JP3836478B2

JP3836478B2 - 広帯域光ファイバ増幅器

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Publication number: JP3836478B2
Application number: JP2004148794A
Authority: JP
Inventors: 寛雄宋; 俊豪高; 星澤黄; 潤濟呉
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2024-05-19
Also published as: US7081989B2; US20040233517A1; JP2004349700A; KR100474696B1; KR20040099919A

Description

本発明は光伝送システムに関し、特に、光伝送システム内に進行するＣ帯域（C-band）光信号及びＬ帯域（L-band）光信号を増幅するための広帯域光ファイバ増幅器（Fiber Amplifier）に関する。

最近、幾何級数的に増加するデータ量によりＷＤＭ（wavelength division multiplexing）光伝送システムの伝送帯域幅の拡張が要求され、１５３０〜１５６０nm波長帯域のＣ帯域と１５７０〜１６００nm波長帯域のＬ帯域を同時に利用する広帯域システムに関する研究が活発に進行されている。光伝送システムで光信号の増幅を担当する光ファイバ増幅器の場合、希土類元素であるエルビウムが添加された光増幅器（Erbium-doped fiber amplifier：ＥＤＦＡ）が広く利用されているが、その利用可能な帯域幅はＣ帯域とＬ帯域それぞれ約３０nmに限定されている。ラマン光ファイバ増幅器（Raman fiber amplifier）の場合、Ｃ帯域及びＬ帯域を同時に増幅することができる広い可用帯域幅を有しているが、所望の利得を得るためには、高いポンプパワー（pump power）を必要とする問題点がある。従って、広帯域光ファイバ増幅器としてＥＤＦＡが広く利用されているが、大部分の場合、Ｃ帯域光信号とＬ帯域光信号をそれぞれ増幅するための並列構造を取っている。

図１は従来の広帯域光ファイバ増幅器を示した図である。光ファイバ増幅器１００は外部光ファイバ１１０と連結され、第１及び第２増幅部１６０，１７０を備え、これら第１及び第２増幅部１６０，１７０を並列構造に連結するための第１及び第２波長選択結合器（wavelength selective coupler：ＷＳＣ）１２１，１２２を備えている。

第１波長選択結合器１２１は、外部光ファイバ１１０を通じて入力される１５５０／１５９０nm波長帯域の光信号を１５５０nm（Ｃ帯域）及び１５９０nm（Ｌ帯域）波長帯域に分離し、Ｃ帯域光信号を第１増幅部１６０に、Ｌ帯域光信号を第２増幅部１７０に出力する。

第１増幅部１６０は、第１及び第２光アイソレーター（optical isolator：ＩＳＯ）１３１，１３２と、第１及び第２ポンプレーザーダイオード（pump LD）１４１，１４２と、第３及び第４波長選択結合器１２３，１２４と、第１エルビウム添加光ファイバ１５１と、を含む。第１及び第２光アイソレーター１３１，１３２は、それぞれ第１エルビウム添加光ファイバ１５１から出力される増幅自然放出光（amplified spontaneous emission：ＡＳＥ）雑音、反射光などの逆方向に進行する光を遮断する。第１ポンプレーザーダイオード１４１は、９８０nm 波長の第１ポンプ光を出力し、第３波長選択結合器１２３は、第１ポンプ光とＣ帯域光信号を第１エルビウム添加光ファイバ１５１に出力する。第２ポンプレーザーダイオード１４２は、１４８０nm波長の第２ポンプ光を出力する。第４波長選択結合器１２４は、第２ポンプ光を第１エルビウム添加光ファイバ１５１に出力し、入力された増幅後のＣ帯域光信号を通過させる。第１エルビウム添加光ファイバ１５１は、第１及び第２ポンプ光により双方向ポンピングされることにより、入力されたＣ帯域光信号を増幅して出力する。

