(57)【要約】      （修正有）【課題】制御回路や光回路構成を複雑化させずに、光サージを効果的に抑圧できる低コストの光増幅器を提供する。【解決手段】光サージ抑圧型光増幅器は、複数の光増幅手段が直列に接続された多段増幅構成の１波用光増幅器について、信号光入力側の光増幅手段に対し、ペア・インデュースド・クエンチング（ＰＩＱ）現象を発生可能な光増幅媒体を適用することで、入力パワー上昇時に発生するＰＩＱによる出力効率の低下を利用して光サージを抑圧する。【選択図】図１１
2010147484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類イオンを添加した光増幅媒体と、その光増幅媒体に励起光を供給する励起部と、を有し、入力される単一波長の信号光を前記励起部からの励起光により励起された希土類イオンの誘導放出により増幅する光増幅手段を複数備え、該複数の光増幅手段が直列に接続された光増幅器において、
前記複数の光増幅手段のうちの信号光入力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体が、所定の領域内に希土類イオンを信号光出力側に配置される光増幅手段の光増幅媒体よりも高い濃度で添加することにより、入力パワーが大きくなるほど出力効率劣化が大きくなる現象を発生させることが可能な構造を具備しており、入力される信号光のパワー上昇時に発生する前記現象を利用した出力効率の低下によって光サージを抑圧することを特徴とする光サージ抑圧型光増幅器。
【請求項２】
前記信号光入力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体がエルビウムイオンの添加されたものであり、そのエルビウムイオンの添加濃度が４５００ｐｐｍ ｗｔよりも高く、かつ、１００００ｐｐｍ ｗｔよりも低い値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光サージ抑圧型光増幅器。
【請求項３】
前記信号光入力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体が、入力される信号光のパワーが予め設定した定常入力レベルから２０ｄＢ上昇したときに、出力効率の変動幅が７ｄＢ以下となる構造を具備していることを特徴とする請求項１または２に記載の光サージ抑圧型光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムにおいて光サージを抑圧しながら信号光を増幅する光増幅器に関し、特に、光増幅媒体のアップコンバージョン現象を利用して光サージを抑圧する光増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マルチメディアネットワークの進展に伴い、通信トラフィック需要は飛躍的に増大し、光増幅器を用いて信号光を多中継増幅する光伝送システムが、マルチメディア社会における通信システムの経済化を図る上で大きな役割を果たしている。光増幅器は、光伝送システムの大容量化、長距離化を担うキーデバイスであるが、光増幅器への入力パワーがダイナミックに変化した場合に、光増幅媒体の入力パワーに対する利得飽和特性に起因して、過渡的な出力ピークが生じる。例えば図１２に示すように、波長多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）光に含まれる信号波長数（チャネル数）がダイナミックに変化するメトロシステム等において、チャネル番号１ｃｈ〜３９ｃｈを含んだＷＤＭ光に４０ｃｈをアドしていた光アド・ドロップ（ＯＡＤＭ）ノードで１ｃｈ〜３９ｃｈがドロップされるようになり、そのＯＡＤＭノードの出力側に配置された光増幅器に入力されるＷＤＭ光のチャネル数が４０チャネルから１チャネルに変化した場合、トータル入力パワーの低減に伴って光増幅器が高利得状態となり、４０チャネル運用時での定常出力レベルに比して高いレベルの光出力が発生する（図１２の中段）。このスパイク状の光出力変動のことを一般に光サージと呼び、その発生量は利得の差分ΔＡ［ｄＢ］に対応する。そして、この光増幅器で発生した光サージは、下流の中継増幅器を経て累積され、さらに大きくなる。これにより、端局における受信器への入力光レベルが受光レベル上限値を超えてしまい（図１２の下段）、受信Ｑ値劣化を招くことが問題視されている。
【０００３】
このような問題に対処した従来の技術としては、例えば、励起光パワーを高速に制御する方法（例えば、非特許文献１参照）や、利得をクランプする方法（例えば、特許文献１参照）などが知られている。
