JP3153127B2 - 光伝送装置、光通信システム及び光信号を増幅する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光ファイバ増幅器を
備えた光通信方式に関し、さらに詳しくは、希土類元素
をドープした希土類ドープファイバを用いてなる光ファ
イバ増幅器を備えた光通信方式に関する。

【０００２】光信号を電気回路によらず直接増幅する光
増幅器は、ビットレートフリーであり大容量化が容易で
あるという点及び多チャンネルの一括増幅が可能である
という点から、今後の光通信システムのキーデバイスと
して各研究機関で盛んに研究されている。

【０００３】この種の光増幅器を備えた光通信方式とし
ては、光増幅器を光パワーブースタとして用い、分岐・
挿入損の補償や送信パワーの増加を図ったもの、光増幅
器を光プリアンプとして用い、受信感度の改善を図った
もの、光増幅器を光中継器として用い、中継器の小型化
や高信頼化を図ったものなどが提案されており、その方
式上の最適化が模索されている。

【０００４】

【従来の技術】従来から研究の対象とされている光増幅
器を大別すると、希土類元素（Ｅｒ，Ｎｄ，Ｙｂ等）
をドープした光ファイバ（本願明細書中「希土類ドープ
ファイバ」と称し、この語句は希土類元素をドープした
導波路等の導波構造を含めた広範囲なものとして使用す
る。）を用いたもの、半導体レーザ型のもの、光フ
ァイバ中の非線形効果を利用したものになる。

【０００５】このうち、の希土類ドープファイバを用
いた光増幅器は、偏波依存性がないこと、低雑音である
こと、伝送路との結合損失が小さいことといった優れた
特徴を有している。

【０００６】ところで、光増幅器を光中継器として用い
る場合、その監視制御機能が不可欠である。従来、の
半導体レーザ型の光増幅器に適用することができる監視
制御方式としては、例えば、Ellis, A.D. et al.: Supe
rvisory system for cascaded semiconductor laser am
plifier repeaters, Electron. Lett., Vol. 25, No.
5, pp. 309-311(2nd March 1989). に開示されているも
のが知られている。

【０００７】しかし、この方式は半導体レーザ型の光増
幅器の注入電流を検出するようにしたものなので、その
まま光ファイバ増幅器を備えた光通信方式に適用するこ
とはできない。即ち、光ファイバ増幅器に適した監視制
御方式についての従来技術は見当たらない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】光ファイバ増幅器を備
えた光通信方式においては、光増幅を行うために励起光
を用いているので、もし、信号光による情報伝送の他に
励起光による情報伝送が可能になるとすれば、光ファイ
バ増幅器を光中継器として備えている光通信方式におい
て監視制御が可能になる。

【０００９】また、希土類ドープファイバに導入される
励起光が信号光と同方向のときだけでなく逆方向のとき
にも光増幅がなされることから、励起光による情報伝送
が可能になるとすれば、これを用いて双方向伝送が可能
になる。

【００１０】本発明は、このような点に鑑みて創作され
たもので、光ファイバ増幅器に適した監視制御方式を実
現するため、光ファイバ増幅器の監視情報を検出するた
めの構成を提供することを第１の目的としている。

【００１１】また、光ファイバ増幅器の監視情報を用い
て、その出力光信号のレベルを制御可能な構成を提供す
ることを第２の目的としている。そして、信号光による
情報伝送の他に、例えば、励起光による上記のような監
視信号の伝送が可能となる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】図１に希土類ドープファ
イバによる光増幅の原理を示す。２はコア２ａ及びクラ
ッド２ｂから構成された希土類ドープファイバであり、
コア２ａ中にエルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素がドー
プされている。

【００１３】このような希土類ドープファイバ２に励起
光（ポンピング光）が入射すると、希土類原子が高いエ
ネルギー準位に励起される。高いエネルギー準位に励起
された光ファイバ２中の希土類原子に信号光が入ってく
ると、光の誘導放出が生じ希土類原子が低いエネルギー
準位に遷移するが、このとき信号光のパワーが光ファイ
バに沿って次第に大きくなり信号光の増幅が行われる。

