JP3921891B2 - 光増幅装置および光伝送路監視装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ファイバ伝送系において光信号の中継を行う光増幅装置と、光伝送装置間の伝送路障害を監視する光伝送路監視装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来用いられている光増幅装置の構成図を図９に示す。図９は光増幅器の基本特許である特公平６−２４２７３（俗にリットン特許と言われる）に示された光信号の増幅方法を示す図を書き直した物である。励起用ＬＤ３１から出射された励起波長光と、光増幅装置の入力部から入射された信号光とを、波長依存性光結合器３０によって高効率で結合し、希土類ドープファイバ３２へ入射することによって、信号光を増幅する方法である。従来例に特徴的な波長依存性光結合器は、励起波長と信号波長が異なることを利用し、光波長によって入力ポートと出力ポートの接続状態が異なるＷＤＭカプラや誘電体光フィルタなどを使用した光結合器である。
【０００３】
また、従来用いられている伝送路障害を監視する方法を説明するための構成図を図１０に示す。図１０は、伝送路監視方式の基本特許である米国特許（Ｐａｔｅｎｔ Ｎｕｍｂｅｒ：５,１１３,４５９）に示された説明図を書き直した物である。この光増幅装置は、伝送路の監視及び制御信号をやり取りするため、サービスチャンネル接続部４０から入出力される信号光とは異なる波長のサービスチャネル信号光を光結合器４３、４４を介して伝送路へ入出力する。このサービスチャネル信号光によって、隣接する装置との通信を行い、伝送路の切断などの状態監視も実現している。光増幅機能は、第１の励起用ＬＤ２および励起用ＬＤ１５から出力された励起光を光結合器４１、４２を介して希土類ドープファイバ５へ導くことでファイバを励起し実現している。この従来技術の特徴は、サービスチャネルを提供するために、信号光波長とは異なる監視制御専用の光信号を用意し、この専用光を信号光と合分波するための光結合器によって伝送路へ入出力する点である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光増幅方法は、増幅する信号光が希土類ドープファイバへ到達するまでに、比較的損失の大きな（損失約-1.0dB程度）波長依存性光結合器を通過しなければならかった。増幅媒質である希土類ドープファイバへ入射する前の損失は、その増加分が直接光増幅装置の雑音特性（Noise Figure)劣化に反映されるため、極力小さくする事が好ましい。
本発明の構成をとった場合は、励起光反射用光フィルタとしてファイバグレーティングとよばれるデバイスを適用することができ、信号光が希土類ドープファイバへ到達するまでに受ける損失を従来例に比べて小さく（損失約-0.2dB程度）抑えることが可能となる。
【０００５】
光増幅装置を低雑音化するためには、信号光が希土類ドープファイバへ入射する入射端においてできるだけ励起光の強度が大きく、希土類ドープファイバ内の励起物質が十分に反転分布状態になっている必要がある。（入射端での反転分布状態が低雑音化に寄与するのは、電気の多段増幅システムにおいて初段アンプの低雑音化がシステム全体の低雑音化に大きく寄与するのと同様である。）従来例の構成では、希土類ドープファイバの入力端での励起光強度は、励起用ＬＤから出力された光強度が波長依存性光結合器によって減衰された強度に制限されていた。
【０００６】
本発明の構成を取った場合は、励起用ＬＤから出力された励起光は、光サーキュレータで損失を受けた後、希土類ドープファイバを透過し、励起光反射用光フィルタつまりファイバグレーティングで反射される。反射した励起光は再び希土類ドープファイバへ入射するため、希土類ドープファイバの入射端では励起光が双方向に流れ、励起光が片方向に伝播する場合に比べ電界強度が約2倍に増大する。希土類ドープファイバが短い場合は、希土類ドープファイバ内での吸収が小さく減衰量も少ないため、光サーキュレータやファイバグレーティングの損失を加味しても、希土類ドープファイバの入射端での電界強度を大きくする点で従来技術より有利である。
