JP3829345B2 - 光ファイバ増幅器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の波長の光を信号光とするWDM方式の光通信システムの中継器に用いられ、複数の波長の信号光を一括して増幅する光ファイバ増幅器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の波長分割多重(WDM: Wavelength Division Multiplexing )方式に用いられる光ファイバ増幅器は、一般に長波長の信号光ほど利得が大きいため、多波長信号光を増幅用光ファイバに入力し増幅すると、多波長信号の各波長間で利得偏差が発生する。このような光ファイバ増幅器を備える中継器が縦続的に多数接続される光通信システムでは、この利得偏差が中継の度に拡大することが問題とされていた。
【0003】
この問題を解決するため、このような増幅用光ファイバと、長波長の信号光ほど利得が小さい利得特性を有する増幅用光ファイバとを縦続接続することにより、全体として利得の波長依存性が小さい光ファイバ増幅器が提案されている(例えば、T. Kashiwada etal., OFC'95, TuP1)。
【0004】
一方、光ファイバ増幅器の増幅用光ファイバに励起光を供給するためにWDMカプラが用いられる。WDMカプラには幾つかのタイプがあり、その内、ファイバ型カプラは、複数本の光ファイバを相互に並列密着して融着・延伸して製造されるものであり、一方の光ファイバに入射した光が他方の光ファイバから出射されることを利用して励起光を供給するものである。このファイバ型カプラでは、多波長信号光の波長範囲の中央付近で最も透過率が大きい波長依存性を有するため光ファイバ増幅器の利得偏差の劣化を招く。
【0005】
これに対し、フィルタ型カプラは、このような問題がないので一般に用いられている。このような光ファイバ増幅器を用いて複数回の中継を行うと、しばしば信号光と異なる波長域で自然放出(ASE: Amplified Spontaneous Emission )光が蓄積し、励起光のエネルギがASE光の増幅に消費され、信号光の利得低下と雑音指数(NF: Noise Figure )の増大をもたらす。これを防ぐため、ASE光のピーク波長周辺の波長のみを選択的に除去するフィルタを光伝送路中に挿入することが提案されている(例えば、K. Oda, etal., OFC'95, TuH1 )。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の光ファイバ増幅器では、長波長の信号光ほど利得が大きい増幅用光ファイバと長波長の信号光ほど利得が小さい増幅用光ファイバとを縦続接続することで、全体としての利得の波長依存性を、単独の増幅用光ファイバの利得特性に比較して小さくすることはできた。しかし、何れの増幅用光ファイバも、多波長信号光の波長範囲に亘って線形な利得特性を有するものではなく、その線形な理想特性に比較して中央付近で利得が大きい特性曲線を有しているため、これらの増幅用光ファイバを縦続接続する光ファイバ増幅器の利得の波長依存性は完全になくすことはできなかった。
【0007】
図9は、従来の光ファイバ増幅器の利得特性を示す図である。一般には、増幅用光ファイバの利得特性は、図9(a)に示すように、長波長の信号光ほど利得が大きく、しかも、その利得特性は波長に対して線形関係(図中の破線)にはなく、波長範囲の中央付近の波長における利得(図中の実線)は、波長範囲の両端の波長λ1およびλ2それぞれにおける利得から直線補間計算によって得られる値に比べて大きい。一方、図9(a)のような利得特性を有する増幅用光ファイバに縦続接続される他方の増幅用光ファイバの利得特性は、図9(b)に示すように、短波長の信号光ほど利得が小さいものであるが、やはり、その利得特性は波長に対して線形関係(図中の破線)にはなく、波長範囲の中央付近の波長における利得(図中の実線)は、波長範囲の両端の波長λ1およびλ2それぞれにおける利得から直線補間計算によって得られる値に比べて大きい。そして、これら2つの増幅用光ファイバが縦続接続されてなる光ファイバ増幅器の利得特性は、図9(c)に示すように、それぞれの増幅用光ファイバ単独の利得特性に比べれば、波長依存性が小さくなってはいるが、しかし、波長範囲の中央付近の波長における利得が依然大きく、利得偏差を生じている。
【0008】
