(57)【要約】【課題】ラマン増幅器用ポンピング光源を使用せずに高い利得特性、低い雑音指数を有するラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器を提供する。【解決手段】ラマン利得特性を有する光ファイバ２０１と、入力端及び出力端に形成された互いに非対称のDBR格子を利用したレーザー発振で光ファイバにポンピング光を供給し、光ファイバによってラマン増幅された信号光を増幅する利得固定半導体光増幅器２０２と、を備えたことを特徴とする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンピング光により励起される単一モード光ファイバと、前記単一モード光ファイバの出力端に接続され、前記ポンピング光を提供する半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器の出力端に接続された光アイソレーターと、からなり、
前記単一モード光ファイバが前記ポンピング光の波長から１００nm程度長波長の方に利得を提供して、該利得に相当する波長を有した入力信号光を増幅することを特徴とする利得固定半導体光増幅器。
【請求項２】
ラマン利得特性を有する光ファイバと、
入力端及び出力端に形成された互いに非対称のDBR（Distributed Bragg Reflector）格子を利用したレーザー発振で前記光ファイバにポンピング光を供給し、前記光ファイバによってラマン増幅された信号光を増幅する利得固定半導体光増幅器と、を備えたことを特徴とするラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器。
【請求項３】
利得固定半導体光増幅器における入力端及び出力端に形成された互いに非対称のDBR格子は、レーザーの前記入力端での光出力が前記出力端での光出力に対し少なくとも１０倍のパワー（power）比を有するように形成される請求項２記載のラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器。
【請求項４】
レーザーの入力端での光出力パワーが１００mW以上である請求項３記載のラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器。
【請求項５】
光ファイバに供給されるポンピング光は、増幅対象の信号光の波長帯域より少なくとも７０nm以上短い波長帯域を有する請求項２記載のラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器。
【請求項６】
光ファイバは、ラマン利得を得ることができる光ファイバである請求項２記載のラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器。
【請求項７】
光ファイバは、単一モード光ファイバである請求項６記載のラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器。
【請求項８】
入力端及び出力端に互いに非対称の格子構造を持ち、ラマン利得特性を有する光ファイバと、
DBR（Distributed Bragg Reflector）格子を利用したレーザー発振で前記光ファイバによってラマン増幅された信号光を増幅する利得固定半導体光増幅器と、を備えたことを特徴とするラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器。
【請求項９】
光ファイバにおける入力端及び出力端の互いに非対称の格子は、前記入力端での光出力が前記出力端での光出力に対し少なくとも１０倍のパワー（power）比を有するように形成される請求項８記載のラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器。
【請求項１０】
光ファイバにおける入力端の光出力パワーが１００mW以上である請求項９記載のラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器。
【請求項１１】
光ファイバのポンピング光は、増幅対象の信号光の波長帯域より７０nm以上短い波長帯域を有する請求項８記載のラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器。
【請求項１２】
光ファイバは、ラマン利得を得ることができる光ファイバである請求項８記載のラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器。
【請求項１３】
入力端及び出力端の格子構造によりポンピング光を自己発生する単一モード光ファイバと、
前記単一モード光ファイバの出力端に接続された半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器の出力端に接続された光アイソレーターと、からなり、
前記単一モード光ファイバが前記ポンピング光の波長から１００nm程度長波長の方に利得を提供して、該利得に相当する波長を有した入力信号光を増幅することを特徴とする利得固定半導体光増幅器。
【請求項１４】
