JP2012222170A - 光増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波形歪みを抑制する。
【解決手段】光増幅装置は、入力光を増幅する前段半導体光増幅部と、前段半導体光増幅部からの増幅光を増幅する後段側半導体光増幅部を有し、前段半導体光増幅部は、内部の光増幅素子の発光閾値電圧より高い値の印加電圧に応じて流れる駆動電流の可変制御によって、出力光パワー一定制御を行い、後段側半導体光増幅部は、駆動電流のスイッチング制御により、透過光のゲートスイッチングを行う。これにより波形歪みを抑制して光通信品質の向上を図ることが可能になる。
【選択図】図５

Description

本発明は、光増幅を行う光増幅装置に関する。

近年、光通信ネットワークの長距離・大容量化が進展しており、高速大容量の波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplex）伝送方式の開発が進んでいる。
また、光通信ネットワークにおける光増幅器として、駆動電流によりゲイン（利得）を変化させる半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）が注目されている。

ＳＯＡは、インジウムリン（InP）などの化合物半導体で作られた光増幅素子を含む光増幅器である。ＳＯＡは、エルビウム（Er）添加ファイバを増幅用媒体としたＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）と比べると、小型で増幅帯域が広い等の利点を持ち、光通信ネットワークに広く適用され始めている。

従来技術として、ＳＯＡの光増幅制御に関する技術が提案されている。

特開２００９−２００６３３号公報 特開２０１０−１８６９１９号公報

ＳＯＡの光増幅時には、印加電圧の発生からＳＯＡチップへ駆動電流が流れるまでの時間遅延を抑制するために、印加電圧に対してエッジ強調が施される。しかし、ＳＯＡに対する入力光パワーに変化がある場合に、その変化に合わせずに固定的な大きさのエッジ強調を印加電圧に施すと、ＳＯＡからの増幅出力光に波形歪みが生じるといった問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、波形歪みを抑制して、光通信品質の向上を図った光増幅装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、光増幅装置が提供される。光増幅装置は、入力光を増幅する前段半導体光増幅部と、前記前段半導体光増幅部からの増幅光を増幅する後段側半導体光増幅部を有し、前記前段半導体光増幅部は、内部の光増幅素子の発光閾値電圧より高い値の印加電圧に応じて流れる駆動電流の可変制御によって、前記出力光パワー一定制御を行い、前記後段側半導体光増幅部は、駆動電流のスイッチング制御により、前記透過光のゲートスイッチングを行う。

波形歪みを抑制して光通信品質の向上を図ることが可能になる。

光増幅装置の構成例を示す図である。 １波長の信号光の増幅状態を示す図である。 ゲインチルトによって波長間にパワー偏差が起きている状態を示す図である。 フィルタリング動作を示す図である。 光増幅装置の構成例を示す図である。 光パケット信号の多重化伝送を示す図である。 ＳＯＡの内部構成を示す図である。 ＳＯＡの電圧−電流特性を示す図である。 ＳＯＡの等価回路を示す図である。 印加電圧と駆動電流との対応関係を示す図である。 エッジ強調を行った印加電圧を示す図である。 駆動電流の遷移状態を示す図である。 エッジ強調回路の構成例を示す図である。 エッジ強調を示す図である。 エッジ強調を示す図である。 光増幅装置の構成例を示す図である。 ＡＬＣ動作を示す図である。 ＡＧＣで増幅した光のゲートスイッチングの動作を示す図である。 光増幅装置の構成例を示す図である。 波長分波・合波にインターリーバを使用した光増幅装置の構成例を示す図である。 波長の片寄り状態を示す図である。 波長分波・合波にＷＳＳを使用した光増幅装置の構成例を示す図である。 ＳＯＡの集積化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は光増幅装置の構成例を示す図である。光増幅装置１は、半導体光増幅部（ＳＯＡ）１０および光フィルタ２０を備える。

ＳＯＡ１０は、入力光を増幅する。光フィルタ２０は、ＳＯＡ１０からの出力光のフィルタリングを行う。光フィルタ２０は、ＳＯＡ１０で波長多重信号光（ＷＤＭ信号光）の出力光パワー一定制御（ＡＬＣ）が行われた際に生じる波長方向のゲインチルトに対し、ゲインチルトを補償する透過特性を有しており、該透過特性による光フィルタリングを行う。

なお、図中、ｘ軸は時間、ｙ軸は波長、ｚ軸は光パワーである。光フィルタ２０の入力状態として、ゲインチルト補償前のＷＤＭ信号光を示し、光フィルタ２０の出力状態として、ゲインチルト補償後のＷＤＭ信号光を示している（詳細は後述する）。

次にＳＯＡによるＷＤＭ信号光のＡＬＣの増幅時に、ゲインチルトによって生じる波長間のパワー偏差について説明する。図２は１波長の信号光の増幅状態を示す図である。ｘ軸は時間、ｙ軸は波長、ｚ軸は光パワーである。

ＳＯＡ５ａに対して、１波長（波長λ１）の光パケット信号が入力する。時間ｔ１において、光パワーｐ２の波長λ１の光パケット信号ｓ１−１が入力し、時間ｔ２において、光パワーｐ１の波長λ１の光パケット信号ｓ１−２が入力したとする。

このような入力に対して、ＳＯＡ５ａにおいて、出力光のレベルを一定にして増幅するＡＬＣを行う場合を考える。時間ｔ１、ｔ２毎に、ＳＯＡ５ａの駆動電流の値を変えて、光パケット信号ｓ１−１、ｓ１−２の増幅後のレベルが一定となるように、光パワーｐ１、ｐ２に応じたゲインを設定して増幅する。これにより、同じ光パワー（同じ光ピークパワー）ｐ３に揃った、光パケット信号ｓ１ａ−１、ｓ１ａ−２がＳＯＡ５ａから出力される。

