(57)【要約】本発明は、光増幅媒体に供給される励起光と、その光増幅媒体内で発生するＡＳＥ光とによって反転分布状態が形成されるときにでも、広い周波数帯域で良好な応答特性を実現できる光増幅器を提供することを目的とする。このため本発明の光増幅器は、希土類元素を添加した光増幅媒体として、応答速度が相対的に遅い第１ファイバを入力側に配置し、応答速度が相対的に速い第２ファイバを出力側に配置した遅延位相整合ファイバを用いるようにしたことを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素が添加された光増幅媒体と、該光増幅媒体に対して励起光を供給する励起光供給部とを備え、前記光増幅媒体に供給される励起光および前記光増幅媒体内で発生する自然放出光によって反転分布状態が形成される光増幅器であって、
前記光増幅媒体は、信号光および励起光が一端から入力される第１ファイバと、該第１ファイバの他端に光学的に接続され、前記第１ファイバよりも応答速度が相対的に速い第２ファイバとから形成された遅延位相整合ファイバを用いたことを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載の光増幅器であって、
前記遅延位相整合ファイバは、その長手方向について、励起光が自然放出光よりも多く存在する範囲に前記第１ファイバを配置し、自然放出光が励起光よりも多く存在する範囲に前記第２ファイバを配置したことを特徴とする光増幅器。
【請求項３】
請求項１に記載の光増幅器であって、
前記第２ファイバの希土類元素ドープ径が、前記第１ファイバの希土類元素ドープ径よりも小さいことを特徴とする光増幅器。
【請求項４】
請求項３に記載の光増幅器であって、
前記第１ファイバは、クラッドに囲まれたコアの断面の略全体に希土類元素を添加した構造を有し、
前記第２ファイバは、クラッドに囲まれたコアの断面の中心部分に希土類元素を添加し、周縁部分には希土類元素を添加しない構造を有することを特徴とする光増幅器。
【請求項５】
請求項１に記載の光増幅器であって、
前記第２ファイバのモードフィールド径が、前記第１ファイバのモードフィールド径よりも小さいことを特徴とする光増幅器。
【請求項６】
請求項５に記載の光増幅器であって、
前記第１ファイバは、クラッドに囲まれたコアの断面についての屈折率が略均一であり、
前記第２ファイバは、クラッドに囲まれたコアの断面についての中心部分の屈折率が前記第１ファイバのコアの屈折率に略等しく、周縁部分の屈折率が前記中央部分の屈折率よりも高いことを特徴とする光増幅器。
【請求項７】
請求項１に記載の光増幅器であって、
少なくとも出力光のパワーを検出し、該検出結果に基づいて前記励起光供給部をフィードバック制御する制御部を備えたことを特徴とする光増幅器。
【請求項８】
請求項７に記載の光増幅器であって、
前記制御部は、入力光のパワーを検出する入力モニタと、出力光のパワーを検出する出力モニタと、前記入力モニタおよび前記出力モニタの検出結果に基づいて利得が一定となるように前記励起光供給部をフィードバック制御する制御回路とを有することを特徴とする光増幅器。
【請求項９】
請求項７に記載の光増幅器であって、
前記制御部は、出力光のパワーを検出する出力モニタと、該出力モニタの検出結果に基づいて出力レベルが一定となるように前記励起光供給部をフィードバック制御する制御回路とを有することを特徴とする光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、光通信システムの大容量化および長距離化を可能にする光増幅器に関し、特に、光増幅媒体に供給される励起光と、その光増幅媒体内で発生するＡＳＥ光とによって反転分布状態が形成される光増幅器に関する。
