(57)【要約】本発明の損失補償機能を備えた光学装置は、入力コネクタ１Ａと出力コネクタ１Ｂ端子の間に、入力モニタを含む入力側光部品２と、増幅媒体３と、損失媒体４と、出力モニタを含む出力側光部品４とがこの順に接続されると共に、入出力光のモニタ結果を基に利得を制御する制御回路６が設けられ、増幅媒体３の出力端から出力コネクタ１Ｂまでの光路上で光が反射し得るすべての点における反射減衰量が出力コネクタ１Ｂの端面における反射減衰量よりも小さくなるように構成されたものである。
2003084007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
損失媒体で発生する損失を補償するための光増幅器を備えた光学装置であって、
前記光増幅器は、入力端子と出力端子の間に設けた光増幅部と、前記入力端子から前記光増幅部に送られる光のパワーをモニタする入力側モニタ部と、前記光増幅部から前記出力端子に送られる光のパワーをモニタする出力側モニタ部と、
前記入力側モニタ部および前記出力側モニタ部の各モニタ結果に基づいて前記光増幅部における利得を制御する利得制御部とを有し、
前記損失媒体は、前記光増幅部の出力端と前記出力側モニタ部の入力端との間の光路上に接続され、前記光増幅部の出力端から前記出力端子までの光路上で光が反射し得るすべての点における反射減衰量が前記出力端子の端面における反射減衰量よりも小さくなるように構成され、
前記利得制御部は、前記損失媒体で発生する損失に少なくとも等しい利得が得られるように前記光増幅部の動作を制御することを特徴とする損失補償機能を備えた光学装置。
【請求項２】
請求項１に記載の損失補償機能を備えた光学装置であって、
前記損失媒体は、融着スプライスによって光路上に接続されることを特徴とする光学装置。
【請求項３】
請求項１に記載の損失補償機能を備えた光学装置であって、
前記損失媒体は、前記出力端子に用いられるコネクタの反射減衰量よりも良好な反射減衰量を有するコネクタを用いて光路上に接続されることを特徴とする光学装置。
【請求項４】
請求項１に記載の損失補償機能を備えた光学装置であって、
前記入力側モニタ部の出力端と前記光増幅部の入力端との間の光路上に、前記光増幅部から前記入力側モニタ部に向けて伝搬する光を遮断するアイソレータを備えたことを特徴とする光学装置。
【請求項５】
請求項１に記載の損失補償機能を備えた光学装置であって、
複数の前記損失媒体に対応した複数の前記光増幅器を有し、該複数の光増幅器のうちの少なくとも２つ以上が並列的に一体化されたことを特徴とする光学装置。
【請求項６】
請求項５に記載の損失補償機能を備えた光学装置であって、
前記並列的に一体化された光増幅器は、各々の対応する構成部品のうちの一部または全部が光導波路技術を用いて集積化されたことを特徴とする光学装置。
【請求項７】
請求項６に記載の損失補償機能を備えた光学装置であって、
前記各光増幅器は、増幅媒体として希土類元素ドープファイバを用いた光増幅部をそれぞれ有し、前記光導波路技術を用いて集積化された導波路型部品と前記希土類元素ドープファイバとの間がモードフィールド径を整合させて接続されたことを特徴とする光学装置。
【請求項８】
請求項５に記載の損失補償機能を備えた光学装置であって、
前記並列的に一体化された光増幅器のうちの少なくとも２つ以上が縦列接続されたことを特徴とする光学装置。
【請求項９】
請求項１に記載の損失補償機能を備えた光学装置であって、
複数の前記損失媒体に対応した複数の前記光増幅器を有し、該複数の光増幅器のうちの少なくとも２つ以上が縦列接続されたことを特徴とする光学装置。
【請求項１０】
入力端子と出力端子の間に設けた光増幅部と、前記入力端子から前記光増幅部に送られる光のパワーをモニタする入力側モニタ部と、前記光増幅部から前記出力端子に送られる光のパワーをモニタする出力側モニタ部と、前記入力側モニタ部および前記出力側モニタ部の各モニタ結果に基づいて前記光増幅部における利得を制御する利得制御部と、を備えた光増幅器であって、
前記光増幅部の出力端と前記出力側モニタ部の入力端との間の光路上に、損失媒体を接続するための一対の損失媒体接続点を有し、
前記光増幅部の出力端から前記出力端子までの光路上で光が反射し得るすべての点における反射減衰量が前記出力端子の端面における反射減衰量よりも小さくなるように構成され、
前記利得制御部は、前記損失媒体接続点に接続される損失媒体で発生する損失に少なくとも等しい利得が得られるように前記光増幅部の動作を制御することを特徴とする損失補償用の光増幅器。
【請求項１１】
請求項１０に記載の損失補償用の光増幅器を複数備え、該複数の光増幅器のうちの少なくとも２つ以上が並列的に一体化されたことを特徴とする光増幅器。
【請求項１２】
請求項１０に記載の損失補償用の光増幅器であって、
前記一対の損失媒体接続点は、損失媒体が非接続のとき、前記出力端子に用いられるコネクタの反射減衰量よりも良好な反射減衰量を有するコネクタを用いてまたは融着スプライスにより直接接続されることを特徴とする光増幅器。
【請求項１３】
請求項１に記載の損失補償機能を備えた光学装置が適用された光通信システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光通信システムであって、
前記光学装置から出力される光に基づいて、システム上の光コネクタの接続状態が検出されることを特徴とする光通信システム。
【請求項１５】
励起光源と、
光増幅媒体と、
光増幅動作を監視するためのモニタ手段と、
該モニタ手段が、該光増幅動作の監視のために光を受光する導波経路において、該導波経路の条長積とカットオフ波長、及び／あるいは開口数を最適化することによって、吸収飽和または蛍光を抑制し、該導波経路に励起光源の励起光と同じ波長帯域を吸収帯域とする元素をドープした光吸収型導波経路フィルタと、
を備え、
励起光の該モニタ手段への漏れ光を遮断することを特徴とする光デバイス。
【請求項１６】
前記光吸収型導波経路フィルタに、ファイバブラックグレーティングが形成されていることを特徴とする請求項１５に記載の光デバイス。
【請求項１７】
前記励起光源の励起光と同じ波長帯域を吸収帯域とする元素と共に、該元素の吸収飽和を緩和する失活剤の元素を前記導波経路にコドープすることを特徴とする請求項１５に記載の光デバイス。
【請求項１８】
前記光吸収型導波経路フィルタは、ファイバ型分岐器を構成することを特徴とする請求項１５に記載の光デバイス。
【請求項１９】
前記光吸収型導波経路フィルタは、平面型光導波路技術によって形成されていることを特徴とする請求項１５に記載の光デバイス。
【請求項２０】
前記光吸収型導波経路フィルタは、平面型光導波路技術によって形成され、前記元素、あるいは、前記元素と該元素の吸収飽和を緩和する失活剤の元素を、光導波路及びそのクラッドにドープすることを特徴とする請求項１５に記載の光デバイス。
【請求項２１】
少なくとも前記モニタ手段と前記光吸収型導波経路フィルタは、平面光導波路技術によって一体化されて構成され、前記元素、あるいは、前記元素と該元素の吸収飽和を緩和する失活剤の元素を、導波経路あるいは、導波経路とクラッドにドープすることを特徴とする請求項１５に記載の光デバイス。
【請求項２２】
前記元素は、イッテリビウムであることを特徴とする請求項１５に記載の光デバイス。
【請求項２３】
前記失活剤の元素は、テルビウムであることを特徴とする請求項１７に記載の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、光通信システムに用いられる光学装置および光増幅器に関し、特に、損失媒体での損失を補償するための光増幅機能を備えた光学装置および損失補償用として好適な光増幅器に関する。
背景技術
光増幅器は光通信システムの長距離化および大容量化を実現するキーコンポーネントの１つである。光増幅器は反転分布媒質からの誘導放出を用いるレーザ増幅器と、ラマン散乱やブリルアン散乱などの非線形光学効果に基づく増幅器に分別される。レーザ増幅器には、希土類元素ドープファイバを用いた光ファイバ増幅器と半導体増幅媒体を用いる半導体レーザ増幅器がある。前者は光励起により、また、後者は注入電流励起により光増幅器として動作する。これらの光増幅器の中で、希土類元素ドープファイバ増幅器は、例えば、ビットレートフリー、高利得、低雑音、広帯域、低い結合損失、低偏光依存性、高効率などの性能面で大きな利点を有している。希土類元素ドープファイバ増幅器の中でも、エルビウム（Ｅｒ）ドープファイバ光増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：以下、ＥＤＦＡとする）が一般的であり、現在、光ファイバ通信システムにおいて実用化されている。
図１は、一般的なＥＤＦＡの光回路構成例を示す図である。
図１に示すように、一般的なＥＤＦＡの基本部品は、光増幅媒体であるエルビウムドープファイバ（以下、ＥＤＦとする）１００と、励起光を発生する励起光源１０１と、その励起光を信号光と合波する合波器１０２と、モニタ用の分岐器１０３および受光器１０４と、信号光以外の雑音光を遮断する光フィルタ１０５と、光を一方の方向のみ通過させる特性を持つアイソレータ１０６とから構成されている。
光増幅器を構成する各種デバイスのタイプには、ファイバ型、ディスクリート型（空間結合型）および導波路型（ＰＬＣ（Ｐｌａｎｅｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）型）等がある。ファイバ型は、ファイバとの結合が低損失という特長があるが、一般的に各デバイス間をスプライス融着接続した構成となるため、スプライス余長処理によりサイズ面が課題となる。ディスクリート型は、主に小型化に利点があるが、ファイバとの結合損失がファイバ型の場合より大きく、空間結合精度が必要となるため、構成部品が多くなると集積化には不向きとなる。導波路型は、集積化が容易でありディスクリート型よりもさらに小型化の利点を有するが、ファイバとの結合損失や偏波依存性損失（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｅｎｄａｎｔ  Ｌｏｓｓ：以下、ＰＤＬ）、クロストーク等といった特性面が課題となる。各種デバイスのタイプおよびそれらの構成方法は、光増幅器全体の特性並びにコストおよびサイズの観点から選定される。例えば上記の図１に示したような光増幅器は、入力ポートおよび出力ポートにファイバを付けてモジュール化した各構成要素をそれぞれスプライス融着接続して構成される。
上記のような光増幅器について小型化に注目すると、例えば、特許文献１では、ＥＤＦ以外の光部品を導波路型（ＰＬＣ型）で構成し、それらを一括収納する構造をとることで小型化を図っている。また、例えば、特許文献２では、光増幅器を後方励起構成とすることでＥＤＦ以外の光部品を一括収納して小型化を図っている。さらに、近年、導波路型の光増幅媒体を用いた光増幅器も報告されている。この導波路型の光増幅媒体は、ＥＤＦに比べて利得や雑音指数（Ｎｏｉｓｅ  Ｆｉｇｕｒｅ：以下、ＮＦとする）、効率などの特性が劣るものの、その長さを約１０ｃｍ程度にすることができ、通常、数１０ｍ程度の長さを要するファイバ型の増幅媒体に比べて短くなる。
