JP3936533B2

JP3936533B2 - 希土類ドープファイバ増幅器および多段ファイバ増幅器

Info

Publication number: JP3936533B2
Application number: JP2000389859A
Authority: JP
Inventors: ピエールデラボウクスジャン、マルク; グリーンバーグコシンスキサンドラ; ヤニアイアイディン
Original assignee: ルーセントテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: EP1111741A3; US6583925B1; JP2001217491A; EP1111741A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希土類をドープしたファイバ増幅器（希土類ドープファイバ増幅器）に関し、特に、増幅器装置内の残留ポンプパワーの効率的な使用法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近１０年ほどの間に、一般に希土類ドープファイバ増幅器、特にエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、通信リンク間で弱い光信号（特に波長１５５０ｎｍ付近の信号）を増幅する手段として、広く使用されるようになっている。効率的なパフォーマンスを提供するために、このような増幅器のさまざまな設計が提案されている。ここで、効率は、高い光利得、低いノイズ指数、高い出力パワーおよびポンプ効率の尺度である。最近、多重ＷＤＭシステムおよびアナログＣＡＴＶシステムのような新たなアプリケーションにおいてＥＤＦＡが使用されるようになるのとともに、高い光パワーは（低ノイズとともに）、スプリッティング損失を克服し受信機において比較的高い光パワーを有するために、本質的なものとなっている。高いパワーレベルは、波長９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍ付近のポンプパワーを増大させることによって達成することができる。しかし、これらの波長を放出するために従来使用されている半導体レーザは、パワースケーラビリティおよび全寿命に関して問題がある。
【０００３】
これらの新たなアプリケーション用に高いパワーを提供するための別法として、ファイバ増幅器の同時ドーピング(co-doping)が提案されている。この同時ドーピングにおいては、ほとんどの場合、Ｅｒ³⁺とＹｂ³⁺の同時ドーピングが使用される。このような同時ドーピングは、ガラス中のＹｂ³⁺の広い吸収帯（８００〜１１００ｎｍ）により、ポンプ吸収の量を増大させ、ポンプ波長の選択における自由度を提供する。リンを含むガラスファイバでは、イッテルビウムは、ダイオードでポンピングされるＹｂまたはＮｄをドープしたレーザ光源から利用可能な１０６４ｎｍ付近のポンプパワーを吸収することが可能であり、１５５０ｎｍ付近のパワー注入のためにエネルギーをエルビウムイオンに効率的に移行させることができる。現在、１０６４ｎｍのＹｂまたはＮｄで被覆されたポンピングレーザでポンピングされる、Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドーピングによるいくつかのファイバ増幅器が、順方向ポンピング(co-pumping)、逆方向ポンピング(counter-pumping)および側方ポンピング(side-pumping)方式で実証されている。
【０００４】
一般に、従来のＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ドープファイバ増幅器は、ポンプ、マルチプレクサ、Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ドープファイバおよびアイソレータからなる。図１に、例示的な従来技術のドープファイバ増幅器１０を示す。これは、数ワットのオーダーで光パワーを出力することが可能である。図示のように、増幅器１０は、入力アイソレータ１２および出力アイソレータ１４を有し、これらの間に同時ドープＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ファイバセクション１６が配置されている。波長分割マルチプレクサ１８を用いて、ポンプ光源２０（例えば、１０６４ｎｍで発光するダイオードポンプレーザ）をファイバ増幅器１６に結合する。入力光信号Ｐ_in（例えば、波長１５５０ｎｍ）は、アイソレータ１２を通じて、ドープファイバセクション１６に入力される。図１に示されるように、光源２０からのポンプ信号の伝搬方向は、入力信号Ｐ_inとは逆である。このような方式を一般に逆方向ポンピング(counter-pumping)増幅器という。順方向ポンピングでは、ポンプ信号と入力信号はいずれも同じ向きにドープファイバを伝搬する。ほとんどの場合、（順方向ポンピングのほうがノイズ指数は低いものの）逆方向ポンピング方式のほうが光効率がよいため、逆方向ポンピング方式のほうが好ましい。図２に、入力信号パワー（ｄＢｍ）の関数として、効率（ポンプパワーに対する信号パワーの比で測ったもの）のグラフを示す。信号が強い場合のほうが、パワーはより効率的に抽出することができる。したがって、ポンプパワーが高いほど、信号は増幅されている。