JP2023084807A - 光源、光源装置、光源の駆動方法、ラマン増幅器、およびラマン増幅システム - Google Patents

光源、光源装置、光源の駆動方法、ラマン増幅器、およびラマン増幅システム Download PDF

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Junji Yoshida
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Tatsuya Kimoto
政樹 舟橋
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繁弘 高坂
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Abstract

Figure 2023084807000001
【課題】ＲＩＮとリップルとが同時に抑制される光源、光源装置、光源の駆動方法、ならびにこれを用いたラマン増幅器およびラマン増幅システムを提供すること。
【解決手段】光源は、所定の帯域を有するインコヒーレントなシード光を出力するシード光源と、第１端面から入力された前記シード光を光増幅し、増幅光として第２端面から出力する半導体光増幅器であるブースター増幅器と、を備え、前記ブースター増幅器は、前記増幅光において相対強度雑音（ＲＩＮ）およびリップルが同時に抑制されるように、屈折率ｎとチップ長Ｌとの積であるｎＬが設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源、光源装置、光源の駆動方法、ラマン増幅器、およびラマン増幅システムに関する。
これまで光ファイバ通信において、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を用いて、伝送距離、伝送容量の拡大が成されてきた。しかし現在では、ＥＤＦＡだけでなくラマン増幅を活用し、両者を有効に組み合せることが必要不可欠な技術となっている。現在、ラマン増幅として主に用いられているのは、ラマン増幅用の光ファイバに対して、信号光の伝搬方向と反対の方向に伝搬するように励起光を入射する後方励起ラマン増幅である。しかし、次世代に向けた更なる高速化（８００Ｇｂ／ｓ）、長距離化（１０００ｋｍ伝送）、広帯域化（Ｌ、Ｓ－ｂａｎｄの活用）のためには、前方励起ラマン増幅と呼ばれる、ラマン増幅用の光ファイバに対して信号光の伝搬方向と同一方向に伝搬するように励起光を入射する方式を、後方励起ラマン増幅と同時に用いることが鍵となっている。この方式は、双方向励起ラマン増幅と呼ばれる。なお、波長多重励起方式を用いることにより後方励起ラマン増幅のみでもラマン利得の平坦化、広帯域化は達成できるが、双方向励起ラマン増幅を利用しないと雑音指数（ＮＦ）の平坦化が達成できないことが報告されている（非特許文献１３、１４）。
前方励起においては、相対強度雑音（Relative Intensity Noise：ＲＩＮ）が小さい励起光源が必要である。その理由を以下に示す。
ＲＩＮとは、レーザ光の微小な強度変動成分を全光出力で規格化した指標である。ラマン増幅という現象は、利得を生み出す励起準位の寿命が短い（≒数ｆｓｅｃ）ため、励起光源に強度雑音があるとそのまま増幅過程を通じて信号光の雑音となってしまう。ＥＤＦＡでは励起準位の寿命が長い（≒１０ｍｓｅｃ）ためこのようなおそれはなかった。ラマン増幅は、単位長さ当たりの利得がＥＤＦＡに比べて非常に小さいが、前方励起ラマン増幅では、信号光と励起光とが長距離にわたって光ファイバ中を一緒に伝播することにより、徐々に励起光の雑音が信号光の雑音として乗り移る。これをＲＩＮトランスファーと呼ぶ。後方励起ラマン増幅では、信号光と励起光が対向しているので、ある雑音成分を持った励起光と信号光が交差する時間が短く、励起光の雑音が信号光に与える影響は少ない。また、励起光の雑音はランダムであるため、信号光が影響を受けたとしても対向して進むうちに平均化される。以上のことから分かるように、前方励起ラマン増幅では、ＲＩＮトランスファーが低いという特性が要求され、特に信号光と励起光の群速度差が小さく、平行して光ファイバ内を伝送する時間が長くなる分散シフトファイバ（ＤＳＦ）やノンゼロ分散シフトファイバ（ＮＺＤＳＦ）などでは、このＲＩＮトランスファーの低減は重要である（非特許文献１、３、４）。ＮＺＤＳＦは、たとえば国際通信連合（ＩＴＵ）のＩＴＵ－Ｔ Ｇ．６５５規格に準拠する光ファイバである。
米国特許公開第２０１４／０１５３０８３号明細書 米国特許第０７１９０８６１号明細書 米国特許第０７２１５８３６号明細書 米国特許第０７２３６２９５号明細書 米国特許第０７１７３７５７号明細書 特許第４０６９１１０号公報 米国特許第１０９３８１７５号明細書
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ラマン増幅は、ＥＤＦＡによる光増幅と比べると励起効率に劣るので、十分な利得を得るためには高出力な励起光源が必要である。そのため、出力が数百ｍＷ以上のファブリぺロー（ＦＰ）型のレーザが広く実用化されてきたが、ＦＰ型のレーザはＲＩＮトランスファーが大きく、前方励起には不向きであるとされている（非特許文献３、４、５）。