ところで、前述したような従来の光増幅器の多くは、１入力−１出力構成の単一の光増幅器に対する小型化を図ったものであって、多数の光増幅器を一体化して構成した複数入力−複数出力の光増幅器についての小型化に関する報告例は少ない。これは、従来の光増幅器の適用領域が、主として幹線系の長距離および大容量の光通信システムにおけるポイント・トゥ・ポイント（Ｐｏｉｎｔ−ｔｏ−Ｐｏｉｎｔ）の２点間を結ぶシステムであり、使用される光増幅器の数が比較的少ない状況にあったためと考えられる。
しかしながら、近年、インターネットの普及等により通信トラフィックの需要は爆発的に急増している。このニーズに応える技術として、１本の光ファイバーに多波長の光信号を重畳して通信を行う波長多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：以下、ＷＤＭとする）伝送技術が脚光を浴びている。主としてポイント・トゥ・ポイントの２点間を結ぶシステムが既に実用化されており、今後、高密度波長多重（Ｄｅｎｓｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：以下、ＤＷＤＭとする）として波長域の一層の拡大を望む需要が高まっている。ＤＷＤＭシステムの導入により、送受信機内の１波用の光増幅器については、少なくとも信号波長数分という多数の光増幅器が必要になり、それに伴って光増幅器の小型化および低コスト化がより強く要求されるようになってきた。
また、幹線系の長距離および大容量システムの域を越えて、光波ネットワークシステム等として、より柔軟かつ経済的なトランスポート網の構築が要請されている。例えば、伝送途中のノードで固定波長を分岐または挿入する光分岐挿入装置（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ：以下、ＯＡＤＭとする）や、方路の切り替えや編集、障害復旧を行う光クロスコネクト（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｒｏｓｓ−ｃｏｎｎｅｃｔ：以下、ＯＸＣとする）装置などといった光レベルでフレキシブルなルーティングを行うフォトニックシステムが求められている。このような光ネットワークシステムでは、光スイッチや可変減衰器、ＯＡＤＭ等に代表される多くの光部品が欠かせない。この場合、各種光部品の損失補償用として多数の小型光増幅器が必要になる。具体的には、１つのＯＸＣ装置内で数百個レベルの光増幅器が見込まれる。これらのシステムは、メトロ（都市内）、ひいてはオフィスや家庭の近くまで引き込まれることが想定され、小型光増幅器に対する需要はさらに大きくなることが見込まれる。
また、例えば４０Ｇｂ／ｓシステムなどのより高速化された光通信システムでは、分散補償器や偏波モード分散（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｅ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ：以下、ＰＭＤとする）補償器等が必要とされ、特に、ＰＭＤ補償器は信号チャネル毎に配置する必要がある。このような光通信システムでは、上記のようなＰＭＤ補償器等の光部品で生じる損失を補償する多数の小型光増幅器が必要になる。
なお、各種光部品の損失補償用の光増幅器に関しては、例えば特表平５−５０２３３４号公報に記載された損失のない光学素子などが公知である。これは遠隔励起方法を用いた単体の光増幅器を単体の光学素子の入力側に設置し、単体の光増幅器と単体の光学素子とを一体化して損失のない光学素子を提供するものである。しかしながら、この公知技術は、小型化を目的とした光増幅器と損失媒体とを一体化するのに適した具体的な構成を提供するものではないため、前述したような損失補償用の小型光増幅器に対する要求を十分に満たすものではない。
また、光増幅器の小型化に対する要求に関しては、複数の光増幅器を一体化することにより単位光増幅器当たりの小型化を図るようにした光増幅器がある（例えばｔｅｅｍ  ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社製のＥＤＷＡＡｒｒａｙＴＭなど）。この光増幅器は、具体的には、増幅媒体としてエルビウムドープ導波路（Ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ：以下、ＥＤＷとする）を用い、複数の光増幅器を並列一体化して小型化を図っている。ただし、励起光源およびアイソレータは外付けの構成となっている。しかしながら、上記の光増幅器は、基本的に集積化による単位光増幅器あたりの小型化に注目するのみであって、損失媒体との一体化に好適な光増幅器の具体的な構成を実現したものとは異なるため、上述したような損失補償用の小型光増幅器に対する要求を十分に満たすものではない。
特許文献１
特開平１０−１０７３５０号公報
特許文献２
特開平３−２９６０２５号公報
発明の開示
本発明は上記の点に着目してなされたもので、高利得や低ＮＦ（Ｎｏｉｓｅ  Ｆｉｇｕｒｅ）等の高性能化を追求した従来の光増幅器とは異なり、各種光部品の損失を補償するに足る利得が確実に得られ、かつ、小型化および低コスト化を追求した光増幅器を実現するための技術を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明の損失補償機能を備えた光学装置は、損失媒体で発生する損失を補償するための光増幅器を備えた光学装置であって、その光増幅器は、入力端子と出力端子の間に設けた光増幅部と、入力端子から光増幅部に送られる光のパワーをモニタする入力側モニタ部と、光増幅部から出力端子に送られる光のパワーをモニタする出力側モニタ部と、入力側モニタ部および出力側モニタ部の各モニタ結果に基づいて光増幅部における利得を制御する利得制御部とを有し、損失媒体は、光増幅部の出力端と出力側モニタ部の入力端との間の光路上に接続される。また、光増幅部の出力端から出力端子までの光路上で光が反射し得るすべての点における反射減衰量が出力端子の端面における反射減衰量よりも小さくなるように構成される。さらに、利得制御部が、損失媒体で発生する損失に少なくとも等しい利得が得られるように光増幅部の動作を制御する。
かかる構成では、損失補償を行う光増幅器に対する損失媒体の接続位置を規定すると共に、光増幅部より出力側の接続点等における光の反射減衰量が出力端子における反射減衰量よりも小さくなるようにしたことで、従来、増幅媒体の入力側および出力側に設けていたアイソレータについて、少なくとも出力側のアイソレータは省略可能になるため、装置の小型化および低コスト化を図ることができる。また、損失媒体の損失が増えることによって光増幅部の出力側での反射光を効果的に低減できるため、発振現象の生じない利得範囲を広く設定することが可能である。さらに、入力光および出力光のモニタ結果に基づいて光増幅部の動作が制御されることにより、損失媒体の損失量が変化したとしても光増幅器の利得が自動的に調整されるため、損失量に幅のある各種光部品の損失補償を１台の小型かつ低コストの光増幅器によって実現することが可能になる。
また、上記の光学装置については、入力側モニタ部の出力端と光増幅部の入力端との間の光路上には、光増幅部から入力側モニタ部に向けて伝搬する光を遮断するアイソレータを備えるようにしてもよい。
このように光増幅部の入力側にアイソレータを設けることで、光増幅器で発生する雑音光が入力端子で反射されて光増幅部に戻されることが回避されるようになるため、高い利得設定の場合でも光増幅器の雑音特性の劣化を抑えることが可能になる。
さらに、上記の光学装置は、複数の損失媒体に対応した複数の光増幅器を有し、それら複数の光増幅器のうちの少なくとも２つ以上が並列的に一体化されるようにしてもよい。これにより、光学装置全体のさらなる小型化および低コスト化を図ることができる。
加えて、上記の光学装置は、複数の損失媒体に対応した複数の光増幅器を有し、それら複数の光増幅器のうちの少なくとも２つ以上が縦列接続されるようにしてもよい。これにより、装置全体の利得を向上させることができるようになると共に、装置全体で補償すべき損失量が各光増幅器に分配されることで、各々の光増幅器についての低ＮＦ化または高効率化を図ることが可能になる。
本発明による損失補償用の光増幅器は、入力端子と出力端子の間に設けた光増幅部と、入力端子から光増幅部に送られる光のパワーをモニタする入力側モニタ部と、光増幅部から出力端子に送られる光のパワーをモニタする出力側モニタ部と、入力側モニタ部および出力側モニタ部の各モニタ結果に基づいて光増幅部における利得を制御する利得制御部と、を備えた光増幅器であって、光増幅部の出力端と出力側モニタ部の入力端との間の光路上に、損失媒体を接続するための一対の損失媒体接続点を有し、光増幅部の出力端から出力端子までの光路上で光が反射し得るすべての点における反射減衰量が出力端子の端面における反射減衰量よりも小さくなるように構成され、利得制御部は、損失媒体接続点に接続される損失媒体で発生する損失に少なくとも等しい利得が得られるように光増幅部の動作を制御するものである。このような構成によれば、小型化および低コスト化を追求した損失補償用の光増幅器が実現されるようになる。
発明を実施するための最良の形態
まず、最初に反射減衰量の定義を説明する。
反射減衰量とは、屈折率が異なる媒質に光が入射した際における入射光レベルに対する反射光レベルの比（反射光：入射光と同じ光軸上に戻ってくる光）を意味しており、次の関係式で定義される。
反射減衰量（ｄＢ）＝反射光パワー（ｄＢｍ）−入射光パワー（ｄＢｍ）
この場合、反射減衰量が小さいということは入射光が媒質で反射されることなしに媒質中を直進（入射光と同じ光軸上）していくことを意味する。
なお、正確な反射減衰量の表記は、上記の関係式の通り、値はマイナスを取り「−」を付けて表記されるが、光学部品のカタログ等では、その絶対値を表記することが一般的に行われている。この場合には、反射減衰量が大きいことが媒質で入射光が反射されることなしに直進（入射光と同じ光軸上）していくことを意味する。
本明細書では、反射減衰量を正確な表記の値を用いて説明することにする。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図２は、本発明にかかる損失補償機能を備えた光学装置の第１実施形態の構成を示す図である。
図２において、本光学装置は、例えば、入力端子としての入力コネクタ１Ａおよび出力端子としての出力コネクタ１Ｂの間に、入力側光部品２と、増幅媒体３と、損失媒体４と、出力側光部品５とが順に接続されると共に、増幅媒体３における利得を制御する利得制御部としての制御回路６を備えて構成される。
入力側光部品２は、例えば、入力コネクタ１Ａと、その入力コネクタ１Ａを介して入力され増幅媒体３に向けて送られる光のパワーをモニタするための入力側モニタ部としての分岐器２Ａおよびモニタ２Ｂと、増幅媒体３に励起光を供給するための励起光源２Ｃおよび合波器２Ｄとを有する。分岐器２Ａは、入力コネクタ１Ａに与えられた入力光の一部を分岐してモニタ２Ｂに送る。モニタ２Ｂは、分岐器２Ａで分岐された光のパワーを測定し、その結果を制御回路６に出力する。励起光源２Ｃは、入力光に応じた所要の波長を有する励起光を発生する。この励起光源２Ｃは、ここでは、制御回路６から出力される信号に従って駆動状態が制御されることで発生する励起光のパワーが調整されるものとする。合波器２Ｄは、励起光源２Ｃから出力される励起光を、分岐２Ａを通過した入力光に合波して増幅媒体３に出力する。
