(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のそれぞれの光学波長を有しかつ複数のそれぞれの入力電力を有する複数の入力光学信号に応答する複数の出力光学信号における出力電力差を減少させるための増幅システムであって、前記増幅システムは
干渉ループと、
前記複数の入力光学信号を前記ループに結合することによって前記入力光学信号のそれぞれの第１の部分を前記ループ中の第１の方向に伝搬させ、かつ前記入力光学信号のそれぞれの第２の部分を前記ループ中の第２の方向に伝搬させるカプラとを含み、前記カプラは前記第１および第２の部分が前記ループ中で伝搬した後に前記第１および第２の部分を組合わせることによって複数の出力光学信号を生成し、さらに
前記ループの中心に関して非対称の場所に置かれる増幅器を含み、前記増幅器は前記増幅器が前記複数の光学波長における複数のそれぞれの利得を有するような利得特性を有し、前記増幅器の前記ループの中心に関する前記非対称の場所によって前記入力光学信号の前記第１の信号部分および前記第２の信号部分の電力の差がもたらされ、前記第１および第２の信号部分の電力の前記差によって前記第１および第２の信号部分におけるそれぞれのカー誘導位相シフトがもたらされ、前記カー誘導位相シフトは前記それぞれの入力電力および前記それぞれの利得における差に応答して変動することによって、より大きい利得電力生成物を有する入力光学信号のより大きいカー誘導減衰がもたらされ、
前記利得電力生成物は、特定の波長における入力光学信号によってもたらされる利得と、前記特定の波長における入力光学信号の電力との積によって与えられる、増幅システム。
【請求項２】
前記増幅器はエルビウムドープ光ファイバ増幅器を含む、請求項１に記載の増幅システム。
【請求項３】
前記増幅器に近接する前記ループ中における波長分割多重カプラと、
前記波長分割多重カプラに結合されるポンプ光源とをさらに含み、前記ポンプ光源は前記波長分割多重カプラを介して前記増幅器に対するポンプ光を与える、請求項２に記載の増幅システム。
【請求項４】
前記増幅器は少なくとも第１の増幅器を含み、それは波長の第１のバンドにわたる増幅を与え、さらに少なくとも第２の増幅器を含み、それは波長の第２のバンドにわたる増幅を与える、請求項１に記載の増幅システム。
【請求項５】
前記第１の増幅器および前記第２の増幅器はエルビウムドープ光ファイバ増幅器を含む、請求項４に記載の増幅システム。
【請求項６】
前記第１の増幅器および前記第２の増幅器は並列に接続される、請求項４に記載の増幅システム。
【請求項７】
前記第１の増幅器および前記第２の増幅器は直列に接続される、請求項４に記載の増幅システム。
【請求項８】
前記干渉ループ、前記カプラおよび前記増幅器は、前記干渉ループ中に非対称に位置決めされる前記増幅器を有する第１の非線形サニャック増幅器を含み、前記第１のサニャック増幅器は第１のスペクトル範囲にわたる利得を与え、
前記増幅システムは第２の非線形サニャック増幅器をさらに含み、前記第２の非線形サニャック増幅器は、それぞれの干渉ループと、それぞれのカプラと、前記それぞれの干渉ループ中に非対称に位置決めされるそれぞれの増幅器とを含み、前記第２の非線形サニャック増幅器は第２のスペクトル範囲にわたる利得を有する、請求項１に記載の増幅システム。
【請求項９】
複数のそれぞれの光学波長を有しかつ複数のそれぞれの入力電力を有する複数の入力光学信号に応答する複数の出力光学信号における出力電力差を減少させるための増幅システムであって、前記増幅システムは
光ファイバの第１および第２の長さを含む干渉ループを含み、光ファイバの前記第１の長さは光ファイバの前記第２の長さよりも実質的に長く、さらに
前記光学信号を前記干渉ループに結合することによって前記光学信号のそれぞれの第１および第２の部分を前記干渉ループ中の第１および第２の方向に逆方向に伝搬させるカプラを含み、前記カプラは前記干渉ループを通る伝搬の後に前記光学信号の前記それぞれの第１および第２の部分を組合わせることによって前記複数の光学波長における複数のそれぞれの出力信号を生成し、前記複数の出力信号は複数のそれぞれの出力電力を有し、さらに
光ファイバの前記第１および第２の長さの間の前記干渉ループ中に場所を有する増幅器を含み、前記増幅器は前記増幅器が前記複数の光学波長における複数のそれぞれの利得を有するような利得特性を有し、前記第１および第２の方向に伝搬する前記光学信号の前記第１および第２の部分は、自己位相変調、同一方向に伝搬する相互位相変調、および逆方向に伝搬する混変調によってもたらされるそれぞれのカー誘導位相シフトを受け、前記増幅器の前記場所は
前記第１の方向に伝搬する光が前記増幅器および光ファイバの前記第２の長さを通って伝搬する前に光ファイバの前記第１の長さを通るようにし、
前記第２の方向に伝搬する光が光ファイバの前記第１の長さを通って伝搬する前に光ファイバの前記第２の長さおよび前記増幅器を通って伝搬するようにし、
前記第１の方向に伝搬する前記光が前記第２の方向に伝搬する前記光よりも大きな逆方向に伝搬する相互位相変調を受けるようにし、
前記第２の方向に伝搬する前記光が前記第１の方向に伝搬する光よりも大きな自己位相変調およびより大きな同一方向に伝搬する混変調を受けるようにし、
前記複数の光学波長における前記複数の光学信号の前記カー誘導位相シフトが前記複数の光学波長における前記それぞれの増幅器利得に応答し、前記複数の光学信号の前記それぞれの入力電力にさらに応答することによって前記入力電力および前記複数の光学波長における前記利得の差によってもたらされる前記出力電力の差が減少する、増幅システム。
【請求項１０】
前記増幅器は少なくとも第１の増幅器を含み、それは波長の第１のバンドにわたる増幅を与え、さらに少なくとも第２の増幅器を含み、それは波長の第２のバンドにわたる増幅を与える、請求項９に記載の増幅システム。
【請求項１１】
前記第１の増幅器および前記第２の増幅器はエルビウムドープ光ファイバ増幅器を含む、請求項１０に記載の増幅システム。
【請求項１２】
前記第１の増幅器および前記第２の増幅器は並列に接続される、請求項１０に記載の増幅システム。
【請求項１３】
前記第１の増幅器および前記第２の増幅器は直列に接続される、請求項１０に記載の増幅システム。
【請求項１４】
前記干渉ループ、前記カプラおよび前記増幅器は、前記干渉ループ中に非対称に位置決めされる前記増幅器を有する第１の非線形サニャック増幅器を含み、前記第１のサニャック増幅器は第１のスペクトル範囲にわたる利得を与え、
前記増幅システムは第２の非線形サニャック増幅器をさらに含み、前記第２の非線形サニャック増幅器は、それぞれの干渉ループと、それぞれのカプラと、前記それぞれの干渉ループ中に非対称に位置決めされるそれぞれの増幅器とを含み、前記第２の非線形サニャック増幅器は第２のスペクトル範囲にわたる利得を有する、請求項９に記載の増幅システム。
【請求項１５】
光学増幅システムであって、
少なくとも第１および第２の増幅部分を含み、前記第１の増幅部分は複数の入力光学信号を受取るよう結合され、各入力光学信号はそれぞれの光学波長およびそれぞれの入力光学電力を有し、各増幅部分はその中にそれぞれの増幅器を含み、前記増幅器は前記光学信号に適用される利得が波長によって変動するようなそれぞれの利得特性を有し、前記第１の増幅部分は第１の複数の光学出力信号を与え、前記第２の増幅部分は前記第１の複数の光学出力信号を受取って第２の複数の光学出力信号を与えるよう結合され、前記第２の複数の光学出力信号の各々は前記光学波長のそれぞれ１つを有しかつそれぞれの出力光学電力を有し、前記増幅部分は前記入力光学電力の差および前記光学信号に適用される利得の差によってもたらされる前記第２の複数の光学出力信号の前記それぞれの出力光学電力における差を減少させるよう動作し、各増幅部分は
干渉ループを含み、前記増幅部分の前記増幅器は前記ループ中に非対称に置かれ、さらに
光を前記干渉ループに結合することによって前記光を前記光学波長の各々における第１および第２の逆方向に伝搬する部分として伝搬させ、かつ前記光の前記第１および前記逆方向に伝搬する部分が前記ループを通って伝搬した後に前記波長の各々における前記第１および第２の逆方向に伝搬する部分を組合わせるカプラを含み、前記波長の各々における前記第１および第２の逆方向に伝搬する部分は干渉することによって前記波長の各々における出力信号を与え、前記波長の各々における前記出力信号は、前記波長における入力電力に応答し、前記波長における増幅器利得に応答し、かつ前記波長におけるカー誘導位相シフトに応答する電力を有し、前記カー誘導位相シフトはより大きい利得電力生成物を有する光学波長に対してより大きくなることにより、利得電力生成物の差によってもたらされる出力電力の差を少なくとも部分的に減少させ、
前記利得電力生成物は、特定の波長における入力光学信号によってもたらされる利得と、前記特定の波長における入力光学信号の電力との積によって与えられる、増幅システム。
【請求項１６】
前記増幅器の各々はエルビウムドープ光ファイバ増幅器を含む、請求項１５に記載の増幅システム。
【請求項１７】
前記増幅器は光学波長によって変動する利得を有し、前記複数の波長における前記入力光学信号は変動する電力を有し、前記増幅部分は前記波長の各々における出力電力を出力電力の選択可能な範囲内の出力電力に向けて収束させるよう動作する、請求項１５に記載の増幅システム。
【請求項１８】
前記増幅器の各々は少なくとも第１の増幅器を含み、それは波長の第１のバンドにわたる増幅を与え、さらに少なくとも第２の増幅器を含み、それは波長の第２のバンドにわたる増幅を与える、請求項１５に記載の増幅システム。
【請求項１９】
前記第１の増幅器および前記第２の増幅器はエルビウムドープ光ファイバ増幅器を含む、請求項１８に記載の増幅システム。
【請求項２０】
前記第１の増幅器および前記第２の増幅器は並列に接続される、請求項１８に記載の増幅システム。
【請求項２１】
前記第１の増幅器および前記第２の増幅器は直列に接続される、請求項１８に記載の増幅システム。
【請求項２２】
複数の入力光学信号を増幅する方法であって、前記入力光学信号は光学波長の範囲内のそれぞれの光学波長を有し、かつ入力光学電力の範囲内のそれぞれの光学電力を有し、前記方法は出力光学電力の選択される範囲内のそれぞれの出力電力を有する対応する複数の出力光学信号を生成し、前記方法は
前記入力光学信号に第１の非線形サニャック増幅器を通過させることによって複数の中間光学信号を生成するステップを含み、前記複数の中間光学信号は前記複数の入力光学電力と、増幅器利得と、カー誘導位相シフトとに応答することによって光学電力の中間範囲内のそれぞれの複数の中間光学電力を有し、光学電力の前記中間範囲は入力光学電力の前記範囲よりも小さい範囲であり、前記第１の非線形サニャック増幅器とは、干渉ループ中に非対称に位置決めされる第１の増幅器を有するものであり、さらに