このように効率が改善される理由は、ポンプ光および信号光が逆方向に伝搬するときのほうがファイバ媒質中のＥｒ³⁺クラスタがより効率的に脱色される結果、より多くのイオンが増幅自然放出（ＡＳＥ）に寄与して効率が改善されることによると考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示すように、与えられた長さのＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ドープファイバに対して、出力パワー（Ｐ_out）は、（入力信号パワーが一定の場合）注入されるポンプパワーの関数として線形に増大する。この出力パワーの増大は、高いポンプパワーにより利得媒質が深く圧縮される場合でも継続する。他方、このポンプパワーの増大は、ファイバの末端における高い残留パワーも生じる。高い飽和領域で動作するＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ドープファイバ増幅器におけるこの残留ポンプパワーは、従来のＥｒ³⁺ドープファイバ増幅器に比べると極めて高い。後者の場合、励起状態吸収（ＥＳＡ：excited state absorption）もまたポンプからのエネルギーを抽出し、９８０ｎｍのポンプパワーが増大するとともに光効率がさらに低下する。したがって、Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ファイバ増幅器では、１０６４ｎｍにおける高い残留ポンプパワーが問題となる。特に、多段増幅器設計では、この残留パワーは、システム内の他の光素子にとって有害となることがある。図３（Ａ）を参照すると、長さ１１．５ｍのドープファイバセクションを用いた場合、３２ｄＢｍの出力パワーにおいて、（入力ポンプパワーが３６ｄＢｍの場合）２６ｄＢｍの残留ポンプパワーが残っている。このように、従来技術においては、同時ドープＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ファイバ増幅器による効率の改善を提供しながら、このような方式に伴う残留ポンプパワーを低減（あるいは除去）することが必要とされている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従来技術における上記の課題は、本発明により解決される。本発明は、希土類ドープファイバ増幅器の分野に関し、特に、増幅器内の残留ポンプパワーの効率的な再利用を含む増幅器構成に関する。
【０００７】
本発明によれば、ファイバ増幅器は、少なくとも２つの希土類ドープ光ファイバセクションを含むように形成される。ポンプ光源は、一方のファイバセクションに結合される。その後、このファイバセクションの出口における残留ポンプパワーが、ＷＤＭ（波長分割マルチプレクサ）に向けられる。このＷＤＭは、この残留ポンプ光を、残りの同時ドープファイバセクションにポンプ信号入力として送る。ファイバの長さは、第２セクションの出力に存在する残留パワーの量に基づいて決定される。好ましい実施例では、ポンプ信号は、第２ファイバセクションに結合され、残留ポンプパワーは、第１セクションに結合される。
【０００８】
代替例である多段実施例では、ポンプ光源は、増幅器の最終段（すなわち、同時ドープファイバの最終セクション）に直接に結合され、残留パワーは、前の段へのポンプ入力とされる。その後、この段における増幅後に残る残留パワーは、同様にして前の段に結合され、以下同様に続けることにより、利用可能なポンプパワーをすべて効率的に使用する。これらの構成において、各段におけるファイバの長さは、最終段から第１段へと次第に短くなる。複数のポンプ光源を使用することも可能である。その場合、各残留ポンプ光は、別のセクションに入力される。
【０００９】
以下で図面を参照して詳細に説明するように、順方向ポンピング、逆方向ポンピングおよび側方ポンピング、ならびにこれらのさまざまな組合せを含めて、本発明のさまざまな実施例が可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下の記載を通じて、本発明の構成を、Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ドープ光ファイバ増幅器に関して説明する。理解されるべき点であるが、光ファイバ増幅器のドーパントとして、他のさまざまな組成が当業者には周知である。例えば、プラセオジムは、（それのみで、あるいは、エルビウムやその他の希土類ドーパントとともに）使用可能なもう１つのドーパントである。他のさまざまな組合せも可能であり、それらはすべて、本発明の「残留」ポンプ結合システムで使用可能である。それぞれのドーパント組成は、ファイバ増幅器の特定の段にある残留パワーを生じるからである。さらに、ラマン増幅器やパラメトリック増幅器のような他のタイプのファイバ増幅器も、本発明の「ポンプ光再利用」の技術を利用可能である。
【００１１】
