JP2013530521A - 光増幅器 - Google Patents

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Abstract

(i)光ファイバ通信リンクの光信号を増幅するための第1および第2の光増幅器(1、2)と、(ii)そのような増幅を達成するために第1の増幅器(1)および第2の増幅器(2)の両方を光学的にポンピングするための共通ポンプ(3)とを備える光増幅器システムが提供される。第1の切り替え状態でポンプと第1の増幅器との間に光路を用意し、第2の切り替え状態でポンプと第2の増幅器との間に光路を用意して、ポンプによる第1および第2の増幅器のポンピングを順次可能にするための光スイッチ(6)がさらに設けられる。有利には、この構成はポンプ(3)の出力部(4、5)に高精度を与え、低パワーポンプ雑音を低減する。

Description

本発明は光増幅器に関し、より詳細には、限定はしないが、多数のErコイルおよび/または利得段のエルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)に関する。
多くのEDFA設計では、低い雑音指数(NF)および高い光出力パワーを生成するのに、2つのポンプが必要とされる。これが、例えば、2つのポンプ段1および2を含むEDFAの概略図である図1に示される。各ポンプ段は1つの別個のポンプレーザ(第1のポンプ段1用の3と、第2のポンプ段2用の4)を含む。図2は、同様に、2つのポンプ段1および2を有するEDFAの略図である。図2の多くの特徴は、ミッドスパンアクセス区域5がないことを除いて図1と同様である。これらは、アドドロップマルチプレクサ(MUXES)または分散補償器のようなデバイスを含むことができるようにするのに必要とされる。図1および2の両方の構成では、正確なポンプパワーを供給するために、別個の1つのポンプレーザ3および4が各段1または2で必要とされる。これらは、さらに、パワーおよびNFなどの静的性能ならびに瞬間的な入力条件下での動的制御を最適化するのに必要とされる。EDFAは、各ポンプに必要とされるパワーの割合が最適性能を維持するように変化することになる、例えば、一方では、増幅器が単一の低パワー入力チャネルで使用され、または他方では、入力が高い光パワーをもつ満載のチャネル数で構成される多くの異なる入力条件で使用される。2つのポンプの必要性により、コストと実装の物理的サイズとが増大する。
さらに、2つの増幅器が反対方向で使用される応用システム、すなわち、双方向(Bi-Di)増幅器がある。各増幅器の制御は、別個の制御とポンプ挿入パワーとにより最適に実行される。この場合、1つの増幅器のポンプパワーの変化が第2の増幅器の出力パワーに影響を与えてはならない。このために、一般に、2つの別個のポンプを使用する必要があることになる。
単一ポンプからのパワーを可変出力パワーの2つの経路に分割するのにSiプレーナ光波回路(PLC)を使用する技法が示されている。しかし、これは低パワー制御を改善しない。
国際公開第2009112504号には、単一ポンプからの出力を2つのポートに分割することができ、第2のポートのパワーを振幅において変化させて可変制御を行うことがさらに示されている。しかし、この方策は低パワーポンプ雑音に関して最適増幅器性能を提供できず、さらに、Bi-Di増幅器の要求にも応えていない。
米国特許第7110167号は、利得媒体をポンピングするポンプレーザを含む光増幅器システムを開示している。従来、ポンピングは、主として電子ユニットによって制御されており、そのため、システムのコストおよび物理的サイズが増加する。
したがって、低パワーポンプ雑音を低減するためには、費用効率の高い多段増幅器の必要性がある。
国際公開第2009112504号 米国特許第7110167号明細書
本発明の目的は、低パワーポンプ雑音を低減するためにそのような増幅器システムに簡単で費用効率の高い設計を提供することである。
本発明の1つの態様によれば、
(i)光ファイバ通信リンクの光信号を増幅するための第1および第2の光増幅器と、
(ii)そのような増幅を達成するために第1の増幅器および第2の増幅器の両方を光学的にポンピングするための共通ポンプと、
(iii)第1の切り替え状態でポンプと第1の増幅器との間に光路を用意し、第2の切り替え状態でポンプと第2の増幅器との間に光路を用意して、ポンプによる第1および第2の増幅器の光ポンピングを順次可能にするための切り替え手段と
