JP7417168B2

JP7417168B2 - 光増幅器励起装置

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Publication number: JP7417168B2
Application number: JP2022544926A
Authority: JP
Inventors: 広人川上; 昭一郎桑原; 由明木坂
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2024-01-18
Anticipated expiration: 2040-08-25
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Description

本発明は、光増幅器励起装置に関する。

高速大容量光伝送システムの設計においては、伝送路損失に伴う受信信号のＳＮ（signal-noise）劣化を低減することが重要となる。このため、中継器の中で、あるいは光伝送路そのものに光増幅を行わせることにより、伝送路損失を補償する様々な構成が考案されてきた。中でもエルビウムドープファイバを利得媒体として用いる光増幅器は、その簡便さのため、広く実用化されている。一方、ラマン効果を用いたラマンアンプは、広帯域な利得帯域を実現できるため、波長多重伝送方式への適応が積極的に試みられている。特に、光ファイバ伝送路そのものを利得媒体として活用する分布ラマン増幅は、既設の光ファイバを利得媒体として活用できるという大きな利点を有するため、次世代の高速大容量光通信への適用が期待されている。

図４は、分布ラマン増幅を用いた光伝送システム１の構成を示す図である。図４では双方向励起を想定している。光伝送路２は、前方励起部３によって出力された励起光Ｐ１により前方励起され、かつ、後方励起部４によって出力された他の励起光Ｐ２により後方励起される。

光送信器５は、信号光Ｐ３を送出する。ラマン増幅の場合、励起光の波長を、信号光の波長より０．１μｍほど短波長とする。通常は、励起光は信号光と同様に光伝送路２のコアの中を伝搬する。そのため、前方励起部３は信号光Ｐ３と同一方向に進む励起光Ｐ１を、信号光Ｐ３に多重する必要がある。一方、後方励起部４は信号光Ｐ３と逆方向に進む励起光Ｐ２を送出し、かつ信号光Ｐ４のみを分離して光受信器６へ送出させる必要がある。これらの多重及び分離は波長多重カプラあるいはサーキュレータで実現可能である。

図４では、双方向励起について説明したが、励起方向は前方のみ、あるいは後方のみでもよい。また、光伝送システム１は、前方励起部３を複数有してもよく、後方励起部４を複数有してもよい。また、光伝送路２の一部あるいは全てにエルビウムイオンをドープし、これを前述の前方励起部３及び後方励起部４によって遠隔励起することにより、分布ラマン増幅以外に由来する利得を同時に生じさせることも可能である。

ところで、ラマン増幅は偏波依存性を有する光学効果であるから、励起光が単一偏波である場合、信号光が受ける利得は偏波依存性を生じる。すなわち、信号光が光伝送路に入射する時点での偏波状態に応じて、光伝送路出力時の光パワが変化してしまう。この利得の変動幅をPolarization Dependent Gain（ＰＤＧ）とよぶ。ＰＤＧは、前方励起のみの構成において特に顕著に現れる。後方励起では、信号光と励起光との進行方向の違いにより偏波変動が光伝送路内で大きく異なるため、前方励起に比べＰＤＧは小さいが、しかしＰＤＧを完全に抑圧するためには何らかの手段が必要となる。

分布ラマン増幅を用いた光伝送システムにおいて安定した光伝送を行うためには、ＰＤＧを抑圧することが非常に重要となる。ＰＤＧを抑圧するための複数の手法が既に提案されているが、それらについて説明する前に、励起光の偏波がどのように定まるかについて簡単に説明を行う。

励起光が単一波長で、かつコヒーレンシーが高いと仮定する。励起光の進行方向に直交する平面上に、２つの直交軸Ｘ、Ｙをとる。軸の方向は任意である。励起光の光電界を、Ｘ及びＹ方向に分解すると２つの正弦波が得られる。これら２つの正弦波の周波数は励起光の波長によって定まる。しかしこれら２つの正弦波の振幅及び位相は必ずしも同一ではない。

これら２つの正弦波の位相が同相または逆相であるとき、励起光は直線偏波となる。直線偏波の場合、上記の２つの正弦波の振幅は一般に等しくはなく、直交軸Ｘ、Ｙの取り方によっては、片方の正弦波の振幅は０になる。これは直線偏波の場合、光電界がある特定の面（偏波面）内で振動するためである。

一方、上記の２つの正弦波の位相が９０度ずれており、かつ直交軸Ｘ、Ｙをどのように選んでもこれら２つの正弦波の振幅が等しいとき、励起光は円偏波となる。

励起光を生成する励起光源は、多くの場合レーザーが用いられ、励起光源出力直後の偏波は一般には直線偏波である。励起光が直線偏波である場合は、励起光の偏波面と直交する面ではラマン利得が生じないため、ラマン増幅のＰＤＧは極めて大きくなる。

現実には、励起光が光伝送路を伝搬する過程において、僅かな応力や温度変化により偏波変動が生じる。そのため、励起光が光伝送路の全ての地点で直線偏波を維持することはほぼあり得ない。しかし、伝搬の過程において直線偏波や他の偏波状態がランダムに遷移してゆくと、やはり無視できないＰＤＧが発生し、かつＰＤＧの大きさが時々刻々と変化するという、望ましくない状態が生じてしまう。

この問題を避けるために、従来のラマン増幅用の前方励起装置は例えば図５に示すような構成をとる。図５に示す前方励起装置９１は、例えば、図４の前方励起部３として用いられる。第１の励起光源１０１から出力される第１の励起光Ｐ１１と、第２の励起光源１０２から出力される第２の励起光Ｐ１２とは、Polarization Beam Combiner（ＰＢＣ）１０３によって偏波多重される。前述の通り、第１の励起光源１０１から出力された直後の第１の励起光と、第２の励起光源１０２から出力された直後の第２の励起光Ｐ１２とはそれぞれ直線偏波である。第１の励起光Ｐ１１及び第２の励起光Ｐ１２はＰＢＣ１０３により偏波多重され、偏波多重された励起光Ｐ１３は、励起光用光導波路１０４を介して励起光重畳部１０５へ入力される。

