JP4913706B2 - ラマン増幅用光ファイバの設計方法並びにラマン増幅用光ファイバ及びラマン増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、ラマン増幅用光ファイバの設計方法並びにラマン増幅用光ファイバ及びラマン増幅器に関する。

近年研究が進められているフォトニッククリスタルファイバは、コア部が純石英ガラス母材で形成され、該コア部の周辺に複数の空孔を設け、実効的なクラッド部としている。該空孔の直径、及び配置を変化させることにより、高い自由度で理論遮断波長、波長分散、及びモードフィールド径を設計することが可能である。このため、可視から近赤外までの広い波長帯域で光通信を行なうことが可能であり、下記非特許文献１では、波長６５８ｎｍから１５５６ｎｍまでの６波の通信光を用いた、該フォトニッククリスタルファイバの伝送実験が報告されている。

また、広い波長帯域で光通信を行うためには、広い波長帯域に対応した光増幅器が必要となる。光増幅器として、半導体光増幅器（下記特許文献１参照）、希土類添加ファイバ増幅器、及びファイバラマン増幅器等がある。

一方、ラマン増幅器用の光ファイバの設計では、性能指数として励起波長における損失係数に対するラマン利得率を用いる方法がある（下記非特許文献２参照）。

特開平７−１３５３７２号公報 特開平１０−５６２２４号公報 Ｋ．Ｉｅｄａ，Ｋ．Ｋｕｒｏｋａｗａ，Ｔ．Ｓｈｉｍｉｚｕ，Ｋ．Ｔａｊｉｍａ，Ｋ．Ｎａｋａｊｉｍａ，Ｔ．Ｍａｔｓｕｉ，Ｋ．Ｔｓｕｊｉｋａｗａ，Ｋ．Ｓｈｉｒａｋｉ ａｎｄ Ｉ．Ｓａｎｋａｗａ，"Ｖｉｓｉｂｌｅ ｔｏ ｉｎｆｒａｒｅｄ ＷＤＭ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ ＰＣＦ"，ｉｎ Ｐｒｏｃ． ＥＣＯＣ ２００６ Ｔ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ，Ｍ．Ｔａｎａｋａ，Ｊ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｔ．Ｔｓｕｚａｋｉ，Ｍ．Ｈｉｒａｎｏ，Ｍ．Ｋａｋｕｉ ａｎｄ Ｍ．Ｓｈｉｇｅｍａｔｓｕ，"Ｈｉｇｈｌｙ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｉｂｅｒ−ｂａｓｅｄ ｌｕｍｐｅｄ ｆｉｂｅｒ Ｒａｍａｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ＣＷＤＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ"，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００５，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．１１，ｐ．３４７５−３４８３ ｙ．Ｎｉｓｈｉｄａ，Ｍ．Ｙａｍａｄａ，Ｔ．Ｋａｎａｍｏｒｉ，Ｋ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｊ．Ｔｅｍｍｙｏ，Ｓ．Ｓｕｄｏ ａｎｄ Ｙ．Ｏｈｉｓｈｉ，"Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｐｒａｓｅｏｄｙｍｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ"，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ａｕｇｕｓｔ １９９８，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．８，ｐ．１３３２−１３３９ Ｓ．Ａｏｚａｓａ，Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ，Ｔ．Ｋａｎａｍｏｒｉ，Ｋ．Ｈｏｓｈｉｎｏ，Ｋ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ ａｎｄ Ｍ．Ｓｈｉｍｉｚｕ，"Ｔｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ｆｏｒ １４７０−ｎｍ−ｂａｎｄ ＷＤＭ ｓｉｇｎａｌｓ"，Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０００，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．１０，ｐ．１３３１−１３３３ Ｂ．Ｍｉｎ，Ｈ．Ｙｏｏｎ，Ｗ．Ｊ．Ｌｅｅ ａｎｄ Ｎ．Ｐａｒｋ，"Ｃｏｕｐｅｌｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｗｉｄｅ−ｂａｎｄ ＥＤＦＡ ｗｉｔｈ ｇａｉｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｆｒｏｍ Ｃ ｔｏ Ｌ−ｂａｎｄ ＡＳＥ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ"，Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｍａｙ ２０００，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．５，ｐ．４８０−４８２ Ｇ．Ｃ．Ｖａｌｌｅｙ ａｎｄ Ｍ．Ｗｒｉｇｈｔ，"Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｇａｉｎ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ａ ｃｌａｄｄｉｎｇ−ｐｕｍｐｅｄ Ｙｂ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｐｕｌｓｅｄ ａｔ ｌｏｗ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ"，ｉｎ Ｐｒｏｃ．，Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ，２００１，ｐ．３００−３０１ Ｙ．Ｅｍｏｒｉ，Ｋ．Ｔａｎａｋａ ａｎｄ Ｓ．Ｎａｍｉｋｉ，"１００ｎｍ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｆｌａｔ−ｇａｉｎ Ｒａｍａｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ｐｕｍｐｅｄ ａｎｄ ｇａｉｎ−ｅｑｕａｌｉｓｅｄ ｂｙ １２−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｃｈａｎｎｅｌ ＷＤＭ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ｕｎｉｔ"，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ａｕｇｕｓｔ １９９９，Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．１６，ｐ．１３５５−１３５６ Ｃ．Ｆｕｋａｉ，Ｋ．Ｎａｋａｊｉｍａ ａｎｄ Ｍ．Ｏｈａｓｈｉ，"Ｄｏｐａｎｔ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ Ｒａｍａｎ ｇａｉｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎ ｆｌｕｏｒｉｎｅ ｄｏｐｅｄ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒ"，ｉｎ Ｐｒｏｃ． ＯＥＣＣ ２００２，２００２，１０Ｄ２−６，ｐ．１８６−１８７ Ｍ．Ｏｈａｓｈｉ，Ｋ．Ｓｈｉｒａｋｉ ａｎｄ ｋ．Ｔａｊｉｍａ，"Ｏｐｔｉｃａｌ ｌｏｓｓ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｓｉｌｉｃａ−ｂａｓｅｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒｓ"，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａｙ １９９２，Ｖｏｌ．１０，ｐ．５３９−５４３ Ｅ．Ｂｒｉｎｋｍｅｙｅｒ，"Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ"，Ｊ．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ａｕｇｕｓｔ １９８０，Ｖｏｌ．７０，ｐ．１０１０−１０１２ Ｋ．Ｐｅｔｅｒｍａｎｎ，"Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｓ ｆｏｒ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ−ｍｏｄｅ ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ ｆｏｒ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｒｅｓ"，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９８３，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１８，ｐ．７１２−７１４ Ｍ．Ｋｏｓｈｉｂａ ａｎｄ Ｋ．Ｓａｉｔｈｏ，"Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｒｅａ ａｎｄ ｍｏｄｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｈｏｌｅｙ ｆｉｂｅｒｓ"，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｊｕｌｙ ２００３，Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．１５，ｐ．１７４６−１７５６ Ｒ．Ｊ．Ｅｓｓｉａｍｂｒｅ，Ｐ．Ｗｉｎｚｅｒ，Ｊ．Ｂｒｏｍａｇｅ ａｎｄ Ｃ．Ｈ．Ｋｉｍ，"Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｐｕｍｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｄｏｕｂｌｅ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ"，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｊｕｌｙ ２００２，Ｖｏｌ１４，ｐ．９１４−９１６ Ｗ．Ｈ．Ｈａｔｔｏｎ ａｎｄ Ｍ．Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ，"Ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｃｕｔｏｆｆ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｃａｂｌｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ"，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９０，Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．１０，ｐ．１５７７−１５８３ Ｍ．Ｋｏｓｈｉｂａ ａｎｄ Ｋ．Ｓａｉｔｏｈ，"Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｔｏ ｈｏｌｅｙ ｆｉｂｅｒｓ"，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ａｕｇｕｓｔ ２００４，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１５，ｐ．１７３９−１７４１

