JP7810929B2 - 光増幅装置及び励起光発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、光増幅器の励起手段に関する。
本願は、２０２２年９月１４日に、日本に出願されたＰＣＴ／ＪＰ２０２２／０３４３６８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

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-to-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、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がなされている。

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１４は、分布ラマン増幅を用いた従来の光伝送システム１０００の構成例を示す図である。図１４に示す光伝送システム１０００は、光送信器１００と、光受信器２００と、前方励起光発生部３００と、後方励起光発生部４００と、前方励起光多重部３１０と、後方励起光多重部４１０とを備える。光送信器１００及び光受信器２００は、光伝送路５００を介して接続される。光伝送システム１０００では、双方向励起を想定している。そのため、図１４に示す光伝送システム１０００の光伝送路５００では、前方励起光発生部３００によって出力された励起光により前方励起され、かつ後方励起光発生部４００によって出力された他の励起光により後方励起される。その結果、光送信器１００から送出された光信号は増幅されて光受信器２００に到達する。

ラマン増幅の場合、励起光の波長は光信号の波長より０．１μｍほど短波長とする。通常、励起光は、光信号と同様に光伝送路５００のコアの中を伝搬させるため、前方励起光多重部３１０は光信号と同一方向に進む励起光を光信号に多重する必要がある。一方、後方励起光多重部４１０は、光信号と逆方向に進む励起光を光伝送路５００へ送出し、かつ光信号のみを分離して光受信器２００へ送出させる必要がある。これらの多重および分離は、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。なお、図１４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。

ラマン増幅のゲインは、励起光源から出力される励起光の光強度で定まる。このため、ゲインを微調整するためには、励起光の光強度を微調整することで可能となる。一方、ラマン増幅の利得帯域は励起光源から出力される励起光の波長で定まる。通常、ラマン増幅の励起光源として半導体レーザが用いられるが、その光強度および波長の調整は励起電流および温度を調整することによって可能となる。

ところで、ラマン増幅の励起光源として用いられる半導体レーザは、多くの場合、マルチモードレーザである。マルチモードレーザの出力は、単一の波長ではなく、複数の波長の光が同時に発光している。これらの複数の光を縦モードと呼ぶ。励起電流と温度の変更により、各縦モードの強度と波長は変化する。ただし縦モードの光周波数間隔はマルチモードレーザのキャビティ長で決まるため、概ね同じ値を保つ。

ラマン増幅のゲインを決めるもう一つの要因に、励起光の偏波がある。ラマン増幅は偏波依存性を有する光学効果であるため、励起光が単一偏波である場合、あるいは励起光が無偏光化されてはいるが理想的な無偏光化がなされていない場合、光信号の受ける利得が偏波依存性を生じてしまう。すなわち、光信号が光伝送路５００に入射する時点での偏波状態に応じて、ゲインが変化し、増幅される光信号の光強度が変化してしまう。このゲインの変動幅をＰＤＧ（Polarization Dependent Gain）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、光信号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、しかし完全に抑圧するためには何らかの手段が必要となる。

ＰＤＧを抑圧するための手段の一つとして、前方励起光発生部３００又は後方励起光発生部４００の内部で、偶数個のマルチモードレーザの出力を偏波多重して無偏光な状態にすることが行われている。図１５は、前方励起光発生部３００又は後方励起光発生部４００の内部において、２台のマルチモードレーザが備えられている場合の構成例を示す図である。図１５では、前方励起光発生部３００の内部に、２台のマルチモードレーザが備えられている場合を例に示している。なお、図１５に示す構成は、後方励起光発生部４００の内部に備えられてもよい。

前方励起光発生部３００は、第１のマルチモードレーザ１０と、第２のマルチモードレーザ１１と、第１の励起電流・温度コントローラ１２と、第２の励起電流・温度コントローラ１３と、第１の偏波保持光導波路１４と、第２の偏波保持光導波路１５と、ＰＢＣ（Polarization Beam Combiner）１６とを備える。第１のマルチモードレーザ１０及び第２のマルチモードレーザ１１は、それぞれ第１の励起電流・温度コントローラ１２及び第２の励起電流・温度コントローラ１３によって波長と光強度が制御される。第１のマルチモードレーザ１０は、第１の励起電流・温度コントローラ１２によって制御された波長と光強度の第１の励起光を出力する。第２のマルチモードレーザ１１は、第２の励起電流・温度コントローラ１３によって制御された波長と光強度の第２の励起光を出力する。

第１のマルチモードレーザ１０から出力された第１の励起光は、第１の偏波保持光導波路１４を伝搬してＰＢＣ１６に入力される。さらに、第２のマルチモードレーザ１１から出力された第２の励起光は、第２の偏波保持光導波路１５を伝搬してＰＢＣ１６に入力される。ＰＢＣ１６は、入力された第１の励起光と第２の励起光とを偏波多重して、無偏光化された励起光を出力する。

なお、ＰＤＧを抑圧するための他の手段として、非特許文献１に記載されたパッシブな光回路によるデポラライザを用いることも出来る。具体的な説明は、ここでは割愛する。

ここで、ラマン増幅を安定して行うためには、第１の励起光と第２の励起光には以下の３つの条件が生じる。
（第１の条件）
第１の励起光と第２の励起光の中心波長は、概ね同一でなければならない。
（第２の条件）
第１の励起光と第２の励起光の光強度は同一でなければならない。
（第３の条件）
第１の励起光の縦モードと第２の励起光の縦モードをオーバーラップしないように配置しなければならない。

第１の条件を満たす必要がある理由は、第１の励起光と第２の励起光が光伝送路５００を伝搬する過程で、光伝送路５００の僅かな異方性により偏波回転が生じるが、偏波回転には波長依存性があるため、第１の励起光と第２の励起光の中心波長が異なると両者の偏波直交性が保持できなくなるためである。第２の条件を満たす必要がある理由は、第１の励起光と第２の励起光の光強度が異なると、ＰＤＧが生じるためである。第３の条件を満たす必要がある理由は、第１の励起光の縦モードと第２の励起光の縦モードがオーバーラップするとラマン増幅によって増幅された光に大きな雑音が重畳されてしまうためである（例えば、非特許文献２参照）。この雑音の発生の原因は、非特許文献１にて論じられている合成偏波（synthesized polarization）の変動によって説明できるが、ここでは詳細は割愛する。この雑音の発生を抑圧するためには、図１６に示すように、第１のマルチモードレーザ１０と第２のマルチモードレーザ１１のもつ各縦モードを互い違いになるよう配置すればよいことが非特許文献２にて示されている。

図１６は、第１のマルチモードレーザ１０と第２のマルチモードレーザ１１それぞれから出力される光スペクトルの模式図である。図１６では、第１のマルチモードレーザ１０から出力される縦モードの光周波数を、ｆ_１＿１、ｆ_１＿２、・・・ｆ_１＿５と表記する。同様に、図１６では、第２のマルチモードレーザ１１から出力される縦モードの光周波数を、ｆ_２＿１、ｆ_２＿２、・・・ｆ_２＿５と表記する。

Hiroto kawakami他, "Suppression of Intensity Noises in Forward-pumped Raman Amplifier Utilizing Depolarizer for Multiple Pump Laser Sources,"J. Lightw. Technol., Vol.39, PP.7417-7426, 2021． Catherine Martinelli他, "RIN Transfer in Copumped Raman Amplifiers Using Polarization-Combined Diodes,"Photonics. Technol. Lett., Vol.17, PP.1836-1838, 2005．

しかしながら、図１５に示す従来の構成では、以下に説明するような問題点が生じる。マルチモードレーザの各縦モードの光周波数と強度は、前述のとおり３つの条件を満たす必要がある。レーザの選定、励起電流及び温度の調整によって３つの条件の１つ又は２つを満たすことは比較的容易に実現することができる。しかし、励起電流と温度の調整は、各縦モードの光周波数と強度の両者に影響を与えるため、上記の３つの条件を全て同時に満たすことは難しい。仮に、３つの条件を全て満たすことが出来たとしても、ラマン増幅の利得に変更の必要が生じた場合には、微調整を再度やり直す必要が生じる。

さらに、他の問題として、各縦モードを互い違いに並べた場合、光伝送路５００の内部で、励起光の複数の縦モードと光信号とで４つの光信号が混合（４波混合）してしまい、信号劣化の要因となる。前述のとおり光信号と励起光は０．１μｍ離れており、通常はこれだけ離れた波長間隔で生じる４波混合は無視できるが、ラマン増幅に用いられる励起光は一般に極めてハイパワであるため、信号品質に与える影響が無視できないという問題があった。

上記事情に鑑み、本発明は、偶数個のマルチモードレーザの出力を偏波多重して得られた励起光でラマン増幅を行うにあたり、増幅された光信号の信号品質劣化を抑圧することができる技術の提供を目的としている。

