JP4703164B2 - 光増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、光通信の分野に利用される光増幅器に関し、特に、所定の波長帯域に配置された複数の信号光を含む波長多重（Wavelength Division Multiplex：ＷＤＭ）光の増幅を行う光増幅器に関する。

近年、インターネット技術の発展に伴い、情報サービスの需要は飛躍的に増大しており、幹線系の光伝送システムにおいては、さらなる大容量化が求められ、かつ、柔軟なネットワークの形成が望まれている。このような光伝送システムへの要求に対応するための最も有効な伝送技術はＷＤＭ伝送である。ＷＤＭ伝送とは、波長の異なる複数の光信号を多重化し１本の光ファイバを介して伝送する方式のことである。現在、ＷＤＭ光伝送システムは、例えば北米などを中心に商用化が進められている。

ＷＤＭ光伝送システムを実現するキーコンポーネントの１つとして、希土類添加光ファイバ増幅器がある。この希土類添加光ファイバ増幅器としては、例えば、エルビウム（Ｅｒ³⁺）がコアに添加された光ファイバ（Erbium-Doped Fiber：ＥＤＦ）を増幅媒体として利用したＥＤＦＡ（Erbium-Doped Fiber Amplifier）が一般的である。ＥＤＦＡは、増幅媒体に供給される励起光によって励起されたエルビウムの誘導放出により得られる広い利得帯域を利用してＷＤＭ光を一括して増幅することが可能な光増幅器である。このＥＤＦＡに関しては、増幅効率が最も良い約１５３０〜１５６０ｎｍの波長帯域（Ｃ−バンド）に対応したＥＤＦＡが初めに商用化され、現在は、Ｃ−バンドの次に増幅効率が良い約１５７０〜１６１０ｎｍの波長帯域（Ｌ−バンド）に対応したＥＤＦＡも商用化されてきている。

上記のようなＥＤＦＡは、ＷＤＭ光伝送システムの光中継器等に用いられる。この光中継器等では、複数のＥＤＦを縦続接続した多段構成としたものが広く採用されており、比較的平坦な利得波長特性を実現している（例えば、特許文献１参照）。

上記のような光中継器に入力されるＷＤＭ光のパワーレベルは、その光中継器の前段に接続される伝送路の損失の大小等によって変動する。光中継器への光入力レベルが変動し、多段に構成されたＥＤＦの利得和が一定値から外れると、上記利得波長特性の平坦性が保たれなくなって傾き（チルト）が生じ、ＷＤＭ光伝送システムの伝送距離や伝送帯域等の品質を劣化させてしまい問題となる。

図１０は、光中継器の光入力レベルに応じた利得波長特性の変動を測定した結果を示す図である。ここでは、例えば１５７５ｎｍ〜１６１０ｎｍの信号波長帯域に８波の信号光が等間隔に配置されたＷＤＭ光を光中継器に対して入力し、そのＷＤＭ光の入力パワーを−１４ｄＢｍ／ｃｈ〜−６ｄＢｍ／ｃｈ（ダイナミックレンジ８ｄＢ）の間で変化させて、−１０ｄＢｍ／ｃｈの光入力レベルにおける利得波長特性からの変動量を測定している。なお、図１０の縦軸は利得波長特性の変動量（ｄＢ）、横軸は波長（ｎｍ）である。

図１０より、ＷＤＭ光の入力レベルが−１０ｄＢｍ／ｃｈにおいて略平坦な利得波長特性が得られるようにＥＤＦＡを制御した場合に、入力レベルが−１４ｄＢｍ／ｃｈから−６ｄＢｍ／ｃｈへと変化すると、利得波長特性の傾きが負（図で右下がりの傾斜）から正（図で右上がり傾斜）へと変化することが分かる。このような利得傾斜が生じると伝送品質の劣化を引き起こすことになる。

上記のような入力レベルの変化による利得傾斜に起因した伝送品質の劣化を防ぐため、従来、例えば２段構成のＥＤＦの段間に可変光減衰器（Variable Optical Attenuator：ＶＯＡ）を設け、１段目と２段目のＥＤＦのそれぞれの入出力レベルをモニタしながら励起光パワーを調整して各段のＥＤＦの利得一定制御を行うことにより、利得波長特性の平坦性の劣化を補償する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

図１１は、広い入力ダイナミックレンジに亘って平坦な利得波長特性を維持できる従来の光増幅器の構成例を示す図である。この従来の光増幅器では、１段目のＥＤＦ１１１に対して入出力されるＷＤＭ光Ｌｓのパワーが光分岐カプラ１１４，１１６および受光器（ＰＤ）１１５，１１７でそれぞれモニタされ、そのモニタ結果を基に算出される利得が予め設定した目標利得Ａとなるように、励起光源（ＬＤ）１１２から合波器１１３を介してＥＤＦ１１１に供給される励起光Ｌｐ１のパワーがＡＧＣ回路１１８によって制御される。また、これと同様にして２段目のＥＤＦ１２１側についても、受光器（ＰＤ）１２５，１２７のモニタ結果を基に算出される利得が予め設定した目標利得Ｂとなるように励起光Ｌｐ２のパワーがＡＧＣ回路１２８によって制御される。さらに、２段目のＥＤＦ１２１から出力されるＷＤＭ光Ｌｓのパワーが受光器１２７のモニタ結果を基に判断され、その光出力パワーが予め設定した目標値となるように、ＶＯＡ１３１の光減衰量がＡＬＣ回路１３２によって制御される。ＶＯＡ１３１の光減衰量が決定された後は、ＡＬＣ制御ループが解かれて当該光減衰量が維持される。この制御状態になればＷＤＭ光Ｌｓに含まれる光信号の波長数が変動してもＡＧＣ回路１１８，１２８により各ＥＤＦ１１１，１２１での利得が一定となるように制御されるため、利得波長特性の平坦な光増幅器が実現される。