本発明により形成された例示的な２段Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ドープファイバ増幅器を図４に示す。図示のように、ファイバ増幅器３０は、入力段３１および出力段３３を有し、入力段３１は、長さＬ１の同時ドープＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ファイバの第１セクション３２を有する。出力段３３は、図示のように、長さＬ２＞Ｌ１の同時ドープＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ファイバのセクション３４を有する。これらの２つのセクションの長さの差は、増幅器に期待される増幅の量を決定する際に用いられるファクタである。実際、Ｌ２＞Ｌ１という条件は、各ファイバ増幅器が同じドーパント方式を有することを前提としているが、これは必ず成り立つわけではなく、また、本発明を実施するために必須でもない。以下に記載するさまざまな実施例に関する説明の目的で、各ファイバセクションは、ほぼ同一のドーパント特性を有すると仮定する。したがって、各セクションの長さは、増幅器の必要条件を設計する際のパラメータとして使用可能である。入力段３１と出力段３３の間には、阻止デバイス３６がある。これは、例えば、アイソレータ、フィルタ、またはその他の、２つの段の間で増幅自然放出（ＡＳＥ）を阻止することが可能な装置を含む。ポンプ光源３８は、第２の同時ドープファイバセクション３４にポンプ信号Ｐ_pump（適当な波長、例えば、１０６４ｎｍ）を入力するために使用される。図４に示した構成では、波長分割マルチプレクサ４０（以下、一般に「マルチプレクサ」という。各マルチプレクサの波長の分割（分波）・合成（合波）の性質を仮定する）が、第２ファイバセクション３４の出力に配置され、入力信号Ｐ_inに対して逆の伝搬方向で、ポンプ信号Ｐ_pumpを第２ファイバセクション３４に結合するために使用される。図示のように、入力信号Ｐ_in（これは、例えば、１５５０ｎｍの信号である）はまず、入力アイソレータ４２（これは、残留信号およびＡＳＥが送信側光源に戻って伝搬しないようにするために使用される）を通過した後、マルチプレクサ４４を通り、入力増幅器段３１の第１ファイバセクション３２に入力される。
【００１２】
本発明によれば、増幅器３０の入力３１に入力されるポンプ信号は、第２ファイバセクション３４の出力に残っている残留ポンプ信号Ｐ_resである。図４を参照すると、マルチプレクサ４６が、残留ポンプパワーＰ_resを捕捉するために、ＡＳＥ阻止デバイス３６と第２ファイバセクション３４の間に配置される。この残留パワーは、マルチプレクサ４４に第２の入力として入力され、第１ファイバセクション３２に対する順方向伝搬ポンプ入力として使用される。ファイバセクション３２および３４のそれぞれの長さＬ１およびＬ２を適当に制御することにより、残留パワーは、増幅器３０の入力段３１内で増幅を行うのに十分なものとなる。具体的には、図３（Ａ）を参照すると、第２ファイバセクション３４は、例えば、Ｌ２＝１１．５ｍの長さを有する。パワー３６ｄＢｍのポンプ信号を用いると、セクション３２は、パワー３２ｄＢｍの出力信号（Ｐ² _outで表す）を生成するとともに、２６ｄＢｍの残留ポンプパワーを生成することが可能である。そこで、第１ファイバセクション３２は、この２６ｄＢｍのポンプパワーを最も効率的に利用するような長さにすることが可能であり、長さ６．５ｍが、最も効率的であることが見出された。この場合、第１ファイバセクション３２は、入力信号Ｐ_inに２２ｄＢｍの出力パワーを提供することが可能であり、これは、図３（Ｂ）のグラフに示すように、第１の増幅出力信号Ｐ¹ _outを形成する。
【００１３】
図４に示すように、追加のバンドパスフィルタ４８（もしくはアイソレータ、または、フィルタとアイソレータの組合せ）を、マルチプレクサ４４とマルチプレクサ４６の間の残留ポンプパスに配置して、第２ファイバセクション３４の出力において、ＡＳＥやその他の不要な信号波長が第１ファイバセクション３２に結合しないようにすることも可能である。ほとんどの従来のファイバ増幅器構成と同様に、最終的に増幅された出力信号Ｐ² _outからの光反射を防止し、残留ポンプパワーを阻止するために、出力アイソレータ４９が、第２ファイバセクション３４の後段に配置される。
【００１４】
図４の増幅器３０の第１段で順方向ポンピング方式を使用することにより、入力段３１の出力において、ノイズ指数が比較的低くなる（例えば、４ｄＢの範囲）。しかし、前述のように、逆方向に伝搬するポンプ信号を使用すると、変換効率が改善されることが見出された。そこで、本発明の増幅器は、図５に示すように、いずれの段でも、逆方向に伝搬するポンプ信号を使用するように形成することも可能である。この構成では、２段Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ増幅器５０は、図４に関してすでに説明した構成とよく似ている。異なるのは、第１ファイバセクション３２で逆方向に伝搬する残留ポンプ信号入力Ｐ_resを使用することである。マルチプレクサ５２が、第１ファイバセクション３２とＡＳＥ阻止デバイス３６の間の信号路に配置されるため、残留信号Ｐ_resを、入力信号Ｐ_inに対して逆の伝搬方向に送ることが可能となる。
【００１５】
順方向伝搬方式で入力されるポンプ信号を用いたもう１つの２段Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ増幅器６０を図６に示す。この場合、ポンプ光源３８からのポンプ信号Ｐ_pumpは、入力信号Ｐ¹ _outと同方向に伝搬するように、マルチプレクサ６２を通じて第２ファイバセクション３４に入力される。図示のように、マルチプレクサ６２は、ＡＳＥ阻止デバイス３６と第２ファイバセクション３４の間の信号路に配置される。第２のマルチプレクサ６４が、第２ファイバセクション３４の出力（出力アイソレータ４９の前）に配置され、残留ポンプパワー信号Ｐ_resを取り出すために使用される。この残留ポンプ信号は、その後、第３のマルチプレクサ６６を通じて、第１ファイバセクション３２の入力に結合される。一般に、「もとの」ポンプ信号Ｐ_pumpと残留ポンプ信号Ｐ_resの順方向ポンピングおよび逆方向ポンピングの任意の組合せが、本発明の同時ドープファイバ増幅器構成において、使用可能である。