しかしながら、上記特許文献１に記載の半導体光増幅器では、Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速伝送ではパターン効果によって信号波形が崩れてしまうと言った問題があった。
また、前記希土類添加ファイバ増幅器では、個々の希土類の遷移エネルギーに起因した波長においてのみ増幅することが可能であり、Ｏバンド（上記非特許文献３参照）、Ｓバンド（上記非特許文献４参照）、Ｃバンド及びＬバンド（上記非特許文献５参照）等が報告されている。

また、Ｏバンドよりも短い波長では、波長０．８５μｍ帯のエルビウム添加フッ化物ファイバ増幅器（上記特許文献２参照）及び波長１μｍ帯のイッテリビウム添加ファイバ増幅器（上記非特許文献６参照）がそれぞれ提案されている。しかしながら、波長１．１１μｍ帯に遷移エネルギーを有する希土類添加ファイバ増幅器に関する報告例はない。

さらに、前記ファイバラマン増幅器では、励起波長から増幅媒体を形成する分子構造の振動に由来する周波数シフト位置に増幅帯域をもち、多波長の励起光源を用いることにより超広帯域に増幅することが可能である（上記非特許文献７参照）。しかしながら、波長１．１１μｍ帯の信号光を増幅するための最適なラマン増幅器、及びラマン増幅用光ファイバは明らかにされていない。

また、上記非特許文献２に記載の光ファイバの設計では、光ファイバの長さやラマン増幅器のシステムパラメータに依存しない性能指数を用いて設計を行っている。しかしながら、実際にラマン増幅器を設計する場合には、使用可能なシステムパラメータにより光ファイバ長などのファイバパラメータの最適値が異なるため、光ファイバ長やシステムパラメータを考慮したラマン増幅器用光ファイバの設計方法が必要となる。

