JP4574861B2 - ファイバ増幅器における利得の平坦化 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
発明の分野
この発明は一般的に光増幅器に関し、より特定的には、光信号が実質的に同じ利得を得るよう異なった波長の光信号を増幅するための装置および方法に関する。
【０００２】
関連技術の説明
商業的に入手可能であるエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は現在、広い光帯域幅（シリカ系ファイバにおいては最大５０ｎｍ）にわたる利得を有する。この帯域幅にわたって、利得は入力信号の波長に大きく依存し得る。しかしながら多くの用途、特に長距離ファイバ通信においては、波長独立利得によって動作することが非常に望ましい。広大なファイバ帯域幅を利用するために、ＥＤＦＡの利得帯域幅内にある異なった波長を備えた信号は、同時に同じファイババスで搬送される。これらの信号が異なった利得を得ると、これらはバスの出力で異なったパワーを有する。この不均衡は、信号が連続するＥＤＦＡの各々を通過するにつれ深刻になり、超長距離に対しては顕著になり得る。たとえば、多数のＥＤＦＡに関わる大洋横断バスの出力端部では、ＥＤＦＡごとにより低い利得しか得ない信号は、高い利得を得る信号の数十分の１ｄＢのパワーしか搬送しないかもしれない。デジタルシステムに対しては、信号パワーレベルにおける差は７ｄＢを超えてはならないが、そうでなければより低いパワーの信号は使用するにはノイズが多すぎるであろう。ＥＤＦＡの利得の平坦化はこの問題をなくし、かつかなりの光帯域幅を、よってより高いデータレートを、サポートし得る増幅器を生成するであろう。予測される世界のＥＤＦＡに対する需要は非常に高いので、増幅器の利得を平坦化する一方で高いパワー効率性を維持するための方法の開発は、非常に重要であり続けている。
【０００３】
過去数年の間に、可能な限り広いスペクトル領域にわたり可能な限り平坦な利得を備えたＥＤＦＡを生成するためのいくつかの方法が開発された。第１の方法は、ファイバのパラメータ（エルビウム濃度、インデックスプロファイル、コアドーパントの性質と濃度）と、ポンプのパラメータ（パワーおよび波長）との両方を調整することである。この方法は比較的平坦な（±１−２ｄＢ）利得を生成し得るが、１０ｎｍのオーダのスペクトル幅を有するスペクトル領域をわたってのみであり、これはほとんどの用途において過度に制限的である。
【０００４】
別の方法はＥＤＦＡの各々を、２つの連結したファイバ増幅器の組合せと置き換えるものであり、この２つの増幅器はそれぞれ異なった信号波長への利得依存性を有する。これらの依存性は互いを補償し、かつ広いスペクトル領域をわたってほぼ波長から独立する利得を有するファイバ増幅器組合せを生成するよう設計される（たとえば、Ｍ．ヤマダ、Ｍ．シミズ、Ｙ．オオイシ、Ｍ．ホリグシ、Ｓ．スドウ、およびＡ．シミズの「Ｅｒ³⁺ドープＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃ファイバとＥｒ³⁺ドープ多成分ファイバとの接続によるエルビウムドープファイバ増幅器の利得スペクトルの平坦化（"Flattening the Gain Spectrum of an Erbium-Doped Fibre Amplifier by Connecting an Er³⁺-Doped SiO₂-Al₂O₃ Fibre and an Er³⁺-doped Multicomponent Fibre"）」Electron. Lett., Vol. 30, no. 21, pp.1762-1765、１９９４年１０月、を参照されたい）。これは、異なったホストを有するファイバ（たとえば、フッ化物ファイバとシリカファイバ）を用いることと、ラマンファイバ増幅器と組合されたＥＤＦＡとによって達成される。
【０００５】
第３の利得等化方法は、Ｅｒドープファイバの信号出力端部でフィルタを加えることであり、フィルタはより高い利得を示すスペクトルの部分で損失を導入する。この方策は、標準のブレーズドファイバグレーティングから製造されたフィルタを用いて実証される。（たとえば、Ｒ．カシャップ（R．Kashyap）他の「感光性ファイバブレーズドグレーティングを用いた広帯域利得平坦化エルビウムファイバ増幅器（"Wideband Gain Flattened Erbium Fibre Amplifier Using a Photosensitive Fibre Blazed Grating"）」Electron. Lett., Vol. 29, pp.154-156、１９９３年、を参照されたい）この方策はまた、長周期ファイバグレーティングからのフィルタを用いても実証される（たとえば、Ａ．Ｍ．ヴェングサーカー（A.M. Vengsarkar）他の「長周期ファイバグレーティングに基づく利得イコライザ（"Long-Period Fiber-Grating-Based Gain Equalizers"）」Opt. Lett., Vol. 21, pp.336-338、１９９６年３月、を参照されたい）。
【０００６】
第４の方法は利得のクランピングである。この方策では、光共振器の中にＥＤＦＡを配置してレーザ発光させる。所与のレーザ波長での、しきい値以上のレーザ共振器においては、ポンプパワーにかかわらず、往復の利得は往復の損失と等しい（たとえば、Ｙ．ツァオ、Ｊ．ブライスおよびＲ．ミナシャン（Y. Zhao、J. Bryce、R. Minasian）の「利得クランプされたエルビウムドープファイバ増幅器‐モデリングおよび実験（"Gain Clamped Erbium-doped Fiber Amplifiers-Modeling and Experiment"）」IEEE J. of Selected Topics in Quant. Electron., Vol. 3, no. 4, pp.1008-1011、１９９７年８月、を参照されたい）。
【０００７】
