JP4056901B2 - Apparatus for optical amplification and system having the apparatus - Google Patents

Description

【００３９】
ここで、ＮＦ_fは前段光増幅器の雑音指数（ｄＢ），ＮＦ_rは後段光増幅器の雑音指数（ｄＢ），Ａは光フィルタによる損失（ｄＢ），Ｇは前段光増幅器の利得（ｄＢ）であり、各パラメータは波長の関数である。
【００４０】
このように、２段構成のトータルの雑音指数ＮＦは、前段光増幅器の雑音指数ＮＦ_f及び利得Ｇと、後段光増幅器の雑音指数ＮＦ_rと、前段光増幅器及び後段光増幅器の間に挿入された光フィルタによる損失Ａとに依存する。上述の式より、光フィルタの挿入損失Ａが小さいほどトータルの雑音指数ＮＦが低くなることになる。
【００４１】
また、前段光増幅器及び後段光増幅器の間に光フィルタを挿入する場合と、前段光増幅器及び後段光増幅器の間には光フィルタを挿入せずにその代わりに後段光増幅器の出力側に光フィルタを設ける場合とを比較すると、光フィルタによる損失が同じであれば、トータルの雑音指数は後者の場合についてのもののほうが低い。つまり、後者についての雑音指数は光フィルタによる損失によって原理的には劣化しないのである。
【００４２】
そこで、本発明による第１の基本構成を後段光増幅器に適用する場合には、雑音指数が比較的高い光信号については、雑音指数をそれ以上劣化させないために、利得の補償を行うための光フィルタを後段光増幅器の出力側に設けるのである。
【００４３】
一方、後段光増幅器の出力側に光フィルタを設けると、光フィルタによる損失分だけ光出力パワーが低くなる。これに対して、前段光増幅器及び後段光増幅器の間に光フィルタを挿入する場合には、その損失は後段光増幅器の入力対利得特性（例えば図５を参照）により補償することができる。
【００４４】
そこで、本発明による第１の基本構成を後段光増幅器に適用する場合には、雑音指数が低い光信号については、できるだけ高い光出力パワーを得るために、利得の補償を行うための光フィルタを前段光増幅器及び後段光増幅器の間に挿入するのである。
【００４５】
このように、前段光増幅器及び後段光増幅器の間への光フィルタの挿入は雑音特性を劣化させ、また、後段光増幅器の出力側に光フィルタを設けることは光出力パワーを低くしてしまうので、他信号に比べて雑音指数が高く且つ利得が大きい信号に対して利得を補正する光フィルタは後段光増幅器の出力側に設け、且つ、他信号に比べて雑音指数が低く且つ利得が小さい信号に対して利得を補正する光フィルタは後段光増幅器の入力側に設けるのである。更に一般的にいえば、本発明では、光フィルタを複数の位置に設けて、波長選択性を持たせて利得を補正しているのである。雑音特性に敏感な信号に注意を払って利得を補正することで、光フィルタを用いない場合における雑音指数よりも雑音指数が低くなることがなく且つ高い光出力パワーを得ることができる。また、本発明により雑音指数の偏差が小さくなるが、これについては後述の実証実験の結果により説明する。
【００４６】
このように、本発明によると、従来のように単に光出力を波長に対して等しくする利得等化でなく、伝送品質が光ＳＮＲ（信号対雑音比）によって決定されることに着目して、光出力と同時に雑音指数もできるだけ低い値に揃えて保つことを可能にした、所謂光ＳＮＲ等化という新しい技術が提供される。
【００４７】
光増幅媒体１２としては、希土類元素を含むドーパントがドープされたドープファイバを用いることができる。この場合、ポンピングユニット１４は、光増幅媒体１２の第１端１２Ａ及び第２端１２Ｂの少なくとも一方から光増幅媒体１２にポンプ光を供給するためのポンプ光源を含む。
【００４８】
波長１．５５μｍを含む利得帯域を得るためには、Ｅｒ（エルビウム）を含むドーパントが選択される。この場合、例えば、第１の帯域Ｂ１は１．５２乃至１．５４μｍの波長によって提供され、第２の帯域Ｂ２は１．５４乃至１．５６μｍあるいは１．５４乃至１．５８μｍの波長によって提供される。
【００４９】
ドーパントがＥｒを含む場合、ポンプ光の波長は０．９８μｍ帯（０．９６乃至１．００μｍ）或いは１．４８μｍ帯（１．４６乃至１．５０μｍ）にあることが望ましい。
【００５０】
光増幅媒体１２として半導体チップを用いることもできる。この場合、ポンピングユニット１４は半導体チップに電流を注入するための電流源を含む。
【００５１】
第１の光フィルタ６及び第２の光フィルタ１０の各々には次のようなことが要求される：
（ａ）透過特性の設計値を精度良く実現すること；
（ｂ）透過特性の温度依存性が小さいこと；
（ｃ）挿入損失が小さいこと；
（ｄ）偏光依存性が小さいこと；
（ｅ）波長分散が小さいこと；
（ｆ）反射光（除去された光）が信号伝送路外に放出されること。
【００５２】
これらの要求のうち１つ又は２つ以上の要求を満足させるためには、第１の光フィルタ６及び第２の光フィルタ１０の各々としては、マッハツェンダ光フィルタ（例えばＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体）、干渉膜光フィルタ（誘電体多層膜）、或いはファイバグレーティング型光フィルタを用いることができる。特に、後述するようなファイバグレーティングを用いることによって、前述した要求の多くを満足させることができる。
【００５３】
図６は図１の装置の実施形態を示すブロック図である。ここでは、光増幅器８の光増幅媒体１２としては、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）１８が用いられている。利得帯域を広くするために、ＥＤＦ１８にＡｌ（アルミニウム）の化合物がドープされていてもよい。ポンピングユニット１４は、１．４８μｍ帯に含まれる波長を有するポンプ光を出力するポンプ光源２０と、ポンプ光をＥＤＦ１８の第１端１８ＡからＥＤＦ１８に供給するためのＷＤＭカプラ２２とを含む。
【００５４】
光増幅器８は、更に、ＷＤＭカプラ２２とＥＤＦ１８の第１端１８Ａとの間に接続される光アイソレータ２４と、ＥＤＦ１８の第２端１８Ｂと第２の光フィルタ１０との間に接続される光アイソレータ２６とを有している。
【００５５】
第１の光フィルタ６とＷＤＭカプラ２２との間には、可変光減衰器２８と、入力モニタ光を得るための分岐カプラ３０とがこの順に設けられている。入力モニタ光はフォトダイオード等からなるフォトディテクタ（ＰＤ）３２に供給される。フォトディテクタ３２から出力される電気信号には光増幅器８の入力レベルが反映され、この電気信号は利得特性を一定に保つための自動利得制御（ＡＧＣ）回路３４に供給される。
【００５６】
第２の光フィルタ１０と出力ポート４の間には出力モニタ光を得るための分岐カプラ３６が設けられている。出力モニタ光はフォトディテクタ３８に供給される。フォトディテクタ３８から出力される電気信号には光増幅器８の出力レベルが反映され、その電気信号はＡＧＣ回路３４に供給される。
【００５７】
ＡＧＣ回路３４は、光増幅器８の入力レベル及び出力レベルに基づきポンプ光源２０から出力されるポンプ光のパワーを制御し、その結果、ＥＤＦ１８によって与えられる利得特性が一定に保たれる。例えば、ＡＧＣ回路３４は、光増幅器８の入力レベル及び出力レベルの比が一定になるようにポンプ光のパワーを調節する。
【００５８】
フォトディテクタ３８の出力電気信号は自動レベル制御（ＡＬＣ）回路４０にも供給される。
【００５９】
ＡＬＣ回路４０は、光増幅器８の出力レベルが一定に保たれるように可変光減衰器２８による減衰を制御する。
【００６０】
特にこの実施形態では、第１の光フィルタ６の上流側に第２の光増幅器４２が付加的に設けられている。即ち、この装置は２段構成を有しており、光増幅器４２及び８はそれぞれ前段光増幅器及び後段光増幅器として機能する。光増幅器４２を複数にすることによって、この装置は多段構成となる。
【００６１】
光増幅器４２は、ＥＤＦ４４と、０．９８μｍ帯に含まれる波長を有するポンプ光を出力するポンプ光源４６と、ポンプ光をＥＤＦ４４の第１端４４ＡからＥＤＦ４４に供給するためのＷＤＭカプラ４８とを備えている。
【００６２】
ＥＤＦ４４の第２端４４Ｂは光アイソレータ５０及び分岐カプラ５２を介して第１の光フィルタ６に接続される。分岐カプラ５２により分岐された出力モニタ光はフォトディテクタ５４に供給される。フォトディテクタ５４から出力される電気信号には光増幅器４２の出力レベルが反映され、この電気信号はＡＧＣ回路５６に供給される。
【００６３】
入力ポート２とＷＤＭカプラ４８との間には、光アイソレータ５８及び分岐カプラ６０がこの順に接続されている。分岐カプラ６０により分岐された入力モニタ光はフォトディテクタ６２に供給される。フォトディテクタ６２から出力される電気信号には光増幅器４２の入力レベルが反映され、この電気信号はＡＧＣ回路５６に供給される。
【００６４】
ＡＧＣ回路５６は、光増幅器４２の入力レベル及び出力レベルに基づきポンプ光源４６から出力されるポンプ光のパワーを制御し、この制御の結果、ＥＤＦ４４によって与えられる利得特性が一定に保たれる。ＡＧＣ回路５６は、例えば、光増幅器４２の入力レベル及び出力レベルの比が一定になるようにポンプ光をパワーを調節する。
【００６５】
ポンプ光源２０及び４６の各々としてはレーザダイオード（ＬＤ）を用いることができる。この場合、各ポンプ光のパワーは各レーザダイオードの駆動電流により調節することができる。
【００６６】
入力ポート２に入力されたＷＤＭ信号光は、まず前段光増幅器４２によって増幅される。この増幅プロセスにおいては、ＡＧＣ回路５６が採用されていることにより、利得特性（利得の波長依存性）は光増幅器４２の入力レベルに係わらず一定である。
【００６７】
増幅されたＷＤＭ信号光は、次いで、第１の光フィルタ６を通過する。フィルタ６においては、第２の帯域Ｂ２に含まれる光信号について利得補償が行われる。
【００６８】
フィルタ６を通過したＷＤＭ信号光は、可変光減衰器２８によって制御された減衰を受けた後、後段光増幅器８に供給される。
【００６９】
光増幅器８における増幅プロセスにおいては、ＡＧＣ回路３４が採用されていることにより、利得特性は光増幅器８の入力レベルに係わらず一定である。
【００７０】
光増幅器８により増幅されたＷＤＭ信号光は次いで第２の光フィルタ１０を透過する。フィルタ１０においては、第１の帯域Ｂ１に含まれる光信号について利得補償が行われる。フィルタ１０を透過したＷＤＭ信号光は出力ポート４から出力される。
【００７１】
ＡＬＣ回路４０及び可変光減衰器２８の採用により、入力レベルに係わらず出力光パワーを一定に保つことができる。ここで、可変光減衰器２８を用いて出力光パワーについてのＡＬＣを行うようにしているのは、光増幅器８及び４２の各々において利得特性を一定に保つために各ポンプ光のパワーが制御されており、各ポンプ光のパワーの調節によってＡＬＣを行うことができないからである。
【００７２】
光増幅器８及び４２の各々において利得特性が一定に保たれていることにより、フィルタ６及び１０の各々が固定された特性を有しているにも係わらず、この装置における利得の波長依存性は常に抑圧される。即ち、入力レベルに係わらず利得の波長依存性の抑圧が可能になるのである。
【００７３】
この実施形態において、前段光増幅器４２におけるポンプ光の波長を０．９８μｍ帯に設定しているのは、比較的パワーが小さい信号光の増幅過程において雑音特性が大きく劣化することを防止するためである。０．９８μｍ帯の波長を有するポンプ光によるＥＤＦのポンピングは、増幅器を低雑音化する上で有効である。
【００７４】
また、後段光増幅器８におけるポンプ光の波長を１．４８μｍ帯に設定しているのは、高い光出力パワーを得るためである。０．９８μｍ帯で発振するレーザダイオードに比べて１．４８μｍ帯で発振するレーザダイオードの高出力化は容易であり、従って、そのようなハイパワーなポンプ光を用いることによって装置の光出力パワーを大きくすることができる。
【００７５】
図６の実施形態においては、光増幅器８及び４２の各々において信号光及びポンプ光が当該ＥＤＦ内を同じ向きに伝搬するようにされ、フォワードポンピングがなされているが、信号光及びポンプ光が光増幅媒体内を互いに逆向きに伝搬するようにしてバックワードポンピングを行ってもよい。また、各光増幅媒体に対して２つのポンプ光源を用いてその光増幅媒体に対してフォワードポンピング及びバックワードポンピングの両方、即ち双方向ポンピングを行うようにしてもよい。その際には、異なるポンプ光波長（例えば０．９８μｍと１．４８μｍ）によるハイブリッドの双方向ポンピングを実現してもよい。
【００７６】
また、第１の光フィルタ６、可変光減衰器２８及び分岐カプラ３０は信号光伝搬方向にこの順に設けられているが、これらの配置順序は任意である。また、第２の光フィルタ１０及び分岐カプラ３６は入れ換えて配置されてもよい。即ち、フィルタ６及び１０の各々はＡＧＣのためのループの内側にあってもよいし、外側にあってもよいのである。
【００７７】
図７の（Ａ）〜（Ｄ）は本発明による第１の基本構成の優位性を従来技術との対比により立証するための比較実証実験で用いた装置の構成を示す図である。
【００７８】
図７の（Ａ）は光フィルタを用いない２段構成の従来技術を示している。入力ポート２及び出力ポート４間に、前段光増幅器４２、可変光減衰器２８及び後段光増幅器８がこの順に設けられている。
【００７９】
図７の（Ｂ）は２段構成の間にだけ光フィルタが挿入された従来技術を示している。入力ポート２及び出力ポート４間に、前段光増幅器４２、可変光減衰器２８、組み合わせ光フィルタ６４及び後段光増幅器８がこの順に設けられている。組み合わせ光フィルタ６４は本発明に適用可能な第１の光フィルタ６と第２の光フィルタ１０とをカスケード接続して構成される。
【００８０】
図７の（Ｃ）は２段構成の出力側にだけ光フィルタを設けた従来技術を示している。組み合わせフィルタ６４は後段光増幅器８及び出力ポート４間に設けられている。
【００８１】
図７の（Ｄ）は本発明が適用される装置を示している。入力ポート２及び出力ポート４間には、前段光増幅器４２、可変光減衰器２８、第１の光フィルタ６、後段光増幅器８及び第２の光フィルタ１０がこの順に設けられている。
【００８２】
尚、実験では、各前段光増幅器４２におけるポンプ光のパワーは１００ｍＷに設定され、各後段光増幅器８におけるポンプ光のパワーは１５０ｍＷに設定され、各可変光減衰器２８における減衰は−１２．７ｄＢに設定された。
【００８３】
図８の（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ、実験で用いた第１の光フィルタ６、第２の光フィルタ１０及び組み合わせフィルタ６４の特性を示すグラフである。各グラフにおいて、縦軸は透過損失（ｄＢ）、横軸は波長（μｍ）である。この実験で用いたフィルタ６，１０及び６４の各々はファイバグレーティングによって提供された。
【００８４】
第１の光フィルタ６は、図８の（Ａ）に示されるように、相対的に低い利得及び雑音指数を与える概略１．５４乃至１．５６μｍの帯域における利得の波長依存性を抑圧するような特性を有していた。