以上のことから、本発明は、所望の信号波長の信号光を増幅するためのラマン増幅器において、増幅特性及び雑音指数を好適とするラマン増幅用光ファイバの設計方法並びにラマン増幅用光ファイバ及びラマン増幅器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係るラマン増幅器は、
波長が１．１１μｍ帯の信号光を増幅するラマン増幅器において、
信号入力パワーが−２０ｄＢｍ、励起波長が１．０６μｍ、励起パワーが５００ｍＷ、電気フィルタ帯域が７ＧＨｚ、光フィルタ帯域が１０ＧＨｚにそれぞれ設定されたシステムパラメータに基づき算出された性能指数を用いて設計され、ステップ型の屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバと、
該ラマン増幅用光ファイバに励起光を注入するため、前記ラマン増幅用光ファイバの後段に配置されるラマン増幅用励起光源と、
前記ラマン増幅用光ファイバと前記ラマン増幅用励起光源とを結合するための結合器と
を備え、
前記ラマン増幅用光ファイバのファイバ長を２．５ｋｍ〜５．７ｋｍの範囲とし、コア部とクラッド部との比屈折率差を１．３５％〜２．０％の範囲とすることにより、１．１１μｍ帯の信号波長における性能指数を２０ｄＢ以上とした
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係るラマン増幅器は、
波長が１．１１μｍ帯の信号光を増幅するラマン増幅器において、
信号入力パワーが−２０ｄＢｍ、励起波長が１．０６μｍ、励起パワーが５００ｍＷ、電気フィルタ帯域が７ＧＨｚ、光フィルタ帯域が１０ＧＨｚにそれぞれ設定されたシステムパラメータに基づき算出された性能指数を用いて設計され、ステップ型の屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバと、
該ラマン増幅用光ファイバに励起光を注入するため、前記ラマン増幅用光ファイバの後段に配置されるラマン増幅用励起光源と、
前記ラマン増幅用光ファイバと前記ラマン増幅用励起光源とを結合するための結合器と
を備え、
前記ラマン増幅用光ファイバのファイバ長を略２ｋｍとし、コア部とクラッド部との比屈折率差を１．８５％〜２．０％の範囲とすることにより、１．１１μｍ帯の信号波長における性能指数を２６ｄＢ以上とした
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係るラマン増幅器は、
波長が１．１１μｍ帯の信号光を増幅するラマン増幅器において、
信号入力パワーが−２０ｄＢｍ、励起波長が１．０６μｍ、励起パワーが５００ｍＷ、電気フィルタ帯域が７ＧＨｚ、光フィルタ帯域が１０ＧＨｚにそれぞれ設定されたシステムパラメータに基づき算出された性能指数を用いて設計され、空孔を等間隔で周期的に配置した断面構造を有するラマン増幅用光ファイバと、
該ラマン増幅用光ファイバに励起光を注入するため、前記ラマン増幅用光ファイバの後段に配置されるラマン増幅用励起光源と、
前記ラマン増幅用光ファイバと前記ラマン増幅用励起光源とを結合するための結合器と
を備え、
前記ラマン増幅用光ファイバのファイバ長を２．８ｋｍ〜５．８ｋｍの範囲とし、前記空孔の間隔を１．３μｍ〜２．０μｍの範囲とすることにより、１．１１μｍ帯の信号波長における性能指数を２０ｄＢ以上とした
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係るラマン増幅器は、
波長が１．１１μｍ帯の信号光を増幅するラマン増幅器において、
信号入力パワーが−２０ｄＢｍ、励起波長が１．０６μｍ、励起パワーが５００ｍＷ、電気フィルタ帯域が７ＧＨｚ、光フィルタ帯域が１０ＧＨｚにそれぞれ設定されたシステムパラメータに基づき算出された性能指数を用いて設計され、空孔を等間隔で周期的に配置した断面構造を有するラマン増幅用光ファイバと、
該ラマン増幅用光ファイバに励起光を注入するため、前記ラマン増幅用光ファイバの後段に配置されるラマン増幅用励起光源と、
前記ラマン増幅用光ファイバと前記ラマン増幅用励起光源とを結合するための結合器と
を備え、
前記ラマン増幅用光ファイバのファイバ長を２．５ｋｍ〜３．０ｋｍの範囲とし、前記空孔の間隔を１．３μｍ〜１．６μｍの範囲とすることにより、１．１１μｍ帯の信号波長における性能指数を２４ｄＢ以上とした
ことを特徴とする。

本発明によれば、性能指数の良好な高性能のラマン増幅器を実現することができる。

以下に、本発明に係るラマン増幅用光ファイバの設計方法、ラマン増幅用光ファイバ及びラマン増幅器の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明に係るラマン増幅用光ファイバの設計方法を説明するためのフローチャートを示した図である。図１に示すように、第１ステップＳ１１において、本発明に係るラマン増幅用光ファイバの設計方法では、始めに、システムパラメータを設定する。

