JP2018508997A - 光増幅器モジュール - Google Patents

Abstract

光増幅器モジュールは、マルチステージ自由空間装置として構成され、少なくとも入力ステージと出力ステージとを含む。実際の増幅は、モジュールに結合される別個のファイバベースのコンポーネントにより行われる。伝搬する光入力信号及びポンプ光が入力ステージに提供され、増幅された光信号は出力ステージを出る。各ステージ内で信号に対して実行される必要な動作は、離散光学コンポーネントを介して自由空間ビームを導くことにより行われる。離散光学コンポーネント及び自由空間ビームの使用により、従来技術の増幅器モジュールで必要とされたファイバスプライス及びその他の結合接続の数を減らし、自動プロセスがスモールフォームファクタ程度の「プラグ可能な」光増幅器モジュールを生成することを可能とする。【選択図】図１５

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１５年３月１９日に出願され、本明細書において参照により援用される米国仮出願第６２／１３５，６４１号の利益を主張する。

本出願は、光増幅器モジュールに関連し、より具体的には、モジュールのサイズ及びコストの両方を最小にするために自由空間光学系を採用するモジュールに関連する。

エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）及び分布ラマン増幅器（ＤＲＡ）等の様々なタイプの光増幅器は、光通信システムのユビキタスコンポーネントであり、フェージング光信号の再生が必要とされるときの光電気信号変換の実行を不要とするものである。

ＥＤＦＡの場合、（典型的には９８０ｎｍで作動する）光ポンプレーザはＥｒドープ光ファイバのセクションに結合され、入射光信号はドープファイバを通してポンプ光と共伝搬される。ポンプ光がエルビウムドーパントと存在すると、光励起エルビウムイオンの遷移により伝搬する光信号の増幅を生じさせる。ポンプ光源及びドープファイバ（並びに、信号及びポンプ光をファイバに注入するのに必要な光結合器）に加え、従来の光増幅器モジュールは、信号及びポンプをファイバに導入するのに用いられるフィルタコンポーネント（典型的にはＷＤＭコンポーネント）を含む。入射光信号を入力経路に沿って後方反射から分離する必要もあり、入力信号経路に沿って光アイソレータを使用する必要が生じる。高出力の光出力信号がエルビウムドープファイバそのものに反射しないように、増幅器の出力でも分離が必要である。

光学利得はスペクトルに応じて変化する可能性があり、これは、増幅ファイバ内で様々な波長の不均一な増幅を引き起こす場合がある。入力信号を形成するそれぞれ異なる波長での増幅量の均一性を改良するために、利得等化フィルタを含むことができ、増幅された出力をドープファイバから受信するように設置することができる。

特定のシステムアプリケーションにおいて、増幅器と関連する入力及び出力信号の監視が必要なため、増幅器の性能の閉ループ制御を行う場合がある。可変光減衰器は必要な可能性がある別のコンポーネントであり、出力信号により伝えられる出力を制御するための増幅後減衰を導入するために用いられるものである。同調可能な光フィルタは光増幅器に含むことができる別のコンポーネントであってドープファイバのスパンに沿った増幅中に発生する広帯域の光学雑音（増幅された自然放出、又はＡＳＥ）が増幅器の出力部に到達する量を低減するものである。分布ラマン増幅器（ＤＲＡ）は利得生成のために希土類ドープファイバを用いることはないが、ラマン増幅プロセスでは更なる光ビーム（パルス）の光ファイバへの結合が依然として必要で、増幅された光信号の品質向上のために増幅後の技術を用いる。

光増幅器モジュールを形成する様々なコンポーネントは典型的に、ファイバ結合素子として作られ、場合によっては、例えば、結合されたアイソレータ及びＷＤＭフィルタ、又は結合されたアイソレータ及びＧＦＦフィルタ等を形成するために統合（又はハイブリッド化）される場合がある。当然、低コスト及び小型のモジュールは、全体のシステムコストを下げる。従って、より小さいコンポーネント、より進んだハイブリッド化、より小さいモジュールへの傾向がしばらくの間生じている。実際、より小さいフォームファクタ及び低コスト化の圧力が産業に影響を及ぼし続けている。

これらの要求を緩和する１つの道は、様々なコンポーネントのサイズを縮小し、集積度を向上し続けることである。しかし、増幅器モジュールのコストも懸念となる環境では容易に実現しない。実際に、これらのコンポーネントのサイズは縮小し、例えば流れ作業人員による（マイクロメータの援助による）手包装等の従来の産業技術を用いて容易に組立てることが出来ない程である。実際に、集積度が向上し、コンポーネントのサイズが縮小しているため（例えば、これらのコンポーネントのうちいくつかのサイズは、１ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍのオーダーになることもある）、高収率を伴う再現率の高い組立プロセスを有することが困難となる。また、電子集積回路と比べて、光増幅器等のモジュールは、光ビームの整列及び多数の光スプライスの生成も要する。これらの全ての問題が、製造の効率性及び最終製品の集積化にとって更に別のレベルの懸念（及びコスト）を加える。

更に、例えばハイブリッドコンポーネント内の集積度を上げるなどにより、光増幅器モジュールのサイズが縮小しても、異なるハイブリッドがファイバスプライス及びルーティングを介して互いに結合されなければならない。ファイバスプライスそのものは、スプライスプロテクタを要し、組立品のサイズ（及びモジュールの労働集約型の組立）を更に大きくする。これらのファイバを、様々なコンポーネント間でルーティングすることも必要で、それによりこれらのファイバがとる配置及び経路を調整するのに更に別の素子の使用（スモールフォームファクタのデバイスの要件を満たすために、モジュールの全体のサイズを縮小することに対する更なる障害）を伴う場合がある。光ファイバの最小曲げ半径（すなわち、曲げ半径が小さいほど光信号損失が大きくなるため、曲げ半径が小さいほどファイバの物理的破損も大きくなる）、並びに同様のことを比較的多数のファイバスプライス及びスプライスプロテクタが要求することの結果として、現在の構成を更にハイブリッド化する能力は、技術的限界、サイズの限界、及び経済的実現可能性に急速に到達する。

従って、光増幅器モジュールが性能要件を維持しながらコスト削減及びサイズ縮小という期待を満たすためには、光増幅器モジュールを構成する異なるアプローチが必要である。

光増幅器モジュールに関連し、より具体的には、モジュールのサイズ及びコストの両方を最小にするために、（ハイブリッド構成を含む）先行技術のファイバベースのコンポーネントの代わりに自由空間光学系を採用するモジュールに関連する本発明により、先行技術において残る要求について対処する。

本発明の一実施形態に従って、例示的な光増幅器モジュールはマルチステージ配置として構成され、少なくとも入力ステージと出力ステージとを含む（いくつかの実施形態において、増幅後ステージと、増幅後ステージと出力ステージ間に更なる信号調整ステージとを有する）。実際の増幅は、モジュールに結合される外部のファイバベースのコンポーネントにより行われる。入射光信号及びポンプ光が入力ステージに提供され、増幅された光信号は出力ステージを出る。各ステージ内で光信号に実行される動作は、自由空間光学系（つまり、離散光学コンポーネント間で伝搬する自由空間ビーム）により行われる。モジュール構成は、各ステージの具体的なコンポーネントが必要に応じて変更されることを可能とする。

本発明の一実施形態において、増幅後ステージは利得等化フィルタを含み、伝搬する多波長光信号内の異なる波長に加えられる増幅の均一化を改良する。信号調整ステージは、増幅された信号のパワーレベルを調節する可変光減衰器、及び／又は増幅された出力信号に現れる不要雑音の量を制限する同調可能な光フィルタを含むことができる。

本発明の具体的な実施形態を、希土類ドープ光ファイバ増幅器として構成することができ、入力光信号と同時に希土類（例えば、エルビウム）ドープ光ファイバのコイルに沿って伝搬する特定の波長のポンプ光を提供する。本発明の別の実施形態は、分布ラマン増幅器（ＤＲＡ）の形態をとり、（増幅光光源として用いられる）高出力レーザパルスが信号経路に注入され、それに沿って入力光信号が伝搬する。更に別の実施形態をハイブリッドＥＤＦＡ／ＤＲＡとして構成することするができ、本発明のサイズ及びコスト面の利益を維持する。

本発明の具体的な実施形態は、入射光伝送信号経路に沿って伝搬する光信号のファイバベースの増幅を行うための光増幅器の形態をとり、光増幅器は、ファイバ増幅器装置と、ファイバ増幅器装置に結合されたマルチステージ光増幅器モジュールとを具える。マルチステージ光増幅器モジュールは、入力光信号及び増幅光入力に応答する入力ステージと、増幅された信号を光増幅器の出力として提供するための出力ステージとを含む。マルチステージ光増幅器は、光入力部、光出力部、電気入力部及び出力部を含むハウジング内に配置され、各ステージは入射光信号、増幅光、及び増幅された光信号の伝送を自由空間ビームとしてサポートするとともに、自由空間ビームと相互作用して増幅された光出力信号を提供する複数の離散光学コンポーネントを含む。

