JP4301822B2 - 偏波モード分散補償機能を有する光増幅器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いる光増幅器に関し、特に、偏波モード分散を補償する機能を備えて高機能化を果たしながら小型化を両立させた光増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅器は光通信システムの長距離化・大容量化を実現するキーコンポーネントの１つである。この光増幅器は、反転分布媒質からの誘導放出を用いるレーザ増幅器と、ラマン散乱やブリルアン散乱などの非線形光学効果に基づく増幅器とに分別される。また、レーザ増幅器には、希土類添加光ファイバ増幅器と半導体増幅媒体を用いる半導体レーザ増幅器とがある。前者は光励起により光増幅器として動作し、また、後者は注入電流励起により光増幅器として動作する。
【０００３】
これらの光増幅器の中で希土類添加光ファイバ増幅器は、ビットレートフリー、高利得・低雑音・広帯域、低結合損失、低偏光依存性および高効率等という性能面での大きな利点を有している。希土類添加光ファイバ増幅器の中でも、エルビウムドープ光ファイバ増幅器（Erbium-doped fiber amplifier：ＥＤＦＡ）が一般的であり、光ファイバ通信システムにおいて既に実用化されている。
【０００４】
近年、インターネットの普及等により通信トラフィックの需要は爆発的に急増している。このニーズに応える技術として、１本の光ファイバーに多波長の光信号を重畳して通信を行う波長多重（ＷＤＭ）伝送技術が脚光を浴びている。ＷＤＭ伝送技術については、主として２地点間を結ぶ一対一（Point-to-Point）のシステムが既に実用化されており、また、高密度波長多重（ＤＷＤＭ）として、今後、大容量伝送の地盤を固めるべく、波長域の拡大を望む需要も高まっている。上記のようなＷＤＭ伝送技術の導入により、送受信機内の１波用光増幅器については、少なくとも信号光の波長数に対応した多数の光増幅器が必要になるため、光増幅器の小型化に対する要求が強くなっている。
【０００５】
また、幹線系の長距離・大容量システムの域を越えたフォトニックネットワークシステムとしてより柔軟でより経済的なトランスポート網の構築が要請されており、フォトニックネットワークを構成するための光ノード技術の開発も進められている。具体的には、ＷＤＭリング伝送路から任意の波長の信号を取り出したり或いは任意の波長の信号を挿入したりする機能を有する光アド・ドロップ装置（ＯＡＤＭ）や、光回線を相互に切り替える機能または光を波長単位でルーティングする波長スイッチとしての機能を有する光クロスコネクト（ＯＸＣ）装置などの開発が進められている。
【０００６】
来るべき大容量情報化社会に向けたフォトニックネットワークには、高速化、低コスト化および高信頼度化と共に、さらなる高機能化および多様化が求められる。このようなニーズに応えるためには、波長単位もしくは数波の波長グループなどといった小さな単位で各種補償技術を適用して伝送品質の高度な管理を行うことが必要になる。具体的には、所要の適用領域に対して光スイッチや波長分散補償器、偏波モード分散（ＰＭＤ）補償器、チューナブル光フィルタ等といった機能デバイスを適用することが必要になる。また、上記のような機能デバイスで発生する損失を補償するために、１波または数波の波長グループに対応した光増幅器が要求され、１つのノード内に数多くの光増幅器が必要となる。例えば、１つのＯＸＣ装置内で数百個レベルの光増幅器が見込まれる。
【０００７】
上述したような光通信システムは、メトロ（市街地網）さらにはオフィスや家庭の近くまで引き込まれることが想定されるため、小型光増幅器に対する需要はさらに大きくなることが見込まれる。また、より高速化された光通信システムでは、波長分散補償器およびＰＭＤ補償器の必要性がより高くなる。特に、ＰＭＤ補償器は信号チャネル毎に配置する必要がある。従って、これら光部品の損失を補償する多数の小型光増幅器が必要になると考えられる。
【０００８】
なお、上記のような機能デバイスの損失を補償するための光増幅器は、これまで主に開発されてきた高性能（例えば、高利得、低ＮＦ、広帯域等）を追求した光増幅器とは異なり、１波または数波の波長グループに対応した増幅帯域を有し、少なくとも所要の光部品の損失を補償するに足る利得が得られる小型化を追求した光増幅器となる。
【０００９】
従来の損失補償用の光増幅器に関する技術として、例えば、下記の特許文献１等では、遠隔励起方法を用いた単体光増幅器を単体光学素子（光結合器や光分岐器など）の入力側に設置し、単体光増幅器と単体光学素子を一体化して損失の無い光学素子を構成する内容が記載されている。
【００１０】
また、本出願人は、先願である特許文献２，３等において、分散補償器（ＤＣＦ）を複数の光増幅器の段間に配置し、広帯域のＷＤＭ信号光に対する波長分散を補償可能にした光増幅器を提案している。
【００１１】
【特許文献１】
特開平５−５０２３３４号公報
【特許文献２】
特開平１１−３１２８４８号公報
【特許文献３】
特開２０００−０７８０８１号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１等に記載された従来の技術については、光増幅器と光学素子を接続して単に組み合わせた構成の域を越えておらず、光増幅器および光学素子の省スペース化は実現されていない。また、特許文献２，３等で提案した技術については、分散補償器と光増幅器の双方の特性に配慮して、光増幅器内部における最適な位置に分散補償器を配置しているものの、上記の特許文献１等の場合と同様に光増幅器と分散補償器を接続して単に組み合わせた構成であり、光増幅器の小型化という課題が残されている。
【００１２】
なお、本出願人は、損失を補償すべき光学素子を良好な反射減衰特性の接続法（融着接続法や斜め研磨コネクタ接続法等）を用いて光増幅媒体の出力側に一体化することで、光学素子の挿入損失の効果を利用して光増幅媒体への出力側反射光を低減させ、従来必須であったアイソレータのうちの少なくとも出力側のアイソレータを省略可能として省スペース化を図る技術を提案している（例えば、特願２００２−０９２４４３号参照）。この先願発明は、損失を補償すべき光学素子と光増幅器との構成に関する技術を提供するものであるが、光学素子の種類については特に限定していないため、光増幅器との一体化の対象となる光学素子を特定して、所要の部品やスペースの共通化・共有化により光増幅器の小型化を図るといった技術的なアプローチはなされていない。
【００１３】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、光機能デバイスの１つである偏波モード分散補償器との一体化構成により高機能化を図ると共に、所要の部品やスペースの共通化・共有化により小型化および低コスト化を実現した、偏波モード分散補償機能を有する光増幅器を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る偏波モード分散補償機能を有する光増幅器は、入力される信号光の偏波状態を制御する偏波制御部と、該偏波制御部で制御された信号光の直交する偏波モード成分間に群遅延時間差を与えることが可能な複屈折性を持つ光伝送媒体を有し、該光伝送媒体に希土類元素を添加した偏波モード分散発生部と、該偏波モード分散発生部の光伝送媒体に対して、前記希土類元素を励起状態とすることが可能な励起光を与える励起光供給部と、前記偏波モード分散発生部から出力される信号光の偏波モード分散発生状態をモニタする第１モニタと、前記偏波モード分散発生部から出力される信号光のパワーをモニタする第２モニタと、前記第１モニタでモニタされる偏波モード分散が低減されるように前記偏波制御部を制御する第１制御回路と、前記第２モニタでモニタされる信号光のパワーが予め設定した値で一定となるように前記励起光供給部を制御する第２制御回路と、を備えて構成され、さらに、前記偏波モード分散発生部は、前記光伝送媒体として基板上に形成した複屈折性を持つ光導波路を用い、前記基板上の少なくとも光導波路に希土類元素を添加したものである。
【００１５】