【００１４】ドープされた希土類元素がエルビウム（Ｅ
ｒ）である場合において、波長が１．５５μｍ帯の信号
光を増幅するときには、例えば波長が１．４９μｍ帯の
レーザ光を励起光として用いることができる。

【００１５】また、ドープされた希土類元素がネオジウ
ム（Ｎｄ）である場合において、波長が１．３μｍ帯の
信号光を増幅するときには、波長が０．８μｍ帯のレー
ザ光を励起光として用いることができる。以下の記述で
は、ドープされた希土類元素がエルビウムであるとして
本発明を説明する。

【００１６】波長λ_S の信号光に対して所定の波長関係
を有する波長λ_P の励起光を希土類ドープファイバに入
射させると、この希土類ドープファイバには、そのスペ
クトルが図２においてＦで示されるような蛍光が信号光
のスペクトルの近傍に生じる。

【００１７】この蛍光の強度の変化は励起光の強度の変
化と時間的に完全に一致することはなく、図３に示すよ
うに、例えば、時刻ｔ₀ において励起光の入射を中止し
たとすると、蛍光の強度は瞬間的に０にはならず、適当
な時定数をもって徐々に減少していく。

【００１８】いま、蛍光の強度ａが励起光の入射を中止
する以前の強度ｂの１／ｅ（ｅは自然対数の底）にまで
減少するのに要する時間τをもって蛍光寿命と定義する
と、時刻ｔ₀ から蛍光寿命τが経過する程度の範囲内で
は、励起光の入射を中止しているにも関わらず、信号光
に対する不安定な利得変動を伴うことなしに増幅作用が
継続することが知られている(Laming, R.I. et al.: Mu
ltichannel crosstalkand pump noise characterizatio
n of Er³⁺-doped fibre amplifier pumped at980 nm, E
lectron. Lett., Vol. 25, No. 7, pp. 455-456(30th M
arch 1989).）。

【００１９】従って、励起状態の蛍光寿命よりも短い周
期を有する程度の高周波の変調信号により励起光を変調
した場合には、この変調の影響は増幅された信号光には
現れないことになる。

【００２０】図４及び図５は本発明の原理説明図であ
り、図４は信号光及び励起光が希土類ドープファイバを
同方向に伝搬する場合、図５は信号光及び励起光が希土
類ドープファイバを互いに逆方向に伝搬する場合を示し
ている。

【００２１】本発明方式は、希土類元素をドープした希
土類ドープファイバ２に信号光４を励起光６と共に伝搬
させて上記信号光４の増幅を行うようにした光ファイバ
増幅器を備えた光通信システム及び光伝送装置に関す
る。

【００２２】本発明では、光ファイバ増幅器の監視情報
として、光ファイバ増幅器の出力光信号に着目し、この
ような出力光信号のモニタ情報を検出するために、入力
端と出力端とを有し、希土類元素が添加された光ファイ
バと、光信号を受信し、この光信号を前記光ファイバの
入力端に入力する手段と、励起光を出力する励起光源
と、該励起光を前記光ファイバの入力端または出力端に
入力する手段と、前記光ファイバの出力端から出力され
る該光信号を出力用光信号と監視用光信号とに分岐する
手段と、該監視用光信号を受信する手段とで光伝送装置
を構成する。

【００２３】このようにして監視用光信号のモニタ情報
は、例えば、励起状態の蛍光寿命よりも短い周期を有す
る程度の高い周波数の変調信号８に含まれ、この変調信
号８により、上記励起光６を変調して、信号光４による
情報伝送の他に、励起光６による情報伝送（監視信号伝
送）を行なうことができる。

