(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素または遷移金属等のレーザー活性物質を添加した光ファイバを増幅媒体として有する光増幅器と、前記光増幅器に入力される複数の信号光の波長の平均値に近似した波長の光を発生する補償光源と、前記光増幅器に入力される複数の信号光と前記補償光源の出力光を結合して前記光増幅器へ入力する結合手段と、前記光増幅器に入力される複数の信号光と前記補償光源の出力光の電力の総和が一定となるよう前記補償光源を制御する補償光源制御手段を有することを特徴とする利得制御機能付光増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希土類元素または遷移金属等のレーザー活性物質を添加した光ファイバを用いた光増幅器、特にその光出力電力が光入力電力に依らず一定となるような利得制御機能を有する光増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ増幅器は、従来の３Ｒ(Reshaping, Retiming, Regenerating)機能を有する光中継器と比較して、伝送速度に依存しない、中継器の簡素化が可能、波長多重による大容量化が可能などの望ましい特徴を有しており、光通信システムの柔軟性を高めるキーコンポーネントとして期待されている。特に波長多重技術を用いた光ネットワークにおいては、波長数の増減によらず一定の利得、雑音指数を持つ光ファイバ増幅器が必須となる。
【０００３】
従来のこの種の利得制御機能付光増幅装置としては、例えば Electronics Letters, January 31, 1991, vol.27, no.3, pp.193-195 に示されたものがあり、第８図は上記文献に示された従来の利得制御機能付光増幅装置の構成を示す図である。第８図において１は希土類元素または遷移金属等のレーザー活性物質を添加した光ファイバ（以下ドープファイバと略す）、２は励起光源、３は信号光と励起光を低損失で結合する波長多重結合器（以下WDMカプラと略す）、４は光アイソレータ、５は信号光入力端子、６は信号光出力端子、７a、７bは光カプラ、８は光検出器、９は励起光源制御回路、１０はプローブ光源、１１は変調器である。
【０００４】
動作について説明する。信号光入力端子５から入力される光信号は光カプラ７a、光アイソレータ４、WDMカプラ３を介してドープファイバ１に入力される。ドープファイバ１には励起光源２からの励起光がWDMカプラ３を介して入力され、励起光のエネルギーを信号光エネルギーに変換することで信号光の増幅を行う。増幅された信号光は光カプラ７bを介して信号光出力端子６から出力される。ドープファイバ１の信号利得は大きいほど信号利得は大きくなる。波長多重光通信システムの場合を考えると、ドープファイバ１の利得は波長数が多いほど利得が小さくなる。このような光ファイバ増幅器の特性は、例えば送信側の光増幅器の現用・予備切替による送信電力変動や、必要な伝送容量に合わせて波長数を時間的に制御するようなネットワークにおいては、利得が時間的に変化することになり、望ましくない。
【０００５】
図８に示す従来例では、以下のような制御を行うことにより上記のような問題を解決している。プローブ光源１０は信号光入力端子５から入力される信号光と異なる波長を有し、変調器１１で特定の周波数 f0 及び変調度で変調される。プローブ光源１０の出力光は光信号は光カプラ７a、光アイソレータ４、WDMカプラ３を介してドープファイバ１に入力され、ドープファイバ１で増幅された後光カプラ７bを介して光検出器８で光電気変換される。励起光源制御回路９は光検出器８から出力される周波数 f0 の信号電力が一定となるよう励起光源２の光出力を制御する。これによりドープファイバ１のプローブ光源１０の波長における信号利得は一定となる。ドープファイバ１は、一般にホモジーニアスな特性、即ちある波長で利得が一定であれば他の周波数においても利得は一定であると言う特性を有する。従ってドープファイバ１の信号利得は信号光入力端子５から入力される信号光の波長においても一定となり、波長数に依存しない安定な増幅特性が実現できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の利得制御機能付光増幅装置は上記の通りドープファイバ１の利得をモニタするためにプローブ光源１０が必要である。