JP2012178478A - 高速光増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 バースト信号の入力に対しても光サージが発生しにくい光増幅器を、また、ＥＤＦの増幅能力を信号光の増幅に効率よく使用するためにＥＤＦを短尺化しても、励起の効率のよい光増幅器を提供する。
【解決手段】 信号光入力端と、第１光分波合波器と、エルビウム・ドープト・ファイバと、第２光分波合波器と、信号光出力端と、レーザ光源と、該レーザ光源の制御回路と、を備えた光増幅器に、励起光の反射器を設けて、励起光源からＥＤＦに入射された励起光を反射させてＥＤＦに戻すとともに、さらにレーザ光源内部に反射した励起光の入射が容易になるように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信に用いられ、エルビウムのドープされた光ファイバを備える高速光増幅器に関する。

例えば、希土類元素としてエルビウムのドープされた光ファイバ（Er doped fiber：以下、ＥＤＦともいう）を備えた光増幅器が、光通信システムに用いられている。

図５に、光増幅器１０００の従来例の一つを示す。入力端１に入力された信号光は、第１アイソレータ６０１を通過し第１光分波合波器３０１にて、第１励起光源１０１からの励起光と合波されて、ＥＤＦ４０１に入射される。また、第２励起光源１０２からの励起光は、第２光分波合波器３０２にて合波されて、ＥＤＦ４０１に逆方向から入射される。ＥＤＦ４０１に入射された信号光は、増幅されて第２光分波合波器３０２と第２アイソレータ６０２を通過し、出力端２に出力される。

ここで、第１励起光源１０１は雑音指数（Noise Figure：以下、ＮＦともいう）に優れる前方励起用の励起光源であり、第２励起光源１０２は利得を得るのに適した後方励起用の励起光源である。制御装置９０１は、第１カプラ７０１と第２カプラ７０２でそれぞれ分岐された信号光を、フォトダイオード８０１，８０２でモニタしながら、第１励起光源１０１と第２励起光源１０２とをそれぞれ制御している。

このＥＤＦの特徴として、信号光の入力がない場合、励起状態のＥｒイオンにエネルギが蓄積される、という性質がある。信号光の入力がなく、励起光が入力されている状態では、光増幅器の利得が極めて高くなる。

ところで、バースト信号を用いる光ネットワークでは、データの重なりを防ぐために入力される信号光の存在しない無信号の期間が設定されている。この無信号の期間にも励起光が入力されており、このときバースト信号が入力されると、信号光の先頭部分において過剰な利得となり、極めてピークレベルの高いパルス状の信号光が発生してしまう。

図６にパルス状の信号光の様子を示した。（Ａ）が入力されたバースト信号光であり、（Ｂ）が増幅された信号光でありパルス状となっている。これは光サージと呼ばれるが、この光サージが発生すると、安定した光伝送特性が得られない。そればかりか瞬間的に規定以上の信号光が出力されるので、光増幅器の後に接続される光学装置を破損する虞がある。

この問題を解決するためには、無信号の期間において励起光の入力を制限するとよい。そこで無信号を検出するモニタを設けておき、無信号を検出すると励起光源をオフにすることが考えられる。しかし高速度で切り替わる信号に同期して、励起光源を応答性よくＯＮ状態にすることは現実的に困難である。

ところで光増幅器のＥＤＦにおいて、Ｅｒイオンを常に実質的に完全な反転分布状態に励起できれば、光増幅器の利得を一定にできるので、バースト信号の増幅に対して好ましい。このためには、Ｅｒイオンを常に実質的に完全な反転分布状態とするのに、十分な励起光を常に供給すればよい。しかし、励起光源から大出力を得るのが困難である上に、仮に大出力が得られたとしても、非常に効率の悪い方法である。

励起光を効率的に利用するために、例えば上述した図５における第２励起光源の代わりに反射手段を設けて、利用されなかった励起光を再びＥＤＦに戻して、励起光を効率的に利用することが、特開平０３−０２５９８５号公報や特開平０９−１７９１５２号公報等で提案されている。
特開平０３−０２５９８５号公報 特開平０９−１７９１５２号公報

