(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素が光ファイバ内にドープされた第１の希土類元素ドープファイバと、
励起光を発生する少なくとも１つの励起光源と、
該励起光源からの励起光を前記第１の希土類元素ドープファイバに供給する少なくとも１つの励起光供給手段と、
を備えて構成され、所定の波長帯の信号光を増幅する光増幅器において、
前記第１の希土類元素ドープファイバの信号光入射端側に一端が縦続接続された第２の希土類元素ドープファイバと、該第２の希土類元素ドープファイバの他端に一端が縦続接続された第３の希土類元素ドープファイバと、を有し、前記信号光が前記第３の希土類元素ドープファイバの他端から入射されるとともに、前記励起光源からの励起光が前記第３の希土類元素ドープファイバの他端に供給され、当該第３の希土類元素ドープファイバを通過した前記信号光及び前記励起光が前記第２の希土類元素ドープファイバの他端から入射され、
前記第２の希土類元素ドープファイバ内で発生する自然放出光のうちの前記信号光の波長帯とは異なる所定の波長帯の自然放出光をレーザ発振させ、該レーザ発振光を前記第１の希土類元素ドープファイバに励起光として供給するレーザ発振光生成手段を具備し、
前記第３の希土類元素ドープファイバが、前記第１及び第２の希土類元素ドープファイバにおける反転分布率よりも高い反転分布率で励起されることを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
前記レーザ発振光生成手段は、前記所定の波長帯の自然放出光を反射可能であり、かつ、前記信号光及び前記励起光を透過する一対の波長選択反射型光デバイスが、前記第２の希土類元素ドープファイバの両端に設けられたファイバ共振器型の構成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３】
前記レーザ発振光生成手段は、前記第２の希土類元素ドープファイバの信号光出射端から出射される光の一部を分岐する分岐部と、該分岐部からの分岐光を入射し、前記所定の波長帯の自然放出光のみを選択して出射する波長選択部と、該波長選択部からの出射光を前記第２の希土類元素ドープファイバの信号光入射端に入射させる合波部と、を備えた進行波型光発振器の構成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が、前記第３の希土類元素ドープファイバの信号光入射端側に配置された前方励起型の構成であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光増幅器。
【請求項５】
前記第１の希土類元素ドープファイバの信号光出射端側に、前記励起光を反射し、かつ、前記信号光を透過する励起光反射手段を備えて構成されたことを特徴とする請求項４記載の光増幅器。
【請求項６】
前記励起光供給手段が、前記第３の希土類元素ドープファイバの信号光入射端側に配置されるとともに、前記第１の希土類元素ドープファイバの信号光出射端側に配置された双方向励起型の構成であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光増幅器。
【請求項７】
前記第１、２の希土類元素ドープファイバの間に、前記励起光を反射し、かつ、前記信号光を透過する励起光反射手段を備えて構成されたことを特徴とする請求項６記載の光増幅器。
【請求項８】
前記第２、３の希土類元素ドープファイバの間に、第２の希土類元素ドープファイバから前記第３の希土類元素ドープファイバに向けて伝搬する光を遮断する光遮断手段を備えて構成されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の光増幅器。
【請求項９】
前記各希土類元素ドープファイバをエルビウムドープファイバとしたとき、前記信号光の波長帯が１．５７〜１．６２μｍであり、前記自然放出光の波長帯が１．５３〜１．５７μｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の光増幅器。
【請求項１０】
第１の波長帯の信号光及び該第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の信号光を増幅する光増幅器において、
前記第１の波長帯の信号光を励起光源からの励起光が供給された希土類元素ドープファイバを用いて増幅する第１の光増幅手段と、
前記第２の波長帯の信号光を励起光源からの励起光が供給された希土類元素ドープファイバを用いて増幅する第２の光増幅手段と、
前記第１の光増幅手段で増幅された信号光の一部を分岐する光分岐手段と、
該分岐手段からの分岐光を前記第２の光増幅手段に励起光として供給する分岐光供給手段と、
を備えて構成されたことを特徴とする光増幅器。
【請求項１１】
前記希土類元素ドープファイバをエルビウムドープファイバとしたとき、前記第１の波長帯が１．５３〜１．５７μｍであり、前記第２の波長帯が１．５７〜１．６２μｍであることを特徴とする請求項１０記載の光増幅器。
【請求項１２】
所定の波長帯の信号光を、励起光源からの励起光が供給された第１の希土類元素ドープファイバを用いて増幅する光増幅方法において、
前記第１の希土類元素ドープファイバの信号光入射端側に第２の希土類元素ドープファイバの一端を縦続接続し、かつ、該第２の希土類元素ドープファイバの他端に第３の希土類元素ドープファイバの一端を縦続接続して、前記信号光を前記第３の希土類元素ドープファイバの他端から入射するとともに、前記励起光源からの励起光を前記第３の希土類元素ドープファイバの他端に供給し、当該第３の希土類元素ドープファイバを通過した前記信号光及び前記励起光を前記第２の希土類元素ドープファイバの他端から入射し、
前記第２の希土類元素ドープファイバ内で発生する自然放出光のうちの前記信号光の波長帯とは異なる所定の波長帯の自然放出光をレーザ発振させ、該レーザ発振光を前記第１の希土類元素ドープファイバに励起光として供給し、さらに、
前記第３の希土類元素ドープファイバを、前記第１および第２の希土類元素ドープファイバにおける反転分布率よりも高い反転分布率で励起することを特徴とする光増幅方法。
【請求項１３】
励起光源からの励起光が供給される希土類元素ドープファイバを用いた第１の光増幅手段で第１の波長帯の信号光を増幅すると共に、励起光源からの励起光が供給される希土類元素ドープファイバを用いた第２の光増幅手段で前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の信号光を増幅する光増幅方法において、
前記第１の光増幅手段で増幅された信号光の一部を分岐し、該分岐光を前記第２の光増幅手段に励起光として供給することを特徴とする光増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希土類元素をドープした光ファイバを用いて信号光の増幅を行う光増幅器及び光増幅方法に関し、特に、長波長帯等の新たな伝送帯域の信号光を増幅することのできる光増幅器及び光増幅方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マルチメディアネットワークの進展に伴い情報需要は飛躍的に増大し、情報容量が集約する幹線系光伝送システムにおいては、さらなる大容量化や柔軟なネットワーク形成が求められている。
このような要求に対応する最も有効な手段の１つとして、例えば、波長多重（ＷＤＭ）光伝送方式のシステムがある。このＷＤＭ光伝送方式は、現在すでに北米等を中心に商用化が進められている。また、希土類元素ドープファイバを用いた光増幅器を線形中継器として使用する光増幅中継伝送方式と、前記ＷＤＭ光伝送方式とを組み合わせたＷＤＭ光増幅中継伝送方式の開発も進められている。このＷＤＭ光増幅中継伝送方式においては、２以上の異なる波長を含んだ、例えば１．５３〜１．５７μｍ（以下、１．５５μｍ帯とする）等の信号光を光増幅器で一括して増幅することができ、簡素な構成で大容量かつ長距離の光伝送が可能である。
