JP4929786B2

JP4929786B2 - 光増幅器

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Publication number: JP4929786B2
Application number: JP2006088321A
Authority: JP
Inventors: 智明竹山; 恵子佐々木; 真一郎室
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: US20070229941A1; JP2007266241A; US7643206B2

Description

本発明は、波長の異なる複数の信号光を含んだ波長多重（Wavelength Division Multiplexing:ＷＤＭ）光を増幅する光増幅器に関し、特に、直列に接続された複数の増幅部の段間に可変光減衰器を備えた光増幅器に関する。

マルチメディアネットワークの進展に伴い、通信トラフィックの需要は飛躍的に増大し、光増幅器を用いた光信号を多中継増幅するＷＤＭ伝送システムが、マルチメデア社会における通信システムの経済化を図る上で大きな役割を果たしている。
ＷＤＭ伝送システムで想定する伝送損失は０〜３０ｄＢ程度と非常に幅広いが、多品種の光増幅器でこの伝送損失を補償した場合、多品種の在庫所有によるコストアップ、および、光増幅器の品種選定に要する人件費および時間発生という問題があり、１品種の光増幅器で上記の伝送損失を補償することが望まれている。これは光増幅器の動作条件に置き換えると、広い入力ダイナミックレンジに対して、一定の出力パワー、平坦な利得波長特性、および、低い雑音指数（Noise Figure：ＮＦ）という３つの性能を実現することになる。

また、ＷＤＭ伝送システムの最大波長数は、通信トラフィックの量に合わせて、例えば、２〜４０波などのように幅広いが、これについても上記と同じ理由で、任意の波長数に対して、１品種の光増幅器で対応することが望まれる。この場合、光増幅器としては、波長数が少ないほど１波長あたりの増幅率は大きくできるため、波長数が少ないほど良好なＮＦを得ることができるようになる。これにより、最大波長数が小さいＷＤＭ伝送システムでは、中継数の拡大を図ることが可能となる。

上記のようなＷＤＭ伝送システムに用いられる光増幅器に要求される性能を実現するための従来技術としては、例えば、２段構成の光増幅器の前段増幅部と後段増幅部の間に、増幅とは一見相反する、可変光減衰器（Variable Optical Attenuator：ＶＯＡ）を配置した構成が知られており、ＷＤＭ伝送システムにおける光増幅器の標準的な構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

このような従来の光増幅器では、入出力されるＷＤＭ光のトータルパワーをモニタして各増幅部における利得を一定に制御すると共に、信号光入力レベルの変動分に応じて段間に備えた可変光減衰器の減衰量を変化させることで、出力波長特性の平坦性を維持しつつ所定の信号光出力レベルを保つという制御方法が適用される。
特許第３５５１４１８号明細書

しかしながら、上記のような増幅部の段間に可変光減衰器を配置した従来の光増幅器については、信号光入力レベルの増加に対して可変光減衰器の減衰量を増大させる制御が行われるため、信号光入力レベルが高い領域においてＮＦが急峻に劣化してしまうという課題がある。
上記の課題に対して、本出願人は、段間の可変光減衰器に加えて、後段増幅部の出力側、さらには前段増幅部の入力側にも可変光減衰器を配置し、各増幅部を利得一定制御すると同時に、ＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力レベルに応じて各可変光減衰器の減衰量を連動制御する構成を提案している（特願２００５−２５２５０８号参照）。

具体的に、前段増幅部および後段増幅部の段間と出力側とに可変光減衰器を配置した構成においては、ＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力レベルが予め設定した基点レベルよりも低いとき、入力ポートに入力されたＷＤＭ光は、利得一定制御された前段増幅部で増幅された後、減衰量が最小に設定された段間の可変光減衰器を通過し、利得一定制御された後段増幅部に送られて増幅され、さらに、信号光入力レベルに応じて減衰量の制御された出力側の可変光減衰器で減衰されて、信号光出力レベルが一定に制御されたＷＤＭ光が出力ポートから出力される。一方、信号光入力レベルが基点レベルよりも高いときには、前段増幅部で増幅されたＷＤＭ光が、信号光入力レベルに応じて減衰量の制御された段間の可変光減衰器で減衰され、さらに、後段増幅部で増幅されたＷＤＭ光が、信号光入力レベルに応じて減衰量の制御された出力側の可変光減衰器で減衰される。これにより、出力側の可変光減衰器の適用によって段間の可変光減衰器の所要減衰量が減少するため、信号光入力レベルが高い領域でのＮＦの劣化を抑圧することが可能になる。

なお、前段増幅部の入力側にも可変光減衰器を配置した構成にあっては、信号光入力レベルが段間および出力側の可変光減衰器で対応可能なレベルを超えるような場合でも、前段増幅部に与えられる信号光のパワーを入力側の可変光減衰器によって減衰させて一定のレベルとすることで、より広い入力ダイナミックレンジを実現している。
しかし、上記のような先願発明の光増幅器については、ＷＤＭ光の波長数が多い状態（例えば４０波など）では所望のＮＦが得られるものの、ＷＤＭ光の波長数が少ない状態（例えば、２波など）では所望のＮＦが得られ難いという課題がある。すなわち、上記先願発明の構成では、前段増幅部および後段増幅部のそれぞれが利得一定制御されるため、ＷＤＭ光の波長数に関係なく各増幅部の利得は同じ値に制御される。このため、ＷＤＭ光の波長数が最大のときに所要の利得を得ることのできる性能を持った各増幅部を、波長数が少ない状態では本来の性能を余した状態で動作させていることになり、そのような各増幅部の動作状態を基にして、段間および出力側の可変光減衰器の減衰量の制御目標値が決められている。したがって、ＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力レベルだけでなく波長数の増減までを考慮した場合、先願発明にはＮＦに関して改善の余地が残されている。

