WO2023106348A1 - 光源、光源装置、光源の駆動方法、ラマン増幅器、およびラマン増幅システム - Google Patents

光源、光源装置、光源の駆動方法、ラマン増幅器、およびラマン増幅システム Download PDF

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light
rin
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amplifier
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春喜 大越
順自 吉田
悠介 稲葉
竜也 木本
政樹 舟橋
誠司 一野
直也 北條
繁弘 高坂
隆一 杉崎
ニティデット タッサリングカンサクン
サグァン アナンタタナサン
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古河電気工業株式会社
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    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35Non-linear optics
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/0915Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by incoherent light
    • H01S3/0933Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by incoherent light of a semiconductor, e.g. light emitting diode
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/04Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042Electrical excitation ; Circuits therefor
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/50Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30

Definitions

  • the present invention relates to a light source, a light source device, a light source driving method, a Raman amplifier, and a Raman amplification system.
  • EDFAs erbium-doped fiber amplifiers
  • Raman amplification backward pumping Raman amplification in which pumping light is injected into an optical fiber for Raman amplification so as to propagate in the direction opposite to the propagation direction of signal light.
  • Raman amplification In order to further increase the speed (800 Gb/s), extend the distance (1000 km transmission), and broaden the bandwidth (utilization of L, S-band) for the next generation, forward-pumped Raman amplification called Raman amplification.
  • the key is to simultaneously use a system in which the pumping light is incident on the optical fiber for use so that it propagates in the same direction as the signal light propagation direction, together with backward pumping Raman amplification.
  • This method is called bidirectionally pumped Raman amplification.
  • By using the wavelength multiplexing pumping system it is possible to achieve flattening of Raman gain and widening of the band only by backward pumping Raman amplification, but flattening of noise figure (NF) cannot be achieved without using bidirectional pumping Raman amplification. has been reported (Non-Patent Documents 13, 14).
  • RIN Relative Intensity Noise
  • Raman amplification has a very small gain per unit length compared to EDFAs
  • forward-pumped Raman amplification gradually pumps the signal light and the pump light by propagating together in the optical fiber over long distances.
  • Light noise transfers as signal light noise. This is called RIN transfer.
  • backward pumping Raman amplification since the signal light and the pumping light face each other, the time at which the pumping light and the signal light having a certain noise component intersect is short, and the noise of the pumping light has little effect on the signal light.
  • the noise of the excitation light is random, even if the signal light is affected, it will be averaged as it travels in the opposite direction.
  • NZDSF is, for example, the International Telecommunications Union (ITU)'s ITU-T G. It is an optical fiber conforming to the 655 standard.
  • PELOUCH Wayne S. Raman amplification: An enabling technology for long-haul coherent transmission systems. Journal of Lightwave Technology, 2015, 34.1: 6-19. YAMAMOTO, Y.; MACHIDA, S.; NILSSON, O. Amplitude squeezing in a pump-noise-suppressed laser oscillator. Physical Review A, 1986, 34.5: 4025. KEITA, Kafing, et al. Relative intensity noise transfer of large-bandwidth pump lasers in Raman fiber amplifiers. JOSA B, 2006, 23.12: 2479-2485. FLUDGER, C. R. S.; HANDEREK, V.; MEARS, R. J. Pump to signal RIN transfer in Raman fiber amplifiers.
  • KOBAYASHI Takayuki, et al. 2nd-order forward-pumped distributed Raman amplification employing SOA-based incoherent light source in PDM-16QAM WDM transmission system. IEICE Communications Express, 2019. KOBAYASHI, Takayuki, et al. PDM-16QAM WDM transmission with 2nd-order forward-pumped distributed Raman amplification utilizing incoherent pumping. In: Optical Fiber Communication Conference. Optical Society of America, 2019. p.Tu3F.6. KADO, Soko, et al. Broadband flat-noise Raman amplifier using low-noise bidirectionally pumping sources.
  • Raman amplification is inferior to optical amplification by EDFA in pumping efficiency, so a high-output pumping light source is required to obtain sufficient gain. For this reason, Fabry-Perot (FP) type lasers with an output of several hundred mW or more have been widely put into practical use. Patent documents 3, 4, 5).
  • FP Fabry-Perot
  • Non-Patent Document 5 Optical Signal to Noise Ratio
  • Non-Patent Document 3 when broadband incoherent light is used for forward-pumped Raman amplification, RIN transfer is suppressed due to the averaging effect.
  • Non-Patent Document 3 mentions that in order to obtain the averaging effect, a large number of longitudinal modes (that is, ripples) due to Fabry-Perot oscillation should not exist. . Therefore, in order to take advantage of the superiority of incoherent optical pumping in forward-pumped Raman amplification, it is preferable that the incoherent light has high output and ripples are suppressed.
  • ripples are generated by forming a Fabry-Perot resonator between both end faces. Therefore, if the reflectance at both end faces is zero, ripples do not occur. However, it is practically impossible to make the reflectance of both end faces of the SOA zero. Therefore, how to suppress the ripple is an important issue.
  • (1) antireflection coating, (2) oblique waveguide structure, (3) window structure, etc. have been used to suppress ripples.
  • a preferable pumping light source for Raman amplification has a high output of several hundred mW or more, even a slight reflection can generate ripples.
  • Patent Literature 5 discloses a method of providing a mirror behind the SOA rear facet to relax the requirements for the facet reflectivity of the non-reflection coating.
  • Non-Patent Document 2 Non-Patent Document 1
  • Non-Patent Documents 3 and 4 RIN transfer tends to occur on the low frequency side, and the high frequency side is cut. That is, the RIN transfer has a cutoff frequency. Therefore, the characteristic that the RIN on the low frequency side is suppressed in the ASE light of the SOA in the saturated state is extremely useful from the viewpoint of suppressing the deterioration of the transmission characteristics due to the RIN transfer.
  • Fig. of Non-Patent Document 8. 2 Fig. 3 shows that the RIN suppression is increased by increasing the drive current (seed current, booster current) in a saturated SOA.
  • increasing the drive current of the SOA increases the optical output but also increases the ripple.
  • the output of the pumping light source is changed to control the Raman amplification gain. Therefore, there is a demand for a method or means that can suppress ripples to a small level without affecting RIN suppression even when the optical output of the SOA is changed.
  • SOA ASE light is a strong candidate from the standpoint of small size and low cost.
  • (2) Ripple caused by SOA end face reflection is suppressed in a wide operating range and output range of the excitation light source.
  • (3) RIN is suppressed over a wide operating range and output range of the excitation light source. (4) Low power consumption.
  • one aspect of the present invention provides a seed light source that outputs incoherent seed light having a predetermined band, and a seed light source that emits the seed light input from a first end surface.
  • a booster amplifier that is a semiconductor optical amplifier that amplifies and outputs amplified light from the second end surface, wherein the booster amplifier suppresses relative intensity noise (RIN) and ripple at the same time in the amplified light, It is a light source in which nL, which is the product of the refractive index n and the chip length L, is set.
  • the chip length L may be 1 mm or more.
  • the chip length L may be 1.5 mm or more.
  • the chip length L may be 2 mm or more.
  • the seed light source and the booster amplifier may be driven with a drive current that simultaneously suppresses the relative intensity noise (RIN) and the ripple in the amplified light.
  • RIN relative intensity noise
  • the booster amplifier may be driven so as to operate in gain saturation.
  • the seed light source may be driven with a drive current that outputs the seed light having a power that makes the power of the amplified light close to the maximum.
  • the seed light source may include at least one of an SLD (Super Luminescent Diode), a semiconductor optical amplifier, and an ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source equipped with a rare earth-doped optical fiber.
  • the power of the amplified light output by the booster amplifier may be 100 mW or more.
  • the facet reflectivity of the first facet and the facet reflectivity of the second facet of the booster amplifier may range between 10 ⁇ 3 and 10 ⁇ 5 .
  • One aspect of the present invention is a light source device including the light source and a driving device that drives the light source.
