JP2006509225A - 光増幅装置および光増幅方法 - Google Patents

Abstract

多数の非線形光ファイバ（１２Ａ〜１２Ｃ）は、並列構成で配置される。ファイバ（１２Ａ〜１２Ｃ）は、零分散波長よりわずかに長い波長を有する光増幅器（１８）により、ファイバごとに励起される。分波器（１４）は、パラメトリック増幅を達成可能な個々のファイバに対して、ある波長区間内の光信号の入出力を可能にする。対応する各区間の外側にある励起波長を選択することにより、クロストークが抑制される。個々のファイバ特性によって、非線形ファイバ（１２Ａ〜１２Ｃ）が個々のレーザポンプにより励起されるか、又は２つ以上の非線形ファイバが共用のポンプ（１８）により励起される。零分散波長、２次分散係数及び４次分散係数等のファイバ特性を適応させることにより、有益な増幅特性が、個々の波長区間において達成される。

Description

本発明は、一般に、光ファイバ増幅器に関し、特に、クロストークを抑制するパラメトリック増幅器に関する。

今日、種々のデータ通信は、益々頻繁に行われるようになっている。この発展に伴い、通信に使用可能な、より広い帯域幅が必要とされている。種々の電気通信システムの容量は、過去１０年間に、非常に増大してきた。通常の回線と比較して数段広い帯域幅を提供する光ファイバにより、大容量化は達成されている。

波長分割多重方式（ＷＤＭ）を利用することで、光ファイバの帯域幅が効率的に使用されている。各チャネルは、それぞれわずかに異なる波長を使用しているため、同一の光ファイバ内で、互いに干渉することなく同時に伝送可能となっている。近年、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）技術が開発され、周波数の利用効率に関して、さらなる前進をもたらした。その有用なスペクトルは、１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍの範囲のＳ帯域（Short band）、１５２５．６ｎｍ〜１５６２．５ｎｍの範囲のＣ帯域（Conventional band）、１５６９．４ｎｍ〜１６１２．８ｎｍの範囲のＬ帯域（Long band）へと、帯域分割されている。

光通信の主な課題は、固有のファイバ損失による光信号の減衰である。光信号がある程度伝送された後、その光信号は、減衰し、何らかの方法で回復される必要がある。光増幅器を導入することにより、電気信号への変換は不必要となる。しかしながら、多くのＷＤＭチャネルを伝送するための広い周波数帯域、例えば、Ｓ帯域、Ｃ帯域及びＬ帯域を増幅することは、全く単純なわけではない。従来技術において、いくつかの異なる増幅器の構成方法が提供されている。

希土類添加光ファイバ増幅器は、広く使用されている光増幅器の一種である。希土類添加光ファイバ増幅器は、低雑音であり、また、相当広い帯域幅にわたって動作し、クロストークは無視できる程度である。しかしながら、動作可能な波長領域は、ドーピングイオンに依存する。

光増幅器は、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）によるラマン効果を基礎としている。ＳＲＳは、非線形プロセスである。この非線形プロセスにおいて、光学フォノンの励起のために、光波と媒体との間のエネルギー移動を介して、新たな周波数成分が生成される。これは、非共振プロセスのため、利得は、いかなる波長においても使用可能となる。シリカの場合、この周波数シフトは、励起周波数から１３ＴＨｚ付近で最大となる。下方に偏移した周波数は、ストークスシフト周波数として知られている。ラマン利得は、約４０ＴＨｚ以上にも及ぶが、応用目的に対する有用な帯域幅は、それよりも小さい。

光増幅器の３種類目は、光ファイバパラメトリック増幅器（ＦＯＰＡ）である。近年、この種の増幅器は、高密度波長多重（ＤＷＤＭ）伝送システムにおける増幅及び波長変換への潜在的な可能性があるため、鋭意研究されている。ＤＷＤＭ伝送システムによれは、増幅帯域は、使用されるファイバの設計技術に依存するが、従来の希土類ウィンドウ帯域の外側へと移動できるため、注目されている。このことにより、石英ガラスファイバの低損失ウィンドウを十分に使用することができる。光ファイバパラメトリック増幅器は、励起波長及び原則的に１３００ｎｍ〜１６００ｎｍに適応可能なファイバ零分散波長に依存する種々の電気通信帯域（Ｓ帯域、Ｃ帯域及びＬ帯域）で動作可能である。

光ファイバパラメトリック増幅器は、光波混合の非線形プロセスに基づいて動作する。それにより、光ファイバの零分散波長に近接する任意の波長の励起光源は、自然雑音からアイドラ帯域及び信号帯域を生成する。外部からの入力信号が同時に印加される場合、その信号は、励起波長に関して基本的に対称に配置された信号帯域及びアイドラ帯域のいずれかで増幅される。

従来、光ファイバパラメトリック増幅器は、大きなレーザ励起パワーを必要とするという意味で、低効率であるとされてきた。光ファイバパラメトリック増幅器の利得は、一般に、３つのパラメータ、すなわち、非線形係数γ、増幅媒体として使用されるファイバ長Ｌ及び励起パワーＰ_Pに依存する。非線形係数が小さいと、大きい励起パワー又は長いファイバ長の使用が必要となる。しかしながら、最近では、非線形係数の大きい光ファイバが、市販されている。

