JP2005051196A

JP2005051196A - エルビュームドープ光ファイバ増幅器

Info

Publication number: JP2005051196A
Application number: JP2004041898A
Authority: JP
Inventors: Mikiya Suzuki; 幹哉鈴木; Akira Omori; 昭大森; Koichi Hayakawa; 弘一早川; Shigeru Shikii; 滋式井
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】
多段接続後の励起光パワーが自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）の雑音の増幅にも消費され、光信号８の光増幅に寄与される励起パワーが低下するとともに、雑音成分である１．５６０μｍのＡＳＥ７の成分が増加してしまう。この結果、雑音に対する光信号の値が低下し、信号劣化を発生させてしまう。
【解決手段】
波長1.550〜1.560μｍの光信号と励起光とをエルビュームドープ光ファイバに入力し、前記光信号を前記光ファイバ内で光増幅するエルビュームドープ光ファイバ増幅器において、前記光ファイバ内のエルビュームイオンの５０〜６５％に対して反転を与えることを特徴とする。これにより、従来の課題を解決することができた。
【選択図】図１

Description

本発明は、エルビュームドープ光ファイバを用いた光増幅器に関する。

この光増幅器は、増幅媒体であるエルビュームドープ光ファイバ（EDF: Erbium doped fiber）に、波長０．９８μｍや１．４８μｍの特定短波長の励起光を導く事によって、図１２に示すように、エルビュームの電子を基底順位Ｅ１から高いエネルギー準位Ｅ3に励起した後、それよりもやや低エネルギー準位Ｅ２に留まらせて、EDF内に反転分布状態を形成させ（励起準位Ｅ3から上準位Ｅ2への電子の遷移より、上準位Ｅ2から基底準位Ｅ1までの電子の遷移の方が遅い為、上準位に反転分布が形成される）、その状態のEDFに同時に信号光を通す事で上準位Ｅ2から基底準位Ｅ1に落ちるエネルギーを受けて、誘導放出を起こさせ、光信号を電気に変換することなく、直接、光の状態で増幅する増幅器である。

その基本構成は、図１０に示すように、増幅媒体であるEDF１、これに励起光２を導く励起光源３、この励起光２と信号光４とを合波してＥＤＦ１内に導く光合・分波器５、及び、必要に応じてＥＤＦ１の前後に配置された発振防止の為のアイソレータ６からなる。

従来、このEDF１を用いたエルビュームドープ光ファイバ増幅器（EDFA：Erbium Doped Fiber Amplifier）はEDF１の長さＬ及び励起光パワーＲが（ＰＯ-ＰＩ）/Ｒが最大となるように設計され、製品化されていた。ここで、ＰＩは波長１．５６０μｍの光信号の入力パワー、ＰＯは信号光の出力パワー、Rは励起光のパワーである（例えば非特許文献１〜２）
これらの非特許文献には、ＥＤＦＡを多段に接続した場合、雑音特性が劣化するため、信号光の波長を適切に選ぶ必要があることが報告されている。

H.Taga et al.,IEEE JLT vol.13,no.5pp.829-840 大越,信学技報,OCS90-21E

しかしながら、ＣＡＴＶ（有線放送）のアナログ信号のように光信号を多段に渡って光増幅するような光伝送増幅システムにおいて、光信号の波長が自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）のピーク波長と異なる波長1.550〜1.560μｍで使用される場合がある。この際、光信号としてＡＳＥピーク波長と同じ波長を採用した場合には、EDFAの励起光パワーの大半が光信号の増幅に消費されるが、信号光波長がＡＳＥピーク波長と異なる場合、図１１に示すように多段接続後の励起光パワーがＡＳＥ７の雑音の増幅にも消費され、光信号８の光増幅に寄与される励起パワーが低下するとともに、雑音成分であるＡＳＥ７の成分が増加してしまう。この結果、雑音に対する光信号の値が低下し、信号劣化を発生させてしまう。

