JP2005192056A - 光通信システムおよび遠隔励起光増幅モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質の信号光伝送が可能な光通信システムおよび遠隔励起光増幅モジュールを提供する。
【解決手段】 或る通信局から送出された信号光は、光伝送路により伝送されて他の通信局に到達する。その信号光は、通信局内に設けられた中継用光増幅器１００において、ＥＤＦ１６１〜１６３により光増幅されるとともに、透過損失スペクトルが可変である可変光減衰器１７０により損失を被る。信号光は、光伝送路上に設けられた遠隔励起光増幅モジュールによっても光増幅される。制御回路２００により、信号光のレベルのモニタ結果および他のモニタ結果（好適には、信号光を伝搬させる伝送用光ファイバに伝搬させた監視光のレベルのモニタ結果）に基づいて、可変光減衰器１７０の透過損失スペクトルが制御される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、通信局間に敷設された光伝送路により信号光を伝送して光通信をする光通信システム、および、光伝送路上に設けられ信号光を光増幅する遠隔励起光増幅モジュールに関するものである。

光通信システムは、通信局間に敷設された光伝送路により信号光を伝送して光通信をするものであり、通信局内に中継用光増幅器を備える他、光伝送路上にも遠隔励起光増幅モジュールを備える場合がある（特許文献１〜３および非特許文献１を参照）。

これらの中継用光増幅器および遠隔励起光増幅モジュールそれぞれに含まれる光増幅媒体として、希土類元素が光導波領域に添加された光導波路（希土類元素添加光導波路）が用いられる。中でも、Ｅｒ元素が添加された光ファイバ（ＥＤＦ: Erbium-Doped Fiber）を光増幅媒体として含むＥｒ元素添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ: Erbium-Doped Fiber Amplifier）が広く用いられている。ＥＤＦは、波長０.９８μｍ帯または１.４８μｍ帯の励起光が供給されることで、ＣバンドまたはＬバンドの信号光を光増幅することができる。

遠隔励起光増幅モジュールは、光増幅媒体を励起するための励起光を出力する励起光源部を有してはおらず、通信局から励起光が供給される。すなわち、通信局内に設けられた励起光源部から出力された励起光は、光伝送路を伝搬して遠隔励起光増幅モジュールに達し、この遠隔励起光増幅モジュールに含まれる光増幅媒体に供給される。
特開平１１−１１２０６８号公報 米国特許第５７７８１１７号明細書 米国特許第６４７２６５５号明細書 H. Masuda, et al., OAA2003, Postdeadlinepapers, 2

このような光通信システムでは、光伝送路における信号光伝送損失が変動する場合、伝送される信号光の波数が変動する場合、或いは、その他の伝送条件が変動する場合もあることから、中継用光増幅器または遠隔励起光増幅モジュールの利得特性を制御することが重要となる。しかしながら、従来の光通信システムでは、中継用光増幅器および遠隔励起光増幅モジュールそれぞれの利得特性を総合した全体の利得特性を平坦に維持するよう制御することができず、多波長信号光の伝送品質が劣化する場合がある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高品質の信号光伝送が可能な光通信システムおよび遠隔励起光増幅モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る光通信システムは、通信局間に敷設された光伝送路により信号光を伝送して光通信をする光通信システムであって、(1) 光伝送路上に設けられ、励起光が供給されて信号光を光増幅する希土類元素添加光導波路を含む遠隔励起光増幅モジュールと、(2) 遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の上流側または下流側の通信局内に設けられ、遠隔励起光増幅モジュールに含まれる希土類元素添加光導波路に供給すべき励起光を出力する励起光源部と、(3) 通信局内に設けられ、信号光を光増幅する光増幅媒体と、該光増幅媒体と直列的に接続され信号光に対する透過損失スペクトルが可変である光部品と、を含む中継用光増幅器と、(4) 信号光のレベルのモニタ結果および他のモニタ結果に基づいて、中継用光増幅器に含まれる光部品の透過損失スペクトルを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

この光通信システムでは、或る通信局から送出された信号光は、光伝送路により伝送されて他の通信局に到達する。その信号光は、通信局内に設けられた中継用光増幅器において、光増幅媒体により光増幅されるとともに、透過損失スペクトルが可変である光部品（好適には可変光減衰器）により損失を被る。また、信号光は、光伝送路上に設けられた遠隔励起光増幅モジュールによっても光増幅される。この遠隔励起光増幅モジュールに含まれる希土類元素添加光導波路へ供給される励起光は、該遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の上流側または下流側の通信局内に設けられた励起光源部から出力される。

１スパンにおける実質的な利得スペクトルは、中継用光増幅器内の光増幅媒体の利得スペクトル、中継用光増幅器内の光部品の透過損失スペクトル、および、光伝送路上の遠隔励起光増幅モジュールの利得スペクトルを、総合したものとなる。また、光伝送路が信号光をラマン増幅するのが好適であり、この場合には、１スパンにおける実質的な利得スペクトルは、光伝送路におけるラマン増幅の際の利得スペクトルを更に加えたものとなり、中継区間を延長する上で好都合である。そして、制御手段により、信号光のレベルのモニタ結果および他のモニタ結果（好適には、信号光を伝搬させる伝送用光ファイバに伝搬させた監視光のレベルのモニタ結果）に基づいて、中継用光増幅器に含まれる光部品の透過損失スペクトルが制御される。このような制御により、高品質の信号光伝送が可能となる。

本発明に係る光通信システムは、光伝送路が信号光をラマン増幅するとともに、信号光および監視光それぞれのレベルのモニタ結果に基づいて、光伝送路のスパンロスおよびラマン利得を個々にモニタするのが好適である。この場合には、光伝送路のスパンロスおよびラマン利得それぞれのモニタは信号光および監視光それぞれのレベルのモニタ結果に基づいて為されるので、高品質の信号光伝送が更に容易となる。また、監視光の波長の数がラマン増幅用励起光の波長の数と同じか多いのが好適であり、この場合には、ラマン利得の不規則な変動に対応することができる。

本発明に係る光通信システムは、遠隔励起光増幅モジュールに含まれる希土類元素添加光導波路を監視光が通過し、中継用光増幅器に含まれる光増幅媒体の利得スペクトルが均一広がり近似され、制御手段が、信号光および監視光それぞれの波長における光増幅媒体の利得係数（好適には利得係数および吸収係数）に基づいて光伝送路の透過損失を算出し、この算出した透過損失に基づいて中継用光増幅器に含まれる光部品の透過損失スペクトルを制御するのが好適である。この場合には、光伝送路を伝搬してきた監視光が希土類元素添加光導波路を通過しないよう監視光をバイパスする監視光バイパス手段を備える必要が無く、監視光バイパスの為の光部品に因る損失が無い。

本発明に係る光通信システムは、(1) 遠隔励起光増幅モジュールに含まれる希土類元素添加光導波路で発生し側方に放出される自然放出光を集光する自然放出光集光手段と、(2) この自然放出光集光手段により集光された自然放出光を、遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の上流側または下流側の通信局まで導波する自然放出光導波手段と、(3) 通信局内に設けられ、励起光導波手段により導波された自然放出光を検出する自然放出光検出手段と、を更に備えるのが好適である。

この場合には、遠隔励起光増幅モジュールに含まれる希土類元素添加光導波路で発生し側方に放出されて自然放出光集光手段により集光された自然放出光は、該遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の上流側または下流側の通信局まで自然放出光導波手段により導波され、該通信局内に設けられた自然放出光検出手段により検出される。このようにして検出される自然放出光のパワーに基づいて、遠隔励起光増幅モジュールにおける光増幅の利得がモニタされる。また、検出される自然放出光のパワー変動に基づいて、信号光の伝送経路を切り替えることも可能となる。また、側方自然放出光モニタや励起光分岐モニタと異なり、信号光伝送路以外の光ファイバを使う必要がない。

また、この場合において、自然放出光導波手段が、信号光を伝搬させる伝送用光ファイバと同一のテープ心線内の光ファイバを用いて、自然放出光集光手段により集光された自然放出光を導波するのが好適である。この場合には、モニタされた自然放出光への光伝送路損失変化の影響を補正することができる。

本発明に係る光通信システムは、(1) 遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の下流側の光伝送路上に設けられ、下流側から伝搬してくる励起光の一部を分岐する励起光分岐手段と、(2) この励起光分岐手段により分岐された励起光を、該励起光を出力した励起光源部を含む通信局まで導波する励起光導波手段と、(3) 通信局内に設けられ、励起光導波手段により導波された励起光を検出する励起光検出手段と、更に備えるのが好適である。

この場合には、遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の下流側から励起光が該遠隔励起光増幅モジュールに伝搬してくると、その励起光の一部は、該遠隔励起光増幅モジュールの下流側の光伝送路上に設けられた励起光分岐手段により分岐されて、該励起光を出力した励起光源部を含む通信局まで励起光導波手段により導波され、該通信局内に設けられた励起光検出手段により検出される。このようにして検出される励起光のパワーに基づいて、遠隔励起光増幅モジュールにおける光増幅の利得がモニタされる。また、検出される励起光のパワー変動に基づいて、信号光の伝送経路を切り替えることも可能となる。

