JPH07176817A - 光信号増幅装置 - Google Patents

光信号増幅装置

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JPH07176817A
JPH07176817A JP6257360A JP25736094A JPH07176817A JP H07176817 A JPH07176817 A JP H07176817A JP 6257360 A JP6257360 A JP 6257360A JP 25736094 A JP25736094 A JP 25736094A JP H07176817 A JPH07176817 A JP H07176817A
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optical
stage
optical signal
signal
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JP6257360A
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David J Digiovanni
ジョン ディジオバニ ダビッド
Joseph D Evankow
デー． エバンノウ ジョセフ
Jonathan A Nagel
エー． ナゲル ジョナサン
Richard G Smart
ゴードン スマート リチャード
James W Sulhoff
ダブリュ サルホフ ジェームズ
John L Zyskind
レーラ ジスキント ジョン
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AT&T Corp
Original Assignee
American Telephone and Telegraph Co Inc
AT&T Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 長距離光通信システムにおいて、リピーター
として用いられるのに適した高出力パワー、高ゲイン、
ローノイズの二段構成の光ファイバ増幅器を提供するこ
とである。 【構成】 本発明の長距離通信用の二段構成の光増幅器
は、増幅された励起放射（ＡＳＥ）による自己飽和を回
避するほど小さい信号ゲインを有し、この第１段増幅媒
体の最大反転分布を達成するために、反対方向に伝搬す
る光信号を用いる。また、エルビウムドープ光ファイバ
（ＥＤＦＡ）を、二つの増幅段の各々に用いる。第１増
幅段のＥＤＦＡの長さは、信号とは反対方向に伝搬する
ポンプ光からのＥＤＦＡのほぼ完全な反転分布が達成で
きる程度に短いものである。この反対方向に伝搬するポ
ンプ光により、同方向に伝搬するポンプ光の入力損失か
ら、大きなノイズ係数損失を回避できる。この装置は、
さらに、フィルタ、アイソレータ、減衰器のような受動
光学素子を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信用の光増幅器に
関し、特に、高出力パワーと高ゲインとローノイズを有
する二段階構成の光増幅器に関する。
【０００２】
【従来技術の説明】光増幅器は、様々なパラメータ、例
えば、ゲイン、出力パワー、圧縮（すなわち、ゲイン飽
和）とノイズ要素を考慮して設計される。このノイズ性
能は、光増幅器の入力点のＳＮ比を、出力点のＳＮ比で
割った値で定義されるノイズ指数によって決定される。
この光増幅器が、リピータとして用いられるときには、
光増幅器は、極めて低いノイズ指数で、かつ、高出力パ
ワーで動作して、光通信システム内の隣接して配置され
るリピータの間の距離を最大にする。例えば、将来の光
通信システムにおいては、隣接するリピータ間の距離
は、現在の４０ｋｍから、将来には１００ｋｍ以上にす
るのが好ましい。また、高出力パワーは、この光通信シ
ステムにおいて、リピータが、多重化チャネルを採用す
る場合には、特に好ましい。さらに、このリピータは、
リピータ間の光ファイバスパンにおける損失を補償する
ような充分なゲインがなければならない。
【０００３】従来の光増幅装置は、複数のエルビウムド