【００２４】さらに、本発明では、入力端と出力端とを
有し、希土類元素が添加された光ファイバと、光信号を
受信し、この光信号を前記光ファイバの入力端に入力す
る手段と、励起光を出力する励起光源と、該励起光を前
記光ファイバの入力端または出力端に入力する手段と、
前記光ファイバの出力端から出力される該光信号を出力
用光信号と監視用光信号とに分岐する手段と、該監視用
光信号を監視する監視手段と、前記監視手段の監視結果
に基づいて、前記励起光源から出力される励起光を制御
する手段とで光伝送装置を構成する。このように構成す
ることにより、例えば、上記光ファイバから出力される
光信号のレベルが一定となるように制御することができ
る。

【００２５】尚、ここで希土類元素をドープした希土類
ドープファイバというのは、前述したように、希土類元
素をドープした導波路等の導波構造を含む広い概念を意
味し、従って、希土類元素をドープした希土類ドープフ
ァイバに信号光を励起光とともに伝搬させて上記信号光
の増幅を行うようにした光ファイバ増幅器というのは、
光の伝搬媒体として光ファイバを用いている光増幅器だ
けでなく、光の伝搬媒体として光導波路等の導波構造を
用いてる光増幅器を含む。

【００２６】図４に示したように、信号光及び励起光が
希土類ドープファイバを同方向に伝搬するようにされて
いる場合には、励起光をキャリアとした光中継器の監視
信号の伝送を行うことができる。

【００２７】一方、図５に示すように、信号光及び励起
光が希土類ドープファイバを互いに逆方向に伝搬するよ
うにされている場合には、信号光による情報伝送と励起
光をキャリアとした情報伝送とにより双方向伝送が可能
になる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図６は本発明を適用した光中継装置
の説明図である。同図には、上りの光伝送路１２と下り
の光伝送路１４とからなる往復光伝送路の途中に単一又
は複数（図では３つ）の光中継装置１６を備えたシステ
ムが図示されている。

【００２９】光中継装置１６は、上りの光伝送路１２に
接続された上り中継器１８と下りの光伝送路１４に接続
された下り中継器２０を備え、これら上り中継器１８と
下り中継器２０は一般的な中継機能の他に光中継装置の
監視制御機能を司る監視情報のやりとりを行う。

【００３０】上り及び下り中継器１８，２０間における
監視情報のやりとりは電気信号によりなされるが、光伝
送路１２，１４における監視情報の伝送は、光中継装置
１６に含まれる希土類ドープファイバの励起光によりな
される。

【００３１】図７に上り中継器１８のブロック図を示
す。下り中継器２０は上り中継器１８と同一のブロック
構成である。図７において、上りの光伝送路１２を伝搬
している信号光の波長は例えば１．５３６μｍ或いは
１．５５２μｍであり、励起光の波長は例えば１．４９
μｍである。

【００３２】光増幅に寄与しなかった励起光は上り中継
器に到達することになる。信号光及び励起光は光カプラ
２１で例えば１：１００に分配され、少ない方の分配光
が入力信号レベル検出器２２に入力して信号光のレベル
が検出される。多い方の分配光は光ファイバ増幅器２４
に入力する。

【００３３】光ファイバ増幅器２４は合分波器２６とエ
ルビウムをコアにドープした希土類ドープファイバ２８
とを備えて構成される。合分波器２６は、光カプラ２１
からの信号光と励起光を合分波して、信号光を希土類ド
ープファイバ２８に導き励起光を受信機３２に導くとと
もに、励起光源３０からの励起光を希土類ドープファイ
バ２８に導く。合分波器２６は合波器及び分波器から構
成されていても良い。

【００３４】光ファイバ増幅器２４により増幅された信
号光と増幅により消費されなかった励起光は、光アイソ
レータ３４を介して光カプラ３６に入力する。光アイソ
レータ３４を備えているのは、希土類ドープファイバ２
８を含む光経路に共振器構造が形成されて希土類ドープ
ファイバ２８の利得に基づく発振が生じることを防止す
るためである。

【００３５】光カプラ３６は入力した信号光及び励起光
を例えば１：１００に分配し、多い方の分配光は再び上
りの光伝送路１２に導き入れられ、少ない方の分配光は
出力信号レベル検出器３８に入力する。出力信号レベル
検出器３８は、内蔵する光フィルタにより励起光を取り
除き、増幅された信号光のレベルを検出する。