ツァオ他の利得クランピング実験においては、特定の波長λ₀付近の非常に狭い帯域幅にわたってのみ高い反射率を示す（かつ、エルビウムドープファイバの利得スペクトル内の他の波長ではほとんど反射率を示さない）２つのファイバグレーティングによって共振器が作られるので、レーザ発光はこの波長λ₀でのみ起こる。λ₀の選択は、ＥＤＦＡ利得のスペクトル形状に大きな影響を与える。適切なレーザ波長λ₀を選択することにより（彼らの実験においては１５０８ｎｍ）、利得スペクトルは非常に広い範囲にわたって比較的平坦になり得る。さらに、λ₀における利得はしきい値を超えるいかなるポンプパワーに対しても、この波長の共振器損失の値にクランプされる。利得が均一に広がると、他の波長での利得もまたポンプパワーから独立したままである（ポンプパワーはしきい値以上であると想定する）。
【０００８】
利得クランプＥＤＦＡの利得を平坦化する別の方法は、レーザイオンの非均一な広がりに依拠することである。ここで特に「レーザイオン」について記載するが、この説明はイオン、原子、および分子などの、誘導放出を介してレーザを生成するいかなる粒子に対しても適用し得る。純粋に均一に広がるレーザ媒体においては、すべてのイオンが同じ吸収スペクトルおよび発光スペクトルを示す。そのような材料がレーザしきい値以下にポンピングされると、図１（Ａ）に示すように、レーザ利得スペクトルをわたるすべての周波数で往復の利得はレーザ共振器往復損失よりも低く、一般に往復損失は利得スペクトル領域をわたって周波数から独立していると予想された。ちょうどしきい値以上にポンピングされると、これは利得＝損失という条件を満たす波長λ₁において発振し始める（図１（Ｂ）を参照）。ポンプパワーがさらに増大されると（図１（Ｃ））、利得＝損失という条件はλ₁において満たされ続け、すなわちλ₁における利得は一定であり続ける。これは以下のように物理的な視点から理解される。ポンプパワーが増大すると、反転分布が増し、これがより強いレーザ発光を生成する。ファイバを通って循環する間に、このより大きいレーザ信号は誘導放出を介して、利得が損失と等しく留まるために十分なだけ、反転分布を減じる。さらに、広がりが均一であるので、すべてのイオンはλ₁での利得に等しく貢献し、したがって、利得スペクトルは変化しない。当然、レーザ波長（λ₁）およびレーザ線幅もまた同様に留まる（図１（Ｃ）を参照）、すなわち、これらはポンプパワーから独立している。これが上述の利得安定化方法の原理である。
【０００９】
しかしながら、激しく非均一に広がるレーザ媒体においては、イオンのすべてが同じ吸収スペクトルおよび発光スペクトルを示すわけではない。このふるまいに対する１つの理由は、レーザイオンがある物理的位置のすべてが同一ではないことである。たとえば、アルミニウムドープシリカ系ホストの場合において、レーザイオンはシリコンイオン、酸素イオン、またはアルミニウムイオンの隣に位置することができる。同一の位置に存在するレーザイオン（たとえば、Ｓｉイオンの隣に存在するすべてのレーザイオン）は、同じ吸収および発光スペクトルを示し、すなわち、これらは互いに対して均一にふるまう。これに対し、異なった位置に存在するレーザイオンは、たとえば一方がＳｉイオンの隣に位置し、他方のレーザイオンがＡｌイオンの隣に存在すると、異なった吸収および発光スペクトルを示し、すなわち、これらは互いに対して非均一的にふるまう。非均一的広がりの場合において、レーザ媒体はこうしてレーザイオンのサブセットの集合として考えることができる。所与のサブセット内のイオンは均一的にふるまう一方、異なったサブセット内のイオンは非均一的にふるまう。
【００１０】
非均一的に広がった材料がレーザしきい値以下にポンピングされると、利得スペクトル領域をわたって周波数から独立する往復損失を想定する場合、図２（Ａ）に示すように、レーザ利得スペクトルをわたるすべての周波数で往復利得はレーザ共振器往復損失よりも低い。この材料がちょうどしきい値以上にポンピングされると、これは第１に、利得＝損失という条件を満たす波長λ₁において発振し始める（図２（Ｂ）を参照して、しきい値以下の場合である図２（Ａ）と比較されたい）。このレーザ発光は主に、λ₁において相当の利得を示すイオンサブセットに関わる。ポンプパワーが増大すると、他の波長でのレーザ発光が現れ始めるが、図２（Ｃ）に示すように利得＝損失という条件は満たされたままである。レーザ媒体は、ポンプパワーの増大によって反転分布が増した分だけ正確に反転分布を減じるのにちょうど十分なだけのレーザパワーを生成することにより、ここでもこの条件を満たす。こうしてλ₁での利得は、損失の値に「クランプされる」。しかしながら、広がりが非均一的であるので、λ₁以外の波長でピークに達する他のイオンサブセットから得られる利得は、λ₁におけるレーザパワーからはそれほど大きくは損失の値に近づくよう減じられていない。したがって、ポンプパワーが増加すると、これらの他の波長（たとえば、波長λ₂）での利得は、その波長での損失のレベルに達するまで増大し、媒体はλ₂でレーザ発光し始める。この時点で、利得はλ₁およびλ₂の両方でクランプされている。一般的に、利得カーブは釣鐘型をしていることから、λ₂は非常にλ₁に近い（図２（Ｃ））。さらにポンプパワーがファイバに入るにつれ（図２（Ｄ））、さらに多くの波長がレーザ発光し始める。実際には、これらの離散したレーザ線は実際には有限の線幅を有する。こうして、もしこれらの離散した線が互いに十分に近いとこれらは互いと合流し、このレーザ線の増加は最終的に、レーザの線幅の広がりを結果としてもたらす。要約すると、非均一的に広げられたレーザ媒体は、ポンプパワーの増大に伴い広がるレーザ発光を生成する傾向がある。レーザ線幅は主にこの様式で、これが利得線幅に達するまで増加し得る。
【００１１】
一般的に、Ｅｒ³⁺などの三重イオン化希土類要素のレーザ遷移は、均一的および非均一的プロセスの両方によって広がる。均一的機構は、ホスト内のすべてのＥｒイオンに対するのと同一の態様で、エルビウムイオンのシュタルクサブレベルの間の遷移の線幅を広げる。しかしながら、いくつかの非均一的機構は、すべてのイオンに対して同一ではなくイオンサブセットに依存する、シュタルクサブレベルの分布における変化をもたらす。
【００１２】
