JP2006294819A - 光増幅用部品、光増幅器及び光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 高効率のＳ帯光増幅器に使用する光増幅用部品及び高効率のＳ帯光増幅器、ならびにこれらを用いた効率的な光通信システムを提供すること。
【解決手段】 励起光と信号光を合波する合分波器４の入力端に光アイソレータ２と励起光源３とを接続する。光フィルタ５の入力端および出力端にそれぞれＥr 添加ファイバ１を接続する。Ｅｒ添加ファイバ１−ａの一端を接合分波器４の出力端に、およびＥｒ添加ファイバ１−ｂの一端を合分波器４′の入力端にそれぞれ接続する。このようにして、光フィルタをＥｒ添加ファイバの途中に挿入する。合分波器４′の出力端には、光アイソレータ２′を接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光信号を増幅する光増幅器に関する。

通信容量増大の需要に応えるため、光ファイバの光伝送に適した波長帯を有効に利用した光通信システムが開発されている。これらのシステムの中には、従来の通信波長帯であるＯ帯（１２６０−１３６０ｎｍ）、Ｃ帯（１５３０−１５６５ｎｍ）、Ｌ帯（１５６５−１６２５ｎｍ）だけでなく、Ｓ帯（１４６０−１５３０ｎｍ）を利用したものがある。

Ｓ帯の光信号を増幅する光増幅器の一つとして、Ｅr 添加ファイバ、またはＥr 添加導波路を使用した光増幅器がある（特許文献１参照）。これらＳ帯の光信号を増幅する光増幅器では、光信号の波長帯域より長波長の波長帯域における利得係数が、光信号の波長帯域の利得係数より大きくなるため、光フィルタを用いて利得係数の大きい波長帯の光を抑制することで効率的にＳ帯光信号を増幅している（特許文献１の図２参照）。

特開２００３−１８８４４５号公報 A. Yu et al., IEEE Photonics Technology Letters, vol. 5, no. 7, pp. 733-755, 1993、山田他、1994年電子情報通信学会秋季大会 C-152 P. F. Wysocki et al., IEEE Photonics Technology Letters, vol. 9, no. 10, pp. 1343-1345, 1997

しかしながら、これらの光増幅器では、おおよそ波長帯域１４９０−１５２０ｎｍにある複数の波長多重された光信号（ＷＤＭ信号）をほぼ同じ利得で増幅する（光増幅器が波長に対して利得平坦な特性を有する）ことを目的とするため、光フィルタの損失が１４９０ｎｍから長波長になるに従って大きくなるように設定されている。そのため、全体的に増幅効率が抑制される欠点がある。

