(57)【要約】帯域分割光増幅装置（２１２）はＳバンド及びＣバンド及び／又はＬバンドの少なくとも一部を増幅する。増幅器は第１セクション（２１２Ａ）及び第２セクション（２１２Ｂ）から構成され、これらのセクションによりそれぞれ長波長帯域及び短波長帯域を増幅する。第２セクション（２１２Ｂ）は、短波長透過ファイバ（１０）、エルビウムのような活性材料（１８）が添加されたコア（１２）、ディプレスト型屈折率分布を有する内側のファイバ（１４）及び外側のクラッド（１６）を備える。第２増幅器の屈折率分布によって長波長帯域の高利得と同程度で、ｓバンドの正の利得よりも非常に小さい損失が生じる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）光信号の長波長帯域を増幅する第１セクションと、
ｂ）該光信号の短波長帯域を増幅するためのファイバ増幅器を有する第２セクションと、を備え、該ファイバ増幅器は、
１）コア断面積及び屈折率ｎ０を有するコアと、
２）同コアに添加される活性材料と、
３）同コアを取り囲み、ディプレスト型屈折率分布クラッド断面積及び屈折率ｎ１を有するディプレスト型屈折率分布クラッドと、
４）同ディプレスト型屈折率分布クラッドを取り囲み、副クラッド断面積及び屈折率ｎ２を有する副クラッドと、
５）前記活性材料を励起して大きな相対反転分布Ｄを形成して、前記活性材料が前記短波長帯域で正の利得を示し、そして前記長波長帯域で高利得を示す励起光源と、を含み、
前記コア断面積、前記ディプレスト型屈折率分布クラッド断面積、及び前記屈折率ｎ０，ｎ１及びｎ２は、遮断波長λｃ近傍にロールオフ損失曲線を生成するように選択され、同ロールオフ損失曲線は前記長波長帯域の前記高利得と少なくとも同程度の損失、及び前記短波長帯域の前記正の利得よりも非常に小さい損失を示す、帯域分割増幅装置。
【請求項２】
前記活性材料はエルビウムであり、このエルビウムによって前記ファイバ増幅器が第１エルビウム添加ファイバ増幅器となる、請求項１記載の帯域分割増幅装置。
【請求項３】
前記短波長帯域は少なくともＳバンドの一部を含み、そして前記長波長帯域は少なくともＣバンドの一部を含み、そして前記遮断波長λｃは前記Ｓバンドと前記Ｃバンドとの間のクロスオーバー波長に設定される、請求項２記載の帯域分割増幅装置。
【請求項４】
前記長波長帯域はさらに、少なくともＬバンドの一部を含む、請求項３記載の帯域分割増幅装置。
【請求項５】
前記遮断波長は約１５３０ｎｍに設定される請求項３記載の帯域分割増幅装置。
【請求項６】
前記第１セクションは第２エルビウム添加ファイバ増幅器を含む請求項１記載の帯域分割増幅装置。
【請求項７】
前記活性材料はエルビウムであり、このエルビウムによって前記ファイバ増幅器が第１エルビウム添加ファイバ増幅器となる、請求項６記載の帯域分割増幅装置。
【請求項８】
さらに、励起放射を前記第１エルビウム添加ファイバ増幅器及び前記第２エルビウム添加ファイバ増幅器に送り込む共通励起光源を備える、請求項７記載の帯域分割増幅装置。
【請求項９】
前記共通励起光源は約９８０ｎｍの前記励起放射を放出するレーザダイオードである請求項８記載の帯域分割増幅装置。
【請求項１０】
前記第１セクション及び前記第２セクションは重複セグメントを共有する請求項１記載の帯域分割増幅装置。
【請求項１１】
前記重複セグメントは前記長波長帯域を増幅する第２エルビウム添加ファイバ増幅器を含む請求項１０記載の帯域分割増幅装置。
【請求項１２】
帯域分割増幅装置を使用して帯域分割増幅を行なう方法であって、
ａ）光信号の長波長帯域を増幅する第１セクションを設ける工程と、
ｂ）前記光信号の短波長帯域を増幅するためのファイバ増幅器を有する第２セクションを設ける工程と、であって、同ファイバ増幅器は、
１）コア断面積及び屈折率ｎ０を有するコアを設ける工程と、
２）活性材料を該コアに添加する工程と、
３）該コアの周りに、ディプレスト型屈折率分布クラッド断面積及び屈折率ｎ１を有するディプレスト型屈折率分布クラッドを設ける工程と、
４）同ディプレスト型屈折率分布クラッドの周りに、副クラッド断面積及び屈折率ｎ２を有する副クラッドを設ける工程と、
５）遮断波長λｃ近傍にロールオフ損失曲線を生成し、同ロールオフ損失曲線が前記長波長帯域の高利得と少なくとも同程度の損失、及び前記短波長帯域の正の利得よりも非常に小さい損失を示すように前記コア断面積、前記ディプレスト型屈折率分布クラッド断面積、及び前記屈折率ｎ０，ｎ１及びｎ２を選択する工程と、により構成される方法。
【請求項１３】
さらに、エルビウムを前記活性材料として選択することにより前記ファイバ増幅器が第１エルビウム添加ファイバ増幅器となる、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
さらに、前記第１エルビウム添加ファイバ増幅器を後方励起する、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
さらに、前記第１セクションに、前記長波長帯域を増幅するための第２エルビウム添加ファイバ増幅器を設ける、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
さらに、エルビウムを前記活性材料として選択することにより前記ファイバ増幅器が第１エルビウム添加ファイバ増幅器となる請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
さらに、前記第１エルビウム添加ファイバ増幅器及び前記第２エルビウム添加ファイバ増幅器を共通励起光源により双方向励起する請求項１６載の方法。
【請求項１８】
前記共通励起光源は約９８０ｎｍの励起放射を送り込む請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記短波長帯域は少なくともＳバンドの一部を含み、そして前記長波長帯域は少なくともＣバンドの一部を含み、そして前記遮断波長λｃはＳバンドとＣバンドとの間のクロスオーバー波長に設定される請求項１２記載の方法。
【請求項２０】
前記長波長帯域はさらに、少なくともＬバンドの一部を含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記遮断波長λｃは約１５３０ｎｍに設定される請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
ａ）Ｓバンド波長の信号を供給するための信号源と、
ｂ）該信号を増幅するファイバ増幅器と、を備え、同ファイバ増幅器は、
１）エルビウムが添加され、コア断面積及び屈折率ｎ０を有するコアと、
２）同コアを取り囲み、ディプレスト型屈折率分布クラッド断面積及び屈折率ｎ１を有するディプレスト型屈折率分布クラッドと、
３）同ディプレスト型屈折率分布クラッドを取り囲み、副クラッド断面積及び屈折率ｎ２を有する副クラッドと、
４）前記コアに含まれるエルビウムを励起して大きな相対反転分布Ｄを形成して前記活性材料が前記Ｓバンドで正の利得を示し、同Ｓバンドよりも長い長波長帯域で高利得を示す励起光源と、を含み、
前記コア断面積、前記ディプレスト型屈折率分布クラッド断面積、及び前記屈折率ｎ０
，ｎ１及びｎ２は、前記長波長帯域の前記高利得と較べて少なくとも同程度の損失、及び前記Ｓバンドの正の利得よりも非常に小さい損失が生じるように選択される、光通信システム。
【請求項２３】
前記ファイバ増幅器は、プリアンプ、パワーブースト増幅器、インライン増幅器から成るグループから選択される増幅器である請求項２２記載の光通信システム。
【請求項２４】
前記光通信システムは波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ）通信システムである請求項２２記載の光通信システム。
【請求項２５】
前記ファイバ増幅器は、プリアンプ、パワーブースト増幅器、インライン増幅器から成るグループから選択される増幅器である請求項２４記載の光通信システム。
【請求項２６】
さらに、
ａ）通信ファイバと、
ｂ）前記信号を前記通信ファイバを通して多重化する波長分割マルチプレクサ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）と、
ｃ）前記信号を逆多重化する波長分割デマルチプレクサ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ−Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）と、を備える請求項２４記載の光通信システム。
【請求項２７】
前記ファイバ増幅器は、前記波長分割デマルチプレクサの後段に設置されるプリアンプである請求項２６記載の光通信システム。
【請求項２８】
前記ファイバ増幅器は、前記波長分割マルチプレクサと前記波長分割デマルチプレクサとの間に設置される請求項２６記載の光通信システム。
【請求項２９】
前記ファイバ増幅器は、プリアンプ、パワーブースト増幅器、インライン増幅器から成るグループから選択される増幅器である請求項２８記載の光通信システム。
【請求項３０】
前記信号源はレーザアレイに属するレーザからなる請求項２４記載の光通信システム。
【請求項３１】
前記長波長帯域は、少なくともＣバンドまたはＬバンドの一部を含む請求項２２記載の光通信システム。
【請求項３２】
前記励起光源は約９８０ｎｍの励起放射を放出するレーザダイオードである請求項２２記載の光通信システム。
【請求項３３】
前記信号は情報搬送信号である請求項２２記載の光通信システム。
【請求項３４】