室温では、Ｅｒドープシリカにおける１．５５μｍ遷移は主に均一的に広がる。しかしながら、材料を極低温に冷却すると、均一的な広がりを減じ、かつ一定の利得の比較的広いスペクトル範囲にわたって発振するレーザを生成することが可能である（利得は共振器損失と等しい）。この効果は、７７°Ｋで操作されるＥＤＦＡにおける平坦な利得を生成するために用いられてきた。（たとえば、Ｖ．Ｌ．ダ・シルヴァ、Ｖ．シルバーバーグ、Ｊ．Ｓ．ワン、Ｅ．Ｌ．ゴールドスタイン、およびＭ．Ｊ．アンドレイコ（V.L. da Silva、V. Silberberg、J.S. Wang、E.L. Goldstein、M.J. Andrejco）の「非均一的利得のクランピングを介した光ファイバにおける自動利得平坦化（"Automatic gain flattening in optical fiber amplifiers via clamping of inhomogeneous gain"）」IEEE Phot.Tech Lett., VOl. 5, no. 4, pp.412-14、１９９３年４月、を参照されたい）しかしながら、装置がファイバを冷却することを必要とするので、この方策は一般的に実用には適さない。
【００１３】
【発明の概要】
この発明の好ましい実施例は、エルビウムの１．５５μｍ遷移の非均一的広がりを用いて、ファイバを極低温に冷却する必要なくエルビウムドープファイバ増幅器における平坦な利得を生成する。利得広がりはエルビウムイオンの吸収帯の端部のファイバをポンピングすることにより誘導し得るが、これは９８０−ｎｍ吸収帯の近傍または中心でポンピングされる既存のエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）とは対照的である。これに代えて、エルビウムドープファイバは同時に多数の波長でポンピングされてエルビウムイオンの多数のサブセットを励起し、最も広い可能性のあるスペクトル領域をわたって利得を生成してもよい。たとえば、⁴Ｉ_15/2→⁴Ｉ_11/2の遷移へのポンピングに対しては、ポンプ波長は均一に分散されるか、そうでなければ吸収スペクトルの実質的な部分を含む約９７０ｎｍから約９９０ｎｍの間に分散されることができる。このポンピングスペクトルの理想的なスペクトル範囲は、用いられる特定のエルビウムドープファイバの吸収スペクトルに依存し、吸収スペクトル自体はファイバのコア領域に現われる共ドーパントに依存する。
【００１４】
この発明の１つの好ましい実施例は、クランプされた利得を生成するための光共振器を含む光増幅器であって、該共振器は、吸収プロファイルと利得プロファイルとを有する利得媒体を含み、該利得プロファイルは非均一的な広がりによって少なくとも一部は特徴付けられる。該光増幅器はさらに、利得媒体の吸収遷移のピーク以外における少なくとも１つの波長で利得媒体をポンピングし、非均一な広がりを用いて利得を平坦化する、光ポンプソースを含む。１つの好ましい実施例においては、光共振器はリング共振器であって、利得媒体はドープファイバを含む。
【００１５】
この発明のさらに別の好ましい実施例は、クランプされた利得を生成するための光共振器を含む光増幅器であって、該共振器は吸収プロファイルと利得プロファイルとを有する利得媒体を含み、該利得プロファイルは非均一的な広がりによって少なくとも一部は特徴付けられる。この実施例はさらに、利得媒体の吸収遷移のピーク以外における利得媒体をポンピングし、非均一な広がりを用いて利得を変更する光ポンプソースを含み、さらに、損失を調整して所望の利得プロファイルを生成するための、波長依存損失要素をも含む。
【００１６】
この発明のさらに別の好ましい実施例は、実質的に平坦な利得を有する光増幅器を生成するための方法であって、方法は吸収プロファイルと利得プロファイルとを有する利得媒体中にポンプ信号を導入するステップを含み、該利得媒体は共振器内に存在する。該利得プロファイルは、非均一的な広がりによって少なくとも一部は特徴付けられ、ポンプ信号のスペクトル出力は、利得媒体の非均一的広がりを用いるために吸収プロファイルのピーク以外をポンピングするよう選択される。この方法はさらに、異なった波長の複数の光信号を利得媒体に注入して光信号を増幅するステップを含み、該光信号のそれぞれの波長は利得媒体の利得プロファイル内に存在し、方法はさらに、利得媒体中の誘導放出を用いて光信号の波長を含むスペクトル領域にわたって利得媒体の利得をクランプするステップを含む。増幅された光信号は次いで利得媒体から抽出される。この方法の１つの好ましい実施例においては、１つ以上の共ドーパントが利得媒体に与えられて、利得プロファイルの非均一的広がりを向上させる。この方法の別の好ましい実施例においては、共振器内の損失を変化させることにより利得を制御し得る。この方法のさらに別の好ましい実施例においては、共振器内の波長依存損失要素を調整することにより利得の平坦度を制御し得る。
【００１７】
【好ましい実施例の詳細な説明】
図３（Ａ）に、この発明の１つの好ましい実施例を示す。利得媒体２０は好ましくは、エルビウムがレーザイオンとして作用する、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）である。利得媒体２０は、光共振器３０の一部を形成する。ドープされた集積光導波路、バルク利得媒体などの他の光利得媒体、およびＧａＡｓなどの半導体をも用い得る。エルビウムドープ利得媒体２０をポンピングするための光ポンプソース３４は、９５０−１０００ｎｍのスペクトル領域において１つ以上の線で発光する近赤外線ダイオードレーザを有利に含み得る。ダイクロイックカプラ３８、たとえば、すべてのポンプパワーを実質的に共振器３０に結合するがリング外のレーザ信号５４は実質的に結合しない波長分割マルチプレクサによって、ポンプ光はエルビウムドープファイバに結合される。図３（Ａ）に、いくつもの可能なポンプ構成のうちの１つのみを示す。たとえば、エルビウムドープファイバのいずれかの端部に１つ以上のダイクロイックカプラ３８またはコンバイナを好適に配置することにより、エルビウムドープファイバ２０を前向きに、後ろ向きに、または同時に両方の方向に（双方向ポンピング）、ポンピングし得る。コンバイナは、当該技術分野において周知である、標準のファイバ波長分割マルチプレクサ、偏光ビームコンバイナ、またはいくつもの導波路もしくはバルク光コンバイナであってもよい。光ポンプソース３４のスペクトル出力は、エルビウムドープファイバに固有の非均一的な広がりを利用して、単一のスペクトル領域またはより小さな狭い間隔をあけた一連のスペクトル領域のいずれかにおいて、利得プロファイルのすべてまたは実質的な部分の利得をクランピングすることを可能にするよう選択される。