JP4000732B2 - 光増幅器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】
希土類添加光ファイバを用いた光ファイバ増幅器は、高利得、高出力、低雑音等の優れた特性を合わせ持つため、光通信システムの性能を大幅に向上させた。光ファイバ増幅器の原理は、添加した希土類イオンの励起準位に相当する波長を有する励起光を光ファイバに入射し、希土類イオンのエネルギー準位の反転分布により生じる誘導放出現象により信号光を増幅することにある。
【0003】
特にエルビウム(Er)を添加した光ファイバ増幅器(以下「EDFA」という。)は、増幅波長帯が石英系光ファイバの最低損失波長帯(1.55μm)に一致し、しかも効率がよく、高利得、低雑音の増幅特性が容易に得られることから、広く実用に供されることとなった。
【0004】
EDFA等の光ファイバ増幅器を用いると、波長多重化された信号光を一括して増幅することができるので、波長多重による大容量で柔軟な伝送システムを経済的に構築することが可能となる。波長多重を利用したシステムにおいては波長チャンネル毎の光合分波が必須であり、また光合分波器やその前後の信号伝送、信号処理に伴う損失を補償するため、光合分波器と光増幅器とを、組み合わせて使用することが多くなる。
【0005】
図4は光増幅器の従来例を示すブロック図である。
【0006】
波長多重された信号光は光ファイバ増幅器1により一括して増幅された後、光合分波器2に入力され、波長ごとに分波された信号光を得るようになっている。
【0007】
システムが大規模化するにつれ、波長チャンネル数が増大し、また有効な増幅帯域内でチャンネル数を増すためにチャンネル間の波長間隔が狭まっていく。さらに、システムが高機能化し、波長チャンネル毎のルーティングや分岐/挿入等の機能が加わると、伝送路内に多重化されるチャンネル数がダイナミックに変動する。従って、使用される光増幅器や光合分波器にはますます高い性能が要求される。
【0008】
まず、多重チャンネル数の増大とチャンネル間の波長間隔の縮小に伴い、光合分波器には高い中心波長精度が要求される。これに対しては、素子の製造精度の向上、温度依存性の低減及び動作時の素子温度の安定化制御により対処している。
【0009】
また、通常の光ファイバ増幅器では多重化されるチャンネル数のダイナミックな変動に応じて1波当たりの利得も変動を受ける。この利得の変動を回避するために、光ファイバ増幅器に入力される信号光の強度と増幅された信号光の強度とをモニタし、両信号光の強度の比が一定になるように励起光強度を制御する方法が提案されている。
【0010】
しかしながら、このような方法では構成が複雑になる他、広い入力範囲にわたり、利得を高精度に安定化させるのが困難であり、また信号光のパワーPiの時間変動に対する過渡的な応答特性に問題がある。
【0011】
このような問題を解決する方法として、増幅器内で発振を生じさせ、この発振により利得の安定化を図る方法が提案されている。
【0012】
図5は光増幅器の他の従来例を示すブロック図である。
【0013】
通常の光ファイバ増幅器1の入出力にそれぞれ光カプラ3a、3bを設け、光ファイバ増幅器1の出力から入力への帰還ループを形成する。この帰還ループ内に設けられた光バンドパスフィルタ4により定められた通過波長λOSC でレーザ発振し、光ファイバ増幅器は信号光のパワーPiによらず一定の増幅利得に固定される。
【0014】
このような内部発振を用いた方法によれば、入力信号光のパワーPiの変化によらず常に一定の利得を保つことができ、入力信号光のパワーPiの時間変化に対する過渡的な応答特性も安定している。しかも複雑な電気的制御も不要である。さらにレーザ発振を生じている入力信号光のパワーPiの範囲においては利得の波長依存性も安定化される。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、波長チャネル間の波長間隔が狭くなるに従い、光合分波器の中心波長精度への要求が厳しくなり、素子温度のより厳密な制御が必要になる。しかしながら、素子温度の安定化のみでは光合分波器の特性の経時的な変化に追従することができない。
【0016】
