JP2004319978A - 光増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 低消費電力で動作可能であり、かつ温度変化に起因した利得スペクトルの変化を十分に補償可能な光増幅器を提供する。
【解決手段】 光増幅器(1)は、増幅用光ファイバ(13)、励起光供給手段(14)、及び利得等化器(18)を備える。当該光増幅器(1)に入力された光は、増幅用光ファイバ(13)内で増幅され、増幅された光が利得等化手段(18)を通過することにより増幅用光ファイバ(13)の利得スペクトルが等化されるととも該利得スペクトルの温度依存性が補償される。このとき励起光供給手段(14)から増幅用光ファイバ(13)に供給される励起光の波長は、温度依存性のある該増幅用光ファイバ(13)の利得変化スペクトルが滑らかになるように設定される。このため、増幅用光ファイバ(13)には、その利得スペクトルの温度依存性を補償するのに適した波長の励起光が供給され得る。
【選択図】 図１

Description

この発明は、複数チャネルが多重化された信号光を増幅する光増幅器に関するものである。

互いに波長の異なる複数チャネルが多重化された信号光を伝送する波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信システムは、伝送容量及び伝送距離の増大が求められている。そのため、このＷＤＭ通信システムに適用される光増幅器としてエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium−doped fiber amplifier）には、増幅帯域の広帯域化及び利得スペクトルの平坦化が益々要求される。加えて近年、経済的な観点からＥＤＦＡの消費電力の低減という要求も高まっている。

上記エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）の利得スペクトルは、温度変動に伴って変化することが知られている。このような利得スペクトルの温度依存性は、利得スペクトルの平坦化を困難にする要因となる。したがって、従来のＥＤＦＡは、ＥＤＦの利得スペクトルの温度依存性を抑えるため、温度制御により該ＥＤＦの温度を一定に保つよう構成されている。ところが、実際に温度制御が行われるとＥＤＦＡ全体の消費電力が大きくなるため、該ＥＤＦＡが適用されるＷＤＭ通信システム自体の経済性が低くなってしまうという課題があった。

そこで、温度制御を行うことなく、温度変動に起因したＥＤＦの利得スペクトル変化を抑制する技術が提案されている（特許文献１、非特許文献１〜３）。この技術は、温度変動に起因したＥＤＦの利得スペクトル変化を補償するため、温度変動に伴って損失スペクトルが変化する利得等化器をＥＤＦＡに設けるというものである。
特開平１０−３１９２５９号公報（米国特許第６，２４６，５１２号） Ｔ．Ｔｓｕｄａ ｅｔ ａｌ．，ＯＷＡ４，ＯＡＡ２０００ Ｙ．Ｉｓｈｉｉ ｅｔ ａｌ．，Ｍｏ．Ｂ．３．４，ＥＣＯＣ２００１ Ｙ．Ｉｓｈｉｉ ｅｔ ａｌ．，ＪＷ３，ＯＡＡ２００１ Ｋ．Ｗ．Ｂｅｎｎｅｔｔ ｅｔ ａｌ．，ＰＤ４，ＯＡＡ’９７

発明者らは、従来の光増幅器について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、上記ＥＤＦＡでは、励起光として１４８０ｎｍ帯又は９８０ｎｍ帯の光が利用される。温度制御を要しない９８０ｎｍ帯レーザ光源が開発されつつあることを考慮すると、９８０ｎｍ帯の励起光を利用した方が、ＥＤＦＡの消費電力を低減する上で有利であると考えられる。なお、９８０ｎｍ帯の励起光が利用される場合、ＰＭＩ（Pump mediated inhomogeneity）のため、励起光の中心波長が変化することによっても利得スペクトルに変化が生じる（例えば、非特許文献４参照）。このような９８０ｎｍ帯励起レーザの中心波長変化に起因したＥＤＦの利得スペクトルの変化は、例えば、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）を利用して中心波長を安定化することにより抑制することができる。

しかしながら、９８０ｎｍ帯励起レーザの中心波長が安定していても、安定化される中心波長ごとにＥＤＦの利得スペクトルの温度依存性が異なることは、これまで知られていなかった。それゆえ、従来は、ＥＤＦの利得スペクトルの温度依存性を十分に補償可能な利得等化器が設計されてこなかった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、低消費電力で動作可能であるとともに、かつ温度変化に起因した利得スペクトルの変化を十分に補償可能な光増幅器を提供することを目的としている。

発明者らは、鋭意研究の結果、光増幅器における利得スペクトルの温度依存性は励起光の中心波長によって異なること、及び利得スペクトルの温度依存性を補償し易い励起光の中心波長が存在することを見出し、この発明に到達した。すなわち、この発明に係る光増幅器は、上記問題を解決するため、増幅媒体、励起光供給手段、及び等化手段を備える。上記増幅媒体は、希土類元素が添加されるとともに、所定波長の励起光が供給されることにより内部を伝搬する光（信号光）が増幅される光導波領域を有する。上記励起光供給手段は、温度に依存する増幅媒体の利得変化スペクトルが滑らかになるよう設定された波長の励起光を、上記増幅媒体に供給する。そして、上記等化手段は、上記増幅媒体の利得スペクトルを等化するとともに、該増幅媒体の利得スペクトルの温度依存性を補償する。

