JP3727048B2 - 光増幅回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大容量光通信ネットワークを実現するために重要となる光増幅回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅器は、大容量光ネットワークを構築するキーデバイスであり、従来から、長距離伝送を行う際の中継増幅器として盛んに検討が行われている。さらに、近年の通信容量の増大に対応するために、全光ルーティングを行う光ノードや、ＦＴＴＨ（ファイバ・ツー・ザ・ホーム）に代表されるアクセス系への光通信技術の導入が検討され、従来とは異なる光増幅器への要求も生まれている。
【０００３】
たとえば、光ノードでは、ノード内で生じる損失を補償するために、また、アクセス系では、多数のアクセス系先回線に配置する小型増幅器として、極めて多数の光増幅器が必要になり、従来の光ファイバ光増幅器と較べて、格段に小型・安価かつ低消費電力な光増幅器が必要になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの用途として、半導体光増幅器（ＳＯＡ）の適用が検討されているが、半導体光増幅器は、光ファイバ増幅器と比較して、ゲインが小さく、かつ飽和出力も小さいので、現実のシステムヘの適用が困難な場合が多いという問題がある。また、半導体光増幅器は、雑音指数が光ファイバ増幅器と比較して大きいという問題がある。
【０００５】
小型な光増幅器として、半導体光増幅器自体の検討も盛んであり、ゲイン２０ｄＢ、飽和出力２０ｄＢｍを超える報告もなされているが、歩留まりと実装コストとの問題から、高コストになるので、実用化はなされていない。
【０００６】
一方、従来、たとえば上り回線と下り回線とのどちらも増幅する必要がある場合、それぞれに１つずつ増幅器を設ける必要がある。しかし、アクセス系回線の場合等は、常時上り信号、下り信号があるわけではなく、増幅器が使用されていないデッドタイムが大きいので、設備、消費電力の使用効率に無駄が生じる。また、それらの一方の増幅器が故障すると、上り、下りのいずれかの回線は完全に遮断されるという問題がある。従来、故障に対する対策としては、故障時の予備系を用意し、故障が発生すると回線の切り替えを行うが、この予備系が、設備、消費電力の使用効率をさらに低下させるという問題がある。
【０００７】
本発明は、高ゲイン、高出力、小型、安価、低消費電力、かつ故障に対する信頼性の高い光増幅回路を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入力された信号光を複数の経路に分岐する光分岐部と、上記複数の経路のそれぞれの経路に設けられている光増幅器と、上記分岐された信号光が上記光増幅器によって増幅されて出力される複数のポートとを具備する光分配増幅部と、上記光分配増幅部における上記複数の出力ポートが出力した信号光を接続し、再び合波する光合波部とを有し、上記光分配増幅部に入力された信号光が、上記光合波部による光の干渉効果によって低損失に合波されるように、上記光分配増幅部と上記光合波部とを接続する複数の経路の光路長が設定され、上記光合波部は、上記信号光を合波する経路に、光増幅器を有し、上記光増幅器は、少なくとも１段のカスケード状に接続され、また、入力光パワーによらず、増幅後に一定の信号光パワーを出力する光増幅回路である。
【０００９】
【発明の実施の形態および実施例】
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例である光増幅回路ＯＡ１を示すブロック図である。
【００１０】
光増幅回路ＯＡ１は、光分配増幅部１１と、光合波部２１とを有する。
【００１１】
光分配増幅部１１は、Ｙ分岐群ＪＧと、半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０とを有する。
【００１２】
Ｙ分岐群ＪＧは、Ｙ分岐を３段カスケードに接続したものであり、１つの入力信号光を８分岐するものである。
【００１３】
半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０は、上記８分岐された入力信号光のそれぞれの経路に１つづつ設けられている。
【００１４】
光合波部２１は、Ｙ分岐を３段カスケード接続したものであり、８合波機能を実現するものである。
【００１５】
つまり、光分配増幅部１１は、入力された信号光を複数の経路に分岐する光分岐部と、上記複数の経路のそれぞれの経路に設けられている光増幅器と、上記分岐された信号光が上記光増幅器によって増幅されて出力される複数のポートとを具備する光分配増幅部の例である。
【００１６】
また、光合波部２１は、上記光分配増幅部における上記複数の出力ポートが出力した信号光を接続し、再び合波する光合波部の例である。
【００１７】
さらに、光増幅回路ＯＡ１において、上記光分配増幅部に入力された信号光が、上記光合波部による光の干渉効果によって低損失に合波されるように、上記光分配増幅部と上記光合波部とを接続する複数の経路の光路長が設定されている。
【００１８】
次に、光増幅回路ＯＡ１の動作について説明する。
【００１９】
入力信号光は、まず、分岐群ＪＧによって８分岐され、それぞれの半導体光増幅器で増幅され、その後に合波され、出力される。ここで、Ｙ分岐群ＪＧの入力ポートから光合波部２１の出力端子に至る複数の光路のそれぞれの光路長を互いに等しく設計してあるので、光干渉効果による分岐、合成の損失が生じることなく、光信号が出力される。
【００２０】
光増幅回路ＯＡ１におけるゲインは、光路を分岐せずに、１つの光路中に１つの半導体光増幅器を設けた場合におけるゲインと同等であるが、光増幅回路ＯＡ１では、飽和出力の向上を図ることができる。すなわち、個々の半導体光増幅器の飽和出力パワーがたとえば５ｄＢｍである場合、光増幅回路ＯＡ１における飽和出力は、その８倍（９ｄＢ増加）になり、１４ｄＢｍの飽和出力を得ることができる。
【００２１】
なお、入力信号光は、光の干渉によって振幅加算されるので、ロスなく取り出すことができるが、それぞれの半導体光増幅器で発生するＡＳＥ（自然放出光）ノイズは、各半導体光増幅器間で位相整合がとれていないので、電力加算になり、それぞれ９ｄＢずつロスが発生する。その結果、本回路全体でみると、雑音指数は、半導体光増幅器単独使用の場合よりも劣化することがなく、飽和出力の改善が可能である。
【００２２】
また、光増幅回路ＯＡ１によれば、故障に対して信頼性が高い。すなわち、従来の半導体光増幅器単独使用の場合には、故障が発生した場合、即座に回線が不通になる。また、これを避けるために予備系の増幅器を用意しておくと、設備の利用効率が低下する。ところが、光増幅回路ＯＡ１では、複数の半導体光分配増幅部が増幅機能を分担しているので、光増幅回路ＯＡ１を構成する半導体光増幅器の１つが故障しても、若干の出力パワー低下が生じるのみであり、回線が即座に遮断されることはない。
【００２３】
つまり、上記実施例によれば、並列配置の増幅器数を増やすだけで、所望の飽和出力が得られる。また、故障に対する信頼性が高い。
【００２４】
［第２の実施例］
図２は、本発明の第２の実施例である光増幅回路ＯＡ２を示すブロック図である。
【００２５】
光増幅回路ＯＡ２は、飽和出力のみでなく、ゲイン向上を達成することができる実施例である。
【００２６】
光増幅回路ＯＡ２は、光増幅回路ＯＡ１において、光分配増幅部にＹ分岐Ｊ１〜Ｊ７を設ける代わりに、マルチモード干渉型光カプラＣ１〜Ｃ７を設けた回路であり、石英系平面光回路上４に、半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０がハイブリッド集積されているものである。
【００２７】
つまり、光増幅回路ＯＡ２は、光分配増幅部１２と、光合波増幅部２２とを有する。
【００２８】
光分配増幅部１２は、２分岐の光分配増幅部１２ａと４分岐の光分配増幅部１２ｂとがカスケード状に接続されているものと、半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０とを有する。
【００２９】
光合波増幅部２２は、Ｙ分岐を３段カスケード接続したものと、マルチモード干渉型光カプラＣ１〜Ｃ７とを有し、８合波機能を実現するものである。
【００３０】
次に、光増幅回路ＯＡ２の動作について説明する。
【００３１】
