(57)【要約】【課題】非常に短い（例えば、ピコ秒）光パルスの源を含む、広帯域幅ラマンポンプ適用のためのスイープされた波長の源を提供する。【解決手段】源からのパルストレイン出力は、次に、線形分散素子（負の分散シフトファイバのセクションなど）に入力として加えられ、線形分散素子は、パルスの長さ全体で波長における連続的なシフトで、非常に短いパルスを「延伸する」機能を行い、パルスを時間において分離させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号増幅のためのスイープされた波長のラマンポンプ源であって、
規定された波長に中心合わせされた非常に短い光パルスを生成する光パルストレイン信号源と、
前記パルストレインに負の分散を加え、隣接するパルスを重なり合わせるのに十分な所定の長さに、前記非常に短い光パルスのパルス幅を延伸するために、前記光パルストレイン信号源の出力に結合された線形分散素子とを備えることを特徴とするポンプ源
【請求項２】
前記ポンプ源がさらに、所定のゲインレベルを作るために、前記線形分散素子の出力を整形するようにゲイン平坦化フィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載のポンプ源。
【請求項３】
前記線形分散素子が、所定の長さの負の分散シフトファイバのセクションを備え、前記負の分散シフトファイバのセクションの長さが、前記非常に短いパルスに導入された延伸量に正比例することを特徴とする請求項１に記載のポンプ源。
【請求項４】
前記線形分散素子が、縦続接続されたファイバブラッグ格子を備えることを特徴とする請求項１に記載のポンプ源。
【請求項５】
前記光パルストレイン信号源が、モードロックされてドープされたファイバ・レーザを備えることを特徴とする請求項１に記載のポンプ源。
【請求項６】
前記光パルストレイン信号源が、前記非常に短いパルス・トレインの中心波長を所定の波長領域に移動するために、高度な非線形性の分散シフト・ファイバのセクションをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のポンプ源。
【請求項７】
前記ポンプ源が、前記スイープされた波長の源の繰り返しレートを増加するために、前記線形分散素子の出力に結合された非平衡干渉計をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のポンプ源。
【請求項８】
前記非平衡干渉計が、前記干渉計の第１のアームに沿って配置された遅延素子を有するマッハツェンダー干渉計を備えることを特徴とする請求項１０に記載のポンプ源。
【請求項９】
前記遅延素子が、所望の量の遅延を導入するために十分な長さの単一モード・ファイバのセクションを備えることを特徴とする請求項１１に記載のポンプ源。
【請求項１０】
前記ポンプ源が、前記線形分散素子の出力を超えて配置された出力パワー増幅器をさらに備え、前記出力パワー増幅器が、ラマン増幅プロセスでの使用のために出力パワーを増大することを特徴とする請求項１に記載のポンプ源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅装置のためのラマンポンプ源に関し、より詳細には、広い帯域幅の適用に有用な、高い繰り返しレートのスイープ(sweep：掃引、走査）された波長のラマンポンプ源を提供することに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバベースの通信ネットワークは、信号増幅なしに数十キロメートルにわたるデータ伝送が可能である。１００キロメートルより長い距離にわたるデータ伝送は、信号を増幅する必要がある。現在、２つの最も一般的な光増幅器は、エルビウムでドープされたファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、およびラマン効果を用いる光ファイバ増幅器である。
【０００３】
光ネットワークで使用される光増幅器のタイプにかかわらず、ネットワークの信号容量は、増幅器のスペクトルゲイン幅、ならびに任意の関連するゲイン不均一性によって制限される。用いられるゲインスペクトル内のゲイン不均一性は、ネットワークチャンネルでの不均一なビットエラーレートを結果として生じる。したがって、波長分割多重化（ＷＤＭ）技術を用いる従来のネットワークは、±１．０ｄＢより小さいゲイン平坦性を必要とする。データの要求が増加すると、必要なデータレートが増加し、必要な波長チャネル数が増大する。ラマン増幅器のゲイン帯域幅は、本来制限されていないので、ラマン効果に基づく光増幅器は、近年、商業的な開発に焦点を当てられている。