  • One aspect of the present invention includes a seed light source that outputs incoherent seed light having a predetermined band, and semiconductor light that optically amplifies the seed light input from a first facet and outputs the amplified light from a second facet. and a booster amplifier, wherein the booster amplifier has a refractive index n and a tip length L such that relative intensity noise (RIN) and ripple are simultaneously suppressed in the amplified light. is set, and the seed light source and the booster amplifier are driven with a drive current that simultaneously suppresses relative intensity noise (RIN) and ripple in the amplified light. .
  • One aspect of the present invention is a Raman amplifier including the light source and a Raman amplification optical fiber into which the amplified light is input as pumping light.
  • One aspect of the present invention is a Raman amplification system comprising the light source and a Raman amplification optical fiber into which the amplified light is input as pumping light.
  • a light source, a light source device, a light source driving method, and a Raman amplifier and a Raman amplification system using the same are provided in which RIN and ripple are simultaneously suppressed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a light source device according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing a part of the light source module shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the power spectrum of output light from the booster amplifier.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the power (Pf) of output light with respect to Ib.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the RIN spectrum of output light.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing a spectrum in which RIN is suppressed.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the power spectrum of output light when Is is 0 mA and Ib is changed.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the power spectrum of output light when Is is changed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a light source device according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing a part of the light source module shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of Is dependence of output light power (Pf) with respect to Ib.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the RIN spectrum of output light when Is is changed.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram of the relationship between suppression of RIN and suppression of ripple.
  • FIG. 12 shows that ripple is suppressed when the round-trip frequency is within the RIN suppression band.
  • FIG. 13 shows No. 11 is a diagram showing the central wavelength of the power spectrum of the output light of light source modules 11 to 31.
  • FIG. FIG. FIG. 11 is a diagram showing the width of ripples with respect to Is of light source modules 11 to 31;
  • FIG. 15 is a schematic diagram of a Raman amplifier according to Embodiment 2.
  • FIG. 16 is a schematic diagram of a Raman amplification system according to Embodiment 3.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a light source device according to Embodiment 1.
  • FIG. This light source device 100 includes a light source module 10 and drive devices 101 and 102 .
  • Light source module 10 is an example of a light source.
  • the light source module 10 includes a seed light source 11 that is an SOA, an optical isolator 12, a booster amplifier 13 that is an SOA, an optical isolator 14, and an output optical fiber 15.
  • the seed light source 11, the optical isolator 12, the booster amplifier 13, and the optical isolator 14 are optically cascade-connected in this order by an optical fiber, an optical element, or the like.
  • the seed light source 11 outputs incoherent seed light L1 having a predetermined band.
  • Incoherent light means light composed of a collection of uncorrelated photons with a continuous spectrum, rather than a laser light source that oscillates in single or multiple discrete modes (longitudinal modes).
  • the predetermined band is not particularly limited, a wide band such as 25 nm or more is preferable as a wavelength band, for example.
  • the optical isolator 12 transmits the seed light L 1 to input it to the booster amplifier 13 , and blocks the return light traveling from the booster amplifier 13 side from inputting to the seed light source 11 .
  • the optical isolator 12 prevents or reduces the operation of the seed light source 11 from becoming unstable due to the input of returned light.
  • the booster amplifier 13 optically amplifies the input seed light L1 and outputs it as amplified light L2.
  • the optical isolator 14 allows the amplified light L2 to pass therethrough and input it to the output optical fiber 15, and prevents the light traveling from the output optical fiber 15 side from inputting to the booster amplifier 13.
  • FIG. The optical isolator 14 prevents or reduces the operation of the booster amplifier 13 from becoming unstable due to the input of returned light.
  • the output optical fiber 15 is an optical fiber that guides the amplified light L2 to the outside of the light source module 10.
  • the amplified light L2 is used, for example, as pumping light for Raman amplification.
  • the driving devices 101 and 102 are known SOA driving devices.
  • a driving device 101 supplies a driving current C1 to the seed light source 11 .
  • the drive device 102 supplies the booster amplifier 13 with a drive current C2.
  • FIG. 2 is a diagram showing part of the light source module 10 shown in FIG.
  • the booster amplifier 13 has a first end face 13a and a second end face 13b facing each other.
  • the booster amplifier 13 receives the seed light L1 from the first end surface 13a and outputs the amplified light L2 from the second end surface 13b.
  • the first end face 13a and the second end face 13b are subjected to reflection reduction treatment such as AR (Ant-Reflection) coating. Further, the first end surface 13a and the second end surface 13b may be subjected to reflection reduction processing by being inclined with respect to the optical axis of the optical amplification waveguide provided in the booster amplifier 13.
  • FIG. Such a structure is also called an oblique waveguide structure.
  • R1 and R2 are, for example, in the range between 10 -3 and 10 -5 .
  • (R1 ⁇ R2) 1/2 ranges, for example, between 10 ⁇ 3 and 10 ⁇ 5 .
  • a value in the range between 10 ⁇ 3 and 10 ⁇ 5 is an example of a sufficiently practical and feasible numerical range from the viewpoint of low reflectance.
  • the range between 10 ⁇ 3 and 10 ⁇ 5 is a range including the upper limit of 10 ⁇ 3 and the lower limit of 10 ⁇ 5 .
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the power spectrum of the output light (amplified light) of the booster amplifier.
  • FIG. 3 shows a case where Is is set to the driving current C1 supplied to the seed light source 11 and Ib is the driving current C2 to be supplied to the booster amplifier 13, and Is is set to 50 mA and Ib is set to 800 mA.
  • the power spectrum of the output light in FIG. 3 has a roughly Gaussian spectrum shape, and its FWHM (Full Width Half Maximum) is about 25 nm to 30 nm.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the power (Pf) of the output light (amplified light) from the booster amplifier with respect to Ib.
  • Is is set to 50 mA.
  • Pf is about 20 mW
  • Pf is about 120 mW.
  • 3 and 4 show examples of light source modules fabricated using semiconductor optical amplifiers having substantially similar characteristics as the seed light source and the booster amplifier, respectively.
  • nL is the product of the refractive index n of the booster amplifier 13 and the chip length L. It was discovered that a state of being suppressed at the same time can be realized.
  • the refractive index n of the booster amplifier 13 is the refractive index that acts on the seed light in the booster amplifier 13 before the seed light input to the booster amplifier 13 is output as amplified light. is the refractive index of the active layer of amplifier 13;
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the RIN spectrum of output light. Specifically, FIG. The results of measuring the RIN of the output light from light source modules 1 to 3 are shown. In addition, No. The light source modules 1 to 3 were fabricated using semiconductor optical amplifiers having substantially the same characteristics as the seed light source and the booster amplifier, respectively, and had output characteristics equivalent to those shown in FIGS. . Also, No. For the light source modules 1 to 3, the end face reflectance was confirmed to be (R1 ⁇ R2) 1/2 in the range between 10 ⁇ 3 and 10 ⁇ 5 . In FIG. 5, Ts indicates the case temperature (25° C.) of the seed light source, and Tb indicates the case temperature (25° C.) of the booster amplifier.
  • only Ib indicates a case where a drive current of 100 mA is supplied only to the booster amplifier and no drive current is supplied to the seed light source (that is, the supplied drive current is 0 mA).
  • the booster amplifier operates as a simple ASE light source because the seed light source to be amplified is not input to the booster amplifier.
  • Is+Ib indicates the case where a driving current of 100 mA is supplied to the booster amplifier and a driving current of 200 mA is supplied to the seed light source.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing a spectrum in which RIN is suppressed.
  • the output light output from the light source such as the light source module in the embodiment is the ASE light of the SOA
  • its RIN should be determined by the magnitude of the ASE-ASE beat noise.
  • the level of line 210 is the level of ASE-to-ASE beat noise.
  • RIN is calculated to be about -127 dB/Hz using the above equation (1). This numerical value generally agrees with the results shown in FIG.
  • the RIN of an SOA operating in gain saturation is suppressed in the lower frequency region 211 below f c , also called the corner frequency 213 .
  • the corner frequency 213 For example, RIN suppression on the order of 10 dB to 20 dB from the level of line 210 has been reported (Patent Document 1, Non-Patent Documents 6 and 8).