このような利得偏差は、特に多数回の中継を要する光通信システムにおいて、中継数にほぼ正比例して蓄積され、受信側で受信する多波長信号光は波長間で大きなレベル差を生じる。そして、このような光ファイバ増幅器にファイバ型カプラを用いると、更に利得偏差は大きくなる。一方、フィルタ型カプラを用いると、製造コストが高くなる。また、複数回の中継を行う光通信システムにおいて、ASE光のピーク波長周辺の波長成分のみ選択的に除去するフィルタを挿入すると、部品点数が増えるので、製造コストが高くなり、システムの信頼性が低下するという問題点がある。
【0009】
そこで、波長依存性が一定である利得特性を有する光ファイバ増幅器の開発が望まれている。尚、利得の波長依存性が線形関係にあれば、例えば受動的な選択フィルタを組み合わせて用いることにより利得をほぼ波長依存性のないものにすることは容易であるので、利得の波長依存性が線形関係にある光ファイバ増幅器であってもよい。
【0010】
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、多波長信号光の波長範囲に亘って、波長依存性の極めて小さい、或いは、波長に対して略線形関係にある利得特性を有する光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバ増幅器は、第1の波長および第2の波長の間の波長範囲に含まれる波長の信号光と、励起光とを入力し、信号光を増幅して出力する光ファイバ増幅器であって、上記波長範囲に含まれる各波長において利得を有する増幅用光ファイバと、励起光を発生し増幅用光ファイバに供給するとともに、信号光と励起光とを合波するファイバ型カプラを備える励起手段と、を備え、ファイバ型カプラは、上記波長範囲で上に凸の所定の信号光透過特性を有し、増幅用光ファイバは、上記波長範囲の波長に対する利得特性が上に凸の形状を有する第 1 の増幅用光ファイバと下に凸の形状を有する第2の増幅用光ファイバを含み、第 1 の増幅用光ファイバと第2の増幅用光ファイバのみで構成される場合に利得の波長依存性の線形性を確保するため、それぞれ所定の長さ1、所定の長さ2を満たす長さを有し、第2の増幅用光ファイバは、その長さが所定の長さ2より長く設定され、ファイバ型カプラの所定の信号光透過特性を補償し、上記波長範囲に含まれる各波長について入力信号光に対する出力信号光の比に基づく利得が、波長に対して線形関係となるように設定されていることを特徴とする。
【0015】
本発明に係る光ファイバ増幅器では、第1の増幅用光ファイバは、Al元素を共添加したEr添加光ファイバであり、第2の増幅用光ファイバは、P元素を共添加したEr添加光ファイバであるのが好適である。また、第2の増幅用光ファイバは、Al元素を更に共添加したEr添加光ファイバであるのが好適であり、Al元素の濃度が1wt%以下であるのが好適である。このようにして、所定の利得特性を有する増幅用光ファイバを実現することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、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。
【0017】
先ず、実施形態の説明に先立って、増幅用光ファイバ及びその一般的な利得特性について説明する。増幅用光ファイバは、信号光と励起光とを入力して、その信号光を増幅して出力するものであり、入力する信号光が多波長である場合には一括増幅する。このような信号光増幅作用のために、これら増幅用光ファイバには、希土類元素が添加されており、特に、希土類元素としてEr元素が添加されたEr添加光ファイバ(EDF : Erbium-Doped Fiber )が好適に用いられている。このEr添加光ファイバを用いた光ファイバ増幅器(EDFA : Erbium-Doped Fiber Amplifier )の場合、例えば波長1.48μmの励起光によってEr元素が励起されて、波長1.55μm付近の信号光を効率良く増幅することができる。
【0018】
増幅用光ファイバの利得特性は、一般には、長波長の信号光ほど利得が大きく、波長に対して線形関係にはなく、波長範囲に含まれる任意の波長における利得は、波長範囲の両端の波長における利得から直線補間計算によって得られる値に比べて大きく(以下ではこのような形状を、「上に凸」と呼ぶ)、しかも、その利得特性の形状には変曲点がない(すなわち、任意の部分的な波長範囲においても上に凸の形状である)。しかし、増幅用光ファイバの利得の波長依存性は、Er元素の添加量や、他の元素(例えば、Al元素やP元素)の添加量等によって変化する。
