JP4194815B2

JP4194815B2 - 光増幅器

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Publication number: JP4194815B2
Application number: JP2002258962A
Authority: JP
Inventors: 保志武田; 典昭島田; 哲弥酒井; 朗和田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2022-09-04
Also published as: JP2004103599A; CN1252532C; EP1396951A2; US6975446B2; EP1396951B1; CN1495500A; US20040042062A1; EP1396951A3; DE60330634D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長多重光伝送システムなどに用いられる光増幅器に関し、特に温度変化によって利得平坦度が悪化することなく、ほぼ一定の利得平坦度が得られる光増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、波長多重光伝送システムには、Ｅｒドープ光ファイバ（以下、ＥＤＦと言う。）を用いた光増幅器（以下、ＥＤＦ増幅器と言う。）が広く使用されている。このＥＤＦ増幅器は、ＥＤＦにレーザ光などの励起光を送り込み、Ｅｒイオンをポンピングすることにより反転分布を形成し、この状態で信号光を入力すると誘導放出を引き起こして、入力信号光が光増幅されて利得を得るという作用を利用したものである。特に信号光を高利得、低雑音で増幅できることから、高密度波長多重伝送による更なる高速、大容量、長距離伝送システムへの応用が期待されている。
【０００３】
ところで、このＥＤＦは、利得に波長依存性があり、信号光の波長によって利得が異なることが知られている。このため、このＥＤＦ増幅器を波長多重光伝送システムに利用する場合、ＥＤＦ増幅器によって得られる利得を使用波長帯域で一定とし、光増幅された信号光の強度を波長に対してほぼ一定にする必要がある。そこで、利得等化フィルタをＥＤＦ増幅器の出力側に設け、増幅時の波長における利得の分布（以下、利得プロファイルと言う。）が平坦となるように、出力信号光に透過損失を与えることが行われている。
【０００４】
図８は、従来のＥＤＦ増幅器の一例を示す。光伝送路４１からの信号光は、光アイソレータ４２を通過し、ＷＤＭカプラ４３を介してＥＤＦ４５に入力される。一方、半導体レーザなどの励起用光源４４からの励起光が、ＷＤＭカプラ４３を介して、このＥＤＦ４５に入力される。ＥＤＦ４５では、信号光は光増幅されて利得を得て、光アイソレータ４２を介し、利得等化フィルタ４６に入力される。この利得等化フィルタ４６では、増幅された信号光は透過損失が与えられ、ＥＤＦ４５にて得られた利得が所定の波長帯域でほぼ一定となるように、利得の波長依存性が平坦化される。そして、出力信号光として光伝送路４１に送り出される。
【０００５】
このように利得等化フィルタ４６によって、ＥＤＦ４５の利得プロファイルが平坦化され、波長に対してほぼ一定の光強度をもった信号光にできる。しかしながら、ＥＤＦ４５は、周囲温度の変化によって、利得プロファイルが変動することが知られている。このため、図８に示すような光増幅器では、周囲温度が変化すると、利得等化フィルタ４６では、利得プロファイルを完全に平坦化することができず、利得平坦度が悪化する問題がある。
【０００６】
そこで、ヒータ、クーラ、ペルチェ素子などの温度調整手段や断熱材などを設けた恒温槽に、ＥＤＦを収容する構成として、このＥＤＦを一定の温度に保ち、利得プロファイルが変動しないようにする技術が提案されている（非特許文献１参照。）。しかしながら、恒温槽にＥＤＦを収容するため、光増幅器は大型化する。またヒータ、クーラ、ペルチェ素子などの温度調整手段は、外部から電力を供給する必要があり、光増幅器の電力消費量が大きなものとなってしまう問題がある。
