(57)【要約】本発明による光増幅器は、希土元素を添加された利得媒体を有するＬ帯域の光増幅器であり、該利得媒体の有限な物理的部分に亘って分布せしめられるフィルタを含む。該フィルタは、利得媒体の全体長の約２５％の部分から該実質的にその全体に及んで分布せしめられる。該分布せしめられたフィルタは、帯域外の光放出（ｌ５２０ｎｍから１５６５ｎｍに達するＣ帯域のＡＳＥ）を実質的に除去して、Ｌ帯域（１５６５ｎｍから１６２０ｎｍに達する）増幅の性能を改善する。分布せしめられるフィルタの例としては、長周期回折格子の如き独立タイプのフィルタと、希土元素添加されたもの如き連続タイプのフィルタと、双コア形のファイバと、非断熱的にテーパー処理されたファイバと、同軸形の共鳴リングファイバとを含む。
2004500702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ通信ラインの光増幅器であり、前記光増幅器に関する利得スペクトルの長波長側、即ちテール領域における帯域内伝送信号により動作する光増幅器であって、
希土元素が添加され、前記光増幅器の第１利得ステージとなる利得媒体と、
前記第１利得ステージに接続されている励起電力源と、
前記利得媒体に亘って分布せしめられ、前記光増幅器において増幅される自然放出（ＡＳＥ）に関する光を減衰せしめることで、前記利得スペクトルの長波長側の領域における伝送信号が増幅されるフィルタと、
を含むことを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
請求項１記載の光増幅器であって、前記希土元素の添加物は、エルビウムを含み、更に、前記光増幅器に関する利得スペクトルは、約１５２０ｎｍから約１６２０ｎｍに達し、前記ＡＳＥは、約１５２０ｎｍから約１５６５ｎｍに達し、前記利得スペクトルの長波長側、即ちテール領域は、約１５６５ｎｍから約１６２０ｎｍに達することを特徴とする光増幅器。
【請求項３】
請求項１記載の光増幅器であって、前記フィルタは、前記利得媒体の約２５％の部分から実質的に全体部分に至る範囲の有限な物理的部分に亘って分布せしめられていることを特徴とする光増幅器。
【請求項４】
請求項３記載の光増幅器であって、前記フィルタは、複数の別々（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）のフィルタを含むことを特徴とする光増幅器。
【請求項５】
請求項４記載の光増幅器であって、前記別々のフィルタは、前記光増幅器に関連する利得スペクトルのピーク利得波長において約２０ｄＢの利得長よりも低いか又は等しい利得長に対応するフィルタ間隔を有することを特徴とする光増幅器。
【請求項６】
請求項４記載の光増幅器であって、前記別々のフィルタは、長周期（ｌｏｎｇ ｐｅｒｉｏｄ）の回折格子であることを特徴とする光増幅器。
【請求項７】
請求項４記載の光増幅器であって、前記長周期の回折格子は、前記利得媒体に書き込まれていることを特徴とする光増幅器。
【請求項８】
請求項３記載の光増幅器であって、前記フィルタは、連続フィルタを含むことを特徴とする光増幅器。
【請求項９】
請求項８記載の光増幅器であって、前記連続フィルタは、
脱励起されて前記ＡＳＥ光を吸収する不純物添加された導波コアと、
励起されて前記伝送信号を増幅する不純物添加された導波コアと、
を含み、前記脱励起される導波コアと、前記励起される導波コアとは、導波上の分散を与え、前記励起されるコアから前記脱励起されるコアへの結合が、前記ＡＳＥの利得スペクトルにおける光に対してのみ実質的に発生することを特徴とする光増幅器。
【請求項１０】
請求項１記載の光増幅器であって、前記フィルタは、前記ＡＳＥのスペクトル帯域幅に実質的に合致する帯域幅と、前記光増幅器の利得スペクトルにおけるピーク利得係数に近似的に等しいか又はより大きい深度と、を有することを特徴とする光増幅器。
【請求項１１】
約１５６０ｎｍから約１６２０ｎｍに達する既知の利得帯域幅の長波長領域において信号増幅を提供するエルビウム添加ファイバの光増幅器であって、
約１５２０ｎｍから約１５６５ｎｍに達する既知の利得帯域幅の内の第１利得スペクトルを与えるエルビウム添加ファイバからなる第１利得ステージと、
前記第１利得ステージに結合される励起エネルギ源と、
前記第１利得ステージに直列に接続され、約１５６５ｎｍから約１６２０ｎｍに達する既知の利得帯域幅の内の有用利得スペクトルを与えるエルビウム添加ファイバからなる第２利得ステージと、を含み、
前記第１利得ステージは、前記第１利得ステージに沿って分布せしめられるフィルタを更に含み、前記フィルタは、前記第１利得スペクトルに実質的に合致する放出スペクトルを有する帯域外の光放出をフィルタリングするのに十分な深度及び帯域幅を、前記第１利得ステージでフィルタリングされない帯域外の何らかの光放出が前記第１利得ステージを自己飽和するには不十分な限度で有し、更に、前記有用利得スペクトルは、前記既知の利得帯域幅のピーク利得であるピーク利得を与えることを特徴とする光増幅器。
