JP3812574B2 - 光ファイバ増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ伝送路網の中継器等において信号光を増幅するのに好適に用いられる光ファイバ増幅器に関するものである。

光ファイバ増幅器は、大容量かつ高速の通信が可能である光ファイバ伝送路網において重要なデバイスの１つである。光ファイバ増幅器は、Ｅｒ（エルビウム）元素等の希土類元素が添加された増幅性光ファイバに励起光を供給することにより反転分布を生じさせ、その反転分布が生じた増幅性光ファイバに信号光を伝搬させることで、その信号光を光増幅する。このような光ファイバ増幅器は、入力信号光強度に対する出力信号光強度の比である利得を一定に制御することが重要であり、幾つかの方式が提案されている。

例えば、非特許文献１には、Ｅｒ元素が添加された石英系の光ファイバ（ＥＤＦ: Erbium-Doped Fiber）を増幅性光ファイバ用いた光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ: Erbium-Doped Fiber Amplifier）において、ＥＤＦの側方に放射される自然放出光のＥＤＦ全長に亘る強度積分値を求め、この側方自然放出光の強度の積分値が一定になるよう励起光の強度を制御することにより利得一定制御を行う方式が提案されている。

また、非特許文献２には、ＥＤＦＡにおいてＥＤＦを通過した残留励起光の強度を検出し、入力励起光強度に対する残留励起光強度の比が一定になるよう入力励起光強度を制御することにより利得一定制御を行う方式が提案されている。
K. Aida, et al., OAA'91, FE3, 1991 J. C. van der Plaats, et al., ECOC'97, Tech. Dig., Vol.3, pp.127-130, 1997

しかしながら、上記従来技術それぞれには以下のような問題点がある。非特許文献１に記載された方式では、波長１．５５μｍ帯の信号光を光増幅する場合と比較して、波長１．５８μｍ帯の信号光を光増幅する場合には、自然放出光発生の様子が異なることから、ＥＤＦの側方に放射される自然放出光の強度をＥＤＦ全長に亘って検出することが不可欠である。しかし、波長１．５８μｍ帯の信号光を光増幅する場合にはＥＤＦの長さは１００ｍを越えることから、このＥＤＦを筐体に収納すべくボビンに巻いてコイル化すると、コイル化されたＥＤＦのうちコイル表面近傍に巻かれた部分から放出された側方自然放出光は外部に現れるものの、内側に巻かれた部分から放出された側方自然放出光は外部に現れない。したがって、コイル化されたＥＤＦの側方に放射される自然放出光のＥＤＦ全長に亘る強度積分値を求めることは困難であり、理時一定制御を行うことが困難である。

非特許文献２に記載された方式では、励起光がＥＤＦで吸収され尽くして残留励起光が殆ど無い場合や、ＥＤＦの入力側および出力側の双方から励起光を供給する双方向励起方式の場合には、残留励起光を検出することができないので適用できない。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、増幅性光ファイバからの側方自然放出光が検出できない場合や残留励起光が検出できない場合にも利得一定制御を行うことができる光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。

本発明に係る光ファイバ増幅器は、複数の増幅性光ファイバに励起光を供給して信号光を光増幅する光ファイバ増幅器であって、複数の増幅性光ファイバは、信号光入力端側に第1の増幅性ファイバ、信号光出力端側に第2の増幅性ファイバとを有し、第１の増幅性ファイバから第２の増幅性光ファイバにおける信号光増幅利得を算出する第１の利得検出手段と、第1の増幅性光ファイバに励起光を供給する第１の励起光供給手段と、第2の増幅性光ファイバに励起光を供給する第２の励起光供給手段と、第１の励起光供給手段により供給される励起光の強度を一定に制御する第1の制御手段と、第1の利得検出手段により検出された利得に基づいて、第２の励起光供給手段により供給される励起光の強度を利得一定となるように制御する第2の制御手段と、第1の増幅性光ファイバと第2の増幅性光ファイバの間に配置されたアイソレータとを備える、ことを特徴とする。また、複数の増幅性光ファイバは、第1の増幅性ファイバと第2の増幅性ファイバとの間に第３の増幅性光ファイバを有し、第１の増幅性ファイバから第３の増幅性光ファイバにおける信号光増幅利得を算出する第２の利得検出手段と、第３の増幅性光ファイバに励起光を供給する第３の励起光供給手段と、第２の利得検出手段により検出された利得に基づいて、第３の励起光供給手段により供給される励起光の強度を利得一定となるように制御する制御手段とを備えるのが好適である。

本発明に係る光ファイバ増幅器は、複数の増幅性光ファイバに励起光を供給して信号光を光増幅する光ファイバ増幅器であって、複数の増幅性光ファイバは、信号光入力端側に第1の増幅性ファイバ、信号光出力端側に第2の増幅性ファイバとを有し、第１の増幅性ファイバから第2の増幅性光ファイバにおける信号光増幅利得を算出する第１の利得検出手段と、信号光入力端から第1の増幅性光ファイバに励起光を供給する第１の励起光供給手段と、信号光入力端と異なる端から第2の増幅性光ファイバに励起光を供給する第２の励起光供給手段と、増幅性光ファイバの最終段以外の段までの順方向ＡＳＥ光の強度を一定とするよう第１の励起光供給手段により供給される励起光の強度を制御する第1の制御手段と、第1の利得検出手段により検出された利得に基づいて、第２の励起光供給手段により供給される励起光の強度を利得一定となるように制御する第2の制御手段と、第1の増幅性光ファイバと第2の増幅性光ファイバの間に配置されたアイソレータとを備える、ことを特徴とする。

本発明によれば、増幅性光ファイバからの側方自然放出光が検出できない場合や残留励起光が検出できない場合にも利得一定制御を行うことができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器および波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器それぞれについて説明する。

図１は、第１の実施形態に係る波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。この波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器は、信号光の入力端から出力端へ向かって順に、光コネクタ１１１、モニタカプラ１２１、光アイソレータ１３１、ＷＤＭカプラ１４１、ＥＤＦ１５１〜１５３、ＷＤＭカプラ１４２、光アイソレータ１３２、モニタカプラ１２２および光コネクタ１１２が縦続接続されている。

モニタカプラ１２１は、コネクタ１１１に入力した信号光の殆どを光アイソレータ１３１に向けて伝搬させ、一部を分岐してフォトダイオード１６１に向けて伝搬させる。フォトダイオード１６１は、モニタカプラ１２１から到達した入力信号光の強度を検出する。一方、モニタカプラ１２２は、光アイソレータ１３２から到達した信号光の殆どを光コネクタ１１２に向けて伝搬させ、一部を分岐してフォトダイオード１６２に向けて伝搬させる。フォトダイオード１６２は、モニタカプラ１２２から到達した出力信号光の強度を検出する。

光アイソレータ１３１および１３２それぞれは、信号光の順方向に光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。ＷＤＭカプラ１４１は、ＥＤＦ１５１の信号光入力端に設けられ、光アイソレータ１３１から到達した信号光をＥＤＦ１５１に向けて伝搬させるとともに、制御回路１７０から到達した励起光をＥＤＦ１５１に向けて伝搬させる。ＷＤＭカプラ１４２は、ＥＤＦ１５３の信号光出力端に設けられ、ＥＤＦ１５３から到達した信号光を光アイソレータ１３２に向けて伝搬させるとともに、制御回路１７０から到達した励起光をＥＤＦ１５３に向けて伝搬させる。

ＥＤＦ１５１は、Ａｌ（アルミニウム）添加石英系ＥＤＦであって、波長１．５３μｍ帯吸収ピークが５ｄＢ／ｍであり、長さが７ｍである。ＥＤＦ１５２は、Ｐ（リン）／Ａｌ共添加石英系ＥＤＦであって、波長１．５３μｍ帯吸収ピークが５ｄＢ／ｍであり、長さが８ｍである。ＥＤＦ１５３は、Ａｌ添加石英系ＥＤＦであって、波長１．５３μｍ帯吸収ピークが５ｄＢ／ｍであり、長さが１０ｍである。ＥＤＦ１５１〜１５３の何れも、Ｅｒ添加域直径が１．４μｍであり、モードフィールド径が４．０μｍである。