増幅媒体３は、励起光源２Ｃで発生した励起光が合波器２Ｄを介して供給されることで励起状態となり、入力コネクタ１Ａから分岐器２Ａおよび合波器２Ｄを介して送られてくる入力光を所要のレベルまで増幅して出力する。この増幅媒体３の具体例としては、ＥＤＦ等の希土類元素ドープファイバやＥＤＷ等の希土類元素ドープ導波路を挙げることができる。また、半導体アンプ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：以下ＳＯＡとする）を構成する半導体素子を増幅媒体３として用いることも可能である。この場合には、励起光に代えて注入電流を半導体素子に供給するようにする。なお、本発明における増幅媒体は上記の具体例に限定されるものではなく、入力光を所要のレベルまで増幅可能な公知の増幅媒体を適用することが可能である。
損失媒体４は、光通信システムで用いられる各種の光部品に該当し、その使用に際して損失の補償が必要となるものである。この損失媒体４の具体例としては、光スイッチや分散補償器、ＰＭＤ補償器、光減衰器、アレイ導波路格子（Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ：以下、ＡＷＧとする）、ＯＡＤＭ等を挙げることができる。なお、本発明における損失媒体は上記の具体例に限定されるものではなく、損失補償が必要な任意の損失媒体とすることが可能である。
出力側光部品５は、例えば、信号帯域以外の光を遮断する光フィルタ５Ａと、出力コネクタ１Ｂから出力される光のパワーをモニタするための出力側モニタ部としての分岐器５Ｂおよびモニタ５Ｃと、出力コネクタ１Ｂとを有する。光フィルタ５Ａには、残留励起光や損失媒体４から出力される光が入力され、増幅媒体３で光を増幅する際に発生する雑音光などを遮断して必要な光のみを透過することが可能な一般的な光フィルタである。分岐器５Ｂは、光フィルタ５Ａから出力され出力コネクタ１Ｂに送られる出力光の一部を分岐してモニタ５Ｃに送る。モニタ５Ｃは、分岐器５Ｂで分岐された光のパワーを測定し、その結果を制御回路６に出力する。
制御回路６は、入力側のモニタ２Ｂおよび出力側のモニタ５Ｃでそれぞれモニタされた光パワーを基に、光学装置全体での利得（ネット利得）を演算し、その演算結果に応じて、励起光源２Ｃの駆動状態を調整して増幅媒体３における利得を制御する。
本光学装置の構成上の特徴は、第１に、上記のように損失媒体４が増幅媒体３の出力端と出力側の分岐器５Ｂとの間の光路上に接続されるようにした点であり、第２に、増幅媒体３の出力端から出力コネクタ１Ｂまでの光路上で光が反射し得るすべての点における反射減衰量が出力コネクタ１Ｂの端面における反射減衰量よりも小さくなるように、各構成要素間の接続方法および各々の構成要素の反射減衰特性を規定するようにした点である。
第２の特徴点については、増幅媒体３の出力端から出力コネクタ１Ｂまでの光路上に配置される、損失媒体４、光フィルタ５Ａおよび分岐器５Ｂの間のそれぞれの接続方法として、例えばコネクタ接続や融着スプライス接続などが採用されるため、これらの接続点における反射減衰量が出力コネクタ１Ｂにおける反射減衰量よりも小さくなるように、接続点に使用されるコネクタやスプライス方法が選定される。次の表１は、一般的に知られている接続方法に対応した反射減衰量を例示したものである。
2003084007.tif 000003
ただし、ここでの反射減衰量は、コネクタ類に関してはＮＴＴ社の規格値、スプライスに関しては一般値とした。具体的に、例えば出力コネクタ１Ｂとして球面研磨コネクタが使用される場合には、反射減衰量が−２５ｄＢよりも小さくなるスーパー球面研磨コネクタ他の各コネクタを各々の接続点に使用するか、または、融着スプライスにより損失媒体等の各構成要素を接続するようにする。また、例えば出力コネクタ１Ｂとしてアドバンスド球面研磨コネクタが使用される場合には、斜め研磨コネクタまたは融着スプライスにより各構成要素を接続すればよい。なお、本発明に適用可能な接続方法は、表１に示した一例に限定されるものではなく公知の接続方法を適用することが可能である。
また、後述する本実施形態の作用効果を有効に引き出すためには、上記のような接続点における反射減衰量だけでなく、損失媒体４および出力側光部品５の各々の反射減衰量が出力コネクタ１Ｂの反射減衰量よりも小さい必要があることは言うまでもない。損失媒体４や出力側光部品５として用いられる各種デバイスは、表１の下側に示したような光通信システムで通常使用されるコネクタの反射減衰量よりも十分に小さな反射減衰量を持つものが一般に知られているため、出力コネクタの種類に応じてデバイスの選定を適宜に行えばよい。
次に、第１実施形態による光学装置の作用効果について説明する。
上述の図１に示したような高利得等を追求した従来の光増幅器では、ＥＤＦ等の増幅媒体の入力側および出力側にそれぞれアイソレータを設ける必要があり、光増幅器の小型化を図る上での制約となっていた。しかし、第１実施形態の光学装置では、入力側および出力側の各アイソレータを必要とすることなく損失補償のための安定した光増幅が実現されるようになる。ここでは、まず、その理由について詳しく説明する。
一般に、増幅媒体（光増幅器）は、その利得並びに入力側および出力側の反射光の値が所定値を越えると、いわゆる発振と呼ばれる現象が生じ、伝送光に対する利得およびＮＦの劣化並びに時間的な出力レベル変動などといった悪影響を及ぼすことになる。上記の発振が生じる条件は、増幅媒体における利得をＧとし、増幅媒体の入力側についての反射率をＲ１とし、増幅媒体の出力側についての反射率をＲ２とすると、次の（１）式に示す関係で表すことができる。
Ｇ・（Ｒ１・Ｒ２）１／２＞１  …（１）
上記の（１）式から分かるように、発振を防いで高い利得を実現するためには、Ｒ１・Ｒ２の値を小さく抑える必要がある。このため従来の高利得を追求した光増幅器は、光を一方向のみ通過させる特性を持つアイソレータを増幅媒体の入力側および出力側にそれぞれ設けることで、反射光が増幅媒体にフィードバックされることを防いでいた。
一方、従来の光増幅器のような高い利得は要求されない損失補償用の光増幅器では、上記の（１）式におけるＧの値が小さくなるので、発振を抑えるためのＲ１・Ｒ２の許容値が相対的に大きくなる。このため、損失補償用としての光増幅器については、増幅媒体の入力側および出力側にアイソレータを設けなくとも、発振を抑えた条件で光増幅を実現する可能性が考えられるようになる。
図３は、損失媒体と損失補償用の光増幅器との組み合わせについて、アイソレータを省略したときに考えられる３通りの構成を例示したものである。図３（Ａ）は、増幅媒体と出力側光部品の間に損失媒体を接続した構成例であり、損失媒体の接続点における光の反射を無視できる良好な接続状態が実現されているものとする。この構成例は、上記の図２に示した第１実施形態の光学装置の構成に該当するものであり、対応する構成要素には同様の符号が付してある。図３（Ｂ）は、従来の光増幅器からアイソレータを省略した光増幅ユニットの出力コネクタと、損失媒体を含んだユニットの入力コネクタとを互いに接続した構成例である。図３（Ｃ）は、入力コネクタと入力側光部品の間に損失媒体を接続して増幅媒体の前段に損失媒体を配置した構成例であり、損失媒体の接続点における光の反射を無視できる良好な接続状態が実現されているものとする。
図３（Ａ）〜（Ｃ）の各構成例において、増幅媒体の出力側について発生する反射光ｒ２ｘ（ｘ＝Ａ〜Ｃ）のパワーは、増幅媒体の入力側について発生する反射光ｒ１ｘ（ｘ＝Ａ〜Ｃ）のパワーと比べて、増幅媒体における利得分だけ大きくなるため、所要の利得を確保しながら発振を抑えるためには、出力側の反射光ｒ２ｘのレベルを如何に低減させることができるかが課題となる。図３（Ａ）の構成例に関しては、出力コネクタの端面で反射した光ｒ２Ａが出力側光部品および損失媒体を介して増幅媒体に戻されることになる。この反射光ｒ２Ａは、損失媒体を通過した後に出力コネクタで反射されて再度損失媒体を通過してきた光となるため、損失媒体との組み合わせにより効果的にパワーが低減された反射光となる。
一方、図３（Ｂ）の構成例に関しては、増幅媒体の出力側に戻される反射光ｒ２Ｂが、光増幅ユニットおよび損失媒体ユニット間の接続点で反射した光ｒ２Ｂ’と、損失媒体ユニットの出力コネクタ端面で反射した光ｒ２Ｂ’’との和になる。特に、反射光ｒ２Ｂ’については、損失媒体を通過する前に反射された光となるためそのパワーが大きくなってしまう。
また、図３（Ｃ）の構成例に関しては、出力コネクタで反射した光ｒ２Ｃが、出力側光部品を介して増幅媒体に戻される。この反射光ｒ２Ｃは、図３（Ａ）の構成例における反射光ｒ２Ａと比べると、損失媒体を通過していないため大きなパワーを有することになる。加えて、図３（Ｃ）の構成例では、増幅媒体の入力側に損失媒体が配置されるため、図３（Ａ）の構成例に比べて、励起効率は高くなるものの、増幅媒体のＮＦに損失媒体の挿入損失分がそのまま加算されてしまうため雑音特性が大きく劣化してしまうという欠点がある。
このように増幅媒体の出力側に戻される反射光のパワーの関係は、ｒ２Ａ＜ｒ２Ｃ＜ｒ２Ｂとなるため、アイソレータを省略して小型化を追求した損失補償用の光増幅器の構成としては、図３（Ａ）の構成例を適用することによって発振現象の発生を効果的に抑えることが可能になる。
次に、損失補償用としての光増幅器の利得および雑音特性について説明する。ここでは、例えば図４（Ａ）に示すように増幅媒体（ＥＤＦ）の前後にアイソレータを設けた場合と、図４（Ｂ）に示すようにアイソレータを省略した場合とについて、損失媒体における損失を０ｄＢ，７．５ｄＢ，１５ｄＢと変化させたときの利得およびＮＦをシミュレーションにより検討することにする。ただし、ここでのシミュレーションの条件としては、入力コネクタおよび出力コネクタの各反射減衰量を−３５ｄＢとし、また、増幅媒体にはＡｌ−Ｇｅ−Ｓｉ−ＥＤＦ（長さ６ｍ）を用いて励起光パワーを５０ｍＷで一定に設定し、さらに、各構成要素間の接続点における光の反射は十分に小さいとして無視することとした。
なお、上記の条件は、光通信システムに用いられる光増幅器として一般的であると考えられる内容を設定したが、例えば、希土類ドープファイバはその組成およびデザイン（Ｅｒの濃度やＡｌ，Ｇｅの添加量、ＮＡ（開口数、Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）、モードフィールド径等）によってその特性（利得、ＮＦおよび励起効率等）が変化することが知られている。従って、ここで示すシミュレーションの結果は、定性的な傾向を説明するための一例であって、定量的な限定を与えることを意図するものではない。
図５は、図４（Ａ）（Ｂ）に示した各構成についての利得を上記の条件に従って計算した結果を示す図である。また、図６は、図４（Ａ）（Ｂ）に示した各構成についてのＮＦを上記の条件に従って計算した結果を示す図である。