また、この場合において、励起光導波手段が、信号光を伝搬させる伝送用光ファイバと同一のテープ心線内の光ファイバを用いて、励起光分岐手段により分岐された励起光を導波するのが好適である。この場合には、モニタされた励起光への光伝送路損失変化の影響を補正することができる。

本発明に係る光通信システムは、(1) 遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の下流側の光伝送路上に設けられ、下流側から伝搬してくる励起光の一部を反射する励起光反射手段と、(2) 遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の下流側の通信局内に設けられ、この励起光反射手段により反射されて光伝送路を導波してきた励起光を検出する励起光検出手段と、を更に備えるのが好適である。

この場合には、遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の下流側から励起光が該遠隔励起光増幅モジュールに伝搬してくると、その励起光の一部は、該遠隔励起光増幅モジュールの下流側の光伝送路上に設けられた励起光反射手段により反射されて、該励起光を出力した励起光源部を含む通信局まで導波され、該通信局内に設けられた励起光検出手段により検出される。このようにして検出される励起光のパワーに基づいて、遠隔励起光増幅モジュールにおける光増幅の利得がモニタされる。また、検出される励起光のパワー変動に基づいて、信号光の伝送経路を切り替えることも可能となる。

また、この場合において、通信局内の励起光源部が４０ｋＨｚ以上の周波数で強度変調した励起光を出力し、励起光検出手段が起光反射手段により反射されて光伝送路を導波してきた励起光を同期検出するのが好適である。この場合には、励起光反射手段により反射された励起光のパワーが高精度に検出されて、遠隔励起光増幅モジュールにおける光増幅の利得が高精度にモニタされる。

本発明に係る光通信システムは、自然放出光検出手段により検出された自然放出光のレベルのモニタ値、または、励起光検出手段により検出された励起光のレベルのモニタ値を、光伝送路のロスのモニタ値を用いて補正する補正手段を更に備えるのが好適である。この場合には、モニタされた自然放出光または励起光への光伝送路損失変化の影響を高精度に補正することができる。

本発明に係る光通信システムは、光伝送路が信号光をラマン増幅するとともに、光伝送路のスパンロスおよびラマン利得ならびに遠隔励起光増幅モジュールの利得それぞれをモニタして、光伝送路のスパンロスまたはラマン利得の変動に応じてラマン増幅用励起光のパワーを調整するのが好適である。この場合には、光伝送路における信号光伝送の実効的な損失または利得が一定に維持されて、光通信の信頼性が向上する。

本発明に係る遠隔励起光増幅モジュールは、通信局間に敷設された光伝送路上に設けられ、通信局内の励起光源部から出力される励起光が供給されて信号光を光増幅する希土類元素添加光導波路を含む遠隔励起光増幅モジュールであって、信号光と励起光とを合波または分波する機能を有し、光伝送路を伝搬してきた監視光が希土類元素添加光導波路を通過しないよう監視光をバイパスする監視光バイパス手段を備えることを特徴とする。

この遠隔励起光増幅モジュールでは、監視光バイパス手段により、光伝送路を伝搬してきた監視光はバイパスされて希土類元素添加光導波路を通過せず、また、信号光と励起光とは合波または分波される。この監視光のレベルに基づいて、光伝送路のスパンロスがモニタされる。このスパンロスのモニタ値を求めるに際して、その算出が容易となる。また、監視光バイパス手段が信号光と励起光との合分波および監視光のバイパスを兼ねているので、励起光のパワー損失が抑制される。

本発明に係る遠隔励起光増幅モジュールは、通信局間に敷設された光伝送路上に設けられ、通信局内の励起光源部から出力される励起光が供給されて信号光を光増幅する希土類元素添加光導波路を含む遠隔励起光増幅モジュールであって、(1) 光増幅媒体に対して信号光伝送の下流側に設けられ、下流側から光伝送路を伝搬してきた監視光が希土類元素添加光導波路を通過しないよう監視光をバイパスする監視光バイパス手段と、(2) 監視光バイパスに対して信号光伝送の下流側に設けられ、信号光と励起光とを合波または分波する光合分波手段と、を備えることを特徴とする。

この遠隔励起光増幅モジュールでは、信号光と励起光とは光合分波手段により合波または分波され、また、下流側から光伝送路を伝搬してきた監視光は、光合分波手段を経た後に監視光バイパス手段によりバイパスされて希土類元素添加光導波路を通過しない。したがって、監視光バイパス手段の手間にある光合分波手段により励起光が分波されるので、励起光のパワー損失が抑制される。

本発明に係る遠隔励起光増幅モジュールは、通信局間に敷設された光伝送路上に設けられ、通信局内の励起光源部から出力される励起光が供給されて信号光を光増幅する希土類元素添加光導波路を含む遠隔励起光増幅モジュールであって、光増幅媒体に対して信号光伝送の上流側または下流側に設けられ、特定波長の光を選択的に反射する反射手段を備えることを特徴とする。

この遠隔励起光増幅モジュールでは、信号光伝送の上流側または下流側から光伝送路を伝搬してきた特定波長の光は、反射手段により反射されて通信局まで戻り、該通信局において検出される。この検出結果に基づいて、光伝送路のスパンロスがモニタされ、或いは、遠隔励起光増幅モジュールに到達する励起光のパワーがモニタされる。

本発明によれば高品質の信号光伝送が可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

先ず、本発明を想到するに至った経緯について説明する。世に広く普及したＥＤＦＡを中継用光増幅器として用いた陸上の多段中継光通信システムにおいては、通常、利得平坦度を保つ為に、ＥＤＦＡ内に透過損失スペクトルが可変である光部品を具備するとともに、光伝送路のスパンロスの変動を検出して、前記の光部品の透過損失スペクトルを制御する。前記の光部品としては、損失が可変である可変光減衰器（ＶＯＡ: Variable Optical Attenuator）が一般に用いられる。また、場合によっては、透過損失スペクトルの傾斜も可変である損失傾斜可変補償器（ＶＡＳＣ: Variable Attenuation Slope Compensator）も用いられる。ＶＡＳＣについては文献「H. Hatayama, C. Hirose, K. Koyama, N. Akasaka, and N. Nishimura, "Variable attenuation slope compensator (VASC) using silica-based planar lightwave circuit technology for active gain slope control in EDFAs", OFC2000, Tech. Dig., WH7, 2000」に詳しく記載されている。

図１は、中継用光増幅器としてのＥＤＦＡの構成図である。この図に示されるＥＤＦＡ１００は、入力コネクタ１０１に入力した信号光（ＣバンドまたはＬバンド）を光増幅し、その光増幅した信号光を出力コネクタ１０２から出力するものである。ＥＤＦＡ１００は、ＷＤＭ光フィルタ１１１〜１１６、光カプラ１２１〜１２６、フォトダイオード１３１〜１３６、光アイソレータ１４１〜１４５、レーザダイオード１５１〜１５４、ＥＤＦ（光増幅媒体）１６１〜１６３、可変光減衰器（光部品）１７０、利得等化器１８０、ＤＣＦ（分散補償光ファイバ）１９０、制御回路２００および上位監視基板２１０を備える。

入力コネクタ１０１から出力コネクタ１０２へ至る信光伝送経路に沿って、ＷＤＭ光フィルタ１１１、光カプラ１２３、光アイソレータ１４１、ＷＤＭ光フィルタ１１３、ＥＤＦ１６１、光アイソレータ１４２、ＶＯＡ１７０、ＷＤＭ光フィルタ１１４、ＥＤＦ１６２、ＷＤＭ光フィルタ１１５、光アイソレータ１４３、利得等化器１８０、光カプラ１２４、ＤＣＦ１９０、光カプラ１２５、光アイソレータ１４４、ＷＤＭ光フィルタ１１６、ＥＤＦ１６３、ＷＤＭ光フィルタ１１７、光アイソレータ１４５、光カプラ１２６およびＷＤＭ光フィルタ１１２が順に配置されている。

また、ＷＤＭ光フィルタ１１１には光カプラ１２１を介してフォトダイオード１３１が接続されている。ＷＤＭ光フィルタ１１２には光カプラ１２２を介してフォトダイオード１３２が接続されている。ＷＤＭ光フィルタ１１３にはレーザダイオード１５１が接続されている。ＷＤＭ光フィルタ１１４および１１５にはレーザダイオード１５２が接続されている。ＷＤＭ光フィルタ１１６にはレーザダイオード１５３が接続されている。ＷＤＭ光フィルタ１１７にはレーザダイオード１５４が接続されている。光カプラ１２３にはフォトダイオード１３３が接続されている。光カプラ１２４にはフォトダイオード１３４が接続されている。光カプラ１２５にはフォトダイオード１３５が接続されている。光カプラ１２６にはフォトダイオード１３６が接続されている。

