JP5063900B2 - ラマン利得測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラマン利得を測定する方法及び装置に関する。

非線形光学材料、例えばシリカガラスからなる光ファイバに強い光（ポンプ光）を入力すると、誘導ラマン散乱現象により、ポンプ光よりも１３ＴＨｚ（約１００ｎｍ）ほど長い波長帯で光増幅が起こる。この光増幅効果により信号光を低ノイズで増幅できる。この増幅器はラマン増幅器と呼ばれる。近年、ラマン増幅器は、短中距離の光ファイバ通信で伝送距離を延伸する手段として注目されている。

ラマン増幅器の利得がラマン利得と呼ばれる。また、１Ｗのポンプ光をラマン増幅媒体に入力した場合に、そのラマン増幅媒体を伝播する信号光が受けるラマン利得（ｄＢ）をラマン利得効率（ｄＢ／Ｗ）と呼ぶ。ラマン利得効率は、ラマン増幅媒体となる光ファイバのモードフィールド径、添加材とその量、及び水の吸収などによって左右される。

ラマン増幅器を設計し、又は実際に使用するには、ラマン利得又はラマン利得効率、若しくはラマン利得係数を精度良く測定する必要がある。ラマン利得は、ポンプ光がある場合の出力信号光のパワーとポンプ光が無い場合の出力信号光のパワーとの差で定義される。ラマン利得効率の測定方法が、非特許文献１，２，３に記載されている。ラマンポンプ光としてパルス光を使用することにより、ラマン利得を計測する方法が、特許文献１に記載されている。
特開２００４−３１７３３７号公報 N. R. Newbury, "Raman gain: pump-wavelength dependence in single mode-fiber," Opt. Lett. 27, 1232 (2002) C. J. S. de Matos, K. P. Hansen and J. R. Taylor, "Experimental characterization of Raman gain efficiency of holey fibre," Electron. lett. 39, 424 (2003) Z. Yusoff, J. H. Lee, W. Belardi, T. M. Monro, P. C. Teh and D. J. Richardson, "Raman effects in a highly nonlinear holey fiber: amplification and modulation," Opt. Lett. 27, 424 (2002)

ポンプ光をオン／オフするラマン利得の測定方法は、数ｋｍ乃至数十ｋｍにわたる長い光ファイバと、ハイパワーのポンプ光の何れか、通常は両方を必要とする。何れも入手するのは難しい。従来の方法では、被測定ファイバが短いか、又はポンプパワーが不十分な場合には、ラマン利得を精度良く計測できなかった。

本発明は、低パワーのポンプ光又は短いファイバでも精度良くラマン利得又はラマン利得係数を測定できる方法及び装置を提示することを目的とする。

本発明に係るラマン利得計測方法は、第１の周波数で強度変調されたプローブ波長のプローブ光を発生するプローブ光発生ステップと、当該プローブ光をラマン増幅媒体に供給するプローブ光供給ステップと、当該第１の周波数とは異なる第２の周波数で強度変調されたポンプ光であって、当該プローブ波長とは異なるポンプ波長のポンプ光を発生するポンプ光発生ステップと、当該ポンプ光を当該ラマン増幅媒体に供給するポンプ光供給ステップと、当該ラマン増幅媒体から出力される当該プローブ波長の光成分を電気信号に変換する変換ステップと、当該電気信号から当該第１の周波数の成分の振幅を検出する第１の検出ステップと、当該電気信号から当該第１の周波数と当該第２の周波数の和及び差の何れかに相当する周波数の成分の振幅を検出する第２の検出ステップと、当該第１及び第２の検出ステップで検出される両振幅の比に当該ラマン増幅媒体の実効断面積を反映する所定係数を乗算する演算により当該ラマン増幅媒体のラマン利得を演算する演算ステップとを具備することを特徴とする。

