JP4128682B2 - 分割ポンピング２段光ファイバ増幅器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、添加ファイバ増幅器装置に関し、特に、単一ポンプレーザを使用して低雑音動作と可変信号利得とを実現可能にする、受動ポンプ分割装置を有する２段増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エルビウム添加ファイバ増幅器は、光波システムを革新した。こうした増幅器が、ファイバ減衰及び拡散が送信信号を劣化させる長距離トランスグローバル通信システムにおいて、検出及び再生システムに既に取って代わっている。更に、ファイバ増幅器が、大きな分配損失が生じる広域信号分配システムにおいて使用されている。
【０００３】
実際には、光信号がエルビウムファイバに入ることと、利得を直接得ることとを可能にするために、ファイバ増幅器が信号搬送ファイバと直列に配置される。信号ファイバに上記増幅器を接続するために、コネクタまたは融着接続が使用されることが可能である。信号とエルビウム利得媒質からの増幅自発放出との方向を制御するために、典型的には入力及び出力アイソレータが単方向システムで使用される。
【０００４】
トポロジに関しては、ファイバ増幅器は様々な形態をとる。性能を最適化するために複数の段が使用可能である。これに加えて、典型的には、９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍのレーザソースが、各々のエルビウムファイバ増幅器段内においてポンプパワーを同方向伝搬させ（co-propagate）、逆伝搬させ（counter-propagate）、及び、同方向伝搬／逆伝搬させるために使用される。波長マルチプレクサが、エルビウムファイバにポンプパワーを結合させるために使用される。段間及び段内アイソレータ並びに段間及び段内フィルタが、雑音及び利得性能を変化させるために使用されることも可能である。今日の用途において特有の設計上の問題点は、適切な長さのエルビウムファイバを選択することによって、または、適切な利得整形フィルタを使用することによって、該当波長範囲全体に亙って利得を平滑化することである。
【０００５】
実際のエルビウムファイバ増幅器は、３つの種類、即ち、（１）後置（もしくはブースタ）増幅器、（２）インライン増幅器、または、（３）前置増幅器のいずれか１つに属する。後置増幅器または前置増幅器は、「ターミナル増幅器」と呼ばれることが多い。これらの増幅器は、典型的には、光波システムの末端（ターミナル）に配置され、一方、インライン増幅器は、光波システムの中間に配置される。機能的には、増幅器タイプは、その入力及び出力仕様において異なっている。
【０００６】
高い光出力パワー（＋２７ｄＢｍから＋２４ｄＢｍ）を発生させるために、後置増幅器は飽和状態で動作する。前置増幅器は、最小の雑音指数で、大きな小信号利得を与えるように設計される。典型的には、前置増幅器は、−１０ｄＢｍより大きい出力パワーにおいて、３０ｄＢより大きい小信号利得を与えることによる。インライン増幅器は、−２０ｄＢｍから−１０ｄＢｍの間の入力パワーレベルから、１０ｄＢから２０ｄＢの利得を与える。
【０００７】
エルビウム添加増幅器が様々な供給業者から市販入手可能である。１４８０ｎｍまたは９８０ｎｍの、段１つ当たり１つ以上のポンプを有する１段または２段の増幅器が一般的である。市販の増幅器の大部分は、出力パワーを安定化するために、または、一定の範囲の入力条件に対応するために、限られた範囲内の可変利得を有する。
【０００８】
ファイバ増幅器の利得状態を調節するために使用されることが多い方法は、ポンプパワーを１つ以上の段で動的に調節することによる。の全増幅器雑音指数を犠牲にすることなしに増幅器利得を制御するための最も一般的な方法は、２段増幅器の第２の段においてポンプパワーを調節すること、即ち、適度な全雑音指数を確保するのに充分な高さのレベルに第１の段の利得を維持することによってである。この方法は、一般的に、約２２ｄＢの可変利得を可能にし、各段当たり１つのポンプの割合で、少なくとも２つのポンプを必要とする。更に、第２の段においては、ポンプパワーの減少に応じて利得が急激に非直線的に変化するので、利得制御が困難である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、２段設計の低雑音指数という利点と広範囲に亙る可変利得とを兼ね備え、且つ、単一ポンプレーザのコスト上の利点を有すると同時に、容易に制御可能である光増幅器装置が、当業で依然として求められている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
