(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類ドープ導波路光増幅器であって、
光信号を伝送する光導波路と、
伝送された光信号を増幅する希土類ドープ増幅領域とを含み、希土類ドープ増幅領域は波長に対する温度依存性の利得特性を有しており、さらに、
前記増幅領域を光ポンピングするポンピング源と、
前記光導波路に光学的に結合し、伝送される光信号の帯域幅にわたって前記増幅領域の利得スペクトルを補償する損失フィルタとを含み、前記損失フィルタは、温度とともに相異なる正と負の中心波長シフトを有する複数の長周期グレーティングを含み、そして、前記損失フィルタは波長に対する温度依存性の損失特性を有し、これにより前記増幅領域の温度依存性の利得特性を受動的に補償することを特徴とする希土類ドープ導波路光増幅器。
【請求項２】
前記損失フィルタは、−４０℃〜８５℃の温度範囲と、少なくとも２０ｎｍのスペクトル範囲にわたって、１ｄＢ以内の変動に前記増幅領域を補償することを特徴とする請求項１に記載の希土類ドープ導波路光増幅器。
【請求項３】
前記損失フィルタは、温度とともに相異なる中心波長シフトを有する複数のフィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の希土類ドープ導波路光増幅器。
【請求項４】
前記増幅領域はエルビウムドープ導波路であることを特徴とする請求項１に記載の希土類ドープ導波路光増幅器。
【請求項５】
前記光導波路は光ファイバを含むことを特徴とする請求項１に記載の希土類ドープ導波路光増幅器。
【請求項６】
前記増幅器の利得スペクトルの傾斜を調整する可変光減衰器をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の希土類ドープ導波路光増幅器。
【請求項７】
前記増幅器の利得スペクトルのレベルを調整する光減衰器をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の希土類ドープ導波路光増幅器。
【請求項８】
光送信器と、光受信器と、前記光送信器を前記光受信器に接続する光導波路と、前記光導波路に沿って配置された請求項１に記載の光増幅器とを有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、希土類をドープした（希土類ドープ）光導波路増幅器に関し、特に、温度補償増幅器およびそれを用いた光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：erbium doped fiber amplifier）のような希土類をドープした導波路増幅器は、光通信システムにおいて重要なコンポーネントである。このような増幅器は、導波路で伝送される光信号を増幅するコンパクトな手段を提供する。
【０００３】
代表的な希土類ドープ導波路増幅器は、一般に中心のコアとそれを包囲するクラッドとを有する光導波路からなる。コアは、１種類以上の希土類元素の原子でドープされ、ドープされたコアは、希土類ドーパントを励起するようにポンピング光で照射される。信号光がコアを通るとき、その信号は誘導放出により増幅される。
【０００４】
従来の希土類ドープ増幅器に関する１つの問題点は、提供される利得が信号波長の関数であり、このスペクトル依存性がさらに温度の関数であることである。１つまたはいくつかの密な間隔の信号チャネルのみを含む初期の応用例では、これらの依存性はあまり問題ではなかった。
【０００５】
システムのチャネル数が多くなると、スペクトル依存性が問題となり、それを補償するためにフィルタが設計された。長周期グレーティングを用いる１つのアプローチが、米国特許第５，４３０，８１７号（発明者：A. M. Vengsarkar、発行日：１９９５年７月４日）に記載されている。導波路カプラフィルタを用いたもう１つのアプローチは、米国特許第５，５７８，１０６号（発明者：C. H. Henry et al.、発行日：１９９７年１月２１日）に記載されている。このようなフィルタは、狭い波長範囲にわたって一定温度の増幅器を補償するには十分であった。
【０００６】