【０００４】
ラマン増幅器がゲインを提供する波長は、そのポンプレーザの波長によって決定される。したがって、ポンプ波長を適切に選択することによって、ラマン増幅器は、光ファイバの透過範囲内の任意の波長チャネルに対して信号増幅を提供することができる。広帯域幅ラマン増幅器は、今日の高速通信システムのために重要になっている。広帯域幅を達成するために、複数のポンプ波長が通常使用される。しかしながら、広いポンプ帯域幅および高いポンプパワー（すなわち１Ｗ程度）の両方を提供するという競合する関心事は、多数の問題を引き起こす。例えば、ポンプ間相互作用(pump-pump interaction)は、短い波長ポンプを長い波長ポンプへエネルギーを移させ、短い波長ソースに対するパワーの必要な大きさを増加し、かつゲイン平坦化アルゴリズムにおける複雑性を引き起こす。さらに、ポンプ間相互作用は、増幅器のノイズ形状における「チルト」を引き起こし、いくつかのチャネルのノイズ値を増加する。ポンプ間の四光波混合（Pump-Pump Four Wave Mixing：ＦＷＭ）は、信号チャネル上に直接に存在する新たな周波数を作り出すことがあり、伝送されるデータストリームに不利益を引き起こす。
【０００５】
これらの問題は、比較的広い帯域幅の高パワーの単一のビームを出力する波長分割多重化されたポンプ源を使用することによって、これまで対処されてきた。２００２年９月２４日にＲ．Ｄ．Ｍｅａｄらに発行された米国特許第６，４５６，７５６号は、単一の外部共振器空洞内でともに多重化された１つ以上のマルチゲイン素子アレイを利用する、ラマンポンプ源の形成を開示する。コリメーティング素子および回折格子が、アレイと共振器空洞出力カプラとの間に挿入される。この組み合わせは、別の波長でレーザ発光するようにアレイ内で各エミッタを強制する。異なる中心波長のマルチアレイは、次に、広帯域幅の源を提供するようにともにパッケージングされることができる。
【特許文献１】米国特許第６，４５６，７５６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術構成に関連する問題は、ポンプ波長が時間においてもはや重なり合わないように、一時的にポンプ波長を分離することによって軽減されることができる。ラマンおよびＦＷＭは非常に速い（フェムト秒）プロセスであるため、波長が時間において重なり合わないなら、ポンプ間相互作用は発生できない。
【０００７】
そのようなポンプは、パルスポンプ源をともに時分割多重化することによって、または単一源の波長を連続的にスイープすることによって実現されることができる。ポンプの時間に依存する性質のために、そのようなラマン増幅器は、光データ信号がポンプの反対方向に伝播する逆ポンプ幾何構成で作動されなければならず、データ信号を、時間に応じて変動するゲインよりむしろ、平均化されたゲインを「観測する」ことを可能にする。信号を劣化させることなくスイープされた波長のポンピングを実行するために、ポンプ繰り返しレートは、１００ｋＨｚより大きくなければならないことが推定された。そのようなスイープレートは、逆伝播信号が一定の平均化されたゲインを観測することを確実にするのに十分に速い。
【０００８】
従来技術における残りの問題は、１００ｋＨｚより高いスイープ繰り返しレートを有し、一方広い帯域幅（例えば数十ｎｍ）にわたるスイープも有するポンプ源を作ることの困難さである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従来技術で残る必要性は、本発明によって対処され、本発明は、光増幅装置のためのラマンポンプ源に関し、より詳細には、広帯域幅適用に有用な高繰り返しレートのスイープされた波長のラマンポンプ源を提供することに関する。
【００１０】
本発明によれば、高繰り返しレートのスイープされた波長のラマンポンプ源は、「延伸された(stretched)」フェムト秒パルスの利用に基づく。フェムト秒パルスは、非常に短く、したがってパルスのスペクトルは、非常に広く、数十ｎｍから数百ｎｍである。レーザで生成されるので、フェムト秒パルスは、一般に限定された非常に近い帯域幅である。すなわち、フェムト秒パルスは、非常に小さく一時的でスペクトル的な位相を有する。したがって、パルスのスペクトルにおける全ての波長は、時間において重なり合って発生する。フェムト秒パルストレイン(pulse train)が、線形分散素子を通って伝播するなら、パルスがチャープ(charp)されるようになることが見出された。時間領域において、パルスが延伸され、分散が十分に強いなら、パルスは、パルスが時間において重なり合う点に延伸されることができる。結果として、分散は、波長を時間において分離させ、波長における連続シフトがパルスの長さ全体に起こり、スイープされた波長の源を作る。