【００３６】励起光源３０はこの実施形態では半導体レ
ーザからなり、そこから出力する励起光のパワー又はそ
の平均値は、出力信号レベル検出器３８からの信号に基
づいた自動出力レベル制御回路（ＡＰＣ： Ａｕｔｏｍ
ａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）４０ の動作
によって、上記出力信号レベルが一定となるように制御
される。この制御により、この上り中継器に入力した信
号光のレベルに関わらず常に一定レベルの信号光をこの
上り中継器が出力することができるようになる。

【００３７】入力信号レベル検出器２２からの入力信号
レベル、出力信号レベル検出器３８からの出力信号レベ
ル並びに励起光源３０における励起電流（半導体レーザ
のバイアス電流）及び励起光出力は、上りの監視情報と
して下り中継器２０に送られ、そこでの励起光を変調す
ることにより下りの光伝送路１４に送出される（図６も
参照）。

【００３８】一方、下りの監視情報は、信号処理回路４
４を介して上り中継器１８に取り込まれ、励起光源３０
からの励起光を下りの監視情報に基づいて変調すること
によって、下りの監視情報は上りの光伝送路１２を介し
て伝送される。

【００３９】以下、この動作を説明する。この上り中継
器１８に対する監視情報の送出命令を受信機３２が受け
ると、これを解読してコントローラ４６に通知する。こ
の解読は、受信機３２が受けたアドレス情報が予め記憶
されているアドレス情報と一致するか否かを一致検出回
路４２により検出することにより行うことができる。

【００４０】コントローラ４６は、監視情報の送出命令
を受けて、信号処理回路４４からの下りの監視情報に基
づいて変調回路４８を制御し、これにより励起光源３０
からの励起光が例えば強度変調される。

【００４１】このときの変調速度は希土類ドープファイ
バ２８の蛍光寿命の逆数よりも充分大きくしておけば、
励起光源３０からの励起光を変調したとしても、増幅さ
れて上り中継器１８から送出される信号光にこの変調成
分は殆ど現れない。よって、信号光の直接光増幅による
情報伝送の他に、励起光をキャリア（搬送波）とした監
視情報についての情報伝送が可能である。

【００４２】尚、一致検出回路４２におけるアドレス情
報の一致がなく、下りの監視情報を上りの光伝送路１２
に送出する必要がない場合には、受信機３２が受信した
励起光による伝送情報をコントローラ４６により再生増
幅して励起光源３０を変調するようにしておく。

【００４３】図８は本発明を適用して構成される双方向
伝送システムのブロック図である。このシステムは、第
１端局５０と第２端局５２との間を１本の光ファイバ５
４で接続して双方向伝送を可能にしたものである。

【００４４】第１端局５０は、１．５５μｍ帯の信号光
を送信する送信部５６と、１．４９μｍ帯の変調された
励起光を受信する受信部６０と、分波器５８とを備えて
構成されている。

【００４５】第２端局５２は、プリアンプ６２と、１．
５５μｍ帯の信号光を受信する受信部６４と、１．４９
μｍ帯の励起光を変調して送出する送信部６６とを備え
て構成されている。

【００４６】送信部６６は励起光源６８と励起光源６８
の半導体レーザを強度変調する変調回路７０とを備えて
いる。プリアンプ６２は、光ファイバ５４に接続された
希土類ドープファイバ７２と、変調された励起光を希土
類ファイバ７２に送り込むとともに希土類ドープファイ
バ７２により増幅された信号光を受信部６４に送り込む
合分波器７４とを備えている。

【００４７】第１端局５０の送信部５６からの信号光
は、分波器５８を介して光ファイバ５４に送出され、第
２端局５２のプリアンプ６２により増幅されて受信部６
４により受信される。この場合、プリアンプ６２（光フ
ァイバ増幅器）の作用によって信号光が増幅されるの
で、受信感度が増大する。