制御回路１７０は、励起光を出力するレーザダイオード（以下、ＬＤと言う。）を含み、フォトダイオード１６１および１６２それぞれにより検出された入力信号光強度および出力信号光強度を入力し、これら入力信号光強度および出力信号光強度に基づいてＬＤから励起光を出力する。そして、この制御回路１７０は、その励起光をＷＤＭカプラ１４１および１４２を介してＥＤＦ１５１〜１５３に供給し、入力信号光強度に対する出力信号光強度の比である利得を２２ｄＢに制御する。また、以下では、この波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器に入力する信号光は、波長１５４５ｎｍ、１５５０ｎｍ、１５５５ｎｍおよび１５６０ｎｍの４波であるとし、総入力信号光強度が−２５ｄＢｍ〜−５ｄＢｍの範囲で変動するものとする。また、励起光の波長は１．４８μｍとする。

この波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器の光コネクタ１１１に入力した信号光は、モニタカプラ１２１、光アイソレータ１３１およびＷＤＭカプラ１４１を経てＥＤＦ１５１〜１５３に入力する。このとき、制御回路１７１から出力された励起光がＷＤＭカプラ１４１および１４２を経てＥＤＦ１５１〜１５３に供給されていれば、反転分布が生じたＥＤＦ１５１〜１５３において信号光は一括光増幅される。この光増幅された信号光は、ＷＤＭカプラ１４２、光アイソレータ１３２およびモニタカプラ１２２を経て光コネクタ１１２から出力される。また、入力信号光強度および出力信号光強度それぞれはフォトダイオード１６１および１６２により検出され、制御回路１７０により、両者の比から利得が求められ、利得が一定になるようＥＤＦ１５１〜１５３に供給される励起光の強度が制御される。

図２は、第１の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。この波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器は、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器の構成（図１）と略同様であるが、ＥＤＦ１５１〜１５３に替えてＥＤＦ１５４が設けられている点で異なる。ＥＤＦ１５４は、Ａｌ添加石英系ＥＤＦであって、波長１．５３μｍ帯吸収ピークが５ｄＢ／ｍであり、長さが１００ｍであり、Ｅｒ添加域直径が１．４μｍであり、モードフィールド径が４．０μｍである。

この波長１．５８μｍ帯光増幅器の制御回路１７０は、フォトダイオード１６１および１６２それぞれにより検出された入力信号光強度および出力信号光強度に基づいて励起光を出力し、その励起光をＷＤＭカプラ１４１および１４２を介してＥＤＦ１５４に供給し、入力信号光強度に対する出力信号光強度の比である利得を１７ｄＢに制御する。また、以下では、この波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器に入力する信号光は、波長１５７０ｎｍ、１５８０ｎｍ、１５９０ｎｍおよび１６００ｎｍの４波であるとし、総入力信号光強度が−２５ｄＢｍ〜−５ｄＢｍの範囲で変動するものとする。また、励起光の波長は１．４８μｍとする。

次に、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器（図１）および波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図２）それぞれにおける制御回路１７０の詳細について説明する。

図３は、制御回路の第１の構成例を示す図である。なお、この図には、制御回路１７０の他に、ＷＤＭカプラ１４１，１４２およびフォトダイオード１６１，１６２も示されている。この制御回路１７０は、励起光を出力するＬＤ１７１と、そのＬＤ１７１から出力された励起光を分岐しＷＤＭカプラ１４１および１４２それぞれに向けて出力する分岐カプラ１７２と、フォトダイオード１６１および１６２それぞれにより検出された入力信号光強度および出力信号光強度を入力するとともにＬＤ１７１を制御する利得一定化制御回路１７３とを備えている。利得一定化制御回路１７３は、フォトダイオード１６１および１６２それぞれにより検出された入力信号光強度および出力信号光強度を入力し、両者の比から利得を求め、その利得が一定になるようＬＤ１７１の出力を制御する。利得一定化制御回路１７３により制御されたＬＤ１７１から出力された励起光は、分岐カプラ１７２により分岐され、一方がＷＤＭカプラ１４１を経てＥＤＦを順方向励起し、他方がＷＤＭカプラ１４２を経てＥＤＦを後方向励起する。

図４は、制御回路の第２の構成例を示す図である。なお、この図にも、制御回路１７０の他に、ＷＤＭカプラ１４１，１４２およびフォトダイオード１６１，１６２も示されている。この制御回路１７０は、励起光を出力する順方向励起ＬＤ１７４および後方向励起ＬＤ１７５と、フォトダイオード１６１および１６２それぞれにより検出された入力信号光強度および出力信号光強度を入力するとともに順方向励起ＬＤ１７４および後方向励起ＬＤ１７５を制御する利得一定化制御回路１７６とを備えている。利得一定化制御回路１７６は、フォトダイオード１６１および１６２それぞれにより検出された入力信号光強度および出力信号光強度を入力し、両者の比から利得を求め、その利得が一定になるよう図５に示すフローチャートに従って順方向励起ＬＤ１７４および後方向励起ＬＤ１７５それぞれの出力を制御する。

図５は、図４に示す利得一定化制御回路の動作を説明するフローチャートである。入力信号光強度に対する出力信号光強度の比として利得Ｇが求められ（ステップＳ１）、その利得Ｇと利得設定値Ｇｓとの大小が比較される（ステップＳ２）。

もし、ステップＳ２で利得Ｇが利得設定値Ｇｓより大きいとされた場合には、後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 と閾値電流Ｉ_th2 との大小が比較され（ステップＳ３）、後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 が閾値電流Ｉ_th2 より大きければ後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 が下げられ（ステップＳ４）、そうでなければ順方向励起ＬＤ１７４の電流値Ｉ_LD1 が下げられる（ステップＳ５）。そして、ステップＳ１に戻る。

もし、ステップＳ２で利得Ｇが利得設定値Ｇｓと等しいとされた場合には、後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 とバイアス電流最大値Ｉ_max2との大小が比較され（ステップＳ６）、また、順方向励起ＬＤ１７４の電流値Ｉ_LD1 とバイアス電流最大値Ｉ_max1との大小が比較される（ステップＳ７）。もし、後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 がバイアス電流最大値Ｉ_max2超であるか、順方向励起ＬＤ１７４の電流値Ｉ_LD1 がバイアス電流最大値Ｉ_max1超であれば、アラームが発生する（ステップＳ８）。逆に、後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 がバイアス電流最大値Ｉ_max2以下であり、且つ、順方向励起ＬＤ１７４の電流値Ｉ_LD1がバイアス電流最大値Ｉ_max1以下であれば、ステップＳ１に戻る。

もし、ステップＳ２で利得Ｇが利得設定値Ｇｓより小さいとされた場合には、後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 とバイアス電流最大値Ｉ_max2との大小が比較され（ステップＳ９）、また、順方向励起ＬＤ１７４の電流値Ｉ_LD1 とバイアス電流最大値Ｉ_max1との大小が比較される（ステップＳ１０）。もし、後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 がバイアス電流最大値Ｉ_max2超であるか、順方向励起ＬＤ１７４の電流値Ｉ_LD1 がバイアス電流最大値Ｉ_max1超であれば、アラームが発生する（ステップＳ８）。後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 がバイアス電流最大値Ｉ_max2以下であり、順方向励起ＬＤ１７４の電流値Ｉ_LD1 がバイアス電流最大値Ｉ_max1未満であれば、順方向励起ＬＤ１７４の電流値Ｉ_LD1 が上げられ（ステップＳ１１）、ステップＳ１に戻る。後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 がバイアス電流最大値Ｉ_max2以下であり、順方向励起ＬＤ１７４の電流値Ｉ_LD1 がバイアス電流最大値Ｉ_max1に等しければ、後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 が上げられ（ステップＳ１２）、ステップＳ１に戻る。