【００１６】
本発明により形成された例示的な３段Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ増幅器７０を図７に示す。図示のように、増幅器７０は、第１段７１、第２段７３および第３段７５を有し、各段は、同時ドープＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺光ファイバの別個のセクションを有する。第１段７１は長さＬ１の第１セクションを有し、第２段７３は長さＬ２の第２セクション７４を有し、第３段７５は長さＬ３の第３セクション７６を有する。各セクションを形成するのにほぼ同一の特性を有するファイバを用いた実施例では、例えば、Ｌ３＞Ｌ２＞Ｌ１である。第１ＡＳＥ阻止フィルタ７８が、第１段７１と第２段７３の間に配置され、第２ＡＳＥ阻止フィルタ８０が、第２段７３と第３段７５の間に配置される。前述のように、これらのフィルタは、増幅自然放出（ＡＳＥ）が増幅器を通って伝搬して増幅後の入力信号Ｐ_inを妨害することを防ぐように作用する。前述の構成と同様に、入力アイソレータ８２が、（逆方向に伝搬する残留ポンプ信号が送信側光源に入らないように）第１段７１の入力に配置され、出力アイソレータ８４が、（反射信号が増幅器に入らないようにするとともに、順方向に伝搬する残留ポンプ信号が増幅器７０を出ないように）第３段７５の出力に配置される。一般に、入力信号Ｐ_in（例えば、１５５０ｎｍ）は、入力アイソレータ８２を通り、第１段７１で増幅されて第１の増幅出力信号Ｐ¹ _outを生成し、第１ＡＳＥ阻止フィルタ７８を通り、第２段７３で再び増幅されて第２の増幅出力信号Ｐ² _outとなる。その後、第２の増幅出力信号Ｐ² _outは、第２ＡＳＥ阻止フィルタ８０を通り、第３段７５で再び増幅されて最終出力信号Ｐ³ _outとなる。
【００１７】
本発明によれば、ポンプ光源８６は、波長１０６４ｎｍでポンプ信号Ｐ_pumpを提供するために使用される。図７に示すように、ポンプ信号Ｐ_pumpは、マルチプレクサ８８を通じて、増幅器７０の第３段７５への逆方向に伝搬する入力として結合される。第３ファイバセクション７６の終端における残留ポンプパワーＰ¹ _resは、図示のように、マルチプレクサ９０に結合された後、マルチプレクサ９２を通じて、増幅器７０の第２段７３への逆方向に伝搬するポンプ入力として、第２ファイバセクション７４に結合される。第２ファイバセクション７４の長さＬ２を適当に制御することにより、所定量の残留パワー（Ｐ² _resで表す）が、第２ファイバセクション７４の終端に残ることになる。そこで、この第２の残留ポンプ信号Ｐ² _resをマルチプレクサ９４で抽出し、増幅器７０の第１段７１に、（マルチプレクサ９６を通じて）逆方向に伝搬するポンプ信号として入力することができる。
【００１８】
増幅器７０の代替実施例では、第２ポンプ光源（図７では、ポンプ光源９８として示す）を、第１段７１への（図７のマルチプレクサ９９を通じて）入力として設けることが可能である。第１ファイバセクションの長さＬ１は、ある残留ポンプパワーが生じるように調節される。第１段７１および第３段７５からの残留パワーはそれぞれ、順方向ポンピングおよび逆方向ポンピングの信号として、第２段７３に入力されることが可能である。第２のポンプパワー９８は、ファイバ内で使用されるドーパント種に依存して、異なる波長（例えば、９８０ｎｍ）で動作するポンプ光源とすることも可能である。
【００１９】
図８に、入力段１０１および出力段１０３を有する、もう１つの２段Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ増幅器１００を示す。入力段１０１は、長さＬ１のＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバの第１セクション１０２を有し、出力段１０３は、長さＬ２のＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバの第２セクション１０４を有し、（各ファイバがほぼ同一の特性を有するときに最大の効率にする場合）Ｌ２＞Ｌ１である。ＡＳＥ阻止要素１０６が、入力段１０１と出力段１０３の間に配置され、入力アイソレータ１０８が、（残留ポンプ信号が伝送路に沿ってさらに戻って伝搬しないように）入力段１０１の入力に結合され、出力アイソレータ１１０が、（残留ポンプ信号が伝送路に沿ってさらに伝搬しないように）出力段１０３の出力に結合される。図示のように、２個のポンプ光源１１２および１１４が、結合要素１１６への別々の入力に設けられる。結合要素１１６は、入力段１０１および出力段１０３への別のポンプ信号入力対を提供する（詳細は、図９Ａ〜図９Ｃに関連して後述）ために、ポンプ信号を結合・方向転換する。図示のように、第１のポンプ出力信号Ｐ¹ _pumpは、光信号路１１８に沿って伝搬した後、マルチプレクサ１２０を通じて入力段１０１に入力される。図８の実施例では、マルチプレクサ１２０は、入力アイソレータ１０８と第１ファイバセクション１０２の間に配置される。したがって、ポンプ信号Ｐ¹ _pumpは、入力信号Ｐ_inと同方向に伝搬する。その後、第１段１０１からの増幅信号出力（Ｐ¹ _outで表す）は、ＡＳＥ阻止要素１０６を通り、出力段１０３に入力される。第１ポンプ出力信号からの残留ポンプパワー（残留パワーをＰ¹ _resで表す）は、入力段１０１の出力において、マルチプレクサ１２２で捕捉され、光信号路１２４に沿って伝搬するように送られる。その後、残留ポンプ信号Ｐ¹ _resは、マルチプレクサ１２６により第２段１０３に送られ、第２ファイバセクション１０４に対するポンプ入力として使用される。
