(57)【要約】【課題】波長変動を前提とした被増幅光の増幅利得を安定化した光増幅器を実現すること。【解決手段】第１信号光を入力するための入力端１と、第１信号光より長波長の第２信号光を入力するための入力端２と、入力端１と接続された第１光増幅部３と、入力端２と接続された第２光増幅部４とを備える。また、第１光増幅部３および第２光増幅部４にはそれぞれ光合波器５、６を介して励起光源７から出力される励起光が供給される。長波長である第２信号光を増幅する第２光増幅部４の伝送路長および供給される励起光の強度を第１光増幅部３より大なるものとすることで、第１信号光および第２信号光に対して均一な増幅利得を与えると共に、波長変動に対する利得変動の小さい光増幅器を実現する。【選択図】      図１
2004273573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が変動しうる第１信号光の強度と、該第１信号光よりも長い波長を有し、波長が変動しうる第２信号光の強度とを増幅する光増幅器であって、
第１強度の励起光を供給され、前記第１信号光の増幅が行われる第１光伝送路を備えた第１光増幅手段と、
前記第１強度よりも大きい強度の励起光を供給され、前記第２信号光の増幅が行われる第２光伝送路を備えた第２光増幅手段と、
を備えたことを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
前記第２光伝送路の物理長は、前記第１光伝送路の物理長よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
【請求項３】
前記第２光増幅手段に供給される励起光は、前記第１光増幅手段に供給される励起光の１．２倍以上の光強度を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光増幅器。
【請求項４】
前記第１信号光の波長は１５５０ｎｍ以上、１５８０ｎｍ未満であって、前記第２信号光の波長は１５８０ｎｍ以上、１６１０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光増幅器。
【請求項５】
前記第１光増幅手段に供給される励起光と前記第２光増幅手段に供給される励起光とを出力する励起光源と、
該励起光源から出力された励起光を所定割合で分岐して前記第１光増幅手段および前記第２光増幅手段に供給する光分岐器と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光増幅器。
【請求項６】
前記第１光増幅部および前記第２光増幅部は、希土類元素を不純物として添加された光ファイバを含んで形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光増幅器。
【請求項７】
前記希土類元素は、エルビウムであることを特徴とする請求項６に記載の光増幅器。
【請求項８】
信号光を出力する信号光源と、
前記信号光を伝送する伝送路と、
該伝送路の途上に配置された請求項１〜７のいずれか一つに記載の光増幅器と、
前記伝送路から出力された信号光を受信する受信器と、
を備えたことを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、異なる波長を有し、かつ所定範囲で波長が変動する複数の光に対して、ほぼ均一な増幅利得を与える光増幅器および光通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネット等の普及により、光通信システムに対する大容量化の要請が増大している。このため、同一の光ファイバ中に複数の異なる波長の信号光を多重化して伝送させる波長多重通信（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：以下、「ＷＤＭ」という）方式を採用した光通信システムが提案されている。
【０００３】
かかるＷＤＭ方式の中では、比較的狭い波長範囲において、０．８ｎｍ程度の波長間隔で信号光を高密度に配置したＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式が知られている。かかるＤＷＤＭ方式では信号光の波長間隔が狭いため、信号光同士の干渉の発生等を防止する観点から、信号光源からの出力光をモニタリングして信号光源に対して注入電流値、温度等の制御を行い、波長の制御を行う必要がある。また、ＤＷＤＭ方式を用いた光通信システムの場合、一般に長距離伝送に用いられることから、伝送途上で減衰した信号光強度を回復するためにＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ  Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）等の増幅器を設けている。かかる増幅器による増幅利得は波長依存性を有するため、複数の異なる波長の信号光を伝送するＤＷＤＭ方式では増幅後の信号光に強度偏差が避けられず、利得等化器を用いて強度偏差を補償している。従来は複雑で構成部品の多い回路を使用していた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
