JPH04364790A - ファイバ形光増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば光通信システ
ムに用いられる希土類ドープ光ファイバを用いたファイ
バ形光増幅器に関し、特に光ファイバ出力信号光のレベ
ルを一定に保つための自動利得制御に関するものである
。

【０００２】

【従来の技術】図８は例えば「１９８９年電子情報通信
学会秋季全国大会Ｃ−２８１，４−２２１頁」に掲載さ
れた「Ｅｒドープファイバによる光ソリトンの増幅と伝
幡」（中沢正隆，木村康郎，鈴木和宣／著）に示された
従来のファイバ形光増幅器を示す構成図である。図８に
おいて１は例えば希土類元素であるエルビウムを長さ数
ｍ〜数十ｍ程度のシングルモードファイバにドープした
希土類ドープ光ファイバである。２，３は例えば波長１
．４８μｍの半導体レーザである励起光源である。４は
上記励起光源２及び３の出力光を結合する光カプラ、５
は光カプラ４の出力光と入力信号光を合波する光カプラ
である。６ａは信号光入力端子、６ｂは信号光出力端子
である。７は例えば１．５μｍに零分散をもつ光ファイ
バである。

【０００３】次に動作について説明する。信号光入力端
子６ａから１．５５μｍ、もしくは１．５３μｍ波長の
信号光が入るとき、励起光源２，３からの希土類ドープ
光ファイバ１を励起させる１．４８μｍの波長の励起光
は光カプラ５によって、上記信号光入力端子６ａからの
信号光と結合し、上記希土類ドープ光ファイバ１に入力
される。すると、上記希土類ドープ光ファイバ１は反転
分布状態になり、上記信号光入力端子６ａから入力され
た信号光は、誘導放出作用により増幅されて信号光出力
端子６ｂに出力される。参考として励起光入力電力と信
号光出力電力との関係を図９に示し、信号光入力電力と
信号光出力電力との関係を図１０に示す。なお励起光と
は励起光源からの出力光であり、信号光とは光ファイバ
からの出力信号光である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のファイバ形光増
幅器は以上のように構成されており、出力信号光レベル
に対する制御がなされていないため、図９，図１０に示
すように、入力信号光、並びに励起光源の出力光のレベ
ル変動や波長変動，希土類ドープ光ファイバ、並びに光
カプラの損失変動等により出力信号光のレベルも変動し
てしまう。従って、このような従来のファイバ形光増幅
器を用いて光伝送システムを構成した場合、個々の構成
装置に要求されるダイナミックレンジが拡大する為に、
システムの動作の安定性の確保が困難になり、コストも
増大するという問題点があった。

【０００５】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、入力信号光、並びに励起光源
の出力光のレベル変動や波長変動，希土類ドープ光ファ
イバ並びに光カプラの損失変動等を伴う場合でも出力信
号光のレベルを一定に保つことができ、しかも励起光源
が複数の場合でも安定動作が実現できるファイバ形光増
幅器を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係るファイバ
形光増幅器では、各励起光源２，３の出力光を制御する
複数の励起光源出力制御回路１０，１１と、光ファイバ
１からの信号光に対応する電気信号レベルと所定の参照
信号レベルとの誤差信号を出力する誤差信号出力回路１
４と、上記誤差信号を励起光源出力制御回路の数に応じ
て分岐し各励起光源出力制御回路１０，１１に負帰還制
御するための参照信号として与える誤差信号分岐回路１
５とを備え、各励起光源出力制御回路１０，１１は上記
誤差信号に応じて励起光源出力光レベルを制御すること
により、光ファイバ出力信号光レベルが一定になるよう
に利得を制御する構成としたものである。

【０００７】

【作用】誤差信号出力回路１４は光ファイバ１からの信
号光レベルに対応する電気信号レベルと所定の参照信号
レベルとの誤差信号を誤差信号分岐回路１５に与える。 誤差信号分岐回路１５は誤差信号を分岐して各励起光源
出力制御回路１０，１１に与える。各励起光源出力制御
回路１０，１１は与えられた誤差信号を参照信号として
用い各励起光源２，３の出力光を負帰還制御する。した
がって、励起光源特性の温度変動あるいは，およびファ
イバ形光増幅器入力信号光レベルの変動等があっても、
励起光源出力光レベルが制御され、これによって利得が
制御され、光ファイバ出力信号レベルが一定に保たれる
。

