(57)【要約】【課題】本発明は、石英系ＥＤＦＡ以外のカスケード型増幅器に利得等化器を設置する場合の当該利得増幅器の設計方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の設計方法は、カスケード型増幅器の利得等化器の設計方法であり、ｉ）利得等化器の設置位置に可変光減衰器を挿入して利得スペクトルを測定すること、ｉｉ）所定要件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、ｉｉｉ）計算上の利得等化帯域を導出すること、ｉｖ）導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対して所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には可変光減衰器の損失を低下させること、ｖ）目的の利得等化帯域が得られるまで上記ｉ）〜ｉｖ）の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定することを含む。【選択図】図１１
2010205903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の増幅媒体もしくは増幅器と、それらの中間位置の少なくとも１つの位置に設けられた利得等化器を備えた、利得平坦化されたカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器であって、前記利得等化器が、
ｉ）  前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりＷＤＭ信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ｉｉ）  所望の波長帯域において、ｉ）で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のＷＤＭ信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の２条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
ｉｉｉ）  （ａ）計算上の利得等化後の利得スペクトルを、ｉ）で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和（ｄＢ換算）にｉｉ）で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差（ｄＢ換算）をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
（ｂ）前記ｉｉ）で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
ｉｖ）前記ｉｉｉ）の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
ｖ）目的の利得等化帯域が得られるまで上記ｉ）〜ｉｖ）の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること
の過程で設定された利得等化器の損失スペクトルの形状および利得等化帯域を有することを特徴とする利得平坦化されたカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器。
【請求項２】
前記ｉｉｉ）の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことを特徴とする請求項１に記載のカスケード型光ファイバ増幅器。
【請求項３】
増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、励起状態もしくは増幅状態にある場合にイオン密度をゼロに近似できないエネルギー準位を３つ以上有することを特徴とする請求項１または２に記載のカスケード型光ファイバ増幅器。
【請求項４】
励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率（発光緩和率と非発光緩和率の合計）がｌ×１０４ｓ−１以下であるエネルギー準位を３つ以上有することを特徴とする請求項３に記載のカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器。
【請求項５】
カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器を構成する複数の増幅媒体もしくは増幅器の中間位置の少なくとも１つの位置に挿入する利得等化器の設計方法であって、
ｉ）  前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりＷＤＭ信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ｉｉ）  所望の波長帯域において、ｉ）で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のＷＤＭ信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の２条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
ｉｉｉ）  （ａ）計算上の利得等化後の利得スペクトルを、ｉ）で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和（ｄＢ換算）にｉｉ）で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差（ｄＢ換算）をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
（ｂ）前記ｉｉ）で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
ｉｖ）前記ｉｉｉ）の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
ｖ）目的の利得等化帯域が得られるまで上記ｉ）〜ｉｖ）の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること
の過程を含むことを特徴とする設計方法。
【請求項６】
ｉｉｉ）の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことを特徴とする請求項５に記載の設計方法。
【請求項７】
カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器を構成する複数の増幅媒体もしくは増幅器の中間位置の少なくとも１つの位置に挿入する利得等化器を設計するための設計装置であって、可変光減衰器、ＷＤＭ信号光の利得を測定する光検出器、計算回路および可変光減衰器制御回路を含み、前記設計装置が
ｉ）  前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりＷＤＭ信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ｉｉ）  所望の波長帯域において、ｉ）で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のＷＤＭ信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の２条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
ｉｉｉ）  （ａ）計算上の利得等化後の利得スペクトルを、ｉ）で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和（ｄＢ換算）にｉｉ）で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差（ｄＢ換算）をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
（ｂ）前記ｉｉ）で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
ｉｖ）前記ｉｉｉ）の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
ｖ）目的の利得等化帯域が得られるまで上記ｉ）〜ｉｖ）の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること
により利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を求めることを特徴とする設計装置。
【請求項８】
前記ｉｉｉ）の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことを特徴とする請求項７に記載の設計装置。
【請求項９】
増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、励起状態もしくは増幅状態にある場合にイオン密度をゼロに近似できないエネルギー準位を３つ以上有することを特徴とする請求項７または８に記載の設計装置。
【請求項１０】
励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率（発光緩和率と非発光緩和率の合計）がｌ×１０４ｓ−１以下であるエネルギー準位を３つ以上有することを特徴とする請求項９に記載の設計装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、利得平坦化されたカスケード型光ファイバ増幅器、前記利得平坦型光ファイバ増幅器に組み込まれる利得等化器を設計するための設計装置、および、前記利得等化器を設計するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバ通信の伝送容量は急速に増加し、波長分割多重（ＷＤＭ）信号の伝送帯域は増加している。それに伴い中継器として用いられる光ファイバ増幅器の増幅帯域の拡大が検討されている。現行の光伝送システムでは、Ｃ帯（１５３０〜１５６５ｎｍ）およびＬ帯（１５６５−１６２５ｎｍ）を増幅可能であり、石英系ガラスを増幅用ファイバのホストガラスとするエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が主流である。ＣおよびＬ帯以外の光ファイバ増幅器として、Ｏ帯（１２６０〜１３６０ｎｍ）のプラセオジム添加フッ化物光ファイバ増幅器（ＰＤＦＡ）、Ｓ帯（１４６０〜１５３０ｎｍ）のツリウム添加フッ化物光ファイバ増輻器（ＴＤＦＡ）等があり、次世代の信号帯域の光ファイバ増幅器として期待されている。
【０００３】
広帯域且つ多中継伝送を行う場合には、光ファイバ増幅器の利得偏差に起因して伝送特性が劣化するため、利得等化器を用いて各段の光ファイバ増幅器の利得スペクトルを平坦化する必要がある。利得等化器を光ファイバ増幅器の前段に設置する場合には高雑音となり、また後段に設置する場合には低効率である。このため、光ファイバ増幅器の増幅媒体を二分して、カスケード型（直列多段型）の構成にし、その多段の増幅器の中間に利得等化器を設置し、低雑音と高効率を同時に実現する方法を取ることが多い。例えば、非特許文献１には、多段の増幅器の中間に利得等化器を挿入した光増幅器の例が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】H Masuda, A Mori, K. Shikano, K. Oikawa, K. Kato, M. Shimizu, "Ultra-wide-band hybrid tellurite/silica fiber Raman amplifier", Optical Fiber Communication Conference and Exhibit 2002 (OFC 2002:光ファイバ通信に関する国際会議および展示会）予稿集，pp. 388-390, 2002年3月発行
【非特許文献２】「エルビウム添加光ファイバ増幅器」ｐ２２２〜２２３、編者：須藤昭一、オプトロニクス社
【非特許文献３】「エルビウム添加光ファイバ増幅器」ｐ３３、編者：須藤昭一、オプトロニクス社
【非特許文献４】B. R. Judd, "Optical absorption intensities of rare-earth ions," Phys. Rev., vol. 127, no.3, pp.750-761 (1962)
【非特許文献５】G. S. Oflet, "Intensities of crystal spectra of rare-earth ions," J. Chem. Phys., vol. 37, no.3, pp. 511-520 (1962)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
石英系ＥＤＦＡのカスケード型増幅器に利得等化器を設置する場合、利得等化器の設計方法は確立されている。しかし、添加するイオンやホストガラスの種類を変えると、この確立されている方法をそのまま適用できないことが多い。石英系ＥＤＦＡ以外のカスケード型増幅器（例えば、イオン密度を考慮すべき準位が３つ以上である希土類イオンを含有する増幅媒体を用いたカスケード型光ファイバ増幅器）においては、上記設計方法をそのまま用いたとしても、利得スペクトルの平坦化は実現できない。
【０００６】
そこで、本発明は、石英系ＥＤＦＡ以外のカスケード型増幅器に利得等化器を設置する場合の当該利得増幅器の設計方法を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、上記設計方法を用いて設計された利得等化器と該利得等化器を組み込んだ光増幅器を提供することを目的とする。
【０００８】
更に、本発明は、上記設計方法に用いられる設計装置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】
【０００９】
上記目的は、以下の本発明により解決される。
【００１０】
本発明の第一は、複数の増幅媒体もしくは増幅器と、それらの中間位置の少なくとも１つの位置に設けられた利得等化器を備えた、利得平坦化されたカスケード型（直列多段型）希土類添加光ファイバ増幅器に関する。このカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器は、前記利得等化器が、以下の過程で設定された損失スペクトルの形状と利得等化帯域を有することを特徴とする。
【００１１】
ｉ）  前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりＷＤＭ信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ｉｉ）  所望の波長帯域において、ｉ）で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のＷＤＭ信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の２条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
ｉｉｉ）  （ａ）計算上の利得等化後の利得スペクトルを、ｉ）で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和（ｄＢ換算）にｉｉ）で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差（ｄＢ換算）をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
（ｂ）前記ｉｉ）で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
ｉｖ）前記ｉｉｉ）の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
ｖ）目的の利得等化帯域が得られるまで上記ｉ）〜ｉｖ）の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること。
【００１２】
本発明の上記カスケード型光ファイバ増幅器では、ｉｉｉ）の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことができる。
【００１３】
更に、本発明の上記カスケード型光ファイバ増幅器では、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、イオン密度をゼロに近似できないエネルギー準位を３つ以上有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の上記カスケード型光ファイバ増幅器では、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率（発光緩和率と非発光緩和率の合計）がｌ×１０４ｓ−１以下であるエネルギー準位を３つ以上有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の第二は、カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器を構成する複数の増幅媒体もしくは増幅器の中間位置の少なくとも１つの位置に挿入する利得等化器の設計方法に関する。本発明の設計方法は、以下の過程を具備する。