図５に示すように、ＥＤＦの入力側および出力側にアイソレータを設けない構成で損失媒体の損失量を０ｄＢとした場合では、アイソレータを設けた構成の場合に比べて、前述した発振現象の影響により、利得の増加に伴って利得劣化が大きくなる傾向が分かる。具体的には、例えば入力光パワーが−２３ｄＢｍの時に３．５ｄＢ程度の利得劣化が生じている。しかしながら、損失媒体の損失量を増やしていくと、その損失量に応じて出力コネクタにおける反射光が減少し、その出力側の反射光の減少効果により利得劣化量が少なくなっていくことが分かる。具体的に、損失媒体の損失量が１５ｄＢの場合には、入力側の反射光の影響を含みつつも利得劣化量は、入力光パワーが−２３ｄＢｍの時に０．１ｄＢまで抑えられている。このように、アイソレータを省略した構成であっても、増幅媒体の出力側に損失媒体を接続するようにして、出力コネクタで反射して増幅媒体に戻される光を減少させることで、発振現象の影響による利得劣化や出力変動を効果的に抑圧することが可能になる。
また、図６に示すように、ＥＤＦの入力側および出力側にアイソレータを設けない構成のときのＮＦについては、アイソレータを設けた構成の場合に比べて、利得が小さい領域（入力光パワーが大きい領域）ではほぼ同程度であるが利得が大きくなるとＮＦ劣化量も大きくなる。これは、利得の増加に伴ってＡＳＥ光の反射戻り光パワーも大きくなり、特に、ＮＦの値は出力側のＡＳＥ光よりも入力側のＡＳＥ光の影響を大きく受けることを考慮すると、信号光とは逆方向に伝搬するＡＳＥ光の影響による入力側の反射光パワーの増大に伴ってＮＦ劣化が生じることになる。具体的には、入力側にアイソレータがないと逆方向ＡＳＥが入力信号光に加算され、このＳＮ劣化した信号が増幅媒体に入力し、信号光の増幅と共に順方向ＡＳＥの発生をさらに増加させてＮＦ劣化が顕著となる。
なお、アイソレータを省略したことによる利得劣化量およびＮＦ劣化量は、励起光パワーの条件を変化させてもほぼ一定値となる。これは、前述した発振現象についての（１）式の関係に因るものと考えられる。
次に、入出力の条件を一定として損失媒体の損失量を変化させた場合について、その損失量に応じて励起光パワーを調節して出力光のレベルが一定になるようにしたときの励起光パワーおよびＮＦをシミュレーションにより検討することにする。ここでは、例えば図７に示すように、（Ａ）増幅媒体（ＥＤＦ）の入出力側にアイソレータを設けた構成、（Ｂ）入力側のみにアイソレータを設けた構成、（Ｃ）アイソレータを設けない構成の３通りのモデルを想定し、入出力の条件としては、増幅媒体への入力光パワーを−５ｄＢｍ、ネット利得を１０ｄＢとして、次の表２に示すような設定における励起光パワーおよびＮＦを考えることにする。
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図８および図９は上記シミュレーションの結果を示す図であって、図８には増幅媒体での利得に対する励起光パワーの関係が示してあり、図９には増幅媒体の利得に対するＮＦの関係が示してある。
図８にあるように、図７（Ａ）〜（Ｃ）の各構成についての励起光パワーは、利得が大きな領域においてもそれぞれ同じ値となる。これは、前述したような損失媒体の損失量に応じて出力側の反射光パワーが低減されるという本発明に特有な効果の現れである。損失補償用の光増幅器は、一台の光増幅器で広い損失補償範囲を確保しながら所望の利得値に制御できることが要求される。図７（Ｃ）のようなアイソレータを省略した構成の損失補償用の光増幅器は、上記の要求を満たすのに好適である。すなわち、損失媒体の損失量が少ない場合には、増幅媒体の利得も少なくて済むためアイソレータ適用時と比較して、利得およびＮＦ劣化の影響はほとんどなくて済み、一方、損失媒体の損失量が多い場合には、前述の本発明に特有な効果が発揮され、アイソレータを省略したことによる利得劣化は生じず、アイソレータ適用時と同程度の励起効率を実現することができる。
また、図９に示したように、利得に対するＮＦについては、図７（Ａ）の入出力側にアイソレータを設けた構成の場合に比べて、図７（Ｂ）の入力側にのみアイソレータを設けた構成の場合におけるＮＦ劣化は殆どないが、図７（Ｃ）のアイソレータを省略した構成の場合には、利得の増加に伴ってＮＦが劣化していく。これは、上述した逆方向に伝搬するＡＳＥ光の影響によって増幅媒体の入力側についての反射光パワーが増加することが主な原因であると考えられる。従って、損失補償用としての光増幅器について、比較的高い利得および低い（良い）ＮＦが要求される場合には、増幅媒体の入力側にのみアイソレータを設けるようにした構成も有効になる。このような構成については後の実施形態で詳しく説明することにする。
さらに、ここでは入力光パワーとネット利得の条件を変えた場合におけるＮＦの劣化量についても検討を加えておく。図１０は、図７（Ａ）の入出力側にアイソレータを設けた構成におけるＮＦに対する、図７（Ｃ）のアイソレータを省略した構成におけるＮＦの劣化量を計算した結果を示す図である。図１０に示すように、アイソレータの有無によるＮＦ劣化量は、入出力条件が異なってもほぼ一定値を示すことが分かる。これは、前述の（１）式に示した発振現象の条件に因ると考えられる。この結果より、アイソレータを省略した構成を適用した損失補償用の光増幅器は、広範な入出力条件に対しても、例えば利得が２０ｄＢ以下の領域ならば、アイソレータを設けた場合と比べて雑音特性の劣化なしに実現できることになる。
以上のような検討結果をまとめると、図２に示したような構成を採用した第１実施形態の光学装置によれば、従来、増幅媒体の入力側および出力側に設けられていたアイソレータが省略可能になるため、アイソレータ２個分の小型化および低コスト化を図ることができる。その特性に関しては、損失媒体の損失が大きい場合には増幅媒体の出力側での反射光を効果的に低減できるため、発振現象の生じない利得範囲を広く設定することが可能である。具体的に、増幅媒体の入出力側のアイソレータを省略したことによる利得劣化量について、増幅媒体での利得に対する変化の一例を図１１（Ａ）に示し、ネット利得に対する変化の一例を図１１（Ｂ）に示しておく。アイソレータは一般に０．５ｄＢ程度の挿入損失があるため、図１１における利得劣化量が２個分のアイソレータの挿入損失にあたる１ｄＢを超えたとき、実質的な利得劣化が生じると考えることができる。従って、損失媒体での損失量が数ｄＢ以上あれば、広い利得範囲に亘って損失補償を行うことが可能である。
ただし、増幅媒体の入出力側のアイソレータを省略した構成の損失補償用の光増幅器については、図１２（Ａ）に示す増幅媒体での利得に対するＮＦ劣化量および図１２（Ｂ）に示すネット利得に対するＮＦ劣化量にあるように、利得の増大に伴ってＮＦの劣化量が大きくなる傾向があるため、補償を行う損失媒体について損失量の上限値を設け、ＮＦの劣化量が無視できる程度の比較的小さな利得設定で使用するのが望ましい。
さらに、本実施形態の光学装置にあっては、入力光および出力光の各パワーが分岐器２Ａ，モニタ２Ｂおよび分岐器５Ｂ，モニタ５Ｃによってそれぞれモニタされ、そのモニタ結果を基に制御回路６でネット利得が判断され、損失媒体４における損失に少なくとも等しい利得が得られるように励起光源の駆動状態が調整されるようになる。これにより、装置全体として損失が生じない、いわゆるロスレスの光学装置を実現することができる。また、損失媒体４の損失量が変化したとしても、その変化量に応じて増幅媒体３における利得が自動的に制御されるため、例えば損失量に幅のある各種光部品の損失補償を１台の小型かつ低コストの光増幅器によって実現することが可能である。
次に、本発明にかかる損失補償機能を備えた光学装置の第２実施形態について説明する。
図１３は、第２実施形態による光学装置の構成を示す図である。なお、上述した第１実施形態の構成と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略するものとし、以下、他の実施形態においても同様とする。
図１３において、本実施形態の光学装置の構成が上述の図２に示した第１実施形態の構成と異なる部分は、入力側光部品２に代えて入力側光部品２’を用いるようにした部分である。この入力側光部品２’は、分岐器２Ａと合波器２Ｄの間の光路上にアイソレータ２Ｅを接続した点が入力側光部品２と相違している。上記以外の他の部分の構成は、第１実施形態の場合と同様である。
アイソレータ２Ｅは、分岐器２Ａから合波器２Ｄに向けて伝搬する光を透過し、それとは逆方向に伝搬する光を遮断する。このアイソレータ２Ｅは、従来の光増幅器において増幅媒体の入力側に設けられていたアイソレータに相当するものである。
このような第２実施形態の光学装置では、増幅媒体３の入力側についてアイソレータ２Ｅを設けたことにより、増幅媒体３で発生するＡＳＥ光のうちの信号光とは逆方向に伝搬する入力側のＡＳＥ光が遮断されて入力コネクタ１Ａに達することがなくなる。これにより、入力側のＡＳＥ光が入力コネクタ１Ａの端面で反射されて増幅媒体３に戻されるようなことが回避されるため、上述の図９において説明したように、利得の増加に伴う入力側の反射光パワーの増加が主な原因で発生するＮＦ劣化を効果的に抑えることができるようになる。
上記のように第２実施形態の光学装置によれば、従来、増幅媒体の出力側に設けられていたアイソレータが省略可能になるため、アイソレータ１個分の小型化および低コスト化を図ることができる。また、その特性に関しては、第１実施形態の場合と同様にして、損失媒体の損失が増えることで増幅媒体の出力側での反射光を効果的に低減できるため、発振現象の生じない利得範囲を広く設定することが可能である。具体的に、増幅媒体の出力側のアイソレータを省略したことによる利得劣化量について、増幅媒体での利得に対する変化の一例を図１４（Ａ）に示し、ネット利得に対する変化の一例を図１４（Ｂ）に示しておく。図１４において、利得劣化量が１個分のアイソレータの挿入損失にあたる０．５ｄＢを超えたとき、実質的な利得劣化が生じると考えることができるため、損失媒体での損失量が数ｄＢ以上あれば広い利得範囲に亘って損失補償を行うことが可能である。
さらに、損失が増えることでそれを補償するための利得が増加しても、入力側にアイソレータを設けたことでＡＳＥ光が入力コネクタ１Ａの端面で反射されて増幅媒体３に戻されることがなくなるため、利得の増加に伴うＮＦの劣化を抑圧することができる。具体的に、増幅媒体の入力側にのみアイソレータを設けたことによるＮＦ劣化量について、増幅媒体での利得に対する変化の一例を図１５（Ａ）に示し、ネット利得に対する変化の一例を図１５（Ｂ）に示しておく。
上記のような特性面での効果を考慮すると、増幅媒体の出力側のアイソレータを省略した構成の損失補償用の光増幅器については、補償を行う損失媒体について損失量の下限値を設け、増幅媒体３の出力側に配置した損失媒体による出力側の反射光パワー低減効果が十分に発揮されるような高い利得設定で使用するのが望ましい。
加えて、第２実施形態の光学装置についても、第１実施形態の場合と同様にして、入出力光パワーのモニタ結果に基づいて増幅媒体３の利得制御が行われるため、装置全体として損失が生じない光学装置を実現することができると共に、損失媒体４の損失量の変化に応じて利得が自動的に制御されるので、例えば損失量に幅のある各種光部品の損失補償を１台の小型かつ低コストの光増幅器によって実現することが可能である。
