JP4900501B2 - 光増幅器及び光増幅方法 - Google Patents

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Description

本発明は、波長の異なる複数の信号光が多重された波長多重信号光を増幅する光増幅器、及び複数の光増幅中継器を介して波長多重信号光を多中継伝送する光通信システムに関し、特に、従来に無い新しい帯域の光増幅器に関する。
光ファイバ伝送路の損失が小さい帯域(約0.3dB/km以下)は、1450nmから1650nmであるが、この伝送帯域には、図1に示すように様々な光ファイバ増幅器が開発されている。
現在、携帯電話の普及、インターネットサービスの急増を受けて、通信需要が爆発的に増加しており、一本の光ファイバで伝送可能な容量を増やす技術の研究・開発が世界中で精力的に進められている。
現在、シリカ系エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）を用いた光ファイバ増幅器の広帯域特性を利用した光波長多重技術が重要な技術となっており、1550nm帯(1530-1560nm)、 あるいはC-band(Conventional-wavelength band)とも呼ばれている。
又、ＥＤＦは1580nm帯(1570？1600nm)、L-band(Longer-wavelength band)、の光ファイバ増幅器が開発されており、それぞれの帯域に80波程合計160波成多重化し、各波長を10Gb/sで変調して計1.6Tb/sの超大容量伝送を可能とする光ファイバ通信システムの製品化開発の競争も激化している。
C-bandとL-bandの帯域を合わせると約8THzあるので、２５GHz間隔で10Gb/s伝送信号チャネルを配置すると、全体の伝送容量は1.6テラビットも更に増加できるものの3.２Tb/s程度が限界となる。
一方で、更なる大容量化が望まれており、現在のC？band, L？band の光増幅器に加え新たな光増幅帯域を有する光ファイバ増幅器が必要となる。
図1の中で、1490nmから1530nmのS-band帯域の増幅用ファイバには、GS-TDFA (gain shifted thulium-doped fluoride-based fiber amplifier)が開発されつつあるものの、利得を有する帯域は1475？1510nm帯であり、S-band帯域の1510？1530nm帯の増幅を実現するのは困難であった。
また、1610？1650nmはツリウム, テルビウムドープフッ化物系ファイバといった特殊なファイバに限定された。
上記に説明した光増幅器は光増幅媒体となる部分が励起によりエネルギー準位反転分布により誘導放出を行い光増幅を行なうものである。
この他にファイバの非線形効果を利用したラマン増幅 (Raman fiber amplification)がある。
ラマン増幅はファイバの非線型効果を用いるため、励起光源の波長を選択することにより任意の波長帯域に利得を有することが出来る利点があるが、単位長さ当たりの利得が小さく数kmから数十kmの光増幅用の伝送路ファイバが必要であり小型化が困難な問題があった。
欧州特許出願公開第０８８３２１８号明細書 特開平１１−２１５０６８号公報 特開平０８−１１６１１８号公報 特開平１０−１５４８４０号公報
本発明では、ラマン増幅器(非線形効果を利用した光増幅)以外の励起により光増幅媒体中に形成されたエネルギーの反転分布により生じる誘導放出を用いて増幅を行なう光増幅器(希土類元素ドープファイバ増幅器や半導体光増幅器SOA)を用いて、1450？1490nm帯のS+？band, 1490-1530nm帯のS？band あるいは1610？1650nm帯のL+？band に増幅帯域を有する光ファイバ増幅器を提供することにある。
第１の手段として、光増幅器は光を増幅するための光増幅媒体と、該光増幅媒体に少なくとも1つの利得ピークを生じるよう励起する励起手段と、該光増幅媒体内にグレーティングフィルタと、を設けたことを特徴とする。
第2の手段として、光増幅器は、光を増幅するための光増幅媒体と、該光増幅媒体に少なくとも1つの利得ピークを生じるよう励起する励起手段と、該光増幅媒体全体に該光増幅媒体の利得を等化するグレーティングフィルタと、を設け、該グレーティングフィルタは該光増幅媒体の利得が最大とならない光波長領域に利得を生じさせるよう等化することを特徴とする。
第3の手段として、光増幅器は、光を増幅するための複数の光増幅媒体と、該複数の光増幅媒体に少なくとも1つの利得ピークを生じるよう励起する励起手段と、該複数の光増幅媒体間に該光増幅媒体の利得を等化する複数のグレーティングフィルタと、を設け、該複数のグレーティングフィルタは該複数の光増幅媒体と励起手段により生じる利得が最大とならない波長領域の光を増幅することを特徴とする。
第4の手段として、光増幅方法は、希土類元素がドープされた光増幅媒体と、該光増幅媒体の希土類元素を励起するための励起光源と、該増幅媒体が励起光源により励起され生じる光増幅利得の波長特性を等化するグレーティングフィルタと、を設け、該光励起光源は該光増幅媒体で増幅される信号の波長帯域で利得が発生する反転分布率を有し、該光増幅媒体で増幅される信号の波長帯域は該励起光源により該光増幅媒体で生じる利得の最大値を含まない帯域を用い、該グレーティングフィルタは該光増幅媒体の利得の最大値を減衰させることを特徴とする。
