【手続補正書】
【提出日】平成16年4月16日(2004.4.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】広帯域ラマン増幅器
【特許請求の範囲】
【請求項１】ラマン増幅を使用する光増幅器であって、
ａ．光波信号が導入されているある長さの光導波路であって、前記光波信号は、少なくとも３つの波長分割多重化された（ＷＤＭ）波長を含む光導波路と、
ｂ．前記光導波路に光波ポンピング・エネルギーを導入することにより前記光波ポンピング・エネルギーが前記光波信号と相互作用して、前記光波信号のラマン増幅を起こすようにする光学的ポンピング手段であって、Ｎ個の個別のポンピング・ソースを含み、前記Ｎは少なくとも３であり、前記ポンピング・ソースの各々は異なった波長で動作する、光学的ポンピング手段とを備え、
前記Ｎ個の個別のポンピング・ソースのうちのＮ−ｘ個を変調するための手段であって、ｘが少なくとも１である手段を特徴とする光増幅器。
【請求項２】前記光導波路が、ある長さの光ファイバを含む請求項１に記載の光増幅器。
【請求項３】前記光波信号が、前記光導波路内を１つの方向に進行し、前記光波ポンピング・エネルギーが、前記光波信号と反対の方向に進行する請求項２に記載の光増幅器。
【請求項４】前記Ｎ−ｘ個の個別のポンピング・ソースが時間分割多重化されるか、または周波数変調される請求項２に記載の光増幅器。
【請求項５】前記Ｎは少なくとも３であり、前記ｘは少なくとも２である請求項２に記載の光増幅器。
【請求項６】前記光ファイバはゲルマニウム（Ｇｅ）がドープされたシリカを含む請求項２に記載の光増幅器。
【請求項７】前記Ｎ個の個別のポンピング・ソースが、１３８０ｎｍ〜１５２０ｎｍの波長範囲で動作する請求項２に記載の光増幅器。
【請求項８】前記ＷＤＭ波長が１４９０ｎｍ〜１６１０ｎｍの範囲にある請求項７に記載の光増幅器。
【請求項９】前記Ｎ個の個別のポンピング・ソースが、少なくとも２つのペアＰ１およびＰ２に分割され、前記少なくとも２つのペアは時間分割多重化されるか、または周波数変調される請求項２に記載の光増幅器。
【請求項１０】前記Ｎ個の個別のポンピング・ソースのうちの少なくとも１個の波長が、前記Ｎ個の個別のポンピング・ソースのうちの他の１個の最大ゲイン・ピーク波長から少なくとも１．５ストークス・シフト離れている請求項２に記載の光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にラマン増幅器に関し、さらに詳細には、波長の広い帯域にわたって平坦なゲインを備えた分布型ラマン増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光伝送システムは、光ファイバ伝送回線、典型的には長距離伝送回線の情報の取り扱い量を増加させるために、波長分割多重（ＷＤＭ）を採用している。初期のＷＤＭシステムは、しばしばＣバンドと呼ばれる１５５０ナノメートル（ｎｍ）に中心を持つ、例えば、１５３０〜１５６５ｎｍの比較的狭い波長帯域を使用して動作していた。これは、シリカを主成分とした標準的な光ファイバが、最も適した低い吸収を有する波長領域である。
【０００３】
ほとんどのＷＤＭシステムにおいて、システムが収容できるチャンネル数とチャンネル分離とは引き替えとなっていた。どちらの目的にとっても、広い動作周波数帯域、すなわち、広い範囲の動作波長が好ましいものである。
【０００４】
最近、Ｃバンドの伝送帯域のはるか上方に有効動作波長範囲を広げたシステムが設計された。波長に関しては、Ｌバンドと呼ばれる新しい帯域が様々に規定されているが、本説明の目的のためには、これは１５７０〜１６１０ｎｍである。これらの付加的な波長の使用は、ＷＤＭシステムの能力を実質的に拡大している。有効動作波長の枠(window)を１６１０ｎｍ以上、例えば、１６２０ｎｍにさらに拡大するために、現在も努力が重ねられている。これらの努力の成否は、構成要素、例えば、この広い波長範囲にわたって有効な動作を提供する増幅器を見出すことにかかっている。
