JPH10173267A

JPH10173267A - 光ファイバ増幅装置

Info

Publication number: JPH10173267A
Application number: JP33108896A
Authority: JP
Inventors: Seiji Maruo; 成司丸尾; Tatsuya Sugita; 辰哉杉田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】増幅された信号光の特性変化についての補正
が可能で、光伝送特性の精度保持が充分に得られるよう
にした光ファイバ増幅装置を提供すること。【解決手段】希土類元素ドープ光ファイバ１０４に、
前方励起光ｆと後方励起光ｒを入射して双方向励起方式
で動作する光ファイバ増幅装置１００において、ＰＤ
(光検出素子)１１３と通信特性判定回路１１４、フィー
ドバック制御回路１１５からなるフィードバック系を設
け、これにより増幅された信号光Ａの物理的状態(例え
ば、強度、ノイズレベル、波長分布など)を検出し、こ
の検出結果に応じて駆動電流制御回路１１２により、前
方励起光源１１０と後方励起光源１１１を独立に制御
し、前方励起光ｆの強度と後方励起光ｒの強度とを独立
に制御するようにしたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、希土類元素の内、
主としてエルビウムが添加された光ファイバを用いて信
号光を増幅する光ファイバ増幅装置に係り、光通信シス
テムにおける光信号の減衰補償用に好適な光増幅装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、光ファイバ増幅装置は、
希土類元素が添加(ドープ)された光ファイバを用い、こ
の光ファイバ中に、信号光と励起光を一緒に通過させる
ことにより、出力として増幅された信号光が得られると
いう現象を利用して、光を直接増幅するようにした装置
である。

【０００３】そして、この光ファイバ増幅装置は、例え
ば半導体レーザを用いた半導体増幅器に比較して、偏波
依存性が少ない、伝送用光ファイバとの結合損失が小さ
い、温度特性が優れている、増幅可能波長域が広い、な
どの特徴を有しており、これからの光通信システムの構
築に際して極めて有用なものとなるものと考えられ、活
発な開発、提案がなされている。

【０００４】特に近年は、光ファイバに添加すべき希土
類元素として、エルビウム(Ｅｒ)を用いた光ファイバ増
幅装置(ＥＤＦＡ：Erbium-Doped Fiber Amplifier)の研
究開発が積極的に行なわれている。

【０００５】ところで、この光ファイバ増幅装置では、
それにより得られる光増幅作用の大きさ、つまり光増幅
率は、或る範囲までは、励起光の強度にほぼ依存する。
そこで、増幅された出力光のレベルの安定化を図るた
め、出力光のレベルを検出し、この検出結果に応じて励
起光の強度を制御するというフィードバック制御を適用
することが、例えば特開昭８−９５０９６号公報などに
より提案されている。

【０００６】図７は、フィードバック制御による出力自
動安定化機能を備えた従来技術による光ファイバ増幅装
置２００を示したもので、入力コネクタ１０１から入射
された信号光は、アイソレータ１０２、合波用カプラ１
０３、希土類元素添加光ファイバ１０４、アイソレータ
１０６、バンドパスフィルタ１０７、それに分岐用カプ
ラ１０８を通って出力コネクタ１０９から出力されるよ
うに構成してある。

【０００７】一方、合波用カプラ１０３には、レーザか
らなる励起用光源１１０から発生された励起光が供給さ
れていて、ここで信号光に合流され、一緒に希土類元素
添加光ファイバ１０４を通過し、この光ファイバ内の通
過中に増幅機能が得られ、増幅された信号光が出力コネ
クタ１０９から出力光として得られることになる。

【０００８】ここで分岐用カプラ１０８が、上記した出
力自動安定化機能のためのもので、まず、ここで増幅さ
れた出力光の一部を取出し、ＰＤ(photo ditector：光
検出素子)１１３で出力光の強度を表す電気信号に変換
(Ｏ／Ｅ変換)し、この信号をフィードバック制御回路２
０２に供給する。

