(57)【要約】【課題】  増幅器を多段接続した光ファイバ増幅装置において、利得の過渡的な変動を抑圧し、好適な信号伝送特性を実現する。【解決手段】  増幅器を多段接続した光ファイバ増幅装置において、前記各増幅器が、前記出力信号光の出力光パワーを検出する出力光パワー検出手段と、前記出力光パワーに基づき、前記励起用光源の出力をフィードバック制御することによって、当該増幅器を所定の目標状態に制御する制御手段と、を有し、信号光の伝搬方向に沿って相前後する２つの前記増幅器のうち後段増幅器の前記フィードバック制御の応答性を、前段増幅器の前記フィードバック制御の応答性よりも高めたものである。【選択図】        図２
2006147660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起用光源から光ファイバ増幅媒体へ供給する励起光により当該光ファイバ増幅媒体へ入力される入力信号光を増幅して出力信号光を得る増幅器を複数段接続した光ファイバ増幅装置であって、
前記各増幅器は、
前記出力信号光の出力光パワーを検出する出力光パワー検出手段と、
前記出力光パワーに基づき、前記励起用光源の出力をフィードバック制御することによって、当該増幅器を所定の目標状態に制御する制御手段と、
を有し、
信号光の伝搬方向に沿って相前後する２つの前記増幅器のうち後段増幅器の前記フィードバック制御の応答性を、前段増幅器の前記フィードバック制御の応答性よりも高めたこと、
を特徴とする光ファイバ増幅装置。
【請求項２】
前記フィードバック制御は、比例定数を用いた比例演算を含んでおり、
前記後段増幅器の前記フィードバック制御における比例定数が、前記前段増幅器の前記フィードバック制御における比例定数よりも大きいこと、
を特徴とする、請求項１に記載の光ファイバ増幅装置。
【請求項３】
前記後段増幅器の前記フィードバック制御の制御周期を、前記前段増幅器の前記フィードバック制御の制御周期よりも短く設定すること、
を特徴とする、請求項１に記載の光ファイバ増幅装置。
【請求項４】
前記各増幅器は、前記入力信号光の入力光パワーを検出する入力光パワー検出手段を有し、
前記制御手段は、前記入力光パワー及び前記出力光パワーに基づく当該増幅器の利得が所定の値にある状態を前記目標状態とすること、
を特徴とする、請求項１から３の何れか１項に記載の光ファイバ増幅装置。
【請求項５】
当該光ファイバ増幅装置の初段増幅器への入力信号光の入力パワーを検出する入力光パワー検出手段を有し、
前記各増幅器は、前記入力光パワー及び前記出力光パワーに基づいて定められる前記初段増幅器から当該増幅器までの利得が所定の値にある状態を前記目標状態とすること、
を特徴とする、請求項１から３の何れか１項に記載の光ファイバ増幅装置。
【請求項６】
前記各増幅器の前記目標状態は、当該増幅器の前記出力光パワーを一定とする状態であることを特徴とする、請求項１から４の何れか１項に記載の光ファイバ増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長分割多重(WDM: Wavelength Division Multiplexing)伝送に適用可能な光ファイバ増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、波長多重(ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing)伝送系の光通信システムを示す説明図である。図９に示すように、波長多重伝送系の光通信システムは、光信号を送信する複数の光送信装置11と、波長が異なる各光送信装置11から送信された複数の光信号を波長多重化する合波器12と、その合波器12により波長多重化された光信号を増幅する光増幅装置13a, 13b 13cと、その光増幅装置13a, 13b 13cにより増幅された光信号を各波長チャネル毎に分離する分波器14と、分離された各光信号を受信する光受信装置15とを有する。
【０００３】
近年の光増幅装置を用いた波長多重通信システムでは、伝送システムの信頼性や運用効率を向上させるため、多重化された光信号の一部をある伝送路から別の伝送路へ波長チャネル単位で分離したり、他の伝送路からある伝送路に波長チャネル単位で合波することが行われる。所謂、波長多重通信における波長Add/Drop機能による波長数の増減がこの機能に相当する。ちなみに、Addが波長数増加時、Dropが波長数減少動作を意味する。また、送信局側の帯域増設もしくは光伝送装置や光伝送路の障害等によって、伝送路へ送信される光信号の波長チャネル数が増減する。よって、運用状態の光増幅装置へ入力される多重化された光信号の波長チャネル数はその時々で変動する。
【０００４】
しかし、光増幅装置13に入力される光信号のチャネル数が変化すると、これまでの光増幅装置は、全チャネルの出力レベルの総和が一定となるように制御される。よって、入力される信号のチャネル数変化に起因して各チャネル毎の出力レベルは変化してしまう。
【０００５】
図１０にこの様子を説明するため、波長λ1,λ2,λ3,λ4,λ5,λ6,λ7,λ8の８つの波長チャネルが多重された光スペクトルを示す。図１０では８つの波長のうち、λ5からλ8の４つの波長チャネルが増減される。
【０００６】
図１１に横軸に時間、縦軸に光増幅装置への入力パワーを記述したグラフを示す。時間ｔ＝ｔ0にて波長チャネル数が８波長から４波長に減少し、ｔ＝ｔ1にて波長チャネル数が４波長から８波長に増加した場合の入力パワーの時間変動特性である。
【０００７】
図１２は、図１１に相当する入力パワー変動を受けた場合の、出力レベルの総和が一定になるように制御された光増幅装置の利得の時間変動特性を示す。出力パワーの総和が一定の状態で、ｔ＝ｔ0で入力パワーが減少するため、ｔ＝ｔ0からｔ＝ｔ1までの期間は利得が増加する。ｔ＝ｔ1以後は出力パワーの総和が一定の状態で、入力パワーが増加するため、利得が減少する。
【０００８】
