(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｍ元素が光導波領域に添加された光導波路と、
前記光導波路に励起光を供給する励起光供給手段と、
前記光導波路と光学的に接続され、温度が高いほど短波長側にシフトする損失スペクトルを有し、前記光導波路における信号光の光増幅の利得を等化する利得等化フィルタとを
備え、
前記光導波路での１４５５〜１４８５ｎｍの光に対する増幅利得が、温度が高くなるほど短波長側にシフトするように、前記励起光が調整されている
ことを特徴とする１４５５〜１４８５ｎｍ帯用の光増幅器。
【請求項２】
波長帯域１４５５〜１４８５ｎｍ内の所定の波長の信号光を光増幅することを特徴とする請求項１記載の光増幅器。
【請求項３】
前記励起光供給手段により前記光導波路に供給される励起光が波長１．０５μｍ帯の光のみであり、
前記励起光が波長１．０５μｍ帯の光のみで前記光導波路がアップコンバージョン励起され、
前記利得等化フィルタの前記損失スペクトルの波長シフトの温度係数が−０．０２ｎｍ／℃である
ことを特徴とする請求項１記載の光増幅器。
【請求項４】
前記励起光供給手段により前記光導波路に供給される励起光が波長１．０５μｍ帯の光および波長１．５５〜１．６５μｍ帯の光であり、
前記利得等化フィルタの前記損失スペクトルの波長シフトの温度係数が−０．０２ｎｍ／℃未満である
ことを特徴とする請求項１記載の光増幅器。
【請求項５】
前記利得等化フィルタに対して外部から制御が加えられることで前記損失スペクトルがシフトすることを特徴とする請求項１記載の光増幅器。
【請求項６】
前記利得等化フィルタに対して外部から制御が加えられることなく自動的に前記損失スペクトルがシフトすることを特徴とする請求項１記載の光増幅器。
【請求項７】
前記光導波路と光学的に接続され、前記信号光に対する減衰量が温度に応じて可変である可変光アッテネータを更に備えることを特徴とする請求項１記載の光増幅器。
【請求項８】
請求項１記載の光増幅器を含み、１４５５〜１４８５ｎｍ帯の信号光を伝送するとともに、この信号光を前記光増幅器により光増幅することを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、励起光が供給された光導波路において信号光を光増幅する光増幅器、および、この光増幅器を含む光通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムは、光ファイバ伝送路に信号光を伝搬させることで、大容量の情報を高速に伝送することができる。この光通信システムにおける信号光の波長帯域として、Ｃバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）が既に使用され、Ｌバンド（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）の使用も検討されている。また、更なる大容量化を図る為に、信号光波長帯域としてＳバンド（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ）の使用も検討されている。
【０００３】
また、光通信システムでは、信号光を光増幅するために光増幅器が用いられる。ＣバンドまたはＬバンドの信号光を光増幅することができる光増幅器として、Ｅｒ（エルビウム）元素が光導波領域に添加された光増幅用ファイバ（ＥＤＦ: Erbium Doped Fiber）を光増幅媒体として用いるＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）が用いられる。このＥＤＦＡは、Ｅｒ元素添加光ファイバに励起光（波長０．９８μｍ帯または１．４８μｍ帯）を供給することで、このＥｒ元素添加光ファイバを伝搬するＣバンドまたはＬバンドの信号光を光増幅することができる。
【０００４】
一方、Ｓバンドの信号光を光増幅することができる光増幅器として、Ｔｍ（ツリウム）元素が光導波領域に添加された光増幅用ファイバ（ＴＤＦ: Thulium Doped Fiber）を光増幅媒体として用いるＴＤＦＡ（Thulium Doped Fiber Amplifier）が検討されている。このＴＤＦＡは、Ｔｍ元素添加光ファイバに励起光（波長１．０５μｍ帯、１．４μｍ帯または１．５５〜１．６５μｍ帯）を供給することで、このＴｍ元素添加光ファイバを伝搬するＳバンドの信号光を光増幅することができる。
【０００５】
このような光増幅器では、光増幅する信号光の波長帯域において温度に依らず利得が平坦であることが重要である。例えば、陸上系の光通信システムで用いられる光増幅器は、少なくとも環境温度０℃〜６５℃の範囲において、温度に依らず利得が平坦であることが要求される。しかし、一般に、光増幅器における光増幅媒体は、信号光波長帯域において利得が平坦ではなく、また、その利得スペクトルが温度により変化する。そこで、光増幅器は、光増幅媒体における信号光の光増幅の利得を等化するための利得等化フィルタを更に備え、また、利得の温度依存性を低減するための温度補償手段をも更に備える必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、特開平４−１１７９４号公報に開示されたＥＤＦＡの温度補償手段は、ペルチエ素子等の温度調整素子により光増幅用ファイバ自体の温度を制御することにより、利得の温度依存性の低減を図るものである。しかし、これは、温度調整素子を駆動するための電力が大きいという問題点がある。