【背景技術】  近年、インターネット技術の発展に伴い情報需要は飛躍的に増大し、情報容量が集約する幹線系光伝送システムにおいては、さらなる大容量化や柔軟なネットワーク形成などが求められている。このようなシステム需要に対応するための技術として、波長多重（ＷＤＭ）伝送方式は現状における最も有効な手段であり商用化が進められている。
上記の波長多重光伝送方式を実現する上で、希土類元素を添加した光ファイバを用いて光信号を増幅する光増幅器は、その広い利得帯域を利用して波長多重信号光を一括して増幅できることから、１つのキーコンポーネントとなっている。このような光増幅器としては、例えば、エルビウム（Ｅｒ）ドープファイバ光増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＥＤＦＡ）が一般的である。
ＥＤＦＡは、これまで主流であった１５３０〜１５６５ｎｍの波長帯、いわゆるＣバンド（Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｂａｎｄ）に対応した増幅帯域を有するだけでなく、近年になって、１５７０〜１６０５ｎｍの波長帯、いわゆるＬバンド（Ｌｏｎｇ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｂａｎｄ）も増幅帯域として包含することが知られるようになった。このため、現状のＥＤＦＡシステムでは、ＣバンドとＬバンドを合わせた帯域に約２００波程度の光信号を配置したＷＤＭ信号光の増幅が可能である（例えば、特開２０００−７７７５５号公報、特表２００２−５２８９０１号公報および澤田、外２名，「Ｌ−Ｂａｎｄ増幅用広帯域利得平坦化ＥＤＦＡの検討」，三菱電線工業時報，第９６号，Ｐ．４５−４８、等を参照）。
図７は、従来のＥＤＦＡの基本構成を示すブロック図である。
図７に示す従来のＥＤＦＡは、例えば、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）１０１と、そのＥＤＦ１０１に励起光Ｌｐを供給する励起用半導体レーザ（ＬＤ）１０２およびＷＤＭカプラ１０３と、入力端子ＩＮおよび出力端子ＯＵＴ間の両端部分に配置した光アイソレータ１０４，１０５とを備えて構成される。この構成例では、ＥＤＦ１０１の入力側の一端から励起光Ｌｐを供給し、信号光Ｌｓと励起光Ｌｐとを同じ方向に伝搬させて良好な雑音特性（ＮＦ）が得られるようにした前方励起型の構成を適用している。また、従来のＥＤＦＡについては、出力レベルまたは利得が一定となるように、ここでは図示を省略した入出力パワーモニタでのモニタ結果に基づいて励起用半導体レーザ１０２に与える駆動電流のフィードバック制御を行う構成が適用される場合も多い。
上記のような基本構成を持つ従来のＥＤＦＡによりＬバンドの信号光を増幅する場合、その光増幅動作は、例えば図８および図９に示すように、２段階に変化する周波数応答特性を示すことが知られている。この２段階の周波数応答特性は、ＥＤＦ１０１を反転分布状態とする際の励起光の吸収過程に起因して発生する。
すなわち、ＥＤＦＡ１０１は、励起光源１０２からＷＤＭカプラ１０３を介してＥＤＦ１０１に供給される励起光Ｌｐが直接吸収される過程と、ＥＤＦ１０１内で発生する増幅された自然放出（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＡＳＥ）光が励起光として再び吸収される過程とによって反転分布状態となる。ＡＳＥ光の再吸収に基づいて得られる光増幅の応答特性は、励起光Ｌｐの吸収に基づいて得られる光増幅の応答特性に比べて遅延が発生するため、ＥＤＦ１０１全体での光増幅の応答特性が２段階で変化するようになる。これを横軸に周波数をとり、縦軸に位相をとって具体的に表した一例が図８である。この図８の位相特性は、例えば、励起光Ｌｐを正弦波等で変調してＥＤＦ１０１に供給すると、その変調成分に応答して信号光Ｌｓも増幅されることに基づいて、励起光Ｌｐのパワーを変化させた時の信号光Ｌｐのパワーが変化するタイミングの時間差を位相差として表したものである。そして、このような図２の位相特性を利得特性に変換して表したものが図９となる。