【００４８】一方、第２端局５２の送信部６６から送出
された変調された励起光は、その変調の影響を与えずに
第１端局５０からの信号光の増幅に寄与した後、光ファ
イバ５４を介して第１端局５０に伝送され、分波器５８
を介して受信部６０に送り込まれ、伝送情報が再生され
る。

【００４９】このように、信号光及び励起光が希土類ド
ープファイバ７２を互いに逆方向に伝搬するようにして
いるので、信号光による情報伝送と励起光をキャリアと
した情報伝送とにより双方向伝送が達成される。

【００５０】第２端局５２の送信部６６における励起光
源６８の変調は、図６及び図７により説明した実施例と
同様に、希土類ドープファイバの励起状態の蛍光寿命よ
りも短い周期を有する程度の高周波の変調信号によりな
されている。

【００５１】希土類ドープファイバが希土類元素として
エルビウムをドープした希土類ドープファイバである場
合には、励起状態の蛍光寿命は例えば約１４msであり、
実用上充分な伝送容量を得ることができる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、励起状態の蛍光寿
命よりも短い周期を有する程度の高周波の変調信号によ
り励起光を変調するようにしているので、励起光による
信号光の増幅に悪影響を与えることなしに、信号光によ
る情報伝送の他に励起光による情報伝送（監視信号伝
送）が可能になる。従って、本発明のように、光ファイ
バ増幅器の出力光信号を監視した場合に、例えば、その
ような監視情報を伝送することができる。

【００５３】また、本発明では、光ファイバ増幅器の出
力光信号を監視して、その結果に基づいて、ＡＰＣ回路
によって、励起光のパワー又はその平均値を制御してお
り、入力光信号レベルに係わらず光ファイバ増幅器の出
力レベルを、例えば、一定となるように制御することが
できる。

【００５４】また、その応用例としては、信号光及び励
起光が希土類ドープファイバを同方向に伝搬するように
されている場合には、励起光をキャリアとして光中継器
の監視信号を容易に伝送することができるようになり、
また、信号光及び励起光が希土類ドープファイバを互い
に逆方向に伝搬するようにされている場合には、信号光
による情報伝送と励起光による情報伝送とにより双方向
伝送が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】希土類ドープファイバによる光増幅の原理を示
す模式図である。