【０００４】
具体的に、励起光パワーの高速制御方法については、一般的な励起光パワーのフィードバック制御にフィードフォワード制御を加えて制御速度を速くすることで光サージを抑圧する方法が報告されている。利得クランプ方法については、信号光以外の特定波長について利得もしくは反射率を増加させた光回路構成を備えることで、高利得状態に起因する励起光エネルギーを発振エネルギーとして放出させる方法が提案されている。また、入力パワーのモニタ結果に基づいて信号光以外の特定波長の飽和信号を光増幅器に入力することで、高利得状態を抑える方法も報告されている。
【０００５】
このように、光増幅器で発生する光サージの抑圧という課題に対して、従来、制御回路および光回路構成の両方面からの対策が試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２００１８２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Cechan Tian et al., "Analysis and Control of Transient Dynamics of EDFA Pumped by 1480- and 980mm Lasers", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.21, NO.8, AUGUST 2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のような従来の光サージ抑圧技術については次のような問題点がある。励起光パワーの高速制御方法では、任意に変化する動作条件（例えば、信号波長数や入力パワー、利得など）に対して、制御目標値と制御回路定数の与え方によっては、速い変化で生じる光サージを抑えきれなくなるといった残留光サージの問題が考えられる。また、利得クランプ方法では、光回路構成の複雑化が避けられないため光増幅器のコストアップ等が問題になる。
【０００９】
本発明は上記の問題点に着目してなされたもので、光サージを発生させる要因である光増幅媒体の利得飽和特性そのものの改善を図り、制御回路や光回路構成を複雑化させずに、光サージを効果的に抑圧できる低コストの光増幅器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため、本発明による光サージ抑圧型光増幅器の１つの態様は、希土類イオンを添加した光増幅媒体と、その光増幅媒体に励起光を供給する励起部と、を有し、入力される単一波長の信号光を前記励起部からの励起光により励起された希土類イオンの誘導放出により増幅する光増幅手段を複数備え、該複数の光増幅手段が直列に接続されている。そして、前記複数の光増幅手段のうちの信号光入力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体が、所定の領域内に希土類イオンを信号光出力側に配置される光増幅手段の光増幅媒体よりも高い濃度で添加することにより、入力パワーが大きくなるほど出力効率劣化が大きくなる現象を発生させることが可能な構造を具備しており、入力される信号光のパワー上昇時に発生する前記現象を利用した出力効率の低下によって光サージを抑圧することを特徴とする。
【００１１】
このような構成の光サージ抑圧型光増幅器では、単一波長の信号光を増幅するための光増幅媒体として、例えばペア・インデュースド・クエンチング現象を発生可能な構造を具備したものを用いることで、入力される信号光のパワーが光サージによって急激に上昇した時でも、ペア・インデュースド・クエンチング現象に基づく非輻射過程の高速な出力効率の低下により、光増幅器から出力される光サージの抑圧が可能になる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のような本発明の光サージ抑圧型光増幅器によれば、応答速度の速いペア・インデュースド・クエンチング現象を利用することによって光増幅媒体の利得飽和特性そのものが改善されるようになり、光サージを簡略な構成により効果的に抑圧可能な１波用光増幅器を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明において光サージの抑圧に利用する光増幅媒体のアップコンバージョン現象を説明するための概念図である。
【図２】本発明の実現手段の一例であるホモジニアス・アップコンバージョン（ＨＵＣ）およびペア・インデュースド・クエンチング（ＰＩＱ）を説明するための概念図である。
