JPH07181529A - 光ファイバ増幅システム - Google Patents

光ファイバ増幅システム

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JPH07181529A
JPH07181529A JP6292027A JP29202794A JPH07181529A JP H07181529 A JPH07181529 A JP H07181529A JP 6292027 A JP6292027 A JP 6292027A JP 29202794 A JP29202794 A JP 29202794A JP H07181529 A JPH07181529 A JP H07181529A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＮＬＩ（非線形相互作用）レーザあるいは増
幅器を用いて、効率よく光通信を行うことである。 【構成】 本発明の光ファイバ通信システムは、光学素
子、すなわち、光ファイバＮＬＩ増幅器またはレーザを
用いている。本発明の装置は、ある長さの光導波路（シ
リカ系光ファイバ）と波長λpのポンプ放射をこの光導
波路内に導入する手段とを有する。本発明に用いられる
光学素子は、光導波路から波長λsの放射を行う。ここ
で、λs≠λp、特にλs＞λpである。さらに、本発明の
光学素子は、離間して配置された反射手段を有し、この
手段により所定波長の電磁放射用の光「キャビティ」を
規定し、このキャビティは少なくとも光導波路の一部を
含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ増幅器とレ
ーザと、このような増幅器とレーザとを有するような光
ファイバ通信システムに関し、特に、ラマン（Raman）
増幅器、あるいはブリリュアン（Brillouin）増幅器、
あるいは４−光子ミキシング（four-photon mixing）を
含むような増幅器とレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバにおける励起ラマン散乱（st
imulated Raman scattering：ＳＲＳ）は、信号放射の
増幅およびレーザに用いられる。一方、光ファイバの励
起ブリリュアン散乱（stimulated Brillouin scatterin
g：ＳＢＳ）と４−光子ミキシングも公知である。これ
については、例えば、「Optical Fiber Telecommunicat
ions」,S.E.Miller et al.,editors,Academic Press 19
79;pages 127-133,133-135,and140-144 に記載されてい
る。このようなＳＲＳ、ＳＢＳ、あるいは、４−光子ミ
キシングに基づくような光ファイバレーザおよび光ファ
イバ増幅器は本明細書においては、「非線形相互作用」
（non-linear interaction：ＮＬＩ）レーザ、あるいは
増幅器と称する。本発明者の知り得り限りにおいては、
ＮＬＩレーザ、あるいは増幅器は光通信システムには今
のところ用いられていない。
【０００３】このようにＮＬＩレーザと増幅器が用いら
れない理由は、光ファイバにおいて、必要な高ＣＷポン
プ放射強度を得るのが困難だからである。例えば、ＳＲ
Ｓに関しては、従来多くのものは、パルスポンプ放射を
用いていた。このポンプパルスの高ピークパワーでは、
ＳＲＳが低効率となってしまう。このパルス状のポンプ
パワーは、光ファイバ通信システム、あるいは連続波
（continuous wawe：ＣＷ）レーザに対しては、信号増
幅にとってはあまり有効ではない。例えば、パルス状の
増幅器を用いるには、このポンプレーザを信号に同期さ
せる必要がある。このことは光増幅の主要な利点を失わ
せることになり、増幅器の変化無しに、信号伝送の速度
を変化させる可能性を失わせることになる。
【０００４】ＮＬＩ増幅器とレーザによる好ましい多く
の特性を鑑みると、ＣＷポンピングが実用的になるま
で、その効率を高めることである。例えば、市販のレー
ザダイオード、あるいは、レーザポンプ固体ダイオード
からＣＷポンプ放射を効率的に行うことのできるＮＬＩ
素子を得ることにより、光通信（例、１．５５μｍ）、
あるいは他の光増幅器が存在しないような波長（例、
１．３μｍ）の放射を増幅させるために必要な波長の高
密度のＣＷ放射を達成することが好ましい。本発明はこ
のような装置を開示するものである。
【０００５】適当な波長（例、１．０６μｍ）のＣＷ放
射を行う高パワーのレーザソースは公知である。例え
ば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザはＡｌＧａＡｓレーザダイオー
ドのアレイの高パワーの０．８μｍの波長の出力でもっ
てポンプされる。レーザダイオードのアレイの出力はシ
ングルモード光ファイバには効率よく結合できないが、
このＮｄ：ＹＡＧレーザの出力は、このようなシングル
モード光ファイバに効率よく結合できる。これに関して