第5の手段として、光増幅器は、エルビウムがドープされた光増幅媒体に少なくとも1つの利得ピークを生じるよう励起する励起手段を設け、１４９０ｎｍ乃至１５３０ｎｍ間の波長帯域の波長を透過し該波長帯域を平坦な波長特性になるように該増幅媒体の等化を行なうグレーティングフィルタを該光増幅媒体内に設けることを特徴とする。
光増幅媒体の反転分布率を上げ、光増幅媒体で利得を生じる帯域を広げ、この帯域の中で、ピーク値とは異なる位置(利得特性の肩部分)で平坦な利得特性を得られるように利得等化を行ない、所望の利得を得るために、光を粗服媒体の長さを利得等化器と光増幅媒体の利得特性に基づき選択することで、シリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)によりS？band帯, S+？band帯,L+？band帯に実用的な利得を有する光増幅器を実現できる。
さらに、光増幅媒体を複数に分割し、光増幅媒体間に利得等化器を分割して分布的又は分散的に配置することで、励起光から信号光への変換効率を改善することができる。
また、光増幅媒体を小型に構成出来る場合は光増幅媒体の光導波部分にグレーティングを設け、利得等化することで、分布的に利得等化器を配置した構成と同様の変換効率の改善を行なうことができる。
このため、C-band, L-band以外の新しい帯域の光ファイバ増幅器を実現でき、より一層の大容量化に貢献する。
光ファイバ増幅器の増幅可能な帯域を示す。 シリカ系エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）の反転分布率（Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｒａｔｅ）における利得の波長特性を示す。 図２の中の反転分布率（Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｒａｔｅ）が０．９の利得波長特性とＳ−ｂａｎｄ利得の抽出および等化する利得特性を示す。 利得等化器の波長特性を示す図。 第１の実施例を示す図。 第２の実施例を示す図。 第３の実施例を示す図。 半導体光増幅器の利得特性を示す図。 第４の実施例を示す図。 第５の実施例を示す図。 レーザ発振を行なった場合のスペクトル特性を示す図。 レーザ発振により利得が一定になる原理を説明する図。 本発明を利用した広帯域光増幅器を示す図。
図２には、シリカ系エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）の様々な反転分布率(Inversion rate)における相対利得係数の波長特性を示している。
反転分布率は、エルビウムイオンが励起されている割合で定義され、全て励起される（電子が全て上準位に励起される）と1.0になり、全く励起されないと（電子が全て基底準位にある）と0.0である。
縦軸の相対利得係数(Relative gain coefficient)は単位長さ当たりの利得に等しい。
現在、大量に出回っているシリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)による波長多重光ファイバ増幅器は、1550nm帯(1530-15７0nm)に増幅帯域を有するように、シリカ系エルビウムドープファイバEDFの反転分布率(Inversion rate)を0.7前後の状態に励起して、シリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)を動作させる。
そして、利得が最大の値の帯域を用い、波長依存性の無い平坦な利得を実現するべく、利得等化器を併用してこれを実現している。
C-bandと同様にほぼ商用化レベルにあるのが長波長帯L-band（１５６０？１６１０ｎｍ）を増幅する波長多重光増幅器である。
これは、シリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)の反転分布率(Inversion rate)をわざと0.4程度に落とすことにより、長波長帯(L-band)に単位長さ当たりの利得が最大で且つ平坦な利得を生じさせることで、L-band 光増幅器を構成している。
このシリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)を用いたL-band 帯の光増幅器は図2から明らかなように、EDFの単位長さの利得がEDFを用いたC-band 帯光増幅器より小さくなるため、EDF１の長さを長くすることで必要な利得を実現している。
図2での反転分布率(Inversion rate)を、例えば、0.9とした利得の波長特性を良く見るとこれまで実現されていない帯域、例えば、1450？1530nm帯あるいは1610？1650nm帯にL-band光増幅器の利得よりも高い利得があるのが判る。
ただし、Inversion rateが0.9では単位長さ当たりの利得はC-band（１５３０？１５７０ｎｍ）が大きいために、増幅作用はC-bandが優勢になってしまう。
そこで、本発明は利得等化器(GEQ)をこのC-band帯抑圧のために利用する。
図3に図2の中の反転分布率(Inversion rate)が0.9の利得波長特性を取り出し、かつ、S-band利得の抽出および等化する場合の単位長さ当たりの利得特性を示す。
図3の反転分布率(Inversion rate)が0.9の場合は1530nm付近に利得のピークを有している。
この利得ピーク部分の斜線部分を削除し、白抜きの部分のように、S-bandにおいて、平坦な利得特性で、且つその他波長域が削除される利得特性となるように利得等化を行なう。
