JP2004193541A - 光増幅器 - Google Patents
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Abstract
【課題】一般の希土類添加増幅媒体を用いた、利得プロファイルを一定に制御できる光増幅器および制御方法を提供する。
【解決手段】本発明の光増幅器は、増幅媒体として希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力し、その入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できる１以上の制御光源、前記増幅媒体に入出力する光パワーをモニタする監視手段、および、前記監視手段より得られた値から該光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御するための制御部とを含む。また、本発明は、該増幅器を用いる利得プロファイルを一定に制御する方法を含む。
【選択図】 図６
【解決手段】本発明の光増幅器は、増幅媒体として希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力し、その入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できる１以上の制御光源、前記増幅媒体に入出力する光パワーをモニタする監視手段、および、前記監視手段より得られた値から該光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御するための制御部とを含む。また、本発明は、該増幅器を用いる利得プロファイルを一定に制御する方法を含む。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅器に関する。より詳細には、希土類イオンを含有する増幅媒体を備えた光増幅器の利得プロファイルを制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（ＷＤＭ）通信は、近年における光通信容量の急増に対応する最も有効な手段の１つである。ＷＤＭ通信では信号チャネル数の増加により、通信容量の拡大を行うことを特徴としているが、そのためには信号波長域の拡大が不可欠である。
【０００３】
現在のＷＤＭ通信では、希土類イオン添加光ファイバ増幅器が使用されている。ＷＤＭ通信で使用されている増幅帯域としては、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の増幅帯域であるＣ帯（１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍ）がある。
【０００４】
一方、Ｃ帯と同等の低損失と低分散性を有する帯域として、Ｓ帯（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ）があり、次世代の信号波長域として注目されている。ツリウム添加光ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）は、Ｓ帯に増幅帯域を有しており、精力的な検討がなされている。
【０００５】
Ｓ帯用のＴＤＦＡでは、光増幅器全体でＬ帯のＥＤＦＡと同等のパワー変換効率（４０％）が達成されており、ＷＤＭ伝送の実験も成功している（例えば、ＯＦＣ２００１ ＰＤ−１（非特許文献１）参照）。さらに、Ｃ帯の増幅帯域を使用したＥＤＦＡとＬ帯の増幅帯域を使用したＥＤＦＡとの帯域合波による広帯域化も達成されており、これにより１０．９Ｔｂｉｔ／ｓの広帯域伝送が報告されている（例えば、ＯＦＣ２００１ ＰＤ−２４（非特許文献２）参照）。
【０００６】
ところで、希土類添加光ファイバを増幅媒体として用いた増幅器を中継器として複数用いたＷＤＭ通信において、中継後の増幅器の出力スペクトルが変化し、場合によっては、そのスペクトルが大きく歪むという問題が発生する。
【０００７】
このような現象が現れるのは、伝送路の損失の経時変化や信号チャネル数の変化により光増幅器への入力信号光のパワーが変化し、これによって光増幅器の利得スペクトルが変化し、この変化が伝送路全体で累積して信号の歪みが生じるためである。
【０００８】
上述の増幅器の利得スペクトルが大きく歪む現象は、伝送距離を制限する要因となるため、増幅器の利得スペクトルが一定になるように制御する必要がある。その制御方法としては、各光増幅器において利得プロファイルを一定に保つように制御すること（以下、利得プロファイル一定制御とも称する。）が有効である。
【０００９】
例えば、石英系ＥＤＦＡの制御方法の一例として、１チャネルの信号光の利得をモニタし、そのチャネルの利得が常に一定となるように励起光パワーを制御する方法がある。石英系ＥＤＦＡの利得プロファイルを一定に制御する方法は、この方法でほぼ確立されている。また、フッ化物ＰＤＦＡの利得プロファイル一定制御についても同様の方法で制御することができる。これらの光増幅器の増幅媒体（光ファイバ）は、増幅に関与する準位が実質的に２つである増幅メカニズムにより動作する。そのメカニズムは、増幅に関与する始準位（以下増幅始凖位ともいう）と、増幅に関与する終準位（以下増幅終凖位ともいう）または基底準位のみで取り扱うことができる非常に希なケースである。
【００１０】
これらのケースについて、図１を参照して説明する。図１（Ａ）は石英系ＥＤＦＡの励起準位模式図であり、図１（Ｂ）は、プラセオジム添加光ファイバ増幅器（ＰＤＦＡ）の励起準位模式図である。
【００１１】
石英系ＥＤＦＡでは、図１（Ａ）に示されるように、増幅終準位と基底準位が一致するため、増幅に関与する準位が増幅始準位（４Ｉ１３／２）と増幅終準位（４Ｉ１５／２）の２つとなる。従って、１チャネルの信号光の利得をモニタし、そのチャネルの利得が常に一定となるように励起光源の光量を調節して、利得プロファイルを一定に保つように制御することができる。
【００１２】
また、ＰＤＦＡでは、図１（Ｂ）に示すように、増幅に関与する準位が増幅始準位、増幅終準位および基底準位の３つ存在する。しかし、ＰＤＦＡでは、増幅終準位の蛍光寿命が増幅始準位に比べ非常に短いため、増幅終準位を無視して考えることができる。従って、石英系ＥＤＦＡと同様にして利得プロファイルを一定に保つように制御することができる。
【００１３】
このように、増幅に関与する準位が実質的に２つである場合には、利得プロファイルを一定に保つことは比較的容易である。
【００１４】
しかし、一般には、希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器では、増幅に関与する準位が実質的に２つと見なせる場合は少なく、このような一般的な光増幅器には、上述のような、１つの信号の波長の利得をモニターし、その利得の変化から励起光源の光量を調節して、利得プロファイルを一定に保つように制御する方法を適用することができない。即ち、励起光源の光量を調節して、１つの信号の波長の利得を一定に制御するのみでは、入力信号のレベルの変動やその他の条件（例えば温度変化）に対して利得プロファイルを一定に制御することはできない。
【００１５】
このため、このような系では基本的に２種類の異なる信号の波長での利得をモニタすることが必要となり、複雑な制御をする必要があった。
【００１６】
上述のように、一部の希土類イオンが添加された増幅媒体（光ファイバあるいは光導波路）を用いた光増幅器では、１つの信号の波長での利得をモニタして、励起光を制御して、利得プロファイルを一定に制御することができるが、その他の希土類イオンが添加された増幅媒体を用いた光増幅器では、利得プロファイルを一定に制御することができない。
【００１７】
上述のような１つの信号の波長の利得をモニターし、その変化に基づいて励起光源の光量を調節して、利得プロファイルを一定に保つ方法とは別に、制御光を用いて利得プロファイルを一定に保つ方法も提案されている。
【００１８】
例えば、Ｅ． Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅ ｅｔ ａｌ．， ”Ｄｙｎａｍｉｃ ｇａｉｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｅｒｂｉｕｍ −ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”．， ＩＥＥＥ， Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ． Ｍａｙ １９９１（非特許文献３）には、１波長のＡＳＥレベルをモニタし、ＡＳＥレベルが一定になるように制御光のパワーを制御することが開示されている。
【００１９】
また、特開２０００−２６１０７９号公報（特許文献１）には、希土類添加光ファイバの後方から制御光を入力し、該光ファイバから出力される制御光のパワーをモニタし、このパワーが一定になるように制御光の光源を制御する光増幅器および制御方法が開示されている。
【００２０】
また、特開平８−３０４８５６号公報（特許文献２）には、増幅媒体に入力される励起光と増幅媒体から出力される励起光とをモニタし、これらの値の比率から、光増幅器に入射される制御光のパワーを制御することが開示されている。
【００２１】
また、制御光と信号光の総入力パワーをモニタし、このパワーが一定になるように制御光のパワーを制御すること、および、制御光と信号光の総出力パワーをモニタし、このパワーが一定になるように制御光のパワーを制御することも開示されている。
【００２２】
しかし、上述のような制御光を用いる方法は、増幅に大きく関与する準位（即ち、利得スペクトルの状態を決定する上で考慮すべき準位をいう。）が２つのみである石英系ＥＤＦＡに対しては制御可能であるが、ＴＤＦＡ、その他の希土類添加光ファイバ増幅器に対しては制御できない。
【００２３】
【特許文献１】
特開２０００−２６１０７９号公報
【００２４】
【特許文献２】
特開平８−３０４８５６号公報
【００２５】
【非特許文献１】
ＯＦＣ２００１ ＰＤ−１
【００２６】
【非特許文献２】
ＯＦＣ２００１ ＰＤ−２４
【００２７】
【非特許文献３】
Ｅ． Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅ ｅｔ ａｌ．， ”Ｄｙｎａｍｉｃ ｇａｉｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｅｒｂｉｕｍ −ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”．， ＩＥＥＥ， Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ． Ｍａｙ １９９１
【００２８】
【非特許文献４】
Ｅ． Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅ， ”Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，” Ａ． Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ， Ｃｈａｐｔｅｒ １， １９９４
【００２９】
【非特許文献５】
Ｗｏｎ Ｊａｅ Ｌｅｅ ｅｔ ａｌ．， ”Ｇａｉｎ ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ ＆ ｔｉｌｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ＴＤＦＡ ｕｓｉｎｇ １．４ μｍ／１．５μｍ ｄｕａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ”．， ＯＦＣ２００２， ＴｈＺ３
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、簡易な方法で、広く一般の希土類添加増幅媒体を用いた光増幅器に適用できる、利得プロファイルを一定に制御できる光増幅器および制御方法が望まれている。
【００３１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、広く一般的な希土類イオンが添加された増幅媒体を用いた光増幅器において、利得プロファイルを一定に保つように簡便に制御できる光増幅器を提供することにある。
【００３２】
また、本発明の目的は、広く一般的な希土類イオンが添加された増幅媒体を用いた光増幅器を用いて利得プロファイルを一定に保つように制御する制御方法を提供することにある。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面は、希土類を添加した増幅媒体を用いる光増幅器において、利得プロファイルを一定に保つように制御できる光増幅器に関する。特に本発明の光増幅器は、一般の希土類イオンを１または複数添加した増幅媒体を用いる光増幅器に関する。
【００３４】
本発明によれば、本発明の増幅器は、増幅媒体として希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力し、その入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できる１以上の制御光源、前記増幅媒体に入出力する光パワーをモニタする監視手段、および、前記監視手段より得られた値から該光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御するための制御部とを含む。
【００３５】
本発明の第２の側面は、光増幅器の利得プロファイルを一定に制御するための方法である。
【００３６】
本発明の制御方法は、増幅媒体として希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、１以上の制御光源であって、該制御光源からの制御光の入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できるもの、監視手段、および、制御部とを含む光増幅器の利得プロファイルを一定に制御する方法であって、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力することと、前記増幅媒体に入出力する光パワーをモニタすることと、前記監視手段より得られた値から該光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御することとを含む。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の側面は、希土類を添加した増幅媒体を用いる光増幅器において、利得プロファイルを一定に保つように制御できる光増幅器に関する。
【００３８】
本発明の第２の側面は、希土類を添加した増幅媒体を用いる光増幅器の利得プロファイルを一定に保つための制御方法に関する。
【００３９】
以下に本発明の原理について説明する。
【００４０】
まず、増幅に関与する準位が増幅終凖位と増幅始凖位の２つの準位のみである希土類を添加した増幅媒体を用いる場合についてその光増幅器と利得プロファイルを一定に制御する方法について説明する。このような増幅器には、増幅媒体として石英系のエルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）を用いたものがある。
【００４１】
石英系ＥＤＦを増幅媒体とする光増幅器は、増幅に関与する準位が増幅終凖位（４Ｉ１５／２）と増幅始凖位（４Ｉ１３／２）の２つの準位であり、比較的簡単な系である。
【００４２】
このような増幅器は、例えば石英系ＥＤＦを増幅媒体とする光増幅器（石英系ＥＤＦＡ）は、石英系ＥＤＦ、石英系ＥＤＦを励起するための励起手段、入力信号光などをモニターするためのモニター手段、およびこのモニター手段からの情報を基に励起手段を制御するための制御部を少なくとも有する。
【００４３】
図２（Ａ）は、石英系ＥＤＦを増幅媒体とする光増幅器のＥｒ３＋イオンのエネルギー凖位を示す図である。この光増幅器では、増幅の終凖位（４Ｉ１５／２）から増幅の始凖位（４Ｉ１３／２）へ励起する方法を用いて増幅を行っている。石英系ＥＤＦＡの利得プロファイル一定制御の方法の一例は、１チャネル（以下、ｃｈ．とも表記する。）の信号光の利得をモニタし、そのチャネルの利得が常に一定となるように励起光パワーを制御するものである。
【００４４】
以下にこの制御の原理を説明する。
【００４５】
波長λにおけるエルビウム添加光ファイバ増幅器の長手方向の位置ｘにおける単位長さあたりの利得Ｇａｉｎ（λ，ｘ）は、以下の式で表される（例えば、Ｅ． Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅ， ”Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，” Ａ． Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ， Ｃｈａｐｔｅｒ １， １９９４（非特許文献４）参照）。
【００４６】
Ｇａｉｎ（λ，ｘ）＝（σｅ（λ）Ｎ２（ｘ）−（σａ（λ）Ｎ１（ｘ））（ｅｑ１）
【００４７】
【数１】
【００４８】
σｅ：誘導放出断面積
σａ：誘導吸収断面積
Ｎ２（ｘ）：位置ｘでの増幅の始凖位（４Ｉ１３／２）のイオン数
Ｎ１（ｘ）：位置ｘでの増幅の終凖位（４Ｉ１５／２）のイオン数
Ｎｔｏｔａｌ：全イオン数
【００４９】
ここで（ｅｑ１）、（ｅｑ２）式より、
Ｇａｉｎ（λ，ｘ）＝（σｅ（λ）Ｎ２（ｘ）−（σａ（λ）（Ｎｔｏｔａｌ−Ｎ２（ｘ）） （ｅｑ３）
を得る。
【００５０】
（ｅｑ３）式から解るように、変数はＮ２のみになる。
【００５１】
ここで、誘導放出断面積および誘導吸収断面積は、増幅媒体に添加される希土類イオンの物性で決定しているため、利得スペクトルを固定するためにはＮ２を固定すること、即ち増幅始準位と増幅終凖位のイオン数を固定する必要がある。
【００５２】
ＷＤＭ伝送などでは、伝送路の損失の経時変化や信号チャネル数の変化により光増幅器への入力信号光のパワーが変化する。このような変化は、石英系ＥＤＦＡでは、４Ｉ１３／２に存在するＥｒ３＋の誘導放出速度が変化することに繋がり、結果として、Ｎ２が変化し、（ｅｑ３）から解るように利得スペクトルが変化する。
【００５３】
従って、石英系ＥＤＦを増幅媒体として用いる光増幅器のように、増幅に関与する準位が２つである場合には、任意の信号光波長をモニタし、この信号波長での利得を一定に保つように励起光パワーを制御すれば、光増幅器への入力パワーに関わらず（ｅｑ３）に基づいて利得スペクトルは一定に保たれる。
【００５４】
利得を一定に制御するための具体的手順は、増幅用光ファイバの入力端および出力端で信号光を分波して、それぞれの場所での信号光パワーを検出し、その検出値から信号光の利得を算出し、算出された利得値と設定値との誤差成分が零になるように励起光量を調節する。これが石英系ＥＤＦを増幅用光ファイバとして用いた光増幅器で利得プロファイルを一定に制御するため原理である。
【００５５】
ところで、このように増幅メカニズムが増幅始凖位と終凖位にいるイオンのみで記述できる系は非常にまれである。たとえば、エルビウム添加光ファイバで前記と同じ誘導放出を利用する場合においても、光ファイバを構成するホストガラスをフッ化物ガラスに変えただけでも、増幅の始凖位よりさらに高エネルギーの励起凖位への遷移と、遷移した先の凖位での寿命が無視できなくなる。このような場合には、ある波長（例えば入力信号光の１つの波長）での利得を一定に制御したとしても、利得プロファイルは一意的に決まらなくなる。これは、増幅動作を記述するにあたり、増幅始凖位、増幅終凖位およびそれ以外のイオン数を考慮する必要が生じたためである。即ち、例えばＴＤＦＡでは、総イオン数が下記の（ｅｑ２’）により表され、上記（ｅｑ３）のように１つのパラメータ（Ｎ２）を考慮するのみでは不十分となり、その他の準位のイオン数を考慮しなければならなくなったためである。
【００５６】
【数２】
【００５７】
３つの準位が増幅に大きく関与する希土類添加光ファイバを用いる光増幅器には、ツリウム添加光ファイバ（ＴＤＦ）を用いた光増幅器がある。この光増幅器では、図２（Ｂ）に示すように、４準位の光増幅器であるが、増幅に大きく関与する準位が３つ存在する。即ち、ＴＤＦＡでは、増幅に大きく関与するエネルギー凖位は、増幅の始凖位、終凖位および基底凖位が存在する。従って、これらの準位を全て考慮する必要があるため、ＥＤＦＡでの議論のように１波長の利得をモニターし、これを一定にするように制御するだけでは前記３つの凖位間のイオン数を一定に保つことはできない。
【００５８】
図３は、ＷＤＭ信号を増幅する場合、ＴＤＦＡにおいて光増幅器へ入射する波長λ１の信号光のパワーと、ＴＤＦＡより増幅されて出射された波長λ１の信号光のパワーより計算される利得を一定にするようにＴＤＦＡの励起光量を調節した場合の、光増幅器の特性を示す図である。
【００５９】