なお、利得変化スペクトルとは、所定温度における上記増幅媒体の利得スペクトルから２５℃における上記増幅媒体の利得スペクトル（基準スペクトル）を減じた差を示すスペクトルを意味する。また、上記励起光供給手段は、出力される励起光の波長が予め設定された状態で設置されてもよく、また、当該光増幅器における光増幅の際に励起光の波長を調節可能な構造備えてもよい。

当該光増幅器に入力された光は、上記励起光供給手段から励起光が供給されることにより上記増幅媒体内で増幅される。このとき、励起光供給手段から増幅媒体に供給される励起光の波長は、上述のように定義された温度依存性のある増幅媒体の利得変化スペクトルが滑らかになるように設定される。これにより、利得スペクトルの温度依存性を十分に補償可能な光増幅器が実現される。また、当該光増幅器は、増幅媒体の温度制御を必要としないため、消費電力が低減され優れた経済性を実現する。

この発明に係る光増幅器において、上記励起光供給手段は、９６０ｎｍ以上かつ９９０ｎｍ以下の波長帯域内において、その中心波長が所定波長に固定された励起光を、上記増幅媒体に供給するのが好ましい。この場合、増幅媒体の利得スペクトルの温度依存性が励起光波長によって異なるため、この発明に係る光増幅器が特に有用となる。加えて、上記励起光供給手段は、９７４ｎｍ以上かつ９７７ｎｍ以下の波長帯域内において、その中心波長が所定波長に固定された励起光を、上記増幅媒体に供給するのがより好ましい。この場合、利得スペクトルの温度依存性が補償し易くなる。

なお、上記増幅媒体の増幅帯域は、１５４０ｎｍ以下の波長を含むのが好ましい。このような増幅帯域において、利得の温度依存性が励起光波長によって異なるため、この発明に係る光増幅器が特に有用となる。

上記等化手段は、温度依存性のある損失スペクトルを有する１又はそれ以上の長周期ファイバグレーティングを含むのが好ましい。なお、長周期グレーティングは、グレーティング波長のコアモード光をクラッドモードに結合するグレーティングである。例えば、上記等化手段が１つの長周期ファイバグレーティングを含む場合、簡易な構成で利得スペクトルの温度依存性が補償され得る。一方、上記等化手段が複数の長周期ファイバグレーティングを含む場合、これら複数の長周期ファイバグレーティングを適宜組み合わせることにより、複雑な損失スペクトル特性であっても実現可能になる。これにより、複雑な特性を有する利得スペクトルの場合であっても、利得スペクトルの温度依存性がより十分に補償され得る。

なお、上記長周期ファイバグレーティングは、長手方向に沿って屈折率変動の周期と位相とが一定であるのが好ましい。この場合、温度変動に起因した波長シフトにより、温度依存性のある損失スペクトルを有する長周期ファイバグレーティングが容易に実現され得る。

また、上記長周期ファイバグレーティングは、所定軸に沿って伸びたコアと、該コアの外周に設けられたクラッドとを備え、該コアにのみＧｅが添加された光ファイバに形成されるのが好ましい。この場合、温度変動に起因した波長シフトが大きい長周期ファイバグレーティングが容易に製造され得る。したがって、温度変動に起因した利得スペクトル変化が大きい場合であっても、利得スペクトルの温度依存性は容易かつ十分に補償され得る。

さらに、長周期ファイバグレーティングの損失スペクトルは、温度変動に起因した変化量が４０ｐｍ／℃以上であるのが好ましい。この場合、温度変動に起因した利得スペクトル変化が大きくなっても、該利得スペクトルの温度依存性が十分に補償され得る。

上記等化手段は、温度によらず一定の損失スペクトルをもつフィルタを含んでもよい。この場合、簡単な構成で利得スペクトルの等化が可能になる。また、このフィルタは、ファイバブラッググレーティングであるのが好ましく、複雑な損失スペクトル特性が実現可能になる。このため、一定温度における利得スペクトルが複雑な特性を呈している場合であっても、利得スペクトルが十分に等化され得る。なお、上記フィルタは、ファイバブラッググレーティングだけでなく、温度変動に起因した利得スペクトルの変化を十分に補償し得る他の光学要素、例えば誘電体多層膜も含む。ファイバブラッググレーティングは、グレーティング波長の光を進行方向と逆方向に反射する短周期グレーティングを意味する。

さらに、上記励起光供給手段は、励起光の中心波長を安定化する安定化手段を含んでもよい。この場合、上記増幅媒体に供給される励起光の中心波長が一定に保たれるため、該励起光の中心波長の変化に起因した利得スペクトルの変化が効果的に抑制され得る。

この発明によれば、利得スペクトルの温度依存性を十分に補償可能な光増幅器が得られる。また、当該光増幅器は、増幅媒体の温度制御を必要としないため、消費電力が低減され、結果的に優れた経済性が実現される。

以下、この発明に係る光増幅器の各実施形態を、図１〜図１０を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一部材には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１は、この発明に係る光増幅器の一実施形態の構成を示す図である。この図１に示された光増幅器１は、光入力端１１を介して入射された光を増幅し、増幅された光を光出力端１２を介して出力する光学デバイスである。光増幅器１は、増幅媒体としての増幅用光ファイバ１３、等化手段としての利得等化器１８、及び励起光供給手段１４を備える。

