JP2004031480A - 光増幅器 - Google Patents

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Abstract

【課題】希土類元素を添加した光増幅媒体を用いた光増幅器について、Ｓバンド等の信号光に対する増幅効率の向上を図る。
【解決手段】本光増幅器は、光増幅媒体における利得ピークの中心波長が信号帯域外に位置するＳバンド等の光増幅を行うとき、光増幅媒体の励起状態が最大になる時の利得係数を、信号帯域内における利得係数の最小値ｇｍｉｎを信号帯域外の利得係数の最大値ｇｐｅａｋで割ったパラメータηが予め定めた値以上となるように構成したものであって、例えば、段間に利得等化器４が配置された複数のＥＤＦ３の温度を温度調整部７で制御することによりパラメータηの増大を実現可能にする。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希土類元素を添加した光増幅媒体を用いた光増幅器に関し、特に、一般的な増幅帯域とは異なる波長帯域に対する光増幅の効率向上を図った光増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅器は、入力された光を電気に変換することなく光のまま増幅するデバイスである。この光増幅器は一般的に、適用される光増幅媒体によって増幅する光の波長が制限される。近年、光伝送システムの大容量化に伴い、波長の異なる信号光を波長多重する光波長多重伝送が行われている。この光波長多重伝送は、光増幅が利得を有する波長帯域により伝送容量が決まるため、光増幅器の利得を有する帯域の拡大を図る必要がある。そこで、これまでは増幅が困難とされてきた波長帯域に対応した光増幅器の実現が期待されている。光伝送システムの新しい伝送帯域の候補としては、例えば、１４８０〜１５３０ｎｍのＳバンドと呼ばれる波長帯域が検討されており、Ｓバンドに対応した光増幅器の研究が盛んに行われている。
【０００３】
Ｓバンド用の光増幅器としては、例えば、ゲインシフト−ツリウム（Ｔｍ）添加光ファイバ増幅器（ＧＳ−ＴＤＦＡ）や集中定数型ラマン増幅器等が知られている。しかし、ＧＳ−ＴＤＦＡはフッ化物光ファイバの信頼性が十分ではなく、また、ラマン増幅器は高出力時における非線形効果の抑圧といった課題を抱えている。そのような状況において、Ｓバンド用の光増幅器の実用化を可能にする技術の有力な候補の一つとして、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の増幅帯域のＳバンドへのシフトが挙げられる。
【０００４】
ＥＤＦＡは、Ｃバンド（１５３０〜１５６０ｎｍ）用およびＬバンド（１５７０〜１６１０ｎｍ）用の光増幅器として既に商用化されている。図２１は、一般的なエルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）の相対利得係数に関する反転分布率依存性を例示したものである。なお、縦軸の相対利得係数は、ＥＤＦの単位長さ当たりの利得を規格化して表したものである。反転分布率は、３準位系であるＥＤＦの励起状態を示し、次の（１）式に示す関係に従って表すことができる。
【０００５】
【数１】
Figure 2004031480
【０００６】
図２１において、一般的なＥＤＦＡでは増幅帯域の利得波長特性が略平坦となる反転分布率でＥＤＦが励起される。具体的に従来のＣバンド用ＥＤＦＡにおける反転分布率は約０．７であり、Ｌバンド用ＥＤＦＡにおける反転分布率は約０．４である。図２１の斜線で囲んだ領域に該当するＳバンドについて注目すると、反転分布率を０．７以上とすることによって正の相対利得係数となることが分かる。
【０００７】
しかし、上記のようにしてＥＤＦＡをＳバンドの光の増幅に応用する場合、従来のＣバンドやＬバンドに対応した動作状態とは異なり、（ａ）増幅帯域外（１５３０ｎｍ付近）の波長で利得係数が最大となること、（ｂ）利得波長特性が増幅帯域内で略平坦となる反転分布率が存在しないことが問題になる。特に、（ａ）の問題点については、ＥＤＦ内において１５３０ｎｍ付近で発生するＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光成分が増大して効率低下の要因となる。上記のような各問題点により、ＥＤＦＡにおいてＳバンドの利得を大きくすることは実用上困難であった。
【０００８】