たとえば、光ポンプソース３４は、エルビウムの吸収遷移の長波長側かまたは短波長側のいずれかで、吸収遷移の吸収のピーク以外（ウィング）における離散した波長で動作可能である。利得媒体がＥｒドープファイバであるとき、起こり得るポンプ遷移は１４８０ｎｍ付近の⁴Ｉ_15/2→⁴Ｉ_13/2の遷移と、９８０ｎｍ付近の⁴Ｉ_15/2→⁴Ｉ_11/2の遷移とを含む。しかしながら、⁴Ｉ_15/2→⁴Ｉ_13/2の遷移でポンピングするときは、長波長のピーク以外におけるポンピングは可能ではない。これに代えて、吸収遷移の短波長のピーク以外と長波長のピーク以外の両方をポンピングしてもよい。広帯域ポンプソースまたは多重波長ソースのいずれかを用い得る。利得媒体２０をこの態様でポンピングすることにより、エルビウムドープファイバの利得プロファイルは線中心の近傍でポンピングされたよりもより非均一にふるまい、それによりより広い領域にわたる利得クランピングを容易にする。光ポンプソース３４は好ましくは、ダイクロイックカプラ３８によって共振器３０の中に結合される。ここで用いられる場合、広帯域ポンプソースとは、超蛍光ファイバソース（ＳＦＳ）または増幅された自然放出に基づくソースなどの、広いスペクトル領域（すなわち、計測可能な変動な幅、たとえば用いられるポンプ帯域の２０％の線幅を備えた、スペクトル領域）にわたって光を放出する、光源を意味する。たとえば、エルビウムドープファイバ２０はイッテルビウムによって共ドープされてもよく、これはたとえばＰ．Ｆ．ワイソキー、Ｐ．ナムクヨー、Ｄ．ディジョヴァンニ（P.F. Wysocki, P. Namkyoo, D. DiGiovanni）の「＋２６ｄＢｍまでの出力パワーと１７ｎｍの平坦スペクトルを備えた二重ステージエルビウムドープ・エルビウム／イッテルビウム共ドープファイバ増幅器（"Dual-stage erbium-doped, erbium/ytterbium-codoped fiber amplifier with up to +26dBm output power and a 17-nm flat spectrum"）」Optics Letters, Vol.21, no.21, pp.1744-1746、１９９６年１１月１日、に教示される。当該技術分野において周知であるように、そのようなＥｒ／Ｙｂファイバは１０６０ｎｍ付近でポンピングされることができ、ポンプ放射は増幅器ファイバのＹｂイオンによって吸収され、これは励起されたエネルギをエルビウムイオンに転送し、エルビウムイオンの反転分布をもたらす。そのようなＥｒ−Ｙｂドープされた増幅器ファイバは、（イッテルビウムが超蛍光ファイバソース内においてレーザイオンとして作用する）Ｙｂドープされた超蛍光ファイバソースによってポンピングされることができ、ソースは１０４０−１０８０ｎｍウィンドウ付近で広いスペクトル領域をわたって高パワーを放出するよう設計されることができる。（たとえば、Ｌ．ゴールドバーグ、Ｊ．Ｐ．コプロー、Ｒ．Ｐ．モエラー、Ｄ．Ａ．Ｖ．クライナー（L. Goldberg, J.P. Koplow, R.P. Moeller, D.A.V. Kliner）の「サイドポンピングされたＹｂドープダブルクラッドファイバによるハイパワー超蛍光源（"High-power superfluorescent source with a side-pumped Yb-doped double-cladding fiber"）」Optics Letters, vol. 23, no.13, pp.1037-1039、１９９８年７月１日、を参照されたい。）広帯域ポンプソースの帯域幅は、たとえば内部もしくは外部のフィルタ、または他の光学的手段によって、所望の値に調整し得る。
【００１８】
共振器３０は好ましくは、エルビウムドープファイバ２０からのレーザ発光が光アイソレータ４２によって共振器内を単方向的に、すなわち矢印４６によって示される方向に循環させられる、リング共振器である。共振器内の損失を制御するために、共振器３０内に好ましくは少なくとも１つの減衰器５０が用いられる。特定のレーザ波長では、レーザ共振器３０内の往復の損失は往復の利得と等しいので、減衰器５０は共振器全体の利得をも効率的に制御する。減衰器５０は有利に可変である（すなわち、可変の損失を有する）か、またはその損失は波長に依存して所望の利得プロファイルを生成する（たとえば、利得プロファイルを平坦化する）か、またはこれは可変でありかつ波長依存であってもよい。たとえば、利得プロファイル内に非均一的損失要素を導入することにより、導入しなければ非均一的であった共振器３０内の損失スペクトルを補償し、かつ実質的に平坦な利得スペクトルを生成することが可能である。さらに、波長依存減衰器５０は、共振器内部の減衰器５０の代わりに、またはこれに加えて、共振器３０の外部に位置してもよい。ニュージャージー州ブーントンのジョハンソンカンパニー（Johanson company）によって製造されるような（たとえば、モデル番号２５０４Ｆ７Ｂ５０Ｃ）、いくつものモデルの可変減衰器が商業的に入手可能である。減衰器５０は、感光ファイバグレーティング（たとえばＡ．Ｍ．ヴェングサーカー他の「長周期ファイバグレーティングに基づく利得イコライザ」Opt. Lett., Vol. 21, pp.336-338、１９９６年３月、を参照されたい）、または機械的ファイバグレーティングなどの、波長依存損失要素を含み得る。
【００１９】
入力光信号５４は、光アイソレータ５８を介して光共振器３０と、光カプラ６１（たとえば、信号およびレーザ波長で１０％の結合（または９０％の伝送）を有するカプラ）などの第１の結合装置とに入り、それにより入力信号はエルビウムドープレーザ発光の方向に対向して伝播する、すなわち、入力信号５４は矢印６６によって示される方向に伝播する。利得媒体２０とダイクロイックカプラ３８とを通過した後で、光信号はポート６３で光カプラ６２（たとえば、これもまた１０％カプラ）などの第２の結合装置を通過し、次いで第２のアイソレータ７０を通過することにより、共振器３０を離れ、ここで光信号は出力光信号７４と称する。リングレーザ発光は、増幅される信号５４の方向とは逆の方向に循環するので、リングレーザ信号はカプラ６２においては出力されず、このカプラの別のポート、すなわちポート６４において出力される。こうして図３（Ａ）の実施例は、出力光信号７４がエルビウムファイバ２０のレーザ発光から明確に分離することを可能にする。
