(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ツリウムイオンをコア又はクラッドの少なくともいずれか一方に添加した増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバの両端に接続した少なくとも２つ以上の励起光源と増幅すべき信号光を合波する光合波器と、光アイソレータ若しくは光サーキュレータとミラーを備え、
信号光入力端に、前記増幅用光ファイバの増幅帯域内に設定された異なる複数のモニタ波長に対応した複数の光検出器と、信号光を分波する分波器を備え、
信号光出力端に、前記モニタ波長に対応した複数の光検出器と、出力光を分波する光分波器を備え、検出した前記モニタ信号光の入出力値を基に信号光入力側の入力励起光パワーと信号光出力側の入力励起光パワーの和と比を決定する演算部と決定した各入力励起光パワーを基に励起光源を制御する制御部を備え、
前記演算部が、前記モニタ信号光の入出力値から各々のモニタ信号光の利得を計算して利得偏差と平均利得を導出し、前記各利得の少なくとも１つ以上の偏差が所望の利得帯域を達成する偏差となるように、実測値若しくは経験値から導出した利得偏差と総励起光パワーに占める増幅用光ファイバの前方から入力する励起光パワーの比率との関係式をもとに前記増幅用光ファイバの前方から入力する励起光パワーと後方から入力する励起光パワーの比を導出する機能と、少なくとも１つ以上のモニタ信号光の平均利得が所望の利得となるように、実測値若しくは経験値から導出した総励起光パワーと平均利得との関係式をもとに総励起光パワーを導出する機能を有し、
波長１４００ｎｍ〜１５３０ｎｍの光を増幅する
ことを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項２】
前記光サーキュレータの入力端に接続した光検出器の前に、前記モニタ波長に設定された少なくとも１つ以上のモニタ用光源と、前記モニタ光源と信号光を合波する光合波器を備えていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅器。
【請求項３】
ツリウムイオンをコア又はクラッドの少なくともいずれか一方に添加した増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバの両端に接続した少なくとも２つ以上の励起光源と増幅すべき信号光を合波する光合波器と、前記光合波器の信号光入力端若しくは出力端に接続した少なくとも２つ以上の光アイソレータを備え、
前記増幅用光ファイバの信号光入力側に位置する光アイソレータの信号光入力端に、前記増幅用光ファイバの増幅帯域内に設定された異なる複数のモニタ波長に対応した複数の光検出器と、信号光を分波する分波器を備え、
前記増幅用光ファイバの信号光出力側に位置する光アイソレータの信号光出力端に、前記モニタ波長に対応した複数の光検出器、出力光を分波する光分波器を備え、
検出した前記モニタ信号光の入出力値を基に信号光入力側の入力励起光パワーと信号光出力側の入力励起光パワーの和と比を決定する演算部と決定した各入力励起光パワーを基に励起光を制御する制御部を備えた単一透過型の光ファイバ増幅器において、
前記演算部が、前記モニタ信号光の入出力値から各々のモニタ信号光の利得を計算して利得偏差と平均利得を導出し、前記各利得の少なくとも１つ以上の偏差が所望の利得帯域を達成する偏差となるように、実測値若しくは経験値から導出した利得偏差と総励起光パワーに占める増幅用光ファイバの前方から入力する励起光パワーの比率との関係式をもとに前記増幅用光ファイバの前方から入力する励起光パワーと後方から入力する励起光パワーの比を導出する機能と、少なくとも１つ以上のモニタ信号光の平均利得が所望の利得となるように、実測値若しくは経験値から導出した総励起光パワーと平均利得との関係式をもとに総励起光パワーを導出する機能を有し、
波長１４００ｎｍ〜１５３０ｎｍの光を増幅する
ことを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項４】
前記増幅用光ファイバの信号光入力側に位置する光アイソレータの信号光入力端に、前記モニタ波長に対応した複数のモニタ用光源と、前記モニタ用光源と信号光を合波する光合波器を備えていることを特徴とする請求項３記載の光ファイバ増幅器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光ファイバ増幅器において、モニタ信号光として波長の異なる２信号光を備えていることを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光ファイバ増幅器において、モニタ信号光の波長が増幅帯域の両端に位置す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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ増幅器に関する。詳しくは、光ファイバの低損失領域であるが波長１４００〜１５３０ｎｍに増幅帯域を有する光ファイバ増幅器の利得制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（Wave-length Division Multiplexing:ＷＤＭ）通信は、近年の光通信容量の急増に対応する最も有効な手段の１つである。
波長分割多重通信では信号チャネル数の増加により、通信容量の拡大を行うことを特徴としているが、そのためには信号波長域の拡大が不可欠である。
【０００３】
現在の波長分割多重通信ではエルビウム添加光ファイバ増幅器（erbium-doped fiber amplifer:ＥＤＦＡ）の増幅帯域であるＣ帯（１５３０ｎｍ〜１５１０ｎｍ）が使用されている。
Ｓ帯（１４８０ｎｍ〜１５１０ｎｍ）、Ｓ+帯（１４５０ｎｍ〜１４８０ｎｍ）はＣ帯と同等の光ファイバの低損失域及び低分散域にあり、次世代の信号波長域として注目されている。
ツリウム添加光ファイバ増幅器（Thulium-Doped Fiber Amplifier:ＴＤＦＡ）はＳ帯、Ｓ+帯に増幅帯域を有しており、精力的な検討がなされている。