そこで、本出願人は、上記のようなＳバンド用のＥＤＦＡの問題点を解消する手法として、例えば図２２に示すように、多段に接続したＥＤＦの間に光フィルタを挿入して１５３０ｎｍ付近のＡＳＥ光を抑圧する構成を提案している（例えば特開２００１−３１３４３３号公報や特願２００１−２５２１６５号など）。図２２の構成例では、光伝送路から入力される信号光が、反射光防止用の光アイソレータおよびＷＤＭカプラを介して、多段に接続されたＥＤＦおよび光フィルタに入力される。このとき、光増幅媒体としてのＥＤＦには、励起光源からの励起光がＷＤＭカプラを介して供給されている。ＥＤＦに入力された信号光は、Ｅｒイオンによる誘導放出現象によって増幅される。このとき発生する波長１５３０ｎｍ付近のＡＳＥ光は、例えば図２３に示すような透過波長特性を持つ光フィルタによって抑圧される。また、増幅の際に生じる利得の偏差についても上記の光フィルタによって同時に平坦化される。各段のＥＤＦおよび光フィルタを通過した信号光は、出力側のＷＤＭカプラおよび光アイソレータを介して、光伝送路に出力される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなＳバンド用のＥＤＦＡでは、多段のＥＤＦ間に光フィルタを挿入することによって、Ｓバンド以外の帯域のＡＳＥ光が増幅されて成長するのを抑圧可能にしているものの、ＡＳＥ光の成長を完全に抑圧することは困難であるため、従来の他のバンドに対応したＥＤＦＡに比べて光増幅の効率が低いという課題がある。
【００１０】
また、Ｓバンド用のＥＤＦＡについて所要の利得を確保しながら効率の向上を図るためには、例えば、段間に挿入する光フィルタの数を多くして各段のＥＤＦに入力されるＡＳＥ光のパワーをできるだけ小さく保つことが考えられるが、これにより従来のＥＤＦＡに比べて構成が複雑になるという問題もある。
本発明は上記の点に着目してなされたもので、希土類元素を添加した光増幅媒体を用いた光増幅器について、光伝送システムの信号帯域の拡大を実現可能にするＳバンド等の新たな波長帯域に対する光増幅の効率向上を図ると共に構成の簡略化を実現可能にした光増幅器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の光増幅器の１つの態様は、希土類元素を添加した光増幅媒体を使用し、所定の波長帯域の信号光を増幅する光増幅器であって、利得ピークの中心波長を信号帯域外に有し、かつ、前記光増幅媒体の励起状態が最大の時の利得係数を、信号帯域内における利得係数の最小値を信号帯域外の利得係数の最大値で割った効率評価値が予め定めた値以上となるように構成したことを特徴とするものである。かかる構成の光増幅器では、利得ピークの中心波長が帯域外に位置する信号光に対する増幅効率が向上するようになる。
【００１２】
上記の光増幅器については、効率評価値が０．１５以上となるように構成するのがよい。また、信号光の波長帯域としては、利得ピークの中心波長が長波長側の信号帯域外に位置するようにしてもよく、具体的に１４８０ｎｍ〜１５３０ｎｍのＳバンドとすることが可能である。
本発明の光増幅器の他の態様としては、波長に対する利得のピーク値を有する希土類元素を添加した複数の光増幅媒体と、該各光増幅媒体間に配置され、ピーク値とは異なる波長で利得の傾斜している波長帯域の利得等化を行う利得等化器と、光増幅媒体の温度が所定の温度となるように制御する温度制御部と、を備えて構成されるようにしてもよい。かかる構成では、光増幅媒体の温度制御により、効率評価値の増大が図られるようになる。
【００１３】
本発明の光増幅器の別の態様としては、波長に対する利得のピーク値を有する希土類元素を添加した複数の光増幅媒体と、該各光増幅媒体間に配置され、ピーク値とは異なる波長で利得の傾斜している波長帯域の利得等化を行う利得等化器とを有し、光増幅媒体には、前記利得等化器で等化する帯域の波長の利得係数を増加させる添加物が添加されているようにしてもよい。かかる構成では、利得等化器での等化波長帯域に対応した利得係数を増加させる添加物が添加された光増幅媒体を使用することにより、効率評価値の増大が図られるようになる。
【００１４】
本発明の光増幅器のさらに別の態様としては、波長に対する利得のピーク値を有する希土類元素を添加した複数の光増幅媒体と、該各光増幅媒体間に配置され、ピーク値とは異なる波長で利得の傾斜している波長帯域の利得等化を行う利得等化器とを有し、光増幅媒体は、石英母材の光増幅媒体よりも利得等化器で等化する帯域の波長の利得係数を増加させる母材が用いられるようにしてもよい。かかる構成では、石英母材の光増幅媒体に比べて、利得等化器での等化波長帯域に対応した利得係数を増加させる母材（ホストガラス）が用いられた光増幅媒体を使用することにより、効率評価値の増大が図られるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず、光波長多重伝送を行うための光増幅媒体として希土類元素添加光ファイバ（例えばＥＤＦ等）を用いた光増幅器について、一般的に知られている増幅帯域とは異なる波長帯域（例えばＳバンド等）に対する光増幅の効率向上を実現するための基本的な概念を説明する。