【請求項１２】
請求項１１記載の光増幅器であって、前記フィルタは、前記第１利得ステージのエルビウム添加ファイバにおいて、エルビウム添加された２つの導波コアを含み、更に、前記添加されたコアのうちの１つには励起エネルギが何ら送られないことで、前記脱励起されたコアが、前記脱励起されたコアの中に結合される帯域外の光放出を減衰せしめることを特徴とする光増幅器。
【請求項１３】
光増幅器の既知の利得帯域幅のうちの長波長側テール領域の信号を増幅する前記光増幅器を動作せしめる方法であって、
前記光増幅器の第１利得ステージの利得媒体の有限な物理的な長さの部分に亘ってフィルタを分布せしめるステップを含み、前記フィルタは、前記光増幅器からの増幅された自然放出に関する波長スペクトルを減衰せしめるに十分な深度及び帯域幅を有することを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法であって、前記光増幅器の利得媒体に亘ってフィルタを分布せしめるステップは、前記利得媒体に亘って連続するフィルタを分布せしめるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３記載の方法であって、前記光増幅器の利得媒体に亘ってフィルタを分布せしめるステップは、前記利得媒体に亘って複数の別々のフィルタを分布せしめるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１３記載の方法であって、前記光増幅器の第２利得ステージの第２利得媒体に亘ってフィルタを分布せしめるステップを更に含み、前記フィルタは、前記光増幅器からの増幅された自然放出に関する帯域外の光を減衰せしめるのに十分な深度及び帯域幅を有することを特徴とする方法。
【請求項１７】
光増幅器の既知の利得帯域幅のうちの長波長側テール領域の信号を増幅する前記光増幅器を動作せしめる方法であって、
前記光増幅器の利得ステージに亘ってフィルタを分布せしめ、前記光増幅器から増幅される自然放出に関する帯域外の光を減衰せしめて、前記光増幅器に関する平均反転値が、分布せしめられたフィルタを有しない光増幅器に関する平均反転値よりも大とするステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の方法であって、前記フィルタは、前記光増幅器の入力利得ステージに亘って分布せしめられることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法であって、前記フィルタは、前記第１ステージに結合される前記光増幅器の第２利得ステージに亘って分布せしめられることを特徴する方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の方法であって、前記光増幅器はエルビウム添加された光増幅器であり、前記既知の利得帯域幅の長波長側のテール領域は、約１５６５ｎｍから約１６２０ｎｍに達し、前記既知の利得帯域幅は、約１５２０ｎｍから約１６２０ｎｍに達し、前記帯域外の光放出は、約１６２０ｎｍから約１５６５ｎｍに達することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信の分野に関し、特に、所与の利得スペクトルの長波長側、即ちテール領域における光信号の増幅を提供する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
希土元素が添加された光増幅器、特に、エルビウム添加のファイバ光増幅器（ＥＤＦＡ）が、今日の通信システム及びネットワークおいて光信号を増幅するのに排他的に、或いは殆ど排他的に用いられている。希土元素添加の光増幅器のよく知られた利点は、コスト有効性、良好な雑音特性、比較的広帯域で分極に不感応な帯域幅、低挿入損失、及び他の光増幅器技術を越える改善された混信特性を有している。ＥＤＦＡは、波長分割多重（ＷＤＭ）光通信システム及びネットワークにおいてますます用いられている。
【０００３】
サービス提供者は、容量に対する絶え間ない要請に遅れを取らないように努め、所与のＷＤＭシステムにて出来るだけ多くのＷＤＭ光チャネルを提供することに注意を注いでいる。かように、広帯域光増幅器が、高密度なＷＤＭ（ＤＷＤＭ）光システム及びネットワークを実現できるように開発されている。
