JP5353582B2

JP5353582B2 - 光増幅装置

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Publication number: JP5353582B2
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Inventors: 智明竹山
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Description

本発明は、希土類添加光ファイバを使用した光増幅装置に関する。

光通信ネットワークを構成する光伝送システムの中継局では、光信号の高速化（広帯域化）に対応して、光電変換を伴う再生中継に代わって、光のまま信号増幅を行う光増幅装置が採用されている。光増幅装置として現在一般的に使用されているのは、増幅媒体に希土類添加光ファイバを使用した光増幅装置で、中でも特に、エルビウム添加光ファイバ（Erbium Doped Fiber：ＥＤＦ）を増幅媒体にした光増幅装置（Erbium Doped Fiber Amplifier：ＥＤＦＡ）が主に使用されている。

図１５に示すのは、一般的なＥＤＦＡの構成である。図１５Ａに示すＥＤＦＡは、入力光Ｏ１が一端から入力されるＥＤＦ１ａと、レーザーダイオード（Laser Diode：ＬＤ）等を使用して励起光を発生する励起光源２ａと、励起光源２ａによる励起光を前記一端からＥＤＦ１ａに提供する光合波器（例えば、Wavelength Division Multiplexing Coupler：ＷＤＭカプラ）３ａと、を備え、ＥＤＦ１ａに対して入力光Ｏ１の進行方向と同じ方向へ進行する励起光を送り込んで増幅を行う前方励起方式である。また、図１５Ｂに示すＥＤＦＡは、入力光が一端から入力されるＥＤＦ１ｂと、レーザーダイオード等を使用して励起光を発生する励起光源２ｂと、励起光源１ｂによる励起光をＥＤＦ１ｂの他端からＥＤＦ１ｂに提供する光合波器３ｂと、を備え、ＥＤＦ１ｂに対して入力光の進行方向とは逆方向へ進行する励起光を送り込んで増幅を行う後方励起方式である。この他に、励起光源を前方及び後方の両方に備えて双方向からＥＤＦを励起する双方向励起方式のＥＤＦＡもある。

なお、図１５Ａ中に示すように、ＥＤＦ１ａによる増幅時には、入力光Ｏ１の進行方向とは逆方向へ進行する自然放出光Ａ１が発生する。この自然放出光Ａ１の逆進を抑止するために光アイソレータが設けられる場合もある。図１５ＢのＥＤＦ１ｂや双方向励起方式のＥＤＦＡでも同様である。

このようなＥＤＦＡを使用して光信号を中継増幅する場合、ＥＤＦにおいて偏波ホールバーニング（Polarization Hole-Burning：ＰＨＢ）が発生し、偏波依存性利得（Polarization dependent Gain：ＰＤＧ）を生じることがある。特に、ＥＤＦＡを用いた中継局が伝送路上に多数存在するシステムでは、各中継局のＥＤＦＡによる偏波依存性利得の影響が累積し、例えば波長帯がＣバンド（１５５０ｎｍ帯：１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）の信号光を中継増幅する場合に、Ｃバンドにおける短波長側の信号成分の光ＳＮ比（Optical Signal-to-Noise Ratio：ＯＳＮＲ）が無視できない程に劣化することがある。近年の光ネットワークは、海底及び陸上の両伝送とも伝送距離の長距離化が進んでおり、これに伴って光増幅装置による中継数も増加する傾向にあるので、光増幅装置の偏波依存性利得による影響は、解決しておくべき事項である。

偏波ホールバーニングは、ＥＤＦに入力される励起光及び信号光の偏波状態に依存して利得が変動する現象である（非特許文献１の５９頁〜６１頁参考）。強度及び偏光度（Degree of Polarization：ＤＯＰ）の高い信号光がＥＤＦに入力されると、偏波ホールバーニングにより、入力された信号光の偏波方向に対して平行な偏波方向をもつ光の利得が削られることになる。ＥＤＦにおける利得の変動は、信号光だけではなく、ＥＤＦ内で発生する自然放出光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）にも影響を及ぼす。自然放出光は、無偏光状態の光であり、信号光の偏波方向に対して平行な偏波成分と垂直な偏波成分とを含んでいる。このため、自然放出光のうちの信号光に平行な偏波成分のみが、偏波ホールバーニングによる利得変動の影響を受けることになる。つまり、偏波ホールバーニングの発生によって、信号光の利得と、自然放出光のうちの信号光に平行な偏波成分の利得とが削られる一方、自然放出光のうちの信号光に垂直な偏波成分の利得は削られない。したがって、ＥＤＦで発生する自然放出光について、偏光度の高い信号光に平行な偏波成分に対する利得と、前記信号光に垂直な偏波成分に対する利得と、の差分が偏波依存性利得となる。このため、偏波ホールバーニングが無い場合に比べて、自然放出光のうちの信号光に垂直な偏波成分の割合が相対的に増える結果、増幅後の出力光におけるＯＳＮＲが低下する。つまり、Ｃバンドの短波長側に波長をもつ信号光は、強度及び偏光度が高いと、偏波ホールバーニングによる偏波依存性利得の影響を受けて、増幅後のＯＳＮＲが低下することになる。

偏波ホールバーニングによる偏波依存性利得は、ＥＤＦ中の光の偏光度に依存し、偏光度が高いほど偏波ホールバーニングの発生が顕著になる（非特許文献２）。「偏光度」は、着目する波長の光の全光パワーに対し、完全に偏光している成分の光パワーの比率を表したもので、偏光度「０」で無偏光状態、偏光度「１」で完全偏光状態となる。

「エルビウム添加光ファイバ増幅器」，須藤昭一編著，オプトロニクス社 "Measurement of polarisation-dependent gain in EDFAs against input degree of polarisation and gain compression", F. Bruere, pp.401-403, Electronics Letters 2ｎｄ March 1995 Val.31 No.5