本発明に係るラマン利得計測装置は、ラマン増幅媒体と、第１の周波数で強度変調されたプローブ波長のプローブ光を発生し、当該ラマン増幅媒体に供給するプローブ光源と、当該第１の周波数とは異なる第２の周波数で強度変調されたポンプ光であって、当該プローブ波長とは異なるポンプ波長のポンプ光を発生するポンプ光源と、当該ポンプ光源から出力される当該ポンプ光を当該ラマン増幅媒体に供給する光カップラと、当該ラマン増幅媒体から出力される当該プローブ波長の光成分を電気信号に変換する受光器と、当該電気信号から当該第１の周波数の成分の振幅を検出する第１の検出装置と、当該電気信号から、当該第１の周波数と当該第２の周波数の和及び差の何れかに相当する周波数の成分の振幅を検出する第２の検出装置と、当該第１及び第２の検出装置の出力の比に当該ラマン増幅媒体の実効断面積を反映する所定係数を乗算する演算により当該ラマン増幅媒体のラマン利得を演算する演算装置とを具備することを特徴とする。

本発明により、低ポンプパワー及び／又はラマン増幅媒体の短い試料でも、精度良くラマン利得を計測できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例の概略構成ブロック図を示す。波長可変のレーザ１０は、ラマン利得の測定波長範囲、例えば、１５１０ｎｍ乃至１６５０ｎｍの範囲で連続レーザ発振可能であり、ラマン増幅されるべき信号光に相当するＣＷプローブ光又はテスト光を出力する。波長制御装置１２が、レーザ１０の発振波長を掃引する。レーザ１４は、ラマン増幅のポンプ光となるＣＷレーザ光を発生する。本実施例では、レーザ１４のレーザ発振波長は１４９０ｎｍである。レーザ１０の発振波長をλｓと表記し、レーザ１４の発振波長をλｐと表記する。

本実施例では、プローブ光とポンプ光を互いに異なる周波数で強度変調し、そのビート成分を使ってラマン利得を計測する。プローブ光の変調周波数ｆ_１とポンプ光の変調周波数ｆ_２が異なることにより、ラマン増幅媒体から出力されるプローブ光には、ラマン増幅された部分とラマン増幅されない部分が、出現する。

強度変調器１６は、クロック発生装置１８からのデューティ比５０％で周波数ｆ_１のクロックに従い、レーザ１０から出力されるＣＷプローブ光を矩形波変調する。同様に、強度変調器２０は、クロック発生装置２２からのデューティ比５０％で周波数ｆ_２のクロックに従い、レーザ１４から出力されるＣＷポンプ光を矩形波変調する。クロック発生装置１８，２２は、発振器２４の出力周波数に従い、それぞれ周波数ｆ_１，ｆ_２でデューティ比５０％のクロックを発生する。強度変調器１６，２０は電気的なものでも、機械的なものでもよい。機械的な強度変調器としては、いわゆるチョッパがある。本実施例の効果を実測する実験では、強度変調器１６，２０としてチョッパを使い、ｆ_１は２８３Ｈｚ、ｆ_２は３４０．６Ｈｚとした。

この実施例では、強度変調器１６，２０による強度変調が同期しているが、作用上は、同期している必要は無い。

強度変調器１６から出力される強度変調されたプローブ光は、ラマン増幅媒体２６に入射する。ＷＤＭ（波長分割多重）光カップラ２８が、強度変調器２０から出力される強度変調されたポンプ光を、ラマン増幅媒体２６に後側から入射する。ポンプ光をラマン増幅媒体２６にその前方から入射、即ちプローブ光の伝搬方向と同じ方向に伝搬するように入射してもよい。但し、前方入射の場合には、ポンプ光から微弱なプローブ光を分離するための消光比の高いＷＤＭ光フィルタが必要になる。

図２は、本実施例のタイミングチャートを示す。図２（ａ）は、矩形波変調されたポンプ光の波形例を示す。図２（ｂ）は、矩形波変調されたプローブ光の波形例を示す。図２（ｃ）は、図２（ａ）に示すポンプ光によるラマン増幅のオン／オフの変化を模式的に示す。図２（ｄ）は、ラマン増幅媒体２６から出力されるプローブ光の波形例を示す。ポンプ光が入射しているときに、ラマン増幅媒体２６は、ラマン増幅効果を示す。

