JP3980503B2 - 光増幅器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅器に関する。より詳細には、希土類イオンを含有する増幅媒体を備えた光増幅器の利得プロファイルを制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（ＷＤＭ）通信は、近年における光通信容量の急増に対応する最も有効な手段の１つである。ＷＤＭ通信では信号チャネル数の増加により、通信容量の拡大を行うことを特徴としているが、そのためには信号波長域の拡大が不可欠である。
【０００３】
現在のＷＤＭ通信では、希土類イオン添加光ファイバ増幅器が使用されている。ＷＤＭ通信で使用されている増幅帯域としては、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の増幅帯域であるＣ帯（１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍ）がある。
【０００４】
一方、Ｃ帯と同等の低損失と低分散性を有する帯域として、Ｓ帯（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ）があり、次世代の信号波長域として注目されている。ツリウム添加光ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）は、Ｓ帯に増幅帯域を有しており、精力的な検討がなされている。
【０００５】
Ｓ帯用のＴＤＦＡでは、光増幅器全体でＬ帯のＥＤＦＡと同等のパワー変換効率（４０％）が達成されており、ＷＤＭ伝送の実験も成功している（例えば、ＯＦＣ２００１ ＰＤ−１（非特許文献１）参照）。さらに、Ｃ帯の増幅帯域を使用したＥＤＦＡとＬ帯の増幅帯域を使用したＥＤＦＡとの帯域合波による広帯域化も達成されており、これにより１０．９Ｔｂｉｔ／ｓの広帯域伝送が報告されている（例えば、ＯＦＣ２００１ ＰＤ−２４（非特許文献２）参照）。
【０００６】
ところで、希土類添加光ファイバを増幅媒体として用いた増幅器を中継器として複数用いたＷＤＭ通信において、中継後の増幅器の出力スペクトルが変化し、場合によっては、そのスペクトルが大きく歪むという問題が発生する。
【０００７】
このような現象が現れるのは、伝送路の損失の経時変化や信号チャネル数の変化により光増幅器への入力信号光のパワーが変化し、これによって光増幅器の利得スペクトルが変化し、この変化が伝送路全体で累積して信号の歪みが生じるためである。
【０００８】
上述の増幅器の利得スペクトルが大きく歪む現象は、伝送距離を制限する要因となるため、増幅器の利得スペクトルが一定になるように制御する必要がある。その制御方法としては、各光増幅器において利得プロファイルを一定に保つように制御すること（以下、利得プロファイル一定制御とも称する。）が有効である。
【０００９】
例えば、石英系ＥＤＦＡの制御方法の一例として、１チャネルの信号光の利得をモニタし、そのチャネルの利得が常に一定となるように励起光パワーを制御する方法がある。石英系ＥＤＦＡの利得プロファイルを一定に制御する方法は、この方法でほぼ確立されている。また、フッ化物ＰＤＦＡの利得プロファイル一定制御についても同様の方法で制御することができる。これらの光増幅器の増幅媒体（光ファイバ）は、増幅に関与する準位が実質的に２つである増幅メカニズムにより動作する。そのメカニズムは、増幅に関与する始準位（以下増幅始凖位ともいう）と、増幅に関与する終準位（以下増幅終凖位ともいう）または基底準位のみで取り扱うことができる非常に希なケースである。
【００１０】
これらのケースについて、図１を参照して説明する。図１（Ａ）は石英系ＥＤＦＡの励起準位模式図であり、図１（Ｂ）は、プラセオジム添加光ファイバ増幅器（ＰＤＦＡ）の励起準位模式図である。
【００１１】
石英系ＥＤＦＡでは、図１（Ａ）に示されるように、増幅終準位と基底準位が一致するため、増幅に関与する準位が増幅始準位（４Ｉ１３／２）と増幅終準位（４Ｉ１５／２）の２つとなる。従って、１チャネルの信号光の利得をモニタし、そのチャネルの利得が常に一定となるように励起光源の光量を調節して、利得プロファイルを一定に保つように制御することができる。
【００１２】
また、ＰＤＦＡでは、図１（Ｂ）に示すように、増幅に関与する準位が増幅始準位、増幅終準位および基底準位の３つ存在する。しかし、ＰＤＦＡでは、増幅終準位の蛍光寿命が増幅始準位に比べ非常に短いため、増幅終準位を無視して考えることができる。従って、石英系ＥＤＦＡと同様にして利得プロファイルを一定に保つように制御することができる。
【００１３】
このように、増幅に関与する準位が実質的に２つである場合には、利得プロファイルを一定に保つことは比較的容易である。
【００１４】
しかし、一般には、希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器では、増幅に関与する準位が実質的に２つと見なせる場合は少なく、このような一般的な光増幅器には、上述のような、１つの信号の波長の利得をモニターし、その利得の変化から励起光源の光量を調節して、利得プロファイルを一定に保つように制御する方法を適用することができない。即ち、励起光源の光量を調節して、１つの信号の波長の利得を一定に制御するのみでは、入力信号のレベルの変動やその他の条件（例えば温度変化）に対して利得プロファイルを一定に制御することはできない。
【００１５】
このため、このような系では基本的に２種類の異なる信号の波長での利得をモニタすることが必要となり、複雑な制御をする必要があった。
【００１６】
上述のように、一部の希土類イオンが添加された増幅媒体（光ファイバあるいは光導波路）を用いた光増幅器では、１つの信号の波長の利得をモニタして、励起光を制御して、利得プロファイルを一定に制御することができるが、その他の希土類イオンが添加された増幅媒体を用いた光増幅器では、利得プロファイルを一定に制御することができない。
【００１７】
上述のような１つの信号の波長の利得をモニターし、その変化に基づいて励起光源の光量を調節して、利得プロファイルを一定に保つ方法とは別に、共振器を用いて利得プロファイルを一定に保つ方法も提案されている。
【００１８】
例えば、E. Desurvire et al., "Gain control in erbium-doped fiber amplifiers by all-optical feedback loop"., IEEE, Electronics Letters. Vol. 27, No.7, pp.560-561, 28th March 1991（非特許文献３）では、フィードバックループの構成を導入して、１波長のＡＳＥをレーザ発振させ、該波長の利得をクランプすることにより、利得スペクトラムを制御する技術が提案されている。この他、利得をクランプする技術として、欧州特許出願公開第０４９７４９１号明細書（特許文献１）、特表平９−５０９０１２号公報（特許文献２）、特開平１１−１４５５３３号公報（特許文献３）などがある。
【００１９】
しかし、上述のような共振器を用いる方法は、増幅に大きく関与する準位（即ち、利得スペクトルの状態を決定する上で考慮すべき準位をいう。）が２つのみである石英系ＥＤＦＡに対しては制御可能であるが、ＴＤＦＡ、その他の希土類添加光ファイバ増幅器に対しては制御できない。
【００２０】
【特許文献１】
欧州特許出願公開第０４９７４９１号明細書
【００２１】
【特許文献２】
特開平７−５２１６７５号公報
【００２２】
【特許文献３】
特開平１１−１４５５３３号公報
【００２３】
【非特許文献１】
ＯＦＣ２００１ ＰＤ−１
【００２４】
【非特許文献２】
ＯＦＣ２００１ ＰＤ−２４
【００２５】
【非特許文献３】
E. Desurvire et al., "Gain control in erbium-doped fiber amplifiers by all-optical feedback loop"., IEEE, Electronics Letters. Vol. 27, No.7, pp.560-561, 28th March 1991
【００２６】
【非特許文献４】
Ｅ. Desurvire, "Erbium-Doped Fiber Amplifiers," A. Wiley-Interscience Publication, Chapter 1, 1994
【００２７】
【非特許文献５】
Won Jae Lee et al., "Gain excursion & tilt compensation algorithm for TDFA using 1.4 μm/1.5μm dual wavelength control"., OFC2002, ThZ3
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、簡易な方法で、広く一般の希土類添加増幅媒体を用いた光増幅器に適用できる、利得プロファイルを一定に制御できる光増幅器および制御方法が望まれている。
【００２９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、広く一般的な希土類イオンが添加された増幅媒体を用いた光増幅器において、利得プロファイルを一定に保つように簡便に制御できる光増幅器を提供することにある。
【００３０】
また、本発明の目的は、広く一般的な希土類イオンが添加された増幅媒体を用いた光増幅器を用いて利得プロファイルを一定に保つように制御する制御方法を提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面は、希土類を添加した増幅媒体を用いる光増幅器において、利得プロファイルを一定に保つように制御できる光増幅器に関する。特に本発明の光増幅器は、一般の希土類イオンを１または複数添加した増幅媒体を用いる光増幅器に関する。
【００３２】
第１の実施形態によれば、本発明の光増幅器は、増幅媒体としての希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した、増幅に大きく関与する準位が３つ以上である希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、前記増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体内で生じた増幅された自然放出光のスペクトル内の少なくとも１波長でレーザー発振させる光共振器、前記増幅媒体へ入力される少なくとも１つの信号光の入力パワーおよび前記増幅媒体から出力される信号光の出力パワーであって、前記信号光の入力パワーおよび前記信号光の出力パワーが同じ波長範囲であるものをモニタする監視手段、および前記監視手段によりモニタされた信号光の入力パワーおよび信号光の出力パワーの値の比または利得、または、信号光の入力パワーおよび信号光の出力パワーを変換して得られる電気信号の値の比または利得を算出し、これに基づいて前記励起手段の励起光源の光量を制御するための制御部を含み、前記制御部により算出された比または利得が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように、前記制御部が前記励起手段を制御して励起光源の光量を制御するものであって、利得プロファイルを一定に保つように制御することを特徴とする。
【００３４】
本発明の第２の側面は、光増幅器の利得プロファイルを一定に制御するための方法である。
【００３５】
本発明の第１の実施形態の制御方法は、増幅媒体としての希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した、増幅に大きく関与する準位が３つ以上である希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、レーザー発振をさせる光共振器、監視手段、および前記励起手段を制御するための制御部とを含む光増幅器の利得プロファイルを一定に制御する方法であって、光増幅器内で前記光共振器により増幅媒体の増幅された自然放出光の前記増幅媒体内で生じた増幅された自然放出光のスペクトル内の少なくとも１波長でレーザ発振を起こさせることと、前記監視手段が前記増幅媒体に入力する信号光の入力パワーおよび前記増幅媒体から出力される信号光の出力パワーであって、前記信号光の入力パワーおよび前記信号光の出力パワーが同じ波長範囲であるものをモニタし、前記制御部が前記監視手段によりモニタされた信号光の入力パワーおよび信号光の出力パワーの値の比または利得、または、信号光の入力パワーおよび信号光の出力パワーを変換して得られる電気信号の値の比または利得を算出し、これに基づいて、前記制御部が前記励起手段を制御して前記励起光源の光量を制御することを含み、前記制御部により算出された比または利得が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように、前記制御部が前記励起手段を制御して励起光源の光量を制御することを特徴とする。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の側面は、希土類を添加した増幅媒体を用いる光増幅器において、利得プロファイルを一定に保つように制御できる光増幅器に関する。
【００３８】
本発明の第２の側面は、希土類を添加した増幅媒体を用いる光増幅器の利得プロファイルを一定に保つための制御方法に関する。
【００３９】
本発明では、上述のように第１の実施形態および第２の実施形態の光増幅器および制御方法がある。まず第１および第２の実施形態の原理について説明する。
【００４０】
まず、増幅に関与する準位が増幅終凖位と増幅始凖位の２つの準位のみである希土類を添加した増幅媒体を用いる場合についてその光増幅器と利得プロファイルを一定に制御する方法について説明する。このような増幅器には、増幅媒体として石英系ＥＤＦＡを用いたものがある。
【００４１】
石英系のエルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）を増幅媒体とする光増幅器は、増幅に関与する準位が増幅終凖位(４Ｉ１５／２）と増幅始凖位(４Ｉ１３／２）の２つの準位であり、比較的簡単な系である。
【００４２】
このような増幅器は、例えば石英系ＥＤＦを増幅媒体とする光増幅器（石英系ＥＤＦＡ）は、石英系ＥＤＦ、石英系ＥＤＦを励起するための励起手段、入力信号光などをモニターするためのモニター手段、およびこのモニター手段からの情報を基に励起手段を制御するための制御部を少なくとも有する。
【００４３】
図２（Ａ）は、石英系ＥＤＦを増幅媒体とする光増幅器のＥｒ３＋イオンのエネルギー凖位を示す図である。この光増幅器では、増幅の終凖位(４Ｉ１５／２）から増幅の始凖位(４Ｉ１３／２）へ励起する方法を用いて増幅を行っている。石英系ＥＤＦＡの利得プロファイル一定制御の方法の一例は、１チャネル（以下、ｃｈ．とも表記する。）の信号光の利得をモニタし、そのチャネルの利得が常に一定となるように励起光パワーを制御するものである。
【００４４】
以下にこの制御の原理を説明する。
【００４５】
波長λにおけるエルビウム添加光ファイバ増幅器の長手方向の位置ｘにおける単位長さあたりの利得Gain（λ，ｘ）は、以下の式で表される（例えば、E. Desurvire, "Erbium-Doped Fiber Amplifiers," A. Wiley-Interscience Publication, Chapter 1, 1994（非特許文献４）参照)。
【００４６】
Ｇａｉｎ（λ，ｘ）＝（σｅ（λ）Ｎ２（ｘ）−（σａ（λ）Ｎ１（ｘ））
（ｅｑ１）
【００４７】
【数１】
【００４８】
σｅ：誘導放出断面積
σａ：誘導吸収断面積
Ｎ２（ｘ）：位置ｘでの増幅の始凖位(４Ｉ１３／２）のイオン数
Ｎ１（ｘ）：位置ｘでの増幅の終凖位(４Ｉ１５／２）のイオン数
Ｎｔｏｔａｌ：全イオン数
【００４９】
ここで（ｅｑ１）、（ｅｑ２）式より、下式を得る。
【００５０】
Ｇａｉｎ（λ，ｘ）＝（σｅ（λ）Ｎ２（ｘ）−（σａ（λ）（Ｎｔｏｔａｌ−Ｎ２（ｘ）） （ｅｑ３）
【００５１】
（ｅｑ３）式から解るように、変数はＮ２のみになる。
【００５２】
ここで、誘導放出断面積および誘導吸収断面積は、増幅媒体に添加される希土類イオンの物性で決定しているため、利得スペクトルを固定するためにはＮ２を固定すること、即ち増幅始準位と増幅終凖位のイオン数を固定する必要がある。
【００５３】
ＷＤＭ伝送などでは、伝送路の損失の経時変化や信号チャネル数の変化により光増幅器への入力信号光のパワーが変化する。このような変化は、石英系ＥＤＦＡでは、４Ｉ１３／２に存在するＥｒ３＋の誘導放出速度が変化することに繋がり、結果として、Ｎ２が変化し、（ｅｑ３）から解るように利得スペクトルが変化する。
【００５４】
従って、石英系ＥＤＦを増幅媒体として用いる光増幅器のように、増幅に関与する準位が２つである場合には、任意の信号光波長をモニタし、この信号波長での利得を一定に保つように励起光パワーを制御すれば、光増幅器への入力パワーに関わらず（ｅｑ３）に基づいて利得スペクトルは一定に保たれる。
【００５５】
利得を一定に制御するための具体的手順は、増幅用光ファイバの入力端および出力端で信号光を分波して、それぞれの場所での信号光パワーを検出し、その検出値から信号光の利得を算出し、算出された利得値と設定値との誤差成分が零になるように励起光量を調節する。これが石英系ＥＤＦを増幅用光ファイバとして用いた光増幅器で利得プロファイルを一定に制御するため原理である。
【００５６】
ところで、このように増幅メカニズムが増幅始凖位と終凖位にいるイオンのみで記述できる系は非常にまれである。たとえば、エルビウム添加光ファイバで前記と同じ誘導放出を利用する場合においても、光ファイバを構成するホストガラスをフッ化物ガラスに変えただけでも、増幅の始凖位よりさらに高エネルギーの励起凖位への遷移と、遷移した先の凖位での寿命が無視できなくなる。このような場合には、ある波長（例えば入力信号光の１つの波長）での利得を一定に制御したとしても、利得プロファイルは一意的に決まらなくなる。これは、増幅動作を記述するにあたり、増幅始凖位、増幅終凖位およびそれ以外のイオン数を考慮する必要が生じたためである。即ち、例えばＴＤＦＡでは、総イオン数が下記の（ｅｑ２’）により表され、上記（ｅｑ３）のように１つのパラメータ（Ｎ２）を考慮するのみでは不十分となり、その他の準位のイオン数を考慮しなければならなくなったためである。
【００５７】
【数２】
【００５８】
３つの準位が増幅に大きく関与する希土類添加光ファイバを用いる光増幅器には、ツリウム添加光ファイバ（ＴＤＦ）を用いた光増幅器がある。この光増幅器では、図２Ｂに示すように、４準位の光増幅器であるが、増幅に大きく関与する準位が３つ存在する。即ち、ＴＤＦＡでは、増幅に大きく関与するエネルギー凖位として、増幅の始凖位、終凖位および基底凖位が存在する。従って、これらの準位を全て考慮する必要があるため、ＥＤＦＡでの議論のように１波長の利得をモニターし、これを一定にするように制御するだけでは前記３つの凖位間のイオン数を一定に保つことはできない。
【００５９】
図３は、ＷＤＭ信号を増幅する場合、ＴＤＦＡにおいて光増幅器へ入射する波長λ１の信号光のパワーと、ＴＤＦＡより増幅されて出射された波長λ１の信号光のパワーより計算される利得を一定にするようにＴＤＦＡの励起光量を調節した場合の、光増幅器の特性を示す図である。
【００６０】
図３中に示すａ〜ｃは、ＴＤＦＡへの全入力信号パワーが低い場合をａ、中間の値の場合をｂ、高い場合をｃとして、光増幅器の特性を示したものである。この特性を評価した条件は、ＴＤＦＡのＴｍ３＋添加濃度が６０００ｐｐｍであり、励起波長が１４００ｎｍであった。増幅用のＴｍ添加フッ化物光ファイバの励起は、この光ファイバに対して前方向および後方向より励起を行う双方向励起である。前方向励起光パワーと後方向励起パワーの比は常に一定とした。図３より明らかなように、単に一波長の利得を一定にしただけでは入力信号光パワーの変化に対して利得プロファイルが変化する。
このような現象は、共振器を用いた利得クランプを使用する場合にも発生する。つまり、発振波長での利得は常に一定となるが、それ以外の利得は一意に定まらず、利得プロファイルは一定にならない。
【００６１】
このような増幅に大きく関与する準位が３つ存在する増幅媒体を含む光増幅器を制御する方法として次のような制御方法が提案されている。この制御方法は、ＴＤＦＡ光増幅器に関するもので、２通りの方法がある。この制御方法の１つは、双方向励起のＴＤＦＡ光増幅器で利用される。この制御方法では、２種類の信号光の利得をモニタする。このモニタ情報に基づいて、増幅用光ファイバの前方と後方の励起光のパワーの比を制御することにより利得帯域を調節し、且つ、総励起光パワーを制御することにより全体の利得を調節する方法である。ＴＤＦＡでは、前方と後方の励起光のパワー比を変化させると利得スペクトルが波長シフトするという現象が発生する。
【００６２】
また、ＴＤＦＡの第２の制御方法として、２波長（１．４μｍ、１．５６μｍ）の励起光源の光量を制御し、利得スペクトルを調節する方法がある（Won Jae Lee et al., "Gain excursion & tilt compensation algorithm for TDFA using 1.4 μm/1.5μm dual wavelength control"., OFC2002, ThZ3（非特許文献５）参照）。
【００６３】
上述のような実質的に増幅に関与する準位が２つである増幅媒体を含む光増幅器を除き、希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器の場合、励起光源の光量の調節により一波長の利得を一定値に制御するのみでは、入力信号のレベルの変動や他の条件の変化（例えば温度変化）に対して、利得プロファイルを一定に制御することはできない。このため、このような系では基本的に２種類の信号波長での利得をモニタすることが必要となり、複雑な制御をする必要があった。
【００６４】
本発明の光増幅器および制御方法では、増幅始凖位、増幅終凖位およびその他の凖位を考慮する必要がある希土類を添加した増幅媒体を用いることができる。以下では、その他の準位が第３の準位のみである場合について説明するが、本発明はこれに限定されず、さらに多くの準位が関与する場合も含む。
【００６５】
本発明の光増幅器では、第３の準位が誘導放出遷移に関与し、終凖位または第３の凖位が基底凖位であるような増幅媒体を利用することができる。そして、本発明の制御方法は、これら３つの凖位のイオン数を以下の（１）〜（４）方法で制御することによって、簡便な利得プロファイル一定制御を実現する。
（１）第１の方法
この方法では、上述した３つの凖位のうち、誘導放出を起こしている増幅媒体の任意の２つの凖位間での遷移により、当該光増幅器を含む光路中でレーザ発振を行わせ、同時に、例えば波長多重された信号光のうちの任意の信号光または増幅帯域内で別途に入力された任意の入力信号光をモニタし、その波長について利得を一定に制御する。
（２）第２の方法
この方法では、上述した３つの凖位のうち、誘導放出を起こしている増幅媒体の任意の２つの凖位間での遷移により、当該光増幅器を含む光路中でレーザ発振を行わせ、同時に光増幅器に入射される信号光の入射パワーとレーザ発振光のパワーをモニタし、このパワーから得られた値に基づいて利得プロファイルを一定に制御する。
（３）第３の方法
この方法では、上述した３つの凖位のうちの、誘導放出を起こしている増幅媒体の任意の２つの凖位間での遷移により、当該光増幅器を含む光路中でレーザ発振を行わせ、同時に信号光の出射パワーとレーザ発振光のパワーをモニタし、このパワーから得られた値に基づいて利得プロファイルを一定に制御する。
（４）第４の方法
この方法は、信号光のモニタを行わない方法である。この方法は、上述した３つの準位から選択される２つの準位からなる、異なる２種類の遷移で２種類のレーザー発振を行わせる。即ち、上述した３つの凖位のうち、誘導放出を起こしている増幅媒体の任意の２つの凖位間での第１の遷移により、光増幅器を含む光路中で第１のレーザ発振を行わせる。これと同時に、３つの凖位のうち、第１の遷移に係わった凖位とは異なる組み合わせで、光増幅器を含む光路中において第２のレーザ発振を行わせる。
【００６６】
上述した第１〜第３の方法（第１の実施形態）によれば、光増幅器を含む光路中でレーザ発振を行わせるので、レーザ発振に関与する２つの凖位のイオン数が一定の関係を満たすようになる。この条件下で、さらに任意の光信号の利得若しくは入力光のパワー若しくは出力光のパワーが所定の値となるように励起光の強度を制御すれば、残った一つの凖位も含めて、３つの凖位のイオン数を一意に定めることが可能となる。この結果、利得プロファイルを一意的に固定することができる。
【００６７】
上述した第４の方法（第２の実施形態）では、３つの凖位全てがレーザ発振に関与するので、３つの凖位のイオン数が一定の関係を満たすようになる。ここで、増幅媒体に添加された希土類イオンの総数が一定であるという条件を課すことで、３つの凖位のイオン数が一意に定まる。この結果、利得プロファイルを一意的に固定することができる。
【００６８】
本発明では、複数のレーザ発振を起こさせることが可能である。
【００６９】
上述のように、第１〜第３の方法では、本発明では、光増幅器中でレーザ発振を行わせ、同時に任意の信号光の利得をモニタすること、または、光増幅器中でレーザ発振を行わせ、信号光とレーザ発振光との光量をモニタすることにより利得プロファイルを一定に制御することを特徴とする。上記第１〜第３の方法では、具体的なモニタ信号として、以下の３つのものを使用することができるが、これらは例示であり、本発明はこれらに限定されない。
【００７０】
（Ｉ）入力された少なくとも一つの信号光について、増幅媒体へ入力する信号光パワーを一部分岐し、光電変換して得られた電気信号と、増幅媒体より出力される信号光パワーを一部分岐し、光電変換して得られた電気信号との比より算出される、前記信号光の利得に比例した電気信号（以下、第１モニタ法という）。なお、入力された少なくとも１つの信号光は、伝送される信号光であってもよく、光増幅器にモニタ用信号として別途入力される信号であってもよい。
【００７１】
（ＩＩ）入力された全信号光パワーを一部分岐し、光電変換して得られた電気信号と、増幅媒体入力端での共振器内のレーザ発振光の光を一部分岐してこの光を光電変換して得られた電気信号（レーザ発振光のパワーに比例した信号）との和または線形結合された電気信号（以下、第２モニタ法という）。
【００７２】
（ＩＩＩ）出力される全信号光パワーを一部分岐し、光電変換して得られた電気信号と、増幅媒体出力端での共振器内のレーザ発振光の光を一部分岐してこの光を光電変換して得られた電気信号（レーザ発振光のパワーに比例した信号）との和または線形結合された電気信号（以下、第３モニタ法という）。