前記ファイバ増幅器は前記Ｓバンドのサブバンドを増幅するように調整される請求項２２記載の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して通信システム、及び光信号を増幅する帯域分割増幅装置に関し、この光信号の波長域はＳバンドのような短波長帯域及びＣバンドのような長波長帯域をカバーし、そして特に、ディプレスト型屈折率分布を有するファイバを採用して短波長帯域での増幅を行なう通信システム及び帯域分割増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光信号を増幅して長距離伝送を行なう際の問題は、エルビウム添加ファイバ増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ  ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ：ＥＤＦＡ）の開発によって解決することができた。ＥＤＦＡは希土類元素であるエルビウムのイオン化原子（Ｅｒ３＋）を添加したコアを有する或る長さのシリカファイバから成る。ファイバは９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍの波長のレーザで励起される。不純物が添加された励起ファイバは伝送ファイバと光学的に結合して、入力信号が不純物添加ファイバの励起信号と合成される。アイソレータは通常、増幅器をレーザに変換してしまう反射を防止するために、入力及び／又は出力に必要となる。初期のＥＤＦＡは、１５３０〜１５６５ｎｍの範囲に渡るＣバンドで、５ｄＢ未満の雑音指数で３０〜４０ｄＢの利得を実現することができた。近年、ＣバンドだけでなくＬバンド（１５６５〜１６２５ｎｍ）においても同様な性能を実現するＥＤＦＡが開発された。
【０００３】
Ｃバンド及びＬバンドに渡る光信号、及びいわゆる「Ｓバンド」または「短波」の短波長を増幅することができる広帯域（ブロードバンドまたはワイドバンド）増幅器の開発が大きく注目されている。現在のところ定義が正確にされていないが、Ｓバンドは約１４２５ｎｍ〜約１５２５ｎｍの範囲の波長をカバーすると考えられる。ＥＤＦＡで通常観察されるＳバンドの利得は、活性エルビウムイオンの不完全な反転を含む幾つかの要因、及び１５３０ｎｍ近傍の高利得ピークから生じる自然放出光（ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ：ＡＳＥ）またはレーザ発振によって制限される。残念なことに現在のところ、１５３０ｎｍでのＡＳＥ及びＥＤＦＡにおける長波長を抑制する効果的なメカニズムが無い。
【０００４】
先行技術により、ＥＤＦＡを実現する種々のタイプの導波路及びファイバが提供されている。ほとんどの導波路は、注入光がエバネッセント波の分離（トンネリング）損失、散乱損失、曲げ損失、及び漏洩モード損失のようなメカニズムによって分離されないように設計される。これらのメカニズムの総合的な研究は、非特許文献１（ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  Ｖｏｌ．  ＱＥ−１８，  Ｎｏ．  １０，  Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９８２，  ｐｐ．  １４６７−７２）に掲載のＬ．Ｇ．  Ｃｏｈｅｎらによる「ディプレスト型屈折率分布のクラッドを有するシングルモード導波路の放射漏洩モード損失」のような文献に記載されている。特許文献１，２（米国特許第５，８９２，６１５号、６，１１８，５７５号）は、Ｌ．Ｇ．  Ｃｏｈｅｎが記載しているものと同様なＷ字型屈折率分布ファイバ、または不所望の周波数を抑制することによりクラッド励起レーザの出力電力を大きくするＱＣファイバの使用について示唆している。このようなファイバは上述のように、本質的に長波長の光を漏洩させ、そして他のファイバよりも曲げに対する感度が高い。
【０００５】
ＳバンドＥＤＦＡを製造する際に、Ｓバンドにおける比較的大きな損失及び低い利得によってファイバ及びファイバ分布の選択が更に困難になる。実際、この問題がかなり深刻であるので、先行技術は外部ファイバをＥＤＦＡセクションとＥＤＦＡセクションとの間
に挟んでＳバンドＥＤＦＡを製造することを示唆している。例えば、石川らはＳバンドＥＤＦＡを５段のシリカベースのＥＤＦＡ及び４つのＡＳＥ抑制フィルタをカスケード接続することにより製造する方法を、非特許文献２（ＥＣＯＣ−２００１，  Ｐｏｓｔ  Ｄｅａｄｌｉｎｅ  Ｐａｐｅｒ）に掲載の石川らによる「分布ラマン増幅器を備える新規の１５００ｎｍバンドＥＤＦＡ」と題する論文に記載している。石川らによる実験設定では、各ＥＤＡの長さは４．５メートルである。１．５３μｍでの各抑制フィルタの吸収は約３０ｄＢであり、そして１．４８μｍ及び０．９８μｍでの各抑制フィルタの挿入損失はそれぞれ約２ｄＢ及び約１ｄＢである。励起構成は双方向であり、０．９８μｍの波長を使用してＤ≧０．７（Ｄは相対反転）を超える大きな反転分布を維持する。順方向及び逆方向励起電力は同じであり、そして合計励起電力は４８０ｍＷである。石川らは、１５１８．７ｎｍで２５ｄＢの最大利得、９ｄＢの利得傾斜を示している。
【０００６】
この方法は、５つのＥＦＤＡ、４つのＡＳＥ抑制フィルタ及び高励起電力を必要とするのでかなり複雑であり、コスト効率が良くない。また、石川らによる方法に使用するＡＳＥ抑制フィルタの各々には、１〜２ｄＢの挿入損失がさらに付加される。従って合計付加挿入損失は約４〜８ｄＢとなる。
【０００７】
特許文献３（米国特許第６，０４９，４１７号）では、Ｓｒｉｖａｓｔａｖａらが帯域分割アーキテクチャを採用した広帯域光増幅器を示している。この増幅器は光信号を幾つかの独立したサブバンドに分割し、次にこれらのサブバンドが並列的に光増幅器の複数の独立した分岐を通過する。各分岐はこの分岐を通過するサブバンドに対して最適化される。一の実施形態では、Ｓｒｉｖａｓｔａｖａらはこれらの分岐の内の一つに多くのＳバンドＥＦＤＡ、及びこれらのＳバンドＥＦＤＡの間に挟んだ多くの利得等化フィルタ（ｇａｉｎ  ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｆｉｌｔｅｒｓ：：ＧＥＦｓ）を設けてＳバンド増幅を行なうことを示している。この実施例における他のサブバンドによって、複数のＥＦＤＡはＣバンド及びＬバンドをそれぞれ増幅することができる。残念なことに、この広帯域増幅器のＳバンド分岐は石川に関連して上に議論したのと同様な不具合を有する。
【０００８】
Ｓバンド増幅を行なうための別の手法では、ツリウム（Ｔｈｕｌｉｕｍ）をレーザ媒質として使用してフッ化ファイバコア（Ｆｌｕｏｒｉｄｅ  ｆｉｂｅｒ  ｃｏｒｅ）に添加したファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）に着目している。これについては、例えば非特許文献２（ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．
１３，  Ｎｏ．  １，  Ｊａｎｕａｒｙ  ２００１，  ｐｇ．３１−３３及びそこに引用される文献）に掲載の笠松直史による「１．４８〜１．５１μｍ波長領域ＷＤＭ信号用の利得シフトデュアル波長励起型ツリウム添加ファイバ増幅器」のような文献を参照されたい。良好な光学性能がＴＤＦＡを使用して得られてきたが、この性能は、複雑で、非標準の、及び／又は高価な励起方式を使用することによってのみ可能であった。また、ＴＤＦＡはこれらの増幅器のフッ化ファイバ母材に固有の問題を有する、すなわちファイバコストが高く、信頼性が低く、さらに増幅器システムの他の部分で使用する標準シリカファイバとの溶着（スプライシング）が困難である、ということである。
【０００９】
光増幅器（ＥＤＦＡ，ＴＤＦＡ，ラマン増幅器、半導体増幅器などのような）は、電気通信ネットワークにおいて幾つかの目的のために使用される。最も重要な使用法は、スパン損失（何十または何百キロメートルに渡り蓄積されるファイバ伝送損失）を補償することであり、この場合、増幅器は通常「インライン増幅器」と呼ばれる。インライン増幅器は、小〜中程度の大きさの光チャネル当たり光電力（通常、０．１〜１０ｍＷ）を供給する必要があるが、ＷＤＭネットワークの場合には低雑音指数及び良好な利得平坦性を示す必要もある。後出の２つの要件は、増幅器を何百から何千キロメートルの長いファイバリンクに渡ってカスケード接続することによって蓄積される効果から生じるものである。
【００１０】
光増幅器はプリアンプとしても使用される。プリアンプは通常、受信機の感度をこの技術分野において公知の方法で改善するために使用される。通常、プリアンプは信号受信機の直前に配置されて信号強度（光電力）を（電子または熱）検出器雑音よりも十分に大きなレベルにまで増大させる。プリアンプは通常、一つの、または少数の光チャネルを増幅するために使用されるので、高電力で、または平坦な利得分布を示すように動作する必要はないが、非常に良好な雑音指数を示す必要がある。
【００１１】
光増幅器は電力増幅器としても使用される。電力増幅器は、この技術分野において公知の方法で使用することにより大きな光電力を供給する。通常、電力増幅器は、良好な入力信号対雑音比を示す信号の比較的大きな入力信号強度（すなわち、飽和した）で動作するので、非常に良好な雑音指数を示す必要はない。また電力増幅器は通常、非常に高い利得を示す必要はない。電力増幅器は、非常に多くのＷＤＭチャネルが在る場合に、そして例えば各チャネルが中程度の大きさの電力しか必要としない場合にも使用される。電力増幅器はまた、長い／損失の大きいリンクの手前で使用されて次に予測される損失を事前に補償する。
【００１２】
最終的に、光増幅器は通信ネットワーク内の他の多くの用途に使用される。幾つか例を挙げると、信号を多くの並列出力に分割する前に、または分割した後に電力を大きくする、交差接続及びスイッチのような損失の大きなネットワークモジュールを補償する、十分に大きな光電力を供給して光駆動光スイッチまたは光波長変換器のような非線形装置を励起する、などである。
【００１３】
上記の内容に鑑みて、Ｓバンド、Ｃバンド、Ｌバンドに渡る光信号を増幅し、そしてＳバンドで高効率を示す広帯域増幅器を提供することができればこの技術分野における大きな進歩となるものと考えられる。特に、Ｓバンドの光信号を多くのフィルタを必要とすることなく増幅し、そして最小数の励起光源という利点を最大限に生かすこのような広帯域増幅器を提供することができれば大きな進歩となると考えられる。さらに、Ｓバンドの信号を増幅するＥＤＦＡの利点を生かすことができる光通信システムを提供できればこの技術分野における大きな進歩となるものと考えられる。特に、低コストのプリアンプ、電力を増大させるインライン増幅器を実現するこのような通信システムに使用する低コストのＳバンドＥＤＦＡを提供できれば大きな進歩となるものと考えられる。