一方で、ＷＤＭ方式を利用した上で簡易かつ低コストの光通信システムを実現するべくＣＷＤＭ（Ｃｏａｒｓｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式が提案されている。かかるＣＷＤＭ方式では、同一の光ファイバ中を伝送する複数の信号光の波長間隔を２０ｎｍ程度と広くすることによって、波長変動に対する許容性を確保し、具体的には１０ｎｍ程度の波長変動に対して光通信システムを動作させることが可能である。このため、波長制御を行う機構を省略することが可能となり、ＣＷＤＭ方式を用いることによって簡易かつ低コストの光通信システムが期待される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２４５９４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＷＤＭ方式を用いた光通信システムでは、伝送途上に増幅器を設けた場合に信号光の増幅利得が変動するという問題が生じる。上記のようにＣＷＤＭ方式では信号光の波長制御を行わないこととしており、信号光の波長は一定範囲に渡って変動することとなる。ここでＥＤＦＡ等の増幅器の増幅利得は波長依存性を有するから、信号光の波長変動に従って信号光の増幅利得も変動することとなる。さらに、ＥＤＦＡでは入力されている一方の信号光が、他方の信号光の増幅特性に影響を与える。
【０００７】
かかる問題を解決する手段として、まず、ＤＷＤＭ方式の光通信システムの場合のように利得等化器を設けることが考えられる。しかしながらＣＷＤＭ方式の利点は低コストかつ簡易な光通信システムを実現することにあり、利得等化器を配置することによるコストの増加等は好ましくない。
【０００８】
また、ＤＷＤＭ方式を用いた光通信システムとは異なり、ＣＷＤＭ方式を用いた光通信システムにおいて単一の光増幅器を用いた場合には、利得等化器によって増幅後の複数の信号光の光強度を完全に均一化することが難しい。ＤＷＤＭ方式で採用される利得等化器は、異なる波長の信号光のそれぞれが一定の波長を維持することを前提としており、かかる前提に基づいて同一波長の信号光における増幅後の強度は一定の値を示すものとして光強度の補償が行われている。しかし、上記のようにＣＷＤＭ方式の場合には波長制御が行われないことから個々の信号光の波長が変動しうるため、上記の前提条件を満たさない。
【０００９】
具体例として、例えば波長の異なる第１信号光および第２信号光を伝送するＣＷＤＭ方式の光通信システムにおいて、単一のＥＤＦＡによって信号光の増幅を行う構成を考える。なお、本光通信システムでは、第１信号光の波長は固定され、第２信号光の波長は変動するものとする。
【００１０】
前述のようにＥＤＦＡにおける増幅利得は、信号光の波長によって変動する。さらに本通信システムでは、波長が変動する第２信号光に対する増幅利得は変動することとなる。単一のＥＤＦＡで２波の信号光の増幅を行う構成では増幅に費やされるエネルギーの分配は最終的に各信号光の増幅利得に応じて行われるため、第２信号光に対する増幅利得が変化した場合、かかる変化に応じて第１信号光に対する増幅利得も変動することとなる。従って、ＣＷＤＭ方式の光通信システムでは、上記の第１信号光のように波長が固定されていても他の信号光の波長変動の影響を受けて増幅利得が変動することとなる。そして、ＣＷＤＭ方式ではすべての信号光の波長が変動しうるため、個々の信号光に対する増幅利得の変動はより複雑なものとなる。
【００１１】
この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、波長変動を前提とした被増幅光の増幅利得を安定化した光増幅器および光増幅器を備えた簡易な光通信システムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる光増幅器は、波長が変動しうる第１信号光の強度と、該第１信号光よりも長い波長を有し、波長が変動しうる第２信号光の強度とを増幅する光増幅器であって、第１強度の励起光を供給され、第１信号光の増幅が行われる第１光伝送路を備えた第１光増幅手段と、前記第１強度よりも大きい強度の励起光を供給され、第２信号光の増幅が行われる第２光伝送路を備えた第２光増幅手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
この請求項１の発明によれば、個々の信号光に対応して複数の光増幅部を設け、単一の光増幅部で単一の信号光を増幅することとしたため、一部の信号光の波長変動に起因して他の信号光に対する増幅利得変動が生じることを防止することができる。また、個々の信号光の波長に対応して励起光強度を最適化することとしたため、それぞれの信号光に対してほぼ均一な増幅利得を与えることが可能となると共に、波長変動に対する増幅利得変動を抑制した増幅利得特性を実現することが可能である。
【００１４】
