JPWO2015030251A1 - 光増幅器、光増幅システム、波長変換器および光通信システム - Google Patents

Abstract

増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバに入力されるシグナル光を前記増幅用光ファイバの非線形光学効果によってパラメトリック増幅するためのポンプ光を前記増幅用光ファイバに供給するポンプ光源と、を備え、前記増幅用光ファイバは、長手方向において零分散波長の変動が０．５ｎｍ／１００ｍの範囲内である光増幅器である。これにより、利得スペクトルの平坦性と広帯域性とを実現しつつ、さらに高利得な光増幅器、光増幅システム、波長変換器および光通信システムが提供される。

Description

本発明は、光増幅器、光増幅システム、波長変換器および光通信システムに関するものである。

光通信において、光増幅器は欠かせないものとなっている。現在の光通信システムにおいて、光通信帯の光増幅器または光増幅システムとして、ＥＤＦＡ（Erbium-Doped Fiber Amplifier）、Ｒａｍａｎ増幅器、またＲａｍａｎ増幅システムが実用化されている。

光増幅器を用いて光通信システムを構築した場合、光増幅器の雑音特性が良い（低雑音）であるほど伝送距離を伸ばすことができるので好ましい。しかしながら、ＥＤＦＡの場合は低雑音化の技術が成熟してきており、これ以上の低雑音化は困難である。一方、Ｒａｍａｎ増幅器およびＲａｍａｎ増幅システムの使用は、光通信システムの低雑音化に寄与する。しかしながら、Ｒａｍａｎ増幅器またはＲａｍａｎ増幅システムをすべての敷設光ファイバ伝送路に導入することは困難である。

その一方で、特許文献１に開示されるような、光増幅に光ファイバ中の非線形効果を利用した光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ：Optical Parametric Amplifier）は、ＥＤＦＡよりも低雑音化できることが知られている。また、光ファイバ中の非線形効果を利用した光増幅器としては、位相感応光増幅器（ＰＳＡ：Phase Sensitive Amplifier）がある。しかしながら、ＯＰＡは増幅帯域が狭いことや、利得スペクトルが平坦でない等の理由から、実用に至っていなかった。

これに対して、本発明者らは、擬似位相整合により利得スペクトルの平坦性と広帯域性とを実現したＯＰＡを発明している（特許文献１、２、非特許文献１、２参照）。

国際公開第２０１２／１２１２２３号 国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／０７２２５５号 特開２００７−２２５７３４号公報

S.Takasaka et al., "Flat and Broad Amplification by Quasi-Phase-Matched Fiber Optical Parametric Amplifier," OFC/NFOEC 2012,OTh1C.4(2012). S.Takasaka et al., "FOPA with Flat 21-dB Gain and NF less than 4-dB using Alternately Concatenated Pump-Phase Shifters and HNLFs," OFC/NFOEC 2013,JTh2A.13(2013). Robert Elschner et al., "Characterization of FWM-Induced Crosstalk for WDM Operation of a Fiber-Optical Parametric Amplifier," ECOC2011 Mo.1.A.2 Optics Letters vol.21 pp.1724-1726(1996)

しかしながら、ＯＰＡの実用化のためには、利得スペクトルの平坦性と広帯域性とを実現しつつ、さらに高利得なＯＰＡが求められている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、利得スペクトルの平坦性と広帯域性とを実現しつつ、さらに高利得な光増幅器、光増幅システム、波長変換器および光通信システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光増幅器は、増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバに入力されるシグナル光を前記増幅用光ファイバの非線形光学効果によってパラメトリック増幅するためのポンプ光を前記増幅用光ファイバに供給するポンプ光源と、を備え、前記増幅用光ファイバは、長手方向において零分散波長の変動が０．５ｎｍ／１００ｍの範囲内であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅器は、前記増幅用光ファイバは、中心コア部と、前記中心コア部の周囲に形成され前記中心コア部よりも屈折率が低い外側コア層と、前記中心コア部と前記外側コア層との間に形成され前記中心コア部よりも屈折率が低くかつ前記外側コア層よりも屈折率の高い１以上の緩衝コア層と、を有するコア部と、前記外側コア層の周囲に形成され前記中心コア部よりも屈折率が低くかつ前記外側コア層よりも屈折率が高いクラッド部と、を有し、波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が１８μｍ²以下であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅器は、前記増幅用光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が１０．２７μｍ²以上１８μｍ²以下であり、前記中心コア部の前記クラッド部に対する比屈折率差が１．８％以上３．０％以下であり、前記外側コア層の前記クラッド部に対する比屈折率差が−１．２％以上−０．２％以下であり、前記緩衝コア層の前記クラッド部に対する比屈折率差が０．１％以上０．６％以下であり、前記外側コア層の外径が９．４μｍ以上２１．４μｍ以下であり、前記外側コア層の外径に対する前記中心コア部の直径の比が０．２０以上０．４０以下であり、前記外側コア層の外径に対する前記緩衝コア層の外径の比が０．２４以上０．８０以下であり、波長１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲において、前記外側コア層の外径が１％変動したときの波長１５５０ｎｍにおける波長分散の変動が、０．７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅器は、前記増幅用光ファイバの温度を調整する温度調整機構または前記増幅用光ファイバに掛かる張力を調整する張力調整機構を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅器は、前記ポンプ光源内の半導体レーザ素子の温度を調整する温度調整機構または前記半導体レーザ素子の駆動電流を調整する駆動電流調整機構を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅器は、前記位相シフタがファイバブラッググレーティングであって、前記ファイバブラッググレーティングの温度を調整する温度調整機構または前記ファイバブラッググレーティングに掛かる張力を調整する張力調整機構を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅器は、前記増幅用光ファイバは、周囲温度における前記零分差波長が、前記ポンプ光の波長を所定のポンプ光波長に設定した場合に当該光増幅器の平坦な利得帯域が最大となる第１零分散波長よりも５ｎｍ以下だけ短波長側に位置し、前記温度調整機構は、前記増幅用光ファイバの前記零分差波長が前記第１零分散波長に近づくように前記増幅用光ファイバの温度を調整することを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅器は、前記増幅用光ファイバの零分散波長は前記ポンプ波長よりも短く、当該光増幅器の利得波長特性を平坦にする利得平坦化フィルタを備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅器は、前記シグナル光および前記ポンプ光が入力され、前記シグナル光および前記ポンプ光を互いに直交する偏波状態を有する偏波成分に偏波分離し、前記互いに直交する偏波成分を前記増幅用光ファイバを互いに逆向きに伝搬するように前記増幅用光ファイバに入力させ、前記増幅用光ファイバを互いに逆向きに伝搬して増幅された前記互いに直交する偏波成分を偏波合成する偏波合分波器を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅器は、前記複数の増幅用光ファイバの間に挿入され、入力された光の相対位相を変化させる相対位相シフタをさらに備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅器は、当該光増幅器に入力される前記ポンプ光の強度と前記シグナル光の総強度との強度比が２４ｄＢ以上であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅器は、増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバに入力される波長多重シグナル光を、前記増幅用光ファイバの非線形光学効果によってパラメトリック増幅するためのポンプ光を前記増幅用光ファイバに供給するポンプ光源と、を備え、当該光増幅器に入力される前記ポンプ光の強度と前記波長多重シグナル光の総強度との強度比が２４ｄＢ以上であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅器は、前記ポンプ光のポンプ光波長が前記波長多重シグナル光の波長に対して５ｎｍ以上離間して設定されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅システムは、本発明の一態様に係る光増幅器を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様に係る波長変換器は、本発明の一態様に係る光増幅器を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様に係る光通信システムは、本発明の一態様に係る光増幅器を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、利得スペクトルの平坦性と広帯域性とを実現しつつ、さらに高利得であるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る光増幅器およびその増幅特性測定系の模式的な構成図である。 図２は、図１に示す増幅用光ファイバの模式的な断面図である。 図３は、図１に示す増幅用光ファイバの屈折率プロファイルを模式的に示す図である。 図４は、図１に示す増幅用光ファイバを準備するための元光ファイバの零分散波長の長手方向での分布の一例を示す図である。 図５は、図１に示す増幅用光ファイバに適用できる温度調整機構の模式的な構成図である。 図６は、作製した実施例１の光増幅器の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。 図７は、作製した実施例１の光増幅器でポンプ光波長および増幅用光ファイバの温度を調整した場合のＡＳＥスペクトルを示す図である。 図８は、作製した実施例１の光増幅器の利得、ＮＦの入力シグナル光強度依存性を示す図である。 図９は、作製した実施例１の光増幅器の構成において相対位相シフタを削除した場合の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。 図１０は、実施の形態１の変形例に係る光増幅器およびその増幅特性測定系の模式的な構成図である。 図１１は、作製した実施例２の光増幅器の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。 図１２は、作製した実施例２の光増幅器において、零分散波長を調整した場合の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。 図１３は、実施の形態２に係る光増幅器の模式的な構成図である。 図１４は、３段構成の光増幅部の模式的な構成図である。 図１５は、実施の形態１に係る光増幅器およびそのＷＤＭ増幅特性測定系の模式的な構成図である。 図１６は、入力させる８チャネルＷＤＭシグナル光のスペクトルを示す図である。 図１７は、増幅された８チャネルＷＤＭシグナル光のスペクトルを示す図である。 図１８は、増幅された８チャネルＷＤＭシグナル光のスペクトルを示す図である。 図１９は、増幅された８チャネルＷＤＭシグナル光のスペクトルを示す図である。 図２０は、増幅された８チャネルＷＤＭシグナル光のスペクトルを示す図である。 図２１は、増幅された８チャネルＷＤＭシグナル光のスペクトルを示す図である。 図２２は、増幅された８チャネルＷＤＭシグナル光のスペクトルを示す図である。 図２３は、実施例１の光増幅器の８チャネルＷＤＭシグナル光入力時の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。 図２４は、実施例１の光増幅器の４チャネルＷＤＭシグナル光入力時の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。 図２５は、開示した光増幅器およびその増幅特性測定系の模式的な構成図である。 図２６は、図２５に示す光増幅器の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る光増幅器、光増幅システム、波長変換器および光通信システムの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法や寸法の比率などは現実のものとは異なる場合があることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