【特許文献１】米国特許第５，８９２，６１５号
【特許文献２】米国特許第６，１１８，５７５号
【特許文献３】米国特許第６，０４９，４１７号
【特許文献４】米国特許出願１０／０９５，３０３
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（Ｖｏｌ．  ＱＥ−１８，  Ｎｏ．  １０，  Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９８２，  ｐｐ．  １４６７−７２）
【非特許文献２】ＥＣＯＣ−２００１，  Ｐｏｓｔ  Ｄｅａｄｌｉｎｅ  Ｐａｐｅｒ
【非特許文献３】Ａｃａｄｅｍｉｃ，  Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，  １９９５
【非特許文献４】Ｖａｎ  Ｎｏｓｔｒａｎｄ，  Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ，  １９７２
【非特許文献５】Ａｃａｄｅｍｉｃ，  Ｎｅｗｙｏｒｋ，  １９７４
【非特許文献６】ＩＥＥＥ  Ｊ．  Ｑｕａｎｔ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  ＱＥ−１８  （１９８２）  １４６７−１４７２
【非特許文献７】Ｄｏｖｅｒ  １９８９，  Ｃｈａｐｔｅｒ  １２，  §１４−２２
【非特許文献８】Ａｃａｄｅｍｉｃ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  １９７４，  Ｃｈａｐｔｅｒ  １
【非特許文献９】Ｐｈｙ．  ９７  （１９７６），  ｐｐ．  ２７９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
先行技術の問題点に鑑みて、本発明の主目的は、Ｃバンド及び／又はＬバンドのような長波長帯域及びＳバンドのような短波長帯域に渡る光信号用の広帯域増幅器を提供することにある。特に、本発明の目的は、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を効率的な励起が可能な構成で使用することができる広帯域増幅器を提供することにある。
【００１５】
本発明のさらに別の目的は、特にＳバンドにおいて最小数の部品を使用する広帯域増幅器を提供することにある。
本発明の別の目的は、広帯域ファイバ増幅器を設計する方法を提供することにある。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、Ｓバンド波長の信号を伝送し、そして増幅することができる光通信システムを提供することにある。特に、光通信システムはエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を使用してＳバンドに含まれる信号を制御性良く増幅してプリアンプ、パワーブースト増幅器及びインライン増幅器の機能を提供する。
【００１７】
本発明のこれらの、及び他の利点は下記の記述により明らかになるものと思われる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の目的及び利点は帯域分割増幅装置において達成され、この装置は、光信号の長波長帯域を増幅する第１セクションと、そして光信号の短波長帯域を増幅するファイバ増幅器を有する第２セクションと、を備える。第２セクションのファイバ増幅器は、コア断面積及び屈折率ｎ０を有するコアを有する。活性材料がコアに添加される。コアはディプレスト型屈折率分布クラッド断面積及び屈折率ｎ１を有するディプレスト型屈折率分布クラッドにより取り囲まれる。ディプレスト型屈折率分布クラッドは副クラッド断面積及び屈折率ｎ２を有する副クラッドにより取り囲まれる。活性材料を励起して大きな相対反転分布Ｄを形成して活性材料が短波長帯域で正の利得を示し、そして長波長帯域で高利得を示す励起光源を設ける。コア断面積、ディプレスト型屈折率分布クラッド断面積、及び屈折率ｎ０，ｎ１及びｎ２は、遮断波長λｃ近傍にロールオフ損失曲線を生成するように選択されるので、ロールオフ損失曲線は長波長帯域の高利得と少なくとも同程度の損失、及び短波長帯域の正の利得よりも非常に小さい損失を示す。好適な実施形態では、活性材料はエルビウムであり、このエルビウムによってファイバ増幅器が第１エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）となる。
【００１９】
短波長帯域及び長波長帯域は用途に基づいて選択される。例えば、電気通信において、短波長帯域は少なくともＳバンドの一部を含むように選択し、そして長波長帯域は少なくともＣバンドの一部を含むように選択することができる。波長帯域をこのように選択すると、遮断波長λｃがＳバンドとＣバンドとの間のクロスオーバー波長、例えば約１５３０ｎｍに設定される。勿論、長波長帯域はさらに広い範囲の波長を含むことができ、例えば少なくともＬバンドの一部も含むことができる。
【００２０】
好適な実施形態では、帯域分割増幅装置の内、長波長帯域を増幅するように設計される第１セクションは第２エルビウム添加ファイバ増幅器を含む。従って、第１セクション及び第２セクションの両方は、それぞれ第２ＥＤＦＡ及び第１ＥＤＦＡを利用して光信号を増幅する。また、共通励起光源を使用して励起放射を第１ＥＤＦＡ及び第２ＥＤＦＡに送り込むことができる。例えば、共通励起光源は約９８０ｎｍの励起放射を放出するレーザダイオードとすることができる。
【００２１】
帯域分割増幅装置は多くの異なる方法で設計することができる。一の実施形態では、装置の第１セクション及び第２セクションは重複セグメントを共有する。この実施形態では、重複セグメントは長波長帯域を増幅する第２ＥＤＦＡを含むことができる。別の構成と
して、第１及び第２セクションを分離して装置の独立分岐を形成することができる。
【００２２】
本発明の方法に従って、帯域分割増幅装置を使用して短波長帯域及び長波長帯域に渡る光信号を増幅する。装置の第１及び第２セクションがＥＤＦＡを使用して光信号を増幅する場合、ＥＤＦＡを双方向励起する、そして／または後方励起すると利点がもたらされる。ＥＤＦＡは同じ光源または独立した光源によって双方向励起する、そして／または後方励起することができる。
【００２３】
本発明は更に光通信システムを提供するものであり、この光通信システムは波長の内のＳバンド、または単にＳバンドの信号を供給する信号源を用いる。通信システムは、Ｓバンドの信号を伝送する光ファイバ、及び通常、ファイバ増幅器の形を採る一つ以上の光増幅器を含む。ファイバ増幅器はコア断面積及び屈折率ｎ０により定義されるコアを有する。エルビウムがファイバ増幅器のコアに添加され、この増幅器により信号を増幅する。ファイバ増幅器は、コアを取り囲むディプレスト型屈折率分布クラッド、及びディプレスト型屈折率分布クラッドを取り囲む副クラッドを有する。ディプレスト型屈折率分布クラッドはディプレスト型屈折率分布クラッド断面積及び屈折率ｎ１を有し、そして副クラッドは副クラッド断面積及び屈折率ｎ２を有する。ファイバ増幅器は励起光源を有し、この光源によりコアに含まれるエルビウムを励起して大きな相対反転分布Ｄを形成し、この状態でエルビウムによって信号を増幅することができる。特に、励起によってエルビウムがＳバンドで正の利得を示し、そしてＳバンドよりも長い長波長帯域、すなわちＣバンド及びＬバンドで高利得を示す。コア断面積、ディプレスト型屈折率分布クラッド断面積、及び屈折率ｎ０，ｎ１及びｎ２は、長波長帯域の高利得と少なくとも同程度の損失、及びＳバンドの正の利得よりも非常に小さい損失が生じるように選択される。
【００２４】
光通信システムでは、ファイバ増幅器はプリアンプ、パワーブースト増幅器、またはインライン増幅器として機能する。光通信システムは波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ）通信システム、例えば高密度ＷＤＭ（ＤＷＤＭ）システムとすることができる。ＷＤＭシステムは、波長分割マルチプレクサ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）またはＷＤＭマルチプレクサとＷＤＭデマルチプレクサとの間に通信ファイバ、通常、長いセクションまたは長い範囲の通信ファイバを有する。ＷＤＭマルチプレクサは多数の情報搬送信号を多重化し、そしてこれらの信号を送信側から通信ファイバを通して送出する。ＷＤＭデマルチプレクサは受信側の通信ファイバに到達する信号を逆多重化する。ファイバ増幅器をプリアンプとして使用する場合、ファイバ増幅器をＷＤＭデマルチプレクサの後段に設置することが好ましい。ファイバ増幅器をＷＤＭマルチプレクサとＷＤＭデマルチプレクサとの間に設置してパワーブースト増幅器またはインライン増幅器として機能させることもできる。勿論、ファイバ増幅器はこの位置でプリアンプとして機能することもできる。
【００２５】
ＷＤＭ通信システムのような多重化システムでは、信号源はレーザアレイに属するレーザを備えることが好ましい。励起放射を供給してエルビウムイオンを励起して反転分布を形成する励起光源は適切であればどのような励起光源とすることもできる。例えば、励起光源は約９８０ｎｍの励起放射を放出するレーザダイオードである。約９８０ｎｍの励起放射、またはＳバンドに含まれる波長よりも短い波長の他のエルビウム励起帯域の励起放射を送り込む別の励起光源も使用することができる。
【００２６】
本発明、及び好適な実施形態及び別の実施形態についての詳細な記述が、添付の図面を参照する形で以下に示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、まず、図１〜２に示すディプレスト型屈折率分布またはＷ字型屈折率分布フ