現在の光通信の主流であるＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）光伝送方式において、多数の波長の信号光が多重されて伝送されている場合は、多重されている各信号光の偏光度が多様なので、ＷＤＭ光全体としての偏光度は低くなる。したがって、偏波ホールバーニングによる偏波依存性利得の影響は無視できるほどに小さい。しかし、多重される信号光が少なく、例えば１波長の信号光しか伝送されない場合は、特に当該信号光がＣバンドの短波長側に位置していると、上述のように偏波ホールバーニングによる偏波依存性利得の影響が顕著になり、無視できなくなる。

このような信号光が少ない場合の偏波依存性利得に起因するＯＳＮＲの劣化に関し、図１５Ａを参照して説明する。
図１５ＡのＥＤＦＡにおいて、Ｃバンドの短波長側に配置された１波の信号光Ｓ及びＣバンドの全域に亘る雑音光Ｎ１を含んだ入力光Ｏ１がＥＤＦＡに入力されるとする。この場合、増幅前の入力光Ｏ１は、信号光波長における信号成分のパワーと雑音成分のパワーとに従うＯＳＮＲを有する。

入力光Ｏ１に含まれる信号光Ｓの偏光度が高い場合、ＥＤＦ１ａにおける増幅時に、上記の偏波ホールバーニングによる偏波依存性利得の影響を受ける。その結果、ＥＤＦ１ａによる増幅後の出力光Ｏ２は、特に信号光Ｓの波長近傍で雑音成分Ｎ２の割合が増加し、信号光Ｓに関するＯＳＮＲが低下する。

なお、図１５Ｂの後方励起方式及び図示せぬ双方向励起方式のＥＤＦＡであっても、同様の原因によりＯＳＮＲの低下が生じ得る。

以上の背景に鑑みると、希土類添加光ファイバを用いた光増幅装置において、偏波依存性利得を抑制することが必要である。

上記課題を解決するために提案する光増幅装置は、入力光が一端から入力される希土類添加光ファイバと、励起光を発生する１以上の励起光源と、前記励起光源による励起光を、前記希土類添加光ファイバの一端及び他端の一方又は両方に提供する１つ又は複数の光合波器と、前記入力光の入力ポートと前記希土類添加光ファイバの一端との間の光経路に設けられ、前記希土類添加光ファイバで発生して前記入力ポートに向かって進行する自然放出光のうちの所定帯域の光成分を、前記希土類添加光ファイバに向け反射する反射器と、を含んで構成される。

あるいは、上記課題を解決するために提案する光増幅装置は、入力光が一端から入力される希土類添加光ファイバと、励起光を発生する１以上の励起光源と、前記励起光源による励起光を、前記希土類添加光ファイバの一端及び他端の一方又は両方に提供する１つ又は複数の光合波器と、前記希土類添加光ファイバの他端と該他端から出力される出力光の出力ポートとの間の光経路に設けられ、前記出力光のうちの所定帯域の光成分を、前記希土類添加光ファイバに向け反射する反射器と、を含んで構成される。

これら光増幅装置において、前記反射器により反射される光成分の所定帯域は、前記希土類添加光ファイバで生じる偏波ホールバーニングの帯域であって、前記入力光に含まれた信号光の波長に近い帯域とする。

また、上記課題を解決するために提案する別の態様の光増幅装置は、入力光が一端から入力される希土類添加光ファイバと、励起光を発生する１以上の励起光源と、前記励起光源による励起光を、前記希土類添加光ファイバの一端及び他端の一方又は両方に提供する１つ又は複数の光合波器と、前記希土類添加光ファイバで生じる偏波ホールバーニングの帯域であって、前記入力光に含まれた信号光の波長に近い帯域をもつ補助光を、前記希土類添加光ファイバの一端又は他端に提供する補助光発生器と、を含んで構成される。

上記提案に係る光増幅装置によると、希土類添加光ファイバに対して、増幅対象である信号光を含んだ入力光の他に、偏波ホールバーニングの生じる帯域であって信号光の波長に近い帯域をもつ光が反射器又は補助光発生器により入力される。この反射器又は補助光発生器による光は低偏光度（偏光度「０」の無偏光状態も含む）の光となるので、希土類添加光ファイバにおいて該当帯域の光の偏光度を低下させる。すなわち、希土類添加光ファイバにおいて、偏波ホールバーニングを生じる帯域の光の偏光度が低下することになり、偏波ホールバーニングによる偏波依存性利得が抑制される。

中継局に光増幅装置を備えた光伝送システムの例を示すブロック図。光増幅装置の第１実施形態を示すブロック図。ＥＤＦの偏波依存性利得と波長の関係を示すグラフ。反射器の反射特性を示すグラフ。ＥＤＦで発生する逆進自然放出光のスペクトル形状を示すグラフ。反射器で反射された反射光のスペクトル形状を示すグラフ。ＥＤＦから出力される順方向自然放出光のスペクトル形状を示すグラフ。ＥＤＦ中の距離に従う信号光及び反射光のパワーを示すグラフ。第１実施形態に係る光増幅装置の変形例を示すブロック図。光増幅装置の第２実施形態を示すブロック図。ＥＤＦ中の距離に従う信号光及び反射光のパワーを示すグラフ。光増幅装置の第３実施形態を示すブロック図。光増幅装置の第４実施形態を示すブロック図。光増幅装置の第５実施形態を示すブロック図。背景技術に係る光増幅装置のブロック図。

図１は、光増幅装置を中継局に備えた光伝送システムの一例を示している。
送信局１０と受信局１１とが光ファイバ伝送路１２によって接続されており、光ファイバ伝送路１２上に、多数の中継局１３が設けられている。各中継局１３には、それぞれ光増幅装置が備えられており、光ファイバ伝送路１２を伝送される光信号が増幅されて中継される。送信局１０と受信局１１との間で通信される光信号は、ＷＤＭ光か、あるいは、単波の信号光である。