前記中間光学信号に少なくとも第２の非線形サニャック増幅器を通過させることによって前記複数の出力光学信号を生成するステップを含み、前記複数の出力光学信号は前記複数の中間光学電力と、増幅器利得と、カー誘導位相シフトとに応答することによって出力光学電力の前記選択される範囲内の複数の出力光学電力を有し、出力光学電力の前記選択される範囲は中間光学電力の前記範囲よりも小さく、前記第２の非線形サニャック増幅器とは、干渉ループ中に非対称に位置決めされる第２の増幅器を有するものである、方法。
【請求項２３】
光学システムであって、
波長の範囲内の波長を有する光学入力信号を受取る入力と、
前記光学入力信号に応答する光学出力信号を出力する出力と、
前記入力および前記出力の間に置かれる少なくとも第１の増幅器とを含み、前記第１の増幅器は第１の利得スペクトルを有し、前記第１の利得スペクトルは波長の前記範囲にわたって変動することによって波長の前記範囲内の第１の波長における前記第１の増幅器によって生成される第１の光学信号が第１の光学電力を有するようにし、かつ波長の前記範囲内の第２の波長における前記第１の増幅器によって生成される第２の光学信号が第２の光学電力を有するようにし、前記第１の光学電力および第２の光学電力は電力差によって異なり、さらに
前記第１の増幅器および前記出力の間に置かれる少なくとも第２の増幅器を含み、前記第２の増幅器は非線形サニャック増幅器を含み、前記第２の増幅器は、カー誘導位相シフトによって前記第１の光学信号と前記第２の光学信号との電力差を減少させるために、波長の前記範囲にわたる前記第１の増幅器の利得の差を少なくとも部分的に補償するよう動作し、前記非線形サニャック増幅器とは、干渉ループ中に非対称に位置決めされる増幅器を有するものである、光学システム。
【請求項２４】
光学システムであって、
波長の範囲内の波長を有する光学入力信号を受取る入力と、
前記光学入力信号に応答する光学出力信号を出力する出力と、
前記入力および前記出力の間に置かれる第１のタイプの第１の複数の増幅器とを含み、前記第１のタイプの前記増幅器は第１の利得スペクトルを有し、前記第１の利得スペクトルは波長の前記範囲にわたって変動することによって波長の前記範囲内の第１の波長における第１の光学信号が前記第１のタイプの前記増幅器によって第１の利得によって増幅されるようにし、かつ波長の前記範囲内の第２の波長における第２の光学信号が前記第１のタイプの前記増幅器によって第２の利得によって増幅されるようにし、前記第２の利得は前記第１の利得とは異なり、さらに
前記光学システムにおける選択される場所に置かれる第２の複数の非線形サニャック増幅器を含み、前記非線形サニャック増幅器は、カー誘導位相シフトによって前記第１の光学信号と前記第２の光学信号との電力差を減少させるために、前記第１のタイプの前記増幅器の前記第１の利得および前記第２の利得の差を少なくとも部分的に補償するよう動作し、前記非線形サニャック増幅器とは、干渉ループ中に非対称に位置決めされる増幅器を有するものである、光学システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
【０００２】
【発明の分野】
この発明は光ファイバ通信システムの分野に属し、より特定的には光ファイバ通信システムにおいて用いるための増幅器の分野に属する。
【０００３】
【関連技術の説明】
帯域幅に対する増加する要求を満たすために、光ファイバ通信システムは波長分割多重（ＷＤＭ）に向かって移動しており、そこでは分離した波長において多くのチャネルが同じファイバ上を運ばれる。ほとんどの現行ファイバ通信システムに必要不可欠なのはエルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を組込むことである。ＥＤＦＡがＷＤＭシステムと一体化されるとき、増幅器の利得平坦性が重要になる。たとえば、損失部分１１０（ｉ）および利得部分１２０（ｉ）の直列鎖を含むファイバ通信ライン１００を図１Ａに示す。図１Ａにおいて、損失部分１１０（ｉ）はファイバの長さとして表わされ、利得部分１２０（ｉ）はＥＤＦＡによって表わされる。各損失部分１１０（ｉ）および関連する利得部分１２０（ｉ）をここでは「損失−利得部分」と呼ぶ。
【０００４】
ＷＤＭシステムにおいては、複数の独立のチャネルが別個の波長において入力される。ＥＤＦＡの利得は波長の関数であり、図１Ｂに示される典型的なフィルタリングされない利得変動を有する。第１の損失−利得部分１１０（１）、１２０（１）を通る伝搬の後、ＥＤＦＡ利得変動のために１５３２ナノメートル近くのチャネルは他のチャネルよりも高い電力を有する。複数の損失−利得部分を通って伝搬することにより、このチャネル電力の格差が増大し、ついには最後の損失−利得部分１１０（ｎ）、１２０（ｎ）を出るいくつかのチャネルの電力が受容できないレベルにまで落下する。
【０００５】
前述のプロセスを例示するために、図２Ａに入力電力スペクトルをプロットし、図２Ｂに５つの損失−利得部分（すなわち図１Ａにおいてｎ＝５）の後の出力電力スペクトルをプロットする。図２Ａおよび図２Ｂにおける２つのスペクトルの差は、ＥＤＦＡ利得変動によってもたらされるチャネル電力の大きな格差を例示する。
【０００６】
この問題に対する多くの先行技術の解決策は、ＥＤＦＡにフィルタを加えることによってＥＤＦＡのみの利得よりも平坦な利得−フィルタ部分を生成するステップを含んだ。しかし、ＥＤＦＡパラメータ（たとえば信号およびポンプ電力など）に依存せず、かつ時間および温度に対して安定な、正しい形を有するフィルタを製作することは自明ではない。
【０００７】
【発明の概要】
この発明は、非線形サニャック増幅器による利得平坦化に関する。利得平坦化のために非線形サニャック増幅器を用いることは新たな解決策である。波長の関数として変動する損失を有するフィルタを用いる代わりに、この発明は電力の関数である損失を有するフィルタに関する。より特定的には、この発明に従ったフィルタは特定のチャネルｉの電力に基づいてそのチャネルを減衰させる。この発明に従ったフィルタは従来の広帯域電力依存性損失のような損失を与えない。その代わりに、この発明に従ったフィルタは狭帯域電力依存性損失を与える。言換えると、チャネルｉの波長λiにおけるフィルタの減衰は、その波長の周囲（すなわちλi∀δλ）においては電力の関数であるが、そのλi∀δλウィンドウの外側の分離した波長
【０００８】
【数１】
0004514382.tif 000002
【０００９】
においては電力の関数ではない。このようなフィルタは、図１Ａに示されるような標準的な線形増幅器を、以下に詳細に説明する非線形サニャック増幅器（ＮＳＡ）によって置換えることによって達成される。
【００１０】
この発明の１つの局面は、複数のそれぞれの光学波長を有しかつ複数のそれぞれの入力電力を有する複数の入力光学信号に応答する複数の出力光学信号における電力の差を減少させるための増幅システムである。この増幅システムは干渉ループを含む。カプラは複数の入力光学信号をループに結合することによって、入力光学信号のそれぞれの第１の部分をループ中の第１の方向に伝搬させ、入力光学信号のそれぞれの第２の部分をループ中の第２の方向に伝搬させる。カプラは第１および第２の部分がループ中で伝搬した後に第１および第２の部分を組合せることによって複数の出力光学信号を生成する。増幅器はループの中心に関して非対称の場所に置かれる。この増幅器は、増幅器が複数の光学波長における複数のそれぞれの利得を有するような利得スペクトルを有する。増幅器がループの中心に関して非対称の場所にあるために、入力光学信号の第１の信号部分および第２の信号部分が干渉ループを通って移動する際にそれらの部分の電力の差がもたらされる。この第１および第２の信号部分の電力の差によって、光学カー効果による第１および第２の信号部分におけるそれぞれの位相シフトがファイバループ中で起こる。このカー誘導位相シフトはそれぞれの入力電力およびそれぞれの利得における差に応答して変動するため、より大きい利得電力生成物を有する入力光学信号のより大きいカー誘導減衰をもたらす。この増幅器はエルビウムドープ光ファイバ増幅器を含むことが好ましい。特定の好ましい実施例は、増幅器に近いループ中に波長分割多重カプラをさらに含む。この波長分割多重カプラにポンプ光源が結合されることにより、波長分割多重カプラを介して増幅器に対するポンプ光が与えられる。
【００１１】
この発明の別の局面は、複数のそれぞれの光学波長を有しかつ複数のそれぞれの入力電力を有する複数の入力光学信号に応答する複数の出力光学信号における出力電力差を減少させるための増幅システムである。この増幅システムは、光増幅器によって分割される光ファイバの第１および第２の長さを有する干渉ループを含む。光ファイバの第１の長さは光ファイバの第２の長さよりも実質的に長い。カプラは光学信号を干渉ループに結合することにより、光学信号のそれぞれの第１および第２の部分を干渉ループ中の第１および第２の方向に逆方向に伝搬させる。カプラは干渉ループを通る伝搬の後に光学信号のそれぞれの第１および第２の部分を組合せることにより、複数の光学波長における複数のそれぞれの出力信号を生成する。複数の出力信号は複数のそれぞれの出力電力を有する。増幅器は、増幅器が複数の光学波長における複数のそれぞれの利得を有するような利得特性を有する。第１および第２の方向に伝搬する光学信号の第１および第２の部分は、自己位相変調、同一方向に伝搬する相互位相変調、および逆方向に伝搬する混変調によってもたらされるそれぞれのカー誘導位相シフトを受ける。増幅器の場所は、第１の方向に伝搬する光が増幅器および光ファイバの第２の長さを通って伝搬する前に光ファイバの第１の長さを通るようにする。増幅器の場所はまた、第２の方向に伝搬する光が光ファイバの第１の長さを通って伝搬する前に光ファイバの第２の長さおよび増幅器を通って伝搬するようにする。増幅器の場所はまた、第１の方向に伝搬する光が第２の方向に伝搬する光よりも大きな逆方向に伝搬する相互位相変調を受けるようにする。増幅器の場所はまた、第２の方向に伝搬する光が第１の方向に伝搬する光よりも大きな自己位相変調およびより大きな同一方向に伝搬する混変調を受けるようにする。複数の光学波長における複数の光学信号のカー誘導位相シフトは複数の光学波長におけるそれぞれの増幅器利得に応答し、さらに複数の光学信号のそれぞれの入力電力に応答するため、入力電力の差および複数の光学波長における利得の差の両方によってもたらされる出力電力の差が減少する。
【００１２】
