WO2006095395A1

WO2006095395A1 - 光サージ抑圧型光増幅器

Info

Publication number: WO2006095395A1
Application number: PCT/JP2005/003859
Authority: WO
Inventors: Miki Onaka; Etsuko Hayashi
Original assignee: Fujitsu Limited
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2006-09-14
Also published as: US7751119B2; EP1858127B1; US20080310011A1; JP4781349B2; EP1858127A1; JPWO2006095395A1; US20080007818A1; EP1858127A4

Abstract

　本発明の光サージ抑圧型光増幅器は、複数の光増幅手段が直列に接続された多段増幅構成のＷＤＭ用光増幅器について、信号光出力側の光増幅手段に対し、ホモジニアス・アップコンバージョン（ＨＵＣ）現象を発生可能な光増幅媒体を適用することで、入力パワー低下時に発生するＨＵＣによる利得効率の低下を利用して光サージを抑圧する。また、１波用光増幅器については、信号光入力側の光増幅手段に対し、ペア・インデュースド・クエンチング（ＰＩＱ）現象を発生可能な光増幅媒体を適用することで、入力パワー上昇時に発生するＰＩＱによる出力効率の低下を利用して光サージを抑圧する。これにより、制御回路や光回路構成を複雑化させずに、光サージを効果的に抑圧できる低コストの光増幅器を提供できる。

Description

光サージ抑圧型光増幅器

技術分野

[0001] 本発明は、光通信システムにおいて光サージを抑圧しながら信号光を増幅する光増幅器に関し、特に、光増幅媒体のアップコンバージョン現象を利用して光サージを抑圧する光増幅器に関する。

背景技術

[0002] 近年、マルチメディアネットワークの進展に伴、、通信トラフィック需要は飛躍的に増大し、光増幅器を用いて信号光を多中継増幅する光伝送システムが、マルチメディァ社会における通信システムの経済化を図る上で大きな役割を果たして、る。光増幅器は、光伝送システムの大容量化、長距離ィ匕を担うキーデバイスであるが、光増幅器への入力パワーがダイナミックに変化した場合に、光増幅媒体の入力パワーに対する利得飽和特性に起因して、過渡的な出力ピークが生じる。例えば図 12に示すように、波長多重（Wavelength Division Multiplexing: WDM)光に含まれる信号波長数 (チャネル数）がダイナミックに変化するメトロシステム等において、チャネル番号 lch 一 39chを含んだ WDM光に 40chをアドして!/ヽた光アド'ドロップ（OADM)ノードで 1 ch— 39chがドロップされるようになり、その OADMノードの出力側に配置された光増幅器に入力される WDM光のチャネル数力 0チャネルから 1チャネルに変化した場合、トータル入力パワーの低減に伴って光増幅器が高利得状態となり、 40チヤネル運用時での定常出力レベルに比して高いレベルの光出力が発生する（図 12の中段)。このスパイク状の光出力変動のことを一般に光サージと呼び、その発生量は利得の差分 Δ A [dB]に対応する。そして、この光増幅器で発生した光サージは、下流の中継増幅器を経て累積され、さらに大きくなる。これにより、端局における受信器への入力光レベルが受光レベル上限値を超えてしまい（図 12の下段）、受信 Q値劣化を招くことが問題視されている。

[0003] このような問題に対処した従来の技術としては、例えば、励起光パワーを高速に制御する方法 (例えば、非特許文献 1参照)や、利得をクランプする方法 (例えば、特許文献 1参照)などが知られて、る。

[0004] 具体的に、励起光パワーの高速制御方法については、一般的な励起光パワーのフイードバック制御にフィードフォワード制御を加えて制御速度を速くすることで光サージを抑圧する方法が報告されている。利得クランプ方法については、信号光以外の特定波長について利得もしくは反射率を増加させた光回路構成を備えることで、高利得状態に起因する励起光エネルギーを発振エネルギーとして放出させる方法が提案されている。また、入力パワーのモニタ結果に基づいて信号光以外の特定波長の飽和信号を光増幅器に入力することで、高利得状態を抑える方法も報告されて、る

[0005] このように、光増幅器で発生する光サージの抑圧と!/、う課題に対して、従来、制御回路および光回路構成の両方面力もの対策が試みられている。

非特干文献 1 : Cechan Tian et ai., Analysis and control of Transient Dynamics of EDFA Pumped by 1480- and 980mm Lasers", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.21, N0.8, AUGUST 2003.

特許文献 1：特開平 10- 200182号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] し力しながら、上記のような従来の光サージ抑圧技術については次のような問題点がある。励起光パワーの高速制御方法では、任意に変化する動作条件 (例えば、信号波長数や入力パワー、利得など）に対して、制御目標値と制御回路定数の与え方によっては、速い変化で生じる光サージを抑えきれなくなるといった残留光サージの問題が考えられる。また、利得クランプ方法では、光回路構成の複雑化が避けられないため光増幅器のコストアップ等が問題になる。