【００１６】
ｉ）  前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりＷＤＭ信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ｉｉ）  所望の波長帯域において、ｉ）で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のＷＤＭ信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の２条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
ｉｉｉ）  （ａ）計算上の利得等化後の利得スペクトルを、ｉ）で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和（ｄＢ換算）にｉｉ）で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差（ｄＢ換算）をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
（ｂ）前記ｉｉ）で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
ｉｖ）前記ｉｉｉ）の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
ｖ）目的の利得等化帯域が得られるまで上記ｉ）〜ｉｖ）の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること。
【００１７】
本発明の利得等化器の設計方法では、ｉｉｉ）の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことができる。
【００１８】
更に、本発明の利得等化器の設計方法では、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、イオン密度をゼロに近似できないエネルギー準位を３つ以上有することを特徴とする。
【００１９】
本発明の利得等化器の設計方法では、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率（発光緩和率と非発光緩和率の合計）がｌ×１０４ｓ−１以下であるエネルギー準位を３つ以上有することを特徴とする。
【００２０】
本発明の第三は、カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器を構成する複数の増幅媒体もしくは増幅器の中間位置の少なくとも１つの位置に挿入する利得等化器を設計するための装置に関する。本発明の設計装置は、可変光減衰器、ＷＤＭ信号光の利得を測定する光検出器、計算回路、可変光減衰器制御回路から構成される。
【００２１】
本発明の設計装置では、下記過程により目的の利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を算出する。
【００２２】
ｉ）  前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりＷＤＭ信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ｉｉ）  所望の波長帯域において、ｉ）で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のＷＤＭ信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の２条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
ｉｉｉ）  （ａ）計算上の利得等化後の利得スペクトルを、ｉ）で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和（ｄＢ換算）にｉｉ）で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差（ｄＢ換算）をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
（ｂ）前記ｉｉ）で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
ｉｖ）前記ｉｉｉ）の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
ｖ）目的の利得等化帯域が得られるまで上記ｉ）〜ｉｖ）の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること。
【００２３】
本発明の利得等化器の設計装置では、ｉｉｉ）の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込んだ回路を備えていてもよい。
【００２４】
本発明の利得等化器の設計装置は、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、イオン密度をゼロに近似できないエネルギー準位を３つ以上有することを特徴とする。
【００２５】
本発明の利得等化器設計装置において、励起状態もしくは増幅状態にある揚合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率（発光緩和率と非発光緩和率の合計）がｌ×１０４ｓ−１以下であるエネルギー準位を３つ以上有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の方法を用いて作製した利得等化器を用いることで、石英系ＥＤＦ以外の増幅媒体（例えば、イオン密度を考慮すべき準位が３つ以上である希土類イオンを含有する増幅媒体）を用いたカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器においても容易に利得等化器を設計することが可能となる。また、本発明の設計方法は容易に装置化が可能であり、設計の自動化が可能であるという特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】石英系ＥＤＦＡのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の利得等化器の設計方法を説明するための図である。
【図２】石英系ＥＤＦＡのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の利得等化器の設計方法を、ＴＤＦＡのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器に適用した場合の挙動を説明するための図である。
【図３】ＴＤＦＡのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器に石英系ＥＤＦＡのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の利得等化器の設計方法を適用できない理由を説明するための図である。
【図４】仮想利得等化器（ＧＥＱ）として可変光減衰器用いた場合の利得スペクトルを示すグラフである。
【図５】石英系ＥＤＦＡとフッ化物ＥＤＦＡのイオン密度分布の相違を説明するための図である。
【図６】本発明の利得等化器の設計方法を説明するためのフロー図である。
【図７】本発明の利得等化器の設計方法を説明するための図である。
【図８】本発明の利得等化器の等化利得の最大値と補正値の相関関係を示すグラフである。
【図９】利得偏差の緩和率依存性を示すグラフである。
【図１０】変換効率の緩和率依存性を説明するための図である。
【図１１】本発明のカスケード型増幅器の一例を示す概略図である。
【図１２】本発明による利得等化器の設計装置の概要図である。
【図１３】本発明による利得等化器の別の設計装置の概略図である。
【図１４】利得等化器の損失スペクトルを示したグラフである。
【図１５】本発明の設計方法により設計した利得等化器を用いた場合の、利得等化後の利得および雑音指数スペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
