JP2004258622A - ラマンアンプ及びそれを含む光通信システム - Google Patents

ラマンアンプ及びそれを含む光通信システム Download PDF

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Abstract

【課題】 増減設される信号チャネルに依存することなく容易に過渡応答特性の改善が可能な構造を有するラマンアンプ等を提供する。
【解決手段】 励起光源(132)は、波長λｐ０の前方励起光を光ファイバ(110)に供給する。励起光源(133)は、波長λｐ１〜λｐNのＮチャネル後方励起光を光ファイバ(110)に供給する。前方励起光の波長λp0は、後方励起光のチャネル波長λｐ１〜λｐNのうちの最短波長以下である。特に、後方励起光のパワー及び前方励起光のパワーは、実際の長さＬよりも後方励起光のチャネル波長λｐ１〜λｐＮに対する光ファイバ(110)の実効長Ｌｅｆｆが長くなるよう設定される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、互いに波長の異なる複数信号チャネルの信号光（多重化信号光）をラマン増幅するラマンアンプ、及び、該ラマンアンプを含む光通信システムに関するものである。
ラマンアンプは、複数信号チャネルが多重化された多重化信号光を伝送する波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）光通信システムに適用される光学部品であって、光増幅媒体である光ファイバに励起光を供給することで、該光ファイバを伝搬する多重化信号光をラマン増幅することができる。そのため、ラマンアンプは、ＷＤＭ光通信システムにおいて多重化信号光が光ファイバ伝送路を伝搬する間に被った損失を補償するのに広く利用されている。また、ＷＤＭ光通信システムにＯＡＤＭやＯＸＣが導入されていると、光ファイバ伝送路を伝搬する信号光のチャネル数が変動する場合があり、そのため、ラマンアンプに入力される信号光のチャネル数が変動する場合がある。
このようにラマンアンプへ入力される信号光のチャネル数が変動する場合、ラマンアンプの過渡応答特性が問題となる（例えば、非特許文献１及び非特許文献２参照）。すなわち、チャネル増減設（add/drop）時に、その前後で継続してラマンアンプに入力される信号光に対するラマン増幅の利得は、変動するだけでなく、アンダーシュート又はオーバーシュートする場合がある。
非特許文献１に記載された技術は、このようなラマンアンプの過渡応答特性の問題を解決することを意図している。この非特許文献１に記載された技術では、光増幅媒体である光ファイバの後方から励起光（後方励起光）が該光ファイバに供給されるだけでなく、該光ファイバの前方からも励起光（前方励起光）が供給される。そして、ラマンアンプに入力される信号光のチャネル数変動に応じて前方励起光のパワーが調整されることで、過渡応答特性の改善が図られる（フィードフォワード制御）。
Y. Sugaya, et al., "Suppression method of transient power response of Raman amplifier caused by channel add-drop", ECOC2002 28thEuropean Conference on Optical Communication, Vol. 1, Sep. 9, 2002 Stuart Gray, "Transient gain dynamics in wide bandwidth discrete Raman amplifiers", OFC2002 OPTICAL FIBER COMMUNICATION CONFERENCE AN EXHIBIT, Mar. 17-22, 2002, ThR2
発明者らは、上述の従来技術について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、上記非特許文献１に記載された技術では、増減設される信号チャネルによっては、過渡応答特性の改善が不充分である場合がある。換言すれば、上記非特許文献１に記載された技術のように、前方励起光に対するフィードフォワード制御だけでは、ラマンアンプ内の光学部品や励起光源であるＬＤの経時変化に対応できず、各信号チャネルの出力パワーレベルを精度よく制御することができない。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、増減設される信号チャネルに依存することなく容易に過渡応答特性の改善が可能な構造を有するラマンアンプ、及び、該ラマンアンプを含む光通信システムを提供することを目的としている。
この発明に係るラマンアンプは、ラマン増幅用光ファイバと、第１励起光源と、第２励起光源を備える。上記ラマン増幅用光ファイバは、互いに異なる波長の複数信号チャネルが多重化された信号光が入力される入力端と、ラマン増幅された該信号光が出力される出力端を有する。上記第１励起光源は、ラマン増幅用光ファイバの出力端から該ラマン増幅用光ファイバ内に、互いに異なる波長の複数励起チャネルが多重化された後方励起光を供給する。上記第２励起光源は、ラマン増幅用光ファイバの入力端から該ラマン増幅用光ファイバ内に、１又はそれ以上の励起チャネルが多重化された前方励起光を供給する。なお、この前方励起光のチャネル数は、上記後方励起光のチャネル数よりも少ない。前方励起光のチャネル数を多くすると、該前方励起光の持つ強度雑音（強度揺らぎ）がラマン増幅用光ファイバ内を伝搬している信号光に影響してしまうためである。また、前方励起光に含まれる各励起チャネルは、上記後方励起光の最短励起チャネル波長以下の波長を有する。
特に、この発明に係るラマンアンプにおいて、上記第１及び第２励起光源から出力される後方励起光及び前方励起光の各パワーは、実際の長さよりも該後方励起光の各励起チャネルに対するラマン増幅用光ファイバ実効長が長くなるよう、設定されている。一般に、この発明に係るラマンアンプに適用されるラマン増幅用光ファイバは、高い非線形性を有する。このラマン増幅用光ファイバに高パワーの光が入力されると、誘導ラマン散乱（SRS: Stimulated Raman Scattering）に起因して該入力光の波長よりも長波長側にストークス光が発生する。このストークス光により後方励起光に含まれる励起チャネルにゲインを与えることができる。このとき、後方励起光に含まれる各励起チャネルの伝送損失よりも与えられるゲインの方が大きければ、該後方励起光に含まれる各励起チャネルに対するラマン増幅用光ファイバの実効長を延ばすことが可能になる。このため、前方励起光に含まれる励起チャネルの波長は、後方励起光の最短励起チャネル波長以下に設定されている。
以上のように構成されたラマンアンプによれば、ＯＡＤＭやＯＸＣが導入されたフォトニックネットワークを含む光通信システムにおいて、増減設（add/drop）される信号チャネルに依存することなく容易に過渡応答特性を改善することができる。
この発明に係るラマンアンプは、フィードフォワード制御を可能にするため、入力モニタ装置と、制御部とをさらに備えてもよい。この場合、上記入力モニタ装置は、ラマン増幅用光ファイバの入力端側に配置され、信号光に含まれる各信号チャネルの入力パワーレベルをモニタする。上記制御部は、入力モニタ装置によりモニタされた各信号チャネルの入力パワーレベルに基づいて、各信号チャネルの出力パワーレベルが所定値になるよう、少なくとも上記第２励起光源を制御する。
ここで、上記制御部は、入力される信号光のチャネル数が変動すること無く信号チャネルの入力パワーレベルが所定パターンで変動したとき、上記第２励起光源からラマン増幅用光ファイバに供給される後方励起光のパワーのみをフィードフォワード制御してもよい。ここで、所定パターンとは、１又はそれ以上の信号チャネルが所定値以上変動する状態を意味する。ただし、組合せにより、所定値は異なる。また、上記制御部は、入力される信号光のチャネル数が変動したとき、信号チャネルのうち入力パワーレベルが所定値以上に変動していない信号チャネルのラマン増幅に関与する励起チャネルのパワーをそれぞれフィードフォワード制御してもよい。さらに、上記制御部は、信号光に含まれる複数信号チャネルの入力パワーレベルに基づいて、これら信号チャネルの出力パワーレベルが所定値となるよう、後方励起光のパワー及び前方励起光のパワーをフィードフォワード制御してもよい。