ＥＤＦＡの総体の利得スペクトルは、図２に示されるように非常に広い。その利用可能な利得スペクトルは、約１５２５ｎｍから１５６５ｎｍに広がり、これは従来からエルビウムＣ帯域と呼ばれている。適切な利得等価により、約４０ｎｍの帯域幅がＤＷＤＭアプリケーションに提供される。図２は、又、ＥＤＦＡの利得が１５２５ｎｍ以下のスペクトル領域及び１５６５ｎｍ以上のスペクトル領域において急激に低下することを示している。従来の利得等価技術では，ＥＤＦＡの利得帯域幅を更に増加せしめるようには実現され得ないが、より高容量の光波システムに対する要請が、約１５６５ｎｍから１６２０ｎｍに至る間のより長波長領域における信号増幅に利益があると再認識させた。例として、マッシコット氏及び他による「１．６ミクロン程度のＥＲ３＋添加されたシリカファイバの低雑音動作」と題するエレクトロニクス・レター１９９０年９月の第２６巻第２０号１６４５乃至１６４６頁が参照される。光信号増幅のためのエルビウム利得窓の長波長テールの潜在的な使用の評価にもかかわらず、Ｌ帯域光増幅器の最適化に関する公の文献には僅かの注目しか与えられていない。
【０００４】
Ｌ帯域光増幅器の性能は、少なくとも３つの内的関連を有する要素により制限される。これらは、ａ）注目帯域における低減された利得係数と、ｂ）短波長の増幅された自然放出（ＡＳＥ）による自己飽和と、ｃ）高利得動作に必要な長いファイバコイルにおけるバックグランド損失と、からなる。Ｌ帯域光増幅器の場合のＣ帯域光増幅器を越える利得／損失比の固有の低下は、電力変換効率の低下をもたらす。これは、自己飽和を伴い、既に低い利得係数を低下せしめていた平均反転を更に低下せしめることでより助長される。更に、複数ステージの光増幅器のうちの第１ステージが低い反転で動作した場合には、該光増幅器の雑音特性は、著しく欠陥にさらされる。しかし、高い反転での動作は、該光増幅器の電力変換効率に低下をもたらすＣ帯域のＡＳＥを生む。
【０００５】
以上のように、本発明者は、Ｌ帯域光増幅器の性能を改善する必要性を認識し、特に、雑音形状と電力変換効率との間のトレードオフに目標を置き、この問題に取り組んだ。
【０００６】
【発明の概要】
本発明の実施例は、光増幅器に関する利得スペクトルの長波長側、即ちテール領域における光信号を増幅する光増幅器が指向されている。これは、該光増幅器の利得ステージと呼ばれる希土元素添加された利得媒体と、該利得媒体に結合される励起電力源と、該利得ステージ全体に分布せしめられるフィルタと、を含む。該フィルタは、該光増幅器で増幅される自然放出（ＡＳＥ）に関連する光を減衰せしめことで、該利得スペクトルの長波長側における光信号のみが実質的に増幅される。
【０００７】
本発明の他の実施例は、光増幅器に関する利得スペクトルの長波長側、即ちテール領域における光信号を増幅する光増幅器が指向されている。これは、光増幅器の利得ステージと呼ばれる希土元素添加された第１利得媒体を含み、フィルタが該第１利得媒体に亘って分布せしめられる。該フィルタは、増幅される自然放出に関連する光の減衰を提供する。該光増幅器は、更に、該第１利得媒体に結合される、該光増幅器の第２利得媒体と呼ばれる希土元素添加された第２利得媒体と、該希土元素添加された利得媒体をして誘導放出せしめるために該光増幅器に接続される励起電力源と、を含む。この実施例の形態において、該第２利得ステージは、好ましくは、第１利得ステージの入力場所よりはむしろ出力場所の近くで信号伝搬方向に沿って該第１利得ステージに直列に結合される。この実施例の他の形態としては、該光増幅器の第２利得ステージに亘ってもフィルタが分布せしめられ、該光増幅器により発生されるＡＳＥを更に低減する。この実施例の他の形態として、励起源が、好ましくは、第１利得ステージの出力よりはむしろ第１利得ステージの入力により近い場所において該第１利得ステージに結合される。
【０００８】
上記に説明された両実施例の連続する分布フィルタリングの形態において、分布せしめられるフィルタは、希土添加される複数且つ好ましくは２重のコアフィルタであり、第１利得ステージを作り上げる。このコアの１つは励起されて有用利得スペクトルに対して利得を提供し、他のコアは脱励起されて帯域外（ＡＳＥ）の光を吸収する。
【０００９】
連続分布フィルタリングの他の形態として、分布フィルタは、非断熱的にテーパ処理されたファイバであり、第１利得ステージを作り上げる。これにより、モード結合が該テーパ領域に発生しフィルタリング効果を提供する。
連続分布フィルタリングの更なる形態として、分布フィルタは、不純物添加された同軸コアと添加又は無添加の同軸状の環状コアを有する希土元素添加されたファイバであり、第１利得ステージを作り上げる。ここでの曲げ損失は、該フィルタの長さに亘ってフィルタリング効果を提供する。
【００１０】
変形としての別のフィルタリングの形態として、分布フィルタは、希土元素添加されたファイバに書き込まれる、又は融着される長周期（ｌｏｎｇ ｐｅｒｉｏｄ）の回折格子の如き一連の別々（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）のフィルタであり、第１利得ステージを作り上げる。この形態において、燐シリケートの如く、通常の（ゲルマニウム）アルミノ珪酸塩母体ガラスとは異なり、回折格子を書き込む上でより効率的な媒体である添加されたファイバガラス母体を用意することが望まれる。