また、励起光源２の光電力を制御するため、最大で１アンペア程度の電流を制御する大規模な励起光源制御回路９が必要であった。また、励起光源を制御する場合、その出力電力に依存して波長が変動し、ドープファイバ１の励起効率が変化して利得が不安定になる可能性もある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる利得制御機能付光増幅装置は、希土類元素または遷移金属等のレーザー活性物質を添加した光ファイバを増幅媒体として有する光増幅器と、前記光増幅器に入力される複数の信号光の波長の平均値に近似した波長の光を発生する補償光源と、前記光増幅器に入力される複数の信号光と前記補償光源の出力光を結合して前記光増幅器へ入力する結合手段と、前記光増幅器に入力される複数の信号光と前記補償光源の出力光の電力の総和が一定となるよう前記補償光源を制御する補償光源制御手段とを有するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本実施の形態は、光増幅器に入力される複数の信号光と補償光源の出力光の電力の総和が一定となるよう補償光源を制御するものである。
図１は本実施の形態による利得制御機能付光増幅装置の構成を示す図であり、１はドープファイバ、２は励起光源、５は信号光入力端子、６は信号光出力端子、７ａ，７ｂは光カプラ、１２は励起光源駆動回路、１３は補償光源、１４は補償光制御回路、１５は光検出器、１６は電流電圧変換回路、１７は比較器である。
図２はレーザ媒質として最も良く用いられるエルビウムイオンを添加したドープファイバの利得係数と吸収係数を示す図であり、図において５０は吸収係数、５１は利得係数である。
図３は図１による利得制御機能付光増幅装置の利得波長特性を示す図であり、５２、５３、５４は励起光電力がそれぞれ８１ｍＷ、３１ｍＷ、１４ｍＷの時の特性である。
【００１３】
動作について説明する。
図１において励起光源駆動回路１２は、励起光源２が一定の光出力を出力するよう温度変化、経時変化に応じて励起光源２のへの電流を調整する。信号入力端子５から入力される複数の波長の信号光は、光カプラ７a を介してその一部を補償光源制御回路１４に入力される。補償光源制御回路１４に入力された信号光は、光検出器１５で光電気変換された後電流電圧変換回路１６で光検出器１５に入力される光電力に比例した電圧信号に変換される。
【００１４】
比較器１７は、一定の参照電圧Vref と電流電圧変換回路１６の出力電圧を比較し、電流電圧変換回路１６の出力電圧が参照電圧Vref より小さい時、即ち光検出器１５に入力される光電力が一定値より小さい時補償光源１３の出力を増加させ、電流電圧変換回路１６の出力電圧が参照電圧Vref より大きい時、即ち光検出器１５に入力される光電力が一定値より大きい時補償光源１３の出力を減少させ、ドープファイバ１へ入力される信号光と補償光の電力の和が一定となるよう制御する。
【００１５】
これにより、ドープファイバ１の利得はほぼ一定に保たれるが、補償光源１３の波長を信号入力端子５から入力される複数の信号光の波長の平均値に設定することにより、さらに利得の制御精度を改善できることを以下に示す。
ドープファイバ１の利得を決めるのは、ドープファイバ１中に発生する反転分布であり、ドープファイバ１の利得は反転分布に比例する。反転分布は以下のスペクトル分解レート方程式で表される。
【００１６】
【数１】
0003991418.tif 000002
【００１７】
ただし、
0003991418.tif 000003
ここで、レーザ媒質として例えばエルビウムを考えると、増幅できる信号波長範囲は1530〜1560nm程度であり、信号の周波数は全て等しいと近似できるので、νi＝νとすると、（１）式は（２）式で表せる。
【００１８】
【数２】
0003991418.tif 000004
【００１９】
さらにここでは、波長多重伝送を考えているので、チャンネル当たりの入力光パワーはほぼ等しいと考えられる。そこでPi＝Pとすると、（２）式は（３）式で表せる。
【００２０】
【数３】
0003991418.tif 000005
【００２１】