図１２は、上記のような従来の光増幅器のレベルダイヤを入力レベルに応じて例示したものである。図１２より、各段のＥＤＦ利得Ａ，Ｂは入力レベルの変動に関わらず一定に制御され、ＶＯＡ１３１の光減衰量が入力レベルに応じて増減されることが分かる。

ところで、近年需要が立ち上がりつつあるメトロネットワークシステムなどにおいては、伝送中のＷＤＭ光の波長数が広い範囲に亘って自由に変化するため、この波長数のダイナミックで高速な変化に対しても、光増幅器の励起光を高速に制御して常に利得一定を維持することが望まれる。

しかしながら、上記図１１に例示したような従来の構成では、ＷＤＭ光の波長増減設が発生したとき、各段のＥＤＦについて目標利得Ａ，Ｂに対する現時点の利得のずれ分に応じて励起光パワーを修正するという制御ループを繰り返すことにより利得一定を達成しており、このような制御の仕組みにおいては、制御回路の速度限界の制約を受けて、波長増減設時に大きな利得変動が発生してしまうという問題がある。

上記の問題に対処してより高速な制御が行われるようにした従来の光増幅器としては、例えば図１３に示すように、１段目のＥＤＦ２１１の前段に配置した光分岐カプラ２４１および受光器（ＰＤ）２４２により得られる入力モニタ結果に基づいてＷＤＭ光の波長数の変化を認識する波長数算出回路２４３を設けると共に、波長数に対して光増幅器全体の利得が一定（Ａ＋Ｂ＝一定）となるような各励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２のパワー設定値を予め取得して記憶回路２４４に記憶させておき、波長数算出回路２４３で認識される波長数とそれに対応した記憶回路２４４の情報とに従って、励起光パワー制御回路２４５により各段のＥＤＦ２１１，２２１に供給される励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２のパワーを制御するようにしたものが提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。このような従来の光増幅器では、ＷＤＭ光の波長数の変化が入力モニタから高速に認識されると共に、ＡＧＣループが２つから１つに減るため、波長増減設時にも高速に光増幅器の利得を一定に制御することが可能となる。
特開平７−２０２３０６号公報 特開平８−２４８４５５号公報 Cechan Tian et al., J. Lightwave Tech., vol.21, no.8, pp1728-1734, 2003. Cechan Tian and Susumu Kinoshita, "Novel solution for transient control of WDM amplifiers using the combination of electrical feedforward and feedback," CLEO2002, CW02, Long Beach, 2002.

しかし、上記の図１３に示したような従来の光増幅器では、ＷＤＭ光の波長数が変化すると、光増幅器全体の利得は一定にできても、１段目の励起光Ｌｐ１のパワーと２段目の励起光Ｌｐ２のパワーの設定次第で各段の利得配分（レベルダイヤ）は自由に変化してしまうため、次のような問題が発生する。

例えば、図１４に示すように、波長数が最大（例えば８８波）の時に対して波長数が少数（例えば１波）の時に、１段目のＥＤＦ２１１の利得Ａが大きく、２段目のＥＤＦ２２１の利得Ｂが小さくなってしまう場合、少数波長時の方が２段目のＥＤＦ２２１の入力レベルが高くなるため、光増幅器全体で発生するＡＳＥ光パワーが小さくなる。波長数変化時におけるＡＳＥ光パワーの変動は、ＥＤＦの応答速度に起因して瞬間的には安定状態に移らないため、例えば図１５に示すように、制御回路の速度が理想的に十分速く、波長減設直後に残チャネルとＡＳＥパワーの和のトータル光パワーの変動が起きないとしても、ＡＳＥ光パワーは遅れてゆっくり変動して安定状態に至るという現象が起きる。この結果、図１５に示すように残チャネルパワーが波長減設時にマイナス側に変動するという現象が発生する。この残チャネルパワーの変動は下流側に位置する中継器内でも同量だけ発生するため、中継アンプ台数分だけ変動が累積し、受信機で受信可能な変動耐力を超えてしまう。図１６は、上記残チャネルパワーの過渡的な変動に関する実験データである。入力光の波長減設が完了（図の破線に対応）した後、残チャネルパワーが所要の一定レベルに安定化するまでに３〜４ｍｓを要しており、この遅延時間がＡＳＥ光の応答速度に関係している。

このような利得変動現象を回避するためには、波長数によらずにＡＳＥ光パワーが変化しないようにする、つまり、波長数によらずに各段のＥＤＦ２１１，２２１における利得が変化しないようにする必要がある。これを実現する方法としては、例えば図１７のレベルダイヤに示すように、波長数の変化に対して各段のＥＤＦ２１１，２２１の利得がそれぞれ一定（Ａ＝一定、かつ、Ｂ＝一定）となるような励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２のパワー配分を予め取得しておいて、それを記憶回路２４４に記憶させるようにすればよい。

しかしながら、例えばＬ−バンドに対応したＥＤＦＡにおいて、波長数の変化に対して各段のＥＤＦ２１１，２２１の利得がそれぞれ一定となるようにするためには、波長数に応じて励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２の各パワーを、例えば図１８に示すような非線形の関係に従って複雑に制御しなければならないことが知られている。具体的に、図１８の特性例において、ある一定の波長数以下、つまり、ある一定の入力パワー以下となる領域で所要の励起光パワーが増大に転じていることが分かるが、これはＬ−バンド用ＥＤＦＡでは入力パワーがある一定値以下の領域で使用した場合に増幅効率が悪化するという現象を示している。