これに対して、ＲＩＮトランスファーを抑えるため、前方励起ラマン増幅の励起光源としては、インコヒーレント光である、半導体光増幅器（Semiconductor Optical AmplifierＳＯＡ）のＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光を用いることが有効であるとされている（特許文献２、３、非特許文献３、５）。
今後の８００Ｇｂｐｓを超える超高速・大容量伝送では、システム全体のＯＳＮＲ（Optical Signal to Noise Ratio）を大きく改善するため、前方励起によるラマン利得が、たとえば７ｄＢ以上、さらには１０ｄＢ以上であることが望ましい。そこで、たとえば、縦続接続されたＳＯＡを偏波多重、波長多重した構成で高出力を実現した事例が報告されている（非特許文献５）。
小型で低コストなＳＯＡのＡＳＥ光は、確かに有力候補であるが、高出力を実現しようとすると、ＳＯＡの両端面での光の反射に起因するリップル（ｒｉｐｐｌｅ）が発生することが知られている（特許文献４、５、６）。
非特許文献３によれば、広帯域なインコヒーレント光を前方励起ラマン増幅に用いた場合、平均化効果によりＲＩＮトランスファーは抑制される。ここで、非特許文献３では、留意すべき点として、当該平均化効果を得るためには、ファブリーペロー発振による多数の縦モード（すなわちリップル）が存在してはならない、という点を挙げている。したがって、前方励起ラマン増幅におけるインコヒーレント光励起の優位性を活かすためには、当該インコヒーレント光において、高出力で、かつリップルが抑制されていることが好ましい。
ここで、ＳＯＡにおいては、リップルは、両端面間でファブリーペロー共振器が形成されることにより発生する。したがって、両端面での反射率がゼロであればリップルは発生しない。しかし、ＳＯＡの両端面の反射率をゼロにすることは実用上不可能である。そこで、いかにリップルを抑制するかは重要な課題である。従来は、（１）無反射コート、（２）斜め導波路構造、（３）窓構造などが、リップルの抑制のために用いられてきた。しかし、好ましいラマン増幅用励起光源は、数百ｍＷ以上の高出力であるため、わずかな反射があってもリップルが発生し得る。また、ＡＳＥ光はスペクトル幅が約数十ｎｍと広いが、この広いスペクトル幅に渡って低い反射率の無反射処理を実現するのは容易では無い。これに対して、たとえば、特許文献５では、ＳＯＡ後端面後方にミラーを設け、無反射コート端面反射率の要求条件を緩和する手法が示されている。
一方、半導体レーザを、発振閾値より十分に大きな駆動電流領域、すなわち飽和状態で定電流駆動すると、低周波側の雑音を抑制できることが知られている（非特許文献２）。同様に、大きなインコヒーレント光が入力し飽和状態にあるＳＯＡから出力されるＡＳＥ光では、低周波側のＲＩＮが抑制されることが知られている（特許文献１、非特許文献６、７、８）。
また、非特許文献３、４によると、ＲＩＮトランスファーは低周波側で起こりやすく、高周波側はカットされる。すなわちＲＩＮトランスファーにはカットオフ周波数が存在する。したがって、飽和状態にあるＳＯＡのＡＳＥ光において低周波側のＲＩＮが抑制されるという特性は、ＲＩＮトランスファーによる伝送特性劣化を抑える観点から極めて有益である。
非特許文献８のＦｉｇ．２、Ｆｉｇ．３には、飽和状態のＳＯＡにおいて駆動電流（ｓｅｅｄ電流、ｂｏｏｓｔｅｒ電流）を増やすことによってＲＩＮ抑制が大きくなることが示されている。しかしながら、ＳＯＡの駆動電流を大きくすると、光出力は大きくなるが、リップルも大きくなる。また、実際のラマン増幅システムでは、励起光源出力を変化させてラマン増幅利得を制御する。したがって、ＳＯＡの光出力を変化させても、ＲＩＮ抑制に影響を与えず、リップルを小さく抑えることのできる手法、手段が望まれる。
以上をまとめると、ラマン増幅用インコヒーレント励起光源としては、小型、低コストの観点からＳＯＡのＡＳＥ光が有力候補であるが、以下の相反する課題を同時に解決するものが望ましい。
（１）高出力。
（２）励起光源の広い動作範囲、出力範囲においてＳＯＡ端面反射に起因するリップルが抑制されている。
（３）励起光源の広い動作範囲、出力範囲において、ＲＩＮが抑制されている。
（４）低消費電力。
これらの課題を同時に解決する手段としては、比較的低出力のＳＯＡのＡＳＥ光をＦＰ発振型のラマン増幅用励起レーザで２次増幅する方法が提案されている（特許文献７、非特許文献９、１０、１１、１２）。当該方法は、より高利得が必要な長距離大容量ラマン増幅伝送システムでは有効な手段である。しかしながら、メトロ伝送システムように比較的短距離のシステムで場合は、システムの簡素化、低コスト化、低消費電力化の観点から２次励起を必要としないＳＯＡのＡＳＥ光による直接励起が望まれるところである。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＲＩＮとリップルとが同時に抑制される光源、光源装置、光源の駆動方法、ならびにこれを用いたラマン増幅器およびラマン増幅システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様は、所定の帯域を有するインコヒーレントなシード光を出力するシード光源と、第１端面から入力された前記シード光を光増幅し、増幅光として第２端面から出力する半導体光増幅器であるブースター増幅器と、を備え、前記ブースター増幅器は、前記増幅光において、相対強度雑音（ＲＩＮ）およびリップルが同時に抑制されるように、屈折率ｎとチップ長Ｌとの積であるｎＬが設定されている光源である。
