JP2002151772A - 光増幅用ファイバ、光ファイバ増幅器および光通信システム - Google Patents
光増幅用ファイバ、光ファイバ増幅器および光通信システムInfo
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Abstract
イバおよび光ファイバ増幅器等を提供する。 【解決手段】 光ファイバ増幅器10は、入力端11か
ら出力端12へ向かって順に、WDMカプラ13、光増
幅用ファイバとしてのEDF14、光アイソレータ15
および利得等化器16が設けられており、WDMカプラ
13には励起光源17が接続されている。EDF14
は、励起光波長(0.98μm)における非飽和吸収値
αPと信号光波長(1.53μm)における非飽和吸収
ピーク値αSとの比(αP/αS)が0.8以上(より好
ましくは0.9以上)である。
Description
波領域に添加され励起光が供給されることにより信号光
を光増幅する光増幅用ファイバ、この光増幅用ファイバ
を含む光ファイバ増幅器、および、この光ファイバ増幅
器を含む光通信システムに関するものである。
信容量の需要は急増している。特に、大陸間を結ぶ大洋
横断光通信システムは、主に大容量が要求される国際通
信の用途に供され、且つ、通信距離が数千kmにも及
ぶ。このような長距離の光通信システムにおいては光フ
ァイバ増幅器が不可欠である。光ファイバ増幅器は、希
土類元素が光導波領域に添加された光増幅用ファイバを
含み、この光増幅用ファイバに励起光を供給すること
で、この光増幅用ファイバにおいて信号光を光増幅する
ことができる。例えば、希土類元素はEr元素であり、
励起光波長は980nmであり、信号光波長は1.55
μm帯である。
光通信システムにおいて光ファイバ増幅器が光増幅性能
を充分に発揮するには技術的に困難な点が多い。従来の
光ファイバ増幅器は光増幅性能(特に雑音指数に関する
性能)を充分に発揮しているとは言えず、したがって、
光通信システムの性能も不充分であった。
れたものであり、優れた光増幅特性を発揮し得る光増幅
用ファイバおよび光ファイバ増幅器、ならびに、この光
ファイバ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。
ァイバは、希土類元素が光導波領域に添加され、励起光
が供給されることにより信号光を光増幅する光増幅用フ
ァイバであって、励起光の波長帯における非飽和吸収値
αPと信号光の波長帯における非飽和吸収ピーク値αSと
の比(αP/αS)が0.8以上(より好適には0.9以
上)であることを特徴とする。また、本発明に係る光増
幅用ファイバは、光軸に近いほど希土類元素添加濃度が
多いのが好適である。
本発明に係る光増幅用ファイバと、この光増幅用ファイ
バに励起光を供給する励起光供給手段とを備えることを
特徴とする。また、本発明に係る光通信システムは、信
号光を伝搬させて光通信を行う光通信システムであっ
て、この信号光を光増幅する上記の本発明に係る光ファ
イバ増幅器を備えることを特徴とする。
ァイバ増幅器は、雑音指数が0,4dB以下となり、優
れた光増幅特性を発揮し得る。また、このような光ファ
イバ増幅器を有する光通信システムは、受信エラー無し
で多波長の信号光を高ビットレートで長距離伝送するこ
とができる。
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。
信システム1として太平洋横断(距離9000km)の
ものを想定して、中継段数が200段であり、中継スパ
ンが45kmであるとする。すなわち、送信器20と受
信器30との間に光ファイバ増幅器10n(n=1〜1
99)が設けられ、送信器20と光ファイバ増幅器10
1との間の光ファイバ伝送路401の長さが45kmであ
り、光ファイバ増幅器10n-1と光ファイバ増幅器10n
との間の光ファイバ伝送路40nの長さが45kmであ
り(n=2〜199)、光ファイバ増幅器10199と受
信器30との間の光ファイバ伝送路40200の長さが4
5kmである。また、信号光波数が64波(波長153
5.82nm〜1561.01nmの帯域で周波数間隔
が50GHz)であり、1波当たりのビットレートが1
0Gbit/sであるとする。
幅器は図2に示した構成のものとする。この図に示した
光ファイバ増幅器10は、入力端11から出力端12へ
向かって順に、WDMカプラ13、光増幅用ファイバと
してのEr元素添加光ファイバ(EDF: Erbium Doped
Fiber)14、光アイソレータ15および利得等化器1
6が設けられており、WDMカプラ13には励起光源
(例えば半導体レーザ光源)17が接続されている。E