【００７３】
モニタ信号を用いずに制御を行う方法（上記第４の方法）の場合は、増幅媒体を含む光増幅器内で２種類の光共振器により２種類のレーザ発振を行う。この方法では、この２種類の光共振器でレーザ発振された発振光の波長は、例えば、次の３種類から選ばれる。本発明では特に、異なる２種類の波長を用いることができる。
【００７４】
（Ａ）レーザ発振光の波長は、増幅始凖位から増幅終凖位への誘導放出により発生する増幅された自然放出光（ＡＳＥ）スペクトルの範囲内に含まれる（以下、第１光共振器という）。
【００７５】
（Ｂ）レーザ発振光の波長は、増幅始凖位から基底凖位への誘導放出により発生する増幅された自然放出光（ＡＳＥ）スペクトルの範囲内に含まれる（以下、第２光共振器という）。
【００７６】
（Ｃ）レーザ発振光の波長は、増幅終凖位から基底凖位への誘導放出により発生する増幅された自然放出光（ＡＳＥ）スペクトルの範囲内に含まれる（以下、第３光共振器という）。
【００７７】
本発明の第１の実施形態によれば、上記原理に従った第１の光増幅器が提供される。本発明の光増幅器は、増幅媒体、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体内で生じたＡＳＥのスペクトル内の少なくとも１波長でレーザー発振させる光共振器と、該光増幅媒体に入力する光から選ばれる少なくとも一つの所定の波長範囲の光のパワーおよび該光増幅媒体から出力される光から選ばれる少なくとも一つの所定の波長範囲の光のパワーから選択される少なくとも１つの光パワーをモニタする監視手段、前記監視手段より得られた値を基に前記励起手段を制御するための制御部とを含む。
【００７８】
第１の実施形態によれば、上記原理に従った第１の制御方法が提供される。第１の制御方法には、例えば、上記第１の実施形態の光増幅器を用いる方法が含まれ、光増幅器内で前記光共振器により増幅媒体の増幅された自然放出光の前記増幅媒体内で生じた増幅された自然放出光のスペクトル内の少なくとも１波長でレーザ発振を起こさせることと、前記監視手段により該光増幅媒体に入力する光から選ばれる少なくとも一つの所定の波長範囲の光のパワーおよび該光増幅媒体から出力される光から選ばれる少なくとも一つの所定の波長範囲の光のパワーから選択される少なくとも１つの光パワーをモニタし、前記監視手段より得られた値を基に、前記制御部が前記励起手段を制御して前記励起光源の光量を制御することとを含む。
【００７９】
第２の実施形態によれば、上記原理に従った第２の光増幅器が提供される。本発明の光増幅器は、増幅媒体、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体内で生じたＡＳＥを複数の発振波長でレーザー発振させる光共振器を含む。
【００８０】
上述したような発振波長を有する光共振器を得るためには、光共振器中に求める波長を選択するための光バンドパスフィルタ、またはこれと同等の波長選択素子が必要である。また、光共振器の１周回におけるレーザ発振波長での損失を調節するための何らかの手段、たとえば可変光減衰器、固定光アッテネータ等が含まれていることが好ましい。損失を調整する素子および波長を調整する素子は、光共振器を構成する際に使用される光分岐手段（例えば、レーザ発振光を分離または合波する手段）に機能として含ませることも可能である。
【００８１】
第２の実施形態によれば、上記原理に従った第２の制御方法が提供される。この制御方法には、例えば、上記第２の形態の光増幅器を用いる方法が含まれ、前記増幅媒体内で生じた増幅された自然放出光を複数の発振波長でレーザー発振させることが含まれる。
【００８２】
第１の実施形態および第２の実施形態では、監視手段には、光バンドパスフィルタを含むことが好ましい。また、第１および第２の実施形態には、上記（１）〜（３）、（Ｉ）〜（ＩＩＩ）、および（Ａ）〜（Ｃ）に従った方法、モニタ法、および共振器が含まれる。
【００８３】
本発明では、増幅媒体に添加される希土類イオンは、１種類であっても複数種類であってもよい。
【００８４】
以下に図面を参照して本発明の光増幅器および利得プロファイル一定制御の方法をさらに具体的に説明するが、これらは例示であり、本発明はこれらに限定されない。
【００８５】
本発明の第１の実施形態は、光増幅器の出力端と入力端との間でループを形成した光共振器を含む光増幅器に関する。第１の実施形態の光増幅器の概略を図４に示し、第２の実施形態の光増幅器の概略を図５に示す。
【００８６】
第１の実施形態の光増幅器４００（図４）は、光共振器４０２、監視手段４０４と制御部４２０を具備した光増幅器である。光共振器４０２は、増幅媒体４１０と、これを励起する励起手段４１２と、光分岐手段４１４，４１６と、波長選択素子４１８を具備する。また、監視手段４０４は、該光増幅媒体に入力する光から選ばれる少なくとも一つの所定の波長範囲の光のパワーおよび該光増幅媒体から出力される光から選ばれる少なくとも一つの所定の波長範囲の光のパワーから選択される少なくとも１つの光パワーをモニタする。制御部４２０は、監視手段から得られた値を基に励起手段４１２を制御する。本実施形態では、監視手段４０４はモニタされる光を制御部に入力するための光分岐手段４２６，４２８を含む。
【００８７】
増幅媒体４１０は、希土類元素イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバを好適に用いることができる。特に本発明では、ツリウム添加光ファイバ、エルビウム添加光ファイバ、ホルミウム添加光ファイバなどを使用することができる。具体的には、増幅媒体としては、希土類イオンを添加した増幅用光ファイバを用いることができ、これは、ホストガラスとして石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスまたはテルライトガラス等である。希土類イオンは、いずれのイオンであってもよいが、ツリウムイオン（Ｔｍ３＋）、ホルミウムイオン（Ｈｏ３＋）、エルビウムイオン（Ｅｒ３＋）が好ましい。本発明では、これらのイオンの１種または複数種を増幅媒体に添加することができる。
【００８８】
励起手段４１２は、増幅媒体を励起するための励起光源４２２、４２４、励起光源からの光を合波するための合波器４３６，４３８を含む。この光源は、希土類添加光ファイバの励起に一般に用いられるものである。例えば、半導体ＬＤ、ＩｎＧａＡｓ歪み量子井戸ＬＤなどが用いられる。具体的には、例えばＮｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザまたはファイバレーザ等がある。図４に示される光増幅器では、励起光は双方向励起であるが、本発明はこれに限定されず、前方励起および後方励起であってもよい。
【００８９】
光分岐手段は、溶融延伸のファイバ型（分岐型、波長分割多重型いずれも）誘電体多層膜、ファイバグレーティングまたはファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等であり、入力信号および／またはＡＳＥの一部を反射して取り出すためのデバイスである。
【００９０】
また、共振器系に含まれる波長選択素子には、誘電体多層膜、ファイバグレーティングなどの光フィルタが含まれる。
【００９１】
本発明では、光共振器には、可変光減衰器などを導入することもできる。本発明では、光共振器は、増幅媒体の利得と共振系の１周回の損失が一致したところで発振するが、可変光減衰器などを導入することにより、増幅媒体の利得と共振系の１周回の損失の関係を調整することができる。
【００９２】
合波器は、励起光／信号光合波カップラのような通常の合波器を使用すればよい。
【００９３】
監視手段４０４では、光分岐手段４２６，４２８で分岐されたモニタされる光（以下モニタ信号とも称する）（図４中の第１の信号および第２の信号）が監視部４１９へ入力される。この監視部からの情報に基づいて、制御部４２０が演算を施し、この値に基づいて励起手段４１２が励起光の制御を行う。監視手段４０４は、光分岐手段４２６，４２８で分岐されたモニタ信号を電気信号に変換する光電変換器などを含んでいてもよい。光電変換器は、モニタ信号を電気信号に変換する。本発明では、このモニタ信号または電気信号をモニタする。
【００９４】
制御部４２０の例は、差分信号発生回路、利得信号算出回路（わり算回路）、およびこれらの組み合わせ、和信号発生回路と線形結合算出回路などである。本発明では、監視手段および制御部は、以下の制御を行うものを含む。
【００９５】
（ｉ） 前記監視手段が、少なくとも１つの信号光の入力および出力パワーをモニタし、前記制御部が、前記監視手段より得られた値から信号光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御する。
【００９６】
（ｉｉ） 前記監視手段が、前記増幅媒体の信号入力端における前記光共振器内のレーザ発振光および増幅媒体に入射する信号光のパワーをモニタし、前記制御部が、前記監視手段より得られたレーザ発振光パワー値と信号光パワー値の和、またはレーザ発振光パワー値と信号光パワー値の線形結合により得られる値を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御する。
【００９７】
（ｉｉｉ） 前記監視手段が、前記増幅媒体の信号入力端において前記光共振器内のレーザ発振光の一部と増幅媒体に入射する信号光の一部を同時に取り出して、その総パワーをモニタし、前記制御部が、前記監視手段より得られた値が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御する。
【００９８】
（ｉｖ） 前記監視手段が、前記増幅媒体の信号出力端における前記光共振器内のレーザ発振光および増幅媒体から出射する信号光のパワーをモニタし、前記制御部が、前記監視手段より得られたレーザ発振光パワー値と信号光パワー値の和、またはレーザ発振光パワー値と信号光パワー値の線形結合により得られる値を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御する。
【００９９】
（ｖ） 前記監視手段が、前記増幅媒体の信号出力端において前記光共振器内のレーザ発振光の一部と増幅媒体から出射する信号光の一部を同時に取り出して、その総パワーをモニタし、前記制御部が、前記監視手段より得られた値が、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御する。
【０１００】
なお、第１の実施形態では、図４に示されるようにアイソレータ４３０，４３２を設けることも好ましい。
【０１０１】
本実施形態において、光共振器を構成する各部材および制御部などの任意の構成要素は、図４に示される配置のみではなく、種々の配置をとることができる。
【０１０２】
第１の実施形態の利得プロファイルを一定に制御する方法では、光増幅器に入力される入力信号および／または光増幅器内の増幅媒体で増幅された自然放出光（ＡＳＥ）の一部を取り出し、これを発振させる。また、モニタされる光（以下モニタ信号とも称する）（図４中の第１の信号および第２の信号）が監視部４１９へ入力される。この監視部からの情報に基づいて、制御部４２０が演算を施し、この値に基づいて励起手段４１２が励起光の制御を行う。本発明では、モニタ信号またはモニタ信号を変換して得られる電気信号をモニタする。
【０１０３】
本発明では、監視手段および制御部により、上記（ｉ）〜（ｖ）の制御を行う。
【０１０４】
以下に本発明の光増幅器を用いた制御方法（本発明の光増幅器の動作）について具体的に説明する。以下の説明では、シングルパスの構成で説明をするが、本発明は、ダブルパスの構成、双方向光増幅器の構成などを用いることもできる。
【０１０５】
まず、信号光は、図４中の左側より入射し、光分岐素子４２６によりその一部が分岐される。分岐された信号光は、第１の信号として監視部４１９に入力される。第１の信号は、電気信号であることが好ましい。従って、本実施形態では、分岐された信号光を電気信号に変換する光電変換素子などにより、モニタ信号光を電気信号に変換することが好ましい。光分岐素子４２６を通過した信号光は、光分岐素子４１４、アイソレータ４３２、合波器４３６を通過して増幅媒体４１０に入る。
【０１０６】
励起光は、合波器４３６，４３８を介して前方および後方から入射される。増幅された信号光はアイソレータ４３０、光分岐素子４１６，４２８を通過した後に出力される。光分岐素子４２８は、出力信号光の一部をモニタするために該信号光の一部を分岐するのものである。ここで分岐された光は第２の信号として監視部４１９に入力される。第２の信号は、電気信号であることが好ましい。従って、本実施形態では、分岐された信号光を電気信号に変換する光電変換素子などにより、分岐された信号光を電気信号に変換することが好ましい。
【０１０７】
ここで、モニタする光は１チャネル以上の波長数を有するＷＤＭ光、または、光増幅器に別途入力される、増幅帯域の波長を有する光などである。本発明では、上記（ｉ）〜（ｖ）に示される監視手段によりモニタされる信号であることが好ましい。
【０１０８】
第１の信号と第２の信号は監視部４１９を経て制御部４２０に入力され、これらの入力信号の利得などの値が求められ、その値が、予め設定された値と一致するような励起光源の電流値を算出し、その電流値となるように励起光源４２２，４２４の光量を調整する。本発明の制御部は、上記（ｉ）〜（ｖ）に記載の処理および制御を行う。
【０１０９】
アイソレータ４３０より出射される信号光およびＡＳＥ光は、光分岐素子４１６によりその一部が取り出され、波長選択素子４１８を介して、光分岐素子４１４より再度増幅媒体４１０に注入される。本実施形態では、少なくとも増幅媒体４１０、励起手段４１２、光分岐素子４１４，４１６および波長選択素子を含むループにより光共振器が形成される。
【０１１０】
この光共振器の発振波長は、光分岐素子４１４，４１６の分岐特性に波長依存性を持たせるか、または波長選択素子４１８の機能を使用するかのいずれか、または、これらの両方を同時に使用することで特定される。光共振器は、この発振波長において、光共振器の１周回の損失と増幅媒体４１０の利得が一致するところで発振する。定常的に安定した発振が可能な場合、発振する条件以上の励起光量を励起光源から注入しても、波長選択素子などで選択された発振波長での増幅媒体４１０の利得は変化しない。
【０１１１】
以上のようにして、光増幅器内で光共振器によりレーザ発振を起こさせ、上記（ｉ）〜（ｖ）に示される監視手段によりモニタしながら利得プロファイルが一定になるように励起光源の光量を調節する。
【０１１２】
本発明の第２の実施形態は、複数の共振器を具備した光増幅器およびその増幅器の利得プロファイルを一定に制御する方法である。
【０１１３】
第２の実施形態の光増幅器の概略を図５に示す。図５は、２つの共振器を備えた光増幅器を表す。以下では、この例に基づいて説明をする。本実施形態の光増幅器５００は、第１の光共振器５０２および第２の光共振器５０４を含む。第１の光共振器５０２は、増幅媒体５１０と、これを励起する励起手段５１２と、光分岐手段５１４，５１６と、波長選択素子５１８を具備する。第２の光共振器５０４は、増幅媒体５１０と、これを励起する励起手段５１２と、光分岐手段５２０，５２２と、波長選択素子５２４を具備する。
【０１１４】
励起手段５１２は、増幅媒体を励起するための励起光源５２６、５２８、励起光源からの光を合波するための合波器５３０，５３２を含む。図５に示される光増幅器では、励起光は双方向励起であるが、本発明はこれに限定されず、前方励起および後方励起であってもよい。
【０１１５】
本実施形態では、図５に示すように、２つの光共振器が発信状態を維持できるように、発振判定回路５３４を有してもよい。発振判定回路は、各光共振器から発振光の一部を取り出すための光分岐素子５３６,５３８と共に発振判定手段を形成する。発振判定回路５３４へは、例えば、光分岐素子５３６,５３８により信号光を取り出し、光電変換素子などを介して電気信号として信号が入力される。
【０１１６】
また、本実施形態においても、光共振器には、可変光減衰器などを導入することもできる。本発明では、光共振器は、増幅媒体の利得と共振系の１周回の損失が一致したところで発振するが、可変光減衰器などを導入することにより、増幅媒体の利得と共振系の１周回の損失の関係を調整することができる。
【０１１７】
第２の実施形態では、図５に示されるようにアイソレータ５４０，５４２を設けることも好ましい。
【０１１８】
なお、本実施形態において、光共振器を構成する各部材および発振判定回路などの任意の構成要素は、図５に示される配置のみではなく、種々の配置をとることができる。
【０１１９】
本実施形態の各素子などは、先の第１の実施形態で説明したものと同じものを使用することができる。
【０１２０】
以下に本実施形態の光増幅器を用いた制御方法（本発明の光増幅器の動作）について具体的に説明する。以下の説明では、シングルパスの構成で説明をするが、本発明は、ダブルパスの構成、双方向光増幅器の構成などを用いることもできる。
【０１２１】
信号光は、光分岐素子５１４，５２０とアイソレータ５４０と合波器５３０を介して増幅媒体５１０に入射する。増幅媒体５１０より出射した信号光は、合波器５３２とアイソレータ５４２と光分岐素子５２２，５１６を介して出射される。
【０１２２】
本実施形態では、第１の共振器および第２の共振器を発振状態に維持するために、発振判定回路を有することが好ましい。光分岐素子５３８により、第１の共振器内の光が分岐され、これがモニタ信号として発振判定回路５３４に入力される。また、光分岐素子５３６により、第２の共振器内の光が分岐され、これがモニタ信号として発振判定回路５３４入力される。モニタ信号としての光は、光電変換素子などにより電気信号に変換されることが好ましい。両者のモニタ信号により共に２つの共振器が発振するように励起光源５２６，５２７から出射される励起光源の光量が制御される。
【０１２３】
また、上記第１および第２の実施形態では、監視手段に光バンドパスフィルタを含め、モニタ信号をこれに通すことが好ましい。
【０１２４】
以上述べた各実施形態の光増幅器では、特に増幅媒体内での信号光の伝搬方向については規定していなかったが、光増幅器が以下の（ａ）〜（ｃ）の構成を有し、信号光がこれらに示される伝搬方向をとることができる。
【０１２５】
（ａ）増幅媒体の入力側または出力側の両方、或いは、これらのどちらか一方に光アイソレータが接続される。信号光は、増幅媒体内を一方向のみに伝搬する（本明細書中で、シングルパスという）。
【０１２６】
（ｂ）増幅媒体の一方に光サーキュレータが接続され、増幅媒体の他端には少なくとも信号光を反射させるミラー機能を有するデバイスが接続される。信号光は光サーキュレータを通過して増幅媒体中を進行し、増幅される。次いで、信号光は、これを反射させるミラーにより折り返されて増幅媒体中を反対方向に進行し、増幅される。増幅された信号光は、サーキュレータを通過して出射する（本明細書で、ダブルパスという）。この場合、上記の第１モニタ法から第３モニタ法について考えると、信号光を一部分岐してモニタ信号を取り出すために光分岐手段が設けられるが、その設置位置は、増幅媒体より見て光サーキュレータを介して設置される信号出射ポートに各々設置しても良い。また、光分岐手段を、光サーキュレータと増幅媒体との間に設置することもできる。この場合、光分岐手段自体の持つ結合動作の方向性により入力側モニタと出力側モニタとを区別することができる。
【０１２７】
（ｃ）増幅媒体の両方に光サーキュレータが接続される。２種類の進行方向の異なる信号光が同時または時間的に分離された状態で増幅媒体中を互いに逆方向に進行し、増幅される（以下、双方向光増幅器という）。この場合、上記の第１モニタ法から第３モニタ法について考えると、信号光を一部分岐してモニタ信号を取り出すために光分岐手段が設けられるが、その設置位置は、双方向の信号光のうち、どちらか一方の信号光を規準にして増幅媒体の入力側と出力側に設置されればよい。具体的には、光分岐手段は、サーキュレータの外側、サーキュレータと増幅媒体との間に設置することができる。
【０１２８】
（実施例）
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本実施例は、本発明の第１の実施形態の例であり、特に上記（１）に相当する光増幅器および制御方法の例である。
【０１２９】
図６は、本発明の光増幅器を説明するための構成図である。図６に示されるように、本発明の光増幅器は、光共振器、監視手段、および制御部を含む。光共振器は、増幅媒体１３０６、該増幅媒体を励起するための励起光源１３１４，１３１７、波長選択素子１３０５、可変光減衰器１３０７、波長選択素子および可変光減衰器へ信号光の一部を分岐する光分岐素子、波長選択素子および可変光減衰器からの信号光を合波するための光分岐素子１３０２を含む。監視手段は、第１のモニタする信号光を分岐する光分岐素子１３０１、第２のモニタする信号光を分岐する光分岐素子１３１１、制御部１３１６、および、第１および第２のモニタする信号光の共通波長の光を通すための光バンドパスフィルタ１３１２，１３２０と、これらのモニタする信号光を電気信号に変換する光電変換回路１３１３，１３１９を含む。制御部は、該励起光源を制御するための励起光駆動回路１３１５，１３１８を含む。本実施例では、双方向励起の例を示したが、本発明はこれに限定されず、前方励起または後方励起であってもよい。
【０１３０】
使用した増幅媒体１３０６は、Ｔｍイオンを添加、ホストガラスとしてはフッ化物系ガラスの一種であるＺＢＬＡＮガラスである。Ｔｍ３＋の添加濃度は６０００ｐｐｍとした。Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮ系フッ化物光ファイバの長さは５ｍとした。励起光源１３１４，１３１７は、１４００から１４３０ｎｍまでの発振波長を持つ半導体レーザを使用した。モニタする信号光を取り出す部分の光分岐素子１３０１，１３１１は、誘電体多層膜ミラーを使用し、入射信号光の１％を反射して取り出す形式のデバイスである。
【０１３１】
信号光は、１４８０ｎｍから１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用した。光バンドパスフィルタ１３１２，１３２０は、中心波長１４８０ｎｍ、透過帯域の半値全幅が０．８ｎｍのものを使用した。光電変換回路１３１３，１３１９は、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮ−ＰＤを使用した。光共振器を構成する光分岐素子１３０２，１３１０は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１５１３〜１５１６ｎｍでの分岐比が９５％である。
【０１３２】
波長選択素子１３０５は、誘電体多層膜を使用したもので、透過帯域の中心波長が１５１３ｎｍ、損失０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器１周回での１５１３〜１５１６ｎｍでの損失が１８ｄＢになるように可変光減衰器１３０７を調整した。可変光減衰器は光増幅器で通常用いられるものである。
【０１３３】
監視部１３１６は、第１のモニタ信号（本実施例では第１の電気信号）と第２のモニタ信号（本実施例では第２の電気信号）の比から信号光の利得を算出するわり算回路などを含む。より具体的には、差分信号を発生させる差分信号発生回路と利得信号算出回路（わり算回路）が含まれる。
【０１３４】
以下、図６に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。まず、信号光は、図６中の左側より入射し、光分岐素子１３０１によりその一部が分岐される。分岐されたモニタする信号光は、光バンドパスフィルタ１３１２を介して光電変換回路１３１３に入って第１の電気信号となる。光分岐素子１３０１を通過した信号光は、光分岐素子１３０２、アイソレータ１３０３、励起光／信号光合波カップラ１３０４を通過して増幅媒体１３０６に入る。
【０１３５】
励起光は、励起光／信号光合波カップラ１３０８を介して後方向からも入射される。増幅された信号光はアイソレータ１３０９、光分岐素子１３１０，１３１１を通過した後に出力される。光分岐素子１３１１は、出力信号光の一部をモニタするためのものであり、光バンドパスフィルタ１３２０を介して光電変換回路１３１９に入って第２の電気信号となる。
【０１３６】
ここで、信号光は１チャネル以上の波長数を有するＷＤＭ光である。２台の光バンドパスフィルタ１３１２，１３２０の通過波長は同一であり、ＷＤＭ信号光の特定の１チャネルの波長に合わせてある。
【０１３７】
アイソレータ１３０９より出射される信号光およびＡＳＥ光は、光分岐素子１３１０によりその一部が取り出され、可変光減衰器１３０７と波長選択素子１３０５を介して、光分岐素子１３０２より再度増幅媒体１３０６に注入される。これにより光共振器が形成される。
【０１３８】
この光共振器の発振波長は、光分岐素子１３０２，１３１０の分岐特性に波長依存性を持たせるか、または波長選択素子１３０５の機能を使用するかのいずれか、或いは両方同時に使用することで特定の波長が選ばれる。選択された発振波長では、光共振器は、光共振器の１周回の損失と増幅媒体１３０６の利得が一致するところで発振する。定常的に安定した発振が可能な場合、発振する条件以上の励起光量を注入しても発振波長での増幅媒体１３０６の利得は変化しない。
【０１３９】
上述の、第１の電気信号と第２の電気信号は、割り算回路１３１６により利得信号に変換される。この利得信号により、予め設定された値と一致するように励起光駆動回路１３１５，１３１８が調整され、励起光源の光量が制御される。励起光は、励起光／信号光合波カップラ１３０４，１３０８により増幅媒体に注入される。
【０１４０】
図７は、光共振器を構成するための光分岐素子の位置関係を説明するための図である。なお、図７において、図６と同じ構成要素には、図６と同じ符号を用いた。光共振器を構成するための光分岐素子１３０２，１３１０の位置は、色々なケースがある。光共振器は、光分岐素子１３０２と増幅媒体１３０６と光分岐素子１３１０と可変光減衰器１３０７と波長選択素子１３０５のループにより構成される。この場合、光分岐素子１３０２，１３０１および励起光／信号光合波カップラ１３０４の挿入位置は、光アイソレータ１３０３を挟んでＡ，Ｂの位置が可能である。
【０１４１】
特に、励起波長での光アイソレータ１３０３の通過損失が高い場合には、励起光／信号光合波カップラ１３０４の挿入位置はＢが望ましい。Ａ，Ｂの範囲で、各々の素子の挿入位置は、発振波長における各分岐手段の損失、カップラの損失などにより適当な位置が決められるが、その配置は必ずしも図６で示した位置に限定されない。
【０１４２】