上記のような構成の光増幅器では、偏波制御部に入力された信号光はその偏波状態が第１制御回路からの信号に従って制御された後に、偏波モード分散発生部の希土類元素が添加された複屈折性を持つ光導波路に与えられる。この偏波モード分散発生部には、励起光供給部からの励起光が与えられていて、光導波路内の希土類元素が励起状態にされている。このため、偏波モード分散発生部に送られた信号光は、その偏波状態に応じて直交偏波モード間に群遅延時間差が与えられると共に希土類元素の誘導放出作用により増幅され、信号光の偏波モード分散の補償と、その偏波モード分散補償に伴って発生する損失を少なくとも補償する信号光の増幅とが、第１、第２モニタおよび第１、第２制御回路による制御の下で同時に行われるようになる。これにより、一体化構成により高機能化と小型化を両立させた光増幅器の実現が可能になる。
【００１６】
【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。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当する部分を示すものとする。
【００１７】
図１は、本発明に係る光増幅器の第１実施形態の構成を示す機能ブロック図である。
図１において、本実施形態の光増幅器は、例えば、入力端子ＩＮに与えられる信号光Ｌｓの偏波状態を制御する偏波制御部１０と、希土類元素を添加した複屈折性を有する光伝送媒体に対して偏波制御部１０から出力される信号光Ｌｓを入力することで、その信号光Ｌｓの直交する偏波モード成分間に所要の群遅延時間差（Differential Group Delay：ＤＧＤ）を与えてＰＭＤ補償を行うと同時に、信号光Ｌｓを増幅するＰＭＤ発生部２０と、該ＰＭＤ発生部２０の光伝送媒体に励起光を供給して希土類元素を励起状態とする励起光供給部３０と、ＰＭＤ発生部２０から出力端子ＯＵＴに送られる信号光ＬｓのパワーおよびＰＭＤ発生状態をモニタするモニタ部４０と、モニタ部４０のモニタ結果に基づいて偏波制御部１０および励起光供給部３０を制御する制御部５０と、を備えて構成される。ここでは、モニタ部４０が、信号光ＬｓのＰＭＤ発生状態をモニタする第１モニタとしての機能と、信号光Ｌｓのパワーをモニタする第２モニタとしての機能とを備えており、また、制御部５０が、ＰＭＤの制御を行う第１制御回路としての機能と、励起光の制御を行う第２制御回路としての機能とを備えている。
【００１８】
偏波制御部１０は、制御部５０からの制御信号に従って、入力端子ＩＮを介して与えられる信号光Ｌｓの偏光面角度を調整する公知の光デバイスである。この偏波制御部１０は、例えば特許第３２３０７８４号公報や特開２０００−３１２１８１号公報等に記載されたＰＭＤ補償器に使用される偏波制御回路（偏波コントローラ）に相当するものである。
【００１９】
ＰＭＤ発生部２０は、複屈折性を有する光伝送媒体として例えば偏波保持ファイバ等を使用し、その偏波保持ファイバのコア部分に希土類元素を添加したものからなる。偏波保持ファイバは、直交する偏波モード間に伝搬定数差を生じさせ、一方の偏波モードから他方の偏波モードへの結合を抑制して偏波保持能力を高めた光ファイバであり、その構造としてはＰＡＮＤＡ型や楕円クラッド型等がある。図２は、ＰＡＮＤＡ型偏波保持ファイバの断面構造の一例である。図中の符号２１はコア、符号２２はクラッド、符号２３は応力付与部をそれぞれ示している。本実施形態においてＰＭＤ発生部２０として使用する偏波保持ファイバは、コア２１部分を中心とした光の伝搬領域に希土類元素を添加することにより光増幅媒体としての機能も備える。コア２１に添加される希土類元素の具体例としては、Ｅｒ（エルビウム）、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｔｈ（トリウム）、Ｅｒ−Ｙｂ（エルビウムおよびイッテルビウムの共添加）等を挙げることができる。ただし、希土類元素は上記の具体例に限定されるものではない。
【００２０】
励起光供給部３０は、例えば、偏波保持ファイバに添加された希土類元素を励起することのできる所要の波長の励起光Ｌｐを発生する励起光源３１と、その励起光ＬｐをＰＭＤ発生部２０の偏波保持ファイバに供給する合波器３２とを有する。ここでは、偏波保持ファイバの信号光出力側に合波器３２が配置され、信号光Ｌｓの伝搬方向とは逆方向に励起光Ｌｐが伝搬する後方励起型の一例が示してある。励起光源３１としては、例えば、半導体励起レーザやファイバラマンレーザ等を使用することが可能である。
【００２１】
なお、上記のように希土類元素を添加した偏波保持ファイバを用い、それに励起光を供給して光増幅器を構成する内容については、例えば、特開２００１−２４４５３５号公報、特開平７−１４２７９８号公報、特開平５−４５６８２号公報等で公知である。ただし、これら公知の光増幅器はＰＭＤ補償機能を具備するものではない。
【００２２】
ここで、上記の励起光供給部３０に用いられる合波器３２の具体的な構成例を図３および図４を参照しながら説明する。
図３の構成は、ファイバ型の融着ＷＤＭカプラを合波器３２として使用した一例である。この構成例では、ＰＭＤ発生部２０の希土類元素を添加した偏波保持ファイバの出力端が融着ＷＤＭカプラの１つのポートに光学的に接続され、そのポートとは反対側に位置する２つのポートの一方にはモニタ部４０に繋がる光路の一端が光学的に接続され、他方には励起光源３１のピグテールファイバ等が融着接続される。
【００２３】
図４の構成は、波長多重分離膜３２Ａと複数のレンズ３２Ｂを利用して空間レンズ結合型の構成とした合波器３２の一例である。波長多重分離膜３２Ａは、励起光Ｌｐを高い反射率で反射し、信号光Ｌｓを透過する特性を有するものとする。この構成例では、励起光源３１からレンズ３２Ｂを介して波長多重分離膜３２Ａに入射された励起光Ｌｐは、波長多重分離膜３２で反射されてＰＭＤ発生部２０の偏波保持ファイバに導かれる。一方、偏波保持ファイバからレンズ３２Ｂを介して波長多重分離膜３２Ａに入射された信号光Ｌｓは、波長多重分離膜３２Ａを透過してモニタ部４０に繋がる光路に導かれる。
【００２４】
なお、図３および図４には後方励起の場合を例に示したが、この構成は後述するような前方励起に場合にも同様にして応用することが可能である。
モニタ部４０（図１）は、ＰＭＤ発生部２０から出力され励起光供給部３０の合波器３１を通過して出力端子ＯＵＴに送られる信号光Ｌｓの一部をモニタ光として分岐する分岐器４１と、分岐器４１で分岐されたモニタ光を用いて信号光ＬｓのパワーやＰＭＤ発生状態をモニタする出力モニタ４２とを有する。出力モニタ４２は、例えば、菊池、外１名，「ＰＭＤ補償器における偏光度を用いたＰＭＤ検出方式の検討」，１９９９年電子情報通信学会ソサイエティ大会，Ｂ−１０−６８等に記載された公知のＰＭＤモニタ方法を適用することが可能である。出力モニタ４２の具体的な構成は、例えば図５に示すように、分岐器４１で分岐されたモニタ光をさらに分岐器４２Ａで４つの光に分岐し、それらのうちの３つの光を波長板４２Ｂや偏光子４２Ｃを介して受光器４２Ｄに送り、他の１つの光は受光器４２Ｄに直接送り、各々の受光器４２Ｄで検出される偏波状態の異なる光のパワーに基づいて、演算処理回路４２Ｅで偏光度（Degree of Polarization：ＤＯＰ）を演算して信号光ＬｓのＰＭＤ発生状態をモニタする。ただし、本発明に適用可能な出力モニタの構成は、図５の一例に限定されるものではない。
【００２５】
制御部５０（図１）は、モニタ部４０でのモニタ結果に基づいて、信号光Ｌｓに残留したＰＭＤがより小さくなるように偏波制御部１０で調整される信号光Ｌｓの偏光面角度を制御する。また、この制御部５０は、モニタ部４０でモニタされる信号光Ｌｓのパワーに応じて、出力端子ＯＵＴから出力される信号光Ｌｓが所要のレベルとなるように、励起光供給部３０の励起光源３１を制御して本光増幅器の利得設定を調整する。
【００２６】
なお、図１の構成例では図示を省略したが、偏波制御部１０およびＰＭＤ発生部２０の間と、励起光供給部３０の合波器３２およびモニタ部４０の分波器４１の間とには、信号光Ｌｓを入力側から出力側にのみ通過させる光アイソレータを必要に応じて（例えば、高利得動作が必要な場合など）挿入することが可能である。
【００２７】
次に、第１実施形態の光増幅器の動作について説明する。
本光増幅器では、信号光Ｌｓが入力端子ＩＮを介して偏波制御部１０に入力されると、その信号光Ｌｓの偏光面の角度が調整される。この偏波制御部１０での偏光面角度の調整は、入力端子ＩＮに接続される図示しない光伝送路等を伝搬することで信号光Ｌｓに発生したＰＭＤが、偏波制御部１０の後段に配置したＰＭＤ発生部２０で直交偏波モード成分間に付与される群遅延時間差によって低減されるように制御される。ここでは、出力段に配置したモニタ部４０でモニタされるＰＭＤ発生量が減少して零に近づくように、偏波制御部１０の動作が制御部５０によってフィードバック制御される。
