JPH07193306A - 光ファイバ増幅器とその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光ファイバ増幅器の増幅光のリップルを増大さ
せることなく、出力励起用半導体レーザの消費電力を低
減する。 【構成】励起用半導体レーザに直流電流を注入するので
はなく、パルス電流により駆動する。この際、パルス電
流の最小値は、励起用半導体レーザのしきい値電流より
も大きく設定する。一方、増幅光の一部を光分岐器によ
り取出し、その光強度により励起用半導体レーザへの注
入電流のピーク電流を決定する。また、注入電流のピー
ク値は一定とし、パルスデューティを変化させて注入電
流を変化させて励起用半導体レーザの光出力を決定す
る。 【効果】励起用半導体レーザの光出力変動が小さくなる
ので、増幅光のリップルを低減させることができる。し
かも、注入電流値を低減できるので、消費電力の低減が
図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ増幅器に関
し、特に増幅用光ファイバに励起光を入力する半導体レ
ーザの制御方法と制御回路を含んだ光ファイバ増幅器全
体の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信システムにおいて光信号を
直接増幅して伝送用光ファイバに送出する光ファイバ増
幅器の研究・開発が盛んに行われている。光ファイバ増
幅器を用いると、送信側でより大きい光強度をもつ光信
号を送出することができる。また、光中継器において光
増幅器を用いると、光信号を光／電気変換することなく
光信号を増幅して送出することが可能になる。光ファイ
バ増幅器の特徴としては、石英系光ファイバの最低伝送
損失波長帯と同じ１．５５μｍ帯で高利得が得られるこ
と、利得の偏光依存性がほとんどないこと、構成が単純
であること、光ファイバとの接続損失が小さいこと等が
あり、光通信システムへの幅広い応用が期待されてい
る。

【０００３】このような光ファイバ増幅器は、増幅用光
ファイバ、励起用半導体レーザ、励起用半導体レーザか
らの出射光と光信号を光合波させる光合波器、光アイソ
レータ等から構成される。増幅用光ファイバに入射され
た光信号は、励起用半導体レーザにより光増幅され出力
される。ここで、波長１．５５μｍ帯の光信号に対して
は、通常１．４８μｍや０．９８μｍの励起光が用いら
れる。また、増幅用光ファイバには、エルビウム添加フ
ァイバ（Ｅｒドープ光ファイバ）が用いられている。

【０００４】上述の励起用半導体レーザの駆動には、通
常、直流電流を注入して、連続光を出射させる方法がと
られている。この一般的な駆動方法については、例え
ば、木村康郎、中沢正隆、ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ（１９９
０）Ｎｏ．１１、ｐｐ．４７−５３（文献１）に記載さ
れている。ところが、励起光の光出力は通常数１０ｍＷ
であり、注入電流は２００ｍＡ以上必要であることか
ら、消費電力が大きくなってしまうという問題がある。

【０００５】そこで、励起用半導体レーザをパルスを用
いて間欠駆動（パルス駆動）する方式が提案されてい
る。この方式を用いた光ファイバ増幅器として、例え
ば、１９９２年電子情報通信学会春季大会論文集所載の
論文Ｂ−９４１「パルス励起光を用いたＥｒ光ファイバ
増幅の検討」（文献２）記載のものがある。励起用半導
体レーザをパルス駆動してパルス励起光により光増幅す
ることにより、消費電力の低減が図れ、これにより発熱
量も低減するので放熱板等が小形化できるという特長を
有している。しかしながら、一方で励起用半導体レーザ
をパルス駆動すると、増幅光のリップルの発生による伝
送品質の低下が懸念される。文献２は、この問題に対し
て、パルス幅をエルビウム添加光ファイバの蛍光寿命１
０数ｍｓｅｃより短くすることにより、増幅光のリップ
ル変動を抑圧できることを記載している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、文献２
記載の励起用半導体レーザの駆動方式はあらかじめ設定
されたピーク値と０の間をパルス駆動するものであり、
たとえエルビウム添加光ファイバの蛍光時定数よりも短
い変調周波数でパルス駆動したとしても増幅光のリップ
ルを十分排除することができないという問題がある。