【0019】
図10は、Al元素とP元素とを共添加したEr添加ファイバの誘導放出断面積(単位Er濃度当たりの利得)の波長依存性を示したグラフであり、図10(a)は、P元素の濃度が2wt%、Al元素の濃度が5wt%の場合の特性であり、図10(b)は、P元素の濃度が2wt%、Al元素の濃度が0.8wt%の場合の特性である。信号光波長1545nmないし1560nmの範囲付近の誘導放出断面積の波長依存性が、両者の間で差異があるのが認められる。すなわち、図10(a)では、その波長依存性は略線形であるのに対して、図10(b)では、波長範囲に含まれる任意の波長における利得は、波長範囲の両端の波長における利得から直線補間計算によって得られる値に比べて小さく(以下ではこのような形状を、「下に凸」とよぶ)、しかも、その利得特性の形状には変曲点がない(すなわち、任意の部分的な波長範囲においても下に凸の形状である)。このように、P元素共添加濃度が同一のEr添加光ファイバであっても、Al元素共添加量が異なれば利得の波長依存性が異なり、Al元素共添加量が少ないほど、利得の波長依存性は線形関係からのずれが大きくなり、下に凸の形状が顕著になる。
【0020】
更に、増幅用光ファイバの長さが長いほど、利得は増大するが、その増大の度合いは、信号光波長に対して一定ではなく、各波長の信号光に対する利得の差が大きく開く。また、励起光の光量が大きいほど、利得は増大するが、その増大の度合いは、信号光波長に対して一定ではなく、短波長側の波長の信号光に対する利得ほど大きい。
【0021】
本発明は、上記の知見に基づくものである。
【0022】
次に、第1の実施形態について説明する。図1は、本実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成図である。
【0023】
本実施形態の光ファイバ増幅器100は、縦続接続された増幅用光ファイバ111および112、これらの増幅用光ファイバ111および112に励起光を供給する励起装置120および130、並びに、光を一方向にのみ透過させる光アイソレータ140および150を備え、波長λ1ないしλ2の波長範囲に含まれる任意の波長λの信号光が伝送用光ファイバ200を伝送されて到達すると、その信号光を増幅して伝送用光ファイバ210に送出する。
【0024】
励起光と信号光とを入力し信号光を増幅する増幅用光ファイバ111および112は、共にEr添加光ファイバであり、Er元素添加量は、例えば1000wt・ppm程度である。増幅用光ファイバ111および112それぞれは、所定の利得特性を有すべく、Er元素以外の元素(例えば、Al元素やP元素)が共添加され、それぞれの添加量と供給される励起光の光量とを勘案して、増幅用光ファイバ111と112それぞれの長さが決められている。
【0025】
増幅用光ファイバ111および112に供給される励起光は、励起装置120および130によって供給され、双方向励起法によって増幅用光ファイバ111および112内のEr元素を励起する。すなわち、励起光源121から出力された励起光は、光量調整器122によって適当に光量調整され、ファイバ型カプラ123によって増幅用光ファイバ111に導かれ、更に増幅用光ファイバ112に導かれる。一方、励起光源131から出力された励起光は、光量調整器132によって適当に光量調整され、ファイバ型カプラ133によって増幅用光ファイバ112に導かれ、更に増幅用光ファイバ111に導かれる。なお、励起光源121および131それぞれが光量調整機能を有する場合には、光量調整器122および132は不要である。例えば、励起光源121および131として、波長1.48μmの励起光を出力する半導体レーザを用いることができ、この場合、半導体レーザに供給される電流量によって励起光出力を増減することができるので、光量調整器122および132は不要である。
【0026】
ここで励起光の供給に際して用いられるファイバ型カプラ123および133それぞれは、一般には、信号光波長範囲における信号光透過率は一定の波長依存性を有するものではなく、その信号光透過特性T(λ)は、
【0027】
【数1】
【0028】
