JP4225436B2 - 増幅性光ファイバ、光ファイバ増幅器、および光ファイバ増幅器の利得等化方法 - Google Patents
増幅性光ファイバ、光ファイバ増幅器、および光ファイバ増幅器の利得等化方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＷＤＭ方式の光伝送システムにおいて多波長の信号光を一括増幅する光増幅器および光増幅・利得等化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の大容量高速化に伴い、波長多重（ＷＤＭ）伝送方式に関する研究・開発がなされている。このＷＤＭ伝送方式において、最も重要な光素子の１つが、多波長の信号光を一括増幅する光増幅器である。この光増幅器は、高利得・低雑音であって、信号光波長帯域において利得スペクトルが平坦であることが要求され、従来より、Ｅｒ（エルビウム）元素を添加した増幅性光ファイバ（ＥＤＦ: Er-Doped Fiber）を用いた光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ: Er-Doped Fiber Amplifier）が用いられている。
【０００３】
一般に、再生中継器は、最大中継距離１０００ｋｍ程度毎に設けられ、中継器間における通過損失の総量は２５０ｄＢ程度である。一方、受信器側で許容できる信号光入力のレベル差は１０ｄＢ程度である。したがって、光増幅部に要求される利得スペクトルの平坦度、すなわち、利得平均値に対する利得の偏差は、信号光波長域において４％（＝１０／２５０）程度以下であることが望まれている。
【０００４】
そして、更なる大容量高速化の要求から、ＥＤＦＡの利得スペクトルを更に広い信号光波長域で平坦化しようとする研究が行われている。例えば、A.M.Vengsarkar, et al.（IOOC'95, PD-1 ）は、ＥＤＦの利得スペクトルと逆特性の透過ロススペクトルを有する利得等化部を、２種類のファイバグレーティングを縦続接続して構成し、この利得等化部とＥＤＦとを縦続接続することで全体の利得スペクトルを広い帯域で平坦化することを提案している（以下、「従来技術１」という）。奥野ら（信学技報、OPE96-64、1996）は、ＥＤＦの利得スペクトルと逆特性の透過ロススペクトルを有するフィルタを、２種類のファブリペローエタロンを縦続接続して構成し、このフィルタとＥＤＦと縦続接続することで全体の利得スペクトルを広い帯域で平坦化することを提案している（以下、「従来技術２」という）。
【０００５】
また、B.Clesca, et al.（Optical fiber technology, vol.1, pp.135-157, 1995 ）は、２５ｎｍ以上の信号光波長域を実現すべく、フッ化物ＥＤＦを用いたＥＤＦＡを提案している（以下、従来技術３という）。M.Fukuoka, et al.（OAA'96, FA4, 1996）も、２５ｎｍ以上の信号光波長域を実現すべく、フッ化物ＥＤＦに加えて、縦続接続された６段の格子型光回路からなる利得等化部を用いることを提案している（以下、従来技術４という）。
【０００６】
さらに、M.Kakui, et al.（OAA'96, SaA3, 1996 ）は、Ａｌ（アルミニウム）元素が添加されたＥＤＦとＰ（リン）元素およびＡｌ元素を共添加したＥＤＦとを縦続接続してハイブリッドＥＤＦＡ構成とし、飽和時におけるＡｌ添加ＥＤＦの右上がりの利得スペクトル（長波長ほど高利得）を、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦの右下がりの利得スペクトル（長波長ほど低利得）で補償することにより、全体の利得スペクトルを広い帯域で平坦化するとともに、励起効率を向上させている（以下、従来技術５という）。図９は、従来技術５に係る光ファイバ増幅器の信号光出力強度を示すグラフである。この図に示すように、従来技術５による光ファイバ増幅器の信号光出力強度は、波長１５４３ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲で略平坦な形状が得られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術それぞれには以下のような問題点がある。すなわち、従来技術１および従来技術２それぞれは、２種類のファイバグレーティングまたは２種類のファブリペローエタロンを必要としている。これは、個々のファイバグレーティングやファブリペローエタロンの透過ロススペクトルは、透過ロスが極大となる所定波長から波長が離れるほど透過ロスが小さくなり、且つ、その所定波長を中心とする対称形であるのに対して、ＥＤＦの利得スペクトルは、通常、そのような対称形ではなく複雑な形状をしていることによるものである。すなわち、このＥＤＦの複雑な利得スペクトルを等化すべく、２種類のファイバグレーティングまたは２種類のファブリペローエタロンを組み合わせて全体として非対称な透過ロススペクトルを実現している。特に、従来技術１の場合には、２種類のファイバグレーティングを作製するために２回の露光が必要となる。また、従来技術２では、利得スペクトルは、より平坦になったが、信号光波長帯域は拡大されていない。
【０００８】
また、従来技術３および従来技術４では共に、フッ化物ＥＤＦの機械的強度が弱く、融着が不可能であるためにバットジョイントによる接続を行わざるを得ないため、取り扱いが困難であり、また、高価である等の問題点がある。特に従来技術４では、６段もの格子型光回路からなる利得等化部を用いているため、構成が複雑となっている。
【０００９】
さらに、従来技術５によるハイブリッドＥＤＦＡの利得スペクトルは、波長１５４３ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲で略平坦な形状となっているものの、波長１５３５ｎｍで極大を有し、波長１５４０ｎｍで極小を有している。このような利得スペクトルを更に信号光波長域幅２５ｎｍ以上にまで利得等化するには、波長１５４０ｎｍ付近の利得極小値に合わせて、波長１５３５付近の利得を平坦化するだけでなく、波長１５４３ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲の略平坦な利得をも略一様に減少させる必要がある。このうち、波長１５４０ｎｍ付近の利得極小値に合わせて波長１５３５付近の利得を平坦化するのは、ファイバグレーティングを用いれば可能である。しかし、波長１５４３ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲の略平坦な利得を略一様に減少させる利得等化部の設計・製作は、ファイバグレーティング、ファブリペローエタロン、格子型光回路その他の光素子を用いても、殆ど不可能であるか、あるいは極めて複雑な構成となる。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、設計・製作・取り扱いが容易で、広い信号光波長域において平坦な利得スペクトルを有する光増幅器および光増幅・利得等化方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る光ファイバ増幅器は、（１）添加元素として少なくともＡｌ元素を含み、添加元素の組成が異なる複数種類の石英系Ｅｒ元素添加光ファイバを組合わせ縦続接続し、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長域内で、２つの利得極小値を有し、利得極小値の偏差が、利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以下となるように調整された増幅性光ファイバと、（２）増幅性光ファイバと実質的に縦続接続され、上記波長域内で、増幅性ファイバにおける利得の偏差が前記利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％を超える波長域に対し、利得極大波長に近い波長ほど透過ロスが大きい利得等化部とを有し、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差が光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下であることを特徴とする。
【００１４】
この光ファイバ増幅器によれば、利得等化部における透過ロススペクトルは、上記波長域内であって増幅性光ファイバにおける利得の偏差が前記利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％を超える波長域において、利得スペクトルにおける利得が極大となる波長に近い波長ほど透過ロスが大きいものであり、上述した利得スペクトルを有する増幅性光ファイバにより光増幅される信号光は、このような透過ロススペクトルを有する利得等化部により利得等化され、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差は光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下となる。
【００１５】
本発明に係る光ファイバ増幅器の利得等化方法は、添加元素として少なくともＡｌ元素を含み、添加元素の組成が異なる複数種類の石英系Ｅｒ元素添加光ファイバを組合わせ縦続接続し、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長域内で、２つの利得極小値を有し、利得極小値の偏差が、利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以下となるように増幅性光ファイバを調整し、増幅性光ファイバと実質的に縦続接続され、上記波長域内で、増幅性ファイバにおける利得の偏差が利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％を超える波長域に対し、利得極大波長に近い波長ほど透過ロスが大きい利得等化部により、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差が光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下になるように利得等化することを特徴とする。
【００１６】
この光ファイバ増幅器の利得等化方法によれば、信号光を光増幅する際における利得スペクトルは、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長域内において、利得が極小となる利得極小波長が２つ存在し、利得極小値のバラツキが、利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以下である。一方、利得等化の際における透過ロススペクトルは、上記波長域内であって利得スペクトルにおける増幅性光ファイバにおける利得の偏差が前記利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以上である波長域それぞれにおいて、利得スペクトルにおける利得が極大となる波長に近い波長ほど透過ロスが大きいものである。そして、信号光は、このような利得スペクトルにより光増幅され、且つ、このような透過ロススペクトルにより利得等化されて、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差は光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、利得スペクトルの形状について述べるときには、その概略形状を言うものとし、細かい利得変化を無視するものとする。例えば、一定の波長範囲において利得偏差が１ｄＢ程度以下であれば、その波長範囲では利得スペクトルは「平坦」であると言うものとする。光ファイバ増幅器からの信号光出力強度の波長依存性について述べるときも同様とする。
