JP5144561B2 - Gain-flattened cascaded optical fiber amplifier, apparatus for designing the gain equalizer of the amplifier, and method for designing the gain equalizer of the amplifier - Google Patents

Gain-flattened cascaded optical fiber amplifier, apparatus for designing the gain equalizer of the amplifier, and method for designing the gain equalizer of the amplifier Download PDF

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本発明は、利得平坦化されたカスケード型光ファイバ増幅器、前記利得平坦型光ファイバ増幅器に組み込まれる利得等化器を設計するための設計装置、および、前記利得等化器を設計するための方法に関する。   The present invention provides a gain-flattened cascaded optical fiber amplifier, a design apparatus for designing a gain equalizer incorporated in the gain-flattened optical fiber amplifier, and a method for designing the gain equalizer About.

近年、光ファイバ通信の伝送容量は急速に増加し、波長分割多重(WDM)信号の伝送帯域は増加している。それに伴い中継器として用いられる光ファイバ増幅器の増幅帯域の拡大が検討されている。現行の光伝送システムでは、C帯(1530〜1565nm)およびL帯(1565−1625nm)を増幅可能であり、石英系ガラスを増幅用ファイバのホストガラスとするエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)が主流である。CおよびL帯以外の光ファイバ増幅器として、O帯(1260〜1360nm)のプラセオジム添加フッ化物光ファイバ増幅器(PDFA)、S帯(1460〜1530nm)のツリウム添加フッ化物光ファイバ増輻器(TDFA)等があり、次世代の信号帯域の光ファイバ増幅器として期待されている。   In recent years, the transmission capacity of optical fiber communication has increased rapidly, and the transmission band of wavelength division multiplexing (WDM) signals has increased. Accordingly, expansion of the amplification band of optical fiber amplifiers used as repeaters has been studied. In the current optical transmission system, an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) that can amplify the C band (1530 to 1565 nm) and the L band (1565-1625 nm) and uses a silica-based glass as a host glass of an amplification fiber is mainstream. It is. As optical fiber amplifiers other than the C and L bands, a praseodymium-doped fluoride optical fiber amplifier (PDFA) in the O band (1260 to 1360 nm), a thulium doped fluoride optical fiber amplifier (TDFA) in the S band (1460 to 1530 nm) And is expected as an optical fiber amplifier of the next generation signal band.

広帯域且つ多中継伝送を行う場合には、光ファイバ増幅器の利得偏差に起因して伝送特性が劣化するため、利得等化器を用いて各段の光ファイバ増幅器の利得スペクトルを平坦化する必要がある。利得等化器を光ファイバ増幅器の前段に設置する場合には高雑音となり、また後段に設置する場合には低効率である。このため、光ファイバ増幅器の増幅媒体を二分して、カスケード型(直列多段型)の構成にし、その多段の増幅器の中間に利得等化器を設置し、低雑音と高効率を同時に実現する方法を取ることが多い。例えば、非特許文献1には、多段の増幅器の中間に利得等化器を挿入した光増幅器の例が記載されている。   When performing broadband and multi-relay transmission, the transmission characteristics deteriorate due to the gain deviation of the optical fiber amplifier. Therefore, it is necessary to flatten the gain spectrum of each stage of the optical fiber amplifier using a gain equalizer. is there. When the gain equalizer is installed at the front stage of the optical fiber amplifier, the noise becomes high, and when it is installed at the rear stage, the efficiency is low. For this reason, the amplification medium of the optical fiber amplifier is divided into two to form a cascade type (series multi-stage type) configuration, and a gain equalizer is installed in the middle of the multi-stage amplifier to simultaneously realize low noise and high efficiency. Often take. For example, Non-Patent Document 1 describes an example of an optical amplifier in which a gain equalizer is inserted between multistage amplifiers.

H Masuda, A Mori, K. Shikano, K. Oikawa, K. Kato, M. Shimizu, "Ultra-wide-band hybrid tellurite/silica fiber Raman amplifier", Optical Fiber Communication Conference and Exhibit 2002 (OFC 2002:光ファイバ通信に関する国際会議および展示会)予稿集,pp. 388-390, 2002年3月発行H Masuda, A Mori, K. Shikano, K. Oikawa, K. Kato, M. Shimizu, "Ultra-wide-band hybrid tellurite / silica fiber Raman amplifier", Optical Fiber Communication Conference and Exhibit 2002 (OFC 2002: Optical fiber International Conference and Exhibition on Communications) Proceedings, pp. 388-390, published in March 2002 「エルビウム添加光ファイバ増幅器」p222〜223、編者:須藤昭一、オプトロニクス社"Erbium-doped optical fiber amplifier" p222-223, Editor: Shoichi Sudo, Optronics 「エルビウム添加光ファイバ増幅器」p33、編者:須藤昭一、オプトロニクス社"Erbium-doped fiber amplifier" p33, editor: Shoichi Sudo, Optronics B. R. Judd, "Optical absorption intensities of rare-earth ions," Phys. Rev., vol. 127, no.3, pp.750-761 (1962)B. R. Judd, "Optical absorption intensities of rare-earth ions," Phys. Rev., vol. 127, no.3, pp.750-761 (1962) G. S. Oflet, "Intensities of crystal spectra of rare-earth ions," J. Chem. Phys., vol. 37, no.3, pp. 511-520 (1962)G. S. Oflet, "Intensities of crystal spectra of rare-earth ions," J. Chem. Phys., Vol. 37, no.3, pp. 511-520 (1962)

石英系EDFAのカスケード型増幅器に利得等化器を設置する場合、利得等化器の設計方法は確立されている。しかし、添加するイオンやホストガラスの種類を変えると、この確立されている方法をそのまま適用できないことが多い。石英系EDFA以外のカスケード型増幅器(例えば、イオン密度を考慮すべき準位が3つ以上である希土類イオンを含有する増幅媒体を用いたカスケード型光ファイバ増幅器)においては、上記設計方法をそのまま用いたとしても、利得スペクトルの平坦化は実現できない。   When a gain equalizer is installed in a quartz-type EDFA cascade amplifier, a design method for the gain equalizer has been established. However, if the type of ions to be added or the type of host glass is changed, this established method cannot be applied as it is. For cascaded amplifiers other than quartz-based EDFAs (for example, cascaded optical fiber amplifiers using amplification media containing rare earth ions with three or more levels that should be considered for ion density), the above design method is used as is. Even if this is the case, flattening of the gain spectrum cannot be realized.

そこで、本発明は、石英系EDFA以外のカスケード型増幅器に利得等化器を設置する場合の当該利得増幅器の設計方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a design method for a gain amplifier in the case where a gain equalizer is installed in a cascade type amplifier other than a silica-based EDFA.

また、本発明は、上記設計方法を用いて設計された利得等化器と該利得等化器を組み込んだ光増幅器を提供することを目的とする。   Another object of the present invention is to provide a gain equalizer designed by using the above design method and an optical amplifier incorporating the gain equalizer.

更に、本発明は、上記設計方法に用いられる設計装置を提供することを目的とする。   Furthermore, this invention aims at providing the design apparatus used for the said design method.

上記目的は、以下の本発明により解決される。   The above object is solved by the present invention described below.

本発明の第一は、複数の増幅媒体もしくは増幅器と、それらの中間位置の少なくとも1つの位置に設けられた利得等化器を備えた、利得平坦化されたカスケード型(直列多段型)希土類添加光ファイバ増幅器に関する。このカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器は、前記利得等化器が、以下の過程で設定された損失スペクトルの形状と利得等化帯域を有することを特徴とする。   A first aspect of the present invention is a gain-flattened cascade type (series multi-stage type) rare earth addition comprising a plurality of amplification media or amplifiers and a gain equalizer provided at at least one of the intermediate positions. The present invention relates to an optical fiber amplifier. This cascade-type rare earth doped optical fiber amplifier is characterized in that the gain equalizer has a loss spectrum shape and a gain equalization band set in the following process.

i) 前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりWDM信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ii) i)で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のWDM信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の2条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
iii) (a)計算上の利得等化後の利得スペクトルを、i)で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和(dB換算)にii)で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差(dB換算)をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
(b)前記ii)で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
iv)前記iii)の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
v)目的の利得等化帯域が得られるまで上記i)〜iv)の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること。
i) WDM signal light is input from the signal light input section of a cascade type rare earth doped optical fiber amplifier in which a variable optical attenuator is inserted in place of the gain equalizer at the installation position of the gain equalizer, and the gain spectrum is measured. To do,
ii ) Having the spectrum shape of the gain spectrum measured in i ), and the loss with respect to the total power of the WDM signal light when passing through the variable optical attenuator becomes equal to the loss when passing through the gain equalizer Deriving the loss spectrum of the gain equalizer that satisfies the two conditions
iii) (a) The gain spectrum after gain equalization in calculation is the sum of the gain spectrum measured in i) and the loss spectrum of the variable optical attenuator (converted in dB) to the gain equalizer derived in ii) Defining a difference from the loss spectrum (dB conversion) and deriving a calculated gain equalization band from the gain spectrum after gain equalization derived by this definition, or
(B) deriving a calculated gain equalization band from the loss spectrum derived in ii);
To calculate a calculated gain equalization band, and compare the calculated gain equalization band with a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier. Determining whether or not a gain equalization band of a predetermined gain equalization band set in advance for a cascaded amplifier matches.
iv) As a result of the comparison of iii), when the calculated gain equalization band is narrower than a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier, the variable optical attenuator Increasing the loss and reducing the loss of the variable optical attenuator if wider than the desired gain equalization band;
v) Repeat the above steps i) to iv) until the desired gain equalization band is obtained, and determine the shape of the loss spectrum of the gain equalizer and the gain equalization band.

本発明の上記カスケード型光ファイバ増幅器では、iii)の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことができる。   In the cascade optical fiber amplifier of the present invention, a correction function can be incorporated when deriving the gain spectrum after the gain equalization of iii).

更に、本発明の上記カスケード型光ファイバ増幅器では、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、イオン密度をゼロに近似できないエネルギー準位を3つ以上有することを特徴とする。   Further, in the cascade type optical fiber amplifier of the present invention, the rare earth ions involved in amplification added to the amplification medium when in the excited state or the amplified state have three or more energy levels that cannot approximate the ion density to zero. It is characterized by having.

本発明の上記カスケード型光ファイバ増幅器では、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率(発光緩和率と非発光緩和率の合計)がl×10−1以下であるエネルギー準位を3つ以上有することを特徴とする。 In the cascade optical fiber amplifier of the present invention, the rare earth ions involved in amplification added to the amplification medium when in the excited state or the amplified state have a relaxation rate (the sum of the emission relaxation rate and the non-emission relaxation rate) of l. It is characterized by having three or more energy levels that are × 10 4 s −1 or less.

本発明の第二は、カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器を構成する複数の増幅媒体もしくは増幅器の中間位置の少なくとも1つの位置に挿入する利得等化器の設計方法に関する。本発明の設計方法は、以下の過程を具備する。   The second aspect of the present invention relates to a design method for a gain equalizer that is inserted into at least one of a plurality of amplification media constituting a cascade-type rare earth-doped optical fiber amplifier or an intermediate position of the amplifier. The design method of the present invention includes the following steps.

i) 前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりWDM信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ii) i)で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のWDM信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の2条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
iii) (a)計算上の利得等化後の利得スペクトルを、i)で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和(dB換算)にii)で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差(dB換算)をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
(b)前記ii)で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
iv)前記iii)の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
v)目的の利得等化帯域が得られるまで上記i)〜iv)の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること。
i) WDM signal light is input from the signal light input section of a cascade type rare earth doped optical fiber amplifier in which a variable optical attenuator is inserted in place of the gain equalizer at the installation position of the gain equalizer, and the gain spectrum is measured. To do,
ii ) Having the spectrum shape of the gain spectrum measured in i ), and the loss with respect to the total power of the WDM signal light when passing through the variable optical attenuator becomes equal to the loss when passing through the gain equalizer Deriving the loss spectrum of the gain equalizer that satisfies the two conditions
iii) (a) The gain spectrum after gain equalization in calculation is the sum of the gain spectrum measured in i) and the loss spectrum of the variable optical attenuator (converted in dB) to the gain equalizer derived in ii) Defining a difference from the loss spectrum (dB conversion) and deriving a calculated gain equalization band from the gain spectrum after gain equalization derived by this definition, or
(B) deriving a calculated gain equalization band from the loss spectrum derived in ii);
To calculate a calculated gain equalization band, and compare the calculated gain equalization band with a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier. Determining whether or not a gain equalization band of a predetermined gain equalization band set in advance for a cascaded amplifier matches.
iv) As a result of the comparison of iii), when the calculated gain equalization band is narrower than a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier, the variable optical attenuator Increasing the loss and reducing the loss of the variable optical attenuator if wider than the desired gain equalization band;
v) Repeat the above steps i) to iv) until the desired gain equalization band is obtained, and determine the shape of the loss spectrum of the gain equalizer and the gain equalization band.

