光の波長及び光フィルタ２０（＃ｋ）の特性の少なくとも一方を制御する。

図２７はチャネルセレクタの他の例を示す図である。ここではチャネルセレクタ２６は各光受信機４（＃ｋ）に付随して設けられており、チャネルセレクタ２６は光受信機４（＃ｋ）からのデータに基づき制御信号を発生する。

コントローラ２８は、チャネルセレクタ２６から供給された制御信号に基づき、所望チャネルの信号光を選択するために、位相共役光発生器６（＃ｋ）におけるポンプ光の波長及び光フィルタ２０（＃ｋ）の特性の少なくとも一方を制御する。

次に、本発明の有効性を確認するために実施した実証実験の結果について説明する。

図２８を参照すると、実証実験で用いられたシステムのブロック図が示されている。このシステムは実質的に図１１の第６実施形態に対応している。

送信機（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）は図１１の送信機２に対応し、ファイバ補償器（Ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）は図１１の第１の光ファイバＳＭＦ１に対応し、位相共役光発生器（Ｐｈａｓｅ ｃｏｎｊｕｇａｔｏｒ）は図１１の位相共役光発生器６に対応し、分散シフトファイバ（ＤＳＦ−１，２，・・・，４６）及びエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ１，２，・・・，４５）は図１１の第２の光ファイバＳＭＦ２に対応し、受信機（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）は図１１の受信機４に対応している。

送信機における光源としては、３電極λ／４シフト型のＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還型レーザダイオード）が二つ用いられた。時分割多重された２０Ｇｂ／ｓの信号光Ｅ_S （波長λ_S ＝１５５１ｎｍ）が、約４０ｐｓのパルス幅（ＦＷＨＭ）を有する１０Ｇｂ／ｓの２チャネルのＲＺ信号を時分割多重することによって生成された。

１０Ｇｂ／ｓのＲＺパルスを生成するために、第１のＬｉＮｂＯ₃ 変調器（ＬＮ−１）を用いて１０−ＧＨｚの正弦波によりＥ_S を強度変調し、次いで第２のＬｉＮｂＯ₃ 変調器（ＬＮ−２）を用いて１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺデータ信号（ＰＮ：２23−１）によって強度変調を行った。

変調されたＥS はパワーＰ1 で二段のＤＤ−ＤＣＦ１，２に入力され、これにより波形が予め補償された。

ここで、「ＤＤ−ＤＣＦ」は分散漸減型の分散補償ファイバ（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｆｉｂｅｒ：ＤＤ−ＤＣＦ）を表している。

ＤＤ−ＤＣＦの各々は５本のＤＣＦを互いにスプライスして構成される。ＤＤ−ＤＣＦの各々の損失は０．４６ｄＢ／ｋｍであり、ＤＣＦの各々のモードフィールド径は約４μｍに設定された。

（１４）式の条件を近似的に満足するために、分散パラメータＤ₁ はＤＣＦの各々における平均光パワーの減少に従って減少すべきである。そのために、５本のＤＣＦの各々の長さ及びＤ₁ は、表に示されるように設定された。

ＤＤ−ＤＣＦの各々の長さは１３．７ｋｍであり、各々の総分散は−６６２．８ｐｓ／ｎｍであった。

なお、ＤＤ−ＤＣＦの各々に入力する光のパワーをＰ₁ に設定するために、二つの光増幅器がカスケード接続された。

次いで、位相共役光発生器が、２０ｋｍのＤＳＦにおける波長λ_P ＝１５５４ｎｍのポンプ光Ｅ_P を用いた非縮退型のフォワードＦＷＭによって、予め補償された（歪を与えられた）Ｅ_S をこれと同方向に伝搬する位相共役光Ｅ_C （波長λ_C ＝１５５７ｎｍ）に変換した。Ｅ_S からＥ_C への変換効率は−１２ｄＢであった。