また、請求項２にかかる光増幅器は、上記の発明において、前記第２光伝送路の物理長は、前記第１光伝送路の物理長よりも長いことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項３にかかる光増幅器は、上記の発明において、前記第２光増幅手段に供給される励起光は、前記第１光増幅手段に供給される励起光の１．２倍以上の光強度を有することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項４にかかる光増幅器は、上記の発明において、前記第１信号光の波長は１５５０ｎｍ以上、１５８０ｎｍ未満であって、前記第２信号光の波長は１５８０ｎｍ以上、１６１０ｎｍ未満であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項５にかかる光増幅器は、上記の発明において、前記第１光増幅手段に供給される励起光と前記第２光増幅手段に供給される励起光とを出力する励起光源と、該励起光源から出力された励起光を所定割合で分岐して前記第１光増幅手段および前記第２光増幅手段に供給する光分岐器とをさらに備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項６にかかる光増幅器は、上記の発明において、前記第１光増幅部および前記第２光増幅部は、希土類元素を不純物として添加された光ファイバを含んで形成されることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項７にかかる光増幅器は、上記の発明において、前記希土類元素は、エルビウムであることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項８にかかる光通信システムは、信号光を出力する信号光源と、前記信号光を伝送する伝送路と、該伝送路の途上に配置された請求項１〜７のいずれか一つに記載の光増幅器と、前記伝送路から出力された信号光を受信する受信器とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態である光増幅器および光通信システムについて説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
まず、この発明の実施の形態１にかかる光増幅器について説明する。本実施の形態１にかかる光増幅器は、異なる波長を有し、それぞれの波長が変動しうる複数の信号光を増幅するためのものであって、信号光ごとに異なる光増幅部で増幅する構造を有する。そして各光増幅部は増幅対象たる信号光の波長に応じて励起光強度および伝送路長が規定され、具体的には複数の光増幅部において、長波長の信号光を増幅するものは、短波長の信号光を増幅するものに比して長い伝送路長を有し、高強度の励起光を供給される構造を有する。なお、本実施の形態１では波長が１５７０ｎｍ程度、１５９０ｎｍ程度を中心として±７ｎｍ程度の範囲で波長が変動しうる２種類の信号光を増幅対象とした例について説明するが、本発明がかかる例に限定されるものでないことはもちろんである。
【００２３】
図１は、本実施の形態１にかかる光増幅器の構造を示す模式図である。図１に示すように、本実施の形態１にかかる光増幅器は、第１信号光を入力するための入力端１と、第２信号光を入力するための入力端２と、入力端１と接続された第１光増幅部３と、入力端２と接続された第２光増幅部４とを備える。また、第１光増幅部３および第２光増幅部４にはそれぞれ光合波器５、６を介して励起光源７から出力される励起光が供給される。光合波器５、６と励起光源７との間には光分波器８が配置され、光分波器８によって励起光源７から出力された励起光は所定割合で分岐され、第１光増幅部３および第２光増幅部４に入力される構造を有する。
【００２４】
また、第１光増幅部３の出力端と第２光増幅部４の出力端は光合波器９に接続され、光合波器９の出力端は光伝送路１０と接続されている。さらに、光合波器５、６に対してそれぞれの信号光伝送方向上流にアイソレータ１１、１２が配置され、光合波器９に対して伝送方向下流にはアイソレータ１３が配置されている。アイソレータ１１〜１３は、それぞれの領域において逆方向に進行する光の通過を防止する機能を有する。なお、アイソレータ１１〜１３は、光増幅器の使用条件によっては省略することも可能である。
【００２５】
光合波器５、６、９および光分波器８は、信号光を合波もしくは分波するためのものである。具体的構造としては２本の光ファイバを溶融接続した溶融型カプラ等によって形成されるが、合波機能もしくは分波機能を有するものであれば、他の構造のものを用いることも可能である。例えば、プリズムや収束性レンズ等の光学部品を組み合わせたバルク型カプラや、Ｙ分岐光回路を用いた光導波路型カプラを用いることとしても良い。
【００２６】
第１光増幅部３および第２光増幅部４は、エルビウム（Ｅｒ）を不純物として添加した光ファイバを含んで構成される。第１光増幅部３および第２光増幅部４の構造としてはエルビウムを添加したＥＤＦＡの他に、同様の励起構成を有する光増幅部であれば適用できる。例えば、増幅媒体としては、ホストガラスにＴｅｌｌｕｒｉｔｅ系、Ｆｌｕｏｒｉｄｅ系、Ｓｉｌｉｃａ系などが適用可能であり、不純物としてはエルビウム、ツリウム、プラセオジウム、イットリビウム、テルビウムなどにより構成された構造としても良い。ただし、使用する増幅媒体に応じて増幅できる波長は異なる。