ープ光ファイバ段を用いて、光増幅器のゲイン特性を改
善している。この従来の装置においては、２つの増幅器
段は、受動光学要素によって分離されている。これらの
受動光学要素は、多くのリピータ装置において必要で、
例えば、アイソレータ、フィルタ、ポンプ、多重化装置
のようなものがある。一般的に、従来技術においては、
受動光要素は、光増幅器の入力、または、出力のいずれ
かの位置に配置されていた。しかし、この従来の構成に
おいては、２つの段の間の受動素子は、多数段の増幅器
にたいし高ゲインを補償し、かつ、受動素子が単一段の
増幅器の入力点に配置されると発生するノイズの上昇を
回避し、あるいは、受動素子が単一段の増幅器の出力点
に配置されたときに発生する出力パワーのロスを回避す
る。この従来の多段光増幅器は、ある種の応用において
は満足すべきものであるが、将来の長距離光通信システ
ムにおいて、リピータとして用いられるには限界があ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、長距離光通信システムにおいて、リピータとし
て用いられるのに適した高出力パワー、高ゲイン、ロー
ノイズの二段構成の光ファイバ増幅器を提供することで
ある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の長距離通信用の
二段構成の光増幅器は、増幅された励起放射（amplifie
d stimulated emission：ＡＳＥ）による自己飽和を回
避するほど小さい信号ゲインを有し、この第１段増幅媒
体の最大反転分布を達成するために、反対方向に伝搬す
る光信号を用いる。
【０００６】また、本発明によれば、エルビウムドープ
光ファイバ（erbium-doped fiber amplifire：ＥＤＦ
Ａ）を、二つの増幅段の各々に用いる。第１増幅段のＥ
ＤＦＡの長さは、信号とは反対方向に伝搬するポンプ光
からのＥＤＦＡのほぼ完全な反転分布が達成できる程度
に短いものである。この反対方向に伝搬するポンプ光に
より、同方向に伝搬するポンプ光の入力損失から、大き
なノイズ指数損失を回避できる。このノイズ指数が改良
される理由は、完全な反転分布が第１段のＥＤＦＡ内の
全てで、特に、ノイズ指数が、反転分布に最も敏感な入
力点において達成されるからである。第１段のＥＤＦＡ
の長さが短いために、ノイズ指数を悪化させる増幅励起
放射から、ＥＤＦＡの自己飽和を取り除くことができ
る。しかし、第１段のＥＤＦＡの長さは、充分なゲイン
を与える程度に長く、その結果、二段構成の増幅器のノ
イズ指数は、全体として、第１段のノイズ指数に主に決
定される。第２段のＥＤＦＡは、さらに、信号増幅を達
成するために、同一方向に伝搬するポンプ光、あるい
は、反対方向に伝搬するポンプ光を用いて、長距離光通
信システムに必要な出力パワーとゲインを提供するよう
構成される。本発明の装置は、さらに、フィルタ、アイ
ソレータ、減衰器のような受動光学素子を有する。
【０００７】
【実施例】図１において、光増幅器は、エルビウムドー
プ光ファイバ１０とエルビウムドープ光ファイバ２０を
それぞれ有する２つの段、第１段４０、第２段５０を有
する。第１段４０において、波長分割多重化装置３０
は、第１段４０の入力点の光信号に対し、反対方向に伝
搬するポンプソースからの光を導入する。光アイソレー
タ１５は、第１段４０の入力点とエルビウムドープ光フ
ァイバ１０との間に配置されて、反射とポンプソースの
発振を抑制する。エルビウムドープ光ファイバ、波長分
割多重化装置、光アイソレータは、従来公知のものであ
る。
【０００８】ポンプ光は、レーザダイオード８０により
生成され、その波長は、例えば、９８０ｎｍ、あるい
は、１４８０ｎｍである。ある種の応用に好ましいもの
としては、レーザダイオード９０を用いて、光増幅器の
第２段５０内で用いられるポンプ光を生成することであ
る。別法として、１個のレーザダイオードを、光スプリ
ッタ７０に結合して、光増幅器の第１段４０と第２段５
０の間にポンプ光を分散してもよい。あるいは、レーザ
ダイオード８０とレーザダイオード９０を光スプリッタ
７０に結合して、一方のレーザダイオードが故障した場
