JP3740849B2

JP3740849B2 - 光増幅器

Info

Publication number: JP3740849B2
Application number: JP19745198A
Authority: JP
Inventors: 雅彦小林
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1998-07-13
Filing date: 1998-07-13
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2018-07-13
Also published as: JP2000031573A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
希土類添加光ファイバを用いた光増幅器は、高利得、高出力、低雑音等の優れた特性を合わせ持つため、光通信システムの性能を大幅に向上させた。光増幅器の原理は、希土類添加光ファイバに添加した希土類イオンの励起準位に相当する波長を有する励起光を希土類添加光ファイバに入射し、希土類イオンのエネルギー準位の反転分布により生じる誘導放出現象により信号光を増幅するものである。
【０００３】
特にエルビウム（Ｅｒ）を添加した光ファイバ増幅器（以下「ＥＤＦＡ」と略す）は、増幅波長帯が石英系光ファイバの最低損失波長帯（１．５５μｍ帯）に一致し、しかも効率が良く、高利得、低雑音の増幅特性が容易に得られることから、広く実用に供されることとなった。
【０００４】
ＥＤＦＡ等の光ファイバ増幅器を用いて波長多重伝送システムを構成すると、波長多重された光信号を一括して増幅することができるので、波長多重による大容量で柔軟な伝送システムを経済的に構築することが可能となる。
【０００５】
しかしながら、このような波長多重伝送システムにおいて、多重化されるチャンネル数がダイナミックに変動する場合、一波当たりの利得も変動を受けることになる。
【０００６】
このような利得の変動を回避するために、光ファイバ増幅器に入力される信号光強度と増幅された出力信号光強度をモニタし、これらの比が一定になるように励起光強度を制御する方法が提案されている。
【０００７】
しかしながらこの方法では、構成が複雑になる他に広い入力範囲にわたり、利得を高精度に安定化させるのが困難であり、また入力信号光パワーの時間変動に対する過渡的な応答特性に問題がある。
【０００８】
このような問題を解決する方法として、増幅器内で発振を生じさせることにより利得の安定化を図る方法が提案されている。
【０００９】
図４は光増幅器の従来例を示すブロック図である。
【００１０】
通常の光ファイバ増幅器と同様に、その基本部分は希土類添加光ファイバ１と、希土類添加光ファイバ１に励起光を入射する励起光源２と、信号光と励起光とを合波する光合分波器３と、光増幅器の入出力側に接続され反射戻り光を防止する光アイソレータ４ａ、４ｂとで構成されている。この光増幅器内で発振を生じさせるために、希土類添加光ファイバの両端に光ファイバグレーティングフィルタ５ａ、５ｂが接続されている。
【００１１】
光ファイバグレーティングフィルタ５ａ、５ｂは、ゲルマニウムを高濃度に含む光ファイバに、ホログラフィックな方法で高出力の短波長レーザ光を照射することにより、光ファイバ中に回折格子を形成したものである。このようなフィルタを用いることにより、回折格子の周期、格子数等を変えることにより所望の波長、帯域幅の光信号のみを反射させることができ、しかもファイバ型であるため、従来の光学部品で構成した場合に比べて接続等による損失も少ないという利点がある。
【００１２】
図４に示した従来の光増幅器は、光ファイバグレーティングフィルタ５ａ、５ｂで選択された波長で発振が生じ、増幅部の利得が固定される。その利得の大きさは、増幅部と反射部とで構成される帰還ループの利得が「１」になるように決定されるので、各光ファイバグレーティングフィルタ５ａ、５ｂの反射率により定まる。
