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JP7264994B2 - ビスマスドープファイバ増幅器 - Google Patents

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Description

本開示は光学に関し、特に光ファイバ増幅器に関する。
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１８年９月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／７３０，７６６号「Bismuth Doped Fiber Amplifier to Extend O-band」の利益を主張する。この米国仮特許出願は、引用することによってその全内容が本明細書の一部をなす。
光ファイバ通信システムにおけるＯ帯域（original band）は、約１２６０ナノメートル（～１２６０ｎｍ）から～１３６０ｎｍの波長（λ）範囲で動作する。Ｏバンドで動作する１つの利点は、送信機の波長がゼロ分散波長（λ０）の近くに位置することである。したがって、通常、光学的または電子的な波長分散補償は必要とされない。これらおよび他の利点のために、Ｏ帯域で動作する光ファイバシステムおよびプロセスを改善するために継続的に努力されている。
本開示は、ビスマス（Ｂｉ）ドープ光ファイバを使用する光学システムを提供する。システムの一実施形態は、ゲイン帯域および補助帯域を有するＢｉドープ光ファイバ（またはＢｉドープファイバ（ＢｉＤＦ））を含む。ゲイン帯域は、第１の中心波長（λ１）および第１の６デシベル（６ｄＢ）ゲイン帯域幅を有する。補助ゲイン帯域は、第２の中心波長（λ２）を有する。このシステムは、ＢｉＤＦに光学的に結合された信号ソースをさらに備える。信号ソースは、ゲイン帯域の光信号をＢｉＤＦに提供する。さらに、励起ソースは、ＢｉＤＦに光学的に結合される。励起ソースは、ＢｉＤＦに励起波長（λ３）の励起光を提供する。いくつかの実施形態では、複数の励起ソースは、ＢｉＤＦに複数の波長の励起光を提供する。
他のシステム、装置、方法、特徴、および利点は、以下の図面および詳細な説明を検討することによって、当業者に明らかになるか、または明らかになるであろう。このような全ての追加のシステム、方法、特徴、および利点は、この説明に含まれ、本開示の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。
開示の多くの態様は、以下の図面を参照することによって、よりよく理解することができる。図面中の構成要素は、必ずしも縮尺通りではなく、むしろ、本開示の原理を明確に示すことに重点を置いている。さらに、図面において、同様の参照番号は、いくつかの図を通して対応する部分を示す。
ビスマス（Ｂｉ）ドープ光ファイバ（またはＢｉドープゲインファイバまたは切り詰められたＢｉドープファイバ（ＢｉＤＦ））を含むシステムの一実施形態を示す図である。 図１Ａのシステムにおける増幅自然放出（ＡＳＥ）を示すグラフであり、中心波長（λ）が約１１５５ナノメートル（～１１５５ｎｍ）、～１１７５ｎｍ、～１１９５ｎｍ、～１２１５ｎｍ、および～１２３５ｎｍである励起レーザ用である。 図１Ａのシステムについて、ゲイン（Ｇ）、ゲインピーク（単位：マイクロメートル（μｍ））、および出力変換効率（ＰＣＥ）の励起λに対する依存性を示すグラフである。 図１Ａのシステムについて、～１２３５ｎｍの励起λの入出力スペクトルを示すグラフである。 図１Ａのシステムについて、～１２３５ｎｍの励起λの入出力スペクトルを示すグラフである。 