(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力ポンプ段と、1つまたは複数のさらなるポンプ段と、マルチパス干渉(MPI)及び自然放射増幅光(ASE)によるノイズを抑えながら、利得を変更するように、前記各ポンプ段に供給されるポンプ電流を制御するための制御手段とを含み、前記各ポンプ段は光増幅用ファイバを用いた光増幅段である光増幅器であって、
前記利得が所定の増幅レベルに達するまでは、
前記入力ポンプ段に加えられる前記ポンプ電流は、必要とされる出力パワーを維持するために、有限の低い値のポンプ電流が次段のまたは次段以降の各ポンプ段に常に加えられるようなレベルに維持され、
前記利得が前記所定の増幅レベルを超えると、
前記入力ポンプ段に供給される前記ポンプ電流が望ましい最大値に維持され、少なくとも1つのさらなる前記ポンプ段に供給される前記ポンプ電流は、前記利得を制御するために前記低い値から増大される、光増幅器。
【請求項２】
光増幅用ファイバを用いた光増幅段である複数のさらなるポンプ段がある場合に、前記制御手段が、少なくとも前記所定の増幅レベルまでは前記低い値のポンプ電流を前記さらなる各ポンプ段へ加えるように構成される、請求項１に記載の光増幅器。
【請求項３】
前記増幅器の前記出力パワーを監視するための出力パワー監視手段が設けられた、請求項１または２に記載の光増幅器。
【請求項４】
前記監視される出力パワーを出力パワー設定ポイントと比較し、差分信号を前記制御手段に供給して前記各ポンプ段に加えられる前記ポンプ電流を制御するための比較手段が設けられた、請求項３に記載の光増幅器。
【請求項５】
前記増幅器の入力パワーを監視するための前記入力パワー監視手段が設けられた、請求項１または２に記載の光増幅器。
【請求項６】
前記各ポンプ段がエルビウム添加ファイバのループを含む、請求項１または２に記載の光増幅器。
【請求項７】
前記各ポンプ段がポンプレーザダイオードを組み込んでいる、請求項１または２に記載の光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅器に関し、より詳細には、それだけに限定されるものではないが、多段エルビウム添加ファイバ増幅器(EDFA:erbium doped fibre amplifier)に関する。
【背景技術】
【０００２】
光増幅器の光学雑音特性は、2つの主要な特性パラメータ、すなわち雑音指数(NF:noise figure)およびマルチパス干渉(MPI:multipath interference)によって特徴付けることができる。高反転分布型エルビウム添加ファイバ(EDF:erbium doped fibre)増幅器では、信号が誘導放出によって増幅されるだけでなく、自然放出光も生成される。この自然放出光は増幅器によってさらに増幅されることがあり、結果として自然放射増幅光(ASE:amplified spontaneous emission)が生じる。自然放射増幅光(ASE)は、データチャネル間およびデータチャネル下の利得波長領域上で生成される。受信器では、チャネル間の自然放射増幅光(ASE)のほとんどを除去することが可能であるが、データチャネル下の雑音を除去することは不可能である。したがって、信号自然放出間雑音指数(signal spontaneous noise figure)NFs-spが定義される。
【０００３】
タップカプラ、アイソレータ、および他の光学部品を含む入力段をもつ一般の増幅器では、入力段での損失は、dB方式ではdB単位にて、他の損失に加えられる。したがって、増幅器の雑音特性を最適化するためには入力段での損失を最小限にすることが重要である。EDF増幅器を、フォワードポンプ増幅器(forward pumped amplifier)に沿って、利得が一定で、ポンプパワーおよび反転分布がほぼ指数関数的に減衰する複数の仮想セクションに分割することによって、最も高い利得は増幅器の第1セクションにあることを実証することができる。入力損失と雑音指数(NF)の関係と同様に、第1セクションでの利得が高いと全体の雑音指数(NF)が下がる。要約すれば、低雑音指数(NF)増幅器のためには、入力段の損失を最小化し、信号を可能な限り早く増幅しなければならないと言える。
【０００４】
EDF増幅器内の光信号経路での反射は様々な点で生じる。誘電体フィルタ、光サーキュレータ、アイソレータなどの受動部品はコリメート用および集光用の光学要素の間に挿入されるバルク光学部品でできている。さらに、各光学表面では、反射防止コーティングを使用することによって最小限に抑えられてはいるが、反射を生じる。典型的なリターンロスは約55dBであるが、ポンプレーザダイオードは約20dB程度のはるかにより高いリターンロスを有し、ファイバブラッグ格子は最低で1dBのリターンロスを有することがある。さらに、離散的反射と比較してレイリー散乱は通常は無視できるが、光ファイバ中のレイリー散乱により、ファイバそれ自体の中に反射機構ができる。
