(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を発生する励起光源と、波長多重化された信号光と上記励起光とを合波する第１光合分波器と、一端に上記第１光合分波器が接続され上記励起光と合波された上記波長多重信号光を増幅する希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバの他端に接続されると共に、上記希土類添加光ファイバで増幅された上記波長多重信号光を分波する第２光合分波器とを有し、上記第２光合分波器は上記希土類添加光ファイバで発生する自然放出光のうち特定の波長の光を入力または出力するポートを備え、該ポートと上記第１光合分波器とが光学的に接続されることにより、上記特定の波長の光を上記希土類添加光ファイバに帰還させて上記特定の波長の光をレーザ発振する帰還ループを形成した光増幅器において、上記特定の波長の光のレーザ発振の光周波数を検出する検出手段と、検出される光周波数が一定になるように上記第２光合分波器の温度を制御する帰還制御手段とを備えたことを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
上記第１光合分波器の前段に光結合手段が設けられ、該光結合手段に上記第２光合分波器の特定の波長の光を入力または出力する上記ポートが光学的に接続される請求項１記載の光増幅器。
【請求項３】
上記光結合手段は光カプラである請求項１または２記載の光増幅器。
【請求項４】
上記光結合手段は光サーキュレータである請求項１または２記載の光増幅器。
【請求項５】
請求項３の光増幅器において、上記光カプラと上記第1光合分波器との間に、第１のポートが上記光カプラに接続されると共に、第２のポートが上記第1光合分波器に接続される光サーキュレータが設けられ、上記第２光合分波器の信号光の出力ポートに反射器が設けられ、該反射器で反射された上記信号光は上記第２光合分波器で合波され、合波された上記信号光は上記光サーキュレータの第２ポートに入力され、上記光サーキュレータの第３ポートから出力される請求項３記載の光増幅器。
【請求項６】
上記帰還ループの上記特定の波長の光のみを伝搬する光路の一部に、上記光増幅器の増幅利得を制御すべく光結合の大きさを調整する調整手段を設けた請求項１から５いずれかに記載の光増幅器。
【請求項７】
上記調整手段は、光減衰器である請求項６記載の光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
希土類添加光ファイバを用いた光ファイバ増幅器は、高利得、高出力、低雑音等の優れた特性を合わせ持つため、光通信システムの性能を大幅に向上させた。光ファイバ増幅器の原理は、添加した希土類イオンの励起準位に相当する波長を有する励起光を光ファイバに入射し、希土類イオンのエネルギー準位の反転分布により生じる誘導放出現象により信号光を増幅することにある。
【０００３】
特にエルビウム（Ｅｒ）を添加した光ファイバ増幅器（以下「ＥＤＦＡ」という。）は、増幅波長帯が石英系光ファイバの最低損失波長帯（１．５５μｍ）に一致し、しかも効率がよく、高利得、低雑音の増幅特性が容易に得られることから、広く実用に供されることとなった。
【０００４】
ＥＤＦＡ等の光ファイバ増幅器を用いると、波長多重化された信号光を一括して増幅することができるので、波長多重による大容量で柔軟な伝送システムを経済的に構築することが可能となる。波長多重を利用したシステムにおいては波長チャンネル毎の光合分波が必須であり、また光合分波器やその前後の信号伝送、信号処理に伴う損失を補償するため、光合分波器と光増幅器とを、組み合わせて使用することが多くなる。
【０００５】
図４は光増幅器の従来例を示すブロック図である。
【０００６】
波長多重された信号光は光ファイバ増幅器１により一括して増幅された後、光合分波器２に入力され、波長ごとに分波された信号光を得るようになっている。
【０００７】
システムが大規模化するにつれ、波長チャンネル数が増大し、また有効な増幅帯域内でチャンネル数を増すためにチャンネル間の波長間隔が狭まっていく。さらに、システムが高機能化し、波長チャンネル毎のルーティングや分岐／挿入等の機能が加わると、伝送路内に多重化されるチャンネル数がダイナミックに変動する。従って、使用される光増幅器や光合分波器にはますます高い性能が要求される。
【０００８】