一方、信号光Ｐ１０は、信号光用光導波路１０６を介して励起光重畳部１０５へ入力される。励起光重畳部１０５は波長多重カプラで実現できる。励起光重畳部１０５は、信号光Ｐ１０と偏波多重された励起光Ｐ１３とを波長多重する。励起光重畳部１０５により波長多重された信号光Ｐ１５は、励起光出力ポート１０７から出力され、光伝送路（例えば、図４の光伝送路２）へと送られる。

図５に示した前方励起装置９１よって合波された信号光の偏波と励起光の偏波がどのような関係になるかを考える。近年の光伝送システムでは、周波数利用効率を上げるために信号光は偏波多重されていることが多いため、本明細書でも信号光は偏波多重されているものとして説明する。

偏波多重された２つの信号光の各々の偏波は、ポアンカレ球上で球の中心を挟んだ反対の位置にある。しかしその緯度と経度は、光導波路を伝搬する過程で偏波変動により変化する。互いに偏波面の直交する直線偏波の組（ポアンカレ球上では赤道上の２点）になっていることもあり得るし、右回り円偏波と左回り円偏波の組（ポアンカレ球上では北極と南極の２点）になっていることもあり得る。しかし説明を簡単にするために、本明細書では偏波多重された２つの信号光は偏波変動を受けず、光送信器出力直後と同様に互いに偏波面が直交する直線偏波の組であるものとする。

図６は、信号光の偏波状態を示す図である。図６（ａ）では、偏波多重された信号光Ｐ１０を信号光ｘ、信号光ｙとし、信号光Ｐ１０の進行方向に直交する平面内の直交座標軸をＸ_Ｓ、Ｙ_Ｓとしている。ここではＸ_Ｓ、Ｙ_Ｓが各々信号光ｘ、信号光ｙの偏波面と一致するように選んだ。

図６（ｂ）は、図５に示した第１の励起光Ｐ１１及び第２の励起光Ｐ１２を図６（ａ）と同様に示している。励起光の進行方向に直交する平面内の直交座標軸をＸ_Ｐ、Ｙ_Ｐとする。図６（ｂ）では、Ｘ_Ｐ、Ｙ_Ｐが各々第１の励起光Ｐ１１、第２の励起光Ｐ１２の偏波面と一致するように選んだ。

ここで注意すべきことは、信号光ｘ、信号光ｙは、第１の励起光Ｐ１１及び第２の励起光Ｐ１２の各励起光とは異なり、各々伝送信号として独立に変調されているため、コヒーレンシーは低くなっているということである。このため信号光ｘ、信号光ｙの相互干渉は一般には無視することができる。

これに対して第１の励起光Ｐ１１及び第２の励起光Ｐ１２として、通常は無変調な光を用いる。これらが完全に同一の光波長を有し、かつコヒーレンシーが高ければ、これら２つの励起光は偏波多重後に干渉して単一の偏波状態を生成してしまう。

例として、第１の励起光Ｐ１１と第２の励起光Ｐ１２の光位相差が９０度の状態で偏波多重されると、図６（ｃ）の合成された励起光＃１に示すような円偏波が生成される。合成された励起光＃１をＸ_Ｐ方向とＹ_Ｐ方向に分解するならば、同一の振幅の正弦波が得られる。ここで座標軸Ｘ_Ｐ、Ｙ_Ｐを任意の角度だけ回転させたとしても、やはり分解された正弦波の振幅は同一である。このため、合成された励起光＃１によって生じるラマン利得は等方的であり、信号光ｘと信号光ｙとは同一のラマン利得を受ける。このような場合にはＰＤＧは抑圧される。

次に、第１の励起光Ｐ１１と第２の励起光Ｐ１２の励起光が光位相差０度（同相）の状態で偏波多重されることを考える。その場合は、図６（ｄ）の合成された励起光＃２が示すように、直線偏波が生成される。ここで仮に、座標軸Ｘ_Ｐ、Ｙ_Ｐと座標軸Ｘ_Ｓ、Ｙ_Ｓとが同一方向ならば、合成された励起光＃２を各座標軸方向に分解すると同一の振幅の正弦波が得られるため、やはり信号光ｘと信号光ｙとは同一のラマン利得を受ける。このような場合にもＰＤＧは抑圧される。

現実には、各励起光の僅かな光位相の揺らぎや、ＰＢＣ１０３の入力ポートの温度変化による伸張が原因で、合成された励起光の偏波状態は不規則に変化する。またそもそも座標軸Ｘ_Ｐ、Ｙ_Ｐと座標軸Ｘ_Ｓ、Ｙ_Ｓとを同一視することは一般にはできない。この問題については、発明が解決しようとする課題で再び説明する。

光伝送路内での分布ラマン増幅のＰＤＧを抑圧するための他の従来構成として、インコヒーレントな励起光を用いる構成が複数提案されている。インコヒーレントな光は光電界に一貫性がなく、種々雑多な振幅と位相の合成となるため、偏波状態が定義できない無偏光状態となる。このため、信号光ｘと信号光ｙは均等な利得を受け、分布ラマン増幅のＰＤＧを抑圧することができる。

インコヒーレントな励起光を生成するには、自然放出光あるいはそれに近いブロードで連続的なスペクトルの光源を活用する方法がある（例えば、非特許文献１参照）。あるいは、レーザーとデポラライザの組み合わせにより、励起光のコヒーレンシーを人為的に劣化させる方法もある。