は S.Grubb et al.,Electronics Letters,Vol.28（1
3）,p.1275を参照のこと。
【０００６】M.Nakazawa et al.,Journal of the Optic
al Society of America,Vol.1（1）,p.80はパルス状
（１．０６μｍ）のＹＡＧポンプレーザを用いて、１．
３μｍの信号パルスを増幅するラマン増幅器について開
示しており、それによれば、２．０×１０-12ｃｍ／Ｗ
のゲイン共係数を報告している。V.I.Belotitskii他の
論文Soviet Journal of Quantum Electronics,Vol.20
（7）,p.753 は、Ｑ−スイッチのＹＡＧ：Ｎｄ3+レーザ
（１．０６μｍ）を用いて、１．２４−１．３μｍ放射
のラマン増幅について報告している。P.N.Kean他の論文
Journal of Modern Optics,Vol.35（3）,p.397はパル
ス状の（モードロックした）Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（１．
０６μｍ）を用いた光ファイバラマン発振器を開示して
いる。ある実施例においては、レーザキャビティは２個
のエッチングされた光ファイバグレーティングにより規
定される。この出力放射は、約１．０９μｍの波長を有
する。C.Lin 他の論文 Optics Letters,Vol.1（3）,p.9
6 は、ＣＷ（Ｎｄ：ＹＡＧ；１．０６μｍ）のポンプレ
ーザを用いたラマン発振器を開示している。このラマン
レーザキャビティは、ミラー手段により規定される。こ
の出力は１．０８−１．１７μｍの範囲の波長を有す
る。F.Irrera 他の論文 Journa of Applied Physics,Vo
l.63（8）,p.2882 はＣＷ（Ｎｄ：ＹＡＧ；１．０６μ
ｍ）のポンプレーザを用いて、シリカ系光ファイバにお
いて、ＳＲＳを観測している。２つのストークスライン
（Stokes lines）（１．１２μｍと１．１８μｍ）の第
１のもののみが観測され、第２のものは第１のもの
（５．７Ｗポンプパワーに対し）の４％のパワーしかな
い。前掲の「Tunable Lasers」L.F.Mollenauer 他の論
文 editors,Springer Verlag,pp.279-301の図７、８は
１．０６μｍのＱ−スイッチのＮｄ−ＹＡＧレーザでも
って、シリカ系ファイバ内に生成された広バンド幅の連
続放射を開示している。C.Lin 他の論文 Optics Letter
s,Vol.6（10）,p.493 は、１．３１９μｍでＱ−スイッ
チのＮｄ：ＹＡＧレーザを用いたシングルモード光ファ
イバ内で、４−光子ミキシングを報告している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光通
信システムに従来使用されたＮＬＩレーザあるいは増幅
器を用いて、効率よく光通信を行うことである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバ通信
システムは、光学素子、すなわち、光ファイバＮＬＩ増
幅器またはレーザを用いている。本発明の装置は、ある
長さの光導波路（シリカ系光ファイバ）と波長λpのポ
ンプ放射をこの光導波路内に導入する手段とを有する。
本発明に用いられる光学素子は、光導波路から波長λs
の放射を行う。ここで、λs≠λp、特にλs＞λpであ
る。さらに、本発明の光学素子は、離間して配置された
反射手段を有し、この手段により所定波長の電磁放射用
の光「キャビティ」を規定し、このキャビティは少なく
とも光導波路の一部を含む。
【０００９】このポンプ放射はＣＷ放射で、この反射手
段は少なくとも２対の反射装置を有し、その反射装置の
各々は、反射バンドの中心波長を有し、所定の対の２つ
の反射装置は、同一の中心波長を有し（但し、意図しな
いミラー差を除く）、離間して配置され、この所定対の
反射装置は、所定対の反射装置の中心波長にほぼ等しい
波長λiの放射をするために、長さＬiの光学キャビティ
を規定する。波長変換を効率よく行うために、この光キ
ャビティは追加損失が低く、一般的には、１．５ｄＢ以
下の往復損失、好ましくは１．０ｄＢ以下の往復損失で
ある。本発明による光学装置はＮＬＩ増幅器とレーザで
ある。
【００１０】高反射性の光ファイバ反射手段（例えば、
エッチングされたグレーティング、光ファイバ端部に直
接形成された多層ミラー）を用いているが、この好まし
い反射装置はイン−ラインの屈折率グレーティングであ
り、以下の説明においては、屈折率グレーティングはイ
ン−ライングレーティングとして説明する。このような
グレーティングは、例えば、米国特許第５２１８６５５
号と５２３５６５９号に開示されている。希土類元素を
ドープした光ファイバとともに、このような一対のレー
ザを用いて、光ファイバレーザを形成することは公知で
ある。これに関しては米国特許出願第０７／９６５４５
７号を参照のこと。
