JP5303961B2 - 光ファイバ増幅器、劣化検出器および劣化検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、希土類添加光ファイバを増幅媒体とし、該増幅媒体内の希土類イオンを励起する励起光を出す励起光源を設置した光ファイバ増幅器、該光ファイバ増幅器の励起光源の劣化を検出する劣化検出器および劣化検出方法に関する。

光通信では、光ファイバで信号光を伝送する。信号光が長い距離に渡って光ファイバを通過すると、信号光のパワーが落ちてしまうので、光ファイバ増幅器によってパワーを増幅している。具体的には、光ファイバ増幅器は、希土類元素を添加した光ファイバ（増幅媒体）に励起光を入射することで希土類イオンを励起状態とし、誘導放出過程を利用して信号光のパワーを増幅している。

近年では、増幅媒体にエルビウムイオンを添加した光ファイバ増幅器が主流である。かかる増幅媒体、光ファイバ増幅器は、それぞれＥＤＦ（Erbium Doped Fiber）、ＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）と呼ばれる。

また、特許文献１では、ＥＤＦを２段に配置して、ＥＤＦの段間には可変光減衰器を挿入した光ファイバ増幅器が開示されており、この２段構成が一般的な構成となっている。

上記の２段構成の光ファイバ増幅器では、段ごとにそれぞれ異なる励起光を入射することで、効果的な増幅を行っている。

具体的には、１段目（信号入力側）のＥＤＦには、増幅効率は低いが雑音特性に優れた０．９８μｍ帯の励起光が入射され、２段目（信号出力側）のＥＤＦには、増幅効率の高い１．４８μｍ帯の励起光が入射される。

このような励起光は、ＬＤ（Laser Diode）などの励起光源によって生成される。この励起光源は、流した電流に応じて１００ｍＷ〜数百ｍＷと、相当高い出力パワーの励起光を出し続けるため、他の光部品と比べて疲労が早く、徐々に出力パワーの低下が起こる。

特開平８−２４８４５５号公報

ＥＤＦＡでは、ＥＤＦへ入射する励起光の出力パワーによって光アンプとしての特性が大きく変化するので、出力パワーが下限を下回ったところで、新たな励起光源と取り替える、あるいは、部品を交換するなどの対処を行うことが望ましい。例えば、最初、ある値の電流を励起光源に流したときに励起光の出力パワーが３００ｍＷだけあったのに、出力パワーが低下し始めて、同じ電流を流しても１５０ｍＷを下回る出力パワーしか得られなければ（もちろん故障するなどして急に０ｍＷになった場合でも）、励起光源の劣化と判断すればよい。

上記した２段構成のＥＤＦＡでは、２段目のＥＤＦに入射される１．４８μｍ帯の励起光の出力パワーが低下すると、信号光の出力レベルも低下する。よって、２段目の信号光の出力レベルを監視し、出力レベルが予め設定した下限を下回ったところを励起光源の劣化と判断することができる。

それに対し、１段目のＥＤＦに入射している０．９８μｍ帯の励起光に出力パワーの低下が生じた場合、光アンプとしての雑音特性は劣化してしまうが、１段目から出力された信号光の出力レベルにはさほど影響しない。そのため、１段目の信号光の出力レベルを監視しても、励起光源の劣化を判断することが困難であった。

その他の判断方法として、ＬＤが備えるバックパワーモニタを利用する手法がある。しかし、現在、特にＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）付きのＬＤのバックパワーモニタの精度は低く、また、励起光の偏波状態等に依存して不安定であるため、ＬＤが劣化していないにもかかわらず、劣化と判断してしまう場合があった。

また、ＬＤの出力直後に、ビームスプリッタなど、励起光を一部分岐する手段を設け、分岐した励起光の出力パワーを直接監視する手法がある。この手法ならば、劣化の判断はできるが、分岐手段を設置するためのコストや、励起光を分岐させる分だけＬＤに余分な出力パワーを出させなければならず、このようなＬＤを実装するためのコストがかかるという問題があった。

そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点を解消し、課題を解決するためになされたものであり、信号光が出力される段より前段部分に設置された励起光源の劣化を判断可能な光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この器機は、複数の希土類添加光ファイバを増幅媒体とし、前記希土類添加光ファイバごとに設置された励起光源に電流を流して励起光を生成し、各励起光を入射対象の希土類添加光ファイバに入射して希土類イオンを励起し、多段階で信号光を増幅する光ファイバ増幅器であって、劣化していない状態の励起光源に対する入力電流値と、当該入力電流によって励起された希土類添加光ファイバから漏れ出したアップコンバージョン光の光の強さとの対応関係を記憶する記憶手段と、前記アップコンバージョン光を検知する検知手段と、前記検知手段によって検知されたアップコンバージョン光の光の強さと、前記励起光源に現に流れる電流の入力電流値を前記記憶手段によって記憶された対応関係によって変換した値との差分を算出する差分算出手段と、前記差分算出手段によって算出された差分が所定値を超えたか否かを判定する判定手段と、を備えたことを要件とする。

また、この方法は、複数の希土類添加光ファイバを増幅媒体とし、多段階で信号光を増幅する光ファイバ増幅器に設置された励起光源の劣化検出方法であって、前記希土類添加光ファイバから漏れ出るアップコンバージョン光を検知する検知工程と、劣化していない状態の励起光源に対する入力電流値と、当該入力電流によって励起された希土類添加光ファイバから漏れ出したアップコンバージョン光の光の強さとの対応関係によって、前記励起光源に現に流れる電流の入力電流値をアップコンバージョン光の光の強さに変換する変換工程と、前記検知工程によって検知されたアップコンバージョン光の光の強さと、前記変換工程によって変換された値との差分を算出する差分算出工程と、前記差分算出工程によって算出された差分が所定値を超えたか否かを判定する判定工程と、を含んだことを要件とする。

開示の器機では、励起光の出力パワーが低下すると、アップコンバージョン光の光の強さも低下することから、励起光源運用中に光の強さを常時監視し、劣化していない励起光源が出す励起光の出力パワーで計測された光の強さと比較することで励起光源の劣化を判断する。こうすることによって、増幅媒体が多段に配置されている場合でも、信号光が出力される段より前段部分に設置された励起光源の劣化を判断できるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る光ファイバ増幅器の好適な実施例について詳細に説明する。

まず、図１を用いて光ファイバ増幅器の原理を簡単に説明する。ボビン３００に巻かれているのはエルビウムイオンを添加した光ファイバ（以下、ＥＤＦ（Erbium Doped Fiber））であり、このＥＤＦ３１０に、増幅対象である信号光（Ｉ１）と、励起光ＬＤ（Laser Diode）３２０によって生成した０．９８μｍの励起光（Ｉ２）とを光合波器３３０によって合波して入射する。すると、ＥＤＦ３１０内では、０．９８μｍの励起光によってエルビウムイオンが励起し、該励起したエルビウムイオンに信号光が入射することで誘導放出が起こり、その結果、信号光が増幅される。

ところで、同図に示すように、信号光が増幅される際、ＥＤＦ３１０からは、アップコンバージョン光３４０とよばれる緑色の光が観測される。これは、励起光により２段階に励起された一部のエルビウムイオンが基底準位に戻る際に放つ光である。

このアップコンバージョン光３４０の強さは励起光の強さに比例し、励起光が弱まれば、２段階に励起されるエルビウムイオンの数も減るので、アップコンバージョン光３４０も弱まる。

励起光ＬＤ３２０は、ＬＤ駆動回路３５０から流れる駆動電流によって作動し、駆動電流に応じた励起光を出すが、劣化すると、同じ駆動電流でも以前と同じ強さの励起光を出さなくなる。