したがって、利得一定化制御回路１７６がこのフローチャートに従って動作することにより、順方向励起ＬＤ１７４の電流値Ｉ_LD1 は一定値であるバイアス電流最大値Ｉ_max1に極力維持され、後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 のみが制御される。そして、入力信号光強度が低下したときには、まず後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 が下げられて励起光出力が低下し、後方向励起ＬＤ１７５の電流値Ｉ_LD2 が閾値電流Ｉ_th2 以下に達した後に、順方向励起ＬＤ１７４の電流値Ｉ_LD1 が下げられて励起光出力が低下する。それ故、入力信号光強度が小さい場合であっても所要の利得が得られる。

次に、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器（図１）に制御回路の第１および第２の構成例（図３，４）それぞれを適用した場合、ならびに、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図２）に制御回路の第１および第２の構成例（図３，４）それぞれを適用した場合の諸特性について説明する。

図６は、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１および第２の構成例それぞれを適用した場合における利得とＮＦ（ノイズ指数）最悪値とを示すグラフである。図７は、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１および第２の構成例それぞれを適用した場合における利得とＮＦ最悪値とを示すグラフである。これらのグラフそれぞれにおいて、横軸は総入力信号光強度（ｄＢｍ）であり、縦軸は信号光４波平均利得（ｄＢ）またはＮＦ最悪値（ｄＢ）である。白丸印は、制御回路の第１の構成例（図３）を適用した場合の信号光４波平均利得を示し、白四角印は、制御回路の第１の構成例を適用した場合のＮＦ最悪値を示す。黒丸印は、制御回路の第２の構成例（図４）を適用した場合の信号光４波平均利得を示し、黒四角印は、制御回路の第２の構成例を適用した場合のＮＦ最悪値を示す。

図６から判るように、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器（図１）の場合、制御回路の第１および第２の構成例（図３，４）の何れを適用したときも、総信号光入力強度の全範囲（−２５ｄＢｍ〜−５ｄＢｍ）に亘って、信号光４波平均利得の変動は３ｄＢ以下におさまっている。しかし、ＮＦ最悪値の変動は、制御回路の第１の構成例（図３）を適用したときには１．８ｄＢであるのに対し、制御回路の第２の構成例（図４）を適用したときには０．７ｄＢである。

一方、図７から判るように、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図２）の場合、信号光４波平均利得の変動は、制御回路の第１の構成例（図３）を適用したときには１０ｄＢ以上であるのに対し、制御回路の第２の構成例（図４）を適用したときには４ｄＢ以下である。また、ＮＦ最悪値の変動は、制御回路の第１の構成例（図３）を適用したときには２０ｄＢであるのに対し、制御回路の第２の構成例（図４）を適用したときには０．８ｄＢである。

このように、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器（図１）の場合よりも、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図２）の場合の方が、制御回路の第２の構成例（図４）を適用することに因る効果が大きい。これは、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図２）の場合には、ＥＤＦ長が１００ｍと長く、ＥＤＦの信号光入力端周辺を充分に励起しておかないと、信号光は逆に吸収され、後方向からＥＤＦに供給される励起光のエネルギは、光増幅された自然放出光（ＡＳＥ光）に徒に費やされるからであると考えられる。

図８は、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１および第２の構成例それぞれを適用した場合における順方向励起光強度と後方向励起光強度とを示すグラフである。図９は、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１および第２の構成例それぞれを適用した場合における順方向励起光強度と後方向励起光強度とを示すグラフである。これらのグラフそれぞれにおいて、横軸は総入力信号光強度（ｄＢｍ）であり、縦軸は順方向励起光強度（ｍＷ）または後方向励起光強度（ｍＷ）である。白丸印は、制御回路の第１の構成例（図３）を適用した場合の順方向励起光強度を示し、白四角印は、制御回路の第１の構成例を適用した場合の後方向励起光強度を示す。黒丸印は、制御回路の第２の構成例（図４）を適用した場合の順方向励起光強度を示し、黒四角印は、制御回路の第２の構成例を適用した場合の後方向励起光強度を示す。なお、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１の構成例を適用した場合には、分岐カプラ１７２における順方向励起光および後方向励起光への分岐比を１：１とした。一方、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１の構成例を適用した場合には、順方向励起を重視し、分岐カプラ１７２における順方向励起光および後方向励起光への分岐比を８：５程度とした。

図８から判るように、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器（図１）に制御回路の第２の構成例（図４）を適用した場合、総入力信号光強度が約−９ｄＢｍ以上であるときは、後方向励起光強度のみが変化し、順方向励起光強度が４０ｍＷで一定であるが、総入力信号光強度が約−９ｄＢｍ以下であるときは、後方向励起光強度が零になり、順方向励起光強度のみが変化する。これは、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器では励起効率が高いことに因るものと考えられる。

一方、図９から判るように、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図２）の場合、総入力信号光強度の全範囲（−２５ｄＢｍ〜−５ｄＢｍ）に亘って、後方向励起光強度のみが変化し、順方向励起光強度が４５ｍＷで一定であり、総入力信号光強度が約−２５ｄＢｍであるときに初めて、後方向励起光強度が零になる。これは、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器では励起効率が低いことに因るものと考えられる。したがって、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図２）の場合には、図５のフローチャートに示すような複雑な動作を行う制御回路の第２の構成例（図４）とする必要はなく、次に示す制御回路の第３の構成例で充分である。

図１０は、制御回路の第３の構成例を示す図である。なお、この図にも、制御回路１７０の他に、ＷＤＭカプラ１４１，１４２およびフォトダイオード１６１，１６２も示されている。この制御回路１７０は、励起光を出力する順方向励起ＬＤ１７４および後方向励起ＬＤ１７５と、順方向励起ＬＤ１７４を制御する出力一定化制御回路１７７と、フォトダイオード１６１および１６２それぞれにより検出された入力信号光強度および出力信号光強度を入力するとともに後方向励起ＬＤ１７５を制御する利得一定化制御回路１７８とを備えている。出力一定化制御回路１７７は、順方向励起ＬＤ１７４の出力を一定に制御する。利得一定化制御回路１７８は、フォトダイオード１６１および１６２それぞれにより検出された入力信号光強度および出力信号光強度を入力し、両者の比から利得を求め、その利得が一定になるよう後方向励起ＬＤ１７５の出力を制御する。波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図２）にこの制御回路の第３の構成例（図１０）を適用した場合にも、図７および図９それぞれに示した特性と同様の特性を有する。

ただし、本実施形態に係る波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器（図１）に制御回路の第３の構成例（図１０）を適用した場合、図８から判るように、総入力信号光強度が−２５ｄＢｍであるときに順方向励起光強度が６．２ｍＷとなり、このまま一定出力で順方向励起ＬＤ１７４を駆動すると、総入力信号光強度が−５ｄＢｍであるときに後方向励起光強度を４０ｍＷまで上げても、目標とする利得２２ｄＢすなわち総出力信号光強度＋１４ｄＢｍを得ることはできない。したがって、この場合、制御回路の第２の構成例（図４）を適用するのが好適である。また、本実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図２）においても、総入力信号光強度の範囲によっては同様である。

本実施形態に係る波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器（図１）および波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図２）それぞれにおいては、入力信号光強度と出力信号光強度との比から求めた利得を一定にするよう励起光強度を制御した。しかし、実際には、出力信号光だけでなくＡＳＥ光をも出力信号光強度として検出されるので、総入力信号光強度の全範囲（−２５ｄＢｍ〜−５ｄＢｍ）に亘って、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器（図１）では３ｄＢの利得変動が生じ、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図２）では４ｄＢの利得変動が生じている。そこで、次に述べる第２の実施形態では、順方向ＡＳＥ光から求めた利得を一定にするよう励起光強度を制御する。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器および波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器それぞれについて説明する。本実施形態は、順方向ＡＳＥ光から求めた利得を一定にするよう励起光強度を制御するものである。