【００８５】
第２の光フィルタ１０は、図８の（Ｂ）に示されるように、相対的に高い利得及び雑音指数を与える概略１．５２乃至１．５４μｍの帯域における利得の波長依存性を抑圧するような特性を有していた。
【００８６】
従って、組み合わせフィルタ６４は、図８の（Ｃ）に示されるように、概略１．５２乃至１．５６μｍの帯域における利得の波長依存性を抑圧するような特性を有していた。
【００８７】
図９の（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、図７の（Ａ）〜（Ｄ）で得られた出力光のスペクトルを示すグラフである。各グラフにおいて、縦軸は光パワー（ｄＢｍ）、横軸は波長（μｍ）である。実験では、１．５２乃至１．５６μｍの帯域にそれぞれ含まれる波長を有する５チャネルの光信号を波長分割多重してなるＷＤＭ信号光が用いられた。各入力ポート２における各チャネルの光信号のピークパワーは−１９．９ｄＢｍに設定された。
【００８８】
実験では、図７の（Ａ）〜（Ｄ）の各々の構成において、最小光出力パワーＰ_min（ｄＢｍ）、光出力パワーの偏差（最大光出力パワー及び最小光出力パワー間の偏差）ΔＰ（ｄＢ）、最大（最悪）雑音指数ＮＦ_max（ｄＢ）及び雑音指数偏差（最大（最悪）雑音指数及び最小（最良）雑音指数間の偏差）ΔＮＦ（ｄＢ）が測定され、測定結果が比較された。測定結果を表１に示す。
【００８９】
【表１】

【００９０】
実験結果の比較から、次のことがわかる：
（１）図７の（Ｃ）との比較において、雑音指数の偏差ΔＮＦが０．５４（＝０．８９−０．３５）ｄＢ低減された；
（２）図７の（Ｂ）との比較において、最大雑音指数ＮＦ_maxが０．６２（＝７．０４２−６．４２２）ｄＢ改善された；
（３）図７の（Ａ）との比較において、光出力パワーの偏差ΔＰが４．２６（＝６．３７−２．１１）ｄＢ低減された；
（４）図７の（Ｃ）との比較において、最小光出力パワーＰ_minが１．８３（＝３．３５−１．５２）ｄＢ改善された；
（５）図７の（Ｂ）との比較において、全てのチャネルの光信号について雑音指数が改善された（最大で０．６２ｄＢ）；
（６）図７の（Ｃ）との比較において、全てのチャネルの光信号について光出力パワーが増大した。
【００９１】
以上の通り、多段構成における最終段に本発明による第１の構成を適用することによる技術的効果が実証された。
【００９２】
尚、図７の（Ａ）〜（Ｄ）の全ての構成において、最小光出力パワーＰ_minは実験で用いた５チャネルの光信号の内、最短波長チャネルから２つ目のチャネルの光信号によって与えられ、最大雑音指数ＮＦ_maxは最短波長チャネルの光信号によって与えられた。
【００９３】
図１０は本発明による装置の第２の基本構成を示す図である。この装置は、増幅されるべき信号光が供給される入力ポート２と、増幅された信号光を出力するための出力ポート４とを有している。信号光は、その波長が変動する可能性を有する単一波長チャネルの信号光であってもよいし、互いに異なる波長を有する複数の光信号を波長分割多重してなるＷＤＭ信号光であってもよい。
【００９４】
入力ポート２及び出力ポート４間には、信号光の伝搬方向に向かって、光フィルタ６６及び光増幅器８′がこの順に設けられている。光フィルタ６６は符号６６′で示されるように光増幅器８′と出力ポート４との間に設けられていてもよい。
【００９５】
光増幅器８′は、信号光のための入力端１２Ａ及び出力端１２Ｂを有する光増幅媒体１２と、光増幅媒体１２をポンピングするためのポンピングユニット１４′とを含む。
【００９６】
ここでは、ポンピングユニット１４′は、光増幅媒体１２が予め定められた帯域において実質的に単純な利得特性を有するように光増幅媒体１２をポンピングする。光フィルタ６６又は６６′は、上記実質的に単純な利得特性によって与えられる利得の波長依存性を抑圧するような特性を有している。
【００９７】
光増幅媒体１２としては、希土類元素を含むドーパントがドープされたドープファイバを用いることができる。この場合、ポンピングユニット１４′は適切な波長及びパワーを有するポンプ光を入力端１２Ａ及び出力端１２Ｂの少なくとも一方から光増幅媒体１２に供給するためのポンプ光源を含む。
【００９８】
予め定められた帯域が１．５５μｍを含む場合には、Ｅｒ（エルビウム）を含むドーパントがドープファイバに対して適している。この場合、例えば、予め定められた帯域は１．５４乃至１．５６μｍの波長によって提供され、ポンプ光の波長は０．９８μｍ帯及び１．４８μｍ帯の少なくも何れかに含まれる。
【００９９】
光増幅媒体１２として半導体チップを用いることもできる。この場合、ポンピングユニット１４′は半導体チップに電流を注入するための電流源を含む。
【０１００】
図１１は、光増幅媒体１２がＥＤＦ（エルビウムドープファイバ）を含む場合における光増幅器８′の利得特性の一例を示す図である。波長１５４８，１５５１，１５５４及び１５５７ｎｍの４チャネルのＷＤＭ信号光を同じ入力パワー（−３５ｄＢｍ／ｃｈ）で、ポンピングされているＥＤＦに入力したときの出力光のスペクトルが示されている。縦軸は光パワー（ｄＢｍ）であり、横軸は波長（μｍ）である。
【０１０１】
Ａで示されるスペクトルはポンプ光のパワーが比較的大きいときに対応しており、概略１．５４乃至１．５６μｍの帯域において負の利得傾斜が生じている。即ち、波長が長くなるに従って利得が減少する利得傾斜であり、利得（Ｇ）の波長（λ）による微分は負である（ｄＧ／ｄλ＜０）。
【０１０２】
Ｃで示されるスペクトルはポンプ光のパワーが比較的小さいときに対応しており、概略１．５４乃至１．５６μｍの帯域において正の利得傾斜が生じている。即ち、波長が長くなるに従って利得が増大する利得傾斜であり、利得の波長微分は正である（ｄＧ／ｄλ＞０）。
【０１０３】
Ｂで示されるスペクトルは、概略１．５４乃至１．５６μｍの帯域において利得傾斜を生じさせないための最適なポンプ光パワーに対応しており、利得の波長微分は０である（ｄＧ／ｄλ＝０）。
【０１０４】
何れのスペクトルも、ＡＳＥスペクトルに各チャネルの光信号に対応する４つの鋭いスペクトルが重畳された形状を有している。
【０１０５】
また、何れのスペクトルにおいても、１．５４μｍよりも短い帯域では複雑な利得特性が生じており、概略１．５４乃至１．５６μｍの帯域では実質的に単純な利得特性が得られている。
【０１０６】
例えば、光増幅器を含むシステムにＷＤＭが適用される場合、その光増幅器に利得傾斜が生じると、チャネル間利得偏差が伝送距離を制限する。このため、Ｂで示されるスペクトルが常に得られるように光増幅器の駆動条件が最適化されていることが望ましい。
【０１０７】
そのために、従来技術では、光増幅器の利得をモニタリングして、そのモニタリング値が一定になるようにポンプ光のパワーをフィードバック制御し、それによりＢで示されるようなスペクトルが維持されて利得傾斜が生じないようにしていた。
【０１０８】
しかし、利得傾斜を生じさせないためのポンプ光のパワーは大きく、ポンプ光のパワーの制御だけで利得傾斜を生じさせなくするためには、ハイパワーで高コストなポンプ光源を使用する必要があった。
【０１０９】
本発明の第２の基本構成においては、光増幅媒体１２の利得特性の制御と、光フィルタ６６又は６６′の使用とを組み合わせているので、ポンピングのための低いパワー（例えば低いポンプ光パワー）の下で利得の波長依存性を抑圧することができる。
【０１１０】
例えば、光増幅媒体１２は、図１１に符号Ｃで示されるように、概略１．５４乃至１．５６μｍの帯域において正の利得傾斜を有するように、ポンピングユニット１４′によりポンピングされる。この場合、光フィルタ６６又は６６′の特性は、波長が長くなるに従って損失が増大する損失傾斜を与える。それにより、低いポンプ光のパワーの下での利得の波長依存性の抑圧が可能になる。
【０１１１】
図１２は図１０の装置の実施形態を示すブロック図である。この装置は、図６の実施形態と対比して以下の変更点を有している：
（１）本発明の第１の基本構成に従う光増幅器８に代えて本発明の第２の基本構成に従う光増幅器８′が設けられている；
（２）図１２の実施形態では概略１．５４乃至１．５６μｍの帯域に含まれる信号光を前提としているので、本発明の第１の基本構成において用いられる第１の光フィルタ６に代えて、１．５３μｍ帯（例えば１．５２乃至１．５４μｍの帯域）に阻止帯域を有するリジェクションフィルタ６８が設けられている；
（３）本発明の第１の基本構成において用いられる第２の光フィルタ１０に代えて、本発明の第２の基本構成のための光フィルタ６６′が設けられている。
【０１１２】
光増幅器８′においては、ポンプ光源２０から出力されたポンプ光を第２端１８ＢからＥＤＦ１８に供給するために、ポンプ光源２０に接続されたＷＤＭカプラ２２′はＥＤＦ１８の第２端１８Ｂと光アイソレータ２６との間に設けられている。
【０１１３】
ポンプ光源２０から出力されるポンプ光のパワーは、ＡＧＣ回路３４によって、ＥＤＦ１８に生じる実質的に単純な利得特性が一定に保たれるように制御される。より具体的には、ＡＧＣ回路３４は、光増幅器８′或いは光増幅器８′及び光フィルタ６６′の組み合わせにおける入力レベル及び出力レベルの比が一定になるようにポンプ光のパワーを調節する。
【０１１４】
図１３を参照して、ＡＧＣ回路３４によって一定に保たれている利得特性の例を説明する。その利得特性によって、光増幅器８′には、波長が長くなるに従って利得が増大する利得傾斜が与えられている。図１３において、縦軸は光パワー（ｄＢｍ）、横軸は波長（ｍｎ）である。
【０１１５】
ここでは、８チャネルの光信号を波長分割多重してなるＷＤＭ信号光が用いられた。光信号の波長は、それぞれ、１５４６．１２，１５４７．７２，１５４９．３２，１５５０．９２，１５５２．５２，１５５４．１３，１５５５．７５，及び１５５７．３６ｎｍであった。
【０１１６】
最小光パワーと最大光パワーの間の偏差は１．１６ｄＢであった。従って、１５４６乃至１５５７ｎｍの帯域における利得傾斜はほぼ０．１ｄＢ／ｎｍである。最小光パワーは最短光波長によって提供され、最大光パワーは最長波長によって提供されている。利得傾斜は実質的に線形的である（利得はｄＢ表示）。
【０１１７】
図１２のＡＧＣ回路３４は、例えば、図１３に示されるような利得傾斜が維持されるように、ポンプ光源２０から出力されるポンプ光のパワーを制御する。従って、利得の波長依存性を抑圧するための光フィルタ６６′が固定された特性を有しているにも係わらず、ＡＧＣ回路３４の採用によって、利得の波長依存性を安定に抑圧することができる。
【０１１８】
より具体的には、図１３により説明した利得傾斜を抑圧（望ましくは相殺）するような損失傾斜を光フィルタ６６′が有している。
【０１１９】
図１４を参照すると、光フィルタ６６′の特性の一例が示されている。縦軸は透過損失（ｄＢ）、横軸は波長（ｎｍ）である。
【０１２０】
光フィルタ６６′は概略１．５４乃至１．５６μｍの帯域で波長が長くなるに従って損失が増大する特性を有しており、その損失傾斜はほぼ０．１ｄＢ／ｎｍである。従って、光フィルタ６６′の損失傾斜によって光増幅器８′の利得傾斜が相殺される。
【０１２１】
尚、図１２の実施形態においては、リジェクションフィルタ６８及び光フィルタ６６′の各々はファイバグレーティングによって提供可能である。
【０１２２】
図１５は、本発明の装置の第２の基本構成において、光フィルタが出力側に設けられる場合、即ち光フィルタ６６′が用いられる場合における所要ポンプ光パワー及び雑音指数（ＮＦ）と光フィルタの傾斜量（損失傾斜）との関係を示す図である。縦軸は所要ポンプ光パワー（ｍＷ）、及び雑音指数（ｄＢ）、横軸は傾斜量（ｄＢ／ｎｍ）である。ここで、所要ポンプ光パワーは、装置全体で利得傾斜を生じさせないために必要なポンプ光のパワーである。
【０１２３】
図１５のグラフを与えるデータは、図１２の実施形態に準じた構成を用いた実験及びシミュレーションにより得られた。シミュレーションにおける計算においては、Ｃ．Ｒ．Ｇａｉｌｅｓ，Ｅ．Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅ，“Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”，ＪＯＵＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．２，１９９１を参考にした解析モデル及び解析手法が用いられた。計算は、所定の出力値（＋６．０ｄＢｍ／ｃｈ）を得るためのＥＤＦの長さを最適化した上で、最短波長と最長波長との間で利得が平坦化するのに必要なポンプ光パワーとそのときの雑音指数について行った。
【０１２４】
図において、傾斜量が０であるというのは光フィルタ６６′を用いなかった場合に相当し、このとき所要ポンプ光パワーは約２５０ｍＷであった。これに対して、傾斜量が０．０５乃至０．２ｄＢ／ｎｍの光フィルタ６６′を用いることによって、電力増幅部である後段の所要ポンプ光パワーが４０％以上低減されることを確認した。傾斜量は、小さ過ぎると所要ポンプ光パワーの低減効果が少なく、大き過ぎると雑音指数が高くなり或いは必要なＥＤＦの長さが長くなるので、０．０５乃至０．１ｄＢ／ｎｍの範囲にあることが望ましい。
【０１２５】
以上の通り、波長が長くなるに従って利得が増大する利得傾斜が生じるように比較的低いポンプ光パワーでＥＤＦをポンピングしておき、且つ、波長が長くなるに従って損失が増大する損失傾斜を与える光フィルタを用い、その損失傾斜を適切に設定することによって、雑音指数を劣化させることなく利得の波長依存性を抑圧することができる。
【０１２６】
図１６は、本発明の装置の第２の基本構成において、光フィルタが入力側に設けられる場合、即ち光フィルタ６６が用いられる場合における所要ポンプ光パワー及び雑音指数と光フィルタの傾斜量（損失傾斜）との関係を示している。図１５の場合と比較して、所要ポンプ光パワーの低減効果（ポンプ効率の改善効果）は大きいが、雑音指数の劣化が大きい。傾斜量の望ましい範囲は、図１５における場合と同様の理由に基づき、０．０５乃至０．１ｄＢ／ｎｍである。
【０１２７】
よって、本発明による装置の第２の基本構成を実施する場合において、所要ポンプ光パワーの低減効果を重視する場合には、光増幅器８′の入力側に光フィルタ６６を設けるのが望ましく、一方、雑音特性を重視する場合には、光増幅器８′の出力側に光フィルタ６６′を設けるのが望ましい。
【０１２８】
本発明を実施する場合、各光フィルタとしてはファイバグレーティングが適している。ファイバグレーティングを用いることによって、前述の要求特性の（ａ）〜（ｆ）の多くを満足させることができる。
【０１２９】
光学媒質（例えばガラス）の屈折率が光照射によって恒久的に変化する場合、その媒質は感光性（ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）であるといわれる。この性質を用いることにより、光ファイバのコアにファイバグレーティングを作製することができる。