【００１８】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成図である。この光ファイバ増幅器は、光ファイバ伝送路６０を伝送されてきた多波長の信号光を入力し一括増幅して光ファイバ伝送路６１に出力するものであり、アイソレータ１０、ＥＤＦ４０、ＷＤＭカプラ３０、アイソレータ１１、利得等化部５１、ＷＤＭカプラ３１、ＥＤＦ４２および４３、ＷＤＭカプラ３２ならびにアイソレータ１２が縦続接続されていて、また、ＥＤＦ４０，４２および４３に励起光を供給する励起用レーザ光源２０乃至２２が設けられている。
【００１９】
この光ファイバ増幅器のうちの光増幅部は、実質的に縦続接続されたＥＤＦ４０，４２および４３、ならびに、これらに励起光を供給する励起用レーザ光源２０乃至２２を含んで構成される。これらＥＤＦ４０，４２および４３それぞれは、数百ｗｔ・ｐｐｍ程度のＥｒ元素が添加された石英系光ファイバ（ＥＤＦ）である。特に、ＥＤＦ４２は、Ｐ元素およびＡｌ元素が共添加されたＥＤＦであり、また、ＥＤＦ４３は、Ａｌ元素が添加されたＥＤＦである。これらのうち、１段目のＥＤＦ４０は、雑音指数を低減するためのものであって、波長０．９８μｍの励起光により反転分布が形成される。また、２段目の縦続接続されたＥＤＦ４２および４３は、大きな信号光出力を得るためのものであって、波長１．４８μｍの励起光により反転分布が形成される。そして、ＥＤＦ４０，４２および４３それぞれにおいて反転分布が形成されているときに、波長１．５５μｍ帯の信号光が入力すると、ＥＤＦ４０，４２および４３それぞれは、その信号光を増幅して出力する。この光増幅部の全体の利得スペクトルは、ＥＤＦ４０，４２および４３それぞれにおける利得スペクトルを総合したものである。
【００２０】
励起用レーザ光源２０は、ＥＤＦ４０内のＥｒ元素を励起して反転分布を形成するための励起光（波長０．９８μｍ）を出力するものである。この励起用レーザ光源２０から出力された励起光は、光ファイバ７０を経て、ＷＤＭカプラ３０に入力する。ＷＤＭカプラ３０は、入力した励起光をＥＤＦ４０側へ出力するとともに、ＥＤＦ４０で増幅された信号光を入力してアイソレータ１１側へ通過させるものである。
【００２１】
また、励起用レーザ光源２１および２２それぞれは、ＥＤＦ４２および４３内のＥｒ元素を励起して反転分布を形成するための励起光（波長１．４８μｍ）を出力するものである。励起用レーザ光源２１から出力された励起光は、光ファイバ７１を経て、ＷＤＭカプラ３１に入力する。ＷＤＭカプラ３１は、入力した励起光をＥＤＦ４２側へ出力するとともに、利得等化部５１から出力された信号光を入力してＥＤＦ４２側へ出力する。一方、励起用レーザ光源２２から出力された励起光は、光ファイバ７２を経て、ＷＤＭカプラ３２に入力する。ＷＤＭカプラ３２は、入力した励起光をＥＤＦ４３側へ出力するとともに、ＥＤＦ４２および４３で順次増幅された信号光を入力してアイソレータ１２側へ出力する。
【００２２】
光ファイバ増幅器の入力側に設けられたアイソレータ１０は、光ファイバ伝送路６０側からＥＤＦ４０側への方向には光を通過させるが、その逆方向には光を通過させないものである。また、ＥＤＦ４０とＥＤＦ４２との間に設けられたアイソレータ１１は、ＷＤＭカプラ３０側から利得等化部５１側への方向には光を通過させるが、その逆方向には光を通過させないものである。また、光ファイバ増幅器の出力側に設けられたアイソレータ１２は、ＷＤＭカプラ３２側から光ファイバ伝送路６１側への方向には光を通過させるが、その逆方向には光を通過させないものである。
【００２３】
したがって、励起用レーザ光源２０から出力された励起光（０．９８μｍ）は、ＥＤＦ４０に供給され、アイソレータ１０を通過して光ファイバ伝送路６０に出力されることはない。また、励起用レーザ光源２１から出力された励起光（１．４８μｍ）は、ＥＤＦ４２および４３に順次供給され、ＷＤＭカプラ３２により光ファイバ７２側へ進むので、光ファイバ伝送路６１側へ出力されることはない。また、励起用レーザ光源２２から出力された励起光（１．４８μｍ）は、ＥＤＦ４３および４２に順次供給され、ＷＤＭカプラ３１により光ファイバ７１側へ進むので、利得等化部５１側へ出力されることはない。
【００２４】
ＥＤＦ４０とＥＤＦ４２との間に設けられた利得等化部５１は、所定の透過ロススペクトルを有して、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトルを等化するためのものであり、一定間隔のグレーティングがファイバの光軸方向に形成されたファイバグレーティングの組合せが好適に用いられる。なお、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトルならびに利得等化部５１の透過ロススペクトルの詳細については後述する。
【００２５】
この光ファイバ増幅器は以下のように作用する。すなわち、励起用レーザ光源２０から出力された励起光（波長０．９８μｍ）がＷＤＭカプラ３０を介してＥＤＦ４０に供給され、また、励起用レーザ光源２１および２２それぞれから出力された励起光（波長１．４８μｍ）がＷＤＭカプラ３１および３２それぞれを介してＥＤＦ４２および４３に供給されているときに、光ファイバ伝送路６０を伝送されてきた多波長信号光（波長１．５５μｍ帯）がこの光ファイバ増幅器に入力すると、その多波長信号光は、アイソレータ１０を通過し、ＥＤＦ４０に入力して一括増幅される。続いて、このＥＤＦ４０から出力された多波長信号光は、ＷＤＭカプラ３０およびアイソレータ１１それぞれを順次通過し、所定の透過ロススペクトルを有する利得等化部５１により波長に依存した減衰を受ける。さらに、この利得等化部５１から出力された多波長信号光は、ＷＤＭカプラ３１を通過し、ＥＤＦ４２および４３に順次入力して再び一括増幅される。そして、このＥＤＦ４３から出力された多波長信号光は、ＷＤＭカプラ３２およびアイソレータ１２それぞれを順次通過して、光ファイバ伝送路６１に出力される。
【００２６】
このように、多波長信号光が光ファイバ増幅器を通過する際に、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトルに応じて波長に依存した増幅を受け、且つ、利得等化部５１の透過ロススペクトルに応じて波長に依存した減衰を受けるので、この光ファイバ増幅器全体としての利得スペクトル（ｄＢ）は、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトル（ｄＢ）と利得等化部５１の透過ロススペクトル（ｄＢ）とを総合したものとなる。
【００２７】
ここで、ＥＤＦ４０，４２および４３それぞれとして好適に用いられるのは、最も広い信号光波長域が期待できる石英系ＥＤＦであってＡｌ元素が共添加されたＡｌ添加ＥＤＦである。Ａｌ添加ＥＤＦは、そのＡｌ濃度に応じて、また、反転分布の状態に応じて、異なる利得スペクトルを有する。図２は、反転分布それぞれにおけるＡｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルを示すグラフである。図２（ａ）は、Ａｌ濃度が１．０ｗｔ％のＡｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルを示し、図２（ｂ）は、Ａｌ濃度が５．９ｗｔ％のＡｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルを示す。
【００２８】
この図から判るように、強い励起光が供給されて反転分布が８０％程度になると、Ａｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルは、波長１５２０ｎｍから１５４０ｎｍまでの範囲では、波長１５３０ｎｍ付近で利得が極大となり、その波長１５３０ｎｍに近い波長ほど利得が大きいが、波長１５４０ｎｍから１５６０ｎｍまでの範囲では略平坦である。また、反転分布が大きく且つＡｌ濃度が高い場合には、波長１５４０ｎｍから１５６０ｎｍまでの範囲では略平坦であるものの、この波長範囲中の２波長それぞれにおいて僅かに利得の極大が生じる。
【００２９】
また、図３は、Ａｌ添加ＥＤＦにおいて、利得３０ｄＢに対して利得偏差が０．５ｄＢ以下となる信号光波長域幅のＡｌ濃度依存性を示すグラフである。ただし、何れのＡｌ濃度の場合においても、反転分布を最適化したときの信号光波長域幅を求めている。この図から判るように、Ａｌ濃度が大きいほど、信号光波長域幅は広くなり、利得スペクトルの平坦化には有利であることを示している。特に、Ａｌ濃度が２ないし３ｗｔ％程度までは信号光波長域幅は急激に拡大していき、Ａｌ濃度が３ｗｔ％以上になると信号光波長域幅は充分に広くなっている。
【００３０】
さらに、図４は、Ａｌ添加ＥＤＦの反転分布を最適化したときの利得スペクトルを示すグラフである。図４（ａ）は、Ａｌ濃度が２．０ｗｔ％のＡｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルを示し、図４（ｂ）は、Ａｌ濃度が３．１ｗｔ％のＡｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルを示す。この図から判るように、何れの場合にも、利得スペクトルは、波長１５４０ｎｍから１５６０ｎｍまでの範囲では略平坦であるが、Ａｌ濃度が高い場合（図４（ｂ））には、この波長範囲中の２波長それぞれにおいて僅かに利得の極大が認められる。
【００３１】
そこで、このような利得スペクトルを有するＡｌ添加ＥＤＦを、図１に示す光ファイバ増幅器におけるＥＤＦ４０，４２および４３それぞれに用い、且つ、Ａｌ添加ＥＤＦにおける波長１５３０ｎｍ付近の利得を等化する透過ロススペクトルを有する利得等化部５１を用いる。このようにすることで、広い範囲に亘って信号光波長域を平坦化できる。また、このような石英系ＥＤＦは、信頼性が高く、融着等において取り扱いが容易で、安価であり、また、所望の利得スペクトルを実現するのにも好適である。
【００３２】
ところで、従来技術５（図１に示す構成から利得等化部５１を除いたもの）では、Ａｌ添加ＥＤＦとＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦとを縦続接続してＥＤＦＡを構成することにより、信号光波長域を１５４３ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲に設定し、この範囲内での利得スペクトルを平坦化することを目的としていた（図９）。したがって、Ａｌ添加ＥＤＦのＡｌ濃度は１ｗｔ％程度であり、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦのＰ／Ａｌの組成比は６程度であった。この従来技術５に係る光ファイバ増幅器の各条件は以下のとおりである。ＥＤＦ４０および４３それぞれは、Ａｌ添加ＥＤＦであって、Ｅｒイオンによる波長１．５３μｍ帯吸収損が５．５ｄＢ／ｍであり、ＥＤＦ４２は、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦであって、Ｅｒイオンによる波長１．５３μｍ帯吸収損が４．５ｄＢ／ｍである。ＥＤＦ４０の長さは９．０ｍであり、ＥＤＦ４２の長さは８．０ｍであり、ＥＤＦ４３の長さは１２．０ｍである。励起用レーザ光源２０から出力されＥＤＦ４０に供給される励起光（波長０．９８μｍ）の強度は７０ｍＷであり、励起用レーザ光源２１および２２それぞれから出力されＥＤＦ４２および４３に供給される励起光（波長１．４８μｍ）それぞれの強度は７０ｍＷである。