また、ＮＦとは別の課題として、後段増幅部よりも出力側に可変光減衰器を配置した構成では、所望の信号光出力レベルを実現するために、後段増幅部においてより高い利得を得ることが求められるようになる。このため、後段増幅部に大出力の励起光源を適用する必要が生じてしまい、光増幅器の消費電力の増加や放熱性の悪化、製造コストの上昇などといった欠点もあった。

本発明は上記の点に着目してなされたもので、ＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力レベルおよび波長数に関係なく、平坦な出力波長特性と良好なＮＦを得ることのできる低コストの光増幅器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため本発明は、波長の異なる複数の信号光を含んだ波長多重光を増幅する光増幅器において、入力ポートおよび出力ポートと、前記入力ポートおよび前記出力ポートの間に直列に接続された第１および第２の光増幅部と、前記入力ポートおよび前記第１の光増幅部の間に配置された第１の可変光減衰器と、前記第１の光増幅部および前記第２の光増幅部の間に配置された第２の可変光減衰器と、前記入力ポートに入力される波長多重光のパワーおよび前記出力ポートから出力される波長多重光のパワーをモニタし、該モニタ結果を基に算出した利得が一定となるように前記第１および第２の光増幅部を制御する光増幅制御部と、前記入力ポートに入力される波長多重光の１波長あたりの信号光入力パワーに応じて前記第１および第２の可変光減衰器の各減衰量の和の値を決定すると共に、前記第１および第２の可変光減衰器からそれぞれ出力される波長多重光の信号光パワーをモニタし、前記決定した各減衰量の和の値を一定に保ちながら、前記第１および第２の可変光減衰器の各出力パワーのモニタ値が同じ値に近づくように、前記第１および第２の可変光減衰器の各減衰量を制御する光減衰制御部と、を備えて構成されるものである。

このような構成の光増幅器では、入力ポートに入力された波長多重光は、第１の可変光減衰器で減衰された後に第１の光増幅部で増幅され、さらに、第２の可変光減衰器で減衰された後に第２の光増幅部で増幅されて出力ポートから出力される。このとき、第１および第２の光増幅部は、光増幅制御部により、波長多重光の入力状態に変化に関係なく本光増幅器全体の利得が一定となるように制御され、また、第１および第２の可変光減衰器は、光減衰制御部により、入力ポートに入力される波長多重光の１波長あたりの信号光入力パワーに応じて決定された各々の減衰量の和の値が一定となることを条件として、各可変光減衰器の出力パワーのモニタ値が同じ値に近づくように各々の減衰量が制御される。

上記のような本発明の光増幅器によれば、入力ポートに入力される波長多重光の波長数が少ない場合でも、各光増幅部において波長多重光を効率的に増幅することができると共に、ＮＦに対する各可変光減衰器の影響を最小限に抑えることができるようになる。よって、波長多重光の１波長あたりの信号光入力レベルおよび波長数に関係なく、平坦な出力波長特性と良好なＮＦを得ることが可能になる。また、第２の光増幅部と出力ポートの間に可変光減衰器を配置していないため、第２の光増幅部に大出力の励起光源を適用しなくてもよくなり、低消費電力で放熱性にも優れた光増幅器を低コストで実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるＷＤＭ光増幅器の構成を示すブロック図である。
図１において、本光増幅器は、例えば、入力ポートＩＮと出力ポートＯＵＴの間に直列に接続された第１の光増幅部１０および第２の光増幅部２０と、入力ポートＩＮおよび第１の光増幅部１０の間に配置された第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）３１と、第１および第２の光増幅部１０，２０の段間に配置された第２の可変光減衰器（ＶＯＡ）３２と、第１および第２の光増幅部１０，２０の各増幅動作を制御する光増幅制御部４０と、第１および第２の可変光減衰器３１，３２の各減衰量を制御する光減衰制御部５０と、を備えて構成される。

第１および第２の光増幅部１０，２０は、例えば、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）１１，２１に対して励起光源（ＬＤ）１２，２２から出力される励起光を合波器１３，２３を介して供給することによりＷＤＭ光を一括して増幅する一般的なエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）である。第１の光増幅部１０は、光増幅制御部４０の後述するＡＰＣ回路４１からの制御信号に従って励起光源１２が制御され、第２の光増幅部２０は、光増幅制御部４０の後述するＡＧＣ回路４６からの制御信号に従って励起光源２２が制御される。第１および第２の光増幅部１０，２０は、光増幅制御部４０により、本光増幅器全体の利得が一定となるように自動制御されている。なお、ここでは第１および第２の光増幅部１０，２０としてＥＤＦＡを用いる一例を示したが、本発明はこれに限らず、エルビウム以外の希土類をドープしたファイバを増幅媒体として用いた光ファイバ増幅器を適用してもよく、さらには、希土類ドープファイバ増幅器以外でもＷＤＭ光を一括増幅可能な公知の光増幅器を適用することも可能である。

第１および第２の可変光減衰器３１，３２は、減衰量を変化させることのできる周知の光デバイスであり、各々の減衰量が光減衰制御部５０の後述するＶＯＡ制御回路５５から出力される制御信号Ｃ１，Ｃ２に従って自動制御される。ここでは、第１の可変光減衰器３１の減衰量をＡＴＴ１とし、第２の可変光減衰器３２の減衰量をＡＴＴ２とする。なお、上記の各可変光減衰器３１，３２としては、減衰量に波長依存性を持たない一般的な可変光減衰器を用いてもよく、或いは、各光増幅部の利得の波長依存性を打ち消すような減衰量の波長依存性を持った可変光減衰器（可変光フィルタ）を用いることも可能である。