次いで、位相共役光ＥC は、カスケード接続された４６本のＤＳＦ（０．２１ｄＢ／ｋｍ損失）及びこれらの間に設けられる４５個のＥＤＦＡ（各々の雑音指数は約６ｄＢ）からなる３０３６ｋｍの伝送路へ供給された。

この伝送路のλ_C における平均分散はマイナス０．４４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであった。従って、二段のＤＤ−ＤＣＦにおける総分散と上記伝送路における総分散との間の差は約１０ｐｓ／ｍであった。

各ＤＳＦの長さは６６ｋｍであり、各ＤＳＦへの光入力パワーＰ2 は＋６ｄＢｍに設定された。

Ｐ₁ の最適値は上述の条件では＋１６ｄＢｍであった。ＤＤ−ＤＣＦの非線形定数γ1 は約１８．０Ｗ^-1ｋｍ^-1であると見積もられた。

誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）を抑圧するために、Ｅ_S 及びＥ_P はそれぞれ５００−ｋＨｚ及び１５０−ｋＨｚの正弦波信号により周波数変調された。受信機では、第３のＬｉＮｂＯ₃ 変調器（ＬＮ−３）及びフェイズロックループ（ＰＬＬ）を用いることによってＥ_C は時分割デマルチプレキシングされ、ビットエラーレート（ＢＥＲ）が測定された。

比較のため、一つのＤＤ−ＤＣＦ及び２３本のＤＳＦを用いた１５１８ｋｍの伝送実験も行われた。

図２９に測定されたＢＥＲの特性を示す。３０３６ｋｍの伝送の後であっても、１０^-9より小さいＢＥＲで信号の検出を行うことができた。１０^-9のＢＥＲにおける４．８ｄＢのパワーペナルティは、ＥＤＦＡの雑音等の理論値からのＳ／Ｎ劣化によるものであった。この実験ではλ_C は各ＥＤＦＡにおけるゲインピークを与える波長λ_G ≒１５５８．５ｎｍから１．５ｎｍほど離調していた。もしλ_C をλ_G に一致させることができれば、より高いＳ／Ｎ特性を得ることができる。１５１８ｋｍの伝送実験では、ペナルティは約１．２ｄＢであった。

図３０の（ａ）〜（ｅ）に３０３６ｋｍ伝送実験における検出された波形の変化の様子を示す。（ａ）は送信機の出力波形、（ｂ）は位相共役光発生器の出力波形、（ｃ）は１５１８ｋｍ伝送後の波形、（ｄ）は２７０６ｋｍ伝送後の波形、（ｅ）は３０３６ｋｍ伝送後の波形をそれぞれ示している。予めひずめられた波形がＥC の伝搬に伴って次第に改善されていることが判る。（ｅ）における波形歪みの残留は、不完全な補償条件によるものであった。即ち、この実証実験では、ＥＤＦＡの間隔（ＤＳＦの長さ；６６ｋｍ）が（γ₂ Ｐ₂ ）^-1で定義される非線形長よりも十分に短くないことにより、波形の改善が完全でなかったものである。

従って、本発明では、光増幅器を複数用いる場合には、これらの間隔を非線形長よりも短く設定することが望ましい。

また、ＤＤ−ＤＣＦにおけるＤＣＦの分割数を実験における５よりも大きくすることによって、補償を更に改善することができる。

図３１の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を参照すると、図２８のシステムにおける光パワーＰ、分散β₂ 及び非線形効果γＰ／β₂ のダイヤグラムが示されている。位相共役光発生器の位置が原点Ｏである。

図面の明瞭さを確保するために、距離を示す各横軸の尺度が原点の左側と右側とで異なっている点に留意されたい。

図３１の（Ｃ）から、非線形効果γＰ／β₂ が位相共役光発生器の上流側及び下流側で実質的に一定の同じ値となっており、本発明が限定的に適用されていることがわかる。

図３２を参照すると、図１の基本構成に分散補償器（ＤＣ）３０が付加された構成が示されている。図示された例では、分散補償器３０は第２の光ファイバＳＭＦ２の途中に挿入されているが、この例に限定されることなく、分散補償器３０は、第１の光ファイバＳＭＦ１、位相共役光発生器６及び第２の光ファイバＳＭＦ２を含む光路上に設けられていればよい。

