JP3936958B2 - 増幅媒体性能シミュレーションの装置および方法並びに光増幅器 - Google Patents

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Description

本発明は、増幅媒体性能シミュレーションの装置および方法並びに光増幅器に関するものである。
近年のインターネットの急速な普及に伴うデータ通信トラフィックの急増を踏まえ、ネットワークの高速・大容量化のための技術である波長多重伝送技術や、この波長多重伝送技術によって伝送される各々の波長を一つの通信パスに見立てたネットワークであるフォトニックネットワークに関する技術が注目されている。
本発明は、フォトニックネットワークを構築する際に適用される増幅媒体の性能のシミュレーションを行なう際に用いて好適の、増幅媒体性能シミュレーションの装置および方法に関し、更にこの装置で得られたシミュレーション結果をもとに構成された光増幅器に関するものである。
近年、自由度の高い光ネットワーク（フォトニックネットワーク）実現への期待が高まる中、ネットワークを構成するノードでは、通信パスに見立てられた波長数が大幅に変化することに対応することが求められている。特に、ノードの構成要素となる光増幅器においては、大幅な波長配置・波長数変化に対応して、増幅特性の安定化を図ることが求められている。
波長配置・波長数を大幅に変化することが想定されない従来の光ネットワークシステムに用いられる増幅媒体、例えばＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）の波長特性は、単一バンド近似によって反転分布率のみに依存すると仮定できた（非特許文献１参照）。即ち、ＥＤＦＡの増幅帯域全域を一つの単位として、反転分布率の値に応じて波長特性（利得スペクトラム）を近似して把握することができた。
具体的には、図２４に示すように、ＥＤＦＡの増幅帯域（図中入力信号光信号の波長１５００ｎｍ〜１５８０ｎｍ）の全域にわたる波長特性としての相対利得係数分布のパターンを、反転分布率ごとに把握することができた。従って、Ｃバンド（Conventional Band）でのＥＤＦＡの波長平坦性は、反転分布率一定とする利得一定制御と、一定に制御された反転分布率に対応する相対利得係数分布に応じた利得等化制御とを組み合わせることで実現していた。
図２５に、波長配置・波長数を大幅に変化することが想定されない従来の光ネットワークシステムに用いられる光中継器１００の構成例を示す。この図２５に示す光中継器１００は、縦続接続された２段のＥＤＦＡ増幅部１０１−１，１０１−２の間に光減衰器（ＶＯＡ；Variable Optical Attenuator）１０２を挿入することによって構成されている。
また、各々のＥＤＦＡ増幅部１０１−１，１０１−２は、ともに、分岐カプラ１０１ａ，１０１ｂ，ＥＤＦＡ１０１ｃ，フォトダイオード（ＰＤ；Photo Diode）１０１ｄ，１０１ｅおよび制御回路１０１ｆをそなえて構成されている。これにより、各々のＥＤＦＡ増幅部１０１−１，１０１−２においては、フォトダイオード１０１ｄ，１０１ｅで入出力パワーをモニタし、制御回路１０１ｆにおける利得一定制御を受けてＥＤＦＡ１０１ｃで増幅された光信号を出力するようになっている。
また、例えば図２６に示すように、光中継器１００の入力パワーが第１レベルから第２レベルに変化したときは、各ＥＤＦＡ増幅部１０１−１，１０１−２での利得を一定に保ちつつ、可変光減衰器１０２の損失量を調整することで、光中継器１００の出力パワーを一定とするようにしている。
このとき、各ＥＤＦＡ増幅部１０１−１，１０１−２のＥＤＦＡ１０１ｃの増幅特性を、単一バンドで近似できる光ネットワークであると仮定すれば、各ＥＤＦＡ１０３ｃの利得を一定に保持することから利得波長特性は常に一定となり、ＥＤＦＡ増幅部１０１−１，１０１−２の後段に損失特性が適当に設計された利得等化器を設けることによって、入力パワーによらず光中継器１００の利得波長特性を平坦にすることができる。
つまり、従来の光中継器においては、波長配置・波長数を大幅に変化することが想定されない光ネットワークシステムに適用することを想定していたため、ＥＤＦＡ増幅部１０１−１，１０１−２後段に配置される利得等化器は、上述のごとき増幅媒体の波長特性を単一バンド近似することを前提として設計されていたのである。
しかしながら、近年要求されているような、波長配置・波長数が大幅に変化する光ネットワークにおいては、特に光波長が狭い帯域に集中する波長配置となった場合などでは、波長領域における局所的な利得飽和現象のスペクトラルホールバーニング（ＳＨＢ；Spectral-Hole Burning）の影響による利得偏差が無視できなくなる。このＳＨＢによる影響は、光ネットワーク中において想定される波長配置に従って異なってくるため、装置設計にあたっては予め想定される波長配置に応じたＳＨＢに起因する利得偏差について解析しておく必要がある。
図２７は、ＥＤＦＡについてのＳＨＢによる利得偏差特性を示している。１５４０ｎｍの飽和信号（ＥＤＦＡの利得が飽和する信号）を入力した飽和状態の利得波長特性Ａと、飽和信号が入力していない非飽和状態の利得波長特性Ｂとを比較すると、飽和状態では、飽和信号波長周辺および１５３０ｎｍ周辺の利得が減少して（特性Ａ，Ｂ間の利得差Ｃ参照）、ホールを形成していることが確認できる。
そして、この現象は、不均一拡がりを持った利得媒体の局所的な利得飽和現象によって発生する。従来の単一バンド近似では、この局所的な利得波長特性の変化は無視されている。
これに対し、ＳＨＢを考慮したＥＤＦＡモデルとして、不均一拡がりによって形成される準位間の吸収・発光過程および飽和過程をそれぞれ独立に扱ったモデル（非特許文献２参照）や、単一バンド近似によって得られた利得波長特性から別途測定結果から導出したＳＨＢによる利得変動量を加えるモデルが報告されている（非特許文献３参照）。
また、本願発明に関連する技術として、以下に示す特許文献１および特許文献２に記載された技術もある。
しかしながら、非特許文献２に記載された技術では、利得偏差の解析のための計算式が非常に複雑であり、処理に時間がかかるという課題を持つ。また、非特許文献３に記載された技術では、信号波長周辺についてしか考慮されておらず１５３０ｎｍ周辺の利得変動をモデル化できないという課題を持っている。
また、増幅媒体の増幅特性を測定する手法としては、上述のごとく、数値計算によって計算する手法のほか、実際に構成された光増幅器から増幅特性を測定する手法（ハードウェアシミュレーション）がある。しかし、ハードウェアシミュレーションによっては、光中継器の広い動作条件全てについて測定を行なうのは時間や手間がかかるという課題もある。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、簡略な近似計算式を導入することにより、短時間で且つ信号波周辺以外の利得変動をモデル化できるようにした、増幅媒体性能シミュレーションの装置および方法並びに光増幅器を提供することを目的とする。
C.R.Giles, et al., "Modeling Erbium Doped Fiber Amplifiers," IEEE J.of Lightwave Tchnol., pp.271-283, vol. 9, no.2, Feb, 1991. E. Desurvire, "ERBIUM-DOPED FIBER AMPLIFIERS Principles and Applications," John Wiley & Sons, Inc., Chapter4, 1994 T. Aizawa, et al, "Effect of Spectral-Hole Burning on Multi Channel EDFAGain Profile, "OFC'99, WG1, 1999 特開２０００−２６０１７８号公報 特開２０００−２６１０７９号公報
前記の目的を達成するために、本発明の増幅媒体性能シミュレーション装置は、励起光源からの励起光により励起されて、信号光を増幅する増幅媒体の性能のシミュレーションを行なう増幅媒体性能シミュレーション装置であって、増幅媒体についての基本データを保持する基本データ保持部と、前記シミュレーションの対象となる増幅媒体に入力すべき入力信号光に関する情報として、前記入力信号光の波長値および光パワー値について保持する入力信号光情報保持部と、前記の基本データ保持部および入力信号光情報保持部にて保持された内容を用いて、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における複数準位によって構成される始準位の局所的なイオン分布の変動について、入力信号の波長および該増幅媒体の特有の波長に相当する準位のイオン分布変動を算出し、該増幅媒体中から出力される出力信号光パワーを信号光波長ごとに近似算出して、この算出結果を該増幅媒体の性能のシミュレーション結果として出力するシミュレーション実行部とをそなえて構成されたことを特徴としている。
また、シミュレーション実行部は、増幅媒体中の長手方向座標の位置に応じた信号光パワーに基づく反転分布率を算出する反転分布率算出部と、該反転分布率算出部にて算出された前記反転分布率と、前記の基本データ保持部および入力信号光情報保持部にて保持された内容とを用いて、前記入力信号光の入力により該増幅媒体の始準位のイオン分布が波長領域において局所的に変動することによって生じうる反転分布率の変化量を、前記入力信号光の波長および該増幅媒体の長手方向位置の関数として算出する反転分布率変化量算出部と、該反転分布率変化量算出部にて算出された反転分布率の変化量と、前記の基本データ保持部および入力信号光情報保持部にて保持された内容と、を用いて定められた微分方程式から、該増幅媒体における信号光入力端から該増幅媒体中を伝搬する信号光についての光パワーの変化を、前記信号光入力端を起点として信号光出力端まで微小伝搬範囲を単位として算出してゆく信号光パワー変化算出部と、該入力信号光情報保持部にて保持された前記入力信号光のパワー値に、該信号光パワー変化算出部にて算出される前記微小伝搬範囲での光パワーの変化を、前記信号光入力端を起点として信号光出力端まで順次加算していくことにより、該増幅媒体中を伝搬する信号光の長手方向座標の位置に応じた信号光パワーを、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における始準位のイオン分布の波長領域における局所的な変動分を含めて算出する信号光パワー算出部と、該信号光パワー算出部にて算出された、前記信号光出力端から出力される信号光のパワーの算出結果を、該増幅媒体の性能のシミュレーション結果として出力処理を行なう出力処理部をそなえて構成することができる。
さらに、好ましくは、該反転分布率変化量算出部においては、前記反転分布率の変化量を算出する関数として、少なくとも一つ以上のガウシアン関数を用いる。
また、該反転分布率変化量算出部が、該反転分布率の変化量を、利得飽和状態の第１波長帯を中心とする第１関数を演算する第１関数演算部と、該増幅媒体に特有の第２波長帯を中心とする関数からなる第２関数を演算する第２関数演算部と、該第１関数演算部および第２関数演算部からの算出結果について加算する加算部とをそなえて構成することとしてもよい。