一方、レーザ発振を用いて利得が安定した図5に示した光増幅器においては、内部発振光が信号光とともに外部に漏れだすという問題がある。また、光増幅器の入出力に設けられた光カプラや帰還ループ内に設けられた光バンドパスフィルタ等の光部品を必要とするのでコスト増となるという問題があった。
【0017】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単な構成で中心波長精度が高く、光増幅利得が安定した光増幅器を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、励起光を発生する励起光源と、波長多重化された信号光と上記励起光とを合波する第1光合分波器と、一端に上記第1光合分波器が接続され上記励起光と合波された上記波長多重信号光を増幅する希土類添加光ファイバと、希土類添加光ファイバの他端に接続されると共に、上記希土類添加光ファイバで増幅された上記波長多重信号光を分波する第2光合分波器とを有し、上記第2光合分波器は上記希土類添加光ファイバで発生する自然放出光のうち特定の波長の光を入力または出力するポートを備え、該ポートと上記第1光合分波器とが光学的に接続されることにより、上記特定の波長の光を上記希土類添加光ファイバに帰還させて上記特定の波長の光をレーザ発振する帰還ループを形成した光増幅器において、上記特定の波長の光のレーザ発振の光周波数を検出する検出手段と、検出される光周波数が一定になるように上記第2光合分波器の温度を制御する帰還制御手段とを備えた光増幅器である。
【0019】
請求項2の発明は、上記第1光合分波器の前段に光結合手段が設けられ、該光結合手段に上記第2光合分波器の特定の波長の光を入力または出力する上記ポートが光学的に接続される請求項 1 記載の光増幅器である。
【0020】
請求項3の発明は、上記光結合手段は光カプラである請求項1または請求項2記載の光増幅器である。
【0021】
請求項4の発明は、上記光結合手段は光サーキュレータである請求項1または請求項2記載の光増幅器である。
【0022】
請求項5の発明は、請求項3の光増幅器において、上記光カプラと上記第1光合分波器との間に、第1のポートが上記光カプラに接続されると共に、第2のポートが上記第1光合分波器に接続される光サーキュレータが設けられ、上記第2光合分波器の信号光の出力ポートに反射器が設けられ、該反射器で反射された上記信号光は上記第2光合分波器で合波され、合波された上記信号光は上記光サーキュレータの第2ポートに入力され、上記光サーキュレータの第3ポートから出力される請求項3記載の光増幅器である。
【0023】
請求項6の発明は、上記帰還ループの上記特定の波長の光のみを伝搬する光路の一部に、上記光増幅器の増幅利得を制御すべく光結合の大きさを調整する調整手段を設けた請求項1から5いずれかに記載の光増幅器である。
【0024】
請求項7の発明は、上記調整手段は、光減衰器である請求項6記載の光増幅器である。
【0025】
本発明によれば、光合分波器の入出力ポートのうち、信号光が割り当てられていない入出力ポートを用いて光増幅部の光合分波器と、希土類添加光ファイバと、光合分波器と、光結合手段との間で内部発振を生じさせる帰還ループを形成して利得を安定化させるとともに発振波長をモニタし、この発振波長を一定にすることによって中心波長の安定化と光増幅器の利得の安定化とを図ることができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0027】
図1は本発明の光増幅器の一実施の形態を示すブロック図である。信号光は波長λ0 〜λN の信号光が多重されたものとする。
【0028】
本光増幅器は、信号光を入力する光結合手段としての光カプラ3bと、入力ポートが光カプラ3bに接続された光アイソレータ8と、一方の入出力ポート7−1が光アイソレータ8の出力ポートに接続された光合分波器7と、出力ポートが光合分波器7の入力ポート7−1に接続された励起光源6と、一端が光合分波器7の他方の入出力ポート7−3に接続された希土類添加光ファイバ5と、コモンポートが希土類添加光ファイバ5の他端に接続され増幅された信号光(波長λ0 〜λN )を複数の出力ポートから出力する光合分波器2と、光合分波器2の特定の波長λN+1 の信号光を入出力する入出力ポートに接続された光カプラ3cと、光カプラ3cと光カプラ3bとの間に接続された光減衰器9と、光カプラ3cに入力ポートが光カプラ3cに接続された検出手段としての光周波数弁別器10と、入力ポートが光周波数弁別器10の出力ポートに接続され出力ポートが光合分波器2に設けられた図示しないヒータ(例えばペルチェ素子)に接続された帰還制御手段としての温度制御器11とで構成されている。