本発明の一態様は、第１の励起光を出力する第１のマルチモードレーザと、第２の励起光を出力する第２のマルチモードレーザと、前記第１のマルチモードレーザの温度および励起電流を制御する第１の励起電流・温度コントローラと、前記第２のマルチモードレーザの温度および励起電流を制御する第２の励起電流・温度コントローラと、前記第１の励起光を入力として、前記第１の励起光の偏波状態を直線偏波に保ったまま光強度を調整して出力する第１の偏波保持光可変アッテネータと、前記第２の励起光を入力として、前記第２の励起光の偏波状態を直線偏波に保ったまま光強度を調整して出力する第２の偏波保持光可変アッテネータと、前記第１の偏波保持光可変アッテネータにより光強度が調整された前記第１の励起光と、前記第２の偏波保持光可変アッテネータにより光強度が調整された前記第２の励起光とを偏波多重して出力する偏波多重回路と、を備え、前記第１の励起電流・温度コントローラ及び前記第２の励起電流・温度コントローラは、前記第１の励起光に含まれる縦モードと前記第２の励起光に含まれる縦モードとがオーバーラップしないように前記第１のマルチモードレーザおよび第２のマルチモードレーザの励起電流又は温度の少なくともいずれかを制御し、前記第１の偏波保持光可変アッテネータ及び前記第２の偏波保持光可変アッテネータは、前記第１の励起光および第２の励起光の強度が等しくなるように制御する、励起光発生装置である。

本発明の一態様は、第１の励起光を出力する第１のマルチモードレーザと、第２の励起光を出力する第２のマルチモードレーザと、前記第１のマルチモードレーザの温度および励起電流を制御する第１の励起電流・温度コントローラと、前記第２のマルチモードレーザの温度および励起電流を制御する第２の励起電流・温度コントローラと、前記第１の励起光を入力として、前記第１の励起光の偏波状態を直線偏波に保ったまま光強度を増幅して出力する第１の偏波保持光アンプと、前記第２の励起光を入力として、前記第２の励起光の偏波状態を直線偏波に保ったまま光強度を増幅して出力する第２の偏波保持光アンプと、前記第１の偏波保持光アンプにより光強度が増幅された前記第１の励起光と、前記第２の偏波保持光アンプにより光強度が増幅された前記第２の励起光とを偏波多重して出力する偏波多重回路と、を備え、前記第１の励起電流・温度コントローラ及び前記第２の励起電流・温度コントローラは、前記第１の励起光に含まれる縦モードと前記第２の励起光に含まれる縦モードとがオーバーラップしないように前記第１のマルチモードレーザおよび第２のマルチモードレーザの励起電流又は温度の少なくともいずれかを制御し、前記第１の偏波保持光アンプ及び前記第２の偏波保持光アンプは、前記第１の励起光及び前記第２の励起光の強度が等しくなるように制御する、励起光発生装置である。

本発明の一態様は、縦モードの周波数間隔がδｆ_１である第１の励起光を出力する第１のマルチモードレーザと、縦モードの周波数間隔がδｆ_２である第２の励起光を出力する第２のマルチモードレーザと、前記第１のマルチモードレーザの温度および励起電流を制御する第１の励起電流・温度コントローラと、前記第２のマルチモードレーザの温度および励起電流を制御する第２の励起電流・温度コントローラと、前記第１の励起光と、前記第２の励起光とを偏波多重して出力する偏波多重回路と、光信号と前記偏波多重回路から出力される第１の励起光および第２の励起光の全てが入力され、かつ、前記光信号を増幅した上で出力する利得媒体と、を備え、前記第１の励起電流・温度コントローラ及び前記第２の励起電流・温度コントローラは、前記第１の励起光に含まれる縦モードと前記第２の励起光に含まれる縦モードとがオーバーラップしないように前記第１のマルチモードレーザおよび第２のマルチモードレーザの励起電流又は温度の少なくともいずれかを制御し、前記第１の励起光および前記第２の励起光によって増幅される前記光信号がボーレートｆ_Ｂのディジタル信号である場合、前記縦モードの周波数間隔δｆ_１及びδｆ_２が前記ボーレートｆ_Ｂよりも大きい光増幅装置である。

本発明の一態様は、光周波数がｆ_ｃ１である連続波光を出力する第１のシングルモードレーザと、光周波数がｆ_ｃ１とは異なる値のｆ_ｃ２である連続波光を出力する第２のシングルモードレーザと、前記第１のシングルモードレーザの出力光に変化を与え、光周波数がｆ_ｃ１＋ｎ×δｆ_１（ｎは負を含む整数）である複数の輝線スペクトルを有する第１の励起光を生成する第１の波長数変更部と、前記第２のシングルモードレーザの出力光に変化を与え、光周波数がｆ_ｃ２＋ｎ×δｆ_２である複数の輝線スペクトルを有する第２の励起光を生成し、縦モードの周波数間隔δｆ_２を縦モードの周波数間隔δｆ_１にできるだけ近づくように設定する第２の波長数変更部と、前記第１の励起光と、前記第２の励起光とを偏波多重して出力する偏波多重回路と、光信号と前記偏波多重回路から出力される第１の励起光および第２の励起光の全てが入力され、かつ、前記光信号を増幅した上で出力する利得媒体と、を備える光増幅装置である。

本発明の一態様は、第１のマルチモードレーザが、第１の励起光を出力し、第２のマルチモードレーザが、第２の励起光を出力し、第１の励起電流・温度コントローラが、前記第１のマルチモードレーザの温度および励起電流を制御し、第２の励起電流・温度コントローラが、前記第２のマルチモードレーザの温度および励起電流を制御し、第１の光強度変更部が、前記第１の励起光を入力として、前記第１の励起光の偏波状態を直線偏波に保ったまま光強度を変更して出力し、第２の光強度変更部が、前記第２の励起光を入力として、前記第２の励起光の偏波状態を直線偏波に保ったまま光強度を変更して出力し、偏波多重回路が、前記第１の光強度変更部により光強度が変更された前記第１の励起光と、前記第２の光強度変更部により光強度が変更された前記第２の励起光とを偏波多重して出力し、前記第１の励起電流・温度コントローラ及び前記第２の励起電流・温度コントローラが、前記第１の励起光に含まれる縦モードと前記第２の励起光に含まれる縦モードとがオーバーラップしないように前記第１のマルチモードレーザおよび第２のマルチモードレーザの励起電流又は温度の少なくともいずれかを制御し、前記第１の光強度変更部及び前記第２の光強度変更部が、前記第１の励起光および第２の励起光の強度が等しくなるように制御する、励起光発生方法である。

本発明により、偶数個のマルチモードレーザの出力を偏波多重して得られた励起光でラマン増幅を行うにあたり、増幅された光信号の信号品質劣化を抑圧することが可能となる。

第１の実施形態における励起光発生部の構成例を示す図である。 第１の励起光と第２の励起光の縦モードの配置の模式図である。 第１の励起光と第２の励起光の縦モードの配置の別例の模式図である。 第１の実施形態における励起光発生部の処理の流れを示すフローチャートである。 第１の実施形態の変形例における励起光発生部の構成例を示す図である。 第２の実施形態における励起光発生部の構成例を示す図である。 第３の実施形態における励起光発生部の構成例を示す図である。 第４の実施形態における光増幅器の構成例を示す図である。 第４の実施形態の変形例における光増幅器の構成例を示す図である。 第１の実施形態から第４の実施形態における問題点を説明するための図である。 第５の実施形態における光増幅装置の構成例を示す図である。 第５の実施形態の変形例１における光増幅装置の構成例を示す図である。 第５の実施形態の変形例１における励起光発生部の他の構成例を示す図である。 分布ラマン増幅を用いた従来の光伝送システムの構成例を示す図である。 前方励起光発生部又は後方励起光発生部の内部において、２台のマルチモードレーザが備えられている場合の構成例を示す図である。 第１のマルチモードレーザと第２のマルチモードレーザそれぞれから出力される光スペクトルの模式図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明における光伝送システムのシステム構成は、図１４に示すシステム構成と同様である。従来の光伝送システムと異なる点は、前方励起光発生部３００又は後方励起光発生部４００の内部構成である。そこで、以下の説明では、本発明の特徴となる構成について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における励起光発生部５０の構成例を示す図である。励起光発生部５０は、前方励起光発生部３００又は後方励起光発生部４００のいずれかである。励起光発生部５０は、励起光発生装置の一態様である。図１に示す励起光発生部５０において、図１１で示した構成と共通する構成要件については同一の番号を付与している。

励起光発生部５０は、第１のマルチモードレーザ１０と、第２のマルチモードレーザ１１と、第１の励起電流・温度コントローラ１２と、第２の励起電流・温度コントローラ１３と、第１の偏波保持光導波路１４と、第２の偏波保持光導波路１５と、ＰＢＣ１６と、第１の偏波保持ＶＯＡ（variable optical attenuator）２０と、第２の偏波保持ＶＯＡ２１とを備える。

