光増幅器

光増幅器は、光信号を電気信号に変換することなく直接増幅する装置です。光増幅器は、光共振器のないレーザー、あるいは共振器からのフィードバックが抑制されたレーザーと考えることができます。光増幅器は、光通信やレーザー物理学において重要な役割を果たしています。世界の通信回線の大部分を担う長距離光ファイバーケーブルでは、光リピーターとして使用されています。

光信号を増幅するために使用できる物理的メカニズムはいくつかあり、これらは主要な光増幅器の種類に対応しています。ドープファイバー増幅器とバルクレーザーでは、増幅器の利得媒体における誘導放出によって入射光が増幅されます。半導体光増幅器（SOA）では、電子と正孔の再結合が起こります。ラマン増幅器では、入射光が利得媒体の格子内のフォノンとラマン散乱することで、入射光子とコヒーレントな光子が生成されます。パラメトリック増幅器はパラメトリック増幅を利用します。

光増幅の原理は、1957年11月13日にゴードン・グールドによって発明されました。 ^{[ 2 ]}彼は1959年4月6日に「衝突を利用して反転分布を生成する光増幅器」というタイトルの米国特許US80453959Aを出願しました^{[ 3 ]}（その後、一部継続出願として修正され、最終的に1988年5月4日に米国特許4,746,201Aとして発行されました）。この特許は「気体、液体、または固体状態のイオン、原子、または分子からの光子の誘導放出による光の増幅」を対象としていました。^{[ 4 ]}グールドは合計で光増幅器に関連する48件の特許を取得しており^{[ 5 ]}、これは発行当時市場に出回っていたレーザーの80%をカバーしていました。^{[ 6 ]}

グールドは、かつてライトオプティクスリサーチの責任者だったデビッド・ヒューバーとケビン・キンバーリンと共に、光通信機器会社であるオプテレコム社を共同設立し、シエナ社の設立に貢献した。シエナ社のヒューバーとスティーブ・アレクサンダーは、1996年6月に発表した最初の高密度波長分割多重（DWDM）システムの鍵となる2段光増幅器^{[ 7 ]}（米国特許5,159,601 ）を発明した。これが光ネットワークの始まりとなった。 ^{[ 3 ]}その重要性は、当時、光学の権威である須藤正一と技術アナリストのジョージ・ギルダーによって1997年に認識され、須藤は光増幅器が「情報化時代と呼ばれる世界的な革命をもたらすだろう」^{[ 4 ]}と書き、ギルダーは光増幅器の重要性を集積回路と比較し、それが情報化時代を可能にするだろうと予測した。^{[ 8 ]}光増幅WDMシステムは、すべてのローカル、メトロ、国内、大陸間、海底通信ネットワークの共通基盤であり^{[ 9 ]}、インターネットの光ファイバーバックボーンの選択された技術です（たとえば、光ファイバーケーブルは現代のコンピュータネットワークの基盤を形成しています）。

ほぼすべてのレーザー活性利得媒体は、その利得媒体と同じ材料で作られたレーザーの波長の光に対して、励起することで利得を生み出すことができる。このような増幅器は、高出力レーザーシステムの製造に一般的に用いられる。再生増幅器やチャープパルス増幅器などの特殊なタイプは、超短パルスの増幅に使用される。

ドープファイバー増幅器

ドープファイバー増幅器（DFA）は、ドープ光ファイバーを利得媒体として使用して光信号を増幅する光増幅器です。 ^{[ 12 ]}これらはファイバーレーザーに関連しています。増幅される信号とポンプレーザーはドープファイバーに多重化され、信号はドープイオンとの相互作用によって増幅されます。

増幅は、ドーピングされたファイバー中のドーパントイオンからの光子の誘導放出によって実現されます。ポンプレーザーはイオンを高エネルギー状態に励起し、そこから信号波長の光子の誘導放出によって低エネルギー準位へと崩壊します。励起されたイオンは、自発的に崩壊（自然放出）したり、ガラスマトリックスのフォノンとの相互作用を伴う非放射過程によって崩壊することもあります。これら2つの崩壊メカニズムは誘導放出と競合するため、光増幅効率が低下します。

