JP2007053350A - 光増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速ＡＧＣにおける過渡応答のオーバー／アンダーシュートをより効果的に抑圧するための構造を備えた光増幅器を提供する。
【解決手段】 光増幅器１は、入力された信号光を増幅する光学デバイスであって、希土類元素添加光ファイバ１１、光カプラ２１〜２３、受光部３１、３２、励起光源３３、及び制御部４０を備える。特に、当該光増幅器の代表的な構成として、希土類元素添加光ファイバ１１のカットオフ波長λcは、励起光波長λpより長くかつ信号光波長λsより短く設定されており、主として基底モードの励起光成分の伝搬を許す。また、励起光及び信号光は、希土類元素添加光ファイバ１１がまっすぐ伸ばされた状態で基底モードの励起光成分及び基底モードの信号光成分のみが該希土類元素添加光ファイバ１１内を伝搬するよう、該希土類元素添加光ファイバ１１に入射される。
【選択図】 図２

Description

この発明は、互いに異なる波長の複数チャネルの信号光を増幅可能な光増幅器に関するものである。

図１に示されたようなフォトニックネットワーク１００では、複数の光増幅器１１１〜１１４を含むネットワーク上に光ＡＤＭ１０１〜１０４や光ＸＣが配置されており、光増幅器１１１〜１１４それぞれに入力される信号光のチャネル数やパワーが変動する場合がある。このような光増幅器に要求される重要な性能のひとつとして、高速な利得一定制御（ＡＧＣ：Automatic Gain Control）における過渡応答特性がある。図１に示されたように光ＡＤＭによってパワー変動した信号光が光増幅器に入力されることにより、その光増幅器の内部では、光増幅媒体に残留する信号光の利得が変動してしまう。

一般的に、入力信号光パワーが減少した場合、光増幅媒体内に常に残留する信号光の利得変動が過渡的に増加しすぎる現象（オーバーシュート）が発生する。一方、入力信号光パワーが増加した場合、残留信号光の利得変動が過渡的に減少しすぎる現象（アンダーシュート）が発生する。これらオーバーシュート及びアンダーシュートは、ともに光伝送システムに悪影響を与えることが知られており、オーバーシュートは過度なパワー入射による受信機の故障を発生させる。また、アンダーシュートは受信可能範囲外のパワー劣化による伝送エラーを引き起こしてしまう。そこで、高品質の光伝送システムを実現するためには、これらオーバー／アンダーシュートを抑圧することが必要になる。

既存の光伝送システムに広く利用されている光増幅器としては、希土類元素が光導波領域に添加された光ファイバを光増幅媒体として含む構成が知られている。その中でも希土類元素としてＥｒ元素が添加された光ファイバ（ＥＤＦ）を光増幅媒体として含む光増幅器（ＥＤＦＡ:Erbium Doped Fiber Amplifier）が広く利用されている。従来のＥＤＦＡでは、オーバー／アンダーシュートを抑圧するために、入出力信号光パワーをモニタし、増幅利得が一定になるように励起光パワーを高速に制御していた（ＡＧＣ）。また、特許文献１〜５に開示された光増幅器では、オーバー／アンダーシュートを抑圧することを意図して、励起光波長より長くかつ信号光波長より短く設定されたカットオフ波長を有する希土類元素添加光ファイバが光増幅媒体に適用されている。また、特許文献６には、信号光が伝搬するファイバを曲げることで、基底モードより大きいモードの信号光成分を除去する技術が開示されている。
特開２００１−１６８４２７号公報 特開２００１−１２７３６５号公報 特開平１０−０１２９５２号公報 特開平１０−２７０７８５号公報 特開平１０−３０３４９０号公報 特開平４−２９８７２４号公報

発明者らは上述の従来技術を検討した結果、以下のような課題を発見した。

すなわち、上述の特許文献１〜５それぞれに記載された光増幅器を含む従来の光増幅器は、高速ＡＧＣにおける過渡応答のオーバー／アンダーシュートの抑圧が不充分であり、光伝送システム全体の伝送品質を不安定にする要因となっていた。

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、高速ＡＧＣにおける過渡応答のオーバー／アンダーシュートをより効果的に抑圧するための構造を備えた光増幅器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器は、互いに異なる波長の複数チャネル（信号チャネル）を含む信号光を増幅する光学デバイスであって、励起光源と、第１希土類元素添加光ファイバと、入力信号光モニタ部と、出力信号光モニタ部と、そして、制御部を備える。励起光源は、励起光を出力する。第１希土類元素添加光ファイバは、励起光源から出力された励起光が供給されることにより、内部を伝搬する信号光を増幅する光増幅媒体である。入力信号光モニタ部は、第１希土類元素添加光ファイバに入力される信号光のパワーをモニタする。出力信号光モニタ部は、第１希土類元素添加光ファイバから出力された信号光のパワーをモニタする。制御部は、入力信号光モニタ部及び出力信号光モニタ部それぞれのモニタ結果を入力し、これらモニタ結果に基づいて求めた利得が第１希土類元素添加光ファイバに供給される励起光のパワー制御により目標利得になるように、励起光源を制御する。