制御回路２００は、上位監視基板２１０から与えられる指示に基づいて、フォトダイオード１３３〜１３６それぞれから出力される電気信号を入力し、レーザダイオード１５１〜１５４それぞれから出力される励起光のパワーを制御する。また、制御回路２００は、信号光のレベルのモニタ結果および他のモニタ結果（好適には、信号光を伝搬させる伝送用光ファイバに伝搬させた監視光のレベルのモニタ結果）に基づいて、ＶＯＡ１７０の透過損失スペクトルを制御する。

入力コネクタ１０１には信号光および監視光（例えば波長１.５１μｍ帯）が入力する。これら信号光および監視光はＷＤＭ光フィルタ１１１により分波されて、その分波された監視光は上位監視基板２１０に入力する。上位監視基板２１０では、入力した監視光に基づいて、前段の中継用光増幅器から送られてきたシステム情報（例えば信号光の波数）が解析される。そして、この解析結果に基づいて、上位監視基板２１０から制御回路２００に対して指示が与えられる。また、後段の中継用光増幅器へ送るべき監視光が上位監視基板２１０から出力される。その出力された監視光は、ＷＤＭ光フィルタ１１２により、ＥＤＦ１６１〜１６３により光増幅された信号光と合波されて、出力コネクタ１０２から出力される。なお、入力した監視光のレベルは光カプラ１２１およびフォトダイオード１３１によりモニタされ、出力する監視光のレベルは光カプラ１２２およびフォトダイオード１３２によりモニタされる。

レーザダイオード１５１から出力された励起光は、ＷＤＭ光フィルタ１１３を経てＥＤＦ１６１に前方向から供給される。レーザダイオード１５２から出力された励起光は、ＷＤＭ光フィルタ１１４，１１５を経てＥＤＦ１６２に双方向から供給される。レーザダイオード１５３から出力された励起光は、ＷＤＭ光フィルタ１１６を経てＥＤＦ１６３に前方向から供給される。レーザダイオード１５４から出力された励起光は、ＷＤＭ光フィルタ１１７を経てＥＤＦ１６３に後方向から供給される。

入力コネクタ１０１に入力した信号光は、ＷＤＭ光フィルタ１１１、光カプラ１２３、光アイソレータ１４１およびＷＤＭ光フィルタ１１３を順に経てＥＤＦ１６１に入力し、このＥＤＦ１６１において光増幅される。ＥＤＦ１６１において光増幅された信号光は、光アイソレータ１４２を経てＶＯＡ１７０に入力して、このＶＯＡ１７０により損失を受けてパワーが調整され、その後に、ＷＤＭ光フィルタ１１４を経てＥＤＦ１６２に入力し、このＥＤＦ１６２において光増幅される。

ＥＤＦ１６２において光増幅された信号光は、ＷＤＭ光フィルタ１１５および光アイソレータ１４３を順に経て、利得等化器１８０により利得等化され、光カプラ１２４を経て、ＤＣＦ１９０により分散補償される。ＤＣＦ１９０により分散補償された信号光は、光カプラ１２５、光アイソレータ１４４およびＷＤＭ光フィルタ１１６を順に経てＥＤＦ１６３に入力し、このＥＤＦ１６３において光増幅される。ＥＤＦ１６３において光増幅された信号光は、ＷＤＭ光フィルタ１１７、光アイソレータ１４５、光カプラ１２６およびＷＤＭ光フィルタ１１２を順に経て、出力コネクタ１０２から外部へ出力される。

また、入力コネクタ１０１に入力した信号光の一部は光カプラ１２３により分岐されてフォトダイオード１３３により検出され、これにより、入力信号光レベルがモニタされる。出力コネクタ１０２から出力された信号光の一部は光カプラ１２６により分岐されてフォトダイオード１３６により検出され、これにより、出力信号光レベルがモニタされる。ＤＣＦ１９０に入力する信号光の一部は光カプラ１２４により分岐されてフォトダイオード１３４により検出され、ＤＣＦ１９０から出力した信号光の一部は光カプラ１２５により分岐されてフォトダイオード１３５により検出される。これらの検出結果は制御回路２００に通知される。

レーザダイオード１５１は、励起出力一定制御され、または、電流一定制御される。レーザダイオード１５２は、フォトダイオード１３４によるモニタ結果に基づいて、ＤＣＦ１９０に入力する信号光のパワーが一定になるように励起出力が制御される。レーザダイオード１５３，１５４は、フォトダイオード１３６によるモニタ結果に基づいて、出力コネクタ１０２から出力される信号光のパワーが一定になるように励起出力が制御される。レーザダイオード１５３，１５４は、互いに等しいパワーの励起光を出力する。

この図１に示されたとおり、ＥＤＦＡは、伝送路光ファイバの波長分散を補償するためのＤＣＦも内蔵するのが一般的である。ＤＣＦは強い非線形を持つために、ＤＣＦへの信号入力レベルはある所定のレベル（通常−２ｄＢｍ／ｃｈ程度）以下に制御されねばならない。一方で、ＤＣＦは高い挿入損失（最悪１０ｄＢ程度）を有するので、ＤＣＦへの信号入力をあまり下げては雑音特性の悪化につながる。即ち、ＤＣＦ入力地点において、ＷＤＭ信号光はなるべく−２ｄＢｍ／ｃｈ程度に平坦に維持される必要がある。したがって、利得平坦度を保つための前記の損失スペクトルが可変である光部品は、ＤＣＦの上流部に挿入されねばならない。図１の例では、ＥＤＦ１６１とＥＤＦ１６２との間にＶＯＡ１７０が挿入されている。

ＥＤＦ１６１〜１６３それぞれの信号光出力レベルの制御は、レーザダイオード１５１〜１５４から出力される励起光のパワーを制御して行われる。ＥＤＦ１６１の信号光出力には特に上限は無いので、レーザダイオード１５１は常に最大出力であってもよい。レーザダイオード１５２は、前記の通り、ＥＤＦ１６２の出力信号レベルがなるべく−２ｄＢｍ／ｃｈ程度になる様に制御する。このための手段としては、ＤＣＦ１９０直前の信号光パワーをフォトダイオード１３４によりモニタして、そのモニタ値が所要の目的値に一致するようにレーザダイオード１５２の励起パワーを帰還制御するのが一般的である。所要の目的値の定め方の例は、後に説明する。ＥＤＦ１６３の信号光出力レベル（即ち、次の区間への伝送路光ファイバへの信号光入力レベル）も、伝送路光ファイバ中での非線形現象を避ける為に、全チャンネルで所定のレベル近くに揃える必要がある。したがって、レーザダイオード１５３，１５４も、フォトダイオード１３６のモニタ値が或る所定の目標値になる様に、帰還制御されることが望ましい。

また、前記のスパンロスの変動を検出する方法としては、当該ＥＤＦＡ（Ｎ区間目とする）の信号光入力レベル(図１中のフォトダイオード１３３で検出)とＮ−１区間目のＥＤＦＡの信号光出力レベル（図１中のフォトダイオード１３６で検出）の差異を用いる方法、Ｎ−１区間目のＥＤＦＡが正常に動作しているものと仮定して当該ＥＤＦＡの信号入力レベルの変化を用いる方法、等が挙げられる。但し、後者は、観測中に波数変動があった場合など、スパンロスと誤認する危険性があるので、上位監視システムから常時波数の情報を与えるなどの対策が必要である。

例えば後者の時、ＥＤＦＡの信号入力レベルＰ_in[ｄＢｍ]の変化量ΔＰ_in[ｄＢ]に基づき、ＶＯＡの光減衰量Ａ[ｄＢ] の変化量ΔＡ[ｄＢ]が以下の様になるようにＶＯＡを制御することが望ましい。但し、信号光波数変化がある時は、この制御を無効化する。

即ち、信号入力レベルが増えた分だけ、ＶＯＡの減衰量も等量だけ増すことで、ＥＤＦＡに内蔵されるＥＤＦ単体の利得の大きさは保たれ、ひいては利得スペクトル形状が保たれて、利得平坦度が維持できる。

然るに、最近、非特許文献１に記載されているように、陸上の光通信システムでも、伝送路中にＥＤＦを挿入する遠隔励起が、伝送距離拡大および伝送容量向上の手段として注目され、分布ラマン増幅とともに採用され始めた。通常、遠隔励起は、特許文献１〜３に記載されているように海底無中継システムに用いられてきた。こうしたシステムでは、伝送路ファイバは温度が安定し人が容易に接触できない海底に存在し、また作業者が伝送路ファイバを敷設後に加工する確率も低く、スパンロスの変動はあまり生じないと考えられる。生じたとしても、多段中継を行っているわけではなく、良好な利得平坦度を保つ必要性は高くない。従って、伝送路の直前または直後のＥＤＦＡに損失スペクトルが可変である光部品はそもそも内蔵された形跡が無く、ましてやスパンロスが検出されたときに是を制御するという必要性が無かった。

本発明は、今日の陸上光通信システムのような多段中継を必要とする光通信システムにおいて、遠隔励起光増幅モジュールを導入した時に、中継用ＥＤＦＡと伝送路との全体において利得平坦性を保つことを意図したものである。

