JP2002006349A - 複数のラマンポンプを有する光学システムをポンピングする方法 - Google Patents
複数のラマンポンプを有する光学システムをポンピングする方法Info
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- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/29—Repeaters
- H04B10/291—Repeaters in which processing or amplification is carried out without conversion of the main signal from optical form
- H04B10/2912—Repeaters in which processing or amplification is carried out without conversion of the main signal from optical form characterised by the medium used for amplification or processing
- H04B10/2916—Repeaters in which processing or amplification is carried out without conversion of the main signal from optical form characterised by the medium used for amplification or processing using Raman or Brillouin amplifiers
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 光学伝送システムにおいて、平坦で高帯域の
ラマンゲインの生成と利用を容易にするような方法と装
置を提供する。 【解決手段】 時分割多重化された複数の波長を後方ポ
ンプされたラマン増幅を用いて平坦で高帯域のゲインを
得る。周波数掃引方法は、様々なシステムの欠点を解決
するのに必要とされるゲインのバンド幅の形状に対し幅
広く調整可能にしながら、少なくとも８ＴＨｚの幅でゲ
インのバンド幅にわたって平坦なゲイン（変動が０．０
５％以下）を生成できる。好ましいことにこれらの条件
の全ては、公知で単純な全電子制御を用いて、ミリセカ
ンド内で確立し変更することができる。
ラマンゲインの生成と利用を容易にするような方法と装
置を提供する。 【解決手段】 時分割多重化された複数の波長を後方ポ
ンプされたラマン増幅を用いて平坦で高帯域のゲインを
得る。周波数掃引方法は、様々なシステムの欠点を解決
するのに必要とされるゲインのバンド幅の形状に対し幅
広く調整可能にしながら、少なくとも８ＴＨｚの幅でゲ
インのバンド幅にわたって平坦なゲイン（変動が０．０
５％以下）を生成できる。好ましいことにこれらの条件
の全ては、公知で単純な全電子制御を用いて、ミリセカ
ンド内で確立し変更することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光通信に関し、特
に、広いバンド幅にわたって平坦なラマンゲインを生成
する方法と装置に関する。
に、広いバンド幅にわたって平坦なラマンゲインを生成
する方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】全光伝送に対する初期の提案（例えば、
A. Hasegawa,著の“Numerical studyof optical solito
n transmission amplified periodically by the stimu
latedRaman process,”Appl. Opt., 23, 1095 (1984);
と、L. F. Mollenauer, J. P. Gordon, and M. N. Isla
m,著の“Soliton propagation in long fiber with per
iodically compensated loss,”IEEE J. Quantum Elect
ronics QE-22, 157(1986)を参照のこと）は、ラマン効
果に基づいて得られたゲインを用いて、伝送用の光ファ
イバのスパン（一部）を増幅器に変えている。このよう
なスキームは多くの利点を提供し、そして実際のところ
全光長距離伝送の最初のデモンストレーションに対し成
功裏に用いられており、これはその後、L. F. Mollenau
er とK.Smithの著による“Demonstration of soliton t
ransmission over more than 4000 km in fiber with l
oss periodically compensated by Raman gain,”which
appeared in Opt. Lett. 13, 675(1988)で報告されてい
る。
A. Hasegawa,著の“Numerical studyof optical solito
n transmission amplified periodically by the stimu
latedRaman process,”Appl. Opt., 23, 1095 (1984);
と、L. F. Mollenauer, J. P. Gordon, and M. N. Isla
m,著の“Soliton propagation in long fiber with per
iodically compensated loss,”IEEE J. Quantum Elect
ronics QE-22, 157(1986)を参照のこと）は、ラマン効
果に基づいて得られたゲインを用いて、伝送用の光ファ
イバのスパン（一部）を増幅器に変えている。このよう
なスキームは多くの利点を提供し、そして実際のところ
全光長距離伝送の最初のデモンストレーションに対し成
功裏に用いられており、これはその後、L. F. Mollenau
er とK.Smithの著による“Demonstration of soliton t