特に、この発明に係る光増幅器において、第１希土類元素添加光ファイバのカットオフ波長は、励起光波長より長くかつ信号光波長より短く設定されており、主として基底モードの励起光成分を当該第１希土類元素添加光ファイバ内において伝搬させる。また、励起光及び信号光は、第１希土類元素添加光ファイバがまっすぐ伸ばされた状態で基底モードの励起光成分及び基底モードの信号光成分のみが該第１希土類元素添加光ファイバ内を伝搬するように、該第１希土類元素添加光ファイバに入射される。なお、「第１希土類元素添加光ファイバがまっすぐ伸ばされた状態」は、該第１希土類元素添加光ファイバの設置状態（使用状態）を表しているものではない。該第１希土類元素添加光ファイバは、まっすぐ伸ばされた状態で設置されても、また、曲げられた状態で設置されてもよい。あるいは、この発明に係る光増幅器において、第１希土類元素添加光ファイバのカットオフ波長は、励起光波長より長くかつ信号光波長より短く設定されるとともに、励起光は、３次モード以上の励起光成分が第１希土類元素添加光ファイバ内を伝搬するように、該第１希土類元素添加光ファイバに入射される。

この発明に係る光増幅器において、入力信号光パワー変動時から制御部による励起光源への励起光パワー調節指示までに要する時間は、１ミリ秒以下であるのが好ましい。また、この発明に係る光増幅器は、第１希土類元素添加光ファイバから出力された励起光が入射されるよう、入射第１希土類元素添加光ファイバの後段に配置された第２希土類元素添加光ファイバをさらに備えてもよい。この第２希土類元素添加光ファイバは、励起光波長より短いカットオフ波長を有し、第１希土類元素添加光ファイバにより増幅された信号光をさらに増幅する。具体的に、当該光増幅器は、９８０ｎｍ波長帯（９８０ｎｍ±１０ｎｍの波長範囲に含まれるいずれの波長であっても使用可）の励起光が供給されることにより、波長帯域１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍのＣバンドに含まれる信号光を増幅するＥＤＦＡであってもよく、また、１４８０ｎｍ波長帯（１４８０ｎｍ±１０ｎｍの波長範囲に含まれるいずれの波長であっても使用可）の励起光が供給されることにより、波長帯域１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍのＬバンドに含まれる信号光を増幅するＥＤＦＡであってもよい。

この発明によれば、高速ＡＧＣにおける過渡応答のオーバー／アンダーシュートを従来技術と比較してもさらに抑圧することができる。

以下、この発明に係る光増幅器の各実施形態を、図２〜図１４を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において同一部位、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図２は、この発明に係る光増幅器の第１実施形態の構成を示す図である。なお、図２には、信号光を増幅する当該第１実施形態に係る光増幅器１に加えて、この光増幅器１に入力させるべき信号光を出力する光源部９も示されている。光増幅器１は、入力端１ａと、出力端１ｂを備え、該入力端１ａを介して取り込まれた信号光を増幅し、該出力端１ｂから増幅された信号光を出力する光学デバイスである。また、光増幅器１は、それぞれが入力端１ａから出力端１ｂに向かって順に配置された、希土類元素添加光ファイバ１１（第１希土類元素添加光ファイバ）、光カプラ２１〜２３、受光部３１、３２、励起光源３３及び制御部４０を備える。

希土類元素添加光ファイバ１１は、希土類元素が光導波領域に添加された光ファイバであって、励起光が供給されることにより内部を伝搬する信号光を増幅する。具体的に、希土類元素添加光ファイバ１１は、Ｅｒなどの希土類元素が添加されたコア領域（信号光及び励起光が伝搬する希土類添加領域）と、該コア領域よりも低い屈折率を有するとともに該コア領域の外周に設けられたクラッド領域（コア領域内を伝搬する光を閉じ込めるための領域）から構成され、ステップインデックス型の屈折率プロファイルを有する。励起光源３３は、希土類元素添加光ファイバ１１に供給される励起光を出力するが、好ましくはレーザダイオードを含む。光カプラ２３は、励起光源３３から出力された励起光を希土類元素添加光ファイバ１１に導くとともに、光カプラ２１から到達した信号光をも希土類元素添加光ファイバ１１に導く。なお、主として基底モードの励起光成分が希土類元素添加光ファイバ１１内を伝搬する場合、入射端１ａ、光カプラ２１、及び光カプラ２３は、第１希土類元素添加光ファイバ１１がまっすぐ伸ばされた状態で基底モードの励起光成分及び基底モードの信号光成分のみが第１希土類元素添加光ファイバ１１内を伝搬するよう、該第１希土類元素添加光ファイバに対して調心された状態で設置されている。なお、「第１希土類元素添加光ファイバがまっすぐ伸ばされた状態」は、該第１希土類元素添加光ファイバの設置状態（使用状態）を表しているものではない。該第１希土類元素添加光ファイバは、まっすぐ伸ばされた状態で設置されても、また、曲げられた状態で設置されてもよい。

光カプラ２１は、入力端１ａと光カプラ２３との間に配置され、入力端１ａから光カプラ２３へ伝搬する信号光の一部を分岐する。分岐された信号光の一部は受光部３１へ出力される。受光部３１は、光カプラ２１から到達した信号光の一部を受光し、その受光量に応じた値の電気信号を出力するが、好ましくはフォトダイオードを含む。これら光カプラ２１及び受光部３１は、入力端１ａを介して取り込まれた信号光のパワーをモニタする入力信号光モニタ部として機能する。

光カプラ２２は、希土類元素添加光ファイバ１１と出力端１ｂとの間に配置され、希土類元素添加光ファイバ１１から出力端１ｂへ伝搬する信号光の一部を分岐する。分岐された信号光の一部は受光部３２へ出力される。受光部３２は、光カプラ２２から到達した信号光の一部を受光し、その受光量に応じた値の電気信号を出力するが、好ましくはフォトダイオードを含む。これら光カプラ２２及び受光部３２は、出力端１ｂを介して出力されるべき信号光のパワーをモニタする出力信号光モニタ部として機能する。