以下の考察中に、且つ添付図面を参照することにより、本発明の他の及び更なる態様が明らかとなるだろう。

図面を参照して、いくつかの図において同様の参照符号は同様の要素を表す。
図１は、ミラー角度の関数としての挿入損失のグラフである。 図２は、折り返しミラー角度の関数としての（例えば、光増幅器の入力ステージからの）出力挿入損失のグラフである。 図３は、折り返しミラー角度の関数としての出力ファイバでのビーム位置のグラフである。 図４は、光増幅器を形成するのに用いられる様々な従来のコンポーネントのブロック図である。 図５は、本発明に係るマルチステージ光増幅器の組立で用いることができる例示的なハウジング及び関連するドープファイバ増幅器のコンポーネントである。 図６は、本発明の原理に係る例示的なエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を形成するのに用いられる離散素子及び自由空間ビーム経路の簡略図である。 図７は、図６に示すようなマルチステージ光増幅器モジュールの入力ステージを形成する離散光学コンポーネント及び自由空間ビーム経路の詳細図である。 図８は、図６に示すようなマルチステージ光増幅器モジュールの増幅後ステージを形成する離散光学コンポーネント及び自由空間ビーム経路の詳細図である。 図９は、図６に示すようなマルチステージ光増幅器モジュールの信号調整ステージを形成する離散光学コンポーネント及び自由空間ビーム経路の詳細図である。 図１０は、図９に示すような例示的な信号調整ステージに関するＭＥＭＳ向きの関数の挿入損失のグラフである。 図１１は、図６に示すようなマルチステージ光増幅器モジュールの出力ステージを形成する離散光学コンポーネント及び自由空間ビーム経路の詳細図である。 図１２は、本発明に従って形成されるマルチステージ光増幅器の代替的実施形態の入力ステージであって、この実施形態において、ポンプ光源として用いられる離散レーザダイオードを、他の離散コンポーネントと統合する。 図１３は、増幅後、調整及び出力ステージの離散光学コンポーネントを結合した場合の、本明の更なる別の実施形態の図である。 図１４は、ＣＦＰパッケージ、ＣＦＰ２パッケージ、及びＣＦＰ４パッケージに関連する異なる寸法を示す図である。 図１５は、本発明に係る離散光学及び自由空間ビーム経路を用い、ＣＦＰ４パッケージの寸法内に収まるように構成された例示的な光増幅器の図である。 図１６は、伝搬する光入力信号に光利得を提供するのに分布ラマン増幅（ＤＲＡ）を用いる典型的な光増幅器のブロック図である。 図１７は、図１６の図に基づいた例示的な光増幅器の構成を示し、本発明に係る離散光学コンポーネント及び自由空間信号経路を用いる。 図１８は、図１７の構成の代替的実施形態であり、この場合、ラマンパルス光源及びドープファイバポンプ光源の両方が入力ステージ内で統合され、増幅に用いられる自由空間信号を提供する。 図１９は、代替的なＤＲＡ配置のブロック図で、この場合、入射光信号のラマン増幅を生成するのに単一モードの光ファイバのセクションを用いる。 図２０は、図１９のブロック図に基づいた例示的な光増幅器の構成を示し、本発明の教示に係る離散光学コンポーネント及び自由空間信号経路を用いる。 図２１は、本発明に係る離散光学コンポーネント及び自由空間信号経路を用いて形成される例示的な半導体光増幅器を示す。

上述のように、本発明は、スモールフォームファクタの要件に適合する光システムの開発を推進し続ける様々なサイズ、費用、及び性能要求に対処する光増幅器モジュールに関連する。以下で詳述するように、本発明の光増幅器は小型モジュールの形態をとり、その場合、必要なファイバ量を最小にし（例えば、入力／出力ファイバピグテール、及び実際の増幅ドープファイバのみに用いる）、残りの光学コンポーネントを、離散素子間で用いられる自由空間信号と共に離散素子として形成する。一実施形態において、全ての必要な光接続がモジュールの単一の側壁に沿って終端することを確実にするため、適切に配置された多数の折り返しミラーを用いる。本発明の重要な態様は、モジュール内に含まれる様々なサブシステム（以下の考察を通じて「ステージ」と呼ぶ）の「モジュール性」であり、様々な異なる特徴及び機能を提供するために、様々なサブシステムが要求通りに用いられることを可能にする。従って、本発明の構成を「マルチステージ」光増幅器と呼ぶが、「マルチ」という用語は、増幅器ユニット内の機能に関して用い、複数の増幅器を順次用いるいくつかの先行技術の構成（後者をマルチステージ増幅器と呼ぶことがある）とは対照的であることを理解すべきである。

また、一組の折り返しミラーは、ミラーが配置される角度を調節することにより、組立中に自由空間光信号経路が適切に整列されることを可能とする補償装置としての役割を果たす。つまり、一組の（調整可能な）折り返しミラーの使用により、入力ポート及び出力ポート間のビーム指向誤差及びビーム変位をなくすことを可能にするので、光結合が自由空間光システムに対して最大になる。

例えば、光アイソレータによる伝送を検討する。最も正確な製造方法であっても、出力ビームは、入力ビームから(多かれ少なかれ)約１００ミクロン横方向にオフセットされることとなる。この横方向のオフセットに加え、出力ビームには固有の角度オフセット量があり、それが製造及び機械的組立の制限に起因する。ビーム指向及び変位誤差の同様の例が、増幅器モジュールの離散光学コンポーネント間の様々な自由空間経路に沿って見られる。更に、自由空間システムに伝えられる入力ビームは、（以下に記載のように）入力ファイバのコリメーティングレンズへの比較的不正確な整列の結果として、公称光軸から角度オフセットされることとなる。

従って、本発明に係る調整可能な折り返し（「折り畳み」）ミラーは、組立中に補償を生成することを可能とする。実際に及び以下に考察するように、組立プロセスに沿って各ステージで折り返しミラーの位置を調整する能力は、これらのビームのずれの問題が蓄積されるのを防ぎ、結果として、最終製品の信頼性を高める。

実際、ミラーの角度位置が変わるとビームの角変化が２倍になるため、先行技術において二面ミラーのシステムを用いることは稀なことではない。ミラーの数を２倍にすると、これらの角変化が倍になる。ビームの角変化は、出力ファイバで集束ビームの変位と、その変位に非常に敏感な結合をもたらす可能性がある。

増幅された光信号を出力ファイバに結合することが要求される後述のシステムでは、そのようなビームの角変化は、結合が非常に敏感な出力ファイバでの集束ビームの変位をもたらす。例えば、自由空間光学系モジュールへの入力ファイバとモジュールからファイバ増幅器への出力ファイバとの間の結合損失の増加は、増幅器の（ＮＦ）雑音指数（入力の信号雑音比（ｄＢ）−出力の信号雑音比（ｄＢ））の低下に直結する。そのような損失を最小に保つことが必須である。図１は、約２．４ｍｍの焦点距離を有する出力コリメータでの挿入損失を、ミラー角度の関数としてプロットしたものである。

光増幅器のＮＦを最小にするために、ミラーの向きの変化による過剰損失を０．１ｄＢ未満とする必要がある。図２に示すように、このことは、ミラーを５ミル未満の角度に角度を整列させる必要があり、この０．１ｄＢの絶対損失を継続するようその角度位置を（寿命にわたり）維持しなければならないことを意味する。そのような実現は、図３に示すように、出力ファイバに集束する自由空間光学系増幅器モジュールからの最終出力ビームの相対的移動を１ミクロン以下とする必要があることを意味する。（出力レンズへのビーム変位はあまり敏感ではない。）

これらの上述の組立中の整列許容差、組立安定の要求、及び組立後の環境ストレスによる変化の結果、共通の整列方法、材料の選択、及び固定方法には相当な障壁がある。それにも関らず、１０から５０ナノメータの空間分解能、及び０．２ミルの角度分解能を有する（典型的に圧電性アクチュエータを用いる）組立ツールの近年の進歩により、整列条件は、適切な光フィードバックで満たされ得る。更に、これらの自由空間光システムの短い光経路を考慮すると、取るに足らないミクロンレベルの光経路の変更を生じさせる周知の低ＣＴＥハウジング材料の使用を採用することができる。最終的に、低収縮性エポキジの開発、及びエポキシの薄層の比較的低い膨張によって、光学素子を容易に固定することができるとともに、光学素子を製品の寿命にわたり必要な許容差に保持することができ、それにより、光増幅器のための高度な機能集積を可能とすることができる。そのような上記の方法により、新たな小型の増幅器を着想し、これを本明細書において説明する。