ransmission over more than 4000 km in fiber with l
oss periodically compensated by Raman gain,”which
appeared in Opt. Lett. 13, 675(1988)で報告されてい
る。
【０００３】しかし１９８０年代後半のエルビウムファ
イバ増幅器の出現により、ラマン増幅は、主に必要とさ
れるポンプパワーの大きさゆえに現在では余り利用され
なくなっている。すなわち、信号パワーが１−２ｍＷ程
度の単一チャネル伝送においては、正のラマンゲインを
得るのに必要な数百ｍＷのしきい値パワーは大きすぎ、
そして今のところ実用的ではない。高密度ＷＤＭ（正味
信号レベルは１００ｍＷ程度）が近年優勢になるにつれ
て、そして数百ｍＷの出力を有する半導体ポンプレーザ
が同時に市場に出てくるにつれて、選択する技術が変わ
りつつある。現在ラマンゲインは、ノイズ／非線形のペ
ナルティー（欠点）を解決する能力があるため、および
ゲインのバンド幅の場所と大きさは利用可能なポンプ波
長にのみ依存するという事実のために高く評価されてい
る。高密度ＷＤＭに対するラマン増幅の別の重要な利点
は、エルビウム増幅器とはまったく対照的に、ラマンゲ
インのバンド幅の形状は、ポンプレベルと信号レベルと
は無関係である点である。
イバ増幅器の出現により、ラマン増幅は、主に必要とさ
れるポンプパワーの大きさゆえに現在では余り利用され
なくなっている。すなわち、信号パワーが１−２ｍＷ程
度の単一チャネル伝送においては、正のラマンゲインを
得るのに必要な数百ｍＷのしきい値パワーは大きすぎ、
そして今のところ実用的ではない。高密度ＷＤＭ（正味
信号レベルは１００ｍＷ程度）が近年優勢になるにつれ
て、そして数百ｍＷの出力を有する半導体ポンプレーザ
が同時に市場に出てくるにつれて、選択する技術が変わ
りつつある。現在ラマンゲインは、ノイズ／非線形のペ
ナルティー（欠点）を解決する能力があるため、および
ゲインのバンド幅の場所と大きさは利用可能なポンプ波
長にのみ依存するという事実のために高く評価されてい
る。高密度ＷＤＭに対するラマン増幅の別の重要な利点
は、エルビウム増幅器とはまったく対照的に、ラマンゲ
インのバンド幅の形状は、ポンプレベルと信号レベルと
は無関係である点である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光学
伝送システムの重要性ゆえに、ラマンゲインの生成と利
用を容易にするような方法と装置を提供することであ
る。
伝送システムの重要性ゆえに、ラマンゲインの生成と利
用を容易にするような方法と装置を提供することであ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の方法は、広いラ
マンゲインのバンド幅を得るために、結合したポンプ波
長を時分割多重化することである。
マンゲインのバンド幅を得るために、結合したポンプ波
長を時分割多重化することである。
【０００６】様々なポンプ波長が互いに相互作用するの
を阻止する方法として、最初に考えられたもので、本発
明の方法は、周波数掃引を行う際に、いくつかの重要な
利点を有する。
を阻止する方法として、最初に考えられたもので、本発
明の方法は、周波数掃引を行う際に、いくつかの重要な
利点を有する。
【０００７】具体的に説明すると、本発明の周波数掃引
方法は、様々なシステムの欠点を解決するのに必要とさ
れるゲインのバンド幅の形状に対し幅広く調整可能にし
ながら、少なくとも８ＴＨｚの幅でゲインのバンド幅に
わたって平坦なゲイン（変動が０．０５％以下）を生成
できる。好ましいことにこれらの条件の全ては、公知で
単純な全電子制御を用いて、ミリセカンド内で確立し変
更することができる。
方法は、様々なシステムの欠点を解決するのに必要とさ
れるゲインのバンド幅の形状に対し幅広く調整可能にし
ながら、少なくとも８ＴＨｚの幅でゲインのバンド幅に
わたって平坦なゲイン（変動が０．０５％以下）を生成
できる。好ましいことにこれらの条件の全ては、公知で
単純な全電子制御を用いて、ミリセカンド内で確立し変
更することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明のバック
グラウンドを説明する。図１にはラマン効果を示す図で
ある。図１によれば、シリカガラス製のファイバ中のラ
マン効果は、基底状態１０１から仮想状態１０２へのポ
ンプ誘導遷移と、この仮想状態１０２からの放射１０３
が後に続く。放射１０３は、格子の励起状態１０４に至
ると終了する。励起状態１０４からの放射１０５（通常
数フェムト秒内で発生する）で、基底状態１０１へ戻る
ことになる。
グラウンドを説明する。図１にはラマン効果を示す図で
ある。図１によれば、シリカガラス製のファイバ中のラ
マン効果は、基底状態１０１から仮想状態１０２へのポ
ンプ誘導遷移と、この仮想状態１０２からの放射１０３
が後に続く。放射１０３は、格子の励起状態１０４に至
ると終了する。励起状態１０４からの放射１０５（通常
数フェムト秒内で発生する）で、基底状態１０１へ戻る
ことになる。
【０００９】光学遷移は、励起電子レベルに対しては極
めて高い非共鳴性を有し、通常このレベルはシリカガラ
ス内では基底状態から５−６ｅＶ上の場所にある。この
ため光学遷移は、非常に強いマトリックス原子から主に
強度を得て、第１電子状態へ移る。
めて高い非共鳴性を有し、通常このレベルはシリカガラ
ス内では基底状態から５−６ｅＶ上の場所にある。この
ため光学遷移は、非常に強いマトリックス原子から主に
強度を得て、第１電子状態へ移る。
【００１０】緩和が極端に速いために、光学放射の最終
状態の分布（population of terminal state）は、とり
囲んでいるフォノンバスと平衡状態で決定され、そのた
め光学ポンピングと放射の割合とはほとんど無関係であ
る。このことは、光学ポンピング動作（optical pumpin
g dynamics）からのラマンゲインのバンド幅の形状とは
無関係となる原因である。
状態の分布（population of terminal state）は、とり
囲んでいるフォノンバスと平衡状態で決定され、そのた