【０００４】
Ｓ帯用ＴＤＦＡはアンプ全体でＬ帯のＥＤＦＡと同等の変換効率４０％を達成し、伝送実験にも成功している（参考文献：ＯＦＣ２００１ＰＤ−１）。
更に、Ｃ帯、Ｌ帯のＥＤＦＡとの帯域合波による１０．９Ｔbit/sの広帯域伝送も報告されている（参考文献：２００１ＰＤ−２４）。
【０００５】
ところで複数段の光アンプを中継として用いた波長分割多重通信において、中継後のスペクトルが経時変化し、場合によっては大きく歪むという問題が発生することがある。
これは、伝送路損失の経時変化や信号チャネル数の変化によりアンプへの入力信号光パワーが変化するために起こる。
【０００６】
即ち、このために各段の光アンプの利得スペクトルが変化し、伝送路全体ではこの変化が累積して信号の歪みを生じる。
この問題を回避するための１つの方法として、各アンプにおいて利得スペクトルを一定に保つ。
利得スペクトル制御法の理解に必要なＥＤＦＡ及びＴＤＦＡの励起メカニズムについて説明する。
Ｅrイオン及びＴmイオンのエネルギー準位図を図８（ａ）（ｂ）に示す。
【０００７】
ＥＤＦＡでは増幅の終準位（3Ｉ15/2）から増幅の始準位（3Ｉ13/2）へ励起する方法が用いており、３準位動作の増幅過程を示す。それに対し、ＴＤＦＡでは、増幅の終準位の蛍光寿命に比べ、増幅終準位の蛍光寿命が短いために反転分布形成が困難という問題を解決するためにアップコンバージョン励起を用いる。
アップコンバージョン励起は、励起光によりＴmイオンを基底準位から増幅終準位へ一旦励起した後、同波長の励起光により増幅終準位から増幅始準位へ励起する方法であり、増幅の終準位のイオンを強制的に増幅始準位へ励起するため反転分布形成を可能とした。
ＴＤＦＡは本来４準位動作のアンプであるが、増幅終準位から増幅始準位への励起、増幅始準位に比べ増幅終準位の方が蛍光寿命が長いというＥＤＦＡと類似した２つの特徴から３準位的な動作を示す。
【０００８】
ＥＤＦＡの場合、利得スペクトル制御法はほぼ確立されている。ＥＤＦＡの制御法の一例としては、１チャネルの信号光の利得をモニタし、そのチャネルの利得が常に一定となるように励起光パワーを制御する方法がある。
波長λにおけるエルビウム添加光ファイバ増幅器の利得Ｇ（λ）は以下の式で表される（参考文献：E.Desurvire,"Erbium-Doped Fiber Amplifiers，"A Wiley-Interscience Publication, Appendix q,1994）。
【０００９】
Ｇ（λ）＝（σe（λ）・Ｎ2−σa（λ）・Ｎ1）・Ｌ  …（１）
Ｎ1＋Ｎ2≒Ｎtotal  …（２）
σe：誘導放出断面積
σa：誘導吸収断面積
Ｎ2：増幅の始準位（3Ｉ13/2）のイオン数
Ｎ1：増幅の終準位（3Ｉ15/2）のイオン数
Ｎtotal：全イオン数
Ｌ：ファイバ長
ここで（１），（２）式より、
Ｇ（λ）＝（σe（λ）・Ｎ2−σa（λ）・（Ｎtotal−Ｎ2））・Ｌ  …（３）
を得る。
【００１０】
従って、（３）式での変数はＮ2のみになる。
アンプへの入力パワーが変化すると、3Ｉ13/2にあるＥr3+の誘導放出速度が変化するためＮ2が変化しその結果、利得が変化する。
しかしＮ2は励起光によっても変化させることが可能であるので、励起光パワーを制御することにより入力信号レベルの変動に対して利得スペクトルを一定に保つことが可能である。
また利得スペクトル一定制御を行うためには、利得スペクトルの監視が必要な場合がある。
【００１１】
エルビウム添加光ファイバ増幅器の場合、増幅用光ファイバの入力端及び出力端に信号光を分波して信号光のパワーを、それぞれの場所での信号光パワーを検出し、その検出値から信号光の利得を求めることにより、利得スペクトルの状態を監視している。
利得スペクトルを決定するのは増幅始準位と終準位の総イオン数（＝Ｎ1＋Ｎ2）とイオン数比（＝Ｎ1／Ｎ2）の２パラメータである。
ＥＤＦＡの場合、増幅始終準位の総イオン数が常に一定となるため１チャネルの利得をモニタすることにより、上記パラメータを決定可能である。
【００１２】
しかし、アップコンバージョン励起ＴＤＦＡの場合、増幅に大きく関与するエネルギー準位が増幅の始終準位の他にもう１つあるので、１チャネルの利得モニタするだけでは上記パラメータの導出は難しい。
仮に上記パラメータの導出に成功したとしても、励起光パワーの制御により増幅始終準位の総イオン数が変動してしまい、パラメータの制御が不可能となるので、利得スペクトル制御は困難である。
そこで、この問題を解決した以下のような制御法が考案されている。
【００１３】
双方向励起のＴＤＦＡにおいて、２チャネルの信号光の利得をモニタし、増幅用光ファイバの前方と後方の励起光のパワーの比を制御することにより利得帯域を調節し、総励起光パワーを制御することにより全体の利得を調節する方法である。
ＴＤＦＡでは前方と後方の励起光のパワー比を変化させると利得スペクトルが波長シフトするという現象が発生する。
この現象は、ＥＤＦＡでは発生せず、ＴＤＦＡ固有のものであり、この現象を利得制御に応用することで実現した。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記制御法では具体的な制御パラメータに触れていない。また、光増幅器構成は単一透過型のみである。更に増幅用光ファイバに添加する希土類イオンはＴmのみである。
本発明が解決しようとする第１の課題は具体的な制御パラメータ及び制御アルゴリズムを決定することである。
【００１５】
本発明が解決しようとする第２の課題は単一透過型以外の構成法についても制御法を確立することである。
本発明が解決しようとする第３の課題は増幅用光ファイバに添加する希土類イオンとして増幅の終準位が基底準位と一致しない全て希土類イオンについても上記制御法を使用できる範囲を拡大することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
