JP2005241732A

JP2005241732A - 光パルス増幅装置

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Publication number: JP2005241732A
Application number: JP2004047986A
Authority: JP
Inventors: Sarwar Abedin Kazi; サルワルアベディンカジ
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】従来とほぼ同様に簡単な構成でありながら、励起に用いる波長帯域を可変にすることができる光源を備えた光パルス増幅装置を提案する。
【解決手段】レーザ光パルス列を強度変調することにより時間的に強度変化するレーザパルス列を生成し、そのレーザ光パルス列を、ソリトン自己周波数シフト効果を用いて、周波数が変化する光ソリトン列として出力する光源を備え、この光源からの出力光を励起光とするラマン増幅用光ファイバと、このラマン増幅用光ファイバに上記の光ソリトン列を入力する光結合器と、上記のラマン増幅用光ファイバに増幅されるパルス光を入力する入力部と、上記のラマン増幅用光ファイバから増幅された光を出力する出力部と、を、備え、上記の励起光と増幅されるパルス光とは、互いに逆向きに進み、上記の増幅されるパルス光は、励起光に含まれる複数のパルス光と衝突する構成とする。
【選択図】図８

Description

この発明は、増幅すべき光パルス信号が光ファイバを通過する際にラマン励起用の光パルスで励起して増幅する光パルス増幅装置に関している。

大容量の光通信では、広い波長領域に信号が分布することから超広帯域の光増幅装置が望まれている。光通信の波長領域では、エルビウムドープファイバアンプを用いると光に波長が１５３０〜１５７０ｎｍの帯域で増幅が可能であるが、それを超えた帯域においては使用が困難であることが知られている。この問題を解決する手段としては、誘導ラマン効果を用いた手段が知られている。これは、ある適当な波長の光を励起光として光ファイバに入力し、それによって誘導ラマン効果を引き起こし、その励起光からわずかに長波長側（シリカ系のファイバの場合約１００nm）において信号の増幅をおこなうものである。しかし、一般に、この効果による利得帯域は狭い。上記のシリカファイバ中での誘導ラマン効果を用いた光パルス増幅装置の場合でも、その利得帯域が狭いため、異なる波長を持つ多数の光源を励起光として用いて広帯域の増幅を行うことがある。

また、非特許文献１には、図１３に示す光増幅器が報告されている。この光増幅器においては、波長掃引型のパルスレーザ光源からの光を、増幅しようとする光信号とは逆方向から、励起光を光ファイバに入射し、その励起光による誘導ラマン効果により、光増幅を行うものである。ここでは、一定の振幅を持つフェムト秒パルスを非線形ファイバに入力し、スペクトルが広がった後、特定の波長帯域のスペクトル成分を取り出す仕組みとなっている。その後、ファイバを通過させてチャープをかけてパルスを広げることで、励起光関でおこるラマン効果による相互作用を抑制するものである。

さらに、非特許文献２には、図１４に示す光増幅器が報告されている。この光増幅器においては、いろいろな発光波長の光源からの光を合波して、増幅しようとする光信号とは逆方向から、励起光を光ファイバ（例えば：酸化テルルを主体とする光ファイバ）に入射し、この励起光による誘導ラマン効果により、光増幅を行うものである。

また、非特許文献３には、図１５に示す光増幅器が報告されている。この光増幅器においては、複数の発光波長の光源の発光時間を制御して、増幅しようとする光信号とは逆方向から、誘導ラマンを起こる光ファイバに、異なる波長の光パルスが順次入射するようにして、誘導ラマン効果により、光増幅を行うものである。

J.W. Nicholson, . Fini, J. C. Boutiller, J. Bromage, and K. Bar, "A Swept‐wavelength Raman pump with 69 MHz repetition rate", PD46-1, Optical Society of America (2003) A. Mori, H Masuda, K. Shikano, and M. Shimizu, "Ultra-Wide-Band Tellurite-Based Fiber Raman Amplifier", vol. 21, No.5, 1300-1306, JOURNAL OF LIGHT WAVE THECHNOLOGY, 2003. L. F. Mollenauer, A. R. Grant, and P. V. Mamyshev, "Time-division multiplexing of pump wavelengths to achieve ultrabroadband, flat, backward-pumped Raman gain", OPTICS LETTERS, Vol. 27, No.8, pp. 592-594 2002.

