JP4137211B2 - 分散補償ファイバ及びそれを用いた光増幅装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希土類元素をドープした分散補償ファイバ及びそれを用いた光増幅装置に関し、特に、希土類元素のドープ領域を限定した分散補償ファイバ及びそれを用いた光増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムにおいて、例えば、波長1.3 μｍ付近で零分散となる単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）で構成される光伝送路を用いて、中心波長が1.55μｍ帯の光を長距離伝送するような場合、その1.55μｍ帯の光に対して光伝送路に18ps/nm/km程度の分散があるため、高速の伝送速度で信号を伝送すると波形が歪んでしまうという問題がある。
【０００３】
これを解決するためには、例えば、光伝送路で生じる分散とちょうど逆の分散を伝送された信号に与えて補償する方法がある。この分散補償手段としては、例えば、分散補償ファイバ（ＤＣＦ；dispersion compensating fiber ）やファイバグレーティング等が一般に使用されている。特に分散補償ファイバは、信頼性、外部の環境に対する安定性、分散スロープも補償できるなどといった点で優れた分散補償手段である。この分散補償ファイバは、単一モード光ファイバの屈折率分布や比屈折率差、コア径等を変えることにより得られるものである。
【０００４】
図６には、スロープ補償型分散補償ファイバの分散特性の一例を示す。
図６において、例えば、ａは長さ１kmの単一モード光ファイバ（零分散波長1.3 μｍ）の分散特性を示し、ｂは長さ0.2km の分散補償ファイバの分散特性を示す。波長の増加に対して、単一モード光ファイバは正の分散スロープを有するのに対して、分散補償ファイバは負の分散スロープを有する。それぞれの分散量を加算した分散特性がｃであり、比較的平坦な分散スロープとなって、波長1.55μｍ付近で分散が零となる。
【０００５】
このような分散特性を有する分散補償ファイバを光伝送路に挿入すれば、光伝送路全体の分散特性は、1.55μｍ帯で分散量が略零の特性になるように制御され、波形歪みを除去した伝送信号が得られるようになる。
また、従来の分散補償ファイバを用いた光増幅装置としては、例えば、２段の光ファイバアンプの間に分散補償ファイバを挿入して構成したものなどを本出願人は提案している（特願平９−１１３８８２号や「波長多重用光ファイバアンプと超大容量光伝送への適用」レーザ研究，第２５巻第２号，１９９７年２月等を参照のこと）。
【０００６】
しかし、分散補償ファイバを使用する上では幾つかの課題がある。その一つは、分散補償ファイバが比較的に大きい挿入損失を持つこと及びその損失が補償する分散量に応じて変化することである。もう一つの課題は、分散補償ファイバはモードフィールド径が小さいために、通常の伝送路用の光ファイバに比べて非線形効果が生じ易く、高いパワーで光を入力すると信号波形が劣化してしまうことである。
【０００７】
前者の課題に対しては、例えば、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素を分散補償ファイバのコア領域の全長に亘ってドープし、その分散補償ファイバに励起光を供給して光増幅作用をもたせることで、分散補償ファイバによる損失を補償する技術が提案されている。このような従来技術としては、例えば、特開平３−２１１５３０号公報や特開平６−１１６２０号公報等で公知である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、信号光を長距離伝送する光通信システムでは、光伝送路の分散特性を補償するために、かなり長い距離の分散補償ファイバを必要とする。このような長い分散補償ファイバの挿入損失を、上記従来のＥｒ等をドープした分散補償ファイバで補償しようとすると次のような問題が生じる。
【０００９】
Ｅｒ等のドープ領域（分散補償ファイバのコア領域全長）において、有効に光増幅作用をもたせるためには、十分に大きなパワーの励起光を分散補償ファイバに供給する必要がある。例えば、コア領域の全長に亘ってＥｒをドープした従来の分散補償ファイバの後方（出力）側から、パワーの異なる励起光を供給した場合の分散補償ファイバ内の信号光パワーの変化の様子を図７に示す。
【００１０】
図７では、横軸方向に分散補償ファイバの入力端からの距離を示し、縦軸方向に光パワーレベルを示す。また、レベルＰ１は、分散補償ファイバで非線形効果が生じる入力光パワーの閾値である。励起光を供給しない場合の信号光パワーは曲線ａのように変化する。Ｅｒ等をドープしていない通常の分散補償ファイバの場合の変化（点線）と比較してもわかるように、Ｅｒ等をドープした分散補償ファイバ自体の挿入損失は、Ｅｒ等をドープしていないものの挿入損失よりも大きくなる。
【００１１】
パワーの小さい励起光を供給した場合の信号光パワーは曲線ｂのように変化する。ドープしたＥｒ等の誘導放出現象による光増幅作用を得るには、励起光のパワーが一定以上必要である。後方から入射された励起光は分散補償ファイバ内を前方に伝わるにつれて減衰するため、分散補償ファイバの出力側では光増幅作用していても、その途中からは信号光が増幅されなくなって大きく減衰する。このため，励起光パワーが小さいと分散補償ファイバの挿入損失を十分に補償することができない。
【００１２】
分散補償ファイバ全長に亘って光増幅作用が得られるようなパワーの大きな励起光を供給した場合には、信号光パワーは曲線ｃのように変化する。このような励起光を分散補償ファイバに送れば、分散補償ファイバの挿入損失が補償されるようになる。
しかし、出力パワーの大きな励起光源を得ることは容易ではない。また、分散補償ファイバの全長に亘ってエルビウム等をドープするには、製造コストが高価になってしまうという欠点もある。
【００１３】
さらに、出力パワーの大きな励起光源が得られても、そのパワーが大きすぎると、図７の曲線ｄに示すように、パワーレベルが比較的大きなうちから信号光が増幅されるようになるため、信号光パワーがレベルＰ１を超えてしまうことが考えられる。この場合には、非線形効果が発生して信号波形が劣化するという問題もある。
【００１４】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、励起光のパワーが比較的小さくても十分に挿入損失を補償することができる希土類元素をドープした分散補償ファイバを提供することを目的とする。また、その分散補償ファイバを用いることで分散補償機能を備えながらも雑音特性等に優れた光増幅装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明の分散補償ファイバは、接続される光伝送路の分散特性と逆の分散特性を有し、希土類元素がファイバ全長に対して出力側の所定範囲に限ってドープされたドープ領域を有するものである。
【００１６】
かかる分散補償ファイバでは、光伝送路の分散特性の影響を受けた光が入力されると、その入力光がファイバ全長を通過することで光伝送路における分散が補償される。また、この分散補償ファイバに励起光を供給してドープ領域を反転分布状態にしておくことで、分散補償ファイバへの入力光がドープ領域を通過する際に誘導放出作用により増幅されて、分散補償ファイバでの挿入損失が補償される。このドープ領域は、ファイバ全長に対して出力側の所定範囲に限って形成されており、比較的小さなパワーの励起光により上記挿入損失の補償が行われるようになる。なお、ファイバ全長に対して出力側とは、中央部分から出力側にかけての範囲を含むものである。また、出力側の所定範囲に限って形成されたドープ領域については、その所定範囲の全体に希土類元素がドープされていても、所定範囲内で部分的に希土類元素がドープされていてもよい。
【００１７】