【００１６】
図１は、本発明の基本概念を説明するための図であって、一般的なＥＤＦの利得波長特性の一例を示したものである。
図１に示すように、ＥＤＦの利得波長特性は、斜線で囲んだ領域に該当するＳバンドの信号帯域に対して長波長側の帯域外（具体的には１５３０ｎｍ付近）に利得ピークを有する。斜線で囲んだ領域は利得が波長に対して傾斜した特性を有している。このような利得特性について、Ｓバンドに対する光増幅の効率を向上させるためには、例えば図中の矢印に示すように、（Ａ）Ｓバンド内における利得係数を増大させるか、または、（Ｂ）信号帯域外の利得ピークを小さくしてＡＳＥ光の成長を抑圧すればよい。この場合、信号帯域内の利得係数と信号帯域外の利得ピークのバランスが重要となるため、このバランスを表すパラメータ値（効率評価値）として次の（２）式に示すηを定義し、パラメータηに着目して光増幅器の設計を行うことが有効である。
【００１７】
【数２】
Figure 2004031480
【００１８】
ただし、ｇｍｉｎは光増幅媒体の励起状態が最大になる時の信号帯域内の最小利得係数であり、ｇｐｅａｋは信号帯域外の利得ピーク値（利得係数の最大値）である。上記の（Ａ）または（Ｂ）の条件が満たされるとパラメータηの値は大きくなる。従って、パラメータηがより大きくなるような設計を行うことにより、Ｓバンドの光増幅に適した光増幅器を実現することができる。
【００１９】
図２は、１５３０ｎｍ帯のＡＳＥ光パワーに対するＳバンドの信号光の総出力パワーの関係をパラメータηの各値（０．１８〜０．２１）に応じて示した一例である。図２より、信号帯域外のＡＳＥ光が成長すると、Ｓバンドの信号光の総出力パワーが激減することが分かる。これは、ＥＤＦに供給される励起光パワーがＡＳＥ光の成長に消費されるためである。しかし、パラメータηの値が大きくなると、ＡＳＥ光の成長が抑圧されるようになり、Ｓバンドの信号光の増幅による励起光パワーの消費が支配的となる。
【００２０】
図３は、パラメータηに対する増幅効率の関係を示した一例である。なお、ここでの増幅効率とは、次の（３）式で表される値のことである。
【００２１】
【数３】
Figure 2004031480
【００２２】
図３より、パラメータηの増加に伴って増幅効率も増加することが分かる。具体的に、例えば６％以上の増幅効率を得るためには、パラメータηを０．１５以上とすればよいことになる。このように、信号帯域外の利得ピーク値ｇｐｅａｋと信号帯域内の利得係数の最小値ｇｍｉｎとの比であるパラメータηは、信号帯域外に利得ピークを持つ光増幅器の設計において非常に有用な指標となる。
【００２３】
なお、上記の説明においては、光増幅媒体である希土類元素添加光ファイバとしてＥＤＦ、ピーク波長とは異なる波長帯域としてピーク波長より短波側にあるＳバンドをそれぞれ想定したが、本発明はこれに限らず、エルビウム以外の他の希土類元素が添加された光ファイバを光増幅媒体とし、その利得特性のピーク波長が信号帯域外に位置するようなＳバンド以外の他の波長帯域を想定することも可能である。
【００２４】
本発明の光増幅器は、上記のようなパラメータηに着目した設計を基に構成されることによって、Ｓバンド等の新たな波長帯域に対する光増幅の効率向上および構成の簡略化を実現している。以下では、本発明の光増幅器の具体的な実施の形態について詳しく説明する。
図４は、本発明の第１実施形態によるＳバンド用ＥＤＦＡの構成例を示すブロック図である。
【００２５】
図４において、本Ｓバンド用ＥＤＦＡは、例えば、入力ポート１および出力ポート２の間に縦続接続された複数の石英系エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）３と、各ＥＤＦ３の出力端にそれぞれ挿入された利得等化器（ＧＥＱ）４と、各ＥＤＦ３に励起光を供給するための励起光源５およびＷＤＭカプラ６と、各ＥＤＦ３の温度を調整する温度調整部７と、入力ポート１後段および出力ポート２前段にそれぞれ挿入された光アイソレータ８とを備えて構成される。
【００２６】
各ＥＤＦ３は、従来のＣバンドやＬバンドに対応したＥＤＦＡに用いられる一般的な石英系ＥＤＦを使用することが可能である。各ＥＤＦ３の長さは、本光増幅器で所要の利得が得られるように適宜に調整されているものとする。
各ＧＥＱ４は、各ＥＤＦ３で発生するＳバンド外のＡＳＥ光、特に１５３０ｎｍ付近で発生するＡＳＥ光を抑圧すると共に、Ｓバンド内の利得係数の傾斜（チルト）を補償することが可能な透過波長特性を有する公知の光フィルタである。具体的には、例えば、ファブリペローエタロンフィルタや誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティングフィルタなど用いることができる。なお、各ＧＥＱ４は、ここでは励起光を透過することができるものとする。
