JP3573329B2

JP3573329B2 - 光増幅器及びそれを用いた光ファイバ通信システム

Info

Publication number: JP3573329B2
Application number: JP13941699A
Authority: JP
Inventors: 浩次増田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2019-05-20
Also published as: JP2000330146A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅器及びそれを用いた光ファイバ通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の光増幅器、及びそれを用いた波長多重の光ファイバ通信システムの基本構成を図９に示した。信号光波長が１つである時分割多重の光ファイバ通信システムに関しては、光増幅器への入射信号光波長が１波である点以外は、すべて同様のことが成り立つ。図９及び図１０は、伝送ファイバの信号光損失を光増幅器の利得で補償する線形中継の場合を示しており、図９は光増幅器が半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）１００の場合、図１０は光増幅器がファイバラマン増幅器（以下、単にラマン増幅器（ＦＲＡ）と呼ぶ）２００の場合である。入射信号光の波長数（チャネル数）をｎ、信号光波長をλ_１，λ_２，…，λ_ｎ、光増幅器への全入射信号光パワーをＰ_ｉｎ、全出力信号光パワーをＰ_ｏｕｔ、光増幅器の利得をＧとする。
【０００３】
ＳＬＡ１００を用いた図９の場合、ＳＬＡ１００は、半導体レーザ素子と電流駆動回路を有する。一方、ＦＲＡ２００を用いた図１０の場合、ＦＲＡ２００は、利得媒質としてのラマンファイバ２０１，２０２と、前記ラマンファイバ２０１，２０２を励起する励起光源２０３，２０４と、励起光と信号光を合波する合波器２０５，２０６を有する。ＦＲＡ２００の利得が約１０〜１５ｄＢを超える場合、一般に、多重レーリー散乱に起因する強度雑音を回避するため、２個のラマンファイバ２０１，２０２と光アイソレータ２０７を用いた２段増幅構成を採用する（参考文献１：Ｈ．Ｍａｓｕｄａｅｔａｌ．，ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．２４，ｐｐ．２３３９−２３４０，１９９８）。
【０００４】
説明の簡略化のため、第１のラマンファイバ２０１の前や、第２のラマンファイバ２０２の後に通常設定する光アイソレータ等は、図１０において省略してある。前記励起光源は、偏波多重及び励起波長多重した半導体レーザ（レーザダイオードとも呼ぶ）や、固体レーザ、ファイバレーザなどである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記図９のＳＬＡ１００、図１０のＦＲＡ２００の典型的な利得飽和特性、すなわち利得Ｇの全信号光出力パワーＰ_ｏｕｔ依存性を図１１に示す。ＳＬＡ１００の場合、Ｐ_ｏｕｔの飽和値（例えば、３ｄＢ利得低下パワー）は、約５ｄＢｍである。一方、ＦＲＡ２００の場合、Ｐ_ｏｕｔの飽和値は、約１５ｄＢｍである。光強度変調パルス符号変調方式を採用した光ファイバシステムにおいて、Ｐ_ｏｕｔの値がそれらの飽和値を超えると、波長多重方式の場合には、信号光チャネル間の相互利得変調により、パルスごとの利得にばらつきが生じてシステムの性能を劣化させる（参考文献２：Ｆ．Ｆｏｒｇｈｉｅｒｉｅｔａｌ．，Ｐｒｏｃ．ＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓａｎｄｔｈｅｉｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＦＡ４，ｐｐ．１１７−１１９，１９９４）という問題があった。
【０００６】