エルビュームドープ光ファイバ増幅器（EDFA：Erbium Doped Fiber Amplifier）の増幅特性は、主に増幅媒体であるEDFの固有の定数である放出断面積：σe（λ）、吸収断面積：σa（λ）、及び、反転分布の形成状態（反転率）によって決定付けられる。図９はＥＤＦの波長に対する放出断面積、吸収断面積の特性の一例を示す。

いま、励起準位E3、上準位E2、基底準位E1に存在する電子数を、それぞれN3、N2、N1と仮定すると、前述のようにE3からE2への電子の遷移は早いので無視して考えて良く、E2とE1間の2準位系になる。
これら各準位に存在する電子数と、EDF固有の定数である放出断面積：σe（λ）、吸収断面積：σa（λ）の関係を表すと、EDFでの微小単位長さにおける利得係数：ｇ(λ)と、EDFでの利得：G（λ）は以下の式のように示される。

N2とN1の関係は、N2+N1=1であり、これ以外あり得ない。即ち、N2=1且つ、N1=0の時が反転率１００％の状態を、N2=N1の時は飽和状態を、またN2=０且つ、N1=１の時が反転率０％の状態を意味する。

EDF内の反転率の形成状態は、EDF長、入力信号光パワー、励起光パワーにより定まるもので、EDF長、入力信号光パワーを一定として考えた場合、当然の事であるが、励起光パワーが高いほどエネルギーの高い準位に存在する電子数が増すので、反転はより完全なN2>N1の関係になる。
また、EDF長、励起光パワーを一定として考えた場合、信号光パワーが高いほど、励起光のエネルギーは信号光に奪われるので、反転は不完全なN2=N1の状態となる。

更に、入力信号光パワー、励起光パワーを固定して考えた場合、EDFは光ファイバである為、長手方向に反転率が変化する（例えば励起光を入力側から入れる構成を考えた場合、入力側では仮に完全な反転率（１００％）にあったとしても、出力側では励起パワーが吸収され減少し、反転率は１００よりも小さくなる）。
因みに、N2=0（N1=１）の状態はEDFを全く励起しない無励起状態を意味し、EDFは完全な損失媒体となる。

N1、N2の電子数の変化に対するEDFの微小単位長さ当りの利得係数を図８に示す。
図８では、便宜的にN2の電子の存在状態を0.2づつ変化させて計算したものであるが、実際には連続した値を取るものであり、EDF内では完全反転分布形成状態であるN2=1（N1=0）から、完全吸収状態：N1=1（N2=0）の間の必ずどこかの状態にある。ここで注目すべきは、利得係数は波長依存性を持ち、且つ反転率の変化で波長依存性が変化する事である。これは入力パワーや、励起パワー、EDF長が変化する度にN1、N2の取り得る状態が変化し利得の波長依存性が変化する事である。従って、ある一定の長さを持ったEDFに対しては、長手方向についての反転率を積分することによって、そのEDF全体を代表するある一つの反転率（平均反転率）を求めることができる。
つまり、ある波長、例えば波長１５５０ｎｍの光信号が入力された状態で求められた増幅媒体を代表する平均反転分布形成状態が、図８の１５６０ｎｍ付近を中心に短波長側が上がった傾向にあれば１５６０ｎｍ付近でのＡＳＥの成長は抑制できるといえる。

そこで本発明者は反転率を種々変化させ、反転率が如何なるときに上記波長1.550〜1.560μｍの光信号が上記ＡＳＥの影響を余り受けずに増幅できるかを検討した。
図６は光ファイバ内のエルビュームイオンの反転率を４８％及び５２％とし、波長１５５０ｎｍの光信号を＋６ｄＢｍの強さで入力して光増幅させたときの出力スペクトラムを示したもので、実線は反転率が４８％のものを、破線は反転率が52％のものを示したものである。また、図７は上記光増幅器の６台をその出力信号が通常のシングルモード光ファイバの減衰特性で＋６ｄＢｍまで減衰させて縦続接続した際のシュミレーションによる出力スペクトラムを示したものである。

