JP3507328B2 - 低光サージ光増幅器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば光伝送シス
テムや光伝送装置における光信号を増幅する光増幅器に
関し、更に詳しくは、光伝送システムや光伝送装置にお
いて光サージを低減し得る低光サージ光増幅器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光増幅通信システムの端局では、例えば
冗長やルート切り替えなどのために図４（ａ）に示すよ
うに光信号経路である海底ケーブルの途中に光スイッチ
４１を設け、海底ケーブルを伝送される光信号を陸揚げ
局に中継すべく光スイッチ４１を切り替えるとともに、
該光スイッチ４１の後段に光増幅器４３を接続し、光ス
イッチ４１を通過した光信号を増幅している。また、陸
揚げ局への中継が終了した場合には、図４（ｂ）に示す
ように光スイッチ４１を元に戻すように切り替え、海底
ケーブルからの光信号を光スイッチ４１を介して直接光
増幅器４３に供給するようにしている。

【０００３】このように光スイッチ４１を切り替える場
合には、光スイッチ４１の後段に接続されている光増幅
器４３への入力が断となる状態が発生する。このように
光スイッチ４１が切り替わる場合の光増幅器４３の入力
パワーは、図５（ａ）に示すように切替開始から切替終
了までの間、ゼロになる。このように光増幅器４３に対
する入力パワーが変化する場合の光増幅器の利得は、図
５（ｂ）に示すように入力パワーが所定レベル以上ある
場合には飽和利得のために小さく、入力パワーがないか
または非常に小さい場合には未飽和利得のために大きく
なる。

【０００４】更に詳しく説明すると、図６は光増幅器の
入出力特性を示す図であるが、同図に示すように、入力
信号が小さい所では、光増幅器の利得は比較的大きな小
信号利得、すなわち未飽和利得となるのに対して、入力
信号が大きい所では、光増幅器の利得は小さな大信号利
得、すなわち飽和利得となり、出力信号は飽和する。

【０００５】従って、図５（ａ）に示すような入力パワ
ーの信号を光増幅器に入力すると、入力パワーが大きい
所では、光増幅器は飽和し、その利得は図５（ｂ）に示
すように小さく、また図５（ａ）の光スイッチの切り替
え時のように入力パワーがないかまたは小さい場合、光
増幅器は未飽和状態になるため、その利得は大きくな
る。更に、光増幅器の入力パワーが大きな値から急に小
さな値に変化する時には、光増幅器は徐々に未飽和状態
に変化し、光増幅器の利得も小さな飽和利得から大きな
未飽和利得に徐々に変化する。また、光増幅器の入力パ
ワーが小さな値から急に大きな値に変化する時には、光
増幅器は徐々に飽和状態に変化し、光増幅器の利得も大
きな未飽和利得から小さな飽和利得に徐々に変化する。
このように光スイッチの切り替え時、すなわち光増幅器
への入力パワーが変化する時には、光増幅器の利得は、
図５（ｂ）に示すように飽和利得から未飽和利得へまた
は未飽和利得から飽和利得へ徐々に変化する。

【０００６】このように光増幅器の利得が入力パワーの
変化によって飽和利得および未飽和利得に変化するた
め、図５（ａ）に示すような入力パワーを有する光信号
が光増幅器に入力されると、その出力信号のパワーは図
５（ｃ）に示すように変化し、入力パワーが低レベルか
ら高レベルに変化する時に、出力信号に光サージが発生
する。この光サージは、光増幅器が大きな未飽和利得を
有している状態の時に大きなパワーの入力信号が入るた
め、光増幅器の利得はすぐに小さな飽和利得に変化でき
ず、すなわち図５（ｂ）に示すように光増幅器の未飽和
利得は徐々に小さな飽和利得に復帰するので、光増幅器
の利得はすぐに小さな飽和利得に変化できず、過渡的に
大きな利得で入力信号を増幅し、大きな出力の光サージ
が発生することになる。なお、これは、Ｑスイッチレー
ザに似ているものである。