【０００５】
ＷＤＭシステムにおいては、ＷＤＭ波長帯域全体にわたって均一なゲインを有することが重要である。この目的は、動作波長範囲がさらに長い波長に拡大されるに従って、達成することがさらに困難になる。最近、ラマン散乱を使用する新しいタイプの光ファイバ増幅器が開発されている。これらの中で最も優れたものは、進行波増幅器として通常の伝送の全長(span)にわたって動作する分布型増幅器である。ラマン散乱は、媒体に入射した光が、入射光より低い周波数の光に変換される過程である。ポンピング・フォトンが分子を仮想準位（非共鳴状態）にまで励起する。分子の状態は、それより低いエネルギー準位に素早く減衰し、この過程で信号フォトンを放射する。ポンピング・フォトンが仮想準位に励起されているため、ラマン・ゲインは、いかなる波長のポンピング・ソースに対しても発生する。ポンピング・フォトンと信号フォトンとの間のエネルギーの差は、ホスト材料の各分子振動によって散失される。これらの振動準位は、ラマン・ゲイン曲線の周波数シフトおよび形状を決定する。ポンピング・フォトンと信号フォトンとの間の周波数（または、波長）の差は、ストークス・シフトと呼ばれる。Ｇｅをドープしたシリカ・ファイバにおいて、ゲインの最大値が得られるストークス・シフトは、１３テラヘルツ（ＴＨｚ）程度である。シリカの非晶質性によって、ラマン・ゲイン曲線は、光ファイバにおいて、かなり広いものになる。
【０００６】
ラマン散乱はいかなる波長においても発生し得るため、この散乱は、信号を増幅するためにいくつかの異なった波長のラマン・ポンピングを使用することによって、複数の信号波長を含む通信システムに利益をもたらすために利用することができる。特定の波長で見られるゲインは、ラマン散乱によるポンプ間のエネルギーの転送を考慮した全てのポンプによって提供されるゲインを重ね合わせたものである。各ラマン・ポンピング波長において供給されるパワーに適切に重み付けすることによって、異なった信号波長によって見られるゲイン間に小さな差（この差はゲイン・リプルまたはゲイン・フラットネスと呼ばれる）がある信号ゲイン対波長プロファイルを得ることが可能になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ポンプの多重性は多くの異なった実験に使用され、成功を収めてきた。しかし、この手法には１つの長年続く問題がある。それは、時々、四波混合（ＦＷＭ）と呼ばれる有害な非線形効果が発生することである。通信システムにおいて、信号帯域内でＦＷＭが発生すると、伝送エラーをもたらすことがある。多重ポンピング波長ラマン増幅方式においては、ポンプ数が増加するに従ってＦＷＭの可能性は増加する。
【０００８】
四波混合の有害な効果が理解されている。最近、これらの効果の低減に向けた１つの手法が提案された（ＥＰ  １  １４８  ６６６Ａ２）。この手法において、各ポンピング波長は、一緒に時間分割多重（ＴＤＭ）されているか、または、ポンピング・ソースの周波数が変調（ＦＭ）されている。様々なポンピング波長がファイバに沿った短い距離のみにわたって重なっているため、ポンピング波長間のＦＷＭは排除されるか、または、大幅に低減されなければならない。
【０００９】
この手法がＦＷＭを排除する一方、このシステムにおける定格ポンピング・パワーの要件は比較的高度である。さらに、ＴＤＭを行なうために、一部が比較的大きなパワーで動作する比較的大きな数のポンピング波長が、システムのコストを大幅に上昇させている。これらの要件のいずれをも軽減することは、有害なＦＷＭ効果を制御するために多重化ポンピング波長を使用することの魅力を大幅に強めるものである。加えて、Ｃ＋Ｌバンドにわたって均一かつ平坦なゲインを作成することに効果的であるラマン増幅器は、ＤＷＤＭシステムの設計における重要な技術的進歩を代表するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＦＷＭ効果が全てのポンピング波長にわたっては均一でないことの理解に部分的に基づいている。