【０００７】
また、他の温度補償手段として、可変光アッテネータの透過特性を温度に応じて制御することにより、利得の温度依存性の低減を図る技術も知られている。しかし、これは、制御が複雑であるという問題点を有している。
【０００８】
また、これまで知られている光増幅器の温度補償手段は何れもＥＤＦＡを対象とするものであって、ＴＤＦＡを対象とするものは知られていない。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、消費電力を小さくすることができ容易な制御で利得の温度依存性を低減することができる光増幅器（ＴＤＦＡ）、および、この光増幅器を含む光通信システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光増幅器は、１４５５〜１４８５ｎｍ帯用のものであって、(1) Ｔｍ元素が光導波領域に添加された光導波路と、(2) 光導波路に励起光を供給する励起光供給手段と、(3) 光導波路と光学的に接続され、温度が高いほど短波長側にシフトする損失スペクトルを有し、光導波路における信号光の光増幅の利得を等化する利得等化フィルタとを備え、光導波路での１４５５〜１４８５ｎｍの光に対する増幅利得が、温度が高くなるほど短波長側にシフトするように、励起光が調整されていることを特徴とする。また、波長帯域１４５５〜１４８５ｎｍ内の所定の波長の信号光を光増幅するのが好適である。
【００１１】
この光増幅器によれば、Ｔｍ元素が光導波領域に添加された光導波路は、励起光供給手段により励起光が供給される。この光導波路に所定波長帯域内の信号光が入射すると、この光導波路において信号光は光増幅される。光導波路と光学的に接続された利得等化フィルタの損失スペクトルは、光導波路の利得スペクトルと略同じ形状を有しており、光導波路における信号光の光増幅の利得は利得等化フィルタにより等化され、所定波長帯域において光増幅器の全体の利得スペクトルは平坦となる。Ｔｍ元素が添加された光導波路の利得スペクトルは、その光導波路の温度が高いほど短波長側にシフトする。また、利得等化フィルタは、温度が高いほど短波長側にシフトする損失スペクトルを有している。したがって、所定波長帯域において光増幅器の全体の利得の温度依存性が低減される。このようにして、この光増幅器は、消費電力を小さくすることができ、容易な制御で利得の温度依存性を低減することができる。
【００１２】
また、本発明に係る光増幅器は、励起光供給手段により光導波路に供給される励起光が波長１．０５μｍ帯の光のみであり、励起光が波長１．０５μｍ帯の光のみで光導波路がアップコンバージョン励起され、利得等化フィルタの損失スペクトルの波長シフトの温度係数が−０．０２ｎｍ／℃であるのが好適である。この場合には、光導波路に添加されたＴｍ元素は、波長１．０５μｍ帯の励起光によりアップコンバージョン励起される。このとき、光導波路の利得スペクトルの波長シフトの温度係数が−０．０２ｎｍ／℃であるので、利得等化フィルタの損失スペクトルの波長シフトの温度係数が−０．０２ｎｍ／℃であることにより、光増幅器の全体の利得の温度依存性が低減されることになる。
【００１３】
また、本発明に係る光増幅器は、励起光供給手段により光導波路に供給される励起光が波長１．０５μｍ帯の光および波長１．５５〜１．６５μｍ帯の光であり、利得等化フィルタの損失スペクトルの波長シフトの温度係数が−０．０２ｎｍ／℃未満であるのが好適である。この場合には、光導波路に添加されたＴｍ元素は、波長１．０５μｍ帯の励起光および波長１．５５〜１．６５μｍ帯の励起光により励起される。このとき、波長１．５５〜１．６５μｍ帯の励起光も供給されることにより、光導波路の利得スペクトルは長波長側にシフトする。また、光導波路の利得スペクトルの波長シフトの温度係数が−０．０２ｎｍ／℃未満となるので、利得等化フィルタの損失スペクトルの波長シフトの温度係数が−０．０２ｎｍ／℃未満であることにより、光増幅器の全体の利得の温度依存性が低減されることになる。
【００１４】
また、本発明に係る光増幅器は、利得等化フィルタに対して外部から制御が加えられることで損失スペクトルがシフトするのが好適である。この場合には、利得等化フィルタに対して外部から例えば応力や熱エネルギが加えられることで、損失スペクトルが容易に制御される。
【００１５】
また、本発明に係る光増幅器は、利得等化フィルタに対して外部から制御が加えられることなく自動的に損失スペクトルがシフトするのが好適である。この場合には、利得等化フィルタに対して外部から例えば電気的制御が加えられることなく、自動的に損失スペクトルがシフトするので、消費電力が小さい。
【００１６】
また、本発明に係る光増幅器は、光導波路と光学的に接続され、信号光に対する減衰量が温度に応じて可変である可変光アッテネータを更に備えるのが好適である。この場合には、所定波長帯域における光増幅器の全体の利得スペクトルは、温度によらず、平坦となるだけでなく、レベルが一定となる。
