JP2000261078A - 光増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入力信号光パワーに対して安定な利得特性を
有する光増幅器を提供する。 【解決手段】 信号増幅用の希土類添加光ファイバ１ａ
を通過した残留励起光により他の希土類添加光ファイバ
１ｂを励起し、発生する自然放出光を信号増幅用の希土
類添加光ファイバ１ａの後方より入力することにより利
得を安定化することにある。これにより、従来のレーザ
発振による利得安定化の場合にみられるホールバーニン
グの影響による利得変動を解消し、広い入力信号光パワ
ー範囲において利得が一定に保たれる。

Description

【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】利得媒体として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
帯）に一致し、しかも効率が良く、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、波長多重化された光信号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できる。

【０００５】しかしながら、このような波長多重伝送シ
ステムにおいて、多重化されるチャンネル数がダイナミ
ックに変動する場合、入力信号強度の総和が変動するの
で、ＥＤＦＡの飽和特性に従い１波当たりの利得も変動
を受けることになる。

【０００６】この利得の変動を回避するため、ＥＤＦＡ
に入力される信号強度と増幅された出力信号強度をモニ
タし、入力信号強度と出力信号強度との比が一定になる
ように励起光強度を制御する方法が提案されている。

【０００７】しかし、この制御方法では構成が複雑にな
る他に、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る。また、入力信号光パワーの時間
変動に対する過渡的な応答特性に問題がある。

【０００８】このような問題を解決する他の方法とし
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。

【０００９】図３は光増幅器の従来例を示すブロック図
である。

【００１０】通常のＥＤＦＡと同様に、その基本部分は
希土類添加光ファイバ１と、励起光源２と、信号光と励
起光とを合波する光合波器３と、入出力の光アイソレー
タ４ａ、４ｂとで構成されている。

【００１１】このＥＤＦＡに発振を生じさせるため、Ｅ
ＤＦＡの入出力に光カプラ５ａ、５ｂを接続し、ＥＤＦ
Ａ出力から入力への光帰還光路を形成する。帰還光路に
は光バンドパスフィルタ７と光減衰器８とが設けられて
いる。

【００１２】このような構成の光増幅器において、増幅
された光の一部が入力に帰還されることにより、光バン
ドパスフィルタ７の通過帯によって定まる光波長におい
てレーザ発振が生じる。レーザ発振が生じている状態に
おいては、帰還ループの利得が「１」に固定されるの
で、希土類添加光ファイバ部における利得も一定に保た
れ、その利得は帰還経路に設けられた光減衰器８により
調整することができる。

【００１３】このような内部発振を用いた方法によれ
ば、入力信号光パワーの変化によらず、常に一定の利得
を保つことができ、入力信号光パワーの時間変化に対す
る過渡的な応答特性も安定している。しかもこの光増幅
器は複雑な電気的制御が不要である。

【００１４】図４は光帰還の有無による利得の入力信号
光パワー依存性の特性の違いを示す図である。同図にお
いて横軸は入力信号光パワーを示し、縦軸は利得を示
す。

【００１５】同図より、光帰還の無い場合には、利得は
入力信号光パワーに依存して大きく変動するが、光帰還
制御（発振）を行うことにより、一定の利得に安定化さ
れる入力信号パワー範囲が拡大される。また、制御の無
い場合には入力信号光パワーに応じて利得の波長依存性
も変化するが、帰還ループによる制御を行うことによ
り、利得が安定化されている範囲においては利得の波長
依存性も安定化される。

【００１６】図５は光増幅器の他の従来例を示すブロッ
ク図である。

【００１７】図３に示した光増幅器はＥＤＦＡの入出力
部に光カプラを接続して光帰還光路を形成したが、この
場合光カプラによる過剰損失の増加が問題である。ま
た、パワーの大きな発振光の大部分がそのまま出力され
てしまうのも好ましくない。

【００１８】そこで、図５に示すような構成が提案され
たのである。

【００１９】図５に示す光増幅器の基本的な動作原理は
図３に示す光増幅器に似ているが、入出力に光サーキュ
レータ６ａ、６ｂを配置し、信号光の伝搬方向と逆方向
の帰還光路を形成する。すなわち、信号光は光サーキュ
レータ６ａの端子Ａから端子Ｂに至り、希土類添加光フ
ァイバ１により増幅された後、光サーキュレータ６ｂの
端子Ｂから端子Ｃに出力される。

【００２０】一方、希土類添加光ファイバ１で増幅され
た自然放出光は光サーキュレータ６ａの端子Ｂから端子
Ｃに至り、光減衰器８及び光バンドパスフィルタ７を経
て光サーキュレータ６ｂの端子Ａから端子Ｂに出力し、
再び希土類添加光ファイバ１に至帰還光路を形成し、レ
ーザ発振する。