また、時分割多重の場合には、パターン効果により、パルスごとの利得にばらつきが生じてシステム性能を劣化させる（参考文献３：石尾秀樹監修、中川他著、「光増幅器とその応用」、オーム社、第４章、１９９２）。そのため、一般的に、Ｐ_ｏｕｔの値はそれらの飽和値を超えないように設定する。
【０００７】
したがって、ＳＬＡ１００を用いた図９の従来の構成では、前信号光出力パワーＰ_ｏｕｔが低い値に制限されるため、信号光のチャネル数が小さく制限される。あるいは、１チャネル当たりの信号光出力パワーが低く制限されるために、線形中継伝送距離が短く制限されるという問題があった。
【０００８】
また、ＦＲＡ２００を用いた図１０の従来の構成では、Ｐ_ｏｕｔは高い値に設定できるが、ラマンファイバや励起光源などの高価な部品が多いので、光増幅器の価格が高いという問題があった。すなわち、従来技術は、安価、かつ、全信号光出力パワーＰ_ｏｕｔが高い光増幅器を提供することが困難であるという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、構成部品を簡易化、もしくは削減し、かつ、全信号光出力パワーの高いラマン増幅器を用いた光増幅器を提供することにある。
本発明の他の目的は、前記改良した光増幅器を用いた光ファイバ通信システムを提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的及び新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
（１）半導体光増幅器とファイバラマン増幅器とを具備し、信号光を前記半導体光増幅器に入射して増幅し、当該半導体光増幅器の出力信号光をファイバラマン増幅器に入射し、前記半導体光増幅器で増幅された信号光をさらに増幅する光増幅器であって、前記半導体光増幅器において、入力信号光を飽和出力パワー以下まで増幅し、前記ファイバラマン増幅器において、前記半導体光増幅器で増幅された信号光を飽和出力パワー以下まで増幅するものである。
【００１１】
（２）前記手段（１）の光増幅器において、前記半導体光増幅器は半導体レーザ増幅器であり、その利得ピーク波長を、前記ファイバラマン増幅器の利得ピーク波長より短波長側に設定したものである。
【００１２】
（３）複数の利得波長帯の異なる前記手段（１）または（２）の光増幅器と、信号光を前記利得波長帯の異なる光増幅器の利得帯域に応じて分波する分波器と、該分波器で分波した信号波を合波する合波器を具備し、前記分波器で分波された信号光を前記光増幅器によって利得波長帯毎に増幅し、前記合波器で合波する光通信システムである。
【００１３】
本発明の光増幅器、及びそれを用いた波長多重の光ファイバ通信システムの基本構成を図１に示す。図１に示すように、本発明の光増幅器３００は、前段の半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）３０１と後段のラマン増幅器（ＦＲＡ）３０２から成る。伝送光ファイバ１０１，１０２の信号光損失を前記光増幅器の利得で補償する線形中継の場合を示している。
【００１４】
光送信器の出力側に用いる後置光増幅器、及び光受信器の入射側に設置する前置光増幅器に関しても同様のことが成り立つ。入射信号光の波長数（チャネル数）をｎ、信号光波長をλ_１，λ_２，…，λ_ｎ、前記光増幅器への全入射信号光パワーをＰ_ｉｎ、全出力信号光パワーをＰ_ｏｕｔ、前記光増幅器の利得をＧとする。
【００１５】
前記半導体レーザ増幅器（以下、単にＳＬＡと呼ぶ場合がある）３０１は、半導体レーザ素子と電流駆動回路を有する。前記半導体レーザ素子は、利得波長帯が例えば１．３〜１．７μｍの光ファイバの低損失波長の場合、活性層の組成がＩｎＧａＡｓＰのものであり、利得波長帯は、ＩｎＧａＡｓＰの組成比を変えることで任意に設定できる。また、信号光利得は偏波無依存化されている。
【００１６】
