JP2013236115A - 光増幅器及び光増幅方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光増幅器の製造コストを削減する。
【解決手段】第１の波長の励起光を出力する第１の励起光源１６と、前記第１の波長とは異なる第２の波長の励起光を出力する第２の励起光源１７と、前記第１の励起光源１６からの出力と前記第２の励起光源１７からの出力とを合波して波長多重された励起光を出力する合波部１８と、前記合波部１８により出力される前記波長多重された励起光を用いて入力信号光を増幅する第１の希土類添加媒質３と、前記第１の希土類添加媒質３から出力される残留励起光を用い、増幅された前記入力信号光をさらに増幅する第２の希土類添加媒質７と、前記入力信号光の入力レベルに基づいて、前記励起光に含まれる、前記第１の波長の励起光のパワーと前記第２の波長の励起光のパワーとの比率を制御するパワー比率制御部１９と、をそなえる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、光増幅器及び光増幅方法に関する。前記光増幅方法は、例えば、励起光により信号光を光増幅可能な光増幅器に用いることができる。

マルチメディアネットワークの進展に伴い、通信トラフィックの需要は飛躍的に増大している。
このため、例えば、ＥＤＦ（Erbium Doped Fiber）を増幅媒体として用いた光増幅器により波長多重信号光〔ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）光〕を光増幅して多中継伝送する光伝送システムが、マルチメディア社会における通信システムの経済化を図る上で大きな役割を果たしている。

ここで、上記ＥＤＦの増幅効率は、Ｃバンド帯域（１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍ）の入力信号光に対して大きいことから、ＷＤＭ光の波長帯粋としては、一般的に、Ｃバンド帯域が用いられる。
また、ＥＤＦの励起光の波長帯域としては、雑音指数〔ＮＦ（Noise Figure）〕に優れ、近年、ハイパワー化が進んでいる０．９８μｍ帯が用いられることがある。

なお、光増幅器に関する技術として、例えば、前段の光増幅部（例えば、ＥＤＦ）と後段の光増幅部（例えば、ＥＤＦ）との間に、可変光減衰器（Variable Optical Attenuator：ＶＯＡ）を設ける構成が知られている。
例えば、下記特許文献１には、前段側利得制御部及び後段側利得制御部それぞれの出力レベルが一定レベルになるように、可変光減衰器の減衰量を制御する一方、装置入力レベルまたは分散補償による段間ロス量の変動時に、複数の可変光減衰器に対して、雑音指数が最適となるように減衰量を分配させるため、第２の光増幅部及び第４の光増幅部それぞれに利得目標値を設定して、第１の光増幅部から第４の光増幅部までの利得和を一定に制御する光増幅器が記載されている。

また、下記特許文献２には、信号光が、励起用レーザ光源から出力された励起光が供給されたＡｌ添加ＥＤＦにより増幅された後、可変光減衰器により減衰され、さらに、励起用レーザ光源から出力された励起光が供給されたＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦおよびＡｌ添加ＥＤＦにより増幅される光ファイバ増幅器が記載されている。ＥＤＦにＡｌを添加することにより、エルビウムを結晶化させることなく均等に分散させるとともに、Ｃ−バンド帯域における強発光帯域（１．５５μｍ帯）を拡げることができる。また、ＥＤＦにＰを添加することにより、Ｌ−バンド帯域における増幅帯域を拡げることができる。

特開２００３−２５８３４６号公報 特開平１０−１４４９８４号公報

上述した光増幅器では、前段及び後段の各ＥＤＦに入出力される信号光（例えば、ＷＤＭ光）のトータルパワーを監視し、当該監視結果に基づいて、各ＥＤＦにおける増幅利得を一定に制御〔ＡＧＣ（Auto Gain Control）〕することがある。
また、信号光の入力レベルの変動に応じて、各ＥＤＦの間に設けられたＶＯＡの減衰量を変化させることにより、入力レベルの変動に対する出力波長特性の平坦性を維持しつつ所定の出力レベルを保つように前記減衰量を制御することがある。

しかしながら、上記の光増幅器構成には、ＥＤＦ毎にＡＧＣの制御ループが存在するので、入力信号光の波長増減設時に、ＡＧＣの制御遅れが２倍にみえる場合がある。
また、上記の光増幅器構成では、ＥＤＦ毎に励起光源〔例えば、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）〕を設けるので、光増幅器の製造コストが増大する。
さらに、励起光源に要求される励起光パワーが大きくなる傾向にあり、励起光源の製造コストが増大する場合がある。

以上から、本発明は、光増幅器の製造コストを削減することを目的の１つとする。

（１）第１の案として、第１の波長の励起光を出力する第１の励起光源と、前記第１の波長とは異なる第２の波長の励起光を出力する第２の励起光源と、前記第１の励起光源からの出力と前記第２の励起光源からの出力とを合波して波長多重された励起光を出力する合波部と、前記合波部により出力される前記波長多重された励起光を用いて入力信号光を増幅する第１の希土類添加媒質と、前記第１の希土類添加媒質から出力される残留励起光を用い、増幅された前記入力信号光をさらに増幅する第２の希土類添加媒質と、前記入力信号光の入力レベルに基づいて、前記励起光に含まれる、前記第１の波長の励起光のパワーと前記第２の波長の励起光のパワーとの比率を制御するパワー比率制御部と、をそなえた光増幅器を用いることができる。

（２）また、第２の案として、第１の波長の励起光を出力する第１の励起光源と、前記第１の波長とは異なる第２の波長の励起光を出力する第２の励起光源と、前記第１の励起光源からの出力と前記第２の励起光源からの出力とを合波して波長多重された励起光を出力する合波部と、前記合波部により出力される前記波長多重された励起光を用いて入力信号光を増幅する第１の希土類添加媒質と、前記第１の希土類添加媒質から出力される残留励起光を用い、増幅された前記入力信号光をさらに増幅する第２の希土類添加媒質と、をそなえた光増幅器の光増幅方法であって、前記入力信号光の入力レベルをモニタし、前記モニタした入力レベルが高いほど、前記第１の波長よりも前記第１の希土類添加媒質における励起光の吸収量が少ない前記第２の波長の励起光の前記波長多重された励起光におけるパワー比率を大きくする、光増幅方法を用いることができる。