図１６〜図２２は、本発明の実施形態の効果を示す実験について説明する図である。
図１６において、従来構成では、アイソレータが含まれているが、本発明の実施形態で提案する構成では、アイソレータを取り除く代わりに、損失媒体として働く機能デバイスを設ける。機能デバイスは、偏波モード分散補償器（ＰＭＤＣ）あるいは、ＶＩＰＡ型分散補償器などである。
良好な反射減衰量の接続法（スプライスあるいは斜め研磨コネクタ）を用いて、機能デバイスを一体化構成し、機能デバイスの挿入損失により出力側反射減衰量Ｒ２を改善させる。
図１６の下に示されているように、利得Ｇから見た反射率Ｒ２’は、損失Ｌと反射量Ｒ２を合成したものであり、Ｒ２’＝Ｒ２／Ｌ２と表される。
図１７は、光機能デバイスに相当する光可変減衰器（ＶＯＡ）の挿入損失による光アンプＭＰＩＸＴ（Ｍｕｌｔｉ  Ｐａｔｈ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｃｒｏｓｓ−ｔａｌｋ）の抑圧実験の結果である。
図１７によれば、ＶＯＡの減衰量が大きくなればなるほど、ＭＰＩＸＴが小さくなっていることが分かる。
なお、図１８は、ＭＰＩクロストークの実測値の精度を確認する図である。図１８のグラフは、出力側反射量に対し、ＭＰＩクロストークをプロットしており、計算値と測定値がほぼ一致することが見られる。なお、図１８の場合、増幅媒体利得＜３０ｄＢ、入力側反射減衰量＜−３０ｄＢとしている。
図１９は、光機能デバイスに相当する光可変減衰器単体におけるＲ２の測定結果を示した図である。図１９左に示されるように、可変減衰器ＶＡＴＴを含めた反射減衰量をＲ２とし、ＶＡＴ（ｖａｒｉａｂｌｅ  ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）の出口側の反射面は、光を吸収する手段でファイバを終端した場合と、コネクタを解放した場合（コネクタが空気と境界をなす位置に反射が生じる）、について、ＶＡＴ挿入損失に対するＶＡＴ反射減衰量の振る舞いを理論値と比較した。比較結果は、図１９右に示されている。反射面を終端した場合には、ＶＡＴ反射減衰量は非常によい値を示しているが、反射面を解放した場合には、ほぼ理論値と同じＶＡＴ反射減衰量の振る舞いを示している。
図２０は、ＭＰＩ（多重光路干渉）を説明する図である。
ＭＰＩは、干渉雑音ＦＭＰＩの発生や伝送品質の劣化要因と考えられる。ＭＰＩのクロストークをＲ２とし、ＭＰＩの大きさを表すパラメータとする。入力側反射量Ｒ１、出力側反射量Ｒ２、光増幅器利得をＧ、偏波の整合性を表す係数をｐとすると、Ｒ２＝ｐＧ２Ｒ１Ｒ２という式が成り立つ。
ＭＰＩは、図２０にも記載されているとおり、入力側反射点と出力側反射点の間で、反射光が往復し、信号光と干渉を起こすことにより、雑音あるいは信号光の伝送品質の劣化を引き起こすものである。
図２１は、ＭＰＩクロストークの測定実験系を示す図である。
出力側アイソレータを除いて、代わりに光機能デバイスに見立てた光可変減衰器（ＶＯＡ）を融着スプライスにより挿入した実験系である。この系において、ＶＯＡの減衰量に応じて出力側反射減衰量が低減し、ＭＰＩクロストークが改善することを確認した。
図２２は、機能デバイスの挿入損失に対する増幅媒体の許容最大利得をプロットしたものである。
同図においては、パワーペナルティが０．１ｄＢより小、ＭＰＩＸＴが−３５ｄＢ、入力側反射減衰量４０ｄＢ、機能デバイスの反射減衰量は理想値とし、出力反射減衰量がそれぞれ、−４０ｄＢ、−３０ｄＢ、−２０ｄＢの場合について示している。
これによれば、出力反射減衰量が小さいほど、また、機能デバイスの挿入損失が大きいほど、増幅媒体に許容される利得が大きくなることがわかる。これにより、増幅媒体の制御の自由度がよりますことになる。
以上によれば、アイソレータ適用の判断基準レベルを緩和させ、出力側アイソレータを除くことが可能となる。
例えば、８ポートアンプの場合、アイソレータ８個分の小型化、コストダウンが行えるため、１５％異常の光アンプサイズの小型化、コストダウンができる。
次に、本発明にかかる損失補償機能を備えた光学装置の第３実施形態について説明する。
図２３は、第３実施形態による光学装置の概略構成の一例を示す図である。
図２３において、本実施形態の光学装置は、例えば上述した第１実施形態の光学装置を複数台まとめて一体化することによって、損失補償用の光増幅器の１台あたりについてのさらなる小型化および低コスト化を図ったものである。
ここでは、例えば３つの損失媒体４Ａ，４Ｂ，４Ｃの損失補償をそれぞれ行うための３台分の光増幅器が各々の構成要素ごとにアレイ化され、さらに一括して集積化することが可能な構成要素がアレイ構造体として一体化される。
各光学装置を構成する各種の光部品を一括して集積化する技術は、例えば、光導波路技術や空間結合を用いた一体化、ファイバアレイ化、ファイバシート化、単一部品の共通化等がある。集積化する光部品のタイプおよびそれらの構成は、他の光部品との整合性に配慮して、装置全体の機能（特性）、コスト、サイズおよび信頼性などが良好になるように選択されることとする。例えば、各種の光部品のすべてを同じ技術を用いて製作し、これを一括して集積化することが有効である。また、異なる技術で製作された各種の光集積化部品を組み合わせることも有効である。
具体的に、例えば光導波路技術を用いた一体化は、集積化が容易であり、ディスクリート型よりもさらに小型化の利点を有する。光学装置を構成する多くの光デバイスを光導波路技術により製作してこれらを集積化することは、単位光増幅器当たりの小型化に有力である。
ここで上記の光導波路技術の概略および特長について簡単に説明しておく。光導波路技術とは、ガラスに代表されるような透明な誘電体基板の表面に、これよりわずかに屈折率が高く厚みが光波長オーダとなるように薄膜を付着させることによって、この高屈折率薄膜層内に光を閉じ込めて導波させる技術である。具体的な光導波路技術としては複数の種類が知られているが、その中でも例えば、石英系プレーナ光波回路（ＰＬＣ）技術は設計の自由度に優れており、物理的および化学的にも安定で光ファイバとの整合性が高く、さらに、加工性の良さによる明確な導波路構造により理論値との良い一致を示す等の特長を有している。このような光導波路技術を用いれば、光デバイスの機能に応じて、各種形状の光導波路を組み合わせて１つの基板上に導波路型光デバイスを構成することが可能であるため、光導波路技術は複数の光デバイスの集積化に適している。
例えば、光増幅媒体、光パワー分割、合波・干渉用分岐導波路、複数導波モード結合用光方向性結合器、光スイッチ、多チャネル合分波回路、光減衰器などといった光通信システムで用いられる各種のコンポーネントが既に光導波路技術を用いて開発されている。具体的に、光導波路技術を用いたアイソレータとしては、例えば、文献：２０００年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会，Ｃ−３−６７や、文献：電子情報通信学会，信学技報，ＯＰＥ９９−１０９（１９９９−１２）などが知られており、合分波器としては、例えば、文献：２０００年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会，Ｃ−３−２０，２１などが公知であり、また、分岐器と受光器（モニタ）をアレイ化した製品も実用化されている。さらに、半導体レーザとしては、例えば、文献：２０００年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会，Ｃ−３−１０７，１０９などが知られており、光増幅器としては、例えば、文献：２０００年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会，Ｃ−３−９８などがある。
これらの光導波路技術を用いたデバイスを応用することにより、例えば図２４に示すように、太線で囲まれた領域内の各種光機能デバイスを一体化させた導波路型部品を実現することも可能になる。なお、図２４の構成例において、導波路型部品の増幅媒体部３０および光フィルタ部５０の間を繋ぐ光路上に配置される各損失媒体４Ａ〜４Ｃの接続点Ｃについては、例えばスプライスや斜め研磨コネクタなどの小さな反射減衰量が得られる接続方法が適用されるものとする。なお、ここでは図示を省略したが各光増幅器の制御回路も別途一体化されているものとする。
このように第３実施形態の光学装置によれば、損失媒体４Ａ〜４Ｃの損失を補償する３台分の光増幅器を各々の構成要素ごとにアレイ化し、さらに一括して集積化することが可能な構成要素をアレイ構造体として一体化したことにより、光学装置全体のさらなる小型化および低コスト化を図ることができる。また、光増幅器の数を所定数以上にすれば、単位光増幅器あたりのコストをより安価にすることが可能になる。さらに、アレイ化されている他のモジュール（例えば、光スイッチや可変光アッテネータ（ＶＯＡ）、ＡＷＧ等）との整合も容易にとることが可能になるため、１つの装置内で超多数の光増幅器を適用する場合に、設計や製造の煩雑さを緩和するという効果も期待できる。
なお、上記の第３実施形態では、光導波路技術を用いた一体化について具体例を挙げて説明したが、この光導波路技術を用いた一体化は、小型化および集積化に利点を有するものの、ファイバとの結合損失や導波路の不完全性による光散乱と導波路材料固有の光吸収によるＰＤＬ劣化、クロストーク劣化等が発生する可能性があるため注意を要する。また、本発明における光学装置の各構成要素の一体化は、光導波路技術を用いた方法に限られるものではなく、前述した空間結合を用いた一体化やファイバアレイ化、ファイバシート化、単一部品の共通化等の公知技術を応用して実現することも可能である。
次に、本発明にかかる損失補償機能を備えた光学装置の第４実施形態について説明する。第４実施形態では、上記の第３実施形態について、例えば、増幅媒体として希土類元素ドープファイバを使用する場合の具体的な構成例を考えることにする。希土類元素ドープファイバを増幅媒体に用いた構成は、導波路型や半導体型などの他の増幅媒体を用いた構成に比べて、信頼性や励起効率、ＮＦ等の諸特性が優れているため、損失補償用の光増幅器の構成として好適である。
図２５は、第４実施形態による光学装置の概略構成を示す図である。
図２５において、本光学装置は、例えば、希土類元素ドープファイバの１つであるエルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）をＮ本まとめたＥＤＦ部３０’が、前述した光導波路技術等を用いて一体化された導波路型部品とＮ個の損失媒体をアレイ化した損失媒体部４０との間に、スプライスやコネクタ等によって接続された構成を備える。また、ここではＥＤＦ部３０’に対応したＮ個の励起光源２１’が導波路型部品に外付けされ、各々から出力される励起光が導波路型部品の合波部２２を介してＥＤＦ部３０’に供給される。なお、ここでも図示を省略したが各励起光源２１’の駆動状態を制御するための制御回路が別途一体化されて設けられているものとする。
