JP3041130B2 - 光増幅器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光通信又は光計測分野な
どに用いられる誘導放出現象を利用した光増幅器に関
し、特に増幅率の安定な光増幅器に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ中を伝播する光を増幅する手
段として、光増幅媒質に希土類添加光ファイバを用いた
希土類添加ファイバ型光増幅器や半導体レーザを用いた
半導体レーザ型光増幅器がある。これらの光増幅器は光
の誘導放出現象によって光を増幅するものである。この
光の誘導放出現象は、文献（米津：光通信素子工学( 第
２版) ，Ｐ２６〜３０，工学図書( 株) ，１９８４．
２）に詳述されているが、基本原理について図３（ａ）
〜（ｅ）を用いて説明する。図３（ａ）に示すようなエ
ネルギー準位を持つ孤立原子について、特定の二つのエ
ネルギー準位（１及び２）に着目すると、熱平衡状態で
は、電子は低いエネルギー準位にある（図３（ｂ））。
この状態で、光のような励起エネルギーが与えられる
と、電子は上位のエネルギー準位に叩き上げられる（図
３（ｃ））。このときの励起エネルギーは、希土類添加
ファイバ型増幅器では光の光量であり、半導体レーザ型
増幅器では注入電流である。

【０００３】そして、この状態で、励起された電子は元
の安定なエネルギー準位に戻ろうとし、そのとき余分な
エネルギーを発光により消費する（図３（ｄ））。この
現象は自然放出と呼ばれる。このとき、エネルギー準位
差に等しい光が外部から入力されると、その入力光と同
位相で同波長の光を放出し、光増幅を行う（図３
（ｅ））。この現象は誘導放出と呼ばれる。このような
光増幅器においては、自然放出光（上記、図３（ｄ）で
自然放出された光）の光量や増幅率は、上位のエネルギ
ー準位に存在する電子の量と正の相関関係がある。そし
て、この電子の量は、外部から供給される励起エネルギ
ーの変化や周囲温度の変化によって変動するものであ
り、その結果、これらの条件によって増幅率が変動する
という問題があった。

【０００４】また、外部から入力される信号光のレベル
が高い状態では、外部からのエネルギー供給によって上
位のエネルギー準位に励起される電子の量に対し、誘導
放出によって消費される電子の量が無視できなくなるた
めに、上位のエネルギー準位に存在する電子の量が低下
し増幅率が下がるという問題があった。このような問題
を解決するための従来の技術として、大きく分けて次の
二つがあった。

【０００５】 従来の技術１ 希土類添加ファイバ型光増幅器に関しては、図４に示す
ように、希土類添加光ファイバ１２で増幅されて出力さ
れた出力光の中から、励起光（励起光発生部１６で発生
されて合波部１３を介して希土類添加光ファイバ１２に
入射されている）の残留光を分波器１７で分離し、受光
器１４で検出して、この検出出力に基づいてコントロー
ラ１５が励起光発生部１６の励起エネルギー（注入電
流）を制御する方法が特開平３ー１００５２７号公報に
開示されている。この方法では、周囲温度変化、機械的
振動等の外乱などにより増幅率が変動しても、増幅率の
変動を残留励起光の変動として検出し、これに基づいて
負帰還ループを形成しているために増幅率は安定化され
る。しかし、この方法は、上述のように残留励起光を検
出しているために、励起光を使用しない半導体レーザ型
光増幅器には適用することができなかった。