光増幅器の製造コストを削減することが可能となる。

一実施形態に係る光増幅器の構成の一例を示す図である。 入力信号光のレベルダイヤの一例を示す図である。 励起光吸収量の一例を示す図である。 一実施形態に係る光増幅器の構成の一例を示す図である。 ＥＤＦでの励起光吸収量の波長依存特性の一例を示す図である。 一実施形態に係る制御方法の一例を示す図である。 入力信号光のレベルダイヤの一例を示す図である。 励起光吸収量の一例を示す図である。 第１のＥＤＦにおける反転分布の一例を示す図である。 第２のＥＤＦにおける反転分布の一例を示す図である。 第１変形例に係る光増幅器の構成の一例を示す図である。 第１変形例に係る制御方法の一例を示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態を説明する。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも例示に過ぎず、以下に示す実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本実施形態を、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（各実施形態及び各変形例を組み合わせる等）して実施することができる。
〔１〕一実施形態
（１．１）光増幅器１００の構成例
図１は一実施形態に係る光増幅器１００の構成の一例を示す図である。

この図１に示す光増幅器１００は、例示的に、分岐部１と、合波部２と、第１のＥＤＦ３と、分波器４と、ＶＯＡ５と、合波器６と、第２のＥＤＦ７と、分岐部８とをそなえる。さらに、光増幅器１００は、例示的に、利得目標値算出部９と、利得誤差検出部１０と、パワー制御部１１と、波長固定励起ＬＤ１２と、ＶＯＡ制御部１３とをそなえる。
ここで、分岐部１は、光増幅器１００への入力信号光をパワー分岐する。分岐部１には、例えば、光カプラ（スプリッタ）などの光分岐ユニットを用いることができる。分岐部１によりパワー分岐された入力信号光は、合波部２，利得目標値算出部９，利得誤差検出部１０及びＶＯＡ制御部１３にそれぞれ分配される。なお、入力信号光は、ＷＤＭ光であってもよいし、単一波長の信号光であってもよい。また、入力信号光の波長帯は、例えば、第１のＥＤＦ３及び第２のＥＤＦ７での増幅効率が大きいＣバンド帯域とすることができる。

波長固定励起ＬＤ１２は、予め設定された固定波長を有する励起光を生成、出力する。波長固定励起ＬＤ１２により生成、出力された励起光は、合波部２に入力される。ここで、励起光の波長帯域は、Ｃバンド帯域の入力信号光への増幅寄与が大きい０．９８μｍ帯とすることができる。
合波部２は、分岐部１からの入力信号光と波長固定励起ＬＤ１２からの励起光とを合波して、第１のＥＤＦ３へ出力する。合波部２には、例えば、光カプラなどの光合波ユニットを用いることができる。

第１のＥＤＦ３は、波長固定励起ＬＤ１２からの励起光を用いて入力信号光を光増幅する希土類添加媒質〔例えば、光ファイバ、平面光導波路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）など〕である。第１のＥＤＦ３には、例えば、エルビウム（Ｅｒ）やツリウム（Ｔｍ）などの希土類イオンを添加（ドープ）したファイバを用いることができる。また、第１のＥＤＦ３のファイバ長は、例えば、波長固定励起ＬＤ１２により生成された励起光の一部を吸収しつつも、後段の第２のＥＤＦ７に励起光の一部（残留励起光）を出力する程度の長さであることが好ましい。

分波器４は、第１のＥＤＦ３により光増幅された入力信号光と第１のＥＤＦ３から出力される励起光（残留励起光）とを分離（分波）する。分波器４には、例えば、波長選択フィルタなどを用いることができる。分波器４により分波された信号光は、ＶＯＡ５の方路へ出力される一方、分波器４により分波された残留励起光は、ＶＯＡ５を迂回（回避）する方路へ出力される。これにより、信号光をＶＯＡ５に入力できる一方、残留励起光は、ＶＯＡ５を回避させて、第２のＥＤＦ７に入力することができる。

ＶＯＡ５は、ＶＯＡ制御部１３による制御に基づいて、分波器４からの信号光を減衰させる。ＶＯＡ５により減衰された信号光は、合波器６に入力される。
即ち、ＶＯＡ５は、第１のＥＤＦ３と第２のＥＤＦ７との間に挿入され、前記第１のＥＤＦ３により増幅された入力信号光を減衰する光減衰器の一例として機能する。
また、分波器４は、第１のＥＤＦ３とＶＯＡ５との間に挿入され、残留励起光を分波してＶＯＡ５を迂回させる分波器の一例として機能する。

合波器６は、ＶＯＡ５からの信号光とＶＯＡ５を迂回（回避）した残留励起光とを合波して、第２のＥＤＦ７へ出力する。合波器６には、例えば、光カプラなどの光合波ユニットを用いることができる。
即ち、合波器６は、ＶＯＡ５と第２のＥＤＦ７との間に挿入され、前記分波器４により分波された残留励起光を合波して第２のＥＤＦ７に入力させる合波器の一例として機能する。

第２のＥＤＦ７は、合波器６からの残留励起光を用いて信号光を光増幅する希土類添加媒質〔例えば、光ファイバ、平面光導波路（ＰＬＣ）など〕である。第２のＥＤＦ７には、第１のＥＤＦ３と同様、例えば、エルビウム（Ｅｒ）やツリウム（Ｔｍ）などの希土類イオンを添加（ドープ）したファイバを用いることができる。また、第２のＥＤＦ７の媒質長（例えば、ファイバ長）は、上記第１のＥＤＦ３の媒質長よりも長く、第１のＥＤＦ３からの残留励起光を漏れなく吸収できる程度の長さであることが好ましい。

なお、図１に例示するように、光増幅器１００における第１のＥＤＦ３及び第２のＥＤＦ７での励起光の方向は、前方励起とすることができる。
分岐部８は、第２のＥＤＦ７から出力される信号光（出力信号光）をパワー分岐する。分岐部８には、例えば、光カプラ（スプリッタ）などの光分岐ユニットを用いることができる。分岐部８によりパワー分岐された出力信号光は、光増幅器１００から出力される一方、利得誤差検出部１０に分配される。