【０００９】そして、このフィードバック制御回路２０
２により駆動電流制御回路２０１を制御し、これにより
励起用光源１１０から出力される励起光の強度が制御さ
れ、これにより励起用光源１１０から発生される励起光
の強度が、出力光のレベルに応じて制御されることによ
るフィードバック制御が得られることになり、出力光量
を一定に制御することができる。

【００１０】ところで、この図７の従来技術による光フ
ァイバ増幅装置２００では、光ファイバの励起方式が前
方励起方式、すなわち、光ファイバ１０４の入力側に合
波用カプラ１０３を設け、これから励起光が光ファイバ
１０４に合流されるようになっているが、反対に、図８
に示すように、光ファイバ１０４の出力側に合波用カプ
ラ１０４を設け、これから励起光を注入する、いわゆる
後方励起方式の光ファイバ増幅装置２１０も知られてい
る。

【００１１】ここで、１１１が後方励起用の励起光源
で、フィードバック制御回路２０２と駆動電流制御回路
２０１を介してフィードバック制御される点は、図７の
前方励起方式のときと同じである。

【００１２】そして、さらに、これら前方励起方式と後
方励起方式を組合せた双方向励起方式の光ファイバ増幅
装置も、また従来から知られており、これらは、何れも
光通信システムにおける光信号の増幅用として広く用い
られている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、温度
変化などの環境変化や、素子の経時劣化などについて配
慮がされておらず、光伝送特性の精度保持の点で問題が
あった。すなわち、上記従来技術では、出力自動安定化
機能を備え、出力光量を一定に制御することはできる
が、増幅された信号光の特性変化については何も配慮が
されておらず、この特性変化については、そのまま出力
光に残ってしまうので、光伝送特性を高精度に保持でき
なくなってしまうのである。

【００１４】本発明の目的は、増幅された信号光の特性
変化についての補正が可能で、光伝送特性の精度保持が
充分に得られるようにした光ファイバ増幅装置を提供す
ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、希土類元素
が添加された光ファイバに前方励起光と後方励起光を入
射して双方向励起方式で動作する光ファイバ増幅装置に
おいて、増幅された出力光の物理的状態(例えば、強
度、ノイズレベル、波長分布など)を検出し、この検出
結果に応じて前方励起光の強度と後方励起光の強度とを
独立に制御するようにして達成される。

【００１６】前方励起方式と後方励起方式は、光量、ノ
イズ、波長変位の補正に対して一長一短があり、前方励
起方式はノイズに強く、後方励起方式は高利得増幅に強
い。従って、両者を最適に組み合わせて制御することに
より、高精度の通信に必要な光増幅を得ることができ
る。

【００１７】すなわち、光信号の強度、ノイズレベル、
波長などの物理的性質が変化すると、それに依存して通
信精度が低下する。そこで、この光信号の物理的性質の
変化を検出し、ノイズが多くなったら前方励起光の強度
を相対的に上げ、利得が低下したときには後方励起光の
強度を相対的に上げるように、フィードバック制御して
やれば、物理的性質の変化による影響が抑えられるの
で、通信精度を向上できることになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明について、図示の実
施形態により詳細に説明する。図１は、本発明の一実施
形態による光ファイバ増幅装置１００で、図示のよう
に、入力コネクタ１０１から入力された信号光Ｓは、ア
イソレータ１０２から合波用カプラ１０３、希土類元素
ドープ光ファイバ１０４、合波用カプラ１０５、アイソ
レータ１０６、バンドパスフィルタ１０７、それに分岐
用カプラ１０８を通って出力コネクタ１０９にまで通過
して行く。

【００１９】また、励起光源１１０から発生されている
前方励起光ｆは、合波用カプラ１０３で信号光に合波さ
れて光ファイバ１０４に前方から入射し、励起光源１１
１から発生されている後方励起光ｒは、合波用カプラ１
０５で信号光に合波されて光ファイバ１０４に後方から
入射する。この結果、信号光Ｓは、希土類元素ドープ光
ファイバ１０４を通過する間に、双方向励起方式による
増幅作用を受け、増幅された信号光Ａが出力コネクタ１
０９から出力光ＡＯとして得られることになる。