制御部４０は、入力信号光モニタ部及び出力信号光モニタ部それぞれによるモニタ結果を入力し、これらモニタ結果に基づいて求めた利得が希土類元素添加光ファイバ１１に供給される励起光のパワー調節により目標利得になるように、励起光源３３を制御する。すなわち、制御部４０は利得一定制御（ＡＧＣ）を行う。

なお、光源部９は、光増幅器１に入力させるべき信号光を出力するデバイスとして、変調信号光源９１、残留信号光源９２及び光カプラ９３を備える。変調信号光源９１は、信号光として、一定周期で一定パルス高のパルス光を出力する。この偏重信号光源９１は、互いに波長が異なる複数チャネルの信号を出力すべく、複数のチャネル信号光源を備えてもよい。残留信号光源９２は、信号光として、一定パワーの連続光を出力する。光カプラ９３は、変調信号光源９１及び残留信号光源９２それぞれから出力された信号光を合波し、合波された信号光を光増幅器１の入力端１ａに向けて出力する。

この光増幅器１において、励起光源３３から出力された励起光は、光カプラ２３を経て希土類元素添加光ファイバ１１に供給される。入力端１ａを介して取り込まれた信号光は、光カプラ２１及び光カプラ２３を経て希土類元素添加光ファイバ１１に到達する。そして、到達した信号光は、希土類元素添加光ファイバ１１内において増幅される。増幅された信号光は、光カプラ２２を経て出力端１ｂから出力される。

入力端１ａを介して取り込まれた信号光の一部は、光カプラ２１により分岐され、受光部３１に到達する。受光部３１が到達した信号光の一部のパワーを検出することにより、入力信号光パワーがモニタされる。また、出力端１ｂから出力されるべき信号光の一部は光カプラ２２により分岐され、受光部３２に到達する。受光部３２が到達した信号光の一部を検出することにより、出力信号光パワーがモニタされる。入力信号光パワー及び出力信号光パワーそれぞれのモニタ結果は、制御部４０に入力される。制御部４０は、これらモニタ結果に基づいて求めた利得が希土類元素添加光ファイバ１１に供給される励起光のパワー調節により目標利得になるように、励起光源３３に制御信号を出力する。この励起光パワー調節用の制御信号を受けた励起光源３３は、該制御信号に従って励起光出力パワーを調節する。

特に、当該実施形態に係る光増幅器１において、希土類元素添加光ファイバ１１のカットオフ波長λcは、励起光波長λpより長くかつ信号光波長λsより短く設定されており、主として基底モードの励起光成分が希土類元素添加光ファイバ１１内を伝搬する。また、励起光及び信号光は、希土類元素添加光ファイバ１１がまっすぐ伸ばされた状態（ファイバ特性を規定するための状態）で基底モードの励起光成分及び基底モードの信号光成分のみが希土類元素添加光ファイバ１１内を伝搬するように、希土類元素添加光ファイバ１１に入射される。あるいは、当該実施形態に係る光増幅器１において、第１希土類元素添加光ファイバ１１のカットオフ波長λcは、励起光波長λpより長くかつ信号光波長λsより短く設定されるとともに、励起光は、３次モード以上の励起光成分が希土類元素添加光ファイバ１１内を伝搬するように、該希土類元素添加光ファイバ１１に入射される。

以下の説明では、希土類元素添加光ファイバ１１をＥＤＦとし、励起光波長λpを９８０ｎｍとし、信号光波長λsを１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍ（又は１５３０ｎｍ〜１５６３ｎｍ）とし、さらに光増幅器１であるＥＤＦＡについて詳細に説明する。なお、光増幅器１は、このように９８０ｎｍ波長帯（９８０ｎｍ±１０ｎｍの波長範囲に含まれるいずれの波長であっても使用可）の励起光が供給されることにより、波長帯域１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍのＣバンドに含まれる信号光を増幅するＥＤＦＡであってもよく、また、１４８０ｎｍ（１４８０ｎｍ±１０ｎｍの波長範囲に含まれるいずれの波長であっても使用可）の励起光が供給されることにより、波長帯域１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍのＬバンドに含まれる信号光を増幅するＥＤＦＡであってもよい。

ＥＤＦＡの一般的な特徴として、信号光の利得一定制御を行う際、図３に示されたように入力信号光パワーと励起光パワーとの間に１次関数の関係が成立している。図３では、利得をある一定の目標利得に保つための直線が模式的に示されている。入力信号光パワーがPin1であるときの励起光パワーがPump1に設定される一方、入力信号光パワーがPin2であるときの励起光パワーがPump2に設定されているこの構成により、ほぼ一定の利得に保つことが可能になる。つまり、利得を高速に一定に保つためには、励起光パワーを高速に制御する必要があることがわかる。

上述のようなＥＤＦＡの特徴を踏まえて、図１に示されたようなフォトニクスネットワークにおけるオーバー／アンダーシュートの発生について説明する。図４は、入力信号光パワーが増減するタイミングと同時に励起光パワーを変化させたときの入力信号光パワー、励起光パワー及び信号光利得それぞれの時間的変動を示すグラフである。特に、領域（ａ）は入力信号光パワーの時間的変動を示すグラフであり、領域（ｂ）は励起光パワーの時間的変動を示すグラフであり、領域（ｃ）はＥＤＦ内に残留する信号光利得の時間的変動を示すグラフである。

