JP4184046B2 - ラマン増幅器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、利得帯域幅の広いラマン増幅器に係わり、特に、ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
大規模な光通信システムにおいては、一般に、光信号を増幅するための光増幅器を含む中継器が伝送路上に設けられている。また、大容量の光通信システムでは、しばしば、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）伝送が利用されており、ＷＤＭ光を増幅する光増幅器として、ラマン増幅器が注目されている。
【０００３】
図１８は、ラマン増幅器の一例の基本構成図である（例えば、SubOptic ‘2001 PD5, H. Nakamotoet al “1.05 Tbit/s WDM Transmission over 8186 KmUsing Distributed Raman Amplifier Repeaters” ）。ラマン増幅では、信号を伝送するための伝送媒体（光ファイバ）が増幅媒体として使用される。そして、ラマン増幅器は、励起光を生成する励起光源１、およびその励起光を増幅媒体として使用される光ファイバ３、４に導くＷＤＭカプラ２を備える。ここで、励起光源１は、例えば、レーザ光源である。また、ラマン増幅においては、一般に、増幅媒体として使用される光ファイバのコア径が小さいほどラマン利得が大きくなる。従って、図１８に示すラマン増幅器においては、コア径が小さく且つ負の分散を持った光ファイバ（−Ｄ）３が設けられている。
【０００４】
上記構成のラマン増幅器において、光ファイバ（＋Ｄ）４を介して伝送される信号（ＷＤＭ光）は、光ファイバ（−Ｄ）３を通過する。このとき、光ファイバ（−Ｄ）３には、励起光が供給されている。即ち、光ファイバ（−Ｄ）３は、増幅媒体として作用する。したがって、上記信号光は、光ファイバ（−Ｄ）３において増幅される。なお、ラマン増幅器は、現在最も普及している光増幅器であるエルビウム添加ファイバ光増幅器（ＥＤＦＡ）と比較すると、雑音が小さく、より広い利得帯域が得られる。
【０００５】
図１９は、ラマン増幅の利得特性を示す図である。ここで、この例は、１μｍの波長を持った励起光が石英系光ファイバに与えられたときの利得特性を示している。
【０００６】
ラマン増幅においては、光ファイバに励起光が与えられると、その光ファイバは、励起光の周波数から所定の周波数だけシフトした周波数の光を増幅する増幅媒体として作用する。具体的には、図１９に示すように、光ファイバにおけるラマン利得は、励起光周波数からの周波数シフト量が増えるに従って概ねリニアに大きくなっていき、励起光周波数よりも約１３．２ＴＨｚだけ低い周波数においてピークが得られる（石英系ファイバの場合）。そして、励起光周波数からの周波数シフト量が１３．２ＴＨｚを越えると、そのラマン利得は急速に小さくなっていく。なお、以下では、与えられた励起光の周波数と、その励起光に起因して得られるラマン利得がピークとなる周波数との差分を、ラマンシフト周波数と呼ぶことにする。すなわち、ラマンシフト周波数は、約１３．２ＴＨｚである。
【０００７】
図２０は、ラマン増幅器による増幅動作を説明する図である。ここでは、励起光が信号光の伝搬方向と逆方向に伝搬される後方励起方式が採用されているものとする。
【０００８】
図２０において、送信局または前段の中継器は、所定の光パワー（ここでは、−８．２ｄＢｍ／ｃｈ）の信号光を出力する。この場合、この信号光の光パワーは、伝搬距離が長くなるにつれて徐々に減衰していく。そして、ラマン利得が無かったとすると、中継器５に到着した信号光の光パワーは、−１８．５ｄＢｍ／ｃｈまで減衰している。したがって、ラマン増幅器が無いものとすると、中継器５の出力パワーを−８．２ｄＢｍ／ｃｈにするためには、エルビウム添加ファイバ光増幅器等を用いて１０ｄＢ程度の利得を得る必要がある。ここで、エルビウム添加ファイバ増幅器を用いた場合、伝送路中の光信号パワーレベルが−１８．５ｄＢｍまで低下するのに対し、ラマン増幅器を用いる場合は−１３．７ｄＢｍまでしか低下しない。このように、ラマン増幅器を用いることで雑音特性を改善させることができる。
【０００９】
図２１は、ラマン増幅器における波長配置の例を示す図である。この例では、互いに周波数の異なる複数の励起光を利用してラマン増幅が行われる。即ち、このラマン増幅器は、互いに波長の異なる複数の励起光λ１〜λ４を利用する。そして、ラマン増幅においては、図１９を参照しながら説明したように、励起光周波数から約１３．２ＴＨｚシフトした周波数領域に利得のピークが現れる。ここで、１５５０ｎｍ帯では、１３．２ＴＨｚは、波長に換算すると、約１００ｎｍに相当する。したがって、このラマン増幅器においては、各励起光波長から約１００ｎｍシフトした波長領域に利得のピークが現れる。そして、これら複数の励起光λ１〜λ４による利得が合成されると、広い利得帯域（この例では、約１００ｎｍ）が得られる。
【００１０】
しかし、ラマン増幅では、図１９を参照しながら説明したように、励起光周波数からの周波数シフトが１３．２ＴＨｚよりも小さい領域であってもある程度の利得が得られる。すなわち、ラマン増幅では、励起光波長からの波長シフトが１００ｎｍよりも小さい領域であっても利得が得られる。このため、複数の励起光を利用するラマン増幅器では、波長の短い励起光によって波長の長い励起光が増幅される現象が発生し得る。なお、以下では、この現象のことを、ポンプツーポンプ（pump-to-pump）と呼ぶことがある。
【００１１】
ポンプツーポンプ現象が発生すると、長波長側の励起光（励起される側の励起光）の光パワーは大きくなるが、短波長側の励起光（励起する側の励起光）の光パワーはその分だけ小さくなってしまう。この結果、短波長側の信号光（主に、短波長側の励起光によって増幅されていた信号光）のラマン増幅による雑音特性改善効果は低下してしまう。以下に説明する。
【００１２】
図２２（ａ）および図２２（ｂ）は、ポンプツーポンプ現象による影響を説明する図である。図２２（ａ）は、ポンプツーポンプ現象が発生していない場合の信号光パワーの様子を示している。なお、この場合のラマン増幅動作は、図２０を参照しながら説明した通りである。一方、図２２（ｂ）は、ポンプツーポンプ現象が発生している場合の信号光パワーの様子を示している。ここで、ポンプツーポンプ現象が発生しているときは、短波長側の励起光のエネルギーの一部は、長波長側の励起光を増幅するために使用される。このため、ポンプツーポンプ現象が発生しているラマン増幅器において、ポンプツーポンプ現象が発生していない場合と同じように信号光を増幅するためには、励起光の光パワーを高くする必要がある。このため、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）に起因する雑音が大きくなり、雑音特性が劣化してしまう。また、ポンプツーポンプ現象が発生している場合は、ファイバ長５０ｋｍ付近で急速に光パワーレベルを上げるため、ファイバ内での光パワーレベルの下限が小さくなり、上述の雑音特性改善効果が非常に小さくなる。
【００１３】
さらに、ポンプツーポンプ現象によって各励起光の光パワーが変化すると、信号光を伝送するための波長領域の利得が平坦にならず、各信号光の光パワーを均一にすることが困難になる。その上、短波長側の励起光のエネルギーの一部が長波長側の励起光によって吸収されるので、短波長側の励起光の光パワーを予め十分に大きくしておく必要がある。このため、光パワーが互いに極端に異なる複数の励起光を合波する必要あるので、そのための構成が複雑になってしまう。
【００１４】
このような状況において、上述した問題に対処するために、各励起光をそれぞれ適切に変調することによってポンプツーポンプ現象を抑制する方法が提案されている。（例えば、非特許文献１）
図２３は、非特許文献１に記載されている公知の励起光変調方法を示す図である。図２３において、横軸は時間を表し、縦軸は光パワーレベルを表す。このラマン増幅器においては、短波長側励起光（励起光１（１４２３ｎｍ）および励起光２（１４４４ｎｍ））、および長波長側励起光（励起光３（１４６４ｎｍ）および励起光４（１４９５ｎｍ））が使用されている。そして、各励起光は、それぞれ、５０パーセントのデューティで変調されている。
【００１５】
ここで、短波長側励起光および長波長側励起光は、互いに逆位相になるように変調されている。すなわち、短波長側励起光が発光状態となっている期間は、長波長側励起光は消光状態となっており、短波長側励起光が消光状態となっている期間は、長波長側励起光は発光状態となっている。このため、光伝送路における波長分散を無視するものとすると、短波長側励起光と長波長側励起光との間でポンプツーポンプ現象は発生しない。一方、同じグループに属する励起光の位相は互いに同じである。すなわち、励起光１、２の位相は互いに同じであり、励起光３、４の位相は互いに同じである。このため、同じグループに属する励起光どうしの間では、それぞれポンプツーポンプ現象が発生し得る。しかし、同一グループに属する励起光の波長差は、２０〜３０ｎｍ程度であり、それらの励起光間でのエネルギーの受渡しは小さい。したがって、図２３に示すような励起光変調が行われると、全体として、ポンプツーポンプ現象が抑制される。
【００１６】
【非特許文献１】
OFC 2002, WB4 C.R.S.Fludger et al., “Novel Ultra-broadband High Performance Distributed Raman AmplifierEmploying Pump Modulation”（Fig.１）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ＷＤＭ信号のさらなる大容量化が望まれており、信号光を配置するための波長領域が１００ｎｍよりも広い光伝送システムの開発が進められている。そして、このようなシステムでは、図２４に示すように、ラマンシフト周波数に対応する波長領域よりも広い波長領域にわたって複数の励起光を適切に配置する必要がある。
【００１８】
しかし、非特許文献１は、信号光を配置するための波長領域が、ラマンシフト周波数に対応する波長領域よりも狭いことを前提として記載されている。このため、非特許文献１に記載の方法を、信号光を配置するための波長領域がラマンシフト周波数に対応する波長領域よりも広いラマン増幅器に適用使用とすると、ポンプツーポンプ現象を適切に抑制できず、良好な雑音特性が得られないものと推測される。すなわち、信号光を配置するための波長領域がラマンシフト周波数に対応する波長領域よりも広い場合、公知の技術によっては、ポンプツーポンプ現象に起因する雑音を十分に抑制できていなかった。
【００１９】
本発明の目的は、ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器の雑音特性を改善することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明のラマン増幅器は、ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器であって、ＷＤＭ信号を伝搬する伝送媒体、互いに周波数の異なる複数の励起光を生成する励起光源、上記複数の励起光をそれぞれ第１の光レベルおよびその第１の光レベルよりも低い第２の光レベルを含む光信号に変調する変調手段、および上記変調手段により変調された複数の励起光を上記伝送媒体に導く光ガイド手段、を備える。そして、上記変調手段は、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっている励起光どうしが同時に上記第１の光レベルにならないように上記複数の励起光を変調する。
【００２１】
ラマン増幅器の利得帯域幅をラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広くするためには、ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い領域に渡って複数の励起光を配置する必要がある。このため、ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器においては、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になる励起光組が必然的に存在する。一方、励起光間のエネルギーの受け渡しは、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっている場合に最大になる。また、励起光間のエネルギーの受け渡しは、それらの励起光の光レベルが高いほど大きくなる。従って、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっている励起光どうしが同時に高い光レベル（すなわち、上記第１の光レベル）にならないようにすれば、励起光間のエネルギーの受け渡しを抑えることができる。
【００２２】
上記ラマン増幅器において、上記伝送媒体が第１および第２の伝送媒体を含む場合には、上記変調手段は、上記複数の励起光をそれぞれ第１の伝送媒体または第２の伝送媒体に交互に導く光スイッチを備えるように構成されてもよい。この構成によれば、励起光源により生成される励起光を効率的に利用することができる。複数のＷＤＭ光を並列に増幅することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態のラマン増幅器の構成図である。なお、図１に示す光ファイバ（−Ｄ）３および光ファイバ（＋Ｄ）４は、それぞれ、図１８に示した既存のシステムにおける光ファイバを利用することができる。すなわち、光ファイバ（＋Ｄ）４は、伝送路を構成する伝送媒体としての光ファイバである。また、光ファイバ（−Ｄ）３は、光ファイバ（＋Ｄ）４よりもコア径の小さい負分散の光ファイバである。そして、光ファイバ（−Ｄ）３は、信号光を伝搬する伝送媒体であると共に、その信号光を増幅する増幅媒体として作用する。
【００２４】
励起光源１１−１〜１１−８は、互いに周波数の異なる複数の励起光を生成する。すなわち、励起光源１１−１〜１１−８は、互いに波長の異なる複数の励起光を生成する。なお、励起光源１１−１〜１１−８は、それぞれ、例えば、レーザ光源により実現される。
【００２５】
変調回路１２は、変調器１２−１〜１２−８を備え、励起光源１１−１〜１１−８により生成される励起光を変調する。なお、ここでは、光源と変調器とを分けて記述しているが、変調の方法としては、光源の駆動電流を変調する直接変調であってもよい。合波器１３は、変調回路１２により変調された複数の励起光を合波する。なお、合波器１３は、例えば、ＷＤＭカプラにより実現される。そして、光ガイドデバイス１４は、合波器１３により合波された複数の励起光を光ファイバ（−Ｄ）３に導く。ここで、光ガイドデバイス１４は、例えば、ＷＤＭカプラまたは光サーキュレータにより実現される。上記構成により、互いに周波数の異なる複数の励起光が増幅媒体（ここでは、主に、光ファイバ（−Ｄ）３）に与えられる。すなわち、互いに波長の異なる複数の励起光が増幅媒体に与えられる。
