JP5416285B2 - 光増幅装置および光伝送システム - Google Patents

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Description

本発明は、光通信分野等に適用される光増幅装置および光伝送システムに関するものである。
近年、ＦＴＴｘ（Fiber To The x）と呼ばれる、ユーザ宅向けの光ファイバ通信網が社会に浸透している。このような光ファイバ通信網では、伝送路の伝送損失を補償するとともに、複数の加入者に光信号を分配するための分配器における分配損失を補償する目的で、光増幅装置が使用される。
このような光増幅装置としては、例えば、光増幅物質としてエルビウムがコア部に添加された光ファイバに、映像信号等の光信号を入力するとともに、励起光源からの励起光を入力することにより、光信号を増幅するファイバ型光増幅装置（ＥＤＦＡ：Erbium Doped Fiber Amplifier）が知られている。近年では、さらに、吸収帯域としてワット級出力の高出力レーザが励起光源として適用できるイッテルビウム（Ytterbium）をコア部に添加することが行われている。また、コア部において結合可能な励起光強度を高めるために、光信号をコア部内にシングルモード伝搬させ、出力の高いマルチモードレーザ光源からの励起光を、コア部を囲むクラッド部内にマルチモード伝搬させるダブルクラッド型の光ファイバを使用することも行われている（特許文献１参照）。
特開２００８−５３２９４号
ところで、前述した光ファイバを用いた光増幅装置における映像の増幅において、画質を劣化させる要因として、光増幅装置で発生する雑音および信号の歪み等がある。光増幅装置の雑音を表す指数の一つに雑音指数（ＮＦ：Noise Figure）がある。ＮＦが大きいと、映像信号に光増幅装置の雑音が重畳されるので、受信画面上にスノー状のノイズが表れる。信号歪みを表す指数にはＣＳＯ（Composite Second Order Distortion）およびＣＴＢ（Composite Triple Beat Distortion）があり、これらの歪みは画質に大きな影響を及ぼす。
このようなアナログ伝送における画質劣化要因を減らすためには、光ファイバの長さを短くすることが望ましい。しかしながら、光ファイバの長さを短くすると、誘導放出に利用されないで残ってしまう残留励起光が発生する。図１０は、中心波長が９３３ｎｍの励起光によって励起した場合における光ファイバの長さと、残留励起光の強度の関係を示す図である。この図に示すように、光ファイバの長さが短くなるほど、残留励起光の強度が増加する傾向にある。このような残留励起光が発生すると、当該残留励起光に起因する熱やエネルギーにより、光ファイバ等に悪影響を与える場合があるという問題点がある。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、残留励起光の発生を抑制しつつ、アナログ特性を改善することが可能な光増幅装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は、光信号を増幅する光増幅装置において、前記光信号を入力する入力部と、アンクールド型のマルチモード半導体レーザ素子から構成され、 マルチモードレーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源からの前記レーザ光に基づく誘導放出によって前記光信号を増幅して出力するダブルクラッド型の光ファイバと、前記光ファイバによって増幅された前記光信号を出力する出力部と、前記光ファイバと前記出力部との間に配置されたパッシブ光部品と、前記レーザ光源が発生するレーザ光の波 長帯域が、前記光ファイバの吸収率が高い波長帯域と略一致するように前記レーザ光源を 含む系の温度を調整する温度調整部と、を有し、前記レーザ光源と前記光ファイバおよび／または前記パッシブ光部品は、熱伝導性媒体を介して熱的に結合されており、前記熱伝 導性媒体は、前記光ファイバおよび／または前記パッシブ光部品が発生した熱を放熱する ためのヒートシンクであり、当該ヒートシンクに前記レーザ光源を配置することにより熱 的に結合し、前記温度調整部は、前記ヒートシンクを加熱するヒータを有し、前記光ファ イバおよび／または前記パッシブ光部品によって発生された熱と、前記ヒータによって加 熱した熱とによって、前記レーザ光源を昇温させて、前記レーザ光源の発振波長を制御す ることを特徴とする。
このような構成によれば、残留励起光の発生を抑制しつつ、アナログ特性を改善することが可能となる。また、このような構成によれば、レーザ光源の温度を常に一定に保つこ とができるので、例えば、環境温度等に影響されることなく、残留励起光を確実に抑制す ることができる。
また、他の発明は、上記発明に加えて、前記レーザ光源の温度を検出するための、前記 レーザ光源と熱的に結合された温度検出部をさらに有し、前記温度調整部は、前記温度検 出部による温度検出結果に基づいて、前記レーザ光源が発生するレーザ光の波長帯域が、 前記光ファイバの吸収率が高い波長帯域と略一致するように、前記ヒータのオン／オフを 制御することを特徴とする。
このような構成によれば、レーザ光源の温度を常に一定に保つことができるので、例え ば、環境温度等に影響されることなく、残留励起光を確実に抑制することができる。
また、他の発明は、上記発明に加えて、前記温度調整部は、前記ヒートシンクを冷却す る冷却部を更に有し、前記レーザ光源のパワーを制御して前記光ファイバおよび／または 前記パッシブ光部品と、前記ヒータによって加熱した熱とによって発生された熱によって 前記レーザ光源を昇温させるとともに、前記冷却部によって前記レーザ光源を冷却するこ とで、前記レーザ光源の発振波長を制御することを特徴とする。