【００１１】本発明の光学素子がラマンレーザ、あるい
は、ブリリュアンレーザの場合には、λi＝λi-1＋Δλ
iで、ここで、Δλiはｎを２以上の正数とすると、ｉ＝
１、……ｎとして、光ファイバに関連する適当なストー
クスバンド内の長さであり、λi-1はｉ＝１であるなら
ば、λpとなる。増幅器に対しては、λp＜λn＜λsであ
り、レーザに対しては、λp＜λn≦λsである。後者の
場合において、λn＝λsであるとすると、λn−対の反
射装置の１つは低い（例、５％）の反射率である。
【００１２】本発明によるＮＬＩレーザと増幅器は次の
発見に基づいている。すなわち、所定波長の放射の巡回
を容易にするような低損失な光キャビティを提供するこ
とにより、その関連する非線形相互作用が非常に強化さ
れて、ＣＷポンピングを可能となることを発見した。
【００１３】例えば、本発明によるラマンレーザ、ある
いは増幅器によれば、所定波長におけるパワーの大きな
変動（一般的には５０％以上、好ましくは９０％以上）
は、ＳＲＳにより、次のストークス波長に変換されて、
ポンプパワーは多段階において、所望のより長い波長に
効率的にシフトされる。所定段における波長λiは、関
連する対のリフレクタの中心波長によって決定される。
但し、この中心波長は前の段（λi-1）と所定段と
（λi）との間の波長差（Δλi）が、この光ファイバに
関連するストークスバンド内にあることが条件である。
従来の光ファイバ内のストークスバンドは比較的広いた
めに、λp以上の所望の波長λsで、約２μｍ以下の波長
は本発明によるシリカ系多段光学素子により形成され、
あるいは、そのような素子により増幅される。最高の効
率は隣接する中心波長の間の波長差Δλiがストークス
バンドのピークに関連するストークスシフトに対応する
場合に発生する。
【００１４】低損失光学キャビティを用いて、波長シフ
トを達成しようとする上記の原理は、アンティ−ストー
クスラマンレーザ、あるいは、増幅器を用いて、λs＜
λpを行うこととなる。このアンティ−ストークスシフ
トはストークスシフトよりもはるかに弱いものである。
かくして、アンティ−ストークス波長において、フィー
ドバックを行いながら、より強いストークス波長におい
て、損失をキャビティ内に導入することが必要である。
さらに、本発明によるアンティ−ストークスレーザ、あ
るいは、増幅器に対して、ストークスレーザ及び増幅器
の場合よりも弱い光学キャビティを用いることが考えら
れる。
【００１５】ＳＢＳに基づいた本発明の光学素子は、Ｓ
ＲＳに基づいた光学素子に極めて類似するが、前者の波
長間隔Δλiは後者の波長間隔よりも一般的には小さ
い。ＳＢＳは音響フォノン（acoustic phonons）と相互
作用するが、一方、ＳＲＳは光学フォノンと相互作用す
る。これでもって、２つの素子のカテゴリにおけるΔλ
i差が説明できる。
【００１６】４−光子ミキシングに基づく光学素子も同
様に考えられる。適切に選択された反射装置手段によ
り、放射を共鳴させることは、光ファイバ内の放射の強
度を非常に増加させ、その結果、４−光子ミキシングを
強化することになる。一般的に、４−光子ミキシングに
おいて、位相マッチングの必要性は、素子がスペクトル
領域（例、１．３１３μｍ）内で動作する場合には、容
易に達成できる。このスペクトル領域においては、材料
および導波路の分散の寄与は、位相マッチングにとって
好ましいものであり、特に、本発明によるラマンレーザ
を用いて、４−光子ミキシングレーザ、あるいは増幅器
をポンプするのに用いてポンプできる。これについては
後述する。
【００１７】適当な波長における反射手段を配置するこ
とにより、これらの波長における光学強度を増加するこ
とができ、それにより、結果的にＮＬＩ素子の効率を上
げることができる。この関連する非線形プロセスは、外
部光を有する「シーディング（seeding）」手段によ
り、さらに強化できる。このことは対応する波長のＣＷ
放射を光学キャビティ内に導入すれば良いことを意味す
る。例えば、本発明によるラマン光学素子においては、
波長λi（≠λp）の１つでシーディングすることは、変
換カスケードの開始を助けることができる。
【００１８】ＮＬＩ増幅器をポンピングする共鳴キャビ
ティ（例、１．３１μｍのラマン増幅器に対しては１．
２４μｍキャビティ）の使用の利点は、このキャビティ
内のポンプ放射の長期（例、数１００マイクロ秒）の有
効寿命である。これにより、増幅器は飽和状態で動作で
き、すなわち、ポンピングは短時間（例、数マイクロ
秒）では減衰することはない。
【００１９】
【実施例】本発明による光ファイバＮＬＩ増幅器あるい
はレーザは、光ファイバの材料の本質的特性を利用して
いるだけで、光ファイバ内の特殊なドーパントの存在を
必要とするものではない。一方、光ファイバの材料は、
一般的に単一構成材料である必要はない。シリカ系の光
ファイバは、現在通信システムで用いられている光ファ
イバであるので、本発明においては、ＳｉＯ2を５０モ
ル％、もしくは８０モル％以上含む光ファイバを用いて
説明する。
【００２０】前掲の本「Optical Fiber Telecommunicat