この発明の別の局面は、少なくとも第１および第２の増幅部分の直列鎖を含む光学増幅システムである。第１の増幅部分は複数の入力光学信号を受取るよう結合される。各入力光学信号はそれぞれの光学波長およびそれぞれの入力光学電力を有する。各増幅部分はその中にそれぞれの増幅器を含む。増幅器は、光学信号に適用される利得が波長によって変動するようなそれぞれの利得特性を有する。第１の増幅部分は第１の複数の光学出力信号を与える。第２の増幅部分は、第１の複数の光学出力信号を受取って第２の複数の光学出力信号を与えるよう結合される。第２の複数の光学出力信号の各々は、それぞれの光学波長を有しかつそれぞれの出力光学電力を有する。この増幅部分は、入力光学電力の差および光学信号に適用される利得の差によってもたらされる第２の複数の光学出力信号のそれぞれの出力光学電力の差を減少させるよう動作する。各増幅部分は干渉ループを含む。増幅部分の増幅器はループ中に非対称に置かれる。カプラは光を干渉ループに結合することにより、光を光学波長の各々における第１および第２の逆方向に伝搬する部分として伝搬させる。カプラはまた、光の第１および逆方向に伝搬する部分がループを通って伝搬した後に各々の波長における第１および第２の逆方向に伝搬する部分を組合せる。各波長における第１および第２の逆方向に伝搬する部分は干渉して各波長における出力信号を与える。各波長における出力信号は、その波長における入力電力に応答し、その波長における増幅器利得に応答し、かつその波長におけるカー誘導位相シフトに応答する電力を有する。カー誘導位相シフトはより大きい利得電力生成物を有する光学波長に対してより大きいため、利得電力生成物の差によってもたらされる出力電力の差を少なくとも部分的に減少させる。増幅器の各々はエルビウムドープ光ファイバ増幅器を含むことが好ましい。また増幅器は光学波長によって変動する利得を有することが好ましい。複数の波長における光学信号は変動する電力を有する。増幅部分は、直列鎖の出力における各波長における出力電力が出力電力の選択可能な範囲内の名目上同じ出力電力に向けて収束するように動作する。
【００１３】
この発明の別の局面は、複数の入力光学信号を増幅する方法である。入力光学信号は光学波長の範囲内のそれぞれの光学波長を有し、かつ入力光学電力の範囲内のそれぞれの光学電力を有する。この方法は、出力光学電力の選択される範囲内のそれぞれの出力電力を有する対応する複数の出力光学信号を生成する。この方法は、入力光学信号に第１の非線形サニャック増幅器を通過させることによって複数の中間光学信号を生成するステップを含む。複数の中間光学信号は複数の入力光学電力と、増幅器利得と、カー誘導位相シフトとに応答することにより、光学電力の中間範囲内のそれぞれの複数の中間光学電力を有する。光学電力の中間範囲は入力光学電力の範囲よりも小さい範囲である。この方法は、中間光学信号に少なくとも第２の非線形サニャック増幅器を通過させることによって複数の出力光学信号を生成するステップをさらに含む。この複数の出力光学信号は複数の中間光学電力と、増幅器利得と、カー誘導位相シフトとに応答することにより、出力光学電力の選択される範囲内の複数の出力光学電力を有する。出力光学電力の選択される範囲は中間光学電力の範囲よりも小さく、入力光学電力の範囲よりも小さい。
【００１４】
この発明の別の局面は、波長の範囲内の波長を有する光学入力信号を受取る入力を含む光学システムである。出力は光学入力信号に応答する光学信号を出力する。入力と出力との間に少なくとも第１の増幅器が置かれる。第１の増幅器は第１の利得スペクトルを有する。第１の利得スペクトルは波長の範囲にわたって波長によって変動することにより、波長の範囲内の第１の波長における第１の増幅器によって生成される第１の光学信号が第１の光学電力を有するようにし、かつ波長の範囲内の第２の波長における第１の増幅器によって生成される第２の光学信号が第２の光学電力を有するようにする。第１の光学電力と第２の光学電力とは電力差によって異なる。このシステムはさらに、第１の増幅器と出力との間に置かれる少なくとも第２の増幅器を含む。第２の増幅器は非線形サニャック増幅器を含む。第２の増幅器は波長の範囲にわたる第１の増幅器の利得の差を少なくとも部分的に補償することによって、第１の光学信号および第２の光学信号の電力差を減少させるよう動作する。
【００１５】
この発明の別の局面は、波長の範囲内の波長を有する光学入力信号を受取る入力を含み、かつ前記光学入力信号に応答する光学出力信号を出力する出力を含む光学システムである。第１のタイプの第１の複数の増幅器が入力と出力との間に置かれる。この第１のタイプの増幅器は波長の範囲にわたって変動する第１の利得スペクトルを有することによって、波長の範囲内の第１の波長における第１の光学信号が第１のタイプの増幅器によって第１の利得によって増幅されるようにし、かつ波長の範囲内の第２の波長における第２の光学信号が第１のタイプの増幅器によって第２の利得によって増幅されるようにする。第２の利得は第１の利得とは異なる。第２の複数の非線形サニャック増幅器が光学システム中の選択される場所に置かれる。この非線形サニャック増幅器は第１のタイプの増幅器の第１の利得および第２の利得の差を少なくとも部分的に補償することによって、第１の光学信号および第２の光学信号の電力差を減少させるよう動作する。
【００１６】
この発明について、添付の図面とともに以下に詳細に説明する。
【００１７】
【好ましい実施例の詳細な説明】
図３に、この発明に従った非線形サニャック増幅器（ＮＳＡ）３００の実施例を例示する。ＮＳＡ３００は以下の説明に従って変更されるサニャック干渉計３１０を含む。
【００１８】
ＮＳＡ３００は入力光ファイバ３１２（またはその他の好適な導波管）を含み、それは光学サーキュレータ３１４の第１のポート（Ａ）に結合される。光学サーキュレータ３１４は第２のポート（Ｂ）および第３のポート（Ｃ）を有する。光学サーキュレータ３１４は公知の態様で動作し、１つのポートに対する入力として与えられる光を次のポートへの単一の方向（たとえば図３における時計回り）に伝搬させ、そこで実質的にすべての光がサーキュレータから出力される。特に図３において、サーキュレータ３１４のポートＡに対する入力として与えられる光はサーキュレータ３１４のポートＢから出力される。サーキュレータ３１４のポートＢに対する入力として与えられる光はサーキュレータ３１４のポートＣから出力される。サーキュレータ３１４のポートＣに対する入力としての光は与えられない。サーキュレータ３１４において光は反時計回りの方向に伝搬しない。例示的な光学サーキュレータ３１４は、カリフォルニア州サンホゼのＥ−テックダイナミクス（E-Tek Dynamics）Ｉｎｃ．より入手可能なモデルＰＩＦＣ２３Ａ２１１０００サーキュレータなどの偏向非依存性光ファイバサーキュレータである。（この発明の好ましい実施例は光学サーキュレータ３１４を含むが、サニャック干渉計３１０に信号を入力しかつそこから信号を戻すためのより安価な構成要素を提供するために、サーキュレータ３１４を標準的な３−ｄＢカプラ（図示せず）に置換えてもよい。しかしこのようなカプラはスプリット損失を誘導することが認識され、この損失はいくつかの適用においては受容可能であり得る。）
サーキュレータ３１４のポートＣは、出力ポート１を提供する出力ファイバ３２０に接続される。サーキュレータ３１４のポートＢは、ファイバ部分３２２を介して従来の２×２光学カプラ３３０の入力／出力側の第１のポート３３２に接続される。カプラ３３０はカプラ３３０の入力／出力側に第２のポート３３４を有する。カプラ３３０はカプラ３３０のループ側に第３のポート３３６および第４のポート３３８を有する。２×２光学カプラ３３０の第２のポート３３４は、出力ポート２を提供する出力ファイバ３４０に接続される。
【００１９】
カプラ３３０の第３のポート３３６は光ファイバループ３５４の第１の端部３５２に結合される。以下に考察するとおり、光ファイバループ３５４の長さは三次非線形効果を与えるよう選択される。光ファイバループ３５４は第２の端部３５６を有し、これは光増幅器（ＡＭＰ）３６０の第１のポート３６２に結合される。光増幅器３６０は第２のポート３６４を有し、これは光ファイバの長さ３６６を介して２×２カプラ３３０の第４のポート３３８に結合される。光増幅器３６０は２方向増幅器であり、第１のポート３６２に入る光を増幅し、増幅された光を第２のポート３６４における出力として与える。同様に光増幅器３６０は第２のポート３６４に入る光を増幅し、増幅された光を第１のポート３６２における出力として与える。
【００２０】
特に好ましい実施例において、図３の光増幅器３６０はエルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を含む。図３Ａに、ＥＤＦＡとして実現される光増幅器３６０の好ましい実施例を例示する。図３Ａに例示されるとおり、光増幅器３６０はある長さの光ファイバ３７０を有し、それは第１の端部３７２および第２の端部３７４を有する。ファイバ３７０はエルビウムによってドーピングされる。代替的な実施例においては、ファイバ３７０は別の希土類元素によってドーピングされてもよい。
【００２１】
ファイバ３７０の第２の端部３７４は光増幅器３６０の第２のポート３６４に接続される。ファイバ３７０の第１の端部３７２は波長分割多重（ＷＤＭ）カプラ３８０に接続される。ＷＤＭカプラ３８０は第１のポート３８１と、第２のポート３８２と、第３のポート３８３と、第４のポート３８４とを有する。光ファイバ３７０の第１の端部３７２は第１のポート３８１に接続される。第３のポート３８３は第１のポート３８１に対向し、第３のポート３８３は光増幅器３６０の第１のポート３６２に接続される。
【００２２】
ＷＤＭカプラ３８０の第４のポート３８４も第１のポート３８１に対向し、ポンプ光源３８６に接続される。ここに記載する実施例において、ポンプ光源３８６は約９８０ナノメートルまたは１，４８０ナノメートルの波長において動作する光源を含むことが有利である。特に好ましい実施例において、ポンプ光源３８６はレーザダイオードまたはその類似物を含む。
【００２３】
ＷＤＭカプラ３８０の第２のポート３８２は、ＷＤＭカプラ３８０の第１のポート３８１と同じ側にある。第２のポート３８２は有利にターミネータ３８８によって無反射的に終止されてもよい。
【００２４】
ＷＤＭカプラ３８０は、約１，５００ナノメートルから約１，６５０ナノメートルまたはそれ以上の範囲の波長においてカプラに入る光を第１のポート３８１から第３のポート３８３へ、また第３のポート３８３から第１のポート３８１へと伝搬するよう構成される。その波長の範囲における光は第４のポート３８４または第２のポート３８２にほとんど結合されない。ＷＤＭカプラ３８０はさらに、ポンプ波長（約９８０ナノメートルまたは約１，４８０ナノメートル）において第４のポート３８４に入る光を第１のポート３８１に結合させるように構成される。ＷＤＭカプラ３８０のこの構成のために、ポンプ光は第２のポート３８２にほとんど結合されない。無反射ターミネータ３８８があるため、いかなるこうした光も第２のポート３８２に反射されることがない。
【００２５】
ＷＤＭカプラ３８０は、ポンプ光源３８６からのポンプ光を第１のポート３８１を介してエルビウムドープ光ファイバ３７０に結合させるよう動作することが分かる。これとは対照的に、信号波長における光は第２のポート３８２または第４のポート３８４には実質的にまったく結合されない。したがって、信号波長における実質的にすべての光が干渉ループ中に残る。
【００２６】
図３に示されるとおり、２×２光学カプラ３３０および第３のポート３３６と第４のポート３３８とを相互接続するファイバ要素がサニャック干渉計３１０を形成しており、その動作を以下に説明する。
【００２７】