このような構成によれば、残留励起光の発生を抑制しつつ、アナログ特性を改善するこ とが可能となる。
また、他の発明は、上記発明に加えて、前期冷却部は、ファンにより構成されているこ とを特徴とする。
このような発明によれば、残留励起光の発生を抑制しつつ、アナログ特性を改善するこ とが可能となる。
また、本発明は、光信号を増幅する光増幅装置において、前記光信号を入力する入力部 と、アンクールド型のマルチモード半導体レーザ素子から構成され、マルチモードレーザ 光を発するレーザ光源と、前記レーザ光源からの前記レーザ光に基づく誘導放出によって 前記光信号を増幅して出力するダブルクラッド型の光ファイバと、前記光ファイバによっ て増幅された前記光信号を出力する出力部と、前記光ファイバと前記出力部との間に配置 されたパッシブ光部品と、を有し、前記レーザ光源は、熱伝導性媒体を介して、前記光フ ァイバおよび前記パッシブ光部品に熱的に結合されており、前記パッシブ光部品は、前記 光ファイバから発生する残留励起光を熱に変換して除去する残留励起光除去部であり、前 記光ファイバによって発生された熱および前記残留励起光除去部によって変換された熱に よって、前記レーザ光源を昇温させて、前記レーザ光源の発振波長を制御する、ことを特 徴とする。
このような構成によれば、残留励起光の発生を抑制しつつ、アナログ特性を改善するこ とが可能となる。また、このような構成によれば、レーザ光源の温度を常に一定に保つこ とができるので、例えば、環境温度等に影響されることなく、残留励起光を確実に抑制す ることができる。
また、他の発明は、上記発明に加えて、熱的な定常状態に達した際に前記レーザ光源が発生するレーザ光の波長帯域が、前記光ファイバの吸収率が高い波長帯域と略一致するように設定されていることを特徴とする。
このような構成によれば、残留励起光を抑制しつつ、アナログ特性を改善するとともに、変換効率を向上させることが可能になる。
また、他の発明は、上記発明に加えて、前記光ファイバから出力される残留励起光のパワーが５００ｍＷ以下になるように設定されていることを特徴とする。
この構成によれば、残留励起光が光ファイバ等に悪影響を与えることを防止できる。
また、本発明の光伝送システムは、光信号を送信する光送信装置と、前記光増幅装置と、前記光増幅装置によって増幅された前記光信号を受信する光受信装置と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、伝送システムの通信品質を高めるとともに、消費電力を削減して、システムの維持に必要な経費を節約することができる。
本発明の光増幅装置および光伝送システムによれば、残留励起光の発生を抑制しつつ、アナログ特性を改善することが可能となる。
本発明の光増幅装置の構成例を示すブロック図である。 図１に示す増幅光ファイバの断面構造と各部位の屈折率を示す図である。 レーザダイオードが発生する励起光の波長特性の概略を示す図である。 ヒートシンクに配置される増幅光ファイバとレーザダイオードの関係の一例を示す図である。 増幅光ファイバの基底状態吸収および励起状態ゲインと波長との関係を示す図である。 本実施形態と従来例における増幅光ファイバ長と、残留励起光の関係を示す図である。 本実施形態の光増幅装置を用いた光伝送システムの構成例を示す図である。 ヒートシンクに配置される増幅光ファイバとレーザダイオードの関係の他の一例を示す図である。 ヒートシンクに配置される増幅光ファイバとレーザダイオードの関係のさらに他の一例を示す図である。 従来例における増幅光ファイバ長と、残留励起光の関係を示す図である。
次に、本発明の実施形態について説明する。
（Ａ）実施形態の構成
図１は本発明の実施形態の光増幅装置の構成例を示す図である。この図に示すように、光増幅装置１０は、入力ポート１１、増幅光ファイバ１２、光カプラ１３，１４、光アイソレータ１５，１６、励起光混合器１７、フォトダイオード１８，１９、レーザダイオード２０、制御回路２１、サーミスタ２２、冷却部２３、および、出力ポート２４を有している。
入力ポート１１は、例えば、光コネクタ等によって構成される。入力ポート１１には、例えば、周波数が９１．２５〜３４３．２５ＭＨｚの範囲の４０キャリアの正弦波からなるＡＭ−ＶＳＢ（Amplitude Modulation-Vestigial Side-Band）信号によってレーザ光を変調した波長１５５０ｎｍの光信号が入力される。増幅光ファイバ（ＥＹＤＦ：Erbium Ytterbium Doped Fiber）１２は、光信号を、レーザダイオード２０によって発生された励起光による誘導放出によって増幅する。
図２は、増幅光ファイバ１２の断面構造と、その屈折率を示す図である。図２に示すように、増幅光ファイバ１２は、コア部１２ａ、第１クラッド部１２ｂ、および、第２クラッド部１２ｃを有するダブルクラッド型の光ファイバである。また、図２の下に示すように、各部の屈折率は、コア部１２ａが最も高く、続いて、第１クラッド部１２ｂおよび第２クラッド部１２ｃの順になっており、光信号は、コア部１２ａをシングルモードで伝搬され、レーザダイオード２０からの励起光は、コア部１２ａと第１クラッド部１２ｂをマルチモードで伝搬される。コア部１２ａは、例えば、石英ガラスによって構成され、エルビウム（Ｅｒ）とイッテルビウム（Ｙｂ）とが共添加されている。第１クラッド部１２ｂは、例えば、石英ガラスによって構成されている。第２クラッド部１２ｃは、例えば、樹脂や石英ガラス等によって構成されている。増幅光ファイバ１２は、後述するようにヒートシンク３０（図４参照）に取り付けられ、また、当該ヒートシンク３０には、レーザダイオード２０が熱的に結合（以下、単に「熱結合」と称する）されている。なお、図２は、第１クラッド部１２ｂが円形の断面形状を有する場合を例に挙げているが、円形に限らず、例えば、矩形、三角形、または、星形等の形状であってもよい。