【００２７】
励起光源７は、ＥＤＦＡでは半導体レーザ装置等によって構成される。励起光源７を構成する半導体レーザ装置等は、９８０ｎｍ程度、１４８０ｎｍ程度の波長のレーザ光を出力する。また、ＥＤＦＡ以外の増幅媒体を使う際には適用する増幅媒体に応じた波長の励起光を出力する。なお、本実施の形態１においては、励起光の進行方向が入力信号光の進行方向と同一となる前方励起方式を採用しているが、励起光の進行方向が信号光の進行方向と逆方向となる後方励起方式によって光増幅を行う構造としても良いし、前方励起と後方励起とを組み合わせた双方向励起方式を採用しても良い。
【００２８】
励起光源７から出力され、光分波器８によって分配される励起光の割合および第１光増幅部３、第２光増幅部４の伝送路長について説明する。本実施の形態１にかかる光増幅器では、第１光増幅部３の伝送路長を例えば５０ｍ、第２光増幅部４の伝送路長を例えば７５ｍとする。また、励起光源７から出力された励起光は、第１光増幅部３と第２光増幅部４とで３：７となるよう光分波器８によって分配されている。
【００２９】
次に、本実施の形態１にかかる光増幅器の動作について簡単に説明する。まず、入力端１および入力端２に対して外部から第１信号光および第２信号光が入力され、第１信号光は第１光増幅部３内部を進行し、第２信号光は第２光増幅部４内部を進行する。
【００３０】
一方、第１光増幅部３および第２光増幅部４は、あらかじめ励起光源７から出力され、３：７の強度比で光分波器８によって分配された励起光が供給されており、それぞれの光増幅部内に添加されたエルビウム原子は、励起光によってエネルギーを供給された励起状態となっている。かかる状態の第１光増幅部３および第２光増幅部４に対して第１信号光および第２信号光が進行することによって誘導放出が生じ、エルビウム原子が基底状態に遷移する際に放出されるエネルギーに基づいて第１信号光および第２信号光が増幅される。増幅された第１信号光および第２信号光は光合波器９で合波され、第１信号光および第２信号光は同一の光伝送路１０中を伝送した状態で外部に出力される。
【００３１】
次に、本実施の形態１にかかる光増幅器の利点について説明する。まず、本実施の形態１にかかる光増幅器は、第１信号光に対応した第１光増幅部３と、第２信号光に対応した第２光増幅部４とを有し、各信号光を別個独立に増幅する構造を有する。かかる構造とすることで、異なる波長を有する複数の信号光を増幅する光増幅器において、一方の信号光の波長変動による影響を他方の信号光に及ぼすことを防止することができる。
【００３２】
既に説明したように、単一の光増幅器によって複数の信号光を増幅した場合、一方の信号光の波長が変動して、信号光に対する増幅利得が変動することによって他方の信号光に対する増幅利得が変動し、信号光に対する増幅利得特性が複雑化することが知られている。一方、本実施の形態１では、信号光ごとに別個独立の光増幅部を設けることとしたため、個々の光増幅部内において異なる波長の信号光間で増幅利得に関して影響を及ぼしあうことはなく、光増幅器の設計において増幅対象となる個々の信号光の波長変動による増幅利得変動のみを考慮すれば足りることとなる。また、第１光増幅部３および第２光増幅部４は、後述するように増幅する信号光の波長に合わせてそれぞれの構造を最適化しているが、かかる最適化が可能となるのも個々の信号光に対応して光増幅部を複数設ける構造としたためである。
【００３３】
また、本実施の形態１にかかる光増幅器は、長波長の第２信号光を増幅する第２光増幅部４において、第１光増幅部３よりも長い伝送路長および高強度の励起光が供給される構造を有する。かかる構造を有することで、本実施の形態１にかかる光増幅器では、第１信号光および第２信号光に対してほぼ等しい増幅利得を与えることが可能となると共に、信号光波長近傍の波長範囲における増幅利得変動幅を低減することが可能である。以下、その理由について説明する。
【００３４】
第１光増幅部３および第２光増幅部４は、上記のようにエルビウムを添加した光ファイバによって形成され、励起光源から供給された励起光によってエネルギー状態が励起状態に遷移した後、基底状態に戻る。かかるエネルギー遷移が生じる際に光ファイバ中に信号光を通すことによって、基底状態に戻る際に放出されるエネルギーによって誘導放出が行われ、信号光を直接増幅することが可能となる。かかるメカニズムに基づく光増幅を定量的に示すと、光ファイバの長手方向をｚ方向とした場合、ｚ方向に関して微少単位長さあたりの利得係数ｇはΓをファイバの閉じこめ係数と仮定すると、
ｇ（λ、ｚ）＝Γ［σｅ（λ）Ｎ２（ｚ）−σａ（λ）Ｎ１（ｚ）］・・（１）
と表される。ここで、Ｎ１、Ｎ２はエルビウム原子のうち、それぞれ基底状態にあるものの割合と、励起状態にあるものの割合を示し、Ｎ１＋Ｎ２＝１の関係を満たす。また、σｅ、σａはエルビウムを添加した光ファイバに固有の定数であって、σｅは放出断面積を示し、σａは吸収断面積を示し、増幅利得Ｇは、（１）式のｇをｚ方向およびファイバの半径方向に関して積分することで得られる。従って、増幅利得Ｇはσｅ、σａおよびＮ１、Ｎ２の値に基づいて決定され、σｅ、σａが波長依存性を有することに起因して増幅利得Ｇは波長依存性を有し、Ｎ１、Ｎ２の変動に応じて異なる波長で利得ピークを有する増幅利得特性が得られる。