一方、前記ラマン増幅器（以下、単にＦＲＡと呼ぶ場合がある）３０２は、利得媒質としてのラマンファイバ３０２Ａと、前記ラマンファイバ３０２Ａを励起する励起光源３０２Ｂと、励起光と信号光を合波する合波器３０２Ｃを有する。前記ＦＲＡ３０２は、所望の励起光源波長が得られれば、その励起光源波長に応じて任意の利得波長帯が得られる。
【００１７】
図１に示した本発明のＳＬＡ３０１、ＦＲＡ３０２、及び光増幅器（トータル）３００の典型的な利得飽和特性、すなわち、利得の全信号光出力パワー依存性を、図２に示す。ただし、ＳＬＡ３０１、ＦＲＡ３０２の未飽和利得が共に約１０ｄＢ、したがって、光増幅器（トータル）３００の未飽和利得が約２０ｄＢの場合について示している。
【００１８】
前記光増幅器３００に入射した信号光は、まず、ＳＬＡ３０１によりその飽和出力パワー以下のパワーレベルまで増幅され、次に、ＦＲＡ３０２によりその飽和出力パワー以下のパワーレベルまで増幅される。したがって、前記光増幅器（トータル）３００の飽和出力は、ＦＲＡ３０２のそれと同レベルである。
【００１９】
また、ＦＲＡ３０２は従来技術に比べて利得が小さくてよいので、一段増幅構成を有しており、構成部品数が少なく、安価である。ＳＬＡ３０１は、一般に、前記ＦＲＡ３０２に比べてかなり安価であるから、本発明の光増幅器３００の価格は、従来技術のＦＲＡ２００に比べてかなり安価である。すなわち、本発明の光増幅器３００は、安価かつ全出力信号光パワーが高いという利点を得る。
【００２０】
また、本発明の光増幅器３００は、ＳＬＡ３０１及びＦＲＡ３０２から成り、それぞれの利得波長帯は、前述のように、任意の波長帯に設定できる。そこで、特に、ＳＬＡ３０１及びＦＲＡ３０２の利得スペクトルを、図３に示すように設定すれば、前記光増幅器（トータル）３００の顕著に拡大された利得スペクトル平坦帯域幅が比較的容易に得られる（参考文献４：増田他、国際出願ＰＣＴ／ＪＰ９８／００６６６）。
【００２１】
すなわち、ＦＲＡ３０２の利得スペクトルは、通常、長波長側で大きく、ＳＬＡ３０１の利得スペクトルは、通常、パラボラ形状を示す。そこで、ＦＲＡ３０２の利得ピーク波長をＳＬＡ３０１の利得ピーク波長より数１０ｎｍ長波長側に設定することにより、広い利得帯域幅が得られる。
以下、本発明について、図面を用いて、本発明による実施形態（実施例）とともに詳細に説明する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図４は、本発明による実施形態（実施例）１の概略構成を示す模式図である。図４に示すように、本実施形態１の光増幅器４００は、前段の半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）４０１と後段のラマン増幅器（ＦＲＡ）４０２から成る。伝送光ファイバ１０１，１０２の信号光損失を前記光増幅器４００の利得で補償する線形中継の場合を示している。
【００２３】
波長帯の中心波長が１．３μｍの場合である。伝送ファイバ１０１，１０２の長さ及び信号光損失は、それぞれ５０ｋｍ及び約２０ｄＢである。前記半導体レーザ増幅器４０１は、活性層の組成がＩｎＧａＡｓＰのものであり、信号光利得は偏波無依存化されている。一方、ラマン増幅器４０２は、ラマンファイバ４０２Ａと励起光源４０２Ｂと合波器４０２Ｃを有する。
【００２４】
前記ラマンファイバ４０２Ａは、高ＮＡのシリカファイバであり、長さ及びモードフィールド直径はそれぞれ８ｋｍ及び４．５μｍである。前記励起光源４０２Ｂは２個の半導体レーザからの励起光を偏波多重したものであり、励起光波長及び励起光パワー（ラマンファイバ入射値）は、それぞれ１．２１μｍ及び約４００ｍＷである。前記合波器４０２Ｃは、誘電体多層膜フィルターを用いたものである。ＳＬＡ４０１及びＦＲＡ４０２の平坦利得帯域は、ともに約３０ｎｍである。したがって、前記光増幅器４００の平坦波長域も約３０ｎｍであり、信号光のチャネル波長間隔を約１ｎｍとすると、約３０チャネルの信号光を設定できる。
【００２５】