また、好ましくは、該第１関数演算部で演算される該第１関数が、該入力信号光の波長に応じて与えられるガウシアン関数の総和により構成され、該第２関数演算部で演算される該第２関数が、複数のガウシアン関数の総和により構成することができる。
この場合においては、該第１関数をなす該入力信号光の波長に応じて与えられるガウシアン関数は、中心波長を該入力信号光の波長とし、半値全幅を該増幅媒体に応じた値として定められるとともに、該第２関数をなす各ガウシアン関数は、中心波長を該増幅媒体に特有の第２波長帯とし、半値全幅を該増幅媒体に応じた値として定められ、且つ、該第１関数および第２関数における各ガウシアン関数の半値全幅を、該基本データ保持部にて保持しておくようにすることができる。
さらに、前記の第１又は第２関数をなす各ガウシアン関数の深さは、前記入力信号光の総パワーの増加に伴って増加し、一定値以上で飽和する深さ関数で定義されるようにしてもよい。
この場合において、前記の第１関数をなす該入力信号光の波長に応じて与えられる各ガウシアン関数についての深さ関数を、該入力信号光の波長λｉと、該入力信号光の波長λｉについての該増幅媒体の長手方向座標ｚにおける光パワーＰｉ（ｚ）と、該増幅媒体の長手方向座標ｚにおける入力信号光の総パワーＰtotal（ｚ）とを変数とする関数で定義し、前記の第２関数をなす各ガウシアン関数についての深さ関数を、前記第２波長帯の波長λｊと、該増幅媒体の長手方向座標ｚにおける、入力信号光の総パワーＰtotal（ｚ）および該増幅媒体の反転分布率ｎ（ｚ）とを変数とする関数で定義し、且つ、該第１および第２関数をなす各ガウシアン関数についての深さ関数を定める係数を、該基本データ保持部にて保持しておくようにすることができる。
また、該基本データ保持部を、該増幅媒体の基本データとして、少なくとも該増福媒体についての全長と、入力信号光波長についての関数式で表される利得係数ｇ（λ），吸収係数α（λ）および損失ｌ（λ）とともに、該増幅媒体における前記始準位のイオン分布の波長領域における局所的な変動を加味しない反転分布率ｎ（ｚ）を保持するように構成し、該信号光パワー変化算出部を、該信号光パワー算出部にて算出される該増幅媒体中を伝搬する信号光の長手方向座標の位置に応じた信号光パワーから前記反転分布率ｎ（ｚ）を計算するとともに、前記反転分布率ｎ（ｚ）と、該反転分布率変化量算出部にて算出された反転分布率の変化量Δｎ（λ，ｚ）と、該基本データ保持部にて保持されている前記基本データとを用いた、該増幅媒体の長手方向に対して長さの微小単位ごとの光パワー変化
ｄＰ（ｚ）／ｄｚ＝
[（ｇ（λ）＋α（λ））（ｎ（ｚ）＋Δｎ（λ，ｚ））−（α（λ）＋ｌ（λ））]・Ｐ（ｚ）
を用いることにより、該増幅媒体の長手方向座標ｚの位置を伝搬する信号光についての光パワーの微少変化を算出していくようにすることもできる。
また、好ましくは、シミュレーション実行部を、スペクトラルホールバーニングによって生じる信号光波長間の利得偏差を近似算出するように構成する。
さらに、本発明の増幅媒体性能シミュレーション方法は、励起光源からの励起光により
励起されて、信号光を増幅する増幅媒体の性能のシミュレーションを行なう増幅媒体性能シミュレーション方法であって、前記信号光の入力による該増幅媒体における複数準位によって構成される始準位の局所的なイオン分布の変動について、入力信号の波長および該増幅媒体の特有の波長に相当する準位のイオン分布変動を算出することにより、前記信号光の入力により該増幅媒体の始準位のイオン分布が波長領域において局所的に変動することによって生じうる反転分布率の変化量を算出する反転分布率変化量算出ステップと、該反転分布率変化量算出ステップにて算出された反転分布率の変化量によって補正された補正後反転分布率に基づく該増幅媒体の伝搬方程式をもとに、該増幅媒体の信号光入力端から該増幅媒体中を伝搬する信号光についての光パワーの変化を、前記信号光入力端を起点として信号光出力端まで微小伝搬範囲を単位として算出してゆく光パワー変化算出ステップと、前記入力信号光のパワー値に、該光パワー変化算出ステップにて算出される前記微小伝搬範囲での光パワーの変化を、前記信号光入力端を起点として信号光出力端まで順次加算していくことにより、該増幅媒体中から出力される出力信号光パワーを、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における始準位のイオン分布の波長領域における局所的な変動分を含めて算出する出力信号光パワー算出ステップと、該出力信号光パワー算出ステップにて算出された算出結果を該増幅媒体の性能のシミュレーション結果として出力処理を行なう出力処理ステップと、をそなえて構成されたことを特徴としている。
また、本発明の光増幅器は、励起光を出力する励起光源と、該励起光源からの励起光により励起されて、入力信号光を増幅する信号光増幅媒体と、該信号光増幅媒体から出力された出力信号光の利得を等化する利得等化器とをそなえ、該利得等化器の利得等化特性が、励起光源からの励起光により励起されて、信号光を増幅する増幅媒体の性能のシミュレーションを行なう増幅媒体性能シミュレーション装置であって、該増幅媒体についての基本データを保持する基本データ保持部と、前記シミュレーションの対象となる増幅媒体に入力すべき入力信号光に関する情報として、前記入力信号光の波長値および光パワー値について保持する入力信号光情報保持部と、前記の基本データ保持部および入力信号光情報保持部にて保持された内容を用いて、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における複数準位によって構成される始準位の局所的なイオン分布の変動分について、入力信号の波長および該増幅媒体の特有の波長に相当する準位のイオン分布変動を算出し、該増幅媒体中から出力される出力信号光パワーを信号光波長ごとに近似算出して、この算出結果を該増幅媒体の性能のシミュレーション結果として出力するシミュレーション実行部とをそなえて構成された増幅媒体性能シミュレーション装置から出力された前記シミュレーション結果に基づいて、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における始準位のイオン分布の変動による利得偏差が補償されるように設計されていることを特徴している。
また、本発明の光増幅器は、励起光を出力する励起光源と、該励起光源からの励起光により励起されて、入力信号光を増幅する信号光増幅媒体と、該励起光源を制御する励起光源制御部とをそなえ、該励起光源制御部が、励起光源からの励起光により励起されて、信号光を増幅する増幅媒体の性能のシミュレーションを行なう増幅媒体性能シミュレーション装置であって、該増幅媒体についての基本データを保持する基本データ保持部と、前記シミュレーションの対象となる増幅媒体に入力すべき入力信号光に関する情報として、前記入力信号光の波長値および光パワー値について保持する入力信号光情報保持部と、前記の基本データ保持部および入力信号光情報保持部にて保持された内容を用いて、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における複数準位によって構成される始準位の局所的なイオン分布の変動分について、入力信号の波長および該増幅媒体の特有の波長に相当する準位のイオン分布変動を算出し、該増幅媒体中から出力される出力信号光パワーを信号光波長ごとに近似算出して、この算出結果を該増幅媒体の性能のシミュレーション結果として出力するシミュレーション実行部とをそなえて構成された増幅媒体性能シミュレーション装置から出力された前記シミュレーション結果に基づいて、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における始準位のイオン分布の変動による利得偏差が補償されるように該励起光源を制御することを特徴としている。
この場合においては、該励起光源制御部を、前記入力信号光および出力信号光のパワーをモニタする第１パワーモニタと、該増幅媒体を伝搬する信号光の波長配置情報を取得する波長配置情報取得部と、該第１パワーモニタにてモニタされた前記入出力信号光のパワーから、利得が一定となるように、該励起光源を制御するための信号を出力する利得一定制御部と、該波長配置情報取得部にて取得された波長配置情報をもとに、前記スペクトルホールバーニングによる波長帯における利得偏差を減少させるように、該利得一定制御部における該励起光源に対する制御量を補正する補正部と、をそなえて構成してもよい。
また、該波長配置情報取得部を、該増幅媒体に入力または出力される信号光の波長配置をモニタするスペクトルアナライザにより構成したり、該信号光とともに伝送される制御信号光から、波長配置情報を取得するように構成したりすることができる。
また、励起光源制御部を、該増幅媒体性能シミュレーション装置により得られた前記シミュレーション結果をもとに分割された複数の帯域ごとに、前記の入力信号光および出力信号光のパワーをそれぞれ取得する第２パワーモニタと、該第２パワーモニタにて取得した各帯域の入力信号光および出力信号光のパワーをもとに、前記各帯域の平均利得が一致するように、該励起光源を制御するための信号を出力する平均利得一定制御部と、をそなえて構成することもできる。
このように、本発明の増幅媒体性能シミュレーションの装置および方法によれば、シミュレーション実行部において、簡略な近似計算式を導入することにより、短時間の処理で、増幅媒体の長手方向に対して長さの微小単位ごとに始準位の波長領域における局所的なイオン分布の変動によって生じる利得偏差を、信号波周辺以外での利得偏差を含んでシミュレーション結果として出力することができる利点がある。
また、本発明の光増幅器によれば、本発明の増幅媒体性能シミュレーション装置のシミュレーション実行部から短時間の処理で得られる高精度のシミュレーション結果に基づいて、増幅媒体における始準位の波長領域における局所的なイオン分布の変動による利得偏差が補償されるように、励起光源制御部で励起光源を制御したり、利得等化器を設計したりすることができるので、利得一定制御の安定度を飛躍的に高めることができる利点がある。
特に、信号光の波長配置がダイナミックに変動しうるフォトニックネットワークにおけるノードの構成要素となる光増幅器において、大幅な波長配置・波長数変化に対応して、増幅特性の安定化を図ることができる利点がある。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（ａ）本発明の第１実施形態の説明
図１は本発明の第１実施形態にかかる増幅媒体性能シミュレーション装置１を示すブロック図であり、この図１に示す増幅媒体性能シミュレーション装置１は、信号光を増幅する増幅媒体の性能をシミュレーションするものであって、特に、フォトニックネットワークを構成する装置に適用される光増幅器における増幅媒体の出力パワー特性および利得特性の性能についてシミュレーションを実行することができるものである。
すなわち、波長配置・波長数が大幅に変化する光ネットワークに適用することを想定した光増幅器を設計する際に、この増幅媒体性能シミュレーション装置１で得られるシミュレーション結果により、評価対象となる増幅媒体についての利得波長特性を正確に把握することで、入出力パワー特性や利得等化器の特性を、利得平坦性を確保できるように設計することができるようになっている。