図３はゲインチルトによって波長間にパワー偏差が起きている状態を示す図である。ｘ軸は時間、ｙ軸は波長、ｚ軸は光パワーであり、ＷＤＭ信号光がＳＯＡ５ａに入力したときのＡＬＣの増幅状態を示している。

ＳＯＡ５ａに対して、波長λ１〜λ３（λ１＜λ２＜λ３）が多重された光パケット信号が入力する。時間ｔ１において、光パワーｐ２の波長λ１〜λ３の光パケット信号ｓ１−１〜ｓ３−１が入力し、時間ｔ２において、光パワーｐ１の波長λ１〜λ３の光パケット信号ｓ１−２〜ｓ３−２が入力したとする。

このような入力に対して、ＳＯＡ５ａにおいて、時間ｔ１、ｔ２毎に、図２で上述したような駆動電流の値を可変制御してＡＬＣを行う。すると、ＳＯＡ５ａの出力は、波長毎に時間方向（ｘ軸方向）に見た光パワーは一定になって揃うが、波長方向（ｙ軸方向）に見た光パワーは一定にならず揃わないという現象が生じる。

すなわち、波長λ１〜λ３毎に時間方向に見た場合、波長λ１の光パケット信号ｓ１ａ−１、ｓ１ａ−２は、同じ光パワーｐ５でＳＯＡ５ａから出力される。また、波長λ２の光パケット信号ｓ２ａ−１、ｓ２ａ−２は、同じ光パワーｐ４でＳＯＡ５ａから出力される。さらに、波長λ３の光パケット信号ｓ３ａ−１、ｓ３ａ−２は、同じ光パワーｐ３でＳＯＡ５ａから出力される。

しかし、波長λ１〜λ３毎に波長方向に見た場合、波長λ１の光パケット信号ｓ１ａ−１と、波長λ２の光パケット信号ｓ２ａ−１と、波長λ３の光パケット信号ｓ３ａ−１とはそれぞれ、光パワーｐ５、ｐ４、ｐ３であり、長波長になるにつれて光パワーが減少しており、同一の光パワーで出力されていない。

同様に、波長λ１の光パケット信号ｓ１ａ−２と、波長λ２の光パケット信号ｓ２ａ−２と、波長λ３の光パケット信号ｓ３ａ−２とはそれぞれ、光パワーｐ５、ｐ４、ｐ３であり、長波長になるにつれて光パワーが減少しており、同一の光パワーで出力されていない。

このように、ＳＯＡ５ａに対して、多波長一括入力した光パケット信号のＡＬＣを実行しようとしても、図３に示すように、短波長側はゲインが大きく、長波長側はゲインが小さくなるといったゲインチルトが発生してしまう。このため、ＳＯＡ５ａの増幅出力光は、波長間にパワー偏差が生じた状態となり、出力信号光のパワーが一定にならない。

次にゲインチルトを補償する光フィルタ２０について説明する。図４はフィルタリング動作を示す図である。ｘ軸は時間、ｙ軸は波長、ｚ軸は光パワーである。
ＳＯＡ１０でＷＤＭ信号光のＡＬＣを実施した際の増幅信号光が光フィルタ２０に入力する。この入力信号光は、図３で示したように、波長毎に時間方向の光パワーは一定であり、波長方向の光パワーは一定ではない信号光である。

具体的には、波長λ１〜λ３毎の時間方向の光パワーでは、波長λ１の光パケット信号ｓ１ａ−１、ｓ１ａ−２は、同じ光パワーｐ５であり、波長λ２の光パケット信号ｓ２ａ−１、ｓ２ａ−２は、同じ光パワーｐ４であり、波長λ３の光パケット信号ｓ３ａ−１、ｓ３ａ−２は、同じ光パワーｐ３である。

波長λ１〜λ３毎の波長方向の光パワーでは、波長λ１の光パケット信号ｓ１ａ−１と、波長λ２の光パケット信号ｓ２ａ−１と、波長λ３の光パケット信号ｓ３ａ−１とはそれぞれ、光パワーｐ５、ｐ４、ｐ３であり、異なる光パワーである。

また、波長λ１の光パケット信号ｓ１ａ−２と、波長λ２の光パケット信号ｓ２ａ−２と、波長λ３の光パケット信号ｓ３ａ−２とはそれぞれ、光パワーｐ５、ｐ４、ｐ３であり、異なる光パワーである。

ここで、光フィルタ２０は、上記のようなＷＤＭ入力信号光に生じているゲインチルトを補償する透過特性を有している。すなわち、ＳＯＡ１０では、短波長側はゲインが大きく、長波長側はゲインが大きくなるといったゲインチルトが生じるので、光フィルタ２０では、短波長側へ行くほど透過率を低下させて、光パワーを低減させる透過特性を有している。

例えば、波長λ３の光パケット信号ｓ３ａ−１、ｓ３ａ−２の透過率を所定の透過率（例えば、９０％の透過率）にして、光パケット信号ｓ３ｂ−１、ｓ３ｂ−２を出力する。
波長λ２の光パケット信号ｓ２ａ−１、ｓ２ａ−２に対しては、光パケット信号ｓ３ｂ−１、ｓ３ｂ−２と同一レベルとなるように、透過率を低下させてフィルタリングし（例えば、透過率８０％でフィルタリング）、光パケット信号ｓ２ｂ−１、ｓ２ｂ−２を出力する。

また、波長λ１の光パケット信号ｓ１ａ−１、ｓ１ａ−２に対しては、光パケット信号ｓ３ｂ−１、ｓ３ｂ−２と同一レベルとなるように、透過率をさらに低下させてフィルタリングし（例えば、透過率７０％でフィルタリング）、光パケット信号ｓ１ｂ−１、ｓ１ｂ−２を出力する。

このように、ＳＯＡ１０で生じるゲインチルトとは逆特性の透過特性でゲインチルトを補償するフィルタリングを行うことにより、光フィルタ２０からは、時間方向にも波長方向にも光パワーが一定に揃ったＷＤＭ信号光を出力することができる。