上述したように、本発明者等は、擬似位相整合により利得スペクトルの平坦性と広帯域性とを実現したＯＰＡを開示している。このＯＰＡの特性は、利得は１０ｄＢ程度であり、０．３ｄＢ利得帯域は３０ｎｍ程度であった。

本発明者等は、より実用性が高いＯＰＡを実現するために、Ｃバンド（たとえば１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの３５ｎｍ）において、２０ｄＢの利得、１ｄＢ以内での利得平坦性を実現すべく、ＯＰＡの多段化の実験を行った。

しかしながら、後述するように、ＯＰＡの多段化の実験を行ったところ、利得は増大したが、十分な帯域が得られなかった。

これに対して、以下に説明する本発明の実施の形態によれば、利得スペクトルの平坦性と広帯域性とを実現しつつ、さらに高利得である光増幅器を実現できる。

なお、本明細書におけるＯＰＡは、以下のような光増幅器を意味する。すなわち、ポンプ光と被増幅光であるシグナル光とを増幅媒体である増幅用光ファイバに入力する。増幅用光ファイバ中では、ポンプ光とシグナル光とから、増幅用光ファイバの非線形光学効果によりアイドラ光が発生する。また、シグナル光はパラメトリック増幅される。このアイドラ光の波長λidler[nm]は、ポンプ光の波長λpump[nm]とシグナル光の波長λsignal[nm]と次の関係を持つ。

1/λidler=2/λpump-1/λsignal

また、本明細書におけるＰＳＡは、以下のような光増幅器を意味する。すなわち、ＰＳＡでは、ポンプ光とシグナル光に加えて、シグナル光に対して１／１０倍〜１０倍のパワーを持つアイドラ光を増幅用光ファイバに入力する。増幅用光ファイバの出力では、ポンプ光と、パラメトリック増幅されたシグナル光と、パラメトリック増幅されたアイドラ光が出力される。このアイドラ光の波長は、ＯＰＡのアイドラ光と同じく、次の関係で決まる。

1/λidler=2/λpump-1/λsignal

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光増幅器１００およびその増幅特性測定系の模式的な構成図である。図１に示すように、ＯＰＡである光増幅器１００は、光増幅体１０と、ポンプ光源部２０と、光合分波器３０とを備えている。

光増幅器１００の光合分波器３０には、測定のための波長可変レーザ装置からなるシグナル光源４１が、偏波コントローラ４２を介して接続されている。また、光増幅器１００の増幅用光ファイバ１２には、スペクトル、利得、およびＮＦの測定のための光スペクトラムアナライザ３００が、光減衰器２００を介して接続されている。

つぎに、光増幅器１００の構成について、ポンプ光源部２０、光増幅体１０、光合分波器３０の順番で、より具体的に説明する。

ポンプ光源部２０は、ポンプ光源２１と、位相変調器２２と、光ファイバ増幅器２３と、光バンドパスフィルタ２４と、白色雑音源２５と、広帯域ＲＦ増幅器２６とを備えている。ポンプ光源２１、位相変調器２２、光ファイバ増幅器２３、および光バンドパスフィルタ２４は光ファイバで接続されている。この接続に使用する光ファイバは、偏波保持光ファイバであることが好ましい。

ポンプ光源２１は、光増幅体１０に供給すべき所定のポンプ光波長のポンプ光を出力する。ポンプ光源２１は、波長可変レーザ装置で構成されるが、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザや、ファブリペロー（ＦＰ）レーザや、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）で構成されてもよい。白色雑音源２５は、電気信号として、１．２ＧＨｚ広帯域の白色雑音信号を出力する。なお、白色雑音源２５は、２ＧＨｚの白色雑音信号を出力するものでもよいし、互いに異なる周波数の複数の正弦波を白色雑音信号として出力するものでもよい。広帯域ＲＦ増幅器２６は、白色雑音源２５が出力する白色雑音信号を増幅して位相変調器２２に出力する。位相変調器２２は、ポンプ光と、増幅された白色雑音信号とが入力され、増幅された白色雑音信号でポンプ光を所定の位相変調度で位相変調し、光ファイバ増幅器２３に出力する。なお、ポンプ光を位相変調することによって、ポンプ光のスペクトル幅が広がるので、光増幅体１０内でのＳＢＳ(stimulated Brillouin scattering)の発生またはその強度を抑制できる。なお、ポンプ光源２１がスペクトル幅が広いＦＰレーザやＶＣＳＥＬを用いたものである場合には、ＤＦＢレーザを用いた場合よりも、位相変調度が低くてもよい場合がある。

光ファイバ増幅器２３は、たとえばＥＤＦＡまたはＥＹＤＦＡ（Erbium Ytterbium Doped Fiber Amplifier）であって、位相変調器２２によって位相変調されたポンプ光を光増幅して光バンドパスフィルタ２４に出力する。光バンドパスフィルタ２４は、透過中心波長がポンプ光波長と一致しており、光ファイバ増幅器２３によって増幅されたポンプ光から、光ファイバ増幅器２３で発生したＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）成分を除去して出力する。光バンドパスフィルタ２４の透過波長帯域はたとえば１ｎｍ以下と狭いことが好ましい。

なお、ポンプ光源部２０において、ポンプ光源２１から先の任意の位置に、光アイソレータを挿入してもよい。

つぎに、光増幅体１０について説明する。光増幅体１０は、増幅用光ファイバ１１、１２と、増幅用光ファイバ１１、１２の間に挿入された相対位相シフタ１３とを備えている２段構成の光増幅体である。

図２は、図１に示す増幅用光ファイバ１１の模式的な断面図である。図３は、図１に示す増幅用光ファイバ１１の屈折率プロファイルを模式的に示す図である。なお、増幅用光ファイバ１２も増幅用光ファイバ１１と同様の構成を有するので、説明を省略する。

増幅用光ファイバ１１は、中心コア部１１ａａと、中心コア部１１ａａの周囲に形成され中心コア部１１ａａよりも屈折率が低い外側コア層１１ａｃと、中心コア部１１ａａと外側コア層１１ａｃとの間に形成され中心コア部１１ａａよりも屈折率が低くかつ外側コア層１１ａｃよりも屈折率の高い緩衝コア層１１ａｂとを有するコア部１１ａと、外側コア層１１ａｃの周囲に形成され中心コア部１１ａａよりも屈折率が低くかつ外側コア層１１ａｃよりも屈折率が高いクラッド部１１ｂとを有し、波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が１８μｍ²以下であり、たとえば１０．２７μｍ²以上である。また、増幅用光ファイバ１１は、クラッド部１１ｂの周囲に形成された被覆１１ｃを有する（特許文献３参照）。

コア部１１ａ及びクラッド部１１ｂはＳｉＯ₂ガラスをベースとするものである。コア部１１ａについては、屈折率を調整するために添加するＧｅＯ₂やフッ素（Ｆ）などの屈折率調整用ドーパントの添加量や半径方向の添加量の分布などを調整して、所望の形状の屈折率プロファイルを形成できる。この際、ＧｅＯ₂を添加すると屈折率を高くし、Ｆを添加すると屈折率を低くすることができる。クラッド部１１ｂについては、たとえば純ＳｉＯ₂ガラスからなるが、ＧｅＯ₂やＦなどの屈折率調整用ドーパントを添加して、所望の屈折率としても良い。なお、実質的に純ＳｉＯ₂ガラスからなるとは、屈折率調整用ドーパントを含まないことを意味し、屈折率に影響を及ぼさないＣｌ元素などは含まれていてもよい。また、被覆１１ｃは、通常は２層の紫外線硬化型樹脂からなるものであるが、特に限定はされない。

