光ファイバー通信分野における光増幅器

光ファイバー通信分野における光増幅器

An 光増幅器光増幅器は光信号を増幅する装置です。光ファイバー通信の分野では、主に以下の役割を果たします。1. 光パワーの増強と増幅。光送信機の先端に光増幅器を配置することで、ファイバーに入力される光パワーを増やすことができます。2. オンライン中継増幅。光ファイバー通信システムにおける既存の中継器を置き換えます。3. 前置増幅：受信側の光検出器の手前で、微弱な光信号を前置増幅することで、受信感度を高めます。

現在、光ファイバー通信で採用されている光増幅器は主に以下の種類があります。1. 半導体光増幅器（SOA光増幅器)/半導体レーザー増幅器（SLA光増幅器）；2. 希土類元素添加光ファイバ増幅器（ベイト添加光ファイバ増幅器など）（EDFA光増幅器）、など。3. ファイバーラマン増幅器などの非線形ファイバー増幅器。以下にそれぞれ簡単に紹介します。

1.半導体光増幅器：異なるアプリケーション条件と異なる端面反射率の下で、半導体レーザーは様々なタイプの半導体光増幅器を生成できます。半導体レーザーの駆動電流が閾値より低い場合、つまりレーザーが発生しない場合、光信号が一方の端に入力されます。この光信号の周波数がレーザーのスペクトル中心に近い限り、増幅されてもう一方の端から出力されます。半導体光増幅器これはファブリ・ペロー型光増幅器（FP-SLA）と呼ばれます。レーザーが閾値以上にバイアスされている場合、片端から弱い単一モード光信号が入力され、この光信号の周波数がこのマルチモードレーザーのスペクトル内にある限り、光信号は増幅され、特定のモードにロックされます。この種の光増幅器は、注入ロック型増幅器（IL-SLA）と呼ばれます。半導体レーザーの両端に反射防止膜の層をミラーコーティングまたは蒸着して放射率を非常に小さくし、ファブリ・ペロー共振器を形成できない場合、光信号がアクティブ導波路層を通過する際に、伝搬中に増幅されます。したがって、この種の光増幅器は、進行波型光増幅器（TW-SLA）と呼ばれ、その構造は次の図に示されています。進行波型光増幅器の帯域幅はファブリ・ペロー型増幅器の帯域幅よりも3桁大きく、3dB帯域幅は10THzに達するため、様々な周波数の光信号を増幅することができ、非常に有望な光増幅器である。

2. ドープファイバー増幅器：これは3つの部分から構成されます。1つ目は、長さが数メートルから数十メートルに及ぶドープファイバーです。これらの不純物は主に希土類イオンであり、レーザー活性化材料を形成します。2つ目は、レーザーポンプ光源です。これは、適切な波長のエネルギーを供給してドープされた希土類イオンを励起し、光の増幅を実現します。3つ目は、カプラです。これは、ポンプ光と信号光をドープされた光ファイバー活性化材料に結合することを可能にします。ファイバー増幅器の動作原理は、固体レーザーの動作原理と非常によく似ています。レーザー活性化材料内で粒子数の反転分布状態を引き起こし、誘導放射を生成します。安定した粒子数反転分布状態を生成するには、光遷移に2つ以上のエネルギー準位、典型的には3準位系と4準位系が関与し、ポンプ光源からエネルギーが連続的に供給される必要があります。エネルギーを効率的に供給するためには、励起光子の波長はレーザー光子の波長よりも短く、すなわち励起光子のエネルギーはレーザー光子のエネルギーよりも大きくなければならない。さらに、共振器は正のフィードバックを形成するため、レーザー増幅器を構成できる。

3. 非線形光ファイバー増幅器：非線形光ファイバー増幅器とエルビウム光ファイバー増幅器はどちらも光ファイバー増幅器の範疇に属します。ただし、前者は石英ファイバーの非線形効果を利用するのに対し、後者はエルビウム添加石英ファイバーを用いて活性媒体に作用させます。通常の石英光ファイバーは、適切な波長の強い励起光を照射すると、誘導ラマン散乱（SRS）、誘導ブリルアン散乱（SBS）、四光波混合効果などの強い非線形効果を生じます。信号が励起光とともに光ファイバー内を伝送されると、信号光が増幅されます。このようにして、光ファイバーラマン増幅器（FRA）、ブリルアン増幅器（FBA）、パラメトリック増幅器が形成され、これらはすべて分布型光ファイバー増幅器です。

要約：すべての光増幅器の共通の開発方向は、高利得、高出力、低雑音指数である。