JP3628205B2 - 光ファイバー増幅器 - Google Patents
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Description
【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.Sun et al.,”Dynamic Effects in Amplified networks”,OSA TOPS on OAA ’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 (2)
- 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。
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