クラッド部１１ｂの外径は通常は１２５μｍであるが、１００μｍ以下にすることもできる。その場合、増幅用光ファイバ１１をボビンなどに巻回する場合の直径を小さくできる。また、被覆１１ｃの外径は通常は２５０μｍであるが、クラッドの外径を小さくすることで、１５０μｍ以下にすることもできる。その場合、増幅用光ファイバ１１の体積が小さくなる。したがって、増幅用光ファイバ１１を小径のボビンに巻回して筐体に収容すれば、小型の非線形光デバイスが実現できる。

また、図３に示すように、増幅用光ファイバ１１において、中心コア部１１ａａは直径がｄ１であって、屈折率プロファイルＰ１を有し、最大屈折率はｎｃ１である。外側コア層１１ａｃは外径がｄ３であって、屈折率プロファイルＰ３を有し、最小屈折率はｎｃ３である。緩衝コア層１１ａｂは外径がｄ２であって、屈折率プロファイルＰ２を有し、最大屈折率はｎｃ２である。クラッド部１１ｂは屈折率プロファイルＰ４を有し、屈折率はｎｃｌである。なお、ｎｇは純ＳｉＯ₂ガラスの屈折率である。

ここで、増幅用光ファイバ１１の屈折率プロファイルを特徴づけるプロファイルパラメータを定義する。まず、外側コア層１１ａｃの外径ｄ３に対する中心コア部１１ａａの直径ｄ１の比であるｄ１／ｄ３をＲａ１１、外側コア層１１ａｃの外径ｄ３に対する緩衝コア層１１ａｂの直径ｄ２の比であるｄ２／ｄ３をＲａ１２と定義する。次に、クラッド部１１ｂに対する中心コア部１１ａａの最大比屈折率差をΔ１１、クラッド部１１ｂに対する外側コア層１１ａｃの最小比屈折率差をΔ１２、クラッド部１１ｂに対する緩衝コア層１１ａｂの最大比屈折率差をΔ１４と定義する。また、純ＳｉＯ₂ガラスの屈折率に対するクラッド部１１ｂの比屈折率差をΔｃｌａｄとする。クラッド部が実質的に純ＳｉＯ₂ガラスからなる場合は、Δｃｌａｄは０％である。本明細書においては、Δ１１、Δ１２、Δ１４、Δｃｌａｄは、式（１）〜（４）で定義する。

Δ１１＝[（ｎｃ１−ｎｃｌ）／ｎｃ１]×１００ （％） （１）

Δ１２＝[（ｎｃ３−ｎｃｌ）／ｎｃ３]×１００ （％） （２）

Δ１４＝[（ｎｃ２−ｎｃｌ）／ｎｃ２]×１００ （％） （３）

Δｃｌａｄ＝[（ｎｃｌ−ｎｇ）／ｎｃｌ]×１００ （％） （４）

増幅用光ファイバ１１においては、中心コア部１１ａａの直径に対する緩衝コア層１１ａｂの外径の比、つまりｄ３／ｄ１は１．２以上２．０以下である。また、Δ１１は１．８％以上であり、より好ましくは２．２％以上であり、また３．０％以下ある。また、外側コア層１１ａｃの外径は９．４μｍ以上であり、また２１．４μｍ以下である。また、外側コア層１１ａｃの外径に対する中心コア部１１ａａの直径の比、つまりｄ１／ｄ３は０．２０以上であり、また０．４０以下である。また、外側コア層１１ａｃの外径に対する緩衝コア層１１ａｂの外径の比、つまりｄ２／ｄ３は０．２４以上であり、また０．８０以下である。また、Δ１２は−１．２％以上−０．２％以下であり、より好ましくは−１．２％以上−０．４％以下である。また、Δ１４は０．１％以上０．６％以下であり、より好ましくは０．３％以上０．６％以下である。

また、中心コア部１１ａａ、緩衝コア層１１ａｂは、いわゆるα型の屈折率プロファイルを有し、α値としてそれぞれα１１、α１４を有する。α値とは、屈折率プロファイルの形状を表す指数であり、式（５）、式（６）で定義される。α値が大きくなるほど、コアの屈折率プロファイルの中央部が丸みを持つ、すなわち、三角形から四角形に移行していくことになる。

ｎ²（ｒ）＝ｎｃ１²｛１−２（Δ１１／１００）・（２ｒ／ｄ１）＾α１１｝ （５）
ただし、０≦ｒ＜ｄ１／２

ｎ²（ｒ）＝ｎｃ２²｛１−２（Δ１４／１００）・（（ｒ−ｒ１４ｍａｘ）／（ｄ２／２−ｒ１４ｍａｘ））＾α１４｝ （６）
ただし、ｒ１４ｍａｘ≦ｒ＜ｄ２／２

ここで、ｒは光ファイバの中心からの半径方向の位置を示す。また、ｒ１４ｍａｘとは、ｄ１／２≦ｒ＜ｄ２／２の範囲で、クラッド部１１ｂに対する比屈折率差が最も大きい点における光ファイバの中心からの半径方向の位置であり、ｒ１４ｍａｘが１点ではなく広範囲に及ぶ場合は、その中での中心の点とする。図３においては、ｒ１４ｍａｘ＝ｄ１／２である。また、ｎ（ｒ）は位置ｒにおける屈折率を表す。

また、増幅用光ファイバ１１の伝送特性については、波長１５００ｎｍ以上の信号光をシングルモードで伝送させるために、カットオフ波長は１５００ｎｍ未満である。また、長手方向の零分散波長の変動は長さ１００ｍあたり０．５ｎｍ（０．５ｎｍ／１００ｍ）の範囲内、好ましくは０．２ｎｍ／１００ｍの範囲であり、波長１５５０ｎｍにおいて長手方向での波長分散の変動幅は長さ１ｋｍあたり１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であるから、光ファイバ長を長くしても波長分散特性が長手方向で安定しており、非線形光学現象を効率よく利用できる。また、波長１５５０ｎｍにおいて波長分散の絶対値は５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、より好ましくは１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であるから、ＦＷＭなどの非線形光学現象の発生効率が高い。また、波長１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲において、外側コア層１１ａｃの外径（すなわちコア部１１ａの外径）が１％変動したときの波長１５５０ｎｍにおける波長分散の変動は０．７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であるから、波長分散の絶対値が長手方向で安定して小さい光ファイバとなる。また、波長１５５０ｎｍにおいて波長分散スロープの絶対値は０．０２以上０．０６ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下であるから、広い波長帯域で波長分散の絶対値が小さい光ファイバとなる。また、波長１５５０ｎｍにおいて伝送損失は１．５ｄＢ／ｋｍ以下であるから、光の損失が小さく非線形光学現象の発生効率が高い。また、波長１５５０ｎｍにおいて偏波モード分散は０．２ｐｓ／ｋｍ^1/2以下であるから、信号光が短パルス光であっても光ファイバを伝搬する間のパルス波形の劣化が抑制される。また、波長１５５０ｎｍにおける非線形係数（ｎ_２／Ａ_ｅｆｆ）は４０×１０^-10／Ｗ以上であるから、非線形光学現象の発生効率が高い。ここで、ｎ_２は非線形屈折率、Ａ_ｅｆｆは有効コア断面積である。

なお、本明細書においては、カットオフ波長（λc）とは、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１で定義するファイバカットオフ波長をいう。有効コア断面積は、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０．２で定義する有効コア断面積であり、その測定方法はＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０．１で定義するモードフィールド径（ＭＦＤ）の測定方法と同様にして行い、測定結果からＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０．２の定義に従って算出される。その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。また、本明細書において用いる非線形係数（ｎ₂／Ａeff）は、ＸＰＭ法による測定値である。

図４は、図１に示す増幅用光ファイバ１１、１２を準備するための元光ファイバの零分散波長の長手方向での分布の一例を示す図である。図４に示すように、長さが２０００ｍの元光ファイバには、長手方向の零分散波長の変動が０．５ｎｍ／１００ｍの範囲内の部分があるので、この元光ファイバを用いて、増幅用光ファイバ１１、１２を準備することができる。なお、光ファイバの零分散波長の長手方向での分布は、非特許文献４に開示されている非線形ＯＴＤＲ法により、光ファイバの長手方向での波長分散の変動を測定することにより求めることができる。