上述のように各チャネルの利得が変化すると各チャネルの出力レベルが変化し、光信号のＳ／Ｎ比などの品質が劣化するので、光増幅装置13から出力された各チャネル毎の出力信号パワー（出力信号レベル）を一定に保つように制御する技術が従来から適用されている。このような背景により、光増幅器の光通信への応用では、利得一定制御（ＡＧＣ: Automatic Gain Control）が重要となっている。
【０００９】
［利得の時間的な過渡応答と制御器の応答についての問題提起］
ここで、下記非特許文献１には、エルビウム（Ｅｒ）添加光ファイバを用いた光増幅器が多段に接続された場合の過渡的な利得変動の実験結果がFig.2に示されている。また、下記非特許文献２には、Ｅｒ添加光ファイバ増幅器が２０段従属接続された伝送システムの過渡的な利得変動のシミュレーション結果が報告されている。非特許文献２に記載のFig.5(a), Fig.5(b)では、入力波長チャネル数の変動直後より３μsecで各チャネルごとの利得が３dB以上変動していることが報告されている。
【００１０】
このように過渡的な利得変動は伝送特性上の信号劣化を引き起こすことが問題となっており、過渡的な利得変動を抑制するためには、利得一定制御を行う電気信号処理制御部の高速化が必要であることが指摘されている。
【００１１】
［光ファイバ増幅器の構造と制御方法の問題］
近年の光ファイバ通信の技術革新により、（１）電気的な光信号の再生中継を行わない６００kmを超える長距離通信、（２）時分割多重された１０Gbpsを越える高速光信号伝送、（３）８０波を超える高密度波長多重通信が実現された。光ファイバ増幅器には、多数の光信号を低雑音増幅すること（条件Ａ）、及び、多数の波長多重された光信号を増幅するための高出力特性（条件Ｂ）が要求されている。
【００１２】
上記条件Ａの低雑音増幅、及び条件Ｂの高出力特性を両立させるために、低雑音、高利得の初段増幅器と高出力特性を有する後段増幅器とを組合わせた２段構成の光ファイバ増幅器が一般に使用されている。
【００１３】
また、上記（２）に挙げた高速光信号伝送の実用化に伴い、光ファイバ伝送路の分散特性により生じる光信号の波形歪を補償するために分散補償器が用いられる。一般に、分散補償器は光伝送路の分散を打ち消す特性を有する光ファイバが用いられ、そのファイバ長は分散補償量により数kmから約２０km程度であり、損失は大きい場合は１５dB程度になる。
【００１４】
この損失を光ファイバ増幅器内部で補償するため、中継伝送用光増幅装置では、光ファイバ増幅装置の中間段に分散補償器を接続すること（条件Ｃ）が行われる。
【００１５】
上記条件Ａ〜Ｃを実現した中継伝送用光増幅装置の具体例として、当該増幅装置内を第１の増幅部と第２の増幅部とに分割し、これらの中間に、光ファイバ伝送路の分散を補償する目的で分散補償器を接続することが行われる。そして、上記条件Ａの低雑音増幅、及び条件Ｂの高出力特性を両立させるために、第１の増幅部を低雑音とし、第２の増幅部を高出力特性とする組合わせにより、当該増幅装置を構成する。
【００１６】
また、下記特許文献２、特許文献３に示されるように所望の利得スペクトル形状を得るために光可変減衰器を増幅装置の中間部に接続し、光増幅装置の光出力パワーと共に可変減衰器の減衰量を制御することが行われる。
【００１７】
図１３に、第１の増幅部及び第２の増幅部を有し、分散補償器、光可変減衰器などの光損失媒体を中間部に接続した従来の光増幅装置の構成例を示す。この構成では、光信号は光入力端子81aより入力され、第１の光増幅媒体83aで増幅され、中間損失媒体82に入力される。第１の制御演算部89aは、入力モニタ用光分岐カプラ84aを介して検出された入力モニタ用光モニタ素子85aの電気信号と、出力モニタ用分岐カプラ84bを介して検出された出力モニタ用光モニタ素子85bの電気信号とを用いて、励起レーザ87aの出力を制御する。
【００１８】
中間損失媒体82から出力された光信号は、第２の光増幅媒体83bで再度増幅され、光出力端子81bより出力される。第２の制御演算部89bは、入力モニタ用光分岐カプラ84cを介して検出された入力モニタ用光モニタ素子85cの電気信号と、出力モニタ用分岐カプラ84dを介して検出された出力モニタ用光モニタ素子85dの電気信号を用いて、励起レーザ87ｂの出力を制御する。
【００１９】
ここで光ファイバ増幅媒体83a、83bは希土類添加光ファイバでもよいし、ラマン増幅効果を用いる光ファイバ型増幅素子でも良い。また、中間損失媒体82は分散補償器でもよいし、光可変減衰器でもよいし、その双方を接続した光損失媒体の場合もあり得る。
【００２０】
光増幅装置の中間段に分散補償器や光可変減衰器などの光損失媒体を接続する場合は、分散補償器内部を光信号が通過する際に発生する非線形現象に起因する光波形歪みや、光可変減衰器の許容される最大定格光入力を考慮しなければならない。このため、中間損失媒体を接続する場合には、中間損失媒体への光入射パワー、つまり中間損失媒体に接続される前置増幅器の光出力パワーを適切な範囲に制御しなければならない。
【００２１】
そこで、中間損失媒体を光増幅装置中間段に接続する場合には、一般に、中間損失媒体の前段の第１の光増幅部の光出力と中間損失媒体の後段の第２の光増幅部の光出力とを独立に制御可能に構成される。
【００２２】
なお、下記特許文献１には、前方励起光と後方励起光に対し独立な制御コントローラを設け、信号光の数に応じて制御コントローラのパラメータ、比例ゲイン、積分時間、微分時間を変更し、出力一定制御を行うことが開示されている。
【００２３】
下記特許文献２，３には、光可変減衰手段の減衰量をエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）温度もしくは環境温度に応じて制御することが開示されている。温度と減衰量の関係は一次線形とされる。
【００２４】
下記特許文献４には、入力パワーから励起パワーを演算するフィードフォワード制御が示されている。
【００２５】