【図３】ＨＵＣ光増幅媒体を用いたＷＤＭ用光増幅器の利得と入力パワーの関係を示す図である。
【図４】ＨＵＣ光増幅媒体を用いたＷＤＭ用光増幅器における入力パワー低下時の光サージ発生状態を示す図である。
【図５】ＨＵＣモデルを用いた入力パワーに対する利得効率のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】ＨＵＣ光増幅媒体のＥｒ３＋添加濃度に対する光サージ抑圧量および所要励起光パワーのシミュレーション結果を示す図である。
【図７】ＨＵＣ光増幅媒体を適用したＷＤＭ用光増幅器の一実施形態を示す構成図である。
【図８】ＰＩＱ光増幅媒体を用いた１波用光増幅器の利得と入力パワーの関係を示す図である。
【図９】ＰＩＱ光増幅媒体を用いた１波用光増幅器における光サージ抑圧効果を説明するための図である。
【図１０】ＰＩＱモデルを用いた入力パワーに対する出力効率のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】本発明のＰＩＱ光増幅媒体を適用した１波用光増幅器が配置される光通信システムの具体例を示した図である。
【図１２】従来の光増幅器における光サージの発生を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の光サージ抑圧型光増幅器を実施するための形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００１５】
まず、本発明において光サージの抑圧に利用する現象の一実現例としての光増幅媒体のアップコンバージョン現象について説明する。
【００１６】
アップコンバージョン現象は、例えば図１の概念図に示すように、エルビウムイオン（Ｅｒ３＋）などの希土類イオンが添加された光増幅媒体において、Ｅｒ３＋を高濃度に添加すると、イオン間相互作用により、励起準位（４Ｉ１３／２）にある２つのＥｒ３＋のうちの一方が基底準位に遷移し、他方はさらに上準位（４Ｉ９／２）に遷移して信号光の増幅に関与しなくなるという公知の物理現象である（例えば、論文１；Jacob L. Philipsen et al., "Observation of Strongly Nonquadratic Homogeneous Upconversion in Er3+-Doped Silica Fibers and Reevaluation of the Degree of Clustering", IEEE JOCTRNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.35, NO.11, NOVEMBER 1999.、および、論文２；Piotr Myslinski et al., "Effects of Concentration on the Performance of Erbium-Doped Fiber Amplifiers", JOURNAL OF LIGHTWAVE THCHNOLOGY, VOL.15, NO.1, JANUARY 1997.参照）。
【００１７】
上記アップコンバージョン現象は、さらに、その発生メカニズムの相違により、ホモジニアス・アップコンバージョン（homogeneous upconversion：ＨＵＣ）と、ペア・インデュースド・クエンチング（pair induced quenching：ＰＩＱ）とに分類することが可能である。ＨＵＣは、図２左側の概念図に示すように、高濃度添加された希土類イオンが所定の領域（例えば、光ファイバのコア等）内に実質的に均一に分布し、２個以上の希土類イオン間でのエネルギー遷移によって図１に示したアップコンバージョン現象を発生する。一方、ＰＩＱは、図２右側の概念図に示すように、高濃度添加された２個以上の希土類イオンがクラスタを形成し、同一クラスタのイオン間でのエネルギー遷移によって図１に示したアップコンバージョン現象を発生する。なお、クラスタとは、一部の希土類イオンが一定個数ごとに近接距離に配置した状態を意味する。
【００１８】
上記のようなアップコンバージョン現象は、従来、光増幅器の利得効率（利得［ｄＢ］を励起光パワー［ｍＷ］で除算した値）を低下させることになるため、高出力の光増幅器を実現する上での制限要因となっていた。すなわち、従来の光増幅器では、高出力化に伴う非線形現象を抑制するために、光増幅媒体の希土類イオン添加量を増やして単位長さあたりの利得を高め、使用する光増幅媒体を短尺化するなどの対策がとられてきた。しかし、前述したように希土類イオンの添加量の増加に伴うアップコンバージョン現象の発生により利得効率の低下（濃度消光）が生じるので、光増幅器の高出力化が制限されてしまうことになる。このため、従来の光増幅器に関しては、希土類イオンの高濃度化によるアップコンバージョン現象の発生を抑えるための様々な技術が提案されている（例えば、特開２００２−１１１１０４号公報、特開２００２−９３７６号公報および特開２００４−２４４２８０号公報参照）。