上記増幅用光ファイバ１３は、光入力端１１から光出力端１２へ至る光伝搬経路Ｐ１上に設けられており、該増幅用光ファイバ１３は、エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）を含む増幅媒体である。該ＥＤＦはその一端から入射された光が伝播する光導波領域を有し、該光導波領域内において増幅された光がＥＤＦの他端から出射される。この増幅用光ファイバ１３の増幅帯域は、Ｃ−ｂａｎｄ（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）の波長範囲を含む。

上記励起光供給手段１４は、光カプラ１５、励起光源１６、及び制御部１７により構成され、増幅用光ファイバ１３に所定波長の励起光を供給する。光伝搬経路Ｐ１上の増幅用光ファイバ１３より上流側（光入力端１１側）には、光カプラ１５が設けられている。光カプラ１５は、光入力端１１からの光を入力し、この光を増幅用光ファイバ１３へと出力する。また、光カプラ１５は、励起光伝搬経路Ｐ２の一端と接続されており、この経路Ｐ２から入力された励起光を増幅用光ファイバ１３へと出力する。

励起光伝搬経路Ｐ２上の他端には、励起光源１６が接続されている。励起光源１６は、増幅用光ファイバに供給するための励起光を出力する。励起光源１６としては、例えば９８０ｎｍ帯のレーザ光を出力する半導体レーザが適用可能である。

上記励起光源１６には、制御部１７が接続されている。制御部１７は、励起光源１６から出力された励起光のパワー及び中心波長を適宜変更及び設定する。制御部１７は、例えば励起光源１６としてファブリーペロー型共振器を含む場合、その共振器長を温度等により適宜変更及び設定することにより励起光源から出力される励起光の中心波長を所望の値に設定する。

このとき、制御部１７によって設定される励起光の中心波長は、増幅用光ファイバ１３の利得スペクトルの温度依存性と、増幅用光ファイバ１３に供給される励起光の中心波長との関係に基づいて決定される。すなわち、励起光の波長は、温度に依存する上記増幅用光ファイバ１３の利得変化スペクトルが滑らかになるよう設定される。なお、このように設定される励起光の波長は、制御部１７に予め記憶させておくか、又は適宜の入力手段により光増幅器１を使用する際に必要に応じて入力することができる。

また、光増幅器１は、利得等化器１８、光アイソレータ１９ａ、１９ｂを備える。利得等化器１８は、増幅用光ファイバ１３より下流側（光出力端１２側）の光伝搬経路Ｐ１上に設けられている。利得等化器１８は、増幅用光ファイバ１３の利得スペクトルを等化するとともに、増幅用光ファイバ１３の利得スペクトルの温度依存性を補償する。利得等化器１８は、例えば増幅用光ファイバ１３の利得スペクトルと同じような特性を呈する損失スペクトルを有する長周期グレーティング（ＬＰＧ）を含む。これにより、利得等化器１８は、一定温度における利得スペクトルを平坦化するとともに、ＬＰＧの温度による波長シフトを利用して利得スペクトルの温度依存性を補償する。

光伝搬経路Ｐ１上には、光入力端１１と光カプラ１５との間、及び増幅用光ファイバ１３と利得等化器１８との間にそれぞれ光アイソレータ１９ａ、１９ｂが設けられている。光アイソレータ１９ａ、１９ｂは、上流から下流へと伝搬する光を透過させる一方、下流から上流へと伝搬する光を遮断する。

上述のような構造を有する光増幅器１において、光入力端１１を介して入射された光（信号光）は、光アイソレータ１９ａ及び光カプラ１５を透過して増幅用光ファイバ１３に導かれる。一方、制御部１７により中心波長が設定され、励起光源１５から出射された励起光は、光カプラ１５を介して増幅用光ファイバ１３に供給される。すると、増幅用光ファイバ１３に入射された光は、励起光により励起されたエルビウムの誘導放出によって増幅される。増幅用光ファイバ１３から出射された増幅光は、光アイソレータ１９ｂを透過し、利得等化器１８に到達する。さらに、利得等化器１８に到達した増幅光は、増幅用光ファイバ１３における利得スペクトルが等化しかつその温度依存性を補償するよう、所定の損失スペクトルに従って損失を受けた後、光出力端１２へと出射される。

次に、図１に示された光増幅器１の効果について説明する。光増幅器１は、増幅用光ファイバ１３としてＥＤＦを備えるため、ＷＤＭ通信において好適に適用可能である。また、増幅用光ファイバ１３の増幅帯域は、１５４０ｎｍ以下の波長を含んでいる。この増幅帯域における利得スペクトルの温度依存性は、励起光の中心波長によって比較的大きく異なる。このため、利得スペクトルの温度依存性と励起光の中心波長との関係に基づいて励起光の中心波長を適宜設定する当該光増幅器１が特に有用である。

また、上記励起光供給手段１４から増幅用光ファイバ１３に供給される励起光の波長は、温度に依存する増幅用光ファイバ１３の利得変化スペクトルが滑らかになるように設定されている。これにより、増幅用光ファイバ１３に、その利得スペクトルの温度依存性を補償するのに適した波長を有する励起光が供給され得る。このため、利得スペクトルの温度依存性を十分に補償可能な光増幅器１が実現される。結果的に、当該光増幅器１は、増幅用光ファイバ１３の温度制御を行う必要がないため、消費電力が少なく優れた経済性が達成される。