光増幅制御部４０は、例えば、ＡＰＣ回路４１と、入力モニタとしての光分岐カプラ４２および光検出器（ＰＤ）４３と、出力モニタとしての光分岐カプラ４４および光検出器（ＰＤ）４５と、ＡＧＣ回路４６と、を有する。ＡＰＣ回路４１は、第１の光増幅部１０の励起光源１２から出力される励起光のパワーを図示しない励起光モニタで検出し、該検出パワーが予め設定したレベルで一定となるように、励起光源１２の駆動状態を自動制御する（Automatic Power Control：ＡＰＣ）。光分岐カプラ４２は、入力ポートＩＮに入力されるＷＤＭ光の一部を分岐して光検出器４３に送る。光検出器４３は、光分岐カプラ４２からの分岐光を受光してパワーを検出し、その検出結果を示す信号Ｐ０をＡＧＣ回路４６に出力する。光分岐カプラ４４は、第２の光増幅部２０のＥＤＦ２１から出力されるＷＤＭ光の一部を分岐して光検出器４５に送る。光検出器４５は、光分岐カプラ４４からの分岐光を受光してパワーを検出し、その検出結果を示す信号Ｐ３をＡＧＣ回路４６に出力する。ＡＧＣ回路４６は、各光検出器４３，４５からの各出力信号Ｐ０，Ｐ３を基に本光増幅器全体の利得を算出し、該利得がＷＤＭ光の入力状態の変化に関係なく一定となるように、第２の光増幅部２０の励起光源２２の駆動状態を自動制御する（Automatic Gain Control：ＡＧＣ）。

光減衰制御部５０は、例えば、光分岐カプラ５１，５３と、光検出器５２，５４と、ＶＯＡ制御回路５５と、を有する。光分岐カプラ５１は、第１の可変光減衰器３１から出力されるＷＤＭ光の一部を分岐して光検出器５２に送る。光検出器５２は、光分岐カプラ５１からの分岐光を受光してパワーを検出し、その検出結果を示す信号Ｐ１をＶＯＡ制御回路５５に出力する。光分岐カプラ５３は、第２の可変光減衰器３２から出力されるＷＤＭ光の一部を分岐して光検出器５４に送る。光検出器５４は、光分岐カプラ５３からの分岐光を受光してパワーを検出し、その検出結果を示す信号Ｐ２をＶＯＡ制御回路５５に出力する。ＶＯＡ制御回路５５は、外部から与えられる信号光入力情報および各光検出器４３，４５からの各出力信号Ｐ１，Ｐ２を基に、第１および第２の可変光減衰器３１，３２からそれぞれ出力されるＷＤＭ光の信号光パワーを求め、第１および第２の可変光減衰器３１，３２の各出力パワーが可能な限り同じレベルに近づくように、各々の減衰量ＡＴＴ１，ＡＴＴ２を制御する。

図２は、上記ＶＯＡ制御回路５５の具体的な回路構成の一例を示すブロック図である。この構成例において、ＶＯＡ制御回路５５は、減衰量和決定回路５５Ａ、ＶＯＡ出力差分算出回路５５Ｂおよび減衰量決定回路５５Ｃから構成される。減衰量和決定回路５５Ａは、外部から与えられる信号光入力パワー情報に基づいて第１および第２の可変光減衰器３１，３２の各減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）を決定する。具体的には、本光増幅器に入力され得るＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力パワーの最小値Ｐ_IN(MIN)を基準として、実際に入力されるＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力パワーＰ_INの差分を求め、その差分の値が第１および第２の可変光減衰器３１，３２の各減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）となる、すなわち、次の（１）式の関係に従って第１および第２の可変光減衰器３１，３２の各減衰量の和の値を決定する。

ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２＝Ｐ_IN−Ｐ_IN(MIN) …（１）
ＶＯＡ出力差分算出回路５５Ｂは、各光検出器４３，４５からの各出力信号Ｐ１，Ｐ２より、第１および第２の可変光減衰器３１，３２からそれぞれ出力されるＷＤＭ光の信号光パワーＰ_VOA1，Ｐ_VOA2を求め、その差分（Ｐ_VOA1−Ｐ_VOA2）を算出する。減衰量決定回路５５Ｃは、減衰量和決定回路５５Ａで決定された各可変光減衰器３１，３２の減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）が一定に保たれることを条件として、ＶＯＡ出力差分算出回路５５Ｂで算出された各可変光減衰器３１，３２の出力の差分（Ｐ_VOA1−Ｐ_VOA2）の絶対値を最も小さくすることが可能な各可変光減衰器３１，３２の減衰量ＡＴＴ１，ＡＴＴ２の値を決定する。そして、決定した減衰量ＡＴＴ１，ＡＴＴ２を示す制御信号Ｃ１，Ｃ２を各可変光減衰器３１，３２にそれぞれ出力する。

