JP3917628B2 - 光増幅器及び該光増幅器を備えた光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、波長分割多重された複数の信号光の一括増幅に適した光増幅器に関し、さらに、この光増幅器の光通信システムへの適用に関する。

将来のマルチメディアネットワークを構築するため、さらなる大容量の光通信システムが要求されている。超大容量化を実現するための光通信システムとして、時分割(Time-Division Multiplexing:ＴＤＭ）システム、光領域での時分割多重(Optical Time-Division Multiplexing:ＯＴＤＭ）システム、波長分割多重(Wavelength-Division Multiplexing:ＷＤＭ) システム等に関する研究が盛んに行われている。これらのうち、ＷＤＭシステムは、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の広い利得帯域を活用し光領域でのクロスコネクトや分岐／挿入或いは異種サービスの多重化を行う柔軟な光波ネットワークを実現するものとして期待されている。

ＷＤＭシステムは、現在世界的に最も普及している既設の１．３μｍ帯零分散シングルモードファイバネットワークを用いて超大容量伝送を行う場合に、他のシステムと比較して有利であると考えられている。これは、各光キャリア当たりの伝送速度が低く、波長分散許容値や光ファイバの非線形効果で制限される光入力パワーの許容値を比較的大きく設定することができるからである。

ＷＤＭシステムを実現するためには、広帯域にわたり一定の増幅利得を持つ光増幅器が必要になる。ＥＤＦＡは、１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍ程度にわたり増幅帯域（利得帯域）を有しているが、その利得は波長に対して必ずしも一定ではない。即ち、ＥＤＦＡの利得は信号光の波長に依存して変化するのである。

ＥＤＦＡの利得の波長依存性を低減させる技術として、ＡｌをＥｒと共に添加したドープファイバの使用が提案されている（C. G. Atkins et al., Electron
Lett., Vol. 25, pp910-911 (1989)）。また、ＥＤＦＡの動作点を最適化する方法（M. Suyama et al., OAA '93, MB5-1(1993)）や、光フィルタを使用して利得特性をフラットにする方法（H. Toba et al., IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 5, No.2, pp248(1993)）が提案されている。

しかしながら、利得の波長依存性を低減させるための上述した従来の各技術は、それぞれが有する固有の問題の存在により、信号光の入力パワーやＷＤＭのチャネル数が変化したときに利得の波長依存性が大きくなることがある、という欠点を有している。

よって、本発明の目的は、入力パワーやＷＤＭのチャネル数の変化に係わらず利得の波長依存性が小さい光増幅器を提供することにある。

本発明の他の目的は、この光増幅器が適用される光通信システムを提供することにある。

本発明の側面によると、複数の異なる波長の信号光を含む波長分割多重信号光を増幅して出力する光増幅器であって、上記波長分割多重信号光が供給される光増幅媒体と、該光増幅媒体をポンピングする手段と、上記光増幅媒体から出力された増幅された波長分割多重信号光のスペクトラムを検出するモニタ手段と、上記光増幅媒体の増幅帯域にその波長が含まれるプローブ光を出力するプローブ光源と、該プローブ光を上記光増幅媒体に導入する手段と、該検出されたスペクトラムに基づき、上記波長分割多重信号光の各波長のスペクトルピークの高さがほぼ等しくなるように、上記プローブ光のパワーを制御するパラメータ制御手段とを備えた光増幅器が提供される。

本発明の光通信システムは、波長分割多重信号光を出力する第１の端局と、該波長分割多重信号光を増幅して出力する光中継器と、該光中継器から出力される増幅された波長分割多重信号光を受ける第２の端局とを備えている。

第１の端局は、波長分割多重信号光の少なくとも２つのチャネルをそれぞれ異なる周波数のパイロット信号で変調する手段を含む。

光中継器は、上記波長分割多重信号光が供給される光増幅媒体と、該光増幅媒体をポンピングする手段と、上記光増幅媒体から出力された増幅された波長分割多重信号光のスペクトラムを検出するモニタ手段と、上記光増幅媒体の増幅帯域にその波長が含まれるプローブ光を出力するプローブ光源と、該プローブ光を上記光増幅媒体へ導入する手段と、
該検出されたスペクトラムに基づき、上記プローブ光のパワーを制御するパラメータ制御手段とを含む。上記モニタ手段は、上記各パイロット信号に対応する成分を検出する手段を含み、パラメータ制御手段は、検出された上記パイロット信号に対応する各成分の振幅がほぼ等しくなるように制御する。

本発明の光増幅器においては、増幅された波長分割多重信号光のスペクトラムが検出され、この検出されたスペクトラムに基づく制御が行われるので、入力パワーやＷＤＭのチャネル数の変化に係わらず利得の波長依存性を実質的になくすことができる。

本発明の光通信システムにおいては、波長分割多重信号光の少なくとも２つのチャネルがそれぞれ異なる周波数のパイロット信号により変調されているので、光中継器において各パイロット信号に対応する成分を検出することによって、増幅された波長分割多重信号光のスペクトラムの概要をモニタリングすることができる。

尚、各パイロット信号は、第１の端局における波長分割多重信号光の波長安定化のために使用される低周波重畳信号と兼用することができる。

以下、本発明の実施例を添付図面に従って詳細に説明する。

図１は本発明を適用可能な光増幅器の基本構成を示すブロック図である。この光増幅器は、入力ポート１への入力信号光に対する増幅帯域を有しており、増幅された信号光を出力ポート２から出力する。