ここで、上記増幅効率の悪化の原理を図１９を参照しながら説明する。

図１９の上段に示すような前方励起型のＬ−バンド用ＥＤＦＡにおいては、入力パワーが低くなると、図１９（Ａ）に示すようにＥＤＦの信号入射端に近い部分の反転分布が非常に高い状態となる。これにより、図１９（Ｂ）に示すように当該部分でＣ−バンドのＡＳＥ光が大量に発生する。さらに、このＣ−バンドのＡＳＥ光のうちで信号光とは逆方向に進行するＡＳＥ光が信号入射端に向かって伝搬する途中で、図１９（Ｃ）に示すように励起光が上記の逆方向ＡＳＥ光の増幅に費やされてしまい、結果として、増幅効率の悪化が起こる。

したがって、Ｌ−バンド用ＥＤＦＡにおける図１８に示したような励起光パワーの複雑な制御は、電気回路の制御速度の低下や電気回路のコストアップなどを招いてしまうという問題点がある。

本発明は上記の点に着目してなされたもので、所定の波長帯域を有するＷＤＭ光の増幅を行う光増幅器について、波長数が広い範囲で高速に変化するようなＷＤＭ光が入力されても平坦な利得波長特性を維持することのできる光増幅器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の光増幅器は、入力端子および出力端子の間に縦続接続され、所定の波長帯域に配置された複数の信号光を含む波長多重光の増幅を行う複数の光増幅部と、前記複数の光増幅部の間を接続する少なくとも１つの光路上に配置された可変光減衰器を有し、前記出力端子に出力される波長多重光のパワーが予め設定した目標値で一定となるように前記可変光減衰器を制御する出力一定制御部と、前記入力端子に入力される波長多重光のパワーを基に当該波長多重光の波長数を算出し、その算出結果に応じて、前記複数の光増幅部全体における利得が一定となるように前記複数の光増幅部を制御する利得一定制御部と、を備える。この光増幅器に適用される前記複数の光増幅部は、それぞれ、希土類元素がコアに添加され前記所定の波長帯域に対応した一本の増幅媒体と、励起光を発生する励起光源と、前記増幅媒体に対して前記励起光源からの励起光を信号入射端側から与える合波器と、前記一本の増幅媒体上の所定の位置に挿入され、前記増幅媒体内で発生する自然放出光（ＡＳＥ光）のうちで波長帯域が波長多重光とは異なり、かつ、進行方向が波長多重光とは逆方向の自然放出光を遮断することが可能な光遮断デバイスと、を有し、該光遮断デバイスの挿入位置に対して信号出射端側にある増幅媒体の部分が、前記励起光源から前記合波器を介して信号入射端側から与えられた励起光によって励起されると共に、前記一本の増幅媒体上における前記光遮断デバイスの挿入位置が、前記一本の増幅媒体の信号入射端における励起光のパワーが当該増幅媒体内で１０ｄＢ減衰する長手方向の位置よりも信号入射端側の範囲内に設定される。また、前記利得一定制御部は、前記入力端子に入力される波長多重光のパワーを検出する入力モニタと、前記出力端子に出力される波長多重光のパワーを検出する出力モニタと、前記入力モニタの検出結果に基づいて当該波長多重光の波長数を算出すると共に、その算出した波長数に対応する波長多重光の出力パワーの目標値を求める波長数算出回路と、前記複数の光増幅部における各利得をそれぞれ一定にするための各光増幅部の励起光パワーの差分設定値が波長数に対応させて予め記憶された記憶回路と、前記波長数算出回路で算出される波長数および前記記憶回路の記憶情報に応じて各光増幅部の励起光パワーの差分設定値を決定する励起光パワー差決定回路と、前記波長数算出回路で求められた出力パワーの目標値に対する前記出力モニタの検出結果の誤差を求め、当該誤差および前記励起光パワー差決定回路の決定結果を基に各光増幅部の励起光パワーの設定値を決定し、その設定値に従って各光増幅部の励起光源をそれぞれ制御する励起光パワー制御回路と、を有する。

上記のような構成の光増幅器では、複数の光増幅部のそれぞれについて、所定の波長帯域に対応した一本の増幅媒体上に光遮断デバイスが挿入され、その挿入位置が、増幅媒体の信号入射端における励起光のパワーが当該増幅媒体内で１０ｄＢ減衰する長手方向の位置よりも信号入射端側の範囲内に設定されることにより、増幅媒体内で発生して逆方向に進むＡＳＥ光の増幅のために費やされる励起光が減少し、増幅効率の改善が図られるようになる。これにより、複数の光増幅部における各利得をそれぞれ一定とするために各光増幅部の励起光パワーを非線形の関係に従って複雑に制御するといった必要がなくなり、ＷＤＭ光の波長数に対して一定の傾き、すなわち、線形の関係に従って各光増幅部の励起光パワーを制御する簡単な手法で、各々の光増幅部における利得をそれぞれ一定とすることができるようになる。このような利得一定制御の実現により、前述したようなＷＤＭ光の波長数変化時における残チャネルパワーの過渡的な変動がなくなり、光増幅部の利得一定制御を確実に行うことが可能になる。さらに、利得一定制御部が、ＷＤＭ光の波長数に応じて各光増幅部の励起光パワーの差分設定値を決定して、該差分設定値と出力パワーの誤差を基に、各光増幅部の励起光源をそれぞれ制御するようにしたことで、環境温度が変化しても信号光出力パワーの目標値からの誤差が励起光パワーのフィードバック制御により補償されるため、光増幅器全体の利得を環境温度に依存せずに一定に制御することが可能である。

以上のように本発明の光増幅器によれば、入力されるＷＤＭ光の波長数が広い範囲に亘って高速に変化するようなときにおいても、波長数に関係なく平坦な利得波長特性を実現することが可能であり、各波長の信号光の出力パワーが一定のレベルに揃えられたＷＤＭ光を容易に得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。