これに対し、光通信システムにおいては、ＷＤＭ信号を分波した後に１波長ずつ増幅する必要性が生じる場合もある。このような光の増幅の用途に対して、増幅効率が抑制された従来のＳ帯光増幅器を用いることは増幅効率の観点から好ましくない。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、従来のＳ帯光増幅器において増幅効率が抑制される点を解決した、高効率のＳ帯光増幅器に使用する光増幅用部品及び高効率のＳ帯光増幅器、ならびにこれらを用いた効率的な光通信システムを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、コア又はクラッドにＥr を添加したＥr 添加ファイバと、Ｅｒ添加ファイバの途中に挿入された光フィルタと、励起光源と、該励起光源からの励起光と信号光とを合波してＥr 添加ファイバへ導く光学的手段と、Ｅｒ添加ファイバから出射される出力光を励起光と信号光とに分波する手段とを備えた光信号を増幅する光増幅器であって、光フィルタは、信号光の波長帯域内において５ｎｍ以上２５ｎｍ以下の透過波長帯域幅を有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光増幅器であって、光増幅器は、励起光が光フィルタをバイパスする導波路を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光増幅器であって、光フィルタは、信号光の波長帯域内において１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の透過波長帯域幅を有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３に記載の光増幅器であって、励起光源が生成する励起光を分岐する分岐手段と、該分岐手段によって分岐された励起光と光フィルタから出射される出力光とを合波して複数のＥr 添加ファイバに導く手段とを備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４に記載の光増幅器であって、信号光の波長帯域がＳ帯にあることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光増幅器であって、Ｅｒ添加ファイバは、Ｅr 添加ファイバの１４８０ｎｍにおける合計の損失値が、５ｄＢ以上であるＥr 添加石英ファイバ、９ｄＢ以上であるＥr 添加テルライトファイバ、および７ｄＢ以上であるＥr 添加フッ化物ファイバのいずれか１つであることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、信号光を生成する信号光源および信号光を光変調する光変調器を備えた光送信機が光合分波器の各ポートに接続された送信部と、光増幅器と、信号光を受信する光受信機が光合分波器の各ポートに接続された受信部と、送信部、光増幅器、および受信部を接続する伝送用光ファイバとを備え、光増幅器が、送信部から出射された出力光を増幅し、受信部へ出力する光通信システムであって、光合分波器は、透過波長帯域３０ｎｍ以下である２つ以上の入出力端を備え、光増幅器は、Ｅｒ添加ファイバの途中に挿入され、信号光の波長帯域内において５ｎｍ以上２５ｎｍ以下の透過波長帯域幅を有する光フィルタを備えたことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の光通信システムであって、光増幅器の一部または全部が、複数の光信号を同時に増幅する光増幅器であることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、コア又はクラッドにＥr を添加したＥｒ添加ファイバにグレーティングが形成されたファイバーグレーティングであって、ファイバーグレーティングは、ファイバーグレーティング中を伝播する信号光の波長帯域内において５ｎｍ以上２５ｎｍ以下の透過波長帯域幅を有することを特徴とする。

本発明によれば、一定の透過波長帯域を有する光フィルタを備えることにより、Ｓ帯光信号、Ｃ帯光信号、或いはＬ帯光信号を高いパワー変換効率で増幅が可能である。また、本発明の光増幅用部品或いは光増幅器を用いることで、効率的な光通信システムを構築することが可能である。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１の光増幅器の構成を示す。励起光と信号光を合波する合分波器４の入力端に光アイソレータ２と励起光源３とを接続する。光フィルタ５の入力端および出力端にそれぞれＥr 添加ファイバ１を接続する。Ｅｒ添加ファイバ１−ａの一端を接合分波器４の出力端に、およびＥｒ添加ファイバ１−ｂの一端を合分波器４′の入力端にそれぞれ接続する。このようにして、光フィルタをＥｒ添加ファイバの途中に挿入する。合分波器４′の出力端には、光アイソレータ２′を接続する。

励起光源３として９８０ｎｍ帯半導体レーザ、合分波器４としてファイバ型ＷＤＭカプラ、光フィルタ５として誘電体多層膜フィルタを使用した。合分波器４′は、励起光ポートを反射がないように適切に処理した合波器である。Ｅr 添加ファイバ１は、１４８０ｎｍにおける損失１７ｄＢを有する特性のものである。

図２に、光フィルタ５の損失スペクトルを示す。光フィルタ５の透過波長帯域（損失値が最小損失Ｌ_ｍｉｎ(dB)とＬ_ｍｉｎ＋３(dB)の間にある波長帯域）は、１４９７−１５２２ｎｍである。また、励起光波長である９８０ｎｍ帯における損失は２．０−２．５ｄＢである。

図３に、実施形態１の光増幅器の利得スペクトル、および従来技術の特許文献２に基づく光増幅器の利得スペクトルを示す。実施形態１の利得特性は、光増幅器への入力信号光パワーを−１０ｄＢｍとし、励起光源３が生成する励起光パワーを１４０ｍＷとした場合に得られたものである。比較として示した従来技術の光増幅器における利得特性も、光増幅器への入力信号光パワー、および励起光源が生成する励起光パワーを実施形態１の光増幅器と同じ設定を行っている（入力信号光パワーを−１０ｄＢｍとし、励起光パワーを１４０ｍＷとする）。