【図２】蛍光の説明図である。

【図３】蛍光寿命の説明図である。

【図４】信号光と励起光が同方向の場合の本発明の原理
説明図である。

【図５】信号光と励起光が逆方向の場合の本発明の原理
説明図である。

【図６】本発明の実施例における光中継装置の説明図で
ある。

【図７】本発明の実施例における上り中継器のブロック
図である。

【図８】本発明の実施例における双方向伝送システムの
ブロック図である。

【符号の説明】

２，２８，７２ 希土類ドープファイバ ４ 信号光 ６ 励起光 ８ 変調信号 １６ 光中継装置 １８ 上り中継器 ２０ 下り中継器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｂ 10/16 10/26 10/28 (56)参考文献 特開 平２−273976（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−308581（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−5731（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−266245（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−130638（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−291186（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−241073（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力端と出力端とを有し、光信号が該入
   力端から入力される希土類元素が添加された光ファイバ
   と、 励起光を出力する励起光源と、 該励起光を該入力端または該出力端から前記光ファイバ
   に入力する手段と、前記光ファイバの出力端から出力される増幅された光信
   号が入力される光アイソレータと、 前記光アイソレータを通過した該増幅された光信号を出
   力用光信号と監視用光信号とに分岐する手段と、 該監視用光信号を受信する手段とを備えたことを特徴と
   する光伝送装置。
2. 【請求項２】 入力端と出力端とを有し、光信号が該入
   力端から入力される希土類元素が添加された光ファイバ
   と、 励起光を出力する励起光源と、 該励起光を該入力端または該出力端から前記光ファイバ
   に入力する手段と、前記光ファイバの出力端から出力される増幅された光信
   号が入力される光アイソレータと、 前記光アイソレータを通過した該増幅された光信号を出
   力用光信号と監視用光信号とに分岐する手段と、 該監視用光信号を監視する監視手段と、 前記監視手段の監視結果に基づいて、前記励起光源から
   出力される励起光を制御する手段とを備えたことを特徴
   とする光伝送装置。
3. 【請求項３】 第一、第二の光ファイバと、 光信号を前記第一の光ファイバの入力端に送出する第一
   の装置と、 前記第二の光ファイバの出力端からの光信号を受信する
   第二の装置と、 前記第一の光ファイバの出力端と前記第二の光ファイバ
   の入力端とに光学的に接続され、前記第一の光ファイバ
   の出力端からの光信号を増幅する光伝送装置とを備え、 前記光伝送装置は、 入力端と出力端とを有し、希土類元素が添加された第三
   の光ファイバと、 光信号を受信し、この光信号を該入力端から前記第三の
   光ファイバに入力する手段と、 励起光を出力する励起光源と、 該励起光を該入力端または該出力端から前記第三の光フ
   ァイバに入力する手段と、前記第三の光ファイバの出力端から出力される増幅され
   た光信号が入力される光アイソレータと、 前記光アイソレータを通過した該増幅された光信号を第
   一の出力光信号と第二の出力光信号とに分岐する手段
   と、 該第二の出力光信号を受信する手段とを有し、 該第一の出力光信号を前記第二の光ファイバの入力端に
   入力することを特徴とする光通信システム。
4. 【請求項４】 第一、第二の光ファイバと、 光信号を前記第一の光ファイバの入力端に送出する第一
   の装置と、 前記第二の光ファイバの出力端からの光信号を受信する
   第二の装置と、 前記第一の光ファイバの出力端と前記第二の光ファイバ
   の入力端とに光学的に接続され、前記第一の光ファイバ
   の出力端からの光信号を増幅する光伝送装置とを備え、 前記光伝送装置は、 入力端と出力端とを有し、希土類元素が添加された第三
   の光ファイバと、 光信号を受信し、この光信号を該入力端から前記第三の
   光ファイバに入力する手段と、 励起光を出力する励起光源と、 該励起光を該入力端または該出力端から前記第三の光フ
   ァイバに入力する手段と、前記第三の光ファイバの出力端から出力される増幅され
   た光信号が入力される光アイソレータと、 前記光アイソレータを通過した該増幅された光信号を第
   一の出力光信号と第二の出力光信号とに分岐する手段
   と、 該第二の出力光信号を監視する監視手段と、 前記監視手段の監視結果に基づいて、前記励起光源から
   出力される励起光を制御する手段とを有し、 該第一の出力光信号を前記第二の光ファイバの入力端に
   入力することを特徴とする光通信システム。
5. 【請求項５】 入力端と出力端とを有し、希土類元素が
   添加された光ファイバを用いて光信号を増幅する方法に
   おいて、 光信号を該入力端から前記光ファイバに入力し、 光源からの励起光を該入力端または該出力端から前記光
   ファイバに入力し、前記光ファイバから出力される増幅された光信号を光ア
   イソレータに入力し、 該光アイソレータを通過した該増幅された光信号を出力
   用光信号と監視用光信号とに分岐し、 該監視用光信号を監視するとともに、該出力用光信号を
   増幅された光信号として出力することを特徴とする光信
   号を増幅する方法。
6. 【請求項６】 入力端と出力端とを有し、希土類元素が
   添加された光ファイバを用いて光信号を増幅する方法に
   おいて、 光信号を該入力端から前記光ファイバに入力し、 光源からの励起光を該入力端または該出力端から前記光
   ファイバに入力し、前記光ファイバから出力される増幅された光信号を光ア
   イソレータに入力し、 該光アイソレータを通過した該増幅された光信号を出力
   用光信号と監視用光信号とに分岐し、 該監視用光信号の監視結果に基づいて、該励起光を制御
   し、 該出力用光信号を増幅された光信号として出力すること
   を特徴とする光信号を増幅する方法。