JP3327148B2 - 光増幅器及びレーザ光発生装置 - Google Patents

光増幅器及びレーザ光発生装置

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JP3327148B2 JP31050896A JP31050896A JP3327148B2 JP 3327148 B2 JP3327148 B2 JP 3327148B2 JP 31050896 A JP31050896 A JP 31050896A JP 31050896 A JP31050896 A JP 31050896A JP 3327148 B2 JP3327148 B2 JP 3327148B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光増幅器及びレー
ザ光発生装置に関し、より具体的には、光ファイバ伝送
システムの光中継器に用いられる光増幅器及びその光増
幅器のポンプ光源に適したレーザ光発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバ伝送システムの光中継器に用
いられる光増幅器は、希土類(通常は、エルビウム)を
ドープされた光増幅ファイバに光信号を入力すると共
に、WDMカップラによりポンプ光(通常は、1,48
0nm帯のレーザ光)を導入する。光増幅ファイバは入
力した光信号を増幅し、その出力光は、光アイソレータ
を介して伝送用光ファイバに入力される。
【0003】海底光ケーブルでは、上りと下りの1対の
光ファイバ線路を基本としており、1つの中継器には、
上り用の光増幅器と下り用の光増幅器が組み込まれる。
2つの光増幅ファイバを2つのポンプ・レーザで個別に
励起するよりも、2つのポンプ・レーザの出力光を合分
波して、2つの光増幅ファイバを励起することにより、
一方のポンプ・レーザが壊れても残りのポンプ・レーザ
により上りと下りの光増幅作用を維持できるので、障害
に強くなる。
【0004】図2は、その従来例の概略構成ブロック図
を示す。上り光線路10Uの伝送用光ファイバ12Uの
出力光は、光増幅中継器20に入力し、そこで増幅され
て上り光線路10Uの次の伝送用光ファイバ14Uに入
力する。また、下り光線路10Dの伝送用光ファイバ1
2Dの出力光は、光増幅中継器20に入力し、そこで増
幅されて下り光線路10Dの次の伝送用光ファイバ14
Dに入力する。
【0005】光増幅中継器20では、伝送用光ファイバ
12U,12Dの出力光は、それぞれ、エルビウルムド
ープ光ファイバ22U,22D、波長分割多重(WD
M)カップラ24U,24D及び光アイソレータ26
U,26Dを介して、伝送用光ファイバ14U,14D
に入力する。
【0006】ポンプ・レーザ28,30は1,480n
m帯においてマルチモードでレーザ発振し、単独ではそ
の発振波長λa,λbは互いに極く僅か離れており、無
相関である。ポンプ・レーザ28,30の出力は3dB
カップラ32により合分波される。3dBカップラ32
は光ファイバ・カップラ等からなる。3dBカップラ3
2の一方の出力光は、WDMカップラ24Uに入力され
て、エルビウムドープ光ファイバ22Uの接続する光路
に結合され、エルビウムドープ光ファイバ22Uを励起
する。3dBカップラ32の他方の出力光は、WDMカ
ップラ24Dに入力されて、エルビウムドープ光ファイ
バ22Dの接続する光路に結合され、エルビウムドープ
光ファイバ22Dを励起する。エルビウルムドープ光フ
ァイバ22U,22D内で、ポンプ光は信号光とは逆方
向に進行する。
【0007】なお、3dBカップラ32からWDMカッ
プラ24U,24Dに供給されたポンプ光の内、エルビ
ウルムドープ光ファイバ22U,22Dの光路に結合さ
れなかった成分が反射しないように、WDMカップラ2