この方法では、単位長さ当たりの利得が大きいC-bandを等化器で削りとると共に、伝送信号光を波長多重しやすくするためS-bandでの利得を平坦に等化するため、S-bandの単位長さ当たりの利得は小さくなる。
しかし、図2の中の反転分布率(Inversion rate)0.4を用いて光増幅を行なうL-band帯光増幅器の利得よりは単位長さ当たりの利得は大きい利得を得ることができる。
即ち、L-bandで実用的な光ファイバ増幅器が製作できることを考えると、光増幅媒体の反転分布率を上げ、光増幅媒体が利得を生じる帯域を広げ、この帯域の中でピーク値とは異なる位置(利得特性の肩部分)で平坦な利得特性を得られるように利得等化を行ない、所望の利得を得るために、光増幅媒体の長さと利得等化器を光増幅媒体のエネルギーの反転分布率における利得特性に基づき選択することで、シリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)によりS？band帯, S+？band帯,L+？band帯に実用的な利得を有する光増幅器を実現できる。
特に、エルビウムをドープしたファイバの場合は、利得と波長に対する反転分布率の特性から考えると、既存のC-band 増幅器とL-band 増幅器より短波長側に略平坦な波長帯域を実現できる光増幅器を実現する際に有効である。
図4は、S？band帯の場合の利得等化器(GEQ、いわば光フィルタ)の波長特性を示した。
950nm乃至1000nm帯には980nmの励起光源が通過可能と成るよう透過帯域を有し、1490nm乃至1530nm帯は増幅利得に対応して図3の白抜きの利得特性が実現出来るよう長波長に行くに従い透過率が下がるよう構成されている。
図4は図2に対応させて、構成した利得等化器の特性であり、1531nmを中心とした利得ピークを抑圧するような構成が示されているが、EDFの場合はS-bandに利得を持つ様に反転分布を選んだ場合において、ドーパント材料(Al,Ge等の材料)及びファイバ実効断面席の構造によりピーク波長が1528nm乃至1535nm程度シフトする。
従って、利得等化器の特性は増幅媒体の種類の違いにより利得のピーク中心波長は異なるため、個々の増幅媒体の反転分布率と利得の中心波長に対応させて波長に対する等化量を調整して構成する必要がある。
図5にS-band 光増幅器の具体的な構成例を示す。
図中1はシリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)、2は利得等化器(GEQ)、31,32は光アイソレータ、4は励起光源、5は波長多重カプラ、8は入力端,9は出力端、71,72は光分岐カプラ、81は入力モニタPD、82は出力モニタPD、50は利得一定制御回路(AGC)をそれぞれ示す。
入力端8より入力された波長多重光は光アイソレータ31及び波長多重カプラ5を介して、励起により誘導放出を増幅媒体であるシリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)1に入力される。
ここで用いたシリカ系エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）はモードフィールド径7μm, Er濃度500ppm,ファイバ長150mである。
このファイバのコンフィゲーションは一例であり、一般的なEDFが使用可能である。
(現在市販されている一般的なEDFのモードフィールド径の範囲は5μm乃至8μmereの濃度は100ppm乃至1500ppmのものがある。ファイバ長については増幅器で増幅する利得と濃度に対応させて長さを調整するので、1m乃至数10kmまでまちまちで有る。) なお、ファイバ長は反転分布率による単位長さ当たりの使用波長帯域の利得と、得ようする利得によりファイバ長を調整して対応する。
シリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)1では波長多重カプラ5を介して入力される励起光源4からの0.98μmの励起光により入力端8より入力された波長多重光を光増幅し利得等化器2に入力される。
この時のシリカ系エルビウムドープファイバ1における反転分布率は0.9で図3のような波長特性を得るよう励起光パワーのＡＧＣコントロールが行なわれる。
利得等化器2は基本的には図4の利得等化特性を有し、利得を図3の白抜きの特性になるよう利得等化を行なうが、利得等化器2がシリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)1の後段に設けられているため、励起光は透過しない特性でも良い。
この利得等化器2は複数のファブリペロエタロンフィルタや誘電体多層膜フィルタ,ファイバグレーティングフィルタを組み合わせて実現することができる。
利得等化器2の出力は光アイソレータ32を介して出力端9より増幅された光を出力する。
入力端側の光分岐カプラ71は入力光の一部を分岐し、入力モニタPD81に入力し、出力端側の光分岐カプラ72はEDF1により増幅された光の一部を分岐し出力モニタPD82に入力される。
自動利得制御回路(AGC)50は入力モニタPD81及び出力モニタPD82で検出された光を基にエルビウムドープファイバ１の利得が一定値になるよう励起光源4となる0.98μmの半導体レーザの出力を光パワーの制御を行なう。ＥＤＦの利得を一定値に維持することで反転分布率も入力パワーの値によらず一定値となる。
自動利得制御回路(AGC)50を併用しつつ、出力レベルが一定になるよう制御を行いたい場合は、入力端8又は出力端9の位置に可変減衰器を設けて、光増幅器に入力される光信号レベル又は、光増幅器の出力を制御することで、光増幅器にて利得一定制御を行なっても光増幅器の出力を一定にＡＬＣ制御することができる。