DF14の波長1.53μm帯吸収条長積は46dBで
あり、励起光源17から出力される励起光の波長は98
0nmである。励起光源17から出力された励起光は、
WDMカプラ13を経てEDF14へ導入される。入力
端11より入力した波長1.55μm帯の多波長の信号
光は、WDMカプラ13を経てEDF14へ入射し、E
DF14において光増幅され、さらに光アイソレータ1
5を経て、利得等化器16により利得等化されて出力端
12より出力される。
る信号光入出力レベルおよび雑音指数(NF: Noise Fi
gure)への要求は以下のようにして求められる。信号光
をエラー無しに受信するには、波長分解能が0,1nm
であって光SN比が18dB以上であることが必要であ
る。また、光ファイバ増幅器10における雑音指数NF
は、 NF=PASE/(h・ν・Δν・G) …(1) なる式で表される。ここで、PASEは信号光波長におけ
る光増幅された自然放出光のパワーであり、hはプラン
ク定数であり、νは信号光の周波数であり、Δνは周波
数分解能であり、Gは利得である。
おり0dBであったとしても、光ファイバ増幅器10へ
の1チャネル当りの信号光入力レベルPin(dBm/c
h)と雑音指数NF(dB)との間には、 NF≦Pin+17 …(2) なる関係式が成り立つ。なお、中継器間の光ファイバ伝
送路における非線型効果などに因る信号光伝送特性の劣
化を勘案して通常2dB程度のマージンを見込む。この
マージンを見込む場合には、1チャネル当りの信号光入
力レベルPin(dBm/ch)と雑音指数NF(dB)
との間の関係式は、 NF≦Pin+15 …(3) なる式で表される。
NFは量子限界の3dB以下にはならないことが一般に
知られており、 NF≧3 …(4) であるから、1チャネル当りの信号光入力レベルP
in(dBm/ch)は、 Pin≧−12 …(5) となる。
ネル当りの信号光出力レベルPout(dBm/ch)
は、中継器間の光ファイバ伝送路における非線型効果に
因る信号光波形劣化を低減する為に、 Pout≦0 …(6) を満たすことが望ましい。また、中継器間の光ファイバ
伝送路の伝送損失が10dB〜11dBであるので、1
チャネル当りの信号光入力レベルPin(dBm/ch)
は、 Pin≦−11 …(7) であるのが望ましい。以上より、光ファイバ増幅器10
への64波全体の信号光入力レベルは6dBm〜7dB
mとなる。
数NFの許容範囲を示すグラフである。この図中には、
1チャネル当りの信号光入力レベルPinと雑音指数NF
との間の関係式((3)式)の範囲、光ファイバ増幅器1
0の雑音指数NFの量子限界((4)式)に対して入力端
11からEDF14に到るまでの損失として0.2dB
を加えた範囲、および、1チャネル当りの信号光入力レ
ベルPin((7)式)の範囲が示されている。また、この
図中には、光ファイバ増幅器10における1チャネル当
りの信号光入力レベルPinと雑音指数NFとの間の関係
も示されている。
は、EDF14の入力端付近の反転分布を100%にす
る必要がある。また、この為には、励起光源17からE
DF14に供給される励起光の波長を980nm近傍
(970nm〜985nm)のものとし、EDF14に
添加されたErイオンから見た励起光強度を信号光強度
より充分大きくする必要がある。図4は、EDF14の
屈折率プロファイル、EDF14におけるEr添加領
域、ならびに、EDF14の径方向における信号光およ
び励起光それぞれのモード分布を説明する図である。こ
の図に示すように、EDF14に添加されたErイオン
から見た励起光強度と信号光強度との大小関係は、ED
F14における信号光波長でのモードフィールド径、E
DF14における励起光波長でのモードフィールド径、
および、EDF14におけるEr添加領域径により決定
される。なお、Er添加領域の断面形状はEDF14の
光軸中心を中心とする円状とし、Er添加濃度は一様と
する。
フィールド径、励起光波長でのモードフィールド径およ
びEr添加領域径の3つのパラメータには様々な組み合
わせが存在し得る。ここでは、図5に示したタイプA〜
Fの6つのタイプのEDFを用い、1チャネル当りの信
号光入力レベルを−11dBm/chとし、励起光源1
7から順方向にEDF14に供給される励起光の強度を
270mWとして、光ファイバ増幅器10の雑音指数N
Fを求めた。
用いた場合の信号光波長でのモードフィールド径と雑音
指数NFとの関係を示すグラフである。タイプA〜Cそ
れぞれは、励起光波長(0.98μm)でのモードフィ
ールド径が3.4μmであり、Er添加濃度が1.73
×1025m-3である。タイプAのEr添加領域径は1.