下記特許文献５は、光入力モニタを用い入力パワーから励起パワーを演算するフィードフォワード制御に関する技術を開示する。当該技術は、フィードフォワード制御のみでは入力光の波長分布が変わった際に誤差が大きくなることに対応して、波長分布検出手段を備える。
【００２６】
下記特許文献６は、フィードフォワード制御とフィードバック制御を組合わせた光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の利得制御に関するものである。
【００２７】
下記非特許文献１には、ＥＤＦＡが多段に接続された場合の過渡的な利得変動の実験結果が示されている。また非特許文献２には、ＥＤＦＡの過渡的な利得変動のシミュレーション解析結果、非特許文献３には、フィードフォワード制御とフィードバック制御を組合わせたＥＤＦＡの利得制御の実験結果がそれぞれ報告されている。
【００２８】
【特許文献１】特開２００３−０５１６３２号公報
【特許文献２】特開２０００−１１４６２９号公報
【特許文献３】特開２０００−１１４６３０号公報
【特許文献４】特開２００１−１１１１５１号公報
【特許文献５】特開２００１−０９４１８１号公報
【特許文献６】特開２０００−２２３７６４号公報
【非特許文献１】Ｙａｎ  Sun, et al. , “Fast power transient in WDM optical networks with cascaded EDFAs”, IEE Electronics Letters, 13th 1997, Vol.3 No.4”
【非特許文献２】Ａｌｂｅｒｔｏ  Bononi, et al. , “Doped-Fiber Amplifier Dynamics: A System Perspective”, Journal of Lightwave Technology, May 1998, Vol.16 No.5”
【非特許文献３】Ｃｅｃｈａｎ  Tian et al. , “Analysis and Control of Transient Dynamics of EDFA Pumped by 1480 - and 980-nm Lasers”, Journal of Lightwave Technology, August 2003, Vol.21 No.8”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
特許文献４、特許文献５に開示される技術は、光入力パワーから励起パワーを演算するフィードフォワード制御を光ファイバ増幅器に適用することで高速な利得制御の実現を図るものである。しかし、フィードフォワード制御のみでは、光入力パワーに対して、一意的に励起パワーを決定するため、励起レーザダイオード（励起ＬＤ）の劣化や、光増幅媒体及び受動光部品の温度依存性及び劣化などによる変動に起因する誤差が目標利得との間に生じ得るという問題があった。
【００３０】
また、特許文献６、非特許文献３はフィードバック制御の制御遅延による利得の過渡的な時間変動特性を抑圧するために、光入力パワー情報に基づいて、励起ＬＤ出力を制御するフィードフォワード制御とフィードバック制御との組合わせによる解決策を提示する。しかしながら、フィードフォワード制御を適用した制御では、目標とする利得と、励起ＬＤパワーもしくは励起ＬＤ駆動電流との関係を、設計開発段階で一意的に決めておかねばならないため、複数の励起ＬＤを制御する場合や、目標利得や目標光出力パワーが可変される用途では制御器内部の演算処理が複雑になるという問題があった。
【００３１】
特許文献１は、この複数のＬＤにより励起される増幅部を有する光ファイバ増幅器の制御方法を提案している。その方法では、前方励起光と後方励起光とに対し独立な制御コントローラを設け、信号光の数に応じて制御コントローラのパラメータ、比例定数、積分時間、微分時間を変更し、出力一定制御を行う。しかし、これについては、光ファイバ増幅器には信号光の数を検出する機能はないため、増幅器の外部に波長多重された信号光の数を検出する装置が別に必要になり、増幅器が複雑化するという問題があった。また、光出力パワー一定制御を前提としているため、利得一定制御では適していない。なお、当該文献には、多段の光増幅媒体から構成される光ファイバ増幅器において、各段の励起ＬＤの具体的な制御については明示されていない。
【００３２】
この各段の励起ＬＤの制御に関しては、増幅部ごとの利得の応答時間の差異や、中間の損失媒体の損失変動による利得の波長依存性変動といった要因が存在する。
【００３３】
まず増幅部ごとの利得の応答時間について述べる。従来より、複数の増幅部と、増幅部の段間に損失媒体とを含む光増幅器において、各増幅部ごとに利得一定制御を行うことで、光増幅器入出力端間の利得一定動作を実現させることが行われている。さて、利得の過渡変動は、増幅器の出力に依存する。図１４はその一例を示すものであり、図１５のような１段型の増幅器のＥＤＦ長を26.0mと42.2mとした場合の利得の過渡変動の測定結果を示している。図１４は、各ＥＤＦ長について、波長数が１波から４波に波長数が増加した場合（6dB Add時）及び、１波から８波に波長数が増加した場合(9dB Add時)それぞれにおける、波長数が増加する前の初期状態（Add前）から利得が1dB変動するまでの時間を、増加した後（Add後）の光増幅器出力パワーに対してプロットしたグラフである。
【００３４】
図１４に明らかなように、出力パワーが大きくなるほど、利得が変動する時間が早くなる。そのため、各増幅部ごとに利得一定制御を行う光増幅器では、各増幅部ごとの出力パワーに応じて、利得の時間応答特性が増幅部ごとに異なる。しかし、従来は、例えば、各増幅部が利得一定制御に比例制御を含む場合の比例制御定数の設定に際して、この点について適切な配慮がなされておらず、波長数変動による入力パワー変動に対して、利得の過渡変動が十分に抑圧されないという問題があった。
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、利得の過渡的な変動を抑圧し、好適な信号伝送特性を実現する光ファイバ増幅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】