【０００７】
また、光ファイバグレーティングを減衰フィルタとして、出力側に設ける技術も報告されている（非特許文献２参照。）。この光ファイバグレーティングは、透過損失特性が、ＥＤＦの利得プロファイルの温度特性と逆の特性をもったものであり、出力信号光に損失を与えて、利得の温度変化量を補償するものである。しかしながら、光ファイバグレーティングの透過損失の温度変化量は、ＥＤＦの利得の温度変化量に比べて小さいものであり、十分に利得の温度変化量を補償することができない。また、この減衰フィルタを用いるものでは、利得の温度変化量を補償する際に、出力信号光が減衰するため、光増幅器の増幅効率が悪くなってしまう問題がある。
【０００８】
更に、このＥＤＦ増幅器にあっては、高密度波長多重伝送へ応用するために、様々な研究結果が報告されている。例えば、ＥＤＦ増幅器にラマン増幅器を設けた構造とし、発生するノイズを低減する技術が報告されている（非特許文献３参照。）。しかしながら、上述したようにＥＤＦの利得プロファイルが温度によって変化し、これにより利得平坦度が悪化する問題を十分に改善する技術は、提案されていないのが現状である。
【０００９】
【非特許文献１】
角井素貴，外４名，“テクニカル・ダイジェスト・オブ・オプティカル・ファイバー・コミュニケーション・コンフェランス（ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔｏｆＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）”，米国，２０００年，ｐ．６−８，ＷＡ３
【非特許文献２】
石井裕，外３名，“プロシーディングス・オブ・トピカル・ミーティング・オン・オプティカル・アンプリファイアーズ・アンド・ゼア・アプリケーションズ（ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＴｏｐｉｃａｌＭｅｅｔｉｎｇｏｎＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓａｎｄｔｈｅｉｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）”，イタリア，２００１年，ｐ．１１４−１１６
【非特許文献３】
増田浩次，“テクニカル・ダイジェスト・オブ・オプティカル・ファイバー・コミュニケーション・コンフェランス（ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔｏｆＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）”，米国，２０００年，ｐ．２−４，ＴｕＡ１
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわち周囲温度の変化によって利得平坦度が悪化することなく、ほぼ一定の利得平坦度が得られる光増幅器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、ＥＤＦ増幅部と、前記ＥＤＦ増幅部と直列に接続されたラマン増幅部とを備えた光増幅器であって、前記ラマン増幅部は、増幅用光ファイバと、該増幅用光ファイバに励起光を導くファイバグレーティングと、該ファイバグレーティングの長手方向の少なくとも２点を固定し、温度上昇により前記ファイバグレーティングを長手方向に圧縮させる支持体と、を有し、前記ファイバグレーティングが、前記支持体の温度上昇により、前記励起光のうちより短波長側の励起光を透過させることにより、前記ラマン増幅部の利得プロファイルを短波長側にシフトさせ、前記ＥＤＦ増幅部の温度上昇による利得プロファイルの変化の少なくとも一部を打ち消すとともに、前記ファイバグレーティングと前記ＥＤＦ増幅部のＥＤＦとを収納する筐体を備え、前記ファイバグレーティングと前記ＥＤＦとが同一温度下に置かれたことを特徴とする光増幅器である。
【００１３】