また、本発明の光増幅装置は、接続される光伝送路の分散特性と逆の分散特性を有し、希土類元素がファイバ全長に対して出力側の所定範囲に限ってドープされたドープ領域を有する分散補償ファイバと、該分散補償ファイバの前段側に設けた少なくとも１つの前段光増幅手段と、前記分散補償ファイバの後段側に設けた少なくとも１つの後段光増幅手段と、前記分散補償ファイバに励起光を供給する励起光供給手段と、を含んで構成されるものである。
【００１８】
かかる光増幅装置では、光伝送路からの光が前段光増幅手段で増幅された後に分散補償ファイバに送られる。分散補償ファイバには励起光供給手段から励起光が送られ、前段光増幅手段の出力光が分散補償ファイバを通過することで、光伝送路における分散の補償及び分散補償ファイバの挿入損失の補償が行われる。分散補償ファイバの挿入損失の補償を行なうことで、入力パワーレベルの大きな光が後段光増幅手段に送られるようになり、雑音の影響を低減した増幅光が後段光増幅手段から出力される。
【００１９】
さらに、上記の光増幅装置については、前記分散補償ファイバへの入力パワーレベルを調整するレベル調整手段と、該レベル調整手段を制御して前記分散補償ファイバからの出力パワーレベルを略一定にするレベル制御手段と、を含んで構成してもよい。
このような構成とすることで、前段光増幅手段から出力される光のパワーが変動しても、分散補償ファイバの出力光のパワーレベルが略一定に制御されるため、光増幅装置が広い入力ダイナミックレンジを有するようになる。
【００２０】
加えて、上記の光増幅装置は、前記前段光増幅手段の利得を略一定に制御する利得制御手段を含んで構成してもよい。利得制御手段を設けることで、第１の光増幅への入力パワーレベルが変動しても波長毎の利得の平坦性を保った増幅光が出力されるようになる。
また、前記励起光供給手段は、前記分散補償ファイバの出力側から励起光を供給することが好ましい。分散補償ファイバの出力（後方）側から励起光を送ることで、より小さなパワーの励起光により分散補償ファイバの挿入損失が補償されるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る実施形態の分散補償ファイバの構造を示す。
図１において、本分散補償ファイバ１は、例えば、全長Ｌの１本の分散補償ファイバ材からなり、該分散補償ファイバ材の出力側端部（図で右端）から長さｌ（ｌ＜Ｌ）の範囲に限って、希土類元素であるエルビウム（Ｅｒ）等をドープしたドープ領域１ｄを形成した構造を有する。ここでは、Ｅｒ等をドープしていない入力側（図で左側）の領域を１ｎとする。
【００２２】
分散補償ファイバ材は、例えば、上述の図７に示した分散特性ｂと同様の分散特性を有するものとする。この分散特性は、領域１ｎ及びドープ領域１ｄに亘って略均一である。また、全長Ｌは、分散補償を行なおうとする光伝送路における分散量に応じて決定される。
図２は、ドープ領域１ｄの断面構造及び屈折率分布の一例を示す。
【００２３】
図２(A) の断面図において、ドープ領域１ｄは、例えば、主成分がシリカ（ＳｉＯ2 ）等からなるコア１１及びクラッド１２を有し、クラッド１２がコア１１を囲んでいる。コア１１のガラス組成は、屈折率を高めるためのドーパントとしてのゲルマニウム（Ｇｅ）を含む。クラッド１２のガラス組成は、光ポンピングにより増幅帯域を提供するためのエルビウム（Ｅｒ）及び増幅帯域を拡大するためのアルミニウム（Ａｌ）がドープされた領域１２Ａと、領域１２Ａ及びコア１１間に介在してドーパントを含まず不純物濃度が低い領域１２Ｂとを有している。コア１１の屈折率は、図２(B) に示すように、Ｇｅがドープされていることからクラッド１２の屈折率よりも十分に高く、さらに、コア１１の中心に向かって屈折率が大きくなるようにしてある。屈折率について付記された各数値は、クラッドの基準屈折率に対する差を表している。
【００２４】
なお、上記のような構造のドープファイバについては、例えば、特開平９−１９７１３１号公報等で詳しく説明されているのでここでの詳細な説明は省略する。この公報には、上記の構造の他にも種々の構造のドープファイバが記載されており、いずれも本実施形態に適用可能である。ただし、上記公報に記載されたドープファイバは、通常のファイバ材を用いたもので、本実施形態のように分散補償ファイバ材を用いたものではないので、Ｅｒのドープ濃度やコア径等が異なっていることに注意する必要がある。
【００２５】
また、分散補償ファイバ材の領域１ｎの断面構造は、上記図２(A) において、クラッド１２のＥｒ及びＡｌがドープされた領域１２Ａが存在しない点が異なるだけで、それ以外の点はドープ領域１ｄの断面構造と同一である。
分散補償ファイバ材の領域１ｎとドープ領域１ｄとは、例えば、Ｅｒ及びＡｌをドープしていない１本の分散補償ファイバと、Ｅｒ及びＡｌをドープした１本の分散補償ファイバとをスプライスして１本の分散補償ファイバ材とすることが可能である。このようにすれば、Ｅｒ等をドープした分散補償ファイバの製造が従来に比べて容易なものとなる。
【００２６】
次に、このような構造の分散補償ファイバの作用について説明する。
ここでは、例えば、本分散補償ファイバの後方側から励起光を供給して挿入損失を補償する場合を考える。この場合の分散補償ファイバ内の信号光パワーの変化の様子を図３に示す。
図３に示すように、本分散補償ファイバでは、光増幅作用を有する範囲が出力側のドープ領域１ｄのみであるため、従来の分散補償ファイバに供給していた励起光のパワーに比べて、比較的小さなパワーの励起光でもドープ領域１ｄ内で有効に光増幅作用を持たせることができる。即ち、従来の場合には、分散補償ファイバの入力側での急激な信号光レベルの低下を防ぐために、分散補償ファイバの略全長に亘って光増幅作用を持たせる必要があった。一方、本分散補償ファイバでは、領域１ｎ内にＥｒ等をドープしていないでの入力側での損失は従来のものに比べて小さくなり、ドープ領域１ｄ内でのみ光増幅作用を持たせても十分に挿入損失の補償が可能となる。図３には、光損失補償量を変化させたときの信号光パワーの様子をそれぞれ示してある。
【００２７】
また、領域１ｎ内である程度減衰された信号光をドープ領域１ｄで増幅させるため、信号光のパワーレベルが非線形効果の生じるレベルＰ１を超えないように制御することも容易となる。
なお、上記の実施形態では、ドープ領域１ｄを分散補償ファイバ１の出力側端部から長さｌの範囲に形成する場合を説明したが、本発明のドープ領域の形成位置はこれに限られるものではない。例えば、分散補償ファイバの中間部分にドープ領域を形成することも可能である。ただし、この場合でも、できるだけ出力側にドープ領域を配置することが望ましく、上記実施形態のように出力側端部からドープ領域１ｄを形成すれば、Ｅｒ等をドープしていない領域とのスプライス箇所を最少にできるという利点がある。
【００２８】
次に、上記のような分散補償ファイバを用いた光増幅装置の実施形態について説明する。
図４は、本実施形態の光増幅装置の構成を示すブロック図である。
図４において、本光増幅装置は、例えば、波長多重された入力光を増幅する前段光増幅部２と、上記分散補償ファイバ１を備えた分散補償部３と、前段光増幅部２から出力された光を分散補償部３を介して入力し増幅する後段光増幅部４と、を備える。
【００２９】
前段光増幅部２は、例えば、第１の増幅手段としての光ファイバアンプ２１及び利得制御手段としての自動利得制御（ＡＧＣ）回路２２と、から構成される。光ファイバアンプ２１としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を高濃度に含んだＥｒドープ光ファイバ（ＥＤＦ）２１Ａ等が用いられ、励起光源２１Ｂからの励起光が図示しない光カプラを介してＥＤＦ２１Ａに供給される。励起光の波長は、ここでは、低雑音な特性が得られる９８０nm等とする。また、ＡＧＣ回路２２は、光ファイバアンプ２１への入出力光をモニタして、光ファイバアンプ２１の利得を略一定に制御する回路である。このＡＧＣ回路２２を設けることにより、入力パワーレベルが変動しても、利得の波長に対する平坦性が維持される。なお、ここでは図示しないが、ＥＤＦ２１Ａで生じる１５３０nm帯の大きな雑音光パワーを除去する光フィルタを、光ファイバアンプ２１の出力側に必要に応じて設けてもよい。