入力信号光は、まずカプラＣ１によって２分岐され、初段の２つの半導体光増幅器ＳＯＡ１、ＳＯＡ２によって増幅される。また、それぞれの経路は、カプラＣ２〜Ｃ７によって４分岐され、２段目の半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０によって増幅され、光合波増幅部２２によって合波され、出力される。
【００３２】
光増幅回路ＯＡ２において、入力信号光は、半導体光増幅器を２段通過する（半導体光増幅器ＳＯＡ１、ＳＯＡ２の段と、半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０の段との２段を通過する）ので、１つの半導体光増幅器のみを通過する場合と比較すると、２倍のゲインを得ることができる。
【００３３】
光増幅回路ＯＡ２において特筆すべき点は、以下▲１▼〜▲２▼の３つの点である。
【００３４】
▲１▼ ２つの半導体光増幅器を用いて、単純に縦続接続をするのではなく、特に２段目の半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０において、入力信号光を適切な経路数に分岐した後に、それぞれ増幅し、その後に、光干渉効果を用いて信号光のみを、損失なく合波して取り出す点。
【００３５】
▲２▼ 光分岐部として光カプラＣ１〜Ｃ７を用い、光カプラＣ１〜Ｃ７のそれぞれと、半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０のそれぞれの端面との間における２本の経路の光路長を適切に設定することによって、半導体光増幅器前端面からの反射光を、信号光経路と異なる光カプラのポートに出力するように構成されている点。
【００３６】
▲３▼ 光増幅回路ＯＡ２が石英系ハイブリッド平面回路４で形成されている点である。
【００３７】
ところで、上記実施例を用いず、２つの半導体光増幅器を単純に縦続接続をする場合、所望のゲイン向上は望めない。この所望のゲイン向上を望めない第１の理由は、入力信号光が、１段目の半導体光増幅器によってある程度のパワーに増幅されるので、２段目の半導体光増幅器では飽和状態になり、ゲインが得られないという理由である。
【００３８】
また、所望のゲイン向上を望めない第２の理由は、、通常、半導体光増幅器素子の端面反射は、無視できない程度存在するので、１段目の半導体光増幅器端面と、２段目の半導体光増幅器端面との合計４つの半導体光増幅器端面で多重反射し、この多重反射によって、大きなゲインリップルが生じるという理由である。
【００３９】
ゲインリップルは、ゲインに比例して大きくなるので、ゲインリップルを所望の値以下で使用するためには、結果として、半導体光増幅器の駆動電流値等を調節し、これによって、ゲインが小さい動作条件でしか、半導体光増幅器を使用できない。
【００４０】
上記実施例では、上記の問題が解決されている。すなわち、ゲイン向上を望めない上記第１の理由については、１段目の半導体光増幅器ＳＯＡ１、ＳＯＡ２によって増幅された入力信号光を複数の経路に分岐し、２段目の各半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０への入力パワーを小さくするので、２段目の各半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０における飽和の影響がなく、所望のゲインを得ることが可能である。
【００４１】
さらに、光増幅回路ＯＡ１と同様に、回路全体としての飽和出力は、最終段の半導体光増幅器の並列配置数に比例して大きくなり、光増幅回路ＯＡ２では、単体の半導体光増幅器における飽和出力の８倍の飽和出力を得ることができる。なお、光増幅回路ＯＡ１における説明で記載したように、光増幅回路ＯＡ２は、信号光のみを干渉させて合波するので、半導体光増幅器の並列配置数を増やしても、光増幅回路ＯＡ２で生じるＡＳＥノイズの量は、単体の半導体光増幅器で生じるＡＳＥノイズの量と同等であり、半導体光増幅器の縦続接続の段数によってのみ増加する。
【００４２】
さらに、ゲイン向上を望めない上記第２の理由については、光分岐部として光カプラＣ１〜Ｃ７を用い、光カプラＣ１〜Ｃ７のそれぞれと半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０のそれぞれの端面との間の２本の経路の光路長を、適切に設定することによって、半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０のそれぞれの前端面からの反射光を、信号光経路と異なる光カプラのポートに出力するように構成している点である。
【００４３】
したがって、ゲインを向上するために縦続多段に光分配増幅部を接続しても、各段で生じる反射光が前後段に戻らないので、多重反射が生じない。よって、ゲインリップルが大きく増加することがなく、ゲインを向上させることができる。なお、この反射防止構成は、回路内の各段間の反射の影響を防止するのみでなく、回路外部への反射光防止にも有効である。すなわち、図２において、入力信号光は、初段の半導体光増幅器ＳＯＡ１、ＳＯＡ２の端面で反射されるが、反射光は、入力光ポートとは異なるポートに出力される。また、出力ポートに関しても、上記と同様である。
【００４４】
さらに、光増幅回路ＯＡ２では、石英系ハイブリッド平面回路４によって、回路全体が形成されている。すなわち、パッシブな光経路を、石英系平面回路によって一括形成し、ハイブリッド集積によって半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０を平面回路上に搭載してある。
【００４５】
光増幅回路ＯＡ２は、分岐、合成間における各経路の光路長を、精密かつ安定に設定する必要があり、この場合、光ファイバを用いて回路を構成すると、ファイバの余長と光路長とを安定化するための温調装置による大型化、大消費電力化につながり、したがって、実装コストによる低価格化の限界がある。
【００４６】
ところが、光増幅回路ＯＡ２では、ハイブリッド集積によって半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０を平面回路上に搭載しているので、光路長を精密かつ安定に設定可能であり、したがって、回路の小型化、低コスト化、低消費電力化が可能である。
【００４７】
光増幅回路ＯＡ２において、光分配増幅部のカスケード段数と、各段の分岐数とを適切に設定することによって、所望のゲイン、飽和出力を得ることができる。たとえば、単体でゲイン９ｄＢ、飽和出力５ｄＢｍの半導体光増幅器を用いた場合、単体の半導体光増幅器の後に、各段の光分配増幅部を８分岐し、８つの半導体光増幅器で構成すれば、前段で得られるゲイン９ｄＢを８分岐することによってキャンセルでき、各段の半導体光増幅器とも、同一の入力パワーレベルに設定することができる。このようにすれば、後段の半導体光増幅器の飽和によるゲインのリミットを避けることができる。また、たとえば、光分岐増幅部を３段で構成すれば、２７ｄＢのゲインを達成でき、光分岐増幅部を４段で構成すれば３６ｄＢのゲインを達成できる。
【００４８】
［第３の実施例］
図３は、本発明の第３の実施例である光増幅回路ＯＡ３を示すブロック図である。
【００４９】
光増幅回路ＯＡ３は、回路構成自体は、光増幅回路ＯＡ２とほぼ同様であるが、半導体光増幅器端面ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０の反射光を逃がすためだけに光カプラＣ１〜Ｃ７を使用するのではなく、モニタ用として光カプラＣ１〜Ｃ７を用いている点が、光増幅回路ＯＡ２とは異なる。
【００５０】
すなわち、光カプラＣ１〜Ｃ７の信号光経路とは異なるポートから光出力を得、この光出力をモニタリングすることによって、各半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０のそれぞれの動作状態や、故障の発生を調べることができる。また、このモニタリングによって得た値を、各半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０の動作電流をセットする場合に使用できる。
【００５１】
