JP2006229250A - 光増幅モジュール及びそれを含む光増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍ付近における信号光の増幅利得が従来より平坦である光増幅器等を提供する
【解決手段】 この光増幅器(100)では、励起光源(171,172)からの励起光はＥＤＦ(141〜145)に供給される。励起光源(173〜175)からの励起光はＴＤＦ(146)に供給される。入力端(101)から入力された信号光は、光分岐器(111)、光アイソレータ(121)及び光結合器(131)を順に通過し、ＥＤＦ(141〜145)において増幅されるとともに、光フィルタ(151〜154)により利得等化される。増幅された信号光は、光結合器(132)、光アイソレータ(122)、光結合器(133)及び光結合器(134)を通過してＴＤＦ(146)において増幅され、光結合器(135)、光アイソレータ(123)及び光分岐器(112)を経て出力端(102)から出力される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、希土類元素が光導波領域に添加された光導波路を含む光増幅モジュール、及び該光増幅モジュールを含む光増幅器に関するものである。

光通信システムは、光ファイバ伝送路に信号光を伝搬させることで、大容量の情報を高速に伝送することができる。この光通信システムにおける信号光の波長帯域として、Ｃバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）が既に使用され、Ｌバンド（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）の使用も検討されている。また、更なる大容量化を図るため、信号波長帯域としてＳバンド（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ）の使用も検討されている。

また、光通信システムでは、信号光を増幅するために光増幅器が用いられる。Ｃバンド又はＬバンドの信号光を光増幅することができる光増幅器として、Ｅｒ（エルビウム）元素が光導波領域に添加された光増幅用ファイバ（ＥＤＦ: Erbium-Doped Fiber）が光増幅媒体として適用されたＥＤＦＡ（Erbium-Doped Fiber Amplifier）が利用される。このＥＤＦＡは、ＥＤＦに励起光（波長０．９８μｍ帯又は１．４８μｍ帯）を供給することで、このＥＤＦを伝搬するＣバンド又はＬバンドの信号光を増幅することができる。

一方、Ｓバンドの信号光を増幅することができる光増幅器として、Ｔｍ（ツリウム）元素が光導波領域に添加された光増幅用ファイバ（ＴＤＦ: Thulium-Doped Fiber）を光増幅媒体として用いるＴＤＦＡ（Thulium-Doped Fiber Amplifier）が検討されている。このＴＤＦＡは、ＴＤＦに励起光（波長１．０５μｍ帯、１．２μｍ帯、１．４μｍ帯又は１．５５〜１．６５μｍ帯）を供給することで、このＴＤＦを伝搬するＳバンドの信号光を増幅することができる。
特開２００１−３１３４３３号公報 T. Kasamatsu, et al., "Laser-diode-pumpedhighly-efficient gain-shifted thulium-doped fiber amplifier operating in the1480-1510-nm band", OFC2001, Technical Digest, TuQ4 (2001) E. Ishikawa, et al., "Novel 1500nm-band EDFAwith discrete Raman amplifier", ECOC2001, Postdeadline papers, pp.48-49(2001)

発明者らは、従来の光増幅器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、実際にＴＤＦＡが増幅し得る信号波長域の上限は１５１０ｎｍ程度である（例えば非特許文献１参照）。一方、ＥＤＦＡが増幅し得る信号波長域の下限は一般に１５３０ｎｍ程度である。したがって、波長域１５１０ｎｍ〜１５３０ｎｍの信号光は、これらＥＤＦＡ及びＴＤＦＡを使用するのみでは増幅され得ない。このことから、光ファイバ伝送路として用いられる石英系光ファイバの低損失波長域の使用効率が悪い。

そこで、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍ付近の信号光を増幅し得るＥＤＦＡが提案されている（例えば、非特許文献２及び特許文献１参照）。これらに開示されたＥＤＦＡは、反転分布を高めることで、上記波長域の信号光を増幅する。

しかしながら、このＥＤＦＡは、上記波長域において非常に大きな正の利得傾斜を有していて、単独では利得平坦化を実現することができない。そのため、利得平坦化のためにラマン増幅器の併用を余儀なくされている。ところが、ラマン増幅器は、ＥＤＦＡやＴＤＦＡと比較して、励起効率が低く、光ファイバ長が数ｋｍも必要であることから大型であり、光ファイバ中の非線形光学現象や二重レーリ散乱に起因した信号光伝送品質が劣化する等の課題がある。

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、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍ付近における信号光の増幅利得が従来より平坦である光増幅器、希土類元素が光導波領域に添加された光導波路を含み上記光増幅器において好適に用いられ得る光増幅モジュールを提供することを目的としている。

この発明に係る光増幅モジュールは、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍを少なくとも一部に含む信号波長域の複数チャネルの信号光を増幅する光増幅モジュールである。この光増幅モジュールは、Ｔｍ元素が光導波領域に添加されたＴｍ添加光導波路と、このＴｍ添加光導波路と光学的に接続され、Ｅｒ元素が光導波領域に添加されたＥｒ添加光導波路とを備える。また、この発明に係る光増幅器は、入力端から入力された信号光を増幅する光増幅器である。この光増幅器は、Ｔｍ添加光導波路及びＥｒ添加光導波路を含む上記光増幅モジュールと、Ｅｒイオンを励起し得る波長の励起光をＥｒ添加光導波路に供給する第１励起光供給手段と、Ｔｍイオンを励起し得る波長の励起光をＴｍ添加光導波路に供給する第２励起光供給手段とを備える。