発明者は、分布型ラマン増幅器のＣおよびＬバンドに平坦なラマン・ゲインを提供するために必要なポンプの波長およびパワーを解析した。この解析から、ＦＷＭの特に深刻化している場所には、特定のポンピング波長が特定された。以下に述べる例のポンプ・スペクトルにおける最も短い波長であるいくつかの波長は、ＦＷＭをほとんど、または、全くもたらさない。また、長い波長において必要とされるパワーが、短い波長におけるものより大幅に小さいことも観察された。これは、短い波長が伝送の全長において長い波長をポンピングするためである。この理解に従えば、ＦＷＭに寄与しているポンピング波長に対してのみＴＤＭまたはＦＭを使用することによって，有害なＦＷＭの排除を実現することができる。また、このＴＤＭまたはＦＭ方式は伝送の全長における短い波長による長い波長のポンピングを利用するため、この方法によって必要とされるパワーの大きさは低減される。長い波長は、常に低いラウンチ・パワー(launch power)を有する。結果は以下を含む。
１）より少ないＴＤＭポンプによって、各ポンプに対するスイッチング要件、並びに、必要なピーク・パワーが低減される。
２）ＦＭソースに必要な周波数範囲が削減される。
３）変調するためのポンプが少なくなり、電子回路の総コストが下がる。
４）ポンプ多重化のために必要な周波数範囲を狭くすることによって、掃引波長ソース(swept wavelength source)に対する要求が削減され、この選択肢をより魅力的かつ実行しやすいものにしている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、示す配置は、最も典型的には光ファイバである伝送の全長１１を備えた分布型ラマン光ファイバ増幅器の構造を表す。伝送の全長１１は、典型的には１ｋｍ以上の実質的な長さのファイバを表す。当業者には、本説明における図が一定の縮尺では描かれていず、各要素が模式的に示されていることが明らかである。説明の詳細を例示する目的のために、本発明の好ましい実施例、すなわち、増幅器媒体が通常の伝送の全長である分布型増幅器を示す。本発明の原理は集中型増幅器にも適用され、この場合、増幅媒体は専用の長さの光ファイバであるか、または、他の適切な進行波媒体である。１１で示されるファイバの長さは、好ましくは、信号の増幅を生み出す光学的相互作用を考慮した少なくとも５００ｍの長さである。増幅器は、１２において模式的に示すカプラを介してファイバのコアに結合されるポンピング・ソース１３によって図中に示すように、典型的に終端ポンピング(end pumped)されており、かつ、後方ポンピング(counter pumped)されている。典型的なポンピング波長は１４ＸＸｎｍであるが、他の波長でもよい。入力信号は１４で示し、増幅された信号出力は１６で示す。
【００１２】
図２を参照すると、光ファイバの終端が示されている。この図は、ファイバに沿ったいかなる位置においても取られる断面の代表的なものである。ファイバは、コア２１およびクラッド２２を含む。ファイバのコアは、典型的にＧｅがドープされたシリカである。代わりに、これは、リンもしくは他の屈折率修正不純物、または、これらの組み合わせをドープすることもできる。クラッド層は、好ましくは、高純度シリカ材、すなわち、少なくとも純度８５％のＳｉＯ２である。いくつかの好ましい構造において、これは、純粋なシリカまたはフッ素がドープされたシリカであってもよい。ファイバは、典型的にはポリマ・コーティングである保護コーティング２３も有する。
【００１３】
図２に示す構造の寸法は、実質的に変化してもよい。クラッド層の直径は、典型的には５０〜４００μｍの範囲にあり、好ましくは７０〜３００μｍである。コアの直径は、典型的に２〜１２μｍである。
【００１４】
