JP2005093982A - 光ファイバ増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 中間段の光ファイバにおけるラマンゲインのスロープを調整して全体的にフラットな出力ゲインプロファイルを得ることによって、広い入力パワーダイナミックレンジを有する光ファイバ増幅器を提供すること。
【解決手段】 光ファイバ増幅器には、ゲイン媒質と、少なくとも１つ以上のポンプを含む第１及び第２ゲインブロック２０１，２０２と、第１及び第２ゲインブロック２０１，２０２の間に配置された光ファイバ２０４と、光ファイバ２０４にポンプ光を供給するラマンポンプ２０５と、ラマンポンプ２０５から出力されたポンプ光を光ファイバ２０４に結合させるためのＷＤＭ結合器２０６とが含まれている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光通信システムに関し、具体的には、ＷＤＭ(Wave length Division Multiplex）光伝送システムにおいて用いるための広い入力パワーダイナミックレンジ（wide input power dynamic range）を有する光ファイバ増幅器に関する。

近年、インターネットが普及しているが、これに伴って、光通信システムにおいてはますます大きな伝送容量が要求されている。この要求を満たすため、ＷＤＭ（wavelength division multiplexing）光伝送システムが、光通信システムのために用いられているが、これは、ＷＤＭ光伝送システムが莫大な量のデータを伝送するのに適しているからである。

光ファイバ増幅器、例えば、ＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）やＦＲＡ（Fiber Raman Amplifier）は、広ゲインバンド幅（broad gain band width）を有し、ＷＤＭ光通信システム用の増幅器として有用であることから、採用されている。

典型的には、このＥＤＦＡがライン増幅器として利用されているが、これは、伝送ラインの１スパンを通過した後の減衰した光信号を再増幅し、この再増幅した光信号を、この伝送ラインの次のスパンに伝送するためである。このＥＤＦＡの入力パワーは、チャネル数が変化したり伝送ラインに光損失があると、これに起因して、伝送ラインを通過中に変化することがある。そこで、光信号がこのＥＤＦＡを通過した後であっても、ゲインを一定にするか、チャネルパワーを一定にするため、自動コントロールモジュールが要求される。

一般に、このＥＤＦＡの入力信号パワーが変化したとき、出力光信号は、信号光波長帯域に対するゲインのスペクトラムにスロープが見られる。そこで、出力ゲインスペクトルをフラットにするため、種々の方法、すなわち、ポンプパワーを調整すること、中間段の光損失を調整すること、光フィードバックを利用すること、が提案されている。

他方、ＤＲＡ（Distributed Raman Amplifier）は、伝送ラインを通過した後の光ＳＮ比（optical Signal to Noise Ratio; OSNR）を増大させる能力を有するから、伝送性能を向上させるために広く用いられている。すなわち、このＤＲＡが光増幅器として採用されると、光信号が伝送ラインを伝送されている間の光損失を低減させることができるように、当該伝送ラインはラマンポンプにより直接ポンピングされる。

しかしながら、このＥＤＦＡが、このＥＤＦＡがライン増幅器として使用されている慣用のＷＤＭ伝送システムに設けられた場合には、このＤＲＡで増幅された光信号がこのＥＤＦＡに入力されることになって、光入力パワーが過大になりすぎ、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）することができなくなる。すなわち、この場合、この光信号の入力パワーは、ＡＧＣできない範囲、すなわち、入力パワーダイナミックレンジ外にある。

したがって、このＤＲＡが慣用の伝送ライン用に使用された場合には、このＡＧＣが広い入力パワーレンジで動作するようにするため、このＥＤＦＡを調整する必要がある。

入力パワーが大きい場合においても、出力ゲインプロファイルをフラットにできるようにするため、広い入力パワーダイナミックレンジに適合できる光ファイバ増幅器を新たに開発する必要がある。

図１は、ＷＤＭ光通信システムにおいて用いられる慣用の光ファイバ増幅器を示す図である。

図１に示すように、光信号には、伝送ライン１０１を通過するとき、光損失があるので、光信号は、ライン増幅器１０２で再増幅され、次のスパンに伝送される。ここで、光信号パスを１０７で示す。

伝送ライン１０１は、ＳＭＦ（Single-Mode Fiber）、ＤＳＦ（Dispersion Shifted Fiber）、ＮＺ‐ＤＳＦ（Non-Zero Dispersion Shifted Fiber）などの光ファイバ特性に基き、その構成を異ならせることができ、その長さもトータルの伝送距離によって異ならせることができる。

長距離伝送システムにおいては、伝送距離の１スパンが約８０〜１００ｋｍであるのが一般的であり、ライン増幅器１０２としてはＥＤＦＡが多く利用されている。ＷＤＭ光通信システムの伝送チャネル数は４０〜１６０程度であって、これら全てのチャネルが同時に伝送されるとき、ライン増幅器であるＥＤＦＡの全体の入力パワーは、−５〜０ｄＢｍ程度にするのが一般的である。