【０００５】
増幅器内の信号の2重反射(それより高次の反射は無視される)またはマルチパス干渉(MPI)は別の雑音源として働く。EDF増幅器では、この雑音は、信号自然放出間雑音指数とは違って、光領域で測定することはできない。さらに、増幅器中の2つの反射点の間に高反転分布のEDFがある場合、マルチパス干渉(MPI)は増幅器の性能を著しく低下させるレベルに達する恐れがある。
【０００６】
米国特許第6,377,394号では、利得変調を生じさせる傾向がある様々な要因にもかかわらず実質上一定の利得を実現するために、EDF増幅器のいくつかのポンプ段に供給されるポンプ電流を制御するための制御構成を開示している。しかし、増幅レベルが低い場合、電流は第1ポンプ段のみに供給され、次段のまたは次段以降の各ポンプ段には電流は供給されない。その結果、損失はさらなる各ポンプ段に関連し、第1ポンプ段に供給されるパワーを増大させることによって補償され、したがって高レベルのマルチパス干渉(MPI)および増幅器の性能低下をもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、時間を経ても、また様々な条件下でも低雑音特性が維持される光増幅器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、入力ポンプ段と、1つまたは複数のさらなるポンプ段と、低雑音特性を増幅器に付与しながら利得を変更するように、各ポンプ段に供給されるポンプ電流を制御するための制御手段とを含む光増幅器であって、所定の増幅レベルまでは、入力ポンプ段へのポンプ電流を変化させることによって利得が制御され、次段のまたは次段以降の各ポンプ段に供給されるポンプ電流が、利得が所定の増幅レベルまで変化するときに望ましい低い値に維持される光増幅器が提供される。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、入力ポンプ段と、1つまたは複数のさらなるポンプ段と、低雑音特性を増幅器に付与しながら利得を変更するように、各ポンプ段に供給されるポンプ電流を制御するための制御手段とを含む光増幅器であって、所定の増幅レベルを超えると、入力ポンプ段に供給されるポンプ電流が望ましい最大値に維持され、少なくとも1つのさらなるポンプ段に供給されるポンプ電流が、所定の増幅レベルのときは望ましい低い値にあり、利得が所定の増幅レベルを超えて増大するときは利得を制御するために前記低い値から増大される光増幅器が提供される。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、入力ポンプ段と、1つまたは複数のさらなるポンプ段と、低雑音特性を増幅器に付与しながら利得を変更するように、各ポンプ段に供給されるポンプ電流を制御するための制御手段とを含む光増幅器であって、少なくとも1つのさらなるポンプ段に供給されるポンプ電流が、所定の増幅レベルまでは望ましい低い値に維持され、利得が所定の増幅レベルを超えて増大するときは利得を制御するために前記低い値から増大され、利得が所定の増幅レベルを超えて増大するときは入力ポンプ段に供給されるポンプ電流が望ましい最大値に維持される光増幅器が提供される。
【００１１】
こうした構成により、低雑音指数(NF)のためには増幅器の早い段階で高利得にし、低マルチパス干渉(MPI)のためにはすべての段で均等に利得を分配することによって、低雑音指数(NF)と低マルチパス干渉(MPI)の折り合いが得られる。重要な特徴は、信号自然放出雑音およびマルチパス干渉を含む全体の雑音特性を最適化するために、増幅器のすべての段にわたる利得配分を制御することである。これによって、必要とされる増幅レベルの範囲全体にわたって良好な雑音特性が得られ、同じ増幅器を、一連の適用例、例えば単一チャネルのみ、または複数チャネルと共に使用し、あるいは連続する増幅器間のある範囲の異なるスパン長で使用することができるようになる。
【００１２】
2つ以上のEDFループを含むEDF増幅器に対する本発明の好ましい適用例では、1つまたは複数のポンプが第1のループに提供され、1つまたは複数のポンプが他の1つまたは複数のループに提供され、制御構成は、様々なEDFループにまたがる利得配分を制御する働きをし、第1のループは主として雑音指数(NF)およびマルチパス干渉(MPI)に著しい影響を及ぼし、他の1つまたは複数のループは必要とされる出力パワーを供給する。光増幅器の最適化におけるもう1つのパラメータは、入力パワーのダイナミック動作レンジである。非常に低い入力パワーはファイバに沿って非常に急速に増幅され、必要とするポンプパワーは非常に低くて済む。高い入力パワーではファイバが飽和し、ファイバに沿って増幅率がより均等に分配される。すでに説明したように、これによって、低入力パワーの場合は必要とされる利得はもっぱら第1のループ内で実現でき、以降のループではポンピングを必要としないことが理解されよう。しかし、ポンピングされないループがあってもそれに関連する損失が生じ、その場合、必要とされる全体の利得を達成するために第1のループの利得を増大させる必要があり、結果として、第1のループの利得は非常に高くなり、したがってマルチパス干渉(MPI)が非常に高くなる。