この発明によれば、Ｅｒイオンを励起し得る波長の励起光が第１励起光供給手段によりＥｒ添加光導波路に供給され、Ｔｍイオンを励起し得る波長の励起光が第２励起光供給手段によりＴｍ添加光導波路に供給される。そして、Ｅｒ添加光導波路及びＴｍ添加光導波路を含む光増幅モジュールでは、Ｅｒ添加光導波路及びＴｍ添加光導波路の双方において信号光が増幅される。したがって、全体の利得スペクトルは、Ｅｒ添加光導波路及びＴｍ添加光導波路それぞれの利得スペクトルを総合したものとなる。これにより、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍ付近における信号光の増幅利得が従来より平坦になる。

この発明に係る光増幅モジュールは、信号光の進行方向から見てＥｒ添加光導波路の上流側、下流側又は中途に配置され、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍに含まれる領域においてＥｒ添加光導波路の利得を等化する利得等化フィルタをさらに備えてもよい。この場合、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍ付近における信号光の増幅利得が利得等化フィルタによりさらに平坦になる。

この発明に係る光増幅モジュールは、信号光の進行方向から見てＥｒ添加光導波路の上流側、下流側又は中途に配置され、波長１５３０ｎｍ以上の波長域の光を遮断する遮断フィルタをさらに備えてもよい。この場合、波長１５３０ｎｍ以上の波長域の自然放出光（ＡＳＥ）は、遮断フィルタにより遮断され、後段に出力されるのが阻止される。

この発明に係る光増幅モジュールは、０．９８μｍ帯の励起光をＥｒ添加光導波路に供給する第１光結合器をさらに備えてもよい。この場合、Ｅｒ添加光導波路の反転分布を高める上で好ましい。また、この発明に係る光増幅モジュールは、波長１．０５μｍ帯又は波長１．４μｍ帯の励起光と、波長１．２μｍ帯又は波長１．５５〜１．６５μｍ帯の励起光をＴｍ添加光導波路に供給する第２光結合器をさらに備えてもよい。この場合、利得ピークの長波長側シフトを生じさせる上で好ましい。

この発明に係る光増幅モジュールは、Ｅｒ元素が光導波領域に添加されたＥｒ添加光導波路と、Ｅｒ添加光導波路の温度を室温以上に維持する温度調整手段、具体的には、Ｅｒ添加光導波路の温度を検知し、該検知結果に基づきＥｒ添加光導波路の温度を室温を超える温度に維持する温度調節手段とを備えてもよい。この場合、Ｅｒ添加光導波路の利得を高める上で好ましい。また、温度調整手段がＥｒ添加光導波路の温度を６５℃以上に維持するのがよく、この場合、安価なヒータを用いることができる点で好ましい。

なお、この発明に係る光増幅モジュールは、光導波路領域に、Ｅｒ元素とともにＡｌ_２Ｏ_３及びＰ_２Ｏ_５が共添加されたＥｒ添加光導波路を備えてもよい。この場合、当該光増幅モジュールは、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍを少なくとも一部に含む信号波長域の複数チャネルの信号光を増幅する。また、Ｓバンドにおいて、誘導放出断面積の波長依存性が平坦となるため、利得の平坦化が容易になる。

この発明に係る光増幅モジュールにおいて、Ｔｍ添加光導波路及びＥｒ添加光導波路それぞれは、光ファイバを含むのが好ましい。この場合、導波路長を容易に長くすることができ、利得を高くすることができからである。

この発明に係る光増幅器は、Ｅｒ元素が光導波領域に添加されたＥｒ添加光導波路と、波長９７６ｎｍ以下の０．９８μｍ帯の励起光をＥｒ添加光導波路に供給する励起光供給手段とを備える。この場合、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍにおいてＥｒ添加光導波路における利得の改善が図られる。

この発明に係る光増幅器において、Ｅｒ添加光導波路は、信号光の進行方向から見てＴｍ添加光導波路の上流側に配置されるのが好ましい。この場合、前段のＥｒ添加光導波路に入力される信号光のパワーが小さくなって、Ｅｒ添加光導波路における反転分布が高くなり、一方、後段のＴｍ添加光導波路に入力する信号光のパワーが大きくなって、Ｔｍ添加光導波路において利得飽和が生じるので、Ｔｍ添加光導波路における利得ピーク波長の長波長化に有利となる。

この発明に係る光通信システムは、上記光増幅器（この発明に係る光増幅器）を含み、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍを含む信号波長域の複数チャネルの信号光を伝送するとともに、上記波長域内の信号光を光増幅器により増幅する。この光通信システムは、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍの信号光を上記光増幅器により増幅するため、未使用波長域が従来より小さくなって、さらに大容量の情報を送受信することができる。

この発明に係る光通信システムにおいて、信号波長域は、帯域幅４ｎｍ〜６ｎｍの未使用波長域で隔てられた１又はそれ以上の帯域を含むのが好ましい。この場合、Ｅｒ元素及びＴｍ元素それぞれの蛍光特性の観点や、光合波器及び光分波器それぞれの特性の観点から、この程度の帯域幅の未使用波長域が最適なものとなる。

この発明に係る光通信システムにおいて、未使用波長域内のラマン増幅用の励起光を光伝送路に供給して、その光伝送路において信号光をラマン増幅するのが好ましい。この場合には、システム全体の利得スペクトルの更なる平坦化が可能であり、また、ラマン増幅用の励起光のレーリ散乱が信号光に与える悪影響を抑制することができる。