このような光伝送システムの中継局１３に適用され得る光増幅装置の第１実施形態について、図２に示している。図２に示すのは、前方励起方式のＥＤＦＡである。

図２Ａに示すＥＤＦＡは、入力ポートＩＮに入射された入力光が一端（入力端）から入力される希土類添加光ファイバとして、ＥＤＦ２０を備えている。そして、ＥＤＦ２０に添加されたエルビウムを励起するための励起光を発生する励起光源２１と、励起光源２１による励起光をＥＤＦ２０の入力端に提供する光合波器２２と、を含んで構成される。励起光源２１には、例えば、０．９８μｍや１．４８μｍ等の波長の励起光を発生するレーザーダイオードが使用される。また、光合波器２２には、例えば、入力ポートＩＮとＥＤＦ２０の入力端との間の光経路に設けられたＷＤＭカプラが使用される。

さらに、入力ポートＩＮとＥＤＦ２０の入力端との間の光経路には、ＥＤＦ２０で発生して入力ポートＩＮに向かって進行（逆進）する自然放出光（backward ＡＳＥ）における所定帯域をＥＤＦ２０に向け反射する反射器２３が設けられる。図２Ａに示す例では、反射器２３は、入力ポートＩＮと光合波器２２との間に設けられているが、光合波器２２とＥＤＦ２０との間に設けることもできる。

反射器２３は、例えば光フィルタを使用して構成することができ、入力ポートＩＮからＥＤＦ２０へ向かう入力光は全帯域を透過させる。一方、ＥＤＦ２０で発生して入力ポートＩＮへ逆進する自然放出光に関しては、所定帯域の光成分をＥＤＦ２０へ反射し、該所定帯域以外の光成分は透過させる。反射器２３が反射する自然放出光の所定帯域は、ＥＤＦ２０に生じる偏波ホールバーニングの帯域であって、入力光に含まれた信号光の波長に近い帯域である。

ＥＤＦ２０を用いたＥＤＦＡを中継局１３に備えた光伝送システムの場合、ＥＤＦ２０の放射ピーク波長を含むＣバンドがＷＤＭ光の帯域として使用され得る。１５５０ｎｍ帯のＣバンドでは、ＥＤＦ２０の放射ピーク波長が短波長側に位置し、偏波ホールバーニングによる偏波依存性利得は短波長側で顕著に発生する。図３は縦軸に偏波依存性利得（ＰＤＧ）をとり、横軸に信号波長（ｎｍ）をとって示したグラフで、該グラフに示されるように、ＥＤＦ２０における偏波依存性利得（ＰＤＧ）は、１５４０ｎｍ以下で急増し、１５３０ｎｍ付近でピークとなる。したがって、Ｃバンドの入力光に含まれた信号光の波長が短波長側に位置していると、偏波依存性利得の影響でＯＳＮＲが劣化する。

一方、励起光が提供されたＥＤＦ２０において発生する逆方向の自然放出光は、１５３０ｎｍ近辺にピークをもったスペクトルの広がりを有し、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍのＣバンドを含む帯域を有する。このＥＤＦ２０で発生して逆進する自然放出光は、次の過程によって発生すると考えられる。まず、前方励起の励起光がＥＤＦ２０の入力端から入ることにより、ＥＤＦ２０において、入力端に近い部分でのエルビウムの反転分布率（励起状態）が高くなる。ＥＤＦ２０において反転分布率が高くなると、Ｃバンドの短波長側の帯域で自然放出光が多く発生するようになる。発生した自然放出光のうち、ＥＤＦ２０の入力端の方向へ進行する自然放出光が、ＥＤＦ２０内で増幅されつつＥＤＦ２０の入力端から出射する。出射した自然放出光は、入力光とは逆方向へ進行する無偏光状態の自然放出光となり、Ｃバンドの短波長側にあるＥＤＦ２０の放射ピーク波長付近でパワーが最大ピークとなるスペクトル形状を示す。

図２Ａにおいて、逆進する無偏光状態の自然放出光は、反射器２３によってその帯域の一部が反射され、ＥＤＦ２０に入力される。当該反射器２３による反射帯域は、ＥＤＦ２０の偏波ホールバーニングが生じる帯域であって、入力光に含まれた信号光の波長に近い帯域である。この反射帯域の自然放出光がＥＤＦ２０に入力されることにより、Ｃバンドの短波長側に配置された信号光を含んでＥＤＦ２０を順方向へ進行する入力光において、偏波ホールバーニングの生じる帯域の偏光度が低下する。したがって、ＥＤＦ２０において、偏波ホールバーニングによる偏波依存性利得が抑制されることになる。

反射器２３が反射する所定帯域は、短波長側に配置された信号光の波長に近い帯域で且つ信号光の波長は含まない帯域とする。信号光の波長を含むと、当該波長における信号成分対雑音成分が悪くなるので、避ける方が好ましい。また、論文１に開示されているように、ＥＤＦにおいて偏波ホールバーニングのホール幅は、着目する波長に対し約±６ｎｍの範囲となることから、信号光の波長に近い帯域とは、具体的には、ＥＤＦ２０の場合、増幅対象の信号光の波長±６ｎｍとするのが良い。そして特に、ＥＤＦ２０ではＣバンドの帯域において短波長になるほど偏波ホールバーニングが顕著になるので、入力光に含まれる信号光よりも短波長側の帯域の自然放出光を反射させるのが、より効果的である。すなわち、反射器２３は、信号光の波長−６ｎｍの帯域で且つ信号光の波長を含まない帯域の自然放出光を反射する構成とする。
［論文１］
"Spectral Dependence of Polarization Hole-Burning", C.R. Davidson, et al., Optical Fiber Communication Conference and Exposition and The National Fiber Optic Engineers Conference, Technical Digest (CD), Optical Society of America, 2006, paper OThC3

なお、上記±６ｎｍの帯域は増幅媒体の光ファイバに添加される希土類の種類に応じて変化するので、光増幅装置に使用される希土類添加光ファイバの種類に応じて適宜設計する。つまり、上記±６ｎｍの帯域とは、添加された希土類に応じて決まる偏波ホールバーニングのホール幅に対応した帯域である。