入力信号光は光増幅媒体３へ供給される。光増幅媒体３は、一般的には、Ｅｒ（エルビウム）等の希土類元素がドープされたドープファイバである。

ポンプ光源４からのポンプ光が光結合手段５を介して光増幅媒体３へ導入される。これにより光増幅媒体３がポンピング状態となり、波長が特定の帯域に含まれる信号光に対する増幅作用が生じる。エルビウムドープファイバを波長０．９８μｍのポンプ光でポンピングした場合、１．５５μｍ帯の信号光が増幅される。

信号光とポンプ光とを光増幅媒体３内で同じ方向に伝搬させる場合には、光結合手段５は例えば入力ポート１と光増幅媒体３の間に設けられるＷＤＭカプラを含み、信号光とポンプ光とを光増幅媒体内で互いに逆方向に伝搬させる場合には、光結合手段５は例えば光増幅媒体３と出力ポート２の間に設けられるＷＤＭカプラを含む。

以下、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を例に取り、その特性等について説明する。図２は、ＥＤＦＡにおける典型的なＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emisson)のスペクトラムを示す図である。縦軸はパワー（ｄＢｍ）、横軸は波長（μｍ）である。

ＡＳＥスペクトラムは、光増幅器の小信号に対する利得特性をほぼ反映していることが知られている。ここで、利得特性は、光増幅媒体における利得と入力信号光の波長との関係を表すものである。

図２から理解されるように、１．５３５μｍ近辺に利得のピークがあり、利得特性はフラットではない。

図３は、光増幅器の利得と光出力パワーとの関係を示す図である。ＮＳＲで示す非飽和領域は、ＥＤＦＡにおいて反転分布状態となっているＥｒイオンの割合が大きく、出力光パワーの変化に係わらず一定利得が得られる状態に対応している。

ＳＲで示される飽和領域は、反転分布状態のＥｒイオンの割合が減少し、光出力パワーが増大するのに従って利得が急激に低下している状態を示している。

非飽和領域にあるか飽和領域にあるかは、例えばポンプ光のパワーによって決定される。入力パワーに対してポンプ光のパワーが十分にある場合には、反転分布状態となっているＥｒイオンの割合が大きくなり非飽和領域となり、一方、入力パワーに対してポンプ光のパワーが小さい場合には、反転分布状態のＥｒイオンの割合が減少し、飽和領域となる。

非飽和領域及び飽和領域で動作している光増幅器をそれぞれ複数直列に接続したときのＡＳＥ帯域を測定した例を図４により説明する。図４は、ＡＳＥの３ｄＢ帯域幅（ｎｍ）と、光増幅器の段数との関係を示す図である。３ｄＢ帯域幅が大きいほど、利得特性がフラットとなる。

光増幅器の段数が増大すると、非飽和領域で動作している場合には３ｄＢ帯域幅の減少は少ないが、飽和領域で動作している場合には、３ｄＢ帯域幅が急激に減少していることがわかる。このことは、光送信機を含む第１の端局と光受信機を含む第２の端局とこれらの間に設けられる複数の光増幅器（光中継器）とを備えた多段中継システムにＷＤＭを適用したときに、利得特性がフラットでないことによる受信感度の低下等の致命的な影響が現れることを示している。

図５は反転分布状態をパラメータとした利得特性の変化を説明するための図である。縦軸はローカル利得（ｄＢ／ｍ）、横軸は波長（ｎｍ）である。

反転分布状態を表すパラメータＮ２／Ｎｔは、反転分布状態にあるＥｒイオンの全Ｅｒイオンに対する割合を示している。Ｎ２／Ｎｔ＝１である場合、全Ｅｒのイオンが上位の準位に遷移して完全な反転分布が得られていることになる。

Ｎ２／Ｎｔが変化するのに従って、利得特性が連続的に変化していることが明らかである。

典型的なＥＤＦＡにおいては、ポンプ光のパワーは、光出力パワーが一定になるように制御されている。また、ＥＤＦＡへ入力する信号光のパワーは、システムの使用条件や経時劣化により変化する。この変化に追従して前述のように光出力パワーが一定になるような制御を行うと、反転分布状態が変化することになり、利得特性、即ち利得の波長依存性が大きく変化してしまうのである。なぜならば、図３による説明にあったように、利得特性がポンプ光のパワーに大きく依存するからである。

従って、光フィルタを用いて利得特性をフラットにする従来の技術は、入力光パワーに応じて光フィルタの特性を変化させる制御を必要とし、システムが著しく複雑化することになる。

図５において、Ｎ２／Ｎｔ＝０．７の近傍で１５４０〜１５６０ｎｍの帯域に対してフラットな利得特性が得られることがわかる。従って、常にＥＤＦＡの動作状態をこの反転分布状態に維持することができれば、利得の波長依存性をなくせることになる。

例えば、ポンプ光のパワーを最適に制御することによって、光増幅器の利得を一定に保つ技術が、電子情報通信学会技術研究報告、OCS94-66,pp31-36に示されている。