【００１７】
本発明に係る光通信システムは、上記の本発明に係る光増幅器を含み、１４５５〜１４８５ｎｍ帯の信号光を伝送するとともに、この信号光を光増幅器により光増幅することを特徴とする。この光通信システムによれば、所定波長帯域（１４５５〜１４８５ｎｍ）の信号光は、上記の光増幅器により光増幅される。したがって、所定波長帯域の信号光の伝送品質が優れたものとなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
先ず、本発明に係る光増幅器の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る光増幅器１００の構成図である。この光増幅器１００は、入力ポート１０１から出力ポート１０２に向かって順に、光アイソレータ１１１、光カプラ１２１、光増幅用ファイバ１４１、光カプラ１２２、光アイソレータ１１２、利得等化フィルタ１５０、可変光アッテネータ１６０、光アイソレータ１１３、光カプラ１２３、光増幅用ファイバ１４２、光カプラ１２４および光アイソレータ１１４を備えている。また、この光増幅器１００は、光カプラ１２１に接続された励起光源１３１、光カプラ１２２に接続された励起光源１３２、光カプラ１２３に接続された励起光源１３３、光カプラ１２４に接続された励起光源１３４、および、制御回路１９０をも備えている。
【００２０】
光増幅用ファイバ１４１，１４２は、フッ化物系ガラスまたはテルライト系ガラスをホストガラスとする光導波路であり、少なくともコア領域にＴｍ元素が添加されている。光増幅用ファイバ１４１，１４２は、励起光が供給されることにより所定波長帯域（１４５５〜１４８５ｎｍ）内の波長の信号光を光増幅する。
【００２１】
光カプラ１２１，１２２および励起光源１３１，１３２は、光増幅用ファイバ１４１に励起光を供給する励起光供給手段として作用する。また、光カプラ１２３，１２４および励起光源１３３，１３４は、光増幅用ファイバ１４２に励起光を供給する励起光供給手段として作用する。励起光源１３１〜１３４として、好適には、半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザ光源、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源、Ｙｂレーザ光源、等が用いられる。
【００２２】
励起光源１３１〜１３４それぞれは、励起光（波長１．０５μｍ帯、１．４μｍ帯または１．５５〜１．６５μｍ帯）を出力する。光カプラ１２１は、励起光源１３１から出力された励起光を光増幅用ファイバ１４１に順方向より供給するとともに、光アイソレータ１１１より入力した信号光を光増幅用ファイバ１４１に向けて出力する。光カプラ１２２は、励起光源１３２から出力された励起光を光増幅用ファイバ１４１に逆方向より供給するとともに、光増幅用ファイバ１４１より入力した信号光を光アイソレータ１１２に向けて出力する。光カプラ１２３は、励起光源１３３から出力された励起光を光増幅用ファイバ１４２に順方向より供給するとともに、光アイソレータ１１３より入力した信号光を光増幅用ファイバ１４２に向けて出力する。また、光カプラ１２４は、励起光源１３４から出力された励起光を光増幅用ファイバ１４２に逆方向より供給するとともに、光増幅用ファイバ１４２より入力した信号光を光アイソレータ１１４に向けて出力する。
【００２３】
光アイソレータ１１１〜１１４それぞれは、光を順方向（入力ポート１０１から出力ポート１０２へ向かう方向）にのみ光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。利得等化フィルタ１５０は、温度が高いほど短波長側にシフトする損失スペクトルを有し、光増幅用ファイバ１４１，１４２における信号光の光増幅の利得を等化する。可変光アッテネータ１６０は、信号光に対する減衰量が温度に応じて可変である。
【００２４】
温度計１７１は、光増幅用ファイバ１４１またはその近傍の温度を測定する。温度計１７２は、光増幅用ファイバ１４２またはその近傍の温度を測定する。制御回路１９０は、励起光源１３１〜１３４それぞれから出力される励起光のパワーを制御するとともに、温度計１７１，１７２により測定された温度に基づいて、可変光アッテネータ１６０における信号光に対する減衰量を制御し、また、必要に応じて、利得等化フィルタ１５０の損失スペクトルを制御する。
【００２５】
この光増幅器１００は以下のように動作する。励起光源１３１から出力された励起光は、光カプラ１２１を経て光増幅用ファイバ１４１に順方向より供給される。励起光源１３２から出力された励起光は、光カプラ１２２を経て光増幅用ファイバ１４１に逆方向より供給される。励起光源１３３から出力された励起光は、光カプラ１２３を経て光増幅用ファイバ１４２に順方向より供給される。また、励起光源１３４から出力された励起光は、光カプラ１２４を経て光増幅用ファイバ１４２に逆方向より供給される。
【００２６】
