(57)【要約】増幅されるべき光学信号と、連続波光学信号とを組み合わせることによって、ファイバ増幅器によって生成されるノイズを低減するファイバ増幅器システムおよび方法が提供され、該関心のある光学信号のレベルが非常に低いか、またはゼロの場合には、該連続波光学信号は該ファイバ増幅器内のイオンを刺激して、自然放出により生成された光子を低減する。上記方法は、該関心のある光学信号の帯域幅の外側にある帯域幅を有する連続波光学信号を生成することと、該連続波光学信号を該関心のある光学信号と組み合わせることと、該ファイバ増幅器において該関心のある光学信号と該連続波光学信号とを増幅することとを包含する。
2009545170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバ増幅器によって増幅されるべき関心のある光学信号に対して、該ファイバ増幅器内のノイズを低減する方法であって、
ａ．該関心のある光学信号の帯域幅の外側にある帯域幅を有する連続波光学信号を生成することと、
ｂ．該連続波光学信号を該関心のある光学信号と組み合わせることと、
ｃ．該ファイバ増幅器において該関心のある光学信号と該連続波光学信号とを増幅することであって、該関心のある光学信号のレベルが非常に低いか、またはゼロの場合には、該連続波光学信号は該ファイバ増幅器内のイオンを刺激して、その結果、該ファイバ増幅器内のイオンから放出される可能な限り多くの光子が刺激によって放出され、自然放出によって放出されない、ことと
を包含する、方法。
【請求項２】
組み合わせることは、前記連続波光学信号と前記関心のある光学信号とを波長分割マルチプレクサに結合することと、該波長分割マルチプレクサの出力を光ファイバの一方の端部に接続することと、該光ファイバの別の端部を前記ファイバ増幅器の入力に接続することとを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
組み合わせることは、前記波長分割マルチプレクサの出力を前記光ファイバに結合することを包含し、該光ファイバはマルチモード光ファイバである、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
生成することは、インコヒーレントな光学信号であるように前記連続波光学信号を生成することを包含する、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記ファイバ増幅器によって出力される前記増幅された関心のある信号を、前記増幅された連続波光学信号から分離することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
分離することは、前記ファイバ増幅器の出力を波長分割デマルチプレクサに結合することを包含し、該波長分割デマルチプレクサは、前記増幅された関心のある光学信号と前記増幅された連続波光学信号とをデマルチプレクシングする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
生成することは、前記ファイバ増幅器の増幅帯域内の帯域幅を有するように、前記連続波光学信号を生成することを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記連続波光学信号の強度よりも実質的に小さい平均強度を有する前記関心のある光学信号を生成することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
自由空間にわたって送信される光学信号を前置増幅する方法であって、請求項１に記載の方法を包含し、前記関心のある光学信号は受信された自由空間光学信号である、方法。
【請求項１０】
ファイバ増幅器システムであって、
ａ．関心のある光学信号と該関心のある光学信号の帯域幅の外側の帯域幅を有する連続波光学信号とを入力として受信する波長分割マルチプレクサであって、該波長分割マルチプレクサは、該関心のある光学信号と該連続波光学信号とを出力のために組み合わせる、波長分割マルチプレクサと、
ｂ．該組み合わせられた、該関心のある光学信号と該連続波光学信号とを受信するために、該波長分割マルチプレクサの出力に結合された光ファイバと、
ｃ．該関心のある光学信号と該連続波光学信号とを増幅するために該光ファイバに結合されたファイバ増幅器であって、該関心のある光学信号のレベルが非常に低いか、またはゼロの場合には、該連続波光学信号は該ファイバ増幅器内のイオンを刺激して、その結果、該ファイバ増幅器内のイオンから放出される可能な限り多くの光子が刺激によって放出され、自然放出によって放出されない、ファイバ増幅器と
を備えている、システム。
【請求項１１】