この発明に係る白色光源は、Ｔｍ添加光導波路及びＥｒ添加光導波路を含む上記光増幅モジュール（この発明に係る光増幅モジュール）と、Ｅｒイオンを励起し得る波長の励起光をＥｒ添加光導波路に供給する第１励起光供給手段と、Ｔｍイオンを励起し得る波長の励起光をＴｍ添加光導波路に供給する第２励起光供給手段とを備え、励起光の供給によりＴｍ添加光導波路及びＥｒ添加光導波路それぞれにおいて発生した自然放出光を出力する。この白色光源は、上記光増幅器と略同様の構成であるが、信号光が入力されることはなく、Ｔｍ添加光導波路及びＥｒ添加光導波路それぞれにおいて発生した自然放出光を出力する。この白色光源は、波長域１．４５μｍ〜１．６１μｍの白色光を出力することができる。

この発明によれば、Ｅｒイオンを励起し得る波長の励起光が第１励起光供給手段によりＥｒ添加光導波路に供給され、Ｔｍイオンを励起し得る波長の励起光が第２励起光供給手段によりＴｍ添加光導波路に供給される。そして、Ｅｒ添加光導波路及びＴｍ添加光導波路を含む光増幅モジュールでは、Ｅｒ添加光導波路及びＴｍ添加光導波路の双方において信号光が増幅される。このとき、当該光増幅モジュール全体の利得スペクトルは、Ｅｒ添加光導波路及びＴｍ添加光導波路それぞれの利得スペクトルを総合したスペクトルとなる。これにより、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍ付近における信号光増幅の利得が従来より平坦なものとなる。

以下、この発明に係る光増幅モジュール、光増幅器、白色光源及び光通信システムの各実施形態を、図１〜１６を用いて詳細に説明する。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。

図１は、この発明に係る光増幅器１００の一実施形態の構成を示す図である。この図に示された光増幅器１００は、入力端１０１から出力端１０２へ向かう信号光伝搬経路上に順に配置された、光分岐器１１１、光アイソレータ１２１、光結合器１３１、ＥＤＦ１４１、光フィルタ１５１、ＥＤＦ１４２、光フィルタ１５２、ＥＤＦ１４３、光フィルタ１５３、ＥＤＦ１４４、光フィルタ１５４、ＥＤＦ１４５、光結合器１３２、光アイソレータ１２２、光結合器１３３、光結合器１３４、ＴＤＦ１４６、光結合器１３５、光アイソレータ１２３及び光分岐器１１２を備える。

また、この光増幅器１００は、ＥＤＦ１４１の温度を調整する温度調整部１６１、ＥＤＦ１４２の温度を調整する温度調整部１６２、ＥＤＦ１４３の温度を調整する温度調整部１６３、ＥＤＦ１４４の温度を調整する温度調整部１６４、ＥＤＦ１４５の温度を調整する温度調整部１６５、光結合器１３１に接続された励起光源１７１、光結合器１３２に接続された励起光源１７２、光結合器１３３に接続された励起光源１７３、光結合器１３４に接続された励起光源１７４、光結合器１３５に接続された励起光源１７５、光分岐器１２１に接続された信号光検知部１８１、光分岐器１２２に接続された信号光検知部１８２、及び、制御部１９０を備える。なお、信号光伝搬回路上にある各構成要素及び温度調整部１６１〜１６５は、この発明に係る光増幅モジュールの一部を構成する。

ＥＤＦ１４１〜１４５それぞれは、石英ガラスをホストガラスとし少なくともコア領域にＥｒ元素が添加されている光導波路である。これらＥＤＦ１４１〜１４５それぞれは、Ｅｒイオンを励起し得る波長の励起光が供給されることで、Ｃバンドの信号光を増幅する。ＴＤＦ１４６は、フッ化物系ガラス又はテルライト系ガラスをホストガラスとし少なくともコア領域にＴｍ元素が添加されている光導波路である。これらＴＤＦ１４６は、Ｔｍイオンを励起し得る波長の励起光が供給されることで、Ｓバンドの信号光を増幅する。

光結合器１３１、１３２及び励起光源１７１、１７２は、ＥＤＦ１４１〜１４５に励起光を供給する励起光供給手段として機能する。励起光の波長帯は、０．９８μｍ帯又は１．４８μｍ帯である。励起光源１７１、１７２としては半導体レーザ光源が好ましい。光結合器１３１は、励起光源１７１から出力された励起光をＥＤＦ１４１に向けて出力するとともに、光アイソレータ１２１から到達した信号光をもＥＤＦ１４１に向けて出力する。光結合器１３２は、励起光源１７２から出力された励起光をＥＤＦ１４５に向けて出力するとともに、ＥＤＦ１４５から到達した光を光アイソレータ１２２に向けて出力する。

光結合器１３３〜１３５及び励起光源１７３〜１７５は、ＴＤＦ１４６に励起光を供給する励起光供給手段として機能する。励起光の波長帯は、１．０５μｍ帯、１．２μｍ帯、１．４μｍ帯又は１．５５〜１．６５μｍ帯である。励起光源１７３〜１７５としては、半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザ光源、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源、Ｙｂレーザ光源、半導体レーザ光源、等が好ましい。光結合器１３３は、励起光源１７３から出力された励起光を光結合器１３４に向けて出力するとともに、光アイソレータ１２２から到達した信号光をも光結合器１３４に向けて出力する。光結合器１３４は、励起光源１７４から出力された励起光をＴＤＦ１４６に向けて出力するとともに、光結合器１３３から到達した光をもＴＤＦ１４６に向けて出力する。光結合器１３５は、励起光源１７５から出力された励起光をＴＤＦ１４６に向けて出力するとともに、ＴＤＦ１４６から到達した光を光アイソレータ１２３に向けて出力する。

光アイソレータ１２１〜１２３それぞれは、光を順方向（入力端１０１から出力端１０２へ向かう方向）にのみ光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。