6μmであり、タイプBのEr添加領域径は2.0μm
であり、タイプCのEr添加領域径は2.4μmであ
る。信号光波長(1.53μm)でのモードフィールド
径は、5.0μm,5.5μm,6.0μm,6.5μ
mそれぞれである。この図から判るように、信号光波長
でのモードフィールド径が大きいほど、雑音指数NFが
小さくなっている。
用いた場合の励起光波長でのモードフィールド径と雑音
指数NFとの関係を示すグラフである。タイプD〜Fそ
れぞれは、信号光波長(1.53μm)でのモードフィ
ールド径が5.0μmであり、Er添加濃度が1.73
×1025m-3である。タイプDのEr添加領域径は1.
6μmであり、タイプEのEr添加領域径は2.0μm
であり、タイプFのEr添加領域径は2.4μmであ
る。励起光波長(0.98μm)でのモードフィールド
径は、2.4μm,2.6μm,3.0μm,3.4μ
mそれぞれである。この図から判るように、励起光波長
でのモードフィールド径が大きいほど、雑音指数NFが
大きくなっている。
ける非飽和吸収値αPと信号光波長(1.53μm)に
おける非飽和吸収ピーク値αSとの比(αP/αS)と、
雑音指数NFとの関係を示すグラフである。この図に
は、タイプA〜Fだけでなく、後述するタイプG,Hに
ついても示されている。この図に示すように、比(αP
/αS)と雑音指数NFとの関係は、タイプによらず1
つの曲線でよく表されている。比(αP/αS)が大きい
ほど雑音指数NFが小さい。比(αP/αS)が0.8以
上であれば雑音指数NFが4dB以下となる。例えば、
コア径が2.0μmであってクラッド領域に対するコア
領域の比屈折率差が2.2%であるEDFは、信号光波
長におけるモードフィールド径が5.0μmであり、励
起光波長におけるモードフィールド径が2.6μmであ
り、また、Er添加領域径が2.4μm以下であれば比
(αP/αS)が0.8以上となる。
の入力端における信号光の損失は雑音指数NFに影響を
与える。特に、EDF14と異種ファイバとの融着接続
は困難であり、接続損失のばらつきが0.1dBP-P以
上になる。このような製造上発生する損失ばらつきまで
考慮すると、比(αP/αS)が0.9以上であることが
好ましい。例えば、コア径が2.6μmであってクラッ
ド領域に対するコア領域の比屈折率差が1.3%である
EDFは、信号光波長におけるモードフィールド径が
6.5μmであり、励起光波長におけるモードフィール
ド径が3.4μmであり、また、Er添加領域径が2.