図４は、光増幅器を形成するのに用いられる様々な従来のコンポーネントの図であり、本発明に従って形成することが可能な小型モジュール構成を完全に理解して認識するために便宜上示される。示されるように、この特定の光増幅器は、光学機能の以下の４つのステージから形成される。ステージ１（入力ステージ）：入力光信号とポンプ光とを結合する（この例では、入力光信号はポンプ光の存在により、希土類ドープファイバ内で増幅される）。ステージ２（増幅後ステージ）：（それぞれの別個の光波長が、実質同じ量だけ増幅されるように）増幅された入力信号に「利得等化」を実行する。ステージ３（調整ステージ）：（後述するように、ＭＥＭＳベースの可変光減衰器（ＶＯＡ）を用いて）増幅された信号の出力強度を適切なレベルに調節する等、様々な種類の動作を実行する１又は複数の異なる素子、及び／又は増幅された出力信号が入力光信号の波長に帯域幅制限することを確実にする同調可能な光フィルタ（ＴＯＦ）を含むことができる信号の調整（このステージは任意であってよい）。ステージ４（出力ステージ）：光増幅器モジュール経路からの出力信号として増幅された光信号の「最終的」な形態を提供する。出力ステージは、光タップと、例えば（光信号の出力強度に関して）増幅器の全体性能を監視するのに用いられるフォトダイオードとを含むことができる。

図４の図面により示されるように、この構成に関する実際の増幅は、ステージ１と２との間で行われる。更に、この特定のドープファイバ増幅器の構成は、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）であるとして以下に説明するが、様々な他の希土類材料は（ドーパントの機能として用いられる適切なポンプ波長とともに）ドープファイバ増幅器の形成に用いることができることを理解すべきである。従って、以下の考察の一部では「ＥＤＦＡ」を参照するが、構成は任意のタイプのドープファイバ増幅器に同様に適用可能であることを理解すべきである。また、以下に詳述するように、離散光学コンポーネント及び自由空間信号経路の使用を、本発明に従って形成される分布ラマン増幅器（ＤＲＡ）又は半導体光増幅器（ＳＯＡ）内に組み込むことができる。

特に、本発明のマルチステージ光増幅器内の各ステージは、離散光学コンポーネントが所望の機能を実行することを可能とする方法で構成され、自由空間光経路は様々なステージを介して信号及びポンプ光を方向づける。また、上述のように、本発明の構成のモジュール性は、異なる特定のサブシステムが必要に応じて挿入又は削除されることを可能にする。例えば、ステージ３（信号の「調整」ステージ）に関して、第１の実施形態は（出力強度を調整する）可変光減衰器を提供するように構成可能で、第２の実施形態は（増幅された信号の残留雑音を除去する）同調可能な光フィルタリングを提供するように構成可能で、又は第３の実施形態はＶＯＡ及びＴＯＦの両方（並びに多くの異なる特定の減衰器又は同調可能なフィルタ設計そのもの）を含むものとして用いることができる。

図５は、本発明に従って形成される例示的な光増幅器モジュール１０の図であり、自由空間光学系を用いて、上述の光増幅器の様々な「ステージ」の各々を提供する。示されるように、様々なステージは、適する材料（例えばコバール）から形成されるハウジング１２内に配置される。ドープ光ファイバ（不図示）のコイルをサポートするのに別個の外部増幅器装置１１を用い、増幅器装置１１は、光ファイバピグテールを介してモジュール１０に結合される。周知の方法で機能し、増幅器装置１１は、共伝搬する入力光信号及びポンプ光を入力ステージ１から受信し、モジュール１０の増幅後ステージ２への入力として増幅された光信号を戻す。以下で詳述するように、様々な光ファイバベースの入出力信号経路は好ましくは、ハウジング１２の共通の側壁１４に沿って位置する。この特定の構成において、外部増幅器装置１１は、側壁１４を介して入力ステージ１及び増幅後ステージ２にも連結する。この場合対向する壁１６として示される、ハウジング１２の共通の壁を通って形成される接点を介して、（適宜、フォトダイオード及び他の能動素子を監視するための）電力を提供することができる。電気接点の特定の位置及び構成は、特定の顧客の要求に従って、ケースバイケースで変わる。

図５から明らかなように、離散光学コンポーネントの別個のステージと、各ステージ内で伝搬する自由空間ビームとの使用により、比較的コンパクトな構造の作成を可能とする。ファイバピグテールを増幅器ハウジングの単一の側壁に沿って用いることで、この種の増幅器モジュールを展開するために使用される操作の複雑さを最小にする（例えば、「フィールドプラグ可能な」配置を形成する）。実際、本発明の増幅器装置は、自動化手法で組立てることが出来る。この自動化の結果、本発明に従って形成される光増幅器モジュールは、高収率及び低コストである再現率の高いプロセスを用いて作ることができ、（ファイバ接続した素子を用いる、従来技術の「ハイブリッド」増幅器の構成と比較して）接地面積の比較的小さい光増幅器モジュールを生成する。この概要とともに、本発明の光増幅器モジュール内の各ステージで用いられる様々な詳細及び代替を以下に詳述する。

図６は、ハウジング１２内に配置され、本発明に従って形成される例示的な光増幅器モジュール１０の構成に用いられる様々な離散光学コンポーネントの簡略図である。様々な自由空間ビーム（点線）は、各ステージ内の離散コンポーネント間を伝搬するものとしても示される。光増幅器モジュール１０の各ステージは図３において特定され、各ステージに関連する特定の離散コンポーネントが図表形式で示される。光増幅器モジュール１０への様々な光の入力及び出力は、光ファイバ（好ましくは、ファイバを定位置に保持するためにスリーブコネクタ内に封入され、この技術分野においてしばしば「光ピグテール」と呼ばれる光ファイバ）により行われることを理解すべきである。本発明の好ましい実施形態に従って、本発明の光増幅器モジュールを伝送経路とファイバ増幅器との両方に結合するのに必要な複数のファイバピグテールは、共通の壁に沿って終端となる。

図６に示し、以下で詳述するように、光増幅器モジュール１０の入力ステージは、外部のファイバ増幅器装置（不図示）への共伝搬入力としてビームを提示するように入射光信号及びポンプ光を結合するために利用される。その後、外部のファイバ増幅器装置から出力された増幅された光信号は、光増幅器モジュール１０の増幅後ステージ２への入力として提供される。この増幅後ステージは、波長の関数として利得等化を行う（或いは、増幅された光信号の利得プロファイルを変更する）。図３に示すような配置において、増幅後ステージからの出力は、伝搬する増幅された信号のパワーレベルを調節するのに用いられる「信号の調整」ステージ３に導かれ、（出力ステージ４からの）最終的な増幅された出力信号が所定の好ましいパワーレベルであることを可能とする。監視光検知器がステージ２及び４に含まれるものとして示され、これらのデバイスは、（関連する光タップを介して）伝搬する光信号のごく一部を受信し、このアウトカップリングされた信号を用いて光増幅器モジュールの動作を監視する（つまり、閉ループ制御を提供する）。

光増幅器モジュール１０内を伝搬する離散光学コンポーネント及び自由空間ビームの光学的及び機械的配置を理解したうえで、それぞれの別個のステージを以下に詳細する。

図７は、モジュール１０の例示的な入力ステージの詳細図で、様々な離散光学デバイスと、入力ステージを通る自由空間信号経路との両方を示す。特に、入力ステージは、第１の折り返しミラー２０と第２の折り返しミラー２２とを具えるものとして示され、光アイソレータ２４は一組の折り返しミラーの間の自由空間信号経路に配置される。本発明によれば、これらの構成要素の全ては、離散光学コンポーネントの形態をとり、入射光信号はその配置により自由空間を伝搬する。アイソレータ２４は、反射（光信号及びポンプ光の両方）が入力信号経路に沿って逆方向に伝搬するのを防止するために用いられる（アイソレータ２４は、シングルステージ・アイソレータ又はマルチステージ・アイソレータのいずれでもよい）。有利には、折り返しミラーを含むことで、（図５に示されるように）全ての光入出力がハウジング１２の共通の側壁１４に沿って入る／出るように光信号経路を折り曲げることを可能とする。

入力光信号を、入力光ファイバ２６及びコリメーティングレンズ２８を介して光増幅器モジュール１０に入るものとして図４に示す。コリメーティングレンズ２８は、光ファイバ２６を出る自由空間拡張ビームを平行光線の形態（つまり、「コリメート」ビーム）に変換する働きをする。レンズ２８を出るコリメートされた自由空間ビームは次に、第１の折り返しミラー２０により向きを変えられ、光アイソレータ２４を通過し、第２の折り返しミラー２２に入射する。第２の折り返しミラー２２により反射された自由空間ビームは次に、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）素子３０及び集束レンズ３２（例えば、グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズ又は円柱レンズ（ｃ−レンズ））を通過し、そこで集束レンズ３２は、自由空間光信号をデュアルファイバピグテール３６の第１の光ファイバ３４に結合する働きをする。