光カプラ１３は、入力ポート１１から入力された光信号の一部を分岐してフォトダイオード１８に入力し、残りを光アイソレータ１５に入力する。フォトダイオード（ＰＤ）１８は、光カプラ１３によって分岐された光信号を対応する電気信号に変換し、制御回路２１に供給する。なお、制御回路２１では、フォトダイオード１８から供給された電気信号をアナログ信号または対応するデジタル信号に変換し、入力信号の光強度を検出する。
光アイソレータ１５は、光カプラ１３からの光を透過させ、励起光混合器１７および増幅光ファイバ１２から戻ってくる光を遮断する機能を有する。レーザダイオード（ＬＤ）２０は、例えば、波長が９００ｎｍ帯域の励起光としてのレーザ光を発生するマルチモード半導体レーザ素子によって構成される。図３は、レーザダイオード２０が発生するレーザ光の波長特性の概略を示す図である。この図に示すように、レーザダイオード２０が発生するレーザ光は、中心波長λｃを中心として、所定の広がりを有する特性を有している。この例は、一例であって、これ以外の特性であってもよい。なお、レーザダイオード２０は、冷却素子としてのペルチェ素子を有しないアンクールド（uncooled）型の半導体レーザ素子である。
励起光混合器１７は、レーザダイオード２０によって発生された励起光を、増幅光ファイバ１２に入力し、コア部１２ａ内と第１クラッド部１２ｂ内とをマルチモードで伝搬させる。また、励起光混合器１７は、光アイソレータ１５から出力された光信号を、増幅光ファイバ１２に入力し、コア部１２ａ内をシングルモードで伝搬させる。
光アイソレータ１６は、増幅光ファイバ１２からの光を透過させ、光カプラ１４から戻ってくる光を遮断する機能を有する。光カプラ１４は、光アイソレータ１６から出力される光信号の一部を分岐してフォトダイオード１９に入力し、残りを出力ポート２４から出力する。出力ポート２４は、例えば、光コネクタ等によって構成され、増幅された光信号を外部に出力する。フォトダイオード（ＰＤ）１９は、光カプラ１４によって分岐された光信号を対応する電気信号に変換し、制御回路２１に供給する。制御回路２１では、フォトダイオード１９から供給された電気信号をアナログ信号または対応するデジタル信号に変換し、出力信号の光強度を検出する。
制御回路２１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換回路、および、Ｄ／Ａ（Digital to Analog）変換回路等によって構成され、ＣＰＵがＲＯＭに格納されているプログラムに応じて、ＲＡＭをワークエリアとして演算処理を実行し、フォトダイオード１８，１９から供給される信号に基づいて、レーザダイオード２０の駆動電流を制御することにより、光増幅装置１０から出力される光信号の強度が一定になるようにＡＬＣ（Automatic Output Power Level Control）、または、利得一定制御ＡＧＣ（Automatic Gain Control）を実行する。また、サーミスタ２２によって検出されたレーザダイオード２０の温度に基づいて、冷却部２３を駆動し、レーザダイオード２０の温度が所望の温度になるように制御する。なお、制御回路２１は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等によって構成するようにしてもよい。
サーミスタ（ＴＨ）２２は、レーザダイオード２０と熱的に結合され、レーザダイオード２０の温度を検出し、制御回路２１に供給する。温度調整部としての冷却部（ＦＡＮ）２３は、例えば、小型のモータと、送風用のファンによって構成され、制御回路２１の制御に応じて駆動され、ヒートシンク３０に送風することにより、レーザダイオード２０が所望の温度になるように制御する。なお、冷却部２３の制御としては、例えば、温度の高低に応じて、単純にオン／オフする制御としたり、あるいは、温度の高低に応じて回転数を制御したりするようにしてもよい。
図４は、ヒートシンク３０の構成例を示す図である。ヒートシンク３０は、例えば、アルミニウムまたは銅等の熱伝導性が良好な金属板によって形成されている。当該金属板の一方の面（図４の手前側の面）には、コイル状に巻回された増幅光ファイバ１２の一方の直線部分が収容される直線溝部３１と、他方の直線部分が収容される直線溝部３２と、巻回された円形部分が収容される円形溝部３３が形成されている。増幅光ファイバ１２のコイル状に巻回された部分の内側の半径と、円形溝部３３の内側の側面の半径は略同じとされているので、増幅光ファイバ１２がヒートシンク３０の円形溝部３３に収容されると、増幅光ファイバ１２の巻回された部分の内側と、円形溝部３３の内側の側面とが接触し、これらの間で熱結合が図られる。なお、熱伝導性を高めるために、直線溝部３１，３２および円形溝部３３の幅を、増幅光ファイバ１２の太さと略同じとし、溝部の両側面が増幅光ファイバ１２の両側に接するようにしてもよい。また、例えば、両者の間に熱伝導性シリコン等を介在させて、熱伝導率を一層高めるようにしてもよい。
また、円形溝部３３によって囲まれた凸状部の頂部の略中央には、レーザダイオード２０が配置されている。なお、熱伝導性を高めるために、両者の間に熱伝導性シリコン等を介在させるようにしてもよいことは、前述の場合と同様である。なお、図４では示していないが、レーザダイオード２０には、図１に示すサーミスタ２２が熱的に結合され、レーザダイオード２０の温度を検出可能とされている。また、同様に、図４では図示していないが、図１に示す冷却部２３が、例えば、レーザダイオード２０に対して冷却可能な位置に配置されている。なお、ヒートシンク３０の表側（図４の手前側）ではなく、裏側（図４の奥側）に冷却部２３を設けるようにしてもよい。あるいは、ヒートシンク３０の裏側に複数のフィン（Fin）を設け、当該フィンに対して冷却部２３により冷却するようにしてもよい。
（Ｂ）実施形態の動作