なお、増幅媒体性能シミュレーション装置１において、シミュレーションを実行する対象となる増幅媒体として、例えばＥＤＦＡを用いることができる。以下においては、増幅媒体としてＥＤＦＡを使用する場合について述べるが、これ以外の増幅媒体を使用することを妨げるものではない。
そして、第１実施形態における増幅媒体性能シミュレーション装置１においては、ＥＤＦＡの基本データと入力信号光の情報を与えることによって、前述のＳＨＢによって生じるＥＤＦＡの利得偏差特性についてシミュレートすることができるようになっている。以下においては、この増幅媒体性能シミュレーション装置１において、ＳＨＢによって生じるＥＤＦＡの利得偏差特性を算出する原理について説明する。
前述の図２７に示したように、ＥＤＦＡにおける利得飽和状態の波長レベルでの不均一拡がりの影響は、特に信号光波長と１５３０ｎｍ帯において強いことがわかる。本実施形態にかかる増幅媒体性能シミュレーション装置１においては、この不均一拡がりが特に強い帯域についての影響に着目して反転分布率の変化量を算出するようになっている。以下においては、信号光波長に発生する利得変動をメインホールとし、１５３０ｎｍ近辺に発生する利得変動をセカンドホールと呼ぶこととする。
図２および図３は、本実施形態にかかる装置１における演算処理について説明するための図である。ある波長におけるＳＨＢによる利得変動は、その光波長に相当する遷移の始準位のＥｒ3+イオン数が変化、即ち反転分布率が平均値から変化することによって起こる。
そこで、ＥＤＦ５０の長手方向についての座標ｚから微小部分Δｚ（図２参照）だけ信号光が伝搬した場合における、ＳＨＢによる利得変動を引き起こす反転分布率変化量をΔｎSHBとすると、この微小部分Δｚでの光パワーＰ（ｚ+Δｚ）は、式（１）に示すようになる。この式（１）中において、ｎはＥＤＦ５０の長手方向座標ｚにおける反転分布率、Ｐ（ｚ）はＥＤＦ５０の長手方向座標ｚにおける信号光パワー、Ｇ（ｎ）は、反転分布率ｎの場合でのＥＤＦ５０の利得を示している。
Ｐ（ｚ+Δｚ）＝Ｐ（ｚ）＋Ｇ（ｎ+ΔｎSHB）×Ｐ（ｚ） …（１）
そして、ＥＤＦ５０の伝搬方程式は、式（２）に示すように表すことができる。尚、式（２）においては、反転分布率ｎを、ＥＤＦ５０の長手方向座標ｚに応じた関数値ｎ（ｚ）とし、ΔｎSHBの値をＥＤＦ５０の長手方向座標ｚとともに信号光波長λの関数として表記している。
ｄＰ（ｚ）／ｄｚ＝
[（ｇ（λ）＋α（λ））（ｎ（ｚ）＋ΔｎSHB（λ，ｚ））−（α（λ）＋ｌ（λ））]・Ｐ（ｚ）
…（２）
ここで、式（２）中において、ｇ（λ）はＥＤＦ５０における利得係数、α（λ）は吸収係数、ｌ（λ）は損失で、それぞれ信号光の波長λに応じた関数として予め与えられるものである。この式（２）から、ＥＤＦ５０の長手方向座標ｚにおける光パワーの微少変化量ｄＰ（ｚ）／ｄｚは、当該座標ｚにおける光パワーＰ（ｚ）およびｎ（ｚ）+ΔｎSHB
を得ることで求めることができる。尚、ｎ（ｚ）については、ＥＤＦＡの長手方向座標ｚでの光パワーＰ（ｚ）をもとに、公知の計算式によって得ることができる（前述の非特許文献１中の式（１４）を参照）。
また、メインホールの原因となる信号光波長帯での反転分布率の変化と、セカンドホールの原因となる１５３０ｎｍ近辺での反転分布率の変化に着目することにより、式（２）におけるΔｎSHB（λ，ｚ）を、式（３）のように表すことができる。
Figure 0003936958
上述の式（３）は、メインホールおよびセカンドホールに対応する反転分布率の変化を表すガウシアン関数を足し合わせた構成となっている。
また、メインホールに対応する反転分布率変化の項（後述の第１関数）は、信号光として伝送すべき信号光波長（チャンネル）ごとに１種類のガウシアン関数で表された反転分布率の変化分の総和によってモデル化されている。更に、セカンドホールに対応する反転分布率変化の項（後述の第２関数）は、信号光波長に依存しない複数（ｊ個）のガウシアン関数の和によってモデル化している。
たとえば、信号光波長を１波長とした場合においては、図３に示すように、メインホールに対応する反転分布率の変化は、信号光波長（又は飽和信号波長）を中心波長とする単一のガウシアン関数Ｇ１として表すことができ、セカンドホールに対応する反転分布率の変化は１５３０ｎｍ帯の波長を中心波長とする２つのガウシアン関数Ｇ２，Ｇ３の足し合わせによって表すことができる。
ここで、式（３）において、第１項はメインホール、第２項はセカンドホールを表している。ここで、λiはチャンネルｉの信号光波長、λjはセカンドホールのガウシアン関数の中心波長、Ｐi（ｚ）は座標ｚの位置を伝播するチャンネルｉの信号パワー、Ｐtotal（ｚ）は座標ｚの位置を伝播する信号光の総パワー、ＢＷiおよびＢＷjは各ガウシンアン関数の半値全幅である。
また、Ｃ（λi，Ｐi（ｚ），Ｐtotal（ｚ））はチャンネルｉの信号光によって形成されるメインホールの深さを決定する深さ関数であり、Ｄj（λj，Ｐtotal（ｚ），ｎ（ｚ））はセカンドホールの深さを決定する深さ関数であって、ともに座標ｚの位置を伝搬する信号光の総パワーの増加にともない深さが増加し、パワーが一定値以上で飽和する関数を用いることができる。
これらの関数Ｃ（λi，Ｐi（ｚ），Ｐtotal（ｚ）），Ｄj（λj，Ｐtotal（ｚ），ｎ（ｚ））としては、例えばそれぞれ以下に示す式（４），（５）に示すように表すことができる。
Figure 0003936958
上述の式（２）および（３）の関係から、信号光がＥＤＦ５０に入力される時点でのパワー（Ｐi（０））をもとに、ｎ（ｚ）とともに式（３）におけるΔｎSHB（λ，０）の値を計算し、計算されたΔｎSHB（λ，０）を式（２）に用いることにより、ＥＤＦ５０の信号光入力端の微小部分Δｚの位置を伝搬するときの光パワーの微少変化を算出することができる。
さらに、上述のごとく算出された光パワーの微少変化を、入力信号光パワーＰ i（０）に加えて、位置Δｚの位置を伝搬する信号光パワーＰi（Δｚ）とすることができる。これにより、ＥＤＦ５０の長手方向座標ｚ＝Δｚから微小部分Δｚだけ更に信号光が伝搬した場合における光パワー変化についても、上述の場合と同様に計算することができる。
このようにして、上述したような計算を繰り返していくことで、ＥＤＦ５０の信号光入力端（ｚ＝０）から出力端（ｚ＝Ｌ）における長手方向座標ｚから微小部分Δｚだけ更に信号光が伝搬した場合における光パワー変化を計算することができる。そして、信号光がＥＤＦ５０の出力端位置から出力される時点での光パワーについても最終的に算出することができる。
すなわち、式（２）および（３）の演算処理によって、信号光波長ごとのＥＤＦ５０による増幅後の光パワーを得ることができるので、入力信号光パワーと、上述のごとく算出される信号光波長ごとの光パワーとから、ＥＤＦ５０の信号光波長ごとに利得偏差利得特性を算出することができるのである。
ついで、本実施形態にかかる増幅媒体性能シミュレーション装置１において、ＥＤＦＡの基本データと入力信号光の情報に基づき、上述のような原理に従って、ＳＨＢによって生じるＥＤＦＡの利得偏差特性についてシミュレートするための構成について説明を進める。
増幅媒体性能シミュレーション装置１は、図１に示すように、キーボード等からなる入力インタフェース（入力ＩＦ）１０，ハードディスクまたはメモリからなる記憶部２０，ＣＰＵ（Central Processing Unit）等からなる演算処理部３０およびディスプレイまたはプリンタ等からなる出力インタフェース４０をそなえて構成されている。
これにより、増幅媒体性能シミュレーション装置１においては、入力インタフェース１０を通じて、評価対象とするＥＤＦＡについての基本データとＥＤＦＡに入力すべき入力信号光に関する情報とを入力して、記憶部２０でこれらの基本データおよび入力信号光情報を保持するとともに、記憶部２０に記憶されたデータを用いた演算処理部３０での演算処理を通じて、ＥＤＦＡの性能のシミュレーション結果について算出し、出力インタフェース４０を通じて出力するようになっている。
ここで、記憶部２０は、特性評価の対象のＥＤＦＡについての基本データを保持する基本データ保持部２１と、特性評価の対象となるＥＤＦＡに入力すべき入力信号光に関する情報としての入力信号光の波長値および光パワー値について保持する入力信号光情報保持部２２と、をそなえている。
なお、上述の入力インタフェース１０から入力され基本データ保持部２１にて保持されるＥＤＦＡについての基本データとしては、例えば、特性評価の対象となるＥＤＦＡのファイバ長Ｌ，ファイバ径とともに、採用するＥＤＦＡによって特定される、上述の演算処理部３０での演算処理において使用する係数，定数又は公知の関数情報等を含めることができる。
すなわち、上述の式（２）〜（５）における演算処理において用いられる利得係数ｇ（λ），吸収係数α（λ），損失ｌ（λ），反転分布率ｎ（ｚ）や、セカンドホールに対応する反転分布率のガウシアン関数式における中心波長λj，各ガウシアン関数の半値全幅ＢＷi，ＢＷj，各ガウシアン関数の深さ関数の係数ｃ1〜ｃ4，ｄ1，ｄ2,j，ｄ3,jを、上述の基本データ保持部２１においてＥＤＦ５０の基本データとして保持しておくことができるようになっている。
また、増幅媒体性能シミュレーション装置１においては、ＥＤＦＡに波長多重信号光を入力した場合にも対応して、ＳＨＢによる利得特性の変化を算出することができる。この場合においては、入力信号光情報保持部２２において保持する入力信号光情報としては、波長多重された信号光をなす各波長データ，各波長の信号光のパワーおよび波長多重された入力信号光の総パワーについてのデータを保持しておく。
演算処理部３０は、記憶部２０に記憶されたプログラムを実行し実行結果について出力インタフェース４０に出力するものであって、シミュレーション実行部３１としての機能を有している。即ち、シミュレーション実行部３１としての機能は、図示しない記憶媒体に記憶されたプログラムを記憶部２０に展開して、このプログラムを演算処理部３０で実行することにより実現することができる。
また、シミュレーション実行部３１は、基本データ保持部２１および入力信号光情報保持部２２にて保持された内容を用いて、入力信号光の入力により評価対象とするＥＤＦＡの始準位のイオン分布の変動分を含めて、ＥＤＦＡから出力される信号光パワーを信号光波長ごとに近似算出するものであり、この算出結果を、ＥＤＦＡの性能のシミュレーション結果として出力するようになっている。
さらに、シミュレーション実行部３１は、反転分布率変化量算出部３１−１，信号光パワー変化算出部３１−２，信号光パワー算出部３１−３，補正前反転分布率算出部３１−４および出力処理部３１−５をそなえて構成されている。
ここで、反転分布率変化量算出部３１−１は、後述の補正前反転分布率算出部３１−４にて算出された反転分布率と、基本データ保持部２１および入力信号光情報保持部２２にて保持された内容とを用いて、入力信号光の入力によりＥＤＦ５０の始準位のイオン分布が変動することによって生じうる反転分布率の変化量を算出するものである。
具体的には、反転分布率変化量算出部３１−１においては、この反転分布率の変化量を、中心波長と幅を持つ山又は谷形の形状を有する少なくとも一つ以上の波長関数を用いた演算を通じ、入力信号光の波長およびＥＤＦ５０の長手方向座標の関数として算出するようになっている。