本発明の利得等化器の設計方法では、iii)の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことができる。   In the design method of the gain equalizer of the present invention, a correction function can be incorporated when deriving the gain spectrum after gain equalization of iii).

更に、本発明の利得等化器の設計方法では、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、イオン密度をゼロに近似できないエネルギー準位を3つ以上有することを特徴とする。   Furthermore, in the design method of the gain equalizer of the present invention, the rare earth ions involved in amplification added to the amplification medium when in the excited state or the amplified state have three energy levels that cannot approximate the ion density to zero. It is characterized by having it above.

本発明の利得等化器の設計方法では、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率(発光緩和率と非発光緩和率の合計)がl×10−1以下であるエネルギー準位を3つ以上有することを特徴とする。 In the design method of the gain equalizer of the present invention, the rare earth ions involved in amplification added to the amplification medium when in the excited state or the amplified state have a relaxation rate (the sum of the emission relaxation rate and the non-emission relaxation rate). It has three or more energy levels which are 1 × 10 4 s −1 or less.

本発明の第三は、カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器を構成する複数の増幅媒体もしくは増幅器の中間位置の少なくとも1つの位置に挿入する利得等化器を設計するための装置に関する。本発明の設計装置は、可変光減衰器、WDM信号光の利得を測定する光検出器、計算回路、可変光減衰器制御回路から構成される。   A third aspect of the present invention relates to an apparatus for designing a gain equalizer that is inserted into at least one position among a plurality of amplifying media or amplifiers constituting a cascade-type rare earth doped optical fiber amplifier. The design apparatus of the present invention includes a variable optical attenuator, a photodetector for measuring the gain of WDM signal light, a calculation circuit, and a variable optical attenuator control circuit.

本発明の設計装置では、下記過程により目的の利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を算出する。   In the designing apparatus of the present invention, the shape of the loss spectrum and the gain equalization band of the target gain equalizer are calculated by the following process.

i) 前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりWDM信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ii) i)で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のWDM信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の2条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
iii) (a)計算上の利得等化後の利得スペクトルを、i)で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和(dB換算)にii)で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差(dB換算)をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
(b)前記ii)で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
iv)前記iii)の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
v)目的の利得等化帯域が得られるまで上記i)〜iv)の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること。
i) WDM signal light is input from the signal light input section of a cascade type rare earth doped optical fiber amplifier in which a variable optical attenuator is inserted in place of the gain equalizer at the installation position of the gain equalizer, and the gain spectrum is measured. To do,
ii ) Having the spectrum shape of the gain spectrum measured in i ), and the loss with respect to the total power of the WDM signal light when passing through the variable optical attenuator becomes equal to the loss when passing through the gain equalizer Deriving the loss spectrum of the gain equalizer that satisfies the two conditions
iii) (a) The gain spectrum after gain equalization in calculation is the sum of the gain spectrum measured in i) and the loss spectrum of the variable optical attenuator (converted in dB) to the gain equalizer derived in ii) Defining a difference from the loss spectrum (dB conversion) and deriving a calculated gain equalization band from the gain spectrum after gain equalization derived by this definition, or
(B) deriving a calculated gain equalization band from the loss spectrum derived in ii);
To calculate a calculated gain equalization band, and compare the calculated gain equalization band with a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier. Determining whether or not a gain equalization band of a predetermined gain equalization band set in advance for a cascaded amplifier matches.
iv) As a result of the comparison of iii), when the calculated gain equalization band is narrower than a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier, the variable optical attenuator Increasing the loss and reducing the loss of the variable optical attenuator if wider than the desired gain equalization band;
v) Repeat the above steps i) to iv) until the desired gain equalization band is obtained, and determine the shape of the loss spectrum of the gain equalizer and the gain equalization band.

本発明の利得等化器の設計装置では、iii)の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込んだ回路を備えていてもよい。   The gain equalizer designing apparatus of the present invention may include a circuit incorporating a correction function when deriving the gain spectrum after the gain equalization of iii).

本発明の利得等化器の設計装置は、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、イオン密度をゼロに近似できないエネルギー準位を3つ以上有することを特徴とする。   The apparatus for designing a gain equalizer of the present invention has three or more energy levels in which rare earth ions involved in amplification added to an amplification medium when in an excited state or an amplified state cannot approximate the ion density to zero. It is characterized by that.

本発明の利得等化器設計装置において、励起状態もしくは増幅状態にある揚合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率(発光緩和率と非発光緩和率の合計)がl×10−1以下であるエネルギー準位を3つ以上有することを特徴とする。 In the gain equalizer designing apparatus of the present invention, the rare earth ions involved in amplification added to the amplification medium in the excited state or in the amplified state have a relaxation rate (the sum of the emission relaxation rate and the non-emission relaxation rate). It has three or more energy levels which are 1 × 10 4 s −1 or less.

本発明の方法を用いて作製した利得等化器を用いることで、石英系EDF以外の増幅媒体(例えば、イオン密度を考慮すべき準位が3つ以上である希土類イオンを含有する増幅媒体)を用いたカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器においても容易に利得等化器を設計することが可能となる。また、本発明の設計方法は容易に装置化が可能であり、設計の自動化が可能であるという特徴を有する。   By using the gain equalizer manufactured by the method of the present invention, an amplification medium other than the quartz-based EDF (for example, an amplification medium containing rare earth ions having three or more levels to which ion density should be considered). It is possible to easily design a gain equalizer even in a cascade-type rare earth-doped optical fiber amplifier using the above. In addition, the design method of the present invention can be easily implemented as a device, and can be automated.

石英系EDFAのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の利得等化器の設計方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the design method of the gain equalizer of the cascade type rare earth addition optical fiber amplifier of quartz type EDFA. 石英系EDFAのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の利得等化器の設計方法を、TDFAのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器に適用した場合の挙動を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the behavior at the time of applying the design method of the gain equalizer of the cascade type rare earth addition optical fiber amplifier of quartz type EDFA to the cascade type rare earth addition optical fiber amplifier of TDFA. TDFAのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器に石英系EDFAのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の利得等化器の設計方法を適用できない理由を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the reason why the design method of the gain equalizer of the cascade type rare earth doped optical fiber amplifier of silica-based EDFA cannot be applied to the cascade type rare earth doped optical fiber amplifier of TDFA. 仮想利得等化器(GEQ)として可変光減衰器用いた場合の利得スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the gain spectrum at the time of using a variable optical attenuator as a virtual gain equalizer (GEQ). 石英系EDFAとフッ化物EDFAのイオン密度分布の相違を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the difference in the ion density distribution of quartz type EDFA and fluoride EDFA. 本発明の利得等化器の設計方法を説明するためのフロー図である。It is a flowchart for demonstrating the design method of the gain equalizer of this invention. 本発明の利得等化器の設計方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the design method of the gain equalizer of this invention. 本発明の利得等化器の等化利得の最大値と補正値の相関関係を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation of the maximum value and correction value of the equalization gain of the gain equalizer of this invention. 利得偏差の緩和率依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the relaxation rate dependence of a gain deviation. 変換効率の緩和率依存性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relaxation rate dependence of conversion efficiency. 本発明のカスケード型増幅器の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the cascade type amplifier of this invention. 本発明による利得等化器の設計装置の概要図である。1 is a schematic diagram of a gain equalizer designing apparatus according to the present invention. FIG. 本発明による利得等化器の別の設計装置の概略図である。FIG. 6 is a schematic view of another design apparatus for a gain equalizer according to the present invention. 利得等化器の損失スペクトルを示したグラフである。It is the graph which showed the loss spectrum of the gain equalizer. 本発明の設計方法により設計した利得等化器を用いた場合の、利得等化後の利得および雑音指数スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the gain and noise figure spectrum after gain equalization at the time of using the gain equalizer designed by the design method of this invention.

石英系EDFAでは、カスケード型(直列多段型ともいう)希土類添加光ファイバ増幅器の利得等化器の設計方法は確立されている。しかし、添加するイオンやホストガラスの種類を変えるとその方法を適用できないことが多い。本発明は、従来の設計方法が適用できないカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の利得等化器の設計方法を提供し、併せて、この設計方法に基づいて設計された利得等化器を含むカスケード型希土類添加光ファイバ光増幅器、および該利得等化器の設計装置を提供する。   In the quartz-based EDFA, a design method for a gain equalizer of a cascade type (also referred to as a serial multistage type) rare earth-doped optical fiber amplifier has been established. However, in many cases, the method cannot be applied if the type of ion or host glass to be added is changed. The present invention provides a design method for a gain equalizer of a cascade-type rare-earth doped optical fiber amplifier to which a conventional design method cannot be applied, and also includes a gain equalizer designed based on this design method. A rare earth-doped optical fiber optical amplifier and a design apparatus for the gain equalizer are provided.

本明細書では、まず、石英系EDFAのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器(本明細書では、簡略化のため、カスケード型石英系EDFAとも称する)の利得等化器の設計方法を説明する。次に、その設計方法が適用できない例として、添加希土類イオンがツリウムであるS帯のツリウム添加光ファイバ増幅器(TDFA)、およびフッ化物EDFAのカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器(本明細書では、従来の設計方法が適用できないカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器を簡略化のため、「カスケード型増幅器」とも称する)について説明する。この後、本発明の利得等化器の設計方法を説明し、この設計方法で設計された利得等化器を含む本発明のカスケード型増幅器、および該利得等化器の設計装置について説明する。   In this specification, first, a design method of a gain equalizer of a quartz-based EDFA cascade-type rare earth-doped optical fiber amplifier (also referred to as a cascade-type silica-based EDFA in this specification) will be described. Next, as examples in which the design method cannot be applied, an S-band thulium-doped optical fiber amplifier (TDFA) in which the doped rare earth ion is thulium, and a cascaded rare earth-doped optical fiber amplifier of fluoride EDFA (in the present specification, conventionally, For simplicity, a cascade-type rare earth-doped optical fiber amplifier to which the design method (1) is not applied is also referred to as “cascade-type amplifier”. After that, the design method of the gain equalizer of the present invention will be described, and the cascade amplifier of the present invention including the gain equalizer designed by this design method and the design apparatus of the gain equalizer will be described.

1.カスケード型石英系EDFAの利得等化器の設計方法
現在、カスケード型石英系EDFAで用いられている利得等化器の設計は、利得等化器を介在させずに複数の石英系EDFAを接続し、多段増幅器の利得スペクトルを測定して所望の利得等化帯域の過剰利得部分を利得等化器の損失スペクトルとして設定することで実現される。
1. Design Method for Cascade-type Silica-based EDFA Gain Equalizer The design of the gain equalizer currently used in cascade-type quartz-based EDFA is to connect multiple quartz-based EDFAs without interposing a gain equalizer. This is realized by measuring the gain spectrum of the multistage amplifier and setting the excess gain portion of the desired gain equalization band as the loss spectrum of the gain equalizer.

2段型カスケード光ファイバ増幅器の場合を例に取り、図1を参照して、具体的に2段カスケード型石英系EDFAの利得等化器の設計方法について説明する。その設計の手順は以下の通りである。   Taking a case of a two-stage cascaded optical fiber amplifier as an example, a method for designing a gain equalizer of a two-stage cascaded quartz-based EDFA will be specifically described with reference to FIG. The design procedure is as follows.

まず、図1(a)に示すように、EDFAを2段に接続し、利得等化器を中間に挿入しない増幅器を準備する。   First, as shown in FIG. 1A, an amplifier is prepared in which EDFAs are connected in two stages and a gain equalizer is not inserted in the middle.

(1)この増幅器の利得スペクトル(I)を測定する。
(2)目的の利得等化スペクトル(II)と(1)で測定した利得スペクトル(I)の差((I)−(II))で表される利得等化器の損失スペクトル(III)を算出する。ここで、算出された利得等化器の損失スペクトル(III)は、図1(a)で、EDFAの後段に仮想的に記載されている利得等化器(GEQ)と同じ損失スペクトルの形状および波長帯域を有する。
(1) The gain spectrum (I) of this amplifier is measured.
(2) The loss spectrum (III) of the gain equalizer represented by the difference ((I)-(II)) between the target gain equalization spectrum (II) and the gain spectrum (I) measured in (1). calculate. Here, the calculated loss spectrum (III) of the gain equalizer is the same as that of the gain equalizer (GEQ) virtually illustrated in the latter stage of the EDFA in FIG. Has a wavelength band.

(3)算出された利得等化器の損失スペクトル(III)を有する利得等化器(GEQ)を作製し、この利得等化器をカスケード型光ファイバ増幅器の中間段へ挿入して利得スペクトル(IV)を測定する。   (3) A gain equalizer (GEQ) having the calculated gain equalizer loss spectrum (III) is produced, and the gain equalizer is inserted into the intermediate stage of the cascade optical fiber amplifier to obtain the gain spectrum ( IV) is measured.

この測定された利得等化後の利得スペクトル(IV)は、上記(2)で算出した、目的の利得等化後のスペクトル(II)と一致する。   The measured gain spectrum (IV) after gain equalization coincides with the target spectrum (II) after gain equalization calculated in (2) above.