【００２６】
なお、図１に示すラマン増幅器は、８個の励起光源１１−１〜１１−８および８個の変調器１２−１〜１２−８を備える構成であるが、励起光源および変調器の数は特に限定されるものではない。また、図１に示すラマン増幅器は、後方励起構成であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、前方励起構成であってもよい。さらに、中継区間は、１組の正分散ファイバ（＋Ｄ）および負分散ファイバ（−Ｄ）の組合せに限定されるものではなく、１種類の光ファイバで構成されてもよいし、１または複数の正分散ファイバ（＋Ｄ）および１または複数の負分散ファイバ（−Ｄ）の組合せにより構成されてもよい。
【００２７】
上記構成のラマン増幅器において、光ファイバ（＋Ｄ）４を介して伝送される信号光（ＷＤＭ光）は、光ファイバ（−Ｄ）３を通過する。このとき、光ファイバ（−Ｄ）３には、励起光が供給されている。すなわち、光ファイバ（−Ｄ）３は、増幅媒体として作用する。従って、上記信号光は、光ファイバ（−Ｄ）３において増幅される。
【００２８】
図２は、励起光を変調する方法の実施例である。なお、この例では、励起光源１１−１〜１１−８により、互いに周波数の異なる励起光１〜励起光８（ＰＵＭＰ１〜ＰＵＭＰ８）が生成される。ここで、各励起光の周波数は、ラマンシフト周波数を基準として決定される。即ち、ラマンシフト周波数を「ΔｆRaman 」と表すものとすると、励起光を配置する際の波長間隔Δｆpumpは、下記の式で表される。
【００２９】
Δｆpump＝ΔｆRaman／ｎ （ｎは、自然数）
なお、「ラマンシフト周波数」とは、上述したように、光ファイバに与えられた励起光の周波数とその励起光に起因して得られるラマン利得がピークになる周波数との差分を意味し、約１３．２ＴＨｚである。したがって、上記関係式においてｎ＝３とすると、励起光１〜励起光８は、約４．４ＴＨｚ間隔で配置されることになる。そして、このとき、励起光１と励起光４との間の周波数差、励起光２と励起光５との間の周波数差、励起光３と励起光６との間の周波数差、励起光４と励起光７との間の周波数差、および励起光５と励起光８との間の周波数差は、それぞれ、ラマンシフト周波数である。
【００３０】
励起光１〜励起光８は、それぞれ、所定の変調周期Ｔで変調される。ここで、変調周期Ｔは、特に限定されるものではないが、例えば、１００ｋＨｚ程度である。また、各励起光は、変調周期Ｔで第１の光レベルおよび第２の光レベルを交互に繰り返すように変調される。第１の光レベルは、発光状態に相当する光レベルである。一方、第２の光レベルは、消光状態または第１の光レベルよりも弱い発光状態に相当する光レベルである。ただし、以下では、説明を簡単にするために、第１の光レベルおよび第２の光レベルは、それぞれ、発光状態および消光状態であるものとする。すなわち、各励起光は、それぞれ、変調周期Ｔで発光状態および消光状態を交互に繰り返すように変調される。さらに、変調信号のデューティは、５０パーセントである。すなわち、励起光が発光状態となる時間は、変調周期Ｔの５０パーセントである。
【００３１】
なお、上述の変調が行われると、光ファイバに実際に励起光が供給される時間は、励起光が連続光（ＣＷ：Continuous Wave ）であるときと比較すると、その２分の１になる。したがって、励起光として連続光が使用されるときと同じ励起エネルギーを光ファイバに供給するためには、変調された励起光が発光状態のときの光パワーを、励起光が連続光である場合の光ピークパワーを２倍にする必要が生じる。
【００３２】
変調回路１２は、励起光１を基準にして、励起光２〜励起光８を順番にＴ／６ずつ遅延させる。すなわち、励起光２、３、４、５、６、７、８の変調信号は、それぞれ、励起光１の変調信号をＴ／６、２Ｔ／６、３Ｔ／６、４Ｔ／６、５Ｔ／６、６Ｔ／６、７Ｔ／６だけ遅延させることにより得られる。
【００３３】
この結果、励起光１の変調信号および励起光４の変調信号は、互いに位相が反転した状態になる。すなわち、励起光１が発光状態のときは励起光４は消光状態であり、励起光１が消光状態のときは励起光４は発光状態である。さらに換言すれば、励起光１および励起光４は、同時に発光状態にならないように制御されている。なお、この関係は、励起光２と励起光５との間、励起光３と励起光６との間、励起光４と励起光７との間、励起光５と励起光８との間においても同様である。このように、実施形態のラマン増幅器では、周波数差がラマンシフト周波数となっている各励起光ペア（実施例では、励起光１と励起光４、励起光２と励起光５、励起光３と励起光６、励起光４と励起光７、励起光５と励起光８）が、同時に発光状態にならないように制御されている。
【００３４】
なお、この実施例では、周波数差がラマンシフト周波数となっている１組の励起光が同時に発光状態にならないように制御される。しかし、同時に発光状態にならないように制御すべき１組の励起光の周波数差は、必ずしも厳密にラマンシフト周波数に一致している必要はなく、実質的にラマンシフト周波数とみなせる範囲であればよい。例えば、光ファイバに与えられた第１の励起光に起因して得られるラマン利得がそのピーク利得に近くなるような周波数領域に第２の励起光が配置されるときは、上記第１の励起光および第２の励起光が同時に発光状態にならないように制御してもよい。
【００３５】
次に、上記ラマン増幅器においてポンプツーポンプ現象が抑制されることを説明する。
図３は、励起光周波数とラマン利得との関係を示す図である。図３において、励起光Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・は、励起光源１１−１〜１１−８により生成される複数の励起光に相当し、４．４ＴＨｚ（ラマンシフト周波数の３分の１）間隔で配置されている。また、励起光Ａは、ポンプツーポンプ現象を考える際の基準励起光である。例えば、励起光Ａが励起光１であるものとすると、励起光Ｂ、Ｃ、Ｄ、・・・は励起光２、３、４、・・・に相当する。或いは、励起光Ａが励起光２であるものとすると、励起光Ｂ、Ｃ、Ｄ、・・・は励起光３、４、５、・・・に相当する。さらに、図３において、ラマン利得は、励起光Ａが与えられたときにその励起光Ａの周波数からラマンシフト周波数だけシフトした周波数帯におけるラマン利得が「１」になるように正規化されている。すなわち、図３において、ラマン利得は、励起光Ａが与えられたときの最大利得を基準として正規化されている。以下では、このような前提の下でポンプツーポンプ現象の抑制効果について説明する。
【００３６】
まず、各励起光が連続光であるものとする。そして、複数の励起光の中のある１つの励起光（図３では、励起光Ａ）に係わるポンプツーポンプ量について考える。ここで、「ポンプツーポンプ量」は、励起光間で受け渡されるエネルギーに相当し、ラマン利得に比例するものとする。
【００３７】
図３において、励起光Ａからラマンシフト周波数だけシフトした周波数には、励起光Ｄが配置されている。したがって、励起光Ａと励起光Ｄとの間のポンプツーポンプ量が最大になる。以下では、この最大ポンプツーポンプ量を「１」を定義する。そして、この場合、励起光Ａと励起光Ｂとの間のポンプツーポンプ量は「０．３０」であり、励起光Ａと励起光Ｃとの間のポンプツーポンプ量は「０．６２」である。なお、図３に示すように、励起光Ａが与えられたときのラマン利得は、その励起光Ａからの周波数差がラマンシフト周波数よりも大きくなると、急激に小さくなる。このため、励起光Ａに係わるポンプツーポンプ量は、その励起光Ａからの周波数差がラマンシフト周波数よりも大きな励起光との間では、かなり小さな値になる。したがって、以下では、説明を簡単にするために、周波数差がラマンシフト周波数よりも大きな励起光間のポンプツーポンプ量は、無視するものとする（ゼロであるものとする）。
【００３８】
そして、上記条件の下で、各励起光が連続光であった場合における、任意の１つの励起光に係わるポンプツーポンプ量は、下記のように算出される。
ポンプツーポンプ量＝０．３０＋０．６２＋１＝１．９２
続いて、図２に示す変調を利用した場合の任意の１つの励起光（ここでは、励起光１）に係わるポンプツーポンプ量を算出する。各励起光が変調された状態では、任意の１組の励起光が共に発光状態である時間は、その組合せによって異なる。すなわち、図４に示すように、励起光間の位相差が大きくなると、それらの励起光が共に発光状態となる時間が短くなり、それらの励起光間で受け渡されるエネルギーも小さくなる。例えば、図２に示す変調が行われる場合は、励起光１および励起光２が共に発光状態となる時間は、変調周期Ｔの中で「Ｔ／３」だけである。また、励起光１および励起光３が共に発光状態となる時間は変調周期Ｔの中で「Ｔ／６」だけであり、励起光１および励起光４が共に発光状態となる時間は「０」である。
【００３９】
したがって、この場合、励起光１に係わるポンプツーポンプ量は、下記のように算出される。
ポンプツーポンプ量＝２×｛（０．３０×１／３）＋（０．６２×１／６）＋（１×０）｝＝０．４１
このように、図２に示すようにして各励起光を変調すれば、１つの励起光に係わるポンプツーポンプ量は、励起光として連続光を使用する場合の２０パーセント程度に抑えることができる。ここで、右辺に「２」をかけているのは、デューティを５０パーセントとしているため、所要の光ピークパワーが２倍になるためである。
【００４０】
なお、図２に示す例では、変調信号のデューティを５０パーセントとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。以下、図５および図６を参照しながら、変調信号のデューティが３３パーセントの場合、および２５パーセントの場合を説明する。
【００４１】
図５は、３３パーセントのデューティで各励起光を変調する場合の実施例である。なお、励起光１と励起光４との間、励起光２と励起光５との間、励起光３と励起光６との間、励起光４と励起光７との間、および励起光５と励起光８との間の各周波数差がそれぞれラマンシフト周波数である点は、図２に示した例と同じである。また、励起光１〜励起光８の位相が、Ｔ／６ずつ順番に遅延している点も図２に示した例と同じである。ただし、変調された励起光が発光状態のときの光ピークパワーは、励起光が連続光である場合の光ピークパワーの３倍である。
【００４２】
ここで、１つの励起光に係わるポンプツーポンプ量を算出する。まず、励起光１および励起光２が共に発光状態となる時間は、変調周期Ｔの中で「Ｔ／６」だけである。また、励起光１および励起光３が共に発光状態となる時間、および励起光１および励起光４が共に発光状態となる時間は、それぞれ「０」である。従って、励起光１に係わるポンプツーポンプ量は、下記のように算出される。
【００４３】
ポンプツーポンプ量＝３×｛（０．３０×１／６）＋（０．６２×０）＋（１×０）｝＝０．１５
このように、図５に示すようにして３３パーセントのデューティで各励起光を変調すれば、１つの励起光に係わるポンプツーポンプ量は、励起光として連続光を使用する場合の１０パーセント以下に抑えることができる。すなわち、変調信号のデューティを低くすることにより、ポンプツーポンプ量がさらに抑制されることになる。
【００４４】
図６は、２５パーセントのデューティで各励起光を変調する場合の実施例である。なお、励起光１と励起光４との間、励起光２と励起光５との間、励起光３と励起光６との間、励起光４と励起光７との間、および励起光５と励起光８との間の各周波数差がそれぞれラマンシフト周波数である点は、図２に示した例と同じである。ただし、励起光１〜励起光８の位相は、Ｔ／４ずつ順番に遅延させている。また、変調された励起光が発光状態のときの光パワーは、励起光が連続光である場合の光パワーの４倍である。
【００４５】
この場合、励起光１が発光状態の期間は、励起光２、３、４はいずれも消光状態になっている。したがって、励起光１に係わるポンプツーポンプ量は、ゼロになる。
【００４６】
このように、図６に示すようにして２５パーセントのデューティで各励起光を変調すれば、１つの励起光に係わるポンプツーポンプ量は、周波数差がラマンシフト周波数よりも大きな励起光間のポンプツーポンプ量を無視すると共に、伝送路上での波長分散を無視するものとすると、ゼロになる。すなわち、１つの励起光に係わるポンプツーポンプ量は、図７に示すように、変調信号のデューティを小さくすることにより、抑制することができる。ただし、変調信号のデューティを小さくする場合には、それに応じて励起光が発光状態のときの光ピークパワーを大きくする必要があるので、雑音特性が劣化するおそれがあるとともに、光出力の大きな光源を用意する必要がある。したがって、変調信号のデューティは、ポンプツーポンプ量と雑音とのバランスが最適化されるように決定されるようにしてもよい。
【００４７】
なお、励起光を変調するための変調信号のデューティが５０パーセントを越えると、周波数差がラマンシフト周波数となっている１組の励起光が同時に発光状態にならないようにすることが出来なくなる。しかし、そのような場合であっても、図７に示すように、励起光として連続光を使用した場合と比較すれば、ポンプツーポンプ量は抑制される。
【００４８】
次に、ラマン増幅器全体のポンプツーポンプ量について検討する。ここでは、このラマン増幅器は、３０．８ＴＨｚの帯域の中に励起光１〜励起光８が等間隔で配置されており、その利得帯域幅は約２３０ｎｍであるものとする。また、励起光１〜励起光８は、図２に示すように変調されるものとする。なお、以下の説明においても、説明を簡単にするために、周波数差がラマンシフト周波数よりも大きな励起光間のポンプツーポンプ量は、無視するものとする。
励起光１について
励起光２との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
励起光３との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×１／６＝０．２０
励起光４との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／６＝０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／３＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／３＝０
励起光２について
励起光３との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
励起光４との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×１／６＝０．２０