なお、これらの公報で開示された光ファイバ増幅器では、励起光源と光合波分波器との間に光アイソレータが設けられており、励起光が反射手段にて反射されて戻ってきた光が励起光源に入射するのを防いでいる。

一例として、特開平０９−１７９１５２号公報における、第１の態様を示す原理ブロック図を図７に示す（なお符号は振り直してある）。図中の６０１はアイソレータであり、反射鏡によって希土類ドープファイバ内に戻された残留励起光による干渉によって、励起光源の動作が不安定になるのを防いでいる。

上述したように、利用されなかった励起光を再びＥＤＦに戻す方法により、励起光の利用効率は向上するが、さらなる利用効率の向上が求められていた。

また、ＥＤＦを用いてピークパワーの大きな光を発生させると、ＥＤＦ中で発生する誘導ラマン散乱（Stimulated Raman Scattering：ＳＲＳ）や、４光波混合（Four-Wave Mixing：ＦＷＭ）等の非線形光学効果によるノイズ光が発生する。これらのノイズ光もＥＤＦにおいて増幅されるため、ＥＤＦの増幅能力がノイズ光の増幅にも使用されることになり、ＥＤＦの増幅能力を信号光の増幅に効率よく使用できなかった。

ＥＤＦによる増幅を高利得とすると、ノイズ光として自然放出光（Amplified Spontaneous Emission：以下、ＡＳＥともいう）が発生する。このＡＳＥの発生にもＥＤＦの増幅能力が使用されることになり、ＥＤＦの増幅能力を信号光の増幅に効率よく使用できなかった。

ノイズ光のうち、非線形光学効果によるものを低減するためには、ＥＤＦの短尺化が有効であることが知られている。しかしＥＤＦを短尺化すると、大半の励起光がＥｒイオンの励起には利用されずに捨てられることとなり、励起の効率が悪くなっていた。またＥＤＦを短尺化すると、必然的に増幅利得が低下することになってしまう。

そこで本発明の目的は、バースト信号の入力に対しても光サージが発生しにくい光増幅器を提供することである。また本発明の目的は、ＥＤＦの増幅能力を信号光の増幅に効率よく使用するためにＥＤＦを短尺化しても、励起の効率のよい光増幅器を提供することである。

上述した目的を達成するために、本発明は、光増幅機能を持つＥＤＦを備えた光増幅器に励起光の反射器を設けて、励起光源であるレーザ光源からＥＤＦに入射された励起光を反射させてＥＤＦに戻すとともに、さらにレーザ光源内部に反射した励起光の入射が容易になるように構成した。

すなわち本発明は、
信号光が入力される信号光入力端と、第１光分波合波器と、エルビウム・ドープト・ファイバと、第２光分波合波器と、信号光出力端と、励起光を発生するレーザ光源と、該レーザ光源の制御回路と、を備え、
前記信号光入力端と前記第１光分波合波器との間に第１アイソレータが、前記第２光分波合波器と前記信号光出力端との間に第２アイソレータが、それぞれ設けられている高速光増幅器であって、
前記信号光入力端から入力された信号光と前記レーザ光源からの励起光とが、前記第１光分波合波器によって合波され、
該合波された光が前記エルビウム・ドープト・ファイバに入射され、前記信号光は前記励起光にて反転状態とされたエルビウムイオンによって増幅された後、前記第２光分波合波器によって、信号光成分と励起光成分とに分波されるように構成されており、
分波された信号成分は前記信号光出力端から出力され、
分波された励起成分は設けられた反射器によって反射されて戻り励起光となり、該戻り励起光は前記エルビウム・ドープト・ファイバを戻り、前記第１光分波合波器によって前記レーザ光源へ戻るように構成されており、
前記レーザ光源の出射面に反射防止膜が形成されていることを特徴とする高速光増幅器である。