ＷＤＭ光通信システムにおいては、既に述べたが、伝送性能を向上させるか、伝送距離を長くするため、ＤＲＡを採用することができる。詳細にいうと、図１のように、ＷＤＭ結合器１０３、１０４を利用して、ラマンポンプ１０５、１０６の出力を伝送ライン１０１に入力すれば、これにより、ポンプ光によってラマンゲインを得ることができる。

この場合、ラマンゲインはポンプパワーによって異なるが、通常は、５〜１５ｄＢ程度のゲインが得られるように設計されている。したがって、ライン増幅器１０２の全体の入力パワーは＋５〜＋１５ｄＢｍ程度になる。

ＷＤＭ光通信システムにおいてＤＲＡが採用されない場合には、ライン増幅器１０２として利用されることが多いＥＤＦＡが、＋５〜０ｄＢｍの入力パワーで動作するが、ＷＤＭ光通信システムにおいてＤＲＡが採用されると、入力パワーは＋５〜＋１５ｄＢｍ程度に増加する。このように入力パワーが大きいため、ライン増幅器１０２からの光信号がフラットゲインを得るのは困難である。すなわち、ＤＲＡを採用した場合には、入力パワーのダイナミックレンジに限界があるため、フラットな出力ゲインプロファイルを得るうえで、ＥＤＦＡが＋５〜＋１５ｄＢｍの範囲で動作できるようにするには、新たに、ＥＤＦＡを再設計し導入する必要がある。

米国特許第６，５６３，６２８号明細書 韓国特許第２００２−００３９４４７号明細書

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、中間段の光ファイバとゲインブロックとが互いに逆のゲインスロープを有するように調整して全体的にフラットな出力ゲインスペクトルを得ることによって、広い入力パワーダイナミックレンジを有する光ファイバ増幅器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る光ファイバ増幅器は、ゲイン媒質と少なくとも１つ以上のポンプを含む第１及び第２ゲインブロックと、該第１及び第２ゲインブロックの間に配置した光ファイバと、該光ファイバにポンプ光を供給するラマンポンプと、該ラマンポンプから出力されたポンプ光を前記光ファイバに結合する結合手段とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る光ファイバ増幅器は、入力パワーダイナミックレンジを非常に広くできるので、ＤＲＡを利用して伝送性能を向上させる場合にも、取り替えずにそのまま用いることができる。

本発明に係る光ファイバ増幅器は、ラマン増幅のない場合とある場合の両方に用いることが可能であり、本発明に係る光ファイバ増幅器を利用するＷＤＭ光通信システムにおいては、スパン損失、伝送距離、伝送性能などの必要に応じて、ラマン増幅器を設置するか否かを選択することができる。

本発明によると、２段の増幅器の間に、ラマンゲインを得るため光ファイバを配置し、最初のゲイン段のゲインスロープとラマンゲインのスロープが互いに逆になるスロープを有するように調整し、フラットなゲインスペクトルが得られるようにする。これによって、入力パワーが非常に大きい場合も、フラットなゲインスペクトルを得ることができ、非常に大きい入力パワーダイナミックレンジを実現できるという、効果を奏する。

また、本発明は、光ラインにＤＲＡを新たに導入した結果、ライン増幅器の入力が非常に大きくなった場合にも、光ラインを取り替えずに、用いることができるライン増幅器に利用することができるという効果がある。

以下、本発明に係る好ましい実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ増幅器の構成を示す図であり、入力パワーダイナミックレンジの問題点を解決するために示されている。

図２に示すように、この光ファイバ増幅器は、第１及び第２ゲインブロック２０１、２０２と、ゲインフラットフィルタ２０３と、光ファイバ２０４と、ラマンポンプ２０５と、ＷＤＭ結合器２０６とを含む。

第１及び第２ゲインブロック２０１、２０２は、それぞれ、入力された光信号を増幅し、ゲインを発生するものであり、ゲイン媒質と、少なくとも１つ以上のポンプとを有するように構成される。

ここで、このゲイン媒質は、希土類添加光ファイバまたは希土類添加導波管とすることができる。

第１及び第２ゲインブロック２０１、２０２の間には、光ファイバ２０４を配置してあり、ラマンゲインを得るため、ラマンポンプ２０５を、ＷＤＭ結合器２０６を介して光ファイバ２０４に結合してある。

光ファイバ２０４は、ＤＣＦ（Dispersion Compensated Fiber）、ＨＮＬＦ（Highly Non-Linear Fiber）、ＳＭＦ、またはこれらの組み合わせたものとすることができ、ラマンゲインが十分に得られる媒質であればよい。