前記ファイバ増幅器の出力に結合され、前記増幅された関心のある光学信号を前記増幅された連続波光学信号から分離する波長分割デマルチプレクサをさらに備えている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ファイバ増幅器の増幅帯域内の帯域幅を有するように前記連続波光学信号を生成する連続波光源をさらに備えている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記関心のある光学信号は、前記連続波光学信号の強度よりも実質的に小さい平均強度を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記連続波光源は、インコヒーレントであるように前記連続波光学信号を生成する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記光ファイバはマルチモード光ファイバである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
自由空間光学通信システムの受信器における使用のための前置増幅器であって、該前置増幅器は請求項１０に記載のファイバ増幅器システムを備え、前記関心のある光学信号は受信された自由空間光学信号である、前置増幅器。
【請求項１７】
増幅されるべき光学信号を、連続波光学信号と組み合わせることにより、ファイバ増幅器によって生成されるノイズを低減する方法であって、該関心のある光学信号のレベルが非常に低いか、またはゼロの場合には、該連続波光学信号は該ファイバ増幅器内のイオンを刺激して、自然放出によって生成された光子を低減する、方法。
【請求項１８】
組み合わせることは、前記増幅されるべき光学信号の帯域幅の外側の帯域幅を有する前記連続波光学信号を組み合わせることを包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
組み合わせることは、インコヒーレントな光学信号である前記連続波光学信号を組み合わせることを包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
組み合わせることは、前記ファイバ増幅器の増幅帯域内の前記連続波光学信号を組み合わせることを包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記連続波光学信号の強度よりも実質的に小さい平均強度を有する前記関心のある光学信号を生成することをさらに包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
自由空間にわたって送信される光学信号を前置増幅する方法であって、請求項１７に記載の方法を包含し、前記関心のある光学信号は受信された自由空間光学信号である、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、ファイバ増幅器デバイス内のノイズ低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
エルビウムドーピングファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）はファイバベースのレーザ増幅器である。上記ファイバはエルビウムイオン（Ｅｒ＋）でドーピングされ、該ファイバは、例えば、約１０ｍｓという上位のエネルギ寿命を有する。１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍまでと公言された動作波長に加え、このことが、ＥＤＦＡをロングホール光ファイバシステムに理想的に適合させる。ＥＤＦＡの使用は、歴史的に、強い送信信号を生成することにもっとも広範囲に適用されてきたが、低信号レベルの受信器用の前置増幅器としても使用されてきた。光学通信用の低信号レベルの前置増幅器としての、これらの使用は、ＥＤＦＡのノイズ指数によって限定されてきた。光学通信の間の光学信号レベルの「オン−オフ」特性に起因して、ファイバ内に有意な信号が全くない（そして、あるべきでない）時間がある。これらの時間の間は、たとえこれらの時間が極端に短い持続時間であり得るとしても、エルビウムイオンは励起状態に留まり、任意の時間において自由に自然放出される。このような短い期間の間に自然放出が起きない可能性は高いが、自然放出された任意の光子がファイバによって増幅され、有意なノイズを導く。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ファイバ増幅器デバイス内の自然放出に関連付けられたノイズを低減する技術が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（発明の概要）
