JP2007005360A - 波長多重光増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】構成を複雑にすることなく、低損失であるとともに広帯域かつ利得平坦度の良好な波長多重光増幅器を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの励起光源と、励起光と信号光を合波する合分波器と、光アイソレータと、増幅用光導波路と、残余励起光を処理する処理部と、信号帯域間の利得平坦化フィルタとを備えた、波長の異なる複数の信号光を一括して増幅する波長多重増幅器において、増幅用光導波路はコア部にＣｅが含有されかつＥｒがドープされたハライドガラスまたはハライド酸化物ガラスからなる光増幅部とこれにシリカ系光導波路が接続されてなる該光導波路であって、かつ、利得平坦化フィルタは、特定の信号波長帯のみを所定の割合で反射する略矩形の波長透過特性を有する光反射フィルタであって、信号光路中に少なくとも１つ配置されてなることを特徴とする波長多重光増幅器。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波長間隔の広い波長多重通信（ＣＷＤＭ）に用いられる光増幅器に関するものである。

光通信需要の急速な増大に伴い、幹線系の光通信では波長間隔の狭い波長多重通信（ＤＷＤＭ）が広く用いられている。しかし、ＤＷＤＭ用の送信機には波長精度の高い温度制御付きレーザやＤＦＢレーザが必要であり、通信コストの低減圧力によって方式の変更を迫られている。特にメトロ〜アクセスと呼ばれる末端領域ではコスト低減圧力が非常に厳しく、温度制御不要な高出力レーザを送信機こ使用し、波長変動を許容するＣＷＤＭシステムの提案がなされている。ＣＷＤＭシステムではＤＷＤＭシステムよりも信号波長間隔を広くとる必要があり、一般的には２０ｎｍの波長間隔が用いられている。ＣＷＤＭシステムはコスト低減の要請から、基本的には光増幅器を用いない構成となっている。しかし、実際には伝送距離が足りない場合があり、光増幅器が必要である。

このように、ＣＷＤＭシステムにも光増幅器が必要とされているが、ＣＷＤＭ方式は波長間隔が広いため、広い範囲で光増幅することが必要である。

これを解決するために、Ｃバンド用とＬバンド用の増幅器を並列配置する構成のもの（非特許文献１）や、広帯域増幅可能なラマン増幅器を適用する方法ものが提案されている（特許文献１）。

また、近年の研究により、Ｅｒをドープしたハライドガラスは広帯域増幅材料であるが、（非特許文献２、３）、一般的にフォノンエネルギーが小さいことが知られている。そのため、アップコンバージョンによる光増幅器の利得低下を生じるが、ハライドガラスにＣｅを共添加することでそれを抑制することができ、高利得な増幅が実現できる事が知られている（特許文献２）。
例えば、ハライドガラスを用いた増幅部と利得制御フィルタを組み合わせることにより、広帯域かつ利得平坦度の良好な光増幅器が提案されている（特許文献３）。
M．Yamada，et．al．,"Broadband and gain-flattened amplifier composed of a 1.55um-band and a 1.58um-band Er3+-doped fiber amplifier in a parallel configuration"Electron．Lett．，vol.33，No.8，pp.710-711,1997 B．Clesca,et.a1．，"Gain flatness comparison between erbium-doped fluoride and silica fiber amplifiers with wavelength-multiplexed signals",lEEE Photonics Technol.Lett．，vol.6, pp.509-512,1994 M.Yamada,et．al．，"Fluoride-based erbium-doped fiber amplifier with inherently flat gain spectrum",lEEEPhotonics Technol.Lett．,Vol．8，No．7，pp.882-884,1996 特開２００１−００７７６８号公報 特開平１１−１１９７６号公報 特開２００４−１８６６０８号公報

しかし、前記例えば非特許文献１に示されているものは、Ｃバンド用とＬバンド用の増幅器を並列配置する必要から、構成が複雑で非常に高価になるという問題点がある。

また、特許文献１のように広帯域増幅可能なラマン増幅器を適用する場合、ラマン増幅器には高出力励起レーザ数台とファイバグレーティングと数ｋｍの分散シフトファイバが必要であり、構成が複雑で高価である。

