JP7206922B2 - 位相感応型光増幅器のための位相シフタ - Google Patents

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Description

本開示は、概して、光通信ネットワークに関係があり、より具体的には、位相感応型光増幅器のための位相シフタに関係がある。
電気通信システム、ケーブルテレビジョンシステム及びデータ通信ネットワークは、遠隔地点間で大量の情報を高速で運ぶために、光ネットワークを使用する。光ネットワークでは、情報は、光信号の形で光ファイバを通じて運ばれる。光ファイバは、長い距離にわたって信号を通信可能な細いガラスの束を有することができる。光ネットワークは、光ファイバを介して光信号で情報を運ぶよう、しばしば変調スキームを用いる。そのような変調スキームには、位相シフトキーイング（ＰＳＫ；Phase-Shift Keying）、周波数シフトキーイング（ＦＳＫ；Frequency-Shift Keying）、振幅シフトキーイング（ＡＳＫ；Amplitude-Shift Keying）、及び直交振幅変調（ＱＡＭ；Quadrature Amplitude Modulation）がある。
光ネットワークはまた、ネットワーク内で様々な動作を実行するよう、増幅器、分散補償器、マルチプレクサ／デマルチプレクサフィルタ、波長選択スイッチ（ＷＳＳ；Wavelength Selective Switch）、光スイッチ、カプラ、などのような様々な光学要素を更に含んでもよい。特に、光ネットワークは、光信号の届く範囲が単一光学経路に制限されている場合に、波長無依存（colorless）、方向無依存（directionless）、無競合（contentionless）の再構成可能な（reconfigurable）光アド／ドロップマルチプレクサ（optical add/drop multiplexer）（ＣＤＣ ＲＯＡＤＭ）での費用のかかる光－電気－光（Ｏ－Ｅ－Ｏ；optical-electrical-optical）再生を含むことがある。
光ネットワークのためのデータレートが、１テラビット／ｓ（１Ｔ）以上に達するほどに増大し続けるにつれて、光信号対雑音比（ＯＳＮＲ；Optical Signal-to-Noise Ratio）に対する要求も、例えば、多重偏波を伴うＱＡＭ及びＰＳＫのような高度な変調フォーマットの使用に起因して、高まる。特に、非常に高いデータレートで動作する光ネットワーク内の光増幅器のカスケード接続により生じる雑音の蓄積は、所望レベルのＯＳＮＲでの光信号の届く範囲を制限する可能性があり、Ｏ－Ｅ－Ｏ再生の数の増加をもたらす可能性がある。これは、経済的に不利である。
１つの態様において、光信号の位相感応増幅のための光学システムが開示される。当該光学システムは、入力光信号と、該入力光信号を受ける位相感応増幅（ＰＳＡ；phase-sensitive amplifier）段Ｉとを含んでよい。当該光学システムにおいて、前記ＰＳＡ段Ｉは第１の非線形光学素子（ＮＬＥ；non-linear optical element）を含んでよく、該第１のＮＬＥに前記入力光信号及び第１のポンプ光を通して、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記第１のＮＬＥにより生成されたアイドラ信号を含むＰＳＡ段Ｉ光信号を生成する。当該光学システムは、前記ＰＳＡ段Ｉ光信号を受けるファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ；fiber Bragg grating）を更に含んでもよい。当該光学システムにおいて、前記ＦＢＧは、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号のうちの少なくとも１つに第１の位相シフトを適用するよう構成された第１のＦＢＧ要素を含む複数のＦＢＧ要素を含んでよい。当該光学システムにおいて、前記ＦＢＧは、前記第１のＦＢＧ要素の長さにわたって台形アポダイゼーション関数を用いてアポダイズされてよく、該台形アポダイゼーション関数は、２πラジアンの範囲にわたる前記第１の位相シフトのチューニングを可能にする。当該光学システムにおいて、前記ＦＢＧは、前記第１の位相シフトを伴った前記ＰＳＡ段Ｉ光信号をＰＳＡ段ＩＩ光信号として出力してよく、一方、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号は、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号において位相整合されてよい。
開示されている実施形態のうちのいずれかで、当該光学システムは、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号を受けるＰＳＡ段ＩＩを更に含んでよい。当該光学システムにおいて、前記ＰＳＡ段ＩＩは第２のＮＬＥを含んでよく、該第２のＮＬＥにより、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号は、出力光信号を生成するよう増幅される。
開示されている実施形態のうちのいずれかで、前記ＰＳＡ段ＩＩは、ラマン増幅器と、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号の伝播方向とは逆方向に前記ラマン増幅器を通って伝わる第２のポンプ光とを更に含んでよい。
当該光学システムの開示されている実施形態のうちのいずれかで、前記入力光信号は、１つの光チャネルを含んでよく、一方、前記第１のＦＢＧ要素は、前記第１の位相シフトを前記第１のポンプ光に適用してよい。
当該光学システムの開示されている実施形態のうちのいずれかで、前記入力光信号は、第１の光チャネルを更に含む波長分割多重化（ＷＤＭ；wavelength division multiplexed）光信号を含んでよく、一方、前記第１のＦＢＧ要素は、前記第１の光チャネルの共役である第１のアイドラ信号に前記第１の位相シフトを適用してよい。
開示されている実施形態のうちのいずれかで、当該光学システムは、前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の加熱要素を更に含んでよく、該第１の加熱要素は、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧ要素の局所温度を制御するために使用されてよい。
開示されている実施形態のうちのいずれかで、当該光学システムは、前記複数のＦＢＧ要素に夫々対応する複数の加熱要素を更に含んでよく、前記複数のＦＢＧ要素の夫々は、各々の位相シフトを前記ＰＳＡ段Ｉ光信号に適用してよい。
開示されている実施形態のうちのいずれかで、当該光学システムは、前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の引っ張り要素を更に含んでよく、該第１の引っ張り要素は、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧの局所ひずみを制御するために使用されてよい。
開示されている実施形態のうちのいずれかで、当該光学システムは、前記複数のＦＢＧ要素に夫々対応する複数の引っ張り要素を更に含んでよく、前記複数のＦＢＧ要素の夫々は、各々の位相シフトを前記ＰＳＡ段Ｉ光信号に適用してよい。
開示されている実施形態のうちのいずれかで、当該光学システムは、前記ＰＳＡ段ＩＩから前記ＦＢＧへのフィードバック制御ループを更に含んでよく、該フィードバック制御ループは、２πラジアンの範囲にわたって前記第１の位相シフトをスペクトル的にアライメントするために使用される。
他の開示されている態様には、ＦＢＧ位相シフタを備えた位相感応型光増幅器、ＦＢＧシフタによる光信号の位相感応増幅のための方法、及びＦＢＧ位相シフタを備えた位相感応型光増幅器を含む光ネットワークが含まれる。
本は詰め居並びにその特徴及び利点のより完全な理解のために、これより、以下の記載が、添付の図面と合わせて参照される。
光ネットワークの実施形態の選択された要素のブロック図である。 ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）の例となる光学特性のプロットを表す。 ＦＢＧ位相シフタを備えた位相感応型光増幅器の実施形態の選択された要素のブロック図である。 位相感応光増幅段Ｉの実施形態の選択された要素のブロック図である。 位相感応光増幅段ＩＩの実施形態の選択された要素のブロック図である。 ＦＢＧ位相シフタの実施形態の選択された要素のブロック図である。 ＦＢＧ反射スペクトルのプロットを表す。 ＦＢＧ反射スペクトルについての波長に対する相対位相シフトのプロットを表す。 種々のアポダイゼーション関数についてのＦＢＧ反射スペクトルのプロットを表す。 台形アポダイゼーション関数のプロットを表す。 台形アポダイゼーションを備えたＦＢＧによる位相シフト方法の実施形態の選択された要素のフローチャートである。
以下の記載において、詳細は、開示されている主題の説明を助けるよう、例として示されている。なお、当業者に当然ながら、開示されている実施形態は、例であって、全ての起こり得る実施形態を包含するわけではない。