を備える光増幅器システムが提供される。
有利には、本発明は、2つのErコイル利得段を有する2つの増幅器をポンピングするために単一または共通のポンプを使用するという利点を提供する。増幅器システムは低パワーポンプ雑音を光学的に低減し、Bi-Di増幅器要求に対処する。さらに、光切り替え手段は光パッケージの物理的サイズ要求を軽減する。したがって、それにより、コストが節約され、先行技術に対する利点がもたらされる。
好ましくは、切り替え手段は、ポンプに結合された入力部と、第1の増幅器および第2の増幅器に結合された出力部とを含む。これにより、ユーザは、第1および第2の増幅器の一方に供給されるパワーを、第1および第2の増幅器の1つの他方に供給されるパワーに影響を与えることなしに独立して変化させることができる。
好都合には、切り替え手段は、第1および第2の増幅器の一方に供給されるパワーを0%から最大ポンプパワーまで変化させるように構成される。好ましくは、切り替え手段は、第1および第2の増幅器の他方に最大ポンプパワーを供給するように構成される。これにより、2つの可変ポンプパワーが、切り替え手段の出力部を介して単一ポンプレーザから第1および第2の増幅器に供給され得るようになる。
切り替え手段は少なくとも2つの出力部を有する光スイッチを含むことができ、好ましくは、パルス幅変調(PWM)ユニットを組み込む。PWMユニットと光スイッチとを組み合わせて使用することにより、光スイッチの高精度の個別の出力が生成される。
好ましくは、第1の切り替え状態でのポンプと第1の増幅器との間の光路をロックし、第2の切り替え状態でのポンプと第2の増幅器との間の光路をロックするために、回折格子が切り替え手段の入力部または出力部に結合される。これにより、2つの個別のロックされた出力が共通ポンプレーザから供給され得る。ロックされた出力により、確実に、一貫したポンプ波長がErファイバに与えられ、EDFAの一貫した利得形状制御が行われる。
本発明の別の態様によれば、光増幅器システムを制御する方法が提供され、この方法は、
(i)第1および第2の光増幅器によって光ファイバ通信リンクの光信号を増幅する段階と、
(ii)共通ポンプによって第1の増幅器および第2の増幅器の両方を光学的にポンピングして、そのような増幅を達成する段階と、
(iii)第1の切り替え状態でポンプと第1の増幅器との間に光路を用意し、第2の切り替え状態でポンプと第2の増幅器との間に光路を用意して、第1および第2の増幅器を光学的に順次ポンピングする段階と
を含む。
本発明をより完全に理解できるように、本発明のいくつかの実施形態が添付図面を参照しながら例として次に説明される。
Erコイル利得段ごとに1つのポンプを有する既知の2段EDFAの概略図である。 既知のミッドスパンアクセス2段EDFAの概略図である。 単一ポンプ2連Erコイル利得段EDFAの概略図である。 ポンプの出力ポートごとにパワー制御部を有する単一ポンプ2連Erコイル利得段EDFAの概略図である。 高速光スイッチをもつ単一ポンプ2連Erコイル利得段EDFA設計の概略図である。 可変出力ポートパワーでの光スイッチのマーク対スペース比を示す図である。 可変出力ポートパワーでの光スイッチのマーク対スペース比を示す図である。 可変出力ポートパワーでの光スイッチのマーク対スペース比を示す図である。 可変出力ポートパワーでの光スイッチのマーク対スペース比を示す図である。 可変出力ポートパワーでの光スイッチのマーク対スペース比を示す図である。 可変出力ポートパワーでの光スイッチのマーク対スペース比を示す図である。 一定パワーでのポンプおよびスイッチのPWM信号のマーク対スペース比を示す図である。 50mWのパワーでの光スイッチのマーク対スペース比を示す図である。 光スイッチがポンプレーザチップと回折格子との間に配置された光増幅器システムの概略図である。
図3は単一ポンプ2連Erコイル利得段EDFAの略図化した図である。単一Erコイルを含む第1の増幅器1と単一Erコイルを含む第2の増幅器2とを有する2つのポンプ段が設けられる。1つのポンプを複数のErコイル利得段で使用できるようにするために、高パワー単一ポンプレーザ3が2つの別個のポンプレーザの代わりに設けられる。ポンプレーザ3は、それぞれ第1の増幅器1および第2の増幅器2に結合される2つの出力ポート4、5を含む。各段の間のパワー比は固定され、その結果、この構成はすべての動作条件に対して最適性能を与えるわけではなく、ポンプレーザ3の各出力ポート4、5から供給される最大パワーを制限することがあることを発明者らは理解した。