以下では、本実施形態の動作の概要を説明した後、詳細な動作を説明する。本実施形態では、エルビウムとイッテルビウムとが共添加されたダブルクラッド型の増幅光ファイバ１２を使用している。図５は、このような増幅光ファイバ１２の基底状態吸収（Ground-State Absorption）と、励起状態ゲイン（Excited-State Gain）の波長による変化を示す図である。基底状態吸収を示す曲線は、９１０〜９６０ｎｍ付近にフラットな帯域Ｂを有し、９７５ｎｍ付近にピークを有する。ところで、非冷却型マルチモードのレーザダイオード２０は、温度の上昇に応じて、発生されるレーザ光の波長が長波長側にシフトする。例えば、温度が７５℃上昇すると、２２．５ｎｍ長波長側へシフトする。そのため、一般的には、レーザダイオード２０の温度変化によって、吸収特性が変化しないようにするために、レーザダイオード２０が発生する励起光の中心波長λｃは、図５に示すフラットな帯域Ｂ内に収まるように設計されることが一般的である。
一方、本願では、動作中に熱を発生する増幅光ファイバ１２と、レーザダイオード２０とを、熱伝導性媒体であるヒートシンク３０によって熱結合し、増幅光ファイバ１２によって発生された熱を積極的に利用してレーザダイオード２０を昇温する。そして、熱的な定常状態になった場合（増幅光ファイバ１２から発生する熱と、ヒートシンク３０から放射される熱が均衡し、レーザダイオード２０の温度が一定になった場合）において、レーザダイオード２０が発生する励起光の中心波長λｃが、増幅光ファイバ１２の基底状態吸収のピーク波長λａ（図５の例では９７５ｎｍ）と略一致するようにレーザダイオード２０の特性と増幅光ファイバ１２の特性を設定する。あるいは、中心波長λｃとピーク波長λａが略一致するように、レーザダイオード２０の温度を制御する。このような方法により、従来のようにフラットな帯域Ｂを使用する場合に比較して、励起光の吸収率を高めることができるため、アナログ特性を改善する目的で、増幅光ファイバ１２の長さを短く設定した場合であっても、残留励起光の強度を減少させることができる。また、吸収率が高い帯域で、増幅光ファイバ１２を使用することにより、変換効率（励起光入力パワーに対する信号利得の割合）を向上させることが可能になる。なお、温度が変動して、レーザダイオード２０が発生する励起光の波長が変動した場合であっても、帯域Ｂよりも吸収率が高い範囲内に存在していれば、従来に比較して、残留励起光を減少させるとともに、変換効率を高めることができる。
図６は、従来例および本実施形態における、残留励起光と、増幅光ファイバ１２の長さの関係を示す図である。この図の上側の楕円内に示す点は、従来例における残留励起光とファイバ長との関係を示している。また、図の下側の楕円内に示す点は、本実施形態における残留励起光とファイバ長の関係を示している。これらの比較から、本願の場合では、増幅光ファイバ１２の長さを短くしても、従来の場合ほど、残留励起光が増加しない。
このように、本願では、レーザダイオード２０と増幅光ファイバ１２とをヒートシンク３０を介して熱結合するとともに、これらが熱的な定常状態に達した場合にレーザダイオード２０から発生される励起光の中心波長λｃが、増幅光ファイバ１２の基底状態吸収のピーク波長λａと略一致するように設定するようにしたので、アナログ特性を改善させつつ、残留励起光の増加を抑制することができる。また、増幅光ファイバ１２の吸収特性のピーク位置を使用することで、変換効率を向上させることができる。
また、レーザダイオード２０としてアンクールド型を使用することができることから、ペルチェ素子によって消費される電力（レーザダイオード２０を駆動するために必要な電力の約２倍の電力）が不要になり、光増幅装置１０の消費電力を１／３以下に減少させることができる。また、ペルチェ素子の放熱器を省略することにより、装置全体のサイズを縮小することができる。さらに、エルビウムとイッテルビウムとが共添加されたダブルクラッド型の増幅光ファイバ１２を用いることで、高利得を簡単に得ることができる。
つぎに、本実施形態の詳細な動作について説明する。
本実施形態では、例えば、周波数が９１．２５〜３４３．２５ＭＨｚの範囲の４０キャリアの正弦波からなるＡＭ−ＶＳＢ信号によってレーザ光を変調した波長１５５０ｎｍの光信号を増幅する場合を例に挙げて説明する。光信号が入力ポート１１から入力されると、光カプラ１３は、その一部を分岐してフォトダイオード１８に入力する。具体的には、光カプラ１３が２０ｄＢカプラである場合（分岐比が１／１００である場合）には、光信号の１／１００がフォトダイオード１８に入力され、残りが光アイソレータ１５に入力される。
フォトダイオード１８は、入力された光信号を電気信号に変換し、制御回路２１に供給する。制御回路２１は、入力された電気信号をアナログ信号または対応するデジタル信号に変換した後、得られたデータと、光カプラ１３の分岐比とに応じて入力ポート１１から入力された光信号の強度を算出する。
光アイソレータ１５を通過した光信号は、励起光混合器１７に導かれる。励起光混合器１７は、光アイソレータ１５を通過した光信号を増幅光ファイバ１２のコア部１２ａに入力し、コア部１２ａ内をシングルモードで伝搬させる。一方、レーザダイオード２０が発生した励起光は、励起光混合器１７により、増幅光ファイバ１２のコア部１２ａと第１クラッド部１２ｂに入力され、コア部１２ａと第１クラッド部１２ｂの内部をマルチモードで伝搬される。励起光は、増幅光ファイバ１２を伝搬しながら、コア部１２ａのイッテルビウムイオン（Ｙｂ３＋）に吸収され、イッテルビウムイオンが間接的にエルビウムイオン（Ｅｒ３＋）を励起する。コア部１２ａを伝搬される光信号は、励起されたエルビウムイオンからの誘導放出によって増幅される。
