JP2007288124A - 光ファイバ増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】短波長信号光波長における雑音指数が高い欠点を解決する。
【解決手段】利得媒質としての第一、第二のＥＤＦと、この第一、第二のＥＤＦをそれぞれ励起する第一、第二の励起光を出力する第一、第二の励起光源と、１．５７μｍ〜１．６２μｍの波長域に少なくとも１波長を有する入射信号光と前記第一の励起光とを合波し、前記第一のＥＤＦの信号光入射側に設置された第一の合波器と、前記第二のＥＤＦを出射した信号光と前記第二の励起光とを合波し、前記第二のＥＤＦの信号光出射側に設置された第二の合波器と、前記第一のＥＤＦの信号光出射側に信号光入力ポートが接続され、前記第二のＥＤＦの信号光入射側に信号光出力ポートが接続されたアイソレータとを有し、例えば、第一、第二のＥＤＦがＰ−ＥＤＦであり、第一のＥＤＦの１．５５μｍにおける吸収損失が３０ｄＢ〜１０５ｄＢであるＥＤＦＡを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ通信システムにおいて、線形中継器、後置増幅器、および前置増幅器として信号光を光増幅する光ファイバ増幅器に関する。

光ファイバ通信システムで用いられる従来技術のエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を構成するゲインブロック（または利得ブロック、略してＧＢ）の構成を図９に示す。本ＥＤＦＡは、リン共添加エルビウム添加ファイバ（Ｐ−ＥＤＦ）を利得媒質として用い、信号光波長は拡張Ｌ帯と呼ばれる波長域（特許文献１参照）である。この例の場合は、１．５７μｍ〜１．６２μｍである。

また、このリン共添加エルビウム添加ファイバ増幅器（Ｐ−ＥＤＦＡ）は拡張Ｌ帯ＥＤＦＡの一種であり、拡張Ｌ帯ＥＤＦＡには他にテルライトＥＤＦＡやビスマスＥＤＦＡがある。この拡張Ｌ帯ＥＤＦＡに対し、通常のＥＤＦＡはアルミニウムやゲルマニウムを添加したＥＤＦＡであり、信号光波長域はおおよそ、１．５７μｍ〜１．６０μｍである。すなわち、前記拡張Ｌ帯ＥＤＦＡは前記通常のＥＤＦＡに比べ、信号光波長域が長波長側に拡張されている。

前記拡張Ｌ帯ＥＤＦＡおよび前記通常のＥＤＦＡは共にシリカＥＤＦＡである。Ｐ−ＥＤＦの長さは、エルビウム添加濃度や、Ｐ−ＥＤＦのファイバ構造に依存するが、その典型値は４０〜８０ｍであり、この長さに対応して、信号光帯域内での平均利得は１０〜２０ｄＢとなる。ただし、前記平均利得はＰ−ＥＤＦの長さに比例する。また、このときＰ−ＥＤＦは、その利得スペクトルの信号光波長域内で平坦性が最小になるように、すなわち、利得平坦スペクトルが得られるように励起されているものとする。

前記ＧＢは、図９に示すように、Ｐ−ＥＤＦ１の両側にアイソレータ２および３を有し、また、２つの励起光源６および７および合波器４および５を用いて双方向励起されている。２つの励起光源６および７のうち、前段の励起光源６（励起光源Ｆ）は、信号光と同方向から励起する励起光を発し、一方、後段の励起光源７（励起光源Ｂ）は、信号光と逆方向から励起する励起光を発する。

上記ＧＢ構成は、Ｐ−ＥＤＦＡのみならず、他の前記拡張Ｌ帯ＥＤＦＡおよび前記通常のＥＤＦＡにおいても用いられている。

特開平１１−３１７５６０号公報

上記従来技術のＰ−ＥＤＦＡのＧＢの雑音指数スペクトルを図２に示す。横軸に波長（ｎｍ）をとり、縦軸に雑音指数（ｄＢ）をとる。その雑音指数スペクトルは、信号光波長域が１５７３〜１６２０ｎｍの場合のものである。雑音指数としては、短波長域の雑音指数がシステムの主な性能指数となる。図２の場合は、例えば短波域端の波長１５７３ｎｍにおける雑音指数は約６．４ｄＢである。これは、前記通常のＥＤＦＡに比べ、約１．５ｄＢほど高く、悪い値である（例えば特許文献１参照）。