【０００８】

【実施例】図１はこの発明の第１実施例に係るファイバ
形光増幅器の構成図である。図１において、図８に示す
構成要素に対応するものには同一の符号を付し、その説
明を省略する。図１において、８，９は励起光源２，３
の出力光の一部をそれぞれ受光して光電変換する受光器
、１０，１１は励起光源２，３の出力光の一部を受光し
て励起光源２，３の出力光をそれぞれ負帰還制御する励
起光源出力制御回路である。１６は希土類ドープ光ファ
イバ１からの増幅出力信号光を分岐する手段として用い
られる光カプラ、１２は例えば誘電体多層膜を用いたも
ので波長１．５３μｍ又は波長１．５５μｍの信号光を
通過させ、波長１．４８μｍの励起光を遮断させる特性
を持つ帯域通過光フィルタである。１３は帯域通過光フ
ィルタ１２の通過光を受光して光電変換する受光器、１
４は希土類ドープ光ファイバ１の出力信号光に対応する
電気信号レベル（受光器１３の出力レベル）と所定の参
照信号レベルとの差を示す誤差信号を出力する誤差信号
出力回路である。１５は上記誤差信号を分岐し各励起光
源出力制御回路１０，１１に負帰還制御するための参照
信号として与える誤差信号分岐回路である。４５は誤差
信号出力回路１４に与えられる参照信号としての参照電
流を入力するための参照電流入力端子、４６，４７は励
起光源出力制御回路１０，１１にそれぞれ与えられる参
照信号としての参照電流を入力するための参照電流入力
端子である。

【０００９】図２は上記誤差信号出力回路１４の構成を
含む回路図である。図２において、受光器１３は帯域通
過光フィルタ１２（図１）の通過光を受光して光電変換
する受光素子１７から成る。誤差信号出力回路１４は、
トランジスタ１８，１９と抵抗３２を含み、入力（トラ
ンジスタ１８のベース）が受光素子１７のカソードと参
照電流入力端子４５とに接続され、ダーリントン電流増
幅回路を構成している。

【００１０】図３は上記誤差信号分岐回路１５の回路図
である。誤差信号分岐回路１５は、トランジスタ２０，
２１とカレントミラー回路に用いるトランジスタ３９〜
４４と抵抗３３〜３６から成る。なお、トランジスタ２
０，２１と抵抗３３〜３６は差動増幅回路を構成してい
る。

【００１１】図４は上記励起光源出力制御回路１０の構
成を含む回路図である。図４において、受光器８は受光
素子２４から成り、励起光源２はレーザダイオード２２
と抵抗３７から成る。励起光源出力制御回路１０は、ト
ランジスタ２５，２６と抵抗３８を含み、入力（トラン
ジスタ２５のベース）が受光素子２４のカソードと参照
電流入力端子４６とに接続され、出力（トランジスタ２
６のコレクタ）が励起光源２に接続され、ダーリントン
電流増幅回路を構成している。

【００１２】図５は上記励起光源出力制御回路１１の構
成を含む回路図である。図５において、受光器９は受光
素子２７から成り、励起光源３はレーザダイオード２３
と抵抗３０から成る。励起光源出力制御回路１１は、ト
ランジスタ２８，２９と抵抗３１を含み、入力（トラン
ジスタ２８のベース）が受光素子２７のカソードと参照
電流入力端子４７とに接続され、出力（トランジスタ２
９のコレクタ）が励起光源３に接続され、ダーリントン
電流増幅回路を構成している。