【０００７】また、励起用半導体レーザの周囲温度の変
動による光出力の変動を十分抑えることが困難であり、
安定した増幅光強度が得られないという問題もある。

【０００８】本発明の目的は、上述の励起用半導体レー
ザのパルス駆動による光増幅において、リップルを十分
小さくして伝送品質を向上させることができる光ファイ
バ増幅器とその制御方法を提供することにある。

【０００９】本発明はまた、安定した増幅光強度の設定
ができる光ファイバ増幅器を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の欠点を除去するた
めに、本発明の光ファイバ増幅器は、光信号を増幅する
増幅用光ファイバと、増幅用光ファイバ、若しくは該増
幅用光ファイバと接続される光ファイバに接続される光
合波器と、光合波器の一端に接続され、増幅用光ファイ
バに励起光を入力する励起用半導体レーザと、増幅用光
ファイバから出力される増幅光の一部を分岐して分岐光
を取出す光分岐器と、分岐光を受光して電気信号に変換
する受光素子と、電気信号を受けて、パルス電流を半導
体レーザに出力するパルス発生器とを備えたことを特徴
としている。そして、パルス発生器は、電気信号に応じ
てパルスデューティが制御されてパルス電流が決定され
ることを特徴としている。

【００１１】本発明の光ファイバ増幅器の具体的構成と
して、パルス発生器は、あらかじめ設定されたピーク値
と０のパルスからなるパルス電流を発生するパルス発生
回路と、パルス発生回路の出力端にベースが接続され、
コレクタが半導体レーザのカソードに接続されるトラン
ジスタと、トランジスタのエミッタに、第１の抵抗を介
して接続された負電圧源と、トランジスタのコレクタと
負電圧源の間に接続される第２の抵抗とを備え、半導体
レーザのアノードは接地されていることを特徴としてい
る。

【００１２】本発明の光ファイバ増幅器の制御方法は、
入力された光信号を増幅する増幅用光ファイバと、該光
増幅用光ファイバに励起光を入力する励起用半導体レー
ザを備えた光ファイバ増幅器において、半導体レーザダ
イオードは、半導体レーザのしきい値電流よりも大きい
バイアス電流値が常時印加され、バイアス電流を最小電
流値として、パルス駆動されることを特徴としている。

【００１３】また、本発明の光ファイバ増幅器の制御方
法は、光信号を増幅する増幅用光ファイバと、増幅用光
ファイバ、若しくは該増幅用光ファイバに接続される光
ファイバに光合波器と、光合波器の一端に接続され、増
幅用光ファイバに励起光を入力する励起用半導体レーザ
とを備えた光ファイバ増幅器において、増幅用光ファイ
バから出力される増幅光の一部を分岐して分岐光を取出
して、分岐光を受光素子により受光して電気信号に変換
するステップと、電気信号をあらかじめ設定された基準
値と比較するステップと、電気信号と前記基準値が一致
しないときは、電気信号の電圧値に応じて、パルス電流
の電流値を決定するステップと、パルス電流を半導体レ
ーザに出力して前記励起光の出力を制御するステップと
を含むことをことを特徴としている。

【００１４】

【作用】本発明の光ファイバ増幅器では、励起用半導体
レーザをパルス駆動により行う。この際、増幅光の一部
を分岐して光強度に応じてパルスデューティを制御して
パルス電流値を設定して励起用半導体レーザの光出力を
制御しているので、安定した増幅光強度が得られる。

【００１５】上記に加えて、パルス電流の最小値を励起
用半導体レーザのしきい値電流よりも大きくすることに
より、励起用半導体レーザを流れるパルス電流の振幅が
減少する。さらに、最小値を０としたパルス駆動にくら
べ光出力のアンダーシュート、オーバシュートの影響を
回避することができるので、光出力変動を小さく抑える
ことができ、光ファイバ増幅器の増幅光のリップルを低
減させることができる。