同様に、光分岐素子１３１１，１３１０および励起光／信号光合波カップラ１３１７の挿入位置は、ＣおよびＤの位置が可能である。一般的には、光アイソレータ１３０９の光の逆方向阻止比は、広い波長域で高いことが多いので、励起光／信号光合波カップラ１３１７の挿入位置は、Ｃの位置が望ましい場合が多い。光分岐素子１３１１，１３１０および励起光／信号光合波カップラ１３１７に関しては、ＣおよびＤの範囲で、発振波長における各分岐部の損失、カップラの損失などにより適当な位置を決めることができる。しかし、その配置は必ずしも図６で示した位置に限定されない。
【０１４３】
図８は、各入力信号レベルを変えた場合の、利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。つまり、各入力信号レベルを−２５，−２０，−１５，−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に設定し入力した場合の利得スペクトルについて、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．での利得スペクトルを規準として、入力が変わった際の利得スペクトルを、規準スペクトルからのずれのうち最大の値をプロットした図である。
【０１４４】
励起光量は、光共振器が発振するしきい値の約１．３倍とした。利得の評価は、−３５ｄＢｍの小信号プローブ光をスキャンすることにより測定した。図８中の点線は、モニタする信号光による利得の制御をかけない場合の結果である。図８中の実線は、１４８０ｎｍの信号光をモニタし制御回路を働かせて、１４８０ｎｍでの利得が一定になるように制御を行った場合の値をプロットしたものである。図８より、制御をかけることにより利得プロファイルが一定となることが明らかとなった。
【０１４５】
（実施例２）
本実施例は、上記（１）で表される光増幅器の例である。
図９は、本発明の光増幅器の第２実施例を説明するための構成図である。本実施例は、ダブルパスの構成を用いた光増幅器の例であり、特に、反射型の光増幅器の例である。
【０１４６】
本実施例の光共振器は、実施例１と同様の構成を有する。本実施例では、光共振器の入力端にサーキュレータ１５０３が設けられ、光共振器の出力側にミラー１５０８を設ける。本実施例の光増幅器の監視手段は、図９に示されるように、第２の信号光を取り出す光分岐素子１５０２が、増幅された出力信号を取り出すサーキュレータ１５０３の出力端側に設けられることを除いて実施例１と同様である。本実施例では、双方向励起の例を示したが、本発明はこれに限定されず、前方励起または後方励起であってもよい。
【０１４７】
図９において、増幅媒体１５２６には、Ｔｍ３＋を２０００ｐｐｍの濃度で添加したＩｎ系フッ化物光ファイバを使用した。光ファイバ長は２０ｍである。励起光源は、１０３０ｎｍで発振するＩｎＧａＡｓ歪み量子井戸ＬＤを使用した。本実施例の光増幅器は、モニタする信号光を取り出すために、第１の電気信号を取り出すための構成と、第２の電気信号を取り出すための構成を含む。第１の電気信号を取り出すための構成は、光分岐素子１５０１、光バンドパスフィルタ１５１７および光電変換回路１５１９を含む。第２の電気信号を取り出すための構成は、光分岐素子１５０２、光バンドパスフィルタ１５１８および光電変換回路１５２０を含む。
【０１４８】
光分岐素子１５０１，１５０２は、誘電体多層膜ミラーを使用し、入射信号光の１％を反射して取り出す形式のデバイスである。
【０１４９】
信号光は、１４６０ｎｍから１４９０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用した。光バンドパスフィルタ１５１７，１５１８は、中心波長１４６０ｎｍ、透過帯域の半値全幅が０．８ｎｍのものを使用した。光電変換回路１５１９，１５２０は、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮ−ＰＤを使用した。光共振器を構成する光分岐素子１５０４，１５０７は、１４６０〜１４９０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１４９３〜１４９６ｎｍでの分岐比が９５％である。
【０１５０】
波長選択素子１５１０は、誘電体多層膜を使用したものであり、透過帯の中心波長が１４９３ｎｍ、損失０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器１周回での１４９３〜１４９６ｎｍの波長帯における損失が、２０ｄＢになるように可変光減衰器１５１１を調整した。
【０１５１】
以下、図９に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。光分岐素子１５０１を通過した信号光は、サーキュレータ１５０３を介して増幅媒体１５２６に入り、ミラー１５０８で反射されて、再度増幅媒体１５２６を通過し、サーキュレータ１５０３を介して光分岐素子１５０２側に出射される。
【０１５２】
ここで、光分岐素子１５０１，１５０２は、モニタする信号光として一部の信号光を分岐する。分岐されたモニタする信号光は、同一の通過波長を有する光バンドパスフィルタ１５１７，１５１８を介して、必要な信号光成分のみを取り出し、各々光電変換回路１５１９，１５２０に入射して、電気信号に変換される。第１および第２の電気信号は、割り算回路１５１６により利得信号として取り出される。この利得信号により、設定値と一致するように励起光駆動回路１５１４，１５１５が制御され、励起光源１５１２，１５１３の励起光量が制御される。励起光は、励起光／信号光合波カップラ１５０５，１５０６により増幅媒体に注入される。
【０１５３】
光共振器は、光分岐素子１５０４，１５０７と波長選択素子１５１０と可変光減衰器１５１１と増幅媒体１５２６よりなるループにより構成される。ここで、光分岐素子１５０４から、波長選択素子１５１０と可変光減衰器１５１１を経て光分岐素子１５０７を結ぶ光路部分にアイソレータを付加し、光共振器内の発振光の進行方向を規定することも可能である。このアイソレータの有無に関わらず、レーザ発振を起こしている光の波長における増幅媒体の利得は光共振器の１周回の損失により固定され、取り出された波長におけるモニタする信号光の利得は割り算回路１５１６を用いた電気的なフィードバック系により固定されることから、増幅器としての利得プロファイルは一意的に決定される。
【０１５４】
図１０は、ダブルパスの構成を用いた場合の光分岐素子の挿入位置を説明するための図である。モニタ手段、光共振器、および励起手段を構成する各光分岐素子の挿入位置は、図９に示した以外にも色々な位置が可能である。なお、図１０において、図９と同じ構成要素には、図９と同じ符号を用いた。
【０１５５】
入射信号光のモニタ回路（光分岐素子１５０１と光バンドパスフィルタ１５１７と光電変換回路１５１９の組み合わせ）と、出射信号光のモニタ回路（光分岐素子１５０２と光バンドパスフィルタ１５１８と光電変換回路１５２０の組み合わせ）と、励起光の回路（励起光／信号光合波カップラ１５０５と励起光源１５１２、励起光／信号光合波カップラ１５０６と励起光源１５１３の組み合わせ）と、光共振器（光分岐素子１５０４，１５０７と可変光減衰器１５１１と波長選択素子１５１０との組み合わせ）との相互の位置関係について説明する。
【０１５６】
光分岐素子１５０１，１５０２が光方向性結合器の場合、光分岐素子１５０１はＡおよびＢの位置が可能であり、光分岐素子１５０２はＤおよびＢの位置が可能である。一方、光分岐素子１５０４および光分岐素子１５０７は、それぞれＡとＤ、ＢとＣ、ＡとＣ、ＤとＣの組み合わせが可能である。一方、励起光／信号光合波カップラ１５０６はＣの位置が望ましい。励起光／信号光合波カップラ１５０５は、励起波長でのサーキュレータ１５０３の順方向損失、または逆方向損失が十分低ければＡ，Ｄの位置が可能であるが、Ｂの位置が望ましい。Ａ〜Ｄの各領域内での、個々のデバイスの相互の位置関係は、各々のデバイスの光学特性を考慮さえすれば自由に設定できる。
【０１５７】
図１１は、各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた際に、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準として入力を変えた場合の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値をプロットした図である。点線は、モニタする信号光の波長で利得制御をかけない場合の特性であり、実線は利得制御をかけた場合の特性である。図１１より、制御をかけることにより利得プロファイルが一定となることが明らかとなった。
【０１５８】
（実施例３）
本実施例は、上記（１）で表される光増幅器の例である。
図１２は、本発明の光増幅器の第３実施例を説明するための構成図であり、双方向光増幅器の例である。本実施例では、光共振器、監視手段、および制御部は実施例１と同じ構造を有する。本実施例では、図１２に示されるように、光共振器の両端にサーキュレータ１７０２、１７０７を設け、第１の入力信号と第２の入力信号が光共振器に対向して入力される。なお、図１２では、双方向励起の例を示したが、本発明はこれに限定されず、前方励起または後方励起であってもよい。
【０１５９】
増幅媒体１７２６には、Ｔｍ３＋を２０００ｐｐｍの濃度で添加したテルライト系光ファイバを使用した。光ファイバ長は２０ｍである。励起光源１７１５は、１４００ｎｍで発振するＬＤを使用し、励起光源１７１７は、１４００ｎｍで発振するＬＤと１６００ｎｍで発振するＬＤから発生される光を合成して使用した。
【０１６０】
本実施例は、モニタする信号光を使用して利得プロファイルの状態を監視し、励起光駆動回路１７１６、１７１８を使用して励起光源を制御して利得プロファイルを一定に制御する。これらのうち、励起光駆動回路１７１８につながる１４００ｎｍおよび１６００ｎｍで発振する２台のＬＤにフィードバックをかけ、これらの励起光源を制御した。モニタする信号光の取り出しは、光分岐素子１７０１，１７０８により行われ、これらには、融着延伸型のファイバカップラを使用した。この光分岐素子は、入射信号光の１％を反射し取り出す形式のデバイスである。
【０１６１】
信号光には、１４８０ｎｍから１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用した。
【０１６２】
光バンドパスフィルタ１７１１，１７１３は、中心波長１５１０ｎｍ、透過帯域の半値全幅が０．８ｎｍのものを使用した。光電変換回路１７１２，１７１４は、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮ−ＰＤを使用した。光共振器を構成する光分岐素子１７０３，１７０６は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１４７４〜１４７７ｎｍでの分岐比が９５％である。
【０１６３】
波長選択素子１７０９は、誘電体多層膜を使用したもので、透過帯の中心波長が１４７６ｎｍ、損失が０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器１周回での１４７４〜１４７７ｎｍでの損失は２０ｄＢになるように可変光減衰器１７１０を調整した。
【０１６４】
入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、１５１０ｎｍで観測され、その値は、利得制御をかけない場合７ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。
【０１６５】
以下、図１２に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。光分岐素子１７０１を通過した信号光は、サーキュレータ１７０２を介して増幅媒体１７２６に入る。即ち信号光は、光分岐素子１７０３と励起光／信号光合波カップラ１７０４を通過して増幅媒体１７２６中に入り増幅される。後方向励起光は、励起光／信号光合波カップラ１７０５により合波される。
【０１６６】
増幅された信号光は、光分岐素子１７０６、サーキュレータ１７０７を通過し、光分岐素子１７０８を介して取り出される。入射された信号光の一部は、光分岐素子１７０１と光バンドパスフィルタ１７１１と光電変換回路１７１２により電気信号に変換され、出射された信号光の一部は、光分岐素子１７０８と光バンドパスフィルタ１７１３と光電変換回路１７１４により電気信号に変換される。
【０１６７】
各々電気信号は、割り算回路１７２０により利得信号に変化される。この利得信号により、予め設定された値に一致するように、励起光駆動回路１７１６，１７１８を介して励起光源７１５，７１７からの励起光量が調整される。このように、入射された信号光のうち、モニタする信号光の波長における利得は、電気的なフィードバックにより制御される。
【０１６８】
一方、光共振器は、光分岐素子１７０３，１７０６と波長選択素子１７０９と可変光減衰器１７１０と増幅媒体１７２６よりなるループにより構成される。
【０１６９】
ここで、光分岐素子１７０３から、波長選択素子１７０９と可変光減衰器１７１０を経て光分岐素子１７０６を結ぶ光路内にアイソレータを付加し、光共振器内の発振光の進行方向を規定することも可能である。このアイソレータの有無に関わらず、レーザ発振を起こしている光の波長での増幅媒体の利得は、光共振器の１周回の損失により固定され、モニタする信号光の波長における利得は割り算回路１７２０を用いた電気的なフィードバック系により固定されることから、増幅器としての利得プロファイルは一意的に決定される。
【０１７０】
図１３は、図１２に示した構成においてモニタ手段、光共振器および励起手段を構成する各光分岐素子の挿入位置を説明するための図である。モニタおよび光共振器を構成する各光分岐素子の挿入位置は、図１２に示した以外にも色々な位置が可能である。なお、図１３において、図１２と同じ構成要素には、図１２と同じ符号を用いた。
【０１７１】
入射信号光のモニタ回路（光分岐素子１７０１と光バンドパスフィルタ１７１１と光電変換回路１７１２の組み合わせ）と、出射信号光のモニタ回路（光分岐素子１７０８と光バンドパスフィルタ１７１３と光電変換回路１７１４の組み合わせ）と、励起光の回路（励起光／信号光合波カップラ１７０４と励起光源１７１５、励起光／信号光合波カップラ１７０５と励起光源１７１７との組み合わせ）と、光共振器（光分岐素子１７０３，１７０６と可変光減衰器１７１０と波長選択素子１７０９との組み合わせ）との相互の位置関係について説明する。
【０１７２】
光分岐素子１７０１はＡまたはＢの位置が可能である。光分岐素子１７０８は、Ｃ或いはＤの位置が可能である。一方、光分岐素子１７０３と光分岐素子１７０６は、それぞれ、ＡとＤ、ＢとＣ、ＡとＣ、およびＢとＣの組み合わせが可能である。一方、励起光／信号光合波カップラ１７０４はＡまたはＢの位置であり、Ｂの位置が好ましく、励起光／信号光合波カップラ１７０５はＣまたはＥの位置であり、Ｃの位置が好ましい。Ａ〜Ｅの各領域内での個々のデバイスの相互位置は、各々のデバイスの光学特性を考慮さえすれば自由に設定できる。
【０１７３】
（実施例４）
本実施例は、上記（２）で表される光増幅器の例である。
図１４は、本発明の光増幅器の第４実施例を説明するための構成図であり、シングルパスの構成を示す図である。本実施例の光増幅器は、実施例１と同様の構成を有する光共振器と、増幅媒体の入力端における、信号入力の全パワーと共振器の発振を起こしている光のパワーの和をモニタする監視手段、および励起光源を制御する制御部を有する。監視手段は、信号入力光および光共振器の発振を起こしている光を取り出すための光分岐素子１９０２、これらの光のパワーを電気信号に変換する光電変換回路１９１０、この電気信号から励起光駆動回路１９１２，１９１４へ信号を送るための監視部（例えば差分信号発生回路）１９１５を含む。制御部は、励起光源１９１１，１９１３を制御するための励起光駆動回路１９１２，１９１４を具備する。
【０１７４】
増幅媒体１９１６には、Ｅｒを２０００ｐｐｍの濃度で添加したＺｒ系フッ化物光ファイバを使用した。光ファイバ長は７ｍである。
【０１７５】
励起光源１９１１，１９１３には、９８０ｎｍで発振するＬＤを互いに偏波が直交するように配置した偏波多重型励起ユニットを用いた。本実施例は、モニタ信号光を使用して利得プロファイルの状態を監視し、励起光駆動回路１９１２、１９１４を使用して励起光源を制御することにより利得プロファイルを一定にする。本実施例の制御では、全ＬＤ（励起光源）にフィードバック制御をかけたが、励起光／信号光合波カップラ１９０４からの励起光量に対し、励起光／信号光合波カップラ１９０５からの励起光量が常に１．４倍になるようにした。
【０１７６】
モニタ信号光を取り出す部分は、光分岐素子１９０２、光電変換回路１９１０で構成される。光分岐素子１９０２は、誘電体多層膜をフィルタとして使用したパルク型のカップラであり、９００〜１００ｎｍおよび２５００〜３０００ｎｍでの分岐比が１％である。信号光は、２６００から２６３０ｎｍで２ｎｍ間隔の１６波を使用した。光電変換回路１９１０はＰＩＮ−ＰＤを使用した。
【０１７７】
光共振器を構成する光分岐素子１９０１，１９０７は、２６００〜２６３０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、２６１０〜２６５０ｎｍで分岐比が９５％である。波長選択素子１９０８は誘電体多層膜を使用したもので、透過帯の中心波長が２６３０ｎｍ、損失０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器では、１周回での２６１０〜２６５０ｎｍでの損失が２０ｄＢになるように可変光減衰器１９０９を調整した。
【０１７８】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、利得制御をかけない場合５ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．２ｄＢであった。
【０１７９】
以下、図１４に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。この実施例においても、シングルパスの構成、ダブルパスの構成、双方向光増幅器の構成は当てはまる。
【０１８０】
本実施例の光増幅器は、光共振器と、第２モニタ法とを同時に使用する。特に、本実施例では、第２モニタ法において、全信号光を一部分岐する光分岐素子と共振器内のレーザ発振光の増幅媒体入力端での光を一部分岐する光分岐素子とを一つの光分岐デバイスにより行うことを特徴とする。分岐された全信号光のパワーとレーザ発振光のパワーに基づいて、これらの光が同時に導入される一つの光電変換素子に入射されて電気信号に変えられる。
【０１８１】
この電気信号とあらかじめ設定されているレベルとの差分信号成分が零になるように励起光駆動回路を調整する。励起光駆動回路の選択方法は、上述した実施例と同じである。また、使用する光学素子についても上述した実施例で説明したものと同一である。
【０１８２】
信号光は、光分岐素子１９０１，１９０２とアイソレータ１９０３と励起光／信号光合波カップラ１９０４を介して増幅媒体に入射し、増幅媒体内で増幅された信号光は、励起光／信号光合波カップラ１９０５とアイソレータ１９０６と光分岐素子１９０７を介して出射する。光共振器は、光分岐素子１９０１，１９０７と波長選択素子１９０８と可変光減衰器１９０９と増幅媒体１９１６よりなるループにより構成される。
【０１８３】
光分岐素子１９０２は、光共振器内の発振光と全入射信号光を各々規定の比率で取り出す機能を有しており、取り出されたモニタ信号光は、光電変換回路１９１０により電気信号に変換される。この電気信号は、増幅媒体１９１６に入射する光の量に比例した信号レベルとなっており、このレベルが予め定められたレベルと比較さる。比較された信号レベルは、その差分信号を発生する差分信号発生回路１９１５により差分信号として出力され、この差分信号により励起光駆動回路および励起光源がフィードバック制御される。
【０１８４】
この制御により、増幅媒体１９１６の入射端に入る光は、予め定められた値または外部より設定された値に常に一致する。なお、各光分岐手段の挿入位置は自由度があることは言うまでもない。なお、１９１２，１９１４は励起光駆動回路を示している。
【０１８５】
（実施例５）
図１５は、本発明の光増幅器の第５実施例を説明するための構成図であり、シングルパスの構成を示す例である。
【０１８６】
本実施例は、図１５に示されるように、共振器の入力端側で第１のモニタする信号光を取り出すための光分岐素子２００２と、これから取り出されたモニタする信号光を電気信号に変換するための光電変換回路２０１２を含むモニタする信号光を取り出す部分と、光共振器内の可変光減衰器２０１０と光分岐素子２００７の間にアイソレータ２０１１を有することを除いて、実施例４と同じ構成を有する。
【０１８７】
増幅媒体２０２６には、Ｔｍ３＋を６０００ｐｐｍの濃度で添加したＺｒ系フッ化物光ファイバを使用した。光ファイバ長は７ｍである。励起光源２０１４，２０１６は１４００ｎｍで発振するＬＤである。
【０１８８】
本実施例は、モニタする信号光を使用して利得プロファイルの状態を監視し、励起光駆動回路２０１５、２０１７を使用して励起光源を制御することにより利得プロファイルを一定にする。本実施例の制御では、励起光駆動回路２０１５，２０１７につながる１４００ｎｍで発振する全てのＬＤにフィードバック制御をかけた。但し、励起光／信号光合波カップラ２００５からの励起光量をＰ１とし、励起光／信号光合波カップラ２００６からの励起光量をＰ２とした場合、以下の式に従うように互いの光量の関係を制御した。
【０１８９】
Ｐ２（ｍＷ）＝４００ｔ
Ｐ１（ｍＷ）＝１００ｔ＋３００
但し ｔは０から１の実数
【０１９０】
モニタする信号を取り出す部分の光分岐素子２００２，モニタ信号取り出し部分の２００４には、融着延伸型のファイバカップラを使用した。これは、１４７０〜１５３０ｎｍでほぼ一定で１％の分岐比をもつ融着延伸型カップラである。但し、光分岐素子２００２は、図１５中の左から右の方向に伝搬する光のみを分岐し、光分岐素子１００４は、図１５中の右から左の方向に伝搬する光のみを分岐する。信号光は、１４８０ｎｍから１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用した。
【０１９１】
光電変換回路２０１２，２０１３は、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮ−ＰＤを使用した。光共振器を構成する光分岐素子２００３，２００７は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１５１３〜１５１７ｎｍでの分岐比が９５％である。
【０１９２】
波長選択素子２００９は、誘電体多層膜を使用したものであり、透過帯の中心波長が１５１５ｎｍ、損失が０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器は、１周回での１５１５ｎｍでの損失が１７ｄＢになるように可変光減衰器２０１０で調整される。
【０１９３】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、１５１５ｎｍにおいて、利得制御をかけない場合６ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。なお、図中符号２００１，２００８，２０１１は光アイソレータを示している。
【０１９４】
以下、図１５に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。本実施例は、上記第２モニタ法において、全信号光を一部分岐する光分岐素子と共振器内のレーザ発振光の増幅媒体入力端での光を一部分岐する光分岐素子とが別々のものであり、これらを使用することによりそれぞれの光が、それぞれ別の光電変換素子に入射されて、それぞれの光のパワーに対応した各々独立の電気信号に変えられる。得られた電気信号は、何らかの電気的手段により両者の線形結合または和の成分となる電気信号に変換され、これを取り出し、電気信号とあらかじめ設定されているレベルとの差分信号成分が零になるように励起光駆動回路を調整する。励起光駆動回路の選択方法は、上述した実施例と同じである。また、使用する光学素子についても上述した実施例で説明したものと同一である。
【０１９５】
信号光は、アイソレータ２００１と光分岐素子２００２，２００３と励起光／信号光合波カップラ２００５を介して増幅媒体２０２６に入射される。増幅媒体２０２６内で増幅された信号光は、励起光／信号光合波カップラ２００６と光分岐素子２００７とアイソレータ２００８を介して取り出される。
【０１９６】
光共振器は、光分岐素子２００３，２００７と波長選択素子２００９と可変光減衰器２０１０とアイソレータ２０１１と増幅媒体２０２６よりなるループにより構成される。光分岐素子２００２，２００４は、共に方向性結合器として動作する。このために光分岐素子２００４は、信号光とは反対方向に進行する光共振器内のレーザ発振光のみを分岐し取り出す。
【０１９７】
光分岐素子２００２，２００４より取り出された、入射信号光に対応するモニタする信号光、モニタ信号光と、レーザ発振光に対応するモニタ光は、各々光電変換回路２０１２，２０１３により電気信号に変換され、和信号発生回路２０１８において両者の足し算がおこなわれ、同時に外部設定レベルと和成分との比較がおこなわれ両者の差分信号が出力される。
【０１９８】
励起光駆動回路２０１５，２０１７および励起光源２０１４，２０１６では、差分信号が零になるようにフィードバック制御される。なお、各光分岐素子の挿入位置は自由度があることは言うまでもない。
【０１９９】
（実施例６）
本実施例は、上記（３）で表される光増幅器の例である。
【０２００】
図１６は、本発明の光増幅器の第６実施例を説明するための構成図であり、シングルパスの構成を示す例である。
【０２０１】
本実施例では、増幅媒体の入力端における、信号入力の全パワーと共振器の発振を起こしている光のパワーの和をモニタし、励起光源を制御する、監視手段および制御部に代えて、増幅媒体の出力端における、信号出力の全パワーと共振器の発振を起こしている光のパワーの和をモニタし、励起光源を制御する、監視手段および制御部が、図１６に示されるように、アイソレータ２１０５と光分岐素子２１０７の間に設けられていることを除いて、実施例４と同じ構成を有する。
【０２０２】
増幅媒体２１１６としては、Ｔｍ３＋を６０００ｐｐｍの濃度で添加したＺｒ系フッ化物光ファイバを使用した。光ファイバ長は７ｍである。励起光源２１１０，２１１２は１４００ｎｍで発振するＬＤである。
【０２０３】
本実施例は、モニタ信号光を使用して利得プロファイルの状態を監視し、励起光駆動回路２１１１、２１１３を使用して励起光源を制御することにより利得プロファイルを一定にする。