ァイバ１０にロールオフ損失曲線を生じさせる原理を概説することにより最も良く理解できると考えられる。図１は、ディプレスト型屈折率分布クラッド１４により囲まれたコア１２を有するファイバ１０の断面の一部を示す図である。ディプレスト型屈折率分布クラッド１４は副クラッド１６に囲まれる。コア１２は、ディプレスト型屈折率分布クラッド１４及び副クラッド１６と同じ円形断面を有する。コア１２の領域Ｉは０≦ｒ≦ｒ０の範囲で延びており、ディプレスト型屈折率分布クラッド１４及び副クラッド１６は、ｒ０≦ｒ≦ｒ１及びｒ≧ｒ１の範囲で延びる領域ＩＩ，ＩＩＩを占める。コア１２は屈折率ｎ０を、ディプレスト型屈折率分布クラッド１４は屈折率ｎ１を、そして副クラッド１６は屈折率ｎ２を有する。ファイバ１０の部分断面の上方に位置するグラフは、ファイバ１０のＷ字型屈折率分布を定義する平均屈折率分布２０を示している。本実施形態では、ファイバ１０はシングルモードファイバである。
【００２８】
ファイバ１０はコア１２に添加された活性材料１８を有する。活性材料１８は、希土類イオンのような、レーザ媒質または長波長帯域で高利得を示し、かつ短波長帯域で正の利得を示すあらゆる他のレーザ材料である。特に、励起されて大きな相対反転分布Ｄが形成されると、活性材料１８が長波長帯域で高利得を示すことにより自然放出光（ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ：ＡＳＥ）、またはレーザ発振が生じ、この現象によりレーザ材料１８の反転分布が小さくなるので短波長帯域での正の利得が小さくなって、短波長帯域の信号を効率的に増幅することができなくなる。
【００２９】
ファイバ増幅器は適切な活性媒質であればどのような媒質もその活性コアに含むことができる。例えば、活性コアにはネオジウムイオン、エルビウムイオンまたはツリウムイオンを添加することができる。エルビウムを使用する場合、ファイバ増幅器はＥＤＦＡであり、そして利点をもたらす一の実施形態では、この増幅器の遮断波長λｃは１５２５ｎｍ近傍に設定される。従ってＥＤＦＡは、９８０ｎｍ近傍の励起波長の放射線を放出する励起光源により励起される。これらの条件下で、ＥＤＦＡを使用してＳバンド内に収まる短波長範囲の信号を増幅することができる。
【００３０】
別の例では、ツリウムを溶融シリカファイバに添加する。ツリウム添加による利得は通常、１．９μｍで生じると考えられ、そしてその波長が実際の利得ピークに対応するが、利得が得られる波長範囲は１．５μｍから２．１μｍに渡る。通常のツリウム添加ファイバの励起波長は０．７８μｍである。しかしながら、恐らくは１００ｍＷという非常に大きな強度が必要となるが、ツリウムを１．４８μｍ波長の励起光で励起することも可能である。１．４８μｍで１００ｍＷという条件は、１４８０ｎｍ及びその近傍の波長で約５００ｍＷの出力を有する市販の高品質ダイオードポンプにより容易に得られる。別の効率の良い励起波長は１５３０ｎｍであり、この波長では最大数ワットの高電力光源が利用可能である。
【００３１】
ツリウムイオンの有効断面積及び上限レーザ寿命は、従来から１．５ミクロン増幅器に使用されているエルビウムイオンのそれと同様である。従って、利得しきい値も同様であり、数ミリワットの励起電力が必要となる。
【００３２】
ツリウムイオンは、その利得領域の短波長端でエルビウムイオンの場合と全く同じようにして使用することができる。強力な励起電力（３０ｍＷまたはその近傍）で励起することにより、短波長でも反転分布を形成することが可能になる。しかしながら、１．６ミクロンのような短波長で高利得が生じる前に、１．９ミクロン付近で圧倒的な超放射が得られる。
【００３３】
有用な増幅器は短波長側で作製することができるが、これは、ファイバが所望動作を行なって１．９ミクロンとそれよりも短い波長との間で基本モードの遮断が生じるように設
計される場合、及び遮断が、長波長側での損失増加が有効断面積の増大により生じる利得の増加を上回るように選択される場合である。この技術により、約１．６〜１．８ミクロンの波長範囲の有用な増幅器を構成することができる。電気通信ファイバはこの波長範囲で高い透過性を示すので、この波長範囲で動作する増幅器が非常に望ましいと考えられる。
【００３４】
図２は普通の製造技術で得られるＷ字型屈折率分布２０Ａを示している。本発明の目的から、コア１２の半径方向に変化する屈折率はｎ０に等しい平均値を有するだけで十分である。同様に、ディプレスト型屈折率分布クラッド１４及び副クラッド１６の屈折率は値ｎ１及びｎ２の平均値を示せば十分である。コア１２の平均屈折率ｎ０は、ディプレスト型屈折率分布クラッド１４の屈折率ｎ１及び副クラッド１６の屈折率ｎ２よりもずっと大きい。屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２及び半径ｒ０，ｒ１，ｒ２の適正値の選択は、本発明が必要とするファイバ１０の所定の導波特性を実現するように行なわれる。特に分布２０は、λｃよりも短い波長の基本モード光がコア１２で維持され、その間、λｃ以上の波長の基本モード光が副クラッド１６により短距離で減衰するように基本モードの遮断波長λｃが設定されるように設計される。この目的は、適切にＷ字型屈折率分布２０Ａを設計することにより達成することができる。
【００３５】
ファイバ１０の基本モードの遮断波長λｃは、基本モード（ＬＰ０１モード）がコア１２の中で低損失から高損失へ遷移する、すなわち基本モードがコア１２から遮断される波長である。まずファイバ１０の基本モードの遮断波長λｃが、マックスウェルの方程式から導かれるファイバ１０の有効断面積及び屈折率ｎ０，ｎ１及びｎ２の選択手順に従って設定される。弱導波近似（コア１２及びクラッド１４，１６の屈折率が全て互いにほぼ等しい場合に有効になる）では、マックスウェルのベクトル方程式はスカラー方程式で置き換えることができる。スカラーψはファイバの横電界強度を表わす。詳細については、例えば非特許文献３（Ａｃａｄｅｍｉｃ，  Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，  １９９５）に掲載されたＧ．  Ａｇｒａｗａｌによる「非線形光ファイバ」と題する論文、非特許文献４（Ｖａｎ  Ｎｏｓｔｒａｎｄ，  Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ，  １９７２）に掲載されたＤ．  Ｍａｒｃｕｓｅによる「光伝送光学」と題する論文、及び非特許文献５（Ａｃａｄｅｍｉｃ，  Ｎｅｗｙｏｒｋ，  １９７４）に掲載されたＤ．  Ｍａｒｃｕｓｅによる「誘電体光導波管の理論」と題する論文を参照されたい。
【００３６】
簡単のため、次のパラメータを定義する。
【００３７】
【数１】
2005520323.tif 000002
ファイバ１０内部のスカラーフィールドψは波動方程式を満たし、この波動方程式の解はベッセル関数及び変形ベッセル関数である。ファイバ１０がサポートする基本モードの場合、コア１２内部ではスカラーフィールドψは次式で表わされる。
【００３８】
【数２】
2005520323.tif 000003
この式において、кは設定する必要のある固有値であり、そしてＪ０はゼロ次ベッセル関数である。
【００３９】
ディプレスト型屈折率分布クラッド１４内部では、スカラーフィールドψは次式で表わされる。
【００４０】
【数３】
2005520323.tif 000004
この式において、Ａ及びＢは設定する必要のある定数であり、そしてβ＝（ｕ０２＋ｕ１２）（２π／λ）２-к２，及びＫ０及びＩ０は変形ベッセル関数である。ここで、λ
は光の真空波長である。
【００４１】
副クラッド１６では、次式が得られる。
【００４２】
【数４】
2005520323.tif 000005
ここで、Ｃは別の定数であり、そしてγ２＝ｕ０２（２π／λ）２-к２，Ａ，Ｂ，Ｃ
及びкは境界条件を使用して求めることができ、この境界条件では、ψ及びその一次導関数が共にｒ０及びｒ１で連続であることが必要である。
【００４３】
基本モードの遮断波長λｃがγ＝０での波長λであることを示すことができる（例えば、非特許文献６：ＩＥＥＥ  Ｊ．  Ｑｕａｎｔ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  ＱＥ−１８  （１９８２）  １４６７−１４７２に掲載のＣｏｈｅｎらによる論文を参照）。
【００４４】
さらに簡単のために、次のパラメータを定義する。
【００４５】
【数５】
2005520323.tif 000006
次に、基本モードの遮断波長λｃは、パラメータｘが求まるとすると求めることができる。この波長λｃを求める操作は、パラメータｘが次に示す式の平方根であるので、この技術分野の当業者には公知の代数学を援用して行なうことができる。
【００４６】
【数６】
2005520323.tif 000007
パラメータｘについては３つのことが考えられる。第１に、ｘはｓ及びρの全ての値に対応して存在するわけではない。例えば、ρ＝１かつｓ≦√２の場合、等式（６）を満たすｘは無い。これは、全ての波長がこの条件のコア１２を導波することを意味する。等式（６）が解を有する基準は次の関係で表わされる。
【００４７】
【数７】
2005520323.tif 000008
第２に、実際の用途では、ｘが極端に小さな値を採ることはできない。これは、等式（５）によれば、パラメータｘがコア１２の半径ｒ０に比例し、そしてこの半径が、光をコア１２に結合し、そしてコアから分離するのが容易になるように十分に長い必要があるからである（コア１２が小さくなることによっても非線形効果が強くなり、不利になる場合が多い）。従って、ｘ＝２πｕ０ｒ０／λｃなのでｘ≧１が好ましい。これはρ≧０．２２４が成り立つ、または屈折率で表わすと
【００４８】
【数８】
2005520323.tif 000009
が成り立つことを意味する。
第３に、図３から、ｓが大きな値の場合、ｘの値のｓに対する依存性が非常に小さいことがわかる。従って、ファイバをパラメータ空間のこの領域に設定することができれば利点が生じる。何故なら、ｓにエラーを生じさせる製造欠陥があっても基本モードの遮断波長λｃの値に対する影響が小さいからである。従って、関係式ｓ≧１＋１／ρ、または屈折率で表わした次の関係を使用すれば便利である。
【００４９】
【数９】
2005520323.tif 000010