本開示を通して、ハイフンでつながれた形の参照番号は、要素の特定のインスタンスを参照し、ハイフンなしの参照番号は、総称的又は集合的に要素を参照する。よって、一例として（図示せず。）、デバイス“１２－１”は、デバイス分類のインスタンスを参照する。デバイス分類のインスタンスは、デバイス“１２”として集合的に参照されることがあるとともに、その中のいずれか１つが総称的にデバイス“１２”として参照されることもある。図面及び明細書において、同じ番号は、同じ要素を表すよう意図される。
これより図面を参照すると、図１は、光ネットワーク１０１の実施形態を例示し、光通信システムを表し得る。光ネットワーク１０１は、光ネットワーク１０１のコンポーネントによって通信される１つ以上の光信号を運ぶよう１つ以上の光ファイバ１０６を含んでよい。ファイバ１０６によって結合された光ネットワーク１０１のネットワーク要素は、１つ以上の送信器（Ｔｘ）１０２、１つ以上のマルチプレクサ（ＭＵＸ）１０４、１つ以上の光増幅器１０８、１つ以上の光アド／ドロップマルチプレクサ（ＯＡＤＭ）１１０、１つ以上のデマルチプレクサ（ＤＥＭＵＸ）１０５、及び１つ以上の受信器（Ｒｘ）１１２を有してよい。
光ネットワーク１０１は、端末ノードによるポイント・ツー・ポイント光ネットワーク、リング光ネットワーク、メッシュ光ネットワーク、若しくはあらゆる他の適切な光ネットワーク、又は光ネットワークの組み合わせを有してよい。光ネットワーク１０１は、短距離大都市ネットワーク、長距離都市間ネットワーク、若しくはあらゆる他の適切なネットワーク、又はネットワークの組み合わせにおいて使用されてよい。光ネットワーク１０１の容量は、例えば、１００Ｇｂｉｔ／ｓ、４００Ｇｂｉｔ／ｓ、又は１Ｔｂｉｔ／ｓを含んでよい。光ファイバ１０６は、極めて低い損失で長い距離にわたって信号を通信可能な細いガラスの束を有する。光ファイバ１０６は、光伝送のために多種多様なファイバから選択された適切なタイプのファイバを有してよい。光ファイバ１０６は、シングルモードファイバ（ＳＭＦ；Single-Mode Fiber）、拡張ラージ・エフェクティブ・エリア・ファイバ（Ｅ－ＬＥＡＦ；Enhanced Large Effective Area Fiber）、又はトゥルーウェーブ・レデュースドスロープ（ＴＷ－ＲＳ；TrueWave Reduced Slope）ファイバのような、如何なる適切なタイプのファイバも含んでよい。
光ネットワーク１０１は、光ファイバ１０６を介して光信号を送信するデバイスを含んでよい。情報は、情報を波長において符号化するよう光の１つ以上の波長の変調によって、光ネットワーク１０１を通じて送信及び受信され得る。光ネットワーキングでは、光の波長は、光信号に含まれる“チャネル”と呼ばれることもある。夫々のチャネルは、光ネットワーク１０１を通じて一定量の情報を運び得る。
光ネットワーク１０１の情報容量及び伝達能力を増大させるよう、複数のチャネルで送信される複数の信号は単一の広帯域光信号へと結合されてもよい。複数のチャネルで情報を通信するプロセスは、波長分割多重化（ＷＤＭ；Wavelength Division Multiplexing）と光学では呼ばれる。疎な波長分割多重化（ＣＷＤＭ；Coarse Wavelength Division Multiplexing）は、少ないチャネル数で広く間隔をあけられている波長の多重化をいい（通常は、２０ｎｍよりも広く且つ１６よりも少ない波長）、密な波長分割多重化（ＤＷＤＭ；Dense Wavelength Division Multiplexing）は、ファイバ内への、多数のチャネルを有しながら密集している波長の多重化をいう（通常は、０．８ｎｍよりも狭く且つ４０よりも多い波長）。ＷＤＭ又は他の多波長多重化伝送技術は、光ファイバごとの総帯域幅を増やすよう光ネットワークにおいて用いられる。ＷＤＭによらないと、光ネットワークにおける帯域幅は、１つの波長のみのビットレートに制限され得る。より帯域幅が増せば、光ネットワークは、より大量の情報を伝送可能である。光ネットワーク１０１は、ＷＤＭ又は何らかの他の適切な多チャンネル多重化技術を用いて、多チャンネル信号を増幅するよう、異種のチャネルを送信し得る。
光ネットワーク１０１は、特定の波長又はチャネルで光ネットワーク１０１を通じて光信号を送信するよう１つ以上の光送信器（Ｔｘ）１０２を含んでよい。送信器１０２は、電気信号を光信号に変換し、光信号を送信するシステム、装置又はデバイスを有してよい。例えば、送信器１０２は夫々が、電気信号を受信し、電気信号に含まれる情報を、特定の波長でレーザによって生成された光のビームに変調し、そして、光ネットワーク１０１にわたって信号を運ぶためにビームを送信するよう、レーザ及び変調器を有してよい。
マルチプレクサ１０４が送信器１０２へ結合されてもよく、送信器１０２によって送信された信号を、例えば、各々の個別的な波長で、ＷＤＭ信号へと結合するシステム、装置又はデバイスであってよい。
光増幅器１０８は、光ネットワーク１０１内で多チャンネル信号を増幅し得る。光増幅器１０８は、ファイバ１０６の特定の長さより前又は後に位置付けられてよい。光増幅器１０８は、光信号を増幅するシステム、装置又はデバイスを有してよい。例えば、光増幅器１０８は、光信号を増幅する光中継器を有してもよい。この増幅は、光電気又は電気光変換とともに実行されてよい。いくつかの実施形態において、光増幅器１０８は、添加（doped）ファイバ増幅要素を形成するよう希土類元素をドープされた光ファイバを有してもよい。信号がファイバを通るときに、外部エネルギが、光ファイバのドープされた部分の原子を励起するよう光学ポンプの形で印加され得る。このことは、光信号の強さを増大させる。一例として、光増幅器１０８は、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ；Erbium-Doped Fiber Amplifier）を有してもよい。
ＯＡＤＭ１１０は、光ファイバ１０６を介して光ネットワーク１０１へ結合されてよい。ＯＡＤＭ１１０はアド／ドロップモジュールを有し、ファイバ１０６から光信号を（すなわち、個々の波長で）アド（挿入）及びドロップ（除去）するシステム、装置又はデバイスを含んでよい。ＯＡＤＭ１１０を通過した後、光信号は、ファイバ１０６に沿って送り先へ直接に進んでよく、あるいは、信号は、送り先に届く前に、１つ以上の更なるＯＡＤＭ１１０及び光増幅器１０８を通されてもよい。
光ネットワーク１０１のある実施形態においては、ＯＡＤＭ１１０は、ＷＤＭ信号の個々の又は複数の波長をアド又はドロップすることができる再構成可能なＯＡＤＭ（ＲＯＡＤＭ）に相当し得る。個々の又は複数の波長は、例えば、ＲＯＡＤＭに含まれ得る波長選択スイッチ（ＷＳＳ）（図２を参照。）を用いて、光の領域でアド又はドロップされてよい。ＲＯＡＤＭは、ＲＯＡＤＭが如何なる任意の波長もアド／ドロップすることができるときに‘波長無依存’（colorless）と見なされる。ＲＯＡＤＭは、ＲＯＡＤＭが伝播の方向に関わらずいずれかの波長をアド／ドロップすることができるときに‘方向無依存’（directionless）と見なされる。ＲＯＡＤＭは、ＲＯＡＤＭが、如何なる競合する波長（既に占有されている波長）も、利用可能であるいずれかの他の波長へ切り替えることができるときに‘無競合’（contentionless）と見なされる。
図１に示されるように、光ネットワーク１０１は、ネットワーク１０１の１つ以上の送り先で１つ以上のデマルチプレクサ１０５を更に含んでもよい。デマルチプレクサ１０５は、単一のコンポジットＷＤＭ信号を各々の波長で個々のチャネルに分けることによってデマルチプレクサとして動作するシステム、装置又はデバイスを有してよい。例えば、光ネットワーク１０１は、４０チャネルＤＷＤＭ信号を送信及び搬送し得る。デマルチプレクサ１０５は、単一の４０チャネルＤＷＤＭ信号を、４０個の異なるチャネルに従う４０個の別個の信号に分割し得る。
図１において、光ネットワーク１０１は、デマルチプレクサ１０５へ結合された受信器１１２を更に含んでもよい。夫々の受信器１１２は、特定の波長又はチャネルで送信された光信号を受信してよく、光信号を処理して、光信号が含む情報（データ）を取得（復調）し得る。然るに、ネットワーク１０１は、ネットワークのチャネルごとに少なくとも１つの受信器１１２を含んでよい。
図１における光ネットワーク１０１のような、光ネットワークは、光ファイバを介して光信号で情報を運ぶよう、変調技術を用いてよい。そのような変調スキームは、変調技術の数ある例の中でも特に、位相シフトキーイング（ＰＳＫ）、周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）、振幅シフトキーイング（ＡＳＫ）、及び直交振幅変調（ＱＡＭ）を含んでよい。ＰＳＫにおいて、光信号によって運ばれる情報は、キャリア波、又は単にキャリアとしても知られている、基準信号の位相を変調することによって、運ばれ得る。情報は、２レベル又は二位相偏位変調（ＢＰＳＫ；Binary Phase-Shift Keying）、４レベル又は四位相偏位変調（ＱＰＳＫ；Quadrature Phase-Shift Keying）、マルチレベル偏位変調（Ｍ－ＰＳＫ；Multi-level Phase-Shift Keying）及び差動偏位変調（ＤＰＳＫ；Differential Phase-Shift Keying）を用いて信号自体の位相を変調することによって運ばれてもよい。ＱＡＭにおいて、光信号によって運ばれる情報は、キャリア波の振幅及び位相の両方を変調することによって運ばれ得る。ＰＳＫは、キャリア波の振幅が一定に保たれているＱＡＭの一部と見なされてもよい。
