JP2007095768A

JP2007095768A - 光増幅器の制御方法

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Publication number: JP2007095768A
Application number: JP2005279782A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Kubota; 能徳久保田; Hisaki Yoshie; 央樹吉江; Ikunari Hara; 育成原
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】入力信号断を検出して励起光源を制御する光増幅器の制御方法において、実質的に雑音がなく、入力信号が回復したときに高速で増幅作用を回復できる、簡単な構成の光増幅器の制御方法を提供する。
【解決手段】入力信号断を検出して励起光源を制御する光増幅器の制御方法において、入力信号断検出時に励起光源の駆動電流または駆動電圧を、励起光源のしきい値以下に制御する制御方法。励起光源にはレーザまたは半導体レーザも使用可能で、励起光源の駆動電流または駆動電圧を抑制した後、入力信号が回復したときに、増幅作用の回復時間が１μs以上、１０ｍｓ以下になるように、励起光源を立ち上げる時定数を設定する特徴ももつ。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に光通信などで使用されている光増幅器の制御方法に関するものである。

光増幅器は主に光通信で用いられ、その他にも計測，分析などの分野において重要な役割を果たしている。光増幅器は、強励起状態を保ったまま入力信号がない状態から入力信号が復帰した場合に、Ｑスイッチと同様の状態となって強い光パルスが発生し、後段の光学素子や増幅器そのものを損傷する危険がある。このため、通常の光増幅器では、入力信号の状況を監視し、入力信号がある一定レベル以下になった場合（以後、「入力信号断」とする）に励起光源の駆動電流を抑制または停止させる保護回路を備えている（以後、「保護回路」とする）。

入力信号断を検出して励起光源の駆動電流を制御する保護回路としては、前述のように、光源の駆動電流を抑制する方法、励起光源の駆動電流を停止させる方法などが開示されている。

例えば、入力信号断の時、光ループバック制御において雑音が問題とならないレベルまで励起光源の駆動電流を抑制する制御方法が知られている。さらに、入力信号断の場合に励起光源の駆動電流を断にすることにより、雑音発生を停止させる制御方法も知られている（特許文献１参照）。

また、入力信号断のあとに入力信号が回復した場合に、出力として強烈な光パルスが発生する光増幅システムにおいて、入力信号断を検出したときに、励起光を光スイッチによって停止させる構成や、入力信号断の間に補助用の励起光を供給して、低レベルで定常的に光増幅を可能な励起レベルを維持し、本格的な励起光が供給されたときに、より高い励起状態にすることによって、入力信号回復時の応答を早める方法が知られている。（特許文献２，３参照）

さらに、入力信号断の間にダミー信号を入力して強烈な光パルスの発生を抑制する方法が開示されている（特許文献２参照）。
特許第３０５０２３７号公報特許第２６５１０８６号公報特開平８−６５２４９号公報

光増幅システムにおいては、強烈な光パルスが発生しなくても利得変動が問題となる。このため、入力信号断を検出したときに励起光源を停止すると、入力信号が回復した場合に増幅作用の回復が遅れ、入力信号回復直後の情報が増幅されない問題がある。

しかし、上記特許第３０５０２３７号公報のように雑音を抑制できるレベルまで励起光パワーを抑制したとしても、増幅された自然放出光（ＡＳＥ）が常時放出されるため、後段のシステム内において雑音やエラーが発生する可能性が残ってしまう。また、上記特許第２６５１０８６号公報のように低レベルで増幅が可能な状態を維持したり、特開平８−６５２４９号公報のように利得レベルを一定値に保つために励起光を継続投入すると、ＡＳＥ雑音はさらに大きくなり、後段での信号処理で障害となる可能性が高い。通常の伝送状態でもＡＳＥ雑音は大きな問題であるが、特に入力信号がない状態では、ＡＳＥ光の積分パワーは、通常の信号が入力されている場合の平均パワーに匹敵する場合があり、通常の伝送状態よりも大きな雑音要因となる可能性がある。