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／６＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／３＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光３について
励起光４との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×１／６＝０．２０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／６＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／３＝０
励起光４について
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×１／６＝０．２０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／６＝０
励起光５について
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×１／６＝０．２０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光６について
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×１／６＝０．２０
励起光７について
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
したがって、この場合、ラマン増幅器全体のポンプツーポンプ量は「２．６」になる。
【００４９】
ここで、実施形態のラマン増幅器と上述した非特許文献１に記載されているラマン増幅器とを比較する。ただし、非特許文献１に記載のラマン増幅器においては、利得帯域幅がラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも狭いことを前提としている。したがって、以下では、非特許文献１に記載されている変調方法を単純に拡張した構成と比較する。
【００５０】
図８は、非特許文献１に記載されている変調方法をより広い帯域に拡張した変調方法を示す図である。なお、ここでは、本発明と非特許文献１との比較を容易にするために、励起光１〜８は、４．４ＴＨｚ間隔で配置されるものとする。
【００５１】
非特許文献１に記載の変調方法では、励起光１および励起光２が互いに同じ位相であり、励起光３および励起光４が互いに同じ位相である。そして、励起光１および励起光２が発光状態のときに励起光３および励起光４が消光状態になり、励起光１および励起光２が消光状態のときに励起光３および励起光４が発光状態になるように変調されている。したがって、この変調方法を８波の励起光１〜８に拡張すると、図８に示すように、励起光１、２、５、６が発光状態のときに励起光３、４、７、８が消光状態になり、励起光１、２、５、６が消光状態のときに励起光３、４、７、８が発光状態になるように変調されることになる。
【００５２】
このモデルを利用してラマン増幅器全体のポンプツーポンプ量を計算すると以下の結果が得られる。なお、以下の説明においても、周波数差がラマンシフト周波数よりも大きな励起光間のポンプツーポンプ量を無視するものとする。
励起光１について
励起光２との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／２＝０．３０
励起光３との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×０＝０
励起光４との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０×０＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×０＝０
励起光２について
励起光３との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×０＝０
励起光４との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×０＝０
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×１×１／２＝１．０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０×０＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×０＝０
励起光３について
励起光４との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／２＝０．３０
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×０＝０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光４について
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×０＝０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×０＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×１×１／２＝１．０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光５について
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／２＝０．３０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×０＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光６について
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×０＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×０＝０
励起光７について
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／２＝０．３０
したがって、この場合、ラマン増幅器全体のポンプツーポンプ量は「３．２」になる。
【００５３】
このように、非特許文献１に記載の方式を拡張した構成では、本発明の実施形態の構成と比べて、ポンプツーポンプ量が大きくなることが予測される。この理由は、非特許文献１に記載の方式を拡張した構成においては、例えば、励起光２と励起光５との間の周波数差がラマンシフト周波数であるのもかかわらず、それらの励起光の位相が互いに一致していることに起因する。なお、この関係は、励起光４と励起光７との間にも当てはまる。
【００５４】
これに対して、本発明の実施形態のラマン増幅器では、周波数差がラマンシフト周波数である励起光が同時に発光状態にならないように各励起光が変調されているので、ポンプツーポンプ現象が抑制されている。そして、ポンプツーポンプ現象が抑制されるので、ラマン増幅における雑音特性が改善される。また、広い帯域にわたって一定の利得を得るための複数の励起光のパワーの制御が容易になる。すなわち、利得チルドの制御が容易になる。
【００５５】
図９は、利得帯域幅とポンプツーポンプ量との関係を示す図である。なお、図９では、４波の励起光が４．４ＴＨｚ間隔で配置された場合であって、各励起光がそれぞれ連続光である場合のポンプツーポンプ量を「１」として正規化されている。
【００５６】
「特性１」は、本発明の実施形態のラマン増幅器におけるポンプツーポンプ量を示している。一方、「特性２」は、非特許文献１に記載の方式を拡張した構成のラマン増幅器におけるポンプツーポンプ量を示している。このように、利得帯域幅が広くなるにつれて、実施形態のラマン増幅器の優位性が顕著になる。
【００５７】
また、「特性３」および「特性４」は、それぞれ、実施形態ラマン増幅器において、変調信号のデューティを３３パーセントにした場合、および変調信号のデューティを２５パーセントにした場合のポンプツーポンプ量を示している。このように、各励起光の発光時間が短くなると、ポンプツーポンプ現象がさらに抑制される。
【００５８】
ところで、上述の実施例では、複数の励起光が４．４ＴＨｚ間隔で配置される構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ラマンシフト周波数を「ΔｆRaman 」と表すものとすると、励起光を配置する際の波長間隔Δｆpumpは、下記の式で表される。
【００５９】
Δｆpump＝ΔｆRaman／ｎ （ｎは、自然数）
図１０は、上記関係式において、「ｎ＝４」とした場合の変調方法を示す図である。この場合、励起光１〜励起光８は、３．３ＴＨｚ間隔で順番に配置される。したがって、この変調方法においては、励起光１と励起光５との間、励起光２と励起光６との間、励起光３と励起光７との間、励起光４と励起光８との間の周波数差が、それぞれラマンシフト周波数になっている。一方、励起光１〜励起光８は、変調周期の８分の１の時間ずつ順番に遅延している。この結果、周波数差がラマンシフト周波数となっている励起光が同時に発光状態にならないようになっている。
【００６０】
なお、上記関係式において「ｎ＝３」の場合は、図２を参照しながら説明したように、励起光１〜励起光８は、変調周期の６分の１に相当する時間ずつ順番に遅延している。また、上記関係式において「ｎ＝４」の場合は、図１０を参照しながら説明したように、励起光１〜励起光８は、変調周期の８分の１に相当する時間ずつ順番に遅延している。したがって、励起光の波長間隔と遅延時間との関係は、下記の式で表される。
【００６１】
励起光１に対する励起光ｉの遅延時間＝Ｔ×（ｉ−１）／（２×ｎ）
なお、この関係式は、励起光の周波数が等間隔で配置されていることを前提としている。したがって、励起光の周波数が非等間隔で配置されている場合は、各励起光の遅延時間もその配置に応じて設定される。
【００６２】
また、複数の励起光は、下記の関係式に従って配置されるようにしてもよい。
Δｆpump＝ΔｆRaman／（ｎ＋０．５） （ｎは、自然数）
図１１は、さらに他の変調方法を示す図である。この変調方法では、励起光１〜励起光８が複数種類の変調信号を用いて変調されている。ただし、この場合であっても、周波数差がラマンシフト周波数である１組の励起光は、互いに逆位相の変調信号により変調される。例えば、図１１において、励起光１および励起光４は、励起光１が発光状態のときに励起光４が消光状態になり、励起光１が消光状態のときに励起光４が発光状態になるように変調されている。そして、この関係は、励起光２と励起光５との間、励起光３と励起光６との間、励起光４と励起光７との間、励起光５と励起光８との間においても満たされている。
【００６３】
図１２は、本発明の他の実施形態のラマン増幅器の構成図である。このラマン増幅器は、１組の伝送路（例えば、上り回線および下り回線）に励起光を供給してそれら１組の伝送路を介して伝送されるＷＤＭ信号を増幅する。
【００６４】
励起光源１１−１〜１１−８は、互いに周波数の異なる励起光１〜励起光８を生成する。変調回路２１は、光スイッチ２２−１〜２２−８を備え、励起光１〜励起光８を変調する。
【００６５】
光スイッチ２２−１〜２２−８は、それぞれ、不図示の制御回路から与えられる変調信号に従って、対応する励起光源１１−１〜１１−８により生成された励起光１〜励起光８を合波器２３ａまたは２３ｂに導く。具体的には、各光スイッチ２２−１〜２２−８は、それぞれ「入力光を合波器２３ａに導く状態」「入力光を合波器２３ｂに導く状態」および「無出力状態」の中のいずれか１つの状態に制御される。例えば、図２に示したようなデューティが５０パーセントの励起光を上り回線および下り回線に供給する場合は、各光スイッチ２２−１〜２２−８は、それぞれ「入力光を合波器２３ａに導く状態」および「入力光を合波器２３ｂに導く状態」が交互に同じ時間ずつ現れるように制御される。また、光スイッチ２２−１〜２２−８に与えられる変調信号は、その位相が所定時間ずつ順番に遅延している。例えば、図２に示す変調方法においては、光スイッチ２２−１〜２２−８に与えられる変調信号は、変調周期の６分の１に相当する時間ずつ順番に遅延している。
【００６６】
合波器２３ａおよび２３ｂは、それぞれ、変調回路２２により変調された励起光１〜８を合波して光サーキュレータ２４ａおよび２４ｂに導く。光サーキュレータ２４ａは、合波器２３ａにより合波された励起光を上り回線の伝送媒体に供給すると共に、その上り回線の上流側から伝搬されてくるＷＤＭ信号を下流側に導く。同様に、光サーキュレータ２４ｂは、合波器２３ｂにより合波された励起光を下り回線の伝送媒体に供給すると共に、その下り回線の上流側から伝搬されてくるＷＤＭ信号を下流側に導く。
【００６７】
上記構成によれば、各励起光源により生成される励起光は、１つの変調回路により変調されて複数の回線に供給される。したがって、ラマン増幅器の回路構成を簡単にすることができる。また、各励起光源により生成される励起光は、効率的に複数の回線に供給される。
【００６８】
次に、変調された励起光を生成する回路（励起光源１１−１〜１１−８、変調回路１２または２２）の構成を説明する。
図１３は、励起光源１１−１〜１１−８を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成回路の実施例である。なお、この駆動信号生成回路は、例えば、変調回路１２の中に設けられる。
【００６９】
駆動信号生成回路は、周期信号生成回路５１および複数の遅延回路５２ａ〜５２ｍを備える。ここで、周期信号生成回路５１は、変調周波数Ｔの周期波を生成する。なお、周期信号生成回路５１は、図２に示す実施例等においては、５０パーセントのデューティを持った信号を生成する。また、図５および図６に示す実施例においては、それぞれ、３３パーセントおよび２５パーセントのデューティを持った信号を生成する。
【００７０】
遅延回路５２ａ〜５２ｍは、周期信号生成回路５１から出力される信号または前段の遅延回路から出力される信号を遅延させる。ここで、各遅延回路５２ａ〜５２ｍの遅延時間は、例えば、図２に示す実施例の場合は、「Ｔ／６」であり、図６に示す実施例では、「Ｔ／４」である。そして、周期信号生成回路５１から出力される周期信号は駆動信号として励起光源１１−１に与えられ、遅延回路５２ａ〜５２ｍから出力される各遅延信号は駆動信号として対応する励起光源１１−２〜１１−８に与えられる。
【００７１】
図１４は、励起光を変調する方法の実施例である。この実施例では、各励起光源は、それぞれ、図１３を参照しながら説明した駆動信号により駆動される。すなわち、励起光源には、変調周期Ｔで変動する駆動電流が供給される。これにより、励起光源から出力される励起光の周波数は、微小ではあるが、図１５（ａ）に示すように、変調周期Ｔで変動することになる。なお、このとき、励起光源から出力される励起光のパワー変動は小さい。