この他に、広帯域増幅に適した増幅媒体としてＥｒ添加の酸化ビスマス系ファイバやＥｒ添加の亜酸化テルルファイバが紹介されているが、これらの媒質は石英よりも相当に高屈折率であり、組立が困難であったり非線形光学効果が強く現れたりするなどの問題がある。また、これらの媒質はその非線形性を抑制するためにＥｒを高濃度に添加してファイバ長を短く抑える必要があることから、Ｅｒ添加石英ファイバと比較した場合に濃度消光の影響で増幅効率が低くなり、高出力励起ＬＤが必要となって光増幅器が高価になる。さらに、これらの媒質ではアップコンバージョン蛍光が発生することから、低雑音増幅に不可欠な９８０ｎｍ帯励起レーザを使用できない問題があった。

また、前記特許文献３の場合、図９に示すように、従来の技術で出力光をモニタしようとした場合、全波長帯の光信号をビームスプリッタ６により一様な割合で分岐してフォトダイオード７でモニタするため、光増幅器の出力信号パワーが損失してしまうという問題点があった。

以下、従来の技術による光増幅器における利得平坦化手段および出力パワーモニタ手段を図９に示す。光増幅器はアイソレータ１,８、ＷＤＭカプラ２、励起ＬＤ３、増幅用光導波路４、励起光除去用ＷＤＭカプラ５、利得平坦化フィルタ１１、ビームスプリッタ６、フォトダイオード７で構成されている。例えば、石英ガラスのコアにＥｒが添加された増幅用光導波路４から出力された利得スペクトルは図１０のような波長依存性を有している。そこで、前記利得スペクトルと反対の損失特性をもつ利得平坦化フィルタ１１（図１１）を通過させることによって利得が平坦化される（図１２）。さらに、後段に配置されたビームスブリッタ６によって全帯域の信号を一様の割合で分岐させて、出力信号光をモニタしている。

このように、従来の技術では利得平坦化手段と出力モニタ手段が別々に配置されていたため、構成が複雑になるとともに、高価であり、光部品数の増加に伴う信頼性の低下や、雑音指数（ＮＦ）や出力信号パワーの低下等の問題があった。

本発明は少なくとも１つの励起光源と、励起光と信号光を合波する合分波器と、光アイソレータと、増幅用光導波路と、残余励起光を処理する処理部と、信号帯域間の利得平坦化フィルタとを備えた、波長の異なる複数の信号光を一括して増幅する波長多重増幅器において、
増幅用光導波路はコア部にＣｅが含有されかつＥｒがドープされたハライドガラスまたはハライド酸化物ガラスからなる光増幅部とこれにシリカ系光導波路が接続されてなる該光導波路であって、かつ、利得平坦化フィルタは、特定の信号波長帯のみを所定の割合で反射する略矩形の波長透過特性を有する光反射フィルタであって、信号光路中に少なくとも１つ配置されてなることを特徴とする波長多重光増幅器である。

また、該光反射フィルタからの反射光をモニタして信号光出力を一定とするために自動制御または信号光利得を一定とするための自動制御に用いることを特徴とする上記の波長多重光増幅器である。

また、該光反射フィルタが、信号光出力側に少なくとも１枚配置され、該反射フィルタからの反射光をモニタして、信号光出力を一定に制御することを特徴とする上記の波長多重光増幅器である。

また、該光反射フィルタが、信号光入力側に少なくとも１枚配置され、かつ、信号光出力側に少なくとも1枚配置され、入力側および出力側に配置された該反射フィルタからの反射光をモニタして、信号光利得を一定に制御することを特徴とする上記の波長多重光増幅器である。

さらに、該光反射フィルタとそれによる反射光を検出する光モニタ手段を１つの筐体内に配置した光モジュールを１つ以上含むことを特徴とする上記の波長多重光増幅器である。

本発明はＣＷＤＭ増幅器において、広帯域な増幅帯域を有し、かつ利得平坦な出力特性をもつ光増幅器を提供するとともに、従来の技術で利得平坦化のために除去していた光成分をモニタ光として利用し、利得平坦化と信号光モニタを同時に行うことで、光増幅器内部での信号光モニタによる損失増加と雑音特性の劣化を抑制した広帯域波長多重増幅器を提供するものである。

以下、本発明を添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明による光増幅器の構成を示しており、アイソレータ１,８、ＷＤＭカプラ２、励起ＬＤ３、増幅用光導波路４、励起光除去用ＷＤＭカプラ５、略矩形の減衰フィルタ１２,１３、フォトダイオード１４,１５で構成されている。

例として、コア部にＣｅが含有されかつＥrがドープされたハライドガラスまたはハライド酸化物ガラスにより構成された増幅用光導波路４に、各々のパワーが等レベルに調整された入力信号４波が同時入射された場合を考える。