【００１３】次に、図１〜図５を参照して第１実施例の
動作について説明する。励起光源２，３から出力される
励起光は図８に示した従来例の場合と同様に光カプラ４
，５を通じて希土類ドープ光ファイバ１に入力される。 一方、信号光入力端子６ａから入力された信号光は希土
類ドープ光ファイバ１を通過することにより、増幅され
た後、光カプラ１６によりその一部が分岐されて励起光
とともに帯域通過光フィルタ１２に入力される。帯域通
過光フィルタ１２は、例えば波長１．４８μｍの励起光
を遮断し、波長１．５３μｍ又は１．５５μｍの信号光
のみを受光器１３に出力する。受光器１３により光電変
換された信号は、誤差信号出力回路１４に入力され、こ
こで予め設定された参照電流との差により誤差信号とし
て増幅された後、誤差信号分岐回路１５にて任意の電流
比で分岐された後、励起光源出力制御回路１０，１１に
それぞれ入力される。励起光源出力制御回路１０は励起
光源２と、励起光源２の出力光の一部を受光する受光器
８とに接続され、受光器８の出力信号と、誤差信号分岐
回路１５より入力される誤差信号とに応じて、励起光源
２の出力光を負帰還制御する。励起光源出力制御回路１
１は、上記と全く同様に励起光源３と励起光源光の一部
を受光する受光器９とに接続され、受光器９の出力信号
と誤差信号分岐回路１５より入力される誤差信号とに応
じて励起光源３の出力光を負帰還制御する。図９に示す
ように、信号光出力端子６ｂから出力される信号光は希
土類ドープ光ファイバ１に入力される励起光入力電力に
ほぼ比例して変化するため、励起光源２，３の出力光を
上記の様に負帰還制御することにより、信号光出力端子
６ｂの出力信号光のレベルを所定の一定値に制御できる
。

【００１４】ここで、受光器８（又は９）→励起光源出
力制御回路１０（又は１１）→励起光源２（又は３）の
負帰還ループを「ループ１」、受光器１３→誤差信号出
力回路１４→誤差信号分岐回路１５→励起光源出力制御
回路１０（又は１１）→励起光源２（又は３）の負帰還
ループを「ループ２」とし、「ループ１」の応答時定数
を「ループ２」の応答時定数に比べて充分小さくした場
合を考える。まず、帯域通過光フィルタ１２に入力され
る信号光が一定レベルの時には、「ループ１」により励
起光源２，３の光出力レベルは所定の一定値となる様制
御される。従って、この時、励起光源２，３にレーザダ
イオードを使用した場合の周囲温度変化に伴う閾値電流
並びに微分量子効率の変化は、「ループ１」により吸収
され、上記励起光源２，３の光出力レベルはそれぞれ所
定の一定値に保たれる。

【００１５】次に信号光入力端子６ａに入力される信号
光レベル、励起光源出力光の波長、希土類ドープ光ファ
イバ１並びに光カプラ４，５，１６の損失等の変化によ
り、帯域通過光フィルタ１２に入力される信号光のレベ
ルが変化したときには、まず「ループ２」中の誤差信号
出力回路１４の出力誤差信号が変化し、次にそれに応じ
た「ループ１」の制御により上記出力誤差信号が所定値
となるまで励起光源２，３の光出力レベルが制御される
。その結果として、信号光出力端子６ｂから出力される
信号光のレベルは所定の一定値に保たれる。以上のよう
に「ループ１」の応答時定数を「ループ２」の応答時定
性に比べて十分小さく設計すれば、増幅出力信号光のレ
ベルを常に安定に制御できる。

【００１６】次に誤差信号出力回路１４の動作を図２に
基づいて説明する。各ラインの電流をｉ２　，ｉ３　，
ｉ４　，ｉ５　、参照電流入力端子４５に入力する参照
電流をＩｒｅｆ、受光素子１７の受光感度をＳｍ、光カ
プラ１６の信号光に対する分岐損失と帯域通過フィルタ
１２の通過損失合計をＫ２　、信号光出力レベルをＰｏ
ｕｔ、ダーリントン電流増幅回路を構成するトランジス
タ１８，１９の電流増幅率をβ３とすると、次式（１）
〜（５）の関係が成り立つ。

【００１７】

【数１】

【００１８】

【数２】

【００１９】

【数３】

【００２０】

【数４】

【００２１】

【数５】

【００２２】次に誤差信号分岐回路１５の動作を図３に
基づいて説明する。誤差信号分岐回路１５は、誤差信号
出力回路１４から与えられた誤差信号を２つの励起光源
出力制御回路１０，１１に配分する。図３中の抵抗３３
，３４，３５，３６とトランジスタ２０，２１とで差動
増幅回路を構成しており、抵抗３３，３４，３５，３６
の抵抗値を適当に設定することにより、トランジスタ２
０，２１のエミッタ電圧を設定して電流ｉ１２，ｉ７　
を任意の分配比に分配することができる。ここで分配比
をａ：ｂとすると、