第２増幅部１７０は、第３及び第４光アイソレーター１３３，１３４と、第３及び第４ポンプレーザーダイオード（pump LD）１４３，１４４と、第５及び第６波長選択結合器１２５，１２６と、第２エルビウム添加光ファイバ１５２と、を含む。第３及び第４光アイソレーター１３３，１３４は、それぞれ第２エルビウム添加光ファイバ１５２から出力されるＡＳＥ雑音、反射光などの逆方向に進行する光を遮断する。第３ポンプレーザーダイオード１４３は、９８０nm波長の第３ポンプ光を出力し、第５波長選択結合器１２５は、第３ポンプ光とＬ帯域光信号を第２エルビウム添加光ファイバ１５２に出力する。第４ポンプレーザーダイオード１４４は、１４８０nm波長の第４ポンプ光を出力する。第６波長選択結合器１２６は、第４ポンプ光を第２エルビウム添加光ファイバ１５２に出力し、入力された増幅後のＬ帯域光信号を通過させる。第２エルビウム添加光ファイバ１５２は、第３及び第４ポンプ光により双方向ポンピングされることにより、入力されたＬ帯域光信号を増幅して出力する。

第２波長選択結合器１２２は、第１及び第２増幅部１６０，１７０から入力されるＣ帯域及びＬ帯域光信号を結合して外部光ファイバ１１０を通じて出力する。

しかし、上述したような従来の広帯域光ファイバ増幅器１００は、Ｌ帯域光信号を増幅するための第２増幅部１７０が低い増幅効率を有するので、長い第２エルビウム添加光ファイバ１５２と、高いポンプパワーを必要とし、Ｌ帯域帯域で高い雑音指数を有するとの問題点がある。

本発明の目的は、従来に比べて高い増幅効率と低い雑音指数を有する広帯域光ファイバ増幅器を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明に従う第１及び第２帯域光信号を増幅するための広帯域光ファイバ増幅器は、少なくとも単方向にポンピングされて第１及び第２帯域光信号を増幅し、増幅自然放出光（ＡＳＥ）を発生する第１増幅部と、少なくとも単方向にポンピングされてそのＡＳＥを増幅する第２帯域ポンプ光源と、該第２帯域ポンプ光源により増幅されたＡＳＥによりポンピングされ、第１増幅部により増幅された第２帯域光信号を２次増幅する第２増幅部と、を備えることを特徴とする。その第１増幅部による増幅後の第１帯域光信号及び第２増幅部による２次増幅後の第２帯域光信号が、外部光ファイバに出力されることになる。第１及び第２帯域光信号としてＣ帯域及びＬ帯域光信号を適用することができる。

第１増幅部は、少なくとも単方向にポンピングされる第１増幅光ファイバを有する構成とする。また、第２増幅部は、第２帯域ポンプ光源により増幅されたＡＳＥによりポンピングされる第２増幅光ファイバを有する構成とする。そして、第２帯域ポンプ光源は、少なくとも単方向にポンピングされてＡＳＥを増幅する第３増幅光ファイバを有する構成とする。

第１増幅部は、既定波長のポンプ光を出力するポンプ光源と、該ポンプ光を第１及び第２帯域光信号と共に第１増幅光ファイバに出力する波長選択結合器と、を有することができる。この第１増幅部はさらに、第１増幅光ファイバから出力された第１及び第２帯域光信号は通過させ、その逆方向に進行する光は遮断する光アイソレーターを有することができる。

第２帯域ポンプ光源は、既定波長の第１ポンプ光を出力する第１ポンプ光源と、該第１ポンプ光を第３増幅光ファイバに出力する第１波長選択結合器と、既定波長の第２ポンプ光を出力するための第２ポンプ光源と、該第２ポンプ光を第３増幅光ファイバに出力する第２波長選択結合器と、を有することができる。この第２帯域ポンプ光源はさらに、第１増幅部から発生したＡＳＥ中の既定波長帯域のみを透過させる可変フィルターを有することができる。