【００３５】
本発明に係る光ファイバ増幅装置の１つの態様は、励起用光源から光ファイバ増幅媒体へ供給する励起光により当該光ファイバ増幅媒体へ入力される入力信号光を増幅して出力信号光を得る増幅器を複数段接続したものであって、前記各増幅器が、前記出力信号光の出力光パワーを検出する出力光パワー検出手段と、前記出力光パワーに基づき、前記励起用光源の出力をフィードバック制御することによって、当該増幅器を所定の目標状態に制御する制御手段と、を有し、信号光の伝搬方向に沿って相前後する２つの前記増幅器のうち後段増幅器の前記フィードバック制御の応答性を、前段増幅器の前記フィードバック制御の応答性よりも高めたものである。
【００３６】
本発明に係る光ファイバ増幅装置の他の１つの態様においては、前記フィードバック制御が比例定数を用いた比例演算を含んでおり、前記後段増幅器の前記フィードバック制御における比例定数が、前記前段増幅器の前記フィードバック制御における比例定数よりも大きくする。
【００３７】
本発明に係る光ファイバ増幅装置の他の１つの態様は、前記後段増幅器の前記フィードバック制御の制御周期を、前記前段増幅器の前記フィードバック制御の制御周期よりも短く設定する。
【００３８】
本発明に係る光ファイバ増幅装置の他の１つの態様においては、前記各増幅器が、前記入力信号光の入力光パワーを検出する入力光パワー検出手段を有し、前記制御手段が、前記入力光パワー及び前記出力光パワーに基づく当該増幅器の利得が所定の値にある状態を前記目標状態とする。
【００３９】
本発明に係る光ファイバ増幅装置の他の１つの態様は、当該光ファイバ増幅装置の初段増幅器への入力信号光の入力パワーを検出する入力光パワー検出手段を有し、前記各増幅器が、前記入力光パワー及び前記出力光パワーに基づいて定められる前記初段増幅器から当該増幅器までの利得が所定の値にある状態を前記目標状態とする。
【００４０】
本発明に係る光ファイバ増幅装置の他の１つの態様においては、前記各増幅器の前記目標状態が、当該増幅器の前記出力光パワーを一定とする状態である。
【発明の効果】
【００４１】
本願発明によれば、多段接続された複数の増幅器のうち後段のものほど、励起用光源に対するフィードバック制御の応答性を高めたことにより、入力レベル変動、波長数変動による利得の過渡的な時間変動が抑圧される。
【００４２】
このように本発明によれば、利得の過渡的な変動を抑圧して、好適な信号伝送特性が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）である光ファイバ増幅装置について、図面に基づいて説明する。本光ファイバ増幅装置は、励起ＬＤと光ファイバ増幅媒体とを備え個別に利得制御可能な光ファイバ増幅器を多段に接続したものである。個々の増幅器の利得制御はフィードバック制御により行われ、例えば、比例・積分・微分制御（ＰＩＤ制御）、比例・積分制御（ＰＩ制御）などにより行われる。本装置は、利得の過渡的な変動を抑制するための本発明の特徴構成である２つの特徴を備えている。その１つは、各段のフィードバック制御の応答性に関するものであり、もう１つは、フィードバック制御のループ構造に関するものである。本装置の具体的な説明の前に、これらの特徴について説明する。
【００４４】
［フィードバック制御の応答性］
光ファイバ増幅器を多段接続する際には、それらの間に分散補償器等の中間損失媒体が接続される。例えば、図１は、中間損失媒体を間に挟んで２段接続された増幅器からなる光ファイバ増幅装置のパワーダイアグラムである。この図において縦軸はパワーレベル、横軸は信号伝達方向を表す。中間損失媒体のロスを補償するために、第２の増幅器の出力Pout2は第１の増幅器の出力Pout1よりも大きくなるように設計される。すなわち、
Pout2  ＞ Pout1
とされる。このように、多段接続された増幅器は後段ほど出力のパワーレベルが高くなるように設定される。ここで、図１４を用いて上述したように、出力パワーが大きくなるほど、利得が変動する時間が早くなる。そこで、本発明に係る光ファイバ増幅装置においては、各段の増幅器の利得一定制御において、後段ほどフィードバック制御の応答性を高く設定することによって、利得の過渡的な変動を抑圧する。応答性を高める方法としては、後段ほど、フィードバック制御の比例定数を大きくして、入力レベル変動に対して俊敏に応答するように設定することと、フィードバック制御の制御周期を短くすることにより制御を高速に行うこととがある。前者に関しては、例えば、ＰＩＤ制御において、比例定数(Ｐ定数)を大きくすることが相当する。
【００４５】
励起ＬＤのパワーを制御してＰＩＤ制御を実施する場合のフィードバック制御の式は次式となる。
【００４６】
Ｐｐｕｍｐ＝Ｋp×Ｅgain＋Ｋi×∫Ｅgain・dt＋Ｋd×d(Ｅgain)/dt
Ｅｇａｉｎ≡Ｇset−Ｇmon
ここで、
Ｐpump:励起LD光出力パワー
Ｋp:比例定数
Ｋi:積分定数
Ｋd:微分定数
Ｅgain:利得偏差
Ｇset:利得の設定目標値
Ｇmon:利得の計測モニタ値
である。
【００４７】
また、励起ＬＤの駆動電流Ｉpumpを制御してＰＩＤ制御を実施する場合のフィードバック制御の式は次式となる。
【００４８】
Ｉｐｕｍｐ＝Ｋp×Ｅgain＋Ｋi×∫Ｅgain・dt＋Ｋd×d(Ｅgain)/dt
【００４９】
Ｎ段構成の光ファイバ増幅装置について上記制御方式において、制御定数を下記のような方法により各増幅部ごとに独立に設定することにより後段ほど応答性が高まる。
【００５０】
（１）ｋ段目（２≦ｋ≦Ｎ）の増幅器の利得一定制御に用いる比例定数をｋ−１段目の増幅器の制御に関わる利得一定制御に用いる比例定数より大きくする。これにより、増幅装置入力側の増幅器より増幅装置出力側の増幅器が俊敏に応答することになる。
【００５１】