【０００３】
さらに、上記のようなＷＤＭ光増幅中継伝送方式においては、光増幅器の帯域拡張性に着目し、例えば、１．５７〜１．６２μｍ（以下、１．５８μｍ帯とする）等の長波長帯を新たな伝送帯域とするシステムも提案されている。
ここで、例えば、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）を用いた光増幅器における１．５８μｍ帯の光増幅の特徴について簡単に説明する。
【０００４】
図１５は、ＥＤＦの単位長さあたりの利得に関する波長特性を各反転分布率（０．０〜１．０）について示した図である。
図１５に示すように、１．５５μｍ帯では反転分布率が約７０％程度のときに利得特性が平坦となり、１．５５μｍ帯の利得が支配的となるのに対して、１．５８μｍ帯では約４０％程度の低い反転分布率のときに利得特性が平坦となり、１．５８μｍ帯の利得が支配的となる。このため、１．５８μｍ帯の光増幅では、反転分布率を低くした設定で、０．９８μｍ帯や１．４８μｍ帯などの励起光がＥＤＦに供給される。この場合、反転分布率が低いため原理的に単位長さあたりの増幅率が低くなる。ＥＤＦの信号光入力端から出力端に向かって励起光を供給する場合（前方励起）、励起光パワーに対応して入力端では反転分布率が高く、出力端では反転分布率が低くなる。ＥＤＦの信号光出力端から入力端に向かって励起光を供給する場合（後方励起）は、この逆である。従って、一般的には、１．５５μｍ帯の光増幅に用いてきた従来のＥＤＦを長尺化して、反転分布率を低くすることによって、１．５８μｍ帯についての所要の総利得が実現される。
【０００５】
また、反転分布率を低く設定すると、励起光の吸収が大きくなる。例えば、図１５において、励起光の波長を１．４８μｍ帯とすると、反転分布率が０．４のときに単位利得が約−０．２ｄＢとなる。これは、反転分布率が０．７のときの単位利得約０ｄＢと比べて励起光がＥＤＦに吸収され易いことを示している。励起光の吸収が大きいと、励起光がＥＤＦ内の偏った位置で吸収されるようになり、ＥＤＦ長手方向の励起パワー伝搬効率が低くなる。従って、１．５８μｍ帯の光増幅では、ＥＤＦ全体としての励起効率が１．５５μｍ帯の光増幅と比べて低く抑えられるという特徴がある。
【０００６】
このような特徴を有する長波長帯の光増幅を行う従来の光増幅器としては、例えば、文献；Ono et al,“Gain Flattened Er3+ Doped Fiber Amplifier for a WDM Signal in the 1.57-1.60 μm Wavelength Region,"IEEE Photon.Tech.Lett.,vol.9,P.596-598,May.1997. 等に記載されたものがある。
図１６は、上記従来の長波長帯光増幅器の構成を示すブロック図である。
【０００７】
図１６の光増幅器では、入射された長波長帯光Ｌｓが、光アイソレータ２1 を通り、波長多重（ＷＤＭ）カプラ３1 にて励起光源４1 から出射される励起光Ｌｐ1 と合波され、ＥＤＦｌに入射される。ＥＤＦｌの出射端においても励起光源４2 より出射される励起光Ｌｐ2 がＷＤＭカプラ３2 で合波され、ＥＤＦｌ内を逆方向に伝搬して光増幅に寄与する。長波長帯光Ｌｓは、ＥＤＦ１を通過した後、ＷＤＭカプラ３2 及び光アイソレータ２2 を通過して出射される。
【０００８】
また、従来の長波長帯光増幅器の他の構成として、例えば、文献；小野他, 「１．５８μｍ帯Ｅｒ3+添加光ファイバ増幅器の増幅特性」, 信学技報OCS97-5,P.25-30,1997. 等に記載されたものもある。
図１７は、上記長波長帯光増幅器の構成を示すブロック図である。
図１７の光増幅器では、入射された長波長帯光Ｌｓが、光アイソレータ２1 を通り、ＷＤＭカプラ３1 にて励起光源４1 から出射される励起光Ｌｐ1 と合波され、前段ＥＤＦｌ1 に入射される。前段ＥＤＦｌ1 を通過した長波長帯光Ｌｓは、光アイソレータ２3 を通って後段ＥＤＦ１2 に入射される。また、後段ＥＤＦ１2 には、励起光源４2 から出射される励起光Ｌｐ2 がＷＤＭカプラ３2 を介して入射され、この励起光Ｌｐ2 が後段ＥＤＦ１2 内を逆方向に伝搬して後段部増幅に寄与する。そして、長波長帯光Ｌｓは、後段ＥＤＦ１2 を通過した後、ＷＤＭカプラ３2 及び光アイソレータ２2 を通過して出射端に至る。この場合、前方励起光Ｌｐ1 の波長として０．９８μｍ帯（９６０〜１０００ｎｍ）が用いられ、後方励起光Ｌｐ2 の波長として１．４８μｍ帯（１４５０〜１４９０ｎｍ）が用いられる。この構成により光増幅器の低雑音化が図られる。
【０００９】
さらに、従来の長波長帯光増幅器の他の構成として、例えば、文献；Massicott et al. ,“Low noise operation of Er3+ doped silica fiber amplifier around 1.6 μm,"Electron.Lett.Vol.28.P.1924-1925,September.1992. や、US Patent No.5,500,764号明細書等に記載されたものもある。
図１８は、上記長波長帯光増幅器の構成を示すブロック図である。
【００１０】
図１８の光増幅器では、入射された長波長帯光Ｌｓが、合波器５を通して１．５５μｍ帯光Ｌｐ3 と合波され、光アイソレータ２1 を通って、ＷＤＭカプラ３1 で励起光源４1 から出射される励起光Ｌｐ1 と合波され、ＥＤＦｌに入射される。ＥＤＦｌ出射端においてもＷＤＭカプラ３2 を介して励起光源４2 から出射される励起光Ｌｐ2 が合波されて、ＥＤＦｌ内を逆方向に伝搬し、増幅に寄与する。長波長帯光Ｌｓは、ＥＤＦｌを通過した後、ＷＤＭカプラ３2 及び光アイソレータ２2 を通って出射端に至る。この光増幅器は、１．５５μｍ帯光Ｌｐ3 を低いレベルで励起光として付加することにより、励起効率の改善を図ったものである。即ち、信号光波長に近い波長の励起光を用いる程、励起効率は高くなるため、１．５８μｍ帯の信号光を増幅するための励起光として１．５５μｍ帯の光を用いている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の図１６に示した従来の光増幅器では、例えば、励起光の波長を１４５０〜１４９０ｎｍとした場合の利得平坦時の変換効率が３７．７％程度しかないため、励起効率や雑音指数において１．５５μｍ帯の光増幅の場合よりも特性が劣るという問題があった。
【００１２】
これに対して、図１７に示した従来の光増幅器は、前段ＥＤＦｌ1 の長さを短くし、後段ＥＤＦ１2 を長くするとともに、前段部増幅に雑音特性の優れた０．９８μｍ帯の励起光を用いることにより、図１６の光増幅器と比べて低雑音である。しかし、このような構成は、低雑音化には有効であるが、後段ＥＤＦ１2 における励起パワー伝搬効率が低く、依然として励起効率が低いという問題があった。
【００１３】
一方、図１８に示した従来の光増幅器は、１．５５μｍ帯光Ｌｐ3 をＥＤＦ１に供給することにより、高い励起効率を得ることができ、光増幅器のエネルギー消費を低減可能である。しかしながら、この構成では１．５５μｍ帯光を発生させるための新たな光源などを必要とする。光源などの能動光部品は高価であるため、光増幅器のコストを上昇させてしまうという欠点があった。
【００１４】