考えられるシステムがさらに広い帯域幅にわたる多くのチャネルに発展するにつれて、希土類ドープ増幅器の温度依存性がますます重要になっている。さらに、このような増幅器のスペクトル依存性を補償するために用いられるフィルタ構成もまた温度依存性があるため、高度なシステムでは複雑な問題が生じている。広く用いられているエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）によって提示されている問題点は教育的である。
【０００７】
従来、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、平坦な利得スペクトルを生成するためにフィルタが設けられることはめったになかった。スペクトルが本来、少数のチャネルのみのアプリケーションで用いるには十分に平坦であったためである。しかし、最近、５０〜１００ＧＨｚ間隔で１００個に達する信号波長を含むシステムが発表されている。このようなシステムは、２０、４０あるいは８０ｎｍまでにわたるほぼ平坦な利得スペクトルを有するＥＤＦＡを必要とする。一般に、チャネル間の累積利得偏位を最小にするために、１ｄＢ以内の利得平坦性が所望される。一定温度でのこのような平坦性（フラットネス）は、困難な労力を伴いながら、相補損失フィルタによって達成される（A. M. Vengsarkar et al., Opt. Lett. 21, 336 (1995)）。
【０００８】
多くの通信システムでは、ＥＤＦＡが、外部環境、ＥＤＦＡパッケージ内で発生する熱およびパッケージの近くで発生する熱に依存する広い温度範囲にわたって動作することが要求される。シリケートホスト内のエルビウムの利得の温度依存性は低いが、ＥＤＦＡ利得スペクトルは、代表的な動作温度範囲にわたって十分に変化するため、１ｄＢ以内の平坦性を維持するのは非常に困難である。
【０００９】
図１のグラフにこの問題点を示す。曲線１は、ＥＤＦＡの１５２８〜１５６３ｎｍの利得を仮想的な理想損失フィルタによって２５ｄＢに平坦化した理想平坦利得スペクトルである。この仮想的理想フィルタは、２０℃（室温）で平坦性を達成し、温度に関して一定であると仮定される。しかし、この理想フィルタがあっても、温度変化により利得スペクトルに非一様性が生じる。曲線２、３および４は、それぞれ、０℃、−２０℃および−４０℃の温度によって引き起こされる計算された変動を示す。曲線５、６および７は、４０℃、６０℃および８０℃における変動を示す。（これらの変動は、Lucent Specialty Fiber Devicesから入手可能なOASIX EDFA Simulation Toolを用いて計算された。）グラフからわかるように、理想フィルタであっても、これらの波長および温度の範囲にわたって１ｄＢの１倍以内に増幅器の利得曲線を平坦化することはできない。さらに、理想フィルタではなく現実のフィルタでは、一定温度でさえ、１ｄＢへの平坦化は困難である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＥＤＦＡ利得の温度依存性に対する可能な解決法の１つは、温度制御された環境でＥＤＦＡを動作させることである。しかし、温度範囲の中心付近（例えば３０℃）に温度を維持することは、加熱および冷却の両方の素子の使用、または、エネルギー効率の悪い熱電冷却材（ＴＥＣ：thermoelectric cooler）の使用のいずれかを必要とするため、コストがかかりエネルギーを消費する。最も簡単な解決法は、デバイス全体を一定の高温（例えば６０℃）で動作させることである。ヒータは安価で信頼性が高いからである。しかし、高温はさらに複雑な問題を生じる。ポンプダイオードや一部の受動コンポーネントのような多くのデバイスは、長期間高温で動作するようには設計されていない。さらに、多くのエージング（経年変化）プロセスは高温で加速される。特に、ほとんどのＥＤＦＡ増幅器における損失は、水素が拡散してホスト材料と反応するとともに増大する。このプロセスは、高温で急激に加速される。要するに、温度制御ＥＤＦＡパッケージングは、実現するには高価となり、動作させるには消費エネルギーが高く、ＥＤＦＡ内のコンポーネントの性能にとって好ましくない。
【００１１】