（２）ｋ段目（２≦ｋ≦Ｎ）の増幅器の制御に関わる制御部の電気信号処理出力の周期をｋ−１段目の増幅器の制御に関わる制御部の電気信号処理出力の周期より短くする。これにより、増幅装置入力側の増幅器より増幅器出力側の増幅器が高速に応答することになる。
【００５２】
［フィードバック制御のループ構造］
図２に示す、光信号入力側から出力側に向かって、第１、第２、…、第Ｎ−１、第Ｎの出力モニタ、増幅媒体、励起部を有するＮ個の増幅器から成る光ファイバ増幅装置を例に説明する。220a、220bは光ファイバ増幅装置の入出力端である。223a〜223dは第１、第２、第Ｎ−１、第Ｎの増幅器である。221と224は、ぞれぞれ光ファイバ増幅装置の入力レベルモニタ用分岐カプラと入力レベルモニタ用受光素子である。222a〜222dは第１、第２、第Ｎ−１、第Ｎの増幅器の出力レベルモニタ用分岐カプラであり、225a〜225dはそれぞれ第１、第２、第Ｎ−１、第Ｎの増幅器の出力レベルモニタ用受光素子である。第１、第２、第Ｎ−１、第Ｎの増幅器の利得を制御するための、比較演算・励起ＬＤ光出力の制御はコントロール部226a、226b、226c、226dにより行う。
【００５３】
この光ファイバ増幅装置の構成において、制御ループを具体的に以下のように構成する。
【００５４】
（１）第１の増幅器223aの利得制御は、入力レベルモニタ用受光素子224により得られた光ファイバ増幅装置への入力レベル及び、出力レベルモニタ用受光素子225aにより得られた第１の出力レベルのそれぞれの計測結果を元に行う。
【００５５】
（２）第２の増幅器223bの利得制御は、入力レベルモニタ用受光素子224により得られた光ファイバ増幅装置への入力レベル及び、出力レベルモニタ用受光素子225bにより得られた第２の出力レベルのそれぞれの計測結果を元に行う。
【００５６】
（３）第Ｎ−１の増幅器223cの利得制御は、入力レベルモニタ用受光素子224により得られた光ファイバ増幅装置への入力レベル及び、出力レベルモニタ用受光素子225cにより得られた第Ｎ−１の出力レベルのそれぞれの計測結果を元に行う。
【００５７】
（４）第Ｎの増幅器223dの利得制御は、入力レベルモニタ用受光素子224により得られた光ファイバ増幅装置への入力レベル及び、出力レベルモニタ用受光素子225dにより得られた第Ｎの出力レベルのそれぞれの計測結果を元に行う。
【００５８】
すなわち、各段の増幅器の利得のフィードバック制御を初段増幅器の入力と、当該段の増幅器の出力との比較演算に基づいて行うので、増幅器の段間に分散補償ファイバなどの損失媒体が接続され、損失が変動する場合でも、その影響を回避した増幅器の利得制御が可能となる。
【００５９】
また、光ファイバ増幅装置の利得の計測モニタ値は初段増幅器の入力と最終段の増幅器の出力との比較に基づいて求められる。最終段増幅器の出力は、光ファイバ増幅装置内部の利得補正フィルタや、光可変減衰器によりある程度、出力パワースペクトルが平坦化されている。従って、モニタ情報はある程度平坦化されたパワーの比較演算により決定されるため、目標設定利得に対する計測誤差が小さくなる。
【００６０】
各増幅器の部分利得の計測モニタ値の制御は常に初段増幅器の入力パワーと前述の各増幅器の出力パワーとに基づいて実施される。この結果、各増幅器の励起ＬＤ光出力もしくは励起ＬＤ駆動電流を通じた部分利得の制御の入力パワー変動に対する速応答性が改善される。
【００６１】
《実施形態》
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００６２】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る光ファイバ増幅装置の概略のブロック図である。本装置は光ファイバ増幅器を２段接続したものであり、それらの間に中間損失媒体が接続される。すなわち、光入力端子161aが第１段の増幅器の入力端に接続され、当該増幅器の出力端に中間損失媒体162の一方端が接続される。中間損失媒体162の他方端には第２の増幅器の入力端が接続され、当該増幅器の出力端が光出力端子161bに接続される。
【００６３】
第１の増幅器は、光増幅媒体163a、入力モニタ用光分岐カプラ164a、出力モニタ用光分岐カプラ164b、入力モニタ用光モニタ素子165a、出力モニタ用光モニタ素子165b、入力モニタ用光モニタ素子の電流電圧変換回路166a、出力モニタ用光モニタ素子の電流電圧変換回路166b、励起ＬＤ167a、励起ＬＤ電流制御回路168a、制御演算部169aを含んで構成される。また、第２の増幅器には、第１の増幅器と同様の構成を有するものを用いている。つまり、第２の増幅器は、光増幅媒体163b、入力モニタ用光分岐カプラ164c、出力モニタ用光分岐カプラ164d、入力モニタ用光モニタ素子165c、出力モニタ用光モニタ素子165d、入力モニタ用光モニタ素子の電流電圧変換回路166c、出力モニタ用光モニタ素子の電流電圧変換回路166d、励起ＬＤ167b、励起ＬＤ電流制御回路168b、制御演算部169bを含んで構成される。
【００６４】
ここで光ファイバ増幅媒体163a、163bには例えばＥｒ添加光ファイバを用いる。中間損失媒体162は分散補償器でもよいし、光可変減衰器でもよいし、その双方を接続した光損失媒体の場合もあり得る。電流電圧変換回路166a〜166dは入力される電流信号を、その対数値に応じた電圧信号として出力する対数変換回路である。
【００６５】