また、この発明に係るラマンアンプは、ラマン増幅用光ファイバの入力端における各信号チャネルのラマン増幅利得が、同じ励起光パワーで得られる小信号利得の５０％以上、好ましくは８０％以上となるよう、ラマン増幅用光ファイバのラマン増幅特性に対する第１及び第２励起光源それぞれの励起光パワーが所定関係に設定されるのが好ましい。ここで、ラマン増幅用光ファイバの入力端における各信号チャネルの入力パワーレベルは、当該ラマンアンプが適用される光通信システムにおいて通常使用されるパワーレベルである。また、小信号利得とは、小さい入力パワーレベルの信号チャネルが入力されたときに、同じ励起光パワーで得られる不飽和利得であり、ラマン利得が一定である小信号利得領域における一定利得を言いう。
上述のように各信号チャネルのラマン増幅利得を小信号利得の５０％以上、好ましくは８０％以上に設定するのは、飽和状態での利用は過渡応答のオーバーシュートを引き起こすからである。また、上記第１及び第２励起光源それぞれの励起光パワーの具体的な設定は、相対的に、長波長側（後方励起光に含まれる励起チャネル側）の励起光パワーを抑える一方、短波長側（前方励起光に含まれる励起チャネル側）の励起光パワーを大きくすることにより行われる。
この発明に係るラマンアンプは、入力モニタ装置とラマン増幅用光ファイバとの間に配置された光伝送路（信号遅延手段）を備えてもよい。この光伝送路は、信号光の伝搬時間が制御部による第２励起光源の制御に要する最短時間以上になる程度の長さを有する。ここで、制御部は、この第２励起光源の制御に要する時間を調整する機能を有するのが好ましい。また、この光伝送路は、信号光をラマン増幅するのが好ましい。例えば、この光伝送路は希土類元素添加光ファイバを含んでもよい。
この発明に係るラマンアンプは、上記入力モニタ装置によりモニタされた複数信号チャネルの入力パワーレベルが所定値以下になる信号チャネルと同じ波長の模擬信号光をラマン増幅用光ファイバに供給する模擬信号光供給システムを備えてもよい。この場合、上記制御部が模擬信号光供給システムの一部を構成する。
なお、ラマンアンプでは、ラマン増幅用光ファイバの長さや励起方向によって決まる応答速度よりも速いフィードバック制御を行うと、出力応答よりも速くフィードバックがかかるため、原理的に出力が発振してしまう。そこで、この発明に係るラマンアンプは、上述のような速いフィードフォワード制御を行うことで過渡応答のオーバーシュート又はアンダーシュートを抑制するとともに、遅い周期でフィードバック制御を行うことで高精度の出力制御を行う構成を備えてもよい。このように、２段階の制御が行われることにより、ラマンアンプにおける過渡応答のオーバーシュート又はアンダーシュートの効果的な抑制と、高精度の出力制御が同時に可能にする。
すなわち、フィードフォワード制御及びフィードバック制御を可能にするため、この発明に係るラマンアンプは、上述のようにラマン増幅用光ファイバ、第１励起光源、第２励起光源、入力モニタ装置、制御部とともに、ラマン増幅用光ファイバの出力端側に配置された出力モニタ装置を備え、上記制御部は、上記入力モニタ装置及び出力モニタ装置の検出結果に基づいて、上記第１及び第２励起光源の少なくとも何れかに対して制御を行う。
具体的に、上記制御部は、ラマン増幅用光ファイバの入力端における信号光のパワー変動を検出した時点で第１励起光源に対してフィードフォワード制御を行った後、信号光がラマン増幅用光ファイバを伝播するのに要する時間よりも遅い周期で第１励起光源に対してフィードバック制御を行ってもよい。また、上記制御部は、ラマン増幅用光ファイバの出力端における信号光のパワー変動を検出した時点で第２励起光源に対してフィードフォワード制御を行った後、信号光がラマン増幅用光ファイバを伝播するのに要する時間よりも遅い周期で第２励起光源に対してフィードバック制御を行ってもよい。さらに、上記制御部は、ラマン増幅用光ファイバの入力端における信号光のパワー変動を検出した時点で第１励起光源に対してフィードフォワード制御を行うとともに、ラマン増幅用光ファイバの出力端における信号光のパワー変動を検出した時点で第２励起光源に対してフィードフォワード制御を行い、その後、信号光がラマン増幅用光ファイバを伝播するのに要する時間よりも遅い周期で第１及び第２励起光源それぞれに対してフィードバック制御を行ってもよい。上記制御部は、ラマン増幅用光ファイバの入力端における信号光のパワー変動を検出した時点で第１励起光源に対してフィードフォワード制御を行った後、信号光がラマン増幅用光ファイバを伝播するのに要する時間よりも遅い周期で第１及び第２励起光源それぞれに対してフィードバック制御を行うことも可能である。
なお、このようにフィードフォワード制御とともにフィードバック制御を行うラマンアンプは、入力モニタ装置とラマン増幅用光ファイバの入力端との間に配置されるとともに、信号光の伝搬時間が入力パワー変動を検出してから実際に出力パワー変動に反映されるまでの時間に相当する程度の長さを有する光伝送路（遅延手段）をさらに備えてもよい。
この発明に係る光通信システムは、上述のような構造を有するラマンアンプ（この発明に係るラマンアンプ）を含む。このラマンアンプは、複数信号チャネルが多重化された信号光が伝搬する光ファイバ伝送路上に配置され、該信号光がラマンアンプにより増幅される。この光通信システムは、上述のような構造を有するラマンアンプを利用して信号光を増幅するため、例えば該ラマンアンプに入力された信号光のチャネル数がＯＡＤＭやＯＸＣにより変動する場合であっても、増減設される信号チャネルに依存することなく容易にラマン増幅時の過渡応答特性を改善することができる。したがって、この光通信システムによれば、優れた信号伝送品質が得られる。
以上のようにこの発明によれば、ラマン増幅用光ファイバに対して第１励起光源から複数励起チャネルの後方励起光が供給される一方、第２励起光源から前方励起光が供給される。そして、前方励起光に含まれる励起チャネルの波長は、後方励起光に含まれる各励起チャネルの波長のうち最短波長以下に設定されている。また、実際の長さよりも後方励起光の各励起チャネルに対するラマン増幅用光ファイバの実効長は、長い。このように構成されたラマンアンプは、増減設される信号チャネルに依存することなく容易に過渡応答特性を改善することができる。
以下、この発明に係るラマンアンプ及びそれを含む光通信システムの各実施形態について、図１〜図２０を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において同一要素、同一部位には同一番号を付して重複する説明を省略する。
（ラマンアンプの第１実施形態）
まず、この発明に係るラマンアンプの第１実施形態について説明する。図１は、この発明に係るラマンアンプの第１実施形態の構成を示す図である。この図１に示されたラマンアンプ１００は、光入力端１０１から光出力端１０２に向かって順に配置された、光カプラ１１１、光カプラ１１２、ラマン増幅用光ファイバ１１０及び光カプラ１１３を備える。また、ラマンアンプ１００は、光カプラ１１１に接続された入力モニタ装置の一部を構成するモニタ部１２１、光カプラ１１２に接続された励起光源１３２（前方励起光を供給する第２励起光源）、光カプラ１１３に接続された励起光源１３３（後方励起光を供給する第１励起光源）、及び制御部１４０を備える。
光カプラ１１１は、光入力端１０１を介して入力された波長λｓ１〜λｓＭ（Ｍは２以上の整数）の信号チャネルが多重化された信号光の一部を分岐する。分岐された一部はモニタ部１２１へ出力され、残りの信号光は光カプラ１１２へ出力される。モニタ部１２１は、光カプラ１１１により分岐された波長λｓ１〜λｓＭの信号チャネルを入力し、各信号チャネルの入力パワーレベルをモニタする。
励起光源１３２は、波長λｐ０の励起チャネルを含む前方励起光を出力する励起ＬＤを含み、該前方励起光を光カプラ１１２へ出力する。光カプラ１１２は、光カプラ１１１より到達した信号チャネルλｓ１〜λｓＭを含む信号光を光ファイバ１１０へ出力するとともに、励起光源１３２から出力された波長λｐ０の前方励起光をラマン増幅用光ファイバ１１０に供給する。