このように、光増幅装置１では、ＳＯＡ１０のＷＤＭ入力信号光のＡＬＣ動作時に生じる、波長方向のゲインチルトに対し、ゲインチルトを補償する透過特性を有する光フィルタ２０を設けて、ＳＯＡ１０の出力光のフィルタリングを行う構成とした。これにより、ＳＯＡ１０の出力光の波長間のパワー偏差を抑制することが可能になり、光通信品質の向上を図ることが可能になる。

次に光増幅装置１の光フィルタ２０の後段にＳＯＡ（後段側半導体光増幅部）をさらに備えた光増幅装置について説明する。
図５は光増幅装置の構成例を示す図である。光増幅装置１ａは、ＳＯＡ１０、３０および光フィルタ２０を備える。ＳＯＡ１０、３０は縦列接続し、ＳＯＡ１０とＳＯＡ３０との間に光フィルタ２０が配置する。ＳＯＡ１０は図１で示した構成要素と同じである。光フィルタ２０はＳＯＡ１０で生じる波長方向のゲインチルトを補償する透過特性と、ＳＯＡ３０で生じる波長方向のゲインチルトを予め補償する透過特性の、積である（dB表示であれば和である）透過特性を持つ。ＳＯＡ３０は、光フィルタ２０からの透過光を増幅する。

光増幅装置１ａにおいて、前段のＳＯＡ１０は、駆動電流の値を可変的に制御してＡＬＣ動作を実施する。また、後段のＳＯＡ３０では、一定値の駆動電流の制御により、光フィルタ２０から出力された透過光のゲイン一定制御（ＡＧＣ：Auto Gain Control）を実施する。さらに、一定値の駆動電流のＯＮ／ＯＦＦによるスイッチング制御によって、ゲイン一定で増幅した信号光のゲートスイッチングを行う（光増幅装置１ａの構成および動作の詳細については後述する）。

なお、ゲートスイッチングとは、光をＯＮ、ＯＦＦする光ゲートしてのスイッチング動作のことであり、ＳＯＡでは、ゲートＯＮ時には光を増幅して出力し、ゲートＯＦＦ時にはほぼ消光する。

次にゲートスイッチングについて光伝送システムの例を挙げて説明する。図６は光パケット信号の多重化伝送を示す図である。光伝送システム５は、ＳＯＡ５０、光カプラｃ１、ｃ２を備える。光伝送システム５は、例えば、ＰＯＮ（Passive Optical Network）のような光アクセス系システムの上り信号伝送に適用されるシステムである。

光カプラｃ１、ｃ２は、２入力１出力の光カプラである。光カプラｃ１の一方の入力端は、光ファイバｆ１と接続し、他方の入力端は、光ファイバｆ２と接続し、出力端は、光ファイバｆ３を通じてＳＯＡ５０の入力端と接続する。

また、光カプラｃ２の一方の入力端は、光ファイバｆ４を通じて、ＳＯＡ５０の出力端と接続し、他方の入力端は、光ファイバｆ５と接続し、出力端は、光ファイバｆ６と接続する。

光カプラｃ１は、互いに異なる時間に到着した、光ファイバｆ１を流れてきた光パケット信号Ａと、光ファイバｆ２を流れてきた光パケット信号Ｃとを合波して出力する。ＳＯＡ５０は、光カプラｃ１から出力された光パケット信号Ａ、ＣのＡＬＣを行って、一定レベルに増幅して出力する。この場合、ＳＯＡ５０は、光ゲートスイッチングを行い、時間ｔ１で光パケット信号Ａを出力し、時間ｔ３で光パケット信号Ｃを出力するものとする。

光カプラｃ２は、光ファイバｆ４を流れてきた増幅後の光パケット信号Ａ、Ｃに対し、時間ｔ１で光パケット信号Ａを受信し、時間ｔ３で光パケット信号Ｃを受信する。
さらに、光ファイバｆ５を流れてきた光パケット信号Ｂを時間ｔ２で受信する。そして、時間ｔ１〜ｔ３の各時間帯の光パケット信号Ａ、Ｂ、Ｃを多重化して出力する。

上記のＳＯＡ５０の光ゲートスイッチングにおいて、時間ｔ１、ｔ３では、ゲートがＯＮして、増幅後の光パケット信号Ａ、Ｃが出力され、時間ｔ２ではゲートがＯＦＦする。
そして、光カプラｃ２によって、時間ｔ２の時間帯に光パケット信号Ｂが挿入されることで、時間ｔ１〜ｔ３のそれぞれの時間帯で光パケット信号Ａ、Ｂ、Ｃが合波された多重化信号が生成する。

ここで、光カプラｃ２において、時間ｔ２に光パケット信号Ｂを多重化するので、時間ｔ２の時間帯では、ＳＯＡ５０の出力の消光比が高いことが望まれる。すなわち、時間ｔ１、ｔ３ではゲートＯＮとなって所定レベルの光パワーを出力するが、合流時間帯である時間ｔ２ではゲートＯＦＦとなって、ＳＯＡ５０からは雑音光が出力されないこと（所定の品質を満たす範囲で雑音光がほぼ出力されないこと）が重要である。

なぜなら、時間ｔ２において、ＳＯＡ５０からＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）のような雑音光が放出されていると、合流すべき光パケット信号Ｂと干渉してしまうからである。

このように、ＳＯＡのゲートスイッチングでは、消光比（ゲートＯＮ時の信号“１”“０”の平均光強度と、ゲートＯＦＦ時の信号“１”“０”の平均光強度の比率）が大きいことが重要となる。消光比が大きいほど光のＯＮ、ＯＦＦが明確に識別でき、他ポートからの信号光の混信（クロストーク）が抑制され、符号誤り率が低減する。