光ファイバパラメトリック増幅器の比較的大きな問題は、増幅の動作原理がクロストークを発生することである。ある波長を有する光信号は、増幅処理中、４光波混合（ＦＷＭ）のために、他の波長の「擬似」信号を発生する。ＤＷＤＭシステムにおいて、一般に、そのようなクロストークは、許容されない。

米国特許第６，２３９，９０３号において、光ファイバパラメトリック増幅器は、増幅利得を増大するためにラマン増幅器と直列接続で使用される。同様の方法が、M. C. Ho, K. Uesaka, M.E. Marhic, Y. Akasaka, L. G. Kazovskyの「200 nm Bandwidth Fiber Optcal Amplifier Combined Parametric and Raman Gain」（IEEE J. Lightwave Technol. 19, 977 979 (2001)）に示されている。米国特許第６，０４９，４１７号において、並行サブ帯域は、種々の希土類光増幅器の使用により増幅される。米国特許第５，４５２，１１６号において、並行サブ帯域光増幅器は、不均一な利得特性を補正するために単一全帯域増幅器と直列接続で使用される。J. Hansryd, P. A. Andreksonの「Broad band continuous wave pumped fiber optical parametric amplifier with 49 dB gain and wavelength conversion efficiency」（IEEE Photon. Technol. Lett. 13, 194 196 (2001)）において、多重セグメントファイバ設計技術が、比較的広い帯域幅及び高利得パラメトリック増幅器を実現するために使用される。また、二重励起も、使用されている。例えば、C. J. McKinstrie, S. Radic, A. R. Chraplyvyの「Parametric amplifiers driven by two pump waves」（IEEE Select. Topics Quantum Electron. 8, 538 547 (2002)）を参照。

従来技術によるパラメトリック増幅器に関する解決方法の共通の課題は、前述した４光波混合によって発生の可能性があるクロストークである。また、使用可能な利得帯域幅の平坦度が全体的に不足し、追加の平坦化装置を必要とする。さらには、一般に、拡大された帯域幅も必要とされる。

従って、本発明の目的は、クロストークを抑制する改善されたパラメトリック増幅装置及び方法を提供することである。本発明の別の目的は、広い周波数帯域において増幅を行うパラメトリック増幅装置及び方法を提供することである。本発明のさらに別の目的は、例えば、波長分割多重化の応用にとって十分な利得平坦度を有するパラメトリック増幅装置及び方法を提供することである。その他の目的は、高利得、好ましくは、広い帯域幅にわたって２０ｄＢを超える高利得を達成することである。また、増幅器は、光ファイバの低損失帯域内における任意のスペクトル領域において、動作可能であることが好ましい。

上述の目的は、添付の特許請求の範囲に係る装置、システム及び方法により達成される。一般に、多くの非線形光ファイバは、並列構成で配置される。複数のファイバは、ファイバごとに零分散波長よりわずかに長い波長を有する光増幅器により励起（ポンピング）される。個々のファイバに対して、ある波長区間内の光信号の入出力を可能とすることにより、パラメトリック増幅が達成される。入出力が可能となった波長区間を、励起波長がその区間の外側に位置するように選択することにより、励起波長に関する共役信号によるクロストークは、抑制される。なお、選択された波長区間は、増幅されたスペクトルの高利得の部分に位置することが好ましい。

個々のファイバ特性によって、非線形ファイバが個々のレーザポンプにより励起されるか、又は２以上の非線形光ファイバが同一のポンプにより励起される。零分散波長、２次分散係数及び４次分散係数等のファイバ特性を適応させることにより、有益な増幅特性が、個々の波長区間において達成される。このように適応された多くのサブ帯域増幅器を組み合わせることにより、クロストークを抑制したパラメトリック増幅が達成される。これらの増幅器は、ＷＤＭシステム及びＤＷＤＭシステムにおいて使用されるのが好ましい。

本発明により、共役生成によるほぼ全てのクロストークは、抑制される。さらに、Ｓ帯域、Ｃ帯域及びＬ帯域を含む約１２５０ｎｍ〜１６５０ｎｍの広域スペクトル内で、高利得が達成される。適切な状況下において、生成された帯域は、十分に平坦であり、追加の平坦化装置を必要としない。

本発明、並びに本発明のさらなる目的及び利点は、添付の図面を用いた以下の説明を参照することにより、最もよく理解されるであろう。

本発明において、クロストークの低減が可能な並列構成を使用する新規の方式を実証する。同方式は、有用な帯域幅を拡大するために、利用されてもよい。市販されている中で最も高い非線形性を有する光ファイバを使用しても、本発明の方式により、さらに広い帯域幅を実現することが可能となる。

