JP4105399B2 - 光ファイバラマン増幅器を含む装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラマン増幅光通信システムに係り、特に、既知のポンプ信号クロストーク問題を克服するように設計されたラマンポンプ源と共にコプロパゲーティング（co-propagating）ラマン増幅を使用する光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ラマン増幅の主題は、文献においてよく知られている。誘導ラマン増幅は、強いポンプ波が、１つまたは２つ以上の光信号を運ぶ光ファイバに注入される非線形光プロセスである。溶融シリカファイバにおいて、ポンプ波が、信号波よりも約１３ＴＨｚ高い周波数を有する場合（即ち、ポンプ波長が、１５００ｎｍの近くにおいて信号波長よりも約１００ｎｍ短い場合）、ポンプは、誘導ラマン散乱により信号を増幅することになる。増幅が送信ファイバ自体の中で起きるようになされる場合、増幅器は、「分散（distributed ）増幅器」と呼ばれる。
【０００３】
そのような分散増幅は、P. Hansen 等によるIEEE Phot. Tech. Lett., Vol. 9, 1997 の第２６２頁の論文“Capacity upgrades of transmission systems by Raman amplification”に示されているように、通信システムの性能を改善するために発見された。例えば、ポンプ波が、情報信号に対してカウンタプロパゲーティング（counter-propagating ）する方向に、ファイバの一方の端部に注入される場合、信号は、それらの信号対雑音比が許容できないレベルにまで低下する前に増幅されることになる。
【０００４】
そのような増幅器の性能は、しばしば、その「有効」または「等価」雑音指数およびそのオン／オフ利得の用語で特徴づけられる。有効雑音指数は、等価な事後増幅器が、分散ラマン増幅器と同じ雑音性能を得るために有することになる雑音指数として定義される。例えば、P. Hansen 等によるIEEE Phot. Tech. Lett., Vol. 10, 1998 の第１５９頁の論文“Rayleigh scattering limitations in distributed Raman Pre-amplifiers”を参照のこと。
【０００５】
実験的には、有効雑音指数は、カウンタプロパゲーティングラマン増幅を使用して１スパンの雑音指数を測定し、そのスパンの自動損失をデシベルで引き算することにより得ることができる。分散ラマン増幅器のオン／オフ利得は、ラマンポンプ「オン」での出力信号パワーとポンプ「オフ」での出力信号パワーとのデシベルによる差として定義される。代替的に、ランプ（lumped）または「個別」増幅器が、ローカルレングス(local length)のラマン利得ファイバと共に構成され得る。
【０００６】
従来技術において、偏光ポンプ波で生成されたラマン利得が、一般に偏光依存性があることがよく知られている。この現象は、R.H. Stolen 等によるIEEE J. Quantum Electronics, Vol. QE-15, 1979 の第１１５７頁の論文“Polarization effects in fiber Raman and Brilloiun lasers”に詳細に説明されている。ファイバ光通信システムの多くが、非偏光保持ファイバを使用する場合、いずれか所定の点における光信号の偏光状態は、一般に既知ではなく、気まぐれに変動する。
【０００７】
これらの理由により、通信システムにおける偏光依存性の損失および利得を最小化することが望ましい。ラマン増幅器の偏光依存性が、偏光ラマンソースを偏光多重化することにより大幅に減少されることが、L.F. Mollenauer 等に１９８９年１１月２１日に発行された米国特許第４，８８１，７９０に開示されているように、分かった。
【０００８】
従来の、伝送ファイバにおいて実質的なオン／オフラマン利得を生成するために、かなり大きなポンプパワーが必要とされる。例えば、〜５５μｍ2 有効面積の伝送ファイバにおいて１５ｄＢのオン／オフラマン利得を生成するために、短縮ポンプから約３００ｍＷのパワーが必要される。これらのポンプパワーは、２５ＭＨｚよりも小さいスペクトル幅を有するポンプソースに対する誘導ブリルアン(Brilloiun)散乱（ＳＢＳ）のしきい値よりもかなり高いことが知られている。
【０００９】
これは、R.G. Smith によるAppl. Optics, Vol. 11, 1972の第２４８９頁の論文“Optical Power Handling Capacity of Low Loss Optical Fibers as determined by Stimulated Raman and Brilloiun Scattering ”に説明されている。誘導ブリリアン散乱は、ポンプ光が音響波と結合し、逆反射されるよく知られた非線形光プロセスである。この逆反射は、ラマンポンプが伝送ファイバ中にかなり深く浸透することを妨げ、ラマン利得の生成を妨げる可能性がある。
【００１０】
ＳＢＳのしきい値は、上述のMollenauer等の特許に説明されているように、ラマンポンプソースのスペクトル幅を広げることにより、大幅に増大され得る。特に、スペクトル幅を広げ、ＳＢＳを抑制するための１つの方法は、レーザソースを周波数振動（dithering ）させることである。レーザのスペクトル幅を広げるための別のメカニズムは、レーザキャビティの１つよりも多い縦モードにおいてデバイスにレーザ光線を発しさせることを可能にすることである。レーザの縦モードの周波数間隔は、ｃ／２ｎgＬ の関係により定義される。ここで、ｃは真空中の光の速度であり、ｎg はレーザキャビティ内の群速度であり、Ｌはキャビティの長さである。
【００１１】
所定タイプの半導体レーザが、ラマンポンプソースとしての使用に好ましい。最も一般的なタイプの半導体ポンプレーザは、フェブリペロー（ＦＰ）レーザ、および外部ファイバブラッググレーティングに対してロックされたＦＰレーザである。これらのタイプのポンプソースは、Emori 等によるElec. Lett, Vo. 34, 1998の第２１４５頁の論文“Broadband lossless DCF using Raman amplification pumped by multichannel WDM laser diodes”に示されている。外部ファイバブラッググレーティングは、典型的には、半導体レーザから約１ｍに配置される。
【００１２】
複数の縦モードにおいてレーザ発行するレーザからの光が、光ファイバのような分散的遅延線を通して送られる場合、モード分割雑音と呼ばれる雑音成分が、数ＧＨｚよりも典型的に低い周波数で生成されることが知られている。例えば、R. Wentworth等によるJ. of Lightwave Technology, Vol. 10, No. 1, 1992の第８４−８９頁の論文“Laser Mode Partitioning Noise in Lightwave Systems Using Dispersive Optical Fiber ”を参照のこと。また、単一縦モード半導体レーザが、信号源として典型的に使用されることが知られている。一般的なタイプは、分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザおよび分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザーである。
【００１３】
ラマン増幅プロセスは、超高速非線形光プロセスとして知られている。この理由のために、ポンプ中の強度の変動が、ラマン利得の変動を生じる可能性がある。これらの利得変動は、光信号に雑音を生じさせ、通信システムの性能を低下させる可能性がある。本発明の教示を理解する目的のために、この影響は、「ポンプ信号クロストークと呼ばれる。十分に高周波数において、信号およびポンプは、ファイバ内の分散のために、互いに「ウォークオフ（walk off）」することになることが知られている。
【００１４】
厳密なカウンタプロパゲーティングポンプ構成の使用は、即ち、全てのラマンポンプの伝播方向が、全ての信号の方向と反対である場合、ポンプ信号クロストークからの劣化を低減することに有効である。この増幅器構成は、Y. Aoki によるJ. Lightwave Technology, Vol. 6, No. 7, 1988の第１２２５−２９頁の論文“Properties of Fiber Raman Amplifiers and their Applicability to Digital Optical Communication Systems ”に詳しく説明されている。カウンタプロパゲーティングポンプ構成において、増幅ファイバを通る通過(transit)時間は、「クワイエット（quiet)」増幅が実行され得るように、ポンプ強度変動を平均化するために使用される。カウンタプロパゲーティングポンプ構成が、ラマン利得の偏光依存性を低減するように働くことが知られている。
