JP4108459B2

JP4108459B2 - Optical amplifier

Info

Publication number: JP4108459B2
Application number: JP2002348450A
Authority: JP
Inventors: 巨生鈴木; 浩基島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: JP2004186217A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、波長多重光中継伝送システムにおける利得一定制御方式の光増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットの普及を代表とした近年の通信需要の増大に応えるために、大容量伝送方式として波長多重伝送方式（ＷＤＭ伝送方式）が活発に研究開発されている。ＷＤＭ伝送システムは、異なる信号光波長を一括伝送する技術であり、任意の伝送速度を持つ信号光波長数を増やすだけで、簡便に通信容量を大幅に増加させることができる利点がある。
また、ＷＤＭ伝送方式は海底ケーブルシステム等の大容量基幹通信網だけでなく、多信号光波長伝送といった利点から、メトロネットワークシステムといった伝送容量や伝送距離が柔軟に構築できる新しいネットワーク体系の重要な技術となっている。
この様なＷＤＭ伝送システムを構築するためには、異なる光波長を一括増幅可能な光中継増幅器が必須である。ＷＤＭ伝送システム向け光増幅中継器は増幅帯域内の光信号を光のまま一括増幅可能な中継器であり、その簡便性がＷＤＭ技術を活性化させる大きな牽引役となっている。光中継増幅器は希土類をドープした光ファイバを増幅媒体とした光増幅器が一般的である。
【０００３】
ＷＤＭ伝送システムにおける光増幅器には、伝送品質を保つために、増幅帯域において各信号光波長レベルがほぼ一定に増幅される増幅利得の平坦性が求められる。しかし、一般にこのような希土類のレーザ放出を利用した光増幅器は、ある入力信号光強度に対する利得が平坦になるように最適化されていても、信号波長数の変化や伝送路損失の変化等で、光増幅器に入力される入力信号光強度が変化すると、光増幅器における利得が変化してしまうことで、最適な利得の平坦性が変化してしまう。すなわち、入力信号光強度変化によって各波長での信号光出力強度が変化してしまうと、伝送システム中の最適な信号レベルダイヤが崩れてしまうこととなり、信号強度対雑音強度（ＳＮＲ）や伝送路ファイバの非線形性の影響により伝送システムの品質を著しく劣化させてしまう。つまり、ＷＤＭ伝送システムにおけるネットワークの柔軟性や自由度は光増幅器によって著しく制限されてしまうこととなる。
【０００４】
このような伝送システムの品質劣化を抑える方法として、光増幅器の利得を入力信号波数（強度）に関らず一定に制御する利得一定制御方式がある。
これは、希土類添加ファイバに対して前方励起とし、入力信号光パワーＰｉｎおよび出力信号光パワーＰｏｕｔから利得を検出する際に、希土類添加ファイバで発生する自然放出光パワーに対応する定数値（≠０）としてＰ_ＡＳＥを入力し、（Ｐｏｕｔ−Ｐ_ＡＳＥ）／Ｐｉｎを利得とし、この利得が一定になるように前方励起光パワーを制御する（例えば、下記特許文献１参照）。
また、この従来の技術に類似した技術として、例えば、下記特許文献２がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１１２４３４号公報（ｐ８，図１）
【特許文献２】
特開２０００−３４９７１８公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光増幅器は以上のように構成されているので、光増幅器出力光に含まれる自然放出光（ＡＳＥ：ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）強度を定数として利得一定制御における誤差補償を行っていた。しかし、この補償方法は希土類ドープファイバを理想的な均一特性（入力信号光レベルが変化しても、ＡＳＥレベルは変化せず一定となる特性）を持つものと仮定しており、希土類ドープファイバにおける不均一性（入力信号光レベルの変化に応じて、ＡＳＥレベルが変化する特性）に起因する利得変化成分を補償することができない。したがって、入力信号光レベル、波長数および波長変化等の入力信号光条件の変化に伴って発生する自然放出光レベルの変化が制御誤差となり、光増幅器における利得平坦性を保てる入力信号光ダイナミックレンジが狭まることや、不均一性に起因する利得変化が顕著である種類の希土類ドープファイバに適用できないなどの課題があった。
【０００７】
以下、上記課題を具体的に説明する。
通常、希土類ドープファイバが均一特性を持つと仮定すると、増幅媒質中の信号光パワーＩ_ＳとＡＳＥパワーＩ_ＡＳＥの伝搬式は次式（１）のように表される。
【数１】

ここで、ｚは増幅媒体の光の進行方向の位置、Ｎ_２，Ｎ_１はそれぞれ増幅準位の上準位，下準位の密度、σ_ｓ，σ_ａはそれぞれ信号光およびＡＳＥの波長における増幅媒体の誘導放出断面積と誘導吸収断面積、ｈはプランク定数、νとΔνはそれぞれＡＳＥの中心周波数広がりを示す。また、ＡＳＥの伝搬を表す式の±はそれぞれ順方向ＡＳＥおよび逆方向ＡＳＥを表す。
【０００８】
上記式（１）が示すように、Ｉ_ＡＳＥはＩ_Ｓと同様の増幅を表す式に、自然放出光を示すｈνσ_ｓＮ_２Δνの項が加わっている。このことは、増幅器利得と出力ＡＳＥパワーは独立に決定される訳ではなく、すなわち、ＡＳＥパワーを定数として扱うことができないことを示している。しかし、同時に出力ＡＳＥパワーが殆ど反転分布に依存しないような条件であれば、出力ＡＳＥパワーを一定値として扱うことができると言える。すなわち、自然放出光が無視できるとして上記式（１）をそれぞれ解くと次式（２）のようになる。
【数２】