光ファイバ・ラマン増幅器は、シリカを主成分とする光ファイバ内に散乱した光が入射光の波長より短い波長を有するという原理で動作する。これは図３に模式的に示されており、ここで、ポンピング・フォトンνｐは、分子を仮想準位（非共鳴状態）にまで励起する。分子は、低いエネルギー準位に減衰し、この過程中に信号フォトンνｓを放射する。注意すべき重要な点は、ポンピング・フォトンが仮想準位に励起されるために、ラマン・ゲインが、いかなる波長においてもポンピング・ソースに対して発生することである。ポンピング・フォトンと信号フォトンの間のエネルギーの差は、ホスト材料の分子振動によって散失される。これらの振動準位は、ラマン・ゲイン曲線の周波数シフトおよび形状を決定する。ポンピング・フォトンと信号フォトンとの間の周波数（または、波長）の差は、ストークス・シフトと呼ばれる。Ｇｅをドープしたシリカ・ファイバにおいて、ゲインの最大値が得られるストークス・シフトは、１３ＴＨｚ程度である。シリカの非晶質性によって、ラマン・ゲイン曲線は、光ファイバにおいてかなり広いものとなる。Ｇｅがドープされた光ファイバについての正規化されたラマン・ゲイン・スペクトルを、ポンプからの周波数シフトに関して図４に示す。
【００１５】
複数の信号波長を含む電気通信システムにおいては、信号を増幅するためにいくつかの異なった波長のラマン・ポンプを使用することができる。なぜなら、ラマン散乱がいかなる波長においても発生し得るからである。特定の波長で見られるゲインは、ラマン散乱によるポンプ間のエネルギーの転送を考慮した全てのポンプによって提供されるゲインを重ね合わせたものである。各ラマン・ポンピング波長において供給されるパワーに適切に重み付けすることによって、異なった信号波長によって見られるゲイン間に小さな差がある信号ゲイン対波長のプロファイルを得ることが可能になる。この差はゲイン・リプルまたはゲイン・フラットネスと呼ばれ、（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）としてｄＢで表すことができる。
【００１６】
平坦なゲインを発生するために設計された多重ポンプ・システムの例を図５に示す。長い波長において必要とされるパワーが、短い波長におけるものより大幅に小さいことに注意すべきである。ＷＤＭラマン増幅器におけるこの複数のポンプの配置の使用は、図６に示す出力ＷＤＭ信号を発生し、同図では、比較的平坦なゲインがＣおよびＬバンドにわたって得られている。
【００１７】
前述したように、複数のポンプの使用は、四波混合（ＦＷＭ）の問題を導入する。四波混合は、１つまたは複数のフォトンが組み合わされ，別の周波数のフォトンを生成する時に発生する。新しい周波数は、総エネルギー量および運動量（位相マッチング）が保存されるように決定される。これの１つの可能性を図７に模式的に示す。本説明の流れにおいて、３つの波長νｐ１、νｐ２、および、νｐ３は、２つ以上の個々のポンピング波長に対応している。ＦＷＭが、ここに掲げる図においては３つのポンピング波長である３つの波長間の非線形相互作用からもたらされることに注目することが重要である。ＦＷＭは、２つのポンピング波長のみと、媒体中を進行する他のソースからの第３の波長とで発生することも可能である。
【００１８】
電気通信システムにおいて、信号帯域におけるＦＷＭからもたらされる疑似波長成分は伝送エラーを招くこともある。位相マッチング条件が自動的に満たされるラマン散乱とは異なり、ＦＷＭの効率は、周波数および屈折率の適切な選択に依存している。位相のミスマッチに対しては３つの寄与がある。すなわち、材料の分散、導波路の分散、および、ファイバの非線形性である。ファイバのゼロ分散波長（したがって、導波路の分散）の位置を操作することによって、非常に効率的なＦＷＭを発生させることができる。実際には、これは、１つのポンピング波長をファイバの分散ゼロ付近に有すること、または、分散ゼロのそれぞれの側の波長を備えた２つのポンプを有することのいずれかになる。したがって、多重ポンピング波長ラマン増幅法におけるポンプ数が増加するに従い、ＦＷＭの可能性も増加することが明らかになる。