まず、多重チャンネル数の増大とチャンネル間の波長間隔の縮小に伴い、光合分波器には高い中心波長精度が要求される。これに対しては、素子の製造精度の向上、温度依存性の低減及び動作時の素子温度の安定化制御により対処している。
【０００９】
また、通常の光ファイバ増幅器では多重化されるチャンネル数のダイナミックな変動に応じて１波当たりの利得も変動を受ける。この利得の変動を回避するために、光ファイバ増幅器に入力される信号光の強度と増幅された信号光の強度とをモニタし、両信号光の強度の比が一定になるように励起光強度を制御する方法が提案されている。
【００１０】
しかしながら、このような方法では構成が複雑になる他、広い入力範囲にわたり、利得を高精度に安定化させるのが困難であり、また信号光のパワーＰｉの時間変動に対する過渡的な応答特性に問題がある。
【００１１】
このような問題を解決する方法として、増幅器内で発振を生じさせ、この発振により利得の安定化を図る方法が提案されている。
【００１２】
図５は光増幅器の他の従来例を示すブロック図である。
【００１３】
通常の光ファイバ増幅器１の入出力にそれぞれ光カプラ３ａ、３ｂを設け、光ファイバ増幅器１の出力から入力への帰還ループを形成する。この帰還ループ内に設けられた光バンドパスフィルタ４により定められた通過波長λOSC でレーザ発振し、光ファイバ増幅器は信号光のパワーＰｉによらず一定の増幅利得に固定される。
【００１４】
このような内部発振を用いた方法によれば、入力信号光のパワーＰｉの変化によらず常に一定の利得を保つことができ、入力信号光のパワーＰｉの時間変化に対する過渡的な応答特性も安定している。しかも複雑な電気的制御も不要である。さらにレーザ発振を生じている入力信号光のパワーＰｉの範囲においては利得の波長依存性も安定化される。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、波長チャネル間の波長間隔が狭くなるに従い、光合分波器の中心波長精度への要求が厳しくなり、素子温度のより厳密な制御が必要になる。しかしながら、素子温度の安定化のみでは光合分波器の特性の経時的な変化に追従することができない。
【００１６】
一方、レーザ発振を用いて利得が安定した図５に示した光増幅器においては、内部発振光が信号光とともに外部に漏れだすという問題がある。また、光増幅器の入出力に設けられた光カプラや帰還ループ内に設けられた光バンドパスフィルタ等の光部品を必要とするのでコスト増となるという問題があった。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単な構成で中心波長精度が高く、光増幅利得が安定した光増幅器を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、励起光を発生する励起光源と、波長多重化された信号光と上記励起光とを合波する第１光合分波器と、一端に上記第１光合分波器が接続され上記励起光と合波された上記波長多重信号光を増幅する希土類添加光ファイバと、希土類添加光ファイバの他端に接続されると共に、上記希土類添加光ファイバで増幅された上記波長多重信号光を分波する第２光合分波器とを有し、上記第２光合分波器は上記希土類添加光ファイバで発生する自然放出光のうち特定の波長の光を入力または出力するポートを備え、該ポートと上記第１光合分波器とが光学的に接続されることにより、上記特定の波長の光を上記希土類添加光ファイバに帰還させて上記特定の波長の光をレーザ発振する帰還ループを形成した光増幅器において、上記特定の波長の光のレーザ発振の光周波数を検出する検出手段と、検出される光周波数が一定になるように上記第２光合分波器の温度を制御する帰還制御手段とを備えた光増幅器である。
【００１９】
請求項２の発明は、上記第１光合分波器の前段に光結合手段が設けられ、該光結合手段に上記第２光合分波器の特定の波長の光を入力または出力する上記ポートが光学的に接続される請求項1記載の光増幅器である。
【００２０】
請求項３の発明は、上記光結合手段は光カプラである請求項１または請求項２記載の光増幅器である。
【００２１】