【０００６】 従来の技術２ 一方、希土類添加ファイバ型及び半導体レーザ型の両光
増幅器に使用できる方法として、光増幅媒質（希土類添
加光ファイバ、半導体レーザ等）の出力側（又は入力側
と出力側の両方）で信号光の一部を光分波器等で分岐
し、信号光の大きさの比較により増幅率を一定とするよ
うに励起エネルギーを調整する技術が、特開平２ー２７
３９７６号公報及び特開平３ー５７３１号公報に開示さ
れている。しかし、この方法では信号光を分岐しなけれ
ばならないために、光分波器等によって信号光に損失が
生ずるという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術で解決しよ
うとする課題は以下の通りであり、本発明の目的はこれ
らの課題を解決した光増幅器を提供することにある。 残留励起光を検出して増幅率を制御する方法は、半
導体レーザ型光増幅器には応用できない。 信号光の一部を分岐して増幅率を制御する方法は、
信号光に損失が生じるため効率が悪い。 また、残留励起光を検出する方法及び信号光の一部
を分岐する方法においては、残留励起光及び信号光の一
部を分岐するための光分波器等の光ハイブリッド回路
は、光増幅器の出力側に設けなければならないため、高
電力光を対象とする光増幅器の場合、光増幅器出力の高
電力光によって光ハイブリッド回路を損傷する恐れがあ
った。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では増幅率の大きさが光増幅媒質で発生す
る自然放出光の大きさ（特に信号光波長より短波長側に
おいて）と精度良く比例していることに着目した。自然
放出光は、半導体レーザ型及び希土類添加ファイバ型の
光増幅器等、誘導放出現象を利用する光増幅器であれば
必ず発生する。そして、その自然放出光の波長帯域が広
いために、その帯域の中から、信号光の波長とは異な
り、かつ増幅率の大きさに精度良く比例する部分の波長
を抽出して、増幅率の制御に使用することができる。す
なわち、光増幅媒質から放出される自然放出光を検出
し、この検出出力を一定にするように励起エネルギーを
制御して、増幅率の安定化を実現した。さらに、自然放
出光は、光増幅媒質の入力側にも放出されることに着目
し、光ハイブリッド回路を光増幅媒質の入力側に設ける
こととした。

【０００９】

【作用】自然放出光と増幅率の関係及び自然放出光の分
離方法について以下に説明する。 自然放出光と増幅率の関係 まず自然放出光について説明する。一例として、図５
（ａ）に示すような光スペクトラムを有する信号光が入
力光として光増幅器に入力されると、図５（ｂ）に示す
ような光スペクトラムを有する出力光が光増幅器から出
力される。すなわち、光増幅器の出力光には、増幅され
た信号光の他に、自然放出光と呼ばれる光が増幅された
信号光の回りに分布される。自然放出光は光増幅媒質自
身が発する光で、その半値の波長帯域幅Δλsponは数十
nmである。この自然放出光は、半導体レーザ型及び希土
類添加ファイバ型の光増幅器を問わず、誘導放出現象を
利用する光増幅器であれば必ず発生する。

【００１０】前述のように、自然放出光の量は上位のエ
ネルギー準位に存在している電子の数に比例しており、
また、誘導放出光も同様であることから、増幅率は自然
放出光の量に精度良く比例している。この傾向は、特に
信号光より短波長側（高エネルギー側）の自然放出光に
おいて顕著である。

【００１１】次に、自然放出光電力と増幅率の関係につ
いて説明する。６図は、Ｅｒドープファイバ光増幅器
（希土類添加ファイバ型の一種）において、入力光電力
Ｐinを変化させたときの増幅率Ｇain 及び自然放出光電
力Ｐspon特性の一例を示している。入力光電力が高い領
域では、内部の反転分布が低下することによって、増幅
率が低下し、同時に自然放出光電力も低下している。こ
の結果、入力光電力に対して、増幅率と自然放出光電力
の特性は比例していることがわかる。

【００１２】７図は、半導体レーザ型光増幅器におい
て、周囲温度Ｔemp を変化させたときの増幅率Ｇain 及
び自然放出光電力Ｐspon特性の一例を示している。温度
に対しても、また増幅率と自然放出光電力の特性は比例
していることがわかる。 自然放出光の分離方法 一般に信号光の波長は既知であり、またその半値の波長
帯域幅Δλsig （図３( ａ) に示す）は分布帰還型レー
ザの場合、0.1nm 以下である。一方、自然放出光の半値
の波長帯域幅Δλsponは数十nmあるので、信号光と自然
放出光との分離は、通常の誘電体多層膜を用いた光分波
器、光方向性結合器等の光ハイブリッド回路で十分可能
である。