（ａ）ポンピング光により励起されて該ポンピング光の波長よりも長波長の方にずれた利得を提供する光ファイバで信号光の増幅を行う過程と、
（ｂ）前記光ファイバにより増幅された信号光を利得固定半導体光増幅器で増幅すると共に該利得固定半導体光増幅器で前記ポンピング光を発生する過程と、
（ｃ）前記利得固定半導体光増幅器に逆流する光を光アイソレーターで遮る過程と、を含み、
前記光ファイバの利得に相当する波長を有した信号光を増幅することを特徴とする光増幅方法。
【請求項１５】
（ａ）入力端及び出力端に形成した格子構造によりポンピング光を自己発生し、該ポンピング光の波長よりも長波長の方にずれた利得を提供する光ファイバで信号光の増幅を行う過程と、
（ｂ）前記光ファイバにより増幅された信号光を利得固定半導体光増幅器で増幅する過程と、
（ｃ）前記利得固定半導体光増幅器に逆流する光を光アイソレーターで遮る過程と、を含み、
前記光ファイバの利得に相当する波長を有した信号光を増幅することを特徴とする光増幅方法。
【請求項１６】
（ａ）過程における光ファイバのポンピング光は、増幅対象の信号光の波長帯域より７０nm以上短い波長帯域を有する請求項１４又は請求項１５記載の光増幅方法。
【請求項１７】
（ａ）過程における利得は、ポンピング光による誘導ラマン散乱（Raman scattering）から得られる請求項１４又は請求項１５記載の光増幅方法。
【請求項１８】
（ｂ）過程の利得固定半導体光増幅器は、入力端と出力端で互いに非対称のDBR格子構造を有する請求項１４記載の光増幅方法。
【請求項１９】
DBR格子は、利得固定半導体光増幅器の入力端における光出力が出力端における光出力に対し、少なくとも１０倍のパワー（power）比を有するように形成される請求項１８記載の光増幅方法。
【請求項２０】
（ａ）過程の光ファイバは単一モードの光ファイバである請求項１４又は請求項１５記載の光増幅方法。
【請求項２１】
（ａ）過程における光ファイバの格子構造は、ラマン利得特性を得ることができるように入力端と出力端に互いに非対称で形成される請求項１５記載の光増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光増幅器に関し、特に、ラマン増幅器と半導体光増幅器が結合された形態の光増幅器としてラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に光通信システムにおいて、送信機から送り出された信号光は光送信路を通じて送信される時に送信損失が発生し、受信機に到逹する時にはパワーが小くなるようになる。受信機に到逹した信号光のパワーが所定値以下ならば、受信エラーによって正常に光通信を行うことができない場合が生ずることがある。したがって、送信機と受信機との間に光増幅器を設置して信号光を増幅することにより、信号光が光送信路を通じて送信される時に生じた送信損失を補償し、より長距離をエラーを軽減して送ることができる。
【０００３】
このような光増幅器にはEDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）、ラマン増幅器（Raman Amplifier）、半導体光増幅器（SOA）がある。
【０００４】
EDFAは希土類元素（例えばEr）が添加された増幅用光ファイバを利用したものであり、高い利得特性と低い雑音指数（Noise Figure；NF）、大きい飽和出力パワー（saturation output power）特性を有していて、基幹網やメトロ（metro）網に幅広く使われて来た。しかし、価格が高くて動作波長が１．５μm帯域に制限される問題点がある。
【０００５】
半導体光増幅器（SOA）は半導体の利得特性を利用したものであり、半導体バンド−ギャップ（band−gap）によって増幅帯域を調節することができる。半導体光増幅器は数mm以内の小型であり、特に、高価のポンピング光源を要しないという長所がある。また、図１に図示された従来の利得固定半導体光増幅器（Gain Clamped−Semiconductor Optical Amplifier；GC−SOA）の利得特性で分かるように、利得特性及び飽和出力パワー特性が優秀である。しかし、利得固定半導体光増幅器は図２に図示されたように雑音指数が非常に高くて（~８dB）、メトロ（metro）やアクセス（access）領域で適用に限界がある。
【０００６】
ラマン増幅器（Raman amplifier）は光ファイバ内でのラマン増幅を利用した光増幅器である。ラマン増幅は光ファイバに強い光であるポンピング光（pumping light）を入射した時、誘導ラマン散乱（Raman scattering）によってポンピング光波長から約１００nm程度長波長の方に利得（gain）が現われて、この励起された状態の光ファイバに前記利得を有した波長帯域の信号光を入射すればその信号光が増幅される、いわゆるラマン増幅現象を利用した光信号の増幅方法である。ラマン増幅器はラマン増幅用ポンピング光の波長を適切に設定することにより、増幅帯域も比較的自由に調節することができるし、雑音指数が低い特徴を有している。一方、光増幅効率が非常に低く、高価のポンピング光源を要するので光増幅器モジュール全体が大きくなって、コストを上昇させる問題点がある。