実施形態１の光増幅器は、１５０２ｎｍから１５２３．５ｎｍの波長帯域において従来の光増幅器より大きな信号出力パワーが得られる。１５０１．８ｎｍから１５２２．２ｎｍの波長帯域では、＋１０ｄＢｍ以上の光信号出力パワーが得られる。このパワー変換効率は、従来の光増幅器では最大４０％であるのに対し、実施形態１の光増幅器では最大５２％である。このように実施形態１の光増幅器では、Ｓ帯にある光信号を従来の光増幅器と比較してより高いパワー変換効率で増幅することができる。

従来から、光増幅媒体の間に光フィルタを挿入する構成により、高利得・低雑音を実現する技術は知られている（非特許文献１参照)。しかし、従来の光増幅器で使用されている光フィルタは透過波長帯域幅が１〜３ｎｍ以下であり、実施形態１の光増幅器で使用する光フィルタ５はそれらより透過波長帯域幅が５〜２５ｎｍと広い。光送信機から出射される信号光の波長は、装置内の温度変化などにより変化することがある。光通信システムに用いられている分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）の温度変化率は、０．１ｎｍ／℃である。そのため、装置内の温度変化量が７０℃（０−７０℃）あるような場合、波長変化量は７ｎｍにもなる。つまり、実施形態１の光増幅器は、光フィルタ５の透過波長帯域幅が広いため、波長が経時変化する光信号を損失なく増幅できる。

従来の光増幅器には、複数の光信号を同時に、且つほぼ同じ利得で増幅させることを目的とする、波長依存性を低減し、利得を等化する光フィルタが用いられている（非特許文献２参照)。しかし、実施形態１で使用した光フィルタは、本質的に利得等化を行う機能を有さない。そのため、実施形態１では波長依存性は残るが、増幅効率を最大限発揮することができる。

なお、光フィルタ５としては、１４５０ｎｍから１５３０ｎｍの波長帯域内に透過波長帯域幅５ｎｍ以上を有する光フィルタを用いることができる。このような光フィルタを用いることにより、実施形態１の光増幅器と同様に、光信号波長の経時変化時にも損失なく増幅することができ、高いパワー変換効率が得られる光増幅器を実現することができる。さらに光フィルタ５は、光信号の波長変化により柔軟に対応することができる透過波長帯域幅１０ｎｍ以上であることが望ましい。さらに、Ｓ帯の光信号を増幅するにあたっては、光フィルタの信号波長帯域２５ｎｍ以下にすることで、Ｃ帯のＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を効果的に抑制でき、効率的にＳ帯信号を増幅することができる。ＡＳＥとは、増幅されたスペクトル幅の広い放出光の放射現象のことである。

Ｅr 添加ファイバ１としては、１４８０ｎｍにおいて、６ｄＢ以上の損失を有するＥr 添加石英ファイバ、９ｄＢ以上の損失を有するＥr 添加テルライトファイバ、または７ｄＢ以上の損失を有するＥr 添加フッ化物ファイバなどを用いることが可能である。これらのＥr 添加ファイバであれば、実施形態１と同様の効果が得られる。

（実施形態２）
図４に、本発明の実施形態２にかかる光増幅器の構成を示す。実施形態１の光増幅器に対して、光フィルタ５の入力端及び出力端に励起光と信号光とを合波し、分波する合分波器６および６′をそれぞれ接続する。および、これら２つの合分波器の励起光が透過するポート同士を接続すし、励起光が光フィルタをバイパスする導波路を設ける。

光フィルタ５には、実施形態１で使用されている光フィルタと同じ損失スペクトルを有する光フィルタを用いる。

図５に、実施形態２の光増幅器の利得スペクトル、特許文献２に基づく従来の光増幅器及び実施形態１で示した光増幅器の利得スペクトルを示す。図５の利得特性は、光増幅器への入力信号光パワーを−１０ｄＢｍとし、励起光源３が生成する励起光パワーを１４０ｍＷとした場合に得られたものである。ここで、励起光源３として９８０ｎｍ帯半導体レーザを使用した。比較のために示した特許文献２に基づく従来の光増幅器及び実施形態１で示した光増幅器においても、光増幅器への入力信号光パワー、励起光源が生成する励起光パワーは実施形態２の光増幅器と同じ設定を行っている（入力信号光パワーを−１０ｄＢｍとし、励起光パワーを１４０ｍＷとする）。