【００１３】また、光増幅媒質で発生する自然放出光
は、光増幅媒質の入力側及び出力側の双方向に向かって
放出される。従って、光増幅媒質に入力される信号光と
自然放出光とを光増幅媒質の入力側で分離する場合は、
光分波器、光方向性結合器、光デュプレクサ又は光サー
キュレータ等の光ハイブリッド回路を用いる。また、光
増幅媒質から出力される信号光と自然放出光とを光増幅
媒質の出力側で分離する場合は、光分波器を用いる。な
お、光分波器は、上述のように、光増幅媒質の入力側及
び出力側の双方で使用できる。また、光サーキュレータ
には、例えば「１９９１年電子情報通信学会秋季大会，
Ｂ−６６５，偏波無依存サーキュレータ型光回路におけ
る高アイソレーション特性」等に報告されているものが
ある。

【００１４】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説
明する。 （第一の実施例）図１は、本発明の第一の実施例で、半
導体レーザ型光増幅器の概略構成を示すブロック図であ
る。入力端から入力された信号光（例えば波長１５５２
ｎｍ）は、先球ファイバなどの光結合手段により半導体
レーザ１（光増幅媒質）に入力する。半導体レーザ１
は、所望の増幅率に応じた電流（励起エネルギー）が定
電流源２（励起装置）から供給されており、信号光を増
幅するとともに、自然放出光を発生する。半導体レーザ
１から出力された信号光と自然放出光は、光結合手段に
より取り出され、光分波器３に入力する。

【００１５】光分波器３は、例えば帯域幅１nmの帯域通
過フィルタからなり、ポートａ，ｂ，ｃの端子を有して
いる。ポートａから入力された信号光と自然放出光は、
波長によって分離され、信号光は１nm帯域幅フィルタを
通ってポートｂから出力端に出力され、また自然放出光
は信号光より短波長側（高エネルギー側）のものが所定
帯域幅抽出されてポートｃから光検出器４に出力され
る。光検出器４は、光分波器３から出力された自然放出
光を電気信号に変換し、コントローラ５（負帰還回路）
に出力する。コントローラ５は、光検出器４からの電気
信号の大きさに応じて定電流源２を制御し、負帰還ルー
プを形成する。

【００１６】このように構成された光増幅器おいては、
たとえ、種々の条件の変化によって半導体レーザ１の増
幅率が変動したとしても、増幅率の変動を自然放出光の
光量の変動として光検出器４で電気信号に変換し、この
電気信号が常に一定となるようにコントローラ５によっ
て定電流源２を制御するために、増幅率を安定化するこ
とができる。なお、この実施例では、自然放出光を半導
体レーザ１の出力側で抽出するようにしたが、光分波器
３を入力側に設けて、入力側で抽出してもよく、その場
合、特に高電力光を対象とする光増幅器においては、光
増幅器出力の高電力光によって光分波器３を損傷する恐
れがなくなるという効果がある。また、光分波器３は帯
域通過フィルタに限定されるものではなく、高域阻止フ
ィルタや低域阻止フィルタなどでもよい。

【００１７】（第二の実施例）図２は、本発明の第二の
実施例で、希土類添加ファイバ型光増幅器の概略構成を
示すブロック図である。Ｅｒドープファイバ６（光増幅
媒質）は、希土類添加光ファイバの一種で、希土類元素
のエルビウム( 元素記号；Ｅｒ) をドープした光ファイ
バである。Ｅｒドープファイバ６には、所望の増幅率と
なるような励起光（励起エネルギー）が、励起用光源８
から光合波器７及び光デュプレクサ９を介して供給され
ている。励起用光源８は、例えば、不図示の半導体レー
ザと定電流源から構成され、励起光の光量は定電流源か
ら半導体レーザに供給される電流で制御される。

【００１８】入力端から入力された信号光（例えば波長
１５５２ｎｍ）は、光合波器７で励起光と合波される。
この合波された光は、光デュプレクサ９のポートＡを通
り、ポートＢに接続されたＥｒドープファイバ６に入力
する。Ｅｒドープファイバ６は、この合波された光の中
の励起光により所望の増幅率になっており、信号光を増
幅して、出力端に出力するとともに、自然放出光を発生
する。Ｅｒドープファイバ６で発生した自然放出光は、
光デュプレクサ９のポートＢを通り、ポートＣに接続さ
れた光検出器１０に入力する。光検出器１０は、光デュ
プレクサ９から出力された自然放出光を電気信号に変換
し、コントローラ１１（負帰還回路）に出力する。コン
トローラ１１は、光検出器１０からの電気信号の大きさ
に応じて励起用光源８の定電流源（不図示）を制御し、
負帰還ループを形成する。