図２−Ｄはその時の増幅用光導波路４直後の利得スペクトル、図３に略矩形の減衰フィルタ１２,１３の損失スペクトル、図２−Ｅは略矩形の帯域をもつ減衰フィルタを透過した後のスペクトル形状を示しており、以下、順を追って説明する。

ここで、増幅用光導波路４は最短波長と最長波長の利得が等レベルになるように調整されているが、λ２、λ３の利得がλ１、λ４に比べて大きくなっている。

本発明では、図１において、増幅用光導波路４の後段に利得の大きいλ２、λ３を所定の割合で反射させる略矩形の減衰スペクトルをもつフィルタ１２,１３（減衰特性：図３）を挿入することにより、フィルタ通過後は利得平坦なスペクトルが得られている。ここで、減衰フィルタ１２,１３は増幅用光導波路４より得られた増幅光のうち、過剰な利得成分のみをフォトダイオード１４,１５に反射するため利得平坦化フィルタとして働き、実質上、利得平坦化と信号モニタが同時に実現できる。すなわち、従来の手段における「利得平坦化」と「信号モニタ」のうち、分岐による信号損失を伴う「信号モニタ」を別途行う必要がないため、光増幅器内の損失を低減するとともに、出力信号パワーの向上を実現することができる。

また、従来の技術では、利得の低い波長領域の信号光と利得の高い波長領域の信号光を同時に、かつ、一様な割合で分岐してモニタしていたため、雑音指数（ＮＦ）が著しく劣化する問題があったが、本発明の方法では、利得の高い波長領域の信号光のみを選択して分岐するため、ＮＦ劣化を抑制することができる。

また、減衰フィルタとして安価な略矩形の帯域をもつ減衰フィルタを用いているので、作製コストを抑えることができる．

また、図４に示すように、本発明である略矩形の帯域をもつ減衰フィルタを用いた光モニタ方法を光増幅器の入力側に配置することで、入力信号のモニタとして利用することができる．利得平坦化の手段は光増幅部の後段に配置される必要は無く、光増幅部の前段に配置して、光増幅部に入射する複数の信号光パワーを調整することによって、光増幅部から出力される利得スペクトルを平坦化することもできる。

本発明により、利得平坦化手段と光信号モニタが同時に可能となることから、光増幅器内の損失が低減するとともに、雑音指数（ＮＦ）の改善、出力信号パワーの向上を実現することができる。

また、入力モニタ信号を入力信号断の検出に用いた保護回路に応用することもできることから、低損失かつ雑音指数（ＮＦ）の良好な保護回路付き光増幅器が実現できる。

また、増幅部の前段で利得平坦化をすることによる利得のダイナミックレンジの拡大効果も得られるため、広帯域な増幅利得を有するハライドガラスまたはハライド酸化物ガラスからなる増幅用光導波路と併用することにより、広帯域な増幅利得を有し、かつダイナミックレンジの広い光増幅器を提供することができる。

また、図５に示すようにフォトダイオード１４によるモニタ値をもとに、励起ＬＤ３の駆動電流を制御する出力フィードバック回路１８を配置することにより、出力レベル一定制御（ＡＬＣ）動作を行うこともできる。本発明であるコア部にＣｅが含有され、かつＥｒがドープされたハライドガラスまたはハライド酸化物ガラスにより構成された光増幅部を有する光増幅器と、利得フィードバック回路を組み合わせることにより、Ｅｒ添加石英ガラスを用いた光増幅器に比べて、広帯域な増幅特性をもち、かつ出力パワー制御を行う場合においても、低損失で良好な雑音特性をもつ光増幅器を簡単な構成で実現することができる。

さらに、図６に示すようにフォトダイオード１４およびフォトタイオード２０によるモニタ値をもとに、励起ＬＤ３の駆動電流を制御する利得フィードバック回路２１を配置することにより、利得レベル一定制御（ＡＧＣ）動作を行うこともできる。