【００３０】
分散補償部３は、例えば、前段光増幅部２からの光のパワーレベルを調整するレベル調整手段としての可変光減衰器（ＡＴＴ）３１と、可変光減衰器３１を通った光が入力される上述した分散補償ファイバ１と、分散補償ファイバ１への励起光を発生する励起光源３２と、その励起光を分散補償ファイバ１に供給するために、分散補償ファイバ１の後方側等に設けられた光カプラ３３と、分散補償ファイバ１からの出力光のパワーレベルを略一定に制御するレベル制御手段としての自動レベル制御（ＡＬＣ）回路３４と、から構成される。ここでは、励起光源３２及び光カプラ３３が励起光供給手段として機能する。
【００３１】
可変光減衰器３１としては、十分に広い減衰量の可変範囲を有する光減衰器を用いることで、光増幅装置の広い入力ダイナミックレンジが実現される。分散補償ファイバ１は、本光増幅装置に接続される光伝送路における分散量に応じた全長Ｌを有する。ドープ領域１ｄの長さｌは、分散補償ファイバ１における挿入損失の補償量（光損失補償量）に応じて、Ｅｒのドープ濃度や励起光パワーを考慮し設定される。また、分散補償ファイバ１への励起光の波長は、例えば、９８０nm等を用いるものとする。ＡＬＣ回路３４は、分散補償ファイバ１からの出力光パワーに応じて可変光減衰器３の減衰量を制御する。このＡＬＣ回路３４を設けることにより、後段光増幅部４に入力される各チャネルの出力は常に略一定に保たれる。
【００３２】
後段光増幅部４は、例えば、後段光増幅手段としての光ファイバアンプ４１と、自動パワー制御（ＡＰＣ）回路４２と、から構成される。光ファイバアンプ４１は、例えば、Ａｌを高濃度に含んだＥＤＦ４１Ａ等が用いられ、励起光源４１Ｂからの励起光が図示しない光カプラを介してＥＤＦ４１Ａに供給される。励起光の波長は、ここでは、高出力が得られる１４８０nm等とする。ＡＰＣ回路４２は、励起光パワーが一定になるように励起光源４１Ｂの動作状態を制御する回路である。なお、ここでは図示しないが、ＥＤＦ４１Ａで生じる１５３０nm帯の大きな雑音光パワーを除去する光フィルタを、光ファイバアンプ４１の出力側に必要に応じて設けてもよい。
【００３３】
次に、本光増幅装置の動作について説明する。
まず、低雑音な前段光増幅部２で波長多重された入力信号光を十分に増幅する。この際、光ファイバアンプ２１の利得がＡＧＣ回路２２により略一定に制御されるため、入力パワーレベルが変動しても各波長毎の利得の平坦性を保った光が出力される。そして、前段光増幅部２からの信号光が可変光減衰器３１を介して分散補償ファイバ１に送られる。この分散補償ファイバ１は、励起光源３２で発生した励起光が光カプラ３３を介して後方（ドープ領域１ｄ）側端部に入力されていて、ドープ領域１ｄが反転分布状態となっている。分散補償ファイバ１に入力した信号光は、領域１ｎ及びドープ領域１ｄを通過することで光伝送路における分散が補正されて波形歪が解消されるとともに、ドープ領域１ｄを通過する際に誘導放出作用により増幅され、挿入損失が所定量（光損失補償量）だけ補償される。
【００３４】
分散補償ファイバ１から出力された信号光は、後段光増幅部４に送られるとともに、その一部がＡＬＣ回路３４に送られる。ＡＬＣ回路３４では、分散補償ファイバ１の出力光のパワーレベルをモニタして、そのレベルが略一定になるように可変光減衰器３１の減衰量を制御する。分散補償ファイバ１の出力光パワーレベルは、後述するように後段光増幅部４の雑音特性を考慮して設定される。
【００３５】
後段光増幅部４では、ＡＰＣ回路４２によりパワーが略一定に制御された励起光が光ファイバアンプ４１に供給されていて、その光ファイバアンプ４１で分散補償部３からの信号光が増幅されて、本光増幅装置の出力信号光として外部に出力される。
ここで、分散補償ファイバ１における光損失補償の作用について具体的に説明する。
【００３６】
まず、一般に、２段構成の光増幅装置の雑音指数（ＮＦ）は、次のような関係式で表すことができる。
ＮＦ0 ∝ＮＦ1 ＋ＮＦ2 ×（ｐ1 ／ｐ2 ）
ただし、光増幅装置全体の雑音指数をＮＦ0 とし、前段及び後段光増幅部の雑音指数をＮＦ1 ，ＮＦ2 とし、前段及び後段光増幅部への入力光パワーをｐ1 ，ｐ2 とする。
【００３７】
前後段の光増幅部の間に分散補償ファイバ等を含まない構成にあっては、前段光増幅部の利得を十分に大きくすることで、後段光増幅部への入力光パワーｐ2 が大きくなるため、後段光増幅部の雑音指数が無視できるレベルとなる。しかし、挿入損失の大きい分散補償ファイバを２段の光増幅部の間に挿入した場合、後段光増幅部への入力光パワーｐ2 が小さくなるため、後段光増幅部での雑音の影響が大きくなり本光増幅装置の雑音指数ＮＦ0 が悪化する。したがって、本実施形態のように分散補償ファイバ１での損失を補償して後段光増幅部４への入力信号光レベルを大きくすれば、後段光増幅部４での雑音の影響を低下できることになる。
【００３８】
一方、分散補償ファイバ１での光損失補償量を大きくすると、ドープ領域１ｄで発生する雑音光（ＡＳＥ；amplified spontaneous emission）の影響も大きくなることが考えられる。例えば、分散補償ファイバ１での光損失補償量を変化させたとき、具体的には、励起光を200mW 等の一定パワーにしてＥｒのドープ濃度を変化させた場合等に、分散補償ファイバ１単体の雑音指数を計算すると、光損失補償量を２dB，３dB，４dBに設定したとき、雑音指数はそれぞれ、3.5dB ，4.8dB ，5.8dB と増加する。
【００３９】
しかしながら、分散補償ファイバ１での光損失補償量を大きくしたことで、分散補償ファイバ１単体での雑音が大きくなったとしても、後段光増幅部４への入力光パワーレベルの増大による雑音低減効果の方が大きいため、光増幅装置全体としての雑音指数は低下する。具体的に上記と同様にして光損失補償量を変化させたときの光増幅装置全体での雑音指数を計算すると、光損失補償量を０dB（ドープ領域なし），２dB，３dB，４dBとしたとき、雑音指数はそれぞれ、8.7dB ，7.8dB ，7.2dB ，6.7dB と減少する。
【００４０】
このように分散補償ファイバ１における損失を補償して後段光増幅部４への入力光パワーを増大させることで雑音特性に優れた光増幅装置が実現できる。
また、出力側にのみドープ領域１ｄを形成した分散補償ファイバ１を用いることで、上述したように、従来の分散補償ファイバ全体にＥｒをドープしたものを用いる場合に比べて、励起光源３２の出力パワーレベルを小さくすることができるとともに、分散補償ファイバ１内で非線形効果が生じないように信号光を増幅させる制御も容易にできる。
【００４１】
次に、本発明の光増幅装置の他の実施形態として、上述した本出願人の先願（特願平９−１１３８８２号）に記載された光増幅装置に本発明の分散補償ファイバを適用した場合について説明する。
図５は、上記他の実施形態の光増幅装置の構成を示すブロック図である。
図５において、本光増幅装置が先願の光増幅装置と異なる部分は、先願の光増幅装置で用いていた通常の分散補償ファイバ１００の出力側に、上述の図１に示した分散補償ファイバ１を設け、励起光源（ＬＤ）３２’からの励起光を光カプラ３３’を介して分散補償ファイバ１の後方側から供給するようにした部分である。その他の部分は、先願の明細書に記載された図１７に対応する光増幅装置の構成と同様であり、具体的な構成及び動作は上記明細書中で詳しく説明されているので、ここでは先願に対応する構成に同符号を付してその概略のみを説明するものとする。
【００４２】
