JP3137632B2 - 光ファイバ増幅器を備えた光通信方式 - Google Patents

光ファイバ増幅器を備えた光通信方式

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Description

【発明の詳細な説明】 概要 光ファイバ増幅器を備えた光通信方式に関し、 信号光による情報伝送の他に励起光による情報伝送が
可能な方式の提供を目的とし、希土類元素をドープした
希土類ドープファイバに信号光を励起光と共に伝搬させ
て上記信号光の増幅を行うようにした光ファイバ増幅器
を備えた光通信方式において、励起状態の蛍光寿命より
も短い周期を有する程度の高周波の変調信号により上記
励起光を変調するように構成する。
産業上の利用分野 本発明は光ファイバ増幅器を備えた光通信方式に関
し、さらに詳しくは、希土類元素をドープした希土類ド
ープファイバを用いてなる光ファイバ増幅器を備えた光
通信方式に関する。
光信号を電気回路によらず直接増幅する光増幅器は、
ビットレートフリーであり大容量化が容易であるという
点及び多チャンネルの一括増幅が可能であるという点か
ら、今後の光通信システムのキーデバイスとして各研究
機関で盛んに研究されている。この種の光増幅器を備え
た光通信方式としては、光増幅器を光パワーブースタと
して用い、分岐・挿入損の補償や送信パワーの増加を図
ったもの、光増幅器を光プリアンプとして用い、受信感
度の改善を図ったもの、光増幅器を光中継器として用
い、中継器の小型化や高信頼化を図ったものなどが提案
されており、その方式上の最適化が模索されている。
従来の技術 従来から研究の対象とされている光増幅器を大別する
と、希土類元素（Er,Nd,Yb等）をドープした光ファイ
バ（本願明細書中「希土類ドープファイバ」と称し、こ
の語句は希土類元素をドープした導波路等の導波構造を
含めた広範囲なものとして使用する。）を用いたもの、
半導体レーザ型のもの、光ファイバ中の非線形効果
を利用したものになる。このうち、の希土類ドープフ
ァイバを用いた光増幅器は、偏波依存性がないこと、低
雑音であること、伝送路との結合損失が小さいこととい
った優れた特徴を有している。
ところで、光増幅器を光中継器として用いる場合、そ
の監視制御機能が不可欠である。従来、の半導体レー
ザ型の光増幅器に適用することができる監視制御方式と
しては、例えば、Ellis,A.D.et al.:Supervisoy sysTe
m for cascaded semi−conductor laser amplifie
r repeaters,Electron.Lett.,Vol.25,No.5,pp.309−31
1（2nd March 1989）．に開示されているものが知られ
ているが、この方式は半導体レーザ型の光増幅器の注入
電流を検出するようにしたものなので、そのまま光ファ
イバ増幅器を備えた光通信方式に適用することはできな
い。即ち、光ファイバ増幅器に適した監視制御方式につ
いての従来技術に見当たらない。
発明が解決しようとする課題 光ファイバ増幅器を備えた光通信方式においては、光
増幅を行うために励起光を用いているので、もし、信号
光による情報伝送の他に励起光を変調することによる情
報伝送が可能になるとすれば、光ファイバ増幅器を光中
継器として備えている光通信方式において監視制御が可
能になる。また、希土類ドープファイバに導入される励
起光が信号光と同方向のときだけでなく逆方向のときに
も光増幅がなされることから、励起光による情報伝送が
可能になるとすれば、これを用いて双方向伝送が可能に
なる。
本発明はこのような点に鑑みて創作されたもので、信
号光による情報伝送の他に励起光を変調することによる
情報伝送が可能な、光ファイバ増幅器を備えた光通信方
式の提供を目的としている。
課題を解決するための手段及び作用 第２図に希土類ドープファイバによる光増幅の原理を
示す。２はコア2a及びクラッド2bから構成された希土類
ドープファイバであり、コア2a中にエルビウム（Er）等
の希土類元素がドープされている。このような希土類ド
ープファイバ２に励起光（ポンピング光）が入射する
と、希土類原子が高いエネルギー準位に励起される。高
いエネルギー準位に励起された光ファイバ２中の希土類
原子に信号光が入ってくると、光の誘導放出が生じ希土
類原子が低いエネルギー準位に遷移するが、このとき信
号光のパワーが光ファイバに沿って次第に大きくなり信
号光の増幅が行われる。ドープされた希土類元素がエル
ビウム（Er）である場合において、波長が1.55μｍ帯の
信号光を増幅するときには、例えば波長が1.49μｍ帯の
レーザ光を励起光として用いることができる。また、ド
ープされた希土類元素がネオジウム（Nd）である場合に
おいて、波長が1.3μｍ帯の信号光を増幅するときに
は、波長が0.8μｍ帯のレーザ光を励起光として用いる
ことができる。以下の記述では、ドープされた希土類元