本発明は、このような背景の下に行われたものであって、短波長信号光波長における雑音指数が高いという欠点を解決することができる光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。

本発明の光ファイバ増幅器は、利得媒質としての第一および第二のＥＤＦと、この第一および第二のＥＤＦをそれぞれ励起する第一および第二の励起光を出力する第一および第二の励起光源と、１．５７μｍないし１．６２μｍの波長域に少なくとも１波長を有する入射信号光と前記第一の励起光とを合波し、前記第一のＥＤＦの信号光入射側に設置された第一の合波器と、前記第二のＥＤＦを出射した信号光と前記第二の励起光とを合波し、前記第二のＥＤＦの信号光出射側に設置された第二の合波器と、前記第一のＥＤＦの信号光出射側に信号光入力ポートが接続され、前記第二のＥＤＦの信号光入射側に信号光出力ポートが接続されたアイソレータとを有することを特徴とする。

これにより、前記第二のＥＤＦで発生した自然放出雑音（ＡＳＥ）が前記第一のＥＤＦに入ることを、前記アイソレータにより阻止することができるため、短波長信号光波長における雑音指数を低く抑えることができる。

例えば、前記第一および第二のＥＤＦがＰ−ＥＤＦであり、前記第一のＥＤＦ （例えばＰ−ＥＤＦ）の１．５５μｍにおける吸収損失が３０ｄＢ〜１０５ｄＢである。また、例えば、前記第一の励起光の波長が１４４５〜１４６５ｎｍであり、前記第二の励起光の波長が１４５５ｎｍ〜１４７５ｎｍである。

本発明によれば、従来技術で問題であった、短波長信号光波長における雑音指数が高いという欠点を解決することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

（第一実施例）
第一実施例におけるゲインブロックＧＢ構成を図１に示した。図９の従来技術の構成とは以下の点が主に異なる。本実施例では利得媒質であるＰ−ＥＤＦを２分割し、それらを前段のＰ−ＥＤＦ１０および後段のＰ−ＥＤＦ１１とする。Ｐ−ＥＤＦ１０とＰ−ＥＤＦ１１の間にはアイソレータ１３を設置する。このアイソレータ１３は、信号光を低損失で透過すると共に、Ｐ−ＥＤＦ１０で吸収された後に一部透過した励起光も低損失で透過する。それら信号光および励起光に対するアイソレータ１３の透過損失の典型値は、それぞれ０．７ｄＢおよび１．０ｄＢである。ただし、励起光波長は１．４８μｍである。Ｐ−ＥＤＦ１０およびＰ−ＥＤＦ１１の長さは、それぞれ１０ｍおよび３０〜７０ｍとする。すなわち、Ｐ−ＥＤＦのトータル長は従来技術と同じ長さの４０〜８０ｍとした。したがって、Ｐ−ＥＤＦが示す平坦利得は、従来技術と本実施例では同じ値（前述のように１０〜２０ｄＢ）を示す。

本実施例によれば、前記短波長域における雑音指数が低減することがわかった。これは、Ｐ−ＥＤＦ１１中で発生した、信号光と逆方向に伝播する増幅された自然放出光（逆方向ＡＳＥ光）が、アイソレータ１３によりブロックされＰ−ＥＤＦ１０に入り込めないためである。一方、アイソレータ１３がない従来技術においては、Ｐ−ＥＤＦ１１相当部分中で発生した逆方向ＡＳＥ光が、そのままＰ−ＥＤＦ１０相当部分に入射し、Ｐ−ＥＤＦ１０相当部分のレーザ反転分布を低下させるため、ＧＢの雑音指数が低下していた。