【０００７】
最近、このような光増幅器の短所を補うために半導体光増幅器とラマン増幅器を結合する技術が提案されている。
【０００８】
図３は従来半導体光増幅器（SOA）とラマン光増幅器が結合された光増幅器の構成例を示した図である。
【０００９】
光増幅器１００は、光アイソレーター１１１、単一モード光ファイバ（Single Mode Fiber；SMF）１１２、波長分割多重（WDM）化カプラ１１３、及びポンプレーザーダイオード１１４を具備したラマン増幅部１１０と、半導体光増幅器１２１及び第２光アイソレーター１２２を具備した半導体光増幅部１２０と、から構成される。
【００１０】
当該光増幅器の動作原理を説明すれば次のようである。先ず、レーザーダイオード１１４によって１４７０nmであるポンピング光が波長分割多重化カプラ１１３を通じて逆方向に注入されれば、入力端に入って来る１５６０nm波長帯域の光信号は、単一モード光ファイバ１１２内での誘導ラマン散乱（Raman scattering）現象によって増幅される。逆方向ポンピングラマン光増幅器によって増幅された光信号は、半導体光増幅器１２１に入射されて充分に増幅された後、第２光アイソレーター１２２を通じて出力される。このように半導体光増幅部１２０の前段に位置したラマン増幅部１１０によってラマン利得を経た信号は、その利得程度の半導体光増幅器１２１の雑音指数を低めることができるようになる。
【００１１】
しかし、従来のラマン増幅器と半導体光増幅器が結合された光増幅器は、単一ラマン光増幅器と同様に高出力ポンプレーザーダイオードを使わなければならないので、光増幅器を小さくしたり、低価格化することが難しい。また二つの能動素子を駆動することによって消費電力も多くなる短所がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記背景に鑑みて、本発明の目的は、ラマン増幅器用ポンピング光源を使用せずに高い利得特性、低い雑音指数を有するラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような目的を達成するために、本発明によれば、ポンピング光により励起される単一モード光ファイバと、該単一モード光ファイバの出力端に接続されて前記ポンピング光を提供する半導体光増幅器と、該半導体光増幅器の出力端に接続された光アイソレーターと、からなり、単一モード光ファイバがポンピング光の波長から１００nm程度長波長の方に利得を提供して、該利得に相当する波長を有した入力信号光を増幅することを特徴とする利得固定半導体光増幅器を提供する。
【００１４】
あるいは、本発明によれば、ラマン利得特性を有する光ファイバと、入力端及び出力端に形成された互いに非対称のDBR（Distributed Bragg Reflector）格子を利用したレーザー発振で前記光ファイバにポンピング光を供給し、前記光ファイバによってラマン増幅された信号光を増幅する利得固定半導体光増幅器と、を備えたことを特徴とするラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器を提供する。
【００１５】
この利得固定半導体光増幅器における入力端及び出力端に形成された互いに非対称のDBR格子は、入力端での光出力が出力端での光出力に対し少なくとも１０倍のパワー（power）比を有するように形成するのが好ましい。レーザーの入力端での光出力パワーは１００mW以上あるのがよい。光ファイバに供給されるポンピング光は、増幅対象の信号光の波長帯域より少なくとも７０nm以上短い波長帯域を有するようにする。このような光ファイバは単一モード光ファイバとすることが可能である。
【００１６】
本発明によれば、さらに、入力端及び出力端に互いに非対称の格子構造を持ち、ラマン利得特性を有する光ファイバと、DBR格子を利用したレーザー発振で前記光ファイバによってラマン増幅された信号光を増幅する利得固定半導体光増幅器と、を備えたことを特徴とするラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器を提供する。
【００１７】
この場合の光ファイバにおける入力端及び出力端の互いに非対称の格子は、入力端での光出力が出力端での光出力に対し少なくとも１０倍のパワー比を有するように形成すると好ましい。また特に、光ファイバにおける入力端の光出力パワーが１００mW以上あるようにするのがよい。このような光ファイバのポンピング光は、増幅対象の信号光の波長帯域より７０nm以上短い波長帯域を有するものとする。
【００１８】
本発明によれば、この他に、入力端及び出力端の格子構造によりポンピング光を自己発生する単一モード光ファイバと、該単一モード光ファイバの出力端に接続された半導体光増幅器と、該半導体光増幅器の出力端に接続された光アイソレーターと、からなり、その単一モード光ファイバがポンピング光の波長から１００nm程度長波長の方に利得を提供して、該利得に相当する波長を有した入力信号光を増幅することを特徴とする利得固定半導体光増幅器を提供する。
【００１９】