１５０２ｎｍから１５２３．５ｎｍの波長帯域において、従来の光増幅器より大きな信号出力パワーが得られる。１５０１．８ｎｍから１５２２．２ｎｍの波長帯域では、＋１０ｄＢｍ以上の信号出力パワーが得られる。このパワー変換効率は、従来の光増幅器では最大４０％であるのに対し、実施形態２の光増幅器では最大５２％であった。このように、実施形態２の光増幅器では、Ｓ帯にある光信号を従来の光増幅器と比較してより高いパワー変換効率で増幅できる。

実施形態２の光増幅器は、第１のＥr 添加ファイバ１−ａで吸収されないで透過した励起光を第２のＥr 添加ファイバ１−ｂの励起光として用いることで、１５０１．６ｎｍから１５２２．３ｎｍの波長帯域で＋１０ｄＢｍ以上の光信号出力パワーが得られる。また、パワー変換効率は最大６０％である。このように実施形態２の光増幅器は、Ｓ帯にある光信号を従来の光増幅器及び実施形態１の光増幅器と比較してより高いパワー変換効率で増幅できた。

（実施形態３）
図６に、本発明の実施形態３にかかる光増幅器の構成を示す。励起光と信号光を合波する合分波器４の入力端に光アイソレータ２と励起光源３とを接続する。光フィルタ５の入力端および出力端にそれぞれＥr 添加ファイバ１を接続する。Ｅｒ添加ファイバ１−ａの一端を接合分波器４の出力端に、およびＥｒ添加ファイバ１−ｂの一端を合分波器４′の入力端にそれぞれ接続する。このようにして、光フィルタをＥｒ添加ファイバの途中に挿入する。励起光源３に光分岐器７を接続し、その光分岐器７の２つの出力端が合分波器４と、光フィルタおよび第２のＥr 添加ファイバ１−ｂに接続された合分波器６とにそれぞれ接続する。合分波器４′の出力端には、光アイソレータ２′を接続する。

光フィルタ５は、第１の実施形態で使用されている光フィルタと同じ損失スペクトルを有するものである。

実施形態３の光増幅器は、励起光源が生成する励起光を分岐し、分岐した励起光をそれぞれ第１のＥr 添加ファイバ１−ａ、第２のＥr 添加ファイバ１−ｂに入力させることにより、第２の実施形態と同様に、最大でパワー変換効率６０％が得られる。すなわち、実施形態３の光増幅器は、Ｓ帯にある光信号を従来の光増幅器及び実施形態１の光増幅器と比較してより高いパワー変換効率で増幅できる。

（実施形態４）
図７に、実施形態４の光増幅器及び従来の光増幅器のＣ帯の利得スペクトルを示す。また図８に、実施形態４の光増幅器及び従来の光増幅器のＬ帯の利得スペクトルを示す。実施形態４は、実施形態１の構成において、光フィルタ５がそれぞれ１５３７ｎｍ−１５６２ｎｍ、１５７７ｎｍ−１６０２ｎｍの透過波長帯域を有する光フィルタである光増幅器である。従来の光増幅器とは、光フィルタを使用しない構成の光増幅器である。但し、図７及び８ともに、実施形態４の光増幅器と従来の光増幅器との励起光源の出力は同一である。

実施形態２、３の構成においても、透過波長帯域５ｎｍ、１０ｎｍなどの光フィルタを用いることにより、Ｃ帯、或いはＬ帯の光増幅器を構成することができ、従来の光増幅器と比較してより高いパワー変換効率が得られる。