【００２１】このように発振光光路は信号光と逆方向に
伝搬し、外部に発振光が出力されることがない。また、
入出力の光サーキュレータは従来の光ファイバ増幅器に
おける光アイソレータと同等の機能を有するので、図３
に示した光増幅器のように光帰還光路を形成するために
信号光光路に過剰の損失を招くことがない。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、光帰還を用
いた光増幅器によれば、広い入力信号光パワー範囲に対
して利得を一定に保つことができるが、その特性を詳細
にみると厳密には一定の利得には保たれておらず、図４
に示すように入力信号光パワーの比較的大きな領域にお
いて、入力信号光パワーの増加と共に利得が漸減する傾
向がある。

【００２３】この入力信号光パワーに依存する利得変動
は、スペクトラル・ホールバーニングに起因するものと
考えられている。すなわち、内部で強いレーザ発振が生
じている場合、発振光周波数の近傍においてホールバー
ニングが生じるために前後の波長帯に比べ利得が若干減
少する。利得減少の度合いは発振光の強度に依存する
が、入力信号光パワーが小さい領域では励起光パワーの
大部分が発振光パワーに変換されるのに対し、入力信号
光パワーが大きい領域では、励起光パワーのうち信号光
パワーに変換される割合が高まるので、発振光パワーは
低下する。従ってホールバーニングは弱くなる。

【００２４】以上において、入力信号光パワーの小さい
領域では発振光パワーが強いため、大きなバーニングを
生じ、このホールバーニングにより発振光近傍を除く増
幅帯域の利得は相対的に上昇し、一方入力信号光パワー
の大きな領域では発振光パワーが弱いためホールバーニ
ングは小さくなる。従って上述したような利得の上昇は
生じない。この結果、入力信号光パワーに依存して利得
が変動することとなる。

【００２５】このような利得の変化は最大１ｄＢ近くに
も達することが報告されており、光増幅器を多段に接続
した場合等にその影響が顕著になることが懸念される。

【００２６】従って、入力信号光パワーに依存する利得
変動をさらに低減した光増幅器が臨まれる。

【００２７】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、入力信号光パワーに対して安定な利得特性を有する
光増幅器を提供することにある。

【００２８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の光増幅器は、増幅すべき信号光が入力される
第１の利得媒体と、第１の利得媒体に励起光を入力する
励起光源と、第１の利得媒体に接続され増幅された信号
光と励起光とを分離する光分波器と、光分波器に接続さ
れ光分波器により分波された励起光の残留成分が入力さ
れる第２の利得媒体と、第２の利得媒体から出力される
自然放出光の少なくとも一部を第１の利得媒体に帰還す
る帰還手段とを備えたものである。

【００２９】上記構成に加え本発明の光増幅器の帰還手
段は、第２の利得媒体から出力される自然放出光の少な
くとも一部を減衰させる光減衰器と、端子Ａから端子
Ｂ、端子Ｂから端子Ｃへの順方向特性を有すると共に、
端子Ａに光減衰器からの自然放出光が入力され、自然放
出光を端子Ｂから光分波器を介して第１の利得媒体に帰
還する光サーキュレータとで構成されていてもよい。

【００３０】上記構成に加え本発明の光増幅器の帰還手
段は、光分波器で分波された励起光の残留成分をさらに
分波する他の光分波器と、一端が他の光分波器に接続さ
れ分波された励起光の残留成分が入力されて自然放出光
を出力する第２の利得媒体と、第２の利得媒体の他端に
接続された終端器と、他の光分波器に接続され第２の利
得媒体から残留励起光入射側に戻ってくる自然放出光を
減衰させる光減衰器と、端子Ａから端子Ｂ、端子Ｂから
端子Ｃへの順方向特性を有すると共に、端子Ａに光減衰
器からの自然放出光が入力され、自然放出光を端子Ｂか
ら光分波器を介して第１の利得媒体に帰還する光サーキ
ュレータとで構成されていてもよい。

【００３１】本発明によれば、信号増幅用の利得媒体を
通過した残留励起光により他の利得媒体を励起し、発生
する自然放出光を信号増幅用の利得媒体の後方より入力
することにより利得を安定化することにある。これによ
り、従来のレーザ発振による利得安定化の場合にみられ
るホールバーニングの影響による利得変動を解消し、広
い入力信号光パワー範囲において利得が一定に保たれ
る。