石英系ＥＤＦＡでは、カスケード型（直列多段型ともいう）希土類添加光ファイバ増幅器の利得等化器の設計方法は確立されている。しかし、添加するイオンやホストガラスの種類を変えるとその方法を適用できないことが多い。本発明は、従来の設計方法が適用できないカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の利得等化器の設計方法を提供し、併せて、この設計方法に基づいて設計された利得等化器を含むカスケード型希土類添加光ファイバ光増幅器、および該利得等化器の設計装置を提供する。
【００２９】
本明細書では、まず、石英系ＥＤＦＡのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器（本明細書では、簡略化のため、カスケード型石英系ＥＤＦＡとも称する）の利得等化器の設計方法を説明する。次に、その設計方法が適用できない例として、添加希土類イオンがツリウムであるＳ帯のツリウム添加光ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）、およびフッ化物ＥＤＦＡのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器（本明細書では、従来の設計方法が適用できないカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器を簡略化のため、「カスケード型増幅器」とも称する）について説明する。この後、本発明の利得等化器の設計方法を説明し、この設計方法で設計された利得等化器を含む本発明のカスケード型増幅器、および該利得等化器の設計装置について説明する。
【００３０】
１．カスケード型石英系ＥＤＦＡの利得等化器の設計方法
現在、カスケード型石英系ＥＤＦＡで用いられている利得等化器の設計は、利得等化器を介在させずに複数の石英系ＥＤＦＡを接続し、多段増幅器の利得スペクトルを測定して所望の利得等化帯域の過剰利得部分を利得等化器の損失スペクトルとして設定することで実現される。
【００３１】
２段型カスケード光ファイバ増幅器の場合を例に取り、図１を参照して、具体的に２段カスケード型石英系ＥＤＦＡの利得等化器の設計方法について説明する。その設計の手順は以下の通りである。
【００３２】
まず、図１（ａ）に示すように、ＥＤＦＡを２段に接続し、利得等化器を中間に挿入しない増幅器を準備する。
【００３３】
（１）この増幅器の利得スペクトル（Ｉ）を測定する。
（２）目的の利得等化スペクトル（ＩＩ）と（１）で測定した利得スペクトル（Ｉ）の差（（Ｉ）−（ＩＩ））で表される利得等化器の損失スペクトル（ＩＩＩ）を算出する。ここで、算出された利得等化器の損失スペクトル（ＩＩＩ）は、図１（ａ）で、ＥＤＦＡの後段に仮想的に記載されている利得等化器（ＧＥＱ）と同じ損失スペクトルの形状および波長帯域を有する。
【００３４】
（３）算出された利得等化器の損失スペクトル（ＩＩＩ）を有する利得等化器（ＧＥＱ）を作製し、この利得等化器をカスケード型光ファイバ増幅器の中間段へ挿入して利得スペクトル（ＩＶ）を測定する。
【００３５】
この測定された利得等化後の利得スペクトル（ＩＶ）は、上記（２）で算出した、目的の利得等化後のスペクトル（ＩＩ）と一致する。
【００３６】
このように、カスケード型石英系ＥＤＦＡの利得等化器の上記設計方法により得られた利得等化器は、設計時と実際に増幅器に組み込んだ場合で同じ利得等化スペクトルを与える（但し、損失媒体である利得等化器は、仮想的に記載した挿入位置と実際に挿入する中間段で位置が異なるため、利得等化器設計時（図１（ａ））と実際に組み込んだ時（図１（ｂ））の励起光パワーは異なる。）。
【００３７】
２．カスケード型増幅器の利得等化器の設計に上記１．の方法を適用した場合
２−１．カスケード型ＴＤＦＡ
カスケード型石英系ＥＤＦＡの利得等化器の設計方法を適用することができない増幅器の例として、カスケード型ＴＤＦＡの例を挙げる。ＴＤＦＡにおいて石英系ＥＤＦＡの方法を適用した場合の概念図を図２に示す。上記１．の方法に従い、２段型ＴＤＦＡに対する利得等化器を作製し（図２（ａ））、得られた利得等化器をカスケード型増幅器の中間段に挿入すると、目的の利得平坦化された利得スペクトルが得られない（図２（ｂ））。
【００３８】
上記のように、ＴＤＦＡで平坦化された利得スペクトルが得られない理由を、図３を参照しながら説明する。
【００３９】
利得等化器を設計するためには目的の利得スペクトルを設定し、一定に保持することが必要であるが、そのためには増幅作用を発生する希土類イオンの増幅始準位および終準位のイオン密度を一定に保持する必要がある。即ち、増幅始準位のイオン密度をＮ１とし、増幅終準位のイオン密度をＮ２とした場合、Ｎ１＝一定およびＮ２＝一定となる必要がある。カスケード型石英系ＥＤＦＡの利得等化器の設計方法で設計し、作製した利得等化器をカスケード型増幅器の増幅媒体または増幅器の間の位置に挿入すると後段の増幅媒体または増幅器への入力信号光パワーが変化し、各準位のイオン密度に変化が生じる。石英系ＥＤＦＡの場合、図３（ａ）に示すように利得スペクトルを決定する上でイオン密度を考慮すべき準位（イオン密度をゼロに近似できない準位）が増幅始準位（３Ｉ１３／２）と増幅終準位（３Ｉ１５／２）の２つのみであるので、入力信号パワーが変化（図３（ａ）では増加した場合を示した）して各準位のイオン密度が変化したとしても（図３（ａ）（１）〜（２））、後段の増幅媒体または増幅器の励起光パワーを調整することにより１つの準位のイオン密度を所望値にすれば、もう１つの準位のイオン密度も所望値となる（図３（ａ）（２）〜（３））。例えば、励起光パワーを調整することにより増幅終準位のイオン密度Ｎ２が所望値に設定されれば、増幅始準位のイオン密度Ｎ１が所望の値に設定される（図３（ａ）、式（１））。
【００４０】
【数１】
2010205903.tif 000003
【００４１】
一方、ＴＤＦＡの場合、図３（ｂ）に示すように、イオン密度を考慮すべき準位として、増幅始準位（３Ｈ４）と増幅終準位（３Ｆ４）の他にもう１つの準位（３Ｈ６）が存在する。このため、石英系ＥＤＦＡで用いられるような励起光パワーの調整では各準位のイオン密度を一定に保持することができない。詳細に説明すると、入力信号光パワーが変化（図３（ｂ）では増加した場合を示した）した場合（図３（ｂ）（１）〜（２））、所望のＮ２になるように励起光パワーを調整すると、アップコンバージョン励起の一段目（３Ｈ６→３Ｆ４）の励起速度も同時に変化し、基底準位のイオン密度（Ｎ０）が変化する（図３（ｂ）（２）〜（３））。その結果、増幅始準位（３Ｈ４）と増幅終準位（３Ｆ４）のイオン密度の総和（Ｎ１＋Ｎ２）に変化が生じ、増幅終準位の所望値のイオン密度Ｎ１を得ることができない（図３（ｂ）、式（２））。
【００４２】
【数２】
2010205903.tif 000004
【００４３】
図４は、２段のカスケード型ＴＤＦＡにおいて波長無依存の可変光減衰器（ＡＴＴ）をＴＤＦＡの中間段に挿入し、可変光減衰器の損失値を変えることで後段の増幅器への入力信号光パワーを変化させたときに、前段と後段のそれぞれのツリウム添加光ファイバ単体での利得を合算した利得スペクトルである。１４８２ｎｍの利得が一致するように後段光ファイバへの励起光パワーを調整した。石英系ＥＤＦＡのようにイオン密度を考慮すべき準位が２つのみであれば、励起光パワーを調節すれば測定した波長帯域（１４８０〜１５１０ｎｍ）で可変光減衰器の損失値を変えても同一の利得スペクトルが得られる。しかしながら、カスケード型ＴＤＦＡでは、図４から分かるように可変光減衰器の損失値が増加するに従い、長波長側の利得が減少しており、同一の利得スペクトルが得られなかった。これは、カスケード型ＴＤＦＡでは、カスケード型石英系ＥＤＦＡの設計方法により得られた利得等化器を用いて、増幅始準位および増幅終準位のイオン密度を所望値にすることができないことを表している。つまり、カスケード型ＴＤＦＡにカスケード型石英系ＥＤＦＡの利得等化器の設計方法は適用できないのである。
【００４４】
２−２．カスケード型フッ化物ＥＤＦＡ
次に、カスケード型石英系ＥＤＦＡの利得等化器の設計方法を適用することができない増幅器の例として、カスケード型フッ化物ＥＤＦＡの例を挙げる。この例において、カスケード型石英系ＥＤＦＡの方法を適用した場合について図５を参照して説明する。カスケード型フッ化物ＥＤＦＡについての、図２に示した利得等化器設計時の利得スペクトルの挙動については、カスケード型ＴＤＦＡと同じであるので、ここでは増幅状態におけるイオン密度についてのみ対比させる。図５は、０．９８μｍの励起光を用いた場合に、基底準位の４Ｉ１５／２から４Ｉ１１／２へ励起したときの結果を示す。石英系ＥＤＦＡでは４Ｉ１１／２から４Ｉ１３／２への緩和率が非常に高いためＮ３はほぼゼロになる。そのため、イオン密度を考慮すべき準位は２つ（４Ｉ１２／３と４Ｉ１５／２）である。一方、フッ化物ＥＤＦＡでは４Ｉ１１／２から４Ｉ１３／２への緩和率が小さいため、Ｎ３のイオン密度を無視できなくなる。つまり、フッ化物ＥＤＦＡではイオン密度を考慮すべき準位は３つ（４Ｉ１１／２、４Ｉ１２／３および４Ｉ１５／２）となる。従って、カスケード型フッ化物ＥＤＦＡはカスケード型ＴＤＦＡと同様に、カスケード型石英系ＥＤＦＡの利得等化器設計方法を適用することができない。
