(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λを有する光信号を入力するための入力ポート、
前記光信号を受け取り、インライン形屈折率グレーティング無しに、非線形分極を利用して内部で前記光信号を増幅且つスペクトル的に広帯域化するための、波長λ0においてゼロ分散を有する分散形ゲイン媒体、
前記分散形ゲイン媒体をポンピングするためのポンプ光を発生するための波長λpで動作するポンピング手段、および前記増幅され且つスペクトル的に広帯域化された光信号を出力するための出力ポート、から成り、ここで、λ≧λ0≧λpであり、前記ポンピング光は前記分散形ゲイン媒体を通過して、ゼロ分散波長λ0に近接する波長λrを有する中間次数を含む複数のラマン次数カスケードし、λr＜λ0の場合には４波長混合と、λr＞λ0の場合にはパラメトリック増幅と、位相整合することを特徴とする広帯域非線形分極増幅器。
【請求項２】
前記波長λr及びλ0が以下の関係｜λr−λ0｜≦５ｎｍを満足する請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項３】
前記分散形ゲイン媒体が光ファイバである請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項４】
前記分散形ゲイン媒体が１３１０ｎｍのゼロ分散波長λ0を有する標準分散ファイバである請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項５】
前記分散形ゲイン媒体が、つなぎ合わされた第１及び第２の光ファイバから成り、前記光ファイバが、２つの異なるカスケードされたラマン次数に対して使用され且つそれぞれ１３１０ｎｍおよび１３９０ｎｍでゼロ分散波長λ0を有する請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項６】
前記分散形ゲイン媒体が少なくとも１３１０ｎｍと１３９０ｎｍとの間で低分散を有する分散平坦化ファイバである請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項７】
前記ポンピング波長λpが１１１７ｎｍである請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項８】
前記ポンピング波長λpが１２４０ｎｍである請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項９】
前記光信号が少なくとも１４３０ｎｍと１５３０ｎｍとの間の波長λを有している請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項１０】
前記ポンピング手段が光ポンプ半導体レーザである請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項１１】
前記ポンピング手段がクロムドープ苦土橄欖石レーザである請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項１２】
前記ポンピング手段が格子ベースのラマン発振器を伴うクラッディングポンプファイバレーザである請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項１３】
前記入力ポートがＷＤＭカップラから成る請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項１４】
前記出力ポートがＷＤＭカップラから成る請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項１５】
前記分散形ゲイン媒体が、波長λ0でゼロ分散を有し且つ１２４０ｎｍより小さいカットオフ波長を有する光ファイバ、
前記ポンピング手段が、前記光ファイバをポンプするポンヒング光を発生するために、波長１２４０ｎｍで作動され、
ここで、λ≧λ0≧１２４０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項１６】
１２４０ｎｍで作動し、ポンピング変換効率を増大するために前記光ファイバに接続された逆反射体を更に含む請求項１５記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項１７】
前記逆反射体がダイクロイックミラーである請求項１６記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項１８】
前記逆反射体が１２４０ｎｍ格子である請求項１６記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項１９】
前記光ファイバが１３１０ｎｍのゼロ分散波長λ0を有している標準分散ファイバである請求項１５記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項２０】
前記光ファイバが、つなぎ合わされた第１及び第２の光ファイバから成り、前記第１の光ファイバが一方のカスケードされたラマン次数に対して使用される１３１０ｎｍでゼロ分散波長を有し、前記第２の光ファイバが他方のカスケードされたラマン次数に対して使用される１３９０ｎｍでゼロ分散波長を有する請求項１５記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項２１】
前記光ファイバが、少なくとも１３１０ｎｍと１３９０ｎｍとの間で低分散を有する分散平坦化ファイバである請求項１５記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項２２】
前記光信号が１４３０ｎｍと１５３０ｎｍとの間の波長を有する請求項１５記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項２３】
前記ポンピング手段が、カップラベースの又は格子ベースのラマン発振器キャビティを伴う、１１１７ｎｍクラッディング・ポンプ・ファイバである請求項１５記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項２４】
前記ポンピング手段が、光ポンプ半導体レーザであることを特徴とする請求項１５記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項２５】
前記ポンピング手段がクロムドープ苦土橄欖石である請求項１５記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項２６】
前記入力ポートがＷＤＭカップラから成る請求項１５記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項２７】
前記入力ポートが、スプリアスフィードバックにより前記増幅器がレーザ発振することを防ぐためのアイソレータを更に含む請求項２６記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項２８】
前記出力ポートがＷＤＭカップラから成る請求項２６記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項２９】
前記出力ポートが、スプリアスフィードバックにより前記増幅器がレーザ発振することを防ぐためのアイソレータを更に含む請求項２８記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項３０】
前記入力ポートは、１４３０ｎｍと１５３０ｎｍとの間の波長を有する光信号を入力し、
前記分散形ゲイン媒体が、サニャックラマンキャビティを含み、該サニャックラマンキャビティが、
広帯域ミラー、および