光ファイバパラメトリック増幅器の基本的な動作原理は、従来技術において知られている。非線形特性を有する光ファイバが使用される。４光波混合のため、高精度の光信号は、それぞれ異なる波長を有する複数の光信号へと転換されてもよい。ある特定の周波数が非線形光ファイバに適用されると、適切な環境下においては、側波帯周波数が雑音から形成されることになる。励起波長が非線形ファイバの零分散波長よりもわずかに長い場合、最適な動作状態となる。利得スペクトルは、信号及びアイドラ帯域を提供するポンプに関してほぼ対称である。基本的な物理的原理をさらに理解するため、以下の文献を参照する。G.P.Agrawalの「Nonlinear fiber optics」（第２版、Academic Press, San Diego、1995、４０４〜４３５ページ）及びJ. Hansryd, P. A. Andrekson, M. Westlund, J. Li, P. O. Hedekvistの「Fiber based optical parametric amplifiers and their applications」（IEEE Select. Topics Quantum Electron. 8、506 520(2002)）。

しかしながら、アイドラ（ｉｄｌｅｒ）光が生成されると、アイドラ帯域のチャネルとの間で、４光波混合（ＦＷＭ）クロストークを引き起こす可能性がある。この特定のクロストークは、励起波長に関する共役信号の生成により発生し、また、パラメトリック増幅器における総クロストークに対して大きな影響力を持つ。共役信号クロストークの発生源は、光ファイバの非線形効果に関して見出されるため、複数のパラメトリック増幅器に対して固有のものである。通常、クロストーク信号が生成されると、有用な帯域幅が、生成された総利得スペクトルの半分以下に制限されてしまう。また、信号帯域が実際には約１５〜２５ｎｍであるため、クロストーク信号の生成は、従来の光ファイバパラメトリック増幅器の実用化も制限してしまっていた。しかしながら、以下に提案するような並列配置を利用すると、クロストーク、特に光励起波長に関する共役信号を低減できる。さらなる利点として、動作に有用な帯域が拡大され、平坦な利得スペクトルが生成されうることである。

図１において、本発明に係る光増幅装置１の一実施形態が示されている。入力光ファイバ等の光入力１０は、波長が異なる多くの光信号を伝送するものと仮定されている。光信号は、光分波器１４において、２つのサブ帯域に分割される。これらサブ帯域は、排他的、すなわち、重複部分を有していない。一方のサブ帯域からの信号は、非線形光ファイバ１２Ａを有する第１の分岐部へ送信され、他方のサブ帯域からの信号は、非線形光ファイバ１２Ｂを有する第２の分岐部へ送信される。

本実施形態において、第１の非線形光ファイバ１２Ａ及び第２の非線形光ファイバ１２Ｂは、例えば、非線形性又は分散に関して、ほぼ同一の特性を有する。光増幅器、すなわち、本実施形態におけるレーザポンプ１８は、非線形光ファイバ１２Ａ及び１２Ｂの双方に、基本的には励起波長λ_pを有する単色光を供給するために配置される。レーザポンプ１８は、励起波長λ_pの微調整を可能にするために、調整できることが好ましい。ブリユアン散乱効果を回避するため、約０．１ｎｍの発振線幅が好ましい。光ファイバ１２Ａ及び１２Ｂは、非線形、すなわち、光ファイバ１２Ａ及び１２Ｂは、ゼロよりも大きいγ値（非線形性係数）、好ましくは、ゼロよりも相当大きいγ値を提供する。また、光ファイバ１２Ａ及び１２Ｂは、励起波長λ_pよりもわずかに短い零分散波長λ₀を有する。

非線形光ファイバ１２Ａ及び１２Ｂは、さらに、光合波器１６に接続され、非線形光ファイバ１２Ａ及び１２Ｂからの信号を出力光ファイバ等の光出力２０にマージ又は多重化する。第１のサブ帯域における信号の発生が第１の非線形光ファイバ１２Ａからのみ可能であり、第２のサブ帯域における信号の発生が第２の非線形光ファイバ１２Ｂからのみ可能であるという意味において、光合波器１６は、光分波器１４の「ミラー」装置として機能する。

図２Ａは、光ファイバパラメトリック増幅器、すなわち非線形光ファイバにより達成される理想的な光スペクトル１００を示す図である。なお、この非線形光ファイバは、適切な波長のレーザポンプにより提供される。利得は、２つの帯域、すなわち、励起波長λ_pよりも短い波長を有する信号帯域１０２と、励起波長λ_pよりも長い波長を有するアイドラ帯域１０４とを提供する。アイドラ帯域１０４は、実質的に、励起波長λ_pに関して、信号帯域１０２のミラー帯域である。また、零分散波長λ₀は、励起波長λ_pよりある程度短いことが分かる。光信号１０６は、信号帯域内で供給され、増幅される。しかしながら、ＦＷＭ効果のため、クロストーク信号１０８も、アイドラ帯域１０４において発生する。このクロストーク信号は、励起波長λ_pに関する光信号１０６の共役信号である。本実施形態において、零分散波長λ₀は、１５４５ｎｍであり、励起波長は、２次の分散係数β₂が ０．０３５ｐｓ²／ｋｍと等価であるように選択された。