次にＳＯＡの構造等を示しながら、印加電圧が発生してから所定の駆動電流がＳＯＡに供給されるまでに生じる時間遅れについて図７〜図１０を用いて段階的に説明する。
図７はＳＯＡの内部構成を示す図である。ＳＯＡ５０は、光増幅素子（以下、ＳＯＡチップと呼ぶ）５１、駆動部５２および光カプラ５３を備える。

光カプラ５３は、入力光を２分岐し、一方の信号光を駆動部５２へ送出し、他方の信号光をＳＯＡチップ５１へ送出する。駆動部５２は、入力光の光レベルにもとづいて印加電圧を発生し、該印加電圧のレベルに対応した電流値の駆動電流がＳＯＡチップ５１に流れる。

ＳＯＡチップ５１は、駆動電流の大きさにもとづいてゲインを変化させて、入力した信号光を増幅して出力する。このように、ＳＯＡ５０内のＳＯＡチップ５１は、電気の入力端子と光の入出力端子を持っており、駆動電流の大きさに応じてゲインを変化させて光増幅を行う。

図８はＳＯＡの電圧−電流特性を示す図である。横軸は印加電圧であり、縦軸は駆動電流である。印加電圧の値が、ＳＯＡチップ５１の発光閾値電圧Ｔｈ（約０．６Ｖ）よりも小さい範囲Ｈ１に位置している場合は、ゲートＯＦＦとなる。

また、印加電圧の値が発光閾値電圧Ｔｈよりも大きい範囲Ｈ２に位置している場合は、ゲートＯＮとなって、印加電圧から生成される駆動電流の大きさに比例したゲインで光増幅が行われる。

図９はＳＯＡの等価回路を示す図である。ＳＯＡ５０は、電気的な等価回路としてはＬＲフィルタ回路として示すことができる。ＬＲフィルタ回路５０ａは、コイルＬ１と抵抗Ｒ１を含む。コイルＬ１の一端は、電圧が印加される入力端子であり、他端は抵抗Ｒ１の一端と接続する。抵抗Ｒ１の他端はＧＮＤに接続する。

このようなＬＲフィルタ回路５０ａでは、電圧を印加してから所定の駆動電流が流れるまでに時間的な遅れが生じる。具体的には、発光閾値電圧Ｔｈを下回る電圧の範囲Ｈ１から発光閾値電圧Ｔｈを超える電圧の範囲Ｈ２へ印加電圧がまたぐとき、抵抗Ｒ１が高く見えるために（数百ｋΩ）、所定の駆動電流の値に達するまでに遅れが生じてしまう。

図１０は印加電圧と駆動電流との対応関係を示す図である。グラフｇ１の横軸は時間、縦軸は印加電圧である。グラフｇ２の横軸は時間、縦軸は駆動電流である。
印加電圧の値Ｖ１（＞発光閾値電圧Ｔｈ）を生成し、印加電圧Ｖ１にもとづく駆動電流Ｉ１をＳＯＡチップ５１へ流すものとする。時刻Ｔ１において、印加電圧が０からＶ１へ遷移した場合、図８で示した範囲Ｈ１から範囲Ｈ２をまたぐ印加電圧が発生したことになる。すると、駆動電流は、時刻Ｔ１で即時に値Ｉ１に到達せずに、時刻Ｔ２になって所望の電流値Ｉ１に達しており、時刻（Ｔ２−Ｔ１）分だけ遅れが生じる。

次に印加電圧のエッジ強調について図１１〜図１３を用いて説明する。上記のように、発光閾値電圧Ｔｈを下回る電圧の範囲Ｈ１から発光閾値電圧Ｔｈを超える電圧の範囲Ｈ２へ印加電圧がまたぐ場合、所定の駆動電流の値になるまでに遅れが生じてしまう。このような遅れを減少させるために、印加電圧の立ち上がり波形にエッジ強調を施して、駆動電流の立ち上がりを早める制御を行う。

図１１はエッジ強調を行った印加電圧を示す図である。横軸は時間、縦軸は印加電圧である。点線波形ｋ１は、エッジ強調を施していない印加電圧であり、実線波形ｋ２は、エッジ強調を施した印加電圧である。

エッジ強調が施された印加電圧の立ち上がり波形ｋ２では、電圧Ｖ１を超える電圧Ｖ１ａが瞬間的に与えられている。その後、印加電圧は、時間経過に伴って電圧値Ｖ１に遷移して、電圧値Ｖ１で定常状態となる。

図１２は駆動電流の遷移状態を示す図である。横軸は時間、縦軸は駆動電流である。点線波形ｋ３は、エッジ強調を施していない印加電圧に対応する駆動電流であり、実線波形ｋ４は、エッジ強調を施した印加電圧に対応する駆動電流である。

ここで、印加電圧Ｖ１が供給されたときに対応する駆動電流の定常的な値をＩ１とする。また、駆動電流Ｉ１の値を１００％としたとき、９０％に該当する電流値を駆動電流Ｉ１ｂとし、駆動電流の値が０％から値Ｉ１ｂの９０％に達するまでに要する時間を駆動電流の立ち上がり時間とする。

印加電圧にエッジ強調を施したときの波形ｋ４の駆動電流の立ち上がり時間は、時間Ｔａであり、印加電圧にエッジ強調を施さないときの波形ｋ３の駆動電流の立ち上がり時間は、時間Ｔｂである。Ｔａ＜Ｔｂであり、印加電圧にエッジ強調を施すことにより、駆動電流の立ち上がり時間が早くなることがわかる。

図１３はエッジ強調回路の構成例を示す図である。エッジ強調回路７は、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ２、Ｒ３を含む。コンデンサＣ１の一端は、抵抗Ｒ２の一端と入力端子とに接続する。コンデンサＣ１の他端は、抵抗Ｒ２の他端と、抵抗Ｒ３の一端と、出力端子とに接続する。抵抗Ｒ３の他端はＧＮＤに接続する。このような回路構成によって、入力パルスの立ち上がり波形にエッジ強調を施す。