偏波分割多重化（ＰＤＭ；Polarization Division Multiplexing）技術は、情報伝送のためのより大きいビットレートを達成することを可能にし得る。ＰＤＭ伝送は、チャネルに関連した光信号の異なる偏光成分に情報を独立して変調することを有する。このようにして、夫々の偏光成分は、分離した信号を他の偏光成分とともに同時に搬送し、それによって、ビットレートが個々の偏光成分の数に従って増大されることを可能にする。光信号の偏光は、光信号の振動の方向を参照し得る。語「偏光」（polarization）は、一般に、光信号の伝播方向に垂直である、空間内のある地点での電界ベクトルの先端によって描かれる経路を参照し得る。
図１における光ネットワーク１０１のような、光ネットワークにおいては、管理プレーン、制御プレーン、及び伝達プレーン（時々物理レイヤと呼ばれる。）に言及することが典型的である。中央管理ホスト（図示せず。）が管理プレーンに存在してよく、制御プレーンのコンポーネントを構成し且つ管理し得る。管理プレーンは、全ての伝達プレーン及び制御プレーンのエンティティ（例えば、ネットワーク要素）に対して決定的な支配力を有する。一例として、管理プレーンは、１つ以上の処理リソース、データ記憶コンポーネント、などを含む中央演算処理センタ（例えば、中央管理ホスト）から成ってよい。管理プレーンは、制御プレーンの要素と電気的に連通してよく、更には、伝達プレーンの１つ以上のネットワーク要素と電気的に連通してよい。管理プレーンは、システム全体の管理機能を実行し、ネットワーク要素、制御プレーン、及び伝達プレーンの間の協調を提供し得る。例として、管理プレーンは、要素の観点から１つ以上のネットワーク要素を処理する要素管理システム（ＥＭＳ；Element Management System）、ネットワークの観点から多数のデバイスを処理するネットワーク管理システム（ＮＭＳ；Network Management System）、又はネットワーク規模の動作を処理する運用支援システム（ＯＳＳ；Operational Support System）を含んでよい。
変更、追加又は削除は、本開示の適用範囲から逸脱することなしに、光ネットワーク１０１に対して行われてよい。例えば、光ネットワーク１０１は、図１に表されているよりも多い又は少ない要素を含んでもよい。また、上述されたように、ポイント・ツー・ポイントネットワークとして表されているが、光ネットワーク１０１は、リング、メッシュ、又は階層ネットワークトポロジのような、光信号を送信するための如何なる適切なネットワークトポロジも有してよい。
上述されたように、光ネットワーク上で伝送され得る情報の量は、情報により符号化されて１つの信号に多重化される光チャネルの数によって変化し得る。然るに、ＷＤＭ信号を用いる光ファイバは、単一チャネルにわたって情報を搬送する光ファイバよりも多くの情報を運ぶことができる。チャネルの数及び搬送される偏光成分の数に加えて、どれくらいの情報が光ネットワーク上で伝送可能であるかに影響する他の要因は、伝送のビットレートであり得る。ビットレートが高ければ高いほど、伝送される情報の容量はますます大きくなる。より高いビットレートを達成することは、広帯域幅電気ドライバ技術、デジタル信号プロセッサ技術、及び光ネットワーク１０１上での伝送のための必要とされるＯＳＮＲの増大の利用可能性によって制限され得る。
光ネットワーク１０１の動作において、データレートが１Ｔ以上に近づくにつれて、相応して高いＯＳＮＲが、過剰な数のＯ－Ｅ－Ｏ再生器を回避することによって経済的妥当性を維持するために、望ましくなる。ＯＳＮＲ低下の１つの原因は、伝送経路内の様々な地点でのカスケード接続された光増幅器１０８により生じるノイズの蓄積である。光増幅器の場合に、ＯＳＮＲは、式（１）によって与えられる雑音指数（ＮＦ；noise figure）として表され得る：

NF=10log(OSNRin/OSNRout)=OSNRin[dB]-OSNRout[dB] 式（１）

ここで、OSNRinは入力ＯＳＮＲであり、OSNRoutは出力ＯＳＮＲであり、dBはデシベルである。
光増幅器のための現在の設計は、位相感応型光増幅器（ＰＳＡ）を含み得る。ＰＳＡは、多くの場合において、３ｄＢ未満といった低い雑音指数を示し得る。本願で開示されているようにファイバブラッググレーティング位相シフタを使用することといった、一部のＰＳＡ設計は、２ｄＢ未満の雑音指数、又は１ｄＢ未満の雑音指数といった、３ｄＢ雑音指数よりも低い雑音指数を示し得る。より低い雑音指数は、所与の光信号について光学的リーチ（届く範囲）の増大を可能にし得る。このことは望ましい。
典型的な位相感応型光増幅器は、光学ポンプを用いて最初にアイドラ信号を生成するアイドラ段と、光学ポンプ光及びアイドラ信号を用いて入力信号を増幅する増幅段とを含む種々の段を有する。アイドラ段と増幅段との間には、中間段が位相感応型光増幅器内で実装されてもよい。中間段は、入力信号及びアイドラ信号の電力レベルを調整するよう、複雑な信号処理及びポンプ電力回復を伴うことがある。典型的な位相感応型光増幅器では、入力信号、光学ポンプ光、及びアイドラ信号の光学経路は、信号の夫々の電力を独立して変調するために、中間段において分離されてもよい。
分離された光学経路が増幅段の前に再結合される場合に、位相調整が、信号の位相をアライメントし直すよう実行されてもよい。いくつかの実施形態では、位相調整は、入力信号及びアイドラ信号の位相を光学ポンプ光とアライメントし直すための光学位相ロックループを伴うことがある。なお、位相ロックループは、例えば、同期化が失われて再設定されるべき場合に、光ネットワーキングのために望まれる所望の安定性及びロバスト動作を提供することができない。
ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）は、光ファイバ内で周期変動を用いて構成され得る特殊化した反射体の一種である。ＦＢＧは、比較的に狭い波長帯域を反射するよう構成され得、然るべくノッチフィルタとしても使用される。よって、ＦＢＧは、上記の光信号のような特定の帯域幅の伝送を可能にする比較的に広い伝送帯域を有し得る。その上、ＦＢＧは、伝送帯域においてある程度の位相シフトをもたらし得る。ＦＢＧによってもたらされる位相シフトは、例えば、光ファイバの温度を制御することによって、又は一定量のひずみを光ファイバに加えることによって、更に調整可能であることができる。
更に詳細に記載されるように、ＦＢＧ位相シフタを備えた位相感応型増幅器（ＰＳＡ）を実装する方法及びシステムがここで開示される。ここで開示される、ＦＢＧ位相シフタを備えたＰＳＡは、夫々のＦＢＧ要素が特定のチャネル又はチャネルのグループに対応する複数のＦＢＧ要素を含むＦＢＧを用いて実装され得る。次いで、光ファイバの温度制御又はひずみ制御のいずれか一方を使用して、ここで開示される、ＦＢＧ位相シフタを備えたＰＳＡは、光信号及びポンプ信号の位相整合を可能にし得る。ここで開示される、ＦＢＧ位相シフタを備えたＰＳＡは、０ｄＢ雑音指数を有しているＰＳＡを提供するために使用されてよい。これは、光ネットワーク上で伝送される光信号の届く範囲の拡大を可能にし得る。
図２Ａは、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）の例となる光学特性のプロットを表す。具体的に、プロット２００は、ＦＢＧの透過率対波長を示す。プロット２００は概略図であり、実際の測定データを示すものではない。なお、プロット２００は、ＦＢＧのノッチフィルタ特性を表し、透過率が、比較的に狭い波長帯域について低下している。また、プロット２００には、ここで開示されるＦＢＧ位相シフタを備えたＰＳＡのために利用され得る透過帯域２２０の例も表されている。図示されるように、透過帯域２２０は、０ｄＢ（１００％）に近い透過率を有しているが、ノッチフィルタ反射帯域に隣接している領域に位置している。透過帯域２２０に対応する波長がＦＢＧを通過するとき、それらの波長は、光電力の減衰量が比較的に少なく伝送されることになる。すなわち、ＦＢＧは、透過帯域２２０における波長については透過のように見えうる。ＦＢＧの特定の構成は、透過帯域２２０が所望の波長サブ領域に収まるように選択され得るので、複数のＦＢＧが、ＷＤＭ信号のような所望の組の光信号とともに使用される光ファイバに沿って順次的に構成されてもよい（図５を参照。）。