合にも、両方の段にポンプ光が導入されるよう、信頼性
を向上してもよい。ある種の応用においては、光スプリ
ッタ７０は、３ｄＢのスプリッタである。このレーザダ
イオードとスプリッタは、公知である。ある種の応用に
おいては、光スプリッタ７０内における分離比は、５０
％以上であるのが好ましい。
【０００９】第１段４０内に反対方向に伝搬するポンプ
光を用いることにより、全体として、二段階の光増幅器
のノイズ指数が非常に低くなる。ここで、ノイズ指数と
は、光増幅器の入力点におけるＳＮ比を、出力点におけ
るＳＮ比で割ったものである。非常に低いノイズ指数が
達成できる理由は、反対方向に伝搬するポンプ光を用い
ると、第１段４０内で同一方向に伝搬するポンプ光を用
いた場合よりも、エルビウムドープ光ファイバ１０の入
力点における波長分割器からの損失を回避できるからで
ある。さらに、低ノイズ指数は、エルビウムドープ光フ
ァイバ１０の長さを充分に短くして、エルビウムドープ
光ファイバ１０が、強力にポンピングされた反対方向に
伝搬するポンプ光からの完全な反転分布を達成でき、そ
して、エルビウムドープ光ファイバ１０が、この増幅さ
れた励起放射（ＡＳＥ）により、自己飽和が少なくなる
ようにして達成できる。このように、エルビウムドープ
光ファイバ１０を短くすることにより、エルビウムドー
プ光ファイバ１０は、その入力点で、完全な反転分布が
達成でき、ノイズ指数は、入力点での反転分布の程度に
最も敏感なために重要である。エルビウムドープ光ファ
イバ１０の長さを第１段４０で充分なゲインが得られる
程度に長くすると、二段階の増幅器のノイズ指数は、全
体として、第１段４０により、主に決定される。例え
ば、波長が１５４０ｎｍ〜１５６５ｎｍの間の範囲内
で、約１０ｄＢ〜２５ｄＢの間のポンピングのもとでの
小さな信号ゲインは、エルビウムドープ光ファイバ１０
の入力点におけるポンプ光は、反転分布を高程度に維持
するのに充分であるよう補償するのに有効である。本発
明によれば、極めて低いノイズ指数は、反対方向に伝搬
するポンプ光によって達成できる、という事実は、従来
技術の観点からは予測できないことである。この従来技
術が教えるところによれば、同一方向に伝搬するポンプ
光を用いて、低いノイズ指数を達成するのに必要なエル
ビウムドープ光ファイバの入力点における良好な反転分
布が達成できるとされていた。
【００１０】第１段４０と第２段５０は、光ファイバ４
５で接続され、第１段４０からの増幅された光出力は、
第２段５０の入力点に入力される。光アイソレータ３５
とフィルタ５５が、光ファイバ４５上に配置されて、第
２段５０からの逆方向に伝搬する増幅励起放射が、第１
段４０に到達しないようにし、その結果、第１段４０へ
の入力点における反転分布を減少させずに、そして、こ
の入力点においては、逆方向に伝搬する増幅励起放射パ
ワーは最高になり、ノイズ指数はこの反転分布に最も敏
感である。フィルタ５５を調整して、光ファイバ４５に
沿って両方向に伝搬する信号バンド幅外の波長成分を除
去する。これにより、第２段５０内において、増幅励起
放射による自己飽和を最小にする。しかし、ある種の応
用分野においては、フィルタ５５を、特に、調整して、
１５３０ｎｍとその近傍の波長成分を除去するようにし
てもよい。１５３０ｎｍとその近傍の波長における増幅
励起放射は、最大のスペクトル密度を有し、例えば、他
の波長においては、１０〜１５ｄＢであり、そして、最
大の反転分布を劣化させる影響を有する。その理由は、
フィルタ５５により、１５３０ｎｍ近傍の波長が除去さ
れないと、強力な放射交差部分が存在するからである。
【００１１】第２段５０は、波長分割多重化装置６０を
有し、ポンプ光をエルビウムドープ光ファイバ２０と光
アイソレータ２５に結合し、この光アイソレータ２５
は、反射に関連する発振とノイズ指数を抑制する。波長
分割多重化装置６０を配置して、ポンプ光をエルビウム
ドープ光ファイバ２０内に導入し、そのポンプ光は、信
号と同一方向に伝搬して、ノイズ指数を劣化させること
なく、信号のゲインを得ることができる。エルビウムド
ープ光ファイバ２０の長さは、強力なポンピングでもっ
て有効なゲインと出力パワーが実現できるように形成さ