光増幅器の増幅範囲とは、増幅器が有効な利得を得られる光波長の範囲のことである。増幅範囲は、ドーパントイオンの分光学的特性、光ファイバーのガラス構造、および励起レーザーの波長と出力によって決定される。

孤立したイオンの電子遷移は非常に明確に定義されていますが、イオンが光ファイバーのガラスに組み込まれるとエネルギー準位が広がり、増幅ウィンドウも広がります。この広がりは、均一（すべてのイオンが同じ広がりスペクトルを示す）と不均一（異なるガラス位置にある異なるイオンが異なるスペクトルを示す）の両方があります。均一な広がりはガラスのフォノンとの相互作用によって生じ、不均一な広がりは異なるイオンが存在するガラス位置の違いによって生じます。異なる位置ではイオンが異なる局所電場にさらされ、シュタルク効果によってエネルギー準位がシフトします。さらに、シュタルク効果は、同じ全角運動量（量子数Jで指定される）を持つエネルギー状態の縮退も解消します。例えば、三価エルビウムイオン（Er ³⁺）は基底状態が J = 15/2 であり、電場が存在するとわずかに異なるエネルギーを持つ J + 1/2 = 8 個の副準位に分裂します。最初の励起状態は J = 13/2 であり、したがって 7 つの副準位を持つシュタルク多様体となります。J = 13/2 の励起状態から J = 15/2 の基底状態への遷移が、1500  nm 波長での利得の原因となります。EDFA の利得スペクトルには、上記の広がり機構によってぼやけた複数のピークがあります。その結果、非常に広いスペクトル（ シリカでは通常 30 nm）が得られます。ファイバー増幅器の広い利得帯域幅は、波長分割多重通信システムにおいて特に有用です。単一の増幅器を使用して、ファイバー上で伝送され、かつ利得ウィンドウ内に波長が収まるすべての信号を増幅できるためです。

エルビウム添加導波路増幅器（EDWA）は、導波路を用いて光信号を増幅する光増幅器である。

EDFAの基本原則

ポンプ光と呼ばれる比較的高出力の光ビームは、カプラを用いて増幅された入力信号と混合されます。入力信号とポンプ光は、波長が大きく異なる必要があります。混合された光は、コアにエルビウムイオンを含む光ファイバーに導かれます。この高出力の光ビームは、エルビウムイオンを高エネルギー状態に励起します。ポンプ光とは異なる波長の信号光子が励起されたエルビウムイオンに当たると、エルビウムイオンは誘導放出を起こし、低エネルギー状態に戻ります。

重要な点は、エルビウムが増幅される信号と全く同じ位相、周波数、方向を持つ追加の光子の形でエネルギーを放出することです。そのため、信号は進行方向に沿ってのみ増幅されます。これは珍しいことではありません。原子が「レーザー発振」するとき、常に入射光と同じ方向と位相でエネルギーを放出します。したがって、追加の信号パワーはすべて、入射信号と同じファイバーモードで導波されます。ポンプ光は、信号と同じ方向（順方向ポンピング）または逆方向（逆方向ポンピング）にファイバーに送ることができます。通常、出力側には、接続されたファイバーからの反射を防ぐために光アイソレーターが配置されます。このような反射は増幅器の動作を妨げ、極端な場合には増幅器がレーザーになってしまう可能性があります。

エルビウム添加増幅器は高利得増幅器である。

ノイズ

DFAにおける主なノイズ源は増幅自然放出（ASE）であり、そのスペクトルは増幅器の利得スペクトルとほぼ同じである。理想的なDFAの雑音指数は 3dBであるが、実際の増幅器では雑音指数が6～8dBにも達することがある 。

上準位の電子は誘導放出によって崩壊するだけでなく、ガラス構造と反転準位に応じてランダムに発生する自然放出によっても崩壊します。光子はあらゆる方向に自然放出されますが、その一部はファイバーの開口数内に収まる方向に放出され、ファイバーによって捕捉され、導かれます。捕捉された光子は、他のドーパントイオンと相互作用し、誘導放出によって増幅されます。したがって、最初の自然放出は信号と同じ方法で増幅されるため、「増幅自然放出」と呼ばれます。ASEはアンプから順方向と逆方向の両方に放出されますが、順方向ASEのみがシステム性能に直接関係します。なぜなら、そのノイズは信号とともに受信機まで伝搬し、そこでシステム性能を低下させるからです。しかし、逆方向に伝搬するASEは、ASEが反転レベルを低下させ、それによってアンプのゲインを低下させ、所望の信号ゲインに対して発生するノイズを増加させるため、アンプの性能を劣化させる可能性があります。