この光増幅装置では、上述の実施形態と同様に、波長多重された入力信号光が、励起光源５９1 からの励起光が供給されたＥｒドープファイバ５２1 に送られて増幅される。この前段の光増幅部は、ＡＧＣ回路６０により利得が一定に制御されている。また、ここでは、入力信号光の一部が光カプラ６８1 で分岐されホトダイオード（ＰＤ）５８4 で電気信号に変換されて監視信号処理回路７０に送られる。この監視信号処理回路７０は、分岐された入力信号に含まれる、チャネル数の変更を通告する制御信号を抽出して識別すると、可変減衰器（ＡＴＴ）６４の動作を停止させて、光信号レベルの急激な変化を制限するための回路である。Ｅｒドープファイバ５２1 から出力される増幅された信号光は、光アイソレータ５５1 及び光フィルタＡ１を通って可変減衰器６４に送られる。光フィルタＡ１は利得の波長依存性を補正するためのものである。
【００４３】
可変減衰器６４に送られた信号光は、ＡＬＣ回路６６の制御の下で光信号レベルが調整された後、まず、通常の分散補償ファイバ１００に送られ所定の分散補償が行なわれる。次に、分散補償ファイバ１００を通った信号光は、励起光源３２’からの励起光が後方から供給された分散補償ファイバ１に送られて分散補償及び光増幅が行なわれる。分散補償ファイバ１から出力された信号光は、光アイソレータ５５3 を介して後段の光増幅部に送られるとともに、その一部が光カプラ５４5 で分岐されホトダイオード５８6 で電気信号に変換されてＤＣＦ損失補償回路１０２及びＡＧＣ回路６０2 に送られる。ＤＣＦ損失補償回路１０２は分散補償ファイバ１００の挿入損失を補償するために設けられた回路である。
【００４４】
なお、ここでは、分散補償を２段に分けて行なうようにしたが、分散補償ファイバ１００を設けずに１つの分散補償ファイバ１で全体の分散補償を行なうようにしても構わない。この場合、ＤＣＦ損失補償回路１０２を省略することが可能である。また、分散補償ファイバ１００の出力側に分散補償ファイバ１を設けるようにしたが、入力側に分散補償ファイバ１を設けても構わない。出力側に設ける場合には、反射戻り光による分散補償ファイバ１の不安定動作（例えば、発振等）の防止用として、後段の光増幅部の光アイソレータ５５3 を共用できる。一方、入力側に設ける場合には、分散補償ファイバ１００内でのレイリー散乱等による反射戻り光を防止するために、分散補償ファイバ１の出力と分散補償ファイバ１００の入力との間に、別途光アイソレータを設ける必要がある。
【００４５】
後段の光増幅部に送られた信号光は、励起光源５９2 からの励起光が供給されたＥｒドープファイバ５２2 で増幅され、光アイソレータ５４4 及び光フィルタＡ２を介して出力される。光フィルタＡ２は、光フィルタＡ１と同様である。また、出力信号光の一部が光カプラ５４4 で分岐されホトダイオード５８5 で電気信号に変換されてＡＧＣ回路６０2 及びＡＬＣ補正回路９８に送られる。ＡＬＣ補正回路９８は、全光出力パワーが所定の範囲に維持されているか否かを判定するための回路である。
【００４６】
このように、本発明の分散補償ファイバ１を先願に記載された光増幅装置に適用することで雑音特性の向上を図ることが可能となる。
なお、上述した各実施形態では、分散補償ファイバ１の後方側から励起光を供給する場合を説明したが、本発明はこれに限らず、分散補償ファイバの前方（入力）側から励起光を供給する構成としてもよい。ただし、この場合には励起光が領域１ｎを通過する間に減衰されるため、後方から供給する場合に比べて大きな励起光パワーが必要となる。
【００４７】
また、２段の光増幅部の間に分散補償部を設ける構成としたが、これと同様にして、３段構成以上の光増幅装置について、ドープ領域を有する分散補償ファイバを用いた分散補償部を設ける応用も可能である。もちろん、単一の光増幅部で構成される場合に、その光増幅部の入力側または出力側に分散補償部を接続しても構わない。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の分散補償ファイバによれば、ファイバのコア領域全長に対して出力側の所定範囲に限ってドープ領域を形成したことで、光増幅作用を有する範囲が限定され、従来に比べて比較的小さなパワーの励起光でもドープ領域内で有効に光増幅作用を持たせることができる。また、希土類元素のドープされていない入力側の領域において減衰された光がドープ領域で増幅されるため、分散補償ファイバ内を通過する光のパワーレベルが非線形効果の生じるレベルを超えないように光増幅動作を制御することも容易にできる。
【００４９】
また、本発明の分散補償ファイバを用いた光増幅装置によれば、前段及び後段光増幅手段の間に、励起光供給手段からの励起光が入力される分散補償ファイバを設けたことで、後段光増幅手段に大きなパワーレベルの光が入力されるようになるため、雑音特性に優れた光増幅装置を提供できる。
さらに、光増幅装置について、レベル調整手段及びレベル制御手段を設けたことにより、前段光増幅手段の出力光パワーが変動しても、分散補償ファイバからの出力光パワーが略一定に制御されるため、入力ダイナミックレンジの広い光増幅装置を提供できる。
【００５０】
加えて、前段光増幅手段について利得制御手段を設けたことにより、入力パワーレベルが変動しても波長毎の利得の平坦性を保った増幅光を出力できる。このことは、特に、波長多重光を増幅する場合に有効である。
また、分散補償ファイバの出力側から励起光を供給するようにしたことで、励起光のパワーをより小さなものにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の分散補償ファイバの構造を示す図である。
【図２】同上実施形態のドープ領域の断面構造及び屈折率分布の一例を示す図である。
【図３】同上実施形態における分散補償ファイバ内の信号光パワーの変化の様子を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の光増幅装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の他の実施形態の光増幅装置の構成を示すブロック図である。
【図６】従来のスロープ補償型分散補償ファイバの分散特性の一例を示す図である。
【図７】Ｅｒを全長にドープした従来の分散補償ファイバ内の信号光パワーの変化の様子を示す図である。
【符号の説明】
１…分散補償ファイバ
１ｄ…ドープ領域
１ｎ…領域
２…前段光増幅部
３…分散補償部
４…後段光増幅部
２１，４１…光ファイバアンプ
２１Ａ，４１Ａ…Ｅｒドープ光ファイバ（ＥＤＦ）
２１Ｂ，３２，４１Ｂ…励起光源
２２…自動利得制御（ＡＧＣ）回路
３１…可変光減衰器
３３…光カプラ
３４…自動レベル制御（ＡＬＣ）回路
４２…自動パワー制御（ＡＰＣ）回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、希土類元素をドープした分散補償ファイバ及びそれを用いた光増幅装置に関し、特に、希土類元素のドープ領域を限定した分散補償ファイバ及びそれを用いた光増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムにおいて、例えば、波長1.3 μｍ付近で零分散となる単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）で構成される光伝送路を用いて、中心波長が1.55μｍ帯の光を長距離伝送するような場合、その1.55μｍ帯の光に対して光伝送路に18ps/nm/km程度の分散があるため、高速の伝送速度で信号を伝送すると波形が歪んでしまうという問題がある。
【０００３】
これを解決するためには、例えば、光伝送路で生じる分散とちょうど逆の分散を伝送された信号に与えて補償する方法がある。この分散補償手段としては、例えば、分散補償ファイバ（ＤＣＦ；dispersion compensating fiber ）やファイバグレーティング等が一般に使用されている。特に分散補償ファイバは、信頼性、外部の環境に対する安定性、分散スロープも補償できるなどといった点で優れた分散補償手段である。この分散補償ファイバは、単一モード光ファイバの屈折率分布や比屈折率差、コア径等を変えることにより得られるものである。
【０００４】
図６には、スロープ補償型分散補償ファイバの分散特性の一例を示す。