光フィルタ１５１〜１５４それぞれは、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍに含まれる波長域においてＥＤＦ１４１〜１４５の利得を等化する利得等化フィルタであり、また、波長１５３０ｎｍ以上の波長域の光を遮断する遮断フィルタでもある。

光分岐器１１１は、入力端１０１と光アイソレータ１２１との間の光路上に配置されており、入力端１０１から入力された光の一部を分岐して、その分岐された光を信号光検知部１８１へ向けて出力する。信号光検知部１８１は、光分岐器１１１から到達した光を入力し、入力端１０１から入力された信号光のパワーを検知する。また、この信号光検知部１８１は、信号光のチャネル数を検知してもよい。

光分岐器１１２は、光アイソレータ１２３と出力端１０２との間の光路上に配置されており、出力端１０２から出力された光の一部を分岐し、その分岐された光を信号光検知部１８２へ向けて出力する。信号光検知部１８２は、光分岐器１１２から到達した光を入力し、出力端１０２から出力される信号光のパワーを検知する。また、この信号光検知部１８２は、信号光のチャネル数を検知してもよい。

温度調整部１６１は、ＥＤＦ１４１の温度を検知するとともに、その検知結果に基づいてＥＤＦ１４１の温度を室温以上に維持する。温度調整部１６２は、ＥＤＦ１４２の温度を検知するとともに、その検知結果に基づいてＥＤＦ１４２の温度を室温以上に維持する。温度調整部１６３は、ＥＤＦ１４３の温度を検知するとともに、その検知結果に基づいてＥＤＦ１４３の温度を室温以上に維持する。温度調整部１６４は、ＥＤＦ１４４の温度を検知するとともに、その検知結果に基づいてＥＤＦ１４４の温度を室温以上に維持する。また、温度調整部１６５は、ＥＤＦ１４５の温度を検知するとともに、その検知結果に基づいてＥＤＦ１４５の温度を室温以上に維持する。特に、温度調整部１６１〜１６５は、ＥＤＦ１４１〜１４５の温度を６５℃以上に維持するのが好ましい。

制御部１９０は、信号光検知部１８１、１８２による検知結果を受け取り、励起光源１７１〜１７５それぞれから出力される励起光のパワーを調整する。また、制御部１９０は、ＥＤＦ１４１〜１４５の温度を調整する温度調整部１６１〜１６５を制御する。

光増幅器１００では、励起光源１７１、１７２から出力された励起光はＥＤＦ１４１〜１４５に供給される。また、励起光源１７３〜１７５から出力された励起光はＴＤＦ１４６に供給される。入力端１０１から入力された信号光は、光分岐器１１１、光アイソレータ１２１及び光結合器１３１を順に通過した後、ＥＤＦ１４１〜１４５において増幅されるとともに、光フィルタ１５１〜１５４により利得等化される。増幅された信号光は、光結合器１３２、光アイソレータ１２２、光結合器１３３及び光結合器１３４を通過した後にＴＤＦ１４６において増幅され、光結合器１３５、光アイソレータ１２３及び光分岐器１１２を経て出力端１０２から出力される。

次に、光増幅器１００のより具体的な構成について説明する。ここでは、入力端１０１から入力される信号光は、波長域１４８９．３ｎｍ〜１５１８．７ｎｍに含まれる周波数間隔１００ＧＨｚの４０チャネルであり、各信号チャネルのパワーが−２１ｄＢｍであり、トータルのパワーが−５ｄＢｍであるとする。

ＥＤＦＡ部分の具体的な構成は以下のとおりである。ＥＤＦ１４１〜１４５全体の吸収条長積は１４０ｄＢであり、各ＥＤＦは１本のＥＤＦを５等分したものである。励起光源１７１、１７２それぞれよりＥＤＦ１４１〜１４５に供給される励起光は、波長が０．９８μｍ帯で、パワーが＋２４ｄＢｍである。

光フィルタ１５１〜１５４は、図２に示された透過特性を有する。ここでは、光フィルタ１５１〜１５４として３種類の光フィルタを想定する。光フィルタ１５１〜１５４として用いられる光フィルタＡ〜Ｃそれぞれは、波長１５２５ｎｍ以上の光を高効率に遮断する。光フィルタＡは、波長１５２０ｎｍ以下の光を殆ど無損失で透過させる。光フィルタＢは、波長域１５００ｎｍ〜１５２０ｎｍで損失が傾斜しており。光フィルタＣは、さらに大きな損失傾斜を有する。このような透過特性を有する光フィルタは、光ファイバに長周期の屈折率変調が形成された長周期グレーティングにおいて屈折率変調形成領域を長くすることで実現され得る。なお、図２において、グラフＧ２１０は、光フィルタＡの透過スペクトル、グラフＧ２２０は光フィルタＢの透過スペクトル、グラフＧ２３０は光フィルタＣの透過スペクトルを示す。

図３は、光増幅器１００のＥＤＦＡ部分の利得特性及び雑音指数特性を示すグラフである。なお、図３（ａ）において、グラフＧ３１０ａは光フィルタＡの利得スペクトル、グラフＧ３２０ａは光フィルタＢの利得スペクトル、グラフＧ３３０ａは光フィルタＣの利得スペクトルを示す。また、図３（ｂ）において、グラフＧ３１０ｂは光フィルタＡの雑音特性、グラフＧ３２０ｂは光フィルタＢの雑音特性、グラフＧ３３０ｂは光フィルタＣの雑音特性を示す。図４は、光増幅器１００におけるＥＤＦＡ部分の諸特性をまとめた表である。この表には、光フィルタ１５１〜１５４として光フィルタＡ〜Ｃそれぞれが適用された場合について、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍにおける相対利得偏差、最悪雑音特性、及び励起効率が示されている。相対利得偏差は利得偏差（ｄＢ）を最小利得偏差（ｄＢ）で割った値である。最悪雑音特性は信号波長域内の雑音指数の最悪値である。また、励起効率は信号光パワー増分を励起光パワーで割った値である。