ここで、Ｉｓ（Ｌ）およびＩａｓｅ（Ｌ）は希土類ドープファイバ出力端での強度を表す。
このような近似は、希土類ドープファイバの信号光入力側の反転分布を高く保つことで成り立つと考えられる。それは、信号光入力端近傍での利得が高ければ、出力ＡＳＥパワーの殆どが、信号光入力端附近で発生したＡＳＥが希土類ドープファイバを通り増幅される成分で占められるためである。この様な条件を満たす光増幅器においては、利得一定ならばＡＳＥパワーを一定値と見なせる。
【０００９】
しかし、上記式（２）は希土類ドープファイバが均一な特性を持つと仮定した式であり、実際には希土類ドープファイバにおける不均一性により、増幅器利得が同じ場合でも入力信号光レベル、波長数および波長変化等の入力信号光条件の変化に伴ってＡＳＥレベルが変化する。すなわち、実際の希土類ドープファイバを増幅媒体とした光増幅器においては、出力端でのＡＳＥパワーは次式（３）のようになる。
【数３】

ここで、右辺第２項は希土類ドープファイバの不均一性に起因するＡＳＥレベル変化量であり、入力信号光レベルおよび波長λに依存する。上記式（３）から分かるように信号光利得およびＡＳＥ利得は一様に対応せず、自然放出光成分が近似的に無視できる場合でも、希土類ドープファイバを均一な特性として誤差補償を行なった場合には、第２項に対応する信号利得とＡＳＥ利得の不整合が発生し、利得一定制御における制御誤差が発生する。
また、不均一性に起因するＡＳＥ変化量は、入力信号光レベル、波長数および波長といった入力信号光条件により様々に変化するため、完全にこの影響を取り除くためには複雑な制御が必要となる。
【００１０】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、利得一定制御する際に誤差要因となる自然放出光の影響を、希土類ドープファイバにおける不均一性に起因する自然放出光強度変化量をも含めて補償することができ、入力信号光条件、増幅器種類、および増幅器励起方式に関わらず高精度且つ簡易に利得一定制御を可能とする光増幅器を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光増幅器は、入力光レベル検出手段により検出された入力光電気信号レベル、出力光レベル検出手段により検出された出力光電気信号レベル、予め設定されその検出された出力光電気信号レベルに含まれる自然放出光電気信号レベル、および予め設定され入力信号光レベル、波長数および波長を含む入力信号光条件の変化に応じた自然放出光強度変化量に対応した電気信号レベルに基づいて励起光出力手段を制御し、光増幅器を利得一定制御する制御手段を備えたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による光増幅器を示す構成図であり、図において、光分波器２ａは、希土類ドープファイバ１への入力信号光の一部を分岐し、光レベル検出器３ａは、その分岐された入力信号光の強度を検出し、入力光電気信号レベルＰｉｎに変換するものである。なお、光分波器２ａおよび光レベル検出器３ａにより入力光レベル検出手段を構成する。
光分波器２ｂは、希土類ドープファイバ１からの出力信号光の一部を分岐し、光レベル検出器３ｂは、その分岐された出力信号光の強度を検出し、出力光電気信号レベルＰｏｕｔに変換するものである。なお、光分波器２ｂおよび光レベル検出器３ｂにより出力光レベル検出手段を構成する。
励起光源４は、励起光を出力し、励起光源合波器５は、その励起光を希土類ドープファイバ１中に出力するものである。なお、励起光源４および励起光源合波器５により励起光出力手段を構成する。
アイソレータ６は、希土類ドープファイバ１と光分波器２ｂとの間に設けられ、光絶縁するものである。
利得誤差補償回路７は、出力光電気信号レベルＰｏｕｔに含まれるＡＳＥ電気信号レベルＰａｓｅ＿ｈｏｍｏとＡＳＥ強度変化量に対応した電気信号レベルΔＰａｓｅ＿ｉｎｈｏｍｏとの和を利得補償レベルΔＧとして予め設定され、出力光電気信号レベルＰｏｕｔからその利得補償レベルΔＧを減算した出力電気信号補正レベルＰｏｕｔ′を発生するものである。また、利得一定制御回路８は、その利得誤差補償回路７から発生された出力電気信号補正レベルＰｏｕｔ′と入力光電気信号レベルＰｉｎとのレベル比が、常に一定の比率Ｇとなるように励起光源４を制御するものである。なお、利得誤差補償回路７および利得一定制御回路８により制御手段を構成する。
【００１３】
次に動作について説明する。
図１において、入力された入力信号光の一部は光分岐器２ａによって分岐され、光レベル検出器３ａにより入力信号光強度が検出され、入力光電気信号レベルＰｉｎに変換される。励起光源４からの励起光は励起光源合波器５により入力信号光と共に希土類ドープファイバ1中に入力され、入力信号光は増幅される。増幅された出力信号光の一部は光分岐器２ｂによって分岐され、光レベル検出器３ｂにより出力信号光強度が検出され、出力光電気信号レベルＰｏｕｔに変換される。
次に、入力光電気信号レベルＰｉｎは利得一定制御回路８に入力され、出力光電気信号レベルＰｏｕｔは利得誤差補償回路７に入力される。利得誤差補償回路７に入力された出力光電気信号レベルＰｏｕｔは、希土類ドープファイバ１が均一な特性を持つとして設定された出力光電気信号レベルＰｏｕｔに含まれるＡＳＥ電気信号レベルＰａｓｅ＿ｈｏｍｏと、入力信号光ダイナミックレンジにおいて発生する希土類ドープファイバ１の不均一性に起因するＡＳＥ強度変化量に対応した電気信号レベルΔＰａｓｅ＿ｉｎｈｏｍｏとの和を減算した出力電気信号補正レベルＰｏｕｔ′＝Ｐｏｕｔ−（Ｐａｓｅ＿ｈｏｍｏ＋ΔＰａｓｅ＿ｉｎｈｏｍｏ）として変換された後、利得一定制御回路８に入力される。
利得一定制御回路８に入力された入力光電気信号レベルＰｉｎおよび出力電気信号補正レベルＰｏｕｔ′がＰｏｕｔ′／Ｐｉｎ＝Ｇで、Ｇが一定のレベル比になるように励起光源４に帰還制御を掛けることで、入力信号光レベルに関わらず、常に一定の利得Ｇとして光増幅器を動作させることができる。
【００１４】
次に、ＡＳＥ電気信号レベルＰａｓｅ＿ｈｏｍｏおよび希土類ドープファイバ１の不均一性に起因するＡＳＥ強度変化量に対応した電気信号レベルΔＰａｓｅ＿ｉｎｈｏｍｏの設定方法について説明する。設定は以下の手順で行う。
（１）光増幅器の増幅帯域内で、希土類ドープファイバ１の不均一性に起因するＡＳＥ強度変化量が最も大きくなる波長において、出力信号光強度が出力ＡＳＥ強度よりも十分に大きなレベルとなるような最大信号光強度入力条件における利得Ｇを測定する。
（２）同波長において、出力信号光強度が出力ＡＳＥ強度と同程度、あるいは無視できないレベルとなるような最小信号光強度入力条件における利得Ｇ′を測定する。
（３）ここで、Ｇ−Ｇ′＝ΔＧとし、Ｇ≫ΔＧ且つＧ＝Ｇ′＋ΔＧとなるΔＧを求める。
この利得変化量ΔＧは、出力信号光に含まれるＡＳＥ強度（Ｐａｓｅ＿ｈｏｍｏ＋ΔＰａｓｅ＿ｉｎｈｏｍｏ）を表しており、利得誤差補償回路７において、このΔＧを利得補償レベルとして設定し、利得誤差補償回路７に入力されたＰｏｕｔをＰｏｕｔ′＝Ｐｏｕｔ−ΔＧとして出力補正レベルとして出力する。
なお、この利得補償レベルΔＧは、以上の設定手順によって定められた後、利得誤差補償回路７に定数として与えられ、入力信号光強度や入力信号光波長に拠らず常に一定の補償レベルとして設定される。
【００１５】
次に、この実施の形態１における発明の効果について説明する。
図２は波長−光出力強度特性を示す特性図であり、入力信号光強度を変化させた場合の光増幅器出力スペクトルの様子を利得一定制御における利得誤差補償がない場合（ａ）と、この実施の形態１による利得誤差補償を実施した場合（ｂ）とで比較したものである。ここで、図中、光増幅器の増幅帯域および光信号出力強度は任意の場合のものであり、発明の範囲を限定するものでは無い。
図から分かるように、この実施の形態１による利得誤差補償を実施することで、広い入力ダイナミックレンジにおける利得一定制御誤差を無視できる程度に小さくすることができている。また、不均一性に起因するＡＳＥ強度変化量ΔＰａｓｅ＿ｉｎｈｏｍｏは本来波長によりその値が変る。すなわち、波長依存性がある。しかし、その波長依存性レベルは小さく、補償レベルの内訳において、通常、Ｐａｓｅ＿ｈｏｍｏ＞ΔＰａｓｅ＿ｉｎｈｏｍｏといった大小関係が成り立っているため、誤差補償値設定波長以外での利得誤差も無視できる程度に小さくできる。
【００１６】
以上のように、この実施の形態１によれば、希土類ドープファイバ１における不均一性に起因するＡＳＥ強度変化量が最も大きくなる波長において利得補償レベル（Ｐａｓｅ＿ｈｏｍｏ＋ΔＰａｓｅ＿ｉｎｈｏｍｏ）を設定し、且つ、それを定数として扱うことにより、広い入力ダイナミックレンジにおいて、光増幅器における簡便且つ高精度な利得一定制御を行うことができる。
【００１７】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２による光増幅器を示す構成図であり、図において、前方励起型励起光源４ａおよび励起光源合波器５ａは、励起光を入力信号光と同じ方向に希土類ドープファイバ１中に入力するものであり、後方励起型励起光源４ｂおよび励起光源合波器５ｂは、励起光を入力信号光と逆方向に希土類ドープファイバ１中に入力するものである。なお、前方励起型励起光源４ａおよび励起光源合波器５ａ、後方励起型励起光源４ｂおよび励起光源合波器５ｂにより励起光出力手段を構成する。その他の構成については、図１と同一である。