上記の様に、超広帯域の光増幅装置では、広帯域の発光波長帯域をもつ光源が必要とされている。しかし、従来のように異なる波長を持つ多数のレーザを多重化したものを光源として用いる場合は、それらによる誘導ラマン効果によるスペクトルに不均一な利得が見られるという問題が生じる。また、図１５のような電気的に波長を変える励起手段では、高速に波長を変化させることが難しく、得られる励起光のパワーにおいても限界がある。また図１３に示した装置は、構造が複雑であるため、その使用しづらいと思われる。

このような光源からの光を誘導ラマン効果の励起に用いるため、その強度は十分に大きいことが望ましい。しかし、従来のこのような光源では、その構成が簡単ではなかった。本発明では、従来とほぼ同様に簡単な構成でありながら、励起に用いる波長帯域を可変にすることができる光源を、備えた光パルス増幅装置を提案している。

この発明では、増幅しようとする光信号とは逆方向から、誘導ラマンを起こすファイバ（例えば；シリカファイバ、酸化テルル光ファイバ）に励起光を入射する構成で、励起光の波長帯域幅を電気的に調整することにより、増幅する波長帯域幅を容易に調整することができる。

まず、この発明で用いる光源の基幹となるソリトン自己周波数シフト効果について、図１の構成を用いて説明する。モード同期ファイバレーザ（ＭＬＦＬ）２は、高周波信号源１から、例えば１０ＧＨｚの信号を受けて、繰り返し周波数１０ＧＨｚの光パルス列を発振する。この光パルス列は、光ファイバを用いた光増幅器３によって増幅される。この増幅度も可変であって、光パルス列のピーク強度を調整するために使われる。増幅された光は、偏波調整器４で偏光方向が選択され、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）５を通過して、測定器６に送られる。

図１の装置において、PCFへの一定の振幅を持つ入力パルスの平均強度を、８ｍWから１０７０ｍWまで徐々に変えたときの、出力光のスペクトルを、図２に示す。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すスペクトルは、ＰＣＦ５に入射する時点での光パルスの平均パワーが、それぞれ、８、８１０、９５０、１０７０ｍＷの時のスペクトルを示している。このグラフから分かるように、入射強度が大きくなるに従って長波長側にずれていく双曲線正割関数 sech²型のスペクトル成分が発生している。これは、ソリトンであることが知られており、この現象は、ソリトン自己周波数シフト効果によるものであることが知られている。

図３は、その様なソリトンの一例であり、図３（ａ）は、スペクトル特性を、図３（ｂ）は、ソリトンパルスの自己相関波形を示している。この図から分かるように、ソリトンは幅広いスペクトルを持っており、従って、そのパルス幅は非常に短い。また、図４は、入射光の強度と波長の関係を示す一例である。この例から、強度が増加すると長波長側にずれる値が増加する事が分かる。

図５は、波長に対するパルス幅（白四角）、波長に対するスペクトル幅（黒丸）を示す図であり、波長変換量が大きくなるにつれパルス幅が減少し、スペクトル幅が増大する事が分かる。また、ソリトンの中心波長が約１２０ｎｍ変わる場合でも、光パルスは数百フェムト秒の短いものであることが分かる。

上記の方法によってパルスの波長変換は40%以上の高い変換効率で行われている。出力光を光検波器とオシロを用いて観測した際に図６のinsetに示してあるように、時間的に離れている２つのパルスが繰り返ししていることが分かる。ここでは、前方は変換しなかった成分と、後方は波長変換されたパルスに対し、さらにこれらの間隔は（遅延）ソリトンの波長の変化量に依存することとなる。また、図６は、ソリトンの、群遅延対波長の特性を示す一例である。この図から分かるように、波長変換値が増大するに従って遅延時間も増大する事が分かる。

本発明で用いる励起光源は、パルス列のパルスそれぞれに一定の時間間隔で振幅変動を加え、これを増幅後、非線形ファイバに入力する。このため、ソリトン自己周波数シフトによって、それぞれの光パルスの波長変化量が異なり（図４に基づいて）、ファイバの出口から出力する時間も変動することが分かる。強度変調が周期的である場合には、ソリトンパルスが変調信号に対応して周期的に変動することが容易に分かる。例えば、図６に示した１０GHzの繰り替えし周波数の光パルス列において、光パルスのエネルギが65pJ（平均パワー：０．６５W）から0.81pJ（平均パワー：０．８１W）に周期的に変化ファイバに入力した場合に、ファイバ出力面からの出力パルスの波長は１５７０ｎｍから１５８７ｎｍの間、または出力時間が（入射波パルスを基準に）約１５ｐ秒（２０ｐ秒〜３５ｐ秒）の間周期的に変動して行くことが分かる。