なる関係式で表される。なお、λs は信号光波長範囲にある所定の波長であり、λp は励起光の波長であり、λは信号光波長範囲における波長であり、πは円周率を表す。例えば、信号光として1.55μm帯が用いられる場合には、λs =1.55μmであり、λp =1.48μmである。
【0029】
光を一方向にのみ透過させる光アイソレータ140および150それぞれは、伝送用光ファイバ200を伝送されて到達した信号光を伝送用光ファイバ210に向けて通過させるが、その反対方向には光を透過させない。
【0030】
ここで重要なことは、増幅用光ファイバ111および112それぞれの添加元素濃度および長さ、並びに、増幅用光ファイバ111および112に供給される励起光の光量から、増幅用光ファイバ111および112それぞれの利得特性が決まり、更に、増幅用光ファイバ111および112それぞれの利得特性と、ファイバ型カプラ123および133それぞれの信号光透過特性と、光アイソレータ140および150それぞれの信号光透過特性との積によって、光ファイバ増幅器100の利得の波長依存性が決まり、そして、光ファイバ増幅器100の利得の波長依存性が線形あるいは一定であることである。ここで、光量調整器122および132は、光ファイバ増幅器100の利得の波長依存性が所定の線形関係あるいは一定となるように、増幅用光ファイバ111および112に供給される励起光を調整する。
【0031】
この光ファイバ増幅器100は以下のように作用する。伝送用光ファイバ200を伝送されて光ファイバ増幅器100に到達した多波長の信号光は、光アイソレータ140およびファイバ型カプラ123を通過して、増幅用光ファイバ111を伝送し、更に増幅用光ファイバ112を伝送する。この時、励起装置120および130から励起光が増幅用光ファイバ111および112に供給されていれば、その信号光は、増幅用光ファイバ111および112を伝送する間に多波長一括増幅される。そして、増幅された信号光は、ファイバ型カプラ133および光アイソレータ150を通過して、光ファイバ増幅器100の出力となって、伝送用光ファイバ210に送出される。この光ファイバ増幅器100における信号光増幅に際して、光量調整器122および132は、増幅用光ファイバ111および112に供給される励起光を適切な光量に調整しており、これによって、光ファイバ増幅器100の利得の波長依存性は所定の線形あるいは一定となる。
【0032】
次に、増幅用光ファイバ111および112それぞれの利得特性、並びに、光ファイバ増幅器100の利得特性について詳細に説明する。図2は、本実施形態に係るそれぞれの増幅用光ファイバおよび光ファイバ増幅器の利得特性図の一例である。
【0033】
一方の増幅用光ファイバ111は、図2(a)に示すように、信号光波長範囲(λ1ないしλ2の間)にある波長λにおける利得が、波長λ1およびλ2それぞれにおける利得を結んだ直線(図中の破線)よりも大きい利得特性を有する。これは、一般的な増幅用光ファイバが有する利得特性と同様である。このような利得特性を有する増幅用光ファイバ111として、Al元素が共添加されたEr添加光ファイバが用いられる。
【0034】
他方の増幅用光ファイバ112は、図2(b)に示すように、波長λにおける利得が、波長λ1およびλ2それぞれにおける利得を結んだ直線(図中の破線)よりも小さい利得特性を有する。このような利得特性を有する増幅用光ファイバ112として、例えば、P元素が共添加されたEr添加光ファイバが用いられる。このEr添加光ファイバには、更に、必要に応じてAl元素が共添加される。
【0035】
また、光ファイバ増幅器100には、信号光の利得に影響を与えるものとして、ファイバ型カプラ123および133があり、その信号光透過特性は、(1)式で表される。更に、光アイソレータ140および150も、波長依存性が平坦でない信号光透過特性を有する場合もある。
【0036】
そこで、光ファイバ増幅器100内における信号光の伝送経路上にある全ての部品、すなわち、増幅用光ファイバ111および112、ファイバ型カプラ123および133、並びに、光アイソレータ140および150全てを総合して得られる光ファイバ増幅器100の総合利得が、図2(c)に示すように波長に対して線形あるいは一定となるべく、増幅用光ファイバ111および112それぞれに共添加されるべき元素の濃度は定められる。
【0037】