第２増幅部は、既定波長のポンプ光を出力するポンプ光源と、該ポンプ光を第２増幅光ファイバに出力する波長選択結合器と、を有することができる。

以上のような本発明の光ファイバ増幅器は、外部から受信した第１及び第２帯域光信号を第１増幅部に出力し、該第１増幅部から受信したＡＳＥを第２帯域ポンプ光源に出力する第１サーキュレータと、第１増幅部から出力された増幅後の第１及び第２帯域光信号を分離して出力する第１波長選択結合器と、第２帯域ポンプ光源から受信した増幅後のＡＳＥを第２増幅部に出力し、該第２増幅部から受信した２次増幅後の第２帯域光信号を別ポートに出力する第２サーキュレータと、第１波長選択結合器から出力された増幅後の第１帯域光信号と第２サーキュレータから出力された２次増幅後の第２帯域光信号とを結合して出力する第２波長選択結合器と、を備える構成とすることができる。

本発明に従う広帯域光ファイバ増幅器は、Ｃ帯域のＡＳＥで、Ｌ帯域光信号のみを増幅するための増幅光ファイバをポンピングすることにより、高い増幅効率を得ることができるとの利点がある。これと同時に、本発明に従う広帯域光ファイバ増幅器は、第１増幅部における増幅光ファイバを通じてＣ帯域及びＬ帯域光信号を共に増幅することにより、従来に比べてＬ帯域の雑音指数も同時に低めることができるとの利点がある。

また、本発明に従う広帯域光ファイバ増幅器は、可変フィルターを利用して、Ｌ帯域光信号のみを増幅する増幅光ファイバに入力される増幅後のＡＳＥの波長を調節することにより、Ｌ帯域光信号の利得及び利得平坦化を調節することができるとの利点がある。

以下、本発明に従う好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。

以下、本発明に従う広帯域光ファイバ増幅器は、それぞれ多数のポートを備えるサーキュレータ（circulator：ＣＩＲ）と波長選択結合器を含むが、たとえば、波長選択結合器またはサーキュレータの参照符号を“###”とすると、当該波長選択結合器またはサーキュレータの第ｎポートは“ｎ”の参照符号で図示すると共に、“###ｎ”と表記する。

図２は本発明の望ましい第１実施例に従う広帯域光ファイバ増幅器を示す図である。増幅器２００は、第１及び第２サーキュレータ２２１，２２２と、第１及び第２増幅部２７０，２９０と、Ｌ帯域ポンピング光源２８０と、第１及び第２波長選択結合器２４１，２４２と、を備えている。

第１サーキュレータ２２１は、第１乃至第３ポート２２１１〜２２１３を備え、その上位ポートに入力された光信号をその隣接した下位ポートに出力するように構成される。第１サーキュレータ２２１の第１ポート２２１１は外部光ファイバ２１０と連結され、第２ポート２２１２は第１増幅部２７０と連結され、第３ポート２２１３はＬ帯域ポンピング光源２８０と連結される。第１サーキュレータ２２１は、第１ポート２２１１に入力された第１帯域光信号（例、１５５０nm波長のＣ帯域光信号）と第２帯域光信号（例、１５９０nm波長のＬ帯域光信号）を第２ポート２２１２に出力し、第２ポート２２１２に入力されたＡＳＥを第３ポート２２１３に出力する。

第１増幅部２７０は、第１サーキュレータ２２１の第２ポート２２１２と連結され、第１ポンプ光源２３１と、第３波長選択結合器２４３と、第１増幅光ファイバ２５１と、第１光アイソレーター２６０と、を含む。

第１ポンプ光源２３１は、９８０nmの第１ポンプ光を出力するもので、レーザーダイオードを使用することができる。第１乃至第３ポンプ光源にはいずれもレーザーダイオードを使用することができる。

第３波長選択結合器２４３は、第１乃至第３ポート２４３１〜２４３３を備え、第１ポート２４３１は第１サーキュレータ２２１の第２ポート２２１２と連結され、第２ポート２４３２は第１増幅光ファイバ２５１と連結され、第３ポート２４３３は第１ポンプ光源２３１と連結される。第３波長選択結合器２４３は入力されたＣ帯域及びＬ帯域光信号と第１ポンプ光を結合して第１増幅光ファイバ２５１に出力する。