前記チップ長Ｌが１ｍｍ以上であるものでもよい。
前記チップ長Ｌが１．５ｍｍ以上であるものでもよい。
前記チップ長Ｌが２ｍｍ以上であるものでもよい。
前記増幅光において前記相対強度雑音（ＲＩＮ）および前記リップルが同時に抑制される駆動電流にて、前記シード光源と前記ブースター増幅器とが駆動されるものでもよい。
利得飽和状態で動作するように前記ブースター増幅器が駆動されるものでもよい。
前記増幅光のパワーが最大に近くなる程度のパワーの前記シード光を出力する駆動電流にて、前記シード光源が駆動されるものでもよい。
前記シード光源は、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）、半導体光増幅器および希土類添加光ファイバを備えたＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源の少なくとも一つを含むものでもよい。
前記ブースター増幅器が出力する前記増幅光のパワーは１００ｍＷ以上であるものでもよい。
前記ブースター増幅器の前記第１端面の端面反射率および前記第２端面の端面反射率が１０－３と１０－５との間の範囲であるものでもよい。
本発明の一態様は、前記光源と、前記光源を駆動する駆動装置と、を備える光源装置である。
本発明の一態様は、所定の帯域を有するインコヒーレントなシード光を出力するシード光源と、第１端面から入力された前記シード光を光増幅し、増幅光として第２端面から出力する半導体光増幅器であるブースター増幅器と、を備える光源の駆動方法であって、前記ブースター増幅器は、前記増幅光において相対強度雑音（ＲＩＮ）およびリップルが同時に抑制されるように、屈折率ｎとチップ長Ｌとの積であるｎＬが設定されており、前記増幅光において相対強度雑音（ＲＩＮ）およびリップルが同時に抑制される駆動電流にて、前記シード光源と前記ブースター増幅器とを駆動させる光源の駆動方法である。
本発明の一態様は、前記光源と、前記増幅光が励起光として入力されるラマン増幅用光ファイバと、を備えるラマン増幅器である。
本発明の一態様は、前記光源と、前記増幅光が励起光として入力されるラマン増幅用光ファイバと、を備えるラマン増幅システムである。
本発明によれば、ＲＩＮとリップルとが同時に抑制される光源、光源装置、光源の駆動方法、ならびにこれを用いたラマン増幅器およびラマン増幅システムが提供される。
図１は、実施形態１に係る光源装置の模式図である。 図２は、図１に示す光源モジュールの一部を示す図である。 図３は、ブースター増幅器の出力光のパワースペクトルの一例を示す図である。 図４は、Iｂに対する出力光のパワー（Ｐｆ）の一例を示す図である。 図５は、出力光のＲＩＮスペクトルの例を示す図である。 図６は、ＲＩＮが抑制されているスペクトルを模式的に示す図である。 図７は、Ｉｓを０ｍＡとし、Ｉｂを変えたときの出力光のパワースペクトルの例を示す図である。 図８は、Ｉｓを変えたときの出力光のパワースペクトルの例を示す図である。 図９は、Iｂに対する出力光のパワー（Ｐｆ）のＩｓ依存性の例を示す図である。 図１０は、Ｉｓを変えたときの出力光のＲＩＮスペクトルの例を示す図である。 図１１は、ＲＩＮの抑制とリップルの抑制との関係の説明図である。 図１２は、ラウンドトリップ周波数がＲＩＮ抑制帯域内である場合に、Ｒｉｐｐｌｅが抑制されることを示した図である。 図１３は、Ｎｏ．１１～３１の光源モジュールの出力光のパワースペクトルの中心波長を示す図である。 図１４は、Ｎｏ．１１～３１の光源モジュールのＩｓに対するリップルの幅を示す図である。 図１５は、実施形態２に係るラマン増幅器の模式図である。 図１６は、実施形態３に係るラマン増幅システムの模式図である。
以下に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態によって本発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一の部分には適宜同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略している。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る光源装置の模式図である。この光源装置１００は、光源モジュール１０と、駆動装置１０１、１０２とを備えている。光源モジュール１０は光源の一例である。
光源モジュール１０は、ＳＯＡであるシード光源１１と、光アイソレータ１２と、ＳＯＡであるブースター増幅器１３と、光アイソレータ１４と、出力光ファイバ１５を備える。シード光源１１と、光アイソレータ１２と、ブースター増幅器１３と、光アイソレータ１４とは、光ファイバや光学素子などによってこの順番で光学的に縦続接続している。