【００７２】
励起光源から出力された励起光は、フィルタ６１によってフィルタリングされる。フィルタ６１は、図１５（ｂ）に示すように、所定の周波数のみを通過させる。具体的には、フィルタ６１の中心通過周波数は、図１５（ａ）に示す周波数ｆａ（または、周波数ｆｂ）と一致している。また、フィルタ６１の通過帯域幅は、「周波数ｆａ−周波数ｆｂ」の絶対値よりも小さい。すなわち、フィルタ６１は、周波数ｆｂ（または、周波数ｆａ）を実質的に遮断することができる。したがって、変調周期Ｔで強度変調された励起光が得られる。
【００７３】
図１６は、励起光を変調する方法の他の実施例である。なお、この実施例において、励起光源は、図１４に示した実施例と同じ方法で駆動される。従って、この実施例でも、励起光源のから出力される励起光の周波数は、図１５（ａ）に示すように、変調周期Ｔで変動することになる。
【００７４】
励起光源の出力は、インターリーバー６２に与えられる。インターリーバー６２は、複数の通過帯域を持つ光素子であり、それら複数の通過帯域は、周波数に対して周期的に現れる。そして、このインターリーバー６２は、一方の出力端子から図１５（ａ）に示す周波数ｆａの信号を出力し、他方の出力端子から周波数ｆｂの信号を出力する。これにより、変調周期Ｔで強度変調された１組の励起光が得られる。ここで、この１組の変調された励起光は、その位相が互いに反転している。なお、この実施例により生成される１組の変調された励起光は、図１２に示す上り回線および下り回線に供給されるようにしてもよい。
【００７５】
図１７は、励起光を変調する方法のさらに他の実施例である。なお、この実施例では、励起光源は、実質的に一定の駆動電流で駆動される。従って、生成される励起光の周波数は、ほぼ一定である。
【００７６】
生成された励起光は、偏波面制御素子６３に与えられる。偏波面制御素子６３は、変調信号に従って入力光の偏光角を変化させる。なお、この変調信号は、図１３に示す回路により生成される駆動信号と同じものである。また、偏波面制御素子６３は、与えられる変調信号により磁力が制御される電磁石を備えている。そして、偏波面制御素子６３を通過する光の偏波面は、その電磁石により生成される磁力に応じて変化する。従って、偏波面制御素子６３を通過する光の偏波面は、変調信号に従って変化する。
【００７７】
偏波分離器６４は、偏波面制御素子６３から出力される励起光を、互いに直交する成分に分離する。ここで、偏波面制御素子６３から出力される励起光の偏波面は、変調信号に従って変化する。これにより、変調周期Ｔで強度変調された１組の励起光が得られる。したがって、この実施例により生成される１組の変調された励起光も、図１６に示した実施例と同様に、図１２に示す上り回線および下り回線に供給されるようにしてもよい。
【００７８】
次に、励起光を強度変調する際の変調周期の目安について説明する。まず、伝送媒体（すなわち、ラマン増幅媒体としての光ファイバ）の波長分散を考慮して変調周期を算出する。ここでは、光ファイバの波長分散が−６０ｐ秒／ｎｍ／ｋｍ、１組の励起光の間の波長差（ここでは、ラマンシフト周波数に相当する波長差）が１００ｎｍ、及び光ファイバの有効長が２０ｋｍであるものとする。この場合、上記１組の励起光が上記光ファイバを介して伝搬されると、一方の励起光に対して他方の励起光が１２０ｎ秒だけ遅れる。
【００７９】
ここで、この遅延時間は、変調信号のパルス幅（すなわち、励起光が発光状態となっている時間）に対して十分に小さくなっている必要がある。この理由は、以下の通りである。すなわち、実施形態のラマン増幅器では、周波数差がラマンシフト周波数となっている１組の励起光が同時に発光状態にならないように変調が行われるが、波長分散による遅延が発生すると、その遅延時間に相当する期間だけそれら１組の励起光が同時に発光状態になってしまう。そして、それら１組の励起光が同時に発光状態になっている期間は、ポンプツーポンプ現象が発生する。
【００８０】
したがって、例えば、変調信号のデューティが５０パーセントである場合に、波長分散による遅延時間を変調信号のパルス幅の１０分の１とすると、変調信号の周波数は、０．４２ＭＨｚになる。なお、上記シミュレーションでは、光ファイバの有効長を２０ｋｍとして変調信号の周波数を計算したが、大きなラマン利得が得られる領域は、励起光源から数ｋｍの範囲と考えられる。したがって、この範囲を光ファイバの有効長と考えると、変調信号の周波数を数ＭＨｚ程度まで上げることができる。
【００８１】
一方、励起光を変調する変調信号の周期が長くなると、それに伴って伝送媒体（すなわち、ラマン増幅媒体としての光ファイバ）に励起光が供給されない期間も長くなる。従って、もし、変調信号の周期が長すぎると、伝送媒体に励起光が供給されていない期間に信号光がその伝送媒体を通過してしまう。すなわち、この場合、信号光は適切に増幅されないことになる。
【００８２】
そこで、実施形態のラマン増幅器では、励起光を変調する変調信号の周波数の下限値を設定する。具体的には、たとえば、光ファイバの有効長が２０ｋｍであり、且つ光ファイバ中の光の伝搬速度が２×１０８ｍ／秒であるものとすると、その光ファイバに励起光が全く供給されていない期間を生じさせないようにするためには、変調周波数を２０ｋＨｚよりも大きくする必要がある。
【００８３】
（付記１）ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器であって、
ＷＤＭ信号を伝搬する伝送媒体と、
互いに周波数の異なる複数の励起光を生成する励起光源と、
上記複数の励起光を、それぞれ、第１の光レベルおよびその第１の光レベルよりも低い第２の光レベルを含む光信号に変調する変調手段と、
上記変調手段により変調された複数の励起光を上記伝送媒体に導く光ガイド手段、を備え、
上記変調手段は、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっている励起光どうしが同時に上記第１の光レベルにならないように上記複数の励起光を変調することを特徴とするラマン増幅器。
【００８４】
（付記２）ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器であって、
ＷＤＭ信号を伝搬する伝送媒体と、
互いに周波数の異なる複数の励起光を生成する励起光源と、
上記複数の励起光を、それぞれ、第１の光レベルおよびその第１の光レベルよりも低い第２の光レベルを含む光信号に変調する変調手段と、
上記変調手段により変調された複数の励起光を上記伝送媒体に導く光ガイド手段、を備え、
上記変調手段は、上記複数の励起光の中の第１の励起光および第２の励起光の周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっているときに、それら第１の励起光および第２の励起光が同時に上記第１の光レベルにならないように変調動作を行うことを特徴とするラマン増幅器。
【００８５】
（付記３）ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器であって、
ＷＤＭ信号を伝搬する伝送媒体と、
互いに周波数の異なる複数の励起光を生成する励起光源と、
上記複数の励起光をそれぞれ変調する変調手段と、
上記変調手段により変調された複数の励起光を上記伝送媒体に導く光ガイド手段、を備え、
上記変調手段は、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっている励起光どうしの間でエネルギーの受け渡しが行われないように上記複数の励起光を変調することを特徴とするラマン増幅器。
【００８６】
（付記４）付記１または２に記載のラマン増幅器であって、
上記第２の光レベルは、消光状態である。
（付記５）付記１または２に記載のラマン増幅器であって、
上記変調手段による変調周期に対する上記励起光が上記第１の光レベル
になる時間の比率は、５０パーセント以下である。
【００８７】
（付記６）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記利得帯域幅は、ラマンシフト周波数に相当する帯域幅の約２倍である。
（付記７）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記励起光源により生成される複数の励起光は、ラマンシフト周波数のｎ分の１の周波数間隔で配置されている。（ｎは、自然数）
（付記８）付記７に記載のラマン増幅器であって、
上記変調手段は、上記複数の励起光をそれぞれ周期Ｔで且つ互いに同じ変調パターンで強度変調し、それら変調された複数の励起光をＴ／（２×ｎ）ずつ順番に遅延させる。
【００８８】
（付記９）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記伝送媒体は、第１および第２の伝送媒体を含み、
上記変調手段は、上記複数の励起光を、それぞれ、第１の伝送媒体または第２の伝送媒体に交互に導く光スイッチを備えている。
【００８９】
（付記１０）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記励起光源は、それぞれが所定の周期の駆動信号で駆動されることにより上記複数の励起光を生成する複数の発光素子を含み、
上記変調手段は、上記複数の発光素子により生成される複数の励起光からそれぞれ対応する所定の周波数成分を通過させる複数の光フィルタを備える。
【００９０】
（付記１１）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記伝送媒体は、第１および第２の伝送媒体を含み、
上記励起光源は、それぞれが所定の周期の駆動信号で駆動されることにより上記複数の励起光を生成する複数の発光素子を含み、
上記変調手段は、上記複数の発光素子に対してそれぞれ設けられる複数のインターリーバーを備え、
上記複数のインターリーバーが、対応する励起光をそれぞれ上記第１および第２の伝送媒体に導く。
【００９１】
（付記１２）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記伝送媒体は、第１および第２の伝送媒体を含み、
上記変調手段は、
上記複数の励起光の偏波面をそれぞれ所定の周期で変化させる複数の偏波面制御素子と、
上記複数の偏波面制御素子の出力をそれぞれ互いに直交する偏波光に分波する複数の偏波分離器とを備え、
上記複数の偏波分離器により分離された各偏波光がそれぞれ上記第１のおよび第２の伝送媒体に導かれる。
【００９２】
（付記１３）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記変調手段による変調周期は、周波数差がラマン周波数である１組の励起光が上記伝送媒体を伝搬される際の伝搬時間差と比較して十分に長い時間に設定される。
【００９３】
（付記１４）付記１３に記載のラマン増幅器であって、
上記変調周期は、上記伝搬時間差の１０倍以上に設定される。
（付記１５）付記１または２に記載のラマン増幅器であって、
上記変調手段による変調周期は、上記励起光が上記変調周期内で上記第２の光レベルになる時間が、上記励起光が上記伝送媒体を伝搬されるために要する伝搬時間よりも短くなるように設定される。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の励起光を使用してラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器において、励起光間でのエネルギーの受け渡しが小さくなる。この結果、雑音特性の改善および／またはフラットなラマン利得を得るための制御の容易化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のラマン増幅器の構成図である。
【図２】励起光を変調する方法の実施例である。
【図３】励起光周波数とラマン利得との関係を示す図である。
【図４】励起光の位相差と発光状態が重複する時間との関係を説明する図である。
【図５】３３パーセントのデューティで各励起光を変調する場合の実施例である。
【図６】２５パーセントのデューティで各励起光を変調する場合の実施例である。
【図７】変調信号のデューティとポンプツーポンプ量の関係を示す図である。
【図８】公知の変調方法をより広い帯域に拡張した変調方法を示す図である。
【図９】利得帯域幅とポンプツーポンプ量との関係を示す図である。
【図１０】他の変調方法の例を示す図である。
【図１１】さらに他の変調方法の例を示す図である。
【図１２】本発明の他の実施形態のラマン増幅器の構成図である。
【図１３】励起光源を駆動する駆動信号を生成する回路の実施例である。
【図１４】励起光を変調する方法の実施例である。
【図１５】（ａ）は、励起光源の出力を示す図であり、（ｂ）は、フィルタの特性を示す図である。
【図１６】励起光を変調する方法の他の実施例である。
【図１７】励起光を変調する方法のさらに他の実施例である。
【図１８】ラマン増幅器の一例の基本構成図である。
【図１９】ラマン増幅の利得特性を示す図である。
【図２０】ラマン増幅器による増幅動作を説明する図である。
【図２１】ラマン増幅器における波長配置の例を示す図である。
【図２２】ポンプツーポンプ現象による影響を説明する図である。
【図２３】公知の励起光変調方法を示す図である。
【図２４】ラマンシフト周波数に対応する波長領域よりも広い波長領域を増幅する場合の励起光の配置を説明する図である。
【符号の説明】
３ 光ファイバ（−Ｄ）
４ 光ファイバ（＋Ｄ）
５ 中継器
１１−１〜１１−Ｎ 励起光源
１２ 変調回路
１２−１〜１２−Ｎ 変調器
１３ 合波器
１４ 光ガイドデバイス
２１ 変調回路
２２−１〜２２−８ 光スイッチ
２３ａ、２３ｂ 合波器
２４ａ、２４ｂ 光サーキュレータ
６１ 光フィルタ
６２ インターリーバー
６３ 偏波面制御素子
６４ 偏波分離器
【発明の属する技術分野】
本発明は、利得帯域幅の広いラマン増幅器に係わり、特に、ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
大規模な光通信システムにおいては、一般に、光信号を増幅するための光増幅器を含む中継器が伝送路上に設けられている。また、大容量の光通信システムでは、しばしば、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）伝送が利用されており、ＷＤＭ光を増幅する光増幅器として、ラマン増幅器が注目されている。
【０００３】
