JPH0685372A - 光装置、光波伝送システムおよび光増幅方法 - Google Patents
光装置、光波伝送システムおよび光増幅方法Info
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- JPH0685372A JPH0685372A JP4354951A JP35495192A JPH0685372A JP H0685372 A JPH0685372 A JP H0685372A JP 4354951 A JP4354951 A JP 4354951A JP 35495192 A JP35495192 A JP 35495192A JP H0685372 A JPH0685372 A JP H0685372A
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/067—Fibre lasers
- H01S3/06754—Fibre amplifiers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S3/06758—Tandem amplifiers
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S2301/00—Functional characteristics
- H01S2301/02—ASE (amplified spontaneous emission), noise; Reduction thereof
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- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 従来の光増幅器より改善されたノイズ性能を
有する光装置を実現する。 【構成】 入力光波信号を所望の出力レベルに所定量だ
け増幅する光装置において、光増幅器が損失要素に接続
される。光増幅器は公称量を超過するある量だけポンピ
ングされる。ここで公称量とは光増幅器出力で所望の出
力レベルを達成するのに必要なポンピング量である。光
増幅器からの信号出力を減衰することによって、損失要
素は所望出力レベルで光装置から出力信号を発生する。
有する光装置を実現する。 【構成】 入力光波信号を所望の出力レベルに所定量だ
け増幅する光装置において、光増幅器が損失要素に接続
される。光増幅器は公称量を超過するある量だけポンピ
ングされる。ここで公称量とは光増幅器出力で所望の出
力レベルを達成するのに必要なポンピング量である。光
増幅器からの信号出力を減衰することによって、損失要
素は所望出力レベルで光装置から出力信号を発生する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光デバイスの分野に関
し、特に、光波信号増幅を行う光デバイスに関する。
し、特に、光波信号増幅を行う光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】長距離光波通信システムには、信号が全
システムを伝搬するのに十分なレベルまで光波信号パワ
ーを増幅するために光増幅器の連鎖に依存するものがあ
る。このような光波システムは、十分な増幅器利得、適
切な増幅器出力パワー、および正確な増幅器圧縮を有す
るように注意深く指定される。上記のシステムパラメー
タは、他のすべてのシステムパラメータとともに、結果
の光波通信システムが、通常期待されるように所望の信
号対ノイズ比性能に従って動作することを保証する。も
ちろん、増幅器利得、出力パワー、および圧縮によって
影響されるのは、光波通信システムの信号対ノイズ性能
である。
システムを伝搬するのに十分なレベルまで光波信号パワ
ーを増幅するために光増幅器の連鎖に依存するものがあ
る。このような光波システムは、十分な増幅器利得、適
切な増幅器出力パワー、および正確な増幅器圧縮を有す
るように注意深く指定される。上記のシステムパラメー
タは、他のすべてのシステムパラメータとともに、結果
の光波通信システムが、通常期待されるように所望の信
号対ノイズ比性能に従って動作することを保証する。も
ちろん、増幅器利得、出力パワー、および圧縮によって
影響されるのは、光波通信システムの信号対ノイズ性能
である。
【０００３】増幅器利得は一般に、２個の隣接する増幅
器間の区間における光ファイバの固有損失を実質的に保
証するために適切なレベルに設定される。増幅器出力パ
ワーは、最大および最小パワーレベルの間に通常設定さ
れる。最大パワーレベルは、それ以下では光ファイバの
非線形効果が光波信号をほとんど変形しないようなレベ
ルである。最小パワーレベルは、十分な信号対ノイズ比
を維持しつつ増幅器間の光ファイバ区間を伝搬するのに
必要なレベルである。圧縮は、増幅器が飽和時に動作す
る程度を決定する増幅器パラメータである。光波システ
ムにおける増幅器の連鎖が圧縮で動作する場合、システ
ムはわずかな信号パワーまたは増幅器ゆらぎに関して自
己安定的である。
器間の区間における光ファイバの固有損失を実質的に保
証するために適切なレベルに設定される。増幅器出力パ
ワーは、最大および最小パワーレベルの間に通常設定さ
れる。最大パワーレベルは、それ以下では光ファイバの
非線形効果が光波信号をほとんど変形しないようなレベ
ルである。最小パワーレベルは、十分な信号対ノイズ比
を維持しつつ増幅器間の光ファイバ区間を伝搬するのに
必要なレベルである。圧縮は、増幅器が飽和時に動作す
る程度を決定する増幅器パラメータである。光波システ
ムにおける増幅器の連鎖が圧縮で動作する場合、システ
ムはわずかな信号パワーまたは増幅器ゆらぎに関して自
己安定的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】現在の光波通信システ
ムでは、指定された増幅器出力パワー、利得、および圧