次に、本実施形態の動作について説明する。
上記のような構成の光増幅器では、入力ポートＩＮに入力されるＷＤＭ光の波長数や１波長あたりの信号光入力パワーに関する情報が、ＷＤＭ伝送システムの監視制御信号などを利用してＶＯＡ制御回路５５に予め与えられており、当該情報を受けたＶＯＡ制御回路５５では、減衰量和決定回路５５Ａにおいて、入力ポートＩＮに入力されるＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力パワーに応じて、各可変光減衰器３１，３２の減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）が上記の（１）式に従って決定され、その結果が減衰量決定回路５５Ｃに伝えられる。減衰量決定回路５５Ｃでは、減衰量和決定回路５５Ａからの減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）に対応させて、各可変光減衰器３１，３２の減衰量ＡＴＴ１，ＡＴＴ２の初期値が決定され、該初期値を示す制御信号Ｃ１，Ｃ２が各可変光減衰器３１，３２に出力される。なお、減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）に対応した各減衰量ＡＴＴ１，ＡＴＴ２の初期値は減衰量決定回路５５Ｃに予め記憶されているものとする。また、第１および第２の光増幅部１０，２０の各励起光源１２，２２も予め設定された初期状態で駆動され、各々から出力される励起光が合波器１３，２３を介してＥＤＦ１１，１２にそれぞれ供給される。

上記のような初期状態にある光増幅器の入力ポートＩＮにＷＤＭ光が入力されると、そのＷＤＭ光は、光分岐カプラ４２で一部が分岐された後に第１の可変光減衰器３１に与えられ、さらに、第１の可変光減衰器３１から出力されるＷＤＭ光の一部が光分岐カプラ５１で分岐された後にＡＰＣ動作する第１の光増幅部１０に与えられる。第１の光増幅部１０のＥＤＦ１１を伝搬して増幅されたＷＤＭ光は、第２の可変光減衰器３２に与えられ、該可変光減衰器３２から出力されるＷＤＭ光の一部が光分岐カプラ５３で分岐された後にＡＧＣ動作する第２の光増幅部２０に与えられる。第２の光増幅部２０のＥＤＦ２１を伝搬して増幅されたＷＤＭ光は、その一部が光分岐カプラ４４で分岐された後に出力ポートＯＵＴから外部に出力される。

上記のような各可変光減衰器３１，３２および各光増幅部１０，２０によるＷＤＭ光の一連の処理において、本光増幅器全体の利得としては、入力ポートＩＮに入力されるＷＤＭ光の波長数および１波長あたりの信号光入力パワーの変化に関係なく一定となるように自動制御される。具体的に本実施形態においては、ＷＤＭ光の入力状態に関係なく、第１の光増幅部１０で最も効率的にＷＤＭ光が増幅されるよう励起光源１２から出力される励起光パワーが一定に制御される。これにより、ＷＤＭ光の波長が例えば２波のように少数の場合でも、第１の光増幅部１０の性能を最大限に活かしてＷＤＭ光が増幅されるようになる。この第１の光増幅部１０のＡＰＣ動作に対して、第２の光増幅部２０は、ＡＧＣ回路４６からの制御信号に従って励起光源２２の駆動状態が制御されることによりＡＧＣ動作する。具体的にＡＧＣ回路４６では、入力端の光分岐カプラ４２および出力端の光分岐カプラ４５でそれぞれ分岐されたＷＤＭ光の一部のパワーを示す各光検出器４３，４５からの出力信号Ｐ０，Ｐ３を基に本光増幅器全体の利得が算出され、当該利得が予め設定した目標利得で一定となるように励起光源２２の駆動状態を制御する信号が生成され、該制御信号が励起光源２２に出力される。これにより、入力ポートＩＮに入力されるＷＤＭ光の波長数や１波長あたりの信号光入力パワーが変化しても、出力ポートＯＵＴから出力される各波長の信号光パワーの波長依存性が抑えられ、平坦な出力波長特性が維持されるようになる。

上記のような各光増幅部１０，２０の制御と同時に、各可変光減衰器３１，３２の減衰量が光減衰制御部５０から出力される制御信号Ｃ１，Ｃ２に従って制御される。光減衰制御部５０による各可変光減衰器３１，３２の制御動作は、各可変光減衰器３１，３２の減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）について上記（１）式の成立を条件として、各可変光減衰器３１，３２から出力される信号パワーが可能な限り同じレベルに近づくように、具体的には、ＶＯＡ出力差分算出回路５５Ｂで算出される各可変光減衰器３１，３２の出力の差分（Ｐ_VOA1−Ｐ_VOA2）の絶対値が最も小さくなるように、各可変光減衰器３１，３２の減衰量ＡＴＴ１，ＡＴＴ２が最適化される。

このような光減衰制御部５０による各可変光減衰器３１，３２の制御動作において、上記（１）式が成立を条件とする理由は、平坦な出力波長特性を得るためである。また、各可変光減衰器３１，３２の出力パワーを可能な限り同じレベルに近づけるようにする理由は、本光増幅器のＮＦに与える各可変光減衰器３１，３２の影響を最小限に抑えるためである。すなわち、本光増幅器のＮＦは、下記の（２）式で表すことができ、この関係式より、可変光減衰器３１の出力レベルＰ_VOA1および可変光減衰器３２の出力レベルＰ_VOA2のうちでレベルの低い方がＮＦの支配的要因になることが分かる。このため、良好なＮＦを得るには各可変光減衰器３１，３２の出力レベル差を０に近づけること重要となる。

ここで、上記のような光減衰制御部５０による各可変光減衰器３１，３２の制御動作の具体例として、ＷＤＭ光の波長数が４０波の場合と２波の場合とに分けて詳しく説明する。なお、以下の説明では、本光増幅器に入力されるＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力パワーの範囲（入力ダイナミックレンジ）として、下限が−３０ｄＢｍ／ｃｈおよび上限が０ｄＢｍ／ｃｈを想定する。また、本光増幅器から出力されるＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力パワーは＋３ｄＢｍ／ｃｈで一定となるようにする。