  • Line 212 is the level of shot noise.
  • suppression of RIN means suppression by 10 dB or more from the RIN calculated by the above formula (1).
  • the degree of suppression of RIN may be 16 dB or less, or even 20 dB or less.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the power spectrum of the output light when Is is 0 mA and Ib is changed.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the power spectrum of output light when Is is changed.
  • ripples occur both when Ib is 200 mA and 800 mA.
  • Ib when Ib is 200 mA, ripples occur even though the power of the output light is about 18 mW, which is relatively small.
  • Is when Is was set to 0 mA, ripples were particularly likely to occur. This ripple is due to the reflection of light at the end facets of the SOA, as described above, but the end facet reflectivity of the booster amplifier is (R1 ⁇ R2) 1/2 between 10 ⁇ 3 and 10 ⁇ 5 Ripple occurs in spite of the sufficiently small range of .
  • ripples occur in spite of such a low drive current (low power) and low reflectance means that the suppression of ripples in the pump light source for Raman amplification, which has an optical output of several hundred mW in some cases, It can be said that this is an example showing how difficult it is. Note that the ripple contained components with a plurality of different cycles.
  • the ripple is suppressed when Is is increased to 25 mA while Ib is fixed at 800 mA, and further suppressed when Is is 50 mA. However, if Is is further increased to 400mA, the ripple increases again.
  • the technique of suppressing the ripple by controlling the power of the seed light is a technique that can ease the setting conditions of the facet reflectivity of the booster amplifier and the difficulty of fabrication, and is a technique that is extremely effective in practical use. .
  • the magnitude of ripple is indicated by the maximum width (peak-to-bottom) of ripple appearing on the power spectrum at a predetermined wavelength (for example, near 1510 nm).
  • the ripple is preferably suppressed so that the peak-to-bottom width of the ripple is 5 dB or less, 3 dB or less, 1 dB or less, or 0.5 dB or less. .
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the RIN spectrum of output light when Is is changed. Note that Ib was fixed at 1000 mA. As can be seen from FIG. 10, RIN is suppressed as Is increases. This is probably because the larger Is, the higher the degree of gain saturation of the booster amplifier.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram of the relationship between suppression of RIN and suppression of ripple.
  • FIG. 11 shows an SOA chip that constitutes the booster amplifier 13 .
  • the chip length of the SOA is L.
  • the seed light of power P0 input from the first facet of the SOA is amplified while propagating through the SOA, receives gain G, becomes amplified light of power GP0 , and reaches the second facet after the elapse of time ⁇ T. do. Then, part of the amplified light is reflected by the second facet, and the first reflected light with power ⁇ P1 propagates toward the first facet.
  • the first reflected light with power ⁇ P 1 is amplified while propagating through the SOA, and reaches the first facet after the elapse of time ⁇ T. Then, part of the first reflected light is reflected by the first facet and propagates toward the second facet as second reflected light with power ⁇ P2 . In this way, part of the light is reflected and propagated by the end face, causing fluctuations in the optical power due to the reflection. This fluctuation causes ripple.
  • ⁇ RT Red Trip Time
  • FIG. 12 shows that ripple is suppressed when the round-trip frequency is within the RIN suppression band.
  • the inventors of the present invention have found that if the round-trip frequency fRT , which is the fluctuation frequency, is within the RIN suppression frequency band (RIN suppression area), the fluctuation is suppressed and the occurrence of ripples is suppressed.
  • fRT depends on the refractive index n and the tip length L. Therefore, in the booster amplifier 13, nL, which is the product of the refractive index n and the chip length L, is preferably set so that RIN and ripple are simultaneously suppressed in the amplified light.
  • Table 1 shows an example of the relationship between the chip length L and fRT when the refractive index n is 3.5.
  • the tip length L is preferably 1 mm or longer, more preferably 1.5 mm or longer, and even more preferably 2 mm or longer.
  • the refractive index n depends on the oscillation wavelength and the composition ratio of the active layer, so Table 1 is an example.
  • the RIN suppression frequency band is determined by the Ib and saturation state of the booster amplifier 13 (Non-Patent Document 8).
  • the refractive index of the booster amplifier 13 depends on the wavelength of the seed light, the composition ratio of the active layer, etc., it is generally in the range of 3.2 to 3.6. It is determined by the suppression frequency band and the refractive index of the booster amplifier 13 .
  • the value of L is about 5 mm or less.
  • the ripple is suppressed by the RIN suppression phenomenon, but it is natural that the reflectance of the first end surface 13a and the second end surface 13b of the booster amplifier 13 is low enough to obtain the ripple suppression effect by suppressing the RIN. It is a premise. Note that the above No.
  • the reflectance of the first and second end surfaces of the light source modules 1 to 4 is (R1 ⁇ R2) 1/2 in the range between 10 ⁇ 3 and 10 ⁇ 5 , which is sufficiently low for practical use. being processed. Nevertheless, pumping light sources for Raman amplification generally require a large output of several hundred mW or more, and ripples can easily occur.
  • the round-trip frequency derived from nL which is the product of the chip length L and the refractive index n
  • nL which is the product of the chip length L and the refractive index n
  • FIG. 13 shows No. 11 is a diagram showing the central wavelength of the power spectrum of the output light of light source modules 11 to 31.
  • the chip length of the booster amplifier is 1.8 mm.
  • the light source modules 25 and 26 have longer peak wavelengths than the other light source modules. The reason is No. This is because the refractive index of the booster amplifier in the light source modules 25 and 26 is relatively low.
  • FIG. 11 is a diagram showing the width of ripples with respect to Is of light source modules 11 to 31; Note that Ib is fixed at a predetermined value.
  • Light source modules 25 and 26 have a larger ripple width than other light source modules. The reason is No.
  • the oscillation wavelengths of the light source modules 25 and 26 are longer than the oscillation wavelengths of the other light source modules. It is thought that this is because it becomes smaller than nL in the module.
  • nL which is the product of the refractive index n of the booster amplifier and the chip length L
  • RIN and ripple are simultaneously generated in the amplified light. Since it is suppressed, it is suitable for a pumping light source for Raman amplification, particularly for forward pumping, and is particularly excellent in terms of suppressing RIN and RIN transfer.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of a Raman amplifier according to Embodiment 2.
  • the Raman amplifier 1000 is configured as a forward-pumped concentrated optical amplifier that includes the light source module 10 of Embodiment 1 as a pumping light source.
  • the Raman amplifier 1000 includes a light source device 100 including a light source module 10, a signal light input section 1001, an optical multiplexer 1002, a Raman amplification optical fiber 1003 such as a highly nonlinear optical fiber, and a Raman amplification light output section 1004. It has
  • the signal light input section 1001 receives the signal light L11.
  • the optical multiplexer 1002 multiplexes the signal light L11 and the amplified light L2 as pumping light output from the output optical fiber 15 of the light source module 10, and inputs them into the Raman amplification optical fiber 1003.
  • the Raman amplification optical fiber 1003 Raman-amplifies the signal light L11 using the amplified light L2 as pumping light.
  • the Raman-amplified light output unit 1004 outputs Raman-amplified light L12, which is light obtained by Raman-amplifying the signal light L11.
  • the amplified light L2 from the light source module 10 is set to a wavelength that allows the Raman amplification optical fiber 1003 to Raman-amplify the signal light L11.
  • the Raman amplifier 1000 is particularly excellent in suppressing RIN and suppressing RIN transfer.
  • the Raman amplification system 2000 is configured as a forward-pumped distributed optical amplification system that includes the light source module 10 of Embodiment 1 as an excitation light source.
  • the Raman amplification system 2000 includes a light source device 200 including a light source module 10, a signal light input section 2001, a Raman amplification optical fiber 2003 such as a standard single mode fiber, a dispersion shifted fiber, or a non-zero dispersion shifted fiber, and a Raman amplified light output. 2004.
  • Standard single-mode fibers are, for example, ITU-T G. It is an optical fiber conforming to the 652 standard.
  • the light source device 200 has a configuration in which an optical multiplexer 201 is added to the light source device 100 .
  • an optical multiplexer 201 is added to the light source device 100 .