なお、励起光の中心波長は、９６０ｎｍ以上かつ９９０ｎｍ以下の波長帯域内の所定波長に固定されるのが好ましい。この場合、増幅用光ファイバ１３の利得スペクトルの温度依存性が励起光の波長によって異なる。したがって、上記波長帯域内における励起光の波長が適宜設定されることにより、増幅用光ファイバ１３の利得スペクトルの温度依存性が補償し易くなる。このことから、光増幅器１が特に有用となる。さらに、励起光の中心波長は、９７４ｎｍ以上かつ９７７ｎｍ以下の波長帯域内の所定波長に固定されるのがより好ましい。この場合、補償が容易な利得スペクトルの温度依存性が実現され得る。このことから、当該光増幅器１は、利得スペクトルの温度依存性が十分に補償することができる。

当該光増幅器１は、利得等化器１８を備えるため、増幅用光ファイバ１３における利得スペクトルの温度依存性が補償され、かつ利得スペクトルが等化された増幅光を出力することができる。また、当該光増幅器１は、光アイソレータ１９ａを備えるため、増幅用光ファイバ１３、光カプラ１５、利得等化器１８、光出力端１２等で後方反射された光が光入力端１１に到達するのを防ぐことができる。同様に、当該光増幅器１は、光アイソレータ１９ａを備えるため、利得等化器１８又は光出力端１２等で後方反射された光が増幅用光ファイバに入射するのを防ぐことができる。

図２は、図１に示された光増幅器１に含まれる利得等化器１８の一構成例を示す図である。この図２に示された利得等化器１８ａは、ＬＰＧ２１ａ、２１ｂ、及びファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）２２が直列に接続された構造を有する。

ＬＰＧ２１ａ、２１ｂそれぞれは、光導波領域に含まれるコアと、該コアの外周に設けられたクラッドとを備え、該コアにのみＧｅが添加された光ファイバがホストファイバとして適用されている。また、この光ファイバは、長手方向に沿って屈折率変動の周期及び位相が一定である。これらＬＰＧ２１ａ、２１ｂは、温度変化により損失スペクトルが波長シフトを生じることに起因して、損失スペクトルが温度依存性をもつ。また、ＬＰＧ２１ａ、２１ｂそれぞれは、損失スペクトル特性及び損失スペクトルの温度依存性が相異なるように設計されている。なお、図２に示された構成例では、ＬＰＧ２１ａ、２１ｂ全体の損失スペクトルの温度依存性が増幅用光ファイバ１３の利得スペクトルの温度依存性とできる限り類似するよう、ＬＰＧ２１ａ、２１ｂそれぞれの屈折率変動の周期や、それぞれの長さ等が適当に調整されている。

一方、ＦＢＧ２２は、温度によらず一定の損失スペクトルを有する。このＦＢＧ２２は、ＬＰＧ２１ａ、２１ｂと併せた利得等化器１８ａ全体の損失スペクトルが増幅用光ファイバ１３の利得スペクトルとできる限り類似するように設計されている。

図２に示された構成によれば、利得等化器１８ａに含まれるＬＰＧ２１ａ、２１ｂが、増幅用光ファイバ１３の利得スペクトルの温度依存性を補償している。このため、簡単な構成で利得スペクトルの温度依存性が補償され得る。また、ＬＰＧ２１ａ、２１ｂといった受動光素子を利用して温度補償が行われるため、利得等化器１８ａにおける電力の消費はなく、したがって、この利得等化器１８ａが記光増幅器１の消費電力の低減に寄与している。

さらに、図２に示された利得等化器１８ａは、２つのＬＰＧ２１ａ、２１ｂの損失スペクトル特性を組み合わせて、増幅用光ファイバ１３の利得スペクトルの温度依存性を補償するよう構成されている。これにより、複雑な損失スペクトル特性の実現が可能であり、補償すべき利得スペクトルが複雑な特性を呈する場合であっても、その利得スペクトルの温度依存性が十分に補償され得る。ただし、ＬＰＧは１つであっても３つ以上設けられてもよい。ＬＰＧが３つ以上設けられた場合、より複雑な損失スペクトル特性の実現が可能である。

２つのＬＰＧ２１ａ、２１ｂは、相異なる損失スペクトル特性、及び損失スペクトルの温度依存性を有している。このため、全く同じ特性をもつ２つのＬＰＧを組み合わせる場合に比較して、より複雑な損失スペクトル特性の実現が可能になる。ただし、２つのＬＰＧ２１ａ、２１ｂは、同じ特性をもつように設計してもよい。

ＬＰＧ２１ａ、２１ｂには、ホストファイバとして、コアにのみＧｅが添加された光ファイバが適用されている。これにより、温度による損失スペクトルの波長シフトが大きなＬＰＧの実現が可能になる。大きな波長シフトが得られれば、損失スペクトルを温度によって敏感に変化させることができるため、温度変化による利得スペクトルの変化が大きい場合であっても、利得スペクトルの温度依存性が十分に補償され得る。なお、ＬＰＧは、温度による損失スペクトルの変化量が４０ｐｍ／℃以上となるように設計されるのが好ましい。

利得等化器１８ａに含まれるＦＢＧ２２は、２つのＬＰＧ２１ａ、２１ｂとともに、増幅用光ファイバ１３の利得スペクトルを等化している。このため、簡単な構成の利得等化器１８ａにより利得スペクトルが好適に等化され得る。ＦＢＧ２２の他、誘電体多層膜も適用可能であるが、特に、このＦＢＧ２２は他のフィルタ（光学部品）と比較して損失スペクトルの制御を細かく行うことができるため、一定温度における利得スペクトルが複雑な特性を呈する場合であっても、利得スペクトルが十分に等化され得る。