第１のマルチモードレーザ１０及び第２のマルチモードレーザ１１は、それぞれ第１の励起電流・温度コントローラ１２及び第２の励起電流・温度コントローラ１３によって波長と光強度が制御される。第１のマルチモードレーザ１０は、第１の励起電流・温度コントローラ１２によって制御された波長と光強度の第１の励起光を出力する。第２のマルチモードレーザ１１は、第２の励起電流・温度コントローラ１３によって制御された波長と光強度の第２の励起光を出力する。第１のマルチモードレーザ１０及び第２のマルチモードレーザ１１は、概ね同じ波長を出力する。

第１の励起電流・温度コントローラ１２は、第１のマルチモードレーザ１０を制御する。具体的には、第１の励起電流・温度コントローラ１２は、第１のマルチモードレーザ１０のキャビティ長を第２のマルチモードレーザ１１のキャビティ長に揃えるとともに、第１のマルチモードレーザ１０の励起電流と温度を、第２のマルチモードレーザ１１の励起電流と温度にほぼ同一に揃えるように制御する。なお、第１の励起電流・温度コントローラ１２は、第１のマルチモードレーザ１０の励起電流又は温度の少なくともいずれかを制御してもよい。

第２の励起電流・温度コントローラ１３は、第２のマルチモードレーザ１１を制御する。具体的には、第２の励起電流・温度コントローラ１３は、第２のマルチモードレーザ１１のキャビティ長を第１のマルチモードレーザ１０のキャビティ長に揃えるとともに、第２のマルチモードレーザ１１の励起電流と温度を、第１のマルチモードレーザ１０の励起電流と温度にほぼ同一に揃えるように制御する。なお、第２の励起電流・温度コントローラ１３は、第２のマルチモードレーザ１１の励起電流又は温度の少なくともいずれかを制御してもよい。

ラマン増幅を安定して行うための３つの条件のうちの第１の条件（第１の励起光と第２の励起光の中心波長は、概ね同一でなければならない）は、上記のように第１のマルチモードレーザ１０と第２のマルチモードレーザ１１のキャビティ長を揃え、かつ第１の励起電流・温度コントローラ１２および第２の励起電流・温度コントローラ１３により、第１のマルチモードレーザ１０及び第２のマルチモードレーザ１１の励起電流と温度をほぼ同一に揃えることで比較的容易に実現することができる。

次に３つの条件のうちの第３の条件（第１の励起光の縦モードと第２の励起光の縦モードをオーバーラップしないように配置しなければならない）は、第１の励起電流・温度コントローラ１２および第２の励起電流・温度コントローラ１３により、第１のマルチモードレーザ１０と第２のマルチモードレーザ１１の温度を僅かに違えることで実現できる。上記の説明で得られた各励起電流および温度は固定され、以降の微調整では変更しないものとする。

第１の偏波保持ＶＯＡ２０は、第１の偏波保持光導波路１４に配置され、第１のマルチモードレーザ１０から出力された第１の励起光の光強度を調整する。第１の偏波保持ＶＯＡ２０は、第１の光強度変更部の一態様である。

第２の偏波保持ＶＯＡ２１は、第２の偏波保持光導波路１５に配置され、第２のマルチモードレーザ１１から出力された第２の励起光の光強度を調整する。第２の偏波保持ＶＯＡ２１は、第２の光強度変更部の一態様である。

３つの条件のうちの第２の条件（第１の励起光と第２の励起光の光強度は同一でなければならない）は、第１の偏波保持ＶＯＡ２０および第２の偏波保持ＶＯＡ２１を微調することによって実現される。第１の偏波保持ＶＯＡ２０および第２の偏波保持ＶＯＡ２１は、励起光の光強度のみを変更し、各縦モードの光周波数には影響を与えないため、第１の条件及び第３の条件は上述の通り満たしたままとなる。

ところで、ラマン増幅の利得は高ければよいというものではない。あまりにも高い利得は光信号の非線形光学効果を引き起こし、信号品質の劣化を生じてしまう。このような事態を避けるためには励起光の強度を下げればよい。このとき、従来技術でしばしば行われるように励起電流を変更するのではなく、第１の偏波保持ＶＯＡ２０および第２の偏波保持ＶＯＡ２１を同時に変更し、光損失を同一の量だけ増加させることによって励起光の光強度を調整する。

ＰＢＣ１６は、第１の偏波保持ＶＯＡ２０により光強度が調整された第１の励起光と、第２の偏波保持ＶＯＡ２１により光強度が調整された第２の励起光とを偏波多重して、無偏光化された励起光を出力する。ＰＢＣ１６は、偏波多重回路の一態様である。

次に図２及び図３を用いて、第１の励起光と第２の励起光の縦モードの配置について説明する。図２は、第１の励起電流・温度コントローラ１２および第２の励起電流・温度コントローラ１３によって達成すべき第１の励起光と第２の励起光の縦モードの配置の模式図である。図１０と同様、第１のマルチモードレーザ１０から出力される縦モードの光周波数を、ｆ_１＿１，ｆ_１＿２，・・・，ｆ_１＿５と表記し、第２のマルチモードレーザ１１から出力される縦モードの光周波数を、ｆ_２＿１，ｆ_２＿２，・・・，ｆ_２＿５と表記する。

まず、各縦モードのいずれかに着目する。図２では第２のマルチモードレーザ１１の出力から、光周波数ｆ_２＿３を選択した。次に、第１のマルチモードレーザ１０の出力から、光周波数ｆ_２＿３より大きく、かつ、光周波数ｆ_２＿３に最も近い縦モードと、光周波数ｆ_２＿３より小さく、かつ、光周波数ｆ_２＿３に最も近い縦モードとを探す。図２では光周波数ｆ_１＿４および光周波数ｆ_１＿３がこれらに相当する。

ここで、光周波数ｆ_２＿３－ｆ_１＿３をΔｆ_２＋、光周波数ｆ_２＿３－ｆ_１＿４をΔｆ_２－と表記した時、本実施形態では、|Δｆ_２＋|と|Δｆ_２－|とが等しくならないように各縦モードを設定する。ここでは光周波数ｆ_２＿３に着目して説明を行ったが、光周波数ｆ_２＿３以外のどの縦モードに着目しても、|Δｆ_２＋|と|Δｆ_２－|とが等しくならないように設定する。

上記の条件は、第１のマルチモードレーザ１０と第２のマルチモードレーザ１１とを入れ替え、Δｆ_１＋とΔｆ_１－を定義した場合にも同様に、|Δｆ_１＋|と|Δｆ_１－|とが等しくならないように設定しなければならない。このような設定を行うことにより、４波混合で発生する光が等間隔ではなくなり、光雑音を分散させることが可能となる。

（第１の励起光と第２の励起光の縦モードの配置の別例）
図２では、第１のマルチモードレーザ１０の出力の縦モード間隔が第２のマルチモードレーザ１１の出力の縦モード間隔と等しいものとして説明を行った。次に、図３を用いて、第１のマルチモードレーザ１０の出力の縦モード間隔が第２のマルチモードレーザ１１の出力の縦モード間隔よりも広い場合について説明する。図３では、第２のマルチモードレーザ１１の出力から、光周波数ｆ_２＿４を選択して図示を行っているが、ここでも|Δｆ_２＋|と|Δｆ_２－|とが等しくならないように、第１の励起電流・温度コントローラ１２および第２の励起電流・温度コントローラ１３は第１のマルチモードレーザ１０および第２のマルチモードレーザ１１を制御する。

ここで図３では、光周波数ｆ_２＿４を基準に選択してｆ_２＋とｆ_２－を図示した。しかしｆ_２＿３を基準として、|Δｆ_２＋|と|Δｆ_２－|とを求めた場合、光周波数ｆ_２＿４を基準とした場合に比べ、|Δｆ_２＋|は減少し|Δｆ_２－|は増加する。本実施形態ではどの縦モードを選択した場合においても、|Δｆ_２＋|と|Δｆ_２－|とが等しくならないように、あるいは|Δｆ_２＋|と|Δｆ_２－|が等しくなる組み合わせが極力少なくなるように縦モードの配置が選択される。

ところで、図２及び図３では、第１のマルチモードレーザ１０から出力される縦モードの総数と第２のマルチモードレーザ１１から出力される縦モードの総数とを各々５とした。しかし実際のマルチモードレーザ、特にファイバブラックグレーティングを用いないマルチモードレーザにおいては、極めて多数の縦モードが生成される。このため、第１のマルチモードレーザ１０の出力の縦モード間隔と第２のマルチモードレーザ１１の出力の縦モード間隔が等しくない場合には、|Δｆ_２＋|と|Δｆ_２－|とが常に異なる値となるよう設定するのは非常に困難となる。