サブ帯域Δλ₁が励起波長λ_pの片側に制限される場合、サブ帯域Δλ₁において光信号１０６が受け入れられると、励起信号に関して光信号１０６の共役信号である任意のクロストーク信号１０８は、励起波長λ_pの反対側に発生する。図２Ａにおいて、サブ帯域Δλ₁は、励起波長λ_pを上限とする波長区間にわたるサブ帯域である。その後、クロストーク信号１０８は、励起波長λ_pを下限とする波長区間にわたるサブ帯域Δλ₂に発生する。クロストークを抑制するため、励起波長は、特定の分岐部のパラメトリック増幅器による増幅が可能な任意のサブ帯域の外側に位置する必要がある。

図１の構成を考慮し、図２Ａを参照すると、図２Ａにおいて説明される状況は、第１の非線形光ファイバ１２Ａに対応する。サブ帯域Δλ₁の光信号１０６のみが、第１の非線形光ファイバ１２Ａに入力可能な信号である。同様に、サブ帯域Δλ₁の光信号のみが、第１の分岐部から転換可能な信号、すなわち、第１の非線形光ファイバ１２Ａから光出力ファイバ２０へ転換可能な信号である。これは、クロストーク信号１０８の出力ファイバ２０への入力が禁止されることを意味する。第１の非線形光ファイバ１２Ａからの出力ファイバ２０の信号に対する影響力は、図２Ａの陰影部に対応する。

図２Ｂは、第２の分岐部、すなわち第２の非線形光ファイバ１２Ｂにおける対応する状況を示す。ここで、サブ帯域Δλ₂の光信号１１２は、入力可能である。光信号１１２は、アイドラ帯域１０４で増幅され、信号帯域１０２においてクロストーク信号１１４を発生する。サブ帯域Δλ₂内の光信号のみが、第２の非線形光ファイバ１２Ｂから出力光ファイバ２０へ転送可能なので、クロストーク信号１１４は抑制される。

図２Ｃは、出力ファイバ２０の理想的な光スペクトルを示す。図から分かるように、増幅器の並列構成による出力は、図２Ａ及び図２Ｂの２つのスペクトルを組み合わせたものであり、クロストーク信号の影響がより少ない。帯域幅１５３２ｎｍ〜１５５５ｎｍは、典型的な従来のパラメトリック増幅器と比較して、２倍以上である。クロストークは、例えば、同一のサブ帯域における２つの信号波長間の相互作用により発生するため、多少のクロストークが尚存在することを考慮すべきである。しかしながら、励起波長に関する共役信号は、励起波長の強度が高いため、パラメトリック増幅システムのクロストーク全体に対して大きな影響力を持つ。

図２Ｃの利得は、帯域幅にわたって大きく変動し、あるアプリケーションにおいて、ある程度の妨害もする。増幅平坦化装置（不図示）は、より平坦（フラット）な利得スペクトルを提供するために適用されてもよい。また、多くのアプリケーションにおいて、図２Ｃにおいて達成された帯域幅よりさらに広い帯域幅が必要とされる。

図３において、図１の基本的な動作原理をさらに発展させたものが、本発明に係る他の実施形態として示されている。まず、本実施形態において、３つの非線形光ファイバ１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃが存在する。それに応じて、光分波器１４及び光合波器１６は適応されており、入力光信号を３つのサブ帯域に分割する。本実施形態において、全ての非線形光ファイバ１２Ａ〜１２Ｃは、同一のレーザポンプ１８により励起される。例示として、励起波長λ_pを１４５０ｎｍに設定する。しかしながら、図１の状況とは異なり、個々の非線形光ファイバ１２Ａ〜１２Ｃは、それぞれ異なる光特性を有する。

図４において、図３の３つの非線形光ファイバ１２Ａ〜１２Ｃに対するアイドラ帯域の予測利得特性を示す。曲線１２０は、第１の非線形光ファイバ１２Ａに対応し、この特定の例においては、０．０６０ｐｓ²／ｋｍのパラメータβ₂を有する。曲線１２２は、第２の非線形光ファイバ１２Ｂに対応し、この特定の例においては、０．０２０ｐｓ²／ｋｍのパラメータβ₂を有する。曲線１２４は、第３の非線形光ファイバ１２Ｃに対応し、この特定の例においては、０．００８ｐｓ²／ｋｍのパラメータβ₂を有する。ここで、零分散波長_λ0は、分岐部ごとに異なる。光分波器１４及び光合波器１６は、第１の非線形光ファイバ１２Ａに対して、第１の周波数帯域Δλ₃内の信号の入出力ができるように配置される。同様に、第２の周波数帯域Δλ₄の信号は、第２の非線形光ファイバ１２Ｂへ入力可能であり、第３の周波数帯域Δλ₅の信号は、第３の非線形光ファイバ１２Ｃへ入力可能である。非線形光ファイバ１２Ａ〜１２Ｃの各々において、それぞれのサブ帯域の増幅が実行され、クロストークが抑制された信号は、最終的に、出力光ファイバ２０で組み合わされる。