したがって、劣化していない状態の励起光ＬＤ３２０が出した励起光の強さに応じたアップコンバージョン光３４０の強さを記憶しておけば、該記憶した強さを基準に励起光ＬＤ３２０の劣化の度合いを判定できる。そこで、本発明では、このアップコンバージョン光３４０を監視することで励起光ＬＤ３２０の劣化を検出する。

引き続き同図を用いて励起光ＬＤ３２０の劣化検出方法を説明する。まず、実運用前の劣化していない状態の励起光ＬＤ３２０をＬＤ駆動回路３５０で作動させる。その際、駆動電流値を変化させ、複数の駆動電流値をデータとして抽出する。

同時に、ＥＤＦ３１０から漏れ出すアップコンバージョン光３４０の強さを光検出器２１０で計測してその計測値を取り込み、上記した駆動電流値と関連付けて対応テーブル２２０で保持しておく。なお、ＥＤＦ３１０から漏れ出す光には、アップコンバージョン光３４０以外にも、例えば、１．５５μｍ信号波長帯のＡＳＥ（Amplifiered Spontaneous Emission）および０．９８μｍの励起光があるので、フィルタを取り付けてこれらの光を遮断し、アップコンバージョン光３４０のみを通過させることが望ましい。

励起光ＬＤ３２０の実運用時には、ＬＤ駆動回路３５０から流れる駆動電流、光検出器２１０で計測される計測値を常に取得する。取得した２つのデータは差分算出回路２５０に入力され、該差分算出回路２５０では、入力された駆動電流値と対応テーブル内で対応付けられている計測値と、入力された計測値との差分が算出される。算出された差分が所定値を越えた場合に、励起光ＬＤ劣化警報部２６０からアラーム音が発出され、励起光ＬＤ３２０の劣化が通知される。

なお、このようなアップコンバージョン光３４０は、希土類元素を添加した光ファイバであれば同様に観測される。したがって、エルビウムイオンに限定せず、希土類元素を添加した光ファイバを増幅媒体とする光ファイバ増幅器ならば本発明が適用できる。

また、アップコンバージョン光３４０は、図１のように、ボビン３００に巻いたＥＤＦ３１０の側面から漏れ出て全方向に散乱される。したがって、直接受光するよりはレンズによって集光することが望ましい。その他、図２に示すように、ＥＤＦの側面に別の光ファイバ３６０を沿わせ、漏れ出た光を乗り移らせて、同様にフィルタ付きの光検出器２１０に導いてもよい（他端については終端させておく）。なお、振動などにより、沿わせる光ファイバ３６０に位置ずれが生じると、光検出器２１０で計測されるアップコンバージョン光の光の強さが変動してしまうので、ＵＶ（Ultraviolet rays）樹脂などの接着剤で固定することが望ましい。

また、励起光ＬＤ３２０の劣化の通知については、アラーム音に限定せず、通知対象者に伝えるものであればよい。例えば、劣化検出の情報をセンターへ送信してもよい。

また、励起光ＬＤ３２０の運用前に計測されたアップコンバージョン光３４０の強さの導出については、上記したような、対応テーブル２２０に記憶させた対応関係からの導出に限定せず、かかる対応関係から近似式を求めておき、該近似式に対する駆動電流値の代入による導出であってもよい。

以下では、図３を用いて、上記した劣化検出方法で励起光ＬＤの劣化検出を行う励起光ＬＤ劣化検出器を備えた光ファイバ増幅器の概要構成を説明する。

図３は、光ファイバ増幅器の概要構成を示す図である。同図に示すように、光ファイバ増幅器１０では、紙面左側の光コネクタ２０が信号光の入力端となり、紙面右側の光コネクタ１５０が信号光の出力端となる。そして、光ファイバ増幅器１０は、入力端の光コネクタ２０に続いて、発振抑圧のための光アイソレータ３０、信号光と励起光を合波するための光合波器４０、信号光を増幅するＥＤＦ５０、発振抑圧のための光アイソレータ６０が配置され、光合波器４０に励起光を入力する励起光ＬＤ７０、および、該励起光ＬＤ７０を作動させるＬＤ駆動回路８０を備える。