このような問題があり、実質的に雑音がなく、入力信号が回復したときに高速で増幅作用を回復できる、簡単な構成の光増幅器の制御方法はいまだ得られていない。

本発明は、入力信号断を検出して励起光源を制御する光増幅器の制御方法において、入力信号断検出時に励起光源の駆動電流または駆動電圧を、励起光源のしきい値以下に制御する制御方法である。

また、励起光源にレーザを用いる光増幅器において、入力信号断検出時にレーザの駆動電流または駆動電圧をレーザ発振しきい値以下に制御することを特徴とする、上記の光増幅器の制御方法である。

また、励起光源に半導体レーザを用いることを特徴とする、上記の光増幅器の制御方法である。

さらに、入力信号断を検出して励起光源の駆動電流または駆動電圧を抑制した後、入力信号が回復したときに、増幅作用の回復時間が１μs以上、１０mｓ以下になるように、励起光源の立ち上げる時定数を設定することを特徴とする、上記の光増幅器の制御方法である。

本発明の光増幅器の制御方法を用いることにより、入力信号断の時の雑音出力がなく、信号入力が回復した時に、高速で利得が回復する簡素な制御方法を提供できる。

本発明は、入力信号断を検出して励起光源を制御する光増幅器の制御方法において、入力信号断検出時に励起光源の駆動電流または駆動電圧を、励起光源のしきい値以下に制御することを特徴とする、光増幅器の制御方法である。

この制御方法において、入力断検出時に、励起光源の駆動電流または駆動電圧は、該励起光源の光パワーが急速に増加する駆動電流または駆動電圧（以後「しきい値」とする）以下に抑圧される。しかし、駆動電流または駆動電圧は断状態ではない（以後、「待機状態」とする）。待機状態では有限の電流が励起光源に供給されているため、励起光源を本格的に駆動させた場合の応答速度が早まる。また、励起光源が待機状態の時は、光増幅器の増幅媒質は増幅可能な状態ではないため、ＡＳＥ雑音は発生しない。このため、待機状態において雑音がなく、入力信号が回復したときには高速で利得が回復する光増幅器を構成できる。待機状態における駆動電流または駆動電圧は、しきい値になるべく近い値とすることが、利得回復速度の向上に有効である。

上記の励起光源には、広帯域の高出力ランプ、輝線を用いたランプ、発光ダイオードなどのイン・コヒーレント光源を用いることができる。

イン・コヒーレント光源は安価であるが、光増幅器をファイバ型増幅器とする場合は励起光の導入効率が低下するため、高出力光源が必要となる。レーザを励起光源に用いた場合は、ファイバ型の光増幅器でも高効率で励起光を導入できる。レーザとしては結晶や透明セラミックを用いた固体レーザや、ファイバレーザを用いることができる。

半導体レーザは、多モードファイバだけでなく単一横モードファイバを用いたファイバ型光増幅器を高効率で励起することができる。特に、半導体レーザはファイバピグテールとあらかじめ光結合させ、ファイバグレーティングなどで波長を安定化させる事が好ましい。

これらの励起光源の待機時の電流値または電圧値は、前述のようにレーザ発振しきい値に近いほど、信号再入力時の利得の回復が高速に行えるため好ましい。具体的には、レーザ発振しきい値の５０％以上が好ましく、９０％以上が特に好ましい。逆に、レーザ発振しきい値の１％以下では、実質的に励起光源を断状態にした場合と大差なく、好ましくない。

これらの励起光源は、温度制御して出力の安定化を図ることが好ましい。また、光増幅器全体を温度制御しても良い。温度制御方法としては、空冷、水冷、ペルチェ効果など、必要な温度制御性を提供できる方法であれば何でも良い。

さらに、入力信号断を検出して励起光源の駆動電流または駆動電圧を抑制した後、入力信号が回復したときに、増幅作用の回復時間が１μs以上、１０ms以下になるように、励起光源を立ち上げる時定数を設定することを特徴とする、上記の光増幅器の制御方法である。