【００２７】
励起光源５は、各ＥＤＦ３を励起することが可能な波長帯（例えば９８０ｎｍ帯や１４８０ｎｍ帯など）の励起光を発生する一般的な励起光源である。ここでは、入力側に位置する励起光源５から出力される励起光が、入力側のＷＤＭカプラ６で信号光の伝搬方向と同方向に合波されて各ＥＤＦ３に供給される。また、出力側に位置する励起光源５から出力される励起光が、出力側のＷＤＭカプラ６で信号光の伝搬方向と逆方向に合波されて各ＥＤＦ３に供給される。各励起光源５からＥＤＦ３に供給される励起光のパワーは、ＥＤＦ３の反転分布率が０．７以上となるように設定されているものとする。なお、図４の一例では、双方向励起型の構成を示したが、本発明はこれに限らず前方励起型または後方励起型の構成とすることも可能である。
【００２８】
温度調整部７は、各ＥＤＦ３の温度を調整することが可能であって、後述するようにパラメータηの値が大きくなるように各ＥＤＦ３の温度を測定し所定の温度となるようにＥＤＦ３に設けたヒータ等の温度制御手段によりＥＤＦ３の温度調整を行うか、または、光増幅器の出力よりパラメータηを検出し温度調整を行うことでＳバンドに対する光増幅の効率向上を実現させるものである。
【００２９】
光アイソレータ８は、光を一方向にのみ透過させる公知の光デバイスである。入力側に配置された光アイソレータ８は、入力ポート１に入力されるＳバンドの信号光をＷＤＭカプラ６に伝える一方、その信号光とは逆方向に伝搬する光の通過を阻止する。また、出力側に配置された光アイソレータ８は、出力側のＷＤＭカプラ６を通過した光を出力ポート２に伝える一方、外部から出力ポート２を介して入力される光の通過を阻止する。
【００３０】
上記のような構成のＳバンド用の光増幅器では、ＥＤＦの利得係数の温度依存性を利用することによってパラメータηの増大が実現される。以下、ＥＤＦの利得係数の温度特性について図５〜図８を参照しながら具体的に説明する。
図５は、例えば０℃、２０℃（常温）、４０℃および８０℃の温度変化に対するＥＤＦの利得係数の変化を示す図である。また、図６は、図５の特性をＳバンドについて拡大した図であり、図７は、図５の特性を１５３０ｎｍ付近について拡大した図である。さらに、図８は、ＥＤＦの温度とパラメータηの関係を示す図である。
【００３１】
図５〜図７より、ＥＤＦの利得係数は、ＥＤＦの温度を高くするとＳバンドの利得係数が増大し（図６）、１５３０ｎｍ付近の利得係数ピークは減少する（図７）という温度依存性を持つことが分かる。このため図８に示すように、ＥＤＦの温度が上昇するとパラメータηの値が大きくなる。従って、ＥＤＦの温度を高温に保持するようにすれば、Ｓバンド用ＥＤＦＡの増幅効率向上を図ることが可能になる。
【００３２】
ここで、第１実施形態のＳバンド用ＥＤＦＡの増幅特性について詳しく説明する。
図９は、本ＥＤＦＡについての増幅効率の温度依存性を示す図である。また、図１０は、本ＥＤＦＡについての平均ＮＦ（雑音指数）の温度依存性を示す図である。なお、図９および図１０の各温度依存性は、図４に示した構成例について、ＥＤＦ３を５段構成とし、１段あたりのＥＤＦ長を４ｍ、前方および後方の各励起光パワーをそれぞれ２４０ｍＷとしたときの特性を示すものであって、Ｓバンドの信号光に関しては１４８９〜１５１９ｎｍの波長帯域に４０チャネルの光信号を１００ＧＨｚ間隔で配置し、各チャネルの入力光パワーを−１５ｄＢｍ／ｃｈとしている。
【００３３】
図９および図１０より、例えば、ＥＤＦ温度を２０℃から８０℃に上昇させることによって、増幅効率が約１．５％向上し、平均ＮＦが約０．３４ｄＢ向上することが分かる。
また、上記Ｓバンド用ＥＤＦＡの増幅特性は、ＥＤＦを５段構成としたときの一例であるが、増幅効率および平均ＮＦの値はＥＤＦの段数にも依存することが確認されている。
【００３４】
図１１は、増幅効率の段数依存性を示す一例であり、図１２は、平均ＮＦの段数依存性を示す一例である。なお、図１１および図１２の段数依存性は、総ＥＤＦ長を２０ｍ、１チャネル当たりの出力光パワーを０ｄＢｍ／ｃｈでそれぞれ一定として、ＥＤＦの段数を変化させたときの特性を示すものである。Ｓバンドの信号光に関しては、上記の場合と同様に、１４８９〜１５１９ｎｍの波長帯域に４０チャネルの光信号を１００ＧＨｚ間隔で配置し、各チャネルの入力光パワーを−１５ｄＢｍ／ｃｈとしている。
【００３５】
図１１および図１２に示すように、ＥＤＦの温度が０℃では、増幅効率も平均ＮＦも５段の段数が最も優れている。一方、ＥＤＦ温度が２０℃、４０℃および８０℃では、増幅効率については４段が最も優れていて、平均ＮＦについては５段が最も優れている。このような結果から、ＥＤＦ３の温度によって、つまりはパラメータηの値によってＳバンド用ＥＤＦＡの最適な構成が変化することが分かる。具体的には、ＥＤＦ３の温度を上昇させてパラメータηの増大を図ることにより、ＥＤＦ３の段数を少なくすることができるため、Ｓバンド用ＥＤＦＡの構成の簡略化を図ることが可能になる。