【０２０４】
本実施例の制御では、励起光駆動回路２１１１，１１１３につながる１４００ｎｍで発振する全てのＬＤにフィードバック制御をかけた。但し、励起光／信号光合波カップラ２１０３からの励起光量をＰ１とし、励起光／信号光合波カップラ２１０４からの励起光量をＰ２とした場合、以下の式に従うように互いの光量の関係を制御した。
【０２０５】
Ｐ１（ｍＷ）＝２×Ｐ２（ｍＷ）
【０２０６】
モニタ信号光取り出し部の光分岐素子２１０６には、融着延伸型のファイバカップラを使用する。これは、１４７０〜１５３０ｎｍでほぼ一定で１％の分岐比をもつ融着延伸型カップラである。信号光は、１４８０ｎｍから１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用した。光電変換回路２１１４は、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮ−ＰＤを使用した。
【０２０７】
光共振器を構成する光分岐素子２１０１，２１０７は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１５１３〜１５１７ｎｍでの分岐比が９５％である。波長選択素子２１０８は、誘電体多層膜を使用したものであり、透過帯の中心波長が１５１５ｎｍ、損失０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器では、１周回での１５１５ｎｍにおける損失は１７ｄＢになるように可変光減衰器２１０９が調整された。
【０２０８】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、１５１５ｎｍにおいて、利得制御をかけない場合６ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。
【０２０９】
以下、図１６に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。本実施例では光共振器と、上記第３モニタ法とを同時に使用する。
【０２１０】
信号光は、光分岐素子２１０１とアイソレータ２１０２と励起光／信号光合波カップラ２１０３を介して増幅媒体に入射される。増幅された信号光は、励起光／信号光合波カップラ２１０４とアイソレータ２１０５と光分岐素子２１０６，２１０７を介して取り出される。
【０２１１】
光共振器は、光分岐素子２１０１，２１０７と波長選択素子２１０８と可変光減衰器２１０９と増幅媒体２１１６よりなるループにより構成される。光分岐素子２１０６は、光方向性結合器としては動作しない形式の分岐素子であり、全信号光とレーザ発振光とを同時にある比率でモニタ成分として分岐する。光分岐素子２１０６より取り出されたモニタ信号光は、光電変換回路２１１４により、モニタ信号光のパワーに対応した電気信号に変換され、差分信号発生回路２１１５により外部設定レベルとモニタ成分との比較がおこなわれ両者の差分信号が出力される。
【０２１２】
励起光駆動回路２１１１，２１１３および励起光源２１１０，２１１２では、差分信号が零になるようにフィードバック制御される。なお、各光分岐手段の挿入位置は、自由度があることは言うまでもない。また、光分岐素子を、レーザ発振成分と増幅された信号成分に対して各々別々に用意することも可能である。
【０２１３】
（実施例７）
本実施例は、上記（４）で表される光増幅器の例である。
図１７は、本発明の光増幅器の第７実施例を説明するための構成図であり、シングルパスの構成を示す例である。
【０２１４】
本実施例は、２つの光共振器により光増幅器の利得プロファイルを一定に制御する。本実施例では、２つの共振器に同じ光ファイバを使用するため、両共振器での増幅媒体の希土類イオンの濃度は同じである。従って、上記（４）のような２つの共振器を用いて利得プロファイルを一定に制御するために求められる、共振器内の増幅媒体の希土類イオンの総数が一定であるという条件は満たされる。
【０２１５】
増幅媒体２２２６としては、Ｔｍ３＋を６０００ｐｐｍの濃度で添加したＺｒ系フッ化物光ファイバを使用した。光ファイバ長は７ｍである。励起光源２２１７，２２１９は１４００ｎｍで発振するＬＤである。本発明の制御では、励起光駆動回路２２１８，２２２０につながる１４００ｎｍで発振する全てのＬＤにフィードバック制御をかけた。
【０２１６】
第１の光共振器を構成する光分岐素子２２０１，２２０８は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１５１３〜１５１７ｎｍでの分岐比が９５％である。波長選択素子２２０９は誘電体多層膜を使用したものであり、透過帯の中心波長が１５１５ｎｍ、損失が０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器は、１周回での１５１５ｎｍにおける損失が１７ｄＢになるように可変光減衰器２２１２が調整された。
【０２１７】
第２の光共振器を構成する光分岐素子２２０２，２２０７は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１６００〜１８００ｎｍでの分岐比が９５％である。波長選択素子２２１０は誘電体多層膜を使用したものであり、透過帯の中心波長が１７００ｎｍ、損失が０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器は、１周回での１７００ｎｍにおける損失が１６ｄＢになるように可変光減衰器１２１３が調整された。
【０２１８】
本実施例では、２つの光共振器が常に発振状態となるための制御部分を有する。該制御部分はモニター信号光取り出し部を有する。モニタ信号光取り出し部は、光分岐素子２２１５，２２１１と、光電変換回路２２１４，２２１６を含む。光分岐素子２２１５，２２１１は、融着延伸型のファイバカップラを使用し、１４７０〜１７５０ｎｍでほぼ一定で１％の分岐比をもつ融着延伸型カップラである。光電変換回路２２１６，２２１４は、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮ−ＰＤを使用した。信号光は、１４８０ｎｍから１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用した。
【０２１９】
光電変換回路２２１４，２２１６での電気信号を用いて、第１の光共振器および第２の光共振器が常に発振状態になるように発振判定回路２２２１を用いて励起光源をフィードバック制御した。
【０２２０】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、光共振器による制御をかけない場合に６ｄＢであるのに対し、制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。
【０２２１】
以下、図１７に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。本実施例は、第１の光共振器と第２の光共振器の２つの光共振器を持つ光増幅器の例である。本実施例の場合、励起光源は光増幅器内の２つの光共振器がともにレーザ発振状態に保たれればよい。従って、この目的を達成するために各々のレーザ発振状態をモニタする機能（図１７では、光分岐手段２２１１、光電変換回路２２１６、発振判定回路２２２１、および、光分岐手段２２１５、光電変換回路２２１４、発振判定回路２２２１などから構成される）を光増幅器内に組み込むことができる。この機能によりレーザ発振の状態をモニタし、常に両光共振器がレーザ発振するように励起光源を調整することが可能となる。
【０２２２】
以上に説明した光増幅器において、図１７に示すように、光共振器中に１周回の損失を可変にするための可変減衰器２２１２、２２１３等を含むことも可能である。
【０２２３】
信号光は、光分岐素子２２０１，２２０２とアイソレータ２２０３と励起光／信号光合波カップラ２２０４を介して増幅媒体２２２６に入射する。増幅媒体２２２６より出射した信号光は、励起光／信号光合波カップラ２２０５とアイソレータ２２０６と光分岐素子２２０７，２２０８を介して出射される。
【０２２４】
光共振器は、光分岐素子２２０１と波長選択素子２２０９と可変光減衰器２２１２と光分岐素子２２１５，２２０８により構成される第１の光共振器と、光分岐素子２２０２，２２１１と波長選択素子２２１０と可変光減衰器２２１３と光分岐素子２２０７により構成される第２の光共振器である。
【０２２５】
光分岐素子２２１５は、第１の共振器内の光を分岐し、光電変換回路２２１４に入力するためのものであり、得られた電気信号は発振判定回路２２２１に入力される。光分岐素子２２１１は、第２の共振器内の光を分岐し光電変換回路２２１６に入力するためのものであり、得られた電気信号は発振判定回路２２２１に入力される。両者の電気信号により共に２つの共振器が発振するように励起光駆動回路２２１８，２２２０により、励起光源２２１７，２２１９から出射される励起光量が制御される。なお、各光分岐素子の挿入位置は自由度があることは言うまでもない。
【０２２６】
（実施例８）
図１８は、本発明の光増幅器の第８実施例を説明するための構成図であり、シングルパスを直列に２段に接続する場合を示す。まず、第１の光増幅器について説明する。第１の光増幅器２３０１は、図６に示した実施例１と同一のものである。従って、光増幅器１の構成および動作は、先に実施例１で説明したとおりである。
【０２２７】
また、第２の光増幅器２３０２は、図１４（実施例４）と同じである。従って、以下にこの増幅器の各部品を説明するが、図１４をベースに説明する。
【０２２８】
増幅媒体１９１６としては、Ｔｍ３＋を６０００ｐｐｍの濃度で添加したＺｒ系フッ化物光ファイバを使用した。光ファイバ長は７ｍである。励起光源１９１１，１９１３は１４００ｎｍで発振するＬＤを互いに偏波が直交するように配置した偏波多重型励起ユニットを用いた。モニタ信号光を使用した制御では、全ＬＤにフィードバック制御をかけたが、励起光／信号光合波カップラ１９０４からの励起光量に対し、励起光／信号光合波カップラ１９０５からの励起光量が常に２倍になるようにした。
【０２２９】
モニタ信号光取り出し部分の光分岐素子１９０２は、誘電体多層膜をフィルタとして使用したバルク型のカップラである。これは、１４６０〜１５３０ｎｍでの分岐比が１％である。信号光は、１４８０〜１５１０ｎｍで２ｎｍ間隔の１６波を使用した。
【０２３０】
光電変換回路１９１０はＰＩＮ−ＰＤを使用した。光共振器を構成する光分岐素子１９０１，１９０７は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１４７０〜１４７７ｎｍでの分岐比が９５％である。波長選択素子１９０８は誘電体多層膜を使用したもので、透過帯の中心波長が１４７５ｎｍ、損失が０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器は、１周回での１４７５ｎｍにおける損失が１５ｄＢになるように可変光減衰器１９０９が調整された。
【０２３１】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、利得制御をかけない場合１０ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。
【０２３２】
実施例１や実施例４以外の実施例２，３，５，６および７で説明した光増幅器を任意に選択してこれらを直列に接続することが可能である。複数の光ファイバ増幅器を直列に繋ぐことにより、より高効率動作が期待できる。
【０２３３】
（実施例９）
図１９は、本発明の光増幅器の第９実施例を説明するための構成図であり、シングルパスを直列に２段に接続する場合を示す。本実施例の光増幅器は、実施例８で説明した２段型光増幅器の中間部分（接続部分）に利得等価器２４０２および可変光減衰器２４０３を挿入したものである。
【０２３４】
利得等価器２４０２は、長周期ファイバグレーティングを使用したものであり、可変光減衰器２４０３は、１４８０〜１５１０ｎｍでの損失の平坦度が０．１ｄＢ以下である。
【０２３５】
このように、利得等価器２４０２および可変光減衰器２４０３を用いることにより、実施例８では１４８０〜１５１０ｎｍでの利得平坦度が３０％であったのに対して、本実施例では２％となった。
【０２３６】
ここで、利得平坦度とは以下のように定義した。
（利得平坦度）＝｛（増幅帯域内の最大利得）−（同帯域内の最小利得）｝／（同帯域内の最小利得）
【０２３７】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、利得制御をかけない場合１０ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。
【０２３８】
第１の光増幅器２４０１および第２の光増幅器２４０４は、上述した実施例１〜実施例７に記載されている光増幅器の中から任意に選択することができる。利得等価器２４０２は、利得プロファイルを平坦化するために挿入され、光可変減衰器２４０３は、第２の光増幅器への入力信号光量を調整する役目を有する。
【０２３９】
（実施例１０）
図２０は、本発明の光増幅器の第１０実施例を説明するための構成図であり、シングルパスを直列に２段に接続する場合を示す。本実施例の光増幅器は、実施例８で説明した２段型光増幅器の中間部分に利得等価器２５０２および可変光減衰器２５０３を挿入したものである。さらに本実施例の光増幅器は、光分岐素子２５０４、光バンドパスフィルタ２５０６、光電変換回路２５０７および差分信号発生回路２５０８からなる制御部を含む。光分岐素子２４０４は、１４８０〜１５１０ｎｍで分岐比１％のバルク型デバイスである。光バンドパスフィルタ１５０６は、透過帯の中間波長が１４８０ｎｍ、半値全幅が０．８ｎｍ、透過中心波長での損失１ｄＢである誘電体多層膜をフィルタとして使用したデバイスである。
【０２４０】
利得等価器２５０２は、長周期ファイバグレーティングを使用したもので、可変光減衰器２５０３は、１４８０〜１５１０ｎｍでの損失の平坦度が０．１ｄＢ以下であり、外部からの電気信号により減衰量が制御できる。
【０２４１】
本実施例では、光増幅器の制御は、上記制御部により１４８０ｎｍの信号光をモニタし、その値が一定となるように、制御部の差分信号発生回路２５０８を介して、光可変減衰器２５０３をフィードバック制御した。この結果、第２の光増幅器２５０５に入射する信号光の各々のチャネルでのレベルが一定になる。
【０２４２】
本実施例により、実施例８では１４８０〜１５１０ｎｍでの利得平坦度が３０％であったのに対して、本実施例では２％となった。
【０２４３】
ここで利得平坦度とは以下のように定義した。
（利得平坦度）＝｛（増幅帯域内の最大利得）−（同帯域内の最小利得）｝／（同帯域内の最小利得）
【０２４４】
さらに、各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、利得制御をかけない場合１０ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。また、本実施例の光増幅器の信号出力部分での各ＷＤＭ光のレベルは常に３ｄＢｍに保たれた。
【０２４５】
この実施例１０に記載されているように、本発明の光増幅器は、可変光減衰器を制御する制御部を含むことができる。このような光増幅器の可変光減衰器の減衰量は、取り出されたモニタ信号光に基づいて電気的に調整する機能を有する制御部により調整されうる。
【０２４６】
第１の光増幅器２５０１および第２の光増幅器２５０５は、上述した実施例１〜実施例７に記載されている光増幅器の中から任意に選択することもができる。利得等価器２５０２は、利得プロファイルを平坦化するため挿入される。光分岐素子２５０４は、信号光の一部を分岐する。光バンドパスフィルタ２５０６は、任意の１チャネルの信号のみを取り出し、光電変換回路２５０７によりこの信号が電気信号に変換される。この電気信号と差分信号発生回路２５０８内に予め設定された値とから、制御信号が発生され、この制御信号により可変光減衰器が制御される。
【０２４７】
第１の光増幅器２５０１と第２の光増幅器２５０５の差が小さくなるように、好ましくは零になるように、光可変減衰器の減衰量をフィードバック制御する。
【０２４８】
この実施例では、第２の光増幅器への入力信号はＷＤＭ信号の各チャネルの入力レベルが等しくなる。
【０２４９】
（実施例１１）
図２１は、本発明の光増幅器の第１１実施例を説明するための構成図であり、シングルパスを多段に結合した光増幅器の例である。本実施例では、光増幅器２６１８と、光増幅器２６１９の２台を使用する。本実施例は、光増幅器に入力される入力信号を予め２つの帯域に分割し、各々を別の光増幅器で増幅し、増幅された信号光を再度合波する例である。なお、図中符号２６０２は第１の光増幅器、２６０３は利得等価器、２６０４は可変光減衰器、２６０５は光分岐素子、２６０６は第２の光増幅器、２６０７は光バンドパスフィルタ、２６０８，２６１５は光電変換回路、２６０９は差分信号発生回路を示している。
【０２５０】
光増幅器２６１８は、実施例１０と同一のものである。従って、光増幅器２６１８の構成および動作は実施例１０で説明したとおりである。光増幅器２６１９は以下に説明する。
【０２５１】
光増幅器２６１９中で示した第３の光増幅器２６１０は、実施例１で用いた光増幅器である。光分岐素子２６１３は、１４６０〜１４９０ｎｍであり、これは分岐比１％のバルク型デバイスである。光バンドパスフィルタ２６１４は、透過帯の中心波長が１４６０ｎｍ、半値全幅が０．８ｎｍ、透過中心波長での損失１ｄＢである誘電体多層膜をフィルタとして使用したデバイスである。
【０２５２】
利得等価器２６１１は、長周期ファイバグレーティングを使用したものである。可変光減衰器２６１２は、１４６０〜１４９０ｎｍでの損失の平坦度が０．１ｄＢ以下であり、外部からの電気信号により減衰量が制御できる。
【０２５３】
本実施例の光増幅器の制御は、１４６０ｎｍの信号光をモニタし、その値が一定となるように差分信号発生回路２６１６を介して、可変光減衰器２６１２をフィードバック制御した。これにより、光増幅器２６１９から出射する信号光の各々のチャネルでのレベルが一定になる。
【０２５４】
信号光帯域分波器２６０１および信号光帯域合波器２６１７は、１４６０〜１４７６ｎｍの帯域と１４８０〜１５１０ｎｍの帯域を合分波する。信号光は、１４６０〜１４７６ｎｍにおいて２ｎｍ間隔で配置した９波と、１４８０〜１５１０ｎｍで２ｎｍで配置した１６波とをあわせた２５波ＷＤＭである。
【０２５５】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた場合、信号光合波器２６１７からの出力光は、制御をしない場合１０ｄＢ以上変化したのに対して、制御をした場合は、５．０〜５．２ｄＢｍにすべての信号光成分が入った。
【０２５６】
【発明の効果】
本発明の第１の光増幅器では、少なくとも光増幅器内にレーザ発振する光共振器を有し、任意の信号光の利得を制御すること、または、少なくとも光増幅器内にレーザ発振する光共振器を持ち、レーザ発振光と信号光パワーとの合計を一定に制御することができる。また、本発明の第２の実施形態では、光増幅器内に２以上の光共振器を組み込むことにより、利得スペクトルを一定に制御することができる。
【０２５７】
また、本発明の光増幅器は、ＷＤＭ伝送システムに適用した場合、信号チャネル数の変化に伴う入力レベルの変動および温度変化による利得スペクトルの変化に対し、信号光の利得スペクトルの制御が可能である。
【０２５８】
また、本発明の光増幅器は、伝送路損失の経時変化時の補償に必要な出力を一定に制御することができ、さらに、発振波長のホールバーニング等にも対応することができる。
【０２５９】
本発明の制御方法は、広く一般的な希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、Ｅｒイオン、およびＰｒイオンの、増幅に大きく関与するエネルギー準位を表す模式図である。
【図２】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、ＥｒイオンおよびＴｍイオンのエネルギー凖位を示す図である。
【図３】ＴＤＦＡにおいて波長λ１での利得を一定にし、ＴＤＦＡの励起光量を調節した場合の特性を示す図である。
【図４】本発明の光増幅器の第１の実施形態の構成を説明するための構成図である。
【図５】本発明の光増幅器の第２の実施形態の構成を説明するための構成図である。
【図６】本発明の光導波路の第１の実施形態の実施例を説明するための構成図である。
【図７】図６に示す実施例の光共振器を構成するための光分岐手段の位置関係を説明する図である。
【図８】実施例１において、各入力信号レベルを変えた場合の利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。
【図９】本発明の光増幅器の第２実施例を説明するための構成図である。
【図１０】実施例２（ダブルパスの構成）の光分岐素子の挿入位置を説明するための図である。
【図１１】実施例２において、各入力信号レベルを−２５から１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた場合の利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。
【図１２】本発明の光増幅器の第３実施例を説明するための構成図である。
【図１３】実施例３の各光分岐素子の挿入位置を説明するための図である。
【図１４】本発明の光増幅器の第４実施例を説明するための構成図である。
【図１５】本発明の光増幅器の第５実施例を説明するための構成図である。
【図１６】本発明の光増幅器の第６実施例を説明するための構成図である。
【図１７】本発明の光増幅器の第７実施例を説明するための構成図である。
【図１８】本発明の光増幅器の第８実施例を説明するための構成図である。
【図１９】本発明の光増幅器の第９実施例を説明するための構成図である。
【図２０】本発明の光増幅器の第１０実施例を説明するための構成図である。
【図２１】本発明の光増幅器の第１１実施例を説明するための構成図である。
【符号の説明】
４００、５００ 光増幅器
４０２、５０２ 光共振器
４０４、５０４ 監視手段
４１０、５１０ 増幅媒体
４１２、５１２ 励起手段
４１４、４１６、４２６、４２８、５１８、５２４、５３６、５３８ 光分岐素子
４１８ 波長選択素子
４１９ 監視部
４２０ 制御部
４２２、５２６ 励起光源
４２６、５３０、５３２ 合波器
４３０、４３２、５４０、５４２ アイソレータ
５３４ 発振判定回路
１３０５、１９０８、２００９、２１０８ 波長選択素子
１２１３、１３０７、１５１１、１７０９、１７１０、１９０９、２０１０、２１０９ 可変光減衰器
１３１２、１３２０、１５０６、１５０７、１５１７、１５１８ 光バンドパスフィルタ
１３１６ 監視部
１３１６ 算回路
１３１６ 制御部
１５０３、１７０２、１７０７ サーキュレータ
１５０８ ミラー
１９１５、２５０８ 差分信号発生回路
２０１８ 和信号発生回路
２２２１ 発振判定回路
２４０２ 利得等価器
２６０１、２６１７ 信号光帯域分波器
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅器に関する。より詳細には、希土類イオンを含有する増幅媒体を備えた光増幅器の利得プロファイルを制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（ＷＤＭ）通信は、近年における光通信容量の急増に対応する最も有効な手段の１つである。ＷＤＭ通信では信号チャネル数の増加により、通信容量の拡大を行うことを特徴としているが、そのためには信号波長域の拡大が不可欠である。
【０００３】
現在のＷＤＭ通信では、希土類イオン添加光ファイバ増幅器が使用されている。ＷＤＭ通信で使用されている増幅帯域としては、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の増幅帯域であるＣ帯（１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍ）がある。
【０００４】
一方、Ｃ帯と同等の低損失と低分散性を有する帯域として、Ｓ帯（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ）があり、次世代の信号波長域として注目されている。ツリウム添加光ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）は、Ｓ帯に増幅帯域を有しており、精力的な検討がなされている。
【０００５】
Ｓ帯用のＴＤＦＡでは、光増幅器全体でＬ帯のＥＤＦＡと同等のパワー変換効率（４０％）が達成されており、ＷＤＭ伝送の実験も成功している（例えば、ＯＦＣ２００１ ＰＤ−１（非特許文献１）参照）。さらに、Ｃ帯の増幅帯域を使用したＥＤＦＡとＬ帯の増幅帯域を使用したＥＤＦＡとの帯域合波による広帯域化も達成されており、これにより１０．９Ｔｂｉｔ／ｓの広帯域伝送が報告されている（例えば、ＯＦＣ２００１ ＰＤ−２４（非特許文献２）参照）。
【０００６】
ところで、希土類添加光ファイバを増幅媒体として用いた増幅器を中継器として複数用いたＷＤＭ通信において、中継後の増幅器の出力スペクトルが変化し、場合によっては、そのスペクトルが大きく歪むという問題が発生する。
【０００７】
このような現象が現れるのは、伝送路の損失の経時変化や信号チャネル数の変化により光増幅器への入力信号光のパワーが変化し、これによって光増幅器の利得スペクトルが変化し、この変化が伝送路全体で累積して信号の歪みが生じるためである。
【０００８】
上述の増幅器の利得スペクトルが大きく歪む現象は、伝送距離を制限する要因となるため、増幅器の利得スペクトルが一定になるように制御する必要がある。その制御方法としては、各光増幅器において利得プロファイルを一定に保つように制御すること（以下、利得プロファイル一定制御とも称する。）が有効である。
【０００９】
例えば、石英系ＥＤＦＡの制御方法の一例として、１チャネルの信号光の利得をモニタし、そのチャネルの利得が常に一定となるように励起光パワーを制御する方法がある。石英系ＥＤＦＡの利得プロファイルを一定に制御する方法は、この方法でほぼ確立されている。また、フッ化物ＰＤＦＡの利得プロファイル一定制御についても同様の方法で制御することができる。これらの光増幅器の増幅媒体（光ファイバ）は、増幅に関与する準位が実質的に２つである増幅メカニズムにより動作する。そのメカニズムは、増幅に関与する始準位（以下増幅始凖位ともいう）と、増幅に関与する終準位（以下増幅終凖位ともいう）または基底準位のみで取り扱うことができる非常に希なケースである。
【００１０】