【００２８】
ここで、入力端子ＩＮに与えられる信号光Ｌｓに発生するＰＭＤについて簡単に説明しておくと、例えば、光伝送路として一般的に広く使われているシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）が入力端子ＩＮに接続されるような場合、ＳＭＦには直交する２つの偏波面を持つ２つのモードが存在し、ＳＭＦの断面構造が完全に真円ではないために生じる複屈折性により、直交偏波モードの縮退状態がとけて、偏波ごとに群速度が異なるＰＭＤが発生する。具体的に、ＳＭＦの偏波伝達特性が０．５ｐｓ／ｋｍ1/2であるとすると、例えば３００ｋｍの長さを有するＳＭＦを伝搬した信号光Ｌｓには８．７ｐｓのＰＭＤが発生し、このＰＭＤが信号光Ｌｓの伝送特性を劣化させることになる。なお、上記のＰＭＤは温度変動等の外乱により時間的に変化するため、ＰＭＤの補償は動的に行う必要がある。このため、本実施形態ではモニタ部４０のモニタ結果に基づいて偏波制御部１０のフィードバック制御が行われる。
【００２９】
偏波制御部１０で偏波面角度が最適化された信号光Ｌｓは、ＰＭＤ発生部２０の希土類元素が添加された偏波保持ファイバのコア内を伝搬する。この偏波保持ファイバには、励起光源３１で発生した励起光Ｌｐが合波器３２を介して後方より供給され、コアに添加された希土類元素が励起状態とされている。これにより、ＰＭＤ発生部２０の偏波保持ファイバを伝搬する信号光Ｌｓは、その偏波面角度に応じて直交偏波モード間に群遅延時間差が付与されてＰＭＤの補償が行われると同時に、励起された希土類元素からの誘導放出により所要のレベルまで増幅される。
【００３０】
上記のＰＭＤ発生部２０で補償可能なＰＭＤ量は、偏波保持ファイバの長さに大きく依存する。一般的に、２０ｐｓ程度のＰＭＤを付与するために必要な偏波保持ファイバの長さは約２０ｍと言われている。上記の具体例のように入力端子ＩＮに入力される信号光Ｌｓに発生した８．７ｐｓのＰＭＤを補償するためには、およよ１０ｍ程度の長さの偏波保持ファイバを使用することが必要になる。一方、ＰＭＤ発生部２０における信号光Ｌｓの増幅利得についても、光増幅媒体（希土類元素の添加された偏波保持ファイバ）の長さに大きく依存し、ある程度の長さがないと所要の利得を発生することが難しい。例えば、周知のエルビウム添加光ファイバ増幅器に用いられている光増幅媒体の長さは数１０ｍである。この光増幅媒体の長さは、上記のＰＭＤ補償に必要な偏波保持ファイバの長さと同程度になっており、この長さの共通点に注目して本実施形態ではＰＭＤ補償のための偏波保持ファイバに希土類元素を添加して光増幅媒体としても機能させることにより、光部品の共通化による省スペース化を図った一体化構成を容易に実現可能にしている。
【００３１】
ＰＭＤ発生部２０における信号光Ｌｓの増幅利得は、本光増幅器をＰＭＤ補償器として考えたときの挿入損失を少なくとも補償可能な利得に設定される。具体的に、公知のＰＭＤ補償器の挿入損失は、適用技術やＰＭＤ補償量にもよるが、一般的に５〜１０ｄＢ程度であると考えられるため、例えば、これと同程度の利得が少なくとも得られるような励起光ＬｐがＰＭＤ発生部２０に供給される。ここでは、ＰＭＤ発生部２０で増幅された信号光Ｌｓのパワーをモニタ部４０でモニタし、所要の光パワーレベル（例えば、出力時の信号光Ｌｓのパワーが入力時のパワーに略等しくなるか、または、それを上回る所望のレベル）となるように、励起光源３１の駆動状態が制御部５０によってフィードバック制御される。
【００３２】
さらに、上記励起光源３１のフィードバック制御に関しては、信号光Ｌｓの出力レベルを一定に制御するＡＬＣとするのがよい。これにより、信号光Ｌｓの任意の入力レベルに対して出力レベルが一定になるため安定した出力が得られるようになる。また、ＡＬＣの出力レベルは、出力モニタ４２の感度を考慮して設定するのが好ましい。すなわち、出力モニタ４２に与えられるモニタ光（信号光Ｌｓの分岐光）の入力レベルが小さくなり過ぎると、受光器で発生する暗電流等の影響により光パワーやＰＭＤを正確にモニタすることができなくなる。また、出力モニタ４２への入力レベルが大きくなり過ぎると、受光器が飽和状態となって光パワーやＰＭＤを正確にモニタすることができなくなる。そこで、モニタ部４０に使用する分岐器４１の分岐比と出力モニタ４２の最小および最大入力レベルとに基づいて、出力モニタ４２に入力されるモニタ光のレベルが適切な値となるようにＡＬＣの出力レベルを設定することにより、上記のような状況を回避することができるようになり、信号光Ｌｓの入力レベルが広い範囲で変化してもＰＭＤ補償および光増幅を安定して行うことが可能となる。
【００３３】
上述したように第１実施形態の光増幅器によれば、これまではＰＭＤ補償器に対して別途設けていた挿入損失補償用の光増幅器について、希土類元素を添加した偏波保持ファイバを用いてＰＭＤ発生媒体と光増幅媒体とを共通の部品で構成すると共に、モニタ部４０や制御部５０も共有して省スペース化を図った一体化構成を実現したことで、ＰＭＤ補償機能と光増幅機能を単一の構成で実現した高機能かつ小型の光増幅器を提供することが可能になる。また、出力モニタ４２のモニタ結果に基づいて偏波制御部１０と励起光源３１の双方を同時にフィードバック制御するようにしたことで、信号光Ｌｐに発生したＰＭＤの補償とそのＰＭＤ補償により生じる損失の補償とを確実に安定して行うことができる。このように光増幅器内でＰＭＤ補償と損失補償を同時に行うようにすれば、例えば、光通信システムの受信側に配置されたＰＭＤ補償器の挿入損失をインライン光増幅器（光増幅中継器）の出力レベルを上昇させて補償するような場合と比較して、光伝送路の非線形効果による伝送特性劣化や、インライン光増幅器の過度な利得増加による光増幅特性劣化、信頼性劣化およびコストアップ等の問題発生を回避することが可能になる。
【００３４】
なお、上記の第１実施形態では、後方励起型の構成例について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば図６に示すように、ＰＭＤ発生部２０の希土類元素を添加した偏波保持ファイバの信号光入力側に合波器３２を配置し、信号光Ｌｓの伝搬方向と同じ方向に励起光Ｌｐが伝搬する前方励起型の構成としても当然よい。また、例えば図７に示すように、偏波保持ファイバの信号光入力側および出力側の双方から励起光Ｌｐを供給する双方向励起型の構成とすることも可能である。
【００３５】
次に、本発明に係る光増幅器の第２実施形態について説明する。
図８は、第２実施形態の光増幅器の構成を示す機能ブロック図である。
図８において、第２実施形態の光増幅器の構成が第１実施形態の場合と異なる点は、偏波制御部１０およびＰＭＤ発生部２０に代えて、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3：ＬＮ）等を材料とする結晶基板に形成された光導波路の複屈折性を利用して構成された偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’を設けた点である。上記以外の励起光供給部３０、モニタ部４０および制御部５０の各構成については、第１実施形態の場合と同様であるため、ここでの説明を省略する。
【００３６】
ＬＮ導波路型の偏波制御部１０’としては、例えば、ＴＥ−ＴＭモードコンバータと位相シフタを組み合わせた構成、または、結晶軸を回転させて波長板を導波路で実現した構成などが公知ある。ここでは、例えば図９に示すように、ＸカットのＬＮ基板１１上に、希土類元素を添加したＬＮ導波路１２を形成し、そのＬＮ導波路に沿って、ＴＥ−ＴＭモードコンバータと位相シフタとを交互に配置して偏波制御部１０’が構成されるものとする。各段のＴＥ−ＴＭモードコンバータは、ＬＮ導波路１２の長手方向に対して直交する方向に設けた３つの電極１３に、制御部５０からの出力信号に従って制御された所要の電気信号を与えることで、ＬＮ導波路１２を伝搬する信号光ＬｓのＴＥ−ＴＭモードの変換が行われる。また、各段の位相シフタは、ＬＮ導波路１２の両サイドに設けた２つの電極に、制御部５０からの出力信号に従って制御された所要の電気信号を与えることで、ＬＮ導波路１２を伝搬する信号光Ｌｓの位相をシフトさせる。
【００３７】