従って、改善された温度補償光導波路増幅器が必要とされている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、温度依存性希土類ドープ導波路光増幅器は、温度依存性損失フィルタによって補償される。このフィルタの特性は、増幅器の利得特性が実際の動作温度範囲にわたって補償されるような温度依存性フィルタとなるように設計される。本質的に、増幅器は、光信号を伝送する光導波路と、伝送される光信号を増幅するための、導波路内の希土類ドープ増幅領域と、増幅領域を光ポンピングするポンピング源と、温度依存性損失フィルタとを有する。代表的な設計では、−４０℃〜８５℃の温度範囲および少なくとも２０ｎｍのスペクトル範囲にわたって１ｄＢ以内の変動にＥＤＦＡを補償する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この説明は２つの部分に分かれる。Ｉでは、例示的な温度補償導波路増幅器およびその応用例について説明する。ＩＩでは、このような温度補償増幅器のためのフィルタ構造の設計について説明する。
【００１４】
Ｉ．例示的な温度補償導波路増幅器
図２は、温度補償された希土類ドープ光増幅器１０を用いた光伝送システム９の概略図である。システム９は、与えられた帯域幅Ｗ内の光信号を送信する光送信器１５と、光導波路１１（ここでは光ファイバ）と、光受信器１６とを有する。導波路１１は、送信された光信号を増幅するための少なくとも１つの希土類ドープ増幅領域を有する増幅器１０を含む。この実施例では、増幅器１０は、２つの増幅領域１２Ａおよび１２Ｂを有する。これらは、エルビウムドープファイバ増幅器段とするのが有効である。各増幅領域は、波長の範囲Ｗにわたるスペクトル依存性と、動作温度の範囲Ｒにわたる温度依存性とを有する、波長に対する利得特性を有する。
【００１５】
増幅領域を光ポンピングするための少なくとも１つのポンピング源が設けられる。ここでは、それぞれの増幅領域ごと１つずつ、２つのポンピング源１３Ａおよび１３Ｂがある。
【００１６】
伝送される信号の経路において、導波路１１には、帯域幅Ｗおよび温度範囲Ｒにわたって増幅領域の利得スペクトルを受動的に補償するための温度依存性損失フィルタ１４が光学的に結合している。この実施例では、フィルタ１４は、増幅領域１２Ａの出力側に配置される。この位置は、最大の光出力パワーおよび最小のノイズ指数を提供する。フィルタ１４は、−４０℃〜８５℃の温度範囲Ｒ、および、少なくとも２０ｎｍ、好ましくは４０ｎｍ以上のスペクトル範囲Ｗにわたって、１ｄＢ以内の変動に増幅領域を補償する。
【００１７】
注意すべき点であるが、パワーおよび低いノイズファクタの必要性に応じて、ＥＤＦＡは、任意個数の段および１つまたは複数のフィルタを有することが可能である。フィルタは、第１のＥＤＦＡ段の前、ＥＤＦＡ段どうしの間、および最後のＥＤＦＡ段の後のいずれに置くことも可能である。
【００１８】
損失フィルタ１４は、好ましくは、それぞれが波長に対する相異なる温度依存性損失特性を有する複数の長周期グレーティングを有する。複数のフィルタは全体として、実際の動作温度範囲にわたって増幅領域を補償する温度依存性損失特性を有する。
【００１９】
市販のＡＴ＆Ｔ分散シフトファイバ（ＤＳＦ：dispersion shifted fiber）で製造された４つの適当なグレーティングの材料、寸法およびグレーティング間隔を次の表１に示す。
【００２０】
【表１】
0003771403.tif 000002
【００２１】
ＩＩ．フィルタ設計の考慮点
増幅器設計への本発明のアプローチは、温度依存性を補償する増幅器損失フィルタを設計するというものである。好ましいアプローチは、増幅器の利得における温度依存性シフトを補償するために、温度とともにスペクトルがシフトする中心波長を有する複数の連結されたフィルタを形成することである。このような中心波長シフトの速度および方向は、シフト係数によって指定される。
【００２２】
相異なる大きさの所定の負または正のシフト係数を有する長周期グレーティングは、G. W. Yoffe et al., Applied Optics, Vol.34, p.6859-6861、に記載された技術によって形成することが可能である。この技術は、この論文ではゼロシフトのグレーティングを設計するために用いられているが、同じ技術を用いて所望の大きさの正シフトおよび負シフトを設計することが可能である。
【００２３】
また、受動的にファイバ歪みを温度とともに変化させる正または負のＣＴＥ材料でパッケージングすることによって、ブラッググレーティングおよび長周期グレーティングに負または正のシフト係数を与えることも可能である（G. W. Yoffe et al., OSA Tech. Dig. Series, Vol.2, OFC'96, San Jose, CA, p.135 (1996)、を参照）。この技術は、この論文ではブラッググレーティングを設計するために用いられているが、同じ技術を用いて長周期グレーティングを設計することが可能である。このようにしてパッケージングされたグレーティングの中心波長の温度依存性（ｄλ／ｄＴ）は次のようになることを示すことができる。