このような場合には、０＜Ｒ＜１を満たす定数Ｒを予め定めておき、光周波数ｆ_２＿１，ｆ_２＿２，・・・中で最大の光パワをＰ_{２＿ｍａｘ}と表記するとき、Ｐ_{２＿ｍａｘ}×Ｒよりも低い光パワを持つ第２のマルチモードレーザ１１の出力の縦モードに関しては、|Δｆ_２＋|と|Δｆ_２－|とが等しくなることを許容し、かつ、ｆ_１＿１，ｆ_１＿２，・・・中で最大の光パワをＰ_{１＿ｍａｘ}と表記するとき、Ｐ_{１＿ｍａｘ}×Ｒよりも低い光パワを持つ第1のマルチモードレーザ１０の出力の縦モードに関しては、|Δｆ_１＋|と|Δｆ_１－|とが等しくなることを許容するという条件の緩和を行ってもよい。ここでＲの値をどのように設定するかは、マルチモードレーザのスペクトルに強く依存するため自明ではないが、一つの指針として、ラマン増幅された光の相対強度雑音（ＲＩＮ：Relative Intensity Noise）が最も小さくなるように選んでも良い。あるいはより簡便な手法として、ＰＢＣ１６の出力に光バンドパスフィルタを置き、第１のマルチモードレーザ１０および第２のマルチモードレーザ１１の周辺の縦モードを抑圧し、縦モードの数を減らしても良い。

図４は、第１の実施形態における励起光発生部５０の処理の流れを示すフローチャートである。
第１の励起電流・温度コントローラ１２及び第２の励起電流・温度コントローラ１３は、第１のマルチモードレーザ１０及び第２のマルチモードレーザ１１を制御する（ステップＳ１０１）。具体的には、第１の励起電流・温度コントローラ１２は、第１のマルチモードレーザ１０のキャビティ長を揃えるとともに、第１のマルチモードレーザ１０の励起電流と温度を、第２のマルチモードレーザ１１の励起電流と温度にほぼ同一に揃えるように制御する。第２の励起電流・温度コントローラ１３は、第２のマルチモードレーザ１１のキャビティ長を揃えるとともに、第２のマルチモードレーザ１１の励起電流と温度を、第１のマルチモードレーザ１０の励起電流と温度にほぼ同一に揃えるように制御する。

第１のマルチモードレーザ１０及び第２のマルチモードレーザ１１は、励起光を出力する（ステップＳ１０２）。具体的には、第１のマルチモードレーザ１０は、第１の励起電流・温度コントローラ１２によって制御された後に、第１の励起光を第１の偏波保持光導波路１４に出力する。第２のマルチモードレーザ１１は、第２の励起電流・温度コントローラ１３によって制御された後に、第２の励起光を第２の偏波保持光導波路１５に出力する。

第１の偏波保持光導波路１４を伝送する第１の励起光は、第１の偏波保持ＶＯＡ２０に入力される。第２の偏波保持光導波路１５を伝送する第２の励起光は、第２の偏波保持ＶＯＡ２１に入力される。第１の偏波保持ＶＯＡ２０及び第２の偏波保持ＶＯＡ２１は、入力された励起光の光強度を調整する（ステップＳ１０３）。具体的には、第１の偏波保持ＶＯＡ２０は、入力された第１の励起光の光強度を調整し、第２の偏波保持ＶＯＡ２１は、入力された第２の励起光の光強度を調整する。第２の条件を満たすため、第１の偏波保持ＶＯＡ２０及び第２の偏波保持ＶＯＡ２１では、第１の励起光の光強度と第２の励起光の光強度とが同一の光強度となるように調整する。

第１の偏波保持ＶＯＡ２０は、光強度を調整した第１の励起光をＰＢＣ１６に出力する。第２の偏波保持ＶＯＡ２１は、光強度を調整した第２の励起光をＰＢＣ１６に出力する。ＰＢＣ１６は、第１の偏波保持ＶＯＡ２０により光強度が調整された第１の励起光と、第２の偏波保持ＶＯＡ２１により光強度が調整された第２の励起光とを偏波多重する（ステップＳ１０４）。これにより、ＰＢＣ１６は、無偏光化された励起光を生成する。ＰＢＣ１６は、無偏光化された励起光を出力する。

以上のように構成された励起光発生部５０によれば、偶数個のマルチモードレーザの出力を偏波多重して得られた励起光でラマン増幅を行うにあたり、増幅された光信号の信号品質劣化を抑圧することが可能になる。具体的には、ラマン増幅を安定して行うためには３つ条件全てを満たす必要があるが、励起光発生部５０は第１の励起電流・温度コントローラ１２及び第２の励起電流・温度コントローラ１３の制御により第１の条件及び第３の条件を満たすことができ、さらに第１の偏波保持ＶＯＡ２０及び第２の偏波保持ＶＯＡ２１による光強度の調整により第２の条件を満たすことができる。その結果、増幅された光信号の信号品質劣化を抑圧することが可能になる。

（第１の実施形態の変形例１）
上記の実施形態において、３つの条件のうちの第１及び第２の条件を満たした時点で、第１のマルチモードレーザ１０の出力の光強度が第２のマルチモードレーザ１１の出力の光強度よりも必ず高くなる（あるいは低くなる）ことが判っている場合には、励起光発生部５０の構成から第２の偏波保持ＶＯＡ２１（あるいは第１の偏波保持ＶＯＡ２０）を省略することが出来る。ただしこの場合は偏波多重後の励起光の強度の変更は容易ではなくなる。

（第１の実施形態の変形例２）
第１の励起電流・温度コントローラ１２及び第２の励起電流・温度コントローラ１３は、第１の励起光に含まれる縦モードと第２の励起光に含まれる縦モードとがオーバーラップせず、かつ、第１の励起光が第２の励起光よりもハイパワとなるように第１のマルチモードレーザ１０及び第２のマルチモードレーザ１１の励起電流又は温度の少なくともいずれかを制御するように構成されてもよい。

（第１の実施形態の変形例３）
励起光発生部５０は、図５に示す構成に変更されてもよい。図５は、第１の実施形態の変形例における励起光発生部５０ａの構成例を示す図である。励起光発生部５０ａは、前方励起光発生部３００又は後方励起光発生部４００のいずれかである。励起光発生部５０ａは、励起光発生装置の一態様である。図５に示す励起光発生部５０ａにおいて、図１で示した構成と共通する構成要件については同一の番号を付与している。

励起光発生部５０ａは、第１のマルチモードレーザ１０と、第２のマルチモードレーザ１１と、第１の励起電流・温度コントローラ１２と、第２の励起電流・温度コントローラ１３と、第１の偏波保持光導波路１４と、第２の偏波保持光導波路１５と、ＰＢＣ１６と、第１の偏波保持光アンプ３０と、第２の偏波保持光アンプ３１とを備える。

励起光発生部５０ａは、第１の偏波保持ＶＯＡ２０及び第２の偏波保持ＶＯＡ２１に代えて、第１の偏波保持光アンプ３０及び第２の偏波保持光アンプ３１を備える点で励起光発生部５０と構成が異なる。以下、励起光発生部５０との相違点について説明する。

第１の偏波保持光アンプ３０は、第１の励起光の光強度を調整する。第２の偏波保持光アンプ３１は、第２の励起光の光強度を調整する。第２の条件を満たすため、第１の偏波保持光アンプ３０及び第２の偏波保持光アンプ３１では、第１の励起光の光強度と第２の励起光の光強度とが同一の光強度となるように調整する。第１の偏波保持光アンプ３０及び第２の偏波保持光アンプ３１としては、例えば半導体光アンプを用いることが出来る。

第１および第２の励起光の強度は、第１の偏波保持光アンプ３０及び第２の偏波保持光アンプ３１の利得のいずれかを微調整することにより均等に揃えることが出来る。偏波多重後の励起光の強度を変更することは、第１の偏波保持光アンプ３０及び第２の偏波保持光アンプ３１の利得の両方を調整することで可能となる。一般に、ハイパワなレーザを設計することには技術上の困難が伴うが、この実施形態では第１の偏波保持光アンプ３０及び第２の偏波保持光アンプ３１によって励起光の増幅を行うため第１のマルチモードレーザ１０及び第２のマルチモードレーザ１１への仕様を緩和することが出来る。上述した実施形態とは異なり、損失媒体となる第１および第２の偏波保持ＶＯＡが存在しないため、励起光の損失を最低限度に抑えることが可能となる。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態における励起光発生部５０ｂの構成例を示す図である。励起光発生部５０ｂは、前方励起光発生部３００又は後方励起光発生部４００のいずれかである。励起光発生部５０ｂは、励起光発生装置の一態様である。図６に示す励起光発生部５０ｂにおいて、図１で示した構成と共通する構成要件については同一の番号を付与している。

励起光発生部５０ｂは、第１のマルチモードレーザ１０と、第２のマルチモードレーザ１１と、第１の励起電流・温度コントローラ１２と、第２の励起電流・温度コントローラ１３と、第１の偏波保持光導波路１４と、第２の偏波保持光導波路１５と、ＰＢＣ１６と、第１の偏波保持ＶＯＡ２０と、第２の偏波保持ＶＯＡ２１と、第１のアイソレータ２２と、第２のアイソレータ２３とを備える。

励起光発生部５０ｂは、第１のアイソレータ２２及び第２のアイソレータ２３をさらに備える点で励起光発生部５０と構成が異なる。以下、励起光発生部５０との相違点について説明する。