図１８は、ラマン増幅器の一例の基本構成図である（例えば、SubOptic ‘2001 PD5, H. Nakamotoet al “1.05 Tbit/s WDM Transmission over 8186 KmUsing Distributed Raman Amplifier Repeaters” ）。ラマン増幅では、信号を伝送するための伝送媒体（光ファイバ）が増幅媒体として使用される。そして、ラマン増幅器は、励起光を生成する励起光源１、およびその励起光を増幅媒体として使用される光ファイバ３、４に導くＷＤＭカプラ２を備える。ここで、励起光源１は、例えば、レーザ光源である。また、ラマン増幅においては、一般に、増幅媒体として使用される光ファイバのコア径が小さいほどラマン利得が大きくなる。従って、図１８に示すラマン増幅器においては、コア径が小さく且つ負の分散を持った光ファイバ（−Ｄ）３が設けられている。
【０００４】
上記構成のラマン増幅器において、光ファイバ（＋Ｄ）４を介して伝送される信号（ＷＤＭ光）は、光ファイバ（−Ｄ）３を通過する。このとき、光ファイバ（−Ｄ）３には、励起光が供給されている。即ち、光ファイバ（−Ｄ）３は、増幅媒体として作用する。したがって、上記信号光は、光ファイバ（−Ｄ）３において増幅される。なお、ラマン増幅器は、現在最も普及している光増幅器であるエルビウム添加ファイバ光増幅器（ＥＤＦＡ）と比較すると、雑音が小さく、より広い利得帯域が得られる。
【０００５】
図１９は、ラマン増幅の利得特性を示す図である。ここで、この例は、１μｍの波長を持った励起光が石英系光ファイバに与えられたときの利得特性を示している。
【０００６】
ラマン増幅においては、光ファイバに励起光が与えられると、その光ファイバは、励起光の周波数から所定の周波数だけシフトした周波数の光を増幅する増幅媒体として作用する。具体的には、図１９に示すように、光ファイバにおけるラマン利得は、励起光周波数からの周波数シフト量が増えるに従って概ねリニアに大きくなっていき、励起光周波数よりも約１３．２ＴＨｚだけ低い周波数においてピークが得られる（石英系ファイバの場合）。そして、励起光周波数からの周波数シフト量が１３．２ＴＨｚを越えると、そのラマン利得は急速に小さくなっていく。なお、以下では、与えられた励起光の周波数と、その励起光に起因して得られるラマン利得がピークとなる周波数との差分を、ラマンシフト周波数と呼ぶことにする。すなわち、ラマンシフト周波数は、約１３．２ＴＨｚである。
【０００７】
図２０は、ラマン増幅器による増幅動作を説明する図である。ここでは、励起光が信号光の伝搬方向と逆方向に伝搬される後方励起方式が採用されているものとする。
【０００８】
図２０において、送信局または前段の中継器は、所定の光パワー（ここでは、−８．２ｄＢｍ／ｃｈ）の信号光を出力する。この場合、この信号光の光パワーは、伝搬距離が長くなるにつれて徐々に減衰していく。そして、ラマン利得が無かったとすると、中継器５に到着した信号光の光パワーは、−１８．５ｄＢｍ／ｃｈまで減衰している。したがって、ラマン増幅器が無いものとすると、中継器５の出力パワーを−８．２ｄＢｍ／ｃｈにするためには、エルビウム添加ファイバ光増幅器等を用いて１０ｄＢ程度の利得を得る必要がある。ここで、エルビウム添加ファイバ増幅器を用いた場合、伝送路中の光信号パワーレベルが−１８．５ｄＢｍまで低下するのに対し、ラマン増幅器を用いる場合は−１３．７ｄＢｍまでしか低下しない。このように、ラマン増幅器を用いることで雑音特性を改善させることができる。
【０００９】
図２１は、ラマン増幅器における波長配置の例を示す図である。この例では、互いに周波数の異なる複数の励起光を利用してラマン増幅が行われる。即ち、このラマン増幅器は、互いに波長の異なる複数の励起光λ１〜λ４を利用する。そして、ラマン増幅においては、図１９を参照しながら説明したように、励起光周波数から約１３．２ＴＨｚシフトした周波数領域に利得のピークが現れる。ここで、１５５０ｎｍ帯では、１３．２ＴＨｚは、波長に換算すると、約１００ｎｍに相当する。したがって、このラマン増幅器においては、各励起光波長から約１００ｎｍシフトした波長領域に利得のピークが現れる。そして、これら複数の励起光λ１〜λ４による利得が合成されると、広い利得帯域（この例では、約１００ｎｍ）が得られる。
【００１０】
しかし、ラマン増幅では、図１９を参照しながら説明したように、励起光周波数からの周波数シフトが１３．２ＴＨｚよりも小さい領域であってもある程度の利得が得られる。すなわち、ラマン増幅では、励起光波長からの波長シフトが１００ｎｍよりも小さい領域であっても利得が得られる。このため、複数の励起光を利用するラマン増幅器では、波長の短い励起光によって波長の長い励起光が増幅される現象が発生し得る。なお、以下では、この現象のことを、ポンプツーポンプ（pump-to-pump）と呼ぶことがある。
【００１１】
ポンプツーポンプ現象が発生すると、長波長側の励起光（励起される側の励起光）の光パワーは大きくなるが、短波長側の励起光（励起する側の励起光）の光パワーはその分だけ小さくなってしまう。この結果、短波長側の信号光（主に、短波長側の励起光によって増幅されていた信号光）のラマン増幅による雑音特性改善効果は低下してしまう。以下に説明する。
【００１２】
図２２（ａ）および図２２（ｂ）は、ポンプツーポンプ現象による影響を説明する図である。図２２（ａ）は、ポンプツーポンプ現象が発生していない場合の信号光パワーの様子を示している。なお、この場合のラマン増幅動作は、図２０を参照しながら説明した通りである。一方、図２２（ｂ）は、ポンプツーポンプ現象が発生している場合の信号光パワーの様子を示している。ここで、ポンプツーポンプ現象が発生しているときは、短波長側の励起光のエネルギーの一部は、長波長側の励起光を増幅するために使用される。このため、ポンプツーポンプ現象が発生しているラマン増幅器において、ポンプツーポンプ現象が発生していない場合と同じように信号光を増幅するためには、励起光の光パワーを高くする必要がある。このため、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）に起因する雑音が大きくなり、雑音特性が劣化してしまう。また、ポンプツーポンプ現象が発生している場合は、ファイバ長５０ｋｍ付近で急速に光パワーレベルを上げるため、ファイバ内での光パワーレベルの下限が小さくなり、上述の雑音特性改善効果が非常に小さくなる。
【００１３】
さらに、ポンプツーポンプ現象によって各励起光の光パワーが変化すると、信号光を伝送するための波長領域の利得が平坦にならず、各信号光の光パワーを均一にすることが困難になる。その上、短波長側の励起光のエネルギーの一部が長波長側の励起光によって吸収されるので、短波長側の励起光の光パワーを予め十分に大きくしておく必要がある。このため、光パワーが互いに極端に異なる複数の励起光を合波する必要あるので、そのための構成が複雑になってしまう。
【００１４】
このような状況において、上述した問題に対処するために、各励起光をそれぞれ適切に変調することによってポンプツーポンプ現象を抑制する方法が提案されている。（例えば、非特許文献１）
図２３は、非特許文献１に記載されている公知の励起光変調方法を示す図である。図２３において、横軸は時間を表し、縦軸は光パワーレベルを表す。このラマン増幅器においては、短波長側励起光（励起光１（１４２３ｎｍ）および励起光２（１４４４ｎｍ））、および長波長側励起光（励起光３（１４６４ｎｍ）および励起光４（１４９５ｎｍ））が使用されている。そして、各励起光は、それぞれ、５０パーセントのデューティで変調されている。
【００１５】
ここで、短波長側励起光および長波長側励起光は、互いに逆位相になるように変調されている。すなわち、短波長側励起光が発光状態となっている期間は、長波長側励起光は消光状態となっており、短波長側励起光が消光状態となっている期間は、長波長側励起光は発光状態となっている。このため、光伝送路における波長分散を無視するものとすると、短波長側励起光と長波長側励起光との間でポンプツーポンプ現象は発生しない。一方、同じグループに属する励起光の位相は互いに同じである。すなわち、励起光１、２の位相は互いに同じであり、励起光３、４の位相は互いに同じである。このため、同じグループに属する励起光どうしの間では、それぞれポンプツーポンプ現象が発生し得る。しかし、同一グループに属する励起光の波長差は、２０〜３０ｎｍ程度であり、それらの励起光間でのエネルギーの受渡しは小さい。したがって、図２３に示すような励起光変調が行われると、全体として、ポンプツーポンプ現象が抑制される。
【００１６】
【非特許文献１】
OFC 2002, WB4 C.R.S.Fludger et al., “Novel Ultra-broadband High Performance Distributed Raman AmplifierEmploying Pump Modulation”（Fig.１）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ＷＤＭ信号のさらなる大容量化が望まれており、信号光を配置するための波長領域が１００ｎｍよりも広い光伝送システムの開発が進められている。そして、このようなシステムでは、図２４に示すように、ラマンシフト周波数に対応する波長領域よりも広い波長領域にわたって複数の励起光を適切に配置する必要がある。
【００１８】
しかし、非特許文献１は、信号光を配置するための波長領域が、ラマンシフト周波数に対応する波長領域よりも狭いことを前提として記載されている。このため、非特許文献１に記載の方法を、信号光を配置するための波長領域がラマンシフト周波数に対応する波長領域よりも広いラマン増幅器に適用使用とすると、ポンプツーポンプ現象を適切に抑制できず、良好な雑音特性が得られないものと推測される。すなわち、信号光を配置するための波長領域がラマンシフト周波数に対応する波長領域よりも広い場合、公知の技術によっては、ポンプツーポンプ現象に起因する雑音を十分に抑制できていなかった。
【００１９】
本発明の目的は、ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器の雑音特性を改善することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明のラマン増幅器は、ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器であって、ＷＤＭ信号を伝搬する伝送媒体、互いに周波数の異なる複数の励起光を生成する励起光源、上記複数の励起光をそれぞれ第１の光レベルおよびその第１の光レベルよりも低い第２の光レベルを含む光信号に変調する変調手段、および上記変調手段により変調された複数の励起光を上記伝送媒体に導く光ガイド手段、を備える。そして、上記変調手段は、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっている励起光どうしが同時に上記第１の光レベルにならないように上記複数の励起光を変調する。
【００２１】
ラマン増幅器の利得帯域幅をラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広くするためには、ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い領域に渡って複数の励起光を配置する必要がある。このため、ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器においては、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になる励起光組が必然的に存在する。一方、励起光間のエネルギーの受け渡しは、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっている場合に最大になる。また、励起光間のエネルギーの受け渡しは、それらの励起光の光レベルが高いほど大きくなる。従って、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっている励起光どうしが同時に高い光レベル（すなわち、上記第１の光レベル）にならないようにすれば、励起光間のエネルギーの受け渡しを抑えることができる。
【００２２】
上記ラマン増幅器において、上記伝送媒体が第１および第２の伝送媒体を含む場合には、上記変調手段は、上記複数の励起光をそれぞれ第１の伝送媒体または第２の伝送媒体に交互に導く光スイッチを備えるように構成されてもよい。この構成によれば、励起光源により生成される励起光を効率的に利用することができる。複数のＷＤＭ光を並列に増幅することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態のラマン増幅器の構成図である。なお、図１に示す光ファイバ（−Ｄ）３および光ファイバ（＋Ｄ）４は、それぞれ、図１８に示した既存のシステムにおける光ファイバを利用することができる。すなわち、光ファイバ（＋Ｄ）４は、伝送路を構成する伝送媒体としての光ファイバである。また、光ファイバ（−Ｄ）３は、光ファイバ（＋Ｄ）４よりもコア径の小さい負分散の光ファイバである。そして、光ファイバ（−Ｄ）３は、信号光を伝搬する伝送媒体であると共に、その信号光を増幅する増幅媒体として作用する。
【００２４】
励起光源１１−１〜１１−８は、互いに周波数の異なる複数の励起光を生成する。すなわち、励起光源１１−１〜１１−８は、互いに波長の異なる複数の励起光を生成する。なお、励起光源１１−１〜１１−８は、それぞれ、例えば、レーザ光源により実現される。
【００２５】
変調回路１２は、変調器１２−１〜１２−８を備え、励起光源１１−１〜１１−８により生成される励起光を変調する。なお、ここでは、光源と変調器とを分けて記述しているが、変調の方法としては、光源の駆動電流を変調する直接変調であってもよい。合波器１３は、変調回路１２により変調された複数の励起光を合波する。なお、合波器１３は、例えば、ＷＤＭカプラにより実現される。そして、光ガイドデバイス１４は、合波器１３により合波された複数の励起光を光ファイバ（−Ｄ）３に導く。ここで、光ガイドデバイス１４は、例えば、ＷＤＭカプラまたは光サーキュレータにより実現される。上記構成により、互いに周波数の異なる複数の励起光が増幅媒体（ここでは、主に、光ファイバ（−Ｄ）３）に与えられる。すなわち、互いに波長の異なる複数の励起光が増幅媒体に与えられる。
【００２６】
なお、図１に示すラマン増幅器は、８個の励起光源１１−１〜１１−８および８個の変調器１２−１〜１２−８を備える構成であるが、励起光源および変調器の数は特に限定されるものではない。また、図１に示すラマン増幅器は、後方励起構成であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、前方励起構成であってもよい。さらに、中継区間は、１組の正分散ファイバ（＋Ｄ）および負分散ファイバ（−Ｄ）の組合せに限定されるものではなく、１種類の光ファイバで構成されてもよいし、１または複数の正分散ファイバ（＋Ｄ）および１または複数の負分散ファイバ（−Ｄ）の組合せにより構成されてもよい。
【００２７】
上記構成のラマン増幅器において、光ファイバ（＋Ｄ）４を介して伝送される信号光（ＷＤＭ光）は、光ファイバ（−Ｄ）３を通過する。このとき、光ファイバ（−Ｄ）３には、励起光が供給されている。すなわち、光ファイバ（−Ｄ）３は、増幅媒体として作用する。従って、上記信号光は、光ファイバ（−Ｄ）３において増幅される。