  • the Raman amplification optical fiber 2003 for example, an optical fiber for optical communication laid in the field can be used.
  • the signal light input section 2001 receives the signal light L21.
  • the optical multiplexer 201 multiplexes the signal light L11 and the amplified light L2 as pumping light output from the output optical fiber 15 of the light source module 10 and inputs the combined light into the Raman amplification optical fiber 2003 .
  • the Raman amplification optical fiber 2003 Raman-amplifies the signal light L21 using the amplified light L2 as pumping light.
  • the Raman-amplified light output unit 2004 outputs Raman-amplified light L22, which is light obtained by Raman-amplifying the signal light L21.
  • the amplified light L2 from the light source module 10 is set to a wavelength that allows the Raman amplification optical fiber 2003 to Raman-amplify the signal light L21.
  • the Raman amplification system 2000 is particularly excellent in suppressing RIN and suppressing RIN transfer.
  • Raman amplifiers and Raman amplification systems of the above embodiments are configured as forward pumping types, embodiments of the present invention are not limited to this, and may be configured as backward pumping types or bidirectional pumping types.
  • the light source module and light source device of the above embodiments can be widely used not only as a pumping light source for Raman amplification, but also as a light source in which RIN and ripple are suppressed at the same time.
  • the seed light is ASE light, but may be incoherent light such as spontaneous emission light (SE).
  • SE spontaneous emission light
  • the seed light source is a semiconductor optical amplifier, but it may include at least one of SLD (Super Luminescent Diode), SOA, and ASE light source with rare earth-doped optical fiber.
  • SLD Super Luminescent Diode
  • SOA SOA
  • ASE light source with rare earth-doped optical fiber Such SLD, SOA and ASE light sources are suitable as incoherent light sources.
  • the present invention is not limited by the above embodiments.
  • the present invention also includes those configured by appropriately combining the respective constituent elements described above. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, broader aspects of the present invention are not limited to the above embodiments, and various modifications are possible.
  • the present invention can be used for light sources, light source devices, light source driving methods, Raman amplifiers, and Raman amplification systems.

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Abstract

光源は、所定の帯域を有するインコヒーレントなシード光を出力するシード光源と、第1端面から入力された前記シード光を光増幅し、増幅光として第2端面から出力する半導体光増幅器であるブースター増幅器と、を備え、前記ブースター増幅器は、前記増幅光において相対強度雑音(RIN)およびリップルが同時に抑制されるように、屈折率nとチップ長Lとの積であるnLが設定されている。

Description

光源、光源装置、光源の駆動方法、ラマン増幅器、およびラマン増幅システム
 本発明は、光源、光源装置、光源の駆動方法、ラマン増幅器、およびラマン増幅システムに関する。
 これまで光ファイバ通信において、エルビウム添加ファイバ増幅器(EDFA)を用いて、伝送距離、伝送容量の拡大が成されてきた。しかし現在では、EDFAだけでなくラマン増幅を活用し、両者を有効に組み合せることが必要不可欠な技術となっている。現在、ラマン増幅として主に用いられているのは、ラマン増幅用の光ファイバに対して、信号光の伝搬方向と反対の方向に伝搬するように励起光を入射する後方励起ラマン増幅である。しかし、次世代に向けた更なる高速化(800Gb/s)、長距離化(1000km伝送)、広帯域化(L、S-bandの活用)のためには、前方励起ラマン増幅と呼ばれる、ラマン増幅用の光ファイバに対して信号光の伝搬方向と同一方向に伝搬するように励起光を入射する方式を、後方励起ラマン増幅と同時に用いることが鍵となっている。この方式は、双方向励起ラマン増幅と呼ばれる。なお、波長多重励起方式を用いることにより後方励起ラマン増幅のみでもラマン利得の平坦化、広帯域化は達成できるが、双方向励起ラマン増幅を利用しないと雑音指数(NF)の平坦化が達成できないことが報告されている(非特許文献13、14)。
 前方励起においては、相対強度雑音(Relative Intensity Noise:RIN)が小さい励起光源が必要である。その理由を以下に示す。RINとは、レーザ光の微小な強度変動成分を全光出力で規格化した指標である。ラマン増幅という現象は、利得を生み出す励起準位の寿命が短い(≒数fsec)ため、励起光源に強度雑音があるとそのまま増幅過程を通じて信号光の雑音となってしまう。EDFAでは励起準位の寿命が長い(≒10msec)ためこのようなおそれはなかった。ラマン増幅は、単位長さ当たりの利得がEDFAに比べて非常に小さいが、前方励起ラマン増幅では、信号光と励起光とが長距離にわたって光ファイバ中を一緒に伝播することにより、徐々に励起光の雑音が信号光の雑音として乗り移る。これをRINトランスファーと呼ぶ。後方励起ラマン増幅では、信号光と励起光が対向しているので、ある雑音成分を持った励起光と信号光が交差する時間が短く、励起光の雑音が信号光に与える影響は少ない。また、励起光の雑音はランダムであるため、信号光が影響を受けたとしても対向して進むうちに平均化される。以上のことから分かるように、前方励起ラマン増幅では、RINトランスファーが低いという特性が要求され、特に信号光と励起光の群速度差が小さく、平行して光ファイバ内を伝送する時間が長くなる分散シフトファイバ(DSF)やノンゼロ分散シフトファイバ(NZDSF)などでは、このRINトランスファーの低減は重要である(非特許文献1、3、4)。NZDSFは、たとえば国際通信連合(ITU)のITU-T G.655規格に準拠する光ファイバである。