【００１８】
次に動作について説明する。
上記実施の形態１では、励起光源が入力信号光と同一方向に入力される前方励起型励起光源である場合について説明したが、励起光源が前方励起型励起光源４ａと共に入力信号光と逆方向に入力される後方励起型励起光源４ｂを併せて備え持つ双方向励起型励起光源を設けても良い。
図４は入力信号光強度−励起光源強度特性を示す特性図であり、この実施の形態２のように双方向励起型励起光源を用いる場合は、全出力光に含まれるＡＳＥの内、その殆どが希土類ドープファイバ１の入力端で発生したＡＳＥが増幅された成分となるように、前方励起光強度が後方励起光強度よりも充分に大きくなるように各励起光源を個別に利得一定制御回路８により制御する。
また、利得一定制御回路８は、前方励起光強度と後方励起光強度との強度比が、入力信号光強度の変化に応じたＡＳＥ強度変化量が最も小さくなる比率となるように制御する。このように制御することによって、入力信号光のダイナミックレンジをさらに広げることができる。
【００１９】
以上のように、この実施の形態２によれば、双方向励起型励起光源といった光増幅器方式においても、上記実施の形態１と同様な効果を奏することができる。
【００２０】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３による光増幅器を示す構成図であり、図において、利得等化器９は、光分波器２ａ，２ｂ間に挿入されるものであり、希土類ドープファイバ１における増幅波長特性と逆特性の損失波長特性を有し、その希土類ドープファイバ１の増幅波長特性を平坦化するものである。その他の構成については、図１または図３と同一である。
【００２１】
次に動作について説明する。
希土類ドープファイバ１における増幅特性は、一般に波長特性を持つため、信号光波長毎の増幅利得が異なる。したがって、入力光電気信号レベルＰｉｎおよび出力電気信号補正レベルＰｏｕｔ′のレベル比が一定となるような利得一定制御を行った場合、入力信号光利得の平均利得がＰｏｕｔ′／Ｐｉｎ＝Ｇとなるように制御が行われるが、各波長の利得Ｇ（λ）は、信号光波長毎の増幅利得と平均利得の差をΔＧ（λ）とすると、Ｇ（λ）＝Ｇ＋ΔＧ（λ）となり、各信号光出力強度に偏差が発生することにより伝送品質を劣化させてしまう。また、光増幅器に入力する信号光波長配置により、ΔＧ（λ）が様々に変化してしまう。このため、ΔＧ（λ）の逆特性ΔＬ（λ）を損失として与えられる利得等化器９を挿入することで、全信号光波長における利得をＧ（λ）＝Ｇとほぼ一定にすることができる。
【００２２】
以上のように、この実施の形態３によれば、利得等化を行うことで、光増幅器の増幅帯域を大きく拡大することができ、上記実施の形態１と同様な効果を奏することができる。
【００２３】
実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４による光増幅器を示す構成図であり、図において、補償レベル設定器１０は、利得補償レベルを任意に設定可能なものであり、減算器１１は、出力光電気信号レベルＰｏｕｔから補償レベル設定器１０により設定された利得補償レベルを減算し、出力電気信号補正レベルＰｏｕｔ′を発生するものである。その他の構成については、図１、図３または図５と同一である。
【００２４】
次に動作について説明する。
上記実施の形態１から３において、利得誤差補償回路７における利得補償レベルを、入力信号光強度に依存しない電気的な定数として与えても良い。
図６において、光レベル検出器３ｂに入力された出力信号光強度は、出力光電気信号レベルＰｏｕｔに変換され、減算器１１に入力される。また、予め定数として設定された補償レベル設定器１０からの利得補償レベル（Ｐａｓｅ＿ｈｏｍｏ＋ΔＰａｓｅ＿ｉｎｈｏｍｏ）も減算器１１に入力され、その減算器１１によって、Ｐｏｕｔ′＝Ｐｏｕｔ−（Ｐａｓｅ＿ｈｏｍｏ＋ΔＰａｓｅ＿ｉｎｈｏｍｏ）と出力電気信号補正レベルに変換され、利得一定制御回路８へ出力される。
したがって、減算器１１を例えば汎用的なオペアンプとすれば、補償レベル設定器１０は電気的な一定値として扱うことができるため、抵抗程度の分圧器といった簡便で安価な構成で達成することができる。
【００２５】
以上のように、この実施の形態４によれば、利得補償レベルを電気的な一定値として設定することで、簡易且つ安価に上記実施の形態１と同様な効果を奏することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、入力光レベル検出手段により検出された入力光電気信号レベル、出力光レベル検出手段により検出された出力光電気信号レベル、予め設定されその検出された出力光電気信号レベルに含まれる自然放出光電気信号レベル、および予め設定され入力信号光レベル、波長数および波長を含む入力信号光条件の変化に応じた自然放出光強度変化量に対応した電気信号レベルに基づいて励起光出力手段を制御し、光増幅器を利得一定制御する制御手段を備えるように構成したので、光増幅器において利得一定制御する際に誤差要因となる自然放出光の影響を、希土類ドープファイバにおける不均一性に起因する自然放出光強度変化量をも含めて補償することができ、入力信号光条件、増幅器種類、および増幅器励起方式に関わらず高精度且つ簡易に利得一定制御を可能とする光増幅器が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による光増幅器を示す構成図である。
【図２】波長−光出力強度特性を示す特性図である。
【図３】この発明の実施の形態２による光増幅器を示す構成図である。
【図４】入力信号光強度−励起光源強度特性を示す特性図である。
【図５】この発明の実施の形態３による光増幅器を示す構成図である。
【図６】この発明の実施の形態４による光増幅器を示す構成図である。
【符号の説明】
１希土類ドープファイバ、２ａ光分波器（入力光レベル検出手段）、２ｂ光分波器（出力光レベル検出手段）、３ａ光レベル検出器（入力光レベル検出手段）、３ｂ光レベル検出器（出力光レベル検出手段）、４励起光源（励起光出力手段）、４ａ前方励起型励起光源（励起光出力手段）、４ｂ後方励起型励起光源（励起光出力手段）、５，５ａ，５ｂ励起光源合波器（励起光出力手段）、６アイソレータ、７利得誤差補償回路（制御手段）、８利得一定制御回路（制御手段）、９利得等化器、１０補償レベル設定器、１１減算器。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical amplifier of a constant gain control system in a wavelength division multiplexing optical repeater transmission system.
[0002]
[Prior art]
In order to respond to the recent increase in communication demand represented by the spread of the Internet, a wavelength division multiplexing transmission system (WDM transmission system) has been actively researched and developed as a large capacity transmission system. The WDM transmission system is a technique for collectively transmitting different signal light wavelengths, and has an advantage that the communication capacity can be increased easily and simply by increasing the number of signal light wavelengths having an arbitrary transmission speed.
The WDM transmission system is not only a large capacity backbone communication network such as a submarine cable system, but also an important technology of a new network system that allows flexible construction of transmission capacity and transmission distance such as a metro network system because of the advantage of multi-signal optical wavelength transmission. It has become.