これらのケースについて、図１を参照して説明する。図１（Ａ）は石英系ＥＤＦＡの励起準位模式図であり、図１（Ｂ）は、プラセオジム添加光ファイバ増幅器（ＰＤＦＡ）の励起準位模式図である。
【００１１】
石英系ＥＤＦＡでは、図１（Ａ）に示されるように、増幅終準位と基底準位が一致するため、増幅に関与する準位が増幅始準位（４Ｉ１３／２）と増幅終準位（４Ｉ１５／２）の２つとなる。従って、１チャネルの信号光の利得をモニタし、そのチャネルの利得が常に一定となるように励起光源の光量を調節して、利得プロファイルを一定に保つように制御することができる。
【００１２】
また、ＰＤＦＡでは、図１（Ｂ）に示すように、増幅に関与する準位が増幅始準位、増幅終準位および基底準位の３つ存在する。しかし、ＰＤＦＡでは、増幅終準位の蛍光寿命が増幅始準位に比べ非常に短いため、増幅終準位を無視して考えることができる。従って、石英系ＥＤＦＡと同様にして利得プロファイルを一定に保つように制御することができる。
【００１３】
このように、増幅に関与する準位が実質的に２つである場合には、利得プロファイルを一定に保つことは比較的容易である。
【００１４】
しかし、一般には、希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器では、増幅に関与する準位が実質的に２つと見なせる場合は少なく、このような一般的な光増幅器には、上述のような、１つの信号の波長の利得をモニターし、その利得の変化から励起光源の光量を調節して、利得プロファイルを一定に保つように制御する方法を適用することができない。即ち、励起光源の光量を調節して、１つの信号の波長の利得を一定に制御するのみでは、入力信号のレベルの変動やその他の条件（例えば温度変化）に対して利得プロファイルを一定に制御することはできない。
【００１５】
このため、このような系では基本的に２種類の異なる信号の波長での利得をモニタすることが必要となり、複雑な制御をする必要があった。
【００１６】
上述のように、一部の希土類イオンが添加された増幅媒体（光ファイバあるいは光導波路）を用いた光増幅器では、１つの信号の波長の利得をモニタして、励起光を制御して、利得プロファイルを一定に制御することができるが、その他の希土類イオンが添加された増幅媒体を用いた光増幅器では、利得プロファイルを一定に制御することができない。
【００１７】
上述のような１つの信号の波長の利得をモニターし、その変化に基づいて励起光源の光量を調節して、利得プロファイルを一定に保つ方法とは別に、共振器を用いて利得プロファイルを一定に保つ方法も提案されている。
【００１８】
例えば、E. Desurvire et al., "Gain control in erbium-doped fiber amplifiers by all-optical feedback loop"., IEEE, Electronics Letters. Vol. 27, No.7, pp.560-561, 28th March 1991（非特許文献３）では、フィードバックループの構成を導入して、１波長のＡＳＥをレーザ発振させ、該波長の利得をクランプすることにより、利得スペクトラムを制御する技術が提案されている。この他、利得をクランプする技術として、欧州特許出願公開第０４９７４９１号明細書（特許文献１）、特表平９−５０９０１２号公報（特許文献２）、特開平１１−１４５５３３号公報（特許文献３）などがある。
【００１９】
しかし、上述のような共振器を用いる方法は、増幅に大きく関与する準位（即ち、利得スペクトルの状態を決定する上で考慮すべき準位をいう。）が２つのみである石英系ＥＤＦＡに対しては制御可能であるが、ＴＤＦＡ、その他の希土類添加光ファイバ増幅器に対しては制御できない。
【００２０】
【特許文献１】
欧州特許出願公開第０４９７４９１号明細書
【００２１】
【特許文献２】
特開平７−５２１６７５号公報
【００２２】
【特許文献３】
特開平１１−１４５５３３号公報
【００２３】
【非特許文献１】
ＯＦＣ２００１ ＰＤ−１
【００２４】
【非特許文献２】
ＯＦＣ２００１ ＰＤ−２４
【００２５】
【非特許文献３】
E. Desurvire et al., "Gain control in erbium-doped fiber amplifiers by all-optical feedback loop"., IEEE, Electronics Letters. Vol. 27, No.7, pp.560-561, 28th March 1991
【００２６】
【非特許文献４】
Ｅ. Desurvire, "Erbium-Doped Fiber Amplifiers," A. Wiley-Interscience Publication, Chapter 1, 1994
【００２７】
【非特許文献５】
Won Jae Lee et al., "Gain excursion & tilt compensation algorithm for TDFA using 1.4 μm/1.5μm dual wavelength control"., OFC2002, ThZ3
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、簡易な方法で、広く一般の希土類添加増幅媒体を用いた光増幅器に適用できる、利得プロファイルを一定に制御できる光増幅器および制御方法が望まれている。
【００２９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、広く一般的な希土類イオンが添加された増幅媒体を用いた光増幅器において、利得プロファイルを一定に保つように簡便に制御できる光増幅器を提供することにある。
【００３０】
また、本発明の目的は、広く一般的な希土類イオンが添加された増幅媒体を用いた光増幅器を用いて利得プロファイルを一定に保つように制御する制御方法を提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面は、希土類を添加した増幅媒体を用いる光増幅器において、利得プロファイルを一定に保つように制御できる光増幅器に関する。特に本発明の光増幅器は、一般の希土類イオンを１または複数添加した増幅媒体を用いる光増幅器に関する。
【００３２】
第１の実施形態によれば、本発明の光増幅器は、増幅媒体としての希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した、増幅に大きく関与する準位が３つ以上である希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、前記増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体内で生じた増幅された自然放出光のスペクトル内の少なくとも１波長でレーザー発振させる光共振器、前記増幅媒体へ入力される少なくとも１つの信号光の入力パワーおよび前記増幅媒体から出力される信号光の出力パワーであって、前記信号光の入力パワーおよび前記信号光の出力パワーが同じ波長範囲であるものをモニタする監視手段、および前記監視手段によりモニタされた信号光の入力パワーおよび信号光の出力パワーの値の比または利得、または、信号光の入力パワーおよび信号光の出力パワーを変換して得られる電気信号の値の比または利得を算出し、これに基づいて前記励起手段の励起光源の光量を制御するための制御部を含み、前記制御部により算出された比または利得が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように、前記制御部が前記励起手段を制御して励起光源の光量を制御するものであって、利得プロファイルを一定に保つように制御することを特徴とする。
【００３４】
本発明の第２の側面は、光増幅器の利得プロファイルを一定に制御するための方法である。
【００３５】
本発明の第１の実施形態の制御方法は、増幅媒体としての希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した、増幅に大きく関与する準位が３つ以上である希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、該増幅媒体を励起するための励起手段、レーザー発振をさせる光共振器、監視手段、および前記励起手段を制御するための制御部とを含む光増幅器の利得プロファイルを一定に制御する方法であって、光増幅器内で前記光共振器により増幅媒体の増幅された自然放出光の前記増幅媒体内で生じた増幅された自然放出光のスペクトル内の少なくとも１波長でレーザ発振を起こさせることと、前記監視手段が前記増幅媒体に入力する信号光の入力パワーおよび前記増幅媒体から出力される信号光の出力パワーであって、前記信号光の入力パワーおよび前記信号光の出力パワーが同じ波長範囲であるものをモニタし、前記制御部が前記監視手段によりモニタされた信号光の入力パワーおよび信号光の出力パワーの値の比または利得、または、信号光の入力パワーおよび信号光の出力パワーを変換して得られる電気信号の値の比または利得を算出し、これに基づいて、前記制御部が前記励起手段を制御して前記励起光源の光量を制御することを含み、前記制御部により算出された比または利得が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように、前記制御部が前記励起手段を制御して励起光源の光量を制御することを特徴とする。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の側面は、希土類を添加した増幅媒体を用いる光増幅器において、利得プロファイルを一定に保つように制御できる光増幅器に関する。
【００３８】
本発明の第２の側面は、希土類を添加した増幅媒体を用いる光増幅器の利得プロファイルを一定に保つための制御方法に関する。
【００３９】
本発明では、上述のように第１の実施形態および第２の実施形態の光増幅器および制御方法がある。まず第１および第２の実施形態の原理について説明する。
【００４０】
まず、増幅に関与する準位が増幅終凖位と増幅始凖位の２つの準位のみである希土類を添加した増幅媒体を用いる場合についてその光増幅器と利得プロファイルを一定に制御する方法について説明する。このような増幅器には、増幅媒体として石英系ＥＤＦＡを用いたものがある。
【００４１】
石英系のエルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）を増幅媒体とする光増幅器は、増幅に関与する準位が増幅終凖位(４Ｉ１５／２）と増幅始凖位(４Ｉ１３／２）の２つの準位であり、比較的簡単な系である。
【００４２】
このような増幅器は、例えば石英系ＥＤＦを増幅媒体とする光増幅器（石英系ＥＤＦＡ）は、石英系ＥＤＦ、石英系ＥＤＦを励起するための励起手段、入力信号光などをモニターするためのモニター手段、およびこのモニター手段からの情報を基に励起手段を制御するための制御部を少なくとも有する。
【００４３】
図２（Ａ）は、石英系ＥＤＦを増幅媒体とする光増幅器のＥｒ３＋イオンのエネルギー凖位を示す図である。この光増幅器では、増幅の終凖位(４Ｉ１５／２）から増幅の始凖位(４Ｉ１３／２）へ励起する方法を用いて増幅を行っている。石英系ＥＤＦＡの利得プロファイル一定制御の方法の一例は、１チャネル（以下、ｃｈ．とも表記する。）の信号光の利得をモニタし、そのチャネルの利得が常に一定となるように励起光パワーを制御するものである。
【００４４】
以下にこの制御の原理を説明する。
【００４５】
波長λにおけるエルビウム添加光ファイバ増幅器の長手方向の位置ｘにおける単位長さあたりの利得Gain（λ，ｘ）は、以下の式で表される（例えば、E. Desurvire, "Erbium-Doped Fiber Amplifiers," A. Wiley-Interscience Publication, Chapter 1, 1994（非特許文献４）参照)。
【００４６】
Ｇａｉｎ（λ，ｘ）＝（σｅ（λ）Ｎ２（ｘ）−（σａ（λ）Ｎ１（ｘ））
（ｅｑ１）
【００４７】
【数１】
σｅ：誘導放出断面積
σａ：誘導吸収断面積
Ｎ２（ｘ）：位置ｘでの増幅の始凖位(４Ｉ１３／２）のイオン数
Ｎ１（ｘ）：位置ｘでの増幅の終凖位(４Ｉ１５／２）のイオン数
Ｎｔｏｔａｌ：全イオン数
【００４９】
ここで（ｅｑ１）、（ｅｑ２）式より、下式を得る。
【００５０】
Ｇａｉｎ（λ，ｘ）＝（σｅ（λ）Ｎ２（ｘ）−（σａ（λ）（Ｎｔｏｔａｌ−Ｎ２（ｘ）） （ｅｑ３）
【００５１】
（ｅｑ３）式から解るように、変数はＮ２のみになる。
【００５２】
ここで、誘導放出断面積および誘導吸収断面積は、増幅媒体に添加される希土類イオンの物性で決定しているため、利得スペクトルを固定するためにはＮ２を固定すること、即ち増幅始準位と増幅終凖位のイオン数を固定する必要がある。
【００５３】
ＷＤＭ伝送などでは、伝送路の損失の経時変化や信号チャネル数の変化により光増幅器への入力信号光のパワーが変化する。このような変化は、石英系ＥＤＦＡでは、４Ｉ１３／２に存在するＥｒ３＋の誘導放出速度が変化することに繋がり、結果として、Ｎ２が変化し、（ｅｑ３）から解るように利得スペクトルが変化する。
【００５４】
従って、石英系ＥＤＦを増幅媒体として用いる光増幅器のように、増幅に関与する準位が２つである場合には、任意の信号光波長をモニタし、この信号波長での利得を一定に保つように励起光パワーを制御すれば、光増幅器への入力パワーに関わらず（ｅｑ３）に基づいて利得スペクトルは一定に保たれる。
【００５５】
利得を一定に制御するための具体的手順は、増幅用光ファイバの入力端および出力端で信号光を分波して、それぞれの場所での信号光パワーを検出し、その検出値から信号光の利得を算出し、算出された利得値と設定値との誤差成分が零になるように励起光量を調節する。これが石英系ＥＤＦを増幅用光ファイバとして用いた光増幅器で利得プロファイルを一定に制御するため原理である。
【００５６】
ところで、このように増幅メカニズムが増幅始凖位と終凖位にいるイオンのみで記述できる系は非常にまれである。たとえば、エルビウム添加光ファイバで前記と同じ誘導放出を利用する場合においても、光ファイバを構成するホストガラスをフッ化物ガラスに変えただけでも、増幅の始凖位よりさらに高エネルギーの励起凖位への遷移と、遷移した先の凖位での寿命が無視できなくなる。このような場合には、ある波長（例えば入力信号光の１つの波長）での利得を一定に制御したとしても、利得プロファイルは一意的に決まらなくなる。これは、増幅動作を記述するにあたり、増幅始凖位、増幅終凖位およびそれ以外のイオン数を考慮する必要が生じたためである。即ち、例えばＴＤＦＡでは、総イオン数が下記の（ｅｑ２’）により表され、上記（ｅｑ３）のように１つのパラメータ（Ｎ２）を考慮するのみでは不十分となり、その他の準位のイオン数を考慮しなければならなくなったためである。
【００５７】
【数２】
３つの準位が増幅に大きく関与する希土類添加光ファイバを用いる光増幅器には、ツリウム添加光ファイバ（ＴＤＦ）を用いた光増幅器がある。この光増幅器では、図２Ｂに示すように、４準位の光増幅器であるが、増幅に大きく関与する準位が３つ存在する。即ち、ＴＤＦＡでは、増幅に大きく関与するエネルギー凖位として、増幅の始凖位、終凖位および基底凖位が存在する。従って、これらの準位を全て考慮する必要があるため、ＥＤＦＡでの議論のように１波長の利得をモニターし、これを一定にするように制御するだけでは前記３つの凖位間のイオン数を一定に保つことはできない。
【００５９】
図３は、ＷＤＭ信号を増幅する場合、ＴＤＦＡにおいて光増幅器へ入射する波長λ１の信号光のパワーと、ＴＤＦＡより増幅されて出射された波長λ１の信号光のパワーより計算される利得を一定にするようにＴＤＦＡの励起光量を調節した場合の、光増幅器の特性を示す図である。
【００６０】
図３中に示すａ〜ｃは、ＴＤＦＡへの全入力信号パワーが低い場合をａ、中間の値の場合をｂ、高い場合をｃとして、光増幅器の特性を示したものである。この特性を評価した条件は、ＴＤＦＡのＴｍ３＋添加濃度が６０００ｐｐｍであり、励起波長が１４００ｎｍであった。増幅用のＴｍ添加フッ化物光ファイバの励起は、この光ファイバに対して前方向および後方向より励起を行う双方向励起である。前方向励起光パワーと後方向励起パワーの比は常に一定とした。図３より明らかなように、単に一波長の利得を一定にしただけでは入力信号光パワーの変化に対して利得プロファイルが変化する。
このような現象は、共振器を用いた利得クランプを使用する場合にも発生する。つまり、発振波長での利得は常に一定となるが、それ以外の利得は一意に定まらず、利得プロファイルは一定にならない。
【００６１】
このような増幅に大きく関与する準位が３つ存在する増幅媒体を含む光増幅器を制御する方法として次のような制御方法が提案されている。この制御方法は、ＴＤＦＡ光増幅器に関するもので、２通りの方法がある。この制御方法の１つは、双方向励起のＴＤＦＡ光増幅器で利用される。この制御方法では、２種類の信号光の利得をモニタする。このモニタ情報に基づいて、増幅用光ファイバの前方と後方の励起光のパワーの比を制御することにより利得帯域を調節し、且つ、総励起光パワーを制御することにより全体の利得を調節する方法である。ＴＤＦＡでは、前方と後方の励起光のパワー比を変化させると利得スペクトルが波長シフトするという現象が発生する。
【００６２】
また、ＴＤＦＡの第２の制御方法として、２波長（１．４μｍ、１．５６μｍ）の励起光源の光量を制御し、利得スペクトルを調節する方法がある（Won Jae Lee et al., "Gain excursion & tilt compensation algorithm for TDFA using 1.4 μm/1.5μm dual wavelength control"., OFC2002, ThZ3（非特許文献５）参照）。
【００６３】
上述のような実質的に増幅に関与する準位が２つである増幅媒体を含む光増幅器を除き、希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器の場合、励起光源の光量の調節により一波長の利得を一定値に制御するのみでは、入力信号のレベルの変動や他の条件の変化（例えば温度変化）に対して、利得プロファイルを一定に制御することはできない。このため、このような系では基本的に２種類の信号波長での利得をモニタすることが必要となり、複雑な制御をする必要があった。
【００６４】
本発明の光増幅器および制御方法では、増幅始凖位、増幅終凖位およびその他の凖位を考慮する必要がある希土類を添加した増幅媒体を用いることができる。以下では、その他の準位が第３の準位のみである場合について説明するが、本発明はこれに限定されず、さらに多くの準位が関与する場合も含む。
【００６５】
本発明の光増幅器では、第３の準位が誘導放出遷移に関与し、終凖位または第３の凖位が基底凖位であるような増幅媒体を利用することができる。そして、本発明の制御方法は、これら３つの凖位のイオン数を以下の（１）〜（４）方法で制御することによって、簡便な利得プロファイル一定制御を実現する。
（１）第１の方法
この方法では、上述した３つの凖位のうち、誘導放出を起こしている増幅媒体の任意の２つの凖位間での遷移により、当該光増幅器を含む光路中でレーザ発振を行わせ、同時に、例えば波長多重された信号光のうちの任意の信号光または増幅帯域内で別途に入力された任意の入力信号光をモニタし、その波長について利得を一定に制御する。
（２）第２の方法
この方法では、上述した３つの凖位のうち、誘導放出を起こしている増幅媒体の任意の２つの凖位間での遷移により、当該光増幅器を含む光路中でレーザ発振を行わせ、同時に光増幅器に入射される信号光の入射パワーとレーザ発振光のパワーをモニタし、このパワーから得られた値に基づいて利得プロファイルを一定に制御する。
（３）第３の方法
この方法では、上述した３つの凖位のうちの、誘導放出を起こしている増幅媒体の任意の２つの凖位間での遷移により、当該光増幅器を含む光路中でレーザ発振を行わせ、同時に信号光の出射パワーとレーザ発振光のパワーをモニタし、このパワーから得られた値に基づいて利得プロファイルを一定に制御する。
（４）第４の方法
この方法は、信号光のモニタを行わない方法である。この方法は、上述した３つの準位から選択される２つの準位からなる、異なる２種類の遷移で２種類のレーザー発振を行わせる。即ち、上述した３つの凖位のうち、誘導放出を起こしている増幅媒体の任意の２つの凖位間での第１の遷移により、光増幅器を含む光路中で第１のレーザ発振を行わせる。これと同時に、３つの凖位のうち、第１の遷移に係わった凖位とは異なる組み合わせで、光増幅器を含む光路中において第２のレーザ発振を行わせる。
【００６６】
上述した第１〜第３の方法（第１の実施形態）によれば、光増幅器を含む光路中でレーザ発振を行わせるので、レーザ発振に関与する２つの凖位のイオン数が一定の関係を満たすようになる。この条件下で、さらに任意の光信号の利得若しくは入力光のパワー若しくは出力光のパワーが所定の値となるように励起光の強度を制御すれば、残った一つの凖位も含めて、３つの凖位のイオン数を一意に定めることが可能となる。この結果、利得プロファイルを一意的に固定することができる。
【００６７】
上述した第４の方法（第２の実施形態）では、３つの凖位全てがレーザ発振に関与するので、３つの凖位のイオン数が一定の関係を満たすようになる。ここで、増幅媒体に添加された希土類イオンの総数が一定であるという条件を課すことで、３つの凖位のイオン数が一意に定まる。この結果、利得プロファイルを一意的に固定することができる。
【００６８】
本発明では、複数のレーザ発振を起こさせることが可能である。
【００６９】
上述のように、第１〜第３の方法では、本発明では、光増幅器中でレーザ発振を行わせ、同時に任意の信号光の利得をモニタすること、または、光増幅器中でレーザ発振を行わせ、信号光とレーザ発振光との光量をモニタすることにより利得プロファイルを一定に制御することを特徴とする。上記第１〜第３の方法では、具体的なモニタ信号として、以下の３つのものを使用することができるが、これらは例示であり、本発明はこれらに限定されない。
【００７０】
（Ｉ）入力された少なくとも一つの信号光について、増幅媒体へ入力する信号光パワーを一部分岐し、光電変換して得られた電気信号と、増幅媒体より出力される信号光パワーを一部分岐し、光電変換して得られた電気信号との比より算出される、前記信号光の利得に比例した電気信号（以下、第１モニタ法という）。なお、入力された少なくとも１つの信号光は、伝送される信号光であってもよく、光増幅器にモニタ用信号として別途入力される信号であってもよい。
【００７１】
（ＩＩ）入力された全信号光パワーを一部分岐し、光電変換して得られた電気信号と、増幅媒体入力端での共振器内のレーザ発振光の光を一部分岐してこの光を光電変換して得られた電気信号（レーザ発振光のパワーに比例した信号）との和または線形結合された電気信号（以下、第２モニタ法という）。
【００７２】
（ＩＩＩ）出力される全信号光パワーを一部分岐し、光電変換して得られた電気信号と、増幅媒体出力端での共振器内のレーザ発振光の光を一部分岐してこの光を光電変換して得られた電気信号（レーザ発振光のパワーに比例した信号）との和または線形結合された電気信号（以下、第３モニタ法という）。
【００７３】
モニタ信号を用いずに制御を行う方法（上記第４の方法）の場合は、増幅媒体を含む光増幅器内で２種類の光共振器により２種類のレーザ発振を行う。この方法では、この２種類の光共振器でレーザ発振された発振光の波長は、例えば、次の３種類から選ばれる。本発明では特に、異なる２種類の波長を用いることができる。
【００７４】
（Ａ）レーザ発振光の波長は、増幅始凖位から増幅終凖位への誘導放出により発生する増幅された自然放出光（ＡＳＥ）スペクトルの範囲内に含まれる（以下、第１光共振器という）。
【００７５】
（Ｂ）レーザ発振光の波長は、増幅始凖位から基底凖位への誘導放出により発生する増幅された自然放出光（ＡＳＥ）スペクトルの範囲内に含まれる（以下、第２光共振器という）。
【００７６】
（Ｃ）レーザ発振光の波長は、増幅終凖位から基底凖位への誘導放出により発生する増幅された自然放出光（ＡＳＥ）スペクトルの範囲内に含まれる（以下、第３光共振器という）。
【００７７】
本発明の第１の実施形態によれば、上記原理に従った第１の光増幅器が提供される。本発明の光増幅器は、増幅媒体、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体内で生じたＡＳＥのスペクトル内の少なくとも１波長でレーザー発振させる光共振器と、該光増幅媒体に入力する光から選ばれる少なくとも一つの所定の波長範囲の光のパワーおよび該光増幅媒体から出力される光から選ばれる少なくとも一つの所定の波長範囲の光のパワーから選択される少なくとも１つの光パワーをモニタする監視手段、前記監視手段より得られた値を基に前記励起手段を制御するための制御部とを含む。
【００７８】
第１の実施形態によれば、上記原理に従った第１の制御方法が提供される。第１の制御方法には、例えば、上記第１の実施形態の光増幅器を用いる方法が含まれ、光増幅器内で前記光共振器により増幅媒体の増幅された自然放出光の前記増幅媒体内で生じた増幅された自然放出光のスペクトル内の少なくとも１波長でレーザ発振を起こさせることと、前記監視手段により該光増幅媒体に入力する光から選ばれる少なくとも一つの所定の波長範囲の光のパワーおよび該光増幅媒体から出力される光から選ばれる少なくとも一つの所定の波長範囲の光のパワーから選択される少なくとも１つの光パワーをモニタし、前記監視手段より得られた値を基に、前記制御部が前記励起手段を制御して前記励起光源の光量を制御することとを含む。
【００７９】
第２の実施形態によれば、上記原理に従った第２の光増幅器が提供される。本発明の光増幅器は、増幅媒体、該増幅媒体を励起するための励起手段、前記増幅媒体内で生じたＡＳＥを複数の発振波長でレーザー発振させる光共振器を含む。
【００８０】
上述したような発振波長を有する光共振器を得るためには、光共振器中に求める波長を選択するための光バンドパスフィルタ、またはこれと同等の波長選択素子が必要である。また、光共振器の１周回におけるレーザ発振波長での損失を調節するための何らかの手段、たとえば可変光減衰器、固定光アッテネータ等が含まれていることが好ましい。損失を調整する素子および波長を調整する素子は、光共振器を構成する際に使用される光分岐手段（例えば、レーザ発振光を分離または合波する手段）に機能として含ませることも可能である。
【００８１】
第２の実施形態によれば、上記原理に従った第２の制御方法が提供される。この制御方法には、例えば、上記第２の形態の光増幅器を用いる方法が含まれ、前記増幅媒体内で生じた増幅された自然放出光を複数の発振波長でレーザー発振させることが含まれる。
【００８２】
第１の実施形態および第２の実施形態では、監視手段には、光バンドパスフィルタを含むことが好ましい。また、第１および第２の実施形態には、上記（１）〜（３）、（Ｉ）〜（ＩＩＩ）、および（Ａ）〜（Ｃ）に従った方法、モニタ法、および共振器が含まれる。