4U,24Dの一方の出力端は無反射終端化されてい
る。
【0008】3dBカップラ32を設けた2重構成で
は、一方のポンプ・レーザ、例えば、レーザ28が壊れ
ても、残りのレーザ30の出力光によりエルビウムドー
プ光ファイバ22U,22Dの両方を励起できるので、
信頼性を高めることができる。そのために、3dBカッ
プラ32を設けるだけですみ、経済的である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図2に示すよ
うな冗長構成では、エルビウムドープ光ファイバ22
U,22Dで吸収されなかった残留ポンプ光が伝送用光
ファイバ12U,12Dに入射し、伝送用光ファイバ1
2U,12Dを伝送する間にレイリー散乱されてエルビ
ウムドープ光ファイバ22U,22Dに戻り、エルビウ
ムドープ光ファイバ22U,22Dを信号光と同じ方向
に進行する。一般に、レイリー散乱によって戻ってくる
光パワーは、入射パワーの約30dB程度低下した微弱
なものであるが、入射光の線幅が十分に細い場合には誘
導ブリルアン散乱によって増大する場合もある。エルビ
ウムドープ光ファイバ22U,22Dを信号光と同じ方
向に進行するポンプ光は、WDMカップラ24U,24
Dにより3dBカップラ32に結合され、ポンプ・レー
ザ28,30に入射する。ポンプ・レーザ28,30に
入射する戻り光は、波長λa,λbの両方の成分を具備
する。
【0010】レイリー散乱による戻り光がポンプ・レー
ザ28,30に入射することにより、2つのポンプ・レ
ーザ28,30間に相互干渉と発振波長の注入同期が生
じる。これにより、ポンプ・レーザ28,30の発振波
長λa,λbが一致し、位相同期してしまうことがあ
る。ポンプ・レーザ28,30の発振波長が一旦、一致
し、位相同期すると、3dBカップラ32が干渉計とし
ても機能してしまい、3dBカップラ32の分岐比率
が、2つのポンプ光の位相関係によって決まる干渉条件
に応じて敏感に変動する。このような干渉現象は経時的
に安定ではなく、その結果、エルビウルドープ光ファイ
バ22U,22Dに供給されるポンプ光パワーが変動
し、中継器20の動作が不安定になる。
【0011】これを回避するには、単純にはポンプ・レ
ーザ28,30の出力段に戻り光の入射を妨げる光アイ
ソレータを設ければよい。しかし、光アイソレータの挿
入損失が大きく、それだけ、ポンプ・レーザ28,30
の出力パワーを上げなければならず、ポンプ・レーザ2
8,30の寿命を短くする。特に、ポンプ光として低雑
音で注目されている980nm帯のレーザ・ダイオード
では、出力パワーの4乗に逆比例して寿命が短くなると
いわれており、挿入損失の大きな光アイソレータは、使
用できない。
【0012】本発明は、このような問題点を解決し、戻
り光がポンプ・レーザの発振波長に影響しないようにし
た光増幅器及びポンプ光源として適したレーザ光発生装
置を提示することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明では、ポンプ光を
発生する複数のポンプ・レーザの発振波長を、波長ロッ
ク手段により互いに僅かに異なる所定値にロックする。
これにより、戻り光があっても、発振波長が安定的に制
御され、複数のポンプ・レーザの発振波長が一致してし
まうことがなくなる。即ち、戻り光を除去する手段を別
に設けなくてよくなる。その結果、従来例で生じたよう
な、ポンプ光の強度変動、その結果としての増幅特性の
変動といった不都合を完全に解消できる。
【0014】波長ロック手段は複数のポンプ・レーザ
の出力光を互いに異なる偏波方向で合波する合波手段
と、偏波方向に応じて僅かに異なる反射波長で、合波手
段の出力光の少なくとも一部を反射する反射手段とから
なる。このようにすることで、複数のポンプ・レーザの