そして、入力ポート１０１より入力した信号光は、光アイソレータ１１１および光カプア１２１を順に通過して、光増幅用ファイバ１４１に入力して、この光増幅用ファイバ１４１の利得スペクトルに応じて光増幅される。光増幅用ファイバ１４１より出力された信号光は、光カプラ１２２および光アイソレータ１１２を順に通過して、利得等化フィルタ１５０に入力し、この利得等化フィルタ１５０の損失スペクトルに応じて損失を受ける。利得等化フィルタ１５０より出力された信号光は、可変光アッテネータ１６０に入力して、この可変光アッテネータ１６０において更に損失を受ける。可変光アッテネータ１６０より出力された信号光は、光アイソレータ１１３および光カプラ１２３を順に通過して、光増幅用ファイバ１４２に入力して、この光増幅用ファイバ１４２の利得スペクトルに応じて光増幅される。光増幅用ファイバ１４２より出力された信号光は、光カプラ１２４および光アイソレータ１１４を順に通過して、出力ポート１０２より出力される。
【００２７】
入力ポート１０１から出力ポート１０２へ至るまでの光増幅器１００の全体の信号光に対する利得スペクトルは、光増幅用ファイバ１４１，１４２それぞれの利得スペクトル、利得等化フィルタ１５０の損失スペクトル、可変光アッテネータ１６０の損失スペクトル、および、その他の各構成部品の損失を総合したものとなる。
【００２８】
図２は、Ｔｍ元素がコア領域に添加された光増幅用ファイバの利得スペクトルを示す図である。この図に示される利得スペクトルは、Ｔｍ添加濃度２０００ｐｐｍであって長さ２０ｍの光増幅用ファイバが波長１．０５μｍ帯の励起光によりアップコンバージョン励起されたときのものである。また、この図には、光増幅用ファイバの温度が５℃，２５℃，４５℃および５５℃それぞれの場合について、光増幅用ファイバの利得スペクトルが示されている。
【００２９】
この図に示されるように、Ｔｍ元素がコア領域に添加された光増幅用ファイバの利得スペクトルは、温度が異なっていても形状が略一定である。しかし、温度が高くなると、利得スペクトルは短波長側にシフトする。この損失スペクトルの波長シフトの温度係数は略−０．０２ｎｍ／℃である。すなわち、温度が１℃だけ上昇すると、光増幅用ファイバの利得スペクトルは短波長側へ０．０２ｎｍだけシフトする。
【００３０】
図３は、Ｔｍ元素がコア領域に添加された光増幅用ファイバの利得スペクトル差ΔＧを示す図である。ここで、利得スペクトル差ΔＧ(λ)は、図２中の温度５５℃の場合の利得スペクトルＧ55(λ)から、図２中の温度５℃の場合の利得スペクトルＧ5(λ)を短波長側に１ｎｍだけシフトしたものを差し引いたものであり、
ΔＧ(λ)＝Ｇ55(λ)−Ｇ5(λ+1nm)    …(1)
なる式で表される。ここでλは波長である。
【００３１】
この図に示されるように、波長帯域１４５５〜１４８５ｎｍにおいて、利得スペクトル差ΔＧ(λ)の絶対値の最大値は０．２ｄＢ程度である。単位温度変化あたりの利得偏差の変化量は、±０．００１ｄＢ／℃程度にとどまっている。また、単位温度変化あたりの平均利得レベルの変化量は、−０．０３ｄＢ／℃程度である。このように、温度５５℃の場合の利得スペクトルＧ55(λ)と、温度５℃の場合の利得スペクトルＧ5(λ)を短波長側に１ｎｍだけシフトしたＧ5(λ+1nm)とは、略一致している。すなわち、光増幅用ファイバの温度が５０℃上昇すると、光増幅用ファイバの利得スペクトルは短波長側に１ｎｍだけシフトする。つまり、光増幅用ファイバの損失スペクトルの波長シフトの温度係数は−０．０２ｎｍ／℃（＝−１ｎｍ／５０℃）である。
【００３２】
そこで、図１に示される本実施形態に係る光増幅器１００では、励起光源１３１〜１３４より光増幅用ファイバ１４１，１４２に供給される励起光が波長１．０５μｍ帯の光のみであるときには、利得等化フィルタ１５０の損失スペクトルの波長シフトの温度係数が略−０．０２ｎｍ／℃であるのが好適である。すなわち、温度がΔＴ(℃)だけ変化すると、光増幅用ファイバ１４１，１４２の利得スペクトルが−０．０２・ΔＴ(ｎｍ)だけ波長シフトするとともに、利得等化フィルタ１５０の損失スペクトルも同じ−０．０２・ΔＴ(ｎｍ)だけ波長シフトするので、この光増幅器１００の全体の利得スペクトルは温度に依らず平坦とすることができる。
【００３３】
このような利得等化フィルタ１５０は好適には以下のように実現される。図４は、利得等化フィルタ１５０の好適な１構成例を示す図である。この図に示される利得等化フィルタ１５０Ａは、石英系光ファイバ２００の長手方向に沿って数百μｍ周期の屈折率変調がコア領域に形成された長周期グレーティング素子２０１、この長周期グレーティング素子２０１の両端を保持するクランプ部２０２および２０３、ならびに、クランプ部２０２とクランプ部２０３との間に設けられたピエゾ素子２０４を含む。長周期グレーティング素子２０１は、光増幅用ファイバ１４１，１４２の利得スペクトルと同形状の損失スペクトルを有している。なお、長周期グレーティング素子２０１は、長手方向の異なる領域に異なる周期の屈折率変調が形成されたものであるのが好適であり、このようにすることで、光増幅用ファイバ１４１，１４２の利得スペクトルと同形状の損失スペクトルを有するものとすることができる。
【００３４】