【０００７】具体的に説明すると、例えば未飽和利得が
４０ｄＢの光増幅器が−１０ｄＢの高入力光信号パワー
のために出力が飽和し、＋１０ｄＢの出力信号を発生し
ていたとする場合（飽和利得２０ｄＢ）、この状態で上
述したように光サージが発生すると、光スイッチの再投
入時に−１０ｄＢの入力に対して４０ｄＢの利得が発生
し、出力が一時的に３０ｄＢになるという光サージが発
生し、これにより各光学部品に光損傷を起こすことにな
る。

【０００８】従来、上述したような光サージを防止する
ために、図７（ａ）に示すように、光増幅器４３の入出
力側にモニタカップラ４５を接続するとともに、該モニ
タカップラ４５で取り出した光信号を断判定器４７に供
給して、この断判定器により光スイッチの切り替えによ
る光信号の断を検出し、この断検出信号により光増幅器
４３のポンプＬＤの出力を低下させ、これにより光増幅
器の利得を抑圧する方法が提案されている。なお、モニ
タカップラ４５は光増幅器の入出力の少なくともいずれ
か一方の側に設ければよい。

【０００９】また、従来の他の方法としては、図７
（ｂ）に示すように、光増幅器４３の入力側にモニタカ
ップラ４５を接続して、該モニタカップラ４５で取り出
した光信号を断判定器４７に供給して、光信号の断を検
出し、この断検出信号を利得抑圧光源４９に供給し、こ
れにより光増幅器の利得を抑圧するような高レベルの光
信号、例えば１５３０ｎｍの光信号を発生し、この利得
抑圧光信号をＷＤＭカップラ５１を介して光増幅器４３
に入力することにより、光増幅器４３の利得を抑圧し、
光サージの発生を防止する方法も提案されている。な
お、モニタカップラ４５は光増幅器の出力側に設けても
よいし、少なくともいずれか一方に設ければよい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述した図７（ａ），
（ｂ）に示した従来の方法は、それなりに有効ではある
が、機構的に複雑であり、特に断判定に関して問題が多
い。例えば、どれくらいのレベルまで光入力信号が低下
したら断と判定するか、またはどれくらいの時間そのレ
ベルが継続したら断と判定するか、または断判定レベル
を高く、断判定時間を短く設定すれば安全であるが、僅
かな光入力信号レベルの変動に対しても反応し、光増幅
器全体の動作が不安定になるなどの種々の問題があると
ともに、また回路の遅延による応答速度に限界がある。

【００１１】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、簡単かつ経済的な構成で光サ
ージを効果的に低減し得る低光サージ光増幅器を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、１．５ミクロン帯の光信号を増幅するエ
ルビウムドープ光ファイバ増幅器と、光信号波長域にお
いて吸収特性を有し、かつ吸収により励起されたエネル
ギ準位での寿命が１００マイクロ秒以下で、該吸収準位
から非発光にてより低いエネルギ準位に移行し、吸収励
起されてから基底準位に戻るまでに１０００マイクロ秒
以上を要する、希土類元素がドープされた光サージ低減
用の光ファイバとからなり、前記エルビウムドープ光フ
ァイバ増幅器の前段に前記光ファイバを直列に接続した
点に第１の特徴がある。

【００１３】

【００１４】

【００１５】 上記の第１の特徴によれば、光サージ低
減用の光ファイバは、光信号波長域において吸収特性を
有し、吸収励起されてから基底準位に戻るまでに１００
０マイクロ秒以上を要するため、非常に簡単な構成で光
増幅器から光サージが発生するのを抑圧することができ
る。

【００１６】 更に、本発明は、請求項１の発明におい
て、前記光サージ低減用の光ファイバにドープされる希
土類元素がサマリウムまたはプラセオジムである点に第
２の特徴がある。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態について説明する。

【００１８】図１は、本発明の一実施形態に係る低光サ
ージ光増幅器の構成を示す図である。同図に示すよう
に、本実施形態の低光サージ光増幅器は、例えば１．５
ミクロン帯の信号波長域の光信号を増幅する通常のエル
ビウムドープ光ファイバ増幅器１（以下、光増幅器と称
する）の入力側に直列に光サージ低減光ファイバ３を接
続するように構成したものである。