図６において、例えば、ａは長さ１kmの単一モード光ファイバ（零分散波長1.3 μｍ）の分散特性を示し、ｂは長さ0.2km の分散補償ファイバの分散特性を示す。波長の増加に対して、単一モード光ファイバは正の分散スロープを有するのに対して、分散補償ファイバは負の分散スロープを有する。それぞれの分散量を加算した分散特性がｃであり、比較的平坦な分散スロープとなって、波長1.55μｍ付近で分散が零となる。
【０００５】
このような分散特性を有する分散補償ファイバを光伝送路に挿入すれば、光伝送路全体の分散特性は、1.55μｍ帯で分散量が略零の特性になるように制御され、波形歪みを除去した伝送信号が得られるようになる。
また、従来の分散補償ファイバを用いた光増幅装置としては、例えば、２段の光ファイバアンプの間に分散補償ファイバを挿入して構成したものなどを本出願人は提案している（特願平９−１１３８８２号や「波長多重用光ファイバアンプと超大容量光伝送への適用」レーザ研究，第２５巻第２号，１９９７年２月等を参照のこと）。
【０００６】
しかし、分散補償ファイバを使用する上では幾つかの課題がある。その一つは、分散補償ファイバが比較的に大きい挿入損失を持つこと及びその損失が補償する分散量に応じて変化することである。もう一つの課題は、分散補償ファイバはモードフィールド径が小さいために、通常の伝送路用の光ファイバに比べて非線形効果が生じ易く、高いパワーで光を入力すると信号波形が劣化してしまうことである。
【０００７】
前者の課題に対しては、例えば、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素を分散補償ファイバのコア領域の全長に亘ってドープし、その分散補償ファイバに励起光を供給して光増幅作用をもたせることで、分散補償ファイバによる損失を補償する技術が提案されている。このような従来技術としては、例えば、特開平３−２１１５３０号公報や特開平６−１１６２０号公報等で公知である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、信号光を長距離伝送する光通信システムでは、光伝送路の分散特性を補償するために、かなり長い距離の分散補償ファイバを必要とする。このような長い分散補償ファイバの挿入損失を、上記従来のＥｒ等をドープした分散補償ファイバで補償しようとすると次のような問題が生じる。
【０００９】
Ｅｒ等のドープ領域（分散補償ファイバのコア領域全長）において、有効に光増幅作用をもたせるためには、十分に大きなパワーの励起光を分散補償ファイバに供給する必要がある。例えば、コア領域の全長に亘ってＥｒをドープした従来の分散補償ファイバの後方（出力）側から、パワーの異なる励起光を供給した場合の分散補償ファイバ内の信号光パワーの変化の様子を図７に示す。
【００１０】
図７では、横軸方向に分散補償ファイバの入力端からの距離を示し、縦軸方向に光パワーレベルを示す。また、レベルＰ１は、分散補償ファイバで非線形効果が生じる入力光パワーの閾値である。励起光を供給しない場合の信号光パワーは曲線ａのように変化する。Ｅｒ等をドープしていない通常の分散補償ファイバの場合の変化（点線）と比較してもわかるように、Ｅｒ等をドープした分散補償ファイバ自体の挿入損失は、Ｅｒ等をドープしていないものの挿入損失よりも大きくなる。
【００１１】
パワーの小さい励起光を供給した場合の信号光パワーは曲線ｂのように変化する。ドープしたＥｒ等の誘導放出現象による光増幅作用を得るには、励起光のパワーが一定以上必要である。後方から入射された励起光は分散補償ファイバ内を前方に伝わるにつれて減衰するため、分散補償ファイバの出力側では光増幅作用していても、その途中からは信号光が増幅されなくなって大きく減衰する。このため，励起光パワーが小さいと分散補償ファイバの挿入損失を十分に補償することができない。
【００１２】
分散補償ファイバ全長に亘って光増幅作用が得られるようなパワーの大きな励起光を供給した場合には、信号光パワーは曲線ｃのように変化する。このような励起光を分散補償ファイバに送れば、分散補償ファイバの挿入損失が補償されるようになる。
しかし、出力パワーの大きな励起光源を得ることは容易ではない。また、分散補償ファイバの全長に亘ってエルビウム等をドープするには、製造コストが高価になってしまうという欠点もある。
【００１３】
さらに、出力パワーの大きな励起光源が得られても、そのパワーが大きすぎると、図７の曲線ｄに示すように、パワーレベルが比較的大きなうちから信号光が増幅されるようになるため、信号光パワーがレベルＰ１を超えてしまうことが考えられる。この場合には、非線形効果が発生して信号波形が劣化するという問題もある。
【００１４】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、励起光のパワーが比較的小さくても十分に挿入損失を補償することができる希土類元素をドープした分散補償ファイバを提供することを目的とする。また、その分散補償ファイバを用いることで分散補償機能を備えながらも雑音特性等に優れた光増幅装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明の分散補償ファイバは、接続される光伝送路の分散特性と逆の分散特性を有し、希土類元素がファイバ全長に対して出力側の所定範囲に限ってドープされたドープ領域を有するものである。
【００１６】
かかる分散補償ファイバでは、光伝送路の分散特性の影響を受けた光が入力されると、その入力光がファイバ全長を通過することで光伝送路における分散が補償される。また、この分散補償ファイバに励起光を供給してドープ領域を反転分布状態にしておくことで、分散補償ファイバへの入力光がドープ領域を通過する際に誘導放出作用により増幅されて、分散補償ファイバでの挿入損失が補償される。このドープ領域は、ファイバ全長に対して出力側の所定範囲に限って形成されており、比較的小さなパワーの励起光により上記挿入損失の補償が行われるようになる。なお、ファイバ全長に対して出力側とは、中央部分から出力側にかけての範囲を含むものである。また、出力側の所定範囲に限って形成されたドープ領域については、その所定範囲の全体に希土類元素がドープされていても、所定範囲内で部分的に希土類元素がドープされていてもよい。
【００１７】
また、本発明の光増幅装置は、接続される光伝送路の分散特性と逆の分散特性を有し、希土類元素がファイバ全長に対して出力側の所定範囲に限ってドープされたドープ領域を有する分散補償ファイバと、該分散補償ファイバの前段側に設けた少なくとも１つの前段光増幅手段と、前記分散補償ファイバの後段側に設けた少なくとも１つの後段光増幅手段と、前記分散補償ファイバに励起光を供給する励起光供給手段と、を含んで構成されるものである。
【００１８】
かかる光増幅装置では、光伝送路からの光が前段光増幅手段で増幅された後に分散補償ファイバに送られる。分散補償ファイバには励起光供給手段から励起光が送られ、前段光増幅手段の出力光が分散補償ファイバを通過することで、光伝送路における分散の補償及び分散補償ファイバの挿入損失の補償が行われる。分散補償ファイバの挿入損失の補償を行なうことで、入力パワーレベルの大きな光が後段光増幅手段に送られるようになり、雑音の影響を低減した増幅光が後段光増幅手段から出力される。
【００１９】
さらに、上記の光増幅装置については、前記分散補償ファイバへの入力パワーレベルを調整するレベル調整手段と、該レベル調整手段を制御して前記分散補償ファイバからの出力パワーレベルを略一定にするレベル制御手段と、を含んで構成してもよい。
このような構成とすることで、前段光増幅手段から出力される光のパワーが変動しても、分散補償ファイバの出力光のパワーレベルが略一定に制御されるため、光増幅装置が広い入力ダイナミックレンジを有するようになる。
【００２０】
加えて、上記の光増幅装置は、前記前段光増幅手段の利得を略一定に制御する利得制御手段を含んで構成してもよい。利得制御手段を設けることで、第１の光増幅への入力パワーレベルが変動しても波長毎の利得の平坦性を保った増幅光が出力されるようになる。