ｄλ／ｄＴ＝ｄλp／ｄＴ＋（ｄλ／ｄε）（ｄε／ｄＴ）
ただし、ｄλp／ｄＴは、パッケージングされていないグレーティングの中心波長のシフトの温度依存性であり、ｄλ／ｄεは、グレーティングの中心波長のシフトの歪み依存性であり、ｄε／ｄＴは、パッケージによって引き起こされるグレーティングの歪み変化である。ｄε／ｄＴを制御するためのパッケージ設計により、パッケージングされたグレーティングの温度依存性は、ファイバおよびパッケージの機械的強度の制限内で実質的に任意の中心波長依存性を有するように制御することが可能である。
【００２４】
それぞれ相異なるシフト係数を有する複数の連結されたフィルタを設けることによって、温度とともに変化する損失特性を有する合成フィルタを実現することが可能である。フィルタの設計および選択により、動作温度が変化する場合でも、希土類ドープ増幅器の所望の平坦性を維持する合成損失フィルタを製造することが可能である。
【００２５】
具体的な設計例について説明する前に、以下の一般的な考慮点について注意しておく。
【００２６】
（ａ）理想フィルタ付きの希土類ドープ増幅器によれば、Ｗ内の要求されるすべての波長にわたり、かつ、同じ全利得に対してＲ内のすべての温度にわたり、完全な平坦性が実現される。しかし、可変利得の平坦性があればよいことも多い。
【００２７】
（ｂ）実際の利得および平坦性がいずれもすべての動作条件にわたって増幅器で維持されなければならない場合、可変光減衰器（ＶＯＡ：variable optical attenuator）を増幅器内に追加することができる。その場合、増幅器自体が平坦性を達成するために利得を高くする必要があるとき、平坦性を達成しながら全利得を維持するように可変減衰の程度を増大させることができる。
【００２８】
（ｃ）フィルタは、温度とともに中心波長をシフトさせるのみならず、帯域幅や大きさ(magnitude)をシフトさせるように形成することが可能である。例えば、長周期グレーティングを直線的にではなく曲がった配置でパッケージングすることにより、温度が曲げを変化させるにつれて複雑な帯域形状変化が生じる。
【００２９】
好ましい設計手順の最初のステップは、開始点フィルタを設計あるいは選択することである。本発明の発明者は、開始点として、４個の連結された長周期グレーティングコンポーネントからなる合成長周期グレーティングを選択する。ＥＤＦＡファイバは、Lucent Specialty Fiber Devicesから市販されているＭＰ９８０であり、その開口数は０．２２、カットオフ波長は８８０ｎｍ、１５３０ｎｍ付近でのピークエルビウム損失は６．１ｄＢ／ｍ（推定エルビウム濃度８．８×１０24ｍ-3に対応する）、および、Ａｌ同時ドーピング(codoping)が約１２Ｍ％であった。この合成フィルタは、２０℃でＥＤＦＡの利得スペクトルを平坦化するように設計された。このフィルタの構造は前の表１にまとめられている。
【００３０】
２０℃でこの合成フィルタによって達成される結果は、２４．５６ｄＢの利得で平坦性が０．４８６ｄＢである。４個のコンポーネントのそれぞれの性能パラメータを表２の第１列に示す。
【００３１】
表２
結果：括弧内は、適宜、必要な中心シフト（単位：ｐｍ／℃）、または、大きさもしくは幅のシフト（単位：％／℃）を示す。
【表２】
0003771403.tif 000003
【００３２】
次のステップは、ＥＤＦＡスペクトルの既知の温度依存性を使用して、ＥＤＦＡ温度が変化（例えば６０℃に）するときに生じる誤差を確かめることである。この開始点フィルタは、この範囲にわたり温度感受性のないフィルタ設計としてモデル化することができる。第１行は、ＶＯＡ損失無しで、ＥＤＦＡおよびフィルタのみに帰される、波長にわたる平均利得を示す。ここで、ＶＯＡを含む場合のＥＤＦＡでは、同じ全利得は、２０℃でさらに０．９６ｄＢのＶＯＡ損失を与え（第１列）、温度が６０℃に上昇したらそれを除去する（第３列）ことによって達成される（２４．５６ｄＢの利得を２３．６０ｄＢの利得と比較せよ）。
【００３３】
表２の第２列は、予測される結果（ＯＡＳＩＸシミュレーション）を示す。第２列は、温度増大とともに、熱的に安定な長周期グレーティングが平坦性を失うことを示す。