【００１１】
ここで説明される発明は、特に、分布フィルタリングの無いＬ帯域光増幅器を越える改善された性能を有するエルビウムＬ帯域における光信号を増幅する装置及び方法を提供する。本発明による分布フィルタリングは、強い励起に特に起因して光増幅器において発生する帯域外のＡＳＥを実質的に除去し、光増幅器がＣ帯域のＡＳＥにより自己飽和することなしに、より高い平均反転で動作することを可能とする。より高い反転の動作は、目標利得値を得る上でより短い能動コイル長の余地を与え、加えて、バックグランド損失での低下により改善される電力変換効率に貢献する。光増幅器の雑音性は，又、より高い反転で目標のＬ帯域ステージ利得を達成する能力により改善される。従って、この反転は、又、光増幅器回路レイアウト及びパッケージ上の配慮に利益をもたらす。
【００１２】
本発明による装置はファイバ光増幅器として例示的に説明されるが、これはかかる形態に制限されるものではなく、例えば、平面的な構成でも本発明を実施し得る。
本発明の付加的な特徴及び利点は、引き続く詳細な実施例の説明において述べられ、部分的には当業者にとって本記載から容易に明らかであり、又、記載の説明及び請求項のみならず、添付の図面において示されるようにして本発明を実施することで認識される。
【００１３】
前出の概要と引き続く詳細な実施例の記載との両方は本発明による例示でしかないことは理解されるべきであり、請求される如き本発明の性質と特性を理解するために外観及び構造を提供することが意図されている。
添付の図面が本発明の更なる理解を提供するために含まれ、組み入れられることでこの明細書の１部を構成する。該図面は本発明の実施例を例示し、記載と共にして本発明の原理及び動作を説明する。
【００１４】
【実施例】
本発明についてより明確な理解を提供するために、ここで用いられる用語「分布フィルタ」とは、フィルタリングされる利得ステージ（即ち、能動ファイバ）のある有限な物理的な部分に亘って発生するフィルタリングをなすものであり、利得ステージにおいて単に単一又は別々の位置におけるフィルタリングとは対峙する意味を有する。従って、該フィルタは、例えば、利得ステージの長さ方向にに亘って分布せしめられても良く、該分布フィルタが光増幅器により発生されるＡＳＥのフィルタリングを如何によく提供するかに依存して、ファイバの約２５％の部分から実質的に全利得ステージに至る範囲に達する。これについては、本発明の光増幅器のフィルタリングの実施例に関連してより詳細に説明される。しかし、該分布フィルタは利得媒体の物理的部分に亘って分布せしめられる複数の別々のフィルタを含んで、有効なフィルタリング、即ち変形的に該利得媒体の部分に亘って分布せしめられる物理的に連続したフィルタを提供しても良い。
【００１５】
また、ここで用いられる用語である単一ステージ光増幅器と複数ステージ光増幅器との間の有用な区別を試みる。単一ステージ光増幅器とは、励起光により励起された利得媒体の単一のセクションを意味する。複数ステージ光増幅器は、別々の部品を介して物理的に分離又は結合された利得媒体の少なくとも２つのセクションを意味する。複数ステージ光増幅器において、各セクションは信号に対して規格利得以上を提供する。それ故、これらの用語が用いられように、単一利得ステージは、直列状の別々のフィルタをその長さ方向に沿って含み、単一ステージを維持する。このことは、当業者により明確に理解されるものと考えられる。従って、図２に示される光増幅器は、第１ステージ２（本発明の例示の実施例においては別々の分布フィルタ１４を伴う）と、部品１２で接続される第２ステージ４と、を有する複数ステージの光増幅器である。
【００１６】
また、複数ステージ希土元素添加のＬ帯域光学的光増幅器がその構成、制御、システム機構の管理及び性能の面で単一ステージ光増幅器よりも利点を提供することは当業者により認められる。例えば、利得等価化、分散補償、波長経路設定、及び他の機能が光増幅器の各ステージ間でより都合よく遂行される。従って、例示の目的で、本発明が複数ステージを参照してより詳細に説明される。しかし、これは、本発明を実施する光増幅器が単一ステージのＬ帯域光増幅器であることから除外するように限定するものではない。
【００１７】
本発明の好ましい実施例についての詳細な説明が、添付の図面に示される例示を参照してなされる。可能な限り同一の参照符号は該図面を通して同一又は類似の部品を示している。
