JP3571967B2 - 高出力変換効率を有する長波長帯域向きの光ファイバ増幅器 - Google Patents

高出力変換効率を有する長波長帯域向きの光ファイバ増幅器 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバ増幅器に関するものであり、特に、自然放出光を二次励起光源として用いることにより高出力変換効率を有する長波長帯域(1570nm〜1610nm)の光ファイバ増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】
波長分割多重(Wavelength Division Multiplexed:WDM)伝送システムにおいて、広帯域で平坦化した利得を有するエルビウムドープファイバ増幅器(Erbium Doped Fiber Amplifier:EDFA)及び従来のEDFAでは実現が困難であった長波長帯域でも動作可能な光増幅器の研究開発が重要な技術的関心事項の一つとなっている。このため、増幅光ファイバに新規物質、例えば、亜テルル酸塩基材(tellurite based)を使用し長波長帯域でも動作可能な光ファイバ増幅器の研究開発が進められているが、例えば、該亜テルル酸塩基材を光ファイバ増幅器に使用すると、長波長帯域の光ファイバ増幅器の要件を満たすことはできるが、その利得スペクトルが不均一となり、しかも、この問題を解決するための関連技術分野の技術水準が追いついていないことから実用化が困難となっている。
【0003】
また、上記以外の物質として、様々な構造のシリカ基材がEDFAに用いられており、従来の増幅帯域(1530nm〜1560nm:C−バンド)とは異なる帯域で利得を得るための研究や、EDF内で30〜40%程度の密度反転を誘導する適宜のシステム構成により1570nm〜1610nm(L−バンド)の長波長帯域でも光増幅が可能となるような研究も進められている。多少複雑な構成となるが、このようなC−バンド及びL−バンド増幅器を並列に配置してEDFAにシリカ基材を用いることにより、このEDFAが将来の大容量WDM伝送システムに対して80nm以上の広い利得帯域を有することが可能となる。しかしながら、L−バンドの光ファイバ増幅器はEDF部を長くしなければならず、また、そのために高出力ポンプ(励起光源)を必要とし、更には出力変換効率の低下を引き起こすという改善点を持つ。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このような事情を背景に本発明は、比較的長波長帯域における高出力変換効率の光増幅が可能な光ファイバ増幅器の提供を目的としている
【0005】
【課題を解決するための手段】
このような目的のために本発明は、励起光の提供を受ける第1光ファイバ部分と、この第1光ファイバ部分に接続され、励起光の提供を受けない第2光ファイバ部分と、第1光ファイバ部分による自然放出光を第2光ファイバ部分の励起用に用いる再用手段と、を備える光ファイバ増幅器を提供する。
【0006】
具体的には、L−バンドで利得を示すように長さを135mに調節したエルビウムドープ光ファイバからなる第1光ファイバ部分と、L−バンドで利得を示すように長さを5m以上且つ35m以下に調整したエルビウムドープ光ファイバからなる第2光ファイバ部分と、を縦列接続し、その第1光ファイバ部分と第2光ファイバ部分との間に波長分割多重結合器を挿入することで該波長分割多重結合器から前記第1光ファイバ部分へ励起光源による励起光を提供すると共に、前記第1光ファイバ部分で生じる自然放出光を励起用として前記第2光ファイバ部分へ提供する構成とするものである。
【0007】
上記光ファイバ増幅器において、第1及び第2光ファイバ部分の前後に位置し光信号の進行方向を一方向に誘導する光アイソレーターを備えるようにしてもよい。
【0008】
このような光ファイバ増幅器については、第2光ファイバ部分を入力端側に、第1光ファイバ部分を出力端側にして縦列接続し、波長分割多重結合器から出力端側の前記第1光ファイバ部分へ励起光源による励起光を提供する前方向励起方式とすることができる。
【0009】
あるいは、第1光ファイバ部分を入力端側に、第2光ファイバ部分を出力端側にして縦列接続し、波長分割多重結合器から入力端側の前記第1光ファイバ部分へ励起光源による励起光を提供する後方向励起方式とすることもできる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【0011】
図1及び図2は従来のシリカ基材を用いたL−バンドEDFAの例をそれぞれ示したブロック図である。図1における光ファイバ増幅器(以下、“第1型光ファイバ増幅器”という)は前方向励起構造を、図2における光ファイバ増幅器(以下、“第2型光ファイバ増幅器”という)は後方向励起構造をそれぞれ備えている。
【0012】