また、信号光パワー変化算出部３１−２は、反転分布率変化量算出部３１−１にて算出された反転分布率の変化量と、基本データ保持部２１および入力信号光情報保持部２２にて保持された内容とを用いて定められた微分方程式とから、ＥＤＦ５０における信号光入力端からＥＤＦ５０中を伝搬する信号光についての光パワーの変化を、信号光入力端を起点として信号光出力端まで微小伝搬範囲を単位として算出してゆくものである。
これにより、信号光パワー変化算出部３１−２においては、基本データ保持部２１および入力信号光情報保持部２２にて保持されている内容を用いることにより、上述の式（２）における係数データないし定数データを取得して、ＥＤＦ５０の長手方向座標ｚの位置を伝搬する信号光についての光パワー変化を算出することができるようになっている。
また、反転分布率変化量算出部３１−１においては、基本データ保持部２１および入力信号光情報保持部２２にて保持されている内容を用いることにより、上述の式（３）〜（５）における係数データないし定数データを取得して、上述の信号光パワー変化算出部３１−２における計算で使用する反転分布率の変化量ΔｎSHBを算出することができるようになっている。
すなわち、反転分布率変化量算出部３１−１は、反転分布率の変化量を、利得飽和状態の第１波長帯（信号光波長帯）を中心とする第１関数としての式（３）の第１項を演算する第１関数演算部３１１と、ＥＤＦＡに特有の第２波長帯（１５３０ｎｍ帯）を中心とする関数からなる第２関数としての式（３）の第２項を演算する第２関数演算部３１２と、第１関数演算部３１１および第２関数演算部３１２からの算出結果について加算する加算部３１３とをそなえて構成されている。
また、第１関数演算部３１１で演算される第１関数が、入力信号光の波長λiに応じて与えられるガウシアン関数の総和により構成され、第２関数演算部３１２で演算される第２関数が、複数の（式（３）においてはｊ個の）ガウシアン関数の総和により構成されている。
さらに、第１関数をなす入力信号光の波長に応じて与えられるガウシアン関数は、中心波長を入力信号光の波長λiとし、半値全幅ＢＷiをＥＤＦＡに応じた値として定められるとともに、第２関数をなす各ガウシアン関数は、中心波長を増幅媒体に特有の第２波長帯（１５３０ｎｍ帯）とし、半値全幅ＢＷjをＥＤＦＡに応じた値として定められ、且つ、第１関数および第２関数における各ガウシアン関数の半値全幅ＢＷi，ＢＷjを、基本データ保持部２１にて保持しておくように構成されている。
また、第１関数をなす各ガウシアン関数の深さは、入力信号光の総パワーの増加に伴って増加し、一定値以上で飽和する深さ関数Ｃ（式（４）参照）で定義され、第２関数をなす各ガウシアン関数の深さについても、入力信号光の総パワーの増加に伴って増加し、一定値以上で飽和する深さ関数Ｄ（式（５）参照）で定義される。
すなわち、第１関数をなす入力信号光の波長に応じて与えられる各ガウシアン関数についての深さ関数は、前述の式（４）に示すように、入力信号光の波長λiと、入力信号光の波長λiについてのＥＤＦＡの長手方向座標ｚにおける光パワーＰi（ｚ）と、ＥＤＦＡの長手方向座標ｚの位置を伝搬する信号光の総パワーＰtotal（ｚ）とを変数とする関数で定義される。
また、第２関数をなす各ガウシアン関数についての深さ関数は、前述の式（５）に示すように、第２波長帯の波長λjと、ＥＤＦＡの長手方向座標ｚの位置を伝搬する信号光の総パワーＰtotal（ｚ）およびＥＤＦＡの反転分布率ｎ（ｚ）とを変数とする関数で定義される。
さらに、信号光パワー算出部３１−３は、入力信号光情報保持部２２にて保持された入力信号光のパワー値に、信号光パワー変化算出部３１−２にて算出される微小伝搬範囲での光パワーの変化を、ＥＤＦＡにおける信号光入力端を起点として信号光出力端まで順次加算していくことにより、ＥＤＦＡ中を伝搬する信号光の長手方向座標ｚの位置に応じた信号光パワーを、入力信号光の入力によるＥＤＦＡにおける始準位のイオン分布の変動分を含めて算出するものである。
補正前反転分布率算出部３１−４は、光パワー変化を算出する際に用いる、ＥＤＦＡにおける始準位のイオン分布の変動を加味しない反転分布率ｎ（ｚ）を補正前反転分布率として算出するものである。具体的には、上述の信号光パワー算出部３１−３にて算出されるＥＤＦＡ中を伝搬する信号光の長手方向座標の位置に応じた信号光パワーをもとに、基本データ保持部２１にて保持されているｎ（ｚ）の式を用いることにより算出するものである。
これにより、信号光パワー変化算出部３１−２においては、補正前反転分布率算出部３１−４において算出された反転分布率ｎ（ｚ）と、反転分布率変化量算出部３１−１にて算出された反転分布率の変化量Δｎ（λ，ｚ）と、基本データ保持部２１にて保持されている前述の基本データとをもとにして、前述の式（２）を用いることにより、ＥＤＦＡの長手方向に対して長さの微小単位ごとの光パワーの微少変化ｄＰ（ｚ）／ｄｚを算出する。
さらに、出力処理部３１−５は、信号光パワー算出部３１−３にて算出された、ＥＤＦＡにおける信号光出力端から出力される信号光パワーの算出結果を、ＥＤＦＡの性能のシミュレーション結果として出力処理を行なうものである。
上述の構成により、本発明の第１実施形態にかかる増幅媒体性能シミュレーション装置１における動作を、図４に示すフローチャートを用いて以下に説明する。
まず、入力インタフェース１０を通じて、入力パラメータとして、前述のＥＤＦＡの基本データと、入力信号光に関するデータ（波長データおよび入力信号光パワー）とを取得し（ステップＳ１）、ＥＤＦＡの基本データについて基本データ保持部２１で保持しておくとともに、入力信号光データは入力信号光情報保持部２２にて保持しておく。
ついで、反転分布率変化量算出ステップとして、信号光の入力によりＥＤＦＡの始準位のイオン分布が変動することによって生じうる反転分布率の変化量ΔｎSHBを算出する。
まず、補正前反転分布率算出部３１−４では、入力信号光情報保持部２２において保持されている入力信号光情報をもとに、ＥＤＦ５０の信号光入力端における補正前反転分布率としてのｎ（ｚ＝０）を算出する。
そして、反転分布率変化量算出部３１−１において、上述のｎ（ｎ＝０）とともに基本データ保持部２１および入力信号光情報保持部２２にて保持されているデータをもとに、上述の式（３）を用いることにより、ΔｎSHB（λ，０）の値を計算する。
そして、光パワー変化算出ステップとして、反転分布率変化量算出ステップにて算出された反転分布率の変化量によって補正された補正後反転分布率に基づくＥＤＦＡの伝搬方程式をもとに、ＥＤＦＡの信号光入力端から該増幅媒体中を伝搬する信号光についての光パワーの変化を、信号光入力端を起点として信号光出力端まで微小伝搬範囲を単位として算出してゆく。
具体的には、信号光パワー変化算出部３１−２において、光パワー変化算出ステップとして、補正前反転分布率算出部３１−４にて算出されたｎ（ｚ＝０）の値とともに反転分布率変化量算出部３１−１で計算されたΔｎSHB（λ，０）をもとにして、式（２）を用いることにより、ＥＤＦ５０の信号光入力端の微小部分Δｚの位置を伝搬するときの光パワーの微少変化を算出する（以上、ステップＳ２，ステップＳ３）。
さらに、出力信号光パワー算出ステップとして、入力信号光のパワー値に、光パワー変化算出ステップにて算出される微小伝搬範囲での光パワーの変化を、信号光入力端を起点として信号光出力端まで順次加算していくことにより、ＥＤＦＡ中から出力される出力信号光パワーを、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における始準位のイオン分布の変動分を含めて算出する。
すなわち、信号光パワー算出部３１−３において、上述のごとく算出された光パワーの微少変化を、入力信号光パワーＰi（０）に加えて、位置Δｚの位置を伝搬する信号光パワーＰi（Δｚ）とする（ステップＳ４）。
これにより、ＥＤＦ５０の長手方向座標ｚ＝Δｚから微小部分Δｚだけ更に信号光が伝搬した場合における光パワー変化についても、上述の場合と同様に、ΔｎSHB（λ，Δｚ）を計算した上で算出することができる。このようにして、上述したような計算を繰り返していくことで、ＥＤＦ５０の信号光入力端（ｚ＝０）から出力端（ｚ＝Ｌ）に至るまで、微小伝搬範囲Δｚずつの光パワー変化を計算することができる（ステップＳ５のＮＯルートからステップＳ３）。
そして、出力処理ステップとして、出力信号光パワー算出ステップにて算出された算出結果をＥＤＦＡの性能のシミュレーション結果として出力処理を行なう。即ち、信号光パワー算出部３１−３において、信号光がＥＤＦ５０の出力端位置から出力される時点での光パワーが得られると、出力処理部３１−５においては、この出力端から出力される時点での光パワーを、ＥＤＦＡの出力特性のシミュレーション結果として出力する（ステップＳ６）。
また、シミュレーション実行部３１においては、信号光波長ごとの、ＥＤＦＡに入力された時点での信号光パワーと、ＥＤＦＡを出力する時点での信号光パワーとの関係から、シミュレーション結果を、入力信号光パワーに応じた波長スペクトラムに対する利得偏差の依存性として出力したり、飽和信号波長に応じた波長スペクトラムに対する利得偏差の依存性として出力したり、利得一定制御のターゲット（目標値）とする利得値に応じた波長スペクトラムに対する利得偏差の依存性として出力したりすることもできる。
図５〜図７は、上述のごときシミュレーション実行部３１におけるシミュレーションの実行により得られたシミュレーション結果（計算値）と、実験により得られた測定値（実験値）とを比較する図である。
ここで、図５は入力信号光パワーに応じた波長スペクトラムに対する利得偏差の依存性を示している。図５中、「●」は入力信号光パワーを２．３ｄＢｍ、「□」は入力信号光パワーを０ｄＢｍ、「■」は入力信号光パワーを−５ｄＢｍ、「×」は入力信号光パワーを−１０ｄＢｍ、「◇」は入力信号光パワーを−１５ｄＢｍとした場合の実験値を示しており、実線はそれぞれの実験値に対応した入力信号光パワーとした場合のシミュレーション結果を示している。
さらに、図６は飽和信号波長に応じた波長スペクトラムに対する利得偏差の依存性を示しており、図６中、「◆」は飽和信号波長を１５２９．７ｎｍ、「◇」は飽和信号波長を１５３４．７ｎｍ、「×」は飽和信号波長を１５３６．７ｎｍ、「■」は飽和信号波長を１５４０．７ｎｍ、「□」は飽和信号波長を１５４４．７ｎｍ、「●」は飽和信号波長を１５４９．７ｎｍとした場合の実験値を示しており、実線はそれぞれの実験値に対応した入力信号光パワーとした場合のシミュレーション結果を示している。
また、図７は利得一定制御のターゲットとする利得値に応じた波長スペクトラムに対する利得偏差の依存性を示している。図７中、「◆」は利得一定制御のターゲットを２０ｄＢ、「□」は利得一定制御のターゲットを２５ｄＢ、「▲」は利得一定制御のターゲットを２９．５ｄＢとした場合の実験値を示しており、実線はそれぞれの実験値に対応した入力信号光パワーとした場合のシミュレーション結果を示している。
上述の図５〜図７に示すいずれのシミュレーション結果を用いた場合においても、本実施形態にかかる増幅媒体性能シミュレーション装置１においてはＳＨＢによる利得変動を精度良く計算できることが確認できる。このシミュレーション結果をもとにＥＤＦＡの入出力パワーや利得等化器による利得等化特性を設計することによって、光中継器の利得平坦性の精度を大幅に高くすることが可能となる。