【００２０】
カプラ６１、６２は好ましくは、入力信号５４に与えられる損失を最小化するために、できるだけ小さな結合比率を信号波長で有する。これは、０％カプラの限界に近づくことを意味する。たとえば、１％カプラによっては、カプラ６１での入力信号５４（およびカプラ６２でのタップ信号７４）によって受けられる結合「損失」は非常に低く（１％）、これは好ましい。同様に、リングレーザ信号に対する結合「損失」は非常に高く（９９％）、（高いＥＤＦＡ利得を得るために）高いキャビティ損失が望ましいので、これもまた好ましい。こうして、カプラ６１および６２を用いてリング損失を、したがって信号が得る利得を、調整する（しかしながら、カプラの結合比率と信号が得る正味利得との間の関係は注意深くモデル化されねばならない）。こうして、可変減衰器５０を使用することに対する代替例は、カプラのいずれかまたはその両方の結合比率を用いて利得レベルを変化させることである。
【００２１】
図３（Ａ）を参照すると、カプラ６１の結合比率が低いほど、カプラ６１によって入力信号５４に与えられる損失も低くなる。同様に、カプラ６２の結合比率が低いほど、カプラ６２によって増幅された信号に与えられる損失も低くなる。したがって、カプラ６１および６２の結合比率が低いほど、信号が図３（Ａ）の増幅器を通して移動する間に受ける損失も低くなり、したがって信号が受ける正味利得は高くなる（または逆に、所与の正味利得を達成するために要求されるポンプパワーが低くなる）。以上を鑑みて、所与の要求される正味利得に対しては、結合比率の両方を減じることが有利である。結合比率を減じるための１つの方法は、ループ内の他の要素、特定的には減衰器５０およびアイソレータ４２の損失を減じることである。（さらに、ダイクロイックカプラ３８の損失も可能な限り低くあるべきである。これは３つの利益を有する。すなわち、ダイクロイックカプラ３８内のポンプパワー損失が減じられる；ダイクロイックカプラ３８内で失われる信号パワーの量が減じられる；カプラ６１および６２に対するより低い結合比率を選択し得る）。たとえば、２０ｄＢのクランプされた利得が要求されていれば、１つの可能な構成は、２ｄＢの基礎（波長独立）損失と、カプラ６１および６２の各々に対し１２．６％の結合比率（９ｄＢの伝送）、すなわち、２×９＋２＝２０ｄＢのループ全体の損失（ループ要素の他のすべてのものは、無視できるほどの損失しか有さないと想定する）とを備えた、波長依存減衰器５０である。好ましい解決法は、０ｄＢのバックグラウンド（波長独立）損失と、カプラ６１および６２の各々に対し１０％の結合比率（または１０ｄＢの伝送）、すなわち２×１０＋０＝２０ｄＢのループ全体の損失を備えた、波長依存減衰器５０を用いることである。前者の場合においては、２つのカプラ６１および６２の各々は信号に１２．６％の損失を与える。第２の場合においては、２つのカプラ６１および６２の各々は、信号に１０％の損失を与え、これは第１の場合よりも２ｄＢ少ない往復信号損失に対応する。
【００２２】
これに代えてカプラ６１および６２のうちの１つ（またはその両方）を、光サーキュレータなどの別の結合装置と置き換えてもよい。これを図３（Ｂ）に示すが、これはカプラ６１および６２が光サーキュレータ８１および８２に置き換えられ、入力および出力アイソレータ５８および７０が取除かれているという点を除いては、図３（Ａ）に類似する。この実施例においては、入力信号５４は入力サーキュレータ８１内において分離損失を被らず、出力信号７４は出力サーキュレータ８２内において分離損失を被らない。この利益とは、信号損失がより低く、よって増幅器２０はより低い利得しか必要としない（よってより低いポンプパワーしか必要としない）ことである。しかしながら、カプラ６１および６２とは異なって、サーキュレータ８１および８２は（高利得増幅器の場合において）要求される高い共振器損失を提供できず、この目的のためには可変減衰器５０を用いねばならない。現在の商業的なサーキュレータは、１ｄＢ前後、またはちょうど１ｄＢ以下の、小さな内部損失を示す。しかしながら、この損失に対する基本的な限界はなく、将来のサーキュレータ設計においては小さくなると予想し得る。
【００２３】
光サーキュレータ８１（および光サーキュレータ８２）は３ポート装置であって、ポート８４を介して入来する実質的にすべての光を次の隣接するポート、すなわちポート８３から結合させて出力させる周知の態様で動作することに留意されたい。光サーキュレータは単方向装置であるが、これは光はサーキュレータの中で１方向にのみ循環することを意味する（図３（Ｂ）においては反時計回り）。こうして、共振器リングから戻りサーキュレータ８１のポート８３から入る光は、サーキュレータ８１の第３のポート８５を通って結合されるが、サーキュレータ８１のポート８４からは出力されない。サーキュレータ８１はこうして、ポート８４からリング共振器に入来する光が直接ポート８５に伝播することを防ぐ、アイソレータとして動作する。例示的な光サーキュレータは、カリフォルニア州９５１３１サンノゼ、ランディーアベニュー１８８５のＥ‐ＴＥＫダイナミックス（E-TEK Dynamics, Inc.）から入手可能である。
【００２４】