図３に示されたように、利得を一定に保つためには、入力信号光パワーに基づいて励起光パワーを変化させる必要がある。そこで、図４に示された例でも、入力信号光パワーが高い状態では励起光パワーも高く、入力信号光パワーが低い状態では励起光パワーも低い状態に維持することで、信号光利得が一定に制御されている。しかしながら、入力信号光パワーの変動と同時に励起光パワーを変えたとしても、ＥＤＦＡ内に残留する信号光の利得変動にオーバー／アンダーシュートが発生してしまう場合がある。この要因としては、適用される増幅用ファイバに添加されている希土類元素の増幅特性及び励起波長依存性が知られている。

次に、入力信号光パワーが変化するのと同時に励起光パワーを変えなかった場合を想定する。これは、実際の制御基板が利用された場合を想定している。信号光利得が一定になるように励起光パワーが収束するまでにかかる時間が短いほど、利得変動のオーバー／アンダーシュートを小さくできるが、収束するまでの時間が長ければ、オーバー／アンダーシュートが大きくなってしまう。図５は、入力信号光パワーが増減するタイミングに遅れて励起光パワーを変えたときの入力信号光パワー、励起光パワー及び信号光利得それぞれの時間的変動を示すグラフである。特に、領域（ａ）は入力信号光パワーの時間的変動を示すグラフであり、領域（ｂ）は励起光パワーの時間的変動を示すグラフであり、領域（ｃ）はＥＤＦ内に残留する信号光利得の時間的変動を示すグラフである。この図５に示されたように、入力信号光パワーが増減するタイミングに遅れて励起光パワーを変えたとき、信号光利得はオーバーシュート又はアンダーシュートする。

図６は、入力信号光パワーが増減するタイミングに遅れて励起光パワーを変えたときの信号光利得（ＥＤＦ内に残留する信号光の利得変動）の時間的変化を示すグラフである。この図６に示されたグラフは、図２に示された構成を有する光増幅器において、変調信号光源９１から出力される変調信号光のパワーが−５ｄＢｍ、残留信号光源９２から出力される残留信号光のパワーが−２１ｄＢｍに設定されるとともに、入力信号光パワーが増減するタイミングと同時に励起光パワーを変えたときの測定結果である。なお、図６において、グラフＧ６１０は変調信号光のOn/Off時から遅延時間０μｓでＡＧＣが行われたときの利得変動を示し、グラフＧ６２０は変調信号光のOn/Off時から遅延時間１μｓでＡＧＣが行われたときの利得変動を示し、グラフＧ６３０は変調信号光のOn/Off時から遅延時間２μｓでＡＧＣが行われたときの利得変動を示し、そして、グラフＧ６４０は変調信号光のOn/Off時から遅延時間３μｓでＡＧＣが行われたときの利得変動を示す。励起光パワーは、ＥＤＦＡに残留する信号光の利得が２１ｄＢで一定になるよう（図６では、入力信号光パワーPin1に対して励起光パワーPump1に設定）、設定された。無論、入力信号光パワーが高い状態でも残留信号光の利得は２１ｄＢである。適用されるＥＤＦは、９００ｎｍのカットオフ波長と、２.５μｍのコア径と、１９ｍの長さを有するＥＤＦサンプルが利用された。

この図６では、いずれも入力信号光パワーが高い状態（Pin2）から低い状態（Pin1）に１６ｄＢ程度変化した時刻が基準（時刻０）になっている。図６から判るように、入力信号光パワー変動時刻から励起光パワー変化時刻までの遅延時間が長いほど、残留信号光の利得は増えている。具体的には、遅延時間０μｓでは約０.５６ｄＢのオーバーシュートが発生し、遅延時間３μｓでは約１.１ｄＢのオーバーシュートが発生することとなる。

図７は、入力信号光パワーの増減に対して励起光パワーを変えないときの信号光利得の時間的変化を示すグラフである。この図７に示されたグラフは、入力信号光パワーが高い状態（Pin2）から低い状態（Pin1）に例えば１６ｄＢ程度低下する一方、励起光パワーがPump2に固定された状態での信号光利得の測定結果である。この図７でも、入力信号光パワーが高い状態（Pin2）から低い状態（Pin1）に変した時刻が基準（時刻０）となっている。なお、この図７の測定も、図６の測定と同じ測定条件で行われ、図２に示された構成の光増幅器において、９００ｎｍのカットオフ波長と、２.５μｍのコア径と、１９ｍの長さを有するＥＤＦサンプルが利用された。

この図７から判るように、残留信号利得は、約１００μｓの時間をかけて約９ｄＢまで増加し、その後、約９ｄＢに収束している。つまり、ＥＤＦＡへの入力信号光パワーが高い状態から低い状態に変化した瞬間から約１００μｓ以上経過したときにＥＤＦＡに残留する信号光の利得が一定になるように励起光を動かしても、オーバーシュートが抑圧できないことがわかる。ＥＤＦＡに残留する利得が収束するまでの時間は、ＥＤＦＡへの入力信号光パワーの変化量、ＥＤＦＡに残留する残留信号光のパワー、及び、ＥＤＦＡに与える利得、の３つの原因に依存し、１００μｓ〜１ｍｓの時間を要する。

図８は、励起光の制御時間とオーバー／アンダーシュートの発生量との間の関係を示すグラフである。このグラフからも判るように、制御時間が早いほど、オーバー／アンダーシュートを小さくできるが、上述の３つの原因から励起光を如何に高速に制御するかこれまで検討されてきた。これに対して、本願発明は、入力信号光パワー変動に伴うオーバー／アンダーシュートの発生理論に基づいて、以下に説明するような新たな方法でオーバー／アンダーシュートを抑制する。