（３）式から、チャネル当たりの入力光パワーＰが変動した場合、式（４）、（５）式を満たす波長の補償光の電力を（６）に従って制御すれば、反転分布は変動しないことが分かる。
【００２２】
【数４】
0003991418.tif 000006
【００２３】
（６）式において、Ｐ0は変動前のチャネル当たりの入力光パワーであり、補償光電力Ｐcと各波長の入力パワーの和が一定値Ｐ0に保たれるべきことを示している。以上のように、補償光から、チャネル当たりの入力光パワーＰが変動した場合、式（４）、（５）式を満たす波長の補償光の電力を（６）に従って制御すれば、反転分布は変動しないことが分かる。ここで（４）、（５）の各式を満たす波長は、図２によりほぼ各信号波長の平均値であることが分かる。即ち、図２から例えばレーザ媒質として最も良く用いられるエルビウムイオンを添加したドープファイバでは、光通信システムで最も良く用いられる波長帯域1540〜1560nmで利得係数、吸収係数とも波長に対して線形に変化しており、（４）、（５）の各式を満たす波長は以下の（７）式で表せる。
【００２４】
【数５】
0003991418.tif 000007
【００２５】
図３に図１による利得制御機能付光増幅装置の利得波長特性を示す。励起光電力としては８１ｍＷ、３１ｍＷ、１４ｍＷの３通りの場合について示して有る。測定方法として、最も極端な場合として、４波の信号電力が規定値の場合と、４波の信号が０の場合２通りについて利得を測定している。補償光源１３の波長は信号光のほぼセンターである1552nm としている。図から分かるとおり、各波長における利得は４波の信号電力が規定値の場合と、４波の信号が０の場合でほぼ同じ利得であり、光入力レベルで利得が変動しないことが分かる。
【００２６】
実施の形態２．
本実施の形態は、光増幅器に入力される前記補償光源の光電力と前記光増幅器から出力される前記補償光源の光電力の比が一定となるよう前記補償光源を制御するものである。
図４は本実施の形態による利得制御機能付光増幅装置の構成を示す図であり、４b は光アイソレータ、１８は補償光源モニタホトダイオード、１４は補償光源制御回路、１９は割り算回路、２０は補償光波長を抜き出して補償光源制御回路へ入力する光フィルタである。他は実施の形態１と同じで説明を省く。
【００２７】
動作について説明する。
励起光源駆動回路１２は、励起光源２が一定の光出力を出力するよう温度変化、経時変化に応じて励起光源２のへの電流を調整する。補償光源１３の出力は、光カプラ７a を介して信号入力端子５から入力される複数の波長の信号光と結合され、光アイソレータ４a、WDMカプラ３を介してドープファイバ１に入力される。ドープファイバ１から出力される信号光は光フィルタ２０を通過して信号出力端子６から出力され、増幅された補償光は光フィルタ２０により補償光源制御回路１４に入力される。
【００２８】
補償光源制御回路１４に入力された補償光は光検出器１５で光電気変換された後電流電圧変換回路１６で光検出器１５に入力される光電力に比例した電圧信号に変換されて割り算回路１９に入力される。割り算回路１９には補償光源モニタホトダイオード１８から出力される、補償光源１３の出力電力に比例した電流が入力され、電流電圧変換回路１６の出力との比が取られる。割り算回路１９の出力は比較器１７に入力され、一定の参照電圧Vref より大きい時、即ちドープファイバ１の補償光波長における利得が所定の値より大きい時補償光源１３の出力を増加させ、逆の場合には補償光源１３の出力を減少させる。
【００２９】
この負帰還動作により、ドープファイバ１の補償光波長における利得は信号光入力端子から入力される信号光電力よらず一定に保持される。従来例の項で説明した通り、ドープファイバ１は一般にホモジーニアスな特性、即ちある波長で利得が一定であれば他の周波数においても利得は一定であると言う特性を有する。従ってドープファイバ１の信号利得は信号光入力端子５から入力される信号光の波長においても一定となり、波長数、信号入力レベルに依存しない安定な増幅特性が実現できる。本発明では、補償光１３の電力を制御しているため、励起光源２を制御する場合と比較して小電力の回路で良いこと、励起光源を制御する場合に問題となる励起波長変動によるドープファイバ１の利得不安定性等の問題が回避できる。
【００３０】
実施の形態３．
本実施の形態では、補償光を信号光と逆方向に伝搬させることにより、実施の形態２と同様の効果が得られるものである。