め光学ポンピングと放射の割合とはほとんど無関係であ
る。このことは、光学ポンピング動作（optical pumpin
g dynamics）からのラマンゲインのバンド幅の形状とは
無関係となる原因である。
【００１１】ラマン応答は、本質的に瞬間的なものであ
り、それゆえに順方向ポンピング（ポンピング光と信号
光が同一方向に伝搬する）において、信号パターン上で
のゲインの依存性における重大な問題を引き起こす傾向
がある。しかし後方ラマンポンピングで得られるポンプ
光と信号光との間の相互作用を行う長い有効パス（特定
ファイバ損失長さの２倍に等しい）は、通常、数百マイ
クロ秒の有効積分時間に対応する。これは高いポンプパ
ワーレベルと信号パワーレベルで動作するエルビウム増
幅器の積分時間以上となり、さらにまたパターンの依存
性の問題を解決するのに必要な長さ以上となり、これは
本発明の時分割多重化スキームについても当てはまる。
り、それゆえに順方向ポンピング（ポンピング光と信号
光が同一方向に伝搬する）において、信号パターン上で
のゲインの依存性における重大な問題を引き起こす傾向
がある。しかし後方ラマンポンピングで得られるポンプ
光と信号光との間の相互作用を行う長い有効パス（特定
ファイバ損失長さの２倍に等しい）は、通常、数百マイ
クロ秒の有効積分時間に対応する。これは高いポンプパ
ワーレベルと信号パワーレベルで動作するエルビウム増
幅器の積分時間以上となり、さらにまたパターンの依存
性の問題を解決するのに必要な長さ以上となり、これは
本発明の時分割多重化スキームについても当てはまる。
【００１２】ラマン効果は、ポンプ光と信号光が同一偏
光の時に最大となり、それらが直交して偏光するときに
ほぼゼロとなる（図１においては、この偏光依存性を解
決する２つの方法が示されており、その第１の方法は、
ポンプ光そのものを無偏光にすることであり、第２の方
法は、後方ラマンポンピングのみを用いることであ
る）。
光の時に最大となり、それらが直交して偏光するときに
ほぼゼロとなる（図１においては、この偏光依存性を解
決する２つの方法が示されており、その第１の方法は、
ポンプ光そのものを無偏光にすることであり、第２の方
法は、後方ラマンポンピングのみを用いることであ
る）。
【００１３】後者の場合、通常のファイバの複屈折に応
答して、反対方向に伝搬するポンプ光と信号光を表すSt
okesベクトルは、反対方向にPoincare球を回転し、そし
てパス平均ベースでポンプ光と信号光の相対的な偏光状
態を完全に平均化する。いずれの方法もそれ自身として
は有効であるが、一緒に用いる場合にはラマンゲインの
測定可能な偏光依存性は、一緒に消失する傾向がある。
答して、反対方向に伝搬するポンプ光と信号光を表すSt
okesベクトルは、反対方向にPoincare球を回転し、そし
てパス平均ベースでポンプ光と信号光の相対的な偏光状
態を完全に平均化する。いずれの方法もそれ自身として
は有効であるが、一緒に用いる場合にはラマンゲインの
測定可能な偏光依存性は、一緒に消失する傾向がある。
【００１４】ポンプフォトンと信号フォトンは、以下の
一対の結合式にしたがって互いに相互作用する。
一対の結合式にしたがって互いに相互作用する。
【数１】
【数２】 ここでαpとＰpは、ポンプ波長におけるファイバ損失係
数とパワーを表し、α sとＰsは、信号波長においてファ
イバ損失係数とパワーを表す。Ａeffは、ファイバの有
効コア面積であり、Ｒはラマンゲイン係数である。純粋
のシリカ製ファイバにおける偏光が同じポンプ光と信号
光に対するラマンゲイン帯域のピークにおいては、Ｒ＝
６８ｋｍ-1／Ｗ／（μｍ）2であり、偏光が異なるポン
プ光に対しては、その値はほぼ半分となる。Ｒは、光フ
ァイバのＧｅの含有量が増加すると大幅に増加する。
数とパワーを表し、α sとＰsは、信号波長においてファ
イバ損失係数とパワーを表す。Ａeffは、ファイバの有
効コア面積であり、Ｒはラマンゲイン係数である。純粋
のシリカ製ファイバにおける偏光が同じポンプ光と信号
光に対するラマンゲイン帯域のピークにおいては、Ｒ＝
６８ｋｍ-1／Ｗ／（μｍ）2であり、偏光が異なるポン
プ光に対しては、その値はほぼ半分となる。Ｒは、光フ
ァイバのＧｅの含有量が増加すると大幅に増加する。
【００１５】ラマンゲイン帯域の正確な形状は、ガラス
組成に依存するが、ほぼ純粋なシリカガラスに対しては
図１に示すように、そして分散シフト型ファイバに対し
ては図２に示すように、その形状は非対称で、周波数差
がゼロの方向に対しは、ほとんど線形の傾斜となり、ピ
ークの高周波側でははるかに急な傾斜となる。より平坦
なゲイン帯域を達成するために、多重化ポンプ周波数
（すなわち波長）を使用する場合には、ラマン応答の非
対称性は、様々なポンプ波長の相対的なパワーの高い非
均一性を支配する傾向がある。しかし所望の分布は、そ
れがいかに複雑なものであっても、本明細書で記述すべ
き技術でもって容易かつ経済的に達成可能である。
組成に依存するが、ほぼ純粋なシリカガラスに対しては
図１に示すように、そして分散シフト型ファイバに対し
ては図２に示すように、その形状は非対称で、周波数差
がゼロの方向に対しは、ほとんど線形の傾斜となり、ピ
ークの高周波側でははるかに急な傾斜となる。より平坦
なゲイン帯域を達成するために、多重化ポンプ周波数
（すなわち波長）を使用する場合には、ラマン応答の非
対称性は、様々なポンプ波長の相対的なパワーの高い非
均一性を支配する傾向がある。しかし所望の分布は、そ
れがいかに複雑なものであっても、本明細書で記述すべ
き技術でもって容易かつ経済的に達成可能である。
【００１６】本願の発明者らは、本発明の態様は、マル
チポンプ波長の使用に伴う基本的な問題点、すなわちラ
マン効果そのものにより得られる、非常に強く、かつ有
害な相互作用を解決する１つの方法とみなしていた。最
も単純な例においては、２個のポンプ波長間の相互作用
を考えてみると、その相互作用は、２個のポンプ波長の
うちの長い方の波長を信号として取り扱うことにより、
結合式（式１）から計算できる。
チポンプ波長の使用に伴う基本的な問題点、すなわちラ
マン効果そのものにより得られる、非常に強く、かつ有
害な相互作用を解決する１つの方法とみなしていた。最
