JP2009043849A - 光ファイバ増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】希土類添加ファイバにおける散乱光に起因する利得制御誤差が低減された、利得を一定値に保持する光ファイバ増幅器を提供すること。
【解決手段】実施形態１に係る光ファイバ増幅器１００は、制御回路１０９において利得制御に用いる基準電圧に入力信号光パワーに応じたオフセット量を加えて散乱光の影響を低減している。入力信号光パワーが増加すると、光フィルタ１０７を通過した光に含まれる散乱光が増加する。したがって、そのような光を電圧に変換して基準電圧との差分が０になるように制御を行うと、励起光パワーが所望の利得を与える値よりも小さくなってしまうので、入力信号光パワーの増加に応じた正のオフセットを基準電圧に加えている。入力信号光パワーが減少した場合は逆に負のオフセットを加えればよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ増幅器に関し、より詳細には、利得を一定値に保持する光ファイバ増幅器に関する。

利得を一定値に保持する機能を有する光ファイバ増幅器の利得制御方法には種々の方式があるが、その１つとして、増幅媒体である希土類添加ファイバの側方向に放射される自然放出光（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ光：ＳＥ光）の強度を光検出器により検出し、その検出結果に基づいて希土類添加ファイバへの励起光パワーを調整する方法がある（特許文献１参照）。

希土類添加ファイバを増幅媒体とする光ファイバ増幅器の利得Ｇは、希土類添加ファイバの側方向に放射される自然放出光を光検出器で検出して得られる光電流Ｉ_SEと
Ｇ＝ａＩ_SE＋ｂ（ａおよびｂは定数） （１）
の関係にあり、利得を一定値に保持する機能を有する光ファイバ増幅器では光電流Ｉ_SEが所望の一定値となるように制御が行われる。

特開平４−３５６９８４号公報 特許第３２３０７０８号公報

しかしながら、この利得制御方法では、光検出器による検出に希土類添加ファイバにおいてレイリー過程等により散乱された励起光、入力信号光、および自然放出増幅光（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ光：ＡＳＥ光）が含まれ、これらの散乱光が制御誤差となって利得制御精度を著しく低下させてしまう（特許文献２の段落０００４等を参照）。

すなわち、希土類添加ファイバの側方向に放射される光を検出して得られる光電流Ｉ_Detを用いて制御を行うと、
Ｉ_Det＝Ｉ_SE＋Ｉ_Sct （２）
であり光電流Ｉ_Detに散乱光による成分Ｉ_Sctが含まれるため、Ｉ_Detが一定になるように励起光を制御すると光電流Ｉ_SEが所望値からずれて利得に誤差が生じる。散乱光による光電流Ｉ_Sctが大きいほど、光電流Ｉ_SEが所望値に比べて小さくなってしまう。

特に、入力信号光のパワーの変化に応じて光電流Ｉ_Sctが変動すると、散乱光に起因して生じた利得の誤差も変動することとなる。光電流Ｉ_SEが非常に小さくＩ_SctとＩ_SEが同程度となる場合、入力信号光パワーが変化した際の利得の誤差が大きい。

図７は、従来の利得制御方法により利得を一定値に保持する機能を有する光ファイバ増幅器の利得制御の結果を示す図である。この例では入力信号として１２チャネルの信号を使用しており、１２チャネル合計の光パワーがそれぞれ−５ｄＢｍ、０ｄＢｍおよび＋５ｄＢｍのときの利得スペクトルを示している。入力信号光パワーが−５ｄＢｍから＋５ｄＢｍに１０ｄＢだけ増加すると、利得スペクトルが最大で２．５ｄＢ程度減少してしまうことが分かる。これは、入力信号光パワーの増加により散乱光による光電流Ｉ_Sctが増加し、光電流Ｉ_Detを用いて制御を行うことにより光電流Ｉ_SEが所望値に比べて小さくなっているためである。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、希土類添加ファイバにおける散乱光に起因する利得制御誤差が低減された、利得を一定値に保持する光ファイバ増幅器を提供することにある。