【００３２】

【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。

【００３３】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。

【００３４】同図に示す光増幅器は、入力端から信号光
（信号光入力Ｐｉ）が入力される光アイソレータ４と、
一方の入力端が光アイソレータ４の出力端に接続され、
他方の入力端に励起光源２の出力端が接続された光合分
波器３ａと、一端が光合分波器３ａの出力端に接続され
た信号増幅用の利得媒体としての希土類添加光ファイバ
１ａと、一方の入力端が希土類添加光ファイバ１ａの出
力端に接続された光合分波器３ｂと、端子Ａから端子
Ｂ、端子Ｂから端子Ｃへの順方向特性を有すると共に端
子Ｂに光合分波器３ｂの出力端が接続された三端子の光
サーキュレータ６と、一端が光サーキュレータ６の端子
Ａに接続された光減衰器８と、一端が光減衰器８の他端
に接続されると共に他端が光合分波器３ｂの他方の入力
端に接続された他の利得媒体としての希土類添加光ファ
イバ１ｂとで構成されている。

【００３５】信号光入力Ｐｉは光アイソレータ４を経て
光合分波器３ａにより励起光源２からの励起光と合波さ
れ、希土類添加光ファイバ１ａを通過することにより増
幅される。増幅後の信号光は光合分波器３ｂを通過し、
光サーキュレータ６の端子Ｂから端子Ｃに至り出力され
る（信号光出力Ｐｏ）。

【００３６】一方、希土類添加光ファイバ１ａを通過し
た残留励起光は光合分波器３ｂを経て第２の希土類添加
光ファイバ１ｂに入力し、この希土類添加光ファイバ１
ｂを励起する。その結果生じる自然放出光は増幅された
後に光減衰器８を経て光サーキュレータ６の端子Ａから
端子Ｂに至り、光合分波器３ｂを経て希土類添加光ファ
イバ１ａに入力する。

【００３７】希土類添加光ファイバ１ａに入力される自
然放出光により、希土類添加光ファイバ１ａの利得は飽
和し、低下する。飽和利得レベルは希土類添加光ファイ
バ１ａに入力される自然放出光量に依存し、自然放出光
量は希土類添加光ファイバ１ｂに入力される励起光量に
依存する。入力信号光パワーが小さい場合には希土類添
加光ファイバ１ｂに入力する残留光パワーが大きい。従
って希土類添加光ファイバ１ａに帰還する自然放出光パ
ワーも大きいので強い利得飽和が生じ、利得は小さく抑
えられる。一方、入力信号光パワーが大きい場合には信
号光に変換される励起光成分が増加するので、残留励起
光パワーは減少し、希土類添加光ファイバ１ａに帰還す
る自然放出光パワーが低下し利得飽和が弱まる。

【００３８】このような負帰還動作により、入力信号光
パワーによらず利得を一定に保つことが可能になる。な
お、光減衰器８は希土類添加光ファイバ１ａに帰還され
る自然放出光量を調節し、この自然放出光量の調節によ
り利得の調整が可能となる。

【００３９】信号増幅媒体は広帯域で低干渉の自然放出
光により飽和しているので、そのパワーが大きくともホ
ールバーニングはほとんど生じない。この結果、従来の
レーザ発振を用いた利得安定化の場合のようなホールバ
ーニングに起因する利得の変動を抑え、広い入力信号光
パワー範囲において利得を安定に保つことができる。さ
らに、レーザ発振による利得安定化の場合には、緩和振
動による過渡的な入力パワー変動に対する利得の変動が
生じていたが、本発明では利得の変動のような現象が生
じないので安定な過渡応答特性が実現できる。

【００４０】ここで、図１に示した光増幅器では、信号
光と励起光とを分離する光合分波器３ｂの分波特性が不
十分でクロストークがある場合、信号光も希土類添加光
ファイバ１ｂにより増幅されて再び希土類添加光ファイ
バ１ａに入力されることになる。このような光信号の帰
還は利得安定化動作に影響を与えるだけでなく、信号光
同士のマルチパスによる干渉により過剰な雑音を生じ、
信号品質を劣化させる原因にもなる。

【００４１】そこで、このような信号光の帰還を抑える
ために図２に示すような構成が考えられる。

【００４２】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。

【００４３】図１に示した実施の形態との相違点は、光
合分波器３ｂにより分離した残留励起光をさらに同等の
光合分波器３ｃを経て希土類添加光ファイバ１ｂに入力
し、希土類添加光ファイバ１ｂから残留励起光入射側に
戻ってくる自然放出光が光合分波器３ｃ及び光減衰器８
を経て光サーキュレータ６の端子Ａから端子Ｂにいた
り、希土類添加光ファイバ１ａに帰還する構成とした点
にある。