上述のように、折り返しミラー２０及び２２の角度位置は、（ファイバ２６に沿った）入力光信号経路と（ファイバ３４に沿った）出力光信号経路との間に最大の結合がもたらされるまで、組立中に調整される（図中、曲線状の矢印で示す）。入出力間の結合効率を測定し、最大の結合効率が達成されるまで１又は複数のミラーの位置を調節するのに、周知の様々な技術を用いることができる。ミラー２０及び２２の最適な位置が決まったら、適切なはんだ又はエポキシ材料（又はハウジング１２に取り付ける任意の他の適切な手段）を用いてデバイスが定位置に固定される。図７では、様々な離散光学コンポーネントが比較的間隔があいているものとして示しているが、実際のアセンブリにおいては、デバイス同士が近くに位置し、従って（比較的小さいビーム直径を仮定として）ビーム発散に関する問題を最小にすることを留意されたい。

本発明のこの特定のＥＤＦＡ構成によれば、増幅を生成するのに必要なポンプ光が外部のポンプレーザ光源（不図示）により提供され、ポンプ光は、デュアルファイバピグテール３６の第２の光ファイバ３８を介して入力ステージ内に結合される。示されるように、ポンプ光は、拡張ビームとしてモジュール１０内の第２のファイバ３８を出て、その後レンズ３２を通過するときにコリメートされる。コリメートされた自由空間ポンプビームは次に、ＷＤＭ３０に出会う。ＷＤＭ３０は特に、ポンプ光の特定の波長（例えば、９８０ｎｍ）を反射し、一方で入力光信号の波長（例えば、１５５０ｎｍで作動する）が妨げられることなく通過するように構成される。反射された自由空間ポンプ光は再びレンズ３２を通過すると、第１の光ファイバ３４に結合されて、入力光信号と共伝搬し、その後、外部のファイバベースの増幅器コンポーネント（図４では示さず）に結合される。折り返しミラー２０、２２と同様、出力ファイバ３４での挿入損失を最小にするために、出力信号経路に対してＷＤＭ３０の角度位置を調整することが可能である。

図７の構成では特に示されていないが、本発明の様々な実施形態では、この入力ステージの出口で、信号経路においてファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）コンポーネントを用いることが出来る。いくつかの場合において、ＦＢＧを光ファイバ３４のセクション内に含むことができ、伝搬する光信号の通過域を増幅器コンポーネント（不図示）内のＥｒドープファイバの吸収帯に制限するのに用いることができる。明らかに、利得ファイバが広範囲の吸収スペクトルを有する場合には、出力ステージの出口に（つまり、ドープファイバ増幅器装置への入力で）ＦＢＧを含む必要はない。

図７に示す実施形態は、ポンプ入力（ファイバ３４）と、共伝搬するポンプ及び光信号出力（ファイバ３８）とを運ぶのに２つの別個のファイバ（３４、３８）を用いることを示しているが、例えば、「デュアルコア」光ファイバ（又は一般的には、マルチコア光ファイバ）を含んだ、使用可能な他の配置があることを理解すべきである。更に、伝搬するポンプ光及び入力光信号が異なるモードフィールド直径（ＭＦＤ）を示すため、ポンプ及び信号の両方をファイバ増幅器（例えば、熱膨張コアファイバ、又はＴＥＣファイバ）に効率的に結合するのに特に適した特殊ファイバを、光ファイバ３４（又は、光ファイバ３４の少なくとも一部）として用いることができる。

ハウジング１２内に配置される光増幅器モジュール１０の残りのサブシステムコンポーネント（つまり、「ステージ」）を説明する目的で、（例えば、図５に示すように外部の増幅器装置１１内で）入力光信号が増幅されたと仮定する。図６を再び参照すると、増幅器装置１１を出る増幅された光信号は、続いてモジュール１０の増幅後ステージへの入力（「ステージ２」と呼ばれることもある）として与えられる。

図８は、モジュール１０の増幅後ステージに関連する離散コンポーネント及び自由空間光信号経路の例示的なグループ化を詳細に示すものである。（増幅器コンポーネントから出力として受信する）増幅された信号が、光ファイバ４０を介してモジュール１０に導入されるものとして示される。増幅された信号は、拡張ビームとして光ファイバ４０を出て、その後にコリメーティングレンズ４２を通過する。コリメートされた自由空間の増幅された光信号はその後、折り返しミラー４４により向きを変えられ、光アイソレータ４６及び利得等化フィルタ（ＧＦＦ）４８を通過する。入力ステージと同様、反射が入力光信号経路に再び入ることを防ぐのにアイソレータ４６を用いる。この技術分野において周知であるように、利得等化フィルタは、ドープファイバ利得媒体内の様々な別個の波長に対して生成された光利得の量を調節するために、増幅された多波長信号とともに使用される。殆どの場合、利得「等化」フィルタは、実質的に均一な利得プロファイルが増幅された信号の波長スペクトルにわたり生成されるように、それぞれの波長に関連する利得を調整するために使用される。より一般的な意味では、任意の所望の分布を示すために利得プロファイルを調節するのに、このフィルタを用いることが出来る。光増幅器１０が「単一の波長」増幅器として作動する場合、ＧＦＦ４８は、信号帯域外の増幅された自然放出（ＡＳＥ）をなくすよう機能することが可能で、従って増幅された出力信号の信号雑音比並びに雑音指数を改善する。

図８に示すように、ＧＦＦ４８から出力された自由空間ビームは、光タップ５０を通過し、そこでは僅かな割合の増幅された信号を監視フォトダイオード５２に導くよう機能し、「利得等化」信号の大半は、光タップ５０により、折り返しミラー５４に導かれる。折り返しミラー５４は、自由空間ビームを増幅後ステージの出力に向かって適切な方向に変えるように向けられる。示されるように、（自由空間ビームとして）向きを変えられ、利得等化され、増幅された光信号は、集束レンズ５６を通過し、出力ファイバ５８に集束する。フォトダイオード５２により受信される比較的小さな信号が電子制御信号に変換され、所望の利得プロファイルが達成されるまで、ＧＦＦ４８の方向を調整するのに使用可能である。

入力ステージの組立と同様、ビーム指向誤差及び変位誤差に関する挿入損失を最小にするために、折り返しミラー４４、４６の角度位置が調整される。更に、最大の結合効率を達成するようにＧＦＦ４８の位置が（「同調可能に」）調節される。

図４及び図６に示すような光増幅器モジュール１０の詳細を再度参照すると、「信号調整」ステージ（ステージ３）がこの特定の実施形態に含まれ、この場合、出力信号経路に沿って現れる光強度を調節する可変光減衰器（ＶＯＡ）コンポーネントを含む。増幅後ステージに含まれるＧＦＦ４８は、波長の関数として利得プロファイルを変更するのに有用であるが、利得等化信号により示される全体のパワーレベルを特に変更するものではない。そのため、増幅器モジュール１０は、出力信号の強度を制御し、出力信号経路に沿って存在する挿入損失（ＩＬ）を制御するのにＶＯＡを含むことができる。上述のように、このステージは任意であるが、「利得等化」信号は、そうでなければ光増幅器１０の出力ステージに向けて導入することができる。

信号調整ステージを光増幅器モジュール１０に含むと仮定して、このステージの特定のコンポーネントを図９に示す。示されるように、前の増幅後ステージからの利得等化出力信号は、デュアルファイバピグテール６２の第１のファイバ６０を介して出力ステージに入る。図９に示されるこの特定の実施形態において、信号調整ステージは、可変光減衰器（ＶＯＡ）の形態をとり、規定されたパワーレベルが増幅された出力信号により超えないように用いられる。この特定の実施形態において、ＭＥＭＳ素子６４により強度調整が行われ、伝搬する自由空間光信号のパワーレベルを調節するために、ＭＥＭＳ素子６４の配向を周知の方法で電子的に制御する。

特に、ファイバ６０を出る利得等化され増幅された拡張ビームはまず、コリメーティングレンズ６６を通過し、その後にＭＥＭＳ素子６４に入射する。この構成において入射する自由空間光信号の軸に沿ったＭＥＭＳ素子６４の配置は、モジュール１０の組立及び構成の複雑性を低減すると考えられる。この技術分野において周知のように、（光強度に関して）最適な出力信号が生成されるまで、ＭＥＭＳ素子６４の鏡面は異なる軸を中心に回転する。向きを変えられた強度制御ビームはＭＥＭＳ素子６４により反射され、再びレンズ６６を通過する。この方向において、レンズ６６は、強度調整され増幅されたビームをデュアルファイバピグテール６２の第２の光ファイバ６８に集束させ、光増幅モジュール１０のステージ３からの出力を形成する。