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、利得を一定値に保持する光ファイバ増幅器であって、入力信号光に励起光を合波する合波器と、前記合波器の出力を増幅し、出力信号光を出力する希土類添加ファイバと、前記希土類添加ファイバの側方向に放射される光から前記励起光の散乱光を抑制する光フィルタと、前記光フィルタを通過した光のパワーを検出して第１の電気信号に変換する第１の光検出器と、前記励起光のパワーを制御して、前記第１の電気信号を前記一定値の利得に対応する電気信号に調整する制御回路とを備え、前記一定値の利得に対応する電気信号は、前記入力信号光のパワーに応じたオフセット量を加えてオフセットされることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記オフセット量は、前記入力信号光を分岐し、分岐された前記入力信号光を第２の光検出器により第２の電気信号に変換し、前記第２の電気信号に予め定めた演算を施して算出されることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記予め定めた演算は、線形演算であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、利得を一定値に保持する光ファイバ増幅器であって、等しい周波数間隔で多重された入力信号光に励起光を合波する合波器と、前記合波器の出力を増幅し、出力信号光を出力する希土類添加ファイバと、前記希土類添加ファイバ近傍に配置され、櫛状の透過スペクトルを有し、光遮断波長が前記入力信号光の波長と一致する第１の光フィルタと、前記第１の光フィルタの入力側または出力側のいずれかに配置され、前記励起光の散乱光を抑制する第２の光フィルタと、前記第１および第２の光フィルタを通過した光のパワーを検出して電気信号に変換する光検出器と、前記励起光のパワーを制御して、前記電気信号を前記一定値の利得に対応する電気信号に調整する制御回路とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、制御目標である利得に対応する電気信号を入力信号光のパワーに応じたオフセット量を加えてオフセットすることにより、希土類添加ファイバにおける散乱光に起因する利得制御誤差が低減された、利得を一定値に保持する光ファイバ増幅器を提供することができる。

また、本発明によれば、櫛状の透過スペクトルを有し、光遮断波長が入力信号光の波長と一致している希土類添加ファイバ近傍に配置された光フィルタを備えることにより、希土類添加ファイバにおける散乱光に起因する利得制御誤差が低減された、利得を一定値に保持する光ファイバ増幅器を提供することができる。

以下、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る光ファイバ増幅器の構成を示している。光ファイバ増幅器１００は、希土類添加ファイバ１０５を増幅媒体として入力信号光が増幅されて出力信号光となるものであり、希土類添加ファイバ１０５の側方向に放射される自然放出光および散乱光を検出して利得の制御に利用している。光ファイバ増幅器１００の構成および機能を以下に説明する。

入力信号光が、光分岐回路１０１で分岐される。光分岐回路１０１で分岐された一方の光が、光アイソレータ１０２を通過して合波器１０３に入力される。合波器１０３において、励起光源１０４からの励起光が入力信号光に合波される。合波器１０３の出力が希土類添加ファイバ１０５で増幅され、出力信号光が光アイソレータ１０６を通過して出力される。

希土類添加ファイバ１０５からは、その側方向に自然放出光および散乱光が放出されており、自然放出光および散乱光が、希土類添加ファイバ１０５の近傍に配置された光フィルタ１０７を通過する。光フィルタ１０７は、散乱光のうち、励起光に起因する成分を抑制するものである。光フィルタ１０７が励起光を遮断し、自然放出光を透過させるバンドパスフィルタとすれば、励起光の散乱光は容易除去することができるが、信号光に起因する散乱光は主にレイリー散乱光であって信号光波長と一致し、且つ信号光波長は自然放出光が強く放出される波長帯と一致するため信号光に起因する散乱光をバンドパスフィルタで除去することは困難である。ＡＳＥ光に起因する散乱光は通常無視しうる程度のものであり、ここでは考慮しない。

光検出器１０８が、光フィルタ１０７を通過した光のパワーを検出して電流に変換する。制御回路１０９が、その電流を電流−電圧変換して基準電圧との差分を求め、差分に応じた制御信号を励起光源１０４に入力する。制御信号により励起光源１０４が発生する励起光パワーが調整されて、差分が０に近づく。

ここで基準電圧は、所望の利得Ｇを与える光検出器１０８の出力電流に対応する電圧である。入力信号光パワーを一定としておき励起光パワーを変化させることで、光ファイバ増幅器１００の利得と光検出器１０８の出力電流との関係を測定することができる。所望の利得Ｇを与える光検出器１０８の出力電流を制御回路１０９において電流−電圧変換した値が基準電圧である。増幅器１００の利得と光検出器１０８の出力電流との関係は、数式（１）のように一次関数近似をしてもよいし、より高い制御精度を得るために高次関数近似をしてもよい。予め求めた基準電圧は、制御回路１０９内の記憶装置に格納してもよいし、外部の記憶装置から読み出してもよい。