【0029】
次に本光増幅器の作動について説明する。
【0030】
信号光は光カプラ3b及び光アイソレータ8を経て光合分波器7により励起光源6からの励起光と合波されて希土類添加光ファイバ5に入射する。希土類添加光ファイバ5で増幅された信号光は、光合分波器2により波長の異なるチャネルごとに分離され出力される。
【0031】
一方、光合分波器2の入出力ポートのうち信号光波長帯域外の分波出力ポート(図では波長λN+1 の出力ポート)は光カプラ3c、光減衰器9を経て光カプラ3bにより光増幅部(励起光源、光合分波器、希土類添加光ファイバ、光合分波器、光減衰器、光カプラ、光アイソレータ)の入力側に帰還される。この帰還ループにより増幅器は波長λN+1 でレーザ発振し、このレーザ発振により増幅部の利得は図5に示した従来例と同様に信号光の入力パワーPiによらず一定に保たれる。また増幅部の利得は光減衰器9により帰還ループの損失を変えることにより調整可能である。
【0032】
レーザ発振光の一部は光カプラ3cにより分岐され、光周波数弁別器10によりその発振波長が検出され、この検出出力を用いて発振波長が一定になるように温度制御器11により光合分波器の温度が帰還制御される。このような温度制御は、例えば光合分波素子がヒータ(あるいはペルチェ素子)上に搭載され、温度調整素子に加える電流量を駆動回路により制御することで実現される。
【0033】
以上において本光増幅器は、光合分波器の特性(例えば温度)が変動しても常に中心波長を安定化することができ、また入力する信号光パワーPiによらず一定の増幅利得(出力信号光パワーPo)を得ることができ、さらに内部の発振光が外部に漏れることもない。
【0034】
図2は本発明の光増幅器の他の実施の形態を示すブロック図である。
【0035】
図1に示した実施の形態との相違点は、光カプラの代わりに光サーキュレータを用いた点である。
【0036】
すなわち本光増幅器は、信号光を入力するポートAからポートB、ポートBからポートC、ポートCからポートAへの順方向特性を有する光サーキュレータ12と、一方の入力ポートが光サーキュレータ12のポートBに接続された光合分波器7と、光合分波器7の入力ポート7−2に接続された励起光源6と、一端が光合分波器7の入出力ポート7−3に接続された希土類添加光ファイバ5と、コモンポートが希土類添加光ファイバ5の他端に接続され増幅された信号光(λ0 〜λN )を複数の出力ポートから出力する光合分波器2と、一端が光合分波器2の特定の波長λN+1 の信号光を出力する出力ポートに接続された光減衰器9と、光減衰器9の他端と光サーキュレータ12のポートCとの間に接続された光カプラ3cと、入力ポートが光カプラ3cに接続された光周波数弁別器10と、入力ポートが光周波数弁別器10の出力ポートに接続され出力ポートが光合分波器2に設けられた図示しないヒータ(ペルチェ素子)に接続された温度制御器11とで構成されている。
【0037】
このような光増幅器においても図1に示した光増幅器と同等の機能及び特性が得られるが、内部のレーザ発振光の伝搬方向が異なる。
【0038】
すなわち、図1に示した光増幅器では信号光と発振光とは同一方向に伝搬し、光合分波器2により分波されるのに対し、本光増幅器では発振光は信号光と逆方向に伝搬する。このような発振光の伝搬を実現するために図1に示した光増幅器の光カプラ3bと光アイソレータ8の代わりに光サーキュレータ12が設けられている。光サーキュレータ12の順方向特性により入力信号光はポートAからポートBに至り増幅部へ入力する。
【0039】
一方、発振光は光サーキュレータ12のポートBからポートCに至り光増幅部へ帰還する。発振光の伝搬方向の他は図1に示した光増幅器と同様であるので動作の説明は省略する。
【0040】
通常、発振光パワーは信号光パワーよりも大きいので、図1に示した光増幅器では光合分波器のクロストーク特性により発振光の一部が信号光の出力ポートに漏れだすことが懸念されるが、本光増幅器では伝搬方向が互いに異なるので、発振光の漏れ出しを抑圧することができるという利点がある。
【0041】