【００４５】
３．本発明のカスケード型増幅器の利得等化器の設計方法
上述のように、カスケード型増幅器の励起状態や増幅状態においてイオン密度を考慮すべき準位（イオン密度を０に近似できない準位）が３つ以上あるカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器では、後段の増幅媒体または増幅器への入力信号光パワーが変化すると、増幅始準位と終準位のイオン密度の総和量が変化する。このため、利得等化器を挿入しない状態の利得スペクトルから利得等化器を設計するのは困難である。そこで、本発明は、利得等化器の設計時と利得等化器の挿入時で後段の増幅媒体または増幅器への入力信号光パワーが変化しないようにすることで上記問題を解決した新たな利得等化器の設計方法を提案するものである。
【００４６】
本発明では、利得等化器を設計する際に、カスケード型増幅器の利得等化器の設置位置に利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器を用いる。このような可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器で、以下の過程ｉ）〜ｖ）を実施し、利得等化器の損失スペクトルの形状と波長帯域を求める。
【００４７】
ｉ）  前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりＷＤＭ信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ｉｉ）  所望の波長帯域において、ｉ）で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のＷＤＭ信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の２条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
ｉｉｉ）  （ａ）計算上の利得等化後の利得スペクトルを、ｉ）で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和（ｄＢ換算）にｉｉ）で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差（ｄＢ換算）をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
（ｂ）前記ｉｉ）で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
ｉｖ）前記ｉｉｉ）の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
ｖ）目的の利得等化帯域が得られるまで上記ｉ）〜ｉｖ）の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること。
【００４８】
ここで、上記過程ｉｉｉ）において目的の利得等化帯域を算出する際の、ｉ）で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和は、ｄＢ換算による場合であり、透過率換算による場合は積となる。また、上記和とｉｉ）で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差は、ｄＢ換算による場合であり、透過率換算による場合は除となる。本明細書の説明では、ｄＢ換算による場合を説明するが、本発明は透過率換算による場合も包含する。
【００４９】
上記各過程について図６および図７を参照して詳述する。図６は本発明の設計方法の概念を示すフロー図である。また、図７はその設計の手順（上記ｉ）〜ｖ））を説明するための概略図である。図７は２段型の場合を示す。
【００５０】
まず、図７（ａ）に示すように、カスケード型増幅器の増幅媒体または増幅器（図７でアンプと表示した）の間に利得等化器を仮想した可変光減衰器（当技術分野ではＡＴＴまたはＶＯＡとも称される）を挿入した増幅器を準備する（本明細書では、このカスケード型増幅器の増幅媒体の間に可変光減衰器（ＡＴＴ）を挿入したものをＡＴＴ挿入増幅器とも称する。）。
【００５１】
次に、図６に示すように、設計を開始（Ｓ６０２）し、ＡＴＴ挿入増幅器のＡＴＴ値および励起光パワーを調製する（Ｓ６０４）。ＡＴＴの最初の損失スペクトルとして、所望の損失スペクトル（Ｉ）を設定する。このＡＴＴの損失スペクトル（Ｉ）は、所望のカスケード型増幅器の利得等化帯域から所望値が任意に設定される。
【００５２】
（Ａ）過程ｉ）
ＡＴＴの損失スペクトル（Ｉ）を調整した後のＡＴＴ挿入増幅器に信号光入力部よりＷＤＭ信号光を入力し、利得スペクトル（ＩＩ）を測定する（図６、Ｓ６０６）。
【００５３】
（Ｂ）過程ｉｉ）
過程ｉｉ）は、利得等化器の損失スペクトルの形状を特定する。
【００５４】
具体的には、所望の波長帯域において、ｉ）で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、可変光減衰器を通過する時のＷＤＭ信号光の総パワーに対する損失が、設計される利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の２条件を満たす、利得等化器の損失スペクトル（ＩＩＩ）を導出する（図６、Ｓ６０８）。利得等化器の損失スペクトルは、以下の手順により算出される。
【００５５】
可変光減衰器を使用したときの可変光減衰器から出力されるｎ波のＷＤＭ信号の総出力信号光パワーをＰｔｏｔａｌ−ＡＴＴ（図７（ａ）のＡ点の総出力信号光パワー。実測またはＡＴＴの損失から求められる。）、利得等化器を使用したときの利得等化器から出力されるｎ波のＷＤＭ信号の総出力信号光パワーをＰｔｏｔａｌ−ＧＥＱとすると、下式（３）〜（５）となる。これにより、ＷＤＭ信号が可変光減衰器を通過時に発生する総信号パワーに対する損失が、利得等化器を通過時の損失と一致しかつ、上記ｉ）で測定した利得スペクトル（ＩＩ）の所望の波長帯域のスペクトル形状と等しくなるように利得等化器の損失スペクトル（ＩＩＩ）を導出できる。
【００５６】
【数３】
2010205903.tif 000005
【００５７】
【数４】
2010205903.tif 000006
【００５８】
【数５】
2010205903.tif 000007
【００５９】
ここでＰｓ（λｉ）は可変光減衰器もしくは利得等化器に入力されるｉ番目のＷＤＭ信号光のパワー（単位：ｄＢｍ）、Ｌは波長無依存の可変光減衰器の損失（単位：ｄＢ）、Ｍ（λｉ）はｉ番目のＷＤＭ信号波長位置における利得等化器の損失（単位：ｄＢ）、Ｇｆｌａｔは利得等化後の各信号波長の利得、Ｇ（λｉ）は設計段階で可変光減衰器を挿入したときのカスケード型増幅器全体におけるｉ番目のＷＤＭ信号の利得（単位；ｄＢ）である。
【００６０】
Ｍ（λｉ）の算出は、上記設計手順ｉ）でＬ（可変光減衰器の損失値。図７（ａ）の（Ｉ））を設定後、任意に設定したＧｆｌａｔより得られるＭ（λｉ）がＰｔｏｔａｌ−ＡＴＴ＝Ｐｔｏｔａｌ−ＧＥＱを成立させるまでＧｆｌａｔを調整することで算出される。ここで、Ｇ（λｉ）は手順ｉ）で測定される可変光減衰器を挿入したときのカスケード型増幅器全体におけるｉ番目のＷＤＭ信号の利得（図７（ａ）の（ＩＩ）のｉ番目のＷＤＭ信号の利得）に相当する。上記の算出結果のＭ（λｉ）それぞれから、利得等化器の損失スペクトル（ＩＩＩ）が算出さ、利得等化器の損失スペクトルの形状が特定できる。
【００６１】
本発明において、総信号パワーに対する損失を対象とするのは、利得スペクトルの形状を反映する利得等化器の損失スペクトルと波長無依存の可変光減衰器の波長無依存の損失とでは損失スペクトル形状が異なるので、単純に損失の積分値を等しくしても後段アンプへ出力される総信号光パワーは等しくならないことによる。
【００６２】
可変光減衰器から出力するＷＤＭ信号光のパワーの代わりに、可変光減衰器に入力するＷＤＭ信号光パワー（Ｐｓ（λｉ））を測定し、式（３）〜（５）を用いて本発明の利得等化器を設計することが可能である。また、上記の本発明の説明では、可変光減衰器の損失特性が波長無依存のものを用いているが、可変時の損失特性を把握することができるならば、式（５）のＬ値を波長ごとに設定して、本発明の利得等化器を設計することも可能である。