図６は利得を一定に保つ従来技術を示すブロック図である。入力ポート１１からの信号光は、光アイソレータ１２を介してＷＤＭカプラ１３へ供給される。ポンプＬＤ１４からのポンプ光がＷＤＭカプラ１３において信号光と加え合わされ、信号光及びポンプ光はＥＤＦ（エルビウムドープファイバ）１５に入力する。

ＥＤＦ１５において増幅された信号光は、光アイソレータ１６、光減衰器１７及び光カプラ１８をこの順に通って出力ポート１９から出力される。

ポンプＬＤ１４の駆動電流は自動ファイバ利得コントローラ（ＡＦＧＣ）２０によって制御される。利得コントローラ２０は、ＥＤＦ１５から出力されるＡＳＥのパワー等に基づき、ＥＤＦ１５における利得が一定になるようにポンプ光のパワーを制御する。

増幅された信号光の一部は光カプラ１８において分岐され、この分岐光はフォトディテクタ２１によって電気信号に変換される。自動パワーコントローラ（ＡＰＣ）２２は、フォトディテクタ２１の出力信号のレベルが一定になるように光減衰器の減衰率を制御する。

図６に示される光増幅器において注目すべき点は、ＥＤＦ１５における利得を一定に保つために、ポンプ光のパワーを制御しているところにある。このことにより光増幅器の出力パワーを一定に保つ自動パワー制御（ＡＰＣ）を行うために、ＥＤＦ１５で増幅された信号光を減衰率が制御される光減衰器１７によりわざわざ減衰させているのである。

従って、この従来技術は、光減衰器の使用による最大光出力パワーの低下や、減衰率可変型の光減衰器を使用することによるコストの増大といった欠点を有している。

図７は本発明の第１の側面による光増幅器の基本構成を示すブロック図である。この光増幅器は、図１の構成と同様に、入力ポート１及び出力ポート２とこれらの間の主光路に設けられる光増幅媒体３とを備えており、ポンプ光源４からのポンプ光は、第１の光結合手段５によって光増幅媒体３へ導入される。

図７の基本構成は、さらに、プローブ光を出力するプローブ光源３１と、プローブ光を光増幅媒体３へ導入する第２の光結合手段３２と、入力信号光のパワーを検出する第１のパワー検出手段３３と、プローブ光のパワーを検出する第２のパワー検出手段３４と、パワー検出手段３３及び３４の出力に基づきプローブ光のパワーを制御する制御手段３５とを備えている。

プローブ光源３１から出力されるプローブ光の波長は、光増幅媒体の増幅帯域に含まれており、この波長は望ましくは信号光の波長とは異なる。制御手段３５による制御の結果、入力信号光に対する光増幅媒体の増幅利得は一定に保たれる。

望ましくは、この基本構成は、光増幅媒体で増幅された信号光のパワーを検出する第３のパワー検出手段３６と、パワー検出手段３６の出力が一定になるようにポンプ光のパワーを制御する手段３７とをさらに備えている。

また、望ましくは、制御手段３５は、パワー検出手段３３及び３４の出力に基づく演算を行ってその演算結果を出力する演算手段３８と、演算手段３８の出力が一定になるようにプローブ光源３１を制御する手段３９とを含む。

演算手段３８は、例えば、第１のパワー検出手段３３の出力Ｓ１ に第１の定数ａを乗じた値ａＳ１ を、第２のパワー検出手段３４の出力Ｓ２ に第２の定数ｂを乗じた値ｂＳ２ に加えて、その値に対応したレベルを有する信号を出力する。そして、そのレベルが一定になるように、手段３９がプローブ光源３１を制御する。

手段３６及び３７は、この光増幅器の出力パワーを一定に保つＡＰＣを行うためのものである。ここでは、ＡＰＣによってポンプ光のパワーが制御されているので、これに伴い反転分布の割合Ｎ２／Ｎｔが変化してしまう。その結果、図５から明らかなように、ＡＰＣのために制御されたポンプ光のパワーは利得の波長依存性を変化させる。

本発明の第１の側面によると、利得の波長依存性を一定に保つために、プローブ光のパワーが制御される。即ち、ＡＰＣのためのポンプ光のパワー制御に起因するＮ２／Ｎｔの変化とは独立に、プローブ光のパワーによってＮ２／Ｎｔを変化させることによって、利得の波長依存性を一定にしているのである。

条件の設定は具体的には例えば次のようになされる。入力信号光のパワーがその変化（ＷＤＭが適用されている場合におけるチャネル数の変化によるものを含む）の最大値と最小値のほぼ中間のときに、プローブ光のパワーが制御可能な範囲の中間程度となるようにしておく。この設定の下で、光増幅器の出力パワーが予め定められた値となり、且つ、利得特性がフラットになるように、光増幅媒体３のパラメータやポンプ光のパワーが設定される。光増幅媒体３のパラメータは、例えばＥＤＦの長さやドープされたＥｒイオンの濃度である。

尚、ポンプ光源４の最大出力については、入力信号光のパワーが最小値となった場合であっても上述の予め定められたパワーの光出力が得られるように余力を残しておくことが望ましい。

このような設定により、図５において例えばＮ２／Ｎｔが０．７で一定になるような制御を行うことができる。Ｎ２／Ｎｔがほぼ０．７で一定に保たれると、ＦＧＲで示される平坦利得領域に波長が含まれる信号光に対して一定の利得特性を得ることができる。図５の例では、平坦利得領域ＦＧＲは１５４０〜１５６０ｎｍの範囲である。