このように光ファイバ増幅器１００は利得を一定値に保持する機能を有するが、本実施形態に係る光ファイバ増幅器１００は、基準電圧に入力信号光パワーに応じたオフセット量を加えて散乱光の影響を低減している。入力信号光パワーが増加すると、光フィルタ１０７を通過した光に含まれる散乱光が増加する。したがって、そのような光を電圧に変換して基準電圧との差分が０になるように制御を行うと、励起光パワーが所望の利得を与える値よりも小さくなってしまうので、入力信号光パワーの増加に応じた正のオフセットを基準電圧に加えている。入力信号光パワーが減少した場合は逆に負のオフセットを加えればよい。

具体的には、光分岐回路１０１で分岐された入力信号光の他方を、光検出器１１０により電流に変換する。制御回路１０９においてその電流を電圧に変換し、そして予め定めた演算を施して基準電圧に加えるオフセット量を算出する。予め定めた演算は、上述のように入力信号光パワーが増加した場合には正、減少した場合には負のオフセット量を与えるものであるが、たとえば一次関数近似を行い、オフセット量を、ｃ×（光検出器１１０の出力電流に対応する電圧値）＋ｄ（ｃ，ｄは測定により得られる定数）のように求めることができる。より高い制御精度を得るために高次関数近似をしてもよい。

図２は、実施形態１に係る光ファイバ増幅器の利得制御の結果を示す図である。この例では入力信号として１２チャネルの信号を使用しており、１２チャネル合計の光パワーがそれぞれ−５ｄＢｍ、０ｄＢｍおよび＋５ｄＢｍのときの利得スペクトルを示している。オフセット量の算出には一次関数近似を用いた。入力信号光パワーが−５ｄＢｍから＋５ｄＢｍに１０ｄＢだけ増加しても、利得スペクトルの変化が０．５ｄＢ以下であり、従来技術（図７）と比較して大幅な制御精度の改善が得られている。

なお、入力信号光パワーに対応する光電流値（その電流−電圧変換後の電圧）に一次関数の演算を行い基準電圧を変化させても結果はほぼ同じである。

また、本実施形態では、制御回路１０９において電流−電圧変換を行い電圧を用いて利得を制御したが、電流を用いて利得制御を行うことができることに留意されたい。すなわち、電圧または電流のいずれかを電気信号として使用することができる。

（実施形態２）
図３は、実施形態２に係る光ファイバ増幅器の構成を示している。光ファイバ増幅器３００は、希土類添加ファイバ１０５を増幅媒体として入力信号光が増幅されて出力信号光となるものであり、希土類添加ファイバ１０５の側方向に放射される光を検出して利得の制御に利用している点で実施形態１に係る光ファイバ増幅器１００と同一だが、光ファイバ増幅器３００では、入力信号光パワーに応じた基準電圧のオフセットではなく、光フィルタ３０７の構成により散乱光に起因する利得制御誤差を低減している。なお本実施形態では、入力信号として波長多重信号を用いている。実施形態１においては、１波のみでもよい。

光フィルタ３０７は、希土類添加ファイバ１０５の近傍に配置されたファブリ・ペロー・エタロンフィルタであり、その透過スペクトルが櫛状になっている。光フィルタ３０７を透過させて光検出器１０８で検出した、希土類添加ファイバ１０５であるＥｒ添加ファイバの放出光の検出スペクトルは図４のようになり、その包絡線は図５に示したＥｒ添加ファイバの自然放出光スペクトルにほぼ一致する。したがって、光フィルタ３０７は自然放出光パワーの波長依存性を損なうことなく検出することができるものである。

光フィルタ３０７のこの特性は、散乱光の波長が入力信号光の波長と一致することを利用して、光フィルタ３０７の光遮断波長と入力信号光の波長とを一致させることにより、等しい周波数間隔で多重された波長多重信号による散乱光を一括して遮断することで得られる。なお、希土類添加ファイバ１０５と光フィルタ３０７の間に挿入された光フィルタ１０７は励起光に起因する散乱光を抑制するものであり、励起光波長の光を遮断し、自然放出光の波長帯の光を透過させるバンドパスフィルタである。励起光波長は、通常９８０ｎｍ近傍、あるいは１４８０ｎｍ近傍である。光フィルタの配置は図３に示したように希土類添加ファイバ１０５と光フィルタ１０７の間に限定されるものではなく、光フィルタ３０７と光検出器１０８の間に挿入しても効果は同じである。