【００１３】
本発明をより完全に理解できるように、次に、例として添付図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図1には、光アイソレータ3で分離され、出力パワー制御システム7の制御下でポンプレーザダイオード5および6によって光でポンピングされる2つのEDFループ1および2を備えるEDF増幅器が示してある。図では各ループ1または2に対して単一のポンプレーザダイオード5または6のみを示しているが、ループ5および6のどちらも2つ以上のレーザダイオードでポンピングしてもよく、さらに1つまたは複数の追加ループ、および関連するポンプレーザダイオードを設けてもよいことを理解されたい。一般に、増幅器は以下のようなポンプ制御方式を使用する。必要とされる出力パワーを達成するために、入力ループ1に光を供給する1つのポンプ(またはすべてのポンプ)に供給される電流は、ポンプレーザの最大駆動電流Imaxに設定される。入力ループ1に光を供給しないすべてのポンプ、すなわち、さらなる1つまたは複数のループ2に光を供給する各ポンプのポンプ電流は、必要とされる出力パワーを達成するように調整される。他の増幅器制御方式、例えば米国特許第6,377,394号で開示されている方式を利用してもよい。
【００１５】
ループ1を電流値Imaxでポンピングすることの重要性は、増幅器の可能な限り早い段階で信号を増幅することによって雑音指数を非常に低くすることができることである。これは、エルビウム添加ファイバの最初の部分に高い反転分布をもたせることによって得ることができ、高い反転分布はエルビウム添加ファイバを可能な限り大きいポンプパワーでポンピングすることによって実現することができる。ループ1へのポンプパワーを削減することによって、エルビウム添加ファイバの反転分布およびループ1での利得が減少し、増幅器の雑音指数が増加する。
【００１６】
したがって、低雑音指数(NF)および低マルチパス干渉(MPI)をもたらすために妥協が必要であり、それには、低雑音指数(NF)のためには増幅器の早い段階で高利得にし、低マルチパス干渉(MPI)のためには利得を均等に分配することが必要となる。制御構成は増幅器内の様々なEDFループにまたがって利得の配分を制御する働きをする。第1のループは主として雑音指数(NF)およびマルチパス干渉(MPI)に著しい影響を及ぼし、他の1つまたは複数のループは必要とされる出力パワーを供給する。光増幅器の最適化におけるもう1つのパラメータは、入力パワーのダイナミック動作レンジである。非常に低い入力パワーはファイバに沿って非常に急速に増幅され、必要とするポンプパワーは非常に低くて済む。高い入力パワーではファイバが飽和し、ファイバに沿って増幅率がより均等に分配される。これは、低入力パワーの場合は、必要とされる利得は第1のループで達成でき、以降のループではポンピングを必要としないことを意味する。しかし、ポンピングされないループがあってもそれに関連する損失が生じ、その場合、必要とされる全体の利得を達成するために第1のループの利得を増大させることが必要になる。この結果、第1のループの利得が非常に高くなり、したがってマルチパス干渉(MPI)が非常に高くなることがある。
【００１７】
本発明では、第1のループ1の利得が以降のループでの損失を補償しなければならないほど、すべてのループの反転分布が決して低くならないようにすることで、この可能性を防止する。これは、第2のループ2および以降の任意のループに最小ポンプパワーを供給することによって行われる。これによって、各ループは常に十分な反転分布状態になり、損失が過大になることもない。必要とされる最小ポンプ電流は、モデル化および実験検証によって得られる。最小ポンプ電流は、第2のループ2および以降の任意のループ(すなわち、第1のループ1に寄与しない各ポンプ)中のパワーに対する信号自然放出間雑音指数およびマルチパス干渉(MPI)の変化、ならびにポンプレーザの予期される経年変化特性に基づく。ポンプレーザは、閾値を十分に上回り、ファイバが(ほぼ無損失に相当する)「透過性」ポイント付近になるレベルの反転分布を生成するのに十分なだけファイバをポンピングしなければならない。
【００１８】
図1を参照すると、ポンプレーザダイオード5および6に供給される電流を制御するための出力パワー制御システム7は、ファイバの入力部から分岐した光入力信号の一部分を検出する光検出器8から入力パワーを示す信号を受け取り、またファイバの出力部から分岐した光出力信号の一部分を検出する光検出器9から出力パワーを示す信号を受け取る。これによって、前述の通り、雑音特性を最適化するように電流を動的に制御することができる。