【００１９】
本発明は、上記のようなアップコンバージョン現象の発生を抑えることを目的とした従来技術とは逆に、アップコンバージョン現象による利得効率の低下がナノ秒［ｎｓ］オーダの応答速度で発生するという特性に注目し、光増幅媒体のアップコンバージョン現象を光サージの抑圧手段として利用することを新たに提案する。
【００２０】
上述の図１２に示したように、通常の光増幅媒体を用いたＷＤＭ用光増幅器では、入力されるＷＤＭ光のチャネル数の変化により入力パワーが低下して高利得状態となった時に、利得の差分ΔＡ［ｄＢ］に対応した光サージが発生する。このような光サージに対して、本発明の一態様は、ＨＵＣを発生可能な光増幅媒体（以下、ＨＵＣ光増幅媒体と呼ぶことにする）を抑圧手段として利用する。ＨＵＣ光増幅媒体を用いてＷＤＭ用光増幅器を構成することによって、例えば図３の実線に示すように、ＷＤＭ光のチャネル数変化により入力パワーが低下した時の余分な利得増加が抑えられるようになり、このときの利得効率の低下がナノ秒オーダの応答速度で発生するため、例えば図４の実線に示すように、光増幅器から出力される光サージの発生量をΔＢまで抑圧することが可能になる。なお、図３および図４の破線は、ＨＵＣの発生がない通常の光増幅媒体を用いたときの特性である。
【００２１】
ＨＵＣ光増幅媒体を用いた場合に得られる利得ＧＨＵＣは、次の（１）式に示すＨＵＣモデルに従って計算することが可能である。
【００２２】
【数１】
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ここで、Ｎ２は励起状態の希土類イオン数、Ｎｔは希土類イオン総数である。また、ζは飽和係数であり、具体的には、π×（希土類イオンのドープ半径）２×（希土類イオンの密度）／（希土類イオンの蛍光寿命）に対応する。さらに、ＣはＨＵＣの発生確率、ｈはプランク定数、τはキャリア寿命（希土類イオンの蛍光寿命）、αは光増幅媒体の吸収係数（添え字のＳは信号光、Ｐは励起光に対応し、以下同様とする）、ｇ＊は光増幅媒体の利得係数、Ｉは光強度、νは光周波数である。
【００２３】
図５は、上記のＨＵＣモデルを用いて入力パワーに対する利得効率をシミュレーションした結果である。ここでは、例えば石英系母材のエルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）を光増幅媒体としている。このシミュレーション結果より、Ｅｒ３＋添加濃度（質量百万分率）が１０００ｐｐｍ ｗｔより小さな通常の値から２０００ｐｐｍ ｗｔ、６０００ｐｐｍ ｗｔと高濃度になるに従って、入力パワー低下時（高利得状態）に利得効率が大幅に劣化することが分かる。
【００２４】
図６は、上記のシミュレーション結果を基にＥｒ３＋添加濃度に対する光サージ抑圧量を計算した結果（黒丸印）である。なお、光サージ抑圧量は、ＨＵＣが実質的に発生しない通常の添加濃度（＜１０００ｐｐｍ ｗｔ）における光サージの発生量を基準としている。図６に示すように、Ｅｒ３＋添加濃度を例えば６０００ｐｐｍ ｗｔまで高めることによって、光サージは約５ｄＢも抑圧されることが分かる。ここで、例えば光サージを３ｄＢ以上抑圧することを条件とすれば、図６の関係より、Ｅｒ３＋添加濃度を４５００ｐｐｍ ｗｔよりも高くすれば上記の条件を満たすことが可能になる。なお、Ｅｒ３＋添加濃度が１００００ｐｐｍ ｗｔを超えるようになると、アップコンバージョン現象とは異なるマイグレイション（Migration）という現象が新たに生じることが知られている。このため、アップコンバージョン現象を利用して光サージを抑圧する場合のＥｒ３＋添加濃度の上限値は１００００ｐｐｍ ｗｔと考えるのが適当である。
【００２５】
また、上記のシミュレーション結果を基に、Ｅｒ３＋添加濃度以外の観点から、有効な光サージ抑圧効果が得られる条件を考えてみると、例えば、入力パワーが定常入力時の−４ｄＢｍから−２０ｄＢｍに変化、すなわち、入力パワーが１６ｄＢ低下したときに、利得効率の変動幅が１０ｄＢ以下となる条件が満たされれば、ＨＵＣ光増幅媒体の適用により３ｄＢ以上の光サージ抑圧効果が得られるようになる。
【００２６】
