JP2968614B2 - 多段光ファイバ増幅器 - Google Patents

多段光ファイバ増幅器

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JP2968614B2 JP3149039A JP14903991A JP2968614B2 JP 2968614 B2 JP2968614 B2 JP 2968614B2 JP 3149039 A JP3149039 A JP 3149039A JP 14903991 A JP14903991 A JP 14903991A JP 2968614 B2 JP2968614 B2 JP 2968614B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には、光波通信
のための光学増幅器、より詳細には、信号利得の等化と
言う新たな機能を提供するための個々の増幅器段が異な
る利得スペクトルを持つ二つあるいは複数のチャネルを
増幅するための多段光学増幅器に関する。
【０００２】
【発明の背景】光学信号を昇圧するために現在使用され
ている光学電子再生器の代わりにエルビウム ドープ
ファイバー増幅器を使用する新たな海底及び陸上光波シ
ステムについて考察する。情報を伝送するために異なる
周波数の二つあるいはそれ以上の信号が使用される多重
チャネル光学伝送システム、例えば、波長分割多重シス
テムにおいては、個々のチャネルが等しい伝達関数（波
長の関数としての利得）を持つことが必須である。長距
離伝送システム内においては、一つの増幅器の所での一
つのチャネルの利得が別のチャネルの利得と、例え、僅
か０．１ｄＢだけ異なっても、これら増幅器の個々を通
じて重大な問題が発生する。長距離伝送ラインの個々の
増幅器の中で、波長λ1 のチャネルＡが波長λ2 のチャ
ネルＢよりも０．１ｄＢだけ大きな利得を受け、この伝
送ラインが端から端までに１００個の増幅器を含むもの
と想定する。すると、この１００個の増幅器をパスした
後、チャネルＡの信号λ1 はチャネルＢの信号λ2 より
も１０ｄＢだけ大きくなる。二つのチャネル間の信号レ
ベルのこの差は、光学伝送システムの性能を非常に落と
す。例えば、１００個の増幅器をパスした後、チャネル
Ａが良好なＳ／Ｎ比を与えるレベルであっても、より小
さな利得を持つチャネルＢは実用には困難な非常に低い
Ｓ／Ｎ比を持つ信号レベルとなる場合がある。これに加
えて、個々の増幅器は、増幅される信号に限られた量の
パワーのみを供給する。実施においては、増幅器のパワ
ーは両方のチャネルに利用できるが、通常、二つのチャ
ネル間で等しく分配されないことが観察されている。通
常、二つの信号の大きな方が利用できるパワーのこれに
比例する大きな割合を獲得し、弱い信号に対しては不相
応な少しの割り当てを残す。従って、強い方の信号は、
弱い方の信号と比較して、これら二つの信号が長距離伝
送ラインの様々な増幅器を通って進むにつれてますます
強くなる。このため、光ファイバ増幅器内の増幅器利得
等化が必要となる。
【０００３】
【発明の要約】本発明においては、利得等化と言う新し
い機能を提供するための多段光ファイバ増幅器が開示さ
れる。ここに開示される多段光ファイバ増幅器は、個々
の段が異なる利得スペクトルを持つ増幅ファイバから成
る少なくとも二つの増幅段を持つ。一つの実施態様にお
いては、別個にポンプされる二つの段が個々の段に異な
る利得スペクトルを提供するために異なるドーパント組
成を持つ。ここに開示される多段光ファイバ増幅器は、
長距離伝送ラインの増幅チャネルの全体としての利得ス
ペクトルの等化を行なう。典型的には、利得等化は、片
方のチャネルの利得を第二のチャネルの利得を一定に保
ちながら調節することによって行なわれる。自動利得制
御と組合わせて使用された場合、増幅器の利得が波長多
重信号の相対光学パワーのランダム変動を補償するよう
に動的に等化され、低パワー チャネルに起因するシス
テム性能の低下が阻止される。
【０００４】
【詳細な記述】ローカル及び幹線光電話通信網の両者に
対して、弱い信号を増幅するための希土類ドープ ファ
イバは、これらの低挿入損失、広利得バンド幅及び偏波
インセンシティブ利得のために非常に重要である。使用
においては、希土類にてドープされた光ファイバは、通
常、ポンプに対して横方向に、希土類利得プロフィル内
のある波長において弱い光学入力信号が所望の増幅を得
るように結合される。波長マルチプレクサを介して光フ
ァイバ内に結合されるポンプ光は、ファイバ内を信号に
対して、同方向あるいは反対方向に伝播する。波長マル