図１は、約１５２０ｎｍから約１６２０ｎｍに至るスペクトル領域をカバーする通常の（ゲルマニウム）アルミノ・シリケートのエルビウム添加されたファイバの代表的な利得スペクトル２０を示している。このスペクトル領域は、以後、既知の利得領域２２として参照される。ＥＤＦＡの場合にＣ帯域波長と通常呼ばれるスペクトル領域が示されるが、以後、第１スペクトル領域２４として参照される。これは、既知の利得帯域幅２２のより短い波長領域を約１５２０ｎｍから約１５６０ｎｍに及んで占有する。本発明の実施例によれば、該１利得領域２４は、図１の光増幅器１０の第１利得ステージ２に主に関する。ＥＤＦＡのＬ帯域（即ち、拡張帯域）と通常参照される波長領域は、既知の利得帯域２２の長波長側（テール）領域を占有し、約１５６０ｎｍから約１６２０ｎｍを占有する。これは、以後、有用利得スペクトル２６として参照され、光増幅器１０の第２利得ステージ４に主に関する放出スペクトルである。動作上、光増幅器は、その光増幅器の利得媒体が励起された時に前方向及び後方向の両方向に増幅される自然放出（ＡＳＥ）として知られる広帯域ベースの雑音スペクトルを放出する。該ＡＳＥは、以後、帯域外の光放出として参照され、本（ｉｎｓｔａｎｔ）発明に関しては、第１利得スペクトル２２に実質的に合致するスペクトル領域を占有する。希土元素添加の光増幅器におけるＡＳＥの属性は、当業者によりよく認識されているものであり、本発明の理解にとっては更なる説明を必要としない。
【００１８】
図２は、増幅された自然放出（ＡＳＥ）を統御する本発明によるＬ帯域エルビウム添加ファイバ光増幅器（ＥＤＦＡ）１０の実施例を示している。第１ステージエルビウム添加ファイバ利得媒体２は、第２ステージエルビウム添加ファイバ利得媒体４に結合点１２において直列に結合されている。Ｌ帯域ＥＤＦＡのステージ２及びステージ４の両方が互いに直近で結合されているように示されているが、光アイソレータ、フィルタ、又は他の信号統御部品の如き多様な部品が該２つのステージの間に挿入されても良いことは当業者により理解される。励起電力源８が光増幅器に、好ましくは第１ステージにその入力位置又はその近くで適切に結合され、励起電力を前方向（即ち、信号と同方向）に提供する。この励起機構は、低減された雑音性と増加せしめられた電力変換効率による光増幅器動作を与えると考えられる。これは、通常、光増幅器の第１ステージの入力点における比較的強い励起により高反転が発生して達成される。しかし、当業者により更に認識されるように、異なる励起方式が可能である。例えば、ＥＤＦＡの何れか又は両方のステージが、通常、９８０ｎｍ励起帯域及び／又は１４８０ｎｍ励起帯域において前方向及び／又は後方向に励起されても良く、或いは、光増幅器の設計及び機構、性能要求、利得ステージ部品、及び他の考慮に基づいて他の励起帯域が用いられても良い。図１の有用利得スペクトル２６内にある入力光学信号λｉｎ、６が光増幅器１０に第１利得ステージ２の入力端で入力され（図２において左から右に伝搬すると示される如く）、第２利得ステージの出力端で増幅された信号λｏｕｔ、１８として出力される。フィルタ１４が第１利得ステージ２に沿って分布せしめられ、図１に示されるようにＡＳＥ２８のフィルタリングを提供する。これは、以降でより詳細に説明される。光学的に、フィルタ１６は、第２利得ステージ４に沿って分布せしめられ，第２利得ステージにおいてＡＳＥを更に低減する。
【００１９】
本発明は、Ｌ帯域光増幅器の性能を制限する少なくとも３つの要因を提示している。その第１の要因は、図１における有用利得スペクトル２６に亘る利得曲線２０に示されるように特定の光増幅器反転値において、Ｃ帯域利得に比較して低減されるＬ帯域の利得係数である。その第２の要因は、第１利得ステージ２において発生される広帯域のＡＳＥによる自己飽和であり、これは、上位準位のエネルギ密度を減損せしめ且つ光増幅器の平均反転を下げることで、信号利得を低下せしめる。第３の要因は、Ｌ帯域における高利得動作において通常であるところの長距離の能動ファイバにおけるバックグランド損失である。Ｌ帯域光増幅器の場合の損失に対する利得の比率におけるＣ帯域光増幅器を超える固有の低減は、電力変換効率の低下を招来する。更に、ＥＤＦＡ１０の第１ステージ２が低い平均反転値で動作した時、雑音性（ＮＦ）、光増幅器の性能に対する主要な性質は、増加する反転値の各々対応する図６中の曲線１乃至７により示されるように、著しく損なわれる。しかし、第１ステージ２が比較的強く励起されて、第１ステージ２において高い平均反転値を与えたとき、Ｃ帯域（即ち、帯域外の光放出）おいて放出されるＡＳＥ２８は、光増幅器の電力変換効率を著しく損なう。これらの問題に取り組むために、図２に示されるように、本発明の好ましい光増幅器の実施例は、第１利得ステージ２に亘って分布せしめられたフィルタ１４を含む。フィルタ１４の実効特性は、その帯域幅及び深度である。フィルタ帯域幅は、フィルタリングがある程度で提供される領域であるところのスペクトル領域として定義される。一方、フィルタ深度は、ここでは、かかる帯域幅に亘るフィルタリングの程度の大きさとして定義される。好ましくは、フィルタ１４は、既知の利得帯域幅２２のピーク利得効率、即ち、通常１５３０ｎｍで又はその付近で発生する利得効率に概ね等しいか或いはより高い深度を有する。