図２Ａにはプロット２０１も示されている。プロット２０１は、プロット２００において言及された同じＦＢＧについて、同じ波長範囲にわたって、位相シフトを示す。具体的に、プロット２００における透過帯域２２０は、位相シフト帯域２２２と同じ波長範囲に対応する。位相シフト帯域２２２では、離散的な量の位相シフトが加えられ得る。また、位相シフト帯域２２２でよりも小さい他の波長について、位相シフトはゼロ又は略ゼロであり、一方、透過率は０ｄＢに近い。これは、ＦＢＧによって位相シフトを適用されることなしに他の周波数の通過を可能にする。更に、プロット２０１における位相シフトの値は、ファイバに温度又はひずみを加えることによって波長がわずかに変更され得る。これは、位相シフト帯域２２２内の所与の波長に加えられる位相シフトの量を調整するためにも使用され得る。位相シフト帯域２２２で加えられる実際の位相シフトは、例えば、ＦＢＧの温度又はひずみ制御を使用することによって、調整され得るので、ＦＢＧは、ＰＳＡにおける位相シフト又は位相調整のために使用されてもよい。
要約すれば、図２Ａに示されている光学特性は、如何にしてＦＢＧが位相シフトのために光ファイバにおいて使用され得るかについて説明する。例えば、複数の個別的なＦＢＧ要素を含む、ＦＢＧの構成は、透過帯域２２０及び位相シフト帯域２２２の周波数サブ帯域を決定し得る。次いで、個々のＦＢＧ要素での温度又はひずみ制御は、個々のＦＢＧ要素での位相シフトの量を調整するために使用されてよい。このようにして、ＦＢＧは、以下で更に詳細に記載されるように、光ＰＳＡにおける位相シフトのために使用され得る。
図２Ｂは、ＦＢＧ位相シフタ２０８を備えた光ＰＳＡ２０２の実施形態の選択された要素のブロック図である。ＰＳＡ２０２において、ＷＤＭ光信号２１０がＰＳＡ段Ｉ２０４によって受信されてよい。ＰＳＡ段Ｉ２０４では、簡単な４波混合（ＦＷＭ；four wave mixing）が、いわゆる“アイドラ信号”を生成するよう起こってよい。アイドラ信号は、ポンプ光に対する、ＷＤＭ信号２１０のような光信号の共役波長である。ＦＷＭにおいて、アイドラ信号は、光信号及びポンプ光が高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ；highly non-linear fiber）のような非線形素子（ＮＬＥ；non-linear element）を通過するときに現れる。様々な実施形態において、光学結晶又は他の光学材料のような、他のＮＬＥがまた、ＦＷＭを促すために使用されてもよい。ＮＬＥにおいて、光子は、非線形プロセスによってポンプ光及び光信号からアイドラ信号へ変換される。
然るに、ＰＳＡ段Ｉは、ＰＳＡ段Ｉ光信号２３０を出力する。ＰＳＡ段Ｉ光信号２３０において、ポンプ光及び光信号の強さは減退するが、アイドラ信号が加えられている。共役アイドラ信号は、ＷＤＭ光信号２１０に含まれる夫々のチャネルごとにＰＳＡ段Ｉ光信号２３０において現れ得る。ＰＳＡ段Ｉ２０４は、単一の光チャネルを含む入力信号とともに使用されてよいことが知られる。
次いで、ＦＢＧ位相シフタ２０８を備えたＰＳＡ２０２において、ＰＳＡ段Ｉ光信号２３０は、ＦＢＧ位相シフタ２０８によって受信されてよい。ＦＢＧ位相シフタ２０８については、図５に関して以下で更に詳細に記載される。ＦＢＧ位相シフタ２０８において、ポンプ光、ＷＤＭ光信号２１０、及びアイドラ信号のうちの少なくとも１つの位相が調整され得る。ＦＢＧ位相シフタ２０８によって適用される位相シフトは、出力ＷＤＭ光信号２１４を正確な位相アライメントのためにモニタすることを可能にするフィードバックループ２１８を用いて、制御される。例えば、出力ＷＤＭ光信号２１４の電力変動は、ＦＢＧ位相シフタ２０８の出力であるＰＳＡ段ＩＩ光信号２３２がＷＤＭ光信号２１０、ポンプ光、及びアイドラ信号に対して正確に位相整合される場合に最小限にされることが観測され得る。
最後に、ＦＢＧ位相シフタ２０８を備えたＰＳＡ２０２において、ＰＳＡ段ＩＩ２０６は、ＰＳＡ段ＩＩ光信号２３２を受信してよく、そして、ＷＤＭ光信号２１０を増幅してよい。ＰＳＡ段ＩＩ２０６は、出力ＷＤＭ光信号２１４を生成するために、ラマン増幅及び以下で更に詳細に記載される他の要素を更に含んでもよい。出力ＷＤＭ光信号２１４において、チャネルは、入力ＷＤＭ光信号２１０に対して増幅されている。
これより図３を参照すると、光ＰＳＡ段Ｉ２０４の実施形態の選択された要素が表されている。図３において、光ＰＳＡ段Ｉ２０４は、概略的に示されており、実寸通りではない。異なる実施形態では、光ＰＳＡ段Ｉ２０４は、図３に示されるものと比べて追加の又はより少ない要素を有して動作し得ることが知られる。
図３において、光ＰＳＡ段Ｉ２０４は、ＷＤＭ入力信号２１０を受信し、カプラ３０６を用いて光学ポンプ光３０８を加える。ＷＤＭ入力信号２１０及び光学ポンプ光３０８を含む中間段Ｉ信号３１２が次いで、ＮＬＥアイドラ３１４へ送られる。ＮＬＥアイドラ３１４は非線形光学素子である。光学ポンプ光３０８及びＷＤＭ入力信号２１０の存在下で、図２Ｂに関して上述されたように、単純な４波混合（ＦＷＭ）が、ＰＳＡ段Ｉ光信号２３０を生じさせるように、アイドラ信号３１８を生成するようＮＬＥアイドラ３１４で起こってよい。
図３には、光ＰＳＡ段Ｉ２０４で伝送される種々の信号のスペクトルも示されている。スペクトル２１０－Ｓにおいて、光信号３１０は、ＷＤＭ入力信号２１０に含まれている１つ以上の波長を表す。中間段Ｉ信号３１２に対応するスペクトル３１２－Ｓにおいて、光学ポンプ光３０８が光信号３１０に加えられている。ＰＳＡ段Ｉ光信号２３０に対応するスペクトル２３０－Ｓにおいて、アイドラ信号３１８が加えられており、光信号３１０の対応する１つ以上の波長に相当するが、光学ポンプ光３０８に関して対称にスペクトル的に間隔をあけられている。また、スペクトル２３０－Ｓにおける信号の光電力は低減されており、これは、アイドラ信号３１８を生成するためのＦＷＭを示す。
これより図４を参照すると、光ＰＳＡ段ＩＩ２０６の実施形態の選択された要素が表されている。図４において、光ＰＳＡ段ＩＩ２０６は、概略的に示されており、実寸通りではない。異なる実施形態では、光ＰＳＡ段ＩＩ２０６は、図４に示されるものと比べて追加の又はより少ない要素を有して動作し得ることが知られる。
図４において、光ＰＳＡ段ＩＩ２０６は、ＦＢＧ位相シフタ２０８からＰＳＡ段ＩＩ光信号２３２を受信する。然るに、ＰＳＡ段ＩＩ光信号２３２に含まれる信号は、ここで開示されるように、ＦＢＧ位相シフタ２０８によって位相整合され得る。ＰＳＡ段ＩＩ光信号２３２は、ＰＳＡ段ＩＩ光信号２３２をＮＬＥラマン増幅４２２へ送出する前に、ラマンポンプ４２４の逆伝播を防ぐようアイソレータ４０２を通過してよい。ＮＬＥラマン増幅４２２は、伝播方向とは逆方向で、カプラ４０６を用いてラマンポンプ４２４を受け取る。ＰＳＡ段ＩＩ光信号２３２は、上述されたように、入力ＷＤＭ光信号２１０における波長を含む光信号３１０とともに、対応するアイドラ信号３１８及び光学ポンプ光３０８を含み得る。示されているように、スペクトル２３２－Ｓで示されている光信号は、ＰＳＡ段ＩＩ２０６の最適な動作のためにＦＢＧ位相シフタ２０８を用いて、位相整合又は位相アライメントされ得る。
光ＰＳＡ段ＩＩ２０６において、ＮＬＥラマン増幅４２２は、ラマンポンプ４２４を含むラマン増幅器を有してよい。ラマンポンプ４２４は、処理される光信号（ＰＳＡ段ＩＩ光信号２３２）の伝播方向とは逆方向で利得媒体としてのＮＬＥを通して方向付けられるレーザ源であってよい。ラマンポンプ４２４は、使用される利得媒体に基づき選択されてよい。例えば、１３ＴＨｚ光学ポンプは、ＮＬＥとしてのＧｅＯ２／ＳｉＯ２シングルモードファイバとともに使用されてよく、一方、４０ＴＨｚ光学ポンプは、ＮＬＥラマン増幅４２２におけるＮＬＥとしてのＰ２Ｏ５添加ＳｉＯ２リン酸添加ファイバ（phosphate-doped fiber；ＰＤＦ）とともに使用されてよい。更に、ラマンポンプ４２４の光電力の変調又は変更は、ＮＬＥラマン増幅４２２の光学利得を決定又は変更するために使用されてよい。ラマン増幅は、アイソレータ４０２、ＮＬＥラマン増幅４２２、カプラ４０６、及びラマンポンプ４２４が省略され得るように（図示せず。）、光ＰＳＡ段ＩＩ２０６のいくつかの実施形態では任意であってよいことが知られる。
ＮＬＥラマン増幅４２２の出力は、ラマン増幅された光信号４１２として示されている。この信号４１２は、非線形光学素子であるＮＬＥ増幅４１８へ方向付けられる。ラマン増幅された光信号４１２の存在下で、１ポンプ４波混合（ＦＷＭ）は、光学ポンプ光３０８を犠牲にしてＷＤＭ光信号及びアイドラ信号を増幅するようＮＬＥ増幅４１８で起こってよい。ＮＬＥ増幅４１８は、１ポンプ光学４波混合（ＦＷＭ）を実行するコンポーネントを含んでよい。１ポンプＦＷＭは、入力信号又はそのフィルタ処理された部分を、ドープ光ファイバ、周期的分極反転ニオブ酸リチウム（periodically poled lithium niobate；ＰＰＬＮ）、ひ化アルミニウムガリウム（aluminum gallium arsenide；ＡｌＧａＡｓ）又は所望の光学非線形性を示す他の半導体材料のような非線形光学素子（ＮＬＥ）に通すことによって、実現されてよい。
ＮＬＥ増幅４１８の後、光信号４１４は、増幅されたＷＤＭ光信号及びアイドラ信号とともに、低下した光学ポンプ光３０８を含む。光学バンドパスフィルタ（optical bandpass filter；ＯＢＰＦ）４０８が次いで、ＷＤＭ光信号２１４を分離するよう適用されてよい。
図４には、光ＰＳＡ段ＩＩ２０６において伝送される種々の信号のスペクトルも示されている。スペクトル２３２－Ｓにおいて、光信号３１０は、ＷＤＭ出力信号２１４に含まれている１つ以上の波長を表し、一方、アイドラ信号３１８は、光学ポンプ光３０８に関して光信号３１０の共役である。上述されたように、スペクトル２３２－Ｓで示される光信号は、ＰＳＡ段ＩＩ２０６の最適な動作のためにＦＢＧ位相シフタ２０８を用いて、位相整合又は位相アライメントされ得る。