ここまでが光増幅の前段部分となり、励起光には、０．９８μｍの励起光を用いる。こうすることで雑音特性を良くし、前段部分での信号光の増幅により、光ファイバ増幅器１０全体としての雑音特性の劣化（後に続く利得等化器９０や光可変減衰器１００などの損失による）を抑圧する。

前段部分の後には、光ファイバ増幅器１０は、光増幅器の多波長信号利得特性を平坦にするための利得等化器９０、および、信号光の入力レベルが変化しても多波長信号利得を平坦に保つための光可変減衰器１００が配置される。これらの利得等化器９０、光可変減衰器１００により損失を受けた信号光のレベルを補償するため、続いてもう一段の増幅部分を設ける。

すなわち、光ファイバ増幅器１０は、光可変減衰器１００に続いて、前段部分と同様、発振抑圧のための光アイソレータ１１０、信号光と励起光を合波するための光合波器１２０、信号光を増幅するＥＤＦ１３０、発振抑圧のための光アイソレータ１４０が配置され、光コネクタ１５０に続く。そして、光合波器１２０に励起光を入力する励起光ＬＤ１６０、および、該励起光ＬＤ１６０を作動させるＬＤ駆動回路１７０を備える。

ここまでが後段部分となり、励起光には、１．４８μｍの励起光を用いる。なお、後段部分には高い信号出力パワーを要求されることが多いので、この１．４８μｍの励起光を用いるが、雑音特性を良くするために０．９８μｍの励起光を用いてもよい。

そして、光ファイバ増幅器１０は、前段部分の励起光ＬＤ７０の劣化を検出する励起光ＬＤ劣化検出器２００を備える。

励起光ＬＤ劣化検出器２００は、光検出器２１０と、対応テーブル２２０と、電流値取得部２３０と、電流値取得部２４０と、差分算出回路２５０と、励起光ＬＤ劣化警報部２６０と、を備える。

光検出器２１０は、ＥＤＦから漏れ出すアップコンバージョン光を任意の物理量として検知する。具体的には、光検出器２１０は、光フィルタを備え、光フィルタで０．５μｍ〜０．６μｍのアップコンバージョン光以外の波長の光を遮断し、フォトダイオードでアップコンバージョン光を検知する。こうすることで、アップコンバージョン光のみがフォトダイオードにあたり、フォトダイオードには光の強さに応じた電流が流れる。

対応テーブル２２０は、実運用前の劣化していない状態の励起光ＬＤを作動させるために流した電流の値と、該流した電流で作動した励起光ＬＤの励起光によってＥＤＦから発せられたアップコンバージョン光の光の強さとの対応関係を、異なる電流の値で複数対記憶する。具体的には、図４に示すように、対応テーブル２２０は、電流の値がＬＤ駆動回路のＬＤ駆動電流値で、光の強さがフォトダイオード検出電流値である対応関係を複数対記憶する。

この対応テーブル２２０は、光ファイバ増幅器１０の運用前に作成されるものである。したがって、光ファイバ増幅器１０の運用前にＬＤ駆動回路から励起光ＬＤへ電流を流し、該電流の大きさを変化させていく。

このとき、電流値取得部２３０は、ＬＤ駆動回路から複数のＬＤ駆動電流値を取得して対応テーブル２２０に登録する。

また、電流値取得部２４０は、励起光ＬＤの励起光によってＥＤＦからアップコンバージョン光が漏れ出し、光量に応じて光検出器２１０のフォトダイオードに電流が流れるので、電流値取得部２３０がＬＤ駆動電流値を取得するタイミングで、光検出器２１０から複数のフォトダイオード検出電流値を取得して対応テーブル２２０に登録する。

