(57)【要約】【課題】  ＭＰＩの影響が小さいＬ帯のエルビウム添加光ファイバ増幅器を提供する。【解決手段】  １５６０ｎｍよりも長波長の帯域（Ｌ帯）の光信号を増幅するエルビウム添加光ファイバ増幅器であって、増幅用光ファイバ（５）中のレイリー散乱に起因する多重経路干渉雑音（ＭＰＩ）を抑圧するために、増幅用光ファイバの両端から励起光を導入して増幅用光ファイバを双方向励起し、また、前方励起のパワーを後方励起のパワーよりも高くする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともエルビウムイオンを少なくともコアに含む増幅用光ファイバと励起光源からなり、主に１５６０ｎｍより長波長の信号を高利得で増幅するよう設計されたＬ帯エルビウム添加光ファイバ増幅器において、
前記増幅用光ファイバ中のレイリー散乱に起因する多重経路干渉雑音（ＭＰＩ）を軽減するために、該増幅用光ファイバの両端から励起光を導入して該増幅用光ファイバを双方向励起する励起光導入手段を有することを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載の光ファイバ増幅器において、
前記励起光導入手段は、一つの前記励起光源からの励起光を分岐器により２分して、該励起光をそれぞれ前記増幅用光ファイバの両端へ導入することを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光ファイバ増幅器において、
前記励起光導入手段により前記増幅用光ファイバの信号入力端へ導入する励起光（前方励起光）のパワーが、該励起光導入手段により該増幅用光ファイバの信号出力端から導入する励起光（後方励起光）のパワーと比較して高いことを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかの項に記載の光ファイバ増幅器において、
該光ファイバ増幅器は、多段接続した複数の増幅用光ファイバと、それら増幅用光ファイバをそれぞれ励起する励起光源とを備え、前記複数の増幅用光ファイバのうちで、少なくとも信号が最初に導入される増幅用光ファイバの両端から励起光が導入されていることを特徴とする光ファイバ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信の中継器として用いられる光ファイバ増幅器に関し、特に多重経路干渉雑音（ＭＰＩ：Multi-Path Interference ）を抑圧したＬ帯エルビウム添加光ファイバ増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバ通信システムでは、適当な距離毎に光ファイバ増幅器を伝送路の光ファイバに挿入して、光ファイバ中を伝送して減衰した光信号をそれら光ファイバ増幅器により増幅することにより、長距離伝送を可能としている。
【０００３】
一般に、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium-doped Fiber Amplifier）に代表される光増幅器では、光増幅に伴って起こる増幅された自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）が主な雑音原因であるが、これに加えて多重経路干渉雑音（ＭＰＩ：Multi-path Interference)が問題となることがある。
【０００４】
ＭＰＩのメカニズムを、図１に示す。光増幅器を構成する光部品（光アイソレータ、波長多重カプラ（ＷＤＭカプラ）など）１０１や光部品間の増幅用エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）１０３との接続点１０２からの反射（部品端反射）や、増幅用光ファイバ１０３のレイリー散乱などにより、信号光（主信号）の一部が反射され、後方散乱光として光ファイバ１０３中を、信号とは逆方向に伝搬する。その反射光（後方散乱光）は増幅用光ファイバ１０３中で増幅され、パワーが大きくなる。さらにその反射光は、光部品１０１や接続点１０２での反射、レイリー散乱などにより再度反射され、再び信号と同一方向に増幅されながら進むことになる。この再々反射光（ＭＰＩ光）が、増幅器出力信号と干渉をおこし、雑音となる。信号と再々反射光のＭＰＩの信号対雑音光のパワー比ＭＰＩは次式（１）のようになる。
ＭＰＩ＝ Ｐin＊G/(Ｐin＊G＊R2＊G＊R1＊G)=1/(G＊G＊R1R2)           ・・・（１）
【０００５】