増幅光ファイバ１２は、増幅動作中は発熱する。例えば、８ｍの長さの増幅光ファイバ１２を、８Ｗの出力のレーザダイオード２０によって励起した場合、その周囲温度は６０℃近くまで上昇する。本実施形態では、増幅光ファイバ１２は、図４に示す、ヒートシンク３０に取り付けられているので、増幅光ファイバ１２が発生した熱は、熱伝導性媒体としてのヒートシンク３０を伝達する。ヒートシンク３０の中心部には、レーザダイオード２０が配置されており、レーザダイオード２０は、ヒートシンク３０と熱結合されているので、レーザダイオード２０は、増幅光ファイバ１２から伝達された熱によって温度が上昇する。また、ヒートシンク３０を伝達する熱は、熱放射によって周囲に放射される。レーザダイオード２０には、サーミスタ２２が熱結合されており、素子温度を検出している。このようにして検出されたレーザダイオード２０の温度は、制御回路２１に供給される。制御回路２１は、レーザダイオード２０の温度が、予め設定されて記憶されている温度Ｔｃ（例えば、５０℃（λｃとλａが略一致する温度））と等しいか否かを判定し、温度Ｔｃよりも検出された温度が高い場合には、冷却部２３を駆動し、それ以外の場合には冷却部２３を駆動しない。このような制御により、レーザダイオード２０の温度が温度Ｔｃになるように制御されるため、冷却部２３を含めた系が熱的定常状態に達した場合には、レーザダイオード２０の素子温度は温度Ｔｃに等しくなる。
レーザダイオード２０の温度が上昇すると、レーザダイオード２０が発生する励起光の波長が長波長側にシフトする。ここで、レーザダイオード２０の温度がＴｃと等しくなった場合に発生される励起光の中心波長λｃ（図３参照）と、増幅光ファイバ１２の基底状態吸収のピーク波長λａ（図５参照）とは略一致するように設定されている。この結果、レーザダイオード２０から発生された励起光は、高い割合で増幅光ファイバ１２に吸収され、光信号の増幅に利用される。このため、アナログ特性を改善する目的で、増幅光ファイバ１２の長さを短く設定した場合であっても、残留励起光の強度を低下させることができる。図６は、前述したように、増幅光ファイバ１２の長さと、残留励起光の強度との関係を示す図である。図６の上側の楕円で囲んだ点は、従来における増幅光ファイバ１２の長さと、残留励起光の強度との関係を示しており、増幅光ファイバ１２の長さが短くになるにつれて、残留励起光の強度が顕著に増加している。一方、図６の下側の楕円で囲んだ点は、本実施形態における増幅光ファイバ１２の長さと、残留励起光の強度との関係を示しており、増幅光ファイバ１２の長さが短くなっても、残留励起光の強度が増加は僅少である。増幅光ファイバ１２から出力される残留励起光のパワーは、光受動部品の耐力を考慮すると、５００ｍＷ以下となるように設定することが望ましい。なお、５００ｍＷは、光受動部品のハイパワー耐力値として一般的に用いられている値であり、残留励起光を５００ｍＷ以下に設定することで、光受動部品の損傷を防ぐとともに、長寿命化を図ることが可能になる。なお、５００ｍＷ以下に設定するのではなく、例えば、増幅光ファイバ１２から出力される光信号のパワー以下になるように設定するようにしてもよい。光信号のパワー以下であれば、光受動部品が損傷することはないからである。
増幅光ファイバ１２によって増幅された光信号は、光アイソレータ１６を介して光カプラ１４に入力される。光カプラ１４は、入力された光信号の一部を分岐してフォトダイオード１９に入力する。具体的には、光カプラ１４が２０ｄＢカプラである場合（分岐比が１／１００である場合）には、光信号の１／１００がフォトダイオード１９に入力され、残りが出力ポート２４から出力される。
フォトダイオード１９は、入力された光信号を電気信号に変換し、制御回路２１に供給する。制御回路２１は、入力された電気信号をアナログ信号または対応するデジタル信号に変換した後、得られたデータと、光カプラ１４の分岐比とに応じて、増幅後の光信号の強度を算出する。そして、制御回路２１は、前述した処理によって算出した入力光の強度と、出力光の強度に基づいて、光増幅装置１０のゲインを求める。そして、求めたゲインに基づいて、利得が一定になるようにする制御である利得一定制御（ＡＧＣ）を実行する。または、出力光の強度のみを検出して、出力強度を一定に保つ出力一定制御（ＡＬＣ：Automatic Output Power Level Control）を実行する。なお、これ以外にも、励起電流一定制御（ＡＣＣ：Automatic Current Control）または励起パワー一定制御（ＡＰＣ：Automatic Pump Power Control）等に基づいて制御するようにしてもよい。
以上に説明したように、本発明の実施形態によれば、レーザダイオード２０と増幅光ファイバ１２を、熱伝導性媒体としてのヒートシンク３０によって熱結合し、増幅光ファイバ１２によって発生された熱がレーザダイオード２０に伝達され、熱的な定常状態に達した際にレーザダイオード２０が発生する励起光の中心波長λｃが、増幅光ファイバ１２の励起光の吸収率のピーク波長λａと略一致するようにしたので、アナログ特性を改善する目的で、増幅光ファイバ１２の長さを短くした場合であっても、残留励起光の強度が増大することを防止できる。
また、本実施形態では、増幅光ファイバ１２とレーザダイオード２０とを、ヒートシンク３０を介して熱結合するようにした。ヒートシンク３０は、一般的に、熱伝導性が高いアルミニウム等の金属によって構成されているので、増幅光ファイバ１２によって発生した熱をレーザダイオード２０に迅速に伝達し、遅延なく温度を制御することができる。
また、本実施形態では、レーザダイオード２０にサーミスタ２２を熱結合し、サーミスタ２２によって検出された温度に基づいて、冷却部２３を制御するようにしたので、レーザダイオード２０が常に一定の温度になるようにすることができる。このような制御により、環境温度等に影響されることなく、残留励起光の強度が低いレベルで一定になるように制御することができる。また、増幅光ファイバ１２の変換効率を高いレベルに維持することができる。