ＬＮ導波路型のＰＭＤ発生部２０’としては、例えば図１０に示すように、希土類元素が添加された光導波路２５Ａ，２５Ｂを形成した２つのＬＮ基板２４Ａ，２４Ｂの間にＴＥ−ＴＭモードコンバータ２６を設けた構成などを適用することが可能である。ＴＥ−ＴＭモードコンバータ２６を介したＬＮ基板２４Ａ，２４Ｂ間の光の導波手段は、空間、ファイバまたは導波路等の任意の手段を適宜に選択すればよい。
【００３８】
なお、上記の偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’において、希土類元素を添加したＬＮ導波路を実現するための技術としては、例えば、I.Baumann et al.,“Acoust Tunable Ti:Er:LiNbO3-Waveguide Laser”, ECOC'94, pp.99-102や、H.Suche, “High-speed Er-doped LiNbO3 waveguide Lasers”, IPR'99, RtuG3-1 pp.222-224等に記載された技術を適用することが可能である。
【００３９】
また、本実施形態の偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’では、ＬＮ基板１１，２４Ａ，２４Ｂに形成した光導波路１２，２５Ａ，２５Ｂの部分にのみ希土類元素を添加する一例を示したが、ＬＮ基板１１，２４Ａ，２４Ｂの全体に希土類元素を添加するようにしても構わない。さらに、本発明における偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’の構成は、図９および図１０に示した一例に限定されるものではなく、公知の構成を適用することが可能である。
【００４０】
上記のようなＰＭＤ発生部２０’のＬＮ導波路２５Ｂに励起光源３１で発生した励起光Ｌｐを供給する合波器３２の構成としては、例えば、前述の図３および図４に示した各構成を適用することが可能である。また、例えば図１１に示すように、合波器３２を導波路型の構成とすることも可能である。この導波路型の構成では、光導波路のＹ分岐部分に波長選択性モード結合部３２Ｃが形成され、励起光源３１からレンズ３２Ｄを介してＹ分岐の一方の分岐ポートに入射された励起光Ｌｐが、波長選択性モード結合部３２Ｃを通って、ＰＭＤ発生部２０’のＬＮ導波路２５Ｂに導かれる。一方、ＬＮ導波路２５Ｂから導波路型の合波器３２に入射された信号光Ｌｓは、波長選択性モード結合部３２Ｃを介してＹ分岐の他方の分岐ポートに送られる。また、図１１には、モニタ部４０の分岐器４１も導波路型として一体化した構成が併せて図示してあり、前段のＹ分岐の他方の分岐ポートに送られた信号光Ｌｓは、分岐器４１として機能する後段のＹ分岐で２分岐されて出力端子ＯＵＴおよび出力モニタ４２にそれぞれ導かれる。
【００４１】
次に、第２実施形態の光増幅器の動作について説明する。
上記のような構成の光増幅器では、ＰＭＤ発生部２０’のＬＮ導波路２５Ａ，２５Ｂに加えて偏波制御部１０’のＬＮ導波路１２にも希土類元素が添加されており、励起光供給部３０からの後方励起光ＬｐがＬＮ導波路２５Ｂ，２５ＡそしてＬＮ導波路１２にも供給されるため、入力端子ＩＮに入力された信号光ＬｓはＰＭＤ発生部２０’だけでなく偏波制御部１０’においても増幅されるようになる。
【００４２】
ＬＮ導波路型のＰＭＤ発生部２０’で付与されるＰＭＤ量は、一般的には、ＬＮ導波路の長さ１ｃｍあたりで２．５ｐｓ程度と言われている。このため、例えば２０ｐｓのＰＭＤが発生した信号光ＬｓのＰＭＤ補償を行う場合、ＰＭＤ発生部２０’のＬＮ導波路１２の長さとしては約１０ｃｍとすればよい。このＬＮ導波路１２の長さは、前述した偏波保持ファイバを用いてＰＭＤを発生させる場合と比べて非常に短くなるため小型化および省スペース化に有利である。
【００４３】
一方、上記のようなＬＮ導波路長の短いＰＭＤ発生部２０’では、希土類元素が添加される部分の長さも短くなるため、光増幅領域を偏波制御部１０’まで拡大しても高利得の動作は難しくなる。短い光増幅媒体を用いる場合に利得を上昇させるためには、例えば、希土類元素の添加濃度を高くする方法や、Ｅｒ−Ｙｂ共添加増幅媒体として励起光吸収率の向上を図る方法などを適用することが可能である。具体的な一例を挙げておくと、約１０ｃｍのＬＮ導波路にエルビウムを３０００〜５０００ｐｐｍの濃度で添加した場合には、５〜１０ｄＢ程度の利得を得ることができるようになる。ただし、希土類元素を高濃度で添加する場合には、希土類元素間の相互作用により利得が低下する濃度消光の影響に留意する必要がある。
【００４４】
上記のようにＬＮ導波路型の偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’を適用した光増幅器では信号光Ｌｓの増幅利得が低くなるが、本光増幅器をＰＭＤ補償器として考えたときの挿入損失を補償するための利得を得ることは十分に可能である。また、比較的低い利得で動作する光増幅器においては、高利得動作時に必須の構成要素となる光アイソレータを省略できるため、光増幅器の小型化および低コスト化を図ることも可能である。さらに、ＬＮ導波路型の偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’によるＰＭＤ補償は、例えば、１μｓ以下の応答速度が得られると共に、４５ｄＢ以上の反射減衰量が得られる等の利点を有している。加えて、ＬＮ導波路の集積化に有利な特徴を生かし、前述の図１１に例示したように励起光供給部３０やモニタ部４０の所要部品を導波路型の構成として集積化することで、より小型の光増幅器を実現することも可能になる。
【００４５】
なお、上記の第２実施形態では後方励起型の構成例について説明したが、本発明はこれに限らず、前述した図６または図７の場合と同様にして、前方励起型または双方向励起型の構成とすることも可能である。
【００４６】
また、上記の第２実施形態では、ＬＮ基板上に形成した光導波路を利用してＬＮ導波路型の偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’を構成したが、これと同様にして、例えば図１２に示すように、シリコン基板上にガラス導波路を形成し、その屈折率を温度制御等により変化させる平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）型の構成を適用することも可能である。このＰＬＣ型の偏波制御部１０”およびＰＭＤ発生部２０”によって行われるＰＭＤ補償の利点としては、光部品の集積化による小型化が可能であることや、１０ｍｓ以下の応答速度が得られることなどを挙げることができる。
【００４７】
次に、本発明に係る光増幅器の第３実施形態について説明する。
上述の第１、第２実施形態で説明したようなＰＭＤ補償と光増幅を同時に行う一体化構成では、例えば図６に示した前方励起型または図７に示した双方向励起型の各構成に関して、信号光Ｌｓと同方向に伝搬する励起光Ｌｓの漏れ光がモニタ部４０に入力して出力モニタ４２におけるＰＭＤのモニタ精度を低下させる可能性がある。第３実施形態では、上記のような励起光Ｌｐの漏れ光（残留励起光）の影響によるモニタ精度の低下を防ぐための改良例について説明する。
【００４８】
図１３は、第３実施形態の光増幅器に用いられるモニタ部の構成を示すブロック図である。
図１３において、本光増幅器に適用されるモニタ部４０’は、信号光Ｌｓを透過し、励起光Ｌｐを遮断する光フィルタ４３を分岐器４１の前段の光路上に挿入したものである。なお、分岐器４１および出力モニタ４２の構成、並びに、モニタ部４０’以外の光増幅器の他の部分の構成については、第１または第２実施形態の場合と同様であるためここでの説明を省略する。
【００４９】
光フィルタ４３は、例えば図１４に示すように、信号光Ｌｓの波長帯域に対して透過率が高く、励起光Ｌｐの波長に対して透過率が低くなるようなフィルタ特性を有する一般的な光フィルタである。この光フィルタ４３の具体例としては、誘電体多層膜、融着カプラ、ファイバブラッググレーティング等を利用したフィルタを挙げることができる。ただし、光フィルタ４３は上記の具体例に限定されるものではない。
【００５０】
上記のような構成のモニタ部４０’では、偏波制御部１０およびＰＭＤ発生部２０を伝搬することによりＰＭＤ補償と光増幅が同時に施された信号光Ｌｓと、その信号光Ｌｓと同方向に伝搬する励起光Ｌｓの漏れ光とが光フィルタ４３に入力される。この光フィルタ４３では、図１４に示したフィルタ特性に従って、信号光Ｌｓが分岐器４１に送られ励起光Ｌｐの漏れ光は遮断される。光フィルタ４３を透過した信号光Ｌｓは、その一部が分岐器４１でモニタ光として分岐されて出力モニタ４２に送られる。出力モニタ４２では、分岐器４１からのモニタ光を用いて信号光ＬｓのＰＭＤ発生状態や出力パワーがモニタされるようになる。