このように、本発明の第１実施形態にかかる増幅媒体性能シミュレーション装置によれば、シミュレーション実行部３１において、簡略な近似計算式を導入することにより、短時間の処理で、増幅媒体の長手方向に対して長さの微小単位ごとに始準位のイオン分布の変動によって生じる利得偏差を、信号波周辺以外での利得偏差を含んでシミュレーション結果として出力することができる利点がある。
（ｂ）第２実施形態の説明
図８は本発明の第２実施形態にかかる光増幅器６０を示すブロック図であり、この図８において、６１は励起光を出力する励起光源、６２は励起光源６１からの励起光により励起されて、入力信号光を増幅する信号光増幅媒体としてのＥＤＦＡ、６３はＥＤＦＡ６２から出力された出力信号光の利得を等化する利得等化器である。
この利得等化器６３は、前述の第１実施形態におけるものと同様の増幅媒体性能シミュレーション装置１のシミュレーション実行部３１からのシミュレーション結果に基づいて、入力信号光の入力によるＥＤＦＡ６２における始準位のイオン分布の変動による利得偏差が補償されるように設計されている。
図９は、図８に示すようなＥＤＦＡ６２の後段に設けられる利得等化器６３による利得等化特性について説明するための図であり、図中点線は前述の第１実施形態にかかる増幅媒体性能シミュレーション装置１にて得られた利得偏差特性をもとに設計された利得等化器の利得等化特性であり、実線はＥＤＦＡの利得特性を単一バンド近似と想定した場合の利得等化器の利得等化特性を示している。
この図９から、増幅媒体性能シミュレーション装置１にて得られた利得偏差特性をもとに設計された利得等化器によれば、特に１５３０ｎｍ周辺の利得偏差を補償できることが期待される。
このように、本発明の第２実施形態にかかる光増幅器６０によれば、利得等化器６３の利得等化特性を、増幅媒体シミュレーション装置１のシミュレーション実行部３１から短時間の処理で得られる高精度のシミュレーション結果に基づいて設計することができるので、入力信号光の入力によるＥＤＦＡ６２における始準位のイオン分布の変動を補償することができる利点がある。
特に、信号光の波長配置がダイナミックに変動しうるフォトニックネットワークにおけるノードの構成要素となる光増幅器において、大幅な波長配置・波長数変化に対応して、増幅特性の安定化を図ることができる利点がある。
（ｃ）第３実施形態の説明
図１０は本発明の第３実施形態にかかる光増幅器７０Ａを示すブロック図であり、この図１０に示す光増幅器７０Ａにおいて、７１は励起光を出力する励起光源、７２は励起光源７１からの励起光により励起されて、入力信号光を増幅する信号光増幅媒体としてのＥＤＦＡ、７３は励起光源７１を制御する励起光源制御部、７４はＥＤＦＡ７２に入力される信号光の一部を分岐する分岐カプラ、７５はＥＤＦＡ７２から出力される出力信号光の一部を分岐する分岐カプラ、７６は分岐カプラ７５からの出力信号光のパワーについて可変減衰する可変光減衰器（ＶＯＡ）である。
ここで、励起光源制御部７３は、入力信号光の入力によるＥＤＦＡ７２における始準位のイオン分布の変動による利得偏差が補償されるように励起光源７１を制御するようになっており、フォトダイオード（ＰＤ）７３ａ，スペクトルアナライザ（ＳＡＵ）７３ｂ，利得一定制御部７３ｃおよび補正部７３ｄをそなえて構成されている。
また、フォトダイオード７３ａは、分岐カプラ７４によって分岐された信号光のパワーをモニタするもので、スペクトルアナライザ７３ｂは、分岐カプラ７５によって分岐された出力信号光のパワーおよび信号波長の配置情報をモニタするものである。
したがって、上述のフォトダイオード７３ａおよびスペクトルアナライザ７３ｂにより、入力信号光および出力信号光のパワーをモニタする第１パワーモニタとして機能するとともに、スペクトルアナライザ７３ｂは、増幅媒体であるＥＤＦＡ７２を伝搬する信号光の波長配置情報を取得する波長配置情報取得部としての機能も有している。
さらに、利得一定制御部７３ｃは、第１パワーモニタとしてのフォトダイオード７３ａおよびスペクトルアナライザ７３ｂにてモニタされた入出力信号光のパワーから、利得が一定となるように、励起光源７１を制御するための信号を出力するものである。
さらに、補正部７３ｄは、スペクトルアナライザ７３ｂにて取得された波長配置情報をもとに、スペクトルホールバーニングによる波長帯における利得偏差を減少させるように、利得一定制御部７３ｃにおける励起光源７１に対する制御量を補正するものである。
たとえば、補正部７３ｄにおいては、前述の第１実施形態における増幅媒体性能シミュレーション装置１においてシミュレーションが実行された結果から、利得偏差を減少させるための励起光制御情報を保持しておくテーブル７３ｄ−１をそなえるとともに、利得一定制御部７３ｃからの信号光波長配置情報，入力信号光パワーと出力信号光のパワー比（利得）の情報，および出力パワーをキーとしてテーブル７３ｄ−１を検索することにより信号光波長配置に応じた利得偏差を減少させるための励起光制御情報を取り出す検索部７３ｄ−２をそなえて構成されている。
すなわち、補正部７３ｄにおいては、この検索部７３ｄ−２にて検索された励起光制御情報を利得一定制御部７３ｃに与えることにより、利得一定制御部７３ｃにおける励起光源７１に対する制御量を補正できるようになっている。
上述の構成により、第３実施形態にかかる光増幅器７０Ａでは、図１２に示すように、励起光源７１からの励起光が制御されて、ＳＨＢによる利得偏差を補償している。
励起光源制御部７３の利得一定制御部７３ｃでは、フォトダイオード７３ａおよびスペクトルアナライザ７３ｂから入力信号光パワーおよび出力信号光パワーとともに、信号光の波長配置情報を取得し（ステップＡ１）、これら取得したデータから、ＥＤＦＡ７２の利得状態を算出し、利得一定制御によりあらかじめ決められた利得となるように出力パワーの目標値を決定する。
このとき、補正部７３ｄでは、信号配置情報，利得情報および出力パワーのモニタ値を利得一定制御部７３ｃから受け取るとともに、上述のごときテーブル検索を行なうことにより、これらの値からＳＨＢによる利得変動の補正が必要か否かを判断し、ＳＨＢの補正が必要な場合は、信号配置情報、利得、出力パワーから出力パワーの目標値に加える補正量を決定する（ステップＡ２）。
これにより、利得一定制御部７３ｃでは、補正部７３ｄにて決定された励起光制御用の補正量を受けて、励起光制御の目標とする出力パワーを決定して、スペクトルアナライザ７５にてモニタされる出力信号光パワーが目標値となるように、励起光源７１が供給する励起光の強度等を制御するための信号を出力する。
なお、ＶＯＡ７６では、補正部７３ｄにおいてＳＨＢによる利得変動を補償するための励起光制御量の補正を行なった場合には、ＥＤＦＡ７２の出力パワーが当初の所望していた値から増減するため、所望の出力パワーがえられるように損失量を制御する（ステップＡ３）。
図１３〜図１８は、第３実施形態にかかる光増幅器７０Ａにおいて、上述のごとく光増幅器利得一定制御にＳＨＢによる利得変動の補正を重畳したことによる作用効果を説明するための図である。
波長配置がダイナミックに変化するような自由度の高い光通信システムにおいては、ＳＨＢによる局所的な利得変動が生じ、ＥＤＦＡの利得波長特性と利得等化器の特性との間に誤差が生じる。このとき、励起パワーＰAGCで光増幅器を利得一定制御で駆動すると、ＳＨＢによってΔＧの利得偏差が生じるが、第３実施形態にかかる光増幅器７０Ａのごとく、励起パワーＰAGCに対して補正部７３ｄにおける補正量に相当する励起パワーの変化量ΔＰSHBを加え、光増幅器７０Ａの反転分布率を変動させることにより、利得偏差ΔＧ′がΔＧ＞ΔＧ′となるように制御することができる。
たとえば、図１３に示すように、４０チャンネルの波長多重信号光に対して利得波長特性が平坦になるような特性を持った利得等化器（ＧＥＱ）をＥＤＦＡ７２の後段に挿入することを想定する。このときの利得等化器は図１４に示すような損失特性とすることができる。尚、図１３中において、利得等化器を挿入した場合の利得特性をＡ（ＧＥＱあり）とし、利得等化器を挿入しない場合の利得特性をＢ（ＧＥＱなし）とする。
このＥＤＦＡ７２に対して、長波長側に波長配置が集中する例として、短波長側１チャンネル（波長１５３３．５ｎｍ）、および長波長側８チャンネル（１５５５−１５６０．６ｎｍ）の波長配置を持つ波長多重信号光を入力した場合において、利得一定制御部７３ｃで利得一定制御によって平均利得が一定となるように励起光の制御を行なうことを想定する。
このような利得一定制御部７３ｃによる利得一定制御のみを行なった場合には、励起光源７１においては、例えば前方励起光５３ｍＷ、後方励起光３２ｍＷの励起パワーを有する励起光をＥＤＦＡ７２に供給する。図１５は、このような波長配置の信号光を伝搬するＥＤＦＡ７２に対して、上述の利得一定制御部７３ｃによる利得一定制御のみを行なった場合の、各波長配置における信号光の利得波長特性について示す図である。
この図１５におけるＣとして示す４０チャンネル増幅時の利得波長特性（図中の「◆」の点参照）においては、利得偏差は各チャンネル間で０．０３ｄＢであったが、この図１５におけるＤとして示す（短波長側１チャンネル＋長波長側８チャンネル）増幅の場合の利得波長特性（図１５中の「■」の点参照）においては、利得偏差は０．５１ｄＢとなり、利得一定制御では十分利得偏差を小さくすることが困難なことがわかる。
そこで、補正部７３ｄにおいて、信号光波長の波長配置および光出力パワーに応じた補正量で補正された制御量で励起光源７１を制御することにより、励起光源７１からの後方励起パワーを３２ｍＷから２１ｍＷに減少させる。このようにすれば、例えば図１６におけるＤ′（図１６中の「■」の点参照）のとして示すように、信号光の平均利得は減少するものの、利得偏差については大幅に補償して、０．０９ｄＢ程度とすることができる。尚、減少したＥＤＦＡ７２の平均利得分は可変光減衰器７６の損失量を減少させることによって補完する（図１６におけるＤ″、「▲」の点参照）。
同様に、短波長側に波長配置が集中する例として、短波長側４チャンネル（１５２９．６ｎｍ−１５３１．９ｎｍ）、長波長側１チャンネル（１５５６．６ｎｍ）の波長配置を持つ波長多重信号光を入力した場合において、利得一定制御部７３ｃで利得一定制御によって平均利得が一定となるように励起光の制御を行なうことを想定する。
このとき、利得一定制御部７３ｃによる利得一定制御のみを行なった場合には、励起光源７１においては、例えば前方励起光８１．３ｍＷ、後方励起光０ｍＷの励起パワーを有する励起光をＥＤＦＡ７２に供給する。図１７は、このような波長配置の信号光を伝搬するＥＤＦＡ７２に対して、上述の利得一定制御部７３ｃによる利得一定制御のみを行なった場合の、各波長配置における信号光の利得波長特性について示す図である。
この図１７におけるＣとして示す４０チャンネル増幅時の利得波長特性（図１７中の「◆」の点参照）においては、利得偏差は各チャンネル間で０．０３ｄＢであったが、この図１７におけるＥとして示す（短波長側４チャンネル＋長波長側１チャンネル）増幅の場合の利得波長特性（図１７中の「■」の点参照）においては、利得偏差は０．５ｄＢとなり、利得一定制御では十分利得偏差を小さくすることが困難なことがわかる。