さらに、光増幅回路ＯＡ３では、最終段における光カプラの信号光出カポートと異なるポートからの信号光出力をモニタリングし、この信号光出力が最小になるように、石英系光導波路上に形成したヒータ５ヘの印加電力を調節し、この印加電圧の調整によって、光位相を微調整することができる。このように、各光カプラの空きポートをモニタリングすることによって、光干渉、光パワー等の動作状態を微調整することができる。つまり、ヒータ５で発生する熱の量を変えることによって屈折率が変化し、光位相が変化し、カプラＣ１７における２つの出力ポートから出力される光の比率が変化する。
【００５２】
光増幅回路ＯＡ３では、ヒータ５を１箇所だけに設けてあるが、全てのパスにヒータ５を設けるようにしてもよい。また、ヒータ５で導波路をアクティブに調整するのではなく、初期段階で導波路を過熱処理または、ＵＶ照射する等によって位相調整を行うようにしてもよい。
【００５３】
［第４の実施例］
図４は、本発明の第４の実施例である光増幅回路ＯＡ４を示すブロック図である。
【００５４】
光増幅回路ＯＡ４は、第２の光増幅回路ＯＡ２とほぼ同様であるが、光合波増幅部２４に半導体光増幅器ＳＯＡ１１、ＳＯＡ１２が設けられている点が、第２の光増幅回路ＯＡ２とは異なる。このように、光増幅回路ＯＡ４は、光合波増幅部２４に光分配増幅部を設けたものである。
【００５５】
光増幅回路ＯＡ４の目的は２つある。第１の目的は、入力光パワーによらず、増幅後に、一定の信号光パワーを出力するいわゆるリミッタアンプを実現することであり、第２の目的は、故障に対する信頼性の高い増幅回路を実現することである。
【００５６】
つまり、システム設計を行う際には、ゲインを一定にする増幅器よりも、むしろ、出力パワーを一定にするリミッタアンプの機能が望ましい場合が多い。この光リミッタアンプを構成するためには、増幅器の飽和を用いる方法があるが、単体の増幅器において、飽和を利用するためには、ある程度大きな入力信号パワーが必要であり、かつ、飽和領域は、必然的にゲインが小さくなる。ゲインを大きくし、しかも、ある程度小さな入力信号光パワーから使用できるすなわちダイナミックレンジを大きくとるためには、増幅器の多段接続が必要になる。しかし、光増幅回路ＯＡ２の上記説明で記載したように、単純な多段接続では、ゲインを向上させることが困難である。
【００５７】
光増幅回路ＯＡ４のように、光合波増幅部２４に増幅器ＳＯＡ１１、ＳＯＡ１２を設けることによって、上記問題を解決することができる。つまり、光分配増幅部の最終段に設けられている半導体光増幅器の数よりも、少ない数の半導体光増幅器を、光合波増幅部２４の内部の経路に設けることによって、必然的に飽和出力を得ることができるので、リミッタアンプの機能を実現することができる。この場合も、各段の分岐数、段数、光合波増幅部の半導体光増幅器数を、適切に決めることによって、所望のゲイン、出力レベルを得ることができる。
【００５８】
さらに、光増幅回路ＯＡ４は、故障に対する信頼性が高い。すなわち、光増幅回路ＯＡ４の内部に設けられている半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１２の故障確率が全て同じであると仮定すると、半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１２の故障は、光合波増幅部２４よりも、半導体光増幅器数が多い光分配増幅部１２において発生する確率が高い。光増幅回路ＯＡ２のように、光合波部２２に半導体光増幅器を設けない構成である場合、いずれかの半導体光増幅器が故障すると、ゲイン、出力信号レベルの変動につながる。しかし、光増幅回路ＯＡ４を用いれば、光分配増幅部１２において、少数の半導体光増幅器が故障しても、光合波増幅部２４の最終段における半導体光増幅器の飽和入力パワーレベルを下回らない限り、回路全体としてみた場合のゲイン、出力レベルは変動しない。
【００５９】
一方、光増幅回路ＯＡ２に示した回路構成でも、光分配増幅部１２の最終段における半導体光増幅器の並列配置数を適切に決めることによって、リミッタアンプを構成することができる。すなわち、最終段の各半導体光増幅器への入力信号光パワーが、飽和入力パワー以上になるように、前段の半導体光増幅器からの分岐数を少なく決めればよい。
【００６０】
しかし、このようにした場合には、半導体光増幅器使用数の最も多い光分配増幅部最終段の半導体光増幅器が出力レベルを決めるので、光増幅回路ＯＡ４における故障確率よりも、故障確率が高くなる。
【００６１】
［第５の実施例］
図５は、本発明の第５の実施例である光増幅回路ＯＡ５を示すブロック図である。
【００６２】
光増幅回路ＯＡ５における回路構成と機能とは、光増幅回路ＯＡ２とほぼ同様であるが、光分配増幅部１５として、半導体光増幅器１２の代わりに、導波路型増幅器を用いている点が、光増幅回路ＯＡ２とは異なる。
【００６３】
すなわち、光増幅回路ＯＡ５において、光分配増幅部１５は、導波路型増幅器を有し、この導波路型増幅器は、希土類を添加することによって増幅機能を有する希土類添加石英系平面光回路４１で形成され、光合波増幅部２４は、希土類添加のない通常の平面光回路４で形成し、これら２つの導波路基板４、４１が、接着剤によって接続されている。
【００６４】
光増幅回路ＯＡ５では、光カプラＣ２１〜Ｃ３１における光信号経路と異なるポートを用いて、外部からポンプ光を入力している。各光カプラＣ２１〜Ｃ３１に挟まれた２本のアーム導波路の光路長を等しくしているので、ポンプ光は、信号光経路と異なるポートに出力される。
【００６５】
光増幅回路ＯＡ５のように、本発明における光分配増幅部は、半導体光増幅器である必要はない。
【００６６】
［第６の実施例］
図６は、本発明の第６の実施例である光増幅回路ＯＡ６を示すブロック図である。
【００６７】
光増幅回路ＯＡ６が、光増幅回路ＯＡ１〜ＯＡ５と異なる点は、光カプラとして、スターカプラＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３を用いている点である。
【００６８】
光増幅回路ＯＡ６は、光分配増幅部１６と、光合波部２６とを有する。
【００６９】
光分配増幅部１６は、光分配増幅部１５ａと、８つの光分配増幅器１５ｂとを有する。光分配増幅部１５ａは、スターカプラＳＣ１と８つの半導体光増幅器ＳＯＡとを有し、 光分配増幅部１５ｂは、スターカプラＳＣ２と８つの半導体光増幅器ＳＯＡとを有する。なお、光分配増幅部１５ａを構成する１つの半導体光増幅器に１つの光分配増幅部１５ｂが接続されている。また、光合波部２６は、スターカプラＳＣ３を有する。
【００７０】
このように、本発明で言う光カプラは、特に形態や入出力端子数を問わない。すなわち、光カプラとして、方向性結合器、マルチモード干渉型光カプラ、スターカプラのいずれを使用するようにしてもよい。
【００７１】
［第７の実施例］
図７は、本発明の第７の実施例であるマルチポート光増幅回路ＯＡ７を示すブロック図である。
【００７２】
マルチポート光増幅回路ＯＡ７では、光カプラとして、８入力８出力のスターカプラＳＣ１１、ＳＣ１２を用い、初段のスターカプラＳＣ１１における出力端子のそれぞれが、８つの半導体光増幅器ＳＯＡに接続され、その半導体光増幅器が、後段のスターカプラ１２の入力端子に接続されている。
【００７３】
光増幅回路ＯＡ７が、光増幅回路ＯＡ１〜ＯＡ６と異なる点は、その使用方法である。すなわち、複数の信号光を、互いに異なる入力ポートに入力することによって、全ての信号が増幅され、互いに異なる出力ポートに取り出すことが可能である。このような機能は、２つのスターカプラを接続する半導体光増幅器を含む光経路の光路長を適切に設定することによって、可能である。
【００７４】
なお、回路全体としての飽和出力は、光増幅回路ＯＡ１〜ＯＡ６について記載したことと同様に、並列配置する半導体光増幅器の数を調節することによって、所望の値に設定することができる。ゲインに関しては、光増幅回路ＯＡ７では、光分配増幅部として半導体光増幅器ＳＯＡを用いているが、これを、光増幅回路ＯＡ１〜ＯＡ６について記載したような光増幅回路を用いて所望の値に設定すればよい。このように、本発明に記載する光分配増幅部とは、本発明自身の光増幅回路であってもよい。
【００７５】
光増幅回路ＯＡ７によれば、複数の光信号を一括して増幅し、また異なる経路に出力することができる。このような機能は、たとえば上り回線、下り回線のどちらにも光増幅器を設けなければならない場合等、複数の光経路を同時に増幅する用途に有効である。すなわち、従来は、複数の経路のそれぞれに個別に増幅器を設ける必要があったが、経路毎に信号トラフィックが異なると、信号の少ない経路の増幅器は、使用効率が低く、全体として設備、消費電力の使用効率が低いという問題があり、これに対して、マルチポート光増幅回路ＯＡ７は、どの入力ポートからの光信号も、均等に複数の増幅器に分配して増幅するので、各経路間のトラフィックのばらつきが大きい場合でも、設備、消費電力の無駄が小さいという利点がある。