【００２０】
図示のように、第２ポンプ出力信号Ｐ² _pumpは、結合要素１１６を出て、もう１つの光信号路１２８に沿って伝搬した後、マルチプレクサ１３０を通じて、逆方向に伝搬するポンプ信号入力として、第２段１０３に結合される。残留ポンプパワー（Ｐ² _resで表す）は、マルチプレクサ１２６を通じて第２段１０３を出た後、光信号路１２４を通って伝搬し、マルチプレクサ１２２を通じて、第１段１０１に、逆方向伝搬ポンプ信号として結合される。アイソレータ（図示せず）を信号路１１８および１２８に挿入して、残留ポンプ信号が結合要素１１６に戻って伝搬しないようにすることが可能である。
【００２１】
前述のように、結合要素１１６は、２個の増幅段にそれぞれ異なるポンプ信号を提供することが可能な、さまざまな構成を有することが可能である。図９に、３個の異なる結合要素１１６の実施例を示す。これらの要素は、単体でも、適当な組合せでも使用可能である。図９Ａは、パワースプリッタ１３２を示す。これは、ポンプ入力を１つしか必要とせず、異なるパワーレベル（一方をＫで、他方を１−Ｋで表す）の出力信号を提供する。例えば、パワースプリッタは、入力パワーの３０％を第１出力に提供し、入力パワーの７０％を第２出力に提供する。例えばＬ２＞Ｌ１の場合、大きいほうのパワー出力信号が、第２段１０３にパワー入力として送られる。代替実施例では、二波長結合要素１３４（図９Ｂ）が使用可能である。図９Ｃは、パワースプリッタまたは二波長構成の代わりに使用可能な偏波スプリッタ１３６を示す。この場合、単一の入力ポンプ信号が、直交偏波成分に分けられ、第１の成分は信号路１１８に入力され、第２の、直交する成分は信号路１２８に入力される。
【００２２】
２つの異なる入力信号をただ１つのポンプ信号で増幅することが可能なＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ増幅器１４０を図１０に示す。第１ファイバ増幅器構成１４２は、（第１波長λ₁の）第１入力信号Ｐ¹ _inを増幅するために使用され、第２ファイバ増幅器構成１４４は、（第２波長λ₁の）第２入力信号Ｐ² _inを増幅するために使用される。いずれの増幅器構成も、ポンプ光源１４６から放出される同じポンプ信号Ｐ_pump（例えば、波長１０６４ｎｍのポンプ信号Ｐ_pump）を使用する。図１０を参照すると、第１ファイバ増幅器１４２は、入力アイソレータ１５０と出力アイソレータ１５２の間に配置されたＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバセクション１４８（所定の長さＬ１を有する）を有する。同様に、第２ファイバ増幅器１４４は、入力アイソレータ１５６と出力アイソレータ１５８の間に配置されたＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバセクション１５４（所定の長さＬ２を有する）を有する。
【００２３】
この実施例における結合要素１６０（例えば、パワースプリッタ）は、増幅器セクション１４２および１４４に別々のポンプ入力信号を供給するために使用される。図示のように、ＫＰ_pumpが、結合要素１１６からの第１出力であり、マルチプレクサ１６２を通じて、第１増幅器１４２のドープファイバセクション１４８に、逆方向に伝搬するポンプ入力信号として入力される。このため、増幅された出力信号Ｐ¹ _outは、出力アイソレータ１５２を通じて伝搬した後、増幅器１４０を出ることになる。理解されるべき点であるが、２個のポンプ光源を結合要素１６０への別々の入力として設けることも可能である。このような構成は周知であり、「予備の」ポンプ光源を提供する際に有用である。同様の「ポンプ予備」構成は、結合要素を利用して増幅器にポンプ信号を入力する、以下のさまざまな実施例にも等しく適用可能である。
【００２４】
本発明によれば、第１ファイバセクション１４８に残った残留ポンプパワーＫＰ_pump,resは、マルチプレクサ１６４により分岐され、第２増幅器セクション１４４に入力される。図１０に示した具体的構成では、この残留ポンプパワーは、信号路１６６に沿って伝搬し、マルチプレクサ１６８により、第２同時ドープファイバセクション１５４に、順方向に伝搬するポンプ入力信号として結合される。
【００２５】
同様にして、残りのポンプ信号（１−Ｋ）Ｐ_pumpは、結合要素１１６からの第２の出力であり、マルチプレクサ１７０を通じて、第２ファイバ増幅器１４４に入力される。具体的には、信号（１−Ｋ）Ｐ_pumpは、逆方向に伝搬するポンプ信号入力として入力され、増幅器出力信号Ｐ² _outは、出力アイソレータ１５８を通り、増幅器１４０を出る。残留ポンプパワー（（１−Ｋ）Ｐ_pump,resで表す）は、マルチプレクサ１６８に結合され、信号路１６６に沿って伝搬し、マルチプレクサ１６４を通じて第１増幅器１４２に残留ポンプ入力として入力される。