一般に、光ファイバ増幅器のノイズ指数ＮＦは、ＮＦ＝１／Ｇ＋ＰASE／(ｈ・ν・Δν・Ｇ) …(1)なる式で与えられることが知られている。ここで、Ｇは光ファイバ増幅器の利得であり、ＰASE は順方向ＡＳＥ光の強度であり、ｈはプランク定数であり、νは光の周波数であり、Δνは順方向ＡＳＥ光の強度を検出したときの光周波数の分解能である。もし、既述した制御回路の第２または第３の構成例（図４，１０）のように、順方向励起光強度を一定値に極力維持する制御方式を採用すれば、総入力信号光強度の全範囲に亘ってノイズ指数ＮＦの変動は最小限に抑えられる。さらに順方向ＡＳＥ光強度ＰASE を一定値に維持する制御を行えば、上記 (1)式中における順方向ＡＳＥ光強度ＰASE およびノイズ指数ＮＦが一定になるので、利得Ｇも一定に維持されることが期待できる。

図１１は、第２の実施形態に係る波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。本実施形態に係る波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器は、入力信号光強度を検出する為のモニタカプラ１２１およびフォトダイオード１６１が設けられていない点、モニタカプラ１２２、バンド除去フィルタ１８２およびフォトダイオード１６２により順方向ＡＳＥ光強度が検出される点、ならびに、制御回路１７０が順方向ＡＳＥ光強度から得た利得に基づいて励起光出力を制御する点で、第１の実施形態の場合と異なる。光コネクタ１１１、光アイソレータ１３１、ＷＤＭカプラ１４１、ＥＤＦ１５１〜１５３、ＷＤＭカプラ１４２、光アイソレータ１３２、モニタカプラ１２２および光コネクタ１１２は、第１の実施形態におけるものと同様である。

ＥＤＦ１５１〜１５３において光増幅された信号光および順方向ＡＳＥ光は、モニタカプラ１２２により分岐され、バンド除去フィルタ１８２に入力する。信号光は、バンド除去フィルタ１８２により遮断され、順方向ＡＳＥ光は、バンド除去フィルタ１８２を透過して、フォトダイオード１６２により検出される。制御回路１７０では、フォトダイオード１６２により検出された順方向ＡＳＥ光強度に基づいて利得が求められ、その利得が一定になるようＥＤＦ１５１〜１５３に供給される励起光の強度が制御される。

図１２は、第２の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。この波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器は、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器の構成（図１１）と略同様であるが、ＥＤＦ１５１〜１５３に替えてＥＤＦ１５４が設けられている点で異なる。

本実施形態に係る波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器（図１１）および波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図１２）それぞれにおける制御回路１７０は、第１の実施形態の説明において制御回路の第１〜第３の構成例として示したもの（図３，４，１０）と略同様である。ただし、第１の実施形態では、入力信号光強度と出力信号光強度とから利得を求めたが、本実施形態では、順方向ＡＳＥ光強度から利得を求める点で異なる。

次に、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器（図１１）に制御回路の第１および第２の構成例（図３，４）それぞれを適用した場合、ならびに、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図１２）に制御回路の第１および第２の構成例（図３，４）それぞれを適用した場合の諸特性について説明する。

図１３は、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１および第２の構成例それぞれを適用した場合における利得とＮＦ最悪値とを示すグラフである。図１４は、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１および第２の構成例それぞれを適用した場合における利得とＮＦ最悪値とを示すグラフである。これらのグラフそれぞれにおいて、横軸は総入力信号光強度（ｄＢｍ）であり、縦軸は信号光４波平均利得（ｄＢ）またはＮＦ最悪値（ｄＢ）である。白丸印は、制御回路の第１の構成例（図３）を適用した場合の信号光４波平均利得を示し、白四角印は、制御回路の第１の構成例を適用した場合のＮＦ最悪値を示す。黒丸印は、制御回路の第２の構成例（図４）を適用した場合の信号光４波平均利得を示し、黒四角印は、制御回路の第２の構成例を適用した場合のＮＦ最悪値を示す。

図１３から判るように、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器（図１１）の場合、制御回路の第１および第２の構成例（図３，４）の何れを適用したときも、総信号光入力強度の全範囲（−２５ｄＢｍ〜−５ｄＢｍ）に亘って、信号光４波平均利得の変動は０．２ｄＢ以下におさまっている。また、ＮＦ最悪値の変動は、制御回路の第１の構成例（図３）を適用したときには１．４ｄＢであるのに対し、制御回路の第２の構成例（図４）を適用したときには０．７ｄＢである。

一方、図１４から判るように、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図１２）の場合、信号光４波平均利得の変動は、制御回路の第１の構成例（図３）を適用したときには１．３ｄＢであるのに対し、制御回路の第２の構成例（図４）を適用したときには０．３ｄＢである。また、ＮＦ最悪値の変動は、制御回路の第１の構成例（図３）を適用したときには５．５ｄＢであるのに対し、制御回路の第２の構成例（図４）を適用したときには０．３ｄＢである。

このように、本実施形態においても、波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器（図１１）の場合よりも、波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器（図１２）の場合の方が、制御回路の第２の構成例（図４）を適用することに因る効果が大きい。また、第１の実施形態の場合と比較すると、本実施形態では、信号光４波平均利得およびＮＦ最悪値の何れも大幅に改善されている。

なお、本実施形態においては、順方向ＡＳＥ光のみをフォトダイオード１６２により検出するためにバンド除去フィルタ１８２が必要であるが、通常では信号光強度は順方向ＡＳＥ光強度より遥かに大きいので、バンド除去フィルタ１８２は、充分なバンド除去比を有することが必要であり、例えばバンド除去比３０ｄＢ以上を有することが必要である。このような充分なバンド除去比を有するバンド除去フィルタ１８２として、中心波長が信号光波長と一致し且つ高いバンド除去比３５ｄＢ〜４０ｄＢを有するＡＤＭ（Add-Drop Multiplexer）用ファイバグレーティングが好適に用いられる。

また、光ファイバ増幅器を多段に接続する場合には、２段目以降の光ファイバ増幅器には、前段までに蓄積された順方向ＡＳＥ光が入力する。したがって、本実施形態では、各光ファイバ増幅器で発生した順方向ＡＳＥ光だけでなく、前段の光ファイバ増幅器から出力された順方向ＡＳＥ光まで検出され、各光ファイバ増幅器の利得と順方向ＡＳＥ光強度との相関をとることができず、利得一定制御を行うことができない。そこで、順方向ＡＳＥ光を検出するための好適な手段の２つの例を次に説明する。

図１５は、光サーキュレータおよびＡＤＭ用ファイバグレーティングを備える順方向ＡＳＥ光検出手段を説明する図である。この順方向ＡＳＥ光検出手段は、光アイソレータ１３２と出力用の光コネクタ１１２との間に設けられた光サーキュレータ１２３と、その光サーキュレータ１２３の他の端子に接続されたＡＤＭ用ファイバグレーティング１８３と、ＡＤＭ用ファイバグレーティング１８３を透過した順方向ＡＳＥ光を検出するフォトダイオード１６２とを備える。光サーキュレータ１２３は、３つの端子Ａ，ＢおよびＣを有しており、光アイソレータ１３２から端子Ａに入力した光を、端子ＢからＡＤＭ用ファイバグレーティング１８３に向けて出力し、ＡＤＭ用ファイバグレーティング１８３から端子Ｂに入力した光を、端子Ｃから光コネクタ１１２に向けて出力する。ＡＤＭ用ファイバグレーティング１８３は、各波長の信号光それぞれを反射するが、順方向ＡＳＥ光を透過させる。