後方励起Ｂｉドープファイバ増幅器（ＢｉＤＦＡ）システムの一実施形態について、～５００ミリワット（ｍＷ）の励起出力におけるＧおよび雑音指数を示すグラフである。 図２Ａのグラフを得るために使用された、後方励起ＢｉＤＦＡシステムのための、～７５０ｍＷの励起出力におけるＧおよび雑音指数を示すグラフである。 ＢｉＤＦＡシステムの一実施形態からの光学スペクトルを示すグラフであり、スペクトルは送信機出力、４０キロメートル（ｋｍ）伝送後のＢｉＤＦ入力、および増幅器出力を表す。 平均ビット誤り率（ＢＥＲ）を、４０ｋｍリンクのＧ．６５２伝送ファイバと可変光減衰器（ＶＯＡ）の信号出力の関数として、図３Ａのグラフを得るために使用されたＢｉＤＦＡシステムのバックツーバック性能と比較して示すグラフである。 図３ＡからＢｉＤＦＡシステムにおける異なる波長チャネルに対するＢＥＲを示す表である。 図３ＡからＢｉＤＦＡシステムに対する光信号雑音比（ＯＳＮＲ）の関数としてＢＥＲ劣化を示すグラフである。 図３ＡからＢｉＤＦＡシステムを用いた様々な伝送距離に対するＢＥＲを示すグラフである。 信号が別のＢｉＤＦＡで前置増幅されるＢｉＤＦＡシステムの別の実施形態からの光学スペクトルを示すグラフであり、スペクトルは送信機出力、ＢｉＤＦ入力、および増幅器出力を表す。 図４ＡのＢｉＤＦＡシステムを用いた様々な伝送距離に対するＢＥＲを示すグラフである。 図４ＡからＢｉＤＦＡシステムにおける異なる波長チャネルに対するＢＥＲを示す表である。 カスケード増幅段を有するＢｉＤＦＡシステムの一実施形態を示す図である。 追加の光源を有するＢｉＤＦＡの一実施形態を示す図である。 図６のＢｉＤＦＡの光損失の改善を示すグラフである。
近年、全体Ｏ帯域トランスポンダレートは、例えば、約２６．６ギガボーパーセカンド（～２６．６Ｇｂａｕｄ／ｓ）の４レベルパルス振幅変調（ＰＡＭ－４）信号によって変調された８つ（８）のローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）波長分割多重化（ＷＤＭ）チャネルを使用することによって、４２５ギガビットパーセカンド（Ｇｂ／ｓ）に増加された。ＬＡＮＷＤＭと複素変調フォーマットの使用は、受信機と受信機感度で利用可能なチャネル当たりの出力を低減し、それにより所望の光増幅をする。半導体光増幅器は、Ｏ帯域信号をブーストするために使用することができるが、半導体光増幅器は、自己ゲイン変調および相互ゲイン変調による歪みをもたらす。従って、半導体光増幅器は、ＰＡＭ－４のような複素強度変調フォーマットのＷＤＭ伝送には適していない。
約１２８０ナノメートル（～１２８０ｎｍ）と～１３２０ｎｍとの間のゲイン帯域幅を有するプラセオジムドープファイバ増幅器（ＰｒＤＦＡ）がいくつかのＯ帯域用途に使用されている。しかし、ＰｒＤＦＡは非シリカホストガラスを必要とし、そのためＰｒＤＦＡは高価で複雑である。
これらの欠点に対処するために、本開示は、Ｏ帯域伝送到達距離およびＯ帯域伝送容量の両方の拡張を可能にするシリカベースのビスマス（Ｂｉ）ドープファイバ増幅器（ＢｉＤＦＡ）を教示する。本開示のシリカベースＢｉＤＦＡは、～６０ｎｍより大きい６デシベル（６ｄＢ）ゲイン帯域幅を有する。ゲイン帯域の中心は励起波長に依存し、～１３０５ｎｍと～１３２５ｎｍとの間に柔軟に中心を合わせることができる。ＢｉＤＦＡは、エルビウム（Ｅｒ）ドープファイバ増幅器（ＥｒＤＦＡ）システムに匹敵するパラメータを示しながら、実質的にエルビウム（Ｅｒ）を含まない光ファイバを使用する。本開示の実施形態は、４００ＧＢＡＳＥ－ＬＲ－８伝送距離を、ＩＴＵ－ＴＧ．６５２業界標準に適合する光ファイバの約４０キロメートル（～４０ｋｍ）を超えて拡張することができる。