【００１３】
このような内部発振を用いた方法によれば、信号光入力Ｐｉの変化によらず、常に一定の利得（信号光出力Ｐｏ）を保つことができ、入力信号光パワーの時間変化に対する過渡的な応答特性も安定している。しかも複雑な電気的制御も不要である。
【００１４】
図６は光帰還の有無による利得の入力信号光パワー依存性の特性の違いを示す図である。同図において横軸は入力信号光パワーを示し、縦軸は利得を示す。
【００１５】
同図より光帰還制御（発振）の無い場合には、利得は入力信号光パワーに依存して大きく変動するが、光帰還制御が有る場合には、一定の利得に安定化される入力信号パワー範囲が拡大される。また、光帰還制御の無い場合には入力信号光パワーに応じて利得の波長依存性も変化するが、帰還ループを用いた制御を行うことにより、利得が安定化した範囲においては利得の波長依存性も安定化される。
【００１６】
図５は光増幅器の他の従来例を示すブロック図である。
【００１７】
この光増幅器は、端子Ａから端子Ｂ、端子Ｂから端子Ｃへの順方向特性を有する二つの光サーキュレータ６ａ、６ｂを用いたものである。
【００１８】
励起光源２と、励起光源２からの励起光により光を増幅する希土類添加光ファイバ１と、信号光と励起光とを合波する光合分波器３とで構成された増幅部の入力側に光サーキュレータ６ａの端子Ｂが接続され、増幅部の出力側に光サーキュレータ６ｂの端子Ｂが接続されている。光サーキュレータ６ａの端子Ｃと、光サーキュレータ６ｂの端子Ａとの間に、光減衰器８と光バンドパスフィルタ７とが直列に接続されている。
【００１９】
このような光増幅器において、信号光入力Ｐｉは、光サーキュレータ６ａの端子Ａから端子Ｂに至り、光合分波器３により励起光源２の励起光と合波されて希土類添加光ファイバ１に入射し、増幅された後光サーキュレータ６ｂの端子Ｂを経て端子Ｃから出力する。
【００２０】
一方、光サーキュレータ６ａの端子Ｃと、光サーキュレータ６ｂの端子Ａとの間が光バンドパスフィルタ７及び光減衰器８を介して接続されているので、信号光入力Ｐｉは、光サーキュレータ６ａの端子Ｂから端子Ｃに至り、光減衰器８及び光バンドパスフィルタ７を経て光サーキュレータ６ｂの端子Ａから端子Ｂに至り、増幅部を経て再び光サーキュレータ６ａの端子Ｂに戻る帰還ループが形成される。
【００２１】
従って、光バンドパスフィルタ７により選択された波長で発振が生じ、希土類添加光ファイバ１と励起光源２からなる増幅部の利得が一定になる。その固定利得は、光減衰器８により調節できる。
【００２２】
このような帰還ループは、信号光のパスとは逆方向であるので、内部発振光は増幅器外部に出力されることがない。従って、内部発振光の発振波長は、信号光波長帯域を含む任意の波長を選択することができる。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光通信システムの中で光増幅器を使用する際には、伝送系の損失等に応じて利得を調整する必要がある。しかしながら、図４に示した従来の光増幅器は、利得はファイバグレーティングフィルタの反射率により定まり調整は難しい。また、何らかの方法により反射率を可変にしたり、あるいは別の光帰還構成により帰還光路の損失が容易に変更できるようにできたとしても、設定利得の変更に伴い利得の波長依存性が変化するという問題が残る。
【００２４】
一方、光増幅器の入力あるいは出力に光減衰器を設け、この減衰率の調整によりトータルの利得を変更することも可能ではあるが、この場合、過剰の損失により雑音特性の低下や出力光パワーの低下を招くので望ましくない。
【００２５】
また、図５に示した従来の光増幅器にも同様の問題がある。