In order to construct such a WDM transmission system, an optical repeater amplifier capable of amplifying different optical wavelengths all together is essential. An optical amplification repeater for a WDM transmission system is a repeater that can amplify optical signals within an amplification band as they are, and its simplicity is a major driver for activating WDM technology. The optical repeater amplifier is generally an optical amplifier using an optical fiber doped with rare earth as an amplification medium.
[0003]
In order to maintain transmission quality, an optical amplifier in a WDM transmission system is required to have a flatness of amplification gain in which each signal light wavelength level is amplified almost constant in an amplification band. However, in general, optical amplifiers using such rare earth laser emission are optimized so that the gain with respect to a certain input signal light intensity is flat. When the intensity of the input signal light input to the optical amplifier changes, the gain in the optical amplifier changes, and the optimal gain flatness changes. That is, if the signal light output intensity at each wavelength changes due to the change in the input signal light intensity, the optimum signal level diagram in the transmission system will be destroyed, and the signal strength versus noise strength (SNR) or transmission path The quality of the transmission system is significantly degraded due to the effects of fiber nonlinearity. That is, the flexibility and flexibility of the network in the WDM transmission system are significantly limited by the optical amplifier.
[0004]
As a method for suppressing such quality degradation of the transmission system, there is a constant gain control method for controlling the gain of the optical amplifier constant irrespective of the input signal wave number (intensity).
This is forward pumping with respect to the rare earth-doped fiber, and a constant value (≠ 0) corresponding to the spontaneous emission light power generated in the rare earth-doped fiber when detecting the gain from the input signal light power Pin and the output signal light power Pout. ) as inputs the _{P ASE,} _(a gain of _Pout-P ASE) / Pin, to control the forward pumping light power so that the gain becomes constant (for example, see Patent Document 1).
Further, as a technique similar to this conventional technique, for example, there is Patent Document 2 below.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-112434 (p8, FIG. 1)
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-349718
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional optical amplifier is configured as described above, the error compensation in the constant gain control is performed with the intensity of spontaneous emission (ASE) included in the output light of the optical amplifier as a constant. However, this compensation method assumes that the rare earth doped fiber has an ideal uniform characteristic (a characteristic in which the ASE level does not change even when the input signal light level changes). It is not possible to compensate for a gain change component due to non-uniformity (characteristic that the ASE level changes according to the change in the input signal light level). Therefore, the change in the spontaneous emission light level that occurs with changes in the input signal light conditions such as the input signal light level, the number of wavelengths, and the wavelength change becomes a control error, and the input signal light dynamic range that can maintain the gain flatness in the optical amplifier is There are problems such as narrowing and inapplicability to a rare earth-doped fiber of a type in which gain change due to non-uniformity is remarkable.
[0007]
Hereinafter, the above problem will be described in detail.
Usually, when assumed to have uniform characteristics rare earth-doped fiber, the propagation equation of the signal light power I _S and the ASE power I _ASE in the amplifying medium is expressed by the following equation (1).
[Expression 1]