相対位相シフタ１３は、たとえばファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）で構成されており、そのブラッグ波長が増幅用光ファイバ１１、１２の零分散波長の近傍に設定されているものである。

光合分波器３０は、ポンプ光源部２０と光増幅体１０とシグナル光源４１とを接続している。光合分波器３０はポンプ光とシグナル光とを合波する機能を有する。光合分波器３０は、たとえば２０ｄＢ光カプラや光バンドパスフィルタであるが、特に限定はされない。光合分波器３０が２０ｄＢ光カプラである場合は、ポンプ光源部２０と光増幅体１０とは低光損失で接続され、光増幅体１０とシグナル光源４１とは２０ｄＢ程度の光損失で接続される。

つぎに、光増幅器１００の動作について説明する。ポンプ光源部２０は、位相変調されて光増幅され、かつＡＳＥ成分が除去されたポンプ光（以下では単にポンプ光と呼ぶ）を出力する。ここで、ポンプ光の波長は、増幅用光ファイバ１１、１２の零分散波長の近傍に設定される。一方、シグナル光源４１は、シグナル光を出力する。シグナル光の波長は、光増幅器１００の増幅帯域内の波長に設定される。光合分波器３０は、ポンプ光とシグナル光とを合波し、光増幅体１０に増幅用光ファイバ１１から入力させる。

光増幅体１０は、ポンプ光が入力された増幅用光ファイバ１１、１２の非線形光学効果によって、シグナル光をパラメトリック増幅し、増幅用光ファイバ１２側から出力する。

ここで、相対位相シフタ１３は、増幅用光ファイバ１１から伝搬してきた光の相対位相φrelを、入力するポンプ光のパワーや増幅用光ファイバ１１、１２の長さや非線形係数、分散特性などに応じて、適切な量だけずらす。増幅用光ファイバ１１、１２の長さや分散は、必要とされる利得スペクトル波形に応じて適切に設定する。

たとえば、相対位相シフタ１３は、特許文献２等に示されるように、相対位相シフタ１３の前段側に接続された増幅段の増幅用光ファイバ１１から出力される光の相対位相φrelが０．５πより大きくなるように、増幅用光ファイバ１１の非線形定数γと長さＬとポンプ光の入力パワーＰとの積γＰＬが設定されており、相対位相シフタ１３は、相対位相φrelを０．５πよりも小さい値に変化させて後段の増幅用光ファイバ１２に出力する。

相対位相シフタ１３の設置により、増幅用光ファイバ１１、１２の間に相対位相シフタを挿入しない場合では得られない利得スペクトルの平坦性が実現する。また、同時に相対位相シフタが無い場合より低い雑音指数(ＮＦ:Noise Figure)が得られる。

ここで、相対位相φrelは、シグナル光の位相φsignal[radian]、アイドラ光の位相φidler[radian]、ポンプ光の位相φpump[radian]を用いて、以下の式で記述される量である。

φrel＝Δk+φsignal+φidler-2φpump[radian]
ここで、Δk=ksignal+kidler-2kpumpで定義される。ksignal、kidler、kpumpは各光の波数である。

上記のように、相対位相φrelは、複数の光の位相により規定される量である。したがって、相対位相シフタとしては、たとえばポンプ光の位相のみをずらすもの、シグナル光の位相のみをずらすもの、アイドラ光の位相のみをずらすもの、またはポンプ光の位相、シグナル光の位相、アイドラ光の位相のうちに２つ以上をずらすもののいずれを用いてもよい。本実施の形態１における相対位相シフタ１３は、ポンプ光の位相のみをずらすものである。

特に、この光増幅器１００では、増幅用光ファイバ１１、１２として、長手方向の零分散波長の変動が０．５ｎｍ／１００ｍの範囲内、好ましくは０．２ｎｍ／１００ｍの範囲内である分散安定光ファイバを用いることによって、利得スペクトルの平坦性と広帯域性とを実現しつつ、さらに高利得であるという増幅特性が実現されている。

なお、光増幅器１００の増幅用光ファイバ１１、１２には、以下に説明する温度調整機構を設けてもよい。図５は、図１に示す増幅用光ファイバ１１、１２に適用できる温度調整機構の模式的な構成図である。この温度調整機構１４は、増幅用光ファイバ１１または１２を巻き付けるための、たとえばアルミニウム等の熱伝導性が高い材料からなるボビン１４ａと、ボビン１４ａに巻き付けられたヒータ線１４ｂと、ボビン１４ａに取付けられたサーミスタや熱電対等の温度検出素子１４ｃと、ボビン１４ａを収容する凹部を有する、断熱性材料からなる筐体１４ｄ、１４ｅとを備えている。

この温度調整機構１４を使用する場合には、ボビン１４ａに増幅用光ファイバ１１または１２を巻き付け、さらにボビン１４ａにヒータ線１４ｂを巻き付けた状態で、ボビン１４ａを筐体１４ｄ、１４ｅに収容する。そして、不図示の電源からヒータ線１４ｂに電流を流して発熱させ、増幅用光ファイバ１１または１２を所定の設定温度に加熱する。なお、増幅用光ファイバ１１または１２の温度は温度検出素子１４ｃによって測定されている。増幅用光ファイバ１１または１２の温度は、測定した温度に基づいてヒータ線１４ｂに流す電流を調整することによって、設定した温度±２℃以内となるように調整されることが好ましい。

増幅用光ファイバ１１または１２の零分散波長は、温度を上昇させると長波長側にシフトする。したがって、増幅用光ファイバ１１または１２の温度を調整することによって、その零分散波長を調整することができる。したがって、たとえば所望のポンプ光波長を使用したい場合に、周囲温度（たとえば２５℃±５℃の室温）における零分散波長がその所望のポンプ光波長よりも５ｎｍの範囲内で短波長側（たとえば１〜２ｎｍ程度短波長側）にある増幅用光ファイバ１１または１２を使用し、温度調整機構１４で増幅用光ファイバ１１または１２を加熱して零分散波長を精密に長波長側にシフトさせることによって、その零分散波長を所望のポンプ光波長に対して最適な値（たとえば光増幅器１００の利得帯域が最大になる値）に近づける、好ましくは一致するように調整することができる。なお、このような温度調整による零分散波長の調整は、増幅用光ファイバ１１および１２のいずれか一方のみに行ってもよいが、両方に行うことが好ましい。増幅用光ファイバ１１および１２の両方に対して行う場合には、それぞれの周囲温度における零分散波長に応じて、所望の最適な零分散波長にシフトすべく、それぞれに最適な調整をすることがより好ましい。

なお、相対位相シフタ１３が主にポンプ光の位相をずらす相対位相シフタである場合に、光増幅器１００が平坦かつ広帯域な利得スペクトル特性を持つには、増幅用光ファイバ１１および１２の零分散波長と、ポンプ光の波長と、ポンプ光の位相をずらす相対位相シフタ１３の波長（たとえば、位相シフトの波長変化率が最大となる波長）が、±１ｎｍ程度の範囲で一致することが望ましい。
より具体的には、増幅用光ファイバ１１および１２については、温度調節や張力調節により零分散波長を調節できる。ポンプ光源２１がＤＦＢレーザやＦＰレーザやＶＣＳＥＬなどの半導体レーザ素子で構成される場合、半導体レーザ素子の温度調節や駆動電流の調節によりその発振波長を調節することができる。また、相対位相シフタ１３がＦＢＧの場合は、ＦＢＧのブラッグ波長を温度調節や張力調節により調節することができる。これらの３つの特性波長（零分散波長、発振波長、ブラッグ波長）の１つから３つを、任意に組み合わせて調節することにより、光増幅器１００において平坦かつ広帯域な利得スペクトルを得ることができる。従って、光増幅器１００は、増幅用光ファイバ１１および１２に掛かる張力を調整する張力調整機構、半導体レーザ素子の温度を調整する温度調整機構または半導体レーザ素子の駆動電流を調整する駆動電流調整機構、またはＦＢＧの温度を調整する温度調整機構もしくはＦＢＧに掛かる張力を調整する張力調整機構を備えることが好ましい。
たとえば、相対位相シフタ１３を構成するＦＢＧとして反射波長の温度依存性をキャンセルしたアサーマルＦＢＧを用いる場合は、上記機構により、該ＦＢＧのブラッグ波長に、増幅用光ファイバ１１および１２の零分散波長と、半導体レーザ素子の発振波長とを合わせるように調節することができる。また、増幅用光ファイバ１１および１２の零分散波長を固定した場合は、上記機構により、相対位相シフタ１３を構成するＦＢＧのブラッグ波長と半導体レーザ素子の発振波長とを調節して、零分散波長に合わせるようにすることができる。
なお、ここで、ＦＢＧは、温度調整機構としてのペルチェ素子やヒータなどの上に、銅、アルミ、セラミックなどからなるヒートシンクを介して配置し、ペルチェ素子やヒータなどに熱的に接触するように固定することで、温度調節することができる。また、サーミスタなどの温度センサをヒートシンク上に設け、温度をモニタしながら温度調節をすることで、より精密に温度調節を行うことができる。