ラマンゲインファイバとこれに結合された光カップラとから成っており、前記ファイバが前記光信号を受けて、非線形分極を利用して内部で前記光信号を増幅し且つスペクトル的に広帯域化し、前記ファイバが、波長λ0でゼロ分散を有し且つカットオフ波長λcoを有するサニャックラマンキャビティ、から成り、
ここで、１４３０ｎｍ≧λ0≧λpであることを特徴とする請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項３１】
分極状態を制御するための分極コントローラを前記サニャックラマンキャビティに更に含むことを特徴とする請求項３０記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項３２】
前記ファイバか、１３１０ｎｍのゼロ分散波長λ0を有する標準分散ファイバである請求項３０記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項３３】
前記ファイバが、つなぎ合わされた第１及び第２の光ファイバから成っており、前記光ファイバが、２つの異なるカスケードされたラマン次数に対して使用され且つそれぞれ１３１０ｎｍおよび１３９０ｎｍのゼロ分散波長λ0を有する請求項１記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項３４】
前記ファイバが、少なくとも１３１０ｎｍと１３９０ｎｍとの間で低分散を有する分散平坦化ファイバである請求項１５記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項３５】
前記ポンピング手段が、光ポンプ半導体レーザである請求項３０記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項３６】
前記ポンピング手段が、クロムドープ苦土橄欖石レーザである請求項３０記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項３７】
前記カットオフ波長λcoおよび前記ポンピング波長が、共に１２４０ｎｍである請求項３０記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項３８】
前記光カップラが、１２４０ｎｍと１４３０ｎｍとの間の波長を有する少なくとも前記光信号に対して、５０：５０である請求項３７記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項３９】
前記カップリング手段が、１３００ｎｍと１４３０ｎｍとの間の少なくとも一波長で透過するＷＤＭカップラから成る請求項３７記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項４０】
前記入力ポートおよび出力ポートの各々が、１２４０ｎｍと１４２５ｎｍとの間の少なくとも一波長で透過するＷＤＭカップラから成る請求項３７記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項４１】
前記ポンピング手段が、カップラベース又は格子ベースのラマン発振器キャビティを伴う１１１７ｎｍクラッディングポンプファイバレーザである請求項３８記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項４２】
前記カットオフ波長λcoおよび前記ポンピング波長の各々が、１１１７ｎｍである請求項３８記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項４３】
前記光カップラが、１１１７ｎｍと１４３０ｎｍとの間の波長を有する少なくとも前記光信号に対して５０：５０である請求項４２記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項４４】
前記カップリン手段が、１１６５ｎｍと１４３０ｎｍとの間の少なくとも一波長で透過するＷＤＭカップラから成る請求項４２記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項４５】
前記入力ポートおよび出力ポートの各々が、１１１７ｎｍと１４２５ｎｍとの間の少なくとも一波長で透過するＷＤＭカップラから成る請求項４３記載の広帯域非線形分極増幅器。
【請求項４６】
広帯域ミラー、およびループミラーとを有し、このループミラーが、ラマンゲインファイバとこれに結合された光カップラとから成り、前記ファイバがゼロ分散波長λ0およびカットオフ波長λcoを有するサニャックラマンキャビティから成り、インライン屈折率グレーティングを有さない分散形ゲイン媒体を設け、
１４３０ｎｍと１５３０ｎｍとの間に波長λを有する光信号を前記ゲインファイバに入力し、
波長λpで作動するポンピング手段からポンピング光を発生し、
前記光信号を増幅するために、前記ポンピング光で前記ゲインファイバをポンピングし、
前記ゲインファイバを通過する前記ポンピング光を複数のラマン次数カスケードし、波長λpは、中間ラマン次数が、前記ゼロ分散波長λ0に近接する波長λrを有するようなものであり、
ここで、λ≧λ0≧λpであり、
前記中間ラマン次数を、スペクトル広帯域化のために、λr＜λ0の場合には４波長混合と、λr＞λ0の場合にはパラメトリック増幅と、位相整合させ、そして
前記増幅され且つスペクトル的に広帯域化された光信号を出力し、増幅された広帯域光信号を発生する方法。
【請求項４７】
前記方法が、前記サニャックラマンキャビティ内の分極状態を制御する工程を更に含む請求項４６記載の増幅された広帯域光信号を発生する方法。
【請求項４８】
１４３０ｎｍと１５３０ｎｍとの間の波長を有する増幅された広帯域光信号を発生する方法であり、
光信号を所定の波長で分割して、前記所定の波長より小さい波長を有する第１のビームと、前記所定の波長より大きい波長を有する第２のビームとにし、
前記第１のビームを増幅し且つスペクトル的に広帯域化するために、第１の広帯域非線形分極増幅器に、前記第１のビームを向け、
前記第２のビームを増幅し且つスペクトル的に広帯域化するために、第２の広帯域非線形分極増幅器に、前記第２のビームを向け、
前記第１及び第２の広帯域非線形分極増幅器の各々において、
ゼロ分散波長λ0を有するが、インライン屈折率グレーティングは有さない分散形ゲイン媒体と関連する波長λを有する第１の光信号及び第２の光信号の対応するものを受信し、
波長λpで作動されるポンピング手段からポンピング光を発生し、
前記分散形ゲイン媒体を前記ポンピング光でポンヒングして、前記第１の光信号及び第２の光信号の対応するものを増幅し、
前記分散形ゲイン媒体を通過する前記ポンピング光を複数のラマン次数カスケードして、波長λpは、中間ラマン次数が、前記ゼロ分散波長λ0に近接する波長λrを有するようなものであり、
ここで、λ≧λ0≧λpであり、
前記中間ラマン次数を、スペクトル広帯域化のために、λr＜λ0の場合には４波長混合と、λr＞λ0の場合にはパラメトリック増幅と、位相整合させ、そして
前記増幅され且つスペクトル的に広帯域化された光信号を出力し、増幅された広帯域光信号を発生し、そして
前記増幅され且つスペクトル的に広帯域化された第１および第２のビームを接合して、増幅された広帯域光信号を発生する方法。
【請求項４９】
前記所定の波長が、１４８０ｎｍであり、前記第１の増幅器のゼロ分散波長が１３６５ｎｍであり、前記第２の増幅器のゼロ分散波長が１３２８ｎｍである請求項４８記載の１４３０ｎｍと１５３０ｎｍとの間の波長を有する増幅された広帯域光信号を発生する方法。
【請求項５０】
１４３０ｎｍから１５３０ｎｍの間の波長を有する光信号を、所定の波長λdで分割し、λdより小さい波長λ1を有する第１のビームと、λdより大きい波長λ2を有する第２のビームとにするための分割手段、
前記第１のビームを入力するための第１の入力と、