図１は、本発明による光増幅器の一実施形態の構成を示すブロック図である。

図１において、本実施形態の光増幅器は、例えば、入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴの間に縦続接続された第１光増幅部１０および第２光増幅部２０と、出力端子ＯＵＴに出力されるＷＤＭ光Ｌｓのパワーを一定に制御する出力一定制御部３０と、入力端子ＩＮに入力されるＷＤＭ光Ｌｓのパワーを基に波長数を算出し、その波長数に応じて各光増幅部１０，２０の利得がそれぞれ一定となるように各々の励起光パワーを制御する利得一定制御部４０と、を備えて構成される。

第１光増幅部１０は、例えば、増幅媒体としてのエルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）１１と、励起光Ｌｐ１を発生する励起光源（ＬＤ）１２と、励起光源１２からの励起光Ｌｐ１を信号光Ｌｓと合波してＥＤＦ１１に与える合波器１３と、ＥＤＦ１１上の所定の位置で逆方向ＡＳＥ光の伝搬を阻止する光遮断デバイスとしての光アイソレータ１４と、を有する。入力端子ＩＮから第１光増幅部１０に入力される信号光Ｌｓは、Ｌ−バンド（１５７０〜１６１０ｎｍ）に配置された複数の光信号を含んだＷＤＭ光であり、その波長数が広い範囲に亘って高速に変化するものとする。励起光Ｌｐ１は、ＥＤＦ１１の信号入射端に配置された合波器１３を介して信号光Ｌｓと同方向にＥＤＦ１１に供給され、ＥＤＦ１１内のエルビウムを後述するような長手方向の反転分布率に従って励起する（前方励起）。光アイソレータ１４は、ＥＤＦ１１上の信号入射端側の所定位置に挿入され、信号光Ｌｓと同方向に進む光を通過し、信号光Ｌｓと逆方向に進む光を遮断する。この光アイソレータ１４の具体的な挿入位置に関しては後述する。

第２光増幅部２０は、上記第１光増幅部１０と同様に、ＥＤＦ２１、励起光源２２、合波器２３および光アイソレータ２４を有する。この第２光増幅部２０には、第１光増幅部１０で増幅された信号光Ｌｓが、出力一定制御部３０の後述する可変光減衰器（ＶＯＡ）３１を介して入力され、励起光源２２からの励起光Ｌｐ２によって前方励起されたＥＤＦ２１で上記の信号光Ｌｓが増幅されて出力端子ＯＵＴに出力される。

なお、ここでは第１および第２光増幅部１０，２０を前方励起型の構成としたが、本発明はこれに限らず、ＥＤＦ１１，２１の信号出射端側からも励起光を供給する手段を別途設けて双方向励起型の構成とすることも可能である。

出力一定制御部３０は、例えば、可変光減衰器（ＶＯＡ）３１、光分岐カプラ３２、受光器（ＰＤ）３３およびＡＬＣ回路３４を有する、可変光減衰器３１は、第１および第２光増幅部１０，２０の間に接続され、可変の光減衰量がＡＬＣ回路３４からの出力信号によって制御される。光分岐カプラ３２は、第２光増幅部２０から出力端子ＯＵＴに出力される信号光Ｌｓの一部を分岐して受光器３３に出力する。受光器３３は、光分岐カプラ３２からの分岐光を受光してパワーを検出し、その結果を示す信号をＡＬＣ回路３４に出力する。ＡＬＣ回路３４は、受光器３３の出力信号に基づいて信号光Ｌｓの出力レベルが予め設定した目標値で一定となるように可変光減衰器３１の光減衰量を制御する。

利得一定制御部４０は、例えば、光分岐カプラ４１、受光器（ＰＤ）４２、波長数算出回路４３、記憶回路４４および励起光パワー制御回路４５を有する。光分岐カプラ４１は、入力端子ＩＮから第１光増幅部１０に送られる信号光Ｌｓの一部を分岐して受光器４２に出力する。受光器４２は、光分岐カプラ４１からの分岐光を受光してパワーを検出し、その結果を示す信号を波長数算出回路４３に出力する。ここでは上記の光分岐カプラ４１および受光器４２が入力モニタとして機能することになる。波長数算出回路４３は、受光器４２の出力信号に基づいて信号光Ｌｓの波長数を算出し、その結果を示す信号を励起光パワー制御回路４５に出力する。記憶回路４４には、第１および第２光増幅部１０，２０における各利得がそれぞれ一定となる励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２のパワー設定値が信号光Ｌｓの波長数に対応させて予め記憶されている。励起光パワー制御回路４５は、波長数算出回路４３の出力信号によって示される波長数に応じて記憶回路４４に記憶された励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２のパワー設定値を読み出し、その読み出したデータに従って第１および第２光増幅部１０，２０の各励起光源１２，２２をそれぞれ制御する。

ここで、第１および第２光増幅部１０，２０のＥＤＦ１１，２１上における各光アイソレータ１４，２４の挿入位置について詳しく説明する。

本発明では、上述したようにＬ−バンドの信号光Ｌｓの入力パワーがある一定値以下の領域で使用される場合に、ＥＤＦ１１，２１内で発生するＣ−バンドのＡＳＥ光のうちの信号光Ｌｓとは逆方向に進行する成分の光増幅に励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２が費やされて増幅効率が悪化してしまうという現象を解消するために、光アイソレータ１４，２４がＥＤＦ１１，２１上の長手方向の所定位置に挿入される。光アイソレータ１４，２４の挿入によって増幅効率が改善される原理を図２を参照して簡単に説明すると、図２の上段に示すようなＥＤＦ上の信号入射端側の位置に光アイソレータを挿入することで、ＥＤＦ内の信号入射端の近くの部分で発生し信号光Ｌｓとは逆方向に進行するＣ−バンドのＡＳＥ光は光アイソレータで遮断されるようになるため、図２（Ｂ）に示すように逆方向に進むＡＳＥ光のパワーは光アイソレータの挿入位置で零となる。これにより、図２（Ｃ）に示す励起光パワーの変化からも分かるように、励起光Ｌｐが逆方向に進むＡＳＥ光の増幅に費やされる割合は、ＥＤＦ上に光アイソレータを挿入していない場合（図１９（Ｃ）参照）に比べて減少するため、増幅効率の改善を図ることが可能になる。