【００８３】
本発明では、増幅媒体に添加される希土類イオンは、１種類であっても複数種類であってもよい。
【００８４】
以下に図面を参照して本発明の光増幅器および利得プロファイル一定制御の方法をさらに具体的に説明するが、これらは例示であり、本発明はこれらに限定されない。
【００８５】
本発明の第１の実施形態は、光増幅器の出力端と入力端との間でループを形成した光共振器を含む光増幅器に関する。第１の実施形態の光増幅器の概略を図４に示し、第２の実施形態の光増幅器の概略を図５に示す。
【００８６】
第１の実施形態の光増幅器４００（図４）は、光共振器４０２、監視手段４０４と制御部４２０を具備した光増幅器である。光共振器４０２は、増幅媒体４１０と、これを励起する励起手段４１２と、光分岐手段４１４，４１６と、波長選択素子４１８を具備する。また、監視手段４０４は、該光増幅媒体に入力する光から選ばれる少なくとも一つの所定の波長範囲の光のパワーおよび該光増幅媒体から出力される光から選ばれる少なくとも一つの所定の波長範囲の光のパワーから選択される少なくとも１つの光パワーをモニタする。制御部４２０は、監視手段から得られた値を基に励起手段４１２を制御する。本実施形態では、監視手段４０４はモニタされる光を制御部に入力するための光分岐手段４２６，４２８を含む。
【００８７】
増幅媒体４１０は、希土類元素イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した希土類添加光ファイバを好適に用いることができる。特に本発明では、ツリウム添加光ファイバ、エルビウム添加光ファイバ、ホルミウム添加光ファイバなどを使用することができる。具体的には、増幅媒体としては、希土類イオンを添加した増幅用光ファイバを用いることができ、これは、ホストガラスとして石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスまたはテルライトガラス等である。希土類イオンは、いずれのイオンであってもよいが、ツリウムイオン（Ｔｍ３＋）、ホルミウムイオン（Ｈｏ３＋）、エルビウムイオン（Ｅｒ３＋）が好ましい。本発明では、これらのイオンの１種または複数種を増幅媒体に添加することができる。
【００８８】
励起手段４１２は、増幅媒体を励起するための励起光源４２２、４２４、励起光源からの光を合波するための合波器４３６，４３８を含む。この光源は、希土類添加光ファイバの励起に一般に用いられるものである。例えば、半導体ＬＤ、ＩｎＧａＡｓ歪み量子井戸ＬＤなどが用いられる。具体的には、例えばＮｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザまたはファイバレーザ等がある。図４に示される光増幅器では、励起光は双方向励起であるが、本発明はこれに限定されず、前方励起および後方励起であってもよい。
【００８９】
光分岐手段は、溶融延伸のファイバ型（分岐型、波長分割多重型いずれも）誘電体多層膜、ファイバグレーティングまたはファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等であり、入力信号および／またはＡＳＥの一部を反射して取り出すためのデバイスである。
【００９０】
また、共振器系に含まれる波長選択素子には、誘電体多層膜、ファイバグレーティングなどの光フィルタが含まれる。
【００９１】
本発明では、光共振器には、可変光減衰器などを導入することもできる。本発明では、光共振器は、増幅媒体の利得と共振系の１周回の損失が一致したところで発振するが、可変光減衰器などを導入することにより、増幅媒体の利得と共振系の１周回の損失の関係を調整することができる。
【００９２】
合波器は、励起光／信号光合波カップラのような通常の合波器を使用すればよい。
【００９３】
監視手段４０４では、光分岐手段４２６，４２８で分岐されたモニタされる光（以下モニタ信号とも称する）（図４中の第１の信号および第２の信号）が監視部４１９へ入力される。この監視部からの情報に基づいて、制御部４２０が演算を施し、この値に基づいて励起手段４１２が励起光の制御を行う。監視手段４０４は、光分岐手段４２６，４２８で分岐されたモニタ信号を電気信号に変換する光電変換器などを含んでいてもよい。光電変換器は、モニタ信号を電気信号に変換する。本発明では、このモニタ信号または電気信号をモニタする。
【００９４】
制御部４２０の例は、差分信号発生回路、利得信号算出回路（わり算回路）、およびこれらの組み合わせ、和信号発生回路と線形結合算出回路などである。本発明では、監視手段および制御部は、以下の制御を行うものを含む。
【００９５】
（ｉ） 前記監視手段が、少なくとも１つの信号光の入力および出力パワーをモニタし、前記制御部が、前記監視手段より得られた値から信号光の利得を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御する。
【００９６】
（ｉｉ） 前記監視手段が、前記増幅媒体の信号入力端における前記光共振器内のレーザ発振光および増幅媒体に入射する信号光のパワーをモニタし、前記制御部が、前記監視手段より得られたレーザ発振光パワー値と信号光パワー値の和、またはレーザ発振光パワー値と信号光パワー値の線形結合により得られる値を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御する。
【００９７】
（ｉｉｉ） 前記監視手段が、前記増幅媒体の信号入力端において前記光共振器内のレーザ発振光の一部と増幅媒体に入射する信号光の一部を同時に取り出して、その総パワーをモニタし、前記制御部が、前記監視手段より得られた値が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御する。
【００９８】
（ｉｖ） 前記監視手段が、前記増幅媒体の信号出力端における前記光共振器内のレーザ発振光および増幅媒体から出射する信号光のパワーをモニタし、前記制御部が、前記監視手段より得られたレーザ発振光パワー値と信号光パワー値の和、またはレーザ発振光パワー値と信号光パワー値の線形結合により得られる値を算出し、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御する。
【００９９】
（ｖ） 前記監視手段が、前記増幅媒体の信号出力端において前記光共振器内のレーザ発振光の一部と増幅媒体から出射する信号光の一部を同時に取り出して、その総パワーをモニタし、前記制御部が、前記監視手段より得られた値が、予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように前記励起手段を制御する。
【０１００】
なお、第１の実施形態では、図４に示されるようにアイソレータ４３０，４３２を設けることも好ましい。
【０１０１】
本実施形態において、光共振器を構成する各部材および制御部などの任意の構成要素は、図４に示される配置のみではなく、種々の配置をとることができる。
【０１０２】
第１の実施形態の利得プロファイルを一定に制御する方法では、光増幅器に入力される入力信号および／または光増幅器内の増幅媒体で増幅された自然放出光（ＡＳＥ）の一部を取り出し、これを発振させる。また、モニタされる光（以下モニタ信号とも称する）（図４中の第１の信号および第２の信号）が監視部４１９へ入力される。この監視部からの情報に基づいて、制御部４２０が演算を施し、この値に基づいて励起手段４１２が励起光の制御を行う。本発明では、モニタ信号またはモニタ信号を変換して得られる電気信号をモニタする。
【０１０３】
本発明では、監視手段および制御部により、上記（ｉ）〜（ｖ）の制御を行う。
【０１０４】
以下に本発明の光増幅器を用いた制御方法（本発明の光増幅器の動作）について具体的に説明する。以下の説明では、シングルパスの構成で説明をするが、本発明は、ダブルパスの構成、双方向光増幅器の構成などを用いることもできる。
【０１０５】
まず、信号光は、図４中の左側より入射し、光分岐素子４２６によりその一部が分岐される。分岐された信号光は、第１の信号として監視部４１９に入力される。第１の信号は、電気信号であることが好ましい。従って、本実施形態では、分岐された信号光を電気信号に変換する光電変換素子などにより、モニタ信号光を電気信号に変換することが好ましい。光分岐素子４２６を通過した信号光は、光分岐素子４１４、アイソレータ４３２、合波器４３６を通過して増幅媒体４１０に入る。
【０１０６】
励起光は、合波器４３６，４３８を介して前方および後方から入射される。増幅された信号光はアイソレータ４３０、光分岐素子４１６，４２８を通過した後に出力される。光分岐素子４２８は、出力信号光の一部をモニタするために該信号光の一部を分岐するのものである。ここで分岐された光は第２の信号として監視部４１９に入力される。第２の信号は、電気信号であることが好ましい。従って、本実施形態では、分岐された信号光を電気信号に変換する光電変換素子などにより、分岐された信号光を電気信号に変換することが好ましい。
【０１０７】
ここで、モニタする光は１チャネル以上の波長数を有するＷＤＭ光、または、光増幅器に別途入力される、増幅帯域の波長を有する光などである。本発明では、上記（ｉ）〜（ｖ）に示される監視手段によりモニタされる信号であることが好ましい。
【０１０８】
第１の信号と第２の信号は監視部４１９を経て制御部４２０に入力され、これらの入力信号の利得などの値が求められ、その値が、予め設定された値と一致するような励起光源の電流値を算出し、その電流値となるように励起光源４２２，４２４の光量を調整する。本発明の制御部は、上記（ｉ）〜（ｖ）に記載の処理および制御を行う。
【０１０９】
アイソレータ４３０より出射される信号光およびＡＳＥ光は、光分岐素子４１６によりその一部が取り出され、波長選択素子４１８を介して、光分岐素子４１４より再度増幅媒体４１０に注入される。本実施形態では、少なくとも増幅媒体４１０、励起手段４１２、光分岐素子４１４，４１６および波長選択素子を含むループにより光共振器が形成される。
【０１１０】
この光共振器の発振波長は、光分岐素子４１４，４１６の分岐特性に波長依存性を持たせるか、または波長選択素子４１８の機能を使用するかのいずれか、または、これらの両方を同時に使用することで特定される。光共振器は、この発振波長において、光共振器の１周回の損失と増幅媒体４１０の利得が一致するところで発振する。定常的に安定した発振が可能な場合、発振する条件以上の励起光量を励起光源から注入しても、波長選択素子などで選択された発振波長での増幅媒体４１０の利得は変化しない。
【０１１１】
以上のようにして、光増幅器内で光共振器によりレーザ発振を起こさせ、上記（ｉ）〜（ｖ）に示される監視手段によりモニタしながら利得プロファイルが一定になるように励起光源の光量を調節する。
【０１１２】
本発明の第２の実施形態は、複数の共振器を具備した光増幅器およびその増幅器の利得プロファイルを一定に制御する方法である。
【０１１３】
第２の実施形態の光増幅器の概略を図５に示す。図５は、２つの共振器を備えた光増幅器を表す。以下では、この例に基づいて説明をする。本実施形態の光増幅器５００は、第１の光共振器５０２および第２の光共振器５０４を含む。第１の光共振器５０２は、増幅媒体５１０と、これを励起する励起手段５１２と、光分岐手段５１４，５１６と、波長選択素子５１８を具備する。第２の光共振器５０４は、増幅媒体５１０と、これを励起する励起手段５１２と、光分岐手段５２０，５２２と、波長選択素子５２４を具備する。
【０１１４】
励起手段５１２は、増幅媒体を励起するための励起光源５２６、５２８、励起光源からの光を合波するための合波器５３０，５３２を含む。図５に示される光増幅器では、励起光は双方向励起であるが、本発明はこれに限定されず、前方励起および後方励起であってもよい。
【０１１５】
本実施形態では、図５に示すように、２つの光共振器が発信状態を維持できるように、発振判定回路５３４を有してもよい。発振判定回路は、各光共振器から発振光の一部を取り出すための光分岐素子５３６,５３８と共に発振判定手段を形成する。発振判定回路５３４へは、例えば、光分岐素子５３６,５３８により信号光を取り出し、光電変換素子などを介して電気信号として信号が入力される。
【０１１６】
また、本実施形態においても、光共振器には、可変光減衰器などを導入することもできる。本発明では、光共振器は、増幅媒体の利得と共振系の１周回の損失が一致したところで発振するが、可変光減衰器などを導入することにより、増幅媒体の利得と共振系の１周回の損失の関係を調整することができる。
【０１１７】
第２の実施形態では、図５に示されるようにアイソレータ５４０，５４２を設けることも好ましい。
【０１１８】
なお、本実施形態において、光共振器を構成する各部材および発振判定回路などの任意の構成要素は、図５に示される配置のみではなく、種々の配置をとることができる。
【０１１９】
本実施形態の各素子などは、先の第１の実施形態で説明したものと同じものを使用することができる。
【０１２０】
以下に本実施形態の光増幅器を用いた制御方法（本発明の光増幅器の動作）について具体的に説明する。以下の説明では、シングルパスの構成で説明をするが、本発明は、ダブルパスの構成、双方向光増幅器の構成などを用いることもできる。
【０１２１】
信号光は、光分岐素子５１４，５２０とアイソレータ５４０と合波器５３０を介して増幅媒体５１０に入射する。増幅媒体５１０より出射した信号光は、合波器５３２とアイソレータ５４２と光分岐素子５２２，５１６を介して出射される。
【０１２２】
本実施形態では、第１の共振器および第２の共振器を発振状態に維持するために、発振判定回路を有することが好ましい。光分岐素子５３８により、第１の共振器内の光が分岐され、これがモニタ信号として発振判定回路５３４に入力される。また、光分岐素子５３６により、第２の共振器内の光が分岐され、これがモニタ信号として発振判定回路５３４入力される。モニタ信号としての光は、光電変換素子などにより電気信号に変換されることが好ましい。両者のモニタ信号により共に２つの共振器が発振するように励起光源５２６，５２７から出射される励起光源の光量が制御される。
【０１２３】
また、上記第１および第２の実施形態では、監視手段に光バンドパスフィルタを含め、モニタ信号をこれに通すことが好ましい。
【０１２４】
以上述べた各実施形態の光増幅器では、特に増幅媒体内での信号光の伝搬方向については規定していなかったが、光増幅器が以下の（ａ）〜（ｃ）の構成を有し、信号光がこれらに示される伝搬方向をとることができる。
【０１２５】
（ａ）増幅媒体の入力側または出力側の両方、或いは、これらのどちらか一方に光アイソレータが接続される。信号光は、増幅媒体内を一方向のみに伝搬する（本明細書中で、シングルパスという）。
【０１２６】
（ｂ）増幅媒体の一方に光サーキュレータが接続され、増幅媒体の他端には少なくとも信号光を反射させるミラー機能を有するデバイスが接続される。信号光は光サーキュレータを通過して増幅媒体中を進行し、増幅される。次いで、信号光は、これを反射させるミラーにより折り返されて増幅媒体中を反対方向に進行し、増幅される。増幅された信号光は、サーキュレータを通過して出射する（本明細書で、ダブルパスという）。この場合、上記の第１モニタ法から第３モニタ法について考えると、信号光を一部分岐してモニタ信号を取り出すために光分岐手段が設けられるが、その設置位置は、増幅媒体より見て光サーキュレータを介して設置される信号出射ポートに各々設置しても良い。また、光分岐手段を、光サーキュレータと増幅媒体との間に設置することもできる。この場合、光分岐手段自体の持つ結合動作の方向性により入力側モニタと出力側モニタとを区別することができる。
【０１２７】
（ｃ）増幅媒体の両方に光サーキュレータが接続される。２種類の進行方向の異なる信号光が同時または時間的に分離された状態で増幅媒体中を互いに逆方向に進行し、増幅される（以下、双方向光増幅器という）。この場合、上記の第１モニタ法から第３モニタ法について考えると、信号光を一部分岐してモニタ信号を取り出すために光分岐手段が設けられるが、その設置位置は、双方向の信号光のうち、どちらか一方の信号光を規準にして増幅媒体の入力側と出力側に設置されればよい。具体的には、光分岐手段は、サーキュレータの外側、サーキュレータと増幅媒体との間に設置することができる。
【０１２８】
（実施例）
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本実施例は、本発明の第１の実施形態の例であり、特に上記（１）に相当する光増幅器および制御方法の例である。
【０１２９】
図６は、本発明の光増幅器を説明するための構成図である。図６に示されるように、本発明の光増幅器は、光共振器、監視手段、および制御部を含む。光共振器は、増幅媒体１３０６、該増幅媒体を励起するための励起光源１３１４，１３１７、波長選択素子１３０５、可変光減衰器１３０７、波長選択素子および可変光減衰器へ信号光の一部を分岐する光分岐素子、波長選択素子および可変光減衰器からの信号光を合波するための光分岐素子１３０２を含む。監視手段は、第１のモニタする信号光を分岐する光分岐素子１３０１、第２のモニタする信号光を分岐する光分岐素子１３１１、制御部１３１６、および、第１および第２のモニタする信号光の共通波長の光を通すための光バンドパスフィルタ１３１２，１３２０と、これらのモニタする信号光を電気信号に変換する光電変換回路１３１３，１３１９を含む。制御部は、該励起光源を制御するための励起光駆動回路１３１５，１３１８を含む。本実施例では、双方向励起の例を示したが、本発明はこれに限定されず、前方励起または後方励起であってもよい。
【０１３０】
使用した増幅媒体１３０６は、Ｔｍイオンを添加、ホストガラスとしてはフッ化物系ガラスの一種であるＺＢＬＡＮガラスである。Ｔｍ３＋の添加濃度は６０００ｐｐｍとした。Ｔｍ添加ＺＢＬＡＮ系フッ化物光ファイバの長さは５ｍとした。励起光源１３１４，１３１７は、１４００から１４３０ｎｍまでの発振波長を持つ半導体レーザを使用した。モニタする信号光を取り出す部分の光分岐素子１３０１，１３１１は、誘電体多層膜ミラーを使用し、入射信号光の１％を反射して取り出す形式のデバイスである。
【０１３１】
信号光は、１４８０ｎｍから１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用した。光バンドパスフィルタ１３１２，１３２０は、中心波長１４８０ｎｍ、透過帯域の半値全幅が０．８ｎｍのものを使用した。光電変換回路１３１３，１３１９は、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮ−ＰＤを使用した。光共振器を構成する光分岐素子１３０２，１３１０は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１５１３〜１５１６ｎｍでの分岐比が９５％である。
【０１３２】
波長選択素子１３０５は、誘電体多層膜を使用したもので、透過帯域の中心波長が１５１３ｎｍ、損失０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器１周回での１５１３〜１５１６ｎｍでの損失が１８ｄＢになるように可変光減衰器１３０７を調整した。可変光減衰器は光増幅器で通常用いられるものである。
【０１３３】
監視部１３１６は、第１のモニタ信号（本実施例では第１の電気信号）と第２のモニタ信号（本実施例では第２の電気信号）の比から信号光の利得を算出するわり算回路などを含む。より具体的には、差分信号を発生させる差分信号発生回路と利得信号算出回路（わり算回路）が含まれる。
【０１３４】
以下、図６に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。まず、信号光は、図６中の左側より入射し、光分岐素子１３０１によりその一部が分岐される。分岐されたモニタする信号光は、光バンドパスフィルタ１３１２を介して光電変換回路１３１３に入って第１の電気信号となる。光分岐素子１３０１を通過した信号光は、光分岐素子１３０２、アイソレータ１３０３、励起光／信号光合波カップラ１３０４を通過して増幅媒体１３０６に入る。
【０１３５】
励起光は、励起光／信号光合波カップラ１３０８を介して後方向からも入射される。増幅された信号光はアイソレータ１３０９、光分岐素子１３１０，１３１１を通過した後に出力される。光分岐素子１３１１は、出力信号光の一部をモニタするためのものであり、光バンドパスフィルタ１３２０を介して光電変換回路１３１９に入って第２の電気信号となる。
【０１３６】
ここで、信号光は１チャネル以上の波長数を有するＷＤＭ光である。２台の光バンドパスフィルタ１３１２，１３２０の通過波長は同一であり、ＷＤＭ信号光の特定の１チャネルの波長に合わせてある。
【０１３７】
アイソレータ１３０９より出射される信号光およびＡＳＥ光は、光分岐素子１３１０によりその一部が取り出され、可変光減衰器１３０７と波長選択素子１３０５を介して、光分岐素子１３０２より再度増幅媒体１３０６に注入される。これにより光共振器が形成される。
【０１３８】
この光共振器の発振波長は、光分岐素子１３０２，１３１０の分岐特性に波長依存性を持たせるか、または波長選択素子１３０５の機能を使用するかのいずれか、或いは両方同時に使用することで特定の波長が選ばれる。選択された発振波長では、光共振器は、光共振器の１周回の損失と増幅媒体１３０６の利得が一致するところで発振する。定常的に安定した発振が可能な場合、発振する条件以上の励起光量を注入しても発振波長での増幅媒体１３０６の利得は変化しない。
【０１３９】
上述の、第１の電気信号と第２の電気信号は、割り算回路１３１６により利得信号に変換される。この利得信号により、予め設定された値と一致するように励起光駆動回路１３１５，１３１８が調整され、励起光源の光量が制御される。励起光は、励起光／信号光合波カップラ１３０４，１３０８により増幅媒体に注入される。
【０１４０】
図７は、光共振器を構成するための光分岐素子の位置関係を説明するための図である。なお、図７において、図６と同じ構成要素には、図６と同じ符号を用いた。光共振器を構成するための光分岐素子１３０２，１３１０の位置は、色々なケースがある。光共振器は、光分岐素子１３０２と増幅媒体１３０６と光分岐素子１３１０と可変光減衰器１３０７と波長選択素子１３０５のループにより構成される。この場合、光分岐素子１３０２，１３０１および励起光／信号光合波カップラ１３０４の挿入位置は、光アイソレータ１３０３を挟んでＡ，Ｂの位置が可能である。
【０１４１】
特に、励起波長での光アイソレータ１３０３の通過損失が高い場合には、励起光／信号光合波カップラ１３０４の挿入位置はＢが望ましい。Ａ，Ｂの範囲で、各々の素子の挿入位置は、発振波長における各分岐手段の損失、カップラの損失などにより適当な位置が決められるが、その配置は必ずしも図６で示した位置に限定されない。
【０１４２】
同様に、光分岐素子１３１１，１３１０および励起光／信号光合波カップラ１３１７の挿入位置は、ＣおよびＤの位置が可能である。一般的には、光アイソレータ１３０９の光の逆方向阻止比は、広い波長域で高いことが多いので、励起光／信号光合波カップラ１３１７の挿入位置は、Ｃの位置が望ましい場合が多い。光分岐素子１３１１，１３１０および励起光／信号光合波カップラ１３１７に関しては、ＣおよびＤの範囲で、発振波長における各分岐部の損失、カップラの損失などにより適当な位置を決めることができる。しかし、その配置は必ずしも図６で示した位置に限定されない。
【０１４３】
図８は、各入力信号レベルを変えた場合の、利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。つまり、各入力信号レベルを−２５，−２０，−１５，−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に設定し入力した場合の利得スペクトルについて、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．での利得スペクトルを規準として、入力が変わった際の利得スペクトルを、規準スペクトルからのずれのうち最大の値をプロットした図である。
【０１４４】
励起光量は、光共振器が発振するしきい値の約１．３倍とした。利得の評価は、−３５ｄＢｍの小信号プローブ光をスキャンすることにより測定した。図８中の点線は、モニタする信号光による利得の制御をかけない場合の結果である。図８中の実線は、１４８０ｎｍの信号光をモニタし制御回路を働かせて、１４８０ｎｍでの利得が一定になるように制御を行った場合の値をプロットしたものである。図８より、制御をかけることにより利得プロファイルが一定となることが明らかとなった。
【０１４５】
（実施例２）
本実施例は、上記（１）で表される光増幅器の例である。
図９は、本発明の光増幅器の第２実施例を説明するための構成図である。本実施例は、ダブルパスの構成を用いた光増幅器の例であり、特に、反射型の光増幅器の例である。
【０１４６】
本実施例の光共振器は、実施例１と同様の構成を有する。本実施例では、光共振器の入力端にサーキュレータ１５０３が設けられ、光共振器の出力側にミラー１５０８を設ける。本実施例の光増幅器の監視手段は、図９に示されるように、第２の信号光を取り出す光分岐素子１５０２が、増幅された出力信号を取り出すサーキュレータ１５０３の出力端側に設けられることを除いて実施例１と同様である。本実施例では、双方向励起の例を示したが、本発明はこれに限定されず、前方励起または後方励起であってもよい。
【０１４７】
図９において、増幅媒体１５２６には、Ｔｍ３＋を２０００ｐｐｍの濃度で添加したＩｎ系フッ化物光ファイバを使用した。光ファイバ長は２０ｍである。励起光源は、１０３０ｎｍで発振するＩｎＧａＡｓ歪み量子井戸ＬＤを使用した。本実施例の光増幅器は、モニタする信号光を取り出すために、第１の電気信号を取り出すための構成と、第２の電気信号を取り出すための構成を含む。第１の電気信号を取り出すための構成は、光分岐素子１５０１、光バンドパスフィルタ１５１７および光電変換回路１５１９を含む。第２の電気信号を取り出すための構成は、光分岐素子１５０２、光バンドパスフィルタ１５１８および光電変換回路１５２０を含む。
【０１４８】
光分岐素子１５０１，１５０２は、誘電体多層膜ミラーを使用し、入射信号光の１％を反射して取り出す形式のデバイスである。
【０１４９】
信号光は、１４６０ｎｍから１４９０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用した。光バンドパスフィルタ１５１７，１５１８は、中心波長１４６０ｎｍ、透過帯域の半値全幅が０．８ｎｍのものを使用した。光電変換回路１５１９，１５２０は、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮ−ＰＤを使用した。光共振器を構成する光分岐素子１５０４，１５０７は、１４６０〜１４９０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１４９３〜１４９６ｎｍでの分岐比が９５％である。