【００２６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、利得の調整が容易で、しかも利得変更に伴い利得の波長依存性の変化が生じない光増幅器を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の光増幅器は、励起光源と、励起光源からの励起光により光を増幅する希土類添加光ファイバと、増幅帯域内の一部の波長帯の光を選択的に希土類添加光ファイバに帰還させる帰還手段とを備えた光増幅器において、希土類添加光ファイバの途中に波長帯の帰還光と信号光とを分離・合成する分離合成手段と、分離した信号光を減衰させる光減衰器とを設けたものである。
【００２８】
上記構成に加え本発明の光増幅器の帰還手段は、希土類添加光ファイバの両端に配置され波長帯の光を希土類添加光ファイバ内に反射させる光ファイバグレーティングフィルタであるのが好ましい。
【００２９】
上記構成に加え本発明の光増幅器の帰還手段は、希土類添加光ファイバの一端に配置され増幅された光を取り出す出力側光カプラと、希土類添加光ファイバの他端に配置され帰還される光を取り込む入力側光カプラと、両光カプラ間に設けられ両光カプラ間に波長帯の光を透過させるバンドパスフィルタとで構成されてもよい。
【００３０】
上記構成に加え本発明の光増幅器の帰還手段は、希土類添加光ファイバの一端に配置され増幅された光を取り出す出力側光サーキュレータと、希土類添加光ファイバの他端に配置され帰還された光を取り込む入力側光サーキュレータと、両光サーキュレータ間に設けられ波長帯の光を透過させるバンドパスフィルタとで構成されてもよい。
【００３１】
上記構成に加え本発明の光増幅器の希土類添加光ファイバの途中で波長帯の帰還光と信号光とを分離・合成する分離合成手段は、希土類添加光ファイバの一端に配置された入力側光サーキュレータと、希土類添加光ファイバの他端に配置された出力側光サーキュレータとで構成され、波長帯の帰還光及び信号光は両光サーキュレータを介して互いに希土類添加光ファイバを逆方向に伝搬するようにしてもよい。
【００３２】
上記構成に加え本発明の光増幅器の希土類添加光ファイバの途中で波長帯の帰還光と信号光とを分離・合成する分離合成手段は、帰還光及び信号光の波長に応じて光を分離・合成する光合分波器であってもよい。
【００３３】
上記構成に加え本発明の光増幅器は、増幅された出力信号光の一部を検出し、検出したパワーが一定になるように減衰器の減衰量を制御する制御手段を有してもよい。
【００３４】
上記構成に加え本発明の光増幅器は、増幅された出力信号光のうち特定の波長成分の光パワーを検出し、検出したパワーが一定になるように光減衰器の減衰量を制御する制御手段を有してもよい。
【００３５】
本発明によれば、希土類添加光ファイバの途中で信号光と発振光とを分離し、信号光のみを選択的に減衰させると共に、この信号光の減衰量を調整することにより波長依存性を変化させることなく利得を調整することが可能になる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００３７】
図１は本発明の光増幅器の一実施の形態を示すブロック図である。
【００３８】
基本的な構成と動作は図４に示した従来例と同様であるので重複する説明は省略する。
【００３９】
図１に示す光増幅器は、一本の希土類添加光ファイバを、希土類添加光ファイバ１ａと希土類添加光ファイバ１ｂとの二つに分割し、それぞれ励起光源２ａ、２ｂからの励起光により励起する。増幅される信号光と発振光とは増幅帯域内の異なる波長帯であるとし、二つの増幅段の間において光合分波器９ａ、９ｂを用いて信号光と発振光とが互いに異なる光路を通過するように分離する。発振光及び信号光の光路にはそれぞれ光減衰器８及び可変光減衰器１０が設けられている。信号光の光路に設けられた可変光減衰器１０は減衰量が可変である。
【００４０】
このような構成によれば、内部発振が維持されている範囲内では、光ファイバグレーティングフィルタ５ａ、５ｂの反射率と発振光とが通過する光減衰器８の減衰量とにより増幅媒体の利得が固定される。
【００４１】
一方、信号光は増幅の途中で可変光減衰器１０により減衰を受けるので、可変光減衰器１０の減衰量を変えることにより、光増幅器の入力から出力までのトータルの信号光利得が変化する。