更に、増幅用光ファイバ111および112それぞれの利得の波長依存性、すなわち、光ファイバ増幅器100の利得の波長依存性は、添加元素量だけでなく、増幅用光ファイバ111および112それぞれの長さ及び供給される励起光光量によっても、所定の特性に設定することができる。図3は、本実施形態に係るそれぞれの増幅用光ファイバおよび光ファイバ増幅器の利得特性図の別の例である。
【0038】
この図に示すような利得特性を有する増幅用光ファイバを実現するには、例えば以下のように行う。増幅用光ファイバ111の利得特性(図3(a))については、長さを短くし、または、励起光の光量を大きくすることによって、長波長側の信号光ほど高利得であることには変りはないが、図2(a)に比較して傾斜を緩やかにすることができる。一方、増幅用光ファイバ112の利得特性(図3(b))については、P元素やAl元素を適当な量だけ添加し、また、長さや励起光光量を適切な値にすることによって、図2(b)では長波長側の信号光ほど高利得であったのに対して、長波長側の信号光ほど低利得にすることができる。従って、光ファイバ増幅器100の利得特性は、その傾斜が小さくなる。そして、増幅用光ファイバ111および112それぞれの長さを更に適切なものとし、供給される励起光の光量を更に適当に調整することによって、光ファイバ増幅器100の総合利得を一定にすることができる(図3(c))。
【0039】
次に、第2の実施形態について説明する。図4は、本実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成図である。
【0040】
本実施形態に係る光ファイバ増幅器100Aは、第1の実施形態に係る光ファイバ増幅器100と同様に、増幅用光ファイバ111および112、並びに、光アイソレータ140および150を備えるが、第1の実施形態に係る光ファイバ増幅器100と比較して、励起装置120および130に替えて異なる構成の励起装置120Aおよび130Aを備え、また、光アイソレータ150と光ファイバ増幅器100A出力端との間に挿入されたASE光除去フィルタ160を備える点で異なる。
【0041】
本実施形態の励起装置120Aおよび130Aでは、第1の実施形態の励起装置120および130それぞれが備えるファイバ型カプラ123および133に替えて、フィルタ型カプラ124および134を備える。励起光源121から出力された励起光は、光量調整器122によって適当に光量調整され、フィルタ型カプラ124によって増幅用光ファイバ111に導かれ、更に増幅用光ファイバ112に導かれる。一方、励起光源131から出力された励起光は、光量調整器132によって適当に光量調整され、フィルタ型カプラ134によって増幅用光ファイバ112に導かれ、更に増幅用光ファイバ111に導かれる。
【0042】
励起装置120Aおよび130Aそれぞれにあるフィルタ型カプラ124および134それぞれは、一般に、信号光の波長範囲において略一定の信号光透過特性を有するものである。これに対して、ASE光除去フィルタ160は、所定波長のASE光を遮断するために設けられるものである。このASE光の波長は信号光の波長に比較的近く、例えば、信号光が1.55μm帯である場合に、遮断されるべきASE光の波長は1.53μm帯である。従って、ASE光除去フィルタ160は、信号光に対して波長依存性を有する。
【0043】
従って、本実施形態の場合には、増幅用光ファイバ111および112それぞれの添加元素濃度および長さ、並びに、増幅用光ファイバ111および112に供給される励起光の光量から、増幅用光ファイバ111および112それぞれの利得特性が決まり、更に、増幅用光ファイバ111および112それぞれの利得特性と、フィルタ型カプラ124および134それぞれの信号光透過特性と、光アイソレータ140および150それぞれの信号光透過特性と、ASE光除去フィルタ160の信号光透過特性との積によって、光ファイバ増幅器100Aの利得の波長依存性が決まる。そして、光ファイバ増幅器100Aの利得の波長依存性を線形あるいは一定にする。ここで、光量調整器122および132は、光ファイバ増幅器100Aの利得の波長依存性が所定の線形関係あるいは一定となるように、増幅用光ファイバ111および112に供給される励起光を調整する。
【0044】