技術的問題に対する広範な技術的解決策を提供したので、ここで、図面に示される実施形態の説明を詳細に参照する。いくつかの実施形態が、これらの図面に関連して説明されているが、本明細書に開示される実施形態に開示を限定する意図はない。反対に、すべての代替物、改変物、および均等物をカバーすることを意図する。
図１Ａは、ビスマス（Ｂｉ）ドープ光ファイバ（またはＢｉドープファイバ（ＢｉＤＦ））を含むシステムの一実施形態を示す図である。具体的には、図１Ａは、信号入力１０５と、信号入力１０５に結合された第１の光アイソレータ１１０と、第１の光アイソレータ１１０に光学的に結合されたＢｉＤＦ１１５とを有する光増幅器システムを示す。ＢｉＤＦ１１５は、広帯域３デシベル（３ｄＢ）カプラ１２０に光学的に結合され、後方励起された励起ソース１２５を通して励起光の導入を可能にする。ＢｉＤＦ１１５は、共励起方式または共励起および後方励起方式の組み合わせを使用して励起することもできることを理解されたい。共励起および後方励起方式が当該技術分野で公知である限り、共励起および後方励起方式のさらなる議論は、本明細書では省略される。出力伝送ファイバ１３０は、３ｄＢカプラ１２０からの信号を第２の光アイソレータ１３５に伝送した後、信号出力１４０に伝送する。
図１Ａの実施形態では、ＢｉＤＦ１１５は、約０．０１モルパーセント未満（＜０．０１ｍｏｌ％）のＢｉ濃度を有するホスホシリケートガラスのＢｉドープコアを含む。当該技術分野で知られているように、改良化学気相成長法（ＭＣＶＤ）のような製造プロセス、またはプリフォームのクラッドを形成するためにガラス管を使用する一方で、コア（例えば、ケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、およびＢｉの化合物）の成分は気相から堆積される。
当該技術分野で公知の他の製造プロセスによって、ＢｉＤＦ１１５を製造することができる。
製造時、ＢｉＤＦ１１５は、約７マイクロメートル（～７μｍ）のコア直径、コアとクラッドとの間の約６ｅ－３（～０．００６）の屈折率差、および～１１００ｎｍのカットオフ波長を有する。コア直径が～７μｍであるため、他の石英ベース光ファイバとの接続性が良好である。当業者がＭＣＶＤおよび他のＢｉＤＦ製造プロセスを理解する限り、光ファイバ製造プロセスのさらなる説明は本明細書では省略する。
図１Ａに具体的に示されるように、システムは、長さ約８０メートル（～８０ｍ）のＢｉＤＦ１１５を含み、これは、～１１５５ｎｍと～１２５５ｎｍとの間である中心波長（λ３）を有する１つまたは複数の励起ソース１２５によって後方励起される。具体的には、図１Ａの実施形態は、～１１５５ｎｍ、～１１７５ｎｍ、～１１９５ｎｍ、～１２１５ｎｍ、および、～１２３５ｎｍの５つ（５）の異なる中心波長を選択する１つ（１）の励起を使用する。また、図１Ａの実施形態では、信号入力１０５は、～１３１０ｎｍで動作する分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、ファイバゲイン（Ｇ）、飽和出力、および出力変換効率（ＰＣＥ）とを備え、これらはすべて図１Ｃに示されており、～１２７２ｎｍから、～１３１０ｎｍの波長範囲を有する４００ＧＢＡＳＥ－ＬＲ８トランシーバの出力からの８チャネルコムから測定される。
伝送ファイバおよびＢｉＤＦ１１５は、当業者には公知の標準的なスプライサおよび自動スプライシングプログラムとスプライスされる。図１Ａには、５つ（５）の励起ソース１２５のうちの１つ（１）が使用され得ることが示されているが、追加の実施形態は、任意の数の励起ソースを任意の組み合わせで使用してもよい。このような実施形態は、ゲイン帯域幅を広げるために使用してもよい。