利得目標値算出部９は、分岐部１により分岐された入力信号光の入力レベルを検出し、当該検出結果と、光増幅器１００に要求される出力レベルとに基づいて、光増幅器１００における増幅利得の目標値を算出する。なお、上記入力レベルの検出には、例えば、フォトダイオード〔ＰＤ（Photo Diode）〕などの各種の光検出器を用いることができる。利得目標値算出部９により算出された利得目標値は、利得誤差検出部１０に入力される。

利得誤差検出部１０は、分岐部１により分岐された入力信号光の入力レベルと、分岐部８により分岐された出力信号光の出力レベルとから現状の増幅利得を算出する。そして、現状の増幅利得と、利得目標値算出部９により算出された利得目標値とに基づいて、前記要求される出力レベルを得るための光増幅器１００の増幅利得と現状の増幅利得との誤差（利得誤差）を検出する。利得誤差検出部１０により検出された利得誤差は、パワー制御部１１に入力される。

パワー制御部１１は、利得誤差検出部１０により検出された利得誤差に基づいて、波長固定励起ＬＤ１２により生成される励起光のパワーを制御する。パワー制御部１１は、例えば、利得誤差がプラスの場合は、現状の増幅利得が前記要求される出力レベルを得るための増幅利得よりも利得誤差分だけ大きいと判断し、励起光のパワーを減少させる制御を行なう。一方、利得誤差がマイナスの場合、パワー制御部１１は、例えば、現状の増幅利得が前記要求される出力レベルを得るための増幅利得よりも利得誤差分だけ小さいと判断し、励起光のパワーを増加させる制御を行なう。

また、ＶＯＡ制御部１３は、分岐部１により分岐された入力信号光の入力レベルの変動を検出し、当該検出した入力レベルの変動に基づいて、ＶＯＡ５での減衰量（ロス）を制御する。
上記構成を有する光増幅器１００は、例えば、入力信号光の入力レベルなどに基づき、励起光パワーを制御し、光増幅器１００の出力レベルが所望の出力レベルとなるように、各ＥＤＦ３，７での増幅利得を制御する。一方、光増幅器１００は、例えば、入力信号光の入力レベルの変動に基づいて、ＶＯＡ５でのロスを制御する。これにより、光増幅器１００は、入力レベルの変動に対する出力波長特性の平坦性を維持しつつ、所望の出力レベルを得ることができる。

また、光増幅器１００は、第１のＥＤＦ３で吸収されきらずに漏れ出てきた励起光（残留励起光）が、ＶＯＡ５で減衰されないようにＶＯＡ５を迂回させ、第２のＥＤＦ７に再入力させることにより、波長固定励起ＬＤ（励起光源）１２の数を１個に抑えている。これにより、光増幅器１００の製造コストを削減することが可能となる。
さらに、光増幅器１００は、ＡＧＣの制御ループを１つとすることにより、入力信号光の波長増減設時におけるＡＧＣの制御遅れを抑制することが可能となる。

なお、入力信号光の入力レベル変動によらず平坦な出力レベルを得るべく、光増幅器１００は、例えば、第１のＥＤＦ３と第２のＥＤＦ７との間に、利得等化器〔ＧＥＱ（Gain Equalizer）〕を有してもよい。
（１．２）光増幅器１００の課題
ところで、光増幅器１００の製造コストを決定する要因の１つに、励起光源（例えば、ＬＤ）の製造コストがある。励起光源の製造コストは、例えば、励起光源が生成可能な最大励起光パワーが大きいほど、増大する。

このため、光増幅器１００の製造コストを更に削減するため、例えば、ＬＤに要求される最大励起光パワーを低減することが有効である。
この最大励起光パワーは、ＬＤが設けられる光増幅器の動作条件によって決定される。前記動作条件には、例えば、入力信号光の波長数と、入力信号光の入力レベルとがある。なお、入力信号光は、例えば、入力下限から入力上限までのレベル変動を有するものとする。

ここで、図２及び図３を用いてＬＤの所要励起光パワーが最大となる入力信号光の条件について説明する。
図２は１波当たりの入力信号光パワー（ｄＢｍ／ｃｈ）のレベルダイヤの一例を示す図であり、図３は励起光パワー（ｍＷ）の各ＥＤＦ３，７での吸収量の一例を示す図である。なお、図２及び図３では、一例として、励起光の波長を９８１ｎｍとしたが、励起光の波長はこれに限定されるものではない。

まず、光増幅器１００への入力及び第１のＥＤＦ３への入力時では、図２に示すように、入力上限と入力下限とのレベル差に変化はない。
次に、第１のＥＤＦ３の出力に着目すると、入力下限に対応する出力レベルよりも、入力上限に対応する出力レベルの方が大きいが、第１のＥＤＦ３の増幅利得としては逆に減少している。この増幅利得の減少は、第１のＥＤＦ３の増幅特性によるものである。

また、ＶＯＡ５の減衰量（第１のＥＤＦ３の出力と第２のＥＤＦ７の入力とのレベル差）に着目すると、入力下限と入力上限とのレベル差分だけ、入力上限に対応する減衰量の方が大きい（入力上限の方がより減衰される）。
さらに、第２のＥＤＦ７の出力及び光増幅器１００の出力に着目すると、入力上限に対応する出力レベルと入力下限に対応する出力レベルとはほぼ同レベルとなる。このとき、第２のＥＤＦ７の増幅利得は、入力下限に対応する増幅利得よりも、入力上限に対応する増幅利得の方が大きい。

一方、第１のＥＤＦ３が吸収する励起光量（以下、励起光吸収量という）に着目すると、図３に示すように、入力下限に対応する励起光吸収量よりも、入力上限に対応する励起光吸収量の方が多い。
また、第２のＥＤＦ７での励起光吸収量に着目すると、入力下限に対応する励起光吸収量よりも、入力上限に対応する励起光吸収量の方がやや多いが、第２のＥＤＦ７での励起光吸収量の差は、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量の差よりも少ない。