簡単に言えば、増幅されるべき光学信号を連続波光学信号と組み合わせることによって、ファイバ増幅器によって生成されるノイズを低減するファイバ増幅器システムおよび方法が提供され、関心のある光学信号のレベルが非常に低いか、またはゼロの場合には、該連続波光学信号はファイバ増幅器内のイオンを刺激して、自然放出により生成された光子を低減する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、本発明の実施形態に従う、ファイバ増幅器システムのブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に従う、ファイバ増幅器内のノイズを低減する方法を描くフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施形態に従うシステムおよび方法の動作を描くために、例示的な関心のある光学信号と、例示的な連続波光学信号とのプロットを示す。
【図４】図４は、本発明の実施形態に従う、自由空間光学通信システムの前置増幅器におけるファイバ増幅器ノイズ低減技術の例示的な使用を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
（詳細な説明）
まず、図１を参照すると、本発明の実施形態に従う、ファイバ増幅器システム１０のブロック図が示される。該ファイバ増幅器システム１０は、ファイバ増幅器２０と、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）３０と、波長分割デマルチプレクサ４０と、連続波光源５０とを備える。ＷＤＭ３０の出力は、光ファイバ６０の一方の端部に結合される。該光ファイバ６０のもう一方の端部は、上記ファイバ増幅器２０の入力に結合される。ファイバ増幅器２０の出力側の光ファイバ６０は、波長分割デマルチプレクサ４０に接続される。ファイバ増幅器２０は、エルビウムドーピングファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、あるいはイッテルビウムドーピング、ネオジウムドーピング、または任意の他のドーピングを施されたファイバ増幅器であり得、自然放出の確率に起因するノイズを受ける。連続波光源５０は、連続波光学信号５２を生成し、該連続波光学信号５２はＷＤＭ３０に結合される。（ファイバ増幅器２０によって増幅されるべき）関心のある光学信号１００もまたＷＤＭ３０に結合される。連続波光源５０は、例えば、レーザまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）であり得る。
【０００７】
ＥＤＦＡのようなファイバ増幅器は、２０ｍＷを超える電力レベルを必要とする赤外レーザ用途のための実現技術になった。これらの使用のほとんどが、高電力用途に限定されてきた。これらのファイバ増幅器は、低レベル信号にも適用され得るが、ノイズを伴う問題に起因して使用が限定されてきた。ほんのわずかな期間であっても増幅されるべき信号が信号損失を有する場合、上記システムの出力はノイジーになり得る。このことは、特に、光学通信を含む用途に対して正しく、この用途において、データを表す光のない短い期間によって隔てられたデータを表す光のフラッシュがある。ファイバ増幅器内のノイズはデータを破損させる。さらに、マルチモード光ファイバを用いてファイバ増幅器を動作させる能力に対してかなりの関心が持たれている。従来的には、単一モードのファイバが用いられる。マルチモードファイバによって、レーザ信号はファイバのコア（ｃｏｒｅ）を「充填」せず、コアの暗い領域が、ＥＤＦＡを、刺激された放出を提供しない状態に留める。その代わりに、上記放出は自然発生的であり、それゆえノイジーである。
【０００８】
本発明の実施形態に従って、連続波光源５０は連続波（ＣＷ）光学信号５２を生成し、該連続波光学信号５２は、それ以外の場合には自然に放出する可能性がある搬送波を「クリーンアップ」するために役立つ。ＣＷ光学信号５２は、ファイバ増幅器２０の増幅帯域内にあるが、関心のある光学信号１００の帯域幅の外側にある。ファイバ増幅器システム１０の出力は、増幅された関心のある光学信号１１０であり、該光学信号１１０は検出器または機器８０に結合され得、該増幅された関心のある光学信号１１０のさらなる処理を行う。
【０００９】
図１と関連させて図２を参照すると、ファイバ増幅器システム１０内でファイバ増幅器２０によって生成されたノイズを低減する方法２００が記載される。ファイバ増幅器２０により増幅されるべき関心のある光学信号（ＯＳＩ）１００は、ＷＤＭ３０に結合される。２１０において、連続波光源５０はＣＷ光学信号５２を生成し、該ＣＷ光学信号５２もＷＤＭ３０に供給される。また、ＣＷ光学信号５２はＯＳＩ１００の帯域の外側にあるが、ファイバ増幅器２０の増幅帯域内にある。例えば、そして限定ではなく、ＯＳＩ１００は１５４５ｎｍにおいて中心を合わせられた光学信号であり、レーザまたはＬＥＤによって生成されたＣＷ光学信号は１５３５ｎｍにおけるＣＷ光学信号である。２２０において、ＷＤＭ３０は、ＯＳＩ１００とＣＷ光学信号５２とを組み合わせ、該組み合わされた信号は、２３０において、光ファイバ６０を介して、ファイバ増幅器２０に結合される。