第１のアイソレータ２２は、第１のマルチモードレーザ１０と第１の偏波保持ＶＯＡ２０との間に設けられ、第１の偏波保持ＶＯＡ２０からの反射光の入力を遮断する。このように、第１のアイソレータ２２は、第１の偏波保持ＶＯＡ２０からの反射光の第１のマルチモードレーザ１０への入力を阻止する。第１のアイソレータ２２は、第１の光強度変更部の一態様である。

第２のアイソレータ２３は、第２のマルチモードレーザ１１と第２の偏波保持ＶＯＡ２１との間に設けられ、第２の偏波保持ＶＯＡ２１からの反射光の入力を遮断する。このように、第２のアイソレータ２３は、第２の偏波保持ＶＯＡ２１からの反射光の第２のマルチモードレーザ１１への入力を阻止する。第２のアイソレータ２３は、第２の光強度変更部の一態様である。

光回路の構成上の問題から、第１の偏波保持ＶＯＡ２０及び第２の偏波保持ＶＯＡ２１からの光反射を全く無くすことは困難であるが、半導体レーザにおいては外部から逆流してくる反射光によって出力が不安定になりうることが知られている。この反射光を第１のアイソレータ２２及び第２のアイソレータ２３で遮断することにより、第１のマルチモードレーザ１０と第２のマルチモードレーザ１１の安定度を高めることが可能になる。

（第２の実施形態の変形例１）
励起光発生部５０ｂは、第１の実施形態と同様に、第１の偏波保持ＶＯＡ２０及び第２の偏波保持ＶＯＡ２１に代えて、第１の偏波保持光アンプ３０及び第２の偏波保持光アンプ３１を備えるように構成されてもよい。

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態における励起光発生部５０ｃの構成例を示す図である。励起光発生部５０ｃは、前方励起光発生部３００又は後方励起光発生部４００のいずれかである。励起光発生部５０ｃは、励起光発生装置の一態様である。図７に示す励起光発生部５０ｃにおいて、図１で示した構成と共通する構成要件については同一の番号を付与している。

励起光発生部５０ｃは、第１のマルチモードレーザ１０と、第２のマルチモードレーザ１１と、第１の励起電流・温度コントローラ１２と、第２の励起電流・温度コントローラ１３と、第１の偏波保持光導波路１４と、第２の偏波保持光導波路１５と、ＰＢＣ１６と、第１の偏波保持ＶＯＡ２０と、第２の偏波保持ＶＯＡ２１と、第１の偏光子２４と、第２の偏光子２５とを備える。

励起光発生部５０ｃは、第１の偏光子２４及び第２の偏光子２５をさらに備える点で励起光発生部５０と構成が異なる。以下、励起光発生部５０との相違点について説明する。

第１の偏光子２４は、第１のマルチモードレーザ１０と第１の偏波保持ＶＯＡ２０との間に設けられ、第１のマルチモードレーザ１０から出力された第１の励起光の単一の直線偏波のみを透過させる。

第２の偏光子２５は、第２のマルチモードレーザ１１と第２の偏波保持ＶＯＡ２１との間に設けられ、第２のマルチモードレーザ１１から出力された第２の励起光の単一の直線偏波のみを透過させる。

一般に半導体レーザの光出力は単一の直線偏波であり、第１の偏波保持光導波路１４および第２の偏波保持光導波路１５はその直線偏波を保持して光を伝搬する。しかしながら、偏波消光比は有限であるため、各縦モードが完全に単一偏波を維持できるわけではなく、僅かな偏波回転は生じうる。第１の偏波保持ＶＯＡ２０及び第２の偏波保持ＶＯＡ２１において直線偏波以外の偏波が入力されたとき、光出力がどのようになるかは保証されていない場合も多いため、励起光の動作不安定を引き起こす可能性がある。

そこで、第３の実施形態では、第１の偏波保持ＶＯＡ２０の前段に第１の偏光子２４を設置し、第２の偏波保持ＶＯＡ２１の前段に第２の偏光子２５を設置することにより直線偏波を確保している。その結果、より安定した励起光の出力が可能となる。

（第３の実施形態の変形例１）
偏光子の構成によってはアイソレータを兼ねることも出来るため、励起光発生部５０ｃは、第２の実施形態のようにアイソレータを備えるように構成されてもよい。このように構成される場合、例えば偏光子と偏波保持ＶＯＡの間に、アイソレータが設置されてもよい。

（第３の実施形態の変形例２）
励起光発生部５０ｃは、第１の実施形態と同様に、第１の偏波保持ＶＯＡ２０及び第２の偏波保持ＶＯＡ２１に代えて、第１の偏波保持光アンプ３０及び第２の偏波保持光アンプ３１を備えるように構成されてもよい。

（第１の実施形態から第３の実施形態に共通する変形例）
各実施形態における励起光発生部は、ラマン増幅を用いた光伝送システムにおける励起光の生成を行う場合を例に説明したが、ラマン増幅以外の目的、例えば希土類元素をドープした光ファイバを励起する励起光の生成に用いられてもよい。

各実施形態において、概ね同じ波長を出力するマルチモードレーザを２台用いた構成を説明した。各実施形態において、例えば１．４５μｍの波長を出力するマルチモードレーザ２台と、１．４９μｍの波長を出力するマルチモードレーザ２台との出力を波長多重カプラで組み合わせることで、２より大きな偶数の台数のマルチモードレーザを用いるように構成されてもよい。

（第４の実施形態）
上述した第１の実施形態から第３の実施形態では、図１０に示す前方励起光発生部３００又は後方励起光発生部４００の内部に配置された、第１のマルチモードレーザ１０又は第２のマルチモードレーザ１１の縦モードの相互の間隔、すなわちΔｆ_１＋、Δｆ_１－、Δｆ_２＋及びΔｆ_２－をどのように設定するかを問題としてきた。しかし、図１０に示す光送信器１００から出力される光信号の帯域や、光送信器１００から出力される光信号が波長多重信号である場合、その波長間隔については上述した第１の実施形態から第３の実施形態では触れていない。そこで、第４の実施形態では、これらの値を考慮した光増幅装置の構成について説明する。

図８は、第４の実施形態における光増幅装置の構成例を示す図である。光増幅装置は、励起光発生部５０と、前方励起光多重部３１０と、利得媒体５０１と、光フィルタ５０２を備える。光送信器１００から出力される光信号は、前方励起光多重部３１０を介して利得媒体５０１に入力される。この光信号は、単一のキャリア波長からなる、ボーレートがｆ_Ｂのディジタル光信号である。利得媒体５０１は、図１０で示したように光伝送路を用いて分布増幅をおこなってもよいし、比較的短い長さの光導波路を用いてコンパクトな構成の光増幅部としてもよい。

励起光発生部５０の内部構成は、第１のマルチモードレーザ１０及び第２のマルチモードレーザ１１を偏波多重した構成とする。図８に示す例では、励起光発生部５０の内部構成では、第１の実施形態において説明した図１の構成を用いているが、これに限らず、例えば第２の実施形態で説明した図６の構成を用いても良い。

偏波多重された励起光は、前方励起光多重部３１０を介して利得媒体５０１に入力される。本実施形態では前方励起のみを行って光増幅を行っているが、図１０において示したように後方励起光多重部４１０や後方励起光発生部４００を用いて、双方向励起を行っても良いし、あるいは後方励起のみで光増幅を行う構成としてもよい。このように構成される場合、光増幅装置には、後方励起光多重部４１０や後方励起光発生部４００等の構成も含まれることになる。利得媒体５０１によって増幅された光は、光フィルタ５０２を通過する。光フィルタ５０２により、残余の励起光は遮断される。利得媒体５０１における励起光の吸収が大きければ光フィルタ５０２を省略しても良い。

ここで、第１のマルチモードレーザ１０から出力される第１の励起光、又は、第２のマルチモードレーザ１１から出力される第２の励起光が、合波される前の段階で各々どのような雑音成分を持っているかを考える。これらの励起光は図２に示すように、一定の周波数間隔を保った複数のＣＷ光の集合と考えることが出来る。ここで第１のマルチモードレーザ１０の縦モード間隔、すなわちｆ_{１_ｎ＋１}－ｆ_{１_ｎ}をδｆ_１と定義する。同様に、第２のマルチモードレーザの縦モード間隔、すなわちｆ_{２_ｎ＋１}－ｆ_{２_ｎ}をδｆ_２と定義する。図２から明らかなように、δｆ_１＝Δｆ_２＋＋Δｆ_２－であり、δｆ_２＝Δｆ_１＋＋Δｆ_１－となる。