チプレクサは、ポンプ光と信号光とを効率的に一つのフ
ァイバに結合する。
【０００５】エルビウム ドープ光学増幅器は、光波シ
ステム内のパワー増幅器、中継器及び前置増幅器として
使用された場合、長距離伝送システム、回路網、ＣＡＴ
Ｖ分配などの性能の向上に大きく寄与する。これら増幅
器の重要な特性には、高い利得（４０ｄＢ以上）、低い
ノイズ（ほぼ量子限界）、及び高い飽和出力パワー（１
０ｄＢｍ以上）が含まれる。
【０００６】新しい海底及び陸上光波システムは、光学
信号を昇圧するために従来のオプトエレクトロニック再
生器ではなく、エルビウム ドープ ファイバ増幅器を
使用する。光波分割多重システムにおいては、信号が複
数の増幅中継器を通過することによって光学パワーに大
きな差が生じることを阻止するためにチャネルを等化さ
せるための手段が必要となる。増幅器利得の等化を達成
するための典型的な方法は、フィルタ デバイス、例え
ば、干渉フィルタ、ファブリペロ フィルタあるいは集
積光学要素を制御することに基づく。
【０００７】ここに開示される利得の等化を達成するた
めの新しいアプローチは、少なくとも二つの増幅のため
の光学ファイバ段を持つ多段光学ファイバ増幅器に基づ
く。利得等化のこの新しい機能は、個々の段に対して異
なる利得スペクトルを得るための二つの異なるドープ
ファイバ組成を持つ一つの２段ファイバ増幅器にて実現
される。この多段増幅器は、ファイバ コンパティブル
であり、利得の等化は、この異なる段へのポンプ パワ
ーを選択的に制御し、これら増幅器チャネルの出力レベ
ルが等化されるように全体としての利得スペクトルを制
御することによって達成される。
【０００８】図１には、動的利得等化を達成するための
本発明の原理に従う多段光ファイバ増幅器が示される。
多段光ファイバ増幅器１０は、第一の段１２及び第二の
段１４を含む。第一の段１２は、ドープされた増幅器フ
ァイバ１６を含むが、これはゲルマニウム・アルミニウ
ム・シリケート コアをエルビウム ドープしたファイ
バから成る。ファイバ１６は、信号入力ポート２０とフ
ァイバ１６の入力ポート２２との間に位置された二色性
フィルタ ポンプ及び／あるいは信号マルチプレクサ１
８を使用して同方向にポンプされる。高パワー１．４８
ｕｍＩｎＧａＡｓＰ半導体レーザ ダイオード２４がこ
の二色性フィルタ ポンプ及び／あるいは信号マルチプ
レクサ１８を通じてドープされた増幅ファイバ１６を同
軸方向にポンプするために結合される。第一の段１２と
縦に接続された第二の段１４は、ドープされた増幅ファ
イバ２６を含むが、これは、アルミニウム・シリケート
コアをエルビウム ドープしたファイバから成る。ファ
イバ２６は、第一の段１２からの信号を受信するように
位置された二色性フィルタ ポンプ及び／あるいは信号
マルチプレクサー２８及びファイバ２６の信号入力ポー
ト３０を使用して同軸方向にポンプされる。高パワー
１．４８ｕｍＩｎＧａＡｓＰ半導体レーザダイオード３
２がドープされた増幅ファイバ２６を同軸方向にポンプ
するために二色性フィルタ ポンプ及び／あるいは信号
マルチプレクサ２８を通じて結合される。シングル ア
イソレータ３４が反射によって誘引されるノイズを抑止
するために第一の段１２と第二の段１４との間に位置さ
れる。４．３ｎｍのバンド幅を持つ段間帯域干渉フィル
タがまた第一の段１２と第二の段１４との間に増幅され
たチャネルをパスし、また、増幅された自然放射の増幅
された自己飽和を抑止するために位置される。一つの実
施態様においては、この２段増幅器の公称利得は、アイ
ソレータ３４とフィルタ３６の５．２ｄＢ損失の後λs
＝１５４０．５ｎｍにおいて２２．６ｄＢであった。
【０００９】図１の増幅ファイバ１６及び２６は、特定
の組成を持つものとして記述される。但し、ファイバ増
幅器の増幅器利得スペクトルを変えるための根本手段
は、その中にエルビウム イオンが留まるコアのガラス
組成を変えることであることが知られている。シリカに
対する添加物もまた増幅器ファイバを通じての光の導波
伝播に必要とされるコア屈折率を上げる。従って、増幅
ファイバ１６、２６は、上に指定されるものと異なる組
成を持つことができる。例えば、シリカ ファイバ内に
使用できる共同ドーパント(co-dopant) として、例え
ば、アルミニウム、ゲルマニウム、ハフニウム、ホルミ
ウム、チタン、あるいはジルコニウムを含むことができ
る。通常、単一ファイバ内に、一つ以上のこれら共同ド
ーパントが加えられる。例えば、ゲルマニウム・アルミ
ネート ファイバは、コアの屈折率を上げるためにゲル
マニウムを含む一方、１５５０ｎｍの波長領域において