すなわち、オーバーシュート量は下記の式で表される。ここで、Ｐ_k ^out(t)は時刻ｔにおける対数出力パワーを示し、Ｐ_k ^out(0)は入力信号光パワー変化前の対数出力パワーを示し、ΔＰ_k ^outは静的出力変化量を示す。τ_eは実効時定数を示し、τはＥＤＦの⁴I_11/2準位から⁴I_13/2準位への緩和時間を示し、Ｐ_j ^outは出力パワーを示し、Ｐ_j ^ISは飽和パワーを示している。ｈはプランク定数を示し、ν_jは周波数を示し、Ｎ_tはエルビウムイオンの濃度を示し、Ｓはエルビウムイオンの添加面積を示し、ｇ^* _jは利得係数を示し、α_jは吸収係数を示す。

上記式（１）は、図６に示された入力信号光パワー変動に伴うオーバー／アンダーシュートの発生量を表す式である。この式（１）からオーバー／アンダーシュートの単位時間当たりの増加量は実効時定数τ_eに依存することがわかる。、また、上記式（２）から実効時定数τ_eは飽和パワーＰ_j ^ISに依存することがわかる。上記式（３）は飽和パワーＰ_j ^ISを表す式であり、これら式（１）〜式（３）から、オーバー／アンダーシュートの発生量を小さくするためには、実効時定数τ_eを大きくする必要があることがわかる。実効時定数τ_eが大きくなると、オーバーシュートの立ち上がり応答速度が遅くなり、単位時間あたりのオーバーシュート量が低減されることがわかる。

つまり、飽和パワーＰ_j ^ISを変化させることで、オーバーシュート量の応答速度を変化させることが可能となる。上記式（３）に示されたとおり、飽和パワーＰ_j ^ISは光ファイバのエルビウムイオンの添加面積Ｓに比例しており、光ファイバのコア断面積中に一様にエルビウムイオンが添加されている場合、コア断面積を大きくすることで、飽和パワーＰ_j ^ISが大きくなり、オーバーシュート量を低減することが可能になる。

図９は、飽和パワーを大きくした場合の単位時間あたりのオーバー／アンダーシュート発生量を示すグラフである。上記式（１）〜式（３）から判るように、飽和パワーＰ_j ^ISを大きくすることにより、制御時間あたりのオーバー／アンダーシュート量は小さくなる。例えば。信号光利得がある目標値に達するまでに必要な制御時間が長くなっても、飽和パワーＰ_j ^ISを大きくすることで、高速な制御機能を有する基板と同等のオーバー／アンダーシュートの値を得ることが可能になる。

光ファイバのカットオフ波長はコア断面積に関係する構造パラメータであり、コア断面積を大きくするほど、カットオフ波長は長波長側にシフトすることがわかっている。ここで説明する光増幅用光ファイバのカットオフ波長λcは、一般には、長さ２ｍの光増幅用光ファイバを半径１４０ｍｍでゆるく１回巻き付けた状態での２次（ＬＰ₁₁）モードのカットオフ波長として定義される（ＩＴＵ-Ｇ.６５０）。光増幅器１が希土類元素添加光ファイバ増幅器であり、光増幅用光ファイバの長さが数ｍ〜数百ｍである場合には、この定義のカットオフ波長λcが用いられるのが好ましい。

実際に、カットオフ波長λcが励起波長λpより長い増幅用ファイバを用いて実験を行った。実験構成は図２と同様である。実験条件は、カットオフ波長λcが９００ｎｍのＥＤＦサンプルを用いた図６の実験と同様である。変調信号光パワーは−５ｄＢｍ、残留信号光パワーは−２１ｄＢｍに設定された。ＥＤＦサンプルは、利得２１ｄＢを得るためにカットオフ波長９８０ｎｍと同様の吸収積に調整して長さ５ｍとし、カットオフ波長が１３９０ｎｍでコア直径は５.１μｍである。

図１０は、変調信号光がOn/Offされたタイミングと同時にＥＤＦＡに残留する信号光の利得が一定になるように励起光を変化させたときの利得の時間的変化を示すグラフである。この図１０において、グラフＧ１１１０はカットオフ波長が９００ｎｍである比較例に係るＥＤＦサンプルにおける利得の時間的変化を示し、グラフＧ１１２０はカットオフ波長が１３９０ｎｍであるＥＤＦサンプルにおける利得の時間的変化を示す。この図１０から判るように、カットオフ波長９００ｎｍでコア径２．５μｍの比較例に係るＥＤＦサンプルが適用された場合、約０．５６ｄＢのオーバーシュートが発生する。一方、カットオフ波長１３９０ｎｍでコア直径５．１μｍのＥＤＦサンプルが適用された場合、オーバーシュートが約０．２８ｄＢまで抑圧された。コア直径が大きい増幅用光ファイバファイバ（すなわち、カットオフ波長が励起光波長より長い増幅用ファイバ）が光増幅器に適用されることで、カットオフ波長が励起光波長より短い増幅用ファイバが光増幅器に適用された場合と比較して、入力信号光パワー変動に伴うオーバー／アンダーシュートの抑圧に効果があることがわかる。