も単純な例においては、２個のポンプ波長間の相互作用
を考えてみると、その相互作用は、２個のポンプ波長の
うちの長い方の波長を信号として取り扱うことにより、
結合式（式１）から計算できる。
【００１７】図３に示すように、ポンプ波長が光ファイ
バの中を伝搬するにつれて、エネルギーは短い波長から
長い波長へ急速に移り変わる。そのためパス平均ベース
で２つのポンプの間の相対的パワーの分布は、初期の分
布（最初に意図した分布）とはまったく異なる。さらに
また、ラマンゲインは、ファイバ損失が線形となるよう
に、ファイバのスパンにわたって均一に分布しているこ
とが重要であるため、短い波長パワーをあらかじめ強化
しておくことは十分な解決方法ではない。しかし２つの
ポンプ波長が、異なる時間に（ずれて）ファイバ中を伝
搬すると、この相互作用を回避することができる。パワ
ーが２つの波長間を行ったり来たりする（dithered bac
k and forth）ような速度は、有効積分時間に対し十分
速い限り、累積した信号ゲインは、時間（それゆえにパ
ターン）とは独立している。前述したように、後方ラマ
ンポンピングにおける積分時間は、数百マイクロ秒のオ
ーダーとなり、ディザリング（dithering）の必要周波
数は、１以下である必要がある、すなわちせいぜい数Ｍ
Ｈｚである。その周波数範囲においては、レーザの必要
とされる電子駆動装置はシンプルで、かつ安く容易に構
成することができる。
バの中を伝搬するにつれて、エネルギーは短い波長から
長い波長へ急速に移り変わる。そのためパス平均ベース
で２つのポンプの間の相対的パワーの分布は、初期の分
布（最初に意図した分布）とはまったく異なる。さらに
また、ラマンゲインは、ファイバ損失が線形となるよう
に、ファイバのスパンにわたって均一に分布しているこ
とが重要であるため、短い波長パワーをあらかじめ強化
しておくことは十分な解決方法ではない。しかし２つの
ポンプ波長が、異なる時間に（ずれて）ファイバ中を伝
搬すると、この相互作用を回避することができる。パワ
ーが２つの波長間を行ったり来たりする（dithered bac
k and forth）ような速度は、有効積分時間に対し十分
速い限り、累積した信号ゲインは、時間（それゆえにパ
ターン）とは独立している。前述したように、後方ラマ
ンポンピングにおける積分時間は、数百マイクロ秒のオ
ーダーとなり、ディザリング（dithering）の必要周波
数は、１以下である必要がある、すなわちせいぜい数Ｍ
Ｈｚである。その周波数範囲においては、レーザの必要
とされる電子駆動装置はシンプルで、かつ安く容易に構
成することができる。
【００１８】本発明の主題である時分割多重化スキーム
には、２つの基本的な方式がある。第１の方式は図４に
示すように、複数の固定波長レーザ４０１（１）．．．
４０１（Ｎ）が、光学的に多重化されるが、それぞれ
は、電圧被制御ゲート４０２（１）．．．４０２（Ｎ）
により行われるパスル駆動電流の使用により、別々の時
間に動作するようになる。これは概念的には単純である
が、この方式は、平坦なゲインを達成するためには限ら
れた解像度となり（図５）、複数のレーザとマルチプレ
クサに対する要件は過酷で、そのため高価であり、かさ
ばる傾向にある。図４に示すように、光学システム４２
５内を伝搬する光学信号４１０と、反対方向に伝搬する
結合されたラマンポンプ波長４２０とを有し、これは、
それぞれカプラ４２６（１）．．．４２６（Ｎ）によ
り、光学システム４２５により結合された固定波長レー
ザ４０１（１）．．．４０１（Ｎ）の出力ポンプを結合
することにより生成される。
には、２つの基本的な方式がある。第１の方式は図４に
示すように、複数の固定波長レーザ４０１（１）．．．
４０１（Ｎ）が、光学的に多重化されるが、それぞれ
は、電圧被制御ゲート４０２（１）．．．４０２（Ｎ）
により行われるパスル駆動電流の使用により、別々の時
間に動作するようになる。これは概念的には単純である
が、この方式は、平坦なゲインを達成するためには限ら
れた解像度となり（図５）、複数のレーザとマルチプレ
クサに対する要件は過酷で、そのため高価であり、かさ
ばる傾向にある。図４に示すように、光学システム４２
５内を伝搬する光学信号４１０と、反対方向に伝搬する
結合されたラマンポンプ波長４２０とを有し、これは、
それぞれカプラ４２６（１）．．．４２６（Ｎ）によ
り、光学システム４２５により結合された固定波長レー
ザ４０１（１）．．．４０１（Ｎ）の出力ポンプを結合
することにより生成される。
【００１９】次に図６を参照すると、本発明の他の実施
例が示されている。具体的に説明すると、光学システム
６２５内を伝搬する光学信号６１０は、カプラ６２６に
より光学システム６２５内に結合された反対方向に伝搬
するラマンポンプ波長６２０を有する。ラマンポンプ波
長６２０は、１つのレーザ６０１（１）により、あるい
は２個のレーザ６０１（Ｎ）により生成され、その出力
は、偏光コンバイナ６３０により偏光多重化される。
例が示されている。具体的に説明すると、光学システム
６２５内を伝搬する光学信号６１０は、カプラ６２６に
より光学システム６２５内に結合された反対方向に伝搬
するラマンポンプ波長６２０を有する。ラマンポンプ波
長６２０は、１つのレーザ６０１（１）により、あるい
は２個のレーザ６０１（Ｎ）により生成され、その出力
は、偏光コンバイナ６３０により偏光多重化される。
【００２０】さらにまた本発明の一態様によれば、ポン
プレーザは一定（ｄｃ）電流により駆動されるが、その
波長はプログラム可能な電子関数生成器６５０により、
連続的および周期的に走査される。電子関数生成器６５
０により生成されたプログラム可能な関数は、所望の平
坦のゲイン帯域を得るために、所望の方法で変更するこ
とができる。この方式（以下便宜上、掃引波長、あるい
は掃引周波数スキームと称する）は、２つの単純な（そ
れゆえに経済的）利点と、波長走査駆動電子装置の帯域
幅にのみ解像度が制約されるという２つの利点を有す
る。バンド幅は、数１０−数１００ＭＨｚの範囲内にあ
り、かつ安い電子部品で形成することができるために、
解像度は常に第１の方式よりもはるかに良い。高速の周
波数走査は、ポンプのBrillouin後方散乱を回避するた