【００２８】
図２は、励起光を変調する方法の実施例である。なお、この例では、励起光源１１−１〜１１−８により、互いに周波数の異なる励起光１〜励起光８（ＰＵＭＰ１〜ＰＵＭＰ８）が生成される。ここで、各励起光の周波数は、ラマンシフト周波数を基準として決定される。即ち、ラマンシフト周波数を「ΔｆRaman 」と表すものとすると、励起光を配置する際の波長間隔Δｆpumpは、下記の式で表される。
【００２９】
Δｆpump＝ΔｆRaman／ｎ （ｎは、自然数）
なお、「ラマンシフト周波数」とは、上述したように、光ファイバに与えられた励起光の周波数とその励起光に起因して得られるラマン利得がピークになる周波数との差分を意味し、約１３．２ＴＨｚである。したがって、上記関係式においてｎ＝３とすると、励起光１〜励起光８は、約４．４ＴＨｚ間隔で配置されることになる。そして、このとき、励起光１と励起光４との間の周波数差、励起光２と励起光５との間の周波数差、励起光３と励起光６との間の周波数差、励起光４と励起光７との間の周波数差、および励起光５と励起光８との間の周波数差は、それぞれ、ラマンシフト周波数である。
【００３０】
励起光１〜励起光８は、それぞれ、所定の変調周期Ｔで変調される。ここで、変調周期Ｔは、特に限定されるものではないが、例えば、１００ｋＨｚ程度である。また、各励起光は、変調周期Ｔで第１の光レベルおよび第２の光レベルを交互に繰り返すように変調される。第１の光レベルは、発光状態に相当する光レベルである。一方、第２の光レベルは、消光状態または第１の光レベルよりも弱い発光状態に相当する光レベルである。ただし、以下では、説明を簡単にするために、第１の光レベルおよび第２の光レベルは、それぞれ、発光状態および消光状態であるものとする。すなわち、各励起光は、それぞれ、変調周期Ｔで発光状態および消光状態を交互に繰り返すように変調される。さらに、変調信号のデューティは、５０パーセントである。すなわち、励起光が発光状態となる時間は、変調周期Ｔの５０パーセントである。
【００３１】
なお、上述の変調が行われると、光ファイバに実際に励起光が供給される時間は、励起光が連続光（ＣＷ：Continuous Wave ）であるときと比較すると、その２分の１になる。したがって、励起光として連続光が使用されるときと同じ励起エネルギーを光ファイバに供給するためには、変調された励起光が発光状態のときの光パワーを、励起光が連続光である場合の光ピークパワーを２倍にする必要が生じる。
【００３２】
変調回路１２は、励起光１を基準にして、励起光２〜励起光８を順番にＴ／６ずつ遅延させる。すなわち、励起光２、３、４、５、６、７、８の変調信号は、それぞれ、励起光１の変調信号をＴ／６、２Ｔ／６、３Ｔ／６、４Ｔ／６、５Ｔ／６、６Ｔ／６、７Ｔ／６だけ遅延させることにより得られる。
【００３３】
この結果、励起光１の変調信号および励起光４の変調信号は、互いに位相が反転した状態になる。すなわち、励起光１が発光状態のときは励起光４は消光状態であり、励起光１が消光状態のときは励起光４は発光状態である。さらに換言すれば、励起光１および励起光４は、同時に発光状態にならないように制御されている。なお、この関係は、励起光２と励起光５との間、励起光３と励起光６との間、励起光４と励起光７との間、励起光５と励起光８との間においても同様である。このように、実施形態のラマン増幅器では、周波数差がラマンシフト周波数となっている各励起光ペア（実施例では、励起光１と励起光４、励起光２と励起光５、励起光３と励起光６、励起光４と励起光７、励起光５と励起光８）が、同時に発光状態にならないように制御されている。
【００３４】
なお、この実施例では、周波数差がラマンシフト周波数となっている１組の励起光が同時に発光状態にならないように制御される。しかし、同時に発光状態にならないように制御すべき１組の励起光の周波数差は、必ずしも厳密にラマンシフト周波数に一致している必要はなく、実質的にラマンシフト周波数とみなせる範囲であればよい。例えば、光ファイバに与えられた第１の励起光に起因して得られるラマン利得がそのピーク利得に近くなるような周波数領域に第２の励起光が配置されるときは、上記第１の励起光および第２の励起光が同時に発光状態にならないように制御してもよい。
【００３５】
次に、上記ラマン増幅器においてポンプツーポンプ現象が抑制されることを説明する。
図３は、励起光周波数とラマン利得との関係を示す図である。図３において、励起光Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・は、励起光源１１−１〜１１−８により生成される複数の励起光に相当し、４．４ＴＨｚ（ラマンシフト周波数の３分の１）間隔で配置されている。また、励起光Ａは、ポンプツーポンプ現象を考える際の基準励起光である。例えば、励起光Ａが励起光１であるものとすると、励起光Ｂ、Ｃ、Ｄ、・・・は励起光２、３、４、・・・に相当する。或いは、励起光Ａが励起光２であるものとすると、励起光Ｂ、Ｃ、Ｄ、・・・は励起光３、４、５、・・・に相当する。さらに、図３において、ラマン利得は、励起光Ａが与えられたときにその励起光Ａの周波数からラマンシフト周波数だけシフトした周波数帯におけるラマン利得が「１」になるように正規化されている。すなわち、図３において、ラマン利得は、励起光Ａが与えられたときの最大利得を基準として正規化されている。以下では、このような前提の下でポンプツーポンプ現象の抑制効果について説明する。
【００３６】
まず、各励起光が連続光であるものとする。そして、複数の励起光の中のある１つの励起光（図３では、励起光Ａ）に係わるポンプツーポンプ量について考える。ここで、「ポンプツーポンプ量」は、励起光間で受け渡されるエネルギーに相当し、ラマン利得に比例するものとする。
【００３７】
図３において、励起光Ａからラマンシフト周波数だけシフトした周波数には、励起光Ｄが配置されている。したがって、励起光Ａと励起光Ｄとの間のポンプツーポンプ量が最大になる。以下では、この最大ポンプツーポンプ量を「１」を定義する。そして、この場合、励起光Ａと励起光Ｂとの間のポンプツーポンプ量は「０．３０」であり、励起光Ａと励起光Ｃとの間のポンプツーポンプ量は「０．６２」である。なお、図３に示すように、励起光Ａが与えられたときのラマン利得は、その励起光Ａからの周波数差がラマンシフト周波数よりも大きくなると、急激に小さくなる。このため、励起光Ａに係わるポンプツーポンプ量は、その励起光Ａからの周波数差がラマンシフト周波数よりも大きな励起光との間では、かなり小さな値になる。したがって、以下では、説明を簡単にするために、周波数差がラマンシフト周波数よりも大きな励起光間のポンプツーポンプ量は、無視するものとする（ゼロであるものとする）。
【００３８】
そして、上記条件の下で、各励起光が連続光であった場合における、任意の１つの励起光に係わるポンプツーポンプ量は、下記のように算出される。
ポンプツーポンプ量＝０．３０＋０．６２＋１＝１．９２
続いて、図２に示す変調を利用した場合の任意の１つの励起光（ここでは、励起光１）に係わるポンプツーポンプ量を算出する。各励起光が変調された状態では、任意の１組の励起光が共に発光状態である時間は、その組合せによって異なる。すなわち、図４に示すように、励起光間の位相差が大きくなると、それらの励起光が共に発光状態となる時間が短くなり、それらの励起光間で受け渡されるエネルギーも小さくなる。例えば、図２に示す変調が行われる場合は、励起光１および励起光２が共に発光状態となる時間は、変調周期Ｔの中で「Ｔ／３」だけである。また、励起光１および励起光３が共に発光状態となる時間は変調周期Ｔの中で「Ｔ／６」だけであり、励起光１および励起光４が共に発光状態となる時間は「０」である。
【００３９】
したがって、この場合、励起光１に係わるポンプツーポンプ量は、下記のように算出される。
ポンプツーポンプ量＝２×｛（０．３０×１／３）＋（０．６２×１／６）＋（１×０）｝＝０．４１
このように、図２に示すようにして各励起光を変調すれば、１つの励起光に係わるポンプツーポンプ量は、励起光として連続光を使用する場合の２０パーセント程度に抑えることができる。ここで、右辺に「２」をかけているのは、デューティを５０パーセントとしているため、所要の光ピークパワーが２倍になるためである。
【００４０】
なお、図２に示す例では、変調信号のデューティを５０パーセントとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。以下、図５および図６を参照しながら、変調信号のデューティが３３パーセントの場合、および２５パーセントの場合を説明する。
【００４１】
図５は、３３パーセントのデューティで各励起光を変調する場合の実施例である。なお、励起光１と励起光４との間、励起光２と励起光５との間、励起光３と励起光６との間、励起光４と励起光７との間、および励起光５と励起光８との間の各周波数差がそれぞれラマンシフト周波数である点は、図２に示した例と同じである。また、励起光１〜励起光８の位相が、Ｔ／６ずつ順番に遅延している点も図２に示した例と同じである。ただし、変調された励起光が発光状態のときの光ピークパワーは、励起光が連続光である場合の光ピークパワーの３倍である。
【００４２】
ここで、１つの励起光に係わるポンプツーポンプ量を算出する。まず、励起光１および励起光２が共に発光状態となる時間は、変調周期Ｔの中で「Ｔ／６」だけである。また、励起光１および励起光３が共に発光状態となる時間、および励起光１および励起光４が共に発光状態となる時間は、それぞれ「０」である。従って、励起光１に係わるポンプツーポンプ量は、下記のように算出される。
【００４３】
ポンプツーポンプ量＝３×｛（０．３０×１／６）＋（０．６２×０）＋（１×０）｝＝０．１５
このように、図５に示すようにして３３パーセントのデューティで各励起光を変調すれば、１つの励起光に係わるポンプツーポンプ量は、励起光として連続光を使用する場合の１０パーセント以下に抑えることができる。すなわち、変調信号のデューティを低くすることにより、ポンプツーポンプ量がさらに抑制されることになる。
【００４４】
図６は、２５パーセントのデューティで各励起光を変調する場合の実施例である。なお、励起光１と励起光４との間、励起光２と励起光５との間、励起光３と励起光６との間、励起光４と励起光７との間、および励起光５と励起光８との間の各周波数差がそれぞれラマンシフト周波数である点は、図２に示した例と同じである。ただし、励起光１〜励起光８の位相は、Ｔ／４ずつ順番に遅延させている。また、変調された励起光が発光状態のときの光パワーは、励起光が連続光である場合の光パワーの４倍である。
【００４５】
この場合、励起光１が発光状態の期間は、励起光２、３、４はいずれも消光状態になっている。したがって、励起光１に係わるポンプツーポンプ量は、ゼロになる。
【００４６】
このように、図６に示すようにして２５パーセントのデューティで各励起光を変調すれば、１つの励起光に係わるポンプツーポンプ量は、周波数差がラマンシフト周波数よりも大きな励起光間のポンプツーポンプ量を無視すると共に、伝送路上での波長分散を無視するものとすると、ゼロになる。すなわち、１つの励起光に係わるポンプツーポンプ量は、図７に示すように、変調信号のデューティを小さくすることにより、抑制することができる。ただし、変調信号のデューティを小さくする場合には、それに応じて励起光が発光状態のときの光ピークパワーを大きくする必要があるので、雑音特性が劣化するおそれがあるとともに、光出力の大きな光源を用意する必要がある。したがって、変調信号のデューティは、ポンプツーポンプ量と雑音とのバランスが最適化されるように決定されるようにしてもよい。
【００４７】
なお、励起光を変調するための変調信号のデューティが５０パーセントを越えると、周波数差がラマンシフト周波数となっている１組の励起光が同時に発光状態にならないようにすることが出来なくなる。しかし、そのような場合であっても、図７に示すように、励起光として連続光を使用した場合と比較すれば、ポンプツーポンプ量は抑制される。
【００４８】
次に、ラマン増幅器全体のポンプツーポンプ量について検討する。ここでは、このラマン増幅器は、３０．８ＴＨｚの帯域の中に励起光１〜励起光８が等間隔で配置されており、その利得帯域幅は約２３０ｎｍであるものとする。また、励起光１〜励起光８は、図２に示すように変調されるものとする。なお、以下の説明においても、説明を簡単にするために、周波数差がラマンシフト周波数よりも大きな励起光間のポンプツーポンプ量は、無視するものとする。
励起光１について
励起光２との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
励起光３との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×１／６＝０．２０
励起光４との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／６＝０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／３＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／３＝０
励起光２について
励起光３との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
励起光４との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×１／６＝０．２０
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／６＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／３＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光３について
励起光４との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×１／６＝０．２０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／６＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／３＝０
励起光４について
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×１／６＝０．２０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／６＝０
励起光５について
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×１／６＝０．２０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光６について