[0007] 本発明は上記の問題点に着目してなされたもので、光サージを発生させる要因である光増幅媒体の利得飽和特性そのものの改善を図り、制御回路や光回路構成を複雑化させずに、光サージを効果的に抑圧できる低コストの光増幅器を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 [0008] 上記の目的を達成するため、本発明による光サージ抑圧型光増幅器の 1つの態様は、少なくとも希土類イオンを添加した光増幅媒体と、その光増幅媒体に励起光を供給する励起部と、を有し、入力される波長多重光を前記励起部からの励起光により励起された希土類イオンの誘導放出により増幅する複数の光増幅手段を備え、該各光増幅手段が直列に接続されている。そして、前記複数の光増幅手段のうちの信号光出力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体が、所定の領域内に希土類ィオンを実質的に均一に高濃度添加することにより、利得が大きくなるほど利得効率劣化が大きくなる現象を発生させることが可能な構造を具備しており、入力される波長多重光のパワー低下時に発生する前記現象を利用した利得効率の低下によって光サージを抑圧することを特徴とする。

[0009] このような構成の光サージ抑圧型光増幅器では、波長多重光を増幅するための光増幅媒体として、例えばホモジ-ァス ·アップコンバージョン現象を発生可能な構造を具備したものを用いることにより、入力パワーが低下した時に発生する余分な利得増力！]が、ホモジ-ァス 'アップコンバージョン現象に基づく非輻射過程の高速な利得効率の低下により抑えられるようになるため、光サージの抑圧が可能になる。また、直列に接続された複数の光増幅手段のうちの信号光出力側に配置された光増幅手段に対して上記のような光増幅媒体を適用することで、所要の利得を実現するのに必要な励起光パワーの増加が抑えられるようになる。

[0010] また、本発明による光サージ抑圧型光増幅器の他の態様は、希土類イオンを添カロした光増幅媒体と、その光増幅媒体に励起光を供給する励起部と、を有し、入力される単一波長の信号光を前記励起部からの励起光により励起された希土類イオンの誘導放出により増幅する複数の光増幅手段を備え、該各光増幅手段が直列に接続されている。そして、前記複数の光増幅手段のうちの信号光入力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体が、所定の領域内に希土類イオンを高濃度添加することにより、入力パワーが大きくなるほど出力効率劣化が大きくなる現象を発生させることが可能な構造を具備しており、入力される信号光のパワー上昇時に発生する前記現象を利用した出力効率の低下によって光サージを抑圧することを特徴とする。

[0011] このような構成の光サージ抑圧型光増幅器では、単一波長の信号光を増幅するための光増幅媒体として、例えばペア'インデュースド'クェンチング現象を発生可能な構造を具備したものを用いることで、入力される信号光のパワーが光サージによって急激に上昇した時でも、ペア ·インデュースド ·クェンチング現象に基づく非輻射過程の高速な出力効率の低下により、光増幅器から出力される光サージの抑圧が可能になる。

発明の効果

[0012] 以上のような本発明の光サージ抑圧型光増幅器によれば、応答速度の速いアップコンバージョン等の現象を利用することによって光増幅媒体の利得飽和特性そのものが改善されるようになり、光サージを簡略な構成により効果的に抑圧可能な波長多重用光増幅器または 1波用光増幅器を低コストで提供することができる。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]本発明において光サージの抑圧に利用する光増幅媒体のアップコンパージョン現象を説明するための概念図である。

[図 2]本発明の実現手段の一例であるホモジ-ァス 'アップコンバージョン (HUC)およびペア ·インデュースド ·クェンチング (PIQ)を説明するための概念図である。

[図 3]HUC光増幅媒体を用いた WDM用光増幅器の利得と入力パワーの関係を示す図である。

[図 4]HUC光増幅媒体を用いた WDM用光増幅器における入力パワー低下時の光サージ発生状態を示す図である。

[図 5]HUCモデルを用いた入力パワーに対する利得効率のシミュレーション結果を示す図である。

[図 6]HUC光増幅媒体の Er³⁺添加濃度に対する光サージ抑圧量および所要励起光パワーのシミュレーション結果を示す図である。

[図 7]HUC光増幅媒体を適用した WDM用光増幅器の一実施形態を示す構成図である。

[図 8]PIQ光増幅媒体を用いた 1波用光増幅器の利得と入力パワーの関係を示す図である。

[図 9]PIQ光増幅媒体を用いた 1波用光増幅器における光サージ抑圧効果を説明するための図である。

[図 10]PIQモデルを用いた入力パワーに対する出力効率のシミュレーション結果を示す図である。

圆 11]本発明の PIQ光増幅媒体を適用した 1波用光増幅器が配置される光通信システムの具体例を示した図である。

圆 12]従来の光増幅器における光サージの発生を説明するための図である。

符号の説明

[0014] 10, 20…光増幅部

11· ··通常の光増幅媒体

21· ••HUC光増幅媒体

12, 22…励起光源 (LD)

13, 23…合波器

30· ··利得等化器 (GEQ)

31, 32, 33· ··光アイソレータ

40· ··制御部

41, 43· ··光力プラ

42, 44…光検出器 (PD)

45· ··制御回路

50· ••OADMノード

60· "端局

61 …光受信器 (OR)

1一 61

N

62 62 …プリアンプ

1一 N

発明を実施するための最良の形態

[0015] 以下、本発明の光サージ抑圧型光増幅器を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。

[0016] まず、本発明において光サージの抑圧に利用する現象の一実現例としての光増幅媒体のアップコンバージョン現象について説明する。

[0017] アップコンバージョン現象は、例えば図 1の概念図に示すように、エルビウムイオン（ Er などの希土類イオンが添加された光増幅媒体において、 Er^d+を高濃度に添加すると、イオン間相互作用により、励起準位 (⁴1 )にある 2つの Er³⁺のうちの一方が