めに、レーザの周波数広域化を形成する必要がなくな
る。
プレーザは一定（ｄｃ）電流により駆動されるが、その
波長はプログラム可能な電子関数生成器６５０により、
連続的および周期的に走査される。電子関数生成器６５
０により生成されたプログラム可能な関数は、所望の平
坦のゲイン帯域を得るために、所望の方法で変更するこ
とができる。この方式（以下便宜上、掃引波長、あるい
は掃引周波数スキームと称する）は、２つの単純な（そ
れゆえに経済的）利点と、波長走査駆動電子装置の帯域
幅にのみ解像度が制約されるという２つの利点を有す
る。バンド幅は、数１０−数１００ＭＨｚの範囲内にあ
り、かつ安い電子部品で形成することができるために、
解像度は常に第１の方式よりもはるかに良い。高速の周
波数走査は、ポンプのBrillouin後方散乱を回避するた
めに、レーザの周波数広域化を形成する必要がなくな
る。
【００２１】最後に、いずれのスキームにおいても、ラ
マンゲインの帯域の幅と形状は、関連電子波形を単純に
調節することにより、容易かつ高速で制御可能である。
ゲイン形状調整装置の構成の単純さ、低価格さ、速度
は、純粋に光学的ゲインイコライザの高価性と複雑さ、
低速性と、光学的挿入損失と比較すべきことである。
マンゲインの帯域の幅と形状は、関連電子波形を単純に
調節することにより、容易かつ高速で制御可能である。
ゲイン形状調整装置の構成の単純さ、低価格さ、速度
は、純粋に光学的ゲインイコライザの高価性と複雑さ、
低速性と、光学的挿入損失と比較すべきことである。
【００２２】本発明の掃引周波数方法においては、最も
平坦でかつ最も幅の広いゲイン帯域を生成させるような
ラマンポンプ周波数のある帯域に対して、重み付け関数
を決定するための有効なアルゴリズムを本発明者らは開
発した。このアルゴリズムは、１つのポンプ周波数に対
する、実験的に測定されたゲインスペクトラム（図２に
示すような）を用いる。所望のゲインスペクトラムの平
坦領域と、それに基づく推測を対応するものとして仮定
することから、対応するskirtsという仮定から始まり、
この対応する重み付け関数は定義式のFourier変換によ
り見いだされる。この解決方法は、繰り返しステップを
行うことにより、例えば計算されたポンプ重み付け係数
を用いて、ラマンゲインスペクトラムのより良好な値を
予測することにより改善される。５０回から１００回の
繰り返しが必要であるが、全体のプロセスにかかる時間
は高速ＰＣで１分以下である。
平坦でかつ最も幅の広いゲイン帯域を生成させるような
ラマンポンプ周波数のある帯域に対して、重み付け関数
を決定するための有効なアルゴリズムを本発明者らは開
発した。このアルゴリズムは、１つのポンプ周波数に対
する、実験的に測定されたゲインスペクトラム（図２に
示すような）を用いる。所望のゲインスペクトラムの平
坦領域と、それに基づく推測を対応するものとして仮定
することから、対応するskirtsという仮定から始まり、
この対応する重み付け関数は定義式のFourier変換によ
り見いだされる。この解決方法は、繰り返しステップを
行うことにより、例えば計算されたポンプ重み付け係数
を用いて、ラマンゲインスペクトラムのより良好な値を
予測することにより改善される。５０回から１００回の
繰り返しが必要であるが、全体のプロセスにかかる時間
は高速ＰＣで１分以下である。
【００２３】図７、８に前記のアルゴリズムを用いて得
た結果の例を示す。具体的に説明すると図７は、ポンプ
波長に対し必要とされる重み付け関数と、１５１１〜１
４１０ｎｍの間で掃引されたときの８ＴＨｚ以上の幅の
フラットなゲイン帯域（１５３０〜１５９５ｎｍ）を示
す。このゲイン帯域は、よりはるかに複雑な、そして面
倒なエルビウムファイバ増幅器の「Ｃ」バンドと「Ｌ」
バンドを組み合わせたのとほぼ同じ幅を有する。さらに
またこのバンドは、スペクトラル効率が０．４における
３．２Ｔｂｉｔ／秒の伝送容量に対し十分余裕がある。
た結果の例を示す。具体的に説明すると図７は、ポンプ
波長に対し必要とされる重み付け関数と、１５１１〜１
４１０ｎｍの間で掃引されたときの８ＴＨｚ以上の幅の
フラットなゲイン帯域（１５３０〜１５９５ｎｍ）を示
す。このゲイン帯域は、よりはるかに複雑な、そして面
倒なエルビウムファイバ増幅器の「Ｃ」バンドと「Ｌ」
バンドを組み合わせたのとほぼ同じ幅を有する。さらに
またこのバンドは、スペクトラル効率が０．４における
３．２Ｔｂｉｔ／秒の伝送容量に対し十分余裕がある。
【００２４】図８は、このバンド幅に対し、ゲインリッ
プルが０．０１ｄＢ以下となるように（公称２０ｄＢか
ら外れた）、あるいは変動が０．０５％以下となるよう
にした平坦なゲイン領域の拡大図である。上記の１０５
ｎｍ（１５ＴＨｚ）からのポンプ掃引を、８４ｎｍ（１
２ＴＨｚ）に減少させること、およびこのゲインリップ
ルは８ＴＨｚのバンドにわたって十分小さく（０．０１
ｄＢ以下）、そしてこれは特定のレーザに対し実現可能
であるということが重要であると決めることができる。
プルが０．０１ｄＢ以下となるように（公称２０ｄＢか
ら外れた）、あるいは変動が０．０５％以下となるよう
にした平坦なゲイン領域の拡大図である。上記の１０５
ｎｍ（１５ＴＨｚ）からのポンプ掃引を、８４ｎｍ（１
２ＴＨｚ）に減少させること、およびこのゲインリップ
ルは８ＴＨｚのバンドにわたって十分小さく（０．０１
ｄＢ以下）、そしてこれは特定のレーザに対し実現可能
であるということが重要であると決めることができる。
【００２５】図９は、図７の重み付け関数を生成するポ
ンプ周波数における必要とされる周期変動を示す。ポン
プレーザの出力周波数は、それに同調するのに用いられ
る電圧あるいは電流に関し、多かれ少なかれ線形性を維
持するという仮定のもとで、駆動電子装置は図７、図８
の結果を正確に再現するために、基本駆動周波数の１０
０倍以下のバンド幅を有する必要がある。この実施例に
おいて、仮定した基本駆動周波数が１ＭＨｚの場合に
は、電子装置のバンド幅は１００ＭＨｚ以下である必要
があり、この要件は容易に適合できる。
ンプ周波数における必要とされる周期変動を示す。ポン
プレーザの出力周波数は、それに同調するのに用いられ
る電圧あるいは電流に関し、多かれ少なかれ線形性を維
