JP5390775B2 - ラマン散乱光増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、特に電気通信光システムで使用されるラマン効果光増幅器に関する。

ラマン増幅器は、通過帯域が広く、低ノイズであり、かつ信号入力電力の変化に対する感度が低いので波長分割多重（ＷＤＭ）光伝送システムにとって有利な特徴を有する。

それでもなお、効率的な増幅を得るために高出力の光ポンプおよびかなりの長さの光ファイバを使用する必要があり、それによってラマン増幅器が高価になっている。

ラマン増幅は、従来から非共鳴誘導ラマン散乱を使用している。そのタイプの増幅では、図１のエネルギーＷの図表によって示されているようにλｐの波長にあるポンプ波光子は、そのエネルギーを失って、より小さなエネルギーの、したがってより長い波長λｄの他の光子をより低い周波数で生成する（非弾性散乱）。入射光子のエネルギーの残りは、分子振動の形態（音粒子）で伝播媒体（光ファイバ）によって吸収されるが、その分子振動が、基本振動状態に対応する基準エネルギーレベルを象徴する第１の水平な実線１と、励起された振動状態に対応するエネルギーレベルの帯域を象徴する第２の水平な太い実線２との間の垂直な矢印で表わされている。増幅の有効性を増すために、閉じこめを増加させるように光ファイバの有効断面積を減少させること、および／または、コアを構成するマトリックスの部分を形成する酸化物の形態のゲルマニウムなど、高いラマン係数を有する材料で、ファイバのコアを高濃度にドープすることが知られている。コアのドーピングは、増幅の有効性を増加させるが、それでもその当然の結果として損失が増加する。

ラマン増幅のその従来のタイプを説明するために、上記の記述は、図で水平の破線３（この破線はλｐでのポンプ波からλｄで増幅するための信号へのエネルギー伝達を示すためのものである）によって表わされている仮想の電子エネルギーレベルに関している。このレベルは、任意の可能なドーパントを含め、コアを構成する原子の安定なエネルギー状態に対応するものではないので「仮想」である。したがって「仮想」レベルによるラマンプロセスの本記述は、光子と分子の間の相互作用および光子の再放出が外見上瞬時に起こるという事実によって正当化される。

本発明の目的は、従来式の誘導ラマン散乱による増幅より効果的なラマン増幅を可能にすることである。

この目的は、ポンプ波を生成するための光ポンプに関連する光導体を備える、誘導ラマン散乱効果を使用する増幅器によって達成され、その増幅器は、前記光導体が、ポンプ波の波長に近接しているが同一ではない遷移波長に対応する電子エネルギー遷移をもたらす少なくとも１つの光学的に活性な構成要素を含むコア構造を備えることを特徴とする。

本明細書で「コア構造」という用語は、導波路内の波動の光パワーの大部分が集中される導波路の領域を意味するために使用されている。例えば、導波路が簡単な光ファイバであるとき、コア構造は、ファイバの各周辺区域（従来クラッディングと呼ばれている）の屈折率より大きな屈折率を有する領域に対応する、ファイバの中央区域になる。しかし本発明は、複数の同心コアおよびクラッディングを有するファイバのようなより複雑なコア構造を有する導波路にも適用可能である。

実施形態に応じてさまざまな構成要素を想定することができるが、要点は、選定された構成要素が光学的に活性であること、つまり導波路コアのマトリックスを構成するために使用される材料およびポンプ波のために選定されることができる利用可能な波長を考慮して、増幅しようとする波長に適合された遷移波長をもたらすことである。

したがって、特定の波長λｐがポンプ波に課せられる場合、ある値の電子エネルギー遷移ΔＷが伴う構成要素であり、それによって前記値（すなわち電子エネルギー遷移ΔＷを波長λに関連付ける通常の式でΔＷ＝ｈ．ｃ／λｔであるような）に関連する波長λｔがまったく同一ではないがλｐに近接するような構成要素が選定されるべきである。ドーパントの共鳴蛍光発光は、ラマン効果よりはるかに強力でそれをマスクする可能性があるのでその共鳴蛍光発光が生成されるのを回避するために相違は十分である必要がある。

これら２つの波長の間に適用しようとする正確なオフセットは、特定のいかなる状況に対しても実験的な手段で決定されることができる。これを行う簡単な一方法は、ポンプ波の波長を変える間に増幅器のラマン利得係数を測定することにある。ポンプ波の波長と遷移の波長が、増幅器が、光学的に活性である構成要素がないとき利得係数が取るはずである値の少なくとも２倍に等しいラマン利得係数をもたらすように調整されるある値だけ相違するとき増幅器は、本発明による動作の状態に置かれると言われることができる。