また、本実施形態では、レーザダイオード２０としてアンクールド型を使用するため、ペルチェ素子によって消費される電力が不要になることから、光増幅装置１０の消費電力を１／３程度に減少させることができるとともに、ペルチェ素子の放熱器を省略することにより、装置全体のサイズを縮小することができる。なお、本実施形態では、冷却部２３を使用するが、冷却部２３の消費電力は、ペルチェ素子に比較すると小さいため、たとえ、冷却部２３が頻繁に（または連続して）稼働される場合であっても、ペルチェ素子に比較して消費電力を減らすことができる。
また、本実施形態では、図４に示すように、増幅光ファイバ１２の励起光が入力される側が手前に配置されるように増幅光ファイバ１２を巻回した。増幅光ファイバ１２は、励起光が入力される側の温度が高く、入力端から離れるに従って温度が低下する分布を有する。従って、増幅光ファイバ１２の温度が高い側を、レーザダイオード２０に近い側に配置することにより、増幅光ファイバ１２の熱を効率よくレーザダイオード２０に伝達することが可能になる。
図７は、本実施形態の光増幅装置を光伝送システム５０に適用した場合の一例を説明する概略構成図である。この図の例では、光伝送システム５０は、光送信装置６０、送信側光伝送路７０、本実施形態の光増幅装置１０、受信側光伝送路８０、および、光信号受信装置９０を有している。この例では、光送信装置６０から送信された光信号は、送信側光伝送路７０を伝搬されて光増幅装置１０に到達する。光増幅装置１０では、前述したように、光信号が増幅された後、受信側光伝送路８０を伝搬されて光信号受信装置９０に到達し、そこで信号が復調される。本実施形態の光増幅装置１０は、良好なアナログ特性を有するとともに、低消費電力であることから、このような光増幅装置１０を用いた光伝送システム５０では、システム全体の通信品質を高めるとともに、消費電力を削減して、システムの維持に必要な経費を節約することができる。
（Ｃ）変形実施形態
なお、以上の実施形態では、図４に示すようなヒートシンク３０を用いるようにしたが、これ以外にも、例えば、図８に示すような構成としてもよい。図８の例では、ヒートシンク１３０は、例えば、アルミニウムまたは銅等の熱伝導性の金属板によって形成されている。当該金属板の一方の面には、増幅光ファイバ１２の一端部が埋め込まれる直線溝部１３１が形成されており、当該直線溝部１３１に増幅光ファイバ１２の励起光が入力される側の直線部分が埋め込まれる。直線溝部１３１から上方向に伸出した増幅光ファイバ１２は、螺旋を描くように、内側から外側に向かって回旋され、その半径が徐々に大きくなり、他端部が直線溝部１３１と同じ方向に向かってヒートシンク１３０の外部に向かって伸出する。なお、増幅光ファイバ１２の励起光が入力される直線部分は、直線溝部１３１内に埋め込まれておりその表面は、ヒートシンク１３０の表面と略同一の高さとされているので、螺旋状の部分は当該直線部分を避けるために曲げることなく配置が可能となる。増幅光ファイバ１２は、例えば、接着剤等によってヒートシンク１３０に取り付けられる。増幅光ファイバ１２の螺旋状の部分の中央付近には、レーザダイオード２０がヒートシンク１３０と熱的に結合するように、例えば、熱伝導率を高めるための熱伝導性シリコンを介して配置されている。なお、前述の場合と同様に、レーザダイオード２０には、図１に示すサーミスタ２２が熱的に結合され、レーザダイオード２０の温度を検出可能とされている。また、図１に示す冷却部２３が、例えば、レーザダイオード２０に対して冷却可能な位置に配置されている。なお、ヒートシンク１３０の表側ではなく、裏側に設けるようにしたり、あるいは、ヒートシンク１３０の裏側に複数のフィンを設け、当該フィンに対して冷却部２３により冷却するようにしたりしてもよい。
図９は、ヒートシンクのさらに他の実施形態を示している。図８の例では、増幅光ファイバ１２の一部のみを、ヒートシンク１３０内に埋め込む構成としたが、図９では、増幅光ファイバ１２の全体をヒートシンク２３０内に埋め込む構成としている。すなわち、この例では、ヒートシンク２３０には、増幅光ファイバ１２の一方の直線部分が収容される直線溝部２３１と、他方の直線部分が収容される直線溝部２３２と、螺旋状に巻回された部分が収容される螺旋状溝部２３３とが形成されている。なお、増幅光ファイバ１２の一端部が埋め込まれる直線溝部２３１は、他の部分に比較して、ファイバの太さの分だけ溝の深さが深く形成されている。このようにして、ヒートシンク２３０内に埋め込む構成とすることで、増幅光ファイバ１２とヒートシンクの接触面積を増大させて、熱伝導率を高めることができる。また、図９には示していないが、増幅光ファイバ１２を埋め込んだ後に、レーザダイオード２０に対応する開口部を有する、例えば、樹脂のシート等によって、ヒートシンク２３０の表面を封止することにより、増幅光ファイバ１２が傷つくことを防止することができる。また、熱伝導性を有する樹脂を用いることにより、増幅光ファイバ１２とヒートシンク２３０との熱結合をさらに強めることができる。
なお、図８および図９の例では、増幅光ファイバ１２の励起光が入力される側が内側になるようにして、螺旋状に巻回するようにしたので、増幅光ファイバ１２の温度が高くなる部分をレーザダイオード２０の近傍に配置することにより、熱を効率良くレーザダイオード２０に伝達することができる。なお、レーザダイオード２０と増幅光ファイバ１２を、ヒートシンクを介して熱結合させる場合、ヒートシンクの形状は上記実施形態に限定されない。例えば、ファイバを収容する各溝部は必ずしも必要ではない。