【０１３０】
ファイバグレーティングの特徴は、グレーティングピッチ及びファイバモードの有効屈折率によって決定される共振波長近傍の狭い帯域で光をブラッグ反射させることである。
【０１３１】
ファイバグレーティングは、例えばフェイズマスクを用いて波長２４８ｎｍ又は１９３ｎｍで発振するエキシマレーザを光ファイバに照射することによって作製することができる。
【０１３２】
例えば、図８の（Ａ）又は（Ｂ）に示される特性は、チャープ法を適用してファイバグレーティングを作製することによって得られる。チャープ法では、グレーティングピッチが適切な分布に従って設定され、それにより所望の特性が得られる。現実的に、図８の（Ｂ）のファイバグレーティングについては、１５２８乃至１５６２ｎｍの帯域で設計通りの特性が得られることが実証されている。
【０１３３】
ファイバグレーティングの温度特性が良好であることを実証するために、図１２のリジェクションフィルタ６８及び光フィルタ６６′（６６）について実験を行った。実験対象となる各ファイバグレーティングを２３．３°Ｃ，９１．２°Ｃ，及び−５．４°Ｃの環境にこの順でそれぞれ長期間放置し、種々の項目についての測定が行われた。
【０１３４】
リジェクションフィルタに関しては、リジェクション域にて最小出力を示す波長の変化量は１．１９（ｎｍ）であり、光フィルタ６６′（６６）に関しては、傾斜量及び挿入損失共に殆ど変化が見られなかった。
【０１３５】
ファイバグレーティングは光回路を構成するための光ファイバに直接スプライス接続することができ、スプライスによる損失は約０．１ｄＢであるから、ファイバグレーティングの挿入損失は小さい。
【０１３６】
光源及び偏波コントローラを用いてファイバグレーティングの偏光依存性及び偏光依存性の温度依存性について測定を行ったところ、これらの依存性は殆どなかった。
【０１３７】
信号光の帯域が３０ｎｍであり、ファイバグレーティングのグレーティングの実質的長さが３０ｍｍである場合、光の遅延は４．８ｐｓ／ｎｍと見積もられる。従って、ファイバグレーティングによる波長分散は実用上十分小さいということができるが、高速伝送においてこの遅延が累積すると許容範囲を越える恐れがある。そのための対策については後述する。
【０１３８】
チャープ法によりファイバグレーティングが作製された場合、各グレーティングがファイバ軸に対して垂直であることに起因して、反射光がファイバの導波モードに結合される。その結果、所望の特性を得るために複数のファイバグレーティングをカスケード接続している場合には、反射光の影響により設計通りの特性を得られないことがあり、また、単一のファイバグレーティングにより設計通りの特性が得られたとしても、そのファイバグレーティングに光学的に接続されている光増幅媒体に反射光が戻ることにより所望の利得特性が得られない可能性がある。このような可能性を排除するためには光アイソレータの使用が有効であるが、光アイソレータの使用は装置構成を複雑化且つ大型化させる。
【０１３９】
ブレーズド（ｂｌａｚｅｄ）法又はロングピリオド法を適用してファイバグレーティングを得ることによって、反射光を有効に除去することができる。ブレーズド法では、各グレーティングがファイバ軸に対して斜めに形成され、これにより反射光がファイバ外に放出される。ロングピリオド法では、グレーティングピッチが比較的大きく設定され、それにより反射光が除去される。
【０１４０】
チャープ法、ブレーズド法又はロングピリオド法についての付加的な詳細については、Ｙｕ Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．，“Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌｏｎｇ−ｐｅｒｉｏｄ ａｎｄ Ｓｈｏｒｔ−ｐｅｒｉｏｄ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓ ｂｙ Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ”，ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．２８９３，ｐｐ４４１−４４７及びＰ．ＳｔＪ Ｒｕｓｓｅｌｌ ｅｔ ａｌ．，“Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇｓ”，Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｗｏｒｌｄ，Ｏｃｔｏｂｅｒ，１９９３，ｐｐ４１−４６を参照されたい。
【０１４１】
図１７は本発明による光ファイバ通信システムの実施形態を示すブロックである。このシステムは、第１の端局７０と、第２の端局７２と、端局７０及び７２を結ぶ光ファイバ伝送路７４と、光ファイバ伝送路７４の途中に設けられる複数（図では２つ）の光中継器７６とを備えている。各光中継器７６は、本発明による第１又は第２の基本構成に従う装置７８を含む。単一の光中継器７６が用いられていてもよい。
【０１４２】
第１の端局７０は、互いに異なる波長を有する複数の光信号をそれぞれ出力する複数の光送信機（ＯＳ）８０（＃１，＃２，…，＃ｎ）と、複数の光信号を波長分割多重してＷＤＭ信号光にして光ファイバ伝送路７４に出力する光マルチプレクサ（ＭＵＸ）８２とを含む。
【０１４３】
第２の端局７２は、光ファイバ伝送路７４により伝送されたＷＤＭ信号光を複数の光信号に分ける光デマルチプレクサ（ＤＭＵＸ）８４と、複数の光信号をそれぞれ受ける複数の光受信機８６（＃１，＃２，…，＃ｎ）とを含む。
【０１４４】
この構成によると、光ファイバ７４の途中に設けられた少なくとも１つの光中継器７６によってＷＤＭ信号光の損失が補償されるので、長距離伝送が可能になる。この効果を得るために、第１の端局７０がブースタアンプ（ポストアンプ）としての光増幅器を有していてもよいし、第２の端局７２がプリアンプとしての光増幅器を有していてもよい。
【０１４５】
特に、ここでは各光中継器７８は本発明による装置７８を有しているので、各光中継器７６内における利得の波長依存性が抑圧され、利得偏差による伝送距離の制限が小さくなる。また、各装置７８に本発明の第２の基本構成が適用されている場合には、各装置７８において低いポンプ光のパワーの下で利得の波長依存性を抑圧することができるので、信頼性が高く且つ安価なシステムの構築が可能になる。
【０１４６】
前述のように、本発明を実施する上で使用する各光フィルタとしてファイバグレーティングを用いる場合、各ファイバグレーティングでは約４．８ｐｓ／ｎｍの遅延が生じる。図１７のシステムにおいて、各装置７８に本発明の第１の基本構成が適用される場合には、各装置７８には２つの光フィルタが含まれているので、装置７８の数が例えば９である場合には、全体での分散値は８６．４ｐｓ／ｎｍ（＝４．８ｐｓ／ｎｍ×２×９）になる。
【０１４７】
例えば、１０Ｇｂｉｔ／ｓの外部変調が適用されるシステムにおいては、波長分散の限界値は約７５０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍであるから、この場合、８６．４ｐｓ／ｎｍの分散値は限界値の約１２％に達し、許容範囲を越えてしまう。
【０１４８】
図１７のシステムにおいて、各装置７８における分散値を小さくして理想的には０にし、或いは、システム全体の波長分散を管理する上で、本発明による第１の基本構成は効果的である。具体的には次の通りである。
【０１４９】
光フィルタの各々としてファイバグレーティングを用いる場合、図１８の（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、ファイバグレーティングの挿入の向きにより波長分散の符号（正負）を選択可能である。例えば、ファイバグレーティングに異なる波長λＡ及びλ_Bの光が供給された場合に、ブラッグ反射の位置が異なるので、例えば図１８の（Ａ）で正の波長分散が得られている場合に、図１８の（Ｂ）に示されるようにファイバグレーティングの挿入の向きを逆にすることによって、そのファイバグレーティングは負の波長分散を与えるのである。
【０１５０】
従って、図１７の各装置７８に本発明による第１の基本構成が適用されている場合には、図１の第１の光フィルタ６によって与えられる第１の波長分散と第２の光フィルタ１０によって与えられる第２の波長分散の符号を互いに異なるように設定しておくことによって、各装置７８における波長分散を小さくすることができる。特に、第１及び第２の波長分散の絶対値を実質的に等しくしておくことによって、各ファイバグレーティングにおける波長分散を相殺することができ、各装置７８における波長分散を実質的に０にすることができる。従って、端局７０及び７２間における光ファイバ伝送路７４の波長分散を管理して波長分散に起因する伝送特性の劣化を防ぐ対策を既に施してあるシステムについては、各装置７８における波長分散を実質的に０に設定することによって、既存の波長分散の管理方法をそのまま適用することができる。
【０１５１】
ここで、波長分散の管理というのは、端局７０及び７２間におけるトータルの波長分散を予め定められた値或いは範囲内に設定することである。
【０１５２】
例えば、端局７０及び７２間の光ファイバ伝送路７４における波長分散の管理が十分に行われていない場合には、前述の第１及び第２の波長分散を同じ符号にしておき、光ファイバ伝送路７４によって与えられる波長分散を各装置７８の波長分散（第１及び第２の波長分散の和）によって積極的に相殺して、波長分散の管理を行うことができる。
【０１５３】
例えば、光ファイバ伝送路７４の複数のスパンにおいては、光ファイバの製造技術上のバラツキ或いは信号光の波長の変動によって、各スパン毎に波長分散の符号が正になったり負になったりする。その結果、光ファイバ伝送路７４の全長における波長分散の符号が正である場合には、各装置７８によって与えられる波長分散の符号を負に設定するのである。
【０１５４】
更に、自己位相変調（ＳＰＭ）等のファイバの非線形効果に起因する波形劣化を防止するために、端局７０及び７２間において局部的に或いは全体的に予め定められた波長分散を設定しておくことがある。このような場合にも、各装置７８において所望の波長分散の値を設定することができる。
【０１５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、低い雑音指数及び高い光出力パワーを得ることができ且つ利得の波長依存性を抑圧することができる方法、装置又はシステムの提供が可能になるという効果が生じる。
【０１５６】
また、本発明によると、光増幅媒体の低いポンピングパワー（例えばポンプ光のパワー）の下で利得の波長依存性を抑圧することができる方法、装置又はシステムの提供が可能になるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置の第１の基本構成を示すブロック図である。
【図２】図１の光増幅媒体１２によって提供される利得帯域の説明図である。
【図３】図１の第１の光フィルタ６及び第２の光フィルタ１０の特性の例を示す図である。
【図４】図１の装置の出力光のスペクトルの例を示す図である。
【図５】光増幅器における利得と入力光パワーの関係の一例を示す図である。
【図６】図１の装置の実施形態を示すブロック図である。
【図７】比較実証実験で用いた装置の構成を示す図である。
【図８】実験で用いた光フィルタの特性を示す図である。
【図９】実験で得られたスペクトルを示す図である。
【図１０】本発明による装置の第２の基本構成を示す図である。
【図１１】ポンプ光のパワーに従う利得傾斜の変化の説明図である。
【図１２】図１０の装置の実施形態を示すブロック図である。
【図１３】図１２の光増幅器８′における利得傾斜を示す図である。
【図１４】図１２の光フィルタ６６′の特性を示す図である。
【図１５】光フィルタが出力側に設けられる場合における所要ポンプ光パワー及び雑音指数と傾斜量との関係を示す図である。
【図１６】光フィルタが入力側に設けられる場合における所要ポンプ光パワー及び雑音指数と傾斜量との関係を示す図である。
【図１７】本発明によるシステムの実施形態を示すブロック図である。
【図１８】ファイバグレーティングの挿入の向きによる波長分散の正負を説明するための図である。
【符号の説明】
２ 入力ポート
４ 出力ポート
６ 第１の光フィルタ
８，８′ 光増幅器
１０ 第２の光フィルタ
１２ 光増幅媒体
１４，１４′ ポンピングユニット
６６，６６′ 光フィルタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to optical amplification suitable for optical fiber communication using wavelength division multiplexed light including a plurality of optical carriers having different wavelengths, and more particularly to an apparatus for such optical amplification and The present invention relates to a system having the apparatus.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a manufacturing technique and a use technique of an optical fiber with a low loss (for example, 0.2 dB / km) have been established, and an optical communication system using the optical fiber as a transmission path has been put into practical use. Further, in order to compensate for loss in an optical fiber and enable transmission over a long distance, use of an optical amplifier for amplifying signal light has been proposed or put into practical use.
[0003]