【００７６】
また、光増幅回路ＯＡ７は、双方向の信号入力が可能である。つまり、入出力ポートを各信号毎に任意に決めるようにしてもよい。このような機能は、たとえば、テープファイバのようなペアケーブルの一部が上り回線、また他のものが下り回線という場合にも、単純に接続することができるので、実用上有用である。
【００７７】
［第８の実施例］
図８は、本発明の第８の実施例であるマルチポート光増幅回路ＯＡ８を示すブロック図である。
【００７８】
マルチポート光増幅回路ＯＡ８は、マルチポート光増幅回路ＯＡ７とほぼ同様であるが、半導体光増幅器ＳＯＡの端面で生じる反射光が、光信号の入出力経路に入れないように、２つのスターカプラＳＣ２１、ＳＣ２２と半導体光増幅器ＳＯＡとの間の光路長が調整されている点が、マルチポート光増幅回路ＯＡ７とは異なる。
【００７９】
すなわち、マルチポート増幅回路ＯＡ８では、半導体光増幅器ＳＯＡの端面で生じる反射光が、それ自身が入力されたポートでなく、他のポートに出力される場合にも、他の経路の信号に対する雑音となるので、全ての入出力ポートに、反射光が混入しないようにする必要がある。
【００８０】
マルチポート光増幅回路ＯＡ８では、上記課題を、２つのスターカプラＳＣ２１、ＳＣ２２と、８個の半導体光増幅器ＳＯＡのそれぞれとの間の光路長を調整し、これによって、入出力ポート以外に漏洩光となって逃げるように設計されている。
【００８１】
なお、これとは異なる方法として、入出力信号光ポートとは別に、反射光用のポートを設けるようにしてもよい。たとえば、スターカプラの入出力ポートと反射光用ポートとを交互に配置し、半導体光増幅器端面からの反射光が、もとの入力ポートと隣接するいずれかのポートに出力されるように、スターカプラと半導体光増幅器との間の光路長を設計すればよい。
【００８２】
上記各実施例は、複数の光分配増幅部と、光分岐部と、光合波部とを組み合わせて構成した光増幅回路であり、光干渉を利用したものである。具体的には、次の利点がある。
（１）単独では性能の低い増幅器であっても、これを複数用いることによって、所望のゲイン、飽和出力を実現することができる。
（２）複数の増幅器によって構成されているので、故障に対する信頼性が高い。
（３）光合波部にも増幅器を設けることによって、所望のゲイン、飽和出力を有し、かつ、入力信号光パワーが変化しても出力パワーレベルを一定に保つことができるリミッタアンプを実現できる。
（４）平面光回路とハイブリッド光回路とを用いることによって、良好な光干渉機能が得られるとともに、従来問題となっていた実装コストを大幅に減少できるので、高性能、安価な光増幅器を実現することができる。
（５）上記マルチポート光増幅器は、複数の入力信号を一括して増幅可能であるので、設備、消費電力の使用効率を各段に改善することができる。
【００８３】
なお、上記各実施例において、光合波部における信号光を合波する経路に、光合波増幅部が設けられ、上記光合波増幅部は、少なくとも１段のカスケード状に接続されていればよい。
【００８４】
また、上記実施例は、光分配増幅部が、１段の光分配増幅部によって構成され、上記光分配増幅部における光分岐部、光合波部が、複数の入出力ポートを有する光カプラによって構成され、Ｎ番目の入力ポートから入力された信号光は、上記入力ポートと１対１に対応するＮ番目の出力ポートヘ出力されるように、２つの光カプラを接続する経路の光路長が設定されている光増幅回路の例である。
【００８５】
さらに、光増幅器ＯＡ２〜ＯＡ５のそれぞれにおいて、光分配増幅部を構成する複数の光分岐部の全てに光カプラが設けられているが、そのうちの少なくとも１つに光カプラを設けるようにしてもよい。また、光増幅器ＯＡ２〜ＯＡ５のそれぞれにおいて、光合波部を構成する複数の光合波器（上記光分岐部と同様のもの）の全てに光カプラが設けられているが、そのうちの少なくとも１つに光カプラを設けるようにしてもよい。つまり、上記光分配増幅部を構成する複数の光分岐部のうちの少なくとも１つ、または、上記光合波部を構成する複数の光合波器のうちの少なくとも１つに、複数の入出力ポートを有する光カプラを設けるようにしてもよい。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、高ゲイン、高出力、小型、安価、低消費電力、かつ故障に対する信頼性の高い光増幅器を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である光増幅回路ＯＡ１を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施例である光増幅回路ＯＡ２を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３の実施例である光増幅回路ＯＡ３を示すブロック図である。
【図４】本発明の第４の実施例である光増幅回路ＯＡ４を示すブロック図である。
【図５】本発明の第５の実施例である光増幅回路ＯＡ５を示すブロック図である。
【図６】本発明の第６の実施例である光増幅回路ＯＡ６を示すブロック図である。
【図７】本発明の第７の実施例であるマルチポート光増幅回路ＯＡ７を示すブロック図である。
【図８】本発明の第８の実施例であるマルチポート光増幅回路ＯＡ８を示すブロック図である。
【符号の説明】
ＯＡ１〜ＯＡ８…光分配増幅部、
ＪＧ…Ｙ分岐群、
Ｊ１〜Ｊ７，Ｊ１１〜Ｊ１７…Ｙ分岐、
ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１２…半導体光増幅器、
１１〜１６…光分配増幅部、
２１、２５、２６…光合波部、
２２〜２４…光合波増幅部、
Ｃ１〜Ｃ７、Ｃ１１〜Ｃ１７、Ｃ２１〜Ｃ３１、Ｃ４１〜Ｃ４３…マルチモード干渉型光カプラ、
４…石英系ハイブリッド平面光回路、
４１…希土類添加石英系平面光回路、
５…ヒータ、
ＳＣ１〜ＳＣ３、ＳＣ１１、ＳＣ１２、ＳＣ２１、ＳＣ２２…スターカプラ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、大容量光通信ネットワークを実現するために重要となる光増幅回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅器は、大容量光ネットワークを構築するキーデバイスであり、従来から、長距離伝送を行う際の中継増幅器として盛んに検討が行われている。さらに、近年の通信容量の増大に対応するために、全光ルーティングを行う光ノードや、ＦＴＴＨ（ファイバ・ツー・ザ・ホーム）に代表されるアクセス系への光通信技術の導入が検討され、従来とは異なる光増幅器への要求も生まれている。
【０００３】
たとえば、光ノードでは、ノード内で生じる損失を補償するために、また、アクセス系では、多数のアクセス系先回線に配置する小型増幅器として、極めて多数の光増幅器が必要になり、従来の光ファイバ光増幅器と較べて、格段に小型・安価かつ低消費電力な光増幅器が必要になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの用途として、半導体光増幅器（ＳＯＡ）の適用が検討されているが、半導体光増幅器は、光ファイバ増幅器と比較して、ゲインが小さく、かつ飽和出力も小さいので、現実のシステムヘの適用が困難な場合が多いという問題がある。また、半導体光増幅器は、雑音指数が光ファイバ増幅器と比較して大きいという問題がある。
【０００５】
小型な光増幅器として、半導体光増幅器自体の検討も盛んであり、ゲイン２０ｄＢ、飽和出力２０ｄＢｍを超える報告もなされているが、歩留まりと実装コストとの問題から、高コストになるので、実用化はなされていない。
【０００６】
一方、従来、たとえば上り回線と下り回線とのどちらも増幅する必要がある場合、それぞれに１つずつ増幅器を設ける必要がある。しかし、アクセス系回線の場合等は、常時上り信号、下り信号があるわけではなく、増幅器が使用されていないデッドタイムが大きいので、設備、消費電力の使用効率に無駄が生じる。また、それらの一方の増幅器が故障すると、上り、下りのいずれかの回線は完全に遮断されるという問題がある。従来、故障に対する対策としては、故障時の予備系を用意し、故障が発生すると回線の切り替えを行うが、この予備系が、設備、消費電力の使用効率をさらに低下させるという問題がある。