増幅される入力信号が入力ファイバ３１２に加えられる。入力信号は複数の波長λi（ｉ＝１、２、…ｎ）を有する光を含む。通信システムにおけるこの発明の第１の好ましい実現例においては、信号は位相または周波数において変調される。このようなシステムの例は、位相シフトキーイング（ＰＳＫ）および周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）を含む。通信システムにおけるこの発明の第２の好ましい実現例においては、信号は振幅において変調される。しかしこのような実現例においては、パルスの歪みおよびチャネルクロストークによる制限が加えられ得る。
【００２８】
入力信号はサーキュレータ３１４のポートＡに伝搬する。サーキュレータ３１４は入力信号をポートＢに循環させ、入力信号はファイバ３２２を介して２×２光学カプラ３３０の入力／出力ポート３３２に伝搬する。２×２光学カプラ３３０は従来の態様で動作して入力光を２つの実質的に等しい部分に分割し、第１の部分は第３のポート３３６に結合され、第２の部分は第４のポート３３８に結合される。
【００２９】
入力信号の第１の部分は、２×２光学カプラ３３０の第３のポート３３６からループ３５４を時計回り（ＣＷ）の方向に通って光増幅器３６０の第１のポート３６２へと伝搬する。この光は光増幅器３６０において増幅され、増幅された第１の部分は光増幅器３６０の第２の端部３６４から光ファイバの長さ３６６を介して２×２光学カプラ３３０の第４のポート３３８へと伝搬する。
【００３０】
入力信号の第２の部分は２×２光学カプラ３３０の第４のポート３３８から伝搬し、光増幅器３６０の第２の端部３６４に伝搬してそこで増幅される。増幅された第２の部分は光増幅器３６０の第１の端部３６２から伝搬し、ループ３５４を反時計回り（ＣＣＷ）の方向に通って２×２光学カプラ３３０の第３のポート３３６へと伝搬する。
【００３１】
２×２光学カプラ３３０の第４のポート３３８に入る光の増幅された第１の部分と、２×２光学カプラ３３０の第３のポート３３６に入る光の増幅された第２の部分とはそこで干渉的に組合される。２つの信号部分間の位相関係に依存して、組合された信号は２×２光学カプラ３３０の第１のポート３３２または第２のポート３３４または両方のポートから出力される。第２のポート３３４から出力される光は出力ファイバ３４０を介して出力ポート２に伝搬する。第１のポート３３２から出力される光はサーキュレータ３１４のポートＢに伝搬し、サーキュレータ３１４のポートＣに結合されて、ファイバ３２０を介して出力ポート１に伝搬する。よって出力ポート１における電力および出力ポート２における電力は、時計回りに伝搬する信号および反時計回りに伝搬する信号間の位相関係に依存する。
【００３２】
前述のとおり、光増幅器３６０は、光増幅器３６０が２×２光学カプラ３３０の第３のポート３３６よりも２×２光学カプラ３３０の第４のポート３３８に光学的に近くなるように干渉計３１０中に非対称に位置決めされる。この光増幅器３６０の非対称の位置決めによって、２×２光学カプラ３３０の第４のポート３３８を介して干渉計３１０に入る光は、ループ３５４を通って（反時計回りの方向に）伝搬して第３のポート３３６を介して出る前に光増幅器３６０によって増幅される。反対に、第３のポート３３６を介して干渉計３１０に入る光は、光増幅器３６０によって増幅されて第４のポート３３８を介して出る前にループ３５４を通って（時計回りの方向に）伝搬する。よって図３に示される構成に対し、ループ３５４内を反時計回りの方向に伝搬する光はループ３５４中を伝搬する前に光増幅器３６０の利得を受け、ループ３５４内を時計回りの方向に伝搬する光はループ３５４中を伝搬した後に光増幅器３６０の利得を受ける。以下により詳細に考察するとおり、２つの逆方向に伝搬する光信号がいつ光増幅器３６０の利得を受けるかという差は、利得平坦化を達成するために有利に用いられる。
【００３３】
以下に示すとおり、ループ３５４に適用される光学信号の各波長における電力に従って利得を変動させるためにサニャックループ３５４において生じるカー誘導位相シフトを用いることによって、所望のフィルタ性能が得られる。
【００３４】
波長λiのチャネルｉのカー誘導位相シフトｄθiはファイバの三次非線形性によって得られ、その効果は次の式によって与えられるビームにおける非線形位相シフトを伝えることである。
【００３５】
【数２】
0004514382.tif 000003
【００３６】
等式１において、Ｐselfはチャネルｉにおける電力であり、Ｐotherはファイバ中のあらゆるその他の電力であり、ｄｌは相互作用の長さであり、Ａeffは有効モード領域である。（チャネルｉにおける電力が何であるかを定めるための基準は以下に示す。）パラメータｎ2は非線形係数であり、パラメータκiは波長λiにおける信号に対するｋベクトルである（すなわちκi＝２π／λi）。なお、カー誘導相互位相変調（他のチャネルによる位相変調）は自己位相変調（すなわちそれ自身による位相変調）よりもファクタ２だけ大きい。所与のチャネル内の同一方向に伝搬するすべての光はそのチャネル上に自己位相変調を生成し、（すべての逆方向に伝搬するチャネルに加えてその他すべての同一方向に伝搬するチャネルを含む）残りすべての光は相互位相変調を生成すると仮定される。
【００３７】
カー誘導位相シフトの効果を計算するために、図３に示されるＮＳＡのポート３１２にＮチャネルが送られると仮定する。ループ３５４の長さはＬであり、λiにおける増幅器の利得はＧiであり、Ｐiはポート３１２におけるλiにおける入力信号電力である。
【００３８】
等式１を用いて、時計回りの方向に移動するｉ番目のチャネルによって蓄積されるカー誘導位相シフトを次のように書くことができる。
【００３９】
【数３】
0004514382.tif 000004
【００４０】
等式２において、分母のファクタ２はカプラ３３０によって各入力信号電力を２つの部分に分けた結果である。括弧内の第１の項は自己位相変調である。括弧内の第２の項は他の時計回りに移動するチャネルによる相互位相変調である。括弧内の第３の項はすべての反時計回りに移動するチャネルによる相互位相変調である。なお、第３の項がＧjのファクタを有するのは、各ＣＣＷ移動チャネルがサニャックループ３５４を移動する前に増幅器３６０の利得Ｇjを受けたためである。パラメータＬeffは有効ループ長さであって、
【００４１】
【数４】
0004514382.tif 000005
【００４２】
によって定められ、ここでαはファイバ減衰である（簡単にするため波長非依存性であると仮定する）。
【００４３】
同様に、反時計回りの方向に移動するｉ番目のチャネルによって蓄積されるカー誘導位相シフトは次のように書かれる。
【００４４】
【数５】
0004514382.tif 000006
【００４５】
等式３において、最初の２つの項は反時計回りに伝搬する信号を表わし、それはループ３５４を通って伝搬する前に利得Ｇiを受けるため、最初の２項には利得Ｇiが適用される。したがって等式２および等式３より、チャネルｉに対するカー誘導位相差は次のように与えられる。
【００４６】
【数６】
0004514382.tif 000007
【００４７】
等式４において、非線形係数ｎ2の数値はいくつかのパラメータ、特にファイバ材料ならびにそれが含み得るドーパントの性質および濃度に依存する。たとえば、ほぼ純粋なシリカファイバコアに対して、ｎ2の値は１．３−１．６μｍスペクトル領域において典型的には約２．４×１０-16ｃｍ2／Ｗである。ゲルマニウムによって濃くドーピングされたシリカベースファイバにおいては、この値はいくつかのファクタによって増加し得る。
【００４８】
等式４は、特に含まれるすべての信号が同じ偏光状態を有するときに適用可能である。含まれるすべての信号が同じ偏光状態を有さなくても等式４は適用可能だが、用いるべきｎ2の値は相互作用する信号の相対的偏光に依存する。この発明のファイバループが標準的な低複屈折ファイバによって作られるとき、チャネルｉにおける信号の偏光状態はファイバ長さに沿って変化する。この変化の第１の理由は、ファイバの複屈折の軸の配向がファイバの長さに沿って変動するためである。第２の理由は、特定のチャネルｉの直交する遅いおよび速い偏光成分が僅かに異なる速度で伝搬するために僅かに異なる位相シフトを受けるためである。さらに、各チャネルが異なる波長を有し、僅かに異なる入力偏光状態を有し得るため、各チャネルの偏光状態はそれ自身の分布に従って変化する。したがって一般的に、ファイバに沿ったあらゆる所与の点において、所与のチャネルｉの偏光状態と、その他すべての同一方向に伝搬するチャネルｊ≠ｉの偏光状態と、すべての逆方向に伝搬するチャネルｊの偏光状態とはすべて異なる。カー効果による指数変化はこれらさまざまな信号の偏光状態に依存するため、長いファイバループ（典型的には数十メートルよりも長いもの）においてはｎ2の値を見直す必要がある。
【００４９】
カー誘導指数変化の偏光に対する依存性は比較的複雑である（たとえばＣ．Ｂ．クラウセン（Clausen）らによる「非線形増幅ループミラーの偏光感受性（Polarization sensitivity of the nonlinear amplifying loop mirror）」、Optics Letters、第２１巻、第１９号、１９９６年１０月、ｐｐ．１５３５−１５３７を参照）。十分に長い光ファイバ（典型的には数十メートルまたはそれより長いもの）においては、Ｎ信号の各々の偏光状態はすべての可能な状態を通り、一方でファイバ複屈折軸はすべての可能な空間的配向を通って変動する。この場合、カー誘導指数変化は、前述のクラウセンらの参考文献に記載されるとおり、第１に各信号の相対的位相を、第２にファイバ複屈折軸の空間的配向を平均化することによって算出できる。この発明に特定的な不均衡な逆方向に伝搬する信号電力を有するループ構成にクラウセンらの参考文献に記載される方法論を適用すると、もしｎ2をより小さい有効非線形係数ｎ2,effによって置換えれば等式４がなおも適用することを示すことができる。
【００５０】
ここに提供される数のシミュレーションにおいて、ｎ2の２つの前述の依存性、すなわち信号偏光に対する依存性およびファイバ組成に対する依存性が与えられるとき、他に特定化しない限り我々はｎ2eff＝５．４７×１０-20ｃｍ2／Ｗの値を用いた。この値は報告される有効非線形係数の範囲内であるが、それはファイバごとに時にはかなり変動することを認識することが重要である。しかし、これらのシミュレーションにおいて用いられるｎ2effの特定の値はこの発明の原理またはその実際の適用範囲のいずれに対しても決定的ではないことを認識することも同等に重要である。ファイバの長さをそれに応じて調節すれば、この発明をかなり小さいかまたは何桁も大きい有効非線形性を示すファイバとともに用いることができる。またこの発明をかなり小さいかまたは何桁も大きい有効三次非線形性を示す光学導波管および／またはバルク材料とともに用い得る。
【００５１】