ions」の p.127 の図５．１では、室温において、純粋
な溶融シリカ（ガラス）のラマンスペクトルを表してい
る。同図においては、ストークスバンドは４５０ｃｍ-1
で最大値を表し、１００ｃｍ-1の全値半幅（full width
at half maximum：ＦＷＨＭ）を有する。同図はまた
（はるかに弱い）アンティ−ストークスバンドについて
も表している。
【００２１】ゲルマニュウムがシリカ系光ファイバの屈
折率増大ドーパントとして通常用いられている。ＧｅＯ
2がストークスバンドのピーク高さを増大させることは
公知である。他の光ファイバの成分の存在は、さらにス
ペクトルを変更することがある。例えば、シリカ内にＰ
2Ｏ5を存在させることは約１３２０ｃｍ-1でのピークを
発生させる。本発明に用いられるシングルモード光ファ
イバの屈折率プロファイルを図６に示す。Ｇｅをドープ
したコア６０は、６．１μｍの直径を有し、このコアを
包囲するクラッド領域６１はＦをドープされ、さらに、
外側のクラッド領域６２はドープしていないシリカであ
る。
【００２２】図１は本発明のラマンレーザ１０を表す。
ポンプソース１１からのポンプ放射１２（波長λp、例
えば、１．０６４μｍ）はシングルモード光ファイバ１
３に結合され、波長λsの放射１４がシングルモード光
ファイバ１３の出力から放出される。イン−ライン屈折
率グレーティング１５１と１５２、およびイン−ライン
屈折率グレーティング１６１と１６２、およびイン−ラ
イン屈折率グレーティング１７１と１７２は、それぞれ
中心波長が１．１１７μｍ、１．１７５μｍ、１．２４
０μｍ、…のマッチしたリフレクタ対を形成する。イン
−ライン屈折率グレーティング１８は光学的に対をなし
ておらず、その中心波長はλsで、一方、イン−ライン
屈折率グレーティング１９も光学的に対をなしておら
ず、その中心波長はλpである。この中心波長λsは、例
えば、１．３１５μｍである。これらの全てのグレーテ
ィングは、その中心波長でほぼ１００％（９８％以上）
の屈折率を有する高屈折率性であり、その屈折率カーブ
の半値全幅（ＦＷＨＭ）は２−８ｎｍの範囲内にあり、
ストークスバンドの半値全幅（ＦＷＨＭ）より小さい。
【００２３】通常ラマンレーザ１０の外側にλsの波長
の放射を行う。対を形成しない低反射率（５％以下）の
リフレクタ（図示せず）を有し、λsの波長のパワーの
大部分はレーザには結合されない。このリフレクタはグ
レーティングでもよく、しかし、多くの場合には、へき
開した光ファイバの端部が十分な反射性を有している。
【００２４】このキャビティ長は、１ｋｍのオーダー
（すなわち、約３００ｍから３ｋｍの間）である。光フ
ァイバ内の減衰は波長に依存するので、所定の波長に対
する最適キャビティ長は波長ごとに異なる。
【００２５】このイン−ライン屈折率グレーティング
は、反射バンドの外側の波長においては、ほぼ１００％
の透過性を有し、これににより、反射装置の存在にフレ
キシビリティを与える。例えば、この光学キャビティ
は、シーケンシャルであるか、あるいはある程度までオ
ーバーラップしてもよい。図２はこのオーバーラップし
たキャビティを有するレーザを表し、イン−ライン屈折
率グレーティング２５１と２５２、およびイン−ライン
屈折率グレーティング２６１と２６２、およびイン−ラ
イン屈折率グレーティング２７１と２７２はマッチした
対（ペア）である。ポンプリフレクタのような光学リフ
レクタ、および高および低屈折率出力リフレクタは図示
されていない。
【００２６】この放射されたレーザパワーは、ポンプパ
ワーの主要な部分を占める（一般的には以上１０％、好
ましくは以上２５％、さらに好ましくは５０％以上）。
このラマンレーザにおける各ストークスオーダーのパワ
ーは、λsにおいて、このパワー以下である。これは図
３に示す。同図においては、本発明によるラマンレーザ
の出力スペクトルは１．０６４μｍの放射でポンプされ
た場合には、λs＝１．４９０μｍである。
【００２７】本発明において、用いられたグレーティン
グは、図示された以外のものでも構わない。本発明のラ
マンレーザは４対以上のリフレクタを有することも可能
である。例えば、６対のリフレクタを有するレーザは、
λsが１．４９０μｍ（λp＝１．０６４μｍの場合）
で、Ｅｒをドープした光ファイバ増幅器に対し、適切な
ポンプ放射が可能である。特に、このようなレーザは、
遠隔的にポンプされる光ファイバ増幅器を有する光ファ
イバ通信システムにおけるポンプソースとして用いるこ
とができる。
【００２８】本発明の他の実施例は、ラマン増幅器で
１．３μｍの信号放射に対する増幅器である。この波長
領域においては、今日まで、シリカ系の光ファイバをベ
ースにした光ファイバ増幅器に対して、適切なものは存
在しない。一方、既設の光ファイバシステムにおいて
は、１．３μｍで動作し、これは光増幅器の「リピー
タ」（再生器 repeaters）として、現在用いられてい
るものを置き換えて、現在のシステムをグレードアップ
するのに最も好ましいものである。これに関しては、J.