入力信号光のパワーが小さくなる方向に変化した場合、反転分布状態にあるＥｒイオンの数が増加してＮ２／Ｎｔの値が大きくなるので、長波長側の利得に対して短波長側の利得が相対的に大きくなる（図５参照）。そこで、入力信号のパワーが減少するのに従ってプローブ光のパワーを増大させることによって、Ｎ２／Ｎｔの値が０．７に戻るようにし、これによりフラットな利得特性が保たれる。

一方、入力信号光のパワーが大きくなる方向に変化した場合には、反転分布状態にあるＥｒイオンの数が減少してＮ２／Ｎｔの値が小さくなるので（図５参照）、長波長側の利得が短波長側の利得と比べて相対的に大きくなる。そこで、入力信号光のパワーが増加するのに従ってプローブ光のパワーを減少させることによって、Ｎ２／Ｎｔの値が０．７で保たれる。

光増幅媒体３へ供給される信号光及びプローブ光のパワーがほぼ一定になるような制御を行うことによって、Ｎ２／Ｎｔをほぼ一定に保つことができる。演算手段３８における前述した演算の例示は、このような制御をロスの補償等を行いつつ実現するために適切なものである。

図８は図７の光増幅器の第１実施例を示すブロック図である。入力ポート１と出力ポート２の間には、光アイソレータ４１、光カプラ４２、ＷＤＭカプラ４３、光カプラ４４、ＥＤＦ４５、光アイソレータ４６、光バンドパスフィルタ４７及び光カプラ４８がこの順に光学的に接続されており、これにより信号光の主光路が形成されている。

光カプラ４２は入力信号光の一部を主光路から分岐するためのものであり、この分岐光はフォトディテクタ（フォトダイオード）４９によって電気信号に変換され増幅器５０を介して制御回路５１へ供給される。

ポンプ駆動回路５２によって駆動されているレーザダイオード５３からのポンプ光が、ＷＤＭカプラ４３によって主光路に導入され、このポンプ光は光カプラ４４を経てＥＤＦ４５の第１端へ供給される。ＥＤＦ４５の第１端は主光路の上流側に、第２端は下流側にある。

プローブ駆動回路５４によって駆動されているレーザダイオード５５からのプローブ光は、光カプラ４４によって主光路に導入され、ＥＤＦ４５の第１端へ供給される。

レーザダイオード５５は、パワーが互いに等しく或いは比例して変化するフォワード光及びバックワード光を出力し、この例ではフォワード光がプローブ光として用いられる。バックワード光はフォトディテクタ５６により電気信号に変換され、この電気信号は増幅器５７で増幅されて制御回路５１へ供給される。

光バンドパスフィルタ４７は、ＥＤＦ４５で増幅された信号光を通過させ、増幅されたプローブ光を実質的に遮断する。光バンドパスフィルタ４７は、さらに、ＥＤＦ４５における光増幅過程で消費されなかったポンプ光を遮断する。

光バンドパスフィルタ４７を通過した光の一部は、光カプラ４８で分岐され、フォトディテクタ５８により電気信号に変換される。この電気信号は増幅器５９で増幅されてＡＰＣ回路６０へ供給される。

プローブ駆動回路５４がレーザダイオード５５へ供給する電流は、制御回路５１によって制御され、ポンプ駆動回路５２がレーザダイオード５３へ供給する電流は、ＡＰＣ回路６０によって制御される。

各図において実質的に同一の部分には同一の符号が付されている。図７及び図８の各部分の対応関係は次の通りである。

第１のパワー検出手段３３は光カプラ４２、フォトディテクタ４９及び増幅器５０に対応し、第２のパワー検出手段３４はフォトディテクタ５６及び増幅器５７に対応し、制御手段３５は制御回路５１に対応し、プローブ光源３１はプローブ駆動回路５４及びレーザダイオード５５に対応し、第２の光結合手段３２は光カプラ４４に対応し、光増幅媒体３はＥＤＦ４５に対応し、第１の光結合手段５はＷＤＭカプラ４３に対応し、ポンプ光源４はポンプ駆動回路５２及びレーザダイオード５３に対応し、第３のパワー検出手段３６は光バンドパスフィルタ４７、光カプラ４８、フォトディテクタ５８及び増幅器５９に対応し、手段３７はＡＰＣ回路６０に対応している。

図７に示される演算手段３８が既に例示されている演算を行う場合において、Ｎ２／Ｎｔを正確に一定に保つためには、増幅された信号光及びプローブ光のパワーと光増幅媒体から出力されるＡＳＥ成分のパワーとを検出し、これらの総和が一定になるような制御を行うことが要求される。このとき、光増幅媒体への総入力パワーはプローブ光の制御により一定に保たれ、且つ、光増幅器の光出力の総和も一定に保たれるので、この光増幅器は結局一定の利得を保つこととなり、Ｎ２／Ｎｔは一定に保たれる。

図８の実施例においては、第３のパワー検出手段３６（図７参照）が光バンドパスフィルタ４７を含んでおり、光バンドパスフィルタ４７は増幅されたプローブ光を除去するので、ＡＰＣ回路６０は、光バンドパスフィルタ４７を通過した増幅された信号光及びその波長付近の帯域で発生しているＡＳＥ成分のパワーが一定に保たれるようにポンプ光を制御することとなる。その結果、入力信号光のパワーのダイナミックレンジが大きい場合には、Ｎ２／Ｎｔを常に一定に保つことが困難になる可能性がある。この問題に対処するための実施例を図９により説明する。