雑音指数は、光領域と電気領域の両方で解析できます。^{[ 13 ]}光領域では、光スペクトルアナライザを使用してASE、光信号ゲイン、および信号波長を測定することで雑音指数を計算できます。電気測定方法では、検出された光電流雑音を低雑音電気スペクトルアナライザで評価し、アンプゲインの測定と合わせて雑音指数を測定できます。一般的に、光学的手法はより簡単な方法を提供しますが、多重経路干渉（MPI）雑音の発生など、電気的手法で捉えられる過剰な雑音効果は含まれていません。どちらの方法でも、雑音指数を正確に測定するには、入力信号に伴う自然放出などの効果に注意することが重要です。

ゲイン飽和

DFA（ドーパント増幅器）における利得は、ドーパントイオンの反転分布によって得られます。DFAの反転レベルは、主に励起波長のパワーと増幅波長のパワーによって決まります。信号パワーが増加するか、励起パワーが減少すると、反転レベルが低下し、その結果、増幅器の利得が減少します。この現象は利得飽和として知られています。信号レベルが増加すると、増幅器は飽和し、それ以上の出力パワーを生成できなくなるため、利得が減少します。飽和は、一般的に利得圧縮とも呼ばれます。

最適なノイズ性能を実現するために、DFAは相当量のゲイン圧縮（ 通常10dB）下で動作します。これは、ゲイン圧縮によって自然放出率が低下し、結果としてASEが低減されるためです。DFAをゲイン飽和領域で動作させるもう1つの利点は、入力信号電力の小さな変動が出力増幅信号で低減されることです。入力信号電力が小さいほどゲインは大きくなり（飽和度が低く）、入力信号電力が大きいほどゲインは小さくなります。

パルスの立ち上がりエッジは、利得媒体の飽和エネルギーに達するまで増幅されます。ある条件下では、パルスの幅（ FWHM ）が減少します。 ^{[ 14 ]}

不均一広がり効果

ドーパントイオンの線幅広がりが不均一な部分を持つため、利得スペクトルには不均一な成分が存在し、利得飽和もわずかに不均一な形で発生します。この現象はスペクトルホールバーニングとして知られており、ある波長の高出力信号が、不均一に広がったイオンを飽和させることで、その信号に近い波長の利得に「穴」を開けることがあります。スペクトルホールの幅は、対象となる光ファイバーの特性とバーニング信号のパワーによって異なりますが、 Cバンドの短波長側では通常1 nm未満、長波長側では数nm程度です。ただし、ホールの深さは非常に小さいため、実際に観測することは困難です。

偏光効果

DFAは基本的に偏波に依存しない増幅器ですが、ドーパントイオンのごく一部は特定の偏波と優先的に相互作用するため、入力信号の偏波にわずかに依存する場合があります（通常0.5  dB未満）。これを偏波依存ゲイン（PDG）と呼びます。

イオンの吸収断面積と放出断面積は、異なるガラスサイトにおいて長軸が全方向にランダムに整列した楕円体としてモデル化できます。ガラス中の楕円体の向きのランダムな分布は巨視的に等方的な媒質を生成しますが、強力なポンプレーザーは、ポンプの光場ベクトルにより整列したイオンを選択的に励起することにより、異方性分布を誘起します。また、信号場に整列した励起イオンは、より多くの誘導放出を生成します。したがって、利得の変化は、ポンプレーザーと信号レーザーの偏光の整列、つまり2つのレーザーが同じドーパントイオンのサブセットと相互作用しているかどうかに依存します。複屈折のない理想的なドープファイバーでは、PDGは不都合なほど大きくなります。幸いなことに、光ファイバーでは常に少量の複屈折が存在し、さらに、高速軸と低速軸はファイバーの長さに沿ってランダムに変化します。一般的なDFAは数十メートルもの長さがあり、複屈折軸のランダム性がすでに現れるほどです。これらの2つの複合効果（伝送ファイバーでは偏光モード分散を引き起こす）により、ファイバーに沿った信号レーザーとポンプレーザーの相対偏光がずれ、PDGが平均化される傾向があります。その結果、PDGは単一の増幅器では非常に観測しにくくなります（ただし、複数の増幅器をカスケード接続したリンクでは顕著になります）。