L.Zyskind 他の論文 AT&T Technical Journal,January
／February 1992,p.53.を参照のこと。
【００２９】図４は本発明のラマン光増幅器４０を表し
ている。信号放射４１は光ファイバ４３に（光ファイバ
４３と通常の伝送光ファイバによって）結合される。ポ
ンプソース４４からのポンプ放射４２は光ファイバ４３
に従来の波長分割多重化装置（wavelength division mu
ltiplexer：ＷＤＭ）によって結合される。この光ファ
イバ増幅器は、複数のマッチしたイン−ライン屈折率グ
レーティング４５１、４５２とイン−ライン屈折率グレ
ーティング４６１、４６２とイン−ライン屈折率グレー
ティング４７１、４７２を有する。例えば、λp＝１．
０６４μｍにおいては、このグレーティングの先端波長
は、それぞれ１．１１７μｍ、１．１７５μｍ、１．２
４０μｍであり、λs＝１．３１０μｍである。ポンプ
放射はＳＲＳにより、１．２４０μｍの波長の放射に効
率よく変換され、信号放射４１はＳＲＳにより増幅され
る。増幅信号４１０は増幅された信号である。このマッ
チしたリフレクタ対は、高屈折率グレーティングを有す
る。λsでフィードバックを導入しないようにする必要
がある。例えば、融解スプライスを用いると、低い反射
パワーとなる。増幅器の後に、光学アイソレータを配置
することにより、フィードバックを減少させることがで
きる。波長依存性の損失手段（例、イン−ライン屈折率
グレーティング）を用いて、光ファイバから不要な波長
を取り除くこともできる。
【００３０】本発明の増幅器においては、信号がポンプ
パワーが巡回している光学キャビティ内に注入され、そ
の結果、ポンプパワーの効率が増大し、高増幅効率が達
成できる。本発明によるレーザの場合には、この増幅器
内には、グレーティングの場所には、フレキシビリティ
が存在し、それにより、シーケンシャルにオーバーラッ
プするか、あるいは、他のキャビティ装置が可能とな
る。
【００３１】図５は遠方からポンプする光ファイバ通信
システム５０を表している。この５０は、例えば、数百
キロメートルにわたって、大陸間の通信をする場合に有
効なもので、これらは海中に活性素子（例、リピータ、
レーザ）を必要とせず建設できるからである。１の上に
送信器５１が配置され、この送信器５１はパワー増幅器
として機能するエルビュームドープの光ファイバ増幅器
（erbium doped fiberamplifier「ＥＤＦＡ」）を有す
る。このような増幅器は公知である。信号放射５２（約
１．５μｍの波長、具体的には１．５５μｍの波長）
は、従来の光ファイバ５３内に入力され、この光ファイ
バ５３は海底ケーブル（図示せず）の一部である。送信
器５１から数百（例、約３００）キロメートル離れた場
所にエルビュウムドープ光ファイバ５４が配置され、こ
のエルビュウムドープ光ファイバ５４は融解スプライス
５４０により、伝送用光ファイバに接続されている。こ
のエルビュウムドープ光ファイバ５４は大陸２からかな
り離れた距離、例えば、５０−１００ｋｍの場所に配置
されている。大陸２上に本発明によるラマンレーザ５６
が配置されている。このラマンレーザ５６は、その波長
λsは約１．４８μｍである。一般的なこのラマンレー
ザ５６は、約１００−５００ｍＷのＣＷ出力パワーを有
する。ポンプ放射５８は光ファイバ５３に波長分割多重
化装置５５により結合され、エルビュウムドープ光ファ
イバ５４の方向に伝播される。そのエルビュウムドープ
光ファイバ５４の場所で、Ｅｒ−イオンをポンプし、そ
の結果、信号放射５２の増幅が行われる。この増幅され
た信号放射は大陸２の方向に伝播し、受信器５７に波長
分割多重化装置５５を介して結合される。この受信器５
７は従来のＥＤＦＡのプリ増幅器（図示せず）を有して
いる。しかし、多くの場合、このプリ増幅器は不要の場
合が多い。その理由は、信号放射は伝送用光ファイバ内
で、ポンプ放射５８によりＳＲＳにより増幅されるから
である。
【００３２】図５は大陸１から大陸２への信号の伝送が
可能な通信システムの一部のみを表しており、このよう
なシステムの完全なものは、大陸２から大陸１への信号
の伝送が可能な同様な手段を有しているものである。ま
た、図５は通常の多くの要素（例、光アイソレータ、ス
プライス、ポンプリフレクタ）を示してはいない。本発
明の遠方からポンプする光ファイバ通信システムは、必
ずしも大陸間の信号伝送だけでなく、大陸上においても
実現可能なものである。
【００３３】本発明の光学装置は様々な方法で組み合わ
せることができる。例えば、本発明の増幅器をカスケー
ド状に切断して、フィルタ要素を隣接するレーザ間に配
置することもできる。このような多段増幅器はＳ／Ｎ比