さらに、機能を高めた光増幅器について説明する。
【0042】
図3は本発明の光増幅器の他の実施の形態を示すブロック図である。
【0043】
図1に示した実施の形態との相違点は、入出力ともに波長多重された信号光である点である。
【0044】
すなわち、本光増幅器は、波長多重信号光を入力する光カプラ3bと、光カプラ3bからの信号光をポートAで入力し、増幅された波長多重信号をポートCから出力する光サーキュレータ12と、励起光源6と、入力ポート7−2が励起光源6に接続され、入出力ポート7−1が光サーキュレータ12のポートBに接続された光合分波器7と、一端が光合分波器7の入出力ポート7−3に接続された希土類添加光ファイバ5と、コモンポートが希土類添加光ファイバ5の他端に接続され増幅された信号光(波長λ0 〜λN )を複数の入出力ポートから出力する光合分波器2と、一端が光合分波器2の複数の入出力ポートにそれぞれ接続された光減衰器13と、光減衰器13の他端にそれぞれ接続され増幅された信号光を反射して光合分波器2に戻す光反射器14と、一端が光合分波器2の特定の波長λN+1 の信号光を出力する出力ポートに接続された光減衰器9と、光減衰器9の他端と光サーキュレータ12のポートCとの間に接続された光カプラ3cと、入力ポートが光カプラ3cに接続された光周波数弁別器10と、入力ポートが光周波数弁別器10の出力ポートに接続され出力ポートが光合分波器2に設けられた図示しないヒータ(ペルチェ素子)に接続された温度制御器11とで構成されている。
【0045】
次に本光増幅器の動作について説明する。
【0046】
本光増幅器の入出力ともに波長多重された信号光であり、図1に示した光増幅器において出力が分波された信号光出力であったのと異なる。波長多重された入力信号光は光サーキュレータ12のポートAからポートBに至り、増幅された後に光合分波器2により各チャネルに分離され、各波長ごとに光減衰器13を経て光反射器14により全反射され、再び同じ光路を経て光サーキュレータ12のポートBからポートCに出力される。各光減衰器13は増幅された各チャネルの光出力が等しくなるように調整される。
【0047】
一方、光合分波器2のポートのうち信号波長帯域以外の分波出力ポート(図では波長λN+1 の出力ポート)は光カプラ3c及び光減衰器9を経て光カプラ3bにより入力信号光と合成される。
【0048】
従って増幅部にて発生した自然放出光のうち波長λN+1 の近傍の光は光合分波器2、光カプラ3c、光減衰器9、光カプラ3b、光サーキュレータ12を経て再び増幅部に入力する帰還ループを形成する。この帰還ループにより光増幅器は波長λN+1 で発振し、この発振により増幅部の利得は図1に示した光増幅器と同様に信号光の入力パワーPiによらず一定に保たれる。また増幅部の利得は光減衰器9により帰還ループの損失を変えることにより調整可能である。発振光の一部は図1及び図2に示した光増幅器と同様に、光カプラ3cにより分岐され、光周波数弁別器10によりその発振波長が検出され、この検出出力を用いて発振波長が一定になるように温度制御器11により光合分波器2の温度が帰還制御される。
【0049】
本光増幅器はこのような構成により光合分波器2の各分波ポート(出力ポート)に設けられた光減衰器13を適当な値に調整することにより光増幅部の利得の波長依存性を補償することが可能であり、この補償により各波長チャンネルの出力ポート間の増幅利得を等しくすることが可能である。さらに特定の波長チャンネルの合分波ポート(図では波長λkの信号光が入出力するポート)を光反射器14により折り返さずに分岐/挿入ポートとして用いることもできる。この結果、特定の波長チャンネルの信号光のみを分岐/挿入することができ、波長多重を用いた光ネットワークの高機能化を実現することができる。
【0050】
以上本発明の光増幅器によれば、
(1) 光増幅器内部に帰還ループを設けて発振させることにより、増幅部の利得安定化が図られ、入力信号光パワーの変動によらず一定の利得を有する光ファイバ式の光増幅器が実現できる。
【0051】
(2) 信号光の分波器の空きポート(信号帯域外の波長の信号光の出力ポート)を利用して、この空きポートを介して増幅光を増幅部に巡回帰還させる帰還ループを形成することにより、帰還ループ形成のための光部品(光フィルタ、光カプラ等)を不要とし、自動的に内部発振光を信号帯域外に設定するとともに、発振光の外部への漏れを防止することができる。