上記のような２段階の応答特性を示す光増幅は、前述した励起用半導体レーザ１０２に与える駆動電流のフィードバック制御において位相のずれを生じさせるため、制御の誤差の原因となる可能性がある。このため。従来のＬバンド用ＥＤＦＡは、いわゆる１次遅れのフィードバック制御を行うことが難しくなってしまうという問題点があった。
本発明は上記の問題点に着目してなされたもので、光増幅媒体に供給される励起光と、その光増幅媒体内で発生するＡＳＥ光とによって反転分布状態が形成されるときにでも、広い周波数帯域で良好な応答特性を実現できる光増幅器を提供することを目的とする。
【発明の開示】
上記の目的を達成するため、本発明に係る光増幅器は、希土類元素が添加された光増幅媒体と、該光増幅媒体に対して励起光を供給する励起光供給部とを備え、前記光増幅媒体に供給される励起光および前記光増幅媒体内で発生する自然放出光によって反転分布状態が形成される光増幅器であって、前記光増幅媒体は、信号光および励起光が一端から入力される第１ファイバと、該第１ファイバの他端に光学的に接続され、前記第１ファイバよりも応答速度が相対的に速い第２ファイバとから形成された遅延位相整合ファイバを用いるようにしたものである。
上記のような構成の光増幅器では、励起光供給部からの励起光が光増幅媒体としての遅延位相整合ファイバに対して第１ファイバの一端から与えられると、その励起光は信号光と同方向に第１ファイバおよび第２ファイバ内を順に伝搬して、ファイバ内に添加された希土類元素に吸収される。また、遅延位相整合ファイバへの励起光の供給により第１および第２ファイバ内にはＡＳＥ光が発生する。遅延位相整合ファイバ内の長手方向についての励起光およびＡＳＥ光の分布は、入力側に励起光が多く存在し、出力側にＡＳＥ光が多く存在するようになる。このような分布に対して、励起光による光増幅が支配的となる入力側に応答速度が相対的に遅い第１ファイバを配置し、ＡＳＥ光による光増幅が支配的となる出力側に応答速度が相対的に速い第２ファイバを配置することによって、励起光による光増幅の位相ずれと、ＡＳＥ光による光増幅の位相ずれとの整合が図られるようになり、広い周波数帯域で良好な応答特性を実現することができるようになる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の光増幅器の一実施形態の全体構成を示すブロック図である。
図２は、上記の実施形態に用いられる遅延位相整合ファイバの構造例を示す断面図である。
図３は、上記の実施形態において、遅延位相整合ファイバ内に存在する励起光およびＡＳＥ光の相対的な分布の一例を示す図である。
図４は、上記の実施形態によって得られる周波数応答特性の一例を示す図である。
図５は、上記の実施形態に用いられる遅延位相整合ファイバの他の構造例を示す断面図である。
図６は、上記の実施形態の具体的な応用例の構成を示すブロック図である。
図７は、従来のＥＤＦＡの基本構成を示すブロック図である。
図８は、従来のＥＤＦＡの周波数に対する位相特性を示す図である。
図９は、従来のＥＤＦＡの周波数に対する利得特性を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明に係る光増幅器を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。
図１は、本発明の光増幅器の一実施形態の全体構成を示すブロック図である。
図１において、本光増幅器は、例えば、応答特性が異なる２種類のエルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）１ａ，１ｂを互いに接続した光増幅媒体としての遅延位相整合ファイバ１と、その遅延位相整合ファイバ１に励起光Ｌｐを供給する励起用半導体レーザ（ＬＤ）２およびＷＤＭカプラ３と、入力端子ＩＮおよび出力端子ＯＵＴ間の両端部分に配置した光アイソレータ４，５とを備えて構成される。