【０００７】
本発明は、高ゲイン、高出力、小型、安価、低消費電力、かつ故障に対する信頼性の高い光増幅回路を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入力された信号光を複数の経路に分岐する光分岐部と、上記複数の経路のそれぞれの経路に設けられている光増幅器と、上記分岐された信号光が上記光増幅器によって増幅されて出力される複数のポートとを具備する光分配増幅部と、上記光分配増幅部における上記複数の出力ポートが出力した信号光を接続し、再び合波する光合波部とを有し、上記光分配増幅部に入力された信号光が、上記光合波部による光の干渉効果によって低損失に合波されるように、上記光分配増幅部と上記光合波部とを接続する複数の経路の光路長が設定され、上記光合波部は、上記信号光を合波する経路に、光増幅器を有し、上記光増幅器は、少なくとも１段のカスケード状に接続され、また、入力光パワーによらず、増幅後に一定の信号光パワーを出力する光増幅回路である。
【０００９】
【発明の実施の形態および実施例】
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例である光増幅回路ＯＡ１を示すブロック図である。
【００１０】
光増幅回路ＯＡ１は、光分配増幅部１１と、光合波部２１とを有する。
【００１１】
光分配増幅部１１は、Ｙ分岐群ＪＧと、半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０とを有する。
【００１２】
Ｙ分岐群ＪＧは、Ｙ分岐を３段カスケードに接続したものであり、１つの入力信号光を８分岐するものである。
【００１３】
半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０は、上記８分岐された入力信号光のそれぞれの経路に１つづつ設けられている。
【００１４】
光合波部２１は、Ｙ分岐を３段カスケード接続したものであり、８合波機能を実現するものである。
【００１５】
つまり、光分配増幅部１１は、入力された信号光を複数の経路に分岐する光分岐部と、上記複数の経路のそれぞれの経路に設けられている光増幅器と、上記分岐された信号光が上記光増幅器によって増幅されて出力される複数のポートとを具備する光分配増幅部の例である。
【００１６】
また、光合波部２１は、上記光分配増幅部における上記複数の出力ポートが出力した信号光を接続し、再び合波する光合波部の例である。
【００１７】
さらに、光増幅回路ＯＡ１において、上記光分配増幅部に入力された信号光が、上記光合波部による光の干渉効果によって低損失に合波されるように、上記光分配増幅部と上記光合波部とを接続する複数の経路の光路長が設定されている。
【００１８】
次に、光増幅回路ＯＡ１の動作について説明する。
【００１９】
入力信号光は、まず、分岐群ＪＧによって８分岐され、それぞれの半導体光増幅器で増幅され、その後に合波され、出力される。ここで、Ｙ分岐群ＪＧの入力ポートから光合波部２１の出力端子に至る複数の光路のそれぞれの光路長を互いに等しく設計してあるので、光干渉効果による分岐、合成の損失が生じることなく、光信号が出力される。
【００２０】
光増幅回路ＯＡ１におけるゲインは、光路を分岐せずに、１つの光路中に１つの半導体光増幅器を設けた場合におけるゲインと同等であるが、光増幅回路ＯＡ１では、飽和出力の向上を図ることができる。すなわち、個々の半導体光増幅器の飽和出力パワーがたとえば５ｄＢｍである場合、光増幅回路ＯＡ１における飽和出力は、その８倍（９ｄＢ増加）になり、１４ｄＢｍの飽和出力を得ることができる。
【００２１】
なお、入力信号光は、光の干渉によって振幅加算されるので、ロスなく取り出すことができるが、それぞれの半導体光増幅器で発生するＡＳＥ（自然放出光）ノイズは、各半導体光増幅器間で位相整合がとれていないので、電力加算になり、それぞれ９ｄＢずつロスが発生する。その結果、本回路全体でみると、雑音指数は、半導体光増幅器単独使用の場合よりも劣化することがなく、飽和出力の改善が可能である。
【００２２】
また、光増幅回路ＯＡ１によれば、故障に対して信頼性が高い。すなわち、従来の半導体光増幅器単独使用の場合には、故障が発生した場合、即座に回線が不通になる。また、これを避けるために予備系の増幅器を用意しておくと、設備の利用効率が低下する。ところが、光増幅回路ＯＡ１では、複数の半導体光分配増幅部が増幅機能を分担しているので、光増幅回路ＯＡ１を構成する半導体光増幅器の１つが故障しても、若干の出力パワー低下が生じるのみであり、回線が即座に遮断されることはない。
【００２３】
つまり、上記実施例によれば、並列配置の増幅器数を増やすだけで、所望の飽和出力が得られる。また、故障に対する信頼性が高い。
【００２４】
［第２の実施例］
図２は、本発明の第２の実施例である光増幅回路ＯＡ２を示すブロック図である。
【００２５】
光増幅回路ＯＡ２は、飽和出力のみでなく、ゲイン向上を達成することができる実施例である。
【００２６】
光増幅回路ＯＡ２は、光増幅回路ＯＡ１において、光分配増幅部にＹ分岐Ｊ１〜Ｊ７を設ける代わりに、マルチモード干渉型光カプラＣ１〜Ｃ７を設けた回路であり、石英系平面光回路上４に、半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０がハイブリッド集積されているものである。
【００２７】
つまり、光増幅回路ＯＡ２は、光分配増幅部１２と、光合波増幅部２２とを有する。
【００２８】
光分配増幅部１２は、２分岐の光分配増幅部１２ａと４分岐の光分配増幅部１２ｂとがカスケード状に接続されているものと、半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０とを有する。
【００２９】
光合波増幅部２２は、Ｙ分岐を３段カスケード接続したものと、マルチモード干渉型光カプラＣ１〜Ｃ７とを有し、８合波機能を実現するものである。
【００３０】
次に、光増幅回路ＯＡ２の動作について説明する。
【００３１】
入力信号光は、まずカプラＣ１によって２分岐され、初段の２つの半導体光増幅器ＳＯＡ１、ＳＯＡ２によって増幅される。また、それぞれの経路は、カプラＣ２〜Ｃ７によって４分岐され、２段目の半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０によって増幅され、光合波増幅部２２によって合波され、出力される。
【００３２】
光増幅回路ＯＡ２において、入力信号光は、半導体光増幅器を２段通過する（半導体光増幅器ＳＯＡ１、ＳＯＡ２の段と、半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０の段との２段を通過する）ので、１つの半導体光増幅器のみを通過する場合と比較すると、２倍のゲインを得ることができる。
【００３３】
光増幅回路ＯＡ２において特筆すべき点は、以下▲１▼〜▲２▼の３つの点である。
【００３４】
▲１▼ ２つの半導体光増幅器を用いて、単純に縦続接続をするのではなく、特に２段目の半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０において、入力信号光を適切な経路数に分岐した後に、それぞれ増幅し、その後に、光干渉効果を用いて信号光のみを、損失なく合波して取り出す点。
【００３５】
▲２▼ 光分岐部として光カプラＣ１〜Ｃ７を用い、光カプラＣ１〜Ｃ７のそれぞれと、半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０のそれぞれの端面との間における２本の経路の光路長を適切に設定することによって、半導体光増幅器前端面からの反射光を、信号光経路と異なる光カプラのポートに出力するように構成されている点。
【００３６】
▲３▼ 光増幅回路ＯＡ２が石英系ハイブリッド平面回路４で形成されている点である。
【００３７】
ところで、上記実施例を用いず、２つの半導体光増幅器を単純に縦続接続をする場合、所望のゲイン向上は望めない。この所望のゲイン向上を望めない第１の理由は、入力信号光が、１段目の半導体光増幅器によってある程度のパワーに増幅されるので、２段目の半導体光増幅器では飽和状態になり、ゲインが得られないという理由である。
【００３８】