図5では0.98μmの励起光源を用いたのは、現状のEDFAと組み合わせた場合反転分布率を略1にまで出来るためで、通信を行なおうとする帯域で利得を生じるのであれば、EDFに対して増幅効率の良い1.48μm帯（1.45乃至1.49μｍ）の励起光源を用いても良い。
さらに、図5ではEDFの入力端側より励起する前方励起で説明しているが、利得等化器2と光アイソレータ32の間に波長多重カプラを設け、EDFの出力端側より励起する後方励起または、入力端側及び出力端側の両側からEDFに励起光を励起する双方向励起を用いることも出来る。
そして、双方向励起の場合は励起波長を0.98μmと1.48μm帯を組み合わせて用いることも可能である。
ただし、等化器の波長特性は1.48帯と0.98帯の励起光を透過可能にしておく必要がある。
このように2つの励起光現を用いる場合はどちらの波長の励起光源が前方励起であっても良い。
又、ここでの励起光源は単体の半導体レーザだけではなく、複数の半導体レーザの光を波長及びまたは偏波合成して出力するものであっても良い。
図5ではS-bandの光増幅器を例として反転分布率0.9の例を上げたが、使用する帯域で利得を持つ様に反転分布率の値を選び、使用する帯域以外の利得を下げるよう利得等化を行なえば良いので、図5で用いた光増幅媒体の場合で図２の特性のものは0.7乃至1 の反転分布率を用いることでS-bandの光増幅器を構成することができる。
同様に、1450nm-1490nmのS+-band 光増幅器を構成するで場合で図２の特性の場合は0.8乃至1の反転分布率が利用できる。
又、1610nm-1650nm のL+-band光増幅器を構成する場合で図２の特性の場合は0.3乃至1の反転分布率を用いることができる。
尚、光増幅器の利得については各band により得られる利得が異なるため、目的とする利得に合う様に光増幅媒体EDFの長さを選ぶ必要がある。
本発明のS-band光増幅器と、既に技術的に完成しているL-band光増幅器には次の決定的な違いがある。
図2の反転分布率(Inversion rate)が0.4付近を用いる L-band光増幅器の利得波長特性を見ると、値そのものは小さいがL-bandの利得が最大利得となっている。
このことは、利得一定制御(AGC)により、反転分布率(Inversion rate)を0.4に固定すれば、励起光パワーはおのずとL-bandの信号光に変換され、増幅する光の帯域の増幅効率が高い増幅器である事を意味している。
一方、増幅用ファイバを用いその反転分布率(Inversion rate)0.9を用いて利得等化によりS-bandで増幅を行なう場合は、S-bandの利得より大きなところ、例えばC-bandを、利得等化器により抑圧することになる。
図5の様に出力端にGEQ2を設置すると、信号光が通過する帯域の外に利得のピーク（図３では１．５３μｍの周辺）が生じているため光ファイバ１入力側で生じたＡＳＥ成分について中盤及び出力側部分では入力側で生じたＡＳＥを増幅するためにも作用するため、励起光パワーの大半がS-band帯以外の自然放出光(ASE)光に変換されるために変換効率が大変悪い光増幅器になってしまう(変換効率数%かそれ以下)。
また、発生する不必要なＡＳＥについて減衰を与えるため減衰特性の大きなＧＥＱを必要とする。
一般に、光増幅器の変換効率は、C-bandでは60%程度が、L-bandでは40%程度が実現できている。
図5の構成に対して、変換効率を改善するための実施例を図6に示す。
図6には、図５の構成に於いて所定利得を得るための必要な増幅媒体１を複数に分割して、その間にそれぞれ利得等化器を配置し、光増幅器内の全体の増幅媒体で長手方向に分布的又は分散的に利得等化器を配置けた場合を示している。
図中11,12,13はシリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)、21,22,23は利得等化器(GEQ)、31及び32は光アイソレータ、4は励起光源,5は波長多重カプラ、8は入力端、9は出力端、71,72は光分岐カプラ、81は入力モニタPD、82は出力モニタPD、50は利得一定制御回路(AGC)をそれぞれ示す。
入力端8より入力された波長多重光は光分岐カプラ71及び光アイソレータ,波長多重カプラ5を介して、増幅媒体であるシリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)1に入力される。
このEDF1は反転分布率0.9で所定の利得を得られ長さが50mとした場合、1m毎にシリカ系エルビウムドープファイバ11(EDF1)乃至シリカ系エルビウムドープファイバ13(EDF50)と分割する。
そして、各EDF間にそれぞれGEQ'1,21乃至GEQ'50,23をそれぞれ接続する。
これらＧＥＱは長周期ファイバグレーティングフィルタが最適である。
この時、GEQ'の透過率の波長特性は、GEQ'が50台入ることになるので、GEQの信号波長帯（1490？1530nm）における透過率特性(dB単位)のものを1/50にしたものにすることができる。
このように、ＥＤＦ１を分割することで、各分割区間内で発生したＡＳＥはＥＤＦ１間に設けたＧＥＱで取り除かれるため、次段のＥＤＦでは前段のＥＤＦで発生したＡＳＥは入力されないため、ＡＳＥ成分をポンプ光により増幅しないため、増幅器の信号光に対する変換効率を改善することができる。
シリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)1では波長多重カプラ5を介して入力される励起光源4からの0.98μmの励起光により入力端8より入力された波長多重光を光増幅し利得等化器2に入力される。
この時のシリカ系エルビウムドープファイバ1における励起光のパワーの反転分布率は0.9で図3のような波長特性を得るよう励起を行なわれる。
利得等化器21乃至23は全体として図4の利得等化特性を有し、シリカ系エルビウムドープファイバ(EDF)1の利得を図3の白抜きの特性にし、励起光を通過させるよう利得等化を行ない光アイソレータ32を介して出力端9より増幅された光を出力する。
個々の利得等化器は各々異なる等化特性を有してしても良いし、同じ等化特性を有していても、結果として得られる特性が図4の様な特性であれは良い。
利得等化器21乃至23は複数のファブリペロエタロンフィルタや誘電体多層膜フィルタ,ファイバグレーティングフィルタを組み合わせて実現することができる。
利得等化器21乃至23は概ね−６０ｄＢの高反射損失特性を有するものを用いることにより、利得等化器間で共振することを防止する。
入力端側の光分岐カプラ71は入力光の一部を分岐し、入力モニタPD81に入力し、出力端側の光分岐カプラ72はEDF1により増幅された光の一部を分岐し出力モニタPDに入力する。
自動利得制御回路(AGC)50は入力モニタPD及び出力モニタPDで検出された光を基に光増幅器の利得（厳密にはＥＤＦの利得）が一定値になるよう励起光源4となる0.98μmの半導体レーザの出力を光パワーの制御を行なう。
また、自動利得制御回路(AGC)50を用いて利得の波長特性を維持しつつ出力レベルが一定になるようＡＬＣ制御を行いたい場合は、入力端8又は出力端9の位置に可変減衰器を設けて、光増幅器に入力される光信号レベル又は、光増幅器の出力を制御することで、光増幅器にて利得一定制御を行なっても光増幅器の出力を一定にすることができる。
図6では0.98μmの励起光源を用いたが1.48μmの励起光源を用いても良い。
さらに、図6ではEDFの入力端側より励起する前方励起で説明しているが、光アイソレータ32と利得等化器23の間に波長多重カカプラを設けEDFの出力端側より励起する後方励起または、入力端側及び出力端側の両側からEDFに励起光を励起する双方向励起を用いることも出来る。
また、双方向励起の場合は0.98μmの励起光源と1.48μmの励起光源を用いることができる。
この場合どちらの波長の励起光源が前方励起であっても良い。
又、ここでの励起光源は単体の半導体レーザだけではなく、複数の半導体レーザの光を波長及びまたは偏波合成して出力するものであっても良い。
さらに、反転分布率を1等に高くする必要が有る場合は励起光源の光パワーを大量に必要となるため、各EDF間にそれぞれ波長多重カプラを設け、前方励起,後方励起,または双方向励起を行なうように構成しても良い。
図6ではS-bandの光増幅器を例として反転分布率0.9の例を上げたが、使用する帯域で利得を持つ様に反転分布率の値を選び、使用する帯域以外の利得を下げるよう利得等化を行なえば良いので、図6で用いた光増幅媒体の場合は0.7乃至1 の反転分布率を用いることでS-bandの光増幅器を構成することができる。
同様に、1450nm-1490nmのS+-band 光増幅器を構成する場合は0.8乃至1の反転分布率が利用できる。
又、1610nm-1650nm のL+-band光増幅器を構成する場合は0.3乃至1の反転分布率を用いることができる。
以下に図5の構成と図6の構成を比較し、励起光パワーからS-band信号光への変換効率の改善について説明する。
図5の光増幅器では、図3で示す形のASEが大変大きくなっているところで、斜線の部分をGEQで削除するので、励起パワーは不要なASEに変換され大変な無駄になります。
一方、図6では、やはり図3で示す形のASEが発生するが、増幅され大きくなる前に、GEQで成形する（即ち、不要な部分を増幅される前に削除する）ので効率が改善されます。
これを数字で表すと、図5で全体のASEのパワー(面積)を100mWとし、斜線の部分(90%とする)を捨てるのであれば、90mW位を捨てることになります（即ち、この90ｍＷは励起光が変換されたものなので最低でも90ｍＷの励起光パワーを捨てることになる）。
白抜きの部分は、信号帯なので削除できない。
図6では、例えば、1/50程度、ASEのパワー(面積)が2mWの時に、90%を捨てるので高々1.8mWを削除したことにすぎない。
ここで、重要なことは、GEQを用いて削除しない場合、シリカ系エルビウムドープファイバ11(EDF1)で発生する1.8mWのASEが次の誘導放出を引き起し、励起光パワーを無駄にしてしまいます。
つまり、図5のように出力側にGEQを一つ置いて等化するのは、無駄なASEを成長させるだけ成長させて、それからGEQで削除していることになります。
一方、図6は、ASEが少し成長したところで削除し、発生したASEによりさらにASEが増幅される分の励起エネルギーを信号の増幅エネルギーに向けることができ変換効率が改善される。
このように、EDFを分割してその間に低損失のGEQを挿入すると変換効率が良くなる。
GEQを増幅用ファイバの長手方向のどの位置に置くかが変換効率を改善する鍵となります。
図5の変形として、シリカ系エルビウムドープファイバを2分割し、その最終出力で図3の白抜きの特性となるように、2分割した間に利得等化器を設けても良い。
この構成にすると、利得等化器を出力側に1つ置いた構成よりも励起光パワーからのS-band信号光への変換効率が改善できる。