図３は、図１に示された励起光供給手段１４の変形例を示す図である。励起光供給手段１４ａは、経路Ｐ２の両端にそれぞれ光カプラ１５及び励起光源１６が接続され、励起光源１６に制御部１７が接続されている点において図１に示された励起光供給手段１４と同様であるが、光カプラ１５と励起光源１６との間の経路Ｐ２上にＦＢＧ３１が設けられている点で相違する。また、ＦＢＧ３１には、制御部１７が接続されている。

ＦＢＧ３１は、制御部１７によって設定された励起光の中心波長を安定化するための波長安定化手段である。具体的にＦＢＧ３１は、制御部１７が設定する中心波長に応じて、その中心波長を中心とした極狭幅の反射スペクトル特性を有する。これにより、ＦＢＧ３１は、励起光源１６から出力された励起光のスペクトル幅を所望の中心波長の極近傍に狭小化するとともに、増幅用光ファイバ１３に供給される励起光の波長変動を抑えて安定化させる。

このとき、制御部１７は、所望の中心波長に応じて、例えば張力を与えてＦＢＧ３１の格子間隔を調整することによって、その反射スペクトル特性を変化させる。ただし、このようにＦＢＧ３１の反射スペクトル特性を可変とすることは必須ではなく、波長安定化手段として反射スペクトルの中心波長が予め所望に固定されたＦＢＧ３１が適用されてもよい。この場合、ＦＢＧ３１と制御部１７との接続は不要である。

図３に示された構成によれば、ＦＢＧ３１が励起光源１６から出力される励起光の中心波長を安定化させるため、増幅用光ファイバ１３に供給される励起光の中心波長が一定に保持される。これにより、励起光の中心波長変化による利得スペクトルの変化が効果的に抑制される。結果的に、利得スペクトルの温度依存性の補償、及び利得スペクトルの平坦化がより効果的に可能になる。

図４は、増幅用光ファイバ１３の利得スペクトルと励起光の中心波長との関係を調べるための実験系の構成を示す図である。この図４に示された実験系において、光増幅器２の光入力端１１側には自然放出光光源（ＡＳＥ光源）４１が可変光減衰器（ＶＯＡ）４２を介して接続される一方、光出力端１２側には光スペクトルアナライザ（ＯＳＡ）４３が接続されている。

光増幅器２は、利得等化器１８が設けられていない点以外は、図１に示された光増幅器１と同様の構成を有する。すなわち、光増幅器２には、光入力端１１から光出力端１２に至る光伝搬経路Ｐ１上に、光アイソレータ１９ａ、光カプラ１５、増幅用光ファイバ１３、及び光アイソレータ１９ｂが順に設けられている。また、一端が光カプラ１５に接続された励起光伝搬経路Ｐ２の他端に、励起光源１６が接続され、励起光源１６に制御部１７が接続されている。

実験の手順は次の通りである。まず、増幅されるべき光として１５２５〜１５７０ｎｍの波長帯域の光をＡＳＥ光源４１から光増幅器２に入射させた。このとき、ＶＯＡ４２によって、光増幅器２に入射される光の強度は適宜調整される。また、増幅用光ファイバ１３には励起光源１６から励起光が供給される。励起光の中心波長は、制御部１７によって９６０ｎｍ以上かつ９９０ｎｍ以下の波長帯域内において種々の値に設定されており、各励起光波長の場合について、ＯＳＡ４３によって利得スペクトルの温度依存性が測定される。なお、この実験は、増幅用光ファイバ１３の温度を適宜制御すべく、該増幅用光ファイバ１３が温度調整可能な恒温槽４４に入れた状態で行われる。

図５（ａ）は、中心波長９７３．３ｎｍの励起光が供給された際の利得スペクトルの温度依存性を測定した結果を示すグラフであり、図５（ｂ）は、中心波長９７５．７ｎｍの励起光が供給された際の利得スペクトルの温度依存性を測定した結果を示すグラフであり、そして、図５（ｃ）は、中心波長９８０．２ｎｍの励起光が供給された際の利得スペクトルの温度依存性を測定した結果を示すグラフである。なお、図５（ａ）〜（ｃ）それぞれの縦軸は利得変化（ｄＢ）を表し、横軸は被増幅光の波長（ｎｍ）を表す。ここで、利得変化の値は、増幅用光ファイバ１３の温度が２５℃のときの利得を基準とする相対値である。すなわち、図５（ａ）のグラフａ１〜ａ６、図５（ｂ）のグラフｂ１〜ｂ６、及び図５（ｃ）のグラフｃ１〜ｃ６は、各測定温度における利得スペクトルから２５℃で測定された利得スペクトルを減じた差に相当するスペクトルを示す。この明細書において、これらグラフａ１〜ａ６、ｂ１〜ｂ６、及びｃ１〜ｃ６が、温度に依存する増幅用光ファイバ１３の利得変化スペクトルを意味する。