【００１１】
本発明の一実施形態において、負の分散係数を示す分散補償ファイバが、線形分散素子として使用される。縦続接続されたファイバブラッグ格子などの他の素子も使用されることができる。さらに、ゲイン平坦化フィルタが、所望のゲインを生成するように延伸されたスペクトルを整形するために使用されることができ、必要であれば、増幅器が、ラマンポンピングに必要なレベルにパワーを増大するために使用されることができる。
【００１２】
本発明の他の実施形態および態様、ならびにさらなる実施形態および態様は、添付の図面を参照することによって、以下の議論の間で明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、パルスを「延伸し」、したがって本発明によるスイープされた波長のラマン源を作るために、非常に短いパルスに分散への計画された適用を示す一組のプロットを含む。図１（ａ）は、時間領域で示されたフェムト秒パルストレインを示す。これらは、非常に短いパルス（例えば２〜３ｆｓ程度）であるので、これらのパルスのスペクトルは、数十ｎｍから数百ｎｍの範囲で非常に広い。レーザで生成されたとき、これらのパルスは、一般に制限された非常に近い帯域幅である。すなわち、非常に短いパルスは、非常に小さく一時的でスペクトル的な位相を示す。したがって、パルスのスペクトルにおける全ての波長は、図１（ｂ）に示されるように時間において重なり合って発生する。
【００１４】
本発明の教示によれば、パルストレインが、線形分散素子を通って伝播するなら、パルスはチャープされるようになる。すなわち、パルスは時間の領域において延伸され、分散が十分に強いなら、パルスは、図１（ｃ）に示されるように、パルスが時間において重なり合う点に延伸されることができる。この場合、分散は、波長を時間において分離されるようにし、波長における連続シフトが、図１（ｄ）に示されるようにパルスの長さ全体で発生する。そのような分散されたパルストレインは、次に、本発明によるスイープされた波長のラマン源として使用される。
【００１５】
延伸された非常に短いパルスに基づく本発明のスイープされた波長のラマン源は、従来技術のマルチ源装置に対して多数の利点を示す。特に、スイープされた繰り返しレートは、パルス繰り返しレートに応じるので、受動的にモードロックされたレーザは、数ＧＨｚまでの数ＭＨｚ程度での非常に高いスイープレートを生成するために使用されることができる。受動的にモードロックされたレーザを使用することによって、スイープレートを生成するための能動的な電子装置は必要ない。さらに、スイープ帯域幅は、パルス帯域幅に応じ、したがって、また非常に高いことができる。所望の帯域幅は、さらに、連続部分生成などの非線形プロセスの使用によって増大されることができる。以下に記載されるように、ファイバレーザおよび分散ファイバデバイスは、全てのファイバスイープされた波長の源を作るために使用されることができる。
【００１６】
図２は、特定の負の分散シフトファイバが使用される７００ｍの分散補償ファイバを通って伝播した後の、「延伸された」フェムト秒パルスのグラフを含み、ソリトンの生成を妨げるために必要であると見なされる。正分散のスイープされた波長の源は、正分散の伝送スパンでさらに延伸する傾向があり、スイープ波長の一時的な重なり合いを引き起こすので、スイープされた波長の源における負の分散も必要である。１５５０ｎｍに中心合わせされた２００ｆｓのパルスが、ファイバに注入され、図２に示されるようなプロファイルを結果として生じる。パルス幅は、１０４倍のパルス幅の増大で、２００ｆｓから数ｎｓに広げられる（延伸される）ことに留意されたい。非常に大きく広げることにもかかわらず、ファイバに沿った線形伝播の性質のために、明らかな一時的なプロファイルを維持する。負の分散シフトファイバを通る伝播の後の波長に応じた、パルススペクトルおよび群遅延が、図３に示される。パルス帯域幅全体にわたって、スペクトルは、波長に応じてほとんど線形の群遅延を示す。この特定の例は、比較的長い負の分散ファイバのセクション（７００ｍ）を用いるが、より適切な長さのファイバは、ナノ秒（またはより長い）程度の群遅延を導入し、著しくパルスを延伸することを導くことが見出された。
【００１７】