半導体光増幅器（SOA）は、利得媒体として半導体を使用する増幅器です。^{[ 20 ]}これらの増幅器はファブリ・ペローレーザーダイオードと同様の構造ですが、端面に反射防止設計要素があります。最近の設計には、反射防止コーティングと傾斜した導波路およびウィンドウ領域が含まれており、端面反射を0.001%未満に低減できます。これにより、キャビティからのパワー損失が利得よりも大きくなるため、増幅器がレーザーとして機能しなくなります。別のタイプのSOAは2つの領域で構成されています。1つの部分はファブリ・ペローレーザーダイオードの構造を持ち、もう1つの部分は出力端面のパワー密度を低減するためにテーパー形状になっています。

半導体光増幅器は、一般的にGaAs /AlGaAs、InP / InGaAs、InP /InGaAsP、InP /InAlGaAsなどのIII-V族化合物半導体から作られますが、II-VI族などの直接バンドギャップ半導体であればどれでも使用可能です。このような増幅器は、通信システムにおいて光ファイバーピグテール付きコンポーネントとしてよく使用され、850nm  ～1600nmの信号波長で動作し 、最大30dBの利得を生成します 。

半導体光増幅器は小型で電気的に励起されます。EDFAよりも安価になる可能性があり、半導体レーザー、変調器などと統合できます。ただし、その性能はEDFAに匹敵しません。SOAはノイズが高く、ゲインが低く、偏光依存性が中程度で、非線形性が高く、過渡応答時間が速いです。SOAの主な利点は、4種類の非線形動作（クロスゲイン変調、クロス位相変調、波長変換、4光波混合）すべてを実行できることです。さらに、SOAは低出力レーザーで動作させることができます。^{[ 21 ]} これは、上準位の寿命がナノ秒以下と短いため、ゲインがポンプまたは信号パワーの変化に急速に反応し、ゲインの変化によって位相変化も発生し、信号が歪む可能性があることに起因します。この非線形性は、光通信アプリケーションにとって最も深刻な問題です。ただし、EDFAとは異なる波長領域でゲインを得る可能性を提供します。ゲインクランプ技術を使用した「線形光増幅器」が開発されました。

高い光非線形性を持つ半導体増幅器は、全光スイッチングや波長変換といった全光信号処理において魅力的な材料である。半導体光増幅器は、光信号処理、波長変換、クロックリカバリ、信号分離、パターン認識などの要素として、これまで多くの研究が行われてきた。

ラマン増幅器では、ラマン増幅によって信号が増幅されます。EDFAやSOAとは異なり、増幅効果は光ファイバー内で信号とポンプレーザーとの非線形相互作用によって実現されます。ラマン増幅器には、分布型と集中型の2種類があります。分布型ラマン増幅器は、ポンプ波長と信号波長を多重化することで伝送ファイバーを利得媒体として利用するものです。一方、集中型ラマン増幅器は、増幅を行うために専用の短いファイバーを使用します。集中型ラマン増幅器の場合、信号波長とポンプ波長との相互作用を強め、必要なファイバーの長さを短縮するために、コア径の小さい高非線形ファイバーが使用されます。

励起光は、信号光と同じ方向（同方向励起）、逆方向（逆方向励起）、またはその両方の方向に伝送ファイバーに結合される。逆方向励起は、励起光から信号光へのノイズ伝達が低減されるため、より一般的である。

ラマン増幅に必要なポンプ光パワーはEDFAに必要なパワーよりも高く、 分布型増幅器で実用的なゲインレベルを達成するには500mWを超えるパワーが必要となる。ポンプ光を安全に閉じ込めて高光パワーによる安全上の問題を回避できる集中型増幅器では、1Wを超える光パワーを使用する場合もある。