図１０は、例示的なＭＥＭＳ素子の角度の関数として、（挿入損失に関する）光強度の変化を示す例示的プロットである。この特定の例に関して、約０．１６８°の角度のＭＥＭＳデバイスの向きは、３０ｄＢの強度調節を提供する。上述のように、電極６３、６５を介してＭＥＭＳ素子６４に加えられる電子制御信号は、所望の出力パワーレベルを得るまでＭＥＭＳ素子６４の傾きを調整するのに用いられる。

所望のパワーレベルが確立されると、図１１に示すように、調整ステージ３を出る増幅された信号は、モジュール１０の出力ステージに結合される。特に、強度調整され増幅された信号は、デュアルファイバピグテール７２の第１の光ファイバ７０に結合されて、マルチステージ光増幅器モジュール１０の出力ステージに入る。入射信号は、拡張ビームとしてファイバ７０を出て、光タップ７６に入射する前にレンズ７４にコリメートされる。光タップ７６は、入射ビームの大部分（例えば９５％）を反射するように設計され、残りは光タップ７６を通過する。光タップ７６を通過するごく一部はレンズ７８により、監視フォトダイオード７９に集束される。この技術分野において周知であるように、フォトダイオード７９は、捉えた光を電気信号に変換する働きをし、その電気信号は、必要に応じて光増幅器モジュール１０の性能を評価して様々なコンポーネントの閉ループ制御を行うのに用いることが出来る。

図１１に示すように、光タップ７６により反射される自由空間ビームの一部は、レンズ７４を通る第２の通過を行い、当該レンズは、この方向において、反射されたビームをファイバピグテール７２の第２の光ファイバ８０に集束させる働きをする。第２の光ファイバ８０に沿ってハウジング１２を出る増幅された光信号は、光増幅器モジュール１０の増幅された光出力信号と定義される。

本発明の本実施形態の好ましい構成において、ステージ２、３、４間の様々なファイバベースの接続は、「スプライス前」の光学ファイバピグテールの形態をとる。従って、ファイバのコア領域は既に整列され、光増幅器モジュールの全体のサイズ及び複雑性を更に低減するため、ピグテールを形成するファイバの長さを最小にすることができる。

本発明に従って形成された小型のマルチステージ光増幅器モジュールは、システム内の光配列を実現して維持するのに満たされるべき様々な材料、組立プロセス、及び条件を考慮すべきであることを理解すべきである。つまり、自由空間光学系マルチステージ光増幅器モジュールの形成は、様々なコンポーネントを形成するのに用いられる材料、並びに最終製品を提供するのに用いられる組立プロセスを十分に考慮することが必要である。更に、光ビームは、最終出力ファイバ接続で角度の変化をもたらす横方向のオフセットを受けることとなる。損失の更なる原因は、指向誤差及びビーム傾斜誤差に起因する。自由空間光学系に関連するこの角度のセンシティビティは全て、様々な離散光学コンポーネントを通過後、あらゆるずれが認識及び補償される必要があることが重要であると意味する。これらの光システムの誤差を測定し、補償できるようにするには、整列システムが十分な分解能及びセンシティビティを有し、更にその後の製造ステップ（例えば、エポキシ樹脂接着、レーザ溶接、熱プロセス等）の間に変わらないことを要するが、そうでないと、光増幅器モジュールは環境によって引き起こされる変化にさらされる。殆どの場合において、上述のように、これらのビーム関連の問題の補償装置として一組の折り返しミラーが用いられ、これらの課題に対処するために、組立中にこれらのミラーの角度位置が調節される。

光増幅器モジュール１０の入力ステージの代替的な構成を図１２に示す。この実施形態において、（レーザダイオードの形態の）ポンプ光源を、マルチステージ光増幅器の入力ステージ内の離散コンポーネントとして含む。特に、ポンプ光を入力光信号と同じビーム経路に沿って導くように、離散レーザダイオード３５が図１２に示すように配置される。上述の監視フォトダイオード５２及び７９と同様、ポンプレーザダイオード３５はハウジング１２内に配置され、その関連する電極３３、３７はハウジング１２の（例えば）側壁１６を通って出る。従って、本発明の原理によれば、自由空間光学（この場合、ポンプレーザダイオードから出力した光）の使用により、光増幅器を実現するのに必要な別個のファイバの数が減る。

離散ポンプレーザダイオードを光増幅器モジュール１０のハウジング１２内に組み込むことで、光ファイバ接続がポンプ光を増幅器に導入する必要がなくなるため、（前述の実施形態で必要であったような）モジュール１０と増幅器装置１１間の接続としてデュアルファイバピグテールは不要である。従って、図１２に示すように、出力ファイバ３４は、「単一のファイバ」のピグテール３９を通じて外部の増幅器装置１１に結合される。図５から図７の構成を図１２の構成と比較すると、入力光信号と同じ方向にビームを発する離散ポンプ光源を含むことで、第２の折り返しミラー２２と出力ファイバ３４間の信号経路においてＷＤＭも不要となることが明らかである。ポンプレーザダイオード３５の適切なレンズは、実質的に妨げられることなく第２の折り返しミラー２２を通過するポンプ光を提供するのに十分である可能性があるが、同じ経路上のポンプ光及び光信号を結合するために、第２の折り返しミラー２２を一種の指向性結合器（例えば、ＷＤＭ２３）に置き換えることが必要な場合もある。入力側で必要である光学素子に係らず、図１２に示す構成は、前述の実施形態に対して簡略化され、図５から図７の実施形態よりも少ない数のコンポーネントを示す。

図１３は、本発明の更に別の実施形態の一部の簡略ブロック図であり、この場合、ステージ２、３、４間のファイバベースの接続は取り除かれ、伝搬する光信号は、これらのステージを通過する時に、自由空間ビームとしてモジュール１０の領域内（つまり、ハウジング１２内）に留まり、従って光増幅器内のファイバピグテール及び結合光学素子の数を更に減らす。

特に、図１３は、上述のように同じ光機能を実行する特定されたステージ１から４を用いることに関して、本発明のモジュール性を維持する光増幅器モジュール１００を示す。実際、ステージ１及び２を具える素子、並びに外部の増幅器装置１１内外の結合は、上述の構成と同様である。

本発明の特定の実施形態によれば、光増幅器モジュール１００は、伝搬する（増幅された）自由空間信号をステージ２、３、４間で光ファイバピグテール内外に結合する必要を回避するように構成される。その代り、図１３に示すように、ステージ２からの増幅された光出力信号（つまり、光タップ５０を通過するビーム）は、自由空間ビームとしてＭＥＭＳ素子１１０に導かれ、当該ＭＥＭＳ素子は、この実施形態においては、「信号調整」の可変光減衰器として作動する。

図１３のこの自由空間構成において、ＭＥＭＳ素子１１０を４５°の角度に配向するので、折り返しミラーとして作動することもでき、伝搬ビームの方向を（図２に示すようなハウジング１２の側壁１４のような）ハウジングの光終端の側壁に向けて「折り返す」こともできる。ＭＥＭＳ素子１１０（並びに折り返しミラー２０、２２及び４４）の位置決めは、自由空間ビーム経路に関連するビーム変位及び指向誤差の状態に対する補償装置に調整することも可能である。ＭＥＭＳ素子の配向は、最適な結果をもたらすために対処されるべき他の設計詳細を導入することが知られる。ＭＥＭＳ素子１１０から出力された自由空間ビームは、第２の光タップ素子１２０を通過し、ビームのごく一部は、光増幅器モジュール１００の全体の性能を監視するのに用いられるフォトダイオード１３０に導かれる。前と同様、増幅されたビームの大部分は、光タップ素子１２０を直接通過し、レンズ１４０に入り、このレンズが、ビームを（光出力ファイバ８０等の）指定の出力経路に集束させる働きをする。

図１３に示すような光増幅器１００の構成において、（前述の実施形態と比べて）ステージ２、３、４間のファイバピグテールを用いる必要がなくなるが、設計自体は、特にＭＥＭＳコンポーネントに関してはより複雑となる。光増幅器１００の代替的な構成では、同調可能な光フィルタコンポーネント（不図示）を、第１の光タップ５０とＭＥＭＳ素子１１０との間、又はＭＥＭＳ素子１１０と第２の光タップ１２０との間に配置することができ、増幅された信号内の雑音を減らすのに用いることができる。