この利得等化フィルタ１５０Ａのピエゾ素子２０４は、温度計１７１，１７２により測定された温度に基づいて制御回路１９０により制御される。すなわち、温度が高いほど、ピエゾ素子２０４の作用により長周期グレーティング素子２０１に付与される引張応力が小さくなり、長周期グレーティング素子２０１における屈折率変調の周期が短くなり、長周期グレーティング素子２０１の損失スペクトルが短波長側にシフトする。この場合、制御回路１９０は、温度に応じてピエゾ素子２０４を制御するだけでよいので、消費電力が小さく、その制御が容易である。
【００３５】
また、図４に示される利得等化フィルタ１５０Ａにおいて、ピエゾ素子２０４に替えて、適切な値の負の線膨張係数を有する材料からなる部材を設けるのも好適である。温度が高いほど、負の線膨張係数を有する材料からなる部材の作用により、長周期グレーティング素子２０１に付与される引張応力が小さくなり、長周期グレーティング素子２０１における屈折率変調の周期が短くなり、長周期グレーティング素子２０１の損失スペクトルが短波長側にシフトする。この場合、利得等化フィルタ１５０に対して電気的制御が加えられることなく自動的に損失スペクトルがシフトするので、消費電力が小さい。
【００３６】
また、利得等化フィルタ１５０は、コアおよびクラッドそれぞれの組成が適切に調整された石英系光ファイバに形成された長周期グレーティング素子によっても実現され得る。すなわち、長周期グレーティング素子は、温度が変化すると、屈折率が変化するとともに、屈折率変調の周期も変化して、これに因り損失スペクトルも変化する。したがって、コアおよびクラッドそれぞれにおける添加剤および添加量を適切に調整することにより、長周期グレーティング素子の損失スペクトルの波長シフトの温度係数を所望値（−０．０２ｎｍ／℃）とすることができる。具体的には、屈折率の温度依存性の大小関係として ＧｅＯ2＞ＳｉＯ2＞０＞Ｆ‐ＳｉＯ2＞Ｂ2Ｏ5 という関係がある。そこで、例えば適量のＧｅおよびＢがコアに共添加された光ファイバに屈折率変調を形成して、損失スペクトルの波長シフトの温度係数が所望値である長周期グレーティング素子を製造することができる。その一例が図５に示されている。
【００３７】
図５は、光増幅用ファイバの利得スペクトル、利得等化フィルタとしての長周期グレーティング素子（ＬＰＧ）の透過スペクトル、および、光増幅器全体の利得スペクトル、それぞれを示す図である。長周期グレーティング素子の損失スペクトルは、長周期グレーティング素子の透過スペクトルと対応している。同図（ａ）は温度５℃の場合を示し、同図（ｂ）は温度２５℃の場合を示し、同図（ｃ）は温度５５℃の場合を示す。ここでは、利得等化フィルタ１４０としての長周期グレーティング素子は、適量のＧｅおよびＢがコアに共添加された光ファイバの長手方向の異なる４つの領域に異なる周期の屈折率変調が形成されていて、光増幅用ファイバの利得スペクトルと同形状の損失スペクトルを有するものとされた。この図に示されるように、温度が高くなると、光増幅用ファイバの利得スペクトルが短波長側にシフトするとともに、利得等化フィルタとしての長周期グレーティング素子の損失スペクトルも同じシフト量だけ短波長側にシフトすることにより、全体の利得スペクトルは温度に依らず平坦となった。波長帯域１４５５〜１４８５ｎｍにおける全体の利得の偏差（＝最大値−最小値）は、温度５℃で０．２５ｄＢであり、温度２５℃で０．１５ｄＢであり、温度５５℃で０．１２ｄＢであった。
【００３８】
図６は、利得等化フィルタ１５０の他の好適な１構成例を示す図である。この図に示される利得等化フィルタ１５０Ｂは、光ファイバ２１０，２６０、レンズ２２０，２５０、および、ファブリーペロー型のエタロンフィルタ２３０，２４０を備える。エタロンフィルタ２３０は、互いに平行な透明平板２３１および透明平板２３２を、所定の線膨張係数を有する材料からなる部材２３３で固定したものである。エタロンフィルタ２４０は、互いに平行な透明平板２４１および透明平板２４２を、所定の線膨張係数を有する材料からなる部材２４３で固定したものである。レンズ２２０は、光ファイバ２１０の端面から出射された光をコリメートして、そのコリメートした光をエタロンフィルタ２３０に入射させる。レンズ２５０は、エタロンフィルタ２４０から出射された光を集光して、その集光した光を端面より光ファイバ２６０に入射させる。
【００３９】
このような利得等化フィルタ１５０Ｂにおいて、光ファイバ２１０から出射された光が光ファイバ２６０へ入射する際の損失スペクトルは、エタロンフィルタ２３０および２４０それぞれの損失スペクトルを総合したものである。エタロンフィルタ２３０の損失スペクトルは、透明平板２３１と透明平板２３２との間の共振器長に応じたものであり、その共振器長の温度依存性は、部材２３３の線膨張係数に応じたものである。また、エタロンフィルタ２４０の損失スペクトルは、透明平板２４１と透明平板２４２との間の共振器長応じたものであり、その共振器長の温度依存性は、部材２４３の線膨張係数に応じたものである。一般に、エタロンフィルタの共振器長は透過波長に対して略正比例するので、所定の線膨張係数を有する部材２３３，２４３を用いることで、利得等化フィルタ１５０Ｂの損失スペクトルの波長シフトの温度係数を所望値とすることができる。この場合、利得等化フィルタ１５０Ｂに対して電気的制御が加えられることなく自動的に損失スペクトルがシフトするので、消費電力が小さい。
