JP4630276B2 - 光増幅器およびその利得制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、光増幅器およびその利得制御方法に関するものであり、詳細には、利得制御誤差を改善した光増幅器および利得制御誤差を改善する光増幅器の利得制御方法に関するものである。

ＷＤＭ伝送システムに適用される光増幅中継器としては、希土類元素がドープされた光ファイバ（以下「希土類ドープファイバ」と呼称）を増幅媒体とする光増幅器が一般的に用いられる。この希土類ドープファイバを用いた光増幅器は増幅帯域内の光信号を光信号のまま一括増幅可能な増幅器であり、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。

ところで、ＷＤＭ伝送システムにおける光増幅器には、伝送品質を保持するめに、増幅帯域の全域にわたって各信号光波長レベルをほぼ一定に増幅させる増幅利得の平坦性が求められる。しかしながら、上述のような光増幅器は、信号波長の変化や伝送路損失の変動などにより、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プロファイル変化に起因して伝送システム中の最適信号レベルダイヤが崩れてしまうので、信号強度対雑音強度比（ＳＮＲ）の低下、あるいは伝送路ファイバの非線形性の影響などにより伝送システムの品質を著しく劣化させてしまう。

このような伝送システムの品質劣化を抑制する技術として、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技術が開示されている（例えば、特許文献１など）。

かかる特許文献１に開示された利得一定制御技術は、前方励起の希土類ドープファイバが用いられる光増幅器において、入力信号光強度（Ｐｉｎ）および出力信号光強度（Ｐｏｕｔ）から利得を検出する際に、希土類ドープファイバで発生する自然放出光強度（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）に対応する定数値（≠０）としてＰ_ＡＳＥが入力され、（Ｐ_ｏｕｔ−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ようにしている。すなわち、従来の光増幅制御技術は、光増幅器全出力光に含まれる自然放出光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。

特開平１１−１１２４３４号公報（Ｐ８，第１図）

しかしながら、上述の補償技術（利得一定制御技術）は、希土類ドープファイバを理想的な均一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に起因する利得プロファイル変化成分を補償することができなかった。したがって、入力信号光レベル、波長数および波長変化に伴って発生する利得プロファイル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持するための入力信号光ダイナミックレンジが狭まるといった問題点があった。また、不均一性に起因する利得プロファイル変化が顕著に現れるような一部の希土類ドープファイバに適用できないという問題点があった。

本発明は、上述のような状況に鑑みてなされたものであり、光増幅器の不均一性に起因する利得プロファイル変化を補償する光増幅器を提供することを第１の目的とする。また、光増幅器の不均一性に起因する利得プロファイル変化を補償するための利得制御方法を開示し、その可変利得制御方法を簡易、かつ高精度に構成することを第２の目的とする。

この発明にかかる光増幅器にあっては、希土類ドープファイバを増幅媒体とし、全入力光をモニタした入力モニタ信号を出力する入力モニタ手段と、全出力光をモニタした出力モニタ信号を出力する出力モニタ手段と、を備えた光増幅器において、前記全出力光モニタ信号に含まれる自然放出光（ＡＳＥ）成分を補償するＡＳＥ補償回路と、前記入力モニタ信号の信号強度に基づいて決定される目標平均設定利得を算出する利得変化レベル補償回路と、前記ＡＳＥ補償回路から出力される出力信号と前記利得変化レベル補償回路から出力される前記目標平均設定利得とに基づいて利得制御を行う利得一定制御回路と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、希土類ドープファイバを増幅媒体とする光増幅器において、全出力光モニタ信号に含まれる自然放出光（ＡＳＥ）成分を補償するための信号と、入力モニタ信号の信号強度に基づいて決定される目標平均設定利得とに基づいて光入力の信号強度ごとに利得一定制御が行われる。

