JP3628205B2

JP3628205B2 - 光ファイバー増幅器

Info

Publication number: JP3628205B2
Application number: JP09075799A
Authority: JP
Inventors: 弘美安島; 裕介武井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000286491A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は増幅用光ファイバーを利用して信号光を直接増幅する光ファイバー増幅器に関し、特に入力信号光に出力信号光が追従するように制御する高速利得一定制御（ＡＧＣ）方式の光ファイバー増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は本出願人が既に提案した（特願平８−２８７００２号参照）光ファイバー増幅器の一例である。
【０００３】
入力光は光分岐器３０、増幅用光ファイバーであるＥＤＦ（エルビウム・ドープド・ファイバー）３１、光合波器３２、光分岐器３３を経由して出力される。一方、励起用半導体レーザー３５から出力された励起光は光合波器３２を経由してＥＤＦ３１に導かれることによって、入力光を励起し、増幅する。
【０００４】
このような光ファイバー増幅器において、入力光が増幅される度合いは、入力信号光の波長、光量レベル（光パワー）、励起用半導体レーザー３５のパワー（励起パワー）などによって決まるが、ここでは励起パワーを制御して、出力光のパワーを制御し、増幅の度合いを一定となるようにしている。具体的な構造は、光分岐器３０及び３３がそれぞれ入力光、出力光をモニターするためにそれぞれ数％分岐し、それぞれの出力は入力光モニター３４、出力光モニター３６に接続されて、電気信号に変換される。電気信号に変換されたそれぞれの出力は比較器４０で比較されその誤差信号は位相補償器３９、駆動回路３７を介して励起用半導体レーザー３５を制御する。さらに入力光モニター３４の出力はフィードフォワード補償３８を介して駆動回路３７に加算される構成である。
【０００５】
このような構成とすることによって、大きな温度変化（例えば−２５℃〜＋７０℃）や径時変化に基づく光ファイバー増幅器の出力変動の補償や長期にわる出力変動のきわめて少ない安定した利得一定制御をし得る光ファイバー増幅器が開発されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、複数の伝送チャネルを使うＷＤＭ伝送システムにおいては光パス切り替え、システムの増設、障害等によりチャネル数が変動する。チャネル数の変動すなわち、チャネル数の欠落や増加が起こると、図５に示す従来の光ファイバー増幅器では利得変動が生じるため存続チャネルの信号レベル変動が生じてしまい、過渡振動となって光中継システムを伝播し受信側のビットエラー（伝送誤り）が大きくなるため、チャネル数変動があった場合実用上問題があった。
【０００７】
これは、図５に示す従来の光ファイバー増幅器では定常的な安定性は十分であるが、ＷＤＭ伝送に対して発生するチャネル数の変動のような過渡特性に対する応答性が考慮されていないことに起因している。フィードフォワード補償３８にしても周波数特性を持たない定数であったため、周波数特性を有する光ファイバー増幅器を制御する過渡特性の性能は不十分であった。
【０００８】
またＷＤＭ伝送用光ファイバー増幅器では、高出力化の為複数の励起用半導体レーザーを用いるが、その制御方式については知られていなかった。
【０００９】
上記問題を解決するためには
（１）高出力化の為に複数の励起用半導体レーザーを用いる構成で
（２）チャネル数変動があった場合に高速に上記の利得一定制御（ＡＧＣ）動作を行うことが必要がある。この制御の応答速度は、増幅用光ファアバーを用いた光ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）における増幅利得の過渡特性以上の速度である１０μｓｅｃ以下で安定動作させる必要がある。
【００１０】
たとえばＹ．Ｓｕｎｅｔａｌ．，”ＤｙｎａｍｉｃＥｆｆｅｃｔｓｉｎＡｍｐｌｉｆｉｅｄｎｅｔｗｏｒｋｓ”，ＯＳＡＴＯＰＳｏｎＯＡＡ ’９７，Ｖｏｌ．ＸＶＩ，ｐｐ．３３３−３５３，１９９７によると、利得の過渡応答の時定数は従来からいわれているような１１０〜３４０ μｓｅｃ程度ではなく、ＷＤＭ伝送においては従来よりも高出力の光ファイバー増幅器が必要である為、利得の過渡応答の時定数は１０μｓｅｃ以下であることが指摘されている。
【００１１】
ここでいう利得の動特性とは、励起パワーを一定にしておいて、たとえば２波のＷＤＭ信号のうち１波の信号が欠落又は追加された場合に、他の１波の利得変動がおこる動特性のことである。励起パワーを変化させることでこの利得変動を抑える事が可能であり、利得一定制御が重要な背景には、このような利得特性がある。
【００１２】