【００１５】
ラマン増幅システム中の別の可能性のある雑音発生源が、複数の信号波長において情報を伝送するシステムにおいて生じる。ここでは、複数の信号が、ラマンポンプ中のパワーをより速く消耗させることになる。例えば、W. Jiang等によるJ. of Lightwave Technology, Vol. 7, No. 9, 1989 の第１４０７−１１１頁の論文“Crosstalk in Fiber Raman Amplification for WDM Systems”を参照のこと。
【００１６】
この状況において、１つの信号波長に載せられた情報は、ラマン利得プロセスにより、同じまたは異なる波長において信号に与えられる。本発明の教示を理解する目的のために、この効果は、「信号ポンプ信号クロストーク（signal-pump-signal crosstalk）」と呼ばれる。この雑音発生源は、増幅ファイバを通る通過時間がいずれかのポンプ強度変動の影響を減少させるために使用されるカウンタプロパゲーティングポンプ構成において大幅に低減される。
【００１７】
ポンプ信号クロストークおよび信号ポンプ信号クロストークのような通常でない雑音発生源のために、有効雑音指数を電気的周波数の関数として特徴づける電気的雑音指数測定で、ラマン増幅器の雑音性能を特徴づけることがしばしば必要であることが知られている。
【００１８】
増幅された信号の信号対雑音比を増大させること、長さの関数として信号パワーのそれ（excursions）を最小化すること、および同じ分散ラマン増幅器内の信号の両方向伝播を可能にすることを含むコプロパゲーティングラマン増幅の使用に対する可能性のあるシステムの利点がある。しかし、これらのコプロパゲーティングラマン増幅器の問題は、ポンプ信号クロストークおよび信号ポンプ信号クロストークの両方の影響を受けやすいことである。
【００１９】
例示的な従来技術によるコプロパゲーティングラマン増幅器構成が、S. Kawai等によるIEEE Phot. Tech. Lett., Vol. 11, No. 7, 1999の第８８６−８８８頁の論文“Wide-Bandwidth and Long-Distance WDM Transmission using Highly Gain Flattened Hybrid Amplifiers”に示されている。しかし、この特定の構成のオン／オフラマン利得は、非常に低く（即ち、約４ｄＢ）、上述の問題最小になる領域より低い。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、望ましくないレベルのポンプ信号クロストークおよび信号ポンプ信号クロストークを生じることなしに、十分なオン／オフ利得を提供し、有用なデバイスとするコプロパゲーティングラマン増幅システムに対する必要性がある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
従来技術における問題は、本発明により解決され、これは、ラマン増幅光通信システムに係り、特に、コプロパゲーティングシステムにおけるポンプ信号クロストーク問題を克服するように特に設計されたラマンポンプソースと共にコプロパゲーティングラマン増幅を使用する光通信システムに関する。
【００２２】
本発明によれば、少なくとも５０ｍＷの出力パワー、ＳＢＳを抑制するために十分なスペクトル幅を生じる最適化されたラマンポンプソースが使用される。この最適化されたラマンポンプソースは、全ての強い縦ポンプモード（偏光に無関係）間の周波数差が、少なくとも通信システムの電気的帯域幅または少なくともウォークオフ周波数だけ分離されるように構成される。ここで、「ウォークオフ周波数」は、ポンプ信号クロストークが、ラマン増幅器の性能を低下させる大きな要因とはもはやならない最低の周波数として定義される。
【００２３】
様々な実施形態において、ポンプソースは、１つまたは２つ以上の周波数振動ＤＦＢレーザ、マルチ縦モードＤＦＢレーザ、ＤＢＲレーザ、周波数オフセットＦＰレーザ、またはファブリペローファイバブラッググレーティング反射器にロックされたＦＰレーザを含み得る。
【００２４】
本発明の一実施形態において、ポンプソースは、コプロパゲーティングラマン増幅を生成するために、個別ラマン増幅器の入力において、分散補償ファイバの入力に注入されることができ、ポンプ信号クロストークおよび信号ポンプ信号クロストークの両方の影響が最小化される。
【００２５】
好都合なことに、本発明のポンプソースは、分散ラマン増幅器アプリケーションまたは個別ラマン増幅器アプリケーションのいずれかにおいても使用され得る。本発明の他の実施形態は、以下の説明および添付図面から明らかとなるであろう。
【００２６】
【発明の実施の形態】
前述したように、カウンタプロパゲーティングポンプソースを使用するラマン増幅器をコプロパゲーティングポンプソースを使用するラマン増幅器と比較するとき、多くの顕著な性能の差が存在する。コポンブド（co-pumped ）構成に関連する問題が解決される必要がある。ここで、特に１つの問題、ポンプ信号クロストークが、カウンタプロパゲーティング構成においてしばしば問題とならない。これは、信号が、増幅器を通る通過（transient)時間を有し、強い平均化効果がクロストークを減少させるからである。しかし、コポンピング構成において、信号およびポンプは一緒に進み、唯一の平均化効果は、ポンプと信号との間のウォークオフに関する分散遅れである。
【００２７】
本発明に関連するポンプ信号クロストーク問題の研究の過程で、ポンプの固有の振幅雑音から第１のタイプの雑音が生じることが分かった。特に、そしてカウンタプロパゲーティング構成の場合と異なり、ポンプ中のモードビーティング雑音は、順（co-pumped ）方向に信号に結合することになる。このタイプの雑音は、信号対雑音比（ＳＮＲ）を低下させ、コポンプドラマン増幅構成中のパワーペナルティを生じる可能性がある。
【００２８】
図１は、この雑音の寄与を異なる周波数で同定するために使用される電気雑音指数測定を示す。即ち、図１において、ブラッググレーティングにロックされた従来のＦＰ半導体ポンプレーザでポンプされた分散ラマン増幅器の電気的有効雑音指数スペクトルが測定された。ラマンポンプの波長は、１４５０ｎｍに選ばれ、光信号の波長は、１５６０ｎｍであり、１１．７ｄＢのオン／オフラマン利得が得られた。
【００２９】
実線は、実験的な測定値を示し、点線は、理論値である。特に、理論値は、信号自発（spontaneous ）ビーティングからの雑音のみに基づいて計算され、即ち、本発明の教示との関連で以下に詳細に説明されることになる全ての「過剰な」雑音発生源を排除している。理論値は、ポンプ信号クロストークからの雑音を無視しており、即ち、完全なポンプを仮定している。
【００３０】
ここから分かるように、カウンタプロパゲーティング構成についての有効雑音指数の理論値と測定値との間の実質的な一致があり、カウンターポンピングがポンプ信号クロストークを有効に除去するという理論をサポートしている。対照的に、図１に示されているように、コプロパゲーティングポンプ構成についての実験結果と理論値との間にかなり大きな差が存在し、この差は、ポンプ信号クロストークのためである。
【００３１】
図１に示されているように、ポンプ信号ウォークオフは、約５ＧＨｚよりも高い周波数に対して、この雑音発生源を有効に平均化する。５ＧＨｚの値は、単なる例示であって、この特定のポンプモジュール、ラマン利得およびポンプと信号との間の群速度差に関連しており、他の増幅器に対して、ウォークオフ周波数は、１ＧＨｚ程度の低さであり得る。
【００３２】
本発明の教示の理解のために、この周波数（それより上では、ポンプ−信号クロストークが、もはやラマン増幅器の性能を低下させる顕著な要因ではない）は、「ウォークオフ周波数」と呼ばれる。特に、この周波数は、ポンプの相対的群速度およびゲインファイバ中の信号波長、並びにラマン利得の大きさに依存することになる。したがって、本発明によるコプロパゲーティング構成において、使用するために適した光ポンプ源は、少なくともシステムウォークオフ周波数だけ分離された縦モードのみを示さなければならない。
【００３３】
図２は、それぞれ、−１１．８，−５．２および０．８ｐｓ／ｎｍ−ｋｍのポンプ波長における群速度分散を有する〜４０ｋｍのTrueWave Minus(R), TrueWave Plus(R) および TrueWave Reduced Slope(R)を通る伝播の前後のＦＰ半導体レーザからの光の相対強度雑音（ＲＩＮ）のプロットを含む。低周波雑音は、モード区分（partitioning）雑音による。図２において、雑音が、より高い分散のファイバを通る伝播の後により高いことが分かる。この雑音発生源は、ラマン増幅により共分散信号に移されることになる。今まで、この雑音発生源は、発見されず、したがって、この大きな分散に関連する問題は、解決されなかった。
【００３４】