【０００７】
つぎに、伝送路を監視するための従来技術について説明する。
従来の技術では、光増幅装置間などの伝送路を介した装置間で制御用の信号をやり取りしたり、伝送路における切断などの障害状態を監視するためには、サービスチャネル用の送受信手段を専用に用意し、通信を行う必要があった。また、サービスチャネルの合分波を行うため、光増幅装置の入出力端にＷＤＭカプラなどの光結合器を配置する必要があり、損失の増大がおき、光増幅に伴う雑音増大を招くという問題点があった。
本発明ではサービスチャンネル用の送受信機能を励起用ＬＤによって実現することで、専用の送受信手段を設けなくても良い簡易な監視方法を得ることを目的としている。また本発明では、サービスチャネルを合分波するためだけの光結合器を設けなくてもよいため、過剰な損失を低減し、低雑音な光増幅装置を提供することができる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この第１の発明に係る光増幅装置は、ポート１から入力した光をポート２へ出力し、ポート２から入力した光をポート３へ出力する光サーキュレータと、上記光サーキュレータのポート２に接続された第１の希土類ドープファイバと、上記光サーキュレータのポート１に接続され、上記第１の希土類ドープファイバへの励起光を出力する励起用レーザダイオード（以下、励起用ＬＤ）と、上記第１の希土類ドープファイバよりも入力側に接続され、励起光の波長のみを反射して、主信号を含む他の波長は透過する励起光反射用光フィルタと、上記光サーキュレータのポート３に接続された第２の希土類ドープファイバと、光出力レベルをモニタする、上記第２の希土類ドープファイバよりも出力側へ配置した光分岐手段と、上記光分岐手段で分岐した光強度をモニタする受光素子と、上記受光素子がモニタした検出レベルが規定の値になるように上記励起用ＬＤへ注入する平均電流値を制御するＬＤ駆動部と、を備え、上記第２の希土類ドープファイバは、上記第１の希土類ドープファイバを往復した後に残った上記励起用ＬＤからの励起光で励起されるものである。
【００１０】
第２の発明に係る光増幅装置は、ポート１から入力した光をポート２へ出力し、ポート２から入力した光をポート３へ出力する光サーキュレータと、上記光サーキュレータのポート２に接続された第１の希土類ドープファイバと、上記光サーキュレータのポート１に接続され、上記第１の希土類ドープファイバへの励起光を出力する第１の励起用レーザダイオード（以下、第１の励起用ＬＤ）と、上記第１の希土類ドープファイバよりも入力側に接続され、励起光の波長のみを反射して、主信号を含む他の波長は透過する励起光反射用光フィルタと、上記光サーキュレータのポート３に接続された第２の希土類ドープファイバと、光出力レベルをモニタする、上記第２の希土類ドープファイバよりも出力側へ配置した光分岐手段と、上記光分岐手段で分岐した光強度をモニタする受光素子と、上記第２の希土類ドープファイバと上記光分岐手段の間に接続され、励起光波長を上記第２の希土類ドープファイバ内へ結合する励起光合波部と、上記励起光合波部へ接続され、上記第２の希土類ドープファイバを励起する第２の励起用レーザダイオード（以下、第２の励起用ＬＤ）と、上記受光素子の検出レベルが規定の値になるように上記第２の励起用ＬＤへ注入する平均電流値を制御する第２のＬＤ駆動部と、励起光出力が一定になるように上記第１の励起用ＬＤの注入電流を制御する第１のＬＤ駆動部と、を備え、上記第２の希土類ドープファイバは、上記第１の希土類ドープファイバを往復した後に残った上記第１の励起用ＬＤからの励起光で励起されるとともに、上記第２の励起用ＬＤからの励起光で励起されるものである。
【００１１】
第３の発明に係る光増幅装置は、上記励起光合波部の代わりに、第２の光サーキュレータを用いるものである。
【００１２】