そのような増幅の結果が、図４により明らかとなる。利得は、約１４７０ｎｍ〜１５５０ｎｍの範囲、すなわち、８０ｎｍの区間の帯域幅にわたって、Ｇ_LとＧ_Uとの間でのみ変動する。これは、±４％の利得変動に対応する。なお、選択されたサブ帯域は、励起周波数までは到達せず、利得曲線の高利得の部分のみを利用する。しかしながら、重要な特徴は、サブ帯域が励起波長λ_Pを含まないことである。ほとんどの応用技術において、サブ帯域は、励起波長λ_Pから十分に離間した位置にあると考えられる。

図５において、本発明に係るさらに他の実施形態が示される。本実施形態においても、３つの非線形光ファイバ１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃが存在する。それに応じて、光分波器１４及び光合波器１６は適応され、入力光信号を３つのサブ帯域に分割する。本実施形態において、非線形光ファイバ１２Ａ〜１２Ｃの各々は、個々のレーザポンプ１８Ａ〜１８Ｃにより励起される。例示されるように、励起波長λ_pは、第１のファイバに対して１４５０ｎｍ、第２のファイバに対して１４７０ｎｍ、第３のファイバに対して１４９０ｎｍに設定される。図３の状況に従って、異なる非線形光ファイバ１２Ａ〜１２Ｃは、異なる光特性を有する。

図６において、図５の３つの非線形光ファイバ１２Ａ〜１２Ｃに対するアイドラ帯域の予測利得特性を示す。この例示における全てのファイバは、０．０２０ｐｓ²／ｋｍのパラメータβ₂を有する。曲線１２６は、第１の非線形光ファイバ１２Ａに対応する。曲線１２８は、第２の非線形光ファイバ１２Ｂに対応する。曲線１３０は、第３の非線形光ファイバ１２Ｃに対応する。なお、零分散波長λ₀は、分岐部ごとに異なり、励起波長λ_Pが後続する。零分散波長λ₀は、第１の非線形光ファイバ１２Ａにおいて最短であり、第３の非線形光ファイバ１２Ｃにおいて最長である。光分波器１４及び光合波器１６は、第１の非線形光ファイバ１２Ａに対して、第１の周波数帯域Δλ₆内における信号の入出力ができるように配置される。同様に、第２の周波数帯域Δλ₇の信号は、第２の非線形光ファイバ１２Ｂへ入力可能であり、第３の周波数帯域Δλ₈の信号は、第３の非線形光ファイバ１２Ｃへ入力可能である。非線形光ファイバ１２Ａ〜１２Ｃの各々において、各サブ帯域の増幅が実行され、クロストークが抑制された信号は、最終的に、出力光ファイバ２０で組み合わされる。

そのような増幅の結果が、図６により明らかとなる。約１４８７ｎｍ〜１５５３ｎｍの帯域幅にわたって、すなわち、６６ｎｍの区間にわたって、利得はほぼ一定（±２％）である。

上述の実施形態の理解において、種々の組合せ及び選択が可能であることは、当業者に認識される。まず、任意の数の分岐部、すなわち非線形光ファイバを使用でき、帯域幅の拡張性及び総利得特性を改善する可能性が高められる。各非線形光ファイバは、個々のポンプ、あるいは、他の１つ以上の非線形光ファイバと共有のポンプにより励起される。パラメトリック増幅を利用する各分岐部の光ファイバは、分散性と非線形特性とを有する。この分散性及び非線形特性は、使用される励起波長及び光分波器により選択される特定の波長区間に適応される。各非線形光ファイバにおいて、信号帯域又はアイドラ帯域のいずれかが利用され、同一のファイバにおいて、双方が利用されることはない。しかしながら、信号帯域が、あるファイバにおいて使用されるのと同時に、アイドラ帯域が他のファイバにおいて使用されることは可能である。

理論上の１０分岐構成に対応する利得の図が、図７に示されている。ここで、５つのレーザポンプは、それぞれ、２つの分岐部を励起する。各対において、一方の分岐部は、信号帯域を利用し、他方の分岐部は、アイドラ帯域を利用する。従って、利得変動がほぼ全くない２４０ｎｍの有用な帯域幅が提供される。これは、希土類ドーピングに基づく増幅器における通常の帯域幅の約１０倍に相当する。

本発明の動作原理は、実験的に実証された。１５４５ｎｍ及び１５５６ｎｍにおいて零分散を有する２つの異なる分散シフトファイバ（ＤＳＦ）は、それぞれのＥｒ添加ファイバリングレーザを使用して励起された。励起レーザは、１５４６．６ｎｍ及び１５５８．６ｎｍの波長をそれぞれ有していた。これらのレーザは、調整可能であり、約０．４ｎｍの発振線幅を有していた。増幅される光信号は、調整可能な外部空胴ダイオードレーザにより発生された。その信号は、１５２５ｎｍ〜１５４０ｎｍの第１のウィンドウ又はサブ帯域、及び１５４０ｎｍより大きい第２のウィンドウを使用して、逆方向で使用された広帯域ＷＤＭ（分波器として使用）による波長に応じて２つのファイバのいずれかのファイバに結合された。この際、信号及びポンプは、同時に、適切なＤＳＦに結合される。２つのファイバからの信号は、同一の種類の他の広帯域ＷＤＭ（分波器として使用された）を介して組み合わされ、光スペクトルアナライザに接続された。