また、以上の実施形態では、増幅光ファイバ１２とレーザダイオード２０とを熱結合するようにしたが、これ以外にも、増幅光ファイバ１２の出力側に位置しているパッシブ光部品（例えば、光アイソレータ１６または光カプラ１４）と、レーザダイオード２０とを熱結合するようにしてもよい。出力側に位置しているパッシブ光部品も発熱するからである。なお、熱結合の方法としては、前述したように、ヒートシンクを介して熱結合するようにしたり、あるいは、レーザダイオード２０とパッシブ光部品とを直接熱結合したりするようにしてもよい。さらに、図４、図８、図９に示すヒートシンク３０，１３０，２３０のレーザダイオード２０の近傍にパッシブ光部品を配置し、増幅光ファイバ１２とパッシブ光部品の双方からの熱を利用するようにしてもよい。なお、増幅光ファイバ１２の場合にはレーザダイオード２０から出力される波長のシフトに応じて吸収率が変動して発熱量が変化するが、出力側に位置しているパッシブ光部品の発熱量は波長のシフトに対して安定していることから、パッシブ光部品とレーザダイオード２０とを熱結合することにより、安定した残留励起光の低減制御が可能になる。
また、以上の実施形態では、サーミスタ２２および冷却部２３を設けて、これらに基づいて温度制御を行うようにしたが、例えば、温度制御を実行しなくても、レーザダイオード２０の温度を所望の温度に保つことができる場合には、これらについては設ける必要がない。
また、以上の実施形態では、温度調整部としての冷却部２３によって冷却する場合を例に挙げて説明したが、温度調整部としての加熱部によって加熱するようにしてもよい。具体的には、温度調整部として加熱機能を有するヒータを設け、周囲温度が低く励起波長が短くなる場合には、ヒータによって加熱し、レーザダイオード２０の温度が温度Ｔｃに近づくように制御してもよい。制御の方法としては、サーミスタ２２によって検出した温度に応じてヒータが発生する熱量を制御する方法を採用できる。あるいは、温度制御は時定数が大きい（変化が遅い）ので、ヒータのオン／オフによるスイッチング制御を行うことも可能である。もちろん、冷却する場合のファンの制御についても、回転数を制御するようにしてもよいし、オン／オフ制御するようにしてもよい。
また、光増幅装置１０を起動した直後は、レーザダイオード２０の温度が低く、励起波長が短いため、定常状態に至るまでは残留励起光レベルが高くなることがある。そのため、光増幅装置１０の起動直後は、ヒータで加熱して定常状態に移行させ、定常状態に移行するにつれて、ヒータによる加熱を弱めるようにしてもよい。このような方法によれば、残留励起光によって、例えば、光学素子が短寿命化したり、損傷したりすることを防止できる。
なお、冷却部２３による冷却と、ヒータによる加熱を組み合わせて制御するようにしてもよい。このような組み合わせによる制御によれば、周囲温度の変動が大きい場合であっても、レーザダイオード２０の温度を一定に保つことが可能になる。
なお、以上の実施形態では、光増幅装置１０の起動直後に発生する残留励起光を防ぐために、一時的にヒータで加熱するものを示したが、これを実現する構成はこれに限られない。例えば、増幅光ファイバ１２の後段部に残留励起光の除去部を取り付けて、立ち上がり時の過渡的な状態で発生する残留励起光を熱に変換させて除去しても良い。残留励起光の除去部としては、たとえば、増幅光ファイバ１２のクラッドから出射したマルチモード光が入射される後段側のシングルモードファイバのクラッドの外側を、当該クラッドと同程度か若干屈折率の大きい部材とすることによって得られる。残留励起光除去部は、更に別途設けた放熱部材と熱的に接触させることによって、残留励起光を熱に変換して除去することができる。
また、以上の実施形態では、熱伝導性媒体として、ヒートシンクを用いるようにしたが、熱伝導性媒体としては、ヒートシンク以外の媒体を使用するようにしてもよい。具体的には、例えば、光増幅装置１０が収容される金属製の筐体を熱伝導性媒体として使用してもよい。また、熱伝導性媒体としては、金属に限定されるものではなく、例えば、空気を熱伝導媒体として使用するようにしてもよい。すなわち、レーザダイオード２０を増幅光ファイバ１２またはパッシブ光部品の近傍に単に配置するようにしてもよい。なお、これ以外にも、熱伝導媒体としては、例えば、水または有機溶媒等の液体や樹脂等が存在する。これらを使用することが可能であることはいうまでもない。
また、以上の実施形態では、増幅光ファイバ１２の励起光が入力される側を、レーザダイオード２０の近くに配置する構成としたが、レーザダイオード２０の温度が所望の温度以上になる場合には、励起光が入力される側を、レーザダイオード２０から遠い位置に配置してもよい。また、レーザダイオード２０の取り付け位置についても、図４，８，９の位置に限定されるものではなく、例えば、ヒートシンクの四隅のいずれかに取り付けたり、あるいは、ヒートシンクの裏側面に取り付けたりしてもよい。
また、以上の実施形態では、出力制御（例えば、ＡＬＣ等）と温度制御との関係については説明していないが、出力制御については制御の応答速度が速く、一方、温度制御については応答速度が出力制御に比較すると遅い。そこで、例えば、出力を一定に制御するためには、短期的には出力制御に基づいて制御を行うとともに、長期的には温度制御によってレーザダイオード２０の温度が所望の温度になるように制御することで、残留励起光の強度を減少させつつ、アナログ特性を改善することができる。
また、以上の実施形態では、レーザダイオード２０が発生する励起光は、図３に示す波長特性を有するとして説明したが、これとは異なる特性を有する場合（例えば、顕著なピーク波長が存在しない場合）には、温度上昇により、波長がシフトしたときに、増幅光ファイバ１２による吸収率が最も高くなるように設定すればよい。すなわち、温度上昇時に、図３に示すような波長特性と、図５に示すような吸収特性との重複する領域が最も多くなるように設定すればよい。
また、以上の実施形態では、励起方式として前方励起方式を採用したが、例えば、後方励起方式や双方向励起方式を採用するようにしてもよい。後方励起方式は、前方励起方式に比較するとノイズ特性は劣るものの、高出力化が可能となる。また、双方向励起方式は、前方励起方式と後方励起方式の双方の特徴を兼備する増幅が可能となる。