前記第１のビームを受けて、インライン形屈折率グレーティング無しに、非線形分極を利用して内部で前記第１のビームを増幅し且つスペクトル的に広帯域化するための、波長λ01でゼロ分散を有する第１の分散形ゲイン媒体と、
前記第１の分散形ゲイン媒体をポンプするために、第１のポンピング光を発生するための波長λp1で作動する第１のポンピング手段と、
前記増幅され且つスペクトル的に広帯域化された第１のビームを出力する第１の出力ポートとから成る、第１の広帯域非線形分極増幅器であり、
ここで、λ1≧λ01≧λp1であり、
前記第１のポンピング光が前記第１の分散形ゲイン媒体を通過して、ゼロ分散波長λ01に近接する波長λr1を有する中間次数を含む複数のラマン次数カスケードし、λr1＜λ01の場合には４波長混合と、λr1＞λ01の場合にはパラメトリック増幅と、位相整合する第１の広帯域非線形分極増幅器、
前記第２のビームを入力するための第２の入力と、
前記第２のビームを受けて、インライン形屈折率グレーティング無しに、非線形分極を利用して内部で前記第２のビームを増幅し且つスペクトル的に広帯域化するための、波長λ02でゼロ分散を有する第２の分散形ゲイン媒体と、
前記第２の分散形ゲイン媒体をポンプするために、第２のポンピング光を発生するための波長λp2で作動する第２のポンピング手段と、
前記増幅され且つスペクトル的に広帯域化された第２のビームを出力する第２の出力ポートとから成る、第２の広帯域非線形分極増幅器であり、
ここで、λ2≧λ02≧λp2であり、
前記第２のポンピング光が前記第２の分散形ゲイン媒体を通過して、ゼロ分散波長λ02に近接する波長λr2を有する中間次数を含む複数のラマン次数カスケードして、λr2＜λ02の場合には４波長混合と、λr2＞λ02の場合にはパラメトリック増幅と、位相整合する第２の広帯域非線形分極増幅器、および
前記増幅され且つスペクトル的に広帯域化された第１および第２のビームを結合して、増幅された広帯域光信号を発生する手段、から成る広帯域並列光信号増幅装置。
【請求項５１】
前記所定の波長λdが、１４８０ｎｍである請求項５０記載の光信号増幅装置。
【請求項５２】
前記第２のゲイン媒体が、１３２８ｎｍの前記ゼロ分散波長λ02を有する請求項５０記載の光信号増幅装置。
【請求項５３】
前記ポンピング波長λp1が、１１００ｎｍである請求項５０記載の光信号増幅装置。
【請求項５４】
前記ポンピング波長λp2が、１１３０ｎｍである請求項５０記載の光信号増幅装置。
【請求項５５】
前記分割手段が、ＷＤＭカップラから成る請求項５０記載の光信号増幅装置。
【請求項５６】
前記結合手段が、ＷＤＭカップラから成る請求項５０記載の光信号増幅装置。
【請求項５７】
前記第１のビーム波長λ1が、１４５５ｎｍである請求項５０記載の光信号増幅装置。
【請求項５８】
前記第２のビーム波長λ2が、１５０５ｎｍである請求項５０記載の光信号増幅装置。
【請求項５９】
１４３０ｎｍから１６２０ｎｍの間の波長を有する光信号を、所定の波長λdで分割して、λdより小さい波長λを有する第１のビームと、λdより大きい波長を有する第２のビームとにするための分割手段、
前記第１のビームを入力するための入力ポートと、
前記第１のビームを受けて、インライン形屈折率グレーティング無しに、非線形分極を利用して内部で前記第１のビームを増幅し且つスペクトル的に広帯域化するための、波長λ0でゼロ分散を有する分散形ゲイン媒体と、
前記分散形ゲイン媒体をポンプするためのポンピング光を発生するために波長λpで作動するポンピング手段と、から成る広帯域化非線形分極増幅器であり、ここで、λ≧λ0≧λpであり、
前記ポンピング光が前記分散形ゲイン媒体を通過して、ゼロ分散波長λ0に近接する波長λrを有する中間次数を含む複数のラマン次数でカスケードし、λr＜λ0の場合には４波長混合と、λr＞λ0の場合にはパラメトリック増幅と、位相整合する広帯域非線形分極増幅器、
前記第２のビームを受け且つ増幅された広帯域の第２のビームを発生するためのエルビウムドープファイバ増幅器、および
前記増幅され且つスペクトル的に広帯域化された第１および第２のビームを結合して、増幅された広帯域光信号を発生する手段から成る、並列光増幅装置。
【請求項６０】
前記所定の波長λdが、１５２５ｎｍである請求項５９記載の光信号増幅装置。
【請求項６１】
前記分割手段が、ＷＤＭカップラから成る請求項６０記載の光信号増幅装置。
【請求項６２】
前記結合手段が、ＷＤＭカップラから成る請求項６０記載の光信号増幅装置。
【請求項６３】
インライン形屈折率グレーティングを有さずして、波長λを有する光信号をゼロ分散波長λ0を有する分散形ゲイン媒体に入力し、
波長λpで作動されるポンピング手段からポンピング光を発生し、
前記ポンピング光で前記分散形ゲイン媒体をポンピングして前記光信号を増幅し、
前記分散形ゲイン媒体を通過する前記ポンピング光を、複数のラマン次数カスケードし、波長λpは、中間ラマン次数がゼロ分散波長λ0に近接する波長λrを有し、
ここで、λ≧λ0≧λpであり、
前記中間ラマン次数を、スペクトル広帯域化のために、λr＜λ0の場合には４波長混合と、λr＞λ0の場合にはパラメトリック増幅と、位相整合させ、そして
前記増幅され且つスペクトル的に広帯域化された光信号を出力し、増幅された広帯域光信号を発生するための方法。
【請求項６４】
前記波長λrおよびλoが以下の関係を
｜λr−λo｜≦５ｎｍ
を満足する請求項６３記載の方法。
【請求項６５】
前記分散形ゲイン媒体が、光ファイバである請求項６４記載の増幅された広帯域光信号を発生するための方法。
【請求項６６】
前記分散形ゲイン媒体が、１３１０ｎｍのゼロ分散波長λ0を有する標準分散ファイバである請求項６４記載の増幅された広帯域光信号を発生するための方法。
【請求項６７】
前記分散形ゲイン媒体が、つなぎ合わされた第１および第２のファイバから成り、前記光ファイバが２つの異なるカスケードされたラマン次数に対して使用され、それぞれ、１３１０ｎｍと１３９０ｎｍでゼロ分散波長λ0を有する請求項６４記載の増幅された広帯域光信号を発生するための方法。
【請求項６８】
前記分散形ゲイン媒体が、少なくとも１３１０ｎｍと１３９０ｎｍとの間で低分散を有する分散平坦化ファイバである請求項６４記載の増幅された広帯域光信号を発生するための方法。
【請求項６９】
前記光信号が、１４３０ｎｍと１５３０ｎｍとの間の波長λを有し、前記分散形ゲイン媒体が、波長λ0でゼロ分散を有し、１２４０ｎｍより小さいカットオフ波長を有する光ファイバであり、
前記ポンピング手段が、１２４０ｎｍの波長で作動し、
ここで、λ≧λ0≧１２４０ｎｍである、増幅された広帯域光信号を発生することを特徴とする請求項６３記載の方法。
【請求項７０】
光ファイバからビームを逆反射することによってポンピング変換効率を増加する工程を更に含む請求項６４記載の広帯域光信号を発生する方法。
【請求項７１】
スプリアスフィードバックによってレーザ発振することを防ぐためにアイソレータを使用することを含む請求項６５記載の増幅された広帯域光信号を発生する方法。
【請求項７２】
前記分散形ゲイン媒体が、サニャックラマンキャビティであり、該サニャックラマンキャビティが、広帯域ミラー、およびループミラーから成り、このループミラーが、ラマンゲインファイバとこれに結合された光カップラとから成り、前記ファイバがゼロ分散波長λ0およびカットオフ波長λcoを有するサニャックラマンキャビティを設け、
前記光信号が、１４３０ｎｍと１５３０ｎｍとの間に波長を有することを特徴とする請求項６３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般的に、遠距離通信、ケーブル・テレビその他のファイバ・オプティックス用途の光ファイバに使用する光増幅器に関する。一層詳しくは、本発明は、１４３０〜１５３０ｎｍ範囲の波長を有する光信号から増幅広帯域出力を生成するための光ファイバ増幅器および方法に関する。