図２は、本発明に係るラマン増幅用光ファイバを用いたラマン増幅器の構成の一例を示した図である。図２に示すように、ラマン増幅用光ファイバ２１の前段には、信号光の伝搬方向と同方向に伝搬する励起光を注入する前方励起用のラマン増幅用励起光源２２ａが、結合器２３ａを介してラマン増幅用光ファイバ２１と接続されている。ラマン増幅用光ファイバ２１の後段には、信号光の伝搬方向と逆方向に伝搬する励起光を注入する後方励起用のラマン増幅用励起光源２２ｂが、結合器２３ｂを介してラマン増幅用光ファイバ２１と接続されている。図２において、ラマン増幅用光ファイバのファイバパラメータに依存しないシステムパラメータとしては、信号入力パワーＰ_in、信号波長λ_S、励起波長λ_P、前方励起パワーＰ_F及び後方励起パワーＰ_Bがある。

なお、図２では、ラマン増幅用光ファイバ２１の前方及び後方にそれぞれラマン増幅用励起光源２２ａ，２２ｂを接続する形態について示したが、ラマン増幅用光ファイバ２１に前方励起用のラマン増幅用励起光源２２ａのみ又は後方励起用のラマン増幅用励起光源２２ｂのみを接続する形態であっても構わない。つまり、前方励起用のラマン増幅用励起光源２２ａのみを接続する場合、後方励起パワーＰ_Bを０ｍＷに設定し、後方励起用のラマン増幅用励起光源２２ｂのみを接続する場合、前方励起パワーＰ_Fを０ｍＷに設定することにより対応することが可能となる。

次に、図１に示すように、第２ステップＳ１２において、ラマン増幅用光ファイバの屈折率分布又は構造パラメータを設定する。材料添加に基づく従来の光ファイバでは、屈折率分布を設定することにより、理論遮断波長λ_C、モードフィールド直径Ｍ、実効断面積Ａ_eff、波長分散Ｄ、分散スロープＳ及び非線形屈折率ｎ₂などのファイバパラメータが、光ファイバコアの屈折率ｎ_coreと純石英の屈折率ｎ_SiO2との比屈折率差Δと、コア半径ａとの関係で一義的に決定される。また、光ファイバ断面に空孔を有する光ファイバでは、構造パラメータを設定することにより、理論遮断波長λ_C、モードフィールド直径Ｍ、実効断面積Ａ_eff、波長分散Ｄ、分散スロープ及び非線形屈折率ｎ₂等の光ファイバパラメータが、空孔直径と空孔間隔との関係で一義的に決定される。ここで、光ファイバコアの屈折率ｎ_coreと純石英の屈折率ｎ_SiO2との比屈折率差Δは、下記式（１）に定義される。

また、ラマン利得率Ｃ_R、損失係数α及びレイリー散乱係数Ｒは、比屈折率差Δ及び波長λ（λ＝λ_S又はλ_P）の関数として、それぞれ下記式（２）（上記非特許文献８参照）、下記式（３）（上記非特許文献９参照）及び下記式（４）（上記非特許文献１０参照）に表すことができる。

材料添加に基づく従来の光ファイバでは、屈折率分布を設定し、例えば、多層分割法を用いて数値解析を行うことにより、所望の信号波長λ_S及び励起波長λ_Pにおける実効断面積を求めることが可能である（上記非特許文献１１参照）。また、光ファイバ断面に空孔を有する光ファイバでは、構造パラメータを設定し、例えば、有限要素法を用いて数値解析を行うことにより、所望の信号波長λ_S及び励起波長λ_Pにおける実効断面積を求めることが可能である（上記非特許文献１２参照）。

さらに、図１に示すように、第３ステップＳ１３において、上記式（１）から上記式（４）を用いることにより、所望の信号波長λ_Sにおけるファイバパラメータである、ラマン利得率、損失係数及びレイリー散乱係数、さらに、励起波長λ_Pにおける損失係数を求めることが可能である。

続いて、図１に示すように、第４ステップＳ１４において、当該ラマン増幅用光ファイバのネットゲインＧ_Net及び雑音指数ＮＦを求める。光ファイバ中のネットゲインＧ_Net及び雑音指数ＮＦは、それぞれ下記式（５）及び下記式（６）に表される（上記非特許文献１３参照）。ここで、Ｇ_Rはラマンゲイン、Ｔ_Fは伝送損失を意味する。

ここで、Ｌ、ｈν、Ｂ_e及びＢ_oは、それぞれラマン増幅用光ファイバのファイバ長、光子エネルギー、電気フィルタ帯域幅及び光フィルタ帯域幅である。また、Ｎ_ASE及びＰ_DRSは、それぞれ該ラマン増幅器で発生する雑音成分の自然放出光による光パワー密度及び二重レイリー散乱による雑音パワーであり、それぞれ下記式（７）及び下記式（８）に表すことができる。