このようなＣ帯、Ｌ帯における高効率な光増幅器は、光フィルタの透過波長帯域幅がおおむね２５ｎｍ以下で実現できる。

ここまで励起光源３として、９８０ｎｍ帯半導体レーザを使用した光増幅器を示したが、１３８０ｎｍから１４９０ｎｍに発振波長を有する半導体レーザを使用しても、同様に従来の光増器と比較して高いパワー変換効率の光増幅器が実現できる。また、実施形態１〜４の光増幅器では、２つのＥr 添加ファイバを使用したが、３本以上のＥr 添加ファイバを使用しても同様に従来の光増幅器と比較して高いパワー変換効率の光増幅器が実現できる。

（実施形態５）
図９に、本発明の実施形態５における光増幅用部品を示す。この光増幅用部品は、グレーティング８が直接書き込こまれたＥｒ添加ファイバである。このグレーティング８の損失スペクトルは、図２に示す実施形態１の損失スペクトルとほぼ同じである。また、励起光波長である９８０ｎｍ帯における損失は、２．０−２．５ｄＢである。

図１０に、本発明の実施形態５にかかるファイバーグレーティングを用いた光増幅器の構成を示す。実施形態５の光増幅器の利得特性は、実施形態１の光増幅器の利得特性とほぼ同じであり、実施形態５の光増幅器では、Ｓ帯にある光信号を従来の光増幅器と比較して高いパワー変換効率で増幅できる。

また、実施形態１〜４では光フィルタとして誘電体多層膜フィルタを用いるが、それら光フィルタに替えて、１つ或いは複数のファイバーグレーティングを用いても、同様に高いパワー変換効率で増幅できる。

（実施形態６）
図１１に、本発明の実施形態６にかかる光通信システムを示す。変調した光信号を送信する光送信機１０−ａ〜ｄを合分波器１１の各ポートにそれぞれ接続する。合分波器１１の出力端と光増幅器１４の入力端とを、および光増幅器１４の出力端と合分波器１１′の入力端とをそれぞれ伝送用光ファイバ１３を介して接続する。合分波器１１′の各ポートに、信号光を受信する光受信機１２−ａ〜ｄをそれぞれ接続する。光送信機１０−ａ〜ｄと合分波器１１とからなる部分を送信部とし、光受信機１２−ａ〜ｄと合分波器１１′とからなる部分を受信部とする。

各光送信機１０が送信する光信号の波長は１つであり、それぞれ１０−ａは１４９０ｎｍ±９．５ｎｍ、１０−ｂは１５１０ｎｍ±９．５ｎｍ、１０−ｃは１５３０ｎｍ±９．５ｎｍ、１０−ｄは１５５０ｎｍ±９．５ｎｍの波長帯域にある光信号を送信する。合分波器１１の各ポートは、各ポートに接続された光送信機が送信する光信号を損失値１．０ｄＢ以下で透過する。

図１２に、光増幅器１４の構成を示す。光増幅部１５−ａ〜ｄは、それぞれ光送信機１０−ａ〜ｄから送信される光信号を増幅する光増幅部である。合波された信号光は、光合分波器１６によって分波され各光増幅部１５−ａ〜ｄへ入射する。光増幅部１５−ａ〜ｄによって増幅された信号光は、合分波器１６′によって合波され、光増幅器１４から出射する。

光合分波器１６および１６′光増幅部１５−ｂは本発明の実施形態１で述べた光増幅器を使用している。また、光増幅部１５−ａ、１５−ｃ、及び１５−ｄは、光増幅部１５−ｂと同様に、光フィルタを使用した光増幅器である。光増幅器１４は、出力値が−２２ｄＢｍ〜＋２ｄＢｍの入力信号光を最大で＋１３ｄＢｍまで増幅することができる。