実験の結果、１２ｄＢより高い利得を有する有用な帯域幅全体が約２７ｎｍであり、通常のＥｒ添加増幅器と同一の状態であることを示した。システム全体は、標準的な分散シフトファイバ及び市販の光部品のみを使用して構築された。

本発明の利点を評価する際に、性能は、ファイバ特性、励起波長及び励起パワーの実際の選択に大きく依存することが分かる。非線形係数γ又は分散項目等のファイバのパラメータを適応させることにより、適切な利得応答は達成される。最も一般に使用されるファイバは、２Ｗ^-1ｋｍ^-1以下の非線形係数γを有する。しかしながら、今日、２０Ｗ^-1ｋｍ^-1の非線形係数を有する光ファイバは、珍しくない。総利得は、励起パワー、ファイバ長及び非線形係数に大きく依存するため、非線形係数γは、１０Ｗ^-1ｋｍ^-1より大きいことが好ましい。

特定の波長領域に適応するように各非線形ファイバを調整するため、零分散波長λ₀及び２次分散係数β₂等の分散項目は、光ファイバの製造中に変動する可能性がある。適切なファイバ特性を適応させる際に、４次分散係数β₄も有用であることが分かる。図８において、パラメータβ₄の変動に伴う利得スペクトルを示す。ここで、固定ファイバ非線形性γ＝１５ｋｍ^-1・Ｐ_P、及びファイバ長Ｌ＝０．２０ｋｍの時、β₄は、１．０・１０^-4ｐｓ⁴ｋｍ^-1〜５．０・１０^-3ｐｓ⁴ｋｍ^-1で変動する（また、β₂は、-０．０３１６〜０．２２４ｐｓ²／ｋｍで変動する）。β₄の値が小さい程、一般に、より平坦で広幅な利得曲線が得られる（曲線１３２を参照）。β₄の値が大きい程、一般に、より狭い利得曲線が得られる（曲線１３４を参照）。図８を図４と比較すると、ＦＯＰＡの帯域幅全体にわたる利得変動は、追加の平坦化装置を必要とすることなく、ゼロに接近することが明らかである。この様に、組合せの実現性には、実際に制限がなく、光ファイバの設計技術におけるさらなる発展によって、その実現性も高まる。適切なファイバの設計により、１２５０〜１６５０ｎｍの総周波数帯域が実現可能となる。

本発明の他の実施形態を図９に示す。ここで、非線形光ファイバの２つの並列分岐部は、１つの共有ポンプにより励起される。一方の分岐部は、信号帯域の高利得の部分で信号を増幅し、他方の分岐部は、アイドラ帯域の高利得の部分で信号を増幅する。しかしながら、これら高利得帯域の間の周波数帯域は、２つの分岐部の処理対象ではない。第３の分岐部が、この周波数帯域を処理する。この分岐部において、希土類添加増幅器又はラマン増幅器等の他の光増幅技術１９が適用される。

本発明に係る手順の実施形態が、図１０のフローチャートで示される。この手順は、ステップ２００から開始する。ステップ２０１において、光信号は、第１の波長区間及び第２の波長区間に多重分離される。ステップ２０２において、第１の波長区間の信号は、第１の非線形光ファイバへ誘導される。同時に、ステップ２０４において、第２の波長区間の信号は、第２の非線形光ファイバへ誘導される。ステップ２０６において、第１のパラメトリック増幅は、非線形ファイバに、適切な波長を有するポンプからの光を供給することにより実行される。同時に、ステップ２０８において、第２のパラメトリック増幅が実行される。最後に、ステップ２１０において、増幅された光信号は、最終出力信号に多重化される。この手順は、ステップ２１２で終了する。

図１１において、本発明に係る光増幅装置が有益に使用される一般的な光通信システムを示す。多くのノード５６は、双方向リンク５４を介してハブ５０と通信する。ハブ５０は、ＷＤＭに従って、好ましくはＤＷＤＭに従って、異なる複数の信号を、２つのハブ５０と相互接続する光ファイバ５２に多重化する。通信中、光信号は減衰し、光ファイバ５２に沿ったある位置において、好ましくは本発明に従って、光増幅装置１により増幅される必要がある。本発明の動作原理を使用する際には、ハブ＆スポークトポロジー等に制限されることはない。この原理は、リングトポロジーに基づくポイントツーポイント（point to point）型及びポイントツーマルチポイント（point to multipoint）型等のいかなる種類の光ネットワークにおいても動作することが、当業者に理解される。しかしながら、この原理は、波長多重化技術の利点を取り入れたシステムにおいて、最も有用である。