縮は、増幅器利得媒質を効果的かつ一様に反転するのに
十分な増幅器ポンピングパワーの使用を妨げている。従
って、このことは、各増幅器における増幅された自然放
出ノイズを生じ、それによって、システムの信号対ノイ
ズ比を減少させる。増幅された自然放出ノイズの効果に
特別に設計されたフィルタで対処する試みは、その源す
なわち増幅器自体におけるノイズの問題を除去すること
も改善することもできていない。
ムでは、指定された増幅器出力パワー、利得、および圧
縮は、増幅器利得媒質を効果的かつ一様に反転するのに
十分な増幅器ポンピングパワーの使用を妨げている。従
って、このことは、各増幅器における増幅された自然放
出ノイズを生じ、それによって、システムの信号対ノイ
ズ比を減少させる。増幅された自然放出ノイズの効果に
特別に設計されたフィルタで対処する試みは、その源す
なわち増幅器自体におけるノイズの問題を除去すること
も改善することもできていない。
【０００５】増幅された自然放出ノイズの問題に加え
て、光波システムの設計仕様を満足する光増幅器の実現
に関して、潜在的にさらに大きな問題が存在することが
わかっている。増幅器利得、出力パワー、および圧縮の
仕様は、所望の光増幅器を実現するのに必要なポンピン
グパワーおよび増幅器長を一意的に決定することが現在
決定されている。さらに、これらのパラメータは、増幅
器ノイズ性能を数値的に記述する増幅器ノイズ数値を一
意的に定義する。結果として、増幅器のノイズ性能は、
システムに対して指定された設計パラメータによって設
定されるため、固定的に確定される。増幅器利得、増幅
器出力パワーおよび増幅器圧縮に対する条件を満足しつ
つ、同時に、ノイズ性能を改善する（すなわち、ノイズ
数値を減少させる）ための増幅器設計における利用可能
な自由度は存在しない。
て、光波システムの設計仕様を満足する光増幅器の実現
に関して、潜在的にさらに大きな問題が存在することが
わかっている。増幅器利得、出力パワー、および圧縮の
仕様は、所望の光増幅器を実現するのに必要なポンピン
グパワーおよび増幅器長を一意的に決定することが現在
決定されている。さらに、これらのパラメータは、増幅
器ノイズ性能を数値的に記述する増幅器ノイズ数値を一
意的に定義する。結果として、増幅器のノイズ性能は、
システムに対して指定された設計パラメータによって設
定されるため、固定的に確定される。増幅器利得、増幅
器出力パワーおよび増幅器圧縮に対する条件を満足しつ
つ、同時に、ノイズ性能を改善する（すなわち、ノイズ
数値を減少させる）ための増幅器設計における利用可能
な自由度は存在しない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】改善されたノイズ性能お
よび設計柔軟性は、光増幅器要素を公称ポンピングパワ
ーよりも高いパワーでポンピングし、損失要素を使用し
て光増幅器要素からの出力信号を所望のレベルまで減衰
させることによって、光波信号を増幅する光装置におい
て達成される。公称より高いポンピング度によって、利
得媒質のより一様な反転が可能となり、これは、増幅さ
れた自然放出ノイズを減少させ、信号対ノイズ比を改善
する。
よび設計柔軟性は、光増幅器要素を公称ポンピングパワ
ーよりも高いパワーでポンピングし、損失要素を使用し
て光増幅器要素からの出力信号を所望のレベルまで減衰
させることによって、光波信号を増幅する光装置におい
て達成される。公称より高いポンピング度によって、利
得媒質のより一様な反転が可能となり、これは、増幅さ
れた自然放出ノイズを減少させ、信号対ノイズ比を改善
する。
【０００７】光増幅器要素は光波信号を所望のレベル以
上のレベルまで増幅しているため、損失要素が、装置の
出力における所望のレベルまで出力信号に必要な縮小を
提供する。この装置によって、増幅器長、ポンピングパ
ワー、およびノイズ数値は、もはや、利得、出力パワ
ー、および圧縮の設計基準によって一意的に定義される
ことはない。むしろ、今度は、装置の利得、出力パワ
ー、および圧縮の所定の基準を満たすように、光増幅器
要素設計および損失要素設計のさまざまな組合せを利用
することが可能となる。
上のレベルまで増幅しているため、損失要素が、装置の
出力における所望のレベルまで出力信号に必要な縮小を
提供する。この装置によって、増幅器長、ポンピングパ
ワー、およびノイズ数値は、もはや、利得、出力パワ
ー、および圧縮の設計基準によって一意的に定義される
ことはない。むしろ、今度は、装置の利得、出力パワ
ー、および圧縮の所定の基準を満たすように、光増幅器
要素設計および損失要素設計のさまざまな組合せを利用
することが可能となる。
【０００８】実施例では、ドープ光ファイバ増幅器が損
失要素と光学的に結合され、この光装置を実現する。逆
方向伝播または同方向伝播ポンピング信号または両方の
型のポンピング信号の組合せが、増幅器をポンピングす
るために使用される。
失要素と光学的に結合され、この光装置を実現する。逆
方向伝播または同方向伝播ポンピング信号または両方の
型のポンピング信号の組合せが、増幅器をポンピングす
るために使用される。
【０００９】
【実施例】連結された増幅連鎖を有する光波伝送システ
ムを図１に示す。このシステムは、光増幅器４の連鎖お
よび光ファイバ３の相互接続区間からなる。光ファイバ
３は、光波送信機１が最終的に光波受信機２に接続され
るように、増幅器を相互接続する光波伝送媒体として使
用される。光ファイバの各区間は、システムの動作波長
における特定の固有損失を有する。ファイバ固有損失は
一般に先行する光増幅器の利得によって補償される。図
１のようなシステムは、ビルディング環境における数百
メートルから、大陸横断および海洋横断アプリケーショ
ンにおける数千キロメートルまでの距離をカバーするこ
とが期待される。
ムを図１に示す。このシステムは、光増幅器４の連鎖お
よび光ファイバ３の相互接続区間からなる。光ファイバ