本発明の他の態様では、ポンプ波波長は遷移波長より大きく選定されるのが好ましい。そうしないと活性な要素によって信号の波長でエネルギーが吸収されることによって信号の損失が増加することがあるので、一般的にこの措置が好ましい。

光学的に活性な構成要素は下記の要素、すなわち希土類イオン、遷移金属、および半導体材料から選定されるのが有利である。

この構成要素は光導体のコア構造内で分散され、分散は構造全体にわたってまたはその一部分だけに位置する可能性がある。構成要素のタイプに応じて、それは元素形態でまたはナノ粒子形態で分散されるべきである。

増幅器の光導体は具体的には平面導波路または光ファイバによって構成されることができる。

本発明は上記の説明により光増幅器を使用して作られるレーザも提供する。

本発明は、下記説明を読み、添付図を検討することによりより良く理解されることができる。これら図は表示の目的のためだけに与えられており、本発明を制約するものではない。

図２のエネルギー図で見られることができるように、本発明は、増幅が真の中間電子エネルギーレベル４を意味する電子エネルギー遷移を使用することで従来技術と相違する。それより高い他のエネルギーレベル５も示されている。これはラマン散乱の有効性をかなり増加させる効果を有する。

より正確には、ポンプ波長λｐに近接する遷移波長λｔに相当する２つのエネルギーレベルの間の遷移をもたらす光学的に活性な材料が選択される。「近接」という用語は、ポンプ信号が電子遷移によって吸収されることを防止するためにポンプ波長と電子遷移波長の間の相違が十分に大きくならなければならず、とは言っても一方でエネルギーがポンプの光子から前記真の電子レベルに移行されることができない程過剰ではないことを意味する。

図３の３つのエネルギー図は、選定された光学的に活性な材料に応じてポンピングを選択することが、所望の結果を得るために重要であることを示す助けをしている。

線図ａ）は、光学的に活性な材料との相互作用を可能にするには遷移波長λｔに対して長すぎるポンプ波長λｐに対応している。したがってこれは、図１に示されているような従来式のラマン増幅の状況である。

線図ｂ）は、ポンプ波長λｐが最適である、つまり遷移波長λｔに十分に近接している場合に対応している。

線図ｃ）は、ポンプ波長λｐが遷移波長λｔに近接しすぎている他の場合に対応している。この状況はλｆによって表わされているような蛍光発光を引き起こす。

特に、電気通信の分野での適用に対して４００ナノメートル（ｎｍ）から２０６６ｎｍの範囲にあるポンプ波長に対応するエネルギー遷移を利用することが可能であり有利である。一般的に、ポンプ波の波長および遷移波長が、センチメートルあたり（ｃｍ^−１）の波の数（数百だけ相違する）に対応する場合、ラマン利得係数は、同じ構造の増幅器が同じポンピング状態に置かれた場合（ただし本発明による光学的に活性な構成要素を有しない）にこの係数が取る値の２から１０倍の範囲にあることが観察される。

光学的に活性な材料の共鳴蛍光発光は、ラマン効果よりはるかに強力で、それをマスクすることもあり、ポンプ波長は、その生成を回避するように遷移波長より長いものが選択され有利である。図ｃで示されているようにより高いエネルギーレベル５からの遷移によってλｆで蛍光発光が起こることが予測されることができる。

従来技術に比較して増幅度が改善されているのはポンプ波長と遷移波長の近接によるものであること、ならびに従来式誘導ラマン散乱とは異なり利得が伝播媒体を構成するマトリックスの組成に依存せず、使用される活性構成要素のタイプおよび量に依存することに留意されたい。

適切である光学的に活性な材料のなかで、希土類イオン、半導体材料、および金属イオンを具体的に挙げることができる。

従来式ラマン増幅器と同様にポンプ波長は、伝播媒体に対する所望の増幅帯域および振動帯域に応じて選択される。

光学的に活性な材料の例およびポンプ信号のために使用されることができる対応する放射帯域の例が例として下記に与えられている：

ナノ粒子、特に半導体粒子の利点はナノ粒子のサイズを制御することによって電子遷移波長をチューニングする能力である。

本発明による増幅器の実用的な実施形態は、ドープされた平面導波路またはファイバの加工で普通に使用される従来式の方法に頼ることができる。

当然ながら本発明はどのような導波管構造にも適用されることができる。光学的に活性な構成要素は導波管のコア構造の層を構成することもできる。この構造は、したがって導波管が光ファイバである場合には環状であり、導波管が平面的である場合には平面的である。

ナノ粒子を使用する実施形態に対しては、例えば２００３年９月２４日に刊行された欧州特許出願公開１３４７５４５、および２００３年９月１８日刊行の対応する米国特許出願公開２００３／０１７５００３を参照することができる。