ＥＤＦ上の長手方向における光アイソレータの挿入位置に関しては、例えばシミュレーション等により、光アイソレータの挿入位置を変化させたときの当該挿入位置における励起光Ｌｐのパワーとそのときの信号光Ｌｓのトータル出力パワーとを算出して、増幅効率の改善効果が得られる範囲を予め設定することが可能である。図３は、上記シミュレーション結果の一例を示したものであり、これによれば、光アイソレータの挿入位置として、ＥＤＦの信号入射端近傍から励起光ＬｐのパワーがＥＤＦ内で１０ｄＢ減衰する位置までの範囲内とすることで、増幅効率の改善効果が得られるようになることが分かる。

具体的に、前述の図１に示した構成において、例えば、信号光Ｌｓの波長数が１〜８８波の範囲で変化し、１波あたりの入力パワーの下限値が−３５ｄＢｍ／ｃｈ、上限値が−２０ｄＢｍ／ｃｈ（入力ダイナミックレンジ：１５ｄＢ）であり、また、出力一定制御の目標値が−１ｄＢｍ／ｃｈである場合を想定してみる。この場合、第１および第２光増幅部１０，２０の各ＥＤＦ１１，２１の長さを例えば５２．２ｍとすると、各々のＥＤＦ１１，２１の信号入射端から７ｍの位置に光アイソレータ１４，２４をそれぞれ挿入することによって、増幅効率を効果的に改善できるようになる。ただし、本発明におけるＥＤＦ上の光アイソレータの挿入位置が上記の具体例に限定されることを意味するものではない。

上記のようにＥＤＦ１１，２１上の信号入射端側の適切な位置に光アイソレータ１４，２４を挿入して、逆方向に進むＣ−バンドのＡＳＥ光による増幅効率の悪化を回避することによって、上述の図１８に示したような各励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２のパワーの複雑な制御が不要になり、例えば図４に示すように波長数に対する各励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２のパワーの増加量を予め決めた傾きとして制御することが可能となる。このような線形の関係に従った簡単な制御により、第１および第２光増幅部１０，２０における各利得Ａ，Ｂをそれぞれ一定に保つことができるため、従来のＬ−バンド用光増幅器で問題となっていた電気回路の制御速度の低下や電気回路のコストアップを回避することが可能になる。そして、第１および第２光増幅部１０，２０における各利得Ａ，Ｂがそれぞれ一定に保たれるようになることで、図５に示すように信号光Ｌｓの波長減設時におけるＡＳＥ光パワーの過渡的な変動がなくなって一定となるため、残チャネルパワーの変動も抑えられる。

以上のように、上述したような本実施形態のＬ−バンド用光増幅器によれば、信号光Ｌｓの波長数が広い範囲に亘って高速に変化するようなときにおいても、波長数に関係なく平坦な利得波長特性を実現することができ、かつ、出力一定制御部３０によって所望の出力レベルに制御された信号光Ｌｓを得ることが可能である。

このようなＬ−バンド用光増幅器は、例えば図６に示すようなリング状に構成された光伝送システムの光中継器内に備えられる光増幅器として好適である。この光伝送システムの一例では、局ＮＡから局ＮＢを経由して局ＮＣまで１波、局ＮＤまで３９波の信号光が伝送されるような状況を想定する。ここで、例えば局ＮＣおよび局ＮＤの間で光ファイバの断線事故が発生した場合（図６上段）、その異常を局ＮＢが瞬時に感知し、局ＮＡから局ＮＢに向けて送信されていた３９波の信号光が逆回り（図で反時計回り）の伝送にスイッチングされ、局ＮＡから局ＮＤへの通信が中断されないように維持する措置がとられる（図６下段）。この際、局ＮＢ内に設けられた光増幅器は、入力される信号光の波長数が４０波から１波に変化し、このような波長数のダイナミックで高速な変化に対しても励起光パワー等の制御が確実に行われる必要があるため、本実施形態の光増幅器を適用することが有効である。

次に、上述の図１に示した光増幅器の変形例について説明する。

図７は、上記光増幅器の変形例の構成を示すブロック図である。

図７に示す光増幅器の構成が上述の図１に示した構成と異なる部分は、第１および第２光増幅部１０，２０の各光アイソレータ１４，２４に代えて、各光フィルタ（ＦＩＬ）１５，２５をＥＤＦ１１，２１上の所定位置に挿入した第１および第２光増幅部１０’，２０’を備えるようにした部分である。各光フィルタ１５，２５は、Ｃ−バンドの光を遮断し、Ｌ−バンドおよび励起光の波長帯域（例えば１４８０ｎｍ帯）の光を透過することが可能な特性を有する公知の光フィルタである。なお、上記以外の他の部分の構成については図１の場合と同様であるため、ここでの説明を省略する。