【００４２】
ただし、可変光減衰器１０の減衰量を変えても発振光の光路に影響を与えないので、利得の波長依存性は一定に保たれる。従って、可変光減衰器１０の減衰量を変えることにより、利得の波長依存性を変化させることなく容易に信号光利得を変えることができる。
【００４３】
図２は本発明の光増幅器の他の実施の形態を示すブロック図である。
【００４４】
本光増幅器は、図１に示した光増幅器と同様に、希土類添加光ファイバを、希土類添加光ファイバ１ａと希土類添加光ファイバ１ｂとの二つに分割し、それぞれ励起光源２ａ、２ｂにより励起するようになっている。本光増幅器は、信号光と発振光とが互いに逆方向に伝搬することを利用して、二つの増幅段の間で二つの光サーキュレータ６ｃ、６ｄにより信号光と発振光との光路を分離する。すなわち、信号光は光サーキュレータ６ｃの端子Ｂから端子Ｃに至り、可変光減衰器１０を経て光サーキュレータ６ｄの端子Ａから端子Ｂに至る。
【００４５】
一方、逆方向に伝搬する発振光は、光サーキュレータ６ｄの端子Ｂから端子Ｃに至り、光バンドパスフィルタ７及び光減衰器８ａを経て光サーキュレータ６ｃの端子Ａから端子Ｂに至る。
【００４６】
ここで、発振光の光路に発振波長を決定する光バンドパスフィルタ７を用いたのは、希土類添加光ファイバ１ｂから希土類添加光ファイバ１ａに入射される自然放出光を抑圧するためであり、また光減衰器８ａを用いたのは希土類添加光ファイバ１ａに入射される発振光強度を抑えるためである。このような構成により、希土類添加光ファイバ１ａにおける反転分布の低下を抑圧することができ、光増幅器の雑音特性が改善される。
【００４７】
図２に示した光増幅器によれば、図１に示した光増幅器と同様、信号光光路の可変光減衰器１０の減衰量を変えることにより、入力から出力に至るトータルの信号光利得を変えることができ、その際に発振光光路は影響を受けないので利得の波長依存性は一定に保たれる。しかも信号光と発振光との伝搬方向の違いを利用して両光を分離しているので、発振光は信号光帯域内にあってもよいという図５に示した従来の光増幅器の特性もそのまま活かされる。
【００４８】
図３は本発明の光増幅器の他の実施の形態を示すブロック図である。
【００４９】
増幅部の構成は図２に示した光増幅器と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００５０】
本光増幅器は、制御手段により信号光光路の可変光減衰器１０は電気信号で減衰量が制御されるようになっている。すなわち、本光増幅器は、光サーキュレータ６ｃの端子Ｃから出力される増幅後の信号光の一部を光カプラ１１により分岐し、信号光のうちの特定の波長成分のみを透過する光バンドパスフィルタ１２を介して受光素子１３により検出する。受光素子１３から出力される、受光パワーに比例した電流は抵抗Ｒにより電圧に変換され、その電圧値と一定の基準電圧値Ｖｒｅｆの差が誤差増幅器１４により増幅され、その増幅出力により可変光減衰器１０の減衰量が制御される。これら基準電圧値Ｖｒｅｆ、抵抗Ｒ及び誤差増幅器１４により制御手段が構成されている。
【００５１】
この帰還制御系により、受光素子１３で検出される信号光パワーが常に一定になるように光増幅器の利得が制御されることとなり、信号光入力パワーが変動しても一定の光出力パワーを維持する動作が可能になる。また、ここでは信号光の特定の波長成分の光パワーを検出しており、これは例えば波長多重信号光のうちの一波を増幅器の制御用に用いる場合を想定している。多重波長数が一定で変化しない場合には、光バンドパスフィルタ１２を省略して信号光帯域内の全パワーを一定に保つように制御することも可能である。
【００５２】
以上において本発明によれば、
(1) 光増幅器内部に帰還ループを設けて発振させることにより、増幅部の利得安定化が図られ、入力信号光パワーの変動によらず一定の利得を有する光増幅器が得られる。
【００５３】