図３（Ｂ）に示す実施例の別の利点とは、図３（Ａ）の入力および出力アイソレータ５８および７０がもはや必要ではないことである。この理由は、リング内のアイソレータ４２がサーキュレータ８１および８２とともに、アイソレータとして作用するためである。出力分離に関する限り、（サーキュレータ８１の）出力ポート８３から出力サーキュレータ８２に戻ってくるいかなる浮遊信号もアイソレータ４２に向けられ、ここでＥｒドープファイバ増幅器２０に入ることなく、効率的に消滅する。こうして、増幅器２０は出力ポート８３からのいかなるフィードバックからも分離される。入力分離に関しては、いかなる光もリングから出て（サーキュレータ８１の）入力ポート８４には入らない。これは、Ｅｒドープファイバ２０からの入力サーキュレータ８１に向かういかなる逆信号（特に、Ｅｒドープファイバによって生成されるＡＳＥ信号および信号のスプリアスな反射）も入力サーキュレータに入り、入力サーキュレータはこれらをリングに向けるからである。こうして、この逆信号が入力ポート８４に入ることはない。これは、図３（Ａ）の実施例には当てはまらないが、ここでは入力カプラ６１はスプリアス信号の９０％をカプラ６１の入力ポート８８に向けるので、この実施例は入力アイソレータ５８を必要とする。もしサーキュレータ８１および８２によって提供されるよりもよいアイソレータが提供され、かつアイソレータ４２が必要とされるならば、図３（Ｂ）の実施例において入力および出力アイソレータをやはり使用できることに留意されたい。これに代えて、サーキュレータの一方のみを用いてもよい。たとえば、図３（Ｂ）の信号出力側で、サーキュレータ８２を、図３（Ａ）の信号出力側に示されるカプラ６２／アイソレータ７０の構成に置換えてもよい。
【００２５】
入力信号５４の波長は、利得媒体２０の利得プロファイル内に入るよう好ましく選択され、利得媒体２０はエルビウムドープファイバに対しては広く、好ましくは少なくとも５ナノメータ（ｎｍ）幅である。利得が損失を超えるほどポンプパワーが十分に高いと、共振器３０は効率的に利得プロファイルにわたる利得をクランプすることにより、すべての入力信号がエルビウムドープファイバ２０を通過するにつれて等しい利得を受ける。図３（Ａ）および図３（Ｂ）の実施例もまた、広い範囲（すなわち、ポンプパワーしきい値と、ポンプパワーソースから利用可能である最高のポンプパワーとの間の範囲）のポンプパワーにわたるポンプパワー変化に反応しない利得を生成するという利点を提供する。
【００２６】
これが無反応である理由は、もしリングレーザ３０がしきい値を比較的高く超えてポンピングされると、循環するリングレーザ発光によって利得がその小さな信号値から顕著に減じられるためである。もしポンプパワーがその公称の値よりも増大されるとすると、図２（Ｃ）および図２（Ｄ）に関して既に説明したように、利得は同じ値にクランプされ続けるが、利得帯域幅は増大するであろう（利得帯域幅がこの公称のポンプパワーの最適の値に達していないと想定する）。もしポンプパワーがその公称の値から減じられるとすると、（ポンプパワーがしきい値以下に減じられない場合）利得はここでも同じ値にクランプされ続け、かつ利得帯域幅もまた減少するであろう。したがって、（１）ポンプパワーがしきい値以下に降下しないとすると利得値はポンプパワーの変化に反応を示さず、かつ（２）利得帯域幅はポンプパワーに依存する。しかしながら、ポンプパワーの最も低い予想値に対して、組合された入力信号によって占められるスペクトル帯域幅よりも利得帯域幅が大きくなることを確実にすると、利得帯域幅は常に十分に広く、かつすべての入力信号５４はポンプパワーの変化から独立して同じ利得を受ける。
【００２７】
同様に、図３（Ａ）および図３（Ｂ）の実施例は信号パワーのいくらかの範囲にわたって無反応であり、かついくつかの入力信号の変化のいくらかの範囲にわたっていくつかの入力信号の変動に対して無反応である利得を生成するという利点を提供する。このふるまいは以下のように説明し得る。もしいくつかの入力信号５４が一定に保たれるが入力信号のいくらかもしくはすべてのパワーが増大されると、エルビウムドープファイバの反転分布は一定にとどまり、それにより利得は一定にとどまる。レーザは、これをリングレーザパワーを低めることにより達成する。しかしながら、もしポンプパワーが十分に高ければ、より狭い線幅にわたってではあるが、レーザはレーザ発光し続けるであろう。こうして、利得帯域幅は減少するが、利得はその元の値にクランプされたままである。先の段落において説明されたように、この利得帯域幅における減少は、その最小の可能な値では、かつ帯域幅がすべての入力信号５４に対して平坦な利得を提供するのにやはり十分に広ければ、瑣末なものである。もし個々の信号パワーが一定に保たれる一方で、いくつかの入力信号５４が変化すると、同様の論証が可能である。たとえば、入力信号５４のうちの１つまたはそれ以上が降下すると、利得は同じ値にクランプされたままであるが、利得線幅は増加する（ここでも利得が最大の可能である値に達していないと想定する）。
【００２８】
このポンプパワー、信号パワー、および入力信号５４の数に対する無反応性は、光学通信システムにおいて特に重要である。たとえば、この発明で説明されたものなどの増幅器を通過する入力信号の数は、時間の経過に従ってユーザの数が変動するにつれて、または光学信号を供給する光源のうちの１つの偶発的な故障の場合、変化し得る。同様に、入力信号パワーとポンプパワーとは、たとえばそれらを供給する光源のエージングまたは故障の結果、時間の経過につれて変化する可能性がある。
【００２９】
多重波長ポンピングを用いてもよいが、広帯域ポンピングはよりよい結果をもたらすと期待される。エルビウムドープファイバ２０に対する１つの広帯域ポンプソースは、９８０ｎｍ付近でポンピングされるイッテルビウムドープファイバによって作られる超蛍光ファイバソース（ＳＦＳ）であり、これは０．９７−１．０４μｍ範囲において数十ｍＷの超蛍光放出を生成し得る。（たとえば、Ｄ．Ｃ．ハナ、Ｉ．Ｒ．ペリー、Ｐ．Ｊ．サニ、Ｊ．Ｅ．タウンセンドおよびＡ．Ｃ．トラッパー（D.C. Hanna, I.R. Perry, P.J. Suni, J.E. Townsend, A.C. Tropper）の「Ｙｂドープファイバからの９７４ｎｍおよび１０４０ｎｍでの効率的な超蛍光放出（"Efficient superfluorescent emission at 974nm and 1040nm from an Yb-doped finer"）」Opt. Comm, Vol. 72, nos. 3-4, pp.230-234, １９８９年７月、を参照されたい。）これらのファイバのスペクトル出力は、一部それらの長さに依存し、より長いファイバはより長波長で発光する。１つの短いファイバ（０．５ｍ）が９７４ｎｍで２ｎｍ帯域幅の放出を生成するのに対し、長いファイバ（５ｍ）は１０４０ｎｍで１９ｎｍ帯域幅の放出を生成する。そのようなＳＦＳは、Ｅｒドープファイバを広帯域ポンピングするためにその短波長範囲において用いられる（ＳＦＳは９８０ｎｍで動作するのに十分に長く、その線幅は十分に広いと想定する）。ＳＦＳはまた、Ｅｒ／Ｙｂドープファイバを広帯域ポンピングするためにもその長波長範囲において用いられる（典型的には０．９８−１．０６４μｍ範囲においてポンピングされる）。