の観点からは、単一段の増幅器に対して、より有利な点
がある。
【００３４】本発明の増幅器は本発明のレーザの出力を
増幅するよう機能することもできる。さらに、本発明の
装置は単一のポンプソースの使用に限定されるものでは
ない。例えば、ラマン増幅器の適切に離間した波長の複
数のポンプソースは増幅器のゲインバンドを拡張するこ
ともできる。
【００３５】このゲインバンドの拡張は、適切に離間し
た中心波長を有する反射装置（複数）を配置することに
より達成できる。例えば、１．０６μｍのポンプ放射と
１．１２μｍ、１．１７５μｍ、１．２４μｍ、１．２
６μｍの中心波長の一対（複数の）反射装置を有するラ
マン増幅器は１．２６μｍのリフレクタ対がない類似の
増幅器に比較して、ゲインバンドを拡張できる。
【００３６】一般的に、本発明の光学素子は、０．８−
２．０μｍの波長範囲で用いられるシリカ系の光増幅器
を用いている。この領域の外側においては、光ファイバ
の固有の損失は大き過ぎる。しかし、固有の光ファイバ
の損失は低いだけではなく、リフレクタとカプラと他の
装置等に起因する。往復損失が追加されるために、ゲイ
ンを最小にしてしまう。例えば、関連波長（１．５５μ
ｍ）で、１．５ｄＢ以下（好ましくは１ｄＢ以下）であ
る。所定波長におけるこの追加された往復損失は、光フ
ァイバの所定値および配置されている全ての要素（例、
リフレクタ、コネクタ、ＷＤＭ）に関連する波長におけ
る全往復損失から、これらの素子がない場合のストレー
トな光ファイバの同一波長における損失を２倍したもの
を引き算したものに等しい。図７は本発明の対から損失
に関連する素子の感受性を表し、カーブ７０−７２は、
それぞれ０ｄＢ、０．５ｄＢと１ｄＢの追加往復損失に
対応している。
【００３７】イン−ライン屈折率ファイバグレーティン
グが現在ではリフレクタ手段として好ましいものである
が、他のリフレクタ手段も考慮しうる。例えば、光キャ
ビティを光ファイバを平面状導波路リフレクタに結合す
ることによって形成することもできる。このようなリフ
レクタはシリコン製の光電技術によって実現できる（例
えば、米国特許第５１９５１６１号）。本発明における
キャビティ形成リフレクタは、少なくとも９８％のピー
ク反射率を有する。より低い反射率は、その動作効率が
下がり、一般的には好ましくない。しかし、非対称のキ
ャビティ（すなわち、１つは高屈折率のリフレクタで、
他の１つは低屈折率のリフレクタ）を、例えば、ＮＬＩ
レーザ内に配置しても良い。
【００３８】光ファイバにおける４−光子ミキシングの
条件は公知である。例えば、C.Lin他の論文 Optics Let
ters,Vol.6（10）,p.493.を参照のこと。光学キャビテ
ィを形成するために、リフレクタを配置することは、ミ
キシングプロセス、４−光子ミキシングレーザの形成、
増幅器の形成の効率を増加させることができる。この必
要な位相マッチングは、ゼロ分散波長（シリカ系ファイ
バにおいては、約１．３２μｍ）の近傍で発生し、λp
は約１．３２μｍとなる。このポンプ放射は、本発明の
ラマンレーザから得られるが、他のポンプソースも可能
である（例えば、（Ｎｄ：ＹＬＦレーザ；このＹＬＦは
イトイウム、リチュウム、フッ素を表す）。この実施例
においては、ラマンレーザの中心波長λiの１つは、４
−光子ミキシング素子の半ストークス波長（例、１．０
９μｍ）と一致し、これによりアンティ−ストークス光
子は、１．３２μｍポンプ波長にリサイクルバックされ
る。次に、実際の三種類の実験例について説明する。
【００３９】実験例１． 分散シフトしたＳｉＯ2−系
のシングルモード光ファイバの長さが２ｋｍのものにお
いて、この光ファイバのコアの直径は約６．１μｍで、
クラッド層の直径は約６０μｍで、コアにＧｅをドープ
して、約０．０１の屈折率の差を提供し、このクラッド
層にはＦをドープして、約−０．００１８の屈折率差を
提供し、但し、屈折率差は両方とも純粋のＳｉＯ2に対
する差である。そして、イン−ライン屈折率グレーティ
ングを水素を付加した光ファイバ領域（hydrogen-loade
d fiber regions）をＵＶ放射の交差ビームに露光する
ようにして形成した。これに関しては、米国特許第５２
１８６５５号と５２３５６５９号を参照のこと。この光
ファイバの一端（入力端）に中心波長が１．１１７μ
ｍ、１．１７５μｍ、１．２４０μｍ、１．３１５μ
ｍ、１．４０５μｍ、１．４９０μｍであるグレーティ
ングを形成し、他端（出力端）に中心波長が１．１１７
μｍ、１．１７５μｍ、１．２４０μｍ、１．３１５μ
ｍ、１．４０５μｍ、１．０６４μｍであるグレーティ
ングを形成する。各グレーティングは約１ｃｍの長さ
で、約１００％のピーク反射率を有し、約４ｎｍのＦＷ