ＥＤＦ部３０’は、例えば、エルビウムドープシリカ系ファイバまたはエルビウムドープフッ化系ファイバ等がＮ本のＥＤＦとして用いられ、各々のファイバ長については、光増幅に寄与するエルビウムのドープ量を増加させるなどにより短尺化（例えば、通常は数十ｍを要するところを数ｍ以下にする）を図るようにするのが好ましい。このＮ本のＥＤＦ部３０’は、導波路型部品の合波部２２および損失媒体部４０との整合性を考慮して、両端の接続部分にファイバアレイ化処理が施されているか、または、モード変換融着スプライス技術を用いて両端に他のファイバが接続された後に、ファイバアレイ化処理が施されているものとする。さらに、上記のＥＤＦ部３０’については、小型化および信頼性の観点から、例えば樹脂固定したコーテティングを施す等してリボンファイバ化することが望ましい。ここでは、上記のような処理を施したＮ本のＥＤＦが、損失増大や機械的損傷等から決まる許容曲げ半径を保守した上でボビンに巻回されて実装されるものとする。なお、ＥＤＦ部３０’の実装方式は上記の一例に限定されるものではなく、例えば図２６に示すＥＤＦ部３０’’ように、光学装置を構成する他の光部品の周りに這わせて実装したり、または、図示しないが公知のファイバシート化処理を施して、他の光部品の実装スペースの上方あるいは下方に収納固定したりすることが可能である。
ここで、ＥＤＦ部３０’以外の他の光部品についても具体的な説明を加えておく。
まず、光導波路技術を用いて一体化した導波路型部品については、低損失化および小型化を目的として、複数の光機能デバイスを同じ導波路で形成してそれらを一体化するのがよい。各光機能デバイスの一体化は、例えば、１つのプラットホームとしてのシリコン基板上に凹凸を設け、このシリコン基板上に導波路を形成して所定の位置に光機能デバイスをはめ込んで実装することでハイブリッド集積化を行うことが可能である。また、導波路型部品について、導波路の不完全性に起因する光散乱によるクロストーク劣化を阻止する必要性がある場合には、プラットホームを分割したり、励起光の供給ポートを入出力ポートとは異なるサイドに配置したり、集積化される各デバイスの間隔を広げたりするなどの処理を施すようにする。なお、励起光の供給ポートおよび入出力ポートは、小型化の観点のみからすると同じサイドに配置するのが望ましい。
さらに、導波路型部品とＥＤＦ部３０’および損失媒体部４０との各接続部分について、導波路のモードフィールド径は、接続されるファイバのモードフィールド径と良く整合させて、モード不一致による接続損失を抑えることが重要である。モードフィールド径が異なる光路を接続する場合には、例えば図２７（Ｂ）（Ｃ）に示すような接続方法を適用するのがよい。すなわち、図２７（Ａ）に示すように、モードフィールド径の異なる導波路とファイバを接着剤等によって接続しただけではモード不一致による接続損失が生じてしまう。このため、図２７（Ｂ）に示すように、導波路のモードフィールド径と整合性の良いファイバを仲介用として導波路側に設け、その仲介用ファイバと所要のファイバとをモードフィールド変換スプライス等によって接続する方法や、図２７（Ｃ）に示すように、導波路の幅を滑らかに変化させたテーパ導波路を用いて接続する方法を採用することによって、モード不一致による接続損失を抑えることが可能になる。
Ｎ個の励起光源２１’については、例えば半導体レーザ等が使用される。上述した第２実施形態の場合のように導波路型の構成が可能であれば、Ｎ個の励起光源が導波路型部品の構成要素の１つとなる。しかしながら、放熱等による特性劣化の可能性が考えられるときには、ピグテール付きの個別の半導体レーザを励起光源として使用するほうがよい場合もある。この場合、各励起光源と導波路型部品の合波部２２との間は融着スプライス等により接続することになる。励起光源に用いる半導体レーザについては、一体化するか否かに関係なく、放熱スペースの低減を目的として、効率の良い素子を選定することが望ましい。例えば、高い温度でもパワー劣化が起こりにくい内部ポテンシャル構造を有するクーラレス（温度制御不要）の半導体レーザなどが好適である。また複数の励起光源の配置については、熱引きを良くするために隣り合う半導体レーザの間隔を広くとることが望ましい。なお、ピグテール付きの半導体レーザアレイを励起光源として利用することも勿論可能である。
図２５および図２６では図示を省略した入力コネクタおよび出力コネクタについては、例えば、テープ化処理を施した多芯用形状のリボンファイバに公知のコネクタを取り付けたものなどが好適である。このリボンファイバについては、小型化の観点から、その長さを短くして装置内に収納できるようにするのが好ましい。
なお、使用するコネクタに関しては、一般に壊れにくいとされているオス型のコネクタを必要に応じて採用するのがよい。また、本光学装置と他のコンポーネントとの接続については、他コンポーネントのコネクタ形状が単芯型の場合にはファンアウト（Ｆａｎ−ｏｕｔ）コードを使用し、多芯型の場合には所定の多芯用ファイバコードを使用するようにすればよい。
本実施形態において導波路型部品の構成要素の１つとなるアイソレータ部２３については、アイソレーション量や挿入損失等の課題がある場合、空間結合型アイソレータを適用するようにしてもよい。この場合、入力モニタ部２０および合波器２２との接続は、例えば図２８に示すように、レンズアレイ２４Ａ，２４Ｂを用いて光を空間的に集光させることで行われるものとする。具体的に、複数の導波路の各出力端から放射された光は、レンズアレイ２４Ａによってコリメートされて平行ビームに整形され、アイソレータ部２３の複屈折プリズム２３Ａの所定位置に入光される。そして、ファラデー回転子２３Ｂおよび複屈折プリズム２３Ｃを通過した光がレンズアレイ２４Ｂによって導波路型部品の所定位置に集光される。なお、図２８では、アイソレータ部２３の構成部品として複屈折プリズムを使用する一例を示したが、こられの部品は偏光子型のものであってよい。
上記のようなアイソレータ部２３およびその前後のレンズアレイ２４Ａ，２４Ｂ等の実装方法に関しては、例えば図２９に示すように、予め所定位置にツメ７Ａを形成した所要の形状を有する基板７を用いて、各光部品の位置決めを容易に行うことができるようにした実装方法を採用するのが望ましい。
上記のように第４実施形態の光学装置によれば、増幅媒体としてＥＤＦ等の希土類元素ドープファイバを用いるような場合でも、第３実施形態の場合と基本的に同様な作用効果を得ることが可能である。
次に、本発明にかかる損失補償機能を備えた光学装置の第５実施形態について説明する。
図３０は、第５実施形態による光学装置の概略構成を示す図である。
図３０において、本光学装置は、例えば上述の第３実施形態や第４実施形態の光学装置を少なくとも２つ以上（図では２個）を縦列接続するようにしたものである。このように損失補償機能を備えた複数の光学装置を縦列接続することによって、ネット利得の向上を図ることができると共に、装置全体で補償すべき損失量が各段の光増幅器に分配されることで、各々の光増幅器についての低ＮＦ化または高効率化を図ることが可能になる。
なお、上記の第５実施形態では、複数の損失媒体に対応した複数の損失補償用の光増幅器を一体化した光学装置が２台以上縦列接続される構成について考えたが、例えば図３１に示すように、１台の光学装置について、アレイ化された入力ポートおよび出力ポートのうちの少なくとも１つ以上の入力ポートと出力ポートを接続するようにして、並列接続されていた各損失媒体に対応した構成のうちの一部若しくは全部を縦列接続するようにしても、ネット利得の向上および低ＮＦ化または高効率化を図ることが可能になる。
また、各段の一体化された光学装置が、それぞれ損失媒体部４０を有する構成を示したが、例えば図３２に示すように、損失媒体の補償が必要のない箇所については、増幅媒体部３０と光フィルタ部５０とを小さな反射減衰量が確保できる方法を用いて直接接続するようにしてもよい。このような構成においては、例えばシステムのアップグレード時に何らかの光部品の損失補償が必要になった場合に、その光部品を上記の直接接続していた位置に挿入して損失補償を行うことが可能になる。
次に、上述してきたような各実施形態による光学装置を用いた光通信システムにおいて、本光学装置の特性を利用してコネクタ等の接続不良を検出する応用例を説明する。
光通信システムにおける各種装置間の接続に用いられるコネクタについては、例えば端面にゴミが付着するなどして接続状態に不具合が生じると、接続損失および反射減衰量が大きく劣化することになる。このような状態でシステムを運用すると、接続損失の増分を補うために光増幅器を過剰なスペックで動作させることになり、余分な励起光パワーが必要となってコストの上昇を招くなどの問題が生じる。
このような問題に対して、上述の各実施形態による光学装置の特性を利用することで、接続点における不具合の検出を行うことができるようになる。すなわち、本光学装置は、増幅媒体の出力側にアイソレータを設けていないため、所定の反射減衰量に対して利得が高いと発振動作が生じ、この発振動作は利得劣化、ＮＦ劣化および時間的な出力変動という現象を発生させることになる。そこで、上記の現象うちのいずれかをモニタすることによって、コネクタの接続状態の不具合を検出することが可能になる。
具体的には、例えば図３３に示すように、本光学装置の出力モニタでモニタされる信号を測定器８１に送るか、または、本光学装置から出力され他のユニット８０を通過した光信号を測定器８２に送るかなどして出力光レベルの時間的安定性を測定し、発振現象による出力変動が検出された場合に、本光学装置と他のユニット８０とを繋ぐコネクタ１Ｂの接続不良を判断する。上記の測定器８１，８２としては、例えば、送られてくる信号が電気信号であればオシロスコープ等を用い、光信号であれば光スペクトルアナライザや光パワーメータを用いることが可能であり、その応答速度としては１ｋＨｚ程度のものを利用するのが望ましい。
なお、上述した各実施形態の光学装置では、入力側および出力側の各モニタにおけるモニタ結果に基づいて励起光源の駆動状態を調整して利得を制御する構成について説明したが、例えば図３４に示すように、出力コネクタ１Ｂの端面で反射されて戻される光のパワーをモニタするモニタ５Ｄを設け、そのモニタ結果に応じてコネクタ外れを判断して励起光源の駆動状態を調整してレーザ安全制御を行うようにしてもよい。また、入力側のモニタでのモニタ結果に応じて入力断検出を行うようにする応用も可能である。
以下においては、光素子の集積化において用いられる本発明提案の技術を説明する。
図３５は、前方励起を想定した、一般的な光増幅器の構成例を示す図である。
後方励起の場合、入力側の信号光モニタに漏れる励起光を遮断する位置に励起光遮断フィルタを配置する。また、双方向励起の場合には、入出力モニタに漏れる励起光を遮断する位置に励起光遮断フィルタを配置する。
アレイ型構成の光増幅器の場合、光フィルタはコスト、サイズ、製作の容易さから励起光を遮断する反射膜フィルタを用い、光導波路に溝を形成し、一括して挿入する方法が用いられる。
光増幅器の利得一定制御及び出力一定制御を行うためには、入出力の信号を高精度にモニタする必要がある。信号モニタのクロストークを高くする要因の一つとして、増幅媒体で吸収されなかった励起光の漏れ光がある。励起光の漏れ光は信号光と比べても無視することができず、低クロストークとするためには、モニタ前方で遮断する必要がある。従来は、図３５のような反射膜を用いた光フィルタを用いていたが、光増幅器をアレイ化した場合、遮断時の他ポートへの漏れによってクロストークが高くなるという課題がある。