【００２０】次に、図１において、１１２は駆動電流制
御回路で、励起用光源１１０、１１１は、それぞれ駆動
電流制御回路１１２により独立に制御され、これにより
前方励起光ｆの強度と後方励起光ｒの強度も独立に制御
されるようになっている。また、１１４は通信特性判定
回路、１１５はフィードバック制御回路で、駆動電流制
御回路１１２は、分岐用カプラ１０８で信号光Ａから分
岐された光をＰＤ１１３でＯ／Ｅ変換した信号Ｘによ
り、通信特性判定回路１１４とフィードバック制御回路
１１５を介してフィードバック制御されるようになって
いる。

【００２１】まず、通信特性判定回路１１４は、図２に
示すように、ゲイン変動判定回路１１４Ａと、ノイズ変
動判定回路１１４Ｂ、それに波長変動判定回路１１４Ｃ
で構成されている。ゲイン変動判定回路１１４Ａは、Ｐ
Ｄ１１３でＯ／Ｅ変換された信号Ｘを入力し、信号光Ａ
のレベル変動を判定し、光強度情報Ｙ_G を出力する働き
をするもので、具体的には、信号Ｘをプリ・メインアン
プによりアナログ増幅した後、ディジタル信号に変換
し、ディジタルの光強度情報Ｙ_G を得るのである。

【００２２】ノイズ変動判定回路１１４Ｂは、信号光Ａ
のノイズレベルの変動を判定し、Ｓ／Ｎ比情報Ｙ_N を出
力する働きをするもので、具体的には、信号Ｘをプリ・
メインアンプによりアナログ増幅した後、ディジタル信
号に変換し、このディジタル信号の信号レベルとノイズ
レベルを計算して、ディジタルのＳ／Ｎ比情報Ｙ_N を得
るのである。

【００２３】波長変動判定回路１１４Ｃは、信号光Ａの
波長の変動を判定し、波長変動情報Ｙ_W を出力する働き
をするもので、具体的には、具体的には、信号Ｘをプリ
・メインアンプによりアナログ増幅した後、ディジタル
信号に変換し、このディジタル信号のゲイン変動に対す
る受光感度特性が、波長により異なることを利用し、こ
のことを、予め記憶してある情報との比較により実行
し、ディジタルの波長変動情報Ｙ_W を得るのである。

【００２４】このようにして得た光強度情報Ｙ_G 、Ｓ／
Ｎ比情報Ｙ_N 、それに波長変動情報Ｙ_W は、変動情報Ｙ
としてフィードバック制御回路１１５に供給される。次
に、フィードバック制御回路１１５は、図３に示すよう
に、通信特性／フィードバック情報変換部１１５Ａと、
前側駆動電流情報生成回路１１５Ｂ、それに後側駆動電
流情報生成回路１１５Ｃで構成されている。

【００２５】通信特性／フィードバック情報変換部１１
５Ａは、通信特性判定回路１１４から供給される変動情
報Ｙを入力し、この情報により、前側駆動電流情報生成
回路１１５Ｂと後側駆動電流情報生成回路１１５Ｃか
ら、前方励起光源１１０と後方励起光源１１１の動作を
決定するのに必要な制御信号Ｚ_F 、Ｚ_R を発生させる働
きをする。

【００２６】このとき、制御信号Ｚ_F は、前方励起光源
１１０から発生される前方励起光の強度(光量)を制御
し、制御信号Ｚ_R は、後方励起光源１１１から発生され
後方励起光の強度を制御する。

【００２７】従って、制御信号Ｚ_F を大きくすれば、前
方励起方式による光増幅作用が大きくなり、制御信号Ｚ
_R を大きくすれば、後方励起方式による光増幅作用が大
きくなることになり、結局、制御信号Ｚ_F と制御信号Ｚ
_R により、前方励起方式によるノイズに強い光増幅作用
と、後方励起方式による光量増幅に強い光増幅作用とを
独立に制御できることになる。