米国特許公開第2014/0153083号明細書 米国特許第07190861号明細書 米国特許第07215836号明細書 米国特許第07236295号明細書 米国特許第07173757号明細書 特許第4069110号公報 米国特許第10938175号明細書
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 ラマン増幅は、EDFAによる光増幅と比べると励起効率に劣るので、十分な利得を得るためには高出力な励起光源が必要である。そのため、出力が数百mW以上のファブリぺロー(FP)型のレーザが広く実用化されてきたが、FP型のレーザはRINトランスファーが大きく、前方励起には不向きであるとされている(非特許文献3、4、5)。
 これに対して、RINトランスファーを抑えるため、前方励起ラマン増幅の励起光源としては、インコヒーレント光である、半導体光増幅器(Semiconductor Optical AmplifierSOA)のASE(Amplified Spontaneous Emission)光を用いることが有効であるとされている(特許文献2、3、非特許文献3、5)。
 今後の800Gbpsを超える超高速・大容量伝送では、システム全体のOSNR(Optical Signal to Noise Ratio)を大きく改善するため、前方励起によるラマン利得が、たとえば7dB以上、さらには10dB以上であることが望ましい。そこで、たとえば、縦続接続されたSOAを偏波多重、波長多重した構成で高出力を実現した事例が報告されている(非特許文献5)。
 小型で低コストなSOAのASE光は、確かに有力候補であるが、高出力を実現しようとすると、SOAの両端面での光の反射に起因するリップル(ripple)が発生することが知られている(特許文献4、5、6)。
 非特許文献3によれば、広帯域なインコヒーレント光を前方励起ラマン増幅に用いた場合、平均化効果によりRINトランスファーは抑制される。ここで、非特許文献3では、留意すべき点として、当該平均化効果を得るためには、ファブリーペロー発振による多数の縦モード(すなわちリップル)が存在してはならない、という点を挙げている。したがって、前方励起ラマン増幅におけるインコヒーレント光励起の優位性を活かすためには、当該インコヒーレント光において、高出力で、かつリップルが抑制されていることが好ましい。
 ここで、SOAにおいては、リップルは、両端面間でファブリーペロー共振器が形成されることにより発生する。したがって、両端面での反射率がゼロであればリップルは発生しない。しかし、SOAの両端面の反射率をゼロにすることは実用上不可能である。そこで、いかにリップルを抑制するかは重要な課題である。従来は、(1)無反射コート、(2)斜め導波路構造、(3)窓構造などが、リップルの抑制のために用いられてきた。しかし、好ましいラマン増幅用励起光源は、数百mW以上の高出力であるため、わずかな反射があってもリップルが発生し得る。また、ASE光はスペクトル幅が約数十nmと広いが、この広いスペクトル幅に渡って低い反射率の無反射処理を実現するのは容易では無い。これに対して、たとえば、特許文献5では、SOA後端面後方にミラーを設け、無反射コート端面反射率の要求条件を緩和する手法が示されている。
 一方、半導体レーザを、発振閾値より十分に大きな駆動電流領域、すなわち飽和状態で定電流駆動すると、低周波側の雑音を抑制できることが知られている(非特許文献2)。同様に、大きなインコヒーレント光が入力し飽和状態にあるSOAから出力されるASE光では、低周波側のRINが抑制されることが知られている(特許文献1、非特許文献6、7、8)。
 また、非特許文献3、4によると、RINトランスファーは低周波側で起こりやすく、高周波側はカットされる。すなわちRINトランスファーにはカットオフ周波数が存在する。したがって、飽和状態にあるSOAのASE光において低周波側のRINが抑制されるという特性は、RINトランスファーによる伝送特性劣化を抑える観点から極めて有益である。
 非特許文献8のFig.2、Fig.3には、飽和状態のSOAにおいて駆動電流(seed電流、booster電流)を増やすことによってRIN抑制が大きくなることが示されている。しかしながら、SOAの駆動電流を大きくすると、光出力は大きくなるが、リップルも大きくなる。また、実際のラマン増幅システムでは、励起光源出力を変化させてラマン増幅利得を制御する。したがって、SOAの光出力を変化させても、RIN抑制に影響を与えず、リップルを小さく抑えることのできる手法、手段が望まれる。
 以上をまとめると、ラマン増幅用インコヒーレント励起光源としては、小型、低コストの観点からSOAのASE光が有力候補であるが、以下の相反する課題を同時に解決するものが望ましい。
(1)高出力。
(2)励起光源の広い動作範囲、出力範囲においてSOA端面反射に起因するリップルが抑制されている。
(3)励起光源の広い動作範囲、出力範囲において、RINが抑制されている。
(4)低消費電力。
 これらの課題を同時に解決する手段としては、比較的低出力のSOAのASE光をFP発振型のラマン増幅用励起レーザで2次増幅する方法が提案されている(特許文献7、非特許文献9、10、11、12)。当該方法は、より高利得が必要な長距離大容量ラマン増幅伝送システムでは有効な手段である。しかしながら、メトロ伝送システムように比較的短距離のシステムで場合は、システムの簡素化、低コスト化、低消費電力化の観点から2次励起を必要としないSOAのASE光による直接励起が望まれるところである。
 本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、RINとリップルとが同時に抑制される光源、光源装置、光源の駆動方法、ならびにこれを用いたラマン増幅器およびラマン増幅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、本発明の一態様は、所定の帯域を有するインコヒーレントなシード光を出力するシード光源と、第1端面から入力された前記シード光を光増幅し、増幅光として第2端面から出力する半導体光増幅器であるブースター増幅器と、を備え、前記ブースター増幅器は、前記増幅光において、相対強度雑音(RIN)およびリップルが同時に抑制されるように、屈折率nとチップ長Lとの積であるnLが設定されている光源である。
 前記チップ長Lが1mm以上であるものでもよい。
 前記チップ長Lが1.5mm以上であるものでもよい。
 前記チップ長Lが2mm以上であるものでもよい。
 前記増幅光において前記相対強度雑音(RIN)および前記リップルが同時に抑制される駆動電流にて、前記シード光源と前記ブースター増幅器とが駆動されるものでもよい。
 利得飽和状態で動作するように前記ブースター増幅器が駆動されるものでもよい。
 前記増幅光のパワーが最大に近くなる程度のパワーの前記シード光を出力する駆動電流にて、前記シード光源が駆動されるものでもよい。
 前記シード光源は、SLD(Super Luminescent Diode)、半導体光増幅器および希土類添加光ファイバを備えたASE(Amplified Spontaneous Emission)光源の少なくとも一つを含むものでもよい。
 前記ブースター増幅器が出力する前記増幅光のパワーは100mW以上であるものでもよい。
 前記ブースター増幅器の前記第1端面の端面反射率および前記第2端面の端面反射率が10-3と10-5との間の範囲であるものでもよい。
 本発明の一態様は、前記光源と、前記光源を駆動する駆動装置と、を備える光源装置である。
 本発明の一態様は、所定の帯域を有するインコヒーレントなシード光を出力するシード光源と、第1端面から入力された前記シード光を光増幅し、増幅光として第2端面から出力する半導体光増幅器であるブースター増幅器と、を備える光源の駆動方法であって、前記ブースター増幅器は、前記増幅光において相対強度雑音(RIN)およびリップルが同時に抑制されるように、屈折率nとチップ長Lとの積であるnLが設定されており、前記増幅光において相対強度雑音(RIN)およびリップルが同時に抑制される駆動電流にて、前記シード光源と前記ブースター増幅器とを駆動させる光源の駆動方法である。
 本発明の一態様は、前記光源と、前記増幅光が励起光として入力されるラマン増幅用光ファイバと、を備えるラマン増幅器である。
 本発明の一態様は、前記光源と、前記増幅光が励起光として入力されるラマン増幅用光ファイバと、を備えるラマン増幅システムである。
 本発明によれば、RINとリップルとが同時に抑制される光源、光源装置、光源の駆動方法、ならびにこれを用いたラマン増幅器およびラマン増幅システムが提供される。
図1は、実施形態1に係る光源装置の模式図である。 図2は、図1に示す光源モジュールの一部を示す図である。 図3は、ブースター増幅器の出力光のパワースペクトルの一例を示す図である。 図4は、Ibに対する出力光のパワー(Pf)の一例を示す図である。 図5は、出力光のRINスペクトルの例を示す図である。 図6は、RINが抑制されているスペクトルを模式的に示す図である。 図7は、Isを0mAとし、Ibを変えたときの出力光のパワースペクトルの例を示す図である。 図8は、Isを変えたときの出力光のパワースペクトルの例を示す図である。 図9は、Ibに対する出力光のパワー(Pf)のIs依存性の例を示す図である。 図10は、Isを変えたときの出力光のRINスペクトルの例を示す図である。 図11は、RINの抑制とリップルの抑制との関係の説明図である。 図12は、ラウンドトリップ周波数がRIN抑制帯域内である場合に、Rippleが抑制されることを示した図である。 図13は、No.11~31の光源モジュールの出力光のパワースペクトルの中心波長を示す図である。 図14は、No.11~31の光源モジュールのIsに対するリップルの幅を示す図である。 図15は、実施形態2に係るラマン増幅器の模式図である。 図16は、実施形態3に係るラマン増幅システムの模式図である。