まず、ＷＤＭ光の波長数が４０波の場合の制御動作について図３および図４を参照しながら説明する。
ＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力パワーが下限の−３０ｄＢｍ／ｃｈであるとき、減衰量和決定回路５５Ａでは、上記（１）式に従って、各可変光減衰器３１，３２の減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）が０ｄＢに決定され、その結果が減衰量決定回路５５Ｃに伝えられることで、各可変光減衰器３１，３２の減衰量ＡＴＴ１，ＡＴＴ２の初期値として０ｄＢ（ただし、挿入損失を除く）が決定される。このような初期状態において、入力ポートＩＮに入力されたＷＤＭ光は、図３上段のレベルダイヤに示すように、第１の可変光減衰器３１で挿入損失分（例えば１ｄＢ程度）だけ僅かに減衰された後に、第１の光増幅部１０において高い利得で増幅され、さらに、第２の可変光減衰器３２で挿入損失分だけ僅かに減衰された後に、第２の光増幅部２０で増幅されて出力ポートＯＵＴから出力される。なお、第２の光増幅部２０におけるＷＤＭ光の増幅動作は、ＡＧＣの目標利得を超えるような高利得で第１の光増幅部１０が動作している場合、負の利得（減衰）となる。

このとき、ＶＯＡ出力差分算出回路５５Ｂで算出される各可変光減衰器３１，３２の出力の差分（Ｐ_VOA1−Ｐ_VOA2）は、図３の下段に示すように、第１の光増幅部１０の利得に対応した絶対値の大きな値となり、それが減衰量決定回路５５Ｃに伝えられる。減衰量決定回路５５Ｃでは、（Ｐ_VOA1−Ｐ_VOA2）の絶対値ができるだけ小さくなるよう各可変光減衰器３１，３２の減衰量ＡＴＴ１，ＡＴＴ２の最適化を図るが、ここではＡＴＴ１＋ＡＴＴ２＝０ｄＢを維持する必要があるため、図４の上段に示すように、各可変光減衰器３１，３２の減衰量ＡＴＴ１，ＡＴＴ２は０ｄＢのままとされる。このような制御状態における本光増幅器のＮＦは、図４の下段に示すように約４ｄＢとなる。ただし、ここでは各励起光源１２，２２の波長を０．９８μｍ、ＡＰＣ動作する励起光源１２の出力パワーを１００ｍＷ、各光増幅部１０，２０の変換効率を６０％、ＮＦ₁₀，ＮＦ₂₀を３．０ｄＢとしている。

ＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力パワーが−２０ｄＢｍ／ｃｈに増大すると、各可変光減衰器３１，３２の減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）が１０ｄＢとされ、可変光減衰器３１の減衰量ＡＴＴ１が０ｄＢ、可変光減衰器３２の減衰量ＡＴＴ２が１０ｄＢに最適化される（図４上段）。これにより、各可変光減衰器３１，３２の出力の差分（Ｐ_VOA1−Ｐ_VOA2）の絶対値が約１７ｄＢまで小さくなる（図３下段）。この状態で得られる本光増幅器のＮＦは、−３０ｄＢｍ／ｃｈの場合とほぼ同じ約４．１ｄＢとなる（図４下段）。

ＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力パワーが−１０ｄＢｍ／ｃｈにさらに増大すると、各可変光減衰器３１，３２の減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）が２０ｄＢとされ、可変光減衰器３１の減衰量ＡＴＴ１が０．４ｄＢ、可変光減衰器３２の減衰量ＡＴＴ２が１９．６ｄＢに最適化される（図４上段）。これにより、各可変光減衰器３１，３２の出力の差分（Ｐ_VOA1−Ｐ_VOA2）の絶対値が略零（図３下段）、すなわち、各可変光減衰器３１，３２の出力レベルが略同じレベルになる（図３上段）。この状態で得られる本光増幅器のＮＦは、約７．４ｄＢとなる（図４下段）。

ＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力パワーが上限の−０ｄＢｍ／ｃｈに達すると、各可変光減衰器３１，３２の減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）が３０ｄＢとされ、可変光減衰器３１の減衰量ＡＴＴ１が９．４ｄＢ、可変光減衰器３２の減衰量ＡＴＴ２が２０．６ｄＢに最適化される（図４上段）。これにより、各可変光減衰器３１，３２の出力レベルが略同じレベルになる（図３上段）。この状態で得られる本光増幅器のＮＦは、約１６．４ｄＢとなる（図４下段）。

なお、上記のようなＷＤＭ光の波長数が４０波の場合に得られるＮＦの特性は、上述した先願発明（特願２００５−２５２５０８号）の光増幅器について、前段および後段の光増幅部の制御を各段で独立したＡＧＣではなく、本実施形態のような光増幅器全体でのＡＧＣとした場合に得られるＮＦの特性と同様となる。すなわち、ＷＤＭ光の波長数が多いときには、本発明の１つの特徴である前述したような各可変光減衰器３１，３２の制御を適用することによるＮＦの改善効果はそれ程大きくはなく、この後に説明するＷＤＭ光の波長数が少ないときに上記ＮＦの改善効果は顕著になる。

次に、ＷＤＭ光の波長数が２波の場合の制御動作について図５および図６を参照しながら説明する。なお、本実施形態と比較するために、先願発明の光増幅器について、前段および後段の光増幅部の制御を光増幅器全体でのＡＧＣに変更し、各段の可変光減衰器の制御は従前とした場合（以下、先願発明のＶＯＡ制御を適用した場合とする）における、上記の図５および図６に対応した各グラフを図７および図８に示しておく。

ＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力パワーが下限の−３０ｄＢｍ／ｃｈであるとき、本光増幅器では、前述した４０波の場合と同様にして、各可変光減衰器３１，３２の減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）が０ｄＢ、各可変光減衰器３１，３２の減衰量ＡＴＴ１，ＡＴＴ２が０ｄＢ（ただし、挿入損失を除く）とされる。入力ポートＩＮに入力されたＷＤＭ光は、図５上段のレベルダイヤに示すように、第１の可変光減衰器３１で挿入損失分だけ僅かに減衰された後に、第１の光増幅部１０において高い利得で増幅され、さらに、第２の可変光減衰器３２で挿入損失分だけ僅かに減衰された後に、第２の光増幅部２０で増幅（ここでは負の利得となるため減衰）されて出力ポートＯＵＴから出力される。このような制御状態における本光増幅器のＮＦは、図６の下段に示すように約４ｄＢとなる。

ここで、上記信号光入力パワーが−３０ｄＢｍ／ｃｈのときに本光増幅器で得られるＮＦ（図６下段）と、先願発明のＶＯＡ制御を適用した場合に得られるＮＦ（図８下段）とを比較すると、−３０ｄＢｍ／ｃｈの入力条件では両者の間に有意な差はまだ生じていない。
ＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力パワーが−１０ｄＢｍ／ｃｈに増大すると、各可変光減衰器３１，３２の減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）が２０ｄＢとされ、可変光減衰器３１の減衰量ＡＴＴ１が０ｄＢ、可変光減衰器３２の減衰量ＡＴＴ２が２０ｄＢに最適化される（図６上段）。これにより、各可変光減衰器３１，３２の出力の差分（Ｐ_VOA1−Ｐ_VOA2）の絶対値が約１２ｄＢまで小さくなり（図５下段）、この状態で得られる本光増幅器のＮＦは、約４．３ｄＢとなる（図６下段）。一方、先願発明のＶＯＡ制御を適用した場合について、信号光入力パワーが−１０ｄＢｍ／ｃｈのときに得られるＮＦは、約４．６ｄＢとなる（図８下段）。したがって、本発明のＶＯＡ制御を適用することにより、約０．３ｄＢのＮＦ改善効果が得られている。

ＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力パワーが−５ｄＢｍ／ｃｈにさらに増大すると、各可変光減衰器３１，３２の減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）が２５ｄＢとされ、可変光減衰器３１の減衰量ＡＴＴ１が０ｄＢ、可変光減衰器３２の減衰量ＡＴＴ２が２５ｄＢに最適化される（図６上段）。これにより、各可変光減衰器３１，３２の出力の差分（Ｐ_VOA1−Ｐ_VOA2）の絶対値が約３ｄＢまで小さくなり（図５下段）、この状態で得られる本光増幅器のＮＦは、約５．７ｄＢとなる（図６下段）。一方、先願発明のＶＯＡ制御を適用した場合について、信号光入力パワーが−５ｄＢｍ／ｃｈのときに得られるＮＦは、約９．１ｄＢとなる（図８下段）。したがって、本発明のＶＯＡ制御を適用することにより、約３．４ｄＢのＮＦ改善効果が得られている。

ＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力パワーが上限の−０ｄＢｍ／ｃｈに達すると、各可変光減衰器３１，３２の減衰量の和（ＡＴＴ１＋ＡＴＴ２）が３０ｄＢとされ、可変光減衰器３１の減衰量ＡＴＴ１が２．９ｄＢ、可変光減衰器３２の減衰量ＡＴＴ２が２７．１ｄＢに最適化される（図６上段）。これにより、各可変光減衰器３１，３２の出力の差分（Ｐ_VOA1−Ｐ_VOA2）の絶対値が略零（図５下段）、すなわち、各可変光減衰器３１，３２の出力レベルが略同じレベルになる（図５上段）。この状態で得られる本光増幅器のＮＦは、約９．９ｄＢとなる（図６下段）。一方、先願発明のＶＯＡ制御を適用した場合について、信号光入力パワーが−０ｄＢｍ／ｃｈのときに得られるＮＦは、約１３．６ｄＢとなる（図８下段）。したがって、本発明のＶＯＡ制御を適用することにより、約３．７ｄＢのＮＦ改善効果が得られている。

このように本光増幅器によれば、ＷＤＭ光の波長数が少なく、かつ、１波長あたりの信号光入力パワーが−１０ｄＢｍ／ｃｈ以上となる場合にＮＦの改善効果が顕著になる。よって、ＷＤＭ光の１波長あたりの信号光入力レベルおよび波長数に関係なく、平坦な出力波長特性と良好なＮＦを得ることが可能になる。また、先願発明の構成とは異なり、第２の光増幅部２０と出力ポートＯＵＴの間に可変光減衰器を配置していないため、第２の光増幅部２０に大出力の励起光源を適用しなくてもよくなり、低消費電力で放熱性にも優れた光増幅器を低コストで実現することが可能になる。

なお、上記の実施形態では、第１の光増幅部１０をＡＰＣ動作させ、第２の光増幅部２０をＡＧＣ動作させることで光増幅器全体の利得を一定に制御する構成例を示したが、本発明はこれに限らず、例えば、入力モニタおよび出力モニタのモニタ結果を基に算出した利得に応じて、第１の光増幅部１０の励起光パワーと第２の光増幅部２０の励起光パワーとを予め設定した比率（例えば、３：１など）に従って制御することで、光増幅器全体の利得を一定に制御するようにしてもよい。

また、上記の実施形態では、入力段および段間に可変光減衰器が配置された２段構成の光増幅器について説明したが、３段以上の構成の光増幅器についても上記実施形態と同様にして本発明を適用することが可能である。例えば、第１〜第３の光増幅器を備えた３段構成の光増幅器の場合、入力段と、第１および第２光増幅部の段間と、第２および第３光増幅部の段間とに第１〜第３の可変光減衰器をそれぞれ配置し、光増幅制御部は、光増幅器全体の利得を一定に制御し、光減衰制御部は、第１〜第３の可変光減衰器の減衰量の和が信号光入力パワーに応じた値で一定に保たれることを条件として、各可変光減衰器の出力パワーが可能な限り同じレベルとなるように、各可変光減衰器の減衰量を最適化すればよい。