本発明は上記の問題点に着目してなされたもので、１．５８μｍ帯などの新たな帯域の光増幅について、従来の光増幅器への受動光部品の追加のみにより高い励起効率の光増幅を実現する低コストの光増幅器及び光増幅方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このため本発明の光増幅器は、希土類元素が光ファイバ内にドープされた第１の希土類元素ドープファイバと、励起光を発生する少なくとも１つの励起光源と、該励起光源からの励起光を前記第１の希土類元素ドープファイバに供給する少なくとも１つの励起光供給手段と、を備えて構成され、所定の波長帯の信号光を増幅する光増幅器において、前記第１の希土類元素ドープファイバの信号光入射端側に一端が縦続接続された第２の希土類元素ドープファイバと、該第２の希土類元素ドープファイバの他端に一端が縦続接続された第３の希土類元素ドープファイバと、を有し、前記信号光が前記第３の希土類元素ドープファイバの他端から入射されるとともに、前記励起光源からの励起光が前記第３の希土類元素ドープファイバの他端に供給され、当該第３の希土類元素ドープファイバを通過した前記信号光及び前記励起光が前記第２の希土類元素ドープファイバの他端から入射され、前記第２の希土類元素ドープファイバ内で発生する自然放出光のうちの前記信号光の波長帯とは異なる所定の波長帯の自然放出光をレーザ発振させ、該レーザ発振光を前記第１の希土類元素ドープファイバに励起光として供給するレーザ発振光生成手段を具備し、前記第３の希土類元素ドープファイバが、前記第１及び第２の希土類元素ドープファイバにおける反転分布率よりも高い反転分布率で励起されるものである。
【００１６】
かかる構成によれば、例えば、１．５８μｍ帯等の所定の波長帯の信号光が本光増幅器に入射されると、その信号光は、まず第３の希土類元素ドープファイバに送られる。第３の希土類元素ドープファイバは、比較的大きなパワーの前方励起光の供給により、高い反転分布率で信号光を増幅する。そして、第３の希土類元素ドープファイバを通過した信号光及び励起光が、例えばエルビウム等がドープされた第２の希土類元素ドープファイバに送られる。この第２の希土類元素ドープファイバでは、第３の希土類元素ドープファイバからの励起光によって励起されることで、自然放出光が発生するとともに信号光が増幅される。発生した自然放出光のうちの例えば１．５５μｍ帯等の所定の波長帯の光は、レーザ発振光生成手段によってレーザ発振され、第１の希土類元素ドープファイバに供給される。第１の希土類元素ドープファイバには、第２の希土類元素ドープファイバを通過した信号光が入射され、レーザ発振した自然放出光が励起光として寄与して、信号光が高い励起効率で増幅されるようになる。
【００１７】
従って、上述した従来の長波長帯光増幅器のように光源等の能動光部品を追加することなく、１．５８μｍ帯等の信号光の増幅を高い励起効率で実現することができ、光増幅器の低コスト化を図ることが可能となる。また、信号光がレベルの小さい前段部分で効果的に増幅されるため、光増幅器全体の低雑音化が図られる。
上記レーザ発振光生成手段としては、ファイバ共振器型の構成や進行波型光発振器の構成とするのがよい。
【００１８】
ファイバ共振器型の場合には、レーザ発振光生成手段は、前記所定の波長帯の自然放出光を反射可能であり、かつ、前記信号光及び前記励起光を透過する一対の波長選択反射型光デバイスが、前記第２の希土類元素ドープファイバの両端に設けられる。
この構成により、第２の希土類元素ドープファイバで発生した所定の波長帯の自然放出光が各波長選択反射型光デバイスで反射されて共振し、レーザ発振するようになる。
【００１９】
進行波型光発振器の場合には、レーザ発振光生成手段は、前記第２の希土類元素ドープファイバの信号光出射端から出射される光の一部を分岐する分岐部と、該分岐部からの分岐光を入射し、前記所定の波長帯の自然放出光のみを選択して出射する波長選択部と、該波長選択部からの出射光を前記第２の希土類元素ドープファイバの信号光入射端に入射させる合波部と、を備えるようにする。
【００２０】
この構成により、第２の希土類元素ドープファイバからの出射光の一部が分岐部で分岐され、その分岐光に含まれる所定の波長帯の自然放出光が波長選択部で選択されて、合波部を介して第２の希土類元素ドープファイバの信号光入射端に送られる。これにより、所定の波長帯の自然放出光が進行波となってレーザ発振するようになる。
【００２１】
上記の光増幅器については、前記励起光供給手段が、前記第２の希土類元素ドープファイバの信号光入射端側に配置された前方励起型の構成としてもよい。また、前記励起光供給手段が、前記第２の希土類元素ドープファイバの信号光入射端側に配置されるとともに、前記第１の希土類元素ドープファイバの信号光出射端側に配置された双方向励起型の構成としてもよい。
【００２２】
さらに、前記励起光を反射し、かつ、前記信号光を透過する励起光反射手段を備えて構成するのが好ましい。具体的には、前方励起型の場合、励起光反射手段が、第１の希土類元素ドープファイバの信号光出射端側に設けられ、双方向励起型の場合には、励起光反射手段が、第１、２の希土類元素ドープファイバの間に設けられる。
【００２３】
このように励起光反射手段を設けることで、励起光源から出射された励起光が第１、２の希土類元素ドープファイバ内を往復して伝搬するようになって、励起光の変換効率を向上させることができる。従って、励起効率のより高い光増幅器が提供されるようになる。
【００２５】
さらに、上記の光増幅器については、前記第２、３の希土類元素ドープファイバの間に、第２の希土類元素ドープファイバから前記第３の希土類元素ドープファイバに向けて伝搬する光を遮断する光遮断手段を備えるようにするのが好ましい。
第２の希土類元素ドープファイバで発生する自然放出光のうちの信号光と逆方向に伝搬する成分が第３の希土類元素ドープファイバに入射すると、第３の希土類元素ドープファイバでの信号光利得が低下することになる。従って、この信号光と逆方向に伝搬する自然放出光を光遮断手段で遮断することによって、第３の希土類元素ドープファイバの反転分布状態、つまりは利得が高く維持されるようになり、光増幅器全体としての雑音特性をより優れたものにすることができる。
【００２６】
本発明の光増幅器の他の態様としては、第１の波長帯の信号光及び該第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の信号光を増幅する光増幅器において、前記第１の波長帯の信号光を励起光源からの励起光が供給された希土類元素ドープファイバを用いて増幅する第１の光増幅手段と、前記第２の波長帯の信号光を励起光源からの励起光が供給された希土類元素ドープファイバを用いて増幅する第２の光増幅手段と、前記第１の光増幅手段で増幅された信号光の一部を分岐する光分岐手段と、該分岐手段からの分岐光を前記第２の光増幅手段に励起光として供給する分岐光供給手段と、を備えて構成されるものである。
【００２７】
かかる構成によれば、例えばエルビウム等をドープした希土類元素ドープファイバを用いて、１．５５μｍ帯等の第１の波長帯の信号光と１．５８μｍ帯等の第２の波長帯の信号光とを増幅する場合に、第１の光増幅手段で増幅された１．５５μｍ帯等の信号光の一部が、光分岐手段で分岐され分岐光供給手段を介して第２の光増幅手段に供給される。この第１の光増幅手段からの分岐光は、第２の光増幅手段の励起光として寄与し、１．５８μｍ帯等の信号光が高い励起効率で増幅されるようになり、増幅特性の優れた光増幅器を安価に提供することができる。
【００２８】