第４の発明に係る光伝送路監視装置は、ポート１から入力した光をポート２へ出力し、ポート２から入力した光をポート３へ出力する光サーキュレータと、上記光サーキュレータのポート２に接続された希土類ドープファイバと、上記光サーキュレータのポート１に接続され、上記希土類ドープファイバへの励起光を出力する励起用レーザダイオード（以下、励起用ＬＤ）と、上記希土類ドープファイバよりも入力側に接続され、励起光波長を一部分は透過して大部分を反射し、主信号を含む他の波長は反射せずに透過する励起光反射用光フィルタと、変調信号を出力する監視信号源と、上記監視信号源からの変調信号によって上記励起用ＬＤへの注入電流を変調するＬＤ駆動部と、出力ポートから信号光とは逆向きに入射する励起波長の信号光をモニタする光分岐手段と、上記光分岐手段で分岐された光信号を受光する受光素子と、上記受光素子で受信した信号を監視することにより、２つの光増幅装置間を接続する伝送路の接続状態を監視する伝送路モニタ部と、を備えたものである。
【００１３】
第５の発明に係る光伝送路監視装置は、ポート１から入力した光をポート２へ出力し、ポート２から入力した光をポート３へ出力する光サーキュレータと、上記光サーキュレータのポート１に接続され、励起光を出力する励起用レーザダイオード（以下、励起用ＬＤ）と、上記光サーキュレータのポート２に接続され、励起光波長を一部分のみ反射して大部分は透過し、主信号を含む他の波長は反射せずに透過する励起光反射用光フィルタと、上記励起光反射用光フィルタよりも入力側に接続された希土類ドープファイバと、変調信号を出力する監視信号源と、上記監視信号源からの変調信号によって上記励起用ＬＤへの注入電流を変調するＬＤ駆動部と、入力ポートから信号光と同一方向に入射する励起波長の信号光をモニタする光分岐手段と、上記光分岐手段で分岐された光信号を受光する受光素子と、上記受光素子で受信した信号を監視することにより、２つの光増幅装置間を接続する伝送路の接続状態を監視する伝送路モニタ部と、を備えたものである。
【００１４】
第６の発明に係る光伝送路監視装置は、上記ＬＤ駆動部は、上記監視信号源からの変調信号のマーク率（１と０の比）を変化させることにより、上記励起用ＬＤの励起光の平均出力を調整するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１と図２を用いて説明する。
図１はこの発明の一実施例を示す構成図である。図１において、励起用ＬＤ２から出力された励起光は、光サーキュレータ１を介して第１の希土類ドープファイバ３の後方から入射し、励起光反射用光フィルタ４へ到達する。励起光の大部分（例えば95%）はフィルタ４で反射し、再度第１の希土類ドープファイバ３へ前方より入射する。第１の希土類ドープファイバ３の入射部では、励起光が双方向に流れて光電界強度が大きくなり効率よく反転分布状態が形成されるため、低雑音の光増幅を実現することができる。
【００１６】
第１の希土類ドープファイバ３を往復した後に残った励起光は、光サーキュレータ１を再度透過した後、第２の希土類ドープファイバ５へ入射しファイバの励起を行う。光増幅装置全体の雑音特性は、初段増幅器に相当する第１の希土類ドープファイバ３で低雑音増幅が実現されているため、第２の希土類ドープファイバ５では比較的雑音が大きくても全体では低雑音となり得る。第２の希土類ドープファイバ５では、第１の希土類ドープファイバ３に比較して励起光強度が低下しているため反転分布状態が劣化し雑音特性は悪くなるが、ファイバ長を大きくする事によって励起光のエネルギーを効率よく信号光へ変換し、より大きな光増幅装置全体の出力強度を得ることができる。
【００１７】
光増幅装置に入射した信号光は、ファイバグレーティングなどの挿入損失が−０．２ｄＢ程度と低い励起光反射用光フィルタ４を透過した後、第１の希土類ドープファイバ３で増幅作用を受ける。信号光を低雑音に増幅するには、初段の増幅部に入射する信号光強度を大きくする事が重要であるが、従来例で光増幅装置の入射部に用いられている波長依存性光結合器は通常−０．８〜−１．０ｄＢと損失が大きいため、本発明は従来例よりも増幅器の低雑音化の面で有利である。
【００１８】
第２の希土類ドープファイバ５を透過した信号光および励起光は、励起光除去光フィルタ６へ入射し、信号光のみが光アイソレータ７を介して光分岐手段８へ入射する。光分岐手段８では、信号光の一部が分岐され、受光素子９において検出される。励起用ＬＤ２の駆動電流を生成するＬＤ駆動部１１は、受光素子９で検出された信号光強度の検出値をフィードバックする事によって、励起用ＬＤ２の駆動電流を適切に制御する事ができる。