【０１５０】
波長選択素子１５１０は、誘電体多層膜を使用したものであり、透過帯の中心波長が１４９３ｎｍ、損失０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器１周回での１４９３〜１４９６ｎｍの波長帯における損失が、２０ｄＢになるように可変光減衰器１５１１を調整した。
【０１５１】
以下、図９に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。光分岐素子１５０１を通過した信号光は、サーキュレータ１５０３を介して増幅媒体１５２６に入り、ミラー１５０８で反射されて、再度増幅媒体１５２６を通過し、サーキュレータ１５０３を介して光分岐素子１５０２側に出射される。
【０１５２】
ここで、光分岐素子１５０１，１５０２は、モニタする信号光として一部の信号光を分岐する。分岐されたモニタする信号光は、同一の通過波長を有する光バンドパスフィルタ１５１７，１５１８を介して、必要な信号光成分のみを取り出し、各々光電変換回路１５１９，１５２０に入射して、電気信号に変換される。第１および第２の電気信号は、割り算回路１５１６により利得信号として取り出される。この利得信号により、設定値と一致するように励起光駆動回路１５１４，１５１５が制御され、励起光源１５１２，１５１３の励起光量が制御される。励起光は、励起光／信号光合波カップラ１５０５，１５０６により増幅媒体に注入される。
【０１５３】
光共振器は、光分岐素子１５０４，１５０７と波長選択素子１５１０と可変光減衰器１５１１と増幅媒体１５２６よりなるループにより構成される。ここで、光分岐素子１５０４から、波長選択素子１５１０と可変光減衰器１５１１を経て光分岐素子１５０７を結ぶ光路部分にアイソレータを付加し、光共振器内の発振光の進行方向を規定することも可能である。このアイソレータの有無に関わらず、レーザ発振を起こしている光の波長における増幅媒体の利得は光共振器の１周回の損失により固定され、取り出された波長におけるモニタする信号光の利得は割り算回路１５１６を用いた電気的なフィードバック系により固定されることから、増幅器としての利得プロファイルは一意的に決定される。
【０１５４】
図１０は、ダブルパスの構成を用いた場合の光分岐素子の挿入位置を説明するための図である。モニタ手段、光共振器、および励起手段を構成する各光分岐素子の挿入位置は、図９に示した以外にも色々な位置が可能である。なお、図１０において、図９と同じ構成要素には、図９と同じ符号を用いた。
【０１５５】
入射信号光のモニタ回路（光分岐素子１５０１と光バンドパスフィルタ１５１７と光電変換回路１５１９の組み合わせ）と、出射信号光のモニタ回路（光分岐素子１５０２と光バンドパスフィルタ１５１８と光電変換回路１５２０の組み合わせ）と、励起光の回路（励起光／信号光合波カップラ１５０５と励起光源１５１２、励起光／信号光合波カップラ１５０６と励起光源１５１３の組み合わせ）と、光共振器（光分岐素子１５０４，１５０７と可変光減衰器１５１１と波長選択素子１５１０との組み合わせ）との相互の位置関係について説明する。
【０１５６】
光分岐素子１５０１，１５０２が光方向性結合器の場合、光分岐素子１５０１はＡおよびＢの位置が可能であり、光分岐素子１５０２はＤおよびＢの位置が可能である。一方、光分岐素子１５０４および光分岐素子１５０７は、それぞれＡとＤ、ＢとＣ、ＡとＣ、ＤとＣの組み合わせが可能である。一方、励起光／信号光合波カップラ１５０６はＣの位置が望ましい。励起光／信号光合波カップラ１５０５は、励起波長でのサーキュレータ１５０３の順方向損失、または逆方向損失が十分低ければＡ，Ｄの位置が可能であるが、Ｂの位置が望ましい。Ａ〜Ｄの各領域内での、個々のデバイスの相互の位置関係は、各々のデバイスの光学特性を考慮さえすれば自由に設定できる。
【０１５７】
図１１は、各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた際に、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準として入力を変えた場合の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値をプロットした図である。点線は、モニタする信号光の波長で利得制御をかけない場合の特性であり、実線は利得制御をかけた場合の特性である。図１１より、制御をかけることにより利得プロファイルが一定となることが明らかとなった。
【０１５８】
（実施例３）
本実施例は、上記（１）で表される光増幅器の例である。
図１２は、本発明の光増幅器の第３実施例を説明するための構成図であり、双方向光増幅器の例である。本実施例では、光共振器、監視手段、および制御部は実施例１と同じ構造を有する。本実施例では、図１２に示されるように、光共振器の両端にサーキュレータ１７０２、１７０７を設け、第１の入力信号と第２の入力信号が光共振器に対向して入力される。なお、図１２では、双方向励起の例を示したが、本発明はこれに限定されず、前方励起または後方励起であってもよい。
【０１５９】
増幅媒体１７２６には、Ｔｍ３＋を２０００ｐｐｍの濃度で添加したテルライト系光ファイバを使用した。光ファイバ長は２０ｍである。励起光源１７１５は、１４００ｎｍで発振するＬＤを使用し、励起光源１７１７は、１４００ｎｍで発振するＬＤと１６００ｎｍで発振するＬＤから発生される光を合成して使用した。
【０１６０】
本実施例は、モニタする信号光を使用して利得プロファイルの状態を監視し、励起光駆動回路１７１６、１７１８を使用して励起光源を制御して利得プロファイルを一定に制御する。これらのうち、励起光駆動回路１７１８につながる１４００ｎｍおよび１６００ｎｍで発振する２台のＬＤにフィードバックをかけ、これらの励起光源を制御した。モニタする信号光の取り出しは、光分岐素子１７０１，１７０８により行われ、これらには、融着延伸型のファイバカップラを使用した。この光分岐素子は、入射信号光の１％を反射し取り出す形式のデバイスである。
【０１６１】
信号光には、１４８０ｎｍから１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用した。
【０１６２】
光バンドパスフィルタ１７１１，１７１３は、中心波長１５１０ｎｍ、透過帯域の半値全幅が０．８ｎｍのものを使用した。光電変換回路１７１２，１７１４は、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮ−ＰＤを使用した。光共振器を構成する光分岐素子１７０３，１７０６は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１４７４〜１４７７ｎｍでの分岐比が９５％である。
【０１６３】
波長選択素子１７０９は、誘電体多層膜を使用したもので、透過帯の中心波長が１４７６ｎｍ、損失が０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器１周回での１４７４〜１４７７ｎｍでの損失は２０ｄＢになるように可変光減衰器１７１０を調整した。
【０１６４】
入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、１５１０ｎｍで観測され、その値は、利得制御をかけない場合７ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。
【０１６５】
以下、図１２に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。光分岐素子１７０１を通過した信号光は、サーキュレータ１７０２を介して増幅媒体１７２６に入る。即ち信号光は、光分岐素子１７０３と励起光／信号光合波カップラ１７０４を通過して増幅媒体１７２６中に入り増幅される。後方向励起光は、励起光／信号光合波カップラ１７０５により合波される。
【０１６６】
増幅された信号光は、光分岐素子１７０６、サーキュレータ１７０７を通過し、光分岐素子１７０８を介して取り出される。入射された信号光の一部は、光分岐素子１７０１と光バンドパスフィルタ１７１１と光電変換回路１７１２により電気信号に変換され、出射された信号光の一部は、光分岐素子１７０８と光バンドパスフィルタ１７１３と光電変換回路１７１４により電気信号に変換される。
【０１６７】
各々電気信号は、割り算回路１７２０により利得信号に変化される。この利得信号により、予め設定された値に一致するように、励起光駆動回路１７１６，１７１８を介して励起光源７１５，７１７からの励起光量が調整される。このように、入射された信号光のうち、モニタする信号光の波長における利得は、電気的なフィードバックにより制御される。
【０１６８】
一方、光共振器は、光分岐素子１７０３，１７０６と波長選択素子１７０９と可変光減衰器１７１０と増幅媒体１７２６よりなるループにより構成される。
【０１６９】
ここで、光分岐素子１７０３から、波長選択素子１７０９と可変光減衰器１７１０を経て光分岐素子１７０６を結ぶ光路内にアイソレータを付加し、光共振器内の発振光の進行方向を規定することも可能である。このアイソレータの有無に関わらず、レーザ発振を起こしている光の波長での増幅媒体の利得は、光共振器の１周回の損失により固定され、モニタする信号光の波長における利得は割り算回路１７２０を用いた電気的なフィードバック系により固定されることから、増幅器としての利得プロファイルは一意的に決定される。
【０１７０】
図１３は、図１２に示した構成においてモニタ手段、光共振器および励起手段を構成する各光分岐素子の挿入位置を説明するための図である。モニタおよび光共振器を構成する各光分岐素子の挿入位置は、図１２に示した以外にも色々な位置が可能である。なお、図１３において、図１２と同じ構成要素には、図１２と同じ符号を用いた。
【０１７１】
入射信号光のモニタ回路（光分岐素子１７０１と光バンドパスフィルタ１７１１と光電変換回路１７１２の組み合わせ）と、出射信号光のモニタ回路（光分岐素子１７０８と光バンドパスフィルタ１７１３と光電変換回路１７１４の組み合わせ）と、励起光の回路（励起光／信号光合波カップラ１７０４と励起光源１７１５、励起光／信号光合波カップラ１７０５と励起光源１７１７との組み合わせ）と、光共振器（光分岐素子１７０３，１７０６と可変光減衰器１７１０と波長選択素子１７０９との組み合わせ）との相互の位置関係について説明する。
【０１７２】
光分岐素子１７０１はＡまたはＢの位置が可能である。光分岐素子１７０８は、Ｃ或いはＤの位置が可能である。一方、光分岐素子１７０３と光分岐素子１７０６は、それぞれ、ＡとＤ、ＢとＣ、ＡとＣ、およびＢとＣの組み合わせが可能である。一方、励起光／信号光合波カップラ１７０４はＡまたはＢの位置であり、Ｂの位置が好ましく、励起光／信号光合波カップラ１７０５はＣまたはＥの位置であり、Ｃの位置が好ましい。Ａ〜Ｅの各領域内での個々のデバイスの相互位置は、各々のデバイスの光学特性を考慮さえすれば自由に設定できる。
【０１７３】
（実施例４）
本実施例は、上記（２）で表される光増幅器の例である。
図１４は、本発明の光増幅器の第４実施例を説明するための構成図であり、シングルパスの構成を示す図である。本実施例の光増幅器は、実施例１と同様の構成を有する光共振器と、増幅媒体の入力端における、信号入力の全パワーと共振器の発振を起こしている光のパワーの和をモニタする監視手段、および励起光源を制御する制御部を有する。監視手段は、信号入力光および光共振器の発振を起こしている光を取り出すための光分岐素子１９０２、これらの光のパワーを電気信号に変換する光電変換回路１９１０、この電気信号から励起光駆動回路１９１２，１９１４へ信号を送るための監視部（例えば差分信号発生回路）１９１５を含む。制御部は、励起光源１９１１，１９１３を制御するための励起光駆動回路１９１２，１９１４を具備する。
【０１７４】
増幅媒体１９１６には、Ｅｒを２０００ｐｐｍの濃度で添加したＺｒ系フッ化物光ファイバを使用した。光ファイバ長は７ｍである。
【０１７５】
励起光源１９１１，１９１３には、９８０ｎｍで発振するＬＤを互いに偏波が直交するように配置した偏波多重型励起ユニットを用いた。本実施例は、モニタ信号光を使用して利得プロファイルの状態を監視し、励起光駆動回路１９１２、１９１４を使用して励起光源を制御することにより利得プロファイルを一定にする。本実施例の制御では、全ＬＤ（励起光源）にフィードバック制御をかけたが、励起光／信号光合波カップラ１９０４からの励起光量に対し、励起光／信号光合波カップラ１９０５からの励起光量が常に１．４倍になるようにした。
【０１７６】
モニタ信号光を取り出す部分は、光分岐素子１９０２、光電変換回路１９１０で構成される。光分岐素子１９０２は、誘電体多層膜をフィルタとして使用したパルク型のカップラであり、９００〜１００ｎｍおよび２５００〜３０００ｎｍでの分岐比が１％である。信号光は、２６００から２６３０ｎｍで２ｎｍ間隔の１６波を使用した。光電変換回路１９１０はＰＩＮ−ＰＤを使用した。
【０１７７】
光共振器を構成する光分岐素子１９０１，１９０７は、２６００〜２６３０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、２６１０〜２６５０ｎｍで分岐比が９５％である。波長選択素子１９０８は誘電体多層膜を使用したもので、透過帯の中心波長が２６３０ｎｍ、損失０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器では、１周回での２６１０〜２６５０ｎｍでの損失が２０ｄＢになるように可変光減衰器１９０９を調整した。
【０１７８】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、利得制御をかけない場合５ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．２ｄＢであった。
【０１７９】
以下、図１４に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。この実施例においても、シングルパスの構成、ダブルパスの構成、双方向光増幅器の構成は当てはまる。
【０１８０】
本実施例の光増幅器は、光共振器と、第２モニタ法とを同時に使用する。特に、本実施例では、第２モニタ法において、全信号光を一部分岐する光分岐素子と共振器内のレーザ発振光の増幅媒体入力端での光を一部分岐する光分岐素子とを一つの光分岐デバイスにより行うことを特徴とする。分岐された全信号光のパワーとレーザ発振光のパワーに基づいて、これらの光が同時に導入される一つの光電変換素子に入射されて電気信号に変えられる。
【０１８１】
この電気信号とあらかじめ設定されているレベルとの差分信号成分が零になるように励起光駆動回路を調整する。励起光駆動回路の選択方法は、上述した実施例と同じである。また、使用する光学素子についても上述した実施例で説明したものと同一である。
【０１８２】
信号光は、光分岐素子１９０１，１９０２とアイソレータ１９０３と励起光／信号光合波カップラ１９０４を介して増幅媒体に入射し、増幅媒体内で増幅された信号光は、励起光／信号光合波カップラ１９０５とアイソレータ１９０６と光分岐素子１９０７を介して出射する。光共振器は、光分岐素子１９０１，１９０７と波長選択素子１９０８と可変光減衰器１９０９と増幅媒体１９１６よりなるループにより構成される。
【０１８３】
光分岐素子１９０２は、光共振器内の発振光と全入射信号光を各々規定の比率で取り出す機能を有しており、取り出されたモニタ信号光は、光電変換回路１９１０により電気信号に変換される。この電気信号は、増幅媒体１９１６に入射する光の量に比例した信号レベルとなっており、このレベルが予め定められたレベルと比較さる。比較された信号レベルは、その差分信号を発生する差分信号発生回路１９１５により差分信号として出力され、この差分信号により励起光駆動回路および励起光源がフィードバック制御される。
【０１８４】
この制御により、増幅媒体１９１６の入射端に入る光は、予め定められた値または外部より設定された値に常に一致する。なお、各光分岐手段の挿入位置は自由度があることは言うまでもない。なお、１９１２，１９１４は励起光駆動回路を示している。
【０１８５】
（実施例５）
図１５は、本発明の光増幅器の第５実施例を説明するための構成図であり、シングルパスの構成を示す例である。
【０１８６】
本実施例は、図１５に示されるように、共振器の入力端側で第１のモニタする信号光を取り出すための光分岐素子２００２と、これから取り出されたモニタする信号光を電気信号に変換するための光電変換回路２０１２を含むモニタする信号光を取り出す部分と、光共振器内の可変光減衰器２０１０と光分岐素子２００７の間にアイソレータ２０１１を有することを除いて、実施例４と同じ構成を有する。
【０１８７】
増幅媒体２０２６には、Ｔｍ３＋を６０００ｐｐｍの濃度で添加したＺｒ系フッ化物光ファイバを使用した。光ファイバ長は７ｍである。励起光源２０１４，２０１６は１４００ｎｍで発振するＬＤである。
【０１８８】
本実施例は、モニタする信号光を使用して利得プロファイルの状態を監視し、励起光駆動回路２０１５、２０１７を使用して励起光源を制御することにより利得プロファイルを一定にする。本実施例の制御では、励起光駆動回路２０１５，２０１７につながる１４００ｎｍで発振する全てのＬＤにフィードバック制御をかけた。但し、励起光／信号光合波カップラ２００５からの励起光量をＰ１とし、励起光／信号光合波カップラ２００６からの励起光量をＰ２とした場合、以下の式に従うように互いの光量の関係を制御した。
【０１８９】
Ｐ２（ｍＷ）＝４００ｔ
Ｐ１（ｍＷ）＝１００ｔ＋３００
但し ｔは０から１の実数
【０１９０】
モニタする信号を取り出す部分の光分岐素子２００２，モニタ信号取り出し部分の２００４には、融着延伸型のファイバカップラを使用した。これは、１４７０〜１５３０ｎｍでほぼ一定で１％の分岐比をもつ融着延伸型カップラである。但し、光分岐素子２００２は、図１５中の左から右の方向に伝搬する光のみを分岐し、光分岐素子１００４は、図１５中の右から左の方向に伝搬する光のみを分岐する。信号光は、１４８０ｎｍから１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用した。
【０１９１】
光電変換回路２０１２，２０１３は、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮ−ＰＤを使用した。光共振器を構成する光分岐素子２００３，２００７は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１５１３〜１５１７ｎｍでの分岐比が９５％である。
【０１９２】
波長選択素子２００９は、誘電体多層膜を使用したものであり、透過帯の中心波長が１５１５ｎｍ、損失が０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器は、１周回での１５１５ｎｍでの損失が１７ｄＢになるように可変光減衰器２０１０で調整される。
【０１９３】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、１５１５ｎｍにおいて、利得制御をかけない場合６ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。なお、図中符号２００１，２００８，２０１１は光アイソレータを示している。
【０１９４】
以下、図１５に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。本実施例は、上記第２モニタ法において、全信号光を一部分岐する光分岐素子と共振器内のレーザ発振光の増幅媒体入力端での光を一部分岐する光分岐素子とが別々のものであり、これらを使用することによりそれぞれの光が、それぞれ別の光電変換素子に入射されて、それぞれの光のパワーに対応した各々独立の電気信号に変えられる。得られた電気信号は、何らかの電気的手段により両者の線形結合または和の成分となる電気信号に変換され、これを取り出し、電気信号とあらかじめ設定されているレベルとの差分信号成分が零になるように励起光駆動回路を調整する。励起光駆動回路の選択方法は、上述した実施例と同じである。また、使用する光学素子についても上述した実施例で説明したものと同一である。
【０１９５】
信号光は、アイソレータ２００１と光分岐素子２００２，２００３と励起光／信号光合波カップラ２００５を介して増幅媒体２０２６に入射される。増幅媒体２０２６内で増幅された信号光は、励起光／信号光合波カップラ２００６と光分岐素子２００７とアイソレータ２００８を介して取り出される。
【０１９６】
光共振器は、光分岐素子２００３，２００７と波長選択素子２００９と可変光減衰器２０１０とアイソレータ２０１１と増幅媒体２０２６よりなるループにより構成される。光分岐素子２００２，２００４は、共に方向性結合器として動作する。このために光分岐素子２００４は、信号光とは反対方向に進行する光共振器内のレーザ発振光のみを分岐し取り出す。
【０１９７】
光分岐素子２００２，２００４より取り出された、入射信号光に対応するモニタする信号光、モニタ信号光と、レーザ発振光に対応するモニタ光は、各々光電変換回路２０１２，２０１３により電気信号に変換され、和信号発生回路２０１８において両者の足し算がおこなわれ、同時に外部設定レベルと和成分との比較がおこなわれ両者の差分信号が出力される。
【０１９８】
励起光駆動回路２０１５，２０１７および励起光源２０１４，２０１６では、差分信号が零になるようにフィードバック制御される。なお、各光分岐素子の挿入位置は自由度があることは言うまでもない。
【０１９９】
（実施例６）
本実施例は、上記（３）で表される光増幅器の例である。
【０２００】
図１６は、本発明の光増幅器の第６実施例を説明するための構成図であり、シングルパスの構成を示す例である。
【０２０１】
本実施例では、増幅媒体の入力端における、信号入力の全パワーと共振器の発振を起こしている光のパワーの和をモニタし、励起光源を制御する、監視手段および制御部に代えて、増幅媒体の出力端における、信号出力の全パワーと共振器の発振を起こしている光のパワーの和をモニタし、励起光源を制御する、監視手段および制御部が、図１６に示されるように、アイソレータ２１０５と光分岐素子２１０７の間に設けられていることを除いて、実施例４と同じ構成を有する。
【０２０２】
増幅媒体２１１６としては、Ｔｍ３＋を６０００ｐｐｍの濃度で添加したＺｒ系フッ化物光ファイバを使用した。光ファイバ長は７ｍである。励起光源２１１０，２１１２は１４００ｎｍで発振するＬＤである。
【０２０３】
本実施例は、モニタ信号光を使用して利得プロファイルの状態を監視し、励起光駆動回路２１１１、２１１３を使用して励起光源を制御することにより利得プロファイルを一定にする。
【０２０４】
本実施例の制御では、励起光駆動回路２１１１，１１１３につながる１４００ｎｍで発振する全てのＬＤにフィードバック制御をかけた。但し、励起光／信号光合波カップラ２１０３からの励起光量をＰ１とし、励起光／信号光合波カップラ２１０４からの励起光量をＰ２とした場合、以下の式に従うように互いの光量の関係を制御した。
【０２０５】
Ｐ１（ｍＷ）＝２×Ｐ２（ｍＷ）
【０２０６】
モニタ信号光取り出し部の光分岐素子２１０６には、融着延伸型のファイバカップラを使用する。これは、１４７０〜１５３０ｎｍでほぼ一定で１％の分岐比をもつ融着延伸型カップラである。信号光は、１４８０ｎｍから１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用した。光電変換回路２１１４は、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮ−ＰＤを使用した。
【０２０７】
光共振器を構成する光分岐素子２１０１，２１０７は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１５１３〜１５１７ｎｍでの分岐比が９５％である。波長選択素子２１０８は、誘電体多層膜を使用したものであり、透過帯の中心波長が１５１５ｎｍ、損失０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器では、１周回での１５１５ｎｍにおける損失は１７ｄＢになるように可変光減衰器２１０９が調整された。
【０２０８】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、１５１５ｎｍにおいて、利得制御をかけない場合６ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。
【０２０９】
以下、図１６に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。本実施例では光共振器と、上記第３モニタ法とを同時に使用する。
【０２１０】
信号光は、光分岐素子２１０１とアイソレータ２１０２と励起光／信号光合波カップラ２１０３を介して増幅媒体に入射される。増幅された信号光は、励起光／信号光合波カップラ２１０４とアイソレータ２１０５と光分岐素子２１０６，２１０７を介して取り出される。
【０２１１】
光共振器は、光分岐素子２１０１，２１０７と波長選択素子２１０８と可変光減衰器２１０９と増幅媒体２１１６よりなるループにより構成される。光分岐素子２１０６は、光方向性結合器としては動作しない形式の分岐素子であり、全信号光とレーザ発振光とを同時にある比率でモニタ成分として分岐する。光分岐素子２１０６より取り出されたモニタ信号光は、光電変換回路２１１４により、モニタ信号光のパワーに対応した電気信号に変換され、差分信号発生回路２１１５により外部設定レベルとモニタ成分との比較がおこなわれ両者の差分信号が出力される。
【０２１２】
励起光駆動回路２１１１，２１１３および励起光源２１１０，２１１２では、差分信号が零になるようにフィードバック制御される。なお、各光分岐手段の挿入位置は、自由度があることは言うまでもない。また、光分岐素子を、レーザ発振成分と増幅された信号成分に対して各々別々に用意することも可能である。
【０２１３】
（実施例７）
本実施例は、上記（４）で表される光増幅器の例である。
図１７は、本発明の光増幅器の第７実施例を説明するための構成図であり、シングルパスの構成を示す例である。
【０２１４】
本実施例は、２つの光共振器により光増幅器の利得プロファイルを一定に制御する。本実施例では、２つの共振器に同じ光ファイバを使用するため、両共振器での増幅媒体の希土類イオンの濃度は同じである。従って、上記（４）のような２つの共振器を用いて利得プロファイルを一定に制御するために求められる、共振器内の増幅媒体の希土類イオンの総数が一定であるという条件は満たされる。