【００１９】
ＦＷＭ効果の低減に向けた効果的な手法は、複数のポンピング波長を時間分割多重化（ＴＤＭ）することである。様々なポンピング波長がファイバに沿った小さな距離のみで重なり合うため、ポンピング波長間の相互作用から生じるＦＷＭおよび他の有害な非線形効果は排除されるか、または、大幅に低減される。ＴＤＭ多重ポンピング・ソースを図８に模式的に示す。それぞれ１４８０ｎｍ、１４９４ｎｍ、および、１５０８ｎｍで動作するレーザ・ダイオード・ポンピング・ソース７１、７２、および、７３は、一緒に同期され、７４、７５、および、７６で示す分離されたタイム・スロットに多重化される。ポンピング・ソース７１および７２は、ＷＤＭコンバイナ８１において組み合わされ、ポンピング・ソース７３は、ＷＤＭコンバイナ８２において７１および７２に加えられる。図８に示す手法は、ＦＷＭおよび他の有害な非線形効果の制御に役立つ一方、これにはいくつかの問題がある。
１）同じゲイン平坦度を維持するために、最初の大量のピーク・ポンピング・パワーが必要である。これは、他の有害な線形効果を招くことがある。
２）必要なＴＤＭポンプの数が増加するに従い、スイッチング速度の要件も増加する。これは、必要なピーク・パワーも増大させる。
３）ＦＭソースと同様。信号波長の範囲がさらに広がると、ソースが変調される速度と必要なパワーの双方が上昇する。
４）ダイオードを変調することは、それらを一定の出力で動作させるよりコストがかかる。ＴＤＭ方式にとって、これは、ポンプに関連するコストが波長の数とともに増加することを意味する。
５）ＦＭ方式にとって、必要とされる周波数範囲が広いことは、そのようなソースを開発するための可能性に対する厳しい制約となっている。
【００２０】
本発明によってこれらの条件を緩和することは、２つの重要な発見に従うものである。先ず、全てのポンプが有害なＦＷＭに寄与している訳ではないこと。図９に示す１つの典型的な例では、ＦＷＭのメカニズムに関与しているのは、３つの最長波長のみである。この図は、１５２５〜１５５０ｎｍの波長範囲における５つのＷＤＭチャンネルについて、後方散乱エネルギー対波長（ｎｍ）の関係を示す。ここには２本の曲線があり、実線の曲線は信号のない後方散乱を表し、点線の曲線は信号の載せられた後方散乱を表す。ポンピング波長は、１４４５ｎｍ、１４６６ｎｍ、１４８０ｎｍ、１４９４ｎｍ、および、１５０８ｎｍである。この図はＣバンドの一部のみを含むが、Ｃ＋Ｌバンドの他の部分は定性的に同様の効果を示す。解析は、約１５２７ｎｍにおける後方散乱のピークが、ポンピング波長１５０８ｎｍ、１４９４ｎｍ、および、１４８０ｎｍの間のＦＷＭの結果であることを示す。図７を参照すると、これらは、それぞれνｐ１、νｐ２、および、νｐ３に対応する。１５２７ｎｍにおけるピークは、νＦＷＭに対応する。約１５３７ｎｍにおけるピークは、νｐ１が１４９４ｎｍ、νｐ２が１４８０ｎｍ、および、νｐ３が１４４５ｎｍであるＦＷＭの結果である。約１５４０ｎｍにおけるピークは、νｐ１が１５０８ｎｍ、νｐ２が１４９４ｎｍ、および、νｐ３が１４６６ｎｍであるＦＷＭの結果である。図７から、図９のＦＷＭピークを発生させるためには、全ての３つのポンピング波長が必要であることが理解される。長い波長が３つのピーク全てについてのＦＷＭの主な構成要素であるという認識が、本発明の１つの態様を導く。長い波長、すなわち、１４８０ｎｍ、１４９４ｎｍ、および、１５０８ｎｍのみを多重化することによって、ＦＷＭに必要な全ての波長が同時に存在する時がないことが確実となる。したがって、ＴＤＭ多重ポンピング・ソースの長所を得るためには、全ての多重ポンピング・ソースをＴＤＭすることは必要ではない。適切に選択すれば、全てより少ないポンプを多重化すればよい。残りのポンプは、持続波（ＣＷ）で動作される。これらの原理に基づくシステムを図１０に示す。これは、上記に列挙した要因に関して大幅な進歩をもたらす。全てより少ないポンピング・ソースを多重化することが必要であることが一度認識されれば、それらを選択することは単純明解である。図９に示唆される測定は、よく知られている原理に従っており、実験的に確認できる。