等式４において、カー誘導位相差はチャネルｉにおける電力のみの関数であり、それはまさに必要とされる狭帯域挙動である。サニャック干渉計の出力は干渉する信号間の位相差の関数である。したがってサニャック増幅器３００の出力はこのカー誘導位相差および２つの逆方向に伝搬する光信号間のあらゆる位相偏向の関数である。以下に考察するとおり、カー誘導位相差はサニャック干渉計３１０の動作によって波長依存性減衰に変換される。
【００５２】
チャネルｉの入力電力を特定のポート上のチャネルｉの出力電力に関係づけるＮＳＡ３００の伝達関数は次の式によって与えられる。
【００５３】
【数７】
0004514382.tif 000008
【００５４】
等式５において、φbiasはカー効果以外のサニャック干渉計３１０の偏向位相シフトであり、これは光が最初にポート３１２に入力されるときには当然出力ポート１に対して０であり、出力ポート２に対してπである。前述において計算した（等式４）カー誘導位相差を用いると、伝達関数は次のようになる。
【００５５】
【数８】
0004514382.tif 000009
【００５６】
等式６において、ＰioutはＰiに非線形的に関係付けられることが分かる。特に、位相偏向φbiasおよび／または長さＬeffを適切に選択するとき、利得電力生成物ＧiＰiが増加するにしたがって、カー誘導位相差の効果は利得電力生成物により小さい比率を乗じることであり、したがって利得電力生成物の増加は出力電力の比例した増加をもたらさない。さらに、等式６における出力電力Ｐioutはチャネルｉにおける電力Ｐiに依存するが、それはあらゆるその他のチャネルｊ≠ｉによって運ばれる電力Ｐjには依存しない。よってこの効果、すなわち利得生成物の増加が出力電力の比例した増加をもたらさないという事実は他のチャネルの電力によって影響されない。言い換えると、各チャネルは他のチャネルに依存せずにそれ自身に作用する。よって等式６は、非線形サニャック増幅器３００が狭帯域電力依存性伝達関数（利得）を達成することを示す。
【００５７】
図４においては、図３に従った複数の非線形サニャック増幅器（ＮＳＡ）３００がともに結合されることにより、利得平坦化を達成する増幅器の鎖４００を形成する。図４の例示的なＮＳＡ鎖４００は、増幅される入力信号を第１のファイバ部分４１０（１）に結合し、次いで第１のＮＳＡ３００（１）の入力ファイバ３１２（１）に結合することによって形成される。第１のＮＳＡ３００（１）の出力ポート１（ファイバ３２０（１））は、第２のファイバ部分４１０（２）を介して第２のＮＳＡ３００（２）の入力ファイバ３１２（２）に接続される。第２のＮＳＡ３００（２）の出力ファイバ３２０（２）は第３のファイバ部分４１０（３）を介して第３のＮＳＡ３００（３）の入力ファイバ３１２（３）に接続され、以下所望の数のＮＳＡ３００がともに接続されるまで同様に行なわれる。ファイバ部分４１０（ｉ）は、長距離通信システムにおける増幅器間のたとえば数十キロメートル（たとえば７０キロメートル）のファイバなどのファイバの長さを表わすことが認識されるべきである。ファイバ部分はまたスプリッタ損失またはその類似物、または構成要素損失およびファイバ損失の組合せなどの損失を表わし得る。
【００５８】
図４において、ＮＳＡ３００（ｉ）が互いの近くに位置するときには各ＮＳＡ３００内の増幅器は共通のポンプ光源によってポンピングされてもよく、または増幅器は個別のポンプ光源によってポンピングされてもよい。
【００５９】
以下の考察において、Ｌeffは図４の各ＮＳＡ３００（ｉ）におけるサニャックループ３５４の有効な長さである。以下の考察の目的のために、１つのＮＳＡ３００（ｎ）の出力から次のＮＳＡ３００（ｎ＋１）の入力までの合計損失（ファイバ減衰およびサーキュレータ挿入損失を含む）は各ＮＳＡ３００に対してほぼ同じであり、Ｘの値を有すると仮定する。たとえば、以下の考察に対してＸは０．０１（−２０ｄＢ）の値を有する。図４に示されるとおり、Ｐi(n)はＮＳＡ鎖４００の損失−利得部分ｎの出力におけるチャネルｉの電力として定められる。以下の考察においては次の値も用いられる。
【００６０】
ｎ2,eff＝５．４７×１０-20ｍ2／Ｗ；  Ａeff＝１２μｍ2；  α＝−０．４ｄＢ／ｋｍ；  λ＝１．５５μｍ；  φbias＝０；  Ｌeff＝１０ｋｍ。
【００６１】
なお、以下の考察に対して、Ｌeffおよび利得は図４における各ＮＳＡ（ｉ）に対して同じであると仮定する。この発明を動作するためにその値が同じである必要はないことが理解されるべきである。
【００６２】
Ｐi(n)およびＰi(n+1)（ＮＳＡ鎖４００の（ｎ＋１）番目のステージの出力における電力）の間の伝達関数は次の式によって与えられる。
【００６３】
【数９】
0004514382.tif 000010
【００６４】
等式７において、単一のＮＳＡの伝達関数は等式６に基づき、損失Ｘの影響をさらに含む。ＮＳＡ鎖性能を評価するために、以下に考察するとおり、ｎの増加に伴うＮＳＡ出力電力Ｐi(n)の変化を図５Ａ−５Ｄにプロットする。
【００６５】
初期電力Ｐi(0)に伝達関数（等式７）を継続的に適用することによってＰi(n)の連続する値を見出し得る。すなわち、
【００６６】
【数１０】
0004514382.tif 000011
【００６７】
等式８において、ＴＦ(n)は関数ＴＦをｎ回適用することを示す。Ｐi(n)がどのように変化するかの概念的理解は、この反復プロセスをグラフで行なうことによって得ることができる。（たとえばＭ．Ｊ．ファイゲンバウムによる「非線形変換のクラスに対する量的普遍性（Quantitative universality for a class of nonlinear transformations）」、Journal of Statistical Physics、第１９巻、第１号、ｐｐ．２５−５２、１９７８年を参照。）この目的のために、図５Ａに２つの曲線がプロットされる。第１の曲線（湾曲した線）は関数Ｐi(n+1)＝ＴＦ（Ｐi(n)）、すなわち等式７を表わす。第２の曲線（直線）は関数Ｐi(n+1)＝Ｐi(n)、すなわち原点を通る勾配１の線を表わす。
【００６８】
図５Ａにおいて、前述のことが２６ｄＢの利得Ｇiに対して例示される。初期電力Ｐi(0)が選択される（この場合は３ミリワット）。ｘ＝Ｐi(0)から伝達関数上のｙ＝Ｐi(1)＝ＴＦ（Ｐi(0)）に鉛直線が引かれる（点Ａ）。Ｐi(2)を見出すために、伝達関数上の点ＡからＰi(n+1)＝Ｐi(n)線に水平線が引かれる（点Ｂ）。次いで点Ｂから伝達関数に鉛直線が引かれる（点Ｃ）。この値がＰi(3)である。図５Ａにおいて点Ｄ、Ｅ、Ｆ、ＧおよびＨに対して例示されるように、あらゆるＰi(n)を見出すためにこのプロセスを繰返すことができる。図５Ａにプロットされる伝達関数に対して、Ｐi(n)はおよそ５ミリワットの漸近値（点Ｈにおける伝達関数およびｙ＝ｘ線の交差）に収束する。よってＰi(n)の漸近値はＰi(0)の大きい範囲に対して初期値に非依存的である。このことが図５Ｂに示されており、これはＰi(0)の５つの異なる初期値に対してｎの関数としてＰi(n)の値をプロットしている。Ｐi(n)のすべての値は約５ミリワットという同じ漸近値に収束する。
【００６９】
Ｐi(n)の単一の定常状態値への収束のみが可能な挙動ではない。利得が増加すると、伝達関数の非線形性が増加し、伝達関数がＰi(n+1)＝Ｐn(n)線を横切る点において伝達関数の傾斜の絶対値が１よりも大きくなり得る。２つの関数が交差するところにおいて伝達関数の傾斜の絶対値が１よりも大きいとき、すなわち伝達関数の傾斜が＋１より大きいかまたは−１よりも小さいとき、漸近的挙動はもはや一価ではなく、振動性になる。これを図５Ｃに例示しており、ここでは利得Ｇiが２６ｄＢから２８ｄＢに増加された以外は図５Ａと同じパラメータの組によって伝達関数をプロットする。図５Ｃにおける電力Ｐi(n)は収束する代わりに上側の値（約５ミリワット）と下側の値（約３．５ミリワット）との間で振動する。図５Ｄにおいてこの振動をより明確に見ることができ、これはｎの増加に伴うＰi(n)の変化をグラフで示す。たとえば図５Ｃおよび５ＤにおいてＰi(n)は周期的挙動を示し、それは図５Ｄにおいて２の周期を有する。
【００７０】
伝達関数ＴＦの非線形性は利得Ｇiの増加とともにさらに増加するため、図５Ｄに示される周期は４に倍増し、次いで８、次いで１６などになる。利得がさらに増加すると、漸近的挙動がカオス的になる。前述のことが図６に例示されており、これは利得の関数としてＰi(n)の漸近値（または値の組）をプロットする。利得がセグメントファイバ４１０およびループファイバ３５４における損失よりも低いとき、電力Ｐi(n)は期待される通りゼロに収束する。利得が損失よりも大きくなると、Ｐi(n)はゼロ以外の値に収束する。利得が約２７．６ｄＢの値に達すると、Ｐi(n)の漸近的挙動は周期的になる。Ｐi(n)は最初に２つの値の間を振動する。その２つの値の差は利得が増加するとともに大きくなる。図６に例示されるように、約２８．４６ｄＢの利得において、Ｐi(n)は４つの値の間を振動し始める。約２８．６３ｄＢの利得において、Ｐi(n)は８つの値の間を振動し始める。利得の非常に小さい範囲に対しては、Ｐi(n)は１６個の値、次いで３２個の値（図示せず）、および６４個の値（図示せず）の間を振動する。それより僅かに高い利得に対して、Ｐi(n)の漸近的挙動はほぼ図６における斑点をつけたバンドおよび白いバンドによって表わされるようにカオス的になり、その挙動の周期性を定めることはできない。不規則な白いバンドは、漸近的挙動が周期的挙動を再開する利得の狭い範囲によってもたらされる。この発明は、カオス的挙動が始まる利得よりも低い利得の範囲によって動作するため、図６に示されるカオス的挙動をさらに考察する必要はない。さらに、この発明は周期的挙動が始まる利得よりも低い利得において動作することが好ましい。
【００７１】
カー誘導位相シフトによる自己調節伝達のため、ＮＳＡ鎖はチャネルの電力を定常状態値に強制する傾向があることが分かる。たとえば、波長λ1およびλ2を有しかつＥＤＦＡにおいてそれぞれ２５および２７ｄＢの対応する利得を有する２つのチャネルが図１Ａに例示されるようなＥＤＦＡの線形鎖の入力に適応されるとき、λ2におけるチャネルは最終的にλ1におけるチャネルを圧倒し、Ｐ1(n)（λ1におけるチャネルの電力）は０に収束する。ＮＳＡ鎖４００に対して、図６ＡはＰ1(n)が約５．０ミリワットに収束し、Ｐ2(n)が約５．２ミリワットに収束することを示す。これらの値は十分に近いため、両方のチャネルが適切な電力によって受信機に到着することを確実にする。ＮＳＡ鎖４００の自己調節は単一のチャネルが優位になることを防ぎ、それによってより多数のチャネルが検出のために適切な電力によって受信機に到着することを可能にする。利得が周期的およびカオス的挙動が起こる領域に近づくと、電力の定常状態への収束が遅くなることがシミュレーションから観察された。図５Ｂおよび５Ｄから示されるとおり、より低い利得における収束は僅か数回の反復後に起こる。
【００７２】