【００２０】
本発明の実施例によれば、フィルタ１４は、減衰せしめるに十分な帯域幅と深度を与え、好ましくは全部でないとしても帯域外の光放出２８の殆どを有効に除去する。これは、本発明の光増幅器がＣ帯域のＡＳＥによる自己飽和なしに比較的より高い平均反転において動作することを可能とすることになる。これは、かかる目標利得に対してより短い能動コイル長を用い得る能力に帰着することとなり、更に、バックグランド損失を低減し、Ｃ帯域のＡＳＥ抑制により既に改善された光増幅器の電力変換効率を改善する。加えて、光増幅器の雑音性が、目標Ｌ帯域ステージ利得（第２利得ステージ４）をより高い平均反転値で達成する能力により改善される。従って、本発明による分布フィルタリングは、図１における有用利得スペクトル２６におけるピーク利得、即ち、既知の利得帯域幅２２に亘るピーク利得でもあるピーク利得を提供する。図９は、本発明の分布フィルタＬ帯域光増幅器の場合の代表的な利得プロフィール９０を示している。かかる利得プロフィールは、利得平準化又は利得等価をなお要求しても良い。図２の第１利得ステージ２における分布フィルタ１４は、約１５２０ｎｍから約１５６５ｎｍのＣ帯域放出を除去することが意図され、光増幅器が約１５６５ｎｍから約１６２０ｎｍのＬ帯域利得を提供することを可能とする。
【００２１】
本発明の変形例において、フィルタ１６は、図２において点線で示されるように第２利得ステージ４に亘って追加的に分布せしめられる。第２利得ステージ４に亘る分布フィルタリングは、第１ステージの残存励起電力から入力される、第２ステージでの集中化された励起に起因して局所的な反転分散（ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｖａｒｉａｎｃｅ）を低減し、バックグランドＡＳＥと前方向伝搬信号との間の競合を低減し、該光増幅器の電力変換効率を増加せしめるのに貢献する。
【００２２】
本発明の変形例の形態によれば、フィルタ１４（及び光学的フィルタ１６）は、第１利得ステージの有限な物理的部分に亘って広がる連続フィルタとして、その長さの約２５％から実質的にその全長に至る範囲に伸長する形をとっても良く、或いは、該フィルタは、該利得ステージに亘るのと同様にして広がる別々の幾つかのフィルタから構成されても良い。認められるように、本発明による分布フィルタリングは、エルビウムＣ帯域に合致する広帯域の光スペクトルを減衰することと、好ましくは除去することとが意図される。これを達成するフィルタの能力は、該利得ステージに亘るその分布の広がりを決定する。
【００２３】
本発明の好ましい実施例において、フィルタ１４は、適正な深度及び帯域幅を有する連続分布せしめられるフィルタであり、第１利得ステージで発生される帯域外の光放出を実質的に除去する。かかる連続フィルタの１つの例が図７Ａにおいてその概略が示されている。ここで、ファイバ７０は、エルビウム添加の２つのコア７２、７４を有し、これらの１つ（７２）は、光学的に励起されてＬ帯域信号に対して利得を提供し、他の１つ（７４）は、脱励起されて帯域外の光を吸収し、その脱励起されたコア（７４）に結合するＣ帯域ＡＳＥに対して減損を与える。このファイバは、該２つのコアの導波上の分散がＣ帯域波長のみに対して結合が発生するようにしてその所望の機能を果たす。かかる実施例において、脱励起コア（７４）の添加濃度は、フィルタリング特性を強化するために増幅コア（７２）の添加濃度よりも高くても良い。これは、吸収飽和を防ぐために敢えて集められ（ｃｌｕｓｔｅｒｅｄ）でも良い。この実施例の２つの形態は、図７Ａにおいて示されるような連続的な脱励起コア７４と、図７Ｂに示されるような分割された脱励起コア７４’を含む。これらのタイプのファイバは、従来より知られているものであり、ここで説明される本発明の理解の目的にとって更なる記載を必要としない。例えば、米国特許第５０８７１０８号及び第５２１８６６５号が参照され，これらの開示の内容は参照により本記載に組み入れられる。
【００２４】
本発明による分布フィルタの他の形態は、非断熱的テーパーを有する利得ファイバに基づく。即ち、これは、ＬＰ０１及びＬＰ０２モードとのモードカップリングを誘起するファイバテーパー構造である。かような分布フィルタ利得ファイバが図１０Ａにおいて概略的に示されている。ここで、ファイバ１０２は、直列状の非断熱的テーパー１０４を含む。図１０Ｂは、非断熱的ファイバテーパーフィルタ１０２の場合の代表的な減損スペクトルプロフィール１０６を示している。該減損スペクトルは、ある特定の反転値で、エルビウム添加ファイバの利得曲線とそっくりとなる。本発明による光増幅器におけるかようなフィルタの使用は、図９で代表的に示されるＬ帯域利得を理想的に生成する。非断熱的なテーパーを基礎とするファイバは、好ましくは、補助的な同軸状の環状コアを伴うファイバ、或いは製造上の容易性を改善する押圧されたクラッドを伴うファイバから製造される。例えば、米国特許第４，８７７，３００号が非断熱的なテーパーを基礎とするファイバの構造のより詳細な説明のために参照され、該参照によりその内容全体が本開示に組み入れられる。