図２Ａの中には、ＥＤＦＡの要部における光の波形を模式的に図示してある。
一例として、Ｃバンドの最短波長に配置された１波の信号光Ｓ１及びＣバンドの全域に亘る雑音光Ｎ１０を含んだ入力光Ｏ１０が、ＥＤＦＡに入力されるとする。この場合、増幅前の入力光Ｏ１０は、信号光波長における信号成分のパワーと雑音成分のパワーとに従うＯＳＮＲを有する。

入力光Ｏ１０に含まれる信号光Ｓ１の偏光度が高い場合、ＥＤＦ２０おいて偏波ホールバーニングによる偏波依存性利得の影響を受け得るが、図２ＡのＥＤＦＡでは、偏波ホールバーニングを抑制するために反射器２３が設けられている。上述のように反射器２３は、逆進する自然放出光Ａ１０のうち、偏波ホールバーニングの帯域であって信号光Ｓ１の波長よりも短波長側の帯域（例えば信号光波長−６ｎｍ）を反射する。したがって、入力光Ｏ１０が反射器２３を透過すると、反射器２３による反射光Ｒ１が結合し、信号光Ｓ１よりも短波長側に、無偏光状態の自然放出光Ａ１０の所定帯域反射光Ｒ１を含んだ入力光Ｏ１１となる。

反射光Ｒ１を含んだ入力光Ｏ１１は、続いて光合波器２２を透過し、励起光源２１による励起光が入力端に提供されているＥＤＦ２０へ入力される。ＥＤＦ２０を伝搬する入力光Ｏ１１は、無偏光状態の反射光Ｒ１によって、信号光Ｓ１の波長近傍において偏波ホールバーニングを生じる帯域の偏光度が下げられているので、偏波ホールバーニングの発生が抑えられ、偏波依存性利得が抑制されることになる。その結果、ＥＤＦ２０から出力される出力光Ｏ１２は、信号光Ｓ１の波長近傍における雑音成分Ｎ１１の増加が抑制されており、信号光Ｓ１に関するＯＳＮＲが改善されている。

具体的数値によるシミュレーション結果を図４〜図７に示す。
まず、図２ＡのＥＤＦＡにおいて、１５３１．９ｎｍ〜１５６３ｎｍの波長の信号光Ｓ１がＣバンドの入力光Ｏ１０に含まれ得るとする。当該ＥＤＦＡは、信号光Ｓ１の波長数が１〜４０波の間で変化し得るＷＤＭ光伝送用のＥＤＦＡである。このＥＤＦＡに入力される信号光Ｓ１のパワーは−２０ｄＢｍ、ＥＤＦ２０の増幅利得は２４ｄＢ、出力される信号光Ｓ１のパワーは４ｄＢｍとし、ＥＤＦ２０の全長が６ｍ、励起光源２１による励起光の波長が０．９８μｍで、当該励起光のパワーは、利得が２４ｄＢとなるように制御されているとする。

ＥＤＦ２０における上述の偏波ホールバーニングの特性、すなわち信号光波長±６ｎｍの帯域の偏光度が高いと顕著且つＣバンドの短波長側で顕著という特性を踏まえ、反射器２３は、最短波長の信号光Ｓ１の１５３１．９ｎｍよりも短波長側且つ近い帯域として、１５３１．４ｎｍ以下の帯域の自然放出光Ａ１０を反射する特性とする。１５３１．９ｎｍの自然放出光反射は、信号光直下の雑音成分増加につながるため避ける。また、１５３１．４ｎｍ以下の反射帯域は、偏波ホールバーニングに影響する−６ｎｍまでの１５２５．９ｎｍと設定する。当該反射器２３の反射特性について、図４に示している。図４は、縦軸に反射器２３に使用される反射媒体の反射率、横軸に波長をとって示したグラフで、反射器２３は、１５３１．４ｎｍ以下且つ１５２５．９ｎｍ以上の帯域で自然放出光Ａ１０を反射する。

反射器２３が反射する帯域は、狭すぎると偏波ホールバーニング抑制作用が弱く、逆に長波長側へ広げすぎると、反射光（自然放出光）の増幅のために励起光が無駄に使われ、ＷＤＭ光全体としてみて偏波ホールバーニング抑制のメリット以上にＮＦ（雑音指数）の劣化が目立つといったマイナス面が現れる。したがって、上記のように、増幅媒体に添加される希土類の種類や着目する光の波長に応じた適切な反射帯域を設定する。

図４の特性をもつ反射器２３を備えたＥＤＦＡに、１５３１．９ｎｍの１波長の信号光Ｓ１を含んだ入力光Ｏ１０が入力されるとする。当該ＥＤＦＡにおいて、励起光源２１による励起光がＥＤＦ２０に与えられると、図５に示すスペクトル形状の逆進自然放出光（backward ＡＳＥ）がＥＤＦ２０の入力端から入力ポートＩＮに向け放出される。図５のグラフは、縦軸に自然放出光のパワー、横軸に波長をとって示したグラフで、逆進する自然放出光Ａ１０は、ＥＤＦ２０の放射ピーク波長付近の１５３０ｎｍ近辺にピークをもったスペクトルの広がりを有し、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍのＣバンドを含む帯域を有している。この自然放出光Ａ１０のトータルパワーは−３．０ｄＢｍである。

図５の逆進する自然放出光Ａ１０が図４の特性をもつ反射器２３に到達すると、図６に示す帯域が反射されることになる。すなわち、図５のスペクトル形状を有する自然放出光Ａ１０のうち、１５２５．９ｎｍ〜１５３１．４ｎｍの帯域が反射されて反射光Ｒ１となり、ＥＤＦ２０へ向かう。図６は、縦軸に反射光のパワー、横軸に波長をとって示したグラフである。反射器２３で反射された反射光Ｒ１のトータルパワーは−９．１ｄＢｍである。