さらに、図１に示すように、第５ステップＳ１５において、該ラマン増幅用光ファイバを用いたラマン増幅器における性能指数を求める。ラマン増幅器の性能指数ＦＯＭ_Rは、ラマン増幅器の雑音指数ＮＦに対する信号出力パワーＰ_outとして下記式（９）を用いて求めることができる。

以上のように、始めにシステムパラメータを設定し、次に、ラマン増幅用光ファイバの屈折率分布又は構造パラメータを設定し、続いて、所望の信号波長におけるラマン利得率、損失係数、実効断面積及びレイリー散乱係数、並びに、励起波長における損失係数及び実効断面積を求め、その後、当該ラマン増幅用光ファイバの所望の信号波長におけるネットゲイン及び雑音指数を算出することにより、ラマン増幅器の所望の信号波長における性能指数を求めることができ、好適なラマン増幅用光ファイバを設計することが可能となる。

以下に、本発明に係るラマン増幅用光ファイバの第１の実施例として、コアにゲルマニウムを添加した石英ファイバにおいて、ステップ型の屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバについて説明する。なお、本発明に係るラマン増幅用光ファイバに適用される構造及び屈折率分布としては、本実施例のコアにゲルマニウムを添加したステップ型の屈折率分布を有する構造に限らず、任意の屈折率分布を有する構造であっても構わない。

表１は、本実施例で使用するシステムパラメータを示した表である。下記表１に示すように、本実施例では、波長１．１１μｍ帯の信号光を増幅するラマン増幅器として、図２のラマン増幅器の構成において、後方励起用のラマン増幅用励起光源２２ｂ（図２参照）のみを配置する形態とした。つまり、上記式（５）から上記式（１０）において、前方励起パワーＰ_F及び後方励起パワーＰ_Bに、それぞれ０ｍＷ及び５００ｍＷを用いた。

図３は、本発明の第１の実施例に係るラマン増幅用光ファイバの断面方向の屈折率分布の一例を示した概念図である。ここで、Δ及びａはそれぞれコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差及びコア半径を表す。また、クラッド部３２の屈折率は、純石英のレベルとした。

図４は、図３に示される屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバにおいて、１．０６μｍ以下の実効遮断波長を実現するコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δに対するコア半径ａの関係を示した図である。なお、本実施例においては、多層分割法を用いて数値計算（上記非特許文献１４参照）により、１．０６μｍ以下の実効遮断波長を実現するコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δに対するコア半径ａの関係を求めた。

図４中の曲線は、実効遮断波長が１．０６μｍとなるときのコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δに対するコア半径ａの関係を示し、曲線以下の斜線で示される領域でコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δに対するコア半径ａを設計することにより、１．０６μｍ以下の実効遮断波長を実現することが可能となる。

図５は、図４に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍにおけるコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δに対する実効断面積Ａ_eff及びラマン利得率Ｃ_Rの関係を示した図である。なお、本実施例では、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍにおけるコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δに対する実効断面積Ａ_effの関係を、多層分割法を用いて数値計算（上記非特許文献１１参照）により求めた。また、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍにおけるコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δに対するラマン利得率Ｃ_Rの関係を上記式（２）より求めた。

図６は、図４及び図５に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍ及び１．０６μｍにおけるコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δに対する損失係数αを示した図である。なお、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍ及び１．０６μｍにおけるコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δに対する損失係数αを上記式（３）より求めた。

図７は、図４、図５及び図６に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍにおけるコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δに対するレイリー散乱係数を示した図である。なお、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍにおけるコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δに対するレイリー散乱係数を上記式（４）より求めた。

図８は、図４から図７に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍにおけるコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δと、ファイバの長さＬと、ネットゲインＧ_Netの関係を示した図である。なお、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍにおけるコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δと、ファイバの長さＬと、ネットゲインＧ_Netの関係を上記式（５）より求めた。

図８より、コア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δが約０．２％以上、すなわち、図５より、ラマン利得率が約０．５Ｗｋｍ^-1以上において、０．５ｋｍから１０ｋｍのいずれのファイバの長さＬを用いた場合においてもネットゲインＧ_Netが０ｄＢ以上となり、増幅効果を得ることが可能となる。

図９は、図４から図７に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍにおけるコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δと、ファイバの長さＬと、性能指数ＦＯＭ_Rの関係を示す図である。なお、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍにおけるコア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δと、ファイバの長さＬと、性能指数ＦＯＭ_Rの関係を、上記式（５）、式（６）、式（７）及び式（８）を用いて上記式（９）を算出することにより求めた。

