JP4774846B2 - 光増幅装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光増幅装置およびその制御方法に関するものである。

光増幅装置は、光通信システムにおいて信号光を光増幅するものであり、特に光ＡＤＭや光ＸＣを含む光ネットワークにおいては重要な光デバイスである。光ネットワークにおいては、光ＡＤＭや光ＸＣの作用により信号光の波数やレベルが変動することから、光増幅装置は、入力信号光の波数やレベルに関わりなく、出力光レベルを所定値とすることが要求される。また、光増幅装置は、利得スペクトルが所定の波長範囲において平坦であることが要求され、また、光ＳＮ比が良好であることも要求される。

特許文献１に開示された光増幅装置は、各々信号光を光増幅する複数段の光増幅部を備え、各段の光増幅部の間に可変光減衰器が設けられている。このような光増幅装置では、利得スペクトルの平坦化および光ＳＮ比の劣化抑制を図るため、各段の光増幅部の光増幅率を一定に保つ必要がある。そこで、この光増幅装置では、各段の光増幅部における入力光パワーおよび出力光パワーそれぞれのモニタ結果に基づいて、各段の光増幅部の光増幅率を制御する。

すなわち、各段の光増幅部において、入力光パワーモニタ値Ｐin，出力光パワーモニタ値Ｐoutおよび目標増幅率Ｇの間に「Ｐout＝Ｇ・Ｐin」なる関係が成り立つように、その光増幅部に励起光を供給するレーザダイオードに対して駆動電流を操作する。また、各段の光増幅部において、発生する自然放出光の影響を考慮する場合には、入力光パワーモニタ値Ｐin，出力光パワーモニタ値Ｐout，目標増幅率Ｇおよび自然放出光パワーＳの間に「Ｐout＝Ｇ・Ｐin＋Ｓ」なる関係が成り立つように、その光増幅部に励起光を供給するレーザダイオードに対して駆動電流を操作する。
特開２０００−２５２９２３号公報

しかしながら、上記のような光増幅装置は、部品点数が多いことから、コスト増を招き、また、大型のものとなる。また、１つの制御部により複数段の光増幅部を制御する場合には、制御部の負荷が大きくなり、高速な制御が困難となる。例えば、ＣＰＵを用いてデジタル制御を行う場合には、制御演算量が多くなり、入出力光パワーのモニタや駆動電流の制御が遅れることになる。

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、複数段の光増幅部を備え簡易な構成で高速な制御が可能な光増幅装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る光増幅装置は、(1) 入力端から出力端へ向かって順に設けられ、各々信号光を光増幅する複数段の光増幅部と、(2) 複数段の光増幅部それぞれに対応して設けられ、励起光を出力するレーザダイオードを含み、対応する光増幅部に該励起光を供給する励起光源部と、(3) 複数段の光増幅部の段間に設けられ、信号光に減衰を与える光減衰部と、(4) 入力端に入力する光のパワーをモニタする入力光モニタ部と、(5) 入力光モニタ部によるモニタにより得られた入力光パワー、光減衰部における減衰率、全体の目標増幅率、および、複数段の光増幅部それぞれの目標増幅率に基づいて、励起光源部に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流をフィードフォワード制御する制御部と、を備えることを特徴とする。このとき、制御部は、光減衰部における減衰率に基づいて、複数段の光増幅部それぞれに入力される自然放出光のパワーを算出し、この算出結果に基づいて補正を行って、励起光源部に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流を制御するのが好適である。

本発明に係る光増幅装置の制御方法は、(1) 入力端から出力端へ向かって順に設けられ、各々信号光を光増幅する複数段の光増幅部と、(2) 複数段の光増幅部それぞれに対応して設けられ、励起光を出力するレーザダイオードを含み、対応する光増幅部に該励起光を供給する励起光源部と、(3) 複数段の光増幅部の段間に設けられ、信号光に減衰を与える光減衰部と、を備える光増幅装置を制御する方法であって、入力端への入力光パワーをモニタし、得られた入力光パワー、光減衰部における減衰率、全体の目標増幅率、および、複数段の光増幅部それぞれの目標増幅率に基づいて、励起光源部に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流をフィードフォワード制御することを特徴とする。このとき、光減衰部における減衰率に基づいて、複数段の光増幅部それぞれに入力される自然放出光のパワーを算出し、この算出結果に基づいて補正を行って、励起光源部に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流を制御するのが好適である。