【００２５】
図１１に部分的に示される他の実施例において、混成型の分布フィルタＬ帯域光増幅器が、同軸状の結合に二重コア結合を組み合わせ、従来の軸状に添加されたコア１１２と、設計及び性能上の考慮に基づいて添加又は未添加ともなし得る同軸状の環状コアとを有する利得ファイバ１１０を含む。非断熱的なファイバテーパーでフィルタリングされる光増幅器の上記の実施例、即ち、ファイバにテーパーが与えられたところで結合のみが発生する実施例に対比して、本実施例においては、電力は、内側コア１１２及び外側コア１１４との間で交互に連続して交換される。実験結果は、モード唸り（ｂｅａｔｉｎｇ）に関連する横断電力分布に対して期待される正弦波的な長さ依存性をかかるファイバは与えないことを示している。むしろ、指定された結合帯域幅の損失はファイバ長に応じて単調に増加する。これは、軸状のコア導波路１１２に関して増加するリング導波路１１４の曲げ感度に帰するものと考えられる。結局、損失性のコア１１４が微視的曲がり又は巨視的曲がりにより引き起こされる吸収よりはむしろ漏れに依拠すること以外は、該デバイスは添加された二重コアファイバと同様に動作する。
【００２６】
本発明による光増幅器実施例のための別のタイプの分布フィルタの例が図８に概略的に示され、ファイバのある有限な物理的長さに亘って書き込まれた複数の長周期（ｌｏｎｇ ｐｅｒｉｏｄ）の回折格子（ＬＰＧ）８２を有する能動フィルタ８０を含む。ここで用いられる長周期の回折格子は、所与の波長の光をファイバのクラッド内に結合して外に放射せしめる周期を有するファイバ回折格子を含む。通常のアルミノ・シリケートのエルビウム添加ファイバは光に対する感度がただ僅かであるという事実により、光増幅器ファイバに該ＬＰＧを融着することが望ましいであろう。しかし、これは過剰な損失と製造コストを加える故に、利得ファイバの改変された組成及び／又はファイバ構造を用いることがより望ましいであろう。１９３ｎｍの書き込み波長で書き込まれた回折格子を有する燐シリケート母体は、前述の困難に対処するものである。長周期の回折格子及びそのファイバへの製造については従来より知られており、更なる説明は本発明の理解にとって必要ではない。
【００２７】
本発明による光増幅器の別の分布フィルタの形態において、該光増幅器の単一のステージにおける好ましいフィルタ間隔は、光増幅器のピーク利得波長における約２０ｄＢ利得長よりも小さいか又は等しい。本発明のこの形態において、該フィルタの少なくとも幾つかがオーバラップするフィルタ帯域幅を有しても良い。更に、該フィルタの少なくとも幾つかが、帯域外の光放出２８をカバーするように実質的に広がるフィルタ帯域幅を有しても良い。
【００２８】
通常の（ゲルマニウム）アルミノ・シリケートのエルビウム添加ファイバの場合において、Ｌ帯域における光増幅器性能に関する分布フィルタリングの効果のモデル化の結果が図３乃至図６に結びついて以降に提示される。光増幅器励起電力は、９８０ｎｍにおいて１４０ｍＷであり、−２１ｄＢｍ入力電力の４０個の信号チャネルが１５９０ｎｍにて単純化のためにひとまとめにされている。
【００２９】
図３は、該光増幅器における平均反転と第１ステージ能動ファイバ長との関係を示すプロットを示している。１とラベル付けされたプロットは、（分布）フィルタリング無しの場合の結果であり、プロット２及びプロット３は、１５２５ｎｍから１５４５ｎｍの一定のフィルタ帯域幅についての結果であり、プロット２による５ｄＢ／ｍのフィルタ深度とプロット３による２０ｄＢ／ｍフィルタ深度との差を持つ場合の結果である。プロット４及びプロット５は、１５２５ｎｍから１５４５ｎｍのフィルタ帯域幅についての結果であり、プロット４はフィルタ深度５ｄＢ／ｍの場合を示し、プロット５はフィルタ深度２０ｄＢ／ｍの場合を示している。図３のプロット４及び５とプロット２及び３との比較は、Ｃ帯域における増加するフィルタ帯域幅がＡＳＥ自己飽和に起因する反転低下を抑えることを示している。しかし、ピーク利得係数（即ち、１５３０ｎｍでの完全反転時の最大利得）以上のフィルタ深度の増加は無視し得る影響を有する。従って、比較的高い平均反転で動作するより短いファイバ長において、１５９０ｎｍ信号の場合の目標利得が達成され得ることが明らかである。これは、改善されたパッケージ及び光増幅器レイアウトにとって付加的な利益を提供する。
【００３０】
図４は、後方向に伝搬するＡＳＥと第１利得ステージファイバ長との関係を示すプロットを示している。ここで、プロット１乃至５は、図３におけるプロット１乃至５の各々対応して、同じフィルタ帯域幅及びフィルタ深度特性を有する。プロット２及び３とプロット４及び５との比較は、フィルタ深度が、一旦、閾値フィルタ深度に達したならば、後方向のＡＳＥに基づく僅かの影響しか持たないことを示している。しかし、後方向に伝搬するＡＳＥにおける漸次の低下は、増加するフィルタ帯域幅の結果である。