さらに、第２のＥＤＦ７から漏れ出る励起光の量（以下、励起光漏れ量という）に着目すると、入力上限及び入力下限において、励起光の漏れはほとんどない。これは、第２のＥＤＦ７のファイバ長を、励起光の漏れがなくなる程度の長さとしていることによる。
以上のように、ＬＤの所要励起光パワーは、第１のＥＤＦ７での励起光吸収量が支配的であることから、入力信号光の入力レベルが入力上限である場合において最大となる。また、図２及び図３に示した値は、入力信号光１波当たりの値であるので、入力信号光の波長多重数が大きいほど、ＬＤの所要励起光パワーは大きくなる。

従って、入力信号光の波長多重数が最大波長数、且つ、入力信号光の入力レベルが入力上限である場合に、ＬＤの所要励起光パワーは最大となる。
そこで、入力信号光の入力レベルが大きい場合に、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量を低減することができれば、ＬＤに要求される最大励起光パワーを低減することができるので、光増幅器１００の製造コストを大幅に削減することが可能となる。

しかし、上述したように、入力信号光の入力レベルが大きいほど、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量は多くなる。
さらに、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量の増加に伴い、第２のＥＤＦ７に到達する残留励起光のパワーは減少する。このため、光増幅器１００の出力レベルを所定のレベルに保つべく、第２のＥＤＦ７での残留励起光パワーを確保するためには、第１のＥＤＦ３への入力時により大きな励起光パワーが要求されることとなる。

その結果、入力信号光の波長多重数が大きい場合や、入力信号光の入力レベルが大きい場合に備えて、より大きな励起光パワーを生成可能なＬＤを搭載することとなるので、光増幅器１００の製造コストが増大することがある。
そこで、例えば、以下のような光増幅器２００の構成が考えられる。
（１．３）光増幅器２００の構成例
図４は一実施形態に係る光増幅器２００の構成の一例を示す図である。

この図４に示す光増幅器２００は、例示的に、分岐部１と、合波部２と、第１のＥＤＦ３と、分波器４と、ＶＯＡ５と、合波器６と、第２のＥＤＦ７と、分岐部８とをそなえる。さらに、光増幅器２００は、例示的に、利得目標値算出部９と、利得誤差検出部１０と、パワー制御部１１と、ＶＯＡ制御部１３と、波長制御部１４と、波長可変励起ＬＤ１５とをそなえる。なお、分岐部１，合波部２，第１のＥＤＦ３，分波器４，ＶＯＡ５，合波器６，第２のＥＤＦ７，分岐部８，利得目標値算出部９，利得誤差検出部１０，パワー制御部１１及びＶＯＡ制御部１３は、図１に例示したものと同様の機能を具備する。

ここで、波長可変励起ＬＤ１５は、励起光の波長を変化させて出力できる励起光源である。波長可変励起ＬＤ１５は、例えば、波長制御部１４による制御に応じた可変波長の励起光を生成して、合波部２へ出力する。波長可変励起ＬＤ１５には、例えば、波長可変レーザを用いてもよいし、所定の帯域幅を有する励起光を出力可能なＬＤと所定の波長を選択可能なファイバブラッグレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）とを組み合わせた構成などを用いてもよい。

即ち、上記第１のＥＤＦ３は、波長可変励起ＬＤ１５により出力される前記励起光を用いて入力信号光を増幅する第１の希土類添加媒質の一例として機能する。
また、上記第２のＥＤＦ７は、前記第１のＥＤＦ３から出力される残留励起光を用い、増幅された前記入力信号光をさらに増幅する第２の希土類添加媒質の一例として機能する。

波長制御部１４は、分岐部１により分岐された入力信号光の入力レベルを検出し、当該検出した入力レベルに基づいて、波長可変励起ＬＤ１５から出力される励起光の波長を制御する。
例えば、波長制御部１４は、前記入力レベルが大きいほど、前記励起光の波長を、第１のＥＤＦ３における励起光の吸収量が少ない波長に、前記励起光の波長を制御する。例えば、波長制御部１４は、入力信号光の入力レベルが大きくなるほど、上記第１のＥＤＦ３での励起光吸収量が減少するように前記励起光の波長を制御してもよい。一方、波長制御部１４は、例えば、入力信号光の入力レベルが小さくなるほど、上記第１のＥＤＦ３での励起光吸収量が増加するように前記励起光の波長を制御してもよい。

ここで、図５に第１のＥＤＦ３（または第２のＥＤＦ７）の０．９８μｍ帯での励起光吸収量の波長依存特性の一例を示す。
この図５に例示するように、例えば、９８１ｎｍの励起光に対して、ＥＤＦ３，７の励起光吸収量は最大となる一方、９７７ｎｍの励起光に対しては、ＥＤＦ３，７の励起光吸収量は、９８１ｎｍの励起光に対する励起光吸収量の半分程度となる。

従って、入力信号光の入力レベルが大きいほど、励起光の波長を９８１ｎｍからずらすことにより、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量を低減させることができる。その結果、ＬＤ（励起光源）に要求される最大励起光パワーを低減させることが可能となる。
そこで、本例の波長制御部１４は、例えば、図５に示した特性により得られる、図６の入力レベルと励起波長との関係に基づき、波長可変励起ＬＤ１５により生成、出力される励起光の波長を制御する。

図６に例示するように、波長制御部１４は、例えば、入力レベルが−２０．４（ｄＢｍ／ｃｈ）程度である場合には、波長可変励起ＬＤ１５により生成、出力される励起光の波長を約９８１ｎｍに制御する。そして、入力信号光の入力レベルが大きくなるほど、励起光の波長をシフトさせる。そして、入力レベルが−１５．４（ｄＢｍ／ｃｈ）程度となった場合には、波長制御部１４は、例えば、励起光の波長を約９７７ｎｍに制御する。一方、入力信号光の入力レベルが小さくなっていく場合には、波長制御部１４は、例えば、上記波長制御と逆方向の制御を行なうようにしてもよい。

なお、図５に示したように、励起光の波長を中心波長９８１ｎｍから大きくしていき、約９８５ｎｍに変化させても、励起光の波長を約９７７ｎｍに制御した場合と同等の励起光吸収量を実現することができる。
従って、波長制御部１４は、例えば、入力信号光の入力レベルが大きくなるにつれて、励起光の波長が大きくなる方向にシフトさせることにより、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量を低減させることもできる。