図１Ｂは、約２７５ミリワット（～２７５ｍＷ）の励起出力における、５つすべての励起波長についての増幅自然放出（ＡＳＥ）スペクトルを示す。図１Ｂに示すように、～１ｎｍの励起当たり～０．５ｎｍのＡＳＥ強度ピークのシフトがある。さらに、ＡＳＥスペクトルは３ｄＢ帯域幅が～６０ｎｍ、６ｄＢ帯域幅が～８５ｎｍのベル型曲線を示す。
約－２デシベルミニワット（－２ｄＢｍ）の入力において、Ｇ、出力、およびＰＣＥの励起波長（λ３）依存性は、図１Ｃに示されている。具体的には、図１Ａの実施形態の場合、増幅器システムは、～１５ｄＢから～１８ｄＢのＧ、～２０ｄＢｍの出力、および～２３％から～２７％のＰＣＥを、～１１９５ｎｍから～１２３５ｎｍのλ３に対して生じさせる。λ３（～４００ｍＷの励起出力における）が短いと、すべてのパラメータが急激に減衰する。～１２７２ｎｍから～１３８０ｎｍの入力信号範囲は、３つ（３）のＦａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔレーザと組み合わせてＬＲ－８トランシーバを使用することによってカバーされることを理解されたい。４００ｍＷ励起出力に対する入力（約－６ｄＢの全信号出力）スペクトルおよび～１１９５ｎｍおよび～１２３５ｎｍにおける出力スペクトルを、それぞれ図１Ｄおよび図１Ｅに示す。ゲインピークはＡＳＥピーク波長と一致し、６ｄＢゲイン帯域幅は少なくとも～８０ｎｍ、λ３は～１１９５ｎｍから～１２３５ｎｍの範囲である。図１Ｂから図１Ｅに基づいて、図１Ａの光増幅器システムは、～８０ｍのゲインファイバ長に対して少なくとも～１６ｄＢのゲインを示す。この同じ長さに対して、システムは少なくとも～２０％のＰＣＥと少なくとも～１６ｄＢｍの出力を示す。
別の実施形態では、第２の光アイソレータ１３５を取り外し（設計の簡略化と性能の向上のため）、３ｄＢカプラ１２０を、信号と励起の両方をカバーする波長範囲にわたって光を伝送する融合ファイバ波長分割多重（ＷＤＭ）に置き換える（誘導損失は最大で～４ｄＢである）。短波長チャネルのゲインは～１１９５ｎｍのλ３に対して増加する。ＷＤＭの実施形態では、～５００ｍＷの励起出力におけるＧおよびノイズ指数（ＮＦ）のグラフが図２Ａに示され、～７５０ｍＷの励起出力におけるＧおよびＮＦのグラフが図２Ｂに示されている。図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、～１２７２ｎｍと～１３１０ｎｍとの間の波長範囲にわたって、増幅器システムは～１８ｄＢの最大Ｇを有し、～２ｄＢのゲイン平坦度と～５ｄＢの典型的ＮＦを有し、～５．５ｄＢが～１２７２ｎｍにおける最大ＮＦである。
ＢｉＤＦＡ性能を４００ＧＢＡＳＥ―ＬＲ８トランシーバとＯＮＴ―６０４テスタで試験した。テスタは、１６×２６．６ギガビットパーセカンド（Ｇｂ／ｓ）２３１－１擬似ランダムバイナリシーケンス（ＰＲＢＳ）オンオフキー（ＯＯＫ）データレーンを送信側で生成する一方で、１６受信側レーンの各々に対し個別ビット誤り率（ＢＥＲ）を検出する。４００ＧＢＡＳＥ―ＬＲ８トランシーバは、１６個のＯＯＫデータレーンを８×２６．６Ｇｂａｕｄ／ｓのパルス振幅変調ＰＡＭ―４チャネルに結合し、８個の直接変調レーザを使用して送信する。受信機側では、８個のＷＤＭチャネルを分離し（～４ｎｍより大きいフィルタ幅を用いて）、検出し、１６個のデジタル信号レーンに変換する。トランシーバ信号（～１１．７ｄＢｍにおいて）は、～４０ｋｍから～５５ｋｍの光ファイバまたは可変光減衰器（ＶＯＡ）に入射し、ＢｉＤＦＡによって増幅される。受信出力を制御するために、別のＶＯＡがＢｉＤＦＡと伝送ファイバ（Ｇ．６５２に準拠しており、伝送中心波長は～１３１２ｎｍ、損失は～１３１０ｎｍにおいて～０．３３ｄＢ）との間に設置される。