図２は、遠隔励起光増幅モジュールの構成図である。この図に示される遠隔励起光増幅モジュール３００は、入力コネクタ３０１に入力した信号光（ＣバンドまたはＬバンド）を光増幅し、その光増幅した信号光を出力コネクタ３０２から出力するものである。遠隔励起光増幅モジュール３００は、ＷＤＭ光カプラ３１１〜３１６、光カプラ３２１，３２２、光アイソレータ３４１，３４２、ＥＤＦ（光増幅媒体）３６１，３６２、および、自然放出光モニタ部３７１，３７２、を備える。

入力コネクタ３０１から出力コネクタ３０２へ至る信光伝送経路に沿って、ＷＤＭ光カプラ３１１、光アイソレータ３４１、ＷＤＭ光カプラ３１３、ＥＤＦ３６１、光アイソレータ３４２、ＷＤＭ光カプラ３１４、ＥＤＦ３６２、ＷＤＭ光カプラ３１５、ＷＤＭ光カプラ３１２およびＷＤＭ光カプラ３１６が順に配置されている。

ＷＤＭ光カプラ３１１，３１２は信号光と監視光とを合分波するものであり、これらの間には監視光バイパス路３８１が設けられている。ＷＤＭ光カプラ３１３〜３１６は信号光と励起光とを合分波する。ＷＤＭ光カプラ３１６は、励起光パワーの低下を極力防ぐ為に、ＷＤＭ光カプラ３１２に対して信号光伝送の下流側に設けられている。光カプラ３２１は、ＷＤＭ光カプラ３１６から到達した励起光を２分岐して、その分岐した励起光をＷＤＭ光カプラ３１３および光カプラ３２２それぞれへ出力する。光カプラ３２２は、光カプラ３２１から到達した励起光を２分岐して、その分岐した励起光をＷＤＭ光カプラ３１４，３１５それぞれへ出力する。

自然放出光モニタ部３７１は、ＥＤＦ３６１で発生して側方に放射された自然放出光をモニタするためのものであり、自然放出光モニタ部３７２は、ＥＤＦ３６２で発生して側方に放射された自然放出光をモニタするためのものである。

出力コネクタ３０２に励起光が入力すると、その励起光は、ＷＤＭカプラ３１６を経て光カプラ３２１に入力し、この光カプラ３２１により分岐される。光カプラ３２１により分岐された一方の励起光は、ＷＤＭカプラ３１３を経てＥＤＦ３６１に前方向から供給される。光カプラ３２１により分岐された他方の励起光は、光カプラ３２２により更に分岐され、ＷＤＭカプラ３１４，３１５を経てＥＤＦ３６２に双方向から供給される。

入力コネクタ３０１に信号光および監視光が入力すると、そのうちの監視光は、ＷＤＭ光カプラ３１１、監視光バイパス路３８１、ＷＤＭ光カプラ３１２およびＷＤＭ光カプラ３１６を経て、出力コネクタ３０２から外部へ出力される。一方、信号光は、ＷＤＭ光カプラ３１１、光アイソレータ３４１およびＷＤＭ光カプラ３１３を順に経てＥＤＦ３６１に入力し、このＥＤＦ３６１において光増幅される。ＥＤＦ３６１において光増幅された信号光は、光アイソレータ３４２およびＷＤＭ光カプラ３１４を順に経てＥＤＦ３６２に入力し、このＥＤＦ３６２において光増幅される。ＥＤＦ３６２において光増幅された信号光は、ＷＤＭ光カプラ３１５、ＷＤＭ光カプラ３１２およびＷＤＭ光カプラ３１６を順に経て、出力コネクタ３０２から外部へ出力される。

このような遠隔励起光増幅モジュールの利得は、ＷＤＭ信号光の波数の変動、スパンロス変動による入力信号光パワーの変動、スパンロス変動による励起光パワーの変動、というような原因で変動し得る。

図３〜図６それぞれは、図２に示された遠隔励起光増幅モジュール３００の利得特性または雑音指数特性を示す図である。ここでは、外部から供給される励起光の波長を１.４９μｍ帯とし、該励起光のパワーを２３ｍＷとし、ＥＤＦ３６１およびＥＤＦ３６２それぞれのモードフィールド径を４.９μｍとし、ＥＤＦ３６１の吸収条長積を１１４ｄＢとし、ＥＤＦ３６２の吸収条長積を１８７ｄＢとし、入力する多波長信号光が波長域１５７０ｎｍ〜１６００ｎｍに等間隔で分布しているとした。

図３は、入力信号光パワーの各値の場合における遠隔励起光増幅モジュールの利得特性を示す図である。図４は、入力信号光パワーの各値の場合における遠隔励起光増幅モジュールの雑音指数特性を示す図である。これらの図では、入力する信号光の波数が変動する場合を想定して、入力信号光パワーを０ｄＢｍ〜−２０ｄＢｍの範囲で調整した。図３から判るように、入力信号光の波数が変動すると、遠隔励起光増幅モジュールの利得特性も変動する。

図５は、励起光パワーの各値の場合における遠隔励起光増幅モジュールの利得特性を示す図である。図６は、励起光パワーの各値の場合における遠隔励起光増幅モジュールの雑音指数特性を示す図である。これらの図では、入力する励起光のパワーを１２.９ｍＷ、１７.１ｍＷ、２１.４ｍＷおよび３０.０ｍＷの各値とした。図５から判るように、入力する励起光のパワーが変動すると、遠隔励起光増幅モジュールの利得特性も変動する。

更に、これらの要因が複合して、遠隔励起光増幅モジュールの利得特性の変動が発生する事態も考えられる。前記のスパンロスの変動を検出する方法のように、中継局において信号光レベルをモニタする手段だけでは、原因の切り分けが出来ない。例えば、ＷＤＭ信号の波数が減少したとき、遠隔励起光増幅モジュールの利得は向上し、その下流にある中継局で１波当りの受信信号光レベルｐ_in[ｄＢｍ／ｃｈ]を次式により計算していた場合、見かけ上はスパンロスが減少する。ここで、Ｐ_in[ｄＢｍ]はモニタされるトータル信号光パワー、ｎはＷＤＭ信号光の波数である。

このとき、遠隔励起光増幅モジュールとしては、図３に見られるように、帯域内の利得の大きさは向上するが同時に負の利得傾斜を発生する。従って、中継用ＥＤＦＡとしては、トータル信号出力Ｐ_out[ｍＷ]を以下の式で表されるような目標値に合わせる制御さえ行えば、中継用ＥＤＦＡの出力としては利得平坦度を保つことができる。損失スペクトルが可変である光部品の損失は更新してはならない。ここで、Ｐ_out[ｍＷ]は目標となるトータル信号光パワー、ｐ_outは予め設定された目標となるｃｈ当りの信号光パワー、ｎはＷＤＭ信号光の波数、Ｐ_aseはＡＳＥ光発生を考慮した補正値である。

仮に、このとき、１波当りの受信信号光レベルｐ_in[ｄＢｍ／ｃｈ]が増加したものと誤認してＥＤＦＡに内蔵されるＶＯＡの減衰量を増してしまうと、中継用ＥＤＦＡ後には負の利得傾斜が発生してしまう。

非特許文献１に見られるように、ＥＤＦの遠隔励起を行うと、その為の励起光は同時にラマン増幅も引き起こす場合があるので、伝送路の信号出力から伝送路の信号入力を差し引いた、伝送路全体としての信号光利得Ｇ_Ｔ[ｄＢ]は次式で表される。ここで、Ｐ_Ｎ[ｄＢｍ]は、Ｎ区間目の中継用ＥＤＦＡの信号光入力パワーを表し、Ｐ_Ｎ−１[ｄＢｍ]は、Ｎ−１区間目の中継用ＥＤＦＡの信号光出力パワーを表す。Ｇ_R[ｄＢ]はラマン増幅によるOn-off利得、Ｇ_E[ｄＢ]は遠隔励起光増幅モジュールの利得、Ｌ[ｄＢ]は伝送路ファイバが本来有する損失である。

尚、厳密を期するには遠隔励起光増幅モジュールと分布ラマン増幅によるＡＳＥ光成分を補正することが望ましい。これらは何れも各々の利得に比例するので、上記の式の中のＰ_Ｎを下記の式で補正することが望ましい。ここで、α、βは各々の雑音指数から予め決められた係数である。

遠隔励起や分布ラマン増幅の無い従来のシステムで具備される中継用ＥＤＦＡにおいては、該ＥＤＦＡの入力信号レベルおよび出力信号レベルのモニタから得られるのはＧ_Ｔの情報のみである。然るに、Ｇ_Ｔの変動があったとしても、その要因がＧ_Eの変動であった場合は、遠隔励起や分布ラマン増幅の無い従来のシステムで採用されるプロテクション方式の様に、これに基づいてＥＤＦＡ内部のＶＯＡの減衰量Ａを制御してしまうと、却って利得平坦度が悪化する。