図３中に示すａ〜ｃは、ＴＤＦＡへの全入力信号パワーが低い場合をａ、中間の値の場合をｂ、高い場合をｃとして、光増幅器の特性を示したものである。この特性を評価した条件は、ＴＤＦＡのＴｍ３＋添加濃度が６０００ｐｐｍであり、励起波長が１４００ｎｍであった。増幅用のＴｍ添加フッ化物光ファイバの励起は、この光ファイバに対して前方向および後方向より励起を行う双方向励起である。前方向励起光パワーと後方向励起パワーの比は常に一定とした。図３より明らかなように、単に一波長の利得を一定にしただけでは入力信号光パワーの変化に対して利得プロファイルが変化する。
【００６０】
このような増幅に大きく関与する準位が３つ存在する増幅媒体を含む光増幅器を制御する方法として次のような制御方法が提案されている。この制御方法は、ＴＤＦＡ光増幅器に関するもので、２通りの方法がある。この制御方法の１つは、双方向励起のＴＤＦＡ光増幅器で利用される。この制御方法では、２種類の信号光の利得をモニタする。このモニタ情報に基づいて、増幅用光ファイバの前方と後方の励起光のパワーの比を制御することにより利得帯域を調節し、且つ、総励起光パワーを制御することにより全体の利得を調節する方法である。ＴＤＦＡでは、前方と後方の励起光のパワー比を変化させると利得スペクトルが波長シフトするという現象が発生する。
【００６１】
また、ＴＤＦＡの第２の制御方法として、２波長（１．４μｍ、１．５６μｍ）の励起光源の光量を制御し、利得スペクトルを調節する方法がある（Ｗｏｎ Ｊａｅ Ｌｅｅ ｅｔ ａｌ．， ”Ｇａｉｎ ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ ＆ ｔｉｌｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ＴＤＦＡ ｕｓｉｎｇ１．４ μｍ／１．５μｍ ｄｕａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ”．， ＯＦＣ２００２， ＴｈＺ３（非特許文献５）参照）。
【００６２】
上述のような実質的に増幅に関与する準位が２つである増幅媒体を含む光増幅器を除き、希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器の場合、励起光源の光量の調節により一波長の利得を一定値に制御するのみでは、入力信号のレベルの変動や他の条件の変化（例えば温度変化）に対して、利得プロファイルを一定に制御することはできない。このため、このような系では基本的に２種類の信号波長での利得をモニタすることが必要となり、複雑な制御をする必要があった。
【００６３】
本発明の光増幅器および制御方法では、増幅始凖位、増幅終凖位およびその他の凖位を考慮する必要がある希土類を添加した増幅媒体を用いることができる。以下では、その他の準位が第３の準位のみである場合について説明するが、本発明はこれに限定されず、さらに多くの準位が関与する場合も含む。
【００６４】
本発明は、入力信号のレベルの変動に応じて、その制御光の光量を調節することで増幅媒体の反転分布状態を一定にすることを特徴とする。つまり、本発明の基本的な概念は、入力信号のレベルの変動分を増幅帯域内の波長の制御光で補償することにある。本発明によれば、あらゆる希土類イオンの光増幅器に対し、増幅帯域内の一波長の利得を一定にするように制御光を調節することで利得プロファイル一定制御を実現する。本発明では、制御光源を調節するために、光のある波長（またはある波長範囲）における利得をモニタすることを特徴とする。このように制御光または少なくとも１つの信号光をモニタして、制御光源を調節するのは、例えば、制御光と信号光の総出力または総入力パワーをモニタして制御光のパワーを制御する方法などでは、利得スペクトルが歪み、利得プロファイルを一定に制御することはできないためである。このことを、制御光と信号光の総出力または総入力パワーをモニタして、制御光のパワーを制御する場合を例に取り、図４および図５を参照して説明する。
【００６５】
図４は、総入力パワーを一定にしただけでは利得プロファイルが一定に制御できないことを示す図である。図４は、信号波長以外の増幅帯域内の波長を有する制御光源を入力側に備えたＴＤＦＡにおいてＷＤＭ信号を増幅する際に、光増幅器への総信号光パワーの入力の変動に対して、制御光の入力パワーと総入力信号光パワーの合計（以下、総入力パワーとも称する）が常に一定になるように制御光源の光量を調節した場合の利得スペクトルを表す図である。
【００６６】
図４に示すａ〜ｃは、ＴＤＦＡへの総入力信号パワーが低い場合をａ、中間の場合をｂ、高い場合をｃとしたときの利得スペクトルである。この特性を評価した条件は、ＴＤＦＡのＴｍ３＋添加濃度が４０００ｐｐｍであり、励起波長が１４１０ｎｍであった。増幅用のＴｍ添加フッ化物光ファイバの励起は、この光ファイバに対して前方向および後方向より励起を行う双方向励起であり、総励起光パワーは常に一定とした。図４より明らかなように、光増幅器への総入力パワーを一定にしただけでは入力信号光パワーの変化に対して利得プロファイルが変化する。
【００６７】
図５は、総出力パワーを一定にしただけでは利得プロファイルが一定に制御できないことを示す図である。図５は、信号は長以外の増幅帯域内の波長を有する制御光源を入力側に備えたＴＤＦＡにおいてＷＤＭ信号を増幅する際に、光増幅器への総信号光パワーの入力の変動に対して、制御光の出力パワーと総出力信号光パワーの合計（以下、総出力パワーとも称する）が常に一定になるように制御光源の光量を調節した場合の利得スペクトルを表す図である。
【００６８】
図５に示すａ〜ｃは、ＴＤＦＡへの総入力信号パワーが低い場合をａ、中間の場合をｂ、高い場合をｃとしたときの利得スペクトルである。この特性を評価した条件は、ＴＤＦＡのＴｍ３＋添加濃度が５０００ｐｐｍであり、励起波長が１４２０ｎｍであった。増幅用のＴｍ添加フッ化物光ファイバの励起は、この光ファイバに対して前方向および後方向より励起を行う双方向励起であり、総励起光パワーは常に一定とした。図５より明らかなように、光増幅器への総出力パワーを一定にしただけでは入力信号光パワーの変化に対して利得プロファイルが変化する。
【００６９】
このように、総入力パワーまたは総出力パワーを一定にしただけでは、利得プロファイルを一定に制御することができない。
【００７０】
本発明では、光増幅器は、増幅媒体、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力し、その入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できる１以上の制御光源、前記増幅媒体に入出力する光パワーをモニタする監視手段、および、前記監視手段より得られた値から該光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御するための制御部とを含む。
【００７１】
また、本発明の光増幅器は、制御光源の制御光の光量を調節する手段を具備する。この手段には、制御光源の電流値を調整することや、制御光源の出力端に可変光減衰器を設けて減衰量を調節すること等が含まれる。
【００７２】
本発明には、増幅媒体、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力し、その入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できる１以上の制御光源、前記増幅媒体に入出力する複数の波長の光のパワーをモニタする監視手段、前記監視手段より得られた値から複数の波長の利得を算出後、複数の利得の差と和を算出し、複数の利得の差が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御し、複数の利得の和が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御するための制御部とを含む光増幅器が含まれる。
【００７３】
本発明では、監視手段は、制御光をモニタするもの、１チャンネル以上の信号光をモニタするもの、または、増幅帯域内で予め定められた波長範囲の光をモニタするものでありうる。
【００７４】
さらに、本発明では、監視手段より得られた値に応じ、それらの値若しくは前記制御部で算出される利得、利得の差、または利得の和を補正する補正手段を含むことが好ましい。
【００７５】
また、本発明では、監視手段には、光バンドパスフィルタを含むことが好ましい。
【００７６】
上記本発明の利得プロファイル一定制御の原理に従えば、本発明の制御方法も提供される。
【００７７】
この制御方法の１つは、増幅媒体として希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、１以上の制御光源であって、該制御光源からの制御光の入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できるもの、監視手段、および、制御部とを含む光増幅器の利得プロファイルを一定に制御する方法であって、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力することと、前記増幅媒体に入出力する光パワーをモニタすることと、前記監視手段より得られた値から該光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御することとを含む。
【００７８】
本発明では、増幅媒体に添加される希土類イオンは、１種類であっても複数種類であってもよい。
【００７９】
以下に図面を参照して本発明の光増幅器および利得プロファイル一定制御の方法をさらに具体的に説明するが、これらは例示であり、本発明はこれらに限定されない。
【００８０】
本発明は、光増幅器の利得プロファイル一定制御に、制御光を利用するように構成された光増幅器に関する。
【００８１】
光増幅器に制御光を導入し、この制御光を利用して光増幅器の利得プロファイルを一定に保つように制御する。本発明では、制御光源を調節するために、光のある波長（またはある波長範囲）における利得をモニタすることを特徴とする。
【００８２】
本発明の概要を、図６を参照して説明する。
【００８３】
本発明の光増幅器６００は、監視手段６０１，６０３、増幅部６０２と制御システム６０４を具備する。監視手段６０１は、制御光源６１０内に設けられた光検出器から構成される。また、監視手段６０３は、光分岐素子６３４と光電変換素子のような光検出器６３５から構成される。図６に示す監視手段６０１は、制御光源６１０内に光検出器を含む例を示したが、本発明はこれに限定されず、光検出器を別途設けてもよい。この場合、光分岐素子（分波器）を設け、信号光入力の一部を分波すればよい。光検出器からの信号は制御システム６０４に入力される。光検出器は、例えば光電変換素子などが含まれる。増幅部６０２は、制御光源６１０、増幅媒体６１２、励起光源６１４，６１６、制御光源からの光を合波するための合波器６１８、励起光源からの光を合波するための合波器６２０，６２２を具備する。増幅部は、図６に示されるようにアイソレータ６２４，６２６を設けることも好ましい。
【００８４】
制御光源６１０は、内部に光検出器を有するものでも、有しないものでもよい。本発明では、内部に光検出器を有する制御光源が好ましい。内部に光検出器を有する制御光源は、モニタ用の第１の信号６２８を出力できるものである。また、制御光源は複数存在していてもよい。
【００８５】
制御システム６０４は、制御光源を制御するための制御部６３０、および演算部６３２を有する。この演算部へは増幅部６０２から出力された光の一部を取り出す光分岐素子（分波器）６３４からの第２の信号６３６が入力される。演算部６３２では、制御光源６１０からの第１の信号と、光分岐素子６３４からの第２の信号から制御光の利得を算出し、予め設定された値と一致するような制御光源６１０の電流値を算出する。その値は制御部６３０へ送られる。制御部６３０は、演算部６３２から送られてきた電流値になるように制御光源６１０の光量を調整する。本明細書では、制御システム６０４は、制御部とも称される。この場合、制御部は、上記機能を有する制御部６３０と演算部６３２を含むものである。
【００８６】
なお、本発明において、各構成要素は、図６に示される配置のみではなく、種々の配置をとることができる。例えば、図６に示される光増幅器では、励起光は双方向励起であるが、本発明はこれに限定されず、前方励起および後方励起であってもよい。
【００８７】
増幅媒体には、希土類元素イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバを好適に用いることができる。特に本発明では、ツリウム添加光ファイバ、エルビウム添加光ファイバ、ホルミウム添加光ファイバなどを使用することができる。具体的には、増幅媒体としては、希土類イオンを添加した増幅用光ファイバを用いることができ、これは、ホストガラスとして石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスまたはテルライトガラス等である。希土類イオンは、いずれのイオンであってもよいが、ツリウムイオン（Ｔｍ３＋）、ホルミウムイオン（Ｈｏ３＋）、エルビウムイオン（Ｅｒ３＋）が好ましい。
【００８８】
合波器および光分岐素子（分波器）は、溶融延伸のファイバ型（分岐型、波長分割多重型いずれも）、誘電体多層膜型またはファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等である。また、合波器は、励起光／信号光合波カップラのような通常の合波器を使用することもできる。
【００８９】
制御光を発生する制御光源、励起光を発生する励起光源は、例えばＮｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザまたはファイバレーザ等がある。図６に示される光増幅器では、励起光は双方向励起であるが、本発明はこれに限定されず、前方励起および後方励起であってもよい。
【００９０】
以下に本発明の光増幅器を用いた制御方法（本発明の光増幅器の動作）について具体的に説明する。以下では、監視手段６０１の光検出器が制御光源に含まれ、制御光の利得をモニタする場合を例に取り説明する。
【００９１】
信号光は合波器６１８で制御光源６１０からの制御光と合波される。次いで、合波された信号光はアイソレータ６２４を通過し、合波器６２０で励起光源６１４からの励起光と合波される。励起光と合波された信号光は、増幅媒体６１２に入る。増幅媒体は、励起光源６１４と励起光源６１６で双方向から励起される。増幅媒体を出た信号光は、合波器６２２、アイソレータ６２６を通過し、分波器６３４で分波される。分波器６３４で分波されなかった信号光の一部は信号出力光として出力される。
【００９２】
制御光源から増幅用光ファイバ６１２へ入力される制御光は、制御光源６１０の内部の光検出器で検出され、その制御光のパワーは、第１の信号として演算部６３２へ送られる。増幅媒体から出力された制御光は、分波器６３４で分波され、その制御光のパワーは、第２の信号６３６として演算部６３２に送られる。入力および出力端での制御光のパワーは、電気信号に変換され演算部６３２に入力されることが好ましい。
【００９３】
演算部６３２では、受信した検出値から制御光の利得を算出し、予め設定された値と一致するような制御光源６１０の電流値を算出し、その値は制御部６３０へ送られる。制御部６３０は、演算部６３２から送られてきた電流値になるように制御光源６１０の光量を調整する。
【００９４】
制御光の波長は増幅帯域内にあるため、制御光の利得を一定にするように制御光を調節することで利得プロファイルを一定に制御することができる。
【００９５】
本発明では、演算部に入力される信号は、制御光に基づくもののみではなく、１チャンネル以上の信号光に基づくもの、または、増幅帯域内で予め定められた波長範囲の光に基づくものであってもよい。また、本発明の制御方法では、補正手段により、監視手段から得られた値に応じ、それらの値、または、前記制御部で算出される利得、利得の差、若しくは利得の和を補正することが好ましい。
【００９６】
また、本発明では、監視手段に光バンドパスフィルタを含め、モニタ信号をこれに通すことが好ましい。
【００９７】
以上述べた各発明の光増幅器では、特に増幅媒体内での信号光の伝搬方向については規定していなかったが、光増幅器が以下の（ａ）〜（ｃ）の構成を有し、信号光がこれらに示される伝搬方向をとることができる。
【００９８】
（ａ）増幅媒体の入力側または出力側の両方、或いは、これらのどちらか一方に光アイソレータが接続される。信号光は、増幅媒体内を一方向のみに伝搬する（本明細書中で、シングルパスという）。
【００９９】
（ｂ）増幅媒体の一方に光サーキュレータが接続され、増幅媒体の他端には少なくとも信号光を反射させるミラー機能を有するデバイスが接続される。信号光は光サーキュレータを通過して増幅媒体中を進行し、増幅される。次いで、信号光は、これを反射させるミラーにより折り返されて増幅媒体中を反対方向に進行し、増幅される。増幅された信号光は、サーキュレータを通過して出射する（本明細書で、ダブルパスという）。
【０１００】
（ｃ）増幅媒体の両方に光サーキュレータが接続される。２種類の進行方向の異なる信号光が同時または時間的に分離された状態で増幅媒体中を互いに逆方向に進行し、増幅される（以下、双方向光増幅器という）。
【０１０１】
（実施例）
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【０１０２】
（実施例１）
図７は、本発明の光ファイバ増幅器の本実施例を示す構成図である。図７に示すように、この光ファイバ増幅器は、増幅媒体、例えばコアに希土類イオンを添加した増幅用光ファイバ３３０４、アイソレータ３３０２、３３０５、３３０８、制御光と信号光を合波する合波器３３０１、励起光源３３０９からアイソレータ３３０８を介して供給される励起光とアイソレータ３３０２からの信号光・制御光とを合波する合波器３３０３、増幅用光ファイバ３３０４からアイソレータ３３０５を介して取り出された出力光を分岐する分波器３３０６、分波器３３０６の一方出力から制御光を抽出するためのフィルタ３３１０、内部に光検出器を有する制御光源３３０７、励起光を発生する励起光源３３０９、フィルタ３３１０から出力された制御光を検出する光検出器３３１１、制御光源３３０７からの信号と光検出器３３１１からの信号とを供給される演算部３３１３、および演算部３３１３からの出力により制御光源３３０７を制御する制御部３３１２より構成される。
【０１０３】
希土類イオンを添加した増幅用光ファイバのホストガラスとして石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスまたはテルライトガラス等がある。
【０１０４】
合波器３３０１、分波器３３０６として溶融延伸のファイバ型（分岐型、波長分割多重型いずれも）、誘電体多層膜型またはファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。合波器３３０３として、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型またはファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。制御光を発生する制御光源３３０７、励起光を発生する励起光源３３０９としてＮｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザまたはファイバレーザ等が使用可能である。フィルタ３３１０としては、誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
【０１０５】
本実施例では、信号光は１４８０〜１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを６０００ｐｐｍ添加した５ｍの光ファイバ、制御光源の波長は１５２０ｎｍ、励起波長は１４００ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５は中心波長１４８０ｎｍ、合波器３３０１および分波器３３０６は１５１２ｎｍ以下と１５１８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、合波器３３０３は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、およびフィルタ３３１０は、中心波長１５２０ｎｍ、透過帯域の半値幅０．８ｎｍのものを使用した。また励起光パワーは３００ｍＷに固定とした。
【０１０６】
図７に示すように、信号光は合波器３３０１にて制御光源３３０７からの制御光と合波され、アイソレータ３３０２を通過し、合波器３３０３にて更にアイソレータ３３０８からの励起光と合波され、増幅用光ファイバ３３０４を通過後、アイソレータ３３０５を通過し、分波器３３０６にて分波され、その一方は信号光として出力される。
【０１０７】
増幅用光ファイバ３３０４への入力制御光源パワーは、制御光源３３０７の内部の光検出器にて検出される。増幅用光ファイバ３３０４からの出力制御光パワーは、分波器３３０６で分波され、フィルタ３３１０を通過後、光検出器３３１１にて検出され、その値は電気信号として演算部３３１３に送られる。