これらの課題を解決するために、本発明の請求項１に係る光ファイバ増幅器は、ツリウムイオンをコア又はクラッドの少なくともいずれか一方に添加した増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバの両端に接続した少なくとも２つ以上の励起光と増幅すべき信号光を合波する光合波器と、光アイソレータ若しくは光サーキュレータとミラーを備え、信号光入力端に、前記増幅用光ファイバの増幅帯域内に設定された異なる複数のモニタ波長に対応した複数の光検出器と、信号光を分波する分波器を備え、信号光出力端に、前記モニタ波長に対応した複数の光検出器と、出力光を分波する光分波器を備え、検出した前記モニタ信号光の入出力値を基に信号光入力側の入力励起光パワー（Ｐｆ）と信号光出力側の入力励起光パワー（Ｐｂ）の和と比を決定する演算部と決定した各入力励起光パワーを基に各励起光源のパワーを制御する制御部を備え、前記演算部が、前記モニタ信号光の入出力値から各々のモニタ信号光の利得を計算して利得偏差と平均利得を導出し、前記各利得の少なくとも１つ以上の偏差が所望の利得帯域を達成する偏差となるように、実測値若しくは経験値から導出した利得偏差と総励起光パワーに占める増幅用光ファイバの前方から入力する励起光パワーの比率との関係式をもとに前記増幅用光ファイバの前方から入力する励起光パワー（Ｐｆ）と後方から入力する励起光パワー（Ｐｂ）の比を導出する機能と、少なくとも１つ以上のモニタ信号光の平均利得が所望の利得となるように、実測値若しくは経験値から導出した総励起光パワーと平均利得との関係式をもとに総励起光パワー（Ｐｆ＋Ｐｂ）を導出する機能を有し、波長１４００ｎｍ〜１５３０ｎｍの光を増幅することを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項２に係る光ファイバ増幅器は、前記光サーキュレータの入力端に接続した光検出器の前に、前記モニタ波長に設定された少なくとも１つ以上のモニタ用光源と、前記モニタ用光源と信号光を合波する光合波器を備えていることを特徴とする。モニタ信号が伝送路中を伝送しないため、帯域合波して高パワーの信号光を伝送する場合に伝送路内にて発生する非線形現象を抑圧できるとういう長所がある。
【００１９】
本発明の請求項３に係る光ファイバ増幅器はツリウムイオンをコア又はクラツドの少なくともいずれか一方に添加した増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバの両端に接続した少なくとも２つ以上の励起光と増幅すべき信号光を合波する光合波器と、前記光合波器の信号光入力端若しくは出力端に接続した少なくとも２つ以上の光アイソレータを備え、前記増幅用光ファイバの信号光入力側に位置する光アイソレータの信号光入力端に、前記増幅用光ファイバの増幅帯域内に設定された異なる複数のモニタ波長に対応した複数の光検出器と、信号光を分波する分波器を備え、前記増幅用光ファイバの信号光出力側に位置する光アイソレータの信号光出力端に、前記モニタ波長に対応した複数の光検出器、出力光を分波する光分波器を備え、検出した前記モニタ信号光の入出力値を基に信号光入力側の入力励起光パワーと信号光出力側の入力励起光パワーの和と比を決定する演算部と決定した各入力励起光パワーを基に励起光を制御する制御部を備えた単一透過型の光ファイバ増幅器において、前記演算部が、前記モニタ信号光の入出力値から各均のモニタ信号光の利得を計算して利得偏差と平均利得を導出し、前記各利得の少なくとも１つ以上の偏差（ΔＧ）が所望の利得帯域を達成する偏差となるように、実測値若しくは経験値から導出した利得偏差と総励起光パワーに占める増幅用光ファイバの前方から入力する励起光パワーの比率との関係式をもとに前記増幅用光ファイバの前方から入力する励起光パワー（Ｐｆ）と後方から入力する励起光パワー（Ｐｂ）の比の（Ｐｆ：Ｐｂ）を導出する機能と、少なくとも１つ以上のモニタ信号光の平均利得が所望の利得となるように、実測値若しくは経験値から導出した総励起光パワーと平均利得との関係式をもとに総励起光パワー（Ｐｆ＋Ｐｂ）を導出する機能を有し、波長１４００ｎｍ〜１５３０ｎｍの光を増幅することを特徴とする。
【００２０】
図９（ａ）に利得帯域変化時の利得スペクトルの概念図を示す。
図９（ｂ）にモニタ信号の波長をλ1，λ2（λ1＜λ2）とし、図９（ａ）時における各利得スペクトルの利得ピーク波長を入▲１▼、入▲２▼、入▲３▼とした時、モニタ信号光の利得偏差ΔＧ（＝Ｇλ1−Ｇλ2）と利得ピーク波長の関係を示す。
利得スペクトルが長波長域へシフトするにつれ、ΔＧが減少しており、ΔＧから利得帯域を推測することが可能であることが判る。
【００２１】
次にΔＧと総励起光パワーに占めるＰfの比率（Ｐf／（Ｐf＋Ｐb））の関係を図１０に示す。
ΔＧの減少に伴い、Ｐfの比率は単調に増加している。
Ｐfの比率を制御することで所望のΔＧ、つまりは所望の利得帯域を達成することが可能であることが判る。
本発明ではこの現象を全請求項に対して、利得帯域の制御に用いる。
図１１に励起光パワーの比率を固定した場合の総励起光パワーの変化に伴う利得スペクトルの変化の概念図を示す。
【００２２】
励起光パワーが増加すると、利得スペクトルの形状は殆ど変化しないが全体の利得は上昇する。
利得スペクトルの形状は殆ど変化しないため、モニタ信号光の平均利得（（Ｇλ１−Ｇλ２）／２）を測定することで全体の利得を推測することが可能である。よって、所望のモニタ信号光の平均利得を達成するように総励起光パワーを制御することで、各チャネル毎の所望利得を同時に達成可能となる。
本発明ではこの現象を請求項１乃至６のいずれかに対して、全体の利得制御に用いる。
【００２３】
本発明の請求項４に係る光ファイバ増幅器は、前記増幅用光ファイバの信号光入力側に位置する光アイソレータの信号光入力端に、前記モニタ波長に対応した複数のモニタ用光源と、前記モニタ用光源と信号光を合波する光合波器を備えていることを特徴とする。モニタ信号が伝送路中を伝送しないため、帯域合波して高パワーの信号光を伝送する場合に伝送路内にて発生する非線形現象を抑圧できるとういう長所がある。
【００２５】
本発明の請求項５に係る光ファイバ増幅器は、モニタ信号光として２信号光のみを用いていることを特徴とする。これにより、アンプ構成部品を最小限に抑えることが可能である。
【００２６】
本発明の請求項６に係る光ファイバ増幅器は、モニタ信号光を信号帯域の両端に配置することを特徴としている。