図９は図７の光増幅器の第２実施例を示すブロック図である。この光増幅器は、図８の第１実施例と対比して、補正回路７１を付加的に設けてある点で特徴付けられる。補正回路７１は、増幅器５０の出力信号、即ち第１のパワー検出手段３３（図７参照）の出力信号を受け、プローブ駆動回路５４がレーザダイオード５５へ供給する電流を補正する。これにより、ＥＤＦ４５へ供給されるプローブ光のパワーが補正され、増幅利得が波長に依存して変化しない帯域を実質的に拡大することができる。

図１０は図７の光増幅器の第３実施例を示すブロック図である。この光増幅器を図８の第１実施例と対比したときの特徴点は以下の通りである。

第１に、ポンプ光源４（図７参照）がレーザダイオード５３の他に、ポンプ駆動回路８１によって駆動されるレーザダイオード８２を含んでおり、これに伴いレーザダイオード８２からのポンプ光をＥＤＦ４５へその第２端から導入するためにＷＤＭカプラ８３を設けていることである。ＷＤＭカプラ８３はＥＤＦ４５と光アイソレータ４６との間に設けられている。この例では、ＷＤＭカプラ４３及び８３が図７の第１の光結合手段５に対応している。

この実施例の第２の特徴点は、制御手段３５が予め定められたプログラムに従ってプローブ光の最適パワーを算出するＣＰＵ（中央演算ユニット）８４を含んでいるところにある。ポンプ駆動回路５２及び８１並びにプローブ駆動回路５４の入力信号及び出力信号並びに増幅器５０及び５９の出力信号はアナログ信号であるから、これをＣＰＵ８４におけるデジタル信号処理に適合させるために、制御手段３５は、アナログ／デジタル変換及びデジタル／アナログ変換を行うためのコンバータ８５をさらに含んでいる。

また、ＣＰＵ８４は、プログラムを恒久的に記憶するためのＲＯＭ及び計算結果等を一時的に記憶するためのＲＡＭを含むメモリ回路８６に接続されている。

尚、ＣＰＵ８４は、プローブ光の最適パワーを算出するだけでなく、ＡＰＣのためのポンプ光のパワーの制御にも供される。

ＷＤＭカプラ４３、ポンプ駆動回路５２及びレーザダイオード５３を省略することによって、ポンプ光がＥＤＦ４５へその第２端のみから供給されるようにしてもよい。

図１１は図７の光増幅器の第４実施例を示すブロック図である。第１の光結合手段５（図７参照）がＷＤＭカプラ４３及び８３を含んでいる点は図１０の第３実施例と同じである。

図１１の光増幅器は、図１０の第３実施例と対比して、第２の光結合手段３２（図７参照）がＥＤＦ４５と動作的に接続される光カプラ４４′を含んでいる点で特徴付けられる。本願明細書において、光学部品同士が動作的に接続されるというのは、ファイバ接続或いはコリメートビームを用いた空間接続により直接接続される場合を含み、さらに光フィルタ等の他の光学部品を介して接続される場合を含む。

光カプラ４４′はＷＤＭカプラ８３と光アイソレータ４６の間に設けられる。レーザダイオード５５からのプローブ光は、光カプラ４４′及びＷＤＭカプラ８３をこの順に通ってＥＤＦ４５へその第２端から供給される。プローブ光のパワーの制御はこれまでの実施例におけるのと同様である。

この実施例においては、光カプラ４４′が主光路におけるＥＤＦ４５の下流側に設けられているので、プローブ光は主光路において信号光と逆方向に伝搬し、従って、出力ポート２又はフォトディテクタ５８に対するプローブ光の遮断が容易である。具体的には、プローブ光の波長と信号光の波長とが極めて近い場合に、光バンドパスフィルタ４７の通過帯域の設計精度が緩和される。

また、主光路におけるＥＤＦ４５の上流側に光カプラ４４（図１０参照）が不要になるので、ＥＤＦ４５へ供給される入力信号光のロスが小さくなり、良好な雑音指数を得ることができる。

しかしながら、ＥＤＦ４５における信号光の伝搬方向とプローブ光の伝搬方向とが逆になるので、ＥＤＦ４５における空間的な反転分布の状態が本来増幅したい信号光のパワー分布と異なり、前に例示した演算では広い帯域に渡って利得特性をフラットにすることが困難になるかも知れない。

このような困難が予想される場合には、入力信号光のパワーに応じてプローブ光のパワーをきめ細かく補正すれば対処可能であり、例えば図１１の光増幅器においては、入力信号光のパワーに応じた最適なプローブ光のパワーのデータテーブルをメモリ回路８６に作成しておき、このテーブルに基づいてプローブ光の制御を行えばよい。

これまでに説明した本発明の第１の側面による光増幅器は、波長分割多重された複数の信号光からなるＷＤＭ信号光の伝送に適しているが、この光増幅器はＷＤＭシステムへの適用に限定されない。単一波長の信号光を増幅する場合にも、フラットな利得特性は波長変動に伴う伝送特性の劣化を排除し得る。