【０１０８】
演算部３３１３では、受信した検出値から制御光の利得を算出し、予め設定された値と一致するような制御光源３３０７の電流値を算出し、その値は制御部３３１２へ送られる。
【０１０９】
制御部３３１２は、演算部３３１３から送られてきた電流値になるように制御光源３３０７の光量を調整する。
【０１１０】
制御光の波長は増幅帯域内にあるため、制御光の利得を一定にするように制御光を調節することで利得プロファイル一定制御を実現することが可能となる。
【０１１１】
図８は、実施例１において各入力信号レベルを変えた場合の利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。つまり、各入力信号レベルを−２５、−２０、−１５、−１０、−５ｄＢｍ／ｃｈ．に設定し入力した場合の利得スペクトルについて、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．での利得スペクトルを基準として、入力が変化した際の利得スペクトルと基準スペクトルとの差の最大値をプロットした図である。利得の評価は、−３５ｄＢｍの小信号プローブ光をスキャンすることにより測定した。図８の点線は、モニタする信号光による利得制御をかけない従来例の結果である。図８の実線は、１５２０ｎｍの制御光のモニタ系を用いて、１５２０ｎｍでの利得が一定になるように制御した本発明の場合の値をプロットした結果である。この結果、本発明によれば利得プロファイル制御が可能となることが明らかになった。
【０１１２】
（実施例２）
図９は、本発明の光ファイバ増幅器の第２実施例を示す構成図である。図９において図７と同様の個所には同一の参照番号を付してその説明を省略する。図９に示すように、この光ファイバ増幅器は、図７の構成に加え、増幅器へ入出力する信号光を分波する分波器３５０１、分波器３５０１からの信号光を抽出するためのフィルタ３５０２、制御光源３５０４、フィルタ３５０２から入力する信号光パワーを検出する光検出器３５０３より構成される。本実施例においては、分波器３３０６、フィルタ３３１０および光検出器３３１１は、それぞれ出力する信号光を分波し、抽出し、およびパワーを検出する。
【０１１３】
分波器３５０１として溶融延伸のファイバ型（分岐型、波長分割多重型いずれも）、誘電体多層膜型、およびファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。制御光を発生する制御光源３５０４としてＮｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザまたはファイバレーザ等が使用可能である。フィルタ３５０２としては、誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
【０１１４】
本実施例では、信号光は１４７０〜１５００ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを４０００ｐｐｍ添加した１０ｍの光ファイバ、制御光源３３０４の波長は１４６０ｎｍ、励起波長は１４００ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５は中心波長１４８０ｎｍ、分波器３５０１および分波器３３０６は分岐比９５：５のファイルカプラ、合波器３３０１は１４６２ｎｍ以下と１４６８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、合波器３３０１は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、フィルタ３５０２、３３１０は、中心波長１５１０ｎｍ、透過帯域の半値幅０．８ｎｍのものを使用した。また励起光パワーは３００ｍＷに固定とした。なお、モニタする波長多重信号光のうち１チャネルは、１５１０ｎｍの入力光とする。
【０１１５】
図９に示すように、信号光は分波器３５０１にて分波され、分波器３５０１からの信号光は、合波器３３０１にて制御光源３５０４からの制御光と合波され、アイソレータ３３０２を通過し、波長分割多重カプラ３３０３にて更にアイソレータ３３０８からの励起光と合波され、増幅用光ファイバ３３０４を通過後、アイソレータ３３０５を通過し、分波器３３０６にて分波され、その一方は信号光として出力される。
【０１１６】
１５１０ｎｍの入力信号光パワーは、分波器３５０１にて分岐され、フィルタ３５０２を通過後、光検出器３５０３にて検出され、１５１０ｎｍの出力信号光パワーは、分波器３３０６で分波されフィルタ３３１０を通過後、光検出器３３１１にて検出され、それらの値は電気信号にて演算部３３１３に送られる。
【０１１７】
演算部３３１３では、受信した検出値から１５１０ｎｍの信号光の利得を算出し、予め設定された値と一致するように制御光源３５０４の電流値を算出し、その値は制御部３３１２へ送られる。制御部３３１２は演算部３３１３から送られてきた電流値になるように制御光源３５０４の光量を調整する。ここでは、１５１０ｎｍの１チャネルの信号光パワーの検出値に基づいて制御光源３５０４の光量を制御したが、２以上の複数のチャネルを用いて、制御する他の実施例も可能である。さらに、モニタする信号光として予め定めた波長範囲の全信号光量を用いて、制御を行う実施例も可能である。この場合、本実施例では例えば、１４７０〜１５００ｎｍの範囲の各チャネルについての信号光パワーの総量を算出して、これをもとに利得を計算することにより、上述のとおり制御光源３５０４の光量を調整することができる。
【０１１８】
図１０は、各入力信号レベルを変えた場合の、利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。つまり、各入力信号レベルを−２５、−２０、−１５、−１０、−５ｄＢｍ／ｃｈ．に設定し入力した場合の利得スペクトルについて、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．での利得スペクトルを基準として、入力が変化した際の利得スペクトルと基準スペクトルとの差の最大値をプロットした図である。利得の評価、−３５ｄＢｍの小信号プローブ光をスキャンすることにより測定した。図１０の点線は、モニタする信号光による利得制御をかけない従来例の結果である。図１０の実線は、１５１０ｎｍの信号光のモニタ系を用いて、１５１０ｎｍでの利得が一定になるように制御した本発明の場合の値をプロットした結果である。この結果、本発明によれば利得プロファイル制御が可能となることが明らかになった。
【０１１９】
（実施例３）
図１１は、本発明の光ファイバ増幅器の第３実施例を示す構成図である。図１１において図９と同様の個所には同一の参照番号を付してその説明を省略する。図１１に示すように、この光ファイバ増幅器は、図９に加えて出力光のうち分波器３３０６から分岐された出力光を分岐する分波器３７０２、分波器３７０２からの制御光を抽出するためのフィルタ３７０３、フィルタから抽出された制御光パワーを検出する光検出器３７０４、アイソレータ３３０８からの励起光を合波器３３０３および３７０５に分岐させる分波器３７０１および増幅用光ファイバ３３０４からの信号光と分波器３７０１からの励起光を合波する合波器３７０５より構成される。ここで、制御光源３３０７は、入力制御光源パワーを検出するための光検出器を内部に有する。
【０１２０】
合波器３７０５として、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型またはファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。フィルタ３７０３としては誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
【０１２１】
本実施例では、信号光は１４６０〜１４９０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを２０００ｐｐｍ添加した２０ｍの光ファイバ、制御光源３３０７の波長は１４５０ｎｍ、励起波長は１３９０ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５は中心波長１４８０ｎｍ、分波器３５０１，３３０６は、分岐比９５：５のファイルカプラ、合波器３３０１は１４５２ｎｍ以下と１４５８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３７０１、３７０２は分岐比３ｄＢのファイバカプラ、合波器３３０３，３７０５は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、フィルタ３５０２、３３１０は、中心波長１４９０ｎｍ、透過帯域の半値幅０．８ｎｍのもの、フィルタ３７０３は、中心波長１４５０ｎｍ、透過帯域の半値幅が０．８ｎｍのものを使用した。なお、モニタする信号光は１４５０ｎｍの制御光と１４９０ｎｍの信号光とした。
【０１２２】
ここで、２つのモニタする信号光の利得をＧ（１４５０ｎｍ）およびＧ（１４９０ｎｍ）とし、合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを以下のように定義する。
【０１２３】
ＧＳ＝Ｇ（１４５０ｎｍ）＋Ｇ（１４９０ｎｍ） …（１）
ΔＧ＝Ｇ（１４５０ｎｍ）−Ｇ（１４９０ｎｍ） …（２）
【０１２４】
ＧＳおよびΔＧが一意に決まればＧ（１４５０ｎｍ）およびＧ（１４９０ｎｍ）も決定するので、ＧＳおよびΔＧの値を制御することで、Ｇ（１４５０ｎｍ）およびＧ（１４９０ｎｍ）を制御可能である。
【０１２５】
図１２は、実施例３において、入力信号光パワーを−１５ｄＢｍ／ｃｈ．、励起光パワーを４００ｎＷに固定し、制御光のパワーを変化させた場合の、２つのモニタする信号光の合計利得ＧＳと利得差ΔＧをプロットした図である。ＧＳは実線で示され、△Ｇは破線で示される。ＧＳおよびΔＧの値は、共に制御光パワーの増加に伴い、単調的に減少している。
【０１２６】
図１３は、実施例３において、入力信号光パワーを−１５ｄＢｍ／ｃｈ．、制御光パワーを−１５ｄＢｍに固定し、励起光パワーを変化させた時の、２つのモニタする信号光の合計利得ＧＳと利得差ΔＧをプロットした図である。図１２同様にＧＳは実線で示され、△Ｇは破線で示される。励起光の増加に伴い、ＧＳは単調増加しているのに対し、ΔＧは殆ど変化していない。
【０１２７】
図１２および図１３の結果から、次のような制御アルゴリズムを適用することで利得スペクトル制御が可能となることがわかる。モニタする信号光の利得が変化した時、まず、励起光パワーを固定したまま、励起光パワーを変化させてもほとんど変化することのない△Ｇが所望の値になるように制御光のパワーを調整する。次に制御光のパワーを固定し、所望のＧＳとなるように励起光パワーを調整する。この結果、利得スペクトル制御が可能となる。
【０１２８】
図１１に示すように、信号光は、分波器３５０１にて分波され、合波器３３０１にて制御光源３３０７からの制御光と合波され、アイソレータ３３０２を通過し、合波器３３０３にて更に分波器３７０１からの励起光と合波され、増幅用光ファイバ３３０４を通過後、分波器３７０１からの励起光と信号光とを合波する合波器３７０５を通過し、アイソレータ３３０５を通過し、分波器３３０６にて分波され、その一方は信号光として出力される。
【０１２９】
分波器３５０１で分波された一方の信号光は、フィルタ３５０２にて１４９０ｎｍの信号光のみ抽出された後、光検出器３５０３にて検出され、増幅用光ファイバに入力される制御光パワーは制御光源３３０７内の光検出器で検出され、分波器３３０６で分波された出力光は、更に分波器３７０２で分岐され、一方はフィルタ３３１０にて１４９０ｎｍの信号光のみ抽出された後、光検出器３３１１で検出され、もう一方はフィルタ３７０３にて１４５０ｎｍの制御光のみ抽出された後、光検出器３７０４で検出され、それらの検出値は電気信号に変換後、演算部３３１３に送られる。
【０１３０】
演算部３３１３では、受信した検出値から信号光および制御光の利得を算出し、これをもとにＧＳおよびΔＧを算出して、予め設定されたＧＳおよびΔＧと一致するように制御光源および励起光源の電流値を算出し、それらの値は制御部３３１２へ送られる。
【０１３１】
制御部３３１２は、演算部３３１３から送られてきた電流値になるように制御光源３３０７および励起光源３３０９の光量を調整する。
【０１３２】
図１４は、本発明の利得制御の際、−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力時の利得スペクトルを基準として各入力条件（−２５，−２０，−１５，−１０ｄＢｍ／ｃｈ．）の利得スペクトルの偏差をプロットした図である。全入力条件に対し利得偏差０．３ｄＢを実現しており、本発明の有効性が実証された。
【０１３３】
（実施例４）
本実施例の構成は、図１１を参照して実施例３で説明したものと同様であるが、演算部において数値設定を行う例である。従って、演算部での処理以外、即ち各構成の部材、装置は実施例３と同様のものを使用する。以下の説明では、図１５を参照する。
【０１３４】
本実施例では、信号光は１４９０〜１５２０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを８０００ｐｐｍ添加した４ｍの光ファイバ、制御光源３３０７の波長は１４７０ｎｍ、励起波長は１４００ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５、３３０８は中心波長１４７０ｎｍ、分波器３５０１、３３０６は分岐比９５：５のファイバカプラ、合波器３３０１は１４７２ｎｍ以下と１４７８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３７０１、３７０２は３ｄＢの分岐カプラ、合波器３３０３，３７０５は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、フィルタ３５０２、３３１０は、透過帯域が１４９０〜１５２０ｎｍのもの、フィルタ３７０３は、中心波長１４７０ｎｍ、透過帯域の半値幅が０．８ｎｍのもの、を使用した。なお、モニタする信号光は１４７０ｎｍの制御光と予め定めた波長範囲の光量として、１４９０〜１５２０ｎｍの波長範囲の全信号光とした。
【０１３５】
ここで、２種類のモニタする信号光の利得をＧ（１４７０ｎｍ）およびＧ（１４９０〜１５２０ｎｍ）とし、合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを以下のように定義する。
【０１３６】
ＧＳ＝Ｇ（１４７０ｎｍ）＋Ｇ（１４９０〜１５２０ｎｍ） …（１）
ΔＧ＝Ｇ（１４７０ｎｍ）−Ｇ（１４９０〜１５２０ｎｍ） …（２）
【０１３７】
ＧＳおよびΔＧが一意に決まればＧ（１４７０ｎｍ）およびＧ（１４９０〜１５２０ｎｍ）も決定するので、ＧＳおよびΔＧを制御することで、Ｇ（１４７０ｎｍ）およびＧ（１４９０〜１５２０ｎｍ）を制御可能である。
【０１３８】
本実施例のＧＳとΔＧにおいても、励起光パワーや制御光パワーの変化に対し、実施例３のＧＳとΔＧと同様の傾向を示すため、同様の制御アルゴリズムを適用することにより利得スペクトル制御が可能である。また、実施例３と同様、入力された信号光は、分波器３５０１に入力し、分波器３３０６にて分波され、その一方は信号光として出力される。
【０１３９】
分波器３５０１で分波された信号光は、フィルタ３５０２にて増幅帯域内で予め定めた波長範囲である１４９０〜１５２０ｎｍの全信号光が抽出された後、光検出器３５０３にて検出され、増幅用光ファイバに入力される制御光パワーは制御光源に内蔵された光検出器により検出され、分波器３３０６で分波された信号光および制御光は、分波器３７０２で分岐され、一方はフィルタ３３１０にて１４９０〜１５２０ｎｍの全信号光パワーが抽出された後、光検出器３３１１で検出され、もう一方はフィルタ３７０３にて１４７０ｎｍの制御光のみ抽出された後、光検出器３７０４で検出され、それらの検出値は電気信号に変換後、演算部３３１３に送られ、実施例３と同様これらの検出値に基づき、制御部３３１２は制御光源３３０７および励起光源３３０９の光量を調整する。
【０１４０】
本発明の利得制御時、−２５〜−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力条件に対し、利得偏差０．３ｄＢ以下を実現し、本制御の有効性を実証した。
【０１４１】
（実施例５）
本実施例の構成は、図１１を参照して実施例３で説明したものと同様であり、各部材、装置も実施例３と同様のものを使用するが、増幅用光ファイバとしてＨｏ添加光ファイバを使用する。この点が実施例３と異なる。以下の説明では、図１１を参照する。
【０１４２】
本実施例では、信号光は２８９０〜２９２０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにホルミウムイオン（Ｈｏ３＋） を１０００ｐｐｍ添加した２０ｍの光ファイバ、制御光源３３０７の波長は２８８０ｎｍ、励起波長は１２００ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５は中心波長２９００ｎｍ、分波器３５０１、３３０６は分岐比９５：５のファイバカプラ、合波器３３０１は２８８２ｎｍ以下と２８８８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３７０１、３７０２は３ｄＢの分岐カプラ、合波器３３０３、３７０５は１３００ｎｍ以下と１３１０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、フィルタ３５０２、３３１０は、透過帯域が２８９０〜２９２０ｎｍのもの、フィルタ３７０３は、中心波長２８８０ｎｍ、透過帯域の半値幅が０．８ｎｍのもの、を使用した。なお、モニタする信号光は２８８０ｎｍの制御光と予め定めた波長範囲の光量として、２８９０〜２９２０ｎｍの波長範囲の全信号光とした。
【０１４３】
ここで、２種類のモニタする信号光の利得をＧ（２８８０ｎｍ）およびＧ（２８９０〜２９２０ｎｍ）とし、合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを以下のように定義し、実施例４と同様に合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを求め、外部より入力されたＧＳおよびΔＧと一致するよう制御光源および励起光源の電流値を算出し、それらの値は制御部３３１２へ送られる。制御部３３１２は受信した電流値になるように制御光源３３０７および励起光源３３０９を調整する。
【０１４４】
ＧＳ＝Ｇ（２８８０ｎｍ）＋Ｇ（２８９０〜２９２０ｎｍ） …（１）
ΔＧ＝Ｇ（２８８０ｎｍ）−Ｇ（２８９０〜２９２０ｎｍ） …（２）
【０１４５】
本発明の利得制御時、−２５〜−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力条件に対し、利得偏差０．３ｄＢ以下を実現し、本制御の有効性が実証された。
【０１４６】
（実施例６）
本実施例の構成は、図１１を参照して実施例３で説明したものと同様であり、各部材、装置も実施例３と同様のものを使用するが、増幅用光ファイバとしてＥｒ添加光ファイバを使用する。この点が実施例３と異なる。なお、以下の説明では、図１１を参照する。
【０１４７】
本実施例では、信号光は１６９０〜１７２０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにエルビウムイオン（Ｅｒ３＋）を２０００ｐｐｍ添加した１５ｍの光ファイバ、制御光源３３０７の波長は１６８０ｎｍ、励起波長は８００ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５は中心波長１７００ｎｍ、分波器３５０１、３３０６は分岐比９５：５のファイバカプラ、合波器３３０１は１６８２ｎｍ以下と１６８８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３７０１、３７０２は３ｄＢの分岐カプラ、合波器３３０３、３７０５は１３００ｎｍ以下と１３１０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、フィルタ３５０２、３３１０は、透過帯域が１６９０〜１７２０ｎｍのもの、フィルタ３７０３は、中心波長１６８０ｎｍ、透過帯域の半値幅が０．８ｎｍのもの、を使用した。なお、モニタする信号光は１６８０ｎｍの制御光と予め定めた波長範囲の光量として、１６９０〜１７２０ｎｍの波長範囲の全信号光とした。
【０１４８】
ここで、２種類のモニタする信号光の利得をＧ（１６８０ｎｍ）およびＧ（１６９０〜１７２０ｎｍ）とし、合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを以下のように定義し、実施例５と同様に合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを求め、外部より入力されたＧＳおよびΔＧと一致するよう制御光源および励起光源の電流値を算出し、それらの値は制御部３３１２へ送られる。制御部３３１２は受信した電流値になるように制御光源３３０７および励起光源３３０９を調整する。