励起光源１３３は、波長λｐ１〜λｐＮ（Ｎは２以上の整数）の光を出力する励起ＬＤと、これら波長の異なる出力光を合波する合波器を含み、各励起ＬＤの出力波長に対応するＮ励起チャネルが多重化された後方励起光を光カプラ１１３へ出力する。光カプラ１１３は、ラマン増幅用光ファイバ１１０から到達した信号チャネルλｓ１〜λｓＭの信号光を出力端１０２へ出力するとともに、励起光源１３３から出力されたＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮの後方励起光をラマン増幅用光ファイバ１１０に供給する。
ここで、ラマン増幅用光ファイバ１１０へ供給される励起光に含まれる励起チャネルの波長は、以下の式（１）で表される関係を有する。
Λｐ０＜λｐ１＜λｐ２＜…＜λｐＮ …（１）
すなわち、前方励起光に含まれる励起チャネルの波長λｐ０は、後方励起光に含まれるＮ励起チャネルの波長λｐ１〜λｐＮのうちの最短波長以下である。
また、ラマン増幅用光ファイバ１１０の実際の長さＬよりも、後方励起光に含まれるＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮに対する該ラマン増幅用光ファイバ１１０の実効長Ｌｅｆｆが長くなるよう、励起光源１３２、１３３からラマン増幅用光ファイバ１１０に供給される励起光（波長λｐ０〜λｐＮの励起チャネルを含む）のパワーが設定されている。ここで、実効長Ｌｅｆｆは、以下の式（２）で表される。
Ｌｅｆｆ＝[１−exp(αＬ)]／α …（２）
ここで、αはラマン増幅用光ファイバ１１０の増幅損失であり、増幅している場合にはα値は１より大きい。
制御部１４０は、モニタ部１２１によりモニタされた各信号チャネルの入力パワーレベルに基づいて、光入力端１０１を介して入力された信号光に含まれる各信号チャネルのパワー変動やチャネル増減設を検出する。そして、制御部１４０は、その検出結果に基づいて、各信号チャネルの出力パワーレベルが所定値となるよう、少なくとも励起光源１３２からラマン増幅用光ファイバ１１０に供給される前方励起光に含まれる励起チャネルλｐ０のパワーを所定値に制御する。また、制御部１４０は、励起光源１３３からラマン増幅用光ファイバ１１０に供給される後方励起光に含まれる励起チャネルλｐ１〜λｐＮそれぞれのパワーをも所定値に制御する。このように構成されたラマンアンプ１００は、増減設される信号チャネルに依存することなく容易に過渡応答特性を改善することができる。
制御部１４０は、入力された信号光のチャネル数が変動すること無く何れかの信号チャネルの入力パワーレベルが所定パターンで変動したとき、励起光源１３３から光ファイバ１１０に供給される後方励起光のパワーのみをフィードフォワード制御するのが好ましい。ここで、所定パターンとは、１又はそれ以上の励起チャネルが所定値以上変動する状態を意味する。ただし、組合せにより、所定値は異なる。制御部１４０は、入力された信号光のチャネル数が変動したとき、信号チャネルのうち入力パワーレベルが所定値以上に変動していない信号チャネルのラマン増幅に関与する励起チャネルのパワーをそれぞれ所定値になるようフィードフォワード制御してもよい。制御部１４０は、入力された信号光に含まれる各信号チャネルの入力パワーレベルに基づいて、これら信号チャネルの出力パワーレベルが所定値となるよう、励起光源１３２からラマン増幅用から光ファイバ１１０に供給される前方励起光のパワー及び励起光源１３３からラマン増幅用光ファイバ１１０に供給される後方励起光のパワーをフィードフォワード制御してもよい。
また、ラマン増幅用光ファイバ１１０の入力端における各信号チャネルに対するラマン増幅利得は、同じ励起光パワーで得られる小信号利得の５０％以上、好ましくは８０％以上となるよう、ラマン増幅用光ファイバ１１０のラマン増幅特性と励起光源１３２、１３３からそれぞれ出力される前方励起光のパワー及び後方励起光のパワーとの関係が所定関係に設定されている。ここで、ラマン増幅用光ファイバの入力端における各信号チャネルの入力パワーレベルは、当該ラマンアンプ１００が適用される光通信システムにおいて通常使用されるパワーレベルを意味する。また、小信号利得とは、小さい入力パワーレベルの信号チャネルが入力されたときに、同じ励起光パワーで得られる不飽和利得であって、信号チャネルの入力パワーレベルが小さくラマン利得が一定である小信号利得領域における一定利得を言う。
次に、この第１実施形態に係るラマンアンプ１００の作用、効果について、第１及び第２比較例と対比しつつ説明する。なお、図２は、第１比較例に係るラマンアンプ１００Ａの構成を示す図である。また、図３は、第２比較例に係るラマンアンプ１００Ｂの構成を示す図である。
第１比較例に係るラマンアンプ１００Ａでは、励起光源１３２から出力された励起光は、光カプラ１１２を経てラマン増幅用光ファイバ１００の前方（入力端）のみから該ラマン増幅用光ファイバ１００に供給される（前方励起）。一方、第２比較例に係るラマンアンプ１００Ｂでは、励起光源１３３から出力された励起光は、光カプラ１１３を経てラマン増幅用光ファイバ１００の後方（出力端）のみから該ラマン増幅用光ファイバ１００に供給される。
図４は、第１実施形態に係るラマンアンプ１００のラマン増幅用光ファイバ１１０における信号光パワー分布である。図５は、第１比較例に係るラマンアンプ１００Ａの光ファイバ１１０における信号光パワー分布である。図６は、第２比較例に係るラマンアンプ１００Ｂの光ファイバ１１０における信号光パワー分布である。なお、これらの図４〜図６において、横軸はラマン増幅用光ファイバ１１０のファイバ長を示す。また、図４〜図６において、グラフＧ４１０、Ｇ５１０、Ｇ６１０はそれぞれ波長１５３０ｎｍの信号チャネルのパワー分布を示し、グラフＧ４２０、Ｇ５２０、Ｇ６２０はそれぞれ波長１５７０ｎｍの信号チャネルのパワー分布を示し、グラフＧ４３０、Ｇ５３０、Ｇ６３０はそれぞれ波長１６１０ｎｍの信号チャネルのパワー分布を示す。
これら図４〜図６を比較すれば、後方励起（図３、図６）の場合と比較して、前方励起（図２、図５）及び双方向励起（図１、図４）の場合の方が、ラマン増幅用光ファイバ１１０における信号光パワー分布の波長依存性が小さいことが分かる。
図７は、第１実施形態に係るラマンアンプ１００の光ファイバ１１０における励起光パワー分布である。図８は、第２比較例に係るラマンアンプ１００Ｂの光ファイバ１１０における励起光パワー分布である。図９は、第２比較例に係るラマンアンプ１００Ｂにおいて幾つかの信号チャネルの入力をステップ状にon-offした場合に、残った信号チャネルの出力パワーレベルの応答特性を示すグラフである。なお、図７において、グラフＧ７１０は波長１４３０ｎｍの励起光を双方向からラマン増幅用光ファイバ１１０に供給したときの励起光パワー分布であり、グラフＧ７２０は波長１５１０ｎｍの励起光を前方からラマン増幅用光ファイバ１１０に供給したときの励起光パワー分布である。図８において、グラフＧ８１０は波長１４３０ｎｍの励起光を後方からラマン増幅用光ファイバ１１０に供給したときの励起光パワー分布であり、グラフＧ８２０は波長１５１０ｎｍの励起光を前方からラマン増幅用光ファイバ１１０に供給したときの励起光パワー分布である。また、図９において、グラフＧ９１０は波長１５３０ｎｍの信号の応答特性であり、グラフＧ９２０は波長１６１０ｎｍの信号光の応答特性である。後方励起（図３、図８）の場合には、短波長側（１４３０ｎｍ）の励起光と比べて、長波長側（１５１０ｎｍ）の励起光は、光ファイバ１１０の長手方向に亘ってパワーが存在しており、ラマン増幅用光ファイバ１１０の全長に亘って直接信号光のラマン増幅に寄与していることが判る。この増幅に直接寄与する長さは、上記式（２）で表される実効長Ｌｅｆｆで近似される。後方励起の場合、波長が短いほど、実効長Ｌｅｆｆが短いので、図９に示されたように、応答速度が速くなる。そこで、この実施形態では、短波長の励起光を前方からラマン増幅用光ファイバ１１０に供給することで、波長による実効長の差を抑圧し、応答速度の波長依存性を低減することにより制御を簡略化している。