遅延位相整合ファイバ１は、応答速度が相対的に遅いＥＤＦ１ａ（第１ファイバ）を入力側に配置し、応答速度が相対的に速いＥＤＦ１ｂ（第２ファイバ）を出力側に配置して構成された光増幅媒体である。入力側のＥＤＦ１ａは、例えば図２（ａ）の断面図に示すように、光ファイバのクラッドに囲まれたコアの略全体にエルビウムを添加した構造を持つ。一方、出力側のＥＤＦ１ｂは、例えば図２（ｂ）の断面図に示すように、コアの中心部分にエルビウムを添加し、その外側に隣接するコアの周縁部分にはエルビウムを添加しない構造を持つ。なお、図２ではエルビウム添加領域が斜線部分で示してある。各ＥＤＦ１ａ，１ｂは、各々の長さが後述するように遅延位相整合ファイバ１の長手方向における励起光ＬｐおよびＡＳＥ光の分布状態に応じて予め設定され、各々の一端が融着スプライスまたはコネクタ等を介して互いに接続されている。また、遅延位相整合ファイバ１の入力端（ＥＤＦ１ａの他端）は、ＷＤＭカプラ３の信号光Ｌｓおよび励起光Ｌｐが出力されるポートに接続され、遅延位相整合ファイバ１の出力端（ＥＤＦ１ｂの他端）は、出力側の光アイソレータ５の入力ポートに接続される。
励起用半導体レーザ２は、ＥＤＦ１ａ，１ｂ内のエルビウムを励起することが可能な所要の波長（例えば、０．９８μｍや１．４８μｍ等）の励起光Ｌｐを発生する一般的な励起光源である。この励起用半導体レーザ２で発生した励起光ＬｐはＷＤＭカプラ３に送られる。
ＷＤＭカプラ３は、入力端子ＩＮから光アイソレータ４を介して与えられる信号光Ｌｓに励起用半導体レーザ２からの励起光Ｌｐを合波して、遅延位相整合ファイバ１のＥＤＦ１ａに与えるものである。本光増幅器では、信号光Ｌｓと励起光Ｌｐとが同じ方向に伝搬する前方励起型の構成が適用される。
光アイソレータ４，５は、光を決められた方向にのみ通過させる光受動部品であり、ここでは入力側の光アイソレータ４が入力端子ＩＮおよびＷＤＭカプラ３の間に配置され、出力側の光アイソレータ５が遅延位相整合ファイバ１および出力端子ＯＵＴの間に配置される。なお、これらの光アイソレータ４，５は、本光増幅器を比較的低い利得で動作させるような場合などにおいては省略することも可能である。
次に、本実施形態の動作について説明する。
本光増幅器では、Ｌバンドの信号光Ｌｓが入力端子ＩＮに与えられると、その信号光Ｌｓが光アイソレータ４およびＷＤＭカプラ３を介して遅延位相整合ファイバ１に送られる。この遅延位相整合ファイバ１には、励起用半導体レーザ２で発生する励起光ＬｐがＷＤＭカプラ３を介してＥＤＦ１ａ側から与えられており、その励起光ＬｐがＥＤＦ１ａおよびＥＤＦ１ｂを順に伝搬して吸収されることで各ＥＤＦ１ａ，１ｂ内のエルビウムが励起される。また、励起光Ｌｐによって励起された各ＥＤＦ１ａ，１ｂでは、１．５５μｍ帯の増幅された自然放出光（ＡＳＥ光）が発生し、そのＡＳＥ光が励起光として再吸収される。
このとき、遅延位相整合ファイバ１内に存在する励起光ＬｐおよびＡＳＥ光の相対的な分布をファイバの長手方向について考えると、例えば図３に示すように、励起光Ｌｐは、遅延位相整合ファイバ１の入力端付近での吸収が強いため入力側に多く存在し、遅延位相整合ファイバ１の出力端に近づくにつれて減少する。一方、ＡＳＥ光は、遅延位相整合ファイバ１の略全体に存在するが、励起光Ｌｐとの相対的な分布を比べると、遅延位相整合ファイバ１の出力側に多く存在する。このような分布の違いに基づいて、遅延位相整合ファイバ１の長手方向の全長を、励起光Ｌｐが主として光増幅に寄与する範囲と、ＡＳＥ光が主として光増幅に寄与する範囲とに分けて考えることができる。具体的に、上記の各範囲を分ける境界の位置としては、上記の図３において励起光Ｌｐの分布を示す曲線とＡＳＥ光の分布を示す曲線とが交差する点Ｘまたはその近傍を設定することが可能である。