あるいはまた、ゲインフラットフィルタ２０３は、光ファイバ増幅器を通過した後のゲインフラットを改善するために、他の光路に配置することもできる。

図３Ａ及び図３Ｂは、図２の光ファイバ増幅器で入力光パワーが大きくなったとき、出力のゲインスペクトルをフラットにできる基本原理を説明するための説明図であり、図３Ａは入力パワーが小さいときの出力のゲインスペクトルを示す図であり、図３Ｂは入力パワーが大きいときの出力のゲインスペクトルを示す図である。

λｉとλｆは、それぞれ、ＷＤＭ光信号バンドの始端における波長と終端における波長を示す。
入力パワーが小さいとき、すなわち、伝送ラインにＤＲＡがない場合には、第１ゲインブロック２０１は、図にＡで示すようなゲインスロープを有するように設定される。

光ファイバ２０４により得られるラマンゲインの形状は、ラマンポンプ２０５の波長によって決定される。ラマンゲインの最大値をλｆに近くすると、光信号バンド内におけるラマンゲインは、図にＢで示すようなゲインスロープを有するようになる。

したがって、第１ゲインブロック２０１のゲインスロープＡと、光ファイバ２０４から得られるラマンゲインスロープＢとは、逆方向のスロープを有するから、これらスロープを調整することにより、第２ゲインブロック２０２を通過した後に、フラットな出力スペクトルを得ることができる。

図３Ａに示すゲインプロファイルは直線状になっているが、これはスロープのおおよその方向を示すためのものであって、実際のゲインプロファイルは、図示したスロープからずれることもある。

フラットなゲインプロファイルを得るため、ゲインフラットフィルタ２０３が要求されることになる。第２ゲインブロック２０２は、入力スペクトルが大略フラットで、出力スペクトルがフラットになるように構成されている。また、第２ゲインブロック２０２は、出力パワーを十分に大きくするように設計することができる。

図２のような構造の光ファイバ増幅器で入力パワーが大きい場合（すなわち、伝送ラインにＤＲＡがある場合）には、各ステップにおけるゲインスロープは、図３Ｂのように変化する。

第１ゲインブロック２０１を通過した後のゲインスロープは、図においてＣで示すように、ゲインスロープＡに比較して緩やかであり、ゲイン値も小さくなっている。これは、入力パワーが大きくなったため、第１ゲインブロック２０１のゲインが過飽和になったためである。この場合、ラマンポンプのポンピングパワーを低くすると、ラマンゲインが減少し、ラマンゲインのスロープが、図においてＤで示すように、緩やかになる。したがって、図においてＣで示すゲインスロープと、Ｄで示すゲインスロープを組み合わせると、フラットな出力を得ることができる。

この説明は概念的なものであって、実際に具現化されたものにおいては、第１ゲインブロック２０１と、光ファイバ２０４におけるゲインプロファイルとともに、ゲインフラットフィルタ２０３と第２ゲインブロック２０２の設計も重要である。

図４は本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバ増幅器の構成を示す図であり、図２の光ファイバ増幅器の具体例を示す図である。

本発明に係る光ファイバ増幅器は、光アイソレータ４１３と、短いＥＤＦ４１２と、ＷＤＭ結合器４１４、４２２、４３１、及び４３２と、ＤＣＦ４２１と、ラマンポンプ４２３と、ポンプＬＤ ４１５、４３４、及び４３５と、ゲインフラットフィルタ４０４と、長いＥＤＦ４３３とを含む。

本発明の一実施の形態においては、第１ゲインブロック２０１として、後方向ポンピングする構造を有する短いＥＤＦ４１２を用いている。

ポンプＬＤ４１５から出力されるポンプ光は、ＷＤＭ結合器４１４を介してＥＤＦ４１２に供給される。本発明の一実施の形態では、短いＥＤＦ４１２を利用しており、これにより、図３に関して説明したゲインスロープが得られる。

また、本発明では、ラマンゲインが得られる光ファイバとして、ＤＣＦ４２１を採用しており、ラマンポンプ４２３から出力されるポンプ光を、ＷＤＭ結合器４２２を介して、ＤＣＦ４２１に供給することができる。ラマンポンプ４２３の波長は、図３に関して説明したように、光信号波長バンドの終端で最高ゲイン値を有するように選択される。

一方、本発明では、第２ゲインブロック２０２として長いＥＤＦ４３３を用い、両方向ポンピングして、大きい出力パワーが得られるように構成される。

図５は図２の光ファイバ増幅器の入力パワーの変化によるゲインスペクトルの変化の一例を説明するためのグラフであって、入力チャネル数が４０である場合の例である。

入力パワーが、図に示すように、−２ｄＢｍである場合は、出力は完全にフラットなゲインプロファイルを有し、ゲインが２５ｄＢで、出力パワーが＋２３ｄＢｍであった。

入力パワーが＋５ｄＢｍまで増大すると、ポンプＬＤ４１５、４３４、及び４３５のポンプ光パワーは、変化せずそのままであるから、図３Ｂに示すようなゲインプロファイルを得るため、ラマンポンプ４２３のポンプ光が調整される。このときのゲインプロファイルは、図５に示すようになっているから、出力パワーは同様に＋２３ｄＢｍであった。