図１０は、第２比較例に係るラマンアンプ１００Ｂの利得スペクトル変動を示すグラフである。この利得スペクトル変動は、励起チャネル波長を１４３０ｎｍ、１４４５ｎｍ、１４６０ｎｍ、１４７５ｎｍ、１４９０ｎｍ及び１５１０ｎｍとし、信号波長域を１５３０ｎｍ〜１６１０ｎｍとし、各信号チャネルの平均利得を１８ｄＢとして計算された。そして、この図１０において、グラフｓ＋は最短波長１４３０ｎｍの励起光のパワーを１ｄＢ増加させた場合、グラフｓ−は最短波長１４３０ｎｍの励起光のパワーを１ｄＢ減少させた場合、グラフｌ＋は最長波長１５１０ｎｍの励起光のパワーを１ｄＢ増加させた場合、及び、グラフｌ−は最長波長１５１０ｎｍの励起光のパワーを１ｄＢ減少させた場合それぞれにおける利得スペクトル変動ΔＧを示している。この図１０から分かるように、複数励起チャネルでラマン増幅する場合、励起チャネル波長が短いほど、全体の利得に与える影響が大きい。そこで、信号光に含まれる各信号チャネルの出力パワーレベルを所定値に制御する際、特定波長の信号チャネルの増幅に直接寄与する励起チャネルのパワーを調整するのでは無く、短波長側の励起チャネルのパワーを制御することにより、利得偏差を過大に大きくすることなく、制御の簡略化が可能になる。
入力信号光のパワーレベル変動がチャネル数の変動に起因する場合、特定波長の信号チャネルの増幅に直接寄与する励起チャネルのパワーのみを所定値に制御することにより、消費電力を抑えることができる。
また、ラマンアンプの動作状態を同じ励起光パワーで得られる小信号利得に近い状態に設定することにより、入力信号光のチャネル数変動に起因した出力信号光のパワーレベル変動を抑圧することができる。
さらに、ラマンアンプの動作状態を同じ励起光パワーで得られる小信号利得に遠い状態に設定することにより、励起光パワーを制御すること無く、入力信号光のパワーレベル変動に起因した出力信号光のパワーレベル変動に対して、該出力信号光のパワーレベルを一定に保つ方向に動作させることも可能である。
図１１は、第１比較例に係るラマンアンプ１１０Ａにおける励起光パワーレベル変動に対する出力信号光パワーレベル変動の応答を示すグラフである。図１２は、第２比較例に係るラマンアンプ１１０Ｂにおける励起光パワーレベル変動に対する出力信号光パワーレベル変動の応答を示すグラフである。なお、図１１において、グラフＧ１１１０は供給される励起光のパワーレベルを示し、グラフＧ１１２０は出力信号光のパワーレベルを示す。また、図１２において、グラフＧ１２１０は供給される励起光のパワーレベルを示し、グラフＧ１２２０は出力信号光のパワーレベルを示す。これら図１１及び図１２から分かるように、前方励起が行われる第１比較例に係るラマンアンプ１１０Ａと、後方励起が行われる第１比較例に係るラマンアンプ１１０Ｂとでは、応答速度が相違しており、出力信号光のパワーレベルが所定値になるまでに要する時間は、後方励起の場合の方が遅い。そこで、以下に説明する第２実施形態のように、光カプラ１１１と光ファイバ１１０との間に遅延手段としての光伝送路（遅延ファイバ）を挿入するのが好ましい。
（ラマンアンプの第２実施形態）
図１３は、この発明に係るラマンアンプの第２実施形態の構成を示す図である。この図１３に示されたラマンアンプ２００は、光入力端２０１から光出力端２０２向かって順に配置された、光カプラ２１１、遅延ファイバ（光伝送路）２５０、光カプラ２１２、ラマン増幅用光ファイバ２１０及び光カプラ２１３を備える。さらに、ラマンアンプ２００は、光カプラ２１１に接続された入力モニタ装置の一部を構成するモニタ部２２１、光カプラ２１２に接続された励起光源２３２（前方励起光を供給する第２励起光源）、光カプラ２１３に接続された励起光源２３３（後方励起光を供給する第１励起光源）、及び、制御部２４０を備える。
光カプラ２１１は、光入力端２０１を介して入力された波長λｓ１〜λｓＭ（Ｍは２以上の整数）の信号チャネルが多重化された信号光の一部を分岐する。分岐された一部はモニタ部２２１に向けて出力され、残りの信号光は遅延ファイバ２５０へ出力される。モニタ部２２１は、光カプラ２１１により分岐された信号チャネルλｓ１〜λｓＭを含む信号光を入力し、各信号チャネルの入力パワーレベルをモニタする。
遅延ファイバ２５０は、光カプラ２１１と光カプラ２１２との間に配置されており、光カプラ２１１から出力された信号光を入力して、この信号光を光カプラ２１２まで伝送する。
励起光源２３２は、第１実施形態における励起光源１３２と同様の構造を有し、波長λｐ０の励起チャネルを含む前方励起光を光カプラ２１２へ出力する。光カプラ２１２は、遅延ファイバ２５０から到達した信号チャネルλｓ１〜λｓＭを含む信号光をラマン増幅用光ファイバ２１０へ出力するとともに、励起光源２３２から出力された励起チャネルλｐ０を含む前方励起光をラマン増幅用光ファイバ２１０に供給する。
励起光源２３３は、第１実施形態における励起光源１３３と同様の構造を有し、波長λｐ１〜λｐＮ（Ｎは２以上の整数）のＮ励起チャネルが多重化された後方励起光を光カプラ２１３へ出力する。光カプラ２１３は、ラマン増幅用光ファイバ２１０から到達した信号チャネルλｓ１〜λｓＭを含む信号光を光出力端２０２へ出力するとともに、励起光源２３３から出力されたＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮを含む後方励起光をラマン増幅用光ファイバ２１０に供給する。
ここで、前方励起光及び後方励起光に含まれる各励起チャネルの波長は、上記式（１）の関係がある。すなわち、前方励起光に含まれる励起チャネルλｐ０は、後方励起光に含まれうるＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮのうち最短波長以下である。
また、後方励起光に含まれるＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮに対するラマン増幅用光ファイバ２１０の実効長Ｌｅｆｆは、該ラマン増幅用光ファイバ２１０の実際の長さＬより長くなるように、励起光源２３２、２３３からラマン増幅用光ファイバ２１０に供給される励起光（波長λｐ０〜λｐＮの励起チャネルを含む）のパワーが設定されている。
制御部２４０は、モニタ部２２１によりモニタされた各信号チャネルの入力パワーレベルに基づいて、光入力端２０１を介して入力された信号光に含まれる各信号チャネルのパワー変動やチャネル増減設を検出する。そして、制御部２４０は、その検出結果に基づいて、各信号チャネルの出力パワーレベルが所定値となるように、少なくとも励起光源２３２からラマン増幅用光ファイバ２１０に供給される前方励起光に含まれる励起チャネルλｐ０のパワーを所定値に制御する。また、制御部２４０は、励起光源２３３からラマン増幅用光ファイバ２１０に供給される後方励起光に含まれる励起チャネルλｐ１〜λｐＮそれぞれのパワーをも所定値に制御する。以上のように構成されたラマンアンプ２００は、増減設される信号チャネルに依存することなく容易に過渡応答特性を改善することができる。
特に、この第２実施形態に係るラマンアンプ２００は、ラマン増幅用光ファイバ２１０の信号入力端側に遅延ファイバ２５０を備えており、この遅延ファイバ２５０は、信号光が遅延ファイバ２５０を伝搬するのに要する時間が、制御部２４０による励起光源２３２の制御に要する最短時間以上になる程度の長さを有する。このような長さの遅延ファイバ２５０が挿入されることにより、ラマンアンプ特有の制御遅れに起因した問題を解消することができる。また、制御部２４０は、励起光源２３２の制御に要する時間を調整する機能を有するのが好ましい。
遅延ファイバ２５０も、ラマン増幅用励起光が供給されることにより、信号光をラマン増幅するのが好ましい。また、遅延ファイバ２５０は、信号光を増幅するよう希土類元素添加光ファイバを含んでもよい。これらの場合、ラマンアンプ２００は、高利得を達成することができる。
（ラマンアンプの第３実施形態）
次に、図１４は、この発明に係るラマンアンプの第３実施形態の構成を示す図である。この図１４に示されたラマンアンプ３００は、光入力端３０１から光出力端３０２に向かって順に配置された、光カプラ３１１、遅延ファイバ（光伝送路）３５０、光カプラ３１４、光カプラ３１２、ラマン増幅用光ファイバ３１０及び光カプラ３１３を備える。また、ラマンアンプ３００は、光カプラ３１１に接続された入力モニタ装置の一部を構成するモニタ部３２１、光カプラ３１２に接続された励起光源３３２（前方励起光を供給する第２励起光源）、光カプラ３１３に接続された励起光源３３３（後方励起光を供給する第１励起光源）、光カプラ３１４に接続された模擬信号光源３３４、及び、制御部３４０を備える。