この光ファイバ増幅器100Aは以下のように作用する。伝送用光ファイバ200を伝送されて光ファイバ増幅器100Aに到達した多波長の信号光は、光アイソレータ140およびフィルタ型カプラ124を通過して、増幅用光ファイバ111を伝送し、更に増幅用光ファイバ112を伝送する。この時、励起装置120および130から励起光が増幅用光ファイバ111および112に供給されていれば、その信号光は、増幅用光ファイバ111および112を伝送する間に多波長一括増幅される。そして、増幅された信号光は、フィルタ型カプラ134および光アイソレータ150を通過して、光ファイバ増幅器100Aの出力となって、伝送用光ファイバ210に送出される。この光ファイバ増幅器100Aにおける信号光増幅に際して、光量調整器122および132は、増幅用光ファイバ111および112に供給される励起光を適切な光量に調整しており、これによって、光ファイバ増幅器100Aの利得の波長依存性は所定の線形あるいは一定となる。
【0045】
次に、実験結果について述べる。3つのケースについて、光ファイバ増幅器の利得特性および雑音指数(NF)を測定した。図5(a)は、実験の条件および結果をまとめた表であり、図5(b)は、実験に用いたEr添加光ファイバの添加元素の組成についてまとめた表である。
【0046】
全てのケースにおける共通の条件は、以下の通りである。用いた信号光は8波であり、各信号光それぞれの波長は、1545.5nm、1547.0nm、1548.5nm、1550.0nm、1551.5nm、1553.0nm、1554.5nm、1556.0nmであり、入力時において各波長の信号光の強度は等しい。それぞれのケースでは、図4に示した光ファイバ増幅器100Aおよび図1に示した光ファイバ増幅器100の何れかを用いたが、何れも、光アイソレータ140および150それぞれの挿入損失は2dBであり、ファイバ型カプラ123および133並びにフィルタ型カプラ124および134それぞれの挿入損失も2dBであり、励起光は、波長1480nm、強度10mWである。伝送用光ファイバは、総延長が1000kmであり、信号光強度の平均損失が0.28dB/kmである。
【0047】
用いた光ファイバ増幅器のタイプと段数については、ケース1およびケース2では、図4に示した光ファイバ増幅器100Aを28段とし、ケース3では、図1に示した光ファイバ増幅器100を20段とした。図4に示した光ファイバ増幅器100Aに挿入されるASE光除去フィルタ160の信号光透過特性は、波長1520nmないし1538nmの範囲で3dBの減衰である。図1に示した光ファイバ増幅器100に用いられるファイバ型カプラ123および133それぞれの信号光透過特性は、前述の(1)式で表され、λs =1550nm、λp =1480nmである。
【0048】
それぞれのケースで用いた増幅用光ファイバについては、3種類のEr添加光ファイバをそれぞれ適当な長さで用いた。3種類のEr添加光ファイバはそれぞれ、EDF−A、EDF−B、EDF−Cと呼称し、何れもEr元素添加量は1000wt・ppmである。EDF−Aは、Al元素添加量1.4wt%、P元素添加量0wt%であり、EDF−Bは、Al元素添加量2.0wt%、P元素添加量5.0wt%であり、EDF−Cは、Al元素添加量0.8wt%、P元素添加量5.0wt%である。このような組成であるので、EDF−Aは、利得の波長依存性が上に凸の形状を有するとともに、長波長ほど利得が大きく、EDF−Bは、利得の波長依存性が上に凸の形状を有するとともに、長波長ほど利得が小さく、EDF−Cは、利得の波長依存性が下に凸の形状を有するとともに、長波長ほど利得が小さい。
【0049】
そして、ケース1では、6.4mのEDF−Aと1.1mのEDF−Bとを、ケース2では、6.6mのEDF−Aと0.8mのEDF−Cとを、ケース3では、9.4mのEDF−Aと4.4mのEDF−Cとを、それぞれ縦続接続して用いた。すなわち、ケース1は、従来の増幅用光ファイバの組み合わせであり、ケース2およびケース3は、本発明にかかる増幅用光ファイバの組み合わせである。
【0050】
以上のような3つのケースそれぞれの光通信システムの一方に強度の等しい8波の信号光を入力し、他方に出力した信号光の強度スペクトルを測定して、光通信システム全体としての利得特性および雑音指数特性を求めた。
【0051】
その結果得られた強度スペクトルおよび雑音指数特性は、ケース1については図6に、ケース2については図7に、ケース3については図8に、それぞれ示した通りである。これらの図において、実線は強度スペクトルを表し、□印は雑音指数を表す。
【0052】