【０１４９】
ＧＳ＝Ｇ（１６８０ｎｍ）＋Ｇ（１６９０〜１７２０ｎｍ） …（１）
ΔＧ＝Ｇ（１６８０ｎｍ）−Ｇ（１６９０〜１７２０ｎｍ） …（２）
【０１５０】
本発明の利得制御時、−２５〜−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力条件に対し、利得偏差０．３ｄＢ以下を実現し、本制御の有効性が実証された。
【０１５１】
以上、実施例３〜実施例６では添加イオンとしてＴｍ３＋、Ｈｏ３＋、Ｅｒ３＋について説明したが、本発明はこれらのイオンを使用する場合に限定されない。即ち、増幅の始凖位と終凖位の合計イオン数が一定となる条件が成立しないようなタイプの希土類添加光増幅器に本発明を適用することができる。
【０１５２】
（実施例７）
図１６は、本発明の光ファイバ増幅器の第７実施例を示す構成図である。図１６において図１１と同様の個所には同一の参照番号を付してその説明を省略する。図１６に示すように、この光ファイバ増幅器は、図１１の構成に加え、信号光を分波する分波器４１０１、分波器４１０１からの信号光を抽出するためのフィルタ４１０２、フィルタ４１０２からの入力する信号光パワーを検出する光検出器４１０３が含まれる。また、本実施例では、フィルタ３７０３は、分波器３７０２からの信号光を抽出し、光検出器３７０４は、この抽出された信号光パワーを検出する。なお、励起光パワーは４００ｍＷに固定とした。
【０１５３】
分波器４１０１として溶融延伸のファイバ型（分岐型、波長分割多重型いずれも）、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。フィルタ４１０２として誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
【０１５４】
本実施例では、信号光は１４８０〜１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを６０００ｐｐｍ添加した５ｍの光ファイバ、制御光源３５０４の波長は１４７０ｎｍ、励起波長は１４１０ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５、３３０８は中心波長１４８０ｎｍ、分波器３５０１、３３０６は分岐比９５：５のファイバカプラ、合波器３３０１は１４７２ｎｍ以下と１４７８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３７０１、３７０２、４１０１は３ｄＢの分岐カプラ、合波器３３０３、３７０５は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、フィルタ３３１０、３５０２は、中心波長１４８０ｎｍ、透過帯域の半値幅０．８ｎｍのもの、フィルタ４１０２、３７０３は、中心波長１５１０ｎｍ、透過帯域の半値幅が０．８ｎｍのもの、を使用した。なお、モニタする信号光は１４８０ｎｍと１５１０ｎｍの信号光とした。
【０１５５】
ここで、２種類のモニタする信号光の利得をＧ（１４８０ｎｍ）およびＧ（１５１０ｎｍ）とし、合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを以下のように定義する。
【０１５６】
ＧＳ＝Ｇ（１４８０ｎｍ）＋Ｇ（１５１０ｎｍ） …（１）
ΔＧ＝Ｇ（１４８０ｎｍ）−Ｇ（１５１０ｎｍ） …（２）
【０１５７】
ＧＳおよびΔＧが一意に決まればＧ（１４８０ｎｍ）およびＧ（１５１０ｎｍ）も決定するので、ＧＳおよびΔＧを制御することで、Ｇ（１４８０ｎｍ）およびＧ（１５１０ｎｍ）を制御可能である。
【０１５８】
本実施例のＧＳとΔＧにおいても、励起光パワーや制御光パワーの変化に対し、実施例３のＧＳとΔＧと同様の傾向を示すため、同様の制御アルゴリズムを適用することにより利得スペクトル制御が可能であり、実施例３と同様にＧＳとΔＧを算出し、これをもとに制御光源３５０４および励起光源３３０９の光量を調整する。
【０１５９】
本実施例においては、波長多重信号光のうち２チャネル（１４８０ｎｍおよび１５１０ｎｍ）を用いて利得を求め、ＧＳおよびΔＧを算出して制御光源３５０４および励起光源３３０９の光量を制御したが、さらに多くのチャネルを用いて制御を行う実施例も可能である。この場合、例えば各チャネルの利得の差分としては△Ｇの代りに２種類の任意の２チャネルの利得の差分を用いる方法が考えられるが、２チャネルにおけるＧＳとΔＧのように、各チャネルの利得の制御が可能な範囲で変数を自由に定義し、光量制御のために用いることができる。
【０１６０】
本発明の利得制御時、−２５〜−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力条件に対し、利得偏差０．３ｄＢ以下を実現し、本制御の有効性が実証された。
【０１６１】
（実施例８）
図１７は、本発明の光ファイバ増幅器の第８実施例を示す構成図である。図１７において図１１と同様の個所には同一の参照番号を付してその説明を省略する。図１７に示すように、この光ファイバ増幅器は、図１１の構成に加え、演算部４３１３を有する。演算部４３１３は、光検出器３５０３で検出された信号光パワーを補正する補正回路４３０１および補正された信号光パワーに基づいて演算を行ってその結果を制御部３３１２に送る演算回路４３０２を有する。実施例４同様、各部材、装置は実施例３と同様のものを使用する。
【０１６２】
本実施例では、信号光は１４８０〜１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを６０００ｐｐｍ添加した５ｍの光ファイバ、制御光源３３０７の波長は１４７０ｎｍ、励起波長は１３９０ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５は中心波長１４８０ｎｍ、合波器３３０１は１４７２ｎｍ以下と１４７８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３７０１、３７０２は３ｄＢの分岐カプラ、合波器３３０３、３７０５は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３５０１、３３０６は分岐比９５：５の分岐カプラ、フィルタ３５０２、３３１０は、透過帯域が１４８０〜１５１０ｎｍのもの、フィルタ３７０３は、中心波長１４７０ｎｍ、透過帯域の半値幅が０．８ｎｍのもの、を使用した。なお、モニタする信号光は１４７０ｎｍの制御光と予め定めた波長範囲の光量として、１４８０〜１５１０ｎｍの波長範囲の全信号光とした。
【０１６３】
ここで、２種類のモニタする信号光の利得をＧ（１４７０ｎｍ）およびＧ（１４８０〜１５１０ｎｍ）とする。しかし、光検出器３５０３に検出される全信号光パワーには信号光以外の光（増幅された自然放出光等）が含まれ、無視できないほど大きい場合がある。特に多段中継後の場合にはその傾向が顕著に表れる。そこで補正回路４３０１にて入力信号光パワーに応じたある関数から計算される補正値を発生し、その値を演算部で計算されたＧ（１４８０〜１５１０ｎｍ）に加算もしくは掛算することでＧ（１４８０〜１５１０ｎｍ）の補正を行う。補正後のＧ（１４８０〜１５１０ｎｍ）をＧ′（１４８０〜１５１０ｎｍ）とする。合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを以下のように定義する。
【０１６４】
ＧＳ＝Ｇ（１４７０ｎｍ）＋Ｇ′（１４８０〜１５１０ｎｍ） …（１）
ΔＧ＝Ｇ（１４７０ｎｍ）−Ｇ′（１４８０〜１５１０ｎｍ） …（２）
【０１６５】
ＧＳおよびΔＧが一意に決まればＧ（１４７０ｎｍ）およびＧ′（１４８０〜１５８０ｎｍ）も決定するので、ＧＳおよびΔＧを制御することで、Ｇ（１４７０ｎｍ）およびＧ′（１４８０〜１５１０ｎｍ）を制御可能である。
【０１６６】
本実施例のＧＳとΔＧにおいても、励起光パワーや制御光パワーの変化に対し、実施例３のＧＳとΔＧと同様の傾向を示すため、同様の制御アルゴリズムを適用することにより利得スペクトル制御が可能である。また、実施例３と同様、入力された信号光は、分波器３５０１で分波され、分波器３３０６にて分波され、その一方は信号光として出力される。
【０１６７】
分波器３５０１で分岐された信号光は、フィルタ３５０２にて１４８０〜１５１０ｎｍの全信号光が抽出された後、光検出器３５０３にて検出され、制御光は制御光源に内蔵された光検出器３３０７で検出され、分波器３３０６で分波された信号光および制御光は、分波器３７０２でさらに分岐され、一方はフィルタ３７０３にて１４７０ｎｍの制御光が抽出された後、光検出器３７０４で検出され、もう一方はフィルタ３３１０にて１４８０〜１５１０ｎｍの全信号光が抽出された後、光検出器３３１１で検出され、それらの検出値は電気信号に変換後、演算部４３１３の演算回路４３０２に送られる。また、光検出器３５０３にて検出された検出値は補正回路４３０１に送られる。
【０１６８】
光検出器３５０３で検出された検出値は、演算部３３１３内の補正回路４３０１にて以下の式に従って補正される。
【０１６９】
Ｐｒｅ：補正後制御光源出力（ｍＷ）
Ｐｃ：補正前制御光源出力（ｍＷ）
【０１７０】
本補正式は光検出器３５０３にて検出した制御光パワー値に応じて、その値に重み付けして補正するものであり、補正前後の制御光出力の関係を図１８に示す。横軸を補正前制御光出力、縦軸を補正前制御光出力と補正後制御光出力の差（ΔＰ）とした。補正前制御光出力が増加するにつれΔＰが急激に増加していることが分かる。なお本方程式はあくまでも一例であり、制御時の増幅器の動作条件を満たすのであれば多種多様の関数を取り得る。また、本実施例では、光検出器３５０３からの出力値の補正についてのみ説明したが、他の実施例としては、光検出器３７０４からの出力値を補正することまたは光検出器３５０３および３７０４からの出力値の双方を補正する構成も可能である。
【０１７１】
補正後の制御光源出力値は、演算回路４３０２へ送られる。
【０１７２】
演算回路４３０２では、受信した検出値や補正値から信号光および制御光の利得を算出した上で、ＧＳおよびΔＧを算出する。予め設定されたＧＳおよびΔＧと一致するよう制御光源および励起光源の電流値を算出し、それらの値は制御部３３１２へ送られる。
【０１７３】
制御部３３１２は、演算回路４３０２から送られてきた電流値になるように制御光源３３０７および励起光源３３０９を調整する。
【０１７４】
本発明の利得制御時、−２５〜−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力条件に対し、利得偏差０．３ｄＢ以下を実現し、本制御の有効性が実証された。
【０１７５】
（実施例９）
図１９は、本発明の光ファイバ増幅器の第９実施例を示す構成図である。図１９において図１７と同様の個所には同一の参照番号を付してその説明を省略する。図１９に示すように、図１７の構成に加え、制御光と信号光を合分波するファイバグレーティング４５０１、４５０５と組み合わせたサーキュレータ４５０２、４５０４、アイソレータ３３０８からの励起光とサーキュレータ４５０２からの信号光・制御光とを合波する合波器４５０３が含まれる。
【０１７６】
ファイバグレーティング４５０１、４５０５と組み合わせたサーキュレータ４５０２、４５０４の代わりに溶融延伸のファイバ型（分岐型、波長分割多重型いずれも）、誘電体多層膜型等が使用可能である。合波器４５０３として、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
【０１７７】
本実施例では、信号光は１４７８、１４８０、１４８２、１４８４、１４８６、１４８８、１４９０、１４９２、１４９６、１４９８、１５００、１５０２、１５０４、１５０６、１５０８、１５１０ｎｍの１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを６０００ｐｐｍ添加した７ｍの光ファイバ、制御光源の波長は１４９４ｎｍ、励起波長は１４００ｎｍ、アイソレータ３３０８は中心波長１４００ｎｍ、ファイバグレーティング４５０１、４５０５と組み合わせたサーキュレータ４５０２、４５０４は合分波波長１４９４ｎｍ（帯域幅０．８ｎｍ）、合波器４５０３は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラを使用した。また励起光パワーは３００ｍＷに固定とした。
【０１７８】
図１９に示すように、信号光は、分波器４５０１にて制御光と合波され、ファイバグレーティング４５０１と組み合わせたサーキュレータ４５０２を通過し、合波器４５０３にて更に励起光と合波され、増幅用光ファイバ３３０４を通過後、ファイバグレーティング４５０５と組み合わせたサーキュレータ４５０４にて分波され、その一方は信号光として出力される。
【０１７９】
増幅用光ファイバ３３０４に入力される制御光パワーは、制御光源３３０７の内部の光検出器にて検出され、増幅用光ファイバより出力される制御光パワーは、ファイバグレーティング４５０５と組み合わせたサーキュレータ４５０４で分波され、光検出器３３１１にて検出され、それらの値は電気信号にて演算部３３１３に送られる。
【０１８０】
制御光源３３０７内部の光検出器に検出された検出値は、演算部３３１３内の補正回路４３０１にて以下の式に従って実施例８と同様に補正され、補正前後の制御光出力の関係は図２０に示される。
【０１８１】
Ｐｒｅ＝Ｐｃ・（１．０１０６−０．７３５５９・Ｐｃ），Ｐｃ≧０．００５
Ｐｒｅ：補正後制御光源出力（ｍＷ）
Ｐｃ：補正前制御光源出力（ｍＷ）
【０１８２】
なお、本方程式はあくまでも一例であり、制御時の増幅器の動作条件を満たすのであれば多種多様の関数を取り得る。また、本実施例では、光検出器を内部の制御光源３３０７からの出力値の補正についてのみ説明したが、この他には、光検出器３３１１からの出力値を補正することまたは光検出器３３１１および制御光源３３０７からの出力値の双方を補正する構成も可能である。
【０１８３】
補正後の制御光源出力値は、演算回路４３０２へ送られ、補正値に基づき制御光源３３０７の光量が調整される。
【０１８４】
本発明の利得制御時、−２５〜−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力条件に対し、利得偏差０．３ｄＢ以下を実現し、本制御の有効性を実証した。
【０１８５】
【発明の効果】
本発明によれば、希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器において、少なくとも光増幅器内に制御光源を有し、制御光もしくは信号光の利得を制御すること、少なくとも光増幅器内に制御光源を有し、制御光利得と信号光利得を制御すること、または、少なくとも光増幅器内に制御光源を有し、２つの信号光の利得を制御することにより利得スペクトルを一定に制御することができる。
【０１８６】
また、本発明の光増幅器は、ＷＤＭ伝送システムに適用した場合、信号チャネル数の変化に伴う入力レベルの変動および温度変化による利得スペクトルの変化に対し、信号光の利得スペクトルの制御が可能である。
【０１８７】
また、本発明の光増幅器は、伝送路損失の経時変化時の補償に必要な出力を一定に制御することができ、さらに、発振波長のホールバーニング等にも対応することができる。
【０１８８】
本発明の制御方法は、広く一般的な希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、石英をホストガラスとする場合のＥｒイオン、およびＰｒイオンの、増幅に大きく関与するエネルギー準位を表す模式図である。
【図２】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、ＥｒイオンおよびＴｍイオンのエネルギー凖位を示す図である。
【図３】ＴＤＦＡにおいて波長λ１での利得を一定にし、ＴＤＦＡの励起光量を調節した場合の特性を示す図である。
【図４】制御光と信号光の総入力パワーが常に一定になるように制御光源の光量を調節した場合の利得スペクトルを表す図である。
【図５】制御光と信号光の総出力パワーが常に一定になるように制御光源の光量を調節した場合の利得スペクトルを表す図である。
【図６】本発明の光増幅器を説明するための構成図である。
【図７】本発明の光ファイバ増幅器の第１実施例を説明するための構成図である。
【図８】第１実施例において各入力信号レベルを変えた場合の利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。
【図９】本発明の光ファイバ増幅器の第２実施例を説明するための構成図である。
【図１０】第２実施例において各入力信号レベルを変えた場合の利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。
【図１１】本発明の光ファイバ増幅器の第３実施例を説明するための構成図である。
【図１２】第３実施例において、入力信号光パワーを−１５ｄＢｍ／ｃｈ．、励起光パワーを４００ｍＷに固定し、制御光のパワーを変化させた場合の、２つのモニタする信号光の合計利得ＧＳと利得差ΔＧをプロットした図である。
【図１３】第３実施例において、入力信号光パワーを−１５ｄＢｍ／ｃｈ．、制御光パワーを−１５ｄＢｍに固定し、励起光パワーを変化させた時の、２つのモニタする信号光の合計利得ＧＳと利得差ΔＧをプロットした図である。
【図１４】本発明の利得制御時、−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力時の利得スペクトルを基準として各入力条件（−２５，−２０，−１５，−１０ｄＢｍ／ｃｈ．）の利得スペクトルの偏差をプロットした図である。
【図１５】第４〜第６実施例を説明するための構成図である。
【図１６】本発明の光ファイバ増幅器の第７実施例を説明するための構成図である。
【図１７】本発明の光ファイバ増幅器の第８実施例を説明するための構成図である。
【図１８】第８実施例において、補正前後の制御光出力の関係を示した図である。
【図１９】本発明の光ファイバ増幅器の第９実施例を説明するための構成図である。
【図２０】第９実施例において、補正前後の制御光出力の関係を示した図である。
【符号の説明】
６００ 光増幅器
６０１、６０３ 監視手段
６０２ 増幅部
６０４ 制御システム
６１０ 制御光源
６１２ 増幅媒体
６１４、６１６ 励起光源
６１８、６２０、６２２ 合波器
６２４、６２６ アイソレータ
６２８、６３６ 信号
６３０ 制御部
６３２ 演算部
６３４ 光分岐素子
６３４ 分波器
６３５ 光検出器
３３０１、３３０３、３７０５、４５０３ 合波器
３３０２、３３０５、３３０８ アイソレータ
３３０３ 波長分割多重カプラ（合波器）
３３０４ 増幅用光ファイバ
３３０６、３５０１、３７０１、３７０２、４１０１、４５０１ 分波器
３３０７、３３１１、３５０３、３７０４、４１０３ 光検出器
３３０７、３３０７、３５０４ 制御光源
３３０９ 励起光源
３３１０、３５０２、３７０３、４１０２ フィルタ
３３１２ 制御部
３３１３、４３１３ 演算部
４３０１ 補正回路
４３０２ 演算回路
４５０１、４５０５ ファイバグレーティング
４５０２、４５０４ サーキュレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅器に関する。より詳細には、希土類イオンを含有する増幅媒体を備えた光増幅器の利得プロファイルを制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（ＷＤＭ）通信は、近年における光通信容量の急増に対応する最も有効な手段の１つである。ＷＤＭ通信では信号チャネル数の増加により、通信容量の拡大を行うことを特徴としているが、そのためには信号波長域の拡大が不可欠である。
【０００３】
現在のＷＤＭ通信では、希土類イオン添加光ファイバ増幅器が使用されている。ＷＤＭ通信で使用されている増幅帯域としては、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の増幅帯域であるＣ帯（１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍ）がある。
【０００４】
一方、Ｃ帯と同等の低損失と低分散性を有する帯域として、Ｓ帯（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ）があり、次世代の信号波長域として注目されている。ツリウム添加光ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）は、Ｓ帯に増幅帯域を有しており、精力的な検討がなされている。
【０００５】
Ｓ帯用のＴＤＦＡでは、光増幅器全体でＬ帯のＥＤＦＡと同等のパワー変換効率（４０％）が達成されており、ＷＤＭ伝送の実験も成功している（例えば、ＯＦＣ２００１ ＰＤ−１（非特許文献１）参照）。さらに、Ｃ帯の増幅帯域を使用したＥＤＦＡとＬ帯の増幅帯域を使用したＥＤＦＡとの帯域合波による広帯域化も達成されており、これにより１０．９Ｔｂｉｔ／ｓの広帯域伝送が報告されている（例えば、ＯＦＣ２００１ ＰＤ−２４（非特許文献２）参照）。