３は、光波送信機１が最終的に光波受信機２に接続され
るように、増幅器を相互接続する光波伝送媒体として使
用される。光ファイバの各区間は、システムの動作波長
における特定の固有損失を有する。ファイバ固有損失は
一般に先行する光増幅器の利得によって補償される。図
１のようなシステムは、ビルディング環境における数百
メートルから、大陸横断および海洋横断アプリケーショ
ンにおける数千キロメートルまでの距離をカバーするこ
とが期待される。
【００１０】図１のシステムにおいて、光増幅器は、半
導体またはドープ光ファイバ装置として実現可能であ
る。以下の説明を読めば当業者には明らかなように、本
発明の原理は半導体光増幅器にもドープ光ファイバ増幅
器にも同様に適用可能である。以下の説明における統一
性および理解の容易さのため、説明する特定実施例は、
光学的にポンピングされるドープ光ファイバ増幅器に関
する。
導体またはドープ光ファイバ装置として実現可能であ
る。以下の説明を読めば当業者には明らかなように、本
発明の原理は半導体光増幅器にもドープ光ファイバ増幅
器にも同様に適用可能である。以下の説明における統一
性および理解の容易さのため、説明する特定実施例は、
光学的にポンピングされるドープ光ファイバ増幅器に関
する。
【００１１】以下の説明を半導体光増幅器の場合に理解
するためには、ポンピングは、光学的手段、または、通
常のように、電子的手段によって実現されることを認識
すべきである。半導体光増幅器の動作および製造の詳細
は当業者に周知であり、「ＩＥＥＥスペクトラム」２６
〜３３ページ（１９８４年５月）の教育的論文にも開示
されている。ドープ光ファイバ増幅器および、特に、エ
ルビウムドープ光ファイバ増幅器の動作および製造の詳
細は周知であり以下では説明しない。
するためには、ポンピングは、光学的手段、または、通
常のように、電子的手段によって実現されることを認識
すべきである。半導体光増幅器の動作および製造の詳細
は当業者に周知であり、「ＩＥＥＥスペクトラム」２６
〜３３ページ（１９８４年５月）の教育的論文にも開示
されている。ドープ光ファイバ増幅器および、特に、エ
ルビウムドープ光ファイバ増幅器の動作および製造の詳
細は周知であり以下では説明しない。
【００１２】図２で破線四角形１１で示す光装置は、図
１の各光増幅器４で置換することができる。光増幅器１
３は、入力ファイバ１０を介して受信される入力信号Ｐ
s,inを増幅する。光増幅器１３からの出力信号Ｐs,out
は出力ファイバ１２に供給される。光増幅器１３は、ポ
ンピング入力１４において供給されるポンピング信号Ｐ
p,inによってポンピングされる。
１の各光増幅器４で置換することができる。光増幅器１
３は、入力ファイバ１０を介して受信される入力信号Ｐ
s,inを増幅する。光増幅器１３からの出力信号Ｐs,out
は出力ファイバ１２に供給される。光増幅器１３は、ポ
ンピング入力１４において供給されるポンピング信号Ｐ
p,inによってポンピングされる。
【００１３】ポンピング信号のパワーは、光増幅器１３
の所望の利得（Ｇ）および圧縮（Ｃ）を達成するように
設計される。図３の利得特性曲線２１は、増幅器１３の
利得、圧縮、および出力信号パワーの関係を示す。古典
的な増幅器関係はここでは次のように成り立つことが理
解される。 Ｐs,in＝Ｐs,out／Ｇ
の所望の利得（Ｇ）および圧縮（Ｃ）を達成するように
設計される。図３の利得特性曲線２１は、増幅器１３の
利得、圧縮、および出力信号パワーの関係を示す。古典
的な増幅器関係はここでは次のように成り立つことが理
解される。 Ｐs,in＝Ｐs,out／Ｇ
【００１４】エルビウムドープ光ファイバ増幅器のよう
なドープ光ファイバ増幅器の場合、ポンピング入力１４
によって、ポンピング信号が、増幅されている信号に関
して同方向または逆方向ポンピングのために、光増幅器
１３内に導入される。すなわち、Ｐp,inは、入力信号Ｐ
s,inに沿って（同方向）、または、それとは反対に（逆
方向）伝播する。
なドープ光ファイバ増幅器の場合、ポンピング入力１４
によって、ポンピング信号が、増幅されている信号に関
して同方向または逆方向ポンピングのために、光増幅器
１３内に導入される。すなわち、Ｐp,inは、入力信号Ｐ
s,inに沿って（同方向）、または、それとは反対に（逆
方向）伝播する。
【００１５】光増幅器に対して出力信号パワー、利得、
および圧縮が指定されると、増幅器長およびポンピング
パワーの両方が一意的に決定されることが分かってい
る。さらに、出力信号パワー、利得、および圧縮の選択
によっては、実現可能でない光増幅器となることがある
ことも分かっている。一意的な増幅器が出力信号パワ
ー、利得、および圧縮によって指定されると、増幅器ノ
イズ因子となるある一定のノイズ性能を有することが明
らかとなる。すなわち、光増幅器内には、増幅器のノイ
ズ性能を改善するための柔軟性すなわち調節可能パラメ
ータが存在しない。
および圧縮が指定されると、増幅器長およびポンピング
パワーの両方が一意的に決定されることが分かってい
る。さらに、出力信号パワー、利得、および圧縮の選択
によっては、実現可能でない光増幅器となることがある
ことも分かっている。一意的な増幅器が出力信号パワ
ー、利得、および圧縮によって指定されると、増幅器ノ
イズ因子となるある一定のノイズ性能を有することが明
らかとなる。すなわち、光増幅器内には、増幅器のノイ
ズ性能を改善するための柔軟性すなわち調節可能パラメ
ータが存在しない。
【００１６】増幅器に対する出力信号パワー、利得、お
よび圧縮の仕様を満たすのに必要なポンピングパワーお
よび増幅器長を決定するためには、以下の方程式を解く
ことが必要である。ポンピング入力パワーに対して解か
れる第１の方程式は、次の通りである。
よび圧縮の仕様を満たすのに必要なポンピングパワーお
よび増幅器長を決定するためには、以下の方程式を解く
ことが必要である。ポンピング入力パワーに対して解か