次に、本発明の光パルス増幅装置の励起光源の概念を図７に示す。
１）この装置では、先ず。周期的に光パルスを発生する光源からの光パルス列を光変調器に入力する。
２）次に、入力した光パルスの強度が、順次徐々に変化する様に、また、それぞれの光パルスが周期的に変化するように、強度変調する。この変調により異なる振幅を持つ光パルス列を生成する。
３）この光パルス列を増幅し、非線形ファイバに入力する。非線形ファイバの代わりに、ラマン自己周波数シフトを起こす非線形光学結晶あるいは半導体を用いることが出来る。
４）非線形光導波路１４からは、それへの入射光成分と光ソリトン成分とが出力されるので、濾波器１５により光ソリトン成分を選択して出力する。濾波器はソリトンシフトなしの入力波長成分をカットするものである。これは、例えばファイバ型のブラッグ格子（Bragg Grating）を用いて実現できる。また、入力パルスの振幅を大きくし周波数シフト量を大きくした場合、出力パルスに強度の変動も大きくなるので、この出力パルスの強度の波長シフト量依存を抑制して一定の振幅のパルスを発生するようにするために、波長依存性のある透過特性をもった濾波器１５を用いることが望ましい。これは、例えば、図１２に示す長周期型のファイバブッラグ格子を用いて実現することができる。しかし、ソリトン自己周波数シフト効果によって変化する波長も異なり、非線形ファイバから出力するパルスの波長もそれぞれ異なる光パルスであっても励起光として用いることが出来るのはあきらかである。

上記の光パルス列を変調する光変調器では、入力する光パルス列をその繰り返し周波数より低い周波数の正弦関数または鋸波、階段波などの決められた形状をもった周期的な信号で変調することにより、前記の変調信号に従って分布した振幅をもつ光パルス列を周期的に出力することができる。この振幅の違いから、上記のソリトン自己周波数シフト効果によって上記の光パルス列の波長が変化する。例えば、入力光パルスの繰り返し周波数をf0、変調周波数をfmとすれば、fm 秒ごとに同じ波長の光パルスが２個を発生することとなる。特に、光パルスの波長が時間に対して単調に変化するようにするためには、光パルス列の繰り返し信号と変調信号とに同期をとることが望ましい。しかし、非同期の場合でも、光パルスの波長の変化が見られることは明らかである。また、Ｋを自然数としてＫ/fm 秒ごとに繰り返しても観測できる事は明らかである。特に、f0とfmの比率が大きい（fo/ fm >>1）ときには、変調とともに光パルスの波長が連続的に変わっていくように見える励起光が得られる。増幅するパルス列の繰り返し周波数とf0、 fm は無関係である。

上記の様にソリトン自己周波数シフト効果によって光パルスの波長を変換した場合に、光パルスの強度あるいは非線形光ファイバの長さに依存して、上記の光パルスの波長が変換される。

このため、本発明の光パルス増幅装置は、光源としては、レーザ光パルス列を発生するレーザ発生装置と、上記のレーザ光パルス列を強度変調することにより時間的に強度変化するレーザパルス列を生成する光変調器と、増幅する手段と、変調されたレーザ光パルス列を入射することにより、光ソリトンを発生し、前記入射するパルスの強度により異なる波長（あるいは周波数）のソリトンを有する光伝送媒体と、を備え、を備え、前記の光伝送媒体から、光パルスを出力する光源を用いる。また、前記の光源からの出力光を励起光として光信号を増幅するラマン増幅用光ファイバと、上記のラマン増幅用光ファイバに、上記の光伝送媒体からの出力光を入力する光結合器と、上記のラマン増幅用光ファイバに増幅されるパルス光を入力する入力部と、上記のラマン増幅用光ファイバから増幅された光を出力する出力部と、を、備え、上記の励起光と増幅されるパルス光とは、上記のラマン増幅用光ファイバ内を互いに逆向きに進み、上記の増幅されるパルス光は、上記のラマン増幅用光ファイバ内において、励起光に含まれる複数のパルス光と衝突するようにする。

また、本発明の他の光パルス増幅装置では、上記の光変調器に加える変調信号は、周期信号であり、その周期は、増幅されるパルス光が上記のラマン増幅用光ファイバを通過する時間の４倍以下であるようにする。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。なお、下記の例は説明のためのものであって、以下の例に限定されないことは明らかである。