約１４７０ｎｍの中心波長において偏光多重化された２つのＦＰ半導体ポンプレーザから生成された光スペクトルのプロットが、図３に示されており、「ポンプ１」および「ポンプ２」で示されている。個別の縦モードは、これらのプロットにおいて区別されることはできない。これらのプロットのより高い解像度のものが、図４において示されており、２つのレーザのオーバラップのどのモードにおいて不可避的に複数の波長が存在するように、２つのＦＰレーザが僅かに異なる縦モード間隔を有することを示している。一方のダイオードの温度が上昇すると、レーザのモードがより長い波長にシフトし、２つのレーザの様々な縦モード間の相対的間隔を変化させることが分かった。
【００３５】
図５は、図３と同じ２つのＦＰレーザからの振幅雑音のプロット（“Ａ”で示されている）を含む。振幅雑音は、２５℃のレーザ温度で、かなり長いファイバを通る伝播の前に測定された。このプロットには、いかなる雑音スパイクもないことが分かる。半導体ポンプが、偏光多重化され、直交光ビームが互いに交差しないので、これが当てはまる。図５には、両方のＦＰレーザが２５℃の温度を有する２０ｋｍの TrueWave Minus(R)ファイバを通る伝播の後の振幅雑音のプロット（プロットＢ）、および一方のＦＰレーザが２５℃に保持され、他方のＦＰレーザが２０℃、３０℃、および４０℃の温度に維持された場合が、それぞれプロットＣ，ＤおよびＥで示されている。
【００３６】
それぞれの場合において、ファイバを通る伝播の後に雑音スパイクがあり、スパイクの周波数は、ＦＰレーザの温度と共に変化する。これらの雑音スパイクは、それらが光ファイバを通って伝播するときに、偏光成分を混合することにより生じる。スパイクの周波数は、レーザモード周波数の温度によるシフティングにより、温度と共に変化することになる。上述したモードスペーシングで、温度によるこれらの雑音スパイクの移動は、これまで分からなかった現象である。図２で上述したモードパーティショニング雑音は、伝送ファイバを通る伝播の後の図５に示されたプロットにおいて存在していることに留意すべきである。
【００３７】
図６は、そのスペクトルが図３中にプロットされている従来のＦＰ半導体ポンプレーザでポンプされた分散ラマン増幅器の電気有効雑音指数スペクトルのプロットを含む。データは、コポンプド増幅器およびカウンタポンプド増幅器の両方について示されている。２６０ｍＷのポンプパワーが、図６のスペクトルを生成するために使用され、１２．３ｄＢのオン／オフラマン利得を生じた。実線は、実験的に測定された値であり、点線は、理論値である。理論値は、信号自発ビーティングからの雑音のみに基づいて計算された。即ち、本発明の対称である全ての「過剰な」雑音発生源を排除している。
【００３８】
カウンタプロパゲーティング構成における測定された雑音指数と理論的雑音指数との間に良好な一致が見いだされ、これは、カウンタプロパゲーティング構成が、「過剰な」雑音フィーチャーを除去したことを示す。しかし、コプロパゲーティング構成において、〜１７ＧＨｚにおける極端に大きな雑音スパイクが観察された。この雑音フィーチャーは、そのスペクトルが図３にプロットされている偏光多重化レーザダイオードの縦モード間のモードビーディングによる。伝播により、２つのレーザダイオードの変更状態が混合され、モードビーティングが生じ、生じた振幅雑音が信号に移された。
【００３９】
このタイプの雑音は、「ウォークオフ」周波数（この場合、５ＧＨｚ）より上で表れ、これは、ファイバ分散によりアベレージアウト（averaged out）されることができないことに留意することが重要である。このデータは、偏光に無関係に異なる全ての強い(intense)縦モード間の周波数差が、通信システムの少なくとも電気的帯域幅により分離されるように、本発明によるコプロパゲーティングラマン増幅器に対してラマンポンプ源を構成する重要性を示している。
【００４０】
図７は、１つのポンプが、より短い波長に温度調節されていることを除き、図３を生じるために使用されたものと同じレーザの光スペクトルのプロットを含む。図示されているように、３つは遙かに低い強度においていくらかのモードのオーバラップをしているままであるが、２つのレーザの強い縦モードのほとんどは、最早オーバラップしない。
【００４１】
図８は、そのスペクトルが図７にプロットされたＦＰ半導体ポンプレーザでポンプされた分散ラマン増幅器の電気的有効雑音指数スペクトルのプロットを含む。このデータは、コポンプド増幅器およびカウンタポンプド増幅器の両方について示されている。２６０ｍＷのポンプパワーが使用され、１２．３ｄＢのオン／オフラマン利得を生じた。前述のように、実線は、実験的に測定された値に関連し、点線は、理論値に関する。コプロパゲーティングポンプ構成に対して、実験値と理論値との間に良好な一致が見られる。
【００４２】
これらの結果を図６に示されたものと比較すると、図６において明白な雑音スパイクが、ポンプを温度調節することにより本質的に除去され、偏光に無関係に、別個のレーザの全ての強い縦モード間の周波数差が、システムの電気的帯域幅（この場合、２２ＧＨｚ）よりも大きい量だけ分離されるようになっていることが分かる。温度調節は、このポンプ構成を得るために必須ではない。オフセット中心波長を示す適切な波長の半導体ダイオードが使用され得る。
【００４３】
図９は、１４７０ｎｍの波長においてラマンポンプでコプロパゲートし、４．５ｄＢのオン／オフラマン利得を生じた後、の１５７０ｎｍの光スペクトルのプロットを含む。図示されているように、ポンプモードを信号と混合することにより生じたかなり大きな４波混合サイドバンドがある。サイドバンドの大きさは、ポンプ波長と信号波長との間のほぼ中心にあるλ0 のTrueWave Plus(R)のようなファイバではなく、ゼロ分散波長λ0 が１３００ｎｍに近いシングルモードファイバの使用により実質的に低減され得る。信号に対するポンプの群速度における差は、４波混合効率を減少させ得る。
【００４４】
多数の別個の半導体ポンプ源は、コプロパゲーティングラマン増幅器における使用のために上述した基準を潜在的に満たし得る。本発明の教示に従って、コプロパゲーティング構成について許容可能なポンプ源は、以下により特徴づけられる。（１）少なくとも５０ｍＷの出力パワーを生じる、（２）ＳＢＳを抑制するために十分なスペクトル幅を有する、および（３）偏光に無関係に、別個のレーザの全ての強い縦モード間の周波数差が、通信システムの少なくとも電気的帯域幅だけ分離され、１つのレーザの全ての強い縦モード間の周波数差が、ポンプと信号との間のウォークオフ周波数だけ分離されるように設計されていること。
【００４５】
周波数振動分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザは、本発明によるコプロパゲーティングシステム構成のためのポンプ源の必要な属性を示すために、以下に説明するように修正され得る。特に、コプロパゲーティングラマン増幅器におけるポンプ源として使用される場合、通常のＤＦＢレーザは、単一の縦モードを生じるように構成される。本発明のコプロパゲーティングシステムにおいて有用な１つの例示的なＤＦＢレーザが、D. Ackerman 等に１９９２年５月５日に発行された米国特許第５，１１１，４７５“Analog Optical Fiber Communication System and Laser Adapted for Use in such a System”に開示されている。
【００４６】
周波数振動を提供するために、レーザ駆動電流に小振幅ＲＦトーンが追加され、レーザライン幅を広げＳＢＳを抑制する。レーザ利得とＤＦＢ波長との間のオフセットの適切な選択は、ＦＭ対ＡＭ効率を最大化し、即ち、ＲＦトーンにより誘導される周波数変調の量と振幅変調の量との比を最大化する。本発明によれば、複数の周波数振動ＤＦＢレーザが、隣接するＤＦＢレーザ間の周波数間隔が、通信システムの電気的帯域幅を超える必要があるコプロパゲーティングポンプ源として使用され得る。また、いずれかの残留振幅変調のインパクトが最小化されるように、ＤＦＢの対は、１８０°位相をずらして変調され得る。
【００４７】
マルチモードＤＦＢレーザは、ただ２つの可能性のある縦モードのうちの１つがレーザの動作状態におけるラウンドトリップ利得および位相変化についてのレーザ条件を満足するように、キャビティ長のかなり大きな部分に沿って延びるグレーティングを備えるように設計されている。全キャビティ長に対するグレーティング領域の長さを減少させ、グレーティングをレーザの出力ファセットに向けて配置することで、波長が近いいくつかのキャビティモードが、波長安定化マルチモード動作を達成すると同時に、レージング条件を満足することを可能にする。
【００４８】
ＤＦＢレーザからの安定化されたマルチモードスペクトルは、数ミリワットから１２０ミリワット以上へＳＢＳしきい値を増大させることができることが分かる。全キャビティ長に対するグレーティング長の比が小さいことは、レーザＨＲファセットに対するグレーティングの位相へのレーザ性能の敏感さを減少させることにもなる。
【００４９】