ここで、Ｐinは入力信号光のパワー、Ｇは光増幅器の利得、Ｒ１は信号と逆方向に進行する光（後方散乱光）が増幅器中でうける反射の反射率、Ｒ２は信号と同一方向に進行する光（ＭＰＩ光）が増幅器中でうける反射の反射率である。
【０００６】
増幅媒体として数ｋｍの光ファイバを用いるファイバラマン増幅器では、レイリー散乱が大きくなるため、このＭＰＩが非常に顕著となることが知られている（特にレイリー散乱がＭＰＩの主要因となることから、二重レイリー散乱（ＤＲＳ：Double Rayleigh Scattering）とも呼ばれる）。
【０００７】
これに対し、Ｃ帯（１５３０〜１５６５ｎｍ）に増幅帯域を有するＥＤＦＡに代表される希土類添加型光ファイバ増幅器では、一般に増幅用の光ファイバの長さが数ｍ〜十数ｍ程度以下と短いため、反射率の高い光部品を使用しない限り、ＭＰＩは顕著な問題とはならない。
【０００８】
【非特許文献１】F.W.Willems, J.C.van der Plaats and D.J.DiGiovanni, “EDFA noise figure degradation caused by amplified signal double Rayleigh scatteringin erbium doped fibres, ”（エルビウム添加ファイバ内で増幅される二重レイリー散乱により引き起こされるEDFA雑音指数の低下） Electronics Letters, Vol.30,No.8,pp-645-646,(1994)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特に１５６０ｎｍよりも長波長の信号を増幅するように最適化されたＬ帯（１５６５〜１６２５ｎｍ）用ＥＤＦＡにおいては、
（ｉ）数十〜数百ｍ程度の、比較的長い増幅用光ファイバを用いること、
（ii）図２に示すように、増幅用光ファイバ１０３内で信号光パワーが高い領域が長く続くこと、
などの理由から、無視できない程度のＭＰＩが発生する。特に光ファイバ増幅器を、多数中継させる長距離伝送システムなどにおいて、このＭＰＩは顕著な問題となる。
【００１０】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＭＰＩの影響が小さい希土類光ファイバ増幅器、特にＬ帯ＥＤＦＡを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明は、増幅用光ファイバの両端から励起光を導入する構成とすることを特徴とする（請求項１）。
【００１２】
図２には、Ｌ帯ＥＤＦＡ（エルビウム添加光ファイバ増幅器）で信号波長１５７０ｎｍとした場合に、同一の出力を得るために、信号が入力される側のファイバ端からのみ励起光を入力する場合（前方励起；実線の曲線で示す）と、ファイバの両端から励起光を入力した場合（双方向励起；破線の曲線で示す）の、ファイバ（ＥＤＦ）中の信号光のパワー分布を示している。図２から明らかなように、信号光パワー分布は、いずれの場所においても双方向励起の場合の方が小さい。このため、双方向励起の方が前方励起の場合よりもレイリー散乱を小さくすることができ、その結果、ＭＰＩ（多重経路干渉雑音）の影響を小さくすることが出来る。
【００１３】
前方励起のみにて所望の出力が得られる場合にも、あえて双方向励起とすることによりＭＰＩを改善することができる。双方向励起とする場合、高価な励起光源を２台準備するよりも、廉価な分岐器を用いて、一つの励起光を分岐器により２分したほうが、増幅器全体のコストを安くすることが出来る（請求項２）。
【００１４】
双方向励起の場合に、ＭＰＩは、信号光出力端側から入力する励起光（後方励起光）の割合を高くする程小さくすることが出来るが、今度は増幅器全体の雑音指数（ＮＦ：Noise Figure）が高くなってしまう。励起光設計としては、ＮＦを上昇させずにＭＰＩを改善しなくてはならない。このことから、前方励起光のパワーが、後方励起光のパワーと比較して高いことが望ましい（請求項３）。この特徴構成は、ＥＤＦの利得が高い場合により効果的である。
【００１５】
また、複数の増幅用光ファイバと、それらを励起する励起光源を備える光ファイバ増幅セクションを多段接続するような光ファイバ増幅器においては、特に信号が最初に導入される第１セクションにおいて双方向励起とすることが、全体のＭＰＩを抑圧するのに重要となる（請求項４）。
【００１６】
図３は、同一のＥＤＦ中で利得を変化させたときのＭＰＩの値を示す。図３からＭＰＩは利得が大きくなるほど劣化することが分かる。この現象はレイリー散乱などで反射された光が、ＥＤＦの利得により増幅されることが原因である。多段接続したＥＤＦＡ全体のＭＰＩの最悪値ＭＰＩtotは、各段で発生するＭＰＩをＭＰＩ１、ＭＰＩ２・・・ＭＰＩｉ（ｉは自然数）とすると、次式（２）のように記述できる。