図３３の（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、分散補償器３０を付加したことによる伝送距離の拡大を説明する。図３３の（Ａ）及び（Ｂ）の各々において、横軸は距離を表し、縦軸は分散パラメータの距離に関する積分（−∫Ｄｄｚ）を表している。

本発明が限定的に適用される場合、第１の光ファイバＳＭＦ１の総分散と第２の光ファイバＳＭＦ２の総分散は、図３３の（Ａ）に示されるように実質的に等しい。

分散補償器３０の分散値の符号は、第１及び第２の光ファイバの分散値の符号と逆に設定される。従って、図３２に示されるように分散補償器３０が第２の光ファイバＳＭＦ２の途中、例えば中点に設けられる場合には、図３３の（Ｂ）に示されるように、第２の光ファイバＳＭＦ２の距離Ｌ₂ はＬ₂ ′に拡大される。

分散補償器３０としては、分散補償ファイバを用いることができる。第１及び第２の光ファイバＳＭＦ１及びＳＭＦ２が正常分散値を有しており、信号光の波長が１．５５μｍ帯にある場合には、分散補償器３０としては、波長１．３μｍの近傍で零分散を与える分散補償ファイバであることが望ましい。

今、分散補償ファイバの単位長さ当たりの分散が−Ｄ₃ 、長さがｌ₃ であるとし、分散補償の程度を表す値ｍ＝Ｄ₃ ｌ₃ ／Ｄ₂ Ｌ₂ （０≦ｍ＜１）を導入する。この場合、第２の光ファイバＳＭＦ２の総分散はＤ₂ Ｌ₂ −Ｄ₃ ｌ₃ である。

第１の光ファイバＳＭＦ１の総分散はＤ1 Ｌ1 であり、分散補償の条件はＤ₁Ｌ₁ ＝Ｄ₂ Ｌ₂ ＝Ｄ₂ Ｌ₂ ′−Ｄ₃ ｌ₃ であるから、Ｌ₂ ′は次式で与えられる。

Ｌ₂ ′＝Ｌ₂ （１＋ｍ）＝Ｄ₁ Ｌ₁ （１＋ｍ）／Ｄ₂
非線形効果についても同時に補償する場合には、第１の光ファイバＳＭＦ１への光入力パワーＰ₁ ′を実質的にＰ₁ （１＋ｍ）に等しくしておくとよい。

分散補償器３０の分散値の最適化及び第１の光ファイバＳＭＦ１への入力光パワーの最適化は、例えば、受信機４における伝送情報の再生品質が最良になるようにして行うことができる。

分散補償器３０として、図示はしないが複数の分散補償器３０ｊを用いることができる。各分散補償器３０ｊは伝送路（ＳＭＦ１，２）の分散値と逆符号の分散値−Ｄ_3j（ｊは自然数）を有している。この場合、Ｌ₂ ′は次式で 与えられる。

Ｌ₂ ′＝Ｌ₂ （１＋Σｍ_j ）＝Ｄ₁ Ｌ₁ （１＋Σｍ_j ）／Ｄ₂
ここで、ｍ_j ＝Ｄ_3jｌ_3j／Ｄ₂ Ｌ₂ であり、ｌ_3jは分散補償器３０ｊの各々の長さである。

前述の実証実験の結果から明らかなように、第１の光ファイバＳＭＦ１においてのみ補償条件を満足していれば、第２の光ファイバＳＭＦ２の分散が一定であっても補償が可能である。この場合に第２の光ファイバＳＭＦ２における光増幅器の中継間隔を非線形長よりも短く設定しておくことによって良好な補償が可能になることは前述した通りである。