ラマン増幅の主な利点は、伝送ファイバー内で分散増幅を実現できることであり、これにより増幅器と再生器間のスパンを長くすることが可能になります。ラマン増幅器の増幅帯域幅は使用するポンプ波長によって決まるため、ドーパントやデバイス設計によって増幅「ウィンドウ」を定義する他のタイプの増幅器よりも、より広く、異なる領域で増幅を提供できます。

ラマン増幅器にはいくつかの基本的な利点があります。第一に、ラマン利得はすべてのファイバーに存在するため、末端からアップグレードするための費用対効果の高い手段となります。第二に、利得は非共鳴であるため、利得はファイバーの透明領域全体（約0.3～2μm）にわたって利用可能です 。ラマン増幅器の3つ目の利点は、ポンプ波長を調整することで利得スペクトルをカスタマイズできることです。例えば、複数のポンプラインを使用して光帯域幅を広げることができ、ポンプ分布によって利得の平坦性が決まります。ラマン増幅のもう1つの利点は、帯域幅が5THzを超える比較的広帯域の増幅器であり、広い波長範囲にわたって利得が比較的平坦であることです。^{[ 24 ]}

しかし、ラマン増幅器にはいくつかの課題があり、早期の採用を妨げていました。まず、EDFAと比較して、ラマン増幅器は低信号電力でのポンピング効率が比較的低いです。これは欠点ではありますが、このポンピング効率の低さは、ラマン増幅器でのゲインクランプを容易にします。次に、ラマン増幅器はより長いゲインファイバを必要とします。しかし、この欠点は、ゲインと分散補償を1本のファイバにまとめることで軽減できます。ラマン増幅器の3つ目の欠点は、応答時間が速いため、後述するように新たなノイズ源が発生することです。最後に、WDM信号チャネルでは増幅器の非線形ペナルティが懸念されます。^{[ 24 ]}

注：この記事の以前のバージョンのテキストは、パブリックドメインの連邦規格1037Cから引用されています。

光パラメトリック増幅器は、非中心対称非線形媒質（例えばベータホウ酸バリウム（BBO））や標準的な溶融石英光ファイバーなどの非線形媒質中の微弱な信号パルスを、カー効果によって増幅することを可能にする。主に通信環境で使用される前述の増幅器とは対照的に、このタイプの増幅器は、超高速固体レーザー（例えばTi:サファイア）の周波数可変範囲を拡大することに主な用途がある。非共線相互作用ジオメトリを使用することで、光パラメトリック増幅器は極めて広い増幅帯域幅を実現できる。

21世紀に入り、高出力ファイバーレーザーは産業用材料加工ツールとして採用され、医療や科学市場を含む他の市場にも拡大していきました。科学市場への進出を可能にした重要な進歩の一つは、高フィネスファイバー増幅器の改良であり、これにより、 優れたビーム品質と安定した直線偏光出力に加え、単一周波数線幅（5kHz未満）を実現できるようになりました。これらの仕様を満たすシステムは、当初数ワットの出力から始まり、数十ワット、そして数百ワットへと着実に進化を遂げました。この出力向上は、ファイバー技術の発展、例えばファイバー内での誘導ブリルアン散乱（SBS）抑制/緩和技術の採用、およびアンプ全体の設計の改善によって達成されました。これには、低開口コアを持つ大モード面積（LMA）ファイバー^{[ 25 ]} 、マイクロ構造ロッド型ファイバー^{[ 26 ] [ 27 ]}、ヘリカルコア^{[ 28 ]}、キラル結合コアファイバー^{[ 29 ]}、およびテーパーダブルクラッドファイバー（T-DCF） ^{[ 30 ]} が含まれます。2015年現在高精細、高出力、パルスファイバーアンプは、市販の固体単一周波数光源から得られる出力レベルを超える出力レベルと安定した最適化された性能を実現し、新たな科学的応用分野を開拓した。^{[ 31 ]}

光増幅器の設計に使用できるシミュレーションツールはいくつか存在する。代表的な市販ツールとしては、Optiwave Systems社とVPI Systems社が開発している。

• 半導体レーザーの非線形理論
• 再生増幅

• 市販されている半導体テーパー型増幅器の概要
• 市販されている固体増幅器の概要
• RPフォトニクス百科事典：光ファイバー増幅器およびラマン増幅器
• ROPA（リモート光ポンピングアンプ）を含む非中継システムにおける最新動向