ところで、上述したように励起光Ｌｐの吸収による光増幅はその応答が速く、ＡＳＥ光の再吸収による光増幅はその応答が遅いため、従来の構成のように単一のＥＤＦを用いた場合には光出力に遅延位相差が生じる。この遅延位相差を低減させるためには、上記の励起光Ｌｐが主として光増幅に寄与する範囲に対して、応答速度が相対的に遅い光増幅媒体を適用し、ＡＳＥ光が主として光増幅に寄与する範囲に対しては、応答速度が相対的に速い光増幅媒体を適用することが有効となる。そこで、本実施形態では、遅延位相整合ファイバ１の入力端から前述の図３に示した交点Ｘに対応する位置までの範囲の光増幅媒体として、コアの略全体にエルビウムを添加して相対的な応答速度を遅くしたＥＤＦ１ａを使用し、上記の交点Ｘに対応する位置から遅延位相整合ファイバ１の出力端までの範囲の光増幅媒体として、コアの中心部分にエルビウムを添加して相対的な応答速度を速くしたＥＤＦ１ｂを使用するようにしている。
ここで、ＥＤＦの応答特性について詳しく説明する。
一般に、ＥＤＦの応答速度は、ファイバ内のエネルギー密度に応じて変化することが知られている。このエネルギー密度は、ＥＤＦの構造を表すパラメータの１つであり、次の（１）式に示す関係に従って表すことができる。
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ここで、Ψはエネルギー密度、ｄはエルビウムのドープ径、ωはモードフィールド径である。
上記の（１）式より、ＥＤＦ内のエネルギー密度Ψは、エルビウムドープ径ｄまたはモードフィールド径ωに応じて変化することが分かる。具体的には、エルビウムドープ径ｄを狭くすると、単位エルビウムドープ体積に対するエネルギー密度が高くなるため、ＥＤＦの応答速度は速くなる。また、これと同様にしてモードフィールド径ωを狭くしてもＥＤＦの応答速度は速くなる。そこで、本実施形態では、前述の図２に示したように、出力側のＥＤＦ１ｂのエルビウムドープ径を入力側のＥＤＦ１ａのエルビウムドープ径よりも狭くすることによって、出力側のＥＤＦ１ｂにおける相対的な応答速度が入力側のＥＤＦ１ａよりも速くなるようにしている。
従って、本光増幅器においては、遅延位相整合ファイバ１の長手方向について、励起光Ｌｐによる光増幅が支配的となる入力側の範囲では、エルビウムドープ径を広くしたＥＤＦ１ａの使用により相対的な応答速度が抑えられ、ＡＳＥ光による光増幅が支配的となる出力側の範囲では、エルビウムドープ径を狭くしたＥＤＦ１ｂの使用により相対的な応答速度が上昇されて、遅延位相整合ファイバ１全体での応答速度が均一な状態に近づけられるようになる。これにより、励起光Ｌｐによる光増幅の位相ずれと、ＡＳＥ光による光増幅の位相ずれとの整合を図ることができるため、例えば図４の実線に示すように、広い周波数帯域に亘って一定の遅延時間を得ることが可能になる。なお、図４の破線で示した応答特性は、ＥＤＦ１ａ，１ｂを単独で使用してＬバンドの信号光を増幅した場合の一例を示したものである。従って、上述の図９に示したような２段階の周波数応答特性が回避されるため、励起用半導体レーザー２のフィードバック制御を容易に実現することが可能になる。
なお、上記の実施形態では、エルビウムドープ径を異ならせることによってＥＤＦ１ａ，１ｂの応答速度を相対的に相違させるようにしたが、本発明はこれに限らず、例えば図５に示すように、ＥＤＦ１ａ’，１ｂ’の各コアにおける屈折率プロファイルに差をつけることでモードフィールド径を異ならせて、ＥＤＦ１ａ’，１ｂ’の応答速度を相対的に相違させるようにしてもよい。具体的に、図５の一例では、コアの中心部分にエルビウムを添加した同様のエルビウムドープ径を持つ光ファイバについて、屈折率プロファイルをコア全体で略一定となるように設計したものが入力側のＥＤＦ１ａ’として使用され、一方、エルビウムを添加していないコアの周縁部分の屈折率がエルビウム添加領域の屈折率よりも高くなるように屈折率プロファイルを設計したものが出力側のＥＤＦ１ｂ’として使用される。