ＤＦＢレーザと同様、分散プラーク反射器（ＤＢＲ）レーザは、レーザ波長を制御するために、レーザキャビティに一体化されたグレーティングを使用する。しかし、ＤＦＢと異なり、ＤＢＲレーザ中のグレーティングの上のレーザ材料は、レーザキャビティの残りの部分から別個にバイアスされる。このスパレートバイアスは、キャリア密度、したがってグレーティングを含む材料の屈折率が、レーザのグレーティングセクションに加えられるバイアスにより制御されることを可能にする。
【００５０】
レーザの安定化された波長は、グレーティングの「光周期（optical period)」（即ち、屈折率をかけ算された物理的周期）に依存するので、レージング波長は、このグレーティングセクションに加えられたバイアスにより制御され得る。選択的面積増大（ＳＡＧ，selective area growth ）が、指定されたレージング波長においてこのセクションが吸収することを防止するために、グレーティング領域において使用され得る。
【００５１】
グレーティングセクションへのバイアスが、レージング波長を調節するために使用され得るが、このバイアスにおける高周波変動は、出力のライン幅を広げることになる。ライン幅を広げる効率は、標準ＤＦＢレーザの場合よりも２ないし３オーダー大きくなりうる。本発明によるコプロパゲーティングポンプに必要とされるレーザライン幅は、上述したように、別個の振動回路を必要とするのではなく、グレーティングセクションへのバイアス信号に雑音を加えることによって得られ得る。
【００５２】
他の代替的方法は、調節可能な抵抗要素を使用して、レーザバイアスにグレーティングセクションバイアスを接続することである。そして、出力波長は、抵抗を調節することにより所望のターゲット波長によりよく一致するように調節されうるが、抵抗器からのジョンソン雑音が、バイアス変動を提供し、レーザライン幅を広げることになる。
【００５３】
図面を参照して説明したように、単純なファブリペロー（ＦＰ）レーザが、全ての強い縦モード間の所望の周波数差を提供するために、温度調節を加えて、コプロパゲーティングラマン増幅器のための発生源として使用され得る。温度調節は、このポンプ構成を得るために必須ではない。これは、所定の温度における分離された中心波長を有する半導体ダイオードが、その代わりに使用され得るからである。
【００５４】
また、一対のファイバブラッグ(Bragg）グレーティングが、単純なＦＰレーザの波長をロック（lock）するために使用され得る。この一対のブラッググレーティングは、半導体レーザから約１ｍの場所に配置されるが、ブラッググレーティングにより生じるキャビティのモード間隔が、通信システムの電気的帯域幅と少なくとも同じ大きさになるように、互いに十分に接近させられる。他のブラッググレーティングよりも大きい反射率を示すために、半導体キャビティからさらに離れたブラッググレーティングが必要とされる。
【００５５】
典型的には、最低の（または、ほとんど最低の）信号パワーが、通信システム中の信号が伝送ファイバを出て、個別光増幅器に入る点に存在する。信号が、エルビウムドープドファイバ増幅器（ＦＤＦＡ）の第１段において増幅され、長い分散補償ファイバを通過することが一般的である。本発明によれば、コプロパゲーティングラマンポンプで通信信号を分散補償ファイバに直接的に注入する代わりに、第１段のＥＤＦＡを除去することが考えられている。分散補償ファイバの低い信号パワーおよび大きな分散スロープは、通信システムにおけるこの場所を、コプロパゲーティングラマン増幅の適用に、ついての理想点にする。また、分散補償ファイバの特性は、ラマン利得およびそれらの分散特性に対して最適化され得る。
【００５６】
上述した発生源は、コプロパゲーティング増幅構成におけるラマンポンプ源（個別ラマン増幅器または分散ラマン増幅器のいずれか）として使用するために適しているが、これらは、それらの高出力パワーおよび波長安定性のために、カウンタプロパゲーティング構成にも同様に適用可能である。また、これらの発生源は、通常のエルビウムドープドファイバ増幅器構成中の発生源としても有用である。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、望ましくないレベルのポンプ信号クロストークおよび信号ポンプ信号クロストークを生じることなしに、十分なオン／オフ利得を提供し有用なデバイスとするコプロパゲーティングラマン増幅システムを提供することができる。
【００５８】
特許請求の範囲に記載した発明の構成要件の後の括弧内の符号は、構成要件と実施例と対応づけて発明を容易に理解させる為のものであり、特許請求の範囲の解釈に用いるべきのものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】コプロパゲーティング構成およびカウンタプロパゲーティング構成におけるファイバブラッググレーティングにロックされた従来のＦＰ半導体ポンプレーザでポンプされる分散ラマン増幅器の電気的有効雑音指数スペクトルをプロットした図。ここで、実線は、実験的に測定された値であり、点線は、計算された値である。
【図２】それぞれ−１１．８、−５．２および０．８ｐｓ／ｎｍ−ｋｍのポンプ波長における群速度分散で、約４０ｋｍの長さのTrueWave Minus(R), TrueWave Plus(R)およびTrueWave Reduced Slope(R) を通して伝播した前および後の、ＦＰ半導体レーザからの光の相対強度雑音（ＲＩＮ）をプロットした図。
【図３】偏光多重化された２つのＦＰ半導体レーザから生成された光スペクトルをプロットした図。
【図４】図３の２つのＦＰ半導体レーザの縦モードのスペクトルを高解像度でプロットした図。
【図５】両方のレーザについて２５℃の温度で伝送ファイバを通る伝播の前、および一方のＦＰレーザを２０°、２５°、３０°および４０°の温度に保持し、他方のＦＰレーザをそれらの中心波長におけるオフセットを提供するために２５℃の温度に保持して、２０ｋｍのTrueWave Miuns(R) を通る伝播の後の図３のＦＰレーザの振幅雑音をプロットした図。
【図６】図３のＦＰ半導体ポンプレーザでポンプされた分散ラマン増幅器の電気的有効雑音指数スペクトルをプロットした図。実線は、測定値であり、点線は、計算値である。
【図７】２つのレーザ中心波長をオフセットするために、一方のポンプをより低い温度に維持した、図３の２つのＦＰ半導体レーザから生成された光スペクトルをプロットした図。
【図８】図７のＦＰ半導体レーザでポンプされた分散ラマン増幅器の電気的有効雑音指数スペクトルをプロットした図。実線は、実験的に測定された値であり、点線は、計算値である。
【図９】長い標準シングルモードファイバ（ＳＳＭＦ）およびTrueWave Plus(R)ファイバにおいて、４．５ｄＢのラマン利得で１４７０ｎｍの波長においてコプロパゲーティングラマンポンプにより増幅された１５７０ｎｍの波長における光信号の光スペクトルをプロットした図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラマン増幅光通信システムに係り、特に、既知のポンプ信号クロストーク問題を克服するように設計されたラマンポンプ源と共にコプロパゲーティング（co-propagating）ラマン増幅を使用する光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ラマン増幅の主題は、文献においてよく知られている。誘導ラマン増幅は、強いポンプ波が、１つまたは２つ以上の光信号を運ぶ光ファイバに注入される非線形光プロセスである。溶融シリカファイバにおいて、ポンプ波が、信号波よりも約１３ＴＨｚ高い周波数を有する場合（即ち、ポンプ波長が、１５００ｎｍの近くにおいて信号波長よりも約１００ｎｍ短い場合）、ポンプは、誘導ラマン散乱により信号を増幅することになる。増幅が送信ファイバ自体の中で起きるようになされる場合、増幅器は、「分散（distributed ）増幅器」と呼ばれる。
【０００３】
そのような分散増幅は、P. Hansen 等によるIEEE Phot. Tech. Lett., Vol. 9, 1997 の第２６２頁の論文“Capacity upgrades of transmission systems by Raman amplification”に示されているように、通信システムの性能を改善するために発見された。例えば、ポンプ波が、情報信号に対してカウンタプロパゲーティング（counter-propagating ）する方向に、ファイバの一方の端部に注入される場合、信号は、それらの信号対雑音比が許容できないレベルにまで低下する前に増幅されることになる。
【０００４】
そのような増幅器の性能は、しばしば、その「有効」または「等価」雑音指数およびそのオン／オフ利得の用語で特徴づけられる。有効雑音指数は、等価な事後増幅器が、分散ラマン増幅器と同じ雑音性能を得るために有することになる雑音指数として定義される。例えば、P. Hansen 等によるIEEE Phot. Tech. Lett., Vol. 10, 1998 の第１５９頁の論文“Rayleigh scattering limitations in distributed Raman Pre-amplifiers”を参照のこと。