励起光源の制御時定数としては、上記のように、入力信号が回復したときに、増幅作用の回復時間が１μｓ以上、１０mｓ以下になるように、励起光源の立ち上げる時定数を設定することを特徴とする。

光増幅器は増幅媒質として一般には希土類イオンを添加したガラス材料，透明セラミック材料または結晶を用いている。希土類イオンは吸収・発光に関わる準位の寿命が５０μｓ〜１０mｓ程度であり、制御時定数が活性イオンの発光上準位寿命の1/50未満の場合、入力信号の回復に伴って増加させた励起光パワーが十分に吸収されず、結果として過剰な励起光を供給する無駄が発生する。また、過剰な励起は一時的な利得の過剰（オーバーシュート）を発生させ、利得特性が安定化する時間をかえって長くしてしまう可能性があるため、好ましくない。

さらに、電気的応答が１μｓ未満の回路では、励起光源への駆動電流または駆動電圧の立ち上がりが急峻になりすぎ、許容電流値または許容電圧値を越えてしまい、励起光源を破壊する可能性があるので好ましくない。より好ましくは、電気的設計が容易な１００μｓ以上である。

制御時定数が１０mｓを越える場合、伝送信号の欠落が大きくなりすぎるため、好ましくない。より好ましくは、情報の欠落が少ない１mｓ以下である。

このような入力信号断による保護制御方法および入力信号復帰時の利得回復制御方法は、出力一定制御（ＡＬＣ）、利得一定制御（ＡＧＣ）、励起電流一定制御（ＡＣＣ）、励起パワー一定制御（ＡＰＣ）などと組み合わせて使用することができる。この場合、入力信号断を検出した状態から入力信号が復帰して利得が回復するまでの間は本発明の制御方法を適用し、その後は通常の制御に戻る回路応答にすることが望ましい。入力信号回復から通常の制御に戻るまでの時間は、請求項４記載の時定数の１倍以上、１０倍以下が好ましい。１倍未満では利得回復の途中になって制御が乱れる可能性がある。１０倍を越えると利得の制御性が低下する可能性がある。

増幅媒質としては、石英ガラス、石英系酸化物ガラス、リン酸塩ガラス、ビスマス酸塩ガラス、亜テルル酸ガラス、フッ化物ガラス、部分結晶化ガラス、微結晶析出ガラス、酸化物結晶、フッ化物結晶、リン酸塩結晶、酸化物セラミックなどを用いることができる。

増幅媒質に添加する活性元素としては、希土類、遷移金属から選択することができる。例えばＥｒ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｎｉ、Ｃｏなどが挙げられる。また、増感などのために複数種の元素を添加することもできる。例えばＥｒ＋Ｃｅ、Ｅｒ＋Ｙｂ、Ｔｍ＋Ｙｂなどである。

増幅媒質の形状としては、平面導波路、平板状、スラブ状、ファイバなどをとることができる。

光増幅器としては、入力信号を光増幅器に結合させる入力端、入力信号の一部を受光する入力信号受光部、入力信号の戻り光を抑圧する光アイソレータ、励起光と信号光を合波する合波部または励起光を増幅媒質に入射させる結合部、増幅作用を受け持つ増幅媒質、出力信号光の一部を受光する出力信号受光部、出力光の戻り光を抑圧する光アイソレータ、出力光と入力光を監視して所定の動作をさせる制御部などから構成することができる。この構成には、必要に応じて光学部品や電気部品を追加することができる。また、不要な機能を省くこともできる。

以下、実施例により説明する。

コアにＴｍＦ_３を０．２ｍｏｌ％、添加したフッ化物ファイバを石英ファイバと融着接続し、ステンレス製の金属パッケージに封入したファイバモジュールを増幅媒質として用いた。フッ化物ファイバ長は４ｍである。

次に測定に使用した光増幅器の構成を図１に示す。励起には波長０．６９μｍの半導体レーザ２と、波長１．４０μｍの半導体レーザ３を合波し、光合分波素子４を介して光増幅用フッ化物ファイバモジュール１と結合している。半導体レーザ３は５０ｍＷで一定出力を維持している。１．４７μｍ帯の信号発生器５からの信号光を５／９５分岐カプラ６に通して入力信号光の５％を取り出し、フォトダイオード７で電気信号に変換した後、本発明の入力信号断制御機能を搭載した出力一定制御回路８に接続した。