【００５１】
上記のように第３実施形態の光増幅器によれば、前方励起型または双方向励起型の構成においても、励起光Ｌｐの漏れ光の影響を受けることなく、信号光ＬｓのＰＭＤ発生状態を高い精度でモニタすることが可能になる。
【００５２】
なお、上記の第３実施形態では、光フィルタ４３を分岐器４１の前段の主信号系の光路上に配置するようにしたが、光フィルタ４３の配置は上記以外にも、例えば図１５に示すように、分岐器４１と出力モニタ４２の間のモニタ系の光路上に光フィルタ４３を配置するようにしてもよい。また、図１６に示すように、光フィルタ４３に代えて、励起光Ｌｐに対応した波長帯で大きな損失が発生する光アイソレータ４４を設けることも可能である。具体的には、１．５５μｍ帯の信号光Ｌｓに対して０．９８μｍの励起光Ｌｐにより光増幅を行う場合、１．５５μｍ帯用の光アイソレータは、０．９８μｍ付近で５０ｄＢ程度の損失が生じるため、励起光Ｌｐを遮断するデバイスとして好適である。上記のように光アイソレータ４４を設けるようにすれば、光増幅媒体の出力側反射光が遮断されるため、高利得動作時においても安定な光増幅特性を得ることができるという効果も得られるようになる。
【００５３】
また、上記の第３実施形態では、個別の光フィルタ４３をモニタ部４０に追加するようにしたが、例えば、モニタ部４０に接続されるＰＭＤ発生部３０の光伝送媒体（希土類元素を添加した偏波保持ファイバや光導波路等）に直接グレーティングを形成して、上記の光フィルタ４３と同様のフィルタ特性を実現させることも可能である。さらに、励起光に対応した波長帯の光を吸収する希土類元素（例えば、０．９８μｍの励起光に対してイッテルビウム（Ｙｂ）やボロン（
Ｂ）など）を添加した吸収体を光フィルタ４３に代えて主信号系またはモニタ系の光路に設けるようにしてもよい。加えて、モニタ部４０を構成する各光部品自体に、光フィルタ４３と同様の特性を有する光フィルタ膜を蒸着するようにしても構わない。この場合の具体例としては、上述の図５に示したような構成の出力モニタ４２について、ガラス結晶を使用した偏光子４２Ｃに対して光フィルタ膜を蒸着することが可能である。
【００５４】
次に、本発明に係る光増幅器の第４実施形態について説明する。
上述したような信号光Ｌｓに対するＰＭＤ補償機能と光増幅機能を同時に実現した一体化構成では、光増幅に伴って発生する自然放出（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）光もＰＭＤのモニタ精度を低下させる要因となる。第４実施形態では、前述した励起光の漏れ光だけでなくＡＳＥ光の影響をも考慮した改良例について説明する。
【００５５】
図１７は、第４実施形態の光増幅器の構成を示す機能ブロック図である。
図１７において、本実施形態の光増幅器は、信号光Ｌｓを透過すると共に、励起光Ｌｐの漏れ光を遮断し、かつ、ＡＳＥ光を遮断する光フィルタ６０Ａ，６０ＢをＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００の前段および後段にそれぞれ配置したものである。なお、ここでのＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００は、上述した各実施形態における偏波制御部１０（または１０’）とＰＭＤ発生部２０（または２０’）とを１つの系として表した機能ブロックである。ＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００の前後に挿入した光フィルタ６０Ａ，６０Ｂ以外の他の部分の構成は、第１または第２実施形態の場合と同様であるため、ここでの説明を省略する。
【００５６】
各光フィルタ６０Ａ，６０Ｂは、例えば図１８に示すように、信号光Ｌｓの波長帯域に対して透過率が高くなると共に、励起光Ｌｐの波長に対して透過率が低く、かつ、信号光Ｌｓの波長帯域の短波長側および長波長側の両端に続くＡＳＥ光の波長帯域に対しても透過率が低くなるようなフィルタ特性を有する一般的な光フィルタである。
【００５７】
上記のような構成の光増幅器では、入力端子ＩＮに与えられた信号光Ｌｓは、光フィルタ６０Ａを透過してＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００に送られ、ＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００内の偏波制御部１０およびＰＭＤ発生部２０を伝搬することによりＰＭＤ補償と光増幅が同時に施される。このとき、信号光Ｌｓの光増幅に伴ってＡＳＥ光が発生し、そのＡＳＥ光は信号光Ｌｓと同方向および逆方向にそれぞれ伝搬する。信号光Ｌｓと同方向に伝搬するＡＳＥ光は、信号光Ｌｓおよび前方励起光の漏れ光と共にＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００から出力側の光フィルタ６０Ｂに送られ、信号光Ｌｓのみが光フィルタ６０Ｂを透過してモニタ部４０に送られる。また、信号光Ｌｓと逆方向に伝搬するＡＳＥ光は、後方励起光の漏れ光と共にＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００から入力側の光フィルタ６０Ａに送られ、ＡＳＥ光および後方励起光の漏れ光の双方の光増幅器外への伝搬が光フィルタ６０Ａによって遮断される。
【００５８】
出力側の光フィルタ６０Ａを透過した信号光Ｌｓは、その一部がモニタ部４０の分岐器４１でモニタ光として分岐されて出力モニタ４２に送られる。出力モニタ４２では、分岐器４１からのモニタ光を用いて信号光ＬｓのＰＭＤ発生状態や出力パワーがモニタされるようになる。
【００５９】
上記のように第４実施形態の光増幅器によれば、光増幅に伴って発生するＡＳＥ光および励起光の漏れ光を遮断する光フィルタ６０Ａ，６０Ｂを主信号系の光路上に配置したことにより、ＡＳＥ光および励起光Ｌｐの漏れ光の影響を受けることなく、信号光ＬｓのＰＭＤ発生状態を高い精度でモニタすることが可能になる。また、ＡＳＥ光を遮断することによって光増幅器としての雑音指数（ＮＦ）および信号光Ｌｓに対する広帯域ＡＳＥパワーの割合を低減させることもできる。さらに、光増幅器の外部へ不要の光が出力されなくなるため、安全性および信頼性の向上を図ることも可能になる。
【００６０】
なお、上記の第４実施形態では、ＡＳＥ光および励起光Ｌｐの漏れ光の両方を遮断することが可能な光フィルタ６０Ａ，６０Ｂを設けるようにしたが、ＡＳＥ光および励起光Ｌｐの漏れ光のいずれかを遮断する光フィルタを主信号系の光路上に設けるようにしても、モニタ精度等の向上を図ることは可能である。
【００６１】
次に、本発明に係る光増幅器の第５実施形態について説明する。
第５実施形態では、例えば、上述の図１に示した第１実施形態の構成について、ＰＭＤ発生部２０の複屈折性を有する光伝送媒体を複数段構成（ここでは２段構成）としたときの好ましい具体例を図１９〜図２１を参照しながら説明する。
【００６２】
図１９は、上記のような２段構成のＰＭＤ発生部を備えた光増幅器について、低ＮＦ特性を実現可能にする一例を示す機能ブロック図である。
図１９の構成例では、複屈折性を有する光伝送媒体としての入力側の偏波保持ファイバ７１および出力側の偏波保持ファイバ７３を位相シフタ７１を介して縦続接続した２段構成のＰＭＤ発生部７０ａについて、上述の図２に示した場合と同様にして、少なくとも入力側の偏波保持ファイバ７１のコア部分に希土類元素が添加される。そして、このＰＭＤ発生部７０ａに励起光Ｌｐを供給する励起光供給部３０は、偏波制御部１０と入力側の偏波保持ファイバ７１との間に合波器３２を配置した前方励起型の構成とされる。ここでは、ＰＭＤ発生部７０ａの位相シフタ７１の動作が制御部５０からの制御信号により制御され、また、偏波制御部１０と合波器３２の間に光アイソレータ８０が配置されるものとする。
【００６３】
上記のような光増幅器の構成によれば、ＰＭＤ発生部７０ａの少なくとも入力側の偏波保持ファイバ７１に希土類元素を添加して前方励起型の構成としたことにより、ＰＭＤ発生部７０ａを伝搬する信号光Ｌｓがその入力側で主に増幅されるようになるため、低ＮＦ特性の光増幅器を実現することが可能になる。
【００６４】