光フィルタ３０は、ラマン増幅媒体２６の出力光からポンプ波長λｐの光を除去する。光フィルタ３０は、例えば、１５００ｎｍ以上の波長の光を透過する広帯域光フィルタからなる。受光器３２は、光フィルタ３０の出力光を電気信号に変換する。ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光の影響を除去したければ、光フィルタ３０を、波長制御装置１２により透過中心波長をレーザ１０の発振波長と等しい波長λｓに制御される光バンドパスフィルタとすればよい。

電気バンドパスフィルタ３４は、受光器３２の出力電気信号から周波数ｆ_１の成分を分離抽出し、電気バンドパスフィルタ３６は、受光器３２の出力電気信号から周波数（ｆ_１＋ｆ_２）の成分を分離抽出する。演算回路３８は、後述する数式に従い、フィルタ３４，３６の出力からラマン増幅媒体２６のラマン利得係数ｇ_Ｒを計算する。

本実施例によりラマン利得係数ｇ_Ｒを計測する原理を説明する。矩形波変調されたラマンポンプ光をＰ_ｐｕｍｐ（ｔ）、そのピーク強度をＰ_ｐとする。また、矩形波変調されたプローブ光をＰ_ｉ（ｔ）とし、そのピーク強度をＰ_ｓとする。フーリエ級数で表現すると、
P_i(t)=P_s/2+(2P_s/π)sin(ω₁t)+(2P_s/3π)sin(3ω₁T)+… （１）
P_pump(t)=P_P/2+(2P_P/π)sin(ω₂t+φ)+(2P_P/3π)sin(3ω₂T+3φ)+… （２）
但し、ω_１＝２πｆ_１、ω_２＝２πｆ_２である。

ラマン増幅媒体２６のファイバ長が、プローブ光及びポンプ光がその変調周波数の１周期内にラマン増幅媒体２６を通過できる程に短い場合、ラマン増幅媒体２６の波長λｓの出力光Ｐ_ｏ（ｔ）は、下記式で表される。即ち、
P_o(t)=P_i(t)exp{g_RL_effP_pump(t)/A_eff} （３）
但し、Ａ_ｅｆｆはラマン増幅媒体２６の実効断面積である。実効断面積Ａ_ｅｆｆは試料であるラマン増幅媒体２６の光伝送パラメータとして別に計測できる。Ｌ_ｅｆｆはラマン増幅媒体２６の実効ファイバ長であり、
L_eff=(1/α_P){1-exp(-α_PL)} （４）
で定義される。α_Ｐはポンプ波長λｐにおけるラマン増幅媒体２６の損失、Ｌはラマン増幅媒体２６の長さである。

式（３）に式（１），（２）を代入する。ラマン利得係数ｇ_Ｒが十分に小さいと仮定すると、
P_o(t)
≒P_i(t){1+g_RL_effP_pump(t)/A_eff}
＝P_P/2+P_sP_Pg_RL_eff/(4A_eff)+(2P_s/π)sin(ω₁t)+(P_sP_Pg_RL_eff/πA_eff)sin(ω₂t+φ)
+(4P_sP_Pg_RL_eff/π²A_eff)sin(ω₁t)sin(ω₂t+φ)+… （５）
となる。

(4P_sP_Pg_RL_eff/π²A_eff)sin(ω₁t)sin(ω₂t+φ)の項目は、角周波数ω_１＋ω_２の成分とω_１−ω_２の成分の和で表現されるが、何れの成分の振幅も、2P_sP_Pg_RL_eff/π²A_effである。

図１に示す実施例では、電気フィルタ３４は、角周波数ω₁の成分を分離抽出し、検波器３５が、フィルタ３４の出力の振幅Ｖ_１を検出する。電気フィルタ３６は、角周波数ω_１＋ω_２の成分を分離抽出し、検波器３７が、フィルタ３６の出力の振幅Ｖ_２を検出する。Ｖ_１とＶ_２の比は、
V₁/V₂＝(2P_s/π)／｛2P_sP_Pg_RL_eff/π²A_eff｝ （６）
となり、結局、
g_R＝（V₂/V₁）（πA_eff／P_PL_eff） （７）
となる。Ｐ_ＰとＬ_ｅｆｆとＡ_ｅｆｆは既知であるので、演算回路３８に予め入力しておく。演算回路３８は、検波器３５，３７の出力Ｖ_１，Ｖ_２と、予め入力したＰ_Ｐ、Ｌ_ｅｆｆ及びＡ_ｅｆｆとから、上記式に従いラマン利得係数ｇ_Ｒを算出する。