【０００２】
（発明の背景）
データ集中用途の増大のため、通信帯域に対する需要がはなはだしく高まっている。それに応えて、遠距離通信系のインストール容量は、１９７０年半ばから３〜４年毎に１桁の単位で増大してきた。この容量増大の多くは、ツイスト・ペア銅ワイヤを通して４桁の帯域幅増幅を行う光ファイバによって供給されてきた。
【０００３】
光ファイバの帯域幅を利用するために、２つの重要な技術が、開発され、遠距離通信産業において使用されてきた。すなわち、光増幅器と波長分割多重（WDM）技術である。光増幅器は、信号強度をブーストし、ファイバ固有の損失および他の分割損失、挿入損失を補正する。WDMによって、光の異なる波長が同じ光ファイバを通して異なった信号を並列で搬送するのが可能になる。WDMは、ファイバ帯域幅の主要部分の利用を可能にするという点で重要であるが、光増幅器なしではコスト的に有効とはならないであろう。特に、多くのWDMチャネルの同時増幅を可能にする広帯域光増幅器は、ファイバ帯域幅をフルに利用するための重要な機器である。
【０００４】
シリカ・ベースの光ファイバは、１４３０〜１６２０ｎｍの帯域幅のほぼ２５ＴＨｚで約１５５０ｎｍの最低損失ウィンドウを有する。たとえば、図１は、５０ｋｍの光ファイバの損失プロファイルを示す。この波長領域においては、エルビウム・ドープされたファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が広く使われている。しかしながら、図２に示すように、ＥＤＦＡの吸収帯域はその放出帯域にほぼ重なっている。約１５２５ｎｍより短い波長の場合、代表的なガラスにおけるエルビウム原子は増幅よりも多く吸収することになる。ＥＤＦＡのゲイン・スペクトルを拡げるために、種々のドーピングが加えられてきた。たとえば、図３ａに示すように、アルミニウムまたはリンを有するシリカ・コアの共ドーピングは、発光スペクトルをかなり拡げる。それにもかかわらず、図３ｂに示すように、種々のガラスについての吸収ピークは、まだ約１５３０ｎｍである。
【０００５】
それ故、より多数のＷＤＭチャネルを受け入れるべくＥＤＦＡの帯域幅を拡げることが激烈な研究の対象となっている。最先端技術の一例として、「Electronics Letters, Vol. 33, No. 23, pp. 1965-67 (1997)」に示される、Y. Sun等の、８０ｎｍの記録光帯域幅を有する超広帯域ＥＤＦＡのための２帯域アーキテクチャがある。低ノイズ数値および高出力パワーを得るために、２つの帯域は、共通の第１ゲイン・セクションを共有し、第２ゲイン・セクションを別にしている。８０ｎｍ帯域幅は、１５２５．６〜１５６２．５ｎｍの１つの増幅器（いわゆる普通の帯域すなわちC帯域）からと、１５６９．４〜１６１２．８ｎｍのもう１つの増幅器（いわゆる長い帯域すなわちＬ帯域）から来る。別の例として、M. Yamada等がElectronics Letters, Vol. 33, No. 8, pp. 710-711 (1997)で報告している、並列構成の２つのＥＤＦＡ、すなわち、１５３０〜１５６０ｎｍに最適化したＥＤＦＡと１５７６〜１６００ｎｍに最適化したＥＤＦＡとで達成される５４ｎｍゲイン帯域幅がある。また別の例として、H. Masuda等が、Electronics Letters, Vol. 33, No. 12, pp. 1070-72 (1997)で報告している、中間イコライザ付きの２段階ＥＤＦＡを使用する５２ｎｍＥＤＦＡがある。
【０００６】
これらの最近の開発は、光ファイバにおける低損失ウィンドウのためのより広い帯域幅の増幅器の研究でのいくつかのポイントを示している。第１に、４０〜５０ｎｍを上回る帯域幅は、ＥＤＦＡをもってさえ並列の増幅器組み合わせを必要とすることである。第２に、Y. Sun等によって達成された８０ｎｍの帯域幅は、理論的に最大値近くまで変えることができるということである。約１５２ｎｍでの短波長サイドは、エルビウムに固有の吸収性によって制限され、長波長サイドは、１６２０ｎｍより高いところで標準ファイバにおける曲げ誘発損失によって制限される。したがって、これらの最新の技術によってさえ、低損失ウィンドウの帯域幅（すなわち、１４３０〜１５３０ｎｍ）の半分は、光増幅器なしのままである。
【０００７】
（発明の概要）
本発明の目的は、約１４３０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長範囲のための光増幅器を提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、約１４３０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長を有する光信号から広帯域出力を生成するための広帯域非線形分極増幅器（ＮＬＰＡ）を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、光ファイバの低損失ウィンドウにおける１４３０ｎｍ〜１６２０ｎｍのほとんど２５ＴＨｚ帯域幅全体のためのＮＬＰＡとＥＤＦＡの組み合わせを有する並列光増幅装置を提供することにある。
【００１０】
本発明によれば、広帯域ＮＬＰＡが、カスケード式ラマン増幅と、光ファイバにおけるパラメトリック増幅（ＰＡ）または４波混合（４ＷＭ）のいずれかとの組み合わせを使用することによって実施される。広い帯域幅を達成するために、ラマン・カスケードの１つの中間次数は、増幅用ファイバのゼロ分散波長に近接するように配置する。この中間次数は、ＰＡ（その波長がゼロ分散波長より大きい場合）または４ＷＭ（その波長がゼロ分散波長より小さい場合）に位相整合する。ＰＡ／４ＷＭは側波帯を生成し、ポンプ帯域を拡げる。次のラマン次数において、ゲイン帯域幅は、ラマン・ゲイン帯域のポンプ帯域との重畳により、さらに拡げられる。本発明のＮＬＰＡから増幅広帯域信号を生成するためには、増幅されるべき光信号は、ゼロ分散波長より大きい波長を持たねばならず、ゼロ分散波長は、ＮＬＰＡのポンピング手段からのポンピング波長より大きくなければならない。
【００１１】
或る実施例においては、広帯域ＮＬＰＡは、１２４０ｎｍポンプと、開ループ・ファイバとを使用し、ゼロ分散波長はラマン次数の１つに対応する（たとえば、１３１０ｎｍまたは１３９０ｎｍあるいはこれらの間の分散平坦化値）。他の実施例では、１１１７ｎｍまたは１２４０ｎｍのいずれかでポンピングされるサニャック・ラマン・キャビティを使用する。サニャック・ラマン・キャビティによるフィードバックは、必要なポンプ・パワーを減らし、広帯域キャビティ設計が生成された帯域幅の大部分を支持する。
【００１２】
本発明は、また、光増幅器の組み合わせを有する並列光増幅装置に関する。或る実施例においては、並列光増幅装置は、２つのＮＬＰＡ並列ステージを包含し、１つのＮＬＰＡは１４３０〜１４８０ｎｍについて最適化され、他のＮＬＰＡは１４８０〜１５３０ｎｍについて最適化されている。別の実施例において、光ファイバにおける約１４３０ｎｍ〜１６２０ｎｍの低損失ウィンドウの２５ＴＨｚ全部が、本発明の１つのＮＬＰＡと１つのＥＤＦＡとの並列組み合わせを使用することによって活用される。
【００１３】
ＮＬＰＡは、ゲイン帯域がポンピング波長によってセットされ、実質的に光ファイバにおける透明領域（すなわち、３００ｎｍと２０００ｎｍの間）を通してゲインが与えられ得るという利点を有する。さらに、ＮＬＰＡがグラスファイバ固有の特性を利用するので、ターミナル端を改造することによって既存のファイバでさえＮＬＰＡを使用することができる。それ故、ＮＬＰＡは、ファイバ・オプティックス・システムと完全な互換性を持ち、成熟したファイバ・オプティックス技術に利点を採用することができる。
【００１４】
本発明のこれらおよび他の目的、特徴および構成要素は、以下の本発明の好ましい実施例についての詳細な説明からより良く理解して貰えよう。