請求項４の発明は、上記光結合手段は光サーキュレータである請求項１または請求項２記載の光増幅器である。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項３の光増幅器において、上記光カプラと上記第１光合分波器との間に、第１のポートが上記光カプラに接続されると共に、第２のポートが上記第１光合分波器に接続される光サーキュレータが設けられ、上記第２光合分波器の信号光の出力ポートに反射器が設けられ、該反射器で反射された上記信号光は上記第２光合分波器で合波され、合波された上記信号光は上記光サーキュレータの第２ポートに入力され、上記光サーキュレータの第３ポートから出力される請求項３記載の光増幅器である。
【００２３】
請求項６の発明は、上記帰還ループの上記特定の波長の光のみを伝搬する光路の一部に、上記光増幅器の増幅利得を制御すべく光結合の大きさを調整する調整手段を設けた請求項１から５いずれかに記載の光増幅器である。
【００２４】
請求項７の発明は、上記調整手段は、光減衰器である請求項６記載の光増幅器である。
【００２５】
本発明によれば、光合分波器の入出力ポートのうち、信号光が割り当てられていない入出力ポートを用いて光増幅部の光合分波器と、希土類添加光ファイバと、光合分波器と、光結合手段との間で内部発振を生じさせる帰還ループを形成して利得を安定化させるとともに発振波長をモニタし、この発振波長を一定にすることによって中心波長の安定化と光増幅器の利得の安定化とを図ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２７】
図１は本発明の光増幅器の一実施の形態を示すブロック図である。信号光は波長λ0 〜λN の信号光が多重されたものとする。
【００２８】
本光増幅器は、信号光を入力する光結合手段としての光カプラ３ｂと、入力ポートが光カプラ３ｂに接続された光アイソレータ８と、一方の入出力ポート７−１が光アイソレータ８の出力ポートに接続された光合分波器７と、出力ポートが光合分波器７の入力ポート７−１に接続された励起光源６と、一端が光合分波器７の他方の入出力ポート７−３に接続された希土類添加光ファイバ５と、コモンポートが希土類添加光ファイバ５の他端に接続され増幅された信号光（波長λ0 〜λN ）を複数の出力ポートから出力する光合分波器２と、光合分波器２の特定の波長λN+1 の信号光を入出力する入出力ポートに接続された光カプラ３ｃと、光カプラ３ｃと光カプラ３ｂとの間に接続された光減衰器９と、光カプラ３ｃに入力ポートが光カプラ３ｃに接続された検出手段としての光周波数弁別器１０と、入力ポートが光周波数弁別器１０の出力ポートに接続され出力ポートが光合分波器２に設けられた図示しないヒータ（例えばペルチェ素子）に接続された帰還制御手段としての温度制御器１１とで構成されている。
【００２９】
次に本光増幅器の作動について説明する。
【００３０】
信号光は光カプラ３ｂ及び光アイソレータ８を経て光合分波器７により励起光源６からの励起光と合波されて希土類添加光ファイバ５に入射する。希土類添加光ファイバ５で増幅された信号光は、光合分波器２により波長の異なるチャネルごとに分離され出力される。
【００３１】
一方、光合分波器２の入出力ポートのうち信号光波長帯域外の分波出力ポート（図では波長λN+1 の出力ポート）は光カプラ３ｃ、光減衰器９を経て光カプラ３ｂにより光増幅部（励起光源、光合分波器、希土類添加光ファイバ、光合分波器、光減衰器、光カプラ、光アイソレータ）の入力側に帰還される。この帰還ループにより増幅器は波長λN+1 でレーザ発振し、このレーザ発振により増幅部の利得は図５に示した従来例と同様に信号光の入力パワーＰｉによらず一定に保たれる。また増幅部の利得は光減衰器９により帰還ループの損失を変えることにより調整可能である。
【００３２】
レーザ発振光の一部は光カプラ３ｃにより分岐され、光周波数弁別器１０によりその発振波長が検出され、この検出出力を用いて発振波長が一定になるように温度制御器１１により光合分波器の温度が帰還制御される。このような温度制御は、例えば光合分波素子がヒータ（あるいはペルチェ素子）上に搭載され、温度調整素子に加える電流量を駆動回路により制御することで実現される。
【００３３】
以上において本光増幅器は、光合分波器の特性（例えば温度）が変動しても常に中心波長を安定化することができ、また入力する信号光パワーＰｉによらず一定の増幅利得（出力信号光パワーＰｏ）を得ることができ、さらに内部の発振光が外部に漏れることもない。
【００３４】
図２は本発明の光増幅器の他の実施の形態を示すブロック図である。
【００３５】