発振波長を極く僅かな差で安定制御できる。
【0015】反射手段として、複屈折性光学材料からな
る回折格子素子、例えば、偏波保持型ファイバを使った
ファイバ・グレーティングを用いることにより、0.4
nm程度の波長差を実現できる。後者では、光ファイバ
通信に適した構造にできる。
【0016】合波手段を、互いに直交する2つの偏光方
向の一方の偏波の光を透過し、他方の偏波の光を反射す
る偏波選択性の透過反射手段とすることで、2つのポン
プ・レーザ使用する場合に適した構成となる。
【0017】反射手段の透過光を1以上の光増幅媒体の
各々に供給するポンプ光伝送手段を設けることで、1以
上の光増幅媒体にポンプ光を供給できる。光増幅媒体
は、例えば、エルビウムドープ光ファイバに代表される
希土類ドープ光ファイバである。
【0018】本発明はまた、波長安定化され、且つ僅か
に異なる複数の波長の有するレーザ光を発生するレーザ
光発生装置としても利用できる。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を詳細に説明する。
【0020】図1は、本発明の一実施例の概略構成ブロ
ック図を示す。40は本発明の一実施例である光増幅器
であり、上り光線路42Uの伝送用光ファイバ44Uと
伝送用光ファイバ46Uの間、及び下り光線路42Dの
伝送用光ファイバ44Dと伝送用光ファイバ46Dの間
に接続される。上り光線路42U及び下り光線路42D
を伝搬する光は、長距離伝送の場合で1,550nm帯
である。
【0021】光増幅器40では、上り光線路42Uの伝
送用光ファイバ44Uの出力光は、エルビウムドープ光
ファイバ48U、波長分割多重(WDM)カップラ50
U及び光アイソレータ52Uを介して伝送用光ファイバ
46Uに入力する。他方、下り光線路42Dの伝送用光
ファイバ44Dの出力光は、エルビウムドープ光ファイ
バ48D、波長分割多重カップラ50D及び光アイソレ
ータ52Dを介して伝送用光ファイバ46Dに入力す
る。光アイソレータ52U,52Dは、下流側の伝送用
光ファイバ46U,46Dからの反射光を排除する方向
に設けられる。
【0022】波長分割多重(WDM)カップラ50U,
50Dはそれぞれ、ポンプ光をエルビウムドープ光ファ
イバ48U,48Dに、増幅すべき信号光の進行方向と
は逆方向にクロス結合する。ポンプ光のスルー出力ポー
トは、無反射終端化されている。
【0023】54,56は、極く僅かに異なる波長λ
1,λ2近辺でレーザ発振するように設計及び駆動され
るポンプ用レーザ・ダイオード(以下、ポンプ・レーザ
という。)であり、その出力光の偏光が互いに直交する
ように配置される。ポンプ・レーザ54,56として
は、単独のポンプ・レーザ・モジュールで構成してもよ
いが、ポンプ・レーザ・モジュールの出力に偏波保持型
シングル・モード・ファイバ(例えば、PANDAファ
イバ)を接続して、上述の偏波状態にしたものでもよ
い。波長λ1,λ2は、長距離光ファイバ伝送システム
では、1,480nm帯が一般的であるが、近年は、低
雑音ということで980nm帯も注目されている。
【0024】ポンプ・レーザ54,56の出力光は、互
いに直交する偏波状態でハーフミラー(又はプリズム)
58に入射し、ここで合波される。即ち、ハーフミラー
58は、ポンプ・レーザ54,56の一方の偏光の出力
光を透過し、ポンプ・レーザ54,56の他方の偏光の
出力光を反射するような反射透過特性を具備する偏光ビ
ーム・スプリッタである。
【0025】ハーフミラー58で合波されたレーザ光
は、偏波保持型のPANDAファイバを用いたファイバ
・グレーティング60の2つの主軸にそれぞれ入射す
る。ファイバ・グレーティング60の反射率は、数%程
度に設定される。但し、その反射波長は、偏波保持型フ
ァイバの複屈折性により主軸方向で僅かに、例えば0.