ＶＯＡは波長依存性の無い損失を与えるので、その減衰量Ａ[ｄＢ]の制御は、次式に従うことが望ましい。但し、(6a)式はラマン利得の変動が補助励起光の採用などで別途補償する機構を具備した場合の制御アルゴリズムを示す。また、(6b)式は、ラマン利得が信号光波長域において略平坦に保たれると仮定して、ラマン信号利得の変動をもＶＯＡの制御で補償する場合の制御アルゴリズムを示す。

遠隔励起ＥＤＦや、時として更に分布ラマン増幅をも併用する多段中継光通信システムにおいては、中継用ＥＤＦＡの入力信号レベルおよび出力信号レベルのモニタで検出されるＧ_Ｔの変動の原因を特定し、それに適合したプロテクション方法を採用することが必要である。

Ｇ_Ｔの変動の原因を特定する方式については後述することとして、Ｇ_Ｔの変動の原因が判っていたとして、これに適合したプロテクション方法を図７にまとめた。図７は、遠隔励起ＥＤＦと分布ラマン増幅を併用する多段中継光通信システムにおけるＧ_Ｔ変動原因とプロテクション方法とを纏めた図表である。スパンロス変動は波長軸方向にほぼ均一な変化なので、Ｇ_Ｔの変動がスパンロスＬの変動である特定された場合、或いは、Ｇ_Ｔの変動が複合的な要因で発生した場合でもスパンロスＬの変動の寄与のみを定量的に求めることが出来たなら、ＶＯＡを用いて補償するのが適正である（図７中の第一列＆第一行の◎、(6a)式の制御に相当する）。

尚、２波長以上の励起光を用いたラマン増幅の利得は、各波長の励起パワーの配分を最適化していれば、平坦度を保ったまま大きさのみを調整できる。図８は、８０ｋｍの通常１.３μｍ帯零分散単一モードファイバ（以下「ＳＭＦ」）伝送路を１４２８ｎｍと１４６０ｎｍの２波長の励起光で分布ラマン励起した場合の利得スペクトルを示す図であり、図９は、そのときの所要励起パワーを示す図である。この様にラマン励起光パワーを調整すれば、スパンロス変動の補償も行える。しかし、この為には図１０の様に余分な励起光源、または、出力に余裕のある励起光源を使用する必要があり、励起光源は只でさえ高価な部品なのに、一層コストが上昇する。更に、励起光源を追加することで消費電力も増大する。そこで図７中の第二列＆第一行には○と表記している。

図１０は、分布ラマン増幅モジュールに補助励起光源を具備した構成を示す図である。この図において、ＬＤ１，ＬＤ２は波長１４２８ｎｍの励起光を出力し、ＬＤ３，ＬＤ４は波長１４６０ｎｍの励起光を出力する。通常の場合にはＬＤ２，ＬＤ４からは励起光が出力されないが、分布ラマン増幅器の利得劣化が検出された場合にはＬＤ２またはＬＤ４から励起光が出力される。各ＬＤから出力された励起光は、偏波合成器、波長合成器、デポラライザおよびＷＤＭカプラを経て、光伝送路へ供給される。このように補助励起光源ＬＤ２，ＬＤ４を具備する場合には、ラマン励起光パワーを調整することができて、スパンロス変動の補償も行えるものの、その一方で、コストが上昇し、消費電力が増大する。

２波長の励起光源の何れか一方が劣化した場合も、図９の関係を満たすように、他方の励起パワーを下げれば、ラマン利得Ｇ_Rの大きさは変わっても平坦性は維持される。この様な場合は、スパンロスの変動と同様にＶＯＡによる制御が有効である（図７中の第一列＆第二行の◎、(6b)式の制御に相当する）。

スパンロス変動や、若しくは平坦度を保ったままのラマン利得変動などを、中継起用ＥＤＦＡもしくは遠隔励起ＥＤＦの利得変化で補償しようとすると、ＥＤＦは図２に示すとおり、利得の大きさが変化すると、利得の傾斜の発生も不可避である為に、ＷＤＭ信号レベルの平坦度が保てず、非実用的である(（図７中の第三列＆第一行または第三列＆第二行に相当する）。逆に、遠隔励起光増幅モジュールに到達する励起光のパワーの低下により遠隔励起ＥＤＦの利得が低下した場合は、利得の大きさが減少すると同時に、正の利得傾斜も発生してしまう。このとき、ＶＯＡの減衰量を減少させる等して補償すると、利得傾斜を補うことが出来ないので望ましくない（図７中の第一列＆第四行の×に相当する）。

尚、(6a)式および(6b)式は、外部から与えられたスパンロスまたはラマン利得の変化量の情報に基づくＶＯＡのフィードフォワード制御であるが、ラマン利得Ｇ_Rは複数波長の励起光によって実現できるものであり、ある波長の励起光源のみが劣化した場合は、ラマン利得の平坦性が崩れる可能性もある。こうしたラマン利得Ｇ_Rの平坦度の劣化をもＶＯＡの制御で補償しようとする場合は、例えば図１のフォトダイオード１３４の地点で、信号光波長の中の２波長、２波長のＡＳＥ、２波長に設けられた監視光、上記の何れかの組み合わせ、光パフォーマンスモニタ（通信装置内蔵型の光スペクトラムアナライザ）、のいずれかの手法により、信号光レベルの波長依存性を検出し、それが最小となるようにＶＯＡの減衰量を制御する、いわゆる帰還制御を行うしかない。しかし、ＶＯＡ制御により得られる傾斜はＥＤＦの動的利得傾斜でありラマン利得Ｇ_Rの傾斜を１００%補償できることは在り得ない（図７中の第一列＆第三行の△に相当する）。

遠隔励起ＥＤＦを用いたシステムの最大の懸念点は、スパンロスの程度によっては遠隔励起ＥＤＦに到達する励起光のパワーが低下し、該ＥＤＦが増幅から吸収に転じてしまうことである。分布ラマン増幅の場合は、励起パワーが仮令ゼロになっても元の伝送路ファイバの損失に戻るだけであるが、遠隔励起ＥＤＦは所要の励起パワーを注入されない時は吸収体となってしまう。特にＬバンドＥＤＦの場合は、ＥＤＦの吸収条長積が大きい分、リスクが高い。

図１１は、Ｃバンド用の遠隔励起光増幅モジュールにおいて励起光注入が遮断されたときの吸収スペクトルを示す。このＣバンド用の遠隔励起光増幅モジュールに含まれるＥＤＦの吸収条長積を４４０ｄＢとした。図１２は、図２に示されたＬバンド用の遠隔励起光増幅モジュールにおいて励起光注入が遮断されたときの吸収スペクトルを示す。図１３は、モードフィールド径が６μｍ程度であるＥＤＦを用いたＬバンド用の遠隔励起光増幅モジュールにおける励起光パワーと利得との関係を示す図である。

Ｃバンドの場合、トータル信号入力が高ければ吸収が飽和するが、Ｌバンドに至ってはトータル信号パワーに依存せず大きな損失が発生する。特にパスバンド最短波長にとっては、伝送路ファイバが破断した場合と同様である。この様な事態となった場合、最早や信号伝送が出来なくなるので、図１４に示すとおり異なる伝送路として異なる経路に切り換えるルーティングによる処置まで必要になる。

図１４は、遠隔励起光増幅モジュールを含む光波ネットワークの構成を示す図である。この図に示される光波ネットワーク４００は、交換局４１１〜４１７、中継用ＥＤＦＡ４２１〜４２８、および、遠隔励起光増幅モジュール４３１，４３２、を備える。各交換局では、光レベルまたは電気レベルでＡＤＭやクロスコネクトが行われる。各交換局の間に敷設された光伝送路は上り及び下りの２心があり、各中継用ＥＤＦＡおよび各遠隔励起光増幅モジュールは上り用および下り用で１セットである。

交換局４１１と交換局４１２との間の光伝送路上に中継用ＥＤＦＡ４２１が設けられている。交換局４１２と交換局４１３との間の光伝送路上に中継用ＥＤＦＡ４２２が設けられている。交換局４１４と交換局４１５との間の光伝送路上に遠隔励起光増幅モジュール４３１が設けられている。交換局４１１と交換局４１５との間の光伝送路上に中継用ＥＤＦＡ４２３が設けられている。交換局４１１と交換局４１４との間の光伝送路上に中継用ＥＤＦＡ４２４、遠隔励起光増幅モジュール４３２および中継用ＥＤＦＡ４２５が設けられている。交換局４１６と交換局４１７との間の光伝送路上に中継用ＥＤＦＡ４２６および中継用ＥＤＦＡ４２７が設けられている。交換局４１３と交換局４１７との間の光伝送路上に中継用ＥＤＦＡ４２８が設けられている。

このような光波ネットワーク４００において、例えば、中継用ＥＤＦＡ４２４と遠隔励起光増幅モジュール４３２との間の光伝送路で故障が発生すると、遠隔励起光増幅モジュール４３２に到達する励起光のパワーが著しく低下し、事実上、その光伝送路は破断した場合と同様の事態になる。このような場合には、交換局４１１と交換局４１４との間の信号光伝送経路を、図中の点線で示される直接の経路から、交換局４１６および交換局４１７を経る間接の経路に、切り替える必要がある。