ＨＭを有する。この１．０６４μｍのグレーティング
は、ポンプ光リフレクタとして機能し、他のグレーティ
ングは光キャビティを形成する。市販（Quantronix 社
のモデル１１４）のＮｄ：ＹＡＧ ＣＷレーザからの
１．０６４μｍの波長のＣＷ放射は、光ファイバの入力
に従来のマイクロスコープ対称物レンズにより結合さ
れ、この光ファイバの出力端から１．４９０μｍの放射
が得られる。具体的には、１．４９０μｍの放射の１．
０１Ｗのパワーが３．７Ｗのポンプパワーに対し、光フ
ァイバから放射される。このレーザの観測された出力放
射は、約２ｎｍのＦＷＨＭのスペクトル幅を有する。
【００４０】実験例２． 実験例１の光ファイバを３ｋ
ｍの長さ用意し、そこに前述のイン−ライン屈折率グレ
ーティングを形成した。この光ファイバの入力端と出力
端の両方は、その中心波長が１．１１７μｍ、１．１７
５μｍ、１．２４０μｍの複数のグレーティングを有す
る。次の高次のストークスオーダーの波長（１．３１０
μｍ）で、フィードバックが導入されないように注意し
なければならない。このために、光ファイバの端部はＷ
ＤＭカプラに融解スプライスされる。実験例１と比較し
て、Ｎｄ：ＹＡＧレーザからの１．０６４μｍＣＷ放射
の８００ｍＷのパワーで、光ファイバをポンピングする
と、１．３１μｍの信号放射で、２５ｄＢのゲインが得
られ、この信号放射は光ファイバの入力に結合され、光
ファイバの出力から放射される。
【００４１】実験例３． 実験例１の光ファイバを５０
０ｍを用意する。中心波長が１．０９μｍと１．６７μ
ｍの屈折率グレーティングを従来の手段により光ファイ
バに形成し、その結果、光学キャビティがこの２つの波
長に対して形成される。１．０９μｍのグレーティング
の両方と１．６７μｍグレーティングの一方は、約１０
０％の屈折率を有し、１．６７μｍのグレーティングの
他方は約５０％の反射率を有する。ダイオードポンプさ
れたＮｄ3+：ＹＬＦレーザは、１．３１３μｍの波長の
ＣＷポンプ放射を提供する。このポンプ放射は従来の手
段により、この光学キャビティ内に結合され、１．０９
μｍのアンティ−ストークス放射と４−光子ミキシング
による１．６７μｍのストークス放射を形成する。１．
６７μｍの波長の放射は、光ファイバの低屈折率端から
放射される。本発明の光学素子は、かくして、４−光子
ミキシングレーザである。
【００４２】実験例４． 実験例３の素子を用意する。
但し、１．０９μｍのキャビティのみが光ファイバ内に
形成される。その結果、１．６７μｍの放射に対して、
４−光子ミキシング増幅器が得られる。
【００４３】
【発明の効果】従来使用されたＮＬＩレーザあるいは増
幅器を本発明により配置して効率よく光通信を行うこと
のできる光通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるラマンレーザを有するシステムを
表す図。
【図２】本発明によるラマンレーザを有するシステムを
表す図。
【図３】本発明によるラマンレーザのスペクトルを表す
グラフ。
【図４】本発明によるラマン増幅器を有するシステムを
表す図。
【図５】本発明によるラマンレーザを有する遠隔地で光
学的にポンピングされ、増幅される光ファイバ通信シス
テムを表す図。
【図６】本発明を実現する際に用いられる光ファイバ屈
折率のプロファイルを表す図。
【図７】追加された往復損失の様々な値に対するラマン
レーザ出力の代表的データを表すグラフ。
【符号の説明】
１、２ 大陸 １０ ラマンレーザ １１ ポンプソース １２ ポンプ放射 １３ シングルモード光ファイバ １４ 放射 １８、１９ イン−ライン屈折率グレーティング ４１ 信号放射 ４２ ポンプ放射 ４３ 光ファイバ ４４ ポンプソース ５１ 送信器 ５２ 信号放射 ５３ 光ファイバ ５４ エルビュウムドープ光ファイバ ５５ 波長分割多重化装置 ５６ ラマンレーザ ５７ 受信器 ５８ ポンプ放射 １５１、１５２、１６１、１６２ イン−ライン屈折率
グレーティング １７１、１７２ イン−ライン屈折率グレーティング ２５１、２５２、２６１、２６２ イン−ライン屈折率
グレーティング ２７１、２７２ イン−ライン屈折率グレーティング ４１０ 増幅信号 ４５１、４５２、４６１、４６２ イン−ライン屈折率
グレーティング ４７１、４７２ イン−ライン屈折率グレーティング ５４０ 融解スプライス

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）光ファイバ（１３）と、 （ｂ）波長λpのポンプ放射（１２）を前記光ファイバ
    （１３）に導入する手段（１１）と、 （ｃ）所定の波長の放射用に光学キャビティを規定する