そこで、本発明は、チャネル数変動に対しても存続チャネルのレベル変動を発生させないような、ＥＤＦを用いた高出力のＷＤＭ伝送用光ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、増幅用光ファイバーに、複数の励起用半導体レーザーからの励起光と入力信号光を供給し、増幅された出力信号光を得るようにした光ファイバー増幅器であって、上記入力信号光を検出する入力信号光検出手段と出力信号光を検出する出力信号光検出手段とを有し、上記入力信号光検出手段からの出力値と出力信号光検出手段からの出力値の比が一定となるように前記複数の励起用半導体レーザーの励起光量を制御するフィードバックループを形成するとともに、入力信号光検出手段の出力値を別々のフィードフォワード補償器を通して各々の励起用半導体レーザーの駆動信号に加算し、上記フィードフォワード補償器は上記増幅用光ファイバーの増幅利得特性Ｇ（ｓ）の逆システムにローパスフィルタを含めた低域通過型擬似逆システムからなることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１に示す。
【００１５】
複数波長（λ１〜λ８）のＷＤＭ信号光である入力信号光１は光分岐器２、光合波器３、増幅用光ファイバーであるＥＤＦ（エルビウム・ドープド・ファイバー）４、光合波器５、光分岐器６を経由して出力信号光７として出力される。一方、２つの励起用半導体レーザー９と励起用半導体レーザー１１から出力された励起光はそれぞれ光合波器３、光合波器５を経由してＥＤＦ４に導かれ、入力信号光１を前方及び後方から励起し、入力信号光１は増幅されて出力信号光７となる。
【００１６】
入力信号光１が増幅される度合いは、入力信号光１の波長、光量レベル（光パワー）、励起用半導体レーザー９、１１のパワー（励起パワー）などによって決まるが、ここでは励起パワーを制御することによって、出力信号光７のパワーを制御しており、その具体的な構成は以下の通りである。
【００１７】
光分岐器２及び光分岐器６は入力信号光１、出力信号光７をモニターするためにそれぞれ４％程度分岐するものであり、それぞれの出力は入力光モニター８、出力光モニター１３に接続されて、ＷＤＭ信号光（λ１〜λ８）トータルパワーが検出され電気信号に変換される。電気信号に変換されたそれぞれの出力は比較器２０で比較され、その誤差信号は２つに分けられてその一方は位相補償器１６、レーザー駆動回路１０を介して励起用半導体レーザー９を制御する。他方は位相補償器１９、レーザー駆動回路１２を介して励起用半導体レーザー１１を制御する。
【００１８】
このように構成することで入力信号光１と出力信号光７の比（信号光の増幅利得）を制御している。位相補償器１６、１９は出力光モニター８、１３からのフィードバックループを安定化させる為に使用しており、特に低周波領域のループゲインを確保するためのものである。
【００１９】
このようなフィードバックをかけずに励起パワー一定の状態でＷＤＭ信号光からなる入力信号光１のうち例えば波長λ１〜λ４までの信号が欠落すると、残った波長λ５〜λ８の信号の利得は増加して、波長λ５〜λ８の信号の出力は変動してしまう。この出力変動をなくすように前述のフィードバックループは動作するのである。
【００２０】
しかし、上記フィードバックループのみでは、応答速度が１ｍｓｅｃ程度と遅く、本発明で求められる１０μｓｅｃ以下の応答速度は実現できないため、出力変動が生じてしまう。
【００２１】
そこで、本発明では、フィードフォワード補償器を用いてフィードフォワード補償を行い応答速度を改善している。具体的には入力光モニター８の出力をフィードフォワード補償器であるＦ１（ｓ）１４、Ｆ２（ｓ）１７を介して、それぞれ位相補償器１６、１８からの制御信号に加算する構成となっている。
【００２２】
ここで、フィードフォワード補償器であるＦ１（ｓ）１４、Ｆ２（ｓ）１７は、それぞれＥＤＦ４を前方と後方から励起した場合の増幅利得の逆過渡特性を模擬した構成とし、高周波成分のノイズを増幅しないようなローパスフィルタとする低域通過型擬似逆システムである。逆システムとは出力値から入力値を逆算する系であり、Ｇ（ｓ）・Ｆ（ｓ）＝１になるような系である（ただしＧ（ｓ）は光ファイバー増幅器の増幅利得周波数特性、Ｆ（ｓ）は逆システム）。低域通過型とは前述したようなローパスフィルタが含まれているからである。低域通過型擬似逆システムは、逆システムを近似した一種のものなので近似逆システムである。
【００２３】
また、フィードフォワード補償器であるＦ1(s)１４とＦ2(s)１７を別々にしたのは、前方励起と後方励起では増幅利得特性が異なるからである。従ってＦ1(s)１４は前方励起の増幅利得の動特性（周波数特性）の低域通過型擬似逆システム、Ｆ2(s)１７は後方励起の増幅利得の動特性（周波数特性）の低域通過型擬似逆システムであって、これらは
(1+T1s ) / (1+T2s ）
の特性で表される。ただし、T1>T2 、s は周波数を示しており、T1はＥＤＦ４の増幅利得の動特性を一次遅れで近似した時定数、T2はローパスフィルタの時定数である。
【００２４】
このように、本発明ではフィードフォワード補償器として、制御対象であるＥＤＦ４の特性が考慮されていることにより高速な利得一定制御を行うことができる。