【０００６】
ところで、希土類添加光ファイバを増幅媒体として用いた増幅器を中継器として複数用いたＷＤＭ通信において、中継後の増幅器の出力スペクトルが変化し、場合によっては、そのスペクトルが大きく歪むという問題が発生する。
【０００７】
このような現象が現れるのは、伝送路の損失の経時変化や信号チャネル数の変化により光増幅器への入力信号光のパワーが変化し、これによって光増幅器の利得スペクトルが変化し、この変化が伝送路全体で累積して信号の歪みが生じるためである。
【０００８】
上述の増幅器の利得スペクトルが大きく歪む現象は、伝送距離を制限する要因となるため、増幅器の利得スペクトルが一定になるように制御する必要がある。その制御方法としては、各光増幅器において利得プロファイルを一定に保つように制御すること（以下、利得プロファイル一定制御とも称する。）が有効である。
【０００９】
例えば、石英系ＥＤＦＡの制御方法の一例として、１チャネルの信号光の利得をモニタし、そのチャネルの利得が常に一定となるように励起光パワーを制御する方法がある。石英系ＥＤＦＡの利得プロファイルを一定に制御する方法は、この方法でほぼ確立されている。また、フッ化物ＰＤＦＡの利得プロファイル一定制御についても同様の方法で制御することができる。これらの光増幅器の増幅媒体（光ファイバ）は、増幅に関与する準位が実質的に２つである増幅メカニズムにより動作する。そのメカニズムは、増幅に関与する始準位（以下増幅始凖位ともいう）と、増幅に関与する終準位（以下増幅終凖位ともいう）または基底準位のみで取り扱うことができる非常に希なケースである。
【００１０】
これらのケースについて、図１を参照して説明する。図１（Ａ）は石英系ＥＤＦＡの励起準位模式図であり、図１（Ｂ）は、プラセオジム添加光ファイバ増幅器（ＰＤＦＡ）の励起準位模式図である。
【００１１】
石英系ＥＤＦＡでは、図１（Ａ）に示されるように、増幅終準位と基底準位が一致するため、増幅に関与する準位が増幅始準位（４Ｉ１３／２）と増幅終準位（４Ｉ１５／２）の２つとなる。従って、１チャネルの信号光の利得をモニタし、そのチャネルの利得が常に一定となるように励起光源の光量を調節して、利得プロファイルを一定に保つように制御することができる。
【００１２】
また、ＰＤＦＡでは、図１（Ｂ）に示すように、増幅に関与する準位が増幅始準位、増幅終準位および基底準位の３つ存在する。しかし、ＰＤＦＡでは、増幅終準位の蛍光寿命が増幅始準位に比べ非常に短いため、増幅終準位を無視して考えることができる。従って、石英系ＥＤＦＡと同様にして利得プロファイルを一定に保つように制御することができる。
【００１３】
このように、増幅に関与する準位が実質的に２つである場合には、利得プロファイルを一定に保つことは比較的容易である。
【００１４】
しかし、一般には、希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器では、増幅に関与する準位が実質的に２つと見なせる場合は少なく、このような一般的な光増幅器には、上述のような、１つの信号の波長の利得をモニターし、その利得の変化から励起光源の光量を調節して、利得プロファイルを一定に保つように制御する方法を適用することができない。即ち、励起光源の光量を調節して、１つの信号の波長の利得を一定に制御するのみでは、入力信号のレベルの変動やその他の条件（例えば温度変化）に対して利得プロファイルを一定に制御することはできない。
【００１５】
このため、このような系では基本的に２種類の異なる信号の波長での利得をモニタすることが必要となり、複雑な制御をする必要があった。
【００１６】
上述のように、一部の希土類イオンが添加された増幅媒体（光ファイバあるいは光導波路）を用いた光増幅器では、１つの信号の波長での利得をモニタして、励起光を制御して、利得プロファイルを一定に制御することができるが、その他の希土類イオンが添加された増幅媒体を用いた光増幅器では、利得プロファイルを一定に制御することができない。
【００１７】
上述のような１つの信号の波長の利得をモニターし、その変化に基づいて励起光源の光量を調節して、利得プロファイルを一定に保つ方法とは別に、制御光を用いて利得プロファイルを一定に保つ方法も提案されている。
【００１８】
例えば、Ｅ． Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅ ｅｔ ａｌ．， ”Ｄｙｎａｍｉｃ ｇａｉｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｅｒｂｉｕｍ −ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”．， ＩＥＥＥ， Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ． Ｍａｙ １９９１（非特許文献３）には、１波長のＡＳＥレベルをモニタし、ＡＳＥレベルが一定になるように制御光のパワーを制御することが開示されている。
【００１９】
また、特開２０００−２６１０７９号公報（特許文献１）には、希土類添加光ファイバの後方から制御光を入力し、該光ファイバから出力される制御光のパワーをモニタし、このパワーが一定になるように制御光の光源を制御する光増幅器および制御方法が開示されている。
【００２０】
また、特開平８−３０４８５６号公報（特許文献２）には、増幅媒体に入力される励起光と増幅媒体から出力される励起光とをモニタし、これらの値の比率から、光増幅器に入射される制御光のパワーを制御することが開示されている。
【００２１】
また、制御光と信号光の総入力パワーをモニタし、このパワーが一定になるように制御光のパワーを制御すること、および、制御光と信号光の総出力パワーをモニタし、このパワーが一定になるように制御光のパワーを制御することも開示されている。
【００２２】
しかし、上述のような制御光を用いる方法は、増幅に大きく関与する準位（即ち、利得スペクトルの状態を決定する上で考慮すべき準位をいう。）が２つのみである石英系ＥＤＦＡに対しては制御可能であるが、ＴＤＦＡ、その他の希土類添加光ファイバ増幅器に対しては制御できない。
【００２３】
【特許文献１】
特開２０００−２６１０７９号公報
【００２４】
【特許文献２】
特開平８−３０４８５６号公報
【００２５】
【非特許文献１】
ＯＦＣ２００１ ＰＤ−１
【００２６】
【非特許文献２】
ＯＦＣ２００１ ＰＤ−２４
【００２７】
【非特許文献３】
Ｅ． Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅ ｅｔ ａｌ．， ”Ｄｙｎａｍｉｃ ｇａｉｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｅｒｂｉｕｍ −ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”．， ＩＥＥＥ， Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ． Ｍａｙ １９９１
【００２８】
【非特許文献４】
Ｅ． Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅ， ”Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，” Ａ． Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ， Ｃｈａｐｔｅｒ １， １９９４
【００２９】
【非特許文献５】
Ｗｏｎ Ｊａｅ Ｌｅｅ ｅｔ ａｌ．， ”Ｇａｉｎ ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ ＆ ｔｉｌｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ＴＤＦＡ ｕｓｉｎｇ １．４ μｍ／１．５μｍ ｄｕａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ”．， ＯＦＣ２００２， ＴｈＺ３
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、簡易な方法で、広く一般の希土類添加増幅媒体を用いた光増幅器に適用できる、利得プロファイルを一定に制御できる光増幅器および制御方法が望まれている。
【００３１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、広く一般的な希土類イオンが添加された増幅媒体を用いた光増幅器において、利得プロファイルを一定に保つように簡便に制御できる光増幅器を提供することにある。
【００３２】
また、本発明の目的は、広く一般的な希土類イオンが添加された増幅媒体を用いた光増幅器を用いて利得プロファイルを一定に保つように制御する制御方法を提供することにある。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面は、希土類を添加した増幅媒体を用いる光増幅器において、利得プロファイルを一定に保つように制御できる光増幅器に関する。特に本発明の光増幅器は、一般の希土類イオンを１または複数添加した増幅媒体を用いる光増幅器に関する。
【００３４】
本発明によれば、本発明の増幅器は、増幅媒体として希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力し、その入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できる１以上の制御光源、前記増幅媒体に入出力する光パワーをモニタする監視手段、および、前記監視手段より得られた値から該光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御するための制御部とを含む。
【００３５】
本発明の第２の側面は、光増幅器の利得プロファイルを一定に制御するための方法である。
【００３６】
本発明の制御方法は、増幅媒体として希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、１以上の制御光源であって、該制御光源からの制御光の入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できるもの、監視手段、および、制御部とを含む光増幅器の利得プロファイルを一定に制御する方法であって、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力することと、前記増幅媒体に入出力する光パワーをモニタすることと、前記監視手段より得られた値から該光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御することとを含む。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の側面は、希土類を添加した増幅媒体を用いる光増幅器において、利得プロファイルを一定に保つように制御できる光増幅器に関する。
【００３８】
本発明の第２の側面は、希土類を添加した増幅媒体を用いる光増幅器の利得プロファイルを一定に保つための制御方法に関する。
【００３９】
以下に本発明の原理について説明する。
【００４０】
まず、増幅に関与する準位が増幅終凖位と増幅始凖位の２つの準位のみである希土類を添加した増幅媒体を用いる場合についてその光増幅器と利得プロファイルを一定に制御する方法について説明する。このような増幅器には、増幅媒体として石英系のエルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）を用いたものがある。
【００４１】
石英系ＥＤＦを増幅媒体とする光増幅器は、増幅に関与する準位が増幅終凖位（４Ｉ１５／２）と増幅始凖位（４Ｉ１３／２）の２つの準位であり、比較的簡単な系である。
【００４２】
このような増幅器は、例えば石英系ＥＤＦを増幅媒体とする光増幅器（石英系ＥＤＦＡ）は、石英系ＥＤＦ、石英系ＥＤＦを励起するための励起手段、入力信号光などをモニターするためのモニター手段、およびこのモニター手段からの情報を基に励起手段を制御するための制御部を少なくとも有する。
【００４３】
図２（Ａ）は、石英系ＥＤＦを増幅媒体とする光増幅器のＥｒ３＋イオンのエネルギー凖位を示す図である。この光増幅器では、増幅の終凖位（４Ｉ１５／２）から増幅の始凖位（４Ｉ１３／２）へ励起する方法を用いて増幅を行っている。石英系ＥＤＦＡの利得プロファイル一定制御の方法の一例は、１チャネル（以下、ｃｈ．とも表記する。）の信号光の利得をモニタし、そのチャネルの利得が常に一定となるように励起光パワーを制御するものである。
【００４４】
以下にこの制御の原理を説明する。
【００４５】
波長λにおけるエルビウム添加光ファイバ増幅器の長手方向の位置ｘにおける単位長さあたりの利得Ｇａｉｎ（λ，ｘ）は、以下の式で表される（例えば、Ｅ． Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅ， ”Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，” Ａ． Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ， Ｃｈａｐｔｅｒ １， １９９４（非特許文献４）参照）。
【００４６】
Ｇａｉｎ（λ，ｘ）＝（σｅ（λ）Ｎ２（ｘ）−（σａ（λ）Ｎ１（ｘ））（ｅｑ１）
【００４７】
【数１】
σｅ：誘導放出断面積
σａ：誘導吸収断面積
Ｎ２（ｘ）：位置ｘでの増幅の始凖位（４Ｉ１３／２）のイオン数
Ｎ１（ｘ）：位置ｘでの増幅の終凖位（４Ｉ１５／２）のイオン数
Ｎｔｏｔａｌ：全イオン数
【００４９】
ここで（ｅｑ１）、（ｅｑ２）式より、
Ｇａｉｎ（λ，ｘ）＝（σｅ（λ）Ｎ２（ｘ）−（σａ（λ）（Ｎｔｏｔａｌ−Ｎ２（ｘ）） （ｅｑ３）
を得る。
【００５０】
（ｅｑ３）式から解るように、変数はＮ２のみになる。
【００５１】
ここで、誘導放出断面積および誘導吸収断面積は、増幅媒体に添加される希土類イオンの物性で決定しているため、利得スペクトルを固定するためにはＮ２を固定すること、即ち増幅始準位と増幅終凖位のイオン数を固定する必要がある。
【００５２】
ＷＤＭ伝送などでは、伝送路の損失の経時変化や信号チャネル数の変化により光増幅器への入力信号光のパワーが変化する。このような変化は、石英系ＥＤＦＡでは、４Ｉ１３／２に存在するＥｒ３＋の誘導放出速度が変化することに繋がり、結果として、Ｎ２が変化し、（ｅｑ３）から解るように利得スペクトルが変化する。
【００５３】
従って、石英系ＥＤＦを増幅媒体として用いる光増幅器のように、増幅に関与する準位が２つである場合には、任意の信号光波長をモニタし、この信号波長での利得を一定に保つように励起光パワーを制御すれば、光増幅器への入力パワーに関わらず（ｅｑ３）に基づいて利得スペクトルは一定に保たれる。
【００５４】
利得を一定に制御するための具体的手順は、増幅用光ファイバの入力端および出力端で信号光を分波して、それぞれの場所での信号光パワーを検出し、その検出値から信号光の利得を算出し、算出された利得値と設定値との誤差成分が零になるように励起光量を調節する。これが石英系ＥＤＦを増幅用光ファイバとして用いた光増幅器で利得プロファイルを一定に制御するため原理である。
【００５５】
ところで、このように増幅メカニズムが増幅始凖位と終凖位にいるイオンのみで記述できる系は非常にまれである。たとえば、エルビウム添加光ファイバで前記と同じ誘導放出を利用する場合においても、光ファイバを構成するホストガラスをフッ化物ガラスに変えただけでも、増幅の始凖位よりさらに高エネルギーの励起凖位への遷移と、遷移した先の凖位での寿命が無視できなくなる。このような場合には、ある波長（例えば入力信号光の１つの波長）での利得を一定に制御したとしても、利得プロファイルは一意的に決まらなくなる。これは、増幅動作を記述するにあたり、増幅始凖位、増幅終凖位およびそれ以外のイオン数を考慮する必要が生じたためである。即ち、例えばＴＤＦＡでは、総イオン数が下記の（ｅｑ２’）により表され、上記（ｅｑ３）のように１つのパラメータ（Ｎ２）を考慮するのみでは不十分となり、その他の準位のイオン数を考慮しなければならなくなったためである。
【００５６】
【数２】
３つの準位が増幅に大きく関与する希土類添加光ファイバを用いる光増幅器には、ツリウム添加光ファイバ（ＴＤＦ）を用いた光増幅器がある。この光増幅器では、図２（Ｂ）に示すように、４準位の光増幅器であるが、増幅に大きく関与する準位が３つ存在する。即ち、ＴＤＦＡでは、増幅に大きく関与するエネルギー凖位は、増幅の始凖位、終凖位および基底凖位が存在する。従って、これらの準位を全て考慮する必要があるため、ＥＤＦＡでの議論のように１波長の利得をモニターし、これを一定にするように制御するだけでは前記３つの凖位間のイオン数を一定に保つことはできない。
【００５８】
図３は、ＷＤＭ信号を増幅する場合、ＴＤＦＡにおいて光増幅器へ入射する波長λ１の信号光のパワーと、ＴＤＦＡより増幅されて出射された波長λ１の信号光のパワーより計算される利得を一定にするようにＴＤＦＡの励起光量を調節した場合の、光増幅器の特性を示す図である。
【００５９】
図３中に示すａ〜ｃは、ＴＤＦＡへの全入力信号パワーが低い場合をａ、中間の値の場合をｂ、高い場合をｃとして、光増幅器の特性を示したものである。この特性を評価した条件は、ＴＤＦＡのＴｍ３＋添加濃度が６０００ｐｐｍであり、励起波長が１４００ｎｍであった。増幅用のＴｍ添加フッ化物光ファイバの励起は、この光ファイバに対して前方向および後方向より励起を行う双方向励起である。前方向励起光パワーと後方向励起パワーの比は常に一定とした。図３より明らかなように、単に一波長の利得を一定にしただけでは入力信号光パワーの変化に対して利得プロファイルが変化する。
【００６０】
このような増幅に大きく関与する準位が３つ存在する増幅媒体を含む光増幅器を制御する方法として次のような制御方法が提案されている。この制御方法は、ＴＤＦＡ光増幅器に関するもので、２通りの方法がある。この制御方法の１つは、双方向励起のＴＤＦＡ光増幅器で利用される。この制御方法では、２種類の信号光の利得をモニタする。このモニタ情報に基づいて、増幅用光ファイバの前方と後方の励起光のパワーの比を制御することにより利得帯域を調節し、且つ、総励起光パワーを制御することにより全体の利得を調節する方法である。ＴＤＦＡでは、前方と後方の励起光のパワー比を変化させると利得スペクトルが波長シフトするという現象が発生する。
【００６１】
また、ＴＤＦＡの第２の制御方法として、２波長（１．４μｍ、１．５６μｍ）の励起光源の光量を制御し、利得スペクトルを調節する方法がある（Ｗｏｎ Ｊａｅ Ｌｅｅ ｅｔ ａｌ．， ”Ｇａｉｎ ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ ＆ ｔｉｌｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ＴＤＦＡ ｕｓｉｎｇ１．４ μｍ／１．５μｍ ｄｕａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ”．， ＯＦＣ２００２， ＴｈＺ３（非特許文献５）参照）。
【００６２】
上述のような実質的に増幅に関与する準位が２つである増幅媒体を含む光増幅器を除き、希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器の場合、励起光源の光量の調節により一波長の利得を一定値に制御するのみでは、入力信号のレベルの変動や他の条件の変化（例えば温度変化）に対して、利得プロファイルを一定に制御することはできない。このため、このような系では基本的に２種類の信号波長での利得をモニタすることが必要となり、複雑な制御をする必要があった。
【００６３】
本発明の光増幅器および制御方法では、増幅始凖位、増幅終凖位およびその他の凖位を考慮する必要がある希土類を添加した増幅媒体を用いることができる。以下では、その他の準位が第３の準位のみである場合について説明するが、本発明はこれに限定されず、さらに多くの準位が関与する場合も含む。
【００６４】
本発明は、入力信号のレベルの変動に応じて、その制御光の光量を調節することで増幅媒体の反転分布状態を一定にすることを特徴とする。つまり、本発明の基本的な概念は、入力信号のレベルの変動分を増幅帯域内の波長の制御光で補償することにある。本発明によれば、あらゆる希土類イオンの光増幅器に対し、増幅帯域内の一波長の利得を一定にするように制御光を調節することで利得プロファイル一定制御を実現する。本発明では、制御光源を調節するために、光のある波長（またはある波長範囲）における利得をモニタすることを特徴とする。このように制御光または少なくとも１つの信号光をモニタして、制御光源を調節するのは、例えば、制御光と信号光の総出力または総入力パワーをモニタして制御光のパワーを制御する方法などでは、利得スペクトルが歪み、利得プロファイルを一定に制御することはできないためである。このことを、制御光と信号光の総出力または総入力パワーをモニタして、制御光のパワーを制御する場合を例に取り、図４および図５を参照して説明する。