ラマン増幅された光信号４１２に対応するスペクトル４１２－Ｓにおいて、光信号３１０、光学ポンプ光３０８、及びアイドラ信号３１８は増幅され得る（信号強度の増大により示されている。）。スペクトル４１４－Ｓにおいて、光信号３１０及びアイドラ信号３１８は光学ポンプ光３０８を犠牲にして増幅され得、これはＦＷＭに対応する。スペクトル２１４－Ｓにおいて、光信号３１０は、ＷＤＭ出力信号２１４を生成するよう、増幅された形で分離される。
図５は、ＦＢＧ位相シフタ２０８－１の実施形態の選択された要素の図である。図５は、概略図であり、実寸通りではない。図５において、ＦＢＧ位相シフタ２０８－１は、光ファイバ５０２を有し、上述されたように、ＰＳＡ段Ｉ光信号２３０を受信し、ＰＳＡ段ＩＩ光信号２３２を出力することを可能にされる。ＦＢＧ位相シフタ２０８－１における光ファイバ５０２は、光ファイバ５０２内の屈折率の差により光信号を伝送するファイバコア５０４及びクラッディング５０６から更に構成されている。
ファイバコア５０４内には、ＦＢＧ要素５１０－１、５１０－２及び５１０－３を含め、複数のＦＢＧ要素５１０が示されている。ＦＢＧ要素は、明りょうさのために図５では同等であるように示されているが、夫々の個々のＦＢＧ要素５１０は、例えば、上述されたように、ＰＳＡ段Ｉ光信号２３０（及びＰＳＡ段ＩＩ光信号２３２）における波長に対応する波長の範囲を伝送するよう特に設計又は構成されてよい。いくつかの実施形態において、夫々の個々のチャネル又は波長は、個々のＦＢＧ要素５１０を用いて位相シフトされてよい。
図５には、夫々の個々のＦＢＧ要素５１０に対応する加熱デバイス５１２も示されている。具体的に、加熱デバイス５１２－１は、ＦＢＧ要素５１０－１の温度を個別に制御するために使用されてよく、加熱デバイス５１２－２は、ＦＢＧ要素５１０－２の温度を個別に制御するために使用されてよく、加熱デバイス５１２－３は、ＦＢＧ要素５１０－３の温度を個別に制御するために使用されてよい。加熱デバイス５１２は、温度センサと、対応するＦＢＧ要素５１０のための温度制御を実行するための実行可能命令を記憶している非一時的なメモリ媒体へのアクセスを有しているマイクロコントローラ又はマイクロプロセッサのような制御ロジック（図示せず。）とを更に含んでよい。然るに、夫々のＦＢＧ要素５１０／加熱デバイス５１２の組は、例えば、位相シフト帯域２２２（図２Ａを参照。）内といった、個々の位相シフトを提供するために、温度制御に関して独立して作動し得る。夫々のＦＢＧ要素５１０の位相シフトはこのようにして温度に依存するので、夫々のＦＢＧ要素５１０に適用される位相シフトは望まれるように制御され得る。
他の実施形態では、加熱デバイス５１２は、光ファイバ５０２に沿ったＦＢＧ要素５１０の位置に対応する位置で、定義された張力を光ファイバ５０２に適用する引っ張り要素（すなわち、テンショナ）のような、ひずみ制御デバイス（図示せず。）により置換又は増補されてもよい。夫々のＦＢＧ要素の位相シフトは、ファイバコア５０４におけるひずみにも依存するので、夫々のＦＢＧ要素５１０に適用される位相シフトは、引っ張り要素を用いて望まれるように制御され得る。いくつかの実施形態では、ＦＢＧ要素５１０の温度及びひずみ制御の組み合わせが使用されてもよい
１つの例において、ＦＢＧ位相シフタ２０８－１の動作は、アイドラ信号３１８の位相を調整することを含んでよい。例えば、ＦＢＧ位相シフタ２０８－１は、３つのチャネルを有し且つスペクトル２３０－Ｓ（図３を参照。）に対応するＰＳＡ段Ｉ光信号２３０に対応する信号及び波長を入力として受けると仮定され得る。然るに、光信号３１０及びアイドラ信号３１８は、光学ポンプ光３０８に関してスペクトル的に対称であって且つ光学ポンプ光３０８及び光信号３１０の波長が知られているときに予め計算可能である３つのチャネルを夫々有している。ＦＢＧ位相シフタ２０８－１を３つのアイドラ信号３１８に適用するために、夫々の個々のＦＢＧ要素５１０は、個々のアイドラ信号３１８の対応する波長に対して形成されてよい。例えば、ＦＢＧ要素５１０－１は、その位相シフト帯域２２２が第１アイドラ信号３１８に対応するように形成されてよく、ＦＢＧ要素５１０－２は、その位相シフト帯域２２２が第２アイドラ信号３１８に対応するように形成されてよく、ＦＢＧ要素５１０－２は、その位相シフト帯域２２２が第３アイドラ信号３１８に対応するように形成されてよい。このようにして、ＦＢＧ要素５１０は、アイドラ信号３１８のうちの個別的な１つに対して選択的でありながら、残りのアイドラ信号に対しては透過であるよう形成されてよい。次いで、３つのＦＢＧ要素５１０を備えた光ファイバ５０２が形成され、スペクトル２３０－Ｓに対応する波長が光ファイバ５０２を通って伝えられた後に、加熱要素５１２のベースキャリブレーションが実行されてよく、それにより、夫々の加熱要素５１２は、ＦＢＧ要素５１０の既知の出力に対応する温度にある。ＦＢＧ位相シフタ２０８－１の出力は次いで、ＷＤＭ出力信号２１４を生成するようＰＳＡ段ＩＩ２０６を通されてよい。次いで、ＦＢＧ位相シフタを備えたＰＳＡ２０２の出力、すなわち、ＷＤＭ出力信号２１４は、光電力についてモニタされてよく、一方、夫々のＦＢＧ要素５１０の位相は、加熱要素５１２を用いて調整される。例えば、約４０℃の温度変化は、ＦＢＧ要素５１０で波長における約１ｎｍの位相シフトをもたらし得る。加熱要素５１２は、ＷＤＭ出力信号２１４の光電力が最大限にされるような各々の温度へと調整されてよい。これは、アイドラ信号３１８における全ての位相がアライメントされるときに起こることになる。
これより図６を参照すると、ＦＢＧ反射スペクトル６００がプロットにおいて表されている。図６において、ＦＢＧ反射スペクトル６００は、一次反射ピークの夫々の側で起こる多数のサイドバンド又はリップルを示す。反射がＦＢＧで起こるとき、上述されたように、位相変化も起こる。多数のサイドバンドが存在するとき、減衰振動が起こって、予測不可能な又は整合されない位相シフトを引き起こす可能性がある。しかし、一次反射ピークの周りのリップルが、例えば、ＦＢＧに対してアポダイゼーション関数を使用することによって、制御された場合には、反射帯域幅の周りの位相シフトも制御されることになる。限られた数のサイドバンドをもたらすアポダイゼーション関数を使用することによって、サイドバンド領域は、反射からの如何なる減衰もなしで低損失位相シフタとして使用され得る。
図７には、ＦＢＧ反射スペクトル６００についての相対位相対波長のプロット７００が示されている。プロット７００において、サイドバンド領域７０２は、２π周期にわたって延在する線形位相シフトが、適切なアポダイゼーション関数を用いて、例えば、ＰＳＡ２０２におけるＦＢＧ位相シフタ２０８によって、位相シフトのために利用可能であることを示す。
図８には、ＦＢＧ反射スペクトル８００が、種々のタイプのアポダイゼーションについて示されている。ここで使用されるように、ＦＢＧの‘アポダイゼーション’（apodization）は、差がＦＢＧの端部で（ゼロ又は略ゼロ）であるように、ＦＢＧの長さにわたって交互のＦＢＧ材料の間の屈折率の差を等級分けするプロセスをいう。例えば、ＦＢＧを構成するよう、光ファイバ（例えば、ゲルマニウム添加シリカファイバ）は、目標とされる位置で照射によって生成されるストライプ内で光ファイバコアの屈折率を増大させるよう、光ファイバに沿って特定の位置で（例えば、ＵＶレーザを用いて）照射されてよい。これは、照射されていない位置でより、照射されている位置で、ＦＢＧコアとクラッド材料との間のより大きい屈折率差を生じさせる。夫々の照射位置での屈折率の変化の規模は、照射の電力（すなわち、レーザの強さ）及び存続期間に依存する。照射電力及び存続期間が一定である場合には、一様なグレーティングが構成され得る。なお、ＦＢＧの反射特性は、光ファイバに沿った特定の位置での照射の電力及び／又は存続期間を変化させることによって、変更可能である。例えば、第１の位置での照射の時間が、第２の位置での照射の時間の２倍である場合には、その位置での屈折率の差は、第２の位置での屈折率の差の２倍になる。異なる照射パターン又は関数は、その一部がアポダイゼーションをもたらし得るものであり、ＦＢＧの特定の反射特性を生じさせるようＦＢＧの構成中に適用されてよい。
図８には、種々のタイプのアポダイゼーションにより得られるＦＢＧ反射スペクトルが示されている。アポダイゼーションは、特定の波長範囲にフィルタをかけることにとって有利であり得る。アポダイゼーションによらないと、損失リップルがＦＢＧ反射スペクトルに残り、減衰振動を生じさせる可能性があり、一方、波長に対する位相変化は依然として観測される。減衰振動の結果として、異なる波長間の相対的な位相制御は減退又は阻止される可能性がある。
図８の一番上のプロットでは、ＦＢＧ反射ピークの全てのサイドバンドを取り除く三角アポダイゼーションが示されている。この三角アポダイゼーションは、位相調整のために使用され得るサイドバンドを取り除くことがあり、これは、位相シフト制御にとって望ましくない。
図８の真ん中のプロットでは、事実上アポダイゼーションでないフラットなアポダイゼーションが示されており、全てのサイドバンドリップルがＦＢＧ反射スペクトルに残り、これは、位相シフト制御にとって望ましくない。