4μm以下であれば比(αP/αS)が0.9以上とな
る。
濃度が一様であるとは限らず、実際には、図9(a)に
示すように光軸から或る距離の位置でEr添加濃度がピ
ークとなる場合があり、図9(b)に示すように光軸に
近いほどEr添加濃度が多い場合(タイプG)があり、
或いは、図9(c)に示すように光軸に近いほどEr添
加濃度が少ない場合(タイプH)がある。このようなタ
イプG,Hの場合には、信号光波長および励起光波長そ
れぞれでのモードフィールド径ならびにEr元素添加分
布から雑音指数NFを予測することは困難である。しか
し、タイプG,HのようにEr添加濃度が一様でない場
合であっても、比(αP/αS)から雑音指数NFを容易
に求めることができる。図5には、タイプG,HのED
Fについても諸元が示されている。図8には、タイプ
G,Hについても比(αP/αS)と雑音指数NFとの関
係が示されている。この図に示すように、比(αP/
αS)と雑音指数NFとの関係は、Er添加濃度が一様
であるか否かによらず1つの曲線でよく表されている。
また、図8において、タイプGとタイプHとを比較する
と判るように、Er添加領域径が同一であれば、図9
(b)に示すように光軸に近いほどEr添加濃度が多い
タイプGの方が比(αP/αS)を大きくすることができ
る。
m)における非飽和吸収値αPと信号光波長(1.53
μm)における非飽和吸収ピーク値αSとの比(αP/α
S)が0.8以上(より好ましくは0.9以上)である
EDF14を用いることで、光ファイバ増幅器10は、
(3)式、(4)式および(7)式を満たすことができる。した
がって、送信器20と受信器30との間の距離が900
0kmである光通信システム1は、信号光波数が64波
でビットレートが10Gbit/sである光通信を高品
質で行うことができる。
ではなく、種々の変形が可能である。上記実施形態で
は、光ファイバ増幅器は、Er元素が光導波領域に添加
されたEDFを光増幅用ファイバとして用いたものであ
ったが、他の希土類元素が光導波領域に添加された光増
幅用ファイバを用いた光ファイバ増幅器であってもよ
い。特に励起光波長と信号光波長とが比較的大きく離れ
ている希土類元素添加光ファイバの場合に本発明は適用
可能である。例えば、Tm元素が光導波領域に添加され
た光増幅用ファイバを用いた光ファイバ増幅器は、励起
光波長が1.05μm帯であって信号光波長が1.47
μm帯であり、励起光波長(1.05μm)における非
飽和吸収値αPと信号光波長(1.47μm)における
非飽和吸収ピーク値αSとの比(αP/αS)が0.8以
上(より好ましくは0.9以上)であれば、優れた光増
幅特性を発揮し得る。
係る光増幅用ファイバは、励起光の波長帯における非飽
和吸収値αPと信号光の波長帯における非飽和吸収ピー
ク値αSとの比(αP/αS)が0.8以上(より好適に
は0.9以上)であり、好適には光軸に近いほど希土類
元素添加濃度が多い。また、本発明に係る光ファイバ増
幅器は、上記の本発明に係る光増幅用ファイバを備えて
おり、雑音指数が0,4dB以下となり、優れた光増幅
特性を発揮し得る。また、本発明に係る光通信システム
は、上記の本発明に係る光ファイバ増幅器を備えてお
り、受信エラー無しで多波長の信号光を高ビットレート
で長距離伝送することができる。
におけるEr添加領域、ならびに、EDF14の径方向
における信号光および励起光それぞれのモード分布を説
明する図である。
図表である。
信号光波長でのモードフィールド径と雑音指数NFとの
関係を示すグラフである。
励起光波長でのモードフィールド径と雑音指数NFとの
関係を示すグラフである。
収値αPと信号光波長(1.53μm)における非飽和
吸収ピーク値αSとの比(αP/αS)と、雑音指数NF
との関係を示すグラフである。
入力端、12…出力端、13…WDMカプラ、14…光
増幅用ファイバ(EDF)、15…光アイソレータ、1
6…利得等化器、17…励起光源、20…送信器、30
…受信器、40…光ファイバ伝送路。
Claims (5)
- 【請求項1】 希土類元素が光導波領域に添加され、励
起光が供給されることにより信号光を光増幅する光増幅
用ファイバであって、 前記励起光の波長帯における非飽和吸収値αPと前記信
号光の波長帯における非飽和吸収ピーク値αSとの比
(αP/αS)が0.8以上であることを特徴とする光増
幅用ファイバ。 - 【請求項2】 前記比(αP/αS)が0.9以上である
ことを特徴とする請求項1記載の光増幅用ファイバ。 - 【請求項3】 光軸に近いほど前記希土類元素添加濃度
が多いことを特徴とする請求項1記載の光増幅用ファイ
バ。 - 【請求項4】 請求項1記載の光増幅用ファイバと、 前記光増幅用ファイバに前記励起光を供給する励起光供
給手段とを備えることを特徴とする光ファイバ増幅器。 - 【請求項5】 信号光を伝搬させて光通信を行う光通信
システムであって、この信号光を光増幅する請求項4記
載の光ファイバ増幅器を備えることを特徴とする光通信
システム。
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