れる。本発明による二段増幅器は、６ｄＢゲイン圧縮と
４５ｍＷレーザからの９８０ｎｍ波長のポンプ光によ
り、２５ｄＢ以上のゲインと、１０ｄＢｍ以上の出力パ
ワーと、３．４ｄＢ以下のノイズ指数を有する。
【００１２】図２は、本発明の第２の実施例で、図１の
構成にたいし、第２段の後に減衰（損失）要素が追加さ
れている。この減衰器２９５を追加することにより、二
段階増幅器は、ソリトン長距離海底伝送システムのよう
な低出力パワーから中程度の出力パワーが必要な応用に
用いられる。この減衰器２９５を追加することにより、
伝送光ファイバの非線形光プロセスに関連する損失を回
避するために、低ノイズ指数用に必要な高ポンプパワー
から得られれた余分な信号パワーを減衰させることがで
きる。しかし、この二段増幅器のゲインは、減衰器２９
５を追加したことにより、その分だけ増加させなければ
ならない。従来技術においては、このようなゲインの増
加は、自己飽和に起因するノイズを導入する。しかし、
本発明によれば、第１段４０内の自己飽和は回避され、
第２段５０内での自己飽和は最小にされているので、減
衰器２９５により最大の利点が得られる。同時に、ノイ
ズ指数を直接増加させるような入力損失は、第１段４０
内の反対方向に伝搬するポンプ光構成により回避でき
る。
【００１３】図３の構成は、図２の構成に比較して、第
１段４０の入力点におけるアイソレータが取り除かれて
いる。この構成により、ノイズ指数の利点の他に、さら
に、入力損失を低下させることができる。この実施例に
おいては、エルビウムドープ光ファイバ１０は、第１、
第２の実施例におけるよりもさらに短く、二段増幅器の
反射に関連するノイズ指数損失とマルチパス干渉とを回
避できる。例えば、長距離通信システムにおいて、上流
方向への伝送光ファイバがレイレー散乱に起因する反射
を、約−３０ｄＢのレベルまで上げると、第１段４０の
ゲインは、充分に低く設定して、マルチパス干渉は、そ
の性能を劣化させるような高レベルにならにようにしな
ければならない。
【００１４】図４と図２の構成は、類似するが、ただ
し、レーザダイオード４０５からの単一のポンプ信号
は、波長分割多重化装置４６５に入り、第２段５０内を
反対方向に伝搬する。その後、第２段５０の残留ポンプ
パワーは、波長分割多重化装置６０と波長分割多重化装
置３０と光ファイバ４９０を介して、第１段４０に結合
される。このようにして、複数のポンプ光ソースとスプ
リッタを用いる必要がない。この図４の構成は、高パワ
ーを必要としないような応用に適している。その結果、
ポンプ光は、第２段５０を通過した後でも、第１段４０
の入力段において、高程度の反転分布を確保する程度、
充分なパワーをまだ有している。
【００１５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の二段構成の
増幅器は、光信号と反対方向に伝搬するポンプ光を用い
ることにより、高パワー、高ゲインで低ノイズ指数の増
幅器を達成できる。特に、第２の実施例においては、減
衰器２９５を第２段５０の後に配置したために、余分な
光パワーを減衰させることができる。さらに、第３の実
施例においては、第１段４０内で光アイソレータ１５を
取り除いたために、低パワーの入力信号を増幅できる。
さらに、第４の実施例においては、減衰器２９５を増設
したために、単一のレーザダイオード４０５のみを用い
て、入力信号を増幅できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による二段階構成の光増
幅器のブロック図。
【図２】図１の第１の実施例にたいし、第２段の増幅器
の後に減衰器を付加した第２の実施例のブロック図。
【図３】本発明の第３の実施例のブロック図。
【図４】本発明の第４の実施例のブロック図。
【符号の説明】