【００２５】
図２は、入力信号光１のパワーと励起パワーを変化させた時のＥＤＦ４を用いた光ファイバー増幅器の利得（計算値）を表したものである。このように、増幅利得は入力信号光１のパワーと励起パワーに依存しており、励起パワーを一定にした場合、入力信号光１のパワーが小さい方が利得は大きくなる事を示している。また励起方向を比較した時、後方励起（図２（ｂ））のほうが利得が大きいことがわかる。従ってフィードフォワード補償器は前方励起のＦ１（ｓ）１４と後方励起のＦ２（ｓ）１７とは別々に設計している。
【００２６】
図３は、図１に示す本発明の光ファイバー増幅器と図５に示す従来例におけるの利得変動を説明する図であり、チャネル数変動（例えば８波から１波に減少した場合）時に存続チャネル（１波）の利得変動をを表したもので、従来例では存続チャネルの利得変動が大きく振動も大きいが、本発明実施形態では利得変動を発生させない高速な利得一定制御が可能となる。
【００２７】
以上の実施形態は、光ファイバー増幅器の入出力の全信号光量を検出し、それらの比が一定になるよう励起光量を制御する場合に適している手段である。
【００２８】
これに対し、ＷＤＭ信号からなる入出力光のうちある一つの波長を制御信号として使用する場合の実施形態を図４に示す。
【００２９】
図１に示す実施形態との違いは、バンドパスフィルタＢＰＦ２２、ＢＰＦ２４を用いて、ＷＤＭ信号光のうち制御信号としてある１つの波長（λ１）を抽出し、フィードバック制御している点である。これは、ＡＧＣ制御する場合にＡＳＥ光（光ファイバー増幅器から出力される自然放出光でノイズ成分になる）の影響を除くためである。
【００３０】
具体的には、バンドパスフィルタＢＰＦ２２、ＢＰＦ２４で入力信号光１と出力信号光７からそれぞれλ１の信号が抽出され、入力モニター８、出力モニター１３に接続され電気信号に変換され比較器２０で比較され、図１の実施形態とと同様にフィードバック制御される。
【００３１】
さらに分岐器２１のもう一方の出力は入力モニター２３に接続され、入力信号光１のトータルパワーが電気信号に変換されてフィードフォワード補償器Ｆ１（ｓ）１４、Ｆ２（ｓ）１５を介してフィードフォワード制御を行う構成である。この場合にもフィードフォワード信号は入力信号光１のトータルパワーを検出して行う構成であり図１の実施形態と同様に高速な利得一定制御がおこなえる。
【００３２】
また、図１、４の実施形態では２つの励起用半導体レーザーを用いたが、３つ以上とした場合も同様である。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明の光ファイバー増幅器は、２つ以上の励起用半導体レーザーをフィードフォワード制御して高速にＡＧＣを動作させる高出力の光ファイバー増幅器であるため、本発明を用いたＷＤＭ伝送システムにおいては、光パス切り替え等によりチャネル数の変動が生じた場合でも、存続チャネルの利得変動が生じないため、伝送誤りを発生させることはなく、ＷＤＭ伝送中継システムに適した極めて安定した光ファイバー増幅器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバー増幅器を示す構成図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は光増幅器における励起パワーと利得の関係を示すグラフである。
【図３】本発明及び比較例における利得変動を示すチャート図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す構成図である。
【図５】従来の光ファイバー増幅器を示す構成図である。
【符号の説明】
１：入力信号光
２：光分岐器
３：光合波器
４：ＥＤＦ
５：光合波器
６：光分岐器
７：出力信号光
８：入力光モニター
９、１１：励起用半導体レーザー
１０、１２：レーザー駆動回路
１３：出力光モニター

Claims

増幅用光ファイバーに、複数の励起用半導体レーザーからの励起光と入力信号光を供給し、増幅された出力信号光を得るようにした光ファイバー増幅器であって、
上記入力信号光を検出する入力信号光検出手段と出力信号光を検出する出力信号光検出手段とを有し、上記入力信号光検出手段からの出力値と出力信号光検出手段からの出力値の比が一定となるように前記複数の励起用半導体レーザーの励起光量を制御するフィードバックループを形成するとともに、
入力信号光検出手段の出力値を別々のフィードフォワード補償器を通して各々の励起用半導体レーザーの駆動信号に加算し、
上記フィードフォワード補償器は上記増幅用光ファイバーの増幅利得特性Ｇ（ｓ）の逆システムにローパスフィルタを含めた低域通過型擬似逆システムからなることを特徴とする光ファイバー増幅器。
上記入力信号光検出手段からの出力光を複数に分岐した一部の出力光と、上記出力信号光検出手段からの出力光から、それぞれある特定波長光のみを抽出し、この特定波長光の出力値の差に基づいて前記複数の励起用半導体レーザーの励起光量を制御するフィードバックループを構成したことを特徴とする請求項１記載の光ファイバー増幅器。