持するという仮定のもとで、駆動電子装置は図７、図８
の結果を正確に再現するために、基本駆動周波数の１０
０倍以下のバンド幅を有する必要がある。この実施例に
おいて、仮定した基本駆動周波数が１ＭＨｚの場合に
は、電子装置のバンド幅は１００ＭＨｚ以下である必要
があり、この要件は容易に適合できる。
【００２６】ゲインバンドの形状は、図８のまったく平
坦なカーブに限定されない。この掃引周波数方法は、高
密度ＷＤＭにおける様々な周波数間のラマン相互作用を
補償することの必要のある他の単純な形状、例えば図１
０に示すような線形傾斜も可能となる。長波長チャネル
は、短波長チャネルとの相互作用からのゲインを受け
る。原理的には、平坦で、かつ急速には変動しない関数
により表される限り、いかなる形状のゲインバンド幅も
可能となる。
坦なカーブに限定されない。この掃引周波数方法は、高
密度ＷＤＭにおける様々な周波数間のラマン相互作用を
補償することの必要のある他の単純な形状、例えば図１
０に示すような線形傾斜も可能となる。長波長チャネル
は、短波長チャネルとの相互作用からのゲインを受け
る。原理的には、平坦で、かつ急速には変動しない関数
により表される限り、いかなる形状のゲインバンド幅も
可能となる。
【００２７】掃引周波数技術を用いると、固定周波数ポ
ンプでの狭いバンドゲインにわたってレーザパワーを大
幅に増加できる。図７の場合、例えばその係数は１．８
７である。必要とされる絶対ポンプパワーに対する感触
を得るために、８０ｋｍ長さのスパンの分散シフト型フ
ァイバ（有効コア面積が５０μｍ2）では、１６．８ｄ
Ｂのスパン損失のうち約７５％、すなわち１２．５ｄＢ
が後方ポンプラマンゲインににより補償される。（それ
以上に補償することは、信号そのもののRayleigh二重バ
ック散乱からの問題を引き起こす）その場合、もし可能
なレベルの信号パワーでは、狭バンドゲインに対しては
２８５ｍＷのポンプパワーが必要とされ、８ＴＨｚの平
坦なゲインバンドを生成するためには、そのパワーは５
３３ｍＷにまで上昇する。大きな信号パワーが必要な場
合には（高密度ＷＤＭの場合のように）、ポンプパワー
は全信号パワーよりも幾分大きい量だけされに増加させ
る必要がある。
ンプでの狭いバンドゲインにわたってレーザパワーを大
幅に増加できる。図７の場合、例えばその係数は１．８
７である。必要とされる絶対ポンプパワーに対する感触
を得るために、８０ｋｍ長さのスパンの分散シフト型フ
ァイバ（有効コア面積が５０μｍ2）では、１６．８ｄ
Ｂのスパン損失のうち約７５％、すなわち１２．５ｄＢ
が後方ポンプラマンゲインににより補償される。（それ
以上に補償することは、信号そのもののRayleigh二重バ
ック散乱からの問題を引き起こす）その場合、もし可能
なレベルの信号パワーでは、狭バンドゲインに対しては
２８５ｍＷのポンプパワーが必要とされ、８ＴＨｚの平
坦なゲインバンドを生成するためには、そのパワーは５
３３ｍＷにまで上昇する。大きな信号パワーが必要な場
合には（高密度ＷＤＭの場合のように）、ポンプパワー
は全信号パワーよりも幾分大きい量だけされに増加させ
る必要がある。
【００２８】ある種のアプリケーションにおいては、前
の実施例の全８ＴＨｚのバンド幅が必要とされないアプ
リケーションにおいては、ゲインのバンド幅を減らすこ
とにより必要とされる周波数掃引とポンプレーザのパワ
ー出力を、それに応じて減らすことが可能となる。図１
１はポンプレーザの１０ＴＨｚの周波数掃引のみを必要
とするような、５ＴＨｚゲインのバンド幅に減らし、レ
ーザパワーのファクタは、わずか１．５６である例を示
している。
の実施例の全８ＴＨｚのバンド幅が必要とされないアプ
リケーションにおいては、ゲインのバンド幅を減らすこ
とにより必要とされる周波数掃引とポンプレーザのパワ
ー出力を、それに応じて減らすことが可能となる。図１
１はポンプレーザの１０ＴＨｚの周波数掃引のみを必要
とするような、５ＴＨｚゲインのバンド幅に減らし、レ
ーザパワーのファクタは、わずか１．５６である例を示
している。
【００２９】ポンプレーザの高出力パワー（０．５Ｗ以
上を光ファイバに結合する）と、高速かつ広い（８０ｎ
ｍ以上の）周波数チューニングのような組み合わせた要
件に適合する最適な方法は、既知の設計の幅が広く同調
可能な低パワー（半導体レーザ）と、その後に形成され
る半導体伝搬波増幅器の組合せを用いることである。同
調レーザの有力な候補は、同調垂直カプラフィルタレー
ザ（tunable vertical-coupler filtered laser：ＶＣ
ＦＬ）であり、これに関しては、I.Kim et al.,著の文
献“Broadly tunable vertical-coupler filtered tens
ile-stained InFaAs/InGaAsP multiple quantum well l
aser,”which appeared in Appl. Phys.Lett., Vol 64,
pp. 2764(1994).を参照のこと。このデバイスのチュー
ニングは、半導体の屈折率の小さな変動は、広い範囲に
わたって（すなわち８０ｎｍ以上にわたって）長周期グ
レーティングの位相マッチング波長を容易に変化させる
という事実に基づいて行われる。長周期グレーティング
を用いて、レーザの後ろファセットをブロードバンドミ
ラーに結合し、大きなフィードバックが位相マッチング
した波長時にのみ起こる。他の可能性は、ＬｉＮｂＯ3
の部品を使用すること、あるいは他の適宜の電子光学結
晶を用いて、レーザのフィードバックループ内に挿入さ
れる、広範囲に同調可能なLyotフィルタを形成すること
である。
上を光ファイバに結合する）と、高速かつ広い（８０ｎ
ｍ以上の）周波数チューニングのような組み合わせた要
件に適合する最適な方法は、既知の設計の幅が広く同調
可能な低パワー（半導体レーザ）と、その後に形成され
る半導体伝搬波増幅器の組合せを用いることである。同
調レーザの有力な候補は、同調垂直カプラフィルタレー
ザ（tunable vertical-coupler filtered laser：ＶＣ
ＦＬ）であり、これに関しては、I.Kim et al.,著の文