【００４４】すなわち、同図に示す光増幅器の帰還手段
は、光合分波器３ｂで分波された励起光の残留成分をさ
らに分波する光合分波器３ｃと、一端が光合分波器３ｃ
に接続され分波された励起光の残留成分が入力されて自
然放出光を出力する希土類添加光ファイバ１ｂと、希土
類添加光ファイバ１ｂの他端に接続された終端器９と、
光合分波器３ｃに接続され希土類添加光ファイバ１ｂか
ら残留励起光入射側に戻ってくる自然放出光を減衰させ
る光減衰器８と、端子Ａから端子Ｂ、端子Ｂから端子Ｃ
への順方向特性を有すると共に、端子Ａに光減衰器８か
らの自然放出光が入力され、自然放出光を端子Ｂから光
合分波器３ｂを介して希土類添加光ファイバ１ａに帰還
する光サーキュレータ６とで構成されている。

【００４５】ここで、希土類添加光ファイバ１ｂの他端
に終端器９を設けて端面からの反射を防止する。このよ
うな構成によれば、光合分波器３ｂ、３ｃのクロストー
クが大きな場合でも２段の光合分波器を通過することに
より希土類添加光ファイバ１ｂに入力する信号光のクロ
ストーク成分は小さく抑えられる。また、残留するクロ
ストーク成分についても終端器９により反射が抑えられ
るので、再び希土類添加光ファイバ１ａにまで帰還する
成分は最小に抑えられる。従って、上述した問題を解決
できる。

【００４６】以上において、本発明によれば、 (1) 信号増幅媒体を通過した残留励起光を他の増幅媒体
に入力し、得られた自然放出光を信号増幅媒体に帰還す
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
増幅器が実現できる。

【００４７】(2) 光増幅器は広帯域で低干渉の自然放出
光により利得が飽和しているので、スペクトラル・ホー
ルバーニング等に起因する利得の入力信号光パワー依存
性が無く、安定した利得が得られる。

【００４８】(3) レーザ発振による利得の安定化と異な
り、緩和振動による利得の変動がないので、入力信号光
パワーが変化しても、安定な過渡応答特性が得られる。

【００４９】(4) 上記(1) 〜(3) を簡単な構成で実現で
きる。

【００５０】

【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。

【００５１】入力信号光パワーに対して安定な利得特性
を有する光増幅器の提供を実現できる。

【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】光増幅器の従来例を示すブロック図である。

【図４】光帰還の有無による利得の入力信号光パワー依
存性の特性の違いを示す図である。

【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】

１ａ、１ｂ 希土類添加光ファイバ ２ 励起光源 ３ａ、３ｂ 光合分波器 ４ 光アイソレータ ６ 光サーキュレータ ８ 光減衰器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 増幅すべき信号光が入力される第１の利
   得媒体と、第１の利得媒体に励起光を入力する励起光源
   と、第１の利得媒体に接続され増幅された信号光と励起
   光とを分離する光分波器と、該光分波器に接続され上記
   光分波器により分波された励起光の残留成分が入力され
   る第２の利得媒体と、第２の利得媒体から出力される自
   然放出光の少なくとも一部を第１の利得媒体に帰還する
   帰還手段とを備えたことを特徴とする光増幅器。
2. 【請求項２】 上記帰還手段は、第２の利得媒体から出
   力される自然放出光の少なくとも一部を減衰させる光減
   衰器と、端子Ａから端子Ｂ、端子Ｂから端子Ｃへの順方
   向特性を有すると共に、端子Ａに上記光減衰器からの自
   然放出光が入力され、該自然放出光を端子Ｂから上記光
   分波器を介して第１の利得媒体に帰還する光サーキュレ
   ータとで構成されている請求項１に記載の光増幅器。
3. 【請求項３】 上記帰還手段は、上記光分波器で分波さ
   れた励起光の残留成分をさらに分波する他の光分波器
   と、一端が該他の光分波器に接続され分波された励起光
   の残留成分が入力されて自然放出光を出力する第２の利
   得媒体と、第２の利得媒体の他端に接続された終端器
   と、上記他の光分波器に接続され第２の利得媒体から残
   留励起光入射側に戻ってくる自然放出光を減衰させる光
   減衰器と、端子Ａから端子Ｂ、端子Ｂから端子Ｃへの順
   方向特性を有すると共に、端子Ａに上記光減衰器からの
   自然放出光が入力され、該自然放出光を端子Ｂから上記
   光分波器を介して第１の利得媒体に帰還する光サーキュ
   レータとで構成されている請求項１に記載の光増幅器。