図７は、デポラライザを用いた従来の前方励起装置９２の構成を示す図である。デポラライザにも複数の構成があるが、ここでは特許文献１に記された構成で説明を行う。二入力型デポラライザ１１９は、第１の偏波保持カプラ１０８、偏波保持遅延部１０９、直交コネクタ１１０及び第２の偏波保持カプラ１１１により構成される。ここでは、第１の偏波保持カプラ１０８及び第２の偏波保持カプラ１１１は、パンダファイバで構成されるものとする。

第１の励起光源１０１から出力された直線偏波を有する第１の励起光Ｐ１１と、第２の励起光源１０２から出力された直線偏波を有する第２の励起光Ｐ１２とは、第１の偏波保持カプラ１０８が有する２つの入力ポートｉｎ１及び入力ポートｉｎ２のそれぞれに入力される。ここで、前述の２つの直線偏波の偏波面はパンダファイバのスロー軸及びファスト軸にそれぞれ一致するように入力される。この構成により、第１の偏波保持カプラ１０８の内部で第１の励起光Ｐ１１と第２の励起光Ｐ１２とが偏波多重される。

第１の偏波保持カプラ１０８が有する２つの出力ポートのうち片方は、偏波保持遅延部１０９に接続される。偏波保持遅延部１０９により、第１の励起光Ｐ１１及び第２の励起光Ｐ１２には偏波多重がなされた状態で遅延が与えられる。ここで、遅延時間は第１の励起光Ｐ１１及び第２の励起光Ｐ１２のコヒーレンス時間よりも十分長くとることが望ましい。偏波保持遅延部１０９の出力は、第２の偏波保持カプラ１１１が有する２つの入力ポートの片方に、直交コネクタ１１０を介して入力される。直交コネクタ１１０は、偏波保持遅延部１０９のファスト軸と第２の偏波保持カプラ１１１のスロー軸とを入れ替えるように両者を接続する。

第１の偏波保持カプラ１０８が有する２つの出力ポートの他方は、第２の偏波保持カプラ１１１のもつ２つの入力ポートの他方に、遅延部なしに直接接続される。この構成により、第２の偏波保持カプラ１１１の内部で、第１の励起光がそれ自身と偏波多重され、かつ第２の励起光がそれ自身と偏波多重される。このようにして、第１の偏波保持カプラ１０８により偏波多重された励起光はデポラライズされる。第２の偏波保持カプラ１１１は、このデポラライズされた励起光Ｐ１４を励起光用光導波路１０４に出力する。

各励起光のコヒーレンシーが高くとも、コヒーレンス時間より十分長い遅延時間を経たうえで自分自身と光位相を比較するならば相関は非常に小さくなる。よって、第２の偏波保持カプラ１１１の出力ポートでは、各励起光のデポラライズがなされる。

なお、二入力型デポラライザ１１９内部での相互干渉を避けるため、第１の励起光と第２の励起光の波長は一致させないことが望ましい。このような波長配置をとることにより、ラマン利得の帯域を拡大できるという利点もある。

また、第１の励起光源１０１または第２の励起光源１０２を省略し、単一の励起光源出力のみをデポラライズする構成とすることもできる。そのような構成を図８に示す。この場合は図７に示す二入力型デポラライザ１１９に代えて一入力型デポラライザ１２０を用いる。一入力型デポラライザ１２０の構成は二入力型デポラライザ１１９とほとんど同一であるが、第１の偏波保持カプラ１０８の入出力を１入力２出力とし、ｉｎ２は用いない。

特許第５７８８８１４号公報

T. Kobayashi, et al., "PDM-16QAM WDM Transmission with 2nd-Order Forward-Pumped Distributed Raman Amplification Utilizing Incoherent Pumping," Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), Tu3F.6 (2019).

しかしながら、上述した従来構成では、以下に説明するような問題点が生じる。

まず、図５に示した、励起光を偏波多重する従来構成について考える。
光伝送路を伝搬する光の偏波状態は、コア内の僅かな異方性や外部からの応力により常に変動するが、ラマン増幅では励起光と信号光の波長が全く異なるため、光伝送路内での偏波変動も互いに異なる量となる。光伝送路のある地点において、合成された励起光の偏波状態が図６（ｄ）に示すような直線偏波であったとする。この時、この直線偏波の偏波面と直交する方はラマン利得を持たない（図面に破線で示す）。

前述の通り図６に示す座標軸Ｘ_Ｐ、Ｙ_Ｐが座標軸Ｘ_Ｓ、Ｙ_Ｓと一致するとは限らない。これらが相互に４５度傾いているとすると、信号光ｘと信号光ｙの片方は大きなラマン利得を受け、他方はラマン利得を受けないために大きなＰＤＧが生じうるし、またＰＤＧの大きさは時々刻々変化しうるという望ましくない状態が生じる。

次に、励起光として自然放出光あるいはそれに近い、ブロードで連続的なスペクトルの光源を用いる従来構成について考える。こういった光源は、一般に光強度が低いため、ラマン増幅に必要となる強度を確保するために励起光専用の光増幅系を更に用いる必要があり（例えば、非特許文献１参照）、装置構成が大規模かつ複雑になるという問題がある。

最後に、励起光源としてレーザーを用い、デポラライザにより無偏光状態を作る図７又は図８の従来構成について考える。この構成ではデポラライザ内の偏波保持遅延部の遅延量が光源のコヒーレンス時間より長く必要であるため、数メートルから場合によっては数百メートルの長さの偏波保持ファイバを用いねばならない。偏波保持ファイバをボビンに巻いて励起部内に収容することになるが、ボビンの半径を小さくすると偏波保持ファイバの光損失が増大するため、装置の大型化を招くという問題がある。