光信号は光入力端子161aより入力され、第１の光増幅媒体163aで増幅され、中間損失媒体162に入力される。第１の制御演算部169aは、第１の光増幅媒体163aの入力光パワーと出力光パワーとに基づいて、励起ＬＤ167aの出力を制御する。この入力光パワーは、光伝送路に設けられた入力モニタ用光分岐カプラ164aで入力光信号の一部を分岐して、その分岐した光を入力モニタ用光モニタ素子165aで受光して検出される。当該光モニタ素子165aから出力される電流信号は、電流電圧変換回路166aによりその対数値に応じた電圧信号に変換され、制御演算部169aに入力される。一方、光増幅媒体163aの出力光パワーは、光伝送路に設けられた出力モニタ用光分岐カプラ164bで出力光信号の一部を分岐して、その分岐した光を出力モニタ用光モニタ素子165bで受光して検出される。当該光モニタ素子165bから出力される電流信号は、電流電圧変換回路166bにより電圧信号に変換され、制御演算部169aに入力される。制御演算部169aはこれら入力に基づいて、励起ＬＤ電流制御回路168aに対する指示信号を生成し、励起ＬＤ電流制御回路168aはこの指示信号に応じた電流を生成して励起ＬＤ167aに供給する。励起ＬＤ167aはその電流に応じた強度で発光し、光増幅媒体163aを通過する光信号を当該発光強度に応じて増幅する。
【００６６】
以上、第１の増幅器の構成を説明したが、第２の増幅器の構成もほぼ同様である。
【００６７】
念のため、その第２の増幅器の構成を説明すると以下のようになる。光信号は中間損失媒体162より入力され、第２の光増幅媒体163bで増幅され、光出力端子161bへ出力される。第２の制御演算部169bは、と第２の光増幅媒体163bの入出力光パワーとに基づいて、励起ＬＤ167bの出力を制御する。入力光パワーの検出は、第１の増幅器と同様に、入力モニタ用光分岐カプラ164c、入力モニタ用光モニタ素子165c、及び電流電圧変換回路166cによって行われ、それにより得られた電圧信号が制御演算部169bに入力される。一方、光増幅媒体163bの出力光パワーは、光伝送路に設けられた出力モニタ用光分岐カプラ164dで出力光信号の一部を分岐して、その分岐した光を出力モニタ用光モニタ素子165dで受光して検出される。当該光モニタ素子165dから出力される電流信号は、電流電圧変換回路166dにより電圧信号に変換され、制御演算部169bに入力される。制御演算部168bはこれら入力に基づいて、励起ＬＤ電流制御回路168bに対する指示信号を生成し、励起ＬＤ電流制御回路168bはこの指示信号に応じた電流を生成して励起ＬＤ167bに供給する。励起ＬＤ167bはその電流に応じた強度で発光し、光増幅媒体163bを通過する光信号を当該発光強度に応じて増幅する。
尚、励起ＬＤ167bの出力を制御するための入力パワーとして、第１の増幅器の入力パワーを用いても良い。この場合には、中間損失媒体162の変動をも補償することが可能となる。
【００６８】
制御演算部169a，169bはそれぞれ入力される入力光パワーの情報、出力光パワーの情報に基づいてＰＩ制御によるフィードバック制御を行う。それぞれのＰＩ制御における比例定数は第１制御演算部169aよりも第２制御演算部169bに対する値が大きくなるように設定される。
【００６９】
次に、シミュレーションによる本装置の利得偏差の改善結果及び、それを裏付ける実験結果を示す。
【００７０】
数値演算シミュレーションは、図２に示す２段の増幅器から構成された光ファイバ増幅装置に入力される波長数が変動した場合の利得の応答特性について、以下の動作条件及び内容で行った。
【００７１】
［シミュレーションした光ファイバ増幅装置（EDFA）の動作条件］
第１増幅器の励起波長：980nm
第２増幅器の励起波長：980nm
第１増幅器の設定目標利得：18dB
第２増幅器の設定目標利得：19dB
中間損失媒体のロス：10.0dB
光入力パワー（Add前又はDrop後）：-22dBm
光入力パワー（Add後又はDrop前）：-7dBm
残留信号光波長（Add前/Drop後の波長）：1546.92nm
【００７２】
［数値シミュレーションの内容］
Ａｄｄ/Drop前後での利得偏差を第１増幅器の比例定数Ｋp1、積分定数Ｋi1、第２増幅器の積分定数Ｋi2を固定して、第２増幅器の比例定数Ｋp2を可変した場合の利得偏差特性を数値シミュレーションした。シミュレーションした制御定数の条件は以下の通りである。
【００７３】
Ｋｐ１：20mW/dB
Ｋｉ１：4mW/(dB*sec)
Ｋｉ２：4mW/(dB*sec)
Ｋｐ２：0.4mW/dB〜400mW/dB
【００７４】
［数値シミュレーションの結果］
図３は、当該数値シミュレーションを実施した際の利得の時間変動特性の代表的なグラフである。また、図４は、当該シミュレーション結果を示すグラフであり、Add時の過渡的な利得偏差及びDrop時の過渡的な利得偏差それぞれの第２増幅器の比例定数Ｋp2に対する変化を表す。同図において、縦軸が過渡的な利得偏差、横軸が可変制御したＫp2である。Add時の過渡的な利得偏差に着目すると、Ｋp2が0.4mW/dBから400mW/dBまで増加するに従って、利得偏差が減少しており、20mW/dBを超えるとほぼ一定値に収束している。Drop時も同様に、Ｋp2が0.4mW/dBから400mW/dBまで増加するに従って、利得偏差が減少しており、20mW/dBを超えるとほぼ一定値に収束している。この図４に示す結果から、第２増幅器の比例定数Ｋp2を第１増幅器の比例定数Ｋp1より大きく設定することで利得偏差を抑制できることが確認できる。
【００７５】
このシミュレーションに対応する実験について以下に述べる。
【００７６】
［実験系の概要］
図５は、本実験を行った際の実験系のブロック図である。８波の信号光源171を８ｘ１波長合波カプラ173で合波し、その出力と残留信号光源172とを１ｘ２合波用カプラ175を用いて合波する。合波した光は被測定用光ファイバ増幅装置170に入射する。８ｘ１波長合波カプラ173で合波された８波の信号光源は光スイッチ174により、ON/OFFされ、被測定用光ファイバ増幅装置170へのAdd/Drop状態を模擬的に再現した。光増幅器への光入力は１ｘ２分岐用カプラ176により分岐して、光電気変換素子178aにより電圧信号に変換して、オシロスコープで観測した。また、光増幅器からの光出力は残留信号光源の波長のみを取り出すために光フィルタ素子177を介して、光電気変換素子178bに入射した。光電気変換素子178bで電圧信号に変換した光出力レベルはオシロスコープ179により観測した。
【００７７】