本発明の例示的なスイープされた波長のラマン源１０は、図４に示される。図５に関連して以下に詳細に議論されるパルストレイン源１２は、（従来のファイバ増幅器の目的のために、１５５０ｎｍの波長が一般に使用される）所望の中心波長を有するフェムト秒パルストレインを生成するために使用される。生成されたパルストレインは、次に、上述のように、負の分散の規定された量をパルストレインに課すように使用される線形分散素子１４への入力として加えられる。一実施形態において、分散シフトファイバのセクション（上述されるように）が、使用されることができる。代わりに、縦続接続されたファイバブラッグ格子装置が、必要な分散をパルストレインに提供するために使用されることができる。ゲイン平坦化フィルタ１５は、次に、所望のゲインを生成するために分散スペクトルを整形するために使用される。出力増幅器１６は、光パワーをラマンポンピングに必要なレベルに増大するように（必ずしも必要ではないが）使用されることができる。
【００１８】
図５は、モードロックされたＥｒレーザを使用する、パルストレイン源１２の一例を示す。実際に、スイープされた波長のラマンポンプとして、延伸されたフェムト秒パルスを示す１つの実際の困難さは、所望の波長の生成である。ほとんどの通信適用において、ポンプは、１４２０ｎｍから１４９０ｎｍの範囲内のどこかになければならない。そのようなポンプのための可能性のある源は、非線形光学部品で波長がシフトされた、ツリウム(thulium)がドープされたレーザ、モードロックされた半導体レーザ、およびエルビウムがドープされたレーザを含む。図５を参照すると、９８０ｎｍの従来のポンプ源２０が使用され、出力は、次に、モードロッキングを提供するようにエルビウムがドープされたファイバ２２のリングに放出される。第１のカプラ２４は、源２０からの出力をファイバリング２２に結合するために使用され、第２のカプラ２５は、モードロックされたパルストレインを波長シフト素子２６に結合するために使用される。本発明の源の形成に有用な一つの例示的な波長シフト素子は、分散シフトされたファイバの高度な非線形セクションを含む。生成されたパルストレインに関する繰り返しレートは、３３ＭＨｚ程度である。図５に示されるように、偏光アイソレータ２８は、反射を、リング２２を通る逆方向の伝播から防ぐために使用される。好ましい実施形態において、カプラ２４および２５が、源の十分な性能を提供するために、リング２２内の多くの信号エネルギー（例えば９０％）を維持する。
【００１９】
図６は、図５に示されるような装置の性能を示す一対のグラフを含み、曲線Ａは、ポンプ源２０の出力に関連し、曲線Ｂは、波長シフト素子２６を通過した後の信号スペクトルである。図６の曲線Ｂに示されるように、本発明の源は、ラマンポンピングに関する対象範囲である１４２０ｎｍから１４９０ｎｍの間の波長範囲のスペクトル成分の生成に有用である。
【００２０】
図５に示されるような例示的なＥｒベースのモードロックされたパルストレイン源１２は、図７に示されるような装置で使用されることができる。示されるように、波長シフト素子２６からの出力連続部分は、アイソレータ３０を通過し、本発明のスイープされた波長のラマン源における線形分散素子として使用される、負の分散ファイバ３２のセクションへの入力として加えられる。図７に示される特定の装置において、４．３ｋｍ長さの負の分散ファイバ３２が使用された。前述のように、負の分散素子の存在は、パルストレイン源１２によって生成される非常に短いパルスを「延伸する」ように作用する。図７に示される装置において、高パワーの１３９２ｎｍレーザ３４が、逆伝播方向に、カプラ３６を使用して負の分散ファイバ３２に結合される。増幅された出力信号は、次に、装置のパルスを延伸する性能を評価するために、時間領域およびスペクトル領域の両方で特徴付けられる。１００ｍＷまで高いパワーレベルが、ファイバ３２の出力で検出される。
【００２１】
図８は、波長シフト素子の出力に現れ、その後、負の分散ファイバ３２に対する入力として加えられる連続部分スペクトルを示すグラフを含む。上述のように、ラマンポンピングの目的のために、１４２０ｎｍから１４９０ｎｍの間の波長領域が対象であり、１５１８ｎｍでのスパイク（残りのソリトンスパイク）を無視することができる。ファイバ３２の出力に現れる増幅されたスペクトルが、図９に示される。示されるように、スペクトルの主要な部分は増幅され、残るソリトンスパイクを有効に抑制する。
【００２２】