【００２８】そこで、通信特性／フィードバック情報変
換部１１５Ａは、具体的には、次の通りの動作を行な
う。必要とされている信号特性に対して、信号レベルは
低く、ノイズレベルが高い場合制御信号Ｚ_F と制御信号Ｚ_R の双方を大きくし、全体と
しては励起光量を上げる制御が得られるようにする。そ
して、これと共に、制御信号Ｚ_F の方を、制御信号Ｚ_R
よりも相対的に大きくし、ノイズに強い前方励起方式に
よる動作をメイン(例えば７０％)とし、光量増幅に強い
後方励起方式による動作は相対的に抑えられる(例えば
３０％)ようにする。

【００２９】必要とされている信号特性に対して、
信号レベルは低く、ノイズレベルも低い場合制御信号Ｚ_F と制御信号Ｚ_R の双方を大きくし、全体と
しては励起光量を上げる制御が得られるようにする。そ
して、これと共に、制御信号Ｚ_R の方を、制御信号Ｚ_F
よりも相対的に大きくし、光量増幅に強い後方励起方式
による動作をメイン(例えば８０％)とし、ノイズに強い
前方励起方式による動作は相対的に抑えられる(例えば
２０％)ようにする。

【００３０】必要とされている信号特性に対して、
信号レベルもノイズレベルも高い場合制御信号Ｚ_F と制御信号Ｚ_R の双方を小さくし、全体と
しては励起光量が低下する制御が得られるようにする。
そして、これと共に、制御信号Ｚ_F の方を、制御信号Ｚ
_R よりも相対的に大きくし、ノイズに強い前方励起方式
による動作をメイン(例えば７０％)とし、光量増幅に強
い後方励起方式による動作は相対的に抑えられる(例え
ば３０％)ようにする。

【００３１】必要とされている信号特性に対して、
信号レベルは低く、ノイズレベルは高い場合制御信号Ｚ_F と制御信号Ｚ_R の双方を大きくし、全体と
しては励起光量を上げる制御が得られるようにする。そ
して、これと共に、制御信号Ｚ_R の方を、制御信号Ｚ_F
よりも相対的に大きくし、光量増幅に強い後方励起方式
による動作をメイン(例えば８０％)とし、ノイズに強い
前方励起方式による動作は相対的に抑えられる(例えば
２０％)ようにする。

【００３２】このときの通信特性／フィードバック情報
変換部１１５Ａでの情報の作成処理としては、通信特性
判定回路１１４から送られてくる変動情報Ｙにより、予
め用意してある所定のテーブルを検索して求める方法、
或いは、変動情報Ｙの所定の関数として演算により決定
する方法などを用いればよく、これによれば、テーブル
検索や関数による演算処理といった簡易な手段で済むた
め、ハード負荷をそれほど大きくする必要がないという
効果が得られる。

【００３３】こうして通信特性／フィードバック情報変
換部１１５Ａで決定された情報は、前側駆動電流生成回
路１１５Ｂと後側駆動電流生成回路１１５Ｃに入力さ
れ、実際に光源を駆動するのに必要な電流情報、すなわ
ち制御信号Ｚ_F と制御信号Ｚ_Rが生成され、そして、こ
れらの情報は駆動電流制御回路１１２に供給される。

【００３４】次に、駆動電流制御回路１１２は、図４に
示すように、駆動電流決定回路１１２Ａ、１１２Ｂと、
励起光源駆動回路１１２Ｃ、１１２Ｄ、励起光源ＡＰＣ
回路１１２Ｅ、１１２Ｆで構成されている。なお、ここ
で、ＡＰＣとは、オートマチック・パワー・コントロー
ルの略である。