本発明によれば、簡易な構成で高速な制御が可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、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。

（第１実施形態）

先ず、本発明に係る光増幅装置およびその制御方法の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光増幅装置１の構成図である。この図に示される光増幅装置１は、入力端１１に入力した信号光を光増幅して出力端１２から出力するものであって、Ｎ段の光増幅部２１_１〜２１_Ｎ、(Ｎ−１)個の光減衰部（可変光減衰器）２２_１〜２２_Ｎ−１、Ｎ個の励起光源部２３_１〜２３_Ｎ、(Ｎ−１)個の減衰率制御部２４_１〜２４_Ｎ−１、入力光モニタ部３１、出力光モニタ部３２および制御部４１を備える。

Ｎは２以上の整数である。また、以下に現れるｎは、特に断わらない限り、光増幅部および励起光源部それぞれについては１以上Ｎ以下の任意の整数であり、可変光減衰器および減衰率制御部それぞれについては１以上(Ｎ−１)以下の任意の整数である。

Ｎ段の光増幅部２１_１〜２１_Ｎは、入力端１１から出力端１２へ向かって順に設けられ、各々信号光を光増幅する。各光増幅部２１_ｎは、希土類元素（例えばＥｒ元素）が光導波領域に添加された増幅用光ファイバを含むものであるのが好適である。各励起光源部２３_ｎは、光増幅部２１_ｎに対応して設けられ、励起光を出力するレーザダイオードを含み、対応する光増幅部２１_ｎに該励起光を供給する。各可変光減衰器２２_ｎは、第ｎ段の光増幅部２１_ｎと第(ｎ＋１)段の光増幅部２１_ｎ＋１との間に設けられ、信号光に減衰を与える。各減衰率制御部２４_ｎは、可変光減衰器２２_ｎに対応して設けられ、可変光減衰器２２_ｎにおける信号光の減衰率を制御する。

入力光モニタ部３１は、入力端１１に入力する光のパワーをモニタする。すなわち、入力光モニタ部３１は、入力端１１と初段の光増幅部２１_１との間に設けられた光カプラにより分岐された入力光の一部をフォトダイオードにより検出することで、入力光パワーをモニタする。また、出力光モニタ部３２は、出力端１２から出力される光のパワーをモニタする。すなわち、出力光モニタ部３２は、最終段の光増幅部２１_Ｎと出力端１２との間に設けられた光カプラにより分岐された出力光の一部をフォトダイオードにより検出することで、出力光パワーをモニタする。

各光増幅部２１_ｎの光増幅率をＧ_ｎとし、各可変光減衰域２２_ｎの減衰率をＡ_ｎとすると、光増幅装置１の全体の光増幅率Ｇtotalは下記(1)式で表される。

制御部４１は、入力光モニタ部３１によるモニタにより得られた入力光パワーＰin（すなわち、初段の光増幅部２１_１の入力光パワーＰin_１）、出力光モニタ部３２によるモニタにより得られた出力光パワーＰout、および、全体の光増幅率Ｇtotalの目標値に基づいて、下記(2)式が成り立つように、各励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流をフィードバック制御する。

ただし、上記(2)式に拠る制御のみでは、光増幅装置１の全体の光増幅率Ｇtotalを目標値とすることができるが、各光増幅部２１_ｎの光増幅率Ｇ_ｎが所望値となるとは限らない。そこで、増幅用光ファイバを含む光増幅部２１_ｎの入力光パワーＰin_ｎおよび光増幅率Ｇ_ｎと、この光増幅部２１_ｎに対応する励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_ｎとの間で、下記(3)式の近似式が成り立つことを利用する。図２は、入力光パワーＰin_ｎおよび光増幅率Ｇ_ｎと、励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_ｎと、の間の関係を示すグラフである。ここで、Ｋ_ｎおよびＹ_ｎそれぞれは定数である。Ｋ_ｎをＬＤ傾きと呼び、Ｙ_ｎをＬＤオフセット電流と呼ぶ。