【００３１】
上述したＡＳＥの低下の利益は残存励起電力の増加の利益を付随し、本発明による分布フィルタリングにより得られる電力変換効率において与えられる改善を確かなものとする。これは、ミリワット単位の残存励起電力と第１利得ステージファイバ長との関係を示すプロットである図５を参照して示される。１乃至５とラベル付けされたプロットは、図３におけるプロット１乃至５の対応するものと同一のフィルタ帯域幅及びフィルタ深度特性を有する。示されるように、フィルタ深度はフィルタ帯域幅に比してより劣った制御であり、このことは、プロット２及び３とプロット４及び５とを比較することより観測し得る。より重点的には、適切なフィルタ深度及び帯域幅による分布フィルタは、必要なファイバ長を短くし、第２ステージを励起するための第１ステージにおける残存励起量を増加せしめて、該光増幅器の電力変換効率を改善する。
【００３２】
本発明により得られる改善される電力変換効率に加えて、雑音性の改善は、又、図６におけるプロット１乃至７により示されるように達成される。図６は、雑音性と信号波長との関係を示すグラフであり、プロット１乃至７は、平均反転値が０．４乃至１．０の範囲の各々に対応する。これによれば、本発明による分布フィルタリングにより得られるより高い平均反転がより低い雑音性の値を生ぜしめる。
【００３３】
図３乃至図６において提供される情報によれば、通常の第１利得ステージの１０ｄＢの目標利得を有する例示の光増幅器の場合で、本発明による１５２５ｎｍから１５６０ｎｍの分布フィルタは、３０メートル（フィルタを除く）から約２０メートルに至る第１利得ステージ能動フィルタの長さの低減化を可能とする。更に、励起電力の２０ｍＷが節約され、平均反転は０．６から０．８５に増加せしめられる。平均反転値のこの増加は、特に、反転に対する感度が最も高い、Ｌ帯域のより短い波長側において光増幅器の雑音性を著しく改善する。
【００３４】
本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、本発明に対して多様な改変及び変容が当業者によりなされ得ることは明らかである。故に、添付の請求項及びそれらに均等する範囲にある発明の改変及び変容もまた本発明に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】エルビウム添加光増幅器におけるＣ帯域及びＬ帯域に亘る利得対波長の関係を示しているグラフである。
【図２】本発明の実施例における第１ステージに分布フィルタリングを伴う２つのステージのＬ帯域光増幅器の略図である。
【図３】本発明の実施例における多様なフィルタ帯域幅及びフィルタ深度についての平均反転値対有効ファイバ長の関係を示しているグラフである。
【図４】本発明の実施例における多様なフィルタ帯域幅及びフィルタ深度についての後方向ＡＳＥ電力対有効ファイバ長の関係を示しているグラフである。
【図５】本発明の実施例における多様なフィルタ帯域幅及びフィルタ深度についての残存励起電力対能動ファイバ長の関係を示しているグラフである。
【図６】本発明の実施例において、多様な平均反転値の場合についての光増幅器雑音性対エルビウムＬ帯域の波長の関係を示しているグラフである。
【図７Ａ】本発明の実施例において、二重コア分布フィルタの略図である。
【図７Ｂ】本発明の実施例において、二重コア分布フィルタの略図である。
【図８】本発明による別々の分布フィルタ光増幅器の略図である。
【図９】本発明による分布フィルタ光増幅器により提供される代表的なＬ帯域利得プロフィールを示しているグラフである。
【図１０Ａ】本発明の実施例における非断熱的にテーパー処理されたファイバの分布フィルタの略図である。
【図１０Ｂ】図１０（ａ）のフィルタにより提供される損失対波長の関係を示しているグラフである。
【図１１】本発明の実施例における環状／同軸状のコアフィルタの略断面図である。
【合致の簡単な説明】
２  第１利得ステージ
４  第２利得ステージ
６  λｉｎ
１０  エルビウム添加分布フィルタ光増幅器（ＥＤＦＡ）
１２  カップリング点
１４、１６  フィルタ
１８  λｏｕｔ
２０  利得スペクトル
２２  既知利得帯域幅
２４  第１利得スペクトル
２８  帯域外光放出（ＡＳＥ）
７０  ファイバ
７２、７４、１１０、１１２  コア
８０  能動ファイバ
８２  長周期回折格子（ＬＰＧ）
１０２  非断熱性ファイバテーパーフィルタ
１０４  非断熱性テーパー
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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