また、前記励起光供給手段は、前記分散補償ファイバの出力側から励起光を供給することが好ましい。分散補償ファイバの出力（後方）側から励起光を送ることで、より小さなパワーの励起光により分散補償ファイバの挿入損失が補償されるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る実施形態の分散補償ファイバの構造を示す。
図１において、本分散補償ファイバ１は、例えば、全長Ｌの１本の分散補償ファイバ材からなり、該分散補償ファイバ材の出力側端部（図で右端）から長さｌ（ｌ＜Ｌ）の範囲に限って、希土類元素であるエルビウム（Ｅｒ）等をドープしたドープ領域１ｄを形成した構造を有する。ここでは、Ｅｒ等をドープしていない入力側（図で左側）の領域を１ｎとする。
【００２２】
分散補償ファイバ材は、例えば、上述の図７に示した分散特性ｂと同様の分散特性を有するものとする。この分散特性は、領域１ｎ及びドープ領域１ｄに亘って略均一である。また、全長Ｌは、分散補償を行なおうとする光伝送路における分散量に応じて決定される。
図２は、ドープ領域１ｄの断面構造及び屈折率分布の一例を示す。
【００２３】
図２(A) の断面図において、ドープ領域１ｄは、例えば、主成分がシリカ（ＳｉＯ2 ）等からなるコア１１及びクラッド１２を有し、クラッド１２がコア１１を囲んでいる。コア１１のガラス組成は、屈折率を高めるためのドーパントとしてのゲルマニウム（Ｇｅ）を含む。クラッド１２のガラス組成は、光ポンピングにより増幅帯域を提供するためのエルビウム（Ｅｒ）及び増幅帯域を拡大するためのアルミニウム（Ａｌ）がドープされた領域１２Ａと、領域１２Ａ及びコア１１間に介在してドーパントを含まず不純物濃度が低い領域１２Ｂとを有している。コア１１の屈折率は、図２(B) に示すように、Ｇｅがドープされていることからクラッド１２の屈折率よりも十分に高く、さらに、コア１１の中心に向かって屈折率が大きくなるようにしてある。屈折率について付記された各数値は、クラッドの基準屈折率に対する差を表している。
【００２４】
なお、上記のような構造のドープファイバについては、例えば、特開平９−１９７１３１号公報等で詳しく説明されているのでここでの詳細な説明は省略する。この公報には、上記の構造の他にも種々の構造のドープファイバが記載されており、いずれも本実施形態に適用可能である。ただし、上記公報に記載されたドープファイバは、通常のファイバ材を用いたもので、本実施形態のように分散補償ファイバ材を用いたものではないので、Ｅｒのドープ濃度やコア径等が異なっていることに注意する必要がある。
【００２５】
また、分散補償ファイバ材の領域１ｎの断面構造は、上記図２(A) において、クラッド１２のＥｒ及びＡｌがドープされた領域１２Ａが存在しない点が異なるだけで、それ以外の点はドープ領域１ｄの断面構造と同一である。
分散補償ファイバ材の領域１ｎとドープ領域１ｄとは、例えば、Ｅｒ及びＡｌをドープしていない１本の分散補償ファイバと、Ｅｒ及びＡｌをドープした１本の分散補償ファイバとをスプライスして１本の分散補償ファイバ材とすることが可能である。このようにすれば、Ｅｒ等をドープした分散補償ファイバの製造が従来に比べて容易なものとなる。
【００２６】
次に、このような構造の分散補償ファイバの作用について説明する。
ここでは、例えば、本分散補償ファイバの後方側から励起光を供給して挿入損失を補償する場合を考える。この場合の分散補償ファイバ内の信号光パワーの変化の様子を図３に示す。
図３に示すように、本分散補償ファイバでは、光増幅作用を有する範囲が出力側のドープ領域１ｄのみであるため、従来の分散補償ファイバに供給していた励起光のパワーに比べて、比較的小さなパワーの励起光でもドープ領域１ｄ内で有効に光増幅作用を持たせることができる。即ち、従来の場合には、分散補償ファイバの入力側での急激な信号光レベルの低下を防ぐために、分散補償ファイバの略全長に亘って光増幅作用を持たせる必要があった。一方、本分散補償ファイバでは、領域１ｎ内にＥｒ等をドープしていないでの入力側での損失は従来のものに比べて小さくなり、ドープ領域１ｄ内でのみ光増幅作用を持たせても十分に挿入損失の補償が可能となる。図３には、光損失補償量を変化させたときの信号光パワーの様子をそれぞれ示してある。
【００２７】
また、領域１ｎ内である程度減衰された信号光をドープ領域１ｄで増幅させるため、信号光のパワーレベルが非線形効果の生じるレベルＰ１を超えないように制御することも容易となる。
なお、上記の実施形態では、ドープ領域１ｄを分散補償ファイバ１の出力側端部から長さｌの範囲に形成する場合を説明したが、本発明のドープ領域の形成位置はこれに限られるものではない。例えば、分散補償ファイバの中間部分にドープ領域を形成することも可能である。ただし、この場合でも、できるだけ出力側にドープ領域を配置することが望ましく、上記実施形態のように出力側端部からドープ領域１ｄを形成すれば、Ｅｒ等をドープしていない領域とのスプライス箇所を最少にできるという利点がある。
【００２８】
次に、上記のような分散補償ファイバを用いた光増幅装置の実施形態について説明する。
図４は、本実施形態の光増幅装置の構成を示すブロック図である。
図４において、本光増幅装置は、例えば、波長多重された入力光を増幅する前段光増幅部２と、上記分散補償ファイバ１を備えた分散補償部３と、前段光増幅部２から出力された光を分散補償部３を介して入力し増幅する後段光増幅部４と、を備える。
【００２９】
前段光増幅部２は、例えば、第１の増幅手段としての光ファイバアンプ２１及び利得制御手段としての自動利得制御（ＡＧＣ）回路２２と、から構成される。光ファイバアンプ２１としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を高濃度に含んだＥｒドープ光ファイバ（ＥＤＦ）２１Ａ等が用いられ、励起光源２１Ｂからの励起光が図示しない光カプラを介してＥＤＦ２１Ａに供給される。励起光の波長は、ここでは、低雑音な特性が得られる９８０nm等とする。また、ＡＧＣ回路２２は、光ファイバアンプ２１への入出力光をモニタして、光ファイバアンプ２１の利得を略一定に制御する回路である。このＡＧＣ回路２２を設けることにより、入力パワーレベルが変動しても、利得の波長に対する平坦性が維持される。なお、ここでは図示しないが、ＥＤＦ２１Ａで生じる１５３０nm帯の大きな雑音光パワーを除去する光フィルタを、光ファイバアンプ２１の出力側に必要に応じて設けてもよい。
【００３０】
分散補償部３は、例えば、前段光増幅部２からの光のパワーレベルを調整するレベル調整手段としての可変光減衰器（ＡＴＴ）３１と、可変光減衰器３１を通った光が入力される上述した分散補償ファイバ１と、分散補償ファイバ１への励起光を発生する励起光源３２と、その励起光を分散補償ファイバ１に供給するために、分散補償ファイバ１の後方側等に設けられた光カプラ３３と、分散補償ファイバ１からの出力光のパワーレベルを略一定に制御するレベル制御手段としての自動レベル制御（ＡＬＣ）回路３４と、から構成される。ここでは、励起光源３２及び光カプラ３３が励起光供給手段として機能する。
【００３１】
可変光減衰器３１としては、十分に広い減衰量の可変範囲を有する光減衰器を用いることで、光増幅装置の広い入力ダイナミックレンジが実現される。分散補償ファイバ１は、本光増幅装置に接続される光伝送路における分散量に応じた全長Ｌを有する。ドープ領域１ｄの長さｌは、分散補償ファイバ１における挿入損失の補償量（光損失補償量）に応じて、Ｅｒのドープ濃度や励起光パワーを考慮し設定される。また、分散補償ファイバ１への励起光の波長は、例えば、９８０nm等を用いるものとする。ＡＬＣ回路３４は、分散補償ファイバ１からの出力光パワーに応じて可変光減衰器３の減衰量を制御する。このＡＬＣ回路３４を設けることにより、後段光増幅部４に入力される各チャネルの出力は常に略一定に保たれる。
【００３２】