【００３５】駆動電流決定回路１１２Ａ、１１２Ｂは、
それぞれ制御信号Ｚ_F 、Ｚ_R に基づいて駆動電流を決定
し、決定した電流値を励起光源駆動回路１１２Ｃ、１１
２Ｄに供給し、これにより、励起光源駆動回路１１２
Ｃ、１１２Ｄは、所定の駆動電流を前方と後方の各励起
光源１１０、１１１に供給し、所定の強度の前方励起光
ｆと、同じく所定の強度の後方励起光ｒが発生されるよ
うに動作する。

【００３６】ところで、この実施形態では、励起光源１
１０、１１１として、パワーモニタ用の検出器ＰＤ(図
示されていない)が設けてあるものが使用されており、
それぞれから、前方励起光ｆの強度を表わす信号ＰＤＦ
と、後方励起光ｒの強度を表わす信号ＰＤＲが取り出さ
れ、各励起光源ＡＰＣ回路１１２Ｅ、１１２Ｆに入力さ
れるようになっている。

【００３７】そして、これら励起光源ＡＰＣ回路１１２
Ｅ、１１２Ｆから、各励起光の強度を表わす信号が各駆
動電流決定回路１１２Ａ、１１２Ｂに供給され、これに
より各励起光源１１０、１１１の駆動電流が、実際の励
起光強度に応じて最終的に決定されるようになってお
り、このように、励起光源ＡＰＣ回路１１２Ｅ、１１２
Ｆを同時に働かせることにより、より高精度でリアルタ
イムでの補正制御を得ることができるようにしてある。

【００３８】従って、この実施形態によれば、光信号の
物理的性質変化が変化し、ノイズが多くなったら前方励
起光の強度を相対的に上げ、利得が低下したときには後
方励起光の強度を相対的に上げるというフィードバック
制御が得られるので、物理的性質の変化による影響が抑
えられ、通信精度を向上させることができる。

【００３９】次に、波長変動情報Ｙ_W による補正動作に
ついて説明すると、このため、この実施形態では、光フ
ァイバ１０４として、図５に示すバンドル型光ファイバ
３００が用いられている。

【００４０】このバンドル型光ファイバ３００は、同一
のクラッド３０１内に、更にクラッド３０２とコア３０
３からなる複数本の光ファイバを持っているものである
が、更にここでは、複数のコア３０３は、それぞれ増幅
波長感度を異にするように、異なった希土類元素をそれ
ぞれ添加したものが用いられている。

【００４１】周知のように、光ファイバ増幅装置では、
その光ファイバに添加された希土類元素により、効率的
に増幅される光の波長を異にする。換言すれば、添加す
べき希土類元素を選ぶことにより、最大光増幅度が得ら
れる波長を任意に変えられることになる。

【００４２】そこで、光信号に起こり得る波長変動領域
(波長ドリフト領域)全体をカバーして、短波長側から長
波長側までのそれぞれに最大光増幅度を有するように、
異なった希土類元素を添加した複数本のクラッド３０２
とコア３０３からなる光ファイバをバンドル型光ファイ
バ３００に設けておき、前方励起光ｆは短波長側の光フ
ァイバに主として入射し、後方励起光ｒは長波長側の光
ファイバに主として入射するように、各励起光源１１
０、１１１と光ファイバ１０４との結合状態を調整して
おく。

【００４３】そして、増幅された信号光Ａの波長分布が
長波長側に変位したときには、前方励起光ｆの強度を相
対的に上げ、反対に、短波長側に変位したときには、後
方励起光ｒの強度を上げるように、通信特性／フィード
バック情報変換部１１５Ａにより制御するのである。

【００４４】この実施形態によれば、光ファイバと各励
起光源との結合状態をずらすなどの手法により調節して
おけば良く、この結果、単純に初期の位置調整で済むた
め、簡単な構成で充分な性能を容易に得ることができ
る。なお、以上は、スタチックな手法による実施形態で
あるが、フィードバック制御をかけて、結合状態をダイ
ナミックに制御するようにしても良い。