【００３０】
この発明の別の実施例は、エルビウムドープファイバ２０のコアの組成に関する。コアにおける共ドーパント化学種の数を増加させると、エルビウムイオンが存在できる、より多様な物理位置が生じる。位置の各々はエルビウムイオンのわずかに異なったシュタルク分離を誘導するので、共ドーパント科学種が加えられるにつれエルビウムイオンの非均一的広がりが増加する。一般的に、ネットワーク調整共ドーパントの数が増加すると、利得はより非均一的になると期待される。この原理は、（Ｅｒ³⁺だけでなく）いかなるレーザイオンにも適用され、（シリカまたはフッ化ガラスだけでなく）いかなるファイバホストにも適用される。
【００３１】
ファイバ２０のコアに好ましく導入される共ドーパントは、いわゆるネットワーク調整子であるが、これはガラスホストにおける希土類イオンの溶解度を向上させる傾向がある。少なくとも一部はネットワーク調整子として作用する共ドーパントは、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｌｉ、およびＡｌを含むが、これらに限定されるものではない。Ｇｅなどのインデックス調整子として知られる共ドーパントは、一般的に希土類イオンの溶解度を向上させないが、たとえばファイバの屈折率を制御するために、ファイバ内に導入し得る。しかしながら、Ｇｅはエルビウムドープシリカ系ファイバの利得の非均一的な線幅を増す傾向がある（先に引用のＶ．Ｌ．ダ・シルヴァ他を参照されたい）。
【００３２】
吸収プロファイルのピーク以外におけるポンピングによる非均一的な利得の広がりの向上は、図４に示すファイバリングレーザ１００を用いて実証される。レーザ１００は、３ｍ長さのＥｒドープファイバ１０４、２つのＷＤＭファイバカプラ１０８および１１０、およびレーザ共振を単一の方向に向けさせるための光アイソレータ１１２を含む。ファイバリングレーザ１００は、９８０ｎｍで動作する２つのポンプレーザダイオード１１６および１１８によってポンピングされる。レーザダイオード１１６および１１８は、それぞれの第１および第２のＷＤＭファイバカプラ１０８および１１０を介してリングレーザ１００内に結合される。第２のＷＤＭカプラ１１０は、リングレーザ１００からレーザ信号を抽出するためにも用いられる。第３のＷＤＭカプラ１２０は、リングレーザ１００の出力に配置されて、リングレーザ１００のレーザ信号から吸収されない９８０ｎｍポンプを分離させるために用いられ、レーザ信号は約１５３０ｎｍから約１５７０ｎｍの範囲にある。これら２つの信号の各々のスペクトルは、光学スペクトルアナライザ１３０において独立して観察される。
【００３３】
図５は、２つの異なったポンピング条件下で測定されたファイバリングレーザ１００の出力のスペクトルを示す。リングレーザ１００が１つのレーザダイオードのみによって９７８ｎｍで、すなわちＥｒドープファイバの⁴Ｉ_15/2→⁴Ｉ_11/2の吸収遷移の中心付近でポンピングされると、リングレーザ出力は、１５６０．８ｎｍ付近を中心とする比較的狭いスペクトル（数十ｎｍ）を示す。一方、リングレーザ１００が２つのレーザダイオードで、一方が９７４ｎｍでかつ他方が９８５ｎｍでポンピングされると、リングレーザのスペクトルは顕著に増大して、約１５６１ｎｍから１５６３ｎｍに拡張する。他の実験は、１４ｎｍまたはそれ以上の帯域幅が達成されることを示唆する。Ｅｒドープファイバの利得スペクトルはいずれのポンピング構成を用いても測定されていないが、図５の結果はＥｒドープファイバをその吸収帯のピーク以外においてポンピングすると、吸収の中心のみにおいてポンピングするよりもより広い放出がファイバから生成されるが、これはピーク以外をポンピングする場合においてはより多数のＥｒ³⁺サブセットが同時に励起することによるものと推定される。ここで開示される９８０ｎｍ吸収帯のピーク以外をポンピングすることに加えて、１４８０ｎｍ吸収帯のピーク以外をポンピングすることによる非均一的な広がりもまた観察されるであろう。
【００３４】
この発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の特定の形式において実施し得る。記載された実施例は、いかなる意味においても例示的なものと考えられるべきであり、限定的なものと考えられるべきではない。したがってこの発明の範囲は上述の説明ではなく、前掲の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の等価物の意味および範囲に入る、すべての変化はその範囲内に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、均一的広がりに対して、ポンプパワーがレーザ発光しきい値以下、しきい値、およびそれ以上である場合、周波数によってどのように利得が変化するかを示す図である。
【図２】 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、非均一的な広がりに対して、ポンプパワーがレーザ発光しきい値以下、しきい値、それ以上、および顕著にそれ以上である場合、どのように利得が周波数によって変化するかをそれぞれ示す図である。（Ｃ）においては、レーザ発光は比較的狭いスペクトル範囲にわたって起こるのに対し、（Ｄ）においてはレーザ発光は比較的広いスペクトル領域にわたって起こる。
【図３】 （Ａ）、（Ｂ）は、利得媒体の利得プロファイルをわたって平坦なクランプされた利得を生成する光増幅器に入力信号が注入される、この発明の好ましい実施例を示す図である。
【図４】 リングレーザ内に配置されるエルビウムドープファイバから出力されるスペクトルを分析するための、実験的なテストセットアップを示す図である。
【図５】 図４のセットアップから出力されるスペクトルが、ポンプスペクトルの関数としてどのように変化するかを示す図である。

Claims (32)

1. 光増幅器であって、
   クランプされた利得を生成するためのリング光共振器（３０）を含み、前記共振器（３０）は吸収プロファイルと利得プロファイルとを有する利得媒体（２０）を含み、前記利得プロファイルは、少なくとも一部の非均一的な広がりを特徴とし、さらに