Conventionally known optical amplifiers pump an optical amplifying medium such that an optical amplifying medium to which signal light to be amplified is supplied and a gain band including the wavelength of the signal light are provided. Means. For example, an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) includes an erbium-doped fiber (EDF) as an optical amplification medium and a pump light source for supplying pump light having a predetermined wavelength to the EDF. By setting the wavelength of the pump light in the 0.98 μm band or 1.48 μm band, a gain band including a wavelength of 1.55 μm can be obtained. An optical amplifier having a semiconductor chip as an optical amplification medium is also known. In this case, pumping is performed by injecting current into the semiconductor chip.
[0004]
On the other hand, there is wavelength division multiplexing (WDM) as a technique for increasing the transmission capacity of a single optical fiber. In a system to which WDM is applied, a plurality of optical carriers having different wavelengths are used. A plurality of optical signals obtained by independently modulating each optical carrier are wavelength division multiplexed by an optical multiplexer, and the resulting WDM signal light is sent out to an optical fiber transmission line. On the receiving side, the received WDM signal light is separated into individual optical signals by an optical demultiplexer, and transmission data is reproduced based on each optical signal. Therefore, by applying WDM, the transmission capacity in one optical fiber can be increased according to the number of multiplexing.
[0005]
When an optical amplifier is incorporated in a system to which WDM is applied, the transmission distance is limited by the wavelength dependency of gain represented by gain tilt (gain tilt) or gain deviation. For example, in an EDFA, it is known that a complicated gain characteristic occurs in a signal band, and this gain characteristic changes according to the total input power or pump light power to the EDFA.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In order to suppress the wavelength dependence of gain, it has been proposed to combine an optical amplifier and an optical filter. For details of the composition of the combination and the obtained effect, refer to JP-A-3-44206, JP-A-3-196125, JP-A-8-213676, OAA'90, MD1, pp44-47.
[0007]
In this combination, when the optical filter is arranged on the upstream side (input side) of the optical amplifier, the noise figure increases (becomes worse). In this case, the insertion loss of the optical filter can be compensated by adjusting the gain of the optical amplifier. On the other hand, when the optical filter is arranged on the downstream side (output side) of the optical amplifier, the noise figure does not increase, but the optical output power decreases (decreases) due to the insertion loss of the optical filter. Therefore, in the case of the prior art, it is necessary to select either to increase the output by allowing the noise figure to increase or to reduce the noise by allowing the optical output power to decrease. was there.
[0008]
The wavelength dependence of the gain in the 1540 to 1560 nm band can be suppressed by appropriate setting of the power of the pump light, particularly in the EDFA. When the power of the pump light is relatively low, a positive gain slope is obtained in which the gain increases as the wavelength increases. When the power of the pump light is relatively high, the gain increases as the wavelength increases. Since a negative gain slope that decreases is obtained, the power of the pump light is controlled so that the gain slope becomes flat. However, since the power of pump light required to flatten the gain tilt is generally high, a high-power pump light source is required. A laser diode for obtaining high-power pump light is expensive, and when a plurality of laser diodes are used in combination to obtain high-power pump light, the configuration of the optical circuit becomes complicated.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an apparatus for optical amplification that can suppress the wavelength dependence of gain under the power of low pump light.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a system comprising such a device.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, an optical amplifier including an optical amplification medium, and first and second optical filters operatively connected to the optical amplifier to suppress the wavelength dependence of gain are provided. An apparatus is provided.
[0012]
In this application, an element “operably connected” to another element includes the case where these elements are directly connected, and further, an optical or electrical signal between these elements. This includes cases where these elements are provided with a relevance that allows delivery.
[0013]
The optical amplifying medium has an input end and an output end for signal light. The optical amplification medium is pumped so that the optical amplification medium provides a gain band. The gain band includes a first band that provides a relatively high gain and noise figure for the signal light, and a second band that provides a relatively low gain and noise figure. The first optical filter is optically connected to the input end of the optical amplifying medium, and has a characteristic of suppressing the wavelength dependence of gain in the second band. The second optical filter is optically connected to the output end of the optical amplifying medium, and has a characteristic of suppressing the wavelength dependence of the gain in the first band.
[0014]
According to the first aspect of the present invention, in order to suppress the wavelength dependency of the gain, two optical filters (first and second optical filters) provided on the input side and the output side of the optical amplifier are used. Thus, since the wavelength dependency of gain can be appropriately suppressed in each optical filter, a low noise figure and high optical output power can be obtained.
[0015]
According to a second aspect of the present invention, (a) a first band that gives a relatively high gain and noise figure to the signal light and a second band that gives a relatively low gain and noise figure are included. Pumping the optical amplifying medium so that the optical amplifying medium provides a gain band; and (b) passing through a first optical filter having a characteristic that suppresses the wavelength dependence of the gain in the second band. Supplying the signal light to the optical amplifying medium; and (c) a second characteristic that suppresses the wavelength dependence of the gain in the first band of the signal light output from the optical amplifying medium. And providing to the optical filter.