本発明の励起用の光源では、図７に記載した様に、周期的に光パルスを発生する光源１１からの光パルス列を強度変調器１２に入力し、入力した光パルスが光パルス列において徐々に変化する様に、それぞれの光パルスに周期的に変化する強度変調を与える。この変調により異なる振幅を持つ光パルス列を生成できる。この光パルス列を増幅し、非線形光ファイバによる非線形光動波路１４に入力する。ここで、入カした光パルスは、それぞれの振幅が異なるため、ソリトン自己周波数シフト効果によって変化する波長も異なり、非線形ファイバから出力するパルスの波長もそれぞれ異なることとなる。また、非線形ファイバから出力された光パルスの振幅は、一般に、一定でないので、この振幅のばらつきを抑えるために、飽和特性のある濾波器１５にこの光パルスを通す。

一般に、図７の光源から出力される光は、偏光であるので、これに直交する偏光を合波して強度を増すことは容易である。図８は、そのための構成であって、強度変調器１２の出力光を分岐して、それぞれに増幅する。この場合の増幅は、分岐で減衰した強度を回復させるために、図７の場合の増幅よりも高い増幅度で行うことが望ましい。また誘導ラマン効果が励起光の偏波に依存するので、偏波依存性を無くすために増幅された一方の光パルスを、偏光調整器１７に通して、他方の光パルスと直交する偏光とし、合波器１６で合波する。また、合波した後に濾波器に通す構成とすれば、用いる濾波器の数を減らすこともできる。合波器１６は、一方の偏光を透過し、それに直交する偏光は反射する特性を用いた合波器であって、これは既によく知られている。

次に、この誘導ラマン効果を用いた光パルス増幅装置について図９を用いて説明する。この図において、入力信号は、誘導ラマン効果によるラマン増幅用光ファイバ２３と、光結合器２２を通って出力される。また、励起光は、上記のソリトン自己周波数シフト効果を用いた波長可変の光パルス発生器２０からの光を、パルス幅（あるいはスペクトル）整形手段２１を用いて光パルスの整形を行った後に、光結合器から上記の光路に逆向きに入射され、ラマン増幅用光ファイバを通過する際に、誘導ラマン利得を行う。この光結合器２２としては、通常の光カプラーの他に、図１１（ａ）に示す光サキユレータを用いることもできる。また、図１２にパルス幅（あるいはスペクトル）整形手段の例を示す。これらは、長周期ファイバブラッグ格子（Long-period Fiber Bragg Grating）と高分散型光ファイバを用いて構成することができる。長周期ファイバブラッグ格子を利用することによって上記の波長可変光パルス発生器の強度の波長依存性をなくし、その強度を均一にあるいは決められた波長分布にすることができる。また上記の光源からのパルス幅は通常数百フェムト秒であるため、そのパルス幅を広くするため図１２に示すような分散を持つファイバに通過させることによってパルス幅を広くすることが望ましい。これによって、上記の入力信号と逆方向に伝搬する励起用パルスとのファイバ中に重なる時間を増加し、励起用パルスから信号パルス光のエネルギ移動、いわゆるラマン利得高率を高めることができる。

上記のいわゆるラマン利得高率を高めるためと誘導ラマン利得の偏波依存性を無くすため、図１０に示すように、励起光源を直列構成として、実現することができる。

入力信号が多波長のパルス列から構成されていて、そのスペクトル幅が広い場合は、波長可変励起光のスペクトルの幅も、入力信号と同じ程度かあるいはそれを包含するように広い方が望ましい。このような設定は、図７、あるいは図８に示す光強度変調器の変調度、あるいは、光強度変調器で光の位相を調整するバイアス電圧、あるいはファイバ増幅器の利得の調整によって実現することができる。

一般に、誘導ラマン利得が得られる帯域は、媒質によって決められる波長分だけ励起光の長波長側にある。このため、それを考慮して励起光源の設計が必要である。例えば、シリカ系の光ファイバを利用する場合、励起波長から約１００ｎｍ長波長側にラマン利得が得られるため、１５５０〜１６００ｍｍ帯で波長が可変である上記したソリトン自己周波数シフト効果による光源を利用した場合には、１６５０〜１７００ｎｍ帯で誘導ラマン利得が得られる。