【００３３】
しかし、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦの反転分布８０％時の利得スペクトルは、Ｐ／Ａｌの組成比に依存して異なる。図５は、Ｐ／Ａｌ組成比それぞれの値におけるＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦの利得スペクトルを示すグラフである。図５（ａ）は、Ｐ／Ａｌ組成比が２．５の場合、図５（ｂ）は、Ｐ／Ａｌ組成比が６の場合、図５（ｃ）は、Ｐ／Ａｌ組成比が８の場合、それぞれにおけるＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦの利得スペクトルを示している。この図から判るように、Ｐ／Ａｌ組成比が小さいとき（図５（ａ））には利得特性が直線的であった波長１５４３ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲において、Ｐ／Ａｌ組成比が６になると、波長１５４３ｎｍ付近および１５５５ｎｍ付近それぞれで利得極大が現れ（図５（ｂ））、Ｐ／Ａｌ組成比が８になると、その利得極大が明確になる（図５（ｃ））。
【００３４】
そこで、ＥＤＦ４０および４３として、Ａｌ濃度が５．９ｗｔ％のＡｌ添加ＥＤＦを用い、ＥＤＦ４２として、Ｐ／Ａｌの組成比が８程度のＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦを用い、且つ、利得等化部５１として、波長１５３５ｎｍ付近および１５４４ｎｍ付近それぞれの利得を等化する透過ロススペクトルを有する２種類のファイバグレーティングが縦続されたものを用いる。このようにすることで、広い範囲に亘って信号光波長域を平坦化できる。
【００３５】
次に、本実施形態に係る光ファイバ増幅器の光増幅および利得等化の１例について説明する。図６（ａ）は、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器から利得等化部５１を除いたもの（すなわち、光増幅部）による信号光出力強度を示すグラフである。また、図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器による信号光出力強度を示すグラフである。
【００３６】
ここで、各条件は以下のとおりである。ＥＤＦ４０および４３はともに、Ａｌ濃度が５．９ｗｔ％のＡｌ添加ＥＤＦであって、Ｅｒイオンによる波長１．５３μｍ帯吸収損が５．５ｄＢ／ｍであり、ＥＤＦ４２は、Ｐ／Ａｌ組成比が８程度のＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦであって、Ｅｒイオンによる波長１．５３μｍ帯吸収損が４．５ｄＢ／ｍである。ＥＤＦ４０の長さは８．５ｍであり、ＥＤＦ４２の長さは１０．０ｍであり、ＥＤＦ４３の長さは１１．０ｍである。励起用レーザ光源２０から出力されＥＤＦ４０に供給される励起光（波長０．９８μｍ）の強度は７０ｍＷであり、励起用レーザ光源２１および２２それぞれから出力されＥＤＦ４２および４３に供給される励起光（波長１．４８μｍ）それぞれの強度は７５ｍＷである。
【００３７】
また、信号光は１６波で、それぞれの波長は１５３２ｎｍから１５６２ｎｍまでの２ｎｍ刻みの波長である。入力する１６波の信号光それぞれの強度は−１７．０ｄＢｍであって、その全体の強度は−５．０ｄＢｍである。また、出力する１６波の信号光の１波長当たりの平均強度は＋８．０ｄＢｍであり、その全体の強度は＋２０．０ｄＢｍである。上記励起光の強度は、このような強度の信号光が出力されるよう決定した。
【００３８】
以上の各構成要素を有する光ファイバ増幅器（利得等化部を含まず）の信号光出力強度（図６（ａ））は、波長１５３２ｎｍから１５４０ｎｍまでの範囲では、波長１５３５ｎｍ付近で極大となり、その波長１５３５ｎｍに近い波長ほど利得が大きく、また、波長１５４０ｎｍから１５５０ｎｍまでの範囲では、波長１５４４ｎｍ付近で極大となり、その波長１５４４ｎｍに近い波長ほど利得が大きく、また、波長１５５２ｎｍから１５６２ｎｍまでの範囲では、波長１５５７ｎｍ付近で極大となり、その波長１５５７ｎｍに近い波長ほど利得が大きい。そして、利得極大値は、１５３５ｎｍ付近、１５４４ｎｍ付近および１５５７ｎｍ付近の順に大きい。一方、利得が極小となる利得極小波長は、１５４０ｎｍ付近および１５５２ｎｍ付近の２波長であって、それぞれの信号光出力強度は、７．８ｄＢｍ程度および７．７ｄＢｍ程度であり、これらの平均値は７．８ｄＢｍ程度である。したがって、２つの利得極小値それぞれの利得平均値に対する偏差は、４％に比べて充分に小さい。
【００３９】
そこで、本実施形態においては、利得等化部５１は、互いにグレーティング周期が異なる２種類のファイバグレーティングが縦続接続されて構成されるものとし、第１のファイバグレーティングの透過ロススペクトルＴ1(λ)を、波長λ（ｎｍ）が１５３３ｎｍから１５３８ｎｍまでの範囲では、
Ｔ1(λ)＝3.3-3.3・(λ-1535.5)2／6.25 …(1a)
とし、これ以外の波長範囲では、
Ｔ1(λ)＝0 …(1b)
とし、このような透過ロススペクトルＴ1(λ)を有する第１のファイバーグレーティングにより、光増幅部の利得スペクトルのうちの１５３３ｎｍから１５３８ｎｍまでの波長範囲を利得等化する。
【００４０】
また、第２のファイバグレーティングの透過ロススペクトルＴ2(λ)を、波長λ（ｎｍ）が１５４０ｎｍから１５４８ｎｍまでの範囲では、
Ｔ2(λ)＝1.5-1.5・(λ-1544)2／16 …(2a)
とし、これ以外の波長範囲では、
Ｔ2(λ)＝0 …(2b)
とし、このような透過ロススペクトルＴ2(λ)を有する第２のファイバーグレーティングにより、光増幅部の利得スペクトルのうちの１５４０ｎｍから１５４８ｎｍまでの波長範囲を利得等化する。
【００４１】
そして、利得等化部５１全体の透過ロススペクトルＴ(λ)は、
Ｔ(λ)＝Ｔ1(λ)＋Ｔ2(λ) …(3)
となる。すなわち、この全体の透過ロススペクトルＴ(λ)は、光増幅部における利得の偏差が利得平均値に対して４％以上である波長域それぞれにおいて、その利得スペクトルにおける利得が極大となる波長に近い波長ほど透過ロスが大きいものである。
【００４２】
したがって、光ファイバ増幅器全体の利得スペクトル（図６（ｂ））は、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトル（図６（ａ））に、この利得等化部５１全体の透過ロススペクトルＴ(λ)を総合したものになる。この図６（ｂ）から判るように、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の信号光波長域内において、信号光出力強度の最小値が７．８ｄＢｍ程度であり、最大値が８．５ｄＢｍ程度であり、平均値が８．２ｄＢｍ程度であり、入力パワーが−１７ｄＢｍであり、利得が２５ｄＢであるので、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差が４％以下となっている。
【００４３】
なお、波長１５４０ｎｍ付近の信号光出力強度が、利得等化部５１を設けない場合（図６（ａ））に比べて、利得等化部５１を設けた場合（図６（ｂ））の方が大きくなっている。これは、ＥＤＦ４０とＥＤＦ４２との間に利得等化部５１を設けたことにより、信号光がＥＤＦ４０により飽和領域に達するまで増幅され、また、光ファイバ増幅器全体の全信号光出力強度が２０ｄＢｍに維持され、そのために、利得極大波長の信号光出力強度が利得極小波長の信号光出力強度に分配された結果である。
【００４４】
本実施形態に係る光ファイバ増幅器では、このような透過ロススペクトルＴ1(λ)およびＴ2(λ)それぞれを有する２種類のファイバグレーティングを含む利得等化部５１を採用することにより、信号光出力強度（図６（ｂ））は、利得等化部のない光ファイバ増幅器の場合（図６（ａ））と比較して、信号光波長域（１５３２ｎｍ〜１５６２ｎｍ）における利得スペクトルの平坦性が改善されている。
【００４５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成は、第１の実施形態の場合（図１）と略同様である。ただし、本実施形態では、第１の実施形態と比較して、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトルが３つの利得極大を更に明確に有する点、ならびに、その３つの利得極大に対応して利得等化部５１が３種類のファイバグレーティングから構成される点が異なる。
【００４６】
本実施形態において、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトルが明確な３つの利得極大を有するものとする為には、これらＥＤＦ４０，４２および４３それぞれの長さを適切に設定することで実現できる。
【００４７】
以下に、本実施形態に係る光ファイバ増幅器の光増幅および利得等化の１例について説明する。図７（ａ）は、第２の実施形態に係る光ファイバ増幅器から利得等化部５１を除いたもの（すなわち、光増幅部）による信号光出力強度を示すグラフである。また、図７（ｂ）は、第２の実施形態に係る光ファイバ増幅器による信号光出力強度を示すグラフである。
【００４８】
ここで、各条件は以下のとおりである。ＥＤＦ４０，４２および４３それぞれの組成は、第１の実施形態の場合と同様であるが、ＥＤＦ４０の長さは９．０ｍであり、ＥＤＦ４２の長さは８．０ｍであり、ＥＤＦ４３の長さは１２．０ｍである。励起用レーザ光源２０から出力されＥＤＦ４０に供給される励起光（波長０．９８μｍ）の強度は７０ｍＷであり、励起用レーザ光源２１および２２それぞれから出力されＥＤＦ４２および４３に供給される励起光（波長１．４８μｍ）それぞれの強度は７０ｍＷである。また、入力信号光および出力信号光に関する条件は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００４９】
以上の各構成要素を有する光ファイバ増幅器（利得等化部を含まず）の信号光出力強度（図７（ａ））は、波長１５３２ｎｍから１５３８ｎｍまでの範囲では、波長１５３５ｎｍ付近で極大となり、その波長１５３５ｎｍに近い波長ほど利得が大きく、また、波長１５４０ｎｍから１５５０ｎｍまでの範囲では、波長１５４４ｎｍ付近で極大となり、その波長１５４４ｎｍに近い波長ほど利得が大きく、また、波長１５５２ｎｍから１５６２ｎｍまでの範囲では、波長１５５７ｎｍ付近で極大となり、その波長１５５７ｎｍに近い波長ほど利得が大きい。そして、利得極大値は、１５３５ｎｍ付近、１５４４ｎｍ付近および１５５７ｎｍ付近それぞれにおいて同程度であって、図６（ａ）の場合よりも更に明確に現れている。一方、利得が極小となる利得極小波長は、１５４０ｎｍ付近および１５５２ｎｍ付近の２波長であって、それぞれの信号光出力強度は、７．４ｄＢｍ程度および８．０ｄＢｍ程度であり、これらの平均値は７．７ｄＢｍ程度である。したがって、２つの利得極小値それぞれの利得平均値に対する偏差は、４％以下である。