次にエッジ強調の問題点について図１４、図１５を用いて説明する。印加電圧に対して、上記のようなエッジ強調を行う場合、入力光パワーの変動に応じた大きさでエッジ強調を行うことになる。

図１４はエッジ強調を示す図である。グラフｇ１１〜ｇ１３において、横軸は時間である。また、グラフｇ１１の縦軸はＳＯＡへの入力光パワーであり、グラフｇ１２の縦軸は印加電圧であり、グラフｇ１３の縦軸はＳＯＡからの出力光パワーである。ＳＯＡの入力光パワーの変動に応じた大きさのエッジ強調を与えている理想的な状態を示している。

光パケット信号６１、６２のそれぞれの光パワーＰ１、Ｐ２に応じたエッジ強調の大きさで、印加電圧Ｖａ、Ｖｂの立ち上がりのエッジを強調する。このような印加電圧から生成された駆動電流により、光パケット信号６１、６２がＡＬＣ増幅されることで、増幅光の波形には歪みのない出力が得られる。

このように、エッジ強調の大きさを変えるパラメータ（高さおよび時定数）を、光パケット信号の光パワーに応じて変えて印加電圧のエッジ強調を行うことにより、ＳＯＡから波形歪みのない光パワー一定の増幅光が出力される。

しかし、図１４で上述したようなエッジ強調は、理想的な動作であって、光パケット信号の入力光パワーの変化に応じてエッジ強調のパラメータを適応的に変えることは困難である。

なぜなら、エッジ強調回路は、図１３で示したように、コンデンサおよび抵抗から構成される時定数回路であるので、入力光パワーに応じて、抵抗値や静電容量値といった回路時定数を高速（ナノ秒オーダ）で切り替えることは、現実的に困難であるからである。

図１５はエッジ強調を示す図である。グラフｇ１１ａ〜ｇ１３ａにおいて、横軸は時間である。また、グラフｇ１１ａの縦軸はＳＯＡへの入力光パワーであり、グラフｇ１２ａの縦軸は印加電圧であり、グラフｇ１３ａの縦軸はＳＯＡからの光出力パワーである。ＳＯＡの入力光パワーの変動に対して、固定的なパラメータ（高さおよび時定数）のエッジ強調を行っている状態を示している。

光パケット信号６１、６２のそれぞれの光パワーＰ１、Ｐ２には依存しない、固定的な（平均的な）大きさで、印加電圧Ｖａ、Ｖｂの立ち上がりエッジを強調する。このような、固定的なエッジ強調が行われると、ＳＯＡからの増幅出力光の波形に歪みが生じることになる。例えば、図１５において、光パワーＰ１のように入力光パワーが小さな光パケット信号６１にＡＬＣを行う際は、印加電圧を大きく設定することになる。しかし、固定的な大きさのエッジ強調では、エッジ強調部分が相対的に小さくなるために、ＳＯＡからの光出力パワーの立ち上がり波形がなまってしまう。

また、光パワーＰ２のように入力光パワーが大きな光パケット信号ｓ２にＡＬＣを行う際は、印加電圧を小さく設定することになる。しかし、固定的な大きさのエッジ強調では、エッジ強調部分が相対的に大きくなるために、ＳＯＡからの光出力パワーの立ち上がり波形にオーバーシュートが生じてしまう。

以上説明したように、ＳＯＡの光増幅時には、印加電圧の発生からＳＯＡチップへ駆動電流が流れるまでの時間遅延を抑制するために、印加電圧に対してエッジ強調が施される。しかし、ＳＯＡに対する入力光パワーに変化がある場合に、その変化に合わせずに固定的な大きさのエッジ強調を印加電圧に施すと、ＳＯＡからの増幅出力光に波形歪みが生じるといった問題があった。

次に光増幅装置１ａの構成および動作について説明する。光増幅装置１ａでは、波長間のパワー偏差を抑制する効果の他に、さらに上記のようなエッジ強調時の問題を解決して、良好な光ゲートスイッチングを行うものである。

図１６は光増幅装置の構成例を示す図である。光増幅装置１ａは、ＳＯＡ１０、３０および光フィルタ２０を備える。ＳＯＡ１０は、光カプラ１１、フォトディテクタ１２、光パワー測定部１３、駆動部１４、ＳＯＡチップ１５および光遅延線ｆａを含み、ＡＬＣ動作を行う。なお、駆動部１４は、テーブル管理部１４ａを含む。

ＳＯＡ３０は、出力光パワー設定部３１、駆動部３２およびＳＯＡチップ３３を含み、ＡＧＣ動作を行う。また、ＡＧＣで増幅した光のゲートスイッチングを行う。なお、駆動部３２は、エッジ強調回路３２ａを含む。

ＳＯＡ１０の動作において、光カプラ１１は、入力した信号光を２分岐する。２分岐された一方の信号光は、光遅延線ｆａを通じてＳＯＡ１５へ送出される。また、２分岐された他方の信号光は、フォトディテクタ１２へ送出される。

フォトディテクタ１２は、受信した信号光を電気信号に変換する。該電気信号は、光パワー測定部１３およびＳＯＡ３０内の駆動部３２へ送出される。光パワー測定部１３は、電気信号のレベルから光パワー（光ピークパワー）を測定する。

テーブル管理部１４ａは、光パワーと印加電圧との対応テーブルの管理を行う（テーブル内容は外部から書き替えが可能）。駆動部１４は、対応テーブルにもとづいて、光パワー測定部１３で測定された光パワーに該当する印加電圧を発生させる。また、印加電圧発生部は、光入力がないときであっても、発光閾値電圧Ｔｈを超える電圧を発生し続ける。