[0016]
When the method according to the second aspect of the present invention is carried out using the first and second optical amplifiers cascaded in the signal light propagation direction, this method is particularly applied to the second optical amplifier. It is effective. This is because if this method is applied only to the first optical amplifier, there is a possibility that a new wavelength dependence of gain occurs in the second optical amplifier. Therefore, more generally, when this method is performed using a plurality of cascaded optical amplifiers, it is effective to apply this method to the optical amplifier at the final stage (that is, the output side). .
[0017]
According to the third aspect of the present invention, an optical amplifying medium having an input end and an output end for signal light, and the optical amplifying medium increases in pump power as the wavelength increases in a predetermined band. When the gain is decreased and the pump power is small, the gain is increased. The optical amplifying medium having the gain characteristic is pumped with the small pump power, and the input end and the output end of the optical amplifying medium. An optical filter that is optically connected to at least one of the optical filters and has a characteristic of giving a loss slope that increases as the wavelength increases. The optical amplification medium includes a doped fiber doped with a dopant including a rare earth element, the dopant includes Er (erbium), and the predetermined band is provided by a wavelength of 1.54 to 1.56 μm, The wavelength of the pump light is included in at least one of the 0.98 μm band and the 1.48 μm band, and the loss gradient is in the range of 0.05 to 0.1 dB / nm. An apparatus is provided.
[0018]
Preferably, the optical amplifying medium is an EDF, and the predetermined band is provided by a wavelength of 1.54 to 1.56 μm. In this case, for example, the above-described substantially simple gain characteristic provides a gain slope in which the gain increases as the wavelength increases, and the optical filter characteristic provides a loss slope in which the loss increases as the wavelength increases.
[0019]
According to the third aspect of the present invention, a substantially simple gain characteristic can be maintained under low pump light power, and the wavelength dependence of gain is suppressed by the optical filter. Therefore, the wavelength dependence of gain can be suppressed under the low pump light power.
[0020]
According to the fourth aspect of the present invention, when the doped fiber is doped with a dopant containing Er (erbium), and the doped fiber is increased in pump power as the wavelength increases in a predetermined band, the gain is increased. When the pumping power is small and the pump power is small, the gain is increased, and the doped fiber having a gain gradient is pumped at the pump power low and optically connected to the doped fiber as the wavelength increases. An optical filter that provides a loss slope that increases loss, The predetermined band is provided by a wavelength of 1.54 to 1.56 μm, the wavelength of the pump light is included in at least one of a 0.98 μm band and a 1.48 μm band, and the loss slope is 0.05. Or in the range of 0.1 dB / nm An apparatus is provided.
[0021]
According to the fifth aspect of the present invention, the first and second terminal stations, the optical fiber transmission line connecting the first and second terminal stations, and at least one optical relay provided in the middle of the optical fiber transmission line A system is provided. The first terminal station includes a plurality of optical transmitters that respectively output a plurality of optical signals having different wavelengths, and wavelength division multiplexing the plurality of optical signals into WDM signal light to convert the WDM signal light into an optical fiber transmission line And an optical multiplexer that outputs to the output. The second terminal station includes an optical demultiplexer that divides the WDM signal light transmitted through the optical fiber transmission path into a plurality of optical signals, and a plurality of optical receivers that respectively receive the plurality of optical signals. The optical repeater includes a device according to the first, third, or fourth aspect of the present invention or various embodiments of the device to be described later.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Throughout the drawings, substantially the same parts are denoted by the same reference numerals.
[0023]
FIG. 1 is a block diagram showing a first basic configuration of an apparatus for optical amplification according to the present invention. This apparatus has an input port 2 for receiving the signal light to be amplified and an output port 4 for outputting the amplified signal light.
[0024]
Between the input port 2 and the output port 4, a first optical filter 6, an optical amplifier 8, and a second optical filter 10 are provided in this order.
[0025]
The optical amplifier 8 includes an optical amplification medium 12 having an input end 12A and an output end 12B for signal light, and a pumping unit 14 for pumping the optical amplification medium 12 so that the optical amplification medium 12 provides a gain band. including.
[0026]
The gain band provided by the optical amplifying medium 12 of FIG. 1 will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the vertical axis represents optical power (dBm) or gain (dB), and the horizontal axis represents wavelength.
[0027]
When the optical amplifying medium 12 is pumped by the pumping unit 14, a gain band GB that gives a gain characteristic 16 to the spectrums S1 and S2 of the signal light is generated. The gain characteristic 16 represents the wavelength dependence of the gain in the optical amplifying medium 12.
[0028]
The gain characteristic for a small signal can be approximated by the spectrum of ASE (amplified spontaneous emission light) noise in the optical amplification medium.
[0029]
In FIG. 2, the gain band GB is a first band B1 that gives a relatively high gain to the signal light (spectrum S1) and a second band that gives a relatively low gain to the signal light (spectrum S2). Band B2. In the first band B1, the noise figure increases (becomes worse) due to the relatively large amount of ASE noise generated. In the second band B2, the generated ASE noise is relatively small, so the noise figure is low (becomes better).
[0030]
3A and 3B are graphs showing the characteristics of the first optical filter 6 and the second optical filter 10 of FIG. 1, respectively. In each graph, the vertical axis represents transmission loss (dB) and the horizontal axis represents wavelength.
[0031]
As shown in FIG. 3A, the first optical filter 6 has a characteristic that suppresses (preferably cancels) the wavelength dependence of the gain in the second band B2. At wavelengths not included in the second band B2, the transmission loss is given by the minimum insertion loss of the optical filter 6, and its value is ideally 0 (db), which is a small value in practice.
[0032]
As shown in FIG. 3B, the second optical filter 10 has a characteristic that suppresses (preferably cancels) the wavelength dependence of the gain in the first band B1. The transmission loss at wavelengths not included in the first band B1 is given by the minimum insertion loss of the optical filter 10, and its value is ideally 0 (db) and is a small value in reality.
[0033]
Referring to FIG. 4, an example of the output light spectrum of the apparatus of FIG. 1 is shown. Here, the signal light input to the input port 2 has a wavelength λ ₁ , Λ ₂ , ..., λ _n It is assumed that the optical signals are WDM signal light obtained by wavelength division multiplexing of a plurality of optical signals, and the power of each optical signal is equal.
[0034]
As shown in FIG. 4, the amplified WDM signal light output from the output port 4 is flattened in the wavelength characteristic of the gain and corresponds to each optical signal as shown in FIG. And has a spectrum on which a steep spectrum is superimposed.
[0035]
Since the wavelength dependency of the gain in the optical amplifying medium 12 is suppressed by the first optical filter 6 and the second optical filter 10, the power of each signal in the output WDM signal light is substantially equal. Become. Thus, according to the first basic configuration of the apparatus according to the present invention, the wavelength dependence of gain can be suppressed.
[0036]
The present invention is not limited by the fact that the signal light to be amplified is a WDM signal light. The signal light to be amplified may be a single channel optical signal. In this case, the wavelength of the optical signal may change due to temperature fluctuations of the light source that generates the optical signal. Therefore, the present invention is effective even for wavelength variation of a single channel optical signal. is there.
[0037]
Next, the reason why a low noise figure and high optical output power can be obtained in the apparatus of FIG. 1 will be described in detail. Here, a two-stage configuration in which a front-stage optical amplifier and a rear-stage optical amplifier are cascade-connected is assumed. In this two-stage configuration, the total noise figure (NF) when an optical filter is inserted between the front-stage optical amplifier and the rear-stage optical amplifier is given by the following expression.
[0038]
[Expression 1]

[0039]
Where NF _f Is the noise figure (dB) of the pre-stage optical amplifier, NF _r Is the noise figure (dB) of the post-stage optical amplifier, A is the loss (dB) due to the optical filter, G is the gain (dB) of the pre-stage optical amplifier, and each parameter is a function of wavelength.
[0040]
In this way, the total noise figure NF of the two-stage configuration is the noise figure NF of the front-stage optical amplifier. _f , Gain G, and noise figure NF of the subsequent optical amplifier _r And the loss A due to the optical filter inserted between the front-stage optical amplifier and the rear-stage optical amplifier. From the above formula, the smaller the insertion loss A of the optical filter, the lower the total noise figure NF.
[0041]
Also, when an optical filter is inserted between the front-stage optical amplifier and the rear-stage optical amplifier, an optical filter is not inserted between the front-stage optical amplifier and the rear-stage optical amplifier, and instead, an optical filter is provided on the output side of the rear-stage optical amplifier. If the loss due to the optical filter is the same, the total noise figure is lower in the latter case. In other words, the noise figure for the latter does not deteriorate in principle due to the loss due to the optical filter.
[0042]
Therefore, when the first basic configuration according to the present invention is applied to the post-stage optical amplifier, an optical signal for performing gain compensation is applied to an optical signal having a relatively high noise figure so as not to further deteriorate the noise figure. A filter is provided on the output side of the post-stage optical amplifier.
[0043]
On the other hand, when an optical filter is provided on the output side of the latter-stage optical amplifier, the optical output power is reduced by the loss due to the optical filter. On the other hand, when an optical filter is inserted between the front-stage optical amplifier and the rear-stage optical amplifier, the loss can be compensated by the input-to-gain characteristic (see, for example, FIG. 5) of the rear-stage optical amplifier.
[0044]
Therefore, when the first basic configuration according to the present invention is applied to the post-stage optical amplifier, an optical filter for performing gain compensation is provided for an optical signal having a low noise figure in order to obtain as high an optical output power as possible. It is inserted between the front-stage optical amplifier and the rear-stage optical amplifier.
[0045]
As described above, the insertion of the optical filter between the front-stage optical amplifier and the rear-stage optical amplifier degrades the noise characteristics, and the provision of the optical filter on the output side of the rear-stage optical amplifier lowers the optical output power. An optical filter that corrects the gain for a signal having a high noise figure and a large gain compared to other signals is provided on the output side of the subsequent optical amplifier, and a signal having a low noise figure and a small gain compared to other signals. In contrast, an optical filter for correcting the gain is provided on the input side of the latter-stage optical amplifier. More generally speaking, in the present invention, optical filters are provided at a plurality of positions, and the gain is corrected by providing wavelength selectivity. By paying attention to a signal sensitive to noise characteristics and correcting the gain, the noise figure does not become lower than the noise figure when no optical filter is used, and high optical output power can be obtained. In addition, the noise figure deviation is reduced by the present invention, which will be described with reference to the results of a demonstration experiment described later.
[0046]
Thus, according to the present invention, focusing on the fact that the transmission quality is determined by the optical SNR (signal-to-noise ratio) rather than simply gain equalization that makes the optical output equal to the wavelength as in the prior art, A new technique called so-called optical SNR equalization that makes it possible to keep the noise figure as low as possible simultaneously with the optical output is provided.
[0047]
As the optical amplifying medium 12, a doped fiber doped with a dopant containing a rare earth element can be used. In this case, the pumping unit 14 includes a pump light source for supplying pump light to the optical amplifying medium 12 from at least one of the first end 12A and the second end 12B of the optical amplifying medium 12.
[0048]
In order to obtain a gain band including a wavelength of 1.55 μm, a dopant including Er (erbium) is selected. In this case, for example, the first band B1 is provided by a wavelength of 1.52 to 1.54 μm, and the second band B2 is provided by a wavelength of 1.54 to 1.56 μm or 1.54 to 1.58 μm. The
[0049]
When the dopant contains Er, the wavelength of the pump light is desirably in the 0.98 μm band (0.96 to 1.00 μm) or the 1.48 μm band (1.46 to 1.50 μm).
[0050]
A semiconductor chip can also be used as the optical amplification medium 12. In this case, the pumping unit 14 includes a current source for injecting current into the semiconductor chip.
[0051]
Each of the first optical filter 6 and the second optical filter 10 is required to:
(A) Realize the design value of transmission characteristics with high accuracy;
(B) the temperature dependence of the transmission characteristics is small;
(C) low insertion loss;
(D) small polarization dependence;
(E) low chromatic dispersion;
(F) The reflected light (removed light) is emitted outside the signal transmission path.