反射器２３で反射された図６の反射光Ｒ１は、入力光Ｏ１０と共にＥＤＦ２０に入力されるので、ＥＤＦ２０の入力端には、−２０ｄＢｍの信号光Ｓ１と−９．１ｄＢｍの反射光Ｒ１を含んだ入力光Ｏ１１が入力されることになる。ＥＤＦ２０の偏波ホールバーニングを生じる帯域であって信号光Ｓ１の波長に近い帯域の反射光Ｒ１が含まれることによって、ＥＤＦ２０に入力された信号光Ｓ１近傍の偏光度が１００％から８％に低減され、偏波ホールバーニングによる偏波依存性利得は０．２０ｄＢから０．０１ｄＢに抑制される。このとき、ＥＤＦ２０の出力端から出力される順方向自然放出光のスペクトル形状は、図７のようになる。図７は、縦軸に自然放出光のパワー、横軸に波長をとって示したグラフで、反射器２３による反射光Ｒ１がもつ１５２５．９ｎｍ〜１５３１．４ｎｍの帯域におけるパワーが突出している。

図２Ｂは、図２Ａと同様の前方励起方式のＥＤＦＡにおいて、反射器の配置を変更した変形例を示す。反射器の配置以外の構成は図２ＡのＥＤＦＡと同じである。
図２ＢのＥＤＦＡにおいては、反射器２４が、ＥＤＦ２０の出力端（他端）の側に設けられ、出力光のうちの所定帯域を反射し、該反射帯域以外の帯域は透過させる。すなわち、反射器２４は、ＥＤＦ２０の出力端と出力ポートＯＵＴとの間の光経路に設けられて出力光の一部帯域を反射し、ＥＤＦ２０の出力端へ逆進させる。反射器２４の反射帯域は、上述の反射器２３の反射帯域と同じで、ＥＤＦ２０に生じる偏波ホールバーニングの帯域であって、入力光に含まれた信号光の波長に近い帯域である。

図２Ｂ中に、ＥＤＦＡの要部における光の波形を模式的に図示してある。
一例として、Ｃバンドの最短波長に配置された１波の信号光Ｓ２及びＣバンドの全域に亘る雑音光Ｎ２０を含んだ入力光Ｏ２０が、ＥＤＦＡに入力されるとする。この場合、増幅前の入力光Ｏ２０は、信号光波長における信号成分のパワーと雑音成分のパワーとに従うＯＳＮＲを有する。

入力光Ｏ２０は、光合波器２２を透過して、励起光源２１による励起光と共にＥＤＦ２０に入力される。入力光Ｏ２０に含まれる信号光Ｓ２の偏光度が高い場合、ＥＤＦ２０おいて偏波ホールバーニングによる偏波依存性利得の影響を受け得るが、図２ＢのＥＤＦＡでは、偏波ホールバーニングを抑制するために反射器２４が設けられている。反射器２４は、ＥＤＦ２０から出力される光において、図２Ａの反射器２３の反射帯域と同様の帯域、すなわち、偏波ホールバーニングの帯域であって信号光Ｓ２の波長よりも短波長側の帯域（例えば信号光波長−６ｎｍ）を反射し、この逆進する反射光Ｒ２が出力端からＥＤＦ２０に入力される。反射光Ｒ２は、ＥＤＦ２０で発生した自然放出光を含む雑音成分を反射したものとなるので、無偏光状態の光である。

ＥＤＦ２０内において、入力端から入力光Ｏ２０が入力され、出力端から反射光Ｒ２が入力される結果、ＥＤＦ２０を伝搬する入力光Ｏ２０は、無偏光状態の反射光Ｒ２によって、信号光Ｓ２の波長近傍において偏波ホールバーニングを生じる帯域の偏光度が下げられる。したがって、ＥＤＦ２０で偏波ホールバーニングの発生が抑えられ、偏波依存性利得が抑制されることになり、ＥＤＦ２０から出力される出力光Ｏ２１は、信号光Ｓ２の波長近傍における雑音成分Ｎ２１の増加が抑制されており、信号光Ｓ２に関するＯＳＮＲが改善されている。

出力光Ｏ２１は、反射器２４を透過して、雑音成分Ｎ２１中から反射帯域が削られた出力光Ｏ２２となって出力ポートＯＵＴから出射される。反射器２４で反射された反射光Ｒ２は、ＥＤＦ２０を経て増幅された後、逆進自然放出光Ａ２０と共にＥＤＦ２０の入力端から出力され、入力ポートＩＮへ進行する。

上記前方励起方式のＥＤＦＡに関し、図２Ａに示す反射器２３を入力側に設けた形態と、図２Ｂに示す反射器２４を出力側に設けた形態とを比較してみると、図２ＡのＥＤＦＡの方が偏波ホールバーニングの抑制作用が大きい。
論文２に記載されているように、偏波ホールバーニングは、ＥＤＦ２０中の光パワーが強いほど顕著に発生する性質をもつ。したがって、入力端から出力端までのＥＤＦ２０中の距離を横軸にして、縦軸を光パワーにしたグラフで見てみると、図８に示すように、信号光パワーはＥＤＦ２０の出力端に近くなるほど増幅されて強くなるので、偏波ホールバーニングは、出力端付近で顕著に生じると言える。そこで、この信号光パワーが強い出力端付近において偏光度を低下させるのが効果が高い、ということになる。図８Ａは図２ＡのＥＤＦ２０中のグラフで、図８Ａに示す反射光は、信号光と同じく入力端から入力されて出力端へ向かうので、出力端に近づくほど増幅されて強くなっている。一方、図８Ｂは図２ＢのＥＤＦ２０中のグラフで、図８Ｂに示す反射光の場合は、出力端から入力されて入力端へ向かうので、入力端に近づくほど増幅されて強くなっている。すなわち、両者を比較すると分かるように、信号光パワーが強くなるＥＤＦ２０の出力端付近で反射光パワーが強い図２ＡのＥＤＦＡの方が、偏波ホールバーニングの抑制作用が高いと言える。
［論文２］
"Polarisation dependent gain in erbium doped fibre amplifiers", E.J. Greer, at al., Electronics Letters 6th March 1994 Vol.30 No.1 P46-47