素がエルビウムであるとして本発明を説明する。
波長λＳの信号光に対して所定の波長関係を有する波
長λＰの励起光を希土類ドープファイバに入射させる
と、この希土類ドープファイバには、そのスペクトルが
第３図においてＦで示されるような蛍光が信号光のスペ
クトルの近傍に生じる。この蛍光の強度の変化は励起光
の強度の変化と時間的に完全に一致することはなく、第
４図に示すように、例えば、時刻t0において励起光の入
射を中止したとすると、蛍光の強度は瞬間的に０にはな
らず、適当な時定数をもって徐々に減少していく。い
ま、蛍光の強度ａが励起光の入射を中止する以前の強度
ｂの1/e（ｅは自然対数の底）にまで減少するのに要す
る時間τをもって蛍光寿命と定義すると、時刻t0から蛍
光寿命τが経過する程度の範囲内では、励起光の入射を
中止しているにも関わらず、信号光に対する不安定な利
得変動を伴うことなしに増幅作用が継続することが知ら
れている（Laming,R.I.et al.:Multi−channel crossta
lk and pump noise characteri−sation of Er3+−dope
d fibre amplifier pumped at 980nm,Electron.Lett.,
Vol.25,No.7,pp.455−456（30th March 1989）．）。
この論文では、Er3+doped Fibre Amplifierの励起
光をwhite noiseで変調した場合に、その出力光信号に
変調がかかることが示されている。特に、white noise
が低周波数の場合には、出力光信号に数％の変調がかか
り、周波数が高くなるにつれて、出力信号光に変調がか
かりにくくなることがこの論文のFig.3に示されてい
る。
本発明者は、white noiseによる上記の現象は、情報
信号によって励起光を変調した場合にも当てはまること
を見出した。
即ち、励起状態の蛍光寿命よりも短い周期を有する程
度の高周波の変調信号により励起光を変調した場合に
は、この変調による悪影響は増幅された信号光には殆ど
現れないことになる。
希土類元素として、Er3+を用いた場合、Er3+の蛍光寿
命は、約14msと長く、1/14ms＝71Hzであることを考える
と、約71Hz程度の周波数より高い周波数の情報信号で励
起光を変調した場合、この論文の記載に基づけば、数％
以下の変調が出力光信号にかかることになる。
実 施 例 以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第１図は本発明の実施例の説明図であり、同図ａは信
号光及び励起光が希土類ドープファイバを同方向に伝搬
する場合、同図ｂは信号光及び励起光が希土類ドープフ
ァイバを互いに逆方向に伝搬する場合を示している。
第１図には、希土類元素をドープした希土類ドープフ
ァイバ２に信号光４を励起光６と共に伝搬させて上記信
号光４の増幅を行うようにした光ファイバ増幅器を備え
た光通信方式が示されており、励起状態の蛍光寿命より
も短い周期を有する程度の高周波の変調信号８により上
記励起光６を変調して、信号光４による情報伝送の他に
励起光６をキャリアとした情報伝送を可能にしたもので
ある。この場合、信号光４にも変調信号８の成分が信号
光４に悪影響を与えない程度に現れるため、信号光４に
よっても変調信号８が伝送される。
尚、ここで希土類元素をドープした希土類ドープファ
イバというのは、前述したように、希土類元素をドープ
した導波路等の導波構造を含む広い概念を意味し、従っ
て、希土類元素をドープした希土類ドープファイバに信
号光を励起光とともに伝搬させて上記信号光の増幅を行
うようにした光ファイバ増幅器というのは、光の伝搬媒
体として光ファイバを用いている光増幅器だけでなく、
光の伝搬媒体として光導波路等の導波構造を用いてる光
増幅器を含む。
第１図（ａ）に示したように、信号光及び励起光が希
土類ドープファイバを同方向に伝搬するようにされてい
る場合には、励起光をキャリアとした光中継器の監視信
号の伝送を行うことができる。
一方、第１図（ｂ）に示すように、信号光及び励起光
が希土類ドープファイバを互いに逆方向に伝搬するよう
にされている場合には、信号光による情報伝送と励起光
をキャリアとした情報伝送とにより双方向伝送が可能に
なる。
第５図は本発明を適用した光中継装置の説明図であ
る。同図には、上りの光伝送路12と下りの光伝送路14と
からなる往復光伝送路の途中に単一又は複数（図では３
つ）の光中継装置16を備えたシステムが図示されてい
る。光中継装置16は、上りの光伝送路12に接続された上
り中継器18と下りの光伝送路14に接続された下り中継器
20を備え、これら上り中継器18と下り中継器20は一般的
な中継機能の他に光中継装置の監視制御機能を司る監視
情報のやりとりを行う。上り及び下り中継器18,20間に
おける監視情報のやりとりは電気信号によりなされる
が、光伝送路12,14における監視情報の伝送は、光中継