この順方向ＡＳＥ光検出手段では、ＥＤＦにおいて光増幅された信号光および順方向ＡＳＥ光は、光サーキュレータ１２３の端子Ａに入力して端子Ｂに出力され、ＡＤＭ用ファイバグレーティング１８３に入力する。順方向ＡＳＥ光は、ＡＤＭ用ファイバグレーティング１８３を透過してフォトダイオード１６２により検出される。一方、信号光は、ＡＤＭ用ファイバグレーティング１８３により反射されて、光サーキュレータ１２３の端子Ｂに入力して端子Ｃに出力され、光コネクタ１１２から出力される。

図１６は、ファイバ型カプラおよびファイバグレーティングを備える順方向ＡＳＥ光検出手段を説明する図である。この順方向ＡＳＥ光検出手段は、光アイソレータ１３２と出力用の光コネクタ１１２との間に設けられたファイバ型カプラ１２４およびファイバグレーティング１８４と、ファイバ型カプラ１２４から到達した順方向ＡＳＥ光を検出するフォトダイオード１６２とを備える。ファイバ型カプラ１２４は、４つの端子Ａ，Ｂ，ＣおよびＤを有しており、光アイソレータ１３２から端子Ａに入力した光を、端子Ｂからファイバグレーティング１８４に向けて出力し、ファイバグレーティング１８４から端子Ｂに入力した光を、端子Ｃからフォトダイオード１６２に向けて出力し、端子Ｄが無反射終端されている。ファイバグレーティング１８４は、各波長の信号光それぞれを透過させるが、順方向ＡＳＥ光を反射する。

この順方向ＡＳＥ光検出手段では、ＥＤＦにおいて光増幅された信号光および順方向ＡＳＥ光は、ファイバ型カプラ１２４の端子Ａに入力して端子Ｂに出力され、ファイバグレーティング１８４に入力する。順方向ＡＳＥ光は、ファイバグレーティング１８４により反射され、ファイバ型カプラ１２４の端子Ｂに入力して端子Ｃに出力され、フォトダイオード１６２により検出される。一方、信号光は、ファイバグレーティング１８４を透過して、光コネクタ１１２から出力される。

図１５または図１６に示す順方向ＡＳＥ光検出手段を各光ファイバ増幅器の出力用の光コネクタ１１２の前に設けることにより、２段目以降の光ファイバ増幅器に、前段までに蓄積された順方向ＡＳＥ光が入力することはない。したがって、各光ファイバ増幅器の利得と順方向ＡＳＥ光強度との相関をとることができ、利得一定制御を行うことができる。

また、利得検出手段として、ＥＤＦの後段に順方向ＡＳＥ光の全部または一部を分岐出力する分岐手段（例えば、ＡＷＧ、波長を選択出力する光ファイバカプラ）を設け、その分岐手段から到達した順方向ＡＳＥ光を光検出手段（フォトダイオード）により検出してもよい。この場合には、ＥＤＦから到達した光のうち順方向ＡＳＥ光の全部または一部は、分岐手段により分岐されて、光検出手段により検出され、制御手段では、この順方向ＡＳＥ光の強度に基づいて利得一定制御が行われる。

本実施形態では、第１の実施形態と比較すれば、利得およびＮＦ最悪値の何れも大きく改善されているが、それでも、総入力信号光強度の全範囲（−２５ｄＢｍ〜−５ｄＢｍ）においてＮＦ最悪値は０．３ｄＢ程度変動する。ノイズ指数の主な原因は逆方向ＡＳＥ光であるので、この逆方向ＡＳＥ光を除去するのが好適である。そこで、次に述べる第３〜第５の実施形態それぞれでは、逆方向ＡＳＥ光を除去する光アイソレータを設けた光ファイバ増幅器について説明する。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器について説明する。本実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器は、２段構成のＥＤＦからなるものである。

図１７は、第３の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。この波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器は、信号光の入力端から出力端へ向かって順に、光コネクタ２１１、光アイソレータ２３１、ＷＤＭカプラ２４１、ＥＤＦ２５１、ＷＤＭカプラ２４２、光アイソレータ２３２、ＷＤＭカプラ２４３、ＥＤＦ２５２、ＷＤＭカプラ２４４、光アイソレータ２３３、モニタカプラ２２３および光コネクタ２１２が縦続接続されている。

モニタカプラ２２３は、光アイソレータ２３３から到達した信号光の殆どを光コネクタ２１２に向けて伝搬させ、一部を分岐してバンド除去フィルタ２８３に向けて伝搬させる。バンド除去フィルタ２８３は、信号光を遮断し、順方向ＡＳＥ光を透過させてフォトダイオード２６３に向けて伝搬させる。フォトダイオード２６３は、バンド除去フィルタ２８３から到達した順方向ＡＳＥ光の強度を検出する。

光アイソレータ２３１は、ＥＤＦ２５１の入力側に設けられ、光アイソレータ２３２は、ＥＤＦ２５１とＥＤＦ２５２との間に設けられ、光アイソレータ２３３は、ＥＤＦ２５２の出力側に設けられている。光アイソレータ２３１〜２３３それぞれは、信号光の順方向に光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。

ＷＤＭカプラ２４１は、ＥＤＦ２５１の信号光入力端に設けられ、光アイソレータ２３１から到達した信号光をＥＤＦ２５１に向けて伝搬させるとともに、分岐カプラ２７３から到達した励起光をＥＤＦ２５１に向けて伝搬させる。ＷＤＭカプラ２４２は、ＥＤＦ２５１の信号光出力端に設けられ、ＥＤＦ２５１から到達した信号光を光アイソレータ２３２に向けて伝搬させるとともに、分岐カプラ２７３から到達した励起光をＥＤＦ２５１に向けて伝搬させる。ＷＤＭカプラ２４３は、ＥＤＦ２５２の信号光入力端に設けられ、光アイソレータ２３２から到達した信号光をＥＤＦ２５２に向けて伝搬させるとともに、ＬＤ２７５から到達した励起光をＥＤＦ２５２に向けて伝搬させる。ＷＤＭカプラ２４４は、ＥＤＦ２５２の信号光出力端に設けられ、ＥＤＦ２５２から到達した信号光を光アイソレータ２３３に向けて伝搬させるとともに、ＬＤ２７６から到達した励起光をＥＤＦ２５２に向けて伝搬させる。

ＥＤＦ２５１および２５２それぞれは共に、Ａｌ添加石英系ＥＤＦであって、波長１．５３μｍ帯吸収ピークが５ｄＢ／ｍであり、Ｅｒ添加域直径が１．４μｍであり、モードフィールド径が４．０μｍである。ＥＤＦ２５１の長さは１００ｍであり、ＥＤＦ２５２の長さは６０ｍである。

出力一定化制御回路２７１は、ＬＤ２７２から出力される励起光の強度を一定に制御する。利得一定化制御回路２７４は、フォトダイオード２６３により検出された順方向ＡＳＥ光強度を入力し、この順方向ＡＳＥ光強度に基づいて利得を求め、この利得が一定になるようＬＤ２７５およびＬＤ２７６それぞれから出力される励起光の強度を制御する。出力一定化制御回路２７１および利得一定化制御回路２７４は、利得を２６ｄＢに制御する。また、以下では、この波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器に入力する信号光は、波長１５７０ｎｍ、１５８０ｎｍ、１５９０ｎｍおよび１６００ｎｍの４波であるとし、総入力信号光強度が−２５ｄＢｍ〜−８ｄＢｍの範囲で変動するものとする。また、励起光の波長は１．４８μｍとする。

この波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の光コネクタ２１１に入力した信号光は、光アイソレータ２３１およびＷＤＭカプラ２４１を経てＥＤＦ２５１に入力する。このとき、出力一定化制御回路２７１により制御されたＬＤ２７２から出力された励起光が分岐カプラ２７３ならびにＷＤＭカプラ２４１および２４２を経てＥＤＦ２５１に供給されていれば、反転分布が生じたＥＤＦ２５１において信号光は一括光増幅される。