本発明の第１の実施形態の光増幅器の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に使用した光フィルタの損失スペクトルを示す図である。 本発明の実施形態１にかかる光増幅器の利得スペクトルを示す図である。 本発明の実施形態２にかかる光増幅器の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態２にかかる光増幅器の利得スペクトルを示す図である。 本発明の実施形態３にかかる光増幅器の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態４にかかる光増幅器の利得スペクトルを示す図である。 本発明の実施形態４にかかる光増幅器の利得スペクトルを示す図である。 本発明の実施形態５にかかる光増幅用部品の概略を示す図である。 本発明の実施形態５にかかる光増幅用部品を用いた光増幅器の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態６にかかる光通信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態６にかかる光通信システムにおいて用いる光増幅器の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ Ｅr 添加ファイバ
２、２′ 光アイソレータ
３ 励起光源
４、４′ 合分波器
５ 光フィルタ
６、６′ 合分波器
７ 光分岐器
８ グレーティング
９ 光増幅用部品
１０ 光送信機
１１、１１′ 合分波器
１２ 光受信機
１３ 伝送用光ファイバ
１４ 光増幅器
１５ 光増幅部
１６ 合分波器

Claims (9)

1. コア又はクラッドにＥr を添加したＥr 添加ファイバと、前記Ｅｒ添加ファイバの途中に挿入された光フィルタと、励起光源と、該励起光源からの励起光と信号光とを合波して前記Ｅr 添加ファイバへ導く光学的手段と、前記Ｅｒ添加ファイバから出射される出力光を前記励起光と前記信号光とに分波する手段とを備えた光信号を増幅する光増幅器であって、
   前記光フィルタは、前記信号光の波長帯域内において５ｎｍ以上２５ｎｍ以下の透過波長帯域幅を有することを特徴とする光増幅器。
2. 請求項１に記載の光増幅器であって、前記光増幅器は、前記励起光が前記光フィルタをバイパスする導波路を備えたことを特徴とする光増幅器。
3. 請求項１に記載の光増幅器であって、前記光フィルタは、前記信号光の波長帯域内において１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の透過波長帯域幅を有することを特徴とする光増幅器。
4. 請求項１乃至３に記載の光増幅器であって、前記励起光源が生成する励起光を分岐する分岐手段と、該分岐手段によって分岐された励起光と前記光フィルタから出射される出力光とを合波して前記複数のＥr 添加ファイバに導く手段とを備えたことを特徴とする光増幅器。
5. 請求項１乃至４に記載の光増幅器であって、前記信号光の波長帯域がＳ帯にあることを特徴とする光増幅器。
6. 請求項５に記載の光増幅器であって、前記Ｅｒ添加ファイバは、波長が１４８０ｎｍ帯の光の前記Ｅr 添加ファイバにおける合計の損失値が、５ｄＢ以上であるＥr 添加石英ファイバ、９ｄＢ以上であるＥr 添加テルライトファイバ、および７ｄＢ以上であるＥr 添加フッ化物ファイバのいずれか１つであることを特徴とする光増幅器。
7. 信号光を生成する信号光源および前記信号光を光変調する光変調器を備えた光送信機が光合分波器の各ポートに接続された送信部と、光増幅器と、信号光を受信する光受信機が光合分波器の各ポートに接続された受信部と、前記送信部、前記光増幅器、および前記受信部を接続する伝送用光ファイバとを備え、前記光増幅器が、前記送信部から出射された出力光を増幅し、前記受信部へ出力する光通信システムであって、
   前記光合分波器は、透過波長帯域３０ｎｍ以下である２つ以上の入出力端を備え、
   前記光増幅器は、前記Ｅｒ添加ファイバの途中に挿入され、前記信号光の波長帯域内において５ｎｍ以上２５ｎｍ以下の透過波長帯域幅を有する光フィルタを備えたことを特徴とする光通信システム。
8. 請求項７に記載の光通信システムであって、前記光増幅器の一部または全部が、複数の光信号を同時に増幅する光増幅器であることを特徴とする光通信システム。
9. コア又はクラッドにＥr を添加したＥｒ添加ファイバにグレーティングが形成されたファイバーグレーティングであって、前記ファイバーグレーティングは、該ファイバーグレーティング中を伝播する信号光の波長帯域内において５ｎｍ以上２５ｎｍ以下の透過波長帯域幅を有することを特徴とする光増幅用部品。
   

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