【００６５】
図４は、総入力パワーを一定にしただけでは利得プロファイルが一定に制御できないことを示す図である。図４は、信号波長以外の増幅帯域内の波長を有する制御光源を入力側に備えたＴＤＦＡにおいてＷＤＭ信号を増幅する際に、光増幅器への総信号光パワーの入力の変動に対して、制御光の入力パワーと総入力信号光パワーの合計（以下、総入力パワーとも称する）が常に一定になるように制御光源の光量を調節した場合の利得スペクトルを表す図である。
【００６６】
図４に示すａ〜ｃは、ＴＤＦＡへの総入力信号パワーが低い場合をａ、中間の場合をｂ、高い場合をｃとしたときの利得スペクトルである。この特性を評価した条件は、ＴＤＦＡのＴｍ３＋添加濃度が４０００ｐｐｍであり、励起波長が１４１０ｎｍであった。増幅用のＴｍ添加フッ化物光ファイバの励起は、この光ファイバに対して前方向および後方向より励起を行う双方向励起であり、総励起光パワーは常に一定とした。図４より明らかなように、光増幅器への総入力パワーを一定にしただけでは入力信号光パワーの変化に対して利得プロファイルが変化する。
【００６７】
図５は、総出力パワーを一定にしただけでは利得プロファイルが一定に制御できないことを示す図である。図５は、信号は長以外の増幅帯域内の波長を有する制御光源を入力側に備えたＴＤＦＡにおいてＷＤＭ信号を増幅する際に、光増幅器への総信号光パワーの入力の変動に対して、制御光の出力パワーと総出力信号光パワーの合計（以下、総出力パワーとも称する）が常に一定になるように制御光源の光量を調節した場合の利得スペクトルを表す図である。
【００６８】
図５に示すａ〜ｃは、ＴＤＦＡへの総入力信号パワーが低い場合をａ、中間の場合をｂ、高い場合をｃとしたときの利得スペクトルである。この特性を評価した条件は、ＴＤＦＡのＴｍ３＋添加濃度が５０００ｐｐｍであり、励起波長が１４２０ｎｍであった。増幅用のＴｍ添加フッ化物光ファイバの励起は、この光ファイバに対して前方向および後方向より励起を行う双方向励起であり、総励起光パワーは常に一定とした。図５より明らかなように、光増幅器への総出力パワーを一定にしただけでは入力信号光パワーの変化に対して利得プロファイルが変化する。
【００６９】
このように、総入力パワーまたは総出力パワーを一定にしただけでは、利得プロファイルを一定に制御することができない。
【００７０】
本発明では、光増幅器は、増幅媒体、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力し、その入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できる１以上の制御光源、前記増幅媒体に入出力する光パワーをモニタする監視手段、および、前記監視手段より得られた値から該光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御するための制御部とを含む。
【００７１】
また、本発明の光増幅器は、制御光源の制御光の光量を調節する手段を具備する。この手段には、制御光源の電流値を調整することや、制御光源の出力端に可変光減衰器を設けて減衰量を調節すること等が含まれる。
【００７２】
本発明には、増幅媒体、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力し、その入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できる１以上の制御光源、前記増幅媒体に入出力する複数の波長の光のパワーをモニタする監視手段、前記監視手段より得られた値から複数の波長の利得を算出後、複数の利得の差と和を算出し、複数の利得の差が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御し、複数の利得の和が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御するための制御部とを含む光増幅器が含まれる。
【００７３】
本発明では、監視手段は、制御光をモニタするもの、１チャンネル以上の信号光をモニタするもの、または、増幅帯域内で予め定められた波長範囲の光をモニタするものでありうる。
【００７４】
さらに、本発明では、監視手段より得られた値に応じ、それらの値若しくは前記制御部で算出される利得、利得の差、または利得の和を補正する補正手段を含むことが好ましい。
【００７５】
また、本発明では、監視手段には、光バンドパスフィルタを含むことが好ましい。
【００７６】
上記本発明の利得プロファイル一定制御の原理に従えば、本発明の制御方法も提供される。
【００７７】
この制御方法の１つは、増幅媒体として希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、１以上の制御光源であって、該制御光源からの制御光の入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できるもの、監視手段、および、制御部とを含む光増幅器の利得プロファイルを一定に制御する方法であって、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力することと、前記増幅媒体に入出力する光パワーをモニタすることと、前記監視手段より得られた値から該光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御することとを含む。
【００７８】
本発明では、増幅媒体に添加される希土類イオンは、１種類であっても複数種類であってもよい。
【００７９】
以下に図面を参照して本発明の光増幅器および利得プロファイル一定制御の方法をさらに具体的に説明するが、これらは例示であり、本発明はこれらに限定されない。
【００８０】
本発明は、光増幅器の利得プロファイル一定制御に、制御光を利用するように構成された光増幅器に関する。
【００８１】
光増幅器に制御光を導入し、この制御光を利用して光増幅器の利得プロファイルを一定に保つように制御する。本発明では、制御光源を調節するために、光のある波長（またはある波長範囲）における利得をモニタすることを特徴とする。
【００８２】
本発明の概要を、図６を参照して説明する。
【００８３】
本発明の光増幅器６００は、監視手段６０１，６０３、増幅部６０２と制御システム６０４を具備する。監視手段６０１は、制御光源６１０内に設けられた光検出器から構成される。また、監視手段６０３は、光分岐素子６３４と光電変換素子のような光検出器６３５から構成される。図６に示す監視手段６０１は、制御光源６１０内に光検出器を含む例を示したが、本発明はこれに限定されず、光検出器を別途設けてもよい。この場合、光分岐素子（分波器）を設け、信号光入力の一部を分波すればよい。光検出器からの信号は制御システム６０４に入力される。光検出器は、例えば光電変換素子などが含まれる。増幅部６０２は、制御光源６１０、増幅媒体６１２、励起光源６１４，６１６、制御光源からの光を合波するための合波器６１８、励起光源からの光を合波するための合波器６２０，６２２を具備する。増幅部は、図６に示されるようにアイソレータ６２４，６２６を設けることも好ましい。
【００８４】
制御光源６１０は、内部に光検出器を有するものでも、有しないものでもよい。本発明では、内部に光検出器を有する制御光源が好ましい。内部に光検出器を有する制御光源は、モニタ用の第１の信号６２８を出力できるものである。また、制御光源は複数存在していてもよい。
【００８５】
制御システム６０４は、制御光源を制御するための制御部６３０、および演算部６３２を有する。この演算部へは増幅部６０２から出力された光の一部を取り出す光分岐素子（分波器）６３４からの第２の信号６３６が入力される。演算部６３２では、制御光源６１０からの第１の信号と、光分岐素子６３４からの第２の信号から制御光の利得を算出し、予め設定された値と一致するような制御光源６１０の電流値を算出する。その値は制御部６３０へ送られる。制御部６３０は、演算部６３２から送られてきた電流値になるように制御光源６１０の光量を調整する。本明細書では、制御システム６０４は、制御部とも称される。この場合、制御部は、上記機能を有する制御部６３０と演算部６３２を含むものである。
【００８６】
なお、本発明において、各構成要素は、図６に示される配置のみではなく、種々の配置をとることができる。例えば、図６に示される光増幅器では、励起光は双方向励起であるが、本発明はこれに限定されず、前方励起および後方励起であってもよい。
【００８７】
増幅媒体には、希土類元素イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバを好適に用いることができる。特に本発明では、ツリウム添加光ファイバ、エルビウム添加光ファイバ、ホルミウム添加光ファイバなどを使用することができる。具体的には、増幅媒体としては、希土類イオンを添加した増幅用光ファイバを用いることができ、これは、ホストガラスとして石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスまたはテルライトガラス等である。希土類イオンは、いずれのイオンであってもよいが、ツリウムイオン（Ｔｍ３＋）、ホルミウムイオン（Ｈｏ３＋）、エルビウムイオン（Ｅｒ３＋）が好ましい。
【００８８】
合波器および光分岐素子（分波器）は、溶融延伸のファイバ型（分岐型、波長分割多重型いずれも）、誘電体多層膜型またはファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等である。また、合波器は、励起光／信号光合波カップラのような通常の合波器を使用することもできる。
【００８９】
制御光を発生する制御光源、励起光を発生する励起光源は、例えばＮｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザまたはファイバレーザ等がある。図６に示される光増幅器では、励起光は双方向励起であるが、本発明はこれに限定されず、前方励起および後方励起であってもよい。
【００９０】
以下に本発明の光増幅器を用いた制御方法（本発明の光増幅器の動作）について具体的に説明する。以下では、監視手段６０１の光検出器が制御光源に含まれ、制御光の利得をモニタする場合を例に取り説明する。
【００９１】
信号光は合波器６１８で制御光源６１０からの制御光と合波される。次いで、合波された信号光はアイソレータ６２４を通過し、合波器６２０で励起光源６１４からの励起光と合波される。励起光と合波された信号光は、増幅媒体６１２に入る。増幅媒体は、励起光源６１４と励起光源６１６で双方向から励起される。増幅媒体を出た信号光は、合波器６２２、アイソレータ６２６を通過し、分波器６３４で分波される。分波器６３４で分波されなかった信号光の一部は信号出力光として出力される。
【００９２】
制御光源から増幅用光ファイバ６１２へ入力される制御光は、制御光源６１０の内部の光検出器で検出され、その制御光のパワーは、第１の信号として演算部６３２へ送られる。増幅媒体から出力された制御光は、分波器６３４で分波され、その制御光のパワーは、第２の信号６３６として演算部６３２に送られる。入力および出力端での制御光のパワーは、電気信号に変換され演算部６３２に入力されることが好ましい。
【００９３】
演算部６３２では、受信した検出値から制御光の利得を算出し、予め設定された値と一致するような制御光源６１０の電流値を算出し、その値は制御部６３０へ送られる。制御部６３０は、演算部６３２から送られてきた電流値になるように制御光源６１０の光量を調整する。
【００９４】
制御光の波長は増幅帯域内にあるため、制御光の利得を一定にするように制御光を調節することで利得プロファイルを一定に制御することができる。
【００９５】
本発明では、演算部に入力される信号は、制御光に基づくもののみではなく、１チャンネル以上の信号光に基づくもの、または、増幅帯域内で予め定められた波長範囲の光に基づくものであってもよい。また、本発明の制御方法では、補正手段により、監視手段から得られた値に応じ、それらの値、または、前記制御部で算出される利得、利得の差、若しくは利得の和を補正することが好ましい。
【００９６】
また、本発明では、監視手段に光バンドパスフィルタを含め、モニタ信号をこれに通すことが好ましい。
【００９７】
以上述べた各発明の光増幅器では、特に増幅媒体内での信号光の伝搬方向については規定していなかったが、光増幅器が以下の（ａ）〜（ｃ）の構成を有し、信号光がこれらに示される伝搬方向をとることができる。
【００９８】
（ａ）増幅媒体の入力側または出力側の両方、或いは、これらのどちらか一方に光アイソレータが接続される。信号光は、増幅媒体内を一方向のみに伝搬する（本明細書中で、シングルパスという）。
【００９９】
（ｂ）増幅媒体の一方に光サーキュレータが接続され、増幅媒体の他端には少なくとも信号光を反射させるミラー機能を有するデバイスが接続される。信号光は光サーキュレータを通過して増幅媒体中を進行し、増幅される。次いで、信号光は、これを反射させるミラーにより折り返されて増幅媒体中を反対方向に進行し、増幅される。増幅された信号光は、サーキュレータを通過して出射する（本明細書で、ダブルパスという）。
【０１００】
（ｃ）増幅媒体の両方に光サーキュレータが接続される。２種類の進行方向の異なる信号光が同時または時間的に分離された状態で増幅媒体中を互いに逆方向に進行し、増幅される（以下、双方向光増幅器という）。
【０１０１】
（実施例）
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【０１０２】
（実施例１）
図７は、本発明の光ファイバ増幅器の本実施例を示す構成図である。図７に示すように、この光ファイバ増幅器は、増幅媒体、例えばコアに希土類イオンを添加した増幅用光ファイバ３３０４、アイソレータ３３０２、３３０５、３３０８、制御光と信号光を合波する合波器３３０１、励起光源３３０９からアイソレータ３３０８を介して供給される励起光とアイソレータ３３０２からの信号光・制御光とを合波する合波器３３０３、増幅用光ファイバ３３０４からアイソレータ３３０５を介して取り出された出力光を分岐する分波器３３０６、分波器３３０６の一方出力から制御光を抽出するためのフィルタ３３１０、内部に光検出器を有する制御光源３３０７、励起光を発生する励起光源３３０９、フィルタ３３１０から出力された制御光を検出する光検出器３３１１、制御光源３３０７からの信号と光検出器３３１１からの信号とを供給される演算部３３１３、および演算部３３１３からの出力により制御光源３３０７を制御する制御部３３１２より構成される。
【０１０３】
希土類イオンを添加した増幅用光ファイバのホストガラスとして石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスまたはテルライトガラス等がある。
【０１０４】
合波器３３０１、分波器３３０６として溶融延伸のファイバ型（分岐型、波長分割多重型いずれも）、誘電体多層膜型またはファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。合波器３３０３として、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型またはファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。制御光を発生する制御光源３３０７、励起光を発生する励起光源３３０９としてＮｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザまたはファイバレーザ等が使用可能である。フィルタ３３１０としては、誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
【０１０５】
本実施例では、信号光は１４８０〜１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを６０００ｐｐｍ添加した５ｍの光ファイバ、制御光源の波長は１５２０ｎｍ、励起波長は１４００ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５は中心波長１４８０ｎｍ、合波器３３０１および分波器３３０６は１５１２ｎｍ以下と１５１８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、合波器３３０３は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、およびフィルタ３３１０は、中心波長１５２０ｎｍ、透過帯域の半値幅０．８ｎｍのものを使用した。また励起光パワーは３００ｍＷに固定とした。
【０１０６】
図７に示すように、信号光は合波器３３０１にて制御光源３３０７からの制御光と合波され、アイソレータ３３０２を通過し、合波器３３０３にて更にアイソレータ３３０８からの励起光と合波され、増幅用光ファイバ３３０４を通過後、アイソレータ３３０５を通過し、分波器３３０６にて分波され、その一方は信号光として出力される。
【０１０７】
増幅用光ファイバ３３０４への入力制御光源パワーは、制御光源３３０７の内部の光検出器にて検出される。増幅用光ファイバ３３０４からの出力制御光パワーは、分波器３３０６で分波され、フィルタ３３１０を通過後、光検出器３３１１にて検出され、その値は電気信号として演算部３３１３に送られる。
【０１０８】
演算部３３１３では、受信した検出値から制御光の利得を算出し、予め設定された値と一致するような制御光源３３０７の電流値を算出し、その値は制御部３３１２へ送られる。
【０１０９】
制御部３３１２は、演算部３３１３から送られてきた電流値になるように制御光源３３０７の光量を調整する。
【０１１０】
制御光の波長は増幅帯域内にあるため、制御光の利得を一定にするように制御光を調節することで利得プロファイル一定制御を実現することが可能となる。
【０１１１】
図８は、実施例１において各入力信号レベルを変えた場合の利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。つまり、各入力信号レベルを−２５、−２０、−１５、−１０、−５ｄＢｍ／ｃｈ．に設定し入力した場合の利得スペクトルについて、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．での利得スペクトルを基準として、入力が変化した際の利得スペクトルと基準スペクトルとの差の最大値をプロットした図である。利得の評価は、−３５ｄＢｍの小信号プローブ光をスキャンすることにより測定した。図８の点線は、モニタする信号光による利得制御をかけない従来例の結果である。図８の実線は、１５２０ｎｍの制御光のモニタ系を用いて、１５２０ｎｍでの利得が一定になるように制御した本発明の場合の値をプロットした結果である。この結果、本発明によれば利得プロファイル制御が可能となることが明らかになった。
【０１１２】
（実施例２）
図９は、本発明の光ファイバ増幅器の第２実施例を示す構成図である。図９において図７と同様の個所には同一の参照番号を付してその説明を省略する。図９に示すように、この光ファイバ増幅器は、図７の構成に加え、増幅器へ入出力する信号光を分波する分波器３５０１、分波器３５０１からの信号光を抽出するためのフィルタ３５０２、制御光源３５０４、フィルタ３５０２から入力する信号光パワーを検出する光検出器３５０３より構成される。本実施例においては、分波器３３０６、フィルタ３３１０および光検出器３３１１は、それぞれ出力する信号光を分波し、抽出し、およびパワーを検出する。
【０１１３】
分波器３５０１として溶融延伸のファイバ型（分岐型、波長分割多重型いずれも）、誘電体多層膜型、およびファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。制御光を発生する制御光源３５０４としてＮｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザまたはファイバレーザ等が使用可能である。フィルタ３５０２としては、誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
【０１１４】
本実施例では、信号光は１４７０〜１５００ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを４０００ｐｐｍ添加した１０ｍの光ファイバ、制御光源３３０４の波長は１４６０ｎｍ、励起波長は１４００ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５は中心波長１４８０ｎｍ、分波器３５０１および分波器３３０６は分岐比９５：５のファイルカプラ、合波器３３０１は１４６２ｎｍ以下と１４６８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、合波器３３０１は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、フィルタ３５０２、３３１０は、中心波長１５１０ｎｍ、透過帯域の半値幅０．８ｎｍのものを使用した。また励起光パワーは３００ｍＷに固定とした。なお、モニタする波長多重信号光のうち１チャネルは、１５１０ｎｍの入力光とする。