【００１５】
（好ましい実施例の詳細な説明）
本発明は、１４２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光ファイバの低損失ウィンドウにおいて利用できる帯域幅のほぼ２５ＴＨｚ全部を活用できる構造を提供する。本発明の広帯域ＮＬＰＡ増幅器は、ラマン増幅をＰＡまたは４ＷＭのいずれかと組み合わせ、技術それ自体が従来配布されたことがなかった帯域幅性能向上を達成する。
【００１６】
より具体的には、本発明の広帯域ＮＬＰＡは、波長λを有する光信号を入力するための入力ポートと、受け入れる光信号を受信し、非線形分極によって光信号を増幅し、スペクトル的に拡大する分散形媒体と、波長λで作動してポンピング光を生成し、分散形ゲイン媒体をポンピングするポンピング手段と、増幅され、スペクトル的に拡大された光信号を出力するための出力ポートとを包含する。分散形ゲイン媒体は、λ≧λ0≧λpとなるように、波長λ0でゼロ分散を有する。
ポンピング光は、分散形ゲイン媒体を通して、ゼロ分散波長に近接した波長λrを有する中間次数を含む複数のラマン次数にカスケード化し、４波混合（λr＜λ0の場合）あるいはパラメトリック増幅（λr＞λ0の場合）を位相整合させる。
【００１７】
ＮＬＰＡの第１実施例は、光ファイバ・ゲイン媒体と共に開ループ増幅を使用する。１２４０ｎｍで作動するポンプ源を使用する。ポンプは、変換効率を高めるために逆反射させてもよい。ＮＬＰＡの第２実施例は、１２４０ｎｍでポンピングされるサニャック・ラマン・キャビティを使用する。サニャック・ラマン・キャビティにおけるフィードバックは、必要なポンプ・パワーを減らし、広帯域キャビティ設計が生成された帯域幅の大部分を支持する。ＮＬＰＡの第３実施例は、非常に広い帯域操作のために１１１７ｎｍでポンピングされるサニャック・ラマン・キャビティを使用する。
【００１８】
本発明は、また、光増幅器の組み合わせを有する並列光増幅装置に関する。或る実施例においては、並列光増幅装置は、２つのの並列ＮＬＰＡステージを包含し、１つのＮＬＰＡは１４３０〜１４８０ｎｍについて最適化され、他のＮＬＰＡは１４８０〜１５３０ｎｍについて最適化されている。別の実施例において、光ファイバにおける低損失ウィンドウの２５ＴＨｚ全部が、１つのラマン増幅器と１つの希土酸化物ドープド増幅器との並列組み合わせを使用することによって活用される。好ましくは、本発明のＮＬＰＡは、約１４３０ｎｍ〜１５３０ｎｍの低損失ウィンドウをカバーするのに用いられ、ＥＤＦＡは、約１５３０ｎｍ〜１６２０ｎｍの低損失ウィンドウをカバーするのに使用される。
【００１９】
本発明における作業中の増幅機構をより良く理解して貰うべく、まず、誘導ラマン散乱、ラマン・カスケーディング、ＰＡおよび4WMを説明する。誘導ラマン散乱効果、ＰＡおよび４ＷＭは、光ファイバのような誘電材料を強い光にさらしたときに生じる３次非線形性の結果である。３次非線形性効果は、瞬間的な光強度に比例する。
【００２０】
１．誘導ラマン散乱作用
誘導ラマン散乱作用は、光ファイバを増幅器およびチューン可能レーザ内に折り込む重要な非線形プロセスである。ラマン・ゲインは、シリカ・ファイバ内の光学フォノンとの強い光の相互作用から生じ、ラマン効果は、１つの光学ビーム（ポンプ）から別の光学ビーム（信号）へのエネルギの移行を招く。信号は、シリカ・ファイバの振動モードによって決まる量だけ、周波数をシフトダウン（または、波長をシフトアップ）される。シリカ・ファイバのためのラマン・ゲイン係数ｇrが図４に示してある。特に、ラマン・ゲインｇrは、大きい周波数範囲（最高４０THz）にわたって延びており、広いピークが１３．２THz（４４０ｃｍ-1の波長に対応する）に中心を置く。この大きい周波数範囲にわたるこの動作は、シリカ・ガラスの無定形性によるものであり、ラマン効果を広帯域増幅器で使用するのを可能にする。ラマン・ゲインは、また、ファイバ・コアの組成に依存しており、異なるドープ剤濃度で変え得る。
【００２１】
ラマン増幅は、いくつかの魅力的な特徴を有する。まず、ラマン・ゲインは、既存のファイバにおける光学フォノンとのポンプ光の相互作用に基づくため、既存の光ファイバ・リンクをアップグレードするための良い候補であるということである。第２に、ポンプ・パワーがない場合でも過度の損失がないということである（これはシステムの信頼性について重要な考慮すべき点である）。
【００２２】
２．ラマン・カスケーディング
カスケーディングは、ポンプ波長での光学エネルギを、一連の非線形分極を通じて、より長い波長の光信号に転移させる機構である。誘電体の各非線形分極は、誘導を発生した光の波長からオフセットした波長に対応する分子振動状態を生じさせる。非線形分極効果は、誘電体全体にわたって分散され、或る波長のエネルギが１つのより長い波長で光を発生する振動モードを活用するときにカスケード状の一連の波長シフトを生じさせる。このプロセスは、多数の次数を通じてカスケードすることができる。シリカ・ファイバにおいてラマン・ゲイン・プロファイルが１３．２THzに中心を置くピークを有するため、１つのラマン次数を、１３．２THzだけ先の次数から切り離して配置することができる。
【００２３】
カスケーディングは、誘導ラマン散乱増幅器を非常に望ましいものとする。ラマン増幅それ自体は、ゲイン・スペクトルが非常に広いので（１３．２ＴＨｚでピークまわり５THzより大きい帯域幅）、多数の波長（波長分割多重化におけると同じ）または短い光学パルスを増幅するのに用いることができる。さらに、カスケーディングは、広範囲にわたる異なった波長を通じてラマン増幅を可能にする。ポンプ波長を変化させることによって、または、ラマン・ゲインのカスケード次数を使用することよって、ゲインは、１３００ｎｍ〜１６００ｎｍの遠距離通信ウィンドウ全体にわたって得ることができる。
【００２４】
３．パラメトリック増幅および４波混合
ＰＡ／４ＷＭは、ストークス（Ｓ）光子および反ストークス(Ａ)光子を創り出す２つのポンプ（Ｐ）光子を含む。ＰＡ／４ＷＭおよびラマン増幅は、共に、光ファイバにおける３次感受性ｘ(3)から生じる。より具体的には、ｘ(3)の実数部分、いわゆる非線形屈折率ｎ2は、ＰＡ／４ＷＭに責任があり、分子振動に組み合ったｘ(3)の虚数部分はラマン・ゲイン効果に対応する。シリカ・ファイバにおいては、ｎ2の約４／５は、紫外線の共振によって生じる電子的な瞬間非線形性であり、ｎ3の約１／５は、ラマン活性振動、たとえば光学フォノンから生じる（M.N. Islam, Ultrafast Fiber Switching Devices and Systems, Cambridge University press, 1992参照）。後者の虚数部分は、図４のラマン・ゲイン・スペクトルと一致する。
【００２５】
ラマン増幅が光学ゲインを与えるについて魅力的であるが、ＰＡ／４WXは、光学ゲインの帯域幅を拡大するのに効果的な方法を提供する。ＰＡ／４WXは、ラマン増幅よりもかなり小さい、ポンプ、信号の周波数分離を有し、周波数差はポンプ強度に依存する可能性がある。ラマン増幅とまったく同様に、ＰＡ／４ＷＭゲインの主な効果は、それがあらゆるファイバに存在するということである。しかしながら、ラマン効果とは異なり、ＰＡおよび４ＷＭは、共に、位相整合を必要とする。４ＷＭは、位相整合についての要件により、長いファイバでは有効ではない。しかしながら、非線形屈折率を使用してポンプ、側波帯を位相整合するので、ＰＡは、自己位相整合体として作用し得る。ファイバにおけるゼロ分散波長の近くで作動するとき、これは特に当てはまる。４ＷＭおよびＰＡが、シングルモード・ファイバのゼロ分散波長の近くで生じるとき、位相整合はファイバにおいて自動的に行われる。４ＷＭにおいては、ポンプ波長が通常の分散様式（ポンピング波長がゼロ分散波長より短い）にあるとき、側波帯はゲインなしで生成される。ＰＡは、非線形屈折率がポンプおよび側波帯を位相整合させるのに使用される４-光子増幅である。ＰＡについては、ポンプ波長は、変則グループ速度様式（すなわち、ポンピング波長がゼロ分散波長より長い）になければならず、正しい位相整合では、ポンプおよび信号が共伝播することが必要である。