エルビウム利得スペクトルを平坦化するためにアルミニ
ウムが添加される。また、純粋なシリカ コアを使用し
て、別の増幅器利得スペクトルを得ることもできる。ま
た、別のガラス タイプ、例えば、フッ化物及びＺＢＬ
ＡＮガラスを他の利得スペクトル特性を達成するために
使用することもできる。これら利得スペクトル特性は、
１．３ｕｍバンド内の動作に加えて他の波長における動
作を実現する。
【００１０】図２は、ポンプ パワーが実質的に３ｄＢ
だけピーク利得を下げるように低下されたとき別個に測
定された２段光ファイバ増幅器の利得スペクトルの変化
を示す。利得曲線の形状は、不均一の利得飽和が存在し
ないときは普遍性を持ち、これらはドープされたファイ
バの放出及び吸収スペクトルによってのみ影響され、増
幅器設計のその他の面には依存しない。つまり、換言す
れば、多段増幅器の個々の段の利得は、エルビウム ド
ープ ファイバへのポンプ信号のパワーに依存する。こ
の多段増幅器は、２レベル利得媒体であるとみなすこと
ができる。従って、ｄＢにて測定された利得差の波長依
存ｄＧ（λsi）は、基底状態吸収断面σa （λsi）とア
ッパー状態放射断面σe （λsi）の総和に比例する。
【００１１】従って数１のように書くことができる。
【００１２】
【数１】
【００１３】２段増幅器による利得等化の可能性は、差
分スペクトルがクロスする波長において、正味利得がこ
れら段が反対に動作されたとき、つまり、ｄＧA （λs
i）＝−ｄＧB （λsi）とされた場合、変化しないこと
を示す図２から明らかである。
【００１４】但し、この２段増幅器の正味利得の変化
は、全ての他の波長においては起こる。
【００１５】これは差分利得スペクトルを計算すること
によって得られる等高線図である図３により一般的に示
される。図３は、図２ａの差分利得スペクトルから２段
増幅器をｄＧA （λs1）＝−ｄＧB （λs1）＝１ｄＢと
なり、波長λs1において正味利得の変化が０となるよう
に調節された後の波長λs2における利得の変化を示すよ
うに計算されたものである。λs2におけるこの利得の変
化に等しい利得等化係数は数２によって表わされる。
【００１６】
【数２】
【００１７】一般的に、従って、増幅器利得を等化する
試みにおいてλs2において得られる正味利得の調節は以
下によって与えられる。 ｄＧ（λs2）＝ｄＧ（λs1）δＥ（λs1；λs2） ここで、ｄＧ（λs1）は、波長λs1におけるこれら二つ
の段に加えられた差分利得トリミングを表わす。より具
体的には、図３は、波長λs1における利得が第一の段内
において＋１ｄＢだけ、そして第二の段内において−１
ｄＢだけ変化された後の波長λs2における正味利得の変
化δＧ（λs1；λs2）を表わす。つまり、δＧ（λs1；
λs2）は、ｄＢ／ｄＢ単位での利得等化係数であり、ま
た、個々の段内において二つのチャネル間の利得の差を
補償するために要求される利得の測定値である。
【００１８】図１の多段エルビウム ドープ ファイバ
増幅器にて、δＧ（１５３５，１５４５）＝０．６ｄＢ
／ｄＢと言う大きな利得等化係数が可能であるが、但
し、段間フィルタを使用してチャネル間の大きな利得差
を等化することが必要となる。また、λs1＝λs2の退廃
のケース以外のδＧ（λs1，λs2）＝０であり、二つの
チャネル間の動的利得等化が可能でない波長ペアも存在
する。これは、複雑なクロス結合無しに、ペアのチャネ
ルを等化しながら多段増幅器にて複数のチャネルを動的
に等化することが要求される場合に有効である。
【００１９】多段光ファイバ増幅器の我々の応用におい
ては、利得等価はλs1＝１５４０．５ｎｍ、λs2＝１５
３８ｎｍの２つの近接した間隔のチャネルを用いて検査
された。ここで、δＧ（１５４０．５，１５３８）＝
０．１５ｄＢ／ｄＢである。段間帯域通過フィルタはＡ
ＳＥバンド幅を制限するだけでなく、ろ波がなければ
１．８ｄＢであった２つのチャネル間の利得の差を概ね
等化する機能を示した。
【００２０】図４には、個々の段の利得のトリミングに
おいて１５３８ｎｍ信号に対して達成される利得修正が
図解される。この例においては、１５３８ｎｍにおける
利得は、最初は１５４０ｎｍにおけるよりも０．３ｄＢ
高く、第一及び第二の段の利得は、それぞれ、ＧA （１
５４０．５）＝１３ｄＢ及びＧB（１５４０．５）＝１
５ｄＢであり、正味利得は２２．６ｄＢである。１５３
８ｎｍにおける相対利得がＧA （１５４０．５）＝７ｄ
Ｂ；ＧB （１５４０．５）＝２１ｄＢとなるようにポン
プ パワーを調節することにより０．７ｄＢにされ、１
５４０．５ｎｍにおける正味利得はそのままとされる。