とはいえ、本方式は当該伝送路に留まらず光波ネットワーク全体に影響を及ぼす、最も影響の大きいプロテクション方法である。図７中の中継用光増幅器中ＶＯＡ制御や中継局中の補助励起光制御が不可であったときに、最後の手段として用いることが望ましい。

以上に述べた様に、プロテクション方法は様々あるが、これらを状況に合わせて的確に採択するには、発生した障害（即ちＧ_T低下）の原因を定量的に特定することが必須である。

(4)式より明らかな様に、伝送路のロス（または利得）は、Ｇ_R、Ｇ_EおよびＬの３つの変数により決定される。これらは互いに連動する場合もあるが、互いに独立して変動する場合もあり得るので、個々の変数を定量的に決定するには最低３つのモニタ方法が必要である。

先ず、(4)式に述べたとおり、伝送路全体としての利得Ｇ_Tは、通常、中継用ＥＤＦＡに設けられている入出力モニタ用のフォトダイオードにより検出される。

Ｇ_Eの検出には以下の２通りの方法が考えられる。その第１の方法は、遠隔励起用ＥＤＦの側方自然放出光をモニタし、伝送路の上流または下流の中継局まで、伝送路とは異なるファイバを用いて伝搬させる方法である。第２の方法は、遠隔励起用ＥＤＦに到達する励起光をモニタする方法である。上記の第２の方法のためには、図１５または図１６に示される光通信システムの構成とすればよい。

図１５は、遠隔励起光増幅モジュールに到達する励起光をモニタすることができる光通信システムの第１の構成例を示す図である。この図に示される光通信システム５００では、通信局５１１と通信局５１２との間の光伝送路５３１，５３２上に遠隔励起光増幅モジュール５２１が設けられていて、遠隔励起光増幅モジュール５２１に対して信号光伝送の上流側および下流側の光伝送路５３１，５３２に光ファイバブラッググレーティング５４１，５４２が設けられている。

この光通信システム５００では、通信局５１１から出力された信号光は、光伝送路５３１により伝送され、光ファイバブラッググレーティング５４１を透過し、遠隔励起光増幅モジュール５２１により光増幅され、光ファイバブラッググレーティング５４２を透過し、光伝送路５３２により伝送されて、通信局５１２により受信される。

通信局５１１から遠隔励起光増幅モジュール５２１に順方向に供給される励起光は、光伝送路５３１により伝送され、その大部分のパワーが光ファイバブラッググレーティング５４１を透過して、遠隔励起光増幅モジュール５２１内のＥＤＦに供給されるが、一部の励起光は、光ファイバブラッググレーティング５４１により反射されて、光伝送路５３１を経て通信局５１１に戻り、この通信局５１１においてパワーがモニタされる。

また、通信局５１２から遠隔励起光増幅モジュール５２１に逆方向に供給される励起光は、光伝送路５３２により伝送され、その大部分のパワーが光ファイバブラッググレーティング５４２を透過して、遠隔励起光増幅モジュール５２１内のＥＤＦに供給されるが、一部の励起光は、光ファイバブラッググレーティング５４２により反射されて、光伝送路５３２を経て通信局５１２に戻り、この通信局５１２においてパワーがモニタされる。

このようにして、図１５に示される光通信システム５００では、通信局５１１，５１２から遠隔励起光増幅モジュール５２１に供給される励起光のパワーがモニタされる。

図１６は、遠隔励起光増幅モジュールに到達する励起光をモニタすることができる光通信システムの第２の構成例を示す図である。この図に示される光通信システム６００では、通信局６１１と通信局６１２との間の光伝送路６３１，６３２上に遠隔励起光増幅モジュール６２１が設けられていて、遠隔励起光増幅モジュール６２１に対して信号光伝送の下流側の光伝送路６３２に光カプラ６４２が設けられ、また、光カプラ６４２と通信局６１２との間に光伝送路６５２が設けられている。

この光通信システム６００では、通信局６１１から出力された信号光は、光伝送路６３１により伝送され、遠隔励起光増幅モジュール６２１により光増幅され、光カプラ６４２を経て、光伝送路６３２により伝送されて、通信局６１２により受信される。

通信局６１２から遠隔励起光増幅モジュール６２１に逆方向に供給される励起光は、光伝送路６３２により伝送され、その大部分のパワーが光カプラ６４２を経て、遠隔励起光増幅モジュール６２１内のＥＤＦに供給されるが、一部の励起光は、光カプラ６４２により分岐されて、光伝送路６５２を経て通信局６１２に戻り、この通信局６１２においてパワーがモニタされる。このようにして、図１６に示される光通信システム６００では、通信局６１２から遠隔励起光増幅モジュール６２１に供給される励起光のパワーがモニタされる。

尚、図１５に示された構成により励起光の反射を検出する後者の場合、遠隔励起光増幅モジュールにおいて反射される励起光が、伝送路ファイバ中でRayleigh散乱された励起光に埋もれて正確にモニタ出来ない危険性がある。この場合、励起光を十分高速なOn-Off変調しながら伝送路ファイバに注入すれば、Rayleigh散乱成分は伝搬遅延がさまざまな成分が混在しているのでOn-Off変調のパターンは消失する。遠隔励起光増幅モジュールから反射された励起光は、励起口注入時と同じOn-Off変調パターン（010101…で可）で同期検波すれば、正確に検出できる。尚、上記の変調の周波数は、遠隔励起光増幅モジュールに至るまでの伝送路の伝搬遅延時間をτとすると、逆数（１／τ）より十分大きいことが望ましく、より望ましくは１０／τ以上である。遠隔励起光増幅モジュールが伝送路下流端から５０ｋｍ離れていた場合、τは２５０μｓである。このとき変調周波数は４０kHz以上であることが望ましい。

尚、励起光の変調周波数が十分高ければ、ＥＤＦの励起寿命は１０ｍｓであり、逆方向励起されたラマン利得も伝搬時間以上の遅い変化しか追随しないので、Ｇ_RおよびＧ_Eともに安定する。尚、On-Off変調でなくとも、変調周波数が４０ｋＨｚ以上の正弦波変調等でも効果は同じである。

上記第２の方法における励起光モニタは、遠隔励起光増幅モジュールの利得をモニタする目的だけでなく、図１４に示した光波ネットワークにおいてルーティング処置を行う際の警報信号としても使える。Ｇ_Tの値を用いても良いが、信号光波数が少ない場合など(5)式の様な補正が必要となる可能性があり、最悪、遠隔励起光増幅モジュールまたはラマン増幅器のＡＳＥを信号と誤認する恐れもあるので、励起光をモニタした方が簡便かつ確実である。

こうした反射手段によるモニタ方式は、励起光だけでなく監視光に用いても良い。この場合、遠隔励起光増幅モジュールの上流と下流のスパンロスを独立してモニタすることが可能となり、より適切なプロテクションが行える。例えば、スパンロス発生点が遠隔励起光増幅モジュールの上流であった場合、遠隔励起光増幅モジュールで発生するＡＳＥ成分の割合が増すので、(5)式の係数αを更新する等である。

上記の第１の方法および第２の方法の何れでも、励起光モニタ成分を、伝送路と異なるファイバで中継局まで伝搬させる際、前記の伝送路とは異なるモニタ用ファイバにおいて環境温度の変化などによるロスの変動が発生した場合、正確なモニタが行えない。この様な事態を回避するためには、伝送路用ファイバと同一のテープ心線にモニタ用ファイバを収めるなど、ケーブル内部で構造的に両者を極力近傍に配置することが望ましい。

上記の第１および第２の方法以外にＧ_Eをモニタする方法として、信号波長域以外の波長の監視光を用いる方法が考えられる。例えば、最も一般的である波長１５１０ｎｍ付近での利得Ｇ_E０[ｄＢ]は均一広がり近似に基づき次式で与えられる。ここで、ａ_１，Ｃ_１は、下記(8)式，(9)式で与えられる係数である。ｇ^*(λ)は、波長λにおける単位長当りの非飽和利得である。α(λ)は、波長λにおける単位長当りの非飽和吸収である。λsは信号波長域中心波長であり、λsvは監視光の波長である。

ここで、λsが１５４７ｎｍであり、λsvが１５１０ｎｍであったとすると、ａ_１は０.７６あり、Ｃ_１は−０.９１・Ｅである。Ｅは遠隔励起用ＥＤＦの物理的な長さを表す。(8)式，(9)式の計算は、製造時または敷設時に予め計算して結果のみを係数として中継用ＥＤＦＡ制御回路に記録しておけばよく、稼動時に定常的に計算を行う必要は無い。

信号光波長と監視光波長とは互いに十分近く、スパンロスの変動は何れの波長でもほぼ等しいと看做すことが出来る。仮にラマン利得Ｇ_Rが十分に小さくて無視できるシステムの場合、図１中のフォトダイオード１３３，１３６により信号光波長域での伝送路透過利得が下記式から求められる。