上記事情に鑑み、本発明は、比較的小型の装置構成により安定した分布ラマン増幅を行うことができる光増幅器励起装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、利得媒体を前方励起又は後方励起するための光増幅器励起装置であって、複数の出力ポートから単一又は複数の波長の励起光を同時に出力する励起光生成部と、前記励起光生成部から出力される複数の前記励起光を偏波多重又は波長多重する励起光多重部と、前方励起の場合に、偏波多重又は波長多重された前記励起光と信号光とを多重し、後方励起の場合に、偏波多重又は波長多重された前記励起光が多重された信号光から前記信号光を分離する励起光重畳部と、前記励起光多重部により偏波多重又は波長多重された前記励起光を前記励起光重畳部に入力させる励起光用光導波路と、前方励起の場合に、前記励起光重畳部へ前記信号光を入力し、後方励起の場合に、前記励起光重畳部により分離された前記信号光が入力される信号光用光導波路と、前方励起の場合に、前記信号光と同一方向に伝搬するように前記励起光重畳部から前記利得媒体へ前記励起光を出力することにより、前記信号光に前記励起光を重畳させ、後方励起の場合に、前記信号光と逆方向に伝搬するように前記励起光重畳部から前記利得媒体へ前記励起光を出力することにより、前記信号光に前記励起光を重畳させる励起光出力ポートと、前記励起光多重部から出力される偏波多重又は波長多重された前記励起光を一括して偏波スクランブルし、偏波スクランブルされた励起光を前記励起光用光導波路へ出力する偏波スクランブラと、を備える光増幅器励起装置である。

また、本発明の一態様は、利得媒体を前方励起又は後方励起するための励起装置であって、単一の出力ポートから励起光を出力する単一励起光生成部と、前方励起の場合に、前記励起光と信号光とを多重し、後方励起の場合に、前記励起光が多重された信号光から前記信号光を分離する励起光重畳部と、前記励起光を前記励起光重畳部に入力させる励起光用光導波路と、前方励起の場合に、前記励起光重畳部へ前記信号光を入力し、後方励起の場合に、前記励起光重畳部により分離された前記信号光が入力される信号光用光導波路と、前方励起の場合に、前記信号光と同一方向に伝搬するように前記励起光重畳部から前記利得媒体へ前記励起光を出力することにより、前記信号光に前記励起光を重畳させ、後方励起の場合に、前記信号光と逆方向に伝搬するように前記励起光重畳部から前記利得媒体へ前記励起光を出力することにより、前記信号光に前記励起光を重畳させる励起光出力ポートと、前記単一励起光生成部から出力される励起光をデポラライズするデポラライズ部と、前記デポラライズ部から出力されるデポラライズされた励起光を偏波スクランブルし、偏波スクランブルされた前記励起光を前記励起光用光導波路へ出力する偏波スクランブラと、を備える光増幅器励起装置である。

本発明により、比較的小型の装置構成により、安定した光増幅、特に分布ラマン増幅が実現可能となるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態による前方励起装置の構成図である。第２の実施形態による前方励起装置の構成図である。第３の実施形態による前方励起装置の構成図である。光伝送システムの構成を示す図である。従来の前方励起装置の構成図である。信号光の偏波状態を示す図である。従来の前方励起装置の構成図である。従来の前方励起装置の構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、利得が偏波依存性を有するタイプの光増幅系において、利得媒体を励起する励起装置に関する。特に、本実施形態は、光伝送路そのものを利得媒体とする分布ラマン増幅を用いた光伝送システムにおいて、光伝送路を励起する励起装置に適する。なお、以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。また、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による前方励起装置１１の構成を示す図である。本実施形態の光伝送システムの構成は、例えば図４と同様である。この場合、前方励起装置１１は、図４における前方励起部３として用いられる。前方励起装置１１は、利得媒体を前方励起するための励起装置の一例である。

前方励起装置１１は、第１の励起光源１０１と、第２の励起光源１０２と、ＰＢＣ１０３と、励起光用光導波路１０４と、偏波スクランブラ１１２と、励起光重畳部１０５とを備える。前方励起装置１１が、図５に示す従来の前方励起装置９１と異なる点は、ＰＢＣ１０３と励起光用光導波路１０４との間に偏波スクランブラ１１２が配置されている点である。

第１の励起光源１０１は、直線偏波を有する第１の励起光Ｐ１１を出力する。第２の励起光源１０２は、直線偏波を有する第２の励起光Ｐ１２を出力する。第１の励起光源１０１及び第２の励起光源１０２は、例えば、レーザー光源である。第１の励起光Ｐ１１の波長と第２の励起光Ｐ１２の波長は、同じである。ＰＢＣ１０３は、第１の励起光Ｐ１１と第２の励起光Ｐ１２とを偏波多重する。ＰＢＣ１０３は、偏波多重された励起光Ｐ１３を、偏波スクランブラ１１２に出力する。

偏波スクランブラ１１２は、偏波変調部１１３と、電気信号発生部１１４とを備えて構成される。偏波変調部１１３は、第１の励起光Ｐ１１と第２の励起光Ｐ１２とが偏波多重された励起光Ｐ１３をＰＢＣ１０３から入力する。偏波変調部１１３は、例えば光導波路に応力を加えて複屈折を微小変更することにより実現される。偏波変調部１１３は、入力された光の偏波状態をポアンカレ球のある一点から他の点へ変更する機能を有する。ポアンカレ球上での移動方向を決めるために、通常は外部からの複数のコントロール信号を受ける必要がある。電気信号発生部１１４は、長周期の複数のコントロール信号を偏波変調部１１３に与えることにより、第１の励起光Ｐ１１の偏波状態と第２の励起光Ｐ１２の偏波状態とを一括してランダムにスクランブルする。これは、公知技術により実現される。

ここで、デポラライザと偏波スクランブラ１１２との違いについて説明する。デポラライザは、外部からのコントロールなしにパッシブに無偏光状態を生成可能である。これに対し、偏波スクランブラ１１２は、偏波変調部１１３をコントロールしない限りは偏波状態を変えることができない。このため、偏波スクランブラ１１２の入力光が高いコヒーレンシーを持つ場合においては、コントロール信号による変調よりも十分早い観測時間で観測するならば、偏波変調部１１３からの出力光はある偏波状態をもっており、無偏光状態とはいえない。