この(3)式で表される特性を利用することで、励起光源部２３_１〜２３_Ｎそれぞれに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流の配分を決定することができる。以下では、各光増幅部２１_ｎで発生する自然放出光の影響を考慮しない場合および考慮する場合それぞれについて、制御部４１による制御の方法について説明する。

各光増幅部２１_ｎで発生する自然放出光の影響を考慮しない場合は以下のとおりである。初段の光増幅部２１_１の光増幅率を目標値Ｇ_１とするには、この光増幅部２１_１に対応する励起光源部２３_１に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_１は、下記(4)式で表される値に設定される必要がある。

第２段の光増幅部２１_２の入力光パワーＰin_２は下記(5)式で表される。したがって、第２段の光増幅部２１_２の光増幅率を目標値Ｇ_２とするには、この光増幅部２１_２に対応する励起光源部２３_２に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_２は、下記(6)式で表される値に設定される必要がある。

ただし、初段の光増幅部２１_１の入力光パワーＰin_１に基づいて、第２段光増幅部２１_２に対応する励起光源部２３_２に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_２を上記(6)式で算出しても、温度特性や波長特性などによって所望の光増幅率Ｇ_２を得ることが困難である場合がある。そこで、より正確に制御するためには、初段の光増幅部２１_１の入力光パワーＰin_１と第２段の光増幅部２１_２の出力光パワーＰout_２との間に下記(7)式が成り立つように、駆動電流Ｉ_２を操作する必要がある。

そして、この際に、上記の(4)式および(6)式から、下記(8)式の関係を保ちつつ、励起光源部２３_１，２３_２に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_１，Ｉ_２を増減させれば、光増幅部２１_１，２１_２の光増幅率Ｇ_１，Ｇ_２をより正確に目標値とすることができる。つまり、可変光減衰器２２_１の減衰率Ａ_１に基づいて、励起光源部２３_１，２３_２に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_１，Ｉ_２を制御することで、光増幅部２１_１，２１_２の光増幅率Ｇ_１，Ｇ_２をより正確に目標値とすることができる。

一般的に、第ｎ段の光増幅部２１_ｎの光増幅率を目標値Ｇ_ｎとするには、この光増幅部２１_ｎに対応する励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_ｎは、下記(9)式で表される値に設定される必要がある。また、この際に、第ｎ段の光増幅部２１_ｎの出力光パワーＰout_ｎが下記(10)式の値となるように、駆動電流Ｉ_ｎを操作する必要がある。

したがって、各可変光減衰器２２_ｎの減衰率Ａ_ｎに基づいて、下記(11)式の関係を保ちつつ、各励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_ｎを増減させれば、各光増幅部２１_ｎの光増幅率Ｇ_ｎをより正確に目標値とすることができる。

各光増幅部２１_ｎで発生する自然放出光の影響を考慮する場合は以下のとおりである。この場合、１つの制御部４１により励起光源部２３_１〜２３_Ｎそれぞれを制御することから、初段から第(ｎ−１)段までの各光増幅部で発生した自然放出光が第ｎ段の光増幅部２１_ｎに与える影響を考慮する必要がある。各光増幅部２１_ｎで発生する自然放出光のパワーをＳ_ｎとする。

初段の光増幅部２１_１で発生した自然放出光は、可変光減衰器２２_１で減衰された後、第２段の光増幅部２１_２に入力される。第２段の光増幅部２１_２に入力する光のパワーＰin_２は下記(12)式で表される。したがって、第２段の光増幅部２１_２の光増幅率を目標値Ｇ_２とするには、この光増幅部２１_２に対応する励起光源部２３_２に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_２は、下記(13)式で表される値に設定される必要がある。

また、第３段の光増幅部２１_３に入力する光のパワーＰin_３は下記(14)式で表される。したがって、第３段の光増幅部２１_３の光増幅率を目標値Ｇ_３とするには、この光増幅部２１_３に対応する励起光源部２３_３に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_３は、下記(15)式で表される値に設定される必要がある。