【０１１５】
図９に示すように、信号光は分波器３５０１にて分波され、分波器３５０１からの信号光は、合波器３３０１にて制御光源３５０４からの制御光と合波され、アイソレータ３３０２を通過し、波長分割多重カプラ３３０３にて更にアイソレータ３３０８からの励起光と合波され、増幅用光ファイバ３３０４を通過後、アイソレータ３３０５を通過し、分波器３３０６にて分波され、その一方は信号光として出力される。
【０１１６】
１５１０ｎｍの入力信号光パワーは、分波器３５０１にて分岐され、フィルタ３５０２を通過後、光検出器３５０３にて検出され、１５１０ｎｍの出力信号光パワーは、分波器３３０６で分波されフィルタ３３１０を通過後、光検出器３３１１にて検出され、それらの値は電気信号にて演算部３３１３に送られる。
【０１１７】
演算部３３１３では、受信した検出値から１５１０ｎｍの信号光の利得を算出し、予め設定された値と一致するように制御光源３５０４の電流値を算出し、その値は制御部３３１２へ送られる。制御部３３１２は演算部３３１３から送られてきた電流値になるように制御光源３５０４の光量を調整する。ここでは、１５１０ｎｍの１チャネルの信号光パワーの検出値に基づいて制御光源３５０４の光量を制御したが、２以上の複数のチャネルを用いて、制御する他の実施例も可能である。さらに、モニタする信号光として予め定めた波長範囲の全信号光量を用いて、制御を行う実施例も可能である。この場合、本実施例では例えば、１４７０〜１５００ｎｍの範囲の各チャネルについての信号光パワーの総量を算出して、これをもとに利得を計算することにより、上述のとおり制御光源３５０４の光量を調整することができる。
【０１１８】
図１０は、各入力信号レベルを変えた場合の、利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。つまり、各入力信号レベルを−２５、−２０、−１５、−１０、−５ｄＢｍ／ｃｈ．に設定し入力した場合の利得スペクトルについて、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．での利得スペクトルを基準として、入力が変化した際の利得スペクトルと基準スペクトルとの差の最大値をプロットした図である。利得の評価、−３５ｄＢｍの小信号プローブ光をスキャンすることにより測定した。図１０の点線は、モニタする信号光による利得制御をかけない従来例の結果である。図１０の実線は、１５１０ｎｍの信号光のモニタ系を用いて、１５１０ｎｍでの利得が一定になるように制御した本発明の場合の値をプロットした結果である。この結果、本発明によれば利得プロファイル制御が可能となることが明らかになった。
【０１１９】
（実施例３）
図１１は、本発明の光ファイバ増幅器の第３実施例を示す構成図である。図１１において図９と同様の個所には同一の参照番号を付してその説明を省略する。図１１に示すように、この光ファイバ増幅器は、図９に加えて出力光のうち分波器３３０６から分岐された出力光を分岐する分波器３７０２、分波器３７０２からの制御光を抽出するためのフィルタ３７０３、フィルタから抽出された制御光パワーを検出する光検出器３７０４、アイソレータ３３０８からの励起光を合波器３３０３および３７０５に分岐させる分波器３７０１および増幅用光ファイバ３３０４からの信号光と分波器３７０１からの励起光を合波する合波器３７０５より構成される。ここで、制御光源３３０７は、入力制御光源パワーを検出するための光検出器を内部に有する。
【０１２０】
合波器３７０５として、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型またはファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。フィルタ３７０３としては誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
【０１２１】
本実施例では、信号光は１４６０〜１４９０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを２０００ｐｐｍ添加した２０ｍの光ファイバ、制御光源３３０７の波長は１４５０ｎｍ、励起波長は１３９０ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５は中心波長１４８０ｎｍ、分波器３５０１，３３０６は、分岐比９５：５のファイルカプラ、合波器３３０１は１４５２ｎｍ以下と１４５８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３７０１、３７０２は分岐比３ｄＢのファイバカプラ、合波器３３０３，３７０５は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、フィルタ３５０２、３３１０は、中心波長１４９０ｎｍ、透過帯域の半値幅０．８ｎｍのもの、フィルタ３７０３は、中心波長１４５０ｎｍ、透過帯域の半値幅が０．８ｎｍのものを使用した。なお、モニタする信号光は１４５０ｎｍの制御光と１４９０ｎｍの信号光とした。
【０１２２】
ここで、２つのモニタする信号光の利得をＧ（１４５０ｎｍ）およびＧ（１４９０ｎｍ）とし、合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを以下のように定義する。
【０１２３】
ＧＳ＝Ｇ（１４５０ｎｍ）＋Ｇ（１４９０ｎｍ） …（１）
ΔＧ＝Ｇ（１４５０ｎｍ）−Ｇ（１４９０ｎｍ） …（２）
【０１２４】
ＧＳおよびΔＧが一意に決まればＧ（１４５０ｎｍ）およびＧ（１４９０ｎｍ）も決定するので、ＧＳおよびΔＧの値を制御することで、Ｇ（１４５０ｎｍ）およびＧ（１４９０ｎｍ）を制御可能である。
【０１２５】
図１２は、実施例３において、入力信号光パワーを−１５ｄＢｍ／ｃｈ．、励起光パワーを４００ｎＷに固定し、制御光のパワーを変化させた場合の、２つのモニタする信号光の合計利得ＧＳと利得差ΔＧをプロットした図である。ＧＳは実線で示され、△Ｇは破線で示される。ＧＳおよびΔＧの値は、共に制御光パワーの増加に伴い、単調的に減少している。
【０１２６】
図１３は、実施例３において、入力信号光パワーを−１５ｄＢｍ／ｃｈ．、制御光パワーを−１５ｄＢｍに固定し、励起光パワーを変化させた時の、２つのモニタする信号光の合計利得ＧＳと利得差ΔＧをプロットした図である。図１２同様にＧＳは実線で示され、△Ｇは破線で示される。励起光の増加に伴い、ＧＳは単調増加しているのに対し、ΔＧは殆ど変化していない。
【０１２７】
図１２および図１３の結果から、次のような制御アルゴリズムを適用することで利得スペクトル制御が可能となることがわかる。モニタする信号光の利得が変化した時、まず、励起光パワーを固定したまま、励起光パワーを変化させてもほとんど変化することのない△Ｇが所望の値になるように制御光のパワーを調整する。次に制御光のパワーを固定し、所望のＧＳとなるように励起光パワーを調整する。この結果、利得スペクトル制御が可能となる。
【０１２８】
図１１に示すように、信号光は、分波器３５０１にて分波され、合波器３３０１にて制御光源３３０７からの制御光と合波され、アイソレータ３３０２を通過し、合波器３３０３にて更に分波器３７０１からの励起光と合波され、増幅用光ファイバ３３０４を通過後、分波器３７０１からの励起光と信号光とを合波する合波器３７０５を通過し、アイソレータ３３０５を通過し、分波器３３０６にて分波され、その一方は信号光として出力される。
【０１２９】
分波器３５０１で分波された一方の信号光は、フィルタ３５０２にて１４９０ｎｍの信号光のみ抽出された後、光検出器３５０３にて検出され、増幅用光ファイバに入力される制御光パワーは制御光源３３０７内の光検出器で検出され、分波器３３０６で分波された出力光は、更に分波器３７０２で分岐され、一方はフィルタ３３１０にて１４９０ｎｍの信号光のみ抽出された後、光検出器３３１１で検出され、もう一方はフィルタ３７０３にて１４５０ｎｍの制御光のみ抽出された後、光検出器３７０４で検出され、それらの検出値は電気信号に変換後、演算部３３１３に送られる。
【０１３０】
演算部３３１３では、受信した検出値から信号光および制御光の利得を算出し、これをもとにＧＳおよびΔＧを算出して、予め設定されたＧＳおよびΔＧと一致するように制御光源および励起光源の電流値を算出し、それらの値は制御部３３１２へ送られる。
【０１３１】
制御部３３１２は、演算部３３１３から送られてきた電流値になるように制御光源３３０７および励起光源３３０９の光量を調整する。
【０１３２】
図１４は、本発明の利得制御の際、−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力時の利得スペクトルを基準として各入力条件（−２５，−２０，−１５，−１０ｄＢｍ／ｃｈ．）の利得スペクトルの偏差をプロットした図である。全入力条件に対し利得偏差０．３ｄＢを実現しており、本発明の有効性が実証された。
【０１３３】
（実施例４）
本実施例の構成は、図１１を参照して実施例３で説明したものと同様であるが、演算部において数値設定を行う例である。従って、演算部での処理以外、即ち各構成の部材、装置は実施例３と同様のものを使用する。以下の説明では、図１５を参照する。
【０１３４】
本実施例では、信号光は１４９０〜１５２０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを８０００ｐｐｍ添加した４ｍの光ファイバ、制御光源３３０７の波長は１４７０ｎｍ、励起波長は１４００ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５、３３０８は中心波長１４７０ｎｍ、分波器３５０１、３３０６は分岐比９５：５のファイバカプラ、合波器３３０１は１４７２ｎｍ以下と１４７８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３７０１、３７０２は３ｄＢの分岐カプラ、合波器３３０３，３７０５は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、フィルタ３５０２、３３１０は、透過帯域が１４９０〜１５２０ｎｍのもの、フィルタ３７０３は、中心波長１４７０ｎｍ、透過帯域の半値幅が０．８ｎｍのもの、を使用した。なお、モニタする信号光は１４７０ｎｍの制御光と予め定めた波長範囲の光量として、１４９０〜１５２０ｎｍの波長範囲の全信号光とした。
【０１３５】
ここで、２種類のモニタする信号光の利得をＧ（１４７０ｎｍ）およびＧ（１４９０〜１５２０ｎｍ）とし、合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを以下のように定義する。
【０１３６】
ＧＳ＝Ｇ（１４７０ｎｍ）＋Ｇ（１４９０〜１５２０ｎｍ） …（１）
ΔＧ＝Ｇ（１４７０ｎｍ）−Ｇ（１４９０〜１５２０ｎｍ） …（２）
【０１３７】
ＧＳおよびΔＧが一意に決まればＧ（１４７０ｎｍ）およびＧ（１４９０〜１５２０ｎｍ）も決定するので、ＧＳおよびΔＧを制御することで、Ｇ（１４７０ｎｍ）およびＧ（１４９０〜１５２０ｎｍ）を制御可能である。
【０１３８】
本実施例のＧＳとΔＧにおいても、励起光パワーや制御光パワーの変化に対し、実施例３のＧＳとΔＧと同様の傾向を示すため、同様の制御アルゴリズムを適用することにより利得スペクトル制御が可能である。また、実施例３と同様、入力された信号光は、分波器３５０１に入力し、分波器３３０６にて分波され、その一方は信号光として出力される。
【０１３９】
分波器３５０１で分波された信号光は、フィルタ３５０２にて増幅帯域内で予め定めた波長範囲である１４９０〜１５２０ｎｍの全信号光が抽出された後、光検出器３５０３にて検出され、増幅用光ファイバに入力される制御光パワーは制御光源に内蔵された光検出器により検出され、分波器３３０６で分波された信号光および制御光は、分波器３７０２で分岐され、一方はフィルタ３３１０にて１４９０〜１５２０ｎｍの全信号光パワーが抽出された後、光検出器３３１１で検出され、もう一方はフィルタ３７０３にて１４７０ｎｍの制御光のみ抽出された後、光検出器３７０４で検出され、それらの検出値は電気信号に変換後、演算部３３１３に送られ、実施例３と同様これらの検出値に基づき、制御部３３１２は制御光源３３０７および励起光源３３０９の光量を調整する。
【０１４０】
本発明の利得制御時、−２５〜−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力条件に対し、利得偏差０．３ｄＢ以下を実現し、本制御の有効性を実証した。
【０１４１】
（実施例５）
本実施例の構成は、図１１を参照して実施例３で説明したものと同様であり、各部材、装置も実施例３と同様のものを使用するが、増幅用光ファイバとしてＨｏ添加光ファイバを使用する。この点が実施例３と異なる。以下の説明では、図１１を参照する。
【０１４２】
本実施例では、信号光は２８９０〜２９２０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにホルミウムイオン（Ｈｏ３＋） を１０００ｐｐｍ添加した２０ｍの光ファイバ、制御光源３３０７の波長は２８８０ｎｍ、励起波長は１２００ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５は中心波長２９００ｎｍ、分波器３５０１、３３０６は分岐比９５：５のファイバカプラ、合波器３３０１は２８８２ｎｍ以下と２８８８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３７０１、３７０２は３ｄＢの分岐カプラ、合波器３３０３、３７０５は１３００ｎｍ以下と１３１０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、フィルタ３５０２、３３１０は、透過帯域が２８９０〜２９２０ｎｍのもの、フィルタ３７０３は、中心波長２８８０ｎｍ、透過帯域の半値幅が０．８ｎｍのもの、を使用した。なお、モニタする信号光は２８８０ｎｍの制御光と予め定めた波長範囲の光量として、２８９０〜２９２０ｎｍの波長範囲の全信号光とした。
【０１４３】
ここで、２種類のモニタする信号光の利得をＧ（２８８０ｎｍ）およびＧ（２８９０〜２９２０ｎｍ）とし、合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを以下のように定義し、実施例４と同様に合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを求め、外部より入力されたＧＳおよびΔＧと一致するよう制御光源および励起光源の電流値を算出し、それらの値は制御部３３１２へ送られる。制御部３３１２は受信した電流値になるように制御光源３３０７および励起光源３３０９を調整する。
【０１４４】
ＧＳ＝Ｇ（２８８０ｎｍ）＋Ｇ（２８９０〜２９２０ｎｍ） …（１）
ΔＧ＝Ｇ（２８８０ｎｍ）−Ｇ（２８９０〜２９２０ｎｍ） …（２）
【０１４５】
本発明の利得制御時、−２５〜−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力条件に対し、利得偏差０．３ｄＢ以下を実現し、本制御の有効性が実証された。
【０１４６】
（実施例６）
本実施例の構成は、図１１を参照して実施例３で説明したものと同様であり、各部材、装置も実施例３と同様のものを使用するが、増幅用光ファイバとしてＥｒ添加光ファイバを使用する。この点が実施例３と異なる。なお、以下の説明では、図１１を参照する。
【０１４７】
本実施例では、信号光は１６９０〜１７２０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにエルビウムイオン（Ｅｒ３＋）を２０００ｐｐｍ添加した１５ｍの光ファイバ、制御光源３３０７の波長は１６８０ｎｍ、励起波長は８００ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５は中心波長１７００ｎｍ、分波器３５０１、３３０６は分岐比９５：５のファイバカプラ、合波器３３０１は１６８２ｎｍ以下と１６８８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３７０１、３７０２は３ｄＢの分岐カプラ、合波器３３０３、３７０５は１３００ｎｍ以下と１３１０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、フィルタ３５０２、３３１０は、透過帯域が１６９０〜１７２０ｎｍのもの、フィルタ３７０３は、中心波長１６８０ｎｍ、透過帯域の半値幅が０．８ｎｍのもの、を使用した。なお、モニタする信号光は１６８０ｎｍの制御光と予め定めた波長範囲の光量として、１６９０〜１７２０ｎｍの波長範囲の全信号光とした。
【０１４８】
ここで、２種類のモニタする信号光の利得をＧ（１６８０ｎｍ）およびＧ（１６９０〜１７２０ｎｍ）とし、合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを以下のように定義し、実施例５と同様に合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを求め、外部より入力されたＧＳおよびΔＧと一致するよう制御光源および励起光源の電流値を算出し、それらの値は制御部３３１２へ送られる。制御部３３１２は受信した電流値になるように制御光源３３０７および励起光源３３０９を調整する。
【０１４９】
ＧＳ＝Ｇ（１６８０ｎｍ）＋Ｇ（１６９０〜１７２０ｎｍ） …（１）
ΔＧ＝Ｇ（１６８０ｎｍ）−Ｇ（１６９０〜１７２０ｎｍ） …（２）
【０１５０】
本発明の利得制御時、−２５〜−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力条件に対し、利得偏差０．３ｄＢ以下を実現し、本制御の有効性が実証された。
【０１５１】
以上、実施例３〜実施例６では添加イオンとしてＴｍ３＋、Ｈｏ３＋、Ｅｒ３＋について説明したが、本発明はこれらのイオンを使用する場合に限定されない。即ち、増幅の始凖位と終凖位の合計イオン数が一定となる条件が成立しないようなタイプの希土類添加光増幅器に本発明を適用することができる。
【０１５２】
（実施例７）
図１６は、本発明の光ファイバ増幅器の第７実施例を示す構成図である。図１６において図１１と同様の個所には同一の参照番号を付してその説明を省略する。図１６に示すように、この光ファイバ増幅器は、図１１の構成に加え、信号光を分波する分波器４１０１、分波器４１０１からの信号光を抽出するためのフィルタ４１０２、フィルタ４１０２からの入力する信号光パワーを検出する光検出器４１０３が含まれる。また、本実施例では、フィルタ３７０３は、分波器３７０２からの信号光を抽出し、光検出器３７０４は、この抽出された信号光パワーを検出する。なお、励起光パワーは４００ｍＷに固定とした。
【０１５３】
分波器４１０１として溶融延伸のファイバ型（分岐型、波長分割多重型いずれも）、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。フィルタ４１０２として誘電体多層膜フィルタ、ファイバグレーティング等がある。
【０１５４】
本実施例では、信号光は１４８０〜１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを６０００ｐｐｍ添加した５ｍの光ファイバ、制御光源３５０４の波長は１４７０ｎｍ、励起波長は１４１０ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５、３３０８は中心波長１４８０ｎｍ、分波器３５０１、３３０６は分岐比９５：５のファイバカプラ、合波器３３０１は１４７２ｎｍ以下と１４７８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３７０１、３７０２、４１０１は３ｄＢの分岐カプラ、合波器３３０３、３７０５は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、フィルタ３３１０、３５０２は、中心波長１４８０ｎｍ、透過帯域の半値幅０．８ｎｍのもの、フィルタ４１０２、３７０３は、中心波長１５１０ｎｍ、透過帯域の半値幅が０．８ｎｍのもの、を使用した。なお、モニタする信号光は１４８０ｎｍと１５１０ｎｍの信号光とした。
【０１５５】
ここで、２種類のモニタする信号光の利得をＧ（１４８０ｎｍ）およびＧ（１５１０ｎｍ）とし、合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを以下のように定義する。
【０１５６】
ＧＳ＝Ｇ（１４８０ｎｍ）＋Ｇ（１５１０ｎｍ） …（１）
ΔＧ＝Ｇ（１４８０ｎｍ）−Ｇ（１５１０ｎｍ） …（２）
【０１５７】