モニタ信号光を隣接させて配置させた場合に比べモニタ信号光の利得偏差に対する誤差の割合が小さくなるため精度の高い制御が可能である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
［参考例１］
本発明の第１の参考例を図１に示す。
図１は利得スペクトル一定制御機能及びモニタ機能を備えた反射型光ファイバ増幅器の構成図である。
同図に示すように、この光ファイバ増幅器は、コアに希土類イオンとしてツリウムイオン（Ｔm3+）を添加した増幅用光ファイバ１０、サーキュレータ２０、ミラー３０、励起光と信号光を合波する波長分割多重カプラ（合波器）４０，４１、信号光を分波する分波器５０，５１、モニタ用信号光を抽出するためのフィルタ６０，６１、励起光源７０，７１、光検出器８０，８１、演算部９０、制御部１００より構成される。
【００２８】
図１に示すように、信号光は分波器５０にて分波され、その一方はサーキュレータ２０を通過して波長分割多重カプラ４０にて励起光源７０からの励起光と合波し増幅用光ファイバ１０を通過する際に増幅され波長分割多重カプラ４１にて励起光源７１からの励起光と合波しミラー３０にて反射し、更に、波長分割多重カプラ４１、増幅用光ファイバ１０、波長分割多重カプラ４０を逆向きに通過しサーキュレータ２０で分岐され分波器５１で分波され、その一方は信号光として出力される。
また、分波器５０，５１にて分波された他方の信号光は、フィルタ６０，６１において、その内の何れかの波長がモニタ用信号光として抽出され、光検出器８０，８１で検出され、それらの計測値は演算部９０に送られる。
【００２９】
Ｔm3+を添加した増幅用光ファイバ１０のホストガラスとして石英ガラス、ビスマス系ガラス、非轄射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉn−Ｐbガラスとテルライトガラス等がある。
ミラー３０としてはファイバ端面に金を蒸着したタイプやファイバグレーティング等が使用可能である。
励起光と信号光を合波する波長分割多重カプラ４０，４１としては、ファイバの溶融遠心型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
フィルタ６０，６１としては誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
励起光を発生する励起光源７０，７１としてはＮd−ＹＬＦレーザ、Ｎd−ＹＡＧレーザ、Ｔiサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
光検出器８０，８１としてはｐｉｎフォトダイオード、アバランシフォトダイオード等がある。
【００３０】
演算部９０は、信号入力側光検出器８０及び信号出力側光検出器８１により検出された測定値を基にサーキュレータ側入力励起光パワー（Ｐf）及びミラー側入力励起光パワー（Ｐb）の和と比を導出し、それらの和と比を制御部１００へ送る。
制御部１００は、その値どおりに各々の波長分割多重カプラ４０，４１の励起光パワーを制御する。
演算部９０は、利得ピークが所望値よりも短波長側へシフトしているときには、サーキュレータ側の励起光パワーの比率を上げ、長波長側へシフトしているときには、ミラー側の励起光パワーの比率を上げるように各々の励起光パワーを調節する。また、全体の利得を総励起光パワー（Ｐf＋Ｐb）により制御する。
このような分配比制御を使用した場合と使用しない場合を比較して図２に示す。
【００３１】
図２（ａ）はアンプへの入力信号光パワーが減少後の利得スペクトル、図２（ｂ）は励起光の分配比の変化を及び励起光パワーの変化により制御を行った場合の利得スペクトル、図２（ｃ）は励起光の分配比を変化させずに励起光パワーのみの変化により制御を行った場合の利得スペクトルの概念図を表している。
図２に示すように、分配比制御を使用しなかった場合には全体の利得を下げることは出来ても利得ピークの位置を合わせることは難しいのに対し、分配比制御を使用した場合はほぼ所望の利得スペクトルと一致させることができる利点がある。
また、入力信号光パワーが増加した場合も分配比制御をしない場合には利得スペクトルの制御が難しいのに対し、分配比制御を使用した場合には利得スペクトルの制御が可能である利点がある。
これにより利得スペクトル一定制御が可能となる。
【００３２】
［参考例２］
本発明の第２の参考例を図３に示す。
図３は利得スペクトル一定制御機能及びモニタ機能を備えた単一透過型光ファイバ増幅器の構成図である。
同図に示すように、この光ファイバ増幅器は、コアに希土類イオンとしてツリウムイオン（Ｔm3+）を添加した増幅用光ファイバ１０、サーキュレータ２０、ミラー３０、励起光と信号光を合波する波長分割多重カプラ４０，４１、モニタ光を分波する分波器５０、信号光を分波する分波器５１、モニタ光と信号光を合波する合波器４２、モニタ用信号光を抽出するためのフィルタ６０、励起光源７０，７１、モニタ用光源１１０、光検出器８０，８１、演算部９０、制御部１００より構成される。
【００３３】
図３に示すように、信号光は合波器４２にてモニタ光と合波され、サーキュレータ２０を通過して波長分割多重カプラ４０にて励起光源７０からの励起光と合波し増幅用光ファイバ１０を通過する際に増幅され波長分割多重カプラ４１にて励起光源７１からの励起光と合波しミラー３０にて反射し、更に、波長分割多重カプラ４１、増幅用光ファイバ１０、波長分割多重カプラ４０を逆向きに通過しサーキュレータ２０で分岐され分波器５１で分波され、その一方は信号光として出力される。
また、モニタ用光源１１０からのモニタ光は分波器５０で分波され、その一方は合波器４２にて信号光と合波され、その他方のモニタ光は、光検出器８０で検出され、その計測値は演算部９０に送られる。
更に、分波器５１にて分波された他方の信号光は、フィルタ６１において、モニタ光として抽出され、光検出器８１で検出され、その計測値は演算部９０に送られる。
【００３４】
Ｔm3+を添加した増幅用光ファイバ１０のホストガラスとして石英ガラス、ビスマス系ガラス、非幅射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉn−Ｐbガラスとテルライトガラス等がある。