コア１２、ディプレスト型屈折率分布クラッド１４及び外側クラッド１６の断面積及び屈折率をどのように選択するかは、適切な基本モードの遮断波長λｃを設定する際の上記手順から決定することができる。まず、λｃとして、例えば１５３０ｎｍに近い波長を予め選択し、そして次に簡便な値をｕ０及びｒ０に対して選択する。これらの選択に基づいて、ｘを等式（５）から計算し、そして簡便にｘ≧１とする（このようにしない場合には前の選択を調整する）。次に、ｓ及びρの適切な値を等式（６）を使用して求める。ρ及びｓの或る範囲の値から所望のλｃが得られる。通常、ρの全ての値は０．２２４よりも大きい。さらに、等式（８）の関係を使用してρ及びｓの適正値の範囲をさらに狭くする。
【００５０】
最後に、ｓ及びρの値にはさらに制限が付く。すなわち、これらの値は、ファイバ１０のコア１２の損失が十分大きな値、例えばλ＞λｃを満たす波長で１００ｄＢ／ｍまたは２００ｄＢ／ｍまたはそれよりも大きな値を示すように選択する必要がある。波長λ＞λｃでの損失を求めるには、λ＞λｃの波長を有する光に対応するファイバモードが必要になる。
【００５１】
等式（２），（３）及び（４）によりλ＜λｃのときの基本モードを指定することができる。λ＞λｃのとき、関数ψは副クラッド１６中で指数関数的に減衰するのではなく発振する。従って、λ＞λｃのとき、等式（４）は次式で置き換えられる。
【００５２】
【数１０】
2005520323.tif 000011
上式では、Ｎ０（Ｙ０とも表記する）はゼロ次ノイマン関数ｑ２＝к２−ｕ０２（２π／λ）２であり、そしてＣ及びＤは設定すべき定数である。
【００５３】
λ＞λｃに対応するモードに関して注目すべき２つの重要な項目がある。第１に、５つの未知数（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ及びк）及び４つの境界条件（ｒ０及びｒ１でのψ及びｄψ／ｄｒの連続性）がある。方程式には制約条件が課される。すなわち、кは０と
【００５４】
【数１１】
2005520323.tif 000012
との間のどの値でも良いように選択される。従って、λ＞λｃを満たす各々のλに対応する連続状態が存在し、これらの連続状態はкが採り得る連続値に対応する。この状況は、４つの未知数（Ａ，Ｂ，Ｃ及びк）が４つの境界条件により固定され、結果としてкが、λ＜λｃを満たす各々のλに対応する固有値を採る離散固有値となってしまうλ＜λｃの状況とは全く異なる。
【００５５】
第２に、等式（２），（３）及び（９）により指定されるモードはファイバ、例えばＷ字型屈折率分布ファイバの固有値であるが、これらのモードは物理的に実現される状況には対応しない。これは入射波及び出射波の両方を含む等式（９）の結果であるが、実際には出射波のみが存在する（コア１２に入射してその中を伝搬するλ＞λｃを満たす波長の光は放射状に広がる）。
【００５６】
それにも拘らず、等式（２），（３）及び（９）により指定されるモードを使用してλｃよりも長い波長での損失を推定することができる。第１に、所定の波長λに関して、Ｃ２＋Ｄ２を最小化するкの値を求める。これはコア内で最も長く残留するモードに対応する（ファイバにおけるスカラーψの波動方程式とポテンシャル井戸における粒子の量子力学的波動方程式との間に類似性が見られる。従って量子力学的結果を借用する。例えば、非特許文献７のＤｏｖｅｒ  １９８９，  Ｃｈａｐｔｅｒ  １２，  §１４−２２に掲載されているＤａｖｉｄ  Ｂｏｈｍによる「量子理論」を参照されたい）。
【００５７】
第２に、一旦、кが上のようにして求まると、出射波は等式（９）から算出することができる。これらの出射波により、入射波が存在しない場合でもコア１２から副クラッド１６に漏れる損失を理論的に推定することができる。これらの出射波によって、コア１２内を伝搬するλ＞λｃを満たす波長のビームがファイバの長さに沿って減衰する。ビームが電力Ｐを有する場合、ファイバ１０に沿った距離ｚにおける電力Ｐの変化は次式で表わされる。
【００５８】
【数１２】
2005520323.tif 000013
損失は係数Λで与えられ、このΛは次式で近似することができる。
【００５９】
【数１３】
2005520323.tif 000014
ｍ−１の単位を有する損失Λは、次の関係式を使用して単位がｄＢ／ｍの損失βに変換することができる。
【００６０】
【数１４】
2005520323.tif 000015
ここで、「損失（ｌｏｓｓ）」という用語はコア１２から副クラッド１６に漏洩する放射を指す。実際、放射が副クラッド１６に残留しているとすれば、放射が本当にファイバ１０から漏洩するのではない。ある場合においては、これで十分である。他の場合においては、必要に応じて光を副クラッド１６から分離する、または吸収することができる。
【００６１】
損失を計算する別の方法では、ファイバ１０の漏れ基本モードの複素伝搬定数を計算する。漏れモードは、例えば非特許文献８（Ａｃａｄｅｍｉｃ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  １９７４，  Ｃｈａｐｔｅｒ  １）に掲載のＤ．  Ｍａｒｃｕｓｅによる「誘電体光導波管」と題する論文において議論されている。損失は漏れモードの複素伝搬定数の虚部に関連する。複素伝搬定数、または複素伝搬定数に等しい実効屈折率虚数部は、カナダ、オンタリオ州のネピアンに本拠を置くＯｐｔｉｗａｖｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手できるような市販のソフトウェアを使用して計算することができる。
【００６２】
幾つかの場合では、上に記載したベッセル関数手法を使用するのではなく、所定のファイバのモードに関して数値的に解くのが好ましい、というのは、実際のファイバは、図１の分布２０が示す理想的な階段状の屈折率分布を有さないが、現実に得られる実際の屈折率分布である図２のグラフ２０Ａが示すように理想分布からのばらつきを有するからである。特に、今日のシングルモードファイバの最も一般的な製造方法はＭＯＣＶＤプロセスを含み、このプロセスにより通常、コア１２の中心部に屈折率の窪みができる。数値解法では、上述の方法よりも容易な形で、屈折率の実際のばらつきを半径の関数として考慮に入れることができる。また、このような数値計算により、基本モードの遮断波長λｃ及びファイバ損失が有効断面積及び屈折率を含むファイバパラメータの関数として与えられるので、ファイバ１０が所望特性を示すようにファイバを設計することができる。
【００６３】
等式（１１）を使用して損失を推定する場合、屈折率ｎ０，ｎ１，及びｎ２は通常、分布２０の平均屈折率になる、というのは、実際の屈折率は半径の関数として幾分変化するからである（分布２０Ａ参照）。また、屈折率ｎは必ずしも半径方向に均一ではない。ファイバ１０の有効断面積が極座標ｒ及びθで表わされる場合、屈折率は角度θだけでなく半径ｒにも依存する。従って、ｎ＝ｎ（ｒ，θ）となる。このような非均一なファイバは、例えば偏光維持に望ましい。
【００６４】
ここで、ファイバが基本モードの遮断波長λｃを有するための必要条件がある。Ｒを、半径Ｒでの屈折率の平均がほぼ値ｎ２になるほどに十分に長い半径であるとする。従って、ファイバ１０は次の関係が成り立つ場合に基本モードの遮断波長λｃを有することになる（非特許文献９のＢ．  ＳｉｍｏｎによるＰｈｙ．  ９７  （１９７６），  ｐｐ．  ２７９を参照されたい）。
【００６５】
【数１５】
2005520323.tif 000016
ここで、図１の分布が与えられると、関係式（１３）は次式のようになる。
【００６６】
【数１６】
2005520323.tif 000017
この関係式は上記の関係式（７）と等価である。
基本モードの遮断波長λｃは、領域Ｉに局在する固有モードに対応する最大波長である。上記遮断波長λｃを超える波長の損失は、例えば（ｉ）局在しないが入射波及び出射波を含むモードに関して解き、（ｉｉ）各波長に関して解いて最小出射強度を有するモードを求め、そして（ｉｉｉ）この出射強度を使用して損失を推定することにより、求めることができる。上述のように、損失を計算するためには他の方法もこの技術分野の当業者は使用することができる。従って一般的に、所望の基本モードの遮断波長λｃを有し、所望の損失を示すファイバ１０は、コア１２、ディプレスト型屈折率分布クラッド１４及び副クラッド１６の有効断面積及び屈折率を調整する操作と等価である分布ｎ（ｒ，θ）の調整操作により設計することができる。
【００６７】
上述の手順によって、この技術分野の当業者は基本モードの遮断波長λｃをｒ０，ｒ１，ｎ０，ｎ１及びｎ２の選択を行なうことにより設定することができる。ｒ０，ｒ１，ｎ０，ｎ１及びｎ２をこのように選択することによって、ファイバ１０の全長に渡ってＡＳＥを抑制することができ、そして異なるロールオフ（波長に関する）を有する一連の損失曲線が得られる。従って、ｒ０，ｒ１，ｎ０，ｎ１及びｎ２の選択に更なる制限を加えて以下に議論する本発明の目的を達成する必要がある。
【００６８】
図１に戻ると、平均屈折率分布２０に、λ１＜λｃを満たす第１波長における導波基本モード２２の強度分布が重ねて示されている。第１波長λ１は短波長帯域、例えばＳバンドに含まれる。ファイバ１０により全く導波されない基本モード２４も屈折率分布２０に重ねる。モード２４は遮断波長λｃで生じる。ファイバ１０により導波されず、そしてコア１２及びディプレスト型屈折率分布クラッド１４よりも大きな発振強度分布を示す別のモード２６の強度分布も示す。モード２６の放射は第２波長λ２を有し、この波長は遮断波長よりも長いλｃ＜λ２の関係を満たし、そして長波長帯域、例えばＣバンドまたはＬバンドに含まれる。
【００６９】
図４は、大きな相対反転分布Ｄが形成されるまで励起されるときの活性材料１８、この場合はエルビウムの利得分布４４を示している。Ｓバンドは参照番号４２で示し、そして長波長帯域は参照番号４６で示す。Ｓバンド４２と長波長帯域４６との間のクロスオーバー波長λｃｒｏｓｓも示す。利得分布４４は長波長帯域４６で高利得を示し、そしてＳバンド４２で正の利得を示す。特に、長波長帯域４６での高利得は、クロスオーバー波長λｃｒｏｓｓに非常に近接する約１５３０ｎｍにピーク４８を有する。
【００７０】