以上、本明細書で開示した主な発明について以下にまとめる。

（付記１）波長の異なる複数の信号光を含んだ波長多重光を増幅する光増幅器において、
入力ポートおよび出力ポートと、
前記入力ポートおよび前記出力ポートの間に直列に接続された第１および第２の光増幅部と、
前記入力ポートおよび前記第１の光増幅部の間に配置された第１の可変光減衰器と、
前記第１の光増幅部および前記第２の光増幅部の間に配置された第２の可変光減衰器と、
前記入力ポートに入力される波長多重光のパワーおよび前記出力ポートから出力される波長多重光のパワーをモニタし、該モニタ結果を基に算出した利得が一定となるように前記第１および第２の光増幅部を制御する光増幅制御部と、
前記入力ポートに入力される波長多重光の１波長あたりの信号光入力パワーに応じて前記第１および第２の可変光減衰器の各減衰量の和の値を決定すると共に、前記第１および第２の可変光減衰器からそれぞれ出力される波長多重光の信号光パワーをモニタし、前記決定した各減衰量の和の値を一定に保ちながら、前記第１および第２の可変光減衰器の各出力パワーのモニタ値が同じ値に近づくように、前記第１および第２の可変光減衰器の各減衰量を制御する光減衰制御部と、を備えて構成されたことを特徴とする光増幅器。

（付記２）付記１に記載の光増幅器であって、
前記第１および第２の光増幅部は、希土類ドープファイバと、該希土類ドープファイバを励起する励起光を発生する励起光源と、該励起光源から出力される励起光を波長多重光と合波して前記希土類ドープファイバに供給する合波器と、をそれぞれ備えたことを特徴とする光増幅器。

（付記３）付記２に記載の光増幅器であって、
前記光増幅制御部は、前記入力ポートに入力される波長多重光のパワーをモニタする入力モニタと、前記出力ポートから出力される波長多重光のパワーをモニタする出力モニタと、前記第１の光増幅部について、前記希土類ドープファイバに供給される励起光のパワーが一定となるように前記励起光源を制御するＡＰＣ回路と、前記第２の光増幅部について、前記入力モニタおよび前記出力モニタのモニタ結果を基に算出した利得が一定となるように前記励起光源を制御するＡＧＣ回路と、を備えたことを特徴とする光増幅器。

（付記４）付記２に記載の光増幅器であって、
前記光増幅制御部は、前記入力ポートに入力される波長多重光のパワーをモニタする入力モニタと、前記出力ポートから出力される波長多重光のパワーをモニタする出力モニタと、前記入力モニタおよび前記出力モニタのモニタ結果を基に算出した利得が一定となるように、前記第１の光増幅部の励起光パワーと前記第２の光増幅部の励起光パワーとを予め設定した比率に従って制御するＡＧＣ回路と、を備えたことを特徴とする光増幅器。

（付記５）付記１に記載の光増幅器であって、
前記光減衰制御部は、前記第１および第２の可変光減衰器からそれぞれ出力される波長多重光の信号光パワーをモニタする可変光減衰器出力モニタと、前記入力ポートに入力される波長多重光の１波長あたりの信号光入力パワーに関する情報が与えられ、当該情報を基に前記第１および第２の可変光減衰器の各減衰量の和の値を決定する減衰量和決定回路と、前記可変光減衰器出力モニタのモニタ結果を基に前記第１および第２の可変光減衰器の出力パワーの差分を算出する可変光減衰器出力差分算出回路と、前記減衰量和決定回路で決定された各減衰量の和の値を一定に保ちながら、前記可変光減衰器出力差分算出回路で算出された差分の絶対値を最も零に近づけることのできる前記第１および第２の可変光減衰器の各減衰量を決定し、該各減衰量に従って前記第１および第２の可変光減衰器を制御する制御信号を出力する減衰量決定回路と、を備えたことを特徴とする光増幅器。

（付記６）付記１に記載の光増幅器であって、
前記第２の光増幅部および前記出力ポートの間に接続された第３の光増幅部と、
前記第２および第３の光増幅部の間に配置された第３の可変光減衰器と、を備え、
前記光増幅制御部は、前記モニタ結果を基に算出した利得が一定となるように前記第１〜第３の光増幅部を制御し、
前記光減衰制御部は、前記入力ポートに入力される波長多重光の１波長あたりの信号光入力パワーに応じて前記第１〜第３の可変光減衰器の各減衰量の和の値を決定すると共に、前記第１〜第３の可変光減衰器からそれぞれ出力される波長多重光の信号光パワーをモニタし、前記決定した各減衰量の和の値を一定に保ちながら、前記第１〜第３の可変光減衰器の各出力パワーのモニタ値が同じ値に近づくように、前記第１〜第３の可変光減衰器の各減衰量を制御することを特徴とする光増幅器。

（付記７）付記７に記載の光増幅器であって、
前記第３の光増幅部および前記第３の可変光減衰器を１つのユニットとし、前記第２の光増幅部と前記出力ポートの間に複数の前記ユニットを多段接続したことを特徴とする光増幅器。