【００４０】
例えば、エタロンフィルタ２３０は、室温において、共振器長が２５．１μｍであり、反射率が０．２であるとする。また、エタロンフィルタ２４０は、室温において、共振器長が４９．６μｍであり、反射率が０．０２であるとする。部材２３３，２４３の線膨張係数を１．２×１０-5とする。このとき、利得等化フィルタ１５０Ｂの損失スペクトルは、所望の形状となり、また、波長シフトの温度係数が−０．０２ｎｍ／℃となる。
【００４１】
なお、実際の陸上幹線系の光通信システムで要求される光増幅器の利得は、図２に示したものの３〜４倍程度である。このような場合であっても、波長帯域１４５５〜１４８５ｎｍにおいて、単位温度変化あたりの利得偏差の変化量は±０．００３〜±０．００４ｄＢ／℃程度に抑制される。光増幅器の典型動作温度とされる４５℃を利得等化フィルタの設計中心とすれば、温度０℃のときが最悪の場合となり、そのときの光増幅器の利得偏差の増加量は±０．１３５〜±０．１８０ｄＢ／℃程度となる。しかし、陸上幹線系の光通信システムに用いられる光増幅器の利得偏差の許容値は一般に１ｄＢp-p程度であるので、本実施形態に係る光増幅器１００の利得偏差の劣化は許容範囲内である。
【００４２】
また、図５にも示されるように、温度が高くなると、光増幅用ファイバ１４１，１４２の利得スペクトルが短波長側にシフトするとともに、利得等化フィルタ１５０の損失スペクトルも同じシフト量だけ短波長側にシフトすることにより、光増幅用ファイバ１４１，１４２および利得等化フィルタ１５０を総合した利得スペクトルは温度に依らず平坦となるものの、利得等化フィルタ１５０の損失スペクトルが波長シフトするのみでは、信号光波長帯域における総合の利得レベルは温度により変化する。その温度係数は−０．０９〜−０．１２ｄＢ／℃程度である。
【００４３】
そこで、制御回路１９０により制御された可変光アッテネータ１６０は、この利得レベルの変動を補償するように、通過する信号光に対して温度に応じた減衰を与える。このようにすることにより、信号光波長帯域における光増幅器１００の全体の利得スペクトルは、温度によらず、平坦となるだけでなく、レベルが一定となる。この場合にも、制御回路１９０は、温度計１７１，１７２により測定された光増幅用ファイバ１４１，１４２の温度に応じて可変光アッテネータ１６０を制御するだけでよいので、消費電力が小さく、その制御が容易である。
【００４４】
また、光学的ハードウェアの大規模化が許容されるのであれば、後段の光増幅用ファイバ１４２から出力された信号光のスペクトルをモニタして、このモニタ結果に基づいて制御回路１９０により利得等化フィルタ１５０および可変光アッテネータ１６０それぞれを制御してもよく、この場合にはフィードバック制御であるので、安定な制御が可能である。
【００４５】
以上では、励起光源１３１〜１３４より光増幅用ファイバ１４１，１４２に供給される励起光が波長１．０５μｍ帯の光のみである場合について説明してきた。しかし、Ｔｍ元素が添加された光増幅用ファイバ１４１，１４２を有する光増幅器（ＴＤＦＡ）の場合、励起光として、波長１．０５μｍ帯の光だけでなく、波長１．４μｍ帯の光も用いられ、また、波長１．５５〜１．６５μｍ帯の光も用いられる。励起光として波長１．０５μｍ帯の光のみが用いられる場合と比較して、励起光として波長１．０５μｍ帯の光と波長１．５５〜１．６５μｍ帯の光とが共に用いられる場合には、光増幅用ファイバ１４１，１４２の利得スペクトルが長波長側にシフトすることが知られている。
【００４６】
図７は、Ｔｍ元素がコア領域に添加された光増幅用ファイバの利得スペクトルを示す図である。この図に示される利得スペクトルは、Ｔｍ添加濃度２０００ｐｐｍであって長さ２０ｍの光増幅用ファイバに、波長１．０５μｍ帯の励起光を供給するとともに、パワー１０ｍＷ程度の波長１．５６μｍ帯の励起光をも供給したときのものである。また、この図には、光増幅用ファイバの温度が５℃，２５℃，４５℃および５５℃それぞれの場合について、光増幅用ファイバの利得スペクトルが示されている。
【００４７】
図２と図７とを比較してわかるように、波長１．０５μｍ帯の励起光のみが供給された場合（図２）と比較して、波長１．０５μｍ帯の励起光および波長１．５６μｍ帯の励起光の双方が供給された場合（図７）には、光増幅用ファイバの利得スペクトルは、長波長側に波長１０ｎｍ程度だけシフトしている。
【００４８】
また、図７に示されるように、波長１．０５μｍ帯の励起光および波長１．５６μｍ帯の励起光の双方が供給されたときの光増幅用ファイバの利得スペクトルは、温度が異なっていても形状が略一定である。しかし、温度が高くなると、利得スペクトルは短波長側にシフトする。この損失スペクトルの波長シフトの温度係数は略−０．０２７ｎｍ／℃である。すなわち、温度が１℃だけ上昇すると、光増幅用ファイバの利得スペクトルは短波長側へ０．０２７ｎｍだけシフトする。
【００４９】