【００６３】
（Ｃ）過程ｉｉｉ）
過程ｉｉｉ）では、利得等化器の波長帯域を導出する（図６、Ｓ６１０）。本発明では波長帯域の導出に２つの手法を用いることができる。
【００６４】
第一の手順では、（ａ）計算上の利得等化後の利得スペクトルを、ｉ）で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和（ｄＢ換算）にｉｉ）で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差（ｄＢ換算）をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出する。
【００６５】
具体的な導出手順を、図７により説明する。上記過程ｉ）で測定した利得スペクトル（ＩＩ）に可変光減衰器の損失スペクトル（Ｉ）を加算（ｄＢ換算）し、可変光減衰器の損失を含まない利得スペクトル（（Ｉ）＋（ＩＩ））を算出する。この（Ｉ）＋（ＩＩ）で得られる利得スペクトルは、可変光減衰器を除いた前段と後段の増幅媒体または増幅器の利得スペクトルを足したもの（ｄＢ換算）に相当する。次に、この（Ｉ）＋（ＩＩ）で表される可変光減衰器の損失を含まない利得スペクトルと上記過程ｉｉ）で導出した利得等化器の損失スペクトル（ＩＩＩ）から、予想される利得等化後の利得スペクトルを下式（６）として定義する。
利得等化後の利得スペクトル（ｄＢ）＝（Ｉ）＋（ＩＩ）−（ＩＩＩ）    （６）
【００６６】
この式（６）は、図７（ｂ）の利得等化後の利得スペクトル（ＩＶ）を導き出すことに相当する。即ち、図７に示されるように、可変光減衰器の損失を含まない利得スペクトル（（Ｉ）＋（ＩＩ））から利得等化器の損失スペクトル（ＩＩＩ）を差し引くことにより、利得等化後の利得スペクトル（ＩＶ）を求める。この利得スペクトル（ＩＶ）の平坦化された部分の波長の下限および上限値から利得等化帯域を求める。
【００６７】
なお、本明細書において、「利得等化帯域」とは、利得等化を行う波長の下限値から上限値の波長範囲を含めた概念をいう。具体的に、例えば１４８０〜１５１０ｎｍの利得等化帯域といった場合、「利得等化帯域」は、３０ｎｍの帯域幅に加えて、下限値１４８０ｎｍと上限値１５１０ｎｍの間の波長範囲を含めた概念をいう。
【００６８】
第二の手順では、（ｂ）上記ｉｉ）で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出する。具体的には、上記ｉｉ）で導出された利得等化器の損失スペクトル（例えば、図７（ａ）の（ＩＩＩ）の損失スペクトル）は、上記式（３）〜（５）からわかるように、その損失スペクトルの形状と、利得等化を行う波長範囲、即ち利得等化帯域を有している。従って、ｉｉ）で得られた損失スペクトルから、利得等化器の利得等化帯域を求めることができる。
【００６９】
上述の第一または第二の手順のいずれかで求めた計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定する（図６、Ｓ６１２）。カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域とは、設計したい利得等化器に求められる利得等化帯域であり、カスケード型増幅器に設定する利得等化器の特性として予め設定される目標値である。
【００７０】
（Ｄ）過程ｉｖ）
前記ｉｉｉ）の比較の結果、比較した計算上の利得等化帯域がカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と一致する場合は、上記ｉｉ）で得られた利得等化器の損失スペクトルの形状と、上記ｉｉｉ）で得られた利得等化帯域を、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域とする（図６、Ｓ６１４）。
【００７１】
一方、所望の利得等化帯域と一致しない場合は、比較した計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭ければ該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広ければ可変光減衰器の損失を低下させる。
【００７２】
（Ｅ）過程ｖ）
可変光減衰器の損失を調整したＡＴＴ挿入増幅器により上記ｉ）〜ｉｖ）を、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するまで繰り返す（図６、Ｓ６１２のＮＯ）。
【００７３】
本発明では、上記ｉ）〜ｖ）の過程により得られた損失スペクトルの形状および利得等化帯域を有する利得等化器を作製する。
【００７４】
目的の利得等化帯域を有する利得等化器の作製は、従来の方法を適用すればよい。例えば、（非特許文献２）などに開示された方法を用いることができ、これらの方法に上記過程により得られた損失スペクトルの形状と利得等化帯域を有するように設定すればよい。
【００７５】
作製された利得等化器を用いることでカスケート型希土類添加光ファイバ増幅器の利得平坦化を実現する。また、本発明の方法で利用可能な可変光減衰器は、計算の容易性から波長特性が平坦なものが望ましい。例えば、使用可能な可変光減衰器には以下のものを挙げることができる。機械式の可変光減衰器の例として、ファイバ間の光ビーム結合中に透過損失分布のついた減衰板を挿入し、減衰版を移動させる方式のもの、ファイバ間のギャップを可変させる方式のもの等がある。また、非機械式の例として、電気光学効果を用いたもの、磁気光学効果を用いたもの、熱光学効果を用いたもの等がある。
【００７６】
また、上記過程ｉｉｉ）で利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことで、更に設計精度を高めることが好ましい。補正関数は、例えば図８に示すような関数を上げることができ、実験値より導き出すことができる。具体的には、利得等化器の損失スペクトルがずれた場合に、すれが生じた値を測定しておき、補正関数としてプロットしておけばよい。なお、図８に示した補正関数は１例であり、条件等により様々に変化する。
【００７７】
上述した本発明の設計方法においては、自動化が可能である。例えば、可変光減衰器としてコンピュータ制御が可能な光アッテネータ（ＡＴＴ）を用い、利得スペクトルの検出器として光スペクトラムアナライザを用い、および、利得等化後の利得スペクトルを導出するためにコンピュータを用いることで設計を自動化することが可能である。また、上記補正関数をコンピュータや電子回路へ組み込んで自動化することもできる。
【００７８】
上記の説明は、カスケード型増幅器が２段であり、この２段の間に利得等化器が設置される例であったが、本発明の設計方法は、３段以上の多段カスケード型増幅器、即ち３以上の増幅媒体または増幅器を含み、複数の利得等化器を含む場合であっても適用することができる。例えば、ＷＤＭ信号入力側の利得等化器から順に上記設計方法を適用して、所望の利得等化帯域を有する利得等化器を設計すればよい。
【００７９】
本発明において、増幅媒体または増幅器には、上述のように、カスケード型増幅器の励起状態や増幅状態においてイオン密度を考慮すべき準位（イオン密度を０に近似できない準位）が３つ以上あるものであれば、本発明の方法を適用することができる。カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の例としては、例えば、非特許文献３に記載のものを挙げることができ、具体的には、例えば以下のホストガラスと希土類イオンの組み合わせにおいて、励起状態もしくは増幅状態でイオン密度を考慮すべき準位（イオン密度を０に近似できない準位）が３つ以上あるものを挙げることができる。
【００８０】
ホストガラスの種類：テルライトガラス、ゲルマン酸塩ガラス、フッ化物ガラス、カルコゲナイドガラス、フツ燐酸ガラス。
【００８１】
希土類イオンの種類：Ｔｂ３＋、Ｄｙ３＋、Ｈｏ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋、Ｙｂ３＋、Ｐｒ３＋、Ｎｄ３＋、Ｐｍ３＋、Ｓｍ３＋、Ｅｕ３＋等。
【００８２】
更に、後述する表１に示す増幅媒体を含むものを挙げることができる。
【００８３】
なお、本発明のカスケード型増幅器には、増幅媒体を励起するための励起手段、光アッテネータ（利得等化器設計時に用いるものとは役割の異なるもの）、アイソレータ、波長多重カプラ、励起光源等の従来の手段を含むことができる。
【００８４】
