JPWO2004068658A1 - 光増幅器 - Google Patents

Abstract

本発明は、測定した入力光パワーと出力光パワーに基づいて増幅利得を一定に保つフィードバック制御を行う光増幅器において、目標利得との偏差をフィードバック制御する際に、入力光パワー及び出力光パワーの少なくともいずれか一方の振幅が所定範囲にあるか否かを比較判定して信号光波長数の増減設時か定常時かを判定しフィードバック制御係数の切り替えを行うフィードバック制御係数切り替え手段を有するよう構成することにより、信号光波長数の増減設時の動作に影響を与えることなく、定常時の雑音よる出力光パワー変動を抑制することが可能となる。

Description

本発明は、光増幅器に関し、特に、波長多重光通信システムで使用される光増幅器に関する。

光通信システムでは、光伝送路の所定距離ごとに光増幅器を設けることにより長距離伝送が実現されている。例えば、太平洋を横断する光伝送路上には、数１０個〜数１００個の光増幅器が設けられている。光増幅器としては希土類イオンを添加した光ファイバを用いるものがある。
一方、インターネットの普及などにより、ネットワークを介して伝送される情報の量が急激に増加してきており、伝送システムのさらなる大容量化が求められている。そして、伝送システムの大容量化を実現する技術の１つとして、波長多重（ＷＤＭ： Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）伝送システムが既に実用化されている。
ＷＤＭ伝送システムでは、互いに波長の異なる複数の信号光が多重化されて１本の光ファイバを介して伝送される。したがって、ＷＤＭ伝送システムにおいて使用される光増幅器は、複数の信号光を一括して増幅できることが要求される。また、各信号光を個別に増減設できるＡＤＭ（Ａｄｄ Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｘｅｒ）装置が実用化されており、光ファイバを伝送される信号光パワーは一定でない。信号波長数が変化した場合でも、増幅利得を一定に制御することで、各信号波長の出力光パワーが一定になること期待できる。この制御方式をＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）という。
ＷＤＭ伝送システムで光増幅器を設ける距離が長大化することによって、伝送路における減衰量が大きくなり、各光増幅器では大きな利得が必要となるに従い各種雑音による問題が発生している。
光増幅器に関する雑音要因として、外部からの雑音、光素子に起因する雑音、自然放出光によるＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）雑音が挙げられる。エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）を用いた光増幅器の信号スペクトルは、図１に示すように、増幅前と増幅後を比較すると、増幅後に増幅信号以外の広帯域なスペクトルが付加される。この増幅信号以外の広帯域なスペクトルがＡＳＥ雑音と呼ばれており、自然放出の一部が光ファイバの基本モードに結合して、誘導放出による増幅を受けたものである。
これらの雑音は信号光波長数が少ない場合に信号トータルパワーに対する割合が大きくなり、ＡＧＣを行う上で無視できない問題となる。
高速応答が可能な光増幅器での光増幅利得一定制御については、例えば次のような特許文献１，２が存在する。特許文献１に記載の発明は、入力光モニタと光増幅器の間に、光信号を遅延させるためのファイバを挿入するものである。特許文献２に記載の発明は、入力信号光の変化を相殺するように調節光を入力することで、一定の利得を得るものである。
特開平９−２００１４５号公報 特開平７−２２１７３７号公報