次に、ＷＤＭシステムに限定的に適用されるのに適した光増幅器について説明する。

図１２は本発明の第２の側面による光増幅器の基本構成を説明するためのブロック図である。この光増幅器は、入力ポート１へ供給されたＷＤＭ信号光を増幅して出力ポート２から出力する。

ＷＤＭ信号光を増幅するために、光増幅媒体３と光増幅媒体３をポンピングする手段１０１とを備えている。

この光増幅器は、さらに、光増幅媒体３から出力する増幅されたＷＤＭ信号光のスペクトラムを検出するモニタ手段１０２と、検出されたスペクトラムに基づき光増幅媒体３の利得特性が依存するパラメータを制御しＷＤＭ信号光の波長を含む帯域における利得特性がフラットになるようにするパラメータ制御手段１０３とを備えている。

ポンピング手段１０１は、例えば、ポンプ光を出力するポンプ光源４と、ポンプ光を光増幅媒体３へ導入する光結合手段５とを含む。この場合、パラメータ制御手段１０３によって制御されるパラメータとしては、ポンプ光のパワーを採用することができる。

制御されるパラメータがポンプ光のパワーである場合、望ましくは、この光増幅器は、さらに、光増幅媒体３から出力する増幅されたＷＤＭ信号光が供給される可変光減衰器１０４と、可変光減衰器から出力される光のパワーを検出するパワー検出手段１０５と、検出されたパワーが一定になるように可変光減衰器１０４の減衰率を制御する手段１０６とを備える。

図１２に示される光増幅器においては、パラメータ制御手段１０３の制御対象がポンプ光のパワーであるので、ＡＰＣを行うために可変光減衰器１０４が用いられているが、本発明の第２の側面による光増幅器の基本構成は図示された例に限定されない。例えば、本発明の第１の側面による光増幅器におけるのと同じようにプローブ光源を用い、プローブ光のパワーをパラメータ制御手段１０３の制御対象としてもよい。この場合、ポンプ光のパワーを用いてＡＰＣを行うことができる。

図１３は図１２の基本構成の第１実施例を示す光増幅器のブロック図である。この光増幅器は、図１１の実施例におけるハードウェアを含んでおり、ＣＰＵ８４及び記憶装置８６におけるプログラムが本発明の第２の側面に従って変更されている。この光増幅器は、さらに、主光路における光カプラ４８と出力ポート２の間に設けられる光カプラ１１０と、モニタ手段１０２とを含む。

光カプラ１１０はＥＤＦ４５で増幅されたＷＤＭ信号光を二分岐する。第１の分岐光は出力ポート２から出力され、第２の分岐光がモニタ手段１０２へ供給される。

パラメータ制御手段１０３（図１２参照）の制御対象は、レーザダイオード５５から出力されるプローブ光のパワーであり、レーザダイオード５３及び５５から出力されるポンプ光はＡＰＣに用いられる。尚、パラメータ制御手段１０３はＣＰＵ８４に含まれるものとして理解される。

モニタ手段１０２は、グレーティング１１１と、光カプラ１１０からの第２の分岐光のビームパラメータを変換してグレーティング１１１の全面に照射するためのレンズ１１２と、複数の受光エレメントを有するフォトセンサアレイ１１３と、グレーティング１１１での回折光をフォトセンサアレイ１１３の受光面上に収束させるためのレンズ１１４とを含む。

グレーティング１１１における回折角は波長によって異なるので、この回折角の違いに基づきフォトセンサアレイ１１３で得られるパワー分布を用いることによって、ＷＤＭ信号光のスペクトラムを検出することができる。フォトセンサアレイ１１３における光パワー分布は、リード回路１１５によって読み出され、リード回路１１５の出力信号は、信号処理回路１１６によって取り扱い易い形に変換された後、コンバータ８５を介して或いは直接ＣＰＵ８４へ供給される。

信号処理回路１１６は、例えば、ＷＤＭ信号光の各チャネルに対応するスペクトルピークの値を算出する。この場合、ＣＰＵ８４は、例えば、各ピークの高さがほぼ等しくなるようにプローブ光のパワーを制御する。

図１４は図１２の基本構成の第２実施例を示す光増幅器のブロック図である。この光増幅器は本発明の光通信システムに適用可能である。この光増幅器は、図１３の実施例と対比して、モニタ手段１０２及びパラメータ制御手段１０３（図１２参照）の構成及び動作が異なる点で特徴付けられる。その詳細については後述する。

図１５は本発明の光通信システムのブロック図である。このシステムは、第１の端局１２１と第２の端局１２２との間に光ファイバ等からなる光伝送路１２３を敷設し、その途中に複数の光中継器１２４を挿入して構成されている。各光中継器１２４は、本発明の第２の側面による光増幅器（例えば図１４の光増幅器）を含む。

第１の端局１２１はＷＤＭ信号光を出力する。各光中継器は、ＷＤＭ信号光を受けこれを増幅して出力する。各光中継器１２４によって中継されたＷＤＭ信号光は、第２の端局１２２で受信される。

第１の端局１２１は、ＷＤＭ信号光の少なくとも２つのチャネルをそれぞれ異なる周波数のパイロット信号で変調する手段を含む。

各光増幅器１２５において、モニタ手段１０２（図１２参照）は、各パイロッット信号を検出する手段を含み、パラメータ制御手段１０３（図１２参照）は、検出された各成分の振幅がほぼ等しくなるように制御する手段を含む。