光カプラ３１１は、光入力端３０１を介して入力された長λｓ１〜λｓＭ（Ｍは２以上の整数）の信号チャネルが多重化された信号光の一部を分岐する。分岐された一部はモニタ部３２１へ出力され、残りの信号光は遅延ファイバ３５０へ出力される。モニタ部３２１は、光カプラ３１１により分岐された信号チャネルλｓ１〜λｓＭを含む信号光を入力し、各信号チャネルの入力パワーレベルをモニタする。
遅延ファイバ３５０は、光カプラ３１１と光カプラ３１４との間に配置された光導波路であり、光カプラ３１１から出力された信号光を入力して、この信号光を光カプラ３１４まで伝送する。
模擬信号光源３３４は、波長λｓ１〜λｓＭの模擬信号チャネルそれぞれをパワー調整し、これら模擬信号チャネルが多重化された模擬信号光を出力する。光カプラ３１４は、遅延ファイバ３５０から到達した信号光を光カプラ３１２へ出力するとともに、模擬信号光源３３４から到達した模擬信号光を光カプラ３１２へ出力する。
励起光源３３２は、第１実施形態における励起光源１３２と同様の構造を有し、波長λｐ０の励起チャネルを含む前方励起光を光カプラ３１２へ出力する。光カプラ３１２は、光カプラ３１４から到達した信号光及び模擬信号光をラマン増幅用光ファイバ３１０へ出力するとともに、励起光源３３２から出力された励起チャネルλｐ０を含む前方励起光をラマン増幅用光ファイバ３１０に供給する。
励起光源３３３は、第１実施形態における励起光源１３３と同様の構造を有し、波長λｐ１〜λｐＮ（Ｎは２以上の整数）のＮ励起チャネルが多重化された後方励起光を光カプラ３１３へ出力する。光カプラ３１３は、光ファイバ３１０から到達した信号光及び模擬信号光を光出力端３０２へ出力するとともに、励起光源３３３から出力されたＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮを含む後方励起光をラマン増幅用光ファイバ３１０に供給する。
ここで、前方励起光及び後方励起光の各励起チャネルの波長は、上記式（１）の関係がある。すなわち、前方励起光に含まれる励起チャネルλｐ０は、後方励起光に含まれるＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮのうちの最短波長以下である。
また、後方励起光に含まれるＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮに対するラマン増幅用光ファイバ３１０の実効長Ｌｅｆｆは、当該ラマン増幅用光ファイバ３１０の実際の長さＬより長くなるよう、励起光源３３２、３３３からラマン増幅用光ファイバ３１０に供給される励起光（波長λｐ０〜λｐＮの励起チャネルを含む）のパワーが設定されている。
制御部３４０は、モニタ部３２１による各信号チャネルの入力パワーレベルに基づいて、光入力端３０１を介して入力された信号光に含まれる各信号チャネルのパワー変動やチャネル増減設を検出する。そして、制御部３４０は、その検出結果に基づいて、各信号チャネルの出力パワーレベルが所定値となるように、少なくとも励起光源３３２からラマン増幅用光ファイバ３１０に供給される励起チャネルλｐ０を含む前方励起光のパワーを所定値に制御する。また、制御部３４０は、励起光源３３３からラマン増幅用光ファイバ３１０に供給される励起チャネルλｐ１〜λｐＮを含む後方励起光のパワーをも所定値に制御するのが好ましい。このように構成されたラマンアンプ３００は、増減設される信号チャネルに依存することなく容易に過渡応答特性を改善することができる。
特に、この第３実施形態に係るラマンアンプ３００は、モニタ部３２１によりモニタされた各信号チャネルの入力パワーレベルに基づいて、該モニタされた入力パワーレベルが所定値以下の信号チャネルと同じ波長の模擬信号光をラマン増幅用光ファイバ３１０に供給する。これにより、過渡応答特性を更に改善することができる。
（ラマンアンプの第４実施形態）
図１５は、この発明に係るラマンアンプの第４実施形態の構成を示す図である。この図１５に示されたラマンアンプ４００は、フィードフォワード制御のみならずフィードバック制御も可能な構造を有する。すなわち、ラマンアンプ４００は、光入力端４０１から光出力端４０２向かって順に配置された、光カプラ４１１、光カプラ４１２、ラマン増幅用光ファイバ４１０、光カプラ４１３及び光カプラ４１４を備える。さらに、ラマンアンプ４００は、光カプラ４１１に接続された入力モニタ装置の一部を構成するモニタ部４２１、光カプラ４１２に接続された励起光源４３２（前方励起光を供給する第２励起光源）、光カプラ４１３に接続された励起光源４３３（後方励起光を供給する第１励起光源）、光カプラ４１４に接続された出力モニタ装置の一部を構成するモニタ部４２２、及び、制御部４４０を備える。
光カプラ４１１は、光入力端４０１を介して入力された波長λｓ１〜λｓＭ（Ｍは２以上の整数）の信号チャネルが多重化された信号光の一部を分岐する。分岐された一部はモニタ部４２１に向けて出力され、残りの信号光は光カプラ４１２へ出力される。モニタ部４２１は、光カプラ４１１により分岐された信号チャネルλｓ１〜λｓＭを含む信号光を入力し、各信号チャネルの入力パワーレベルをモニタする。
励起光源４３２は、第１実施形態における励起光源１３２と同様の構造を有し、波長λｐ０の励起チャネルを含む前方励起光を光カプラ４１２へ出力する。光カプラ４１２は、光カプラ４１１から到達した信号チャネルλｓ１〜λｓＭを含む信号光をラマン増幅用光ファイバ４１０へ出力するとともに、励起光源４３２から出力された励起チャネルλｐ０を含む前方励起光をラマン増幅用光ファイバ４１０に供給する。
励起光源４３３は、第１実施形態における励起光源１３３と同様の構造を有し、波長λｐ１〜λｐＮ（Ｎは２以上の整数）のＮ励起チャネルが多重化された後方励起光を光カプラ４１３へ出力する。光カプラ４１３は、ラマン増幅用光ファイバ４１０から到達した信号チャネルλｓ１〜λｓＭを含む信号光を光カプラ４１４へ出力するとともに、励起光源４３３から出力されたＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮを含む後方励起光をラマン増幅用光ファイバ４１０に供給する。
光カプラ４１４は、光カプラ４１３から到達した信号光の一部を分岐する。分岐された一部はモニタ部４２２に向けて出力され、残りの信号光は光出力端４０２へ出力される。モニタ部４２２は、光カプラ４１４により分岐された信号チャネルλｓ１〜λｓＭを含む信号光を入力し、各信号チャネルの出力パワーレベルをモニタする。
ここで、前方励起光及び後方励起光に含まれる各励起チャネルの波長は、上記式（１）の関係がある。すなわち、前方励起光に含まれる励起チャネルλｐ０は、後方励起光に含まれうるＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮのうち最短波長以下である。
また、後方励起光に含まれるＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮに対するラマン増幅用光ファイバ４１０の実効長Ｌｅｆｆは、該ラマン増幅用光ファイバ４１０の実際の長さＬより長くなるように、励起光源４３２、４３３からラマン増幅用光ファイバ４１０に供給される励起光（波長λｐ０〜λｐＮの励起チャネルを含む）のパワーが設定されている。
制御部４４０は、モニタ部４２１によりモニタされた各信号チャネルの入力パワーレベル及びモニタ部４２２によりモニタされた各信号チャネルの出力パワーレベルに基づいて、フィードフォワード制御及び／又はフィードバック制御を行う。
ここで、一般的に広く用いられるＥＤＦＡにおいては、信号光の入出力パワーをモニタし、励起光のパワー制御を高速に行うことで当該ＥＤＦＡにおける過渡応答のオーバーシュートやアンダーシュートの抑制している。しかしながら、ラマン増幅においては、励起光源である励起ＬＤの出力制御を行ってから、この制御結果が信号光出力に反映されるまでの時間は、図１６のように信号光が伝搬するラマン増幅用光ファイバのファイバ長及び励起方向によって異なる。なお、図１６（ａ）は、長さ３ｋｍのラマン増幅用光ファイバに対する前方励起時における励起光変動に対する出力信号の応答を示すグラフであり、図１６（ｂ）は、長さ３ｋｍのラマン増幅用光ファイバに対する後方励起時における励起光変動に対する出力信号の応答を示すグラフである。これら図１６（ａ）及び図１６（ｂ）において、グラフＧ１６１０ａ、Ｇ１６１０ｂは励起光パワーの時間応答を示し、グラフＧ１６２０ａ、Ｇ１６２０ｂは信号光パワーの時間応答を示す。これら図１６（ａ）から分かるように、前方励起の場合、信号光のパワー変動が入力モニタ装置で検出されてから出力モニタ装置で検知するまでに当該ラマン増幅用光ファイバの長さ(３ｋｍ)に相当する約１５μｓの遅延が生じる。一方、図１６（ｂ）から分かるように、後方励起の場合、信号光の出力変動は当該ラマン増幅用光ファイバの実効長のＲＴＴ時間をかけて応答し、約３０μｓと前方励起の場合よりも遅くなる。