 以下に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態によって本発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一の部分には適宜同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略している。
(実施形態1)
 図1は、実施形態1に係る光源装置の模式図である。この光源装置100は、光源モジュール10と、駆動装置101、102とを備えている。光源モジュール10は光源の一例である。
 光源モジュール10は、SOAであるシード光源11と、光アイソレータ12と、SOAであるブースター増幅器13と、光アイソレータ14と、出力光ファイバ15を備える。シード光源11と、光アイソレータ12と、ブースター増幅器13と、光アイソレータ14とは、光ファイバや光学素子などによってこの順番で光学的に縦続接続している。
 シード光源11は、所定の帯域を有するインコヒーレントなシード光L1を出力する。インコヒーレント光とは、単一または複数の離散的なモード(縦モード)で発振するレーザ光源ではなく、連続的なスペクトルを持った無相関な光子の集合からなる光を意味する。所定の帯域は特に限定されないが、たとえば波長帯域として25nm以上などの広帯域が好ましい。光アイソレータ12は、シード光L1を透過してブースター増幅器13に入力させるとともに、ブースター増幅器13側から進行してきた戻り光がシード光源11に入力するのを阻止する。光アイソレータ12は、戻り光の入力によってシード光源11の動作が不安定になることを防止または低減する。
 ブースター増幅器13は、入力されたシード光L1を光増幅し、増幅光L2として出力する。光アイソレータ14は、増幅光L2を透過して出力光ファイバ15に入力させるとともに、出力光ファイバ15側から進行してきた光がブースター増幅器13に入力するのを阻止する。光アイソレータ14は、戻り光の入力によってブースター増幅器13の動作が不安定になることを防止または低減する。
 出力光ファイバ15は、増幅光L2を光源モジュール10の外部に導く光ファイバである。増幅光L2は、たとえばラマン増幅用の励起光として使用される。
 駆動装置101、102は、公知のSOA用の駆動装置である。駆動装置101はシード光源11に駆動電流C1を供給する。駆動装置102はブースター増幅器13に駆動電流C2を供給する。
 図2は、図1に示す光源モジュール10の一部を示す図である。ブースター増幅器13は、互いに対向する第1端面13aと第2端面13bとを有する。ブースター増幅器13は、第1端面13aからシード光L1を入力され、第2端面13bから増幅光L2を外部へ出力する。
 第1端面13a、第2端面13bは、AR(Ant-Reflection)コーティングなどの反射低減処理がされている。また、第1端面13a、第2端面13bは、ブースター増幅器13が備える光増幅導波路の光軸に対して傾斜していることによって反射低減処理がされていてもよい。このような構造は、斜め導波路構造とも呼ばれる。
 第1端面13aの端面反射率をR1、第2端面13bの端面反射率をR2とすると、R1およびR2は、たとえば10-3と10-5との間の範囲である。または、(R1×R2)1/2は、たとえば10-3と10-5との間の範囲である。10-3と10-5との間の範囲という値は、低反射率という観点で、十分実用的かつ実施可能な数値範囲の一例である。ここで、10-3と10-5との間の範囲とは、上限である10-3と下限である10-5とを含む範囲である。
<光源モジュール10の特性>
 光源モジュール10の特性について説明する。図3は、ブースター増幅器の出力光(増幅光)のパワースペクトルの一例を示す図である。図3は、シード光源11に供給する駆動電流C1をIs、ブースター増幅器13に供給する駆動電流C2をIbとすると、Isを50mAに設定し、Ibを800mAに設定した場合を示している。図3の出力光のパワースペクトルは、おおむねガウス型のスペクトル形状をしており、そのFWHM(Full Width Half Maximum)は25nmから30nm程度である。
 図4は、Ibに対する、ブースター増幅器からの出力光(増幅光)のパワー(Pf)の一例を示す図である。図4では、Isを50mAに設定している。図4の場合、Ibが100mAではPfは20mW程度であり、Ibが800mAではPfは120mW程度であることが分かる。なお、図3、4は、シード光源およびブースター増幅器のそれぞれとして、略同様の特性を有する半導体光増幅器を使用して作製した光源モジュールの例である。
 ここで、本発明者らは、図1に示すような光源モジュール10において、ブースター増幅器13の屈折率nとチップ長Lとの積であるnLが好適に設定されることによって、RINおよびリップルが同時に抑制されている状態を実現できることを発見した。ブースター増幅器13の屈折率nとは、ブースター増幅器13に入力されたシード光が増幅光として出力されるまでに、ブースター増幅器13の中で当該シード光に作用する屈折率のことであって、ブースター増幅器13の活性層の屈折率である。以下では、まずRINの抑制について説明し、つぎにリップルの抑制について説明し、さらにRINの抑制とリップルの抑制との関係について説明する。
<RINの抑制>
 図5は、出力光のRINスペクトルの例を示す図である。具体的には、図5は、光源モジュール10の実施例として作製したNo.1~3の光源モジュールからの出力光のRINを測定した結果を示している。なお、No.1~3の光源モジュールは、シード光源およびブースター増幅器のそれぞれとして、略同様の特性を有する半導体光増幅器を使用して作製したものであり、図3、4に示す特性と同等の出力特性を有する。また、No.1~3の光源モジュールについて、端面反射率は、(R1×R2)1/2が10-3と10-5との間の範囲となっていることを確認した。また、図5において、Tsはシード光源のケース温度(25℃)を示し、Tbはブースター増幅器のケース温度(25℃)を示している。
 図5において、「only Ib」とは、ブースター増幅器のみに100mAの駆動電流を供給し、シード光源には駆動電流を供給しない(つまり供給する駆動電流が0mA)の場合を示している。この場合、ブースター増幅器には増幅すべきシード光源が入力されていないので、単なるASE光源として動作している。一方、「Is+Ib」とは、ブースター増幅器に100mAの駆動電流を供給し、シード光源に200mAの駆動電流を供給している場合を示している。
 図5から分かるように、「only Ib」の場合は、No.1~3の光源モジュールのいずれにおいても、周波数に対して比較的フラットなRINスペクトルが得られた。このRINは、ASE光源としてのブースター増幅器から出力された出力光(ASE)光におけるASE-ASE間ビート雑音に由来すると考えられる。
 これに対して、「Is+Ib」の場合は、No.1~3の光源モジュールのいずれにおいても、特定の周波数fcから低周波数側において、RINが抑制されていることが分かる。なお、「Is+Ib」の場合、シード光源が出力するシード光(ASE光)がブースター増幅器に入力されるために内部の光子数が増加し、ブースター増幅器は利得飽和状態で動作していると考えられる。ここで、注目すべきは、図5では、Ibが100mAという比較的少ない電流であり、ブースター増幅器からの出力光のパワーが比較的小さい駆動状態にもかかわらず、すでにRIN抑制の状態となっていることである。この点については後に詳述する。
 図6は、RINが抑制されているスペクトルを模式的に示す図である。ここで、実施形態における光源モジュールなどの光源から出力される出力光は、SOAのASE光であるから、そのRINはASE-ASE間ビート雑音の大きさで決まるはずである。図6において、線210のレベルがASE-ASE間ビート雑音のレベルである。
 通常のSOAのASE光のパワースペクトル幅は数十nmであり、周波数で表現すると数THzである。RINの測定帯域は数十GHzと十分に小さいので、RINは以下の式(1)で計算される(非特許文献15)。
  RIN=0.66/ΔνASE[Hz-1] ・・・ (1)
 ここで、0.66はASE光のパワースペクトルがガウス型である場合の係数であり、ΔνASEは当該パワースペクトルのFWHMである。
 たとえば、図3に示した出力光のパワースペクトルはガウス型でそのFWHMは約30nmあるので、上記式(1)を用いるとRINは約-127dB/Hzと計算される。この数値は、図5に示す結果と概ね一致している。
 これに対して、利得飽和状態で動作しているSOAのRINは、コーナー周波数(corner frequency)213とも呼ばれるfcよりも低周波数領域211において抑制される。たとえば、線210のレベルから10dBから20dB程度のRIN抑制が報告されている(特許文献1、非特許文献6、8)。なお、線212はショット雑音のレベルである。