光ファイバ増幅器１０の運用が始まると、励起光ＬＤ劣化検出器２００による励起光ＬＤの劣化検出が開始される。

光ファイバ増幅器１０の運用時、差分算出回路２５０は、現にＬＤ駆動回路から励起光ＬＤへ流れる電流の値に対応テーブル２２０内で対応付けられているフォトダイオード検出電流値と、現にフォトダイオードに流れる電流の値との差分を算出する。

そして、励起光ＬＤ劣化警報部２６０は、差分算出回路２５０によって算出された差分を監視し、所定値を越えた場合にアラーム音を発出する。こうすることによって、励起光ＬＤ７０の劣化を保守者などに通知することができる。

なお、励起光ＬＤ劣化検出器２００による劣化検出の対象は、図３に示したような２段階構成の光ファイバ増幅器１０における前段部分の励起光ＬＤに限られず、光ファイバ増幅器が３段以上の構成であった場合には、信号光が出力される最終段より前にある全ての段の励起光ＬＤであってもよい。

最後に図５を用いて、励起光ＬＤ劣化検出器２００の処理の流れを説明する。図５は、励起光ＬＤ劣化検出器２００の処理の流れを示すフローチャートである。

まず、励起光ＬＤの取り付けがあったならば（ステップＳ１１０肯定）、電流値取得部２３０および電流値取得部２４０がＬＤ駆動電流値とフォトダイオード検出電流値との対応関係を対応テーブル２２０に登録する（ステップＳ１２０）。

光ファイバ増幅器１０の運用が始まると、励起光ＬＤ劣化検出器２００は、励起光ＬＤの劣化の監視を開始する（ステップＳ１３０）。

光ファイバ増幅器１０の運用中、差分算出回路２５０が、現にフォトダイオードに流れる電流の値と、現にＬＤ駆動回路から励起光ＬＤへ流れる電流の値に対応テーブル２２０内で対応付けられているフォトダイオード検出電流値との差分を算出する（ステップＳ１４０）。

かかる差分が所定値を超えたか否かを、励起光ＬＤ劣化警報部２６０が判断し（ステップＳ１５０）、所定値を超えたならば（ステップＳ１５０肯定）、励起光ＬＤ劣化警報部２６０がアラームを鳴らし（ステップＳ１６０）、処理を終了する。

［実施例の効果］
上記したように、実施例によれば、励起光源の劣化を検出することが可能となる。また、励起光の一部を直接監視して励起光源の劣化を検出する手法と比較してコストを抑えることが可能となる。また、励起光源のバックパワーを監視する手法と比較して精度の高い検出が可能となる。

励起光源の劣化の判断方法を説明するための図である。 光ファイバにアップコンバージョン光を乗り移らせる手法を説明するための図である。 光ファイバ増幅器の概要構成を示す図である。 対応テーブルに登録される情報の例を示す図である。 励起光ＬＤ劣化検出器２００の処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 光ファイバ増幅器
２０、１５０ 光コネクタ
３０、６０、１１０、１４０ 光アイソレータ
４０、１２０ 光合波器
５０、１３０ ＥＤＦ
７０、１６０ 励起光ＬＤ
８０、１７０ ＬＤ駆動回路
９０ 利得等化器
１００ 光可変減衰器
２００ 励起光ＬＤ劣化検出器
２１０ 光検出器
２２０ 対応テーブル
２３０ 電流値取得部
２４０ 電流値取得部
２５０ 差分算出回路
２６０ 励起光ＬＤ劣化警報部
３００ ボビン
３１０ ＥＤＦ
３２０ 励起光ＬＤ
３３０ 光合波器
３４０ アップコンバージョン光
３５０ ＬＤ駆動回路
３６０ 光ファイバ

Claims (6)