前述の説明は、ＮＳＡ鎖４００がどのように振舞うかを特徴づける。以下の考察は最適な構成を見出すためのＮＳＡ鎖４００のシミュレーションを説明する。さまざまな構成を評価するために、ＮＳＡ鎖４００の比較的複雑な挙動は第１に単一の性能指数パラメータに減少される。特に以下の考察の目的のために、性能指数は許容利得変動ΔＧとして定められる。許容利得変動パラメータは、Ｐi(n)を受容可能な漸近的挙動に収束させながら利得が変動し得る範囲を説明する。
【００７３】
何が受容可能な挙動かを定めるために、以下の制限がＰi(n)に置かれる。
【００７４】
【数１１】
0004514382.tif 000012
【００７５】
等式９の制限は、反時計回り方向においてサニャックループファイバ３５６における光増幅器３６０を出る電力の量に上限を設ける。等式１０におけるファクタ２は、光を時計回りおよび反時計回りのビームに分割する５０パーセントカプラ３３０によるものである。電力の上限はブリユアン散乱または４波混合（ＦＷＭ）など、ループファイバにおけるさまざまな望ましくない非線形プロセスから得られる。この上限はまたＥＤＦＡ電力出力における制限によって設定されてもよい。
【００７６】
Ｐmaxを選択するために、ブリユアン散乱が制限的な非線形プロセスであると仮定する。それより上ではブリユアン散乱が有意になる臨界電力Ｐcrは、Ｇ．Ｐ．アグラバル（Agrawal）の「非線形光ファイバ（Nonlinear Fiber Optics）」、アカデミックプレス、サンディエゴ、１９９５年によって、次の式として与えられる。
【００７７】
【数１２】
0004514382.tif 000013
【００７８】
等式１０の近似において、パラメータｇBはブリユアン利得係数であり、これは各チャネルの線幅の関数である。
【００７９】
以下の分析に対し、各チャネルは位相シフトキーイング（ＰＳＫ）を用いると仮定し、そこでは図７Ａに例示されるとおり、それぞれ０またはπ位相シフトを適用することによって持続波（ｃｗ）レーザ上に０および１が符号化される。図７Ａにおいて、各ビットは持続時間Ｔを有する。この位相変調はチャネルの線幅を広げる。（たとえばＹ．アオキらによる「光学通信システムにおける刺激されたブリユアン散乱による単一モード光ファイバの入力電力制限（Input power limits of single-mode optical fibers due to stimulated Brillouin scattering in optical communication systems）」、Journal of Lightwave Technology、第６巻、第５号、ｐｐ．７１０−７１９、１９８８年を参照。）擬似ランダムビットパターンに対して、ビットレートＢ＝１／Ｔを有するＰＳＫチャネルの周波数スペクトルを図７Ｂに示す。ＰＳＫ信号の全幅半値（ＦＷＨＭ）線幅はほぼＢに等しい。
【００８０】
図７Ｂに示される増加した線幅によってＰcrが次のように増加する。
【００８１】
【数１３】
0004514382.tif 000014
【００８２】
等式１１の近似において、ΔνBは固有のブリユアン利得線幅であり、それはファイバドーピングに依存して１０から１００ＭＨｚの間である。シリカファイバに対するブリユアン利得パラメータｇBの値は４．６×１０-11メートル／ワットである。これらのパラメータならびにＡeff＝９．０μｍ2およびＬeff＝１０キロメートルによって、ブリユアン散乱に対する臨界電力Ｐcrをチャネルビットレートの関数として図８にプロットする。図８に示されるとおり、Ｐcrは非変調チャネルに対して１ミリワットよりもかなり下である。しかし、秒当り２．５ギガビットのチャネルに対してＰcrは１０ミリワットよりも大きい。Ｐcrの値はＰＳＫの場合に対して計算しているが、前述のとおり、この発明は他のタイプの信号変調に適合可能であることが理解されるべきである。ＰＳＫの例はＰcrに対する特定の値を与えるためにのみ用いられる。
【００８３】
以下により詳細に説明するとおり、ＮＳＡ鎖のさまざまな構成を評価するための方法は許容利得変動ΔＧを比較する。ΔＧを見出すために、図９にＧiＰi(n)Ｘ／２の漸近値を利得の関数としてプロットする。このプロットから、等式９が満たされる利得の範囲が定められる。図９において、非線形係数ｎ2は変化するのに対し、他のパラメータは一定に保たれる。より高いｎ2の値はＧiＰi(n)Ｘ／２の漸近値をより低くするため、より大きいΔＧを可能にする。図９において水平線によって示されるとおり、Ｐmaxが１０ミリワットに設定されるとき、値ｎ2＝５．４７×１０-20ｍ2／Ｗ（商業的に入手可能なファイバにおいて現在達成される値）は１．６５ｄＢのΔＧを生成する。ファクタ２によるｎ2の適度な減少によってΔＧが０．４ｄＢに減少する。同様に、（この発明が約２７．６ｄＢより上の振動領域において動作されないとき）ファクタ２によるｎ2の増加によってΔＧが３．６ｄＢに増加する。
【００８４】
ＮＳＡ鎖をさらに分析および最適化するために、ＧiＰi(n)Ｘ／２の漸近値対利得のプロットをＬまたはφbiasなどのその他のパラメータの関数として生成することもできる。
【００８５】
図１０は、合計入力電力１．４ミリワット（曲線ａ）、０．５６ミリワット（曲線ｂ）および０．２２ミリワット（曲線ｂ）に対する１６波長分割多重チャネルに対する利得スペクトルを例示する。合計入力電力は１６波長の間で同等に分配され、ＥＤＦＡがサニャックループに挿入された場合と同様に両側からＥＤＦＡに入力される。ＮＳＡ鎖のパラメータは前述のものと同じである。
【００８６】
ＮＳＡの鎖の挙動をシミュレーションするために、鎖の各ＮＳＡ中の各個別の増幅器を通って移動するＮ入力信号の各々が受ける利得が第１に計算される。光増幅器における利得は一般的に複雑な態様で利得飽和を通じて入力信号電力に依存し、また入力信号電力スペクトルは各増幅器によって異なるため、鎖中の各増幅器においてＮ入力信号の各々１つが受ける利得を完全に正確に計算する必要がある。存在するＥＤＦＡシミュレーションプログラムを用いてすべての利得を計算できるが、その計算はかなりの時間を消費する。この態様ですべての利得を計算する代わりに、Ｄ．Ｍ．バネイ（Baney）らによる「チャネルを飽和するときに減少したセットを有するＷＤＭ  ＥＤＦＡ利得特性（WDM EDFA gain characteristics with a reduced set if saturating channels）」、IEEE Photonics Technology Letters、第８巻、第１２号、１９９６年、ｐｐ．１６１５−１６１７に記載される近似が用いられる。バネイらの参考文献は、増幅器に対するＮ入力信号を好適に選択した波長および電力の単一の入力信号（飽和トーンと呼ばれる）で置換することによって増幅器の利得スペクトルを正確に計算できることを教示する。特定的には、バネイらの参考文献に従うと、個別の電力ＰiのＮ入力信号によって動作される増幅器の利得スペクトルは次の式によって与えられる波長λSおよび電力ＰSの飽和トーンによって飽和される同じＥＤＦＡ（すなわち同じ条件下でポンピングされたＥＤＦＡ）の利得スペクトルにほぼ等しい。
【００８７】
【数１４】
0004514382.tif 000015
【００８８】
等式１２において、Ｇiは波長λiにおける（飽和）利得であり、ＧSは波長λSにおける（飽和）利得であり、ＧiおよびＧSは線形利得である（ｄＢで表わされる利得に対向する）。ここに仮定されるようにＥＤＦＡにおける不均一な広がりが無視できるとき、飽和トーン波長λSはこの方法の正確さに影響することなく広範囲の波長にわたって選択できる。この方法により、ＥＤＦＡの利得スペクトルは（Ｎ信号電力のあらゆる任意の組合せに対して計算する必要はなく）飽和トーン電力の範囲に対してのみ計算する必要があることが明らかである。
【００８９】
飽和利得ＧiおよびＧSは最初は未知であるため、実際には等式１２は直接用いられない。その代わりに、ＥＤＦＡシミュレーションプログラムによって、電力
【００９０】
【数１５】
0004514382.tif 000016
【００９１】
のλSにおける単一飽和信号を仮定して増幅器不飽和利得ＧiおよびＧSが第１に計算される。第２のステップにおいて、不飽和利得値が等式１２に挿入されてＰSの近似値が計算される。次いでこのＰSの近似値をＥＤＦＡシミュレーションプログラムにおいて用いることにより、（飽和）利得ＧiおよびＧSの第２の組が計算される。利得が定常値に収束するまでこのプロセスが繰返される。実際には利得の収束は第２のステップにおいて得られる。
【００９２】
以下の考察において、無視可能な不均一な広がりを有するＥＤＦＡの共通状態がシミュレーションされる。このシミュレーションは１，５５１ナノメートルの任意の飽和トーン波長λSの選択を（精度の損失なく）可能にする。波長λiの各信号が２つの方向に移動するサニャックループにおけるＥＤＦＡをシミュレーションするために、飽和信号は適切なそれぞれの電力によってＥＤＦＡの両方の入力ポートに入力される。
【００９３】
図１０においてシミュレーションされるＥＤＦＡは１１０ミリワット、１，４８０ナノメートルの光（２２０ミリワット合計ポンプ）によって２方向にポンピングされるエルビウムドープ光ファイバの７メートル部分である。このＥＤＦＡは図１０に示されるような利得スペクトルを示す。１６ＷＤＭ信号が置かれる（１ナノメートルチャネル間隔）１，５４４ナノメートルから１，５５９ナノメートルの領域において、典型的な利得変動は入力信号電力に依存して１−２ｄＢのオーダであった。
【００９４】
図１１Ａおよび１１Ｂは、ＮＳＡ鎖（図１１Ａ）および標準的な増幅器鎖（図１１Ｂ）に対する増幅器数の関数として１６チャネルすべてにおける電力の変化を示す。標準的な増幅器鎖において、部分間の損失（Ｘ）は２０ｄＢから２４ｄＢに増加して非線形ファイバの４ｄＢ損失を説明し、これはシミュレータにおいてゼロに設定される。このＥＤＦＡはＮＳＡ鎖に用いられるものと同一である。ここに示されるとおり、ＮＳＡ鎖はすべての電力を漸近値に強制することにより、すべてのチャネルが３．７ミリワットから５．２ミリワットの電力を維持するようにする。最初のいくつかのＮＳＡの後に収束が起こる。標準的な増幅器鎖においては、最高利得を有するチャネルがすぐに他のチャネルより優位になる。図１１Ａと図１１Ｂとを比較することによってＮＳＡの安定化効果が明らかに分かる。
【００９５】
セグメント２０の後のＮＳＡ鎖および標準的な鎖に対するチャネル電力スペクトルをそれぞれ図１２Ａおよび図１２Ｂに示す。ＮＳＡ鎖においては、セグメント２０の後にすべてのチャネル電力がほぼ同じである（図１２Ａ参照）。これとは対照的に、標準的な鎖のセグメント２０の後には、１，５５７ナノメートル付近の電力と１，５４４ナノメートル付近の電力との間に大きな格差がある（図１２Ｂ参照）。ＮＳＡ鎖の出力端部において（図１２Ａ参照）、１６出力信号のすべてが有用である（すなわちそれらは高い信号対ノイズ比によって検出されるために十分な電力を有する）。それとは対照的に、標準的な増幅器鎖の出力端部においては（図１２Ｂ参照）、１６出力信号のうち約６つだけが有用である。その他すべての信号は電力が小さすぎ、有用となる十分に高い信号対ノイズ比によって検出できない。この比較は、この発明が多数の利得−損失部分の後に大きい帯域幅にわたってほぼ等しい出力電力を有する出力信号を生成することを例示する。