本発明の高速光増幅器は、利用されなかった励起光を反射器によりＥＤＦに戻すように構成され、さらに利用されなかった戻り励起光をレーザ光源の出射面から内部に入射するように構成されている。この戻り励起光は、再度レーザ光源から出射されて、ＥＤＦの励起に利用される。つまり本発明の高速光増幅器では、励起光がＥＤＦを含むレーザ光源と反射器との間に閉じ込められることとなる。

その結果、ＥＤＦに入射された励起光は、当初Ｅｒイオンの励起に利用されなかったとしても、最終的に利用されるようになる。このため、発生した励起光が効率的に励起に利用されるので、ＥＤＦを効率的に反転分布状態にすることができる。つまりＥＤＦを最大利得で利用できるので、良好なＮＦを効率よく実現できる。

本発明の高速光増幅器は、入力信号光に対して実質的に常に最大利得で増幅することになるので、バースト信号の入力に対しても光サージは実質的に発生しない。

また本発明の高速光増幅器では、ＥＤＦを実質的に常に完全反転状態で用いており、実質的にＥＤＦの最大利得が得られるので、ＥＤＦの長さを最小とすることができる。ＥＤＦの長さを最小にできると、必要な利得を得ながら、長尺のＥＤＦで問題となっていた色分散劣化や偏波分散劣化を最小にすることができる。さらに波長帯域の拡がりが大きな超短パルスに対しても、波形劣化を発生させずに増幅できるので、有効である。

なお、本発明の高速光増幅器における高速とは、短パルス信号に素早く応答できるという意味として用いている。

本発明の一実施形態を模式的に示す図である。 本発明の半導体レーザにおける反射の様子を説明する図である。 バースト信号の増幅の様子を模式的に示す図である。 本発明の別の実施形態を模式的に示す図である。 従来の光増幅器の構成を模式的に示す図である。 パルス状の信号光が発生する様子を模式的に示す図である。 特開平０９−１７９１５２号公報における、第１の態様を示す原理ブロック図である。

（実施形態１）
本発明による高速光増幅器を図とともに説明する。図１は、本発明の高速光増幅器１００の一実施形態を模式的に示す図である。

本発明の高速光増幅器１００は、基本的な構成要素として、信号光入力端１と、第１光分波合波器３１と、エルビウム・ドープト・ファイバ４０と、第２光分波合波器３２と、信号光出力端２と、励起光を発生するレーザ光源１０と、レーザ光源の制御回路１４と、を備える。

さらに、信号光入力端１と第１光分波合波器３１との間に第１アイソレータ６１が、第２光分波合波器３２と信号光出力端２との間に第２アイソレータ６２が、それぞれ設けられている。

レーザ光源１０からの励起光は、ＥＤＦ４０に入射されてＥｒイオンを励起し、信号光の増幅に利用される。励起に利用されなかった励起光は、第２光分波合波器３２によって分波され、設けられた反射器５０によって反射されて、戻り励起光となる。そして戻り励起光は、再度ＥＤＦ４０に入射されてＥｒイオンを励起し、そこで利用されなかった戻り励起光は、第１光分波合波器３１によってレーザ光源１０へ戻るように構成されている。

本発明で用いるＥＤＦ４０は、短尺化されたＥＤＦである。この「短尺化された」とは、従来のＥＤＦのファイバ長より短くなったことを意味する相対的な言葉であって、ＥＤＦのファイバ長が所定の長さ以下であることを意味するものではない。また、対象とする信号や許容される信号の劣化度合いによっても、短尺化されたＥＤＦの長さは異なってくる。

例えばＥＤＦを用いた光短パルス増幅器において、短パルス信号をＥＤＦに入射すると、短パルス信号の半値幅が拡がることになる。具体的には、半値幅が２００ｆｓの短パルス信号をＥＤＦに入射したときにおいて、半値幅の増加を２０％程度許容する場合、すなわち半値幅が２４０ｆｓになるＥＤＦの長さは、実験の結果２ｍ程度であった。

レーザ光源１０としては、半導体レーザ（laser diode：以下、ＬＤともいう）が好ましく用いられる。レーザ光源の出射面は反射防止膜１６が形成されており、反射器によって反射された戻り励起光が、レーザ光源の内部に入射するのを容易にしている。