なお、グラフａ１、ｂ１、ｃ１は、それぞれ増幅用光ファイバ１３の温度（恒温槽４４の温度）を−１０℃に設定した状態で測定された利得変化スペクトルである。グラフａ２、ｂ２、ｃ２は、それぞれ増幅用光ファイバ１３の温度（恒温槽４４の温度）を０℃に設定した状態で測定された利得変化スペクトルである。グラフａ３、ｂ３、ｃ３は、それぞれ増幅用光ファイバ１３の温度（恒温槽４４の温度）を１０℃に設定した状態で測定された利得変化スペクトルである。グラフａ４、ｂ４、ｃ４は、それぞれ増幅用光ファイバ１３の温度（恒温槽４４の温度）を４５℃に設定した状態で測定された利得変化スペクトルである。グラフａ５、ｂ５、ｃ５は、それぞれ増幅用光ファイバ１３の温度（恒温槽４４の温度）を６５℃に設定した状態で測定された利得変化スペクトルである。そして、グラフａ６、ｂ６、ｃ６は、それぞれ増幅用光ファイバ１３の温度（恒温槽４４の温度）を８５℃に設定した状態で測定された利得変化スペクトルである。

図５（ａ）〜（ｃ）に示された結果から、９８０ｎｍ帯の励起用レーザの中心波長によって、利得変化スペクトルの温度依存性が異なることが確認された。特に、１５４０ｎｍより短波長側では、利得変化スペクトルの励起光波長依存性が顕著に異なることが判明した。なお、この実験において増幅用光ファイバ１３の平均利得は、２３．５ｄＢである。

図６（ａ）は、増幅用光ファイバ１３の温度（恒温槽４４の温度）を２５℃から０℃まで変化させたときの利得変化スペクトルを示すグラフである。また、図６（ｂ）は、増幅用光ファイバ１３の温度（恒温槽４４の温度）を２５℃から６５℃まで変化させたときの利得変化スペクトルを示すグラフである。なお、図６（ａ）及び（ｂ）の縦軸に示された利得変化の値は、２５℃のときの利得に対する変化量を表している。また、グラフｄ１、ｅ１は、励起光の中心波長を９７３．３ｎｍとして測定された利得変化スペクトルを示す。グラフｄ２、ｅ２は、励起光の中心波長を９７５．７ｎｍとして測定された利得変化スペクトルを示す。グラフｄ３、ｅ３は、励起光の中心波長を９７８．４ｎｍとして測定された利得変化スペクトルを示す。グラフｄ４、ｅ４は、励起光の中心波長を９８０．２ｎｍとして測定された利得変化スペクトルを示す。グラフｄ５、ｅ５は、励起光の中心波長を９８２．０ｎｍとして測定された利得変化スペクトルを示す。そして、グラフｄ６、ｅ６は、励起光の中心波長を９８４．０ｎｍとして測定された利得変化スペクトルを示す。

図６（ａ）及び（ｂ）に示された結果から、励起光の中心波長が９７３．３ｎｍ及び９７５．７ｎｍの場合、１５４０ｎｍより短波長側の波長領域において、波長が短くなるにつれて利得変化が比較的単調に増加するかあるいは減少する一方、他の中心波長の場合は、利得変化スペクトルが複雑な様相を呈することが判明した。

ところで、利得スペクトルの温度依存性を補償するための構成として、ＬＰＧが適していることは上述したとおりである。一般に、ＬＰＧの損失変化スペクトル（測定温度における損失スペクトルから基準温度における損失スペクトルを減じた差に相当するスペクトル）は、波長に対して単調に増加するかあるいは減少する（例えば、非特許文献１の図２、非特許文献２の図２参照）。したがって、波長変化に伴う利得変化が比較的単調になる９７３．３ｎｍ及び９７５．７ｎｍに励起光の中心波長が設定された方が、他の波長に励起光の中心波長が設定される場合よりも利得変化スペクトルの温度補償がし易いといえる。

さらに、励起光の中心波長が９７３．３ｎｍに設定された場合と励起光の中心波長が９７５．７ｎｍに設定された場合とを比較すると、図５及び図６に示されたように、後者の方が前者よりも温度変動に起因した利得の変動量が小さい。温度変動に起因した利得の変動量が大きければ大きいほど、温度変化による損失スペクトル変化がより大きなＬＰＧを用意しなければならない。したがって、１５４０ｎｍよりも短波長側の領域において、温度変動に起因した利得変化がより小さくなるよう励起光の中心波長が９７５．５ｎｍに設定された方が、ピーク損失の小さいＬＰＧが適用されても利得スペクトルの温度補償が十分行えるため、より温度補償し易い利得スペクトルが実現可能になる。また、ピーク損失が小さいほど、例えば製造時のＵＶ照射時間を短くすることができるなど、ＬＰＧの製造性が向上するという利点がある。

以上のように、発明者らは、光増幅器における利得スペクトルの温度依存性を補償するには、利得スペクトルの温度依存性と励起光の中心波長との関係に基づいて、その中心波長を設定することが望ましいという知見を得るに至った。また、発明者らは、励起光の中心波長が９７４ｎｍ以上かつ９７７ｎｍ以下の波長帯域内の所定波長に固定されるよう設定されると非常に好ましいことを見出した。

そこで、励起光の中心波長が９７５．７ｎｍに設定された場合について、発明者らは、実際に利得スペクトルの温度依存性を補償する実験を行った。図７は、このとき用意された実験系の構成を示す図である。この図７に示された実験系において、光増幅器３の光入力端１１側にはＡＳＥ光源４１がＶＯＡ４２を介して接続され、光出力端１２側にはＯＳＡ４３ａが接続されている。