【００３６】
なお、上記の第１実施形態では、光増幅媒体としてＥＤＦを用い、Ｓバンドを信号帯域とする場合に、ＥＤＦの温度を上昇させることでパラメータηの増大を図るようにしたが、本発明において温度を変化させる方向は必ずしも上昇方向に限られるものではなく、光増幅媒体として用いる希土類元素添加ファイバの利得特性と信号帯域の設定とに応じて決まるものである。
【００３７】
次に、本発明の光増幅器の第２実施形態について説明する。
前述した第１実施形態では、温度調整部７によってＥＤＦの温度を上昇させることでパラメータηを増大させて増幅効率の向上および構成の簡略化を図るようにした。第２実施形態では、ＥＤＦの温度調整に代えて、光増幅媒体として用いるＥＤＦの添加物に改良を施すことでパラメータηの増大を図るようにした一例について説明する。
【００３８】
図１３は、本発明の第２実施形態によるＳバンド用ＥＤＦＡの構成例を示すブロック図である。なお、上述の図４に示した第１実施形態の構成と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略し、以下、他の実施形態についても同様とする。図１３において、第２実施形態の構成が第１実施形態の場合と異なる部分は、温度調整部７を設ける代わりに、例えばアルミニウム（Ａｌ）が高濃度で添加された石英系ＥＤＦ３’を各段の光増幅媒体として用いるようにした部分である。その他の部分の構成は第１実施形態の構成と同様である。
【００３９】
各ＥＤＦ３’は、一般的な石英系ＥＤＦのコアにＡｌ２Ｏ３等を添加したものである。このようなＥＤＦ３’の利得波長特性は、添加物の種類や添加量に応じて変化することが知られている。
図１４は、Ａｌの添加量に対する相対利得係数の依存性を示す図である。図１４より明らかなように、Ａｌの添加量が増加するほど、Ｓバンドに対する相対利得係数が大きくなる傾向が分かる。
【００４０】
具体的に、パラメータη、増幅効率および平均ＮＦの各値について、ＥＤＦ３’のＡｌ添加量との関係を比較したデータを次の表１に示しておく。なお、表１のデータは、図１３に示した構成例について、ＥＤＦ３’を５段構成とし、１段あたりのＥＤＦ長を４ｍ、前方および後方の各励起光パワーをそれぞれ２４０ｍＷとしたときの各値であって、Ｓバンドの信号光に関しては１４８９〜１５１９ｎｍの波長帯域に４０チャネルの光信号を１００ＧＨｚ間隔で配置し、各チャネルの入力光パワーを−１５ｄＢｍ／ｃｈとしている。
【００４１】
【表１】
Figure 2004031480
【００４２】
表１のデータに示すように、高い濃度でＡｌを添加したＥＤＦ３’を用いた場合、Ａｌを添加していないＥＤＦを用いた場合と比較して、パラメータηの値が３倍以上に増大し、増幅効率および平均ＮＦの各値も改善されていることが分かる。
このように第２実施形態によれば、Ａｌの添加量がより多いＥＤＦ３’を使用してＳバンド用ＥＤＦＡを構成することでパラメータηを増大させて増幅効率の向上を図ることができる。また、増幅効率が向上することにより、前述の第１実施形態の場合と同様に、ＥＤＦ３’の段数を少なくすることができるため、Ｓバンド用ＥＤＦＡの構成の簡略化も可能になる。
【００４３】
なお、上記の第２実施形態では、ＥＤＦの添加物をＡｌとし、Ｓバンドを信号帯域とする場合に、Ａｌの添加量を増加させることでパラメータηの増大を図るようにしたが、ＥＤＦの添加物はＡｌに限られるものではなく、ＥＤＦの利得波長特性をパラメータηの増大方向に変化させ得る各種の物質を添加物とすることが可能である。Ａｌ以外の添加物の具体例としては燐やホウ素などの物質を挙げることが可能である。
【００４４】
次に、本発明の光増幅器の第３実施形態について説明する。
前述した第２実施形態では、Ａｌの添加量を増加させた石英系ＥＤＦを光増幅媒体として用いることでパラメータηの増大を図るようにした。第３実施形態では、光増幅媒体として用いるＥＤＦの母材（ホストガラス）の組成に改良を施すことでパラメータηの増大を図るようにした一例について説明する。
【００４５】
図１５は、本発明の第３実施形態によるＳバンド用ＥＤＦＡの構成例を示すブロック図である。
図１５において、第３実施形態の構成が第２実施形態の場合と異なる部分は、Ａｌが高濃度で添加された石英系ＥＤＦ３’に代えて、例えば、フッ化物ガラスまたはテルライトガラスのいずれかをホストガラスとしたＥＤＦ３”を各段の光増幅媒体として用いるようにした部分である。その他の部分の構成は第２実施形態の構成と同様である。
【００４６】