つぎに、本実施の形態１に係る光増幅器１００に温度調整機構１４を適用した実施例１の光増幅器を作製して、図１に示す測定系にてその特性を測定した。なお、増幅用光ファイバ１１、１２は、周囲温度が２５℃の室温では、零分散波長が１５６２．６ｎｍであったが、温度調整機構１４によって１２６．５℃に加熱し、零分散波長を１５６５．６ｎｍに調整した。波長１５５０ｎｍにおける分散スロープが０．０４ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が１．２ｄＢ／ｋｍ、波長１５５０ｎｍにおける非線形定数が２１．４／Ｗ／ｋｍであった。また、増幅用光ファイバ１１、１２の長さはそれぞれ１００ｍ、１３０ｍであった。増幅用光ファイバ１１、１２の長手方向の零分散波長の変動は０．５ｎｍ／１００ｍの範囲内であった。これらの増幅光ファイバ１１、１２は、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２に準拠する通信用の標準シングルモード光ファイバと０．１ｄＢ以下の接続損失で融着することができた。

また、光増幅体１０に入力されるポンプ光のパワーは約３１．７６ｄＢｍ、ポンプ光波長は１５６５．６ｎｍであった。ポンプ光源部２０における光バンドパスフィルタ２４の透過波長帯域は０．８ｎｍであった。光増幅体１０に入力されるシグナル光のパワーは約−２０ｄＢｍであった。相対位相シフタ１３はＦＢＧであり、ブラッグ波長１５６５．９ｎｍであり、増幅光ファイバ１１、１２の温度調整後の零分散波長よりも０．３ｎｍだけ長波長であった。また、ＦＢＧの反射帯域線幅は０．６５ｎｍであり、ブラッグ波長での透過損失は−３９ｄＢであった。このとき、ポンプ光の位相は、０．３５π±０．１５π程度ずれていると考えられる。

図６は、作製した実施例１の光増幅器の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。横軸は入力したシグナル光の波長を示している。なお、本明細書において、利得、ＮＦ特性は、光合分波器等の光損失等の影響を除いた値、すなわち光増幅体のネット値である。図６に示すように、作製した実施例１の光増幅器では、利得が２０．７ｄＢであり、１ｄＢ利得帯域がＣバンドをカバーできる３８ｎｍであり、１ｄＢ利得帯域内でのＮＦが４．５ｄＢ以下という増幅特性が得られた。すなわち、作製した実施例１の光増幅器では、きわめて高い利得スペクトルの平坦性、Ｃバンドをカバーできる広帯域性、および２０ｄＢ以上の高利得性が実現されるとともに、きわめて低いＮＦが得られた。また、後述する長手方向の零分散の変動が大きい増幅用光ファイバを用いた場合と比較して、利得スペクトルの平坦性と広帯域性とを実現しつつ、さらに高利得であるという増幅特性が実現されている。

図７は、作製した実施例１の光増幅器でポンプ光波長および増幅用光ファイバ１１、１２の温度を調整した場合のＡＳＥスペクトルを示す図である。なお、シグナル光は入力していない。実線は、増幅用光ファイバ１１、１２の温度を室温として、ポンプ光波長を１５６２．６ｎｍ（すなわち室温での零分散波長）に設定した場合を示している。破線は、増幅用光ファイバ１１、１２の温度を１２８．７℃として、ポンプ光波長を室温の場合よりも２．４ｎｍだけ長い１５６５．０ｎｍに設定した場合を示している。

ポンプ光を示すピークの周囲にある広帯域なスペクトルが光増幅器のＡＳＥスペクトルを示している。ＯＰＡである光増幅器ではＡＳＥスペクトルの形状がほぼ利得スペクトルの形状に対応する。なお、ＡＳＥスペクトルにおいて長波長側に向かって強度が低下する形状であるのは、測定系における光減衰器２００の光減衰量（約−２０ｄＢ）が長波長側に向かって大きくなる特性であることを反映している。

図７に示すように、実線と破線とではＡＳＥスペクトルがほぼ重なっている。このことは、室温において零分散波長とポンプ光波長が一致している状態から、ポンプ光波長を変更したときに、これに応じて増幅用光ファイバ１１、１２の温度を調整してその零分散波長をずらし、ポンプ光波長に近づけることによって、室温において零分散波長とポンプ光波長が一致している状態のＡＳＥスペクトル（あるいは利得スペクトル）と同様の形状のＡＳＥスペクトル（あるいは利得スペクトル）が得られることを示している。増幅用光ファイバ１１、１２の温度を調整する技術によれば、ポンプ光波長と零分散波長とを容易に±０．５ｎｍの範囲に近づけることができる。

図８は、作製した実施例１の光増幅器の利得、ＮＦの入力シグナル光強度依存性を示す図である。なお、縦軸は、入力するシグナル光の強度が−２０ｄＢｍである場合の利得、ＮＦとの差分を示している。図８に示すように、入力するシグナル光の強度が−１０ｄＢｍ以下では、利得もＮＦもほぼ一定であったが、−１０ｄＢｍ以上では利得の減少とＮＦの増加とが観測された。

図９は、作製した実施例１の光増幅器の構成において相対位相シフタを削除し、増幅用光ファイバ１１と１２とを直接融着接続した場合の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。図９に示すように、相対位相シフタが無い場合は、図６に示す相対位相シフタが有る場合よりも利得の平坦性は低下したものの、ＮＦの改善が見られた。

つぎに、比較のために、本発明者らが非特許文献２で開示した光増幅器の特性を説明する。図２５は、開示した光増幅器およびその増幅特性測定系の模式的な構成図である。この光増幅器１０００は、図１に示す実施の形態１に係る光増幅器１００において、光増幅体１０を光増幅体１０１０に置き換えた構成を有している。光増幅体１０１０は、増幅用光ファイバ１０１１、１０１２、１０１３と、増幅用光ファイバ１０１１、１０１２、１０１３の間に挿入された相対位相シフタ１０１４、１０１５とを備えている３段構成の光増幅体である。

増幅用光ファイバ１０１１、１０１２、１０１３は、零分散波長が室温で１５６７．０ｎｍであった。波長１５５０ｎｍにおける分散スロープが０．０１７ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０．８ｄＢ／ｋｍ、波長１５５０ｎｍにおける非線形定数が１２／Ｗ／ｋｍであった。また、増幅用光ファイバ１０１１、１０１２、１０１３の長さはそれぞれ１２０ｍ、１５０ｍ、２００ｍであった。増幅用光ファイバ１０１１、１０１２、１０１３の長手方向の零分散波長の変動は０．５ｎｍ／１００ｍよりも大きかった。

また、光増幅体１０１０に入力されるポンプ光のパワーは約３２．２ｄＢｍ、ポンプ光波長は１５６７．２ｎｍであった。ポンプ光源部２０における光バンドパスフィルタ２４の透過波長帯域は０．８ｎｍであった。光増幅体１０１０に入力されるシグナル光のパワーは約−２０ｄＢｍであった。相対位相シフタ１０１４、１０１５はオールパス型誘電体多層膜フィルタであった。相対位相シフタ１０１４、１０１５の挿入損失は波長１５５０ｎｍでそれぞれ１．０ｄＢ、１．２ｄＢであったが、これらの挿入損失は、ポンプ光およびシグナル光の波長に対してもほぼ同様の値であった。

図２６は、図２５に示す光増幅器の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。横軸は入力したシグナル光の波長を示している。また、「１ｓｔ ＨＮＬＦ ｏｕｔ」、「２ｎｄ ＨＮＬＦ ｏｕｔ」、「３ｒｄ ＨＮＬＦ ｏｕｔ」は、それぞれ、増幅用光ファイバ１０１１、１０１２、１０１３の出力側での特性を示している。

図２６に示すように、光増幅器１０００は、３段構成を採用することによって、実用的な利得である２０ｄＢを越えた２１ｄＢの利得を実現しているが、利得の１ｄＢ帯域は２５ｎｍであり、Ｃバンドをカバーするには到らなかった。