ＥＤＦ２５１において光増幅された信号光は、ＷＤＭカプラ２４２、光アイソレータ２３２およびＷＤＭカプラ２４３を経てＥＤＦ２５２に入力する。このとき、利得一定化制御回路２７２により制御されたＬＤ２７５およびＬＤ２７６それぞれから出力された励起光がＷＤＭカプラ２４３および２４４を経てＥＤＦ２５２に供給されていれば、反転分布が生じたＥＤＦ２５２において信号光は一括光増幅される。

ＥＤＦ２５２において光増幅された信号光は、ＷＤＭカプラ２４４、光アイソレータ２３３およびモニタカプラ２２３を経て光コネクタ２１２から出力される。また、順方向ＡＳＥ光は、バンド除去フィルタ２８３を透過して、フォトダイオード２６３により検出される。そして、利得一定化制御回路２７４により、順方向ＡＳＥ光強度から利得が求められ、その利得が一定になるようＬＤ２７５およびＬＤ２７６それぞれから出力される励起光の強度が制御される。

図１８中の白丸印および白四角印それぞれで示されたグラフは、第３の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の利得とＮＦ最悪値とを示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は総入力信号光強度（ｄＢｍ）であり、縦軸は信号光４波平均利得（ｄＢ）またはＮＦ最悪値（ｄＢ）である。白丸印は信号光４波平均利得を示し、白四角印はＮＦ最悪値を示す。このグラフから判るように、本実施形態では、総入力信号光強度の全範囲（−２５ｄＢｍ〜−８ｄＢｍ）においてＮＦ最悪値の変動は０．１ｄＢ以下であり、第１および第２の実施形態の場合と比較して改善されている。これは、前段のＥＤＦ２５１および後段の２５２からなる２段構成とし、前段のＥＤＦ２５１と後段のＥＤＦ２５２との間に光アイソレータ２３２を設けることにより、逆方向ＡＳＥ光が後段のＥＤＦ２５２から前段のＥＤＦ２５１に入力しないようにしたことに因るものである。

図１９は、第３の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の前段のＥＤＦから出力される光のスペクトルを示すグラフである。このグラフから判るように、前段のＥＤＦ２５１から出力される４波の信号光の偏差は大きい。これは、前段のＥＤＦ２５１のみで利得一定制御を行っているのではないからである。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器について説明する。本実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器は、２段構成のＥＤＦからなるものである。

図２０は、第４の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。この波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器は、信号光の入力端から出力端へ向かって順に、光コネクタ２１１、光アイソレータ２３１、ＷＤＭカプラ２４１、ＥＤＦ２５１、光アイソレータ２３２、モニタカプラ２２１、モニタカプラ２２２、ＷＤＭカプラ２４３、ＥＤＦ２５２、ＷＤＭカプラ２４４、光アイソレータ２３３、モニタカプラ２２３および光コネクタ２１２が縦続接続されている。

モニタカプラ２２１は、光アイソレータ２３２から到達した信号光の殆どをモニタカプラ２２２に向けて伝搬させ、一部を分岐してバンド除去フィルタ２８１に向けて伝搬させる。バンド除去フィルタ２８１は、信号光を遮断し、順方向ＡＳＥ光を透過させてフォトダイオード２６１に向けて伝搬させる。フォトダイオード２６１は、バンド除去フィルタ２８１から到達した順方向ＡＳＥ光の強度を検出する。モニタカプラ２２２は、モニタカプラ２２１から到達した信号光の殆どをＷＤＭカプラ２４３に向けて伝搬させ、一部を分岐してフォトダイオード２６２に向けて伝搬させる。フォトダイオード２６２は、モニタカプラ２２２から到達した信号光の強度を検出する。モニタカプラ２２３は、光アイソレータ２３３から到達した信号光の殆どを光コネクタ２１２に向けて伝搬させ、一部を分岐してフォトダイオード２６３に向けて伝搬させる。フォトダイオード２６３は、モニタカプラ２２３から到達した信号光の強度を検出する。

光アイソレータ２３１は、ＥＤＦ２５１の入力側に設けられ、光アイソレータ２３２は、ＥＤＦ２５１とＥＤＦ２５２との間に設けられ、光アイソレータ２３３は、ＥＤＦ２５２の出力側に設けられている。光アイソレータ２３１〜２３３それぞれは、信号光の順方向に光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。

ＷＤＭカプラ２４１は、ＥＤＦ２５１の信号光入力端に設けられ、光アイソレータ２３１から到達した信号光をＥＤＦ２５１に向けて伝搬させるとともに、ＬＤ２７２から到達した励起光をＥＤＦ２５１に向けて伝搬させる。ＷＤＭカプラ２４３は、ＥＤＦ２５２の信号光入力端に設けられ、モニタカプラ２２２から到達した信号光をＥＤＦ２５２に向けて伝搬させるとともに、ＬＤ２７５から到達した励起光をＥＤＦ２５２に向けて伝搬させる。ＷＤＭカプラ２４４は、ＥＤＦ２５２の信号光出力端に設けられ、ＥＤＦ２５２から到達した信号光を光アイソレータ２３３に向けて伝搬させるとともに、ＬＤ２７６から到達した励起光をＥＤＦ２５２に向けて伝搬させる。

ＥＤＦ２５１および２５２それぞれは共に、Ａｌ添加石英系ＥＤＦであって、波長１．５３μｍ帯吸収ピークが５ｄＢ／ｍであり、Ｅｒ添加域直径が１．４μｍであり、モードフィールド径が４．０μｍである。ＥＤＦ２５１の長さは１００ｍであり、ＥＤＦ２５２の長さは６０ｍである。

利得一定化制御回路２７７は、フォトダイオード２６１により検出された順方向ＡＳＥ光強度を入力し、この順方向ＡＳＥ光強度に基づいて利得を求め、この利得が一定になるようＬＤ２７２から出力される励起光の強度を制御する。一方、利得一定化制御回路２７８は、フォトダイオード２６２および２６３それぞれにより検出された後段のＥＤＦ２５２の入力信号光強度および出力信号光強度を入力し、この両者の比に基づいて利得を求め、この利得が一定になるようＬＤ２７５およびＬＤ２７６それぞれから出力される励起光の強度を制御する。利得一定化制御回路２７７および利得一定化制御回路２７８は、利得を２６ｄＢに制御する。また、以下では、この波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器に入力する信号光は、波長１５７０ｎｍ、１５８０ｎｍ、１５９０ｎｍおよび１６００ｎｍの４波であるとし、総入力信号光強度が−２５ｄＢｍ〜−８ｄＢｍの範囲で変動するものとする。また、励起光の波長は１．４８μｍとする。

この波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の光コネクタ２１１に入力した信号光は、光アイソレータ２３１およびＷＤＭカプラ２４１を経てＥＤＦ２５１に入力する。このとき、利得一定化制御回路２７７により制御されたＬＤ２７２から出力された励起光がＷＤＭカプラ２４１を経てＥＤＦ２５１に供給されていれば、反転分布が生じたＥＤＦ２５１において信号光は一括光増幅される。

この前段のＥＤＦ２５１で生じた順方向ＡＳＥ光は、モニタカプラ２２１およびバンド除去フィルタ２８１を経て、フォトダイオード２６１により検出される。そして、利得一定化制御回路２７７により、この順方向ＡＳＥ光強度から前段のＥＤＦ２５１における利得が求められ、その利得が一定になるようＬＤ２７２から出力される励起光の強度が制御される。

ＥＤＦ２５１において光増幅された信号光は、光アイソレータ２３２、モニタカプラ２２１、モニタカプラ２２２およびＷＤＭカプラ２４３を経てＥＤＦ２５２に入力する。このとき、利得一定化制御回路２７８により制御されたＬＤ２７５およびＬＤ２７６それぞれから出力された励起光がＷＤＭカプラ２４３および２４４を経てＥＤＦ２５２に供給されていれば、反転分布が生じたＥＤＦ２５２において信号光は一括光増幅される。