装置16に含まれる希土類ドープファイバの励起光を変調
することによりなされる。
第６図に上り中継器18のブロック図を示す。下り中継
器20は上り中継器18と同一のブロック構成である。第６
図において、上りの光伝送路12を伝搬している信号光の
波長は例えば1.536μｍ或いは1.552μｍであり、励起光
の波長は例えば1.49μｍである。光増幅に寄与しなかっ
た励起光は上り中継器に到達することになる。信号光及
び励起光は光カプラ21で例えば1:100に分配され、少な
い方の分配光が入力信号レベル検出器22に入力して信号
光のレベルが検出される。多い方の分配光は光ファイバ
増幅器24に入力する。
光ファイバ増幅器24は合分波器26とエルビウムをコア
にドープした希土類ドープファイバ28とを備えて構成さ
れる。合分波器26は、光カプラ21からの信号光と励起光
を合分波して、信号光を希土類ドープファイバ28に導き
励起光を受信機32に導くとともに、励起光源30からの励
起光を希土類ドープファイバ28に導く。合分波器26は合
波器及び分波器から構成されていても良い。
光ファイバ増幅器24により増幅された信号光と増幅に
より消費されなかった励起光は、光アイソレータ34を介
して光カプラ36に入力する。光アイソレータ34を備えて
いるのは、希土類ドープファイバ28を含む光経路に共振
器構造が形成されて希土類ドープファイバ28の利得に基
づく発振が生じることを防止するためである。光カプラ
36は入力した信号光及び励起光を例えば1:100に分配
し、多い方の分配光は再び上りの光伝送路12に導き入れ
られ、少ない方の分配光は出力信号レベル検出器38に入
力する。出力信号レベル検出器38は、内蔵する光フィル
タにより励起光を取り除き、増幅された信号光のレベル
を検出する。
励起光源30はこの実施例では半導体レーザからなり、
そこから出力する励起光のパワー又はその平均値は、出
力信号レベル検出器38からの信号に基づいたAPC（自動
出力レベル制御）回路40の動作によって、上記出力信号
レベルが一定となるように制御される。この制御によ
り、この上り中継器に入力した信号光のレベルに関わら
ず常に一定レベルの信号光をこの上り中継器が出力する
ことができるようになる。
入力信号レベル検出器22からの入力信号レベル、出力
信号レベル検出器38からの出力信号レベル並びに励起光
源30における励起電流（半導体レーザのバイアス電流）
及び励起光出力は、上りの監視情報として下り中継器20
に送られ、そこでの励起光を変調することにより下りの
光伝送路14に送出される（第５図も参照）。
一方、下りの監視情報は、信号処理回路44を介して上
り中継器18に取り込まれ、励起光源30からの励起光を下
りの監視情報に基づいて変調することによって、下りの
監視情報は上りの光伝送路12を介して伝送される。以
下、この動作を説明する。この上り中継器18に対する監
視情報の送出命令を受信機32が受けると、これを解読し
てコントローラ46に通知する。この解読は、受信機32が
受けたアドレス情報が予め記憶されているアドレス情報
と一致するか否かを一致検出回路42により検出すること
により行うことができる。コントローラ46は、監視情報
の送出命令を受けて、信号処理回路44からの下りの監視
情報に基づいて変調回路48を制御し、これにより励起光
源30からの励起光が例えば強度変調される。このときの
変調速度は希土類ドープファイバ28の蛍光寿命の逆数よ
りも充分大きくしておけば、励起光源30からの励起光を
変調したとしても、増幅されて上り中継器18から送出さ
れる信号光にこの変調成分は殆ど現れない（わずかに現
れる）。即ち、変調速度が蛍光寿命より短い周期の場
合、この変調成分が信号光に悪影響を及ぼさない程度に
現れ、信号光に監視情報がわずかに変調される。よっ
て、信号光の直接光増幅による情報伝送の他に、励起光
をキャリア（搬送波）とした監視情報についての情報伝
送が可能である。尚、一致検出回路42におけるアドレス
情報の一致がなく、下りの監視情報を上りの光伝送路12
に送出する必要がない場合には、受信機32が受信した励
起光による伝送情報をコントロローラ46により再生増幅
して励起光源30を変調するようにしておく。
第７図は本発明を適用して構成される双方向伝送シス
テムのブロック図である。このシステムは、第１端局50
と第２端局52との間を１本の光ファイバ54で接続して双
方向伝送を可能にしたものである。第１端局50は、1.55
μｍ帯の信号光を送信する送信部56と、1.49μｍ帯の変
調された励起光を受信する受信部60と、分波部58とを備
えて構成されている。第２端局52は、プリアンプ62と、
1.55μｍ帯の信号光を受信する受信部64と、1.49μｍ帯
の励起光を変調して送出する送信部66とを備えて構成さ
れている。送信部66は励起光源68と励起光源68の半導体
レーザを強度変調する変調回路70とを備えている。プリ
アンプ62は、光ファイバ54に接続された希土類ドープフ