以上説明したように、本発明の実施の形態１によれば、利得スペクトルの平坦性と広帯域性とを実現しつつ、さらに高利得である光増幅器を実現できる。

（変形例）
図１０は、本発明の実施の形態１の変形例に係る光増幅器１００Ａおよびその増幅特性測定系の模式的な構成図である。図１０に示すように、本変形例に係る光増幅器１００Ａは、実施の形態１に係る光増幅器１００において、光合分波器３０を光合分波器３０Ａに置き換えたものである。

光合分波器３０Ａは、３ポートの光バンドパスフィルタで構成されている。この光バンドパスフィルタは、ポンプ光を通過し、ポンプ光の波長以外の光を反射する特性を有するものである。なお、この光バンドパスフィルタは、Ｃ／Ｌバンド光カプラに置き換えてもよい。Ｃ／Ｌバンド光カプラとは、ローパスフィルタもしくはハイパスフィルタを利用して、ＣバンドとＬバンド（たとえば１５６５ｎｍ〜１６２０ｎｍ）の両バンドの光を合波する機能を持つ光カプラである。Ｃ／Ｌバンド光カプラを用いた場合は、ポンプ光は、光合分波器３０ＡのＬバンド用ポート側から入力される。光合分波器３０Ａを用いることで、２０ｄＢ光カプラである光合分波器３０を用いた場合よりも、シグナル光との合波時のポンプ光の光損失を低減でき、たとえば０．５ｄＢだけ高い強度のポンプ光を光増幅体１０に入力させることができる。

つぎに、本変形例に係る光増幅器１００Ａに温度調整機構１４を適用した実施例２の光増幅器を作製して、図１０に示す測定系にてその特性を測定した。なお、実施例２の光増幅器は、光合分波器３０Ａは、３ポートの光バンドパスフィルタで構成し、光増幅体１０に入力させたポンプ光の強度が０．５ｄＢだけ高い以外は、実施例１の光増幅器と同じ構成であり、同じ測定条件で測定を行った。ただし、増幅用光ファイバ１１、１２の温度調整をさらに精度良く行った。

図１１は、作製した実施例２の光増幅器の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。横軸は入力したシグナル光の波長を示している。図１１に示すように、作製した実施例２の光増幅器では、利得が２３ｄＢであり、１ｄＢ利得帯域がきわめて広くＣバンドを十分にカバーできる５０ｎｍ（１５１５ｎｍ〜１５６５ｎｍ）であり、１ｄＢ利得帯域内でのＮＦが４．５ｄＢ以下という増幅特性が得られた。すなわち、作製した実施例２の光増幅器では、きわめて高い利得スペクトルの平坦性、Ｃバンドを十分にカバーできるきわめて広い広帯域性、および２０ｄＢ以上の高利得性が実現されるとともに、きわめて低いＮＦが得られた。

ところで、作製した実施例２の光増幅器において、増幅用光ファイバ１１、１２の温度調整を行ってその零分散波長をポンプ光波長から０．１ｎｍ〜０．２ｎｍだけ短波長側にずらしたところ、以下の特性が得られた。

図１２は、作製した実施例２の光増幅器において、零分散波長を調整した場合の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。図１２に示すように、零分散波長を調整した場合に、図１１の場合と比較して、利得の平坦性は低下したものの、ＮＦはきわめて改善し、１５２５ｎｍ〜１５６０ｎｍの広い範囲で約３ｄＢとなった。

このように、増幅用光ファイバ１１、１２の零分散波長をポンプ光波長から適度に短波長側にずらすことで、利得の平坦性は低下するものの、きわめて改善されたＮＦを得ることを、本発明者らは発見した。なお、図１２の状態の光増幅器は、利得の平坦性は低下しているが、１５１０ｎｍ〜１５６０ｎｍのきわめて広い帯域で２０ｄＢ以上の利得が実現されている。したがって、図１２の状態の光増幅器の出力側に、図１２の利得波長特性を反転させた透過波長特性（たとえば利得が高い波長では透過率が低い波長特性）を有し、出力後の利得波長特性を平坦にする利得平坦化光フィルタを配置すれば、きわめて広い帯域で２０ｄＢ以上の利得を実現しつつ、さらにきわめて低ＮＦの光増幅器を実現することができる。

なお、このようにきわめて低いＮＦが実現される理由は明らかではないが、図１２において波長１５２０ｎｍに発生した利得が高い領域は、ポンプ光波長が増幅用光ファイバ１１、１２の異常分散領域にあることによって発生した変調不安定性（ＭＩ）による利得であると考えらえる。したがって、図１２の状態の光増幅器では、増幅用光ファイバ１１、１２の零分散波長をポンプ光波長から適度に短波長側にずらすことで、ＭＩが適度に発生し、波長依存性の有るＭＩの利得によって利得の平坦性の低下が発生するものの、その低下量は適度に抑制されつつ、きわめて低ＮＦの状態が実現されていると考えられる。

（実施の形態２）
図１３は、本発明の実施の形態２に係る光増幅器の模式的な構成図である。図１３に示すように、本実施の形態２に係るＯＰＡである光増幅器１００Ｂは、光増幅体１０と、ポンプ光源部２０Ａと、光合分波器３０と、光合分波器３１と、光サーキュレータ５１と、偏波合分波器５２と、接続偏波保持光ファイバ６１、６２とを備えている。

ポンプ光源部２０Ａは、ポンプ光源２１Ａと、光アイソレータ２２Ａと、偏光子２３Ａと、波長板２４Ａとを備えている。ポンプ光源２１Ａは、たとえば図１に示すポンプ光源部２０と同様の構成を有しており、所定のポンプ光波長のポンプ光を光アイソレータ２２Ａに出力する。光アイソレータ２２Ａは、ポンプ光を偏光子２３Ａ側に透過するとともに偏光子２３Ａ側から伝搬してきた戻り光のポンプ光源２１Ａへの入力を遮断する。偏光子２３Ａは光アイソレータ２２Ａを透過したポンプ光を直線偏光とする。波長板２４Ａは、１／２波長板または１／４波長板などであり、直線偏光となったポンプ光の偏波方向を回転させる。波長板２４Ａによるポンプ光の偏波方向の回転角度は波長板２４Ａの角度調整によって調整することができる。

光合分波器３０は、ポンプ光源部２０Ａから入力されたポンプ光と、外部から入力されたシグナル光とを合波し、光サーキュレータ５１に出力する機能を有する。光合分波器３０はたとえば２０ｄＢ光カプラやＣ／Ｌバンド光カプラであるが、特に限定はされない。たとえば、光合分波器３０Ａと同様に３ポートの光バンドパスフィルタでもよい。

光サーキュレータ５１は、光合分波器３０からポンプ光とシグナル光とを入力されて、これを偏波合分波器５２に透過する。偏波合分波器５２は、シグナル光およびポンプ光を互いに直交する偏波状態を有する偏波成分に偏波分離し、接続偏波保持光ファイバ６１、６２にそれぞれ出力する。

接続偏波保持光ファイバ６１、６２は、光増幅体１０の両端に接続している。すなわち、接続偏波保持光ファイバ６１は光増幅体１０の増幅用光ファイバ１１側に接続しており、接続偏波保持光ファイバ６２は光増幅体１０の増幅用光ファイバ１２側に接続している。

偏波合分波器５２によって偏波分離されたシグナル光およびポンプ光の角各偏波成分は、光増幅体１０に、それぞれ増幅用光ファイバ１１側、増幅用光ファイバ１２側から入力されて、増幅用光ファイバ１１、１２を互いに逆向きに伝搬する。増幅用光ファイバ１１、１２は、伝搬中のシグナル光をパラメトリック増幅する。互いに逆向きに伝搬しつつ増幅された各偏波成分は、光増幅体１０の入力した側とは逆側の増幅用光ファイバから出力し、それぞれ接続偏波保持光ファイバ６１、６２を伝搬する。偏波合分波器５２は、接続偏波保持光ファイバ６１、６２を伝搬した各偏波成分が入力され、これらを偏波合成し、光サーキュレータ５１に出力する。

光サーキュレータ５１は、入力された、偏波合成され増幅されたシグナル光および偏波合成されたポンプ光を光合分波器３１に出力する。光合分波器３１はたとえば２０ｄＢ光カプラやＣ／Ｌバンド光カプラであるが、特に限定はされない。たとえば、光合分波器３０Ａと同様に３ポートの光バンドパスフィルタでもよい。光合分波器３１は、光サーキュレータ５１から入力された増幅されたシグナル光とポンプ光とを分波し、それぞれ別のポートから出力する。たとえば、光合分波器３１は、増幅されたシグナル光を図中直線で示されたポートから出力し、ポンプ光を図中曲線で示されたポートから出力する。

なお、ポンプ光は通常１Ｗ以上の高強度の光であるので、ポートから出力後は、公知の光処理器によって処理される。このような光処理器は、たとえば光を吸収してそのエネルギーを熱に変換し、変換した熱を放熱する機能を有するものである。