第１図は、この発明の実施の形態１にかかる光増幅器の利得制御機能を説明するための機能構成図である。 第２図は、利得変化レベル補償回路９の目標平均設定利得Ｇ（Ｐ_ｉｎ）の設定手順を示すフローチャートである。 第３図は、第２図に示す設定手順の中の最大入力強度における目標平均設定利得（Ｇ_Ｍ）の算出処理を示すフローチャートである。 第４図は、第２図に示す設定手順の中の最小入力強度における目標平均設定利得（Ｇ_ｍ）の算出処理を示すフローチャートである。 第５図は、第２図に示す設定手順の中の各入力強度における目標平均設定利得（Ｇ_ｉｎ）の算出処理を示すフローチャートである。 第６図は、実施の形態１の光増幅器出力スペクトル特性を従来技術と比較した図である。 第７図は、この発明の実施の形態２にかかる光増幅器の回路構成を示す図である。 第８図は、この発明の実施の形態３にかかる光増幅器の回路構成を示す図である。 第９図は、この発明の実施の形態４にかかる光増幅器の利得変化レベル補償回路の回路構成を示す図である。 第１０図は、実施の形態４の光増幅器出力スペクトル特性を従来技術と比較した図である。 第１１図は、この発明の実施の形態５にかかる光増幅器の利得変化レベル補償回路の回路構成を示す図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる光増幅器およびその利得制御方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
第１図は、この発明の実施の形態１にかかる光増幅器の利得制御機能を説明するための機能構成図である。同図において、励起光源合波器５を介して励起光源４からの前方励起光が入力される希土類ドープファイバ１が備えられている。一方、光増幅器の利得制御機能を構成する構成部として、ＡＳＥ補償回路７、利得一定制御回路８および利得変化レベル補償回路９が備えられている。利得一定制御回路８は、希土類ドープファイバ１の入力段に備えられた光分波器２ａに接続された光レベル検出器３ａと、利得変化レベル補償回路９と、ＡＳＥ補償回路７と、励起光源４とに接続される。なお、利得一定制御回路８は、光レベル検出器３ａ、利得変化レベル補償回路９およびＡＳＥ補償回路７からの出力を受信し、励起光源４に対して所定の信号を出力する。また、ＡＳＥ補償回路７は、希土類ドープファイバ１の出力段に備えられた光分波器２ｂに接続された光レベル検出器３ｂに接続され、光レベル検出器３ｂからの出力を受信する。

つぎに、第１図に示す光増幅器の動作について説明する。第１図において、入力された入力信号光（全全入力光）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にて入力信号光強度が検出され、電気信号レベルＰ_ｉｎの全入力光電気信号に変換される。一方、励起光源４からの励起光は励起光源合波器５にて入力信号光とともに希土類ドープファイバ１内に入力され、入力信号光は増幅される。増幅された出力信号光（全全出力光）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、電気信号レベルＰ_ｏｕｔの全出力光電気信号に変換される。

また、電気信号レベルＰ_ｉｎの全入力光電気信号は利得一定制御回路８に入力され、電気信号レベルＰ_ｏｕｔの全出力光電気信号はＡＳＥ補償回路７に入力される。ＡＳＥ補償回路７に入力された電気信号レベルＰ_ｏｕｔの全出力光電気信号は、Ｐ_ｏｕｔに含まれるＡＳＥ光電気信号レベルＰ_ａｓｅを減算した、Ｐ_ｏｕｔ’＝Ｐ_ｏｕｔ−Ｐ_ａｓｅ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に入力された電気信号レベルＰ_ｉｎおよびＰ_ｏｕｔ’の各信号は、Ｐ_ｏｕｔ’／Ｐｉｎで定義されるレベル比が、利得変化レベル補償回路９によって付与される入力信号強度に依存した目標平均設定利得Ｇ（Ｐ_ｉｎ）となるように励起光源４に対して帰還制御がかけられる。

以上の動作により、入力信号レベルに依存して目標平均設定利得が可変設定され、一定の入力信号光レベルにおいて、目標平均設定利得Ｇ（Ｐ_ｉｎ）として一定制御される光増幅器を構成することができる。このように、この実施の形態の光増幅器では、従来技術のように自然放出光強度を定数として利得一定制御における誤差補償を行うような制御手法とは異なり、自然放出光強度成分を補償した後に、入力信号光レベルに応じて利得一定制御を行うようにしているので、光増幅器の不均一性に起因する利得プロファイル変化の補償が可能となる。

ところで、自然放出光強度を定数として利得一定制御における誤差補償を行うような従来技術にかかる制御手法では、不均一性に起因する利得プロファイル変化が顕著な一部の希土類ドープファイバなどに適用できないことについては上述したとおりである。つぎに、このような問題点が生じる理由について説明する。
通常、希土類ドープファイバが均一な特性を持つと仮定すると、増幅媒質中の信号光強度Ｉ_ｓとＡＳＥ光強度Ｉ_ＡＳＥの伝搬式は次のように表される。

ここで、ｚは増幅媒体を伝搬する光信号の進行方向の位置、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光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、νとΔνはそれぞれＡＳＥ光の中心周波数広がりを示す。またＡＳＥ光の伝搬を表す式の±はそれぞれ順方向ＡＳＥ光および逆方向ＡＳＥ光を表す。