分割ポンピング２段光増幅器が提供される。更に明確に述べれば、本発明は、２つの段の両方を同時に且つ不均等にポンピングするために単一ポンプレーザと受動スプリッタとを使用する、２段添加ファイバ増幅器に係わる。
【００１１】
単一ポンプレーザと受動９０：１０パワースプリッタとを使用する２段添加ファイバ増幅器が提供される。この受動スプリッタは、増幅器の第１の段に上記単一ポンプレーザから出力されるパワーの９０％を結合し、且つ、第２の段にポンプパワーの１０％を結合する。
【００１２】
本発明は、単一ポンプレーザの価格効果の高い使用を伴う絶縁２段増幅器の性能特性の実現を可能にする。個別にポンピングされる２段増幅器によって得られることが可能な利得に比較した場合に、より広い範囲の可変利得が実現されることが可能である。これに加えて、ポンプパワーに応じた利得の変動がより穏やかであり、このことは、増幅器の利得状態をより容易に制御することを可能にする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の分割ポンピング２段光ファイバ増幅器の１つの実施例を示す。図に示されているように、上記実施例は、単一ポンプソース１００、受動パワースプリッタ１１０、第１のインライン増幅器段１２０、及び、第２のインライン増幅器段１３０を含む。
【００１４】
第１のインライン増幅器段１２０と第２のインライン増幅器段１３０は両方ともエルビウム添加ファイバである。両方の増幅器段は、信号搬送ファイバ１４０と直列に配置され、コネクタまたは融着接続を使用することによって信号ファイバ１４０に取り付けられることが可能である。各インラインファイバ増幅器段のために使用されるファイバの長さは、その増幅器が挿入されるシステムの固有特性に応じて決定され、従って、これらの２つの段は、互いに同じ長さであることも、互いに異なった長さであることも可能である。
【００１５】
図に示されているように、信号搬送ファイバ１４０を通して搬送される信号は、信号ファイバの末端１４２からファイバ増幅器内に入り、末端１４６においてファイバ増幅器から出ていく。従って、増幅されるべき信号は、信号ファイバ１４０に沿って左から右に進む。信号ファイバ１４０に沿って進む入力信号の一部分を取り出して、入力信号レベル（ＩＳＬ）検出器１４４にその信号を供給するために、入力タップ１４３が備えられる。同様に、出力タップ１４７が、上記増幅器からの出力信号の一部分を取り出して、その信号を出力信号レベル（ＯＳＬ）検出器１４８に供給する。これに加えて、光アイソレータ１４５、１４９が備えられる。典型的には、信号の方向と、エルビウム利得媒質からの増幅自発放出の方向とを制御するために、入力アイソレータ１４５と出力アイソレータ１４９が単方向システムで使用される。
【００１６】
タップ１４３から取り出された入力信号と、タップ１４７から取り出された出力信号とが、ファイバ増幅器の性能を測定するために使用されることが可能である。しかし、こうした光タップ、検出器及びアイソレータは、随意の特徴であり、本発明の実施時には必ずしも不可欠ではない。
【００１７】
フィルタ１５０とアイソレータ１５２も備えられる。増幅器の雑音及び利得性能を変化させるために、段間及び段内のアイソレータとフィルタが使用されることが可能である。フィルタ１５０は、例えば、雑音フィルタ、信号整形フィルタ、または、帯域フィルタであることが可能であるが、しかし、フィルタ１５０とアイソレータ１５２を含むべきか否かの判断は、増幅器がその中に挿入される特定のシステムの要件に依存しており、従って、本発明には不要である。
【００１８】
単一ポンプソース１００は、ある１つの波長（例えば９８０ｎｍ）のパワーを出力するポンプレーザである。ポンプソース１００からのパワーは出力ファイバ１０２上に結合され、その後で、受動パワースプリッタ１１０に入力される。パワースプリッタ１１０は、ポンプソース１００からのパワーを第１のパワーレベル１１２と第２のパワーレベル１１４とに分割する。第１のパワーレベル１１２のパワーが、スプリッタ１１０から出力ファイバ１１２Ａに結合され、更に、第１のインライン増幅器段１２０に結合されて、第１の段にポンプパワーを供給する。第２のインライン増幅器段１３０のためのポンプパワーとして使用するために、第２のパワーレベル１１４が、パワースプリッタ１１０から出力ファイバ１１４Ａ上に結合される。エルビウムファイバに対してポンプパワーを結合させるために、波長マルチプレクサが使用される。上記のように、第１のインライン増幅器段１２０が逆ポンピングされ、第２のインライン増幅器段１３０が同方向ポンピングされる。しかし、本発明はこの構成に限定されない。各々の増幅器段が、増幅器がその中に挿入されるシステムの要件に応じて、同方向ポンピングまたは逆ポンピングされることが可能である。