【００１９】
以上のように、本発明による光増幅装置は、低雑音な光増幅を実現することが可能である。
【００２０】
つぎにこの光増幅装置による光伝送路１４の監視方法について説明する。励起用ＬＤ２から出力された励起光は励起光反射用光フィルタ４で大部分（例えば９５％）が反射することは既に説明したが、この光フィルタ４を透過した一部の光は、図2に示すとおり光ファイバによる伝送路１４を信号光とは逆向きに伝播し、隣接する光増幅装置の出力端に配置された光分岐手段８で分岐されて、受光素子１０で電気信号に変換される。隣接する光増幅装置内の伝送路モニタ部１３は、この電気信号の受信を監視することによって、伝送路14が断線などの障害状態にあるか否かを判断することができる。また、励起用LD２の出力光強度を監視信号源１２からの変調信号によって変調すれば、本信号によって光増幅装置間で制御用の各種情報を転送する手段として使用することが可能である。
【００２１】
励起用ＬＤ２は、監視信号源１２からの変調信号で変調するとともに、希土類ドープファイバの励起状態を制御するために平均出力強度を調整する必要がある。励起用ＬＤ２の変調方式の一例を図3および図４に示す。図3は、一定振幅の強度変調とバイアスを加算し、バイアス値を調整することで平均出力強度を変化させる方式である。図4は、励起用ＬＤ２をＯＮ／ＯＦＦ変調しその立ち上がり変化タイミングによって情報転送を行い、パルス幅を変化させることによって平均強度を調整するものである。
【００２２】
実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２を図５を用いて説明する。
図５の光増幅装置の構成は、図１の光増幅装置に励起光合波部１６と第２の励起用ＬＤ１５を追加し、第１の希土類ドープファイバ３をより強く励起することで高出力化を図ったものである。本構成では、第２の励起用ＬＤ１５から出射した励起光は、たとえば励起光のみを反射する誘電体多層膜フィルタなどの波長依存性をもった光結合器で構成された励起光合波部１６を介して、第２の希土類ドープファイバ５へ入射し、ファイバを励起する。第２の希土類ドープファイバ５を透過した励起光は光サーキュレータ１にて阻止される。第２の希土類ドープファイバ５のファイバ長は、この追加された励起光によって十分に励起できるため長く取ることができ、増幅後出力される信号光強度を増大することができる。
【００２３】
図5の構成では、出力信号光の光強度制御は、受光素子９で検出された信号光強度をフィードバックし、ＬＤ駆動部１７が励起用ＬＤ１５への注入電流を制御することによって行う。励起用ＬＤ２の出力強度は可能な限り大きな値とし、出力一定制御を行うことで第１の希土類ドープファイバ３における低雑音光増幅を行う。
【００２４】
励起用ＬＤ２を監視用信号源１２からの信号で変調することによって伝送路を監視する方法については、実施の形態１と同様である。
【００２５】
実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態３を図６を用いて説明する。
図６は、励起用ＬＤ１５から出力された励起光を光サーキュレータ１８を介して第２の希土類ドープファイバ５へ導くことを特徴とした光増幅装置の構成である。他の動作については実施の形態２と同じである。（従来技術と比較すると、ＷＤＭカプラや誘電体多層膜フィルタなどの波長依存性を持つ光結合器を使用せず、光の進行方向によって接続経路がかわる光サーキュレータのみで励起光の結合を行っている点が特徴的である。）
【００２６】
実施の形態４．
以下、この発明の実施の形態４を図７と図８を用いて説明する。
図７は実施の形態４による光増幅装置の構成を示す図で、図８は実施の形態４における伝送路監視装置を説明する図である。
本実施の形態は、一部の励起光を信号と同一方向に伝播させ、隣接ノードにおいて監視信号を検出することで伝送路の障害状態をモニタするものである。