ここで図２を参照しながら、半導体レーザにおけるレーザ発振について述べる。
まず半導体レーザの反射面と出射面との距離をＬ₀とし、半導体レーザの出射面と反射器との距離をＬとする。半導体レーザの出射面における反射率をＲ₁とし、反射器における反射率をＲ₂(=1)とする。半導体レーザの出射面と反射器との間における結合損失をα_iとし、吸収損失をα_AMPとすると、全損失係数αは、
（数１）
α＝α_i＋α_AMP
と表される。

半導体レーザの出射面の延長上に反射器を設けたことで、半導体レーザの出射面における見かけの反射率Ｒ_Tは、以下のように表される。

（数２）
Ｒ_T＝Ｒ₁+(１-Ｒ₁)²ｅ^-2αL+Ｒ₁(１-Ｒ₁)²ｅ^-4αL+Ｒ₁ ²(１-Ｒ₁)²ｅ^-6αL+・・・
＝Ｒ₁+(１-Ｒ₁)²ｅ^-2αL［１+Ｒ₁(１-Ｒ₁)²ｅ^-2αL+Ｒ₁ ²(１-Ｒ₁)²ｅ^-4αL+・・・］
＝Ｒ₁+［(１-Ｒ₁)²ｅ^-2αL］／（１-Ｒ₁ｅ^-2αL）

つまり、この半導体レーザは、出射面における反射率がＲ_Tである半導体レーザと見なすことができる。
そこで、この半導体レーザにおける発振条件は、以下のように書き表される。

（数３）
Ｒ₀Ｒ_T×ｅ^{-(α0-ｇth)2L0}＝１
ｅ^{-2(α0-ｇth)L0}＝１／Ｒ₀Ｒ_T
であり、この式から利得の閾値であるｇ_thについて解くと、
（数４）
ｇ_th−α₀＝[ln(１/Ｒ₀Ｒ_T)]／２Ｌ₀
ｇ_th＝α₀＋[ln(１/Ｒ₀Ｒ_T)]／２Ｌ₀
となる。
ここで、α₀は内部共振器における内部損失である。

これらの関係から、ｇ_thは以下のように書き表される。
（数５）
ｇ_th=α₀+ln[[{exp(2(α_AMP+α_i)L)-R₁]/[R₀{1+(exp(2(α_AMP+α_i)L)・R₁-2)}]／2L₀］

そこで、α_AMPの変動に対して、ＬＤのモニタ光電流が一定になるように制御する自動出力制御（Auto Power Control：ＡＰＣ）回路によって、変動を補うようにレーザ電流を制御することにより、レーザ発振を安定に保つことができる。

このようにすると、入力信号の変動に拘わらず、いつもＥＤＦが完全に反転状態とするのに十分な励起光を供給できる。

本発明による高速光増幅器１００では、例えば１．５５μｍ帯の信号光を増幅し、励起光としては、例えば０．９８μｍのレーザ光を使用している。

図１に示した第１および第２光分波合波器（３１，３２）は、例えば光学薄膜を用いたハーフミラー型の光分波合波器である。図１に示した高速光増幅器１００において、第１および第２光分波合波器（３１，３２）は、それぞれ信号光である１．５５μｍ帯の光を通過させ、励起光である０．９８μｍの光を反射する。

第１光分波合波器３１において、信号光入力端１からの信号光とレーザ光源１０からの励起光とが合波されて、ＥＤＦ４０に入射される。第２光分波合波器３２において、ＥＤＦ４０から出射した光のうち、信号光成分はそのまま通過し直進して、信号光出力端２から出力される。ＥＤＦ４０から出射した光のうち、励起光成分は、第２光分波合波器３２にて反射し分波され、その光路上に設けられた反射器５０によって反射されて、戻り励起光となる。

その戻り励起光は、再び第２光分波合波器３２にて再びＥＤＦ４０に入射される。このように、励起光源であるレーザ光源１０から出射された励起光は、反射器５０によって反射されて戻り励起光となり、Ｅｒイオンの励起に利用されるので、効率的である。