図５は、前記ＳＬＡ４０１、ＦＲＡ４０２、及び光増幅器４００の利得飽和特性を示している。ＳＬＡ４０１の未飽和利得は約１０ｄＢ、飽和出力は約５ｄＢｍ、ＦＲＡ４０２の未飽和利得は約１０ｄＢ、飽和出力は約１５ｄＢｍである。したがって、前記光増幅器４００の未飽和利得は約２０ｄＢ、飽和出力は約１５ｄＢｍであり、全信号光出力パワーを約１５ｄＢｍに設定できる。前記のように、安価なＳＬＡ４０１と簡易で安価な構成のＦＲＡ４０２を用いて、高い全信号光出力パワーが得られる。
【００２６】
また、図６は、ＳＬＡ４０１の利得ピーク波長を約１．２９μｍに、ＦＲＡ４０２の利得ピーク波長を約１．３４μｍに設定したときの利得スペクトルを示している。前記ＦＲＡ４０２の励起光源４０２Ｂの励起光波長は約１．２４μｍとしている。このとき、前記光増幅器４００の平坦利得は約２０ｄＢ、平坦利得帯域幅は約８０ｎｍである。したがって、信号光のチャネル波長間隔を約１ｎｍとすると、約８０チャネルの信号光を設定できる。従来技術では、ＳＬＡまたはＦＲＡを単独で用いているので前記のように、それら光増幅器の平坦利得帯域幅は約３０ｎｍである。したがって、本実施形態１によれば、従来技術に比べて顕著に拡大された平坦利得帯域幅が得られる。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態１によれば、構成が簡易であり、かつ、全信号光出力パワーが高い光増幅器が得られる。
また、波長多重方式の場合は、信号光チャネル間の相互利得変調の生じないシステムを実現でき、時分割多重の場合には、パターン効果による劣化が生じないシステムを実現できる。
また、光増幅器は、利得波長帯域可変な半導体レーザ増幅器及びラマン増幅器から構成されているので、極めて広い波長域（例えば１．３−１．７μｍ）で構成可能である。
また、半導体レーザ増幅器の利得ピーク波長をラマン増幅器の利得ピーク波長より、数１０ｎｍ短波長側に設定したとき、平坦利得帯域幅が顕著に拡大された光増幅器が得られる。
【００２８】
（実施形態２）
図７は、本発明による実施形態（実施例）２の概略構成を示す模式図である。図７に示すように、本実施形態２の光増幅器は、前記実施形態１と類似の光増幅器を３台の光増幅器４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃと、分波器５０１及び合波器５０２を用いた、３波長帯の並列接続構成である。光増幅器４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃの利得波長帯中心波長は、それぞれ１．３μｍ，１．４μｍ，１．５μｍである。伝送ファイバの長さは８０ｋｍ、信号光損失は１．３μｍ，１．４μｍ，１．５μｍでそれぞれ約３０ｄＢ，２５ｄＢ，２０ｄＢである。半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）４０１の活性層組成ＩｎＧａＡｓＰの成分比を変えることにより、光増幅器４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃに対してそれぞれ異なる利得波長域を与えている。光増幅器４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃのラマン増幅器４０２において、励起光源４０２Ｂの励起光波長はそれぞれ約１．２４μｍ，１．３４μｍ，１．４４μｍであり、励起光パワーはそれぞれ約４００ｍＷ，３５０ｍＷ，３００ｍＷである。図７の伝送ファイバ１０１及び１０２に隣接した分波器５０１及び合波器５０２は、ともに長波長域（または短波長域）透過特性を有する誘電体多層膜フィルターを２段に接続したものである。
【００２９】
図８は、本実施形態２の構成の光増幅器の利得スペクトルを示している。図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ増幅器利得及びネット利得（ｄＢ単位での増幅器利得と伝送ファイバ損失の差）を示している。１．３μｍ，１．４μｍ，１．５μｍを中心にそれぞれ約８０ｎｍの平坦利得帯域が得られる。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態２によれば、光増幅器を並列接続することにより、任意の波長域に、並列接続台数分だけ増倍された総合利得帯域幅が得られる。