図１に示した実施の形態との相違点は、光カプラの代わりに光サーキュレータを用いた点である。
【００３６】
すなわち本光増幅器は、信号光を入力するポートＡからポートＢ、ポートＢからポートＣ、ポートＣからポートＡへの順方向特性を有する光サーキュレータ１２と、一方の入力ポートが光サーキュレータ１２のポートＢに接続された光合分波器７と、光合分波器７の入力ポート７−２に接続された励起光源６と、一端が光合分波器７の入出力ポート７−３に接続された希土類添加光ファイバ５と、コモンポートが希土類添加光ファイバ５の他端に接続され増幅された信号光（λ0 〜λN ）を複数の出力ポートから出力する光合分波器２と、一端が光合分波器２の特定の波長λN+1 の信号光を出力する出力ポートに接続された光減衰器９と、光減衰器９の他端と光サーキュレータ１２のポートＣとの間に接続された光カプラ３ｃと、入力ポートが光カプラ３ｃに接続された光周波数弁別器１０と、入力ポートが光周波数弁別器１０の出力ポートに接続され出力ポートが光合分波器２に設けられた図示しないヒータ（ペルチェ素子）に接続された温度制御器１１とで構成されている。
【００３７】
このような光増幅器においても図１に示した光増幅器と同等の機能及び特性が得られるが、内部のレーザ発振光の伝搬方向が異なる。
【００３８】
すなわち、図１に示した光増幅器では信号光と発振光とは同一方向に伝搬し、光合分波器２により分波されるのに対し、本光増幅器では発振光は信号光と逆方向に伝搬する。このような発振光の伝搬を実現するために図１に示した光増幅器の光カプラ３ｂと光アイソレータ８の代わりに光サーキュレータ１２が設けられている。光サーキュレータ１２の順方向特性により入力信号光はポートＡからポートＢに至り増幅部へ入力する。
【００３９】
一方、発振光は光サーキュレータ１２のポートＢからポートＣに至り光増幅部へ帰還する。発振光の伝搬方向の他は図１に示した光増幅器と同様であるので動作の説明は省略する。
【００４０】
通常、発振光パワーは信号光パワーよりも大きいので、図１に示した光増幅器では光合分波器のクロストーク特性により発振光の一部が信号光の出力ポートに漏れだすことが懸念されるが、本光増幅器では伝搬方向が互いに異なるので、発振光の漏れ出しを抑圧することができるという利点がある。
【００４１】
さらに、機能を高めた光増幅器について説明する。
【００４２】
図３は本発明の光増幅器の他の実施の形態を示すブロック図である。
【００４３】
図１に示した実施の形態との相違点は、入出力ともに波長多重された信号光である点である。
【００４４】
すなわち、本光増幅器は、波長多重信号光を入力する光カプラ３ｂと、光カプラ３ｂからの信号光をポートＡで入力し、増幅された波長多重信号をポートＣから出力する光サーキュレータ１２と、励起光源６と、入力ポート７−２が励起光源６に接続され、入出力ポート７−１が光サーキュレータ１２のポートＢに接続された光合分波器７と、一端が光合分波器７の入出力ポート７−３に接続された希土類添加光ファイバ５と、コモンポートが希土類添加光ファイバ５の他端に接続され増幅された信号光（波長λ0 〜λN ）を複数の入出力ポートから出力する光合分波器２と、一端が光合分波器２の複数の入出力ポートにそれぞれ接続された光減衰器１３と、光減衰器１３の他端にそれぞれ接続され増幅された信号光を反射して光合分波器２に戻す光反射器１４と、一端が光合分波器２の特定の波長λN+1 の信号光を出力する出力ポートに接続された光減衰器９と、光減衰器９の他端と光サーキュレータ１２のポートＣとの間に接続された光カプラ３ｃと、入力ポートが光カプラ３ｃに接続された光周波数弁別器１０と、入力ポートが光周波数弁別器１０の出力ポートに接続され出力ポートが光合分波器２に設けられた図示しないヒータ（ペルチェ素子）に接続された温度制御器１１とで構成されている。
【００４５】
次に本光増幅器の動作について説明する。
【００４６】
本光増幅器の入出力ともに波長多重された信号光であり、図１に示した光増幅器において出力が分波された信号光出力であったのと異なる。波長多重された入力信号光は光サーキュレータ１２のポートＡからポートＢに至り、増幅された後に光合分波器２により各チャネルに分離され、各波長ごとに光減衰器１３を経て光反射器１４により全反射され、再び同じ光路を経て光サーキュレータ１２のポートＢからポートＣに出力される。各光減衰器１３は増幅された各チャネルの光出力が等しくなるように調整される。