このように、カスケード型石英系EDFAの利得等化器の上記設計方法により得られた利得等化器は、設計時と実際に増幅器に組み込んだ場合で同じ利得等化スペクトルを与える(但し、損失媒体である利得等化器は、仮想的に記載した挿入位置と実際に挿入する中間段で位置が異なるため、利得等化器設計時(図1(a))と実際に組み込んだ時(図1(b))の励起光パワーは異なる。)。   Thus, the gain equalizer obtained by the above-described design method of the cascade-type quartz-based EDFA gain equalizer gives the same gain equalization spectrum at the time of design and when actually incorporated in an amplifier (however, loss The gain equalizer, which is a medium, differs in position between the virtually described insertion position and the actually inserted intermediate stage. Therefore, the gain equalizer is designed (FIG. 1 (a)) and actually incorporated (FIG. 1). The pumping light power of 1 (b) is different.)

2.カスケード型増幅器の利得等化器の設計に上記1.の方法を適用した場合
2−1.カスケード型TDFA
カスケード型石英系EDFAの利得等化器の設計方法を適用することができない増幅器の例として、カスケード型TDFAの例を挙げる。TDFAにおいて石英系EDFAの方法を適用した場合の概念図を図2に示す。上記1.の方法に従い、2段型TDFAに対する利得等化器を作製し(図2(a))、得られた利得等化器をカスケード型増幅器の中間段に挿入すると、目的の利得平坦化された利得スペクトルが得られない(図2(b))。
2. In designing a gain equalizer of a cascade amplifier, the above 1. 2. When the method is applied 2-1. Cascade type TDFA
As an example of an amplifier to which the design method of a cascade-type quartz-based EDFA gain equalizer cannot be applied, an example of a cascade-type TDFA is given. FIG. 2 shows a conceptual diagram when a quartz-based EDFA method is applied to TDFA. Above 1. The gain equalizer for the two-stage TDFA is manufactured according to the method (FIG. 2 (a)), and when the obtained gain equalizer is inserted in the intermediate stage of the cascade amplifier, the target gain flattened gain is obtained. A spectrum cannot be obtained (FIG. 2 (b)).

上記のように、TDFAで平坦化された利得スペクトルが得られない理由を、図3を参照しながら説明する。   The reason why a gain spectrum flattened by TDFA cannot be obtained as described above will be described with reference to FIG.

利得等化器を設計するためには目的の利得スペクトルを設定し、一定に保持することが必要であるが、そのためには増幅作用を発生する希土類イオンの増幅始準位および終準位のイオン密度を一定に保持する必要がある。即ち、増幅始準位のイオン密度をNとし、増幅終準位のイオン密度をNとした場合、N=一定およびN=一定となる必要がある。カスケード型石英系EDFAの利得等化器の設計方法で設計し、作製した利得等化器をカスケード型増幅器の増幅媒体または増幅器の間の位置に挿入すると後段の増幅媒体または増幅器への入力信号光パワーが変化し、各準位のイオン密度に変化が生じる。石英系EDFAの場合、図3(a)に示すように利得スペクトルを決定する上でイオン密度を考慮すべき準位(イオン密度をゼロに近似できない準位)が増幅始準位(13/2)と増幅終準位(15/2)の2つのみであるので、入力信号パワーが変化(図3(a)では増加した場合を示した)して各準位のイオン密度が変化したとしても(図3(a)(1)〜(2))、後段の増幅媒体または増幅器の励起光パワーを調整することにより1つの準位のイオン密度を所望値にすれば、もう1つの準位のイオン密度も所望値となる(図3(a)(2)〜(3))。例えば、励起光パワーを調整することにより増幅終準位のイオン密度Nが所望値に設定されれば、増幅始準位のイオン密度Nが所望の値に設定される(図3(a)、式(1))。 In order to design a gain equalizer, it is necessary to set the target gain spectrum and keep it constant. For this purpose, the ions of the amplification start level and end level of the rare earth ions that generate the amplification action are required. It is necessary to keep the density constant. That is, when the ion density of the amplification start level is N 1 and the ion density of the amplification end level is N 2 , N 1 = constant and N 2 = constant must be satisfied. When the gain equalizer designed by the method of designing a cascade type quartz EDFA gain equalizer is inserted in a position between the amplification medium of the cascade amplifier or between the amplifiers, the input signal light to the subsequent amplification medium or amplifier The power changes, and the ion density at each level changes. In the case of a quartz-based EDFA, as shown in FIG. 3A, the level at which the ion density should be considered in determining the gain spectrum (the level at which the ion density cannot be approximated to zero) is the amplification start level ( 3 I 13 / 2) and (because it is only two 3 I 15/2), the input signal power variation (FIGS. 3 (a) amplification final energy level exhibited when increased in) to ion density of each semi-position (FIGS. 3 (a) (1) to (2)), if the ion density of one level is set to a desired value by adjusting the pumping light power of the subsequent amplification medium or amplifier, The ion density of one level is also a desired value (FIGS. 3A, 2, and 3). For example, if the ion density N 2 at the final amplification level is set to a desired value by adjusting the pumping light power, the ion density N 1 at the first amplification level is set to a desired value (FIG. 3A ), Formula (1)).

Figure 0005144561
Figure 0005144561

一方、TDFAの場合、図3(b)に示すように、イオン密度を考慮すべき準位として、増幅始準位()と増幅終準位()の他にもう1つの準位()が存在する。このため、石英系EDFAで用いられるような励起光パワーの調整では各準位のイオン密度を一定に保持することができない。詳細に説明すると、入力信号光パワーが変化(図3(b)では増加した場合を示した)した場合(図3(b)(1)〜(2))、所望のNになるように励起光パワーを調整すると、アップコンバージョン励起の一段目()の励起速度も同時に変化し、基底準位のイオン密度(N)が変化する(図3(b)(2)〜(3))。その結果、増幅始準位()と増幅終準位()のイオン密度の総和(N+N)に変化が生じ、増幅終準位の所望値のイオン密度Nを得ることができない(図3(b)、式(2))。 On the other hand, in the case of TDFA, as shown in FIG. 3 (b), as the level that should consider the ion density, in addition to the amplification start level ( 3 H 4 ) and the amplification final level ( 3 F 4 ), there is another one. There are two levels ( 3 H 6 ). For this reason, the ion density of each level cannot be kept constant by adjusting the excitation light power as used in a quartz-based EDFA. More specifically, when the input signal light power is changed (shown in FIG. 3 (b) is increased) (FIG. 3 (b) (1) to (2)), the desired N 2 is obtained. When the pumping light power is adjusted, the pumping speed of the first stage ( 3 H 63 F 4 ) of the up-conversion pumping also changes at the same time, and the ion density (N 0 ) of the ground level changes (FIG. 3B ( 2) to (3)). As a result, the total ion density of the amplification start level (3 H 4) and the amplification final energy level (3 F 4) (N 1 + N 2) to change occurs, the ion density N 1 of the desired values of the amplification final energy level Cannot be obtained (FIG. 3B, equation (2)).

Figure 0005144561
Figure 0005144561

図4は、2段のカスケード型TDFAにおいて波長無依存の可変光減衰器(ATT)をTDFAの中間段に挿入し、可変光減衰器の損失値を変えることで後段の増幅器への入力信号光パワーを変化させたときに、前段と後段のそれぞれのツリウム添加光ファイバ単体での利得を合算した利得スペクトルである。1482nmの利得が一致するように後段光ファイバへの励起光パワーを調整した。石英系EDFAのようにイオン密度を考慮すべき準位が2つのみであれば、励起光パワーを調節すれば測定した波長帯域(1480〜1510nm)で可変光減衰器の損失値を変えても同一の利得スペクトルが得られる。しかしながら、カスケード型TDFAでは、図4から分かるように可変光減衰器の損失値が増加するに従い、長波長側の利得が減少しており、同一の利得スペクトルが得られなかった。これは、カスケード型TDFAでは、カスケード型石英系EDFAの設計方法により得られた利得等化器を用いて、増幅始準位および増幅終準位のイオン密度を所望値にすることができないことを表している。つまり、カスケード型TDFAにカスケード型石英系EDFAの利得等化器の設計方法は適用できないのである。   FIG. 4 shows a case where a wavelength-independent variable optical attenuator (ATT) is inserted in the intermediate stage of the TDFA in a two-stage cascaded TDFA, and the loss value of the variable optical attenuator is changed to input signal light to the subsequent amplifier. When the power is changed, the gain spectrum is a sum of the gains of the thulium-doped optical fibers of the former stage and the latter stage. The pumping light power to the subsequent optical fiber was adjusted so that the gains of 1482 nm coincided. If there are only two levels for which the ion density should be considered, such as a quartz-based EDFA, the loss value of the variable optical attenuator can be changed in the measured wavelength band (1480-1510 nm) by adjusting the excitation light power. The same gain spectrum is obtained. However, in the cascade type TDFA, as can be seen from FIG. 4, as the loss value of the variable optical attenuator increases, the gain on the long wavelength side decreases, and the same gain spectrum cannot be obtained. This is because in cascaded TDFA, the gain equalizer obtained by the design method of cascaded quartz-based EDFA cannot be used to set the ion density of the amplification start level and amplification end level to a desired value. Represents. That is, the design method of the gain equalizer of the cascade type quartz EDFA cannot be applied to the cascade type TDFA.

2−2.カスケード型フッ化物EDFA
次に、カスケード型石英系EDFAの利得等化器の設計方法を適用することができない増幅器の例として、カスケード型フッ化物EDFAの例を挙げる。この例において、カスケード型石英系EDFAの方法を適用した場合について図5を参照して説明する。カスケード型フッ化物EDFAについての、図2に示した利得等化器設計時の利得スペクトルの挙動については、カスケード型TDFAと同じであるので、ここでは増幅状態におけるイオン密度についてのみ対比させる。図5は、0.98μmの励起光を用いた場合に、基底準位の15/2から11/2へ励起したときの結果を示す。石英系EDFAでは11/2から13/2への緩和率が非常に高いためNはほぼゼロになる。そのため、イオン密度を考慮すべき準位は2つ(12/315/2)である。一方、フッ化物EDFAでは11/2から13/2への緩和率が小さいため、Nのイオン密度を無視できなくなる。つまり、フッ化物EDFAではイオン密度を考慮すべき準位は3つ(11/212/3および15/2)となる。従って、カスケード型フッ化物EDFAはカスケード型TDFAと同様に、カスケード型石英系EDFAの利得等化器設計方法を適用することができない。
2-2. Cascade type fluoride EDFA
Next, an example of a cascade type fluoride EDFA will be given as an example of an amplifier to which the cascade equalizer type EDFA gain equalizer design method cannot be applied. In this example, the case of applying the cascade type quartz EDFA method will be described with reference to FIG. Since the behavior of the gain spectrum when designing the gain equalizer shown in FIG. 2 for the cascade type fluoride EDFA is the same as that of the cascade type TDFA, only the ion density in the amplified state is compared here. FIG. 5 shows a result of excitation from the ground level of 4 I 15/2 to 4 I 11/2 when 0.98 μm excitation light is used. In the quartz-based EDFA, the relaxation rate from 4 I 11/2 to 4 I 13/2 is so high that N 3 is almost zero. For this reason, there are two levels ( 4 I 12/3 and 4 I 15/2 ) for which the ion density should be considered. On the other hand, in fluoride EDFA, since the relaxation rate from 4 I 11/2 to 4 I 13/2 is small, the ion density of N 3 cannot be ignored. That is, in the fluoride EDFA, there are three levels ( 4 I 11/2 , 4 I 12/3 and 4 I 15/2 ) for which the ion density should be considered. Therefore, the cascade type fluoride EDFA cannot apply the gain equalizer design method of the cascade type quartz EDFA, similarly to the cascade type TDFA.

3.本発明のカスケード型増幅器の利得等化器の設計方法
上述のように、カスケード型増幅器の励起状態や増幅状態においてイオン密度を考慮すべき準位(イオン密度を0に近似できない準位)が3つ以上あるカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器では、後段の増幅媒体または増幅器への入力信号光パワーが変化すると、増幅始準位と終準位のイオン密度の総和量が変化する。このため、利得等化器を挿入しない状態の利得スペクトルから利得等化器を設計するのは困難である。そこで、本発明は、利得等化器の設計時と利得等化器の挿入時で後段の増幅媒体または増幅器への入力信号光パワーが変化しないようにすることで上記問題を解決した新たな利得等化器の設計方法を提案するものである。
3. 3. Method for Designing Cascade Amplifier Gain Equalizer of the Present Invention As described above, there are three levels (levels where the ion density cannot be approximated to zero) in which the ion density is considered in the excited state or amplified state of the cascade amplifier. In one or more cascaded rare earth-doped optical fiber amplifiers, when the input signal light power to the subsequent amplification medium or amplifier changes, the total amount of the ion density of the amplification start level and the final level changes. For this reason, it is difficult to design a gain equalizer from a gain spectrum in a state where no gain equalizer is inserted. Therefore, the present invention provides a new gain that solves the above problem by preventing the input signal light power to the subsequent amplification medium or amplifier from changing when the gain equalizer is designed and when the gain equalizer is inserted. An equalizer design method is proposed.