図９より、コア部３１とクラッド部３２との比屈折率差Δが約１．８％以上、すなわち、図５より、ラマン利得率が約１０Ｗｋｍ^-1以上、かつ、ファイバの長さが約２ｋｍにおいて、性能指数ＦＯＭ_Rが２６ｄＢ以上であり、高い性能を保持したラマン増幅器を構成することが可能であることがわかる。

なお、本実施例においては、後方励起用のラマン増幅用励起光源２２ｂ（図２参照）のみを配置した形態について説明したが、前方励起用のラマン増幅用励起光源２２ａ（図２参照）のみを配置した場合、又は、前方励起用のラマン増幅用励起光源２２ａ及び後方励起用のラマン増幅用励起光源２２ｂの双方を配置した場合についても、上記式（５）から上記式（９）において、それぞれ「Ｐ_F≠０、Ｐ_B＝０」又は「Ｐ_F≠０、Ｐ_B≠０」とすることにより、本実施例と同様の手順で設計することも可能である。

以下に、本発明に係るラマン増幅用光ファイバの第２の実施例として、光ファイバ断面に空孔を有するラマン増幅用光ファイバについて説明する。

表２は、本実施例で使用するシステムパラメータを示した表である。下記表２に示すように、本実施例では、波長１．１１μｍ帯の信号光を増幅するラマン増幅器として、図２のラマン増幅器の構成において、後方励起用のラマン増幅用励起光源２２ｂ（図２参照）のみを配置する形態とした。つまり、上記式（５）から上記式（９）において、前方励起パワーＰ_F及び後方励起パワーＰ_Bに、それぞれ０ｍＷ及び５００ｍＷを用いた。

図１０は、本発明の第２の実施例に係るラマン増幅用光ファイバの断面構造の一例を示した概念図である。本実施例では、純石英ガラス９１に空孔９２を周期的に配置した構造により、中央の空孔９２のない実効的なコア部分９３にて光の伝搬が可能となる。ここで、ｄ及びΛは、それぞれ空孔９２の直径及び空孔９２の間隔を表す。なお、本実施例では、空孔９２を５層の三角格子状に配置したが、図１０に示した以外の任意の空孔配置、層数及び空孔数であっても構わない。また、空孔９２の形状は円形である必要なはい。さらに、中央の空孔９２のない実効的なコア部分９３にドーパントを添加した形状であっても構わない。

図１１は、図１０に示される構造を有するラマン増幅用光ファイバにおいて、ｄ／Λが０．４であるときの、波長１．１１μｍにおける空孔間隔Λに対する実効断面積Ａ_eff及びラマン利得率Ｃ_Rの関係を示した図である。なお、ｄ／Λが０．４であるときの、波長１．１１μｍにおける空孔間隔Λに対する実効断面積Ａ_effの関係は、有限要素法を用いて数値計算（上記非特許文献１２参照）により求めた。

また、ｄ／Λが０．４であるときの、波長１．１１μｍにおける空孔間隔Λに対するラマン利得率Ｃ_Rの関係は上記式（２）により求めた。実効的なコア部分９３が純石英ガラス９１により形成されているため、波長１．１１μｍ及び１．０６μｍにおける損失係数αは、上記式（３）を用いて求めることができ、それぞれ０．５５ｄＢ／ｋｍ及び０．６３ｄＢ／ｋｍで一定である。

また、ｄ／Λが０．４３より小さい場合、どの波長でもシングルモード伝送が可能である（上記非特許文献１５参照）ため、本実施例ではｄ／Λを０．４とすることにより、波長１．１１μｍにおいてシングルモード伝送が可能となる。なお、本実施例では、ｄ／Λを０．４としたが、波長１．１１μｍにおいてシングルモード伝送が可能となる任意のｄ／Λであっても構わない。

図１２は、図１１に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、ｄ／Λが０．４であるときの、波長１．１１μｍにおける空孔間隔Λに対するレイリー散乱係数を示した図である。なお、ｄ／Λが０．４であるときの、波長１．１１μｍにおける空孔間隔Λに対するレイリー散乱係数を上記式（４）より求めた。

図１３は、図１１及び図１２に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、ｄ／Λが０．４であるときの、波長１．１１μｍにおける空孔間隔Λと、ファイバの長さＬと、ネットゲインＧ_Netの関係を示した図である。なお、ｄ／Λが０．４であるときの、波長１．１１μｍにおける空孔間隔Λと、ファイバの長さＬと、ネットゲインＧＮｅｔの関係は上記式（５）によりもとめた。

図１３より、空孔間隔Λが約７．５μｍ以上、すなわち、図１１より、ラマン利得率が約０．５Ｗｋｍ^-1以上において、０．５ｋｍから１０ｋｍのいずれのファイバ長さＬを用いた場合においてもネットゲインＧ_Netが０ｄＢ以上となり、増幅することが可能となる。