そこで、補正部７３ｄにおいて、信号光波長の波長配置および光出力パワーに応じた補正量で補正された制御量で励起光源７１を制御することにより、励起光源７１からの後方励起パワーを０ｍＷから１５ｍＷに増加させる。このようにすれば、例えば図１８におけるＥ′（図１８中の「■」の点参照）として示すように、信号光の平均利得は増加するものの、利得偏差については大幅に補償して、０．１１ｄＢ程度とすることができる。尚、増加したＥＤＦＡ７２の平均利得分は可変光減衰器７６の損失量を増加させることによって補完する（図１８におけるＥ″、「▲」の点参照）。
なお、上述の説明では後方励起パワーを補正することによって利得偏差を減少させたが、調整する励起パワーは前方励起パワーを調整しても、前方後方の両方の励起パワーを調整してもよい。
このように、本発明の第３実施形態にかかる光増幅器７０Ａによれば、励起光源制御部７３により、前述の第１実施形態における増幅媒体性能シミュレーション装置１のシミュレーション実行部３１から短時間の処理で得られる高精度のシミュレーション結果に基づいて、ＥＤＦＡ７２における始準位のイオン分布の変動による利得偏差が補償されるように励起光源７１を制御することができるので、利得一定制御の安定度を飛躍的に高めることができる利点がある。
特に、信号光の波長配置がダイナミックに変動しうるフォトニックネットワークにおけるノードの構成要素となる光増幅器において、大幅な波長配置・波長数変化に対応して、増幅特性の安定化を図ることができる利点がある。
なお、第３実施形態の変形例として、図１１に示す光増幅器７０Ｂのように、ＥＤＦＡ７２の入力側にＳＡＵ７３ｂを配置し入力側で信号配置情報を取得するとともに、ＥＤＦＡ７２から出力される出力信号光のパワーをフォトダイオード７３ａでモニタするようにしてもよい。
（ｄ）第４実施形態の説明
図１９は本発明の第４実施形態にかかる光増幅器８０を示すブロック図であり、この図１９に示す光増幅器８０は、励起光源７１，ＥＤＦＡ７２，分岐カプラ７４，７５およびＶＯＡ７６をそなえている点は前述の第３実施形態におけるものと同様であるが、前述の第３実施形態の場合とは異なり、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）カプラ８１および励起光源制御部８２をそなえて構成されている。
ここで、ＷＤＭカプラ８１は、光増幅器８０に入力された波長多重光のうちで、制御信号として割り当てられた波長を有する制御信号光と信号光とを波長分離するものであり、制御信号については励起光源制御部８３に出力され、信号光については分岐カプラ７４に出力される。
また、励起光源制御部８２は、励起光源７１を制御するものであるが、フォトダイオード（ＰＤ）８２ａ，８２ｂ，制御信号解析部８２ｃ，利得一定制御部７３ｃおよび補正部７３ｄをそなえて構成されている。
ここで、フォトダイオード８２ａは分岐カプラ７４によって分岐された信号光のパワーをモニタするもので、フォトダイオード８２ｂは、分岐カプラ７５によって分岐された出力信号光のパワーをモニタするものである。従って、上述のフォトダイオード８２ａ，８２ｂにより、入力信号光および出力信号光のパワーをモニタする第１パワーモニタとして機能する。
また、制御信号解析部８２ｃは、信号光とともに伝送される制御信号光をＷＤＭカプラ８１を介してフォトダイオードで受光するとともに、この受光信号を解析することにより、制御情報としての波長配置情報を取り出すものであって、増幅媒体であるＥＤＦＡ７２を伝搬する信号光の波長配置情報を取得する波長配置情報取得部として機能する。即ち、制御信号解析部８２ｃは、信号光とともに伝送される制御信号光から波長配置情報を取得するようになっている。
利得一定制御部７３ｃは、前述の第３実施形態の場合と同様の機能を有するもので、第１パワーモニタとしてのフォトダイオード８２ａ，８２ｂにてモニタされた入出力信号光のパワーから、利得が一定となるように、励起光源７１を制御するための信号を出力するものである。
また、補正部７３ｄについても、前述の第３実施形態の場合と同様、制御信号解析部８２ｃにて取得された波長配置情報をもとに、スペクトルホールバーニングによる波長帯における利得偏差を減少させるように、利得一定制御部７３ｃにおける励起光源７１に対する制御量を補正するものであり、テーブル７３ｄ−１および検索部７３ｄ−２をそなえている。
上述の構成による、第４実施形態にかかる光増幅器８０の動作について、図１２のフローチャートを参照しながら説明する。
励起光源制御部８２の制御信号解析部８２ｃにおいては、信号光とともに伝送される制御信号光から、信号光の波長配置情報を取得する。又、入出力光パワーのモニタ情報についてはフォトダイオード８２ａ，８２ｂから取得する（図１２のステップＡ１参照）。
また、利得一定制御部７３ｃにおいては、フォトダイオード８２ａ，８２ｂからの入出力光パワーのモニタ結果とに基づき利得一定制御を行なっているが（ステップＡ２）、補正部７３ｄにおいては、制御信号解析部８２ｃからの波長配置情報と、フォトダイオード８２ａ，８２ｂからの入出力光パワーのモニタ結果とに基づき、励起光源７１に対する利得一定制御部７３ｃからの制御量が補正されて、ＳＨＢによる利得偏差を補償している。尚、増減したＥＤＦＡ７２の平均利得分は可変光減衰器７６の損失量を調整することによって補完する（ステップＡ３）。
このように、本発明の第４実施形態にかかる光増幅器８０においても、励起光源制御部８２により、前述の第１実施形態における増幅媒体性能シミュレーション装置１のシミュレーション実行部３１から短時間の処理で得られる高精度のシミュレーション結果に基づいて、ＥＤＦＡ７２における始準位のイオン分布の変動による利得偏差が補償されるように励起光源７１を制御することができるので、利得一定制御の安定度を飛躍的に高めることができる利点がある。
特に、信号光の波長配置がダイナミックに変動しうるフォトニックネットワークにおけるノードの構成要素となる光増幅器において、大幅な波長配置・波長数変化に対応して、増幅特性の安定化を図ることができる利点がある。
また、波長配置情報取得部として、スペクトルアナライザを用いずに構成することができるので、第３実施形態にかかる光増幅器８０に比して、装置構成のためのコストを削減させることができる。
（ｅ）第５実施形態の説明
図２０は本発明の第５実施形態にかかる光増幅器９０を示すブロック図であり、この図２０に示す光増幅器９０は、励起光源７１，ＥＤＦＡ７２，分岐カプラ７４，７５およびＶＯＡ７６をそなえている点は前述の第３実施形態におけるものと同様であるが、前述の第３実施形態の場合とは異なる励起光源制御部９１をそなえて構成されている。
励起光源制御部９１は、第１実施形態における増幅媒体性能シミュレーション装置１により得られたシミュレーション結果に基づいて設計されて、入力信号光の入力によるＥＤＦＡ７２における始準位のイオン分布の変動による利得偏差が補償されるようにＥＤＦＡ７２を制御するものであるが、第３実施形態および第４実施形態の場合と異なり、波長配置情報取得部としての機能を省略している。
すなわち、励起光源制御部９１は、帯域分割フィルタ９１ａ，９１ｂ，フォトダイオード９１ａ−１，９１ａ−２，９１ｂ−１，９１ｂ−２および平均利得一定制御部９１ｃをそなえて構成されている。
ここで、帯域分割フィルタ９１ａ，９１ｂはそれぞれ、分岐カプラ７４，７５からのＥＤＦＡ７２入力側の信号光およびＥＤＦＡ７２出力側の信号光のパワー分岐光について、帯域で分割された複数（第５実施形態の場合は２つ）の信号光とするものである。
この帯域分割フィルタ９１ａ，９１ｂにおいては、前述の第１実施形態における増幅媒体性能シミュレーション装置１におけるシミュレーション結果をもとに、ＳＨＢによる利得偏差を想定して、各々の帯域の平均利得がほぼ等しく安定するような帯域に信号光を分割するようになっている。
たとえば、波長分割フィルタ９１ａ，９１ｂにおいては、後述の図２２，図２３に示すように波長帯域を２分割することができる。増幅媒体として用いるＥＤＦＡ７２のＳＨＢによる利得変動特性については、増幅媒体シミュレーション装置１において、前述の図５〜図７に示すようなシミュレーション結果が得られている。このシミュレーション結果から、ＥＤＦＡ７２については特に１５３０ｎｍ周辺でＳＨＢの影響が大きいことがわかる。
そこで、ＳＨＢの強さに応じて、ＥＤＦＡ７２を短波長側の第１帯域（１５２９−１５３６ｎｍ程度）と長波長側の第２帯域（１５３６−１５６１ｎｍ程度）の２つの帯域に分割するのである。
また、フォトダイオード９１ａ−１，９１ａ−２はそれぞれ、帯域分割フィルタ９１ａにて帯域が２分割された信号光の信号光パワーについてモニタするものである。同様に、フォトダイオード９１ｂ−１，９１ｂ−２はそれぞれ、帯域分割フィルタ９１ｂにて帯域が２分割された信号光の信号光パワーについてモニタするものである。
たとえば、フォトダイオード９１ａ−１，９１ｂ−１は、上述の第１帯域に分割された信号光を受光するとともに、フォトダイオード９１ａ−２，９１ｂ−２は、上述の第２帯域に分割された信号光を受光するようになっている。
したがって、上述の帯域分割フィルタ９１ａ，９１ｂおよびフォトダイオード９１ａ−１，９１ａ−２，９１ｂ−１，９１ｂ−２により、増幅媒体性能シミュレーション装置１により得られたシミュレーション結果をもとに分割された複数の帯域ごとに、入力信号光および出力信号光のパワーをそれぞれ取得する第２パワーモニタとして機能する。
また、平均利得一定制御部９１ｃは、フォトダイオード９１ａ−１，９１ａ−２，９１ｂ−１，９１ｂ−２にて取得した各帯域の入力信号光および出力信号光のパワーをもとに、各帯域の平均利得が一致するように、励起光源７１を制御するための信号を出力するものである。
ＳＨＢによって発生する利得変動は増幅帯域内の波長によってその大きさが異なるため、利得偏差が生じる。従って、波長分割フィルタ９１ａ，９１ｂで、ＥＤＦＡ７２の増幅帯域をＳＨＢの強さに応じて複数の帯域に分割しておき、その上で、平均利得一定制御部９１ｃにおいて、各々の帯域の平均利得が等しくなるように励起パワーを調整することによって利得の平坦性を保つことがっできるのである。
上述の構成による、本発明の第５実施形態にかかる光増幅器９０での動作について、図２１に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。
ＥＤＦＡ７２の入力側信号光は、分岐カプラ７４によって分岐後、帯域分割フィルタ９１ａによって第１帯域と第２帯域とに分割され、フォトダイオード９１ａ−１，９１ａ−２によって各々受光する。同様にＥＤＦＡ７２の出力側信号光についても、分岐カプラ７５によって分岐後、帯域分割フィルタ９１ｂによって第１帯域と第２帯域とに分割され、フォトダイオード９１ｂ−１，９１ｂ−２によって各々受光する。
そして、平均利得一定制御部９１ｃでは、フォトダイオード９１ａ−１，９１ａ−２からの入力信号光パワーに応じた受光信号と、フォトダイオード９１ｂ−１，９１ｂ−２からの出力信号光パワーに応じた受光信号とを受けると（ステップＢ１）、まず帯域全体について従来よりの利得一定制御を行なう（ステップＢ２）。
すなわち、フォトダイオード９１ａ−１，９１ｂ−１からの第１帯域についての入出力信号光から、フォトダイオード９１ａ−２，９１ｂ−２からの第２帯域についての入出力信号光から、第１帯域と第２帯域とを合わせた帯域全体についての利得が一定となるように、励起光源７１を制御する制御信号を出力する。