図３Ａは、伝送後の光スペクトル（Ｇ．６５２ファイバおよびＢｉＤＦＡ）を示す。具体的には、図３Ａは、送信機出力、～４０ｋｍ後のＢｉＤＦ入力、およびＢｉＤＦＡ出力を示す。図３Ａでは、視認性を高めるために波長シフトが加えられている。このシステムは～１４．６ｄＢ（コネクタを含む）の平均ファイバ損失を示すが、短波長チャネルは長波長チャネルに比べて最大～２ｄＢ高い損失を受ける。実用上の目的のために、励起出力は～５００ｍＷに制限される。
これらのパラメータを使用して、～４０ｋｍの伝送ファイバと１４．６ｄＢのＶＯＡの信号出力の関数としての平均ビット誤り率（ＢＥＲ）を、図３Ｂのバックツーバック性能と比較した。１ｅ－５ＢＥＲにおける出力ペナルティは、ＶＯＡと伝送ファイバとの両方に対して～２ｄＢ未満であるが、長期ＢＥＲ（～８時間以上）は、～４０ｋｍの距離にわたる増幅伝送に対して５ｅ－６である。
図３Ｃは、図３ＡからＢｉＤＦＡシステムにおける異なる波長チャネルのＢＥＲを示す表であり、図３Ｃに示すように、短波長チャネルはより高いＢＥＲを有し、チャネルＢＥＲは波長と共に減少する。この波長依存性は、短波長チャネル（長波長チャネルと比較して）での高い累積分散に加えて、～３ｄＢ低い受信出力と～２ｄＢ低い光信号雑音比（ＯＳＮＲ）に起因する。
Ｇ．６５２ファイバとＢｉＤＦＡとの間にＶＯＡを挿入し、～６ｄＢｍの受信出力を維持し、最良チャネルと最悪チャネルの間に～３ｄＢの差を維持することにより、ＯＳＮＲからＢＥＲ劣化を調査することができる。これは、増幅器がＡＳＥノイズを生成するために劣化される。また、リンク損失マージンを推定することもできる。これを図３Ｄに示す。～１１．７ｄＢｍの送信出力と～４０ｋｍのファイバスパンで～１４．６ｄＢの損失の場合、１ｅ－５のＢＥＲに達する前に最大１．８ｄＢの損失を追加できる。また、図３Ｅに示すように、～５５ｋｍまでの全レーンのＢＥＲを測定することも可能である。しかし、距離が長くなると、エラーフロアは～１．３ｅ－４まで徐々に増加する。
図４Ａは、信号が受信機ポスト増幅（ＡｍｐＩＩ）に加えて別のＢｉＤＦＡで前置増幅（ＡｍｐＩ）されるＢｉＤＦＡシステムの別の実施形態からの光スペクトルを示すグラフである。表示されるスペクトルは、送信機出力、ＢｉＤＦ入力、およびＢｉＤＦＡ出力を表す。具体的には、システムは約２０．８ｄＢｍ（～１２１５ｎｍのλ３、７５０ｍＷの励起出力）の総出力を有する。チャネル１乃至４は送信を続けているが、チャネル８乃至１５からのＢＥＲデータのみが図４Ｃに示されている。～７０ｋｍ、～８１．５ｋｍ、及び～８５ｋｍの伝送長を有するＧ．６５２ファイバのＢＥＲが図４Ｂに示されている。図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃに見られるように、特に、～８１．５ｋｍの伝送長における３ｅ－５の長期エラーフロアによって、短波長チャネルは伝送距離を制限する。さらに、いくつかの実施形態では、増幅器システムは、増幅器信号ＰＣＥが入力信号出力とともに増加するブリーチ効果を示す。
いくつかの実施形態では、ＢｉＤＦＡの増幅段をカスケード接続することができる。そのような一実施形態が図５に示されている。具体的には、図５の実施形態は、第１増幅段５１０および第２増幅段５５０を含み、これらは共に接続ファイバ５５５によって光学的に結合されている。図５に示すように、第１段５１０は、信号入力５１５と、第１励起ソース５２０と、共励起構成（または方式）で信号と励起と結合する第１ＷＤＭ５２５とを含む。第１段５１０は、第１ＷＤＭ５２５の出力に光学的に結合される第１ＢｉＤＦ５３０をさらに含む。第１段５１０は、第２励起ソース５４０と、第２励起ソース５４０からの励起光を後方励起構成(または方式)で第１ＢｉＤＦ５３０に光学的に結合する第２ＷＤＭ５３５とをさらに含む。