特許文献１のものは、制御にかかる時間に余裕を持たせることができるため、高速応答が可能となるものの、余分な光ファイバによる特性の劣化と、増幅器の大型化を招くこという問題点がある。
特許文献２のものは、制御すべき光増幅器入力光パワーの範囲を狭くすることができ、より容易に高速応答を可能とすることができるものの、高速な調節光制御が必要となり、また、調節光出力による消費電力の増大及び発熱という問題点がある。
従来のＡＧＣでは、入力信号の雑音による影響が大きい場合に、雑音成分も信号成分と共に増幅され、出力光パワー変動の原因となる。雑音による出力光パワー変動は、信号光波長数の増減設時には増減設に起因する出力光パワー変動に比べ小さいためあまり問題とならない。しかし、増減設時以外の定常時には雑音に起因する出力光パワー変動が出力光パワー変動そのものとなるため、雑音増幅を抑制する制御が必要となる。
入力信号の雑音の増幅を抑制する方法としては、フィードバック制御係数を小さくすればよい。しかし、常にフィードバック制御係数を小さくした場合、信号光波長数の増減設時のＡＧＣによる追従が遅れ、出力光パワー変動が大きくなってしまう。そこで、増減設時と定常時についてフィードバック制御係数の切り替えを行うとした場合、切り替えの判定方法や切り替え時の係数変化による出力光パワー変動を抑制することが必要となるが、従来はそのような考慮はされていなかった。
また、ＡＳＥ雑音については、信号波長数が減少した場合にその影響が大きくなる。ここで、光増幅器の入力光パワーＩｎ、出力光パワーＯｕｔ、目標利得Ｇに対し、ＡＧＣ制御のゲインエラーＧＥは次式で算出される。
ＧＥ＝Ｉｎ×Ｇ−Ｏｕｔ
ここで、光増幅器の入力にＡＳＥ雑音ＡＳＥｎｏｉｓｅが入った場合を考えると、
ＧＥ＝（Ｉｎ＋ＡＳＥｎｏｉｓｅ）×Ｇ−Ｏｕｔ
＝（１＋ＡＳＥｎｏｉｓｅ／Ｉｎ）×Ｉｎ×Ｇ−Ｏｕｔ
となり、入力波数の減設により入力パワーＩｎが小さくなるとＡＳＥ雑音によるＡＧＣ制御のゲインエラーＧＥが大きくなり、出力リップル（パワー変動）の原因となる。このため、入力信号パワーをモニタし補償を行うことが必要となるが、従来はＡＳＥ雑音への補償はされていなかった。

本発明は、信号光波長数の増減設時の動作に影響を与えることなく、定常時の雑音よる出力光パワー変動を抑制することが可能となり、また、入力波長数が減少した場合のＡＳＥ雑音による出力光パワー変動を抑制することが可能となる光増幅器を提供することを総括的な目的とする。
この目的を達成するため、本発明は、測定した入力光パワーと出力光パワーに基づいて増幅利得を一定に保つフィードバック制御を行う光増幅器において、目標利得との偏差をフィードバック制御する際に、入力光パワー及び出力光パワーの少なくともいずれか一方の振幅が所定範囲にあるか否かを比較判定して信号光波長数の増減設時か定常時かを判定しフィードバック制御係数の切り替えを行うフィードバック制御係数切り替え手段を有するよう構成される。
このような光増幅器によれば、信号光波長数の増減設時の動作に影響を与えることなく、定常時の雑音よる出力光パワー変動を抑制することが可能となる。