図６は、実施形態２に係る光ファイバ増幅器の利得制御の結果を示す図である。この例では入力信号として８０チャネル波長多重信号を使用しており、８０チャネル合計の光パワーがそれぞれ−５ｄＢｍ、０ｄＢｍおよび＋５ｄＢｍのときの利得スペクトルを示している。入力信号光パワーが−５ｄＢｍから＋５ｄＢｍに１０ｄＢだけ増加しても、利得スペクトルの変化が０．５ｄＢ以下であり、従来技術（図７）と比較して大幅な制御精度の改善が得られている。

なお、本実施形態に係る光ファイバ増幅器３００は、特許文献２に記載されているような、入力信号光の波長帯外の自然放出光を光フィルタで透過させて光検出器により検出する従来の光ファイバ増幅器とは異なり、入力信号光の波長帯が自然放出光の波長帯に広く分布している場合にも精度良く自然放出光を検出することができる。実際、波長多重伝送システムの信号波長帯はＣ帯でおおよそ１５３０−１５６５ｎｍ、Ｌ帯でおおよそ１５７０−１６０５ｎｍであり、これらのシステムにおいて入力信号光の波長帯外の自然放出光を検出すると、強度が大きい波長帯の自然放出光を遮断することとなり、自然放出光パワーの検出精度が劣化する。一方、本発明の構成においては、精度良く自然放出光パワーを検出できる。

実施形態１に係る光ファイバ増幅器の構成を示す図である。 実施形態１に係る光ファイバ増幅器の利得制御の結果を示す図である。 実施形態２に係る光ファイバ増幅器の構成を示す図である。 希土類添加ファイバの放出光の、実施形態２に係る光フィルタ透過後の検出スペクトルを示すグラフである。 希土類添加ファイバの自然放出光スペクトルを示すグラフである。 実施形態２に係る光ファイバ増幅器の利得制御の結果を示す図である。 従来の利得制御方法により利得を一定値に保持する機能を有する光ファイバ増幅器の利得制御の結果を示す図である。

符号の説明

１００、３００ 光ファイバ増幅器
１０１ 光分岐器
１０２、１０６ 光アイソレータ
１０３ 合波器
１０４ 励起光源
１０５ 希土類添加ファイバ
１０７、３０７ 光フィルタ
１０８ 光検出器
１０９ 制御回路
１１０ 光検出器（第２の光検出器に相当）

Claims (4)

1. 利得を一定値に保持する光ファイバ増幅器であって、
   入力信号光に励起光を合波する合波器と、
   前記合波器の出力を増幅し、出力信号光を出力する希土類添加ファイバと、
   前記希土類添加ファイバの側方向に放射される光から前記励起光の散乱光を抑制する光フィルタと、
   前記光フィルタを通過した光のパワーを検出して第１の電気信号に変換する第１の光検出器と、
   前記励起光のパワーを制御して、前記第１の電気信号を前記一定値の利得に対応する電気信号に調整する制御回路と
   を備え、
   前記一定値の利得に対応する電気信号は、前記入力信号光のパワーに応じたオフセット量を加えてオフセットされることを特徴とする光ファイバ増幅器。
2. 前記オフセット量は、前記入力信号光を分岐し、分岐された前記入力信号光を第２の光検出器により第２の電気信号に変換し、前記第２の電気信号に予め定めた演算を施して算出されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅器。
3. 前記予め定めた演算は、線形演算であることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ増幅器。
4. 利得を一定値に保持する光ファイバ増幅器であって、
   等しい周波数間隔で多重された入力信号光に励起光を合波する合波器と、
   前記合波器の出力を増幅し、出力信号光を出力する希土類添加ファイバと、
   前記希土類添加ファイバ近傍に配置され、櫛状の透過スペクトルを有し、光遮断波長が前記入力信号光の波長と一致する第１の光フィルタと、
   前記第１の光フィルタの入力側または出力側のいずれかに配置され、前記励起光の散乱光を抑制する第２の光フィルタと、
   前記第１および第２の光フィルタを通過した光のパワーを検出して電気信号に変換する光検出器と、
   前記励起光のパワーを制御して、前記電気信号を前記一定値の利得に対応する電気信号に調整する制御回路と
   を備えることを特徴とする光ファイバ増幅器。

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