JP2843129B2

JP2843129B2 - 多段光増幅器

Info

Publication number: JP2843129B2
Application number: JP2206705A
Authority: JP
Inventors: 利彦杉江; 武伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-08-06
Filing date: 1990-08-06
Publication date: 1999-01-06
Anticipated expiration: 2014-01-06
Also published as: JPH0496287A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、光信号を、光−電気変換することなく、光
のまま直接増幅するファイバ型光増幅器の構成に関する
ものである。

（従来の技術） Er等の希土類元素をドープした光ファイバを増幅用媒
体とし、波長1.48μｍ、0.98μｍ等のレーザ光を励起光
源として、1.5μｍ帯の光信号を増幅するファイバ型光
増幅器は、光通信用直接増幅器として有望である。従
来、この光増幅器の構成として、増幅用ファイバ内
で、光信号の伝搬方向と励起光のそれとが同一な「前方
向励起構成」、光信号の伝搬方向に対し、励起光を増
幅用ファイバの光信号出力端から入力端に向けて、逆方
向に励起する「後方向励起構成」が用いられている。ま
た、さらに高出力化をはかるため、増幅用ファイバを
光信号入力端、出力端の双方向から励起して全励起電力
を増大させる「双方向励起構成」が用いられている。

第６図は、これらの構成を説明した図で、第６図
（ａ）は、前方向励起構成、（ｂ）は後方向励起構成、
（ｃ）は双方向励起構成を示す。第６図において、１は
入力光信号、２はファイバ型増幅器により増幅された増
幅光出力、３はEr等の希土類をドープした増幅用光ファ
イバ、４は前方向励起用光源、５は光信号と励起光を合
波する合波用光結合器、6,7は発振防止用の光アイソレ
ータであり、８は後方励起用光源、９は増幅された光信
号と後方励起光を合波する合波用光結合器、10,11は発
振防止用の光アイソレータである。光増幅器では、低入
力の光信号に対し、低雑音であること、安定であるこ
と、増幅利得の大きいこと、また飽和光出力が大きいこ
とが重要である。

これらの特性を実現するために、従来、第６図に示し
た各基本構成において増幅用ファイバの長さを最適化し
たり、励起光出力を増大する工夫がされてきた。また光
増幅器の出力側に、さらに光フィルタを接続して、不要
な自然放出光成分を除去し、これによる利得の飽和や雑
音を除去することが行われている。前記の基本構成で
は、前方向励起構成より、後方向励起構成、さらに、後
方向励起構成よりも双方向励起構成の方が約2dB程度高
い飽和出力や増幅利得が得られることが知られている。

しかし、実際には現在の増幅用光ファイバでは、これ
らの方法でも、励起用光源の光電力を約100mWとした時
でさえ、最大光出力は高々＋15dBm程度であった。ま
た、さらに増幅利得や光出力を大きくするには、増幅用
光ファイバを選定することや、励起用光源の光電力をさ
らに増大したり、損失が少ない光合波器や光アイソレー
タを用いることしか手段はなかった。また、前方向励起
構成に比べ後方向励起構成や双方向励起構成では、安定
化のための光アイソレータは原理的に増幅用光ファイバ
の光信号入射部にしか配置できず、高い後方励起光が入
射し、増幅された光信号が通過する出力部では、本質的
に光結合器等からの反射光を生じることになる。この反
射光は、入力光信号電力が＋10dBm程度と十分大きい場
合は通常問題はないが、入力光信号電力が小さい場合
（−10dBm以下）や増幅用ファイバの利得の中心と光信
号周波数が一致しない場合、自然放出光成分の一部を誘
起し、発振を生じ易くするので、不安定で雑音増加の原
因となる。このため、特に低入力信号に対し安定な高い
光出力を実現するような高利得・高飽和出力を得る上か
ら本質的に大きな欠点となっている。