したがって、ラマンアンプの出力制御を精度よく行うには、フィードバック制御は必須であるがＯＡＤＭ等により信号チャネル数が増減する際に生じる過渡応答のオーバーシュートやアンダーシュートは、励起光の出力変動に対する信号光の出力応答に要する遅延時間の間に起こるので、ＯＡＤＭやＯＸＣが導入されるフォトニックネットワークに対応したラマンアンプを得るためには、係る過渡応答のオーバーシュートやアンダーシュートを抑えるため、１０μｓオーダーでの出力制御が必要となる。ところが、ラマンアンプでは、ラマン増幅用光ファイバのファイバ長や励起方向によって決まる応答速度より早い通常のフィードバック制御が行われると、出力応答より早くフィードバックがかかるため、原理的に出力が発振してしまう。そこで、この第４実施形態では、早いフィードフォワード制御を行うことで当該ラマンアンプにおける過渡応答のオーバーシュートやアンダーシュートを抑え、遅い周期でフィーバック制御を行うことで精度よく出力制御を行う２段階制御が行われる。
上述の２段階制御方式の有効性について、発明者は図１５に示されたラマンアンプと同じ構成の実験系を用意し、検証した。すなわち、この実験系において、入力信号チャネルの波長を１５２０ｎｍ、１５２５ｎｍとし、波長１５２０ｎｍの信号チャネルを残して１５２５ｎｍの信号チャネルをｏｎ−ｏｆｆしたときの応答特性について検証した。
図１７（ａ）は、前方励起時における応答特性であって、グラフＧ１７１０ａは励起光のパワー制御が行われていない状態での信号光の出力パワーレベルを示し、グラフＧ１７２０ａは信号光の出力パワーレベルを一定に維持するよう励起光のパワー制御が行われた状態の該信号光の出力パワーレベルを示す。また、図１７（ｂ）は、後方励起時における応答特性であって、グラフＧ１７１０ｂは励起光のパワー制御が行われていない状態での信号光の出力パワーレベルを示し、グラフＧ１７２０ｂは信号光の出力パワーレベルを一定に維持するよう励起光のパワー制御が行われた状態の該信号光の出力パワーレベルを示す。これら図１７（ａ）及び図１７（ｂ）から分かるように、励起光パワーを一定にした状態で信号チャネルの一部をｏｎ−ｏｆｆしたとき（励起光のパワー制御を行わない）の応答特性は、前方励起の場合（図１７（ａ））、信号光の出力パワーレベルはステップ上に変化するのに対し、後方励起の場合（図１７（ｂ））、信号光の出力パワーレベルはラマン増幅用光ファイバの実効長のＲＴＴ時間をかけて変化する。また、図１８（ａ）は、前方励起の場合、この過渡応答時における信号光と励起光制御信号の時間変動を示すグラフであり、図１８（ｂ）は、後方励起の場合、この過渡応答時における信号光と励起光制御信号の時間変動を示すグラフである。なお、図18（ａ）及び図１８（ｂ）において、グラフＧ１８１０ａ、Ｇ１８１０ｂは信号光の時間変動を示し、グラフ１８２０ａ、Ｇ１８２０ｂは励起光変調の時間変動を示す。
これら図１７（ａ）〜図１８（ｂ）から分かるように、信号光のステップ状のパワー変動に対して前方励起の場合、信号光のパワー変動と同時に励起光パワーをステップ状に制御することで信号光の出力パワーレベルは一定になる。また、信号光のステップ状のパワー変動に対して後方励起の場合、ラマン増幅用光ファイバの出力端（後方励起光が入力されるファイバ端）に信号光のパワー変動が達するタイミングで励起光パワーをステップ状に制御することで信号光の出力パワーレベルが一定になるよう制御可能であることが分かる。
以上のことから、モニタ部４２１によりラマン増幅用光ファイバ４１０の入力端における信号光のパワー変動が検出された時点で、制御部４４０がフィードフォワード制御を行う一方、モニタ部４２２によりラマン増幅用光ファイバ４１０の出力端における信号光のパワー変動が検出された時点で、制御部４４０がフィードフォワード制御を行うことで、ラマンアンプ４００における過渡応答のオーバーシュートやアンダーシュートが効果的に抑制できることが分かる。さらに、制御部４００が励起光源４３２、４３３に対して、信号光がラマン増幅用光ファイバ４１０を伝搬するのに要する時間（伝搬時間）よりも遅い周期でフィードバック制御を行うことにより、より高精度の出力制御が可能になる。
なお、この第４実施形態において、上記制御部４４０は、ラマン増幅用光ファイバ４１０の入力端における信号光のパワー変動を検出した時点（モニタ部４２１で検出）で励起光源４３３に対してフィードフォワード制御を行った後、信号光がラマン増幅用光ファイバ４１０を伝播するのに要する時間よりも遅い周期で励起光源４３３に対してフィードバック制御を行ってもよい。また、上記制御部４４０は、ラマン増幅用光ファイバ４１０の出力端における信号光のパワー変動を検出した時点（モニタ部４２２で検出）で励起光源４３２に対してフィードフォワード制御を行った後、信号光がラマン増幅用光ファイバ４１０を伝播するのに要する時間よりも遅い周期で励起光源４３２に対してフィードバック制御を行ってもよい。さらに、上記制御部４４０は、ラマン増幅用光ファイバ４１０の入力端における信号光のパワー変動を検出した時点（モニタ部４２１で検出）で励起光源４３２に対してフィードフォワード制御を行うとともに、ラマン増幅用光ファイバ４１０の出力端における信号光のパワー変動を検出した時点（モニタ歩２２で検出）で励起光源４３３に対してフィードフォワード制御を行い、その後、信号光がラマン増幅用光ファイバ４１０を伝播するのに要する時間よりも遅い周期で励起光源４３２、４３３それぞれに対してフィードバック制御を行ってもよい。上記制御部４４０は、ラマン増幅用光ファイバ４１０の入力端における信号光のパワー変動を検出した時点（モニタ部２１で検出）で励起光源４３２に対してフィードフォワード制御を行った後、信号光がラマン増幅用光ファイバ４１０を伝播するのに要する時間よりも遅い周期で励起光源４３２、４３３それぞれに対してフィードバック制御を行うことも可能である。以上のように構成されたラマンアンプ４００は、増減設される信号チャネルに依存することなく容易に過渡応答特性を改善することができる。
なお、上述の第４実施形態のようにフィードフォワード制御とともにフィードバック制御を行うラマンアンプは、入力モニタ装置とラマン増幅用光ファイバの入力端との間に配置されるとともに、信号光の伝搬時間が入力パワー変動を検出してから実際に出力パワー変動に反映されるまでの時間に相当する程度の長さを有する光伝送路（遅延手段）をさらに備えてもよい。
（ラマンアンプの第５実施形態）
図１９は、この発明に係るラマンアンプの第５実施形態の構成を示す図であり、この第５実施形態は、ラマン増幅用光ファイバの入力端側に配置された遅延ファイバを除き、上述の第４実施形態を同様の構造を有する。すなわち、この図１９に示されたラマンアンプ５００は、光入力端５０１から光出力端５０２向かって順に配置された、光カプラ２１１、遅延ファイバ（光伝送路）５５０、光カプラ５１２、ラマン増幅用光ファイバ５１０、光カプラ５１３及び光カプラ５１４を備える。さらに、ラマンアンプ５００は、光カプラ５１１に接続された入力モニタ装置の一部を構成するモニタ部５２１、光カプラ５１２に接続された励起光源５３２（前方励起光を供給する第２励起光源）、光カプラ５１３に接続された励起光源５３３（後方励起光を供給する第１励起光源）、光カプラ５１４に接続された出力モニタ装置の一部を構成するモニタ部５２２、及び、制御部２４０を備える。この制御部５４０は、第４実施形態の制御部４４０と同様に、励起光源５３２、５３３それぞれに対してフィードフォワード制御及びフィードバック制御を行う。