【００５０】
そこで、本実施形態においては、利得等化部５１は、互いにグレーティング周期が異なる３種類のファイバグレーティングが縦続接続されて構成されるものとし、第１のファイバグレーティングの透過ロススペクトルＴ1(λ)を、波長λ（ｎｍ）が１５３３ｎｍから１５３７．８ｎｍまでの範囲では、
Ｔ1(λ)＝1.4-1.4・(λ-1535.4)2／5.76 …(4a)
とし、これ以外の波長範囲では、
Ｔ1(λ)＝0 …(4b)
とし、このような透過ロススペクトルＴ1(λ)を有する第１のファイバーグレーティングにより、光増幅部の利得スペクトルのうちの１５３３ｎｍから１５３７．８ｎｍまでの波長範囲を利得等化する。
【００５１】
また、第２のファイバグレーティングの透過ロススペクトルＴ2(λ)を、波長λ（ｎｍ）が１５４０．５ｎｍから１５４８．５ｎｍまでの範囲では、
Ｔ2(λ)＝1.2-1.2・(λ-1544.5)2／16 …(5a)
とし、これ以外の波長範囲では、
Ｔ2(λ)＝0 …(5b)
とし、このような透過ロススペクトルＴ2(λ)を有する第２のファイバーグレーティングにより、光増幅部の利得スペクトルのうちの１５４０．５ｎｍから１５４８．５ｎｍまでの波長範囲を利得等化する。
【００５２】
また、第３のファイバグレーティングの透過ロススペクトルＴ3(λ)を、波長λ（ｎｍ）が１５５２．５ｎｍから１５６１．５ｎｍまでの範囲では、
Ｔ3(λ)＝1.1-1.1・(λ-1557)2／20.25 …(6a)
とし、これ以外の波長範囲では、
Ｔ3(λ)＝0 …(6b)
とし、このような透過ロススペクトルＴ3(λ)を有する第３のファイバーグレーティングにより、光増幅部の利得スペクトルのうちの１５５２．５ｎｍから１５６１．５ｎｍまでの波長範囲を利得等化する。
【００５３】
そして、利得等化部５１全体の透過ロススペクトルＴ(λ)は、
Ｔ(λ)＝Ｔ1(λ)＋Ｔ2(λ)＋Ｔ3(λ) …(7)
となる。すなわち、この全体の透過ロススペクトルＴ(λ)は、光増幅部における利得の偏差が利得平均値に対して４％以上である波長域それぞれにおいて、その利得スペクトルにおける利得が極大となる波長に近い波長ほど透過ロスが大きいものである。
【００５４】
したがって、光ファイバ増幅器全体の利得スペクトル（図７（ｂ））は、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトル（図７（ａ））に、この利得等化部５１全体の透過ロススペクトルＴ(λ)を総合したものになる。この図７（ｂ）から判るように、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の信号光波長域内において、信号光出力強度の最小値が８．２ｄＢｍ程度であり、最大値が８．６ｄＢｍ程度であり、平均値が８．４ｄＢｍ程度であるので、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差が２．４％程度となっている。
【００５５】
本実施形態に係る光ファイバ増幅器でも、このような透過ロススペクトルＴ1(λ)，Ｔ2(λ)およびＴ3(λ)それぞれを有する３種類のファイバグレーティングを含む利得等化部５１を採用することにより、信号光出力強度（図７（ｂ））は、利得等化部のない光ファイバ増幅器の場合（図７（ａ））と比較して、信号光波長域（１５３２ｎｍ〜１５６２ｎｍ）における利得スペクトルの平坦性が改善されている。
【００５６】
次に、以上に述べた第１および第２の実施形態それぞれに係る光ファイバ増幅器の性能を比較する。図８は、第１および第２の実施形態それぞれに係る光ファイバ増幅器の性能比較を示す図表である。なお、この図表には、比較のため、従来技術５による光ファイバ増幅器の性能をも示す。
【００５７】
２段目のＥＤＦ（ＥＤＦ４２および４３）に供給すべき励起光（波長１．４８μｍ）の強度は、従来技術５では、１４０ｍＷであるのに対して、第１および第２の実施形態それぞれでも、従来技術５の場合と同程度の励起光強度でよい。
【００５８】
また、利得最大値から０．５ｄＢダウンした利得までの信号光波長域および１．０ｄＢダウンした利得までの信号光波長域については、第１および第２の実施形態に係る光ファイバ増幅器では、従来技術５と比較して広い。特に、第２の実施形態に係る光ファイバ増幅の場合には、それぞれの透過ロス極大値が小さい３種類のファイバグレーティングが縦続接続されて構成される利得等化部５１を用いるので、利得スペクトルの等化を微妙に行うことができ、したがって、信号光波長域２８ｎｍの範囲で常に利得偏差が０．５ｄＢ以下に抑えられていて、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器と比べても良好な性能が得られている。
【００５９】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記の何れの実施形態においても、光ファイバ増幅器の内部に利得等化部を設けたが、光ファイバ増幅器の内部に利得等化部を設けることなく別に利得等化器を設けて、これらを縦続接続してもよい。
【００６０】
また、上記の何れの実施形態においても、１段目のＥＤＦ４０と２段目のＥＤＦ（ＥＤＦ４２および４３）との間に利得等化部を設けたが、利得等化部を設ける位置はこれに限られるものではく、例えば、１段目のＥＤＦの前段でもよいし、２段目のＥＤＦの後段でもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり本発明によれば、増幅性光ファイバにおける利得スペクトルは、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長域内において、利得が極小となる利得極小波長が２つ存在し、利得極小値のバラツキが、利得極小値の利得平均値に対して対数表示で４％以下である。したがって、この増幅性光ファイバにより光増幅される信号光は、所定の透過ロススペクトルを有する利得等化部を別途設けて縦続接続することにより、容易に利得等化される。
【００６２】
また、増幅性光ファイバは、Ｅｒ元素および３ｗｔ％以上のＡｌ元素が共添加された石英系光ファイバを備えるのが好適である。また、その石英系光ファイバは、更にＰ元素が共添加され、Ｐ元素とＡｌ元素との組成比が６以上であるものが好適である。石英系光ファイバは、信頼性が高く、融着等において取り扱いが容易で、安価であり、また、このような石英系光ファイバを備えた増幅性光ファイバは、所望の利得スペクトルを実現することができる。
【００６３】
また、さらに、光ファイバ増幅器が、増幅性光ファイバと利得等化部とが実質的に縦続接続されたものであって、この利得等化部における透過ロススペクトルが、上記波長域内であって増幅性光ファイバにおける利得の偏差が前記利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以上である波長域において、利得スペクトルにおける利得が極大となる波長に近い波長ほど透過ロスが大きいものである場合には、上述した利得スペクトルを有する増幅性光ファイバにより光増幅される信号光は、このような透過ロススペクトルを有する利得等化部により利得等化され、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差は光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下となる。
【００６４】
また、本発明に係る光ファイバ増幅器の利得等化方法によれば、信号光を光増幅する際における利得スペクトルは、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長域内において、利得が極小となる利得極小波長が２つ存在し、利得極小値のバラツキが、利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以下である。一方、利得等化の際における透過ロススペクトルは、上記波長域内であって利得スペクトルにおける利得のバラツキが利得等化後の所定の利得平均値に対し対数表示で４％以上である波長域それぞれにおいて、利得スペクトルにおける利得が極大となる波長に近い波長ほど透過ロスが大きいものである。そして、信号光は、このような利得スペクトルにより光増幅され、且つ、このような透過ロススペクトルにより利得等化されて、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差は光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成図である。
【図２】反転分布の各値それぞれにおけるＡｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルを示すグラフである。
【図３】Ａｌ添加ＥＤＦにおいて、利得３０ｄＢに対して利得偏差が０．５ｄＢ以下となる信号光波長域幅のＡｌ濃度依存性を示すグラフである。
【図４】Ａｌ添加ＥＤＦの反転分布を最適化したときの利得スペクトルを示すグラフである。
【図５】Ｐ／Ａｌ組成比それぞれの値におけるＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦの利得スペクトルを示すグラフである。
【図６】（ａ）は、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器から利得等化部５１を除いたものによる信号光出力強度を示すグラフであり、（ｂ）は、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器による信号光出力強度を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、第２の実施形態に係る光ファイバ増幅器から利得等化部５１を除いたものによる信号光出力強度を示すグラフであり、（ｂ）は、第２の実施形態に係る光ファイバ増幅器による信号光出力強度を示すグラフである。
【図８】第１および第２の実施形態それぞれに係る光ファイバ増幅器の性能比較を示す図表である。
【図９】従来技術５に係る光ファイバ増幅器の信号光出力強度を示すグラフである。
【符号の説明】
１０，１１，１２…アイソレータ、２０，２１，２２…励起用レーザ光源、３０，３１，３２…ＷＤＭカプラ、４０，４２，４３…ＥＤＦ、５１…利得等化部、６０，６１…光ファイバ伝送路、７０，７１，７２…光ファイバ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＷＤＭ方式の光伝送システムにおいて多波長の信号光を一括増幅する光増幅器および光増幅・利得等化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の大容量高速化に伴い、波長多重（ＷＤＭ）伝送方式に関する研究・開発がなされている。このＷＤＭ伝送方式において、最も重要な光素子の１つが、多波長の信号光を一括増幅する光増幅器である。この光増幅器は、高利得・低雑音であって、信号光波長帯域において利得スペクトルが平坦であることが要求され、従来より、Ｅｒ（エルビウム）元素を添加した増幅性光ファイバ（ＥＤＦ: Er-Doped Fiber）を用いた光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ: Er-Doped Fiber Amplifier）が用いられている。