図２０は、２段構成のＰＭＤ発生部を備えた光増幅器について、高効率を実現可能にする一例を示す機能ブロック図である。
図２０の構成例では、複屈折性を有する光伝送媒体としての入力側の偏波保持ファイバ７１および出力側の偏波保持ファイバ７３を位相シフタ７１を介して縦続接続した２段構成のＰＭＤ発生部７０ｂについて、上述の図２に示した場合と同様にして、少なくとも出力側の偏波保持ファイバ７３のコア部分に希土類元素が添加される。そして、このＰＭＤ発生部７０ｂに励起光Ｌｐを供給する励起光供給部３０は、出力側の偏波保持ファイバ７３とモニタ部４０の分岐器４１との間に合波器３２を配置した後方励起型の構成とされる。ここでは、ＰＭＤ発生部７０ｂの位相シフタ７１の動作が制御部５０からの制御信号により制御され、また、合波器３２と分岐器４１の間に光アイソレータ８０が配置されるものとする。
【００６５】
上記のような光増幅器の構成によれば、ＰＭＤ発生部７０ｂの少なくとも出力側の偏波保持ファイバ７３に希土類元素を添加して後方励起型の構成としたことにより、ＰＭＤ発生部７０ｂを伝搬する信号光Ｌｓがその出力側で主に増幅されるようになるため、出力効率の向上を図った光増幅器を実現することが可能になる。
【００６６】
図２１は、２段構成のＰＭＤ発生部を備えた光増幅器について、低ＮＦ特性および高利得を実現可能にする一例を示す機能ブロック図である。
図２１の構成例では、上記の図１９および図２０の各構成を組み合わせて、２段構成のＰＭＤ発生部７０ｃの入力側および出力側の各偏波保持ファイバ７１，７３のコア部分に希土類元素を添加し、入力側の偏波保持ファイバ７１には偏波制御部１０との間に配置した励起光供給部３０からの前方励起光Ｌｐを供給し、出力側の偏波保持ファイバ７３にはモニタ部４０との間に配置した励起光供給部３０からの後方励起光Ｌｐを供給するようにした双方向励起型の構成とされる。これにより、ＰＭＤ発生部７０ｃを伝搬する信号光Ｌｓがその略全域に亘って増幅されるようになるため、低ＮＦ特性と高利得を同時に図った光増幅器を実現することが可能になる。
【００６７】
なお、２段構成のＰＭＤ発生部７０ｃの入力側および出力側の偏波保持ファイバ７１，７３の両方に希土類元素を添加する場合の構成は、上記の図２１に示したような双方向励起型に限定されるものではなく、例えば図２２に示すように、出力側の偏波保持ファイバ７３とモニタ部４０との間にだけ励起光供給部３０を配置し、励起光供給部３０からの後方励起光Ｌｐが出力側の偏波保持ファイバ７３に供給された後に、その残留励起光が位相シフタ７２を介して入力側の偏波保持ファイバ７１に供給されるような構成としてもよい。また、図示しないが偏波制御部１０と入力側の偏波保持ファイバ７１との間にだけに励起光供給部３０を配置し、前方励起光Ｌｐが入力側および出力側の各偏波保持ファイバ７１，７３に順に供給されるようにしても構わない。
【００６８】
次に、本発明に係る光増幅器の第６実施形態について説明する。
第６実施形態では、例えば、上述の図１に示した第１実施形態の光増幅器を複数台使用してＰＭＤ補償および光増幅を行う場合に、さらなる小型化を図った応用例について説明する。
【００６９】
図２３は、第６実施形態の光増幅器の構成を示す機能ブロック図である。
図２３に示す光増幅器は、入力端子アレイＩＮを介して入力される波長λ1，λ2，…，λNの信号光Ｌｓ1，Ｌｓ2，…，ＬｓNに対応した共通の構成要素である偏波制御部、ＰＭＤ発生部、励起光源およびモニタ部をそれぞれ集積化して構成した偏波制御部アレイ１１０、ＰＭＤ発生部アレイ１２０、励起光源アレイ１３０およびモニタ部アレイ１４０を備える。この光増幅器では、第１実施形態の場合と同様にして、モニタ部アレイ１４０における各波長λ1〜λNに対応したモニタ結果を基に、偏波制御部アレイ１１０の各偏波制御部および励起光源アレイ１３０の各励起光源が制御部５０によりフィードバック制御される。
【００７０】
上記のような共通要素を集積（アレイ化）した構成により、複数の信号光Ｌｓ1〜ＬｓNに対応したＰＭＤ補償および光増幅を行う光増幅器についての小型化および低コスト化を効果的に実現することが可能になる。具体的に、例えば８波の信号光に対応したＰＭＤ補償および光増幅を行う場合の上記効果は次のように見積もることができる。ここでは、偏波保持ファイバを用いた８波対応のＰＭＤ補償器モジュールと、そのＰＭＤ補償器モジュールでの損失を補償する８波対応の光増幅器モジュールとを光ファイバで接続した従来の構成を想定し、それと本実施形態のアレイ化構成との比較を行うことにする。上記の従来構成において、ＰＭＤ補償器モジュールを除いたスペース（光増幅器モジュールとモジュール間の接続ファイバとに要するスペース）に対する各要素部品のスペースの割合（サイズ比）を計算すると、次の表１に示すような値となる。
【００７１】
【表１】
ただし、表１の項目１，２におけるファイバは、小さく巻き過ぎると損失やＰＭＤの増加、機械的破損等の不具合を生じるため、ファイバ種に応じた許容巻き半径という指標を用い、ここでは２５ｍｍという一般的なファイバ許容巻き半径を想定してサイズ比を計算している。上記の表１にあるように想定した従来の構成の各項目に示したスペースのうちで、本実施形態を適用して部品の一体化や共通化を行うことにより省スペース化が可能なものは、少なくとも項目１〜５に示した各スペースが該当することになり、そのサイズ比の合計は７７％と見積もることができる。そこで、従来構成におけるＰＭＤ補償器モジュールと光増幅器モジュールのスペース比を１：１と仮定し、本実施形態を適用して省スペース化を図った場合の全体スペースの相対比を計算すると、次の表２に示すようになり、本実施形態の構成によって約４０％の省スペース化の効果が得られることが分かる。
【００７２】
【表２】
なお、上記の図２３に示した第６実施形態の構成では、各信号光Ｌｓ1〜ＬｓNにそれぞれ対応させて設けられたモニタ部をアレイ化する一例を示したが、例えば図２４に示すように、ＰＭＤ発生部アレイ１２０から出力される各信号光Ｌｓ1〜ＬｓNを共通の光スイッチ１４１によって切り替えながら出力モニタ１４２に送り、各信号光Ｌｓ1〜ＬｓNに対応した出力モニタの共通化して一層の小型化および低コスト化の効果を得ることも可能である。
【００７３】
以上、本明細書で開示した主な発明について以下にまとめる。
【００７４】
（付記１） 入力される信号光の偏波状態を制御する偏波制御部と、
該偏波制御部で制御された信号光の直交する偏波モード成分間に群遅延時間差を与えることが可能な複屈折性を持つ光伝送媒体を有し、該光伝送媒体に希土類元素を添加した偏波モード分散発生部と、
該偏波モード分散発生部の光伝送媒体に対して、前記希土類元素を励起状態とすることが可能な励起光を与える励起光供給部と、
前記偏波モード分散発生部から出力される信号光の偏波モード分散発生状態をモニタするモニタ部と、
該モニタ部でモニタされる偏波モード分散が低減されるように前記偏波制御部を制御する制御部と、
を備えて構成されたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００７５】
（付記２） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記モニタ部は、前記偏波モード分散発生部から出力される信号光のパワーをモニタし、
前記制御部は、前記モニタ部でモニタされる信号光のパワーを入力時のパワー以上にする利得が得られるように前記励起光供給部を制御することを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００７６】
（付記３） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記モニタ部は、前記偏波モード分散発生部から出力される信号光のパワーをモニタし、
前記制御部は、前記モニタ部でモニタされる信号光のパワーが予め設定した値で一定となるように前記励起光供給部を制御することを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００７７】
（付記４） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記偏波モード分散発生部は、前記光伝送媒体として偏波保持ファイバを用い、該偏波保持ファイバのコア部分を中心とした光の伝搬領域に希土類元素を添加したことを特徴とする光増幅器。
【００７８】