従来、励起光をシングルモード光に保つために、増幅用ファイアのカットオフ波長を励起波長より短波長側に設定されるのが一般的である。これは、カットオフ波長が励起波長より長い波長側に設定されると、励起光が増幅用ファイバ内でマルチモードにモード変換されることにより、励起効率が低下するからである。しかしながら、カットオフ波長が励起波長より長い増幅ファイバ内においても、融着部でのモード変換、マイクロベンディングロスなどのファイバ内乱要因、ファイバの曲げなどの外乱要因がなければ、高次モードへのモード変換が起こらず、増幅ファイバに入射された励起光は、該増幅ファイバ内をシングルモードで伝搬することが可能である。増幅用ファイバ内の伝搬モードを調べるには、増幅用ファイバ出力端においてニアフィールドパターンを調べる方法が妥当である。

例えば、図２中に示された光増幅器１の構成において、励起光波長が９８０ｎｍである場合、励起光と信号光とを合波する光カプラ２３から延びている光ファイバは、波長９８０ｎｍの励起光を基底モードで伝搬するようにカットオフ波長が９８０ｎｍ以下に設定されるのが一般的である。光カプラ２３から延びている光ファイバは、０．１４のＮＡと、外径５μｍのコア１１ａを有する。上述のように、一般的に、伝送媒体である光ファイバのカットオフ波長より長い波長の光が該光ファイバに入射された場合、基底モード光だけではなく高次モード光も伝搬可能である。しかしながら、伝送媒体である光ファイバのカットオフ波長より長い波長の光が該光ファイバに入射された瞬間に高次モード伝搬してしまうわけではなく、光ファイバ内で高次モードへ励振されなければ、入射光は光ファイバ入射前のモードを維持して伝搬し得る。

このように、光ファイバに入射する光が基底モードであれば、カットオフ波長が入射光波長よりも長いファイバでも入射光は基底モードで伝搬する。このとき、入射光が伝搬するファイバがまっすぐな状態であっても、また、光増幅器の筐体内に例えば直径６０ｍｍ以下に曲げられた状態で収納されたとしても、入射される信号光がシングルモードであれば、高次モードへの励振が起こらない限りシングルモード伝搬する。また、上記増幅用ファイバに入射光を導くガイドファイバを融着接続する際、基底モードのみが伝播できるように正確にコア同士の中心が合うように融着されることが必要である。上記増幅用ファイバを曲げることでカットオフ波長を小さくする技術もあるが（上記特許文献６参照）、増幅用ファイバのカットオフ波長が入射光の波長よりも短くなるまで該増幅用ファイバを曲げなくとも、高次モードへの励振が起こらない限り入射光はシングルモード伝搬する。

図１１は、２種類の光ファイバを接続する際の伝搬モードへの影響について説明するための図である。図１１中に示された領域（ａ）、領域（ｂ）それぞれは、光が光ファイバ１１の外部から光ファイバ１１の端面に入射される様子を示すとともに、光ファイバ１１内での光の伝搬の様子を示しており、光のＮＡにより入射角度に幅があることを示している。特に、図１１中の領域（ａ）は、入射光のＮＡが光ファイバ１１のＮＡより大きく、入射光の半径が光ファイバ１１のコア半径より大きい場合を示している。図１１中の領域（ａ）の場合、光ファイバ１１内では光が過剰入射状態で、高次モードへの励振及びクラッド１１ｂへの漏洩が発生する。一方、図１１中の領域（ｂ）は、入射光のＮＡが光ファイバ１１のＮＡより小さく、入射光の半径が光ファイバ１１のコア半径より小さい場合を示している。図１１中の領域（ｂ）の場合、光ファイバ１１内では光が過少入射状態で、光がもともと伝搬していたモードのみが光ファイバ１１内で励起される。

図２に示された第１実施形態に係る光増幅器１では、光カプラ２３の光ファイバから出力される波長９８０ｎｍの励起光が、図１１の入射光に相当し、この励起光が希土類元素添加光ファイバ１１に入射される。光カプラ２３の光ファイバは、０．１４のＮＡと、５μｍのコア径を有する。希土類元素添加光ファイバ１１は、０．２３のＮＡと、５．１μｍのコア径を有する。そのため、希土類元素添加光ファイバ１１への光の入射は、図１１中の領域（ｂ）に示された過少入射の状態であり、希土類元素添加光ファイバ１１内においても、光カプラ２３の光ファイバの伝搬モードで伝搬していたモード（つまり、基底モード）で信号光は伝搬する。

図１１中の領域（ｂ）に示された過少状態は、入射光のスポット半径が光ファイバ１１のコア半径より小さいことを意味しているが、従来用いられているＥＤＦ（ＮＡ＝０．２５、コア径＝２．５μｍ）でもシングルモード伝搬していることから、入射光のスポット半径が光ファイバ１１のコア半径より多少大きくても、過少状態の入射状態であると言える。また、図１１中の領域（ａ）に示された過剰入射状態で、クラッド１１ｂへの漏洩などで大きく減衰してしまう恐れがあるが、光ファイバ１１を曲げて意図的に光をクラッド１１ｂに漏洩させることで（３次以上の高次モード光を光ファイバ１１内に伝搬させる）、高次モード光を安定的に増幅させる技術もあり、高次モードで伝搬する信号光を増幅する増幅用ファイバも必要である。