【００１９】
図2に、実現可能な制御構成が図示してある。図2では簡単な2つのループ、2つのポンプの設計を示しているが、本発明による同様の方式は3つ以上のループおよび/または3つ以上のポンプを有する増幅器にも適用できることを理解されたい。制御構成10は、ポンプレーザダイオード5および6への駆動電流をそれぞれ制御するための2つのレーザダイオード制御器11および12、ならびに比較器14を含む。制御構成10への入力パラメータは、出力パワー設定ポイント、ポンプレーザダイオード5に対する最小/最大駆動電流、およびポンプレーザダイオード6に対する最小/最大駆動電流である。
【００２０】
出力パワー光検出器9からの信号は、比較器14で出力パワー設定ポイントと比較され、差分信号が制御器11および12に供給される。制御器11の電流制限内で必要とされる出力パワーに到達できる限り、制御器12はダイオード6の最小駆動電流でポンプレーザダイオード6をアイドリング駆動する。しかし、制御器11が最大電流に達すると、制御器12はアクティブにされ、それ自体の電流を比較器14からの差分信号によって調節して、検出された出力パワーと出力パワー設定ポイントの差によって、第2ループ内で適用される利得を制御する。
【００２１】
ポンプに使用されるレーザダイオードは、その稼働寿命にわたって経年変化する。この点に関連して、3つの主要な変化パラメータは、閾値電流、スロープ効率、およびカップリング効率である。これら3つのパラメータを考慮に入れると、レーザダイオードの内1つの寿命開始時点(SOL:Start of Life)での低出力パワーにおける「LI曲線」20が、供給電流I対光ポンプパワーPのグラフとして図3に実線で示してあり、一方10年後(t=10y)の「LI曲線」21が破線で示してある。ある固定された駆動電流に対する出力パワーが10年後に約15%減少することが理解されよう。したがって、提案された増幅器では、ループ1に寄与しない複数のポンプに対する光ポンプパワーは時間の経過と共に変化することになる。他の経年変化の影響を無視すれば、ループ1に寄与する1つまたは複数のポンプがこれを補償しなければならない。このことは、雑音指数(NF)の改善を示唆するが、マルチパス干渉(MPI)は劣化することになる。したがって、増幅器の全寿命にわたるポンプパワーの変化を考慮に入れておくことが重要である。システム性能に関して言えば、雑音指数(NF)とマルチパス干渉(MPI)は経年変化中に互いに反対の方向に変化する傾向がある。すなわち雑音指数(NF)は時間と共に改善し、マルチパス干渉(MPI)は時間と共に劣化し、変化する雑音指数(NF)を打ち消すことがある。これは、定性的な説明に過ぎない。というのもシステム性能は増幅器の外部のパラメータに依存するからである。
【００２２】
図4では、ループ1に寄与しない各ポンプのポンプパワー(ここではポンプ6のパワーP2として示してある)に対する雑音指数(NF) maxおよびマルチパス干渉(MPI)の変化の一例が示してある。このポンプに対する電流は一定に保たれるが、構成要素の損失の老化と変化を考慮に入れると想定する。装置の全寿命にわたって、雑音指数(NF) maxおよびマルチパス干渉(MPI)はそれぞれ、これらのライン23および24に沿って移動する。ライン25は寿命開始時点(SOL)の最大パワーを示し、ライン26は寿命開始時点(SOL)の公称パワーを示し、ライン27は寿命終了時点(EOL:End of Life)の公称パワー(10年)を示し、ライン28は寿命終了時点(EOL)の最小パワー(10年)を示し、ライン29は寿命終了時点(EOL)の公称パワー(25年)を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によるEDF増幅器の構成図である。
【図２】こうした増幅器向けの制御構成のブロック図である。
【図３】経年変化でのパワーの減少を示す、電流に対するポンプパワーのグラフ図である。
【図４】さらなるポンプの1つにおける、ポンプパワーに対する雑音指数(NF)とマルチパス干渉(MPI)を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００２４】
1，2…EDFループ、3…光アイソレータ、5，6…ポンプレーザダイオード、7…出力パワー制御システム、8…光検出器、9…光検出器、10…制御構成、11，12…レーザダイオード制御器、14…比較器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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