各ＥＤＦ３”は、フッ化物ガラスまたはテルライトガラスをホストガラスとした光ファイバにエルビウム等を添加したものである。一般にＥＤＦ３の利得波長特性は、ホストガラスの組成によっても変化することが知られている。
図１６は、ＥＤＦの相対利得係数についてのホストガラス依存性を示す図である。ここでは、石英ガラス（ただし高濃度Ａｌ添加とする）、フッ化物ガラスおよびテルライトガラスの３種類をそれぞれホストガラスとした各ＥＤＦの相対利得係数が示してある。図１６に示すよりように、ホストガラスによってＥＤＦの相対利得係数の形状が大きく異なり、フッ化物ガラスまたはテルライトガラスをホストガラスとしたときに、Ｓバンドに対する相対利得係数が大きくなる傾向が分かる。具体的に、ホストガラス別のパラメータηを比較したデータを次の表２に示しておく。
【００４７】
【表２】
Figure 2004031480
【００４８】
表２のデータからも明らかなように、ＳバンドＥＤＦＡについてパラメータηの増大を図るためには、フッ化物ガラスやテルライトガラスがホストガラスに適していることが分かる。
ここで、本実施形態のＳバンド用ＥＤＦＡの増幅特性について具体的に説明する。以下では、例えばテルライトガラスを各ＥＤＦ３”のホストガラスとして用いたＳバンド用ＥＤＦＡの増幅特性に関して、石英ガラスをホストガラスに用いた場合の増幅特性と比較することにより、本実施形態の特長を考えることにする。
【００４９】
図１７は、テルライトガラスおよび石英ガラスを用いたＳバンド用ＥＤＦＡの増幅効率の段数依存性を示す一例であり、図１８は、平均ＮＦの段数依存性を示す一例である。なお、図１７および図１８の段数依存性は、総ＥＤＦ長を２０ｍ、１チャネル当たりの出力光パワーを０ｄＢｍ／ｃｈでそれぞれ一定として、ＥＤＦの段数を変化させたときの特性を示すものである。Ｓバンドの信号光に関しては、１４８９〜１５１９ｎｍの波長帯域に４０チャネルの光信号を１００ＧＨｚ間隔で配置し、各チャネルの入力光パワーを−１５ｄＢｍ／ｃｈとしている。このため、ここでのＳバンド用ＥＤＦＡの利得は１５ｄＢとなる。
【００５０】
図１７に示すように、ホストガラスにテルライトガラスを用いたＳバンド用ＥＤＦＡは、石英ガラスを用いたものに比べて優れた増幅効率が得られ、特に、ＥＤＦの段数を３段としたときには、石英ガラスの場合よりも約１３％効率が向上することが分かる。また、図１８に示すように、テルライトガラスを用いたＳバンド用ＥＤＦＡの平均ＮＦは、石英ガラスを用いたものに比べて多少劣るものの、ＥＤＦの段数を少なくして例えば３段構成とすることにより、石英ガラスの場合と同等程度の特性が得られるようになることが分かる。
【００５１】
また、上記のようなホストガラスとしてのテルライトガラスの優位性は、Ｓバンド用ＥＤＦＡの利得を大きくすることでより顕著になる。図１９および図２０は、例えば、各チャネルの入力光パワーを−２５ｄＢｍ／ｃｈに設定してＳバンド用ＥＤＦＡの利得を２５ｄＢとした場合におけるＳバンド用ＥＤＦＡの増幅効率および平均ＮＦの各段数依存性を示したものである。
【００５２】
図１９に示すように、利得を２５ｄＢとした場合、ホストガラスとして石英ガラスを用いたものは、利得を１５ｄＢとした場合に比べて増幅効率が大きく劣化することが分かる。一方、テルライトガラスを用いたものの増幅効率は、３段構成の場合に劣化が生じるものの、４段および５段構成については優れた増幅効率を得ることができる。また、図２０に示すように、テルライトガラスを用い４、５段構成としたＥＤＦＡの平均ＮＦは、石英ガラスを用いたものに比べて良好な値が得られることが分かる。
【００５３】
このように第３実施形態によれば、ＥＤＦのホストガラスとしてテルライトガラスやフッ化物ガラスを用いてＳバンド用ＥＤＦＡを構成することにより、パラメータηを増大させて増幅効率の向上を図ることができると共に、Ｓバンド用ＥＤＦＡの構成の簡略化も可能になる。
なお、上記の第３実施形態では、Ｓバンドを信号帯域とする場合に、ＥＤＦのホストガラスをテルライトガラスやフッ化物ガラスとすることでパラメータηの増大を図るようにしたが、ＥＤＦのホストガラスは上記の一例に限られるものではなく、ＥＤＦの利得波長特性をパラメータηの増大方向に変化させ得る各種の材料をホストガラスとすることが可能である。上記以外のホストガラスの具体例としては、燐酸塩（ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）やホウ酸塩（ｂｏｒａｔｅ）などを挙げることが可能である。
【００５４】
また、上述した第１〜第３実施形態では、Ｓバンドのみに対応したＥＤＦＡについて説明したが、例えば、既存のＣバンド用ＥＤＦＡやＬバンド用ＥＤＦＡ等を組み合わせて複数のバンドの信号光を１台の光増幅器でまとめて増幅するようにしてもよい。具体的には、既存の他のバンド用ＥＤＦＡをＳバンド用ＥＤＦＡに並列に接続し、入力信号光を各々のバンドごとに分波して光増幅を行うようにすることが可能である。