4nm程度異なる。各主軸の反射波長をλ1,λ2とす
る。ファイバ・グレーティング60の反射光入射光と
逆に進行し、ハーフ・ミラー58を介して再びポンプ・
レーザ54,56に入射するように、ハーフミラー58
及びファイバ・グレーティング60が配置される。
【0026】ファイバ・グレーティング60を透過した
レーザ光(ポンプ光)は、3dBカップラ62に入力
し、3dBカップラ62は入力光を2つに分波する。分
波された光に各直交ポンプ光成分がほぼ均等に分配され
るように、3dBカップラ62を偏波保持型としてもよ
い。3dBカップラ62は、光ファイバ・カップラ、結
晶を用いたビーム・スプリッタ、又は石英基板を用いた
導波路構造からなる。3dBカップラ62の一方の出力
は、WDMカップラ50Uのポンプ入力に接続し、他方
の出力は、WDMカップラ50Dのポンプ入力に接続す
る。
【0027】本実施例の動作を説明する。ポンプ・レー
ザ54,56は波長λ1,λ2近辺でレーザ発振するよ
うに直流駆動又は1MHz以下で低周波変調され、その
出力光はハーフミラー58を介してファイバ・グレーテ
ィング60に入射する。ファイバ・グレーティング60
は入射光の一部を反射してハーフミラー58を介してポ
ンプ・レーザ54,56に戻す。
【0028】但し、ファイバ・グレーティング60が偏
波保持型ファイバからなるので、その反射の前後で偏波
が保持される。従って、ハーフミラー58は、ポンプ・
レーザ54の出力光の、ファイバ・グレーティング60
による反射光をポンプ・レーザ54に戻し、ポンプ・レ
ーザ56の出力光の、ファイバ・グレーティング60に
よる反射光をポンプ・レーザ56に戻す。
【0029】また、ファイバ・グレーティング60は、
その複屈折性により2つの主軸の反射波長λ1,λ2が
僅かに0.4nm程度、異なるので、ポンプ・レーザ5
4に対しては例えば反射波長λ1の低反射率の反射部材
として機能し、ポンプ・レーザ56に対して反射波長λ
2の低反射率の反射部材として機能する。
【0030】これらの結果、ポンプ・レーザ54のレー
ザ発振波長は波長λ1にロックされ、ポンプ・レーザ5
6のレーザ発振波長はλ2にロックされる。後述するよ
うに、残留ポンプ光の戻り光が僅かにポンプ・レーザ5
4,56に入力することがありうるが、ファイバ・グレ
ーティング60の反射光強度に比べて格段に弱いので、
波長の異なる他方のポンプ・レーザ光が戻ってきても、
発振波長に対する影響は無視でき、2つのポンプ・レー
ザ54,56の発振波長が同期することは無い。
【0031】ポンプ・レーザ54,56、ハーフミラー
及びPANDAファイバを用いた光ファイバ・グレーテ
ィング60により、2つのポンプ・レーザ54,56の
発振波長を僅かに異なる波長に管理できる。PANDA
ファイバの複屈折性による各主軸の反射波長の差は、温
度等によってもあまり変動しないので、ポンプ・レーザ
54,56の発振波長が重なることはほとんど無いとい
える。
【0032】ファイバ・グレーティング60を透過した
波長λ1,λ2のポンプ光は、3dBカップラ62によ
り2つに分波される。3dBカップラの一方の出力は、
WDMカップラ50Uを介してエルビウムドープ光ファ
イバ48Uに導入され、エルビウムドープ光ファイバ4
8Uを励起する。3dBカップラの他方の出力は、WD
Mカップラ50Dを介してエルビウムドープ光ファイバ
48Dに導入され、エルビウムドープ光ファイバ48D
を励起する。これにより、エルビウムドープ光ファイバ
48Uは、伝送用光ファイバ44Uの出力光を光増幅
し、エルビウムドープ光ファイバ48Dは、伝送用光フ
ァイバ44Dの出力光を光増幅する。
【0033】エルビウムドープ光ファイバ48U,48
Dにより光増幅された光は、WDMカップラ50U,5
0Dをスルーし、光アイソレータ52U,52Dを透過
して伝送用光ファイバ46U,46Dに入力する。
【0034】エルビウムドープ光ファイバ48U,48
Dのポンプ光は、エルビウムドープ光ファイバ48U,
48Dで吸収されるが、その一部は透過し、光増幅器4
0の入射側の伝送用光ファイバ44U,44Dに入射さ
れる。その入射光の一部が伝送用光ファイバ44U,4
4Dでのレイリー散乱等でエルビウムドープ光ファイバ
48U,48Dに再入射する。
【0035】このような戻り光は、エルビウムドープ光
ファイバ48U,48Dを信号光と同方向に進行し、従
来例と同様に、WDMカップラ50U,50D及び3d
Bカップラ62を介してファイバ・グレーティング60