【０００３】
一般に、再生中継器は、最大中継距離１０００ｋｍ程度毎に設けられ、中継器間における通過損失の総量は２５０ｄＢ程度である。一方、受信器側で許容できる信号光入力のレベル差は１０ｄＢ程度である。したがって、光増幅部に要求される利得スペクトルの平坦度、すなわち、利得平均値に対する利得の偏差は、信号光波長域において４％（＝１０／２５０）程度以下であることが望まれている。
【０００４】
そして、更なる大容量高速化の要求から、ＥＤＦＡの利得スペクトルを更に広い信号光波長域で平坦化しようとする研究が行われている。例えば、A.M.Vengsarkar, et al.（IOOC'95, PD-1 ）は、ＥＤＦの利得スペクトルと逆特性の透過ロススペクトルを有する利得等化部を、２種類のファイバグレーティングを縦続接続して構成し、この利得等化部とＥＤＦとを縦続接続することで全体の利得スペクトルを広い帯域で平坦化することを提案している（以下、「従来技術１」という）。奥野ら（信学技報、OPE96-64、1996）は、ＥＤＦの利得スペクトルと逆特性の透過ロススペクトルを有するフィルタを、２種類のファブリペローエタロンを縦続接続して構成し、このフィルタとＥＤＦと縦続接続することで全体の利得スペクトルを広い帯域で平坦化することを提案している（以下、「従来技術２」という）。
【０００５】
また、B.Clesca, et al.（Optical fiber technology, vol.1, pp.135-157, 1995 ）は、２５ｎｍ以上の信号光波長域を実現すべく、フッ化物ＥＤＦを用いたＥＤＦＡを提案している（以下、従来技術３という）。M.Fukuoka, et al.（OAA'96, FA4, 1996）も、２５ｎｍ以上の信号光波長域を実現すべく、フッ化物ＥＤＦに加えて、縦続接続された６段の格子型光回路からなる利得等化部を用いることを提案している（以下、従来技術４という）。
【０００６】
さらに、M.Kakui, et al.（OAA'96, SaA3, 1996 ）は、Ａｌ（アルミニウム）元素が添加されたＥＤＦとＰ（リン）元素およびＡｌ元素を共添加したＥＤＦとを縦続接続してハイブリッドＥＤＦＡ構成とし、飽和時におけるＡｌ添加ＥＤＦの右上がりの利得スペクトル（長波長ほど高利得）を、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦの右下がりの利得スペクトル（長波長ほど低利得）で補償することにより、全体の利得スペクトルを広い帯域で平坦化するとともに、励起効率を向上させている（以下、従来技術５という）。図９は、従来技術５に係る光ファイバ増幅器の信号光出力強度を示すグラフである。この図に示すように、従来技術５による光ファイバ増幅器の信号光出力強度は、波長１５４３ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲で略平坦な形状が得られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術それぞれには以下のような問題点がある。すなわち、従来技術１および従来技術２それぞれは、２種類のファイバグレーティングまたは２種類のファブリペローエタロンを必要としている。これは、個々のファイバグレーティングやファブリペローエタロンの透過ロススペクトルは、透過ロスが極大となる所定波長から波長が離れるほど透過ロスが小さくなり、且つ、その所定波長を中心とする対称形であるのに対して、ＥＤＦの利得スペクトルは、通常、そのような対称形ではなく複雑な形状をしていることによるものである。すなわち、このＥＤＦの複雑な利得スペクトルを等化すべく、２種類のファイバグレーティングまたは２種類のファブリペローエタロンを組み合わせて全体として非対称な透過ロススペクトルを実現している。特に、従来技術１の場合には、２種類のファイバグレーティングを作製するために２回の露光が必要となる。また、従来技術２では、利得スペクトルは、より平坦になったが、信号光波長帯域は拡大されていない。
【０００８】
また、従来技術３および従来技術４では共に、フッ化物ＥＤＦの機械的強度が弱く、融着が不可能であるためにバットジョイントによる接続を行わざるを得ないため、取り扱いが困難であり、また、高価である等の問題点がある。特に従来技術４では、６段もの格子型光回路からなる利得等化部を用いているため、構成が複雑となっている。
【０００９】
さらに、従来技術５によるハイブリッドＥＤＦＡの利得スペクトルは、波長１５４３ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲で略平坦な形状となっているものの、波長１５３５ｎｍで極大を有し、波長１５４０ｎｍで極小を有している。このような利得スペクトルを更に信号光波長域幅２５ｎｍ以上にまで利得等化するには、波長１５４０ｎｍ付近の利得極小値に合わせて、波長１５３５付近の利得を平坦化するだけでなく、波長１５４３ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲の略平坦な利得をも略一様に減少させる必要がある。このうち、波長１５４０ｎｍ付近の利得極小値に合わせて波長１５３５付近の利得を平坦化するのは、ファイバグレーティングを用いれば可能である。しかし、波長１５４３ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲の略平坦な利得を略一様に減少させる利得等化部の設計・製作は、ファイバグレーティング、ファブリペローエタロン、格子型光回路その他の光素子を用いても、殆ど不可能であるか、あるいは極めて複雑な構成となる。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、設計・製作・取り扱いが容易で、広い信号光波長域において平坦な利得スペクトルを有する光増幅器および光増幅・利得等化方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る光ファイバ増幅器は、（１）添加元素として少なくともＡｌ元素を含み、添加元素の組成が異なる複数種類の石英系Ｅｒ元素添加光ファイバを組合わせ縦続接続し、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長域内で、２つの利得極小値を有し、利得極小値の偏差が、利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以下となるように調整された増幅性光ファイバと、（２）増幅性光ファイバと実質的に縦続接続され、上記波長域内で、増幅性ファイバにおける利得の偏差が前記利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％を超える波長域に対し、利得極大波長に近い波長ほど透過ロスが大きい利得等化部とを有し、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差が光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下であることを特徴とする。
【００１４】
この光ファイバ増幅器によれば、利得等化部における透過ロススペクトルは、上記波長域内であって増幅性光ファイバにおける利得の偏差が前記利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％を超える波長域において、利得スペクトルにおける利得が極大となる波長に近い波長ほど透過ロスが大きいものであり、上述した利得スペクトルを有する増幅性光ファイバにより光増幅される信号光は、このような透過ロススペクトルを有する利得等化部により利得等化され、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差は光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下となる。
【００１５】
本発明に係る光ファイバ増幅器の利得等化方法は、添加元素として少なくともＡｌ元素を含み、添加元素の組成が異なる複数種類の石英系Ｅｒ元素添加光ファイバを組合わせ縦続接続し、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長域内で、２つの利得極小値を有し、利得極小値の偏差が、利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以下となるように増幅性光ファイバを調整し、増幅性光ファイバと実質的に縦続接続され、上記波長域内で、増幅性ファイバにおける利得の偏差が利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％を超える波長域に対し、利得極大波長に近い波長ほど透過ロスが大きい利得等化部により、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差が光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下になるように利得等化することを特徴とする。
【００１６】
この光ファイバ増幅器の利得等化方法によれば、信号光を光増幅する際における利得スペクトルは、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長域内において、利得が極小となる利得極小波長が２つ存在し、利得極小値のバラツキが、利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以下である。一方、利得等化の際における透過ロススペクトルは、上記波長域内であって利得スペクトルにおける増幅性光ファイバにおける利得の偏差が前記利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以上である波長域それぞれにおいて、利得スペクトルにおける利得が極大となる波長に近い波長ほど透過ロスが大きいものである。そして、信号光は、このような利得スペクトルにより光増幅され、且つ、このような透過ロススペクトルにより利得等化されて、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差は光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、利得スペクトルの形状について述べるときには、その概略形状を言うものとし、細かい利得変化を無視するものとする。例えば、一定の波長範囲において利得偏差が１ｄＢ程度以下であれば、その波長範囲では利得スペクトルは「平坦」であると言うものとする。光ファイバ増幅器からの信号光出力強度の波長依存性について述べるときも同様とする。
【００１８】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成図である。この光ファイバ増幅器は、光ファイバ伝送路６０を伝送されてきた多波長の信号光を入力し一括増幅して光ファイバ伝送路６１に出力するものであり、アイソレータ１０、ＥＤＦ４０、ＷＤＭカプラ３０、アイソレータ１１、利得等化部５１、ＷＤＭカプラ３１、ＥＤＦ４２および４３、ＷＤＭカプラ３２ならびにアイソレータ１２が縦続接続されていて、また、ＥＤＦ４０，４２および４３に励起光を供給する励起用レーザ光源２０乃至２２が設けられている。