【００１９】
スプリッタ１１０は、上記のように、ポンプソース１００からのパワー出力を、ポンプソース１００からの出力の９０％である第１のパワーレベル１１２と、ポンプソース１００からの出力の１０％である第２のパワーレベル１１４とに分割する。しかし、単一ポンプソース１００から第１のパワーレベル１１２と第２のパワーレベル１１４とに分割されるパワーの比率が、所期のパワー比率を与えるようにスプリッタ１１０を選択することによって、調節されることが可能である。従って、例えば、第１のパワーレベル１１２が９５％で第２の出力レベル１１４が５％であるパワー比率と、第１のパワーレベル１１２が８５％で第２の出力レベル１１４が１５％であるパワー比率とが得られることが可能である。第１の段のインライン増幅器と第２の段のインライン増幅器とに供給されるパワーに関するパワー比率の選択は、個々の特定のシステムに関する設計上の要件に依存している。上記増幅器の性能に影響を与えるファクタの１つが、その増幅器の第１の段と第２の段の両方に供給されるパワーであるので、単一ポンプソースから供給されるパワーのような、各段に供給されるパワーの調節が、上記増幅器の性能を制御するために利用されることが可能である。
【００２０】
図２は、本発明の単一ポンプ／２段増幅器設計の性能特性を示す。この図から理解されるように、上記増幅器に関する利得及び性能特性は、各増幅器段に供給されるパワーの比率の調節によって、制御されることが可能である。各々の増幅器段に互いに異なったパワーレベルを供給することによるこの増幅器の制御は、両方の段をポンピングするために単一ポンプソースを使用することによって実現される。
【００２１】
図２は、第１のインライン増幅器段と第２のインライン増幅器段とに供給される際の分割ポンプパワー比率が９０％／１０％、９５％／５％、及び、８５％／１５％である場合の、「信号利得及び雑音指数（ＮＦ）」対「合計ポンプパワー」を表すグラフを示す。このグラフは、単一ポンプソースによってパワーが供給される時に、上記増幅器の各段に供給されるパワーを制御することによって、その増幅器の性能特性が調節されることが可能であることを明瞭に示している。上記増幅器の各段に供給されるべき個々のパワーレベルを選択する際に、システム設計者は、上記増幅器がその中に実装されなければならないシステムの特定の要件を考慮することになる。例えば、ある特定のシステムが、そのシステムの要件によって決定されるある特定の閾値よりも上記増幅器の雑音レベルが低いことを要求する場合には、上記増幅器の第１の段と第２の段とに供給されるパワーレベルが、その増幅器の雑音レベルが上記閾値よりも低くなるように調節されることが可能である。
【００２２】
図２から理解可能であるように、曲線２００と曲線２００Ａは、ポンプソース１００からのポンプ出力パワーの９０％が第１のインライン増幅器段１２０に供給され、且つ、上記ポンプソースからのポンプパワーの１０％が第２のインライン増幅器段１３０に供給される実施例の場合の性能特性を示している。曲線２１０と曲線２１０Ａは、上記ポンプ出力パワーの９５％が第１の段に供給され、且つ、上記ポンプパワーの５％が第２の段に供給される上記増幅器の場合の性能特性を示している。パワーが９０％／１０％の比率で分割される上記増幅器の性能を、パワーが９５％／５％の比率で分割される実施例の性能に対して比較すると、９０％／１０％のパワー比率の実施例が、９５％／５％のパワー比率の実施例よりも大きい信号利得と低い雑音とをもたらすと同時に、供給されるポンプパワーを増大させることが明瞭に理解される。
【００２３】
上記パワー分割実施例の両方、即ち、９０％／１０％のパワー比率と９５％／５％のパワー比率とを、第１の段に供給されるパワーが合計パワーの８５％であり且つ第２の段に供給されるパワーが合計パワーの１５％である実施例に比較する場合には、８５％／１５％のパワー比率の場合の利得の方が、上記の他の２つの実施例の場合の利得よりも大きく、８５％／１５％のパワー比率の場合の雑音指数が、上記の他の２つの実施例の場合の雑音指数よりも小さいということが見てとれる。
【００２４】