このような方法で、入力パワーが＋１０ｄＢｍ又は＋１５ｄＢｍまで増大すると、ラマンポンプ４２３のポンプ光のみが調整され、図５に示すようなフラットなゲインプロファイルを得ることができる。

このとき、ラマンポンプ４１５、４３４及び４３５のポンプ光は調整されず、ラマンポンプ４２３のみが調整され、これにより約＋２３ｄＢｍの一定の出力値を得ることができる。入力パワーが増大すると、ゲインプロファイルのスロープは大略フラットになるが、若干の変動が見られる。

入力パワーが大きいほど、ゲインシフトは大きくなるが、入力パワーが＋１５ｄＢｍである場合も、ゲインシフトは±１ｄＢ以下を維持できる。

以上説明したように、このように構成したので、図２に示した同じ構造の光ファイバ増幅器で、図３に関連して説明した同じ方法で、ゲインプロファイルをフラットにすることができる。したがって、図２に示したような構造を有する光ファイバ増幅器をライン増幅器として用いた場合に、光ラインにＤＲＡを設けると、ライン増幅器を取り替えずに、そのまま光ファイバ増幅器を用いることができる。

一方、図４の光ファイバ増幅器の場合、全てのチャネルが伝送されると、光ファイバ増幅器の入力パワーは、光ラインにおけるＤＲＡのゲインによって−２〜＋１５ｄＢｍの値になる。また、この入力パワーは、ＤＲＡがない場合は、チャネルがアド・ドロップ（add-drop）されて変化するが、−２１〜−２ｄＢｍの値を有する。

このように広いダイナミックレンジの入力パワーからフラットなゲインプロファイルを得ることができるから、入力パワーのダイナミックレンジは３６ｄＢに達することができる。

なお、本発明は、本実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、種々の変更が可能である。

従来技術に係るＷＤＭ光通信システムの１スパンの構造を示す図である。 本発明に係る光ファイバ増幅器の第１の実施の形態の構造を示す図である。 図２の光ファイバ増幅器で入力光パワーが大きくなったときの出力のゲインプロファイルをフラットにできる基本原理を説明するための説明図である。 図２の光ファイバ増幅器で入力光パワーが大きくなったときの出力のゲインプロファイルをフラットにできる基本原理を説明するための説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバ増幅器の構造を示す図である。 図２の光ファイバ増幅器の入力パワーの変化によるゲインプロファイルの変化を説明するためのグラフである。

符号の説明

１０１ 伝送ライン
１０２ ライン増幅器
１０３、１０４、２０６、４１４、４２２、４３１、４３２ ＷＤＭ結合器
１０５、１０６、２０５、４２３ ラマンポンプ
４１５、４３４、４３５ ポンプＬＤ
１０７ パス
２０１、２０２ 第１及び第２ゲインブロック
２０３、４０４ ゲインフラットフィルタ
２０４ 光ファイバ
４１３ アイソレータ
４１２、４３３ ＥＤＦ
４２１ ＤＣＦ

Claims (5)

1. ゲイン媒質と少なくとも１つ以上のポンプとを有する第１及び第２ゲインブロックと、
   該第１及び第２ゲインブロックの間に配置した光ファイバと、
   該光ファイバにポンプ光を供給するラマンポンプと、
   該ラマンポンプからのポンプ光を前記光ファイバに結合させるための結合手段と
   を備え、
   前記第１ゲインブロックと前記光ファイバは、逆のゲインプロファイルを有し、これにより、互いのゲインプロファイルを相殺して、フラットゲインスペクトルを得る
   ことを特徴とする光ファイバ増幅器。
2. 請求項１において、前記光ファイバは、ＤＣＦ（dispersion compensated fiber）、ＨＮＬＦ（highly non-linear fiber）、ＳＭＦ（single-mode fiber）、またはこれらを組み合わせたもののうちの１つであることを特徴とする光ファイバ増幅器。
3. 請求項１において、ゲインプロファイルをフラットにするためのゲインフラットフィルタをさらに備えたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
4. 請求項１において、前記第１ゲインブロックのゲイン媒質は、希土類添加光ファイバまたは希土類添加導波管のうちのいずれかであることを特徴とする光ファイバ増幅器。
5. 請求項１において、前記第２ゲインブロックのゲイン媒質は、希土類添加光ファイバまたは希土類添加導波管のうちのいずれかであることを特徴とする光ファイバ増幅器。
   

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