上述のような構成を備えた第５実施形態では、前方向励起中においてラマン増幅用光ファイバファイバ５１０の入力端に信号光のパワー変動が生じた瞬間に行われるフィードフォワード制御は、図１９中の遅延ファイバ５５０を光カプラ５１２（入力モニタ装置の一部を構成する）とラマン増幅用光ファイバ５１０との間に挿入し、モニタ部５２１が入力信号光のパワー変動を検知してから実際にラマン増幅用光ファイバ５１０に励起光出力の変動が反映されるまでの時間に相当する遅延時間を与えることにより可能となる。一方、後方向励起中においてラマン増幅用光ファイバ５１０の出力端に信号光のパワー変動が生じた瞬間に行われるフィードフォワード制御は、当該ラマン増幅用光ファイバ５１０のファイバ長によって決まる遅延時間を与える遅延回路等を利用することにより励起光パワー制御のタイミングを制御することが可能である。なお、フィードフォワート制御における励起パワーの制御量は、例えばテーブルとして事前に用意するか、計算により算出することが可能である。
光カプラ５１１は、光入力端５０１を介して入力された波長λｓ１〜λｓＭ（Ｍは２以上の整数）の信号チャネルが多重化された信号光の一部を分岐する。分岐された一部はモニタ部５２１に向けて出力され、残りの信号光は遅延ファイバ５５０へ出力される。モニタ部５２１は、光カプラ５１１により分岐された信号チャネルλｓ１〜λｓＭを含む信号光を入力し、各信号チャネルの入力パワーレベルをモニタする。
遅延ファイバ５５０は、光カプラ５１１と光カプラ５１２との間に配置されており、光カプラ５１１から出力された信号光を入力して、この信号光を光カプラ５１２まで伝送する。
励起光源５３２は、第１実施形態における励起光源１３２と同様の構造を有し、波長λｐ０の励起チャネルを含む前方励起光を光カプラ５１２へ出力する。光カプラ５１２は、遅延ファイバ５５０から到達した信号チャネルλｓ１〜λｓＭを含む信号光をラマン増幅用光ファイバ５１０へ出力するとともに、励起光源５３２から出力された励起チャネルλｐ０を含む前方励起光をラマン増幅用光ファイバ５１０に供給する。
励起光源５３３は、第１実施形態における励起光源１３３と同様の構造を有し、波長λｐ１〜λｐＮ（Ｎは２以上の整数）のＮ励起チャネルが多重化された後方励起光を光カプラ５１３へ出力する。光カプラ５１３は、ラマン増幅用光ファイバ５１０から到達した信号チャネルλｓ１〜λｓＭを含む信号光を光カプラ５１４へ出力するとともに、励起光源５３３から出力されたＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮを含む後方励起光をラマン増幅用光ファイバ５１０に供給する。
光カプラ５１１は、光カプラ５１３から到達した信号光の一部を分岐する。分岐された一部はモニタ部５２２に向けて出力され、残りの信号光は光出力端５０２へ出力される。モニタ部５２２は、光カプラ５１３により分岐された信号チャネルλｓ１〜λｓＭを含む信号光を入力し、各信号チャネルの出力パワーレベルをモニタする。
ここで、前方励起光及び後方励起光に含まれる各励起チャネルの波長は、上記式（１）の関係がある。すなわち、前方励起光に含まれる励起チャネルλｐ０は、後方励起光に含まれうるＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮのうち最短波長以下である。
また、後方励起光に含まれるＮ励起チャネルλｐ１〜λｐＮに対するラマン増幅用光ファイバ５１０の実効長Ｌｅｆｆは、該ラマン増幅用光ファイバ５１０の実際の長さＬより長くなるように、励起光源５３２、５３３からラマン増幅用光ファイバ５１０に供給される励起光（波長λｐ０〜λｐＮの励起チャネルを含む）のパワーが設定されている。
制御部５４０は、第４実施形態における制御部４４０と同様に動作する。特に、この第５実施形態に係るラマンアンプ５００は、ラマン増幅用光ファイバ５１０の信号入力端側に遅延ファイバ５５０を備えており、この遅延ファイバ５５０は、信号光が遅延ファイバ５５０を伝搬するのに要する時間が、制御部５４０による励起光源５３２の制御に要する最短時間以上になる程度の長さを有する。このような長さの遅延ファイバ５５０が挿入されることにより、ラマンアンプ特有の制御遅れに起因した問題を解消することができる。また、制御部５４０も、励起光源５３２の制御に要する時間を調整する機能を有するのが好ましい。
遅延ファイバ５５０も、ラマン増幅用励起光が供給されることにより、信号光をラマン増幅してもよい。また、遅延ファイバ５５０は、信号光を増幅するよう希土類元素添加光ファイバを含んでもよい。これらの場合、ラマンアンプ５００は、高利得を達成することができる。
（光通信システムの実施形態）
図２０は、個の発明に係る光通信システムの一実施形態の構成を示す図である。この図２０に示された光通信システム１は、光送信装置１０、光中継装置２０、光受信装置３０及び光ファイバ伝送路４１〜４４を備える。光中継装置２０は、ＯＡＤＭ２１を含む。光受信装置３０は、ラマンアンプ３１及び受信器３２を含む。ラマンアンプ３１は、上述の第１〜第５実施形態に係るラマンアンプ１００、２００、３００、４００及び５００の何れかと同一構成のものである。
光送信装置１０は、互いに異なる波長の複数信号チャネルが多重化された信号光を合波し、この合波光を光ファイバ伝送路４１に出力する。光中継装置２０内のＯＡＤＭ２１は、光ファイバ伝送路４１を伝搬してきた信号光を入力し、該信号光に含まれる信号チャネルのうち何れかの信号チャネルを光ファイバ伝送路４４に出力するとともに、残りの信号チャネルを、光ファイバ伝送路４３を伝搬してきた信号チャネルとともに、光ファイバ伝送路４２に出力する。光受信装置３０は、光ファイバ伝送路４２を伝搬してきた信号光を入力し、該入力された信号光をラマンアンプ３１によりラマン増幅する。このラマン増幅された信号光が、信号チャネルごとに受信器３２により受信される。
この光通信システム１において、光ファイバ伝送路４１〜４３を伝搬し光受信装置３０に到達した信号光は、ラマンアンプ３１にラマン増幅されるので、受信器３２により高感度で受信され得る。なお、光中継装置２０内にはＯＡＤＭ２１が設けられていることから、光受信装置３０に到達する信号光のチャネル数が変動する場合がある。しかしながら、ラマンアンプ３１が上述の第１〜第５実施形態に係るラマンアンプ１００〜５００の何れかと同一構成のものであることにより、増減設される信号チャネルに依存することなく容易にラマン増幅の際の過渡応答特性を改善することができる。したがって、この光通信システム１の信号伝送品質は優れたものとなる。
この発明に係るラマンアンプは、増減設される信号チャネルに依存することなく容易に過渡応答のオーバーシュート及びアンダーシュートを効果的に抑制するとともに、高精度の出力制御を可能にする構造を有し、キーデバイスとしてＯＡＭＤやＯＸＣが導入されたフォトニックネットワーク（信号チャネル数の変動や出力が変動するネットワーク）への適用が可能である。
この発明に係るラマンアンプの第１実施形態の構成を示す図である。 第１比較例に係るラマンアンプの構成を示す図である。 第２比較例に係るラマンアンプの構成を示す図である。 第１実施形態に係るラマンアンプのラマン増幅用光ファイバにおける信号光パワー分布である。 第１比較例に係るラマンアンプのラマン増幅用光ファイバにおける信号光パワー分布である。 第２比較例に係るラマンアンプの光ファイバにおける信号光パワー分布である。 第１実施形態に係るラマンアンプのラマン増幅用光ファイバにおける励起光パワー分布である。 第２比較例に係るラマンアンプのラマン増幅用光ファイバにおける励起光パワー分布である。 第２比較例に係るラマンアンプにおいて幾つかの信号チャネル入力をステップ状にon-offした場合において、残りの信号チャネルの出力パワーレベルに対する応答特性を示すグラフである。 第２比較例に係るラマンアンプの利得スペクトル変動を示すグラフである。 第１比較例に係るラマンアンプにおける励起パワーレベル変動に対する出力信号パワーレベル変動の応答を示すグラフである。 第２比較例に係るラマンアンプにおける励起パワーレベル変動に対する出力信号パワーレベル変動の応答を示すグラフである。 この発明に係るラマンアンプの第２実施形態の構成を示す図である。 この発明に係るラマンアンプの第３実施形態の構成を示す図である。 この発明に係るラマンアンプの第４実施形態の構成を示す図である。 前方励起と後方励起のそれぞれについて、励起光変動に対する出力信号の応答を示すグラフである。 前方励起と後方励起のそれぞれについて、信号チャネル数の変動時における励起光制御の有無によるラマンアンプの応答特性の違いを示すグラフである。 前方励起と後方励起のそれぞれについて、信号光と励起光制御信号の時間変動を示すグラフである。 この発明に係るラマンアンプの第５実施形態の構成を示す図である。 この発明に係る光通信システムの構成を示す図である。