【００１９】
この光ファイバ増幅器のうちの光増幅部は、実質的に縦続接続されたＥＤＦ４０，４２および４３、ならびに、これらに励起光を供給する励起用レーザ光源２０乃至２２を含んで構成される。これらＥＤＦ４０，４２および４３それぞれは、数百ｗｔ・ｐｐｍ程度のＥｒ元素が添加された石英系光ファイバ（ＥＤＦ）である。特に、ＥＤＦ４２は、Ｐ元素およびＡｌ元素が共添加されたＥＤＦであり、また、ＥＤＦ４３は、Ａｌ元素が添加されたＥＤＦである。これらのうち、１段目のＥＤＦ４０は、雑音指数を低減するためのものであって、波長０．９８μｍの励起光により反転分布が形成される。また、２段目の縦続接続されたＥＤＦ４２および４３は、大きな信号光出力を得るためのものであって、波長１．４８μｍの励起光により反転分布が形成される。そして、ＥＤＦ４０，４２および４３それぞれにおいて反転分布が形成されているときに、波長１．５５μｍ帯の信号光が入力すると、ＥＤＦ４０，４２および４３それぞれは、その信号光を増幅して出力する。この光増幅部の全体の利得スペクトルは、ＥＤＦ４０，４２および４３それぞれにおける利得スペクトルを総合したものである。
【００２０】
励起用レーザ光源２０は、ＥＤＦ４０内のＥｒ元素を励起して反転分布を形成するための励起光（波長０．９８μｍ）を出力するものである。この励起用レーザ光源２０から出力された励起光は、光ファイバ７０を経て、ＷＤＭカプラ３０に入力する。ＷＤＭカプラ３０は、入力した励起光をＥＤＦ４０側へ出力するとともに、ＥＤＦ４０で増幅された信号光を入力してアイソレータ１１側へ通過させるものである。
【００２１】
また、励起用レーザ光源２１および２２それぞれは、ＥＤＦ４２および４３内のＥｒ元素を励起して反転分布を形成するための励起光（波長１．４８μｍ）を出力するものである。励起用レーザ光源２１から出力された励起光は、光ファイバ７１を経て、ＷＤＭカプラ３１に入力する。ＷＤＭカプラ３１は、入力した励起光をＥＤＦ４２側へ出力するとともに、利得等化部５１から出力された信号光を入力してＥＤＦ４２側へ出力する。一方、励起用レーザ光源２２から出力された励起光は、光ファイバ７２を経て、ＷＤＭカプラ３２に入力する。ＷＤＭカプラ３２は、入力した励起光をＥＤＦ４３側へ出力するとともに、ＥＤＦ４２および４３で順次増幅された信号光を入力してアイソレータ１２側へ出力する。
【００２２】
光ファイバ増幅器の入力側に設けられたアイソレータ１０は、光ファイバ伝送路６０側からＥＤＦ４０側への方向には光を通過させるが、その逆方向には光を通過させないものである。また、ＥＤＦ４０とＥＤＦ４２との間に設けられたアイソレータ１１は、ＷＤＭカプラ３０側から利得等化部５１側への方向には光を通過させるが、その逆方向には光を通過させないものである。また、光ファイバ増幅器の出力側に設けられたアイソレータ１２は、ＷＤＭカプラ３２側から光ファイバ伝送路６１側への方向には光を通過させるが、その逆方向には光を通過させないものである。
【００２３】
したがって、励起用レーザ光源２０から出力された励起光（０．９８μｍ）は、ＥＤＦ４０に供給され、アイソレータ１０を通過して光ファイバ伝送路６０に出力されることはない。また、励起用レーザ光源２１から出力された励起光（１．４８μｍ）は、ＥＤＦ４２および４３に順次供給され、ＷＤＭカプラ３２により光ファイバ７２側へ進むので、光ファイバ伝送路６１側へ出力されることはない。また、励起用レーザ光源２２から出力された励起光（１．４８μｍ）は、ＥＤＦ４３および４２に順次供給され、ＷＤＭカプラ３１により光ファイバ７１側へ進むので、利得等化部５１側へ出力されることはない。
【００２４】
ＥＤＦ４０とＥＤＦ４２との間に設けられた利得等化部５１は、所定の透過ロススペクトルを有して、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトルを等化するためのものであり、一定間隔のグレーティングがファイバの光軸方向に形成されたファイバグレーティングの組合せが好適に用いられる。なお、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトルならびに利得等化部５１の透過ロススペクトルの詳細については後述する。
【００２５】
この光ファイバ増幅器は以下のように作用する。すなわち、励起用レーザ光源２０から出力された励起光（波長０．９８μｍ）がＷＤＭカプラ３０を介してＥＤＦ４０に供給され、また、励起用レーザ光源２１および２２それぞれから出力された励起光（波長１．４８μｍ）がＷＤＭカプラ３１および３２それぞれを介してＥＤＦ４２および４３に供給されているときに、光ファイバ伝送路６０を伝送されてきた多波長信号光（波長１．５５μｍ帯）がこの光ファイバ増幅器に入力すると、その多波長信号光は、アイソレータ１０を通過し、ＥＤＦ４０に入力して一括増幅される。続いて、このＥＤＦ４０から出力された多波長信号光は、ＷＤＭカプラ３０およびアイソレータ１１それぞれを順次通過し、所定の透過ロススペクトルを有する利得等化部５１により波長に依存した減衰を受ける。さらに、この利得等化部５１から出力された多波長信号光は、ＷＤＭカプラ３１を通過し、ＥＤＦ４２および４３に順次入力して再び一括増幅される。そして、このＥＤＦ４３から出力された多波長信号光は、ＷＤＭカプラ３２およびアイソレータ１２それぞれを順次通過して、光ファイバ伝送路６１に出力される。
【００２６】
このように、多波長信号光が光ファイバ増幅器を通過する際に、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトルに応じて波長に依存した増幅を受け、且つ、利得等化部５１の透過ロススペクトルに応じて波長に依存した減衰を受けるので、この光ファイバ増幅器全体としての利得スペクトル（ｄＢ）は、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトル（ｄＢ）と利得等化部５１の透過ロススペクトル（ｄＢ）とを総合したものとなる。
【００２７】
ここで、ＥＤＦ４０，４２および４３それぞれとして好適に用いられるのは、最も広い信号光波長域が期待できる石英系ＥＤＦであってＡｌ元素が共添加されたＡｌ添加ＥＤＦである。Ａｌ添加ＥＤＦは、そのＡｌ濃度に応じて、また、反転分布の状態に応じて、異なる利得スペクトルを有する。図２は、反転分布それぞれにおけるＡｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルを示すグラフである。図２（ａ）は、Ａｌ濃度が１．０ｗｔ％のＡｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルを示し、図２（ｂ）は、Ａｌ濃度が５．９ｗｔ％のＡｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルを示す。
【００２８】
この図から判るように、強い励起光が供給されて反転分布が８０％程度になると、Ａｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルは、波長１５２０ｎｍから１５４０ｎｍまでの範囲では、波長１５３０ｎｍ付近で利得が極大となり、その波長１５３０ｎｍに近い波長ほど利得が大きいが、波長１５４０ｎｍから１５６０ｎｍまでの範囲では略平坦である。また、反転分布が大きく且つＡｌ濃度が高い場合には、波長１５４０ｎｍから１５６０ｎｍまでの範囲では略平坦であるものの、この波長範囲中の２波長それぞれにおいて僅かに利得の極大が生じる。
【００２９】
また、図３は、Ａｌ添加ＥＤＦにおいて、利得３０ｄＢに対して利得偏差が０．５ｄＢ以下となる信号光波長域幅のＡｌ濃度依存性を示すグラフである。ただし、何れのＡｌ濃度の場合においても、反転分布を最適化したときの信号光波長域幅を求めている。この図から判るように、Ａｌ濃度が大きいほど、信号光波長域幅は広くなり、利得スペクトルの平坦化には有利であることを示している。特に、Ａｌ濃度が２ないし３ｗｔ％程度までは信号光波長域幅は急激に拡大していき、Ａｌ濃度が３ｗｔ％以上になると信号光波長域幅は充分に広くなっている。
【００３０】
さらに、図４は、Ａｌ添加ＥＤＦの反転分布を最適化したときの利得スペクトルを示すグラフである。図４（ａ）は、Ａｌ濃度が２．０ｗｔ％のＡｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルを示し、図４（ｂ）は、Ａｌ濃度が３．１ｗｔ％のＡｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルを示す。この図から判るように、何れの場合にも、利得スペクトルは、波長１５４０ｎｍから１５６０ｎｍまでの範囲では略平坦であるが、Ａｌ濃度が高い場合（図４（ｂ））には、この波長範囲中の２波長それぞれにおいて僅かに利得の極大が認められる。
【００３１】
そこで、このような利得スペクトルを有するＡｌ添加ＥＤＦを、図１に示す光ファイバ増幅器におけるＥＤＦ４０，４２および４３それぞれに用い、且つ、Ａｌ添加ＥＤＦにおける波長１５３０ｎｍ付近の利得を等化する透過ロススペクトルを有する利得等化部５１を用いる。このようにすることで、広い範囲に亘って信号光波長域を平坦化できる。また、このような石英系ＥＤＦは、信頼性が高く、融着等において取り扱いが容易で、安価であり、また、所望の利得スペクトルを実現するのにも好適である。
【００３２】
ところで、従来技術５（図１に示す構成から利得等化部５１を除いたもの）では、Ａｌ添加ＥＤＦとＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦとを縦続接続してＥＤＦＡを構成することにより、信号光波長域を１５４３ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲に設定し、この範囲内での利得スペクトルを平坦化することを目的としていた（図９）。したがって、Ａｌ添加ＥＤＦのＡｌ濃度は１ｗｔ％程度であり、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦのＰ／Ａｌの組成比は６程度であった。この従来技術５に係る光ファイバ増幅器の各条件は以下のとおりである。ＥＤＦ４０および４３それぞれは、Ａｌ添加ＥＤＦであって、Ｅｒイオンによる波長１．５３μｍ帯吸収損が５．５ｄＢ／ｍであり、ＥＤＦ４２は、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦであって、Ｅｒイオンによる波長１．５３μｍ帯吸収損が４．５ｄＢ／ｍである。ＥＤＦ４０の長さは９．０ｍであり、ＥＤＦ４２の長さは８．０ｍであり、ＥＤＦ４３の長さは１２．０ｍである。励起用レーザ光源２０から出力されＥＤＦ４０に供給される励起光（波長０．９８μｍ）の強度は７０ｍＷであり、励起用レーザ光源２１および２２それぞれから出力されＥＤＦ４２および４３に供給される励起光（波長１．４８μｍ）それぞれの強度は７０ｍＷである。
【００３３】
