ファイバアンプとは
ファイバアンプ (光ファイバアンプ) とは、光信号を増幅するために用いるアンプです。
光ファイバ内で光信号を伝播させる際に、光信号が伝送あるいは分配によって減衰してしまうため、その光信号を補う役割があります。従来、光信号を増幅するために、半導体ICなどで電気的に増幅した後、光に再変換し、再度送信し直すという方法をとっていました。
これに対しファイバアンプでは、光信号そのものを直接、光ファイバ内で増幅することが可能であるため、光通信の分野で広く用いられています。
ファイバアンプの使用用途
ファイバアンプ (光ファイバアンプ) は、光ファイバによる光通信分野で、特にファイバ内部の伝搬中の光の減衰が課題となる長距離の光通信用途で広く用いられています。
主流である希土類元素ドープファイバーを用いた光信号の増幅は高出力です。また、半導体による電気的な増幅では対応不可能な高い変調周波数や波長多重された光信号に対しても増幅可能なため、情報量の多い光信号に対応しています。
その特性を活かし、光通信の中でも長距離中継システム、光多分配システム、光周波数多重化システムなどで用いられています。
ファイバアンプの原理
ファイバアンプ (光ファイバアンプ) は、主に希土類ドープファイバーとポンプレーザーダイオード (ポンプLD) によって構成されており、誘導放出という物理現象を活用して光信号を増幅する原理を有しています。
まず、希土類イオンをポンプLDで励起すると、入力された信号光がトリガーとなり、誘導放出を起こすことで電気信号への変換をせずに光信号のまま増幅がなされます。他の構成部品は、入力された信号光とポンプ光を合成するためのWDMカプラ、増幅された光が発振するのを防ぐ光アイソレータが使われており、ドープに用いる希土類イオンの種類と光ファイバの材質を変更することで、異なる波長帯の光も増幅可能です。
希土類イオンとしてはそのエネルギー準位に対応し、Prイオンは1.3μm帯、Erイオンは1.5μm帯及び0.85μm帯、Tmイオンは1.4μm帯及び2μm帯、Ybイオンは1.0μm帯の増幅に用いることができ、特に1.3μm帯、1.4μm帯、0.85μm帯などの増幅は石英ファイバではなく、フッ化物ファイバを使用します。
ファイバアンプの種類
1. エルビウムドープファイバアンプ (EDFA)
長距離光通信用の石英系の光ファイバは波長1.55μmに最小損失を有するため、この付近の波長の半導体レーザーを光源に活用した長距離光通信伝送網が構築されています。長距離光通信の伝送網は長いものでは数100km以上にも及ぶので、その損失をかつては光から電気信号に変換し電気的に増幅したのち、再度光へ変換して光ファイバに入射していました。
エルビウムドープ光ファイバアンプ (EDFA) の出現により、0.98μm及び1.48μmのポンプレーザーダイオードからの入射光との併用で1.55μm帯の光信号をそのまま増幅できるため、現在の長距離光通信方式での主流の技術になっています。
2.ファイバラマンアンプ (FRA)
エルビウムドープ光ファイバアンプの他に、昨今着目されているファイバアンプに、ファイバラマンアンプ (FRA) があります。FRAは光ファイバに強い光を入射すると、その光が励起光から約100nm程度長波長側に比較的広帯域なゲインを得ることが可能です。
波長を自由に設定可能で、比較的広帯域なゲインを有する物理現象であることから、波長多重光ファイバ通信 (WDM) への応用展開が期待される技術です。ただし、高パワーな励起光が必要であることが課題となっています。そのレーザー光開発の技術も含め、各メーカーが技術開発にしのぎを削っている状況です。
ファイバアンプのその他情報
1. ファイバセンサへの展開
狭い場所の検出用にファイバユニットの光電センサとファイバアンプをセットにしたファイバセンサと呼ばれる製品も工業用途を中心に広く扱われています。ファイバセンサは一般にパルス変調光を用いており、狭い空間の非破壊検査用途や色の識別が可能であり、高速な応答性を有しています。
高温環境下でのワーク確認や排出確認などに適したセンサ用途での使用が可能です。
2. 次世代向け光ファイバアンプ
旺盛な光通信用途の需要に応えるべく、従来からの1.55μm (C-Band: 1.53～1.565μm) の長波長光源用光ファイバアンプに加えて、近年、より短波長帯であるO-band (1.26～1.36μm) やS-band (1.46～1.53μm) 用の光ファイバアンプが注目されています。
これらのバンド用途に最適化された独自の光ファイバアンプを、特殊な材料を開発することにより製品しているメーカーがあります。
参考文献
https://www.fiberlabs.co.jp/tech-explan/about-amp/
https://optipedia.info/laser/handbook/glossary/hi/fiber-amplifier/
https://www.fiberlabs.co.jp/products-list/index-optical-commun/rd-amp/