図4は、それぞれポンプパワー制御部をもつ単一ポンプ2連Erコイル利得段EDFAの略図化した図である。図4の多くの特徴は、各出力ポート4、5にポンプ減衰器6、7がないことを除いて図3のものと同様である。各出力ポート4、5のパワー減量は減衰器6、7で制御される。この構成はより大きいポンプ減量を生成することができるが、各出力ポート4、5の最大ポンプパワーを単に分割比で可能なものまでに制限することがあることを発明者らは理解した。
図5は、高速光スイッチ6をもつ単一ポンプ2連Erコイル利得段設計の概略図である。図3および4の構成で述べた問題へのあり得る解決策は、ポンプ3と、第1の増幅器および第2の増幅器2にそれぞれ結合する出力ポート4、5との間に光スイッチを設けることであることを発明者らは認識した。したがって、光スイッチ6は、ポンプ3と第1の増幅器および第2の増幅器2との間に光路を設ける。光スイッチ6をPWMユニットおよび電子ユニット(図5に図示せず)で制御して、2つの出力ポート4と5との間のパワー比を変化させ、その結果、出力ポート4、5の一方から供給される平均電力を0%から100%まで変化させ、他方のポートは適切な制御方式を使用して逆のパワーを供給することができる。
この技法の重要な特徴は、各ポンプポート4、5のパワーを、他方のポートから供給されるパワーに影響を与えることなく、0%から最大パワーまで変化させることができることである。これは1つまたは複数の方法で実現することができる。第1に、ポンプレーザ3のパワーならびにマーク対スペース比を変化させることによって、出力ポート4、5の一方または両方のパワーを0%から全パワーまで、または他方のポートに設定された最大パワーまで変化させることが可能である。
この技法の例が図6aから6fに示され、これらの図は可変出力ポートパワーでの光スイッチの出力ポート1(曲線1)および出力ポート2(曲線2)のマーク対スペース比を示す。これらの図では、全ポンプパワーは100mWであると仮定して、出力ポート1のパワーは50mWに固定され、出力ポート2のパワーが0mWから50mWまで10mWステップで変えられる。この技法は、PWMユニットの周期を、電子ユニットで実行されるいくつかの等しいサイズのステップに分割することを必要とする。ステップが多いほど制御は正確である。しかし、これは、やはり、可変ポンプパワーを設定する際の制御方式を非常に遅くすることが理解されよう。この例において40ステップで可変ポンプパワーを設定する際の精度はターゲットの2%以内であり得る。これを改善する方法は、PWMならびに光スイッチでポンプレーザを変調することであることを発明者らは認識した。この組合せは可変ポンプパワーを設定する際の制御方式をより良好にする。
PWMユニットを使用するポンプパワー方式と光スイッチを使用するスイッチ方式とを組み合わせて含む技法の例が図7aおよび7bに示される。図7aは、100mWのパワーでのポンプコード(曲線1)およびスイッチコード(曲線2)を使用するマーク対スペース比を示す。図7bは、50mWのパワーが出力ポートから供給される場合の出力ポート1(曲線1)および出力ポート2(曲線2)のマーク対スペース比を示す。図6aから6fに示した構成と同じように、全ポンプパワーが100mWであると仮定して、出力ポート1のパワーは50mWに固定され、出力ポート2のパワーが0mWから50mWまで10mWステップで変えられる。この組合せ技法により、図6aから6fの構成で使用された40ステップ方式と対比して、単に20ステップ方式が使用されるとき、可変ポンプパワーを設定する際の制御方式の精度が改善される。また、この技法は、より高いポンプパワーを得るために、米国特許第7110167号で定義された制御方式を組み込むプラットフォームにより実現され得るように曲がり(kink)の上方のポンプを実行することができるという利点をもたらす。