図５は本実施の形態による利得制御機能付光増幅装置の構成を示す図であり、４b は光アイソレータ、７a、７b は光カプラ、１８は補償光源モニタホトダイオード、１４は補償光源制御回路、１９は割り算回路、２０は補償光波長を抜き出して補償光源制御回路へ入力する光フィルタである。
【００３１】
動作について説明する。補償光源１３の出力は、光カプラ７b を介してドープファイバ１の出力側から入力される。ドープファイバ１は双方向の増幅特性を有しており、逆方向の光についても順方向とほぼ同一の利得が得られる。増幅された補償光はWDMカプラ３、光カプラ７a 、光フィルタ２０を介して補償光源制御回路１４に入力される。補償光源制御回路１４の動作は実施の形態２と同様であり、その負帰還動作により、ドープファイバ１の補償光波長における利得は信号光入力端子から入力される信号光電力よらず一定に保持される。さらに、ドープファイバ１のホモジーニアスな特性から、ドープファイバ１の信号利得は信号光入力端子５から入力される信号光の波長においても一定となり、波長数、信号入力レベルに依存しない安定な増幅特性が実現できる。本発明では、補償光と信号光が互いに異なる方向に伝搬するため、補償光を信号光のいずれかと等しく設定できること、信号出力に補償光が出力されないため補償光除去用の光フィルタが不要であるなどの利点を有する。
【００３２】
実施の形態４．
本実施の形態では、補償光を平均電力によらず一定の周波数 f0 、一定の変調度m で変調することにより、補償光を抽出する光フィルタを不要にしたものである。
図６は本実施の形態による利得制御機能付光増幅装置の構成を示す図であり、４a 、４b は光アイソレータ、７a、７b は光カプラ、１８は補償光源モニタホトダイオード、１４は補償光源制御回路、２４は補償光源をその平均電力によらず一定の周波数 f0 、一定の変調度m で変調する変調度安定化回路、２１、２２は周波数 f0 の成分を抽出する電気フィルタ、２３は割り算回路である。
【００３３】
動作について説明する。補償光源１３の出力は、補償光源モニタホトダイオード１８で光電気変換された後変調度安定化回路２４に入力され、その平均電力と変調電力の比をもとに、平均電力によらず一定の周波数 f0 、一定の変調度m で変調される。周波数 f0はドープファイバ１の利得が変調されないよう、レーザ媒質の光子寿命の逆数より充分大きな周波数に設定される。例えば、レーザ媒質として例えばエルビウムを考えると、光子寿命は１０ｍｓであり、周波数 f0は数１０ＫＨｚ以上に設定すれば充分である。補償光源１３の出力は光カプラ７a、WDMカプラ３を介してドープファイバ１に入力され信号光入力端子５から入力される複数の信号光と共に増幅される。増幅された補償光は信号光と共に、光カプラ７b を介して補償光源制御回路１４に入力される。補償光源制御回路１４に入力された信号光と補償光は、光検出器１５で光電気変換された後電流電圧変換回路１６で光検出器１５に入力される信号光と補償光のトータルの光電力に比例した電圧信号に変換されて電気フィルタ２１に入力される。
【００３４】
電気フィルタ２１は補償光を変調する周波数 f0の成分のみ、即ち補償光電力に比例した信号を抽出し、割り算回路２３へ入力する。割り算回路２３には補償光源モニタホトダイオード１８から出力される周波数 f0の成分、即ち補償光源１３の出力電力に比例した信号が入力され、電気フィルタ２１の出力との比が取られる。割り算回路２３の出力は比較器１７に入力され、一定の参照電圧Vref  より大きい時、即ちドープファイバ１の補償光波長における利得が所定の値より大きい時補償光源１３の出力を増加させ、逆の場合には補償光源１３の出力を減少させる。
【００３５】
この負帰還動作により、ドープファイバ１の補償光波長における利得は信号光入力端子から入力される信号光電力よらず一定に保持される。ドープファイバ１のホモジーニアスな特性から、ドープファイバ１の信号利得は信号光入力端子５から入力される信号光の波長においても一定となり、波長数、信号入力レベルに依存しない安定な増幅特性が実現できる。本発明では、補償光抽出用の光フィルタが不要であるメリットをと有する。
【００３６】
実施の形態５．