光増幅器３は、２つの光カプラ１５ａ、１５ｂが設けられている点以外は、図１に示された光増幅器１と同様の構成を有する。すなわち、光増幅器３には、光入力端１１から光出力端１２に至る光伝搬経路Ｐ１上に、光アイソレータ１９ａ、光カプラ１５ａ、増幅用光ファイバ１３、光カプラ１５ｂ、光アイソレータ１９ｂ、及び利得等化器１８ｂが順に設けられている。また、一端が光カプラ１５ａに接続された励起光伝搬経路Ｐ２の他端に、励起光源１６が接続され、励起光源１６に制御部１７が接続されている。ここで、光カプラ１５ｂは、光増幅器３とは別に設けたＯＳＡ４３ｂと接続されている。光カプラ１５ｂは増幅用光ファイバ１３から出射された光の一部をＯＳＡ４３ｂへ出力し、ＯＳＡ４３ｂは増幅用光ファイバ１３の利得スペクトルを測定する。

また、利得等化器１８ｂは、図２に示された利得等化器１８ａと同様に、２つのＬＰＧと１つのＦＢＧが直列に接続された構造を有する。ＬＰＧは、コアにのみＧｅが添加されたホストファイバから作製され、その長手方向に沿った屈折率変動の周期及び位相は一定である。一方のＦＢＧは、温度変動に起因して損失スペクトルが変化しないように作製される。利得等化器１８ｂを好適に作製するため、励起光の中心波長が９７５．７ｎｍに設定された場合における増幅用光ファイバ１３の利得スペクトル及び利得変化スペクトルが参照された。

図８（ａ）は、このとき参考にした利得スペクトル（励起光の中心波長が９７５．７ｎｍに設定された場合における増幅用光ファイバの利得スペクトル）を示す。また、図８（ｂ）は、励起光の中心波長が９７５．７ｎｍに設定された場合における増幅用光ファイバの利得変化スペクトルの温度依存性を示すグラフである。これらスペクトルは、図４に示された実験系において測定されたスペクトルである。なお、図８（ａ）の縦軸は利得（ｄＢ）を表し、横軸は増幅されるべき光の波長（ｎｍ）を表す。また、図８（ｂ）の縦軸は利得変化（ｄＢ）を表し、横軸は被増幅光の波長（ｎｍ）を表す。

グラフｆ１は、増幅用光ファイバの温度（恒温槽４４の温度）を０℃として測定された利得スペクトルを示す。グラフｆ２は、増幅用光ファイバの温度（恒温槽４４の温度）を１０℃として測定された利得スペクトルを示す。グラフｆ３は、増幅用光ファイバの温度（恒温槽４４の温度）を２５℃として測定された利得スペクトルを示す。グラフｆ４は、増幅用光ファイバの温度（恒温槽４４の温度）を４５℃として測定された利得スペクトルを示す。そして、グラフｆ５は、増幅用光ファイバの温度（恒温槽４４の温度）を６５℃として測定された利得スペクトルを示す。

一方、グラフｇ１は、増幅用光ファイバの温度（恒温槽４４の温度）を０℃として測定された利得変化スペクトルを示す。グラフｇ２は、増幅用光ファイバの温度（恒温槽４４の温度）を１０℃として測定された利得変化スペクトルを示す。グラフｇ３は、増幅用光ファイバの温度（恒温槽４４の温度）を２５℃として測定された利得変化スペクトルを示す。グラフｇ４は、増幅用光ファイバの温度（恒温槽４４の温度）を４５℃として測定された利得変化スペクトルを示す。そして、グラフｇ５は、増幅用光ファイバの温度（恒温槽４４の温度）を６５℃として測定された利得変化スペクトルを示す。

さらに、図９（ａ）は、図８（ａ）を参考にして実際に作製された利得等化器１８ｂの損失スペクトルであり、図９（ｂ）は、図８（ｂ）を参考にして作製された利得等化器１８ｂの損失変化スペクトルの温度依存性を示すグラフである。図９（ａ）の縦軸は損失（ｄＢ）を表し、横軸は増幅されるべき光の波長（ｎｍ）を表す。また、図９（ｂ）の縦軸は損失変化（ｄＢ）を表し、横軸は増幅されるべき光の波長（ｎｍ）を表す。

なお、図９（ａ）中のグラフｈ１〜ｈ５は、図８（ａ）の測定条件と同じ条件で測定された損失スペクトルを示し、図９（ｂ）中のグラフｉ１〜ｉ５は、図８（ｂ）の測定条件と同じ条件で測定された損失変化スペクトル（基準温度２５℃）を示している。また、損失スペクトルの温度による波長シフトは、約５０ｐｍ／℃と比較的大きな値である。

上記利得等化器１８ｂを備えた光増幅器３に対してＡＳＥ光源４１から増幅されるべき光が入射され、光増幅器３の出力がＯＳＡ４３ａによって測定される（図７参照）。なお、この測定は、増幅用光ファイバ１３及び利得等化器１８ｂの温度を適宜制御すべく、これら増幅用光ファイバ１３及び利得等化器１８ｂを温度調整が可能な恒温槽４５に入れた状態で行われる。