図8は、光スイッチがポンプレーザチップと回折格子との間に配置された光増幅器システムの概略図である。標準ポンプレーザ3の出力部からのファイバ5は高速光スイッチ4の入力部10に接続される。スイッチ4の2つのファイバ出力部6、7は2つの個々の回折格子8、9に接続され、その結果、スイッチ4がオンであるいかなる時点でもポンプレーザ3と回折格子8または9との間に画定された光路が存在し、その結果、周波数ロックを生じさせることができる。その結果、ポンプレーザ3もまた、ロックされた経路から出力する。出力ファイバ6、7は従来の方法で光増幅器につながる。光スイッチ4は、電子ユニット10を介して、場合により、FPGA、高速プロセッサ、個別デジタル回路、またはアナログ方式を使用して制御される。回折格子8、9は光スイッチ4の前に配置することもできることが理解されよう。そのような構成では、回折格子はレーザ3の出力ファイバ5と光スイッチ4の入力部10とに結合されることになる。両方の経路で使用される回折格子8、9は同じ波長または異なる波長のものとすることができる。異なる波長の回折格子を使用すると、異なるポンプ波長を光増幅器の異なる利得段に使用することに由来して性能が確実に改善される。
この増幅器システム設計は、3つ以上のポンプ挿入ポイントが必要とされる場合に2つを超える出力に適用可能とすることができることが理解されよう。例えば、第3のポンプ挿入ポイントは、さらにより高いポンプ出力パワーを供給するために逆方向ポンピングとして知られる最終Erループにポンプパワーを逆に注入することを含むことができる。そのような構成は1×Nスイッチ設計を必要とすることになる。さらに、1×Nスイッチは単一ポンプに由来するいくつかの増幅器の制御を可能にすることができ、これは増幅器ごとの単一ポンプの従来の設計と比べて大幅なコストおよびスペースの節約をもたらす。
使用するスイッチのタイプが図5および8の構成で説明した技法に対して重要である。非常に複雑な場合には、スイッチは高速で信頼性がある必要があることが理解されよう。例えば、スイッチは毎分数十億回まで切り替える必要がある。高出力パワーでの目標速度は、PWMパターンまたはシーケンスが光増幅器利得(Er利得)を変調しないようにするのに十分な速さである0.1μsの程度の切り替え周期である。この場合、光スイッチは増幅器のローパス特性よりも速く動作し、その結果、ポンプのパルスの性質は利得性能に影響を与えない。さらに、PWMユニットのシーケンスは、いくつかのポンプレーザ、例えば980nmポンプレーザで観察される低パワー不安定性を防止するための光方式で使用される。有利には、この光方式を使用すると、ポンプレーザのコストが節約され、光パッケージの物理的サイズの要求が軽減される。
好適なスイッチはマッハツェンダ(MZ)設計とすることができることが理解されよう。GaAs MZ変調器、例えば、10Gb/sデータレートGaAs変調器はこの要求に適合する。有利には、このスイッチは、同じチップ上にポンプレーザとフォトニック的に集積化し、一緒にパッケージ化することができる。これにより、デバイスの動作周波数および信頼性がさらに改善される。MZ手法のさらなる利点は、多数のMZ変調器を一緒に集積化して(すなわち、モノリシック的に)、1×Nスイッチ出力設計を提供することができることである。MZ手法のさらなる利点は、各ポートの出力パワーをMZ比の簡単なDC制御で管理して、簡単な制御方式を提供することができることである。
高速の立ち上がりおよび立ち下がり時間(ナノ秒)をもつナノ速度スイッチは光スイッチとしてさらに好適となり得ることがさらに理解されよう。所与の時間フレーム内でスイッチを確実に切り替えるには、これらのスイッチの繰返し率をモニタする必要がある。スイッチは、最適性能を達成するにはできるだけ小さく設計されるべきであることを発明者らはさらに理解した。
上述のように、高利得動作を有する単一チャネル増幅器では2つのErコイル利得段が必要とされるが、サイズ制限のために、ポンプバイパス方式を有する単一のポンプが使用される。この方式はすべてのあり得る動作条件に対して最適性能を与えるわけではないことを発明者らは理解した。有利には、上文で説明したようなスイッチ方式を使用すると、様々な動作条件での性能が改善され得る。さらに、多くのポンプレーザを必要とするアレイ化増幅器への新たな必要性がある。2つのポンプ出力ポートをもつポンプを用いるスイッチ方式を使用すると、正確で独立したポンプ制御を与えながら、4つの増幅器マトリクスで使用されるポンプデバイスの総数を1つまで減少させることになる。
1 ポンプ段、増幅器
2 ポンプ段、増幅器
3 ポンプレーザ、出力ポート
4 ポンプレーザ、出力ポート、高速光スイッチ
5 ミッドスパンアクセス区域、標準ポンプレーザの出力部からのファイバ
6 ポンプ減衰器、高速光スイッチ、スイッチのファイバ出力部
7 ポンプ減衰器、スイッチのファイバ出力部