図８は、波長１．０５μｍ帯の励起光および波長１．５６μｍ帯の励起光の双方が供給されたときの光増幅用ファイバの利得スペクトル差ΔＧを示す図である。ここで、利得スペクトル差ΔＧ(λ)は、図７中の温度５５℃の場合の利得スペクトルＧ55(λ)から、図７中の温度５℃の場合の利得スペクトルＧ5(λ)を短波長側に１．４ｎｍだけシフトしたものを差し引いたものであり、
ΔＧ(λ)＝Ｇ55(λ)−Ｇ5(λ+1.4nm)    …(2)
なる式で表される。ここでλは波長である。
【００５０】
この図に示されるように、波長帯域１４６２〜１４９２ｎｍにおいて、利得スペクトル差ΔＧ(λ)の絶対値の最大値は０．４３ｄＢ程度である。単位温度変化あたりの利得偏差の変化量は、±０．００２ｄＢ／℃程度にとどまっている。このように、温度５５℃の場合の利得スペクトルＧ55(λ)と、温度５℃の場合の利得スペクトルＧ5(λ)を短波長側に１．４ｎｍだけシフトしたＧ5(λ+1.4nm)とは、略一致している。すなわち、光増幅用ファイバの温度が５０℃上昇すると、光増幅用ファイバの利得スペクトルは短波長側に１．４ｎｍだけシフトする。つまり、光増幅用ファイバの損失スペクトルの波長シフトの温度係数は−０．０２７ｎｍ／℃（＝−１．４ｎｍ／５０℃）である。
【００５１】
そこで、図１に示される本実施形態に係る光増幅器１００では、上記のように励起光源１３１〜１３４より光増幅用ファイバ１４１，１４２に供給される励起光が波長１．０５μｍ帯の光および波長１．５５〜１．６５μｍ帯の光の双方であるときには、利得等化フィルタ１５０の損失スペクトルの波長シフトの温度係数が略−０．０２７ｎｍ／℃であるのが好適である。すなわち、温度がΔＴ(℃)だけ変化すると、光増幅用ファイバ１４１，１４２の利得スペクトルが−０．０２７・ΔＴ(ｎｍ)だけ波長シフトするとともに、利得等化フィルタ１５０の損失スペクトルも同じ−０．０２７・ΔＴ(ｎｍ)だけ波長シフトするので、この光増幅器１００の全体の利得スペクトルは温度に依らず平坦とすることができる。
【００５２】
このような特性を有する利得等化フィルタ１５０は、上述したものと同様にして実現され得る。また、通常の石英系光ファイバ上に形成した長周期グレーティング素子をフレキシガラスチューブ等に実装したものも、利得等化フィルタ１５０として用いられ得る。
【００５３】
なお、上記の光増幅用ファイバの損失スペクトルの波長シフトの温度係数が−０．０２７ｎｍ／℃であるというのは、パワー１０ｍＷ程度の波長１．５６μｍ帯の励起光が供給されたときのことである。波長１．０５μｍ帯の励起光に加えて波長１．５５〜１．６５μｍ帯の励起光が供給される場合において、光増幅用ファイバ１４１，１４２の利得スペクトルの長波長側へのシフト量は、光増幅用ファイバ１４１，１４２に供給される波長１．５５〜１．６５μｍ帯の励起光のパワーにより調整され得る。したがって、利得等化フィルタ１５０の波長シフトの温度係数は、光増幅用ファイバ１４１，１４２に供給される波長１．５５〜１．６５μｍ帯の励起光のパワーに応じて適切に設定される必要がある。
【００５４】
次に、本発明に係る光通信システムの実施形態について説明する。図９は、本実施形態に係る光通信システム１の構成図である。この光通信システム１は、光送信器１０と光受信器２０との間に光ファイバ伝送路３０が敷設されたものである。
【００５５】
光送信器１０内には、光源部１１1〜１１3、光増幅器１２1〜１２3および光合波器１３が設けられている。光源部１１1は、Ｓバンド内の多波長の信号光を発生し、これらを合波して出力する。光源部１１2は、Ｃバンド内の多波長の信号光を発生し、これらを合波して出力する。光源部１１3は、Ｌバンド内の多波長の信号光を発生し、これらを合波して出力する。光増幅器１２1は、光源部１１1より出力されたＳバンドの多波長の信号光を入力し、これらを一括光増幅して出力する。光増幅器１２2は、光源部１１2より出力されたＣバンドの多波長の信号光を入力し、これらを一括光増幅して出力する。光増幅器１２3は、光源部１１3より出力されたＬバンドの多波長の信号光を入力し、これらを一括光増幅して出力する。また、光合波器１３は、光増幅器１２1より出力されたＳバンドの多波長の信号光、光増幅器１２2より出力されたＣバンドの多波長の信号光、および、光増幅器１２3より出力されたＬバンドの多波長の信号光を入力し、これらを合波して光ファイバ伝送路３０に送出する。
【００５６】
光受信器２０内には、受光部２１1〜２１3、光増幅器２２1〜２２3および光分波器２３が設けられている。光分波器２３は、光ファイバ伝送路３０を伝搬してきて到達したＳ，ＣおよびＬの各バンドの多波長の信号光を入力し、バンド毎に分波して出力する。光増幅器２２1は、光分波器２３より出力されたＳバンドの多波長の信号光を入力し、これらを一括光増幅して出力する。光増幅器２２2は、光分波器２３より出力されたＣバンドの多波長の信号光を入力し、これらを一括光増幅して出力する。光増幅器２２3は、光分波器２３より出力されたＬバンドの多波長の信号光を入力し、これらを一括光増幅して出力する。受光部２１1は、光増幅器２２1より出力されたＳバンドの多波長の信号光を入力し、これらを波長毎に分波して受光する。受光部２１2は、光増幅器２２2より出力されたＣバンドの多波長の信号光を入力し、これらを波長毎に分波して受光する。また、受光部２１3は、光増幅器２２3より出力されたＬバンドの多波長の信号光を入力し、これらを波長毎に分波して受光する。