 本明細書において、RINが抑制されるとは、上記式(1)で計算されるRINよりも10dB以上抑制されることを意味する。RINの抑制の程度は、さらには16dB以下でもよく、またさらには20dB以下でもよい。
<リップルの抑制>
 つぎに、リップルの抑制について説明する。具体的には、No.1の光源モジュールと出力特性が同等の光源モジュール(No.4の光源モジュールとする)からの出力光のパワースペクトルを、シード光源とブースター増幅器との駆動条件を変えながら測定した。
 図7は、Isを0mAとし、Ibを変えたときの出力光のパワースペクトルの例を示す図である。図8は、Isを変えたときの出力光のパワースペクトルの例を示す図である。
 図7では、Ibが200mA、800mAのいずれの場合もリップルが発生している。特に、Ibが200mAの場合は、出力光のパワーは約18mW程度と比較的小さいにも関わらずリップルが発生している。また、Isを0mAとした場合には、特にリップルが発生しやすかった。このリップルは、上述したように、SOAの両端面での光の反射に起因するが、ブースター増幅器の端面反射率は、(R1×R2)1/2が10-3と10-5との間の範囲という十分小さい範囲にも関わらずリップルが発生している。このような低駆動電流(低パワー)かつ低反射率にも関わらずリップルが発生しているということは、光出力が場合によっては数百mWにもおよぶラマン増幅用励起光源におけるリップル抑制が、如何に困難であるかを示す一例であるといえる。なお、リップルには、異なる複数の周期の成分が含まれていた。
 これに対して、図8に示すように、Ibを800mAに固定しながら、Isを25mAに増加するとリップルが抑制され、Isが50mAではさらに抑制される。しかし、Isをさらに400mAまで増加させると再びリップルが増加する。
 図8に示すように、ブースター増幅器にシード光が入力されると、利得飽和状態となり、リップルが抑制される領域がある。このことは、リップルが抑制される程度までブースター増幅器の端面反射率を低くしなくても、ブースター増幅器へ入力するシード光のパワーを制御することによってリップルを抑制できることを示している。なお、SOAのASE光スペクトルは数nmから数十nmと広いので、このような広い帯域をカバーするように端面反射率を低下させる処理(たとえば無反射処理)を施すことは容易ではない。したがって、シード光のパワーを制御することによってリップルを抑制する技術は、ブースター増幅器の端面反射率の設定条件や作製の困難さを緩和することができる技術であり、実用上きわめて有効な技術である。
 リップルの抑制は、リップルを小さくするほど好ましい。リップルの大きさは、所定の波長(たとえば1510nm付近)での、パワースペクトル上に現れるリップルの幅(ピークトゥーボトム)の最大値で示される。この場合、リップルは、たとえばリップルの幅がピークトゥーボトムで5dB以下になるように、3dB以下になるように、1dB以下になるように、または0.5dB以下になるように抑制することが好ましい。
 したがって、光源としての光源モジュールの駆動方法は、増幅光においてRINおよびリップルが同時に抑制される駆動電流(Is、Ib)にて、シード光源とブースター増幅器とを駆動させることが好ましい。
<RINスペクトルのIs依存性>
 つぎに、図7、8にリップル特性を示したNo.4の光源モジュールについて、Is依存性を説明する。
 図9は、Ibに対する出力光のパワー(Pf)のIs依存性の例を示す図である。図9のIs=0mAでの曲線と、図7とを比較すると、Ib=200mAでは、Pfが最大出力である約60mWの約1/3である18mW程度と小さいにもかかわらず、図7のようにリップルが発生していることがわかる。また、Ib=800mAでは、Pfが最大出力に近いが、図7のようにリップルの幅がピークトゥーボトムで10dB以上になっていることがわかる。
 一方、図10は、Isを変えたときの出力光のRINスペクトルの例を示す図である。なお、Ibは1000mAに固定した。図10から分かるように、Isが大きくなるほどRINが抑制されている。これは、Isが大きいほどブースター増幅器の利得飽和の度合いが高くなるためと考えられる。
 図10において、上記の式(1)に基づいて、ASE-ASE間ビート雑音のレベル(RINASE-ASE beat)を計算すると、-127dB/Hzであった。そこで、Is=40mAのグラフの線を、破線のように高周波側に延長して、その延長線とRINASE-ASE beatのレベル(破線)との交点からコーナー周波数fcを調べたところ、約30GHzであった。なお、Isがその他の値の場合のグラフの線も同様に用いてfcを調べたところ、約30GHzであった。このことから、No.4の光源モジュールでは、少なくとも約30GHzから低周波側でRINが抑制されていることが確認された。
<RINの抑制とリップルの抑制との関係>
 本発明者は、RINの抑制とリップルの抑制との関係について、以下のように考察した。図11は、RINの抑制とリップルの抑制との関係の説明図である。図11では、ブースター増幅器13を構成するSOAのチップを示している。SOAのチップ長はLである。SOAの第1端面から入力されたパワーPのシード光は、当該SOAを伝搬しながら増幅され、利得Gを受けてパワーがGPの増幅光となり、時間ΔTの経過後に第2端面に到達する。すると、増幅光の一部は第2端面にて反射して、パワーΔP1の第1反射光が第1端面に向かって伝搬する。パワーΔPの第1反射光は、当該SOAを伝搬しながら増幅され、時間ΔTの経過後に第1端面に到達する。すると、第1反射光の一部は第1端面にて反射して、パワーΔPの第2反射光として、さらに第2端面に向かって伝搬する。このようにして端面で一部の光が反射して伝搬することにより、反射に起因する光パワーの揺らぎが発生する。この揺らぎがリップルの要因となる。
 当該光パワーの揺らぎがブースター増幅器13を構成するSOAを往復する時間をτRT(Round Trip Time)と呼ぶこととする。このτRTを周波数で表現すれば、fRT=1/τRTである。以降、fRTをラウンドトリップ周波数と記載する場合がある。
 τRTはSOAのチップの長さLと、屈折率nとによって、以下の式(2)で規定される。また、式(2)から式(3)が成り立つ。
  τRT=(2nL/c) ・・・ (2)
  fRT=1/τRT=(c/2nL) ・・・ (3)
 図12は、ラウンドトリップ周波数がRIN抑制帯域内である場合に、Rippleが抑制されることを示した図である。本発明者は、揺らぎの周波数であるラウンドトリップ周波数fRTがRINの抑圧周波数帯域(RIN suppression area)内であれば、当該揺らぎは抑圧され、リップルの発生が抑えられることを見出した。式(2)、(3)から分かるように、fRTは屈折率nとチップ長Lとに依存する。したがって、ブースター増幅器13は、増幅光においてRINおよびリップルが同時に抑制されるように、屈折率nとチップ長Lとの積であるnLが設定されていることが好適である。
 ここで、No.4の光源モジュールでは、チップ長Lを1.8mmであり、屈折率nは3.5と仮定できる。この場合、fRTは23.8GHzであり、図10に示すようにRINの抑圧周波数帯域の範囲内、すなわちfcより低い周波数である。つまり、nL=3.5×1.8=6.3は、nLの好ましい一例である。
 また、屈折率nを3.5とした場合、チップ長LとfRTとの関係の例を表1に示す。チップ長Lは、1mm以上が好ましく、1.5mm以上がより好ましく、2mm以上がさらに好ましい。なお、屈折率nは、発振波長や活性層の組成比に依存するので、表1は一例であることに留意すべきである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 
 RIN抑圧周波数帯域はブースター増幅器13のIbや飽和状態で決まる(非特許文献8)。また、ブースター増幅器13の屈折率はシード光の波長や活性層の組成比などに依存するが、概ね3.2から3.6の範囲にあり、具体的な好適なチップ長Lは、当該RIN抑圧周波数帯域、およびブースター増幅器13の屈折率で決まる。リップル抑制の観点からはLの値に上限は無いが、SOAチップの内部損失や、光源モジュール10全体の大きさも考慮すると、5mm程度以下が好ましい。
 このように、リップルはRINの抑圧現象によって抑圧されるが、RINの抑圧によってリップル抑制効果が得られる程度にブースター増幅器13の第1端面13a、第2端面13bの反射率が低いことが当然の前提となる。なお、上記のNo.1~4の光源モジュールにおける当該第1端面、第2端面の反射率は、(R1×R2)1/2が10-3と10-5との間の範囲程度であり、実用上十分に低く処理されている。にもかかわらず、一般にラマン増幅用励起光源は数百mW以上の大きな出力が必要であり、リップルは容易に発生し得る。しかるに、本開示のように、チップ長Lと屈折率nとの積であるnLから導かれるラウンドトリップ周波数をRIN抑圧周波数帯域内にすれば、広く実用化されている端面反射率の範囲内であっても、リップルは抑制される。
 つづいて、No.4の光源モジュールと出力特性が同等の光源モジュール(No.11~31の光源モジュールとする)のリップル特性について説明する。図13は、No.11~31の光源モジュールの出力光のパワースペクトルの中心波長を示す図である。なお、中心波長はRMS法を用いて測定したものである。