図７から判るように、反転率が４８％のものを６台縦続接続すると、１段では余り目立たなかったものでも、ＡＳＥそのものがその後の光増幅器により光増幅され、波長１５６２ｎｍ中心付近のＡＳＥのレベルが大きく出現するようになり、この結果、光信号に対してＡＳＥのレベルが１０ｄＢ程度に近づき光信号のＳＮ比を悪化させてしまう。これに対して反転率が５２％のものは光信号がＡＳＥに対して４０ｄＢ程確保することができた。種々のシュミレーションの結果、反転率が５０％以上であると多段接続によるＡＳＥ−ＡＳＥのビートによる累積雑音を十分に抑制でき、実用に供することが判った。

また、反転率を規定値以上に高めるとＡＳＥ−ＡＳＥのビートによる累積雑音を十分に抑制できるが、波長１５３０ｎｍ付近に新たなＡＳＥが発生して来るようになる。図３〜図５はそれぞれ反転率が６４％、６８％、７０％の時の６段増幅後の出力スペクトラムを示したものである（これらの図面はそれぞれ反転率による影響をシュミレーションしたもので、その出力レベルが異なっている。）。この図から明らかなように反転率が６８％及び７０％のものは、波長１５３０ｎｍ付近のＡＳＥのレベルが、光信号に対して２０ｄＢ以下に近づいてＡＳＥ−ＡＳＥのビートによる累積雑音が大きくなり実用に供することができないことが判った。これに対して反転率が６４％のものは同レベルを４０ｄＢ程確保することができ、十分にＡＳＥ−ＡＳＥのビートによる累積雑音を小さくでき、十分に実用に供することができる。本発明者はこの値が６５％以下であると実用に供することが判った。

本発明は上記の知見に基づきなされたものであり、そのための構成は、波長1.550〜1.560μｍの光信号と励起光とをエルビュームドープ光ファイバに入力し、前記光信号を前記光ファイバ内で光増幅するエルビュームドープ光ファイバ増幅器において、前記光ファイバ内のエルビュームイオンの５０〜６５％に対して反転を与えることを特徴とするものである。

上記構成による本発明のＥＤＦＡは多段接続された場合であっても、ＡＳＥの発生を少なくして、長距離に渡って高品質の光増幅を行うことができる特徴を有する。

波長1.550における光信号の増幅率が波長1.560μｍの光信号の増幅率よりも大きいことを特徴とする。

長さＬ（濃度冗長積）のエルビュームドープ光ファイバに入力励起光パワーＲを入力し、パワーＰＩ、波長1.560μｍの入力光信号をパワーＰＯの出力光信号に増幅する際の（ＰＯ-ＰＩ）/Ｒが最大となる値に対して、光ファイバの長さＬ'（濃度冗長積）を0.5Ｌ<Ｌ'<0.７Ｌ、励起光のパワーＲ'を1.05<Ｒ'<1.２Ｒにしたことを特徴とする。
上記においてＬ'＝0.6Ｌ、Ｒ'＝1.1Ｒであることを特徴とする。

上記図７及び図３に示すように、ＥＤＦ内のエルビュームイオンの５２及び６４％に対して反転を与えることにより、光増幅装置の複数を多段に縦続接続した場合においても、十分に実用に供することができる程度にＡＳＥの発生レベルを小さくすることが出来た。

表2のタイプＢは本発明の他の実施例を示すものである。同表２には比較のために、従来のものがタイプＡとして示されている。このタイプＡは長さＬ（濃度冗長積）のエルビュームドープ光ファイバに入力励起光パワーＲを入力し、パワーＰＩ、波長1.560μｍの入力光信号をパワーＰＯの出力光信号に増幅する際の（ＰＯ-ＰＩ）/Ｒが最大となるものを示したものである。これに対して、本発明によるタイプＡのものは光ファイバの長さＬ'（濃度冗長積）を０．６とし、励起光のパワーＲ'を１．１Ｒにすることにより反転分布を本発明の範囲内にしたものである。