このような光フィルタ１５，２５を用いた光増幅器についても、上述した光アイソレータ１４，２４を用いた場合と同様に、各ＥＤＦ１１，２１内で発生し信号入射端に向けて逆方向に進行するＣ−バンドのＡＳＥ光が各光フィルタ１５，２５で遮断されるため、増幅効率の改善効果が得られる。ただし、光フィルタ１５，２５を使用する場合には、光フィルタ１５，２５の挿入位置よりも前方で発生して信号光と同方向に進行するＣ−バンドのＡＳＥ光が光フィルタ１５，２５で遮断され、光フィルタ１５，２５の挿入位置よりも後方での励起光としては作用しなくなる。このため、光アイソレータ１４，２４を使用した場合と比較すると光増幅器全体での増幅効率が多少低下するが、逆方向ＡＳＥ光の遮断による増幅効率の改善効果によって上述の図４に示したような線形の関係に従った励起光パワーの制御が可能になるので、高速な制御を低コストの電気回路で実現することができ、従来の課題を解消することが可能である。

なお、上述の図１または図７に示した構成では、第１および第２光増幅部の双方について、光アイソレータおよび光フィルタのいずれか一方を配置するようにしたが、第１および第２光増幅部の一方に光アイソレータを配置し他方に光フィルタを配置するようにしても構わない。

次に、本発明による光増幅器の他の実施形態について説明する。

上述の図１に示した光増幅器における励起光パワーの制御方法では、環境温度が変化した場合に、光増幅器を構成する各光部品の損失の温度依存性に応じて光増幅器全体の利得にも温度依存性が生じてしまう。以下に述べる他の実施形態では、上記利得の温度依存性を抑えることが可能な制御方法を適用した応用例について説明する。

図８は、上記他の実施形態による光増幅器の構成を示すブロック図である。

図８に示す光増幅器における励起光パワーの制御は、上記のような利得の温度依存性を補償するために、光増幅器の入出力パワーをモニタし、信号光出力パワーの目標値に対する現在の出力パワーの誤差を求め、その誤差に応じて各励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２のパワーの次回の設定値を決定して各励起光源１２，２２のフィードバック制御を行い、このループを繰り返すことで利得一定制御を実現することを特徴とする。また、ここでは各励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２のパワー配分に関して、信号光Ｌｓの波長数に対応させて励起光Ｌｐ１と励起光Ｌｐ２のパワーの差分を決定するようにして、その結果を基に各励起光源１２，２２の制御を行うものとする。

具体的に、図８の構成例では、上述した図１の場合と同様にして、光分岐カプラ４１および受光器４２によって検出された信号光Ｌｓの入力パワーが波長数算出回路４３に送られる。波長数算出回路４３では、信号光Ｌｓの入力パワーを基に波長数が算出され、その結果を示す信号が励起光パワー差決定回路４７に出力されると共に、当該波長数に対応した信号光出力パワーの目標値が励起光パワー制御回路４５に出力される。励起光パワー差決定回路４７は、波長数算出回路４３からの出力信号に応じて記憶回路４６のデータを読み出して信号光Ｌｓの波長数に対応した励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２のパワー差分値を決定し、その結果を示す信号を励起光パワー制御回路４５に出力する。なお、記憶回路４６には、第１および第２光増幅部１０，２０における各利得がそれぞれ一定となる励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２のパワーの差分設定値が信号光Ｌｓの波長数に対応させて予め記憶されている。励起光パワー制御回路４５は、波長数算出回路４３からの出力信号によって示される信号光Ｌｓの出力パワーの目標値と、光分岐カプラ３２および受光器３３によって検出された現在の信号光出力パワーとを比較して、環境温度の変化による信号光出力パワー（利得）の誤差を求め、その信号光出力パワーの誤差と、励起光パワー差決定回路４７からの出力信号によって示される励起光パワーの差分設定値とに従って、次の制御周期における各励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２のパワー設定値をそれぞれ決定して、各励起光源１２，２２のフィードバック制御を行う。なお、ここでは出力一定制御部３０の光分岐カプラ３２および受光器３３を利得一定制御における出力モニタとしても利用したが、当該制御用の出力モニタを別途設けるようにしてもよい。

上記のような構成の光増幅器によれば、上述の図１に示した光増幅器の場合と同様に、各ＥＤＦ１１，２１上の所定位置に光アイソレータ１４，２４を挿入したことで、例えば図９（Ａ）に示すように波長数に対する励起光Ｌｐ１，Ｌｐ２のパワーの差分設定値を予め決めた傾きとして制御することが可能となる。なお、図９（Ｂ）は、各ＥＤＦ１１，２１上に光アイソレータ１４，２４を配置しない場合（従来の構成に相当）における励起光パワーの差分の設定例である。このように、本光増幅器は、図９（Ａ）のような線形の関係に従った簡単な制御により、第１および第２光増幅部１０，２０における各利得Ａ，Ｂをそれぞれ一定に保つことができ、また、環境温度が変化しても信号光出力パワーの目標値からの誤差が励起光パワーのフィードバック制御により補償されるため、光増幅器全体の利得を環境温度に依存せずに一定に制御することが可能である。

なお、上記の図８に示した光増幅器では、各ＥＤＦ１１，２１上の所定位置に光アイソレータ１４，２４が挿入される構成例を示したが、上述の図７に示した構成例と同様に、光アイソレータに代えて、Ｃ−バンドの光を遮断し、Ｌ−バンドおよび励起光波長帯域の光を透過する光フィルタを設けるようにしてもよい。

また、上述した各実施形態では、第１および第２光増幅部１０，２０の増幅媒体としてエルビウムドープファイバを用いた構成例について説明したが、本発明はこれに限らず、エルビウム以外の希土類元素がコアに添加された光ファイバを増幅媒体として用いることも可能であり、加えて、増幅媒体の形態としては光ファイバだけでなく光導波路を適用してもよい。さらに、入力端子ＩＮおよび出力端子ＯＵＴの間に２つの光増幅部を縦続接続した構成について説明したが、３つ以上の光増幅部を縦続接続する場合についても、各光増幅部の増幅媒体上の所定位置に光アイソレータや光フィルタ等の光遮断デバイスをそれぞれ挿入し、各光増幅部における利得がそれぞれ一定となるような励起光パワーの設定値に従って各々の励起光源を制御することで、上述した各実施形態の場合と同様の作用効果を得ることが可能である。