図１は、光増幅器の増幅前と増幅後の信号スペクトルを示す図である。
図２は、本発明が適用される光増幅器の一実施例の構成図である。
図３は、制御部の一実施例のブロック図である。
図４は、フィードバック係数切り替え制御部の一実施例のブロック図である。
図５は、フィードバック係数切り替え処理のフローチャートである。
図６Ａは、信号光波長数が変化したときの出力光パワー波形図である。
図６Ｂは、信号光波長数が変化したときの出力光パワーの平均値と出力光パワーの現サンプルの差分の絶対値波形である。
図７は、励起光パワー制御部の一実施例のブロック図である。
図８は、ＡＧＣ制御処理の一実施例のフローチャートである。
図９は、モード切り替え部の緩衝回路を示す回路図である。
図１０は、従来の光増幅器での信号光波長数が４０波から１波に減設した時の出力波形図である。
図１１は、本発明の光増幅器での信号光波長数が４０波から１波に減設した時の出力波形図である。
図１２は、信号光波長数が４０波から１波に減設した時の入力トータルパワーＰｉと出力波形Ｐｏを示す図である。
図１３は、入力トータルパワーに対する第１，第２設定閾値及び第１，第２解除閾値を示す図である。
図１４は、ＡＳＥ補償制御部３２の緩衝回路を示す回路図である。
図１５は、本発明及び従来の光増幅器の信号光波長数が４０波から１波に減設した時の出力波形図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図２は、本発明が適用される光増幅器の一実施例の構成図を示す。この光増幅器は、エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）を利用したエルビウム添加ファイバ光増幅器である。
同図中、入力ポートを介して入力される波長多重光は、エルビウム添加ファイバ１０に導かれ、そこで増幅された後に出力ポートを介して出力される。エルビウム添加ファイバ１０の入力ポート側には、制御用の光分岐器１２と光合波器１４を設け、出力ポート側には各波長の利得を平坦化するゲインイコライザ１６と制御用の光分岐１８が設けられている。光分岐器１２，１８には入出力光パワーを検出する光センサ２０，２２が接続されている。光合波器１４には励起光源２４の出力する励起光が供給される。制御部２６は、光センサ２０，２２で検出した光パワーに応じて励起光源２４の出力光強度の制御を行う。以下この構成を例にとって説明を行うが、本発明の内容を限定するものではない。
図３は、制御部２６の一実施例のブロック図を示す。同図中、制御部２６は、光分岐器１２，１８から供給される入力光パワー及び出力光パワーからフィードバック係数の切り替え制御を行うフィードバック係数切り替え制御部３０と、入力光パワーからＡＳＥ補償制御を行うＡＳＥ補償制御部３２と、入力光パワー及び出力光パワーとフィードバック係数切り替え制御部３０及びＡＳＥ補償制御部３２それぞれの出力に応じてフィードバック制御含む励起光パワー制御を行う励起光パワー制御部３４より構成されている。
図４は、フィードバック係数切り替え制御部３０の一実施例のブロック図を示す。また、図５にフィードバック係数切り替え処理のフローチャートを示す。図４中、光分岐器１８からの出力光パワーは平均化部４０に供給され。平均化部４０は、例えば２００ｎｓｅｃ毎に２５６サンプルの平均値をとり、この平均値は増減設時の平均値として平均化部４２及び比較部４４に供給される。平均化部４２は、例えば４０μｓｅｃ毎に２５６サンプルの平均値をとり、この平均値は定常時の平均値として比較部４６に供給される。
比較部４４は、増減設時の平均値を中心として例えば±２．７×１０−３Ｖを増減設時の範囲として設定し、出力光パワーが上記増減設時の範囲外となると、増減設モード切り替えトリガを発生してモード切り替え部４８に供給する。また、比較部４６は、定常時の平均値を中心として例えば±２．０×１０−３Ｖを定常時の範囲として設定し、出力光パワーが一定時間連続して上記定常時の範囲内となると、定常モード切り替えトリガを発生してモード切り替え部４８に供給する。