図３２の構成は、この原理に基づいて分散補償器３０により補償可能な伝送距離を長くしたものである。

図３２の構成による効果は特に海底伝送のような数千キロメートルにも及ぶ長距離伝送において顕著である。その理由を説明する。

位相共役光発生器を用いた補償においては、その前後のファイバ内の波形歪みを同じにする必要がある。このため、最も波形がひずんでいるのは、位相共役光発生器の直前及び直後においてである。従って、位相共役光発生器においては最もスペクトルが広がった状態になっている。

一方、位相共役光発生器及び光増幅器からは雑音が付加され、この雑音によるＳ／Ｎ劣化はスペクトルが広いほど大きい。従って位相共役光発生器の直前及び直後でのスペクトル広がりが少なくなるようにシステムを設計することは、伝送距離を延ばす上で非常に有効である。

この意味において、伝送路の分散値を小さくすることは有効である。例えば、図３２の構成において、送信機２、第１の光ファイバＳＭＦ１及び位相共役光発生器６が送信局に設けられ、第２の光ファイバＳＭＦ２が伝送路として使用される場合には、ｍ＝０．５としておく。つまり、分散補償器３０により伝送路分散の半分を補償するのである。これにより、同じ長さの伝送路を補償するのに要するＤＤ−ＤＣＦの分散値、或いは数を削減可能である。

この場合、Ｌ₂ ′＝２×Ｌ₂ となり、分散補償器３０を用いない場合におけるものの２倍の長さの伝送路を同じ第１の光ファイバＳＭＦ１で補償することができることになる。逆言すれば、同じ長さの伝送路の補償に要する第１の光ファイバＳＭＦ１の長さが半分になるので、波形歪みを半減することができる。また、ＤＤ−ＤＣＦの数も少なくすることができる。

図３４を参照すると、ファイバグレーティングＦＧを用いた分散補償器の構成が示されている。図３４の分散補償器は図３２の分散補償器３０として用いることができる。

光パルスの両縁の波長がそれぞれλ₁ 及びλ₂ である光パルスが光サーキュレータＯＣを通ってファイバグレーティングＦＧへ供給される。ファイバグレーティングＦＧのグレーティングピッチは予め定められた分布を有しており、波長λ₁ の光は光サーキュレータＯＣに比較的近い位置でブラッグ反射され、波長λ₂の光は比較的遠い位置でブラッグ反射される。これにより光パルスの圧縮が行われ、ファイバグレーティングからのブラッグ反射光を光サーキュレータＯＣを介して取り出すことによって、分散補償を行うことができる。

図３２の分散補償器３０を例えば図６の第２実施形態のように第２の光ファイバＳＭＦ２の途中に光増幅器Ａ−ｊ（ｊは自然数）が設けられているシステムに適用する場合には、分散補償器３０を光増幅器Ａ−ｊの直前に配置するのが望ましい。これは、分散補償器３０が分散補償ファイバである場合に分散補償ファイバへの入力光パワーが小さいほど分散補償ファイバにおける非線形効果を小さくすることができるからである。

図１５の第９実施形態に分散補償器３０を適用する場合には、分散補償器３０は、光ファイバＳＭＦ１、光ファイバＳＭＦ２又は光ファイバＳＭＦ３−１，２，・・・，Ｎの途中に設けられる。

図１７の第１０実施形態に分散補償器３０を適用する場合には、分散補償器３０は、光ファイバＳＭＦ１１，１２，・・・，１Ｎ又は光ファイバＳＭＦ２の途中に設けられる。

図１８の第１１実施形態又は図１９の第１２実施形態に分散補償器３０を適用する場合には、分散補償器３０は偏波保持ファイバＳＭＦ１（ＰＭＦ）又は光ファイバＳＭＦ２の途中に設けられる。

図２３の第１５実施形態に分散補償器３０を適用する場合には、分散補償器３０は、光ファイバＳＭＦ１１，１２，・・・，１Ｎ又は光ファイバＳＭＦ２１，２２，・・・，２Ｎの途中に設けられる。