本実施形態では、コア１２、ディプレスト型屈折率分布クラッド１４の有効断面積または半径、及び屈折率ｎ０，ｎ１及びｎ２は、遮断波長λｃが、長波長帯域４６内に入ったばかりのところのピーク４８の直ぐそばに位置するように選択する。さらに、コア１２の
屈折率ｎ０の値は、長波長帯域４６内の高利得ピーク４８に設定される遮断波長λｃ近傍にロールオフ（ファイバの劈開端面の欠陥）による損失を表わすロールオフ損失曲線３８が得られるように選択する。特に、ロールオフ損失曲線３８は、Ｓバンド内の正の利得よりもかなり小さい損失を生じさせながら、長波長帯域４６内の高利得と少なくとも同レベルの損失を生じさせるように選択する。ロールオフ損失曲線３８が遮断波長λｃよりも短い波長の左側で急激に小さくなる、または正の大きな傾斜を示すので、ロールオフ損失曲線３８は、分布４４で示す正の利得よりも低いレベルにまで下がる。従って利得は、斜線領域５０で良く見えるようにしたように、損失をＳバンド４２全体に渡って超える。好適には、ロールオフ損失曲線３８は、利得が短波長帯域４２内で損失を少なくとも５ｄＢだけ超えるようになる。適切なロールオフ損失曲線を選択する操作に関するさらに詳細な情報に関しては、読者は２００２年３月８日出願の特許文献４（米国特許出願１０／０９５，３０３）を参照されたい。
【００７１】
本発明の帯域分割増幅装置は、上述の手順に従って設計されるＷ字型屈折率分布ファイバの利点を生かしている。実際、本発明の装置は、活性材料１８がエルビウムであり、そして短波長帯域がＳバンドまたはＳバンドの選択部分であり、かつ、長波長帯域がＣバンド及び／又はＬバンド、またはこれらの２つのバンドの選択部分または複数の選択部分をカバーする場合、上述の手順に従って設計されるＷ字型屈折率分布ファイバを使用することが好ましい。好適には、ファイバ１０のホスト材料は、アルミノ−ゲルマノシリケートガラス、ランタン添加ゲルマノシリケートガラス、アルミニウム／ランタンを共に添加したゲルマノシリケートガラス、またはリン添加ゲルマノシリケートガラスのようなシリケート含有ガラスである。例えば、帯域分割増幅装置は、図５に示すように、アルミノ−ゲルマノシリケートガラスをホスト材料として使用するエルビウム添加増幅器６８（ＥＤＦＡ）を用いることができる。この例では、ＥＤＦＡ６８は、屈折率ｎ０のコア７０に０．１重量％濃度のエルビウムを添加したものである。コア７０は、屈折率ｎ１のディプレスト型屈折率分布クラッド７２及び屈折率ｎ２の副クラッド７４に囲まれる。ＥＤＦＡ６８は、副クラッド７４を包む保護ジャケット７６を備えることにより機械的安定性を実現し、そしてＥＤＦＡ６８を外部の影響から保護する。
【００７２】
Ｓバンド４２に含まれる第１波長λ１の光信号７８は、ファイバ８０からＥＤＦＡ６８に入力してそこで増幅される。例えば、光信号７８は増幅する必要のある情報搬送信号とすることができる。
【００７３】
ファイバ８０はファイバ８２と波長結合器８４内で結合する。ファイバ８２を使用して励起光源８６からの励起光８８をＥＤＦＡ６８に結合させる。励起光源８６、好適にはレーザダイオードは約９８０ｎｍの励起波長λｐの励起光８８を供給してコア７０のエルビウムイオンを励起し、大きな相対反転分布Ｄを形成する。パラメータＤは反転分布が生じていないことを示すＤ＝−１から完全な反転分布を示すＤ＝１まで変化する。Ｄ＝０の場合、正確に半分のエルビウムイオンが励起エネルギー状態、または飛び飛びの値のエネルギーをもった状態に在り、同時に残りの半分が基底エネルギー状態に在る。この場合、ＥＤＦＡ６８はほぼ透過状態にある（１５３０ｎｍの３レベル遷移近傍の波長に対して）。不均一な反転分布が形成されているＥＤＦＡの場合、パラメータＤは反転分布の平均値と考えられる。本実施形態では、励起光８８の強度は、この強度によってエルビウムイオンにＤ≧０．７を満たす相対反転分布が確実に形成されるように設定される。
【００７４】
励起光８８及び信号光７８は結合器８４において合成され、そして共にＥＤＦＡ６８にファイバ８０によって入力される。特に、光信号７８及び励起光８８は共に、ファイバ８０を経てコア７０に結合する。
【００７５】
コア７０及びクラッド７２，７４は本実施形態では全て、円形の断面積を有する。この
断面積及び屈折率ｎ０，ｎ１及びｎ２は、本発明の方法に従って選択して、遮断波長λｃを１５２５ｎｍ近傍に設定する。換言すれば、遮断波長λｃはＳバンド４２と、長波長帯域４６またはＣバンド及びＬバンドとの間の波長になるように選択する。
【００７６】
コア７０の屈折率ｎ０は、遮断波長λｃ近傍における、波長に対する実効屈折率ｎｅｆｆの傾きが大きな負の値、好ましくは約０．００８／１，０００ｎｍの値を示すように選択することが重要である。この結果、ロールオフ損失曲線は遮断波長λｃよりも短い波長に関して急激な減少を示し、Ｓバンド４２での損失が正の利得よりも低くなることが保証される。このロールオフ損失曲線が示す損失は、遮断波長λｃよりも長い波長に関して急激に増大する。従って、Ｃバンド及びＬバンド４６で生じる損失は少なくとも高利得と同じレベルになる。
【００７７】
ＥＤＦＡ６８を本発明に従って設計すると、λ１の光信号７８が、Ｃバンド及びＬバンド６６内のどの波長λ２、特にλ２＝１５３０ｎｍにおけるＡＳＥが図示のクラッド７４に入射できない状態で増幅されることが保証される。Ｓバンド４２での正の利得は通常、損失よりも１メートル当たり１ｄＢ（または、ファイバ設計及びＳバンド内のどの波長に最も着目するかに依存する形で、０．２〜５ｄＢ／ｍ）のオーダーだけ大きくなるので、光信号７８を十分なレベルにまで増幅するためには、ＥＤＦＡ６８は所定の長さＬを必要とする。Ｓバンド４２における正の利得と損失との差が小さくなると、より大きな長さＬを実現して光信号７８を十分なレベルにまで増幅する必要がある。Ｓバンドでの増幅率が２５ｄＢという実用的な値の場合、長さＬは約５メートルから１００メートル超となる必要がある。
【００７８】
図６は本発明による帯域分割増幅装置１００を示している。装置１００は増幅対象の光信号１０４を受信する入力ファイバ１０２を備える。光信号１０４は、図示のクロスオーバー波長λｃｒｏｓｓで分けることができる長波長帯域１０６及び短波長帯域１０８に渡る波長を有する。装置１００はまた、励起光源１１４からの励起放射１１６を入力する励起光入力ファイバ１１２を備える。本実施形態では、励起光源１１４は励起波長λｐ＝９８０ｎｍの励起放射を放出するレーザダイオードである。
【００７９】
装置１００は、装置１００の第１セクション１３０及び第２セクション１３２が共有するセグメント１１８を有する。換言すれば、セグメント１１８は、第１セクション１３０及び第２セクション１３２が重複する領域である。第２セクション１３２はセグメント１１８の外に位置するファイバ増幅器１３８を含み、この増幅器により光信号１０４の短波長帯域１０８を増幅する。好適には、ファイバ増幅器１３８は第１ＥＤＦＡである。セグメント１１８は、光信号１０４の長波長帯域１０６を増幅する増幅器１２２を含む。ここで、増幅器１２２はＥＤＦＡである必要は無く、またファイバ増幅器である必要さえ無いことに留意されたい。
【００８０】
増幅器１２２は、長波長帯域１０６において実用的な利得を実現しつつ、短波長帯域１０８において或る増幅（または、少なくともゼロの増幅を示すが、損失が無い）を実現する必要がある。装置１００の好適な形態では、増幅器１２２は短波長帯域１０８を十分に増幅してファイバ増幅器１３８よりも前段の素子において生じる短波長帯域１０８の損失の全てを補償する必要がある。装置１００のさらに別の好適な形態では、増幅器１２２は短波長帯域１０８において低雑音増幅を行なってファイバ増幅器１３８よりも前段の素子において生じる短波長帯域１０８の全ての損失による雑音の影響を小さくする必要がある。
【００８１】
セグメント１１８はまた、結合器１２０及び結合器１２４を含む。結合器１２０は適切であればどのような光結合装置であっても良く、例えば光信号１０４及び励起放射１１６
を結合させ、そしてこれらを出力して増幅器１２２を通過させ、光信号１０４の増幅を行なう機能を有するＷＤＭ結合器とすることができる。本実施形態では、増幅器１２２は第２ＥＤＦＡであり、そして長波長帯域１０６はＣバンドをカバーする。結合器１２４は適切であればどのような光スプリッタであっても良く、例えば信号１０４を２つの信号１０４Ａ及び１０４Ｂに分離する機能を有するＷＤＭ結合器とすることができる。本実施例では、結合器１２４は５０／５０ＷＤＭ結合器であり、この結合器により信号１０４は等しい強度及びスペクトル分布を有する信号１０４Ａ，１０４Ｂに分離される。別の構成として、異なる分離比を有する結合器、または短波長帯域１０８を長波長帯域１０６から分離する帯域合成器を使用することができる。
【００８２】
結合器１２４は第１セクション１３０及び第２セクション１３２に接続される。特に結合器１２４は、信号１０４Ａを第１セクション１３０に沿って、そして信号１０４Ｂを第２セクション１３２に沿って送信するように設定される。第１セクション１３０は遅延素子１２６を含み、この遅延素子は第１セクション１３０と第２セクション１３２との間の伝搬時間の遅延を補償する所定長のファイバとすることができる。第１セクション１３０及び第２セクション１３２は結合器１２８により再合成され、この結合器は、残留励起放射１１６’のような他の波長の放射を受け入れずに短波長帯域１０８及び長波長帯域１０６の信号１０４Ａ及び１０４Ｂを合成する帯域合成器であることが好ましい。
【００８３】
セクション１３２は残留励起放射１１６’をセクション１３２から分離する結合器１３４を備える。結合器１３４の後段にはアイソレータ１３６及び第１ＥＤＦＡ１３８が配置される。
【００８４】
アイソレータ１３６は信号１０４Ｂを第１ＥＤＦＡ１３８に通し、そしてセグメント１１８に戻る方向に伝搬する全ての放射を阻止するように設定される。
第１ＥＤＦＡ１３８は、上述の手順に従って構成することにより短波長帯域１０８、すなわち本実施形態のＳバンドの信号１０４Ｂを増幅する。励起光源１４０を設けて第１ＥＤＦＡ１３８に向けられる励起放射１４２を生成する。励起光源１４０は励起波長λｐ＝９８０ｎｍの励起放射を放出するダイオードレーザである。入力ファイバ１４４及び結合器１４６を設けて励起放射１４２を第１ＥＤＦＡ１３８に送り込む。結合器１４６は、信号１０４Ｂが伝搬する方向の反対側から励起放射１４２が送り込まれるように接続される。換言すれば、励起放射１４２は第１ＥＤＦＡ１３８の信号１０４Ｂの伝搬方向と逆の方向に伝搬する。ここで、全ての残留励起放射１４２’がセグメント１１８に戻る方向に伝搬するのを結合器１３４が、そしてアイソレータ１３６も阻止する。励起放射が逆方向に伝搬することによって励起光入力から信号光出力への変換効率が増幅器１３８によって非常に高くなる。