本発明の増幅器の全般的な構造が図４に示されている。その増幅器は、従来式の全体レイアウトでは導波路を備え、その導波路は示されている実施形態ではラマン増幅に適応された光ファイバ６、ポンプ１０、およびポンプによって送出された波を、入力部Ｅで受け入れられたときに増幅されようとする信号と共に光ファイバ６に注入するためのカプラ８を備える。ファイバからの出力部Ｓは増幅器からの出力部を構成する。

本発明によるラマン散乱増幅の効率は、誘導ラマン散乱による従来の増幅に比較して相当に改善される。したがって、与えられた増幅に対しては、従来技術と比較してポンプの出力を小さくしかつ／また伝播媒体の長さを短くすることが可能である。

図５は、ラマン利得係数ｇ_Ｒ（いわゆる「固有ラマン利得」）の変化を１１１７ｎｍのポンプ波長に対する波長の関数として、かつそれぞれ３つの増幅器（各々が同じ従来式の構造を有するがその中でコアが、活性要素ドーピングの相違する特徴をもたらすファイバを使用している）に関連させて示す３つの曲線：
曲線ａ）：１．０７％の重量による濃度でのＹｂドーピング
曲線ｂ）：０．６４％の重量による濃度でのＹｂドーピング
曲線ｃ）：Ｙｂドーピングなし
を描いている。

図５で見られることができるように、伝播媒体を約１％の重量による濃度によりＹｂ^３＋イオンでドーピングすることによって利得の倍増を得ることができる。

当然であるが、特に増幅器の利得帯域を大きくする目的のために、相違する特徴を有する複数のタイプの光学的に活性な構成要素を連結させることが可能である。

本発明による増幅器を用いて発信器またはレーザ光源を作るには、例えば増幅器の各端部に適切な反射体を設けることにより（これは例えばＢｒａｇｇ反射体を使用して従来方式で行われることができる）増幅器を共鳴空洞内部に配置すれば十分である。レーザの１つまたは複数の発信波長は、ポンプおよび使用されている構成要素（粒子、イオン、その他）の関数であることに留意されたい。

誘導ラマン散乱による、上記に説明されている従来技術の増幅原理を示すエネルギー図である。 ラマン散乱による増幅のための本発明の原理を示すエネルギー図である。 本発明のラマン散乱を得るためにポンピングがどのように選択されるべきかを示す３つのエネルギー線図ａ）、ｂ）、およびｃ）を備える図である。 ラマン増幅器を示す図である。 ラマン増幅器の利得に対する、本発明の光学的に活性な材料を使用する効果を示すグラフである。

Claims (10)

1. ポンプ波を生成するための光ポンプ（１０）に関連する光導体（６）を備える、誘導ラマン散乱効果を使用する増幅器であって、前記光導体が、遷移波長（λｔ）に対応する電子エネルギー遷移をもたらす光学的に活性な構成要素を少なくとも１つ含むコア構造を備え、ポンプ波の波長（λｐ）と遷移波長（λｔ）の差が、ポンプ光子のエネルギーの実際の電子エネルギーレベルへの移行を維持しつつ、ポンプ信号が電子遷移によって吸収されることを防止するために十分大きく、ポンプ波波長（λｐ）が遷移波長（λｔ）より大きいことを特徴とする、増幅器。
2. 前記増幅器が、光学的に活性な構成要素がないとき利得係数が有するはずである値の少なくとも２倍のラマン利得係数（ｇ_Ｒ）をもたらすように調整される値だけ、前記ポンプ波の波長（λｐ）と前記遷移波長（λｔ）が相違することを特徴とする、請求項１に記載の増幅器。
3. ポンプ波波長（λｐ）および遷移波長（λｔ）が、ｃｍ^−１で表現され、数百だけ相違する波数に対応することを特徴とする、請求項１に記載の増幅器。
4. 光学的に活性な構成要素が、希土類イオン、遷移金属、および半導体材料の要素から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の増幅器。
5. 光学的に活性な構成要素が前記光導体のコア構造内で分散され、前記分散が構造にわたって、または構造の一部分内だけに配置されることが可能であることを特徴とする、請求項１に記載の増幅器。
6. 光学的に活性な構成要素が元素形態で分散されていることを特徴とする、請求項５に記載の増幅器。
7. 光学的に活性な構成要素がナノ粒子形態で分散されていることを特徴とする、請求項５に記載の増幅器。
8. 光学的に活性な構成要素が前記光導体のコア構造の一層を構成することを特徴とする、請求項１に記載の増幅器。
9. 光導体（６）が平面導波路および光ファイバを備えるグループから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の増幅器。
10. 共鳴空洞内部に配設された光増幅器を備えるレーザ光源であって、増幅器が請求項１によることを特徴とする、レーザ光源。

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