以上のように、光増幅器２００は、入力信号光の入力レベルが大きくなるにつれて、励起光の波長を、ＥＤＦ３，７での励起光吸収量が少ない波長にシフト制御することで、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量を大幅に減少させることができる。また、これに伴い、第１のＥＤＦ３からの残留励起光量を増加させることができるので、第２のＥＤＦ７に入力する残留励起光量を増大させることが可能となる。

なお、上記波長制御に伴い、第２のＥＤＦ７での励起光吸収量も減少するので、第２のＥＤＦ７からの励起光漏れ量も大きくなる傾向にあるが、第２のＥＤＦ７のファイバ長は、予め、励起光漏れ量が十分小さくなるような長さに設定されている。このため、第２のＥＤＦ７からの励起光漏れ量は、無視できる程度となる。なお、この点に鑑み、例えば、波長制御部１４は、第２のＥＤＦ７からの励起光漏れ量が十分無視できる程度に収まるように、励起光の波長をシフト制御することが好ましい。

また、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量が減少する分、第１のＥＤＦ３から出力される信号光の出力レベルが低下するので、第２のＥＤＦ７への信号光の入力レベルも低下し、第２のＥＤＦ７で要求される励起光パワーが増加する傾向にあるが、これは微小な増加量に留まる。なお、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量が減少する分、第１のＥＤＦ３の増幅効率は低下するが、第２のＥＤＦ７に入力される残留励起光量が増加するので、第２のＥＤＦ７の増幅利得は向上する。

以上より、本例の光増幅器２００は、入力信号光の入力レベルが大きくなるほど、励起光波長を第１のＥＤＦ３での励起光吸収量が少なくなる波長にシフト制御することで、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量を低減させることができる。また、これにより、波長可変励起ＬＤ１５が要求される最大励起光パワーを大幅に低減させることができ、光増幅器２００の製造コストを大幅に削減することが可能となる。

なお、光増幅器２００の性能指標の１つにＮＦがあるが、このＮＦは、入力信号光の入力レベルが小さいほど、良い値が要求される性質を有する。また、ＥＤＦのＮＦは、一般的に、ＥＤＦでの励起光吸収量が多いほど、良い値となる。そのため、入力信号光の入力レベルが小さいほど、励起光の波長は、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量が多くなる波長（例えば、９８１ｎｍ）に制御されることが望ましい。逆に、入力信号光の入力レベルが大きくなるほど、入力レベルが小さい場合に比してＮＦに良い値は要求されなくなるので、励起光の波長は、励起光吸収量が少なくなる波長（例えば、９７７ｎｍ）に制御されることができる。

以上のように、光増幅器２００は、入力信号光の入力レベルが大きくなるほど、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量が少ない波長に、励起光波長を制御することにより、第２のＥＤＦ７に到達する残留励起光のパワーを増加させることができる。また、入力信号光の入力レベルが小さくなるほど、励起光吸収量が増加するように励起光波長を制御することにより、ＮＦを向上させることができる。

即ち、光増幅器２００は、入力信号光の入力レベルに応じて励起光波長を変化させることにより、励起光源（ＬＤ）に要求される最大励起光パワーを低減することができるので、ＬＤに要するコストを低減し、光増幅器２００の製造コストを大幅に削減することが可能となる。
（１．４）効果の一例
ここで、上記光増幅器２００により得られる効果の一例について説明する。

例えば、Ｃバンド帯域の波長多重信号光（波長間隔：１００ＧＨｚ，波長数：４０波，入力下限：−２０．４ｄＢｍ／ｃｈ，入力上限：−１５．４ｄＢｍ／ｃｈ）を光増幅器２００に入力し、出力レベル：２．５ｄＢｍ／ｃｈの出力信号を得る場合を考える。
このとき、波長制御部１４は、例えば、入力レベルが入力下限である場合においては、励起光の波長を、ＥＤＦ３，７での励起光吸収量が最大（２．０ｄＢ／ｍ）となる９８１ｎｍに制御する（図５参照）。

一方、波長制御部１４は、例えば、入力レベルが入力上限である場合においては、励起光の波長を、ＥＤＦ３，７での励起光吸収量が、励起光波長が９８１ｎｍのときの励起光吸収量よりも少なくなる（半分程度になる）波長（例えば、９７７ｎｍ）に制御する。なお、ＥＤＦ３，７での励起光吸収量は、励起光波長が９８１ｎｍのときの励起光吸収量よりも少なければよく、波長制御部１４は、例えば、入力レベルが入力上限である場合の励起光の波長を９７７ｎｍとは異なる波長（例えば、９８５ｎｍなど）に制御してもよい。

さらに、入力レベルが入力下限と入力上限との間にある場合、波長制御部１４は、所定の関係式に基づいて、励起光の波長を制御してもよい。この関係式は、例えば、図６に例示するように、入力レベルが入力下限（−２０．４ｄＢｍ／ｃｈ）且つ励起光波長が９８１ｎｍである点と、入力レベルが入力上限（−１５．４ｄＢｍ／ｃｈ）且つ励起光波長が９７７ｎｍである点とを通る直線で表される式を採用することができる。この場合、関係式は、次式（１）で表される。

励起光波長（μｍ）＝（０．９７７−０．９８１）／｛（−１５．４）−（−２０．４）｝×入力レベル（ｄＢｍ／ｃｈ）＋０．９６４６８ （−２０．４≦入力レベル≦−１５．４）・・・（１）
なお、上記関係式（１）はあくまで一例であり、これに限定されるものではない。例えば、入力レベルが大きくなるほど励起光波長の値を階段状に低下させるような関係式を採用してもよい。

また、波長可変励起ＬＤ１５は、例えば、可変波長ＦＢＧをＬＤの出力端に設け、波長制御部１４が、当該可変波長ＦＢＧを制御することにより、ＬＤの発振波長を可変制御することができる。
さらに、本例では、例えば、第１のＥＤＦ３から残留励起光が漏れ出るように、第１のＥＤＦ３のファイバ長を１０ｍとする一方、第２のＥＤＦ７から漏れ出る残留励起光の量を小さくするため、第２のＥＤＦ７のファイバ長を１５ｍとする。