献“Broadly tunable vertical-coupler filtered tens
ile-stained InFaAs/InGaAsP multiple quantum well l
aser,”which appeared in Appl. Phys.Lett., Vol 64,
pp. 2764(1994).を参照のこと。このデバイスのチュー
ニングは、半導体の屈折率の小さな変動は、広い範囲に
わたって（すなわち８０ｎｍ以上にわたって）長周期グ
レーティングの位相マッチング波長を容易に変化させる
という事実に基づいて行われる。長周期グレーティング
を用いて、レーザの後ろファセットをブロードバンドミ
ラーに結合し、大きなフィードバックが位相マッチング
した波長時にのみ起こる。他の可能性は、ＬｉＮｂＯ3
の部品を使用すること、あるいは他の適宜の電子光学結
晶を用いて、レーザのフィードバックループ内に挿入さ
れる、広範囲に同調可能なLyotフィルタを形成すること
である。
【００３０】本発明の様々な変形例は、当業者に容易に
思いつくものである。しかしこれらの変形例は、本発明
の特許請求の範囲に含まれるものである。
思いつくものである。しかしこれらの変形例は、本発明
の特許請求の範囲に含まれるものである。
【００３１】例えば、周波数を非常に広いバンド幅（例
えば８０ｎｍ以上）にわたって掃引用しながら、高い出
力パワーを維持するポンプレーザを実現することが困難
な場合には、このような問題は、図４、６の技術を組み
合わせることにより容易に解決できる。特に図７と１１
から分かるように、ポンプ重み付け分布は、２つの十分
に離れたバンドに分離する傾向がある。すなわち、１つ
は低周波数範囲をカバーする狭い高密度バンドであり、
もう一方は高いポンプ周波数をカバーする広い低密度バ
ンドである。かくして、一対の掃引周波数レーザは、そ
れぞれ、２つのより制限された周波数範囲の一方あるい
は他方に対し設計されたものであり、そして周波数ギャ
ップの領域において急峻な遷移を有するＷＤＭカプラと
ともに多重化され、そしてこれらは掃引周波数分布全体
の等価を与えるために時間的に交互に動作する。
えば８０ｎｍ以上）にわたって掃引用しながら、高い出
力パワーを維持するポンプレーザを実現することが困難
な場合には、このような問題は、図４、６の技術を組み
合わせることにより容易に解決できる。特に図７と１１
から分かるように、ポンプ重み付け分布は、２つの十分
に離れたバンドに分離する傾向がある。すなわち、１つ
は低周波数範囲をカバーする狭い高密度バンドであり、
もう一方は高いポンプ周波数をカバーする広い低密度バ
ンドである。かくして、一対の掃引周波数レーザは、そ
れぞれ、２つのより制限された周波数範囲の一方あるい
は他方に対し設計されたものであり、そして周波数ギャ
ップの領域において急峻な遷移を有するＷＤＭカプラと
ともに多重化され、そしてこれらは掃引周波数分布全体
の等価を与えるために時間的に交互に動作する。
【００３２】特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で
記載した番号がある場合は本発明の一実施例の態様関係
を示すもので本発明の範囲を限定するものと解釈しては
ならない。
記載した番号がある場合は本発明の一実施例の態様関係
を示すもので本発明の範囲を限定するものと解釈しては
ならない。
【図１】ラマン効果を表す図とラマンゲインを表すグラ
フ。
フ。
【図２】分散シフト型光ファイバに対するラマンゲイン
を表すグラフ。
を表すグラフ。
【図３】ラマンポンプに対するポンプ波長対距離の関係
を表すグラフ。
を表すグラフ。
【図４】本発明により複数のポンプ波長を光学的に多重
化する装置を表す図。
化する装置を表す図。
【図５】ラマンゲイン（ｄＢ）対波長の関係を表すグラ
フ。
フ。
【図６】本発明の他の実施例を表す図。
【図７】８ＴＨｚ以上の幅で平坦なゲインバンド（１５
３０〜１５９５ｎｍ）を表すグラフ。
３０〜１５９５ｎｍ）を表すグラフ。
【図８】図７の平坦なゲイン領域の拡大図。
【図９】図７に示した重み付き関数を生成するのに適し
たポンプ周波数内の周期的変動を表すグラフ。
たポンプ周波数内の周期的変動を表すグラフ。
【図１０】本発明による掃引された周波数ゲインスペク
トラムを表すグラフ。
トラムを表すグラフ。
【図１１】本発明によりゲインのバンド幅を減らした状
態におけるラマンゲイン対周波数の関係を表すグラフ。
態におけるラマンゲイン対周波数の関係を表すグラフ。
１０１ 基底状態 １０２ 仮想状態 １０３ 放射 １０４ 励起状態 １０５ 光学フォノン ４０１ 固定波長レーザ ４０２ 電圧被制御ゲート ４１０ 光学信号 ４２０ ラマンポンプ波長 ４２５ 光学システム ４２６ カプラ ６０１ 電子λ制御のポンプレーザ ６１０ 光学信号 ６２０ ラマンポンプ波長 ６２５ 光学システム ６２６ カプラ ６３０ 偏光コンバイナ ６５０ プログラム可能な電子関数生成器
フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 アンドリュー アール グラント アメリカ合衆国、07747 ニュージャージ ー州、マタワン、クロス ロード ５、ア パートメント 334Ｂ (72)発明者 パベル ヴィクトロヴィッチ マミシェブ アメリカ合衆国、07751 ニュージャージ ー州、モーガンビル、ラレド ドライブ 111 (72)発明者 リン フレッドリック モールナウアー アメリカ合衆国、07722 ニュージャージ ー州、コルツ ネック、カリッジ ヒル ドライブ 11 Ｆターム(参考） 2K002 AA02 AB30 BA02 CA15 DA10 GA10 HA23 5F072 AB07 AK06 JJ20 PP07 QQ07 RR01 YY17 5K002 AA06 BA04 CA08 DA31
Claims (23)
- 【請求項１】 ラマンポンプ波長を光学システムに時分
割多重化するステップを有することを特徴とする複数の
ラマンポンプを有する光学システムをポンピングする方
法。 - 【請求項２】 前記ラマンポンプ波長は、個々の波長か
らなる有限の組を有することを特徴とする請求項１記載
の方法。 - 【請求項３】 前記複数のラマンポンプは、波長が変動