【００２１】
同様の目的は、ＴＤＭの代替物、すなわち、周波数変調されたポンピング・ソースを使用することによっても達成できる。単一ソース・ダイオードで多重ポンピング波長を掃引することによって、１回に１つの波長のみが放射され、したがって、ＦＷＭに対する可能性を排除する。この手法は図１１に示され、ここで、掃引周波数ソース９１は、図８の複数のダイオード７１〜７３の代わりに使用されている。この手法は、いくつかの点で実施がさらに単純であるが、広帯域単一ソースは、図８のシステムのための構成要素ほどには十分に開発されていない。しかし、これらの構成要素が登場すれば、本発明のシステムは、効果的に、または、ＦＭ手法についてはさらに効果的にさえ実施することができる。掃引波長ソースに必要な波長範囲が本発明の原理を使用して削減されることを指摘することは重要である。例えば、図１０（ＦＭ）および図１１の掃引ダイオードが１４８０〜１５０８ｎｍの波長範囲にわたって動作できる一方、１４２０〜１４８０ｎｍの範囲において動作する残りのポンプは、ＣＷで動作する個々のダイオードである。
【００２２】
信号チャンネルが変調されたポンプを通過するため、複数ポンプ多重化技術は、逆伝播構成において効果的である。もし、削減された相互作用の長さを補償するために、ポンプのパワーが増大されたなら、光路平均されたラマン・ゲインは一定となる。全ての異なるポンピング波長を通じてＴＤＭまたはＦＭソースが循環する速度も、信号パワーのゲイン依存変調が生じないように、十分に速くなければならない。ポンプから信号への雑音の転送に関する過去の研究は、全てのポンピング波長についての全体的な反復速度が５０ｋＨｚを上回るべきであることを示唆している。したがって、各波長は約ｎ倍速く変調され、ここでｎは波長の数である。変調速度および必要なピーク・パワーは関連していることに注意すべきである。変調速度が速くなるほど、特定の波長において必要なピーク・パワーが大きくなる。
【００２３】
これらの解析を行なううえで、長い波長で必要とされるポンプ・パワーは、短い波長におけるものより大幅に小さいことも認識された。これは、ラマン・ポンプの波長が短くなるほど、伝送の全長における波長は長くなるためである。したがって、パワーの点から、これは、長いポンピング波長におけるＴＤＭまたはＦＭを使用することのみによって有害なＦＷＭの排除を許容可能とする。多重化されたソース全体を完全に均等化するためには、個々のポンピング波長に対するレーザ・ダイオード・ソースが、不均等なパワーを供給するように同調されることが実際には必要となる。これは、長い波長ソースに対するパワー要件を低減し、ＴＤＭポンピング・ソースに含まれるポンプ・パワー全体も低減する。ポンプ・パワー全体を低減することは、当技術分野においてよく知られているシステムのいくつかの重要な長所を有することが可能となる。
【００２４】
個々のポンプ間でのラマン・エネルギー交換の恩恵を得るためには、相互作用の長さが実質的なもの、すなわち、１ｋｍ以上であることを必要とする。この長さは、分布型モードで動作する伝送の全長（典型的には１ｋｍを越える、すなわち、３〜１００ｋｍ）を表してもよく、または、離散増幅器デバイスに使用される光ファイバの長さであってもよい。
【００２５】
要約すれば、多重化ポンピング・ソースの数を削減することは、以下の長所を有する。
１）本発明が伝送の全長において短い波長による長い波長のポンピングを利用しているため、本発明の選択的ポンピング・ソース多重化によって必要とされるパワーの大きさは削減される。長い波長は、既に低いラウンチ・パワーを有している。
２）多重化の量を削減することによって、各ポンプに必要とされるスイッチング速度および必要なピーク・パワーが低減される。
３）ＦＭソースに必要とされる周波数範囲が低減される。