8 回折格子
9 回折格子
10 電子ユニット、高速光スイッチの入力部

Claims (19)

  1. (i)光ファイバ通信リンクの光信号を増幅するための第1および第2の光増幅器と、
    (ii)そのような増幅を達成するために前記第1の増幅器および前記第2の増幅器の両方を光学的にポンピングするための共通ポンプと、
    (iii)第1の切り替え状態で前記ポンプと前記第1の増幅器との間に光路を用意し、第2の切り替え状態で前記ポンプと前記第2の増幅器との間に光路を用意して、前記ポンプによる前記第1および第2の増幅器の光ポンピングを順次可能にするための切り替え手段と
    を備える光増幅器。
  2. 前記切り替え手段が、前記ポンプに結合された入力部と、前記第1の増幅器および前記第2の増幅器に結合された出力部とを含む、請求項1に記載の光増幅器。
  3. 前記第1の切り替え状態での前記ポンプと前記第1の増幅器との間の前記光路をロックし、前記第2の切り替え状態での前記ポンプと前記第2の増幅器との間の前記光路をロックするために、前記切り替え手段の入力部または出力部に結合された回折格子をさらに含む、請求項1または2に記載の光増幅器。
  4. 前記切り替え手段が、前記第1および第2の増幅器の一方に供給されるパワーを0%から最大ポンプパワーまで独立して変化させるように構成される、請求項1または2または3に記載の光増幅器。
  5. 前記切り替え手段が、前記第1および第2の増幅器の他方に前記最大ポンプパワーを供給するように構成される、請求項1から4のいずれかに記載の光増幅器。
  6. 前記切り替え手段が、前記ポンプによって供給される前記光信号のマーク対スペース比を変化させて前記第1および第2の増幅器の一方に供給される前記パワーを変化させるように構成される、請求項1から5のいずれかに記載の光増幅器。
  7. 前記切り替え手段が少なくとも2つの出力部を有する光スイッチを含む、請求項1から6のいずれかに記載の光増幅器。
  8. 前記切り替え手段がパルス幅変調(PWM)ユニットを組み込む、請求項1から7のいずれかに記載の光増幅器。
  9. 前記切り替え手段がアナログ制御方式を組み込む、請求項1から8のいずれかに記載の光増幅器。
  10. 前記切り替え手段がデジタル制御方式を組み込む、請求項1から9のいずれかに記載の光増幅器。
  11. 前記切り替え手段が電子ユニットを含む、請求項1から10のいずれかに記載の光増幅器。
  12. 前記切り替え手段が、ポンプがパワーを出力する伝達関数よりも短い程度の切り替え周期で高周波数にて動作可能である、請求項1から11のいずれかに記載の光増幅器。
  13. 前記切り替え手段がGaAsマッハツェンダ(MZ)変調器である、請求項1から12のいずれかに記載の光増幅器。
  14. 前記切り替え手段が多数の組のGaAsマッハツェンダ(MZ)変調器である、請求項1から13のいずれかに記載の光増幅器。
  15. 前記MZ変調器が、同じチップ上に前記ポンプとフォトニック的に集積化される、請求項13または14に記載の光増幅器。
  16. 前記ポンプがポンプレーザダイオードを含む、請求項1から15のいずれかに記載の光増幅器。
  17. 光増幅器システムを制御する方法であって、
    (i)第1および第2の光増幅器によって光ファイバ通信リンクの光信号を増幅する段階と、
    (ii)共通ポンプによって前記第1の増幅器および前記第2の増幅器の両方を光学的にポンピングして、そのような増幅を達成する段階と、
    (iii)第1の切り替え状態で前記ポンプと前記第1の増幅器との間に光路を用意し、第2の切り替え状態で前記ポンプと前記第2の増幅器との間に光路と用意して、前記第1および第2の増幅器を光学的に順次ポンピングする段階と
    を含む、方法。
  18. パルス幅変調(PWM)技法を使用することによって切り替えを制御する段階と、
    前記第1および第2の増幅器の一方に供給される平均パワーを0%から最大ポンプパワーまで変化させる段階と
    を含む、請求項17に記載の方法。
  19. 前記ポンプによって供給される前記光信号のマーク対スペース比を変化させて、前記第1および第2の増幅器の一方に供給される前記パワーを変化させる段階をさらに含む、請求項18に記載の方法。
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