式（１）が示すように、Ｉ_ＡＳＥはＩ_Ｓと同様の増幅を表す部分に、光増幅器内部で分布的に発生する自然放出光を示す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光強度は独立に決定される訳ではなく、所定の信号利得一定条件のもとでも、入力信号レベルに従ってＡＳＥ光強度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光強度がほとんど反転分布の分布に依存しないような条件であれば、出力ＡＳＥ光強度を一定値として扱うことが可能である。すなわち、光増幅器内部で分布的に発生する自然放出光が無視できるとして式（１）の微分方程式をそれぞれ解くと次式のようになる。

ここでＩ_ｓ（Ｌ）およびＩ_ａｓｅ（Ｌ）は希土類ドープファイバ出力端での強度を表している。

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光強度のほとんどが、信号光入力端付近で発生したＡＳＥ光が希土類ドープファイバを通過して増幅される成分で占められるためである。このような条件を満たす光増幅器においては、利得一定であるならばＡＳＥ光強度を一定値と見なせ、このような場合には、全出力光に含まれるＡＳＥ光成分を一定値として差し引くことで、広ダイナミックレンジ下で信号利得を一定に制御することが可能となる。

しかしながら、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、増幅器利得が同一な場合でも、入力信号光レベル、波長数および波長変化によって、さらに信号利得は変化する。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、出力端での信号パワーは次式のようになる。

ここで、右辺第１項は均一特性を仮定した場合の出力信号レベルを表し、第２項は希土類ドープファイバの不均一性に起因する出力レベル変化量であり、入力信号光レベルおよび波長に依存する。式（３）から理解されるように、ＡＳＥ光成分が一定レベルとして補償可能な場合でも、第２項に対応する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。

つぎに、利得変化レベル補償回路９の目標平均設定利得Ｇ（Ｐ_ｉｎ）の設定手法について第２図〜第５図を用いて説明する。なお、第２図は、利得変化レベル補償回路９の目標平均設定利得Ｇ（Ｐ_ｉｎ）の設定手順を示すフローチャートであり、第３図は、第２図に示す設定手順の中の最大入力強度における目標平均設定利得（Ｇ_Ｍ）の算出処理を示すフローチャートであり、第４図は、第２図に示す設定手順の中の最小入力強度における目標平均設定利得（Ｇ_ｍ）の算出処理を示すフローチャートであり、第５図は、第２図に示す設定手順の中の各入力強度における目標平均設定利得（Ｇ_ｉｎ）の算出処理を示すフローチャートである。

まず、第２図の目標平均設定利得Ｇ（Ｐ_ｉｎ）の設定手順について説明する。同図において、入力ダイナミックレンジの最大入力強度における目標平均設定利得（Ｇ_Ｍ）が算出される（ステップＳ１０１）。つぎに、光増幅器の利得がステップＳ１０１の処理で算出されたＧ_Ｍに設定されるように制御され（ステップＳ１０２）、この状態において、入力ダイナミックレンジの最小入力強度における目標平均設定利得（Ｇ_ｍ）が算出される（ステップＳ１０３）。さらに、光増幅器の利得が、最大入力強度のときはステップＳ１０１の処理で算出されたＧ_Ｍに設定され、最小入力強度のときはステップＳ１０３の処理で算出されたＧ_ｍに設定されるように制御され（ステップＳ１０４）、この状態において、入力ダイナミックレンジ内の各入力強度における目標平均設定利得［Ｇ(Ｐ_ｉｎ)］が算出される（ステップＳ１０５）。

つぎに、第３図に示す最大入力強度における目標平均設定利得（Ｇ_Ｍ）の算出処理の細部手順について説明する。同図において、光増幅器の増幅帯域内で、入力ダイナミックレンジの最大入力強度における所定の波長λ_１，λ_２，・・・，λ_ｎ（ｎは自然数）ごとの利得Ｇ（λ_１，Ｐ_{ｉｎ＿ｍａｘ}），Ｇ（λ_２，Ｐ_{ｉｎ＿ｍａｘ}），・・・，Ｇ（λ_ｎ，Ｐ_{ｉｎ＿ｍａｘ}）が測定され（ステップＳ２０１）、全波長におる利得Ｇ（λ）の平均値が算出され（ステップＳ２０２）、第２図のフローに戻る。