符号の説明
１…光通信システム
１０…光送信装置
２０…光中継装置
３０…光受信装置
４１〜４４…光ファイバ伝送路
１００、２００、３００、４００、５００…ラマンアンプ
１１１〜１１３、２１１〜２１３、３１１〜３１３、４１１〜４１４、５１１〜５１４…光カプラ
１２１、２２１、３２１、４２１、４２２、５２１、５２２…モニタ部
１３２、１３３、２３２、２３３、３３２、３３３、４３２、４３３、５３２、５３３…励起光源
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０…制御部
２５０、３５０、５５０…遅延ファイバ（光伝送路）
３３４…模擬信号光源。

Claims (19)

  1. 互いに異なる波長の複数信号チャネルを含む信号光が入力される入力端と、ラマン増幅された該信号光が出力される出力端とを有するラマン増幅用光ファイバと、
    前記ラマン増幅用光ファイバの出力端から該ラマン増幅用光ファイバ内に、互いに波長の異なる複数励起チャネルを含む後方励起光を供給する第１励起光源と、
    前記ラマン増幅用光ファイバの入力端から該ラマン増幅用光ファイバ内に、１以上かつ前記後方励起光よりも少ない数の励起チャネルを含みいずれの励起チャネルも前記後方励起光の最短チャネル波長以下の波長を有する前方励起光を供給する第２励起光源とを備え、
    前記後方励起光に含まれる各励起チャネルに対する前記ラマン増幅用光ファイバの実効長が当該ラマン増幅用光ファイバの実際の長さより長くなるよう、前記後方励起光のパワー及び前記前方励起光のパワーが設定されているラマンアンプ。
  2. 前記ラマン増幅用光ファイバの入力端側に配置され、前記信号光に含まれる各信号チャネルの入力パワーレベルをモニタする入力モニタ装置と、
    前記入力モニタ装置によりモニタされた前記信号光に含まれる各信号チャネルの入力パワーレベルに基づいて、各信号チャネルの出力パワーレベルが所定値になるよう、少なくとも前記第２励起光源を制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のラマンアンプ。
  3. 前記ラマン増幅用光ファイバの入力端側に配置され、前記信号光に含まれる各信号チャネルの入力パワーレベルをモニタする入力モニタ装置と、
    前記ラマン増幅用光ファイバの出力端側に配置され、ラマン増幅された前記信号光に含まれる各信号チャネルの出力パワーレベルをモニタする出力モニタ装置と、
    前記入力モニタ装置及び前記出力モニタ装置から得られる検出結果に基づいて、前記第１及び第２励起光源を制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のラマンアンプ。
  4. 前記制御部は、入力される信号光のチャネル数が変動すること無く前記信号チャネルの入力パワーレベルが所定パターンで変動したとき、前記第２励起光源から前記ラマン増幅用光ファイバに供給される後方励起光のパワーのみをフィードフォワード制御することを特徴とする請求項２記載のラマンアンプ。
  5. 前記制御部は、入力される信号光のチャネル数が変動したとき、前記信号チャネルのうち入力パワーレベルが所定値以上に変動していない信号チャネルのラマン増幅に関与する励起チャネルのパワーをそれぞれフィードフォワード制御することを特徴とする請求項２記載のラマンアンプ。
  6. 前記制御部は、前記信号光に含まれる複数信号チャネルの入力パワーレベルに基づいて、これら信号チャネルの出力パワーレベルが所定値となるよう、前記後方励起光のパワー及び前記前方励起光のパワーをフィードフォワード制御することを特徴とする請求項２記載のラマンアンプ。
  7. 前記制御部は、前記ラマン増幅用光ファイバに前記信号光が入力されたときのラマン増幅利得を小信号利得の５０％以上にするため、前記ラマン増幅用光ファイバのラマン増幅特性に対する前記後方励起光のパワー及び前記前方励起光のパワーを調節することを特徴とする請求項２又は６記載のラマンアンプ。
  8. 前記ラマン増幅用光ファイバに前記信号光が入力されたときのラマン増幅利得は、小信号利得の８０％以上であることを特徴とする請求項７記載のラマンアンプ。
  9. 前記入力モニタ装置と前記ラマン増幅用光ファイバの入力端との間に配置されるとともに、前記信号光の伝搬時間が前記制御部による前記第２励起光源の制御に要する最短時間以上になる程度の長さを有する光伝送路をさらに備えたことを特徴とする請求項２又は３記載のラマンアンプ。
  10. 前記制御部は、前記第２励起光源の制御に要する時間を調整する機能を有することを特徴とする請求項９記載のラマンアンプ。
  11. 前記光伝送路は、前記信号光をラマン増幅する伝送媒体として機能することを特徴とする請求項９記載のラマンアンプ。
  12. 前記遅延光伝送路は、希土類元素添加光ファイバを含むことを特徴とする請求項９記載のラマンアンプ。
  13. 前記ラマン増幅用光ファイバの入力端側に配置され、前記信号光に含まれる各信号チャネルの入力パワーレベルをモニタする入力モニタ装置と、
    前記入力モニタ装置によりモニタされた入力パワーレベルが所定値以下となる信号チャネルと同じ波長の模擬信号光を前記ラマン増幅用光ファイバに供給する模擬信号光供給システムをさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のラマンアンプ。
  14. 前記制御部は、前記ラマン増幅用光ファイバの入力端における前記信号光のパワー変動を検出した時点で前記第１励起光源に対してフィードフォワード制御を行った後、前記信号光が前記ラマン増幅用光ファイバを伝播するのに要する時間よりも遅い周期で前記第１励起光源に対してフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項３記載のラマンアンプ。
  15. 前記制御部は、前記ラマン増幅用光ファイバの出力端における前記信号光のパワー変動を検出した時点で前記第２励起光源に対してフィードフォワード制御を行った後、前記信号光が前記ラマン増幅用光ファイバを伝播するのに要する時間よりも遅い周期で前記第２励起光源に対してフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項３記載のラマンアンプ。
  16. 前記制御部は、前記ラマン増幅用光ファイバの入力端における前記信号光のパワー変動を検出した時点で前記第１励起光源に対してフィードフォワード制御を行うとともに、前記ラマン増幅用光ファイバの出力端における前記信号光のパワー変動を検出した時点で前記第２励起光源に対してフィードフォワード制御を行い、その後、前記信号光が前記ラマン増幅用光ファイバを伝播するのに要する時間よりも遅い周期で前記第１及び第２励起光源それぞれに対してフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項３記載のラマンアンプ。
  17. 前記制御部は、前記ラマン増幅用光ファイバの入力端における前記信号光のパワー変動を検出した時点で前記第１励起光源に対してフィードフォワード制御を行った後、前記信号光が前記ラマン増幅用光ファイバを伝播するのに要する時間よりも遅い周期で前記第１及び第２励起光源それぞれに対してフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項３記載のラマンアンプ。
  18. 前記入力モニタ装置と前記ラマン増幅用光ファイバの入力端との間に配置されるとともに、前記信号光の伝搬時間が入力パワー変動を検出してから実際に出力パワー変動に反映されるまでの時間に相当する程度の長さを有する光伝送路をさらに備えたことを特徴とする請求項１４又は１６記載のラマンアンプ。
  19. 請求項１記載のラマンアンプを含む光通信システム。
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