図１０は、入力（延伸されていない）パルストレインと、（それぞれ異なる増幅レベルに関連付けられた）２つの異なる延伸されたパルストレインとの比較を示す。図１０における曲線（１）は、ファイバ３２の入力で現れて延伸されていないパルストレインを示す。パルストレインは、この点で延伸されていないので、検出されたパルストレインは、本質的に、この信号（図示せず）を検出するために使用される素子のインパルス応答である。各パルスは、２〜３ナノ秒程度の幅を示すものとして示される。図１０における曲線（２）は、３ｄＢｍの増幅レベルに関して、ファイバ３２の出力に現れる第１の延伸されたパルストレインを示す。曲線（３）は、８ｄＢｍの増幅レベルに関連付けられた第２の延伸されたパルストレインを示す。各場合において、パルスは、数ナノ秒（数十ナノ秒程度で）に延伸される。示されるように、増幅レベルは、パルスの形状をあまり変更せず、負の分散ファイバにおける本発明の延伸する機能が本質的に線形であることを示す。
【００２３】
図１１は、本発明の線形分散素子の出力に現れる一対の例示的な延伸されたパルストレインを示し、この場合、２つの異なる長さの線形分散素子としての負の分散ファイバの使用を示す。図１１の曲線Ａは、４．３ｋｍ長さの負の分散ファイバ（図７に関して前述された例である）に関するものであり、図１１の曲線Ｂは、８．６ｋｍ長さの負の分散ファイバ（曲線Ａに関するものの２倍の長さ）に関連するものである。示されるように、ファイバ長さにおける差は、パルスに対して異なる「延伸」を与える結果になる。
【００２４】
本発明のスイープされた波長の源の繰り返しレートは、生成レーザ源（生成レーザ源１００など）に関連する繰り返しレートより、任意に増加されることができる。特に、図１２に示されるような非平衡のマッハツェンダー干渉計４０は、繰り返しレートを増大するために使用されることができ、干渉計４０の第１のアーム４２が、遅延素子４４（単一のモードファイバの追加の長さなどの）を含むように形成され、干渉計４０は、線形分散素子の出力の信号経路に挿入される。遅延素子４４は、パルストレイン源１２の繰り返しレートの半分だけ遅延するために使用され、パルストレインの繰り返しレートを有効に二倍にする。したがって、パルスは、図１３で示されるように、パルスが時間において重なり合う点に延伸されることができる。特に、図１３は、８ｋｍの負の分散ファイバの出力での延伸されたパルストレイン（曲線１）を示し、ならびに例示的な非平衡干渉計の出力での延伸されたパルストレイン（曲線２）を示す。
【００２５】
当業者には理解されるように、本発明は、本発明の精神または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実現されることができる。したがって、本明細書の開示および記載は、添付の請求項に示される本発明の範囲を例示するだけであり、限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明によるスイープされた波長のラマン源を作るための非常に短いパルスに対する分散の計画された適用を示す一組のプロットを含む図である。
【図２】本発明による「延伸された」パルスの一時的なプロファイルのグラフである。
【図３】分散補償（延伸）ファイバを通ってフェムト秒パルスが伝播した後の、スペクトルおよび群遅延を示すグラフである。
【図４】本発明によるスイープされた波長信号を生成する例示的なラマン源を、ブロック図の形態で示す図である。
【図５】必要なフェムト秒パルスを生成するために使用されることができるモードロックされたエルビウムレーザの実験構成を示す図である。
【図６】モードロックされたＥｒレーザのスペクトル、およびそれらに関連する生成された連続部分のグラフを含む図である。
【図７】本発明によって形成された、延伸されたパルス源の実験構成を示す図である。
【図８】図７の構成に放出される連続部分スペクトルを示すグラフである。
【図９】この装置に関連する増幅されたスペクトルを示す図である。
【図１０】「延伸される」前のフェムト秒パルストレイン（曲線Ａ）、第１の増幅レベルでの第１の延伸されたパルストレイン（曲線Ｂ）、および第２の増幅レベルでの第２の延伸されたパルストレイン（曲線Ｃ）を示すグラフである。
【図１１】本発明の線形分散素子の出力に現れる一対の例示的な延伸されたパルストレインを示す図である。
【図１２】繰り返しレートを増大するために使用する非平衡のマッハツェンダー干渉計を示す図である。
【図１３】図１２の非平衡のマッハツェンダー干渉計における延伸されたパルストレインを示す図である。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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