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×１／６＝０．２０
励起光７について
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／３＝０．２０
したがって、この場合、ラマン増幅器全体のポンプツーポンプ量は「２．６」になる。
【００４９】
ここで、実施形態のラマン増幅器と上述した非特許文献１に記載されているラマン増幅器とを比較する。ただし、非特許文献１に記載のラマン増幅器においては、利得帯域幅がラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも狭いことを前提としている。したがって、以下では、非特許文献１に記載されている変調方法を単純に拡張した構成と比較する。
【００５０】
図８は、非特許文献１に記載されている変調方法をより広い帯域に拡張した変調方法を示す図である。なお、ここでは、本発明と非特許文献１との比較を容易にするために、励起光１〜８は、４．４ＴＨｚ間隔で配置されるものとする。
【００５１】
非特許文献１に記載の変調方法では、励起光１および励起光２が互いに同じ位相であり、励起光３および励起光４が互いに同じ位相である。そして、励起光１および励起光２が発光状態のときに励起光３および励起光４が消光状態になり、励起光１および励起光２が消光状態のときに励起光３および励起光４が発光状態になるように変調されている。したがって、この変調方法を８波の励起光１〜８に拡張すると、図８に示すように、励起光１、２、５、６が発光状態のときに励起光３、４、７、８が消光状態になり、励起光１、２、５、６が消光状態のときに励起光３、４、７、８が発光状態になるように変調されることになる。
【００５２】
このモデルを利用してラマン増幅器全体のポンプツーポンプ量を計算すると以下の結果が得られる。なお、以下の説明においても、周波数差がラマンシフト周波数よりも大きな励起光間のポンプツーポンプ量を無視するものとする。
励起光１について
励起光２との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／２＝０．３０
励起光３との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×０＝０
励起光４との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０×０＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×０＝０
励起光２について
励起光３との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×０＝０
励起光４との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×０＝０
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×１×１／２＝１．０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０×０＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×０＝０
励起光３について
励起光４との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／２＝０．３０
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×０＝０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光４について
励起光５との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×０＝０
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×０＝０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×１×１／２＝１．０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０×１／２＝０
励起光５について
励起光６との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／２＝０．３０
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×０＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×１×０＝０
励起光６について
励起光７との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×０＝０
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０．６２×０＝０
励起光７について
励起光８との間のポンプツーポンプ量＝２×０．３０×１／２＝０．３０
したがって、この場合、ラマン増幅器全体のポンプツーポンプ量は「３．２」になる。
【００５３】
このように、非特許文献１に記載の方式を拡張した構成では、本発明の実施形態の構成と比べて、ポンプツーポンプ量が大きくなることが予測される。この理由は、非特許文献１に記載の方式を拡張した構成においては、例えば、励起光２と励起光５との間の周波数差がラマンシフト周波数であるのもかかわらず、それらの励起光の位相が互いに一致していることに起因する。なお、この関係は、励起光４と励起光７との間にも当てはまる。
【００５４】
これに対して、本発明の実施形態のラマン増幅器では、周波数差がラマンシフト周波数である励起光が同時に発光状態にならないように各励起光が変調されているので、ポンプツーポンプ現象が抑制されている。そして、ポンプツーポンプ現象が抑制されるので、ラマン増幅における雑音特性が改善される。また、広い帯域にわたって一定の利得を得るための複数の励起光のパワーの制御が容易になる。すなわち、利得チルドの制御が容易になる。
【００５５】
図９は、利得帯域幅とポンプツーポンプ量との関係を示す図である。なお、図９では、４波の励起光が４．４ＴＨｚ間隔で配置された場合であって、各励起光がそれぞれ連続光である場合のポンプツーポンプ量を「１」として正規化されている。
【００５６】
「特性１」は、本発明の実施形態のラマン増幅器におけるポンプツーポンプ量を示している。一方、「特性２」は、非特許文献１に記載の方式を拡張した構成のラマン増幅器におけるポンプツーポンプ量を示している。このように、利得帯域幅が広くなるにつれて、実施形態のラマン増幅器の優位性が顕著になる。
【００５７】
また、「特性３」および「特性４」は、それぞれ、実施形態ラマン増幅器において、変調信号のデューティを３３パーセントにした場合、および変調信号のデューティを２５パーセントにした場合のポンプツーポンプ量を示している。このように、各励起光の発光時間が短くなると、ポンプツーポンプ現象がさらに抑制される。
【００５８】
ところで、上述の実施例では、複数の励起光が４．４ＴＨｚ間隔で配置される構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ラマンシフト周波数を「ΔｆRaman 」と表すものとすると、励起光を配置する際の波長間隔Δｆpumpは、下記の式で表される。
【００５９】
Δｆpump＝ΔｆRaman／ｎ （ｎは、自然数）
図１０は、上記関係式において、「ｎ＝４」とした場合の変調方法を示す図である。この場合、励起光１〜励起光８は、３．３ＴＨｚ間隔で順番に配置される。したがって、この変調方法においては、励起光１と励起光５との間、励起光２と励起光６との間、励起光３と励起光７との間、励起光４と励起光８との間の周波数差が、それぞれラマンシフト周波数になっている。一方、励起光１〜励起光８は、変調周期の８分の１の時間ずつ順番に遅延している。この結果、周波数差がラマンシフト周波数となっている励起光が同時に発光状態にならないようになっている。
【００６０】
なお、上記関係式において「ｎ＝３」の場合は、図２を参照しながら説明したように、励起光１〜励起光８は、変調周期の６分の１に相当する時間ずつ順番に遅延している。また、上記関係式において「ｎ＝４」の場合は、図１０を参照しながら説明したように、励起光１〜励起光８は、変調周期の８分の１に相当する時間ずつ順番に遅延している。したがって、励起光の波長間隔と遅延時間との関係は、下記の式で表される。
【００６１】
励起光１に対する励起光ｉの遅延時間＝Ｔ×（ｉ−１）／（２×ｎ）
なお、この関係式は、励起光の周波数が等間隔で配置されていることを前提としている。したがって、励起光の周波数が非等間隔で配置されている場合は、各励起光の遅延時間もその配置に応じて設定される。
【００６２】
また、複数の励起光は、下記の関係式に従って配置されるようにしてもよい。
Δｆpump＝ΔｆRaman／（ｎ＋０．５） （ｎは、自然数）
図１１は、さらに他の変調方法を示す図である。この変調方法では、励起光１〜励起光８が複数種類の変調信号を用いて変調されている。ただし、この場合であっても、周波数差がラマンシフト周波数である１組の励起光は、互いに逆位相の変調信号により変調される。例えば、図１１において、励起光１および励起光４は、励起光１が発光状態のときに励起光４が消光状態になり、励起光１が消光状態のときに励起光４が発光状態になるように変調されている。そして、この関係は、励起光２と励起光５との間、励起光３と励起光６との間、励起光４と励起光７との間、励起光５と励起光８との間においても満たされている。
【００６３】
図１２は、本発明の他の実施形態のラマン増幅器の構成図である。このラマン増幅器は、１組の伝送路（例えば、上り回線および下り回線）に励起光を供給してそれら１組の伝送路を介して伝送されるＷＤＭ信号を増幅する。
【００６４】
励起光源１１−１〜１１−８は、互いに周波数の異なる励起光１〜励起光８を生成する。変調回路２１は、光スイッチ２２−１〜２２−８を備え、励起光１〜励起光８を変調する。
【００６５】
光スイッチ２２−１〜２２−８は、それぞれ、不図示の制御回路から与えられる変調信号に従って、対応する励起光源１１−１〜１１−８により生成された励起光１〜励起光８を合波器２３ａまたは２３ｂに導く。具体的には、各光スイッチ２２−１〜２２−８は、それぞれ「入力光を合波器２３ａに導く状態」「入力光を合波器２３ｂに導く状態」および「無出力状態」の中のいずれか１つの状態に制御される。例えば、図２に示したようなデューティが５０パーセントの励起光を上り回線および下り回線に供給する場合は、各光スイッチ２２−１〜２２−８は、それぞれ「入力光を合波器２３ａに導く状態」および「入力光を合波器２３ｂに導く状態」が交互に同じ時間ずつ現れるように制御される。また、光スイッチ２２−１〜２２−８に与えられる変調信号は、その位相が所定時間ずつ順番に遅延している。例えば、図２に示す変調方法においては、光スイッチ２２−１〜２２−８に与えられる変調信号は、変調周期の６分の１に相当する時間ずつ順番に遅延している。
【００６６】
合波器２３ａおよび２３ｂは、それぞれ、変調回路２２により変調された励起光１〜８を合波して光サーキュレータ２４ａおよび２４ｂに導く。光サーキュレータ２４ａは、合波器２３ａにより合波された励起光を上り回線の伝送媒体に供給すると共に、その上り回線の上流側から伝搬されてくるＷＤＭ信号を下流側に導く。同様に、光サーキュレータ２４ｂは、合波器２３ｂにより合波された励起光を下り回線の伝送媒体に供給すると共に、その下り回線の上流側から伝搬されてくるＷＤＭ信号を下流側に導く。
【００６７】
上記構成によれば、各励起光源により生成される励起光は、１つの変調回路により変調されて複数の回線に供給される。したがって、ラマン増幅器の回路構成を簡単にすることができる。また、各励起光源により生成される励起光は、効率的に複数の回線に供給される。
【００６８】
次に、変調された励起光を生成する回路（励起光源１１−１〜１１−８、変調回路１２または２２）の構成を説明する。
図１３は、励起光源１１−１〜１１−８を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成回路の実施例である。なお、この駆動信号生成回路は、例えば、変調回路１２の中に設けられる。
【００６９】
駆動信号生成回路は、周期信号生成回路５１および複数の遅延回路５２ａ〜５２ｍを備える。ここで、周期信号生成回路５１は、変調周波数Ｔの周期波を生成する。なお、周期信号生成回路５１は、図２に示す実施例等においては、５０パーセントのデューティを持った信号を生成する。また、図５および図６に示す実施例においては、それぞれ、３３パーセントおよび２５パーセントのデューティを持った信号を生成する。
【００７０】
遅延回路５２ａ〜５２ｍは、周期信号生成回路５１から出力される信号または前段の遅延回路から出力される信号を遅延させる。ここで、各遅延回路５２ａ〜５２ｍの遅延時間は、例えば、図２に示す実施例の場合は、「Ｔ／６」であり、図６に示す実施例では、「Ｔ／４」である。そして、周期信号生成回路５１から出力される周期信号は駆動信号として励起光源１１−１に与えられ、遅延回路５２ａ〜５２ｍから出力される各遅延信号は駆動信号として対応する励起光源１１−２〜１１−８に与えられる。
【００７１】
図１４は、励起光を変調する方法の実施例である。この実施例では、各励起光源は、それぞれ、図１３を参照しながら説明した駆動信号により駆動される。すなわち、励起光源には、変調周期Ｔで変動する駆動電流が供給される。これにより、励起光源から出力される励起光の周波数は、微小ではあるが、図１５（ａ）に示すように、変調周期Ｔで変動することになる。なお、このとき、励起光源から出力される励起光のパワー変動は小さい。
【００７２】
励起光源から出力された励起光は、フィルタ６１によってフィルタリングされる。フィルタ６１は、図１５（ｂ）に示すように、所定の周波数のみを通過させる。具体的には、フィルタ６１の中心通過周波数は、図１５（ａ）に示す周波数ｆａ（または、周波数ｆｂ）と一致している。また、フィルタ６１の通過帯域幅は、「周波数ｆａ−周波数ｆｂ」の絶対値よりも小さい。すなわち、フィルタ６１は、周波数ｆｂ（または、周波数ｆａ）を実質的に遮断することができる。したがって、変調周期Ｔで強度変調された励起光が得られる。
【００７３】
図１６は、励起光を変調する方法の他の実施例である。なお、この実施例において、励起光源は、図１４に示した実施例と同じ方法で駆動される。従って、この実施例でも、励起光源のから出力される励起光の周波数は、図１５（ａ）に示すように、変調周期Ｔで変動することになる。
【００７４】