更に、図１のフォトダイオード１３１，１３２により監視光波長域での伝送路透過利得Ｇ_T０が下記式から求められる。

求めたいのは、Ｇ_EおよびＬの２つのパラメータなので、上記(10)式および(11)式の２つの方程式を解けば、以下の通り計算することが出来る。下記の(12b)に基づき、中継用ＥＤＦＡ内部のＶＯＡの減衰量を制御することができる。

遠隔励起光増幅モジュールに使用されるＥＤＦのｇ^*(λ)およびα(λ)は、ＥＤＦ単体の評価により容易に求めることが出来る。更に、遠隔励起光増幅モジュール内に、励起パワーモニタ用の分岐カプラや反射部品を設ける必要が無いので、励起パワーも低下せずに済む。更に、中継起用光増幅器のハードウェアの構成としても従来の図１のものが流用可能であり、実用的なモニタ方法と言える。

上記の実施例は、監視光は遠隔励起ＥＤＦ内を通過するケースである。しかし、(12a)式および(12b)式の様な演算を中継局の中で行う必要があり、制御回路の負担が大きくなる。ここで、遠隔励起光増幅モジュールに、図２中のＷＤＭカプラ３１１，３１２の様に信号光と監視光とを合分波するフィルタを具備するなら、図１のフォトダイオード１３１，１３２により監視光波長でのスパンロスＬ_svをモニタできる。Ｌ_svと信号波長域のスパンロスＬとは次式の簡単な関係がある。

ここでは、遠隔励起光増幅モジュール中に設けられた信号／監視ＷＤＭフィルタの損失があるが、通常、その損失値は、高々１ｄＢ／個程度なので、１０ｄＢを超える（時として３０ｄＢにも及ぶ）スパンロスから見ると、無視できるほどに小さい。尚、信号／監視ＷＤＭフィルタは、１.５５／１.５１μｍ帯ＷＤＭフィルタであれば、中継用ＥＤＦＡと共通の部品を用いることが出来、コスト的に有利である。

但し、Ｌ_fの挿入損失は、スパンロスＬから見れば小さくとも、遠隔励起光増幅モジュールの利得Ｇ_Eは数ｄＢという場合も往々にして有り得るので、この利得Ｇ_Eに対しては無視できない。特に、特許文献２のＦｉｇ.１３Ａに示されている様に、遠隔励起光増幅モジュールの入出力端に信号／監視ＷＤＭフィルタを設けてしまうと、到達する励起パワーが一層減衰してしまう。図１３に見られる様に、殊に励起パワーが増幅と吸収の閾値に近い場合は、仮令１ｄＢの挿入損でも影響が大きい（特にパスバンド最短波長の利得は６ｄＢも変動している）。

したがって、図２に見られる様に、出力端には先ず励起光をバイバスする励起／信号ＷＤＭフィルタを具備することが望ましい。或いは、図１７の様に、励起／信号の分波と信号／監視光の合波を行うＷＤＭフィルタを用いても良い。図１７は、遠隔励起光増幅モジュールの構成図である。尚、この図に示される構成は、逆方向励起のみで駆動できるＣバンド用遠隔励起ＥＤＦモジュールの場合である。

図１７に示される遠隔励起光増幅モジュール７００は、入力コネクタ７０１に入力した信号光を光増幅し、その光増幅した信号光を出力コネクタ７０２から出力するものであって、ＷＤＭ光カプラ７１１，７１２およびＥＤＦ７６１を備える。図１８は、図１７に示される遠隔励起光増幅モジュール７００に含まれるＷＤＭ光カプラ７１２の反射・透過の特性を示す図である。

下流側から出力コネクタ７０２に到達した励起光（波長１.４９μｍ帯）は、ＷＤＭ光カプラ７１２により反射されて、ＥＤＦ７６１に供給される。上流側から入力コネクタ７０１に到達した監視光（波長１.５１μｍ帯）は、ＷＤＭ光カプラ７１１を透過し、監視光バイパス路７８１を経て、ＷＤＭ光カプラ７１２を透過して、出力コネクタ７０２から出力される。上流側から入力コネクタ７０１に到達した信号光（波長１.５５μｍ帯）は、ＷＤＭ光カプラ７１１により反射され、ＥＤＦ７６１により光増幅され、ＷＤＭ光カプラ７１２により反射されて、出力コネクタ７０２から出力される。

以上に説明した何れの実施例も、伝送路ファイバ中のラマン利得が無視できる場合であった。次に説明する実施例においては、ラマン利得Ｇ_Rが無視できない場合を考える。或る一波長で励起したときのラマン利得は均一広がりと看做せるので、たとえば図８に示す様に、信号光波長域および監視光波長それぞれにおける利得[ｄＢ表示]は比例関係にある。尚、図８においては上述のとおり、図９の関係を満たすように２波長の励起パワー比率は保たれており、ラマン利得Ｇ_Rの大きさは変わっても平坦性は維持されていると仮定する。この様な場合は、スパンロスの変動と同様にＶＯＡによる制御が有効である(図７中の第一列＆第二行の◎、(6b)式の制御に相当する)。

信号光波長域がＣバンドで、監視光の波長が１５１０ｎｍであった場合、比例係数は０.７４５である。ちなみに、監視光の波長が１６１０ｎｍ、１６２０ｎｍ、１６３０ｎｍそれぞれであった場合も、この線形な関係は崩れず、比例係数は各々０.２８２、０.２２３、０.１９５である。兎も角、一般的に、この比例係数をｂ_１とすると、上記の(13)式は下記の様に書き換えられる。

例えば、遠隔励起光増幅モジュールの利得Ｇ_Eが上述の側方自然放出光モニタか励起光モニタにより求められた場合、上記の(4)式と(14)式を連立させることで、ＬおよびＧ_Rも下記の様に算出できる。

尚、ラマン励起用の複数の波長の励起パワーの関係が、上記図９の様な関係を満たさない場合、各励起波長に対応するラマン利得は独立に変化し得る。この場合、ラマン利得はＧ_Rという一つのパラメータではなく、Ｇ_R ⁱ（ｉ=１〜Ｎ）というＮ個のパラメータの総和（利得はｄＢ表示）で表される。この場合は、スパンロスＬも含めてＮ＋１個の独立したパラメータがあるので、光通信システムの状態を完全にモニタするには、Ｎ個の波長の監視光によるモニタが望ましい。この時、上記(14)式は次式のようにＮ×Ｎの行列を用いた線形な連立方程式となる。尚、行列要素のｂ_ij（ここでｉ,ｊは何れも１〜Ｎの整数）は何れもラマン利得係数と監視光波長とから求められる定数なので、(16)式は、ｂ_ijの逆行列を計算するなどの演算を行えば解く事が出来、Ｇ_R ⁱは求められる。

この(16)式は、前述の監視光が光増幅モジュール内部を通過する場合にも適用できる。この場合、Ｇ_R ⁱ以外にＧ_Eも求める必要があるので、行列の要素数は（Ｎ＋１）×（Ｎ＋１）となる。

中継用光増幅器としてのＥＤＦＡの構成図である。 遠隔励起光増幅モジュールの構成図である。 入力信号光パワーの各値の場合における遠隔励起光増幅モジュールの利得特性を示す図である。 入力信号光パワーの各値の場合における遠隔励起光増幅モジュールの雑音指数特性を示す図である。 励起光パワーの各値の場合における遠隔励起光増幅モジュールの利得特性を示す図である。 励起光パワーの各値の場合における遠隔励起光増幅モジュールの雑音指数特性を示す図である。 遠隔励起ＥＤＦと分布ラマン増幅を併用する多段中継光通信システムにおけるＧ_Ｔ変動原因とプロテクション方法とを纏めた図表である。 ８０ｋｍのＳＭＦ伝送路を１４２８ｎｍと１４６０ｎｍの２波長の励起光で分布ラマン励起した場合の利得スペクトルを示す図である。 ８０ｋｍのＳＭＦ伝送路を１４２８ｎｍと１４６０ｎｍの２波長の励起光で分布ラマン励起した場合の所要励起パワーを示す図である。 分布ラマン増幅モジュールに捕縄励起光源を具備した構成を示す図である。 Ｃバンド用の遠隔励起光増幅モジュールにおいて励起光注入が遮断されたときの吸収スペクトルを示す。 Ｌバンド用の遠隔励起光増幅モジュールにおいて励起光注入が遮断されたときの吸収スペクトルを示す。 モードフィールド径が６μｍ程度であるＥＤＦを用いたＬバンド用の遠隔励起光増幅モジュールにおける励起光パワーと利得との関係を示す図である。 遠隔励起光増幅モジュールを含む光波ネットワークの構成を示す図である。 遠隔励起光増幅モジュールに到達する励起光をモニタすることができる光通信システムの第１の構成例を示す図である。 遠隔励起光増幅モジュールに到達する励起光をモニタすることができる光通信システムの第２の構成例を示す図である。 遠隔励起光増幅モジュールの構成図である。 図１７に示される遠隔励起光増幅モジュールに含まれるＷＤＭ光カプラ７１２の反射・透過の特性を示す図である。