ミラー３０としてはファイバ端面に金を蒸着したタイプやファイバグレーティング等が使用可能である。
励起光と信号光を合波する波長分割多重カプラ４０，４１としては、ファイバの溶融遠心型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
モニタ用光源１１０としては、周回型半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザ、分布反射型半導体レーザなどが使用可能である。
【００３５】
モニタ光、信号光を分波する分波器５０，５１としては方向性結合型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングを組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
フィルタ６０としては誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
励起光を発生する励起光源７０，７１としてはＮd−ＹＬＦレーザ、Ｎd−ＹＡＧレーザ、Ｔiサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、フアイバレーザ等が使用可能である。
光検出器８０，８１としてはｐｉｎフォトダイオード、アバランシフォトダイオード等がある。
【００３６】
演算部９０は、信号入力側光検出器８０及び信号出力側光検出器８１により検出された測定値に基づいて、サーキュレータ側入力励起光パワー（Ｐf）及びミラー側入力励起光パワー（Ｐb）の和と比を導出し、それらの和と比を制御部１００へ送る。
制御部１００はその値どおりに各々の励起光パワーを制御する。
演算部９０は、利得ピークが所望値よりも短波長側へシフトしているときには、サーキュレータ側の励起光パワーの比率を上げ、長波長側へシフトしているときにはミラー側の励起光パワーの比率を上げるように各々の励起光パワーを調節する。
また全体の利得を総励起光パワー（Ｐf＋Ｐb）により制御する。これにより前述した参考例１と同様にして利得スペクトル一定制御が可能となる。
【００３７】
［実施の形態１］
本発明の第１の実施の形態を図４に示す。本実施の形態は、請求項３に関するものである。
図４は利得スペクトル一定制御機能及びモニタ機能を備えた単一透過型光ファイバ増幅器の構成図である。
同図に示すように、この光ファイバ増幅器はコアに希土類イオンとしてツリウムイオン（Ｔm３＋）を添加した増幅用光ファイバ１０、アイソレータ２１，２２、励起光と信号光を合波する波長分割多重カプラ４０，４１、信号光を分波する分波器５０，５１，５２，５３、モニタ用信号光を抽出するためのフィルタ６０，６１，６２，６３，６４，６５、励起光源７０，７１、光検出器８０，８１，８２，８３，８４，８５、演算部９０、制御部１００より構成される。
【００３８】
図４に示すように、信号光は分波器５０にて分波され、その一方はアイソレータ２１を通過して波長分割多重カプラ４０にて励起光源７０からの励起光と合波し増幅用光ファイバ１０を通過する際に増幅され波長分割多重カプラ４１にて励起光源７１からの励起光と合波し、更に、アイソレータ２２を通過し分波器５２で分波され、その一方は信号光として出力される。
また、信号光入力側分波器５０にて分波された他方の信号光は、更に分波器５１により各々３つに分波され、それぞれ各々異なるモニタ信号波長λ1，λ2，λ3）を透過するように設定されたフィルタ６０，６１，６２において、その内の何れかの波長がモニタ用信号光として抽出され、光検出器８０でモニタ信号光パワー値Ｐin（λ1），Ｐin（λ2），Ｐin（λ3）が検出され、それらの計測値は演算部９０に送られる。
同様に、信号光出力側分波器５２にて分波された他方の信号光は、更に分波器５３により各々３つに分波され、それぞれ各々異なるモニタ信号波長λ1，λ2，λ3を透過するように設定されたフィルタ６３，６４，６５において、その内の何れかの波長がモニタ用信号光として抽出され、光検出器８１でモニタ信号光パワー値Ｐout（λ1），Ｐout（λ2），Ｐout（λ3）が検出され、それらの計測値は演算部９０に送られる。
【００３９】
Ｔm3+を添加した増幅用光ファイバ１０のホストガラスとして石英ガラス、ビスマス系ガラス、非幅射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉn−Ｐbガラスとテルライトガラス等がある。
励起光と信号光を合波する波長分割多重カプラ４０，４１としては、ファイバの溶融遠心型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
励起光を発生する励起光源７０，７１としてはＮd−ＹＬＦレーザ、Ｎd−ＹＡＧレーザ、Ｔiサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
光検出器８０，８１としてはｐｉｎフォトダイオード、アバランシフォトダイオード等がある。
フィルタ６０，６１としては誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
【００４０】
演算部９０は、信号光入力側光検出器８０，８１，８２及び信号光出力側光検出器８３，８４，８５で測定された６つのモニタ信号光パワー値Ｐin（λ1），Ｐin（λ2），Ｐin（λ3），Ｐout（λ1），Ｐout（λ2），Ｐout（λ3）に基づき、各モニタ波長λ1，λ2，λ3の利得を導出し、その利得偏差ΔＧ12（＝Ｇλ1−Ｇλ2）、ΔＧ13（＝Ｇλ1−Ｇλ3）及び平均利得ＧAverage（＝（Ｇλ1＋Ｇλ2＋Ｇλ3）／３）を導出する。
実測値若しくは経験値から導出した計算式をもとに所望の利得帯域を達成するのに必要な信号入力側励起光パワー（Ｐf）と信号出力側励起光パワー（Ｐb）の比（Ｐf：Ｐb）を決定する。
更に実測値若しくは経験値から導出した計算式をもとに所望のモニタ信号光のＧAverageを達成するのに必要な総励起光パワー（Ｐf＋Ｐb）を決定する。
決定したＰf：Ｐb及びＰf＋Ｐbから各々の励起光源７０，７１の励起光パワー（Ｐf，Ｐb）を導出する。