【００５７】
この図に示される６個の光増幅器のうち、Ｓバンド用の光増幅器１２1および２２1それぞれは、上述した本実施形態に係る光増幅器１００と同一構成のもの（ＴＤＦＡ）である。また、Ｃバンド用の光増幅器１２2および２２2、ならびに、Ｌバンド用の光増幅器１２3および２２3それぞれは、波長０．９８μｍ帯または１．４８μｍ帯の励起光をＥＤＦに供給して信号光を光増幅するＥＤＦＡである。
【００５８】
この光通信システム１は以下のように動作する。光送信器１０においては、光源部１１1より出力されたＳバンドの多波長の信号光は光増幅器１２1により光増幅され、光源部１１2より出力されたＣバンドの多波長の信号光は光増幅器１２2により光増幅され、また、光源部１１3より出力されたＬバンドの多波長の信号光は光増幅器１２3により光増幅される。そして、これらのＳ，ＣおよびＬの各バンドの多波長の信号光は、光合波器１３により合波されて、光ファイバ伝送路３０に送出される。
【００５９】
光受信器２０においては、光ファイバ伝送路３０を伝搬してきて到達したＳ，ＣおよびＬの各バンドの多波長の信号光は、光分波器２３によりバンド毎に分波される。光分波器２３により分波されて出力されたＳバンドの多波長の信号光は、光増幅器２２1により光増幅され、受光部２１1により波長毎に分波されて受光される。光分波器２３により分波されて出力されたＣバンドの多波長の信号光は、光増幅器２２2により光増幅され、受光部２１2により波長毎に分波されて受光される。また、光分波器２３により分波されて出力されたＬバンドの多波長の信号光は、光増幅器２２3により光増幅され、受光部２１3により波長毎に分波されて受光される。
【００６０】
このように、この光通信システム１は、Ｓ，ＣおよびＬの各バンドの多波長の信号光を多重化して光ファイバ伝送路３０に伝搬させるので、大容量の情報を高速に伝送することができる。また、Ｓバンド用の光増幅器１２1および２２1それぞれは、上述した本実施形態に係る光増幅器１００と同一構成のもの（ＴＤＦＡ）であるので、温度変化があっても、消費電力が小さく容易な制御で利得の温度依存性を低減することができる。したがって、この光通信システム１は、Ｓバンド信号光の伝送品質が優れたものとなる。
【００６１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明によれば、Ｔｍ元素が光導波領域に添加された光導波路は、励起光供給手段により励起光が供給される。この光導波路に所定波長帯域内の信号光が入射すると、この光導波路において信号光は光増幅される。光導波路と光学的に接続された利得等化フィルタの損失スペクトルは、光導波路の利得スペクトルと略同じ形状を有しており、光導波路における信号光の光増幅の利得は利得等化フィルタにより等化され、所定波長帯域において光増幅器の全体の利得スペクトルは平坦となる。Ｔｍ元素が添加された光導波路の利得スペクトルは、その光導波路の温度が高いほど短波長側にシフトする。また、利得等化フィルタは、温度が高いほど短波長側にシフトする損失スペクトルを有している。したがって、所定波長帯域において光増幅器の全体の利得の温度依存性が低減される。このようにして、この光増幅器は、消費電力を小さくすることができ、容易な制御で利得の温度依存性を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る光増幅器１００の構成図である。
【図２】Ｔｍ元素がコア領域に添加された光増幅用ファイバの利得スペクトルを示す図である。
【図３】Ｔｍ元素がコア領域に添加された光増幅用ファイバの利得スペクトル差ΔＧを示す図である。
【図４】利得等化フィルタ１５０の好適な１構成例を示す図である。
【図５】光増幅用ファイバの利得スペクトル、利得等化フィルタとしての長周期グレーティング素子の透過スペクトル、および、光増幅器全体の利得スペクトル、それぞれを示す図である。
【図６】利得等化フィルタ１５０の他の好適な１構成例を示す図である。
【図７】Ｔｍ元素がコア領域に添加された光増幅用ファイバの利得スペクトルを示す図である。
【図８】Ｔｍ元素がコア領域に添加された光増幅用ファイバの利得スペクトル差ΔＧを示す図である。
【図９】本実施形態に係る光通信システム１の構成図である。
【符号の説明】
１…光通信システム、１０…光送信器、１１…光源部、１２…光増幅器、１３…光合波器、２０…光受信器、２１…受光部、２２…光増幅器、２３…光分波器、３０…光ファイバ伝送路、１００…光増幅器、１０１…入力ポート、１０２…出力ポート、１１１〜１１４…光アイソレータ、１２１〜１２４…光カプラ、１３１〜１３４…励起光源、１４１，１４２…光増幅用ファイバ、１５０…利得等化フィルタ、１６０…可変光アッテネータ、１７１，１７２…温度計、１９０…制御回路。
【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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