図８の一番下のプロットでは、台形アポダイゼーションが示されており、位相制御のために使用され得るスペクトル領域内にある少数のサイドバンドを保ち、そして、例えば、上述されたように、温度及び／又は張力を制御することによって（図７を参照。）、調整のために利用可能な完全な２πラジアン周期の線形又は略線形な位相シフトを提供することができる。
これより図９を参照すると、台形アポダイゼーション関数９００が示されている。台形アポダイゼーション関数９００は、図９においてｘ軸によって与えられているＦＢＧの光軸に沿って３つの領域をもたらし得る。図９において、ｙ軸は、ｘ軸によって与えられるＦＢＧ光軸に沿って表される反射率差関数Ｗ（ｘ）である。台形アポダイゼーション関数は、式２によって与えられるように然るべく３つのセグメントにおいて定義されてよい：

[-b>x>-a]: W(x)=(x/(b-a))+(b/(b-a))
[-a>x>a]: W(x)=1 式（２）
[a>x>b]: W(x)=(x/(a-b))+(b/(b-a))
これより図１０を参照すると、ここで記載されるように、台形アポダイゼーションを備えたＦＢＧを用いたＦＢＧ位相シフトの方法１０００の実施形態の選択された要素のフローチャートが表されている。方法１０００は、上述されたように、光伝送網１０１内で様々なコンポーネントと通信し得るＰＳＡ２０２を用いて実行されてよい。方法１０００で記載される特定の動作は任意であってよく、あるいは、異なる実施形態では再配置されてもよいことが知られる。
方法１０００は、第１ＮＬＥを有するＰＳＡ段Ｉで入力光信号を受信することによって、ステップ１００２から開始してよい。ステップ１００４で、入力光信号及び第１ポンプ光は第１ＮＬＥを通って伝送され、入力光信号、第１ポンプ光、及び第１ＮＬＥにより生成されたアイドラ信号を含むＰＳＡ段Ｉ光信号が生成される。ステップ１００６で、ＰＳＡ段Ｉ光信号はＦＢＧを通って伝送される。ここで、ＦＢＧは、入力光信号、第１ポンプ光、及びアイドラ信号のうちの少なくとも１つに第１位相シフトを適用するよう構成される第１ＦＢＧ要素を含む複数のＦＢＧ要素を含む。第１ＦＢＧ要素は、第１ＦＢＧ要素の長さにわたって台形アポダイゼーション関数によりアポダイズされる。台形アポダイゼーション関数は、２πラジアンの範囲にわたる第１位相シフトのチューニングを可能にする。ステップ１００８で、第１位相シフトを伴ったＰＳＡ段Ｉ光信号はＰＳＡ段ＩＩ光信号として出力される。ここで、入力光信号、第１ポンプ光、及びアイドラ信号は、ＰＳＡ段ＩＩ光信号において位相整合されている。
ここで開示されるように、ＦＢＧ要素は、位相感応型増幅器の段どうしの間で入力光信号、第１ポンプ光及びアイドラ信号のうちの少なくとも１つに位相シフトを適用するよう構成される。ＦＢＧ要素は、２πラジアンの範囲にわたる位相シフトのチューニングを可能にするよう、第１ＦＢＧ要素の長さにわたって台形アポダイゼーション関数によりアポダイズされる。
先に開示された主題は、実例と見なされるべきであり、限定ではなく、添付の特許請求の範囲は、本開示の真髄及び適用範囲の中にある全てのそのような変更、拡張、及び他の実施形態をカバーするよう意図される。よって、法律によって認められる最大限の範囲において、本開示の適用範囲は、続く特許請求の範囲及びその均等の最も広い許容される解釈によって決定されるべきであり、前述の詳細な説明によって制限又は限定されるべきではない。
上記の実施形態に加えて、以下の付記を開示する。
（付記１）
光信号の位相感応増幅のための光学システムであって、
入力光信号と、
前記入力光信号を受ける位相感応増幅（ＰＳＡ）段Ｉであり、第１の非線形光学素子（ＮＬＥ）を有し、該第１のＮＬＥに前記入力光信号及び第１のポンプ光を通して、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記第１のＮＬＥにより生成されたアイドラ信号を含むＰＳＡ段Ｉ光信号を生成する前記ＰＳＡ段Ｉと、
前記ＰＳＡ段Ｉ光信号を受けるファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）と
を有し、
前記ＦＢＧは、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号のうちの少なくとも１つに第１の位相シフトを適用するよう構成された第１のＦＢＧ要素を含む複数のＦＢＧ要素を含み、
前記第１のＦＢＧ要素は、該第１のＦＢＧ要素の長さにわたって台形アポダイゼーション関数を用いてアポダイズされ、該台形アポダイゼーション関数は、２πラジアンの範囲にわたる前記第１の位相シフトのチューニングを可能にし、
前記ＦＢＧは、前記第１の位相シフトを伴った前記ＰＳＡ段Ｉ光信号をＰＳＡ段ＩＩ光信号として出力し、
前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号は、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号において位相整合される、
光学システム。
（付記２）
前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号を受けるＰＳＡ段ＩＩを更に有し、
前記ＰＳＡ段ＩＩは、第２のＮＬＥを有し、該第２のＮＬＥにより、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号は、出力光信号を生成するよう増幅される、
付記１に記載の光学システム。
（付記３）
前記ＰＳＡ段ＩＩは、
ラマン増幅器と、
前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号の伝播方向とは逆方向に前記ラマン増幅器を通って伝わる第２のポンプ光と
を更に有する、
付記２に記載の光学システム。
（付記４）
前記入力光信号は、
前記第１のＦＢＧ要素が前記第１の位相シフトを前記第１のポンプ光に適用するところの１つの光チャネルと、
第１の光チャネルを含む波長分割多重化（ＷＤＭ）光信号であり、前記第１のＦＢＧ要素が、前記第１の光チャネルの共役である第１のアイドラ信号に前記第１の位相シフトを適用するところの前記ＷＤＭ光信号と
のうちの少なくとも１つである、
付記１に記載の光学システム。
（付記５）
前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の加熱要素であり、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧ要素の局所温度を制御するために使用される前記第１の加熱要素と、
前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の引っ張り要素であり、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧの局所ひずみを制御するために使用される前記第１の引っ張り要素と
のうちの少なくとも１つを更に有する、
付記１に記載の光学システム。
（付記６）
前記ＰＳＡ段ＩＩから前記ＦＢＧへのフィードバック制御ループを更に有し、
前記フィードバック制御ループは、２πラジアンの範囲にわたって前記第１の位相シフトをスペクトル的にアライメントするために使用される、
付記１に記載の光学システム。
（付記７）
入力光信号を受ける位相感応増幅（ＰＳＡ）段Ｉであり、第１の非線形光学素子（ＮＬＥ）を有し、該第１のＮＬＥに前記入力光信号及び第１のポンプ光を通して、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記第１のＮＬＥにより生成されたアイドラ信号を含むＰＳＡ段Ｉ光信号を生成する前記ＰＳＡ段Ｉと、
前記ＰＳＡ段Ｉ光信号を受けるファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）と
を有し、
前記ＦＢＧは、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号のうちの少なくとも１つに第１の位相シフトを適用するよう構成された第１のＦＢＧ要素を含む複数のＦＢＧ要素を含み、
前記第１のＦＢＧ要素は、該第１のＦＢＧ要素の長さにわたって台形アポダイゼーション関数を用いてアポダイズされ、該台形アポダイゼーション関数は、２πラジアンの範囲にわたる前記第１の位相シフトのチューニングを可能にし、
前記ＦＢＧは、前記第１の位相シフトを伴った前記ＰＳＡ段Ｉ光信号をＰＳＡ段ＩＩ光信号として出力し、
前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号は、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号において位相整合される、
位相感応型増幅器。
（付記８）
前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号を受けるＰＳＡ段ＩＩを更に有し、
前記ＰＳＡ段ＩＩは、第２のＮＬＥを有し、該第２のＮＬＥにより、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号は、出力光信号を生成するよう増幅される、