ＣＷ光学信号５２が、光ファイバ６０を下流に進むので、ＣＷ光学信号５２が等しいエネルギの他の光子の放出を刺激する。このことは、ファイバ増幅器２０によって増幅された光ファイバ６０内の光学エネルギが常に信号を有する状況を生み出す。増幅されることを意図された、光ファイバ内を進む信号、すなわちＯＳＩ１００は、さらに増幅されるが、ＯＳＩ１１０の電力レベルまたは強度と、ＣＷ光学信号５２の電力レベルまたは強度との比率に従って増幅される。２４０において、波長分割デマルチプレクサ４０は、従来のＷＤＭデマルチプレクシング技術を用いて、上記増幅されたＣＷ光学信号５４から、増幅されたＯＳＩ１１０をデマルチプレクシングする。次いで、２５０において、増幅されたＯＳＩ１１０は、増幅されたＯＳＩ１１０に対する特定の用途または使用に依存して、光学検出器または機器８０に結合され得る。増幅されたＣＷ信号５４は廃棄され得る（ｄｉｓｃａｒｄｅｄ）。あるいは、増幅されたＣＷ信号５４は、ＯＳＩの電力モニタリング、ファイバ増幅器２０のゲインの制御、または他の機能などの機能を行うために使用され得る。
【００１０】
ＯＳＩ１００のレベルが非常に低いかまたはゼロである（例えば、「オフ」状態にある）場合にはいつも、ＣＷ光学信号５２がファイバ増幅器２０内のイオンを刺激することによって、（本質的に）全てのイオン放出が刺激されたままの状態であることを確実にして、その結果、そのような自然発生の光子放出に関連するノイズを非常に低く保つ。換言すると、上記方法２００は、イオンから放出される可能な限り多くの光子が、刺激により放出され、自然放出によって放出されないことを確実にする。
【００１１】
すべてのレーザが自然放出を示すことは周知である。実際には、任意のレーザ増幅器は、増幅される信号の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を増大させる。このＳＮＲにおける増大は、入力ＳＮＲを出力ＳＮＲで割った比率として一般的に表され、ノイズ指数と呼ばれる。最小の理論的なノイズ指数比率は２（３ｄＢ）という係数である。実際には、この係数はより大きく、多くの市販の増幅器は約６ｄＢのノイズ指数を有する。この値は、入力信号が存在することを仮定している。入力信号がない場合には、ＥＤＦＡは、ゼロのＳＮＲを生み出すノイズのみを生成する。光学通信において、このノイズは受信器によって測定され、名目上信号を有さないデータビットスロットは、実質的な信号を有し得、このことにより、エラーを生成する。この場合には、信号レベルは本質的にゼロであるが、ノイズレベルは測定可能である。追加のＣＷ光源の使用により実現化される利益は、関心のある光学信号がない場合において自然放出の確率の低減である。
【００１２】
ここで図３を参照する。図３は、ファイバ増幅器２０の前の例示的なＣＷ光学信号５２および例示的なＯＳＩ１００と、ファイバ増幅器２０の後の増幅されたＣＷ光学信号５４および増幅されたＯＳＩ１１０との信号強度のプロットを示す。ＣＷ光学信号５２とＯＳＩ１００とは、２４とマークされた時間より前に示されている。ファイバ増幅器の出力は、時間マーク２５の右側にあり、増幅されたＯＳＩ１１０と増幅されたＣＷ信号５４との組み合わされた信号強度を示す。増幅されたＯＳＩ１１０の信号強度が実質的に増大して、その結果ＳＮＲが有意に向上することが重要である。
【００１３】
歴史的に、マルチモード光において動作する低ノイズファイバ増幅器（前置増幅器）を製造することは困難であった。生じる問題は、モード分散に起因するノイズである。マルチモードファイバにおいて、ファイバのコアが単一のレーザによって完全に照明されることは決してない。むしろ、暗い領域と明るい領域とがある。明るい領域は放出を刺激し、そして増幅されるが、暗い領域は放出を刺激せず、自然放出のみが起こる。この問題を緩和するために、ＣＷ光源５０は、広帯域連続波光源であり得、該広帯域連続波光源は、インコヒーレントな光を、ＣＷ光学信号として生成する。このようなＣＷ光源は、ＣＷ光学信号を生成し、該ＣＷ光学信号が、ファイバコアのいかなる場所もエネルギを用いて充填し、最大の確率の刺激された放出を確実なものとする。
【００１４】
マルチモードファイバにおける信号の場合、コアが非常に大きく、レーザ信号は名目上コアの様々な領域に封じ込められるが、ファイバコアの全エリアにわたって均一に広がらない。均一でない強度分布は一般的にスペックルといわれ、ファイバコア内の暗い領域と明るい領域とを特徴とする。暗い領域と明るい領域との位置は、互いに補完的であり、可能性としては数十ヘルツの周波数で時間において絶えず変化する。ファイバコアにわたる強度の分布はＥＤＦＡのような従来のファイバ増幅器に対する有意な設計上の問題点を示す。他方、非常に明るい領域があり、ＥＤＦＡゲインが該明るい領域に対して設計されている場合には、明るい領域に対する上位エネルギ状態に対し十分な占有粒子数（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）があるが、ファイバの暗い領域は過剰な自然放出を示す。ＥＤＦＡが薄暗い領域（ｄｉｍｍｅｒ  ｒｅｇｉｏｎ）に対して設計されている場合、上位エネルギ状態の数は、明るい領域に対して十分ではなく、これらの領域がその後減衰されることによりノイズ比率に対する有効な入力信号を低減し、結果として出力ノイズレベルを増大させる。この問題点を支配する問題は、明るい領域の最も明るい強度と薄暗い領域の最も薄暗い領域との間の相対強度である。実際にはこの比率は数桁であり得る。