ＰＤＧを抑圧するという目的を達するためには、偏波変調部１１３による偏波変調速度は高速であるほどよい。どの程度の速度であれば充分であるかは、系全体の構成に依存するため一概には言えない。一つの目安として、励起光が光伝送路を伝搬するのに要する時間Ｔｐと、信号光が光伝送路を伝搬するのに要する時間Ｔｓとの差をΔＴと定義するとき、ΔＴの期間内にポアンカレ球を１周回以上回転することが望ましい。

偏波スクランブラ１１２により偏波スクランブルされた２波長の励起光Ｐ２１は、図５に示した従来例と同様に、励起光用光導波路１０４を通って、励起光重畳部１０５に入力される。

信号光Ｐ１０は、信号光用光導波路１０６を介して励起光重畳部１０５へ入力される。励起光重畳部１０５は、信号光Ｐ１０と、偏波スクランブルされた励起光Ｐ２１とを波長多重する。励起光重畳部１０５は、波長多重された信号光を励起光出力ポート１０７から出力する。励起光出力ポート１０７から出力された信号光は、光伝送路へ送られる。

なお市販の偏波スクランブラ１１２の場合、入力光の波長の上限及び下限が規格として定まっていることが多い。この規格内に、第１の励起光源１０１の波長及び第２の励起光源１０２の波長を収める必要がある。しかし、ラマン増幅の帯域を拡大する上で有利であるため、第１の励起光源１０１から出力される第１の励起光Ｐ１１の波長と第２の励起光源１０２から出力される第２の励起光Ｐ１２の波長とに若干の差を与える構成としてもよい。

（第２の実施形態）
先に説明した第１の実施形態では、偏波スクランブラ１１２に要求される偏波変調の速度が高くなる。また、デポラライズを用いた従来構成では、励起光のコヒーレンシーが高いと、偏波保持遅延部１０９を長くする必要があった。第２の実施形態では、デポラライザと偏波スクランブラを組み合わせることにより、これらの問題を同時に緩和することができる。本実施形態を第１の実施形態との差分を中心に説明する。

図２は、第２の実施形態の前方励起装置１２の構成を示す図である。例えば、前方励起装置１２は、図４における前方励起部３として用いられる。前方励起装置１２は、利得媒体を前方励起するための励起装置の一例である。

前方励起装置１２は、第１の励起光源１０１と、第２の励起光源１０２と、二入力型デポラライザ１１９と、偏波スクランブラ１１２と、励起光用光導波路１０４と、励起光重畳部１０５とを備える。前方励起装置１２と、図７に示す従来例の前方励起装置９１とが異なる点は、二入力型デポラライザ１１９の後段に偏波スクランブラ１１２を加えた点である。本実施形態では、デポラライズされた第１の励起光Ｐ１１及び第２の励起光Ｐ１２は、偏波スクランブラ１１２により偏波スクランブルされたうえで励起光用光導波路１０４に入力される。

二入力型デポラライザ１１９は、第１の偏波保持カプラ１０８と、偏波保持遅延部１０９と、直交コネクタ１１０と、第２の偏波保持カプラ１１１とを有する。第１の偏波保持カプラ１０８は、２つの入力ポートｉｎ１、ｉｎ２と、２つの出力ポートとを有する。入力ポートｉｎ１は、第１の励起光源１０１から出力された第１の励起光Ｐ１１を入力し、入力ポートｉｎ２は第２の励起光源１０２から出力された第２の励起光Ｐ１２を入力する。第１の偏波保持カプラ１０８は、第１の励起光Ｐ１１と第２の励起光Ｐ１２とを偏波多重し、偏波多重された第１の励起光Ｐ１１及び第２の励起光Ｐ１２を２つの出力ポートから出力する。第１の偏波保持カプラ１０８の一方の出力ポートからの出力は、偏波保持遅延部１０９により遅延が与えられる。直交コネクタ１１０は、偏波保持遅延部１０９の出力に、偏波保持遅延部１０９のファスト軸と第２の偏波保持カプラ１１１のスロー軸とを入れ替えるように両者を接続する。

第１の偏波保持カプラ１０８がもつ２つの出力ポートの他方は、第２の偏波保持カプラ１１１のもつ２つの入力ポートの他方に、遅延部なしに直接接続される。第２の偏波保持カプラ１１１の内部では、第１の励起光Ｐ１１がそれ自身と偏波多重され、かつ第２の励起光Ｐ１２がそれ自身と偏波多重されて、デポラライズされた励起光Ｐ１４が生成される。第２の偏波保持カプラ１１１は、デポラライズされた励起光Ｐ１４を出力する。

二入力型デポラライザ１１９の内部にある偏波保持遅延部１０９の長さが不足している場合、励起光Ｐ１４の無偏光化は不十分となる。これを補うため、前方励起装置１２は、偏波スクランブラ１１２を駆動してＰＤＧの抑圧を行う。偏波スクランブラ１１２の入力の段階で、二入力型デポラライザ１１９によりある程度の無偏光化は既に行われコヒーレンシーが劣化しているため、必要となる偏波変調の速度は第１の実施形態よりも緩和される。よって、異種のデバイスの組み合わせにより、装置の小型化及び動作速度の低減という、単純な足し合わせではない効果が生じる。

偏波スクランブラ１１２は、二入力型デポラライザ１１９から入力した励起光Ｐ１４を偏波スクランブルし、偏波スクランブルおよびデポラライズされた励起光Ｐ２２を出力する。偏波スクランブラ１１２から出力された励起光Ｐ２２は、図１に示した第１の実施形態と同様に、励起光用光導波路１０４を通って、励起光重畳部１０５に入力される。また、信号光Ｐ１０は、信号光用光導波路１０６を通って、励起光重畳部１０５に入力される。励起光重畳部１０５は、信号光Ｐ１０と励起光Ｐ２２とを波長多重する。励起光重畳部１０５は、波長多重した信号光を励起光出力ポート１０７から出力する。励起光出力ポート１０７から出力された信号光は、光伝送路へ送られる。