本実施例および従来技術における雑音指数スペクトルを図２に示す。横軸に利得（ｄＢ）をとり、縦軸に雑音指数（ｄＢ）をとる。図２に示した実験結果を得た実験においては、Ｐ−ＥＤＦ１０およびＰ−ＥＤＦ１１の長さは、それぞれ１３ｍおよび３５ｍであった。これは、上記典型値とは異なるが、下記に示すように、本実施例の本質的な動作および効果の違いはない。一方、従来技術におけるＰ−ＥＤＦ１の長さは４８ｍであった。したがって、本実施例と従来技術においてＰ−ＥＤＦのトータル長は同じである。また、本実施例と従来技術とでは、１５７３ｎｍにおける利得を同じ値とした。図２より、本実施例では、１５７３ｎｍにおける雑音指数が約５．４ｄＢであり、前記従来技術における雑音指数である約６．４ｄＢより、１ｄＢ低い値が達成されている。

上記動作および効果は、エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）が、Ｐ−ＥＤＦ以外の前記拡張Ｌ帯ＥＤＦＡおよび前記通常のＥＤＦＡの場合においても、程度の違いはあるが、あてはまるものである。

図２は１５７３ｎｍにおける利得が１６．７ｄＢの場合であるが、図３は本実施例および従来技術における雑音指数の利得依存性を示している。横軸に利得（ｄＢ）をとり、縦軸に雑音指数（ｄＢ）をとる。本実施例は従来技術に比べ、利得が約５〜１６ｄＢの範囲で低い雑音指数を示すことがわかった。

図４は、雑音指数のＰ−ＥＤＦ１０の長さ依存性を示している。横軸にＥＤＦ長（ｍ）をとり、縦軸に雑音指数（ｄＢ）をとる。図４より、最適なＰ−ＥＤＦ１０の長さは約１２ｍで、雑音指数は５．５ｄＢであることがわかった。また、低い雑音指数が得られるＰ−ＥＤＦ１０の長さの目安としては、Ｐ−ＥＤＦ１０の長さが６〜２１ｍのとき、最適値５．５ｄＢからの劣化量が０．３ｄＢと小さいことから、６〜２１ｍとすればよいことがわかった。ただし、このとき、Ｐ−ＥＤＦ１０とＰ−ＥＤＦ１１との間に設置したアイソレータ１３の信号光に対する損失は１ｄＢであった。Ｐ−ＥＤＦ１０の長さがゼロのときには、雑音指数はアイソレータ１３の損失分劣化する。また、Ｐ−ＥＤＦ１０の長さが十分長く、例えば３０ｍ以上となると、本実施例の構成は、従来技術の構成に類似したものとなり、雑音指数が従来技術における値である６．５ｄＢに漸近する。

「背景技術」のところで述べたように、Ｐ−ＥＤＦの長さは、エルビウム添加濃度や、Ｐ−ＥＤＦのファイバ構造に依存するため、本実施例のＰ−ＥＤＦに対する条件を規定するには、前記エルビウム添加濃度（ｃ）とＰ−ＥＤＦファイバ構造で決まる１．５５μｍにおけるＰ−ＥＤＦの吸収損失（ａ）を用いることが有効である。より詳しくは、Ｐ−ＥＤＦにおける励起状態のエルビウムイオンの分布空間領域と、Ｐ−ＥＤＦファイバ構造で決まる信号光強度分布の重なり因子をｆとしたとき、ａはｃとｆの積、すなわちａ＝ｃｆで与えられる。

上記評価結果はエルビウム添加濃度が１０００ｐｐｍの場合である。このとき、ａは１ｍ当り５ｄＢ（５ｄＢ／ｍ）であった。したがって、上記Ｐ−ＥＤＦ１０の長さ６〜２１ｍを、Ｐ−ＥＤＦ１のａが３０〜１０５ｄＢと規定することにより、エルビウム添加濃度や、Ｐ−ＥＤＦのファイバ構造によらず、本実施例の条件を規定できる。参考のため、図１、図９中に、ａの値を付記した。