励起用ＬＤ２から出射した励起光は、光サーキュレータ１を透過し、ファイバグレーティングなどで構成された励起光反射用光フィルタ２１で一部（例えば５％程度）が反射する。反射した励起光は再度光サーキュレータ１を透過し、光分岐手段８を透過して伝送路１４へ出力される。光伝送路１４を介して隣接する光増幅装置では、光分岐手段２２によって入力した光信号から励起光を分岐して受光素子２３で電気信号に変換し、伝送路モニタ部１３で励起光の変調成分を検出する。監視信号源１２から出力した監視信号を伝送路モニタ部１３で常時モニタする事によって、伝送路１４の断線や損失異常増加などの障害状態を検出することができる。
【００２７】
一方、励起光反射用光フィルタ２１を透過した大部分の励起光は希土類ドープファイバ２０へ後方から入射し、ファイバを励起する。光増幅装置へ入射した信号光は、励起された希土類ドープファイバ２０によって増幅される。増幅された信号光のレベルは出力部に配置された光分岐手段８で分岐され受光素子９でモニタされる。ＬＤ駆動部１１は、この検出値を用いて励起用ＬＤ２の注入電流をフィードバック制御し、光増幅装置の出力値を制御する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１による光増幅装置の構成を示す図である。
【図２】 実施の形態１における伝送路監視装置を説明する図である。
【図３】 伝送路監視用の監視信号によって変調された励起光強度の一例を示す。
【図４】 伝送路監視用の監視信号によって変調された励起光強度の一例を示す。
【図５】 実施の形態２による光増幅装置の構成を示す図である。
【図６】 実施の形態３による光増幅装置の構成を示す図である。
【図７】 実施の形態４による光増幅装置の構成を示す図である。
【図８】 実施の形態４における伝送路監視装置を説明する図である。
【図９】 従来の光増幅装置を示す構成図である。
【図１０】 従来のサービスチャネル通信および伝送路監視を実現した光増幅装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 光サーキュレータまたは第１の光サーキュレータ
２ 励起用ＬＤまたは第１の励起用ＬＤ
３ 第１の希土類ドープファイバ
４ 励起光反射用光フィルタ
５ 第２の希土類ドープファイバ
６ 励起光除去光フィルタ
７ 光アイソレータ
８ 光分岐手段
９ 第１の受光素子
１０ 第２の受光素子
１１ ＬＤ駆動部または第１のＬＤ駆動部
１２ 監視信号源
１３ 伝送路モニタ部
１４ 伝送路
１５ 第２の励起用ＬＤ
１６ 励起光合波部
１７ 第２のＬＤ駆動部
１８ 第２の光サーキュレータ
２０ 希土類ドープファイバ
２１ 励起光反射用光フィルタ
２２ 光分岐手段
２３ 第３の受光素子

Claims (6)

1. ポート１から入力した光をポート２へ出力し、ポート２から入力した光をポート３へ出力する光サーキュレータと、
   上記光サーキュレータのポート２に接続された第１の希土類ドープファイバと、
   上記光サーキュレータのポート１に接続され、上記第１の希土類ドープファイバへの励起光を出力する励起用レーザダイオード（以下、励起用ＬＤ）と、
   上記第１の希土類ドープファイバよりも入力側に接続され、励起光の波長のみを反射して、主信号を含む他の波長は透過する励起光反射用光フィルタと、
   上記光サーキュレータのポート３に接続された第２の希土類ドープファイバと、
   光出力レベルをモニタする、上記第２の希土類ドープファイバよりも出力側へ配置した光分岐手段と、
   上記光分岐手段で分岐した光強度をモニタする受光素子と、
   上記受光素子がモニタした検出レベルが規定の値になるように上記励起用ＬＤへ注入する平均電流値を制御するＬＤ駆動部と、を備え、
   上記第２の希土類ドープファイバは、上記第１の希土類ドープファイバを往復した後に残った上記励起用ＬＤからの励起光で励起されることを特徴とする光増幅装置。
2. ポート１から入力した光をポート２へ出力し、ポート２から入力した光をポート３へ出力する光サーキュレータと、
   上記光サーキュレータのポート２に接続された第１の希土類ドープファイバと、