シード光源１１は、所定の帯域を有するインコヒーレントなシード光Ｌ１を出力する。インコヒーレント光とは、単一または複数の離散的なモード（縦モード）で発振するレーザ光源ではなく、連続的なスペクトルを持った無相関な光子の集合からなる光を意味する。所定の帯域は特に限定されないが、たとえば波長帯域として２５ｎｍ以上などの広帯域が好ましい。光アイソレータ１２は、シード光Ｌ１を透過してブースター増幅器１３に入力させるとともに、ブースター増幅器１３側から進行してきた戻り光がシード光源１１に入力するのを阻止する。光アイソレータ１２は、戻り光の入力によってシード光源１１の動作が不安定になることを防止または低減する。
ブースター増幅器１３は、入力されたシード光Ｌ１を光増幅し、増幅光Ｌ２として出力する。光アイソレータ１４は、増幅光Ｌ２を透過して出力光ファイバ１５に入力させるとともに、出力光ファイバ１５側から進行してきた光がブースター増幅器１３に入力するのを阻止する。光アイソレータ１４は、戻り光の入力によってブースター増幅器１３の動作が不安定になることを防止または低減する。
出力光ファイバ１５は、増幅光Ｌ２を光源モジュール１０の外部に導く光ファイバである。増幅光Ｌ２は、たとえばラマン増幅用の励起光として使用される。
駆動装置１０１、１０２は、公知のＳＯＡ用の駆動装置である。駆動装置１０１はシード光源１１に駆動電流Ｃ１を供給する。駆動装置１０２はブースター増幅器１３に駆動電流Ｃ２を供給する。
図２は、図１に示す光源モジュール１０の一部を示す図である。ブースター増幅器１３は、互いに対向する第１端面１３ａと第２端面１３ｂとを有する。ブースター増幅器１３は、第１端面１３ａからシード光Ｌ１を入力され、第２端面１３ｂから増幅光Ｌ２を外部へ出力する。
第１端面１３ａ、第２端面１３ｂは、ＡＲ（Ant-Reflection）コーティングなどの反射低減処理がされている。また、第１端面１３ａ、第２端面１３ｂは、ブースター増幅器１３が備える光増幅導波路の光軸に対して傾斜していることによって反射低減処理がされていてもよい。このような構造は、斜め導波路構造とも呼ばれる。
第１端面１３ａの端面反射率をＲ１、第２端面１３ｂの端面反射率をＲ２とすると、Ｒ１およびＲ２は、たとえば１０－３と１０－５との間の範囲である。または、（Ｒ１×Ｒ２）１／２は、たとえば１０－３と１０－５との間の範囲である。１０－３と１０－５との間の範囲という値は、低反射率という観点で、十分実用的かつ実施可能な数値範囲の一例である。ここで、１０－３と１０－５との間の範囲とは、上限である１０－３と下限である１０－５とを含む範囲である。
＜光源モジュール１０の特性＞
光源モジュール１０の特性について説明する。図３は、ブースター増幅器の出力光（増幅光）のパワースペクトルの一例を示す図である。図３は、シード光源１１に供給する駆動電流Ｃ１をＩｓ、ブースター増幅器１３に供給する駆動電流Ｃ２をＩｂとすると、Ｉｓを５０ｍＡに設定し、Ｉｂを８００ｍＡに設定した場合を示している。図３の出力光のパワースペクトルは、おおむねガウス型のスペクトル形状をしており、そのＦＷＨＭ（Full Width Half Maximum）は２５ｎｍから３０ｎｍ程度である。
図４は、Iｂに対する、ブースター増幅器からの出力光（増幅光）のパワー（Ｐｆ）の一例を示す図である。図４では、Ｉｓを５０ｍＡに設定している。図４の場合、Ｉｂが１００ｍＡではＰｆは２０ｍＷ程度であり、Ｉｂが８００ｍＡではＰｆは１２０ｍＷ程度であることが分かる。なお、図３、４は、シード光源およびブースター増幅器のそれぞれとして、略同様の特性を有する半導体光増幅器を使用して作製した光源モジュールの例である。
ここで、本発明者らは、図１に示すような光源モジュール１０において、ブースター増幅器１３の屈折率ｎとチップ長Ｌとの積であるｎＬが好適に設定されることによって、ＲＩＮおよびリップルが同時に抑制されている状態を実現できることを発見した。ブースター増幅器１３の屈折率ｎとは、ブースター増幅器１３に入力されたシード光が増幅光として出力されるまでに、ブースター増幅器１３の中で当該シード光に作用する屈折率のことであって、ブースター増幅器１３の活性層の屈折率である。以下では、まずＲＩＮの抑制について説明し、つぎにリップルの抑制について説明し、さらにＲＩＮの抑制とリップルの抑制との関係について説明する。
＜ＲＩＮの抑制＞
図５は、出力光のＲＩＮスペクトルの例を示す図である。具体的には、図５は、光源モジュール１０の実施例として作製したＮｏ．１～３の光源モジュールからの出力光のＲＩＮを測定した結果を示している。なお、Ｎｏ．１～３の光源モジュールは、シード光源およびブースター増幅器のそれぞれとして、略同様の特性を有する半導体光増幅器を使用して作製したものであり、図３、４に示す特性と同等の出力特性を有する。また、Ｎｏ．１～３の光源モジュールについて、端面反射率は、（Ｒ１×Ｒ２）１／２が１０－３と１０－５との間の範囲となっていることを確認した。また、図５において、Ｔｓはシード光源のケース温度（２５℃）を示し、Ｔｂはブースター増幅器のケース温度（２５℃）を示している。
図５において、「ｏｎｌｙ Ｉｂ」とは、ブースター増幅器のみに１００ｍＡの駆動電流を供給し、シード光源には駆動電流を供給しない（つまり供給する駆動電流が０ｍＡ）の場合を示している。この場合、ブースター増幅器には増幅すべきシード光源が入力されていないので、単なるＡＳＥ光源として動作している。一方、「Ｉｓ＋Ｉｂ」とは、ブースター増幅器に１００ｍＡの駆動電流を供給し、シード光源に２００ｍＡの駆動電流を供給している場合を示している。