そして、これらの図から求めた利得偏差(8波それぞれの信号光の利得の内の最大値と最小値との差)と最大雑音指数(8波それぞれの波長における雑音指数の内の最大値)については、図5(a)にまとめてある。ケース1では、利得偏差が2.69dB、最大雑音指数が19.3dBであり、ケース2では、利得偏差が1.12dB、最大雑音指数が19.1dBであり、ケース3では、利得偏差が0.98dB、最大雑音指数が17.8dBであった。
【0053】
以上の結果から、以下のことが解る。ケース1では、共に利得の波長依存性が上に凸の形状を有する増幅用光ファイバEDF−AおよびEDF−Bを縦続接続して用いたので、出力信号光の強度スペクトルは、信号光波長範囲の中央付近すなわち波長1550.5nmおよび1551.5nmで最も大きな利得を示し、信号光波長範囲の一方の端の波長1545.5nmで最も小さな利得を示し、利得偏差は2.69dBであって他ケースに比べて大きい。これに対して、ケース2およびケース3では、互いに反対方向に凸の形状を有する増幅用光ファイバEDF−AおよびEDF−Cを縦続接続して用いたので相殺され、出力信号光の強度スペクトルはケース1の結果と比較して平坦になり、利得偏差はそれぞれ1.12dB、0.98dBであってケース1の結果と比較して1/2以下に軽減されている。
【0054】
また、ケース3では、ケース2の平坦な信号光透過特性を有するフィルタ型カプラに替えて、(1)式で表される信号光透過特性を有するファイバ型カプラを用いている。それにも拘らず、ケース3における利得偏差は、ケース2よりも小さい。これは以下のように理由付けることができる。ケース3では、ファイバ型カプラが有する上に凸の形状の信号光透過特性を補償すべく、EDF−Cをケース2よりも長くして利得特性を更に下に凸の形状とし、これにより、光ファイバ増幅器の利得の波長依存性の線形性を確保している。しかし、EDF−Cを長くするのみでは、光ファイバ増幅器の利得は、長波長ほど小さくなる。そこで、EDF−Aも長くすることにより、EDF−Aにおける利得を長波長ほど大きく増加させる。このように、EDF−AおよびEDF−Cそれぞれを適切に長くすることによって、利得の波長依存性をほぼ平坦にするとともに、利得偏差を小さくすることができる。なお、このように増幅用光ファイバそれぞれが長くなると、光ファイバ増幅器の利得は大きくなるので、これに相当して、ケース1およびケース2では10dBであった中継スパンの損失を、ケース3では14dBとし、従って、ケース1およびケース2では28回であった中継回数も、ケース3では20回に減少させている。
【0055】
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、励起装置を1つだけ備えて前方励起または後方励起の何れかの方法によってもよい。縦続接続される増幅用光ファイバは2種類に限られることはなく、3種類以上の増幅用光ファイバを縦続接続してもよい。
【0056】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり本発明によれば、所定の波長範囲に含まれる各波長において利得を有する増幅用光ファイバと、励起光を発生し増幅用光ファイバに供給するとともに、信号光と励起光とを合波するファイバ型カプラを備える励起手段と、を備え、ファイバ型カプラは、上記波長範囲で上に凸の所定の信号光透過特性を有し、増幅用光ファイバは、上記波長範囲の波長に対する利得特性が上に凸の形状を有する第 1 の増幅用光ファイバと下に凸の形状を有する第2の増幅用光ファイバを含み、第 1 の増幅用光ファイバと第2の増幅用光ファイバのみで構成される場合に利得の波長依存性の線形性を確保するため、それぞれ所定の長さ1、所定の長さ2を満たす長さを有し、第2の増幅用光ファイバは、その長さが所定の長さ2より長く設定され、ファイバ型カプラの所定の信号光透過特性を補償し、上記波長範囲に含まれる各波長について入力信号光に対する出力信号光の比に基づく利得が、波長に対して線形関係となるように設定されている。
【0058】
このようにしたので、増幅用光ファイバへ励起光を供給する光カプラとして、波長特性が一定でないファイバ型カプラが用いられる場合でも、増幅用光ファイバの利得特性形状を調整することによって、光ファイバ増幅器の利得特性を平坦なものとすることができる。なお、ファイバ型カプラが用いられる場合には、ASE光除去フィルタを用いる必要はなく、ASE光除去フィルタの挿入に伴う信号光の損失や部品点数増加に伴うコストを低減し、システム信頼性を向上させることができる。