ＳＯＡチップ１５は、印加電圧に応じた駆動電流が流れて、駆動電流によりゲインを変えて、受信した信号光のＡＬＣ増幅を行う。なお、光遅延線ｆａは、信号光がフォトディテクタ１２で受光されて駆動電流が生成するまでの制御に要する時間分、信号光を遅延させる。

ＳＯＡ３０の動作において、出力光パワー設定部３１は、外部設定（ユーザ等から設定）された出力光パワーを設定する。駆動部３２は、フォトディテクタ１２からの出力信号から、光入力があるか否かを判断し、光入力がある場合は、外部から設定された出力光パワーに対応する印加電圧を発生する。また、光入力がない場合は、発光閾値電圧Ｔｈより低い電圧を出力する。

また、印加電圧の生成時には、エッジ強調回路３２ａによって、印加電圧の立ち上がりエッジを強調する。この場合、エッジ強調のパラメータ（レベルおよび時定数）は、入力光パワーに依存しない固定的な値でエッジ強調を施す。ＳＯＡチップ３３は、印加電圧に応じた駆動電流が流れて、駆動電流にもとづいて、ゲイン一定で増幅した信号光の光ゲートスイッチングを行う。

次にＳＯＡ１０のＡＬＣ動作について説明する。図１７はＡＬＣ動作を示す図である。グラフｇ２１〜ｇ２３において、横軸は時間である。また、グラフｇ２１の縦軸はＳＯＡ１０への入力光パワーであり、グラフｇ２２の縦軸は印加電圧であり、グラフｇ２３の縦軸はＳＯＡ１０からの光出力パワーである。

ＳＯＡ１０は、光パケット信号６１、６２の入力がある場合は、光パワーＰ１、Ｐ２にもとづく印加電圧を発生して所望のゲインを得るが、光パケット信号の入力が無い時間帯であっても、発光閾値電圧Ｔｈを超える電圧を発生し保持するようにする。すなわち、ゲートＯＦＦとならないように発光閾値電圧Ｔｈを超え、かつゲートＯＮとなる電圧値よりも低い電圧となるような範囲内での電圧を発生して保持する。

したがって、発光閾値電圧Ｔｈを超える電圧を常に生成するので、発光閾値電圧Ｔｈより低い電圧から発光閾値電圧Ｔｈをまたぐといった電圧制御は行わない。このため、ＳＯＡ１０には、エッジ強調回路は不要となるので、回路規模を削減できる。ただし、光パケット信号の入力が無い時間帯でも、発光閾値電圧Ｔｈを超える電圧を発生しているので、この時間帯では、ＳＯＡ１０から雑音光が放出することになる。

図１８はＡＧＣで増幅した光のゲートスイッチングの動作を示す図である。グラフｇ３１〜ｇ３３において、横軸は時間である。また、グラフｇ３１の縦軸はＳＯＡ３０への入力光パワーであり、グラフｇ３２の縦軸は印加電圧であり、グラフｇ３３の縦軸はＳＯＡ３０からの光出力パワーである。

ＳＯＡ３０には、ＳＯＡ１０のＡＬＣ動作によって時間方向には同一レベルの光パケット信号６１ａ、６２ａが入力し、光パケット信号６１ａ、６２ａをＡＧＣにより増幅する。この場合、ゲートスイッチングを行うので、発光閾値電圧Ｔｈをまたがる印加電圧の制御を行うことになり、エッジ強調回路を備えることになる。

ただし、ＳＯＡ３０に入力される光パケット信号６１ａ、６２ａは、ＳＯＡ１０のＡＬＣ動作によって時間方向には一定レベルに揃っている。このため、ＳＯＡ３０への入力光パワーは光信号が存在している時間帯だけ見ると、時間方向には変化がなく一定であるので、エッジ強調のパラメータ（大きさ）は固定でよい。また、ＳＯＡ３０でゲートスイッチングを行うことにより、ＳＯＡ１０から放出された雑音光も遮断されることになる。

以上説明したように、光増幅装置１ａでは、まず、ＳＯＡ１０において駆動電流の可変制御によるＡＬＣを行う。この場合、光入力が無い時間帯でも発光閾値電圧Ｔｈを超える電圧を発生させるように制御した。これにより、エッジ強調回路が不要となり、回路規模の削減を図ることができる。

また、光フィルタ２０に対し、ＳＯＡ１０におけるＷＤＭ入力信号光のＡＬＣ増幅時に生じるゲインチルトを補償する透過特性とＳＯＡ３０によるＡＧＣ増幅時に生じるゲインチルトをＳＯＡ３０への入力前に予め補償する透過特性の積である透過特性を持たせてフィルタリングを行う構成とした。これにより、光フィルタ２０の光出力にはＳＯＡ３０によるＡＧＣ増幅時に生じるゲインチルトの逆特性となる逆チルトが付いた波長間パワー偏差がついて出力され、その光出力がＡＧＣ増幅状態のＳＯＡ３０に入力されていることにより、ＳＯＡ３０の光出力での波長間のパワー偏差を抑制することができる。

さらに、ＳＯＡ３０では、駆動電流の一定制御によるＡＧＣを行い、一定値の駆動電流のスイッチング制御により、ＡＧＣで増幅されたゲートスイッチングを行う。ゲートスイッチングを行うので、エッジ強調を要するが、光フィルタ２０からは時間方向には一定レベルの信号光が出力されるので、固定のパラメータによるエッジ強調を行えばよく、ＳＯＡ３０からの出力光波形に歪みをもたらす要因を削除することができる。

また、ＳＯＡ１０では、光入力が無い時間帯でも発光閾値電圧Ｔｈを超える電圧を発生させているので、この時間帯では、ＳＯＡ１０から放出された雑音光が光フィルタ２０を介してＳＯＡ３０に入力するが、ＳＯＡ３０では、消光比の高いゲートスイッチングを行うので、ゲートＯＦＦ時の雑音光を効率よく遮断することができる。