【００１６】

【実施例】次に図面を参照して本発明の一実施例を詳細
に説明する。

【００１７】図１は、本発明の光ファイバ増幅器の一実
施例の構成図である。エルビウム添加光ファイバ１の入
力端からは光信号が入力される。エルビウム添加光ファ
イバ１の出力端には光合波器３が接続されており、励起
用半導体レーザ２から励起光がエルビウム添加光ファイ
バ１に入射される。励起光が入力されると、エルビウム
添加光ファイバ１のもつ増幅作用により、光信号は増幅
されて出力され、増幅光は伝送用光ファイバに送出され
る。一方、増幅光の一部は、光分岐器４によって一部が
分岐光として取出され、受光素子５に受光されて電気信
号に変換される。この電気信号はパルス発生器６に入力
される。この電気信号の強度に応じて、パルス発生器６
から所望の励起光出力を得るようなデューティ比のパル
ス電流が励起用半導体レーザ２に出力される。パルス発
生器６は、上記パルスのデューティ比でハイとローのパ
ルス電流を発生させる機能を有しており、通常のディジ
タル信号の送信に用いられる光半導体レーザの駆動回路
と同じ構成からなる。

【００１８】次に、励起用半導体レーザ２をパルス駆動
させるためのパルス電流と励起光について説明する。図
３（ａ）は、励起用半導体レーザ２の電流−光出力特性
を示す図である。通常、半導体レーザは図に示されるよ
うに、注入電流値を増加させたときに、しきい値電流値
を越えるまでは自然放出光のみが出射されるので光出力
は小さい。そして、しきい値電流を越えると発振が起こ
り、図のように注入電流に応じて光出力はほぼ直線的に
増大する。

【００１９】本発明では、ピーク値をあらかじめ設定し
た一定値としておき、パルスのデューティ比を変化させ
て、増幅光強度を制御する。ここで、パルス電流の制御
方法としてピーク値を制御する方法もあるが、この方法
による場合ピーク値の変動幅を大きくする必要があり、
非常に高いピーク値の設定をしなければならなくなる場
合があり、得策ではない。

【００２０】また、本発明の光ファイバ増幅器では、パ
ルス駆動のパルス電流は、（ｂ）に示されるように、励
起用半導体レーザのしきい値電流よりも大きくする。こ
のように設定することにより、励起用半導体レーザの注
入電流の振幅が小さくなり光出力の変動が低減される。

【００２１】次に、本発明の光ファイバ増幅器の他の実
施例について説明する。

【００２２】図２は、本発明の他の実施例であり、図１
に示される構成において、パルス発生器の構成をより具
体的に示したものである。本実施例は、特にパルスの最
小電流を励起光のしきい値電流よりも大きく設定できる
構成を示している。パルス発生器７は、パルス発生回路
１６とトランジスタ１７および抵抗１８、１９、負電源
２０からなる。

【００２３】パルス発生回路１６は、受光素子１５の電
気信号を受けて最小電流値を０とするパルス電流を発生
する機能を有する。このパルス発生回路１６は、通常の
ディジタル信号の送信に用いられる回路で構成すること
ができる。

【００２４】パルス発生回路１６の出力端はパワートラ
ンジスタ１７のベース端子に接続され、そのトランジス
タ１７のエミッタ端子は抵抗１８を介して負電圧源に接
続されている。また、コレクタ端子と基準電圧間に励起
用半導体レーザ１２が接続されている。トランジスタ１
７のコレクタ端子と負電圧源間には抵抗１９が接続され
ている。他の構成は、図１に示される実施例と同様の構
成であるので説明を省略する。

【００２５】パルス発生回路１６の出力は、トランジス
タ１７のベースに入力され、コレクタ電流がオン／オフ
される。コレクタ電流の値はパルスのデューティ比が電
気信号に応じて変化する。一方、抵抗１９には定電流が
流れ、励起用半導体レーザ１２にはトランジスタ１７の
コレクタ電流に抵抗１９に流れる電流が重畳されること
になる。ここで、抵抗１９の抵抗値は重畳する直流電流
が光ファイバ増幅器の増幅光強度の所望の値になり、か
つ励起用半導体レーザ１２のしきい値よりも大きい値と
なるように設定されている。