【0052】
(3) 発振波長を検出して、この発振波長が常に一定になるように光合分波器の特性(素子温度)を帰還制御することにより、合分波特性の安定化(中心波長の安定化)を図ることができる。
【0053】
(4) 分波器の各分波出力を光減衰器で個別に調整することにより、増幅部の利得の波長依存性を厳密に補償することができる。
【0054】
(5) 増幅・分波した信号光を反射させて再び増幅媒体を通過させる増幅構成とすることにより、増幅効率を向上させることができる。
【0055】
(6) 特定の波長の信号光のみ選択的に分岐・挿入する機能等、高度な波長多重ネットワークの実現に必要な機能を簡単に実現できる。
【0056】
(7) (1) 〜(6) に示す特性が簡単な構成により得られる。
【0057】
(8) 部品点数が少なく構成の簡単なので、小型化、低価格化が可能である。
【0058】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【0059】
簡単な構成で中心波長精度が高く、光増幅利得が安定した光増幅器の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光増幅器の一実施の形態を示すブロック図である。
【図2】本発明の光増幅器の他の実施の形態を示すブロック図である。
【図3】本発明の光増幅器の他の実施の形態を示すブロック図である。
【図4】光増幅器の従来例を示すブロック図である。
【図5】光増幅器の他の従来例を示すブロック図である。
【符号の説明】
2、7 光合分波器
3b、3c 光カプラ
5 希土類添加光ファイバ
6 励起光源
8 光アイソレータ
9 光減衰器
10 光周波数弁別器
11 温度制御器
Claims (7)
- 励起光を発生する励起光源と、波長多重化された信号光と上記励起光とを合波する第1光合分波器と、一端に上記第1光合分波器が接続され上記励起光と合波された上記波長多重信号光を増幅する希土類添加光ファイバと、該希土類添加光ファイバの他端に接続されると共に、上記希土類添加光ファイバで増幅された上記波長多重信号光を分波する第2光合分波器とを有し、上記第2光合分波器は上記希土類添加光ファイバで発生する自然放出光のうち特定の波長の光を入力または出力するポートを備え、該ポートと上記第1光合分波器とが光学的に接続されることにより、上記特定の波長の光を上記希土類添加光ファイバに帰還させて上記特定の波長の光をレーザ発振する帰還ループを形成した光増幅器において、上記特定の波長の光のレーザ発振の光周波数を検出する検出手段と、検出される光周波数が一定になるように上記第2光合分波器の温度を制御する帰還制御手段とを備えたことを特徴とする光増幅器。
- 上記第1光合分波器の前段に光結合手段が設けられ、該光結合手段に上記第2光合分波器の特定の波長の光を入力または出力する上記ポートが光学的に接続される請求項1記載の光増幅器。
- 上記光結合手段は光カプラである請求項1または2記載の光増幅器。
- 上記光結合手段は光サーキュレータである請求項1または2記載の光増幅器。
- 請求項3の光増幅器において、上記光カプラと上記第 1 光合分波器との間に、第1のポートが上記光カプラに接続されると共に、第2のポートが上記第 1 光合分波器に接続される光サーキュレータが設けられ、上記第2光合分波器の信号光の出力ポートに反射器が設けられ、該反射器で反射された上記信号光は上記第2光合分波器で合波され、合波された上記信号光は上記光サーキュレータの第2ポートに入力され、上記光サーキュレータの第3ポートから出力される請求項3記載の光増幅器。
- 上記帰還ループの上記特定の波長の光のみを伝搬する光路の一部に、上記光増幅器の増幅利得を制御すべく光結合の大きさを調整する調整手段を設けた請求項1から5いずれかに記載の光増幅器。
- 上記調整手段は、光減衰器である請求項6記載の光増幅器。
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- 1999-12-28 JP JP37403099A patent/JP4000732B2/ja not_active Expired - Fee Related
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