図５の８つの信号用光源171の波長λ1, λ2, …, λ7, λ8は、1530.33nm, 1534.25nm, 1538.98nm, 1543.73nm, 1545.32nm, 1547.72nm, 1552.52nm, 1556.55nm, 1561.44nmの９つの波長のうちから残留信号光源172に割り当てるものを除く８つとする。残留信号光源172の波長としては1538.98nm, 1545.32nmの２つの波長ぞれぞれを残留させた場合の過渡応答特性を測定した。
【００７８】
［被測定用光増幅器の説明］
被測定用光ファイバ増幅装置170の構成は基本的に図２に示すものであり、また基本的な仕様もシミュレーションにおけるものと共通する。中間損失媒体162の光学ロスは光アッテネータによって10dBに調節した。被測定用光ファイバ増幅装置170は、図２の構成において図示されない利得補正フィルタが、第１増幅器の光増幅媒体163aと出力モニタ用分岐カプラ194bとの間に接続される。この利得補正フィルタは、光ファイバ増幅装置全体分の利得の波長依存性を補正する。
【００７９】
第１制御演算部169a、第２制御演算部169bはそれぞれ電流電圧変換回路166a、166cから出力される入力レベル情報を表す電圧値を所定期間分、記憶するメモリを備える。
【００８０】
第１制御演算部169aは、第１の入力モニタ用分岐カプラ164aと第１の出力モニタ用分岐カプラ164bとの間を光信号が伝播する時間、及びモニタ素子165a、165b、電流電圧変換回路166a、166b、第１の励起ＬＤの電流制御回路168a及び第１の制御演算部169aでの電気信号処理時間に起因するタイミング差を考慮して定められた適当な時間だけ前の入力レベル情報をメモリから読み出し、その入力レベル情報と電流電圧変換回路166bから出力される出力レベル情報との比較演算を行う。本実験では、入力モニタ用分岐カプラ164aと出力モニタ用分岐カプラ164bとの間を光信号が伝播する時間に相当する0.1μsec(100nsec)の時間差先行する入力レベル情報を読み出すように設定した。そして、第１制御演算部169aで演算処理された結果に基づき、第１の励起ＬＤの電流制御回路168aへ電気信号が送出され、第１の励起ＬＤ167aの光出力パワーが制御される。
【００８１】
また、同様に、第２制御演算部169bは、第２の入力モニタ用分岐カプラ164cと第２の出力モニタ用分岐カプラ164dとの間を光信号が伝播する時間、及びモニタ素子165c、165d、電流電圧変換回路166c、166d、第２の励起ＬＤの電流制御回路168b及び第２の制御演算部169bでの電気信号処理時間に起因するタイミング差を考慮して定められた適当な時間だけ前の入力レベル情報をメモリから読み出し、その入力レベル情報と電流電圧変換回路166dから出力される出力レベル情報との比較演算を行う。本実験では、入力モニタ用分岐カプラ164aと出力モニタ用分岐カプラ164bとの間を光信号が伝播する時間に相当する44μsecの時間差先行する入力レベル情報を読み出すように設定した。そして、第２制御演算部169bで演算処理された結果に基づき、第２の励起ＬＤの電流制御回路168bへ電気信号が送出され、第２の励起ＬＤ167bの光出力パワーが制御される。
【００８２】
本実験では、本発明の効果を確認するため、第２の制御演算部169bの比例定数は第１の制御演算部169aの比例定数より大きな値に設定した。
【００８３】
［実験に用いた光ファイバ増幅装置の動作条件］
中間ロス媒体のロスを含む光ファイバ増幅装置全体での利得：27.0dB
第１増幅器の励起波長：980nm
第２増幅器の励起波長：980nm
第１増幅器の設定目標利得：18dB
第２増幅器の設定目標利得：19dB
中間損失媒体のロス：10.0dB
光入力パワー（Add前又はDrop後）：-22dBm
光入力パワー（Add後又はDrop前）：-7dBm
光増幅入出力間の伝播遅延時間：44.0usec
【００８４】
［実験結果の説明］
上述の内容による本発明に関する実験結果を図６、図７に示す。図６は残留信号光波長が1538.98nmの場合、図７は1545.32nmの場合について、光入力レベルの変動と残留信号光波長の信号のレベルの時間的な変動をオシロスコープにより測定、記録したグラフである。また、図６（ａ）、図７（ａ）はそれぞれ、光ファイバ増幅装置への入力光パワーを波長数増加（Add）により-22.0dBmから-7.0dBmへ変化させた場合の結果であり、図６（ｂ）、図７（ａ）はそれぞれ、光ファイバ増幅装置への入力光パワーを波長数減少（Drop）により-7.0dBmから-22.0dBmへ変化させた場合の結果である。それぞれの図の上部に示した階段状の信号波形は、入力光観測用光電気変換素子178aから得られる光入力レベルの測定値であり、その下に示す信号波形は出力光観測用光電気変換素子178bから得られる残留信号光波長の信号レベルの測定値である。
【００８５】
表１にAdd時及びDrop時の光ファイバ増幅装置からの残留信号光出力の過渡的な最大変動量を示す。Add時の利得偏差は1538.98nmにおいて0.6dB、1545.32nmにおいて0.7dBであった。また、Drop時の従来方式からの改善量は1538.98nmにおいて1.2dB、1545.32nmにおいて1.0dBである。このように本発明により、15dBという大きなAdd/Drop（波長数増加/波長数減少）動作時の信号光出力の変動が、電気信号処理のみによる制御方式で1dB程度に抑制された。
【００８６】
【表１】
2006147660.tif 000003
【００８７】
なお、上述の実施形態の構成では増幅器を２段構成としたが、３段以上の構成としてもよく、またその一部の利得制御に本発明の制御方式を用いた実施形態も可能である。また、増幅媒体を励起する手段として、各増幅器に２個以上の励起ＬＤを備えて増幅する構成、増幅媒体として希土類添加光ファイバ又はラマン増幅効果を有する光ファイバを用いた構成、中間損失媒体として、分散補償ファイバ以外に光可変減衰器を用いた構成、中間損失媒体として、可変利得補正フィルタを用いた構成の光ファイバ増幅装置も本発明の実施形態として可能である。