上記構成を有する光増幅器２００において、９８１ｎｍの励起光を入射した場合、入力下限での光増幅器２００のＮＦは４．７８ｄＢとなる。また、９７７ｎｍの励起光を入射した場合、入力下限での光増幅器２００のＮＦは４．８９ｄＢとなり、９８１ｎｍの励起光を入射した場合に比して、ＮＦは約０．１１ｄＢ劣化する。このことからも、入力下限における励起光波長は９８１ｎｍとされることが望ましいことが分かる。

一方、９７７ｎｍの励起光を入射した場合、入力上限での光増幅器２００のＮＦは５．８５ｄＢとなる。また、９８１ｎｍの励起光を入射した場合、入力上限での光増幅器２００のＮＦは５．４８ｄＢとなり、９７７ｎｍの励起光を入射した場合に比して、約０．２９ｄＢ向上する。
しかし、伝送路を含めた伝送性能を示すＯＳＮＲ（Optical Signal Noise Ratio）は、光増幅器２００のＮＦと比例関係にある一方、入力レベルに比例して向上する。入力下限と入力上限とにおけるＯＳＮＲは、一般的には、同等であればよいので、入力上限でのＮＦは、４．７８ｄＢ＋５ｄＢ＝９．７８ｄＢ以下であれば十分であることになる。従って、入力上限でのＮＦは、励起光波長９７７ｎｍでのＮＦ＝５．８５ｄＢも十分よい値であることが分かる。

次に、上記構成を有する光増幅器２００において、入力レベルが入力下限の場合、励起光波長を９７７ｎｍに制御する一方、入力レベルが入力上限の場合、励起光波長を９８１ｎｍに制御した場合の、波長可変励起ＬＤ１５の所要励起光パワーについて説明する。なお、入力レベルが入力上限の場合に、波長可変励起ＬＤ１５の所要励起光パワーが最大となることは既に説明したとおりである。

図７は各励起光波長の１波当たりの入力信号光パワー（ｄＢｍ／ｃｈ）のレベルダイヤの一例を示す図であり、図８は各励起光波長の励起光パワー（ｍＷ）の各ＥＤＦ３，７での吸収量の一例を示す図である。なお、参考までに、各励起光を入射した場合の入力上限における第１のＥＤＦ３，第２のＥＤＦ７の長手方向の反転分布を図９，図１０にそれぞれ示す。

まず、図７に例示するように、本例の光増幅器２００への入力時及び第１のＥＤＦ３への入力時では、各励起光波長における入力信号光レベルに差異はない。
次いで、第１のＥＤＦ３の入出力に着目すると、同レベルの入力に対して、９７７ｎｍの励起光に対応する出力レベルよりも、９８１ｎｍの励起光に対応する出力レベルの方が大きい。これは、励起光波長を９８１ｎｍから９７７ｎｍに変化させたことにより、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量が減少し（図５参照）、第１のＥＤＦ３の増幅効率が低下したことによる。

また、第２のＥＤＦ７の入出力に着目すると、９７７ｎｍの励起光に対応する入力レベルよりも、９８１ｎｍの励起光に対応する入力レベルの方が大きいが、出力レベルは同レベルとなっている。これは、励起光波長を９８１ｎｍから９７７ｎｍに変化させたことにより、第１のＥＤＦ３からの残留励起光量が増加し、第２のＥＤＦ７の増幅効率が増大したことによる。

一方、第１のＥＤＦ３における励起光吸収量に着目すると、図８に示すように、９８１ｎｍの励起光に対する励起光吸収量よりも、９７７ｎｍの励起光に対する励起光吸収量の方が少ない。
また、第２のＥＤＦ７における励起光吸収量に着目すると、図８に示すように、９８１ｎｍの励起光に対する励起光吸収量よりも、９７７ｎｍの励起光に対する励起光吸収量の方がわずかに多い。これは、励起光波長が９８１ｎｍから９７７ｎｍに変化されたころにより、第１のＥＤＦ３からの残留励起光量が増加したことを示している。

さらに、第２のＥＤＦ７からの励起光漏れ量に着目すると、図８に示すように、９８１ｎｍの励起光に対する励起光漏れ量よりも、９７７ｎｍの励起光に対する励起光漏れ量の方がわずかに大きい。これも、励起光波長が９８１ｎｍから９７７ｎｍに変化されたころにより、第１のＥＤＦ３からの残留励起光量が増加したことを示している。
ここで、第１のＥＤＦ３の励起光吸収量，第２のＥＤＦの励起光吸収量及び励起光漏れ量の合計（つまり、波長可変励起ＬＤ１５の所要励起光パワー）に着目すると、９８１ｎｍの励起光を用いた場合では６００ｍＷとなるのに対し、９７７ｎｍの励起光を用いた場合では５３１ｍＷにまで減少する。これは、光増幅器２００に搭載する波長可変励起ＬＤ１５の最大励起光パワーを６９ｍＷ低減できることを表している。

このように、本例では、光増幅器２００への入力レベルに応じて、励起光波長を上述のように制御することで、波長可変励起ＬＤ１５の最大励起光パワーを低減でき、波長可変励起ＬＤ１５のコストを低減できるので、光増幅器２００の製造コストを大幅に削減することが可能となる。
〔２〕第１変形例
上述した実施形態では、入力信号光の入力レベルに基づいて、励起光の波長を制御したが、本例のように、例えば、異なる波長の励起光を生成、出力可能な複数の励起光源から出力される各励起光のパワー比率を制御するようにしてもよい。

図１１は第１変形例に係る光増幅器３００の構成の一例を示す図である。
この図１１に示す光増幅器３００は、例示的に、分岐部１と、合波部２と、第１のＥＤＦ３と、分波器４と、ＶＯＡ５と、合波器６と、第２のＥＤＦ７と、分岐部８とをそなえる。さらに、光増幅器３００は、例示的に、利得目標値算出部９と、利得誤差検出部１０と、パワー制御部１１と、ＶＯＡ制御部１３と、第１の波長固定励起ＬＤ１６と、第２の波長固定励起ＬＤ１７と、励起光合波部１８と、パワー比率制御部１９とをそなえる。なお、分岐部１，合波部２，第１のＥＤＦ３，分波器４，ＶＯＡ５，合波器６，第２のＥＤＦ７，分岐部８，利得目標値算出部９，利得誤差検出部１０，パワー制御部１１及びＶＯＡ制御部１３は、図１に例示したものと同様の機能を具備する。