第１増幅光ファイバ２５１は、第１ポンプ光により順方向ポンピングされ、入力されたＣ帯域及びＬ帯域光信号を増幅して出力する。このときに第１増幅光ファイバ２５１は、増幅光信号と反対方向に進行するＡＳＥを発生する。該ＡＳＥは第１サーキュレータ２２１の第２ポート２２１２に入力され、第１サーキュレータ２２１は第２ポート２２１２に入力されたＡＳＥを第３ポート２２１３に出力する。第１増幅光ファイバ２５１としては、エルビウム添加光ファイバを使用することができる。図示の例では順方向励起であるが、逆方向励起、双方向励起も可能である。

第１光アイソレーター２６０は、第１増幅光ファイバ２５１と第１波長選択結合器２４３との間に配置され、入力されたＣ帯域及びＬ帯域光信号を通過させ、その逆方向に進行する光を遮断する。

第１波長選択結合器２４１は、第１乃至第３ポート２４１１〜２４１３を備え、第１ポート２４１１は第１光アイソレーター２４１と連結され、第２ポート２４１２は第２波長選択結合器２４２と連結され、第３ポート２４１３は第２増幅部２９０と連結される。第１波長選択結合器２４１は、入力されたＣ帯域及びＬ帯域光信号のうち、Ｃ帯域光信号は第２ポート２４１２に出力し、Ｌ帯域光信号は第３ポート２４１３に出力する。

Ｌ帯域ポンピング光源２８０は、第１サーキュレータ２２１の第３ポート２２１３と連結され、可変フィルター（tunable filter：ＴＦ）２６５と、第２及び第３ポンプ光源２３２，２３３と、第４及び第５波長選択結合器２４４，２４５と、第３増幅光ファイバ２５３と、を含む。

可変フィルター２６５は、第１サーキュレータ２２１の第３ポート２２１３と連結され、印加された電流に応じてその透過波長帯域が変化することによって、入力されたＡＳＥの既定波長帯域を有する部分のみを透過させる。後述のように、可変フィルター２６５を利用して第２増幅部２９０に提供されるＡＳＥの波長を調節することにより、Ｌ帯域光信号の利得を調節できるようになる。

第２ポンプ光源２３２は９８０nmの第２ポンプ光を出力する。

第４波長選択結合器２４４は、第１乃至第３ポート２４４１〜２４４３を備え、第１ポート２４４１は可変フィルター２６５と連結され、第２ポート２４４２は第３増幅光ファイバ２５３と連結され、第３ポート２４４３は第２ポンプ光源２３２と連結される。第４波長選択結合器２４４は、入力されたＡＳＥと第２ポンプ光を結合して第３増幅光ファイバ２５３に出力する。

第３ポンプ光源２３３は１４８０nmの第３ポンプ光を出力する。

第５波長選択結合器２４５は、第１乃至第３ポート２４５１〜２４５３を備え、第１ポート２４５１は第３増幅光ファイバ２５３と連結され、第２ポート２４５２は第２サーキュレータ２２２の第１ポート２２２１と連結され、第３ポート２２２３は第３ポンプ光源２３３と連結される。第５波長選択結合器２４５は、第３ポンプ光を第３増幅光ファイバ２５３に出力し、第３増幅光ファイバ２５３から出力された増幅後のＡＳＥを第２ポート２４５２に出力する。

第３増幅光ファイバ２５３は、第２ポンプ光により順方向ポンピングされ、第３ポンプ光により逆方向ポンピングされることにより、入力されたＡＳＥを増幅して出力する。図示の例では双方向励起であるが、順方向、逆方向のいずれか単方向励起も可能である。

第２サーキュレータ２２２は、第１乃至第３ポート２２２１〜２２２３を備え、第１ポート２２２１は第５波長選択結合器２４５の第２ポート２４５２と連結され、第２ポート２４５２は第２増幅光ファイバ２５２と連結され、第３ポート２２２３は第２波長選択結合器２４２の第１ポート２４２１と連結される。第２サーキュレータ２２２は、第１ポート２２２１に入力された増幅後のＡＳＥを第２ポート２２２２に出力し、第２ポート２２２２に入力された増幅後のＬ帯域光信号を第３ポート２２２３に出力する。