13/2

基底準位に遷移し、他方はさらに上準位 (⁴ι )に遷移して信号光の増幅に関与し

9/2

なくなるという公知の物理現象である（例えば、論文 l ;Jacob L. Philipsen et al,

Observation of Strongly Nonquadratic Homogeneous Upconversion in Er -Doped Silica Fibers and Reevaluation of the Degree of Clustering , IEEE JOCTRNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.35, NO.11, NOVEMBER 1999.、および、論文 2 ; Piotr Myslinski et al., "Effects of Concentration on the Performance of

Erbium-Doped Fiber Amplifiers", JOURNAL OF LIGHTWAVE THCHNOLOGY, VOL.15, NO. l, JANUARY 1997.参照）。

[0018] 上記アップコンバージョン現象は、さらに、その発生メカニズムの相違により、ホモジ -ァス 'アップコンノ一ジョン (homogeneous upconversion : HUC)と、ペア'インテュースド ·クェンチング（pair induced quenching： PIQ)とに分類することが可能である。 HUCは、図 2左側の概念図に示すように、高濃度添加された希土類イオンが所定の領域 (例えば、光ファイバのコア等）内に実質的に均一に分布し、 2個以上の希土類イオン間でのエネルギー遷移によって図 1に示したアップコンバージョン現象を発生する。一方、 PIQは、図 2右側の概念図に示すように、高濃度添加された 2個以上の希土類イオンがクラスタを形成し、同一クラスタのイオン間でのエネルギー遷移によつて図 1に示したアップコンバージョン現象を発生する。なお、クラスタとは、一部の希土類イオンが一定個数ごとに近接距離に配置した状態を意味する。

[0019] 上記のようなアップコンバージョン現象は、従来、光増幅器の利得効率 (利得 [dB] を励起光パワー [mW]で除算した値)を低下させることになるため、高出力の光増幅器を実現する上での制限要因となっていた。すなわち、従来の光増幅器では、高出力化に伴う非線形現象を抑制するために、光増幅媒体の希土類イオン添加量を増やして単位長さあたりの利得を高め、使用する光増幅媒体を短尺化するなどの対策力 Sとられてきた。しかし、前述したように希土類イオンの添加量の増加に伴うアップコンバージョン現象の発生により利得効率の低下 (濃度消光）が生じるので、光増幅器の高出力化が制限されてしまうことになる。このため、従来の光増幅器に関しては、希土類イオンの高濃度化によるアップコンバージョン現象の発生を抑えるための様々な技術が提案されている（例えば、特開 2002-111104号公報、特開 2002-9376号公報および特開 2004 - 244280号公報参照）。

[0020] 本発明は、上記のようなアップコンバージョン現象の発生を抑えることを目的とした従来技術とは逆に、アップコンバージョン現象による利得効率の低下がナノ秒 [ns] オーダの応答速度で発生するという特性に注目し、光増幅媒体のアップコンパージョン現象を光サージの抑圧手段として利用することを新たに提案する。

[0021] 上述の図 12に示したように、通常の光増幅媒体を用いた WDM用光増幅器では、入力される WDM光のチャネル数の変化により入力パワーが低下して高利得状態となった時に、利得の差分 AA[dB]に対応した光サージが発生する。このような光サージに対して、本発明の一態様は、 HUCを発生可能な光増幅媒体 (以下、 HUC光増幅媒体と呼ぶことにする）を抑圧手段として利用する。 HUC光増幅媒体を用いて WDM用光増幅器を構成することによって、例えば図 3の実線に示すように、 WDM 光のチャネル数変化により入力パワーが低下した時の余分な利得増加が抑えられるようになり、このときの利得効率の低下がナノ秒オーダの応答速度で発生するため、例えば図 4の実線に示すように、光増幅器から出力される光サージの発生量を Δ Βまで抑圧することが可能になる。なお、図 3および図 4の破線は、 HUCの発生がない通常の光増幅媒体を用いたときの特性である。

[0022] HUC光増幅媒体を用いた場合に得られる利得 G は、次の（1)式に示す HUC

HUC

モデルに従って計算することが可能である。

[0023] [数 1]

ここで、 Nは励起状態の希土類イオン数、 Ntは希土類イオン総数である。また、 ζは

2

飽和係数であり、具体的には、 π X (希土類イオンのドープ半径) ² X (希土類イオンの密度) Z (希土類イオンの蛍光寿命）に対応する。さらに、 Cは HUCの発生確率、 h はプランク定数、 τはキャリア寿命 (希土類イオンの蛍光寿命）、 αは光増幅媒体の吸収係数 (添え字の Sは信号光、 Ρは励起光に対応し、以下同様とする）、 g*は光増幅媒体の利得係数、 Iは光強度、 Vは光周波数である。

[0024] 図 5は、上記の HUCモデルを用いて入力パワーに対する利得効率をシミュレーシヨンした結果である。ここでは、例えば石英系母材のエルビウムドープファイバ（EDF )を光増幅媒体としている。このシミュレーション結果より、 Er³⁺添加濃度 (質量百万分率）力 lOOOppm wtより小さな通常の値から 2000ppm wt、 6000ppm wtと高濃度になるに従って、入力パワー低下時 (高利得状態）に利得効率が大幅に劣化することが分力ゝる。