図１は本発明と従来例によるＥＤＦＡを６段接続した場合の１５５０ｎｍにおける出力信号光パワーを示したものである。濃度条長積によるEDFの長さを短くし、励起光パワーを増すことで、多段接続によるＡＳＥの増加を抑制し、出力信号パワーの劣化が改善されることが示されている。

図２は上記と同じく、本発明と従来例によるＥＤＦＡを多段接続した後の雑音指数ＮＦ（信号光-ASE間ビート雑音に加え、ＡＳＥ-ＡＳＥ間ビート雑音も含む）を測定した結果を示すものである。これにより、本発明の実施例は、濃度条長積によるＥＤＦの長さを短くし、励起光パワーを増すことにより、従来のものに比較してＡＳＥ累積が抑制され、信号成分の減衰が少なく、且つＡＳＥ間ビート雑音による劣化が少ない伝送特性を有するＥＤＦＡを実現することができた。

またこのように構成されたＥＤＦＡは波長1.550における光信号の増幅率が波長1.560μｍの光信号の増幅率と同等もしくはそれよりも大きいものである。従って、このような特性をもつものであっても前記ＡＳＥ累積が抑制され、信号成分の減衰の少ないＥＤＦＡを得ることができる。

種々の実験の結果、本発明は、0.5Ｌ<Ｌ'<0.７Ｌで且つ1.05<Ｒ'<1.２Ｒとすることにより、上記反転率を確保することができ、ＡＳＥ−ＡＳＥのビートによる累積雑音を十分に小さくできることができる。

本発明の一実施例と従来の例との多段増幅後の出力を示す特性図。本発明の一実施例と従来の例との多段増幅累積ノイズを示す特性図。本発明の他の実施例をを示す多段増幅後の出力スペクトラムを示す特性図。比較のための多段増幅器における出力スペクトラムを示す特性図。比較のための他の多段増幅器における出力スペクトラムを示す特性図。本発明の他の実施例及び比較のための光増幅器における出力スペクトラムを示す特性図図６の光増幅器を多段に縦続接続した場合の出力スペクトラムを示す特性図ＥＤＦＡの波長に対する利得係数を示す特性図。ＥＤＦＡの放出断面積と、吸収断面積とを示す特性図。一般的なＥＤＦＡの構成図。従来のＥＤＦＡの多段接続した後のパワー分布を示す特性図。ＥＤＦＡの原理を示す説明図。

符号の説明

１ＥＤＦ
２励起光
３励起光源
４信号光
５光合・分波器
６アイソレータ

Claims

波長1.550〜1.560μｍの光信号と励起光とをエルビュームドープ光ファイバに入力し、前記光信号を前記光ファイバ内で光増幅するエルビュームドープ光ファイバ増幅器において、前記光ファイバ内のエルビュームイオンの５０〜６５％に対して反転を与えることを特徴とするエルビュームドープ光ファイバ増幅器。
波長1.550における光信号の増幅率が波長1.560μｍの光信号の増幅率と同一又はそれよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のエルビュームドープ光ファイバ増幅器。
長さＬ（濃度冗長積）のエルビュームドープ光ファイバに入力励起光パワーＲを入力し、パワーＰＩ、波長1.560μｍの入力光信号をパワーＰＯの出力光信号に増幅する際の（ＰＯ-ＰＩ）/Ｒが最大となる値に対して、光ファイバの長さＬ'（濃度冗長積）を0.5Ｌ<Ｌ'<0.７Ｌ、励起光のパワーＲ'を1.05<Ｒ'<1.２Ｒにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエルビュームドープ光ファイバ増幅器。
Ｌ'＝0.6Ｌ、Ｒ'＝1.1Ｒであることを特徴とする請求項３に記載のエルビュームドープ光ファイバ増幅器。