また、所望のゲイン向上を望めない第２の理由は、、通常、半導体光増幅器素子の端面反射は、無視できない程度存在するので、１段目の半導体光増幅器端面と、２段目の半導体光増幅器端面との合計４つの半導体光増幅器端面で多重反射し、この多重反射によって、大きなゲインリップルが生じるという理由である。
【００３９】
ゲインリップルは、ゲインに比例して大きくなるので、ゲインリップルを所望の値以下で使用するためには、結果として、半導体光増幅器の駆動電流値等を調節し、これによって、ゲインが小さい動作条件でしか、半導体光増幅器を使用できない。
【００４０】
上記実施例では、上記の問題が解決されている。すなわち、ゲイン向上を望めない上記第１の理由については、１段目の半導体光増幅器ＳＯＡ１、ＳＯＡ２によって増幅された入力信号光を複数の経路に分岐し、２段目の各半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０への入力パワーを小さくするので、２段目の各半導体光増幅器ＳＯＡ３〜ＳＯＡ１０における飽和の影響がなく、所望のゲインを得ることが可能である。
【００４１】
さらに、光増幅回路ＯＡ１と同様に、回路全体としての飽和出力は、最終段の半導体光増幅器の並列配置数に比例して大きくなり、光増幅回路ＯＡ２では、単体の半導体光増幅器における飽和出力の８倍の飽和出力を得ることができる。なお、光増幅回路ＯＡ１における説明で記載したように、光増幅回路ＯＡ２は、信号光のみを干渉させて合波するので、半導体光増幅器の並列配置数を増やしても、光増幅回路ＯＡ２で生じるＡＳＥノイズの量は、単体の半導体光増幅器で生じるＡＳＥノイズの量と同等であり、半導体光増幅器の縦続接続の段数によってのみ増加する。
【００４２】
さらに、ゲイン向上を望めない上記第２の理由については、光分岐部として光カプラＣ１〜Ｃ７を用い、光カプラＣ１〜Ｃ７のそれぞれと半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０のそれぞれの端面との間の２本の経路の光路長を、適切に設定することによって、半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０のそれぞれの前端面からの反射光を、信号光経路と異なる光カプラのポートに出力するように構成している点である。
【００４３】
したがって、ゲインを向上するために縦続多段に光分配増幅部を接続しても、各段で生じる反射光が前後段に戻らないので、多重反射が生じない。よって、ゲインリップルが大きく増加することがなく、ゲインを向上させることができる。なお、この反射防止構成は、回路内の各段間の反射の影響を防止するのみでなく、回路外部への反射光防止にも有効である。すなわち、図２において、入力信号光は、初段の半導体光増幅器ＳＯＡ１、ＳＯＡ２の端面で反射されるが、反射光は、入力光ポートとは異なるポートに出力される。また、出力ポートに関しても、上記と同様である。
【００４４】
さらに、光増幅回路ＯＡ２では、石英系ハイブリッド平面回路４によって、回路全体が形成されている。すなわち、パッシブな光経路を、石英系平面回路によって一括形成し、ハイブリッド集積によって半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０を平面回路上に搭載してある。
【００４５】
光増幅回路ＯＡ２は、分岐、合成間における各経路の光路長を、精密かつ安定に設定する必要があり、この場合、光ファイバを用いて回路を構成すると、ファイバの余長と光路長とを安定化するための温調装置による大型化、大消費電力化につながり、したがって、実装コストによる低価格化の限界がある。
【００４６】
ところが、光増幅回路ＯＡ２では、ハイブリッド集積によって半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０を平面回路上に搭載しているので、光路長を精密かつ安定に設定可能であり、したがって、回路の小型化、低コスト化、低消費電力化が可能である。
【００４７】
光増幅回路ＯＡ２において、光分配増幅部のカスケード段数と、各段の分岐数とを適切に設定することによって、所望のゲイン、飽和出力を得ることができる。たとえば、単体でゲイン９ｄＢ、飽和出力５ｄＢｍの半導体光増幅器を用いた場合、単体の半導体光増幅器の後に、各段の光分配増幅部を８分岐し、８つの半導体光増幅器で構成すれば、前段で得られるゲイン９ｄＢを８分岐することによってキャンセルでき、各段の半導体光増幅器とも、同一の入力パワーレベルに設定することができる。このようにすれば、後段の半導体光増幅器の飽和によるゲインのリミットを避けることができる。また、たとえば、光分岐増幅部を３段で構成すれば、２７ｄＢのゲインを達成でき、光分岐増幅部を４段で構成すれば３６ｄＢのゲインを達成できる。
【００４８】
［第３の実施例］
図３は、本発明の第３の実施例である光増幅回路ＯＡ３を示すブロック図である。
【００４９】
光増幅回路ＯＡ３は、回路構成自体は、光増幅回路ＯＡ２とほぼ同様であるが、半導体光増幅器端面ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０の反射光を逃がすためだけに光カプラＣ１〜Ｃ７を使用するのではなく、モニタ用として光カプラＣ１〜Ｃ７を用いている点が、光増幅回路ＯＡ２とは異なる。
【００５０】
すなわち、光カプラＣ１〜Ｃ７の信号光経路とは異なるポートから光出力を得、この光出力をモニタリングすることによって、各半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０のそれぞれの動作状態や、故障の発生を調べることができる。また、このモニタリングによって得た値を、各半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１０の動作電流をセットする場合に使用できる。
【００５１】
さらに、光増幅回路ＯＡ３では、最終段における光カプラの信号光出カポートと異なるポートからの信号光出力をモニタリングし、この信号光出力が最小になるように、石英系光導波路上に形成したヒータ５ヘの印加電力を調節し、この印加電圧の調整によって、光位相を微調整することができる。このように、各光カプラの空きポートをモニタリングすることによって、光干渉、光パワー等の動作状態を微調整することができる。つまり、ヒータ５で発生する熱の量を変えることによって屈折率が変化し、光位相が変化し、カプラＣ１７における２つの出力ポートから出力される光の比率が変化する。
【００５２】
光増幅回路ＯＡ３では、ヒータ５を１箇所だけに設けてあるが、全てのパスにヒータ５を設けるようにしてもよい。また、ヒータ５で導波路をアクティブに調整するのではなく、初期段階で導波路を過熱処理または、ＵＶ照射する等によって位相調整を行うようにしてもよい。
【００５３】
［第４の実施例］
図４は、本発明の第４の実施例である光増幅回路ＯＡ４を示すブロック図である。
【００５４】
光増幅回路ＯＡ４は、第２の光増幅回路ＯＡ２とほぼ同様であるが、光合波増幅部２４に半導体光増幅器ＳＯＡ１１、ＳＯＡ１２が設けられている点が、第２の光増幅回路ＯＡ２とは異なる。このように、光増幅回路ＯＡ４は、光合波増幅部２４に光分配増幅部を設けたものである。
【００５５】
光増幅回路ＯＡ４の目的は２つある。第１の目的は、入力光パワーによらず、増幅後に、一定の信号光パワーを出力するいわゆるリミッタアンプを実現することであり、第２の目的は、故障に対する信頼性の高い増幅回路を実現することである。
【００５６】
つまり、システム設計を行う際には、ゲインを一定にする増幅器よりも、むしろ、出力パワーを一定にするリミッタアンプの機能が望ましい場合が多い。この光リミッタアンプを構成するためには、増幅器の飽和を用いる方法があるが、単体の増幅器において、飽和を利用するためには、ある程度大きな入力信号パワーが必要であり、かつ、飽和領域は、必然的にゲインが小さくなる。ゲインを大きくし、しかも、ある程度小さな入力信号光パワーから使用できるすなわちダイナミックレンジを大きくとるためには、増幅器の多段接続が必要になる。しかし、光増幅回路ＯＡ２の上記説明で記載したように、単純な多段接続では、ゲインを向上させることが困難である。
【００５７】
光増幅回路ＯＡ４のように、光合波増幅部２４に増幅器ＳＯＡ１１、ＳＯＡ１２を設けることによって、上記問題を解決することができる。つまり、光分配増幅部の最終段に設けられている半導体光増幅器の数よりも、少ない数の半導体光増幅器を、光合波増幅部２４の内部の経路に設けることによって、必然的に飽和出力を得ることができるので、リミッタアンプの機能を実現することができる。この場合も、各段の分岐数、段数、光合波増幅部の半導体光増幅器数を、適切に決めることによって、所望のゲイン、出力レベルを得ることができる。