Here, z is the position of the amplifying medium in the light traveling direction, N ₂ and N ₁ are the density of the upper and lower levels of the amplification level, and σ _s and σ _a are the wavelength of the signal light and ASE, respectively Stimulated emission cross section and stimulated absorption cross section of the amplifying medium, h is Planck's constant, and ν and Δν are the center frequency spread of ASE, respectively. Also, ± in the expression representing the propagation of ASE represents forward ASE and backward ASE, respectively.
[0008]
As indicated by the formula _{(1), I ASE} the expression for the same amplification and _{I S,} are subjected to any hνσ _s N ₂ Δν term indicating the spontaneous emission light. This indicates that the amplifier gain and the output ASE power are not determined independently, that is, the ASE power cannot be treated as a constant. However, it can be said that the output ASE power can be treated as a constant value under the condition that the output ASE power hardly depends on the inversion distribution at the same time. That is, when the above equation (1) is solved assuming that spontaneous emission can be ignored, the following equation (2) is obtained.
[Expression 2]

Here, Is (L) and Iase (L) represent the strength at the output end of the rare earth doped fiber.
Such an approximation is considered to hold by maintaining a high inversion distribution on the signal light input side of the rare earth-doped fiber. This is because if the gain near the signal light input end is high, most of the output ASE power is occupied by components amplified near the signal light input end through the rare earth doped fiber. In an optical amplifier satisfying such conditions, the ASE power can be regarded as a constant value if the gain is constant.
[0009]
However, the above equation (2) is an equation assuming that the rare-earth doped fiber has uniform characteristics. In practice, due to non-uniformity in the rare-earth doped fiber, even when the amplifier gain is the same, the input signal light level, the number of wavelengths, and The ASE level changes with changes in input signal light conditions such as wavelength changes. That is, in an optical amplifier using an actual rare earth-doped fiber as an amplification medium, the ASE power at the output end is expressed by the following equation (3).
[Equation 3]