【００３５】
図２は、Ｎ１、Ｎ２が異なる値となった場合の増幅利得の変動を示すグラフである。なお、図２に示すグラフにおいて、曲線ｌ１はＮ２＝１、すなわちすべてのエルビウム原子が励起状態となった場合（完全反転分布が形成された状態）の増幅利得特性を示す。以下、曲線ｌ２〜曲線ｌ６は、順次Ｎ２＝０．８、０．６、０．４、０．２、０となった場合の増幅利得特性を示す。なお、上記したようにＮ１＋Ｎ２＝１の関係があることから、Ｎ２の変化に応じてＮ１も異なる値となる。
【００３６】
図２に示す曲線ｌ１〜曲線ｌ６からも明らかなように、Ｎ２の値が減少、すなわち励起状態のエルビウム原子の割合が減少するにつれて増幅利得特性の曲線はなだらかになり、利得ピークは徐々に長波長側にシフトする。本実施の形態１にかかる光増幅器では、高効率の光増幅を実現するために、第１光増幅部３においては第１信号光の波長近傍で利得帯域を有する必要があり、第２光増幅部４においては第２信号光の波長近傍で利得帯域を有する必要がある。このため、第１信号光および第２信号光の波長にあわせて最適の増幅利得特性を実現できるＮ１、Ｎ２を、励起光強度と伝送路長とを調整することによって選択する必要がある。
【００３７】
また、本実施の形態１にかかる光増幅器は、増幅対象たる第１信号光および第２信号光の波長が±７ｎｍ程度の範囲に渡って変動することを前提としている。従って、第１光増幅部３は、第１信号光の波長変動範囲に渡って変動幅が抑制された増幅利得特性を備える必要があり、第２光増幅部４も第２信号光の波長変動範囲に渡って変動幅が抑制された増幅利得特性を備える必要がある。具体的には、信号光の波長を中心として±７ｎｍの範囲に渡って、図２に示す曲線が平坦、より具体的には偏差が±１ｄＢ以下となる増幅利得特性を備える必要がある。
【００３８】
図３は、図２のグラフについて、１５６０ｎｍ〜１６１０ｎｍの波長範囲について詳細に示すグラフである。図３において曲線ｌ１〜曲線ｌ６は図２と同一の曲線であって、曲線ｌ７〜曲線ｌ１１は、それぞれＮ２＝０．９、０．７、０．５、０．３、０．１の場合について示すグラフである。図３に示すように、１５７０ｎｍ±７ｎｍの波長範囲に渡って平坦な増幅利得特性を有するのは曲線ｌ４（Ｎ２＝０．４）の場合であり、１５９０ｎｍ±７ｎｍの波長範囲に渡って平坦な増幅利得特性を有するのは曲線ｌ１０（Ｎ２＝０．３）の場合であることが分かる。従って、第１光増幅部３ではＮ２＝０．４、第２光増幅部４ではＮ２＝０．３となるよう構成することが好ましい。
【００３９】
また、第１光増幅部３で増幅された後の第１信号光の光強度と、第２光増幅部４で増幅された後の第２信号光の光強度の差が大きくなることは好ましくない。このため、光分波器８による励起光の分配および伝送路長を最適化することによって増幅後の第１信号光および第２信号光の強度差を抑制する必要がある。
【００４０】
これらの条件を満たすため、本実施の形態１にかかる光増幅器では伝送路長および励起光強度の最適値を導出している。すなわち、第２光増幅部４の伝送路長を第１光増幅部３の伝送路長の１．５倍とし、第１光増幅部３に供給される励起光と、第２光増幅部４に供給される励起光の強度比が３：７となるよう光分波器８によって励起光が分配され、かつ励起光強度が一定である構造を有する。
【００４１】
図４（ａ）は、本実施の形態１にかかる光増幅器における、第１信号光（λ＝１５７０±７ｎｍ）と、第２信号光（λ＝１５９０±７ｎｍ）が属する波長帯における増幅利得の波長依存性について示すグラフである。なお、図４（ａ）において、１５６０ｎｍ〜１５８０ｎｍの波長範囲で得られる増幅利得は第１光増幅部３によって与えられるものであり、１５８０ｎｍ〜１６００ｎｍの波長範囲で得られる増幅利得は第２光増幅部４によって与えられるものである。また、第１信号光および第２信号光がそれぞれ第１光増幅部３、第２光増幅部４に入力する際の光強度は−３ｄＢｍであるとする。
【００４２】
図４（ａ）に示すように、本実施の形態１にかかる増幅器では、第１光増幅部３および第２光増幅部４で得られる増幅利得は、１５７０±７ｎｍ、１５９０±７ｎｍの範囲で１４ｄＢ〜１６ｄＢとなり、増幅利得の偏差が抑制されていることが分かる。また、第１信号光および第２信号光の波長に対応する１５７０ｎｍ、１５９０ｎｍにおける増幅利得の差は１ｄＢ以下の許容しうる値に抑制されており、増幅後の信号光の強度差が問題となることはない。比較例として、図４（ｂ）に第１光増幅部３および第２光増幅部４に等しい強度の励起光を供給した場合の増幅利得の波長依存性を示す。図４（ｂ）に示すように、励起光の強度が等しい場合には、第１光増幅部３における増幅利得は第２光増幅部４における増幅利得と比較して４ｄＢ程度大きくなるため、増幅後の第１信号光の光強度と第２信号光の光強度との差が無視できず、光通信システムに使用することは妥当ではないことが示されている。従って、本実施の形態１にかかる光増幅器は、伝送路長および励起光強度を最適化することによって、複数の信号光を均一に増幅することが可能であって、個々の信号光の波長が変動しても増幅利得の変動を±１ｄＢ以下に抑制することが可能である。