    離間配置された反射装置と、からなる光ファイバ増幅装
    置を有し、前記キャビティは少なくとも光ファイバの一
    部を含み、前記光ファイバからλpに等しくないλsの波
    長（１４）を放射し、 （ｄ）前記ポンプ放射は連続波放射で、 （ｅ）前記反射装置は、少なくとも２対の反射手段（１
    ５１、１５２と１６１、１６２）とを有し、 前記反射装置の各々は、反射バンドの中心波長を有し、 前記所定の対の２つの反射装置は、ほぼ同一の中心波長
    を有し、且つ、離間して配置され、 前記所定の対の反射装置は、前記所定の対の反射装置の
    中心波長に等しい波長の放射用の光学キャビティを規定
    し、 （ｆ）前記所定の光学キャビティに関連して、前記中心
    波長に等しい波長の放射に対し、最大１．５ｄＢの往復
    損失が追加されることを特徴とする光ファイバ増幅シス
    テム。
  2. 【請求項２】 前記光ファイバ（１３）は、シリカ系光
    ファイバで、 前記１対を構成する２個の反射装置は、前記光ファイバ
    内のイン−ライン光学屈折率グレーティングで、 前記２つの屈折率グレーティングは、少なくとも９８％
    のピーク反射率を有することを特徴とする請求項１のシ
    ステム。
  3. 【請求項３】 光ファイバ増幅装置は、ラマンレーザ、
    あるいはブリリュアンレーザで、 （ｉ）λsは、λpより大きく、 （ｉｉ）前記中心波長はλiで、ここで、ｉ＝１、……
    ｎで、ｎは２以上の整数で、 （ｉｉｉ）前記グレーティングは、λi＝λi-1＋Δλi
    となるように選択され、ここで、Δλiは光ファイバに
    関連したストークスバンド内の長さで、ｉ＝１の場合に
    は、λi-1はλpである （ｉｖ）λn≦λsであることを特徴とする請求項１のシ
    ステム。
  4. 【請求項４】 前記光ファイバ増幅装置は、波長λsを
    放射するラマン増幅器、あるいはブリリュアン増幅器
    で、 （ｉ）λsは、λpより大きく、 （ｉｉ）前記中心波長はλiで、ここで、ｉ＝１、……
    ｎで、ｎは２以上の整数で、 （ｉｉｉ）前記グレーティングは、λi＝λi-1＋Δλi
    となるように選択され、ここで、Δλiは光ファイバに
    関連したストークスバンド内の長さで、ｉ＝１の場合に
    は、λi-1はλpである （ｉｖ）λn≦λsであることを特徴とする請求項１のシ
    ステム。
  5. 【請求項５】 （ｉ）λsignalの波長の信号放射を生成
    する手段を有する送信器手段（５１）と、 （ｉｉ）前記送信器手段（５１）から離間して配置さ
    れ、λsignalの波長の信号放射を検知する手段を有する
    受信器手段（５７）と、 （ｉｉｉ）前記送信器手段（５１）と受信器手段（５
    ７）間で信号を伝送するように接続される光ファイバ伝
    送手段（５３）と、 （ｉｖ）前記ラマンレーザの波長λsの波長の出力放射
    を前記光ファイバ伝送手段（５３）に結合する手段（５
    ５）と、 をさらに有することを特徴とする請求項３のシステム。
  6. 【請求項６】 （ｉ）λsの波長の信号放射を生成する
    手段を有する送信器手段と、 （ｉｉ）前記送信器手段から離間して配置され、λsの
    波長の信号放射を検知する手段を有する受信器手段と、 （ｉｉｉ）前記送信器手段と受信器手段間で信号を伝送
    するように接続される光ファイバ伝送手段と、をさらに
    有し、 前記ラマン増幅器が、前記送信器手段と受信器手段間に
    配置され、 前記光ファイバが、前記光ファイバ伝送手段の一部を形
    成することを特徴とする請求項５の装置。
  7. 【請求項７】 前記少なくとも２対の反射装置の１つに
    関連する中心波長にほぼ等しい波長λseedのシード放射
    源と、 前記シード放射源を前記一対の反射装置により規定され
    た光学キャビティ内に結合する手段とをさらに有するこ
    とを特徴とする請求項１の装置。
  8. 【請求項８】 中心波長λn'≠λnを有する（ここで、
    λn'は、拡張ゲインバンド幅を増幅器に提供するよう選
    択され）一対の反射装置をさらに有することを特徴とす
    る請求項４の装置。
  9. 【請求項９】 前記中心波長は、λp以下であることを
    特徴とする請求項１のシステム。
  10. 【請求項１０】 前記光ファイバ増幅装置は、アンティ
    ーストークス・ラマン増幅器、あるいはラマン・レーザ
    であり、 λsは、λp以下である、 ことを特徴とする請求項９のシステム。
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