Here, the second term on the right side is an ASE level change amount due to the non-uniformity of the rare earth doped fiber, and depends on the input signal light level and the wavelength λ. As can be seen from the above equation (3), the signal light gain and the ASE gain do not correspond uniformly, and even when the spontaneous emission light component can be approximately ignored, error compensation is performed with the rare-earth doped fiber as a uniform characteristic. Causes a mismatch between the signal gain and the ASE gain corresponding to the second term, and a control error in the constant gain control occurs.
Further, the ASE change amount due to non-uniformity varies in various ways depending on the input signal light conditions such as the input signal light level, the number of wavelengths, and the wavelength. Therefore, complicated control is required to completely remove this influence. .
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described problems. The effect of spontaneous emission, which is an error factor when controlling the gain to be constant, is reflected in the change in spontaneous emission intensity due to nonuniformity in the rare earth doped fiber. It is an object of the present invention to obtain an optical amplifier that can compensate for the amount, and can perform constant gain control with high accuracy and simplicity regardless of input signal light conditions, amplifier type, and amplifier excitation method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The optical amplifier according to the present invention includes an input photoelectric signal level detected by the input light level detection means, an output photoelectric signal level detected by the output light level detection means, and a preset output photoelectric signal level detected. Excitation based on the spontaneous emission optical signal level included in the signal and the electric signal level corresponding to the amount of spontaneous emission light intensity change according to the change of the input signal light condition including the preset input signal light level, the number of wavelengths and the wavelength Control means for controlling the optical output means and controlling the gain of the optical amplifier to be constant is provided.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing an optical amplifier according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, an optical demultiplexer 2a branches a part of input signal light to a rare earth doped fiber 1 to provide an optical level detector. 3a detects the intensity of the branched input signal light and converts it to an input photoelectric signal level Pin. The optical demultiplexer 2a and the optical level detector 3a constitute input light level detection means.
The optical demultiplexer 2b branches a part of the output signal light from the rare earth-doped fiber 1, and the optical level detector 3b detects the intensity of the branched output signal light and outputs it to the output photoelectric signal level Pout. To convert. The optical demultiplexer 2b and the optical level detector 3b constitute output light level detection means.
The pumping light source 4 outputs pumping light, and the pumping light source multiplexer 5 outputs the pumping light into the rare earth doped fiber 1. The excitation light source 4 and the excitation light source multiplexer 5 constitute excitation light output means.
The isolator 6 is provided between the rare earth-doped fiber 1 and the optical demultiplexer 2b and is optically insulated.
The gain error compensation circuit 7 is preset with the gain compensation level ΔG as the sum of the ASE electrical signal level Pase_homo included in the output photoelectric signal level Pout and the electrical signal level ΔPase_inomo corresponding to the ASE intensity change amount. The output electric signal correction level Pout ′ is generated by subtracting the gain compensation level ΔG from the level Pout. Further, the constant gain control circuit 8 is configured so that the level ratio between the output electrical signal correction level Pout ′ generated from the gain error compensation circuit 7 and the input photoelectric signal level Pin is always a constant ratio G. 4 is controlled. The gain error compensation circuit 7 and the constant gain control circuit 8 constitute a control means.
[0013]
Next, the operation will be described.
In FIG. 1, a part of the input signal light input is branched by the optical branching device 2a, the intensity of the input signal light is detected by the optical level detector 3a, and converted to the input photoelectric signal level Pin. The excitation light from the excitation light source 4 is input into the rare earth doped fiber 1 together with the input signal light by the excitation light source multiplexer 5, and the input signal light is amplified. A part of the amplified output signal light is branched by the optical branching device 2b, the output signal light intensity is detected by the optical level detector 3b, and converted into the output photoelectric signal level Pout.
Next, the input photoelectric signal level Pin is input to the constant gain control circuit 8, and the output photoelectric signal level Pout is input to the gain error compensation circuit 7. The output photoelectric signal level Pout input to the gain error compensation circuit 7 includes the ASE electric signal level Pase_homo included in the output photoelectric signal level Pout set so that the rare earth doped fiber 1 has uniform characteristics, and the input signal light. It was converted as an output electric signal correction level Pout ′ = Pout− (Pase_homo + ΔPase_inomomo) obtained by subtracting the sum of the electric signal level ΔPase_inhomo corresponding to the ASE intensity change amount caused by the non-uniformity of the rare earth doped fiber 1 generated in the dynamic range. Thereafter, the signal is input to the constant gain control circuit 8.
The pumping light source 4 is subjected to feedback control so that the input photoelectric signal level Pin and the output electric signal correction level Pout ′ input to the constant gain control circuit 8 are Pout ′ / Pin = G and G has a constant level ratio. Thus, the optical amplifier can always be operated with a constant gain G regardless of the input signal light level.