この相対利得は、１５３８ｎｍと１５４０．５ｎｍにお
ける正味利得が等しいような状況を含む−０．３ｄＢか
ら０．７ｄＢの間の任意の値に調節可能である。総利得
等化１．０ｄＢは最初に二つのチャネルに対して概ね等
しい正味利得を提供するようにチューニングされる増幅
システムに対しては実用的な値であり、修正を必要とす
る残留エラーのみを残す。より多量の利得等化がより広
い間隔を持つチャネルのペアでは得られる（図３参
照）。
【００２１】二つのチャネルの利得等化を持つ増幅長距
離光波システムの挙動がシュミレートされた。図５は、
１００個の中継器を持つＷＤＭ増幅された光波システム
内の二つのチャネルの利得差の計算値を図解する。図５
においては、個々の中継器の所におけるチャネル間の利
得変動は、公称利得の回りのピーク間２ｄＢの均一分散
を持ち、またδＧ（λs1；λs2）＝０．１ｄＢ／ｄＢで
あると想定される。利得変動の原因としては、利得スペ
クトル内の小さなランダム差あるいは個々の中継器の所
における偏波依存損失が含まれる。これら利得変動は、
時間によって変動するが、但し、この利得等化は、制御
ループを使用してこれらを動的に追跡することができ
る。現実的なシステムを提供するために、個々の段の利
得トリミングがそれらの公称利得よりピーク間において
６ｄＢあるいは１２ｄＧ以上とならないように制限され
た。図５に示されるように、修正されない信号は、二つ
のチャネル間に８．２ｄＢの最大レベル差を持ち、これ
は、低パワー チャネル内のＳ／Ｎ比を大きく劣化させ
る。但し、動的利得等化の本発明を使用すると、最大レ
ベル差は、利得トリミングがピーク間において６ｄＢに
制限された場合、２．３ｄＢ以下となり、１２ｄＢの制
限では、０．７ｄＢに向上した。個々の中継器の所のレ
ベリングは、利得トリミングに対する制約のために不完
全ではあるが、この不完全なレベリングは、続く段内に
おいて修正されることに注意する。
【００２２】動的利得トリミングの能力の可能性がここ
では増幅器段内に異なるファイバ組成を持つように設計
された２段エルビウム ドープ ファイバ増幅器を使用
して試験された。上に開示される多段ファイバ増幅器に
て得られる信号利得等化は、長距離増幅光波システム内
において、ＷＤＭ伝送システム内のチャネル間で相対利
得差が累積されることを阻止するために使用できる。２
段増幅器の第一及び第二の段内にゲルマニウム・アンモ
ニア・シリケート及びアルミニウム・シリケート コア
を用いた場合、２．５ｎｍの間隔を持つ二つのチャネル
に対して１ｄＢの相対利得修正が得られた。必要であれ
ば、ファイバ組成を最適化し、またチャネル波長を選択
することによって、より大きな利得差を修正することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理に従う波長多重システム内の動的
利得等化のための２段ファイバ増幅器を示す図である。
【図２】個々の段がエルビウム ドープ ファイバから
成る２段光ファイバ増幅器の差分スペクトル利得特性を
示す図である。
【図３】個々の段がエルビウム ドープ ファイバから
成る２段光ファイバ増幅器の０．１ｄＢ／ｄＢ等高間隔
に対する差分利得係数、δＧ（λs1；λs2）の等高線図
である。
【図４】２段増幅器内の利得トリミングによって達成さ
れるλs1＝１５４０．５ｎｍ及びλs2＝１５３８ｎｍに
おける信号の利得等化を示す図である。１５３８ｎｍに
おける増幅器利得トリミングが一定の利得Ｇ（１５４
０．５）＝２２．６ｄＢと相対的に＋０．３２ｄＢから
−０．６８ｄＢのレンジを通じて遂行された。
【図５】１００個の中継器を持つＷＤＭ増幅光波システ
ム内の二つのチャネルのレベル差をｄＢにて示した図で
ある。中継期間のピーク間ランダム変動は、２ｄＢであ
り、この２段増幅器利得等化係数は、０．１ｄＢ／ｄＢ
である。修正を行なわないシステム（実線）、段当り６
ｄＢの利得トリミング制約を持つ動的等化システム（破
線）、及び段当り１２ｄＢの制約を持つ動的等化システ
ム（点線）に対するレベル差が示される。
【符号の説明】
１０ 多段光ファイバ増幅器 １２ 第１の増幅器 １４ 第２の増幅器 １６，２６ 増幅ファイバ １８，２８ 信号マルチプレクサ ２４，３２ 半導体レーザ ダイオード ３４ アイソレータ ３６ フィルタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｓ 3/23 Ｈ０１Ｓ 3/23 Ｚ (72)発明者 クリントン ランディ ギルズ アメリカ合衆国 07733 ニュージャー シイ，ホルムデル，ストーンヘンジ ド ライヴ 12 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/35 501 G02B 6/10 G02B 6/16 H01S 3/07 H01S 3/094 H01S 3/23