【００２３】

【数６】

【００２４】

【数７】

【００２５】と置けば

【００２６】

【数８】

【００２７】

【数９】

【００２８】と分岐できる。

【００２９】次に励起光源出力制御回路１０の動作を図
４に基づいて説明する。励起光源出力制御回路１０は、
励起光源２のレーザダイオード２２の温度変化による微
分量子効率η１　の変化および閾値電流Ｉｔｈ１　の変
動について補償する。ここで、励起光源２を受光器８に
モニタするときの結合損失をＫ３　、受光器８の受光感
度をＳｍ１　、励起光源２の光出力レベルをＰ１　、ト
ランジスタ２５，２６の電流増幅率をβ１　、受光器９
の受光感度をＳｍ２　、励起光源３を受光器９にモニタ
するときの結合損失をＫ４　、光カプラ１６の出力分岐
比をκ、光カプラ４，５の励起光に対する通過損失合計
をＫ１　、信号光入力レベルをＰｉｎとする。

【００３０】図４において、

【００３１】

【数１０】

【００３２】

【数１１】

【００３３】

【数１２】

【００３４】

【数１３】

【００３５】式（１１），（１２）と式（１３）より

【
００３６】

【数１４】

【００３７】また、

【００３８】

【数１５】

【００３９】よって、式（１０）と式（１４）より、

【
００４０】

【数１６】

【００４１】変形して、

【００４２】

【数１７】

【００４３】ダーリントン接続によりβ１　は充分大き
な値なので、

【００４４】

【数１８】

【００４５】が成り立ち、式（１７）は、

【００４６】

【数１９】

【００４７】と近似できる。式（１５）に式（１９）を
代入して、

【００４８】

【数２０】

【００４９】を得る。よって、Ｐ１　は、η１　やＩｔ
ｈ１　によらない値になる。

【００５０】図５においても同様にして、

【００５１】

【数２１】

【００５２】を得て、Ｐ２　も、η２　やＩｔｈ２　に
よらない値になる。

【００５３】ここで、信号光出力レベルＰｏｕｔは励起
光入力Ｐｐｕｍｐおよび信号光入力レベルＰｉｎと、図
９と図１０に示すような関係にあるから、希土類ドープ
光ファイバ１のファイバ長が固定である場合には両者は
おおよそ次式で与えられる関係にあると考えられる。

【００５４】

【数２２】

【００５５】ここで、Ｇｏ・Ｐｐｕｍｐはファイバ形光
増幅器のゲイン（利得）であり、Ｇｏは信号光入力レベ
ルの関数である。励起光入力Ｐｐｕｍｐは、

【００５６
】

【数２３】

【００５７】なので、式（８）と式（９）と式（２３）
より、式（２２）は

【００５８】

【数２４】

【００５９】となる。ただし、

【００６０】

【数２５】

【００６１】ここで、ダーリントン接続によりβ３　は
充分大きな値なので、

【００６２】

【数２６】

【００６３】が成り立ち、

【００６４】

【数２７】

【００６５】と近似でき、よって、信号光出力レベルＰ
ｏｕｔは信号光入力レベルＰｉｎによらない値となる。 また、この式（２７）より、励起光源２を受光器８にモ
ニターするときの結合損失Ｓｍ１　、および受光器８の
受光感度Ｋ３　、励起光源３を受光器９にモニターする
ときの結合損失Ｓｍ２　、および受光器９の受光感度Ｋ
４　の値のばらつきは、図３での説明の分岐比ａ：ｂを

【００６６】

【数２８】

【００６７】を満足するようにおくことにより、調整さ
れることがわかる。

【００６８】図６はこの発明の第２実施例に係るファイ
バ形光増幅器の構成図である。図６において、図１に示
す構成要素に対応するものには同一の符号を付し、その
説明を省略する。この第２実施例の場合、動作は図１に
示した第１実施例と同じであるが、光カプラ５により希
土類ドープ光ファイバ１に入力される励起光の励起方向
が信号光と逆方向である点が図１の第１実施例と異なる
。

【００６９】図７はこの発明の第３実施例に係るファイ
バ形光増幅器の構成図である。図７において、図１又は
図６に示す構成要素に対応するものには同一の符号を付
し、その説明を省略する。この第３実施例の場合、動作
は図１又は図６に示した実施例と同じであるが、励起光
を光カプラ５および光カプラ１６により希土類ドープ光
ファイバ１の入力端と出力端の両方に入力している点が
図１又は図６の実施例と異なる。また、光カプラ４８は
帯域通過光フィルタ１２側へ信号光の一部を送るために
設けられたものである。