これらの図から分かるように、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍにおけるＥＤＦＡ部分の利得は、非常に大きい正の傾斜を有している。通常のＣバンド用ＥＤＦＡの相対利得偏差は２０％以下であるのに対し、上記波長域におけるＥＤＦＡ部分の相対利得偏差は３０００％，２７０％及び９０％であって非常に大きい。また、文献２に記載されたＥＤＦＡの相対利得偏差は５６％であってやはり大きい。光フィルタ１５１〜１５４の信号波長域での損失を大きくすると、利得傾斜を改善することができるが、その場合、励起効率が顕著に劣化する。通常のＣバンド用ＥＤＦＡの励起効率は５０％〜６０％であり、通常のＬバンド用ＥＤＦＡの励起効率は４０％程度であるので、この場合のような１０％以下の励起効率は非現実的である。

このようにＥＤＦＡ部のみでは光増幅特性の改善は困難であるが、この発明に係る光増幅器は、ＥＤＦＡ部分に加えてＴＤＦＡ部分をも有することにより、光増幅特性の改善を図っている。

Ｓバンド用ＥＤＦにおいては、反転分布を１００％近くに維持する必要があるため、利得スペクトル（ｄＢ表示）の形状は、誘導放出断面積（線形）にほぼ比例する。一般に使用されるＡｌ添加ＥＤＦにおいて、１．５μｍ波長帯周辺での誘導放出断面積の波長依存性は、図５に示されたように、大きな傾斜を示す。なお、図５は、規格化された誘導断面積の波長依存性を示すグラフであり、この図５において、グラフＧ５１０はＡｌ添加ＥＤＦの規格化された誘導放出断面積、グラフＧ５２０はＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦの規格化された誘導放出断面積をそれぞれ示す。

その結果、波長分割多重（WDM: Wavelength Division Multiplexing）伝送に適した平坦な利得スペクトルを実現するには、図６に示されたようなＣバンド除去のみならずＳバンド信号波長域においても光フィルタＢ、Ｃ（図２参照）のようにロス傾斜を有する利得等化フィルタが必要になる。この結果、特に波長１．５２μｍ付近では光増幅器中に大きな挿入損失が発生することになり、励起効率の観点また雑音特性の観点からも不利になる。

ＥＤＦの誘導放出断面積の形状は、ホストガラスや添加物などのガラス組成により改変することができる。例えば、図５に示されたＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦでは、波長帯１．４９μｍ〜１．５２μｍでほぼ平坦な誘導放出断面積を有し、図２に示されたような透過特性を有する特殊な利得等化器なしで利得平坦化ができる。なお、定量的に１．４９μｍ帯と１．５２μｍ帯における誘導放出断面積の比率は、Ａｌ添加ＥＤＦで２．９、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦで１．６である。光増幅器１００の具体的な構成としては、ＣバンドＡＳＥ除去のみを目的として、図６に示された透過スペクトルを有する光フィルタの使用が考えられる。

次に、吸収条長積ピークの合計が１７０ｄＢである石英系のＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦを５等分し、各段に図６に示された透過スペクトルを有する光フィルタが挿入された光増幅器の利得スペクトル及び雑音特性（Noise Figure）を図７に示す。なお、この光増幅器の動作条件としては、入力信号光は、波長域１４８９．３ｎｍ〜１５１８．７ｎｍに含まれる周波数間隔１００ＧＨｚの４０チャネルであり、各チャネルの信号光パワーが−２１ｄＢｍであり、トータルのパワーが−５ｄＢｍであるとする。また、石英系のＡｌ添加ＥＤＦの温度は２５℃に設定され、該石英系のＡｌ添加ＥＤＦに双方向から供給される励起光は、波長が０．９８μｍ帯で、パワーが＋２４ｄＢｍである。

このような動作条件において、相対利得偏差は８７％、励起効率は１１．５％、雑音特性は６．６ｄＢであった。図３及び図４の結果（Ａｌ添加ＥＤＦの光フィルタＣ使用時）と比較すると、同等の利得偏差及び雑音特性でありながら、励起効率が９．０％から１１．５％と約３０％程度改善されることが分かる。これは、信号波長帯域における光フィルタの挿入損失が抑制されているためである。なお、上記Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦは、０．９８μｍ帯励起光の吸収効率が悪いという欠点かある。これを補うために、例えばＹｂを該Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦに共添加してもよい。Ｙｂは、Ｐと共添加されれば、Sensitizerとして良好に動作する。

一方、ＴＤＦＡ部分の具体的な構成は以下のとおりである。ＴＤＦ１４６は、Ｔｍ添加濃度が２０００ｗｔ.ｐｐｍであり長さが４５ｍである。励起光源１７４、１７５それぞれよりＴＤＦ１４６に供給される励起光は、波長が１．０５μｍ帯で、パワーが＋２３ｄＢｍである。励起光源１７３よりＴＤＦ１４６に供給される励起光は、波長が１．５６μｍ帯で、パワーが５５ｍＷである。

図８は、光増幅器１００のＴＤＦＡ部分の利得特性（図８（ａ））及び雑音指数特性（図８（ｂ））を示すグラフである。これらグラフから分かるように、ＴＤＦＡ部分は、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍにおいても利得を有している。ただし、この波長域におけるＴＤＦＡ部分の利得は、絶対値が大きい負の傾斜を有している。