１／ＭＰＩtot＝１／ＭＰＩ１＋１／ＭＰＩ２＋・・・＋１／ＭＰＩｉ    ・・・・（２）
【００１７】
多段接続した増幅器全体のＮＦを低く抑えるためには、１段目の利得をなるべく高く設定したい。しかしながらこの場合、上記の理由からＭＰＩは利得が一番大きな１段目で最悪となる。その意味で、特に１段目のＥＤＦＡを双方向励起としＭＰＩを抑圧させることは、全体のＭＰＩを抑圧させることに大きく寄与する。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成により、本発明によれば、多重経路干渉雑音を抑圧したＬ帯エルビウム添加光ファイバ増幅器が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図４は、本発明の第１の実施形態のＬ帯ＥＤＦＡの構成を示す図である。図４に示すように、２台の１４８０ｎｍ帯励起光源１，２から発生した励起光は、信号光と励起光を合波するＷＤＭ（波長分散多重方式）カプラ（光合波器）３，４を介して、エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）５の両端から導入されている（双方光励起）。このＥＤＦＡ（エルビウム添加光ファイバ増幅器）の入出力付近には、レーザ発振が起こらないようにアイソレータ６，７が設置されている。
【００２０】
具体的実施例として使用したＷＤＭカプラ３，４およびアイソレータ６，７の発振減衰量は−５５ｄＢ程度である。ＥＤＦ５は、一例として、１５３０ｎｍにおけるピーク損失が２３ｄＢ／ｍ、モードフィールド直径が６．０μｍ程度のものを用いた。この場合、本ファイバ５のレイリー散乱係数は−５５ｄＢ／ｍであり、ＥＤＦ長を、一例として、１４ｍとした。測定は、１５７０ｎｍの信号を用いて行った。ＥＤＦＡ入力を−２５ｄＢｍ、出力を０ｄＢｍとした。
【００２１】
さて、ＭＰＩ光は信号光と同じ波長の光であることから、出力光をそのまま光スペクトラムアナライザなどを用いて評価することは困難である。そこで、ＥＤＦＡ中で発生するＭＰＩ光に対して、図５に示す測定系を用いて戻り光のみを測定することで、その評価をできるようにしている。その測定系として、ＥＤＦ５の入力側と入力側ＷＤＭカプラ３の間に光サーキュレータ８を設置し、伝搬する励起光と信号光を、光サーキュレータ８を透過させてＥＤＦ５に導入する。ＥＤＦ５からの戻り光は、光サーキュレータ８の別のポートに出力されるので、その出力のパワーＰBSを、光スペクトラムアナライザ３０を用いて測定する。
【００２２】
図５におけるＥＤＦＡの出力をＰout、ＥＤＦ５の入力端側および出力端側のＷＤＭカプラ３，４、光アイソレータ６，７、ＥＤＦ５中のレイリー散乱および融着点における反射量の総積をそれぞれＲ１、Ｒ２とし、ＥＤＦ５中の利得をＧとすると、ＭＰＩ量は、光サーキュレータ８からの出力パワーＰＢＳを利用して、次式（３）のように記述できる。
ＭＰＩ＝Ｐout／（ＰBS・Ｒ２・Ｇ）        ・・・・（３）
【００２３】
図６には、ＥＤＦＡの出力が一定となる条件下で、前方励起光パワーを変化させた場合の、後方励起光パワーと双方向励起光パワー（前方と後方の全励起光パワー）を示す。また、図７には、図６の条件下で、前方励起光パワーと後方励起光パワーを変化させた場合の、ＥＤＦＡのＭＰＩとＮＦの値を示す。図６から分かる通り、出力が一定（つまり利得が同じ）となる条件で、前方励起光パワーと後方励起光パワーを変化させても、全励起光パワーの大幅な上昇は生じない。ＭＰＩは、図７に示すように、前方励起光パワーが大きいほど劣化する。一方、ＮＦは後方励起光パワーが大きいほど上昇してしまう傾向にある（図６も参照）。従って、ＮＦの上昇を抑えながら、ＭＰＩを改善するためには、前方励起光パワーを後方励起光パワーよりも大きくしておく必要がある。図７の例では、前方励起光パワーが例えば２０〜３０ｍＷのとき（このとき、後方励起光パワーは１８ｍＷ以下）、好ましくＮＦの上昇を抑えながら、ＭＰＩを改善することができる。
【００２４】
（第２の実施形態）
図８に本発明の第２の実施形態のＬ帯ＥＤＦＡの構成を示す。図４の第１の実施形態とほぼ同様の構成であるが、第１の実施形態との違いは、１つの励起光源１から発生した１つの励起光を、光分岐器９を介して２分したうえで、カプラ３，４を介して、ＥＤＦ５の両端から入力している点である。このように構成することで、前方と後方の励起光パワーが一定の比の状態でＥＤＦ５に導入することが出来る。これにより、第１の実施形態と同様に、前方励起のみで励起した場合と比較して、ＭＰＩの影響を抑えた光増幅器を構成することが可能となる。