添付の特許請求の範囲により規定される本発明の範囲を逸脱せずに、本発明に対して、種々の変形及び変更が可能であることは、当業者に理解されるであろう。
参考文献
米国特許第５，４５２，１１６号；米国特許第６，０４９，４１７号；米国特許第６，２３９，９０３号
M. C. Ho, K. Uesaka, M.E. Marhic, Y. Akasaka, L. G. Kazovsky「200 nm Bandwidth Fiber Optcal Amplifier Combined Parametric and Raman Gain」IEEE J. Lightwave Technol. 19, 977 979 (2001)
J. Hansryd, P. A. Andrekson「Broad band continuous wave pumped fiber optical parametric amplifier with 49 dB gain and wavelength conversion efficiency」IEEE Photon. Technol. Lett. 13, 194 196 (2001)
C. J. McKinstrie, S. Radic, A. R. Chraplyvy「Parametric amplifiers driven by two pump waves」IEEE Select. Topics Quantum Electron. 8, 538 547 (2002)
G. P. Agrawal「Nonlinear fiber optics」第２版、Academic Press, San Diego, 1995, ４０４〜４３５ページ
J. Hansryd, P. A. Andrekson, M. Westlund, J. Li, P. O. Hedekvist「Fiber based optical parametric amplifiers and their applications」IEEE Select. Topics Quantum Electron. 8, 506 520 (2002)

図１は、本発明に係る光増幅装置の一実施形態を示す概略図である。 図２Ａは、図１の非線形ファイバの一例におけるパラメトリック増幅の理想的な利得スペクトルを示す図である。 図２Ｂは、図１の非線形ファイバの他の例におけるパラメトリック増幅の理想的な利得スペクトルを示す図である。 図２Ｃは、図１の光出力の合成信号におけるパラメトリック増幅の理想的な利得スペクトルを示す図である。 図３は、本発明に係る光増幅装置の他の実施形態を示す概略図である。 図４は、図３の実施形態におけるパラメトリック増幅の理想的な利得スペクトルを示す図である。 図５は、本発明に係る光増幅装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。 図６は、図５の実施形態におけるパラメトリック増幅の理想的な利得スペクトルを示す図である。 図７は、本発明に係る１０分岐装置におけるパラメトリック増幅の理想的な利得スペクトルを示す図である。 図８は、それぞれ異なる２次分散係数及び４次分散係数を有する複数の非線形光ファイバにおけるパラメトリック増幅の利得スペクトルを示す図である。 図９は、他の増幅方法との組合せを利用する本発明の複合の実施形態を示す概略図である。 図１０は、本発明に係る方法の一実施形態を示すフローチャートである。 図１１は、本発明に係る増幅装置を好適に利用する光学式システムを示すブロック図である。

Claims (25)