ただし、希土類イオンを高濃度に添加した光増幅媒体を用いる場合、図６の白丸印で示したデータにあるように、所要の利得を実現するのに必要な励起光パワーが通常の添加濃度の光増幅媒体を用いる場合と比べて増加する傾向にある。すなわち、アップコンバージョン現象による光サージの抑圧効果と所要励起光パワーの増加とはトレードオフの関係にある。このため、アップコンバージョン現象を光サージ抑圧手段として利用する場合には、所要励起光パワーの増加を十分に考慮した光増幅器の設計が重要になる。
【００２７】
そこで、複数の光増幅媒体を直列に接続して構成される多段増幅構成の光増幅器について、所要の利得がより小さい増幅媒体に対してＨＵＣ光増幅媒体を優先的に適用することにより、所要励起光パワーの増加を抑えながら、光サージの効果的な抑圧を実現可能にする。このような光増幅器の設計の考え方は、動作条件として小さな利得が設定される（すなわち、利得飽和が深い）光増幅媒体ほど大きな光サージが発生するという特性と、ＨＵＣ光増幅媒体では利得が小さくなるほど所要励起光パワーの増加が抑えられるという特性とに基づくものである。
【００２８】
以下、本発明に関連するＨＵＣ光増幅媒体を適用した光サージ抑圧型光増幅器の具体的な実施形態について説明する。
【００２９】
図７は、ＨＵＣ光増幅媒体を適用した光サージ抑圧型光増幅器の一実施形態を示す構成図である。
【００３０】
図７において、本実施形態の光サージ抑圧型光増幅器は、例えば、ＷＤＭ光Ｌｓが入出力される入力ポートＩＮおよび出力ポートＯＵＴの間に、光増幅手段としての２つの光増幅部１０，２０が直列に接続された２段増幅構成のＷＤＭ用光増幅器について、出力側に位置する後段の光増幅部２０にＨＵＣ光増幅媒体２１を適用し、入力側に位置する前段の光増幅部１０には通常の光増幅媒体１１を適用して、所要励起光パワーの増加を抑えながら光サージを効果的に抑圧できるようにしたものである。
【００３１】
具体的に、後段の光増幅部２０は、ＨＵＣ光増幅媒体２１と、励起部としての励起光源（ＬＤ）２２および合波器２３と、を有する。ＨＵＣ光増幅媒体２１は、ここで例えば、希土類イオンの１つであるエルビウムイオン（Ｅｒ３＋）を光ファイバのコア等の所定の領域に高濃度に添加したエルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）を用いる。Ｅｒ３＋の添加濃度は、石英系母材の場合に、前述したシミュレーション結果に従って４５００ｐｐｍ ｗｔ〜１００００ｐｐｍ ｗｔの範囲内で所要励起光パワーとのバランスを図りながら適宜に設定するのが好ましく、ここでは最適値として例えば６０００ｐｐｍ ｗｔを設定する。
【００３２】
また、上記のＨＵＣ光増幅媒体２１については、ランタン（Ｌａ）またはイッテルビウム（Ｙｂ）を共添加するのが好ましい。これにより、隣り合うＥｒ３＋がクラスタを形成し難くなってＥｒ３＋が添加領域内で均一に分布するようになり、ＨＵＣの発生がより確実なものとなる。さらに、光増幅媒体の母材（ここでは光ファイバ）としては、例えば、アンチモン（Ｓｂ）、ランタン（Ｌａ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、錫（Ｓｎ）、テルル（Ｔｅ）およびバリウム（Ｂａ）のうちのいずれかを含むものが適している。上記のような原子量が大きい元素を含んだ母材を用いることで、格子振動を抑えてフォノン緩和を起こり難くすることが可能になる。これにより、Ｅｒ３＋が励起準位（４Ｉ１３／２）に留まる寿命が長くなってＨＵＣ遷移確率が高くなるため、利得が大きくなるほど利得効率が低下する特性を増長させることができる。よって、入力パワー低下時（高利得状態）の余分な利得増加がより少ない光増幅媒体が実現され、光サージを一層効果的に抑圧することが可能になる。
【００３３】
励起光源２２は、ＨＵＣ光増幅媒体２１内の希土類イオンを励起することが可能な励起光Ｌｐ２を出力する。ここでは、Ｅｒ３＋に対応した９８０ｎｍ帯または１４８０ｎｍ帯の励起光Ｌｐ２が励起光源２２から合波器２３に送られるものとする。合波器２３は、励起光源２２からの励起光Ｌｐ２と、後述する利得等化器３０を通過した信号光Ｌｓと合波してＨＵＣ光増幅媒体２１に供給するものである。
【００３４】
なお、図７には、励起光Ｌｐ２がＨＵＣ光増幅媒体２１に信号光入力端側から供給され、信号光Ｌｓと励起光Ｌｐ２が同一方向に伝搬する前方励起型の構成例を示したが、本発明はこれに限らず、励起光Ｌｐ２がＨＵＣ光増幅媒体２１に信号光出力端側から供給され、信号光Ｌｓと励起光Ｌｐ２が逆方向に伝搬する後方励起型や、ＨＵＣ光増幅媒体２１の両端から励起光Ｌｐ２を供給する双方向励起型の構成を適用することも可能である。また、１台の励起光源２２から出力される励起光Ｌｐ２がＨＵＣ光増幅媒体２１に供給される一例を示したが、複数台の励起光源を設け、各々から出力される励起光を合波してＨＵＣ光増幅媒体２１に供給するようにしてもよい。