本発明の光増幅方法は、所定の波長帯の信号光を、励起光源からの励起光が供給された第１の希土類元素ドープファイバを用いて増幅する光増幅方法において、前記第１の希土類元素ドープファイバの信号光入射端側に第２の希土類元素ドープファイバの一端を縦続接続し、かつ、該第２の希土類元素ドープファイバの他端に第３の希土類元素ドープファイバの一端を縦続接続して、前記信号光を前記第３の希土類元素ドープファイバの他端から入射するとともに、前記励起光源からの励起光を前記第３の希土類元素ドープファイバの他端に供給し、当該第３の希土類元素ドープファイバを通過した前記信号光及び前記励起光を前記第２の希土類元素ドープファイバの他端から入射し、前記第２の希土類元素ドープファイバ内で発生する自然放出光のうちの前記信号光の波長帯とは異なる所定の波長帯の自然放出光をレーザ発振させ、該レーザ発振光を前記第１の希土類元素ドープファイバに励起光として供給し、さらに、前記第３の希土類元素ドープファイバを、前記第１および第２の希土類元素ドープファイバにおける反転分布率よりも高い反転分布率で励起する方法である。
【００２９】
また、本発明の他の光増幅方法は、励起光源からの励起光が供給される希土類元素ドープファイバを用いた第１の光増幅手段で第１の波長帯の信号光を増幅すると共に、励起光源からの励起光が供給される希土類元素ドープファイバを用いた第２の光増幅手段で前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の信号光を増幅する光増幅方法において、前記第１の光増幅手段で増幅された信号光の一部を分岐し、該分岐光を前記第２の光増幅手段に励起光として供給する方法である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、本発明を理解する上で有用と考えられる光増幅器の基本的な構成及び動作について説明する。
図１は、上記光増幅器の構成を示すブロック図である。ただし、前述した従来の光増幅器の構成と同様の部分には同じ符号が付してあり、以下同様とする。
【００３１】
図１において、本光増幅器は、例えば、縦続接続されたエルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）１1 ，１2 と、波長帯が１．５８μｍ帯の信号光Ｌｓが入射される光アイソレータ２1 と、励起光Ｌｐ1 を発生する励起光源（ＬＤ）４1 と、信号光Ｌｓ及び励起光Ｌｐ1 を合波して前段のＥＤＦ１1 の入射端に送るＷＤＭカプラ３1 と、後段のＥＤＦ１2 の出射端に接続される光アイソレータ２2 と、前段のＥＤＦ１1 の両端に接続された波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 と、から構成される。この光増幅器は、一般的な前方励起型の光増幅器について、信号光入射側に位置するＥＤＦ１1 の両端に波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 を設けて、レーザ発振光生成手段としてのファイバ共振器型構造を形成し、そのファイバ共振器型構造において、例えば１．５５μｍ帯光等をレーザ発振させて、１．５８μｍ帯の光増幅の高効率化を図ったものである。
【００３２】
ここでは、ＥＤＦ１1 及びＥＤＦ１2 が、第２の希土類元素ドープファイバ及び第１の希土類元素ドープファイバとして機能し、ＷＤＭカプラ３1 が励起光供給手段として機能する。
ＥＤＦ１1 ，１2 は、例えば、エルビウム（Ｅｒ3+）等の希土類元素を光ファイバのコア部にドープした一般的な希土類元素ドープファイバである。
【００３３】
光アイソレータ２1 ，２2 は、入射と出射の一対の端子を持ち、入射側から出射側に進む順方向の光は低損失で、出射側から入射側に戻る逆方向の光は高損失の特性をもたせて、光を決められた方向にのみ通過させる受動光部品である。
ＷＤＭカプラ３1 は、各入力ポートに送られてきた信号光Ｌｓ及び励起光Ｌｐ1 を合波して１つの出力ポートから出射する光カプラである。
【００３４】
励起光源４1 は、例えば、波長が０．９８μｍ帯や１．４８μｍ帯等の励起光を発生する一般的な光源が用いられる。
波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 としては、例えば、ファイバグレーティングや光バルクフィルタなどが使用される。各波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 は、所要の反射帯域幅を有し、その反射中心波長が、ここでは１．５５μｍに設定される。それぞれの反射率については後述する。
【００３５】
次に、図１に示した光増幅器の動作について説明する。
本光増幅器に入射された１．５８μｍ帯の信号光Ｌｓは、光アイソレータ２1を通過し、ＷＤＭカプラ３1 で励起光源４1 から出射される励起光Ｌｐ1 と合波され、波長選択反射型光デバイス６1 を通過してＥＤＦｌ1 に入射される。ＥＤＦｌ1 は、波長選択反射型光デバイス６1 を通過した励起光Ｌｐ1 によってエルビウムが励起されて所要の反転分布率とされる。このＥＤＦｌ1 では、通過する信号光Ｌｓが増幅されるとともに、１．５５μｍ帯の自然放出光（ＡＳＥ；Amplified Spontaneous Emission）が発生する。さらに、増幅された信号光Ｌｓは、波長選択反射型光デバイス６2 を通過しＥＤＦ１2 に入射して増幅され、光アイソレータ２2 を通って外部に出射される。
【００３６】
このとき、２つの波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 及びＥＤＦｌ1 で構成されたファイバ共振器型構造により、ＥＤＦｌ1 内を伝搬する１．５５μｍ帯光が、各波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 によって選択的に反射されてレーザ発振するようになる。そして、このレーザ発振した１．５５μｍ帯光が、後段ＥＤＦ１2 に入射され励起光として寄与する。前述したように、ＥＤＦの反転分布率の高い部分では１．５５μｍ帯の光は増幅されるが、反転分布率の低い部分では吸収され、励起光として寄与する。従って、後段ＥＤＦ１2 の反転分布率を調整することによって、レーザ発振した１．５５μｍ帯の光を励起光として用いることができる。
【００３７】
上記のような１．５５μｍ帯光のレーザ発振を実現するためには、波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 の反射率をそれぞれＲ1 ，Ｒ2 とし、ＥＤＦｌ1 の動作利得をＧ1 としたときに、それぞれの値が次の（１）式に示す関係を満たすように設定される。
Ｇ1 ・（Ｒ1 ・Ｒ2 ）1/2 ＞１  …（１）
さらに、各波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 の反射率Ｒ1 ，Ｒ2 については、１．５５μｍ帯光が出射端方向（図で右方向）にのみ出力されるようにするために、反射率Ｒ1 が略１００％に設定され、反射率Ｒ2 が１００％より小さく設定されるものとする。なお、反射率Ｒ2 は、励起光として必要とされる１．５５μｍ帯光パワーに応じて１００％より小さい適宜な値に設定可能である。
【００３８】
このように図１に示した光増幅器によれば、光増幅器の前段部分にファイバ共振器型構造を形成して、前段のＥＤＦｌ1 を伝搬する１．５５μｍ帯光をレーザ発振させて後段のＥＤＦ１2 に供給するようにしたことで、上述した従来の長波長帯光増幅器のように、１．５５μｍ帯光を供給するために光源等の能動光部品を追加することなく、安価な受動光部品（波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 ）の追加のみによって、１．５８μｍ帯の信号光Ｌｓの増幅を高い励起効率で実現することができる。これにより、従来の光増幅器と比べて低い励起光パワーで１．５８μｍ帯の信号光Ｌｓを増幅できるとともに、光増幅器の低コスト化を図ることが可能となる。
【００３９】