【００５８】
さらに、光増幅回路ＯＡ４は、故障に対する信頼性が高い。すなわち、光増幅回路ＯＡ４の内部に設けられている半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１２の故障確率が全て同じであると仮定すると、半導体光増幅器ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１２の故障は、光合波増幅部２４よりも、半導体光増幅器数が多い光分配増幅部１２において発生する確率が高い。光増幅回路ＯＡ２のように、光合波部２２に半導体光増幅器を設けない構成である場合、いずれかの半導体光増幅器が故障すると、ゲイン、出力信号レベルの変動につながる。しかし、光増幅回路ＯＡ４を用いれば、光分配増幅部１２において、少数の半導体光増幅器が故障しても、光合波増幅部２４の最終段における半導体光増幅器の飽和入力パワーレベルを下回らない限り、回路全体としてみた場合のゲイン、出力レベルは変動しない。
【００５９】
一方、光増幅回路ＯＡ２に示した回路構成でも、光分配増幅部１２の最終段における半導体光増幅器の並列配置数を適切に決めることによって、リミッタアンプを構成することができる。すなわち、最終段の各半導体光増幅器への入力信号光パワーが、飽和入力パワー以上になるように、前段の半導体光増幅器からの分岐数を少なく決めればよい。
【００６０】
しかし、このようにした場合には、半導体光増幅器使用数の最も多い光分配増幅部最終段の半導体光増幅器が出力レベルを決めるので、光増幅回路ＯＡ４における故障確率よりも、故障確率が高くなる。
【００６１】
［第５の実施例］
図５は、本発明の第５の実施例である光増幅回路ＯＡ５を示すブロック図である。
【００６２】
光増幅回路ＯＡ５における回路構成と機能とは、光増幅回路ＯＡ２とほぼ同様であるが、光分配増幅部１５として、半導体光増幅器１２の代わりに、導波路型増幅器を用いている点が、光増幅回路ＯＡ２とは異なる。
【００６３】
すなわち、光増幅回路ＯＡ５において、光分配増幅部１５は、導波路型増幅器を有し、この導波路型増幅器は、希土類を添加することによって増幅機能を有する希土類添加石英系平面光回路４１で形成され、光合波増幅部２４は、希土類添加のない通常の平面光回路４で形成し、これら２つの導波路基板４、４１が、接着剤によって接続されている。
【００６４】
光増幅回路ＯＡ５では、光カプラＣ２１〜Ｃ３１における光信号経路と異なるポートを用いて、外部からポンプ光を入力している。各光カプラＣ２１〜Ｃ３１に挟まれた２本のアーム導波路の光路長を等しくしているので、ポンプ光は、信号光経路と異なるポートに出力される。
【００６５】
光増幅回路ＯＡ５のように、本発明における光分配増幅部は、半導体光増幅器である必要はない。
【００６６】
［第６の実施例］
図６は、本発明の第６の実施例である光増幅回路ＯＡ６を示すブロック図である。
【００６７】
光増幅回路ＯＡ６が、光増幅回路ＯＡ１〜ＯＡ５と異なる点は、光カプラとして、スターカプラＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３を用いている点である。
【００６８】
光増幅回路ＯＡ６は、光分配増幅部１６と、光合波部２６とを有する。
【００６９】
光分配増幅部１６は、光分配増幅部１５ａと、８つの光分配増幅器１５ｂとを有する。光分配増幅部１５ａは、スターカプラＳＣ１と８つの半導体光増幅器ＳＯＡとを有し、 光分配増幅部１５ｂは、スターカプラＳＣ２と８つの半導体光増幅器ＳＯＡとを有する。なお、光分配増幅部１５ａを構成する１つの半導体光増幅器に１つの光分配増幅部１５ｂが接続されている。また、光合波部２６は、スターカプラＳＣ３を有する。
【００７０】
このように、本発明で言う光カプラは、特に形態や入出力端子数を問わない。すなわち、光カプラとして、方向性結合器、マルチモード干渉型光カプラ、スターカプラのいずれを使用するようにしてもよい。
【００７１】
［第７の実施例］
図７は、本発明の第７の実施例であるマルチポート光増幅回路ＯＡ７を示すブロック図である。
【００７２】
マルチポート光増幅回路ＯＡ７では、光カプラとして、８入力８出力のスターカプラＳＣ１１、ＳＣ１２を用い、初段のスターカプラＳＣ１１における出力端子のそれぞれが、８つの半導体光増幅器ＳＯＡに接続され、その半導体光増幅器が、後段のスターカプラ１２の入力端子に接続されている。
【００７３】
光増幅回路ＯＡ７が、光増幅回路ＯＡ１〜ＯＡ６と異なる点は、その使用方法である。すなわち、複数の信号光を、互いに異なる入力ポートに入力することによって、全ての信号が増幅され、互いに異なる出力ポートに取り出すことが可能である。このような機能は、２つのスターカプラを接続する半導体光増幅器を含む光経路の光路長を適切に設定することによって、可能である。
【００７４】
なお、回路全体としての飽和出力は、光増幅回路ＯＡ１〜ＯＡ６について記載したことと同様に、並列配置する半導体光増幅器の数を調節することによって、所望の値に設定することができる。ゲインに関しては、光増幅回路ＯＡ７では、光分配増幅部として半導体光増幅器ＳＯＡを用いているが、これを、光増幅回路ＯＡ１〜ＯＡ６について記載したような光増幅回路を用いて所望の値に設定すればよい。このように、本発明に記載する光分配増幅部とは、本発明自身の光増幅回路であってもよい。
【００７５】
光増幅回路ＯＡ７によれば、複数の光信号を一括して増幅し、また異なる経路に出力することができる。このような機能は、たとえば上り回線、下り回線のどちらにも光増幅器を設けなければならない場合等、複数の光経路を同時に増幅する用途に有効である。すなわち、従来は、複数の経路のそれぞれに個別に増幅器を設ける必要があったが、経路毎に信号トラフィックが異なると、信号の少ない経路の増幅器は、使用効率が低く、全体として設備、消費電力の使用効率が低いという問題があり、これに対して、マルチポート光増幅回路ＯＡ７は、どの入力ポートからの光信号も、均等に複数の増幅器に分配して増幅するので、各経路間のトラフィックのばらつきが大きい場合でも、設備、消費電力の無駄が小さいという利点がある。
【００７６】
また、光増幅回路ＯＡ７は、双方向の信号入力が可能である。つまり、入出力ポートを各信号毎に任意に決めるようにしてもよい。このような機能は、たとえば、テープファイバのようなペアケーブルの一部が上り回線、また他のものが下り回線という場合にも、単純に接続することができるので、実用上有用である。
【００７７】
［第８の実施例］
図８は、本発明の第８の実施例であるマルチポート光増幅回路ＯＡ８を示すブロック図である。
【００７８】
マルチポート光増幅回路ＯＡ８は、マルチポート光増幅回路ＯＡ７とほぼ同様であるが、半導体光増幅器ＳＯＡの端面で生じる反射光が、光信号の入出力経路に入れないように、２つのスターカプラＳＣ２１、ＳＣ２２と半導体光増幅器ＳＯＡとの間の光路長が調整されている点が、マルチポート光増幅回路ＯＡ７とは異なる。
【００７９】
すなわち、マルチポート増幅回路ＯＡ８では、半導体光増幅器ＳＯＡの端面で生じる反射光が、それ自身が入力されたポートでなく、他のポートに出力される場合にも、他の経路の信号に対する雑音となるので、全ての入出力ポートに、反射光が混入しないようにする必要がある。
【００８０】
マルチポート光増幅回路ＯＡ８では、上記課題を、２つのスターカプラＳＣ２１、ＳＣ２２と、８個の半導体光増幅器ＳＯＡのそれぞれとの間の光路長を調整し、これによって、入出力ポート以外に漏洩光となって逃げるように設計されている。
【００８１】
なお、これとは異なる方法として、入出力信号光ポートとは別に、反射光用のポートを設けるようにしてもよい。たとえば、スターカプラの入出力ポートと反射光用ポートとを交互に配置し、半導体光増幅器端面からの反射光が、もとの入力ポートと隣接するいずれかのポートに出力されるように、スターカプラと半導体光増幅器との間の光路長を設計すればよい。
【００８２】
上記各実施例は、複数の光分配増幅部と、光分岐部と、光合波部とを組み合わせて構成した光増幅回路であり、光干渉を利用したものである。具体的には、次の利点がある。
（１）単独では性能の低い増幅器であっても、これを複数用いることによって、所望のゲイン、飽和出力を実現することができる。