図９は、光増幅器１００における各部の利得スペクトルであり、この図９において、グラフＧ６１０はＴＤＦＡ部分の利得スペクトル、グラフＧ６２０はＥＤＦＡ部分の利得スペクトル、グラフＧ６３０は光増幅器全体の利得スペクトルを示す。図１０は、このときの光フィルタ１５１〜１５４の透過スペクトルである。図９に示されたように、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍにおいて、ＥＤＦＡ部分の正の利得傾斜とＴＤＦＡ部分の負の利得傾斜とが互いに相殺して、光増幅器１００全体の相対利得偏差が２５％まで低減され、該光増幅器１００全体の利得が平坦化されている。

なお、光増幅器１００全体の利得をさらに平坦化するには、光フィルタ１５１〜１５４の透過特性をさらに最適化すればよい。また、光フィルタ１５１〜１５４それぞれは、互いに同一の透過特性を有していてもよいが、各々異なる透過特性を有していてもよい。

また、ＴＤＦＡ部分とＥＤＦＡ部分とを有する光増幅器１００において、図１に示されたように、ＥＤＦＡ部分を前段に設けるのが好ましい。このようにすることにより、前段のＥＤＦＡに入力する信号光のパワーが小さくなって、ＥＤＦ１４１〜１４５における反転分布が高くなり、一方、後段のＴＤＦＡに入力する信号光のパワーが大きくなって、ＴＤＦ１４６において利得飽和が生じるので、ＴＤＦＡ部分における利得ピーク波長の長波長化に有利となる。

また、図９から分かるように、波長１４９０ｎｍ付近における光増幅器１００の利得はさらに大きいことが望まれる。そのためには、ＥＤＦ１４１〜１４５の温度を高く維持することが好ましい。図１１は、ＥＤＦの誘導放出断面積σ_e及び吸収断面積σ_aの波長依存性を示すグラフである。この図において、実線は温度７５℃の場合を示し、破線は室温２５℃の場合を示す。波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍにおいて、ＥＤＦの誘導放出断面積σ_eは温度依存性が小さいものの、ＥＤＦの吸収断面積σ_aは温度依存性が大きい。温度が高いほど、ＥＤＦの吸収断面積σ_aは小さくなる。このことから、図１１に示されたように、ＥＤＦ１４１〜１４５の温度を高く維持することにより、特に短波長側において利得が改善される。また、励起効率は、温度２５℃のときには９．０％であったのに対して、温度７５℃のときには１０．６％であり、約０．７ｄＢの改善が図られる。温度調整部１６１〜１６５は、ＥＤＦ１４１〜１４５の温度を高温に維持するためのものであり、例えばペルチエ素子やヒータ等が用いられる。一般に光通信システムにおいて用いられる装置の環境温度仕様は０℃〜６５℃であるので、ＥＤＦ１４１〜１４５の設定温度を６５℃以上とすれば、冷却が不要となって、安価なヒータを使用することができ安価となる。

図１２は、ＥＤＦ温度を上げたときのＳバンド用ＥＤＦＡの光増幅特性を示すグラフである。なお、図１２（ａ）において、グラフＧ９１０ａはＥＤＦ温度が２５℃のときの上記ＥＤＦＡの利得スペクトル、グラフＧ９２０ａはＥＤＦ温度が７５℃のときの上記ＥＤＦＡの利得スペクトルを示す。また、図１２（ｂ）において、グラフＧ９１０ｂはＥＤＦ温度が２５℃のときの上記ＥＤＦＡの雑音特性、グラフＧ９２０ｂはＥＤＦ温度が７５℃のときの上記ＥＤＦＡの雑音特性を示す。このＥＤＦＡの動作条件としては、入力端１０１から入力される信号光は、波長域１４８９．３ｎｍ〜１５１８．７ｎｍに含まれる周波数間隔１００ＧＨｚの４０チャネルであり、各チャネルの信号光パワーが−２１ｄＢｍであり、トータルのパワーが−５ｄＢｍであるとする。

ＥＤＦＡ部分の具体的な構成は以下のとおりである。ＥＤＦ１４１〜１４５に相当する石英系のＡｌ添加ＥＤＦの吸収条長積ピーク合計は１４０ｄＢであり、各ＥＤＦはこれを５等分したものである。励起光源１７１，１７２それぞれよりＥＤＦ１４１〜１４５に供給される励起光は、波長が０．９８μｍ帯で、パワーが＋２４ｄＢｍである。光フィルタ１５１〜１５４は、図２中のグラフＧ２３０で示された透過特性を有する。

また、波長１．５３μｍより短い帯域におけるＥＤＦＡ部分の利得スペクトルは、０．９８μｍ帯励起光の波長により、その形状が異なる。図１３は、ＥＤＦＡ部分の利得スペクトルである。なお、図１３において、グラフＧ１０１０は波長９７４ｎｍの励起光が供給されたときの利得スペクトル、グラフＧ１０２０は波長９７６ｎｍの励起光が供給されたときの利得スペクトル、グラフＧ１０３０が波長９７８ｎｍの励起光が供給されたときの利得スペクトル、及びグラフＧ１０４０は波長９８０ｎｍの励起光が供給されたときの利得スペクトルを示す。これらグラフから分かるように、励起光波長が９７６ｎｍ以下であれば、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍにおいてＥＤＦＡ部分の利得の改善が図られる。