[0052]
In order to satisfy one or more of these requirements, each of the first optical filter 6 and the second optical filter 10 includes a Mach-Zehnder optical filter (for example, an InGaAsP / InP semiconductor), An interference film optical filter (dielectric multilayer film) or a fiber grating type optical filter can be used. In particular, many of the above-described requirements can be satisfied by using a fiber grating as described later.
[0053]
FIG. 6 is a block diagram illustrating an embodiment of the apparatus of FIG. Here, an erbium-doped fiber (EDF) 18 is used as the optical amplifying medium 12 of the optical amplifier 8. In order to widen the gain band, the EDF 18 may be doped with an Al (aluminum) compound. The pumping unit 14 includes a pump light source 20 that outputs pump light having a wavelength included in the 1.48 μm band, and a WDM coupler 22 that supplies the pump light from the first end 18A of the EDF 18 to the EDF 18.
[0054]
The optical amplifier 8 further includes an optical isolator 24 connected between the WDM coupler 22 and the first end 18 A of the EDF 18, and light connected between the second end 18 B of the EDF 18 and the second optical filter 10. And an isolator 26.
[0055]
Between the first optical filter 6 and the WDM coupler 22, a variable optical attenuator 28 and a branch coupler 30 for obtaining input monitor light are provided in this order. The input monitor light is supplied to a photodetector (PD) 32 made of a photodiode or the like. The electric signal output from the photodetector 32 reflects the input level of the optical amplifier 8, and this electric signal is supplied to an automatic gain control (AGC) circuit 34 for keeping the gain characteristic constant.
[0056]
A branch coupler 36 for obtaining output monitor light is provided between the second optical filter 10 and the output port 4. The output monitor light is supplied to the photodetector 38. The electrical signal output from the photodetector 38 reflects the output level of the optical amplifier 8, and the electrical signal is supplied to the AGC circuit 34.
[0057]
The AGC circuit 34 controls the power of the pump light output from the pump light source 20 based on the input level and output level of the optical amplifier 8, and as a result, the gain characteristic provided by the EDF 18 is kept constant. For example, the AGC circuit 34 adjusts the power of the pump light so that the ratio between the input level and the output level of the optical amplifier 8 is constant.
[0058]
The output electrical signal of the photodetector 38 is also supplied to an automatic level control (ALC) circuit 40.
[0059]
The ALC circuit 40 controls attenuation by the variable optical attenuator 28 so that the output level of the optical amplifier 8 is kept constant.
[0060]
Particularly in this embodiment, a second optical amplifier 42 is additionally provided on the upstream side of the first optical filter 6. That is, this apparatus has a two-stage configuration, and the optical amplifiers 42 and 8 function as a front-stage optical amplifier and a rear-stage optical amplifier, respectively. By using a plurality of optical amplifiers 42, this apparatus has a multi-stage configuration.
[0061]
The optical amplifier 42 includes an EDF 44, a pump light source 46 that outputs pump light having a wavelength included in the 0.98 μm band, and a WDM coupler 48 for supplying the pump light from the first end 44A of the EDF 44 to the EDF 44. ing.
[0062]
The second end 44 </ b> B of the EDF 44 is connected to the first optical filter 6 via the optical isolator 50 and the branch coupler 52. The output monitor light branched by the branch coupler 52 is supplied to the photodetector 54. The electrical signal output from the photodetector 54 reflects the output level of the optical amplifier 42, and this electrical signal is supplied to the AGC circuit 56.
[0063]
An optical isolator 58 and a branch coupler 60 are connected in this order between the input port 2 and the WDM coupler 48. The input monitor light branched by the branch coupler 60 is supplied to the photodetector 62. The electric signal output from the photodetector 62 reflects the input level of the optical amplifier 42, and this electric signal is supplied to the AGC circuit 56.
[0064]
The AGC circuit 56 controls the power of the pump light output from the pump light source 46 based on the input level and output level of the optical amplifier 42. As a result of this control, the gain characteristic provided by the EDF 44 is kept constant. For example, the AGC circuit 56 adjusts the power of the pump light so that the ratio between the input level and the output level of the optical amplifier 42 is constant.
[0065]
As each of the pump light sources 20 and 46, a laser diode (LD) can be used. In this case, the power of each pump light can be adjusted by the drive current of each laser diode.
[0066]
The WDM signal light input to the input port 2 is first amplified by the pre-stage optical amplifier 42. In this amplification process, since the AGC circuit 56 is employed, gain characteristics (gain wavelength dependency) are constant regardless of the input level of the optical amplifier 42.
[0067]
The amplified WDM signal light then passes through the first optical filter 6. In the filter 6, gain compensation is performed for the optical signal included in the second band B2.
[0068]
The WDM signal light that has passed through the filter 6 is attenuated controlled by the variable optical attenuator 28 and then supplied to the post-stage optical amplifier 8.
[0069]
In the amplification process in the optical amplifier 8, the gain characteristic is constant regardless of the input level of the optical amplifier 8 because the AGC circuit 34 is employed.
[0070]
The WDM signal light amplified by the optical amplifier 8 then passes through the second optical filter 10. In the filter 10, gain compensation is performed on the optical signal included in the first band B1. The WDM signal light that has passed through the filter 10 is output from the output port 4.
[0071]
By employing the ALC circuit 40 and the variable optical attenuator 28, the output optical power can be kept constant regardless of the input level. Here, the ALC for the output optical power is performed using the variable optical attenuator 28 because the power of each pump light is controlled in order to keep the gain characteristic constant in each of the optical amplifiers 8 and 42. This is because ALC cannot be performed by adjusting the power of each pump light.
[0072]
Since the gain characteristics are kept constant in each of the optical amplifiers 8 and 42, the wavelength dependence of the gain in this device is obtained even though each of the filters 6 and 10 has a fixed characteristic. Always repressed. That is, it becomes possible to suppress the wavelength dependence of the gain regardless of the input level.
[0073]
In this embodiment, the wavelength of the pump light in the pre-stage optical amplifier 42 is set to the 0.98 μm band in order to prevent the noise characteristics from being greatly deteriorated in the amplification process of the signal light having a relatively low power. is there. Pumping the EDF with pump light having a wavelength of 0.98 μm band is effective in reducing the noise of the amplifier.
[0074]
The reason why the wavelength of the pump light in the rear-stage optical amplifier 8 is set in the 1.48 μm band is to obtain high optical output power. It is easy to increase the output of a laser diode that oscillates in the 1.48 μm band as compared with a laser diode that oscillates in the 0.98 μm band. Therefore, by using such high-power pump light, the optical output power of the device Can be bigger.
[0075]
In the embodiment of FIG. 6, the signal light and the pump light are propagated in the same direction in the EDF in each of the optical amplifiers 8 and 42 and forward pumping is performed. Backward pumping may be performed by propagating through the amplification medium in opposite directions. Further, two pump light sources may be used for each optical amplifying medium, and both forward pumping and backward pumping, that is, bidirectional pumping may be performed on the optical amplifying medium. In that case, hybrid bidirectional pumping using different pump light wavelengths (for example, 0.98 μm and 1.48 μm) may be realized.
[0076]
The first optical filter 6, the variable optical attenuator 28, and the branch coupler 30 are provided in this order in the signal light propagation direction, but the arrangement order thereof is arbitrary. The second optical filter 10 and the branch coupler 36 may be interchanged. That is, each of the filters 6 and 10 may be inside or outside the loop for AGC.
[0077]
FIGS. 7A to 7D are diagrams showing the configuration of an apparatus used in a comparative demonstration experiment for verifying the superiority of the first basic configuration according to the present invention by comparison with the prior art.
[0078]
FIG. 7A shows a conventional technology with a two-stage configuration that does not use an optical filter. Between the input port 2 and the output port 4, a front-stage optical amplifier 42, a variable optical attenuator 28, and a rear-stage optical amplifier 8 are provided in this order.
[0079]
FIG. 7B shows a conventional technique in which an optical filter is inserted only between two stages. Between the input port 2 and the output port 4, the front-stage optical amplifier 42, the variable optical attenuator 28, the combination optical filter 64, and the rear-stage optical amplifier 8 are provided in this order. The combination optical filter 64 is configured by cascading a first optical filter 6 and a second optical filter 10 applicable to the present invention.
[0080]
FIG. 7C shows a conventional technique in which an optical filter is provided only on the output side of a two-stage configuration. The combination filter 64 is provided between the post-stage optical amplifier 8 and the output port 4.
[0081]
FIG. 7D shows an apparatus to which the present invention is applied. Between the input port 2 and the output port 4, a front-stage optical amplifier 42, a variable optical attenuator 28, a first optical filter 6, a rear-stage optical amplifier 8, and a second optical filter 10 are provided in this order.
[0082]
In the experiment, the power of pump light in each front-stage optical amplifier 42 is set to 100 mW, the power of pump light in each rear-stage optical amplifier 8 is set to 150 mW, and the attenuation in each variable optical attenuator 28 is −12.7 dB. Was set to
[0083]
8A, 8B, and 8C are graphs showing characteristics of the first optical filter 6, the second optical filter 10, and the combination filter 64 used in the experiment, respectively. In each graph, the vertical axis represents transmission loss (dB) and the horizontal axis represents wavelength (μm). Each of the filters 6, 10 and 64 used in this experiment was provided by a fiber grating.
[0084]
As shown in FIG. 8A, the first optical filter 6 suppresses the wavelength dependence of gain in a band of about 1.54 to 1.56 μm that gives a relatively low gain and noise figure. It had the characteristic.
[0085]
As shown in FIG. 8B, the second optical filter 10 suppresses the wavelength dependence of gain in a band of approximately 1.52 to 1.54 μm that gives a relatively high gain and noise figure. It had the characteristic.
[0086]
Therefore, as shown in FIG. 8C, the combination filter 64 has a characteristic that suppresses the wavelength dependence of gain in a band of approximately 1.52 to 1.56 μm.
[0087]
9A to 9D are graphs showing the spectra of the output light obtained in FIGS. 7A to 7D, respectively. In each graph, the vertical axis represents optical power (dBm), and the horizontal axis represents wavelength (μm). In the experiment, WDM signal light obtained by wavelength-division multiplexing five-channel optical signals each having a wavelength included in a band of 1.52 to 1.56 μm was used. The peak power of the optical signal of each channel at each input port 2 was set to −19.9 dBm.
[0088]
In the experiment, the minimum optical output power P in each of the configurations of (A) to (D) of FIG. _min (DBm), optical output power deviation (deviation between maximum optical output power and minimum optical output power) ΔP (dB), maximum (worst) noise figure NF _max (DB) and noise figure deviation (deviation between maximum (worst) noise figure and minimum (best) noise figure) ΔNF (dB) were measured and the measurement results were compared. The measurement results are shown in Table 1.
[0089]
[Table 1]

[0090]
Comparison of experimental results shows that:
(1) In comparison with FIG. 7C, the noise figure deviation ΔNF was reduced by 0.54 (= 0.89−0.35) dB;
(2) Maximum noise figure NF in comparison with FIG. _max Improved by 0.62 (= 7.042-6.422) dB;
(3) In comparison with FIG. 7A, the optical output power deviation ΔP was reduced by 4.26 (= 6.37-2.11) dB;
(4) Minimum optical output power P in comparison with FIG. _min Improved by 1.83 (= 3.35-1.52) dB;
(5) In comparison with FIG. 7B, the noise figure is improved for the optical signals of all channels (maximum 0.62 dB);
(6) In comparison with FIG. 7C, the optical output power increased for the optical signals of all channels.
[0091]
As described above, the technical effect of applying the first configuration according to the present invention to the final stage in the multi-stage configuration has been demonstrated.
[0092]
It should be noted that in all the configurations shown in FIGS. 7A to 7D, the minimum optical output power P _min Is given by the optical signal of the second channel from the shortest wavelength channel among the optical signals of 5 channels used in the experiment, and the maximum noise figure NF _max Is given by the optical signal of the shortest wavelength channel.
[0093]
FIG. 10 is a diagram showing a second basic configuration of the apparatus according to the present invention. This apparatus has an input port 2 to which signal light to be amplified is supplied and an output port 4 for outputting the amplified signal light. The signal light may be signal light of a single wavelength channel having the possibility of changing the wavelength, or may be WDM signal light obtained by wavelength division multiplexing a plurality of optical signals having different wavelengths. Good.