以下、実施例を挙げて本発明を説明する。

図１は本発明における第１の実施例を示す。図１はＣＷＤＭ光増幅器（対応波長１５３０,１５５０,１５７０,１５９０ｎｍ）の最も安価な構成の１つであり、アイソレータ１,８、ＷＤＭカプラ２（９８０／１５５０ｎｍ）、励起ＬＤ３（中心波長９７８ｎｍ、出力：５００ｍＷ）、濃度およびファイバ長が最適化された増幅用フッ化物ファイバ４（ガラス組成：ＺＢＬＡＮ,ＥｒＦ３:１.５ｍｏｌ％、ＣｅＦ３:６ｍｏｌ％、コア径：４μm、ファイバ長：２m）、励起光除去用ＷＤＭカプラ５、略矩形の帯域をもつ減衰フィルタ１２（１５４０〜１５６０ｎｍは７.１ｄＢ反射、それ以外波長は９９.８％以上透過）、１３（１５６０〜１５８０ｎｍは７.１ｄＢ反射、それ以外波長は９９.８％以上透過）、フォトタイオード（ＩｎＧａＡｓ）１４で構成されている。

上記で構成される光増幅器に信号（−６ｄＢｍ×４波、信号波長：１５３０,１５５０,１５７０,１５９０ｎｍ）を入力したときの、増幅用ファイバ４の直後における増幅利得を図２−Ｄに示す。ここで、増幅用ファイバは最短波長と最長波長で利得が等しくなるように光導波路のＥｒ濃度および長さを調整した。１５３０〜１５９０ｎｍ（帯域幅６０ｎｍ）全域で１３ｄＢ以上の利得が得られており、石英ＥＤＦＡでは困難である４波一括増幅が実現されているが、利得偏差が最大７.１ｄＢであった。そこで、増幅用ファイバ４と出射ポート１０の間に、波長λ２（１５５０ｎｍ）、λ３（１５７０ｎｍ）を７.１ｄＢ減衰させるフィルタ（図３）を挿入し、その反射光をフォトタイオード１４,１５で検出した。

出力パワーの検出は、減衰フィルタ１２,１３の反射光のいずれかでも可能であることから、一方のみとすることもできる。これにより、光増幅器の利得が１３±０.１ｄＢが実現可能となった（図２−Ｅ）。また、減衰フィルタによって反射された光をフォトダイオード１４,１５で検出することにより、増幅された信号光に余分な損失を与えることなく、出力パワーをモニタすることができた。

図４は本発明の第２の実施例を示す。図４に示すように、略矩形の帯域をもつ減衰フィルタ１６（１５４０〜１５６０ｎｍは７.１ｄＢ反射、それ以外波長は９９.８％以上透過）、略矩形の帯域をもつ減衰フィルタ１９（１５６０〜１５８０ｎｍは７.１ｄＢ反射、それ以外波長は９９.８%以上透過）およびフォトダイオード（ｌｎＧａＡｓ）１７、２０を入力側に配置した。ここで、略矩形の帯域をもつ減衰フィルタ１６,１９は増幅用ファイバ４の利得スペクトルが平坦になるように、フィルタの減衰率を調整した。このように、入力側に略矩形の帯域をもつ減衰フィルタを挿入することで、入力信号パワーがモニタ可能となるとともに、利得平坦化も実現できた。

また、フォトタイオード１７もしくは２０が入力信号断を検出した際に、励起ＬＤ３の駆動電流を低下、またはＯＦＦにする保護回路を配置することにより、入力信号断時における光増幅器の消費電力を抑えるとともに、ＬＤの破損および、短寿命化を防止する機能を有した光増幅器を実現することができた。

図５は本発明の第３の実施例を示す。フォトダイオード１４のモニタ値を元に、光増幅器の利得を一定に保つように励起ＬＤ３の駆動電流を制御する制御回路１８を導入することにより、出力フィードバック制御を実現した。図７に示すように、出力フィードバック回路がない場合には、入力信号パワーが変化すると、出力信号パワーも変動した．出力フィードバック回路がある場合には、入力信号パワーが変化しても、出力信号パワーが一定に保たれた。

図６は本発明の第４の実施例を示す．フォトダイオード２０と、フォトダイオード１４によるモニタ値を基に光増幅器の利得を一定に保つように励起ＬＤ３の駆動電流を制御する制御回路２１を挿入することにより、利得フィードバック制御を実現した。図８は信号４波（λ１：１５３０ｎｍ，λ２：１５５０ｎｍ，λ３：１５７０ｎｍ，λ４：１５９０ｎｍ／各信号パワー：−６ｄＢｍ）が本発明による光増幅器に入力されている時に、λ１のみがＯＦＦとなった場合の光増幅器の利得スペクトルを示す。ここで、利得フィードバック制御２１は各波長の利得が１２ｄＢとなるように設定した． 利得フィードバック制御が無い場合には、各波長（λ２、λ３、λ４）の利得が大きくなり、利得が一定に保たれていない（図８−Ｊ）。一方、利得フィードバック制御回路２１がある場合には、各波長の利得が設定値の１２ｄＢに保たれており、入力信号数が変化した場合でも、出力信号の利得を一定に保持することができた（図８−Ｋ）。