【００２６】
図１０でＫで表されるパワー分岐比は、所望の値とすることが可能であり、一般には、入力信号の波長、ドープファイバセクションの長さＬ１およびＬ２、ならびにその他の関連するファクタ（例えば、ファイバ内の同時ドーピング比）の関数である。一般に、Ｋは、任意の適当な値とすることが可能であり、また、各信号の最適な増幅を行うように調節することも可能である。
【００２７】
上記の本発明のさまざまな増幅器構成はいずれも、ドープファイバ前置増幅器を含むように変形することが可能である。図１１に、そのような増幅器１８０の一例を示す。増幅器１８０は、図１０に関して前述した増幅器１４０と、別個の前置増幅器１８２とを有する。図示のように、前置増幅器１８２は、エルビウムドープファイバセクション１８４を有し、入力信号Ｐ_inと、ポンプ光源１８６からのポンプ信号Ｐ_pump,preampとは、マルチプレクサ１８８内で結合され、ドープファイバ１８４に、順方向に伝搬する入力信号として入力される（増幅された信号が信号源に戻って伝搬しないように、入力信号ブランチ内にアイソレータ１９０が配置される）。増幅された出力信号Ｐ_out,preampは、その後、ＡＳＥ阻止要素１９２を通り、３ｄＢカプラ１９４に入力される。カプラ１９４は、前置増幅出力信号を複数の成分に分けるように作用し、増幅器１４０への少なくとも２個の入力信号を形成する。
【００２８】
別の前置増幅器構成では、増幅器１８０の９８０ｎｍポンプ光源１８６を省略し、その代わりに、第１増幅器１４２および第２増幅器１４４から利用可能な残留ポンプパワーを、前置増幅器のためのポンプ光源として使用することも可能である。図１２に、ポンプ光源を１つしか必要としない、前置増幅器２０２および増幅器２０４を有する例示的なＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ増幅器２００を示す。図示のように、増幅器２０４は、上記の増幅器１４０と同様であるが、ブランチ２０６および２０８からそれぞれ利用可能な残留ポンプパワー信号Ｐ¹ _res、Ｐ² _resが、この例では前置増幅器セクション２０２に入力されるという点で異なる。図１２を参照すると、マルチプレクサ２１０が、ブランチ２０６から、逆方向に伝搬する残留ポンプ信号Ｐ¹ _resを取り出すために使用される。この信号は、信号路２１２に沿って伝搬し、マルチプレクサ２１４により、順方向に伝搬するポンプ入力信号として、Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバセクション２１６に結合される。入力情報信号Ｐ_inは、まず入力アイソレータＩＳＯ１を通った後、マルチプレクサ２１４を通じてドープファイバセクション２１６にも入力される。
【００２９】
同様に、増幅器２０４の第２ブランチ２０８における残留ポンプパワー信号Ｐ² _resは、マルチプレクサ２１８に結合され、信号路２２０に沿って伝搬した後、逆方向に伝搬するポンプ信号として（マルチプレクサ２２２を通じて）前置増幅器２００のドープファイバ２１６に結合される。したがって、この構成では、前置増幅器２０２は、順方向および逆方向の両方に伝搬するポンプ信号を有するという利点がある。理解されるべき点であるが、両方のポンプ信号が逆方向に伝搬する信号として入力される構成、両方のポンプ信号が順方向に伝搬する信号として入力される構成、またはその他の適当な構成を含めて、さまざまなその他の構成が使用可能である。
【００３０】
一般に、上記のようにして残留ポンプパワーを効率的に利用するように、Ｎ入力−Ｎ出力のドープファイバ増幅器を形成することができる。図１３に、一般的な形で、４入力−４出力ドープファイバ増幅器２３０を示す。これは、２個の（異なる波長の）ポンプ光源２３２および２３４を利用して、４個のポンプ入力信号を提供し、その一方で、各増幅器ブランチで利用可能な残留パワーを再利用する。図示のように、２個の結合要素２３６および２３８を用いて、ポンプ信号Ｐ¹ _pumpおよびＰ² _pumpのそれぞれを２個のポンプ信号に分ける（Ｐ^1a _pump、Ｐ^1b _pump、Ｐ^2a _pumpおよびＰ^2b _pumpで表す）。これらのポンプ信号はそれぞれ、この実施例では、逆方向に伝搬するポンプ信号である。この構成における残留パワーポンプ信号（Ｐ^1a _res、Ｐ^1b _res、Ｐ^2a _resおよびＰ^2b _resで表す）は、対応するマルチプレクサを通じて取り出された後、順方向に伝搬するポンプ入力として、このシステム内の別の指定された増幅器ブランチに入力される。図１３の具体例では、順方向に伝搬する残留ポンプ信号は、逆方向に伝搬するポンプ信号ではない波長となるように、ポンプ光源は「交差接続」される。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、増幅器内の残留ポンプパワーを効率的に再利用する増幅器が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のドープファイバ増幅器構成の図である。
【図２】逆方向ポンピングファイバ増幅器の効率を順方向ポンピングファイバ増幅器の効率と比較した典型的な従来技術の結果を示すグラフである。