【０００５】
実験的には、有効雑音指数は、カウンタプロパゲーティングラマン増幅を使用して１スパンの雑音指数を測定し、そのスパンの自動損失をデシベルで引き算することにより得ることができる。分散ラマン増幅器のオン／オフ利得は、ラマンポンプ「オン」での出力信号パワーとポンプ「オフ」での出力信号パワーとのデシベルによる差として定義される。代替的に、ランプ（lumped）または「個別」増幅器が、ローカルレングス(local length)のラマン利得ファイバと共に構成され得る。
【０００６】
従来技術において、偏光ポンプ波で生成されたラマン利得が、一般に偏光依存性があることがよく知られている。この現象は、R.H. Stolen 等によるIEEE J. Quantum Electronics, Vol. QE-15, 1979 の第１１５７頁の論文“Polarization effects in fiber Raman and Brilloiun lasers”に詳細に説明されている。ファイバ光通信システムの多くが、非偏光保持ファイバを使用する場合、いずれか所定の点における光信号の偏光状態は、一般に既知ではなく、気まぐれに変動する。
【０００７】
これらの理由により、通信システムにおける偏光依存性の損失および利得を最小化することが望ましい。ラマン増幅器の偏光依存性が、偏光ラマンソースを偏光多重化することにより大幅に減少されることが、L.F. Mollenauer 等に１９８９年１１月２１日に発行された米国特許第４，８８１，７９０に開示されているように、分かった。
【０００８】
従来の、伝送ファイバにおいて実質的なオン／オフラマン利得を生成するために、かなり大きなポンプパワーが必要とされる。例えば、〜５５μｍ2 有効面積の伝送ファイバにおいて１５ｄＢのオン／オフラマン利得を生成するために、短縮ポンプから約３００ｍＷのパワーが必要される。これらのポンプパワーは、２５ＭＨｚよりも小さいスペクトル幅を有するポンプソースに対する誘導ブリルアン(Brilloiun)散乱（ＳＢＳ）のしきい値よりもかなり高いことが知られている。
【０００９】
これは、R.G. Smith によるAppl. Optics, Vol. 11, 1972の第２４８９頁の論文“Optical Power Handling Capacity of Low Loss Optical Fibers as determined by Stimulated Raman and Brilloiun Scattering ”に説明されている。誘導ブリリアン散乱は、ポンプ光が音響波と結合し、逆反射されるよく知られた非線形光プロセスである。この逆反射は、ラマンポンプが伝送ファイバ中にかなり深く浸透することを妨げ、ラマン利得の生成を妨げる可能性がある。
【００１０】
ＳＢＳのしきい値は、上述のMollenauer等の特許に説明されているように、ラマンポンプソースのスペクトル幅を広げることにより、大幅に増大され得る。特に、スペクトル幅を広げ、ＳＢＳを抑制するための１つの方法は、レーザソースを周波数振動（dithering ）させることである。レーザのスペクトル幅を広げるための別のメカニズムは、レーザキャビティの１つよりも多い縦モードにおいてデバイスにレーザ光線を発しさせることを可能にすることである。レーザの縦モードの周波数間隔は、ｃ／２ｎgＬ の関係により定義される。ここで、ｃは真空中の光の速度であり、ｎg はレーザキャビティ内の群速度であり、Ｌはキャビティの長さである。
【００１１】
所定タイプの半導体レーザが、ラマンポンプソースとしての使用に好ましい。最も一般的なタイプの半導体ポンプレーザは、フェブリペロー（ＦＰ）レーザ、および外部ファイバブラッググレーティングに対してロックされたＦＰレーザである。これらのタイプのポンプソースは、Emori 等によるElec. Lett, Vo. 34, 1998の第２１４５頁の論文“Broadband lossless DCF using Raman amplification pumped by multichannel WDM laser diodes”に示されている。外部ファイバブラッググレーティングは、典型的には、半導体レーザから約１ｍに配置される。
【００１２】
複数の縦モードにおいてレーザ発行するレーザからの光が、光ファイバのような分散的遅延線を通して送られる場合、モード分割雑音と呼ばれる雑音成分が、数ＧＨｚよりも典型的に低い周波数で生成されることが知られている。例えば、R. Wentworth等によるJ. of Lightwave Technology, Vol. 10, No. 1, 1992の第８４−８９頁の論文“Laser Mode Partitioning Noise in Lightwave Systems Using Dispersive Optical Fiber ”を参照のこと。また、単一縦モード半導体レーザが、信号源として典型的に使用されることが知られている。一般的なタイプは、分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザおよび分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザーである。
【００１３】
ラマン増幅プロセスは、超高速非線形光プロセスとして知られている。この理由のために、ポンプ中の強度の変動が、ラマン利得の変動を生じる可能性がある。これらの利得変動は、光信号に雑音を生じさせ、通信システムの性能を低下させる可能性がある。本発明の教示を理解する目的のために、この影響は、「ポンプ信号クロストークと呼ばれる。十分に高周波数において、信号およびポンプは、ファイバ内の分散のために、互いに「ウォークオフ（walk off）」することになることが知られている。
【００１４】
厳密なカウンタプロパゲーティングポンプ構成の使用は、即ち、全てのラマンポンプの伝播方向が、全ての信号の方向と反対である場合、ポンプ信号クロストークからの劣化を低減することに有効である。この増幅器構成は、Y. Aoki によるJ. Lightwave Technology, Vol. 6, No. 7, 1988の第１２２５−２９頁の論文“Properties of Fiber Raman Amplifiers and their Applicability to Digital Optical Communication Systems ”に詳しく説明されている。カウンタプロパゲーティングポンプ構成において、増幅ファイバを通る通過(transit)時間は、「クワイエット（quiet)」増幅が実行され得るように、ポンプ強度変動を平均化するために使用される。カウンタプロパゲーティングポンプ構成が、ラマン利得の偏光依存性を低減するように働くことが知られている。
【００１５】
ラマン増幅システム中の別の可能性のある雑音発生源が、複数の信号波長において情報を伝送するシステムにおいて生じる。ここでは、複数の信号が、ラマンポンプ中のパワーをより速く消耗させることになる。例えば、W. Jiang等によるJ. of Lightwave Technology, Vol. 7, No. 9, 1989 の第１４０７−１１１頁の論文“Crosstalk in Fiber Raman Amplification for WDM Systems”を参照のこと。
【００１６】
この状況において、１つの信号波長に載せられた情報は、ラマン利得プロセスにより、同じまたは異なる波長において信号に与えられる。本発明の教示を理解する目的のために、この効果は、「信号ポンプ信号クロストーク（signal-pump-signal crosstalk）」と呼ばれる。この雑音発生源は、増幅ファイバを通る通過時間がいずれかのポンプ強度変動の影響を減少させるために使用されるカウンタプロパゲーティングポンプ構成において大幅に低減される。
【００１７】
ポンプ信号クロストークおよび信号ポンプ信号クロストークのような通常でない雑音発生源のために、有効雑音指数を電気的周波数の関数として特徴づける電気的雑音指数測定で、ラマン増幅器の雑音性能を特徴づけることがしばしば必要であることが知られている。
【００１８】
増幅された信号の信号対雑音比を増大させること、長さの関数として信号パワーのそれ（excursions）を最小化すること、および同じ分散ラマン増幅器内の信号の両方向伝播を可能にすることを含むコプロパゲーティングラマン増幅の使用に対する可能性のあるシステムの利点がある。しかし、これらのコプロパゲーティングラマン増幅器の問題は、ポンプ信号クロストークおよび信号ポンプ信号クロストークの両方の影響を受けやすいことである。
【００１９】