そして第１光分波合波器３１にて反射され、レーザ光源１０に入射するように構成されている。レーザ光源１０において、その出射面には反射防止膜１６が形成されている。このため戻り励起光が、レーザ光源の出射面にて反射されることがなく、レーザ光源内に入射しやすくなっている。

レーザ光源内に入射した戻り励起光は、再び励起光としてレーザ光源から出射されＥＤＦ４０に入射され、Ｅｒイオンの励起に利用される。このように本発明の高速光増幅器によれば、一度発生させた励起光を無駄にすることなく利用するので、効率的である。

なお、レーザ光源の出射面に形成された反射防止膜には、例えば光学薄膜や光学多層膜を用いた反射防止膜とすればよい。反射防止膜の設計波長は、励起光の波長とすればよく、例えば０．９８μｍとする。

レーザ光源の制御回路１４は、信号光の出力レベルが一定になるよう、以下のように制御している。

図１において、制御回路１４は、レーザ光源の出力背面から出力される光をモニタ用のフォトダイオード１３でモニタし、設定レベルとの誤差信号をレーザ駆動回路１５に出力する。レーザ駆動回路１５は、誤差信号によりレーザ駆動電流を制御して、レーザ光源の出力が一定となるように、レーザ光源１０を駆動する。

本発明の高速光増幅器１００において、レーザ光源１０と第１光分波合波器３１との間と、第２光分波合波器３２と反射器５０との間の少なくともどちらか一方には、励起光である０．９８μｍの光のみを通過させるバンドパスフィルタ（２１，２２）が設けられているとよい。なお、バンドパスフィルタ同士の特性が十分に一致していれば、レーザ光源と第１光分波合波器との間と、第２光分波合波器と反射器との間の両方に、それぞれバンドパスフィルタ（２１，２２）が設けられていてもよい。

信号光の入出力端（１，２）と光分波合波器（３１，３２）との間にアイソレータ（６１，６２）が設けられているが、その理由は以下のようである。もし、増幅される信号光の光路上に信号帯域の反射光が存在すると、光増幅器が発振状態に陥り不安定になる。また、発振に至らないまでも信号帯域の反射光が存在すると、光増幅器におけるＮＦの劣化、利得のリップル等の悪影響が発生する。そこで、信号帯域の反射光を防止するために、信号光入力端１と第１光分波合波器３１との間と、第２光分波合波器３２と信号光出力端２との間に、それぞれアイソレータ（６１，６２）を設けている。

ところで上述したように、特開平０３−０２５９８５号公報や特開平０９−１７９１５２号公報で開示された光ファイバ増幅器では、励起光源と光合波分波器との間には光アイソレータが設けられている。これは、励起光の戻り光が励起光源に入射し、励起光源が不安定になるのを防ぐためである。

これに対して、本発明の高速光増幅器では、励起光源と光合波分波器との間に光アイソレータを設けておらず、さらに励起光源の出射面に反射防止膜を形成することにより、戻り励起光を積極的に励起光源に入射するようにしている。もちろん、本発明の高速光増幅器においても、戻り励起光が励起光源に入射することによって、励起光源の動作が不安定になり、利得も不安定になる虞はある。

しかし、本発明の高速光増幅器における利得は、主としてＥｒイオンの反転分布状態やＥＤＦの長さに依存しており、励起光源の出力には直接的に依存していない。したがって、励起光源の動作が多少不安定になったとしても、本発明の高速光増幅器では大きな問題にはならない。

ここで、本発明の高速光増幅器における励起光源が少しでも不安定にならないようにするために、上述したバンドパスフィルタが設けられている。つまり、励起光源に励起光以外の光が入射しないようにして、励起光源の動作を安定化させるものである。

以上説明してきた高速光増幅器において、バースト信号が増幅される様子を、図３に模式的に示した。（Ａ）が入力されたバースト信号光であり、（Ｂ）が増幅された信号光である。入力されたバースト信号は、本発明の高速光増幅器によって増幅されても利得が一定であるので、光サージは発生していないことが分かる。