同様に、第４図に示す最小入力強度における目標平均設定利得（Ｇ_ｍ）の算出処理では、所定の波長λ_１，λ_２，・・・，λ_ｎ（ｎは自然数）ごとに、光増幅器の増幅帯域内で、入力ダイナミックレンジの最小入力強度における利得Ｇ（λ_１，Ｐ_{ｉｎ＿ｍｉｎ}），Ｇ（λ_２，Ｐ_{ｉｎ＿ｍｉｎ}），・・・，Ｇ（λ_ｎ，Ｐ_{ｉｎ＿ｍｉｎ}）が測定され（ステップＳ３０１）、各測定波長ごとの利得プロファイル変化量、すなわち、各測定波長における最大入力強度における利得Ｇ（λ_１，Ｐ_{ｉｎ＿ｍａｘ}）と、最小入力強度における利得との差分値である、ΔＧ_λ１＝Ｇ（λ_１，Ｐ_{ｉｎ＿ｍａｘ}）−Ｇ（λ_１，Ｐ_{ｉｎ＿ｍｉｎ}），ΔＧ_λ２＝Ｇ（λ_２，Ｐ_{ｉｎ＿ｍａｘ}）−Ｇ（λ_２，Ｐ_{ｉｎ＿ｍｉｎ}），・・・，ΔＧ_λｎ＝Ｇ（λ_ｎ，Ｐ_{ｉｎ＿ｍａｘ}）−Ｇ（λ_ｎ，Ｐ_{ｉｎ＿ｍｉｎ}）が算出され（ステップＳ３０２）、これらのΔＧ_λ１，ΔＧ_λ２，・・・，ΔＧ_λｎの中の最大値ΔＧ_ｍａｘが選択され（ステップＳ３０３）、最小入力強度における目標平均設定利得（Ｇ_ｍ）がＧ_ｍ＝Ｇ_Ｍ＋ΔＧ_ｍａｘの算出式にて算出され（ステップＳ３０４）、第２図のフローに戻る。

同様に、第５図に示す各入力強度における目標平均設定利得Ｇ（Ｐ_ｉｎ）の算出処理では、所定の波長λ_１，λ_２，・・・，λ_ｎ（ｎは自然数）ごとに、入力ダイナミックレンジ範囲内の各入力強度における利得Ｇ（λ_１，Ｐ_ｉｎ＿１），Ｇ（λ_２，Ｐ_ｉｎ＿１），・・・，Ｇ（λ_ｎ，Ｐ_ｉｎ＿１）が測定され（ステップＳ４０１）、各測定波長ごとの利得プロファイル変化量、すなわち、各測定波長における最大入力強度における利得Ｇ（λ_１，Ｐ_{ｉｎ＿ｍａｘ}）と、各入力強度における利得との差分値である、ΔＧ_{λ１，Ｐ１}＝Ｇ（λ_１，Ｐ_ｉｎ＿１）−Ｇ（λ_１，Ｐ_ｉｎ＿１），ΔＧ_{λ２，Ｐ１}＝Ｇ（λ_２，Ｐ_ｉｎ＿１）−Ｇ（λ_２，Ｐ_ｉｎ＿１），・・・，ΔＧ_{λｎ、Ｐ１}＝Ｇ（λ_ｎ，Ｐ_ｉｎ＿１）−Ｇ（λ_ｎ，Ｐ_ｉｎ＿１）が算出され（ステップＳ４０２）、これらのΔＧ_{λ１，Ｐ１}，ΔＧ_{λ２，Ｐ１}，・・・，ΔＧ_{λｎ，Ｐ１}の中の最小値ΔＧ_ｍｉｎが選択され（ステップＳ４０３）、各入力強度における目標平均設定利得Ｇ（Ｐ_ｉｎ）として、ΔＧ_λＰの最小値を与えるΔＧ _ｍｉｎ が選択される（ステップＳ４０４）。ステップＳ４０４の処理後、測定終了か否かが判定され（ステップＳ４０５）、他の入力強度での測定が必要ならば（ステップＳ４０５、Ｙｅｓ）他の入力強度に設定され（ステップＳ４０６）、ステップＳ４０１〜４０５の処理が繰り返される。一方、他の入力強度での測定が不要ならば（ステップＳ４０５、Ｎｏ）、第２図のフローに戻る。

なお、上記第２図〜第５図において示したフローにて生成された各入力強度における目標平均設定利得は、利得一定制御回路８または利得変化レベル補償回路９などに備えられる記憶領域に出力利得プロファイルとして記憶させることにより、光入力の光強度情報に基づいて上記利得一定制御を迅速に行うことができる。

第６図は、実施の形態１の光増幅器出力スペクトル特性を従来技術と比較した図である。同図において、波形Ｋ１は従来の利得一定制御を行った場合の出力特性であり、波形Ｋ２は利得変化レベル補償回路９による上述の制御手順を用いた場合の出力特性である。同図に示すように、従来技術での利得一定制御では０．７ｄＢ程度の制御誤差が生じていたが、この実施の形態の利得一定制御では０．３ｄＢ程度の制御誤差しか生じておらず、広い入力ダイナミックレンジにおいて良好な利得平坦性が確保されていることが明らかである。