【００９６】
前述の考察はＮＳＡ鎖４００によって達成される利得平坦化を示す特定のシミュレーションの結果を例示し、また最大許容利得変動を見出すために特にパラメータΔＧを用いることによってＮＳＡ鎖４００の性能を評価するための方法を提供する。
【００９７】
この発明は真の（すなわち外部フィードバックなしに）自動利得制御（ＡＧＣ）を達成することが当業者に認識されるであろう。それは入力信号電力、ポンプ電力および信号の数の予測不可能な変動を内部で修正することにより、利得−損失部分の鎖の出力における多数の信号の電力を電力値の小さい範囲内に自動的に維持するという意味において自動利得制御を達成する。これとは対照的に、これまでに開発された圧倒的多数の光学利得平坦化スキームは真の自動利得制御を示さない。その代わりにその他のスキームは付加的な外部フィードバックスキーム（これはシステムに複雑性およびコストを付加する）によってこれらの量の変動を訂正する。
【００９８】
前述のとおり、第２のビームからのカー誘導位相変調（相互位相変調）は自己位相変調によるものの２倍であり、この特徴によってＮＳＡ鎖４００が利得を平坦化できるようにする。自己位相変調および相互位相変調に対する条件は、Ｂ．クロシグナニ（Crosignani）の「光ファイバジャイロスコープにおけるカー効果および色分散（Kerr effect and chromatic dispersion in fiber-optic gyroscopes）」、Journal of Lightwave Technology、第ＬＴ−３巻、第４号、ｐｐ．９１４−９１８、１９８５年の光ファイバジャイロスコープのコンテクストに扱われており、ここでは自己位相変調および相互位相変調がファイバ中の分散と接続されることが示される。このクロシグナニの記事からの情報を以下に用いて、自己位相変調および相互位相変調に対する条件を定める。
【００９９】
第１に、特性帯域幅Δν′は次のように定められる。
【０１００】
【数１６】
0004514382.tif 000017
【０１０１】
等式１３において、Ｌeffは前述において定めたとおり有効ファイバ長さであり、Ａはファイバ群速度分散である（すなわち１／Ａ＝ｄ2β／ｄω2、ここでβは伝搬定数でありωは周波数である）。ν1における１つの周波数成分のν2における別の周波数成分上のカー誘導位相シフトは、＊ν1−ν2＊＜＜Δν′であれば自己位相変調とみなすことができる。同様に＊ν1−ν2＊＞＞Δν′のときには相互位相変調が起こる。等式１３は特定のサニャックループに対するΔν′の値の算出を可能にする。
【０１０２】
前述の結果は非線形サニャック増幅器のチャネル帯域幅（すなわちビットレート）およびチャネル分離に制限を加える。各チャネル内のすべての光は同じチャネル中の同一方向に伝搬するその他すべての光を自己位相変調することが要求される。よって各チャネルの帯域幅Ｂは次の関係を満たす必要がある。
【０１０３】
Ｂ＜＜Δν′  （１４）
等式１４において、ＢはランダムＰＳＫに対するビットレート１／Ｔであり、Ｔはビット持続時間である。したがって各チャネルの最大ビットレートと非線形サニャック増幅器のパラメータとには関係がある。
【０１０４】
１つのチャネル内のすべての光はまた他のチャネル中のすべての光を相互位相変調することが要求される。このことはチャネル間隔Δνchannelが次の関係を満たさなければならないことを意味する。
【０１０５】
Δνchannel＞＞Δν′  （１５）
よってチャネル間隔はループパラメータの関数である最小値を有する。
【０１０６】
前述のとおり、ループの長さＬeffは利得平坦化性能を最適化するように選択されるため、ループファイバの群速度分散Ａを変更することによってΔν′を最適値に設定することが好ましい（等式１３参照）。Ｌeffを５キロメートルとし、Ａ-1を３．２８×１０-28ｓｅｃ2／メートル（ゼロ分散波長近くの分散シフトファイバに対して適切）とすることによってΔν′の典型的な値を算出できる。この２つの値はΔν′に対して１２４ＧＨｚの値を得る。この値はパラメータＡを通じて簡単に変更できる。
【０１０７】
前述の説明から、この発明に従った非線形サニャック増幅器は異なる波長における入力光学信号の電力のかなりの差にもかかわらず平坦な出力信号スペクトルを生成することが分かる。さらに、公知の利得平坦化スキームとは異なり、出力信号スペクトルの平坦性は一般的に利得−損失要素の数の増加とともに改善する。出力信号スペクトルの平坦性は大きい帯域幅にわたってかなり良好である。たとえば、約１−２ｄＢ以内に対して平坦なＥＤＦＡを有する非線形サニャック増幅器の鎖において、多数の利得−損失部分の後の平坦性は非常に大きい帯域幅にわたって１．５ｄＢよりも良い。これとは対照的に、受動フィルタは典型的に個々のＥＤＦＡの利得を数十分の１ｄＢ以内に平坦化し、これは多数のこうしたＥＤＦＡを通過した後に平坦な利得を保証するために十分ではない。たとえば、０．３ｄＢに平坦化されたＥＤＦＡを含む２４の利得−損失部分を通過した後、出力信号スペクトル平坦性は典型的に１．５ｄＢまたはそれより悪い。ＮＳＡ鎖はわずか１−２ｄＢに平坦化される増幅器によってこの同じレベルのスペクトル平坦性を達成した。前述のことから、非線形サニャック干渉計は鎖の大きさ（すなわち鎖中の増幅器の数）が増加するとより有益であることが分かる。これはたとえば大洋横断通信バスなどの非常に多数の増幅器を含む鎖に対して特に有利である。
【０１０８】
前述のとおり、非線形サニャック増幅器の鎖はいくつかの利得−損失部分の後に平坦な利得に収束する。平坦な利得（たとえば漸近利得値または漸近利得値のパーセンテージ（たとえば９０パーセント））を得るために必要とされる増幅器の数はシステム特性であり、鎖中の非線形サニャック増幅器のパラメータを調節することによって調節できる。いくつかのシステムにおいては速い収束が必要とされ（たとえば４つの増幅器の後に平坦利得に収束するなど）、別のシステムにおいてはより遅い収束が受容可能である（たとえば２０個の増幅器の後に平坦利得に収束するなど）ため、この収束速度の制御能力は重要である。
【０１０９】
受動増幅器によって平坦化されたＥＤＦＡとは異なり、入力信号の１つまたはそれ以上が落ちたときにも出力信号スペクトルは非常に平坦なままであるため、この発明のシステムは特に有利である。１つの入力信号における電力が落ちたとき、残りの（落ちていない）入力信号に対応するすべての出力信号はより高い電力を有する。しかしこの発明は、出力信号スペクトルの平坦性が全く変らないようにするか、または非常に少量しか変化しないようにする。同様に、入力信号の１つまたはそれ以上の電力が変化する（すなわち増加または減少する）とき、利得平坦性は変化しないかまたはほとんど変化しない。このことを例示するために、図１３は第１４のＮＳＡの後および第１５のＮＳＡの前に８つのチャネルが落ちた１６チャネルＷＤＭシステムの電力の変化を示す。残り８つのチャネルは異なる利得を受けるため、それらは異なる漸近値に収束する。しかし電力偏向は非常に小さく、残り８チャネルすべてが５ミリワットから５．５ミリワットの電力を有してＮＳＡの端部に達する。
【０１１０】
出力信号スペクトル平坦性はまた、非線形サニャック増幅器の鎖中の１つまたはそれ以上のＥＤＦＡをポンピングする電力の変化に強い。ポンプ電力の一部またはすべての変化は光学利得の変化をもたらし、鎖の出力においてすべての出力信号によって運ばれる電力の変化を起こす。しかし非線形サニャック増幅器の鎖の収束効果によって、出力信号スペクトルの平坦性は名目上変化しない（ポンプ電力変化の量が適度であると仮定する）。出力信号スペクトルの平坦性のこの頑強性はフィルタ平坦化ＥＤＦＡによって提供されない。
【０１１１】
特に、ＥＤＦＡの特定の利得曲線に適合される特定のフィルタによって各ＥＤＦＡを平坦化する必要のある受動フィルタによる利得平坦化ＥＤＦＡと比較するとき、非線形サニャック増幅器の平坦化特性はその他のほとんどの利得平坦化増幅器よりも構成要素のパラメータの製造ばらつきに対する耐性がある。受動フィルタが用いられるとき、所与のフィルタは特定の条件下で動作される特定のＥＤＦＡの利得を平坦化するが、異なるポンプ電力によってポンピングされるか、または異なる数の信号とともに動作されるか、または異なる信号電力もしくは差の組合せとともに動作される同じＥＤＦＡとともにそれが用いられるときには、フィルタは機能するとしてもわずかしか機能しない。また、設計、エルビウム濃度、共ドーパント濃度、長さ、または差の組合せがわずかに異なるエルビウムドープ光ファイバによって作られた２つの名目上同一のＥＤＦＡとともに同じフィルタが用いられるときにもそのフィルタはわずかしか機能しないおそれがある。同様に、（たとえば外部温度の変化などによる）フィルタ伝達スペクトルの変化は鎖利得の平坦性を変える。受動フィルタによって平坦化された利得を有する従来の増幅器とは対照的に、この発明に従って特定のループファイバおよびループ長さによって構成された非線形サニャック増幅器は大きい範囲の特性を有するＥＤＦＡの利得を平坦化でき、鎖の出力信号スペクトルの平坦性は非線形サニャック増幅器のパラメータの変動に強い。
【０１１２】
ここに提供される図面は１０ｋｍのループ長さを有するＮＳＡの性能を例示する。ループ長さの選択はシステム性能に影響することが理解されるべきである。たとえば、長さおよびモード閉込めの間には妥協が存在する。特にモード閉込めが強いほど要求される長さが短くなる。また、ループ長さおよびファイバ非線形性の間にも妥協が存在する。特にファイバ非線形性が強いほど要求される長さが短くなる。同様に、ループ長さおよび信号電力の間にも妥協が存在する。特に信号電力が強いほど要求される長さが短くなる。１０ｋｍよりも実質的に短いかまたは実質的に長いループ長さを有するＮＳＡを、この発明において説明したのと名目上同じ特性によって動作するように設計できる。
【０１１３】
前述においてはエルビウムドープ光ファイバ増幅器に関して説明したが、ここに記載する非線形サニャック増幅器の一般的な原理は活性ドーパントとして三価エルビウム（Ｅｒ3+）に制限されない。ファイバ、導波管またはバルク光学構成要素に基づくあらゆる光増幅器の利得を平坦化するためにこの非線形サニャック増幅器を用いてもよい。光増幅器はあらゆる活性イオンまたは活性レーザ媒体を用いてもよく、またスペクトル範囲のあらゆる部分にわたって動作してもよい。特に非線形サニャック増幅器はラマン増幅器とともに用いられてもよく、これはたとえば他の光増幅器によって好適に包含されない増幅適用のために用い得る。なお、この発明に関連して用いられるラマン増幅器またはその他の増幅器は、２方向であることによってサニャックループ中の逆方向に伝搬する信号を増幅できることが必要である。ラマン増幅器の実施例に関して、そのラマン増幅器は共振モードにおいて動作されてもよく、またはそれは２つの異なる方向にポンピングされてもよい。
【０１１４】