本発明では、利得等化器を設計する際に、カスケード型増幅器の利得等化器の設置位置に利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器を用いる。このような可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器で、以下の過程i)〜v)を実施し、利得等化器の損失スペクトルの形状と波長帯域を求める。   In the present invention, when designing the gain equalizer, a cascade type rare earth doped optical fiber amplifier in which a variable optical attenuator is inserted in place of the gain equalizer at the installation position of the gain equalizer of the cascade type amplifier is used. The following processes i) to v) are carried out with a cascade type rare earth doped optical fiber amplifier in which such a variable optical attenuator is inserted, and the shape and wavelength band of the loss spectrum of the gain equalizer are obtained.

i) 前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりWDM信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ii) 所望の波長帯域において、i)で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のWDM信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の2条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
iii) (a)計算上の利得等化後の利得スペクトルを、i)で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和(dB換算)にii)で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差(dB換算)をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
(b)前記ii)で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
iv)前記iii)の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
v)目的の利得等化帯域が得られるまで上記i)〜iv)の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること。
i) WDM signal light is input from the signal light input section of a cascade type rare earth doped optical fiber amplifier in which a variable optical attenuator is inserted in place of the gain equalizer at the installation position of the gain equalizer, and the gain spectrum is measured. To do,
ii) Having a spectral shape of the gain spectrum measured in i) in a desired wavelength band, and loss with respect to the total power of the WDM signal light when passing through the variable optical attenuator passes through the gain equalizer. Deriving the loss spectrum of the gain equalizer that satisfies the two conditions of being equal to the loss of time,
iii) (a) The gain spectrum after gain equalization in calculation is the sum of the gain spectrum measured in i) and the loss spectrum of the variable optical attenuator (converted in dB) to the gain equalizer derived in ii) Defining a difference from the loss spectrum (dB conversion) and deriving a calculated gain equalization band from the gain spectrum after gain equalization derived by this definition, or
(B) deriving a calculated gain equalization band from the loss spectrum derived in ii);
To calculate a calculated gain equalization band, and compare the calculated gain equalization band with a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier. Determining whether or not a gain equalization band of a predetermined gain equalization band set in advance for a cascaded amplifier matches.
iv) As a result of the comparison of iii), when the calculated gain equalization band is narrower than a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier, the variable optical attenuator Increasing the loss and reducing the loss of the variable optical attenuator if wider than the desired gain equalization band;
v) Repeat the above steps i) to iv) until the desired gain equalization band is obtained, and determine the shape of the loss spectrum of the gain equalizer and the gain equalization band.

ここで、上記過程iii)において目的の利得等化帯域を算出する際の、i)で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和は、dB換算による場合であり、透過率換算による場合は積となる。また、上記和とii)で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差は、dB換算による場合であり、透過率換算による場合は除となる。本明細書の説明では、dB換算による場合を説明するが、本発明は透過率換算による場合も包含する。   Here, the sum of the gain spectrum measured in i) and the loss spectrum of the variable optical attenuator when calculating the target gain equalization band in the above step iii) is based on dB conversion, and is converted to transmittance. If it is, it is a product. Further, the difference between the above sum and the loss spectrum of the gain equalizer derived in ii) is based on the dB conversion, and is excluded when the transmittance conversion is performed. In the description of the present specification, the case of conversion by dB is described, but the present invention includes the case of conversion by transmittance.

上記各過程について図6および図7を参照して詳述する。図6は本発明の設計方法の概念を示すフロー図である。また、図7はその設計の手順(上記i)〜v))を説明するための概略図である。図7は2段型の場合を示す。   Each of the above processes will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 6 is a flowchart showing the concept of the design method of the present invention. FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the design procedure (i) to v)). FIG. 7 shows the case of a two-stage type.

まず、図7(a)に示すように、カスケード型増幅器の増幅媒体または増幅器(図7でアンプと表示した)の間に利得等化器を仮想した可変光減衰器(当技術分野ではATTまたはVOAとも称される)を挿入した増幅器を準備する(本明細書では、このカスケード型増幅器の増幅媒体の間に可変光減衰器(ATT)を挿入したものをATT挿入増幅器とも称する。)。   First, as shown in FIG. 7 (a), a variable optical attenuator (ATT or ATT in the art) in which a gain equalizer is assumed between the amplifying medium or amplifier of a cascade amplifier (denoted as amplifier in FIG. 7). An amplifier in which a VOA is also inserted is prepared (in this specification, a variable optical attenuator (ATT) inserted between amplification media of the cascade amplifier is also referred to as an ATT insertion amplifier).

次に、図6に示すように、設計を開始(S602)し、ATT挿入増幅器のATT値および励起光パワーを調製する(S604)。ATTの最初の損失スペクトルとして、所望の損失スペクトル(I)を設定する。このATTの損失スペクトル(I)は、所望のカスケード型増幅器の利得等化帯域から所望値が任意に設定される。   Next, as shown in FIG. 6, the design is started (S602), and the ATT value and pumping light power of the ATT insertion amplifier are prepared (S604). A desired loss spectrum (I) is set as the first loss spectrum of ATT. The loss spectrum (I) of the ATT is arbitrarily set to a desired value from the gain equalization band of the desired cascade amplifier.

(A)過程i)
ATTの損失スペクトル(I)を調整した後のATT挿入増幅器に信号光入力部よりWDM信号光を入力し、利得スペクトル(II)を測定する(図6、S606)。
(A) Process i)
The WDM signal light is input from the signal light input unit to the ATT insertion amplifier after adjusting the loss spectrum (I) of the ATT, and the gain spectrum (II) is measured (FIG. 6, S606).

(B)過程ii)
過程ii)は、利得等化器の損失スペクトルの形状を特定する。
(B) Process ii)
Process ii) identifies the shape of the loss spectrum of the gain equalizer.

具体的には、所望の波長帯域において、i)で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、可変光減衰器を通過する時のWDM信号光の総パワーに対する損失が、設計される利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の2条件を満たす、利得等化器の損失スペクトル(III)を導出する(図6、S608)。利得等化器の損失スペクトルは、以下の手順により算出される。   Specifically, in the desired wavelength band, having the spectrum shape of the gain spectrum measured in i), the loss with respect to the total power of the WDM signal light when passing through the variable optical attenuator is designed for gain equalization The loss spectrum (III) of the gain equalizer that satisfies the two conditions of being equal to the loss when passing through the filter is derived (FIG. 6, S608). The loss spectrum of the gain equalizer is calculated by the following procedure.

可変光減衰器を使用したときの可変光減衰器から出力されるn波のWDM信号の総出力信号光パワーをPtotal−ATT(図7(a)のA点の総出力信号光パワー。実測またはATTの損失から求められる。)、利得等化器を使用したときの利得等化器から出力されるn波のWDM信号の総出力信号光パワーをPtotal−GEQとすると、下式(3)〜(5)となる。これにより、WDM信号が可変光減衰器を通過時に発生する総信号パワーに対する損失が、利得等化器を通過時の損失と一致しかつ、上記i)で測定した利得スペクトル(II)の所望の波長帯域のスペクトル形状と等しくなるように利得等化器の損失スペクトル(III)を導出できる。 When the variable optical attenuator is used, the total output signal optical power of the n-wave WDM signal output from the variable optical attenuator is P total-ATT (the total output signal optical power at point A in FIG. 7A. Or obtained from the loss of ATT.) When the total output signal optical power of the n-wave WDM signal output from the gain equalizer when using the gain equalizer is P total-GEQ , the following equation (3 ) To (5). Thereby, the loss with respect to the total signal power generated when the WDM signal passes through the variable optical attenuator matches the loss when passing through the gain equalizer, and the desired gain spectrum (II) measured in i) above is obtained. The loss spectrum (III) of the gain equalizer can be derived so as to be equal to the spectrum shape of the wavelength band.

Figure 0005144561
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ここでP(λ)は可変光減衰器もしくは利得等化器に入力されるi番目のWDM信号光のパワー(単位:dBm)、Lは波長無依存の可変光減衰器の損失(単位:dB)、M(λ)はi番目のWDM信号波長位置における利得等化器の損失(単位:dB)、Gflatは利得等化後の各信号波長の利得、G(λ)は設計段階で可変光減衰器を挿入したときのカスケード型増幅器全体におけるi番目のWDM信号の利得(単位;dB)である。 Here, P si ) is the power (unit: dBm) of the i-th WDM signal light input to the variable optical attenuator or gain equalizer, and L is the loss (unit: wavelength-independent variable optical attenuator). : DB), M (λ i ) is the loss of the gain equalizer at the i-th WDM signal wavelength position (unit: dB), G flat is the gain of each signal wavelength after gain equalization, and G (λ i ) is This is the gain (unit: dB) of the i-th WDM signal in the entire cascade amplifier when the variable optical attenuator is inserted at the design stage.

M(λ)の算出は、上記設計手順i)でL(可変光減衰器の損失値。図7(a)の(I))を設定後、任意に設定したGflatより得られるM(λ)がPtotal−ATT=Ptotal−GEQを成立させるまでGflatを調整することで算出される。ここで、G(λ)は手順i)で測定される可変光減衰器を挿入したときのカスケード型増幅器全体におけるi番目のWDM信号の利得(図7(a)の(II)のi番目のWDM信号の利得)に相当する。上記の算出結果のM(λ)それぞれから、利得等化器の損失スペクトル(III)が算出さ、利得等化器の損失スペクトルの形状が特定できる。 Calculation of M (lambda i) after setting the design procedure i) with L (variable optical attenuator loss values. FIGS. 7 (a) of (I)), obtained from G flat set arbitrarily M ( λ i ) is calculated by adjusting G flat until P total−ATT = P total−GEQ is satisfied. Here, G (λ i ) is the gain of the i-th WDM signal in the entire cascade amplifier when the variable optical attenuator measured in step i) is inserted (i-th in (II) of FIG. 7A). WDM signal gain). From each M (λ i ) of the above calculation result, the loss spectrum (III) of the gain equalizer is calculated, and the shape of the loss spectrum of the gain equalizer can be specified.

本発明において、総信号パワーに対する損失を対象とするのは、利得スペクトルの形状を反映する利得等化器の損失スペクトルと波長無依存の可変光減衰器の波長無依存の損失とでは損失スペクトル形状が異なるので、単純に損失の積分値を等しくしても後段アンプへ出力される総信号光パワーは等しくならないことによる。   In the present invention, the loss with respect to the total signal power is targeted for the loss spectrum shape between the loss spectrum of the gain equalizer reflecting the shape of the gain spectrum and the wavelength-independent loss of the wavelength-independent variable optical attenuator. Therefore, even if the integrated values of the losses are simply made equal, the total signal light powers output to the subsequent amplifiers are not equal.

可変光減衰器から出力するWDM信号光のパワーの代わりに、可変光減衰器に入力するWDM信号光パワー(P(λ))を測定し、式(3)〜(5)を用いて本発明の利得等化器を設計することが可能である。また、上記の本発明の説明では、可変光減衰器の損失特性が波長無依存のものを用いているが、可変時の損失特性を把握することができるならば、式(5)のL値を波長ごとに設定して、本発明の利得等化器を設計することも可能である。 Instead of the power of the WDM signal light output from the variable optical attenuator, the WDM signal light power (P si )) input to the variable optical attenuator is measured, and the equations (3) to (5) are used. It is possible to design the gain equalizer of the present invention. In the above description of the present invention, the loss characteristic of the variable optical attenuator is a wavelength-independent one. However, if the loss characteristic at the time of variable can be grasped, the L value of Expression (5) is used. It is also possible to design the gain equalizer of the present invention by setting for each wavelength.

(C)過程iii)
過程iii)では、利得等化器の波長帯域を導出する(図6、S610)。本発明では波長帯域の導出に2つの手法を用いることができる。
(C) Process iii)
In step iii), the wavelength band of the gain equalizer is derived (FIG. 6, S610). In the present invention, two methods can be used for deriving the wavelength band.

第一の手順では、(a)計算上の利得等化後の利得スペクトルを、i)で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和(dB換算)にii)で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差(dB換算)をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出する。   In the first procedure, (a) the gain spectrum derived by ii) is calculated as the sum (dB conversion) of the gain spectrum measured in i) and the loss spectrum of the variable optical attenuator after the gain equalization in calculation (a). A difference (dB conversion) from the loss spectrum of the equalizer is defined as a value, and a calculated gain equalization band is derived from the gain spectrum after gain equalization derived by this definition.