次に、この発明に係る光通信システムの一実施形態について説明する。図１４は、この発明に係る光通信システム１の一構成例を示す図である。この図に示された光通信システム１は、光送信器１０、光中継器２０及び光受信器３０を備え、光送信器１０と光中継器２０との間に光ファイバ伝送路４０が敷設され、光中継器２０と光受信器３０との間に光ファイバ伝送路５０が敷設されている。

光送信器１０は、光源部１１_１〜１１_４及び光合波器１２を有する。光源部１１_１は、波長域１４５５ｎｍ〜１４９０ｎｍ（以下「Ｓｂバンド」と呼ぶ）に含まれる複数チャネルの信号光を合波する。光源部１１_２は、波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍ（以下「Ｓｒバンド」と呼ぶ）に含まれる複数チャネルの信号光を合波する。光源部１１_３は、Ｃバンドに含まれる複数チャネルの信号光を合波する。光源部１１_４は、Ｌバンドに含まれる複数チャネルの信号光を合波する。また、光合波器１２は、光源部１１_１〜１１_４それぞれから出力された複数チャネルの信号光をさらに合波し、この合波光（多重化信号光）を光ファイバ伝送路４０へ送出する。なお、光合波器１２は、先ず、Ｓｂバンド及びＳｒバンドそれぞれの信号光を合波するとともに、Ｃバンド及びＬバンドそれぞれの信号光を合波し、その後に、全バンドを合波する構成であってもよい。

光中継器２０は、光分波器２１、光増幅器２２_１〜２２_４、光合波器２３、光結合器２４及び励起光源２５を備える。光結合器２４は、励起光源２５から出力されたラマン増幅用の励起光を光ファイバ伝送路４０へ送出するとともに、光ファイバ伝送路４０を伝搬してきてきた複数チャネルの信号光を光分波器２１へ出力する。光分波器２１は、その複数チャネルの信号光を入力してバンド毎に分波したのち、Ｓｂバンドの信号光を光増幅器２２_１へ出力し、Ｓｒバンドの信号光を光増幅器２２_２へ出力し、Ｃバンドの信号光を光増幅器２２_３へ出力し、Ｌバンドの信号光を光増幅器２２_４へ出力する。なお、光分波器２１は、先ず、Ｓｂバンド及びＳｒバンドと、Ｃバンド及びＬバンドとに分波して、その後に、バンド毎に分波する構成であってもよい。

光増幅器２２_１は、光分波器２１より出力されたＳｂバンドの信号光を入力し、この信号光を一括増幅する。光増幅器２２_２は、光分波器２１から出力されたＳｒバンドの信号光を入力し、この信号光を一括増幅する。光増幅器２２_３は、光分波器２１から出力されたＣバンドの信号光を入力し、この信号光を一括増幅する。光増幅器２２_４は、光分波器２１から出力されたＬバンドの信号光を入力し、この信号光を一括増幅する。光合波器２３は、光増幅器２２_１〜２２_４それぞれから出力された複数チャネルの信号光を合波し、光ファイバ伝送路５０へ送出する。

光受信器３０は、光分波器３１及び受光部３１_１〜３２_Ｎを含む。光分波器３１は、光ファイバ伝送路５０を伝搬してきてきた複数チャネルの信号光を信号チャネル毎に分波する。受光部３１_ｎは、光分波器３１から出力された波長λ_ｎの信号光を入力し、この信号光を受信する。ただし、Ｎは４以上の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。

光中継器２０に含まれる４つの光増幅器のうち、Ｓｂバンドの信号光を増幅する光増幅器２２_１は、１．０５μｍ波長帯励起のＴＤＦＡである。Ｓｒバンドの信号光を増幅する光増幅器２２_２は、上記光増幅器１００と同様の構成を有する。Ｃバンドの信号光を増幅する光増幅器２２_３は通常のＣバンド用ＥＤＦＡである。Ｌバンドの信号光を増幅する光増幅器２２_４はＬバンド用ＥＤＦＡである。図１５（ａ）はＳｂバンド用光増幅器２２_１の利得スペクトルである。図１５（ｂ）はＣバンド用光増幅器２２_３の利得スペクトルである。また、図１５（ｃ）はＬバンド用光増幅器２２_４の利得スペクトルである。

次に、光通信システム１のより具体的な構成について説明する。ここでは、Ｓｂバンドの多重化信号光は、波長域１４５６．７ｎｍ〜１４８６．３ｎｍに含まれる周波数間隔１００ＧＨｚの３９チャネルである。Ｓｒバンドの多重化信号光は、波長域１４９０．８ｎｍ〜１５２２．６ｎｍに含まれる周波数間隔１００ＧＨｚの４２チャネルである。Ｃバンドの多重化信号光は、波長域１５２８．０ｎｍ〜１５６３．９ｎｍに含まれる周波数間隔１００ＧＨｚの４５チャネルである。また、Ｌバンドの多重化信号光は、波長域１５６８．８ｎｍ〜１６０３．２ｎｍに含まれる周波数間隔１００ＧＨｚの４１チャネルである。このように構成された光通信システム１では、未使用波長域が１５ｎｍ以下で、波長域１．４５μｍ〜１．６１μｍの多重化信号光を良好な伝送特性で伝送することができる。

上述の実施形態では、信号波長域が帯域幅４ｎｍ〜６ｎｍの未使用波長域で隔てられた１又はそれ以上の帯域を含む。これは、Ｅｒ元素及びＴｍ元素それぞれの蛍光特性を考慮すれば妥当なものである。また、各光合波器及び各光分波器が誘電体多層膜フィルタから構成された場合に、その現行の技術レベルを考慮しても妥当なものである。