仮に、第１のマルチモードレーザ１０がモードロックレーザであったと仮定する。モードロックレーザーでは、各縦モードの光位相の相対関係が厳密に制御されており、光出力は時間間隔が1／δｆ_１のパルス状となる。このためモードロックレーザーの出力には非常に強い強度変調成分が存在し、その基本周波数はδｆ_１である。このような励起光を用いてラマン増幅を行った場合、励起光のもつ強度雑音ＲＩＮが被増幅光に遷移し、被増幅光に周波数δｆ_１の強度雑音が重畳する。これをＲＩＮトランスファという。ＲＩＮトランスファを抑えるため、通常はラマン増幅の励起光源にはモードロックレーザを用いない。この場合、各縦モードの光位相の相対関係はランダムになり、励起光の強度はパルス状ではなくほぼ一定となり、周波数δｆ_１のＲＩＮトランスファも抑えられる。しかしながら、モードロックレーザーではない場合であっても、各縦モードの光位相が瞬時的に偶然に揃う（あるいは概ね揃う）可能性は否定できず、励起光のもつ周波数δｆ_１のＲＩＮが無視できるとは限らない。

励起光のもつ周波数δｆ_１またはδｆ_２のＲＩＮが大きく、これらの被増幅光へのＲＩＮトランスファが無視できない場合を考える。この場合、光送信器１００から出力される光信号に周波数δｆ_１またはδｆ_２の周波数の強度雑音が重畳するが、その雑音スペクトルは、光信号のキャリア周波数からδｆ_１またはδｆ_２だけ離れたところに生じる。光信号の帯域がδｆ_１またはδｆ_２よりも広い場合、これらの雑音成分が信号品質を劣化させうる。

この問題を解決するには、光送信器１００から出力される光信号の帯域よりもδｆ_１およびδｆ_２が高くなるよう、第１のマルチモードレーザ１０及び第２のマルチモードレーザ１１のキャビティ長を設計すればよい。光信号を受信する際、信号の帯域よりも高い周波数は復調に不要であり、復調器内のフィルタによって除去が可能であるため、ＲＩＮトランスファによって信号光に重畳したδｆ_１およびδｆ_２の雑音成分も除去され、復調結果に影響は生じない。

光送信器１００から出力される光信号の帯域は信号フォーマットにも強く依存するため単純ではないが、光信号がディジタル信号である場合は、ひとつの目安として、信号のボーレートよりもδｆ_１およびδｆ_２が大きくなるよう第１のマルチモードレーザ１０および第２のマルチモードレーザ１１を設計する。

以上のように構成された第４の実施形態によれば、ＲＩＮトランスファによって生じる雑音成分の影響を除去することが可能になる。

（第４の実施形態の変形例）
図８では、光送信器１００から出力される光信号が、単一のキャリア波長からなるボーレートがｆ_Ｂのディジタル光信号であるとした。一方で、図９に示すように、複数のキャリア波長を用いた波長多重信号を、一括して増幅する構成をとることも可能である。第１の光送信器１００ａ，第２の光送信器１００ｂ，第３の光送信器１００ｃから出力された３種類のキャリア波長を有する光信号は、波長多重回路５０３によって波長多重される。通常、波長多重信号では、多数のキャリア周波数が光スペクトル上で等しい間隔をもって配列されるが、これらのキャリア周波数の間隔がδｆ_１またはδｆ_２と等しい場合、各キャリア周波数に重畳するδｆ_１およびδｆ_２の雑音成分が隣接するキャリア周波数とオーバーラップすることになり、波長多重信号全体の信号品質を劣化させてしまう。この問題を避けるためには、隣接する光チャネルの周波数間隔と、δｆ_１およびδｆ_２とが異なるよう設計することが望ましい。

ラマン増幅によって生じる雑音成分は、上述のＲＩＮトランスファ以外にも様々な物理現象が関与しうる。例えば段落００１８で述べた、各縦モードと光信号とで生じる４波混合もまた雑音となる。４波混合が発生すると、光信号のキャリア周波数を中心として、Δｆ_１＋、Δｆ_１－、Δｆ_２＋及びΔｆ_２－だけ離れた光周波数に雑音成分が生じる。これらの雑音成分も、前述したＲＩＮトランスファによる雑音成分と同様に、信号劣化要因となる。これらの影響を避けるためには、前述したＲＩＮトランスファによる雑音成分の抑圧方法と同様に、信号のボーレートよりもΔｆ_１＋、Δｆ_１－、Δｆ_２＋及びΔｆ_２－が大きくなるよう第１のマルチモードレーザ１０及び第２のマルチモードレーザ１１を設計すればよい。光送信器１００から出力される光信号が波長多重信号である場合は、隣接する光チャネルの周波数間隔と、Δｆ_１＋、Δｆ_１－、Δｆ_２＋及びΔｆ_２－とが異なるよう設計することが望ましい。

以上のように構成された第４の実施形態によれば、４波混合によって生じる雑音成分の影響を除去することが可能になる。

（第５の実施形態）
上述した第１の実施形態から第４の実施形態では、２台のマルチモードレーザによって励起光を発生する構成を示した。第１の実施形態から第４の実施形態では、各マルチモードレーザが有する縦モードの光周波数をｆ_１＿１，ｆ_１＿２，・・・及びｆ_２＿１，ｆ_２＿２，・・・とした場合、縦モード間隔δｆ_１＝ｆ_１＿２－ｆ_１＿１およびδｆ_２＝ｆ_２＿２－ｆ_２＿１をどのように設定するか、また異なるマルチモードレーザに由来する２つの縦モードの周波数間隔（Δｆ_１－、Δｆ_１＋、Δｆ_２－、Δｆ_２＋など）をどのように設定するかを問題としてきた。しかしながら、第１の実施形態から第４の実施形態には以下に示す困難が伴う。

レーザのキャビティを光が伝搬するのに要する時間をＴとする。光周波数ｆ_１＿１及び光周波数ｆ_１＿２は概ね以下のように表される。
Ｔ＝ｍ／ｆ_１＿１＝（ｍ＋１）／ｆ_１＿２
ｆ_１＿１＝ｍ／Ｔ
ｆ_１＿２＝（ｍ＋１）／Ｔ
δｆ_１＝１／Ｔ

ここでｍは正の整数である。一般に、励起電流や温度の変更による１／Ｔの変化は僅かであるが、ｍは非常に大きいため、光周波数ｆ_１＿１及び光周波数ｆ_１＿２を有意に変更可能である。一方、縦モード間隔δｆ_１は、励起電流や温度による調整が殆ど効かず、段落０００７の末尾に示したように、レーザのキャビティ長でほぼ決まってしまうことになる。縦モード間隔δｆ_２についても同様である。

以上のように、縦モード間隔δｆ_１及びδｆ_２を所望の値に設定するためには、マルチモードレーザの設計から始める必要があり、製造誤差による個体差が縦モード間隔δｆ_１及びδｆ_２に与える影響をあらかじめ見込んでおく必要がある。縦モード間隔δｆ_１と縦モード間隔δｆ_２とが異なると、短波長側の縦モードを基準にした場合と長波長側の縦モードを基準にした場合とでΔｆ_１－、Δｆ_１＋、Δｆ_２－、Δｆ_２＋などが異なる値をとり、一意に定まらなくなる。この理由を図１０に示す。図１０は、第１の実施形態から第４の実施形態における問題点を説明するための図である。

段落００４０と同様に、光周波数ｆ_２＿３に着目してｆ_２＋およびｆ_２－を定める場合、ｆ_２－はｆ_２＋よりも大きいがその差はわずかである。しかし、光周波数ｆ_２＿１に着目してｆ_２＋およびｆ_２－を定める場合、図１０に示すようにｆ_２－はｆ_２＋よりもはるかに大きくなる。すなわち、縦モード間隔δｆ_１と縦モード間隔δｆ_２とが異なる場合、ｆ_２＋およびｆ_２－は着目する光周波数に依存する。波長は光周波数で定まる量であるため、縦モード間隔δｆ_１と縦モード間隔δｆ_２とが異なる場合、ｆ_２＋およびｆ_２－は波長依存性を有する、と言い換えることも出来る。ｆ_１＋およびｆ_１－も同様に波長依存性を有する。この波長依存性によって直ちに悪影響を生じるわけではないが、縦モードが広い波長範囲で生成される場合には予想外の影響が生じる可能性を否定できない。そこで、第５の実施形態では、この問題を考慮した光増幅装置の構成について説明する。

図１１は、第５の実施形態における光増幅装置の構成例を示す図である。光増幅装置は、励起光発生部５０ｄと、前方励起光多重部３１０と、利得媒体５０１と、光フィルタ５０２を備える。励起光発生部５０ｄは、励起光発生装置の一態様である。励起光発生部５０ｄは、第１の励起電流・温度コントローラ１２と、第２の励起電流・温度コントローラ１３と、第１の偏波保持光導波路１４と、第２の偏波保持光導波路１５と、ＰＢＣ１６と、第１の偏波保持ＶＯＡ２０と、第２の偏波保持ＶＯＡ２１と、第１のシングルモードレーザ３５と、第２のシングルモードレーザ３６と、第１の発振器３７と、第２の発振器３８と、第１の波長数変更部３９と、第２の波長数変更部４０とを備える。