【００２６】
ＰＡ／４ＷＭゲインを知るには、R.H. Stolen and J.E. Bjorkholm, IEEE J. Quantum Elect., QE-IB, 1062 (1982)において導かれているようなゲイン係数を検討されたい。
【数１】
0004388229.tif 000002
平方根記号下の最初の項は、ポンプ光子を側波帯に連結する３次非線形性に対応する。二番目の項は、波間の位相不整合に対応し、２つの部分、すなわち、異なる波長での波ベクトル不整合による部分と、ポンプによって誘導される非線形インデックスにおける増大による部分からなる。非線形パラメータは、次のように定義される。
【数２】
0004388229.tif 000003
また、ゼロ分散波長λ0近くで作動していると仮定すると、伝播定数は次のように展開することができる。
【数３】
0004388229.tif 000004
ここで、
【数４】
0004388229.tif 000005
ポンプ波長が通常の分散体様式内にあるときには、Ｄ＜０、∂Ｄ／∂λ＞０、（λp−λ0）＜０となり、Δｋ＞０となる。この場合、gは常に虚数であり、側波帯生成プロセス中、ゲインはない。これは、4WMの場合と一致する。操作が変則グループ速度分散様式にあるばあいには、Ｄ＞０、∂Ｄ／∂λ＞０、（λp−λ0）＞０となり、Δｋ＜０となる。これは、ＰＡの様式であり、非線形性が位相不整合を減らす助けとなる（すなわち、式(１)における第２項の２つの部分が互いに反対の記号となる）。ＰＡについてはゲインがあり、このゲインは、ポンプ・パワーと共にチューン可能である。一例として、パワー・ゲイン係数２ｇは、変則グループ速度様式で操作するために図５に概略的に示すようにプロットされる。ピーク・ゲイン（ｇpeak＝ＹＰ）は、Δｋpeak＝−２ＹＰで生じる。ゲインが存在する範囲は、０＞Δｋ＞−４ＹＰによって与えられる。したがって、ピーク・ゲインは、ポンプ・パワーに比例し、Δｋ範囲は、ポンプ・パワーによって決まる。したがって、式(２)から、帯域幅がポンプ・パワーを増大させるか、非線形係数ｎ2を増大させるか、有効面積Ａeffを減少させることによって増大し得ることがわかる。あるいは、ゲインが必要とする所与の必要な周波数範囲について、ポンプ要件は、有効非線形性（ｎ2／Ａeff）を増大させることによって、低減することができる。
【００２７】
４．ラマンとＰＡ、４ＷＭのいずれかを組み合わせることによる広帯域ＮＬＰＡ
本発明は、少なくとも１つの中間ラマン・カスケード次数をゼロ分散波長λ0（たとえば、λ0の±５ｎｍ以内、最適には、±２ｎｍ以内）に近接して配置することによって、カスケード式ラマン増幅のための広帯域ゲインに至る。４ＷＭ（λr＜λ0の場合）またはＰＡ（λr＞λ0の場合）は、その特定のラマン次数のスペクトル拡大に通じる。それ故、引き続くラマン次数では、帯域幅はいっそうさらに大きくなることになる。カスケード・ラマン波長λrがλ0の長波長側に位置して（すなわち、変則分散様式にあって）パラメトリック増幅が生じ得るならば、さらに有利である。
【００２８】
広帯域ＮＬＰＡの基本概念が、図６に示してある。ポンプ波長λpから始まって、カスケード式ラマン増幅を、第１の２、３のステージで使用することができる。これは、ポンプが２つ以上のラマン・シフトすなわちゼロ分散波長から１３．２THz離れている場合だけである。（これら初期段階でより高い効率を保ちたいならば、狭帯域キャビティ設計、たとえば、格子または波長選択カプラーに基づいた設計を使用してもよい）。
【００２９】
ゲイン帯域幅を拡げる発明に対するキーは、中間ラマン・カスケード次数の１つがゼロ分散波長λ0に近接して位置しているということである。λ0に接近して作動することによって、ほとんど自動的に４ＷＭまたはＰＡのいずれかと位相整合する。引き続くカスケード・ラマン次数においては、ゲイン帯域幅は拡大し続けることができる。これは、ラマンの効果的なゲイン帯域幅がポンプ帯域幅（この場合、前のラマン・カスケード次数）とラマン・ゲイン・カーブとの重畳であるために、生じる。この点については、R.H. stolen等の「Development of the stimulated Raman spectrum in single-mode silica fibers」、Journal of the Optical Society of America B, Vol. 1 (1984), pp. 652-57」の内容を参照されたい。したがって、基本概念は、ゲイン・スペクトルがポンプ・スペクトルをたどるラマン増幅の特性の利点を利用することである。ポンプ波長が変わるにつれて、光学フォノン・エネルギの距離だけ分離してラマン・ゲインも変化する。この距離は、シリカ・ファイバにおいては、約１３．２THzの周波数シフトダウンである。
【００３０】
ファイバが普通のいわゆる標準ファイバである場合、ゼロ分散波長λ0は約１３１０ｎｍである。一方、分散シフト式ファイバの場合には、ゼロ分散波長λ0は、導波路分散を加えることによって、より長い波長にシフトすることができる。あるいは、分散平坦化式ファイバを、ラマン・スケード次数の１つまたはそれ以上にわたって低分散値について使用することができる。分散平坦化式ファイバを使用することの付加的な利点は、分散勾配が小さく、ゲイン帯域幅がもっと大きくなるということである（式（２）、（３）参照）。
【００３１】
引き続く次数の帯域幅を制限するものがラマン・キャビティ内に何もない限り、ラマン・ゲイン・スペクトルは、ポンプ・スペクトルをたどることができる。したがって、これらのより高いカスケード次数ラマン・レーザ機構の場合、格子または波長選択カプラーを使用することは望ましくない。一方、サニャック・ラマン増幅器およびレーザの広帯域キャビティ設計は、それ自体、当然、ポンプ・スペクトルを制御することによって帯域幅の拡大に通じる。シングルパス・ファイバ設計は、最も広い帯域幅の設計を構成する。しかしながら、フィードバックが閾値および必要なポンプ・パワーを低下させるのに用いられるため、サニャック・ラマン・キャビティのような広帯域キャビティは有利である。
また、帯域幅を拡げることが効率の低下に通じるので、広帯域キャビティ設計についてポンプ・パワーが既に高くなっているという点に注目されたい。
【００３２】
５．ＰＡおよびカスケード式ラマンからのＮＬＰＡゲイン拡大例
低損失ウィンドウの１４３０〜１３３０ｎｍ範囲に達するためのカスケード式ラマン増幅を説明するために、ここでは、約１０６０〜１１４０ｎｍで作動する市販のクラッディング・ポンプ式ファイバ・レーザでのポンピングについて考察する。種々のラマン次数（各々、前の次数から１３．２THzだけ分離している）が、表１に記載してある。
【００３３】
表１―――１０６０〜１１４０ｎｍでポンピングするときの種々のラマン次数（次数間の分離、１３．２THz）
0004388229.tif 000006
0004388229.tif 000007
【００３４】
１４３０ｎｍ〜１５２０ｎｍのゲインを得るために、ポンプを、１０９０ｎｍ〜１１４０ｎｍで作動させ、５つのカスケード式ラマン次数を使用して所望の波長を達成する。ＰＡまたは４ＷＭから拡大作用を利用するために、ポンピング機構は、この範囲の中間で選ぶ。すなわち、１１１７ｎｍのポンプ波長から始める。それ故、種々のラマン次数は、ほぼ１１７５ｎｍ、１２４０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１３９０ｎｍ、最後に１４８０ｎｍとなる。特に、第３のラマン周波数（１３１０ｎｍ）は、１本の標準ファイバのゼロ分散ポイントを通過する。そして、ファイバが分散シフトされた場合には、次の次数（１３９０ｎｍ）が接近するはずである。したがって、広帯域ゲインは、標準分散および１１１７ｎｍ、１１７５ｎｍまたは１２４０ｎｍのポンプ波長と共にファイバを使用することによって１４８０ｎｍあたりに中心を置く１４３０〜１５３０ｎｍ範囲における波長のためのものと予想される。