   前記利得媒体を、前記利得媒体の吸収遷移の短波長のピーク以外および長波長のピーク以外の両方でポンピングして非均一的な広がりをゲインの平坦化のために用いる光ポンプソース（３４）を含む、光増幅器。
2. 前記利得プロファイルをわたる利得は実質的に一定である、請求項１に記載の増幅器。
3. 前記利得媒体（２０）はドープファイバを含む、請求項１に記載の増幅器。
4. 前記利得媒体（２０）はエルビウムを含み、前記エルビウムはレーザイオンとして作用する、請求項１に記載の増幅器。
5. 前記光ポンプソース（３４）は広帯域である出力を有する、請求項１に記載の増幅器。
6. 前記光ポンプソース（３４）は、少なくとも１つの離散した波長での出力を有する、請求項１に記載の増幅器。
7. 前記単方向リング共振器（３０）は、レーザ共振を単方向に規制するための光アイソレータ（４２）を含む、請求項１に記載の増幅器。
8. 前記光増幅器への入力信号（５４）は、レーザ発振の方向（４６）とは逆の方向に伝播する、請求項７に記載の増幅器。
9. 非均一な損失プロファイルを補償して所望の利得プロファイルを生成するための、波長依存損失要素（５０）をさらに含む、請求項１に記載の増幅器。
10. 前記光ポンプソース（３４）は超蛍光ファイバソースである、請求項１に記載の増幅器。
11. 前記超蛍光ファイバソースは、レーザイオンとしてイッテルビウムを含む、請求項１０に記載の増幅器。
12. 前記利得媒体（２０）は、前記利得媒体の非均一性を向上させるための少なくとも１つの共ドーパントを含む、請求項１に記載の増幅器。
13. 前記共ドーパントはネットワーク調整子を含む、請求項１２に記載の増幅器。
14. 前記共ドーパントは、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｌｉ、Ａｌ、およびＧｅからなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む、請求項１３に記載の増幅器。
15. 前記利得媒体（２０）は、少なくとも５ナノメートルのスペクトル範囲にわたって平坦であって広い利得を提供する、請求項１に記載の増幅器。
16. 損失のレベルを制御して、前記利得媒体において所望のレベルの利得を生成するための可変減衰器（５０）をさらに含む、請求項１に記載の増幅器。
17. 異なった波長の入力信号（５４）を生成するための入力信号源をさらに含む、請求項１に記載の増幅器。
18. 入力信号（５４）と前記利得媒体（２０）からのレーザ発振とは対向して伝播する、請求項１７に記載の増幅器。
19. 信号を前記光共振器（３０）の中に組入れ、かつ取出すための結合装置（６１、６２）をさらに含む、請求項１に記載の増幅器。
20. 前記結合装置（６１、６２）は少なくとも１つの光カプラを含む、請求項１９に記載の増幅器。
21. 前記結合装置（６１、６２）は少なくとも１つの光サーキュレータを含む。請求項１９に記載の光増幅器。
22. 光増幅器であって、
    クランプされた利得を生成するための光共振器（３０）を含み、前記共振器（３０）は吸収プロファイルと利得プロファイルとを有する利得媒体（２０）を含み、前記利得プロファイルは少なくとも一部の非均一的な広がりを特徴とし、さらに、
    前記利得媒体（２０）を前記利得媒体の吸収遷移の短波長のピーク以外および長波長のピーク以外の両方においてポンピングして、非均一的な広がりを利得を変更するために用いる、光ポンプソース（３４）と、
    損失を調整して、所望の利得プロファイルを生成するための波長依存損失要素（５０）とを含む、光増幅器。
23. 前記光共振器（３０）は前記波長依存損失要素（５０）を含む、請求項２２に記載の増幅器。
24. 前記波長依存損失要素（５０）は、共振器（３０）の損失を調整して実質的に平坦な利得を生成する、請求項２２に記載の増幅器。
25. 比較的平坦な利得を有する光増幅器を生成するための方法であって、
    ポンプ信号（５４）を、吸収プロファイルと利得プロファイルとを有する利得媒体（２０）に導入するステップを含み、利得媒体（２０）は光単方向リング共振器（３０）内に存在し、前記利得媒体は、少なくとも一部の非均一的な広がりを特徴とし、ポンプ信号のスペクトル出力は、前記吸収プロファイルの短波長のピーク以外および長波長のピーク以外の両方をポンピングして利得媒体（２０）の非均一的広がりを利用するよう選択され、さらに、
    異なった波長の複数の光信号を前記利得媒体（２０）に注入して光信号（５４）を増幅させるステップを含み、光信号（５４）のそれぞれの波長は前記利得媒体（２０）の利得プロファイル内に入り、さらに、
    前記利得媒体（２０）内で誘導放出を用いて、光信号（５４）の波長を含むスペクトル領域をわたって前記利得媒体（２０）の利得をクランプするステップと、
    前記利得媒体（２０）から増幅された光信号（７４）を抽出するステップとを含む、方法。
26. 前記利得媒体（２０）に共ドーパントを加えて、前記利得プロファイルの非均一的な広がりを向上させるステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
27. 前記共振器（３０）内の損失を変化させることにより利得を制御するステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
28. 注入される光信号（５４）の伝播の方向（６６）とは逆の方向（４６）にレーザ発振を規制するステップを含む、請求項２５に記載の方法。
29. 前記利得媒体（２０）はドープファイバを含む、請求項２５に記載の方法。
30. 前記共振器（３０）内の波長依存損失要素（５０）を調整することにより、利得平坦度を制御するステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
31. 前記誘導放出はレーザ発光を含む、請求項２５に記載の方法。
32. 前記共振器（３０）は、単方向リング共振器を含む、請求項１に記載の増幅器。

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