ＧＳおよびΔＧが一意に決まればＧ（１４８０ｎｍ）およびＧ（１５１０ｎｍ）も決定するので、ＧＳおよびΔＧを制御することで、Ｇ（１４８０ｎｍ）およびＧ（１５１０ｎｍ）を制御可能である。
【０１５８】
本実施例のＧＳとΔＧにおいても、励起光パワーや制御光パワーの変化に対し、実施例３のＧＳとΔＧと同様の傾向を示すため、同様の制御アルゴリズムを適用することにより利得スペクトル制御が可能であり、実施例３と同様にＧＳとΔＧを算出し、これをもとに制御光源３５０４および励起光源３３０９の光量を調整する。
【０１５９】
本実施例においては、波長多重信号光のうち２チャネル（１４８０ｎｍおよび１５１０ｎｍ）を用いて利得を求め、ＧＳおよびΔＧを算出して制御光源３５０４および励起光源３３０９の光量を制御したが、さらに多くのチャネルを用いて制御を行う実施例も可能である。この場合、例えば各チャネルの利得の差分としては△Ｇの代りに２種類の任意の２チャネルの利得の差分を用いる方法が考えられるが、２チャネルにおけるＧＳとΔＧのように、各チャネルの利得の制御が可能な範囲で変数を自由に定義し、光量制御のために用いることができる。
【０１６０】
本発明の利得制御時、−２５〜−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力条件に対し、利得偏差０．３ｄＢ以下を実現し、本制御の有効性が実証された。
【０１６１】
（実施例８）
図１７は、本発明の光ファイバ増幅器の第８実施例を示す構成図である。図１７において図１１と同様の個所には同一の参照番号を付してその説明を省略する。図１７に示すように、この光ファイバ増幅器は、図１１の構成に加え、演算部４３１３を有する。演算部４３１３は、光検出器３５０３で検出された信号光パワーを補正する補正回路４３０１および補正された信号光パワーに基づいて演算を行ってその結果を制御部３３１２に送る演算回路４３０２を有する。実施例４同様、各部材、装置は実施例３と同様のものを使用する。
【０１６２】
本実施例では、信号光は１４８０〜１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを６０００ｐｐｍ添加した５ｍの光ファイバ、制御光源３３０７の波長は１４７０ｎｍ、励起波長は１３９０ｎｍ、アイソレータ３３０２、３３０５は中心波長１４８０ｎｍ、合波器３３０１は１４７２ｎｍ以下と１４７８ｎｍ以上の帯域を合分波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３７０１、３７０２は３ｄＢの分岐カプラ、合波器３３０３、３７０５は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラ、分波器３５０１、３３０６は分岐比９５：５の分岐カプラ、フィルタ３５０２、３３１０は、透過帯域が１４８０〜１５１０ｎｍのもの、フィルタ３７０３は、中心波長１４７０ｎｍ、透過帯域の半値幅が０．８ｎｍのもの、を使用した。なお、モニタする信号光は１４７０ｎｍの制御光と予め定めた波長範囲の光量として、１４８０〜１５１０ｎｍの波長範囲の全信号光とした。
【０１６３】
ここで、２種類のモニタする信号光の利得をＧ（１４７０ｎｍ）およびＧ（１４８０〜１５１０ｎｍ）とする。しかし、光検出器３５０３に検出される全信号光パワーには信号光以外の光（増幅された自然放出光等）が含まれ、無視できないほど大きい場合がある。特に多段中継後の場合にはその傾向が顕著に表れる。そこで補正回路４３０１にて入力信号光パワーに応じたある関数から計算される補正値を発生し、その値を演算部で計算されたＧ（１４８０〜１５１０ｎｍ）に加算もしくは掛算することでＧ（１４８０〜１５１０ｎｍ）の補正を行う。補正後のＧ（１４８０〜１５１０ｎｍ）をＧ′（１４８０〜１５１０ｎｍ）とする。合計利得ＧＳおよび利得差ΔＧを以下のように定義する。
【０１６４】
ＧＳ＝Ｇ（１４７０ｎｍ）＋Ｇ′（１４８０〜１５１０ｎｍ） …（１）
ΔＧ＝Ｇ（１４７０ｎｍ）−Ｇ′（１４８０〜１５１０ｎｍ） …（２）
【０１６５】
ＧＳおよびΔＧが一意に決まればＧ（１４７０ｎｍ）およびＧ′（１４８０〜１５８０ｎｍ）も決定するので、ＧＳおよびΔＧを制御することで、Ｇ（１４７０ｎｍ）およびＧ′（１４８０〜１５１０ｎｍ）を制御可能である。
【０１６６】
本実施例のＧＳとΔＧにおいても、励起光パワーや制御光パワーの変化に対し、実施例３のＧＳとΔＧと同様の傾向を示すため、同様の制御アルゴリズムを適用することにより利得スペクトル制御が可能である。また、実施例３と同様、入力された信号光は、分波器３５０１で分波され、分波器３３０６にて分波され、その一方は信号光として出力される。
【０１６７】
分波器３５０１で分岐された信号光は、フィルタ３５０２にて１４８０〜１５１０ｎｍの全信号光が抽出された後、光検出器３５０３にて検出され、制御光は制御光源に内蔵された光検出器３３０７で検出され、分波器３３０６で分波された信号光および制御光は、分波器３７０２でさらに分岐され、一方はフィルタ３７０３にて１４７０ｎｍの制御光が抽出された後、光検出器３７０４で検出され、もう一方はフィルタ３３１０にて１４８０〜１５１０ｎｍの全信号光が抽出された後、光検出器３３１１で検出され、それらの検出値は電気信号に変換後、演算部４３１３の演算回路４３０２に送られる。また、光検出器３５０３にて検出された検出値は補正回路４３０１に送られる。
【０１６８】
光検出器３５０３で検出された検出値は、演算部３３１３内の補正回路４３０１にて以下の式に従って補正される。
【０１６９】
Ｐｃ：補正前制御光源出力（ｍＷ）
【０１７０】
本補正式は光検出器３５０３にて検出した制御光パワー値に応じて、その値に重み付けして補正するものであり、補正前後の制御光出力の関係を図１８に示す。横軸を補正前制御光出力、縦軸を補正前制御光出力と補正後制御光出力の差（ΔＰ）とした。補正前制御光出力が増加するにつれΔＰが急激に増加していることが分かる。なお本方程式はあくまでも一例であり、制御時の増幅器の動作条件を満たすのであれば多種多様の関数を取り得る。また、本実施例では、光検出器３５０３からの出力値の補正についてのみ説明したが、他の実施例としては、光検出器３７０４からの出力値を補正することまたは光検出器３５０３および３７０４からの出力値の双方を補正する構成も可能である。
【０１７１】
補正後の制御光源出力値は、演算回路４３０２へ送られる。
【０１７２】
演算回路４３０２では、受信した検出値や補正値から信号光および制御光の利得を算出した上で、ＧＳおよびΔＧを算出する。予め設定されたＧＳおよびΔＧと一致するよう制御光源および励起光源の電流値を算出し、それらの値は制御部３３１２へ送られる。
【０１７３】
制御部３３１２は、演算回路４３０２から送られてきた電流値になるように制御光源３３０７および励起光源３３０９を調整する。
【０１７４】
本発明の利得制御時、−２５〜−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力条件に対し、利得偏差０．３ｄＢ以下を実現し、本制御の有効性が実証された。
【０１７５】
（実施例９）
図１９は、本発明の光ファイバ増幅器の第９実施例を示す構成図である。図１９において図１７と同様の個所には同一の参照番号を付してその説明を省略する。図１９に示すように、図１７の構成に加え、制御光と信号光を合分波するファイバグレーティング４５０１、４５０５と組み合わせたサーキュレータ４５０２、４５０４、アイソレータ３３０８からの励起光とサーキュレータ４５０２からの信号光・制御光とを合波する合波器４５０３が含まれる。
【０１７６】
ファイバグレーティング４５０１、４５０５と組み合わせたサーキュレータ４５０２、４５０４の代わりに溶融延伸のファイバ型（分岐型、波長分割多重型いずれも）、誘電体多層膜型等が使用可能である。合波器４５０３として、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
【０１７７】
本実施例では、信号光は１４７８、１４８０、１４８２、１４８４、１４８６、１４８８、１４９０、１４９２、１４９６、１４９８、１５００、１５０２、１５０４、１５０６、１５０８、１５１０ｎｍの１６波、増幅用光ファイバ３３０４はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしコアにツリウムイオンを６０００ｐｐｍ添加した７ｍの光ファイバ、制御光源の波長は１４９４ｎｍ、励起波長は１４００ｎｍ、アイソレータ３３０８は中心波長１４００ｎｍ、ファイバグレーティング４５０１、４５０５と組み合わせたサーキュレータ４５０２、４５０４は合分波波長１４９４ｎｍ（帯域幅０．８ｎｍ）、合波器４５０３は１４３０ｎｍ以下と１４４０ｎｍ以上の帯域を合波する誘電多層膜型の波長分割多重カプラを使用した。また励起光パワーは３００ｍＷに固定とした。
【０１７８】
図１９に示すように、信号光は、分波器４５０１にて制御光と合波され、ファイバグレーティング４５０１と組み合わせたサーキュレータ４５０２を通過し、合波器４５０３にて更に励起光と合波され、増幅用光ファイバ３３０４を通過後、ファイバグレーティング４５０５と組み合わせたサーキュレータ４５０４にて分波され、その一方は信号光として出力される。
【０１７９】
増幅用光ファイバ３３０４に入力される制御光パワーは、制御光源３３０７の内部の光検出器にて検出され、増幅用光ファイバより出力される制御光パワーは、ファイバグレーティング４５０５と組み合わせたサーキュレータ４５０４で分波され、光検出器３３１１にて検出され、それらの値は電気信号にて演算部３３１３に送られる。
【０１８０】
制御光源３３０７内部の光検出器に検出された検出値は、演算部３３１３内の補正回路４３０１にて以下の式に従って実施例８と同様に補正され、補正前後の制御光出力の関係は図２０に示される。
【０１８１】
Ｐｒｅ＝Ｐｃ・（１．０１０６−０．７３５５９・Ｐｃ），Ｐｃ≧０．００５
Ｐｒｅ：補正後制御光源出力（ｍＷ）
Ｐｃ：補正前制御光源出力（ｍＷ）
【０１８２】
なお、本方程式はあくまでも一例であり、制御時の増幅器の動作条件を満たすのであれば多種多様の関数を取り得る。また、本実施例では、光検出器を内部の制御光源３３０７からの出力値の補正についてのみ説明したが、この他には、光検出器３３１１からの出力値を補正することまたは光検出器３３１１および制御光源３３０７からの出力値の双方を補正する構成も可能である。
【０１８３】
補正後の制御光源出力値は、演算回路４３０２へ送られ、補正値に基づき制御光源３３０７の光量が調整される。
【０１８４】
本発明の利得制御時、−２５〜−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力条件に対し、利得偏差０．３ｄＢ以下を実現し、本制御の有効性を実証した。
【０１８５】
【発明の効果】
本発明によれば、希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器において、少なくとも光増幅器内に制御光源を有し、制御光もしくは信号光の利得を制御すること、少なくとも光増幅器内に制御光源を有し、制御光利得と信号光利得を制御すること、または、少なくとも光増幅器内に制御光源を有し、２つの信号光の利得を制御することにより利得スペクトルを一定に制御することができる。
【０１８６】
また、本発明の光増幅器は、ＷＤＭ伝送システムに適用した場合、信号チャネル数の変化に伴う入力レベルの変動および温度変化による利得スペクトルの変化に対し、信号光の利得スペクトルの制御が可能である。
【０１８７】
また、本発明の光増幅器は、伝送路損失の経時変化時の補償に必要な出力を一定に制御することができ、さらに、発振波長のホールバーニング等にも対応することができる。
【０１８８】
本発明の制御方法は、広く一般的な希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、石英をホストガラスとする場合のＥｒイオン、およびＰｒイオンの、増幅に大きく関与するエネルギー準位を表す模式図である。
【図２】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、ＥｒイオンおよびＴｍイオンのエネルギー凖位を示す図である。
【図３】ＴＤＦＡにおいて波長λ１での利得を一定にし、ＴＤＦＡの励起光量を調節した場合の特性を示す図である。
【図４】制御光と信号光の総入力パワーが常に一定になるように制御光源の光量を調節した場合の利得スペクトルを表す図である。
【図５】制御光と信号光の総出力パワーが常に一定になるように制御光源の光量を調節した場合の利得スペクトルを表す図である。
【図６】本発明の光増幅器を説明するための構成図である。
【図７】本発明の光ファイバ増幅器の第１実施例を説明するための構成図である。
【図８】第１実施例において各入力信号レベルを変えた場合の利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。
【図９】本発明の光ファイバ増幅器の第２実施例を説明するための構成図である。
【図１０】第２実施例において各入力信号レベルを変えた場合の利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。
【図１１】本発明の光ファイバ増幅器の第３実施例を説明するための構成図である。
【図１２】第３実施例において、入力信号光パワーを−１５ｄＢｍ／ｃｈ．、励起光パワーを４００ｍＷに固定し、制御光のパワーを変化させた場合の、２つのモニタする信号光の合計利得ＧＳと利得差ΔＧをプロットした図である。
【図１３】第３実施例において、入力信号光パワーを−１５ｄＢｍ／ｃｈ．、制御光パワーを−１５ｄＢｍに固定し、励起光パワーを変化させた時の、２つのモニタする信号光の合計利得ＧＳと利得差ΔＧをプロットした図である。
【図１４】本発明の利得制御時、−１０ｄＢｍ／ｃｈ．入力時の利得スペクトルを基準として各入力条件（−２５，−２０，−１５，−１０ｄＢｍ／ｃｈ．）の利得スペクトルの偏差をプロットした図である。
【図１５】第４〜第６実施例を説明するための構成図である。
【図１６】本発明の光ファイバ増幅器の第７実施例を説明するための構成図である。
【図１７】本発明の光ファイバ増幅器の第８実施例を説明するための構成図である。
【図１８】第８実施例において、補正前後の制御光出力の関係を示した図である。
【図１９】本発明の光ファイバ増幅器の第９実施例を説明するための構成図である。
【図２０】第９実施例において、補正前後の制御光出力の関係を示した図である。
【符号の説明】
６００ 光増幅器
６０１、６０３ 監視手段
６０２ 増幅部
６０４ 制御システム
６１０ 制御光源
６１２ 増幅媒体
６１４、６１６ 励起光源
６１８、６２０、６２２ 合波器
６２４、６２６ アイソレータ
６２８、６３６ 信号
６３０ 制御部
６３２ 演算部
６３４ 光分岐素子
６３４ 分波器
６３５ 光検出器
３３０１、３３０３、３７０５、４５０３ 合波器
３３０２、３３０５、３３０８ アイソレータ
３３０３ 波長分割多重カプラ（合波器）
３３０４ 増幅用光ファイバ
３３０６、３５０１、３７０１、３７０２、４１０１、４５０１ 分波器
３３０７、３３１１、３５０３、３７０４、４１０３ 光検出器
３３０７、３３０７、３５０４ 制御光源
３３０９ 励起光源
３３１０、３５０２、３７０３、４１０２ フィルタ
３３１２ 制御部
３３１３、４３１３ 演算部
４３０１ 補正回路
４３０２ 演算回路
４５０１、４５０５ ファイバグレーティング
４５０２、４５０４ サーキュレータ
Claims (20)
- 増幅媒体として希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力し、その入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できる１以上の制御光源、前記増幅媒体に入出力する光パワーをモニタする監視手段、および、前記監視手段より得られた値から該光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御するための制御部とを含むことを特徴とする光増幅器。
- 前記監視手段が制御光をモニタするものであることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
- 前記監視手段が、１チャンネル以上の信号光をモニタするものであることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
- 前記監視手段が、増幅帯域内で予め定められた波長範囲の光をモニタするものであることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
- 前記励起手段の励起光パワーが常に一定であることを特徴とする請求項１乃至４に記載の光増幅器。
- 増幅媒体として希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力し、その入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できる１以上の制御光源、前記増幅媒体に入出力する複数の波長の光のパワーをモニタする監視手段、前記監視手段より得られた値から複数の波長の利得を算出後、複数の利得の差と和を算出し、複数の利得の差が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御し、複数の利得の和が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御するための制御部とを含むことを特徴とする光増幅器。
- 前記監視手段が、制御光および信号光をモニタするものであることを特徴とする請求項６に記載の光増幅器。
- 前記監視手段が、複数の信号光をモニタするものであることを特徴とする請求項６に記載の光増幅器。
- 前記監視手段が、制御光および増幅帯域内で予め定められた波長範囲の光をモニタするものであることを特徴とする請求項６に記載の光増幅器。
- 前記制御部が、前記監視手段より得られた値に応じ、それらの値若しくは前記制御部で算出される利得、利得の差、または利得の和を補正する補正手段を含むことを特徴とする請求項１乃至９に記載の光増幅器。
- 希土類イオンとして、ツリウム、ホルミウムおよびエルビウムから選択される少なくとも１つの希土類イオンを用いることを特徴とする請求項１乃至１０に記載の光増幅器。
- 増幅媒体として希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、１以上の制御光源であって、該制御光源からの制御光の入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できるもの、監視手段、および、制御部とを含む光増幅器の利得プロファイルを一定に制御する方法において、
前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力することと、
前記増幅媒体に入出力する光パワーをモニタすることと、
前記監視手段より得られた値から該光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御すること
とを含むことを特徴とする制御方法。 - 前記監視手段が、制御光をモニタすることを特徴とする請求項１２に記載の制御方法。
- 前記監視手段が、１チャンネル以上の信号光をモニタすることを特徴とする請求項１２に記載の制御方法。
- 前記監視手段が、増幅帯域内で予め定められた波長範囲の光をモニタすることを特徴とする請求項１２に記載の制御方法。
- 前記励起手段の励起光パワーが常に一定であることを特徴とする請求項１３乃至１５に記載の制御方法。
- 増幅媒体として希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、１以上の制御光源であって、該制御光源からの制御光の入力パワーを変化させることで前記増幅媒体の反転分布状態を制御できるもの、監視手段、および制御部とを含む光増幅器の利得プロファイルを一定に制御する方法において、
前記増幅媒体の増幅帯域内の波長を有する制御光を前記増幅媒体に入力することと、
前記増幅媒体に入出力する複数の波長の光のパワーをモニタすることと、
前記監視手段より得られた値から複数の波長の利得を算出後、複数の利得の差と和を算出し、複数の利得の差が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記制御光源を制御し、複数の利得の和が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御することとを含むことを特徴とする制御方法。 - 前記監視手段が、制御光および信号光をモニタすることを特徴とする請求項１７に記載の制御方法。
- 前記監視手段が、複数の信号光をモニタすることを特徴とする請求項１７に記載の制御方法。
- 前記監視手段が、制御光および増幅帯域内で予め定められた波長範囲の光をモニタすることを特徴とする請求項１７に記載の制御方法。
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