【図３】（Ａ）は、ポンプ信号の入力パワーの関数として利用可能な残留ポンプパワーの量を示すグラフである。（Ｂ）は、光入力信号を増幅するために残留ポンプパワーを使用することによる出力パワーを示すグラフである。
【図４】逆方向ポンピング構成による本発明の例示的な２段Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ファイバ増幅器の図である。第２段における残留ポンプパワーは、（順方向ポンピング）ポンプ入力として第１段に送られる。
【図５】図４の増幅器の代替実施例の図である。残留ポンプ光は、逆方向ポンピング入力として第１段に送られる。
【図６】図４の構成のもう１つの代替実施例の図である。この場合、両方のポンプ信号が、入力信号と同方向に伝搬して入力される。
【図７】第１段および第３段に入力するための１対のポンプ光源を利用した、本発明により形成された３段Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ファイバ増幅器の図である。第１段および第３段からの残留ポンプパワーは、ポンプ信号入力として中間段に送られる。
【図８】ポンプ分割構成を用いて、直接ポンプ信号を２つの段に供給し、残留パワーを逆の段に「再利用」する、Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ファイバ増幅器の代替２段実施例の図である。
【図９】図８の２段増幅器実施例において「ポンプ分割」を行うための代替結合構成の図である。
【図１０】（残留ポンプパワーのある）単一のポンプ光源を用いて２個の入力信号を増幅するように形成された、本発明のもう１つの増幅器構成の図である。
【図１１】図１０の増幅器構成とともに使用されるファイバ前置増幅器（それ自体の別個のポンプ光源を有する）を含む、本発明の代替実施例の図である。
【図１２】単一のポンプ光源を用いて前置増幅器段および増幅器段の両方で増幅を行う、図１１の構成に代わる代替例の図である。
【図１３】各ブランチの残留パワーを、１つ以上の他のブランチに対する追加ポンプパワー源として使用する、本発明の多入力／多出力Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ増幅器の図である。
【符号の説明】
１０ドープファイバ増幅器
１２入力アイソレータ
１４出力アイソレータ
１６同時ドープＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ファイバセクション
１８波長分割マルチプレクサ
２０ポンプ光源
３０ファイバ増幅器
３１入力段
３２同時ドープＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ファイバ第１セクション
３３出力段
３４同時ドープＥｒ³⁺−Ｙｂ³⁺ファイバ第２セクション
３６ＡＳＥ阻止デバイス
３８ポンプ光源
４０波長分割マルチプレクサ
４２入力アイソレータ
４４マルチプレクサ
４６マルチプレクサ
４８バンドパスフィルタ
４９出力アイソレータ
５０２段Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ増幅器
５２マルチプレクサ
６０２段Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ増幅器
６２マルチプレクサ
６４マルチプレクサ
６６マルチプレクサ
７０３段Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ増幅器
７１第１段
７２第１セクション
７３第２段
７４第２セクション
７５第３段
７６第３セクション
７８第１ＡＳＥ阻止フィルタ
８０第２ＡＳＥ阻止フィルタ
８２入力アイソレータ
８４出力アイソレータ
８６ポンプ光源
８８マルチプレクサ
９０マルチプレクサ
９２マルチプレクサ
９４マルチプレクサ
９６マルチプレクサ
９８第２ポンプ光源
９９マルチプレクサ
１００２段Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ増幅器
１０１入力段
１０２Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ第１セクション
１０３出力段
１０４Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ第２セクション
１０６ＡＳＥ阻止要素
１０８入力アイソレータ
１１０出力アイソレータ
１１２ポンプ光源
１１４ポンプ光源
１１６結合要素
１１８光信号路
１２０マルチプレクサ
１２２マルチプレクサ
１２４マルチプレクサ
１２６マルチプレクサ
１２８光信号路
１３０マルチプレクサ
１３２パワースプリッタ
１３４二波長結合要素
１３６偏波スプリッタ
１４０Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ増幅器
１４２第１ファイバ増幅器構成
１４４第２ファイバ増幅器構成
１４６ポンプ光源
１４８Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバセクション
１５０入力アイソレータ
１５２出力アイソレータ
１５４Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバセクション
１５６入力アイソレータ
１５８出力アイソレータ
１６０結合要素
１６２マルチプレクサ