に入射する。ファイバ・グレーティング60では、その
僅かが反射されるものの、ほとんどが透過し、ハーフミ
ラー58に入射する。この戻り光は、偏光度が大幅に低
下している。ハーフミラー58では、偏波状態に応じて
ポンプ・レーザ54,56に振り向けられ、ポンプ・レ
ーザ54,56に入射する。しかし、先に説明したよう
に、この戻り光よりもファイバ・グレーティング60に
よる反射光が格段に強く、各ポンプ・レーザ54,56
の発振波長はファイバ・グレーティング60の反射波長
にロックしているので、他方のポンプ・レーザ54,5
6の戻り光がポンプ・レーザ56,54の発振波長に影
響することはない。
【0036】いうまでもないが、ファイバ・グレーティ
ング60の反射率は、レーザ・ダイオード54,56の
発振波長をそれぞれλ1,λ2に引き込むのに十分な反
射光量になる程度でよい。あまりに反射率を高くする
と、エルビウム・ドープ光ファイバ48U,48Dに対
するポンプ光量が少なくなってしまう。
【0037】エルビウムドープ光ファイバのポンプ光と
して低雑音で注目されている980nm帯では、エルビ
ウムドープ光ファイバの吸収特性が急峻であり、ポンプ
・レーザの発振波長の数nmの変動でもエルビウムドー
プ光ファイバの増幅特性に大きく影響する。一般的に、
レーザ・ダイオードの発振波長は温度及び注入電流によ
り大きく変化するが、本実施例では、反射波長が温度に
対して比較的安定(1゜C当たり0.01〜0.02n
m程度しか反射波長が変動しない。)なファイバ・グレ
ーティング60によりポンプ・レーザ54,56の発振
波長をロックするので、安定した光増幅特性を得られ
る。また、PANDAファイバの複屈折性により、ポン
プ・レーザ54,56の発振波長を常に僅かに異なるよ
うに保証できるので、従来例で生じたような、相互干渉
によるポンプ光パワーの変動といった問題も生じない。
【0038】上記実施例では、エルビウムドープ光ファ
イバ48U,48Dを励起するポンプ光の一部をポンプ
・レーザ54,56の発振波長の制御に利用したが、本
発明は、必ずしもこの構成に限定されない。ポンプ・レ
ーザ54,56から第2の出力光を得られる場合には、
その出力光を利用して、ハーフミラー58及びファイバ
・グレーチング60と同様の構成により、発振波長を制
御できる。
【0039】また、PANDA光ファイバからなるファ
イバ・グレーティング60以外に、石英基板上に形成し
た複屈折性のある導波路にグレーティングをもうけた素
子を用いてもよい。温度特性が良ければ、類似の光学素
子で代用できることは明らかである。
【0040】レーザ54,56、ハーフミラー58及び
ファイバ・グレーティング60からなる部分は、波長安
定化され且つ僅かに異なる複数の波長を有するレーザ光
を発生する装置としても利用できる。必要により、3d
Bカップラ62のような分波手段を含めれば、複数の出
力レーザ光を得られることは明らかである。
【0041】
【発明の効果】以上の説明から容易に理解できるよう
に、本発明によれば、冗長構成のポンプ光源の発振波長
を僅かにずらしたままに保持できるので、安定的に光増
幅媒体を励起でき、安定した増幅特性を得ることができ
る。
【0042】また、波長安定化され且つ僅かに異なる複
数の波長を有するレーザ光を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例の概略構成ブロック図であ
る。
【図2】 従来例の概略構成ブロック図である。
【符号の説明】
10U:上り光線路 10D:下り光線路 12U,14U:伝送用光ファイバ 12D,14D:伝送用光ファイバ 20:光増幅中継器 22U,22D:エルビウルムドープ光ファイバ 24U,24D:波長分割多重(WDM)カップラ 26U,26D:光アイソレータ 28,30:ポンプ・レーザ 32:3dBカップラ 40:光増幅器 42U:上り光線路 44U,46U:伝送用光ファイバ 44D,46D:伝送用光ファイバ 48U,48D:エルビウムドープ光ファイバ 50U,50D:波長分割多重(WDM)カップラ 52U,52D:光アイソレータ 54,56:ポンプ用レーザ・ダイオード(ポンプ・レ