４）変調するためのポンプ数が少なくなったため、電子回路の総コストが低下する。
５）周波数範囲を狭くすることによって、掃引波長ソースの開発に向けた手法の数が増加する。
【００２６】
従来技術の手法では、多重ポンプ・システムにおける全てのポンプが多重化されており、個々のポンプの間ではエネルギーのラマン交換はない。上記に示すように、これらの相互作用は、長い波長、すなわち、短い波長によってラマン・ポンピングされるもののために必要なポンプ・パワーの低減に役立てることができる。今述べた本手法の改変は、多重ＴＤＭまたはＦＭ変調のパターンを使用することである。基本的に、この手法は上記に述べた認識に基づくが、多重化されたポンプ信号に対する異なった選択方法を使用している。これは、利益をもたらし、さらに、ＦＷＭ効果を低減または排除するために、個々のポンピング・ソース間のラマン相互作用をデバイス設計者が使用することを可能にする。これを、図１２および１３に模式的に示す。この例示的システムにおいては、４つのポンピング波長が使用されている。四波混合の各成分は、λ１＋λ２＋λ３およびλ１＋λ２＋λ４の組み合わせによって発生される。もしλ１とλ３におけるポンプの変調が重なり合い、かつ、λ２とλ４におけるポンプの変調が重なり合っていれば、全ての有害なＦＷＭは排除できる。この変調方式を図１３に示す。加えて、伝送の全長において、λ１におけるポンプはそれでもλ３におけるポンプを増幅でき、λ２におけるポンプはλ３におけるポンプをポンピングできる。同じ手法は、２つのＦＭソースに対しても使用でき、ここでは、１つのソースがλ１からλ２まで掃引する一方、別のソースがλ３からλ４まで掃引する。いずれの場合においても、伝送ファイバは、時間変化ポンピング・ソースを増幅するために有利に使用される。
【００２７】
ＴＤＭまたはＦＭポンピング・ソースのための増幅器として、伝送の全長を使用するという概念は、複数次のポンプを使用することに拡張できる。この手法の長所は、最近、米国特許第６，１６３，６３０号において指摘された。複数次ラマン・ポンピングにおいて、信号光は、ポンピング光の最大ゲイン周波数から１．５ストークス・シフト大きい。第２次ポンピングにおける例として、信号光から１ストークス・シフト離れた第１次ストークス・ポンプをポンピングするために、信号光から２ストークス・シフト離れたポンピング波長が使用される。図１４および１５に、これを示す。２つの構成を示す。第１の場合の図１４では、第１次および第２次の双方のポンプとも、信号光に比較して後方ポンピングされている。第２次ポンプが第１次ポンプに変換されるためには、有限の長さのファイバを必要とする。したがって、第１次ポンプが信号をポンピングする。したがって、これは、ファイバの信号入力端の近くで信号増幅することを可能にする。この手法の第２の実施例において、第２次ポンプは、信号と同じ方向に進行し（前方ポンピング(co-pumped)される）（図１５）、第１次ポンプは後方ポンピングされる。第２次ポンプは、ファイバの入力端において第１次ポンプをポンピングし、これは、第１次ポンプが信号をポンピングすることを可能にする。次に、これは、ラマン・ゲインが、ファイバの信号入力端の近くで起きることを可能にする。第１次ラマン・ポンピングにおいて、ポンプは一般的に信号とは逆方向に進行するため、複数次ポンピングは有利である。増幅のほとんどは、伝送の全長の信号出力端の近くで起こる。ファイバのこの場所では、信号パワーが既に大幅に劣化している。もしファイバ内に見られるラマン・ゲインがファイバの信号入力端の近くで起こることが可能であれば、改善された信号対雑音比（ＳＮＲ）および雑音指数（ＮＦ）が得られる。第２次ポンプのために必要なパワーは、かなり小さい。複次ポンピングされたシステムの一例において、１３６６／１４５５ｎｍに対するパワー比は、それぞれ９７０／１０ｍＷであった。１４５５ｎｍにおけるこのような小さなパワーを使用すると、この手法も、低いパワー要件を利用することによって、ＣＷ−ＴＤＭまたはＣＷ−ＦＭ方式を使用するために理想的に見える。