本実施の形態２に係る光増幅器１００Ｂは、実施の形態１と同様に、長手方向の零分散波長の変動が少ない増幅用光ファイバ１１、１２を備える。また、光増幅器１００Ｂは、入力されたポンプ光およびシグナル光を偏波分離し、互いに直交する偏波成分を、増幅用光ファイバ１１、１２を互いに逆向きに伝搬するように増幅用光ファイバ１１、１２に入力させ、増幅用光ファイバ１１、１２を互いに逆向きに伝搬して増幅された互いに直交する偏波成分を偏波合成する構成を有している。これによって、光増幅器１００Ｂは、実施の形態１において得られる効果を奏するとともに、入力するシグナル光が任意の偏波状態を有していたとしても偏波依存性の少ない利得を与えることができる、いわゆる偏波無依存型の光増幅器として機能する。なお、入力するポンプ光の偏波方向は、波長板２４Ａの角度調整によって、光増幅器１００Ｂの偏波依存性が低い、好ましくは最小の状態となるような偏波方向とすることが好ましい。また、光増幅体１０は、中心対称性を有する構成とすることが好ましい。たとえば、増幅用光ファイバ１１、１２が同じ特性を有する光ファイバであれば、増幅用光ファイバ１１、１２は等しい長さであり、相対位相シフタ１３が光増幅体１０の長手方向の中央に配置されることが好ましい。

なお、上記実施の形態１、２またはその変形例に係る光増幅器は、増幅用光ファイバ１１、１２の間に１つの相対位相シフタ１３が挿入された２段構成の光増幅体１０を備えている。しかしながら、光増幅体は２段構成に限らず、１段構成でも３段構成以上でもよい。たとえば、光増幅体としては、図１４に示すように、増幅用光ファイバ１１、１２、１５の間に、それぞれ相対位相シフタ１３、１６が挿入された光増幅体１０Ａを用いてもよい。このような光増幅体１０Ａは、増幅段ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３の３段構成の光増幅体である。なお、増幅用光ファイバ１５は、増幅用光ファイバ１１、１２と同様の構成を有するものでよく、相対位相シフタ１６は相対位相シフタ１３と同様の構成を有するものでよい。なお、実施の形態２の構成に適用する３段以上の構成の光増幅体については、２段構成の場合と同様に、増幅用光ファイバの増幅特性や長さ、相対位相シフタの位相シフト量等について、長手方向で中心対称になるように構成、配置することが好ましい。たとえば、増幅媒体が３段構成、すなわち、３つの増幅用光ファイバを用い、位相シフト量が同じ２つの相対位相シフタが各増幅光ファイバの間に接続されてなる場合は、各増幅用光ファイバが同じ特性を有するものとすると、両側に配置される増幅用光ファイバを同じ長さとし、中央に配置される増幅用光ファイバをそれよりも長くすると良い。これにより、いずれの方向を伝搬する偏波成分についても、相対位相シフタの挿入損失に起因する利得の減少を、中央の増幅用光ファイバを長くすることで補償することができる。

また、相対位相シフタとしては、ＦＢＧを用いたものに限らず、誘電体多層膜フィルタと反射型モジュールにて構成されたオールパスフィルタ型の相対位相シフタを用いてもよい。このようなオールパスフィルタ型の相対位相シフタは、ポンプ光波長を調節することで位相シフト量を調節できる。また、特定波長の反射が無いので好ましい。

なお、相対位相シフタがモジュール化されたものである場合、そのピッグテールファイバとして使用する光ファイバとしては、使用するポンプ光波長±１０ｎｍの範囲に零分散波長がある、もしくは分散スロープが０．０６ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下である、またはその両方の特性を有する光ファイバが望ましい。その理由は、ピッグテールファイバの波長分散により相対位相が変動し、位相整合状態を壊すことを避けるためである。また、ピッグテールファイバを増幅用光ファイバと融着接続する場合は、ピッグテールファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）が、増幅用光ファイバのＭＦＤの±５０％の範囲で一致していることが好ましい。その理由は、ＭＦＤを当該範囲で一致させることによって、ピッグテールファイバと増幅用光ファイバとの融着接続損失を０．５ｄＢ以下にできるからである。

ところで、ＯＰＡに波長多重（ＷＤＭ）シグナル光を入力すると、増幅用光ファイバの非線形光学効果によって不要な４光波混合（ＦＷＭ）光が発生し、ＦＷＭ光とシグナル光とのクロストークにより、ＷＤＭシグナル光に含まれる各シグナル光が劣化し、ＮＦが増大する。

非特許文献３では、ＷＤＭシグナル光の代わりにＡＳＥ光をシグナル光として、ＯＰＡにおけるＦＷＭ光によるＮＦ特性を調べた結果、ポンプ光の強度と増幅されたＡＳＥ光との強度差が２０ｄＢ以上であれば、ＮＦの増大が抑制されると報告している。

これに対して、本発明者らが鋭意検討したところ、ＯＰＡにおいて、光増幅器に入力されるポンプ光の強度とＷＤＭシグナル光の総強度との強度比が２４ｄＢ以上である場合に、実使用上十分なＷＤＭシグナル光の劣化量であることを見出した。

以下、ＷＤＭ増幅特性実験の結果を用いて具体的に説明する。図１５は、実施の形態１に係る光増幅器およびそのＷＤＭ増幅特性測定系の模式的な構成図である。なお、ここでは、ＷＤＭシグナル光源として、８つのシグナル光源４１−１〜４１−８に、それぞれ偏波コントローラ４２−１〜４２−８を接続した、シグナル光源４１−１〜４１−８から出力された互いに異なる波長（１５５０ｎｍ〜１５６０ｎｍの範囲内で約１．２ｎｍ間隔）を有するシグナル光をＡＷＧ４３にて合波し、８チャネルのＷＤＭシグナル光を発生させ、実施の形態１に係る光増幅器１００に入力させた。また、実施の形態１に係る光増幅器１００として、作製した実施例１の光増幅器を用いた。また、ポンプ光のポンプ光波長は、８チャネルのＷＤＭシグナル光の波長に対して５ｎｍ以上離間して設定されている。

図１６は、入力させる８チャネルＷＤＭ信号光のスペクトルを示す図である。なお、各偏波コントローラ４２−１〜４２−８は、光増幅器における各シグナル光の利得が最大になるようにそれぞれ調整した。その他は、図６に結果を示した実験と同様の条件とした。なお、入力されるポンプ光の強度は３２．２ｄＢｍとした。

図１７〜図２２は、増幅された８チャネルＷＤＭシグナル光のスペクトルを示す図である。図１７〜図２２は、光増幅器に入力されるＷＤＭシグナル光の１チャネル当たりの光強度が、それぞれ−１１ｄＢｍ／ｃｈ、−１６ｄＢｍ／ｃｈ、−２１ｄＢｍ／ｃｈ、−２６ｄＢｍ／ｃｈ、−４１ｄＢｍ／ｃｈ、−５１ｄＢｍ／ｃｈの場合である。なお、光減衰器２００はの減衰量は−１９ｄＢ（−１１ｄＢｍ／ｃｈ、−１６ｄＢｍ／ｃｈの場合）または−２０ｄＢ（それ以外の場合）であったので、光増幅器から出力された実際の光強度は各図の縦軸の数値に１９ｄＢまたは２０ｄＢを加算した値である。

図１７〜図２２に示すように、８チャネルＷＤＭシグナル光の強度が高いほど、発生するＦＷＭ光の強度が高く、特に−２１ｄＢｍ／ｃｈより高い場合にはＦＷＭ光による８チャネルＷＤＭシグナル光の劣化が顕著であった。しかしながら、実使用で想定される−２１ｄＢｍ／ｃｈの場合は、８チャネルＷＤＭシグナル光とＦＷＭ光との強度差が２０ｄＢ以上あり、実用的な光増幅器として利用可能な程度のＦＷＭ光の発生量であった。なお、８チャネルＷＤＭシグナル光の強度が−２１ｄＢｍ／ｃｈより低い場合は、ＦＷＭ光の発生量は顕著に低下していった。

このとき、光増幅器に入力される８チャネルＷＤＭシグナル光の総強度は、（−２１＋２０＋９）ｄＢｍ＝８ｄＢｍである。一方、ポンプ光強度は３２．２ｄＢｍである。したがって、ポンプ光の強度と波長多重シグナル光の総強度との強度比は（３２．２ｄＢｍ−８ｄＢｍ）＝２４．２ｄＢであった。このように、光増幅器に入力されるポンプ光の強度とＷＤＭシグナル光の総強度との強度比が２４ｄＢ以上である場合に、実使用上十分なＷＤＭシグナル光の劣化量であった。