図３６は、他ポートへの漏れ光によるクロストークが生じる様子を模式的に図示した図である。図３６のように、光フィルタで遮断された光は、光フィルタで反射される。反射された光は、アレイ化された導波路から基板内へ漏れだし、隣の導波路へと入ってしまう。このように、従来の光フィルタを使用した構成では、クロストークが生じるため好ましくない。
この課題を解決する方法として、光フィルタに励起光を吸収する元素（９８０ｎｍ励起の場合、イッテリビウムなど）をドープした光導波路を用いることが有力である。例えば、特願平４−１１８３０号公報を参照されたい。
図３７は、光フィルタの代わりに励起光を吸収する元素をドープしたアレイ化された光増幅器の構成を示す図である。この図のように、図３５において、光フィルタが設けられていた位置に励起光を吸収する元素をドープした光導波路を形成している。
しかしながら、励起光を吸収する元素をドープした光導波路を光フィルタとする場合、吸収飽和と蛍光の課題がある。
図３８に吸収飽和の様子を示す。図３８は、入力した光の強度に対して、光吸収元素の吸収量をプロットしたものである。図３８のように光強度を大きくして行くにつれて非線形現象により吸収量が小さくなる。蛍光の様子を図３９に示す。図３９は、横軸に波長、縦軸に蛍光強度を取り、蛍光のスペクトル分布を示したものである。吸収元素としてイッテリビウムを用いた場合、９８０ｎｍ励起光を吸収することができるが、図３９に示すように、１０３０ｎｍ付近にピークを持つ光を発光する。励起光を遮断しても、蛍光が生じてしまえば、蛍光という雑音光が発生するので、問題となる。
また、光部品を小型化する技術として平面光導波路（Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＰＬＣ）技術がある。ＰＬＣ技術は、基板に複数の光導波路を小面積に一括形成することが可能であるため、アレイ化に適している（光増幅器のＰＬＣによる一体化従来技術例：特願平１１−５２１４号公報参照）。しかしながら、ＰＬＣはファイバと異なり、光導波路間（ポート間）の漏れが非常に大きい。そのため、励起光によるモニタのポート間クロストークの課題が顕著となる。
図４０は、ＰＬＣ技術によって作られた光導波路における光の隣接ポートへの漏れ光の発生の様子を模式的に図示したものである。すなわち、アレイ化された光導波路は、完全に光を閉じこめることができず、僅かながら、光が基板内を通って、隣接ポートへ漏れだしてしまうという現象が起こる。そこで、本発明の実施形態では、このような光導波路あるいは基板に吸収元素をドープした光導波路を用いることによってモニタクロストークの課題を解決する。
吸収飽和と励起光吸収元素による発光を緩和する一つ目の手段として、光導波路パラメータとなるＮＡ（開口数：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）とカットオフ波長によって発光効率を低下させる方法を用いる。発光効率を低下させることは吸収飽和を緩和させる効果もある。二つ目の手段として励起光を吸収する元素をドープした光導波路にファイバブラックグレーティングを形成する方法を用いる。三つ目の手段として失活剤をコドープする方法を用いる。
まず、第１の手段について説明する。
図４１は、励起光の強度をＡ  ｄＢｍとしたときの吸収飽和を考慮した単位長さ当たりの吸収量と条長積の関係を示す。条長積は吸収飽和のないときの吸収量［ｄＢ／ｍ］と導波路長との積と定義した。条長積を大きくすることによって吸収飽和を緩和し、吸収量を大きくすることができる。条長積を決めるパラメータはドープ量（吸収飽和の無いときの吸収量を決定する）と導波路長である。
蛍光を抑えるパラメータとして、光導波路のＮＡとカットオフ波長がある。
図４２は、カットオフ波長に対する利得（９８０ｎｍ励起）を示す（出典：Ａｎｄｅｒｓ  Ｂｊａｒｋｌｅｖ”ＯＰＴＩＣＡＬ  ＦＩＢＥＲ  ＡＭＰＬＩＦＩＥＲＳ  Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”Ａｒｔｅｃｈ  Ｈｏｕｓｅ）。
一般的に利得率は発光効率と比例関係となるため、図４２からＮＡを小さくする、もしくは、カットオフ波長を長波長とすることによって利得率が低下し、発光を緩和することができる。また、発光を緩和することは、吸収飽和を緩和することと同じ意味を持つ。すなわち、蛍光あるいは光の発光は、元素の上位順位に元素の電子が多く集まり、この電子がエネルギーレベルの低い準位に落ちることによって発生する。発光を緩和するとは、上位準位にある電子の数を少なくすることである。また、光の吸収は、下位準位にある電子が光のエネルギーを受けて、上位準位に遷移することによって生じる。吸収飽和は、下位の順位に電子が少なくなるなどの状態によって生じる。したがって、下位順位にある電子が多い状態を作ることによって、蛍光を抑えると共に、吸収飽和を緩和することができる。
ＮＡとカットオフ波長はモードフィールド径（ＭＦＤ）を決定するパラメータである。図４３に、ＮＡとカットオフ波長と１５５０ｎｍのＭＦＤの関係を示す。
図４３よりＭＦＤは、ほぼＮＡによって決定される。信号光のＭＦＤは増幅媒体及び他の光部品との接続を考えると、１０μｍ以下とする必要がある。今の場合では、蛍光を緩和するためにＭＦＤが１０μｍ以下となる、できるだけ大きなＮＡとし、カットオフ波長は信号光に影響を与えない範囲で長波長にシフトさせた光導波路を用い、条長積によって吸収飽和を考慮して、吸収元素のドープ量を決定した光導波路を光フィルタとする。
表３の条件で、光増幅器を動作させた場合について、吸収媒体の必要な吸収量を検討した。表４は、検討の結果である。
2003084007.tif 000005
2003084007.tif 000006
出力信号と励起光漏れ光の比を２０ｄＢ以上確保することとし、必要な吸収量を算出した。入力信号−２０ｄＢｍ以上の動作を想定した場合、必要な吸収量は２１．１１ｄＢとなる。
第２の手段について説明する。
吸収飽和や蛍光の問題を緩和するため、励起光を吸収する元素をドープした光導波路に励起光を一部反射するファイバブラックグレーティング（ＦＢＧ）を形成する。図４４は、第２の手段を適用した構成を示す図である。ＦＢＧを吸収媒体に形成することにより、励起光漏れ光を一部反射し、蛍光を緩和することができる。励起光の漏れ光が蛍光を起こすのに十分大きい場合、導波路の長手方向に蛍光が増幅され、最終的に発振が起こる。しかしながら、励起光漏れ光が小さい場合、励起光を吸収する元素をドープした光導波路は発光した光に対して増幅媒体とならず、損失媒体となる。そのため、ＦＢＧを用いて励起光漏れ光を一部反射することは蛍光を緩和させる効果がある。また、ＦＢＧを励起光だけでなく発光した光を反射する構成とすることで、より発光によるモニタのクロストークを低くすることができる。
励起光漏れ光をＦＢＧで反射した場合、励起光戻り光が再び励起ＬＤに戻ると励起ＬＤのスペクトル変化による中心波長変動や出力変動が起こる。一般的に励起ＬＤが安定動作する戻り光は励起ＬＤの出力光に対して−２３ｄＢ以下と言われている。そこで、励起ＬＤが安定動作するように反射率を最適化する必要がある。
反射率の設計方法を示す。図４５はＦＢＧの反射率に対する効率とＦＢＧによって一部励起光が反射することを考慮し、算出した励起光漏れ光を示したグラフである。増幅媒体としてＥＤＦを用い、ＥＤＦ長を４．５ｍとした。励起光は９８０ｎｍ、８０ｍＷ、入力信号波長１５３０ｎｍ、入力信号強度−３ｄＢｍとして検討した。図４６は反射率に対して励起光戻り光／励起光出力と必要となる吸収媒体の吸収量の変化を示したグラフである。
図４６から励起ＬＤが安定動作できる戻り光−２３ｄＢを満たす反射率０．４５を求め、それをＦＢＧの反射率とする。このとき、励起光漏れ光は２．３ｍＷ、必要とされる吸収量８．８ｄＢとなる。
ＦＢＧを取り付けることによって発光した光に対して導波路が増幅媒体とならず蛍光を緩和することができる。蛍光を緩和することは吸収飽和の緩和と同じ意味を持ち、吸収量を多くすることができる。また、励起ＬＤが安定動作する範囲で励起光を増幅媒体に戻すので、図４５から分かるように光増幅器の効率を向上させることができる（参照：特願平１−１５９７３６号公報）。
第３の手段について説明する。
吸収媒体の吸収飽和を生じ難くするために失活剤をコドープする。これによって、吸収効率を改善することができる。
イッテリビウム（Ｙｂ）をドープした光導波路を吸収媒体とした場合、テルビウム（Ｔｂ）をコドープすることでＹｂの吸収飽和を緩和させ、高いレベル（パワー）の励起光の漏れ光が吸収ファイバに入射しても充分な吸収を確保できる。
吸収飽和は励起による基底準位の電子の不足によって起こる。
図４７は、失活剤のコドープによる蛍光と吸収飽和の緩和を説明する図である。図４７に示すようにＹｂの場合、０．９８μｍの励起光によって２Ｆ７／２の電子が２Ｆ５／２に吸収される。失活剤としてＴｂをコドープした場合２Ｆ５／２の電子はＴｂの７Ｆ０に遷移し、基底準位にフォノンを放出して緩和するので、基底準位の電子を補うことができる。２Ｆ５／２の電子の７Ｆ０への遷移によって２Ｆ５／２から２Ｆ７／２の発光も失活することができる。
第４の手段について述べる。
光増幅器のモニタ部は、従来、図４８、４９の構成となる。図４８は方向性結合器を利用した分岐器を用いたもので、図４９は信号光を一部反射する多層膜を分岐器として用いたものである。光導波路として光ファイバを用いたものである。
光増幅器の場合、信号光と励起光漏れ光のクロストークを低くするために、励起光漏れ光を遮断する光フィルタを挿入する必要がある。
第４の手段では、図５０に示すような、励起光と同じ波長帯域を吸収する元素をドープした光ファイバを分岐器としたモニタを持つ光増幅器を構成する。図５０は方向性結合器を用いた信号光モニタの例であるが、図４９に示す反射膜を用いた光モニタなどにも適用することができる。
図５１は、前方励起光増幅器をアレイ化し、励起光吸収媒体を光導波路とした光モニタ（図５０）を出力モニタとした光増幅器の実施形態である。吸収飽和や蛍光を緩和するために第２の手段を用いた。図５１は吸収飽和や蛍光を緩和するために第２の手段を用いたが、第１、第３の手段を用いても良い。後方励起の場合は入力モニタに励起光が漏れるため入力モニタに適用し、双方向励起の場合は、入出力モニタに適用する。光増幅器を図５１の構成とすることによって、信号光モニタの底クロストーク化が実現でき、更に光フィルタ、分岐部の一体化によって光増幅器を小型化することができる。
第５の手段について説明する。
現在、分岐器とＰＤを一体化した光部品として、方向性結合器を用いたモニタ、多層膜を用いたモニタ、導波路上に配置された反射膜を利用して導波路上面に配置したＰＤでモニタする方法がある。しかしながら、これらのＰＬＣ型光部品を光増幅器に適用した場合、光フィルタを用いることによって生じるポート間クロストークに加え、励起光（励起光漏れ光も含む）の光導波路の漏れによるクロストークが顕著となる。
この課題を解決するために第５の手段では、ＰＬＣ技術を用いて製作された分岐器とＰＤを一体化した光部品において、分岐部の光導波路に励起光を吸収する元素をドープした信号光モニタを用いた光増幅器を提案する。