さらに本発明によれば、光増幅方法として、（ａ）ポンピング光により励起されて該ポンピング光の波長よりも長波長の方にずれた利得を提供する光ファイバで信号光の増幅を行う過程と、（ｂ）前記光ファイバにより増幅された信号光を利得固定半導体光増幅器で増幅すると共に該利得固定半導体光増幅器で前記ポンピング光を発生する過程と、（ｃ）前記利得固定半導体光増幅器に逆流する光を光アイソレーターで遮る過程と、を含み、光ファイバの利得に相当する波長を有した信号光を増幅することを特徴とする光増幅方法を提案する。あるいは、（ａ’）入力端及び出力端に形成した格子構造によりポンピング光を自己発生し、該ポンピング光の波長よりも長波長の方にずれた利得を提供する光ファイバで信号光の増幅を行う過程と、（ｂ’）前記光ファイバにより増幅された信号光を利得固定半導体光増幅器で増幅する過程と、（ｃ’）前記利得固定半導体光増幅器に逆流する光を光アイソレーターで遮る逆流防止過程と、を含み、光ファイバの利得に相当する波長を有した信号光を増幅することを特徴とする光増幅方法を提案する。
【００２０】
（ａ）及び（ａ’）過程における光ファイバのポンピング光は、増幅対象の信号光の波長帯域より７０nm以上短い波長帯域を有するものとすることができ、その利得は、ポンピング光による誘導ラマン散乱（Raman scattering）から得られる。また、（ｂ）過程の利得固定半導体光増幅器は、入力端と出力端で互いに非対称のDBR格子構造を有するものとする。そのDBR格子は、利得固定半導体光増幅器の入力端における光出力が出力端における光出力に対し、少なくとも１０倍のパワー比を有するように形成されるのがよい。さらに、（ａ）及び（ａ’）過程の光ファイバは単一モードの光ファイバとすることができる。また、（ａ’）過程における光ファイバの格子構造は、ラマン利得特性を得ることができるように入力端と出力端に互いに非対称で形成されるものとする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の光増幅器は、ラマン増幅のための高価のポンピング用のレーザーダイオードを使わないで、利得固定半導体光増幅器のDBR格子構造または光ファイバの格子構造を変更することにより、既存の利得固定半導体光増幅器にラマン増幅原理を付け加えて適用することができる。したがって、ラマン増幅器と半導体光増幅器が結合された光増幅器モジュールが有する長所である高い利得、低い雑音指数特性を有しながら、既存の光増幅器モジュールに比べてサイズ及びコストを大きく減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記説明において、本発明の要旨のみを明瞭するために公知の機能又は構成に対する詳細な説明は省略する。なお、図面中、同一な構成要素及び部分には、可能な限り同一な符号及び番号を共通使用するものとする。
【００２３】
図４は本発明によるラマン増幅原理を利用した利得固定半導体光増幅器の構成を示した図面である。光増幅器２００は、単一モード光ファイバ２０１と、半導体光増幅器２０２と、光アイソレーター２０３と、を備えている。
【００２４】
単一モード光ファイバ２０１は、ポンピング光が供給される場合、誘導ラマン散乱によってポンピング光波長から約１００nm程度長波長の方に利得が現われて、該利得を有した波長帯域の入力信号光を増幅する役目を持つ。
【００２５】
図５は７０kmの単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）に対するラマン利得特性を示したものであり、単一モード光ファイバに供給されるポンピングパワーによる利得、ポンピング波長による利得スペクトル関係が分かる。これを利用して、利得固定半導体光増幅器（GC−SOA）が低い雑音指数及び利得平坦化（flatness）特性を有するように、利得固定波長（gain clamping wavelength）及びパワー（power）値を求めることができる。図５で示す結果は本発明を説明するための一例であり光ファイバの種類や長さを限定するものではない。
【００２６】
利得固定半導体光増幅器２０２は、一般的な利得固定半導体光増幅器と同様の構造を有して、DBR（Distributed Bragg Reflector）格子を利用したレーザー発振で共振器内のキャリア密度を固定させることにより、駆動電流が増加しても光利得を一定に維持する。
【００２７】
図６は一般的な半導体光増幅器の構造を概略的に示したものであり、本発明の理解を助けるために簡単に説明すれば次のようである。
【００２８】
図６で、半導体光増幅器２０２は、n−InP基板３０１、InGaAsPパッシブ導波管層３０２、InPスペーサー３０３、DBR格子パターン３０４、活性層導波管３０５、電流遮断層３０６、p−InPバッファー層３０７、オーミック接触抵抗を減らすためのp−InGaAsP層３０８、酸化物層３０９、上部電極３１０、下部電極３１１を含んで構成される。
【００２９】