ァイバ72と、変調された励起光を希土類ファイバ72に送
り込むとともに希土類ドープファイバ72により増幅され
た信号光を受信部64に送り込む合分波器74とを備えてい
る。
第１端局50の送信部56からの信号光は、分波器58を介
して光ファイバ54に送出され、第２端局52のプリアンプ
62により増幅されて受信部64により受信される。この場
合、プリアンプ62（光ファイバ増幅器）の作用によって
信号光が増幅されるので、受信感度が増大する。一方、
第２端局52の送信部66から送出された変調された励起光
は、その変調の影響を与えずに第１端局50からの信号光
の増幅に寄与した後、光ファイバ54を介して第１端局50
に伝送され、分波器58を介して受信部60に送り込まれ、
伝送情報が再生される。
このように、信号光及び励起光が希土類ドープファイ
バ72を互いに逆方向に伝搬するようにしているので、信
号光による情報伝送と励起光をキャリアとした情報伝送
とにより双方向伝送が達成される。
第２端局52の送信部66における励起光源68の変調は、
第５図及び第６図により説明した実施例と同様に、希土
類ドープファイバの励起状態の蛍光寿命よりも短い周期
を有する程度の高周波の変調信号によりなされている。
希土類ドープファイバが希土類元素としてエルビウム
をドープした希土類ドープファイバである場合には、励
起状態の蛍光寿命は例えば約14msであり、実用上充分な
伝送容量を得ることができる。
発明の効果 以上説明したように、本発明では、励起状態の蛍光寿
命よりも短い周期を有する程度の高周波の変調信号によ
り励起光を変調するようにしているので、励起光による
信号光の増幅に悪影響を与えることなしに、信号光によ
る情報伝送の他に励起光を変調することによって情報伝
送が可能になるという効果を奏する。その結果、信号光
及び励起光が希土類ドープファイバを同方向に伝搬する
ようにされている場合には、励起光をキャリアとして光
中継器の監視信号を容易に伝送することができるように
なり、また、信号光及び励起光が希土類ドープファイバ
を互いに逆方向に伝搬するようにされている場合には、
信号光による情報伝送と励起光による情報伝送とにより
双方向伝送が可能になる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の原理説明図、 第２図は希土類ドープファイバによる光増幅の原理を示
す模式図、 第３図は蛍光の説明図、 第４図は蛍光寿命の説明図、 第５図は本発明の実施例における光中継装置の説明図、 第６図は本発明の実施例における上り中継器のブロック
図、 第７図は本発明の実施例における双方向伝送システムの
ブロック図である。 2,28,72……希土類ドープファイバ、 ４……信号光、 ６……励起光、 ８……変調信号、 16……光中継装置、 18……上り中継器、 20……下り中継器。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 3/06 H01S 3/10 G02F 1/35 501 G02B 6/16 H04B 10/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】入力端及び出力端を有し、希土類元素が添
    加された光ファイバと、 第１の信号で変調された信号光を入力側光伝送媒体から
    受信し、前記光ファイバの入力端に入力する手段と、 励起光を出力する励起光源と、 前記励起光を該希土類元素の蛍光寿命より短い周期を有
    する第２の信号で変調する手段と、 第２の信号で変調された励起光を前記光ファイバの入力
    端または出力端に入力する手段と、 前記光ファイバの出力端に設けられた光アイソレータと
    を備え、 該信号光を増幅して、前記光ファイバの出力端より出力
    し、前記光アイソレータを介して出力側光伝送媒体に入
    力することを特徴とする光伝送装置。
  2. 【請求項２】入力端及び出力端を有し、希土類元素が添
    加された光ファイバを用いて第１の信号で変調された信
    号光を増幅する方法において、 前記信号光を入力側光伝送媒体から受信し、前記光ファ
    イバの入力端に入力し、 励起光を該希土類元素の蛍光寿命より短い周期の第２の
    信号で変調し、 第２の信号で変調された励起光を前記光ファイバの入力
    端または出力端に入力し、 該信号光を増幅して、前記光ファイバの出力端より出力
    し、光アイソレータを介して出力側光伝送媒体に入力す
    ることを特徴とする信号光を増幅する方法。
  3. 【請求項３】前記第２の信号は、前記信号光の監視情報
    であることを特徴とする請求項１記載の光伝送装置。
  4. 【請求項４】前記第２の信号は、前記信号光の監視情報
    であることを特徴とする請求項２記載の信号光を増幅す
    る方法。
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