モード切り替え部４８は、増減設モード切り替えトリガが供給されると（図５のステップＳ２でＹｅｓの場合）、予め設定されている増減設モードのフィードバック係数αを出力し（図５のステップＳ３）、定常モード切り替えトリガが供給されると（図５のステップＳ４でＹｅｓの場合）、予め設定されている定常モードのフィードバック係数βを出力する（図５のステップＳ１）。フィードバック係数α，βは差分係数、積分係数及び傾き係数からなり、増減設モードのフィードバック係数αは定常モードのフィードバック係数βに比して大きい値である。
図６Ａに信号光波長数が１波，２波，１波と変化したときの光センサ２２の出力する出力光パワー波形を示し、図６Ｂに、この場合の出力光パワーの平均値と出力光パワーの現サンプルの差分の絶対値波形を示す。
図７は、励起光パワー制御部３４の一実施例のブロック図を示す。また、図８に励起光パワー制御部３４が実行するＡＧＣ制御処理のフローチャートを示す。図７において、ＡＳＥ補正部５０は、光センサ２０からの入力光パワーにＡＳＥ補償制御部３２からのＡＳＥ補償値を加算してゲインエラー算出部５２に供給する。
ゲインエラー算出部５２は、ＡＳＥ補償された入力光パワーＩｎと光センサ２２からの出力光パワーＯｕｔを得て、目標利得Ｇを用いて偏差（ゲインエラー）ＧＥを次式で算出する（ステップＳ１０，Ｓ１２）。
ＧＥ＝Ｉｎ×Ｇ−Ｏｕｔ
積分制御部５４は、前回までの偏差の累積に今回の偏差を加算して偏差の累積を求め（ステップＳ１４）、偏差の累積に積分係数Ｋｉを乗算する。差分制御部５６は、前回の偏差から今回の偏差を減算して偏差の差を求め（ステップＳ１６）、偏差の差に微分係数Ｋｄを乗算する。また、比例制御部５８は、偏差に比例計数Ｋｐを乗算する。加算部６０は、積分制御部５４の出力と差分制御部５６の出力と比例制御部５８の出力とを加算して、次式で表される励起光パワーの制御出力を求める（ステップＳ１８）。
制御出力＝Ｋｐ×偏差＋Ｋｉ×偏差の累積＋Ｋｄ×偏差の差
なお、比例計数Ｋｐ，積分係数Ｋｉ，微分係数Ｋｄがフィードバック係数であり、α＝（α１，α２，α３），β＝（β１，β２，β３）とすれば、α１，β１がＫｐに対応し、α２，β２がＫｉに対応し、α３，β３がＫｄに対応する。
加算部６０の出力する制御出力は励起光源２４に供給され、励起光の出力光パワーが可変制御される（ステップＳ２０）。
ところで、モード切り替え部４８のフィードバック係数出力段には図９に示す緩衝回路が設けられている。この緩衝回路はフィードバック係数がαからβに、または、βからαに切り替わったとき出力するフィードバック係数の値を時間と共に減衰係数ｄで徐々に変化させる。これによって、フィードバック係数の切り替え時に、出力光パワー変動が起こらないようにすることができる。
このように、信号光波長数の増減設時は通常の大きなフィードバック係数αを設定し、定常時は小さなフィードバック係数βを設定することによって、増減設時のＡＧＣによる追従が遅れることを防止し、かつ、定常時の雑音の信号増幅を抑制することが可能となる。
また、増減設時には大きな範囲を設定して比較判定を行い、定常状態では小さな範囲を設定して閾値判定を行う。これにより増減設時から定常状態へのモード切り替えは増減設終了による出力光パワー変動の収束に対しより早く応答し、定常時から増減設時へのモード切り替え解除は増減設開始による出力光パワー変動の変化に対しより早く応答することが可能となる。また、それぞれの切り替え判定について複数の範囲を設定できるようにすることで、入力レベルに応じて範囲を変更することが可能になる。
また、比較判定の基準値として平均時間の異なる出力光パワーの平均値を用いており、増減設時には短時間の平均値を用い、定常状態では長時間の平均化値を用いるため、雑音の影響によりモード切り替えが頻繁に起こることを抑制できる。
ここで、従来の光増幅器において、信号光波長数が４０波から１波に減設した時の出力波形（１波のみモニタ）を図１０に示す。ここでは、減設変化に伴う出力光パワーの変動が２００μｓｅｃ近辺でピークとなり、その後はＡＧＣ制御の追従により出力レベルが目標値へと収束している。しかし、雑音による出力光パワーの変動は４０波に比べ１波時が非常に大きくなっており、減設制御が収束した８００μｓｅｃ後においても約０．１６ｄＢｍの振幅を持つ。これは、ＡＧＣ制御により入力信号の雑音成分が増幅されているためである。
これに対して、本発明の光増幅器において、信号光波長数が４０波から１波に減設した時の出力波形（１波のみモニタ）を図１１に示す。ここでは、減設変化に伴う出力光パワーの変動のピーク値は、アルゴリズム適用前と変化していない。一方、減設制御収束後の雑音によるパワー変動は約０．０８ｄＢｍと大幅に改善されている。