本実施の形態では、補償光を平均電力によらず一定の周波数 f0 、一定の変調度m で変調することにより補償光を抽出する光フィルタを不要にすると共に、補償光を信号光と逆方向に伝搬させることにより、光増幅器の出力側で補償光を除去する必要性を排除したものである。
図７は本実施の形態による利得制御機能付光増幅装置の構成を示す図であり、４a 、４b は光アイソレータ、７a、７b は光カプラ、１８は補償光源モニタホトダイオード、１４は補償光源制御回路、２４は補償光源をその平均電力によらず一定の周波数 f0 、一定の変調度m で変調する変調度安定化回路、２１、２２は周波数 f0 の成分を抽出する電気フィルタ、２３は割り算回路である。
【００３７】
動作について説明する。補償光源１３の出力は、補償光源モニタホトダイオード１８で光電気変換された後変調度安定化回路２４に入力され、その平均電力と変調電力の比をもとに、平均電力によらず一定の周波数 f0 、一定の変調度m で変調される。周波数 f0については実施の形態４の説明で述べたように数１０ＫＨｚ以上に設定される。補償光源１３の出力は光カプラ７bを介してドープファイバ１に出力から入力される。ドープファイバ１は双方向の増幅特性を有しており、逆方向の光についても順方向とほぼ同一の利得が得られる。増幅された補償光はWDMカプラ３、光カプラ７a を介して補償光源制御回路１４に入力される。
【００３８】
補償光源制御回路１４の動作は実施の形態４と同様であり、その負帰還動作により、ドープファイバ１の補償光波長における利得は信号光入力端子から入力される信号光電力よらず一定に保持される。さらに、ドープファイバ１のホモジーニアスな特性から、ドープファイバ１の信号利得は信号光入力端子５から入力される信号光の波長においても一定となり、波長数、信号入力レベルに依存しない安定な増幅特性が実現できる。本実施の形態では、補償光と信号光が互いに異なる方向に伝搬するため、補償光を信号光のいずれかと等しく設定できること、信号出力に補償光が出力されないため補償光除去用の光フィルタが不要であるなどの利点を有する。
【００３９】
【発明の効果】
この発明によれば、光増幅器に入力される複数の信号光と補償光源の出力光の電力の総和が一定となるよう補償光源を制御するので、入力信号電力あるいは入力信号波長数によらず一定の利得を有する利得制御機能付光増幅装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１による利得制御機能付光増幅装置の構成図である。
【図２】  ドープファイバの利得係数と吸収係数を示す図である。
【図３】  実施の形態１による利得制御機能付光増幅装置の利得波長特性を示す図である。
【図４】  実施の形態２による利得制御機能付光増幅装置の構成図である。
【図５】  実施の形態３による利得制御機能付光増幅装置の構成図である。
【図６】  実施の形態４による利得制御機能付光増幅装置の構成図である。
【図７】  実施の形態５による利得制御機能付光増幅装置の構成図である。
【図８】  従来の実施の形態における利得制御機能付光増幅装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  ドープファイバ
２  励起光源
３  WDMカプラ
４a、４b  光アイソレータ
５  信号入力端子
６  信号出力端子
７a、７b  光カプラ
１２  励起光源駆動回路
１３  補償光源
１４  補償光源制御回路
１５  光検出器
１６  電流電圧変換回路
１７  比較器
１８  補償光源モニタホトダイオード
１９  割り算回路
２０  光フィルタ
２１、２２  電気フィルタ
２４  変調度安定化回路
【図１】
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【図２】
0003991418.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003991418.tif 000012
【図６】
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【図７】
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【図８】
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