符号の説明

１００…ＥＤＦＡ（中継用光増幅器）、１０１…入力コネクタ、１０２…出力コネクタ、１１１〜１１６…ＷＤＭ光フィルタ、１２１〜１２６…光カプラ、１３１〜１３６…フォトダイオード、１４１〜１４５…光アイソレータ、１５１〜１５４…レーザダイオード、１６１〜１６３…ＥＤＦ（光増幅媒体）、１７０…可変光減衰器（光部品）、１８０…利得等化器、１９０…ＤＣＦ（分散補償光ファイバ）、２００…制御回路、２１０…上位監視基板。

３００…遠隔励起光増幅モジュール、３０１…入力コネクタ、３０２…出力コネクタ、３１１〜３１６…ＷＤＭ光カプラ、３２１，３２２…光カプラ、３４１，３４２…光アイソレータ、３６１，３６２…ＥＤＦ（光増幅媒体）、３７１，３７２…側方自然放出光モニタ部、３８１…監視光バイパス路。

４００…光波ネットワーク、４１１〜４１７…交換局、４２１〜４２８…中継用ＥＤＦＡ、４３１，４３２…遠隔励起光増幅モジュール。

５００…光通信システム、５１１，５１２…通信局、５２１…遠隔励起光増幅モジュール、５３１，５３２…光伝送路、５４１，５４２…光ファイバブラッググレーティング。

６００…光通信システム、６１１，６１２…通信局、６２１…遠隔励起光増幅モジュール、６３１，６３２…光伝送路、６４２…光カプラ、６５２…光伝送路。

７００…遠隔励起光増幅モジュール、７０１…入力コネクタ、７０２…出力コネクタ、７１１，７１２…ＷＤＭ光カプラ、７６１…ＥＤＦ、７８１…監視光バイパス路。

Claims (20)

1. 通信局間に敷設された光伝送路により信号光を伝送して光通信をする光通信システムであって、
   前記光伝送路上に設けられ、励起光が供給されて前記信号光を光増幅する希土類元素添加光導波路を含む遠隔励起光増幅モジュールと、
   前記遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の上流側または下流側の通信局内に設けられ、前記遠隔励起光増幅モジュールに含まれる前記希土類元素添加光導波路に供給すべき前記励起光を出力する励起光源部と、
   前記通信局内に設けられ、前記信号光を光増幅する光増幅媒体と、該光増幅媒体と直列的に接続され前記信号光に対する透過損失スペクトルが可変である光部品とを含む中継用光増幅器と、
   前記信号光のレベルのモニタ結果および他のモニタ結果に基づいて、前記中継用光増幅器に含まれる前記光部品の透過損失スペクトルを制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする光通信システム。
2. 前記光部品が可変光減衰器であることを特徴とする請求項１記載の光通信システム。
3. 前記光伝送路が前記信号光をラマン増幅することを特徴とする請求項１記載の光通信システム。
4. 前記他のモニタ結果が、前記信号光を伝搬させる伝送用光ファイバに伝搬させた監視光のレベルのモニタ結果であることを特徴とする請求項１記載の光通信システム。
5. 前記光伝送路が前記信号光をラマン増幅するとともに、
   前記信号光および前記監視光それぞれのレベルのモニタ結果に基づいて、前記光伝送路のスパンロスおよびラマン利得を個々にモニタする
   ことを特徴とする請求項４記載の光通信システム。
6. 前記監視光の波長の数がラマン増幅用励起光の波長の数と同じか多いことを特徴とする請求項５記載の光通信システム。
7. 前記遠隔励起光増幅モジュールに含まれる前記希土類元素添加光導波路を前記監視光が通過し、
   前記中継用光増幅器に含まれる前記光増幅媒体の利得スペクトルが均一広がり近似され、
   前記制御手段が、前記信号光および前記監視光それぞれの波長における前記光増幅媒体の利得係数に基づいて前記光伝送路の透過損失を算出し、この算出した透過損失に基づいて前記中継用光増幅器に含まれる前記光部品の透過損失スペクトルを制御する
   ことを特徴とする請求項４記載の光通信システム。
8. 前記制御手段が、前記信号光および前記監視光それぞれの波長における前記光増幅媒体の利得係数および吸収係数に基づいて前記光伝送路の透過損失を算出し、この算出した透過損失に基づいて前記中継用光増幅器に含まれる前記光部品の透過損失スペクトルを制御する
   ことを特徴とする請求項７記載の光通信システム。
9. 前記遠隔励起光増幅モジュールに含まれる前記希土類元素添加光導波路で発生し側方に放出される自然放出光を集光する自然放出光集光手段と、
   この自然放出光集光手段により集光された自然放出光を、前記遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の上流側または下流側の通信局まで導波する自然放出光導波手段と、
   前記通信局内に設けられ、前記励起光導波手段により導波された自然放出光を検出する自然放出光検出手段と
   を更に備えることを特徴とする請求項１記載の光通信システム。
10. 前記自然放出光導波手段が、前記信号光を伝搬させる伝送用光ファイバと同一のテープ心線内の光ファイバを用いて、前記自然放出光集光手段により集光された自然放出光を導波することを特徴とする請求項９記載の光通信システム。
11. 前記遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の下流側の光伝送路上に設けられ、下流側から伝搬してくる励起光の一部を分岐する励起光分岐手段と、
    この励起光分岐手段により分岐された励起光を、該励起光を出力した励起光源部を含む通信局まで導波する励起光導波手段と、
    前記通信局内に設けられ、前記励起光導波手段により導波された励起光を検出する励起光検出手段と
    を更に備えることを特徴とする請求項１記載の光通信システム。
12. 前記励起光導波手段が、前記信号光を伝搬させる伝送用光ファイバと同一のテープ心線内の光ファイバを用いて、前記励起光分岐手段により分岐された励起光を導波することを特徴とする請求項１１記載の光通信システム。
13. 前記遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の下流側の光伝送路上に設けられ、下流側から伝搬してくる励起光の一部を反射する励起光反射手段と、
    前記遠隔励起光増幅モジュールに対して信号光伝送の下流側の通信局内に設けられ、この励起光反射手段により反射されて前記光伝送路を導波してきた励起光を検出する励起光検出手段と
    を更に備えることを特徴とする請求項１記載の光通信システム。
14. 前記通信局内の前記励起光源部が４０ｋＨｚ以上の周波数で強度変調した前記励起光を出力し、
    前記励起光検出手段が励起光反射手段により反射されて前記光伝送路を導波してきた励起光を同期検出する
    ことを特徴とする請求項１３記載の光通信システム。
15. 前記自然放出光検出手段により検出された自然放出光のレベルのモニタ値を、前記光伝送路のロスのモニタ値を用いて補正する補正手段を更に備えることを特徴とする請求項９に記載の光通信システム。
16. 前記励起光検出手段により検出された励起光のレベルのモニタ値を、前記光伝送路のロスのモニタ値を用いて補正する補正手段を更に備えることを特徴とする請求項１１または１３に記載の光通信システム。
17. 前記光伝送路が前記信号光をラマン増幅するとともに、
    前記光伝送路のスパンロスおよびラマン利得ならびに前記遠隔励起光増幅モジュールの利得それぞれをモニタして、前記光伝送路のスパンロスまたはラマン利得の変動に応じてラマン増幅用励起光のパワーを調整する
    ことを特徴とする請求項１〜１６の何れか１項に記載の光通信システム。
18. 通信局間に敷設された光伝送路上に設けられ、通信局内の励起光源部から出力される励起光が供給されて信号光を光増幅する希土類元素添加光導波路を含む遠隔励起光増幅モジュールであって、
    前記信号光と前記励起光とを合波または分波する機能を有し、前記光伝送路を伝搬してきた監視光が前記希土類元素添加光導波路を通過しないよう前記監視光をバイパスする監視光バイパス手段を備えることを特徴とする遠隔励起光増幅モジュール。
19. 通信局間に敷設された光伝送路上に設けられ、通信局内の励起光源部から出力される励起光が供給されて信号光を光増幅する希土類元素添加光導波路を含む遠隔励起光増幅モジュールであって、
    前記光増幅媒体に対して信号光伝送の下流側に設けられ、下流側から前記光伝送路を伝搬してきた監視光が前記希土類元素添加光導波路を通過しないよう前記監視光をバイパスする監視光バイパス手段と、
    前記監視光バイパスに対して信号光伝送の下流側に設けられ、前記信号光と前記励起光とを合波または分波する光合分波手段と
    を備えることを特徴とする遠隔励起光増幅モジュール。
20. 通信局間に敷設された光伝送路上に設けられ、通信局内の励起光源部から出力される励起光が供給されて信号光を光増幅する希土類元素添加光導波路を含む遠隔励起光増幅モジュールであって、
    前記光増幅媒体に対して信号光伝送の上流側または下流側に設けられ、特定波長の光を選択的に反射する反射手段を備えることを特徴とする遠隔励起光増幅モジュール。

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