その後、平均利得一定制御部９１ｃでは、分割された第１帯域，第２帯域ごとに平均利得を算出する。ＳＨＢの効果によって利得偏差が生じると、第１帯域の平均利得と第２帯域の平均利得との間で偏差が生じてくる。このとき、各帯域はＳＨＢの強さに応じて分割しているため、第１帯域内での利得偏差および第２帯域内での利得偏差は、算出された分割帯域ごとの平均利得間の利得偏差よりも小さくなる。
ここで、平均利得一定制御部９１ｃでは、算出された第１帯域の平均利得Ｇ1と第２帯域の平均利得Ｇ2との大小を比較し、大小比較結果に応じて、励起光源７１における励起パワーを増減させるための制御信号を出力する。
すなわち、第１帯域の平均利得Ｇ1が第２帯域の平均利得Ｇ2より大きい（Ｇ1＞Ｇ2）ときは、反転分布率が低くなるように励起パワーを減少させ、Ｇ1がＧ2より小さい（Ｇ1＜Ｇ2）ときは、反転分布率が高くなるように励起パワーを増加させるように、励起光源７１に対して制御信号を出力する（ステップＢ３）。
これにより、励起光源７１からの励起光パワーの増減制御により、反転分布率を低くまたは高くなるようにして、平均利得Ｇ1およびＧ2をほぼ均一にすることができる。尚、励起光パワーの増減制御による出力信号光の利得利得変動分については、ＶＯＡ７６の損失量を可変することによって減少分を補う（ステップＢ４）。
図２２および図２３は第５実施形態における光増幅器９０において、平均利得一定制御部９１ｃによる励起光源７１の制御によってＳＨＢによる利得偏差を補償する一例を示すものである。
図２２は、短波長側の第１帯域ＢＮＤ♯１に１チャンネル、長波長側の第２帯域ＢＮＤ♯２に８チャンネルの信号を入力することでＳＨＢによる利得偏差が発生した場合の、平均利得一定制御部９１ｃで算出される両帯域の平均利得を示すものである。この図２２に示すように、第１帯域ＢＮＤ♯１での平均利得Ｇ1は２３．５ｄＢ、第２帯域ＢＮＤ♯２での平均利得Ｇ2は２３ｄＢとなり、帯域間の利得偏差０．５ｄＢが得られる。
また、第１帯域ＢＮＤ♯１の平均利得が第２帯域ＢＮＤ♯２の平均利得よりも大きい（Ｇ1＞Ｇ2）ことから、平均利得一定制御部９１ｃでは、前方励起光，後方励起光またはその両方の励起パワーを減少制御する。これにより、図２３のように第１帯域ＢＮＤ♯１および第２帯域ＢＮＤ♯２双方の帯域の平均利得がほぼ等しくなり、ＳＨＢによる利得偏差を補正することができる。
なお、この場合においては、ＳＨＢ補正後の利得は、所望の利得よりも小さくなるため、ＶＯＡ７６の損失量を小さくすることによって減少分を補う。
このように、本発明の第５実施形態にかかる光増幅器９０においても、前述の第３，第４実施形態の場合と同様に、励起光源制御部９１により、前述の第１実施形態における増幅媒体性能シミュレーション装置１のシミュレーション実行部３１から短時間の処理で得られる高精度のシミュレーション結果に基づいて、ＥＤＦＡ７２における始準位のイオン分布の変動による利得偏差が補償されるように励起光源７１を制御することができるので、利得一定制御の安定度を飛躍的に高めることができる利点がある。
特に、信号光の波長配置がダイナミックに変動しうるフォトニックネットワークにおけるノードの構成要素となる光増幅器において、大幅な波長配置・波長数変化に対応して、増幅特性の安定化を図ることができる利点がある。
また、前述の第４実施形態の場合と異なり、制御信号に信号配置情報が含まれていないシステムにおいても、スペクトルアナライザを用いることなく、装置構成のためのコストを低減させながら、ＳＨＢによる利得偏差の補正を行なうことができる利点もある。
（ｆ）その他
なお、上述した各実施形態に関わらず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
たとえば、上述の第１実施形態にかかる増幅媒体性能シミュレーション装置１においては、ＥＤＦＡにおけるＳＨＢによる反転分布率変化量を計算する際に、式（３）のようにガウシアン関数を用いているが、本発明によればこれに限定されず、例えばローレンツ（Lorentzian）関数やフォークト（Voigt）関数等の、中心波長と幅を持った山の形を持つ関数を用いて、第１関数および第２関数を構成することとしてもよい。
具体的には、以下に示すような、式（３）における第１関数をなすガウシアン関数（式（６）参照）や、第２関数をなすガウシアン関数（式（７）参照）を、式（８）に示すローレンツ関数や式（９）に示すフォークト関数に適宜置換することができる。
Figure 0003936958
と定義する。ここで、BWgは、ガウシアン（Gaussian）関数の半値半幅であり、BWlは、ローレンツ（Lorentzian）関数の半値半幅であり、l0は中心波長である。
さらに、上述の本実施形態においては、ＥＤＦＡにおける利得偏差特性についてシミュレーションを行なっているが、本発明によればこれに限定されず、ＥＤＦＡ以外の増幅媒体についてのＳＨＢによる利得偏差についても、本実施形態に準じて、少なくとも一つ以上の関数（例えばガウシアン関数）を用いた演算をシミュレーション実行部３１で実行することによって、シミュレーションを行なうことが可能である。
また、本発明の各実施形態が開示されていれば、当業者によって製造することが可能である。
以上のように、本発明の増幅媒体性能シミュレーション装置は、フォトニックネットワークを構築する際に適用される増幅媒体の性能のシミュレーションを行なう際に有用であり、特にＥＤＦＡについてのＳＨＢによる利得偏差特性のシミュレーションを行なうのに適している。
本発明の第１実施形態にかかる増幅媒体性能シミュレーション装置を示すブロック図である。 本実施形態にかかる装置１における演算処理について説明するための図である。 本実施形態にかかる装置１における演算処理について説明するための図である。 本発明の第１実施形態にかかる増幅媒体性能シミュレーション装置における動作を説明するためのフローチャートである。 第１実施形態にかかる増幅媒体性能シミュレーション装置によるシミュレーション結果と、実験により得られた測定値とを比較する図である。 第１実施形態にかかる増幅媒体性能シミュレーション装置によるシミュレーション結果と、実験により得られた測定値とを比較する図である。 第１実施形態にかかる増幅媒体性能シミュレーション装置によるシミュレーション結果と、実験により得られた測定値とを比較する図である。 本発明の第２実施形態にかかる光増幅器を示すブロック図である。 図８に示すようなＥＤＦＡの後段に設けられる利得等化器による利得等化特性について説明するための図である。 本発明の第３実施形態にかかる光増幅器を示すブロック図である。 第３実施形態の変形例を示すブロック図である。 第３実施形態にかかる光増幅器の動作を説明するためのフローチャートである。 第３実施形態にかかる光増幅器において、利得一定制御にＳＨＢによる利得変動の補正を重畳したことによる作用効果を説明するための図である。 第３実施形態にかかる光増幅器において、利得一定制御にＳＨＢによる利得変動の補正を重畳したことによる作用効果を説明するための図である。 第３実施形態にかかる光増幅器において、利得一定制御にＳＨＢによる利得変動の補正を重畳したことによる作用効果を説明するための図である。 第３実施形態にかかる光増幅器において、利得一定制御にＳＨＢによる利得変動の補正を重畳したことによる作用効果を説明するための図である。 第３実施形態にかかる光増幅器において、利得一定制御にＳＨＢによる利得変動の補正を重畳したことによる作用効果を説明するための図である。 第３実施形態にかかる光増幅器において、利得一定制御にＳＨＢによる利得変動の補正を重畳したことによる作用効果を説明するための図である。 本発明の第４実施形態にかかる光増幅器を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態にかかる光増幅器を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態にかかる光増幅器の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第５実施形態にかかる光増幅器による作用効果を説明するための図である。 本発明の第５実施形態にかかる光増幅器による作用効果を説明するための図である。 ＥＤＦＡの増幅帯域全域を一つの単位として、反転分布率の値に応じて波長特性（利得スペクトラム）を近似して把握する例を説明するための図である。 波長配置・波長数を大幅に変化することが想定されない従来の光ネットワークシステムに用いられる光中継器の構成例を示すブロック図である。 図２５に示す可変光減衰器の損失量を調整することで、光中継器の出力パワーを一定とする例を説明するための図である。 ＥＤＦＡについてのＳＨＢによる利得偏差特性を示す図である。

Claims (17)

  1. 励起光源からの励起光により励起されて、信号光を増幅する増幅媒体の性能のシミュレーションを行なう増幅媒体性能シミュレーション装置であって、
    該増幅媒体についての基本データを保持する基本データ保持部と、
    前記シミュレーションの対象となる増幅媒体に入力すべき入力信号光に関する情報として、前記入力信号光の波長値および光パワー値について保持する入力信号光情報保持部と、
    前記の基本データ保持部および入力信号光情報保持部にて保持された内容を用いて、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における複数準位によって構成される始準位の局所的なイオン分布の変動について、入力信号の波長および該増幅媒体の特有の波長に相当する準位のイオン分布変動を算出し、該増幅媒体中から出力される出力信号光パワーを信号光波長ごとに近似算出して、この算出結果を該増幅媒体の性能のシミュレーション結果として出力するシミュレーション実行部とをそなえて構成されたことを特徴とする、増幅媒体性能シミュレーション装置。
  2. 該シミュレーション実行部が、
    該増幅媒体中の長手方向座標の位置に応じた信号光パワーに基づく反転分布率を算出する反転分布率算出部と、
    該反転分布率算出部にて算出された前記反転分布率と、前記の基本データ保持部および入力信号光情報保持部にて保持された内容とを用いて、前記入力信号光の入力により該増幅媒体の始準位のイオン分布が変動することによって生じうる反転分布率の変化量を、前記入力信号光の波長および該増幅媒体の長手方向位置の関数として算出する反転分布率変化量算出部と、
    該反転分布率変化量算出部にて算出された反転分布率の変化量と、前記の基本データ保持部および入力信号光情報保持部にて保持された内容と、を用いて定められた微分方程式から、該増幅媒体における信号光入力端から該増幅媒体中を伝搬する信号光についての光パワーの変化を、前記信号光入力端を起点として信号光出力端まで微小伝搬範囲を単位として算出してゆく信号光パワー変化算出部と、
    該入力信号光情報保持部にて保持された前記入力信号光のパワー値に、該信号光パワー変化算出部にて算出される前記微小伝搬範囲での光パワーの変化を、前記信号光入力端を起点として信号光出力端まで順次加算していくことにより、該増幅媒体中を伝搬する信号
    光の長手方向座標の位置に応じた信号光パワーを、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における始準位のイオン分布の変動分を含めて算出する信号光パワー算出部と、