以上述べたように、第６図に示した基本構成に基づい
て、それぞれの特徴を有効に生かした高出力光増幅器の
構成は実現されておらず、例えば−20dBmの低入力光信
号を＋15dBmを超えた光信号に安定で低雑音で増幅する
ような、低入力光信号から直接安定な高出力信号に増幅
することは不可能だった。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、ファイバ型光増幅器における基本構成を組
み合わせ、多段構成とすることにより、低入力信号を安
定で高出力の信号に増幅する多段光増幅器を提供するこ
とにある。

（課題を解決するための手段）本発明の多段光増幅器は、低入力信号を０〜10dBm程
度まで増幅する初段の光増幅器と、それにつづく高出力
な光出力を実現する後段の光増幅器等により構成され
る。すなわち初段の光増幅器は、前方向励起構成を有す
る低雑音で高利得な増幅機能を有する構成とし、次段の
光増幅器は、後方向励起構成を有する飽和利得の高い増
幅特性を有する構成とすることにより、低入力の光信号
を、安定に高い光出力に増幅する多段光増幅器を構成す
る。

本発明は、高出力な多段光増幅器を構成するにあた
り、雑音、利得、飽和の観点から基本構成を組み合わせ
配置することにより、安定な高い光出力を実現するの
で、従来の単に基本構成を用いて、増幅用光ファイバを
選定し、励起光源の光電力を増大にする方法とは本質的
に大きく異なる。

（実施例）以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の一実施例の構成図であって、１は入
力光信号、２は増幅光出力、３は増幅用光ファイバ、４
は前方向励起用光源、５は合波用光結合器、６は光アイ
ソレータ、８は後方向励起用光源、９は合波用光結合
器、11,12は光アイソレータ、13は後方向励起増幅用光
ファイバを示す。これらのうち、1,3,4,5,6,12により、
前方向励起による光ファイバ増幅器を構成し、2,8,9,1
1,12,13により後方向励起による光ファイバ増幅器を構
成する。すなわちこの構成は前方向励起構成と後方向励
起構成を縦続接続した構成であり、光アイソレータ12
は、前方向励起構成の出力側アイソレータであると同時
に、後方向励起構成の入射側アイソレータでもある。

基本構成における前方向励起構成では、雑音特性を表
わす雑音指数NFは、NF＝３〜4dB程度と後方向励起構成
のNF＝３〜8dBに比べ小さい。さらに、この構成では、
増幅用光ファイバの両端に原理的に光アイソレータを接
続することが可能であるので、増幅用光ファイバと合波
用光結合器や励起用光源等との接続部での残留反射によ
る発振を抑圧し、容易に安定化を行うことができる。次
に後方向励起構成では雑音姿勢は大きいものの飽和出力
は前方向励起構成に比べ2dB以上、利得も５〜10dB近く
大きくなる（参考文献、例えばOptics Letter vol.14,N
o.19,pp.1062〜1064,1989など）。

前述したように、この構成では原理的に高い励起光が
入射し、増幅された高光信号が通過する増幅用光ファイ
バの信号出力部に光アイソレータを接続することは不可
能である。しかし、初段で増幅された高光信号の場合、
後段の増幅用光ファイバの自然放出光成分は十分抑圧さ
れているので、反射による不安定な現象は生ぜず、安定
に高出力化を図ることができる。このため、低入力光信
号、例えば−20dBm以下の光信号に対して、＋15dBm以上
の高い増幅光出力を、安定かつ低雑音で得るには、初段
として前方向励起構成により一たん増幅し、さらに後段
で飽和出力の大きい後方向励起構成により増幅すること
が有効となる。

第２図に実際の測定値を示す。励起用光源としては、
波長1.48μｍで光出力約100mWの半導体レーザを用い、
増幅用光ファイバとして通常一般に用いられている約25
ppmのErをドープした長さ約90mのファイバと、Erのドー
プ量96ppmの長さ140mのファイバを用いた。ここでは前
者の増幅用光ファイバを前方向励起構成とし、後者の増
幅用ファイバを後方向励起構成として用いた場合の特性
と、本発明の構成による特性も示した。これから明らか
なように、本発明による構成では入力光信号＋9dBmに対
し、増幅光出力は＋18.7dBmと明らかに前方向励起構成
に比べ約3dB、後方向励起構成に比べ約2dB高出力が得ら
れることがわかる。また、この構成では入力光信号が小
さいほど前方向励起構成、後方向励起構成に比べ、大き
い増幅光出力が得られることが明らかである。