図１０（ａ）は、このとき測定された光増幅器３全体の利得スペクトルであり、図１０（ｂ）は、該光増幅器３全体の利得変化スペクトルの温度依存性を示すグラフである。図１０（ａ）の縦軸及び横軸は図８（ａ）と同様であり、図１０（ｂ）の縦軸及び横軸は図８（ｂ）と同様である。

なお、図１０（ａ）中のグラフｊ１〜ｊ５は、図８（ａ）の測定条件と同じ条件で測定された損失スペクトルを示し、図１０（ｂ）中のグラフｋ１〜ｋ５は、図８（ｂ）の測定条件と同じ条件で測定された損失変化スペクトル（基準温度２５℃）を示している。これらの結果から、利得の温度変動が劇的に低減され、利得スペクトルの温度依存性が好適に補償されたことが確認された。

この発明に係る光増幅器は、互いに異なる波長の複数チャネルが多重化された信号光を伝送するシステムであって、大容量伝送及び長距離伝送に適したＷＤＭ通信システムに適用可能である。

この発明に係る光増幅器の一実施形態の構成を示す図である。 図１に示された光増幅器に含まれる利得等化器１８の一構成例を示す図である。 図１に示された励起光供給手段の変形例を示す図である。 増幅用光ファイバの利得スペクトルと励起光波長との関係を調べるための実験系の構成を示す図である。 それぞれ励起光の中心波長が９７３．３ｎｍ、９７５．７ｎｍ、及び９８０．２ｎｍの場合における増幅用光ファイバの利得スペクトルの温度依存性を測定した結果を示すグラフである。 増幅用光ファイバの温度を２５℃から０℃まで、及び２５℃から６５℃までそれぞれ変化させたときの該増幅用光ファイバの利得変化スペクトルである。 励起光の中心波長を９７５．７ｎｍに設定した場合について、実際に増幅用光ファイバの利得スペクトルの温度依存性を補償する実験に用いた実験系の構成を示す図である。 励起光の中心波長が９７５．７ｎｍに設定された場合における増幅用光ファイバの利得スペクトル及び利得変化スペクトルの温度依存性を示すグラフである。 図８を参考にして実際に作製された利得等化器の損失スペクトル及び損失変化スペクトルの温度依存性を示すグラフである。 利得等化器を有する光増幅器全体の利得スペクトル及び利得変化スペクトルの温度依存性を示すグラフである。

符号の説明

１、２、３…光増幅器
１１…光入力端
１２…光出力端
１３…増幅用光ファイバ
１４、１４ａ…励起光供給手段
１５、１５ａ、１５ｂ…光カプラ
１６…励起光源
１７…制御部
１８、１８ａ、１８ｂ…利得等化器
１９ａ、１９ｂ…光アイソレータ
２１ａ、２１ｂ…長周期ファイバグレーティング（ＬＰＧ）
２２、３１…ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）
４１…自然放出光光源（ＡＳＥ光源）
４２…光可変減衰器（ＶＯＡ）
４３、４３ａ、４３ｂ…光スペクトルアナライザ（ＯＳＡ）
４４、４５…恒温槽。

Claims (12)

1. 希土類元素が添加されるとともに、所定波長の励起光が供給されることにより内部を伝搬する光が増幅される光導波領域を有する増幅媒体と、
   温度に依存する前記増幅媒体の利得変化スペクトルが滑らかになるよう設定された波長の励起光を、前記増幅媒体に供給可能な励起光供給手段と、
   前記増幅媒体の利得スペクトルを等化するとともに、前記増幅媒体の利得スペクトルの温度依存性を補償する等化手段とを備えた光増幅器。
2. 前記励起光供給手段は、９６０ｎｍ以上かつ９９０ｎｍ以下の波長帯域内において、その中心波長が所定波長に固定された励起光を、前記増幅媒体に供給することを特徴とする請求項１記載の光増幅器。
3. 前記励起光供給手段は、９７４ｎｍ以上かつ９７７ｎｍ以下の波長帯域内において、その中心波長が所定波長に固定された励起光を、前記増幅媒体に供給することを特徴とする請求項２記載の光増幅器。
4. 前記増幅媒体における増幅帯域は、１５４０ｎｍ以下の波長を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光増幅器。
5. 前記等化手段は、温度依存性のある損失スペクトルを有する長周期ファイバグレーティングを含むことを特徴とする請求項１記載の光増幅器。
6. 前記等化手段は、それぞれが温度依存性のある損失スペクトルを有する複数の長周期ファイバグレーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
7. 前記長周期ファイバグレーティングは、長手方向に沿った屈折率変動の周期と位相とが一定であることを特徴とする請求項５又は６記載の光増幅器。
8. 前記長周期ファイバグレーティングは、所定軸に沿って伸びかつＧｅが添加されたコアと、該コアの外周に設けられかつＧｅを含まないクラッドとを備えた光ファイバに形成されたことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項記載の光増幅器。
9. 前記長周期ファイバグレーティングの損失スペクトルは、温度変動に対するその変化量が４０ｐｍ／℃以上であることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項記載の光増幅器。
10. 前記等化手段は、温度によらず一定の損失スペクトルを有するフィルタを含むことを特徴とする請求項１及び５〜９のいずれか一項記載の光増幅器。
11. 前記フィルタは、ファイバブラッググレーティング及び誘電体多層膜の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１０記載の光増幅器。
12. 前記励起光供給手段は、前記励起光の中心波長を安定化する安定化手段を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載の光増幅器。

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