図５は、前記ＧＢを複数用いて構築した、線形中継器用のＰ−ＥＤＦＡの構成を示している。３台のＧＢ３０、３１、３２の間に、２つの利得等化器２０、２１と、分散補償ファイバ４０および可変減衰器５０を設置している。分散補償ファイバ４０は中継伝送における累積波長分散を補償し、可変減衰器５０は、本Ｐ−ＥＤＦＡの出力レベルを所望の値に調整するために用いる。利得等化器２０、２１、分散補償ファイバ４０および可変減衰器５０の信号光損失の典型値はトータルで約１０ｄＢ前後である。

したがって、各ＧＢ３０〜３２の利得を１０ｄＢとしたとき、Ｐ−ＥＤＦＡの正味の入出力利得は、３０−１０＝２０の関係から２０ｄＢである。そして、このＰ−ＥＤＦＡの雑音指数は初段のＧＢであるＧＢ−１の雑音指数でほぼ決まるので、少なくともこのＧＢ−１に本実施例のＧＢ構成を適用することにより、低い雑音指数のＰ−ＥＤＦＡが得られた。

本実施例における、Ｐ−ＥＤＦＡの雑音指数例としては、ＧＢ３０の雑音指数が５．５ｄＢのとき、Ｐ−ＥＤＦＡの雑音指数は６．０ｄＢであった。一方、従来技術における、Ｐ−ＥＤＦＡの雑音指数例としては、ＧＢ３０の雑音指数が６．５ｄＢのとき、Ｐ−ＥＤＦＡの雑音指数は７．０ｄＢであった。したがって、本実施例により、従来技術より１．０ｄＢ低い雑音指数が得られた。

（第二実施例）
第二実施例の光ファイバ増幅器の構成は、図１に示したものと同じである。ただし、第一実施例では、励起光の波長を１．４８μｍとしているが、本実施例では、本光ファイバ増幅器の増幅性能を最適化する励起光波長を用いている。一方、図９の構成を有する従来技術（特許文献１）においては、励起光波長は１．４８μｍとなっている。また、本実施例では、第一実施例の手法を用いてＰ−ＥＤＦ１０の長さを１３ｍとした。

図６は、横軸に波長（ｎｍ）をとり、縦軸に出力パワー（ｄＢｍ）および雑音指数（ｄＢ）をとり、本光ファイバ増幅器の増幅特性の励起光波長依存性として、前方向励起の励起光、すなわち、励起光源Ｆからの励起光の波長（励起光波長Ｆ）依存性を示している。ただし、後方向励起の励起光、すなわち、励起光源Ｂからの励起光の波長（励起光波長Ｂ）は１４８０ｎｍとした。

図６によれば、本光ファイバ増幅器の雑音指数は、励起光波長Ｆが約１４５５ｎｍのときに、３つの信号光波長である、１５６２．５ｎｍ、１５８０ｎｍ、および１６０５ｎｍにおいて低い値を示し、特に、本光ファイバ増幅器の動作上重要な１５６２．５ｎｍにおいて最小の雑音指数を有する。一方、出力パワーは励起光波長Ｆが約１４４０〜１４５５ｎｍにおいて最大値を示している。

したがって、励起光波長Ｆを約１４４５〜１４６５ｎｍとすることにより、低い雑音指数と高い出力が得られることが、図６に示した実験結果から分かった。一方、従来技術の手法を踏襲し、励起光波長Ｆを１．４８μｍすなわち１４８０ｎｍとすると、励起光波長Ｆを約１４４５〜１４６５ｎｍとする本実施例に比べ、雑音指数は高く、出力パワーは低くなることがわかった。

また、図７は、横軸に波長（ｎｍ）をとり、縦軸に出力パワー（ｄＢｍ）および雑音指数（ｄＢ）をとり、本光ファイバ増幅器の増幅特性の励起光波長Ｂの依存性を示している。ただし、励起光波長Ｆは１４８０ｎｍとした。