具体的な導出手順を、図7により説明する。上記過程i)で測定した利得スペクトル(II)に可変光減衰器の損失スペクトル(I)を加算(dB換算)し、可変光減衰器の損失を含まない利得スペクトル((I)+(II))を算出する。この(I)+(II)で得られる利得スペクトルは、可変光減衰器を除いた前段と後段の増幅媒体または増幅器の利得スペクトルを足したもの(dB換算)に相当する。次に、この(I)+(II)で表される可変光減衰器の損失を含まない利得スペクトルと上記過程ii)で導出した利得等化器の損失スペクトル(III)から、予想される利得等化後の利得スペクトルを下式(6)として定義する。
利得等化後の利得スペクトル(dB)=(I)+(II)−(III) (6)
A specific derivation procedure will be described with reference to FIG. The loss spectrum (I) of the variable optical attenuator is added (dB conversion) to the gain spectrum (II) measured in the above step i), and the gain spectrum ((I) + (II) not including the loss of the variable optical attenuator) ) Is calculated. The gain spectrum obtained by (I) + (II) corresponds to a gain spectrum (dB conversion) obtained by adding the gain spectrum of the preceding stage and the subsequent stage amplification medium or amplifier excluding the variable optical attenuator. Next, an expected gain is calculated from the gain spectrum not including the loss of the variable optical attenuator represented by (I) + (II) and the loss spectrum (III) of the gain equalizer derived in the above process ii). The gain spectrum after equalization is defined as the following equation (6).
Gain spectrum after gain equalization (dB) = (I) + (II) − (III) (6)

この式(6)は、図7(b)の利得等化後の利得スペクトル(IV)を導き出すことに相当する。即ち、図7に示されるように、可変光減衰器の損失を含まない利得スペクトル((I)+(II))から利得等化器の損失スペクトル(III)を差し引くことにより、利得等化後の利得スペクトル(IV)を求める。この利得スペクトル(IV)の平坦化された部分の波長の下限および上限値から利得等化帯域を求める。   This equation (6) corresponds to deriving the gain spectrum (IV) after gain equalization in FIG. That is, as shown in FIG. 7, after gain equalization, the loss spectrum (III) of the gain equalizer is subtracted from the gain spectrum ((I) + (II)) not including the loss of the variable optical attenuator. The gain spectrum (IV) is obtained. A gain equalization band is obtained from the lower limit and the upper limit of the wavelength of the flattened portion of the gain spectrum (IV).

なお、本明細書において、「利得等化帯域」とは、利得等化を行う波長の下限値から上限値の波長範囲を含めた概念をいう。具体的に、例えば1480〜1510nmの利得等化帯域といった場合、「利得等化帯域」は、30nmの帯域幅に加えて、下限値1480nmと上限値1510nmの間の波長範囲を含めた概念をいう。   In the present specification, the “gain equalization band” refers to a concept including a wavelength range from a lower limit value to an upper limit value of a wavelength at which gain equalization is performed. Specifically, for example, in the case of a gain equalization band of 1480 to 1510 nm, “gain equalization band” refers to a concept including a wavelength range between a lower limit value 1480 nm and an upper limit value 1510 nm in addition to a bandwidth of 30 nm. .

第二の手順では、(b)上記ii)で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出する。具体的には、上記ii)で導出された利得等化器の損失スペクトル(例えば、図7(a)の(III)の損失スペクトル)は、上記式(3)〜(5)からわかるように、その損失スペクトルの形状と、利得等化を行う波長範囲、即ち利得等化帯域を有している。従って、ii)で得られた損失スペクトルから、利得等化器の利得等化帯域を求めることができる。   In the second procedure, (b) a calculated gain equalization band is derived from the loss spectrum derived in ii) above. Specifically, the loss spectrum of the gain equalizer derived in the above ii) (for example, the loss spectrum of (III) in FIG. 7A) can be seen from the above formulas (3) to (5). The shape of the loss spectrum and the wavelength range for gain equalization, that is, the gain equalization band. Therefore, the gain equalization band of the gain equalizer can be obtained from the loss spectrum obtained in ii).

上述の第一または第二の手順のいずれかで求めた計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定する(図6、S612)。カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域とは、設計したい利得等化器に求められる利得等化帯域であり、カスケード型増幅器に設定する利得等化器の特性として予め設定される目標値である。   Comparing the calculated gain equalization band obtained by either the first or second procedure described above with a desired gain equalization band preset for the cascade amplifier, and calculating the gain equalization It is determined whether or not a desired gain equalization band preset for the cascade amplifier matches the band (FIG. 6, S612). The desired gain equalization band set in advance for the cascade amplifier is a gain equalization band required for the gain equalizer to be designed, and is preset as a characteristic of the gain equalizer set for the cascade amplifier. Target value.

(D)過程iv)
前記iii)の比較の結果、比較した計算上の利得等化帯域がカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と一致する場合は、上記ii)で得られた利得等化器の損失スペクトルの形状と、上記iii)で得られた利得等化帯域を、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域とする(図6、S614)。
(D) Process iv)
If, as a result of the comparison in iii), the compared calculated gain equalization band matches the desired gain equalization band preset for the cascade amplifier, the gain equalization obtained in ii) above The shape of the loss spectrum of the equalizer and the gain equalization band obtained in iii) above are defined as the shape of the loss spectrum of the gain equalizer and the gain equalization band (FIG. 6, S614).

一方、所望の利得等化帯域と一致しない場合は、比較した計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭ければ該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広ければ可変光減衰器の損失を低下させる。   On the other hand, if the calculated gain equalization band is not equal to the desired gain equalization band, the variable optical attenuator if the calculated gain equalization band is narrower than the desired gain equalization band preset for the cascade amplifier. The loss of the variable optical attenuator is reduced if the loss is wider than the desired gain equalization band.

(E)過程v)
可変光減衰器の損失を調整したATT挿入増幅器により上記i)〜iv)を、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するまで繰り返す(図6、S612のNO)。
(E) Process v)
The above i) to iv) are repeated by the ATT insertion amplifier in which the loss of the variable optical attenuator is adjusted until the calculated gain equalization band matches the desired gain equalization band preset for the cascade amplifier. (FIG. 6, NO in S612).

本発明では、上記i)〜v)の過程により得られた損失スペクトルの形状および利得等化帯域を有する利得等化器を作製する。   In the present invention, a gain equalizer having the shape of the loss spectrum and the gain equalization band obtained by the processes i) to v) is manufactured.

目的の利得等化帯域を有する利得等化器の作製は、従来の方法を適用すればよい。例えば、(非特許文献2)などに開示された方法を用いることができ、これらの方法に上記過程により得られた損失スペクトルの形状と利得等化帯域を有するように設定すればよい。   A conventional method may be applied to manufacture a gain equalizer having a target gain equalization band. For example, the methods disclosed in (Non-Patent Document 2) can be used, and these methods may be set so as to have the shape of the loss spectrum and the gain equalization band obtained by the above process.

作製された利得等化器を用いることでカスケート型希土類添加光ファイバ増幅器の利得平坦化を実現する。また、本発明の方法で利用可能な可変光減衰器は、計算の容易性から波長特性が平坦なものが望ましい。例えば、使用可能な可変光減衰器には以下のものを挙げることができる。機械式の可変光減衰器の例として、ファイバ間の光ビーム結合中に透過損失分布のついた減衰板を挿入し、減衰版を移動させる方式のもの、ファイバ間のギャップを可変させる方式のもの等がある。また、非機械式の例として、電気光学効果を用いたもの、磁気光学効果を用いたもの、熱光学効果を用いたもの等がある。   The gain flattening of the caskate-type rare earth doped optical fiber amplifier is realized by using the manufactured gain equalizer. The variable optical attenuator that can be used in the method of the present invention preferably has a flat wavelength characteristic for ease of calculation. For example, the following variable optical attenuators can be used. Examples of mechanical variable optical attenuators include a method in which an attenuation plate with a transmission loss distribution is inserted during optical beam coupling between fibers and the attenuation plate is moved, and a method in which the gap between fibers is variable Etc. Non-mechanical examples include those using an electro-optic effect, those using a magneto-optic effect, and those using a thermo-optic effect.

また、上記過程iii)で利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことで、更に設計精度を高めることが好ましい。補正関数は、例えば図8に示すような関数を上げることができ、実験値より導き出すことができる。具体的には、利得等化器の損失スペクトルがずれた場合に、すれが生じた値を測定しておき、補正関数としてプロットしておけばよい。なお、図8に示した補正関数は1例であり、条件等により様々に変化する。   In addition, it is preferable to further improve the design accuracy by incorporating a correction function when deriving the gain spectrum after gain equalization in the step iii). The correction function can be raised as shown in FIG. 8, for example, and can be derived from experimental values. Specifically, when the loss spectrum of the gain equalizer is deviated, the value at which the blur has occurred is measured and plotted as a correction function. Note that the correction function shown in FIG. 8 is an example and varies depending on conditions and the like.

上述した本発明の設計方法においては、自動化が可能である。例えば、可変光減衰器としてコンピュータ制御が可能な光アッテネータ(ATT)を用い、利得スペクトルの検出器として光スペクトラムアナライザを用い、および、利得等化後の利得スペクトルを導出するためにコンピュータを用いることで設計を自動化することが可能である。また、上記補正関数をコンピュータや電子回路へ組み込んで自動化することもできる。   The design method of the present invention described above can be automated. For example, using a computer-controllable optical attenuator (ATT) as a variable optical attenuator, using an optical spectrum analyzer as a gain spectrum detector, and using a computer to derive a gain spectrum after gain equalization It is possible to automate the design. The correction function can also be automated by incorporating it into a computer or electronic circuit.

上記の説明は、カスケード型増幅器が2段であり、この2段の間に利得等化器が設置される例であったが、本発明の設計方法は、3段以上の多段カスケード型増幅器、即ち3以上の増幅媒体または増幅器を含み、複数の利得等化器を含む場合であっても適用することができる。例えば、WDM信号入力側の利得等化器から順に上記設計方法を適用して、所望の利得等化帯域を有する利得等化器を設計すればよい。   The above description is an example in which the cascade amplifier has two stages, and the gain equalizer is installed between the two stages. However, the design method of the present invention is a multistage cascade amplifier having three or more stages, In other words, the present invention can be applied even when three or more amplification media or amplifiers are included and a plurality of gain equalizers are included. For example, a gain equalizer having a desired gain equalization band may be designed by applying the design method in order from the gain equalizer on the WDM signal input side.

本発明において、増幅媒体または増幅器には、上述のように、カスケード型増幅器の励起状態や増幅状態においてイオン密度を考慮すべき準位(イオン密度を0に近似できない準位)が3つ以上あるものであれば、本発明の方法を適用することができる。カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の例としては、例えば、非特許文献3に記載のものを挙げることができ、具体的には、例えば以下のホストガラスと希土類イオンの組み合わせにおいて、励起状態もしくは増幅状態でイオン密度を考慮すべき準位(イオン密度を0に近似できない準位)が3つ以上あるものを挙げることができる。   In the present invention, as described above, the amplification medium or amplifier has three or more levels (levels in which the ion density cannot be approximated to 0) in consideration of the ion density in the excitation state or amplification state of the cascade amplifier. Any method can be applied to the method of the present invention. Examples of cascade-type rare earth-doped optical fiber amplifiers include those described in Non-Patent Document 3, and specifically, for example, in a combination of the following host glass and rare earth ions, an excited state or an amplified state There are three or more levels in which the ion density should be taken into consideration (levels where the ion density cannot be approximated to 0).

ホストガラスの種類:テルライトガラス、ゲルマン酸塩ガラス、フッ化物ガラス、カルコゲナイドガラス、フツ燐酸ガラス。   Types of host glass: tellurite glass, germanate glass, fluoride glass, chalcogenide glass, fluorophosphate glass.

希土類イオンの種類:Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+等。 Kinds of rare earth ions: Tb 3+ , Dy 3+ , Ho 3+ , Er 3+ , Tm 3+ , Yb 3+ , Pr 3+ , Nd 3+ , Pm 3+ , Sm 3+ , Eu 3+ and the like.

更に、後述する表1に示す増幅媒体を含むものを挙げることができる。   Furthermore, the thing containing the amplification medium shown in Table 1 mentioned later can be mentioned.

なお、本発明のカスケード型増幅器には、増幅媒体を励起するための励起手段、光アッテネータ(利得等化器設計時に用いるものとは役割の異なるもの)、アイソレータ、波長多重カプラ、励起光源等の従来の手段を含むことができる。   The cascade amplifier according to the present invention includes a pumping means for pumping the amplification medium, an optical attenuator (having a role different from that used when designing the gain equalizer), an isolator, a wavelength multiplexing coupler, a pumping light source, etc. Conventional means may be included.