図5及び図6は既存のシリカ系EDFを利用する例を上げたが、図７のようにEr添加濃度を上げて長さを短くしたファイバまたは光導波路を用い、導波路上にグレーティクを設けると図６と同様に光増幅器において分布的な利得等化を行なうことができる。
図7（Ａ）は母材としてフッ化物を用い、単位長さ当たりのエルビウム元素の添加濃度を上げて、長さを短くしたファイバあるいはEr添加光導波路を示している。
図中14はコア、15はクラッド、16はグレーテイグをそれぞれ示す。
図5及び図6に於いて、EDFはモードフィールド径７μｍ，Er元素のドープ量は500ppmで有った、この時反転分布率が0.9とすると目的とする利得を20dB程度得ようとするとEDFは全長150m必要で有った。
従って、ファイバ及び導波路基板の母材がErを高濃度にドープできるものを用い 15×105 ppmにすれば、同じ利得を得るのに全長5cmでよくなる。
このように、光が導波する長さが5cmと成った場合、図6の様に増幅を行なおうとする波長帯域以外の波長を減衰させるように利得等化を行なうGEQとして機能するグレーティング16を光ファイバや光導波路のコア部14に形成する。この場合、GEQで削除した光がコアに戻り共振を引き起こさない様に、例えば、長周期グレーティング技術などを用いることが重要である。即ち、GEQで削除した光がコア内に戻ると、増幅媒体であるErドープファイバ内で共振器が構成され、共振による不安定動作あるいは不要なレーザ発振を生じる。これを防ぐ様にＧＥＱを作り付ける必要がある。
この際、グレーティングは図6と同様に複数箇所に設けても良いし、コア14の全体に設けることもできる。
この構成の場合、図6のグレーティングの分割数を無限に大きくした場合と同じ効果を得ることができる。
図7（Ａ）の構成にすることで、図6と同様にGEQを分布配置した場合と同様の変換効率の良い光増幅器を構成することができる。
図７（Ａ）の構成をシステムとして適用した例を図７（Ｂ）に示す。
図中（Ａ）は図７（Ａ）の高濃度エルビウムドープファイバ(EDF)もしくは高濃度エルビウム光導波路基板等の増幅媒体、31,32は光アイソレータ、4は励起光源、5は波長多重カプラ、8は入力端,9は出力端、71,72は光分岐カプラ、81は入力モニタPD、82は出力モニタPD、50は利得一定制御回路(AGC)をそれぞれ示す。
光分岐カプラ７１と７２により、分岐した入力と出力モニタ値を基に自動利得制御回路５０で増幅媒体における利得が一定になるように励起光源４の出力レベルを制御する。
ＷＤＭカプラ５と増幅媒体（Ａ）の間及び増幅媒体（Ａ）と光アイソレータの間は光ファイバ（例えばＳＭＦ）で接続されている。
また、自動利得制御回路(AGC)50を用いて利得の波長特性を維持しつつ出力レベルが一定になるようＡＬＣ制御を行いたい場合は、入力端8又は出力端9の位置に可変減衰器を設けて、光増幅器に入力される光信号レベル又は、光増幅器の出力を制御することで、光増幅器にて利得一定を制御を行なっても光増幅器の出力を一定にすることができる。
半導体光増幅器の励起電流を変化させた場合の利得波長特性を図8に示す。
半導体光増幅器の場合は励起源として光では無くバイアス電流が用いられる。
図8より判る様に、半導体光増幅器は増幅ピークを有し、励起電流を変化させ反転分布率を変えることで、増幅のピークの波長位置及び利得が変化し利得波長特性が変化することが判る。
従って、EDFを用いた場合と同様に、光増幅を行なう帯域に利得を持つ様な反転分布率となる（即ち、利得一定となる様に）電流値を選択し、不要帯域の光増幅により生じる利得を複数の利得等化器により利得等化を行なうことで、利得の最大値以外の帯域に於いて変換効率の良い光増幅器を実現することができる。
図9は半導体光増幅器にて光増幅器を構成した具体例を示す。
基本的な構成は図6の構成と同じであるが、EDF1に変え複数の半導体光増幅器33,34,35を用いている。
入力端8より入力された波長多重光は光分岐カプラ71及び光アイソレータを介して、増幅媒体である半導体光増幅器(SOA)33乃至35に入力される。
ここでは目的とする波長帯域に所定の利得を得るために必要な半導体光増幅器(SOA)を多段に設ける。
そして、各半導体光増幅器間にそれぞれ利得等化器21(GEQ'1)乃至利得等化器23(GEQ'50)をそれぞれ接続する。
この時、GEQ'の透過率の波長特性は、GEQ'が複数台入ることになるので、図5のように最終段で一括して利得等化を行なう場合の利得等化量の透過率特性(dB単位)のものを1/台数にしたものとなる。
ここでの個々の利得等化器は各々異なる等化特性を有してしても良いし、同じ等化特性を有していても、結果として得られる特性が目的とする帯域に於いてフラットで且つ所定の利得をえる様な特性であれは良い。
利得等化器21乃至23は複数のファブリペロエタロンフィルタや誘電体多層膜フィルタ,ファイバグレーティングフィルタを組み合わせて実現することができる。
入力端側の光分岐カプラ71は入力光の一部を分岐し、入力モニタPD81に入力し、出力端側の光分岐カプラ72は半導体光増幅器SOA33？３５により増幅された光の一部を分岐し出力モニタPDに入力する。
自動利得制御回路(AGC)50は入力モニタPD及び出力モニタPDで検出された光を基に光増幅器の利得が一定値になるよう半導体光増幅器ＳＯＡ３３？３５の励起電流バイアスレベルの制御を行なう。
また、自動利得制御回路(AGC)50を用いて出力レベルが一定になるよう制御を行いたい場合は、入力端8又は出力端9の位置に可変減衰器を設けて、光増幅器に入力される光信号レベル又は、光増幅器の出力を制御することで、光増幅器にて利得一定を制御を行なっても光増幅器の出力を一定にすることができる。