[0025] 図 6は、上記のシミュレーション結果を基に Er³⁺添加濃度に対する光サージ抑圧量を計算した結果 (黒丸印)である。なお、光サージ抑圧量は、 HUCが実質的に発生しない通常の添加濃度（く lOOOppm wt)における光サージの発生量を基準としている。図 6に示すように、 Er³⁺添加濃度を例えば 6000ppm wtまで高めることによつて、光サージは約 5dBも抑圧されることが分かる。ここで、例えば光サージを 3dB以上抑圧することを条件とすれば、図 6の関係より、 Er³⁺添加濃度を 4500ppm w りも高くすれば上記の条件を満たすことが可能になる。なお、 Er³⁺添加濃度が 10000 ppm wtを超えるようになると、アップコンバージョン現象とは異なるマイグレイシヨン（ Migration)という現象が新たに生じることが知られている。このため、アップコンパージヨン現象を利用して光サージを抑圧する場合の Er³⁺添加濃度の上限値は ΙΟΟΟΟρρ m wtと考えるのが適当である。

[0026] また、上記のシミュレーション結果を基に、 Er³⁺添加濃度以外の観点から、有効な光サージ抑圧効果が得られる条件を考えてみると、例えば、入力パワーが定常入力時の 4dBm力も— 20dBmに変化、すなわち、入力パワーが 16dB低下したときに、利得効率の変動幅が 10dB以下となる条件が満たされれば、 HUC光増幅媒体の適用により 3dB以上の光サージ抑圧効果が得られるようになる。

[0027] ただし、希土類イオンを高濃度に添加した光増幅媒体を用いる場合、図 6の白丸印で示したデータにあるように、所要の利得を実現するのに必要な励起光パワーが通常の添加濃度の光増幅媒体を用いる場合と比べて増加する傾向にある。すなわち、アップコンバージョン現象による光サージの抑圧効果と所要励起光パワーの増加とはトレードオフの関係にある。このため、アップコンバージョン現象を光サージ抑圧手段として利用する場合には、所要励起光パワーの増加を十分に考慮した光増幅器の設計が重要になる。

[0028] そこで、本発明は、複数の光増幅媒体を直列に接続して構成される多段増幅構成の光増幅器について、所要の利得がより小さい増幅媒体に対して HUC光増幅媒体を優先的に適用することにより、所要励起光パワーの増加を抑えながら、光サージの効果的な抑圧を実現可能にする。このような光増幅器の設計の考え方は、動作条件として小さな利得が設定される (すなわち、利得飽和が深!ヽ)光増幅媒体ほど大きな光サージが発生するという特性と、 HUC光増幅媒体では利得力 S小さくなるほど所要励起光パワーの増加が抑えられるという特性とに基づくものである。

[0029] 以下、本発明の一態様である HUC光増幅媒体を適用した光サージ抑圧型光増幅器の具体的な実施形態について説明する。

[0030] 図 7は、 HUC光増幅媒体を適用した光サージ抑圧型光増幅器の一実施形態を示す構成図である。

[0031] 図 7において、本実施形態の光サージ抑圧型光増幅器は、例えば、 WDM光 Lsが入出力される入力ポート INおよび出力ポート OUTの間に、光増幅手段としての 2つの光増幅部 10, 20が直列に接続された 2段増幅構成の WDM用光増幅器について、出力側に位置する後段の光増幅部 20に HUC光増幅媒体 21を適用し、入力側に位置する前段の光増幅部 10には通常の光増幅媒体 11を適用して、所要励起光パヮ一の増加を抑えながら光サージを効果的に抑圧できるようにしたものである。

[0032] 具体的に、後段の光増幅部 20は、 HUC光増幅媒体 21と、励起部としての励起光源 (LD) 22および合波器 23と、を有する。 HUC光増幅媒体 21は、ここで例えば、希土類イオンの 1つであるエルビウムイオン (Er³⁺)を光ファイバのコア等の所定の領域に高濃度に添加したエルビウムドープファイバ (EDF)を用いる。 Er³⁺の添加濃度は、石英系母材の場合に、前述したシミュレーション結果に従って 4500ppm wt— 10 OOOppm wtの範囲内で所要励起光パワーとのバランスを図りながら適宜に設定するのが好ましぐここでは最適値として例えば 6000ppm wtを設定する。

[0033] また、上記の HUC光増幅媒体 21につ!/、ては、ランタン（La)またはイッテルビウム（ Yb)を共添加するのが好ましい。これにより、隣り合う Er³⁺がクラスタを形成し難くなつて Er³⁺が添加領域内で均一に分布するようになり、 HUCの発生がより確実なものとなる。さらに、光増幅媒体の母材 (ここでは光ファイバ）としては、例えば、アンチモン（ Sb)、ランタン（La)、鉛（Pb)、ビスマス（Bi)、インジウム（In)、ジルコニウム（Zr)、ハフニゥム（Hf)、錫（Sn)、テルル (Te)およびバリウム（Ba)のうちのいずれかを含むものが適している。上記のような原子量が大きい元素を含んだ母材を用いることで、格子振動を抑えてフオノン緩和を起こり難くすることが可能になる。これにより、 Er³⁺が励起準位 (⁴1 )に留まる寿命が長くなつて HUC遷移確率が高くなるため、利得が

13/2

大きくなるほど利得効率が低下する特性を増長させることができる。よって、入力パヮ一低下時 (高利得状態)の余分な利得増加がより少な!、光増幅媒体が実現され、光サージを一層効果的に抑圧することが可能になる。