【００３５】
一方、前段の光増幅部１０に適用される光増幅媒体１１は、希土類イオンの添加濃度が通常の値、すなわち、上記ＨＵＣ光増幅媒体２１の希土類イオン添加濃度よりも十分に低く、アップコンバージョン現象が実質的に発生しないような値に設定されている。ここでは例えば、Ｅｒ３＋が１０００ｐｐｍ ｗｔ程度の濃度で添加された一般的なＥＤＦを光増幅媒体１１として用いる。この光増幅媒体１１には、上記後段の光増幅部２０と同様にして、励起光源１２から出力される励起光Ｌｐ１が合波器１３を介して供給される。
【００３６】
また、本光増幅器は、前段および後段の光増幅部１０，２０の段間に利得等化器（ＧＥＱ）３０を備えると共に、各光増幅部１０，２０の前後には光アイソレータ３１，３２，３３が接続されている。利得等化器３０は、各光増幅部１０，２０の利得波長特性を等化して、増幅後のＷＤＭ光Ｌｓが所要の波長特性（例えば、各波長の光パワーが揃った平坦な波長特性など）となるようする公知の光デバイスである。なお、ここでは、光増幅部１０，２０の段間に利得等化器３０を設ける構成例を示したが、利得等化器３０の配置は上記の一例に限定されるものではない。また、利得等化器３０の他に、例えば、本光増幅器の出力レベルを調整するための可変光減衰器や、ＷＤＭ光Ｌｓに生じた波長分散を補償するための分散補償器などを光増幅部１０，２０の段間等に設けるようにしてもよい。
【００３７】
さらに、本光増幅器は、各光増幅部１０，２０の励起光源１２，２２を制御するための励起光制御手段としての制御部４０を備えている。この制御部４０は、例えば、入力ポートＩＮに入力されるＷＤＭ光Ｌｓをモニタするための光カプラ４１および光検出器４２と、出力ポートＯＵＴから出力されるＷＤＭ光Ｌｓをモニタするための光カプラ４３および光検出器４４と、各光検出器４２，４４のモニタ結果に基づいて、各励起光源１２，２２の駆動状態を制御する制御回路４５とから構成される。制御回路４５では、本光増幅器の利得を一定にするＡＧＣや出力レベルを一定にするＡＬＣなどの一般的な制御が行われる。
【００３８】
上記のような構成の光増幅器では、入力ポートＩＮに入力されたＷＤＭ光Ｌｓが光カプラ４１および光アイソレータ３１を介して前段の光増幅部１０の光増幅媒体１１に与えられる。光増幅媒体１１には、制御回路４５によって駆動状態の制御された励起光源１２から出力される励起光Ｌｐ１が合波器１３を介して供給されており、励起光Ｌｐ１によって励起されたＥｒ３＋の誘導放出によってＷＤＭ光Ｌｓが増幅される。前段の光増幅部１０で増幅されたＷＤＭ光Ｌｓは、光アイソレータ３２を介して利得等化器３０に与えられて各光増幅部１０，２０の利得波長特性の補償が行われた後に、後段の光増幅部２０のＨＵＣ光増幅媒体２１に与えられる。ＨＵＣ光増幅媒体２１には、制御回路４５によって駆動状態の制御された励起光源２２から出力される励起光Ｌｐ２が合波器２３を介して供給されており、励起光Ｌｐ２によって励起されたＥｒ３＋の誘導放出によってＷＤＭ光Ｌｓが増幅される。後段の光増幅部２０で増幅されたＷＤＭ光Ｌｓは、光アイソレータ３３および光カプラ４３を介して出力ポートＯＵＴから外部に出力される。
【００３９】
一般に、２段増幅構成の光増幅器においては、良好な雑音特性が得られるように、定常入力パワーの小さい前段の光増幅部に対する利得が、定常入力パワーの大きい後段の光増幅部に対する利得よりも大きくなるように設定される。具体的には、例えば、定常入力パワーが−２２ｄＢｍ／ｃｈの前段の光増幅部に対しては定常利得が２２ｄＢに設定され、定常入力パワーが−７ｄＢｍ／ｃｈの後段の光増幅部に対しては定常利得が９ｄＢに設定されるような場合である。このような利得設定において、チャネル数の変化等によって光増幅器に入力されるＷＤＭ光Ｌｓのパワーが急激に低下した場合には、双方の光増幅部に通常の光増幅媒体を用いていたとすると（従来の光増幅器の構成）、相対的に低い利得で動作している後段の光増幅部で生じる利得飽和の方が深くなり、より大きな光サージが後段側で発生する。具体的には、上記の利得設定例において、例えば前段の光増幅部で８ｄＢの光サージが発生し、後段の光増幅部で１３ｄＢの光サージが発生することになる。
【００４０】
これに対して本実施形態の光増幅器では、後段の光増幅部２０にＨＵＣ光増幅媒体２１を適用しているため、上述の図３に示したように入力パワー低下時における余分な利得増加が抑えられる。このＨＵＣ光増幅媒体２１における利得効率の低下はナノ秒オーダの応答速度で発生するため、上述の図４に示したように後段の光増幅部２０における光サージの発生量を減少させることができる。