（付記５） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記偏波モード分散発生部は、前記光伝送媒体として基板上に形成した複屈折性を持つ光導波路を用い、前記基板上の少なくとも光導波路に希土類元素を添加したことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００７９】
（付記６） 付記５に記載の光増幅器であって、
前記光導波路は、ニオブ酸リチウムを材料とする光導波路であることを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８０】
（付記７） 付記５に記載の光増幅器であって、
前記光導波路は、平面光波回路に形成された屈折率可変の光導波路であることを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８１】
（付記８） 付記５に記載の光増幅器であって、
前記偏波制御部は、希土類元素を添加した光導波路型の光伝送媒体を有し、
前記励起光供給部は、前記偏波制御部および前記偏波モード分散発生部の各光伝送媒体に励起光を供給することを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８２】
（付記９） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記モニタ部は、前記偏波モード分散発生部から出力される信号光の一部をモニタ光として分岐する分岐器と、該分岐器で分岐されたモニタ光のパワーおよび偏波モード分散発生状態をモニタする出力モニタと、信号光を透過し、励起光を遮断する特性を持ち、前記偏波モード分散発生部に供給された励起光の漏れ光が前記出力モニタに入力されることを阻止する励起光遮断デバイスと、を備えたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８３】
（付記１０） 付記９に記載の光増幅器であって、
前記励起光遮断デバイスは、信号光を透過し、励起光を遮断する光フィルタを、前記偏波モード分散発生部および前記分岐器の間に位置する主信号系の光路上、または、前記分岐器および前記出力モニタの間に位置するモニタ系の光路上に配置したことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８４】
（付記１１） 付記９に記載の光増幅器であって、
前記励起光遮断デバイスは、信号光に比べて励起光に対する損失が大きい光アイソレータを、前記偏波モード分散発生部および前記分岐器の間に位置する主信号系の光路上に配置したことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８５】
（付記１２） 付記１に記載の光増幅器であって、
信号光を透過し、励起光と前記偏波モード分散発生部における信号光の増幅に伴って発生する自然放出光とを遮断する特性を持った光フィルタを、信号光が伝搬する光路上に備えて構成されたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８６】
（付記１３） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記偏波モード分散発生部は、複屈折性を持つ複数の光伝送媒体を縦続接続して構成されるとき、該複数の光伝送媒体のうちの少なくとも信号光入力側に位置する光伝送媒体に対して希土類元素が添加され、
前記励起光供給部は、前記偏波モード分散発生部の希土類元素が添加された光伝送媒体に前方励起光を供給する構成としたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８７】
（付記１４） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記偏波モード分散発生部は、複屈折性を持つ複数の光伝送媒体を縦続接続して構成されるとき、該複数の光伝送媒体のうちの少なくとも信号光出力側に位置する光伝送媒体に対して希土類元素が添加され、
前記励起光供給部は、前記偏波モード分散発生部の希土類元素が添加された光伝送媒体に後方励起光を供給する構成としたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８８】
（付記１５） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記偏波モード分散発生部は、複屈折性を持つ複数の光伝送媒体を縦続接続して構成されるとき、該複数の光伝送媒体に対して希土類元素が添加され、
前記励起光供給部は、前記偏波モード分散発生部の希土類元素が添加された複数の光伝送媒体のうちの信号光入力側に位置する光伝送媒体に前方励起光を供給し、信号光出力側に位置する光伝送媒体に後方励起光を供給する構成としたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８９】
（付記１６） 付記１に記載の光増幅器を１つのユニットとして、複数のユニットを波長グループに含まれる複数の信号光に対応させて並列的に設けた光増幅器であって、前記各ユニットの共通する構成部分を一体化したことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００９０】
（付記１７） 付記１６に記載の光増幅器であって、
前記各ユニットの共通するモニタ部を一体化した構成は、各ユニットの偏波モード分散発生部から出力される各々の信号光いずれか１つを選択し、当該信号光の一部をモニタ光として出力する光スイッチと、該光スイッチから出力されるモニタ光の偏波モード分散発生状態および光パワーをモニタする、前記各ユニットで共通化された出力モニタとを備えたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の偏波モード分散補償機能を有する光増幅器によれば、従来、ＰＭＤ補償器に対して別途設けていた挿入損失補償用の光増幅器について、複屈折性を持つ光導波路に希土類元素を添加してＰＭＤ発生媒体と光増幅媒体を共通化し、第１および第２モニタのモニタ結果に応じて第１および第２制御回路により偏波制御部と励起光供給部の双方を同時に制御するようにしたことで、ＰＭＤ補償機能と光増幅機能を簡略な構成で実現した高機能かつ小型の光増幅器を低コストで提供することが可能になる。また、第２モニタでモニタされる信号光のパワーが予め設定した値で一定となるように励起光供給部の制御を行うようにしたことで、信号光の任意の入力レベルに対して出力レベルが一定になるため安定した出力を得ることができ、第１および第２モニタへの入力レベルを最適化することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光増幅器の第１実施形態の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】上記第１実施形態に用いられるＰＡＮＤＡ型偏波保持ファイバの断面構造の一例を示す図である。
【図３】上記第１実施形態においてファイバ型の融着ＷＤＭカプラを励起光供給部の合波器として用いた一例を示す図である。
【図４】上記第１実施形態において空間レンズ結合型の構成を励起光供給部の合波器に適用した一例を示す図である。
【図５】上記第１実施形態に用いられるモニタ部の具体的な構成例を示す図である。
【図６】上記第１実施形態に関連した前方励起型の構成例を示す機能ブロック図である。
【図７】上記第１実施形態に関連した双方向励起型の構成例を示す機能ブロック図である。
【図８】本発明に係る光増幅器の第２実施形態の構成を示す機能ブロック図である。
【図９】上記第２実施形態に用いられるＬＮ導波路型の偏波制御部の一例を示す図である。
【図１０】上記第２実施形態に用いられるＬＮ導波路型のＰＭＤ発生部の一例を示す図である。
【図１１】上記第２実施形態において導波路型の構成を励起光供給部の合波器およびモニタ部の分岐器に適用した一例を示す図である。
【図１２】上記第２実施形態に関連したＰＬＣ型の構成例を示す機能ブロック図である。
【図１３】本発明に係る光増幅器の第３実施形態に用いられるモニタ部の構成を示すブロック図である。
【図１４】上記第３実施形態に用いられる光フィルタの透過特性の一例を示す図である。
【図１５】上記第３実施形態に関連した光フィルタの他の配置例を示すブロック図である。
【図１６】上記第３実施形態に関連して光フィルタに代えて光アイソレータを用いた一例を示すブロック図である。