さらに、本発明の光増幅器を並列接続することにより、任意の波長域に、並列接続台数分だけ増倍された総合利得帯域幅が得られるという効果もある。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、構成が簡易であり、かつ、全信号光出力パワーが高い光増幅器が得られる。
また、波長多重方式の場合は、信号光チャネル間の相互利得変調の生じないシステムを実現でき、時分割多重の場合には、パターン効果による劣化が生じないシステムを実現できる。
また、光増幅器は、利得波長帯域可変な半導体レーザ増幅器及びラマン増幅器から構成されているので、極めて広い波長域（例えば１．３−１．７μｍ）で構成可能である。
また、半導体レーザ増幅器の利得ピーク波長をラマン増幅器の利得ピーク波長より、数１０ｎｍ短波長側に設定したとき、平坦利得帯域幅が顕著に拡大された光増幅器が得られる。
また、本発明の光増幅器を並列接続することにより、所定の波長域に、並列接続台数分だけ増倍された総合利得帯域幅が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光増幅器の基本構成を示す模式図である。
【図２】本発明における光増幅器の利得飽和特性を示す図である。
【図３】本発明における光増幅器の利得スペクトルを示す図である。
【図４】本発明による実施形態１の光増幅器の概略構成を示す模式図である。
【図５】本実施形態１における光増幅器の利得飽和特性を示す図である。
【図６】本実施形態１における光増幅器の利得スペクトルを示す図である。
【図７】本発明による実施形態２の光増幅器の概略構成を示す模式図である。
【図８】本実施形態２における増幅器利得スペクトルを示す図、及びネット利得スペクトルを示す図である。
【図９】従来の半導体レーザ増幅器を用いた光増幅器の構成を示す図である。
【図１０】従来ラマン増幅器を用いた光増幅器の構成を示す図である。
【図１１】従来光増幅器の利得飽和特性を示す図である。
【符号の説明】
１００，３０１，４０１…半導体レーザ増幅器（半導体光増幅器：ＳＬＡ）、１０１，１０２…伝送ファイバ、２００，３０２，４０２…ラマン増幅器（ＦＲＡ）、２０１，２０２，３０２Ａ，４０２Ａ…ラマンファイバ、２０３，２０４，３０２Ｂ，４０２Ｂ…励起光源、２０５，２０６，３０２Ｃ，４０２Ｃ，５０２…合波器、２０７…光アイソレータ、３００，４００，４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ…光増幅器、５０１…分波器。

Claims

半導体光増幅器とファイバラマン増幅器とを具備し、信号光を前記半導体光増幅器に入射して増幅し、当該半導体光増幅器の出力信号光をファイバラマン増幅器に入射し、前記半導体光増幅器で増幅された信号光をさらに増幅する光増幅器であって、前記半導体光増幅器において、入力信号光を飽和出力パワー以下まで増幅し、前記ファイバラマン増幅器において、前記半導体光増幅器で増幅された信号光を飽和出力パワー以下まで増幅することを特徴とする光増幅器。
前記半導体光増幅器は半導体レーザ増幅器であり、その利得ピーク波長を、前記ファイバラマン増幅器の利得ピーク波長より短波長側に設定したことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
複数の利得波長帯の異なる請求項１または２に記載の光増幅器と、信号光を前記利得波長帯の異なる光増幅器の利得帯域に応じて分波する分波器と、該分波器で分波した信号波を合波する合波器を具備し、前記分波器で分波された信号光を前記光増幅器によって利得波長帯毎に増幅し、前記合波器で合波することを特徴とする光通信システム。