【００２８】
本来はＦＷＭを軽減する手段として考えられたが、本発明には、いくつかの付加的な長所がある。さらに広い帯域幅にわたって動作を拡大するために、現行のシステムを更新することを希望する場合、大幅にコストが削減できる。現在のポンプの全てを交換する代わりに、変調できるいくつかの付加的なポンプを追加することのみが必要となる。ポンプ・パターンおよび／またはパワー準位を操作することによっても、いくつかのチャンネルにわたるゲインの平坦性に対するある程度の制御を得ることができる。これは、異なったゲイン・プロファイルの形状を考慮するものである。加えて、ＦＷＭまたはスーパーコンティニューム(supercontinuim)の発生などの非線形効果は、ファイバのゼロ分散波長付近におけるポンプの選択的変調を可能とすることによって、軽減または排除することができる。
【００２９】
前述の実施例は、ＣおよびＬバンドにおいて動作する分布型ラマン増幅器について述べているが、本発明の原理は、他の波長、例えば、Ｓバンドのラマン増幅に適用することもできる。したがって、本発明に対して考えられている信号波長の範囲は、１４９０ｎｍ〜１６１０ｎｍ、および、それ以上である。ポンピング波長の範囲は、典型的に１３８０ｎｍ〜１５２０ｎｍであるが、他の波長も有用であることを見出すことができる。
【００３０】
本発明を実施するために適するポンピング・ソースは、半導体ダイオード、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰである。半導体ポンプ・レーザは好ましいが、他のポンピング・ソース、例えば、Ｎｄ−ガラス、Ｔｉ−サファイアを使用することもできる。
【００３１】
ほとんどの場合、本発明の増幅器は後方ポンピングされることが企図されている。上記の実施例の１つは、後方ポンピングおよび前方ポンピングについて述べており、全てではなくとも、典型的ないくつかの後方ポンピングが使用される。
【００３２】
上述した通り、本発明は、全てより少ない数の増幅器ポンピング・ソースのＴＤＭまたはＦＭのいずれかを使用して実施することができる。本説明または冒頭の特許請求の範囲において使用されている用語「変調」は、ＴＤＭおよびＦＭの双方を含むことが意図されている。
【００３３】
本発明の様々な付加的改変は、当業者に考えられるものである。本技術が進歩された本発明の原理およびその均等物に基本的に依存する本明細書の特定の教示からの全ての逸脱は、説明され、かつ、特許請求されている本発明の範囲内であると適切に考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ラマン光ファイバ増幅器の簡略構造図である。
【図２】図１の増幅器に使用される光ファイバの模式図である。
【図３】光ファイバ・ラマン過程の動作の模式図である。
【図４】Ｇｅがドープされたシリカの光ファイバについての正規化されたラマン・ゲイン・スペクトルを示す曲線である。
【図５】１４０ｋｍの光ファイバのＣ＋Ｌバンドにおける平坦なゲイン・リプルについてのポンプ・パワー対ポンピング波長をプロットした図である。
【図６】図５のポンプを使用した増幅器ゲイン対ポンピング波長をプロットした図である。
【図７】１つの可能な四波混合（ＦＷＭ）過程の模式図である。
【図８】時間分割多重化（ＴＤＭ）ポンピング波長を使用する多重波長ポンプ模式的構造図である。
【図９】四波混合とポンピング波長の関係を示すプロット図である。
【図１０】本発明の原理を利用するラマン増幅器の模式図である。
【図１１】周波数変調（ＦＭ）多重波長ポンプの模式図である。
【図１２】本発明の代案となる実施例によるペアのポンピング・ソースの例を示す図である。
【図１３】図１２のポンピング波長に対するＴＤＭのパターンを示す図である。
【図１４】ポンプの方向についての代案となる配置を示す図である。
【図１５】ポンプの方向についての代案となる配置を示す図である。