第２段５５０は、信号入力５１５と、第３励起ソース５６０と、共励起構成（または方式）で信号と励起とを結合する第３ＷＤＭ５６５とを含む。第２段５５０は、第２ＢｉＤＦ５７０をさらに含み、これは、第３ＷＤＭ５６５の出力に光学的に結合される。第２段５５０は、第４励起ソース５８０および第４ＷＤＭ５７５をさらに含み、これは、後方励起構成（または方式）で、第４励起ソース５８０からの励起光を第２ＢｉＤＦ５７０に光学的に結合する。第４ＷＤＭ５７５は、信号出力５８５に光学的に結合される。
また、いくつかの実施形態では、第１増幅段５１０のブリーチは、第２増幅段５５０のブリーチとは異なるが、他の実施形態では、２つの段５１０、５５０のブリーチは同じであることを理解されたい。ブリーチの差は、例えば、ゲインファイバのＢｉ濃度を変化させることによって達成される。したがって、カスケードシステム全体の特定のパラメータ（例えば、全体システムゲイン、出力等）は、特定のパラメータ（例えば、ゲイン、ブリーチレベル等）を各増幅段５１０、５５０で改善することによって改善される。さらに、励起のいくつかは余分であり、したがって省略することができることを理解されたい（例えば、共励起のみの方式を使用することができ、後方励起のみの方式を使用することができ、または共励起および後方励起方式の両方の組み合わせ（図５に示すように）を使用することができるなどである。）。また、各追加段は、１つまたは複数の異なるタイプのゲインファイバ（例えば、Ｂｉドープ、Ｅｒドープ等）で構成可能である。さらに、各励起は、必要に応じて、単一の励起波長または複数の励起波長に構成可能である。さらに、各励起ソースは、他の励起ソースと同じ波長で、または他の励起ソースと異なる波長で動作することができる。
図６を参照すると、ＢｉＤＦＡシステムのさらに別の実施形態が示されている。具体的には、図６の実施形態は、中心波長λＳで動作する信号ソース６１０と、励起ソース６２０と、中心波長λＡで動作する光源６３０とを備えるＢｉＤＦＡシステムを示す。励起ソース６２０は、中心波長λ３を有する単一の励起波長ソースであってもよく、複数の励起ソースの集合体であってもよい。代替として、λ４の中心波長を有する追加の励起ソースを図６の構成に追加することができる。
いくつかの実施形態では、それぞれがそれぞれの励起ソースに対応する多くの異なる中心波長（λ３）を示すように、複数の励起波長を共に多重化することができる。いくつかの実施形態において、λ３（または構成によってはλ４）は、～１１５５ｎｍと～１２５５ｎｍとの間である。具体的には、いくつかの実施形態では、λ３（または構成によってはλ４）は、～１１５５ｎｍ、～１１７５ｎｍ、～１１９５ｎｍ、～１２１５ｎｍおよび～１２３５ｎｍの波長を含む。複数の励起ソースに対して、ＶＯＡはλ３（またはλ４）の出力をバランスする。
信号ソース６１０、励起ソース６２０および光源６３０は、ＢｉＤＦ６７０に光学的に結合されている。ＢｉＤＦ６７０は、ゲイン帯域および補助帯域を有する。ゲイン帯域は中心波長λ１を有する。いくつかの実施形態では、λ１は～１３０５ｎｍから～１３２５ｎｍの間である。補助帯域は中心波長λ２を有し、補助帯域の光源は波長λＡを有する。いくつかの実施形態では、λＡは～１４０５ｎｍである。ゲイン帯域は少なくとも～６０ｎｍである６ｄＢゲイン帯域幅を有する。いくつかの実施形態では、６ｄＢゲイン帯域幅および中心波長λ１は、λ３に依存する。好ましくは、ＢｉＤＦ６７０はＥｒを実質的に含まない。図６のシステムは、任意の光信号分析器（ＯＳＡ）６９０または他の信号出力をさらに含む。いくつかの実施形態によれば、λＡは、～１３６０ｎｍから～１５００ｎｍ（λ２ｂ）の範囲内であってもよく、あるいは、～１２４０ｎｍから～１２８０ｎｍ（λ２ａ）の範囲内であってもよい。