【００４３】
また、本実施の形態１にかかる光増幅器は、単一の励起光源７から第１光増幅部３および第２光増幅部４に励起光を供給する構造を有する。本実施の形態１では個々の光増幅部に対応して複数の励起光源を配置する構造としても良いが、単一の励起光源が光分波器を介して複数の光増幅部に励起光を供給する構造とすることで以下の利点が生じる。
【００４４】
まず、部品点数を低減することによるコスト削減が可能となるという利点を有する。既に説明したように、本実施の形態１にかかる光増幅器を適用するＣＷＤＭ方式の光通信システムでは簡易かつ低コストの光通信システムを実現することを目的とする。従って、光増幅器についても簡易な構造かつ低コストのものを用いることが好ましく、かかる観点から単一の励起光源から複数の光増幅部に励起光を供給し、かつ励起光強度の一定制御を行う構造とすることが好ましい。
【００４５】
また、同一の励起光源を用いることによって、安定した増幅利得特性が得られるという利点も有する。すなわち、別個独立の励起光源によって光増幅部に励起光を供給する場合、一部の励起光源の特性が劣化する事によって個々の光増幅部に供給される励起光の強度比が所望の値から変動し、結果として上記した本実施の形態１にかかる光増幅器の利点が失われるおそれがある。一方、単一の励起光源から各光増幅部に励起光を供給する構造とした場合には、励起光源の特性が劣化し、例えば同一電流に対する発光効率が低下することによって励起光の総量が減少した場合であっても、各励起光源に分配される励起光の強度比は一定の値を維持することが可能となる。上記したように本実施の形態１においては供給される励起光の強度比が重要な要素となり、励起光源の特性が劣化した場合に各光増幅部における励起光の強度比を一定に保持することが可能となる点で、同一の励起光源を用いる構造とすることが好ましい。
【００４６】
以上、本実施の形態１にかかる光増幅器について、第１信号光の波長を１５７０±７ｎｍ、第２信号光の波長を１５９０±７ｎｍとした場合の最適構造について説明したが、信号光の波長および光増幅部の構造は上記の値に限定されるのではない。すなわち、所望の信号光の波長に応じて増幅後の信号光相互間の強度差を１ｄＢ以下に抑制し、かつ個々の信号光に関して波長変動に起因した増幅利得変動を、複雑な構成の励起光強度制御機構がなくとも±１ｄＢ以下に抑制することが可能である。
【００４７】
図５（ａ）および図５（ｂ）は、異なる波長を有する信号光に対して光増幅を行う場合に、波長の相違に関わらず増幅後の信号光の強度を均一化し、個々の信号光における波長変動による増幅後の強度変動を±１ｄＢ以下に抑制しうる条件について示すグラフである。具体的には、エルビウムを添加したファイバを用いた光増幅部に対し、信号光の進行方向と同じ方向から励起光を入力して励起する励起方式（前方励起）の構成で、例えば、光増幅部の伝送路長を長くし、光増幅部の内部の反転分布密度：Ｎ２−Ｎ１が、およそ−０．４＜Ｎ２−Ｎ１＜−０．１程度の増幅動作で、１５７０〜１６１０ｎｍ付近の増幅動作を実現する光増幅器において、２つの異なる波長の信号が入力され、それぞれ入力信号光波長が中心波長に対し±７ｎｍ程度ふらつく場合でも、増幅後の各出力信号の変動がおよそ２ｄＢ（＝±１ｄＢ）程度に収まる励起パワーとＥＤＦ長の最適条件を計算した結果を図５（ａ），図５（ｂ）に示す。中心信号光波長は１５７０〜１６１０ｎｍと仮定、入力信号光パワーは広めの−１０〜＋５ｄＢｍで検討した。
【００４８】
図５（ａ）は、１５７０ｎｍの信号を入力した際の最適な励起パワーを１として規格化した値を、図５（ｂ）は、同様に１５７０ｎｍの信号を入力した際の最適な伝送路長を１として規格化した値を示したものである。ただし、表現方法として、例えば、１５７０ｎｍの信号光と１５９０ｎｍの信号光が同時に入射され、１５７０ｎｍの信号が、光増幅部の伝送路長が４０ｍ、かつ、励起光強度が４２ｍＷで最適条件となり、１５９０ｎｍの信号が、光増幅部の伝送路長が７０ｍ、かつ、励起光強度が１０７．５ｍＷで最適条件であったとすると、図５（ａ）における１５９０ｎｍ入力時の励起光強度の増加量は、１０＊ｌｏｇ（１０７．５）／１０＊ｌｏｇ（４２）＝１．２５倍と表し、図５（ｂ）における１５９０ｎｍ入力時の伝送路長の増加量は７０／４０＝１．７５と表現している。なお、本実施の形態においては、増幅媒体の長さ（光増幅部の伝送路長）で規定しているが、濃度条長積を用いて規定してもよい。
【００４９】
ここで再度図５（ａ）、図５（ｂ）からＴｙｐｉｃａｌな状態における検討結果を定量化したのが表１である。この値前後が上記の信号入力条件での励起パワー分配上、及び増幅を行う伝送路長の最適条件である。表１において最適条件に範囲が存在するのは、入力信号光パワーの大小や、所望利得が変化するためである。
【表１】
2004273573.tif 000003