上記グラフ上に示されている残りの曲線は、単一段／単一ポンプ増幅器と２段／２ポンプ増幅器の増幅器構成の場合の、「利得及び雑音」対「ポンプパワー増大」に関する性能特性である。単一段／単一ポンプ増幅器構成の場合には、曲線２３０が利得性能を示し、曲線２３０Ａが雑音性能を示す。２段／２ポンプ増幅器の場合には、曲線２４０がこの増幅器の利得性能を示し、曲線２４０Ａが雑音性能を示す。
【００２５】
図から明らかであるように、単一段／単一ポンプ増幅器構成に関する性能曲線を、本発明の２段／単一ポンプ増幅器構成に関する性能曲線に比較すると、この２段／単一ポンプ増幅器構成は、特に、より低い合計ポンプパワーレベルにおいて、より線形性が高い利得をもたらすと同時に、同等の合計利得と、著しい雑音性能の改善とを実現する。
【００２６】
２段／２ポンプ増幅器構成に関する性能曲線を本発明の２段／単一ポンプ増幅器構成に関する性能曲線と比較すると、この場合も同様に、２段／単一ポンプ増幅器構成が、より低い合計ポンプパワーレベルにおける、より線形性が高い利得と、より広い範囲に亙る可変利得と、総合利得及び雑音における同等の性能とをもたらす。
【００２７】
従って、本発明は、単一のポンプソースだけしか必要とせずに、２段／２ポンプ増幅器の所期の低雑音性能特性を実現し、このことによって高い価格効率をもたらす。これに加えて、単一ポンプソースから各増幅器段に供給されるパワーを調節することによって、上記増幅器の性能が制御されることが可能である。
【００２８】
上記実施例に対する幾つかの変形例が想定されている。ポンプソース１００が９８０ｎｍで動作するレーザとして開示されているが、しかし、例えば１４８０ｎｍのような他のポンプソース波長が使用可能である。これに加えて、インラインファイバ増幅器段の両方がエルビウム添加ファイバとして開示されているが、他のファイバ増幅器設計が本発明に組み入れられることが可能である。上記増幅器の第１の段と第２の段とのポンピングに関する上記で開示されているパワー分割比率は、使用可能な様々な比率の一例であるにすぎない。光システムの個々の要件に応じて、他のパワー分割比率が使用されることが可能である。
【００２９】
上記で開示されている実施例は、本発明が実施されることが可能な様々な形態を例示するものである。本発明の思想と範囲とか逸脱することなしに、他の実施様態が当業者によって実現されることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分割ポンピング２段光ファイバ増幅器の１つの実施例を示す。
【図２】本発明の分割ポンピング２段光ファイバ増幅器の利得及び雑音特性を示す。
【符号の説明】
１００…単一ポンプソース
１０２…出力光ファイバ
１１０…受動パワースプリッタ
１１２…第１のパワーレベル
１１２Ａ…出力光ファイバ
１１４…第２のパワーレベル
１１４Ａ…出力光ファイバ
１２０…第１のインライン増幅器段
１３０…第２のインライン増幅器段
１４０…信号搬送光ファイバ
１４２…末端
１４３…入力タップ
１４４…入力信号レベル（ＩＳＬ）検出器
１４５…入力光アイソレータ
１４６…末端
１４７…出力タップ
１４８…出力信号レベル（ＯＳＬ）検出器
１４９…出力光アイソレータ
１５０…フィルタ
１５２…アイソレータ

Claims (20)

1. ２段ファイバ増幅器であって、
   単一ポンプソースと、
   前記単一ポンプソースのパワー出力を第１のパワーレベルと該第１のパワーレベルよりも低い第２のパワーレベルとに分割するパワースプリッタと、
   前記パワースプリッタに結合されている第１のインライン増幅器段と、
   前記第１のインライン増幅器段に続くとともに前記パワースプリッタに結合されている第２のインライン増幅器段と、
   を含み、前記第１のパワーレベルが前記第１のインライン増幅器段に供給され、且つ、前記第２のパワーレベルが前記第２のインライン増幅器段に供給される２段ファイバ増幅器。
2. 前記ポンプソースがレーザである、請求項１に記載の２段ファイバ増幅器。
3. 前記第１のパワーレベルが前記単一ポンプソースのパワー出力の９０％であり、且つ、前記第２のパワーレベルが前記単一ポンプソースのパワー出力の１０％である、請求項１に記載の２段ファイバ増幅器。
4. 前記第１のパワーレベルが前記単一ポンプソースのパワー出力の９５％であり、且つ、前記第２のパワーレベルが前記単一ポンプソースのパワー出力の５％である、請求項１に記載の２段ファイバ増幅器。
5. 前記第１のパワーレベルが前記単一ポンプソースのパワー出力の８５％であり、且つ、前記第２のパワーレベルが前記単一ポンプソースのパワー出力の１５％である、請求項１に記載の２段ファイバ増幅器。