なお、上記図１に示した光増幅器では、ＥＤＦ１1 の両端に波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 を接続する構成としたが、ＥＤＦ１1 の両端部分に波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 としてのファイバグレーティングを形成してもよい。この場合、２つのＥＤＦ１1 ，１2 を縦続接続させるのに代えて、所要の長さの１本のＥＤＦを用意し、その信号光入射端部分と中間部分とにファイバグレーティングを施すようにすることもできる。
【００４０】
また、前方励起型の光増幅器について説明したが、後方励起型や双方向励起型としても構わない。一例として、双方向励起型としたときの構成を図２のブロック図に示す。図２の構成では、図１に示した光増幅器の構成について、後段のＥＤＦ１2 と光アイソレータ２2 の間にＷＤＭカプラ３2 が挿入され、励起光源４2 で発生した励起光Ｌｐ2 がＷＤＭカプラ３2 介してＥＤＦ１2 に送られる。ＥＤＦ１2 に入射した後方励起光Ｌｐ2 は、前方励起光Ｌｐ1 とは逆方向にＥＤＦ１2 及びＥＤＦ１1 内を伝搬する。後方励起光Ｌｐ2 の波長帯としては、例えば、０．９８μｍ帯や１．４８μｍ帯等を用いることができる。
【００４１】
双方向励起型の場合においても、図１に示した光増幅器の場合と同様に、２つの波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 及びＥＤＦｌ1 でファイバ共振器構造が構成され、１．５５μｍ帯光が各波長選択反射型光デバイス６1 、６2 にて選択的に反射されてレーザ発振し、その１．５５μｍ帯光が後段のＥＤＦ１2 に入射されて励起光として寄与する。これにより、図１に示した光増幅器の場合と同様の効果が得られ、さらに、双方向励起型としたことでより高い励起効率が得られるようになる。
【００４２】
次に、前述した光増幅器に関連した他の構成及び動作について説明する。
図３は、上記光増幅器の他の構成を示すブロックである。
図３において、本光増幅器は、例えば上記図２に示した双方向励起型の光増幅器について、ＥＤＦ１1 ，１2 の間に励起光反射手段としての励起波長選択反射型光デバイス７を挿入したものである。
【００４３】
励起波長選択反射型光デバイス７は、例えば、ファイバグレーティングや光バルクフィルタなどが使用される。この励起波長選択反射型光デバイス７は、各励起光Ｌｐ1 ，Ｌｐ2 をそれぞれ反射し、他の波長帯の光を透過する特性を有するものとする。各励起光Ｌｐ1 ，Ｌｐ2 の波長帯が異なるような場合には、それぞれの励起波長帯に対応した２つの反射帯域を有するように設定したり、或いは、各励起波長帯を包含する１つの反射帯域を有するように設定する。
【００４４】
また、ここでは、波長選択反射型光デバイス６2 と励起波長選択反射型光デバイス７とを個別に設ける構成としたが、１つの波長選択反射型光デバイスを用いて各機能を実現することも可能である。この場合の波長選択反射型光デバイスとしては、１．５５μｍ帯に反射率が１００％より小さい反射帯域を有し、かつ、各励起光Ｌｐ1 ，Ｌｐ2 の波長帯に対応した反射帯域を有するものを使用する。
【００４５】
このような構成の光増幅器では、入射された１．５８μｍ帯の信号光Ｌｓは、光アイソレータ２1 を通過し、ＷＤＭカプラ３1 で励起光源４1 から出射される励起光Ｌｐ1 と合波され、波長選択反射型光デバイス６1 を通過してＥＤＦｌ1 に入射され、増幅される。さらに、ＥＤＦｌ1 を通過した１．５８μｍ帯の信号光Ｌｓは、波長選択反射型光デバイス６2 及び励起波長選択反射型光デバイス７を通過してＥＤＦ１2 に入射される。ＥＤＦ１2 には、励起光源４2 から出射される励起光Ｌｐ2 がＷＤＭカプラ３2 で合波されて、信号光Ｌｓとは逆の伝搬方向で供給される。このＥＤＦ１2 で信号光Ｌｓが増幅され、ＥＤＦ１2 を通過した信号光Ｌｓは、ＷＤＭカプラ３2 及び光アイソレータ２2 を通って外部に出射される。
【００４６】
上記一連の信号光Ｌｓの増幅動作において、信号光入射側から順方向に伝搬される励起光Ｌｐ1 及び信号光出射側から逆方向に伝搬される励起光Ｌｐ2 が、励起波長選択反射型光デバイス７でそれぞれ波長選択的に全反射され、各ＥＤＦ１1 ，１2 内に戻される。これにより、各ＥＤＦ１1 ，１2 における励起光Ｌｐ1，Ｌｐ2 の変換効率が高くなり、励起作用の高効率化に寄与する。また、図１に示した光増幅器の場合と同様に、２つの波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 及びＥＤＦｌ1 で構成されるファイバ共振器構造により、各波長選択反射型光デバイス６1 、６2 にて１．５５μｍ帯光が選択的に反射されてレーザ発振し、その１．５５μｍ帯光がＥＤＦ１2 に送られて、ＥＤＦ１2 の励起光として寄与する。
【００４７】
このように図３に示した光増幅器によれば、ＥＤＦ１1 ，１2 の間に励起波長選択反射型光デバイス７を設けたことで、励起光Ｌｐ1 ，Ｌｐ2 がＥＤＦ１1 ，１2 内を往復するようになり励起光が有効に使われるようになるため、本光増幅器の励起効率をさらに高くすることができる。
なお、上記図３に示した光増幅器では、双方向励起型の場合について説明したが、前方励起型や後方励起型の場合にも、励起波長選択反射型光デバイスを設けて励起効率の向上を図ることが可能である。例えば、上述の図１に示した前方励起型の場合には、ＥＤＦ１2 と光アイソレータ２2 の間に励起波長選択反射型光デバイスを挿入すればよい。
【００４８】
次に、本発明による光増幅器の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態に係る光増幅器の構成を示すブロック図である。
図４において、本光増幅器は、例えば上記図１に示した前方励起型の光増幅器について、ＷＤＭカプラ３1 と波長選択反射型光デバイス６1 の間に、第３の希土類元素ドープファイバとしてのＥＤＦ１3 を設けた構成とする。高い反転分布率で信号光を増幅した場合、低雑音動作が可能であり、この光増幅器は、信号光入射端付近において高い反転分布率で信号光を増幅することによって低雑音動作を実現させたものである。
【００４９】
ＥＤＦ１3 は、ＥＤＦ１1 ，１2 と同様に、例えば、エルビウム等の希土類元素を光ファイバのコア部にドープした一般的な希土類元素ドープファイバである。
かかる構成の光増幅器では、入射された１．５８μｍ帯の信号光Ｌｓは、光アイソレータ２1 を通って、ＷＤＭカプラ３1 で励起光源４1 からの励起光Ｌｐ1 と合波され、ＥＤＦｌ3 に入射される。ＥＤＦｌ3 には、比較的大きなパワーの励起光Ｌｐ1 が供給されるので、反転分布率が後段のＥＤＦ１1 ，１2 に比べて高くなる。１．５８μｍ帯の信号光Ｌｓが、反転分布率の高いＥＤＦ１3 内を通過すると、上述の図１５に示したように利得平坦性は損なわれるものの、比較的大きな利得で増幅される。そして、増幅された信号光Ｌｓ及びＥＤＦｌ3 で吸収されなかった励起光Ｌｐ1 は、波長選択反射型光デバイス６1 を通過してＥＤＦ１1 に入射される。
【００５０】
ＥＤＦ１1 では、上述の図１に示した光増幅器の場合と同様に、信号光Ｌｓが増幅されるとともに、１．５５μｍ帯光が各波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 間で選択的に反射されてレーザ発振し、それら信号光Ｌｓ及び１．５５μｍ帯光が、波長選択反射型光デバイス６2 を通過してＥＤＦ１2 に送られる。また、ＥＤＦ１1 で吸収されなかった励起光Ｌｐ1 も波長選択反射型光デバイス６2 を通過してＥＤＦ１2 に送られる。
【００５１】
ＥＤＦ１2 は、１．５５μｍ帯光及び励起光Ｌｐ1 により比較的低い反転分布率で励起状態とされる。このＥＤＦ１2 により、信号光Ｌｓがさらに増幅され光アイソレータ２2 を介して外部に出射される。