次に、イオン密度を考慮すべき準位について更に詳細に説明する。励起状態や増幅状態におけるイオン密度は、各準位の緩和率に大きく影響を受ける。緩和率が非常に大きい準位ではイオンが下準位へすぐ緩和するため、その準位のイオン密度がほぼ0(ゼロ)になり、その準位のイオン密度を無視して増幅器の増幅特性を議論することができる。一方、緩和率の小さい準位では、その準位にイオンが留まる時間が長くなり、イオン密度が高くなる。そのため、その準位のイオン密度を考慮して議論しなければならない。そこで、本明細書では、後者の場合を、イオン密度を考慮すべき準位(本明細書内で、イオン密度を0に近似できない準位、あるいは、増幅に関与する準位とも称する。)として定義している。緩和率は希土類イオンの種類、遷移準位のエネルギー間隔、ホストガラスの種類等によっても大きく異なる。このため、上述したように、同じEDFA(0.98μm励起時)であっても、ホストガラスが石英ガラスの場合にはイオン密度を考慮すべき準位は2つ(13/215/2)であるのに対し、フッ化物ガラスの場合には3つ(11/213/215/2)となる。図9に0.98μm励起EDFAにおいて、11/2の緩和率に対して石英系EDFAの利得等化器の設計方法を適用して作製した利得等化器を、カスケード型光ファイバ増幅器に組み込んで測定した利得偏差(所望帯域の利得平坦性を示す。設計では利得偏差0になるようにしているので設計値からのずれに相当する。)をプロットした図を示す。緩和率は発光緩和率(自然放出率ともいう)と非発光緩和率の合計で定義され、測定可能な場合、実測値の蛍光寿命の逆数に等しい。以下に緩和率の式(7)を示す。 Next, the levels for which the ion density should be considered will be described in more detail. The ion density in the excited state or amplified state is greatly affected by the relaxation rate of each level. At a level with a very high relaxation rate, ions immediately relax to the lower level, so that the ion density at that level becomes almost zero, and the amplification characteristic of the amplifier is ignored by ignoring the ion density at that level. Can be discussed. On the other hand, in a level with a low relaxation rate, the time during which ions remain in the level becomes longer and the ion density becomes higher. Therefore, discussion must be made in consideration of the ion density of the level. Therefore, in the present specification, the latter case is referred to as a level where ion density should be considered (in this specification, a level where the ion density cannot be approximated to 0 or a level involved in amplification). Defined. The relaxation rate varies greatly depending on the type of rare earth ions, the energy interval between transition levels, the type of host glass, and the like. For this reason, as described above, even if the same EDFA (at 0.98 μm excitation), when the host glass is quartz glass, there are two levels ( 4 I 13/2 , 4 I 15/2 ), but in the case of fluoride glass, there are three ( 4 I 11/2 , 4 I 13/2 , 4 I 15/2 ). In FIG. 9, a 0.98 μm-pumped EDFA is obtained by applying a gain equalizer manufactured by applying a quartz EDFA gain equalizer design method to a relaxation rate of 4 I 11/2 to a cascade type optical fiber amplifier. The figure which plotted the gain deviation (The gain flatness of a desired zone | band is shown. Since it is trying for the gain deviation to be 0 in the design is equivalent to the deviation | shift from a design value) is shown. The relaxation rate is defined as the sum of the emission relaxation rate (also referred to as spontaneous emission rate) and the non-emission relaxation rate, and when it can be measured, it is equal to the reciprocal of the fluorescence lifetime of the actual measurement value. The relaxation rate formula (7) is shown below.

Figure 0005144561
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τは、実測値の蛍光寿命を表し、τはJ−O解析(非特許文献4または非特許文献5)で得られる蛍光寿命(この値の逆数は、発光緩和率を示す)であり、WNRは非発光緩和率である。図9から分かるように緩和率が1.0×10−1より小さくなると利得偏差が急激に大きくなっている(例:フッ化物ガラスでは2dB程度)。これは、11/2のイオン密度を無視できない状態であることによる。従って、1.0×10−1より小さい緩和率では石英系EDFAの利得等化器の設計方法を適用できない。これは、エルビウム(Er)以外の希土類イオンで緩和率が高い遷移(エネルギー間隔等に依存)が増幅に関与する場合や非発光緩和率の低いガラス(フォノンエネルギーの低いガラス、例:カルコゲナイドガラス、フッ化物ガラス等)をホストガラスに用いるような光ファイバ増幅器、即ち、励起状態及び増幅状態のときにイオン密度を考慮すべき準位が3つ以上となる光ファイバ増幅器においても同様の傾向になる。例えば、先の例で説明したTDFAの場合(フッ化物ガラスをホストガラスに用いた場合)は、増幅の始準位()が700s−1、増幅の終準位が100s−1程度の緩和率であり、増幅始準位、増幅終準位、基底準位の3つ準位にイオン密度が分布する。本発明の設計方法は、上記のような緩和率を有するカスケード型増幅器の利得等化器の設計方法として期待される。 τ m represents the measured fluorescence lifetime, and τ R is the fluorescence lifetime obtained by JO analysis (Non-Patent Document 4 or Non-Patent Document 5) (the reciprocal of this value indicates the emission relaxation rate). , WNR is the non-light emission relaxation rate. As can be seen from FIG. 9, when the relaxation rate becomes smaller than 1.0 × 10 4 s −1 , the gain deviation increases rapidly (eg, about 2 dB for fluoride glass). This is because the ion density of 4 I 11/2 cannot be ignored. Therefore, a design method for a gain equalizer of a quartz-based EDFA cannot be applied with a relaxation rate smaller than 1.0 × 10 4 s −1 . This is because rare earth ions other than erbium (Er) have a high relaxation rate (depending on the energy interval, etc.) involved in amplification, or a glass with a low non-luminescence relaxation rate (a glass with a low phonon energy, eg, a chalcogenide glass The same tendency is observed in optical fiber amplifiers using fluoride glass or the like as host glass, that is, optical fiber amplifiers having three or more levels that should be considered for ion density in the excited state and the amplified state. . For example, in the case of the TDFA described in the previous example (when fluoride glass is used as the host glass), the amplification initial level ( 3 H 4 ) is 700 s −1 and the amplification final level is about 100 s −1. The ion density is distributed in three levels of an amplification start level, an amplification end level, and a ground level. The design method of the present invention is expected as a design method for a gain equalizer of a cascade amplifier having the above-described relaxation rate.

更に、図10に信号光から励起光への変換効率の緩和率依存性(TDFAの場合)を示す。緩和率が1×10−1付近までは変換効率が上昇している。従って、1×l0−1以下の増幅媒体、例えばツリウム添加フッ化物ファイバなどの本発明のカスケード型増幅器に対応した利得等化器の設計方法として、本発明の方法は期待される。 Further, FIG. 10 shows the relaxation rate dependence (in the case of TDFA) of the conversion efficiency from signal light to pumping light. The conversion efficiency increases until the relaxation rate is around 1 × 10 3 s −1 . Therefore, the method of the present invention is expected as a method of designing a gain equalizer corresponding to the cascade amplifier of the present invention such as an amplification medium of 1 × 10 3 s −1 or less, for example, thulium-doped fluoride fiber.

4.本発明のカスケード型増幅器
本発明のカスケード型増幅器は、複数の増幅媒体もしくは増幅器と、それらの中間位置の少なくとも1つの位置に設けられた利得等化器を備える。具体的には、図11(A)に示すように、本発明のカスケード型増幅器(1100A)は、WDM信号入力側から、第一の増幅媒体もしくは増幅器(1102)、第一の利得等化器(1104)、第二の増幅媒体もしくは増幅器(1106)を少なくとも含む。本発明のカスケード型増幅器は、更に出力側に利得等化器と増幅媒体もしくは増幅器をこの順に複数含むことができ、多段型のカスケード型増幅器とすることができる(図11(1100B))。上記の例では、増幅媒体もしくは増幅器の間の位置にすべて利得等化器を導入する場合を説明したが、必ずしも利得等化器をすべての増幅媒体もしくは増幅器の間の位置に導入する必要はない。例えば、図11(1100C)に例示されるように、三段の増幅媒体もしくは増幅器を有する場合、利得等化器は第一の増幅媒体もしくは増幅器と第二の増幅媒体もしくは増幅器の間にのみ設置することもできる。
4). Cascade type amplifier of the present invention A cascade type amplifier of the present invention comprises a plurality of amplification media or amplifiers and a gain equalizer provided at at least one of the intermediate positions. Specifically, as shown in FIG. 11A, the cascade amplifier (1100A) of the present invention includes a first amplifying medium or amplifier (1102), a first gain equalizer from the WDM signal input side. (1104) at least a second amplification medium or amplifier (1106). The cascade amplifier of the present invention can further include a plurality of gain equalizers and amplification media or amplifiers in this order on the output side, and can be a multistage cascade amplifier (FIG. 11 (1100B)). In the above example, the case where all gain equalizers are introduced at positions between the amplification media or amplifiers has been described. However, it is not always necessary to introduce the gain equalizer at any location between all the amplification media or amplifiers. . For example, as illustrated in FIG. 11 (1100C), when a three-stage amplification medium or amplifier is provided, the gain equalizer is installed only between the first amplification medium or amplifier and the second amplification medium or amplifier. You can also

本発明では、複数の増幅媒体もしくは増幅器には励起手段、光アッテネータ(利得等化器設計時に用いるものとは役割の異なるもの)、アイソレータ、波長多重カプラ、励起光源等の従来の手段を含むことができる。   In the present invention, a plurality of amplifying media or amplifiers include conventional means such as pumping means, optical attenuators (whose roles are different from those used when designing gain equalizers), isolators, wavelength multiplexing couplers, and pumping light sources. Can do.

本発明のカスケード型増幅器の利得等化器は、先に説明した、カスケード型増幅器の利得等化器の設計方法により設計される。即ち、本発明のカスケード型増幅器の利得等化器は、以下の過程で設定された利得等化器の損失スペクトルの形状および利得等化帯域を有する。   The gain equalizer of the cascade amplifier according to the present invention is designed by the above-described method for designing the gain equalizer of the cascade amplifier. That is, the gain equalizer of the cascade amplifier according to the present invention has the loss spectrum shape and gain equalization band of the gain equalizer set in the following process.

i) 前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりWDM信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ii) 所望の波長帯域において、i)で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のWDM信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の2条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
iii) (a)計算上の利得等化後の利得スペクトルを、i)で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和(dB換算)にii)で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差(dB換算)をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
(b)前記ii)で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
iv)前記iii)の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
v)目的の利得等化帯域が得られるまで上記i)〜iv)の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること。
i) WDM signal light is input from the signal light input section of a cascade type rare earth doped optical fiber amplifier in which a variable optical attenuator is inserted in place of the gain equalizer at the installation position of the gain equalizer, and the gain spectrum is measured. To do,
ii) Having a spectral shape of the gain spectrum measured in i) in a desired wavelength band, and loss with respect to the total power of the WDM signal light when passing through the variable optical attenuator passes through the gain equalizer. Deriving the loss spectrum of the gain equalizer that satisfies the two conditions of being equal to the loss of time,
iii) (a) The gain spectrum after gain equalization in calculation is the sum of the gain spectrum measured in i) and the loss spectrum of the variable optical attenuator (converted in dB) to the gain equalizer derived in ii) Defining a difference from the loss spectrum (dB conversion) and deriving a calculated gain equalization band from the gain spectrum after gain equalization derived by this definition, or
(B) deriving a calculated gain equalization band from the loss spectrum derived in ii);
To calculate a calculated gain equalization band, and compare the calculated gain equalization band with a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier. Determining whether or not a gain equalization band of a predetermined gain equalization band set in advance for a cascaded amplifier matches.
iv) As a result of the comparison of iii), when the calculated gain equalization band is narrower than a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier, the variable optical attenuator Increasing the loss and reducing the loss of the variable optical attenuator if wider than the desired gain equalization band;
v) Repeat the above steps i) to iv) until the desired gain equalization band is obtained, and determine the shape of the loss spectrum of the gain equalizer and the gain equalization band.

本発明のカスケード型増幅器が複数の利得等化器を含む場合、WDM信号入力側の利得等化器から順に上記設計方法を適用して、所望の利得等化帯域を有する利得等化器を設計すればよい。   When the cascade amplifier of the present invention includes a plurality of gain equalizers, a gain equalizer having a desired gain equalization band is designed by applying the above design method in order from the gain equalizer on the WDM signal input side. do it.

本発明の利得等化器は、従来の方法を適用して作製すればよい。例えば、(非特許文献2)などに開示された方法を用いて作製することができ、これらの方法に上記過程により得られた損失スペクトルの形状と利得等化帯域を有するように設定すればよい。   The gain equalizer of the present invention may be manufactured by applying a conventional method. For example, it can be manufactured using the methods disclosed in (Non-Patent Document 2) and the like, and these methods may be set to have the shape of the loss spectrum and the gain equalization band obtained by the above process. .

また、本発明のカスケード型増幅器の利得等化器は、上記過程iii)の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことで、更に設計精度を高めていることが好ましい。補正関数は、上述した通りである。   Moreover, it is preferable that the gain equalizer of the cascade amplifier of the present invention further enhances the design accuracy by incorporating a correction function when deriving the gain spectrum after the gain equalization in the process iii). The correction function is as described above.

本発明のカスケード型増幅器は、増幅媒体として、上述のように、カスケード型増幅器の励起状態や増幅状態においてイオン密度を考慮すべき準位(イオン密度を0に近似できない準位)が3つ以上あるものであれば、どのようなものでもよい。カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の例としては、例えば、非特許文献3に記載のものを挙げることができ、具体的には、例えば以下のホストガラスと希土類イオンの組み合わせにおいて、励起状態もしくは増幅状態でイオン密度を考慮すべき準位(イオン密度を0に近似できない準位)が3つ以上あるものを挙げることができる。   As described above, the cascade amplifier of the present invention has three or more levels (levels in which the ion density cannot be approximated to 0) in consideration of the ion density in the excited state or the amplified state of the cascade amplifier as described above. Any thing is acceptable. Examples of cascade-type rare earth-doped optical fiber amplifiers include those described in Non-Patent Document 3, and specifically, for example, in a combination of the following host glass and rare earth ions, an excited state or an amplified state There are three or more levels in which the ion density should be taken into consideration (levels where the ion density cannot be approximated to 0).