以上、本明細書で開示した主な発明について以下にまとめる。

（付記１）入力端子および出力端子の間に縦続接続され、所定の波長帯域に配置された複数の信号光を含む波長多重光の増幅を行う複数の光増幅部と、
前記複数の光増幅部の間を接続する少なくとも１つの光路上に配置された可変光減衰器を有し、前記出力端子に出力される波長多重光のパワーが予め設定した目標値で一定となるように前記可変光減衰器を制御する出力一定制御部と、
前記入力端子に入力される波長多重光のパワーを基に当該波長多重光の波長数を算出し、その算出結果に応じて、前記複数の光増幅部全体における利得が一定となるように各光増幅部を制御する利得一定制御部と、を備えた光増幅器であって、
前記複数の光増幅部は、それぞれ、希土類元素がコアに添加された増幅媒体と、励起光を発生する励起光源と、前記増幅媒体に対して前記励起光源からの励起光を信号入射端側から与える合波器と、前記増幅媒体上の所定の位置に挿入され、前記増幅媒体内で発生する自然放出光のうちで波長帯域が波長多重光とは異なり、かつ、進行方向が波長多重光とは逆方向の自然放出光を遮断することが可能な光遮断デバイスと、を有し、該光遮断デバイスの挿入位置に対して信号出射端側にある増幅媒体の部分が、前記励起光源から前記合波器を介して信号入射端側から与えられた励起光によって励起される構成とし、
前記利得一定制御部は、前記複数の光増幅部における各利得がそれぞれ一定となるように、各光増幅部の励起光パワーを波長多重光の波長数に対して一定の傾きで制御することを特徴とする光増幅器。

（付記２）付記１に記載の光増幅器であって、
前記波長多重光は、１５７０ｎｍ乃至１６１０ｎｍの波長帯域を有し、
前記複数の光増幅部は、それぞれ、前記増幅媒体としてエルビウムがコアに添加された媒体を用いたことを特徴とする光増幅器。

（付記３）付記２に記載の光増幅器であって、
前記複数の光増幅部は、それぞれ、前記増幅媒体上における前記光遮断デバイスの挿入位置が、前記増幅媒体の信号入射端における励起光のパワーが当該増幅媒体内で１０ｄＢ減衰する長手方向の位置よりも信号入射端側の範囲内に設定されることを特徴とする光増幅器。

（付記４）付記２に記載の光増幅器であって、
前記複数の光増幅部のうちの少なくとも１つは、前記光遮断デバイスとして、前記増幅媒体内を波長多重光と同方向に進む光を通過し、逆方向に進む光を遮断する光アイソレータを用いたことを特徴とする光増幅器。

（付記５）付記２に記載の光増幅器であって、
前記複数の光増幅部のうちの少なくとも１つは、前記光遮断デバイスとして、１５３０ｎｍ乃至１５６０ｎｍの波長帯域の光を遮断し、１５７０ｎｍ乃至１６１０ｎｍの波長帯域および前記励起光源から出力される励起光と同じ波長帯域の光を透過することが可能な光フィルタを用いたことを特徴とする光増幅器。

（付記６）付記１に記載の光増幅器であって、
前記利得一定制御部は、
前記入力端子に入力される波長多重光のパワーを検出する入力モニタと、
該入力モニタの検出結果に基づいて当該波長多重光の波長数を算出する波長数算出回路と、
前記複数の光増幅部における各利得をそれぞれ一定にするための各光増幅部の励起光パワーの設定値が波長数に対応させて予め記憶された記憶回路と、
前記波長数算出回路で算出される波長数および前記記憶回路の記憶情報に応じて各光増幅部の励起光パワーの設定値を決定し、その設定値に従って各光増幅部の励起光源をそれぞれ制御する励起光パワー制御回路と、
を有することを特徴とする光増幅器。

（付記７）付記１に記載の光増幅器であって、
前記利得一定制御部は、
前記入力端子に入力される波長多重光のパワーを検出する入力モニタと、
前記出力端子に出力される波長多重光のパワーを検出する出力モニタと、
前記入力モニタの検出結果に基づいて当該波長多重光の波長数を算出すると共に、その算出した波長数に対応する波長多重光の出力パワーの目標値を求める波長数算出回路と、
前記複数の光増幅部における各利得をそれぞれ一定にするための各光増幅部の励起光パワーの差分設定値が波長数に対応させて予め記憶された記憶回路と、
前記波長数算出回路で算出される波長数および前記記憶回路の記憶情報に応じて各光増幅部の励起光パワーの差分設定値を決定する励起光パワー差決定回路と、
前記波長数算出回路で求められた出力パワーの目標値に対する前記出力モニタの検出結果の誤差を求め、当該誤差および前記励起光パワー差決定回路の決定結果を基に各光増幅部の励起光パワーの設定値を決定し、その設定値に従って各光増幅部の励起光源をそれぞれ制御する励起光パワー制御回路と、
を有することを特徴とする光増幅器。

（付記８）付記１に記載の光増幅器であって、
前記複数の光増幅部のうちの少なくとも１つは、前記増幅媒体に対して励起光が信号出射端側からも与えられる双方向励起型の構成であることを特徴とする光増幅器。