【0059】
また、以上のような利得特性を有する第2の増幅用光ファイバは、P元素を共添加したEr添加光ファイバで実現することができ、さらに、Al元素を適量共添加量することにより、利得特性を調整することができる。
【0060】
更に、各増幅用光ファイバを長くすることによって光ファイバ増幅器の総合利得を大きくすることができる。この場合、中継回数を減少させることができ、これによってもシステム信頼性を向上させることができる。
【0061】
以上のようにして、波長依存性のない利得特性を有し且つASE光の発生を抑止した光ファイバ増幅器を実現することができるので、WDM方式の光通信システムでの多数回の中継で、光ファイバ増幅器によって多波長信号光を繰り返し一括増幅する場合であっても、光通信システム全体としての利得の波長依存性はなく、受信側で受信する信号光強度は波長に依らず一定となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成図である。
【図2】第1の実施形態に係るそれぞれの増幅用光ファイバおよび光ファイバ増幅器の利得特性図の一例である。
【図3】第1の実施形態に係るそれぞれの増幅用光ファイバおよび光ファイバ増幅器の利得特性図の一例である。
【図4】第2の実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成図である。
【図5】光ファイバ増幅器の特性に関する実験の条件および結果をまとめた図表である。
【図6】光ファイバ増幅器の特性に関する実験の結果を示すグラフである。
【図7】光ファイバ増幅器の特性に関する実験の結果を示すグラフである。
【図8】光ファイバ増幅器の特性に関する実験の結果を示すグラフである。
【図9】従来の光ファイバ増幅器の利得特性図である。
【図10】Al元素とP元素とを共添加したEr添加ファイバの誘導放出断面積の波長依存特性を示したグラフである。
【符号の説明】
100,100A…光ファイバ増幅器、111,112…増幅用光ファイバ、120,120A…励起装置、121…励起光源、122…光量調整器、123…ファイバ型カプラ、124…フィルタ型カプラ、130,130A…励起装置、131…励起光源、132…光量調整器、133…ファイバ型カプラ、134…フィルタ型カプラ、140,150…光アイソレータ、160…ASE光除去フィルタ、200,210…伝送用光ファイバ。
Claims (4)
- 第1の波長および第2の波長の間の波長範囲に含まれる波長の信号光と、励起光とを入力し、前記信号光を増幅して出力する光ファイバ増幅器であって、
前記波長範囲に含まれる各波長において利得を有する増幅用光ファイバと、
前記励起光を発生し前記増幅用光ファイバに供給するとともに、前記信号光と前記励起光とを合波するファイバ型カプラを備える励起手段と、を備え、
前記ファイバ型カプラは、前記波長範囲で上に凸の所定の信号光透過特性を有し、
前記増幅用光ファイバは、前記波長範囲の波長に対する利得特性が上に凸の形状を有する第1の増幅用光ファイバと下に凸の形状を有する第2の増幅用光ファイバを含み、前記第1の増幅用光ファイバと前記第2の増幅用光ファイバのみで構成される場合に利得の波長依存性の線形性を確保するため、それぞれ所定の長さ1、所定の長さ2を満たす長さを有し、
前記第2の増幅用光ファイバは、その長さが前記所定の長さ2より長く設定され、前記ファイバ型カプラの前記所定の信号光透過特性を補償し、前記波長範囲に含まれる各波長について入力信号光に対する出力信号光の比に基づく利得が、波長に対して線形関係となるように設定されている
ことを特徴とする光ファイバ増幅器。 - 前記第1の増幅用光ファイバは、Al元素を共添加したEr添加光ファイバであり、前記第2の増幅用光ファイバは、P元素を共添加したEr添加光ファイバである、ことを特徴とする請求項1記載の光ファイバ増幅器。
- 前記第2の増幅用光ファイバは、Al元素を更に共添加したEr添加光ファイバである、ことを特徴とする請求項1記載の光ファイバ増幅器。
- 前記第2の増幅用光ファイバは、Al元素の濃度が1wt%以下である、ことを特徴とする請求項3記載の光ファイバ増幅器。
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