５／９５分岐カプラ６で９５％に減衰した信号光は、光アイソレータ９を通して光合分波素子４に入射し、そのあと光増幅用フッ化物ファイバモジュール１に入射する。増幅された出射光は光アイソレータ９を通して、５／９５分岐カプラ１０に接続した。出力光は５％が取り出され、フォトダイオード１１で電気信号に変換した後、本発明の入力信号断制御機能を搭載した出力一定制御回路８に接続した。

光増幅器１４からの光出力はO/E変換器１２で電気信号に変換され、オシロスコープ１３で出力波形を観測した。オシロスコープ１３には、信号発生器５からのトリガ信号が入力され、入力信号と出力波形の相対的な遅れを観測できるように構成されている。本発明の入力信号断制御機能を搭載した出力一定制御回路８は、半導体レーザ２の駆動電流を制御している。

制御回路８で制御された、半導体レーザ２に供給する駆動電流も同時にオシロスコープ１３で観測した。半導体レーザ３の波長は基底準位からの吸収が極めて弱いため、一定出力を維持していてもＡＳＥはほとんど発生しないし、有効な反転分布も形成しない。

この時の制御回路の時定数は５００μｓである。半導体レーザ２のしきい値は５０ｍＡであり、待機電流は４５ｍＡに設定している。

入力信号断から再入力した時の出力応答の結果を図２に示す。利得の回復は１．５mｓであった。半導体レーザ２の駆動電流は安定値よりも一時的に高い値となっているが、光サージは発生していない。

コアにＥｒＦ_３を０．５ｍｏｌ％、ＣｅＦ_３を５．０ｍｏｌ％、ＹｂＦ_３を０．１５ｍｏｌ％添加したフッ化物ファイバを、Ｅｒを１０００ｐｐｍ添加した石英ファイバ（Ｓ−ＥＤＦ）と融着接続し、ステンレス製の金属パッケージに封入したファイバモジュールを増幅媒質として用いた。フッ化物ファイバ長は２ｍ、Ｓ−ＥＤＦの長さは合計１ｍである。

次に測定に使用した光増幅器の構成を図３に示す。励起には波長０．９７７μｍの半導体レーザ２２を、光合分波素子２３を介して、Ｓ−ＥＤＦ付き光増幅用フッ化物ファイバモジュール２１と結合している。１．５５μｍ帯の信号発生器２４からの信号光を２／９８分岐カプラ２５に通して入力信号光の２％を取り出し、フォトダイオード２６で電気信号に変換した後、本発明の入力信号断制御機能を搭載した出力一定制御回路２７に接続した。

２／９８分岐カプラ２５で９８％に減衰した信号光は、光アイソレータ２８を通して光合分波素子２３に入射し、そのあと光増幅用フッ化物ファイバモジュール２１に入射する。増幅された出射光は光アイソレータ２９を通して、１／９９分岐カプラ３０に接続した。出力光は１％が取り出され、フォトダイオード３１で電気信号に変換した後、本発明の入力信号断制御機能を搭載した出力一定制御回路２７に接続した。

光増幅器３４からの光出力はO/E変換器３２で電気信号に変換され、オシロスコープ３３で出力波形を観測した。オシロスコープ３３には、信号発生器２４からのトリガ信号が入力され、入力信号と出力波形の相対的な遅れを観測できるように構成されている。

本発明の入力信号断制御機能を搭載した出力一定制御回路２７は、半導体レーザ２２の駆動電流を制御している。制御回路２７で制御された、半導体レーザ２２に供給する駆動電流も同時にオシロスコープ３３で観測した。

この時の制御回路の時定数は１mｓである。半導体レーザ２２のしきい値は３５ｍＡであり、待機電流は３４ｍＡに設定した。

入力信号断から再入力した時の出力応答の結果を図４に示す。利得の回復は３mｓであり、駆動電流のオーバーシュートと利得のオーバーシュートが見られるものの、光サージは発生していない。