決定したＰf，Ｐbを制御部１００に送り、各々の励起光源７０，７１が決定条件を実現するよう制御部１００が制御する。
これにより前述した参考例１と同様にして利得スペクトル一定制御が可能となる。
【００４１】
［実施の形態２］
本発明の第２の実施の形態を図５に示す。本実施の形態は、請求項４に関するものである。
図５は利得スペクトル一定制御機能及びモニタ機能を備えた単一透過型光ファイバ増幅器の構成図である。
同図に示すように、この光ファイバ増幅器はコアに希土類イオンとしてツリウムイオン（Ｔm３＋）を添加した増幅用光ファイバ１０、アイソレータ２１，２２、励起光と信号光を合波する波長分割多重カプラ４０，４１、モニタ用光源１１０，１１１，１１２、モニタ光を分波する分波器５０，５１，５２、信号光を分波する分波器５３，５４、モニタ光と信号光を合波する合波器４２、モニタ光を合波する合波器４３、モニタ用信号光を抽出するためのフィルタ６０，６１，６２、励起光源７０，７１、光検出器８０，８１，８２，８３，８４，８５、演算部９０、制御部１００より構成される。
【００４２】
図５に示すように、信号光は合波器４２にてモニタ光と合波され、アイソレータ２１を通過して波長分割多重カプラ４０にて励起光源７０からの励起光と合波し増幅用光ファイバ１０を通過する際に増幅され波長分割多重カプラ４１にて励起光源７１からの励起光と合波しアイソレータ２２を通過し、分波器５３で分波され、その一方が信号光として出力される。
また、モニタ用光源１１０，１１１，１１２から出力されたモニタ信号波長λ1，λ2，λ3のモニタ光は、それぞれ分波器５０，５１，５２で分波され、その一方は合波器４３にて合波され、合波器４２にて信号光と合波され、他方のモニタ光は、光検出器８０，８１，８２で検出され、３つのモニタ信号光パワー値Ｐin（λ1），Ｐin（λ2），Ｐin（λ3）として演算部９０に送られる。
更に、分波器５３にて分波された他方の信号光は、分波器５４にて３つに分波され、それぞれ各々異なるモニタ信号波長λ1，λ2，λ3を透過するように設定されたフィルタ６０，６１，６２おいてモニタ光として抽出され、それぞれ光検出器８３，８４，８５で検出され、３つのモニタ信号光パワー値Ｐout（λ1），Ｐout（λ2），Ｐout（λ3）として演算部９０に送られる。
【００４３】
Ｔm3+を添加した増幅用光ファイバ１０のホストガラスとして石英ガラス、ビスマス系ガラス、非幅射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉn−Ｐbガラスとテルライトガラス等がある。
励起光と信号光を合波する波長分割多重カプラ４０，４１としては、ファイバの溶融遠心型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
励起光を発生する励起光源７０，７１としてはＮd−ＹＬＦレーザ、Ｎd−ＹＡＧレーザ、Ｔiサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
モニタ用光源１１０，１１１，１１２としては、周回型半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザ、分布反射型半導体レーザなどが使用可能である。
モニタ光を分波する分波器５０，５１，５２としては方向性結合型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングを組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
【００４４】
光検出器８０，８１，８２，８３，８４，８５としてはｐｉｎフォトダイオード、アバランシフォトダイオード等がある。
フィルタ６０，６１，６２としては誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
モニタ信号を抽出するため、信号入力側分波器５０，５１及び信号出力側分波器５０，５１により信号光を分波する。
各々の分波器５０，５１で分波された信号光は、更に分波器５０，５１により其を３つに分けられる。
分波された２つ信号光は各々異なるモニタ信号波長λ1，λ2，λ3）を透過するように設定されたフィルタ６０，６１を通過し、光検出器８０，８１によってモニタ信号光パワーを測定する。
【００４５】
演算部９０は、信号光入力側及び信号光出力側で測定された６つのモニタ信号光パワー値Ｐin（λ1），Ｐin（λ2），Ｐin（λ3），Ｐout（λ1），Ｐout（λ2），Ｐout（λ3）に基づいて、各モニタ波長λ1，λ2，λ3の利得を導出し、その利得偏差ΔＧ12（＝Ｇλ1−Ｇλ2）、ΔＧ13（＝Ｇλ1−Ｇλ3）及び平均利得ＧAverage（＝（Ｇλ1＋Ｇλ2＋Ｇλ3）／３））を導出する。
また、演算部９０は、実測値若しくは経験値から導出した計算式をもとに所望の利得帯域を達成するのに必要な信号入力側励起光パワー（Ｐf）と信号出力側励起光パワー（Ｐb）の比（Ｐf：Ｐb）を決定する。
【００４６】
更に、演算部９０は、実測値若しくは経験値から導出した計算式をもとに所望のモニタ信号光のＧAverageを達成するのに必要な総励起光パワー（Ｐf＋Ｐb）を決定する。
そして、演算部９０は、決定したＰf：Ｐb及びＰf＋Ｐbから各々の励起光源７０，７１の励起光パワーＰf，Ｐbを導出する。
決定したＰf，Ｐbを制御部１００に送り、制御部１００は各々の励起光源７０，７１が決定条件を実現するよう制御する。
これにより前述した参考例１と同様にして利得スペクトル一定制御が可能となる。
【００４７】
［実施の形態３］
本発明の第３の実施の形態を図６に示す。本実施の形態は、請求項１，２に関するものである。
同図は利得スペクトル一定制御機能及びモニタ機能を備えた反射型光ファイバ増幅器の構成図である。
同図に示すように、この光ファイバ増幅器は、コアに希土類イオンとしてツリウムイオン（Ｔm３＋）を添加した増幅用光ファイバ１０、サーキュレータ２０、ミラー３０、励起光と信号光を合波する波長分割多重カプラ４０，４１、信号光を分波する分波器５０，５１、モニタ光を分波する分波器５２，５３、モニタ光と信号光を合波する合波器４２、モニタ用信号光を抽出するためのフィルタ６０，６１、励起光源７０，７１、モニタ用光源１１０，１１１、光検出器８０，８１、演算部９０、制御部１００より構成される。