１０・２０ エルビウムドープ光ファイバ １５・２５・３５ 光アイソレータ ３０・６０ 波長分割多重化装置 ４０ 第１段 ４５ 光ファイバ ５０ 第２段 ５５ フィルタ ７０ 光スプリッタ ８０・９０ レーザダイオード ２９５ 減衰器 ４０５ レーザダイオード ４６５ 波長分割多重化装置 ４９０ 光ファイバ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ デー． エバンノウ アメリカ合衆国、07722 ニュージャージ ー、コルツ ネック、 ヒアレア ドライ ブ １ (72)発明者 ジョナサン エー． ナゲル アメリカ合衆国、07728 ニュージャージ ー、フリーホールド、ハーディング ロー ド 232ビィー (72)発明者 リチャード ゴードン スマート アメリカ合衆国、60563 イリノイ、ネイ パビル、レイモンド ドライブ 1531 (72)発明者 ジェームズ ダブリュ サルホフ アメリカ合衆国、07712 ニュージャージ ー、オーシャン、ディール ロード 1147 (72)発明者 ジョン レーラ ジスキント アメリカ合衆国、07702 ニュージャージ ー、シュリューズベリー、 パーク アベ ニュー 106

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （Ａ）第１の所定信号ゲインを有し、増
    幅された自然放射による自己飽和がない、入力光信号を
    増幅する第１増幅手段（４０）と、 （Ｂ）前記第１増幅手段の出力に接続され、前記第１増
    幅手段が、反転分布を達成できるように、前記第１手段
    を、反対方向に伝搬するポンプ光でポンピングするポン
    ピング手段（７０，８０，９０）と、 （Ｃ）第２の所定の信号ゲインを有し、前記第１増幅手
    段（４０）からの光信号を所定の出力信号パワーに増幅
    する第２増幅手段（５０）と （Ｄ）前記第１増幅手段（４０）の出力を、前記第２増
    幅手段（５０）の入力に結合する結合手段（４５）と からなることを特徴とする光信号増幅装置。
  2. 【請求項２】 前記第１増幅手段（４０）は、エルビウ
    ムドープ光ファイバ増幅器（１０）を有することを特徴
    とする請求項１の装置。
  3. 【請求項３】 前記第２増幅手段（５０）は、エルビウ
    ムドープ光ファイバ増幅器（２０）を有することを特徴
    とする請求項１の装置。
  4. 【請求項４】 前記所定の信号ゲインは、１５４０〜１
    ５６５ｎｍの波長の範囲で、１０〜２５ｄＢの範囲内の
    値に等しいことを特徴とする請求項２の装置。
  5. 【請求項５】 前記第２増幅手段（５０）を、反対方向
    に伝搬するポンプ光でポンピングする第２ポンピング手
    段（７０，８０，９０）をさらに有することを特徴とす
    る請求項１の装置。
  6. 【請求項６】 前記第２増幅手段（５０）は、第２ポン
    ピング手段に結合されて、前記第２増幅手段を同一方向
    に伝搬するポンプ光で増幅されることを特徴とする請求
    項１の装置。
  7. 【請求項７】 前記結合手段は、前記第２増幅手段内の
    増幅された自然放射を、前記第１増幅手段から分離する
    アイソレータ手段（３５）を有することを特徴とする請
    求項４の装置。
  8. 【請求項８】 前記結合手段は、前記増幅された光信号
    から、信号バンド範囲の外側の波長成分を除去するため
    に、前記増幅された光信号をろ波するフィルタ手段（５
    ５）を有することを特徴とする請求項７の装置。
  9. 【請求項９】 前記結合手段は、前記増幅された光信号
    から、１５３０ｎｍに等しい波長成分を除去するフィル
    タ手段を有することを特徴とする請求項７の装置。
  10. 【請求項１０】 前記第２増幅手段は、前記の増幅され
    た光信号を減衰させる手段（２９５）を有することを特
    徴とする請求項９の装置。
  11. 【請求項１１】 前記第２増幅手段は、反射光から前記
    第２光増幅手段の出力を分離するアイソレータ手段（２
    ５）を有することを特徴とする請求項８の装置。
  12. 【請求項１２】 前記第１増幅手段は、反射光から前記
    第１増幅手段の入力を分離するアイソレータ手段（１
    ５）を有することを特徴とする請求項１１の装置。
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