請求項２にかかる発明は、前記支持体は、それぞれ前記ファイバグレーティングの少なくとも１点が固定される一対の矩形状の支持体と、該一対の支持体のそれぞれの主面が互いに向かい合うように連結する矩形状の連結部と、を有し、前記支持体の一方の熱膨張率は、他方の支持体および前記連結部の熱膨張率より大きいことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器である。
【００１８】
本発明において、「ＥＤＦ」とは、エルビウムなどの希土類元素をドープした光ファイバであって、光増幅の増幅媒体となるものを言う。また「ＥＤＦ増幅部」とは、このＥＤＦを増幅媒体として用いた光増幅部を言う。
また「利得プロファイル」とは、増幅時の各波長における利得の分布を示し、具体的には、横軸に波長を、縦軸に利得をとって、利得の波長による分布を表したものを言う。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本実施形態の光増幅器の一例を示す概略構成図である。この光増幅器は、ラマン増幅部１とＥＤＦ増幅部２を有してなり、ラマン増幅部１はＥＤＦ増幅部２の前段に設けられている。図中符号４は、光ファイバなどの光伝送経路であり、各構成部品間に設けられ、信号光や励起光の伝送経路となるものである。
【００２０】
光増幅器の入力部３は、ラマン増幅部１の光アイソレータ５ａを介して、増幅用光ファイバ６の一端に接続されている。この増幅用光ファイバ６は、シングルモード光ファイバなどからなる利得媒体であり、増幅用光ファイバ６の他端は、ＷＤＭカプラ７ａの入力ポートに接続されている。
【００２１】
このＷＤＭカプラ７ａの他の入力ポートには、光アイソレータ５ｂを介して、波長ロック用ファイバグレーティングを具えた波長ロック部８の一端が接続され、更にこの波長ロック部８の他端には、発光波長が１４００〜１５００ｎｍの半導体レーザなどの励起用光源９が接続されている。ＷＤＭカプラ７ａの出力ポートは、ＥＤＦ増幅部２の入力端に接続されている。
【００２２】
次にＥＤＦ増幅部２において、ＷＤＭカプラ７ｂの入力ポートは、ラマン増幅部１の出力端に接続され、このＷＤＭカプラ７ｂの他の入力ポートには、発光波長が１４８０ｎｍ帯又は９８０ｎｍ帯の半導体レーザなどの励起用光源１０が接続されている。ＷＤＭカプラ７ｂの出力ポートは、利得媒体となるＥＤＦ１１の一端に接続されている。
【００２３】
このＥＤＦ１１の他端は、光アイソレータ５ｃを介して、利得等化器１２の入力端に接続され、この利得等化器１２の出力端は、光増幅器の出力部１３に接続されている。
このような構成からなる光増幅器において、少なくともラマン増幅部１の波長ロック部８とＥＤＦ増幅部２のＥＤＦ１１とは、同一の筐体１４内に収容され、同一の温度となるように構成されている。
【００２４】
図２は、このラマン増幅部１の波長ロック部８の一例を示す概略構成図である。符号２４は、波長ロック用ファイバグレーティングを示し、この波長ロック用ファイバグレーティング２４は、コアの屈折率を所望の周期に変化させたグレーティングをもった光ファイバであり、励起用光源９から出射された励起光のうち、所望の波長の励起光のみを透過し、光アイソレータ５ｂとＷＤＭカプラ７ａを介して利得媒体の増幅用光ファイバ６へ伝搬するものである。
【００２５】
この波長ロック用ファイバグレーティング２４は、その入力端と出力端が固定点２３，２３にて、一対の矩形状の支持体２１ａ，２１ｂに固定されている。この一対の矩形状の支持体２１ａ，２１ｂのそれぞれの主面が、一対の矩形状の連結部２２ａ，２２ｂによって連結され、互いに向かい合うように配置されている。
【００２６】
この矩形状の支持体２１ａや一対の矩形状の連結部２２ａ，２２ｂは、石英、低熱膨張係数セラミックス、インバー合金などからなる。これに対して一方の支持体２１ｂは、熱膨張係数が、波長ロック用ファイバグレーティング２４や矩形状の連結部２２ａ，２２ｂの熱膨張係数よりも大きいアルミニウム、真ちゅうなどからなる。
【００２７】