【００３５】
次に、ＰＡから予想される拡大を考察する。ここでは、標準ファイバを使用し、ポンプ波長が１１１７ｎｍで始まると仮定する。計算は、高ラマン横断面ファイバのための代表的なパラメータ（λ0＝１３１０ｎｍ、Ｙ＝９．９Ｗ-1ｋｍ-1）および０．０５ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの分散勾配と共に式（１〜４）を使用する。図７において、ＰＡについてのゲイン係数が、１Wのポンプ・パワーでの種々の波長０．５、１、２、５ｎｍの波長分離（λr−λ0）についてプロットしてある。２ｎｍの波長分離の場合、ＰＡピーク・ゲインは±１０ｎｍで生じ、その結果、スペクトル拡大は２０ｎｍを越える。ポンプ波長がゼロ分散波長に近ければ近いだけ、ゲイン帯域幅は広くなる。それに加えて、図８が、（λr−λ0）＝１ｎｍの分離および０．７、１、２、３Ｗのポンプ・パワーについてゲイン対波長をプロットしている。ピーク・ゲインがポンプ・パワーに正比例して増大するのに対して、帯域幅は、ポンプ・パワーの平方根に比例して増大する。
【００３６】
６．ＮＬＰＡ増幅器の好ましい実施例
図９は、１４３０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長範囲について増幅広帯域信号を生成する開ループ設計を使用する本発明の第１実施例を示している。この開ループ設計は、最も単純な非線形分極増幅器であるが、高ポンプ・パワー要件を持ち得る。図９に示すようなＮＬＰＡ増幅器２０においては、１４３０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長を有する光信号が、入力ポート２５から光ファイバ３０まで入力される。光ファイバ３０は、約１２４０ｎｍの波長で作動するポンピング・レーザ３５で発生したポンピング光によってポンピングされる。この光信号は、増幅され、非線形分極によってファイバ内でスペクトル的に拡大され、出力ポート４０を通して出力される。この構成は、光信号がファイバのゼロ分散波長より大きい波長を有するように配置される。そして、この波長は、１２４０ｎｍのポンピング波長より大きい。
【００３７】
この開ループ構成においては、ファイバは、１２４０ｎｍより小さいカットオフ波長を有し、ラマン・カスケードのすべての波長にわたってシングルモード（空間的）とならなければならない。この構成においては、ファイバの３つの選択が好ましい。第１に、約１３１０ｎｍでのゼロ分散波長を有する標準分散ファイバである。第２に、２本のファイバを添え継ぎしたものであり、一方のファイバが約１３１０ｎｍのゼロ分散波長（第１カスケード）を有し、他方のファイバが１３９０ｎｍのゼロ分散波長（第２カスケード）を有するものである。第３に、少なくとも１３１０ｎｍ〜１３９０ｎｍの低分散を有する分散平坦化式ファイバである。このような分散平坦化式ファイバの分散勾配が減ると、ＰＡまたは4WMのための帯域幅がかなり増大する。
【００３８】
例示的な１２４０ｎｍポンプ・レーザは、（ａ）カプラ・ベースまたはグレーティングベース（格子）のラマン発振器キャビティ（１１１７ｎｍ、１１７５ｎｍおよび１２４０ｎｍのための格子を有する）のたどる１１１７ｎｍクラッディング・ポンプ式ファイバ・レーザ、（ｂ）光学的にポンピングされる半導体レーザ、または、（ｃ）クロム・ドープ苦土橄欖石（フォーステライト）レーザを包含する。ファイバの一端には、１２４０ｎｍ逆反射体４５を設置してポンピング変換効率を高めると好ましい。逆反射体は、好ましくは、ダイクロイックミラーまたは１２４０ｎｍ格子である。入力、出力ポートは、好ましくは、WDMカプラーである。そして、アイソレータを入力、出力ポートで使用して、偽のフィードバックによるレーザ光線出力を防がなければならない。この開ループ構成におけるノイズ変動を平均化するために逆伝播幾何学的形状を使用することが望ましい。共伝播幾何学的形状を使用することも可能である。
【００３９】
ポンプ・パワー要件を低減するために、サニャック・ラマン・キャビティのような広帯域キャビティを使用する。図１０は、１２４０ｎｍポンプ付きのサニャック・ラマン・キャビティ設計を使用するＮＬＰＡの実施例を示している。図１０を参照して、ＮＬＰＡ６０のサニャック・ラマン・キャビティは、広帯域ミラー７０と、ラマン・ゲイン・ファイバ６５およびそれに接続した光学カプラー９０とからなるループ・ミラーによって形成されている。サニャック・ラマン・キャビティ設計は、米国特許出願通し番号０８／７７３，４８２に記載されている。この特許出願は、ここに参考資料として引用する。１４３０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長を有する光信号は、入力ポート７５を通してラマン・ゲイン・ファイバ６５に入力される。１２４０ｎｍ波長で作動するポンピング・レーザ８０は、カップリング手段８５を通してファイバ６５をポンピングするポンピング光を生成する。光信号は、増幅され、非線形分極を介してファイバ内でスペクトル的に拡大され、出力ポート９５を通して出力される。この構成は、光信号がファイバのゼロ分散波長より大きい波長を有するように配置される。この波長は、１２４０ｎｍのポンピング波長より大きい。
【００４０】
ラマン・ゲイン・ファイバは、開ループ設計について上述したと同じ特徴を有する。同様に、第１実施例で使用されたレーザがこの第２実施例において使用される。広帯域ＮＬＰＡは、さらに、分極状態を制御するためのサニャック・ラマン・キャビティ内の分極コントローラ１００を包含する。しかしながら、ファイバが分極維持される場合、分極コントローラは不要である。光学カプラー９０は、少なくとも、約１２４０ｎｍ〜１４３０ｎｍの波長を有する光信号に対して、名目上、５０：５０である。カップリング手段８５は、少なくとも約１３００ｎｍ〜１４３０ｎｍの波長で伝送するWDMカプラーである。さらに、入力ポートおよび出力ポートは、各々、少なくとも、約１２４０ｎｍ〜１４２５ｎｍを伝送するWDMカプラーを包含する。サニャック・ラマン・キャビティの重要な利点は、種々のラマン次数のより穏やかなカスケーディングに通じる受動的なノイズ減衰特性を有するということである。
【００４１】
代替案として、同じ種類のサニャック・ラマン・キャビティは、１１１７ｎｍと低損失ウィンドウ間の５つすべてのラマン・カスケード次数について使用できる。図１１は、ＮＬＰＡ操作のための５次サニャック・ラマン増幅器の第３実施例を示している。約１１１７ｎｍ当たりで作動するクラッディング・ポンプ式ファイバ・レーザは、ポンピング・レーザ１２０として使用される。ファイバがポンプのためのシングルのモード操作を適応させるために１１１７ｎｍの下でcut-oft波長を有しなければならないことを除いては、第１実施例において説明した異なったファイバ組み合わせを使用できるが、ただし、ファイバが１１１７ｎｍより小さいカットオフ波長を有し、ポンプのためのシングルモード動作に順応できなければならない。光学的カプラー１３０は、少なくとも、約１１１７ｎｍ〜１４３０ｎｍの波長を有する光信号について、名目上、５０：５０である。カップリング手段１２５は、少なくとも、約１１６５ｎｍ〜１４３０ｎｍの波長で伝送するWDMカプラーである。さらに、入力、出力ポートは、各々、少なくとも、約１１１７ｎｍ〜１４２５ｎｍの波長で伝送するWDMカプラーを包含する。種々の構成要素の波長範囲が増大するが、この構成は、ポンプ帯域幅が１１１７ｎｍ〜１２４０ｎｍ間の最初の２つのカスケード中にさえ増大し得るので、さらに広いゲインに通じる。また、サニャック・キャビティのノイズ減衰特性は、５つすべてのラマン次数にわたって有利に使用することができる。