ホストガラスの種類:テルライトガラス、ゲルマン酸塩ガラス、フッ化物ガラス、カルコゲナイドガラス、フツ燐酸ガラス。   Types of host glass: tellurite glass, germanate glass, fluoride glass, chalcogenide glass, fluorophosphate glass.

希土類イオンの種類:Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+等。 Kinds of rare earth ions: Tb 3+ , Dy 3+ , Ho 3+ , Er 3+ , Tm 3+ , Yb 3+ , Pr 3+ , Nd 3+ , Pm 3+ , Sm 3+ , Eu 3+ and the like.

更に、後述する表1に示す増幅媒体を含むものを挙げることができる。   Furthermore, the thing containing the amplification medium shown in Table 1 mentioned later can be mentioned.

更に、本発明のカスケード型増幅器は、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率(発光緩和率と非発光緩和率の合計)がl×10−1以下であるエネルギー準位を3つ以上有する。 Furthermore, in the cascade amplifier of the present invention, the rare earth ions involved in amplification added to the amplification medium when in the excited state or the amplified state have a relaxation rate (the sum of the emission relaxation rate and the non-emission relaxation rate) of l ×. It has three or more energy levels that are 10 4 s −1 or less.

5.本発明のカスケード型増幅器の利得等化器設計装置
本発明のカスケード型増幅器の利得等化器を設計するための装置を図12および図13を参照して説明する。図12に示すように、本発明の設計装置(1200)は、増幅媒体もしくは増幅器(図12および図13でアンプと記載)(1202、1204)、可変光減衰器(1206)、検出器(1208)、並びに、計算回路および可変光減衰器制御回路(1210)を含む。なお、設計装置を駆動する際には、WDM光源(1212)を入力側に接続する。検出器は、図13に示すように、WDM信号波長に対応した光検出器(1302)を用いることも可能である。
5). Apparatus for designing gain equalizer of cascade amplifier of the present invention An apparatus for designing the gain equalizer of the cascade amplifier of the present invention will be described with reference to FIG. 12 and FIG. As shown in FIG. 12, the design apparatus (1200) of the present invention includes an amplification medium or amplifier (referred to as an amplifier in FIGS. 12 and 13) (1202, 1204), a variable optical attenuator (1206), and a detector (1208). ), And a calculation circuit and a variable optical attenuator control circuit (1210). When driving the design apparatus, the WDM light source (1212) is connected to the input side. As a detector, as shown in FIG. 13, a photodetector (1302) corresponding to the WDM signal wavelength can be used.

本発明のカスケード型増幅器の利得等化器の設計を自動化する場合には、コンピュータ制御が可能な光アッテネータ、光スペクトラムアナライザおよびコンピュータを用いて本発明の設計装置を構成することが可能である。   When the design of the gain equalizer of the cascade amplifier of the present invention is automated, the design apparatus of the present invention can be configured using an optical attenuator, an optical spectrum analyzer, and a computer that can be controlled by a computer.

また、コンピュータを電子回路化して、光スペクトラムアナライザに組み込んだ装置とすることもできる。更に、図8で示した補正関数をコンピュータや電子回路へ組み込んで、補正関数を用いた設計装置を構成することもできる。   Also, a computer can be made into an electronic circuit and incorporated into an optical spectrum analyzer. Furthermore, the correction function shown in FIG. 8 can be incorporated into a computer or an electronic circuit to constitute a design apparatus using the correction function.

本発明の利得等化器設計装置で利用可能な可変光減衰器は、計算の容易性から波長特性が平坦なものが望ましい。例えば、使用可能な可変光減衰器には以下のものを挙げることができる。機械式の可変光減衰器の例として、ファイバ間の光ビーム結合中に透過損失分布のついた減衰板を挿入し、減衰版を移動させる方式のもの、ファイバ間のギャップを可変させる方式のもの等がある。また、非機械式の例として、電気光学効果を用いたもの、磁気光学効果を用いたもの、熱光学効果を用いたもの等がある。   The variable optical attenuator usable in the gain equalizer designing apparatus of the present invention preferably has a flat wavelength characteristic for ease of calculation. For example, the following variable optical attenuators can be used. Examples of mechanical variable optical attenuators include a method in which an attenuation plate with a transmission loss distribution is inserted during optical beam coupling between fibers and the attenuation plate is moved, and a method in which the gap between fibers is variable Etc. Non-mechanical examples include those using an electro-optic effect, those using a magneto-optic effect, and those using a thermo-optic effect.

本発明の利得等化器設計装置では、増幅媒体として、上述のように、カスケード型増幅器の励起状態や増幅状態においてイオン密度を考慮すべき準位(イオン密度を0に近似できない準位)が3つ以上あるものであれば、どのようなものでも利用することができる。カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の例としては、例えば、非特許文献3に記載のものを挙げることができ、具体的には、例えば以下のホストガラスと希土類イオンの組み合わせにおいて、励起状態もしくは増幅状態でイオン密度を考慮すべき準位(イオン密度を0に近似できない準位)が3つ以上あるものを挙げることができる。   In the gain equalizer designing apparatus of the present invention, as described above, the level that should consider the ion density in the excited state or the amplified state of the cascade amplifier (a level where the ion density cannot be approximated to 0) is used as the amplification medium. Anything can be used as long as there are three or more. Examples of cascade-type rare earth-doped optical fiber amplifiers include those described in Non-Patent Document 3, and specifically, for example, in a combination of the following host glass and rare earth ions, an excited state or an amplified state There are three or more levels in which the ion density should be taken into consideration (levels where the ion density cannot be approximated to 0).

ホストガラスの種類:テルライトガラス、ゲルマン酸塩ガラス、フッ化物ガラス、カルコゲナイドガラス、フツ燐酸ガラス。   Types of host glass: tellurite glass, germanate glass, fluoride glass, chalcogenide glass, fluorophosphate glass.

希土類イオンの種類:Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+等。 Kinds of rare earth ions: Tb 3+ , Dy 3+ , Ho 3+ , Er 3+ , Tm 3+ , Yb 3+ , Pr 3+ , Nd 3+ , Pm 3+ , Sm 3+ , Eu 3+ and the like.

更に、後述する表1に示す増幅媒体を含むものを挙げることができる。   Furthermore, the thing containing the amplification medium shown in Table 1 mentioned later can be mentioned.

本発明の利得等化器設計装置は、下記過程により目的の利得等化器の損失スペクトルの形状および利得等化帯域を求める。下記の過程は、本発明の利得等化器の設計方法で説明した通りである。   The gain equalizer designing apparatus of the present invention obtains the loss spectrum shape and gain equalization band of the target gain equalizer through the following process. The following process is as described in the method of designing a gain equalizer of the present invention.

i) 前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりWDM信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ii) 所望の波長帯域において、i)で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のWDM信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の2条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
iii) (a)計算上の利得等化後の利得スペクトルを、i)で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和(dB換算)にii)で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差(dB換算)をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
(b)前記ii)で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
iv)前記iii)の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
v)目的の利得等化帯域が得られるまで上記i)〜iv)の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること。
i) WDM signal light is input from the signal light input section of a cascade type rare earth doped optical fiber amplifier in which a variable optical attenuator is inserted in place of the gain equalizer at the installation position of the gain equalizer, and the gain spectrum is measured. To do,
ii) Having a spectral shape of the gain spectrum measured in i) in a desired wavelength band, and loss with respect to the total power of the WDM signal light when passing through the variable optical attenuator passes through the gain equalizer. Deriving the loss spectrum of the gain equalizer that satisfies the two conditions of being equal to the loss of time,
iii) (a) The gain spectrum after gain equalization in calculation is the sum of the gain spectrum measured in i) and the loss spectrum of the variable optical attenuator (converted in dB) to the gain equalizer derived in ii) Defining a difference from the loss spectrum (dB conversion) and deriving a calculated gain equalization band from the gain spectrum after gain equalization derived by this definition, or
(B) deriving a calculated gain equalization band from the loss spectrum derived in ii);
To calculate a calculated gain equalization band, and compare the calculated gain equalization band with a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier. Determining whether or not a gain equalization band of a predetermined gain equalization band set in advance for a cascaded amplifier matches.
iv) As a result of the comparison of iii), when the calculated gain equalization band is narrower than a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier, the variable optical attenuator Increasing the loss and reducing the loss of the variable optical attenuator if wider than the desired gain equalization band;
v) Repeat the above steps i) to iv) until the desired gain equalization band is obtained, and determine the shape of the loss spectrum of the gain equalizer and the gain equalization band.

本発明では、上記過程iii)の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことで、更に設計精度を高めることが好ましい。補正関数は、上述した通りである。   In the present invention, it is preferable to further improve the design accuracy by incorporating a correction function when deriving the gain spectrum after gain equalization in step iii). The correction function is as described above.

更に、本発明のカスケード型増幅器の利得等化器設計装置は、励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率(発光緩和率と非発光緩和率の合計)がl×10−1以下であるエネルギー準位を3つ以上有する。 Furthermore, the apparatus for designing a gain equalizer of a cascade amplifier according to the present invention has a relaxation rate (a light emission relaxation rate and a non-light emission relaxation) when a rare earth ion involved in amplification added to an amplification medium is in an excited state or an amplified state. The total of the energy levels is 1 × 10 4 s −1 or less.

図11に示すような本発明のカスケード型増幅器(増幅媒体もしくは増幅器が2または3基のもの)を作製した。このカスケード型増幅器は、表1に示す添加イオン、ホストガラス、カスケード型増幅器の構成を有する。一般的な可変光減衰器を用い、図12または図13に示すような設計装置を構築し、利得等化器の損失スペクトルの形状および利得等化帯域を求め、この値を利得等化器に設定した。利得等化器は、求めた設定値に基づいて非特許文献2に記載の手順で得た。また、カスケード型石英系EDFAで適用可能な従来の利得等化器の設計方法により設計した利得等化器を設置した場合の利得偏差も併せて表1に示した。   A cascade amplifier of the present invention as shown in FIG. 11 (with two or three amplification media or amplifiers) was produced. This cascade type amplifier has the configuration of additive ions, host glass, and cascade type amplifier shown in Table 1. A design apparatus as shown in FIG. 12 or 13 is constructed using a general variable optical attenuator, and the shape of the loss spectrum of the gain equalizer and the gain equalization band are obtained, and this value is used as the gain equalizer. Set. The gain equalizer was obtained by the procedure described in Non-Patent Document 2 based on the obtained set value. Table 1 also shows the gain deviation when a gain equalizer designed by a conventional method of designing a gain equalizer applicable to a cascade type quartz EDFA is installed.

本発明の方法を用いて作製した利得等化器を使用した場合、従来の石英系EDFAの利得等化器の設計方法を用いて利得等化器を作製した場合のカスケード型増幅器の特性について表1に対比して示した。   When a gain equalizer manufactured using the method of the present invention is used, the characteristics of a cascade amplifier when a gain equalizer is manufactured using a conventional quartz-based EDFA gain equalizer design method are shown. It is shown in comparison with 1.

一例としてカスケード型増幅器として表1内の実施例1で作製した利得等化器の損失スペクトルとその利得等化器をカスケード型光ファイバ増幅器に組み込んで測定した利得スペクトルを、図14および図15に示す。また表1内の実施例9には補正関数を組み込むことで実施例1の光ファイバ増幅器の利得等化の精度を高めた結果を示した。補正関数は図8で表され、縦軸の補正値を実施例1で算出された利得等化器の損失スペクトルに加算することで補正が可能となる。なお、図8に示した補正関数は実験値より導出した。但し、図8に示した補正関数は1例であり、条件等により様々に変化する。実施例1〜9に示したいずれのカスケード型増幅器も、本発明の方法により作製した利得等化器を使用することで、0.5dB以下の利得偏差を実現しており、本方法の有効性を実証した。   As an example, FIG. 14 and FIG. 15 show the loss spectrum of the gain equalizer manufactured in Example 1 in Table 1 as a cascade amplifier and the gain spectrum measured by incorporating the gain equalizer in the cascade optical fiber amplifier. Show. Further, Example 9 in Table 1 shows the result of improving the accuracy of gain equalization of the optical fiber amplifier of Example 1 by incorporating a correction function. The correction function is shown in FIG. 8, and correction can be performed by adding the correction value on the vertical axis to the loss spectrum of the gain equalizer calculated in the first embodiment. The correction function shown in FIG. 8 was derived from experimental values. However, the correction function shown in FIG. 8 is an example, and changes variously depending on conditions and the like. Any of the cascade amplifiers shown in Examples 1 to 9 achieves a gain deviation of 0.5 dB or less by using the gain equalizer manufactured by the method of the present invention. Proved.