[0014]
Next, a method for setting the electric signal level ΔPase_inomo corresponding to the ASE intensity change amount caused by the non-uniformity of the ASE electric signal level Pase_homo and the rare earth doped fiber 1 will be described. Follow the procedure below.
(1) The output signal light intensity is sufficiently higher than the output ASE intensity at the wavelength where the amount of change in the ASE intensity due to the non-uniformity of the rare earth doped fiber 1 is the largest within the amplification band of the optical amplifier. The gain G under the maximum signal light intensity input condition is measured.
(2) At the same wavelength, the gain G ′ under the minimum signal light intensity input condition is measured so that the output signal light intensity is approximately equal to the output ASE intensity or a level that cannot be ignored.
(3) Here, G−G ′ = ΔG, and ΔG satisfying G >> ΔG and G = G ′ + ΔG is obtained.
This gain change amount ΔG represents the ASE intensity (Pase_homo + ΔPase_inhomo) included in the output signal light. In the gain error compensation circuit 7, this ΔG is set as a gain compensation level, and Pout input to the gain error compensation circuit 7 is set. Is output as an output correction level as Pout ′ = Pout−ΔG .
The gain compensation level ΔG is determined by the above setting procedure and then given as a constant to the gain error compensation circuit 7 and is always set as a constant compensation level regardless of the input signal light intensity or the input signal light wavelength. Is done.
[0015]
Next, the effect of the invention in the first embodiment will be described.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the wavelength-light output intensity characteristic. When the input signal light intensity is changed, the state of the optical amplifier output spectrum is shown when there is no gain error compensation in the constant gain control (a). The gain error compensation according to the first embodiment is compared with (b). Here, in the figure, the amplification band and optical signal output intensity of the optical amplifier are arbitrary, and do not limit the scope of the invention.
As can be seen from the figure, by performing the gain error compensation according to the first embodiment, the constant gain control error in a wide input dynamic range can be reduced to a negligible level. In addition, the value of the ASE intensity change amount ΔPase_inhomo resulting from non-uniformity originally varies depending on the wavelength. That is, there is wavelength dependency. However, since the wavelength dependency level is small and the magnitude relationship such as Pase_homo> ΔPase_inhome is normally established in the breakdown of the compensation level, gain errors other than the error compensation value setting wavelength can be reduced to a negligible level.
[0016]
As described above, according to the first embodiment, the gain compensation level (Pase_homo + ΔPase_inhomo) is set at a wavelength at which the ASE intensity change amount due to the non-uniformity in the rare earth doped fiber 1 is the largest, and it is set as a constant. As a result, it is possible to perform simple and highly accurate gain constant control in an optical amplifier in a wide input dynamic range.
[0017]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing an optical amplifier according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, a forward pumping pumping light source 4a and a pumping light source multiplexer 5a are doped with rare earth in the same direction as the input signal light. The backward pumping type pumping light source 4b and the pumping light source multiplexer 5b are for inputting the pumping light into the rare earth doped fiber 1 in the direction opposite to the input signal light. The forward pumping pumping light source 4a and the pumping light source multiplexer 5a, and the rear pumping pumping light source 4b and the pumping light source multiplexer 5b constitute pumping light output means. Other configurations are the same as those in FIG.
[0018]
Next, the operation will be described.
In Embodiment 1 described above, the case where the excitation light source is a forward excitation type excitation light source that is input in the same direction as the input signal light has been described. However, the excitation light source together with the forward excitation type excitation light source 4a is opposite to the input signal light. A bidirectional excitation type excitation light source having both the backward excitation type excitation light source 4b to be input may be provided.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing input signal light intensity-excitation light source intensity characteristics. When a bidirectional excitation type pumping light source is used as in the second embodiment, most of the ASE included in all output lights. The constant gain control circuit 8 individually controls each pumping light source so that the forward pumping light intensity is sufficiently larger than the backward pumping light intensity so that the ASE generated at the input end of the rare earth doped fiber 1 becomes an amplified component. Control by.
Further, the constant gain control circuit 8 controls the intensity ratio between the forward pumping light intensity and the backward pumping light intensity so that the ASE intensity change amount corresponding to the change in the input signal light intensity is the smallest. By controlling in this way, the dynamic range of the input signal light can be further expanded.
[0019]
As described above, according to the second embodiment, an effect similar to that of the first embodiment can be obtained even in an optical amplifier system such as a bidirectional excitation type pumping light source.
[0020]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 5 is a block diagram showing an optical amplifier according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, a gain equalizer 9 is inserted between the