図１４は、図１１及び図１２に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、ｄ／Λが０．４であるときの、波長１．１１μｍにおける空孔間隔Λと、ファイバの長さＬと、性能指数ＦＯＭ_Rの関係を示した図である。なお、ｄ／Λが０．４であるときの、波長１．１１μｍにおける空孔間隔Λと、ファイバの長さＬと、性能指数ＦＯＭ_Rの関係を、上記式（５）、式（６）、式（７）及び式（８）を用いて上記式（９）を算出することにより求めた。

図１４より、空孔間隔Λが約１．７μｍ以下、すなわち、図１１より、ラマン利得率が約６Ｗｋｍ^-1以上、かつ、ファイバの長さが約２ｋｍから約３ｋｍにおいて、性能指数ＦＯＭ_Rが２４ｄＢ以上であり、高い性能を保持したラマン増幅器を構成することが可能であることがわかる。

なお、本実施例においては、後方励起用のラマン増幅用励起光源２２ｂ（図２参照）のみを配置した形態について説明したが、前方励起用のラマン増幅用励起光源２２ａ（図２参照）のみを配置した場合、又は、前方励起用のラマン増幅用励起光源２２ａ及び後方励起用のラマン増幅用励起光源２２ｂの双方を配置した場合についても、上記式（５）から上記式（９）において、それぞれ「Ｐ_F≠０、Ｐ_B＝０」又は「Ｐ_F≠０、Ｐ_B≠０」とすることにより、本実施例と同様の手順で設計することも可能である。

以上説明したように、本発明に係るラマン増幅用光ファイバの設計方法によれば、始めに、システムパラメータを設定し、次に、ラマン増幅用光ファイバの屈折率分布又は構造パラメータを設定し、続いて、所望の信号波長におけるラマン利得率、損失係数、実効断面積及びレイリー散乱係数、並びに、励起波長における損失係数及び実効断面積を求め、その後、当該ラマン増幅用光ファイバの所望の信号波長におけるネットゲイン及び雑音指数を算出することにより、ラマン増幅器の所望の信号波長における性能指数を求めることとしたので、所望の信号波長において増幅特性を好適とするラマン増幅用光ファイバを設計することができる。

また、設計過程において、ネットゲイン及び雑音指数を算出することとしたため、所望のネットゲインや雑音指数が規定されたシステムにおいて、好適なラマン増幅用光ファイバ及びラマン増幅器を設計し、構成することができる。

また、本発明に係るラマン増幅用光ファイバによれば、波長１．１１μｍにおけるラマン利得率を０．５Ｗｋｍ^-1以上としたので、波長１．１１μｍ帯の信号光について、良好な増幅効果を保持するラマン増幅器を実現することができる。

本発明は、例えば、信号光を増幅するための集中定数型ラマン増幅器において利用することが可能である。

本発明に係るラマン増幅用光ファイバの設計方法を説明するためのフローチャートを示した図である。 本発明に係るラマン増幅用光ファイバを用いたラマン増幅器の構成の一例を示した図である。 本発明の第１の実施例に係るラマン増幅用光ファイバの断面方向の屈折率分布の一例を示した概念図である。 図３に示される屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバにおいて、１．０６μｍ以下の実効遮断波長を実現するコア部とクラッド部との比屈折率差Δに対するコア半径ａの関係を示した図である。 図４に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍにおけるコア部とクラッド部との比屈折率差Δに対する実効断面積Ａ_eff及びラマン利得率Ｃ_Rの関係を示した図である。 図４及び図５に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍ及び１．０６μｍにおけるコア部とクラッド部との比屈折率差Δに対する損失係数αを示した図である。 図４、図５及び図６に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍにおけるコア部とクラッド部との比屈折率差Δに対するレイリー散乱係数を示した図である。 図４から図７に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍにおけるコア部とクラッド部との比屈折率差Δと、ファイバの長さＬと、ネットゲインＧ_Netの関係を示した図である。 図４から図７に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、実効遮断波長が１．０６μｍであるときの、波長１．１１μｍにおけるコア部とクラッド部との比屈折率差Δと、ファイバの長さＬと、性能指数ＦＯＭ_Rの関係を示す図である。 本発明の第２の実施例に係るラマン増幅用光ファイバの断面構造の一例を示した概念図である。 図１０に示される構造を有するラマン増幅用光ファイバにおいて、ｄ／Λが０．４であるときの、波長１．１１μｍにおける空孔間隔Λに対する実効断面積Ａ_eff及びラマン利得率Ｃ_Rの関係を示した図である。 図１１に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、ｄ／Λが０．４であるときの、波長１．１１μｍにおける空孔間隔Λに対するレイリー散乱係数を示した図である。 図１１及び図１２に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、ｄ／Λが０．４であるときの、波長１．１１μｍにおける空孔間隔Λと、ファイバの長さＬと、ネットゲインＧ_Netの関係を示した図である。 図１１及び図１２に示される設計条件を満たすラマン増幅用光ファイバにおいて、ｄ／Λが０．４であるときの、波長１．１１μｍにおける空孔間隔Λと、ファイバの長さＬと、性能指数ＦＯＭ_Rの関係を示した図である。