図５から分かるように、「ｏｎｌｙ Ｉｂ」の場合は、Ｎｏ．１～３の光源モジュールのいずれにおいても、周波数に対して比較的フラットなＲＩＮスペクトルが得られた。このＲＩＮは、ＡＳＥ光源としてのブースター増幅器から出力された出力光（ＡＳＥ）光におけるＡＳＥ－ＡＳＥ間ビート雑音に由来すると考えられる。
これに対して、「Ｉｓ＋Ｉｂ」の場合は、Ｎｏ．１～３の光源モジュールのいずれにおいても、特定の周波数ｆｃから低周波数側において、ＲＩＮが抑制されていることが分かる。なお、「Ｉｓ＋Ｉｂ」の場合、シード光源が出力するシード光（ＡＳＥ光）がブースター増幅器に入力されるために内部の光子数が増加し、ブースター増幅器は利得飽和状態で動作していると考えられる。ここで、注目すべきは、図５では、Ｉｂが１００ｍＡという比較的少ない電流であり、ブースター増幅器からの出力光のパワーが比較的小さい駆動状態にもかかわらず、すでにＲＩＮ抑制の状態となっていることである。この点については後に詳述する。
図６は、ＲＩＮが抑制されているスペクトルを模式的に示す図である。
ここで、実施形態における光源モジュールなどの光源から出力される出力光は、ＳＯＡのＡＳＥ光であるから、そのＲＩＮはＡＳＥ－ＡＳＥ間ビート雑音の大きさで決まるはずである。図６において、線２１０のレベルがＡＳＥ－ＡＳＥ間ビート雑音のレベルである。
通常のＳＯＡのＡＳＥ光のパワースペクトル幅は数十ｎｍであり、周波数で表現すると数ＴＨｚである。ＲＩＮの測定帯域は数十ＧＨｚと十分に小さいので、ＲＩＮは以下の式（１）で計算される（非特許文献１５）。
ＲＩＮ＝０．６６／ΔνＡＳＥ［Ｈｚ－１］ ・・・ （１）
ここで、０．６６はＡＳＥ光のパワースペクトルがガウス型である場合の係数であり、ΔνＡＳＥは当該パワースペクトルのＦＷＨＭである。
たとえば、図３に示した出力光のパワースペクトルはガウス型でそのＦＷＨＭは約３０ｎｍあるので、上記式（１）を用いるとＲＩＮは約－１２７ｄＢ／Ｈｚと計算される。この数値は、図５に示す結果と概ね一致している。
これに対して、利得飽和状態で動作しているＳＯＡのＲＩＮは、コーナー周波数（ｃｏｒｎｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）２１３とも呼ばれるｆｃよりも低周波数領域２１１において抑制される。たとえば、線２１０のレベルから１０ｄＢから２０ｄＢ程度のＲＩＮ抑制が報告されている（特許文献１、非特許文献６、８）。なお、線２１２はショット雑音のレベルである。
本明細書において、ＲＩＮが抑制されるとは、上記式（１）で計算されるＲＩＮよりも１０ｄＢ以上抑制されることを意味する。ＲＩＮの抑制の程度は、さらには１６ｄＢ以下でもよく、またさらには２０ｄＢ以下でもよい。
＜リップルの抑制＞
つぎに、リップルの抑制について説明する。具体的には、Ｎｏ．１の光源モジュールと出力特性が同等の光源モジュール（Ｎｏ．４の光源モジュールとする）からの出力光のパワースペクトルを、シード光源とブースター増幅器との駆動条件を変えながら測定した。
図７は、Ｉｓを０ｍＡとし、Ｉｂを変えたときの出力光のパワースペクトルの例を示す図である。図８は、Ｉｓを変えたときの出力光のパワースペクトルの例を示す図である。
図７では、Ｉｂが２００ｍＡ、８００ｍＡのいずれの場合もリップルが発生している。特に、Ｉｂが２００ｍＡの場合は、出力光のパワーは約１８ｍＷ程度と比較的小さいにも関わらずリップルが発生している。また、Ｉｓを０ｍＡとした場合には、特にリップルが発生しやすかった。このリップルは、上述したように、ＳＯＡの両端面での光の反射に起因するが、ブースター増幅器の端面反射率は、（Ｒ１×Ｒ２）１／２が１０－３と１０－５との間の範囲という十分小さい範囲にも関わらずリップルが発生している。このような低駆動電流（低パワー）かつ低反射率にも関わらずリップルが発生しているということは、光出力が場合によっては数百ｍＷにもおよぶラマン増幅用励起光源におけるリップル抑制が、如何に困難であるかを示す一例であるといえる。なお、リップルには、異なる複数の周期の成分が含まれていた。
これに対して、図８に示すように、Ｉｂを８００ｍＡに固定しながら、Ｉｓを２５ｍＡに増加するとリップルが抑制され、Ｉｓが５０ｍＡではさらに抑制される。しかし、Ｉｓをさらに４００ｍＡまで増加させると再びリップルが増加する。
図８に示すように、ブースター増幅器にシード光が入力されると、利得飽和状態となり、リップルが抑制される領域がある。このことは、リップルが抑制される程度までブースター増幅器の端面反射率を低くしなくても、ブースター増幅器へ入力するシード光のパワーを制御することによってリップルを抑制できることを示している。なお、ＳＯＡのＡＳＥ光スペクトルは数ｎｍから数十ｎｍと広いので、このような広い帯域をカバーするように端面反射率を低下させる処理（たとえば無反射処理）を施すことは容易ではない。したがって、シード光のパワーを制御することによってリップルを抑制する技術は、ブースター増幅器の端面反射率の設定条件や作製の困難さを緩和することができる技術であり、実用上きわめて有効な技術である。