これまで説明した自由空間光増幅器の構成は、従来技術を大幅に改善したもので、ファイバベースの構成、離散コンポーネント及び自由空間伝送経路に関連する自由度は、光学コンポーネントの更に小型の構成を実現することが可能であることが分かった。光通信システムが業界で定められたＣＦＰの寸法をより小さなＣＦＰ２の寸法（よって、説明した実施形態は、ＣＦＰ２ベースのパッケージに非常に有用である）に、及び更に小さなＣＦＰ４（又はＸＦＰ）の寸法に移行するので、本発明に従って自由空間信号経路を用いることが可能であることは、著しい有利な点をもたらす。図１４は、光増幅器モジュールがこれらの寸法内に収容される唯一のコンポーネントであるという理解のもとで、ＣＦＰのそれぞれの生成に関する例示的な光トランスポンダの全体のサイズの縮小を示す図である。

図１５は、本発明に従って形成された例示的な光増幅器モジュール２００の上面図で、ＣＦＰ４パッケージに関連する寸法内に収容が可能である。示されるように、自由空間光学素子はハウジングの長さに沿って順に直線的に延びる代わりに、ステージが実質的に入れ子になるように（前の実施形態に対して）再構成されている。

この特定の構成では、任意選択的なのステージ３の信号調整の動作（例えば、出力パワーレベル調節、雑音フィルタリング等）は用いられていない。残りのステージは入れ子の構成に配置され、入力ステージ１を「内側」ステージとして形成し、ステージ２及び４の光を「外側」ステージとして配置することで、入力ステージを囲んで、入れ子の構成を生成する。示されるように、光入力信号が入力ファイバ２１０に沿ってＣＦＰ４パッケージに入り、入力ファイバは、光増幅器モジュール２００の入力ステージに入射するように、第１のファイバピグテール２２０を介して結合されている。入力信号はコリメータ２２２及び光アイソレータ２２４を通過する。増幅を行うのに用いられるドープファイバ３００への経路に沿ってコリメートされた自由空間の入力信号のビームの向きを変えるのに１組の折り返しミラー２２６、２２８を用いる。前と同様、入力ステージの出力での挿入損失を最小にするために、これらの折り返しミラーは組立中に調整される。

ドープファイバ３００は、光増幅器モジュール２００と共にＣＦＰ４パッケージ内に収容した状態で示される。スタンドアロンポンプ光源２３０もＣＦＰ４パッケージ内に含まれ、ポンプ光を（デュアルファイバ）第２のファイバピグテール２５０内のファイバ２４０に沿って提供するのに用いられる。ポンプ信号はコリメーティングレンズ２５２を通過し、ＷＤＭ２５４に入る。上述の実施形態と同様、ＷＤＭ２５４は、入力信号に関連する波長を通過し、ポンプ波長を反映するように構成される。従って、ＷＤＭ２５４は、信号及びポンプ光の両方を、コリメーティングレンズ２５２を通過させ、それからデュアルファイバピグテール２５０内の第２のファイバ２５６内に導くのに用いられる。

ドープファイバ３００内にポンプ光と入力信号とが存在することで、入力信号が増幅し、この入力信号は、その後、入れ子の構成を形成する外部のステージの組み合わせへの入力を形成するものとして示される信号経路に沿ってドープファイバ３００を出る。特に、増幅された信号は、第３のファイバピグテール２８０に結合された光ファイバ２７０を介して光増幅路モジュール２００の結合されたステージ２及び４への入力として提供される。増幅された信号はコリメーティングレンズ２８２を通過し、次に折り返しミラー２８４により、「外側の」自由空間信号経路に沿って導かれる。増幅された信号のごく少数を、焦点レンズ２８８を介して監視フォトダイオード２９０に導くのに光タップ２８６を用いることができる。

上述の実施形態と同様、利得等化フィルタ２９２の配向（又は他の特性）を調整するのに監視された信号を用いることができる。増幅された信号の利得調整されたバージョンは次に、折り返しミラー２９４により自由空間出力信号経路に向きが変えられる。この自由空間信号は次に、レンズ２９６により、増幅出力ファイバ３１０を包む光ファイバピグテール２９８に集束される。

光通信システム内に分布ラマン増幅（ＤＲＡ）を行うのに用いられるコンポーネントを導入するのに、本発明の光増幅器モジュールの自由空間光学系の構成を形成できることが考えられる。これまで説明したＥＤＦＡの実施形態と異なり、ＤＲＡは、特殊なタイプのドープファイバの使用を必要としない。その代り、光信号と、光信号の伝搬をサポートする従来の伝送ファイバに注入される高出力レーザパルス（つまり、「ラマンパルス」）間の非線形の相互作用により増幅が実現される。

図１６は、本発明の例示的な光増幅器モジュール１０Ｂのブロック図であり、図４に示すものと同様であるが、この場合は、入力ステージを介して、ラマンパルスを入力ファイバ２６に沿って上流方向に導入するように構成される。図１６に示すように、ラマンパルスは、入力ステージに含まれる追加のＷＤＭコンポーネントを通過するので、パルスは、光増幅モジュール１０Ｂに入る光伝送ファイバ２６に沿って上流方向に注入される。パルスは、比較的高出力（つまり、ｍＷレベル）を有し、光増幅路モジュール１０Ｂに入る前に入力光伝送ファイバのスパンに沿って伝搬する光信号の分布ラマン増幅を生成する。

図１７は、図１６の例示的なモジュール１０Ｂに関する離散光学コンポーネント及び自由空間信号経路の図である。示されるように、離散レーザダイオード４００は、増幅光源として入力ステージ１内に含まれ、ラマンパルスを入力光ファイバ２６に「上流に」注入するのに用いられる。ラマンパルスが入力信号経路に注入されるには、ＷＤＭ４１０を用いてパルスが適切な方向に導かれるようにするが、入射の自由空間光信号を光アイソレータ２４へと向きも変える。特に、前の実施形態の折り返しミラーは、図１７に示すような方法で配向されるＷＤＭ４１０により置き換えられ、様々な信号を適切な方向に導く。自由空間の伝搬するラマンパルスは、ＷＤＭ４１０に入射するものとして示されており、このＷＤＭは、パルスを光ファイバ２６に導き、その結果、パルスは光ファイバ２６に沿って入力光信号と相互作用して、モジュールそのものに入る前に信号を増幅させることとなる。

増幅された入力信号は、光アイソレータ２４を通過するためにＷＤＭ４１０により向きを変えられ、様々な離散光学素子（及び、恐らくエルビウムドープファイバの含有セクション）を介して、自由空間ビームとして上述と同様の方法でその進行を継続する。また、上述のように、ビーム変位及び指向誤差の問題を補償するために、ＷＤＭ４１０及び折り返しミラー２２の角度位置を調節することができる（調節は、増幅されたモジュールの組立中に行われ、コンポーネントは、例えば、出力ファイバ３４での挿入損失が最小になると、エポキシを用いて定位置に「固定」される）。

図１８は、本発明の更なる別の実施形態の図であり、この場合、光増幅器モジュール１０の入力ステージ内に含まれる離散レーザダイオード光源から両タイプの増幅（ＥＤＦＡ及びＤＲＡ）を行う。特に、入力ステージは、（ポンプ光を増幅器装置１１に提供するのに用いられる）レーザダイオード３５と（入力伝送ファイバ２６に沿って分布ラマン増幅を生成するのに用いられる）ラマンレーザダイオード光源４００の両方を含むものとして示す。図１８に示すようなこの小型のモジュール式自由空間光学系の構成は従って、（入射ファイバスパンに沿った）ラマン増幅、並びにドープファイバ増幅器内の利得の両方を提供することが可能である。入力ステージ内に配置される離散ポンプ光源を含むものとして示しているが、他の構成において、外部のポンプ光源を用いることが可能で、ポンプ光を適切な信号経路に導入するのに光ファイバが用いられる。

図１９は、光増幅器モジュール１０Ｃと示された、本発明の別の実施形態を示すブロック図である。この構成において、上述のＥＤＦＡの実施形態のドープファイバは、従来の単一モードファイバの長い部分と置き換えられ、ブロック図において「分布ラマン増幅器」（ＤＲＡ）と特定される。この配置において、ラマンパルス光源４００を、入力ステージへの第２の入力として用いる（９８０ｎｍのポンプ光源にかわる）。入射光信号及びラマンパルスは従って、従来の単一モードのコイル内で共伝搬し、その信号に沿ってラマン増幅が行われる。

図２０は、図１９に示すような光増幅器モジュール１０Ｃに関する離散光学コンポーネント及び自由空間信号経路の図である。この特定の構成において、離散レーザダイオード４２０はモジュール１０Ｄ内に含まれ、必要なラマンパルスを生成するのに用いられる。示されるように、レーザダイオード４２０からの出力パルスは、ＷＤＭ４２４を通過し、図に示すような方法で光アイソレータ２４を通過してＷＤＭ４２４により向きを変えられる入射光信号と共伝搬する。その後、共伝搬するパルス及び入力信号は、増幅器装置１１内に収容される単一モードファイバ４５０の延長された部分に結合する。