なお、ラマン増幅媒体２６のラマン利得は、g_RL_effP_Pであるので、演算回路３８が、このラマン利得g_RL_effP_Pを下記式
g_RL_effP_P ＝πA_eff（V₂/V₁）
に従って算出しても良い。

検波器３５，３７の出力Ｖ_１，Ｖ_２の比をとることで、プローブ光のパワーＰ_ｓの変動を相殺できる。

本実施例により、例えば、ポンプ光パワーを５ｍＷ程度のポンプ光パワーでも、ラマン利得を測定できた。図３は、測定例を示す。横軸はポンプ光のピークパワーＰ_Ｐを示し、縦軸は測定されたラマン利得を示す。ポンプ波長λｐは１４９０ｎｍ、プローブ光波長λｓは、１５９０ｎｍ、ラマン増幅媒体２６として５０ｍ長の分散補償ファイバを使用した。プローブ光の変調周波数は２８３Ｈｚ、ポンプ光の変調周波数は３４０Ｈｚである。

受光器３２の出力電気信号から周波数ｆ_１の成分と周波数ｆ_１＋ｆ_２の成分の振幅を検出するために、電気フィルタ３４，３６と検波器３５，３７を使用する実施例を説明したが、ロックインアンプを使用しても良い。図４は、そのような変更例の概略構成ブロック図を示す。図１と同じ構成要素には同じ符号を付してある。

図４に示す実施例では、ロックインアンプ４０が、受光器３２の出力電気信号から周波数ｆ_１に同期する成分の振幅Ｖ_１を検出し、ロックインアンプ４２が、受光器３２の出力電気信号から周波数ｆ_１＋ｆ_２に同期する成分の振幅Ｖ_２を検出する。ロックインアンプ４０の同期検出のために、クロック発生装置１８の出力クロックがロックインアンプ４０の同期信号入力端子に印加される。また、混合器４４は、クロック発生装置１８，２２の出力クロックを乗算して、周波数ｆ_１＋ｆ_２の成分を生成する。中心周波数ｆ_１＋ｆ_２の電気バンドパスフィルタ４６が、混合器４４の出力から周波数ｆ_１＋ｆ_２の成分を抽出して、ロックインアンプ４２の同期信号入力端子４２に印加する。ロックインアンプ４０，４２では、入力する同期信号の位相を適切に調節する。これにより、周波数ｆ_１，ｆ_１＋ｆ_２の成分の振幅を検出できる。

図５は、プローブ光とポンプ光の強度変調に機械式チョッパを使用した実施例の概略構成図を示す。図１及び図４に示す実施例と同じ構成要素には同じ符号を付してある。

チョッパ５０は、チョッパ板５２とチョッパ板５２を一定速度で回転させるモータ５４からなる。チョッパ板５２の平面図を図６に示す。チョッパ板５２は、外周側に均等に６個の開口５２ａを具備し、内周側に均等に５個の開口５２ｂを具備する。チョッパ板５２は、開口５２ａがレーザダイオード１０からのプローブ光を透過し、開口５２ｂが、レーザ１４からのポンプ光を透過する位置に配置されている。チョッパ制御回路５６は、チョッパ板５２の回転を検出するフォトカプラ５８の出力に従い、モータ５４を一定速度で回転させる。フォトカプラ５８以外の回転検出デバイスを使用しても良い。フォトカプラ５８のような回転検出デバイスとその出力による回転制御自体は、周知である。

チョッパ５０により、プローブ光は、周波数２８３Ｈｚ（＝ｆ_１）で矩形波変調され、ポンプ光は、周波数３４０Ｈｚ（ｆ_２）で矩形波変調される。

チョッパ制御回路５６は、モータ５４の回転に同期した周波数ｆ_１のクロックをロックインアンプ４０に印加し、モータ５４の回転に同期した周波数ｆ_１＋ｆ_２のクロックをロックインアンプ４２に印加する。
（その他）