本発明の一実施形態によるＷＤＭ光増幅器の構成を示すブロック図である。上記実施形態におけるＶＯＡ制御回路の具体的な回路構成の一例を示すブロック図である。上記実施形態について波長数が４０波の場合のレベルダイヤおよびＶＯＡ出力差分を示す図である。上記実施形態について波長数が４０波の場合のＶＯＡ減衰量およびＮＦを示す図である。上記実施形態について波長数が２波の場合のレベルダイヤおよびＶＯＡ出力差分を示す図である。上記実施形態について波長数が２波の場合のＶＯＡ減衰量およびＮＦを示す図である。先願発明のＶＯＡを適用した光増幅器について波長数が２波の場合のレベルダイヤおよびＶＯＡ出力差分を示す図である。先願発明のＶＯＡを適用した光増幅器について波長数が２波の場合のＶＯＡ減衰量およびＮＦを示す図である。

符号の説明

１０…第１の光増幅部
２０…第２の光増幅部
１１，２１…エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）
１２，２２…励起光源（ＬＤ）
１３，２３…合波器
３１…第１の可変光減衰器（ＶＯＡ）
３２…第２の可変光減衰器（ＶＯＡ）
４０…光増幅制御部
４１…ＡＰＣ回路
４２，４４，５１，５３…光分岐カプラ
４３，４５，５２，５４…光検出器（ＰＤ）
４６…ＡＧＣ回路
５０…光減衰制御部
５５…ＶＯＡ制御回路
５５Ａ…減衰量和決定回路
５５Ｂ…ＶＯＡ出力差分算出回路
５５Ｃ…減衰量決定回路
ＩＮ…入力ポート
ＯＵＴ…出力ポート

Claims

波長の異なる複数の信号光を含んだ波長多重光を増幅する光増幅器において、
入力ポートおよび出力ポートと、
前記入力ポートおよび前記出力ポートの間に直列に接続された第１および第２の光増幅部と、
前記入力ポートおよび前記第１の光増幅部の間に配置された第１の可変光減衰器と、
前記第１の光増幅部および前記第２の光増幅部の間に配置された第２の可変光減衰器と、
前記入力ポートに入力される波長多重光のパワーおよび前記出力ポートから出力される波長多重光のパワーをモニタし、該モニタ結果を基に算出した利得が一定となるように前記第１および第２の光増幅部を制御する光増幅制御部と、
前記入力ポートに入力される波長多重光の１波長あたりの信号光入力パワーに応じて前記第１および第２の可変光減衰器の各減衰量の和の値を決定すると共に、前記第１および第２の可変光減衰器からそれぞれ出力される波長多重光の信号光パワーをモニタし、前記決定した各減衰量の和の値を一定に保ちながら、前記第１および第２の可変光減衰器の各出力パワーのモニタ値が同じ値に近づくように、前記第１および第２の可変光減衰器の各減衰量を制御する光減衰制御部と、を備えて構成されたことを特徴とする光増幅器。
請求項１に記載の光増幅器であって、
前記第１および第２の光増幅部は、希土類ドープファイバと、該希土類ドープファイバを励起する励起光を発生する励起光源と、該励起光源から出力される励起光を波長多重光と合波して前記希土類ドープファイバに供給する合波器と、をそれぞれ備えたことを特徴とする光増幅器。
請求項２に記載の光増幅器であって、
前記光増幅制御部は、前記入力ポートに入力される波長多重光のパワーをモニタする入力モニタと、前記出力ポートから出力される波長多重光のパワーをモニタする出力モニタと、前記第１の光増幅部について、前記希土類ドープファイバに供給される励起光のパワーが一定となるように前記励起光源を制御するＡＰＣ回路と、前記第２の光増幅部について、前記入力モニタおよび前記出力モニタのモニタ結果を基に算出した利得が一定となるように前記励起光源を制御するＡＧＣ回路と、を備えたことを特徴とする光増幅器。
請求項１に記載の光増幅器であって、
前記光減衰制御部は、前記第１および第２の可変光減衰器からそれぞれ出力される波長多重光の信号光パワーをモニタする可変光減衰器出力モニタと、前記入力ポートに入力される波長多重光の１波長あたりの信号光入力パワーに関する情報が与えられ、当該情報を基に前記第１および第２の可変光減衰器の各減衰量の和の値を決定する減衰量和決定回路と、前記可変光減衰器出力モニタのモニタ結果を基に前記第１および第２の可変光減衰器の出力パワーの差分を算出する可変光減衰器出力差分算出回路と、前記減衰量和決定回路で決定された各減衰量の和の値を一定に保ちながら、前記可変光減衰器出力差分算出回路で算出された差分の絶対値を最も零に近づけることのできる前記第１および第２の可変光減衰器の各減衰量を決定し、該各減衰量に従って前記第１および第２の可変光減衰器を制御する制御信号を出力する減衰量決定回路と、を備えたことを特徴とする光増幅器。
請求項１に記載の光増幅器であって、
前記第２の光増幅部および前記出力ポートの間に接続された第３の光増幅部と、
前記第２および第３の光増幅部の間に配置された第３の可変光減衰器と、を備え、
前記光増幅制御部は、前記モニタ結果を基に算出した利得が一定となるように前記第１〜第３の光増幅部を制御し、
前記光減衰制御部は、前記入力ポートに入力される波長多重光の信号光入力パワーに応じて前記第１〜第３の可変光減衰器の各減衰量の和の値を決定すると共に、前記第１〜第３の可変光減衰器からそれぞれ出力される波長多重光の１波長あたりの信号光パワーをモニタし、前記決定した各減衰量の和の値を一定に保ちながら、前記第１〜第３の可変光減衰器の各出力パワーのモニタ値が同じ値に近づくように、前記第１〜第３の可変光減衰器の各減衰量を制御することを特徴とする光増幅器。