図９に、図２ＡのＥＤＦＡの変形例をさらに示す。
図９のＥＤＦＡは、図２Ａと同じＥＤＦ２０、励起光源２１、光合波器２２及び反射器２３を有すると共に、ＥＤＦ２０の出力端と出力ポートＯＵＴとの間の光経路に、反射器２３の反射帯域で光の透過を阻止する光フィルタ２５が設けられている。光フィルタ２５は、図７に示すようにＥＤＦ２０から順方向へ出力される自然放出光に含まれる反射光成分を抑止する。すなわち、ＥＤＦ２０では、信号光のパワーと共に反射光のパワーも増幅されるが、当該増幅される反射光パワーが、信号光パワーに対して無視できないほどに強くなる場合には、ＥＤＦＡの出力パワーを検出する、図示しないモニタフォトダイオードの検出精度への影響が懸念される。したがって、光フィルタ２５を設けて反射光パワーを抑圧すると、より好ましい。

図１０は、ＥＤＦＡの第２実施形態として、後方励起方式のＥＤＦＡを示す。図１０Ａは、図２Ａのように反射器２３をＥＤＦ２０の入力側に設けた形態、図１０Ｂは、図２Ｂのように反射器２４をＥＤＦ２０の出力側に設けた形態である。ＥＤＦ２０及び反射器２３，２４は図２の第１実施形態と同じであり、第２実施形態のＥＤＦＡが第１実施形態と相異するのは、図１０Ａ及び図１０ＢのＥＤＦＡが共に、励起光源３０により発生された励起光を、ＥＤＦ２０の出力端（他端）に提供する光合波器３１を備えている点である。

図１０ＡのＥＤＦＡの場合、後方励起されるＥＤＦ２０で発生して入力端から入力ポートＩＮへ逆進する自然放出光のうちの上記帯域が反射器２３で反射され、上述のように偏光度を低下させる反射光としてＥＤＦ２０に入力される。また、図１０ＢのＥＤＦＡの場合、ＥＤＦ２０の出力端から出力されて光合波器３１を透過した出力光のうちの上記帯域が反射器２４で反射され、上述のように偏光度を低下させる反射光としてＥＤＦ２０に入力される。図１０ＡのＥＤＦＡの場合、図９の光フィルタ２５を設けることも可能である。

第２実施形態に係る後方励起方式のＥＤＦＡでも、第１実施形態同様の効果を得ることができるが、図１０Ａに示す反射器２３を入力側に設けた形態と、図１０Ｂに示す反射器２４を出力側に設けた形態とを比較してみたときには、第２実施形態の場合、図１０ＢのＥＤＦＡの方が偏波ホールバーニングの抑制作用が大きいことになる。後方励起方式の場合は、ＥＤＦ２０から入力ポートＩＮへ逆進する自然放出光が弱いためである。

すなわち、図１１に示すように、入力端から出力端までのＥＤＦ２０中の距離を横軸にして、縦軸を光パワーにしたグラフで見てみると、信号光パワーは、図８同様にＥＤＦ２０の出力端に近くなるほど増幅されて強くなる。一方、図１０ＡのＥＤＦ２０中の信号光及び反射光を示す図１１Ａにおいて反射光は、反射器２３で反射される前の逆進自然放出光が元々弱いので、出力端におけるパワーも弱い。逆に、図１０ＢのＥＤＦ２０中の信号光及び反射光を示す図１１Ｂにおいて反射光は、図２Ｂの前方励起方式の場合よりも強くなる。これは、上述した自然放出光の発生過程から分かるように、後方励起方式の場合、励起光が入力されるＥＤＦ２０の出力端付近で自然放出光の発生が強く、この強い自然放出光が反射器２４で反射されるためである。したがって、両者を比較すると分かるように、信号光パワーが強くなるＥＤＦ２０の出力端付近で反射光パワーが強い図１１ＢのＥＤＦＡの方が、偏波ホールバーニングの抑制作用が高いと言える。

図１２は、ＥＤＦＡの第３実施形態を示す。第３実施形態に係るＥＤＦＡは、前方励起方式で、ＥＤＦ２０、励起光源２１及び光合波器２２は、図２に示す第１実施形態と同じである。なお、第３実施形態は図２Ａ相当のＥＤＦＡの例のみ示すが、上記の各形態のいずれにも適用可能である。

図１２において反射器４０は、第１実施形態と同様に入力ポートＩＮとＥＤＦ２０の入力端（一端）との間の光経路に設けられ、逆進する自然放出光のうちの上述の帯域を反射する。さらに、第３実施形態の反射器４０は、その反射媒体の反射率が可変とされ、当該反射率が、入力光に含まれる信号光の波長数に応じて制御器４１により制御される。制御器４１は、反射率決定回路を有し、送信局１０又は前段の中継局１３（図１参照）から送られてくる信号光の波長数情報に基づいて、反射器４０の反射率を決定する。反射率と波長数の関係は装置立上げ時などにインプットされ、例えば図１２中に示すように、波長数が多くなるに従い反射率を低下させる一次関数の関係に設定される。

反射器４０の反射率は、偏波ホールバーニングが顕著に発生する少数波長時に大きくし、信号光の波長数が多くなるに従い小さくする。多波長の信号光が入力光に含まれている場合は、ＥＤＦ２０での信号光増幅に大きな励起光パワーが必要となるのに加え、反射光増幅にかかる励起光パワーも加算されるとなると、励起光源２１に高出力の光源を要することになり、好ましくない。したがって、偏波ホールバーニングの影響を無視することのできる多波長の信号光が多重されたＷＤＭ光の場合は、反射率を低く抑えることにより、所要励起光パワーを軽減する。

図１３は、ＥＤＦＡの第４実施形態を示す。第４実施形態に係るＥＤＦＡは、前方励起方式で、ＥＤＦ２０、励起光源２１及び光合波器２２は、図２に示す第１実施形態と同じである。また、第４実施形態は図２Ａ相当のＥＤＦＡの例のみ示すが、図２Ｂ相当のＥＤＦＡでも適用可能である。