ここで、光フィルタ２０は、ＳＯＡ１０およびＳＯＡ３０の波長方向のゲインチルトを補償する透過特性を備え、信号光の波長方向のパワー偏差を低減する効果を有するが、一定レベルの信号光をＳＯＡ３０に入力することで、固定のパラメータによるエッジ強調を行い、出力光波形に歪みをもたらす要因を削除するためには、光フィルタ２０はなくてもよい。

次に複数の光増幅装置１ａを含む装置構成について説明する。図１９は光増幅装置の構成例を示す図である。光増幅装置２は、波長分波部４１、波長合波部４２および光増幅部１ａ−１〜１ａ−ｎを含む。

波長分波部４１は、ＷＤＭ信号光を受信して、ＷＤＭ信号光の波長分波を行い、波長間隔を広げたｎ本の分波信号光を生成して出力する。光増幅部１ａ−１〜１ａ−ｎは、ＳＯＡ１０、３０および光フィルタ２０を含み、図１６で上述した同じ内部構成を有する。波長合波部４２は、光増幅部１ａ−１〜１ａ−ｎ内のｎ個のＳＯＡ３０から出力されたｎ本の信号光の波長合波を行う。

次に光増幅装置２の具体的な構成例について説明する。なお、光増幅部１ａ−１〜１ａ−ｎとしては、２チャンネル（ｎ＝２）であるとし、光増幅部１ａ−１、１ａ−２とする。

図２０は波長分波・合波にインターリーバを使用した光増幅装置の構成例を示す図である。光増幅装置２−１は、インターリーバ４１ａ、４２ａおよび光増幅部１ａ−１、１ａ−２を備える。光増幅部１ａ−１は、ＳＯＡ１０−１、３０−１および光フィルタ２０−１を含む。光増幅部１ａ−２は、ＳＯＡ１０−２、３０−２および光フィルタ２０−２を含む。

インターリーバ４１ａは、ＷＤＭ信号光を受信すると、奇数チャネルの波長の信号光と、偶数チャネルの波長の信号光とに分波する。例えば、波長チャネルｃｈ１〜ｃｈ４の各波長が多重されているＷＤＭ信号光の分波に対し、波長チャネルｃｈ１、ｃｈ３の信号光を光増幅部１ａ−１側へ送信し、波長チャネルｃｈ２、ｃｈ４の信号光を光増幅部１ａ−２側へ送信する。

光増幅部１ａ−１、１ａ−２ではそれぞれ、入力した信号光に対して上述した光増幅制御を行う。インターリーバ４２ａは、光増幅部１ａ−１で増幅された波長チャネルｃｈ１、ｃｈ３の信号光と、光増幅部１ａ−２で増幅された波長チャネルｃｈ２、ｃｈ４の信号光とを合波して出力する。

ここで、狭いグリッドで各波長の信号光が配置されたＷＤＭ信号光をＳＯＡで増幅すると、例えば、４光波混合（ＦＷＭ：Four Wave Mixing）などの光干渉現象が起きて、信号劣化が生じるおそれがある。

これに対して、上記のような光増幅装置２−１では、インターリーバ４１ａを用いて、ＷＤＭ入力光の波長間隔を広げて、波長間隔を広げた信号光をＳＯＡで光増幅する構成とした。

これにより、４光波混合のような隣接波長チャネル間での相互干渉の発生を抑制することができ、高品質な光増幅を行うことが可能になる。なお、インターリーバ４１ａ、４２ａの挿入損失は、光増幅部１ａ−１、１ａ−２で補償される。

次に波長分波部４１および波長合波部４２に波長選択スイッチ（ＷＳＳ：wavelength selective switch）を使用した構成例について説明する。上記のように波長分波部４１にインターリーバを使用することにより、波長間隔を広げたＷＤＭ信号光をＳＯＡに入力することができ、これにより、４光波混合などの光干渉障害を抑制することができる。

ただし、インターリーバを使用して奇数チャネルと偶数チャネルに分けて、波長間隔を広げると、インサービス中の波長チャネルの配置次第では、分波される波長に片寄りが生じる場合がある。

図２１は波長の片寄り状態を示す図である。インターリーバ４１ａの入力に対し、波長チャネルｃｈ１、ｃｈ３、ｃｈ５、ｃｈ７、ｃｈ９、ｃｈ１０が多重化されたＷＤＭ信号光が入力するものとする。

このような入力に対して、奇数チャネルと偶数チャネルに分けて、単純に飛び飛びの波長に分波すると、光増幅部１ａ−１には、波長チャネルｃｈ１、ｃｈ３、ｃｈ５、ｃｈ７、ｃｈ９が送信され、光増幅部１ａ−２には、波長チャネルｃｈ１０が送信されることになる。このように、インサービス中の波長チャネルの配置次第では、分波される波長に片寄りが生じる場合がある。

図２２は波長分波・合波にＷＳＳを使用した光増幅装置の構成例を示す図である。光増幅装置２−２は、ＷＳＳ４１ｂ、４２ｂおよび光増幅部１ａ−１、１ａ−２を備える。
ＷＳＳ４１ｂは、ＷＤＭ信号光を受信すると、波長数が均等（略均等）になるように分波する（どの波長を分波するかの設定は外部から任意に設定可能である）。例えば、波長チャネルｃｈ１、ｃｈ３、ｃｈ５、ｃｈ７、ｃｈ９、ｃｈ１０の各波長が多重されているＷＤＭ信号光に対し、波長チャネルｃｈ１、ｃｈ５、ｃｈ９と、波長チャネルｃｈ３、ｃｈ７、ｃｈ１０とに分波する。波長チャネルｃｈ１、ｃｈ５、ｃｈ９は、光増幅部１ａ−１へ送信され、波長チャネルｃｈ３、ｃｈ７、ｃｈ１０は、光増幅部１ａ−２へ送信される。