optical demultiplexers

2a and 2b, and the rare earth doped fiber 1 The loss wavelength characteristic is opposite to the amplification wavelength characteristic in FIG. 2, and the amplification wavelength characteristic of the rare earth doped fiber 1 is flattened. Other configurations are the same as those in FIG. 1 or FIG.
[0021]
Next, the operation will be described.
Since the amplification characteristic in the rare earth doped fiber 1 generally has a wavelength characteristic, the amplification gain for each signal light wavelength is different. Accordingly, when gain constant control is performed such that the level ratio between the input optical signal level Pin and the output signal correction level Pout ′ is constant, the average gain of the input signal light gain is Pout ′ / Pin = G. The gain G (λ) of each wavelength is G (λ) = G + ΔG (λ), where ΔG (λ) is the difference between the amplification gain and the average gain for each signal light wavelength. Transmission quality is degraded due to deviations in the optical output intensity. Further, ΔG (λ) changes variously depending on the wavelength arrangement of the signal light input to the optical amplifier. For this reason, by inserting a gain equalizer 9 which gives the inverse characteristic ΔL (λ) of ΔG (λ) as a loss, the gain at all signal light wavelengths can be made substantially constant as G (λ) = G. it can.
[0022]
As described above, according to the third embodiment, by performing gain equalization, the amplification band of the optical amplifier can be greatly expanded, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0023]
Embodiment 4 FIG.
6 is a block diagram showing an optical amplifier according to Embodiment 4 of the present invention. In the figure, a compensation level setting unit 10 can arbitrarily set a gain compensation level, and a subtractor 11 can output light. The gain compensation level set by the compensation level setting unit 10 is subtracted from the electrical signal level Pout to generate an output electrical signal correction level Pout ′. Other configurations are the same as those in FIG. 1, FIG. 3, or FIG.
[0024]
Next, the operation will be described.
In the first to third embodiments, the gain compensation level in the gain error compensation circuit 7 may be given as an electrical constant independent of the input signal light intensity.
In FIG. 6, the output signal light intensity input to the optical level detector 3 b is converted into an output photoelectric signal level Pout and input to the subtractor 11. Further, the gain compensation level (Pase_homo + ΔPase_inhomo) from the compensation level setting unit 10 set in advance as a constant is also input to the subtractor 11, and the subtractor 11 sets the output electric signal correction level to Pout ′ = Pout− (Pase_homo + ΔPase_inhome). The signal is converted and output to the constant gain control circuit 8.
Therefore, if the subtractor 11 is a general-purpose operational amplifier, for example, the compensation level setter 10 can be handled as an electrical constant value, so that it can be achieved with a simple and inexpensive configuration such as a voltage divider of resistance. .
[0025]
As described above, according to the fourth embodiment, by setting the gain compensation level as an electrical constant value, the same effects as those of the first embodiment can be obtained easily and inexpensively.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the input photoelectric signal level detected by the input light level detection means, the output photoelectric signal level detected by the output light level detection means, the preset output light detected. The electrical signal level corresponding to the spontaneous emission light intensity change amount corresponding to the change of the input signal light condition including the input signal light level, the number of wavelengths and the wavelength set in advance, and the spontaneous emission optical signal level included in the electrical signal level Since the pumping light output means is controlled based on the optical amplifier, the optical amplifier is configured to include a control means for controlling the gain to be constant. Can compensate for changes in the intensity of spontaneously emitted light due to inhomogeneities in the input signal light conditions, amplifier type, and amplifier excitation. The effect of optical amplifier that enables high accuracy and gain control easily regardless of formula is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an optical amplifier according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a wavelength-light output intensity characteristic.
FIG. 3 is a block diagram showing an optical amplifier according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing input signal light intensity-excitation light source intensity characteristics.
FIG. 5 is a block diagram showing an optical amplifier according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing an optical amplifier according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rare earth doped fiber, 2a Optical demultiplexer (input light level detection means), 2b Optical demultiplexer (output light level detection means), 3a Optical level detector (input light level detection means), 3b Optical level detector ( Output light level detection means), 4 excitation light source (excitation light output means), 4a forward excitation type excitation light source (excitation light output means), 4b backward excitation type excitation light source (excitation light output means), 5, 5a, 5b excitation light source Multiplexer (pumping light output means), 6 isolator, 7 gain error compensation circuit (control means), 8 constant gain control circuit (control means), 9 gain equalizer, 10 compensation level setter, 11 subtractor.

Claims

Pumping light output means for outputting pumping light to the rare earth doped fiber;
Input light level detection means for detecting the intensity of the input signal light to the rare earth doped fiber and converting it to an input photoelectric signal level;
Output light level detection means for detecting the intensity of the output signal light from the rare earth-doped fiber and converting it to an output photoelectric signal level;
The input photoelectric signal level detected by the input light level detecting means, the output photoelectric signal level detected by the output light level detecting means, and the spontaneous emission light included in the preset output photoelectric signal level detected The excitation light output means is controlled based on the electrical signal level and the electrical signal level corresponding to the change amount of the spontaneous emission light intensity according to the change of the input signal light condition including the preset input signal light level, the number of wavelengths and the wavelength. And an optical amplifier provided with control means for controlling the gain of the optical amplifier to be constant.

The control means includes
The sum of the spontaneous emission light electrical signal level and the spontaneous emission light intensity variation into an electric signal level corresponding preset as gain compensation level, output electrical signal obtained by subtracting the gain compensation level from said output optical electric signal level A gain error compensation circuit for generating a correction level;
Level ratio of the gain error output generated from the compensation circuit electrical signal correction level and the input optical electric signal level is always a gain control circuit for controlling the pumping light output means to indicate the constant ratio The optical amplifier according to claim 1.

The gain error compensation circuit is
Claim 2 wherein the optical amplifier, characterized in that the spontaneous emission light intensity change amount is set to the gain compensation levels in most larger wavelengths.

The excitation light output means is
Claim 1, wherein the optical amplifier pumping light from the pumping light source is characterized in that it is a forward pumping type excitation light source to be input to the rare earth doped fiber in the same direction as the input signal light.

The excitation light output means is
A forward pumping type excitation light source pumping light from the pumping light source is input to the rare earth doped fiber in the same direction as the input signal light,
Excitation light from the excitation light source and a backward pumping type excitation light source to be input to the rare earth doped fiber to said input signal light in the opposite direction,
The constant gain control circuit includes:
The excitation light intensity of the forward excitation light source and the excitation light intensity of the backward excitation light source are always in the relationship of the excitation light intensity of the forward excitation light source> the excitation light intensity of the backward excitation light source. The optical amplifier according to claim 2, wherein the optical amplifier is controlled.

The constant gain control circuit includes:
The intensity ratio between the excitation light intensity of the forward excitation light source and the excitation light intensity of the backward excitation light source is such that the spontaneous emission intensity change amount corresponding to the change of the input signal light intensity is the smallest. 6. The optical amplifier according to claim 5, wherein the optical amplifier is controlled as follows.

2. A gain equalizer inserted between the input light level detection means and the output light level detection means and having a loss wavelength characteristic opposite to the amplification wavelength characteristic in the optical amplifier. The optical amplifier according to 1.

The gain error compensation circuit is
A compensation level setter capable of arbitrarily setting the gain compensation level;
Subtracting the gain compensation level set from the output light from the electric signal level by the compensation level setter, claim 2, wherein the optical amplifier is characterized in that a subtractor for generating the output electric signal correction level.