励起光発生部５０ｄにおいて、第４の実施形態における励起光発生部５０との差分は、第１のマルチモードレーザ１０に代えて第１のシングルモードレーザ３５、第１の発振器３７及び第１の波長数変更部３９を備え、第２のマルチモードレーザ１１に代えて第２のシングルモードレーザ３６、第２の発振器３８及び第２の波長数変更部４０を備える点である。

第１のシングルモードレーザ３５は、光周波数ｆ_ｃ１の単一のモードの光（連続波光）を出力する。第２のシングルモードレーザ３６は、光周波数ｆ_ｃ２の単一のモードの光を出力する。ここで、光周波数ｆ_ｃ１およびｆ_ｃ２は異なる値である。光周波数ｆ_ｃ１の値は第１の励起電流・温度コントローラ１２によって制御される。光周波数ｆ_ｃ２の値は第２の励起電流・温度コントローラ１３によって制御される。

第１の発振器３７は、周波数δｆ_１の信号を出力する。第２の発振器３８は、周波数δｆ_２の信号を出力する。

第１のシングルモードレーザ３５から出力された光周波数ｆ_ｃ１の単一のモードの光は、第１の波長数変更部３９に入力される。ｎを、負を整数とした場合、第１の波長数変更部３９によって、光周波数がｆ_ｃ１＋ｎ×δｆ_１である複数の輝線スペクトルを有する光に変換される。本実施形態では、第１の波長数変更部３９によって変換された複数の輝線スペクトルを有する光を第１の励起光として用いる。

このように、第１の波長数変更部３９は、第１のシングルモードレーザ３５から出力された光周波数ｆ_ｃ１の単一のモードの光と、第１の発振器３７からの出力とに基づいて、第１のシングルモードレーザ３５の出力光に変化を与え、光周波数ｆ_ｃ１＋ｎ×δｆ_１である複数の輝線スペクトルを有する第１の励起光を生成する。第１の波長数変更部３９は、生成した第１の励起光を出力する。

第２のシングルモードレーザ３６から出力された光周波数ｆ_ｃ２の単一のモードの光は、第２の波長数変更部４０に入力される。ｎを、負を整数とした場合、第２の波長数変更部４０によって、光周波数がｆ_ｃ２＋ｎ×δｆ_２である複数の輝線スペクトルを有する光に変換される。本実施形態では、第２の波長数変更部４０によって変換された複数の輝線スペクトルを有する光を第２の励起光として用いる。

このように、第２の波長数変更部４０は、第２のシングルモードレーザ３６から出力された光周波数ｆ_ｃ２の単一のモードの光と、第２の発振器３８からの出力とに基づいて、第２のシングルモードレーザ３６の出力光に変化を与え、光周波数ｆ_ｃ２＋ｎ×δｆ_２である複数の輝線スペクトルを有する第２の励起光を生成する。第２の波長数変更部４０は、生成した第２の励起光を出力する。

単一の波長の光を、光周波数間隔δｆが一定な多数の波長の光に変換するには、複数の手段がある。一つ目の手段は、周波数δｆの周期的な光変調を加えることである。二つ目の手段は、非線形媒質等を用いた光周波数コムを用いることである。しかしこれらの手段では波長の数が増えると同時に、光強度変調が発生してしまう。前述の通り、励起光の強度の変化はＲＩＮトランスファを生じてしまうため、この光強度変調は抑圧する必要がある。そのため、第１の波長数変更部３９及び第２の波長数変更部４０では、光強度変調と光位相変調など、異なる複数の変調手段を組み合わせることにより、波長数増加に伴う望ましくない強度変化を相殺させるための光強度変調を併用し、光強度をほぼ一定に保つという構成をとる。

第１の波長数変更部３９の内部で行われる光変調の変調周波数は、第１の発振器３７で制御される。第２の波長数変更部４０の内部で行われる光変調の変調周波数は、第２の発振器３８で制御される。これらの発振器の出力の周波数は基本的にはδｆ_１およびδｆ_２であるが、変調手段および振幅によってはδｆ_１およびδｆ_２を整数で割ったものとすることも可能である。

一例として、第１の波長数変更部３９が光位相変調器と光強度変調器で構成される場合を考える。光位相変調器を周波数δｆ_１の駆動信号で駆動する場合、生成される位相変調光はフーリエ変換により、光周波数がｆ_ｃ１＋ｎ×δｆ_１である複数の輝線スペクトルを有する。しかしながら、これらの輝線スペクトルは光位相差が厳密に定まってしまうため、周波数δｆ_１のビートが発生し、望ましくない強度変調を生む。しかし、光位相変調器に加える駆動信号の位相と振幅が既知である場合、この望ましくない強度変調の位相と振幅も予め予測することが出来る。第１の波長数変更部３９に含まれる光強度変調器を用いて、この望ましくない強度変調を抑圧するような強度変調を加えて、トータルの光強度がほぼ一定となるように設定することが可能となる。

このような変調手段をとることにより、第１の励起光及び第２の励起光は各々光周波数がｆ_ｃ１＋ｎ×δｆ_１およびｆ_ｃ２＋ｎ×δｆ_２である複数の輝線スペクトルを有し、かつその強度変調は抑圧される。ここで、δｆ_１およびδｆ_２を等しくすることにより、前述したΔｆ_１－、Δｆ_１＋、Δｆ_２－、Δｆ_２＋などの波長依存性をなくすことができる。レーザのキャビティ長と同様に発振器の特性にもまた製造誤差の問題があるが、発振器の発振周波数の微調整はレーザのキャビティ長の微調整に比べれば圧倒的に容易かつ高精度に実現可能である。

このような手段で生成された各輝線スペクトルの光周波数間隔を広くとり、かつ、強度変調を完全に抑圧することは技術的には困難を伴う。したがって、ある程度の強度変調成分が残ることは許容したうえで、光送信器１００から出力される光信号がボーレートｆ_Ｂのディジタル信号である場合は、ＲＩＮトランスファの影響を極力抑えるため、ｎ×δｆ_１およびｎ×δｆ_２はボーレートｆ_Ｂと異なる値にすることが望ましい。

第１の波長数変更部３９から出力された第１の励起光は、第１の偏波保持ＶＯＡ２０に入力される。第１の偏波保持ＶＯＡ２０は、第１の偏波保持光導波路１４に配置され、第１の波長数変更部３９から出力された第１の励起光の光強度を調整する。

第２の波長数変更部４０から出力された第２の励起光は、第２の偏波保持ＶＯＡ２１に入力される。第２の偏波保持ＶＯＡ２１は、第２の偏波保持光導波路１５に配置され、第２の波長数変更部４０から出力された第２の励起光の光強度を調整する。

ＰＢＣ１６は、第１の偏波保持ＶＯＡ２０により光強度が調整された第１の励起光と、第２の偏波保持ＶＯＡ２１により光強度が調整された第２の励起光とを偏波多重して、無偏光化された励起光を出力する。ＰＢＣ１６は、偏波多重回路の一態様である。

偏波多重された励起光は、前方励起光多重部３１０を介して利得媒体５０１に入力される。利得媒体５０１は、光送信器１００から出力される光信号と、ＰＢＣ１６から出力された励起光（第１の励起光および第２の励起光）を入力とし、入力した励起光で光信号を増幅した上で出力する。

以上のように構成された第５の実施形態によれば、第１の実施形態から第４の実施形態における問題点を改善することが可能になる。

（第５の実施形態の変形例１）
図１１では、第１のシングルモードレーザ３５から出力される光を第１の波長数変更部３９で外部変調し、第２のシングルモードレーザ３６から出力される光を第２の波長数変更部４０で外部変調する構成とした。一方で、図１２に示すように、変調手段の一部を直接変調とすることも可能である。

図１２は、第５の実施形態の変形例１における光増幅装置の構成例を示す図である。光増幅装置は、励起光発生部５０ｅと、前方励起光多重部３１０と、利得媒体５０１と、光フィルタ５０２を備える。励起光発生部５０ｅは、励起光発生装置の一態様である。励起光発生部５０ｅは、第１の励起電流・温度コントローラ１２と、第２の励起電流・温度コントローラ１３と、第１の偏波保持光導波路１４と、第２の偏波保持光導波路１５と、ＰＢＣ１６と、第１の偏波保持ＶＯＡ２０と、第２の偏波保持ＶＯＡ２１と、第１のシングルモードレーザ３５と、第２のシングルモードレーザ３６と、第１の発振器３７と、第２の発振器３８と、第１の強度変調抑圧部４１と、第２の強度変調抑圧部４２とを備える。

第１の発振器３７は、同一の周波数δｆ_１の信号を第１の励起電流・温度コントローラ１２及び第１の強度変調抑圧部４１に出力する。第１の励起電流・温度コントローラ１２は、第１のシングルモードレーザ３５の励起電流又は温度のいずれか一方又は両方を、第１の発振器３７から出力された周波数δｆ_１の信号で直接変調する。