【００２６】このような構成により、ピーク値と最小電
流値のみがあらかじめ設定され、パルスのデューティ比
のみが制御されてパルス電流値が決められ、励起用半導
体レーザの光出力が制御される。すなわち、増幅光の光
強度が基準値よりも大きいときはパルス電流のデューテ
ィ比を小さくして励起用半導体レーザの光出力を低下さ
せ、基準値よりも大きいときは逆の制御される。これに
より、増幅光は所望の光強度に維持される。

【００２７】次に、本発明の光ファイバ増幅器を用いた
光ファイバ通信の伝送実験の結果について説明する。

【００２８】図４は、文献１に示される従来の一定電流
による励起用半導体レーザの駆動と、文献２に示される
従来の光ファイバ増幅器による駆動と、本発明の光ファ
イバ増幅器による駆動のそれぞれについての増幅光の光
強度変動を比較して示した図である。なお、ここでは、
増幅光の光強度変動のパルス電流駆動による影響のみを
比較するために、本発明においても増幅光を分岐して分
岐光強度により励起用半導体レーザの光出力を制御して
おらず、あらかじめ設定したピーク値とデューティ比を
もつパルス電流により駆動させている。従来の一定電流
による駆動では、注入電流値は約２９２ｍＡで、増幅が
約２０ｄＢで＋１３ｄＢｍの増幅光強度を得ている。パ
ルス周波数を約７０ｋＨｚ、パルスデューティを５０％
に設定して、一定電流による場合と同じ増幅利得を得る
ためには、ピーク値として約６５０ｍＡの電流が必要で
ある。一方、本発明では、励起用半導体レーザのしきい
値電流が約８０ｍＡであるので、パルス電流の最小値は
１００ｍＡに設定されている。

【００２９】図４において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は
それぞれ一定電流の場合、最小値が０ｍＡである従来の
パルス駆動による場合、本発明のパルス駆動による場合
の増幅光の光強度変動を示している。図から明らかなよ
うに、従来のパルス駆動方法では、リップルが約１０％
であるのに対して、本発明では約５％に低減されている
ことがわかる。なお、本発明のパルス駆動では、従来の
パルス駆動を用いた光ファイバ増幅器にくらべ、消費電
力は約２０％の増加にとどまっている。また、パルス駆
動では、従来の直流電流駆動にくらべピーク値は高くな
るが、出力側のトランジスタのコレクタとエミッタ間の
電圧が、直流にくらべパルス電流の方が少なくなるので
全体として消費電力を低く抑えることができる。

【００３０】このように、本発明の光ファイバ増幅器に
よれば、パルス駆動により消費電力を低減し、かつ増幅
光の光強度のリップルを大幅に低減することができる。

【００３１】さらに、上述の比較では、一定電流による
駆動、従来のパルス駆動ともに、長時間の使用や、周囲
温度の変化などにより励起用半導体レーザの光出力が変
動する。これに対して、本発明の光ファイバ増幅器で
は、増幅後の分岐光の強度によりパルス電流のピーク値
あるいはデューティを制御して励起用半導体レーザの光
出力を一定に保持しているので、パルス電流により駆動
しても常に一定の増幅光を維持することが可能になる。

【００３２】なお、上述の実施例では、エルビウム添付
光ファイバの後方から励起光を入射する、いわゆる後方
励起タイプについて説明したが、前方から入射する前方
励起タイプや両方から励起光を入射するタイプについて
も適用できることは言うまでもない。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の光ファイバ
増幅器では、励起用半導体レーザを最小電流値がしきい
値よりも大きく設定してパルス駆動しているので、励起
用半導体レーザの光出力変動を小さく抑えることができ
る。この結果、増幅光のリップルも低減させることがで
きる。また、増幅光の一部を分岐して、その光強度に応
じてパルスデューティを設定しているので、安定した増
幅光強度を得ることができ、高品質な伝送が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバ増幅器の一実施例の構成
図。