(2) 増幅部の途中で信号光及び発振光の光路を分離し、信号光光路に設けた可変光減衰器の減衰量を調節することにより、利得の波長依存性を変化させることなく利得を調整することができる。
【００５４】
(3) 光増幅器の出力パワーを検出し、この出力パワーが一定になるように可変光減衰器を制御することにより、入力信号光パワーの変動によらず一定の出力パワーが得られ、かつ利得の波長依存性も安定した光増幅器を実現することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００５６】
利得の調整が容易で、しかも利得変更に伴い利得の波長依存性の変化が生じない光増幅器の提供を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光増幅器の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の光増幅器の他の実施の形態を示すブロック図である。
【図３】本発明の光増幅器の他の実施の形態を示すブロック図である。
【図４】光増幅器の従来例を示すブロック図である。
【図５】光増幅器の他の従来例を示すブロック図である。
【図６】光帰還の有無による利得の入力信号光パワー依存性の特性の違いを示す図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ希土類添加光ファイバ
２ａ、２ｂ励起光源
３ａ、３ｂ、９ａ、９ｂ光合分波器
５ａ、５ｂ光ファイバグレーティングフィルタ
８、８ａ、８ｂ光減衰器
１０可変光減衰器

Claims

励起光源と、該励起光源からの励起光により光を増幅する希土類添加光ファイバと、増幅帯域内の一部の波長帯の光を選択的に上記希土類添加光ファイバに帰還させる帰還手段とを備えた光増幅器において、上記希土類添加光ファイバの途中に上記波長帯の帰還光と信号光とを分離・合成する分離合成手段と、分離した信号光を減衰させる光減衰器とを設けたことを特徴とする光増幅器。
上記帰還手段は、上記希土類添加光ファイバの両端に配置され上記波長帯の光を上記希土類添加光ファイバ内に反射させる光ファイバグレーティングフィルタである請求項１に記載の光増幅器。
上記帰還手段は、上記希土類添加光ファイバの一端に配置され増幅された光を取り出す出力側光カプラと、上記希土類添加光ファイバの他端に配置され帰還される光を取り込む入力側光カプラと、両光カプラ間に設けられ両光カプラ間に上記波長帯の光を透過させるバンドパスフィルタとで構成された請求項１に記載の光増幅器。
上記帰還手段は、上記希土類添加光ファイバの一端に配置され増幅された光を取り出す出力側光サーキュレータと、上記希土類添加光ファイバの他端に配置され帰還された光を取り込む入力側光サーキュレータと、両光サーキュレータ間に設けられ上記波長帯の光を透過させるバンドパスフィルタとで構成された請求項１に記載の光増幅器。
上記希土類添加光ファイバの途中で上記波長帯の帰還光と上記信号光とを分離・合成する分離合成手段は、上記希土類添加光ファイバの一端に配置された入力側光サーキュレータと、上記希土類添加光ファイバの他端に配置された出力側光サーキュレータとで構成され、上記波長帯の帰還光及び上記信号光は両光サーキュレータを介して互いに上記希土類添加光ファイバを逆方向に伝搬するようにした請求項１、３、４のいずれかに記載の光増幅器。
上記希土類添加光ファイバの途中で上記波長帯の帰還光と上記信号光とを分離・合成する分離合成手段は、上記帰還光及び上記信号光の波長に応じて光を分離・合成する光合分波器である請求項１から４のいずれかに記載の光増幅器。
増幅された出力信号光の一部を検出し、検出したパワーが一定になるように上記減衰器の減衰量を制御する制御手段を有する請求項１から６のいずれかに記載の光増幅器。
増幅された出力信号光のうち特定の波長成分の光パワーを検出し、検出したパワーが一定になるように上記光減衰器の減衰量を制御する制御手段を有する請求項１から６のいずれかに記載の光増幅器。