図１６及び図１７は、それぞれ第１の端局１２１及び第２の端局１２２の実施例を示すブロック図である。

第１の端局１２１において、送信光源となるレーザダイオード１３１（＃１，２，…，ｎ）はそれぞれ駆動回路１３２（＃１，２，…，ｎ）によって駆動されている。レーザダイオード１３１（＃１，２，…，ｎ）はそれぞれ波長λ１，λ２ ，…，λｎ の信号光を出力し、これらの信号光はそれぞれ高速化に適した外部変調器１３３（＃１，２，…，ｎ）によって伝送データに基づく変調を受けた後、光マルチプレクサ１３４で合流される。

光マルチプレクサ１３４は２つの出力ポート１３４Ａ及び１３４Ｂを有しており、合流した信号光（ＷＤＭ信号光）の大部分は出力ポート１３４Ａからこの端局の出力ポート１４０を経て光伝送路１２３（図１５参照）へ送出される。外部変調器１３３（＃１，２，…，ｎ）における伝送データによる変調は、この例では強度変調である。

発振器１３５（＃１，２，…，ｎ）はそれぞれ周波数ｆ１ ，ｆ２ ，…，ｆｎ のパイロット信号（トーン信号）を生成する。各パイロット信号はそれぞれ駆動回路１３２（＃１，２，…，ｎ）へ供給され、これによりレーザダイオード１３１（＃１，２，…，ｎ）はそれぞれ周波数ｆ１，ｆ２ ，…，ｆｎ で周波数変調される。

各パイロット信号はまた同期検波回路を有する制御回路１３６へも供給されている。

光マルチプレクサの出力ポート１３４Ｂから出力されたＷＤＭ信号光の一部は、ファブリペロ干渉計等からなる周波数分別器１３７を経てフォトディテクタ１３８へ供給される。ＷＤＭ信号光が周波数分別器１３７を通ったことにより、フォトディテクタ１３８の出力には各パイロット信号の成分が表れ、この成分は増幅器１３９で増幅された後制御回路１３６へ供給される。

制御回路１３６は、一般的な同期検波の原理に従って、駆動回路１３２（＃１，２，…，ｎ）がレーザダイオード１３１（＃１，２，…，ｎ）へ供給する駆動電流を制御して、レーザダイオード１３１（＃１，２，…，ｎ）が出力する信号光の波長を安定化する。

パイロット信号の周波数は、伝送データによる主信号に影響を与えず、且つパイロット信号の検出が容易になるように、例えば１ＫＨｚ〜１０ＫＨｚで互いに異なるように設定される。

図１７に示されるように、第２の端局１２２は、ＷＤＭ信号光を受ける入力ポート１４１を有している。受けたＷＤＭ信号光は、光デマルチプレクサ１４２でチャネル数分に分岐され、それぞれ光バンドパスフィルタ１４３（＃１，２，…，ｎ）へ供給される。光バンドパスフィルタ１４３（＃１，２，…，ｎ）はそれぞれ波長λ１，λ２ ，…，λｎ の信号光を選択的に透過する。

各信号光は、光増幅器１４４（＃１，２，…，ｎ）で増幅された後、フォトディテクタを含む光／電気変換器１４５（＃１，２，…，ｎ）で電気信号に変換され、これらの電気信号に基づき各チャネルの伝送データが再生される。

図１５の光中継器１２４に適用可能な光増幅器の例を図１４により説明する。光カプラ１１０で分岐される増幅されたＷＤＭ信号光の一部は、そのスペクトラムを検出するためのモニタ手段１０２へ供給される。供給されたＷＤＭ信号光は、ファブリペロ干渉計等からなる周波数弁別器１５１を通ってフォトディテクタ１５２へ供給される。ＷＤＭ信号光が周波数弁別器１５１を通ったことにより、フォトディテクタ１５２の出力にはパイロット信号の各成分が表れる。各成分は増幅器１５３で増幅された後、バンドパスフィルタ１５４（＃１，２，…，ｎ）へ供給される。

バンドパスフィルタ１５４（＃１，２，…，ｎ）は、それぞれ周波数ｆ１ ，ｆ２ ，…，ｆｎ の信号成分を選択的に通過させる。通過した各信号成分は、比較的高速な伝送データによる変調成分と比較的低速なパイロット信号に基づく成分とを含んでいるので、これらのうちパイロット信号に基づく成分の振幅を検出するために、包絡線検波器１５５（＃１，２，…，ｎ）が設けられている。

包絡線検波器１５５（＃１，２，…，ｎ）の出力信号はそれぞれローパスフィルタ１５６（＃１，２，…，ｎ）を介してコンバータ８５へ供給される。

パラメータ制御手段１０３（図１２参照）の機能を含むＣＰＵ８４は、モニタ手段１０２で検出されたパイロット信号に対応する各成分の振幅がほぼ等しくなるか或いは予め定められた関係になるように、プローブ光のパワーを制御する。これにより光増幅器のフラットな利得特性を得ることができる。

特に図１５に示されるシステムのように、光中継器１２４を複数備えている場合には、利得特性がフラットでないことによる伝送品質の劣化が顕著になるので、本発明による光増幅器における利得特性の改善は、このようなシステムに有効である。