通常、波長ロック用ファイバグレーティング２４は、その温度が上昇すると、熱膨張し、グレーティングの周期が長くなり、これにより励起用光源９から出射された励起光のうち、より波長の長い励起光を透過することとなる。このため従来では、波長ロック用ファイバグレーティング２４は、一定の温度に保たれ、所望の波長の励起光のみを透過するようにして、利得媒体の増幅用光ファイバ６へ入力する励起光の波長を一定に保つようにして使用される。
【００２８】
しかしながら、この波長ロック部８では、温度が上昇すると、熱膨張によって一方の支持体２１ｂが伸びて、波長ロック用ファイバグレーティング２４をその長手方向に圧縮する。このため、この波長ロック用ファイバグレーティング２４は、周囲温度が上昇すると、逆に圧縮され、これに伴ってグレーティングの周期が短くなり、励起光のうち、より短波長の励起光を透過し、利得媒体の増幅用光ファイバ６へ伝搬することとなる。
【００２９】
図３は、このラマン増幅部１の各温度における利得プロファイルを示す。ラマン増幅部１のラマン散乱効果によって得られる利得プロファイルは、励起光の波長によって決定され、例えば励起光が短波長となると、利得プロファイルも短波長側にシフトすることが知られている。このラマン増幅部１では、上記したように波長ロック用ファイバグレーティング２４は、従来とは逆の温度特性を有し、温度が上昇すると、短波長の励起光を透過するため、このとき利得プロファイルは短波長側にシフトすることとなる。
【００３０】
光増幅器の入力部３から信号光が入射されると、まず信号光は、ラマン増幅部１にて増幅され、図３に示されたように波長ロック用ファイバグレーティング２４の周囲温度に応じた利得プロファイルを有するものとなる。
【００３１】
次に信号光は、ＥＤＦ増幅部２に入力され、ＥＤＦ１１にて、更に増幅される。図４は、このＥＤＦ１１の各温度における利得プロファイルを示す。このＥＤＦ１１は、温度が変化すると、利得プロファイルが変動することが知られている。例えば温度が上昇すると、図４に示されたように、利得プロファイルのうち、１５３０〜１５４０ｎｍ帯では利得が増加し、１５４０〜１５６０ｎｍ帯では利得が減少することがわかる。
【００３２】
本実施形態では、このＥＤＦ１１の温度変化による利得プロファイルの変化量を、前述したラマン増幅部１の温度変化による利得プロファイルの変化量によって補償し、光増幅器全体において、温度が変化してもほぼ一定の利得プロファイルが得られるようにする。
【００３３】
そのためには、各波長において、ラマン増幅部１の利得プロファイルの温度変化量が、ＥＤＦ１１の利得プロファイルの温度変化量に対して、符号が逆で絶対値がほぼ同じとし、ラマン増幅部１の利得プロファイルの温度特性が、ＥＤＦ１１の温度特性と逆の特性を有するようにする必要がある。
【００３４】
ラマン増幅部１の波長ロック部８は、温度が上昇すると、波長ロック用ファイバグレーティング２４が、より短波長の光を透過し、増幅用光ファイバ６に入力するように構成されている。これにより、ラマン増幅部１の利得プロファイルは、励起光源の波長によって決定されるため、温度が上昇すると、ラマン増幅部１の利得プロファイルは、短波長側にシフトすることとなる。
【００３５】
このラマン増幅部１の利得プロファイルは、２５℃では、図３に示されたように１５４０ｎｍ付近で極小値を有する下に凸の形状であり、また１５６０ｎｍ付近で極大値を有する上に凸の形状である。
このため温度が上昇すると、ラマン増幅部１の利得プロファイルは、短波長側にシフトし、１５３０〜１５４０ｎｍ帯では利得が減少し、１５４０〜１５６０ｎｍ帯では利得が増加することとなり、各波長において、このラマン増幅部１の利得プロファイルの温度変化量が、上述したＥＤＦ１１の利得プロファイルの温度変化量に対して、逆の符号を示すこととなる。
【００３６】
また波長ロック用ファイバグレーティング２４の一方の支持体２１ｂの材質を選定し、その熱膨張係数を所望の値とし、波長ロック用ファイバグレーティング２４が透過する光の波長の温度変化量を調整する。これによりラマン増幅部１の利得プロファイルの温度変化量を、ＥＤＦ１１の温度変化量と絶対値がほぼ同じ値となるようにすることができる。