【００７０】なお、上記実施例では励起光源が２個の場
合について説明したが、さらに個数が増えた場合につい
ても同様の構成で同等の機能を実現することができる。

【００７１】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明によれば、
光ファイバからの出力信号光レベルに対応する電気信号
レベルと所定の参照信号レベルとの誤差信号により励起
光源出力光を制御して、光ファイバ出力信号光レベルが
一定になるように利得を制御するように構成したので、
光ファイバ出力信号光レベルが予め定めた一定値になる
ように励起光源出力光レベルが自動的に制御され、これ
により、入力信号光、並びに励起光源の出力光のレベル
変動や波長変動、希土類ドープ光ファイバ並びに光カプ
ラの損失変動等を伴う場合でも光ファイバ出力信号光の
レベルを一定に保つことができ、しかも励起光源が複数
の場合でも安定動作が実現できるという効果が得られ、
したがって光伝送システムの動作の安定性をコストアッ
プせずに確保できる。また、請求項２の発明によれば、
励起光源出力制御回路をダーリントン電流増幅回路で構
成したので、電流増幅率が大きくなり、励起光源を精度
良く制御でき、したがって光伝送システムの動作の安定
性を更に向上させることができるという効果が得られる
。更に、請求項３の発明によれば、誤差信号出力回路を
ダーリントン電流増幅回路で構成したので、電流増幅率
が大きくなり、これにより精度の良い誤差信号を得るこ
とができ、したがって負帰還制御を精度良く行なえ、光
伝送システムの動作の安定性を更に向上させることがで
きるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例に係るファイバ形光増幅
器の構成図である。

【図２】図１中の誤差信号出力回路を含む回路図である
。

【図３】図１中の誤差信号分岐回路の回路図である。

【図４】図１中の励起光源出力制御回路を含む回路図で
ある。

【図５】図１中のもう一方の励起光源出力制御回路を含
む回路図である。

【図６】この発明の第２実施例に係るファイバ形光増幅
器の構成図である。

【図７】この発明の第３実施例に係るファイバ形光増幅
器の構成図である。

【図８】従来のファイバ形光増幅器の構成図である。

【図９】励起光入力電力と信号光出力電力との関係を示
す図である。

【図１０】信号光入力電力と信号光出力電力との関係を
示す図である。

【符号の説明】

１，７　　光ファイバ ２，３　　励起光源 １０，１１　　励起光源出力制御回路 １４　　誤差信号出力回路 １５　　誤差信号分岐回路 １７，２４，２７　　受光素子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光を増幅する媒質をドープした光ファ
   イバと、この光ファイバを伝送する信号光を励起させる
   複数の励起光源とを備えたファイバ形光増幅器において
   、上記各励起光源の出力光を制御する複数の励起光源出
   力制御回路と、上記光ファイバからの信号光レベルに対
   応する電気信号レベルと所定の参照信号レベルとの誤差
   信号を出力する誤差信号出力回路と、この誤差信号出力
   回路からの誤差信号を上記励起光源出力制御回路の数に
   応じて分岐し各励起光源出力制御回路に負帰還制御する
   ための参照信号として与える誤差信号分岐回路とを備え
   、上記励起光源出力制御回路は上記誤差信号に応じて励
   起光源出力光レベルを制御することにより、光ファイバ
   出力信号光レベルが一定になるように利得を制御するよ
   うに構成したことを特徴とするファイバ形光増幅器。
2. 【請求項２】　　励起光源出力制御回路は、入力が励起
   光源の出力光の一部をそれぞれ受光する受光素子のカソ
   ードと、参照信号としての参照電流を入力するための参
   照電流入力端子とに接続され、出力が上記励起光源に接
   続され、ダーリントン電流増幅回路で構成したことを特
   徴とする請求項１のファイバ形光増幅器。
3. 【請求項３】　　誤差信号出力回路は、光ファイバ出力
   光の一部を受光する受光素子のカソードと、参照信号と
   しての参照電流を入力するための参照電流入力端子とが
   入力に接続され、ダーリントン電流増幅回路で構成した
   ことを特徴とする請求項１のファイバ形光増幅器。