つぎに、図２３は、実施例１の光増幅器の８チャネルＷＤＭシグナル光入力時の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。なお、１チャネル当たりのシグナル光の強度は、−５６ｄＢｍ／ｃｈから−１１ｄＢｍ／ｃｈまで変化させている。図２３に示すように、実施例１の光増幅器は、８チャネルＷＤＭシグナル光入力時でも、十分な利得が得られた。なお、ＮＦについては、８チャネルＷＤＭシグナル光のシグナル光間の波長間隔が狭いため、ノイズフロアが実際より大きく測定されてしまったため、実際の値よりも大きいと考えられる。そこで、８チャネルＷＤＭシグナル光にかえて、４チャネルＷＤＭシグナル光（１５５０ｎｍ〜１５６０ｎｍの範囲内で約２．４ｎｍ間隔）を用いて、同様なＷＤＭ増幅特性実験を行った。

図２４は、実施例１の光増幅器の４チャネルＷＤＭシグナル光入力時の利得、ＮＦの波長依存性を示す図である。なお、１チャネル当たりのシグナル光の強度は、−５６ｄＢｍ／ｃｈから−１１ｄＢｍ／ｃｈまで変化させている。図２４に示すように、ＮＦについては、実使用で想定される−２１ｄＢｍ／ｃｈの場合に４．５ｄＢより小さいＮＦが得られた。また、シグナル光の強度が−２１ｄＢｍ／ｃｈより大きい場合は、ノイズフロアが実際より大きく測定されてしまったため、実際の値よりも大きいと考えられる。

なお、特許文献１、２と同様に、上記実施の形態に係る光増幅器を、ＥＤＦＡの前段やＲａｍａｎ効果を利用した光増幅システムの後段に設置して、光増幅システムを構成してもよい。このような光増幅システムは、実施の形態に係る光増幅器の低ノイズ特性によって、システム全体で低ノイズかつ高出力な光増幅システムである。

また、特許文献１、２と同様に、上記実施の形態に係る光増幅器を利用した、光通信システムを構築することも可能である。このことで、従来のＥＤＦＡを光増幅器として用いている光通信システムの伝送距離を伸ばす、送信パワーを減らして消費電力を削減するなどが、可能となる。

また、特許文献１、２と同様に、上記実施の形態に係る光増幅器は、波長変換器やＰＳＡとしても使用できる。

なお、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

以上のように、本発明に係る光増幅器、光増幅システム、波長変換器および光通信システムは、主に光通信の分野に利用して好適なものである。

１０、１０Ａ 光増幅体
１１、１２、１５ 増幅用光ファイバ
１１ａ コア部
１１ａａ 中心コア部
１１ａｂ 緩衝コア層
１１ａｃ 外側コア層
１１ｂ クラッド部
１１ｃ 被覆
１２ 外側コア層
１３、１６ 相対位相シフタ
１４ 温度調整機構
１４ａ ボビン
１４ｂ ヒータ線
１４ｃ 温度検出素子
１４ｄ 筐体
２０、２０Ａ ポンプ光源部
２１、２１Ａ ポンプ光源
２２ 位相変調器
２２Ａ 光アイソレータ
２３ 光ファイバ増幅器
２３Ａ 偏光子
２４ 光バンドパスフィルタ
２４Ａ 波長板
２５ 白色雑音源
２６ 広帯域ＲＦ増幅器
３０、３０Ａ、３１ 光合分波器
４１、４１−１〜４１−８ シグナル光源
４２、４２−１〜４２−８ 偏波コントローラ
５１ 光サーキュレータ
５２ 偏波合分波器
６１、６２ 接続偏波保持光ファイバ
１００、１００Ａ、１００Ｂ 光増幅器
２００ 光減衰器
３００ 光スペクトラムアナライザ
ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３ 増幅段

Claims (16)

1. 増幅用光ファイバと、
   前記増幅用光ファイバに入力されるシグナル光を前記増幅用光ファイバの非線形光学効果によってパラメトリック増幅するためのポンプ光を前記増幅用光ファイバに供給するポンプ光源と、
   を備え、前記増幅用光ファイバは、長手方向において零分散波長の変動が０．５ｎｍ／１００ｍの範囲内であることを特徴とする光増幅器。
2. 前記増幅用光ファイバは、
   中心コア部と、
   前記中心コア部の周囲に形成され前記中心コア部よりも屈折率が低い外側コア層と、
   前記中心コア部と前記外側コア層との間に形成され前記中心コア部よりも屈折率が低くかつ前記外側コア層よりも屈折率の高い１以上の緩衝コア層と、
   を有するコア部と、
   前記外側コア層の周囲に形成され前記中心コア部よりも屈折率が低くかつ前記外側コア層よりも屈折率が高いクラッド部と、
   を有し、波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が１８μｍ²以下であることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
3. 前記増幅用光ファイバは、
   波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が１０．２７μｍ²以上１８μｍ²以下であり、
   前記中心コア部の前記クラッド部に対する比屈折率差が１．８％以上３．０％以下であり、
   前記外側コア層の前記クラッド部に対する比屈折率差が−１．２％以上−０．２％以下であり、
   前記緩衝コア層の前記クラッド部に対する比屈折率差が０．１％以上０．６％以下であり、
   前記外側コア層の外径が９．４μｍ以上２１．４μｍ以下であり、
   前記外側コア層の外径に対する前記中心コア部の直径の比が０．２０以上０．４０以下であり、
   前記外側コア層の外径に対する前記緩衝コア層の外径の比が０．２４以上０．８０以下であり、
   波長１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲において、前記外側コア層の外径が１％変動したときの波長１５５０ｎｍにおける波長分散の変動が、０．７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の光増幅器。
4. 前記増幅用光ファイバの温度を調整する温度調整機構または前記増幅用光ファイバに掛かる張力を調整する張力調整機構を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光増幅器。
5. 前記ポンプ光源内の半導体レーザ素子の温度を調整する温度調整機構または前記半導体レーザ素子の駆動電流を調整する駆動電流調整機構を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光増幅器。
6. 前記位相シフタがファイバブラッググレーティングであって、前記ファイバブラッググレーティングの温度を調整する温度調整機構または前記ファイバブラッググレーティングに掛かる張力を調整する張力調整機構を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光増幅器。
7. 前記増幅用光ファイバは、周囲温度における前記零分差波長が、前記ポンプ光の波長を所定のポンプ光波長に設定した場合に当該光増幅器の平坦な利得帯域が最大となる第１零分散波長よりも５ｎｍ以下だけ短波長側に位置し、
   前記温度調整機構は、前記増幅用光ファイバの前記零分差波長が前記第１零分散波長に近づくように前記増幅用光ファイバの温度を調整することを特徴とする請求項４に記載の光増幅器。
8. 前記増幅用光ファイバの零分散波長は前記ポンプ波長よりも短く、
   当該光増幅器の利得波長特性を平坦にする利得平坦化フィルタを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光増幅器。
9. 前記シグナル光および前記ポンプ光が入力され、前記シグナル光および前記ポンプ光を互いに直交する偏波状態を有する偏波成分に偏波分離し、前記互いに直交する偏波成分を前記増幅用光ファイバを互いに逆向きに伝搬するように前記増幅用光ファイバに入力させ、前記増幅用光ファイバを互いに逆向きに伝搬して増幅された前記互いに直交する偏波成分を偏波合成する偏波合分波器を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の光増幅器。
10. 前記複数の増幅用光ファイバの間に挿入され、入力された光の相対位相を変化させる相対位相シフタをさらに備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の光増幅器。
11. 当該光増幅器に入力される前記ポンプ光の強度と前記シグナル光の総強度との強度比が２４ｄＢ以上であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光増幅器。
12. 増幅用光ファイバと、
    前記増幅用光ファイバに入力される波長多重シグナル光を、前記増幅用光ファイバの非線形光学効果によってパラメトリック増幅するためのポンプ光を前記増幅用光ファイバに供給するポンプ光源と、
    を備え、当該光増幅器に入力される前記ポンプ光の強度と前記波長多重シグナル光の総強度との強度比が２４ｄＢ以上であることを特徴とする光増幅器。
13. 前記ポンプ光のポンプ光波長が前記波長多重シグナル光の波長に対して５ｎｍ以上離間して設定されていることを特徴とする請求項１２に記載の光増幅器。
14. 請求項１〜１３のいずれか一つに記載の光増幅器を備えたことを特徴とする光増幅システム。
15. 請求項１〜１３のいずれか一つに記載の光増幅器を備えたことを特徴とする波長変換器。
16. 請求項１〜１３のいずれか一つに記載の光増幅器を備えたことを特徴とする光通信システム。

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