追加光源６３０は、λＳにおける信号損失を減少させることによって（あるいはλＳにおける信号ゲインを増加させることによって）、増幅器効率を改善する。具体的には、Ｂｉは～１２００ｎｍの範囲（λ２ａ）、～１３００ｎｍの範囲（Ｏ帯域）および～１４００ｎｍの範囲（λ２ｂ）の励起および発光バンドを有することが知られている。所定の出力レベルよりも高いλ２での光出力を加えることにより、信号励起は、ブリーチの減少により増大され得る。このように、λＡを励起すると（λ２ａまたはλ２ｂのいずれかにおいて）、ゲイン帯域（例えば、～１２６０ｎｍから～１３６０ｎｍ）の信号ゲインが～６ｄＢから～１０ｄＢ増加する。これは、ゲインと効率が基底状態のイオン分布と励起状態のイオン分布との競合に敏感であるためである。特に、高いゲインには高い反転レベルが必要である。しかしながら、低い入力信号出力（例えば、約－１０ｄＢｍ未満）では、帯域外波長（例えば、λ２ａの範囲で～１２００ｎｍのλＡ、またはλ２ｂの範囲で～１４００ｎｍのλＡ）での放射は、出力を迂回させ、反転レベルを低減することができる。この発散効果はλ２に帯域外光を導入することによりある程度補償できる。λＳ、λ２ａ、λ２ｂ、λ３の相対位置をまとめると、λＳはＯ帯域（～１２６０ｎｍから～１３６０ｎｍ）にある。λ３は～１２４０ｎｍ以下典型的には～１１９５ｎｍから～１２４０ｎｍの間）に位置する。λ２ａはＯ帯域の下に位置する。λ２ｂはＯ帯域の上方に位置する。
一例として、λＡが～１４０５ｎｍ、λＳが～１３２０ｎｍの場合、低出力レベル（例えば、～４ｄＢｍ）のλＡ信号がλ３の大きな励起信号（例えば、～２０ｄＢｍより大きい）の存在下で小さなλＳ信号（例えば、～１０ｄＢｍ）に導入され、λＡでの励起がλ１において～６ｄＢから～１０ｄＢのゲインで増幅効率を増加させる。この例を図７に示す。特に、図７は～１００ｍのＢｉＤＦにおけるλ１信号損失を比較するグラフである。具体的には、信号損失を光源６３０の有無で比較する。図７に示すように、～１４０５ｎｍのλＡに～４．１ｄＢｍを加えると、ＢｉＤＦ６７０における減衰（損失）が～１９ｄＢ／１００ｍから～１５．３ｄＢ／１００ｍに減少し、信号損失が～３．７ｄＢ減少する、これを２つの偏波に拡張すると、小信号ゲインが～６ｄＢから～１０ｄＢ増加する。したがって、Ｏ帯域におけるデータ伝送信号が約－３０ｄＢｍから約＋３ｄＢｍの範囲にある通信の場合、隣接する励起帯域（λ２）に追加の光源６３０を追加すると、増幅器効率が増大する。なお、光源６３０は、レーザ光源でも広帯域光源でもよい。
増幅器の効率を改善するもう１つのアプローチは、特に小さな信号（例えば、－１０ｄＢｍ未満）に対して、ＢｉＤＦのコアの導波路特性を修正することである。上述のように、反転は励起状態と基底状態との間の競合にある程度依存する。したがって、反転レベルを増加させるための１つのアプローチは、励起光（λ３）の強度を増加させることである。