この場合、１．５８μｍ帯の信号光Ｌｓは、反転分布率の異なるＥＤＦ１3 ，１1 ，１2 でそれぞれ増幅されることになるため、各ＥＤＦ１3 ，１1 ，１2 での利得平坦性は損なわれる。しかし、各ＥＤＦ１3 ，１1 ，１2 の反転分布率の平均が約４０％程度となるように予め設定しておくことで、光増幅器全体として平坦な利得特性の信号光Ｌｓが得られるようになる。
【００５２】
このように第１の実施形態によれば、上述の図１に示した光増幅器における効果に加えて、反転分布率を高く設定したＥＤＦ１3 を光増幅器の信号光入射部分に設けたことによって、信号光Ｌｓが、レベルの小さい前段部分で効果的に増幅されるため、光増幅器全体の低雑音化を図ることができる。なお、上記第１の実施形態では、前方励起型の場合について説明したが、双方向励起型とすることも可能である。この場合の構成例を図５のブロック図に示しておく。
【００５３】
また、上記第１の実施形態について、上述の図３に示した光増幅器の場合と同様に、励起光を反射させる励起波長選択反射型光デバイスを設けるようにしてもよい。この場合の前方励起型の構成例を図６のブロック図に示し、双方向励起型の構成例を図７に示す。前方励起型の場合、ＥＤＦ１2 と光アイソレータ２2 の間に励起波長選択反射型光デバイス７を挿入し、双方向励起型の場合、ＥＤＦ１1 とＥＤＦ１2 の間に励起波長選択反射型光デバイス７を挿入すれよい。ただし、双方向励起型の場合には、図示しないがＥＤＦ１3 とＥＤＦ１1 の間に励起波長選択反射型光デバイス７を挿入することもできる。励起波長選択反射型光デバイス７を設けることにより、励起光Ｌｐ1 ，Ｌｐ2 が有効に使われるようになり、光増幅器の励起効率をさらに高くすることができる。
【００５４】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図８は、第２の実施形態に係る光増幅器の構成を示すブロックである。
図８において、本光増幅器は、例えば上記図４に示した第１の実施形態の光増幅器について、ＥＤＦ１3 と波長選択反射型光デバイス６1 の間に、光遮断手段としての光アイソレータ２3 を設けた構成とする。この光増幅器は、ＥＤＦ１1で発生し、信号光と逆方向に伝搬する自然放出光（ＡＳＥ）を光アイソレータ２3 で遮断することによって、より低雑音の動作を実現させたものである。
【００５５】
光アイソレータ２3 は、上述した光アイソレータ２1 ，２2 と同様のものである。この光アイソレータ２3 は、ＥＤＦ１3 からＥＤＦ１1 へ向かう光を透過し、ＥＤＦ１1 からＥＤＦ１3 へ向かう光を遮断する特性を有する。
かかる構成の光増幅器では、ＥＤＦ１1 で発生する自然放出光（ＡＳＥ）のうちの信号光と逆方向に伝搬する成分が光アイソレータ２3 で遮断されるようになる。ＥＤＦ１1 ，１3 の間には、波長選択反射型光デバイス６1 が設けられているので、その反射帯域内の波長の自然放出光は波長選択反射型光デバイス６1 で反射される。しかし、波長選択反射型光デバイス６1 の反射帯域外の波長の自然放出光もＥＤＦ１1 で発生するため、その自然放出光は波長選択反射型光デバイス６1 を通過してＥＤＦ１3 方向に伝搬する。この信号光と逆方向に伝搬する自然放出光がＥＤＦ１3 に入射されると、ＥＤＦ１3 での１．５８μｍ帯光に対する利得が低下することになる。従って、波長選択反射型光デバイス６1 を通過し、信号光と逆方向に伝搬する自然放出光を光アイソレータ２3 で遮断することよって、ＥＤＦ１3 の利得が高く維持されるようになる。
【００５６】
このように第２の実施形態によれば、光アイソレータ２3 を設けたことで、ＥＤＦ１3 における信号光Ｌｓの利得が高くなるため、光増幅器全体としての雑音特性をより優れたものにすることができる。
なお、上記第２の実施形態では、前方励起型の場合について説明したが、上述の図５に示した双方向励起型の場合についても、上記の場合と同様にして、ＥＤＦ１3 と波長選択反射型光デバイス６1 の間に光アイソレータ２3 を設けるようにしてもよい。この場合の構成を図９のブロック図に示しておく。
【００５７】
また、上述の図６や図７に示した励起波長選択反射型光デバイスを備えた光増幅器に対しても、上記第２の実施形態の場合と同様に光アイソレータ２3 を設けるようにしても構わない。この一例として、双方向励起型の場合の構成を図１０のブロック図に示す。図１０の構成例では、ＥＤＦ１3 と波長選択反射型光デバイス６1 との間に励起波長選択反射型光デバイス７が設けられ、さらに、励起波長選択反射型光デバイス７と波長選択反射型光デバイス６1 との間に光アイソレータ２3 が挿入された場合が示されている。双方向励起型の場合、励起波長選択反射型光デバイス７の挿入位置は、上記の他にも光アイソレータ２3 と波長選択反射型光デバイス６1 の間や、ＥＤＦ１1 ，１2 の間としてもよい。
【００５８】
次に、上述の図２に示した双方向励起型の光増幅器に関連した応用例について説明する。
図１１は、上記光増幅器の応用例の構成を示すブロック図である。
図１１において、本光増幅器は、例えば上述の図２に示した双方向励起型の光増幅器について、ＥＤＦ１1 の両端に接続していた波長選択反射型光デバイス６1 ，６2 に代えて、２つの合分波器５1 ，５2 と、光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）８を備えて構成される。上記以外の構成は、図２の光増幅器の構成と同様である。
【００５９】
合分波器５1 は、例えば光アイソレータ２1 の前段に接続され、入射される１．５８μｍ帯の信号光ＬｓとＢＰＦ８の透過光とを合波して、光アイソレータ２1 に出射する。また、合分波器５2 は、ＥＤＦ１1 ，１2 の間に接続され、ＥＤＦ１1 から出射される光を２分岐して、それぞれの光をＥＤＦ１2 及びＢＰＦ８に出射する。なお、合分波器５2 の分岐比は、後述する発振条件に基づいて適宜に設定されるものとする。
【００６０】
ＢＰＦ８は、合分波器５2 の一方の出射端と合分波器５1 の一方の入射端との間に接続された一般的な帯域通過型光フィルタである。このＢＰＦ８は、所要の通過帯域を有し、その通過中心波長が例えば１．５５μｍに設定される。
ここでは、合分波器５1 が合波部として機能し、合分波器５2 が分岐部として機能し、ＢＰＦ８が波長選択部として機能する。
【００６１】
このような構成の光増幅器では、入射された１．５８μｍ帯の信号光Ｌｓは、合分波器５1 及び光アイソレータ２1 を通過し、ＷＤＭカプラ３1 で励起光源４1 からの励起光Ｌｐ1 と合波され、ＥＤＦｌ1 に入射され、増幅される。
さらに、ＥＤＦｌ1 から出射された光は、合分波器５2 で２分岐されて、ＥＤＦ１2 及びＢＰＦ８に送られる。ＥＤＦ１2 に送られた光に含まれる信号光Ｌｓは、ＥＤＦ１2 で増幅され、ＷＤＭカプラ３2 及び光アイソレータ２2 を通過して外部に出射される。なお、ＷＤＭカプラ３2 では、励起光源４2 からの励起光Ｌｐ2 が合波され、後方励起光としてＥＤＦ１2 に供給される。
【００６２】
このとき、２つの合分波器５1 ，５2 、光アイソレータ２1 、ＷＤＭカプラ３1 、ＥＤＦｌ1 及びＢＰＦ８によって進行波型光発振器（ファイバリングレーザ）が構成される。この進行波型光発振器により、合分波器５2 で分岐されＢＰＦ８に送られた光のうちの１．５５μｍ帯光がＢＰＦ８で選択されてレーザ発振するようになる。このレーザ発振した１．５５μｍ帯光の一部が、合分波器５2 を介してＥＤＦ１2 へ入射され、ＥＤＦ１2 の励起光として寄与する。
【００６３】
上記のような１．５５μｍ帯光の進行波型のレーザ発振を実現するためには、合分波器５1 ，５2 、光アイソレータ２1 、ＷＤＭカプラ３1 及びＢＰＦ８の波長１．５５μｍにおける損失の総和をＬ1 とし、ＥＤＦｌ1 の動作利得をＧ1 としたときに、それぞれの値が次の（２）式に示す関係を満たすように設定される。
【００６４】
Ｇ1 ／Ｌ1 ＞１ …（２）