[0094]
Between the input port 2 and the output port 4, an optical filter 66 and an optical amplifier 8 'are provided in this order in the propagation direction of the signal light. The optical filter 66 may be provided between the optical amplifier 8 ′ and the output port 4 as indicated by reference numeral 66 ′.
[0095]
The optical amplifier 8 'includes an optical amplifying medium 12 having an input end 12A and an output end 12B for signal light, and a pumping unit 14' for pumping the optical amplifying medium 12.
[0096]
Here, the pumping unit 14 'pumps the optical amplifying medium 12 so that the optical amplifying medium 12 has a substantially simple gain characteristic in a predetermined band. The optical filter 66 or 66 'has a characteristic that suppresses the wavelength dependence of the gain given by the substantially simple gain characteristic.
[0097]
As the optical amplifying medium 12, a doped fiber doped with a dopant containing a rare earth element can be used. In this case, the pumping unit 14 'includes a pump light source for supplying pump light having an appropriate wavelength and power to the optical amplifying medium 12 from at least one of the input end 12A and the output end 12B.
[0098]
In the case where the predetermined band includes 1.55 μm, a dopant including Er (erbium) is suitable for the doped fiber. In this case, for example, the predetermined band is provided by a wavelength of 1.54 to 1.56 μm, and the wavelength of the pump light is included in at least one of the 0.98 μm band and the 1.48 μm band.
[0099]
A semiconductor chip can also be used as the optical amplification medium 12. In this case, the pumping unit 14 'includes a current source for injecting current into the semiconductor chip.
[0100]
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of gain characteristics of the optical amplifier 8 ′ when the optical amplification medium 12 includes EDF (erbium-doped fiber). A spectrum of output light when four channels of WDM signal light having wavelengths of 1548, 1551, 1554 and 1557 nm are input to the pumped EDF with the same input power (−35 dBm / ch) is shown. The vertical axis represents optical power (dBm), and the horizontal axis represents wavelength (μm).
[0101]
The spectrum indicated by A corresponds to the case where the power of the pump light is relatively large, and a negative gain tilt occurs in a band of approximately 1.54 to 1.56 μm. That is, it is a gain slope in which the gain decreases as the wavelength becomes longer, and the derivative of the gain (G) with respect to the wavelength (λ) is negative (dG / dλ <0).
[0102]
The spectrum indicated by C corresponds to the case where the power of the pump light is relatively small, and a positive gain tilt is generated in a band of approximately 1.54 to 1.56 μm. That is, the gain slope increases as the wavelength becomes longer, and the wavelength differentiation of the gain is positive (dG / dλ> 0).
[0103]
The spectrum indicated by B corresponds to the optimum pump light power for preventing a gain tilt in a band of approximately 1.54 to 1.56 μm, and the wavelength differentiation of gain is 0 (dG / dλ = 0). ).
[0104]
Each spectrum has a shape in which four sharp spectra corresponding to the optical signal of each channel are superimposed on the ASE spectrum.
[0105]
In any spectrum, a complicated gain characteristic occurs in a band shorter than 1.54 μm, and a substantially simple gain characteristic is obtained in a band of approximately 1.54 to 1.56 μm.
[0106]
For example, when WDM is applied to a system including an optical amplifier, if a gain tilt occurs in the optical amplifier, the gain deviation between channels limits the transmission distance. For this reason, it is desirable that the drive conditions of the optical amplifier are optimized so that the spectrum indicated by B is always obtained.
[0107]
Therefore, in the prior art, the gain of the optical amplifier is monitored, and the power of the pump light is feedback-controlled so that the monitored value becomes constant, whereby the spectrum shown by B is maintained and the gain tilt is reduced. It did not occur.
[0108]
However, the power of the pump light for preventing the gain tilt is large, and in order to prevent the gain tilt from being generated only by controlling the power of the pump light, it is necessary to use a high power and high cost pump light source. .
[0109]
In the second basic configuration of the present invention, the control of the gain characteristic of the optical amplifying medium 12 and the use of the optical filter 66 or 66 'are combined, so that a low power for pumping (for example, a low pump optical power). The wavelength dependence of gain can be suppressed under
[0110]
For example, the optical amplifying medium 12 is pumped by the pumping unit 14 ′ so as to have a positive gain slope in a band of approximately 1.54 to 1.56 μm, as indicated by reference numeral C in FIG. In this case, the characteristics of the optical filter 66 or 66 'provide a loss slope in which the loss increases as the wavelength increases. As a result, it is possible to suppress the wavelength dependence of the gain under a low pump light power.
[0111]
12 is a block diagram illustrating an embodiment of the apparatus of FIG. This device has the following changes compared to the embodiment of FIG. 6:
(1) An optical amplifier 8 ′ according to the second basic configuration of the present invention is provided instead of the optical amplifier 8 according to the first basic configuration of the present invention;
(2) In the embodiment of FIG. 12, signal light included in a band of approximately 1.54 to 1.56 μm is premised. Therefore, instead of the first optical filter 6 used in the first basic configuration of the present invention. A rejection filter 68 having a stop band in the 1.53 μm band (for example, a band of 1.52 to 1.54 μm);
(3) Instead of the second optical filter 10 used in the first basic configuration of the present invention, an optical filter 66 'for the second basic configuration of the present invention is provided.
[0112]
In the optical amplifier 8 ′, the WDM coupler 22 ′ connected to the pump light source 20 is connected to the second end 18B of the EDF 18 and the optical isolator in order to supply the pump light output from the pump light source 20 to the EDF 18 from the second end 18B. 26.
[0113]
The power of the pump light output from the pump light source 20 is controlled by the AGC circuit 34 so that a substantially simple gain characteristic generated in the EDF 18 is kept constant. More specifically, the AGC circuit 34 adjusts the power of the pump light so that the ratio of the input level and the output level in the optical amplifier 8 ′ or the combination of the optical amplifier 8 ′ and the optical filter 66 ′ is constant.
[0114]
With reference to FIG. 13, an example of the gain characteristic maintained constant by the AGC circuit 34 will be described. Due to the gain characteristics, the optical amplifier 8 ′ is given a gain slope in which the gain increases as the wavelength becomes longer. In FIG. 13, the vertical axis represents optical power (dBm) and the horizontal axis represents wavelength (mn).
[0115]
Here, WDM signal light obtained by wavelength division multiplexing of 8-channel optical signals was used. The wavelengths of the optical signals were 1546.12, 1547.72, 1549.32, 1550.92, 1552.52, 1554.13, 1555.75, and 1557.36 nm, respectively.
[0116]
The deviation between the minimum and maximum optical power was 1.16 dB. Therefore, the gain tilt in the band of 1546 to 1557 nm is approximately 0.1 dB / nm. The minimum optical power is provided by the shortest optical wavelength, and the maximum optical power is provided by the longest wavelength. The gain slope is substantially linear (gain is expressed in dB).
[0117]
The AGC circuit 34 in FIG. 12 controls the power of the pump light output from the pump light source 20 so that the gain inclination as shown in FIG. 13 is maintained, for example. Therefore, even if the optical filter 66 'for suppressing the wavelength dependency of the gain has a fixed characteristic, the wavelength dependency of the gain can be stably suppressed by adopting the AGC circuit 34. it can.
[0118]
More specifically, the optical filter 66 'has a loss gradient that suppresses (preferably cancels) the gain gradient described with reference to FIG.
[0119]
Referring to FIG. 14, an example of the characteristics of the optical filter 66 'is shown. The vertical axis represents transmission loss (dB), and the horizontal axis represents wavelength (nm).
[0120]
The optical filter 66 'has a characteristic that the loss increases as the wavelength becomes longer in a band of about 1.54 to 1.56 μm, and the loss gradient is about 0.1 dB / nm. Accordingly, the gain slope of the optical amplifier 8 'is canceled by the loss slope of the optical filter 66'.
[0121]
In the embodiment of FIG. 12, each of the rejection filter 68 and the optical filter 66 ′ can be provided by a fiber grating.
[0122]
FIG. 15 shows the required pump light power and noise figure (NF) and the optical filter when the optical filter is provided on the output side, that is, when the optical filter 66 ′ is used in the second basic configuration of the apparatus of the present invention. It is a figure which shows the relationship with the amount of inclination (loss inclination). The vertical axis represents the required pump light power (mW) and noise figure (dB), and the horizontal axis represents the amount of tilt (dB / nm). Here, the required pump light power is the power of pump light necessary to prevent a gain gradient from occurring in the entire apparatus.
[0123]
Data giving the graph of FIG. 15 was obtained by experiments and simulations using a configuration according to the embodiment of FIG. In the calculation in the simulation, C.I. R. Gailes, E .; Desurville, “Modeling Erbium-Doped Fiber Amplifiers”, JOUNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 9, no. 2, 1991, an analysis model and an analysis method were used. The calculation is performed by optimizing the length of the EDF for obtaining a predetermined output value (+6.0 dBm / ch) and then pumping power required for flattening the gain between the shortest wavelength and the longest wavelength. And the noise figure at that time.
[0124]
In the figure, the amount of tilt being zero corresponds to the case where the optical filter 66 'is not used, and at this time, the required pump light power is about 250 mW. On the other hand, it was confirmed that the required pump light power in the subsequent stage, which is the power amplification unit, was reduced by 40% or more by using the optical filter 66 ′ having an inclination amount of 0.05 to 0.2 dB / nm. If the amount of inclination is too small, there is little effect of reducing the required pump light power, and if it is too large, the noise figure becomes high or the required EDF length becomes long, so it is in the range of 0.05 to 0.1 dB / nm. It is desirable.
[0125]
As described above, an optical filter that pumps an EDF with a relatively low pump light power so that a gain slope that increases as the wavelength becomes longer, and gives a loss slope that increases as the wavelength becomes longer. , And appropriately setting the loss slope, it is possible to suppress the wavelength dependence of the gain without degrading the noise figure.
[0126]
FIG. 16 shows the required pump light power and noise figure and the tilt amount (loss) of the optical filter when the optical filter is provided on the input side, that is, when the optical filter 66 is used, in the second basic configuration of the apparatus of the present invention. (Inclination). Compared with the case of FIG. 15, the required pump light power reduction effect (pump efficiency improvement effect) is large, but the degradation of the noise figure is large. A desirable range of the tilt amount is 0.05 to 0.1 dB / nm based on the same reason as in FIG.
[0127]
Therefore, in the case where the second basic configuration of the apparatus according to the present invention is implemented, it is desirable to provide the optical filter 66 on the input side of the optical amplifier 8 ′ when the reduction effect of the required pump light power is important. When importance is attached to noise characteristics, it is desirable to provide an optical filter 66 'on the output side of the optical amplifier 8'.
[0128]
When practicing the present invention, a fiber grating is suitable as each optical filter. By using the fiber grating, many of the above-mentioned required characteristics (a) to (f) can be satisfied.
[0129]
If the refractive index of an optical medium (eg glass) changes permanently with light irradiation, the medium is said to be photosensitive. By using this property, a fiber grating can be produced in the core of the optical fiber.
[0130]
The characteristic of the fiber grating is that the light is Bragg-reflected in a narrow band near the resonance wavelength determined by the grating pitch and the effective refractive index of the fiber mode.
[0131]
The fiber grating can be manufactured, for example, by irradiating an optical fiber with an excimer laser that oscillates at a wavelength of 248 nm or 193 nm using a phase mask.
[0132]
For example, the characteristics shown in (A) or (B) of FIG. 8 can be obtained by manufacturing a fiber grating by applying the chirp method. In the chirp method, the grating pitch is set according to an appropriate distribution, thereby obtaining desired characteristics. Actually, it has been demonstrated that the fiber grating shown in FIG. 8B can achieve the designed characteristics in the band of 1528 to 1562 nm.
[0133]
In order to demonstrate that the temperature characteristics of the fiber grating are good, experiments were performed on the rejection filter 68 and the optical filter 66 '(66) of FIG. Each fiber grating to be tested was left in this order for a long time in an environment of 23.3 ° C, 91.2 ° C, and -5.4 ° C, and various items were measured.