【００３７】
図５は、２５℃から６５℃へ温度が変化したとき、ラマン増幅部１又はＥＤＦ１１の利得プロファイルの変化量を示す図である。図中、ラマン増幅部１の利得プロファイルの変化量は、図３に示された６５℃の利得プロファイルから２５℃の利得プロファイルを差し引いて算出されたものである。またＥＤＦ１１の利得プロファイルの変化量は、図４に示された６５℃の利得プロファイルから２５℃の利得プロファイルを差し引いて算出されたものである。
【００３８】
ラマン増幅部１の波長ロック部８を上述した構成とし、更にこの波長ロック部８をＥＤＦ１１と同一の筐体１４内に収容し、同一の温度変化を受けるようにすることによって、ラマン増幅部１の利得プロファイルの温度変化量が、ＥＤＦ１１の利得プロファイルの温度変化量に対して、符号が逆で絶対値がほぼ同じとすることができる。
【００３９】
これにより、ＥＤＦ１１の温度変化による利得プロファイルの変化量は、ラマン増幅部１の温度変化による利得プロファイルの変化量によって補償されることとなる。このため信号光は、ラマン増幅部１とＥＤＦ１１にて増幅され、温度変化に対してほぼ一定の利得プロファイルが得られる。
【００４０】
次にこの信号光は、ＥＤＦ増幅部２の利得等化フィルタ１２に入射する。この利得等化フィルタ１２は、誘電体の多層膜などからなるものであり、温度が変化してもほぼ一定の透過損失が得られるようになっている。
【００４１】
図６は、この利得等化フィルタ１２を伝搬し、光増幅器の出力部１３から出力された信号光において、各温度における利得プロファイルを示す。このように、温度変化による利得プロファイルの変化量が０．１５ｄＢ以下と微小であり、ほぼ一定であることがわかる。
更に、温度変化に対して利得プロファイルがほぼ一定であるため、温度が変化しても利得等化フィルタ１２によって、精度良く利得を平坦とすることができ、優れた利得平坦度が実現できる。
【００４２】
なお、本実施形態では、ラマン増幅部１の励起用光源９は２種以上であっても構わない。図７は、この励起用光源９の他の一例を示す。符号３１ｘ，３１ｙ，３２ｘ，３２ｙは、４種の励起用光源を示す。励起用光源３１ｘ，３１ｙは、同一の波長の励起光を出射するものであり、励起用光源３１ｘは、偏波面がｘ軸方向にある励起光を出射し、励起用光源３１ｙは、偏波面がｙ軸方向にある励起光を出射するものである。
【００４３】
また励起用光源３２ｘ，３２ｙは、励起用光源３１ｘ，３１ｙとは異なる波長であって、互いに同一の波長の励起光を出射するものであり、励起用光源３２ｘは、偏波面がｘ軸方向にある励起光を出射し、励起用光源３２ｙは、偏波面がｙ軸方向にある励起光を出射するものである。
【００４４】
励起用光源３１ｘ，３１ｙと、３２ｘ，３２ｙとは、それぞれＰＡＮＤＡ光ファイバなどの偏波合波器３３ａ，３３ｂの一端に接続され、この偏波合波器３３ａ，３３ｂの他端は、ＷＤＭカプラ７ｃに接続される。励起光は、このＷＤＭカプラ７ｃより、光アイソレータ５ｂとＷＤＭカプラ７ａを介して増幅用光ファイバ６に入力されることとなる。
【００４５】
このように偏波面の異なる励起光を用いることによって、偏波依存性がある構成部品を光増幅器に使用することが可能となる。
また波長の異なる励起用光源を２種以上用いた場合、ラマン増幅部１にて得られる利得プロファイルは、それぞれの波長から得られる利得プロファイルを合成したものとなる。このように波長の異なる励起用光源を２種以上用いることによって、ラマン増幅部１にて得られる利得プロファイルの形状を調整でき、より精度良くラマン増幅部１の利得プロファイルの温度特性を、ＥＤＦ１１の温度特性と逆の特性とすることができる。
【００４６】
また、ラマン増幅部１において、励起用光源９は、利得媒体となる増幅用光ファイバ６の信号光の入力側に設けてもよく、また信号光の入力側と共に出力側にも設けた構成としても構わない。同様に、ＥＤＦ増幅部２においても、励起用光源１０は、利得媒体となるＥＤＦ１１の信号光の出力側に設けてもよく、また信号光の入力側と共に出力側にも設けた構成としても構わない。また、ラマン増幅部１は、ＥＤＦ増幅部２の後段に設けても構わない。