    該信号光パワー算出部にて算出された、前記信号光出力端から出力される信号光のパワーの算出結果を、該増幅媒体の性能のシミュレーション結果として出力処理を行なう出力処理部をそなえて構成されたことを特徴とする、請求項１記載の増幅媒体性能シミュレーション装置。
  3. 該反転分布率変化量算出部においては、前記反転分布率の変化量を算出する関数として、少なくとも一つ以上のガウシアン関数を用いることを特徴とする、請求項２記載の増幅媒体性能シミュレーション装置。
  4. 該反転分布率変化量算出部が、該反転分布率の変化量を、利得飽和状態の第１波長帯を中心とする第１関数を演算する第１関数演算部と、該増幅媒体に特有の第２波長帯を中心とする関数からなる第２関数を演算する第２関数演算部と、該第１関数演算部および第２関数演算部からの算出結果について加算する加算部とをそなえて構成されたことを特徴とする、請求項２記載の増幅媒体性能シミュレーション装置。
  5. 該第１関数演算部で演算される該第１関数が、該入力信号光の波長に応じて与えられるガウシアン関数の総和により構成され、該第２関数演算部で演算される該第２関数が、複数のガウシアン関数の総和により構成されていることを特徴とする、請求項４記載の増幅媒体性能シミュレーション装置。
  6. 該第１関数をなす該入力信号光の波長に応じて与えられるガウシアン関数は、中心波長を該入力信号光の波長とし、半値全幅を該増幅媒体に応じた値として定められるとともに、該第２関数をなす各ガウシアン関数は、中心波長を該増幅媒体に特有の第２波長帯とし、半値全幅を該増幅媒体に応じた値として定められ、且つ、該第１関数および第２関数における各ガウシアン関数の半値全幅を、該基本データ保持部にて保持しておくように構成されたこと特徴とする、請求項５記載の増幅媒体性能シミュレーション装置。
  7. 前記の第１又は第２関数をなす各ガウシアン関数の深さは、前記入力信号光の総パワーの増加に伴って増加し、一定値以上で飽和する深さ関数で定義されるように構成されたことを特徴とする、請求項５記載の増幅媒体性能シミュレーション装置。
  8. 前記の第１関数をなす該入力信号光の波長に応じて与えられる各ガウシアン関数についての深さ関数が、該入力信号光の波長λｉと、該入力信号光の波長λｉについての該増幅媒体の長手方向座標ｚにおける光パワーＰｉ（ｚ）と、該増幅媒体の長手方向座標ｚにおける入力信号光の総パワーＰtotal（ｚ）とを変数とする関数で定義され、
    前記の第２関数をなす各ガウシアン関数についての深さ関数が、前記第２波長帯の波長λｊと、該増幅媒体の長手方向座標ｚにおける、入力信号光の総パワーＰtotal（ｚ）お
    よび該増幅媒体の反転分布率ｎ（ｚ）とを変数とする関数で定義されるように構成され、且つ、該第１および第２関数をなす各ガウシアン関数についての深さ関数を定める係数を、該基本データ保持部にて保持しておくように構成されたことを特徴とする、請求項７記載の増幅媒体性能シミュレーション装置。
  9. 該基本データ保持部が、該増幅媒体の基本データとして、少なくとも該増福媒体についての全長と、入力信号光波長についての関数式で表される利得係数ｇ（λ），吸収係数α（λ）および損失ｌ（λ）とともに、該増幅媒体における前記始準位のイオン分布の変動を加味しない反転分布率ｎ（ｚ）を保持するように構成され、
    該信号光パワー変化算出部が、
    該信号光パワー算出部にて算出される該増幅媒体中を伝搬する信号光の長手方向座標の
    位置に応じた信号光パワーから前記反転分布率ｎ（ｚ）を計算するとともに、
    前記反転分布率ｎ（ｚ）と、該反転分布率変化量算出部にて算出された反転分布率の変化量Δｎ（λ，ｚ）と、該基本データ保持部にて保持されている前記基本データとを用いた、該増幅媒体の長手方向に対して長さの微小単位ごとの光パワー変化
    ｄＰ（ｚ）／ｄｚ＝
    [（ｇ（λ）＋α（λ））（ｎ（ｚ）＋Δｎ（λ，ｚ））−（α（λ）＋ｌ（λ））]・Ｐ（ｚ）
    を用いることにより、該増幅媒体の長手方向座標ｚの位置を伝搬する信号光についての光パワーの微少変化を算出していくことを特徴とする、請求項２〜８のいずれか１項記載の増幅媒体性能シミュレーション装置。
  10. 該シミュレーション実行部が、スペクトラルホールバーニングによって生じる信号光波長間の利得偏差を近似算出するように構成されたことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項記載の増幅媒体性能シミュレーション装置。
  11. 励起光源からの励起光により励起されて、信号光を増幅する増幅媒体の性能のシミュレーションを行なう増幅媒体性能シミュレーション方法であって、
    前記信号光の入力による該増幅媒体における複数準位によって構成される始準位の局所的なイオン分布の変動について、入力信号の波長および該増幅媒体の特有の波長に相当する準位のイオン分布変動を算出することにより、前記信号光の入力により該増幅媒体の始準位のイオン分布が変動することによって生じうる反転分布率の変化量を算出する反転分布率変化量算出ステップと、
    該反転分布率変化量算出ステップにて算出された反転分布率の変化量によって補正された補正後反転分布率に基づく該増幅媒体の伝搬方程式をもとに、該増幅媒体の信号光入力端から該増幅媒体中を伝搬する信号光についての光パワーの変化を、前記信号光入力端を起点として信号光出力端まで微小伝搬範囲を単位として算出してゆく光パワー変化算出ステップと、
    前記入力信号光のパワー値に、該光パワー変化算出ステップにて算出される前記微小伝搬範囲での光パワーの変化を、前記信号光入力端を起点として信号光出力端まで順次加算していくことにより、該増幅媒体中から出力される出力信号光パワーを、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における始準位のイオン分布の変動分を含めて算出する出力信号光パワー算出ステップと、
    該出力信号光パワー算出ステップにて算出された算出結果を該増幅媒体の性能のシミュレーション結果として出力処理を行なう出力処理ステップと、
    をそなえて構成されたことを特徴とする、増幅媒体性能シミュレーション方法。
  12. 励起光を出力する励起光源と、
    該励起光源からの励起光により励起されて、入力信号光を増幅する信号光増幅媒体と、
    該信号光増幅媒体から出力された出力信号光の利得を等化する利得等化器とをそなえ、
    該利得等化器の利得等化特性が、
    励起光源からの励起光により励起されて、信号光を増幅する増幅媒体の性能のシミュレーションを行なう増幅媒体性能シミュレーション装置であって、該増幅媒体についての基本データを保持する基本データ保持部と、前記シミュレーションの対象となる増幅媒体に入力すべき入力信号光に関する情報として、前記入力信号光の波長値および光パワー値について保持する入力信号光情報保持部と、前記の基本データ保持部および入力信号光情報保持部にて保持された内容を用いて、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における複数準位によって構成される始準位の局所的なイオン分布の変動分について、入力信号の波長および該増幅媒体の特有の波長に相当する準位のイオン分布変動を算出し、該増幅媒体中から出力される出力信号光パワーを信号光波長ごとに近似算出して、この算出結果を該増幅媒体の性能のシミュレーション結果として出力するシミュレーション実行部とをそなえて構成された増幅媒体性能シミュレーション装置から出力された前記シミュレーション結果に基づいて、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における始準位のイオン分布の変動による利得偏差が補償されるように設計されていることを特徴とする、光
    増幅器。
  13. 励起光を出力する励起光源と、
    該励起光源からの励起光により励起されて、入力信号光を増幅する信号光増幅媒体と、
    該励起光源を制御する励起光源制御部とをそなえ、
    該励起光源制御部が、
    励起光源からの励起光により励起されて、信号光を増幅する増幅媒体の性能のシミュレーションを行なう増幅媒体性能シミュレーション装置であって、該増幅媒体についての基本データを保持する基本データ保持部と、前記シミュレーションの対象となる増幅媒体に入力すべき入力信号光に関する情報として、前記入力信号光の波長値および光パワー値について保持する入力信号光情報保持部と、前記の基本データ保持部および入力信号光情報保持部にて保持された内容を用いて、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における複数準位によって構成される始準位の局所的なイオン分布の変動分について、入力信号の波長および該増幅媒体の特有の波長に相当する準位のイオン分布変動を算出し、該増幅媒体中から出力される出力信号光パワーを信号光波長ごとに近似算出して、この算出結果を該増幅媒体の性能のシミュレーション結果として出力するシミュレーション実行部とをそなえて構成された増幅媒体性能シミュレーション装置から出力された前記シミュレーション結果に基づいて、前記入力信号光の入力による該増幅媒体における始準位のイオン分布の変動による利得偏差が補償されるように該励起光源を制御することを特徴とする、光増幅器。
  14. 該励起光源制御部が、
    前記入力信号光および出力信号光のパワーをモニタする第１パワーモニタと、
    該増幅媒体を伝搬する信号光の波長配置情報を取得する波長配置情報取得部と、
    該第１パワーモニタにてモニタされた前記入出力信号光のパワーから、利得が一定となるように、該励起光源を制御するための信号を出力する利得一定制御部と、
    該波長配置情報取得部にて取得された波長配置情報をもとに、前記スペクトルホールバーニングによる波長帯における利得偏差を減少させるように、該利得一定制御部における該励起光源に対する制御量を補正する補正部と、
    をそなえて構成されたことを特徴とする、請求項１３記載の光増幅器。
  15. 該波長配置情報取得部が、該増幅媒体に入力または出力される信号光の波長配置をモニタするスペクトルアナライザにより構成されたことを特徴とする、請求項１４記載の光増幅器。
  16. 該波長配置情報取得部が、該信号光とともに伝送される制御信号光から、波長配置情報を取得するように構成されたことを特徴とする、請求項１４記載の光増幅器。
  17. 励起光源制御部が、
    該増幅媒体性能シミュレーション装置により得られた前記シミュレーション結果をもとに分割された複数の帯域ごとに、前記の入力信号光および出力信号光のパワーをそれぞれ取得する第２パワーモニタと、
    該第２パワーモニタにて取得した各帯域の入力信号光および出力信号光のパワーをもとに、前記各帯域の平均利得が一致するように、該励起光源を制御するための信号を出力する平均利得一定制御部と、
    をそなえて構成されたことを特徴とする、請求項１３記載の光増幅器。
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