例示的な従来技術によるコプロパゲーティングラマン増幅器構成が、S. Kawai等によるIEEE Phot. Tech. Lett., Vol. 11, No. 7, 1999の第８８６−８８８頁の論文“Wide-Bandwidth and Long-Distance WDM Transmission using Highly Gain Flattened Hybrid Amplifiers”に示されている。しかし、この特定の構成のオン／オフラマン利得は、非常に低く（即ち、約４ｄＢ）、上述の問題最小になる領域より低い。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、望ましくないレベルのポンプ信号クロストークおよび信号ポンプ信号クロストークを生じることなしに、十分なオン／オフ利得を提供し、有用なデバイスとするコプロパゲーティングラマン増幅システムに対する必要性がある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
従来技術における問題は、本発明により解決され、これは、ラマン増幅光通信システムに係り、特に、コプロパゲーティングシステムにおけるポンプ信号クロストーク問題を克服するように特に設計されたラマンポンプソースと共にコプロパゲーティングラマン増幅を使用する光通信システムに関する。
【００２２】
本発明によれば、少なくとも５０ｍＷの出力パワー、ＳＢＳを抑制するために十分なスペクトル幅を生じる最適化されたラマンポンプソースが使用される。この最適化されたラマンポンプソースは、全ての強い縦ポンプモード（偏光に無関係）間の周波数差が、少なくとも通信システムの電気的帯域幅または少なくともウォークオフ周波数だけ分離されるように構成される。ここで、「ウォークオフ周波数」は、ポンプ信号クロストークが、ラマン増幅器の性能を低下させる大きな要因とはもはやならない最低の周波数として定義される。
【００２３】
様々な実施形態において、ポンプソースは、１つまたは２つ以上の周波数振動ＤＦＢレーザ、マルチ縦モードＤＦＢレーザ、ＤＢＲレーザ、周波数オフセットＦＰレーザ、またはファブリペローファイバブラッググレーティング反射器にロックされたＦＰレーザを含み得る。
【００２４】
本発明の一実施形態において、ポンプソースは、コプロパゲーティングラマン増幅を生成するために、個別ラマン増幅器の入力において、分散補償ファイバの入力に注入されることができ、ポンプ信号クロストークおよび信号ポンプ信号クロストークの両方の影響が最小化される。
【００２５】
好都合なことに、本発明のポンプソースは、分散ラマン増幅器アプリケーションまたは個別ラマン増幅器アプリケーションのいずれかにおいても使用され得る。本発明の他の実施形態は、以下の説明および添付図面から明らかとなるであろう。
【００２６】
【発明の実施の形態】
前述したように、カウンタプロパゲーティングポンプソースを使用するラマン増幅器をコプロパゲーティングポンプソースを使用するラマン増幅器と比較するとき、多くの顕著な性能の差が存在する。コポンブド（co-pumped ）構成に関連する問題が解決される必要がある。ここで、特に１つの問題、ポンプ信号クロストークが、カウンタプロパゲーティング構成においてしばしば問題とならない。これは、信号が、増幅器を通る通過（transient)時間を有し、強い平均化効果がクロストークを減少させるからである。しかし、コポンピング構成において、信号およびポンプは一緒に進み、唯一の平均化効果は、ポンプと信号との間のウォークオフに関する分散遅れである。
【００２７】
本発明に関連するポンプ信号クロストーク問題の研究の過程で、ポンプの固有の振幅雑音から第１のタイプの雑音が生じることが分かった。特に、そしてカウンタプロパゲーティング構成の場合と異なり、ポンプ中のモードビーティング雑音は、順（co-pumped ）方向に信号に結合することになる。このタイプの雑音は、信号対雑音比（ＳＮＲ）を低下させ、コポンプドラマン増幅構成中のパワーペナルティを生じる可能性がある。
【００２８】
図１は、この雑音の寄与を異なる周波数で同定するために使用される電気雑音指数測定を示す。即ち、図１において、ブラッググレーティングにロックされた従来のＦＰ半導体ポンプレーザでポンプされた分散ラマン増幅器の電気的有効雑音指数スペクトルが測定された。ラマンポンプの波長は、１４５０ｎｍに選ばれ、光信号の波長は、１５６０ｎｍであり、１１．７ｄＢのオン／オフラマン利得が得られた。
【００２９】
実線は、実験的な測定値を示し、点線は、理論値である。特に、理論値は、信号自発（spontaneous ）ビーティングからの雑音のみに基づいて計算され、即ち、本発明の教示との関連で以下に詳細に説明されることになる全ての「過剰な」雑音発生源を排除している。理論値は、ポンプ信号クロストークからの雑音を無視しており、即ち、完全なポンプを仮定している。
【００３０】
ここから分かるように、カウンタプロパゲーティング構成についての有効雑音指数の理論値と測定値との間の実質的な一致があり、カウンターポンピングがポンプ信号クロストークを有効に除去するという理論をサポートしている。対照的に、図１に示されているように、コプロパゲーティングポンプ構成についての実験結果と理論値との間にかなり大きな差が存在し、この差は、ポンプ信号クロストークのためである。
【００３１】
図１に示されているように、ポンプ信号ウォークオフは、約５ＧＨｚよりも高い周波数に対して、この雑音発生源を有効に平均化する。５ＧＨｚの値は、単なる例示であって、この特定のポンプモジュール、ラマン利得およびポンプと信号との間の群速度差に関連しており、他の増幅器に対して、ウォークオフ周波数は、１ＧＨｚ程度の低さであり得る。
【００３２】
本発明の教示の理解のために、この周波数（それより上では、ポンプ−信号クロストークが、もはやラマン増幅器の性能を低下させる顕著な要因ではない）は、「ウォークオフ周波数」と呼ばれる。特に、この周波数は、ポンプの相対的群速度およびゲインファイバ中の信号波長、並びにラマン利得の大きさに依存することになる。したがって、本発明によるコプロパゲーティング構成において、使用するために適した光ポンプ源は、少なくともシステムウォークオフ周波数だけ分離された縦モードのみを示さなければならない。
【００３３】
図２は、それぞれ、−１１．８，−５．２および０．８ｐｓ／ｎｍ−ｋｍのポンプ波長における群速度分散を有する〜４０ｋｍのTrueWave Minus(R), TrueWave Plus(R) および TrueWave Reduced Slope(R)を通る伝播の前後のＦＰ半導体レーザからの光の相対強度雑音（ＲＩＮ）のプロットを含む。低周波雑音は、モード区分（partitioning）雑音による。図２において、雑音が、より高い分散のファイバを通る伝播の後により高いことが分かる。この雑音発生源は、ラマン増幅により共分散信号に移されることになる。今まで、この雑音発生源は、発見されず、したがって、この大きな分散に関連する問題は、解決されなかった。
【００３４】
約１４７０ｎｍの中心波長において偏光多重化された２つのＦＰ半導体ポンプレーザから生成された光スペクトルのプロットが、図３に示されており、「ポンプ１」および「ポンプ２」で示されている。個別の縦モードは、これらのプロットにおいて区別されることはできない。これらのプロットのより高い解像度のものが、図４において示されており、２つのレーザのオーバラップのどのモードにおいて不可避的に複数の波長が存在するように、２つのＦＰレーザが僅かに異なる縦モード間隔を有することを示している。一方のダイオードの温度が上昇すると、レーザのモードがより長い波長にシフトし、２つのレーザの様々な縦モード間の相対的間隔を変化させることが分かった。
【００３５】
図５は、図３と同じ２つのＦＰレーザからの振幅雑音のプロット（“Ａ”で示されている）を含む。振幅雑音は、２５℃のレーザ温度で、かなり長いファイバを通る伝播の前に測定された。このプロットには、いかなる雑音スパイクもないことが分かる。半導体ポンプが、偏光多重化され、直交光ビームが互いに交差しないので、これが当てはまる。図５には、両方のＦＰレーザが２５℃の温度を有する２０ｋｍの TrueWave Minus(R)ファイバを通る伝播の後の振幅雑音のプロット（プロットＢ）、および一方のＦＰレーザが２５℃に保持され、他方のＦＰレーザが２０℃、３０℃、および４０℃の温度に維持された場合が、それぞれプロットＣ，ＤおよびＥで示されている。
【００３６】
それぞれの場合において、ファイバを通る伝播の後に雑音スパイクがあり、スパイクの周波数は、ＦＰレーザの温度と共に変化する。これらの雑音スパイクは、それらが光ファイバを通って伝播するときに、偏光成分を混合することにより生じる。スパイクの周波数は、レーザモード周波数の温度によるシフティングにより、温度と共に変化することになる。上述したモードスペーシングで、温度によるこれらの雑音スパイクの移動は、これまで分からなかった現象である。図２で上述したモードパーティショニング雑音は、伝送ファイバを通る伝播の後の図５に示されたプロットにおいて存在していることに留意すべきである。
【００３７】