れる第１の方程式は、次の通りである。
【数１】ただし、αsおよびαpはそれぞれ信号およびポ
ンピング波長における波長依存吸収定数であり、Ｇssは
積ＧＣによって与えられる小信号利得であり、Ｑp,ISお
よびＱs,ISはそれぞれポンピングおよび信号波長におけ
る増幅器の波長依存固有飽和パワーであり、Ｑp,inは入
力ポンピングパワーであり、Ｑp,0,outは信号が存在し
ない場合の出力ポンピングパワーである。毎秒の光子数
で測定した光出力を表すためＰではなくＱを使用した。
ポンピング入力パワーを上の方程式から解き、それを使
用して増幅器長を得る。
ンピング波長における波長依存吸収定数であり、Ｇssは
積ＧＣによって与えられる小信号利得であり、Ｑp,ISお
よびＱs,ISはそれぞれポンピングおよび信号波長におけ
る増幅器の波長依存固有飽和パワーであり、Ｑp,inは入
力ポンピングパワーであり、Ｑp,0,outは信号が存在し
ない場合の出力ポンピングパワーである。毎秒の光子数
で測定した光出力を表すためＰではなくＱを使用した。
ポンピング入力パワーを上の方程式から解き、それを使
用して増幅器長を得る。
【００１７】増幅器長ｌは、次のようにしてポンピング
入力パワーを使用して決定される。
入力パワーを使用して決定される。
【数２】ドープ光ファイバ増幅器の増幅器長は、ほぼド
ープファイバの長さである。上の方程式から決定された
増幅器長およびポンピング入力パワーは、実現可能であ
れば、出力信号パワー、利得、および圧縮の増幅器使用
を満たす光増幅器を定義する。
ープファイバの長さである。上の方程式から決定された
増幅器長およびポンピング入力パワーは、実現可能であ
れば、出力信号パワー、利得、および圧縮の増幅器使用
を満たす光増幅器を定義する。
【００１８】光増幅器が実現可能かどうかを決定するた
めには、設計パラメータを次の式に代入する。
めには、設計パラメータを次の式に代入する。
【数３】この式は、高利得増幅器に対しては次のように
簡単化される。
簡単化される。
【数４】
【００１９】上記のように、増幅器ノイズ数値によって
特徴づけられる増幅器のノイズ性能は、それを変更また
は改善する可能性なく指定される。ノイズ数値は１０ｌ
ｏｇ10２ｎspと定義される。ただし、ｎspは光増幅器の
反転分布係数である。一様反転条件下では、反転分布係
数すなわち自然放出因子はＮ2／（Ｎ2−Ｎ1）によって
与えられる。ただし、Ｎ1およびＮ2はそれぞれ光増幅器
の利得媒質の基底状態および励起状態光子数である。
特徴づけられる増幅器のノイズ性能は、それを変更また
は改善する可能性なく指定される。ノイズ数値は１０ｌ
ｏｇ10２ｎspと定義される。ただし、ｎspは光増幅器の
反転分布係数である。一様反転条件下では、反転分布係
数すなわち自然放出因子はＮ2／（Ｎ2−Ｎ1）によって
与えられる。ただし、Ｎ1およびＮ2はそれぞれ光増幅器
の利得媒質の基底状態および励起状態光子数である。
【００２０】本発明の原理によれば、出力信号パワー、
増幅器利得、および圧縮に対する増幅器設計基準を満足
しながら同時に光増幅器のノイズ性能を改善することが
可能である。この利点は、光増幅器要素を増幅後損失要
素と組み合わせることによって、および、より高い利得
を発生するように光増幅器要素をポンピングすることに
よって得られる。この高利得、したがって、大出力信号
パワーは、増幅後損失要素によってほぼ補償される。増
幅後損失要素による補償によって、これらの要素の組合
せが、設計基準を満たす出力信号パワーを発生すること
が可能となる。
増幅器利得、および圧縮に対する増幅器設計基準を満足
しながら同時に光増幅器のノイズ性能を改善することが
可能である。この利点は、光増幅器要素を増幅後損失要
素と組み合わせることによって、および、より高い利得
を発生するように光増幅器要素をポンピングすることに
よって得られる。この高利得、したがって、大出力信号
パワーは、増幅後損失要素によってほぼ補償される。増
幅後損失要素による補償によって、これらの要素の組合
せが、設計基準を満たす出力信号パワーを発生すること
が可能となる。
【００２１】本発明の原理によって実現される一実施例
を図４に示す。この実施例では、光装置４１は光増幅器
要素１５および増幅後損失要素１８を有する。光装置４
１は、図１の各光増幅器４で置換することができる。光
増幅器要素１５は、ポンピング入力信号
を図４に示す。この実施例では、光装置４１は光増幅器
要素１５および増幅後損失要素１８を有する。光装置４
１は、図１の各光増幅器４で置換することができる。光
増幅器要素１５は、ポンピング入力信号
【数５】（以下、明細書中では左側の表現を用い、図面
中では右側の表現を用いる。後出の＋Ｐs,outについて
も同様である。）を使用してポンピング入力１４によっ
て同方向または逆方向またはその両方にポンピングされ
る。ただし、＋Ｐp,inはＰp, inより大きい。双方向ポン
ピングの場合、増幅器要素をポンピングするには２つの
別々の位置が必要である。
中では右側の表現を用いる。後出の＋Ｐs,outについて
も同様である。）を使用してポンピング入力１４によっ
て同方向または逆方向またはその両方にポンピングされ
る。ただし、＋Ｐp,inはＰp, inより大きい。双方向ポン
ピングの場合、増幅器要素をポンピングするには２つの
別々の位置が必要である。
【００２２】ポンピング信号源（図４には図示せず）
は、光増幅器１５をポンピングするのに適当な波長で十
分な出力光パワーを有するレーザのような光源である。
エルビウムドープ光ファイバ増幅器では、約１５００ｎ
ｍで伝播する光波信号を増幅するのに適当なポンピング
波長は、９８０ｎｍ付近および１４６０ｎｍから１４８
０ｎｍの波長範囲にある。もちろん、前記の波長は単な
る例であり、限定のためのものと解釈してはならない。
は、光増幅器１５をポンピングするのに適当な波長で十
分な出力光パワーを有するレーザのような光源である。
