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ILD2 と閾値電流Ith2 との大小が比較され(ステップS3)、後方向励起LD175の電流値ILD2 が閾値電流Ith2 より大きければ後方向励起LD175の電流値ILD2 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ILD1 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ILD2 とバイアス電流最大値Imax2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ILD1 とバイアス電流最大値Imax1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ILD2 がバイアス電流最大値Imax2超であるか、順方向励起LD174の電流値ILD1 がバイアス電流最大値Imax1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ILD2 がバイアス電流最大値Imax2以下であり、且つ、順方向励起LD174の電流値ILD1がバイアス電流最大値Imax1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ILD2 とバイアス電流最大値Imax2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ILD1 とバイアス電流最大値Imax1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ILD2 がバイアス電流最大値Imax2超であるか、順方向励起LD174の電流値ILD1 がバイアス電流最大値Imax1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ILD2 がバイアス電流最大値Imax2以下であり、順方向励起LD174の電流値ILD1 がバイアス電流最大値Imax1未満であれば、順方向励起LD174の電流値ILD1 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ILD2 がバイアス電流最大値Imax2以下であり、順方向励起LD174の電流値ILD1 がバイアス電流最大値Imax1に等しければ、後方向励起LD175の電流値ILD2 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ILD1 は一定値であるバイアス電流最大値Imax1に極力維持され、後方向励起LD175の電流値ILD2 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ILD2 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ILD2 が閾値電流Ith2 以下に達した後に、順方向励起LD174の電流値ILD1 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。
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。