6. 前記第１のインライン増幅器段に供給される前記第１のパワーレベルと前記第２のインライン増幅器段に供給される前記第２のパワーレベルとを調節することによって、前記２段ファイバ増幅器の利得及び雑音特性が制御され得る、請求項１に記載の２段ファイバ増幅器。
7. 前記第１のインライン増幅器段と前記第２のインライン増幅器段とが両方ともエルビウム添加ファイバである、請求項１に記載の２段ファイバ増幅器。
8. 前記エルビウム添加ファイバが互いに異なった長さのものである、請求項７に記載の２段ファイバ増幅器。
9. 前記第１のインライン増幅器段が逆ポンピングされ、且つ、前記第２のインライン増幅器段が同方向ポンピングされる、請求項１に記載の２段ファイバ増幅器。
10. ２段ファイバ増幅器をポンピングするための方法であって、
    単一ポンプソースのパワー出力を第１のパワーレベルと該第１のパワーレベルよりも低い第２のパワーレベルとに分割するステップと、
    第１のインライン増幅器段をポンピングするために、前記第１のパワーレベルを供給するステップと、
    前記第１のインライン増幅器段に続く第２のインライン増幅器段をポンピングするために、前記第２のパワーレベルを供給するステップと、
    を含む方法。
11. 前記第１のパワーレベルが前記単一ポンプソースのパワー出力の９０％であり、且つ、前記第２のパワーレベルが前記単一ポンプソースのパワー出力の１０％である、請求項１０に記載の２段ファイバ増幅器をポンピングするための方法。
12. 前記第１のパワーレベルが前記単一ポンプソースのパワー出力の９５％であり、且つ、前記第２のパワーレベルが前記単一ポンプソースのパワー出力の５％である、請求項１０に記載の２段ファイバ増幅器をポンピングするための方法。
13. 前記第１のパワーレベルが前記単一ポンプソースのパワー出力の８５％であり、且つ、前記第２のパワーレベルが前記単一ポンプソースのパワー出力の１５％である、請求項１０に記載の２段ファイバ増幅器をポンピングするための方法。
14. 前記第１のインライン増幅器段が逆ポンピングされ、且つ、前記第２のインライン増幅器段が同方向ポンピングされる、請求項１０に記載の２段ファイバ増幅器をポンピングするための方法。
15. 結果として生じる前記増幅器の雑音レベルを閾値よりも低くするように、前記第１のパワーレベルと前記第２のパワーレベルとを調節するステップを更に含む、請求項１０に記載の２段ファイバ増幅器をポンピングするための方法。
16. ２段ファイバ増幅器の利得及び雑音特性を制御するための方法であって、
    単一ポンプソースを使用することによって前記２段ファイバ増幅器をポンピングするためにパワーを供給するステップと、
    第１のパワーレベルで第１のインライン増幅器段をポンピングするために、前記単一ポンプソースによって供給されるパワーを制御するステップと、
    該第１のパワーレベルよりも低い第２のパワーレベルで、前記第１のインライン増幅器段に続く第２のインライン増幅器段をポンピングするために、前記単一ポンプソースによって供給されるパワーを制御するステップと、
    を含む方法。
17. 前記第１のインライン増幅器段を逆ポンピングし、且つ、前記第２のインライン増幅器段を同方向ポンピングする、請求項１６に記載の２段ファイバ増幅器の利得及び雑音特性を制御するための方法。
18. 前記第１のインライン増幅器段をポンピングするために前記単一ポンプソースによって供給される前記パワーレベルが、前記単一ポンプソースのパワー出力の９０％であり、且つ、前記第２のインライン増幅器段をポンピングするために前記単一ポンプソースによって供給される前記パワーレベルが、前記単一ポンプソースのパワー出力の１０％である、請求項１６に記載の２段ファイバ増幅器の利得及び雑音特性を制御するための方法。
19. 前記第１のインライン増幅器段と前記第２のインライン増幅器段とをポンピングするために供給される前記パワーレベルを、前記単一ポンプソースのパワー出力を分割することによって制御する、請求項１６に記載の２段ファイバ増幅器の利得及び雑音特性を制御するための方法。
20. 前記第１のインライン増幅器段と前記第２のインライン増幅器段とに供給される前記パワーレベルを制御する前記ステップが、結果として生じる前記増幅器の雑音レベルを閾値よりも低くするべく、前記第１の増幅器段と前記第２の増幅器段とに供給されるパワーレベルを調節するステップを含む、請求項１６に記載の２段ファイバ増幅器の利得及び雑音特性を制御するための方法。

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