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、信号光の波長が長波長側にシフトするにつれて、光増幅部に供給される励起光強度および伝送路長は増加する傾向があり、このことは光増幅部に入力される信号光の強度に関わらず同様である。従って、異なる波長を有する複数の信号光を増幅する光増幅器を構成する場合、短波長の信号光を増幅する光増幅部に対して、長波長の信号光を増幅する光増幅部は、前者よりも長い伝送路長を有し、高強度の励起光を供給される構造とすることによって増幅後の異なる信号光間の強度差を許容範囲内に抑制し、個々の信号光において波長変動に対する増幅後の強度変動についても許容範囲内に抑制する光増幅器を実現することが可能である。従って、本実施の形態１にかかる光増幅器は、増幅対象となる信号光の波長範囲が１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍ程度のいわゆるＬ−ｂａｎｄ帯域に属する場合に適用可能である。また、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すＬ−ｂａｎｄ帯域以外の波長範囲、例えば信号光が１５２５ｎｍ〜１５６５ｎｍ程度のいわゆるＣ−ｂａｎｄ帯域の波長範囲に属する場合であっても本発明を適用することができる。
【００５０】
また、光増幅器の構成についても、図１に示すものに限定されるのではない。例えば、図６に示すように、４種類の異なる波長を有する信号光に対して４個の光増幅部を備えた構造を有することとしても良い。図６に示す変形例では、それぞれ１５３０ｎｍ、１５５０ｎｍ、１５７０ｎｍ、１５９０ｎｍの波長を有する信号光に対応して光増幅部１４〜１７が配置されている。そして、光増幅部１４、１５に対しては、励起光源１９から出力された励起光が光分波器２０によって所定割合で分波されて供給され、光増幅部１６、１７に対しては、励起光源２１から出力された励起光が光分波器２２によって所定割合で分波されて供給される。また、光増幅部１４〜１７に励起光を導入するための光合波器２３〜２６に対して信号光進行方向上流にはアイソレータ２７〜３０が配置され、逆方向に進行する光を遮蔽している。また、光増幅部１４〜１７の下流には光合波器３１が配置されることによって増幅された信号光は合波されて伝送路３２に出力され、伝送路３２にはアイソレータ３３が配置されることによって逆方向に進行する光を遮蔽している。
【００５１】
図６に示す構成の光増幅器であっても、増幅する信号光の波長が増加するに従って伝送路長および供給される励起光の強度を徐々に増加させた構造とすることが好ましい。かかる構造を採用することによって、増幅後の信号光の強度がほぼ均一であって、個々の信号光において波長変動による増幅利得の変動が±１ｄＢ以下となる光増幅器を実現することが可能である。
【００５２】
なお、図７は、図２のグラフについて、１５１０〜１５７０ｎｍの波長範囲について詳細に示すグラフである。図７において、曲線ｌ１〜曲線ｌ６は図２に示す曲線と同じものであり、曲線ｌ１２〜曲線ｌ１６は、それぞれＮ２＝０．９、０．７、０．５、０．３、０．１とした場合の曲線である。図７に示すように、１５３０ｎｍ±７ｎｍの波長範囲に渡って平坦な増幅利得特性を有するのは曲線ｌ３（Ｎ２＝０．６）の場合であり、１５５０ｎｍ±７ｎｍの波長範囲に渡って平坦な増幅利得特性を有するのは曲線ｌ１３（Ｎ２＝０．７）の場合であることが分かる。従って、光増幅部１４ではＮ２の値を０．６、光増幅部１５ではＮ２＝０．７となるよう構成することが好ましい。光増幅部１６、１７については、前述の図４に従ってＮ２の値を決定することができる。
【００５３】
また、図１、図６に示した光増幅器は、複数の信号光がそれぞれ別個の経路を経て入力し、増幅後はそれぞれが合波されて単一の伝送路から出力される、いわゆるブースタアンプ構造を有するが、かかる構造に限定する必要はない。例えば図８（ａ）に示すように、入力する信号光および増幅後の信号光について単一の伝送路中を伝送させる、いわゆるインラインアンプ構造としても良いし、図８（ｂ）に示すように、入力する信号光は同一の伝送路中を伝送し、増幅後の信号光は別個の伝送路中を伝送するプリアンプ構造としても良い。
【００５４】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる光通信システムについて説明する。本実施の形態２にかかる光通信システムは、複数の信号光を多重化して伝送し、かつ信号光の波長制御を行わないＣＷＤＭ方式を採用し、伝送路の途上に実施の形態１にかかる光増幅器を配置した構造を有する。なお、本実施の形態では例として１５７０ｎｍの波長を有する信号光と、１５９０ｎｍの波長を有する信号光とを伝送する光通信システムを例として説明するが、かかる構造に限定されないことはもちろんである。
【００５５】
図９は、本実施の形態２にかかる光通信システムの構成を示す模式図である。図９に示すように、本実施の形態２にかかる光通信システムは、送信器３５と、送信器３５と接続された伝送路３６と、伝送路３６と接続された光増幅器３７と、光増幅器３７と接続された伝送路３８と、伝送路３８と接続された受信器３９とを備える。送信器３５は、信号光源４０ａ、４０ｂと、信号光源４０ａ、４０ｂと接続された光合波器４１とを備え、受信器３９は、光分波器４２と、光電変換素子４３ａ、４３ｂとを備える。
【００５６】