以上説明したように、この実施の形態の光増幅器によれば、全出力光モニタ信号に含まれる自然放出光（ＡＳＥ）成分を補償するための補償信号と、入力モニタ信号の信号強度に基づいて決定される目標平均設定利得とに基づいて光入力の信号強度ごとに利得一定制御を行うようにしているので、広ダイナミックレンジ特性に優れた光増幅器およびその利得制御方法を得ることができる。

なお、この実施の形態では、希土類ドープファイバ１に対して励起光源４からの前方励起光が入力されるものとして説明したが、入力される励起光は前方励起光に限定されるものではなく、式（２）に示されるような、入力全信号光強度のダイナミックレンジにおいて、出力ＡＳＥ強度を定数として扱うことが成り立つ条件を満たす範囲において、双方向励起および後方励起といった励起方式でであっても構わない。

また、励起光源４は、波長安定化手段を具備した半導体レーザによって構成されていてもよく、この場合には、希土類ドープファイバ１に注入される励起光源波長が安定化されるので、さらに良好な利得平坦性を確保することができる。

なお、希土類ドープファイバのガラスホスト材料としては、酸化ケイ素、酸化テルライト、酸化ビスマスなどが一般的に用いられるが、これらのファイバなどを用いた場合であっても、上述した効果が得られる。

さらに、一般的に使用される光通信システムにおける伝送帯域であるＣ−バンド帯域（１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍ）に加え、Ｌ−バンド帯域（１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍ）、拡大Ｌ−バンド帯域（１５７０ｎｍ〜１６２０ｎｍ）および一括帯域（１５３０ｎｍ〜１６２０ｎｍ）といった各伝送帯域に対応する光増幅器それぞれにおいて、上述した効果が得られる。

実施の形態２．
第７図は、この発明の実施の形態２にかかる光増幅器の回路構成を示す図である。実施の形態１では、従来の利得一定制御方法と異なり、ＡＳＥ補償回路７、利得一定制御回路８および利得変化レベル補償回路９により入力信号レベルに依存する目標平均設定利得Ｇ（Ｐ_ｉｎ）を付与するようにしているが、第７図に示す実施の形態２では、これらの機能を簡易に実現する構成部としてＡＳＥ補償回路２１、利得変化レベル補償回路２２および利得一定制御回路２３を備えている。なお、第１図と同一、あるいは同等な部分については、同一の符号を用いて示している。

つぎに、第７図に示す光増幅器の動作について説明する。同図において、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、電気信号レベルＰ_ｉｎの全入力光電気信号に変換される。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ともに希土類ドープファイバ１内に入力され、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、電気信号レベルＰ_ｏｕｔの全出力光電気信号に変換される。

また、電気信号レベルＰ_ｉｎの全入力光電気信号は利得一定制御回路２３に入力される。一方、電気信号レベルＰ_ｏｕｔの全出力光電気信号はＡＳＥ補償回路２１に入力される。ＡＳＥ補償回路２１に入力された電気信号レベルＰ_ｏｕｔの全出力光電気信号は、Ｐ_ｏｕｔに含まれるＡＳＥ光電気信号レベルＰ_ａｓｅを減算した、Ｐ_ｏｕｔ’＝Ｐ_ｏｕｔ−Ｐ_ａｓｅとして変換された後、利得変化レベル補償回路２２に入力される。利得変化レベル補償回路２２によりＰ’_ｏｕｔは、Ｐ”_ｏｕｔ＝Ｐ_ｏｕｔ−（Ｐ_ａｓｅ＋Ｐ_{ｏｆｆｓｅｔ}（Ｐ_ｉｎ））として変換された後、利得一定制御回路２３に入力され、利得一定制御回路２３により、Ｐ”_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ＝Ｇ（Ｐ_ｉｎ）＝一定となるように制御される。

このとき、Ｐ”_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎの目標設定値が実施の形態１で説明したような手順で定められ、利得レベル補償回路２２にて付与される電気信号レベルＰ_{ｏｆｆｓｅｔ}（Ｐ_ｉｎ）の値を変化させることで入力強度変化に依存した目標平均設定利得値の可変機能を実現することができる。
また、第７図において、ＡＳＥ補償回路２１を省略して、利得変化レベル補償回路２２によりＰ”_ｏｕｔ＝Ｐ_ｏｕｔ−（Ｐ_ａｓｅ＋Ｐ_{ｏｆｆｓｅｔ}（Ｐ_ｉｎ））の変換処理を同時に行ってもよい。