しかし、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦの反転分布８０％時の利得スペクトルは、Ｐ／Ａｌの組成比に依存して異なる。図５は、Ｐ／Ａｌ組成比それぞれの値におけるＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦの利得スペクトルを示すグラフである。図５（ａ）は、Ｐ／Ａｌ組成比が２．５の場合、図５（ｂ）は、Ｐ／Ａｌ組成比が６の場合、図５（ｃ）は、Ｐ／Ａｌ組成比が８の場合、それぞれにおけるＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦの利得スペクトルを示している。この図から判るように、Ｐ／Ａｌ組成比が小さいとき（図５（ａ））には利得特性が直線的であった波長１５４３ｎｍから１５５９ｎｍまでの範囲において、Ｐ／Ａｌ組成比が６になると、波長１５４３ｎｍ付近および１５５５ｎｍ付近それぞれで利得極大が現れ（図５（ｂ））、Ｐ／Ａｌ組成比が８になると、その利得極大が明確になる（図５（ｃ））。
【００３４】
そこで、ＥＤＦ４０および４３として、Ａｌ濃度が５．９ｗｔ％のＡｌ添加ＥＤＦを用い、ＥＤＦ４２として、Ｐ／Ａｌの組成比が８程度のＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦを用い、且つ、利得等化部５１として、波長１５３５ｎｍ付近および１５４４ｎｍ付近それぞれの利得を等化する透過ロススペクトルを有する２種類のファイバグレーティングが縦続されたものを用いる。このようにすることで、広い範囲に亘って信号光波長域を平坦化できる。
【００３５】
次に、本実施形態に係る光ファイバ増幅器の光増幅および利得等化の１例について説明する。図６（ａ）は、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器から利得等化部５１を除いたもの（すなわち、光増幅部）による信号光出力強度を示すグラフである。また、図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器による信号光出力強度を示すグラフである。
【００３６】
ここで、各条件は以下のとおりである。ＥＤＦ４０および４３はともに、Ａｌ濃度が５．９ｗｔ％のＡｌ添加ＥＤＦであって、Ｅｒイオンによる波長１．５３μｍ帯吸収損が５．５ｄＢ／ｍであり、ＥＤＦ４２は、Ｐ／Ａｌ組成比が８程度のＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦであって、Ｅｒイオンによる波長１．５３μｍ帯吸収損が４．５ｄＢ／ｍである。ＥＤＦ４０の長さは８．５ｍであり、ＥＤＦ４２の長さは１０．０ｍであり、ＥＤＦ４３の長さは１１．０ｍである。励起用レーザ光源２０から出力されＥＤＦ４０に供給される励起光（波長０．９８μｍ）の強度は７０ｍＷであり、励起用レーザ光源２１および２２それぞれから出力されＥＤＦ４２および４３に供給される励起光（波長１．４８μｍ）それぞれの強度は７５ｍＷである。
【００３７】
また、信号光は１６波で、それぞれの波長は１５３２ｎｍから１５６２ｎｍまでの２ｎｍ刻みの波長である。入力する１６波の信号光それぞれの強度は−１７．０ｄＢｍであって、その全体の強度は−５．０ｄＢｍである。また、出力する１６波の信号光の１波長当たりの平均強度は＋８．０ｄＢｍであり、その全体の強度は＋２０．０ｄＢｍである。上記励起光の強度は、このような強度の信号光が出力されるよう決定した。
【００３８】
以上の各構成要素を有する光ファイバ増幅器（利得等化部を含まず）の信号光出力強度（図６（ａ））は、波長１５３２ｎｍから１５４０ｎｍまでの範囲では、波長１５３５ｎｍ付近で極大となり、その波長１５３５ｎｍに近い波長ほど利得が大きく、また、波長１５４０ｎｍから１５５０ｎｍまでの範囲では、波長１５４４ｎｍ付近で極大となり、その波長１５４４ｎｍに近い波長ほど利得が大きく、また、波長１５５２ｎｍから１５６２ｎｍまでの範囲では、波長１５５７ｎｍ付近で極大となり、その波長１５５７ｎｍに近い波長ほど利得が大きい。そして、利得極大値は、１５３５ｎｍ付近、１５４４ｎｍ付近および１５５７ｎｍ付近の順に大きい。一方、利得が極小となる利得極小波長は、１５４０ｎｍ付近および１５５２ｎｍ付近の２波長であって、それぞれの信号光出力強度は、７．８ｄＢｍ程度および７．７ｄＢｍ程度であり、これらの平均値は７．８ｄＢｍ程度である。したがって、２つの利得極小値それぞれの利得平均値に対する偏差は、４％に比べて充分に小さい。
【００３９】
そこで、本実施形態においては、利得等化部５１は、互いにグレーティング周期が異なる２種類のファイバグレーティングが縦続接続されて構成されるものとし、第１のファイバグレーティングの透過ロススペクトルＴ1(λ)を、波長λ（ｎｍ）が１５３３ｎｍから１５３８ｎｍまでの範囲では、
Ｔ1(λ)＝3.3-3.3・(λ-1535.5)2／6.25 …(1a)
とし、これ以外の波長範囲では、
Ｔ1(λ)＝0 …(1b)
とし、このような透過ロススペクトルＴ1(λ)を有する第１のファイバーグレーティングにより、光増幅部の利得スペクトルのうちの１５３３ｎｍから１５３８ｎｍまでの波長範囲を利得等化する。
【００４０】
また、第２のファイバグレーティングの透過ロススペクトルＴ2(λ)を、波長λ（ｎｍ）が１５４０ｎｍから１５４８ｎｍまでの範囲では、
Ｔ2(λ)＝1.5-1.5・(λ-1544)2／16 …(2a)
とし、これ以外の波長範囲では、
Ｔ2(λ)＝0 …(2b)
とし、このような透過ロススペクトルＴ2(λ)を有する第２のファイバーグレーティングにより、光増幅部の利得スペクトルのうちの１５４０ｎｍから１５４８ｎｍまでの波長範囲を利得等化する。
【００４１】
そして、利得等化部５１全体の透過ロススペクトルＴ(λ)は、
Ｔ(λ)＝Ｔ1(λ)＋Ｔ2(λ) …(3)
となる。すなわち、この全体の透過ロススペクトルＴ(λ)は、光増幅部における利得の偏差が利得平均値に対して４％以上である波長域それぞれにおいて、その利得スペクトルにおける利得が極大となる波長に近い波長ほど透過ロスが大きいものである。
【００４２】
したがって、光ファイバ増幅器全体の利得スペクトル（図６（ｂ））は、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトル（図６（ａ））に、この利得等化部５１全体の透過ロススペクトルＴ(λ)を総合したものになる。この図６（ｂ）から判るように、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の信号光波長域内において、信号光出力強度の最小値が７．８ｄＢｍ程度であり、最大値が８．５ｄＢｍ程度であり、平均値が８．２ｄＢｍ程度であり、入力パワーが−１７ｄＢｍであり、利得が２５ｄＢであるので、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差が４％以下となっている。
【００４３】
なお、波長１５４０ｎｍ付近の信号光出力強度が、利得等化部５１を設けない場合（図６（ａ））に比べて、利得等化部５１を設けた場合（図６（ｂ））の方が大きくなっている。これは、ＥＤＦ４０とＥＤＦ４２との間に利得等化部５１を設けたことにより、信号光がＥＤＦ４０により飽和領域に達するまで増幅され、また、光ファイバ増幅器全体の全信号光出力強度が２０ｄＢｍに維持され、そのために、利得極大波長の信号光出力強度が利得極小波長の信号光出力強度に分配された結果である。
【００４４】
本実施形態に係る光ファイバ増幅器では、このような透過ロススペクトルＴ1(λ)およびＴ2(λ)それぞれを有する２種類のファイバグレーティングを含む利得等化部５１を採用することにより、信号光出力強度（図６（ｂ））は、利得等化部のない光ファイバ増幅器の場合（図６（ａ））と比較して、信号光波長域（１５３２ｎｍ〜１５６２ｎｍ）における利得スペクトルの平坦性が改善されている。
【００４５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成は、第１の実施形態の場合（図１）と略同様である。ただし、本実施形態では、第１の実施形態と比較して、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトルが３つの利得極大を更に明確に有する点、ならびに、その３つの利得極大に対応して利得等化部５１が３種類のファイバグレーティングから構成される点が異なる。
【００４６】
本実施形態において、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトルが明確な３つの利得極大を有するものとする為には、これらＥＤＦ４０，４２および４３それぞれの長さを適切に設定することで実現できる。
【００４７】
以下に、本実施形態に係る光ファイバ増幅器の光増幅および利得等化の１例について説明する。図７（ａ）は、第２の実施形態に係る光ファイバ増幅器から利得等化部５１を除いたもの（すなわち、光増幅部）による信号光出力強度を示すグラフである。また、図７（ｂ）は、第２の実施形態に係る光ファイバ増幅器による信号光出力強度を示すグラフである。
【００４８】
ここで、各条件は以下のとおりである。ＥＤＦ４０，４２および４３それぞれの組成は、第１の実施形態の場合と同様であるが、ＥＤＦ４０の長さは９．０ｍであり、ＥＤＦ４２の長さは８．０ｍであり、ＥＤＦ４３の長さは１２．０ｍである。励起用レーザ光源２０から出力されＥＤＦ４０に供給される励起光（波長０．９８μｍ）の強度は７０ｍＷであり、励起用レーザ光源２１および２２それぞれから出力されＥＤＦ４２および４３に供給される励起光（波長１．４８μｍ）それぞれの強度は７０ｍＷである。また、入力信号光および出力信号光に関する条件は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００４９】
以上の各構成要素を有する光ファイバ増幅器（利得等化部を含まず）の信号光出力強度（図７（ａ））は、波長１５３２ｎｍから１５３８ｎｍまでの範囲では、波長１５３５ｎｍ付近で極大となり、その波長１５３５ｎｍに近い波長ほど利得が大きく、また、波長１５４０ｎｍから１５５０ｎｍまでの範囲では、波長１５４４ｎｍ付近で極大となり、その波長１５４４ｎｍに近い波長ほど利得が大きく、また、波長１５５２ｎｍから１５６２ｎｍまでの範囲では、波長１５５７ｎｍ付近で極大となり、その波長１５５７ｎｍに近い波長ほど利得が大きい。そして、利得極大値は、１５３５ｎｍ付近、１５４４ｎｍ付近および１５５７ｎｍ付近それぞれにおいて同程度であって、図６（ａ）の場合よりも更に明確に現れている。一方、利得が極小となる利得極小波長は、１５４０ｎｍ付近および１５５２ｎｍ付近の２波長であって、それぞれの信号光出力強度は、７．４ｄＢｍ程度および８．０ｄＢｍ程度であり、これらの平均値は７．７ｄＢｍ程度である。したがって、２つの利得極小値それぞれの利得平均値に対する偏差は、４％以下である。
【００５０】
そこで、本実施形態においては、利得等化部５１は、互いにグレーティング周期が異なる３種類のファイバグレーティングが縦続接続されて構成されるものとし、第１のファイバグレーティングの透過ロススペクトルＴ1(λ)を、波長λ（ｎｍ）が１５３３ｎｍから１５３７．８ｎｍまでの範囲では、
Ｔ1(λ)＝1.4-1.4・(λ-1535.4)2／5.76 …(4a)
とし、これ以外の波長範囲では、
Ｔ1(λ)＝0 …(4b)
とし、このような透過ロススペクトルＴ1(λ)を有する第１のファイバーグレーティングにより、光増幅部の利得スペクトルのうちの１５３３ｎｍから１５３７．８ｎｍまでの波長範囲を利得等化する。
【００５１】
また、第２のファイバグレーティングの透過ロススペクトルＴ2(λ)を、波長λ（ｎｍ）が１５４０．５ｎｍから１５４８．５ｎｍまでの範囲では、
Ｔ2(λ)＝1.2-1.2・(λ-1544.5)2／16 …(5a)