【００１９】このように構成された光増幅器おいては、
たとえ、種々の条件の変化によってＥｒドープファイバ
６の増幅率が変動したとしても、増幅率の変動を自然放
出光の光量の変動として光検出器１０で電気信号に変換
し、この電気信号が常に一定となるようにコントローラ
１１によって励起用光源８を制御するために、増幅率を
安定化することができる。

【００２０】なお、光デュプレクサ９は、光アイソレー
タの作用も兼ねており、増幅作用の安定性向上に寄与し
ている。また、光デュプレクサ９のポートＣには、Ｅｒ
ドープファイバ６から反射した信号光が現れたり、非線
形光学による光が現れたりする場合がある。このような
ときは、ポートＣと光検出器１０の間に光フィルタを設
けて、自然放出光以外の不要な光を除去するようにすれ
ばよい。この実施例では、自然放出光の抽出に、光デュ
プレクサ９を用いたが、これに限定されるものではな
く、光分波器、光方向性結合器、又は光サーキュレータ
でもよい。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光増幅器
は、その増幅率の大きさが、光増幅媒質で発生する自然
放出光の光量（特に信号光波長より短波長側において）
と精度良く比例していること、自然放出光が光増幅媒質
の入力側にも放出されることに着目し、そして、この入
力側に放出される自然放出光を増幅率の制御に使用する
ことにより、次のような効果が達成できた。誘導放出
を伴う光増幅器には必ず自然放出光が存在するため、半
導体レーザ型及び希土類添加ファイバ型の双方の光増幅
器に適用でき、増幅率の安定化が図れる。特に、信号光
の短波長側の自然放出光を用いると、より高精度の制御
が可能となる。光増幅媒質の入力側に放出される自然
放出光を利用しているから、信号光に損失を生じさせな
い。光分波器等の光ハイブリッド回路を、光増幅媒質
の入力側に設けたため、特に高電力光を対象とする光増
幅器においては、光増幅器の高電力光によって光ハイブ
リッド回路を損傷する虞がなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第一の実施例で、半導体レーザ型光
増幅器の概略構成を示すブロック図、

【図２】 本発明の第二の実施例で、希土類添加ファイ
バ型光増幅器の概略構成を示すブロック図、

【図３】 誘導放出現象を説明するための図、

【図４】 従来の希土類添加ファイバ型光増幅器の構成
図、

【図５】 光増幅器に入力される入力光と増幅されて出
力された出力光のスペクトラム例、

【図６】 Ｅｒドープファイバ型光増幅器における入力
光電力対増幅率・自然放出光電力特性、

【図７】 半導体レーザ型光増幅器における周囲温度対
増幅率・自然放出光電力特性。

【符号の説明】

１・・・半導体レーザ、 ２・・・定電流源、 ３・・・光分波器、 ４，１０・・・光検出器、 ５，１１・・・コントローラ、 ６・・・Ｅｒドープファイバ、 ７・・・光合波器、 ８・・・励起用光源、 ９・・・光デュプレクサ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励起エネルギーを与えることにより所望
   の信号光の波長に対し誘導放出現象によって増幅作用を
   起こす光増幅媒質（１）と、 前記励起エネルギーを該光増幅媒質に供給する励起装置
   （２）とを有し、入力された信号光を増幅して出力する
   光増幅器において、第１のポート（Ａ）、第２のポート（Ｂ）及び第３のポ
   ート（Ｃ）を有し、前記信号光を前記第１のポートで受
   けて該信号光を前記第２のポートから前記光増幅媒質に
   出力するとともに前記光増幅媒質から放出された自然放
   出光を前記第２のポートで受けて該自然放出光を前記第
   ３のポートから出力する 光ハイブリッド回路（３）と、 該光ハイブリッド回路から出力された自然放出光を受け
   て電気信号に変換する光検出器（４）と、 該光検出器の出力信号の大きさに応じて前記光増幅媒質
   の増幅率が変化するように前記励起装置を制御する負帰
   還回路（５）とを備えたことを特徴とする光増幅器。