[0034] 励起光源 22は、 HUC光増幅媒体 21内の希土類イオンを励起することが可能な励起光 Lp2を出力する。ここでは、 Er³⁺に対応した 980nm帯または 1480nm帯の励起光 Lp2が励起光源 22から合波器 23に送られるものとする。合波器 23は、励起光源 2 2からの励起光 Lp2と、後述する利得等化器 30を通過した信号光 Lsと合波して HU C光増幅媒体 21に供給するものである。

[0035] なお、図 7には、励起光 Lp2が HUC光増幅媒体 21に信号光入力端側力も供給され、信号光 Lsと励起光 Lp2が同一方向に伝搬する前方励起型の構成例を示したが、本発明はこれに限らず、励起光 Lp2が HUC光増幅媒体 21に信号光出力端側から供給され、信号光 Lsと励起光 Lp2が逆方向に伝搬する後方励起型や、 HUC光増幅媒体 21の両端から励起光 Lp2を供給する双方向励起型の構成を適用することも可能である。また、 1台の励起光源 22から出力される励起光 Lp2が HUC光増幅媒体 2 1に供給される一例を示したが、複数台の励起光源を設け、各々から出力される励起光を合波して HUC光増幅媒体 21に供給するようにしてもょ、。

[0036] 一方、前段の光増幅部 10に適用される光増幅媒体 11は、希土類イオンの添加濃度が通常の値、すなわち、上記 HUC光増幅媒体 21の希土類イオン添加濃度よりも十分に低ぐアップコンバージョン現象が実質的に発生しないような値に設定されている。ここでは例えば、 Er³⁺が lOOOppm wt程度の濃度で添加された一般的な ED Fを光増幅媒体 11として用いる。この光増幅媒体 11には、上記後段の光増幅部 20 と同様にして、励起光源 12から出力される励起光 Lplが合波器 13を介して供給される。

[0037] また、本光増幅器は、前段および後段の光増幅部 10, 20の段間に利得等化器 (G EQ) 30を備えると共に、各光増幅部 10, 20の前後には光アイソレータ 31, 32, 33 が接続されている。利得等化器 30は、各光増幅部 10, 20の利得波長特性を等化して、増幅後の WDM光 Lsが所要の波長特性 (例えば、各波長の光パワーが揃った平坦な波長特性など）となるようする公知の光デバイスである。なお、ここでは、光増幅部 10, 20の段間に利得等化器 30を設ける構成例を示したが、利得等化器 30の配置は上記の一例に限定されるものではない。また、利得等化器 30の他に、例えば、本光増幅器の出力レベルを調整するための可変光減衰器や、 WDM光 Lsに生じた波長分散を補償するための分散補償器などを光増幅部 10, 20の段間等に設けるようにしてもよい。

[0038] さらに、本光増幅器は、各光増幅部 10, 20の励起光源 12, 22を制御するための励起光制御手段としての制御部 40を備えている。この制御部 40は、例えば、入力ポ一 HNに入力される WDM光 Lsをモニタするための光力プラ 41および光検出器 42と、出力ポート OUTから出力される WDM光 Lsをモニタするための光力プラ 43および光検出器 44と、各光検出器 42, 44のモニタ結果に基づいて、各励起光源 12, 22の駆動状態を制御する制御回路 45とから構成される。制御回路 45では、本光増幅器の利得を一定にする AGCや出力レベルを一定にする ALCなどの一般的な制御が行われる。

[0039] 上記のような構成の光増幅器では、入力ポート INに入力された WDM光 Lsが光力ブラ 41および光アイソレータ 31を介して前段の光増幅部 10の光増幅媒体 11に与えられる。光増幅媒体 11には、制御回路 45によって駆動状態の制御された励起光源 12から出力される励起光 Lp 1が合波器 13を介して供給されており、励起光 Lp 1によつて励起された Er³⁺の誘導放出によって WDM光 Lsが増幅される。前段の光増幅部 10で増幅された WDM光 Lsは、光アイソレータ 32を介して利得等化器 30に与えられて各光増幅部 10, 20の利得波長特性の補償が行われた後に、後段の光増幅部 2 0の HUC光増幅媒体 21に与えられる。 HUC光増幅媒体 21には、制御回路 45によつて駆動状態の制御された励起光源 22から出力される励起光 Lp2が合波器 23を介して供給されており、励起光 Lp2によって励起された Er³⁺の誘導放出によって WDM 光 Lsが増幅される。後段の光増幅部 20で増幅された WDM光 Lsは、光アイソレータ 33および光力ブラ 43を介して出力ポート OUTから外部に出力される。

[0040] 一般に、 2段増幅構成の光増幅器においては、良好な雑音特性が得られるように、定常入力パワーの小さい前段の光増幅部に対する利得が、定常入力パワーの大きい後段の光増幅部に対する利得よりも大きくなるように設定される。具体的には、例えば、定常入力パワーカ 22dBmZchの前段の光増幅部に対しては定常利得が 2 2dBに設定され、定常入力パワーカ 7dBmZchの後段の光増幅部に対しては定常利得が 9dBに設定されるような場合である。このような利得設定において、チヤネル数の変化等によって光増幅器に入力される WDM光 Lsのパワーが急激に低下した場合には、双方の光増幅部に通常の光増幅媒体を用いていたとすると (従来の光増幅器の構成）、相対的に低い利得で動作している後段の光増幅部で生じる利得飽和の方が深くなり、より大きな光サージが後段側で発生する。具体的には、上記の利得設定例において、例えば前段の光増幅部で 8dBの光サージが発生し、後段の光増幅部で 13dBの光サージが発生することになる。