以上説明したように、この実施の形態の光増幅器によれば、入力モニタ信号の信号強度に基づいて決定されるオフセット成分をＡＳＥ補償信号から減算した減算信号と入力モニタ信号との比が当該入力モニタ信号の信号強度に基づいて決定される目標平均設定利得に一致するような利得制御が行われるので、実施の形態１の効果に加え、光増幅器の利得制御機能を簡易に構成できるという効果を奏する。

実施の形態３．
第８図は、この発明の実施の形態３にかかる光増幅器の回路構成を示す図である。実施の形態２では、出力電気信号レベルをＰ”ｏｕｔ＝Ｐｏｕｔ−（Ｐａｓｅ＋Ｐ_{ｏｆｆｓｅｔ}（Ｐｉｎ））として変換することで可変利得制御方法を達成するものであるが、第８図に示す実施の形態３では、入力電気信号レベルを変換することで、簡易に可変利得制御機能を実現する構成部としてＡＳＥ補償回路および利得変化レベル補償回路の機能を兼ね備えた入力レベル変換回路３２と、利得一定制御回路３３とを備えている。なお、第１図と同一、あるいは同等な部分については、同一の符号を用いて示している。

つぎに、第８図に示す光増幅器の動作について説明する。同図において、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、光レベル検出器電気信号レベルＰ_ｉｎの全入力光電気信号に変換される。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ともに希土類ドープファイバ１内に入力され、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、電気信号レベルＰ_ｏｕｔの全出力光電気信号に変換される。

また、電気信号レベルＰ_ｉｎの全入力光電気信号は入力レベル変換回路３２に入力される。入力レベル変換回路３２に入力された電気信号レベルＰ_ｉｎの全入力光電気信号は、Ｐ_ｉｎ’＝Ｐ_ｉｎ＋Ｐ_ａｓｅ＋Ｐ_{ｉｎ＿ｏｆｆｓｅｔ}（Ｐ_ｉｎ）として変換された後、利得一定制御回路３３に入力される。一方、光レベル検出器３ｂから出力された電気信号レベルＰ_ｏｕｔの全出力光電気信号も利得一定制御回路３３に入力され、利得一定制御回路３３により、Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ’＝Ｇ（Ｐ_ｉｎ）＝一定となるように制御される。

このとき、Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ’の目標設定値が実施の形態１で説明したような手順で定められ、Ｐ_{ｉｎ＿ｏｆｆｓｅｔ}（Ｐ_ｉｎ）の値を変化させることで入力強度変化に依存した目標平均設定利得値の可変機能を実現することができる。

以上説明したように、この実施の形態の光増幅器によれば、出力モニタ信号に含まれるＡＳＥ成分と、入力モニタ信号の信号強度に基づいて決定されるオフセット成分とが入力モニタ信号から減算された減算信号が出力され、出力モニタ信号と前記減算信号との比が入力モニタ信号の信号強度に基づいて決定される目標平均設定利得に一致するような利得制御が行われるので、実施の形態１の効果に加えて、簡易に可変利得制御機能を実現することができるという効果を奏する。

実施の形態４．
第９図は、この発明の実施の形態４にかかる光増幅器の利得変化レベル補償回路の回路構成を示す図である。実施の形態２および３では、入力信号強度に応じて異なる目標平均設定利得を設定する構成について示したが、第９図に示す実施の形態４の利得変化レベル補償回路では、固定のプリセットレベルを利得変化レベル補償回路として用いることで簡易かつ高精度な可変利得一定制御機能を実現する構成部として、２系列の電気信号入力を持つ減算器４１と、固定プリセットレベル設定器４２とを備えている。

つぎに、第９図に示す光増幅器の動作について説明する。光レベル検出器３ｂから出力された電気信号レベルＰ_ｏｕｔの全出力光電気信号が減算器１１に入力される。一方、あらかじめ定数として設定された補償レベル設定器１２からの利得補償レベルＰ_ｃｏｍｐの電気信号も減算器４１に入力され、減算器４１によって、Ｐ_ｏｕｔ’＝Ｐ_ｏｕｔ−Ｐ_ｃｏｍｐで表される出力補正レベルの電気信号に変換され、利得一定制御回路へ出力される。このとき、Ｐ_ｃｏｍｐは実施の形態１に示した目標平均設定利得設定手順に基づいて、入力ダイナミックレンジの最小入力強度における目標平均設定利得となるように設定される。