上述した実施形態１の説明では、信号光の波長が１．５５μｍ帯であり、励起光の波長が０．９８μｍであったが、これに限られることなく、信号光の波長が１．５５μｍ帯であり、励起光の波長が１．４８μｍであってもよい。この場合は、信号光と励起光とを区別する急峻な減衰特性を持ったフィルタが必要となる。

なお、以上説明した実施形態１の高速光増幅器１００では、２つの光分波合波器（３１，３２）において、信号光の透過効率がよいので好ましい。

（実施形態２）
上述した実施形態１の高速光増幅器１００では、信号光入力端１と、第１光分波合波器３１と、ＥＤＦ４０と、第２光分波合波器３２と、信号光出力端２とが、直線的に配置されていた。これに対して、実施形態２の高速光増幅器１０１では、図４に示すように、レーザ光源１０と、第１光分波合波器３１と、ＥＤＦ４０と、第２光分波合波器３２と、反射器５０とが、直線的に配置されている。

光増幅器において、必要とされる信号光の入力端と出力端の配置によって、実施形態１か実施形態２を適宜選択すればよい。

本発明による高速光増幅器は、特にバースト信号を用いる光通信システムに効果的に用いることができる。

１００，１０１ 高速光増幅器
１０００ 光増幅器
１ 信号光入力端
２ 信号光出力端
１０，１０１，１０２ レーザ光源（ＬＤ）
１１ 活性層
１２ 反射面
１３，８０１，８０２ フォトダイオード
１４ 制御回路
１５ レーザ光源駆動回路
１６ 反射防止膜
２１，２２ バンドパスフィルタ
３１，３０１ 第１光分波合波器
３２，３０２ 第２光分波合波器
４０，４０１ エルビウム・ドープト・ファイバ（ＥＤＦ）
５０，５０１ 反射器
６１，６２，６０１，６０２ 光アイソレータ
７０１，７０２ カプラ
９０１ 制御装置

Claims (5)

1. 信号光が入力される信号光入力端と、第１光分波合波器と、エルビウム・ドープト・ファイバと、第２光分波合波器と、信号光出力端と、励起光を発生するレーザ光源と、該レーザ光源の制御回路と、を備え、
   前記信号光入力端と前記第１光分波合波器との間に第１アイソレータが、前記第２光分波合波器と前記信号光出力端との間に第２アイソレータが、それぞれ設けられている高速光増幅器であって、
   前記信号光入力端から入力された信号光と前記レーザ光源からの励起光とが、前記第１光分波合波器によって合波され、
   該合波された光が前記エルビウム・ドープト・ファイバに入射され、前記信号光は前記励起光にて反転状態とされたエルビウムイオンによって増幅された後、前記第２光分波合波器によって、信号光成分と励起光成分とに分波されるように構成されており、
   分波された信号成分は前記信号光出力端から出力され、
   分波された励起成分は設けられた反射器によって反射されて戻り励起光となり、該戻り励起光は前記エルビウム・ドープト・ファイバを戻り、前記第１光分波合波器によって前記レーザ光源へ戻るように構成されており、
   前記レーザ光源の出射面に反射防止膜が形成されていることを特徴とする高速光増幅器。
2. 請求項１に記載の高速光増幅器において、
   前記レーザ光源と前記第１光分波合波器との間と、前記第２光分波合波器と前記反射器との間の少なくともどちらか一方に、励起光を通過させるバンドパスフィルタが設けられている高速光増幅器。
3. 請求項１に記載の高速光増幅器において、
   前記第１光分波合波器と前記第２光分波合波器は、いずれも励起光を反射させるとともに、信号光を通過させる高速光増幅器。
4. 請求項１に記載の高速光増幅器において、
   前記第１光分波合波器と前記第２光分波合波器は、いずれも励起光を通過させるとともに、信号光を反射させる高速光増幅器。
5. 請求項１に記載の高速光増幅器において、
   前記レーザ光源の前記制御回路は、信号光の出力レベルを制御している高速光増幅器。

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