一般的に、第ｎ段の光増幅部２１_ｎの光増幅率を目標値Ｇ_ｎとするには、この光増幅部２１_ｎに対応する励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_ｎは、下記(16)式で表される値に設定される必要がある。ただし、ここでは、ｎは４以上Ｎ以下の整数である。

また、光増幅装置１の出力端１２から出力される自然放出光のパワーＳallは下記(17)式で表される。

したがって、最終段の光増幅部２１_Ｎの出力光パワーＰout_Ｎが下記(18)式の値となるように、下記(19)式の関係を保ちつつ、各励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_ｎを増減させれば、各光増幅部２１_ｎの光増幅率Ｇ_ｎをより正確に目標値とすることができる。

以上のように、第１実施形態に係る光増幅装置１およびその制御方法では、各光増幅部２１_ｎで発生する自然放出光の影響を考慮しない場合および考慮する場合の何れにおいても、１つの入力光モニタ部３１，１つの出力光モニタ部３２および１つの制御部４１により、Ｎ段の光増幅部２１_１〜２１_Ｎそれぞれの光増幅率が制御される。本実施形態では、部品点数が少ないことから、コストを削減することができ、また、小型のものとすることができる。また、１つの制御部によりＮ段の光増幅部２１_１〜２１_Ｎそれぞれを制御する場合であっても、制御部４１の負荷が小さく、高速な制御が可能となる。

（第２実施形態）

次に、本発明に係る光増幅装置およびその制御方法の第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態に係る光増幅装置２の構成図である。この図に示される光増幅装置２は、入力端１１に入力した信号光を光増幅して出力端１２から出力するものであって、Ｎ段の光増幅部２１_１〜２１_Ｎ、(Ｎ−１)個の可変光減衰器２２_１〜２２_Ｎ−１、Ｎ個の励起光源部２３_１〜２３_Ｎ、(Ｎ−１)個の減衰率制御部２４_１〜２４_Ｎ−１、入力光モニタ部３１および制御部４２を備える。

前の第１実施形態に係る光増幅装置１の構成と比較すると、この第２実施形態に係る光増幅装置２は、出力光モニタ部３２が設けられていない点で相違し、また、制御部４１に替えて制御部４２が設けられている点で相違する。制御部４２は、入力光モニタ部３１によるモニタにより得られた入力光パワー、および、各可変光減衰器２２_ｎにおける減衰率Ａ_ｎに基づいて、各励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流をフィードフォワード制御する。

この第２実施形態においても、上記(3)式で表される特性を利用することで、励起光源部２３_１〜２３_Ｎそれぞれに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流の配分を決定することができる。以下では、各光増幅部２１_ｎで発生する自然放出光の影響を考慮しない場合および考慮する場合それぞれにで、制御部４２による制御の方法について説明する。

各光増幅部２１_ｎで発生する自然放出光の影響を考慮しない場合は以下のとおりである。入力光モニタ部３１によるモニタにより得られた入力光パワーＰin（すなわち、初段の光増幅部２１_１の入力光パワーＰin_１）を用いて、フィードフォワード制御により、各励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_ｎを下記(20)式で決定する。励起光源部２３_１に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_１を(20a)式で決定し、励起光源部２３_２に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_２を(20b)式で決定し、第３段以降の励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_ｎを(20c)式で決定する。このようにすることにより、各光増幅部２１_ｎの光増幅率Ｇ_ｎを目標値とすることができる。

各光増幅部２１_ｎで発生する自然放出光の影響を考慮する場合は以下のとおりである。入力光モニタ部３１によるモニタにより得られた入力光パワーＰin（すなわち、初段の光増幅部２１_１の入力光パワーＰin_１）を用いて、フィードフォワード制御により、各励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_ｎを下記(21)式で決定する。励起光源部２３_１に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_１を(21a)式で決定し、励起光源部２３_２に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_２を(21b)式で決定し、励起光源部２３_３に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_３を(21c)式で決定し、第４段以降の励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_ｎを(21d)式で決定する。このようにすることにより、各光増幅部２１_ｎの光増幅率Ｇ_ｎを目標値とすることができる。