このように図１１に示した光増幅器によれば、光増幅器の前段部分に進行波型光発振器の構成を設け、ＢＰＦ８の通過帯域で選択される１．５５μｍ帯光をレーザ発振させて後段ＥＤＦ１2 に供給するようにしても、安価な受動光部品の追加のみによって、１．５８μｍ帯の信号光Ｌｓの増幅を高い励起効率で実現することができ、光増幅器の低コスト化を図ることが可能である。
【００６５】
なお、上記図１１に示した光増幅器では、合分波器５1 を光アイソレータ２1 の前段に設けるようにしたが、合分波器５1 の配置は、ＥＤＦ１1 の信号光入射端よりも前段側の任意の位置とすることができる。ただし、光アイソレータ２1 の後段側に合分波器５1 を設ける場合には、ＢＰＦ８を含むループ内に、進行波の向きを決めるための光アイソレータを追加する必要がある。
【００６６】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図１２は、第３の実施形態に係る光増幅器の構成を示すブロック図である。
図１２において、本光増幅器は、上記図１１に示した光増幅器の構成について、進行波型光発振器の構成の前段に、反転分布率を高く設定したＥＤＦ１3 を設けて、光増幅器の低雑音化を図ったものである。具体的には、前方励起光Ｌｐ1 が合波されるＷＤＭカプラ３1 とＥＤＦ１1 の間に、第３の希土類元素ドープファイバとしてのＥＤＦ１3 を接続し、図１１の光増幅器で光アイソレータ２1 の前段に設けていた合分波器５1 を、ＥＤＦ１3 とＥＤＦ１1 の間に配置し、さらに、合分波器５1 とＥＤＦ１1 の間に光アイソレータ２3 を設けて光増幅器が構成される。
【００６７】
かかる構成の光増幅器では、入射された１．５８μｍ帯の信号光Ｌｓは、光アイソレータ２1 を通って、ＷＤＭカプラ３1 で励起光源４1 からの励起光Ｌｐ1 と合波され、ＥＤＦｌ3 に入射される。ＥＤＦｌ3 には、比較的大きなパワーの励起光Ｌｐ1 が供給されるので高い反転分布率となる。この反転分布率の高いＥＤＦ１3 内を信号光Ｌｓが通過すると、利得平坦性は損なわれるが比較的大きな利得で増幅される。そして、増幅された信号光Ｌｓ及びＥＤＦｌ3 で吸収されなかった励起光Ｌｐ1 は、合分波器５1 及び光アイソレータ２3 を通過してＥＤＦ１1 に入射される。
【００６８】
ＥＤＦ１1 では、図１１に示した光増幅器の場合と同様に、信号光Ｌｓが増幅されるとともに自然放出光が発生し、それらの光は、合分波器５2 で２分岐されて、ＥＤＦ１2 及びＢＰＦ８にそれぞれ送られる。ＥＤＦ１2 に送られた光に含まれる信号光Ｌｓは、ＥＤＦ１2 で増幅され、ＷＤＭカプラ３2 及び光アイソレータ２2 を通過して外部に出射される。
【００６９】
また、このとき、２つの合分波器５1 ，５2 、光アイソレータ２3 、ＥＤＦ１1 及びＢＰＦ８で進行波型光発振器（ファイバリングレーザ）が構成され、合分波器５2 で分岐されＢＰＦ８に送られた光のうちの１．５５μｍ帯光がＢＰＦ８で選択されてレーザ発振するようになる。このレーザ発振した１．５５μｍ帯光の一部が、合分波器５2 を介してＥＤＦ１2 へ入射され、ＥＤＦ１2 の励起光として寄与する。なお、光アイソレータ２3 は、１．５５μｍ帯光の伝搬を一方向に限定して進行波とする機能を持つとともに、ＥＤＦ１3 への１．５５μｍ帯光の入射を阻止する機能を持つ。
【００７０】
上記の発振条件としては、合波器５1 ，５2 、光アイソレータ２3 及びＢＰＦ８の波長１．５５μｍにおける損失の総和をＬ2 とし、ＥＤＦ１1 の動作利得をＧ1 としたときに、それぞれの値が次の（３）式に示す関係を満たすように設定される。
Ｇ1 ／Ｌ2 ＞１ …（３）
このように第３の実施形態によれば、進行波型光発振器の構成を有する光増幅器においても、反転分布率を高く設定したＥＤＦ１3 を光増幅器の信号光入射部分に設けたことによって、信号光Ｌｓが、レベルの小さい前段部分で効果的に増幅されるため、光増幅器全体の低雑音化を図ることができる。
【００７１】
なお、上述した第３の実施形態では、双方向励起の場合を説明したが、本発明はこれに限らず、励起光源４2 及びＷＤＭカプラ３2 を除いた前方励起型の構成としても構わない。また、合分波器５2 とＢＰＦ８を設け、合分波器５2 からの分岐光に含まれる１．５５μｍ帯光をＢＰＦ８で選択する構成としたが、合分波器５2 及びＢＰＦ８に代えて、例えば、波長選択機能を有する合分波器、具体的には、ＥＤＦ１1からの光に含まれる１．５５μｍ帯成分の一部のみを選択的に分岐する機能を備えた光部品を用いてもよい。
【００７２】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。ここでは、例えば、第１、２の波長帯の信号光としての１．５５μｍ帯及び１．５８μｍ帯の信号光を合波した光が入射され、それぞれの波長帯の信号光を増幅して出射する光増幅器について説明する。
図１３は、第４の実施形態に係る光増幅器の構成を示すブロック図である。
【００７３】
図１３において、本光増幅器は、２つの波長帯光を合波した信号光Ｌｓが入射されるＷＤＭカプラ３3 と、１．５５μｍ帯光を増幅する第１の光増幅手段としての光増幅部１０と、１．５８μｍ帯光を増幅する第２の光増幅手段としての光増幅部１１と、光増幅部１０の出射光を２分岐する光分岐手段としての分岐カプラ９と、光増幅部１１の出射光及び分岐カプラ９の一方の分岐光を合波する分岐光供給手段としてのＷＤＭカプラ３4 と、から構成される。ここでは、１．５５μｍ帯の信号光及び１．５８μｍ帯の信号光の伝搬方向は同一とする。
【００７４】
ＷＤＭカプラ３3 は、少なくとも２つの入力ポートと２つの出力ポートを有する。一方の入力ポートには、１．５５μｍ帯及び１．５８μｍ帯を合波した信号光Ｌｓが入射され、その信号光Ｌｓが各波長帯に応じて分波される。１．５５μｍ帯光は、光増幅部１０に接続する一方の出力ポートから出射され、１．５８μｍ帯光は、光増幅部１１に接続する他方の出力ポートから出射される。また、他方の入力ポートには、分岐カプラ９で２分岐された一方の分岐光が入射され、その分岐光に含まれる１．５５μｍ帯光が上記他方の出力ポートから出射されて光増幅部１１に送られる。
【００７５】
光増幅部１０は、一般的な１．５５μｍ帯増幅用の光増幅器を用いて構成される。具体的には、上述の図１６や図１７に代表される構成の光増幅器であり、その光増幅帯域が１．５５μｍ帯に設定されたものである。
光増幅部１１は、長波長帯である１．５８μｍ帯増幅用の光増幅器を用いて構成される。具体的には、上述の各実施形態に示した光増幅器や、図１６や図１７に示した従来の長波長帯光増幅器などとすることができる。
【００７６】
分岐カプラ９は、光増幅部１０から出射される光（主に増幅された１．５５μｍ帯の信号光）を予め設定された分岐比で２分岐し、一方の分岐光をＷＤＭカプラ３4 の入力ポートに送り、他方の分岐光をＷＤＭカプラ３3 の入力ポートに戻す。
ＷＤＭカプラ３4 は、少なくとも２つの入力ポート及び１つの出力ポートを有する。一方の入力ポートには分岐カプラ９からの分岐光が入射され、他方の入力ポートには光増幅部１１から出射される光（主に増幅された１．５８μｍ帯の信号光）が入射され、各入力ポートに入射された光が合波されて出力ポートから外部に出射される。
【００７７】
このような構成の光増幅器では、２つの波長帯光を合波した信号光Ｌｓが入射されると、その信号光ＬｓがＷＤＭカプラ３3 で各波長帯に分波され、それぞれの波長帯の光増幅部１０，１１に送られて増幅される。１．５５μｍ帯光は、光増幅部１０から出射された後、分岐カプラ９で２分岐されて、一方の分岐光はＷＤＭカプラ３4 を介して外部に出射される。また、他方の分岐光は、ＷＤＭカプラ３3 に戻されて、１．５５μｍ帯成分がＷＤＭカプラ３3 を介して光増幅部１１へ入射される。
【００７８】