図1の第1型光ファイバ増幅器では、入力光信号10は、光カップラであるWDM結合器20を介し前方向励起手段30により励起されるEDF領域(EDF I)と、励起されないEDF領域(EDF II)とに順次入力され増幅された後に出力光信号40として出力される。一方、図2の第2型光ファイバ増幅器では、入力光信号10は、励起されないEDF領域(EDF II)と、WDM結合器20を介し後方向励起手段30’により励起されるEDF領域(EDF I)とに順次入力され増幅された後に出力光信号40として出力される。これら第1型及び第2型光増幅器では、光信号の進行方向を一方向に誘導するために入力端と出力端にそれぞれ光アイソレーター50,50’を備える。
【0013】
図3及び図4は本発明の一実施形態をそれぞれ示したものであり、シリカ基材を用いたL−バンドのEDFAのブロック図である。図3の光ファイバ増幅器(以下、“第3型光ファイバ増幅器”という)では、入力光信号12は、励起されないEDF領域(EDF II)からWDM結合器22を通過した後、WDM結合器22を介し前方向励起手段32により励起されるEDF領域(EDF I)に入力される。一方、図4の光ファイバ増幅器(以下、“第4型光ファイバ増幅器”という)では、入力信号光12は、WDM結合器22を介し後方向励起手段32’により励起されるEDF領域(EDF I)から出力された後、WDM結合器22を通過し、励起されないEDF領域(EDF II)に入力される。これら第3型及び第4型光ファイバ増幅器においても、光信号の進行方向を一方向に誘導するために入力端と出力端にそれぞれ光アイソレーター52,52’を備える。
【0014】
図5〜図8において本例による光ファイバ増幅器の特性を示す。尚、 本発明と従来技術との特性を対比するにあたり、同一動作条件下で対比すべく第1型から第4型の光ファイバ増幅器に同一のEDFを使用した。すなわち、4.5dB/m の最大吸収係数を有する商業的に利用可能なアルミニウム共ドープ(Al−codoped)光ファイバを使用し、かつ、励起されないEDF領域(EDF II)のその長さによる小信号利得(Small Signal Gain))の依存性を分析するためにEDF Iの長さを135mにし、EDF IIの長さを0m,5m,15m,20m,25m,35mに変化させて小信号利得を測定した。この対比における励起波長は980nmで、その出力は90mWに固定した。また、光増幅器の利得を評価すべく光スペクトル分析器とともに1590nmの中心波長を有する波長可変レーザーを用いるとともに、小信号利得、雑音指数、飽和出力強度及び出力変換効率などを正確に測定するためにそれぞれ−20dBm及び0dBmの強度を有する入力信号を使用した。
【0015】
EDFの入力端側の挿入損失を正確に測定した結果、全ての場合に対して2dB以下であった。
【0016】
図5に、EDF IIの長さを順次変化させて計測した第1型光ファイバ増幅器(FIRST TYPE L−BAND EDFA),第2型光ファイバ増幅器(SECOND TYPE L−BAND EDFA),第3型光ファイバ増幅器(THIRD TYPE L−BAND EDFA),及び第4型光ファイバ増幅器(FOURTH TYPE L−BAND EDFA)の小信号利得値を示す。この結果によれば、励起されないEDF領域(EDF II)を有する第3型及び第4型光ファイバ増幅器は、従来の前方向及び後方向励起手段を有する第1型及び第2型光ファイバ増幅器と比べて小信号利得がEDF IIの長さに強く依存するという特性が得られる。また、図6には、EDF IIの長さを順次変化させたときの第1型から第4型光ファイバ増幅器の出力変換効率(Power Conversion Efficiency)を示す。図5及び図6より、第3型光ファイバ増幅器においてEDF IIの長さが35mの場合に、小信号利得及び出力変換効率の値が最も高いことが確認でき、それぞれ21.83dB及び21.1%である。
【0017】
これらの値は第1型光ファイバ増幅器の場合よりそれぞれ4dB及び11.51%向上している。すなわち、励起レーザーダイオードの前又は後に励起されないEDF領域(EDF II)を位置させることにより、励起出力を効率よく利用することができるようになっている。これは、励起光と反対方向に進行する自然放出光(Amplified Spontaneous Emission:ASE)を、励起されないEDF領域における1550nmの励起源として再利用するものであり、1600nmの帯域で光子を生成させる。
【0018】
出力変換効率を向上させるのに十分な逆進ASEの存在を証明するために、サーキュレーターを用いてEDF IIのない第1型光ファイバ増幅器における逆進ASEスペクトルを測定した。図7に0.2nmの分解能帯域で0dBの入力信号に対する逆進ASEスペクトルを測定した結果を示す。−25dBm/0.2nm以上の光出力を示す波長領域、すなわち、1520nmから1565nmまでの波長領域では全体的に20.59mW程度の強い逆進ASE出力を示した。より弱い−20dBmの入力信号が光ファイバ増幅器に入射された場合、全体励起出力の30%に至る28.9mW程度のより強い全体逆進ASE出力を確認することができた。このことから、より弱い出力強度及び1550nmの帯域信号を有するL−バンド増幅においては、ASE出力レベルはL−バンドを増幅するのに十分である。なお、1590nm付近のピークは入力光信号のレイリー後方散乱(Rayleigh back−scattered)部分により発生するものと考えられる。