1. 複数の希土類添加光ファイバを増幅媒体とし、前記希土類添加光ファイバごとに設置された励起光源に電流を流して励起光を生成し、各励起光を入射対象の前記希土類添加光ファイバに入射して希土類イオンを励起し、多段階で信号光を増幅する光ファイバ増幅器であって、
   劣化していない状態の励起光源に対する入力電流値と、当該入力電流によって励起された希土類添加光ファイバから漏れ出したアップコンバージョン光の光の強さとの対応関係を記憶する記憶手段と、
   前記希土類添加光ファイバと異なる別の光ファイバを前記希土類添加光ファイバに沿わせるとともに接着させて配置し、前記希土類添加光ファイバから前記光ファイバに乗り移ったアップコンバージョン光であって、多段階の前記希土類添加光ファイバのうち最終段階より前の段階の前記希土類添加光ファイバから漏れ出したアップコンバージョン光を検知する検知手段と、
   前記検知手段によって検知されたアップコンバージョン光の光の強さと、前記励起光源に現に流れる電流の入力電流値を前記記憶手段によって記憶された対応関係によって変換した値との差分を算出する差分算出手段と、
   前記差分算出手段によって算出された差分が所定値を超えたか否かを判定する判定手段と、
   を備えたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
2. 前記アップコンバージョン光を集光する集光手段をさらに備え、
   前記検知手段は、前記集光手段によって集光されたアップコンバージョン光を検知することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅器。
3. 前記希土類添加光ファイバから漏れ出す光のうちアップコンバージョン光のみを通過する光フィルタ手段をさらに備え、
   前記検知手段は、前記光フィルタ手段を通過したアップコンバージョン光を検知することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光ファイバ増幅器。
4. エルビウムイオンが添加された複数の希土類添加光ファイバを備え、前記希土類添加光ファイバのいずれかにアップコンバージョン光が観測される波長の励起光を入射していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光ファイバ増幅器。
5. 複数の希土類添加光ファイバを増幅媒体とし、多段階で信号光を増幅する光ファイバ増幅器に設置された励起光源の劣化を検出する劣化検出器であって、
   劣化していない状態の励起光源に対する入力電流値と、当該入力電流によって励起された希土類添加光ファイバから漏れ出したアップコンバージョン光の光の強さとの対応関係を記憶する記憶手段と、
   前記希土類添加光ファイバと異なる別の光ファイバを前記希土類添加光ファイバに沿わせるとともに接着させて配置し、前記希土類添加光ファイバから前記光ファイバに乗り移ったアップコンバージョン光であって、多段階の前記希土類添加光ファイバのうち最終段階より前の段階の希土類添加光ファイバから漏れ出したアップコンバージョン光を検知する検知手段と、
   前記検知手段によって検知されたアップコンバージョン光の光の強さと、前記励起光源に現に流れる電流の入力電流値を前記記憶手段によって記憶された対応関係によって変換した値との差分を算出する差分算出手段と、
   前記差分算出手段によって算出された差分が所定値を超えたか否かを判定する判定手段と、
   を備えたことを特徴とする劣化検出器。
6. 複数の希土類添加光ファイバを増幅媒体とし、多段階で信号光を増幅する光ファイバ増幅器に設置された励起光源の劣化検出方法であって、
   前記希土類添加光ファイバと異なる別の光ファイバを前記希土類添加光ファイバに沿わせるとともに接着させて配置し、前記希土類添加光ファイバから前記光ファイバに乗り移ったアップコンバージョン光であって、多段階の前記希土類添加光ファイバのうち最終段階より前の段階の希土類添加光ファイバから漏れ出したアップコンバージョン光を検知する検知工程と、
   劣化していない状態の励起光源に対する入力電流値と、当該入力電流によって励起された希土類添加光ファイバから漏れ出したアップコンバージョン光の光の強さとの対応関係によって、前記励起光源に現に流れる電流の入力電流値をアップコンバージョン光の光の強さに変換する変換工程と、
   前記検知工程によって検知されたアップコンバージョン光の光の強さと、前記変換工程によって変換された値との差分を算出する差分算出工程と、
   前記差分算出工程によって算出された差分が所定値を超えたか否かを判定する判定工程と、
   を含んだことを特徴とする劣化検出方法。

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