図６は、そのスペクトルが図３中にプロットされている従来のＦＰ半導体ポンプレーザでポンプされた分散ラマン増幅器の電気有効雑音指数スペクトルのプロットを含む。データは、コポンプド増幅器およびカウンタポンプド増幅器の両方について示されている。２６０ｍＷのポンプパワーが、図６のスペクトルを生成するために使用され、１２．３ｄＢのオン／オフラマン利得を生じた。実線は、実験的に測定された値であり、点線は、理論値である。理論値は、信号自発ビーティングからの雑音のみに基づいて計算された。即ち、本発明の対称である全ての「過剰な」雑音発生源を排除している。
【００３８】
カウンタプロパゲーティング構成における測定された雑音指数と理論的雑音指数との間に良好な一致が見いだされ、これは、カウンタプロパゲーティング構成が、「過剰な」雑音フィーチャーを除去したことを示す。しかし、コプロパゲーティング構成において、〜１７ＧＨｚにおける極端に大きな雑音スパイクが観察された。この雑音フィーチャーは、そのスペクトルが図３にプロットされている偏光多重化レーザダイオードの縦モード間のモードビーディングによる。伝播により、２つのレーザダイオードの変更状態が混合され、モードビーティングが生じ、生じた振幅雑音が信号に移された。
【００３９】
このタイプの雑音は、「ウォークオフ」周波数（この場合、５ＧＨｚ）より上で表れ、これは、ファイバ分散によりアベレージアウト（averaged out）されることができないことに留意することが重要である。このデータは、偏光に無関係に異なる全ての強い(intense)縦モード間の周波数差が、通信システムの少なくとも電気的帯域幅により分離されるように、本発明によるコプロパゲーティングラマン増幅器に対してラマンポンプ源を構成する重要性を示している。
【００４０】
図７は、１つのポンプが、より短い波長に温度調節されていることを除き、図３を生じるために使用されたものと同じレーザの光スペクトルのプロットを含む。図示されているように、３つは遙かに低い強度においていくらかのモードのオーバラップをしているままであるが、２つのレーザの強い縦モードのほとんどは、最早オーバラップしない。
【００４１】
図８は、そのスペクトルが図７にプロットされたＦＰ半導体ポンプレーザでポンプされた分散ラマン増幅器の電気的有効雑音指数スペクトルのプロットを含む。このデータは、コポンプド増幅器およびカウンタポンプド増幅器の両方について示されている。２６０ｍＷのポンプパワーが使用され、１２．３ｄＢのオン／オフラマン利得を生じた。前述のように、実線は、実験的に測定された値に関連し、点線は、理論値に関する。コプロパゲーティングポンプ構成に対して、実験値と理論値との間に良好な一致が見られる。
【００４２】
これらの結果を図６に示されたものと比較すると、図６において明白な雑音スパイクが、ポンプを温度調節することにより本質的に除去され、偏光に無関係に、別個のレーザの全ての強い縦モード間の周波数差が、システムの電気的帯域幅（この場合、２２ＧＨｚ）よりも大きい量だけ分離されるようになっていることが分かる。温度調節は、このポンプ構成を得るために必須ではない。オフセット中心波長を示す適切な波長の半導体ダイオードが使用され得る。
【００４３】
図９は、１４７０ｎｍの波長においてラマンポンプでコプロパゲートし、４．５ｄＢのオン／オフラマン利得を生じた後、の１５７０ｎｍの光スペクトルのプロットを含む。図示されているように、ポンプモードを信号と混合することにより生じたかなり大きな４波混合サイドバンドがある。サイドバンドの大きさは、ポンプ波長と信号波長との間のほぼ中心にあるλ0 のTrueWave Plus(R)のようなファイバではなく、ゼロ分散波長λ0 が１３００ｎｍに近いシングルモードファイバの使用により実質的に低減され得る。信号に対するポンプの群速度における差は、４波混合効率を減少させ得る。
【００４４】
多数の別個の半導体ポンプ源は、コプロパゲーティングラマン増幅器における使用のために上述した基準を潜在的に満たし得る。本発明の教示に従って、コプロパゲーティング構成について許容可能なポンプ源は、以下により特徴づけられる。（１）少なくとも５０ｍＷの出力パワーを生じる、（２）ＳＢＳを抑制するために十分なスペクトル幅を有する、および（３）偏光に無関係に、別個のレーザの全ての強い縦モード間の周波数差が、通信システムの少なくとも電気的帯域幅だけ分離され、１つのレーザの全ての強い縦モード間の周波数差が、ポンプと信号との間のウォークオフ周波数だけ分離されるように設計されていること。
【００４５】
周波数振動分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザは、本発明によるコプロパゲーティングシステム構成のためのポンプ源の必要な属性を示すために、以下に説明するように修正され得る。特に、コプロパゲーティングラマン増幅器におけるポンプ源として使用される場合、通常のＤＦＢレーザは、単一の縦モードを生じるように構成される。本発明のコプロパゲーティングシステムにおいて有用な１つの例示的なＤＦＢレーザが、D. Ackerman 等に１９９２年５月５日に発行された米国特許第５，１１１，４７５“Analog Optical Fiber Communication System and Laser Adapted for Use in such a System”に開示されている。
【００４６】
周波数振動を提供するために、レーザ駆動電流に小振幅ＲＦトーンが追加され、レーザライン幅を広げＳＢＳを抑制する。レーザ利得とＤＦＢ波長との間のオフセットの適切な選択は、ＦＭ対ＡＭ効率を最大化し、即ち、ＲＦトーンにより誘導される周波数変調の量と振幅変調の量との比を最大化する。本発明によれば、複数の周波数振動ＤＦＢレーザが、隣接するＤＦＢレーザ間の周波数間隔が、通信システムの電気的帯域幅を超える必要があるコプロパゲーティングポンプ源として使用され得る。また、いずれかの残留振幅変調のインパクトが最小化されるように、ＤＦＢの対は、１８０°位相をずらして変調され得る。
【００４７】
マルチモードＤＦＢレーザは、ただ２つの可能性のある縦モードのうちの１つがレーザの動作状態におけるラウンドトリップ利得および位相変化についてのレーザ条件を満足するように、キャビティ長のかなり大きな部分に沿って延びるグレーティングを備えるように設計されている。全キャビティ長に対するグレーティング領域の長さを減少させ、グレーティングをレーザの出力ファセットに向けて配置することで、波長が近いいくつかのキャビティモードが、波長安定化マルチモード動作を達成すると同時に、レージング条件を満足することを可能にする。
【００４８】
ＤＦＢレーザからの安定化されたマルチモードスペクトルは、数ミリワットから１２０ミリワット以上へＳＢＳしきい値を増大させることができることが分かる。全キャビティ長に対するグレーティング長の比が小さいことは、レーザＨＲファセットに対するグレーティングの位相へのレーザ性能の敏感さを減少させることにもなる。
【００４９】
ＤＦＢレーザと同様、分散プラーク反射器（ＤＢＲ）レーザは、レーザ波長を制御するために、レーザキャビティに一体化されたグレーティングを使用する。しかし、ＤＦＢと異なり、ＤＢＲレーザ中のグレーティングの上のレーザ材料は、レーザキャビティの残りの部分から別個にバイアスされる。このスパレートバイアスは、キャリア密度、したがってグレーティングを含む材料の屈折率が、レーザのグレーティングセクションに加えられるバイアスにより制御されることを可能にする。
【００５０】
レーザの安定化された波長は、グレーティングの「光周期（optical period)」（即ち、屈折率をかけ算された物理的周期）に依存するので、レージング波長は、このグレーティングセクションに加えられたバイアスにより制御され得る。選択的面積増大（ＳＡＧ，selective area growth ）が、指定されたレージング波長においてこのセクションが吸収することを防止するために、グレーティング領域において使用され得る。
【００５１】
グレーティングセクションへのバイアスが、レージング波長を調節するために使用され得るが、このバイアスにおける高周波変動は、出力のライン幅を広げることになる。ライン幅を広げる効率は、標準ＤＦＢレーザの場合よりも２ないし３オーダー大きくなりうる。本発明によるコプロパゲーティングポンプに必要とされるレーザライン幅は、上述したように、別個の振動回路を必要とするのではなく、グレーティングセクションへのバイアス信号に雑音を加えることによって得られ得る。
【００５２】
他の代替的方法は、調節可能な抵抗要素を使用して、レーザバイアスにグレーティングセクションバイアスを接続することである。そして、出力波長は、抵抗を調節することにより所望のターゲット波長によりよく一致するように調節されうるが、抵抗器からのジョンソン雑音が、バイアス変動を提供し、レーザライン幅を広げることになる。
【００５３】
図面を参照して説明したように、単純なファブリペロー（ＦＰ）レーザが、全ての強い縦モード間の所望の周波数差を提供するために、温度調節を加えて、コプロパゲーティングラマン増幅器のための発生源として使用され得る。温度調節は、このポンプ構成を得るために必須ではない。これは、所定の温度における分離された中心波長を有する半導体ダイオードが、その代わりに使用され得るからである。