【0019】
図8に、EDF IIの長さを順次変化させて第1型から第4型光ファイバ増幅器の1550nm帯域における第2レベル励起に対する雑音指数(Internal Noise Index)を測定した結果を示す。前方向励起手段を有する第1型及び第3型光ファイバ増幅器は後方向励起手段を有する第2型及び第4型光ファイバ増幅器より優れた性能を示す。また、第2型光ファイバ増幅器は他光ファイバ増幅器に比べて雑音指数が非常に高く、EDF IIの長さによる雑音指数も急激に増加するため、L−バンドEDFAとして使用するには不適当である。第3型光ファイバ増幅器が第1型光ファイバ増幅器よりも雑音指数面に関し低特性を示すのは、励起されないEDF部分で1600nmの励起に用いられる逆進ASE波長において大きい放射断面積が存在するからである。第4型光ファイバ増幅器にあっても励起されないEDF部分を有するため、EDFA全体の後方部で雑音に鈍感であり、雑音指数に対する影響は確認されない。
【0020】
従来では、増幅器飽和現象を引き起こすことから、十分なL−バンド信号利得を得るためには、ASEを抑制すべきとされていた。これに対し本発明によれば、励起されないEDF領域に対する励起源としてASEを利用するという発想の転換により、信号利得及び励起出力効率を向上させ、1570nmから1610nmまでの波長領域で光信号増幅に使用可能な高出力変換効率を有する光ファイバ増幅器を提供する。
【0021】
雑音指数面では1dB分の損失があったが、9.6%から21.1%に至る出力変換効率の向上及び最大4dBの小信号利得増加という結果を得た。性能向上は、励起されないEDF部分を通して1480nmの励起を行った場合にも確認されたが、これは本発明の光ファイバ増幅器がどのような励起波長にも適用可能であるということを示す。したがって、ASEを励起源として再使用する本発明の基本概念は光増幅器の性能向上のみならず、励起出力の経済的な使用面でも実用的なL−バンドEDFAの開発に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図1】シリカ基材を用いたL−バンドEDFAの従来例を示したブロック図。
【図2】シリカ基材を用いたL−バンドEDFAの他の従来例を示したブロック図。
【図3】本発明のシリカ基材を用いたL−バンドEDFAの実施形態を示したブロック図。
【図4】本発明のシリカ基材を用いたL−バンドEDFAの他の実施形態を示したブロック図。
【図5】励起されないEDF領域(EDF II)の長さを順次変化させて測定した第1型から第4型光ファイバ増幅器の小信号利得を示したグラフ。
【図6】励起されないEDF領域(EDF II)の長さを順次変化させて測定した第1型から4型光ファイバ増幅器の出力変換効率を示したグラフ。
【図7】出力変換効率を向上させ得るASEの存在を証明するために測定したASEスペクトルのグラフ。
【図8】励起されないEDF領域(EDF II)の長さを順次変化させて測定した第1型から第4型光ファイバ増幅器の雑音指数を示したグラフ。

Claims (4)

  1. L−バンドで利得を示すように長さを135mに調節したエルビウムドープ光ファイバからなる第1光ファイバ部分と、L−バンドで利得を示すように長さを5m以上且つ35m以下に調整したエルビウムドープ光ファイバからなる第2光ファイバ部分と、を縦列接続し、その第1光ファイバ部分と第2光ファイバ部分との間に波長分割多重結合器を挿入することで該波長分割多重結合器から前記第1光ファイバ部分へ励起光源による励起光を提供すると共に、前記第1光ファイバ部分で生じる自然放出光を励起用として前記第2光ファイバ部分へ提供するようにしたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
  2. 第1及び第2光ファイバ部分の前後に位置し光信号の進行方向を一方向に誘導する光アイソレーターを備える請求項1に記載の光ファイバ増幅器。
  3. 第2光ファイバ部分を入力端側に、第1光ファイバ部分を出力端側にして縦列接続し、波長分割多重結合器から出力端側の前記第1光ファイバ部分へ励起光源による励起光を提供する前方向励起方式とした請求項1又は請求項2記載の光ファイバ増幅器。
  4. 第1光ファイバ部分を入力端側に、第2光ファイバ部分を出力端側にして縦列接続し、波長分割多重結合器から入力端側の前記第1光ファイバ部分へ励起光源による励起光を提供する後方向励起方式とした請求項1又は請求項2記載の光ファイバ増幅器。
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