第１０図は、実施の形態４の光増幅器出力スペクトル特性を従来技術と比較した図である。同図において、波形Ｋ３は従来の利得一定制御を行った場合の出力特性であり、波形Ｋ４は利得変化レベル補償回路による上述の制御手段を用いた場合の出力特性である。同図に示すように、補償レベル設定器１２からの補償レベルＰ_ｃｏｍｐは一定の電気レベルを有するため、入力信号レベルの増大に従ってその寄与度が小さくなり、固定の電気信号レベルを与えるだけで、入力ダイナミックレンジにおいて最適な目標平均設定利得を提供することができる。なお、この実施の形態の利得変化レベル補償回路では、固定の電気信号レベルを与える程度の簡易な構成のため、例えば、減算器を汎用的なオペアンプとすれば、抵抗程度の分圧器といった簡便かつ安価な構成で実現できる。

なお、以上の構成は、一例として全出力光電気信号の出力レベルに対して所定の固定値を与える手法について示したが、全入力光電気信号の出力レベルに対して所定の固定値を与えるような手法でもよく、この場合であってもこの実施の形態と同様な構成で簡易な可変利得制御機能を実現できる。

以上説明したように、この実施の形態の光増幅器によれば、補償レベル設定器にて一定レベルの利得補償信号が生成され、出力モニタ信号から当該利得補償信号を減算出力されるので、簡易な可変利得制御機能を実現することができる。

実施の形態５．
第１１図は、この発明の実施の形態５にかかる光増幅器の利得変化レベル補償回路の回路構成を示す図である。実施の形態１〜４では、電気信号を用いて目標平均設定利得値を可変する構成について示したが、第１１図に示す実施の形態５では、光レベルを利得プロファイル変化レベル補償として用いることで簡易かつ高精度な可変利得一定制御機能を実現する構成部として、光分波器２ａと光レベル検出器３ａとの間に挿入された光分波器２ｃに接続されたオフセット光源５１と、利得一定制御回路５２とを備えている。なお、第１図と同一、あるいは同等な部分については、同一の符号を用いて示している。

つぎに、第１１図に示す光増幅器の動作について説明する。同図において、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、光合波器２ｃによりオフセット光源５１と合波された後、光レベル検出器３ａにより入力信号光強度が検出され、電気信号レベルＰ_ｉｎの全入力光電気信号にオフセット光源５１のオフセット成分が加算された、Ｐ_ｉｎ＋Ｐ_{ｏｐｔ＿ｏｆｆｓｅｔ}に変換される。一方、励起光源４からの励起光は励起光源合波器５−５により入力信号光とともに希土類ドープファイバ１内に入力され、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、電気信号レベルＰ_ｏｕｔの全出力光電気信号に変換される。

また、光レベル検出器３ａから出力される信号レベルＰ_ｉｎ’＝Ｐ_ｉｎ＋Ｐ_{ｏｐｔ＿ｏｆｆｓｅｔ}の電気信号と、電気信号レベルＰ_ｏｕｔの全出力光電気信号は利得一定制御回路５２に入力される。利得一定制御回路５２に入力されたＰ_ｉｎ’およびＰ_ｏｕｔは、Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ’で定義されるレベル比が、Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ’＝Ｇ（Ｐ_ｉｎ）＝一定となるように制御される。

以上の動作により、Ｐ_{ｏｐｔ＿ｏｆｆｓｅｔ}成分を変化させることで、入力信号レベルに依存して、全入力光信号レベルに対する光利得を可変する構成が可能となり、入力強度変化に依存した目標平均設定利得値の可変機能を実現することができる。

以上説明したように、この実施の形態の光増幅器によれば、光レベル検出器の出力信号と出力モニタ信号との比が入力モニタ信号の光強度に基づいて決定される目標平均設定利得に一致するように利得制御が行われるので、入力強度変化に依存した目標平均設定利得値の可変機能を光信号段で制御することができる。

以上のように、本発明にかかる光増幅器は、光通信システムの光増幅中継器に適用することができ、特に、増幅媒体として用いられる希土類ドープファイバの種類に依存しない光増幅器として好適である。

Claims (12)