Figure 0005144561
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以上説明したように、本発明の方法を用いて作製した利得等化器を用いることで、イオン密度を考慮すべき準位が3つ以上である希土類イオンを含有する増幅媒体を用いたカスケード型光ファイバ増幅器においても容易に利得等化器を設計可能である。また、本発明の設計方法は容易に装置化が可能であり、設計の自動化が可能であるという特徴を有する。本発明の方法を用いずに設計する場合には、実際に利得等化器を作製し、光ファイバ増幅器に搭載して増幅特性を評価し、所望特性が得られるまで、何度も利得等化器を作製し直す必要があることが予想され、本発明はこのような利得等化器を繰り返して作製する必要がない。   As described above, by using the gain equalizer manufactured by using the method of the present invention, a cascade type using an amplification medium containing rare earth ions having three or more levels to which ion density should be considered. Even in an optical fiber amplifier, a gain equalizer can be easily designed. In addition, the design method of the present invention can be easily implemented as a device, and can be automated. When designing without using the method of the present invention, a gain equalizer is actually manufactured, mounted on an optical fiber amplifier, the amplification characteristic is evaluated, and gain equalization is repeated many times until the desired characteristic is obtained. It is anticipated that it will be necessary to recreate the device, and the present invention does not require repetitive fabrication of such a gain equalizer.

1100 本発明のカスケード型増幅器
1102 増幅媒体もしくは増幅器
1104 利得等化器
1106 増幅媒体もしくは増幅器
1200 本発明の利得等化器設計装置
1202 増幅媒体もしくは増幅器
1204 増幅媒体もしくは増幅器
1206 可変光減衰器
1208 検出器
1210 計算回路および可変光減衰器制御回路
1212 WDM光源
1302 検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1100 Cascade type | mold amplifier 1102 Amplification medium or amplifier 1104 Gain equalizer 1106 Amplification medium or amplifier 1200 Gain equalizer design apparatus 1202 Amplification medium or amplifier 1204 Amplification medium or amplifier 1206 Variable optical attenuator 1208 Detector 1210 Calculation circuit and variable optical attenuator control circuit 1212 WDM light source 1302 Detector

Claims (10)

複数の増幅媒体もしくは増幅器と、それらの中間位置の少なくとも1つの位置に設けられた利得等化器を備えた、利得平坦化されたカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器であって、前記利得等化器が、
i) 前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりWDM信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ii) i)で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のWDM信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の2条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
iii) (a)計算上の利得等化後の利得スペクトルを、i)で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和(dB換算)にii)で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差(dB換算)をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
(b)前記ii)で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
iv)前記iii)の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
v)目的の利得等化帯域が得られるまで上記i)〜iv)の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること
の過程で設定された利得等化器の損失スペクトルの形状および利得等化帯域を有することを特徴とする利得平坦化されたカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器。
A gain-flattened cascade type rare earth-doped optical fiber amplifier comprising a plurality of amplification media or amplifiers and a gain equalizer provided at at least one of the intermediate positions, the gain equalizer But,
i) WDM signal light is input from the signal light input section of a cascade type rare earth doped optical fiber amplifier in which a variable optical attenuator is inserted in place of the gain equalizer at the installation position of the gain equalizer, and the gain spectrum is measured. To do,
ii ) Having the spectrum shape of the gain spectrum measured in i ), and the loss with respect to the total power of the WDM signal light when passing through the variable optical attenuator becomes equal to the loss when passing through the gain equalizer Deriving the loss spectrum of the gain equalizer that satisfies the two conditions
iii) (a) The gain spectrum after gain equalization in calculation is the sum of the gain spectrum measured in i) and the loss spectrum of the variable optical attenuator (converted in dB) to the gain equalizer derived in ii) Defining a difference from the loss spectrum (dB conversion) and deriving a calculated gain equalization band from the gain spectrum after gain equalization derived by this definition, or
(B) deriving a calculated gain equalization band from the loss spectrum derived in ii);
To calculate a calculated gain equalization band, and compare the calculated gain equalization band with a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier. Determining whether or not a gain equalization band of a predetermined gain equalization band set in advance for a cascaded amplifier matches.
iv) As a result of the comparison of iii), when the calculated gain equalization band is narrower than a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier, the variable optical attenuator Increasing the loss and reducing the loss of the variable optical attenuator if wider than the desired gain equalization band;
v) The above steps i) to iv) are repeated until the target gain equalization band is obtained, and the gain equalization set in the process of determining the shape of the loss spectrum of the gain equalizer and the gain equalization band. A gain-flattened cascade-type rare earth doped optical fiber amplifier characterized by having a loss spectrum shape and gain equalization band.
前記iii)の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことを特徴とする請求項1に記載のカスケード型光ファイバ増幅器。   2. The cascade type optical fiber amplifier according to claim 1, wherein a correction function is incorporated in deriving the gain spectrum after gain equalization in iii). 増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、励起状態もしくは増幅状態にある場合にイオン密度をゼロに近似できないエネルギー準位を3つ以上有することを特徴とする請求項1または2に記載のカスケード型光ファイバ増幅器。   3. The rare earth ions involved in amplification added to the amplification medium have three or more energy levels in which the ion density cannot be approximated to zero when in an excited state or an amplified state. Cascade type optical fiber amplifier. 励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率(発光緩和率と非発光緩和率の合計)がl×10−1以下であるエネルギー準位を3つ以上有することを特徴とする請求項3に記載のカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器。 The energy level of the rare earth ions involved in amplification added to the amplification medium when in the excited state or the amplified state has a relaxation rate (the sum of the emission relaxation rate and the non-emission relaxation rate) of 1 × 10 4 s −1 or less. 4. The cascade type rare earth doped optical fiber amplifier according to claim 3, wherein the cascade type rare earth doped optical fiber amplifier has three or more units. カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器を構成する複数の増幅媒体もしくは増幅器の中間位置の少なくとも1つの位置に挿入する利得等化器の設計方法であって、
i) 前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりWDM信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ii) i)で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のWDM信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の2条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
iii) (a)計算上の利得等化後の利得スペクトルを、i)で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和(dB換算)にii)で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差(dB換算)をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
(b)前記ii)で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
iv)前記iii)の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
v)目的の利得等化帯域が得られるまで上記i)〜iv)の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること
の過程を含むことを特徴とする設計方法。
A method of designing a gain equalizer that is inserted into at least one of a plurality of amplifying media or amplifiers constituting a cascade-type rare earth-doped optical fiber amplifier,
i) WDM signal light is input from the signal light input section of a cascade type rare earth doped optical fiber amplifier in which a variable optical attenuator is inserted in place of the gain equalizer at the installation position of the gain equalizer, and the gain spectrum is measured. To do,
ii ) Having the spectrum shape of the gain spectrum measured in i ), and the loss with respect to the total power of the WDM signal light when passing through the variable optical attenuator becomes equal to the loss when passing through the gain equalizer Deriving the loss spectrum of the gain equalizer that satisfies the two conditions
iii) (a) The gain spectrum after gain equalization in calculation is the sum of the gain spectrum measured in i) and the loss spectrum of the variable optical attenuator (converted in dB) to the gain equalizer derived in ii) Defining a difference from the loss spectrum (dB conversion) and deriving a calculated gain equalization band from the gain spectrum after gain equalization derived by this definition, or
(B) deriving a calculated gain equalization band from the loss spectrum derived in ii);
To calculate a calculated gain equalization band, and compare the calculated gain equalization band with a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier. Determining whether or not a gain equalization band of a predetermined gain equalization band set in advance for a cascaded amplifier matches.
iv) As a result of the comparison of iii), when the calculated gain equalization band is narrower than a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier, the variable optical attenuator Increasing the loss and reducing the loss of the variable optical attenuator if wider than the desired gain equalization band;
v) The steps i) to iv) are repeated until a target gain equalization band is obtained, and includes a process of determining the shape of the loss spectrum of the gain equalizer and the gain equalization band. Design method.
iii)の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことを特徴とする請求項5に記載の設計方法。   6. The design method according to claim 5, wherein a correction function is incorporated in deriving a gain spectrum after gain equalization in iii). カスケード型希土類添加光ファイバ増幅器を構成する複数の増幅媒体もしくは増幅器の中間位置の少なくとも1つの位置に挿入する利得等化器を設計するための設計装置であって、可変光減衰器、WDM信号光の利得を測定する光検出器、計算回路および可変光減衰器制御回路を含み、前記設計装置が
i) 前記利得等化器の設置位置に該利得等化器に代えて可変光減衰器を挿入したカスケード型希土類添加光ファイバ増幅器の信号光入力部よりWDM信号光を入力し、利得スペクトルを測定すること、
ii) i)で測定した利得スペクトルのスペクトル形状を有すること、前記可変光減衰器を通過する時のWDM信号光の総パワーに対する損失が、前記利得等化器を通過する時の損失と等しくなること、の2条件を満たす利得等化器の損失スペクトルを導出すること、
iii) (a)計算上の利得等化後の利得スペクトルを、i)で測定した利得スペクトルと前記可変光減衰器の損失スペクトルの和(dB換算)にii)で導出した利得等化器の損失スペクトルとの差(dB換算)をとった値として定義し、この定義により導出された利得等化後の利得スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、または、
(b)前記ii)で導出された損失スペクトルから計算上の利得等化帯域を導出すること、
のいずれかにより、計算上の利得等化帯域を導出し、導出された計算上の利得等化帯域を、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域と比較し、計算上の利得等化帯域とカスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域が一致するか否かを判定すること、
iv)前記iii)の比較の結果として、導出された計算上の利得等化帯域が、カスケード型増幅器に対してあらかじめ設定された所望の利得等化帯域より狭い場合には該可変光減衰器の損失を増加させ、所望の利得等化帯域より広い場合には該可変光減衰器の損失を低下させること、
v)目的の利得等化帯域が得られるまで上記i)〜iv)の過程を繰り返し、利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を決定すること
により利得等化器の損失スペクトルの形状と利得等化帯域を求めることを特徴とする設計装置。
A design apparatus for designing a gain equalizer to be inserted into at least one of a plurality of amplifying media constituting a cascade type rare earth-doped optical fiber amplifier or an amplifier, a variable optical attenuator, and a WDM signal light Including a photodetector, a calculation circuit, and a variable optical attenuator control circuit for measuring the gain of the circuit; i) a variable optical attenuator is inserted in place of the gain equalizer at the installation position of the gain equalizer; WDM signal light is input from the signal light input section of the cascaded rare earth-doped optical fiber amplifier, and the gain spectrum is measured.
ii ) Having the spectrum shape of the gain spectrum measured in i) , and the loss with respect to the total power of the WDM signal light when passing through the variable optical attenuator becomes equal to the loss when passing through the gain equalizer Deriving the loss spectrum of the gain equalizer that satisfies the two conditions
iii) (a) The gain spectrum after gain equalization in calculation is the sum of the gain spectrum measured in i) and the loss spectrum of the variable optical attenuator (converted in dB) to the gain equalizer derived in ii) Defining a difference from the loss spectrum (dB conversion) and deriving a calculated gain equalization band from the gain spectrum after gain equalization derived by this definition, or
(B) deriving a calculated gain equalization band from the loss spectrum derived in ii);
To calculate a calculated gain equalization band, and compare the calculated gain equalization band with a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier. Determining whether or not a gain equalization band of a predetermined gain equalization band set in advance for a cascaded amplifier matches.
iv) As a result of the comparison of iii), when the calculated gain equalization band is narrower than a desired gain equalization band preset for the cascaded amplifier, the variable optical attenuator Increasing the loss and reducing the loss of the variable optical attenuator if wider than the desired gain equalization band;
v) The steps i) to iv) are repeated until the target gain equalization band is obtained, and the shape of the loss spectrum of the gain equalizer and the gain equalization band are determined to determine the loss spectrum of the gain equalizer. A design apparatus characterized by obtaining a shape and a gain equalization band.
前記iii)の利得等化後の利得スペクトルを導出する際に補正関数を組み込むことを特徴とする請求項7に記載の設計装置。   8. The design apparatus according to claim 7, wherein a correction function is incorporated in deriving a gain spectrum after the gain equalization in iii). 増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、励起状態もしくは増幅状態にある場合にイオン密度をゼロに近似できないエネルギー準位を3つ以上有することを特徴とする請求項7または8に記載の設計装置。   9. The rare earth ion involved in amplification added to the amplification medium has three or more energy levels that cannot approximate the ion density to zero when in an excited state or an amplified state. Design equipment. 励起状態もしくは増幅状態にある場合に増幅媒体に添加された増幅に関与する希土類イオンが、緩和率(発光緩和率と非発光緩和率の合計)がl×10−1以下であるエネルギー準位を3つ以上有することを特徴とする請求項9に記載の設計装置。 The energy level of the rare earth ions involved in amplification added to the amplification medium when in the excited state or the amplified state has a relaxation rate (the sum of the emission relaxation rate and the non-emission relaxation rate) of 1 × 10 4 s −1 or less. The design apparatus according to claim 9, wherein the design apparatus has three or more positions.
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