以上のように、第２実施形態に係る光増幅装置２およびその制御方法では、各光増幅部２１_ｎで発生する自然放出光の影響を考慮しない場合および考慮する場合の何れにおいても、１つの入力光モニタ部３１および１つの制御部４２により、Ｎ段の光増幅部２１_１〜２１_Ｎそれぞれの光増幅率が制御される。本実施形態では、部品点数が少ないことから、コストを削減することができ、また、小型のものとすることができる。また、１つの制御部によりＮ段の光増幅部２１_１〜２１_Ｎそれぞれを制御する場合であっても、制御部４２の負荷が小さく、高速な制御が可能となる。

なお、上記説明では、各励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードが各１つの場合について説明したが、これに限られるものではなく、レーザダイオードは各励起光源部に複数含まれていても良い。この場合には、光増幅部における増幅率が所望の値となるように、個々のレーザダイオードについて前記(3)式の近似式を求め、同様に制御すれば良い。

また、上記説明では、光減衰部が可変光減衰器である例について記載したが、このように能動的に光減衰率を設定可能なものに限られるわけではなく、光伝送路や他の受動型光部品のように、例えば周囲の環境温度が変化することで減衰率が変化するものの場合でも、予め環境温度変化による減衰率の変化を計測しておけば、これらの値を使用することで本発明の効果を得ることができる。

第１実施形態に係る光増幅装置１の構成図である。 光増幅部２１_ｎにおける入力光パワーＰin_ｎおよび光増幅率Ｇ_ｎと、励起光源部２３_ｎに含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流Ｉ_ｎと、の間の関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る光増幅装置２の構成図である。

符号の説明

１，２…光増幅装置、１１…入力端、１２…出力端、２１…光増幅部、２２…可変光減衰器、２３…励起光源部、２４…減衰率制御部、３１…入力光モニタ部、３２…出力光モニタ部、４１，４２…制御部。

Claims (4)

1. 入力端から出力端へ向かって順に設けられ、各々信号光を光増幅する複数段の光増幅部と、
   前記複数段の光増幅部それぞれに対応して設けられ、励起光を出力するレーザダイオードを含み、対応する光増幅部に該励起光を供給する励起光源部と、
   前記複数段の光増幅部の段間に設けられ、信号光に減衰を与える光減衰部と、
   前記入力端に入力する光のパワーをモニタする入力光モニタ部と、
   前記入力光モニタ部によるモニタにより得られた入力光パワー、前記光減衰部における減衰率、全体の目標増幅率、および、前記複数段の光増幅部それぞれの目標増幅率に基づいて、前記励起光源部に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流をフィードフォワード制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする光増幅装置。
2. 前記制御部は、前記光減衰部における減衰率に基づいて、前記複数段の光増幅部それぞれに入力される自然放出光のパワーを算出し、この算出結果に基づいて補正を行って、前記励起光源部に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流を制御する、ことを特徴とする請求項１記載の光増幅装置。
3. 入力端から出力端へ向かって順に設けられ、各々信号光を光増幅する複数段の光増幅部と、
   前記複数段の光増幅部それぞれに対応して設けられ、励起光を出力するレーザダイオードを含み、対応する光増幅部に該励起光を供給する励起光源部と、
   前記複数段の光増幅部の段間に設けられ、信号光に減衰を与える光減衰部と、
   を備える光増幅装置を制御する方法であって、
   前記入力端への入力光パワーをモニタし、前記入力光パワー、前記光減衰部における減衰率、全体の目標増幅率、および、前記複数段の光増幅部それぞれの目標増幅率に基づいて、前記励起光源部に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流をフィードフォワード制御する、
   ことを特徴とする光増幅装置の制御方法。
4. 前記光減衰部における減衰率に基づいて、前記複数段の光増幅部それぞれに入力される自然放出光のパワーを算出し、この算出結果に基づいて補正を行って、前記励起光源部に含まれるレーザダイオードに供給される駆動電流を制御する、ことを特徴とする請求項３記載の光増幅装置の制御方法。
   

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