リップルの抑制は、リップルを小さくするほど好ましい。リップルの大きさは、所定の波長（たとえば１５１０ｎｍ付近）での、パワースペクトル上に現れるリップルの幅（ピークトゥーボトム）の最大値で示される。この場合、リップルは、たとえばリップルの幅がピークトゥーボトムで５ｄＢ以下になるように、３ｄＢ以下になるように、１ｄＢ以下になるように、または０．５ｄＢ以下になるように抑制することが好ましい。
したがって、光源としての光源モジュールの駆動方法は、増幅光においてＲＩＮおよびリップルが同時に抑制される駆動電流（Ｉｓ、Ｉｂ）にて、シード光源とブースター増幅器とを駆動させることが好ましい。
＜ＲＩＮスペクトルのＩｓ依存性＞
つぎに、図７、８にリップル特性を示したＮｏ．４の光源モジュールについて、Ｉｓ依存性を説明する。
図９は、Iｂに対する出力光のパワー（Ｐｆ）のＩｓ依存性の例を示す図である。図９のＩｓ＝０ｍＡでの曲線と、図７とを比較すると、Ｉｂ＝２００ｍＡでは、Ｐｆが最大出力である約６０ｍＷの約１／３である１８ｍＷ程度と小さいにもかかわらず、図７のようにリップルが発生していることがわかる。また、Ｉｂ＝８００ｍＡでは、Ｐｆが最大出力に近いが、図７のようにリップルの幅がピークトゥーボトムで１０ｄＢ以上になっていることがわかる。
一方、図１０は、Ｉｓを変えたときの出力光のＲＩＮスペクトルの例を示す図である。なお、Ｉｂは１０００ｍＡに固定した。図１０から分かるように、Ｉｓが大きくなるほどＲＩＮが抑制されている。これは、Ｉｓが大きいほどブースター増幅器の利得飽和の度合いが高くなるためと考えられる。
図１０において、上記の式（１）に基づいて、ＡＳＥ－ＡＳＥ間ビート雑音のレベル（ＲＩＮＡＳＥ－ＡＳＥ ｂｅａｔ）を計算すると、－１２７ｄＢ／Ｈｚであった。そこで、Ｉｓ＝４０ｍＡのグラフの線を、破線のように高周波側に延長して、その延長線とＲＩＮＡＳＥ－ＡＳＥ ｂｅａｔのレベル（破線）との交点からコーナー周波数ｆｃを調べたところ、約３０ＧＨｚであった。なお、Ｉｓがその他の値の場合のグラフの線も同様に用いてｆｃを調べたところ、約３０ＧＨｚであった。このことから、Ｎｏ．４の光源モジュールでは、少なくとも約３０ＧＨｚから低周波側でＲＩＮが抑制されていることが確認された。
＜ＲＩＮの抑制とリップルの抑制との関係＞
本発明者は、ＲＩＮの抑制とリップルの抑制との関係について、以下のように考察した。図１１は、ＲＩＮの抑制とリップルの抑制との関係の説明図である。図１１では、ブースター増幅器１３を構成するＳＯＡのチップを示している。ＳＯＡのチップ長はＬである。ＳＯＡの第１端面から入力されたパワーＰ０のシード光は、当該ＳＯＡを伝搬しながら増幅され、利得Ｇを受けてパワーがＧＰ０の増幅光となり、時間ΔＴの経過後に第２端面に到達する。すると、増幅光の一部は第２端面にて反射して、パワーΔＰ１の第１反射光が第１端面に向かって伝搬する。パワーΔＰ１の第１反射光は、当該ＳＯＡを伝搬しながら増幅され、時間ΔＴの経過後に第１端面に到達する。すると、第１反射光の一部は第１端面にて反射して、パワーΔＰ２の第２反射光として、さらに第２端面に向かって伝搬する。このようにして端面で一部の光が反射して伝搬することにより、反射に起因する光パワーの揺らぎが発生する。この揺らぎがリップルの要因となる。
当該光パワーの揺らぎがブースター増幅器１３を構成するＳＯＡを往復する時間をτＲＴ（Round Trip Time）と呼ぶこととする。このτＲＴを周波数で表現すれば、ｆＲＴ＝１／τＲＴである。以降、ｆＲＴをラウンドトリップ周波数と記載する場合がある。
τＲＴはＳＯＡのチップの長さＬと、屈折率ｎとによって、以下の式（２）で規定される。また、式（２）から式（３）が成り立つ。
τＲＴ＝（２ｎＬ／ｃ） ・・・ （２）
ｆＲＴ＝１／τＲＴ＝（ｃ／２ｎＬ） ・・・ （３）
図１２は、ラウンドトリップ周波数がＲＩＮ抑制帯域内である場合に、Ｒｉｐｐｌｅが抑制されることを示した図である。本発明者は、揺らぎの周波数であるラウンドトリップ周波数ｆＲＴがＲＩＮの抑圧周波数帯域（RIN suppression area）内であれば、当該揺らぎは抑圧され、リップルの発生が抑えられることを見出した。式（２）、（３）から分かるように、ｆＲＴは屈折率ｎとチップ長Ｌとに依存する。したがって、ブースター増幅器１３は、増幅光においてＲＩＮおよびリップルが同時に抑制されるように、屈折率ｎとチップ長Ｌとの積であるｎＬが設定されていることが好適である。
ここで、Ｎｏ．４の光源モジュールでは、チップ長Ｌを１．８ｍｍであり、屈折率ｎは３．５と仮定できる。この場合、ｆＲＴは２３．８ＧＨｚであり、図１０に示すようにＲＩＮの抑圧周波数帯域の範囲内、すなわちｆｃより低い周波数である。つまり、ｎＬ＝３．５×１．８＝６．３は、ｎＬの好ましい一例である。
また、屈折率ｎを３．５とした場合、チップ長ＬとｆＲＴとの関係の例を表１に示す。チップ長Ｌは、１ｍｍ以上が好ましく、１．５ｍｍ以上がより好ましく、２ｍｍ以上がさらに好ましい。なお、屈折率ｎは、発振波長や活性層の組成比に依存するので、表１は一例であることに留意すべきである。
Figure 2023084807000002