【００５５】
以上、本明細書で開示した主な発明について以下にまとめる。
【００５６】
（付記１）　希土類元素を添加した光増幅媒体を使用し、所定の波長帯域の信号光を増幅する光増幅器であって、
利得ピークの中心波長を信号帯域外に有し、かつ、前記光増幅媒体の励起状態が最大の時の利得係数を、信号帯域内における利得係数の最小値を信号帯域外の利得係数の最大値で割った効率評価値が予め定めた値以上となるように構成したことを特徴とする光増幅器。
【００５６】
（付記２）　付記１に記載の光増幅器であって、
前記効率評価値が０．１５以上となるように構成したことを特徴とする光増幅器。
【００５７】
（付記３）　付記１に記載の光増幅器であって、
前記利得ピークの中心波長が長波長側の信号帯域外に位置することを特徴とする光増幅器。
【００５８】
（付記４）　付記３に記載の光増幅器であって、
前記信号帯域は１４８０ｎｍ〜１５３０ｎｍの波長帯域であることを特徴とする光増幅器。
【００５９】
（付記５）　付記１に記載の光増幅器であって、
前記光増幅媒体の温度を調整する温度調整部を備え、該温度調整部による温度調整に基づいて、前記効率評価値が予め定めた値以上に設定されることを特徴とする光増幅器。
【００６０】
（付記６）　付記５に記載の光増幅器であって、
前記光増幅媒体がエルビウム添加光ファイバであるとき、
前記温度調整部は、エルビウム添加光ファイバの温度を上昇させることにより、前記効率評価値を増大させることを特徴とする光増幅器。
【００６１】
（付記７）　付記１に記載の光増幅器であって、
前記光増幅媒体は、希土類元素に加えて所定の添加物を添加した媒体が使用され、該添加物の添加量に応じて前記効率評価値が予め定めた値以上にされることを特徴とする光増幅器。
【００６２】
（付記８）　付記７に記載の光増幅器であって、
前記光増幅媒体がエルビウム添加光ファイバであるとき、
前記添加物をアルミニウムとして当該添加量を増加させることにより、前記効率評価値を増大させることを特徴とする光増幅器。
【００６３】
（付記９）　付記１に記載の光増幅器であって、
前記光増幅媒体は、ホストガラスとして所定のガラス材料が使用され、該ガラス材料の組成に応じて前記効率評価値が予め定めた値以上にされることを特徴とする光増幅器。
【００６４】
（付記１０）　付記９に記載の光増幅器であって、
前記光増幅媒体がエルビウム添加光ファイバであるとき、
前記ホストガラスとしてフッ化物ガラスおよびテルライトガラスのいずれかが用いられることを特徴とする光増幅器。
【００６５】
（付記１１）　付記１に記載の光増幅器であって、
縦続接続された複数の光増幅媒体と、
該各光増幅媒体の一端にそれぞれ接続され、当該光増幅媒体で生じる信号帯域外の利得ピークを少なくとも抑圧可能な透過特性を有する複数の光フィルタ部と、
前記各光増幅媒体に励起光を供給する励起光供給部とを備えたことを特徴とする光増幅器。
【００６６】
（付記１２）　波長に対する利得のピーク値を有する希土類元素を添加した複数の光増幅媒体と、
該各光増幅媒体間に配置され、前記ピーク値とは異なる波長で利得の傾斜している波長帯域の利得等化を行う利得等化器と、
前記光増幅媒体の温度が所定の温度となるように制御する温度制御部と、
を備えて構成されたことを特徴とする光増幅器。
【００６７】
（付記１３）　波長に対する利得のピーク値を有する希土類元素を添加した複数の光増幅媒体と、
該各光増幅媒体間に配置され、前記ピーク値とは異なる波長で利得の傾斜している波長帯域の利得等化を行う利得等化器とを有し、
前記光増幅媒体には、前記利得等化器で等化する帯域の波長の利得係数を増加させる添加物が添加されていることを特徴とする光増幅器。
【００６８】
（付記１４）　波長に対する利得のピーク値を有する希土類元素を添加した複数の光増幅媒体と、
該各光増幅媒体間に配置され、前記ピーク値とは異なる波長で利得の傾斜している波長帯域の利得等化を行う利得等化器とを有し、
前記光増幅媒体は、石英母材の光増幅媒体よりも前記利得等化器で等化する帯域の波長の利得係数を増加させる母材が用いられることを特徴とする光増幅器。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、希土類元素を添加した光増幅媒体を用いた光増幅器について、一般的に知られている増幅帯域とは異なる波長帯域に対する光増幅を行うとき、利得ピークの中心波長を信号帯域外に有し、かつ、光増幅媒体の励起状態が最大の時の利得係数を、信号帯域内における利得係数の最小値を信号帯域外の利得係数の最大値で割った効率評価値が予め定めた値以上となるように設計したことによって、信号光に対する増幅効率の向上と構成の簡略化と実現した光増幅器を提供することができる。このような光増幅器を光伝送システムに適用することにより、より広い信号帯域の波長多重光伝送を効率的に行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念を説明するための図である。