以上、カットオフ波長が励起光波長より長い希土類元素添加光ファイバ１１を用いることで入力信号光のチャネル数が変動したときの過渡応答量を抑圧する効果について説明したが、希土類元素添加光ファイバ１１の後段に別の希土類元素添加光ファイバ１２が設けられていてもよい。図１１〜図１４それぞれは、このような実施形態に係る光増幅器の構成図である。前段の希土類元素添加光ファイバ１１は、上述のように、カットオフ波長が励起光波長より長くかつ信号光波長より短い。一方、後段の希土類元素添加光ファイバ１２は、カットオフ波長が励起光波長及び信号光波長の何れよりも短い。

図１２は、この発明に係る光増幅器の第２実施形態の構成を示す図である。この図１２に示された第２実施形態に係る光増幅器１Ａは、図２中の光増幅器１の構成と比較すると、希土類元素添加光ファイバ１１の後段に希土類元素添加光ファイバ１２が設けられている点で相違する。この第２実施形態に係る光増幅器１Ａにおいて、励起光源３３から出力された励起光は、光カプラ２３を経て希土類元素添加光ファイバ１１に供給され、さらに希土類元素添加光ファイバ１２に供給される。入力端１ａを介して取り込まれた信号光は、光カプラ２１及び光カプラ２３を経て希土類元素添加光ファイバ１１に入力される。この希土類元素添加光ファイバ１１に入力された信号光は、該希土類元素添加光ファイバ１１において増幅され、さらに希土類元素添加光ファイバ１２においても増幅される。その後、増幅された信号光は、光カプラ２２を経て出力端１ｂから出力される。この第２実施形態に係る光増幅器１Ａは、前段に配置された希土類元素添加光ファイバ１１内で入力信号光のチャネル数変動時の過渡応答量（オーバーシュート量）が抑圧される構成になっている。後段に配置された希土類元素添加光ファイバ１２では、従来の光増幅と同様の効果が得られる。例えば、入力信号光の利得変動を、既定のオーバーシュート量まで抑圧するために希土類元素添加光ファイバ１１、１２それぞれの長さや利得配分などが調整されることで、光増幅器１Ａにおける出力端での過渡応答量は、効果的に抑圧され得る。

図１３は、この発明に係る光増幅器の第３実施形態の構成を示す図である。この図１３に示された第３実施形態に係る光増幅器１Ｂは、図１２に示された第２実施形態に係る光増幅器１Ａの構成と比較して、光カプラ２４及び励起光源３４をさらに備えた点で相違する。光カプラ２４は、後段に位置する希土類元素添加光ファイバ１２と光カプラ２２との間の信号光経路上に設けられ、励起光源３４から出力された励起光を希土類元素添加光ファイバ１２に供給するとともに、後段に位置する希土類元素添加光ファイバ１２から出力された信号光を光カプラ２２へ出力する。励起光源３４から出力される励起光の波長は、希土類元素添加光ファイバ１１、１２それぞれのカットオフ波長より長い。励起光源３４から出力される励起光は、光カプラ２４を経て希土類元素添加光ファイバ１２に供給され、さらに希土類元素添加光ファイバ１１に供給される。この第３実施形態に係る光増幅器１Ｂにおいて、希土類元素添加光ファイバ１２を励起するための励起光源３３の出力励起光パワーが不足した場合、その励起光パワー不足分を励起光源３４が補っている。入力信号光のチャネル数変動時のオーバーシュート量を抑圧する効果は、励起光源３３で賄う構成となる。なお、希土類元素添加光ファイバ１１と希土類元素添加光ファイバ１２との間に励起光源３４を配置することで、該励起光源３４で希土類元素添加光ファイバ１２を励起する構成としても同様の効果が得られる。

図１４は、この発明に係る光増幅器の第４実施形態の構成を示す図である。この図１４に示された第４実施形態に係る光増幅器１Ｃは、図１２に示された第２実施形態に係る光増幅器１Ａの構成と比較して、光カプラ２５及び励起光源３５をさらに備えた点で相違するとともに、可変光減衰器５０をさらに備えた点でも相違する。光カプラ２５は、希土類元素添加光ファイバ１１と希土類元素添加光ファイバ１２との間に設けられ、励起光源３５から出力された励起光を希土類元素添加光ファイバ１２に供給するとともに、前段に配置された希土類元素添加光ファイバ１１から出力された信号光を後段に配置された希土類元素添加光ファイバ１２へ出力する、励起光源３５から出力される励起光の波長は、希土類元素添加光ファイバ１２のカットオフ波長より長い。励起光源３５から出力される励起光は、光カプラ２５を経て希土類元素添加光ファイバ１２に供給される。可変光減衰器５０は、希土類元素添加光ファイバ１１と光カプラ２５との間に設けられ、希土類元素添加光ファイバ１１から出力された光を入力し、この光に対して減衰を与える。その後、減衰された光は光カプラ２５へ出力される。この第４実施形態に係る光増幅器１Ｃでも、上述の第３実施形態に係る光増幅器１Ｂと同様の効果が得られる。

第３実施形態に係る光増幅器１Ｂ及び第４実施形態に係る光増幅器１Ｃそれぞれにおいて、希土類元素添加光ファイバ１１、１２それぞれで独立した利得一定制御（ＡＧＣ）が行われるのではなく、希土類元素添加光ファイバ１１、１２全体で利得一定制御が行われる。カットオフ波長が励起光波長より長い希土類元素添加光ファイバ１１とカットオフ波長が励起光波長より短い希土類元素添加光ファイバ１２とを接続した構成は、入力信号光のチャネル数変動時のオーバーシュート量を抑圧させつつ、高利得を得る手段の一つである。