図10は、光増幅媒体としてシリカ系エルビウムドープファイバを用いた場合に、光増幅媒体を含んで、2つのファイバグレーティング反射鏡(FG-Mirror)でファブリペロー共振器を構成することで、入出力モニタによる自動利得制御ＡＧＣコントロールを不要とする利得一定システム構成である。
図１０は図６の構成に、9:1カプラ(CPL)７３，７４と、9:1カプラ(CPL)７３，７４で１０％分を分岐した先にファイバグレーティングミラー４２，４３を設けたものである。
第１の9:1カプラ(CPL)７３は波長多重カプラ５と第１のシリカ系エルビウムドープファイバ２１（ＥＤＦ１）との間に設けられている。
第１の9:1カプラ(CPL)７３の分岐した先には第1のファイバグレーティングミラー（FG-Mirror）４２が設けられている。
そして、第２の9:1カプラ(CPL)７４は利得等化器２３（ＧＥＱ５０）と光アイソレータ３２との間に設けられている。
第２の9:1カプラ(CPL)７４の分岐した先には第2のファイバグレーティングミラー（FG-Mirror）４3が設けられている。
以下に上記構成をS？band 用波長多重光増幅器の場合について用いた場合の動作例を説明する。
まず、波長1530nmには信号光を存在させないようにしておく。
シリカ系エルビウムドープファイバ1で増幅され複数の利得等化器で利得等化を受け、図3の白抜きのようなS？bandの利得波長特性を得て出力される。
このシリカ系エルビウムドープファイバ1で増幅された光は第2の9:1カプラ74で9割りを光アイソレータ32に出力し、残りの1割りをファイバグレーティングミラー(FG-Mirror)43に出力する。
ファイバグレーティングミラー(FG-Mirror)43は波長1530nmで±0.数nmの帯域で1530nmの光を反射し、第2の1カプラ74を介してシリカ系エルビウムドープファイバ1戻す。
シリカ系エルビウムドープファイバ1はこの戻り光を増幅し、第1の9:1カプラ74で1割りを分岐して第1のファイバグレーティングミラー(FG-Mirror)73に入力される。
ファイバグレーティングミラー(FG-Mirror)42は波長1530nmで±0.数nmの帯域で1530nmの光を反射し、第1の1カプラ73を介して再びシリカ系エルビウムドープファイバ1戻る。
これにより1530nmのファブリペロー共振器がファイバグレーティングミラー2個と,9:1カプラ(CPL)2コと増幅媒体であるEDFで構成される。
この構成で、EDFに対する励起で反転分布が形成されると、波長1530nmでレーザの発振条件を満足して1530nmのレーザ光が出力される。
レーザ発振している時は反転分布率が一定値に固定され(利得も一定になる)るので、入力を変えても利得の波長特性および利得も一定となる。
信号入力が高くなると信号光の増幅に費やされる励起光パワーが大きくなり、ついには、1530nmのレーザ動作が停止する。
レーザ動作が停止すると利得は一定にならなくなる。
ここでは、1530nmでレーザ発振するようにファイバグレーシィングミラーを構成してファブリペロー共振をさせたが、利得等化器を透過する能な波長で光増幅媒体にエネルギーの反転分布が生じる波長で、信号光が存在しない場所であればS-bandの何処ででも良い。
また、共振器の構造もファブリペロー共振に限定されるものではなく、リング型の共振器であっても良い。
S-bandを例に説明したが、その他のband でも、利得等化器を透過する波長で光増幅媒体にエネルギーの反転分布が生じる波長で、信号光が存在しない場所であれば増幅帯域の何処ででも良い。
又、利得等化器は図4のように構成すると反転分布により利得を生じる部分の大部分を捨てているので、この捨てている帯域の一部の波長を透過する利得等化器を構成し、その波長に合わせて共振するように、ファイバグレーティングミラーの反射波長を選択しても良い。
レーザ発振による信号光の利得が一定になる理由を図11及び図12を用いて説明する。
図11は従来のC-band帯の光増幅器でレーザ発振による利得特性を一定にした場合を説明している。
1552nmにC-band の光信号を入力し光増幅媒体で光増福を行なう。
光増幅媒体の両端に図１０と同様に光カプラを設けその分岐先に1530nmを反射するファイバグレーティングミラーを設け共振器を構成することで、1530nmにレーザ発振が確認することができる。
図12は図11と同様に波長1552nmの信号光を用い、その信号光が光増幅媒体に入力するレベルを変えて利得を測定したグラフである。
〇印の特性は共振器が無く、レーザ発振していない場合の特性を示し、入力レベルを変えると利得も変化しているのが判る。
□印の特性は光増幅媒体に1530nmで共振する共振器を作りつけ、レーザ発振させた場合の特性を示している。
この特性から入力レベルを変えても-35dBmから-10dBmの広い入力範囲で利得が固定されていることが判る。
図12では、入力-7dBm位でレーザ動作が停止する。
図13図は本発明を用いて広帯域光増幅器を構成した場合の例を示す。
光ファイバからなる伝送路57に波長多重した光信号が伝送されてくる。
伝送路57はシングルモードファイバSMF(1.3μm零分散ファイバ),分散補償ファイバ(SMFに対して負の分散値を有するファイバ),分散シフトファイバDSF(零分散値が伝送用信号波長帯域内にあるファイバ), ノンゼロ分散シフトファイバNZ-DSF(零分散値が伝送用信号波長帯域に隣接して設けてあるファイバ)を用いることができる。