【００４８】
図６に示すように、信号光は合波器４２にてモニタ光と合波され、サーキュレータ２０を通過して波長分割多重カプラ４０にて励起光源７０からの励起光と合波し増幅用光ファイバ１０を通過する際に増幅され波長分割多重カプラ４１にて励起光源７１からの励起光と合波しミラー３０にて反射し、更に、波長分割多重カプラ４１、増幅用光ファイバ１０、波長分割多重カプラ４０を逆向きに通過しサーキュレータ２０で分岐され分波器５２で分波され、その一方は信号光として出力される。
また、モニタ用光源１１０，１１１から出力されたモニタ信号波長λ1，λ2のモニタ光は、それぞれ分波器５０，５１で分波され、その一方は合波器４２にて信号光と合波され、その他方のモニタ光は、光検出器８０，８１で検出され、２つのモニタ信号光パワー値Ｐin（λ1），Ｐin（λ2）として演算部９０に送られる。
更に、分波器５２にて分波された他方の信号光は、分波器５３にて２つに分波され、それぞれ各々異なるモニタ信号波長λ1，λ2を透過するように設定されたフィルタ６０，６１おいてモニタ光として抽出され、それぞれ光検出器８２，８３で検出され、２つのモニタ信号光パワー値Ｐout（λ1），Ｐout（λ2）として演算部９０に送られる。
【００４９】
Ｔm3+を添加した増幅用光ファイバ１０のホストガラスとして石英ガラス、ビスマス系ガラス、非幅射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉn−Ｐbガラスとテルライトガラス等がある。
ミラー３０としてはファイバ端面に金を蒸着したタイプやファイバグレーティング等が使用可能である。
励起光と信号光を合波する波長分割多重カプラ４０，４１としては、ファイバの溶融遠心型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
励起光を発生する励起光源７０，７１としてはＮd−ＹＬＦレーザ、Ｎd−ＹＡＧレーザ、Ｔiサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
モニタ用光源１１０としては、周回型半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザ、分布反射型半導体レーザなどが使用可能である。
モニタ用信号光を分波する分波器５０，５１としては方向性結合型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングを組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
光検出器８０，８１としてはｐｉｎフォトダイオード、アバランシフォトダイオード等がある。フィルタ６０，６１としては誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
【００５０】
演算部９０は、信号光入力側光検出器８０，８１及び信号光出力側光検出器８２，８３で測定された４つのモニタ信号光パワー値Ｐin（λ1），Ｐin（λ2），Ｐout（λ1），Ｐout（λ2）に基づき、各モニタ波長λ1，λ2の利得を導出し、その利得偏差ΔＧ及び平均利得ＧAverageを導出する。
また、演算部９０は、実測値若しくは経験値から導出した計算式をもとに所望の利得帯域を達成するのに必要な信号入力側励起光パワー（Ｐf）と信号出力側励起光パワー（Ｐb）の比（Ｐf：Ｐb）を決定する。
更に、演算部９０は、実測値若しくは経験値から導出した計算式をもとに所望のモニタ信号光のＧAverageを達成するのに必要な総励起光パワー（Ｐf＋Ｐb）を決定する。
そして、演算部９０は、決定したＰf：Ｐb及びＰf＋Ｐbから各々の励起光源７０，７１の励起光パワーのＰf，Ｐbを導出する。
決定したＰf，Ｐbを制御部１００に送り、制御部１００は各々の励起光源７０，７１が決定条件を実現するよう制御する。
これにより前述した参考例１と同様にして利得スペクトル一定制御が可能となる。
【００５１】
［実施の形態４］
本発明の第４の実施の形態を図７に示す。本実施の形態は、請求項５，６に関するものである。
図７は利得スペクトル一定制御機能及びモニタ機能を備えた単一透過型光ファイバ増幅器の構成図である。
同図に示すように、この光ファイバ増幅器はコアに希土類イオンとしてツリウムイオン（Ｔm３＋）を添加した増幅用光ファイバ１０、アイソレータ２１，２２、励起光と信号光を合波する波長分割多重カプラ４０，４１、モニタ光を分波する分波器５０，５１、信号光を分波する分波器５２，５３、モニタ光と信号光を合波する合波器４２、励起光源７０，７１、モニタ用光源１１０，１１１、モニタ用信号光を抽出するためのフィルタ６０，６１、光検出器８０，８１、演算部９０、制御部１００より構成される。
【００５２】
図７に示すように、信号光は合波器４２にてモニタ光と合波され、アイソレータ２１を通過して波長分割多重カプラ４０にて励起光源７０からの励起光と合波し増幅用光ファイバ１０を通過する際に増幅され波長分割多重カプラ４１にて励起光源７１からの励起光と合波しアイソレータ２２を通過し、分波器５２で分波され、その一方が信号光として出力される。
また、モニタ用光源１１０，１１１から出力されたモニタ信号波長λ1，λ2のモニタ光は、それぞれ分波器５０，５１で分波され、その一方は合波器４３にて合波され、更に、合波器４２にて信号光と合波され、その他方のモニタ光は、光検出器８０，８１で検出され、２つのモニタ信号光パワー値Ｐin（λ1），Ｐin（λ2）として演算部９０に送られる。
更に、分波器５２にて分波された他方の信号光は、分波器５３にて２つに分波され、それぞれ各々異なるモニタ信号波長λ1，λ2）を透過するように設定されたフィルタ６０，６１おいてモニタ光として抽出され、それぞれ光検出器８２，８３で検出され、２つのモニタ信号光パワー値Ｐout（λ1），Ｐout（λ2）として演算部９０に送られる。
【００５３】
Ｔm3+を添加した増幅用光ファイバ１０のホストガラスとして石英ガラス、ビスマス系ガラス、非幅射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉn−Ｐbガラスとテルライトガラス等がある。