【図２】１５３０ｎｍ帯のＡＳＥ光パワーに対するＳバンドの信号光の総出力パワーの関係をパラメータηに応じて示した図である。
【図３】パラメータηに対する増幅効率の関係を示した一例である。
【図４】本発明の第１実施形態によるＳバンド用ＥＤＦＡの構成例を示すブロック図である。
【図５】上記第１実施形態について温度変化に対するＥＤＦの利得係数の変化を示す図である。
【図６】図５の特性をＳバンドについて拡大した図である。
【図７】図５の特性を１５３０ｎｍ付近について拡大した図である。
【図８】上記第１実施形態についてＥＤＦの温度とパラメータηの関係を示す図である。
【図９】上記第１実施形態についての増幅効率の温度依存性を示す図である。
【図１０】上記第１実施形態についての平均ＮＦの温度依存性を示す図である。
【図１１】上記第１実施形態についての増幅効率の段数依存性を示す図である。
【図１２】上記第１実施形態についての平均ＮＦの段数依存性を示す図である。
【図１３】本発明の第２実施形態によるＳバンド用ＥＤＦＡの構成例を示すブロック図である。
【図１４】上記第２実施形態についてＡｌの添加量に対する相対利得係数の依存性を示す図である。
【図１５】本発明の第３実施形態によるＳバンド用ＥＤＦＡの構成例を示すブロック図である。
【図１６】上記第３実施形態におけるＥＤＦの相対利得係数についてのホストガラス依存性を示す図である。
【図１７】上記第３実施形態について利得を１５ｄＢに設定した場合の増幅効率の段数依存性を説明する図である。
【図１８】上記第３実施形態について利得を１５ｄＢに設定した場合の平均ＮＦの段数依存性を説明する図である。
【図１９】上記第３実施形態について利得を２５ｄＢに設定した場合の増幅効率の段数依存性を説明する図である。
【図２０】上記第３実施形態について利得を２５ｄＢに設定した場合の平均ＮＦの段数依存性を説明する図である。
【図２１】一般的なＥＤＦの相対利得係数に関する反転分布率依存性を例示した図である。
【図２２】従来のＳバンド用ＥＤＦＡの構成例を示すブロック図である。
【図２３】図２２のＳバンド用ＥＤＦＡに用いられる光フィルタの透過波長特性を示す図である。
【符号の説明】
１　　入力ポート
２　　出力ポート
３，３’，３”　　エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）
４　　利得等化器（ＧＥＱ）
５　　励起光源
６　　ＷＤＭカプラ
７　　温度調整部
８　　光アイソレータ

Claims (5)

  1. 希土類元素を添加した光増幅媒体を使用し、所定の波長帯域の信号光を増幅する光増幅器であって、
    利得ピークの中心波長を信号帯域外に有し、かつ、前記光増幅媒体の励起状態が最大の時の利得係数を、信号帯域内における利得係数の最小値を信号帯域外の利得係数の最大値で割った効率評価値が予め定めた値以上となるように構成したことを特徴とする光増幅器。
  2. 請求項１に記載の光増幅器であって、
    前記効率評価値が０．１５以上となるように構成したことを特徴とする光増幅器。
  3. 波長に対する利得のピーク値を有する希土類元素を添加した複数の光増幅媒体と、
    該各光増幅媒体間に配置され、前記ピーク値とは異なる波長で利得の傾斜している波長帯域の利得等化を行う利得等化器と、
    前記光増幅媒体の温度が所定の温度となるように制御する温度制御部と、
    を備えて構成されたことを特徴とする光増幅器。
  4. 波長に対する利得のピーク値を有する希土類元素を添加した複数の光増幅媒体と、
    該各光増幅媒体間に配置され、前記ピーク値とは異なる波長で利得の傾斜している波長帯域の利得等化を行う利得等化器とを有し、
    前記光増幅媒体には、前記利得等化器で等化する帯域の波長の利得係数を増加させる添加物が添加されていることを特徴とする光増幅器。
  5. 波長に対する利得のピーク値を有する希土類元素を添加した複数の光増幅媒体と、
    該各光増幅媒体間に配置され、前記ピーク値とは異なる波長で利得の傾斜している波長帯域の利得等化を行う利得等化器とを有し、
    前記光増幅媒体は、石英母材の光増幅媒体よりも前記利得等化器で等化する帯域の波長の利得係数を増加させる母材が用いられることを特徴とする光増幅器。
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