また、以上の実施形態では、光増幅装置１０をブースタアンプのみの構成としたが、例えば、雑音指数としてのＮＦを改善するために、例えば、ブースタアンプの前段に設けたプリアンプによって増幅した後に、ブースタアンプによってさらに増幅するようにしてもよい。
なお、以上の実施形態では、コア部１２ａにエルビウムとイッテルビウムとが共添加された場合を例に挙げて説明したが、ツリウム（Ｔｍ：Thulium）、ネオジウム（Ｎｄ：Neodymium）、プラセオジウム（Ｐｒ：Praseodymium）等の希土類元素、あるいは、希土類元素と同様の増幅作用を有する他の物質を添加したりしてもよい。この場合、以上の実施形態とは、増幅帯域は異なるが、本発明と同様の効果を得ることができる。
１０ 光増幅装置
１１ 入力ポート（入力部）
１２ 増幅光ファイバ（光ファイバ）
１２ａ コア部
１２ｂ 第１クラッド部
１２ｃ 第２クラッド部
１３ 光カプラ
１４ 光カプラ（パッシブ光部品）
１５ 光アイソレータ
１６ 光アイソレータ（パッシブ光部品）
１７ 励起光混合器
１８，１９ フォトダイオード
２０ レーザダイオード（レーザ光源）
２１ 制御回路（温度調整部の一部）
２２ サーミスタ（温度検出部）
２３ 冷却部（温度調整部の一部）
２４ 出力ポート（出力部）
３０，１３０，２３０ ヒートシンク（熱伝導性媒体）
５０ 光伝送システム
６０ 光信号送信装置（光送信装置）
７０ 送信側光伝送路
８０ 受信側光伝送路
９０ 光信号受信装置（光受信装置）

Claims (8)

  1. 光信号を増幅する光増幅装置において、
    前記光信号を入力する入力部と、
    アンクールド型のマルチモード半導体レーザ素子から構成され、マルチモードレーザ光を発するレーザ光源と、
    前記レーザ光源からの前記レーザ光に基づく誘導放出によって前記光信号を増幅して出力するダブルクラッド型の光ファイバと、
    前記光ファイバによって増幅された前記光信号を出力する出力部と、
    前記光ファイバと前記出力部との間に配置されたパッシブ光部品と、
    前記レーザ光源が発生するレーザ光の波長帯域が、前記光ファイバの吸収率が高い波長 帯域と略一致するように前記レーザ光源を含む系の温度を調整する温度調整部と、を有し、
    前記レーザ光源と前記光ファイバおよび／または前記パッシブ光部品は、熱伝導性媒体を介して熱的に結合されており、
    前記熱伝導性媒体は、前記光ファイバおよび／または前記パッシブ光部品が発生した熱 を放熱するためのヒートシンクであり、当該ヒートシンクに前記レーザ光源を配置するこ とにより熱的に結合し、
    前記温度調整部は、前記ヒートシンクを加熱するヒータを有し、
    前記光ファイバおよび／または前記パッシブ光部品によって発生された熱と、前記ヒー タによって加熱した熱とによって、前記レーザ光源を昇温させて、前記レーザ光源の発振波長を制御する、
    ことを特徴とする光増幅装置。
  2. 前記レーザ光源の温度を検出するための、前記レーザ光源と熱的に結合された温度検出 部をさらに有し、
    前記温度調整部は、前記温度検出部による温度検出結果に基づいて、前記レーザ光源が 発生するレーザ光の波長帯域が、前記光ファイバの吸収率が高い波長帯域と略一致するよ うに、前記ヒータのオン／オフを制御することを特徴とする請求項１記載の光増幅装置。
  3. 前記温度調整部は、前記ヒートシンクを冷却する冷却部を更に有し、前記レーザ光源の パワーを制御して前記光ファイバおよび／または前記パッシブ光部品と、前記ヒータによ って加熱した熱とによって発生された熱によって前記レーザ光源を昇温させるとともに、 前記冷却部によって前記レーザ光源を冷却することで、前記レーザ光源の発振波長を制御 することを特徴とする請求項１又は２に記載の光増幅装置。
  4. 前記冷却部は、ファンにより構成されていることを特徴とする請求項３記載の光増幅装 置。
  5. 光信号を増幅する光増幅装置において、
    前記光信号を入力する入力部と、
    アンクールド型のマルチモード半導体レーザ素子から構成され、マルチモードレーザ光 を発するレーザ光源と、
    前記レーザ光源からの前記レーザ光に基づく誘導放出によって前記光信号を増幅して出 力するダブルクラッド型の光ファイバと、
    前記光ファイバによって増幅された前記光信号を出力する出力部と、
    前記光ファイバと前記出力部との間に配置されたパッシブ光部品と、を有し、
    前記レーザ光源は、熱伝導性媒体を介して、前記光ファイバおよび前記パッシブ光部品 に熱的に結合されており、
    前記パッシブ光部品は、前記光ファイバから発生する残留励起光を熱に変換して除去す る残留励起光除去部であり、
    前記光ファイバによって発生された熱および前記残留励起光除去部によって変換された 熱によって、前記レーザ光源を昇温させて、前記レーザ光源の発振波長を制御する、
    ことを特徴とする光増幅装置。
  6. 熱的な定常状態に達した際に前記レーザ光源が発生するレーザ光の波長帯域が、前記光ファイバの吸収率が高い波長帯域と略一致するように設定されている、
    ことを特徴とする請求項５記載の光増幅装置。
  7. 前記光ファイバから出力される残留励起光のパワーが５００ｍＷ以下になるように設定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光増幅装置。
  8. 光信号を送信する光送信装置と、
    前記請求項１〜７のいずれか１項記載の光増幅装置と、
    前記光増幅装置によって増幅された前記光信号を受信する光受信装置と、
    を有することを特徴とする光伝送システム。
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