光増幅器３７は、実施の形態１にかかる光増幅器によって構成される。このため、複数の信号光に対してほぼ均一な増幅利得によって増幅することが可能であって、かつ個々の信号光の波長が一定範囲で変動した場合であっても、ほぼ均一な増幅利得によって増幅することが可能である。
【００５７】
信号光源４０ａ、４０ｂは、波長制御機構を付加して、出力する信号光の波長を一定に制御する構造とすることも可能だが、波長制御機構を省略した構造とすることが好ましい。上記のように、光増幅器３７は波長変動に対する増幅利得の変動が抑制された構造を有することから、信号光の波長を一定に維持する必要性に乏しく、低コストの光通信システムを実現する観点からは波長制御機構を省略することが好ましいためである。なお、異なる信号光同士のクロストークを防止する観点からは信号光源４０ａから出力される信号光の波長と、信号光源４０ｂから出力される信号光の波長とは２０ｎｍ程度の差分値を有することが好ましい。
【００５８】
本実施の形態２にかかる光通信システムでは、まず信号光源４０ａ、４０ｂから波長の異なる信号光がそれぞれ出力される。そして、光合波器４１でそれぞれの信号光は合波された後、伝送路３６中を伝送する。そして、光増幅器３７でほぼ均一な増幅利得で増幅された後、伝送路３８中を伝送し、受信器３９に到達する。受信器３９に入力された信号光は、光分波器４２によって波長ごとに分波され、光電変換素子４３ａ、４３ｂに入力される。光電変換素子４３ａ、４３ｂに入力されることによって信号光は電気信号に変換され、所定の処理回路によって情報が抽出されて光通信が完了する。
【００５９】
本実施の形態２にかかる光通信システムでは、光増幅器３７として実施の形態１にかかる光増幅器を用いることとしたため、信号光の波長変動が生じた場合であってもほぼ均一な増幅利得によって光増幅が可能となるため、信号光源４０ａ、４０ｂに対して波長制御機構を付加する必要がない。また、ほぼ均一な増幅利得を得ることができるため、別途利得等化器等を設ける必要がない。従って、従来と比較して低コストの光通信システムを実現することが可能である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、個々の信号光に対応して複数の光増幅部を設け、単一の光増幅部で単一の信号光を増幅する構成としたため、一部の信号光の波長変動に起因して他の信号光に対する増幅利得変動が生じることを防止できるという効果を奏する。また、個々の信号光の波長に対応して励起光強度を最適化する構成としたため、それぞれの信号光に対してほぼ均一な増幅利得を与えることが可能となると共に、波長変動に対する増幅利得変動を抑制した増幅利得特性を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる光増幅器の構成を示す模式図である。
【図２】Ｎ１、Ｎ２が異なる値となった場合の増幅利得の変動を示すグラフである。
【図３】図２のグラフに関して、１５６０ｎｍ〜１６１０ｎｍの範囲を詳細に示すグラフである。
【図４】（ａ）は、実施の形態１にかかる光増幅における増幅利得の波長依存性を示すグラフであり、（ｂ）は、励起光強度を等しくした場合の増幅利得の波長依存性を示すグラフである。
【図５】（ａ）は各信号光波長の最適励起光パワー（１５７０ｎｍで規格化）を示すグラフであり、（ｂ）は各信号光波長の最適増幅用伝送路長（１５７０ｎｍで規格化）を示すグラフである。
【図６】実施の形態１にかかる光増幅器の変形例の構成を示す模式図である。
【図７】図２のグラフに関して、１５１０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲を詳細に示すグラフである。
【図８】実施の形態１にかかる光増幅器の変形例の構成を示す模式図である。
【図９】実施の形態２にかかる光通信システムの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１、２  入力端
３          第１光増幅部
４          第２光増幅部
５、６  光合波器
７          励起光源
８          光分波器
９          光合波器
１０      光伝送路
１１、１２        アイソレータ
１３      アイソレータ
１４、１５        光増幅部
１６、１７        光増幅部
１９      励起光源
２０      光分波器
２１      励起光源
２２      光分波器
２３〜２６        光合波器
２７〜３０        アイソレータ
３１      光合波器
３２      伝送路
３３      アイソレータ
３５      送信器
３６      伝送路
３７      光増幅器
３８      伝送路
３９      受信器
４０ａ、４０ｂ    信号光源
４１      光合波器
４２      光分波器
４３ａ、４３ｂ    光電変換素子
【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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