【００３４】
第３のステップは、得られた利得スペクトルを、変化させた温度（６０℃）で傾斜させるために可変減衰器の使用を考えることである。その結果、表２の第３列に示すように、平坦性は、傾斜無しの１．３３７ｄＢから傾斜有りの０．８３０ｄＢに縮小した。
【００３５】
次のステップは、個々のフィルタ成分の変動を考えることである。変化させ最適化すべき好ましいパラメータは、個々の中心波長である。その結果を表２の第４列に示す。図３に、成分および合成フィルタの特性およびシフト方向を示し、図４に、フィルタ有りおよびフィルタ無しの増幅器の利得スペクトルを示す。
【００３６】
ここで、一定の利得および出力パワーを提供するために減衰器を追加することを考えることができる。第５列の結果は、ＥＤＦＡに可変減衰器を含めると、それぞれ中心を移動させた長周期グレーティングはほとんどの平坦性を回復することが可能であることを示している。第５列において第１列と同じＶＯＡ有りＥＤＦＡの利得を達成するには、１．１９ｄＢのＶＯＡ損失をＥＤＦＡから除去しなければならない（２４．５６ｄＢの利得を２３．３７ｄＢの利得と比較せよ）。図５に、成分および合成フィルタの特性およびシフト方向を示し、図６に、フィルタ有りおよびフィルタ無しの増幅器の利得スペクトルを示す。
【００３７】
温度依存性損失フィルタおよびその成分の、波長に対する損失特性を図３にさまざまな温度において示す。次の表３に、表１のフィルタを用いて利得平坦性の改善を達成する適当なパッケージングを、シミュレーションから最適であると判定される中心波長感受性を得るための適当なパッケージング（με／℃）で特徴づける。パッケージ中心波長シフトは、表１のＬＰＧグレーティングで用いられるクラッドモードに対して、実験的に測定されたＡＴ＆Ｔ ＤＳＦの温度感受性（ｄλp／ｄＴ）（５４．３ｐｍ／℃）、および歪み感受性（ｄλ／ｄε）（−６１５ｐｍ／με）を用いて計算される。
【００３８】
【表３】
0003771403.tif 000004
【００３９】
図４に、可変減衰器のない、フィルタ無しおよびフィルタ有りのＥＤＦＡスペクトルを示す。追加減衰が約１．２ｄＢの０℃のプロットは、追加減衰が０ｄＢの６０℃のプロットと同じ平均利得を生じる。
【００４０】
以上、本発明の実施例について説明したが、当業者には容易に理解されるように、上記の説明に基づいて、本発明のさまざまな変形例を考えることが可能である。例えば、実施例は長周期グレーティングフィルタを用いているが、温度範囲Ｒ内で特性の形状が変化する、帯域幅内の任意の光フィルタを、フィルタ１４の構成要素として使用可能である。これには、薄膜透過フィルタ、バイコニックテーパフィルタ、および導波路カプラフィルタが含まれる。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、−４０℃〜８５℃の温度範囲および少なくとも２０ｎｍのスペクトル範囲にわたって１ｄＢ以内の変動にＥＤＦＡを補償することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】理想的な室温損失フィルタによって補償された代表的なＥＤＦＡのシミュレートされた温度依存性を示すグラフの図である。
【図２】温度依存性損失フィルタによって補償された希土類ドープ増幅器を有する光通信システムの概略図である。
【図３】温度依存性補償損失フィルタおよびその成分の、波長に対する損失特性を示すグラフの図である。
【図４】温度依存性補償損失フィルタおよびその成分の、波長に対する損失特性を示すグラフの図である。
【図５】フィルタ有りの増幅器の利得スペクトルを、対応するフィルタ無しの増幅器と比較して示すグラフの図である。
【図６】フィルタ有りの増幅器の利得スペクトルを、対応するフィルタ無しの増幅器と比較して示すグラフの図である。
【符号の説明】
９  光伝送システム
１０  希土類ドープ光増幅器
１１  光導波路
１２  増幅領域
１３  ポンピング源
１４  温度依存性損失フィルタ
１５  光送信器
１６  光受信器
【図１】
0003771403.tif 000005
【図２】
0003771403.tif 000006
【図３】
0003771403.tif 000007
【図４】
0003771403.tif 000008
【図５】
0003771403.tif 000009
【図６】
0003771403.tif 000010