[0041] これに対して本実施形態の光増幅器では、後段の光増幅部 20に HUC光増幅媒体 21を適用して、るため、上述の図 3に示したように入力パワー低下時における余分な利得増加が抑えられる。この HUC光増幅媒体 21における利得効率の低下はナノ秒オーダの応答速度で発生するため、上述の図 4に示したように後段の光増幅部 2 0における光サージの発生量を減少させることができる。

[0042] 前述したように、 HUC光増幅媒体 21を適用することによって、後段の光増幅部 20 の所要励起光パワーは、通常の光増幅媒体を用いた場合に比べて増加することになる。しかし、その増加量に関しては、後段の光増幅部 20が相対的に低い利得で動作しているため、比較的少なく抑えることができる。言い換えると、仮に前段の光増幅部 10に HUC光増幅媒体を適用したとすれば、相対的に高い利得で動作しているので所要励起光パワーの増加量が多くなつてしまうことになる。

[0043] 以上のように本実施形態によれば、 2段増幅構成の WDM用光増幅器について、後段の光増幅部 20に選択的に HUC光増幅媒体 21を適用するようにしたことで、 H UC光増幅媒体 21の適用による所要励起光パワーの増加を抑えながら、光増幅器全体で発生する光サージを効果的に抑圧することが可能になる。また、本実施形態の光回路構成は、一般的な複数段増幅構成における光増幅媒体の置き換えによつて実現可能であり、上述した従来の利得クランプ方法などのように光回路構成の複雑ィ匕を招くようなこともないため、光サージを抑圧可能な WDM用光増幅器の低コスト化を図ることが可能である。このような光サージ抑圧効果を有する WDM用光増幅器は、例えば、光通信システムにおいて光サージを発生させる可能性が高い、 WDM 光のチャネル数がダイナミックに変化する場所の直後（具体的には、上述の図 12に示したような OADMノードにおいて各チャネル光が合波される出力側の合波器の後段など）に配置される光増幅器として好適である。

[0044] なお、上記の実施形態では、 2段増幅構成の WDM用光増幅器について説明した力本発明は 3段以上の増幅構成に対しても有効である。 3段以上の場合には、直列に接続された複数の光増幅部のうちでより所要利得の小さい光増幅部に対して H UC光増幅媒体を適用することにより、上記の実施形態の場合と同様の作用効果を得ることが可能である。また、上記の実施形態では、所要励起光パワーの増加を抑えるために、後段の光増幅部に対して HUC光増幅媒体を適用するようにしたが、例えば、励起光源の出力パワーに余裕があり所要励起光パワーの増加を特に考慮する必要がなければ、任意の光増幅部に HUC光増幅媒体を適用することも可能である。これに関連して、例えば 1段増幅構成の WDM用光増幅器に対して HUC光増幅媒体を適用した場合にも光サージ抑圧効果が得られるようになるため本発明は有効である。

[0045] 次に、本発明の他の態様として、ペア'インデュースド'クェンチング (PIQ)を利用して光サージを抑圧する光増幅器にっ、て説明する。

[0046] PIQを発生可能な光増幅媒体 (以下、 PIQ光増幅媒体と呼ぶことにする）を用いて光増幅器を構成した場合、入力パワーに対する利得の関係は、 HUC光増幅媒体を用いた場合とは異なり、例えば図 8に示すように、アップコンバージョン現象の発生がない通常の光増幅媒体の特性 (破線）に対して、入力パワーが高くなつた時 (低利得状態）にナノ秒オーダの応答速度で効率の低下が発生する。このような PIQ光増幅媒体の特性に注目すると、例えば、光通信システムの受信端等において単一波長の信号光を増幅する光増幅器に対して PIQ光増幅媒体を適用することにより、伝送路上の光中継器等で発生して累積し受信端まで到達して 1波用光増幅器に入力される光サージの量を抑圧することが可能になる。すなわち、上記のような受信端等に配置される 1波用光増幅器に入力される信号光は、例えば図 9の左側に示すように定常状態において非常に低いレベルであり、光中継器等で発生し累積した光サージが到達した時に入力レベルが急激に上昇する。この光サージによる入力パワーの変化は、上記の図 8において定常入力時の高利得状態力入力パワーの急激な上昇によつて低利得状態に移る変化に対応する。この入力パワーの上昇によって生じる利得の低下は、その変化量が通常の光増幅媒体を用いたとき（図 8の破線)よりも PIQ光増幅媒体を用いたとき（図 8の実線)の方が A BdB増大する。このため、受信端等に配置される 1波用光増幅器に PIQ光増幅媒体を適用することにより、図 9の右側に示すように、光増幅器から出力される光サージを A BdB抑圧することが可能になる。

[0047] PIQ光増幅媒体を用いた場合に得られる利得 G は、 HUC光増幅媒体の場合の

PIQ

利得 G と同様にして、次の（2)式に示す PIQモデルに従って計算することが可能

HUC

である。

[0048] [数 2]

^GPIQ -

Nt

(卜 2k

hv_s; hvp;

as a_P

(2

•(2)