なお、上記実施例では、フィードバック係数切り替え制御部３０は出力光パワーに応じてフィードバック係数切り替えを行っているが、これは入力光パワーまたは入力光パワー及び出力光パワーに応じてフィードバック係数切り替えを行っても良く、上記実施例に限定されない。
次に、ＡＳＥ補償制御部３２の動作について説明する。図１２に信号光波長数が４０波から１波に減設した時の入力トータルパワーＰｉと出力波形Ｐｏ（１波のみモニタ）を示す。ただしＡＳＥによる影響を明示するため、入力信号に雑音成分を加えていない。図１２では、入力トータルパワーＰｉの減少に伴って、ＡＳＥ雑音によるピークが７５０μｓｅｃに見られる。
このＡＳＥ雑音を補償するため、ＡＳＥ補償制御部３２では、図１３に示すように、減少する入力トータルパワーに対して第１，第２設定閾値を設け、入力トータルパワーが第１設定閾値よりも小さくなった時点でステート（入力状態）０からステート１に遷移すると共に、第１ＡＳＥ補償値γを励起光パワー制御部３４に与える。更に、入力トータルパワーが第２設定閾値よりも小さくなった時点でステート１からステート２に遷移すると共に、第２ＡＳＥ補償値δを励起光パワー制御部３４に与える。第１，第２ＡＳＥ補償値γ，δとしては、ＡＳＥ雑音による出力光パワー変化を打ち消す値を設定する。
また、図１３に示すように、ステート２から増大する入力トータルパワーに対して第１，第２解除閾値を設け、第２解除閾値（第２設定閾値＜第２解除閾値＜第１設定閾値）に対して入力トータルパワーが大きくなった時点でステート２からステート１に遷移する。更に、第１解除閾値（第１設定閾値＜第１解除閾値）に対して入力トータルパワーが大きくなった時点でステート１からステート０に遷移するようにしている。
なお、ＡＳＥ補償制御部３２のＡＳＥ補償値出力段には図１４に示す緩衝回路が設けられている。この緩衝回路は入力トータルパワーが第１，第２設定閾値よりも小さくなった時点でのみ第１，第２ＡＳＥ補償値γ，δが与えられ、それ以外の時点では０が与えられる。これによって、第１，第２ＡＳＥ補償値γ，δは与えられた時点から時間と共に減衰係数ｄで徐々に減衰して０になる。これによって、ＡＳＥ光の収束に追従してＡＳＥ補償値を減衰することができる。
このようにして、信号光波長数の増減設が繰り返される場合に対応するとともに、先に述べた入力信号に雑音成分が印加された場合でもＡＳＥ補償が正確に行なわれる。ＡＳＥ雑音は入力光パワーが小さくなるほどＡＧＣ演算結果に大きな影響を与えるため、入力トータルパワーが第１，第２解除閾値より大きくなった時点ではＡＳＥ補償値を与えていない。
ここで、第１，第２設定閾値及び第１，第２解除閾値の具体例を示すと、第１設定閾値としては１．５波時の入力光パワーに対応する０．００２９９３ｍＷを用い、第２設定閾値としては４．５波時の入力光パワーに対応する０．００８９７９ｍＷを用いる。第２解除閾値としては６．５波時の入力光パワーに対応する０．０１２９７ｍＷを用い、第１解除閾値としては３．５波時の入力光パワーに対応する０．００６９８３ｍＷを用いる。また、第１ＡＳＥ補償値は０．００００２２２Ｖとし、第２ＡＳＥ補償値は０．００００９７０Ｖとする。更に、減衰係数を２．７７×１０−４とする。
この場合、本発明の光増幅器において、信号光波長数が４０波から１波に減設した時の出力波形を図１５に実線で示す。なお、図１５の破線は同一条件での従来の光増幅器の出力波形を示しており、本発明の光増幅器ではＡＳＥ雑音による出力波形のピークが大幅に低減している。
このようにして、本発明によれば、光増幅器において入力信号の雑音による影響が大きい場合に、信号光波長数の増減設時の動作に影響を与えることなく、定常時の雑音よる出力光パワー変動を抑制することが可能となる。また、入力波長数が減少した場合のＡＳＥ雑音による出力光パワー変動を抑制することが可能となる。
なお、フィードバック制御係数切り替え制御部３０が請求項記載のフィードバック制御係数切り替え手段に対応し、図９の回路がフィードバック制御係数緩衝手段に対応し、ＡＳＥ補償制御部３２がＡＳＥ補償手段に対応し、図１４の回路がＡＳＥ補償値緩衝手段に対応する。