周波数ｆ_１，ｆ_１＋ｆ_２の成分の振幅を検出する２つの方法を説明したが、その他の方法を採用しても良いことは明らかである。

プローブ光とポンプ光を矩形波変調する場合を説明したが、被変調波の波形は、その他の形状であってもよい。波形に応じた補正を演算回路３８内に組み込むか、又は演算回路３８の出力に施せばよい。

特定の説明用の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更・修整を施しうることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修整も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の第１実施例の概略構成ブロック図である。 本実施例の波形例を示すタイミングチャートである。 ポンプ光パワー対ラマン利得の実測例である。 本発明の第２実施例の概略構成ブロック図である。 本発明の第３実施例の概略構成ブロック図である。 チョッパ板５２の平面図である。

符号の説明

１０：波長可変レーザ
１２：波長制御装置
１４：ポンプレーザ
１６：強度変調器
１８：クロック発生装置
２０：強度変調器
２２：クロック発生装置
２４：発振器
２６：ラマン増幅媒体
２８：ＷＤＭ光カップラ
３０：光フィルタ
３２：受光器
３４，３６：電気バンドパスフィルタ
３５，３７：検波器
３８：演算回路
４０，４２：ロックインアンプ
４４：混合器
４６：電気バンドパスフィルタ
５０：チョッパ
５２：チョッパ板
５４：モータ
５６：チョッパ制御回路
５８：フォトカプラ

Claims (17)