【００４２】
一般に、ＮＬＰＡは次のように作動する。波長λを有する光信号は、入力ポートを通して、光ファイバのような、波長λ0でゼロ分散を有する分散形ゲイン媒体内へ入力される。そして、波長λpで作動するポンピング手段からのポンピング光によてポンピングされる（ここで、λ≧λ0≧λp）。ポンピング光は、分散形ゲイン媒体を通して、ゼロ分散波長λ0に近接した波長λrを有する中間次数を含む複数のラマン次数をカスケードし、４波混合（λr＜λ0の場合）またはパラメトリック増幅（λr＞λ0の場合）を位相整合する。増幅され、スペクトル的に拡大された光信号は、出力ポートを通して出力される。
【００４３】
７．広帯域並列光増幅装置
上記の実施例は、単一のＮＬＰＡが低損失ウィンドウの全帯域幅に順応できることを示している。さらに、２つ以上のラマン増幅器と希土酸化物ドープド増幅器の組み合わせを用いることによって、低損失ウィンドウの全帯域幅を達成できる。好ましくは、ＮＬＰＡおよびＥＤＦＡを使用する。
【００４４】
図１２は、１４３０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長範囲に対して２つＮＬＰＡの組み合わせを使用している並列光増幅装置の第１実施例を示している。図１２を参照して、分割手段１７０は、所定の波長、好ましくは、１４８０ｎｍで、１４３０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長を有する光信号を、所定波長より小さい波長を有する第１ビームと、所定波長より大きい波長を有する第２ビームとに分割する。第１ビームは、第１ＮＬＰＡ１８０に入力され、そこで、増幅、スペクトル拡大を受ける。第２ビームは、第２ＮＬＰＡ１９０に入力され、そこで、増幅、スペクトル拡大を受ける。第１、第２のＮＬＰＡからの出力は、結合手段２００によって結合され、増幅され、スペクトル的に拡大された光信号を生成する。入力ポート１７０および出力ポート２００は、好ましくは、WDMカプラーである。
【００４５】
第１ＮＬＰＡ１８０が１４３０〜１４８０ｎｍについて最適化され、第２ＮＬＰＡが１４８０〜１５３０ｎｍについて最適化され、１５０５ｎｍのところに中心を置くと好ましい。表１から、これらの２つのウィンドウは、短波長側については約１１００ｎｍのポンプ波長で、長波長側については約１１３０ｎｍのポンプ波長で始めることによって、５次数カスケードにおいて達成され得る。短波長側については、ファイバが１３６５ｎｍあたりのゼロ分散を持たなければならず、長波長側については、ゼロ分散ファイバが１３２８ｎｍまたは１４１０ｎｍあたりになければならない。
【００４６】
各ＮＬＰＡについての狭帯域幅もまた、各増幅器について効率を高めることになる。さらに、これらの構成要素は、波長ウィンドウがそれほど大きくないので、より容易に製造することができる。最後に、多数の増幅器は、必要に応じて帯域幅をＥＤＦＡウィンドウに加えて、システムの段階的なアップグレードを可能にすることができる。
【００４７】
低損失ウィンドウにおける１４３０〜１６２０ｎｍのスペクトルは、ラマン増幅器および希土酸化物ドープド増幅器からなる並列光増幅装置を使用することによって、増幅され、スペクトル的に拡大される。図１３には、並列光増幅装置の第２実施例が示してある。この増幅装置は、本発明で開示したような１つの広帯域ＮＬＰＡ２４０と１つのＥＤＦＡ２５０とを包含する。この装置の分割手段２３０は、所定波長、好ましくは、１５２５ｎｍで、１４３０ｎｍ〜１６２０ｎｍの波長を有する光信号を、所定波長より小さい波長を有する第１ビームと、所定波長より大きい波長を有する第２ビームとに分割する。広帯域ＮＬＰＡ２４０は、第１ビームを受け入れ、増幅広帯域第１ビームを生成する。EDＰＡ２５０は、第２ビームを受け入れ、増幅広帯域第２ビームを生成する。カップリング手段２６０は、増幅され、スペクトル的に拡大された第１、第２のビームを結合して増幅広帯域光信号を生成する。分割手段２３０およびカップリング手段２６０が共にWDMカプラーであることが好ましい。
【００４８】
多波長WDMチャネルと共にこれらの実施例のうち任意のものを使用するためには、おそらくは、増幅器の出力部のところに、ゲインを均等化するためのなんらかの手段を設ける必要がある。ゲイン帯域についてのこの波長依存性すなわち不均一性は、単一チャンネルの伝送ではほとんど影響がない。しかしながら、増幅器は、増幅器のカスケードを通しての多チャネル操作には不適当になる。異なる波長でのチャネルが一連の増幅器を通して伝播するとき、これらの増幅器は、ゲインおよび信号対雑音比に関して増幅器間の相違を蓄積し、増大させる。ゲイン平坦化要素を使用すれば、増幅器の長い連鎖の有用帯域幅をかなり増大させることができる。たとえば、ＮＬＰＡに続いてゲイン平坦化要素を設け、ことなったチャネルについてゲイン均等化を行うことができる。あるいは、ゲイン平坦化要素を、図１０または１１のサニャック干渉計ループ内に直接導入しても良い。
【００４９】
当業者であれば、発明の範囲、精神から逸脱することなく、種々の他の変更態様が明らかであろう。したがって、本願明細書の特許請求の範囲がここに説明した実施例に限定されるものではなく、むしろ、本発明に係わる技術の当業者によって均等物として扱われるすべての特徴を含めて、本発明に内在する特許可能な新規なすべての特徴を含むものとして特許請求の範囲を解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、５０ｋｍのファイバ損失プロファイルおよび代表的なＥＤＦＡのゲイン帯域を示している。
【図２】  図２は、EDＰＡの吸収スペクトル、ゲイン・スペクトルを示している。
【図３ａ】  図３ａは、異なるコア組成を有する４つのＥＤＦＡの放出スペクトルを示している。
【図３ｂ】  図３ｂは、異なる組成のエルビウム・ドープド・ガラスの吸収横断面を示している。
【図４】  図４は、１０００ｎｍのポンプ波長での溶融シリカについて測定したラマン・ゲイン・スペクトルを示している。
【図５】  図５は、パワー・ゲイン係数２ｇ対パラメトリック増幅についての位相ベクトル・不整合Δｋのプロット図である。
【図６】  図６は、本発明のＮＬＰＡの基本概念を示している。
【図７】  図７は、１Ｗのポンプ・パワーと、ポンプ、ゼロ分散波長間の異なった分離状態とについてＰＡから予想されるスペクトル拡大、ゲインを示している。
【図８】  図８は、１ｎｍのポンプ、ゼロ分散波長の分離ならびに異なったポンプ・パワーについてＰＡから予想されるスペクトル拡大、ゲインを示している。
【図９】  図９は、開ループ構成を使用しているＮＬＰＡの第１実施例の概略図である。
【図１０】  図１０は、１２４０ｎｍでポンピングされるサニャック・ラマン・キャビティを使用しているＮＬＰＡの第２実施例の概略図である。
【図１１】  図１１は、１１１７ｎｍでポンピングされるサニャック・ラマン・キャビティを使用しているＮＬＰＡの第３実施例の概略図である。
【図１２】  図１２は、２つのＮＬＰＡステージを有する並列光増幅装置の第１実施例の概略図である。
【図１３】  図１３は、１つのＥＤＦＡと１つのＮＬＰＡの組み合わせである並列光増幅装置の第２実施例の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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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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