なお第２図には入力光信号−20dBm以上の場合しか示
さなかったが、さらに低入力光信号についても発振をせ
ず安定な特性が得られた。

次に、第３図を用いて本発明における増幅光出力の励
起用光源の光電力比依存性を説明する。第３図におい、
P_f,P_bは、それぞれ前方向励起用光源の光電力、後方向
励起用光源の光電力である。これから、全励起用光源の
光電力を一定とした場合（P_f＋P_b＝一定）では、前方向
励起用光源の光電力に比べ、後方向励起用光源の光電力
を大きくした方が、大きい光出力が得られることがわか
る。すなわち本発明の構成では全励起電力が制限される
場合は、後方向励起用光源の光電力を前方向励起のそれ
よりも大きくした方が、効率良く大きな増幅光出力を得
ることができる。

なお、この構成のうち安定性上問題が生じなければ、
光アイソレータ６を省略することも可能である。

第４図は他の実施例を示した図である。本発明の構成
の簡易化をはかるため、第１図における増幅用光ファイ
バ３と光アイソレータ12を省略し、光ファイバ13により
前方向励起と後方向励起の構成を実現しようとするもの
で、励起用光源の光電力の比を最適化するなどして、効
率良く大きい増幅光出力を得るとともに、光アイソレー
タ６により接続部の反射光や励起光の影響を抑圧し、安
定な動作を可能とする構成である。この構成は、励起用
光源の光出力比や安定化用アイソレータを用いているの
で、基本構成に述べた単なる双方向励起構成とは異な
る。

第５図は、さらに別の実施例を示した図である。この
構成では、初段に前方向励起構成を採用し、後段に本発
明で提案した構成を採用する構成である。すなわち安定
により増幅光出力を実現するため、第１図で説明した原
理に基づいて後段で、さらに高利得となる構成としたも
のである。第５図において、14,17,19は光アイソレー
タ、15は前方向励起用光源、21は後方向励起用光源、1
6,22は合波用光結合器、18,20はそれぞれ前方向、後方
向の増幅用光ファイバである。また、後段として第４図
に述べた構成や前段で第１図に述べた構成等を採用する
ことも可能である。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の多段光増幅器は、低雑
音特性を有する構成を初段に採用し、それに続く後段の
飽和出力の大きい特性を有する構成を縦続に接続して、
光増幅器を構成することで、安定で高い光出力を実現す
ることができる。本発明では、単に光電力に着目すれ
ば、光信号だけでなく、高い光電力を実現するのにも有
効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は前方向励起構成、後方向励起構成および本発明
の構成による光信号の増幅特性の測定結果を示す図、第３図は本発明の構成において、前方向励起用および後
方向励起用光源の光電力と増幅光出力の測定結果を示す
図、第４図は構成の簡易化を図った本発明の他の実施例の構
成図、第５図は後段として第１図の構成を用いて、さらに高出
力化を図った本発明の別の実施例の構成図、第６図は従来の構成例を示す図である。１……入力光信号、２……増幅光出力３……増幅用光ファイバ、４……前方向励起用光源５……合波用光結合器、６……光アイソレータ７……光アイソレータ、８……後方向励起用光源９……合波用光結合器、10……光アイソレータ 11……光アイソレータ、12……光アイソレータ 13……増幅用光ファイバ、14……光アイソレータ 15……前方向励起用光源、16……合波用光結合器 17……光アイソレータ、18……増幅用光ファイバ 19……光レイソレータ、20……増幅用光ファイバ 21……後方向励起用光源、22……合波用光結合器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/07 H01S 3/10 H01S 3/23 G02F 1/35 501 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】前方向励起構成を有する低雑音の初段光フ
ァイバ増幅器及び後方向励起構成を有する高飽和利得の
後段光ファイバ増幅器を含むことを特徴とする多段光増
幅器。