コアにＥｒＦ_３を０．２５ｍｏｌ％、ＣｅＦ_３を５．０ｍｏｌ％添加したフッ化物ファイバを石英ファイバと融着接続し、ステンレス製の金属パッケージに封入したファイバモジュールを増幅媒質として使用した。フッ化物ファイバ長は１．５ｍで、石英ファイバの長さは合計２ｍである。測定に使用した光増幅器の構成は実施例２と同様である。この時の制御回路の時定数は３００μｓである。

入力信号をON/OFFした時の出力応答を測定した結果、利得の回復は１．８mｓであり、駆動電流のオーバーシュートはなく、光サージも発生しなかった。

コアにＥｒを１０００ｐｐｍ添加した石英ファイバを増幅媒質として使用した。
この石英ファイバ長は５ｍである。測定に使用した光増幅器の構成は実施例２と同様である。この時の制御回路の時定数は１００μｓである。

入力信号をON/OFFした時の出力応答を測定した結果、利得の回復は１．０mｓであり、駆動電流のオーバーシュートはなく、光サージも発生しなかった。

コアにＴｍＦ_３を０．２ｍｏｌ％、添加したフッ化物ファイバを石英ファイバと融着接続し、ステンレス製の金属パッケージに封入したファイバモジュールを増幅媒質として用いた。

フッ化物ファイバ長は４ｍである。測定に使用した光増幅器の構成は実施例２と同様であるが、励起光源として波長１．０２μmのファイバレーザを用いた。制御回路はこのファイバレーザの励起源を制御した。この時の制御回路の時定数は５ｍｓである。ファイバレーザの励起源のしきい値は８０ｍＡであり、待機電流は７５ｍＡとした。

入力信号をON/OFFした時の出力応答を測定した結果、利得の回復は５．４mｓであり、駆動電流のオーバーシュートはなく、光サージも発生しなかった。

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。

実施例１の光増幅器の構成を示す図である。実施例１の結果を示す図である。実施例２の光増幅器の構成を示す図である。実施例２の結果を示す図である。

符号の説明

１光増幅用フッ化物ファイバモジュール
２波長０．６９μmの励起波長を供給する半導体レーザ
３波長１．４０μmの励起波長を供給する半導体レーザ
４光合分波素子
５波長１．４７μm帯の信号光発生器
６入力信号光分岐素子
７フォトダイオード
８制御回路
９光アイソレータ
１０出力光分岐素子
１１フォトダイオード
１２ O/E変換器
１３オシロスコープ
１４光増幅器
２１光増幅用フッ化物ファイバ＋石英ファイバモジュール
２２波長０．９７７μmの励起波長を供給する半導体レーザ
２３光合分波素子
２４波長１．５５μm帯の信号光発生器
２５入力信号光分岐素子
２６フォトダイオード
２７制御回路
２８光アイソレータ
２９光アイソレータ
３０出力光分岐素子
３１フォトダイオード
３２ O/E変換器
３３オシロスコープ
３４光増幅器

Claims

入力信号断を検出して励起光源を制御する光増幅器の制御方法において、入力信号断検出時に励起光源の駆動電流または駆動電圧を、励起光源のしきい値以下に制御する制御方法。
励起光源にレーザを用いる光増幅器において、入力信号断検出時にレーザの駆動電流または駆動電圧をレーザ発振しきい値以下に制御することを特徴とする、請求項１記載の光増幅器の制御方法。
励起光源に半導体レーザを用いることを特徴とする、請求項１または２に記載の光増幅器の制御方法。
入力信号断を検出して励起光源の駆動電流または駆動電圧を抑制した後、入力信号が回復したときに、増幅作用の回復時間が１μs以上、１０ｍｓ以下になるように、励起光源を立ち上げる時定数を設定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光増幅器の制御方法。
請求項１乃至４のいずれかに記載の制御方法を利用することを特徴とする光増幅器システム。