【００４１】
前述したように、ＨＵＣ光増幅媒体２１を適用することによって、後段の光増幅部２０の所要励起光パワーは、通常の光増幅媒体を用いた場合に比べて増加することになる。しかし、その増加量に関しては、後段の光増幅部２０が相対的に低い利得で動作しているため、比較的少なく抑えることができる。言い換えると、仮に前段の光増幅部１０にＨＵＣ光増幅媒体を適用したとすれば、相対的に高い利得で動作しているので所要励起光パワーの増加量が多くなってしまうことになる。
【００４２】
以上のように本実施形態によれば、２段増幅構成のＷＤＭ用光増幅器について、後段の光増幅部２０に選択的にＨＵＣ光増幅媒体２１を適用するようにしたことで、ＨＵＣ光増幅媒体２１の適用による所要励起光パワーの増加を抑えながら、光増幅器全体で発生する光サージを効果的に抑圧することが可能になる。また、本実施形態の光回路構成は、一般的な複数段増幅構成における光増幅媒体の置き換えによって実現可能であり、上述した従来の利得クランプ方法などのように光回路構成の複雑化を招くようなこともないため、光サージを抑圧可能なＷＤＭ用光増幅器の低コスト化を図ることが可能である。このような光サージ抑圧効果を有するＷＤＭ用光増幅器は、例えば、光通信システムにおいて光サージを発生させる可能性が高い、ＷＤＭ光のチャネル数がダイナミックに変化する場所の直後（具体的には、上述の図１２に示したようなＯＡＤＭノードにおいて各チャネル光が合波される出力側の合波器の後段など）に配置される光増幅器として好適である。
【００４３】
なお、上記の実施形態では、２段増幅構成のＷＤＭ用光増幅器について説明したが、本発明は３段以上の増幅構成に対しても有効である。３段以上の場合には、直列に接続された複数の光増幅部のうちでより所要利得の小さい光増幅部に対してＨＵＣ光増幅媒体を適用することにより、上記の実施形態の場合と同様の作用効果を得ることが可能である。
【００４４】
次に、本発明の一態様として、ペア・インデュースド・クエンチング（ＰＩＱ）を利用して光サージを抑圧する光増幅器について説明する。
【００４５】
ＰＩＱを発生可能な光増幅媒体（以下、ＰＩＱ光増幅媒体と呼ぶことにする）を用いて光増幅器を構成した場合、入力パワーに対する利得の関係は、ＨＵＣ光増幅媒体を用いた場合とは異なり、例えば図８に示すように、アップコンバージョン現象の発生がない通常の光増幅媒体の特性（破線）に対して、入力パワーが高くなった時（低利得状態）にナノ秒オーダの応答速度で効率の低下が発生する。このようなＰＩＱ光増幅媒体の特性に注目すると、例えば、光通信システムの受信端等において単一波長の信号光を増幅する光増幅器に対してＰＩＱ光増幅媒体を適用することにより、伝送路上の光中継器等で発生して累積し受信端まで到達して１波用光増幅器に入力される光サージの量を抑圧することが可能になる。すなわち、上記のような受信端等に配置される１波用光増幅器に入力される信号光は、例えば図９の左側に示すように定常状態において非常に低いレベルであり、光中継器等で発生し累積した光サージが到達した時に入力レベルが急激に上昇する。この光サージによる入力パワーの変化は、上記の図８において定常入力時の高利得状態から入力パワーの急激な上昇によって低利得状態に移る変化に対応する。この入力パワーの上昇によって生じる利得の低下は、その変化量が通常の光増幅媒体を用いたとき（図８の破線）よりもＰＩＱ光増幅媒体を用いたとき（図８の実線）の方がΔＢｄＢ増大する。このため、受信端等に配置される１波用光増幅器にＰＩＱ光増幅媒体を適用することにより、図９の右側に示すように、光増幅器から出力される光サージをΔＢｄＢ抑圧することが可能になる。
【００４６】
ＰＩＱ光増幅媒体を用いた場合に得られる利得ＧＰＩＱは、ＨＵＣ光増幅媒体の場合の利得ＧＨＵＣと同様にして、次の（２）式に示すＰＩＱモデルに従って計算することが可能である。
【００４７】
【数２】
2010147484.tif 000004
ここで、ｋはクラスタの形成割合、ｍはクラスタを形成するイオン数である。
【００４８】
図１０は、上記のＰＩＱモデルを用いて入力パワーに対する出力効率（出力パワー［ｄＢｍ］を励起光パワー［ｍＷ］で除算した値）をシミュレーションした結果である。ここでは、例えばエルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）を光増幅媒体としている。このシミュレーション結果より、Ｅｒ３＋添加濃度が１０００ｐｐｍ ｗｔから６０００ｐｐｍ ｗｔに高くなることで、光サージの入力によるパワー上昇時に出力効率が大幅に低下することが分かる。