【００２５】
図２に示したように、双方向励起とした場合は、前方励起もしくは後方励起のみとした場合よりも、必要な励起光パワーの総和が減少する。このことから、例え光分岐器９の挿入損失がある場合でも、前方励起もしくは後方励起のみの場合と比較して、遜色ない効率で増幅することが可能である。
【００２６】
また、前方と後方の励起光パワーの総和が、１台の励起光源１が発するパワーよりも小さい場合には、図８に示すような構成とすることが経済的である。その理由は、励起光源の１台の価格が、分岐器の１台の価格と比較してはるかに高価であるからである。
【００２７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態として、複数のＥＤＦを多段に接続した場合について考える。図９には、一例として、３段のＥＤＦから成るＥＤＦＡを示す。ここで、１，２，１１，１７は励起光源、３，４，１２，１８は信号光／励起光合分波用ＷＤＭカプラ、５，１３，１９はエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）、６，７，１４，１５，２０，２１は光アイソレータである。そして、ＥＤＦＡの１段目と２段目の間には、出力レベル調整用の可変減衰器１０を、ＥＤＦＡの２段目と３段目の間には、分散補償用の光ファイバ１６が挿入されている。
【００２８】
１段目のＥＤＦ５は、１台の励起光源１から発生した１つの励起光を分岐した双方向励起となっており、２段目と３段目のＥＤＦ１３，１９はそれぞれの励起光源１１，１７から発生した励起光をそのまま導入する前方励起となっている。
【００２９】
この３段構成の光増幅器のＭＰＩは、前述の式（２）から、次式（４）で表すことが出来る。
１／ＭＰＩtot＝１／ＭＰＩ１＋１／ＭＰＩ２＋１／ＭＰＩ３        ・・・・（４）
【００３０】
本実施形態の構成では、増幅器全体のＮＦを低くするために、１段目のＥＤＦＡの利得を高くし、２段目、３段目の利得を低く抑えるように構成となることが多い。各段のＭＰＩは、利得が高いほど劣化するため、全体（トータル）のＭＰＩを示すＭＰＩtotは主に第１段のＭＰＩ１が決めることになる。従って、１段目のＥＤＦＡを双方向励起とすることで、ＭＰＩtotを改善することが可能となる。
【００３１】
（他の実施の形態）
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】ＥＤＦＡ（エルビウム添加光ファイバ増幅器）中のＭＰＩ（多重経路干渉雑音）光の発生とその増幅を説明する概念図である。
【図２】Ｌ帯ＥＤＦＡ中で信号が増幅される時の、ＥＤＦ（エルビウム添加光ファイバ）中の信号光のパワー分布を示す特性図である。
【図３】Ｌ帯ＥＤＦＡにおけるＭＰＩの利得依存性を示す特性図である。
【図４】本発明の第１の実施形態のＬ帯ＥＤＦＡの構成を示す図である。
【図５】図４で示したＬ帯ＥＤＦＡ中で発生するＭＰＩを測定するための実験構成を示す図である。
【図６】図４で示したＬ帯ＥＤＦＡで、利得が同じとなるために必要な、前方と後方の励起光パワーとその和（全励起光パワー、すなわち双方向励起光パワー）を示す特性図である。
【図７】図４で示したＬ帯ＥＤＦＡで、図６の条件で前方と後方の励起光パワーを変化させたときのＭＰＩとＮＦの値を示す特性図である。
【図８】本発明の第２の実施形態のＬ帯ＥＤＦＡの構成を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態のＬ帯ＥＤＦＡの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１，２，１１，１７  励起光源
３，４，１２，１８  信号光／励起光合分波用ＷＤＭカプラ
５，１３，１９  エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）
６，７，１４，１５，２０，２１  光アイソレータ
８  サーキュレータ
９  分岐器
１０  可変光減衰器
１６  分散補償用光ファイバ
３０  光スペクトラムアナライザ
１０１  光部品
１０２  接続点
１０３  ＥＤＦ
【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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