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光学増幅器において、該増幅器は一つの
    入力ポート及び一つの出力ポートを持つ光学増幅器ファ
    イバを形成するためにクラディング内に第一の組成のコ
    アからなる第一の増幅段、 一つの入力ポート及び一つの出力ポートを持つ光学増幅
    ファイバを形成するためにクラディング内に該第一の組
    成とは異なる第二の組成のコアからなる第二の増幅段、 該第一及び第二の光学増幅ファイバに光学的に結合され
    るポンプ波長のポンプ信号を生成するための手段、及び
    該第一の増幅段の出力ポートと該第二の増幅段の入力ポ
    ートとの間に位置する反射誘導ノイズ及び該第一の段か
    らの自然放射が該第二の段を飽和することを阻止するた
    めに設計された光学手段からなることを特徴とする光学
    増幅器。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の光学増幅器において，
    該増幅段の一方はアルミニウム、ゲルマニウム、ハフニ
    ウム、ホルミウム、チタン、ジルコニウムからなる一群
    から選択された共同ドーパントを持つエルビウム ドー
    プ シリカファイバ コアから成り、該増幅段の他方は
    別の組成を持つエルビウム ドープシリカ ファイバ
    コアからなることを特徴とする光学増幅器。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の光学増幅器において、
    該増幅段の一方はアルミニウム・シリケートのエルビウ
    ム ドープ ファイバ コアから成ることを特徴とする
    光学増幅器。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の光学増幅器において、
    該光学手段は、増幅された信号をパスするように、及び
    第一の段からの自然放射の形式でのエネルギーが該第二
    の段を飽和することを抑止するように設計された光学フ
    ァイバからなることを特徴とする光学増幅器。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の光学増幅器において、
    該光学手段が反射誘導ノイズを抑止するように設計され
    た光学アイソレータから成ることを特徴とする光学増幅
    器。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の光学増幅器において、
    該光学手段が増幅された信号をパスし、該第一の段から
    の自然放射の形式でのエネルギーが該第二の段を飽和す
    ることを阻止するように設計された光学フィルタ、及び
    反射誘導ノイズを抑止するように設計された光学アイソ
    レータを含むことを特徴とする光学増幅器。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の光学増幅器において、
    該ポンプ信号を生成するための手段が、受信された信号
    を該第一の段の入力ポートにパスするように結合された
    第一の波長マルチプレクサ、 ポンプ パワーを該第一の段に供給するために該第一の
    波長マルチプレクサに結合された第一の半導体レーザダ
    イオード、 受信された信号を該第二の段の入力ポートにパスするよ
    うに結合された第二の波長マルチプレクサ、及びポンプ
    パワーを該第二の段に供給するために該第二の波長マ
    ルチプレクサに結合された第二の半導体レーザ ダイオ
    ードからなることを特徴とする光学増幅器。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の光学増幅器において、
    該光学手段は該第一の段からの自然放射の形式でのエネ
    ルギーが該第二の段を飽和することを阻止するように設
    計された光学フィルタ、及び反射誘導ノイズを抑止する
    ように設計された光学アイソレータからなることを特徴
    とする光学増幅器。
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