エルビウムドープ光ファイバ増幅器では、約１５００ｎ
ｍで伝播する光波信号を増幅するのに適当なポンピング
波長は、９８０ｎｍ付近および１４６０ｎｍから１４８
０ｎｍの波長範囲にある。もちろん、前記の波長は単な
る例であり、限定のためのものと解釈してはならない。
【００２３】光増幅器要素１５は、光パス１７上のファ
イバ、導波路、レンズ、またはその他の光結合要素を介
して増幅後損失要素１８に光学的に結合される。光増幅
器１５からの出力は出力信号＋Ｐs,outである。これ
は、設計基準Ｐs,outより大きい出力信号パワーであ
る。付加出力信号パワーを補償するため、増幅後損失要
素１８が、光装置４１の全利得が要素１８の光損失と光
増幅器１５の利得の積になるような光損失Ｌを与える。
その結果、光装置４１は、図２の装置の利得とほぼ同一
の全利得を示す。その理由は、いずれの実施例の利得も
Ｐs,out／Ｐs,inであるからである。
イバ、導波路、レンズ、またはその他の光結合要素を介
して増幅後損失要素１８に光学的に結合される。光増幅
器１５からの出力は出力信号＋Ｐs,outである。これ
は、設計基準Ｐs,outより大きい出力信号パワーであ
る。付加出力信号パワーを補償するため、増幅後損失要
素１８が、光装置４１の全利得が要素１８の光損失と光
増幅器１５の利得の積になるような光損失Ｌを与える。
その結果、光装置４１は、図２の装置の利得とほぼ同一
の全利得を示す。その理由は、いずれの実施例の利得も
Ｐs,out／Ｐs,inであるからである。
【００２４】増幅後損失要素１８は、さまざまな受動ま
たは能動光要素のうちの任意のもので実現可能である。
例えば、所望量の損失を生じるような２ファイバ間の意
図的不整合を有するファイバ間カプラは、損失要素１８
に対する１つの考えられる実現である。光ファイバまた
は誘電体導波路の屈曲によって、光波信号の損失量は、
その曲率半径の関数として制御可能となる。その損失
は、増幅後損失要素を実現するのに十分である。
たは能動光要素のうちの任意のもので実現可能である。
例えば、所望量の損失を生じるような２ファイバ間の意
図的不整合を有するファイバ間カプラは、損失要素１８
に対する１つの考えられる実現である。光ファイバまた
は誘電体導波路の屈曲によって、光波信号の損失量は、
その曲率半径の関数として制御可能となる。その損失
は、増幅後損失要素を実現するのに十分である。
【００２５】漏れの多い、すなわち弱く導波する光ファ
イバおよび誘電体導波路を含む光波減衰デバイスは、他
のクラスの損失要素を提供する。受動および能動（電気
的制御可能）方向性光カプラは、信号の一部を隣接する
クロスオーバ導波パスに結合することによって、直線導
波パスの光波信号に固定したまたは調節可能な量の損失
を与える。さまざまな振幅光変調器もまた、所望損失量
Ｌによって光増幅器要素からの出力信号を減衰するため
に有用である。増幅後損失要素を実現する上記のすべて
のデバイスは技術文献に開示されており、当業者に周知
である。
イバおよび誘電体導波路を含む光波減衰デバイスは、他
のクラスの損失要素を提供する。受動および能動（電気
的制御可能）方向性光カプラは、信号の一部を隣接する
クロスオーバ導波パスに結合することによって、直線導
波パスの光波信号に固定したまたは調節可能な量の損失
を与える。さまざまな振幅光変調器もまた、所望損失量
Ｌによって光増幅器要素からの出力信号を減衰するため
に有用である。増幅後損失要素を実現する上記のすべて
のデバイスは技術文献に開示されており、当業者に周知
である。
【００２６】増幅後損失要素１８は、非線形歪みを有し
ない受動損失要素として実現されることが望ましい。さ
らに、損失要素１８は、光増幅器要素１５へ戻る反射を
抑制または効果的に縮小することが望ましい。このよう
な反射を最小化し実質的に除去するには反射防止膜のよ
うなものが適当である。または、光増幅器要素と増幅後
損失要素の間に光アイソレータを挿入することも、光増
幅器要素１５への反射を最小化し除去する。この実施例
を図５に示す。図５では、光アイソレータ１９が損失要
素１８の前に挿入され、光増幅器要素１５から損失要素
１８へのほぼ一方向に光が伝播する。この種の光アイソ
レータは市販されており、さらに詳細には説明しない。
ない受動損失要素として実現されることが望ましい。さ
らに、損失要素１８は、光増幅器要素１５へ戻る反射を
抑制または効果的に縮小することが望ましい。このよう
な反射を最小化し実質的に除去するには反射防止膜のよ
うなものが適当である。または、光増幅器要素と増幅後
損失要素の間に光アイソレータを挿入することも、光増
幅器要素１５への反射を最小化し除去する。この実施例
を図５に示す。図５では、光アイソレータ１９が損失要
素１８の前に挿入され、光増幅器要素１５から損失要素
１８へのほぼ一方向に光が伝播する。この種の光アイソ
レータは市販されており、さらに詳細には説明しない。
【００２７】図６は、光増幅器要素１５のもう１つの実
施例である。光増幅器要素１５は、光カプラ６１および
６３ならびにドープ光ファイバ６２およびドープ光ファ
イバ６４からなる増幅ファイバを含む。ポンピング信号
は導波路（ファイバ）１６を介して光増幅器要素１５に
結合される。光入力信号は、導波路（ファイバ）１０を
介して光増幅器要素１５に結合される。光増幅器要素１
５からの出力は導波路（ファイバ）１７を介して与えら
れる。
施例である。光増幅器要素１５は、光カプラ６１および
６３ならびにドープ光ファイバ６２およびドープ光ファ
イバ６４からなる増幅ファイバを含む。ポンピング信号
は導波路（ファイバ）１６を介して光増幅器要素１５に
結合される。光入力信号は、導波路（ファイバ）１０を
介して光増幅器要素１５に結合される。光増幅器要素１
５からの出力は導波路（ファイバ）１７を介して与えら
れる。
【００２８】光カプラ６１は、ドープ光ファイバ６２の
利得媒質が入力信号を増幅するのに十分反転されるよう