第２増幅部２９０は、第１波長選択結合器２４１の第３ポート２４１３と第２サーキュレータ２２２の第２ポート２２２２との間に配置され、第２増幅光ファイバ２５２を含む。第２増幅光ファイバ２５２は、増幅後のＡＳＥにより逆方向ポンピングされることにより、入力された１次増幅後のＬ帯域光信号を２次増幅して出力する。即ち、Ｌ帯域光信号は第１及び第２増幅部２７０，２９０により２回増幅される。

第２波長選択結合器２４２は、第１乃至第３ポート２４２１〜２４２３を備え、第１ポート２４２１は第２サーキュレータ２２２の第３ポート２２２３と連結され、第２ポート２４２２は第１波長選択結合器２４１の第２ポート２４１２と連結され、第３ポート２４２３は外部光ファイバ２１０と連結される。第２波長選択結合器２４２は、第１ポート２４２１に入力された増幅Ｌ帯域光信号と第２ポート２４２２に入力された増幅Ｃ帯域光信号とを結合して第３ポート２４２３に出力する。

広帯域光ファイバ増幅器２００は、Ｃ帯域のＡＳＥで、Ｌ帯域光信号を増幅する第２増幅光ファイバ２５２をポンピングすることにより、高い増幅効率が得られる。また、広帯域光ファイバ増幅器２００は、可変フィルター２６５を利用して第２増幅光ファイバ２５２に提供される増幅後のＡＳＥの波長を調節することにより、Ｌ帯域光信号の利得及び利得平坦化を調節できるようになる。これは、増幅光ファイバの利得特性がポンプ光（Ｃ帯域帯域）の波長に応じて変わる特性を利用したものである。さらに、広帯域光ファイバ増幅器２００は、前置増幅のための第１増幅光ファイバ２５１を通じてＣ帯域及びＬ帯域光信号を共に増幅することにより、従来に比べてＬ帯域帯域の雑音指数を低めることができるようになる。

図３は本発明の望ましい第２実施例に従う広帯域光ファイバ増幅器を示す図である。増幅器３００は、第１及び第２サーキュレータ３２１，３２２と、第１及び第２増幅部３７０，３９０と、Ｌ帯域ポンピング光源３８０と、第１及び第２波長選択結合器３４１，３４２とを含む。図３に開示された構成は図２に示した構成と類似であるので、重なる説明は省略し、第２増幅部３９０のみを説明する。

第２増幅部３９０は、第１波長選択結合器３４１の第３ポート３４１３と第２サーキュレータ３２２の第２ポート３２２２との間に配置され、第２増幅光ファイバ３５２と、第４ポンプ光源３３４と、第６波長選択結合器３４６とを含む。

第４ポンプ光源３３４は、９８０nmまたは１４８０nmの第３ポンプ光を出力するもので、第４ポンプ光源３３４としてはレーザーダイオードを使用することができる。

第６波長選択結合器３４６は、第１乃至第３ポート３４６１〜３４６３を備え、第１ポート３４６１は第２増幅光ファイバ３５２と連結され、第２ポート３４６２は第１波長選択結合器３４１の第３ポート３４１３と連結され、第３ポート３４６３は第４ポンプ光源３３４と連結される。第６波長選択結合器３４６は、入力されたＬ帯域光信号と第４ポンプ光を結合して第２増幅光ファイバ３５２に出力する。

第２増幅光ファイバ３５２は、第４ポンプ光により順方向ポンピングされ、ＡＳＥにより逆方向ポンピングされることにより、入力されたＬ帯域光信号を２次増幅して出力する。

従来の広帯域光ファイバ増幅器を示した図。本発明の望ましい第１実施例に従う広帯域光ファイバ増幅器を示す図。本発明の望ましい第２実施例に従う広帯域光ファイバ増幅器を示す図。