【００４９】
上記のシミュレーションをＥｒ３＋添加濃度を変化させて行った結果、ＰＩＱ光増幅媒体を用いて１波用光増幅器を構成した場合に光サージを３ｄＢ以上抑圧できる条件としては、上述したＨＵＣ光増幅媒体の場合と同様に、Ｅｒ３＋添加濃度を４５００ｐｐｍ ｗｔ〜１００００ｐｐｍ ｗｔとするのが適当である。また、例えば入力パワーが定常入力時の−２０ｄＢｍから０ｄＢｍに変化、すなわち、入力パワーが２０ｄＢ上昇したときに、出力効率の変動幅が７ｄＢ以下となる条件が満たされる場合にも、ＰＩＱ光増幅媒体の適用により３ｄＢ以上の光サージ抑圧効果が得られるようになる。なお、上記出力効率の変動幅が７ｄＢ以下とは、ｌｏｇ１０｛（入力大での出力効率）／（入力小での出力効率）｝＜７ｄＢを意味する。ただし、出力効率は（出力パワー［ｄＢｍ］）／（励起光パワー［ｍＷ］）である。
【００５０】
なお、ＰＩＱ光増幅媒体についても、ＨＵＣ光増幅媒体の場合と同様に、光サージの抑圧効果と所要励起光パワーの増加とはトレードオフの関係にある。しかしながら、受信端等に配置される１波用光増幅器の場合、入力される信号光のパワーは微弱であり、定常入力時の所要励起光パワーも低いので、ＰＩＱ光増幅媒体の適用により所要励起光パワーが増加したとしても、既存の励起光源で十分に対応できる範囲と考えられる。このため、ＰＩＱ光増幅媒体を利用する場合、上述したＨＵＣ光増幅媒体の場合のような所要励起光パワーの増加を考慮した設計を行う必要性は低くなる。
【００５１】
図１１は、上記のようなＰＩＱ光増幅媒体を適用した１波用光増幅器が配置される光通信システムの具体例を示した図である。
【００５２】
図１１において、ＰＩＱ光増幅媒体を適用した１波用光増幅器は、例えば、ＯＡＤＭノード５０でドロップされた各波長の信号光（ドロップ光）が送られてくる端局６０の各光受信器（ＯＲ）６１１〜６１Ｎの入力段に配置されるプリアンプ６２１〜６２Ｎとして用いられる。各プリアンプ６２１〜６２Ｎが、複数の光増幅媒体を直列に接続した多段増幅構成であり、定常入力レベルが低い光増幅媒体、すなわち、信号光入力側の光増幅媒体に対して優先的にＰＩＱ光増幅媒体が適用されるようにする。
【００５３】
なお、各プリアンプ６２１〜６２Ｎに適用するＰＩＱ光増幅媒体としては、前述したシミュレーション結果に従ってＥｒ３＋の添加濃度を４５００ｐｐｍ ｗｔ〜１００００ｐｐｍ ｗｔの範囲に設定したＥＤＦを使用すると共に、添加領域内でクラスタが形成され易くなるよう、ランタン（Ｌａ）やイッテルビウム（Ｙｂ）の共添加を行っていないものを用いるようにするのがよい。
【００５４】
上記のようなＰＩＱ光増幅媒体を適用した１波用光増幅器では、光通信システムにおいて累積して成長した光サージが入力されても、ＰＩＱ光増幅媒体における出力効率の低下によって光サージを効果的に抑圧して後段の光受信器６２１〜６２Ｎに出力することができるようになる。このため、従来の励起光パワーの高速制御方法のように各プリアンプ６２１〜６２Ｎに光サージが入力された場合に励起光パワーを強制制御して後段の光受信器６２１〜６２Ｎへの光サージの出力を回避するというような措置が不要になる。このため、例えば、各プリアンプ６２１〜６２Ｎの励起光源を共通化し、分岐器（スプリッタ）を並用して各プリアンプ６２１〜６２Ｎに励起光を分配することを簡易な構成で実現できるようになり、励起系の可変光減衰器も不要となるので、各波長に対応したプリアンプの小型化を図ることが可能になる。
【００５５】
なお、上記の図１１では、ＰＩＱ光増幅媒体を適用した１波用光増幅器を光受信器の前段に配置されるプリアンプとして使用する一例を示したが、プリアンプ以外の１波用光増幅器にＰＩＱ光増幅媒体を適用することも勿論可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１０，２０…光増幅部
１１…通常の光増幅媒体
２１…ＨＵＣ光増幅媒体
１２，２２…励起光源（ＬＤ）
１３，２３…合波器
３０…利得等化器（ＧＥＱ）
３１，３２，３３…光アイソレータ
４０…制御部
４１，４３…光カプラ
４２，４４…光検出器（ＰＤ）
４５…制御回路
５０…ＯＡＤＭノード
６０…端局
６１１〜６１Ｎ…光受信器（ＯＲ）
６２１〜６２Ｎ…プリアンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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