光増幅部１ａ−１、１ａ−２ではそれぞれ、入力した信号光に対して上述した光増幅制御を行う。ＷＳＳ４２ｂは、光増幅部１ａ−１で増幅された波長チャネルｃｈ１、ｃｈ５、ｃｈ９の信号光と、光増幅部１ａ−２で増幅された波長チャネルｃｈ３、ｃｈ７、ｃｈ１０の信号光とを合波して出力する。

上記のように、インターリーバの代わりにＷＳＳを使用することで、波長数を均等に割り振ることが可能になる。なお、ＷＳＳ４１ｂ、４２ｂの挿入損失は、光増幅部１ａ−１、１ａ−２で補償される。

次にＳＯＡの集積化について説明する。光増幅部１ａ−１、１ａ−２内のＳＯＡ１０−１、１０−２、３０−１、３０−２は、集積化して１つのモジュールとして構成することができる。

図２３はＳＯＡの集積化を示す図である。ＳＯＡ集積化の例として、図２０で示した光増幅装置２−１のＳＯＡ１０−１、１０−２、３０−１、３０−２を集積化した場合の構成を示している。

光増幅装置２ａ−１は、インターリーバ４１ａ、４２ａ、ＳＯＡ集積モジュール１００、光フィルタ２０−１、２０−２を備える。
ＳＯＡ集積モジュール１００には、ＳＯＡ１０−１、１０−２、３０−１、３０−２が含まれている。ＳＯＡの配置としては、一定値の駆動電流のＯＮ／ＯＦＦによるスイッチング制御で、光ゲートスイッチングを行うＳＯＡ３０−１、３０−２を外側の２チャネルに配置し、ＡＬＣ動作を行うＳＯＡ１０−１、１０−２を内側の２チャネルに配置して集積化する。

このように、駆動電流のスイッチング制御でゲートスイッチングを行うＳＯＡ３０−１、３０−２を互いに離した位置に配置し、ＳＯＡ３０−１、３０−２の間に、ＡＬＣを行うＳＯＡ１０−１、１０−２を配置して集積化する。これにより、電気的なスイッチングノイズによるクロストークを抑制することが可能になる。

なお、ＡＬＣ動作を行うＳＯＡ１０−１、１０−２に対して、駆動部１４とＳＯＡチップ１５との間にローパスフィルタを挿入する構成としてもよい。これにより、ＳＯＡ３０−１、３０−２からのスイッチングノイズの影響をさらに抑制することが可能になる。

以上、実施の形態を例示したが、実施の形態で示した各部の構成は同様の機能を有する他のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や工程が付加されてもよい。

１ 光増幅装置
１０ 半導体光増幅部（ＳＯＡ）
２０ 光フィルタ

Claims (9)

1. 入力光を増幅する前段半導体光増幅部と、
   前記前段半導体光増幅部からの増幅光を増幅する後段側半導体光増幅部を有し、
   前記前段半導体光増幅部は、内部の光増幅素子の発光閾値電圧より高い値の印加電圧に応じて流れる駆動電流の可変制御によって、前記出力光パワー一定制御を行い、
   前記後段側半導体光増幅部は、駆動電流のスイッチング制御により、透過光のゲートスイッチングを行うことを特徴とする光増幅装置。
2. 前記後段側半導体光増幅部は、固定のパラメータでエッジ強調を施した印加電圧に対して流れる一定値の駆動電流のスイッチング制御により、ゲイン一定で前記透過光のゲートスイッチングを行うことを特徴とする請求項１記載の光増幅装置。
3. 前記前段半導体光増幅部からの出力光のフィルタリングを行い、前記後段側半導体光増幅部へ透過光を出力する光フィルタを更に備え、
   前記光フィルタは、波長多重されている前記入力光に対して、前記前段半導体光増幅部で出力光パワー一定制御が行われた際に生じる波長方向のゲインチルトを補償する透過特性によって、前記前段半導体光増幅部からの出力光のフィルタリングを行うことを特徴とする請求項１記載の光増幅装置。
4. 入力波長多重信号光を受信して、前記入力波長多重信号光の波長分波を行い、波長間隔を広げたｎ本の分波信号光を生成して出力する波長分波部と、
   前記分波信号光を増幅する第１の半導体光増幅部と、前記分波信号光が波長多重信号光の場合に、前記第１の半導体光増幅部で出力光パワー一定制御が行われた際に生じる波長方向のゲインチルトを減少させる透過特性と、第２の半導体光増幅部で生じるゲインチルトを予め補償する透過特性の積である透過特性によって、前記第１の半導体光増幅部からの出力光のフィルタリングを行う光フィルタと、前記光フィルタからの透過光を増幅する第２の半導体光増幅部とを備えるｎ個の光増幅部と、
   ｎ個の前記第２の半導体光増幅部から出力されたｎ本の信号光の波長合波を行う波長合波部と、
   を有することを特徴とする光増幅装置。
5. 前記第１の半導体光増幅部は、内部の光増幅素子の発光閾値電圧より高い値の印加電圧に応じて流れる駆動電流の可変制御によって、前記出力光パワー一定制御を行うことを特徴とする請求項４記載の光増幅装置。
6. 前記第２の半導体光増幅部は、固定のパラメータでエッジ強調を施した印加電圧に対して流れる一定値の駆動電流のスイッチング制御により、ゲイン一定で増幅した光のゲートスイッチングを行うことを特徴とする請求項４記載の光増幅装置。
7. 前記波長分波部は、インターリーバを用いて前記波長分波を行うことを特徴とする請求項４記載の光増幅装置。
8. 前記波長分波部は、波長選択スイッチを用いて前記波長分波を行うことを特徴とする請求項４記載の光増幅装置。
9. 前記第２の半導体光増幅部の間に前記第１の半導体光増幅部を配置して、前記第１の半導体光増幅部と前記第２の半導体光増幅部とを集積化することを特徴とする請求項４記載の光増幅装置。

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