付記７に記載の位相感応型増幅器。
（付記９）
前記ＰＳＡ段ＩＩは、
ラマン増幅器と、
前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号の伝播方向とは逆方向に前記ラマン増幅器を通って伝わる第２のポンプ光と
を更に有する、
付記８に記載の位相感応型増幅器。
（付記１０）
前記入力光信号は、
前記第１のＦＢＧ要素が前記第１の位相シフトを前記第１のポンプ光に適用するところの１つの光チャネルと、
第１の光チャネルを含む波長分割多重化（ＷＤＭ）光信号であり、前記第１のＦＢＧ要素が、前記第１の光チャネルの共役である第１のアイドラ信号に前記第１の位相シフトを適用するところの前記ＷＤＭ光信号と
のうちの少なくとも１つである、
付記７に記載の位相感応型増幅器。
（付記１１）
前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の加熱要素であり、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧ要素の局所温度を制御するために使用される前記第１の加熱要素と、
前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の引っ張り要素であり、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧの局所ひずみを制御するために使用される前記第１の引っ張り要素と
のうちの少なくとも１つを更に有する、
付記７に記載の位相感応型増幅器。
（付記１２）
前記ＰＳＡ段ＩＩから前記ＦＢＧへのフィードバック制御ループを更に有し、
前記フィードバック制御ループは、２πラジアンの範囲にわたって前記第１の位相シフトをスペクトル的にアライメントするために使用される、
付記７に記載の位相感応型増幅器。
（付記１３）
光信号の位相感応増幅のための方法であって、
第１の非線形光学素子（ＮＬＥ）を有する位相感応増幅（ＰＳＡ）段Ｉで入力光信号を受けることと、
前記入力光信号、第１のポンプ光、及び前記第１のＮＬＥにより生成されたアイドラ信号を含むＰＳＡ段Ｉ光信号を生成するよう前記第１のＮＬＥに前記入力光信号及び前記第１のポンプ光を通すことと、
前記ＰＳＡ段Ｉ光信号をファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）に通し、該ＦＢＧは、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号のうちの少なくとも１つに第１の位相シフトを適用するよう構成された第１のＦＢＧ要素を含む複数のＦＢＧ要素を含み、前記第１のＦＢＧ要素は、該第１のＦＢＧ要素の長さにわたって台形アポダイゼーション関数を用いてアポダイズされ、該台形アポダイゼーション関数は、２πラジアンの範囲にわたる前記第１の位相シフトのチューニングを可能にする、ことと、
前記第１の位相シフトを伴った前記ＰＳＡ段Ｉ光信号をＰＳＡ段ＩＩ光信号として出力し、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号は、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号において位相整合される、ことと
を有する方法。
（付記１４）
ＰＳＡ段ＩＩで前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号を受け、前記ＰＳＡ段ＩＩは第２のＮＬＥを有し、該第２のＮＬＥにより、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号は増幅される、ことと、
前記ＰＳＡ段ＩＩで出力光信号を生成することと
を更に有する付記１３に記載の方法。
（付記１５）
前記ＰＳＡ段ＩＩは、
ラマン増幅器と、
前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号の伝播方向とは逆方向に前記ラマン増幅器を通って伝わる第２のポンプ光と
を更に有する、
付記１４に記載の方法。
（付記１６）
前記入力光信号は、
前記第１のＦＢＧ要素が前記第１の位相シフトを前記第１のポンプ光に適用するところの１つの光チャネルと、
第１の光チャネルを含む波長分割多重化（ＷＤＭ）光信号であり、前記第１のＦＢＧ要素が、前記第１の光チャネルの共役である第１のアイドラ信号に前記第１の位相シフトを適用するところの前記ＷＤＭ光信号と
のうちの少なくとも１つである、
付記１３に記載の方法。
（付記１７）
前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の加熱要素により、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧ要素の局所温度を制御すること
を更に有する付記１３に記載の方法。
（付記１８）
前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の引っ張り要素により、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧの局所ひずみを制御すること
を更に有する付記１３に記載の方法。
（付記１９）
前記ＰＳＡ段ＩＩから前記ＦＢＧへのフィードバック制御ループにより、２πラジアンの範囲にわたって前記第１の位相シフトをスペクトル的にアライメントすること
を更に有する付記１３に記載の方法。
１０１ ネットワーク
１０２ 送信器
１０４ マルチプレクサ
１０５ デマルチプレクサ
１０６，５０２ 光ファイバ
１０８ 光増幅器
１１０ ＯＡＤＭ
１１２ 受信器
２０２ 位相感応型光増幅器（ＰＳＡ）
２０４ ＰＳＡ段Ｉ
２０６ ＰＳＡ段ＩＩ
２０８ ＦＢＧ位相シフタ
２１０ 入力光信号（ＷＤＭ信号）
２１４ 出力光信号
２１８ フィードバックループ
２３０ ＰＳＡ段Ｉ光信号
２３２ ＰＳＡ段ＩＩ光信号
３０６，４０６ カプラ
３０８ ポンプ光
３１４ ＮＬＥアイドラ
３１８ アイドラ信号
４０２ アイソレータ
４０８ 光学バンドパスフィルタ（ＯＢＰＦ）
４１８ ＮＬＥ増幅
４２２ ＮＬＥラマン増幅
４２４ ラマンポンプ
５１０ ＦＢＧ要素
５１２ 加熱デバイス
９００ 台形アポダイゼーション関数

Claims (19)

  1. 光信号の位相感応増幅のための光学システムであって、
    入力光信号と、
    前記入力光信号を受ける位相感応増幅（ＰＳＡ）段Ｉであり、第１の非線形光学素子（ＮＬＥ）を有し、該第１のＮＬＥに前記入力光信号及び第１のポンプ光を通して、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記第１のＮＬＥにより生成されたアイドラ信号を含むＰＳＡ段Ｉ光信号を生成する前記ＰＳＡ段Ｉと、
    前記ＰＳＡ段Ｉ光信号を受けるファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）と
    を有し、
    前記ＦＢＧは、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号のうちの少なくとも１つに第１の位相シフトを適用するよう構成された第１のＦＢＧ要素を含む複数のＦＢＧ要素を含み、
    前記第１のＦＢＧ要素は、該第１のＦＢＧ要素の長さにわたって前記第１のＦＢＧ要素の反射スペクトルに対して反射ピークを中心として台形アポダイゼーション関数を適用され、該台形アポダイゼーション関数は、２πラジアンの範囲にわたる前記第１の位相シフトのチューニングを可能にする前記反射ピークのサイドバンドを保つように前記反射スペクトルをアポダイズし、
    前記ＦＢＧは、前記第１の位相シフトを伴った前記ＰＳＡ段Ｉ光信号をＰＳＡ段ＩＩ光信号として出力し、
    前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号に含まれる前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号は、互いに位相整合されている、
    光学システム。
  2. 前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号を受けるＰＳＡ段ＩＩを更に有し、
    前記ＰＳＡ段ＩＩは、第２のＮＬＥを有し、該第２のＮＬＥにより、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号は、出力光信号を生成するよう増幅される、
    請求項１に記載の光学システム。
  3. 前記ＰＳＡ段ＩＩは、
    ラマン増幅器と、
    前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号の伝播方向とは逆方向に前記ラマン増幅器を通って伝わる第２のポンプ光と
    を更に有する、
    請求項２に記載の光学システム。
  4. 前記入力光信号は、
    前記第１のＦＢＧ要素が前記第１の位相シフトを前記第１のポンプ光に適用するところの１つの光チャネルと、