に、ポンピング信号＋Ｐp,inをＰs,inと導波パスで結合
する。光カプラ６３は、入力信号がドープ増幅ファイバ
６２の所定長を伝搬した後、増幅された入力信号が光増
幅器要素から抽出されることを可能にする。ドープ増幅
ファイバの所定長は図６で実質的に長さｘで示される。
光カプラ６３は、広帯域モードでも狭帯域モードでも動
作可能なタップまたは結合デバイスである。ポンピング
信号が光増幅器要素１５の出力へも伝播することを実質
的に避けるために、カプラ６３には狭帯域波長選択性カ
プラを使用するのが望ましい。
利得媒質が入力信号を増幅するのに十分反転されるよう
に、ポンピング信号＋Ｐp,inをＰs,inと導波パスで結合
する。光カプラ６３は、入力信号がドープ増幅ファイバ
６２の所定長を伝搬した後、増幅された入力信号が光増
幅器要素から抽出されることを可能にする。ドープ増幅
ファイバの所定長は図６で実質的に長さｘで示される。
光カプラ６３は、広帯域モードでも狭帯域モードでも動
作可能なタップまたは結合デバイスである。ポンピング
信号が光増幅器要素１５の出力へも伝播することを実質
的に避けるために、カプラ６３には狭帯域波長選択性カ
プラを使用するのが望ましい。
【００２９】図６に示すように、ポンピング信号は同方
向ポンピングのために光増幅器要素１５に加えられる。
逆方向ポンピングは、カプラ６１と同様のカプラをカプ
ラ６３付近のドープ光ファイバ６２の反対側の端に配置
することによって実現される。
向ポンピングのために光増幅器要素１５に加えられる。
逆方向ポンピングは、カプラ６１と同様のカプラをカプ
ラ６３付近のドープ光ファイバ６２の反対側の端に配置
することによって実現される。
【００３０】光カプラ６３は、ドープファイバの入力端
から測定してほぼ距離ｘにおいてドープ光ファイバと結
合される。この配置によって、光増幅器要素は、高いポ
ンピングパワー＋Ｐp,inに応じて、ポンピングパワーＰ
p,inで長さｚのファイバ６２および６４からなる長いド
ープファイバをポンピングすることから得られる圧縮と
等しい圧縮レベルＣを与えることが可能となる。
から測定してほぼ距離ｘにおいてドープ光ファイバと結
合される。この配置によって、光増幅器要素は、高いポ
ンピングパワー＋Ｐp,inに応じて、ポンピングパワーＰ
p,inで長さｚのファイバ６２および６４からなる長いド
ープファイバをポンピングすることから得られる圧縮と
等しい圧縮レベルＣを与えることが可能となる。
【００３１】高いポンピングパワー＋Ｐp,inでポンピン
グされる長さｚの長いファイバの場合、高いポンピング
パワーの結果、圧縮は指定された圧縮レベルＣより大き
い。圧縮は、高いポンピングパワーを維持しつつ、距離
ｚより小さい距離ｘの後でドープ増幅ファイバからの増
幅された入力信号を結合することによって縮小される。
カプラ６３を、ファイバの全長ｚのファイバ６２および
６４からなるドープ増幅ファイバからの光を結合するス
ライド可能タップとみなすと分かりやすい。しかし、実
際は、圧縮パラメータは、ドープ増幅ファイバの全長を
長さｚから長さｘに物理的に短縮することによって同様
に良好に実現されると考えられる。指定された圧縮レベ
ルを維持することにより、圧縮、増幅器利得、および出
力パワーに関する増幅器設計パラメータを満足すること
が可能となる。
グされる長さｚの長いファイバの場合、高いポンピング
パワーの結果、圧縮は指定された圧縮レベルＣより大き
い。圧縮は、高いポンピングパワーを維持しつつ、距離
ｚより小さい距離ｘの後でドープ増幅ファイバからの増
幅された入力信号を結合することによって縮小される。
カプラ６３を、ファイバの全長ｚのファイバ６２および
６４からなるドープ増幅ファイバからの光を結合するス
ライド可能タップとみなすと分かりやすい。しかし、実
際は、圧縮パラメータは、ドープ増幅ファイバの全長を
長さｚから長さｘに物理的に短縮することによって同様
に良好に実現されると考えられる。指定された圧縮レベ
ルを維持することにより、圧縮、増幅器利得、および出
力パワーに関する増幅器設計パラメータを満足すること
が可能となる。
【００３２】従来の光増幅器と本発明の装置の相違を図
７に示す。図２の光ファイバの特性を、指定された出力
パワーＰs,outに関して、各動作点７２および７４で、
利得は曲線７１に、ノイズ数値は曲線７３にプロットす
る。図４の光増幅器要素の特性を、高出力パワー＋Ｐ
p,inに関する光増幅器要素に対して、各動作点７６およ
び７８で、利得は曲線７５に、ノイズ数値は曲線７７に
プロットする。
７に示す。図２の光ファイバの特性を、指定された出力
パワーＰs,outに関して、各動作点７２および７４で、
利得は曲線７１に、ノイズ数値は曲線７３にプロットす
る。図４の光増幅器要素の特性を、高出力パワー＋Ｐ
p,inに関する光増幅器要素に対して、各動作点７６およ
び７８で、利得は曲線７５に、ノイズ数値は曲線７７に
プロットする。
【００３３】従来の増幅器および本発明の装置の光増幅
器要素の圧縮は指定されたパラメータＣに固定されてい
る。光増幅器に増幅後損失要素を付加することによっ
て、この装置の動作点は指定された利得Ｇを有する点７
２、および、指定された出力パワーＰs,outで低いノイ
ズ数値を有する点７９となる。本装置における動作点の
移動は、増幅後損失Ｌが利得をＬ倍だけ降下させ、同時
に、出力パワーがＬだけ減少するためである。従って、
利得動作点は点７６から点７２へＬ倍ずつ下および左に
移動し、ノイズ数値は点７８から点７９へ左のみに移動
する。
器要素の圧縮は指定されたパラメータＣに固定されてい
る。光増幅器に増幅後損失要素を付加することによっ
て、この装置の動作点は指定された利得Ｇを有する点７
２、および、指定された出力パワーＰs,outで低いノイ
ズ数値を有する点７９となる。本装置における動作点の
移動は、増幅後損失Ｌが利得をＬ倍だけ降下させ、同時
に、出力パワーがＬだけ減少するためである。従って、