図１３のＥＤＦＡは、ＥＤＦ２０に生じる偏波ホールバーニングの帯域であって、入力光に含まれた信号光の波長に近い帯域をもつ補助光を、ＥＤＦ２０の入力端（一端）に提供する補助光発生器を備える。すなわち、補助光発生器は、補助光を発生する補助光源５０と、その補助光をＥＤＦ２０の入力端に提供する光合波器５１と、を含んで構成される。補助光源５０による補助光は、上述の反射器２３による反射光と同じ帯域の光である。補助光源５０から発生された補助光は、偏波面が回転しつつ光合波器５１を経てＥＤＦ２０へ至るので、特に発生時に偏光状態を考慮せずとも無偏光状態に近い光となってＥＤＦ２０に提供される。したがって、上記の各実施形態と同様の効果を得ることができる。補助光源５０としては、レーザーダイオード等を使用することができる。

補助光発生器は、補助光源５０及び光合波器５１だけの構成でも良いが、補助光源５０の出力パワーを制御する制御器５２を備え、入力光に含まれる信号光の波長数に応じて補助光のパワーを制御するものとしておくとなお良い。制御器５２は、補助光源パワー決定回路を有し、送信局１０又は前段の中継局１３（図１参照）から送られてくる信号光の波長数情報に基づいて、補助光源５０の出力パワーを決定する。パワーと波長数の関係は装置立上げ時などにインプットされ、例えば図１３中に示すように、波長数が多くなるに従いパワーを低下させる一次関数の関係に設定される。当該関係とする理由は、第３実施形態に関して述べた通りである。

第４実施形態のＥＤＦＡの場合も、図１３中に点線で示すように、ＥＤＦ２０の出力端と出力ポートＯＵＴとの間の光経路に、補助光の帯域で光の透過を阻止する光フィルタ２５を設けることができる。当該光フィルタ２５を設ける理由は上述した通りである。

図１４は、ＥＤＦＡの第５実施形態を示す。第５実施形態に係るＥＤＦＡは、後方励起方式で、ＥＤＦ２０、励起光源３０及び光合波器３１は、図１０に示す第２実施形態と同じである。また、第５実施形態は図１０Ｂ相当のＥＤＦＡの例のみ示すが、図１０Ａ相当のＥＤＦＡでも適用可能である。

図１４のＥＤＦＡは、第４実施形態同様の補助光を、ＥＤＦ２０の出力端（他端）に提供する補助光発生器を備える。すなわち、補助光発生器は、補助光を発生する補助光源６０と、その補助光をＥＤＦ２０の出力端に提供する光合波器６１と、を含んで構成される。補助光源６０による補助光は、上述の反射器２４による反射光と同じ帯域の光である。レーザーダイオード等を使用した補助光源６０から発生された補助光は、第４実施形態同様に偏波面が回転しつつ光合波器６１を経てＥＤＦ２０へ至るので、無偏光状態に近い光となってＥＤＦ２０に提供される。したがって、上記の各実施形態と同様の効果を得ることができる。

第５実施形態の補助光発生器の場合も、補助光源６０及び光合波器６１だけの構成でも良いが、補助光源６０の出力パワーを制御する制御器６２を備え、入力光に含まれる信号光の波長数に応じて補助光のパワーを制御するものとすることができる。制御器６２は、補助光源パワー決定回路を有する第４実施形態の制御器５２と同様の機能をもつ。

上記各実施形態は、前方励起方式と後方励起方式のＥＤＦについて説明したが、双方向励起方式であっても適用可能である。

以上の実施形態に関する付記を以下に開示する。

（付記１）
入力光が一端から入力される希土類添加光ファイバと、
励起光を発生する１以上の励起光源と、
前記励起光源による励起光を、前記希土類添加光ファイバの一端及び他端の一方又は両方に提供する１つ又は複数の光合波器と、
前記入力光の入力ポートと前記希土類添加光ファイバの一端との間の光経路に設けられ、前記希土類添加光ファイバで発生して前記入力ポートに向かって進行する自然放出光のうちの所定帯域の光成分を、前記希土類添加光ファイバに向け反射する反射器と、
を含んで構成され、
前記反射器により反射される光成分の所定帯域が、前記希土類添加光ファイバで生じる偏波ホールバーニングの帯域であって、前記入力光に含まれた信号光の波長に近い帯域である、
光増幅装置。

（付記２）
付記１記載の光増幅装置であって、
前記反射器により反射される光成分の所定帯域で光の透過を阻止する光フィルタが、前記希土類添加光ファイバの他端と該他端から出力される出力光の出力ポートとの間の光経路に設けられる、光増幅装置。

（付記３）
入力光が一端から入力される希土類添加光ファイバと、
励起光を発生する１以上の励起光源と、
前記励起光源による励起光を、前記希土類添加光ファイバの一端及び他端の一方又は両方に提供する１つ又は複数の光合波器と、
前記希土類添加光ファイバの他端と該他端から出力される出力光の出力ポートとの間の光経路に設けられ、前記出力光のうちの所定帯域の光成分を、前記希土類添加光ファイバに向け反射する反射器と、
を含んで構成され、
前記反射器により反射される光成分の所定帯域が、前記希土類添加光ファイバで生じる偏波ホールバーニングの帯域であって、前記入力光に含まれた信号光の波長に近い帯域である、
光増幅装置。

（付記４）
付記１〜３のいずれかに記載の光増幅装置であって、
前記入力光の帯域がＣバンド（１５５０ｎｍ帯）であり、
前記反射器により反射される光成分の所定帯域が、前記信号光の波長よりも短波長側である、光増幅装置。

（付記５）
付記１〜３のいずれかに記載の光増幅装置であって、
前記入力光は、帯域がＣバンドであって該Ｃバンドの短波長側に位置する波長の信号光を含み、
前記反射器により反射される光成分の所定帯域が、前記信号光の波長以外で且つ前記信号光の波長±６ｎｍの範囲内にある、光増幅装置。

（付記６）
付記１〜５のいずれかに記載の光増幅装置であって、
前記反射器の反射率が可変とされ、
前記入力光に含まれる信号光の波長数に応じて前記反射器の反射率を制御する制御器をさらに含む、光増幅装置。