励起光（λ３における）の強度は、導波路のモードフィールド面積（ＭＦＡ）を減少させることによって増加させることができる。導波路のＭＦＡは、コア指数を増加し（例えば、コアの非ゲイン生成共ドーパントの濃度を増加させることによって）、コア直径を低減することによって低減できる。好ましくは、ランタン（Ｌａ）またはルテチウム（Ｌｕ）のような非ゲイン生成共ドーパントは、所望のＰドープシリカガラスからのＢｉのゲイン特性を変化させない。代替的に、導波路のＭＦＡは、フッ素（Ｆ）ドーピングで行うことができるクラッド指数を減少させることによって低減することができる。ＭＦＡが低減されるプロセスにかかわらず、ＢｉＤＦのためのＭＦＡの低減は、ＢｉＤＦＡ効率の対応する改善をもたらす。また、Ｐ－Ｂｉ－ＳｉＯ２コアは～１３００ｎｍで望ましいゲインを生成するが、ゲルマニウム（Ｇｅ）またはアルミニウム（Ａｌ）の共ドーパント（例えば、Ｇｅ－Ｂｉ－ＳｉＯ２コアまたはＡｌ－Ｂｉ－ＳｉＯ２において）は同等の望ましいゲインを生成しないことに留意されたい。
例示的な実施形態が示され、説明されてきたが、記載されたような開示に対して多くの変更、修正、または変更がなされ得ることは、当業者には明らかであろう。たとえば、ほとんどの値は近似値として提供されるが（「～」を用いている）、これらの近似値には正確な数値も含まれるため、近似値は最も近い有効数字の誤差を反映する。したがって、このような変更、修正、および変更はすべて、本開示の範囲内であるとみなすべきである。

Claims (6)

  1. １２７２ナノメートル（ｎｍ）から１３１０ｎｍの動作波長範囲を有する光学システムであって、
    実質的にエルビウム（Ｅｒ）を含まず、６０ｎｍを超える帯域を有する６デシベル（６ｄＢ）ゲイン帯域を含み、前記６ｄＢゲイン帯域は１３０５ｎｍから１３２５ｎｍの波長範囲内に中心がある、ビスマス（Ｂｉ）ドープ光ファイバと、
    前記Ｂｉドープ光ファイバに光学的に結合され、前記６ｄＢゲイン帯域で前記Ｂｉドープ光ファイバに光信号を提供する信号ソースと、
    前記Ｂｉドープ光ファイバに光学的に結合され、励起中心波長で前記Ｂｉドープ光ファイバに励起光を提供する励起ソースと、
    を含み、
    前記励起中心波長は、
    １１３５ｎｍ、
    １１５５ｎｍ、
    １１７５ｎｍ、
    １１９５ｎｍ、
    １２１５ｎｍ、および
    １２３５ｎｍ
    からなるグループから選択された少なくとも２つの波長であることを特徴とする光学システム。
  2. 前記励起ソースは、励起構成を用いて励起光を提供し、励起構成は、
    共励起構成と、
    後方励起構成と、
    共励起構成と後方励起構成との組み合わせからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  3. 前記システムは、約８０メートル（～８０ｍ）の距離にわたって少なくとも約１６デシベル（～１６ｄＢ）のゲインを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  4. 前記システムは、約８０メートル（～８０ｍ）の距離にわたって少なくとも約２０パーセント（～２０％）の出力変換効率（ＰＣＥ）を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  5. 前記システムは約５．５デシベル（～５．５ｄＢ）よりも小さい雑音指数を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  6. 前記システムは約８０メートル（～８０ｍ）の距離にわたって少なくとも約１６デシベルミリワット（１６ｄＢｍ）の出力を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
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