【００１９】光サージ低減光ファイバ３は、前記信号波
長域、更に特定すれば、１５２０ｎｍないし１５７０ｎ
ｍの信号波長域において吸収特性を有し、増幅特性を有
しない希土類元素をドープされた光ファイバで構成され
ているものであり、この希土類元素としては例えばサマ
リウム（Ｓｍ）またはプロセオジム（Ｐｒ）が有効であ
る。

【００２０】このような光サージ低減光ファイバ３は、
図２（ａ）に示すような入力パワーの光信号を入力する
と、この入力パワーに対して図２（ｂ）に示すような入
力光信号に対する吸収特性を有する。すなわち、入力パ
ワーが大きい場合には、吸収量は小さく、入力パワーが
小さい場合または前述した光スイッチの断のために入力
パワーが断の場合には、吸収量が大きくなるとともに、
入力パワーの大から小への変化時および小から大への変
化時には吸収量は急激に変化できず、徐々に変化する。

【００２１】従って、このような吸収特性を有する光サ
ージ低減光ファイバ３の出力信号のパワーは、図２
（ｃ）に示すように入力パワーが大の時には出力パワー
は小さく、入力パワーが小の時には出力パワーも小さい
が、この変化時、特に出力パワーが小レベルから大レベ
ルに変化する時に徐々に上昇変化し、この場合の上昇速
度は、光増幅器１の応答速度よりも十分遅いものとなっ
ている。例えば、エルビウムドープ光ファイバ増幅器１
の場合には時定数は約１０ｋＨｚ程度であり、その応答
速度は約１００マイクロ秒程度であるので、この１００
マイクロ秒を考慮すると、光サージ低減光ファイバ３の
上昇速度は１０００マイクロ秒以上あれば十分である
が、図３を用いて後述するように光サージ低減光ファイ
バ３の場合には１０００マイクロ秒以上ある。

【００２２】図２（ｃ）に示すように、光サージ低減光
ファイバ３の出力レベル、すなわち光増幅器１の入力レ
ベルは、徐々に変化するため、光増幅器１の利得が図５
（ｂ）に示すように大きな未飽和利得から小さな飽和利
得への変化が徐々であったとしても、光サージが発生す
ることはない。

【００２３】なお、図１においては、光サージ低減光フ
ァイバ３は光増幅器１の入力側に設けられているが、出
力側に設けてもよく、出力側に設けた場合には、光増幅
器１が出す自然放出光で吸収飽和が発生しないようにす
る必要がある場合があるが、これは例えば光フィルタを
設けて、総自然放出光パワーレベルを低減することがで
きる。

【００２４】上述した吸収特性を有するように光サージ
低減光ファイバ３は、図３（ａ）に示すようなエネルギ
準位を有している。すなわち、この光サージ低減光ファ
イバ３は、光信号波長域で光信号を吸収して、基底レベ
ルから吸収励起レベルに励起される。この吸収励起レベ
ルでの寿命は短く、例えば１００マイクロ秒以下であ
り、非発光にてすぐに下の低いエネルギ準位に移行す
る。なお、このエネルギ準位においては発光しても信号
光帯域とは大きく異なるので、実質的に光雑音にはなら
ない。また、前記光サージ低減光ファイバ３は、上述し
たように吸収励起されてから基底レベルに戻るまでの時
間が十分長く、すなわち寿命が長く、１０００マイクロ
秒以上である。これは、上述した光増幅器１の応答速度
の１００マイクロ秒以上よりも十分長く、これにより光
サージが発生しないことがわかる。

【００２５】なお、光サージ低減光ファイバ３にドープ
された希土類元素が上述したように増幅特性を有しない
ということは、励起準位の寿命が短く、発光を伴いなが
ら基底準位に直接戻ることはないということである。