ステージ３及び４の残りのコンポーネントは、上述のものと同様で、減衰、フィルタリング等の機能を含む信号の「調整」を含むことができる。実際、ＶＯＡ及び／又はＴＯＦの含有が不要な実施形態があることも留意すべきである。本発明のモジュール配置は、このステージが不要な場合はバイ経路され、又は最初の組立からなくすことを可能とする。

上述の実施形態は、全てファイバベースの増幅器に関連するが、自由空間光学系の使用は比較的小型のスモールフォームファクタの構成内で同様にパッケージ化が可能な半導体光増幅器（ＳＯＡ）の形成にも対応することを理解すべきである。図２１は、本発明に係る自由空間信号経路及び離散光学コンポーネントを用いる例示的なＳＯＡ装置５００を示す。

図２１を参照すると、ＳＯＡ装置５００は、デバイスを通過する光信号に増幅を行うのに（示されるような）電子バイアス入力を用いる、この技術分野において周知の形態からなる離散半導体光増幅器５１０を具えるものとして示される。本発明の自由空間の実装に従い、上述の実施形態と同様、装置５００は、入力ステージと増幅後ステージとを含む。示されるように、光信号は、入力光ファイバ５１２で装置５００に入り、光ファイバピグテール５１４に結合される。（実際は拡張している）ファイバピグテール５１４を出る自由空間光信号はその後、レンズ５１６を通過して、（上述の実施形態にあるように）入力信号のコリメートされたバージョンを生成する。その次に、コリメートされた自由空間光ビームは、第１の折り返しミラー５１８により向きを変えられ、光アイソレータ５２０を通過する。光アイソレータ５２０からの出力は次に、第２の折り返しミラー５２２により向きを変えられ、レンズ５２４を通過し、そこでは自由空間光ビームを出力ファイバピグテール５２６の中心に収束させる働きをし、分離された光入力信号を伝送ファイバ５２８に提供し、そこで入力としての信号をＳＯＡ５１０に提供する。

ＳＯＡ５１０内での増幅後に、増幅された光信号は、装置５００の自由空間の増幅後ステージに導入されるために、出力伝送ファイバ５３０に沿って提供される。上述の様々な実施形態と同様、増幅された信号がファイバピグテール５３２を介して増幅後ステージの自由空間の部分に導入され、そこで自由空間の増幅された信号はレンズ５３４を通過するとコリメートされる。コリメートされ増幅された自由空間ビームは折り返しミラー５３６により、光アイソレータ５３８に導かれ、分離したビームは次に利得等化フィルタ（ＧＦＦ）５４０を通過する。上記のように、ＧＦＦ５４０は、増幅された信号の利得プロファイルを調節し、所望の出力利得プロファイル（殆どの場合は、増幅された信号の帯域幅全体で「等化した」利得であってよい）を実現する。利得等化された自由空間ビームの一部を（ＧＦＦ５４０の位置及び性能を制御するのに用いられる）監視フォトダイオード５４４に導くよう光タップ５４２が用いられる。

自由空間の増幅されたビームの大半は、妨げられることなく光タップ５４２を通過し、出力信号のパワーレベルを調節するのに用いられることが可能な可変光減衰器（ＶＯＡ）５４６に導入される。ＶＯＡ５４６の動作を調節し、装置５００からの出力強度を制御するのに光タップ５４８と、関連する監視フォトダイオード５５０とが用いられる。（自由空間ビームとしてなお伝搬する）強度調節され増幅された信号は次に、集束レンズ５５２を通過し、増幅された出力信号を出力伝送ファイバ５５６に結合するファイバピグテール５５４に導入される。

図２１に示すような装置は従って、ポンプ光源及びドープファイバのコイルをなくし、ＳＯＡをドープファイバの正しい位置に挿入するだけで、光学コンポーネント及び自由空間信号経路の同様の構成（従って、同様のパッケージ配置）がＳＯＡと共に用いられることを可能とする。同様の１組のコンポーネントを用いることの代替として、インラインアイソレータを入力伝送ファイバ５１２に沿って直接配置することができるので、（図２１の点線に示すように）分離された信号をＳＯＡ５１０に直接導入することができることを理解すべきである。

上述のように、本発明の様々な実施形態の一態様は、離散光学コンポーネント及び自由空間信号経路の使用により、増幅器モジュール内のファイバ（従ってスプライス）の数を減らし、モジュールの全体のサイズを縮小することである。加えて、（ドープファイバ及びラマン増幅の両方に関する）ポンプ光源の直接結合も用いる様々な構成により、ファイバ及び関連する結合素子の数を更に減らす。

従って、低損失、低ＰＤＬ、及びプロセスと環境変化とに対する安定性を実現するために、特有の１組の設計、材料、組立プロセス、及び条件が満たされなければならない。これらの選択の変更が可能な一方で、全ての選択はその結果に著しい影響を及ぼす。従って、本発明の自由空間の小型化モジュールは、要求の高い光増幅器アプリケーションのカスタマー要件と性能仕様を満たす製品を実現するために、上述の物理的影響、適切な設計、及びプロセスを十分に考慮することを必要とする。

上述のようなマルチステージ光増幅器は、様々な増幅器コンポーネント（離散、ハイブリッド、又はそれ以外）間のファイバベースのコネクタを用いる従来技術の構成より著しく有利であると考えられ、プラグ可能なフォームファクタ素子として有用である極めて小さいスタンドアロン装置を生成する。様々な代替及び実施形態が上記で詳述されたが、増幅器の各ステージ内の様々な個々の素子は変わる可能性があり、その最も一般的な構成において、増幅器は入力ステージと出力ステージのみを必要とすることを理解すべきである。帯域フィルタ（例えば、ＦＢＧ）、利得等化フィルタ、同調可能なフィルタ、可変光減衰器、光タップ及び監視フォトダイオード等の素子は、増幅器の機能を高めるのに有用であるが、実際の増幅器の機能に必須なものではない。

実際に、前述の説明から、上記実施形態の多くの変形が当業者にとって明らかである。従って、発明は、本明細書において示されて記載された本発明の特定の実施形態及び方法により限定されるべきではない。むしろ、発明の範囲は、以下の特許請求の範囲及びそれに等価するものにより定められるべきである。

Claims (26)