とし、これ以外の波長範囲では、
Ｔ2(λ)＝0 …(5b)
とし、このような透過ロススペクトルＴ2(λ)を有する第２のファイバーグレーティングにより、光増幅部の利得スペクトルのうちの１５４０．５ｎｍから１５４８．５ｎｍまでの波長範囲を利得等化する。
【００５２】
また、第３のファイバグレーティングの透過ロススペクトルＴ3(λ)を、波長λ（ｎｍ）が１５５２．５ｎｍから１５６１．５ｎｍまでの範囲では、
Ｔ3(λ)＝1.1-1.1・(λ-1557)2／20.25 …(6a)
とし、これ以外の波長範囲では、
Ｔ3(λ)＝0 …(6b)
とし、このような透過ロススペクトルＴ3(λ)を有する第３のファイバーグレーティングにより、光増幅部の利得スペクトルのうちの１５５２．５ｎｍから１５６１．５ｎｍまでの波長範囲を利得等化する。
【００５３】
そして、利得等化部５１全体の透過ロススペクトルＴ(λ)は、
Ｔ(λ)＝Ｔ1(λ)＋Ｔ2(λ)＋Ｔ3(λ) …(7)
となる。すなわち、この全体の透過ロススペクトルＴ(λ)は、光増幅部における利得の偏差が利得平均値に対して４％以上である波長域それぞれにおいて、その利得スペクトルにおける利得が極大となる波長に近い波長ほど透過ロスが大きいものである。
【００５４】
したがって、光ファイバ増幅器全体の利得スペクトル（図７（ｂ））は、ＥＤＦ４０，４２および４３を含んで構成される光増幅部の利得スペクトル（図７（ａ））に、この利得等化部５１全体の透過ロススペクトルＴ(λ)を総合したものになる。この図７（ｂ）から判るように、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の信号光波長域内において、信号光出力強度の最小値が８．２ｄＢｍ程度であり、最大値が８．６ｄＢｍ程度であり、平均値が８．４ｄＢｍ程度であるので、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差が２．４％程度となっている。
【００５５】
本実施形態に係る光ファイバ増幅器でも、このような透過ロススペクトルＴ1(λ)，Ｔ2(λ)およびＴ3(λ)それぞれを有する３種類のファイバグレーティングを含む利得等化部５１を採用することにより、信号光出力強度（図７（ｂ））は、利得等化部のない光ファイバ増幅器の場合（図７（ａ））と比較して、信号光波長域（１５３２ｎｍ〜１５６２ｎｍ）における利得スペクトルの平坦性が改善されている。
【００５６】
次に、以上に述べた第１および第２の実施形態それぞれに係る光ファイバ増幅器の性能を比較する。図８は、第１および第２の実施形態それぞれに係る光ファイバ増幅器の性能比較を示す図表である。なお、この図表には、比較のため、従来技術５による光ファイバ増幅器の性能をも示す。
【００５７】
２段目のＥＤＦ（ＥＤＦ４２および４３）に供給すべき励起光（波長１．４８μｍ）の強度は、従来技術５では、１４０ｍＷであるのに対して、第１および第２の実施形態それぞれでも、従来技術５の場合と同程度の励起光強度でよい。
【００５８】
また、利得最大値から０．５ｄＢダウンした利得までの信号光波長域および１．０ｄＢダウンした利得までの信号光波長域については、第１および第２の実施形態に係る光ファイバ増幅器では、従来技術５と比較して広い。特に、第２の実施形態に係る光ファイバ増幅の場合には、それぞれの透過ロス極大値が小さい３種類のファイバグレーティングが縦続接続されて構成される利得等化部５１を用いるので、利得スペクトルの等化を微妙に行うことができ、したがって、信号光波長域２８ｎｍの範囲で常に利得偏差が０．５ｄＢ以下に抑えられていて、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器と比べても良好な性能が得られている。
【００５９】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記の何れの実施形態においても、光ファイバ増幅器の内部に利得等化部を設けたが、光ファイバ増幅器の内部に利得等化部を設けることなく別に利得等化器を設けて、これらを縦続接続してもよい。
【００６０】
また、上記の何れの実施形態においても、１段目のＥＤＦ４０と２段目のＥＤＦ（ＥＤＦ４２および４３）との間に利得等化部を設けたが、利得等化部を設ける位置はこれに限られるものではく、例えば、１段目のＥＤＦの前段でもよいし、２段目のＥＤＦの後段でもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり本発明によれば、増幅性光ファイバにおける利得スペクトルは、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長域内において、利得が極小となる利得極小波長が２つ存在し、利得極小値のバラツキが、利得極小値の利得平均値に対して対数表示で４％以下である。したがって、この増幅性光ファイバにより光増幅される信号光は、所定の透過ロススペクトルを有する利得等化部を別途設けて縦続接続することにより、容易に利得等化される。
【００６２】
また、増幅性光ファイバは、Ｅｒ元素および３ｗｔ％以上のＡｌ元素が共添加された石英系光ファイバを備えるのが好適である。また、その石英系光ファイバは、更にＰ元素が共添加され、Ｐ元素とＡｌ元素との組成比が６以上であるものが好適である。石英系光ファイバは、信頼性が高く、融着等において取り扱いが容易で、安価であり、また、このような石英系光ファイバを備えた増幅性光ファイバは、所望の利得スペクトルを実現することができる。
【００６３】
また、さらに、光ファイバ増幅器が、増幅性光ファイバと利得等化部とが実質的に縦続接続されたものであって、この利得等化部における透過ロススペクトルが、上記波長域内であって増幅性光ファイバにおける利得の偏差が前記利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以上である波長域において、利得スペクトルにおける利得が極大となる波長に近い波長ほど透過ロスが大きいものである場合には、上述した利得スペクトルを有する増幅性光ファイバにより光増幅される信号光は、このような透過ロススペクトルを有する利得等化部により利得等化され、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差は光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下となる。
【００６４】
また、本発明に係る光ファイバ増幅器の利得等化方法によれば、信号光を光増幅する際における利得スペクトルは、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長域内において、利得が極小となる利得極小波長が２つ存在し、利得極小値のバラツキが、利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以下である。一方、利得等化の際における透過ロススペクトルは、上記波長域内であって利得スペクトルにおける利得のバラツキが利得等化後の所定の利得平均値に対し対数表示で４％以上である波長域それぞれにおいて、利得スペクトルにおける利得が極大となる波長に近い波長ほど透過ロスが大きいものである。そして、信号光は、このような利得スペクトルにより光増幅され、且つ、このような透過ロススペクトルにより利得等化されて、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差は光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成図である。
【図２】反転分布の各値それぞれにおけるＡｌ添加ＥＤＦの利得スペクトルを示すグラフである。
【図３】Ａｌ添加ＥＤＦにおいて、利得３０ｄＢに対して利得偏差が０．５ｄＢ以下となる信号光波長域幅のＡｌ濃度依存性を示すグラフである。
【図４】Ａｌ添加ＥＤＦの反転分布を最適化したときの利得スペクトルを示すグラフである。
【図５】Ｐ／Ａｌ組成比それぞれの値におけるＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦの利得スペクトルを示すグラフである。
【図６】（ａ）は、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器から利得等化部５１を除いたものによる信号光出力強度を示すグラフであり、（ｂ）は、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器による信号光出力強度を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、第２の実施形態に係る光ファイバ増幅器から利得等化部５１を除いたものによる信号光出力強度を示すグラフであり、（ｂ）は、第２の実施形態に係る光ファイバ増幅器による信号光出力強度を示すグラフである。
【図８】第１および第２の実施形態それぞれに係る光ファイバ増幅器の性能比較を示す図表である。
【図９】従来技術５に係る光ファイバ増幅器の信号光出力強度を示すグラフである。
【符号の説明】
１０，１１，１２…アイソレータ、２０，２１，２２…励起用レーザ光源、３０，３１，３２…ＷＤＭカプラ、４０，４２，４３…ＥＤＦ、５１…利得等化部、６０，６１…光ファイバ伝送路、７０，７１，７２…光ファイバ。
Claims (2)
- 添加元素として少なくともＡｌ元素を含み、前記添加元素の組成が異なる複数種類の石英系Ｅｒ元素添加光ファイバを組合わせ縦続接続し、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長域内で、２つの利得極小値を有し、前記利得極小値の偏差が、前記利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以下となるように調整された増幅性光ファイバと、
前記増幅性光ファイバと実質的に縦続接続され、前記波長域内で、前記増幅性ファイバにおける利得の偏差が前記利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％を超える波長域に対し、利得極大波長に近い波長ほど透過ロスが大きい利得等化部とを有し、
光ファイバ増幅器全体の利得の偏差が光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下である
ことを特徴とする光ファイバ増幅器。 - 添加元素として少なくともＡｌ元素を含み、前記添加元素の組成が異なる複数種類の石英系Ｅｒ元素添加光ファイバを組合わせ縦続接続し、１５３５ｎｍ以上１５６０ｎｍ以下の波長域内で、２つの利得極小値を有し、前記利得極小値の偏差が、前記利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％以下となるように増幅性光ファイバを調整し、
前記増幅性光ファイバと実質的に縦続接続され、前記波長域内で、前記増幅性ファイバにおける利得の偏差が前記利得極小値の利得平均値に対し対数表示で４％を超える波長域に対し、利得極大波長に近い波長ほど透過ロスが大きい利得等化部により、光ファイバ増幅器全体の利得の偏差が光ファイバ増幅器全体の利得平均値に対して対数表示で４％以下になるように利得等化する
ことを特徴とする光ファイバ増幅器の利得等化方法。
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