1. 第１の周波数で強度変調されたプローブ波長のプローブ光を発生するプローブ光発生ステップと、
   当該プローブ光をラマン増幅媒体（２６）に供給するプローブ光供給ステップと、
   当該第１の周波数とは異なる第２の周波数で強度変調されたポンプ光であって、当該プローブ波長とは異なるポンプ波長のポンプ光を発生するポンプ光発生ステップと、
   当該ポンプ光を当該ラマン増幅媒体（２６）に供給するポンプ光供給ステップと、
   当該ラマン増幅媒体（２６）から出力される当該プローブ波長の光成分を電気信号に変換する変換ステップと、
   当該電気信号から当該第１の周波数の成分の振幅を検出する第１の検出ステップと、
   当該電気信号から当該第１の周波数と当該第２の周波数の和及び差の何れかに相当する周波数の成分の振幅を検出する第２の検出ステップと、
   当該第１及び第２の検出ステップで検出される両振幅の比に当該ラマン増幅媒体の実効断面積を反映する所定係数を乗算する演算により当該ラマン増幅媒体のラマン利得を演算する演算ステップ
   とを具備することを特徴とするラマン利得計測方法。
2. 当該第１の検出ステップが、当該電気信号から当該第１の周波数の成分を分離する第１の分離ステップと、第１の分離ステップで分離された成分の振幅を検出するステップとからなり、
   当該第２の検出ステップが、当該電気信号から当該第１の周波数と当該第２の周波数の和及び差の何れかに相当する周波数の成分を分離する第２の分離ステップと、当該第２の分離ステップで分離された成分の振幅を検出するステップからなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のラマン利得計測方法。
3. 当該第１の検出ステップが、当該第１の周波数の成分を同期検出するステップからなり、
   当該第２の検出ステップが、当該第１の周波数と当該第１の周波数の和に相当する周波数成分、及び、当該第１の周波数と当該第１の周波数の差に相当する周波数成分の何れかの周波数成分を同期検出するステップからなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のラマン利得計測方法。
4. 当該プローブ光発生ステップが、当該プローブ波長のＣＷプローブ光を発生するステップと、当該ＣＷプローブ光を強度変調するプローブ光強度変調ステップとからなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のラマン利得計測方法。
5. 当該プローブ光強度変調ステップが、当該ＣＷプローブ光を矩形波変調することを特徴とする請求項４に記載のラマン利得計測方法。
6. 当該ポンプ光発生ステップが、当該ポンプ波長のＣＷポンプ光を発生するステップと、当該ＣＷポンプ光を強度変調するポンプ光強度変調ステップとからなることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のラマン利得計測方法。
7. 当該ポンプ光強度変調ステップが、当該ＣＷポンプ光を矩形波変調することを特徴とする請求項６に記載のラマン利得計測方法。
8. 当該演算ステップは、当該第１及び第２の検出ステップで検出される両振幅の比、当該ラマン増幅媒体の実効断面積及び実効長、並びに当該ポンプ光のパワーから、当該ラマン利得のラマン利得係数を演算することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のラマン利得計測方法。
9. ラマン増幅媒体（２６）と、
   第１の周波数で強度変調されたプローブ波長のプローブ光を発生し、当該ラマン増幅媒体に供給するプローブ光源（１０，１６）と、
   当該第１の周波数とは異なる第２の周波数で強度変調されたポンプ光であって、当該プローブ波長とは異なるポンプ波長のポンプ光を発生するポンプ光源（１４，２０）と、
   当該ポンプ光源から出力される当該ポンプ光を当該ラマン増幅媒体（２６）に供給する光カップラ（２８）と、
   当該ラマン増幅媒体（２６）から出力される当該プローブ波長の光成分を電気信号に変換する受光器（３２）と、
   当該電気信号から当該第１の周波数の成分の振幅を検出する第１の検出装置（３４，４０）と、
   当該電気信号から、当該第１の周波数と当該第２の周波数の和及び差の何れかに相当する周波数の成分の振幅を検出する第２の検出装置（３６，４２）と、
   当該第１及び第２の検出装置の出力の比に当該ラマン増幅媒体の実効断面積を反映する所定係数を乗算する演算により当該ラマン増幅媒体のラマン利得を演算する演算装置（３８）
   とを具備することを特徴とするラマン利得計測装置。
10. 当該第１の検出装置が、当該電気信号から当該第１の周波数の成分を分離する第１の電気フィルタ（３４）と、当該第１の電気フィルタの出力の振幅を検出する第１の検波器と（３５）とを具備し、
    当該第２の検出装置が、当該電気信号から当該第１の周波数と当該第２の周波数の和及び差の何れかに相当する周波数の成分を分離する第２の電気フィルタ（３６）と、当該第２の電気フィルタの出力の振幅を検出する第２の検波器と（３７）を具備することを特徴とする請求項９に記載のラマン利得計測装置。
11. 当該第１の検出装置が、当該電気信号から当該第１の周波数の成分を同期検出する第１の同期検出器（４０）を具備し、
    当該第２の検出装置が、当該第１の周波数と当該第２の周波数の和及び差の何れかに相当する周波数の成分を同期検出する第２の同期検出器（４２）を具備する
    ことを特徴とする請求項９に記載のラマン利得計測装置。
12. 当該第１及び第２の同期検出器がそれぞれ、ロックインアンプからなることを特徴とする請求項１１に記載のラマン利得計測装置。
13. 当該プローブ光源が、当該プローブ波長のＣＷプローブ光を発生するプローブレーザ（１０）と、当該ＣＷプローブ光を強度変調する第１の光強度変調器（１６）とからなることを特徴とする請求項９乃至１２の何れか１項に記載のラマン利得計測装置。
14. 当該第１の光強度変調器が、当該ＣＷプローブ光を矩形波変調することを特徴とする請求項１３に記載のラマン利得計測装置。
15. 当該ポンプ光源が、当該ポンプ波長のＣＷポンプ光を発生するポンプレーザ（１４）と、当該ＣＷポンプ光を強度変調する第２の光強度変調器（２０）とからなることを特徴とする請求項９乃至１４の何れか１項に記載のラマン利得計測装置。
16. 当該第２の光強度変調器が、当該ＣＷポンプ光を矩形波変調することを特徴とする請求項１５に記載のラマン利得計測装置。
17. 当該演算装置は、当該第１及び第２の検出装置で検出される両振幅の比、当該ラマン増幅媒体の実効断面積及び実効長、並びに当該ポンプ光のパワーから、当該ラマン利得のラマン利得係数を演算することを特徴とする請求項９乃至１６の何れか１項に記載のラマン利得計測装置。

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