ここで、第１の波長固定励起ＬＤ（第１の励起光源）１６は、予め設定された固定波長（第１の波長）を有する励起光を生成、出力する。
また、第２の波長固定励起ＬＤ（第２の励起光源）１７は、第１の波長固定励起ＬＤ１６により生成、出力される励起光の波長（第１の波長）とは異なる波長（第２の波長）を有する励起光を生成、出力する。なお、本例では、例えば、第１の波長を９８１ｎｍとし、第２の波長を９７７ｎｍとすることができる。

励起光合波部１８は、第１の波長固定励起ＬＤ１６からの出力と、第２の波長固定励起ＬＤ１７からの出力とを合波して波長多重された励起光を出力する。励起光合波部１８により合波された励起光は、波長多重励起光として、合波部２を介して、第１のＥＤＦ３へ入力される。
パワー比率制御部１９は、入力信号光の入力レベルに基づいて、前記波長多重励起光に含まれる、第１の波長の励起光のパワーと、第２の波長の励起光のパワーとの比率を制御する。

本例のパワー比率制御部１９は、例えば、入力信号光の入力レベルが大きいほど、波長多重励起光に含まれる励起光のうち、第２の波長の励起光のパワー比率を大きくするようにしてもよい。
ここで、図１２を用いてパワー比率制御部１９での制御方法の一例を説明する。
例えば、図１２に例示するように、入力レベルが入力下限（−２０．４ｄＢｍ／ｃｈ）のとき、パワー比率制御部１９は、前記波長多重励起光に第１の波長（例えば、９８１ｎｍ）のみが含まれるように各ＬＤ１６，１７のパワー比率を制御する。一方、入力レベルが入力上限（−１５．４ｄＢｍ／ｃｈ）のとき、パワー比率制御部１９は、前記波長多重励起光に第２の波長（例えば、９７７ｎｍ）のみが含まれるように各ＬＤ１６，１７のパワー比率を制御する。

また、入力レベルが入力下限と入力上限との間にある場合、パワー比率制御部１９は、例えば、入力レベルが大きくなるほど、前記波長多重励起光に含まれる第２の波長の励起光のパワーを大きくする一方、第１の波長の励起光のパワー比率を小さくするようにＬＤ１６，１７のパワー比率を制御する。
このようにしても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができ、また、波長可変ＬＤを省略することができるので、光増幅器３００の製造コストを更に削減することが可能となる。

〔３〕その他
なお、上述した光増幅器１００，２００，３００の各構成及び各処理は、必要に応じて取捨選択してもよいし、適宜組み合わせてもよい。
また、第１のＥＤＦ３と分岐部８との間に設けられた分波器４，ＶＯＡ５，合波器６，第２のＥＤＦ７及びＶＯＡ制御部１３の数（段数）は、図１，２，１１に示す例に限定されない。

さらに、上記実施形態及び変形例における第１の波長と第２の波長との組合せは、あくまで一例であり、第２の波長は、第１の波長よりも、第１のＥＤＦ３または第２のＥＤＦ７での励起光吸収量が少なければよい。
また、第１のＥＤＦ３のファイバ長は、例えば、後段の第２のＥＤＦ７に残留励起光が漏れ出す程度の長さとすることができ、第２のＥＤＦ７のファイバ長は、例えば、第１のＥＤＦ３からの残留励起光を漏れなく吸収できる程度の長さとすることができる。

さらに、上記第１変形例では、２種類の異なる波長のパワー比率を制御する例について説明したが、異なる３種類以上の波長のパワー比率を制御することにより、第１のＥＤＦ３での励起光吸収量を減少させてもよい。
また、上記実施形態及び変形例では、各構成（利得目標値算出部９，パワー制御部１１，ＶＯＡ制御部１３，波長制御部１４及びパワー比率制御部１９）が、それぞれ、入力信号光の入力レベルを検出したが、入力レベルを外部から各構成に供給してもよい。

以上の実施形態および変形例に関し、さらに以下の付記を開示する。
〔４〕付記
（付記１）
励起光の波長を変化させて出力できる励起光源と、
前記励起光源により出力される前記励起光を用いて入力信号光を増幅する第１の希土類添加媒質と、
前記第１の希土類添加媒質から出力される残留励起光を用い、増幅された前記入力信号光をさらに増幅する第２の希土類添加媒質と、
前記入力信号光の入力レベルに基づいて、前記励起光源から出力される前記励起光の波長を制御する波長制御部と、をそなえた、
ことを特徴とする、光増幅器。

（付記２）
前記波長制御部は、
前記入力レベルが大きいほど、前記第１の希土類添加媒質における励起光の吸収量が少ない波長に、前記励起光の波長を制御する、
ことを特徴とする、付記１記載の光増幅器。

（付記３）
前記励起光の波長は、０．９８μｍ帯である、
ことを特徴とする、付記１または２に記載の光増幅器。
（付記４）
前記励起光源は、
波長可変のファイバブラッグレーティングを有する、
ことを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の光増幅器。

（付記５）
第１の波長の励起光を出力する第１の励起光源と、
前記第１の波長とは異なる第２の波長の励起光を出力する第２の励起光源と、
前記第１の励起光源からの出力と前記第２の励起光源からの出力とを合波して波長多重された励起光を出力する合波部と、
前記合波部により出力される前記波長多重された励起光を用いて入力信号光を増幅する第１の希土類添加媒質と、
前記第１の希土類添加媒質から出力される残留励起光を用い、増幅された前記入力信号光をさらに増幅する第２の希土類添加媒質と、
前記入力信号光の入力レベルに基づいて、前記励起光に含まれる、前記第１の波長の励起光のパワーと前記第２の波長の励起光のパワーとの比率を制御するパワー比率制御部と、をそなえた、
ことを特徴とする、光増幅器。