次に、イオン密度を考慮すべき準位について更に詳細に説明する。励起状態や増幅状態におけるイオン密度は、各準位の緩和率に大きく影響を受ける。緩和率が非常に大きい準位ではイオンが下準位へすぐ緩和するため、その準位のイオン密度がほぼ０（ゼロ）になり、その準位のイオン密度を無視して増幅器の増幅特性を議論することができる。一方、緩和率の小さい準位では、その準位にイオンが留まる時間が長くなり、イオン密度が高くなる。そのため、その準位のイオン密度を考慮して議論しなければならない。そこで、本明細書では、後者の場合を、イオン密度を考慮すべき準位（本明細書内で、イオン密度を０に近似できない準位、あるいは、増幅に関与する準位とも称する。）として定義している。緩和率は希土類イオンの種類、遷移準位のエネルギー間隔、ホストガラスの種類等によっても大きく異なる。このため、上述したように、同じＥＤＦＡ（０．９８μｍ励起時）であっても、ホストガラスが石英ガラスの場合にはイオン密度を考慮すべき準位は２つ（４Ｉ１３／２、４Ｉ１５／２）であるのに対し、フッ化物ガラスの場合には３つ（４Ｉ１１／２、４Ｉ１３／２、４Ｉ１５／２）となる。図９に０．９８μｍ励起ＥＤＦＡにおいて、４Ｉ１１／２の緩和率に対して石英系ＥＤＦＡの利得等化器の設計方法を適用して作製した利得等化器を、カスケード型光ファイバ増幅器に組み込んで測定した利得偏差（所望帯域の利得平坦性を示す。設計では利得偏差０になるようにしているので設計値からのずれに相当する。）をプロットした図を示す。緩和率は発光緩和率（自然放出率ともいう）と非発光緩和率の合計で定義され、測定可能な場合、実測値の蛍光寿命の逆数に等しい。以下に緩和率の式（７）を示す。
【００８５】
【数６】
2010205903.tif 000008
【００８６】
τｍは、実測値の蛍光寿命を表し、τＲはＪ−Ｏ解析（非特許文献４または非特許文献５）で得られる蛍光寿命（この値の逆数は、発光緩和率を示す）であり、ＷＮＲは非発光緩和率である。図９から分かるように緩和率が１．０×１０４ｓ−１より小さくなると利得偏差が急激に大きくなっている（例：フッ化物ガラスでは２ｄＢ程度）。これは、４Ｉ１１／２のイオン密度を無視できない状態であることによる。従って、１．０×１０４ｓ−１より小さい緩和率では石英系ＥＤＦＡの利得等化器の設計方法を適用できない。これは、エルビウム（Ｅｒ）以外の希土類イオンで緩和率が高い遷移（エネルギー間隔等に依存）が増幅に関与する場合や非発光緩和率の低いガラス（フォノンエネルギーの低いガラス、例：カルコゲナイドガラス、フッ化物ガラス等）をホストガラスに用いるような光ファイバ増幅器、即ち、励起状態及び増幅状態のときにイオン密度を考慮すべき準位が３つ以上となる光ファイバ増幅器においても同様の傾向になる。例えば、先の例で説明したＴＤＦＡの場合（フッ化物ガラスをホストガラスに用いた場合）は、増幅の始準位（３Ｈ４）が７００ｓ−１、増幅の終準位が１００ｓ−１程度の緩和率であり、増幅始準位、増幅終準位、基底準位の３つ準位にイオン密度が分布する。本発明の設計方法は、上記のような緩和率を有するカスケード型増幅器の利得等化器の設計方法として期待される。
【００８７】
更に、図１０に信号光から励起光への変換効率の緩和率依存性（ＴＤＦＡの場合）を示す。緩和率が１×１０３ｓ−１付近までは変換効率が上昇している。従って、１×ｌ０３ｓ−１以下の増幅媒体、例えばツリウム添加フッ化物ファイバなどの本発明のカスケード型増幅器に対応した利得等化器の設計方法として、本発明の方法は期待される。
【００８８】
４．本発明のカスケード型増幅器
本発明のカスケード型増幅器は、複数の増幅媒体もしくは増幅器と、それらの中間位置の少なくとも１つの位置に設けられた利得等化器を備える。具体的には、図１１（Ａ）に示すように、本発明のカスケード型増幅器（１１００Ａ）は、ＷＤＭ信号入力側から、第一の増幅媒体もしくは増幅器（１１０２）、第一の利得等化器（１１０４）、第二の増幅媒体もしくは増幅器（１１０６）を少なくとも含む。本発明のカスケード型増幅器は、更に出力側に利得等化器と増幅媒体もしくは増幅器をこの順に複数含むことができ、多段型のカスケード型増幅器とすることができる（図１１（１１００Ｂ））。上記の例では、増幅媒体もしくは増幅器の間の位置にすべて利得等化器を導入する場合を説明したが、必ずしも利得等化器をすべての増幅媒体もしくは増幅器の間の位置に導入する必要はない。例えば、図１１（１１００Ｃ）に例示されるように、三段の増幅媒体もしくは増幅器を有する場合、利得等化器は第一の増幅媒体もしくは増幅器と第二の増幅媒体もしくは増幅器の間にのみ設置することもできる。
【００８９】
本発明では、複数の増幅媒体もしくは増幅器には励起手段、光アッテネータ（利得等化器設計時に用いるものとは役割の異なるもの）、アイソレータ、波長多重カプラ、励起光源等の従来の手段を含むことができる。
【００９０】
本発明のカスケード型増幅器の利得等化器は、先に説明した、カスケード型増幅器の利得等化器の設計方法により設計される。即ち、本発明のカスケード型増幅器の利得等化器は、以下の過程で設定された利得等化器の損失スペクトルの形状および利得等化帯域を有する。
【００９１】
ｉ）  前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりＷＤＭ信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ｉｉ）  所望の波長帯域において、ｉ）で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のＷＤＭ信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の２条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
ｉｉｉ）  （ａ）計算上の利得等化後の利得スペクトルを、ｉ）で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和（ｄＢ換算）にｉｉ）で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差（ｄＢ換算）をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
（ｂ）前記ｉｉ）で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
ｉｖ）前記ｉｉｉ）の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
ｖ）目的の利得等化帯域が得られるまで上記ｉ）〜ｉｖ）の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること。
【００９２】
本発明のカスケード型増幅器が複数の利得等化器を含む場合、ＷＤＭ信号入力側の利得等化器から順に上記設計方法を適用して、所望の利得等化帯域を有する利得等化器を設計すればよい。
【００９３】
本発明の利得等化器は、従来の方法を適用して作製すればよい。例えば、（非特許文献２）などに開示された方法を用いて作製することができ、これらの方法に上記過程により得られた損失スペクトルの形状と利得等化帯域を有するように設定すればよい。
【００９４】
また、本発明のカスケード型増幅器の利得等化器は、上記過程ｉｉｉ）の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことで、更に設計精度を高めていることが好ましい。補正関数は、上述した通りである。
【００９５】
本発明のカスケード型増幅器は、増幅媒体として、上述のように、カスケード型増幅器の励起状態や増幅状態においてイオン密度を考慮すべき準位（イオン密度を０に近似できない準位）が３つ以上あるものであれば、どのようなものでもよい。カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の例としては、例えば、非特許文献３に記載のものを挙げることができ、具体的には、例えば以下のホストガラスと希土類イオンの組み合わせにおいて、励起状態もしくは増幅状態でイオン密度を考慮すべき準位（イオン密度を０に近似できない準位）が３つ以上あるものを挙げることができる。
【００９６】
ホストガラスの種類：テルライトガラス、ゲルマン酸塩ガラス、フッ化物ガラス、カルコゲナイドガラス、フツ燐酸ガラス。
【００９７】
希土類イオンの種類：Ｔｂ３＋、Ｄｙ３＋、Ｈｏ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋、Ｙｂ３＋、Ｐｒ３＋、Ｎｄ３＋、Ｐｍ３＋、Ｓｍ３＋、Ｅｕ３＋等。
【００９８】
更に、後述する表１に示す増幅媒体を含むものを挙げることができる。
【００９９】
更に、本発明のカスケード型増幅器は、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率（発光緩和率と非発光緩和率の合計）がｌ×１０４ｓ−１以下であるエネルギー準位を３つ以上有する。