（付記９）波長多重光を光中継器で増幅しながら中継伝送する光伝送システムにおいて、
前記光中継器が、付記１に記載の光増幅器を備えたことを特徴とする光伝送システム。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。 上記実施形態において増幅効率が改善される原理を説明する図である。 上記実施形態における光アイソレータの挿入位置に関するシミュレーション結果を示した図である。 上記実施形態における各励起光のパワー設定例を示す図である。 上記実施形態における波長減設時の残チャネルパワーを示す図である。 上記実施形態の光増幅器を適用するのに好適な光伝送システムの一例を示す図である。 上記実施形態に関する変形例の構成を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態の構成を示すブロック図である。 上記他の実施形態における励起光パワーの差分設定例を示す図である。 一般的な光中継器の光入力レベルに応じた利得波長特性の変動を測定した結果を示す図である。 従来の光増幅器の構成例を示すブロック図である。 図１１の光増幅器のレベルダイヤを光入力レベルに応じて例示した図である。 励起光制御の高速化を図った従来の光増幅器の構成例を示すブロック図である。 図１３の光増幅器のレベルダイヤを波長数に応じて例示した図である。 図１３の光増幅器における波長減設時の残チャネルパワーの変化を示す図である。 ＡＳＥ光パワーの過渡的な変動に関する実験データを示した図である。 利得変動現象を回避するための励起光パワーの制御方法を説明する図である。 図１７の制御を一般的なＬ−バンド用ＥＤＦＡで実現するための励起光のパワー設定値を示す図である。 Ｌ−バンド用ＥＤＦＡにおける増幅効率の悪化の原理を説明する図である。

符号の説明

１０，１０’…第１光増幅部
２０，２０’…第２光増幅部
１１，２１…エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）
１２，２２…励起光源
１３，２３…合波器
１４，２４…光アイソレータ
１５，２５…光フィルタ
３０…出力一定制御部
３１…可変光減衰器
３２，４１…光分岐カプラ
３３，４２…受光器（ＰＤ）
３４…ＡＬＣ回路
４０，４０’…利得一定制御部
４３…波長数算出回路
４４，４６…記憶回路
４５…励起光パワー制御回路
４７…励起光パワー差分決定回路
Ｌｓ…信号光
Ｌｐ１，Ｌｐ２…励起光

Claims (4)

1. 入力端子および出力端子の間に縦続接続され、所定の波長帯域に配置された複数の信号光を含む波長多重光の増幅を行う複数の光増幅部と、
   前記複数の光増幅部の間を接続する少なくとも１つの光路上に配置された可変光減衰器を有し、前記出力端子に出力される波長多重光のパワーが予め設定した目標値で一定となるように前記可変光減衰器を制御する出力一定制御部と、
   前記入力端子に入力される波長多重光のパワーを基に当該波長多重光の波長数を算出し、その算出結果に応じて、前記複数の光増幅部全体における利得が一定となるように前記複数の光増幅部を制御する利得一定制御部と、を備えた光増幅器であって、
   前記複数の光増幅部は、それぞれ、希土類元素がコアに添加され前記所定の波長帯域に対応した一本の増幅媒体と、励起光を発生する励起光源と、前記増幅媒体に対して前記励起光源からの励起光を信号入射端側から与える合波器と、前記一本の増幅媒体上の所定の位置に挿入され、前記増幅媒体内で発生する自然放出光のうちで波長帯域が波長多重光とは異なり、かつ、進行方向が波長多重光とは逆方向の自然放出光を遮断することが可能な光遮断デバイスと、を有し、該光遮断デバイスの挿入位置に対して信号出射端側にある増幅媒体の部分が、前記励起光源から前記合波器を介して信号入射端側から与えられた励起光によって励起されると共に、前記一本の増幅媒体上における前記光遮断デバイスの挿入位置が、前記一本の増幅媒体の信号入射端における励起光のパワーが当該増幅媒体内で１０ｄＢ減衰する長手方向の位置よりも信号入射端側の範囲内に設定され、
   前記利得一定制御部は、前記入力端子に入力される波長多重光のパワーを検出する入力モニタと、前記出力端子に出力される波長多重光のパワーを検出する出力モニタと、前記入力モニタの検出結果に基づいて当該波長多重光の波長数を算出すると共に、その算出した波長数に対応する波長多重光の出力パワーの目標値を求める波長数算出回路と、前記複数の光増幅部における各利得をそれぞれ一定にするための各光増幅部の励起光パワーの差分設定値が波長数に対応させて予め記憶された記憶回路と、前記波長数算出回路で算出される波長数および前記記憶回路の記憶情報に応じて各光増幅部の励起光パワーの差分設定値を決定する励起光パワー差決定回路と、前記波長数算出回路で求められた出力パワーの目標値に対する前記出力モニタの検出結果の誤差を求め、当該誤差および前記励起光パワー差決定回路の決定結果を基に各光増幅部の励起光パワーの設定値を決定し、その設定値に従って各光増幅部の励起光源をそれぞれ制御する励起光パワー制御回路と、を有することを特徴とする光増幅器。
2. 請求項１に記載の光増幅器であって、
   前記波長多重光は、１５７０ｎｍ乃至１６１０ｎｍの波長帯域を有し、
   前記複数の光増幅部は、それぞれ、前記増幅媒体としてエルビウムがコアに添加された媒体を用いたことを特徴とする光増幅器。
3. 請求項２に記載の光増幅器であって、
   前記複数の光増幅部のうちの少なくとも１つは、前記光遮断デバイスとして、前記増幅媒体内を波長多重光と同方向に進む光を通過し、逆方向に進む光を遮断する光アイソレータを用いたことを特徴とする光増幅器。
4. 請求項２に記載の光増幅器であって、
   前記複数の光増幅部のうちの少なくとも１つは、前記光遮断デバイスとして、１５３０ｎｍ乃至１５６０ｎｍの波長帯域の光を遮断し、１５７０ｎｍ乃至１６１０ｎｍの波長帯域および前記励起光源から出力される励起光と同じ波長帯域の光を透過することが可能な光フィルタを用いたことを特徴とする光増幅器。

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