さらに、前述の実施例は各ループにおける単一の増幅器に関して説明した。単一のＥＤＦＡは制限された増幅範囲を有し得ることを当業者は認識するであろう。たとえば、第１の増幅器ＡＭＰ１は波長の１つのバンドを増幅し、波長の第２のバンドにわたって吸収してもよい。第２の増幅器ＡＭＰ２は第１のバンドにわたって吸収し、第２のバンドにわたって増幅してもよい。両方のバンドにわたる増幅を与えるために、２つのＷＤＭカプラを用いることによって２つの増幅器ＡＭＰ１およびＡＭＰ２を複合増幅器としてループ中に並列に位置決めしてもよい。言換えると、図１４Ａに示される２つの増幅器ＡＭＰ１およびＡＭＰ２の並列配列で作られた増幅器３６０とともに図３の非線形サニャック増幅器が用いられ、ここでＡＭＰ１およびＡＭＰ２は、たとえば図３Ａの増幅器と同様に構成された２つの個別の増幅器である。
【０１１５】
同様に、第１の増幅器ＡＭＰ１が第１のバンドを増幅して第２のバンドを通し、第２の増幅器ＡＭＰ２が第１のバンドを通して第２のバンドを増幅するとき、２つの増幅器をループ中に直列に置くことによって両方のバンドにわたる増幅を与えてもよい。この複合増幅器を図１４Ｂに例示する。個別の増幅器ＡＭＰ１およびＡＭＰ２は両方とも、たとえば図３Ａの増幅器と同様に構成されてもよい。ここでも非線形サニャック増幅器は図１４Ｂの複合増幅器で作られる増幅器３６０を含む図３の非線形サニャック増幅器からなる。
【０１１６】
波長の複数のバンドをカバーするために直列および並列の増幅器の組合せが用いられてもよいことが理解されるべきである。
【０１１７】
非常に広いスペクトル範囲にわたる増幅が要求される場合には、スペクトル範囲の異なる部分に対して別個のループを与えることによって、ループのパラメータをスペクトル範囲の異なる部分に対して最適化できるようにすることが必要であり得る。この構成を図１５に概略的に示しており、ここでＮＳＡ１およびＮＳＡ２は、スペクトルの異なる（およびおそらくは近接する）部分（たとえばＮＳＡ１に対して１３００ナノメートルから１３５０ナノメートル、ＮＳＡ２に対して１５００ナノメートルから１６５０ナノメートル）にわたる利得を与える２つの非線形サニャック増幅器を表わす。第１のＷＤＭカプラは入力信号を分離してそれらを適切な非線形サニャック増幅器に向けるよう作用し、すなわち（この例においては）１３００ナノメートルから１３５０ナノメートルの波長を有する信号をＮＳＡ１に向け、１５００ナノメートルから１６５０ナノメートルの波長を有する信号をＮＳＡ２に向ける。第２のＷＤＭカプラはＮＳＡ１およびＮＳＡ２を出る信号を通信ファイバ（図１５において損失ボックスによって表わされる）上に再び組合せる。
【０１１８】
図１６に、図４の実施例に対する代替的な実施例を例示する。図１６の実施例において、利得−損失ストリング１６００は、損失部分１６３０によって分離された非線形サニャック増幅器（ＮＳＡ）１６１０および標準的な光増幅器（ＡＭＰ）１６２０の両方を含む。特に図１６に例示される実施例において、ＮＳＡ１６１０およびＡＭＰ１６２０は交互に位置決めされる（すなわち１つおきの増幅器）。したがって図１６に例示される鎖における非線形サニャック増幅器の割合は５０％である（すなわちすべての標準的な増幅器１６２０に対して１つの非線形サニャック増幅器１６１０）。鎖中の非線形サニャック増幅器１６１０の割合は、標準的な増幅器１６２０が個別に平坦化される度合いに依存してより小さくても（たとえば鎖中の３つおきの増幅器が非線形サニャック増幅器１６１０であってもよい）、またはより大きくてもよい（たとえば鎖中の３つおきの増幅器が標準的な増幅器１６２０であってもよい）。たとえば、標準的な増幅器１６２０がよく平坦化されないときには、数個の非線形サニャック増幅器１６１０ごとにただ１つの標準的な増幅器１６２０を用いてもよい。標準的な増幅器１６２０が適度によく平坦化されるときには、１つおきの増幅器が標準的な増幅器１６２０であってもよい。標準的な増幅器１６２０が非常に平坦であるときには、ストリング１６００中に時々１つの非線形サニャック増幅器１６１０を置くだけでよい（たとえば３つおきの増幅器が非線形サニャック増幅器１６１０であり、残りの増幅器は標準的な増幅器１６２０であるなど）。この混成鎖１６００は（１）非常に多数の利得−損失部分の後にも高い利得平坦性を維持し、かつ（２）増幅器−損失鎖を入力条件（すなわち信号の数、信号電力、またはポンプ電力）の（意図的または非意図的）変化に対して強くするために有利である。比較的安価な標準的な増幅器１６２０によってより高価な（ファイバループおよび光学サーキュレータを有する）非線形サニャック増幅器を置換えることによってかなりのコスト減少が得られるため、この混成鎖１６００は有益である。
【０１１９】
ここでは波長によって変化する利得を有する増幅器の利得の平坦化に関して説明したが、波長依存性を示さないかまたは僅かしか示さない利得を有する個別の増幅器とともにこの発明を用いてもよい。個別の増幅器の利得スペクトルがより平坦であれば、この発明はより良く機能する（すなわちそれはより少ない増幅器の後により平坦な利得を与える）。
【０１２０】
この発明はまた、名目上平坦な（たとえば８０ナノメートル帯域幅にわたって０．３ｄＢ以内の）利得スペクトルを有する個別の増幅器とともに用いてもよく、それは当該技術分野において周知のいくつかの技術によって達成し得る。この場合に、この発明は多数（たとえば数十）の増幅器の後に利得平坦性を維持するかまたはより改善する機能を行なう。それとは対照的に、図１Ａに関連して説明したように、伝統的な線形増幅器鎖において同じ個別の増幅器がともに並べられるとき、この増幅器ストリングでは利得−損失部分の数が増加するとともに利得平坦性がますます低下する。
【０１２１】
さらに、各々が名目上平坦な（たとえば８０ナノメートル帯域幅にわたって０．３ｄＢ以内の）利得スペクトルを有する個別の増幅器とともにこの発明を用いるとき、この発明は信号電力の変化、信号の数の変化、およびある程度はポンプ電力の変化に対して強い名目上平坦な利得スペクトルを与える。
【０１２２】
この発明の特定の実施例に関して前述に説明したが、この実施例の説明はこの発明を例示するものであって制限することを意図されないことが理解されるべきである。添付の請求項において定められるこの発明の真の趣旨および範囲から逸脱することなく当業者はさまざまな変更および適用を行なってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  複数の多重損失−利得部分を含む線形増幅器鎖を例示する図であり、ここで損失部分はファイバ部分を含み、利得部分はエルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を含む。
【図１Ｂ】  例示的なエルビウムドープ光ファイバ増幅器の利得変動を波長の関数として例示する図である。
【図２Ａ】  ２ナノメートルのチャネル間隔を有する入力信号を有する波長分割多重（ＷＤＭ）システムの入力電力スペクトルを例示する図である。
【図２Ｂ】  ５つの利得−損失部分に適用される図２Ａの入力信号スペクトルから得られる出力電力スペクトルを例示する図であり、波長の関数としての利得変動は図１Ｂに示される。
【図３】  この発明に従った非線形サニャック増幅器の実施例を例示する図である。
【図３Ａ】  図３の光増幅器の好ましい実施例を例示する図である。
【図４】  この発明に従った非線形サニャック増幅器の鎖を例示する図である。
【図５Ａ】  この発明に従った例示的な非線形サニャック増幅器の伝達関数を例示する図であり、ここで利得は２１．８ｄＢであり、Ｐi(n)は利得−損失部分ｎの出力におけるチャネルｉの電力であり、Ｐi(n+1)は利得−損失部分ｎ＋１の出力におけるチャネルｉの電力であり、出力電力は定常状態値に収束する。
【図５Ｂ】  図５Ａの伝達関数に対するＰi(0)のさまざまな初期値に対する利得−損失部分の出力電力Ｐi(n)の収束をｎの関数として例示する図である。
【図５Ｃ】  この発明に従った例示的な非線形サニャック増幅器の伝達関数を例示する図であり、ここで利得は２４ｄＢであり、増加される利得を有する伝達関数の増加される非線形性が示され、Ｐi(n)は定常状態値に収束しない。
【図５Ｄ】  図５Ｃの伝達関数に対するＰi(0)のさまざまな初期値に対する利得−損失部分の出力電力Ｐi(n)の収束がないことをｎの関数として例示する図である。
【図６】  利得が増加するとチャネル中の電力が振動し、次いでカオス的になることを示す、Ｐi(n)の漸近的挙動のグラフを増幅器利得の関数として例示する図である。
【図７Ａ】  位相シフトキーイング（ＰＳＫ）の例を例示する図である。
【図７Ｂ】  ＰＳＫシステムに適用される擬似ランダムビットパターンに対するチャネルスペクトルにおいて得られる拡散を例示する図であり、ここで振幅は線形ユニットに標準化される。
【図８】  それを超えるとシミュレーションしたブリユアン散乱が顕著になるミリワットでの臨界電力Ｐcrをビットレートの関数として例示する図であり、ここでビットレートは秒当りのメガビットとして対数目盛上に示される。
【図９】  ＧiＰi(n)Ｘ／２の漸近値のプロットを利得の関数として例示する図である。
【図１０】  １．４ミリワット（曲線ａ）、０．５６ミリワット（曲線ｂ）および０．２２ミリワット（曲線ｂ）の合計入力電力に対する１６波長分割多重チャネルに対する利得スペクトルを例示する図である。
【図１１Ａ】  非線形サニャック増幅器の鎖に対する図１０の１６ＷＤＭチャネルにおける電力の変化を例示する図である。
【図１１Ｂ】  標準的な増幅器の鎖に対する図１０の１６ＷＤＭチャネルにおける電力の変化を例示する図である。
【図１２Ａ】  ２０セグメントの後の非線形サニャック増幅器の鎖に対するチャネル電力スペクトルを例示する図である。
【図１２Ｂ】  ２０セグメントの後の標準的な増幅器の鎖に対するチャネル電力スペクトルを例示する図である。
【図１３】  第１４の非線形サニャック増幅器の後および第１５の非線形サニャック増幅器の前に８チャネルが落ちた１６チャネルＷＤＭシステムの電力の変化を例示する図である。
【図１４Ａ】  非線形サニャック増幅器のループにおいて用いるためのＥＤＦＡの実施例を例示する図であり、ＥＤＦＡは２つの光学バンドを増幅するために並列の２つの増幅器を含む。
【図１４Ｂ】  非線形サニャック増幅器のループにおいて用いるためのＥＤＦＡの実施例を例示する図であり、ＥＤＦＡは２つの光学バンドを増幅するために直列の２つの増幅器を含む。
【図１５】  ２つの異なる光学バンドにわたる増幅を与えるために並列の２つの非線形サニャック増幅器を有する構成を例示する図である。
【図１６】  図１４の実施例に対する代替的な実施例を例示する図であり、ここでは鎖中の非線形サニャック増幅器のうち選択されるものが標準的な増幅器によって置換えられる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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