利得動作点は点７６から点７２へＬ倍ずつ下および左に
移動し、ノイズ数値は点７８から点７９へ左のみに移動
する。
【００３４】図８〜１１は、同方向または逆方向ポンピ
ング信号で、および、長または短波長ポンピング信号
で、図４の増幅器に対する設計の考察を示す。図８は、
光増幅器要素で長波長ポンピング信号を使用して、圧縮
および増幅後損失Ｌの関数としてさまざまなノイズ数値
を示す。図９は、光増幅器要素で短波長ポンピング信号
を使用して、圧縮および増幅後損失Ｌの関数としてさま
ざまなノイズ数値を示す。
ング信号で、および、長または短波長ポンピング信号
で、図４の増幅器に対する設計の考察を示す。図８は、
光増幅器要素で長波長ポンピング信号を使用して、圧縮
および増幅後損失Ｌの関数としてさまざまなノイズ数値
を示す。図９は、光増幅器要素で短波長ポンピング信号
を使用して、圧縮および増幅後損失Ｌの関数としてさま
ざまなノイズ数値を示す。
【００３５】図１０は、圧縮および増幅後損失Ｌの関数
としてさまざまなポンピングパワーを示す。図１１は、
圧縮および増幅後損失Ｌの関数としてさまざまな増幅器
長を示す。図８〜１１のすべての図に対して、増幅器
は、利得が７ｄＢで出力パワーＰs,outが−１０ｄＢｍ
と指定されているとする。これらは、ソリトン伝送シス
テムで一般的なパラメータである。同様の特性曲線が、
ＮＲＺ伝送システムの場合も導出可能である。
としてさまざまなポンピングパワーを示す。図１１は、
圧縮および増幅後損失Ｌの関数としてさまざまな増幅器
長を示す。図８〜１１のすべての図に対して、増幅器
は、利得が７ｄＢで出力パワーＰs,outが−１０ｄＢｍ
と指定されているとする。これらは、ソリトン伝送シス
テムで一般的なパラメータである。同様の特性曲線が、
ＮＲＺ伝送システムの場合も導出可能である。
【００３６】圧縮における光増幅器要素の動作は、シス
テムの信号パワーゆらぎを縮小する。増幅後損失の導入
は、わずかにしか信号パワーゆらぎを縮小しない。増幅
後損失は、図１のように縦続された増幅器を有するシス
テムに対するポンピングパワー、増幅器長、および増幅
器間損失の系統的な偏差の存在するシステムの強固さに
重大な影響を与える。このような偏差は、ポンピングレ
ーザの劣化、系統的製造欠陥、および設計エラーから生
じる。図１のシステムで図４の増幅器を使用することに
より、システム全体が、図２の従来の光増幅器で可能な
よりもシステム設計パワーレベルに近い動作をすること
が可能となる。
テムの信号パワーゆらぎを縮小する。増幅後損失の導入
は、わずかにしか信号パワーゆらぎを縮小しない。増幅
後損失は、図１のように縦続された増幅器を有するシス
テムに対するポンピングパワー、増幅器長、および増幅
器間損失の系統的な偏差の存在するシステムの強固さに
重大な影響を与える。このような偏差は、ポンピングレ
ーザの劣化、系統的製造欠陥、および設計エラーから生
じる。図１のシステムで図４の増幅器を使用することに
より、システム全体が、図２の従来の光増幅器で可能な
よりもシステム設計パワーレベルに近い動作をすること
が可能となる。
【００３７】
【発明の効果】従来の光増幅器は、増幅器の損失を最小
化するように設計されている。この設計アプローチは、
厳しい製作およびデバイス許容度を要求する。従来技術
に比べて、本発明によれば、従来技術とは逆の方法で増
幅器に大きい損失および異なる動作条件を導入すること
が可能である。本発明は、増幅後損失および異なる動作
条件によって、改善されたノイズ性能を示す一方、本発
明の構成要素に対して緩やかな製作および動作条件を許
容する。
化するように設計されている。この設計アプローチは、
厳しい製作およびデバイス許容度を要求する。従来技術
に比べて、本発明によれば、従来技術とは逆の方法で増
幅器に大きい損失および異なる動作条件を導入すること
が可能である。本発明は、増幅後損失および異なる動作
条件によって、改善されたノイズ性能を示す一方、本発
明の構成要素に対して緩やかな製作および動作条件を許
容する。
【図１】光増幅器の連鎖を利用した光波通信システムの
簡略ブロック図である。
簡略ブロック図である。
【図２】光増幅器の詳細な模式図である。
【図３】図２の増幅器の例の利得特性プロットである。
【図４】本発明の原理によって実現される増幅後損失要
素を有する光増幅器の概略図である。
素を有する光増幅器の概略図である。
【図５】光アイソレータを含む図４の増幅器の図であ
る。
る。
【図６】図４および５の光増幅器要素の他の実施例の詳
細な模式図である。
細な模式図である。
【図７】図２および４の実施例の出力パワーに対する利
得およびノイズ数値の比較プロットである。
得およびノイズ数値の比較プロットである。
【図８】図４の装置のさまざまな増幅後損失および増幅
器圧縮に対する増幅器特性のプロットである。
器圧縮に対する増幅器特性のプロットである。
【図９】図４の装置のさまざまな増幅後損失および増幅
器圧縮に対する増幅器特性のプロットである。
器圧縮に対する増幅器特性のプロットである。
【図１０】図４の装置のさまざまな増幅後損失および増
幅器圧縮に対する増幅器特性のプロットである。
幅器圧縮に対する増幅器特性のプロットである。
【図１１】図４の装置のさまざまな増幅後損失および増
幅器圧縮に対する増幅器特性のプロットである。
幅器圧縮に対する増幅器特性のプロットである。
１ 光波送信機 ２ 光波受信機 ３ 光ファイバ ４ 光増幅器 １０ 入力ファイバ １１ 光装置 １２ 出力ファイバ １３ 光増幅器 １４ ポンピング入力 １５ 光増幅器要素 １６ 導波路（ファイバ） １７ 導波路（ファイバ） １８ 損失要素 １９ 光アイソレータ ２１ 利得特性曲線 ４１ 光装置 ６１ 光カプラ ６２ ドープ光ファイバ ６３ 光カプラ ６４ ドープ光ファイバ
フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｓ 3/094 Ｈ０４Ｂ 10/16 (72)発明者 イサム エム．アイ．ハバブ アメリカ合衆国 08857 ニュージャージ ー オールド ブリッジ、ピューター コ ート 297 (72)発明者 アデル アブデル モネイム サレ アメリカ合衆国 07733 ニュージャージ ー ホルムデル、クロフォーズ コーナー ロード 112
Claims (10)
- 【請求項１】 入力光波信号を所望の光パワーレベルに
増幅する光装置において、 第１レベルのポンピング信号に応答して入力光波信号を
増幅するために所定の利得を発生する光増幅器と、 光増幅器に結合され、光増幅器利得の所定の増大を引き
起こすために第１レベルより大きい第２レベルのポンピ
ング信号で光増幅器をポンピングする手段と、 光増幅器の出力に結合され、光増幅器利得の所定増大と
ほとんど等しい大きさの損失を引き起こす損失手段とか
らなることを特徴とする光装置。 - 【請求項２】 入力光波信号を所望の光パワーレベルに
増幅する光装置において、 ポンピング信号に応答して、所望レベルを所定量だけ超
過するレベルに入力光波信号を増幅する光増幅器と、 ほぼ所望光パワーレベルで出力光波信号を発生する光増
幅器の出力からの増幅された信号をほぼ前記所定量だけ
減衰する手段とからなることを特徴とする光装置。 - 【請求項３】 入力光波信号を所望の光パワーレベルに
増幅する複数の光装置、および、対応してそれらの光装
置を縦続に相互接続する複数の光波伝送媒体からなる光
波伝送システムにおいて、 ポンピング信号に応答して、所望レベルを所定量だけ超
過するレベルに入力光波信号を増幅する光増幅器と、 ほぼ所望光パワーレベルで出力光波信号を発生する光増
幅器の出力からの増幅された信号をほぼ前記所定量だけ
減衰する手段とからなることを特徴とする光波伝送シス
テム。 - 【請求項４】 光増幅器と損失手段の間に結合された光
アイソレータをさらに有することを特徴とする請求項
１、２または３の装置。 - 【請求項５】 光増幅器が、ドープファイバ増幅器およ
び半導体増幅器からなる群から選択されることを特徴と
する請求項１、２または３の装置。 - 【請求項６】 ドープファイバ増幅器がエルビウムドー
プファイバ増幅器からなることを特徴とする請求項５の
装置。 - 【請求項７】 ポンピング手段が、所定のポンピング波
長で光ポンピング信号を発生する手段を有することを特
徴とする請求項６の装置。 - 【請求項８】 損失手段が、内部を伝播する光波信号に
非線形歪みをほとんど導入しないことを特徴とする請求
項１、２または３の装置。 - 【請求項９】 所望の光パワーレベルで出力光波信号を
発生するために光波信号を光増幅する方法において、 増幅利得媒質のほぼ一様な反転分布を引き起こすために
増幅利得媒質をポンピングするステップと、 所望光パワーレベルをほぼ所定量だけ超過する光パワー
レベルを有する増幅された光波信号を発生するために増
幅利得媒質によって光波信号を増幅するステップと、 ほぼ所定光パワーレベルで出力光波信号を発生するため
に、増幅された光波をほぼ所定量だけ減衰するステップ
とからなることを特徴とする光増幅方法。 - 【請求項１０】 入力光波信号を所望の光パワーレベル
に増幅する光装置において、 ポンピング信号に応答して、入力光波信号を増幅する光
増幅器と、 光増幅器に結合され、光増幅器出力において所望レベル
を達成するのに必要なレベルより高いレベルのポンピン
グ信号で光増幅器をポンピングする手段と、 光増幅器の出力に結合され、所望光パワーレベルが達成
されるように光増幅器からの出力光波信号を減衰する手
段とからなることを特徴とする光装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US810273 | 1991-12-19 | ||
| US07/810,273 US5187610A (en) | 1991-12-19 | 1991-12-19 | Low noise, optical amplifier having post-amplification loss element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0685372A true JPH0685372A (ja) | 1994-03-25 |
| JP2598211B2 JP2598211B2 (ja) | 1997-04-09 |
Family
ID=25203455
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4354951A Expired - Lifetime JP2598211B2 (ja) | 1991-12-19 | 1992-12-18 | 光装置、光波伝送システムおよび光増幅方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5187610A (ja) |
| EP (1) | EP0550145B1 (ja) |
| JP (1) | JP2598211B2 (ja) |
| CA (1) | CA2082849C (ja) |
| DE (1) | DE69209633T2 (ja) |
Cited By (2)
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| JP2012175582A (ja) * | 2011-02-23 | 2012-09-10 | Fujitsu Ltd | 光受信装置および光増幅装置 |
| JP2019116699A (ja) * | 2017-12-27 | 2019-07-18 | 帝人フロンティア株式会社 | 短繊維の製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
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