【００８５】
結合器１４６は、第１ＥＤＦＡ１３８が短波長帯域、すなわちＳバンド内で増幅する信号１０４Ｂを結合器１２８に向かって通すように設定される。結合器１２８は長波長帯域１０６で増幅される信号１０４Ａ及び短波長帯域１０８で増幅される信号１０４Ｂを再合成して増幅済み光信号１０４’を再構成する。任意選択のフィルタ１４８、例えば利得平坦化フィルタ（ｇａｉｎ  ｆｌａｔｔｅｎｉｎｇ  ｆｉｌｔｅｒ：ＧＦＦ）を設けて増幅済み光信号１０４’を均一化することができる。
【００８６】
動作状態では、光信号１０４は装置１００に入力ファイバ１０２を通して入力し、そして励起信号１１６と一緒にセグメント１１８の第２ＥＤＦＡ１２２に同じ方向に（一緒に伝搬する態様で）送り込まれる。第２ＥＤＦＡ１２２は長波長帯域１０６の信号１０４の一部を増幅し、そして好適な実施形態では、短波長帯域１０８の信号１０４の一部を小さい増幅率で増幅することもできる。
【００８７】
結合器１２４は長波長帯域１０６で増幅された信号１０４を信号１０４Ａ及び１０４Ｂに分離し、これらの信号をそれぞれセクション１３０及び１３２の残りの、重複していない部分に送り込む。信号１０４Ａはセクション１３０ではこれ以上の増幅を受けない。それに対して、短波長帯域１０８に渡る信号１０４Ｂの一部は第１ＥＤＦＡ１３８により増幅される。
【００８８】
励起放射１１６のほとんどを第２ＥＤＦＡ１２２で使い切ることが好ましく、第１ＥＤＦＡ１３８の励起光源１４０の動作に障害となり得る残留励起放射１１６’の全てを結合器１３４により分離してしまう。同様に、結合器１３４及びアイソレータ１３６は、戻る方向に伝搬し、そして励起光源１１４の動作に干渉する全ての残留励起放射１１６’を阻止する。
【００８９】
遅延素子１２６によって、増幅済み信号１０４Ａ及び１０４Ｂが結合器１２８において適切な群遅延が生じる形で再合成されて信号１０４’となることが保証される。任意選択のフィルタ１４８は、信号１０４’の増幅レベルを全波長帯域に渡って、すなわち短波長帯域１０８及び長波長帯域１０６、またはこの場合にはＳバンド及びＣバンドに渡って調整する。
【００９０】
装置１００は非常に効率が良く、そして最小数の素子を使用して信号１０４を増幅する。ここでまた、短波長帯域１０８及び長波長帯域１０６は用途に応じて選択することができる。電気通信では、短波長帯域１０８は通常、少なくともＳバンドの一部を含むことになるが、他の短波長帯域も、第１ＥＤＦＡ１３８のパラメータを上述の手順に従って変更することによって含むことができる。電気通信用途では、長波長帯域１０６は通常、少なくともＣバンドまたはＬバンド、或いは両方の一部を含むことになる。勿論、長波長帯域１０６は、適切な増幅器１２２を選択する、または増幅器１２２を直列接続または並列接続の多くの増幅器に置き換えることによりどのような所望の長波長帯域もカバーすることができる。
【００９１】
装置１００のさらに別の利点は、その良好な雑音指数である。特に、装置１００の素子の構成により良好な雑音指数が実現する、というのは、入力信号が分布損失の無い、双方向励起ＥＤＦＡに直接入力するからである。一般的に、損失の前に必ず利得が生じる構成が雑音特性にとって最良である（利得の前に生じる損失は、雑音指数にその全てが加算される）。共有増幅器１２２を双方向励起することによっても利点が生じる。何故なら、これにより大きな反転分布の形成が可能になるからである。増幅器の反転分布の大きさが、全波長でのＡＳＥが最小になることによりほぼ１００％となるように共有増幅器１２２の長さを選択する場合にも利点が得られる。ほぼ完全な反転分布が形成される場合には、この増幅段は雑音指数に最小限の影響しか及ぼさない。標準のエルビウム添加ファイバを使用すると、この手法のみが小さいＳバンド利得（約５ｄＢ）を反転分布を犠牲にすることなく実現することができる。ファイバ長を最適長よりも長くすると、大きな反転分布が雑音指数を悪化させる方向に作用するとともにＳバンド利得を小さくしてしまう（しかしながらここで、Ｃバンド利得は暫らくの間は増大し続けることに注目されたい）。ファイバ長を最適長よりも更に長くすると、最終的にはＳバンド利得が小さくなり、そして遂にはＳバンドで正味の損失が生じる。この後者の状態（Ｓバンド損失）は、Ｃバンドで動作するように最適化されたＥＤＦＡがごく普通に置かれる状態である。
【００９２】
共有増幅器１２２を基本モードの遮断を有する従来のＥＤＦＡとすることによっても雑音指数が良くなる。このため、エルビウム吸収により（すなわち１００％未満の反転分布により）生じる分布損失以外のどのような分布損失も生じ難い。このように分布損失が無いと、雑音指数が更に良くなる。
【００９３】
装置１００の基本構成によって、低雑音の増幅済み信号が２つの分岐に分離される。この分離（及びそれに関連する損失）は初期の小さな増幅を経た後に生じるので、この分離の雑音指数に対する影響が、分離が初期の小さな増幅を経る前に生じるとした場合に観察される影響よりも小さい。また、Ｓバンド分岐のＳバンドＥＤＦＡ１３８に固有のどのような不十分な雑音指数でも、初期の小さな増幅により得られる良好な雑音指数及び利得により有効に低く抑えられる。
【００９４】
帯域分割増幅装置は多くの異なる方法で設計することができる。図７は別の帯域分割増幅装置１５０を示し、この装置は独立した第１セクション１５２及び第２セクション１５４を含み、そして一の共通励起光源１５６を使用する。本実施形態では、共通励起光源１５６も励起波長λｐ＝９８０ｎｍの励起放射１１６を放出するダイオードレーザである。さらに、装置１００の素子に対応する装置１５０の素子には同じ参照番号を付している。
【００９５】
光信号１０４は結合器１５８が受信する。結合器１５８は、信号１０４を短波長帯域１０８に渡る第１信号１６０及び長波長帯域１０６に渡る第２信号１６２に分離するように設定される。第１信号１６０は第１セクション１５２に属するファイバ１６４により結合器１６６に送り込まれる。結合器１６６はまた、励起放射１１６をレーザダイオード１５６から受信する。結合器１６６の出力は励起放射１１６及び第１信号１６０を合成し、そしてこれらを第１セクション１５２のファイバ増幅器１６８に送り込む。
【００９６】
ファイバ増幅器は信号１６０を増幅するように上述の手順に従って設計される。換言すれば、ファイバ増幅器１６８は短波長帯域１０８を増幅するように設計される。好適には、ファイバ増幅器１６８は第１ＥＤＦＡである。第１ＥＤＦＡ１６８の後段には結合器１７０が続き、この結合器は増幅済み信号１６０’を通過させて第１セクション１５２に属するファイバ１７２に送り込み、そして励起放射１１６を通過させて第２セクション１５４に属する結合器１７４に送り込むように設定される。
【００９７】
これに対して、第２信号１６２は、第２セクション１５４に属するファイバ１７６によって結合器１７４に送り込まれる。結合器１７４は、第１ＥＤＦＡによっては無くならない励起放射１１６を第２信号１６２と合成し、そしてこれらを、長波長帯域１０６を増幅するように設計されている増幅器１７８に送り込む。本実施形態では、増幅器１７８は第２ファイバ増幅器、特に第２ＥＤＦＡである。第２ＥＤＦＡ１７８は信号１６２を増幅して増幅済み信号１６２’を生成する。
【００９８】
合成器１８０は第１分岐１５２からの増幅済み信号１６０’と第２分岐１５４からの増幅済み信号１６２’を合成する。合成器１８０の後段にはアイソレータ１８２が続き、このアイソレータは再合成済み信号１０４’のみを通し、そして全ての残留励起放射１１６を取り除く。
【００９９】
装置１５０は、単一の共通励起光源１５６のみを利用するという利点を生かしているので、励起光源を非常に効率良く使用する。特に、Ｓバンドファイバ増幅器１６８は双方向励起構成において利用できる最大励起電力によって動作するので、最良のＳバンド増幅特性が可能になる最大反転分布の形成が可能になる。ＳバンドＥＤＦＡが非常に大きな反転分布Ｄの状態で動作すると、ＥＤＦＡはその固有の性能により、励起放射を効率の悪い形で吸収するので、多量の「無駄な」励起光が生じてしまう。装置１５０は、何も対策を施さなければ「無駄に」なってしまうこの励起光を利点の生じる形で利用して増幅器１７８を励起する。勿論、この技術分野の当業者であれば、装置１５０を再設計して２つの励起光源を使用する、そして／または双方向励起構成及び後方励起構成を組み込む。さらにファイバ増幅器は、必要に応じてアイソレータによって絶縁される幾つかのファイバ増幅器セクションを含むことができる。「中距離」絶縁を使用することにより雑音指数を改善す
ることができ、そして増幅器の正味利得も逆方向伝搬ＡＳＥを無くすことにより大きくすることができ、この場合の逆方向伝搬ＡＳＥは対策を講じなければ増幅器の電力を消費して反転分布を消滅させ、従って増幅器を飽和させてしまう。
【０１００】
図８は、Ｓバンドの信号２０４Ａを供給する信号源２０２Ａを使用する光通信システム２００を示している。信号源２０２Ａは、信号源２０２Ａ〜２０２Ｈのアレイに属するダイオードレーザである。さらに、通信システム２００は波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ：ＷＤＭ）または高密度ＷＤＭ（ｄｅｎｓｅ  ＷＤＭ：ＤＷＤＭ）、或いは低密度ＷＤＭ（ｃｏｕｒｓｅ  ＷＤＭ：ＣＷＤＭ）通信システムであり、このシステムでは、全ての８つの信号源２０２Ａ〜２０２Ｈは、Ｓバンド内の８つの異なる波長または８つの波長チャネルの信号２０４Ａ〜２０４Ｈを生成する。我々はここで、この例では丁度８チャネルを有するＷＤＭシステム２００が記載されているが、ＷＤＭシステムはこの技術分野では公知のように、２〜１，０００超の範囲であればどのような数のチャネルも使用することができることに注目する。信号源２０２Ａ〜２０２Ｈのアレイはレーザアレイ制御２１０により制御する。制御２１０は適切であればどのような電子メカニズム、または光励起メカニズムも含むことができ、これによってダイオードレーザ２０２Ａ〜２０２Ｈを駆動する。