コアの中心部分と周縁部分の屈折率を変化させるには、例えば、屈折率を調整するためにファイバに添加するアルミニウム（Ａｌ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等のイオンの添加濃度を各々の部分で相違させるなどすればよい。このように、コアの周縁部分の屈折率を高くすることによってモードフィールド径が狭くなるため、ＥＤＦ１ｂ’の応答速度はＥＤＦ１ａ’に比べて速くなり、前述したエルビウムドープ径を相違させる場合と同様の作用効果を得ることができるようになる。
次に、上述した実施形態による光増幅器の具体的な応用例について説明する。
図６は、上記の応用例による光増幅器の構成を示すブロック図である。
図６に示す光増幅器は、上述の図７に示した実施形態の構成について、入力光のパワーをモニタするための光カプラ１０および受光器（ＰＤ）１１と、出力光のパワーをモニタするための光カプラ１２および受光器（ＰＤ）１３と、各受光器１１，１３でモニタされる入出力光パワーを基に本光増幅器における利得が一定となるように励起用半導体レーザ２の駆動状態をフィードバック制御する制御回路１４とを設けたものである。なお、上記以外の他の部分の構成は、図７に示した実施形態の構成と同様であるため、ここでの説明を省略する。
上記のような構成の光増幅器では、制御回路１４からの制御信号に従って励起用半導体レーザ２に与えられる駆動電流がフィードバック制御されることにより、いわゆるＡＧＣが行われるようになる。このＡＧＣは、従来のような２段階の周波数応答特性を示す出力光のモニタ結果ではなく、上述の図４に示したような広い周波数帯域で良好な応答特性を示す出力光のモニタ結果に基に行われるため、高い精度の制御が可能となる。
なお、上記の応用例ではＡＧＣを適用した光増幅器の構成を示したが、例えば、受光器１３でモニタされる出力光のレベルが一定となるように励起用半導体レーザ２をフィードバック制御する、いわゆるＡＬＣを行う構成としてもＡＧＣの場合と同様の効果を得ることが可能である。
また、上述した実施形態およびその応用例では、エルビウムを添加した光ファイバを用いた光増幅器について説明したが、本発明はこれに限らず、エルビウム以外の他の希土類元素を添加した光ファイバを光増幅媒体として使用することも可能である。この場合に適用される励起光は、光ファイバに添加される希土類元素により吸収されて反転分布を形成可能な所要の波長を有するものとする。
さらに、Ｌバンドの信号光を増幅する場合について説明したが、本発明はＬバンド用の光増幅器に限定されるものではなく、他の波長帯に増幅帯域を有する光増幅器であっても、光増幅媒体に供給される励起光と、その光増幅媒体内で発生するＡＳＥ光とによって反転分布状態が形成される前方励起型の構成であれば、本発明を適用することによって、上述した場合と同様の作用効果を得ることが可能である。
【産業上の利用可能性】  本発明は、励起光およびＡＳＥ光により光増幅媒体の反転分布状態が形成される前方励起型の光増幅器について、応答速度が相対的に遅い第１ファイバを入力側に配置し、応答速度が相対的に速い第２ファイバを出力側に配置した遅延位相整合ファイバを光増幅媒体として用いるようにしたこで、広い周波数帯域で良好な応答特性が得られるようになり、励起光のフィードバック制御を高い精度で行うことが可能になるため、産業上の利用可能性が大である。
【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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【国際調査報告】
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