この実施形態においても、第１の励起光源１０１から出力される第１の励起光Ｐ１１の波長と第２の励起光源１０２から出力される第２の励起光Ｐ１２の波長とに若干の差を与えると、ラマン増幅の帯域を拡大する上で有利となる。

（第３の実施形態）
先に説明した第２の実施形態では、第１の励起光と第２の励起光を一括してデポラライズし、かつ一括して偏波スクランブルを行った。第３の実施形態では、Ｎ種類の励起光を一括してデポラライズし、かつ一括して偏波スクランブルを行う。ここでＮは２以上の整数である。本実施形態を第１及び第２の実施形態との差分を中心に説明する。

図３は、第３の実施形態の前方励起装置１３の構成を示す図である。例えば、前方励起装置１３は、図４における前方励起部３として用いられる。前方励起装置１３は、利得媒体を前方励起するための励起装置の一例である。

前方励起装置１３は、周波数変調部群１５０と、励起光源群１６０と、励起光用波長多重部１７０と、一入力型デポラライザ１２０と、偏波スクランブラ１１２と、励起光用光導波路１０４と、励起光重畳部１０５とを備える。前方励起装置１３が、図２に示す第２の実施形態の前方励起装置１２と異なる点の一つは、二入力型デポラライザ１１９に代えて一入力型デポラライザ１２０を用いる点である。一入力型デポラライザ１２０の構成は、第１の偏波保持カプラ１０８の入出力を１入力２出力とする点を除いて、図２に示す二入力型デポラライザ１１９の構成と同様である。一入力型デポラライザ１２０へ入力される励起光は、励起光用波長多重部１７０によって波長多重されている。

励起光源群１６０は、Ｎ個の励起光源１６１を有する。励起光源１６１は、例えば、レーザー光源である。図３では、ｎ番目（Ｎは１以上ｎ以下の整数）の励起光源１６１を、第ｎの励起光源１６１－ｎと記載している。第１の励起光源１６１－１から第Ｎの励起光源１６１－Ｎはそれぞれ、異なる波長の励起光を出力する。励起光源群１６０から出力されるＮ種の励起光は、励起光用波長多重部１７０により波長多重される。励起光用波長多重部１７０の出力光は、一入力型デポラライザ１２０が有する第１の偏波保持カプラ１０８により分岐される。分岐された片方の出力光は、偏波保持遅延部１０９によって一括して遅延を受けたのち、分岐されたもう片方の出力光である自分自身と第２の偏波保持カプラ１１１により偏波多重される。第２の偏波保持カプラ１１１は、偏波多重によりデポラライズされた出力光を偏波スクランブラ１１２に出力する。

複数の波長の励起光を使用することにより利得帯域を拡大できる。加えて、第１の励起光源１６１－１～第Ｎの励起光源１６１－Ｎの出力パワを微調整することにより、ラマン増幅のゲインスペクトルを容易に平坦化できるという効果がある。

また、本実施形態の前方励起装置１３と、第２の実施形態の前方励起装置１２とのもう一つの差分は、本実施形態の前方励起装置１３は励起光源群１６０のもつＮ台の励起光源１６１の各々に対して周波数変調を行う周波数変調部群１５０を用いる点にある。周波数変調部群１５０は、Ｎ台の周波数変調部１５１を有する。図３では、第ｎの励起光源１６１－ｎの周波数変調を行う周波数変調部１５１を、第ｎの周波数変調部１５１－ｎと記載している。

励起光の光スペクトルの線幅が数ＭＨｚ程度である場合、光伝送路内で誘導ブリルアン散乱が生じ、励起光の強度が不規則に変動する。前方励起の分布ラマン増幅において、励起光の強度変化は直ちに利得の不規則変動を引き起こすため、誘導ブリルアン散乱の抑圧は重要である。誘導ブリルアン散乱の抑圧は、励起光に変調を加えて線幅を広げることで可能となる。

本実施形態では偏波スクランブラ１１２による偏波変調によって励起光の光スペクトルが拡大し、誘導ブリルアン散乱が発生しづらくなるという副次的な効果がある。しかし、偏波スクランブラ１１２を用いてもなお誘導ブリルアン散乱が発生する場合は、周波数変調部群１５０に含まれるＮ台の周波数変調部１５１によって励起光源群１６０に含まれるＮ台の励起光源１６１の励起電流を直接変調し、各励起光の光スペクトルの線幅を拡大することによって、誘導ブリルアン散乱を抑圧することができる。

拡大後の光スペクトルの線幅は、ブリルアン散乱の利得帯域（約５０ＭＨｚ）を超えることが望ましい。しかし、光源の直接変調による周波数変調は強度変化も同時にもたらすことが多いため、この強度変化が十分小さくなるよう変調効率を定める必要がある。

偏波スクランブラ１１２から出力された励起光は、図２に示した第２の実施形態と同様に、励起光用光導波路１０４を通って、励起光重畳部１０５に入力される。

（各実施形態のバリエーション）
各実施形態では、偏波スクランブラ１１２を励起光用光導波路１０４の入力に配置した。しかし、偏波スクランブラ１１２を信号光用光導波路１０６に配置して信号光Ｐ１０を偏波スクランブルする構成としても同一の効果が得られる。また、偏波スクランブラ１１２を複数用いて、励起光と信号光Ｐ１０の各々に別の偏波スクランブルを与える構成としてもよい。

また上述した各実施形態では、２つ以上の励起光源を用いているが、単一の励起光源を用いる構成としてもよい。第２の実施形態において単一の励起光源を用いる場合、前方励起装置１２は、二入力型デポラライザ１１９に代えて、一入力型デポラライザ１２０を備える。