後段光増幅部４は、例えば、後段光増幅手段としての光ファイバアンプ４１と、自動パワー制御（ＡＰＣ）回路４２と、から構成される。光ファイバアンプ４１は、例えば、Ａｌを高濃度に含んだＥＤＦ４１Ａ等が用いられ、励起光源４１Ｂからの励起光が図示しない光カプラを介してＥＤＦ４１Ａに供給される。励起光の波長は、ここでは、高出力が得られる１４８０nm等とする。ＡＰＣ回路４２は、励起光パワーが一定になるように励起光源４１Ｂの動作状態を制御する回路である。なお、ここでは図示しないが、ＥＤＦ４１Ａで生じる１５３０nm帯の大きな雑音光パワーを除去する光フィルタを、光ファイバアンプ４１の出力側に必要に応じて設けてもよい。
【００３３】
次に、本光増幅装置の動作について説明する。
まず、低雑音な前段光増幅部２で波長多重された入力信号光を十分に増幅する。この際、光ファイバアンプ２１の利得がＡＧＣ回路２２により略一定に制御されるため、入力パワーレベルが変動しても各波長毎の利得の平坦性を保った光が出力される。そして、前段光増幅部２からの信号光が可変光減衰器３１を介して分散補償ファイバ１に送られる。この分散補償ファイバ１は、励起光源３２で発生した励起光が光カプラ３３を介して後方（ドープ領域１ｄ）側端部に入力されていて、ドープ領域１ｄが反転分布状態となっている。分散補償ファイバ１に入力した信号光は、領域１ｎ及びドープ領域１ｄを通過することで光伝送路における分散が補正されて波形歪が解消されるとともに、ドープ領域１ｄを通過する際に誘導放出作用により増幅され、挿入損失が所定量（光損失補償量）だけ補償される。
【００３４】
分散補償ファイバ１から出力された信号光は、後段光増幅部４に送られるとともに、その一部がＡＬＣ回路３４に送られる。ＡＬＣ回路３４では、分散補償ファイバ１の出力光のパワーレベルをモニタして、そのレベルが略一定になるように可変光減衰器３１の減衰量を制御する。分散補償ファイバ１の出力光パワーレベルは、後述するように後段光増幅部４の雑音特性を考慮して設定される。
【００３５】
後段光増幅部４では、ＡＰＣ回路４２によりパワーが略一定に制御された励起光が光ファイバアンプ４１に供給されていて、その光ファイバアンプ４１で分散補償部３からの信号光が増幅されて、本光増幅装置の出力信号光として外部に出力される。
ここで、分散補償ファイバ１における光損失補償の作用について具体的に説明する。
【００３６】
まず、一般に、２段構成の光増幅装置の雑音指数（ＮＦ）は、次のような関係式で表すことができる。
ＮＦ0 ∝ＮＦ1 ＋ＮＦ2 ×（ｐ1 ／ｐ2 ）
ただし、光増幅装置全体の雑音指数をＮＦ0 とし、前段及び後段光増幅部の雑音指数をＮＦ1 ，ＮＦ2 とし、前段及び後段光増幅部への入力光パワーをｐ1 ，ｐ2 とする。
【００３７】
前後段の光増幅部の間に分散補償ファイバ等を含まない構成にあっては、前段光増幅部の利得を十分に大きくすることで、後段光増幅部への入力光パワーｐ2 が大きくなるため、後段光増幅部の雑音指数が無視できるレベルとなる。しかし、挿入損失の大きい分散補償ファイバを２段の光増幅部の間に挿入した場合、後段光増幅部への入力光パワーｐ2 が小さくなるため、後段光増幅部での雑音の影響が大きくなり本光増幅装置の雑音指数ＮＦ0 が悪化する。したがって、本実施形態のように分散補償ファイバ１での損失を補償して後段光増幅部４への入力信号光レベルを大きくすれば、後段光増幅部４での雑音の影響を低下できることになる。
【００３８】
一方、分散補償ファイバ１での光損失補償量を大きくすると、ドープ領域１ｄで発生する雑音光（ＡＳＥ；amplified spontaneous emission）の影響も大きくなることが考えられる。例えば、分散補償ファイバ１での光損失補償量を変化させたとき、具体的には、励起光を200mW 等の一定パワーにしてＥｒのドープ濃度を変化させた場合等に、分散補償ファイバ１単体の雑音指数を計算すると、光損失補償量を２dB，３dB，４dBに設定したとき、雑音指数はそれぞれ、3.5dB ，4.8dB ，5.8dB と増加する。
【００３９】
しかしながら、分散補償ファイバ１での光損失補償量を大きくしたことで、分散補償ファイバ１単体での雑音が大きくなったとしても、後段光増幅部４への入力光パワーレベルの増大による雑音低減効果の方が大きいため、光増幅装置全体としての雑音指数は低下する。具体的に上記と同様にして光損失補償量を変化させたときの光増幅装置全体での雑音指数を計算すると、光損失補償量を０dB（ドープ領域なし），２dB，３dB，４dBとしたとき、雑音指数はそれぞれ、8.7dB ，7.8dB ，7.2dB ，6.7dB と減少する。
【００４０】
このように分散補償ファイバ１における損失を補償して後段光増幅部４への入力光パワーを増大させることで雑音特性に優れた光増幅装置が実現できる。
また、出力側にのみドープ領域１ｄを形成した分散補償ファイバ１を用いることで、上述したように、従来の分散補償ファイバ全体にＥｒをドープしたものを用いる場合に比べて、励起光源３２の出力パワーレベルを小さくすることができるとともに、分散補償ファイバ１内で非線形効果が生じないように信号光を増幅させる制御も容易にできる。
【００４１】
次に、本発明の光増幅装置の他の実施形態として、上述した本出願人の先願（特願平９−１１３８８２号）に記載された光増幅装置に本発明の分散補償ファイバを適用した場合について説明する。
図５は、上記他の実施形態の光増幅装置の構成を示すブロック図である。
図５において、本光増幅装置が先願の光増幅装置と異なる部分は、先願の光増幅装置で用いていた通常の分散補償ファイバ１００の出力側に、上述の図１に示した分散補償ファイバ１を設け、励起光源（ＬＤ）３２’からの励起光を光カプラ３３’を介して分散補償ファイバ１の後方側から供給するようにした部分である。その他の部分は、先願の明細書に記載された図１７に対応する光増幅装置の構成と同様であり、具体的な構成及び動作は上記明細書中で詳しく説明されているので、ここでは先願に対応する構成に同符号を付してその概略のみを説明するものとする。
【００４２】
この光増幅装置では、上述の実施形態と同様に、波長多重された入力信号光が、励起光源５９1 からの励起光が供給されたＥｒドープファイバ５２1 に送られて増幅される。この前段の光増幅部は、ＡＧＣ回路６０により利得が一定に制御されている。また、ここでは、入力信号光の一部が光カプラ６８1 で分岐されホトダイオード（ＰＤ）５８4 で電気信号に変換されて監視信号処理回路７０に送られる。この監視信号処理回路７０は、分岐された入力信号に含まれる、チャネル数の変更を通告する制御信号を抽出して識別すると、可変減衰器（ＡＴＴ）６４の動作を停止させて、光信号レベルの急激な変化を制限するための回路である。Ｅｒドープファイバ５２1 から出力される増幅された信号光は、光アイソレータ５５1 及び光フィルタＡ１を通って可変減衰器６４に送られる。光フィルタＡ１は利得の波長依存性を補正するためのものである。
【００４３】
可変減衰器６４に送られた信号光は、ＡＬＣ回路６６の制御の下で光信号レベルが調整された後、まず、通常の分散補償ファイバ１００に送られ所定の分散補償が行なわれる。次に、分散補償ファイバ１００を通った信号光は、励起光源３２’からの励起光が後方から供給された分散補償ファイバ１に送られて分散補償及び光増幅が行なわれる。分散補償ファイバ１から出力された信号光は、光アイソレータ５５3 を介して後段の光増幅部に送られるとともに、その一部が光カプラ５４5 で分岐されホトダイオード５８6 で電気信号に変換されてＤＣＦ損失補償回路１０２及びＡＧＣ回路６０2 に送られる。ＤＣＦ損失補償回路１０２は分散補償ファイバ１００の挿入損失を補償するために設けられた回路である。
【００４４】
なお、ここでは、分散補償を２段に分けて行なうようにしたが、分散補償ファイバ１００を設けずに１つの分散補償ファイバ１で全体の分散補償を行なうようにしても構わない。この場合、ＤＣＦ損失補償回路１０２を省略することが可能である。また、分散補償ファイバ１００の出力側に分散補償ファイバ１を設けるようにしたが、入力側に分散補償ファイバ１を設けても構わない。出力側に設ける場合には、反射戻り光による分散補償ファイバ１の不安定動作（例えば、発振等）の防止用として、後段の光増幅部の光アイソレータ５５3 を共用できる。一方、入力側に設ける場合には、分散補償ファイバ１００内でのレイリー散乱等による反射戻り光を防止するために、分散補償ファイバ１の出力と分散補償ファイバ１００の入力との間に、別途光アイソレータを設ける必要がある。