【図２】本発明の光ファイバ増幅器の他の実施例の構成
図。

【図３】励起用半導体レーザの電流−光出力特性

【図４】本発明の光ファイバ増幅器と従来の光ファイバ
増幅器のそれぞれによる増幅光の光強度変動を表す図。

【符号の説明】

１，１１ エルビウム添加光ファイバ ２，１２ 励起用半導体レーザ ３，１３ 光合波器 ４，１４ 光分岐器 ５，１５ 受光素子 ６ パルス発生器 ７ パルス発生器 １６ パルス発生回路 １７ パワートランジスタ １８，１９ 抵抗 ２０ 負電源

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光信号を増幅する増幅用光ファイバと、 前記増幅用光ファイバ、若しくは該増幅用光ファイバと
   接続される光ファイバに接続される光合波器と、 前記光合波器の一端に接続され、前記増幅用光ファイバ
   に励起光を入力する励起用半導体レーザと、 前記増幅用光ファイバから出力される増幅光の一部を分
   岐して分岐光を取出す光分岐器と、 前記分岐光を受光して電気信号に変換する受光素子と、 前記電気信号を受けて、パルス電流を前記半導体レーザ
   に出力するパルス発生器とを備えたことを特徴とする光
   ファイバ増幅器。
2. 【請求項２】 前記パルス電流は、前記電気信号に応じ
   て前記パルス電流のパルスデューティが制御されること
   により電流値が決定されることを特徴とする「請求項
   １」記載の光ファイバ増幅器。
3. 【請求項３】 前記パルス発生器は、 あらかじめ設定されたピーク値と０のパルスからなるパ
   ルス電流を発生するパルス発生回路と、 前記パルス発生回路の出力端にベースが接続され、コレ
   クタが前記半導体レーザのカソードに接続されるトラン
   ジスタと、 前記トランジスタのエミッタに、第１の抵抗を介して接
   続された負電圧源と、 前記トランジスタのコレクタと前記負電圧源の間に接続
   される第２の抵抗とを備え、 前記半導体レーザのアノードは接地されていることを特
   徴とする「請求項１」記載の光ファイバ増幅器。
4. 【請求項４】 前記増幅用光ファイバは、エルビウム添
   加ファイバであることを特徴とする「請求項１」記載の
   光ファイバ増幅器の制御方法。
5. 【請求項５】 入力された光信号を増幅する増幅用光フ
   ァイバと、該光増幅用光ファイバに励起光を入力する励
   起用半導体レーザを備えた光ファイバ増幅器において、 前記半導体レーザダイオードは、前記半導体レーザのし
   きい値電流よりも大きいバイアス電流が常時印加され、
   前記バイアス電流値を最小電流値として、パルス駆動さ
   れることを特徴とする光ファイバ増幅器の制御方法。
6. 【請求項６】 前記増幅用光ファイバは、エルビウム添
   加ファイバであることを特徴とする「請求項５」記載の
   光ファイバ増幅器の制御方法。
7. 【請求項７】 光信号を増幅する増幅用光ファイバと、
   前記増幅用光ファイバ、若しくは該増幅用光ファイバに
   接続される光ファイバに光合波器と、前記光合波器の一
   端に接続され、前記増幅用光ファイバに励起光を入力す
   る励起用半導体レーザとを備えた光ファイバ増幅器にお
   いて、 前記増幅用光ファイバから出力される増幅光の一部を分
   岐して分岐光を取出して、前記分岐光を受光素子により
   受光して電気信号に変換するステップと、 前記電気信号をあらかじめ設定された基準値と比較する
   ステップと、 前記電気信号と前記基準値が一致しないときは、前記電
   気信号の電圧値に応じて、パルス電流の電流値を決定す
   るステップと、 前記パルス電流を前記半導体レーザに出力して前記励起
   光の出力を制御するステップとを含むことをことを特徴
   とする光ファイバ増幅器の制御方法。
8. 【請求項８】 前記パルス電流値の最小電流値が前記半
   導体レーザのしきい値電流よりも大きいことを特徴とす
   る「請求項７」記載の光ファイバ増幅器の制御方法。
9. 【請求項９】 前記パルス電流値は、あらかじめピーク
   値が設定され、パルスデューティが変化されることによ
   り決定されることを特徴とする「請求項９」記載の光フ
   ァイバ増幅器の制御方法。