ＲＩＮ抑圧周波数帯域はブースター増幅器１３のＩｂや飽和状態で決まる（非特許文献８）。また、ブースター増幅器１３の屈折率はシード光の波長や活性層の組成比などに依存するが、概ね３．２から３．６の範囲にあり、具体的な好適なチップ長Ｌは、当該ＲＩＮ抑圧周波数帯域、およびブースター増幅器１３の屈折率で決まる。リップル抑制の観点からはＬの値に上限は無いが、ＳＯＡチップの内部損失や、光源モジュール１０全体の大きさも考慮すると、５ｍｍ程度以下が好ましい。
このように、リップルはＲＩＮの抑圧現象によって抑圧されるが、ＲＩＮの抑圧によってリップル抑制効果が得られる程度にブースター増幅器１３の第１端面１３ａ、第２端面１３ｂの反射率が低いことが当然の前提となる。なお、上記のＮｏ．１～４の光源モジュールにおける当該第１端面、第２端面の反射率は、（Ｒ１×Ｒ２）１／２が１０－３と１０－５との間の範囲程度であり、実用上十分に低く処理されている。にもかかわらず、一般にラマン増幅用励起光源は数百ｍＷ以上の大きな出力が必要であり、リップルは容易に発生し得る。しかるに、本開示のように、チップ長Ｌと屈折率ｎとの積であるｎＬから導かれるラウンドトリップ周波数をＲＩＮ抑圧周波数帯域内にすれば、広く実用化されている端面反射率の範囲内であっても、リップルは抑制される。
つづいて、Ｎｏ．４の光源モジュールと出力特性が同等の光源モジュール（Ｎｏ．１１～３１の光源モジュールとする）のリップル特性について説明する。図１３は、Ｎｏ．１１～３１の光源モジュールの出力光のパワースペクトルの中心波長を示す図である。なお、中心波長はＲＭＳ法を用いて測定したものである。
Ｎｏ．１１～３１の光源モジュールでは、いずれもブースター増幅器のチップ長が１．８ｍｍである。しかし、図１３に示すように、Ｎｏ．２５、２６の光源モジュールでは、ピーク波長が他の光源モジュールに比べて長い。その理由は、Ｎｏ．２５、２６の光源モジュールでは、ブースター増幅器の屈折率が比較的低いためである。
図１４は、Ｎｏ．１１～３１の光源モジュールのＩｓに対するリップルの幅を示す図である。なお、Ｉｂは所定の値に固定している。図１４に示すように、Ｎｏ．２５、２６の光源モジュールでは、リップルの幅が他の光源モジュールに比べて大きい。その理由は、Ｎｏ．２５、２６の光源モジュールの発振波長は他の光源モジュールの発振波長と比較して長いが、ＩｎＰ系の半導体材料の屈折率は波長と負の相関があるので、ブースター増幅器のｎＬが他の光源モジュールにおけるｎＬと比較して小さくなるためと考えられる。
以上に説明したように、実施形態に係る光源装置および光源モジュールは、ブースター増幅器の屈折率ｎとチップ長Ｌとの積であるｎＬが好適に設定されることによって増幅光においてＲＩＮおよびリップルが同時に抑制されているので、ラマン増幅用の励起光源、特に前方励起用の励起光源に適するものであり、特にＲＩＮを抑制し、かつＲＩＮトランスファーを抑制する点で優れている。
（実施形態２）
図１５は、実施形態２に係るラマン増幅器の模式図である。ラマン増幅器１０００は、実施形態１の光源モジュール１０を励起光源として備える、前方励起型の集中型光増幅器として構成されている。ラマン増幅器１０００は、光源モジュール１０を備える光源装置１００と、信号光入力部１００１と、光合波器１００２と、高非線形性光ファイバなどのラマン増幅用光ファイバ１００３と、ラマン増幅光出力部１００４とを備えている。
信号光入力部１００１は、信号光Ｌ１１が入力される。光合波器１００２は、信号光Ｌ１１と、光源モジュール１０の出力光ファイバ１５から出力された、励起光としての増幅光Ｌ２と、を合波して、ラマン増幅用光ファイバ１００３に入力させる。ラマン増幅用光ファイバ１００３は、増幅光Ｌ２を励起光として信号光Ｌ１１をラマン増幅する。ラマン増幅光出力部１００４は、信号光Ｌ１１がラマン増幅された光であるラマン増幅光Ｌ１２を出力する。
光源モジュール１０からの増幅光Ｌ２は、ラマン増幅用光ファイバ１００３にて信号光Ｌ１１をラマン増幅できる波長に設定されている。
ラマン増幅器１０００は、特にＲＩＮを抑制し、かつＲＩＮトランスファーを抑制する点で優れている。
（実施形態３）
図１６は、実施形態３に係るラマン増幅システムの模式図である。ラマン増幅システム２０００は、実施形態１の光源モジュール１０を励起光源として備える、前方励起型の分布型光増幅システムとして構成されている。ラマン増幅システム２０００は、光源モジュール１０を備える光源装置２００と、信号光入力部２００１と、標準シングルモードファイバ、分散シフトファイバ、ノンゼロ分散シフトファイバなどのラマン増幅用光ファイバ２００３と、ラマン増幅光出力部２００４とを備えている。標準シングルモードファイバは、たとえばＩＴＵ－Ｔ Ｇ．６５２規格に準拠する光ファイバである。
光源装置２００は、光源装置１００に、光合波器２０１を追加した構成を有する。また、ラマン増幅用光ファイバ２００３としては、たとえばフィールドに敷設された光通信用の光ファイバを利用することができる。
信号光入力部２００１は、信号光Ｌ２１が入力される。光合波器２０１は、信号光Ｌ１１と、光源モジュール１０の出力光ファイバ１５から出力された、励起光としての増幅光Ｌ２と、を合波して、ラマン増幅用光ファイバ２００３に入力させる。ラマン増幅用光ファイバ２００３は、増幅光Ｌ２を励起光として信号光Ｌ２１をラマン増幅する。ラマン増幅光出力部２００４は、信号光Ｌ２１がラマン増幅された光であるラマン増幅光Ｌ２２を出力する。