ーザ) 58:ハーフミラー 60:ファイバ・グレーティング 62:3dBカップラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H04B 10/14 10/17 (56)参考文献 特開 平5−136495(JP,A) 特開 平3−92827(JP,A) 特開 平6−252486(JP,A) 特開 平5−268166(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04B 10/00 - 10/28 H01S 3/10 H01S 5/06 JICSTファイル(JOIS)

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1以上の光増幅媒体と、当該光増幅媒体
    のポンプ光を発生するポンプ光源と、当該ポンプ光源の
    出力光を当該1以上の光増幅媒体に供給する光伝送手段
    とからなる光増幅器であって、 当該ポンプ光源が、ポンプ光を発生する複数のポンプ・
    レーザと、当該複数のポンプ・レーザの発振波長を互い
    に僅かに異なる所定値にロックする波長ロック手段とを
    具備し、 当該波長ロック手段は、当該複数のポンプ・レーザの出
    力光を互いに異なる偏波方向で合波する合波手段と、偏
    波方向に応じて僅かに異なる反射波長で、当該合波手段
    の出力光の少なくとも一部を反射する反射手段とを具備
    する ことを特徴とする光増幅器。
  2. 【請求項2】 当該反射手段が、複屈折性光学材料から
    なる回折格子素子である請求項に記載の光増幅器。
  3. 【請求項3】 当該反射手段が、偏波保持型ファイバを
    使ったファイバ・グレーティングからなる請求項に記
    載の光増幅器。
  4. 【請求項4】 当該合波手段が、互いに直交する2つの
    偏光方向の一方の偏波の光を透過し、他方の偏波の光を
    反射する偏波選択性の透過反射手段である請求項に記
    載の光増幅器。
  5. 【請求項5】 当該ポンプ光源が、更に、当該反射手段
    の透過光を当該1以上の光増幅媒体の各々に供給するポ
    ンプ光伝送手段を具備する請求項に記載の光増幅器。
  6. 【請求項6】 第1及び第2の光増幅媒体と、 2つのポンプ・レーザと、 当該2つのポンプ・レーザの出力光を、互いに直交する
    偏波状態で合波する合波手段と、 2つの直交軸で僅かに異なる反射波長を具備し、当該合
    波手段の出力光の一部を反射する反射手段と、 当該反射手段の透過光を2分割する分波手段と、 当該分波手段の一方の出力光を第1の光増幅媒体に結合
    する第1の結合手段と、 当該分波手段の他方の出力光を第2の光増幅媒体に結合
    する第2の結合手段とからなることを特徴とする光増幅
    器。
  7. 【請求項7】 当該反射手段が、偏波保持型ファイバを
    使ったファイバ・グレーティングからなる請求項に記
    載の光増幅器。
  8. 【請求項8】 当該合波手段が、互いに直交する2つの
    偏光方向の一方の偏波の光を透過し、他方の偏波の光を
    反射する偏波選択性の透過反射手段である請求項に記
    載の光増幅器。
  9. 【請求項9】 当該光増幅媒体が、希土類ドープ光ファ
    イバである請求項に記載の光増幅器。
  10. 【請求項10】 レーザ光を発生する複数のレーザと、 当該複数のレーザの発振波長をそれぞれ異なる所定値に
    ロックする波長ロック手段とを具備するレーザ発生装置
    であって、 当該波長ロック手段が、当該複数のレーザの出力光を互
    いに異なる偏波方向で合波する合波手段と、偏波方向に
    応じて僅かに異なる反射波長で、当該合波手段の出力光
    の少なくとも一部を反射する反射手段とを具備する こと
    を特徴とするレーザ光発生装置。
  11. 【請求項11】 当該反射手段が、複屈折性光学材料か
    らなる回折格子素子である請求項1に記載のレーザ光
    発生装置。
  12. 【請求項12】 当該反射手段が、偏波保持型ファイバ
    を使ったファイバ・グレーティングからなる請求項1
    に記載のレーザ光発生装置。
  13. 【請求項13】 当該合波手段が、互いに直交する2つ
    の偏光方向の一方の偏波の光を透過し、他方の偏波の光
    を反射する偏波選択性の透過反射手段である請求項1
    に記載のレーザ光発生装置。
  14. 【請求項14】 更に、当該反射手段の透過光を複数の
    光増幅媒体の各々に向け分波する分波手段を具備する請
    求項1に記載のレーザ光発生装置。
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