【０１０１】
一組の光学系２０６Ａ〜２０６Ｈ、この例では一組のレンズを設けて信号２０４Ａ〜２０４ＨをＷＤＭマルチプレクサ２０８に集光し、そして結合させる。マルチプレクサ２０８は信号２０４Ａ〜２０４Ｈを合成し、そしてこれらの信号を公知のＷＤＭプロトコルに従って共通通信ファイバ２１２の第１スパン２１２Ａを通して送出する。通信ファイバ２１２のスパン２１２Ａは長距離、例えば数十キロメートルに亘って設けられる。好適には、通信ファイバ２１２は、Ｓバンドにおいて小さいが十分な量の分散を示して非線形効果が信号２０４Ａ〜２０４Ｈに影響しないファイバの中から選択される。例えば、ファイバ２１２は、Ｓバンドにおいて３〜１０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍで、かつ１ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以上の分散を有する。さらに、ファイバ２１２がＳバンドで低損失、例えば０．２〜０．３ｄＢ／ｋｍを示すという利点がある。
【０１０２】
ファイバ２１２はＷＤＭマルチプレクサ２０８とＷＤＭデマルチプレクサ２２８との間に延在する。スパン２１２Ａを過ぎると、ファイバ２１２は波長合成器２１６内でファイバ２１４に接続される。ファイバ２１４を使用して励起光源２２０から得られる励起放射２１８を、スパン２１２Ａの後段に設置されるＥＤＦＡ２２２に結合させる。励起光源２２０は、約９８０ｎｍの励起波長λｐの励起放射２１８を放出するレーザダイオードであり、この励起放射によりＥＤＦＡ２２２のコアのエルビウムイオンを励起して大きな相対反転分布Ｄを形成する。励起光源２２０は、適切であればどのような電子メカニズムまたは光励起メカニズムも含むことができる励起レーザ制御２２４により制御する。一組の光学系２２６、この場合は一のレンズを使用して励起放射２１８をファイバ２１４に結合させる。
【０１０３】
ＥＤＦＡ２２２はファイバ２１２の第２スパン２１２Ｂに接続される。さらにシステム２００は、多数のスパン及び多数のＥＤＦＡが、これらのスパンの間に所定間隔で設置される形でこれらのスパン及びＥＤＦＡを有することができる。本実施形態では、スパン２１２ＢはＷＤＭデマルチプレクサ２２８で終端する。ＷＤＭデマルチプレクサ２２８は信号２０４Ａ〜２０４Ｈを波長毎に分離し、そしてこれらの信号をそれぞれの受信機２３０Ａ〜２３０Ｈに光学系２３２Ａ〜２３２Ｈを援用して送り込む。本実施形態では、光学系２３２Ａ〜２３２Ｈはレンズである。受信機制御２３６は受信機２３０Ａ〜２３０Ｈと通信する。制御２３６は、全ての信号レベルを調整する調整機能、及び信号２０４Ａ〜２０４Ｈを検出し、そして処理するのに必要な信号処理機能を含む他の機能を含むことができる。
【０１０４】
図示の実施形態では、ＥＤＦＡ２２２は通信システム２００がインライン増幅器として採用している。特に、ＥＤＦＡ２２２は、Ｓバンドで十分な大きさの利得を実現して信号２０４Ａ〜２０４Ｈを増幅するように調整した長さＬを有する。例えば、長さＬは５〜５０メートルの範囲とすることができる。同時に、ＥＤＦＡ２２２は、低い雑音指数、例えば６ｄＢまたはそれよりも小さい雑音指数、かつ平坦な利得スペクトルを示すように調整する。この技術分野の当業者には理解できることであるが、適切な利得平坦化フィルタ（図示せず）を、例えばＥＤＦＡ２２２の中間で使用して、利得が平坦化されたスペクトルを保証することができる。
【０１０５】
別の構成として、ＥＤＦＡ２２２をパワーブースト増幅器として使用することができる。この構成を実現するために、励起光源２２０の電力を大きくしてＥＤＦＡ２２２の飽和電力を大きくする。同時に、他の設計変更及び最適化を行なうことができる。例えば、エルビウム添加濃度及び長さＬを大きくすることにより、励起放射２１８の吸収効率を雑音指数を犠牲にして上げる。また、ＥＤＦＡ２２２は、この構成において励起光を閉じ込めるクラッドを形成するように設計することができる。励起光を閉じ込めるクラッドを形成する手法はＣバンドＥＤＦＡ製造の分野で公知の技術である。励起光を閉じ込めるクラッドを形成するようにＥＤＦＡ２２２が設計されている場合、低コスト、高電力で、広い幅のストライプ状の９８０ｎｍダイオード励起レーザを励起光源２２０として使用する。ＳバンドＥＤＦＡは高電力用に最適化することもできるが、この最適化は、利得平坦化フィルタを無くす、利得平坦度を小さくする、またはＥＤＦＡ２２２が多数のセグメント（多段ＥＤＦＡ）から構成される実施形態において利得平坦化フィルタを前段側に移動させることにより行なう。この最適化によって、ＥＤＦＡ２２２全体の効率が上がるので飽和電力が大きくなる、というのは、この最適化によってＥＤＦＡ２２２の内部損失が小さくなるからである。通常、電力増幅器は深い飽和状態で、または時として単一チャネルで使用されるので、電力増幅器における利得平坦化はインライン増幅器におけるほど重要ではなくなる。
【０１０６】
システム２００はまた、ＥＤＦＡ２２２を信号２０４Ａ〜２０４Ｈのプリアンプとして使用することができる。この場合、長さＬを５０メートル、または１０メートルという値よりも短くし、そして雑音指数をファイバ設計パラメータ及び利得平坦化フィルタを組み合わせることにより注意深く制御する。プリアンプは通常、単一の信号チャネル用に、かつ小さい光電力レベルで使用するが、中程度の利得が得られるように使用する。従って利得平坦化は通常、必要ではなく、そして増幅器効率は重要ではない。プリアンプの重要な設計基準は雑音指数である。
【０１０７】
図９は別の通信システム２５０を示しており、このシステムでは、本発明による多数のＥＤＦＡ２５２Ａ〜２５２Ｈをプリアンプとして使用する。システム２５０は、通信ファイバ２６０を通して伝送する多数の信号２５６Ａ〜２５６Ｈを逆多重化するＷＤＭデマルチプレクサ２５４を備える。一組のレンズ２５８Ａ〜２５８Ｈは、ＷＤＭデマルチプレクサ２５４が逆多重化した信号２５６Ａ〜２５６Ｈを該当する受信機２６０Ａ〜２６０Ｈに集光するように配置される。前の実施形態における場合のように、受信機２６０Ａ〜２６０Ｈは受信機制御２６２により制御する。
【０１０８】
本実施形態では、ＥＤＦＡ２５２はＷＤＭデマルチプレクサ２５４を過ぎた位置に設置される。これは、ＥＤＦＡ２５２をプリアンプとして機能するように設計する場合にはＥＤＦＡ２５２にとっての好適な配置である。すなわち、この配置では、各ＥＤＦＡ２５２Ａ〜２５２Ｈは信号２５６Ａ〜２５６Ｈの内の一つのみを処理するので、各ＥＤＦＡを良好な形で調整することにより低雑音指数のプリアンプを実現することができる。
【０１０９】
図１０はさらに別の通信システム３００の一部を示しており、このシステムは本発明によるＳバンドＥＤＦＡ３０２Ａ及び３０２ＢをＳバンドの異なる部分または異なるサブバンドに対応する形で採用する。ＥＤＦＡ３０２Ａ，３０２Ｂは２つのスパン３０４Ａと３０４Ｂとの間に設置する。ＷＤＭデマルチプレクサまたはスプリッタ３０６、及びＷＤＭマルチプレクサまたは合成器３０８を使用してＳバンド波長の適切な部分を各ＥＤＦＡ３０２Ａ，３０２Ｂに送り込む。本実施形態では、ＥＤＦＡ３０２Ａは１４６０ｎｍ〜１４９０ｎｍの範囲の波長のサブバンドを増幅するように最適化し、そしてＥＤＦＡ３０２Ｂは１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍの範囲の波長のサブバンドを増幅するように最適化する。勿論、所望であれば、２つよりも多くのＥＤＦＡを使用してＳバンドのもっと短い部分を増幅することができる。通信システム３００は、Ｓバンドの更に広い波長範囲を全波長範囲として使用することができる。
【０１１０】
ここで、ＳバンドＥＤＦＡ３０２Ａ，３０２ＢをＣバンドＥＤＦＡ及び／又はＬバンドＥＤＦＡと組み合わせることができるが、この組合せが可能なのは、通信システム３００がこれらのバンドの幾つか、または全てに渡る信号を送信するように設計される場合である。通常、この技術分野の当業者であれば、ＳバンドＥＤＦＡをＣバンドＥＤＦＡまたはＬバンドＥＤＦＡと、そして／またはＳバンド内の２つ以上のサブバンドと組み合わせて、これらの組合せを通信システム３００内のどの位置でも使用することができ、そしてこれらの組合せの使用がインライン増幅器、プリアンプ及び電力増幅器としての使用に限定されないことは、理解できるものと考えられる。
【０１１１】
この技術分野の当業者であれば、上記実施形態が本発明の技術範囲から逸脱しない範囲において多くの態様で変更し得ることは明らかである。従って、本発明の技術範囲は次に示す請求項及びその公正な等価物によって定義される必要がある。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明によるディプレスト型屈折率分布ファイバ、及びその導波モード及び非導波モードを示す図。
【図２】図１のファイバの通常の屈折率分布を示すグラフ。
【図３】パラメータρの種々の値に対応する比ｓの関数としてのｘを示すグラフ。
【図４】本発明に従ってコア屈折率を適切に選択する様子を示すグラフであり、この屈折率の選択によりエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）において適切なロールオフ損失曲線が得られる図。
【図５】本発明に従った使用に適合させたＳバンドＥＤＦＡの等角投影図。
【図６】ＳバンドＥＤＦＡ及びＣバンドＥＤＦＡを備え、重複セグメントを有する帯域分割増幅装置を示す図。
【図７】重複しない第１及び第２セクションを有する帯域分割増幅装置を示す図。
【図８】光通信システムにおいてＥＤＦＡを使用する様子を示す図。
【図９】光通信システムの受信側のプリアンプとしてＥＤＦＡを使用する様子を示す図。
【図１０】ＥＤＦＡを用いてＳバンドのサブバンドを増幅する光通信システムの一部を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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