１６４マルチプレクサ
１６６信号路
１６８マルチプレクサ
１７０マルチプレクサ
１８０増幅器
１８２前置増幅器
１８４エルビウムドープファイバセクション
１８６ポンプ光源
１８８マルチプレクサ
１９０アイソレータ
１９２ＡＳＥ阻止要素
１９４３ｄＢカプラ
２００Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバ増幅器
２０２前置増幅器
２０４増幅器
２１０マルチプレクサ
２１２信号路
２１４マルチプレクサ
２１６Ｅｒ³⁺−Ｙｂ³⁺同時ドープファイバセクション
２１８マルチプレクサ
２２０信号路
２２２マルチプレクサ
２３０４入力−４出力ドープファイバ増幅器
２３２ポンプ光源
２３４ポンプ光源
２３６結合要素
２３８結合要素

Claims

光ポンプ信号Ｐ_pumpを用いて入力信号Ｐ_inの光増幅を行う希土類を同時ドーピングしたファイバ増幅器において、
第１端を入力端および第２端を出力端とする端を有し、長さＬ１である第１の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３２）と、
第１端を入力端および第２端を出力端とする端を有し、Ｌ２＞Ｌ１である長さＬ２の第２の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３４）であって、
前記第２の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３４）の前記入力端が、前記第１の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３２）の前記出力端と連結された第２の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３４）と、
前記第２の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３４）の前記出力端に、逆方向伝搬光ポンプ信号を入力するように連結された第１のカプラ（４０）と、
前記第２の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３４）の前記入力端から残留ポンプパワーを取り出すように、前記第２の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３４）の前記入力端に連結された第２のカプラ（４６）と、
前記第１の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３２）の入力端または出力端のどちらか一方に、取り出された残留ポンプパワーを入力するように連結された第３のカプラ（４４）とを有し、
前記長さＬ１は、前記第１の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３２）に入力された前記残留ポンプパワーの量に基づいて決定されていることを特徴とする希土類を同時ドーピングしたファイバ増幅器。
前記第１の希土類を同時ドーピングしたファイバセクションと前記第２の希土類を同時ドーピングしたファイバセクションの間に配置された増幅自然放出（ＡＳＥ）阻止要素を有することを特徴とする請求項１記載の希土類を同時ドーピングしたファイバ増幅器。
前記第３のカプラ（４４）は、順方向伝搬増幅器段階を形成するように、前記第１の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３２）の前記入力端に連結することを特徴とする請求項１記載の希土類を同時ドーピングしたファイバ増幅器。
前記第３のカプラ（４４）は、逆方向伝搬増幅器段階を形成するように、前記第１の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３２）の前記出力端に連結することを特徴とする請求項１記載の希土類を同時ドーピングしたファイバ増幅器。
前記増幅器は、ポンプ信号源と各同時ドーピングしたファイバセクションの間に配置された結合要素をさらに有し、前記結合要素は、ポンプ信号源、第１の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３２）の入力端、および第２の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３４）の出力端と連結され、２個の異なる信号に前記ポンプ信号を分離し、前記第１の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３２）および第２の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３４）に各ポンプ出力信号の分離したポンプ信号を入力することを特徴とする請求項１記載の希土類を同時ドーピングしたファイバ増幅器。
前記結合要素は偏波スプリッタを有することを特徴とする請求項５記載の希土類を同時ドーピングしたファイバ増幅器。
前記ポンプ信号入力は相異なる波長の入力信号対を有し、前記結合要素が波長の異なるポンプ信号を、前記第１の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３２）および第２の希土類を同時ドーピングしたファイバセクション（３４）に提供することを特徴とする請求項５記載の希土類を同時ドーピングしたファイバ増幅器。