本発明は、光通信分野における通信システムはもちろん、評価・測定など光伝送の応用分野にも利用できるものである。

本発明によるＣＷＤＭ光増幅器（対応波長１５３０,１５５０,１５７０,１５９０ｎｍの最も安価な構成の１つを示すものである。 本発明における増幅用光導波路４直後の利得スペクトル、略矩形の帯域をもつ減衰フィルタを透過した後のスペクトル形状を示すものである。 本発明における略矩形の帯域をもつ減衰フィルタ１２,１３の損失スペクトルを示すものである。 本発明を光増幅器の入力側で用いた構成の１つを示すものである。 本発明を出力フィードバック制御に応用した例を示すものである。 本発明を利得フィードバック制御に応用した例を示すものである。 本発明による出力フィードバック制御の動作結果を示すものである。 本発明による利得フィードバック制御の動作結果を示すものである。 従来の技術による光増幅器における利得平坦化手段および出力パワーモニタ手段を示す。 石英ガラスのコアにＥｒが添加された増幅用光導波路から出力された利得スペクトルを示す。 図１０に示す利得スペクトルと反対の損失特性をもつ利得平坦化フィルタ１１の特性を示す。 従来の技術による利得平坦化後の利得スペクトルと、光信号モニタ後のスペクトルを示すものである。

符号の説明

１,８:アイソレータ
２,５:光分波／合波手段
３:励起光源
４:増幅用光導波路
６:出力光モニタ用光分岐手段
７:光検出手段
９:入力ポート
１０:出力ポート
１１:利得平坦化手段
１２,１３,１６,１９：略矩形の帯域をもつ減衰フィルタ
１４,１５,１７,２０：光検出手段
１８：出力フィードバック回路
２１：利得フィードバック回路
Ａ：増幅用光導波路４の利得スペクトル
Ｂ：利得平坦化後のスペクトル
Ｃ：ビームスプリッタ６を通過した後の利得スペクトル
Ｄ：増幅用光導波路４直後の利得スペクトル
Ｅ：減衰フィルタ透過後の利得スペクトル
Ｆ：λ２を所定の割合で反射させる略矩形の帯域をもつ減衰フィルタ１２の損失スペクトル
Ｇ：λ３を所定の割合で反射させる略矩形の帯域をもつ減衰フィルタ1３の損失スペクトル
Ｈ：出力フィードバック回路なし
Ｉ：出力フィードバック回路あり
Ｊ：利得フィードバック制御なし
Ｋ：利得フィードバック制御あり

Claims (5)

1. 少なくとも１つの励起光源と、励起光と信号光を合波する合分波器と、光アイソレータと、増幅用光導波路と、残余励起光を処理する処理部と、信号帯域間の利得平坦化フィルタとを備えた、波長の異なる複数の信号光を一括して増幅する波長多重増幅器において、
   増幅用光導波路はコア部にＣｅが含有されかつＥｒがドープされたハライドガラスまたはハライド酸化物ガラスからなる光増幅部とこれにシリカ系光導波路が接続されてなる該光導波路であって、かつ、利得平坦化フィルタは、特定の信号波長帯のみを所定の割合で反射する略矩形の波長透過特性を有する光反射フィルタであって、信号光路中に少なくとも１つ配置されてなることを特徴とする波長多重光増幅器。
2. 該光反射フィルタからの反射光をモニタして信号光出力を一定とするための自動制御または信号光利得を一定とするための自動制御に用いることを特徴とする請求項1記載の波長多重光増幅器。
3. 該光反射フィルタが、信号光出力側に少なくとも１枚配置され、該反射フィルタからの反射光をモニタして、信号光出力を一定に制御することを特徴とする請求項１または２に記載の波長多重光増幅器。
4. 該光反射フィルタが、信号光入力側に少なくとも１枚配置され、かつ、信号光出力側に少なくとも1枚配置され、入力側および出力側に配置された該反射フィルタからの反射光をモニタして、信号光利得を一定に制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波長多重光増幅器。
5. 該光反射フィルタとそれによる反射光を検出する光モニタ手段を１つの筐体内に配置した光モジュールを１つ以上含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の波長多重光増幅器。

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