【００４７】
一方、光合分波器２のポートのうち信号波長帯域以外の分波出力ポート（図では波長λN+1 の出力ポート）は光カプラ３ｃ及び光減衰器９を経て光カプラ３ｂにより入力信号光と合成される。
【００４８】
従って増幅部にて発生した自然放出光のうち波長λN+1 の近傍の光は光合分波器２、光カプラ３ｃ、光減衰器９、光カプラ３ｂ、光サーキュレータ１２を経て再び増幅部に入力する帰還ループを形成する。この帰還ループにより光増幅器は波長λN+1 で発振し、この発振により増幅部の利得は図１に示した光増幅器と同様に信号光の入力パワーＰｉによらず一定に保たれる。また増幅部の利得は光減衰器９により帰還ループの損失を変えることにより調整可能である。発振光の一部は図１及び図２に示した光増幅器と同様に、光カプラ３ｃにより分岐され、光周波数弁別器１０によりその発振波長が検出され、この検出出力を用いて発振波長が一定になるように温度制御器１１により光合分波器２の温度が帰還制御される。
【００４９】
本光増幅器はこのような構成により光合分波器２の各分波ポート（出力ポート）に設けられた光減衰器１３を適当な値に調整することにより光増幅部の利得の波長依存性を補償することが可能であり、この補償により各波長チャンネルの出力ポート間の増幅利得を等しくすることが可能である。さらに特定の波長チャンネルの合分波ポート（図では波長λｋの信号光が入出力するポート）を光反射器１４により折り返さずに分岐／挿入ポートとして用いることもできる。この結果、特定の波長チャンネルの信号光のみを分岐／挿入することができ、波長多重を用いた光ネットワークの高機能化を実現することができる。
【００５０】
以上本発明の光増幅器によれば、
(1) 光増幅器内部に帰還ループを設けて発振させることにより、増幅部の利得安定化が図られ、入力信号光パワーの変動によらず一定の利得を有する光ファイバ式の光増幅器が実現できる。
【００５１】
(2) 信号光の分波器の空きポート（信号帯域外の波長の信号光の出力ポート）を利用して、この空きポートを介して増幅光を増幅部に巡回帰還させる帰還ループを形成することにより、帰還ループ形成のための光部品（光フィルタ、光カプラ等）を不要とし、自動的に内部発振光を信号帯域外に設定するとともに、発振光の外部への漏れを防止することができる。
【００５２】
(3) 発振波長を検出して、この発振波長が常に一定になるように光合分波器の特性（素子温度）を帰還制御することにより、合分波特性の安定化（中心波長の安定化）を図ることができる。
【００５３】
(4) 分波器の各分波出力を光減衰器で個別に調整することにより、増幅部の利得の波長依存性を厳密に補償することができる。
【００５４】
(5) 増幅・分波した信号光を反射させて再び増幅媒体を通過させる増幅構成とすることにより、増幅効率を向上させることができる。
【００５５】
(6) 特定の波長の信号光のみ選択的に分岐・挿入する機能等、高度な波長多重ネットワークの実現に必要な機能を簡単に実現できる。
【００５６】
(7) (1) 〜(6) に示す特性が簡単な構成により得られる。
【００５７】
(8) 部品点数が少なく構成の簡単なので、小型化、低価格化が可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００５９】
簡単な構成で中心波長精度が高く、光増幅利得が安定した光増幅器の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光増幅器の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の光増幅器の他の実施の形態を示すブロック図である。
【図３】本発明の光増幅器の他の実施の形態を示すブロック図である。
【図４】光増幅器の従来例を示すブロック図である。
【図５】光増幅器の他の従来例を示すブロック図である。
【符号の説明】
２、７  光合分波器
３ｂ、３ｃ  光カプラ
５  希土類添加光ファイバ
６  励起光源
８  光アイソレータ
９  光減衰器
１０  光周波数弁別器
１１  温度制御器
【図１】
0004000732.tif 000002
【図２】
0004000732.tif 000003
【図３】
0004000732.tif 000004
【図４】
0004000732.tif 000005
【図５】
0004000732.tif 000006