（付記７）
付記６記載の光増幅装置であって、
前記制御器は、前記入力光に含まれる信号光の波長数が多くなるに従い前記反射器の反射率を低下させる、光増幅装置。

（付記８）
入力光が一端から入力される希土類添加光ファイバと、
励起光を発生する１以上の励起光源と、
前記励起光源による励起光を、前記希土類添加光ファイバの一端及び他端の一方又は両方に提供する１つ又は複数の光合波器と、
前記希土類添加光ファイバで生じる偏波ホールバーニングの帯域であって、前記入力光に含まれた信号光の波長に近い帯域をもつ補助光を、前記希土類添加光ファイバの一端又は他端に提供する補助光発生器と、
を含んで構成される光増幅装置。

（付記９）
付記８記載の光増幅装置であって、
前記補助光発生器による補助光が前記希土類添加光ファイバの一端に提供される場合に、
該補助光の帯域で光の透過を阻止する光フィルタが、前記希土類添加光ファイバの他端と該他端から出力される出力光の出力ポートとの間の光経路に設けられる、光増幅装置。

（付記１０）
付記８又は付記９記載の光増幅装置であって、
前記入力光の帯域がＣバンド（１５５０ｎｍ帯）であり、
前記補助光発生器による補助光の帯域が、前記信号光の波長よりも短波長側である、光増幅装置。

（付記１１）
付記８又は付記９記載の光増幅装置であって、
前記入力光は、帯域がＣバンドであって該Ｃバンドの短波長側に位置する波長の信号光を含み、
前記補助光発生器による補助光の帯域が、前記信号光の波長以外で且つ前記信号光の波長±６ｎｍの範囲内にある、光増幅装置。

（付記１２）
付記８〜１１のいずれかに記載の光増幅装置であって、
前記補助光発生器は、前記入力光に含まれる信号光の波長数に応じて前記補助光のパワーを制御する、光増幅装置。

（付記１３）
付記１２記載の光増幅装置であって、
前記補助光発生器は、前記入力光に含まれる信号光の波長数が多くなるに従い前記補助光のパワーを低下させる、光増幅装置。

２０エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）
２１励起光源（前方励起）
２２光合波器（前方励起）
２３，２４反射器
２５光フィルタ
３０励起光源（後方励起）
３１光合波器（後方励起）
４０反射器（反射率可変）
４１制御器
５０補助光源（補助光発生器）
５１光合波器（補助光発生器）
５２制御器（補助光発生器）

Claims

入力光が一端から入力される希土類添加光ファイバと、
励起光を発生する１以上の励起光源と、
前記励起光源による励起光を、前記希土類添加光ファイバの一端及び他端の一方又は両方に提供する１つ又は複数の光合波器と、
前記入力光の入力ポートと前記希土類添加光ファイバの一端との間の光経路に設けられ、前記希土類添加光ファイバで発生して前記入力ポートに向かって進行する自然放出光のうちの所定帯域の光成分を、前記希土類添加光ファイバに向け反射する反射器と、
を含んで構成され、
前記反射器により反射される光成分の所定帯域が、前記希土類添加光ファイバで生じる偏波ホールバーニングのホール幅に対応した帯域であって、前記入力光に含まれた信号光の波長に近い帯域である、
光増幅装置。
請求項１記載の光増幅装置であって、
前記反射器により反射される光成分の所定帯域で光の透過を阻止する光フィルタが、前記希土類添加光ファイバの他端と該他端から出力される出力光の出力ポートとの間の光経路に設けられる、光増幅装置。
入力光が一端から入力される希土類添加光ファイバと、
励起光を発生する１以上の励起光源と、
前記励起光源による励起光を、前記希土類添加光ファイバの一端及び他端の一方又は両方に提供する１つ又は複数の光合波器と、
前記希土類添加光ファイバの他端と該他端から出力される出力光の出力ポートとの間の光経路に設けられ、前記出力光のうちの所定帯域の光成分を、前記希土類添加光ファイバに向け反射する反射器と、
を含んで構成され、
前記反射器により反射される光成分の所定帯域が、前記希土類添加光ファイバで生じる偏波ホールバーニングのホール幅に対応した帯域であって、前記入力光に含まれた信号光の波長に近い帯域である、
光増幅装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の光増幅装置であって、
前記入力光は、帯域がＣバンドであって該Ｃバンドの短波長側に位置する波長の信号光を含み、
前記反射器により反射される光成分の所定帯域が、前記信号光の波長以外で且つ前記信号光の波長±６ｎｍの範囲内にある、光増幅装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の光増幅装置であって、
前記反射器の反射率が可変とされ、
前記入力光に含まれる信号光の波長数に応じて前記反射器の反射率を制御する制御器をさらに含む、光増幅装置。
入力光が一端から入力される希土類添加光ファイバと、
励起光を発生する１以上の励起光源と、
前記励起光源による励起光を、前記希土類添加光ファイバの一端及び他端の一方又は両方に提供する１つ又は複数の光合波器と、
前記希土類添加光ファイバで生じる偏波ホールバーニングのホール幅に対応した帯域であって、前記入力光に含まれた信号光の波長に近い帯域をもつ補助光を、前記希土類添加光ファイバの一端又は他端に提供する補助光発生器と、
を含んで構成される光増幅装置。
請求項６記載の光増幅装置であって、
前記補助光発生器による補助光が前記希土類添加光ファイバの一端に提供される場合に、該補助光の帯域で光の透過を阻止する光フィルタが、前記希土類添加光ファイバの他端と該他端から出力される出力光の出力ポートとの間の光経路に設けられる、光増幅装置。
請求項６又は請求項７記載の光増幅装置であって、
前記入力光は、帯域がＣバンドであって該Ｃバンドの短波長側に位置する波長の信号光を含み、
前記補助光発生器による補助光の帯域が、前記信号光の波長以外で且つ前記信号光の波長±６ｎｍの範囲内にある、光増幅装置。
請求項６〜８のいずれかに記載の光増幅装置であって、
前記補助光発生器は、前記入力光に含まれる信号光の波長数に応じて前記補助光のパワーを制御する、光増幅装置。