【０２１５】
増幅媒体２２２６としては、Ｔｍ３＋を６０００ｐｐｍの濃度で添加したＺｒ系フッ化物光ファイバを使用した。光ファイバ長は７ｍである。励起光源２２１７，２２１９は１４００ｎｍで発振するＬＤである。本発明の制御では、励起光駆動回路２２１８，２２２０につながる１４００ｎｍで発振する全てのＬＤにフィードバック制御をかけた。
【０２１６】
第１の光共振器を構成する光分岐素子２２０１，２２０８は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１５１３〜１５１７ｎｍでの分岐比が９５％である。波長選択素子２２０９は誘電体多層膜を使用したものであり、透過帯の中心波長が１５１５ｎｍ、損失が０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器は、１周回での１５１５ｎｍにおける損失が１７ｄＢになるように可変光減衰器２２１２が調整された。
【０２１７】
第２の光共振器を構成する光分岐素子２２０２，２２０７は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１６００〜１８００ｎｍでの分岐比が９５％である。波長選択素子２２１０は誘電体多層膜を使用したものであり、透過帯の中心波長が１７００ｎｍ、損失が０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器は、１周回での１７００ｎｍにおける損失が１６ｄＢになるように可変光減衰器１２１３が調整された。
【０２１８】
本実施例では、２つの光共振器が常に発振状態となるための制御部分を有する。該制御部分はモニター信号光取り出し部を有する。モニタ信号光取り出し部は、光分岐素子２２１５，２２１１と、光電変換回路２２１４，２２１６を含む。光分岐素子２２１５，２２１１は、融着延伸型のファイバカップラを使用し、１４７０〜１７５０ｎｍでほぼ一定で１％の分岐比をもつ融着延伸型カップラである。光電変換回路２２１６，２２１４は、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮ−ＰＤを使用した。信号光は、１４８０ｎｍから１５１０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用した。
【０２１９】
光電変換回路２２１４，２２１６での電気信号を用いて、第１の光共振器および第２の光共振器が常に発振状態になるように発振判定回路２２２１を用いて励起光源をフィードバック制御した。
【０２２０】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、光共振器による制御をかけない場合に６ｄＢであるのに対し、制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。
【０２２１】
以下、図１７に示した構成に基づいて本発明の光増幅器の動作について具体的に説明する。本実施例は、第１の光共振器と第２の光共振器の２つの光共振器を持つ光増幅器の例である。本実施例の場合、励起光源は光増幅器内の２つの光共振器がともにレーザ発振状態に保たれればよい。従って、この目的を達成するために各々のレーザ発振状態をモニタする機能（図１７では、光分岐手段２２１１、光電変換回路２２１６、発振判定回路２２２１、および、光分岐手段２２１５、光電変換回路２２１４、発振判定回路２２２１などから構成される）を光増幅器内に組み込むことができる。この機能によりレーザ発振の状態をモニタし、常に両光共振器がレーザ発振するように励起光源を調整することが可能となる。
【０２２２】
以上に説明した光増幅器において、図１７に示すように、光共振器中に１周回の損失を可変にするための可変減衰器２２１２、２２１３等を含むことも可能である。
【０２２３】
信号光は、光分岐素子２２０１，２２０２とアイソレータ２２０３と励起光／信号光合波カップラ２２０４を介して増幅媒体２２２６に入射する。増幅媒体２２２６より出射した信号光は、励起光／信号光合波カップラ２２０５とアイソレータ２２０６と光分岐素子２２０７，２２０８を介して出射される。
【０２２４】
光共振器は、光分岐素子２２０１と波長選択素子２２０９と可変光減衰器２２１２と光分岐素子２２１５，２２０８により構成される第１の光共振器と、光分岐素子２２０２，２２１１と波長選択素子２２１０と可変光減衰器２２１３と光分岐素子２２０７により構成される第２の光共振器である。
【０２２５】
光分岐素子２２１５は、第１の共振器内の光を分岐し、光電変換回路２２１４に入力するためのものであり、得られた電気信号は発振判定回路２２２１に入力される。光分岐素子２２１１は、第２の共振器内の光を分岐し光電変換回路２２１６に入力するためのものであり、得られた電気信号は発振判定回路２２２１に入力される。両者の電気信号により共に２つの共振器が発振するように励起光駆動回路２２１８，２２２０により、励起光源２２１７，２２１９から出射される励起光量が制御される。なお、各光分岐素子の挿入位置は自由度があることは言うまでもない。
【０２２６】
（実施例８）
図１８は、本発明の光増幅器の第８実施例を説明するための構成図であり、シングルパスを直列に２段に接続する場合を示す。まず、第１の光増幅器について説明する。第１の光増幅器２３０１は、図６に示した実施例１と同一のものである。従って、光増幅器１の構成および動作は、先に実施例１で説明したとおりである。
【０２２７】
また、第２の光増幅器２３０２は、図１４（実施例４）と同じである。従って、以下にこの増幅器の各部品を説明するが、図１４をベースに説明する。
【０２２８】
増幅媒体１９１６としては、Ｔｍ３＋を６０００ｐｐｍの濃度で添加したＺｒ系フッ化物光ファイバを使用した。光ファイバ長は７ｍである。励起光源１９１１，１９１３は１４００ｎｍで発振するＬＤを互いに偏波が直交するように配置した偏波多重型励起ユニットを用いた。モニタ信号光を使用した制御では、全ＬＤにフィードバック制御をかけたが、励起光／信号光合波カップラ１９０４からの励起光量に対し、励起光／信号光合波カップラ１９０５からの励起光量が常に２倍になるようにした。
【０２２９】
モニタ信号光取り出し部分の光分岐素子１９０２は、誘電体多層膜をフィルタとして使用したバルク型のカップラである。これは、１４６０〜１５３０ｎｍでの分岐比が１％である。信号光は、１４８０〜１５１０ｎｍで２ｎｍ間隔の１６波を使用した。
【０２３０】
光電変換回路１９１０はＰＩＮ−ＰＤを使用した。光共振器を構成する光分岐素子１９０１，１９０７は、１４８０〜１５１０ｎｍでの通過損失が０．２ｄＢ以下、１４７０〜１４７７ｎｍでの分岐比が９５％である。波長選択素子１９０８は誘電体多層膜を使用したもので、透過帯の中心波長が１４７５ｎｍ、損失が０．５ｄＢ、半値全幅が０．８ｎｍである。光共振器は、１周回での１４７５ｎｍにおける損失が１５ｄＢになるように可変光減衰器１９０９が調整された。
【０２３１】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、利得制御をかけない場合１０ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。
【０２３２】
実施例１や実施例４以外の実施例２，３，５，６および７で説明した光増幅器を任意に選択してこれらを直列に接続することが可能である。複数の光ファイバ増幅器を直列に繋ぐことにより、より高効率動作が期待できる。
【０２３３】
（実施例９）
図１９は、本発明の光増幅器の第９実施例を説明するための構成図であり、シングルパスを直列に２段に接続する場合を示す。本実施例の光増幅器は、実施例８で説明した２段型光増幅器の中間部分（接続部分）に利得等価器２４０２および可変光減衰器２４０３を挿入したものである。
【０２３４】
利得等価器２４０２は、長周期ファイバグレーティングを使用したものであり、可変光減衰器２４０３は、１４８０〜１５１０ｎｍでの損失の平坦度が０．１ｄＢ以下である。
【０２３５】
このように、利得等価器２４０２および可変光減衰器２４０３を用いることにより、実施例８では１４８０〜１５１０ｎｍでの利得平坦度が３０％であったのに対して、本実施例では２％となった。
【０２３６】
ここで、利得平坦度とは以下のように定義した。
（利得平坦度）＝｛（増幅帯域内の最大利得）−（同帯域内の最小利得）｝／（同帯域内の最小利得）
【０２３７】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、利得制御をかけない場合１０ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。
【０２３８】
第１の光増幅器２４０１および第２の光増幅器２４０４は、上述した実施例１〜実施例７に記載されている光増幅器の中から任意に選択することができる。利得等価器２４０２は、利得プロファイルを平坦化するために挿入され、光可変減衰器２４０３は、第２の光増幅器への入力信号光量を調整する役目を有する。
【０２３９】
（実施例１０）
図２０は、本発明の光増幅器の第１０実施例を説明するための構成図であり、シングルパスを直列に２段に接続する場合を示す。本実施例の光増幅器は、実施例８で説明した２段型光増幅器の中間部分に利得等価器２５０２および可変光減衰器２５０３を挿入したものである。さらに本実施例の光増幅器は、光分岐素子２５０４、光バンドパスフィルタ２５０６、光電変換回路２５０７および差分信号発生回路２５０８からなる制御部を含む。光分岐素子２４０４は、１４８０〜１５１０ｎｍで分岐比１％のバルク型デバイスである。光バンドパスフィルタ１５０６は、透過帯の中間波長が１４８０ｎｍ、半値全幅が０．８ｎｍ、透過中心波長での損失１ｄＢである誘電体多層膜をフィルタとして使用したデバイスである。
【０２４０】
利得等価器２５０２は、長周期ファイバグレーティングを使用したもので、可変光減衰器２５０３は、１４８０〜１５１０ｎｍでの損失の平坦度が０．１ｄＢ以下であり、外部からの電気信号により減衰量が制御できる。
【０２４１】
本実施例では、光増幅器の制御は、上記制御部により１４８０ｎｍの信号光をモニタし、その値が一定となるように、制御部の差分信号発生回路２５０８を介して、光可変減衰器２５０３をフィードバック制御した。この結果、第２の光増幅器２５０５に入射する信号光の各々のチャネルでのレベルが一定になる。
【０２４２】
本実施例により、実施例８では１４８０〜１５１０ｎｍでの利得平坦度が３０％であったのに対して、本実施例では２％となった。
【０２４３】
ここで利得平坦度とは以下のように定義した。
（利得平坦度）＝｛（増幅帯域内の最大利得）−（同帯域内の最小利得）｝／（同帯域内の最小利得）
【０２４４】
さらに、各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた。信号のこのような変化に対し、−２５ｄＢｍ／ｃｈ．の時の利得プロファイルを規準とした。入力を変えた際の規準プロファイルからの利得の偏差の最大値は、利得制御をかけない場合１０ｄＢであるのに対し、利得制御をかけた場合は０．３ｄＢであった。また、本実施例の光増幅器の信号出力部分での各ＷＤＭ光のレベルは常に３ｄＢｍに保たれた。
【０２４５】
この実施例１０に記載されているように、本発明の光増幅器は、可変光減衰器を制御する制御部を含むことができる。このような光増幅器の可変光減衰器の減衰量は、取り出されたモニタ信号光に基づいて電気的に調整する機能を有する制御部により調整されうる。
【０２４６】
第１の光増幅器２５０１および第２の光増幅器２５０５は、上述した実施例１〜実施例７に記載されている光増幅器の中から任意に選択することもができる。利得等価器２５０２は、利得プロファイルを平坦化するため挿入される。光分岐素子２５０４は、信号光の一部を分岐する。光バンドパスフィルタ２５０６は、任意の１チャネルの信号のみを取り出し、光電変換回路２５０７によりこの信号が電気信号に変換される。この電気信号と差分信号発生回路２５０８内に予め設定された値とから、制御信号が発生され、この制御信号により可変光減衰器が制御される。
【０２４７】
第１の光増幅器２５０１と第２の光増幅器２５０５の差が小さくなるように、好ましくは零になるように、光可変減衰器の減衰量をフィードバック制御する。
【０２４８】
この実施例では、第２の光増幅器への入力信号はＷＤＭ信号の各チャネルの入力レベルが等しくなる。
【０２４９】
（実施例１１）
図２１は、本発明の光増幅器の第１１実施例を説明するための構成図であり、シングルパスを多段に結合した光増幅器の例である。本実施例では、光増幅器２６１８と、光増幅器２６１９の２台を使用する。本実施例は、光増幅器に入力される入力信号を予め２つの帯域に分割し、各々を別の光増幅器で増幅し、増幅された信号光を再度合波する例である。なお、図中符号２６０２は第１の光増幅器、２６０３は利得等価器、２６０４は可変光減衰器、２６０５は光分岐素子、２６０６は第２の光増幅器、２６０７は光バンドパスフィルタ、２６０８，２６１５は光電変換回路、２６０９は差分信号発生回路を示している。
【０２５０】
光増幅器２６１８は、実施例１０と同一のものである。従って、光増幅器２６１８の構成および動作は実施例１０で説明したとおりである。光増幅器２６１９は以下に説明する。
【０２５１】
光増幅器２６１９中で示した第３の光増幅器２６１０は、実施例１で用いた光増幅器である。光分岐素子２６１３は、１４６０〜１４９０ｎｍであり、これは分岐比１％のバルク型デバイスである。光バンドパスフィルタ２６１４は、透過帯の中心波長が１４６０ｎｍ、半値全幅が０．８ｎｍ、透過中心波長での損失１ｄＢである誘電体多層膜をフィルタとして使用したデバイスである。
【０２５２】
利得等価器２６１１は、長周期ファイバグレーティングを使用したものである。可変光減衰器２６１２は、１４６０〜１４９０ｎｍでの損失の平坦度が０．１ｄＢ以下であり、外部からの電気信号により減衰量が制御できる。
【０２５３】
本実施例の光増幅器の制御は、１４６０ｎｍの信号光をモニタし、その値が一定となるように差分信号発生回路２６１６を介して、可変光減衰器２６１２をフィードバック制御した。これにより、光増幅器２６１９から出射する信号光の各々のチャネルでのレベルが一定になる。
【０２５４】
信号光帯域分波器２６０１および信号光帯域合波器２６１７は、１４６０〜１４７６ｎｍの帯域と１４８０〜１５１０ｎｍの帯域を合分波する。信号光は、１４６０〜１４７６ｎｍにおいて２ｎｍ間隔で配置した９波と、１４８０〜１５１０ｎｍで２ｎｍで配置した１６波とをあわせた２５波ＷＤＭである。
【０２５５】
各入力信号レベルを−２５から−１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた場合、信号光合波器２６１７からの出力光は、制御をしない場合１０ｄＢ以上変化したのに対して、制御をした場合は、５．０〜５．２ｄＢｍにすべての信号光成分が入った。
【０２５６】
【発明の効果】
本発明の第１の光増幅器では、少なくとも光増幅器内にレーザ発振する光共振器を有し、任意の信号光の利得を制御すること、または、少なくとも光増幅器内にレーザ発振する光共振器を持ち、レーザ発振光と信号光パワーとの合計を一定に制御することができる。また、本発明の第２の実施形態では、光増幅器内に２以上の光共振器を組み込むことにより、利得スペクトルを一定に制御することができる。
【０２５７】
また、本発明の光増幅器は、ＷＤＭ伝送システムに適用した場合、信号チャネル数の変化に伴う入力レベルの変動および温度変化による利得スペクトルの変化に対し、信号光の利得スペクトルの制御が可能である。
【０２５８】
また、本発明の光増幅器は、伝送路損失の経時変化時の補償に必要な出力を一定に制御することができ、さらに、発振波長のホールバーニング等にも対応することができる。
【０２５９】
本発明の制御方法は、広く一般的な希土類イオンを添加した増幅媒体を用いた光増幅器で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、Ｅｒイオン、およびＰｒイオンの、増幅に大きく関与するエネルギー準位を表す模式図である。
【図２】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、ＥｒイオンおよびＴｍイオンのエネルギー凖位を示す図である。
【図３】ＴＤＦＡにおいて波長λ１での利得を一定にし、ＴＤＦＡの励起光量を調節した場合の特性を示す図である。
【図４】本発明の光増幅器の第１の実施形態の構成を説明するための構成図である。
【図５】本発明の光増幅器の第２の実施形態の構成を説明するための構成図である。
【図６】本発明の光導波路の第１の実施形態の実施例を説明するための構成図である。
【図７】図６に示す実施例の光共振器を構成するための光分岐手段の位置関係を説明する図である。
【図８】実施例１において、各入力信号レベルを変えた場合の利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。
【図９】本発明の光増幅器の第２実施例を説明するための構成図である。
【図１０】実施例２（ダブルパスの構成）の光分岐素子の挿入位置を説明するための図である。
【図１１】実施例２において、各入力信号レベルを−２５から１０ｄＢｍ／ｃｈ．に変化させた場合の利得プロファイルの偏差の最大値をプロットした図である。
【図１２】本発明の光増幅器の第３実施例を説明するための構成図である。
【図１３】実施例３の各光分岐素子の挿入位置を説明するための図である。
【図１４】本発明の光増幅器の第４実施例を説明するための構成図である。
【図１５】本発明の光増幅器の第５実施例を説明するための構成図である。
【図１６】本発明の光増幅器の第６実施例を説明するための構成図である。
【図１７】本発明の光増幅器の第７実施例を説明するための構成図である。
【図１８】本発明の光増幅器の第８実施例を説明するための構成図である。
【図１９】本発明の光増幅器の第９実施例を説明するための構成図である。
【図２０】本発明の光増幅器の第１０実施例を説明するための構成図である。
【図２１】本発明の光増幅器の第１１実施例を説明するための構成図である。
【符号の説明】
４００、５００ 光増幅器
４０２、５０２ 光共振器
４０４、５０４ 監視手段
４１０、５１０ 増幅媒体
４１２、５１２ 励起手段
４１４、４１６、４２６、４２８、５１８、５２４、５３６、５３８ 光分岐素子
４１８ 波長選択素子
４１９ 監視部
４２０ 制御部
４２２、５２６ 励起光源
４２６、５３０、５３２ 合波器
４３０、４３２、５４０、５４２ アイソレータ
５３４ 発振判定回路
１３０５、１９０８、２００９、２１０８ 波長選択素子
１２１３、１３０７、１５１１、１７０９、１７１０、１９０９、２０１０、２１０９ 可変光減衰器
１３１２、１３２０、１５０６、１５０７、１５１７、１５１８ 光バンドパスフィルタ
１３１６ 監視部
１３１６ 算回路
１３１６ 制御部
１５０３、１７０２、１７０７ サーキュレータ
１５０８ ミラー
１９１５、２５０８ 差分信号発生回路
２０１８ 和信号発生回路
２２２１ 発振判定回路
２４０２ 利得等価器
２６０１、２６１７ 信号光帯域分波器
Claims (18)
- 増幅媒体としての希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した、増幅に大きく関与する準位が３つ以上である希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、
前記増幅媒体を励起するための励起手段、
前記増幅媒体内で生じた増幅された自然放出光のスペクトル内の少なくとも１波長でレーザー発振させる光共振器、
前記増幅媒体へ入力される少なくとも１つの信号光の入力パワーおよび前記増幅媒体から出力される信号光の出力パワーであって、前記信号光の入力パワーおよび前記信号光の出力パワーが同じ波長範囲であるものをモニタする監視手段、および
前記監視手段によりモニタされた信号光の入力パワーおよび信号光の出力パワーの値の比または利得、または、信号光の入力パワーおよび信号光の出力パワーを変換して得られる電気信号の値の比または利得を算出し、これに基づいて前記励起手段の励起光源の光量を制御するための制御部を含み、
前記制御部により算出された比または利得が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように、前記制御部が前記励起手段を制御して励起光源の光量を制御するものであって、利得プロファイルを一定に保つように制御することを特徴とする光増幅器。 - 前記光共振器の発振波長が前記信号光を増幅するための希土類イオンの増幅始準位から増幅終凖位への誘導放出により発生する増幅された自然放出光スペクトルの帯域内に位置することを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
- 前記発振波長が、信号光帯域の短波長側に位置することを特徴とする請求項２に記載の光増幅器。
- 前記発振波長が、信号光帯域の長波長側に位置することを特徴とする請求項２に記載の光増幅器。
- 前記光共振器の発振波長が前記信号光を増幅するための希土類イオンの増幅始準位から基底準位への誘導放出により発生する増幅された自然放出光スペクトルの帯域内に位置することを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
- 前記光共振器の発振波長が前記信号光を増幅するための希土類イオンの増幅終準位から基底準位への誘導放出により発生する増幅された自然放出光スペクトルの帯域内に位置することを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
- 前記光共振器がバンドパスフィルタをさらに具備することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光増幅器。
- 前記光共振器の共振器内損失を可変にする手段をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光増幅器。
- 前記各々の光共振器のレーザ発振状態を監視し、発振状態を維持できるように前記励起手段の励起光源の光量を制御する発振維持手段を含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光増幅器。
- 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光増幅器から選択される複数の光増幅器を直列および／または並列に接続したことを特徴とする多段光増幅器。
- 少なくとも１つの光増幅器の後段に利得等価器および可変減衰器から選択される光デバイスの１つ以上または利得等価器と可変減衰器が複合化された機能を有する光デバイスをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光増幅器。
- 可変減衰器、または利得等価器と可変減衰器が複合化された機能を有する光デバイスを含み、該光デバイスからの出射信号光のパワーをモニタし、そのパワー値に基づき前記可変減衰器の光損失を調整することを特徴とする請求項１１に記載の光増幅器。
- 前記増幅媒体が、信号光を増幅するイオンとしてツリウムイオンを添加した希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路であり、該イオンの最もエネルギーの低い基底準位を１番目として数えた場合、増幅の始準位が４番目の準位であり、増幅の終凖位が２番目の準位であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光増幅器。
- 励起手段の励起波長が、６３０〜７２０ｎｍ、７４０〜８３０ｎｍ、１０００〜１１００ｎｍ、１３２０〜１５２０ｎｍの範囲より選ばれる１以上の波長であることを特徴とする請求項１３に記載の光増幅器。
- 励起手段の励起波長が、６３０〜７２０ｎｍ、７４０〜８３０ｎｍ、１０００〜１１００ｎｍ、１３２０〜１５２０ｎｍの範囲より選択される１以上の波長であり、且つ、１０００〜１３００ｎｍ、１５２０〜２０００ｎｍの範囲のうちから選択される１以上の波長の励起光を同時に増幅媒体に入力させることを特徴とする請求項１３に記載の光増幅器。
- 前記増幅媒体が、信号光を増幅するイオンとしてホルミウムイオンを添加した希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路であり、該イオンの最もエネルギーの低い基底準位を１番目として数えた場合、増幅の始準位が３番目の準位であり、増幅の終凖位が２番目の準位であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光増幅器。
- 前記増幅媒体が、信号光を増幅するイオンとしてエルビウムイオンを添加した希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路であり、該イオンの最もエネルギーの低い基底準位を１番目として数えた場合、増幅の始準位が３番目の準位であり、増幅の終凖位が２番目の準位であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光増幅器。
- 増幅媒体としての希土類イオンをコアおよび／またはクラッドに添加した、増幅に大きく関与する準位が３つ以上である希土類添加光ファイバまたは希土類添加光導波路、
該増幅媒体を励起するための励起手段、
レーザー発振をさせる光共振器、
監視手段、および
前記励起手段を制御するための制御部とを含む光増幅器の利得プロファイルを一定に制御する方法であって、
光増幅器内で前記光共振器により増幅媒体の増幅された自然放出光の前記増幅媒体内で生じた増幅された自然放出光のスペクトル内の少なくとも１波長でレーザ発振を起こさせることと、
前記監視手段が前記増幅媒体に入力する信号光の入力パワーおよび前記増幅媒体から出力される信号光の出力パワーであって、前記信号光の入力パワーおよび前記信号光の出力パワーが同じ波長範囲であるものをモニタし、前記制御部が前記監視手段によりモニタされた信号光の入力パワーおよび信号光の出力パワーの値の比または利得、または、信号光の入力パワーおよび信号光の出力パワーを変換して得られる電気信号の値の比または利得を算出し、これに基づいて、前記制御部が前記励起手段を制御して前記励起光源の光量を制御することを含み、
前記制御部により算出された比または利得が予め定められた値若しくは外部より入力される値と一致するように、前記制御部が前記励起手段を制御して励起光源の光量を制御することを特徴とする制御方法。
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