図５２に第５の手段に従った構成図を示す。図５２は前方励起光増幅器をアレイ化し、励起光吸収媒体を光導波路としたＰＬＣ型光モニタを出力モニタとした光増幅器の構成例である。吸収飽和や蛍光を緩和するために第２の手段を用いた。出力モニタはＰＬＣで一体化した。後方励起の場合は、入力モニタに励起光が漏れるため入力モニタに適用し、双方向励起の場合は入出力モニタに適用する。
光導波路に吸収媒体をドープしたため、隣接ポートへ漏れた励起光も隣接ポートのＰＤに入力される前に吸収することができるので、課題となっていたポート間のクロストークを低くすることができる。また、ＰＬＣでモニタ部を構成することで小型化が可能である。
第６の手段について説明する。
第６の手段では、第５の手段の効果をより大きくする方法として、光導波路だけでなく、クラッドにも励起光を吸収する元素をドープしたモニタを提案する。図５３は、第６の手段に従った構成例である。吸収飽和や蛍光を緩和するために第２の手段を用いた。図５３は、吸収飽和や蛍光を緩和するために第２の手段を用いたが、第１、第３の手段を用いても良い。
光導波路だけでなく、クラッドにも吸収剤をドープすることによって励起光漏れ光の吸収を高くすることができ、また、ＰＬＣの課題である隣接ポートへの漏れ光もクラッドで吸収することができる。
第７の手段について説明する。
励起光は信号光に比べ非常に高出力で、光増幅器にもよるが、通常数十ｍＷから数百ｍＷである。ＰＬＣ技術は光導波路を一体化するのに適しているため、励起光を合波する合波器と信号をモニタする分波器を一体化することによって、小型化できるが、ＰＬＣは隣接導波路への光の漏れが大きいため一体化した場合、励起光と信号光の光モニタでのクロストークが悪くなるため課題となる。
図５４は、励起光と信号光の光モニタでのクロストークの劣化について模式的に示す図である。そこで、図５５、５６の構成を提案する。
図５５は、モニタの分岐器の導波路に励起光を吸収する元素をドープすることによって励起光の分岐器への漏れを抑制することができ、クロストークを低くすることができる。図５６は、図５５に加えモニタ部の周辺のクラッドに励起光を吸収する元素をドープしたことを特徴とする。吸収飽和や蛍光を緩和するために第２の手段を用いた。図５６は吸収飽和や蛍光を緩和するために第２の手段を用いたが、第１、第３の手段を用いても良い。
合波器と分岐器の一体化構成が可能となることによって、光増幅器を構成する全ての光部品の一体化が可能となる。図５７は光部品を一体化した模式図である。図５８、５９は光増幅器をアレイ化した場合の構成例である。
図５７、５８、５９は前方励起光増幅器の例である。後方励起の場合は、双方向励起の場合も同様に一体化することができる。吸収飽和や蛍光を緩和するために第２の手段を用いた。ここでは、吸収飽和や蛍光を緩和するために第２の手段を用いたが、第１、第３の手段を用いても良い。
上記実施形態では、励起光を吸収する元素をドープした光導波路を励起光遮断フィルタとした場合の吸収飽和と蛍光を課題とし、吸収飽和と蛍光を緩和した。これによって、アレイ型構成とした光増幅器において、励起光を吸収する元素をドープした光導波路を光フィルタとして適用することが可能となった。そのため、励起光遮断時のポート間クロストークが小さいアレイ型構成の光増幅器を実現することができる。
また、励起光を吸収する元素をモニタ分岐器の光導波路にドープし、励起光の漏れに強い信号光モニタとすることによって、光増幅器を構成する光部品をＰＬＣで一体化した場合においても、モニタでの励起光と信号光のクロストークが低くすることができる。
産業上の利用可能性
以上説明したように本発明は、損失補償を行う光増幅器に対する損失媒体の接続位置を規定すると共に、光増幅部より出力側の接続点等における光の反射減衰量が出力端子における光の反射減衰量より小さくなるようにしたことで、光学装置の小型化および低コスト化を図ることができる。また、損失媒体の損失が増えることによって光増幅部の出力側での反射光を効果的に低減できるため、信号伝送特性に悪影響を及ぼす発振現象の生じない利得範囲を広く設定することが可能である。さらに、入力光および出力光のモニタ結果に基づいて光増幅部の動作が制御されることにより、損失媒体の損失量が変化したとしても光増幅器の利得が自動的に調整されるため、損失量に幅のある各種光部品の損失補償を１台の小型かつ低コストの光増幅器によって実現することが可能になる。また、複数の光増幅器を並列的に一体化すれば、光学装置全体または損失補償用の光増幅器のさらなる小型化および低コスト化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
図１は、一般的なＥＤＦＡの光回路構成例を示す図である。
図２は、本発明にかかる損失補償機能を備えた光学装置の第１実施形態の構成を示す図である。
図３は、損失媒体と損失補償用の光増幅器との組み合わせについて、アイソレータを省略したときに考えられる３通りの構成を例示したものである。
図４は、損失補償用の光増幅器の利得および雑音特性に関する検討モデルを示す図であって、（Ａ）は増幅媒体の前後にアイソレータを設けた場合、（Ｂ）はアイソレータを省略した場合である。
図５は、図４の検討モデルについての利得を計算した結果を示す図である。
図６は、図４の検討モデルについてのＮＦを計算した結果を示す図である。
図７は、入出力の条件を一定として損失媒体の損失量を変化させた場合の励起光パワーおよびＮＦに関する検討モデルを示す図であって、（Ａ）は増幅媒体の入出力側にアイソレータを設けた構成、（Ｂ）は入力側のみにアイソレータを設けた構成、（Ｃ）はアイソレータを設けない構成である。
図８は、図７の検討モデルについての増幅媒体での利得に対する励起光パワーを計算した結果を示す図である。
図９は、図７の検討モデルについての増幅媒体での利得に対するＮＦを計算した結果を示す図である。
図１０は、図７（Ａ）の構成におけるＮＦに対する、図７（Ｃ）の構成におけるＮＦの劣化量を計算した結果を示す図である。
図１１は、上記第１実施形態の作用効果を説明する図であって、（Ａ）は増幅媒体での利得に対する利得劣化量を示し、（Ｂ）はネット利得に対する利得劣化量を示す図である。
図１２は、上記第１実施形態の作用効果を説明する図であって、（Ａ）は増幅媒体での利得に対するＮＦ劣化量を示し、（Ｂ）はネット利得に対するＮＦ劣化量を示す図である。
図１３は、本発明にかかる損失補償機能を備えた光学装置の第２実施形態の構成を示す図である。
図１４は、上記第２実施形態の作用効果を説明する図であって、（Ａ）は増幅媒体での利得に対する利得劣化量を示し、（Ｂ）はネット利得に対する利得劣化量を示す図である。
図１５は、上記第２実施形態の作用効果を説明する図であって、（Ａ）は増幅媒体での利得に対するＮＦ劣化量を示し、（Ｂ）はネット利得に対するＮＦ劣化量を示す図である。
図１６は、本発明の実施形態の効果を示す実験について説明する図（その１）である。
図１７は、本発明の実施形態の効果を示す実験について説明する図（その２）である。
図１８は、本発明の実施形態の効果を示す実験について説明する図（その３）である。
図１９は、本発明の実施形態の効果を示す実験について説明する図（その４）である。
図２０は、本発明の実施形態の効果を示す実験について説明する図（その５）である。
図２１は、本発明の実施形態の効果を示す実験について説明する図（その６）である。
図２２は、本発明の実施形態の効果を示す実験について説明する図（その７）である。
図２３は、本発明にかかる損失補償機能を備えた光学装置の第３実施形態の概略構成を示す図である。
図２４は、上記第３実施形態について光導波路技術を用いたデバイスを応用した具体例を示す図である。
図２５は、本発明にかかる損失補償機能を備えた光学装置の第４実施形態の概略構成を示す図である。
図２６は、上記第４実施形態に関連する他の構成例を示す図である。
図２７は、モードフィールド径が異なる光路の接続方法を説明するための図である。
図２８は、空間結合型アイソレータと導波路の接続方法を説明するための図である。
図２９は、図２８に示したアイソレータ等の実装例を示す図である。
図３０は、本発明にかかる損失補償機能を備えた光学装置の第５実施形態の概略構成を示す図である。
図３１は、上記第５実施形態に関連する他の構成例を示す図である。
図３２は、上記第５実施形態に関連する別の構成例を示す図である。
図３３は、本発明による光学装置を用いた光通信システムにおいて、コネクタの接続不良を検出する応用例を説明するための図である。
図３４は、上記各実施形態に関連する出力モニタの応用例を説明するための図である。
図３５は、前方励起を想定した、一般的なアレイ型光増幅器の構成例を示す図である。
図３６は、他ポートへの漏れ光によるクロストークが生じる様子を模式的に図示した図である。
図３７は、光フィルタの代わりに励起光を吸収する元素をドープしたアレイ化された光増幅器の構成を示す図である。
図３８は、入射した光の強度に対して、光吸収元素の吸収量をプロットした図である。
図３９は、横軸に波長、縦軸に蛍光強度を取り、蛍光のスペクトル分布を示した図である。
図４０は、ＰＬＣ技術によって作られた光導波路における光の隣接ポートへの漏れ光の発生の様子を模式的に図示したものである。
図４１は、励起光の強度をＡ  ｄＢｍとしたときの吸収飽和を考慮した単位長さ当たりの吸収量と条長積の関係を示す図である。
図４２は、カットオフ波長に対する利得（９８０ｎｍ励起）を示す図である。
図４３は、ＮＡ、カットオフ波長、及び１５５０ｎｍのＭＦＤの関係を示す図である。
図４４は、第２の手段に従った実施形態の構成を示す図である。
図４５は、ＦＢＧの反射率に対する効率とＦＢＧによって一部励起光が反射することを考慮し、算出した励起光漏れ光を示したグラフである。
図４６は、反射率に対して励起光戻り光／励起光出力と必要となる吸収媒体の吸収量の変化を示したグラフである。
図４７は、失活剤のコドープによる蛍光と吸収飽和の緩和を説明する図である。
図４８は、光導波路として光ファイバを用いた、方向性結合器を利用した分岐器を用いた構成を示す図である。
図４９は、光導波路として光ファイバを用いた、信号光を一部反射する多層膜を分岐器として用いた構成を示す図である。
図５０は、方向性結合器を用いた信号光モニタの例である。
図５１は、前方励起光増幅器をアレイ化し、励起光吸収媒体を光導波路とし、光モニタ（図５０）を出力モニタとした光増幅器の実施形態である。
図５２は、第５の手段を用いた実施形態の構成図である。
図５３は、第６の手段を用いた実施形態の構成例である。
図５４は、励起光と信号光の光モニタでのクロストークの劣化について模式的に示す図である。
図５５は、図５４の問題を解決するための第１の構成を示す図である。
図５６は、図５４の問題を解決するための第２の構成を示す図である。
図５７は、光部品を一体化した場合の構造を示す模式図である。
図５８は、光増幅器をアレイ化した場合の第１の構成例である。
図５９は、光増幅器をアレイ化した場合の第２の構成例である。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【国際調査報告】
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