【００５４】
また、一対のファイバブラッグ(Bragg）グレーティングが、単純なＦＰレーザの波長をロック（lock）するために使用され得る。この一対のブラッググレーティングは、半導体レーザから約１ｍの場所に配置されるが、ブラッググレーティングにより生じるキャビティのモード間隔が、通信システムの電気的帯域幅と少なくとも同じ大きさになるように、互いに十分に接近させられる。他のブラッググレーティングよりも大きい反射率を示すために、半導体キャビティからさらに離れたブラッググレーティングが必要とされる。
【００５５】
典型的には、最低の（または、ほとんど最低の）信号パワーが、通信システム中の信号が伝送ファイバを出て、個別光増幅器に入る点に存在する。信号が、エルビウムドープドファイバ増幅器（ＦＤＦＡ）の第１段において増幅され、長い分散補償ファイバを通過することが一般的である。本発明によれば、コプロパゲーティングラマンポンプで通信信号を分散補償ファイバに直接的に注入する代わりに、第１段のＥＤＦＡを除去することが考えられている。分散補償ファイバの低い信号パワーおよび大きな分散スロープは、通信システムにおけるこの場所を、コプロパゲーティングラマン増幅の適用に、ついての理想点にする。また、分散補償ファイバの特性は、ラマン利得およびそれらの分散特性に対して最適化され得る。
【００５６】
上述した発生源は、コプロパゲーティング増幅構成におけるラマンポンプ源（個別ラマン増幅器または分散ラマン増幅器のいずれか）として使用するために適しているが、これらは、それらの高出力パワーおよび波長安定性のために、カウンタプロパゲーティング構成にも同様に適用可能である。また、これらの発生源は、通常のエルビウムドープドファイバ増幅器構成中の発生源としても有用である。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、望ましくないレベルのポンプ信号クロストークおよび信号ポンプ信号クロストークを生じることなしに、十分なオン／オフ利得を提供し有用なデバイスとするコプロパゲーティングラマン増幅システムを提供することができる。
【００５８】
特許請求の範囲に記載した発明の構成要件の後の括弧内の符号は、構成要件と実施例と対応づけて発明を容易に理解させる為のものであり、特許請求の範囲の解釈に用いるべきのものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】コプロパゲーティング構成およびカウンタプロパゲーティング構成におけるファイバブラッググレーティングにロックされた従来のＦＰ半導体ポンプレーザでポンプされる分散ラマン増幅器の電気的有効雑音指数スペクトルをプロットした図。ここで、実線は、実験的に測定された値であり、点線は、計算された値である。
【図２】それぞれ−１１．８、−５．２および０．８ｐｓ／ｎｍ−ｋｍのポンプ波長における群速度分散で、約４０ｋｍの長さのTrueWave Minus(R), TrueWave Plus(R)およびTrueWave Reduced Slope(R) を通して伝播した前および後の、ＦＰ半導体レーザからの光の相対強度雑音（ＲＩＮ）をプロットした図。
【図３】偏光多重化された２つのＦＰ半導体レーザから生成された光スペクトルをプロットした図。
【図４】図３の２つのＦＰ半導体レーザの縦モードのスペクトルを高解像度でプロットした図。
【図５】両方のレーザについて２５℃の温度で伝送ファイバを通る伝播の前、および一方のＦＰレーザを２０°、２５°、３０°および４０°の温度に保持し、他方のＦＰレーザをそれらの中心波長におけるオフセットを提供するために２５℃の温度に保持して、２０ｋｍのTrueWave Miuns(R) を通る伝播の後の図３のＦＰレーザの振幅雑音をプロットした図。
【図６】図３のＦＰ半導体ポンプレーザでポンプされた分散ラマン増幅器の電気的有効雑音指数スペクトルをプロットした図。実線は、測定値であり、点線は、計算値である。
【図７】２つのレーザ中心波長をオフセットするために、一方のポンプをより低い温度に維持した、図３の２つのＦＰ半導体レーザから生成された光スペクトルをプロットした図。
【図８】図７のＦＰ半導体レーザでポンプされた分散ラマン増幅器の電気的有効雑音指数スペクトルをプロットした図。実線は、実験的に測定された値であり、点線は、計算値である。
【図９】長い標準シングルモードファイバ（ＳＳＭＦ）およびTrueWave Plus(R)ファイバにおいて、４．５ｄＢのラマン利得で１４７０ｎｍの波長においてコプロパゲーティングラマンポンプにより増幅された１５７０ｎｍの波長における光信号の光スペクトルをプロットした図。
Claims (10)
- 増幅されるべき光信号に応答する入力ポート、
増幅された光信号に対してラマン増幅器からの出口パスを提供するための出力ポート、
前記入力ポートと前記出力ポートとの間に配置された光ファイバパスであって、該ファイバパスを通って伝播する光信号にラマン利得を与えるための光ファイバパス、及び
増幅されるべき前記光信号を有する前記入力ポートに結合されたラマンポンプ源とを有する光ファイバラマン増幅器を含む装置において、
前記ラマンポンプ源は、前記光ファイバパスを通る前記光信号とコプロパゲートさせるための光ポンプを提供するための少なくとも１つのポンプレーザを含み、
前記ラマンポンプ源は、各ポンプレーザの全ての縦モード間の周波数差が該ポンプレーザ周波数と信号周波数との間の少なくともウォークオフ周波数だけ分離されていることを特徴とする装置。 - 請求項１に記載の装置において、複数のポンプレーザが存在する場合に、異なるポンプレーザ間での全ての強い縦モードが少なくとも通信システムの電気的帯域幅だけ分離されており、該強い縦モードは、所定の縦モードに対応する所定の周波数スペクトル内の所定の周波数を有するラマン利得の相対的な最大値を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
- 請求項１に記載の装置において、前記ラマンポンプ源は、ＲＦトーンが加えられたレーザ駆動電流を有するシングルモード分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザを含み、前記シングルモードＤＦＢレーザからの出力のスペクトル帯域幅を増大させることを特徴とする装置。
- 請求項１に記載の装置において、前記ラマンポンプ源は、少なくとも２つの分散フィードバック（ＤＦＢ）シングルモードレーザを含み、各ＤＦＢレーザは異なる中心周波数を含み、スペクトル帯域幅を広げるために各ＤＦＢレーザのレーザ駆動電流にＲＦトーンが加えられ及び該２つのＤＦＢレーザ間の周波数間隔は、少なくとも該通信システムの電気的帯域幅を超えるように選択されることを特徴とする請求項１記載の装置。
- 請求項１に記載の装置において、前記ラマンポンプ源が、少なくとも１つのマルチモード分散フィードバック（ＤＦＢ）レーザを含むことを特徴とする装置。
- 請求項１に記載の装置において、前記ラマンポンプ源は、少なくとも１つの分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザを含み、該分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）は、グレーティングを含み、該グレーティングの光学周期は該グレーティングへのバイアスを印加する手段により変化され前記少なくとも１つのＤＢＲレーザのスペクトル幅を広げていることを特徴とする装置。
- 請求項１に記載の装置において、前記ラマンポンプ源は、少なくとも１つのファブリペローレーザを含み、前記少なくとも１つのファブリペローレーザと前記入力光信号との間の少なくともウォークオフ周波数に等しい所定の周波数分離を、全ての存在する縦モード間に示すことを特徴とする装置。
- 請求項６に記載の装置において、前記ポンプ源は、少なくとも2つのファブリペローレーザを含み、その各々は異なる中心周波数を示し、異なるファブリペローレーザの強い縦モード間の周波数差が、少なくとも通信システムの電気帯域幅だけ分離されており、該強い縦モードは、所定の縦モードに対応する所定の周波数スペクトル内の所定の周波数を有するラマン利得の相対的な最大値を含むことを特徴とする装置。
- 請求項７に記載の装置において、前記少なくとも１つのファブリペローレーザが、前記少なくとも１つのファブリペローポンプ周波数と入力光信号周波数との間のモード間隔を生成するための一対の外部ファイバブラッググレーティングをさらに含み、前記モード間隔が、前記ポンプ周波数と前記入力光信号周波数との間の少なくともウォークオフ周波数から導かれた値に少なくとも等しいことを特徴とする装置。
- 請求項１に記載の装置において、前記光ファイバパスは、ゼロ分散波長の中心が、ポンプ波長と信号波長との間にないように選択され、前記ゼロ分散波長の位置は、光ポンプと光信号の混合により発生される４波混合効果を減少させるように選択されていることを特徴とする装置。
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