符号の説明

２２１，２２２サーキュレータ
２３１，２３２，２３３ポンプ光源
２４１，２４２，２４３，２４４，２４５波長選択結合器（ＷＳＣ）
２５１，２５２，２５３増幅光ファイバ（ＥＤＦ）
２６０アイソレータ
２６５可変フィルタ
２７０第１増幅部
２８０第２帯域（Ｌ帯域）ポンピング光源
２９０第２増幅部
３２１，３２２サーキュレータ
３３１，３３２，３３３，３３４ポンプ光源
３４１，３４２，３４３，３４４，３４５，３４６波長選択結合器（ＷＳＣ）
３５１，３５２，３５３増幅光ファイバ（ＥＤＦ）
３６０アイソレータ
３６５可変フィルタ
３７０第１増幅部
３８０第２帯域（Ｌ帯域）ポンピング光源
３９０第２増幅部

Claims

第１及び第２帯域光信号を増幅するための広帯域光ファイバ増幅器において、
少なくとも単方向にポンピングされて前記第１及び第２帯域光信号を増幅し、増幅自然放出光（ＡＳＥ）を発生する第１増幅部と、
少なくとも単方向にポンピングされて前記ＡＳＥを増幅する第２帯域ポンプ光源と、
該第２帯域ポンプ光源により増幅されたＡＳＥによりポンピングされ、前記第１増幅部により増幅された第２帯域光信号を２次増幅する第２増幅部と、を備えることを特徴とする広帯域光ファイバ増幅器。
第１増幅部による増幅後の第１帯域光信号及び第２増幅部による２次増幅後の第２帯域光信号が外部光ファイバに出力される請求項１記載の広帯域光ファイバ増幅器。
第１及び第２帯域光信号は、Ｃ帯域及びＬ帯域光信号である請求項２記載の広帯域光ファイバ増幅器。
第１増幅部は、少なくとも単方向にポンピングされる第１増幅光ファイバを有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の広帯域光ファイバ増幅器。
第２増幅部は、第２帯域ポンプ光源により増幅されたＡＳＥによりポンピングされる第２増幅光ファイバを有する請求項４記載の広帯域光ファイバ増幅器。
第２帯域ポンプ光源は、少なくとも単方向にポンピングされてＡＳＥを増幅する第３増幅光ファイバを有する請求項５記載の広帯域光ファイバ増幅器。
第１増幅部は、
既定波長のポンプ光を出力するポンプ光源と、
前記ポンプ光を第１及び第２帯域光信号と共に第１増幅光ファイバに出力する波長選択結合器と、を有する請求項４記載の広帯域光ファイバ増幅器。
第１増幅部は、第１増幅光ファイバから出力された第１及び第２帯域光信号は通過させ、その逆方向に進行する光は遮断する光アイソレーターをさらに有する請求項７記載の広帯域光ファイバ増幅器。
第２帯域ポンプ光源は、
既定波長の第１ポンプ光を出力する第１ポンプ光源と、
前記第１ポンプ光を第３増幅光ファイバに出力する第１波長選択結合器と、
既定波長の第２ポンプ光を出力するための第２ポンプ光源と、
前記第２ポンプ光を前記第３増幅光ファイバに出力する第２波長選択結合器と、を有する請求項６記載の広帯域光ファイバ増幅器。
第２帯域ポンプ光源は、第１増幅部から発生したＡＳＥ中の既定波長帯域のみを透過させる可変フィルターをさらに有する請求項９記載の広帯域光ファイバ増幅器。
第２増幅部は、
既定波長のポンプ光を出力するポンプ光源と、
前記ポンプ光を第２増幅光ファイバに出力する波長選択結合器と、を有する請求項５記載の広帯域光ファイバ増幅器。
外部から受信した第１及び第２帯域光信号を第１増幅部に出力し、該第１増幅部から受信したＡＳＥを第２帯域ポンプ光源に出力する第１サーキュレータと、
前記第１増幅部から出力された増幅後の第１及び第２帯域光信号を分離して出力する第１波長選択結合器と、
前記第２帯域ポンプ光源から受信した増幅後のＡＳＥを第２増幅部に出力し、該第２増幅部から受信した２次増幅後の第２帯域光信号を別ポートに出力する第２サーキュレータと、
前記第１波長選択結合器から出力された増幅後の第１帯域光信号と前記第２サーキュレータから出力された２次増幅後の第２帯域光信号とを結合して出力する第２波長選択結合器と、を備える請求項１〜１１のいずれか１項に記載の広帯域光ファイバ増幅器。