（付記６）
前記第２の波長は、前記第１の波長よりも、前記第１の希土類添加媒質における励起光の吸収量が少ない波長である、
ことを特徴とする、付記５記載の光増幅器。
（付記７）
前記パワー比率制御部は、
前記入力信号光の前記入力レベルが大きいほど、前記波長多重された励起光に含まれる前記第２の波長の励起光のパワー比率を大きくする、
ことを特徴とする、付記６記載の光増幅器。

（付記８）
前記第１の波長及び前記第２の波長は、０．９８μｍ帯である、
ことを特徴とする、付記５〜７のいずれか１項に記載の光増幅器。
（付記９）
前記第２の希土類添加媒質の媒質長は、前記第１の希土類添加媒質の媒質長よりも長い、
ことを特徴とする、付記１〜８のいずれか１項に記載の光増幅器。

（付記１０）
前記第１の希土類添加媒質と前記第２の希土類添加媒質との間に挿入され、前記第１の希土類添加媒質により増幅された前記入力信号光を減衰する光減衰器と、
前記第１の希土類添加媒質と前記光減衰器との間に挿入され、前記残留励起光を分波して前記光減衰器を迂回させる分波器と、
前記光減衰器と前記第２の希土類添加媒質との間に挿入され、前記分波器により分波された前記残留励起光を合波して前記第２の希土類添加媒質に入力させる合波器と、をそなえた、
ことを特徴とする、付記１〜９のいずれか１項に記載の光増幅器。

（付記１１）
前記入力信号光は、波長多重された信号光である、
ことを特徴とする、付記１〜１０のいずれか１項に記載の光増幅器。
（付記１２）
前記入力信号光の波長帯域は、Ｃバンド帯域である、
ことを特徴とする、付記１〜１１のいずれか１項に記載の光増幅器。

（付記１３）
前記第１の希土類添加媒質及び前記第２の希土類添加媒質における励起光の方向は、前方励起である、
ことを特徴とする、付記１〜１２のいずれか１項に記載の光増幅器。
（付記１４）
励起光を出力する励起光源と、前記励起光源により出力される前記励起光を用いて入力信号光を増幅する第１の希土類添加媒質と、前記第１の希土類添加媒質の残留励起光を用いて前記入力信号光を増幅する第２の希土類添加媒質と、をそなえた光増幅器の光増幅方法であって、
前記入力信号光の入力レベルをモニタし、
前記モニタした入力レベルが大きいほど、前記励起光の波長を、前記第１の希土類添加媒質における励起光の吸収量が少ない波長に制御する、
ことを特徴とする、光増幅方法。

（付記１５）
第１の波長の励起光を出力する第１の励起光源と、前記第１の波長とは異なる第２の波長の励起光を出力する第２の励起光源と、前記第１の励起光源からの出力と前記第２の励起光源からの出力とを合波して波長多重された励起光を出力する合波部と、前記合波部により出力される前記波長多重された励起光を用いて入力信号光を増幅する第１の希土類添加媒質と、前記第１の希土類添加媒質から出力される残留励起光を用い、増幅された前記入力信号光をさらに増幅する第２の希土類添加媒質と、をそなえた光増幅器の光増幅方法であって、
前記入力信号光の入力レベルをモニタし、
前記モニタした入力レベルが高いほど、前記第１の波長よりも前記第１の希土類添加媒質における励起光の吸収量が少ない前記第２の波長の励起光の前記波長多重された励起光におけるパワー比率を大きくする、
ことを特徴とする、光増幅方法。

１，８ 分岐部
２ 合波部
３ 第１ＥＤＦ
４ 分波器
５ ＶＯＡ
６ 合波器
７ 第２ＥＤＦ
９ 利得目標算出部
１０ 利得誤差検出部
１１ パワー制御部
１２，１６，１７ 波長固定励起ＬＤ
１３ ＶＯＡ制御部
１４ 波長制御部
１５ 波長可変励起ＬＤ
１８ 励起光合波部
１９ パワー比率制御部
１００，２００，３００ 光増幅器

Claims (4)

1. 第１の波長の励起光を出力する第１の励起光源と、
   前記第１の波長とは異なる第２の波長の励起光を出力する第２の励起光源と、
   前記第１の励起光源からの出力と前記第２の励起光源からの出力とを合波して波長多重された励起光を出力する合波部と、
   前記合波部により出力される前記波長多重された励起光を用いて入力信号光を増幅する第１の希土類添加媒質と、
   前記第１の希土類添加媒質から出力される残留励起光を用い、増幅された前記入力信号光をさらに増幅する第２の希土類添加媒質と、
   前記入力信号光の入力レベルに基づいて、前記励起光に含まれる、前記第１の波長の励起光のパワーと前記第２の波長の励起光のパワーとの比率を制御するパワー比率制御部と、をそなえた、
   ことを特徴とする、光増幅器。
2. 前記第２の波長は、前記第１の波長よりも、前記第１の希土類添加媒質における励起光の吸収量が少ない波長である、
   ことを特徴とする、請求項１記載の光増幅器。
3. 前記パワー比率制御部は、
   前記入力信号光の前記入力レベルが大きいほど、前記波長多重された励起光に含まれる前記第２の波長の励起光のパワー比率を大きくする、
   ことを特徴とする、請求項２記載の光増幅器。
4. 第１の波長の励起光を出力する第１の励起光源と、前記第１の波長とは異なる第２の波長の励起光を出力する第２の励起光源と、前記第１の励起光源からの出力と前記第２の励起光源からの出力とを合波して波長多重された励起光を出力する合波部と、前記合波部により出力される前記波長多重された励起光を用いて入力信号光を増幅する第１の希土類添加媒質と、前記第１の希土類添加媒質から出力される残留励起光を用い、増幅された前記入力信号光をさらに増幅する第２の希土類添加媒質と、をそなえた光増幅器の光増幅方法であって、
   前記入力信号光の入力レベルをモニタし、
   前記モニタした入力レベルが高いほど、前記第１の波長よりも前記第１の希土類添加媒質における励起光の吸収量が少ない前記第２の波長の励起光の前記波長多重された励起光におけるパワー比率を大きくする、
   ことを特徴とする、光増幅方法。

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