シングルモードレーザの出力の光周波数は、励起電流又は温度に依存する。そのため、上記の直接変調により、第１のシングルモードレーザ３５の出力光は、光周波数がｆ_ｃ１＋ｎ×δｆ_１である複数の輝線スペクトルを有する光に変換される。しかしながら、シングルモードレーザの出力の強度もまた励起電流および温度に対して非線形に応答する。そのため、複数の輝線スペクトルを発生させるという本来の目的は達成できるものの、励起光のトータルの光強度は複雑な強度変調をうけるという望ましくない問題が生じる。ただし、励起電流と温度の平均値と、それらに加える直接変調の周波数および変調度が一定であるならば、この望ましくない強度変調の変調波形を予め把握しておくことは可能である。

第１の発振器３７から出力された周波数δｆ_１の信号は第１の強度変調抑圧部４１に入力される。第１の強度変調抑圧部４１は、入力された周波数δｆ_１の信号を用いて光強度変調を行う。これにより、第１の強度変調抑圧部４１は、直接変調によって生じた望ましくない強度変調を相殺する。

第２の発振器３８及び第２の強度変調抑圧部４２も、第１の発振器３７及び第１の強度変調抑圧部４１と同様に用いられる。この実施形態における第１の強度変調抑圧部４１及び第２の強度変調抑圧部４２は、図１１に示した実施形態における第１の波長数変更部３９及び第２の波長数変更部４０とは異なり、単純な強度変調のみを行う。そのため、変調に伴う第１の励起光及び第２の励起光の光損失を低減させることが可能になる。

第１の強度変調抑圧部４１及び第２の強度変調抑圧部４２は、例えばマハツェンダ干渉計を用いた強度変調器で実現することも可能ではあるが、マハツェンダ干渉計を用いた強度変調器は挿入損失が大きいため現実的とは言えない。より現実的な構成として、偏光子と偏波コントローラの組み合わせで第１の強度変調抑圧部４１及び第２の強度変調抑圧部４２を構成することも可能である。

上述したように、偏光子と偏波コントローラの組み合わせで第１の強度変調抑圧部４１及び第２の強度変調抑圧部４２を構成した第１の強度変調抑圧部４１及び第２の強度変調抑圧部４２を有する励起光発生部５０ｆの具体例を図１３に示す。第１の強度変調抑圧部４１は、第１の偏波変更部４３と第１の偏光子２４で構成される。第２の強度変調抑圧部４２は、第２の偏波変更部４４と第２の偏光子２５で構成される。

第１のシングルモードレーザ３５の出力は、第１の偏波変更部４３に入力される。通常シングルモードレーザの出力は直線偏波であるため、もしも第１の偏波変更部４３が偏波を変更しないで透過させる場合、第１の偏波変更部４３の出力もまた直線偏波となる。第１の偏波変更部４３の出力は第１の偏光子２４に入力される。ここで、第１の偏光子２４の透過率が最大となる偏波面は、第１の偏波変更部４３が偏波を変更しないで光を透過させた場合に得られる偏波面と一致するよう設定される。

第１の発振器３７は、第１の偏波変更部４３を周期的に制御する。この制御により第１の偏波変更部４３の出力光の偏波状態を僅かに変更し、変調度の低い偏波変調を行う。この偏波変調は、直線偏波の偏波面の角度を周期的に僅かに変更することで実現してもよい。あるいは、直線偏波を楕円偏波に変更し再び元の直線偏波に戻すという操作を周期的に行うことで実現してもよい。この偏波変調は第１の偏光子２４の出力において強度変調に変換される。この強度変調は既に述べたように、直接変調によって生じた望ましくない強度変調を相殺するよう設定される。第２の強度変調抑圧部４２の作用も同様である。

（第５の実施形態の変形例２）
一般に、シングルモードレーザの出力光強度はマルチモードレーザのそれに比べて小さいため、励起光としては光強度が不足になることが予測される。この欠点を補うため、第１のシングルモードレーザ３５と第１の偏波保持ＶＯＡ２０との間、および第２のシングルモードレーザ３６と第２の偏波保持ＶＯＡ２１との間に各々半導体光増幅器を配置しても良い。第１の発振器３７と第２の発振器３８とを２台の別の発振器として説明してきたが、これらを同一の発振器とし、その出力を複数に分岐して出力する構成としても良い。

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。

本発明は、励起光を用いる光増幅器に技術に適用できる。

１０…第１のマルチモードレーザ， １１…第２のマルチモードレーザ， １２…第１の励起電流・温度コントローラ， １３…第２の励起電流・温度コントローラ， １４…第１の偏波保持光導波路， １５…第２の偏波保持光導波路， １６…ＰＢＣ， ２０…第１の偏波保持ＶＯＡ， ２１…第２の偏波保持ＶＯＡ， ２２…第１のアイソレータ， ２３…第２のアイソレータ， ２４…第１の偏光子， ２５…第２の偏光子， ３０…第１の偏波保持光アンプ， ３１…第２の偏波保持光アンプ， ３５…第１のシングルモードレーザ， ３６…第２のシングルモードレーザ， ３７…第１の発振器， ３８…第２の発振器， ３９…第１の波長数変更部， ４０…第２の波長数変更部， ４１…第１の強度変調抑圧部， ４２…第２の強度変調抑圧部， ４３…第１の偏波変更部， ４４…第２の偏波変更部， ５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ…励起光発生部， ５０１…利得媒体， ５０２…光フィルタ

Claims (5)

1. 光周波数がｆ_ｃ１である連続波光を出力する第１のシングルモードレーザと、
   光周波数がｆ_ｃ１とは異なる値のｆ_ｃ２である連続波光を出力する第２のシングルモードレーザと、
   前記第１のシングルモードレーザの出力光に変化を与え、光周波数がｆ_ｃ１＋ｎ×δｆ_１（ｎは負を含む整数）である複数の輝線スペクトルを有する第１の励起光を生成する第１の波長数変更部と、
   前記第２のシングルモードレーザの出力光に変化を与え、光周波数がｆ_ｃ２＋ｎ×δｆ_２である複数の輝線スペクトルを有する第２の励起光を生成し、縦モードの周波数間隔δｆ_２を縦モードの周波数間隔δｆ_１にできるだけ近づくように設定する第２の波長数変更部と、
   前記第１の波長数変更部によって生じた前記第１の励起光の強度変化を外部変調により抑圧させる第１の強度変調抑圧部と、
   前記第２の波長数変更部によって生じた前記第２の励起光の強度変化を外部変調により抑圧させる第２の強度変調抑圧部と、
   前記第１の励起光と、前記第２の励起光とを偏波多重して出力する偏波多重回路と、
   光信号と前記偏波多重回路から出力される第１の励起光および第２の励起光の全てが入力され、かつ、前記光信号を増幅した上で出力する利得媒体と、
   を備える光増幅装置。
2. 前記第１の波長数変更部は、前記第１のシングルモードレーザの出力光に周期的な変調を加えることにより複数の輝線スペクトルを発生させ、
   前記第２の波長数変更部は、前記第２のシングルモードレーザの出力光に周期的な変調を加えることにより複数の輝線スペクトルを発生させる、
   請求項１に記載の光増幅装置。
3. 前記光信号がボーレートｆＢのディジタル信号である場合、前記ｎ×δｆ_１およびｎ×δｆ_２は前記ボーレートｆＢと異なる、
   請求項１に記載の光増幅装置。
4. 前記光信号は、隣接する波長チャネルの光周波数間隔がｆＷＤＭの波長多重信号であり、前記縦モードの周波数間隔δｆ_１及びδｆ_２が、前記隣接する波長チャネルの光周波数間隔ｆＷＤＭとは異なる値である、請求項１に記載の光増幅装置。
5. 第１のシングルモードレーザが、光周波数がｆ_ｃ１である連続波光を出力し、
   第２のシングルモードレーザが、光周波数がｆ_ｃ１とは異なる値のｆ_ｃ２である連続波光を出力し、
   第１の波長数変更部が、前記第１のシングルモードレーザの出力光に変化を与え、光周波数がｆ_ｃ１＋ｎ×δｆ_１（ｎは負を含む整数）である複数の輝線スペクトルを有する第１の励起光を生成し、
   第２の波長数変更部が、前記第２のシングルモードレーザの出力光に変化を与え、光周波数がｆ_ｃ２＋ｎ×δｆ_２である複数の輝線スペクトルを有する第２の励起光を生成し、縦モードの周波数間隔δｆ_２を縦モードの周波数間隔δｆ_１にできるだけ近づくように設定し、
   第１の強度変調抑圧部が、前記第１の波長数変更部によって生じた前記第１の励起光の強度変化を外部変調により抑圧し、
   第２の強度変調抑圧部が、前記第２の波長数変更部によって生じた前記第２の励起光の強度変化を外部変調により抑圧し、
   偏波多重回路が、前記第１の励起光と、前記第２の励起光とを偏波多重して出力し、
   利得媒体が、光信号と前記偏波多重回路から出力される第１の励起光および第２の励起光の全てが入力され、かつ、前記光信号を増幅した上で出力する、
   励起光発生方法。