光増幅部１１には、１．５８μｍ帯の信号光と光増幅部１０で増幅された１．５５μｍ帯光の一部とがＷＤＭカプラ３3 を介して入力されることになる。これにより、１．５５μｍ帯光は、励起光として１．５８μｍ帯の光増幅に寄与し、高い励起効率で１．５８μｍ帯の信号光の増幅が行われる。この増幅された１．５８μｍ帯の信号光は、ＷＤＭカプラ３4 で１．５５μｍ帯の信号光と合波されて外部に出射される。
【００７９】
このように第４の実施形態によれば、１．５５μｍ帯と１．５８μｍ帯の信号光を一括して増幅するような場合に、光増幅部１０で増幅された１．５５μｍ帯光の一部を分岐カプラ９で分岐しＷＤＭカプラ３3 を介して光増幅部１１に供給するようにしたことで、前記１．５５μｍ帯光が１．５８μｍ帯の光増幅のための励起光として作用するようになるため、１．５８μｍ帯の光増幅の励起効率を向上させることが可能である。また、１．５８μｍ帯の光増幅部１１に１．５５μｍ帯光を供給するための構成は、受動光部品のみで実現されるため、増幅特性の優れた光増幅器を安価に提供することができる。このような光増幅器は、従来波長帯（１．５５μｍ帯）と長波長帯（１．５８μｍ帯）が合波された超広帯域増幅中継伝送システムの光増幅中継器等として特に有用である。
【００８０】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。ここでは、上記第４の実施形態の変形例として、伝送方向が互いに異なる１．５５μｍ帯の信号光と１．５８μｍ帯の信号光とを一括して増幅する場合について説明する。
図１４は、第５の実施形態に係る光増幅器の構成を示すブロック図である。
図１４において、本光増幅器は、例えば、１．５５μｍ帯の信号光Ｌｓが図中の矢印に示すように左方向に伝送され、１．５８μｍ帯の信号光Ｌｓが右方向に伝送されるとした場合に、上記図１３に示した光増幅器の構成について、光増幅部１０の入出力方向を反転させるとともに、分岐カプラ９の配置を光増幅部１０の出力端とＷＤＭカプラ３3 の間に変更したものである。
【００８１】
かかる構成の光増幅器では、１．５５μｍ帯の信号光がＷＤＭカプラ３4 を介して光増幅部１０に入射され増幅される。そして、光増幅部１０から出射される光が分岐カプラ９で２分岐され、一方の分岐光はＷＤＭカプラ３3 を通って外部に出射され、他方の分岐光はＷＤＭカプラ３3 を介して光増幅部１１に送られ、励起光として寄与する。光増幅部１１には、１．５８μｍ帯の信号光ＬｓがＷＤＭカプラ３3 を介して入射され、高い励起効率で増幅されて、ＷＤＭカプラ３4 を介して外部に出射される。
【００８２】
このように第５の実施形態によれば、１．５５μｍ帯の信号光と１．５８μｍ帯の信号光の伝送方向が異なる場合でも、上述の第４の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。
なお、上述の第１〜５の実施形態では、希土類元素ドープファイバとしてＥＤＦを用いたが、本発明はこれに限らず、エルビウム以外の希土類元素をドープした光ファイバを使用しても構わない。また、新たな伝送帯域を長波長帯の１．５８μｍ帯とし、その光増幅の高効率化に有効な１．５５μｍ帯光を励起光として利用する場合について説明したが、本発明の新たな伝送帯域や励起光として利用する波長帯はこれに限られるものではない。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光増幅器及び光増幅方法は、新たな伝送帯域の光増幅について、第２の希土類元素ドープファイバ内で発生する所定の波長帯の自然放出光をレーザ発振させ、そのレーザ発振光を第１の希土類元素ドープファイバの励起光として利用するようにし、かつ、第２の希土類元素ドープファイバの前段に高い反転分布率で励起される第３の希土類元素ドープファイバを設けたことによって、励起効率の高い信号光の増幅が可能となるとともに、レベルの小さい前段部分で信号光が効果的に増幅されるため、光増幅器全体の低雑音化を図ることができる。また、このような光増幅器は、従来の長波長帯光増幅器のように光源等の能動光部品を追加することなく、安価な受動光部品の追加のみで高い励起効率で実現することができ、光増幅器の低コスト化を図ることができる。
【００８４】
さらに、光増幅器に励起光反射手段を設けたことにより、励起光が希土類元素ドープファイバ内を往復して希土類元素の励起に有効に使用されるようになるため、励起効率のより高い光増幅器を提供できる。加えて、第２、３の希土類元素ドープファイバの間に光遮断手段を設けたことによって、第３の希土類元素ドープファイバの利得が高く維持されるようになるため、雑音特性のより優れた光増幅器を提供できる。
【００８５】
また、本発明の光増幅器及び光増幅方法は、第１の波長帯の信号光及び第２の波長帯の信号光を、励起光源からの励起光が供給された希土類元素ドープファイバを用いてそれぞれ増幅する場合においても、第１の光増幅手段で増幅された信号光の一部を第２の光増幅手段の励起光として利用するようにしたことによって、第２の波長帯の信号光を高い励起効率で増幅することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関連した光増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の光増幅器について、双方向励起型としたときの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に関連した光増幅器の他の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図５】同上第１の実施形態について、双方向励起型としたときの構成を示すブロック図である。
【図６】同上第１の実施形態について、励起波長選択反射型光デバイスを設けた前方励起型の構成を示すブロック図である。
【図７】同上第１の実施形態について、励起波長選択反射型光デバイスを設けた双方向励起型の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図９】同上第２の実施形態について、双方向励起型としたときの構成を示すブロック図である。
【図１０】同上第２の実施形態について、励起波長選択反射型光デバイスを設けた双方向励起型の構成を示すブロック図である。
【図１１】図２の光増幅器に関連した応用例の構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１５】ＥＤＦの単位長さあたりの利得に関する波長特性を反転分布率に応じて示した図である。
【図１６】従来の長波長帯光増幅器の構成を示すブロック図である。
【図１７】従来の低雑音化を図った長波長帯光増幅器の構成を示すブロック図である。
【図１８】従来の励起効率の改善を図った長波長帯光増幅器の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１1 ，１2 ，１3 …エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）
２1 ，２2 ，２3 …光アイソレータ
３1 ，３2 ，３3 ，３4 …ＷＤＭカプラ
４1 ，４2 …励起光源（ＬＤ）
５1 ，５2 …合分波器
６1 ，６2 …波長選択反射型光デバイス
７…励起波長選択反射型光デバイス
８…光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
９…分岐カプラ
１０…１．５５μｍ帯用光増幅部
１１…１．５８μｍ帯用光増幅部
Ｌｓ…信号光
Ｌｐ1 …前方励起光
Ｌｐ2 …後方励起光
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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