【００４５】
後段の光増幅部に送られた信号光は、励起光源５９2 からの励起光が供給されたＥｒドープファイバ５２2 で増幅され、光アイソレータ５４4 及び光フィルタＡ２を介して出力される。光フィルタＡ２は、光フィルタＡ１と同様である。また、出力信号光の一部が光カプラ５４4 で分岐されホトダイオード５８5 で電気信号に変換されてＡＧＣ回路６０2 及びＡＬＣ補正回路９８に送られる。ＡＬＣ補正回路９８は、全光出力パワーが所定の範囲に維持されているか否かを判定するための回路である。
【００４６】
このように、本発明の分散補償ファイバ１を先願に記載された光増幅装置に適用することで雑音特性の向上を図ることが可能となる。
なお、上述した各実施形態では、分散補償ファイバ１の後方側から励起光を供給する場合を説明したが、本発明はこれに限らず、分散補償ファイバの前方（入力）側から励起光を供給する構成としてもよい。ただし、この場合には励起光が領域１ｎを通過する間に減衰されるため、後方から供給する場合に比べて大きな励起光パワーが必要となる。
【００４７】
また、２段の光増幅部の間に分散補償部を設ける構成としたが、これと同様にして、３段構成以上の光増幅装置について、ドープ領域を有する分散補償ファイバを用いた分散補償部を設ける応用も可能である。もちろん、単一の光増幅部で構成される場合に、その光増幅部の入力側または出力側に分散補償部を接続しても構わない。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の分散補償ファイバによれば、ファイバのコア領域全長に対して出力側の所定範囲に限ってドープ領域を形成したことで、光増幅作用を有する範囲が限定され、従来に比べて比較的小さなパワーの励起光でもドープ領域内で有効に光増幅作用を持たせることができる。また、希土類元素のドープされていない入力側の領域において減衰された光がドープ領域で増幅されるため、分散補償ファイバ内を通過する光のパワーレベルが非線形効果の生じるレベルを超えないように光増幅動作を制御することも容易にできる。
【００４９】
また、本発明の分散補償ファイバを用いた光増幅装置によれば、前段及び後段光増幅手段の間に、励起光供給手段からの励起光が入力される分散補償ファイバを設けたことで、後段光増幅手段に大きなパワーレベルの光が入力されるようになるため、雑音特性に優れた光増幅装置を提供できる。
さらに、光増幅装置について、レベル調整手段及びレベル制御手段を設けたことにより、前段光増幅手段の出力光パワーが変動しても、分散補償ファイバからの出力光パワーが略一定に制御されるため、入力ダイナミックレンジの広い光増幅装置を提供できる。
【００５０】
加えて、前段光増幅手段について利得制御手段を設けたことにより、入力パワーレベルが変動しても波長毎の利得の平坦性を保った増幅光を出力できる。このことは、特に、波長多重光を増幅する場合に有効である。
また、分散補償ファイバの出力側から励起光を供給するようにしたことで、励起光のパワーをより小さなものにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の分散補償ファイバの構造を示す図である。
【図２】同上実施形態のドープ領域の断面構造及び屈折率分布の一例を示す図である。
【図３】同上実施形態における分散補償ファイバ内の信号光パワーの変化の様子を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の光増幅装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の他の実施形態の光増幅装置の構成を示すブロック図である。
【図６】従来のスロープ補償型分散補償ファイバの分散特性の一例を示す図である。
【図７】Ｅｒを全長にドープした従来の分散補償ファイバ内の信号光パワーの変化の様子を示す図である。
【符号の説明】
１…分散補償ファイバ
１ｄ…ドープ領域
１ｎ…領域
２…前段光増幅部
３…分散補償部
４…後段光増幅部
２１，４１…光ファイバアンプ
２１Ａ，４１Ａ…Ｅｒドープ光ファイバ（ＥＤＦ）
２１Ｂ，３２，４１Ｂ…励起光源
２２…自動利得制御（ＡＧＣ）回路
３１…可変光減衰器
３３…光カプラ
３４…自動レベル制御（ＡＬＣ）回路
４２…自動パワー制御（ＡＰＣ）回路
Claims (10)
- 接続される光伝送路の分散特性と逆の分散特性を有し、希土類元素がファイバ全長に対して出力側の所定範囲に限ってドープされたドープ領域を有することを特徴とする分散補償ファイバ。
- 接続される光伝送路の分散特性と逆の分散特性を有し、希土類元素がファイバ全長に対して出力側の所定範囲に限ってドープされたドープ領域を有する分散補償ファイバと、
該分散補償ファイバの前段側に設けた少なくとも１つの前段光増幅手段と、
前記分散補償ファイバの後段側に設けた少なくとも１つの後段光増幅手段と、
前記分散補償ファイバに励起光を供給する励起光供給手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする光増幅装置。 - 前記分散補償ファイバへの入力パワーレベルを調整するレベル調整手段と、
該レベル調整手段を制御して前記分散補償ファイバからの出力パワーレベルを略一定にするレベル制御手段と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項２記載の光増幅装置。 - 前記前段光増幅手段の利得を略一定に制御する利得制御手段を含んで構成されたことを特徴とする請求項２または３記載の光増幅装置。
- 前記励起光供給手段は、前記分散補償ファイバの出力側から励起光を供給することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の光増幅装置。
- 入力端および出力端を有する全長Ｌのファイバ材に対して、前記出力端から長さＩ（ただし、Ｉ＜Ｌとする）の範囲に希土類元素をドープしたドープ領域と、前記入力端から長さ（Ｌ−Ｉ）の範囲に希土類元素をドープしていない非ドープ領域とが形成されており、全長Ｌに亘って略均一で、かつ、接続される光伝送路の分散特性とは逆の分散特性を有することを特徴とする分散補償ファイバ。
- 入力端および出力端を有する全長Ｌのファイバ材に対して、前記出力端から長さＩ（ただし、Ｉ＜Ｌとする）の範囲に希土類元素をドープしたドープ領域と、前記入力端から長さ（Ｌ−Ｉ）の範囲に希土類元素をドープしていない非ドープ領域とが形成されており、全長Ｌに亘って略均一で、かつ、接続される光伝送路の分散特性とは逆の分散特性を有す分散補償ファイバと、
該分散補償ファイバの前段側に設けた少なくとも１つの前段光増幅手段と、
前記分散補償ファイバの後段側に設けた少なくとも１つの後段光増幅手段と、
前記分散補償ファイバに励起光を供給する励起光供給手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする光増幅装置。 - 前記分散補償ファイバへの入力パワーレベルを調整するレベル調整手段と、
該レベル調整手段を制御して前記分散補償ファイバからの出力パワーレベルを略一定にするレベル制御手段と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項７記載の光増幅装置。 - 前記前段光増幅手段の利得を略一定に制御する利得制御手段を含んで構成されたことを特徴とする請求項７または８記載の光増幅装置。
- 前記励起光供給手段は、前記分散補償ファイバの出力側から励起光を供給することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つに記載の光増幅装置。
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