本発明はDBR格子パターンに特徴があるものであり、本実施例におけるDBR格子パターン３０４は図７に図示されたように、半導体光増幅器の入力（input）端と出力（output）端とで非対称の（反射率非対称）構造を有する。この場合、図８の（ａ）及び（ｂ）に図示されたように、光増幅器で入力部分として使用する端面での利得固定用レーザー波長のパワーに対し、出力部分として使用する端面でのパワーが、少なくとも１０：１のパワー（power）比を有するようにする。ここで、入力端面と出力端面でのレーザー波長の出力パワーは非対称的に形成された格子の数、周期、長さなどを変化させながら調節することができる。図７は本発明による半導体光増幅器内のDBR格子構造の例を示したものであり、図８は図７のDBR格子構造による自然放出光及びブラッグピーク（Bragg peak）のパワー比を示したもので、（ａ）は入力端、（ｂ）は出力端でのレーザー波長に対するパワーを示している。
【００３０】
また、本発明ではDBR格子のブラッグ波長を、目的とするラマン利得スペクトルピークよりも８０ないし１００nmほど短波長に位置するようにする。これは光ファイバのラマン利得特性を利用したものであり、ラマン増幅の場合ポンピング光波長から約１００nm程度長波長の方に利得が現われるからである。
【００３１】
再び図４を参照すれば、光アイソレーター２０３は、信号出力コネクターのような光素子から反射して半導体光増幅器２０２に再入射される自然放出光（ASE）と増幅された信号光による増幅器の増幅効率低下を防止する。
【００３２】
図９は本発明による光増幅器の利得スペクトル特性を説明するための図面である。図９で、Aは利得固定半導体光増幅器の利得特性を、Bは利得固定用レーザー波長によって形成されるラマン利得特性を、Cは本発明による利得固定半導体光増幅器でブラッグ波長を調節した場合の利得特性を示したものである。図９に具体的な数値を記入しなかったが、C−バンドで利得平坦度（gain flatness）は０．５dBより小さな結果を示す。また、DBRレーザーの入力端でのパワーは１００mWより大きくて、単一モード光ファイバの場合０．０２dB／mWの効率でラマン利得を得ることができるし、ラマン利得程度に雑音指数を減らすことができる。すなわち、ラマン増幅器の場合雑音指数が利得値に反比例して減るから前段でラマン増幅を経た後、半導体光増幅器に入力される信号光の雑音指数はその程度減るようになる。
【００３３】
上記の例の他、本発明の光増幅器は、単一モード光ファイバの入力端と出力端に、互いに非対称構造を有する格子パターンを形成することにより、ポンピング光を自己発生する仕組みとすることもできる。この場合も、上記のような非対称的に形成されるDBR格子パターンと同様に単一モード光ファイバの入力パワーに対する出力パワーが少なくとも１０：１のパワー（power）比を有するように、入力（input）端と出力（output）端が非対称である格子構造を有する。同様に、光出力の非対称性及びブラッグ波長は非対称的に形成された格子の数、周期、長さなどを変化させながら調節することができる。このときの半導体増幅器におけるDBR格子構造は不要である。
【００３４】
また、単一モード光ファイバ格子のブラッグ波長を、目的とするラマン利得スペクトルピークより８０ないし１００nm程度の短波長に位置するようにする。これは光ファイバのラマン利得特性を利用したものであり、ラマン増幅の場合ポンピング光波長から約１００nm程度長波長の方に利得（gain）が現われるからである。
【００３５】
以上、本発明の詳細について具体的な実施形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。従って、本発明の範囲は、上記実施形態に限るものでなく、特許請求の範囲のみならず、その範囲と均等なものにより定められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来の利得固定半導体光増幅器（GC−SOA）の利得特性を示した図。
【図２】従来の利得固定半導体光増幅器（GC−SOA）の雑音指数特性を示した図。
【図３】従来の半導体光増幅器（SOA）とラマン光増幅器が結合された光増幅器の構成例を示した図。
【図４】本発明によるラマン増幅原理を利用した半導体光増幅器の構成を示した図。
【図５】７０kmの単一モード光ファイバに対するラマン利得特性を示した図。
【図６】一般的な利得固定半導体光増幅器の構造を概略的に示した図。
【図７】本発明による半導体光増幅器内のDBR格子構造を示した図。
【図８】本発明によるDBR格子構造を有する利得固定半導体光増幅器における入力端と出力端での自然放出光及びブラッグピーク（Bragg peak）のスペクトルを示した図。
【図９】本発明による光増幅器の利得スペクトル特性を説明するための図。
【符号の説明】
【００３７】
２００  光増幅器
２０１  単一（シングル）モード光ファイバ
２０２  半導体光増幅器
２０３  光アイソレータ
【図１】
2005005719.tif 000003
【図２】
2005005719.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005005719.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2005005719.tif 000009
【図８】
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【図９】
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