図２４の第１６実施形態に分散補償器３０を適用する場合には、分散補償器３０は、光ファイバＳＭＦ１又は光ファイバＳＭＦ２１，２２，・・・，２Ｎの途中に設けられる。

図２５の第１７実施形態に分散補償器３０を適用する場合には、分散補償器３０は、光ファイバＳＭＦ１１′，１２′，・・・，１Ｎ′又は光ファイバＳＭＦ２１，２２，・・・，２Ｍの途中に設けられる。

本発明の基本構成を示す図である。 位相共役光発生器の例を示すブロック図である。 位相共役光発生器の他の例を示すブロック図である。 本発明の原理説明図である。 本発明の第１実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 本発明の第２実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 本発明の第３実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 本発明の第４実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 本発明の第５実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 ２つのファイバの零分散波長に対する各光の周波数配置を示す図である。 本発明の第６実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 平均強度の方法において分散を制御する例を示す図である。 本発明の第７実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 本発明の第８実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 本発明の第９実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 本発明の第９実施形態における周波数配置を示す図である。 本発明の第１０実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 本発明の第１１実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 本発明の第１２実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 位相共役光発生器の更に他の例を示すブロック図である。 本発明の第１３実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 本発明の第１４実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 本発明の第１５実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 本発明の第１６実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 本発明の第１７実施形態を示す光ファイバ通信システムの構成図である。 チャネルセレクタの例を示す図である。 チャネルセレクタの他の例を示す図である。 実証実験で用いたシステムのブロック図である。 図２８のシステムにおけるＢＥＲ（ビットエラーレート）特性を示す図である。 図２８のシステムにおける波形の変化を示す図である。 図２８のシステムにおけるパワー等のダイヤグラムを示す図である。 分散補償器を付加した構成を示す図である。 図３２における伝送距離の拡大を説明するための図である。 ファイバグレーティングを用いた分散補償器を示す図である。

符号の説明

２ 送信機
４ 受信機
６ 位相共役光発生器

Claims (5)

1. 波長多重信号光を伝送する第１の光ファイバと、
   該第１の光ファイバから供給された上記波長多重信号光を受け、該波長多重信号光に対応する波長多重位相共役光を発生する位相共役光発生器と、
   該位相共役光発生器から供給された上記波長多重位相共役光を受け、該波長多重位相共役光を伝送する第２の光ファイバと、
   上記第２の光ファイバから出力された波長多重位相共役光を複数の波長多重位相共役光に分岐する分岐手段と、
   上記分岐手段により分岐された上記各波長多重位相共役光から各チャネルに該当する波長の信号光を選択する複数の光学フィルタと、
   上記複数の光学フィルタにより選択された各チャネルの残留分散補償量に見合った分散補償量で個別に分散補償する複数の分散補償器とを備え、
   上記第１及び第２の光ファイバがそれぞれ同数に分割されたときに、各分割区間のうち上記位相共役光発生器から順に数えたときに対応する区間の波長分散の平均値は同符号で且つ各分割区間の長さにほぼ反比例する値に設定されると共に、各分割区間における光周波数、信号光強度及び非線形屈折率の積の平均値は各分割区間の長さにほぼ反比例するように設定される光ファイバ通信システム。
2. 上記複数の分散補償器はそれぞれ分散補償ファイバである請求項１に記載の光ファイバ通信システム。
3. 上記第１の光ファイバに動作的に接続され伝送情報に基づいて上記信号光の変調を行う光送信機と、
   上記第２の光ファイバに動作的に接続され上記伝送情報を再生する光受信機とを更に備え、
   上記各分散補償器の分散値は上記光受信機における上記伝送情報の再生品質が最良になるように設定される請求項１に記載の光ファイバ通信システム。
4. 上記第１の光ファイバ、上記位相共役光発生器及び上記第２の光ファイバを含む光路上に設けられる光増幅器を更に備えた請求項１に記載の光ファイバ通信システム。
5. 上記光増幅器は複数あり、これらの間隔は上記第１及び第２の光ファイバの非線形長よりも短い請求項4に記載の光ファイバ通信システム。