この光増幅で想定する入力信号は、光パルス列である。この増幅装置では、励起用の光パルス列の繰り返し周波数を低下させると、増幅されて出力される光パルスの強度が変動するので、励起用の光パルス列の繰り返し周波数は、十分に高いことが望ましい。これは、励起用の光パルスが通過した直後の光ファイバ内の位置においては、誘導ラマン効果はおき易いが、それが通過してから時間をあけた場合には、励起状態が緩和されてしまい、その分、増幅度が低下するためである。上記のラマン利得ファイバの長さがＬであるとき、信号光のファイバの通過時間がＬｎ_g／ｃとなる（ｎ_g光のｇｒｏｕｐＩｎｄｅｘ、ｃは光の速度）。また変調器の変調周波数をｆｍとすると、１／ｆｍ秒ごとに同じ波長の励起パルスが２個発生することになる。信号光と逆向きの励起パルスとの衝突では、すべての波長の励起パルスとの衝突となるようにするためには、Ｌｎ_g／ｃ＞１／（４ｆｍ）を満たす必要があるが、Ｌｎ_g／ｃ＞＞１／（４ｆｍ）という条件を満たすことが望ましい。

上記では、ソリトン自己周波数シフト効果を用いた励起光源を用いた光パルス増幅装置としたが、その励起光源におけるパルス光源の輝度を増大させることによって、励起用の光パルスの占める帯域幅が増大する。パルス光源の輝度を、電気的な制御を行って調整することは容易であり、したがって、光パルス増幅装置としての帯域幅も容易に、電気的に増大させることができる。このように、帯域幅を電気的に制御することができる光パルス増幅装置を、容易に実現することができる。

ソリトン自己周波数シフト効果を用いた装置のブロック図である。ソリトン自己周波数シフト効果を示す図である。ソリトンの（ａ）はスペクトル特性を、（ｂ）は自己相関波形を示す図である。入射光の強度に依存した波長の特性を示す図である。波長に対するパルス幅（白丸）、波長に対するスペクトル幅（黒丸）を示す図である。ソリトンの、群遅延対波長の特性を示す図である。本発明の光源を示すブロック図である。本発明の光源を示すブロック図である。本発明の光源を用いたラマン増幅装置を示すブロック図である。本発明の光源を用いたラマン増幅装置を示すブロック図である。光結合器として用いる光サキュレータ（ａ）、光カプラー（ｂ）示す概念図である。パルス幅（あるいはスペクトル）整形手段を示すブロック図である。第１の従来のラマン増幅に用いられる波長スキャン型光パルス光源の例を示すブロック図である。第２の従来の光パルスラマン増幅装置の例を示すブロック図である。第３の従来の光パルスラマン増幅装置の例を示すブロック図である。

符号の説明

１信号源
２モードロックファイバレーザ
３光増幅器
４偏波調整器
５フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）
６測定器
１１光パルス光源
１２光変調器
１３光増幅器
１４非線形光導波路
１５濾波器
１６合波器１７偏波調整器
２０光パルス発生器
２１パルス幅整形手段
２２光結合器
２３ラマン増幅用光ファイバ

Claims

光源が、
レーザ光パルス列を発生するレーザ発生装置と、
上記のレーザ光パルス列を強度変調することにより時間的に強度変化するレーザパルス列を生成する光変調器と、
変調されたレーザ光パルス列を入射することにより、光ソリトンを発生し、前記入射するパルスの強度により異なる波長（あるいは周波数）のソリトンを生成する光伝送媒体と、を備え、
前記の光伝送媒体から、光パルスを出力する光源であり、
前記の光源からの出力光を励起光として光信号を増幅するラマン増幅用光ファイバと、
上記のラマン増幅用光ファイバに、上記の光伝送媒体からの出力光を入力する光結合器と、
上記のラマン増幅用光ファイバに増幅されるパルス光を入力する入力部と、
上記のラマン増幅用光ファイバから増幅された光を出力する出力部と、を、備え、
上記の励起光と増幅されるパルス光とは、上記のラマン増幅用光ファイバ内を互いに逆向きに進み、
上記の増幅されるパルス光は、上記のラマン増幅用光ファイバ内において、励起光に含まれる複数のパルス光と衝突することを特徴とする光パルス増幅装置。
光変調器に加える変調信号は、周期信号であり、その周期は、増幅されるパルス光が上記のラマン増幅用光ファイバを通過する時間の４倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の光パルス増幅装置。
請求項１に記載の光パルス増幅装置に加えて、該光パルス増幅装置からの出力光の光スペクトルの強度分布を調整するファイバブラッグ格子をさらに備えることを特徴とする光パルス増幅装置。
請求項１に記載の光パルス増幅装置に加えて、該光パルス増幅装置からの出力光のパルス幅を、光ファイバの分散を用いて調整する手段をさらに備えることを特徴とする光パルス増幅装置。