また上述した各実施形態では、光伝送路内で分布ラマン増幅を行うものとして説明を行ったが、集中利得型のラマン増幅の励起に用いてもよく、またラマン以外の光増幅に用いてもよい。

また各実施形態では、前方励起装置として説明を行ったが、信号光の進行方向を逆にすることにより、利得媒体を後方励起するための後方励起装置として用いてもよい。例えば、後方励起装置は、図４における後方励起部４として用いられる。後方励起装置として用いる場合、励起光重畳部１０５として波長多重カプラに代えてサーキュレータを用いてもよい。励起光出力ポート１０７は、励起光重畳部１０５から出力される励起光を光伝送路に出力し、光伝送路から信号光用光導波路１０６の方向へ伝送する信号光に励起光を重畳する。励起光重畳部１０５は、励起光が重畳された信号光を伝送路から入力し、入力した信号光から励起光を分離する。励起光重畳部１０５は、励起光が分離された信号光を信号光用光導波路１０６に出力する。

本実施形態は、図４に示す光伝送システム１に適用されるが、光伝送システム１の励起方向は前方のみ、あるいは後方のみでもよい。また、光伝送路２の一部あるいは全てにエルビウムイオンをドープし、これを上述した実施形態の前方励起装置及び後方励起装置によって遠隔励起することにより、分布ラマン増幅以外に由来する利得を同時に生じさせてもよい。すなわち、実施形態の利得媒体は、光伝送路２の全体又は一部である。

本実施形態によれば、比較的小型の構成により、光増幅におけるＰＤＧの抑圧、特に分布ラマン増幅におけるＰＤＧの抑圧を可能とする光増幅器励起装置を実現することができる。

以上説明した実施形態によれば、利得媒体を前方励起又は後方励起するための光増幅器励起装置は、励起光生成部と、励起光多重部と、励起光重畳部と、励起光用光導波路と、信号光用光導波路と、励起光出力ポートと、偏波スクランブラとを有する。励起光生成部は、複数の出力ポートから単一又は複数の波長の励起光を出力する。励起光多重部は、励起光生成部から出力される複数の励起光を偏波多重又は波長多重する。励起光重畳部は、前方励起の場合に、偏波多重又は波長多重された励起光と信号光とを多重し、後方励起の場合に、偏波多重又は波長多重された励起光が多重された信号光から信号光を分離する。励起光用光導波路は、励起光多重部により偏波多重又は波長多重された励起光を励起光重畳部に入力させる。信号光用光導波路は、前方励起の場合に、励起光重畳部へ信号光を入力し、後方励起の場合に、励起光重畳部により分離された信号光が入力される。励起光出力ポートは、前方励起の場合に、信号光と同一方向に伝搬するように励起光重畳部から利得媒体へ励起光を出力することにより、信号光に励起光を重畳させる。また、励起光出力ポートは、後方励起の場合に、信号光と逆方向に伝搬するように励起光重畳部から利得媒体へ励起光を出力することにより、信号光に励起光を重畳させる。偏波スクランブラは、励起光多重部から出力される偏波多重又は波長多重なされた励起光を一括して偏波スクランブルし、偏波スクランブルされた励起光を励起光用光導波路へ出力する。

また、以上説明した実施形態によれば、利得媒体を前方励起又は後方励起するための光増幅器励起装置は、単一励起光生成部と、励起光重畳部と、励起光用光導波路と、信号光用光導波路と、励起光出力ポートと、デポラライズ部と、偏波スクランブラとを備える。単一励起光生成部は、単一の出力ポートから励起光を出力する。励起光重畳部は、前方励起の場合に、励起光と信号光とを多重し、後方励起の場合に、励起光が多重された信号光から信号光を分離する。励起光用光導波路は、励起光を励起光重畳部に入力させる。信号光用光導波路は、前方励起の場合に、励起光重畳部へ信号光を入力し、後方励起の場合に、励起光重畳部により分離された信号光が入力される。励起光出力ポートは、前方励起の場合に、信号光と同一方向に伝搬するように励起光重畳部から利得媒体へ励起光を出力することにより、信号光に励起光を重畳させる。また、励起光出力ポートは、後方励起の場合に、信号光と逆方向に伝搬するように励起光重畳部から利得媒体へ励起光を出力することにより、信号光に励起光を重畳させる。デポラライズ部は、単一励起光生成部から出力される励起光をデポラライズする。偏波スクランブラは、デポラライズ部から出力されるデポラライズされた励起光を偏波スクランブルし、偏波スクランブルされた励起光を励起光用光導波路へ出力する。

なお、光増幅器励起装置は、単一励起光生成部に代えて、複数の出力ポートから単一又は複数の波長の励起光を同時に出力する励起光生成部を備えてもよい。この場合、光増幅器励起装置は、デポラライズ部の内部又は入力部分に励起光多重部を備えてもよい。励起光多重部は、励起光生成部から出力される複数の励起光を偏波多重又は波長多重する。デポラライズ部の内部に備えられる励起光多重部は、例えば、実施形態の第１の偏波保持カプラ１０８であり、デポラライズ部の入力部分に備えられる励起光多重部は、例えば、実施形態の励起光用波長多重部１７０である。

また、単一励起光生成部又は励起光生成部は、１台以上のレーザー光源を有してもよい。この場合、光増幅器励起装置は、レーザー光源を変調することによりレーザー光源の出力光スペクトルの線幅を広げる１台以上の周波数変調部を更に備える。

また、励起装置は信号光の偏波状態をスクランブルさせる信号光用偏波スクランブラを更に備えてもよい。信号光用偏波スクランブラは、信号光用光導波路に接続される。信号光用偏波スクランブラは、例えば、信号光用光導波路１０６に配置された偏波スクランブラ１１２である。