光源モジュール１０からの増幅光Ｌ２は、ラマン増幅用光ファイバ２００３にて信号光Ｌ２１をラマン増幅できる波長に設定されている。
ラマン増幅システム２０００は、特にＲＩＮを抑制し、かつＲＩＮトランスファーを抑制する点で優れている。
上記実施形態のラマン増幅器やラマン増幅システムは、前方励起型として構成されているが、本発明の実施形態はこれに限られず、後方励起型や双方向励起型として構成されてもよい。
また、上記実施形態の光源モジュール、光源装置は、ラマン増幅用の励起光源に限らず、ＲＩＮとリップルが同時に抑制された光源として、幅広く利用できる。
また、上記実施形態では、シード光は、ＡＳＥ光であるが、自然放出光（ＳＥ）のようなインコヒーレント光でもよい。
また、上記実施形態では、シード光源は半導体光増幅器であるが、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）、ＳＯＡおよび希土類添加光ファイバを備えたＡＳＥ光源の少なくとも一つを含むものであってもよい。このようなＳＬＤ、ＳＯＡおよびＡＳＥ光源は、インコヒーレント光源として好適である。
また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
１０ ：光源モジュール
１１ ：シード光源
１２ 、１４ ：光アイソレータ
１３ ：ブースター増幅器
１３ａ ：第１端面
１３ｂ ：第２端面
１５ ：出力光ファイバ
１００、２００ ：光源装置
１０１、１０２ ：駆動装置
１０００ ：ラマン増幅器
１００１、２００１ ：信号光入力部
１００２、２０１ ：光合波器
１００３、２００３ ：ラマン増幅用光ファイバ
１００４、２００４ ：ラマン増幅光出力部
２０００ ：ラマン増幅システム
Ｃ１、Ｃ２ ：駆動電流
Ｌ１ ：シード光
Ｌ１１、Ｌ２１ ：信号光
Ｌ１２、Ｌ２２ ：ラマン増幅光
Ｌ２ ：増幅光

Claims (14)

  1. 所定の帯域を有するインコヒーレントなシード光を出力するシード光源と、
    第１端面から入力された前記シード光を光増幅し、増幅光として第２端面から出力する半導体光増幅器であるブースター増幅器と、
    を備え、
    前記ブースター増幅器は、前記増幅光において相対強度雑音（ＲＩＮ）およびリップルが同時に抑制されるように、屈折率ｎとチップ長Ｌとの積であるｎＬが設定されている
    光源。
  2. 前記チップ長Ｌが１ｍｍ以上である
    請求項１に記載の光源。
  3. 前記チップ長Ｌが１．５ｍｍ以上である
    請求項１に記載の光源。
  4. 前記チップ長Ｌが２ｍｍ以上である
    請求項１に記載の光源。
  5. 前記増幅光において前記相対強度雑音（ＲＩＮ）および前記リップルが同時に抑制される駆動電流にて、前記シード光源と前記ブースター増幅器とが駆動される
    請求項１～４のいずれか一つに記載の光源。
  6. 利得飽和状態で動作するように前記ブースター増幅器が駆動される
    請求項１～５のいずれか一つに記載の光源。
  7. 前記増幅光のパワーが最大に近くなる程度のパワーの前記シード光を出力する駆動電流にて、前記シード光源が駆動される
    請求項１～６のいずれか一つに記載の光源。
  8. 前記シード光源は、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）、半導体光増幅器および希土類添加光ファイバを備えたＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源の少なくとも一つを含む
    請求項１～７のいずれか一つに記載の光源。
  9. 前記ブースター増幅器が出力する前記増幅光のパワーは１００ｍＷ以上である
    請求項１～８のいずれか一つに記載の光源。
  10. 前記ブースター増幅器の前記第１端面の端面反射率および前記第２端面の端面反射率が１０－３と１０－５との間の範囲である
    請求項１～９のいずれか一つに記載の光源。
  11. 請求項１～１０のいずれか一つに記載の光源と、
    前記光源を駆動する駆動装置と、
    を備える光源装置。
  12. 所定の帯域を有するインコヒーレントなシード光を出力するシード光源と、
    第１端面から入力された前記シード光を光増幅し、増幅光として第２端面から出力する半導体光増幅器であるブースター増幅器と、
    を備える光源の駆動方法であって、
    前記ブースター増幅器は、前記増幅光において相対強度雑音（ＲＩＮ）およびリップルが同時に抑制されるように、屈折率ｎとチップ長Ｌとの積であるｎＬが設定されており、
    前記増幅光において相対強度雑音（ＲＩＮ）およびリップルが同時に抑制される駆動電流にて、前記シード光源と前記ブースター増幅器とを駆動させる
    光源の駆動方法。
  13. 請求項１～１０のいずれか一つに記載の光源と、
    前記増幅光が励起光として入力されるラマン増幅用光ファイバと、
    を備えるラマン増幅器。
  14. 請求項１～１０のいずれか一つに記載の光源と、
    前記増幅光が励起光として入力されるラマン増幅用光ファイバと、
    を備えるラマン増幅システム。
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