    第１の光チャネルを含む波長分割多重化（ＷＤＭ）光信号であり、前記第１のＦＢＧ要素が、前記第１の光チャネルの共役である第１のアイドラ信号に前記第１の位相シフトを適用するところの前記ＷＤＭ光信号と
    のうちの少なくとも１つである、
    請求項１に記載の光学システム。
  5. 前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の加熱要素であり、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧ要素の局所温度を制御するために使用される前記第１の加熱要素と、
    前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の引っ張り要素であり、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧの局所ひずみを制御するために使用される前記第１の引っ張り要素と
    のうちの少なくとも１つを更に有する、
    請求項１に記載の光学システム。
  6. 前記ＰＳＡ段ＩＩから前記ＦＢＧへのフィードバック制御ループを更に有し、
    前記フィードバック制御ループは、２πラジアンの範囲にわたって前記第１の位相シフトをスペクトル的にアライメントするために使用される、
    請求項１に記載の光学システム。
  7. 入力光信号を受ける位相感応増幅（ＰＳＡ）段Ｉであり、第１の非線形光学素子（ＮＬＥ）を有し、該第１のＮＬＥに前記入力光信号及び第１のポンプ光を通して、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記第１のＮＬＥにより生成されたアイドラ信号を含むＰＳＡ段Ｉ光信号を生成する前記ＰＳＡ段Ｉと、
    前記ＰＳＡ段Ｉ光信号を受けるファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）と
    を有し、
    前記ＦＢＧは、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号のうちの少なくとも１つに第１の位相シフトを適用するよう構成された第１のＦＢＧ要素を含む複数のＦＢＧ要素を含み、
    前記第１のＦＢＧ要素は、該第１のＦＢＧ要素の長さにわたって前記第１のＦＢＧ要素の反射スペクトルに対して反射ピークを中心として台形アポダイゼーション関数を適用され、該台形アポダイゼーション関数は、２πラジアンの範囲にわたる前記第１の位相シフトのチューニングを可能にする前記反射ピークのサイドバンドを保つように前記反射スペクトルをアポダイズし、
    前記ＦＢＧは、前記第１の位相シフトを伴った前記ＰＳＡ段Ｉ光信号をＰＳＡ段ＩＩ光信号として出力し、
    前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号は、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号において位相整合される、
    位相感応型増幅器。
  8. 前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号を受けるＰＳＡ段ＩＩを更に有し、
    前記ＰＳＡ段ＩＩは、第２のＮＬＥを有し、該第２のＮＬＥにより、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号は、出力光信号を生成するよう増幅される、
    請求項７に記載の位相感応型増幅器。
  9. 前記ＰＳＡ段ＩＩは、
    ラマン増幅器と、
    前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号の伝播方向とは逆方向に前記ラマン増幅器を通って伝わる第２のポンプ光と
    を更に有する、
    請求項８に記載の位相感応型増幅器。
  10. 前記入力光信号は、
    前記第１のＦＢＧ要素が前記第１の位相シフトを前記第１のポンプ光に適用するところの１つの光チャネルと、
    第１の光チャネルを含む波長分割多重化（ＷＤＭ）光信号であり、前記第１のＦＢＧ要素が、前記第１の光チャネルの共役である第１のアイドラ信号に前記第１の位相シフトを適用するところの前記ＷＤＭ光信号と
    のうちの少なくとも１つである、
    請求項７に記載の位相感応型増幅器。
  11. 前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の加熱要素であり、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧ要素の局所温度を制御するために使用される前記第１の加熱要素と、
    前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の引っ張り要素であり、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧの局所ひずみを制御するために使用される前記第１の引っ張り要素と
    のうちの少なくとも１つを更に有する、
    請求項７に記載の位相感応型増幅器。
  12. 前記ＰＳＡ段ＩＩから前記ＦＢＧへのフィードバック制御ループを更に有し、
    前記フィードバック制御ループは、２πラジアンの範囲にわたって前記第１の位相シフトをスペクトル的にアライメントするために使用される、
    請求項７に記載の位相感応型増幅器。
  13. 光信号の位相感応増幅のための方法であって、
    第１の非線形光学素子（ＮＬＥ）を有する位相感応増幅（ＰＳＡ）段Ｉで入力光信号を受けることと、
    前記入力光信号、第１のポンプ光、及び前記第１のＮＬＥにより生成されたアイドラ信号を含むＰＳＡ段Ｉ光信号を生成するよう前記第１のＮＬＥに前記入力光信号及び前記第１のポンプ光を通すことと、
    前記ＰＳＡ段Ｉ光信号をファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）に通し、該ＦＢＧは、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号のうちの少なくとも１つに第１の位相シフトを適用するよう構成された第１のＦＢＧ要素を含む複数のＦＢＧ要素を含み、前記第１のＦＢＧ要素は、該第１のＦＢＧ要素の長さにわたって前記第１のＦＢＧ要素の反射スペクトルに対して反射ピークを中心として台形アポダイゼーション関数を適用され、該台形アポダイゼーション関数は、２πラジアンの範囲にわたる前記第１の位相シフトのチューニングを可能にする前記反射ピークのサイドバンドを保つように前記反射スペクトルをアポダイズする、ことと、
    前記第１の位相シフトを伴った前記ＰＳＡ段Ｉ光信号をＰＳＡ段ＩＩ光信号として出力し、前記入力光信号、前記第１のポンプ光、及び前記アイドラ信号は、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号において位相整合される、ことと
    を有する方法。
  14. ＰＳＡ段ＩＩで前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号を受け、前記ＰＳＡ段ＩＩは第２のＮＬＥを有し、該第２のＮＬＥにより、前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号は増幅される、ことと、
    前記ＰＳＡ段ＩＩで出力光信号を生成することと
    を更に有する請求項１３に記載の方法。
  15. 前記ＰＳＡ段ＩＩは、
    ラマン増幅器と、
    前記ＰＳＡ段ＩＩ光信号の伝播方向とは逆方向に前記ラマン増幅器を通って伝わる第２のポンプ光と
    を更に有する、
    請求項１４に記載の方法。
  16. 前記入力光信号は、
    前記第１のＦＢＧ要素が前記第１の位相シフトを前記第１のポンプ光に適用するところの１つの光チャネルと、
    第１の光チャネルを含む波長分割多重化（ＷＤＭ）光信号であり、前記第１のＦＢＧ要素が、前記第１の光チャネルの共役である第１のアイドラ信号に前記第１の位相シフトを適用するところの前記ＷＤＭ光信号と
    のうちの少なくとも１つである、
    請求項１３に記載の方法。
  17. 前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の加熱要素により、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧ要素の局所温度を制御すること
    を更に有する請求項１３に記載の方法。
  18. 前記第１のＦＢＧ要素に関連する第１の引っ張り要素により、前記第１の位相シフトを制御するよう前記第１のＦＢＧの局所ひずみを制御すること
    を更に有する請求項１３に記載の方法。
  19. 前記ＰＳＡ段ＩＩから前記ＦＢＧへのフィードバック制御ループにより、２πラジアンの範囲にわたって前記第１の位相シフトをスペクトル的にアライメントすること
    を更に有する請求項１３に記載の方法。
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