ＥＤＦ２５２において光増幅された信号光は、ＷＤＭカプラ２４４、光アイソレータ２３３およびモニタカプラ２２３を経て光コネクタ２１２から出力される。この後段のＥＤＦ２５２の入力信号光強度および出力信号光強度それぞれは、モニタカプラ２２２，２２３を経てフォトダイオード２６２，２６３により検出される。そして、利得一定化制御回路２７８により、これら入力信号光強度および出力信号光強度の比から後段のＥＤＦ２５２における利得が求められ、その利得が一定になるようＬＤ２７５およびＬＤ２７６それぞれから出力される励起光の強度が制御される。

図１８中の黒丸印および黒四角印それぞれで示されたグラフは、第４の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の利得とＮＦ最悪値とを示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は総入力信号光強度（ｄＢｍ）であり、縦軸は信号光４波平均利得（ｄＢ）またはＮＦ最悪値（ｄＢ）である。黒丸印は信号光４波平均利得を示し、黒四角印はＮＦ最悪値を示す。このグラフから判るように、本実施形態では、総入力信号光強度の全範囲（−２５ｄＢｍ〜−８ｄＢｍ）においてＮＦ最悪値の変動は０．１ｄＢ以下であり、第１および第２の実施形態の場合と比較して改善されており、また、第３の実施形態の場合と同程度である。

図２１は、第４の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の前段のＥＤＦから出力される光のスペクトルを示すグラフである。このグラフから判るように、前段のＥＤＦ２５１から出力される４波の信号光の偏差は、第３の実施形態の場合と比較して改善されている。

近年の光波ネットワークの発展に伴い、２段構成の光ファイバ増幅器において前段ＥＤＦと後段ＥＤＦとの間に光ＡＤＭを挿入した等の要求があるが、本実施形態のように、前段のＥＤＦ２５１のみを順方向ＡＳＥ光強度が一定になるよう利得一定制御すれば、前段のＥＤＦ２５１から出力される４波の信号光の偏差が極めて小さく保たれるので、上記要求に応えることができる。また、本実施形態では、前段のＥＤＦ２５１で生じた順方向ＡＳＥ光が後段のＥＤＦ２５２に入力するので、後段のＥＤＦ２５２の入力信号光強度および出力信号光強度の比が一定になるよう利得一定制御すればよい。ただし、この場合、図１８に示すように、ＮＦ最悪値の変動は０．５ｄＢ程度になる。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器について説明する。本実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器は、３段構成のＥＤＦからなるものである。

図２２は、第５の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。この波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器は、信号光の入力端から出力端へ向かって順に、光コネクタ３１１、光アイソレータ３３１、ＷＤＭカプラ３４１、ＥＤＦ３５１、光アイソレータ３３２、ＷＤＭカプラ３４２、ＥＤＦ３５２、ＷＤＭカプラ３４３、光アイソレータ３３３、モニタカプラ３２１、モニタカプラ３２２、ＷＤＭカプラ３４４、ＥＤＦ３５３、ＷＤＭカプラ３４５、光アイソレータ３３４、モニタカプラ３２３および光コネクタ３１２が縦続接続されている。

モニタカプラ３２１は、光アイソレータ３３３から到達した信号光の殆どをモニタカプラ３２２に向けて伝搬させ、一部を分岐してバンド除去フィルタ３８１に向けて伝搬させる。バンド除去フィルタ３８１は、信号光を遮断し、順方向ＡＳＥ光を透過させてフォトダイオード３６１に向けて伝搬させる。フォトダイオード３６１は、バンド除去フィルタ３８１から到達した順方向ＡＳＥ光の強度を検出する。モニタカプラ３２２は、モニタカプラ３２１から到達した信号光の殆どをＷＤＭカプラ３４４に向けて伝搬させ、一部を分岐してフォトダイオード３６２に向けて伝搬させる。フォトダイオード３６２は、モニタカプラ３２２から到達した信号光の強度を検出する。モニタカプラ３２３は、光アイソレータ３３４から到達した信号光の殆どを光コネクタ３１２に向けて伝搬させ、一部を分岐してフォトダイオード３６３に向けて伝搬させる。フォトダイオード３６３は、モニタカプラ３２３から到達した信号光の強度を検出する。

光アイソレータ３３１は、ＥＤＦ３５１の入力側に設けられ、光アイソレータ３３２は、ＥＤＦ３５１とＥＤＦ３５２との間に設けられ、光アイソレータ３３３は、ＥＤＦ３５２とＥＤＦ３５３との間に設けられ、光アイソレータ３３４は、ＥＤＦ３５３の出力側に設けられている。光アイソレータ３３１〜３３４それぞれは、信号光の順方向に光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。

ＷＤＭカプラ３４１は、ＥＤＦ３５１の信号光入力端に設けられ、光アイソレータ３３１から到達した信号光をＥＤＦ３５１に向けて伝搬させるとともに、ＬＤ３７２から到達した励起光をＥＤＦ３５１に向けて伝搬させる。ＷＤＭカプラ３４２は、ＥＤＦ３５２の信号光入力端に設けられ、光アイソレータ３３２から到達した信号光をＥＤＦ３５２に向けて伝搬させるとともに、分岐カプラ３７５から到達した励起光をＥＤＦ３５２に向けて伝搬させる。ＷＤＭカプラ３４３は、ＥＤＦ３５２の信号光出力端に設けられ、ＥＤＦ３５２から到達した信号光を光アイソレータ３３３に向けて伝搬させるとともに、分岐カプラ３７５から到達した励起光をＥＤＦ３５２に向けて伝搬させる。ＷＤＭカプラ３４４は、ＥＤＦ３５３の信号光入力端に設けられ、モニタカプラ３２２から到達した信号光をＥＤＦ３５３に向けて伝搬させるとともに、ＬＤ３７７から到達した励起光をＥＤＦ３５３に向けて伝搬させる。ＷＤＭカプラ３４５は、ＥＤＦ３５３の信号光出力端に設けられ、ＥＤＦ３５３から到達した信号光を光アイソレータ３３４に向けて伝搬させるとともに、ＬＤ３７８から到達した励起光をＥＤＦ３５３に向けて伝搬させる。

ＥＤＦ３５１〜３５３それぞれは共に、Ａｌ添加石英系ＥＤＦであって、波長１．５３μｍ帯吸収ピークが５ｄＢ／ｍであり、Ｅｒ添加域直径が１．４μｍであり、モードフィールド径が４．０μｍである。

出力一定化制御回路３７１は、ＬＤ３７２から出力される励起光の強度を一定に制御する。利得一定化制御回路３７３は、フォトダイオード３６１により検出された順方向ＡＳＥ光強度を入力し、この順方向ＡＳＥ光強度に基づいて利得を求め、この利得が一定になるようＬＤ３７４から出力される励起光の強度を制御する。分岐カプラ３７５は、ＬＤ３７４から出力された励起光を分岐して、ＷＤＭカプラ３４２および３４３それぞれ伝搬させる。利得一定化制御回路３７６は、フォトダイオード３６２および３６３それぞれにより検出された３段目のＥＤＦ３５３の入力信号光強度および出力信号光強度を入力し、この両者の比に基づいて利得を求め、この利得が一定になるようＬＤ３７７およびＬＤ３７８それぞれから出力される励起光の強度を制御する。

この波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の光コネクタ３１１に入力した信号光は、光アイソレータ３３１およびＷＤＭカプラ３４１を経てＥＤＦ３５１に入力する。このとき、出力一定化制御回路３７１により制御されたＬＤ３７２から出力された励起光がＷＤＭカプラ３４１を経てＥＤＦ３５１に供給されていれば、反転分布が生じたＥＤＦ３５１において信号光は一括光増幅される。