また、励起部から出力される励起光により信号光を前方励起又は後方励起する利得媒体は、光伝送路の全体またはその一部である。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１…光伝送システム、２…光伝送路、３…前方励起部、４…後方励起部、５…光送信器、６…光受信器、１１…前方励起装置、１２…前方励起装置、１３…前方励起装置、９１…前方励起装置、９２…前方励起装置、１０１…第１の励起光源、１０２…第２の励起光源、１０３…ＰＢＣ、１０４…励起光用光導波路、１０５…励起光重畳部、１０６…信号光用光導波路、１０７…励起光出力ポート、１０８…第１の偏波保持カプラ、１０９…偏波保持遅延部、１１０…直交コネクタ、１１１…第２の偏波保持カプラ、１１２…偏波スクランブラ、１１３…偏波変調部、１１４…電気信号発生部、１１９…二入力型デポラライザ、１２０…一入力型デポラライザ、１５０…周波数変調部群、１５１－１…第１の周波数変調部、１５１－Ｎ…第Ｎの周波数変調部、１６０…励起光源群、１６１－１…第１の励起光源、１６１－Ｎ…第Ｎの励起光源、１７０…励起光用波長多重部

Claims

利得媒体を前方励起又は後方励起するための光増幅器励起装置であって、
複数の出力ポートから単一又は複数の波長の励起光を同時に出力する励起光生成部と、
前記励起光生成部から出力される複数の前記励起光を偏波多重又は波長多重する励起光多重部と、
前方励起の場合に、偏波多重又は波長多重された前記励起光と信号光とを多重し、後方励起の場合に、偏波多重又は波長多重された前記励起光が多重された信号光から前記信号光を分離する励起光重畳部と、
前記励起光多重部により偏波多重又は波長多重された前記励起光を前記励起光重畳部に入力させる励起光用光導波路と、
前方励起の場合に、前記励起光重畳部へ前記信号光を入力し、後方励起の場合に、前記励起光重畳部により分離された前記信号光が入力される信号光用光導波路と、
前方励起の場合に、前記信号光と同一方向に伝搬するように前記励起光重畳部から前記利得媒体へ前記励起光を出力することにより、前記信号光に前記励起光を重畳させ、後方励起の場合に、前記信号光と逆方向に伝搬するように前記励起光重畳部から前記利得媒体へ前記励起光を出力することにより、前記信号光に前記励起光を重畳させる励起光出力ポートと、
前記励起光多重部から出力される偏波多重又は波長多重された前記励起光を一括して偏波スクランブルし、偏波スクランブルされた励起光を前記励起光用光導波路へ出力する偏波スクランブラと、
を備え、
前記偏波スクランブラは、光導波路からなる偏波変調部と、電気信号発生部とを備え、前記電気信号発生部がコントロール信号を前記偏波変調部に与え、前記偏波変調部の光導波路の複屈折を変更することにより、入力された前記励起光の偏波状態を変更する光増幅器励起装置。
利得媒体を前方励起又は後方励起するための光増幅器励起装置であって、
単一の出力ポートから励起光を出力する単一励起光生成部と、
前方励起の場合に、前記励起光と信号光とを多重し、後方励起の場合に、前記励起光が多重された信号光から前記信号光を分離する励起光重畳部と、
前記励起光を前記励起光重畳部に入力させる励起光用光導波路と、
前方励起の場合に、前記励起光重畳部へ前記信号光を入力し、後方励起の場合に、前記励起光重畳部により分離された前記信号光が入力される信号光用光導波路と、
前方励起の場合に、前記信号光と同一方向に伝搬するように前記励起光重畳部から前記利得媒体へ前記励起光を出力することにより、前記信号光に前記励起光を重畳させ、後方励起の場合に、前記信号光と逆方向に伝搬するように前記励起光重畳部から前記利得媒体へ前記励起光を出力することにより、前記信号光に前記励起光を重畳させる励起光出力ポートと、
前記単一励起光生成部から出力される励起光をデポラライズするデポラライズ部と、
前記デポラライズ部から出力されるデポラライズされた励起光を偏波スクランブルし、偏波スクランブルされた前記励起光を前記励起光用光導波路へ出力する偏波スクランブラと、
を備え、
前記偏波スクランブラは、光導波路からなる偏波変調部と、電気信号発生部とを備え、前記電気信号発生部がコントロール信号を前記偏波変調部に与え、前記偏波変調部の光導波路の複屈折を変更することにより、入力された前記励起光の偏波状態を変更する光増幅器励起装置。
前記単一励起光生成部に代えて、複数の出力ポートから単一又は複数の波長の励起光を同時に出力する励起光生成部を備え、
前記デポラライズ部の内部又は前記デポラライズ部の入力部分において、前記励起光生成部から出力される複数の前記励起光を偏波多重又は波長多重する励起光多重部を更に備え、
前記偏波スクランブラは、前記デポラライズ部から出力される偏波多重又は波長多重された信号を一括して偏波スクランブルした後に前記励起光用光導波路へ出力する、
請求項２に記載の光増幅器励起装置。
前記励起光生成部は、１台以上のレーザー光源を有し、
前記レーザー光源を直接変調することにより前記レーザー光源の出力光スペクトルの線幅を広げる１台以上の周波数変調部を更に有する、
請求項１又は請求項３に記載の光増幅器励起装置。
前記単一励起光生成部は、１台以上のレーザー光源を有し、
前記レーザー光源を直接変調することにより前記レーザー光源の出力光スペクトルの線幅を広げる１台以上の周波数変調部を更に有する、
請求項２に記載の光増幅器励起装置。
前記信号光の偏波状態をスクランブルさせる信号光用偏波スクランブラを更に備え、
前記信号光用偏波スクランブラは、前記信号光用光導波路に接続される、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光増幅器励起装置。
前記利得媒体は、光伝送路の全体又はその一部である、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光増幅器励起装置。