   上記光サーキュレータのポート１に接続され、上記第１の希土類ドープファイバへの励起光を出力する第１の励起用レーザダイオード（以下、第１の励起用ＬＤ）と、
   上記第１の希土類ドープファイバよりも入力側に接続され、励起光の波長のみを反射して、主信号を含む他の波長は透過する励起光反射用光フィルタと、
   上記光サーキュレータのポート３に接続された第２の希土類ドープファイバと、
   光出力レベルをモニタする、上記第２の希土類ドープファイバよりも出力側へ配置した光分岐手段と、
   上記光分岐手段で分岐した光強度をモニタする受光素子と、
   上記第２の希土類ドープファイバと上記光分岐手段の間に接続され、励起光波長を上記第２の希土類ドープファイバ内へ結合する励起光合波部と、
   上記励起光合波部へ接続され、上記第２の希土類ドープファイバを励起する第２の励起用レーザダイオード（以下、第２の励起用ＬＤ）と、
   上記受光素子の検出レベルが規定の値になるように上記第２の励起用ＬＤへ注入する平均電流値を制御する第２のＬＤ駆動部と、
   励起光出力が一定になるように上記第１の励起用ＬＤの注入電流を制御する第１のＬＤ駆動部と、を備え、
   上記第２の希土類ドープファイバは、上記第１の希土類ドープファイバを往復した後に残った上記第１の励起用ＬＤからの励起光で励起されるとともに、上記第２の励起用ＬＤからの励起光で励起されることを特徴とする光増幅装置。
3. 上記励起光合波部の代わりに、第２の光サーキュレータを用いる請求項２に記載の光増幅装置。
4. ポート１から入力した光をポート２へ出力し、ポート２から入力した光をポート３へ出力する光サーキュレータと、
   上記光サーキュレータのポート２に接続された希土類ドープファイバと、
   上記光サーキュレータのポート１に接続され、上記希土類ドープファイバへの励起光を出力する励起用レーザダイオード（以下、励起用ＬＤ）と、
   上記希土類ドープファイバよりも入力側に接続され、励起光波長を一部分は透過して大部分を反射し、主信号を含む他の波長は反射せずに透過する励起光反射用光フィルタと、
   変調信号を出力する監視信号源と、
   上記監視信号源からの変調信号によって上記励起用ＬＤへの注入電流を変調するＬＤ駆動部と、
   出力ポートから信号光とは逆向きに入射する励起波長の信号光をモニタする光分岐手段と、
   上記光分岐手段で分岐された光信号を受光する受光素子と、
   上記受光素子で受信した信号を監視することにより、２つの光増幅装置間を接続する伝送路の接続状態を監視する伝送路モニタ部と、
   を備えたことを特徴とする光伝送路監視装置。
5. ポート１から入力した光をポート２へ出力し、ポート２から入力した光をポート３へ出力する光サーキュレータと、
   上記光サーキュレータのポート１に接続され、励起光を出力する励起用レーザダイオード（以下、励起用ＬＤ）と、
   上記光サーキュレータのポート２に接続され、励起光波長を一部分のみ反射して大部分は透過し、主信号を含む他の波長は反射せずに透過する励起光反射用光フィルタと、
   上記励起光反射用光フィルタよりも入力側に接続された希土類ドープファイバと、
   変調信号を出力する監視信号源と、
   上記監視信号源からの変調信号によって上記励起用ＬＤへの注入電流を変調するＬＤ駆動部と、
   入力ポートから信号光と同一方向に入射する励起波長の信号光をモニタする光分岐手段と、
   上記光分岐手段で分岐された光信号を受光する受光素子と、
   上記受光素子で受信した信号を監視することにより、２つの光増幅装置間を接続する伝送路の接続状態を監視する伝送路モニタ部と、
   を備えたことを特徴とする光伝送路監視装置。
6. 上記ＬＤ駆動部は、上記監視信号源からの変調信号のマーク率（１と０の比）を変化させることにより、上記励起用ＬＤの励起光の平均出力を調整することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の光伝送路監視装置。

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