（２）複数の増幅器によって構成されているので、故障に対する信頼性が高い。
（３）光合波部にも増幅器を設けることによって、所望のゲイン、飽和出力を有し、かつ、入力信号光パワーが変化しても出力パワーレベルを一定に保つことができるリミッタアンプを実現できる。
（４）平面光回路とハイブリッド光回路とを用いることによって、良好な光干渉機能が得られるとともに、従来問題となっていた実装コストを大幅に減少できるので、高性能、安価な光増幅器を実現することができる。
（５）上記マルチポート光増幅器は、複数の入力信号を一括して増幅可能であるので、設備、消費電力の使用効率を各段に改善することができる。
【００８３】
なお、上記各実施例において、光合波部における信号光を合波する経路に、光合波増幅部が設けられ、上記光合波増幅部は、少なくとも１段のカスケード状に接続されていればよい。
【００８４】
また、上記実施例は、光分配増幅部が、１段の光分配増幅部によって構成され、上記光分配増幅部における光分岐部、光合波部が、複数の入出力ポートを有する光カプラによって構成され、Ｎ番目の入力ポートから入力された信号光は、上記入力ポートと１対１に対応するＮ番目の出力ポートヘ出力されるように、２つの光カプラを接続する経路の光路長が設定されている光増幅回路の例である。
【００８５】
さらに、光増幅器ＯＡ２〜ＯＡ５のそれぞれにおいて、光分配増幅部を構成する複数の光分岐部の全てに光カプラが設けられているが、そのうちの少なくとも１つに光カプラを設けるようにしてもよい。また、光増幅器ＯＡ２〜ＯＡ５のそれぞれにおいて、光合波部を構成する複数の光合波器（上記光分岐部と同様のもの）の全てに光カプラが設けられているが、そのうちの少なくとも１つに光カプラを設けるようにしてもよい。つまり、上記光分配増幅部を構成する複数の光分岐部のうちの少なくとも１つ、または、上記光合波部を構成する複数の光合波器のうちの少なくとも１つに、複数の入出力ポートを有する光カプラを設けるようにしてもよい。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、高ゲイン、高出力、小型、安価、低消費電力、かつ故障に対する信頼性の高い光増幅器を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である光増幅回路ＯＡ１を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施例である光増幅回路ＯＡ２を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３の実施例である光増幅回路ＯＡ３を示すブロック図である。
【図４】本発明の第４の実施例である光増幅回路ＯＡ４を示すブロック図である。
【図５】本発明の第５の実施例である光増幅回路ＯＡ５を示すブロック図である。
【図６】本発明の第６の実施例である光増幅回路ＯＡ６を示すブロック図である。
【図７】本発明の第７の実施例であるマルチポート光増幅回路ＯＡ７を示すブロック図である。
【図８】本発明の第８の実施例であるマルチポート光増幅回路ＯＡ８を示すブロック図である。
【符号の説明】
ＯＡ１〜ＯＡ８…光分配増幅部、
ＪＧ…Ｙ分岐群、
Ｊ１〜Ｊ７，Ｊ１１〜Ｊ１７…Ｙ分岐、
ＳＯＡ１〜ＳＯＡ１２…半導体光増幅器、
１１〜１６…光分配増幅部、
２１、２５、２６…光合波部、
２２〜２４…光合波増幅部、
Ｃ１〜Ｃ７、Ｃ１１〜Ｃ１７、Ｃ２１〜Ｃ３１、Ｃ４１〜Ｃ４３…マルチモード干渉型光カプラ、
４…石英系ハイブリッド平面光回路、
４１…希土類添加石英系平面光回路、
５…ヒータ、
ＳＣ１〜ＳＣ３、ＳＣ１１、ＳＣ１２、ＳＣ２１、ＳＣ２２…スターカプラ。
Claims (8)
- 入力された信号光を複数の経路に分岐する光分岐部と、上記複数の経路のそれぞれの経路に設けられている光増幅器と、上記分岐された信号光が上記光増幅器によって増幅されて出力される複数のポートとを具備する光分配増幅部と；
上記光分配増幅部における上記複数の出力ポートが出力した信号光を接続し、再び合波する光合波部と；
を有し、上記光分配増幅部に入力された信号光が、上記光合波部による光の干渉効果によって低損失に合波されるように、上記光分配増幅部と上記光合波部とを接続する複数の経路の光路長が設定され、上記光合波部は、上記信号光を合波する経路に、光増幅器を有し、上記光増幅器は、少なくとも１段のカスケード状に接続され、また、入力光パワーによらず、増幅後に一定の信号光パワーを出力することを特徴とする光増幅回路。 - 請求項１において、
上記光増幅回路は、基板上に形成された平面光回路、または平面光回路上に上記光増幅器が搭載されているハイブリッド平面光回路に構成されていることを特徴とする光増幅回路。 - 入力された信号光を複数の経路に分岐する光分岐部と、上記複数の経路のそれぞれの経路に設けられている光増幅器と、上記分岐された信号光が上記光増幅器によって増幅されて出力される複数のポートとを具備する光分配増幅部と；
上記光分配増幅部における上記複数の出力ポートが出力した信号光を接続し、再び合波する光合波部と；
を有し、上記光分配増幅部に入力された信号光が、上記光合波部による光の干渉効果によって低損失に合波されるように、上記光分配増幅部と上記光合波部とを接続する複数の経路の光路長が設定され、
上記光分配増幅部を構成する複数の光分岐部のうちの少なくとも１つ、または、上記光合波部を構成する複数の光合波器のうちの少なくとも１つに、複数の入出力ポートを有する光カプラが設けられていることを特徴とする光増幅回路。 - 入力された信号光を複数の経路に分岐する光分岐部と、上記複数の経路のそれぞれの経路に設けられている光増幅器と、上記分岐された信号光が上記光増幅器によって増幅されて出力される複数のポートとを具備する光分配増幅部と；
上記光分配増幅部における上記複数の出力ポートが出力した信号光を接続し、再び合波する光合波部と；
を有し、上記光分配増幅部に入力された信号光が、上記光合波部による光の干渉効果によって低損失に合波されるように、上記光分配増幅部と上記光合波部とを接続する複数の経路の光路長が設定され、
上記光分配増幅部を構成する複数の光分岐部のうちの少なくとも１つ、または、上記光合波部を構成する複数の光合波器のうちの少なくとも１つに、複数の入出力ポートを有する光カプラが設けられ、
上記光分配増幅部の内部に存在する複数の反射点で生じる反射光を、光の干渉効果によって、信号光の経路とは異なるポートに導くように、上記光カプラと上記反射点とを接続する経路の光路長が設定されていることを特徴とする光増幅回路。 - 入力された信号光を複数の経路に分岐する光分岐部と、上記複数の経路のそれぞれの経路に設けられている光増幅器と、上記分岐された信号光が上記光増幅器によって増幅されて出力される複数のポートとを具備する光分配増幅部と；
上記光分配増幅部における上記複数の出力ポートが出力した信号光を接続し、再び合波する光合波部と；
を有し、上記光分配増幅部に入力された信号光が、上記光合波部による光の干渉効果によって低損失に合波されるように、上記光分配増幅部と上記光合波部とを接続する複数の 経路の光路長が設定され、
上記光分配増幅部は、１段の光分配増幅部によって構成され、
上記光分配増幅部における光分岐部、上記光合波部が、複数の入出力ポートを有する光カプラによって構成され、
Ｎ番目の入力ポートから入力された信号光は、上記入力ポートと１対１に対応するＮ番目の出力ポートヘ出力されるように、２つの上記光カプラを接続する経路の光路長が設定されていることを特徴とする光増幅回路。 - 請求項４において、
上記光分配増幅部の内部に存在する複数の反射点で生じる反射光を、光の干渉効果によって、信号光の経路とは異なるポートに導くか、または放射モードとして逃がすように、２つの上記光カプラのうちの少なくとも一方と上記反射点とを接続する経路の光路長が設定されていることを特徴とする光増幅回路。 - 請求項３または請求項４において、
上記光増幅回路は、基板上に形成された平面光回路、または平面光回路上に上記光増幅器が搭載されているハイブリッド平面光回路に構成されていることを特徴とする光増幅回路。 - 請求項３または請求項４において、
上記光合波部は、上記信号光を合波する経路に、光増幅器が設けられ、
上記光増幅器は、少なくとも１段のカスケード状に接続されていることを特徴とする光増幅回路。
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