するポンプ信号を生成することを特徴とする請求項１記
載の方法。 - 【請求項４】 前記ラマンポンプ波長と光学信号は、同
一方向に光学システム内を伝搬することを特徴とする請
求項１記載の方法。 - 【請求項５】 前記ラマンポンプ波長と光学信号は、反
対方向に光学システム内を伝搬することを特徴とする請
求項１記載の方法。 - 【請求項６】 前記選択されたラマンポンプ波長は、個
々の波長からなる有限の組を有し、他の選択されたポン
プ波長は変動することを特徴とする請求項１記載の方
法。 - 【請求項７】 光学パスと、 前記光学パスと光学的結合する複数のカプラと、 前記光学カプラに光学結合する複数のラマンポンプと、 を有する光学システムをポンピングする方法において、 ラマンポンプから出力されるラマンポンプ波長は、前記
光学システム内で時分割多重化されることを特徴とする
光学システムをポンピングする方法。 - 【請求項８】 前記ラマンポンプ波長は、個々の波長か
らなる有限の組を有することを特徴とする請求項７記載
の方法。 - 【請求項９】 前記ラマンポンプ波長は、変動すること
を特徴とする請求項７記載の方法。 - 【請求項１０】 前記ラマンポンプ波長と光学信号は、
同一方向に光学システム内を伝搬することを特徴とする
請求項７記載の方法。 - 【請求項１１】 前記ラマンポンプ波長と光学信号は、
反対方向に光学システム内を伝搬することを特徴とする
請求項７記載の方法。 - 【請求項１２】 前記ラマンポンプ波長のうち選択され
た波長は、個々の波長からなる有限の組を有し、他の選
択されたポンプ波長は変動することを特徴とする請求項
７記載の方法。 - 【請求項１３】 光学パスと、 複数の光学ラマンポンプ波長を生成する手段と、 前記複数の光学ラマンポンプ波長を、前記光学パスに結
合する手段と、を有する光学システムにおいて、 前記複数の光学ラマンポンプ波長は、時分割多重化され
ていることを特徴とする光学システム。 - 【請求項１４】 前記光学ラマンポンプ波長は、有限の
組の個々の波長を有することを特徴とする請求項１３記
載の光学システム。 - 【請求項１５】 前記複数の光学ラマンポンプ波長は、
変動する波長の組を含むことを特徴とする請求項１３記
載の光学システム。 - 【請求項１６】 前記ラマンポンプ波長は、光学信号が
光学パス内を流れるのと同一方向に光学パスに結合する
ことを特徴とする請求項１３記載の光学システム。 - 【請求項１７】 前記ラマンポンプ波長は、光学信号が
流れるのと反対方向に光学システムに結合することを特
徴とする請求項１３記載の光学システム。 - 【請求項１８】 前記選択されたラマンポンプ波長は、
個々の信号からなる有限の組を有し、他の選択されたポ
ンプ波長は変動することを特徴とする請求項１３記載の
光学システム。 - 【請求項１９】 ラマンポンプから生成されたラマンポ
ンプ波長は、時分割多重化されるように、複数のラマン
ポンプから光学システムをポンピングする方法。 - 【請求項２０】 前記ラマンポンプ波長は、反対方向に
伝搬する信号であることを特徴とする請求項１９記載の
方法。 - 【請求項２１】 複数の光学ラマンポンプを有する光学
システム内のラマンゲインバンドを生成する方法におい
て、 前記ラマンポンプにより生成された光学ラマン信号を、
光学システム内に時分割多重化するステップを有するこ
とを特徴とする光学システム内でラマンゲインバンドを
生成する方法。 - 【請求項２２】 前記光学ラマンポンプ波長は、光学信
号と反対方向に伝搬する信号であることを特徴とする請
求項２１記載の方法。 - 【請求項２３】 前記ラマンポンプ波長は、複数のレー
ザにより生成された波長変動信号であり、 前記波長変動の特性と、前記レーザの出力パワーの同期
制御が組み合わされることを特徴とする請求項２２記載
の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/552772 | 2000-04-20 | ||
| US09/552,772 US6611368B1 (en) | 2000-04-20 | 2000-04-20 | Time-division multiplexed pump wavelengths resulting in ultra broad band, flat, backward pumped Raman gain |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002006349A true JP2002006349A (ja) | 2002-01-09 |
| JP2002006349A5 JP2002006349A5 (ja) | 2008-03-21 |
Family
ID=24206741
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001111420A Pending JP2002006349A (ja) | 2000-04-20 | 2001-04-10 | 複数のラマンポンプを有する光学システムをポンピングする方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6611368B1 (ja) |
| EP (1) | EP1148666B1 (ja) |
| JP (1) | JP2002006349A (ja) |
| CA (1) | CA2339756C (ja) |
| DE (1) | DE60131800T2 (ja) |
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| DE10153744B4 (de) * | 2001-10-31 | 2008-02-28 | Nokia Siemens Networks Gmbh & Co.Kg | Pumpquelle mit mehreren Pumplasern zur Raman-Verstärkung eines WDM-Signals mit minimierter Vierwellenmischung |
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