【００４５】次に、図６は、本発明による光ファイバ増
幅装置を双方向通信に応用した場合の一実施形態例であ
る。この図６の双方向光ファイバ増幅装置６００は、基
本的には、２個のカプラ６０１、６０２を用いて、入出
力端で上り(図では右方向)と下り(同、左方向)に光路を
分け、それぞれの光路に、それぞれ図１に示した光ファ
イバ増幅装置１００を設けたもので、図において、上側
が上り用で、下側が下り用であり、従って、当然、下側
の光ファイバ増幅装置は、上側とは左右反対になってい
る。

【００４６】そして、この図６の実施形態は、簡易な回
路構成ながら充分な性能を備えており、このため、例え
ばＮＴＴなどで進められているＦＴＴＨにマッチし、将
来における拡張性が大きく期待できるものである。

【００４７】ところで、この図６の実施形態では、カプ
ラ６０１、６０２で分波を行ない、上りと下りに光路を
分けるので、このとき、これらのカプラ６０１、６０２
として、一般に用いられている３ｄＢカプラを用いたと
すれば、こここで５０％の光量ロスが生じてしまうこと
にとなる。従って、この実施形態の適用に際しては、カ
プラ６０１、６０２として、分岐ロスの少ない設計のカ
プラを用いるのが望ましい。

【００４８】また、適用対象となる双方向通信システム
が、上りと下りに異なった波長の光を用いる方式であっ
た場合(例えば、１．３μｍと１．５５μｍ)は、バンド
パスフィルタ、プリズム分離方式を用いるのが効果的で
ある。

【００４９】また、この図６の実施形態の場合、励起光
の波長としては、例えば０．９μｍ〜１．１μｍ、或い
は１．４５μｍ〜１．４９μｍが用いられる。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、高精度の光増幅制御を
容易に実現することができ、光信号伝送系での環境変化
や経時劣化などにもかかわらず、常に高精度の通信特性
を保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光ファイバ増幅装置の一実施形態
例を示す構成図である。

【図２】本発明の一実施形態例における通信特性判定回
路のブロック図である。

【図３】本発明の一実施形態例におけるフィードバック
制御回路のブロック図である。

【図４】本発明の一実施形態例における駆動電流制御回
路のブロック図である。

【図５】本発明の一実施形態例におけるハンドル型希土
類元素ドープ光ファイバの断面図である。

【図６】本発明による光ファイバ増幅装置の他の一実施
形態例を示す構成図である。

【図７】光ファイバ増幅装置の従来技術を示す構成図で
ある。

【図８】光ファイバ増幅装置の他の従来技術を示す構成
図である。

【符号の説明】

１０１、１０９入出力コネクタ１０２、１０６アイソレータ１０３、１０５、１０８、６０１、６０２カプラ１０４希土類元素ドープ光ファイバ１０７波長フィルタ１１０、１１１励起光源１１３ＰＤ(光検出素子) １１４通信特性判定回路１１５フィードバック制御回路１１２駆動電流制御回路３００バンドル型希土類元素ドープ光ファイバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】希土類元素が添加された光ファイバに前
方励起光と後方励起光を入射して双方向励起方式で動作
する光ファイバ増幅装置において、増幅された出力光の物理的状態を検出し、この検出結果
に応じて前方励起光の強度と後方励起光の強度とを独立
に制御するように構成したことを特徴とする光ファイバ
増幅装置。
【請求項２】請求項１の発明において、前記希土類元素添加光ファイバが、励起波長の異なる光
ファイバを有するバンドル型光ファイバで構成されてい
ることを特徴とする光ファイバ増幅装置。
【請求項３】請求項１の発明において、前記光ファイバ増幅装置が、双方向増幅装置として構成
されていることを特徴とする光ファイバ増幅装置。
【請求項４】請求項３の発明において、前記双方向増幅装置の一方と他方が、異なった波長の光
信号を対象とする増幅装置で構成され、光信号の分岐と
合波が波長の違いにより行われるように構成されている
ことを特徴とする光ファイバ増幅装置。