また、光ファイバ伝送路において信号光をラマン増幅することを考慮すると、ＳｂバンドとＳｒバンドとの間の未使用波長域、ＳｒバンドとＣバンドとの間の未使用波長域、又は、ＣバンドとＬバンドとの間の未使用波長域に、ラマン増幅用の励起光の波長を設定するのが好ましい。このとき、このラマン増幅用の励起光のレーリ散乱が信号光に悪影響を及ぼさないように、この励起光の３０ｄＢダウン帯域幅が未使用波長域幅より狭いことが望ましい。現在において多用されているラマン増幅用励起光源は、ファイバグレーティング付き半導体レーザ光源であり、図１６に示されるようた出力光スペクトルを有しており、３０ｄＢダウン帯域幅が４ｎｍ〜５ｎｍ程度である。この点からも、未使用波長域幅が４ｎｍ〜６ｎｍであるのは妥当なものである。

なお、この発明は、上述のような実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、この発明に係る光増幅モジュールは、Ｅｒ元素が光導波領域に添加されたＥｒ添加光導波路としてＥＤＦを備え、Ｔｍ元素が光導波領域に添加されたＴｍ添加光導波路としてＴＤＦを備えるものであった。しかし、当該光増幅モジュールは、平面基板上に形成された光導波路にＥｒ元素又はＴｍ元素が添加されたものを備えたものであってもよい。ただし、ＥＤＦ、ＴＤＦのように希土類元素が添加された光ファイバである場合の方が、導波路長を容易に長くすることができ、利得を高くすることができ、この点で好ましい。

また、この発明に係る光増幅モジュールは、所定の波長の励起光が供給されることで、入力された信号光を増幅することができる。しかしながら、この光増幅器モジュールは、Ｅｒ、Ｔｍを励起し得る波長の励起光が供給されるのみで、信号光が入力しなければ、Ｔｍ添加光導波路Ｅｒ添加光導波路それぞれにおいて発生した自然放出光を出力する。この場合、この光増幅モジュール及び励起光供給手段は、波長域１．４５μｍ〜１．６１μｍの白色光を出力する白色光源を構成する。この白色光源は図１に示された構成と略同様であるが、信号光の入出力が無いので、光分岐器１２１、１２２及び信号光検知部１８１、１８２は不要である。

この発明に係る光増幅モジュール等は、１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍの信号波長帯域における大容量の高速光通信を可能にする光通信システムに適用可能である。

この発明に係る光増幅器の一実施形態の構成を示す図である。 図１中の光フィルタの透過スペクトルである。 図１に示された光増幅器におけるＥＤＦＡ部分の利得特性及び雑音指数特性を示すグラフである。 図１に示された光増幅器におけるＥＤＦＡ部分の諸特性を纏めた表である。 Ａｌ添加ＥＤＦとＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦそれぞれの規格化された誘導放出断面積を示すグラフである。 Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦ用光フィルタの透過スペクトルである。 Ｓバンド増幅用Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦＡの光増幅特性を示すグラフである。 図１に示された光増幅器におけるＴＤＦＡ部分の利得特性及び雑音指数特性を示すグラフである。 図１に示された光増幅器における各部の利得スペクトルである。 図１中の光フィルタの透過スペクトルである。 ＥＤＦの誘導放出断面積σ_ｅ及び吸収断面積σ_ａの波長依存性を示すグラフである。 温度２５℃及び７５℃それぞれの場合におけるＥＤＦＡ部分の利得特性及び雑音指数指数を示すグラフである。 波長９７４ｎｍ、９７６ｎｍ、９７８ｎｍ及び９８０ｎｍの励起光がそれぞれ供給されたときのＥＤＦＡ部分の利得スペクトルである。 この発明に係る光通信システムにおける一実施形態の構成を示す図である。 図１４に示された光通信システムに含まれる光増幅器それぞれの利得スペクトルである。 ファイバグレーティング付き半導体レーザ光源の出力光スペクトルである。

符号の説明

１…光通信システム、１０…光増進器、２０…光中継器、３０…光受信器、１００…光増幅器、１０１…入力端、１０２…出力端、１１１，１１２…光分岐器、１２１〜１２３…光アイソレータ、１３１〜１３５…光結合器、１４１〜１４５…ＥＤＦ、１４６…ＴＤＦ、１５１〜１５４…光フィルタ、１６１〜１６５…温度調整部、１７１〜１７５…励起光源、１８１、１８２…信号光検知部、１９０…制御部。

Claims (4)

1. 波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍを少なくとも一部に含む信号波長域の複数チャネルの信号光を増幅する光増幅モジュールであって、
   Ｅｒ元素が光導波領域に添加されたＥｒ添加光導波路と、
   前記Ｅｒ添加光導波路の温度を検知し、検知結果に基づき前記Ｅｒ添加光導波路の温度を室温を越える温度に維持する温度調整手段とを備えた光増幅モジュール。
2. 前記温度調整手段は、前記Ｅｒ添加光導波路の温度を６５℃以上に維持することを特徴とする請求項１記載の光増幅モジュール。
3. 波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍを少なくとも一部に含む信号波長域の複数チャネルの信号光を増幅する光増幅モジュールであって、
   Ｅｒ元素とともに、Ａｌ_２Ｏ_３及びＰ_２Ｏ_５が光導波領域に共添加されたＥｒ添加光導波路を備えた光増幅モジュール。
4. 波長域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍを少なくとも一部に含む信号波長域の複数チャネルの信号光を増幅する光増幅器であって、
   Ｅｒ元素が光導波領域に添加されたＥｒ添加光導波路と、
   波長９７６ｎｍ以下の０．９８μｍ帯の励起光を前記Ｅｒ添加光導波路に供給する励起光供給手段とを備えた光増幅器。
   
   

Images