【００２６】また、光サージ低減光ファイバ３にドープ
された希土類元素が有する吸収特性について更に説明す
ると、該希土類元素は上述したように離散的なエネルギ
準位を有し、基底準位と励起準位のエネルギ差に相当す
る波長を有する光が吸収されるので、吸収に適した波長
を有する光入力信号のパワーが十分弱い場合には、入力
パワーによらず、基底準位にある原子が励起準位のエネ
ルギ状態に励起され、希土類元素をドープされた光サー
ジ低減光ファイバ３は一定の吸収特性、すなわち損失特
性を示すことになる。ところが、入力パワーが大きくな
ってくると、基底準位にある原子の数が低減してくるた
め、すなわち多くの原子が励起されてしまうため、入力
パワーが十分弱い場合のような吸収特性（吸収損失）で
はなくなり、吸収が少なくなる。このような現象は吸収
飽和と呼ばれ、金属のような物質を除いて、吸収特性を
示す物質における一般的な物理現象である。従って、こ
のような吸収飽和を示すため、この物質は信号波長帯に
おいて吸収特性を示さないということにはならない。す
なわち、小さい入力パワーで吸収特性を示せば、吸収特
性を有するということである。

【００２７】これに対して、光増幅器１に使用されてい
るエルビウムドープ光ファイバは、図３（ｂ）に示すよ
うなエネルギ準位を示すが、励起しない場合でもゆっく
りした過飽和吸収特性を示し、この場合は吸収励起準位
の寿命が長く、基底状態に戻る時に信号光帯と同じ１．
５ミクロン帯の光を自然放出するため、これが光雑音と
なり、信号品質を劣化させ、あまり好ましくない。

【００２８】なお、希土類元素としてエルビウムも吸収
特性を有するが、光ファイバにエルビウムをドープする
場合に、そのホストガラスとして石英ドープ光ファイバ
を使用した場合には、現在は上述したような吸収特性を
有するものを作成することができないが、将来上述した
ような吸収特性を有するホストガラス／結晶ができた場
合には、本発明を適用することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光信号波長帯で増幅特性を有しない希土類元素がドープ
された光ファイバを光増幅器に直列に接続しているの
で、希土類元素の増幅特性を有さないという特性により
非常に簡単かつ経済的な構成で光サージの発生を効果的
に低減することができる。

【００３０】また、本発明によれば、光サージ低減用の
光ファイバは光信号波長域において吸収特性を有し、吸
収励起されてから基底準位に戻るまでに１０００マイク
ロ秒以上を要し、この基底準位に戻るまでの１０００マ
イクロ秒は光増幅器の応答速度よりも十分に長いもので
あるので、非常に簡単かつ経済的な構成で光増幅器から
発生する光サージを適確に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る低光サージ光増幅器
の構成を示す図である。

【図２】図１に示す低光サージ光増幅器に使用されてい
る光サージ低減光ファイバの動特性を示す図である。

【図３】図１の低光サージ光増幅器に使用されている光
サージ低減光ファイバおよびエルビウムドープ光ファイ
バのエネルギ準位を示す図である。

【図４】光増幅システムの端局に使用されている光スイ
ッチの切り替え動作を示す説明図である。

【図５】図４に示す光スイッチの切り替え動作により光
増幅器から光サージが発生する動作を説明するための光
増幅器の入力パワー、利得、出力パワーの変化を示す図
である。

【図６】光増幅器の入出力静特性を示すグラフである。

【図７】光増幅器から発生する光サージを低減するため
の従来の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ エルビウムドープ光ファイバ増幅器 ３ 光サージ低減光ファイバ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｂ 10/18 (56)参考文献 特開 平９−297286（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−179388（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−22556（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−335673（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04B 10/00 - 10/28 H01S 3/10 G02F 1/35

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１．５ミクロン帯の光信号を増幅するエル
   ビウムドープ光ファイバ増幅器と、 光信号波長域において吸収特性を有し、かつ吸収により
   励起されたエネルギ準位での寿命が１００マイクロ秒以
   下で、該吸収準位から非発光にてより低いエネルギ準位
   に移行し、吸収励起されてから基底準位に戻るまでに１
   ０００マイクロ秒以上を要する、 希土類元素がドープさ
   れた光サージ低減用の光ファイバとからなり、 前記エルビウムドープ光ファイバ増幅器の前段に前記光
   ファイバを 直列に接続したとを特徴とする低光サージ光
   増幅器。
2. 【請求項２】前記希土類元素は、サマリウムまたはプロ
   セオジムであることを特徴とする請求項１に記載の低光
   サージ光増幅器。