図７によれば、励起光波長Ｂが約１４５５ｎｍより小さくなると、出力パワーが低下する。一方、励起光波長Ｂが約１４７５ｎｍより大きくなると、雑音指数は大きな値を示す。したがって、励起光波長Ｂを約１４５５〜１４７５ｎｍとすることにより、低い雑音指数と高い出力とが得られることが、図７に示した実験結果から分かった。したがって、本実施例では、励起光波長Ｂを約１４５５〜１４７５ｎｍとする。

さらに、図８は、横軸に波長（ｎｍ）をとり、縦軸に利得（ｄＢ）および雑音指数（ｄＢ）をとり、本光ファイバ増幅器の増幅特性の励起光波長依存性比較を示している。すなわち、従来技術の手法を踏襲し、励起光波長Ｆおよび励起光波長Ｂを、共に１４８０ｎｍとした場合（図中で１４８０＋１４８０と表記している）と、上記、本実施例の励起光波長Ｆおよび励起光波長Ｂの例として、励起光波長Ｆを１４５５ｎｍ、励起光波長Ｂを１４７０ｎｍとした場合（図中で１４５５＋１４７０と表記している）の利得（図中でＧと表記している）および雑音指数（図値希有でＮＦと表記している）を示している。図８より、後者の本実施例の方が、雑音指数が低く、利得スペクトルを波長に関して積分して得られる出力パワーが高いことが分かった。

したがって、本実施例が上記従来技術の手法を踏襲した場合に比べ、優れた増幅性能を有することが分かった。

本発明により、従来技術で問題であった、短波長信号光波長における雑音指数が高いという欠点を解決することができるので、広い適用波長域を有する光ファイバ増幅器の実現に寄与することができる。

第一実施例におけるゲインブロック構成を示す図。 第一実施例および従来技術における雑音指数スペクトルを示す図。 第一実施例および従来技術における雑音指数の利得依存性を示す図。 第一実施例における雑音指数のＥＤＦ長依存性を示す図。 第一実施例におけるＥＤＦＡ構成を示す図。 第二実施例における増幅特性の励起光波長依存性（前方向励起の場合）を示す図。 第二実施例における増幅特性の励起光波長依存性（後方向励起の場合）を示す図。 第二実施例における増幅特性の励起光波長依存性比較を示す図。 従来技術におけるゲインブロック構成を示す図。

符号の説明

１、１０、１１ Ｐ−ＥＤＦ
２、３、１２〜１４ アイソレータ
４、５、１５、１６ 合波器
６、７、１７、１８ 励起光源
２０、２１ 利得等化器
３０〜３２ ＧＢ
４０ 分散補償ファイバ
５０ 可変減衰器

Claims (4)

1. 利得媒質としての第一および第二のエルビウム添加ファイバと、
   この第一および第二のエルビウム添加ファイバをそれぞれ励起する第一および第二の励起光を出力する第一および第二の励起光源と、
   １．５７μｍないし１．６２μｍの波長域に少なくとも１波長を有する入射信号光と前記第一の励起光とを合波し、前記第一のエルビウム添加ファイバの信号光入射側に設置された第一の合波器と、
   前記第二のエルビウム添加ファイバを出射した信号光と前記第二の励起光とを合波し、前記第二のエルビウム添加ファイバの信号光出射側に設置された第二の合波器と、
   前記第一のエルビウム添加ファイバの信号光出射側に信号光入力ポートが接続され、前記第二のエルビウム添加ファイバの信号光入射側に信号光出力ポートが接続されたアイソレータと
   を有する光ファイバ増幅器。
2. 前記第一および第二のエルビウム添加ファイバがリン共添加エルビウム添加ファイバである請求項１記載の光ファイバ増幅器。
3. 前記第一のエルビウム添加ファイバの１．５５μｍにおける吸収損失が３０ｄＢ〜１０５ｄＢである請求項２記載の光ファイバ増幅器。
4. 前記第一の励起光の波長が１４４５〜１４６５ｎｍであり、前記第二の励起光の波長が１４５５ｎｍ〜１４７５ｎｍである請求項１記載の光ファイバ増幅器。

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