符号の説明

２１ ラマン増幅用光ファイバ
２２ａ 前方励起用のラマン増幅用励起光源
２２ｂ 後方励起用のラマン増幅用励起光源
２３ａ，２３ｂ 結合器
３１ コア部
３２ クラッド部
９１ 純石英ガラス
９２ 空孔
９３ 実効的なコア部分

Claims (4)

1. 波長が１．１１μｍ帯の信号光を増幅するラマン増幅器において、
   信号入力パワーが−２０ｄＢｍ、励起波長が１．０６μｍ、励起パワーが５００ｍＷ、電気フィルタ帯域が７ＧＨｚ、光フィルタ帯域が１０ＧＨｚにそれぞれ設定されたシステムパラメータに基づき算出された性能指数を用いて設計され、ステップ型の屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバと、
   該ラマン増幅用光ファイバに励起光を注入するため、前記ラマン増幅用光ファイバの後段に配置されるラマン増幅用励起光源と、
   前記ラマン増幅用光ファイバと前記ラマン増幅用励起光源とを結合するための結合器と
   を備え、
   前記ラマン増幅用光ファイバのファイバ長を２．５ｋｍ〜５．７ｋｍの範囲とし、コア部とクラッド部との比屈折率差を１．３５％〜２．０％の範囲とすることにより、１．１１μｍ帯の信号波長における性能指数を２０ｄＢ以上とした
   ことを特徴とするラマン増幅器。
2. 波長が１．１１μｍ帯の信号光を増幅するラマン増幅器において、
   信号入力パワーが−２０ｄＢｍ、励起波長が１．０６μｍ、励起パワーが５００ｍＷ、電気フィルタ帯域が７ＧＨｚ、光フィルタ帯域が１０ＧＨｚにそれぞれ設定されたシステムパラメータに基づき算出された性能指数を用いて設計され、ステップ型の屈折率分布を有するラマン増幅用光ファイバと、
   該ラマン増幅用光ファイバに励起光を注入するため、前記ラマン増幅用光ファイバの後段に配置されるラマン増幅用励起光源と、
   前記ラマン増幅用光ファイバと前記ラマン増幅用励起光源とを結合するための結合器と
   を備え、
   前記ラマン増幅用光ファイバのファイバ長を略２ｋｍとし、コア部とクラッド部との比屈折率差を１．８５％〜２．０％の範囲とすることにより、１．１１μｍ帯の信号波長における性能指数を２６ｄＢ以上とした
   ことを特徴とするラマン増幅器。
3. 波長が１．１１μｍ帯の信号光を増幅するラマン増幅器において、
   信号入力パワーが−２０ｄＢｍ、励起波長が１．０６μｍ、励起パワーが５００ｍＷ、電気フィルタ帯域が７ＧＨｚ、光フィルタ帯域が１０ＧＨｚにそれぞれ設定されたシステムパラメータに基づき算出された性能指数を用いて設計され、空孔を等間隔で周期的に配置した断面構造を有するラマン増幅用光ファイバと、
   該ラマン増幅用光ファイバに励起光を注入するため、前記ラマン増幅用光ファイバの後段に配置されるラマン増幅用励起光源と、
   前記ラマン増幅用光ファイバと前記ラマン増幅用励起光源とを結合するための結合器と
   を備え、
   前記ラマン増幅用光ファイバのファイバ長を２．８ｋｍ〜５．８ｋｍの範囲とし、前記空孔の間隔を１．３μｍ〜２．０μｍの範囲とすることにより、１．１１μｍ帯の信号波長における性能指数を２０ｄＢ以上とした
   ことを特徴とするラマン増幅器。
4. 波長が１．１１μｍ帯の信号光を増幅するラマン増幅器において、
   信号入力パワーが−２０ｄＢｍ、励起波長が１．０６μｍ、励起パワーが５００ｍＷ、電気フィルタ帯域が７ＧＨｚ、光フィルタ帯域が１０ＧＨｚにそれぞれ設定されたシステムパラメータに基づき算出された性能指数を用いて設計され、空孔を等間隔で周期的に配置した断面構造を有するラマン増幅用光ファイバと、
   該ラマン増幅用光ファイバに励起光を注入するため、前記ラマン増幅用光ファイバの後段に配置されるラマン増幅用励起光源と、
   前記ラマン増幅用光ファイバと前記ラマン増幅用励起光源とを結合するための結合器と
   を備え、
   前記ラマン増幅用光ファイバのファイバ長を２．５ｋｍ〜３．０ｋｍの範囲とし、前記空孔の間隔を１．３μｍ〜１．６μｍの範囲とすることにより、１．１１μｍ帯の信号波長における性能指数を２４ｄＢ以上とした
   ことを特徴とするラマン増幅器。

Images