1. 入射光伝送信号経路に沿って伝搬する光信号のファイバベースの増幅を行うための光増幅器であって、前記光増幅器は、
   ファイバ増幅器装置と、
   前記ファイバ増幅器装置に結合されるマルチステージ光増幅器モジュールと、を具え、前記マルチステージ光増幅器モジュールは、入射光信号及び増幅光入力に応答する入力ステージと、増幅された信号を前記光増幅器の出力として提供するための出力ステージとを含み、前記マルチステージ光増幅器は、光入力部、光出力部、電気入力部及び電気出力部を含むハウジング内に配置され、各ステージは入射光信号、増幅光、及び増幅された光信号の伝送を自由空間ビームとしてサポートするととともに、前記自由空間ビームと相互作用して増幅された光出力信号を提供する複数の離散光学コンポーネントを含むことを特徴とする光増幅器。
2. 請求項１に記載の光増幅器において、前記マルチステージ増幅器モジュールの前記入力ステージは、入力光信号及び前記増幅光に応答し、前記光信号及びポンプ光は前記入力ステージ内で自由空間ビームとして伝搬し、共通の信号経路に沿って共伝搬して前記ハウジングを出るために結合される前記入力ステージ内に配置される複数の離散光学コンポーネントにより操作され、その後で入力として前記ファイバ増幅器装置に適用されることを特徴とする光増幅器。
3. 請求項１に記載の光増幅器において、前記光増幅器は、
   前記マルチステージ増幅器モジュールの前記入力ステージと前記出力ステージとの間に配置される増幅後ステージを更に具え、前記増幅後ステージは、ファイバ増幅器装置により生成される増幅された光信号に応答し、増幅された光信号は、自由空間ビームの増幅された光信号をフィルタリングするよう配置された離散光フィルタコンポーネントを含み、
   前記マルチステージ増幅器モジュールの前記出力ステージは、前記増幅後ステージからのフィルタリングされ増幅された光出力信号に応答して、前記フィルタリングされ増幅された光出力信号の自由空間ビーム表現の伝搬をサポートし、複数の離散光学コンポーネントを含む前記出力ステージは、光タップと監視フォトダイオードとを含み、伝搬するフィルタリングされ増幅された自由空間ビームは、前記光タップを介して導かれて、それにより、自由空間ビームの相対的に小さい部分が前記監視フォトダイオードに導かれ、自由空間ビームの残りの部分が、前記ハウジングの筐体を出る出力信号経路に沿って導かれることを特徴とする光増幅器。
4. 請求項２に記載の光増幅器モジュールにおいて、前記マルチステージ光増幅器モジュールの前記入力ステージの前記離散光学コンポーネントは、
   前記ハウジングの第１の側壁に沿った入口ポートに配置される第１の光レンズであって、入射光信号に応答して、そのコリメートされた自由空間ビームのバージョンを生成する第１の光レンズと、
   前記第１の光レンズからコリメートされた自由空間ビームを受け入れ、コリメートされた自由空間ビームを異なる方向に向きを変えるための第１の折り返しミラーと、
   向きを変えられた自由空間ビームをインターセプトするように配置される光アイソレータと、
   向きを変えられた自由空間ビームを受け入れ、コリメートされた自由空間ビームを、前記ハウジングからの光出力部に向かう方向に再配向するための第２の折り返しミラーと、
   前記入力ステージの出口ポートと前記第２の折り返しミラーとの間に配置され、コリメートされた自由空間ビームを出力信号経路に集束させるための第２の光レンズとを具え、
   前記第１及び第２の折り返しミラーの角度位置は、前記入力ステージの入力と出力との間の挿入損失を最小にするために調節可能であることを特徴とする光増幅器モジュール。
5. 請求項４に記載の光増幅器において、前記マルチステージ光増幅器モジュールの前記入力ステージの前記離散光学コンポーネントは、
   デュアルパス・ファイバピグテールと、
   前記第２の折り返しミラーと前記第２の光レンズとの間に配置される離散波長分割マルチプレクサ素子と、を更に具え、
   前記デュアル経路ファイバピグテールは、入射するポンプ光の伝搬をサポートするための第１の経路と、出射する共伝搬する入力光信号及び増幅光の伝搬をサポートする第２の経路とを含み、共伝搬する入力光信号とポンプ光とを前記ファイバ増幅器装置内に導き、
   前記ディスクリート波長分割マルチプレクサ素子は、入射自由空間ポンプビームを受信して、この自由空間増幅ビームを前記第２の光レンズへと反射し、その後、前記ポンプビームは、入射光信号とともに前記第２の経路に結合されることを特徴とする光増幅器。
6. 請求項２に記載の光増幅器において、前記マルチステージ光増幅器モジュールの前記入力ステージは、離散レーザダイオードポンプ光源を更に具え、離散レーザダイオードは、前記ハウジングの電気入力部及び電気出力部に結合された電気接点を含み、更に、前記入力ステージ内に配置されて、第２の折り返しミラーを介して自由空間ポンプビームを第２の光レンズ内に導き、自由空間入力光信号のビームと結合させて、前記入力ステージの出力として共伝搬ビームを生成することを特徴とする光増幅器。
7. 請求項１に記載の光増幅器において、前記光増幅器は、希土類ドーパントを含むファイバ内の増幅に基づくものであり、増幅光として、前記希土類ドーパントの存在下で光利得を生成することに関連する所定の波長でポンプ光を提供するポンプ光源を使用することを特徴とする光増幅器。
8. 請求項１に記載の光増幅器において、前記光増幅器は分布ラマン増幅器を具え、増幅光光源は、高エネルギー光パルスを入射光伝送経路に沿って上流に注入するための高出力パルス光源を具えることを特徴とする光増幅器。
9. 請求項８に記載の光増幅器において、前記光増幅器は、高エネルギー光パルスを前記ファイバ増幅器装置内の光ファイバのセクションに注入するよう配置される分布ラマン増幅器を具えることを特徴とする光増幅器。
10. 請求項３に記載の光増幅器において、前記マルチステージ光増幅器モジュールの前記増幅後ステージ内に配置される前記離散光学コンポーネントは、
    前記ハウジングの光入力部に配置される第１の光レンズであって、入射する増幅された光信号に応答して、その自由空間ビームのバージョンを生成する第１の光レンズと、
    前記第１の光レンズからコリメートされ増幅された自由空間ビームを受け入れて、コリメートされ増幅された自由空間ビームを異なる方向に向きを変えるための第１の折り返しミラーと、
    向きを変えられた自由空間ビームをインターセプトするように配置される光アイソレータと、
    前記光アイソレータの出力部に配置される利得フィルタであって、コリメートされ増幅された自由空間ビームの利得プロファイルを変更するための薄膜ディスクリートフィルタ素子を具える利得フィルタと
    を含むことを特徴とする光増幅器。
11. 請求項１０に記載の光増幅器において、前記利得フィルタは利得等化フィルタを具え、コリメートされ増幅されたビームの波長スペクトルの全体で均一の利得プロファイルを生成することを特徴とする光増幅器。
12. 請求項１０に記載の光増幅器において、前記マルチステージ光増幅器モジュールの前記増幅後ステージの離散光学コンポーネントは、光タップと監視フォトダイオードとを含み、前記光タップは、前記利得フィルタから出力される利得変更された自由空間ビームを入力として受信し、利得変更された自由空間ビームの一部分を監視フォトダイオードへと向きを変え、向きを変えられた一部分は、所望の利得プロファイルを実現するために、利得フィルタの向きを調節するために前記監視フォトダイオードにより用いられることを特徴とする光増幅器。
13. 請求項１に記載の光増幅器において、前記マルチステージ光増幅器モジュールは、前記入力ステージと前記出力ステージとの間に配置される信号調整ステージを更に具え、前記信号調整ステージは、自由空間ビームの伝送をサポートし、出力の少なくとも１つの光品質を変更するための離散光学コンポーネントを含むことを特徴とする光増幅器。
14. 請求項１３に記載の光増幅器において、前記信号調整ステージは、出力され増幅された光信号のパワーレベルに対する調節を行うように構成されることを特徴とする光増幅器。
15. 請求項１３に記載の光増幅器において、前記信号調整ステージは、出力され増幅された光信号の雑音フィルタリングを行うように構成されることを特徴とする光増幅器。
16. 請求項１に記載の光増幅器において、前記ファイバ増幅器装置は、前記入力ステージの光出力部と前記出力ステージの光入力部との間に結合された希土類ドープ光ファイバのセクションを含むことを特徴とする光増幅器。
17. 請求項１６に記載の光増幅器において、前記希土類ドープ光ファイバは、エルビウムドープファイバを具え、前記入力ステージは９８０ｎｍの波長で作動するポンプ光源に応答することを特徴とする光増幅器。
18. 請求項１７に記載の光増幅器において、ポンプ波長で作動する離散レーザダイオードは、前記マルチステージ光増幅器モジュールの入力部の離散光学コンポーネントとして前記ハウジング内に配置されることを特徴とする光増幅器。
19. 請求項１に記載の光増幅器において、前記ファイバ増幅器は分布ラマン増幅器であって、前記入力伝送経路に沿って上流に高出力ラマンパルスを注入するための増幅光源を有することを特徴とする光増幅器。
20. 請求項１に記載の光増幅器において、前記ファイバ増幅器は分布ラマン増幅器であって、前記ファイバ増幅器装置内に配置される単一モードファイバのセクションに高出力ラマンパルスを注入するための増幅光源を有することを特徴とする光増幅器。
21. 請求項１に記載の光増幅器モジュールにおいて、前記ファイバ増幅器は、ドープファイバ増幅器と分布ラマン増幅器とを含むことを特徴とする光増幅器モジュール。
22. 入射光信号に応答する入力ステージと、
    前記入射光信号の増幅されたバージョンを生成するための、前記入力ステージに結合された増幅装置と、
    前記増幅装置の出力部に結合された出力ステージと、を具え
    前記出力ステージは、前記マルチステージ光増幅器の出力として増幅された信号を提供し、前記マルチステージ光増幅器は、光入力部、光出力部、電気入力部、及び電気出力部を含み、各ステージは、入射光信号と増幅された光信号との伝送を自由空間ビームとしてサポートするとともに、自由空間ビームと相互作用して増幅された光出力信号を提供する複数の離散光学コンポーネントを含むことを特徴とするマルチステージ光増幅器モジュール。
23. 請求項２２に記載のマルチステージ光増幅器において、前記増幅装置は、ファイバベースの増幅装置を具えることを特徴とするマルチステージ光増幅器。
24. 請求項２３に記載のマルチステージ光増幅器において、前記ファイバベースの増幅装置は、ポンプ光源と所定長さの希土類ドープ光ファイバとを含むことを特徴とするマルチステージ光増幅器。
25. 請求項２３に記載のマルチステージ光増幅器において、前記ファイバベースの増幅装置は、高出力パルス光源と所定長さの光伝送ファイバとを含むことを特徴とするマルチステージ光増幅器。
26. 請求項２２に記載のマルチステージ光増幅器において、前記増幅装置は、半導体光増幅器を具えることを特徴とするマルチステージ光増幅器。
    
    

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