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。上述の実施形態では、希土類元素であるエルビウムが添加されたファイバが適用された光増幅器が説明されたが、他の希土類元素、例えばツリウム（Ｔｍ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ネオジム（Ｎｂ）、サマリウム（Ｓｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）などが添加又は共添加されたファイバであっても、励起光を用いて誘導放出させて増幅させる原理を同様に持つことから実施形態と同様の効果が得られる。

この発明に係る光増幅器は、過渡応答特性に優れた高速ＡＧＣを可能にし、フォトニックネットワークなどの光伝送システムに適用され得る。

フォトニックネットワークの概略構成を示す図である。 この発明に係る光増幅器の第１実施形態の構成を示す図である。 入力信号光パワーと励起光パワーとの間の関係を説明するためのグラフである。 入力信号光パワーが増減するタイミングと同時に励起光パワーを変えたときの入力信号光パワー、励起光パワー、及び信号光利得それぞれの時間的変動を示すグラフである。 入力信号光パワーが増減するタイミングに遅れて励起光パワーを変えたときの入力信号光パワー、励起光パワー、及び信号光利得それぞれの時間的変動を示すグラフである。 小さなコア径（２．５μｍ）を有するＥＤＦについて、入力信号光パワーが増減するタイミングに遅れて励起光パワーを変えたときの信号光利得の時間的変化を示すグラフである。 入力信号光パワーの増減に対して励起光パワーを変えないときの信号光利得の時間的変化を示すグラフである。 励起光の制御時間とオーバー／アンダーシュートの発生量との間の関係を示すグラフである。 飽和パワーを大きくした場合の単位時間当りのオーバー／アンダーシュートの発生量を示すグラフである。 変調信号光がOn/Offされたタイミングと同時にＥＤＦＡに残留する信号光の利得が一定になるように励起光を変えたときの利得の時間的変化を示すグラフである。 ２種類の光ファイバを接続する際の伝搬モードへの影響について説明するための図である。 この発明に係る光増幅器の第２実施形態の構成を示す図である。 この発明に係る光増幅器の第３実施形態の構成を示す図である。 この発明に係る光増幅器の第４実施形態の構成を示す図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…光増幅器、１ａ…入力端、１ｂ…出力端、１１、１２…希土類元素添加光ファイバ、２１〜２５…光カプラ、３１，３２…受光部、３３〜３５…励起光源、４０…制御部、５０…可変光減衰器。

Claims (6)

1. 入力された信号光を増幅する光増幅器であって、
   励起光を出力する励起光源と、
   前記励起光源から出力された励起光が供給されることにより、内部を伝搬する信号光を増幅する第１希土類元素添加光ファイバと、
   前記第１希土類元素添加光ファイバに入力される信号光のパワーをモニタする入力信号光モニタ部と、
   前記第１希土類元素添加光ファイバから出力される信号光のパワーをモニタする出力信号光モニタ部と、
   前記入力信号光モニタ部及び前記出力信号光モニタ部それぞれのモニタ結果を入力し、これらモニタ結果に基づいて求められた利得が前記第１希土類元素添加光ファイバに供給される励起光のパワーを調節することにより目標利得になるように、前記励起光源を制御する制御部と
   を備え、
   前記第１希土類元素添加光ファイバは、励起光波長より長くかつ信号光波長より短いカットオフ波長を有するとともに、主として基底モードの励起光成分の伝搬を許し、
   前記励起光及び前記信号光は、前記第１希土類元素添加光ファイバがまっすぐ伸ばされた状態で基底モードの励起光成分及び基底モードの信号光成分のみが該第１希土類元素添加光ファイバ内を伝搬するように、該第１希土類元素添加光ファイバに入射される
   ことを特徴とする光増幅器。
2. 入力された信号光を増幅する光増幅器であって、
   励起光を出力する励起光源と、
   前記励起光源から出力された励起光が供給されることにより、内部を伝搬する信号光を増幅する第１希土類元素添加光ファイバと、
   前記第１希土類元素添加光ファイバに入力される信号光のパワーをモニタする入力信号光モニタ部と、
   前記第１希土類元素添加光ファイバから出力される信号光のパワーをモニタする出力信号光モニタ部と、
   前記入力信号光モニタ部及び前記出力信号光モニタ部それぞれのモニタ結果を入力し、これらモニタ結果に基づいて求めた利得が前記第１希土類元素添加光ファイバに供給される励起光のパワーを調節することにより目標利得になるように、前記励起光源を制御する制御部と
   を備え、
   前記第１希土類元素添加光ファイバは、励起光波長より長くかつ信号光波長より短いカットオフ波長を有し、
   前記励起光は、３次モード以上の励起光成分が前記第１希土類元素添加光ファイバ内を伝搬するよう、該第１希土類元素添加光ファイバに入射される
   ことを特徴とする光増幅器。
3. 入力信号光パワー変動時から前記制御部による前記励起光源への励起光パワー調節指示までに要する時間は、１ミリ秒以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の光増幅器。
4. 前記第１希土類元素添加光ファイバからの励起光が到達する位置に配置された第２希土類元素添加光ファイバであって、励起光波長より短いカットオフ波長を有し、前記第１希土類元素添加光ファイバにより増幅された信号光を増幅する第２希土類元素添加光ファイバを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の光増幅器。
5. ９８０ｎｍ波長帯の励起光が供給されることにより、波長帯域１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍのＣバンドに含まれる信号光を増幅するＥＤＦＡであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光増幅器。
6. １４８０ｎｍ波長帯の励起光が供給されることにより、波長帯域１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍのＬバンドに含まれる信号光を増幅するＥＤＦＡであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光増幅器。
   

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