Claims (10)

1. 測定した入力光パワーと出力光パワーに基づいて増幅利得を一定に保つフィードバック制御を行う光増幅器において、
   目標利得との偏差をフィードバック制御する際に、入力光パワー及び出力光パワーの少なくともいずれか一方の振幅が所定範囲にあるか否かを比較判定して信号光波長数の増減設時か定常時かを判定しフィードバック制御係数の切り替えを行うフィードバック制御係数切り替え手段を有する光増幅器。
2. 請求項１記載の光増幅器において、
   前記フィードバック制御係数切り替え手段は、前記増減設時から前記定常時への判定と、前記定常時から前記増減設時への判定とで、前記振幅を比較判定する所定範囲が異なる光増幅器。
3. 請求項２記載の光増幅器において、
   前記振幅を比較判定する所定範囲は、前記入力光パワー及び出力光パワーの少なくともいずれか一方の振幅の平均値を基準とし、前記増減設時から前記定常時への判定と、前記定常時から前記増減設時への判定とで、前記振幅の平均値を求める平均時間が異なる光増幅器。
4. 請求項２記載の光増幅器において、
   前記振幅を比較判定する所定範囲について、複数の所定範囲を切り替える光増幅器。
5. 請求項１記載の光増幅器において、
   前記フィードバック制御係数切り替え手段は、切り替え時にフィードバック制御係数を徐々に変化させるフィードバック制御係数緩衝手段を有する光増幅器。
6. 測定した入力光パワーと出力光パワーに基づいて増幅利得を一定に保つフィードバック制御を行う光増幅器において、
   信号光波長数の減設方向に変化する入力光パワーを設定閾値と比較判定して前記フィードバック制御における入力光パワーのＡＳＥ補償値の生成を開始するＡＳＥ補償手段を有する光増幅器。
7. 請求項６記載の光増幅器において、
   前記ＡＳＥ補償手段は、信号光波長数の増設に変化する入力光パワーを前記設定閾値より大きな解除閾値と比較判定して前記ＡＳＥ補償値の生成を解除させる光増幅器。
8. 請求項７記載の光増幅器において、
   前記ＡＳＥ補償手段は、前記設定閾値と前記解除閾値をそれぞれ複数設定した光増幅器。
9. 請求項６記載の光増幅器において、
   前記ＡＳＥ補償手段は、前記ＡＳＥ補償値を徐々に減衰させるＡＳＥ補償値緩衝手段を有する光増幅器。
10. 測定した入力光パワーと出力光パワーに基づいて増幅利得を一定に保つフィードバック制御を行う光増幅器において、
    目標利得との偏差をフィードバック制御する際に、入力光パワー及び出力光パワーの少なくともいずれか一方の振幅が所定範囲にあるか否かを比較判定して信号光波長数の増減設時か定常時かを判定しフィードバック制御係数の切り替えを行うフィードバック制御係数切り替え手段と、
    信号光波長数の減設方向に変化する入力光パワーを設定閾値と比較判定して前記フィードバック制御における入力光パワーのＡＳＥ補償値の生成を開始するＡＳＥ補償手段を有する光増幅器。

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