【００１５】
マルチモード光ファイバ（すなわち、図１に示される光ファイバ６０）内に、本質的にファイバコア全体を均一に充填する別個のＣＷ光学信号を提供することによって、ＯＳＩの平均強度がＣＷ光学信号に比べて非常に小さな強度を有し得る。それゆえ、ファイバの最も明るい領域は薄暗い領域に比べて数桁も明るくならない。この場合の比率は、わずかに１〜２の間の数字であり得、（過剰な自然放出を生成し得る）過剰な上位エネルギ状態と（過剰な信号減衰を生成し得る）低減した数の上位エネルギ状態との間のトレードオフを、協働するために非常に単純なトレードオフにさせる。光ファイバ内のアクティブなＣＷ光学信号によって、ＯＳＩが存在しない場合にＣＷ光学信号とコヒーレントに放出される状態の優勢さ（ｐｒｅｐｏｎｄｅｒａｎｃｅ）がある。しかし、ゲインが大幅には変化しない。例えば、ＥＤＦＡのようなゲインが平坦なファイバ増幅器の場合には、増幅器が同一の比率だけ、両方の信号（ＣＷ光学信号およびＯＳＩ）の信号レベルを増大する。例えば、ＯＳＩが３０ｄＢのゲインを必要とする場合、ファイバ増幅器は、３０ｄＢのゲインを提供するためにＣＷ光学信号に対して最適化されるように設計され得る。ＣＷ光学信号が増幅の前にＯＳＩと組み合わされる場合に、ほぼ３０ｄＢのゲインをも受ける。なぜなら、ＯＳＩの信号レベルは、ＣＷ光学信号の信号レベルよりも小さいからである。
【００１６】
追加されるＣＷ光学信号に対する必要性に起因して、かつＣＷ光学信号が関心のある信号よりも高い強度を有するので、ＣＷ信号のゲインはＯＳＩに対して必要とされるゲインを生成するために、比例してさらに多くの電力入力を必要とする。しかしながら、本発明の実施形態に従った技術が有用である用途がある。
【００１７】
ここで図４に対して参照がなされ、図４は自由空間光学通信（ＦＳＯＣ）システム３００を示す。システム３００はＦＳＯＣ送信器３１０を備え、該ＦＳＯＣ送信器３１０は自由空間を介してビームを受信器３２０に送信する。受信器３２０はマルチモード光ファイバ３２２を備え、該マルチモード光ファイバ３２２はノイズ低減型前置増幅器システム１０に結合され、該ノイズ低減型前置増幅器システム１０は本明細書に記載される技術に基づき、図１および図２に示される。光学受信器プロセッサ３２４は前置増幅器１０の出力に結合される。システム３００に対する１０ｄＢの追加の電力が必要とされる場合には、該電力が、送信器３１０において、または前置増幅器３２０において、あるいは一部がＦＳＯＣ通信リンクの両方の端部において追加され得る。例えば、ＦＳＯＣリンクは、動作するために、１ワットの送信器電力を必要とし得る。前置増幅器システム１０は、受信された光学信号に２０ｄＢのゲインを加える。本明細書に記載される本発明の実施形態に従った技術を実装することにより、送信器３１０は１ワットではなく１０ｍＷの電力を出力するだけでよく、すなわち送信側において９９％の電力を節約する。
【００１８】
一実施形態においては、受信器３２０において、前置増幅器システム１０で生成されるＣＷ光学信号は、名目上−４５ｄＢｍまたは約３０μＷの受信器信号電力の１００倍という係数であり得る。２０ｄＢのゲインによって、ＣＷ光学信号の電力レベルは、３ｍＷまで増大する。従って、この実施例においては、全システム光学電力は前置増幅器システム１０なしで１Ｗである。前置増幅器１０によって、全システム光学電力は１３ｍＷ（送信器において１０ｍＷ、受信機において３ｍＷ）まで低減し、リンク全体で９８７ｍＷの電力節約であり、すなわち端から端までで全電力の９８．７％の低減である（様々なコンポーネントに対する効率における起こり得る差は考慮していない）。
【００１９】
本明細書に記載されるシステムおよび方法は、本発明の精神または本質的な特徴から逸脱することなしに、その他の特定の形態で具現化され得る。上述の実施形態は、それゆえ、すべての点において、例示として考慮されるべきであり、限定を意味するものとして考慮されるべきではない。
【図１】
2009545170.tif 000003
【図２】
2009545170.tif 000004
【図３】
2009545170.tif 000005
【図４】
2009545170.tif 000006
【国際調査報告】
2009545170.tif 000007