励起光と信号光を合波する波長分割多重カプラ４０，４１としては、ファイバの溶融遠心型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
励起光を発生する励起光源７０，７１としてはＮd−ＹＬＦレーザ、Ｎd−ＹＡＧレーザ、Ｔiサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
モニタ用光源１１０としては、周回型半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザ、分布反射型半導体レーザなどが使用可能である。
モニタ用信号光を分波する分波器５０，５１としては方向性結合型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングを組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
【００５４】
光検出器８０，８１としてはｐｉｎフォトダイオード、アバランシフォトダイオード等がある。
フィルタ６０，６１としては誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
演算部９０は、信号光入力側光検出器８０，８１及び信号光出力側光検出器８２，８３で測定された４つのモニタ信号光パワー値Ｐin（λ1），Ｐin（λ2），Ｐout（λ1），Ｐout（λ2）に基づき、各モニタ波長λ1，λ2の利得を導出し、その利得偏差ΔＧ及び平均利得ＧAverageを導出する。
また、演算部９０は、実測値若しくは経験値から導出した計算式をもとに所望の利得帯域を達成するのに必要な信号入力側励起光パワー（Ｐf）と信号出力側励起光パワー（Ｐb）の比（Ｐf：Ｐb）を決定する。
【００５５】
更に、演算部９０は、実測値若しくは経験値から導出した計算式をもとに所望のモニタ信号光のＧAverageを達成するのに必要な総励起光パワー（Ｐf＋Ｐb）を決定する。
そして、演算部９０は、決定したＰf：Ｐb及びＰf＋Ｐbから各々の励起光源７０，７１の励起光パワーＰf，Ｐbを導出する。
決定したＰf，Ｐbを制御部１００に送り、制御部１００は各々の励起光源７０，７１が決定条件を実現するよう制御する。
これにより前述した参考例１と同様にして利得スペクトル一定制御が可能となる。
【００５６】
［実施の形態５］
本発明の第５の実施の形態は、実施の形態３記載の光ファイバ増幅器において、モニタ信号光の波長を増幅帯域の両端に設定したものである。
これにより、モニタ信号光を隣接させて設定する場合に比べ、高精度な制御を行うことが可能となる。
【００５７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の光ファイバ増幅器は、アンプ構成として反射型を用いた場合において、双方から入力される励起光のパワーの和と比を変化させることにより、アンプ入力信号光パワーの変動に対して利得スペクトルを一定に保つことが出来る。
また、本発明の光ファイバ増幅器は、アンプ構成として反射型、単一透過型のいずれを用いた場合でも、２モニタ信号光の利得偏差から所望の利得帯域を実現可能な励起光パワー比を決定し、２モニタ信号光の平均利得から各チャネル毎の所望利得を達成可能な総励起光パワーを決定し、励起光を制御することで所望の利得スペクトルを実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の参考例に係る利得スペクトル一定制御機能及びモニタ機能を備えた光ファイバ増幅器の構成図である。
【図２】  図２（ａ）はアンプへの入力パワーが減少後の利得スペクトルの概念図、図２（ｂ）は励起光の分配比の変化及び励起光パワーの変化により制御を行った場合の利得スペクトルの概念図、図２（ｃ）は励起光の分配比を変化させずに励起光パワーのみの変化により制御を行った場合の利得スペクトルの概念図である。
【図３】  本発明の第２の参考例に係る利得スペクトル一定制御機能及びモニタ機能を備えた光ファイバ増幅器の構成図である。
【図４】  本発明の第１の実施の形態に係る利得スペクトル一定制御機能及びモニタ機能を備えた光ファイバ増幅器の構成図である。
【図５】  本発明の第２の実施の形態に係る利得スペクトル一定制御機能及びモニタ機能を備えた光ファイバ増幅器の構成図である。
【図６】  本発明の第３の実施の形態に係る利得スペクトル一定制御機能及びモニタ機能を備えた光ファイバ増幅器の構成図である。
【図７】  本発明の第４の実施の形態に係る利得スペクトル一定制御機能及びモニタ機能を備えた光ファイバ増幅器の構成図である。
【図８】  図８（ａ）はＥrイオンのエネルギー準位図、図８（ｂ）はＴmイオンのエネルギー準位図である。
【図９】  図９（ａ）は利得帯域変化時の利得スペクトル、図９（ｂ）はモニタ信号光の利得偏差ΔＧ（＝Ｇλ1−Ｇλ2）と利得ピーク波長の関係を表すグラフである。
【図１０】  ΔＧと総励起光パワーに占めるＰfの比率の関係を表すグラフである。
【図１１】  励起光パワー変化時における利得スペクトルの変化を表すグラフである。
【符号の説明】
１０  増幅用光ファイバ
２０  サーキュレータ
２１，２２  アイソレータ
３０  ミラー
４０，４１  波長分割多重カプラ（合波器）
４２  合波器
５０，５１，５２，５３，５４  分波器
６０，６１，６２，６３，６４，６５  フィルタ
７０，７１  励起光源
８０，８１，８２，８３，８４，８５  光検出器
９０  演算部
１００  制御部
１１０，１１１，１１２  モニタ用光源
【図１】
0003931086.tif 000002
【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】
0003931086.tif 000009
【図９】
0003931086.tif 000010
【図１０】
0003931086.tif 000011
【図１１】
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