1. 希土類ドープファイバを増幅媒体とし、全入力光をモニタした入力モニタ信号を出力する入力モニタ手段と、全出力光をモニタした出力モニタ信号を出力する出力モニタ手段と、を備えた光増幅器において、
   前記全出力光モニタ信号に含まれる自然放出光（ＡＳＥ）成分を補償するＡＳＥ補償回路と、
   前記入力モニタ信号の信号強度に基づいて決定される目標平均設定利得を算出する利得変化レベル補償回路と、
   前記ＡＳＥ補償回路から出力される出力信号と前記利得変化レベル補償回路から出力される前記目標平均設定利得とに基づいて利得制御を行う利得一定制御回路と、
   を備えたことを特徴とする光増幅器。
2. 前記利得一定制御回路または前記利得変化レベル補償回路には記憶領域が備えられ、
   前記記憶領域に自身の利得制御を行う出力利得プロファイルが記憶されることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
3. 前記出力利得プロファイルは、前記入力モニタ信号の信号強度に基づいて当該信号強度ごとに生成されることを特徴とする請求項２に記載の光増幅器。
4. 前記ＡＳＥ補償回路は、前記出力モニタ信号から当該出力モニタ信号に含まれるＡＳＥ成分を減算したＡＳＥ補償信号を出力し、
   前記利得変化レベル補償回路は、前記入力モニタ信号の信号強度に基づいて決定されるオフセット成分を前記ＡＳＥ補償信号から減算した減算信号を出力し、
   前記利得一定制御回路は、前記減算信号と前記入力モニタ信号との比が当該入力モニタ信号の信号強度に基づいて決定される目標平均設定利得に一致するように利得制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
5. 希土類ドープファイバを増幅媒体とし、全入力光をモニタした入力モニタ信号を出力する入力モニタ手段と、全出力光をモニタした出力モニタ信号を出力する出力モニタ手段を備えた光増幅器において、
   前記出力モニタ信号に含まれるＡＳＥ成分と、前記入力モニタ信号の信号強度に基づいて決定されるオフセット成分と、を当該入力モニタ信号から減算した減算信号を出力する入力レベル変換回路と、
   前記出力モニタ信号と前記減算信号との比が前記入力モニタ信号の信号強度に基づいて決定される目標平均設定利得に一致するように利得制御を行う利得一定制御回路とを備えたことを特徴とする光増幅器。
6. 前記利得変化レベル補償回路は、
   一定レベルの利得補償信号を生成する補償レベル設定器と、
   前記出力モニタ信号から前記利得補償信号を減算出力する減算器と、
   を備えたことを特徴とする請求項４に記載の光増幅器。
7. 前記利得変化レベル補償回路は、
   一定レベルの利得補償信号を生成する補償レベル設定器と、
   前記入力モニタ信号から前記利得補償信号を減算出力する減算器と、
   を備えたことを特徴とする請求項４に記載の光増幅器。
8. 希土類ドープファイバを増幅媒体とし、全入力光をモニタした入力モニタ信号を出力する入力モニタ手段と、全出力光をモニタした出力モニタ信号を出力する出力モニタ手段と、を備えた光増幅器において、
   光オフセット信号を出力する光オフセット信号出力手段と、
   前記全入力光と前記光オフセット信号とを合成する光合波器と、
   前記光合波器の出力信号を電気信号に変換する光レベル検出器と、
   前記光レベル検出器の出力信号と前記出力モニタ信号との比が前記入力モニタ信号の光強度に基づいて決定される目標平均設定利得に一致するように利得制御を行うことを特徴とする光増幅器。
9. 前記希土類ドープファイバに対して前記全入力光の進行方向と同方向に励起光を注入する前方励起型励起光源をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
10. 前記前方励起型励起光源は、波長安定化手段を具備した半導体レーザによって構成されていることを特徴とする請求項９に記載の光増幅器。
11. 前記希土類ドープファイバのガラスホスト材料が、酸化ケイ素、酸化テルライト、または酸化ビスマスであることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
12. 希土類ドープファイバを増幅媒体とする光増幅器の利得制御方法において、
    自身に入力される光入力の入力ダイナミックレンジの最大入力強度における目標平均設定利得（Ｇ_Ｍ）を算出する第１の算出ステップと、
    自身の利得を前記目標平均設定利得（Ｇ_Ｍ）に設定する第１の利得設定ステップと、
    自身に入力される光入力の入力ダイナミックレンジの最小入力強度における目標平均設定利得（Ｇ_ｍ）を算出する第２の算出ステップと、
    前記最大入力強度条件のときは自身の利得を前記目標平均設定利得（Ｇ_Ｍ）に設定し、前記最小入力強度条件のときは自身の利得を前記目標平均設定利得（Ｇ_ｍ）に設定する第２の利得設定ステップと、
    自身に入力される光入力の入力ダイナミックレンジ内の各入力強度における目標平均設定利得［Ｇ(Ｐ_ｉｎ)］を算出する第３の算出ステップと、
    を含むことを特徴とする光増幅器の利得制御方法。

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