【００４７】
更に、ラマン増幅部１において、利得媒体となる増幅用光ファイバ６は、信号伝送用光ファイバを兼ねたものであっても構わない。この場合、本発明の光伝送路と同一の構成となる。
【００４８】
本発明の光伝送路は、信号伝送用光ファイバと、ＥＤＦ増幅部２を備えた光伝送路に、上述したラマン増幅部１の波長ロック部８や励起用光源９などを付設し、ＥＤＦ増幅部２のＥＤＦ１１と、波長ロック部８とを同一温度に置くようにしたものである。このため、例えば既存の光伝送路を利用することができ、コスト低減が可能となる。
【００４９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、請求項１乃至７に係る発明によれば、温度が変化してもほぼ一定の利得平坦度が実現できる。更に、利得プロファイルが温度変化に対してほとんど変動せずほぼ一定であるため、利得等化フィルタで精度良く利得プロファイルを平坦とすることができ、優れた利得平坦度が実現できる。
【００５０】
また、利得平坦度をほぼ一定とするために、新たに外部から電力を供給する必要がなく、光増幅器の電力消費量を抑えることができる。また、ラマン増幅部の利得によって、ＥＤＦの利得プロファイルの温度変化量を補償するため、温度変化に対してほぼ一定であり、かつ大きな利得プロファイルを得ることができ、効率良く信号光を増幅することができる。
【００５１】
また請求項３及び４に係る発明によれば、光増幅器の構成を簡便とすることができ、装置の小型化が実現できる。更に請求項７に係る発明によれば、既存の伝送経路を利用することができ、コスト低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の光増幅器の一例を示す概略構成図である
【図２】ラマン増幅部の波長ロック用ファイバグレーティングの一例を示す概略構成図である。
【図３】ラマン増幅部の各温度における利得プロファイルを示す図である。
【図４】ＥＤＦの各温度における利得プロファイルを示す図である。
【図５】ラマン増幅部又はＥＤＦの２５℃から６５℃の温度変化における利得プロファイルの変化量を示す図である。
【図６】光増幅器の各温度における利得プロファイルを示す図である。
【図７】ラマン増幅部の励起用光源の他の一例を示す図である。
【図８】従来のＥＤＦ増幅器の一例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・ラマン増幅部，２・・・ＥＤＦ増幅部，９・・・ラマン増幅部の励起用光源，１１・・・ＥＤＦ，１４・・・筐体，２４・・・波長ロック用ファイバグレーティング

Claims

ＥＤＦ増幅部と、前記ＥＤＦ増幅部と直列に接続されたラマン増幅部とを備えた光増幅器であって、
前記ラマン増幅部は、増幅用光ファイバと、該増幅用光ファイバに励起光を導くファイバグレーティングと、該ファイバグレーティングの長手方向の少なくとも２点を固定し、温度上昇により前記ファイバグレーティングを長手方向に圧縮させる支持体と、を有し、
前記ファイバグレーティングが、前記支持体の温度上昇により、前記励起光のうちより短波長側の励起光を透過させることにより、前記ラマン増幅部の利得プロファイルを短波長側にシフトさせ、前記ＥＤＦ増幅部の温度上昇による利得プロファイルの変化の少なくとも一部を打ち消すとともに、
前記ファイバグレーティングと前記ＥＤＦ増幅部のＥＤＦとを収納する筐体を備え、
前記ファイバグレーティングと前記ＥＤＦとが同一温度下に置かれたことを特徴とする光増幅器。
前記支持体は、それぞれ前記ファイバグレーティングの少なくとも１点が固定される一対の矩形状の支持体と、該一対の支持体のそれぞれの主面が互いに向かい合うように連結する矩形状の連結部と、を有し、
前記支持体の一方の熱膨張率は、他方の支持体および前記連結部の熱膨張率より大きいことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。