【００８８】
また、上述の構成では、ＰＩ制御の制御定数を後段ほど大きく設定して応答性を高める場合を述べたが、後段ほど制御周期を短くして応答性を高めても同様の効果が得られる。すなわち、本装置によれば、後段の増幅器ほど、励起パワー制御に関わる電気信号処理の応答特性を、前段の増幅器より入力レベル変動に対して俊敏に応答すること、又は増幅器利得の制御を高速に行うことにより、従来の利得制御方式を用いた光ファイバ増幅装置より入力レベル変動、波長数変動による利得の過渡的な時間変動が抑圧される。
【００８９】
図８に本発明の第２の実施形態に係わる光増幅装置の概略のブロック図を示す。本装置構成によれば、後段の増幅器の利得の制御が光ファイバ増幅装置の初段増幅器の入力と当該後段の増幅器の出力との比較演算に基づくフィードバック制御により行われるので、増幅器間の分散補償ファイバなどの損失媒体が接続され、損失が変動する場合でも、多段光ファイバ増幅装置の利得変動に影響しない。
【００９０】
また、本装置のように、多段光ファイバ増幅装置において２段目以降の利得制御に用いる入力側光パワーデータとして初段の入力光パワーデータを共通に使用することで、制御の安定性を増すことができる。
【００９１】
各増幅器の部分利得の計測モニタ値の制御は常に初段増幅器の入力パワーと前述の各増幅器の出力パワーとに基づいて実施される。この結果、各増幅器の励起ＬＤ光出力もしくは励起ＬＤ駆動電流を通じた部分利得の制御の入力パワー変動に対する速応答性が改善される。
【００９２】
光ファイバ増幅装置の利得の計測モニタ値は初段増幅器の入力と最終段の増幅器の出力との比較に基づいて求められる。最終段増幅器の出力は、光ファイバ増幅装置内部の利得補正フィルタや、光可変減衰器によりある程度、出力パワースペクトルが平坦化されている。従って、モニタ情報はある程度平坦化されたパワーの比較演算により決定されるため、目標設定利得に対する計測誤差が小さくなる。
【００９３】
また、２段目以降の入力側光分岐カップラとフォトダイオードを省略することができ、多段光ファイバ増幅装置を小型に、且つ安価に構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】２つの独立した増幅器と中間損失媒体をもつ光ファイバ増幅装置のパワーレベルダイアグラムを示す。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光ファイバ増幅装置のブロック図である。
【図３】本発明の実施形態における数値シミュレーションによる利得の時間変動特性の代表的なグラフである。
【図４】本発明の実施形態における数値シミュレーション結果であり、利得変動特性と第２の増幅器の利得制御に関わる比例制御定数との対応関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態により実験を行った際の実験系のブロック図を示す。
【図６】本発明の実施形態に係る実験の測定結果であり、波長1538.98nmの光信号の利得の時間変動特性を測定したグラフである。
【図７】本発明の実施形態に係る実験の測定結果であり、波長1545.32nmの光信号の利得の時間変動特性を測定したグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る光ファイバ増幅装置のブロック図である。
【図９】波長多重伝送系の光通信システムを示す説明図である。
【図１０】波長多重された光信号が波長チャネルごとに増減された場合の波長スペクトルを示した説明図である。
【図１１】波長多重された光信号が波長チャネルごとに増減された場合の光ファイバ増幅装置への入力パワーの時間的な変動特性を示した模式的なグラフである。
【図１２】波長多重された光信号が波長チャネルごとに増減された場合に、出力レベルの総和が一定になるように制御された光ファイバ増幅装置の利得の時間的な変動特性を示した模式的なグラフである。
【図１３】第１と第２の独立した増幅器を有し、中間部に分散補償器、光可変減衰器などの光損失媒体を接続した従来の光ファイバ増幅装置のブロック図である。
【図１４】光ファイバ増幅器の波長が増加（Add）した場合に、利得変動するまでの時間を光増幅器出力パワーに対してプロットしたグラフである。
【図１５】利得一定制御を行う光増幅器の代表的なブロック図である。
【符号の説明】
【００９５】
１６１ａ  光入力端子、１６１ｂ  光出力端子、１６２  中間損失媒体、１６３  光増幅媒体、１６４  光分岐カプラ、１６５  光モニタ素子、１６６  電流電圧変換回路、１６７  励起ＬＤ、１６８  励起ＬＤ電流制御回路、１６９  制御演算部、１７０、被測定用光ファイバ増幅装置、１７１  信号光源、１７２  残留信号光源、１７３  ８ｘ１波長合波カプラ、１７４  光スイッチ、１７５  １ｘ２合波用カプラ、１７６  １ｘ２分岐用カプラ、１７７  波長選択用光フィルタ素子、１７８  光電気変換素子、１７９  オシロスコープ、２２０ａ  光ファイバ増幅装置入力端、２２０ｂ  光ファイバ増幅装置出力端、２２１  入力レベルモニタ用分岐カプラ、２２２  出力レベルモニタ用分岐カプラ、２２３  増幅器、２２４  入力レベルモニタ用受光素子、２２５  出力レベルモニタ用受光素子、２２６  コントロール部。
【図１】
2006147660.tif 000004
【図２】
2006147660.tif 000005
【図３】
2006147660.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006147660.tif 000010
【図８】
2006147660.tif 000011
【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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