光伝送の仕組み/光増幅器(EDFA)編│Vol.95｜YouTube動画｜セブンシックス株式会社

【sevensixTV】に第95弾の動画を更新しました。

01:00　EDFAの概要
02:35　EDFAの原理
05:18　増幅率は波長に依存する？
08:28　まとめ

今回は「光伝送の仕組み」というトピックスです。こちらは約3年前、弊社のプライベートセミナーとしてお話しした内容なのですが、今回はその一部を切り取って、さらにアップデートしてお話ししたいと思います。

■■　セブンシックスプライベートセミナーの録画動画
日付：2020年5月27日
タイトル：『光伝送の仕組み：損失・増幅・分散』
スピーカー：セブンシックス株式会社　技術部　中村　亮介

■■　2023年ジャパンプライズ関連情報受賞記念講演
中沢正隆博士「半導体レーザー励起EDFAの発明と光ファイバーが創るＩCTの未来」
受賞業績記事 https://www.japanprize.jp/data/prize/…

■■　動画内製品紹介光増幅器取り扱い製品一覧

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まず、こちらの光伝送の構成をご覧ください。

左から信号光が入力されてきて、可変光減衰器でレベル調整をし、MUX（マックス）で合波されます。そこで光増幅器で増幅してファイバー内を伝搬し、さらに増幅して、必要に応じて分散補償をして、DEMUX（デックス）で再び分波して出力されます。
この一連の流れの中で、各デバイスあるいは部材において「損失」「増幅」「分散」が生じます。今回はこのうち「増幅」に絞ってお話をいたします。

01:00　EDFAの概要

光増幅器にはいくつか種類がありますが、今回は一番広く使われている「エルビウム添加ファイバ増幅器（EDFA）」についてお話しいたします。
EDFAは今では光通信に欠かせない存在となっています。実はこのEDFA、日本発の技術であると言えます。その功績に対して、今年のジャパンプライズ（日本国際賞）が授与されています。

EDFAをWDM（波長分割多重）方式で使用する場合、波長に依存することなく、均一に増幅したいというご要望があるかと思います。今回は「なぜ波長に依存してしまうのか」「そもそもEDFAはどういう原理なのか」というところを、基本に立ち返って説明することに挑戦したいと思います。

こちらはEDFAの概要図です。
中心にエルビウム添加ファイバ（EDF）があり、そこに励起レーザーが入力されています。その状態で入力信号が入ってくると、増幅されて出ていきます。
では、このエルビウム添加ファイバ内で何が起こっているのでしょうか。ファイバの中には、エルビウムイオン（Er³⁺）が添加されています。励起レーザーが入ってくると、エルビウムは2つの状態のどちらかを取ります。それを「基底状態」と「励起状態」と呼びます。

02:35　EDFAの原理

こちらはエルビウムの状態を表す模式図で、「エネルギー準位」と呼ばれています。
上にいけばいくほど、エネルギーが高い状態を表しています。

もしエルビウムに励起レーザーが入っていなければ、一番エネルギーの低い「基底状態」にあります。
そこに0.98μmの波長を持った励起レーザーが入力されると、エネルギーが高い「励起状態2」に上がります。
その後、エネルギーの一部を熱として放出して「励起状態1」という状態を取ります。

しばらくこの状態に留まるのですが、数ミリ秒ほど経つと、自然に光を放出するか、あるいは後ほど説明する「誘導放出」という現象を伴って、再び基底状態に戻ります。つまり、エルビウムは基底状態か励起状態か、この2つのどちらかの状態を取るということです。

各状態において、そこに1.55μmの信号光が入ってくるとどうなるかを説明します。

基底状態にいる場合： 1.55μmの光が入ってくると、その光は吸収されてしまいます。結果として「損失」になります。
励起状態にいる場合： 1.55μmの信号光は「誘導放出」を生じさせます。これは、元々入ってきた光が出ていく際に、それと全く同じ光がもう一つ作られて出てくる現象です。このプロセスが「増幅」となります。

ここで一旦整理します。
EDFの状態として基底状態の割合が多い場合（励起光が相対的に弱い、または添加量が多い場合など）は、信号光が吸収されて損失となります。逆に励起状態が多い場合は、信号光は増幅されます。

05:18　増幅率は波長に依存する

より現実に近い場合を考えてみます。先ほどのエネルギー準位図では単純な線で書いていましたが、実際には各エネルギーには「幅」があります。
ということは、吸収する光は1.55μmだけではなく、その周辺の波長も吸収します。この青い曲線を「吸収スペクトル」と呼びます。同様に、誘導放出を起こさせることができる波長にも幅があり、この赤い曲線を「蛍光スペクトル（または誘導放出スペクトル）」と呼びます。

この特性を踏まえて、もう一度増幅率について考えます。

こちらのグラフは、横軸が波長、縦軸が増幅率を表しています。

励起状態が0%（ほぼ基底状態）の場合： 増幅率はマイナス、つまり損失になります。この形は「吸収スペクトル」を反転させた形と一致します。
励起状態が100%の場合： 「蛍光スペクトル」と同じ形状の増幅率曲線になります。
その中間の割合の場合： 吸収スペクトルと蛍光スペクトルを重ね合わせた形になり、様々な形状を取ります。

本来の目的は「波長に依存せず平坦に増幅させたい」というものでした。例えばCバンド（1530-1565nm）で利用する場合、グラフの中でできるだけ平坦になっている箇所（特定の励起状態の割合）を利用するのが適切だということが分かります。そのためには、その割合を保てるようなパラメータ設定をする必要があります

実際の装置を見てみましょう。こちらはソーラボ（Thorlabs）社の研究開発用EDFAのスペックです。

増幅率曲線を見ると、先ほど理論で説明した形状とほとんど一致していることが分かります。実際には、より高い平坦性を保つ必要があるため、この増幅率曲線の凹凸を相殺するような透過率を持った「光フィルター（GFF：ゲインフラットニングフィルタ）」を併用して、平坦性を保っています。

08:28　まとめ

今回は光伝送の仕組みについて、かなり原理的なところから説明いたしました。ただ、信号強度が非常に強くて飽和するようなケースや、媒体を伝搬しながら増幅されていくような複雑なケースについては触れませんでした。より現実に近い系については、以前公開した「Vol.50」の動画も参考にしていただければと思います。

弊社では様々な光増幅器を取り扱っておりますので、関心のある方はぜひお問い合わせください。

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