OCp

(^as + g *s)" (a_P + g *p )+ (m - lW l_s + 1

hv_P< Ιινρζ ここで、 kはクラスタの形成割合、 mはクラスタを形成するイオン数である。

[0049] 図 10は、上記の PIQモデルを用いて入力パワーに対する出力効率（出力パワー [d Bm]を励起光パワー [mW]で除算した値）をシミュレーションした結果である。ここでは、例えばエルビウムドープファイバ（EDF)を光増幅媒体としている。このシミュレ一シヨン結果より、 Er³⁺添加濃度が lOOOppm wt力 6000ppm wtに高くなることで、光サージの入力によるパワー上昇時に出力効率が大幅に低下することが分かる。

[0050] 上記のシミュレーションを Er³⁺添加濃度を変化させて行った結果、 PIQ光増幅媒体を用いて 1波用光増幅器を構成した場合に光サージを 3dB以上抑圧できる条件としては、上述した HUC光増幅媒体の場合と同様に、 Er³⁺添加濃度を 4500ppm wt— lOOOOppm wtとするのが適当である。また、例えば入力パワーが定常入力時の— 2 OdBm力 OdBmに変化、すなわち、入力パワーが 20dB上昇したときに、出力効率の変動幅が 7dB以下となる条件が満たされる場合にも、 PIQ光増幅媒体の適用により 3dB以上の光サージ抑圧効果が得られるようになる。なお、上記出力効率の変動幅が 7dB以下とは、 log { (入力大での出力効率) / (入力小での出力効率） } < 7d

10

Bを意味する。ただし、出力効率は（出力パワー [dBm])Z (励起光パワー [mW])である。

[0051] なお、 PIQ光増幅媒体についても、 HUC光増幅媒体の場合と同様に、光サージの抑圧効果と所要励起光パワーの増加とはトレードオフの関係にある。しかしながら、受信端等に配置される 1波用光増幅器の場合、入力される信号光のパワーは微弱であり、定常入力時の所要励起光パワーも低いので、 PIQ光増幅媒体の適用により所要励起光パワーが増カロしたとしても、既存の励起光源で十分に対応できる範囲と考えられる。このため、 PIQ光増幅媒体を利用する場合、上述した HUC光増幅媒体の場合のような所要励起光パワーの増加を考慮した設計を行う必要性は低くなる。

[0052] 図 11は、上記のような PIQ光増幅媒体を適用した 1波用光増幅器が配置される光通信システムの具体例を示した図である。

[0053] 図 11において、 PIQ光増幅媒体を適用した 1波用光増幅器は、例えば、 OADMノード 50でドロップされた各波長の信号光（ドロップ光）が送られてくる端局 60の各光受信器 (OR) 61— 61 の入力段に配置されるプリアンプ 62— 62 として用いられる

1 N 1 N

。各プリアンプ 62— 62 1S 1つの光増幅媒体を用いた 1段増幅構成の場合には、

1 N

それぞれの光増幅媒体に PIQ光増幅媒体が適用される。また、各プリアンプ 62— 6 2 力複数の光増幅媒体を直列に接続した多段増幅構成の場合には、定常入カレ

N

ベルが低い光増幅媒体、すなわち、信号光入力側の光増幅媒体に対して優先的に PIQ光増幅媒体が適用されるようにする。

[0054] なお、各プリアンプ 62— 62 に適用する PIQ光増幅媒体としては、前述したシミュ

1 N

レーシヨン結果に従って Er³⁺の添カ卩濃度を 4500ppm wt— lOOOOppm wtの範囲に設定した EDFを使用すると共に、添加領域内でクラスタが形成され易くなるよう、ランタン（La)やイッテルビウム（Yb)の共添カ卩を行って、な、ものを用いるようにするのがよい。

[0055] 上記のような PIQ光増幅媒体を適用した 1波用光増幅器では、光通信システムにおいて累積して成長した光サージが入力されても、 PIQ光増幅媒体における出力効率の低下によって光サージを効果的に抑圧して後段の光受信器 62— 62 に出力する

1 N ことができるようになる。このため、従来の励起光パワーの高速制御方法のように各プリアンプ 62— 62 に光サージが入力された場合に励起光パワーを強制制御して後

1 N

段の光受信器 62— 62への光サージの出力を回避するというような措置が不要に

1 N

なる。このため、例えば、各プリアンプ 62— 62 の励起光源を共通化し、分岐器 (ス

1 N

プリッタ）を並用して各プリアンプ 62— 62 に励起光を分配することを簡易な構成で

1 N

実現できるようになり、励起系の可変光減衰器も不要となるので、各波長に対応したプリアンプの小型化を図ることが可能になる。なお、上記の図 11では、 PIQ光増幅媒体を適用した 1波用光増幅器を光受信器の前段に配置されるプリアンプとして使用する一例を示したが、プリアンプ以外の 1波用光増幅器に PIQ光増幅媒体を適用することも勿論可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 少なくとも希土類イオンを添加した光増幅媒体と、その光増幅媒体に励起光を供給する励起部と、を有し、入力される波長多重光を前記励起部からの励起光により励起された希土類イオンの誘導放出により増幅する複数の光増幅手段を備え、該各光増幅手段が直列に接続された光増幅器において、