1. 光増幅装置（１）であって、
   光入力部（１０）と、
   第１の零分散波長（λ_０）を含むファイバ特性パラメータの第１のセットを有する第１の非線形光ファイバ（１２）と、
   第２の零分散波長（λ_０）を含むファイバ特性パラメータの第２のセットを有する第２の非線形光ファイバ（１２）と、
   前記光入力部（１０）、前記第１の非線形光ファイバ（１２）および前記第２の非線形光ファイバ（１２）に接続し、第１の波長区間（Δλ）内の光信号を前記第１の非線形光ファイバ（１２）へと誘導するとともに、第２の波長区間（Δλ）内の光信号を前記第２の非線形光ファイバ（１２）へと誘導する光分波器（１４）と、
   前記零分散波長（λ_０）近辺のポンピング波長（λ_Ｐ）を有する放射を用いて、前記第１の非線形光ファイバ（１２）および第２の非線形光ファイバ（１２）をポンピングする少なくとも１つの光増幅器（１８）と、
   光出力部（２０）と、
   前記第１の非線形光ファイバ（１２）、前記第２の非線形光ファイバ（１２）および前記光出力部（２０）に接続し、前記第１の非線形光ファイバ（１２）からの光信号および前記第２の非線形光ファイバ（１２）からの光信号を合波して前記光出力部（２０）に出力する光合波器（１６）と
   を含み、
   前記第１の非線形光ファイバ（１２）は、前記第１の波長区間（Δλ）内において高パラメトリック増幅を行い、前記第２の非線形光ファイバ（１２）は、前記第２の波長区間（Δλ）内において高パラメトリック増幅を行い、
   前記第１の非線形光ファイバ（１２）に係るポンピング波長（λ_Ｐ）は、前記第１の波長区間外に位置し、前記第２の非線形光ファイバ（１２）に係るポンピング波長（λ_Ｐ）は、前記第２の波長区間外に位置する、光増幅装置。
2. 前記第１の波長区間は、前記第１の非線形光ファイバ内における前記パラメトリック増幅の利得分布の高利得部分に位置し、前記第２の波長区間は、前記第２の非線形光ファイバ内における前記パラメトリック増幅の利得分布の高利得部分に位置していることを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
3. 前記ファイバ特性パラメータの第１のセットは、前記ファイバ特性パラメータの第２のセットと異なっていることを特徴とする請求項１または２に記載の光増幅装置。
4. 前記第１の非線形光ファイバおよび前記第２の非線形光ファイバは、共通の光増幅器をひとつ用いてポンピングされるとともに、前記第１の非線形光ファイバおよび前記第２の非線形光ファイバは、同一のポンピング波長（λ_Ｐ）を用いてポンピングされることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の光増幅装置。
5. 前記第１の非線形光ファイバは、２次のオーダーの分散係数β_２を有し、該β_２は、前記第２の非線形光ファイバが有する２次のオーダーの分散係数β_２とは異なっていることを特徴とする請求項４に記載の光増幅装置。
6. 前記第１の非線形光ファイバは第１の光増幅器を用いてポンピングされ、前記第２の非線形光ファイバは第２の光増幅器を用いてポンピングされることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の光増幅装置。
7. 前記第１の光増幅器のポンピング周波数と、前記第２の光増幅器のポンピング周波数とは異なっていることを特徴とする請求項６に記載の光増幅装置。
8. 前記第１の非線形光ファイバおよび前記第２の非線形光ファイバは実質的に同一の２次のオーダーの分散係数を有することを特徴とする請求項７に記載の光増幅装置。
9. 前記第１の非線形光ファイバは零分散波長を有し、該零分散波長は、前記第２の非線形光ファイバが有する零分散波長とは異なることを特徴とする請求項３ないし８の何れかに記載の光増幅装置。
10. 前記ファイバ特性パラメータの第１のセットは、前記ファイバ特性パラメータの第２のセットと実質的に同一であることを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
11. 前記第１の波長区間は、前記第１の非線形光ファイバの前記パラメトリック増幅に係る信号帯域の少なくとも一部をカバーしていることを特徴とする請求項１ないし１０の何れかに記載の光増幅装置。
12. 前記第２の波長区間は、前記第２の非線形光ファイバの前記パラメトリック増幅に係るアイドラ帯域の少なくとも一部をカバーしていることを特徴とする請求項１ないし１１の何れかに記載の光増幅装置。
13. 少なくとも１つの他の光ファイバが前記光分波器と前記光合波器との間に接続されており、該他の光ファイバは、該光ファイバに対応する波長区間内の光信号を前記光分波器から受光することを特徴とする請求項１ないし１２の何れかに記載の光増幅装置。
14. 前記少なくとも１つの他の光ファイバには非パラメトリック増幅が適用されることを特徴とする請求項１３に記載の光増幅装置。
15. 少なくとも１つの前記非線形光ファイバは、４次のオーダーの分散係数β_４を有しているとともに、関連する波長区間内において利得がフラットな帯域を提供するように適合していることを特徴とする請求項１ないし１４の何れかに記載の光増幅装置。
16. 前記第１の非線形光ファイバおよび前記第２の非線形光ファイバは、１０Ｗ^-1ｋｍ^-1よりも大きな非線形係数γを有していることを特徴とする請求項１ないし１５の何れかに記載の光増幅装置。
17. 請求項１ないし１６の何れかに記載の光増幅装置を含む光通信システム。
18. 前記光通信システムは、波長分割多重を使用するように構成されていることを特徴とする請求項１７に記載の光通信システム。
19. 前記光通信システムは、高密度波長分割多重を使用するように構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の光通信システム。
20. 光増幅方法であって、
    第１の波長区間（Δλ）内の光信号を第１の非線形光ファイバ（１２）へと誘導するステップと、
    第２の波長区間（Δλ）内の光信号を前記第２の非線形光ファイバ（１２）へと誘導するステップと、
    第１のポンピング波長の放射を用いてポンピングを行うことで、前記第１の非線形光ファイバ（１２）内で第１のパラメトリック増幅を実行するステップと、
    第２のポンピング波長の放射を用いてポンピングを行うことで、前記第２の非線形光ファイバ（１２）内で第２のパラメトリック増幅を実行するステップと、
    前記第１の非線形光ファイバ（１２）からの光信号および前記第２の非線形光ファイバ（１２）からの光信号を合波するステップと
    を含み、
    前記第１のポンピング波長は、前記第１の波長区間外に位置し、前記第２のポンピング波長は、前記第２の波長区間外に位置する、光増幅方法。
21. 前記第１の波長区間は、前記第１のパラメトリック増幅における利得分布の高利得部分に位置し、前記第２の波長区間は、前記第２のパラメトリック増幅における利得分布の高利得部分に位置していることを特徴とする請求項２０に記載の光増幅方法。
22. 前記第１の非線形光ファイバのポンピングおよび前記第２の非線形光ファイバのポンピングは、実質的に同一の波長の光信号を用いて実行されることを特徴とする請求項２０または２１に記載の光増幅方法。
23. 前記第１の非線形光ファイバをポンピングするために使用される第１の光信号と、前記第１の非線形光ファイバをポンピングするために使用される第２の光信号とは、それぞれ波長が異なることを特徴とする請求項２２に記載の光増幅方法。
24. 前記第１の波長区間は、前記第１の非線形光ファイバに係る前記パラメトリック増幅の信号帯域の少なくとも一部をカバーしていることを特徴とする請求項２０ないし２３の何れかに記載の光増幅方法。
25. 前記第２の波長区間は、前記第２の非線形光ファイバに係る前記第パラメトリック増幅のアイドラ帯域の少なくとも一部をカバーしていることを特徴とする請求項２０ないし２４の何れかに記載の光増幅方法。

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