ＥＤＦ３５１において光増幅された信号光は、光アイソレータ３３２およびＷＤＭカプラ３４２を経てＥＤＦ３５２に入力する。このとき、利得一定化制御回路３７３により制御されたＬＤ３７４から出力された励起光が分岐カプラ３７５ならびにＷＤＭカプラ３４２および３４３を経てＥＤＦ３５２に供給されていれば、反転分布が生じたＥＤＦ３５２において信号光は一括光増幅される。

この２段目のＥＤＦ３５２から出力された順方向ＡＳＥは、モニタカプラ３２１およびバンド除去フィルタ３８１を経てフォトダイオード３６１により検出される。そして、利得一定化制御回路３７３により、この順方向ＡＳＥ光強度から２段目段のＥＤＦ３５２における利得が求められ、その利得が一定になるようＬＤ３７４から出力される励起光の強度が制御される。

ＥＤＦ３５２において光増幅された信号光は、ＷＤＭカプラ３４３、光アイソレータ３３３、モニタカプラ３２１、モニタカプラ３２２およびＷＤＭカプラ３４４を経てＥＤＦ３５３に入力する。このとき、利得一定化制御回路３７６により制御されたＬＤ３７７およびＬＤ３７８それぞれから出力された励起光がＷＤＭカプラ３４４および３４５を経てＥＤＦ３５３に供給されていれば、反転分布が生じたＥＤＦ３５３において信号光は一括光増幅される。

ＥＤＦ３５３において光増幅された信号光は、ＷＤＭカプラ３４５、光アイソレータ３３４およびモニタカプラ３２３を経て光コネクタ３１２から出力される。この３段目のＥＤＦ３５３の入力信号光強度および出力信号光強度それぞれは、モニタカプラ３２２，３２３を経てフォトダイオード３６２，３６３により検出される。そして、利得一定化制御回路３７６により、これら入力信号光強度および出力信号光強度の比から３段目段のＥＤＦ３５３における利得が求められ、その利得が一定になるようＬＤ３７７およびＬＤ３７８それぞれから出力される励起光の強度が制御される。

以上のように、本実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器は３段構成であって、１段目のＥＤＦ３５１に供給される順方向励起光の強度は一定値に制御され、２段目のＥＤＦ３５２に供給される順方向励起光および後方向励起光それぞれの強度は順方向ＡＳＥ光強度が一定になるよう制御され、３段目のＥＤＦ３５３に供給される順方向励起光および後方向励起光それぞれの強度は入力信号光強度と出力信号光強度との比が一定になるよう制御されるので、信号光平均利得およびＮＦ最悪値が優れた特性であるとともに、２段目のＥＤＦ３５２から出力される各波長の信号光の偏差が小さい。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、増幅性光ファイバは、Ｅｒ元素が添加された石英系の光ファイバ（ＥＤＦ）であるとしたが、これに限られるものではなく、Ｐｒ（プラセオジム）元素、Ｎｄ（ネオジム）元素およびＴｍ（ツリウム）元素等の他の希土類元素が添加された石英系の光ファイバであってもよい。

第１の実施形態に係る波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。 第１の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。 制御回路の第１の構成例を示す図である。 制御回路の第２の構成例を示す図である。 図４に示す利得一定化制御回路の動作を説明するフローチャートである。 第１の実施形態に係る波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１および第２の構成例それぞれを適用した場合における利得とＮＦ最悪値とを示すグラフである。 第１の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１および第２の構成例それぞれを適用した場合における利得とＮＦ最悪値とを示すグラフである。 第１の実施形態に係る波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１および第２の構成例それぞれを適用した場合における順方向励起光強度と後方向励起光強度とを示すグラフである。 第１の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１および第２の構成例それぞれを適用した場合における順方向励起光強度と後方向励起光強度とを示すグラフである。 制御回路の第３の構成例を示す図である。 第２の実施形態に係る波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。 第２の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。 第２の実施形態に係る波長１．５５μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１および第２の構成例それぞれを適用した場合における利得とＮＦ最悪値とを示すグラフである。 第２の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器に制御回路の第１および第２の構成例それぞれを適用した場合における利得とＮＦ最悪値とを示すグラフである。 光サーキュレータおよびＡＤＭ用ファイバグレーティングを備える順方向ＡＳＥ光検出手段を説明する図である。 ファイバ型カプラおよびファイバグレーティングを備える順方向ＡＳＥ光検出手段を説明する図である。 第３の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。 第３および第４の実施形態それぞれに係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の利得とＮＦ最悪値とを示すグラフである。 第３の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の前段のＥＤＦから出力される光のスペクトルを示すグラフである。 第４の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。 第４の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の前段のＥＤＦから出力される光のスペクトルを示すグラフである。 第５の実施形態に係る波長１．５８μｍ帯光ファイバ増幅器の構成図である。

符号の説明

１１１，１１２…光コネクタ、１２１，１２２…モニタカプラ、１３１，１３２…光アイソレータ、１４１，１４２…ＷＤＭカプラ、１５１〜１５４…ＥＤＦ、１６１，１６２…フォトダイオード、１７０…制御回路、１８２…バンド除去フィルタ。

Claims (3)

1. 複数の増幅性光ファイバに励起光を供給して信号光を光増幅する光ファイバ増幅器であって、
   前記複数の増幅性光ファイバは、信号光入力端側に第1の増幅性ファイバ、信号光出力端側に第2の増幅性ファイバとを有し、
   前記第１の増幅性ファイバから前記第２の増幅性光ファイバにおける信号光増幅利得を算出する第１の利得検出手段と、
   前記第1の増幅性光ファイバに励起光を供給する第１の励起光供給手段と、
   前記第2の増幅性光ファイバに励起光を供給する第２の励起光供給手段と、
   前記第１の励起光供給手段により供給される励起光の強度を一定に制御する第1の制御手段と、
   前記第1の利得検出手段により検出された利得に基づいて、前記第２の励起光供給手段により供給される励起光の強度を利得一定となるように制御する第2の制御手段と、
   前記第1の増幅性光ファイバと前記第2の増幅性光ファイバの間に配置されたアイソレータとを備える、
   ことを特徴とする光ファイバ増幅器。
2. 前記複数の増幅性光ファイバは、前記第1の増幅性ファイバと前記第2の増幅性ファイバとの間に第３の増幅性光ファイバを有し、
   前記第１の増幅性ファイバから前記第３の増幅性光ファイバにおける信号光増幅利得を算出する第２の利得検出手段と、
   前記第３の増幅性光ファイバに励起光を供給する第３の励起光供給手段と、
   前記第２の利得検出手段により検出された利得に基づいて、前記第３の励起光供給手段により供給される励起光の強度を利得一定となるように制御する制御手段とを備える、
   ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅器。
3. 複数の増幅性光ファイバに励起光を供給して信号光を光増幅する光ファイバ増幅器であって、
   前記複数の増幅性光ファイバは、信号光入力端側に第1の増幅性ファイバ、信号光出力端側に第2の増幅性ファイバとを有し、
   前記第１の増幅性ファイバから前記第2の増幅性光ファイバにおける信号光増幅利得を算出する第１の利得検出手段と、
   信号光入力端から前記第1の増幅性光ファイバに励起光を供給する第１の励起光供給手段と、
   前記信号光入力端と異なる端から前記第2の増幅性光ファイバに励起光を供給する第２の励起光供給手段と、
   前記増幅性光ファイバの最終段以外の段までの順方向ＡＳＥ光の強度を一定とするよう前記第１の励起光供給手段により供給される励起光の強度を制御する第1の制御手段と、
   前記第1の利得検出手段により検出された利得に基づいて、前記第２の励起光供給手段により供給される励起光の強度を利得一定となるように制御する第2の制御手段と、
   前記第1の増幅性光ファイバと前記第2の増幅性光ファイバの間に配置されたアイソレータとを備える、
   ことを特徴とする光ファイバ増幅器。
   

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