励起光源56より波長多重カプラ66を介して伝送路57を励起することで、ラマン増幅を行い、伝送路に対して分布増幅を行なうことで、後段の各波帯域毎に分割して増幅する場合のノイズフィギャー(NF)を改善することができる。
励起光源56により伝送路でラマン増幅された波長多重した光信号はWDMフィルタによりL-band, C-band, S-bandの各波長帯域に分割される。（ここではL-band, C-band, S-bandに限定されるものではなく、光増幅器の利得波長帯域に合わせて波長帯域分離を行なえば良い。）
L-band光増幅器60,C-band光増幅器61,S-band光増幅器62にそれぞれ入力され光増幅が行なわれる。
C-band光増幅器61はL-band光増幅部61-1,61-2、分岐カプラ75、分散補償ファイバ53、可変減衰器52、自動利得制御回路50、自動レベル制御回路51、から構成される。
自動利得制御回路50はC-band光増幅部61-1,61-2の入力及び出力パワーを検出して、 C-band光増幅部61-1,61-2が反転分布率を0.7程度で且つ利得を一定になるよ制御される。
これにより1530ｎm乃至1570ｎmで利得偏差の少ない増幅を実現する。
分散補償ファイバ53は伝送路の分散を補償するために設けている。
光可変減衰器52はC-band光増幅器61の出力が一定の値になるように自動レベル制御回路51によりC-band光増幅部61-1の出力を減衰させる。
L-band光増幅器60はL-band光増幅部60-1,60-2、分岐カプラ75、分散補償ファイバ53、可変減衰器52、自動利得制御回路50、自動レベル制御回路51、から構成される。
自動利得制御回路50はC-band光増幅部61-1,61-2の入力及び出力パワーを検出して、 Ｌ-band光増幅部61-1,61-2が反転分布率を０．４程度で且つ利得が一定になるよ制御される。
これにより1570ｎm乃至1610ｎmで利得偏差の少ない増幅を実現する。
L-band光増幅部60-1,60-2は自動利得制御回路50で反転分布率を低く且つ利得を一定に押さえても、1570ｎm乃至1610ｎmでC-band 増幅部と同じ利得がでるように増幅媒体であるEDFの長さを調整している。
分散補償ファイバ53は伝送路の分散を補償するために設けている。
光可変減衰器52はL-band光増幅器60の出力が一定の値になるように自動レベル制御回路51によりL-band光増幅部60-1の出力を減衰させる。
S-band光増幅器62はS-band光増幅部62-1,62-2、分岐カプラ75、分散補償ファイバ53、可変減衰器52、自動利得制御回路50、自動レベル制御回路51、から構成される。
S-band光増幅部62-1,62-2は分岐カプラで分岐した入出力バワーを基に、自動利得制御回路50で反転分布率C-bandと同じまたはそれより高くし、且つ利得を一定になるように制御される。
S-band光増幅部62-1,62-2は先の実施例で示したように内部に利得等化器を有し、1590ｎm乃至1530ｎmでC-band 増幅部と同じ利得がでるように増幅媒体であるEDF増幅された光を等化している。
また、このS-band光増幅部62-1,62-2は先に述べた本発明の他の実施例の構成及び波長帯域を全て当てはめることができる。
分散補償ファイバ53は伝送路の分散を補償するために設けている。
光可変減衰器52はS-band光増幅器62の出力が一定の値になるように自動レベル制御回路51によりL-band光増幅部60-1の出力を減衰させる。
L-band光増幅器60,C-band光増幅器61,S-band光増幅器62の出力はWDMカプラ55により光波長多重し伝送路に出力される。
図13中はS-bandと既存のL-band, C-bandとの組み合わせを基に説明を行なっているが、図1で述べた他の波長帯域と組み合わせても良いし。
具体的に実施される構成は3つの波長帯だけに限定されるものではなく、2以上の波長帯域の組み合わせであっても良い。
１，１１，１２，１３はシリカ系エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）
２，２１，２２，２１は利得等化器（ＧＥＱ）
３１，３２は光アイソレータ
３３，３４，３５は光半導体増幅器
４，は励起光源
５は波長多重カプラ
８は入力端
９は出力端
７１，７２，７３，７４は光分岐カプラ
８１は入力モニタＰＤ
８２は出力モニタＰＤ
５０は利得一定制御回路（ＡＧＣ）
４２，４３はファイバグレーティングミラー

Claims (4)

  1. 光を増幅するための光増幅媒体と、
    該光増幅媒体に少なくとも１つの利得ピークを生じるよう励起する励起手段と、
    該光増幅媒体全体に該光増幅媒体の利得を等化するグレーティングフィルタと、を設け、
    該グレーティングフィルタは該光増幅媒体の利得が最大とならない光波長領域に利得を生じさせるよう等化することを特徴とする光増幅器。
  2. 該光増幅媒体の入力と出力をモニタし励起手段にフィードバックを掛け、該光増幅媒体の利得を一定に制御することを特徴とする請求項１記載の光増幅器。
  3. 該グレーティングフィルタは長周期グレーティングであり、該光増幅媒体に共振器が構成されたとしてもこの共振を抑制すること特徴とする請求項１又は２記載の光増幅器。
  4. 該光増幅媒体は励起により媒体中で誘導放出を起こす光増幅器であること特徴とする請求項１乃至３記載の光増幅器。
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