 No.11~31の光源モジュールでは、いずれもブースター増幅器のチップ長が1.8mmである。しかし、図13に示すように、No.25、26の光源モジュールでは、ピーク波長が他の光源モジュールに比べて長い。その理由は、No.25、26の光源モジュールでは、ブースター増幅器の屈折率が比較的低いためである。
 図14は、No.11~31の光源モジュールのIsに対するリップルの幅を示す図である。なお、Ibは所定の値に固定している。図14に示すように、No.25、26の光源モジュールでは、リップルの幅が他の光源モジュールに比べて大きい。その理由は、No.25、26の光源モジュールの発振波長は他の光源モジュールの発振波長と比較して長いが、InP系の半導体材料の屈折率は波長と負の相関があるので、ブースター増幅器のnLが他の光源モジュールにおけるnLと比較して小さくなるためと考えられる。
 以上に説明したように、実施形態に係る光源装置および光源モジュールは、ブースター増幅器の屈折率nとチップ長Lとの積であるnLが好適に設定されることによって増幅光においてRINおよびリップルが同時に抑制されているので、ラマン増幅用の励起光源、特に前方励起用の励起光源に適するものであり、特にRINを抑制し、かつRINトランスファーを抑制する点で優れている。
(実施形態2)
 図15は、実施形態2に係るラマン増幅器の模式図である。ラマン増幅器1000は、実施形態1の光源モジュール10を励起光源として備える、前方励起型の集中型光増幅器として構成されている。ラマン増幅器1000は、光源モジュール10を備える光源装置100と、信号光入力部1001と、光合波器1002と、高非線形性光ファイバなどのラマン増幅用光ファイバ1003と、ラマン増幅光出力部1004とを備えている。
 信号光入力部1001は、信号光L11が入力される。光合波器1002は、信号光L11と、光源モジュール10の出力光ファイバ15から出力された、励起光としての増幅光L2と、を合波して、ラマン増幅用光ファイバ1003に入力させる。ラマン増幅用光ファイバ1003は、増幅光L2を励起光として信号光L11をラマン増幅する。ラマン増幅光出力部1004は、信号光L11がラマン増幅された光であるラマン増幅光L12を出力する。
 光源モジュール10からの増幅光L2は、ラマン増幅用光ファイバ1003にて信号光L11をラマン増幅できる波長に設定されている。
 ラマン増幅器1000は、特にRINを抑制し、かつRINトランスファーを抑制する点で優れている。
(実施形態3)
 図16は、実施形態3に係るラマン増幅システムの模式図である。ラマン増幅システム2000は、実施形態1の光源モジュール10を励起光源として備える、前方励起型の分布型光増幅システムとして構成されている。ラマン増幅システム2000は、光源モジュール10を備える光源装置200と、信号光入力部2001と、標準シングルモードファイバ、分散シフトファイバ、ノンゼロ分散シフトファイバなどのラマン増幅用光ファイバ2003と、ラマン増幅光出力部2004とを備えている。標準シングルモードファイバは、たとえばITU-T G.652規格に準拠する光ファイバである。
 光源装置200は、光源装置100に、光合波器201を追加した構成を有する。また、ラマン増幅用光ファイバ2003としては、たとえばフィールドに敷設された光通信用の光ファイバを利用することができる。
 信号光入力部2001は、信号光L21が入力される。光合波器201は、信号光L11と、光源モジュール10の出力光ファイバ15から出力された、励起光としての増幅光L2と、を合波して、ラマン増幅用光ファイバ2003に入力させる。ラマン増幅用光ファイバ2003は、増幅光L2を励起光として信号光L21をラマン増幅する。ラマン増幅光出力部2004は、信号光L21がラマン増幅された光であるラマン増幅光L22を出力する。
 光源モジュール10からの増幅光L2は、ラマン増幅用光ファイバ2003にて信号光L21をラマン増幅できる波長に設定されている。
 ラマン増幅システム2000は、特にRINを抑制し、かつRINトランスファーを抑制する点で優れている。
 上記実施形態のラマン増幅器やラマン増幅システムは、前方励起型として構成されているが、本発明の実施形態はこれに限られず、後方励起型や双方向励起型として構成されてもよい。
 また、上記実施形態の光源モジュール、光源装置は、ラマン増幅用の励起光源に限らず、RINとリップルが同時に抑制された光源として、幅広く利用できる。
 また、上記実施形態では、シード光は、ASE光であるが、自然放出光(SE)のようなインコヒーレント光でもよい。
 また、上記実施形態では、シード光源は半導体光増幅器であるが、SLD(Super Luminescent Diode)、SOAおよび希土類添加光ファイバを備えたASE光源の少なくとも一つを含むものであってもよい。このようなSLD、SOAおよびASE光源は、インコヒーレント光源として好適である。
 また、上記実施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。
 本発明は、光源、光源装置、光源の駆動方法、ラマン増幅器、およびラマン増幅システムに利用することができる。
10   :光源モジュール
11   :シード光源
12、14 :光アイソレータ
13   :ブースター増幅器
13a  :第1端面
13b  :第2端面
15   :出力光ファイバ
100、200 :光源装置
101、102 :駆動装置
1000 :ラマン増幅器
1001、2001 :信号光入力部
1002、201 :光合波器
1003、2003 :ラマン増幅用光ファイバ
1004、2004 :ラマン増幅光出力部
2000 :ラマン増幅システム
C1、C2   :駆動電流
L1   :シード光
L11、L21 :信号光
L12、L22 :ラマン増幅光
L2   :増幅光

Claims (14)

  1.  所定の帯域を有するインコヒーレントなシード光を出力するシード光源と、
     第1端面から入力された前記シード光を光増幅し、増幅光として第2端面から出力する半導体光増幅器であるブースター増幅器と、
     を備え、
     前記ブースター増幅器は、前記増幅光において相対強度雑音(RIN)およびリップルが同時に抑制されるように、屈折率nとチップ長Lとの積であるnLが設定されている
     光源。
  2.  前記チップ長Lが1mm以上である
     請求項1に記載の光源。
  3.  前記チップ長Lが1.5mm以上である
     請求項1に記載の光源。
  4.  前記チップ長Lが2mm以上である
     請求項1に記載の光源。
  5.  前記増幅光において前記相対強度雑音(RIN)および前記リップルが同時に抑制される駆動電流にて、前記シード光源と前記ブースター増幅器とが駆動される
     請求項1~4のいずれか一つに記載の光源。
  6.  利得飽和状態で動作するように前記ブースター増幅器が駆動される
     請求項1~5のいずれか一つに記載の光源。
  7.  前記増幅光のパワーが最大に近くなる程度のパワーの前記シード光を出力する駆動電流にて、前記シード光源が駆動される
     請求項1~6のいずれか一つに記載の光源。
  8.  前記シード光源は、SLD(Super Luminescent Diode)、半導体光増幅器および希土類添加光ファイバを備えたASE(Amplified Spontaneous Emission)光源の少なくとも一つを含む
     請求項1~7のいずれか一つに記載の光源。
  9.  前記ブースター増幅器が出力する前記増幅光のパワーは100mW以上である
     請求項1~8のいずれか一つに記載の光源。
  10.  前記ブースター増幅器の前記第1端面の端面反射率および前記第2端面の端面反射率が10-3と10-5との間の範囲である
     請求項1~9のいずれか一つに記載の光源。
  11.  請求項1~10のいずれか一つに記載の光源と、
     前記光源を駆動する駆動装置と、
     を備える光源装置。
  12.  所定の帯域を有するインコヒーレントなシード光を出力するシード光源と、
     第1端面から入力された前記シード光を光増幅し、増幅光として第2端面から出力する半導体光増幅器であるブースター増幅器と、
     を備える光源の駆動方法であって、
     前記ブースター増幅器は、前記増幅光において相対強度雑音(RIN)およびリップルが同時に抑制されるように、屈折率nとチップ長Lとの積であるnLが設定されており、
     前記増幅光において相対強度雑音(RIN)およびリップルが同時に抑制される駆動電流にて、前記シード光源と前記ブースター増幅器とを駆動させる
     光源の駆動方法。
  13.  請求項1~10のいずれか一つに記載の光源と、
     前記増幅光が励起光として入力されるラマン増幅用光ファイバと、
     を備えるラマン増幅器。
  14.  請求項1~10のいずれか一つに記載の光源と、
     前記増幅光が励起光として入力されるラマン増幅用光ファイバと、
     を備えるラマン増幅システム。
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