図１６に例示した第１の端局１２１の構成においては、パイロット信号を各信号光の波長安定化にも用いているので、すべてのチャネルの信号光がパイロット信号によって変調されている。

しかしながら、光増幅器における利得特性の平坦化のみを目的とするのであれば、ＷＤＭ信号光における２つのチャネルだけをパイロット信号で変調してもよい。この２つのチャネルは、例えば、ＷＤＭ信号光における最短波長のチャネルと最長波長のチャネルである。

また、図１６の実施例においては、各信号光をパイロット信号により周波数変調しているが、伝送データに比べて低速なパイロット信号を用いる場合には、各信号光をパイロット信号により強度変調してもよい。

一般に、送信光源がレーザダイオードである場合、その駆動電流にパイロット信号を重畳することで容易に信号光の周波数変調を行うことができるが、これと同時に、信号光が強度変調されている点に注目する。

このように信号光がパイロット信号により強度変調されている場合には、図１４のモニタ手段１０２における周波数弁別器１５１は不要である。

本発明を適用可能な光増幅器の基本構成を示すブロック図である。 典型的なＡＳＥのスペクトラムを示す図である。 利得と光出力パワーの関係を示す図である。 ＡＳＥ ３ｄＢ帯域幅と光増幅器段数の関係を示す図である。 反転分布の割合（Ｎ２／Ｎｔ）をパラメータとした利得特性の変化を示す図である。 利得を一定に保つ従来例を示すブロック図である。 本発明の第１の側面による光増幅器の基本構成を示すブロック図である。 図７の光増幅器の第１実施例を示すブロック図である。 図７の光増幅器の第２実施例を示すブロック図である。 図７の光増幅器の第３実施例を示すブロック図である。 図７の光増幅器の第４実施例を示すブロック図である。 本発明の第２の側面による光増幅器の基本構成を説明するためのブロック図である。 図１２の基本構成の第１実施例を示す光増幅器のブロック図である。 図１２の基本構成の第２実施例を示す光増幅器のブロック図である。 本発明の光通信システムのブロック図である。 第１の端局の実施例を示すブロック図である。 第２の端局の実施例を示すブロック図である。

符号の説明

３ 光増幅媒体
４ ポンプ光源
３１ プローブ光源
３５ 制御手段
１０２ モニタ手段
１０３ パラメータ制御手段
１２１ 第１の端局
１２２ 第２の端局
１２４ 光中継器

Claims (6)

1. 複数の異なる波長の信号光を含む波長分割多重信号光を増幅して出力する光増幅器であって、
   上記波長分割多重信号光が供給される光増幅媒体と、
   該光増幅媒体をポンピングする手段と、
   上記光増幅媒体から出力された増幅された波長分割多重信号光のスペクトラムを検出するモニタ手段と、
   上記光増幅媒体の増幅帯域にその波長が含まれるプローブ光を出力するプローブ光源と、
   該プローブ光を上記光増幅媒体に導入する手段と、
   該検出されたスペクトラムに基づき、上記波長分割多重信号光の各波長のスペクトルピークの高さがほぼ等しくなるように、上記プローブ光のパワーを制御するパラメータ制御手段とを備えた光増幅器。
2. 上記ポンピング手段は、ポンプ光を出力するポンプ光源と、該ポンプ光を上記光増幅媒体へ導入する手段とを含む請求項１に記載の光増幅器。
3. 上記光増幅媒体から出力する増幅された波長分割多重信号光が供給される可変光減衰器と、
   該可変光減衰器から出力される光のパワーを検出する手段と、
   該検出されたパワーが一定になるように上記可変光減衰器の減衰率を制御する手段とをさらに備えた請求項２に記載の光増幅器。
4. 複数の異なる波長の信号光を含む波長分割多重信号光を出力する第１の端局と、
   該波長分割多重信号光を受け、これを増幅して出力する光中継器と、
   該光中継器から出力される増幅された波長分割多重信号光を受ける第２の端局とを備え、
   上記第１の端局は、上記波長分割多重信号光の少なくとも２つのチャネルをそれぞれ異なる周波数のパイロット信号で変調する手段を含み、
   上記光中継器は、
   上記波長分割多重信号光が供給される光増幅媒体と、
   該光増幅媒体をポンピングする手段と、
   上記光増幅媒体から出力された増幅された波長分割多重信号光のスペクトラムを検出するモニタ手段と、
   上記光増幅媒体の増幅帯域にその波長が含まれるプローブ光を出力するプローブ光源と、
   該プローブ光を上記光増幅媒体へ導入する手段と、
   該検出されたスペクトラムに基づき、上記プローブ光のパワーを制御するパラメータ制御手段とを含み、
   上記モニタ手段は、上記各パイロット信号に対応する成分を検出する手段を含み、
   上記パラメータ制御手段は、上記検出された上記パイロット信号に対応する各成分の振幅がほぼ等しくなるように上記プローブ光のパワーを制御する光通信システム。
5. 上記第１の端局は、上記各パイロット信号に基づき上記波長分割多重信号光の各チャネルの波長を安定化する手段を含む請求項４に記載の光通信システム。
6. 上記光中継器は複数あり、これらは直列に接続される請求項４に記載の光通信システム。

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