[0134]
Regarding the rejection filter, the change amount of the wavelength showing the minimum output in the rejection region is 1.19 (nm), and regarding the optical filter 66 ′ (66), both the inclination amount and the insertion loss are almost changed. There wasn't.
[0135]
The fiber grating can be directly spliced to an optical fiber for constituting an optical circuit, and the loss due to the splice is about 0.1 dB, so that the insertion loss of the fiber grating is small.
[0136]
When the polarization dependence of the fiber grating and the temperature dependence of the polarization dependence were measured using a light source and a polarization controller, there was almost no dependence on these.
[0137]
When the bandwidth of the signal light is 30 nm and the substantial length of the fiber grating grating is 30 mm, the light delay is estimated to be 4.8 ps / nm. Therefore, it can be said that the chromatic dispersion due to the fiber grating is practically small, but if this delay accumulates in high-speed transmission, it may exceed the allowable range. A countermeasure for that will be described later.
[0138]
When a fiber grating is manufactured by the chirp method, the reflected light is coupled to the waveguide mode of the fiber because each grating is perpendicular to the fiber axis. As a result, when multiple fiber gratings are cascaded to obtain the desired characteristics, the designed characteristics may not be obtained due to the influence of reflected light, and it is also possible to design with a single fiber grating. Even if the characteristic is obtained, the desired gain characteristic may not be obtained due to the reflected light returning to the optical amplifying medium optically connected to the fiber grating. The use of an optical isolator is effective for eliminating such a possibility, but the use of the optical isolator complicates and enlarges the apparatus configuration.
[0139]
By applying a blazed method or a long period method to obtain a fiber grating, reflected light can be effectively removed. In the blazed method, each grating is formed obliquely with respect to the fiber axis, whereby reflected light is emitted out of the fiber. In the long period method, the grating pitch is set to be relatively large, thereby removing the reflected light.
[0140]
For additional details about the chirp, blazed or long period methods, see Yu Liu et al. , “Analysis of Long-period and Short-period Fiber Bragg Gratings by Phase Matching Condition”, SPIE, Vol. 2893, pp 441-447 and P.I. StJ Russell et al. , “Fiber Graphings”, Physics
See World, October, 1993, pp 41-46.
[0141]
FIG. 17 is a block diagram showing an embodiment of an optical fiber communication system according to the present invention. This system includes a first terminal station 70, a second terminal station 72, an optical fiber transmission line 74 connecting the terminal stations 70 and 72, and a plurality of (two in the figure) provided in the middle of the optical fiber transmission line 74. ) Optical repeater 76. Each optical repeater 76 includes a device 78 according to the first or second basic configuration according to the invention. A single optical repeater 76 may be used.
[0142]
The first terminal station 70 includes a plurality of optical transmitters (OS) 80 (# 1, # 2,..., #N) that respectively output a plurality of optical signals having different wavelengths, and a plurality of optical signals as wavelengths. And an optical multiplexer (MUX) 82 that divides and multiplexes and outputs to the optical fiber transmission line 74 as WDM signal light.
[0143]
The second terminal station 72 includes an optical demultiplexer (DMUX) 84 that divides the WDM signal light transmitted through the optical fiber transmission path 74 into a plurality of optical signals, and a plurality of optical receivers 86 (each receiving a plurality of optical signals). # 1, # 2,..., #N).
[0144]
According to this configuration, the loss of the WDM signal light is compensated by at least one optical repeater 76 provided in the middle of the optical fiber 74, so that long-distance transmission is possible. In order to obtain this effect, the first terminal station 70 may have an optical amplifier as a booster amplifier (postamplifier), or the second terminal station 72 may have an optical amplifier as a preamplifier. Also good.
[0145]
In particular, since each optical repeater 78 includes the device 78 according to the present invention, the wavelength dependency of the gain in each optical repeater 76 is suppressed, and the transmission distance limitation due to the gain deviation is reduced. Further, when the second basic configuration of the present invention is applied to each device 78, the wavelength dependency of gain can be suppressed under the power of low pump light in each device 78. Therefore, it is possible to construct a high-priced and inexpensive system.
[0146]
As described above, when a fiber grating is used as each optical filter used to implement the present invention, a delay of about 4.8 ps / nm occurs in each fiber grating. In the system shown in FIG. 17, when the first basic configuration of the present invention is applied to each device 78, each device 78 includes two optical filters. In some cases, the total dispersion value is 86.4 ps / nm (= 4.8 ps / nm × 2 × 9).
[0147]
For example, in a system to which external modulation of 10 Gbit / s is applied, the limit value of chromatic dispersion is about 750 ps / km / nm. In this case, the dispersion value of 86.4 ps / nm is about 12% of the limit value. And the tolerance is exceeded.
[0148]
In the system of FIG. 17, the first basic configuration according to the present invention is effective in reducing the dispersion value in each device 78 to ideally 0 or managing the chromatic dispersion of the entire system. Specifically, it is as follows.
[0149]
When a fiber grating is used as each of the optical filters, as shown in FIGS. 18A and 18B, the sign (positive or negative) of chromatic dispersion can be selected according to the insertion direction of the fiber grating. For example, fiber gratings with different wavelengths λA and λ _B Since the position of the Bragg reflection is different when the light is supplied, for example, when the positive chromatic dispersion is obtained in FIG. 18A, the fiber grating as shown in FIG. By reversing the direction of insertion, the fiber grating provides negative chromatic dispersion.
[0150]
Accordingly, when the first basic configuration according to the present invention is applied to each device 78 in FIG. 17, the first chromatic dispersion and the second optical filter 10 provided by the first optical filter 6 in FIG. The chromatic dispersion in each device 78 can be reduced by setting the signs of the second chromatic dispersion given by (1) to be different from each other. In particular, by making the absolute values of the first and second chromatic dispersion substantially equal, the chromatic dispersion in each fiber grating can be canceled, and the chromatic dispersion in each device 78 is made substantially zero. be able to. Therefore, for a system that has already taken measures to prevent the deterioration of transmission characteristics due to chromatic dispersion by managing the chromatic dispersion of the optical fiber transmission line 74 between the terminal stations 70 and 72, the chromatic dispersion in each device 78 is substantially reduced. Therefore, the existing chromatic dispersion management method can be applied as it is.
[0151]
Here, the management of chromatic dispersion is to set the total chromatic dispersion between the terminal stations 70 and 72 within a predetermined value or range.
[0152]
For example, when the chromatic dispersion is not sufficiently managed in the optical fiber transmission line 74 between the terminal stations 70 and 72, the above-mentioned first and second chromatic dispersion are set to the same sign, and the optical fiber transmission is performed. The chromatic dispersion provided by the path 74 can be positively offset by the chromatic dispersion of each device 78 (the sum of the first and second chromatic dispersion) to manage the chromatic dispersion.
[0153]
For example, in a plurality of spans of the optical fiber transmission line 74, the sign of chromatic dispersion becomes positive or negative for each span due to variations in optical fiber manufacturing technology or fluctuations in the wavelength of signal light. As a result, when the sign of chromatic dispersion in the entire length of the optical fiber transmission line 74 is positive, the sign of chromatic dispersion given by each device 78 is set to be negative.
[0154]
Further, in order to prevent waveform deterioration due to the nonlinear effect of the fiber such as self-phase modulation (SPM), a predetermined chromatic dispersion is set locally or entirely between the terminal stations 70 and 72. Sometimes. Even in such a case, a desired chromatic dispersion value can be set in each device 78.
[0155]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method, an apparatus, or a system that can obtain a low noise figure and high optical output power and can suppress the wavelength dependence of gain. Arise.
[0156]
In addition, according to the present invention, there is an effect that it is possible to provide a method, an apparatus, or a system that can suppress the wavelength dependency of gain under the low pumping power (for example, the power of pump light) of the optical amplification medium. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first basic configuration of an apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a gain band provided by the optical amplifying medium 12 of FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of characteristics of the first optical filter 6 and the second optical filter 10 in FIG. 1;
4 is a diagram showing an example of a spectrum of output light of the apparatus of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a relationship between gain and input optical power in an optical amplifier.
6 is a block diagram illustrating an embodiment of the apparatus of FIG.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an apparatus used in a comparative demonstration experiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating characteristics of an optical filter used in an experiment.
FIG. 9 is a diagram showing a spectrum obtained in an experiment.
FIG. 10 is a diagram showing a second basic configuration of the device according to the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a change in gain tilt according to the power of pump light.
12 is a block diagram illustrating an embodiment of the apparatus of FIG.
13 is a diagram showing a gain tilt in the optical amplifier 8 ′ of FIG. 12. FIG.
FIG. 14 is a diagram showing characteristics of the optical filter 66 ′ of FIG.
FIG. 15 is a diagram illustrating a relationship among required pump light power, noise figure, and tilt amount when an optical filter is provided on the output side.
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between required pump light power, noise figure, and tilt amount when an optical filter is provided on the input side.
FIG. 17 is a block diagram illustrating an embodiment of a system according to the present invention.
FIG. 18 is a diagram for explaining the sign of chromatic dispersion depending on the insertion direction of the fiber grating.
[Explanation of symbols]
2 input ports
4 Output port
6 First optical filter
8,8 'optical amplifier
10 Second optical filter
12 Optical amplification media
14,14 'pumping unit
66, 66 'optical filter

Claims (9)

An optical amplifying medium having an input end and an output end for signal light;
The optical amplifying medium having a gain characteristic in which the gain decreases when the pump power is large and the gain is increased when the pump power is small as the wavelength becomes longer in a predetermined band. Means for pumping with low pump power;
An optical filter optically connected to at least one of the input end and the output end of the optical amplification medium and having a characteristic of giving a loss gradient in which loss increases as the wavelength becomes longer;
The optical amplification medium comprises a doped fiber doped with a dopant containing a rare earth element,
The dopant includes Er (erbium),
The predetermined band is provided by a wavelength of 1.54 to 1.56 μm,
An apparatus in which the loss gradient is in the range of 0.05 to 0.1 dB / nm. The apparatus of claim 1, comprising:
The pumping means includes a pump light source for outputting pump light, and an optical coupler for supplying the pump light to the optical amplification medium from at least one of the input end and the output end. The apparatus of claim 2, comprising:
The pump light has a wavelength included in at least one of a 0.98 μm band and a 1.48 μm band. The apparatus of claim 2, comprising:
An apparatus further comprising means for controlling the power of the pump light so that the gain characteristic is kept constant. The apparatus according to claim 4 , comprising:
The control means includes a means for detecting an input level and an output level of the apparatus, respectively, and a means for adjusting the power of the pump light so that a ratio of the input level and the output level is constant. The apparatus of claim 1, comprising:
The optical filter is a device comprising a fiber grating. The apparatus of claim 1, comprising:
The signal light is a WDM signal light obtained by wavelength division multiplexing a plurality of optical signals having different wavelengths. A doped fiber doped with a dopant comprising Er (erbium);
The doped fiber having a gain slope, wherein the gain decreases as the wavelength increases in a predetermined band, the gain decreases when the pump power is high, and the gain increases when the pump power is low. Means for pumping with low pump power;
An optical filter that is optically connected to the doped fiber and that provides a loss slope that increases as the wavelength increases;
The predetermined band is provided by a wavelength of 1.54 to 1.56 μm,
An apparatus in which the loss gradient is in the range of 0.05 to 0.1 dB / nm. First and second terminal stations;
An optical fiber transmission line connecting the first and second terminal stations;
And at least one optical repeater provided in the middle of the optical fiber transmission line,
The first terminal station includes a plurality of optical transmitters that respectively output a plurality of optical signals having different wavelengths, and wavelength division multiplexing the plurality of optical signals into a WDM signal light. An optical multiplexer that outputs to an optical fiber transmission line,
The second terminal station includes an optical demultiplexer that divides the WDM signal light transmitted through the optical fiber transmission path into a plurality of optical signals, and a plurality of optical receivers that respectively receive the plurality of optical signals,
A system including the optical repeater according to any one of claims 1 to 8.

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