【０１００】
５．本発明のカスケード型増幅器の利得等化器設計装置
本発明のカスケード型増幅器の利得等化器を設計するための装置を図１２および図１３を参照して説明する。図１２に示すように、本発明の設計装置（１２００）は、増幅媒体もしくは増幅器（図１２および図１３でアンプと記載）（１２０２、１２０４）、可変光減衰器（１２０６）、検出器（１２０８）、並びに、計算回路および可変光減衰器制御回路（１２１０）を含む。なお、設計装置を駆動する際には、ＷＤＭ光源（１２１２）を入力側に接続する。検出器は、図１３に示すように、ＷＤＭ信号波長に対応した光検出器（１３０２）を用いることも可能である。
【０１０１】
本発明のカスケード型増幅器の利得等化器の設計を自動化する場合には、コンピュータ制御が可能な光アッテネータ、光スペクトラムアナライザおよびコンピュータを用いて本発明の設計装置を構成することが可能である。
【０１０２】
また、コンピュータを電子回路化して、光スペクトラムアナライザに組み込んだ装置とすることもできる。更に、図８で示した補正関数をコンピュータや電子回路へ組み込んで、補正関数を用いた設計装置を構成することもできる。
【０１０３】
本発明の利得等化器設計装置で利用可能な可変光減衰器は、計算の容易性から波長特性が平坦なものが望ましい。例えば、使用可能な可変光減衰器には以下のものを挙げることができる。機械式の可変光減衰器の例として、ファイバ間の光ビーム結合中に透過損失分布のついた減衰板を挿入し、減衰版を移動させる方式のもの、ファイバ間のギャップを可変させる方式のもの等がある。また、非機械式の例として、電気光学効果を用いたもの、磁気光学効果を用いたもの、熱光学効果を用いたもの等がある。
【０１０４】
本発明の利得等化器設計装置では、増幅媒体として、上述のように、カスケード型増幅器の励起状態や増幅状態においてイオン密度を考慮すべき準位（イオン密度を０に近似できない準位）が３つ以上あるものであれば、どのようなものでも利用することができる。カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の例としては、例えば、非特許文献３に記載のものを挙げることができ、具体的には、例えば以下のホストガラスと希土類イオンの組み合わせにおいて、励起状態もしくは増幅状態でイオン密度を考慮すべき準位（イオン密度を０に近似できない準位）が３つ以上あるものを挙げることができる。
【０１０５】
ホストガラスの種類：テルライトガラス、ゲルマン酸塩ガラス、フッ化物ガラス、カルコゲナイドガラス、フツ燐酸ガラス。
【０１０６】
希土類イオンの種類：Ｔｂ３＋、Ｄｙ３＋、Ｈｏ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋、Ｙｂ３＋、Ｐｒ３＋、Ｎｄ３＋、Ｐｍ３＋、Ｓｍ３＋、Ｅｕ３＋等。
【０１０７】
更に、後述する表１に示す増幅媒体を含むものを挙げることができる。
【０１０８】
本発明の利得等化器設計装置は、下記過程により目的の利得等化器の損失スペクトルの形状および利得等化帯域を求める。下記の過程は、本発明の利得等化器の設計方法で説明した通りである。
【０１０９】
ｉ）  前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりＷＤＭ信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ｉｉ）  所望の波長帯域において、ｉ）で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のＷＤＭ信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の２条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
ｉｉｉ）  （ａ）計算上の利得等化後の利得スペクトルを、ｉ）で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和（ｄＢ換算）にｉｉ）で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差（ｄＢ換算）をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
（ｂ）前記ｉｉ）で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
ｉｖ）前記ｉｉｉ）の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
ｖ）目的の利得等化帯域が得られるまで上記ｉ）〜ｉｖ）の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること。
【０１１０】
本発明では、上記過程ｉｉｉ）の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことで、更に設計精度を高めることが好ましい。補正関数は、上述した通りである。
【０１１１】
更に、本発明のカスケード型増幅器の利得等化器設計装置は、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率（発光緩和率と非発光緩和率の合計）がｌ×１０４ｓ−１以下であるエネルギー準位を３つ以上有する。
【実施例１】
【０１１２】
図１１に示すような本発明のカスケード型増幅器（増幅媒体もしくは増幅器が２または３基のもの）を作製した。このカスケード型増幅器は、表１に示す添加イオン、ホストガラス、カスケード型増幅器の構成を有する。一般的な可変光減衰器を用い、図１２または図１３に示すような設計装置を構築し、利得等化器の損失スペクトルの形状および利得等化帯域を求め、この値を利得等化器に設定した。利得等化器は、求めた設定値に基づいて非特許文献２に記載の手順で得た。また、カスケード型石英系ＥＤＦＡで適用可能な従来の利得等化器の設計方法により設計した利得等化器を設置した場合の利得偏差も併せて表１に示した。
【０１１３】
本発明の方法を用いて作製した利得等化器を使用した場合、従来の石英系ＥＤＦＡの利得等化器の設計方法を用いて利得等化器を作製した場合のカスケード型増幅器の特性について表１に対比して示した。
【０１１４】
一例としてカスケード型増幅器として表１内の実施例１で作製した利得等化器の損失スペクトルとその利得等化器をカスケード型光ファイバ増幅器に組み込んで測定した利得スペクトルを、図１４および図１５に示す。また表１内の実施例９には補正関数を組み込むことで実施例１の光ファイバ増幅器の利得等化の精度を高めた結果を示した。補正関数は図８で表され、縦軸の補正値を実施例１で算出された利得等化器の損失スペクトルに加算することで補正が可能となる。なお、図８に示した補正関数は実験値より導出した。但し、図８に示した補正関数は１例であり、条件等により様々に変化する。実施例１〜９に示したいずれのカスケード型増幅器も、本発明の方法により作製した利得等化器を使用することで、０．５ｄＢ以下の利得偏差を実現しており、本方法の有効性を実証した。
【０１１５】
【表１】
2010205903.tif 000009
【０１１６】
以上説明したように、本発明の方法を用いて作製した利得等化器を用いることで、イオン密度を考慮すべき準位が３つ以上である希土類イオンを含有する増幅媒体を用いたカスケード型光ファイバ増幅器においても容易に利得等化器を設計可能である。また、本発明の設計方法は容易に装置化が可能であり、設計の自動化が可能であるという特徴を有する。本発明の方法を用いずに設計する場合には、実際に利得等化器を作製し、光ファイバ増幅器に搭載して増幅特性を評価し、所望特性が得られるまで、何度も利得等化器を作製し直す必要があることが予想され、本発明はこのような利得等化器を繰り返して作製する必要がない。
【符号の説明】
【０１１７】
１１００    本発明のカスケード型増幅器
１１０２    増幅媒体もしくは増幅器
１１０４    利得等化器
１１０６    増幅媒体もしくは増幅器
１２００    本発明の利得等化器設計装置
１２０２    増幅媒体もしくは増幅器
１２０４    増幅媒体もしくは増幅器
１２０６    可変光減衰器
１２０８    検出器
１２１０    計算回路および可変光減衰器制御回路
１２１２    ＷＤＭ光源
１３０２    検出器
【図１】
2010205903.tif 000010
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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