励起光源の出力は、インターリーバー６２に与えられる。インターリーバー６２は、複数の通過帯域を持つ光素子であり、それら複数の通過帯域は、周波数に対して周期的に現れる。そして、このインターリーバー６２は、一方の出力端子から図１５（ａ）に示す周波数ｆａの信号を出力し、他方の出力端子から周波数ｆｂの信号を出力する。これにより、変調周期Ｔで強度変調された１組の励起光が得られる。ここで、この１組の変調された励起光は、その位相が互いに反転している。なお、この実施例により生成される１組の変調された励起光は、図１２に示す上り回線および下り回線に供給されるようにしてもよい。
【００７５】
図１７は、励起光を変調する方法のさらに他の実施例である。なお、この実施例では、励起光源は、実質的に一定の駆動電流で駆動される。従って、生成される励起光の周波数は、ほぼ一定である。
【００７６】
生成された励起光は、偏波面制御素子６３に与えられる。偏波面制御素子６３は、変調信号に従って入力光の偏光角を変化させる。なお、この変調信号は、図１３に示す回路により生成される駆動信号と同じものである。また、偏波面制御素子６３は、与えられる変調信号により磁力が制御される電磁石を備えている。そして、偏波面制御素子６３を通過する光の偏波面は、その電磁石により生成される磁力に応じて変化する。従って、偏波面制御素子６３を通過する光の偏波面は、変調信号に従って変化する。
【００７７】
偏波分離器６４は、偏波面制御素子６３から出力される励起光を、互いに直交する成分に分離する。ここで、偏波面制御素子６３から出力される励起光の偏波面は、変調信号に従って変化する。これにより、変調周期Ｔで強度変調された１組の励起光が得られる。したがって、この実施例により生成される１組の変調された励起光も、図１６に示した実施例と同様に、図１２に示す上り回線および下り回線に供給されるようにしてもよい。
【００７８】
次に、励起光を強度変調する際の変調周期の目安について説明する。まず、伝送媒体（すなわち、ラマン増幅媒体としての光ファイバ）の波長分散を考慮して変調周期を算出する。ここでは、光ファイバの波長分散が−６０ｐ秒／ｎｍ／ｋｍ、１組の励起光の間の波長差（ここでは、ラマンシフト周波数に相当する波長差）が１００ｎｍ、及び光ファイバの有効長が２０ｋｍであるものとする。この場合、上記１組の励起光が上記光ファイバを介して伝搬されると、一方の励起光に対して他方の励起光が１２０ｎ秒だけ遅れる。
【００７９】
ここで、この遅延時間は、変調信号のパルス幅（すなわち、励起光が発光状態となっている時間）に対して十分に小さくなっている必要がある。この理由は、以下の通りである。すなわち、実施形態のラマン増幅器では、周波数差がラマンシフト周波数となっている１組の励起光が同時に発光状態にならないように変調が行われるが、波長分散による遅延が発生すると、その遅延時間に相当する期間だけそれら１組の励起光が同時に発光状態になってしまう。そして、それら１組の励起光が同時に発光状態になっている期間は、ポンプツーポンプ現象が発生する。
【００８０】
したがって、例えば、変調信号のデューティが５０パーセントである場合に、波長分散による遅延時間を変調信号のパルス幅の１０分の１とすると、変調信号の周波数は、０．４２ＭＨｚになる。なお、上記シミュレーションでは、光ファイバの有効長を２０ｋｍとして変調信号の周波数を計算したが、大きなラマン利得が得られる領域は、励起光源から数ｋｍの範囲と考えられる。したがって、この範囲を光ファイバの有効長と考えると、変調信号の周波数を数ＭＨｚ程度まで上げることができる。
【００８１】
一方、励起光を変調する変調信号の周期が長くなると、それに伴って伝送媒体（すなわち、ラマン増幅媒体としての光ファイバ）に励起光が供給されない期間も長くなる。従って、もし、変調信号の周期が長すぎると、伝送媒体に励起光が供給されていない期間に信号光がその伝送媒体を通過してしまう。すなわち、この場合、信号光は適切に増幅されないことになる。
【００８２】
そこで、実施形態のラマン増幅器では、励起光を変調する変調信号の周波数の下限値を設定する。具体的には、たとえば、光ファイバの有効長が２０ｋｍであり、且つ光ファイバ中の光の伝搬速度が２×１０８ｍ／秒であるものとすると、その光ファイバに励起光が全く供給されていない期間を生じさせないようにするためには、変調周波数を２０ｋＨｚよりも大きくする必要がある。
【００８３】
（付記１）ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器であって、
ＷＤＭ信号を伝搬する伝送媒体と、
互いに周波数の異なる複数の励起光を生成する励起光源と、
上記複数の励起光を、それぞれ、第１の光レベルおよびその第１の光レベルよりも低い第２の光レベルを含む光信号に変調する変調手段と、
上記変調手段により変調された複数の励起光を上記伝送媒体に導く光ガイド手段、を備え、
上記変調手段は、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっている励起光どうしが同時に上記第１の光レベルにならないように上記複数の励起光を変調することを特徴とするラマン増幅器。
【００８４】
（付記２）ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器であって、
ＷＤＭ信号を伝搬する伝送媒体と、
互いに周波数の異なる複数の励起光を生成する励起光源と、
上記複数の励起光を、それぞれ、第１の光レベルおよびその第１の光レベルよりも低い第２の光レベルを含む光信号に変調する変調手段と、
上記変調手段により変調された複数の励起光を上記伝送媒体に導く光ガイド手段、を備え、
上記変調手段は、上記複数の励起光の中の第１の励起光および第２の励起光の周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっているときに、それら第１の励起光および第２の励起光が同時に上記第１の光レベルにならないように変調動作を行うことを特徴とするラマン増幅器。
【００８５】
（付記３）ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器であって、
ＷＤＭ信号を伝搬する伝送媒体と、
互いに周波数の異なる複数の励起光を生成する励起光源と、
上記複数の励起光をそれぞれ変調する変調手段と、
上記変調手段により変調された複数の励起光を上記伝送媒体に導く光ガイド手段、を備え、
上記変調手段は、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっている励起光どうしの間でエネルギーの受け渡しが行われないように上記複数の励起光を変調することを特徴とするラマン増幅器。
【００８６】
（付記４）付記１または２に記載のラマン増幅器であって、
上記第２の光レベルは、消光状態である。
（付記５）付記１または２に記載のラマン増幅器であって、
上記変調手段による変調周期に対する上記励起光が上記第１の光レベル
になる時間の比率は、５０パーセント以下である。
【００８７】
（付記６）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記利得帯域幅は、ラマンシフト周波数に相当する帯域幅の約２倍である。
（付記７）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記励起光源により生成される複数の励起光は、ラマンシフト周波数のｎ分の１の周波数間隔で配置されている。（ｎは、自然数）
（付記８）付記７に記載のラマン増幅器であって、
上記変調手段は、上記複数の励起光をそれぞれ周期Ｔで且つ互いに同じ変調パターンで強度変調し、それら変調された複数の励起光をＴ／（２×ｎ）ずつ順番に遅延させる。
【００８８】
（付記９）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記伝送媒体は、第１および第２の伝送媒体を含み、
上記変調手段は、上記複数の励起光を、それぞれ、第１の伝送媒体または第２の伝送媒体に交互に導く光スイッチを備えている。
【００８９】
（付記１０）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記励起光源は、それぞれが所定の周期の駆動信号で駆動されることにより上記複数の励起光を生成する複数の発光素子を含み、
上記変調手段は、上記複数の発光素子により生成される複数の励起光からそれぞれ対応する所定の周波数成分を通過させる複数の光フィルタを備える。
【００９０】
（付記１１）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記伝送媒体は、第１および第２の伝送媒体を含み、
上記励起光源は、それぞれが所定の周期の駆動信号で駆動されることにより上記複数の励起光を生成する複数の発光素子を含み、
上記変調手段は、上記複数の発光素子に対してそれぞれ設けられる複数のインターリーバーを備え、
上記複数のインターリーバーが、対応する励起光をそれぞれ上記第１および第２の伝送媒体に導く。
【００９１】
（付記１２）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記伝送媒体は、第１および第２の伝送媒体を含み、
上記変調手段は、
上記複数の励起光の偏波面をそれぞれ所定の周期で変化させる複数の偏波面制御素子と、
上記複数の偏波面制御素子の出力をそれぞれ互いに直交する偏波光に分波する複数の偏波分離器とを備え、
上記複数の偏波分離器により分離された各偏波光がそれぞれ上記第１のおよび第２の伝送媒体に導かれる。
【００９２】
（付記１３）付記１〜３のいずれか１に記載のラマン増幅器であって、
上記変調手段による変調周期は、周波数差がラマン周波数である１組の励起光が上記伝送媒体を伝搬される際の伝搬時間差と比較して十分に長い時間に設定される。
【００９３】
（付記１４）付記１３に記載のラマン増幅器であって、
上記変調周期は、上記伝搬時間差の１０倍以上に設定される。
（付記１５）付記１または２に記載のラマン増幅器であって、
上記変調手段による変調周期は、上記励起光が上記変調周期内で上記第２の光レベルになる時間が、上記励起光が上記伝送媒体を伝搬されるために要する伝搬時間よりも短くなるように設定される。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の励起光を使用してラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器において、励起光間でのエネルギーの受け渡しが小さくなる。この結果、雑音特性の改善および／またはフラットなラマン利得を得るための制御の容易化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のラマン増幅器の構成図である。
【図２】励起光を変調する方法の実施例である。
【図３】励起光周波数とラマン利得との関係を示す図である。
【図４】励起光の位相差と発光状態が重複する時間との関係を説明する図である。
【図５】３３パーセントのデューティで各励起光を変調する場合の実施例である。
【図６】２５パーセントのデューティで各励起光を変調する場合の実施例である。
【図７】変調信号のデューティとポンプツーポンプ量の関係を示す図である。
【図８】公知の変調方法をより広い帯域に拡張した変調方法を示す図である。
【図９】利得帯域幅とポンプツーポンプ量との関係を示す図である。
【図１０】他の変調方法の例を示す図である。
【図１１】さらに他の変調方法の例を示す図である。
【図１２】本発明の他の実施形態のラマン増幅器の構成図である。
【図１３】励起光源を駆動する駆動信号を生成する回路の実施例である。
【図１４】励起光を変調する方法の実施例である。
【図１５】（ａ）は、励起光源の出力を示す図であり、（ｂ）は、フィルタの特性を示す図である。
【図１６】励起光を変調する方法の他の実施例である。
【図１７】励起光を変調する方法のさらに他の実施例である。
【図１８】ラマン増幅器の一例の基本構成図である。
【図１９】ラマン増幅の利得特性を示す図である。
【図２０】ラマン増幅器による増幅動作を説明する図である。
【図２１】ラマン増幅器における波長配置の例を示す図である。
【図２２】ポンプツーポンプ現象による影響を説明する図である。
【図２３】公知の励起光変調方法を示す図である。
【図２４】ラマンシフト周波数に対応する波長領域よりも広い波長領域を増幅する場合の励起光の配置を説明する図である。
【符号の説明】
３ 光ファイバ（−Ｄ）
４ 光ファイバ（＋Ｄ）
５ 中継器
１１−１〜１１−Ｎ 励起光源
１２ 変調回路
１２−１〜１２−Ｎ 変調器
１３ 合波器
１４ 光ガイドデバイス
２１ 変調回路
２２−１〜２２−８ 光スイッチ
２３ａ、２３ｂ 合波器
２４ａ、２４ｂ 光サーキュレータ
６１ 光フィルタ
６２ インターリーバー
６３ 偏波面制御素子
６４ 偏波分離器
Claims (4)
- ラマンシフト周波数に相当する帯域幅よりも広い利得帯域幅を持ったラマン増幅器であって、
ＷＤＭ信号を伝搬する伝送媒体と、
互いに周波数の異なる複数の励起光を生成する励起光源と、
上記複数の励起光を、それぞれ、第１の光レベルおよびその第１の光レベルよりも低い第２の光レベルを含む光信号に変調する変調手段と、
上記変調手段により変調された複数の励起光を上記伝送媒体に導く光ガイド手段、を備え、
上記変調手段は、各励起光が上記第１の光レベルとなる時間の一部がそれぞれその励起光の周波数と隣接する周波数の励起光が上記第１の光レベルとなる時間の一部に重なり、かつ、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっている励起光どうしが同時に上記第１の光レベルにならないように、上記複数の励起光を所定のデューティで変調するとともに変調された複数の励起光間に所定の遅延量を与えることを特徴とするラマン増幅器。 - 請求項１に記載のラマン増幅器であって、
上記励起光源により生成される複数の励起光は、ラマンシフト周波数のｎ分の１の周波数間隔で配置されている
ことを特徴とするラマン増幅器。（ｎは、自然数） - 請求項１に記載のラマン増幅器であって、
上記伝送媒体は、第１および第２の伝送媒体を含み、
上記変調手段は、上記複数の励起光を、それぞれ、第１の伝送媒体または第２の伝送媒体に交互に導く複数の光スイッチを備えており、
上記複数の光スイッチの切替えタイミングは、第１および第２の伝送媒体に導かれる複数の励起光が、それぞれ、周波数差が実質的にラマンシフト周波数になっている励起光どうしが同時に上記第１の光レベルにならないように制御される
ことを特徴とするラマン増幅器。 - 請求項１に記載のラマン増幅器であって、
上記励起光源は、それぞれが所定の周期の駆動信号で駆動されることにより上記複数の励起光を生成する複数の発光素子を含み、
上記変調手段は、上記複数の発光素子により生成される複数の励起光からそれぞれ対応する所定の周波数成分を通過させる複数の光フィルタを備える
ことを特徴とするラマン増幅器。
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