前記複数の光増幅手段のうちの信号光出力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体が、所定の領域内に希土類イオンを実質的に均一に高濃度添加することにより、利得が大きくなるほど利得効率劣化が大きくなる現象を発生させることが可能な構造を具備しており、入力される波長多重光のパワー低下時に発生する前記現象を利用した利得効率の低下によって光サージを抑圧することを特徴とする光サージ抑圧型光増幅器。

[2] 前記信号光出力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体がエルビウムィォンの添カ卩されたものであり、そのエルビウムイオンの添カ卩濃度力 500ppm wtよりも高ぐかつ、 lOOOOppm wtよりも低い値に設定されていることを特徴とする請求項 1 に記載の光サージ抑圧型光増幅器。

[3] 前記信号光出力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体が、入力される波長多重光のトータルパワーが予め設定した定常入力レベルから 16dB低下したときに、利得効率の変動幅が 10dB以下となる構造を具備していることを特徴とする請求項 1に記載の光サージ抑圧型光増幅器。

[4] 前記信号光出力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体が、ランタン (La) またはイッテルビウム (Yb)が共添加されてヽることを特徴とする請求項 1に記載の光サージ抑圧型光増幅器。

[5] 前記信号光出力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体が、アンチモン（ Sb)、ランタン（La)、鉛（Pb)、ビスマス（Bi)、インジウム（In)、ジルコニウム（Zr)、ハフニゥム（Hf)、錫（Sn)、テルル (Te)およびバリウム（Ba)のうちのいずれかを含んだ母材を使用したものであることを特徴とする請求項 1に記載の光サージ抑圧型光増幅器。

[6] 前記波長多重光の入出力状態をモニタし、そのモニタ結果に基づいて前記各光増幅手段の励起部を制御する励起光制御手段を備えたことを特徴とする請求項 1に記載の光サージ抑圧型光増幅器。

[7] 少なくともエルビウムイオンを添加した光増幅媒体と、その光増幅媒体に励起光を供給する励起部と、を有し、入力される波長多重光を前記励起部からの励起光により励起されたエルビウムイオンの誘導放出により増幅する光増幅器において、

前記光増幅媒体は、エルビウムイオンの添加濃度が 4500ppm w りも高ぐかつ、 lOOOOppm w りも低い値に設定されており、入力される波長多重光のパワー低下時に発生する、利得が大きくなるほど利得効率劣化が大きくなる現象を利用した利得効率の低下によって光サージを抑圧することを特徴とする光サージ抑圧型光増幅

[8] 少なくともエルビウムイオンを添加した光増幅媒体と、その光増幅媒体に励起光を供給する励起部と、を有し、入力される波長多重光を前記励起部からの励起光により励起されたエルビウムイオンの誘導放出により増幅する光増幅器において、

前記光増幅媒体は、入力される波長多重光のトータルパワーが予め設定した定常入力レベルから 16dB低下したときに、利得効率の変動幅が 10dB以下となる構造を具備することにより光サージを抑圧することを特徴とする光サージ抑圧型光増幅器。

[9] 希土類イオンを添加した光増幅媒体と、その光増幅媒体に励起光を供給する励起部と、を有し、入力される単一波長の信号光を前記励起部からの励起光により励起された希土類イオンの誘導放出により増幅する複数の光増幅手段を備え、該各光増幅手段が直列に接続された光増幅器において、

前記複数の光増幅手段のうちの信号光入力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体が、所定の領域内に希土類イオンを高濃度添加することにより、入力パヮ一が大きくなるほど出力効率劣化が大きくなる現象を発生させることが可能な構造を具備しており、入力される信号光のパワー上昇時に発生する前記現象を利用した出力効率の低下によって光サージを抑圧することを特徴とする光サージ抑圧型光増幅器。

[10] 前記信号光入力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体がエルビウムィォンの添カ卩されたものであり、そのエルビウムイオンの添カ卩濃度力 500ppm wtよりも高ぐかつ、 lOOOOppm wtよりも低い値に設定されていることを特徴とする請求項 9 に記載の光サージ抑圧型光増幅器。

[11] 前記信号光入力側に配置される光増幅手段は、前記光増幅媒体が、入力される信号光のパワーが予め設定した定常入力レベルから 20dB上昇したときに、出力効率の変動幅が 7dB以下となる構造を具備していることを特徴とする請求項 9に記載の光サージ抑圧型光増幅器。

[12] エルビウムイオンを添加した光増幅媒体と、その光増幅媒体に励起光を供給する励起部と、を有し、入力される単一波長の信号光を前記励起部からの励起光により励起されたエルビウムイオンの誘導放出により増幅する光増幅器において、前記光増幅媒体は、エルビウムイオンの添加濃度が 4500ppm w りも高ぐかつ、 lOOOOppm w りも低い値に設定されており、入力される信号光のパワー上昇時に発生する、入力パワーが大きくなるほど出力効率劣化が大きくなる現象を利用した出力効率の低下によって光サージを抑圧することを特徴とする光サージ抑圧型光増幅器。

[13] エルビウムイオンを添加した光増幅媒体と、その光増幅媒体に励起光を供給する励起部と、を有し、入力される単一波長の信号光を前記励起部からの励起光により励起されたエルビウムイオンの誘導放出により増幅する光増幅器において、前記光増幅媒体は、入力される信号光のパワーが予め設定した定常入力レベルから 20dB上昇したときに、出力効率の変動幅が 7dB以下となる構造を具備することにより光サージを抑圧することを特徴とする光サージ抑圧型光増幅器。