【図１７】本発明に係る光増幅器の第４実施形態の構成を示す機能ブロック図である。
【図１８】上記第４実施形態に用いられる光フィルタの透過特性の一例を示す図である。
【図１９】本発明に係る光増幅器の第５実施形態について低ＮＦ特性を実現可能にする一例を示す機能ブロック図である。
【図２０】上記第５実施形態について高効率を実現可能にする一例を示す機能ブロック図である。
【図２１】上記第５実施形態について低ＮＦ特性および高利得を実現可能にする一例を示す機能ブロック図である。
【図２２】図２１の構成に関連した他の一例を示す機能ブロック図である。
【図２３】本発明に係る光増幅器の第６実施形態の構成を示す機能ブロック図である。
【図２４】上記第６実施形態に関連した他の構成例を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
１０，１０’，１０” 偏波制御部
１１ ＬＮ基板
１２ 希土類元素添加ＬＮ導波路
１３ ＴＥ−ＴＭコンバータ用電極
１４ 位相シフタ用電極
２０，２０’，２０”，７０，７０ａ〜７０ｃ ＰＭＤ発生部
２１ 希土類元素添加コア
２２ クラッド
２３ 応力付与部
２４Ａ，２４Ｂ ＬＮ基板
２５Ａ，２５Ｂ 希土類元素添加ＬＮ導波路
２６ ＴＥ−ＴＭコンバータ
３０ 励起光供給部
３１ 励起光源
３２ 合波器
４０，４０’ モニタ部
４１ 分岐器
４２，１４２ 出力モニタ
４３ 光フィルタ
４４，８０ 光アイソレータ
５０ 制御部
６０Ａ，６０Ｂ 光フィルタ
７１，７３ 偏波保持ファイバ
７２ 位相シフタ
１１０ 偏波制御部アレイ
１２０ ＰＭＤ発生部アレイ
１３０ 励起光源アレイ
１４０ モニタ部アレイ
１４１ 光スイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いる光増幅器に関し、特に、偏波モード分散を補償する機能を備えて高機能化を果たしながら小型化を両立させた光増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅器は光通信システムの長距離化・大容量化を実現するキーコンポーネントの１つである。この光増幅器は、反転分布媒質からの誘導放出を用いるレーザ増幅器と、ラマン散乱やブリルアン散乱などの非線形光学効果に基づく増幅器とに分別される。また、レーザ増幅器には、希土類添加光ファイバ増幅器と半導体増幅媒体を用いる半導体レーザ増幅器とがある。前者は光励起により光増幅器として動作し、また、後者は注入電流励起により光増幅器として動作する。
【０００３】
これらの光増幅器の中で希土類添加光ファイバ増幅器は、ビットレートフリー、高利得・低雑音・広帯域、低結合損失、低偏光依存性および高効率等という性能面での大きな利点を有している。希土類添加光ファイバ増幅器の中でも、エルビウムドープ光ファイバ増幅器（Erbium-doped fiber amplifier：ＥＤＦＡ）が一般的であり、光ファイバ通信システムにおいて既に実用化されている。
【０００４】
近年、インターネットの普及等により通信トラフィックの需要は爆発的に急増している。このニーズに応える技術として、１本の光ファイバーに多波長の光信号を重畳して通信を行う波長多重（ＷＤＭ）伝送技術が脚光を浴びている。ＷＤＭ伝送技術については、主として２地点間を結ぶ一対一（Point-to-Point）のシステムが既に実用化されており、また、高密度波長多重（ＤＷＤＭ）として、今後、大容量伝送の地盤を固めるべく、波長域の拡大を望む需要も高まっている。上記のようなＷＤＭ伝送技術の導入により、送受信機内の１波用光増幅器については、少なくとも信号光の波長数に対応した多数の光増幅器が必要になるため、光増幅器の小型化に対する要求が強くなっている。
【０００５】
また、幹線系の長距離・大容量システムの域を越えたフォトニックネットワークシステムとしてより柔軟でより経済的なトランスポート網の構築が要請されており、フォトニックネットワークを構成するための光ノード技術の開発も進められている。具体的には、ＷＤＭリング伝送路から任意の波長の信号を取り出したり或いは任意の波長の信号を挿入したりする機能を有する光アド・ドロップ装置（ＯＡＤＭ）や、光回線を相互に切り替える機能または光を波長単位でルーティングする波長スイッチとしての機能を有する光クロスコネクト（ＯＸＣ）装置などの開発が進められている。
【０００６】
来るべき大容量情報化社会に向けたフォトニックネットワークには、高速化、低コスト化および高信頼度化と共に、さらなる高機能化および多様化が求められる。このようなニーズに応えるためには、波長単位もしくは数波の波長グループなどといった小さな単位で各種補償技術を適用して伝送品質の高度な管理を行うことが必要になる。具体的には、所要の適用領域に対して光スイッチや波長分散補償器、偏波モード分散（ＰＭＤ）補償器、チューナブル光フィルタ等といった機能デバイスを適用することが必要になる。また、上記のような機能デバイスで発生する損失を補償するために、１波または数波の波長グループに対応した光増幅器が要求され、１つのノード内に数多くの光増幅器が必要となる。例えば、１つのＯＸＣ装置内で数百個レベルの光増幅器が見込まれる。
【０００７】
上述したような光通信システムは、メトロ（市街地網）さらにはオフィスや家庭の近くまで引き込まれることが想定されるため、小型光増幅器に対する需要はさらに大きくなることが見込まれる。また、より高速化された光通信システムでは、波長分散補償器およびＰＭＤ補償器の必要性がより高くなる。特に、ＰＭＤ補償器は信号チャネル毎に配置する必要がある。従って、これら光部品の損失を補償する多数の小型光増幅器が必要になると考えられる。
【０００８】
なお、上記のような機能デバイスの損失を補償するための光増幅器は、これまで主に開発されてきた高性能（例えば、高利得、低ＮＦ、広帯域等）を追求した光増幅器とは異なり、１波または数波の波長グループに対応した増幅帯域を有し、少なくとも所要の光部品の損失を補償するに足る利得が得られる小型化を追求した光増幅器となる。
【０００９】
従来の損失補償用の光増幅器に関する技術として、例えば、下記の特許文献１等では、遠隔励起方法を用いた単体光増幅器を単体光学素子（光結合器や光分岐器など）の入力側に設置し、単体光増幅器と単体光学素子を一体化して損失の無い光学素子を構成する内容が記載されている。
【００１０】
また、本出願人は、先願である特許文献２，３等において、分散補償器（ＤＣＦ）を複数の光増幅器の段間に配置し、広帯域のＷＤＭ信号光に対する波長分散を補償可能にした光増幅器を提案している。
【００１１】
【特許文献１】
特開平５−５０２３３４号公報
【特許文献２】
特開平１１−３１２８４８号公報
【特許文献３】
特開２０００−０７８０８１号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１等に記載された従来の技術については、光増幅器と光学素子を接続して単に組み合わせた構成の域を越えておらず、光増幅器および光学素子の省スペース化は実現されていない。また、特許文献２，３等で提案した技術については、分散補償器と光増幅器の双方の特性に配慮して、光増幅器内部における最適な位置に分散補償器を配置しているものの、上記の特許文献１等の場合と同様に光増幅器と分散補償器を接続して単に組み合わせた構成であり、光増幅器の小型化という課題が残されている。
【００１２】
なお、本出願人は、損失を補償すべき光学素子を良好な反射減衰特性の接続法（融着接続法や斜め研磨コネクタ接続法等）を用いて光増幅媒体の出力側に一体化することで、光学素子の挿入損失の効果を利用して光増幅媒体への出力側反射光を低減させ、従来必須であったアイソレータのうちの少なくとも出力側のアイソレータを省略可能として省スペース化を図る技術を提案している（例えば、特願２００２−０９２４４３号参照）。この先願発明は、損失を補償すべき光学素子と光増幅器との構成に関する技術を提供するものであるが、光学素子の種類については特に限定していないため、光増幅器との一体化の対象となる光学素子を特定して、所要の部品やスペースの共通化・共有化により光増幅器の小型化を図るといった技術的なアプローチはなされていない。
【００１３】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、光機能デバイスの１つである偏波モード分散補償器との一体化構成により高機能化を図ると共に、所要の部品やスペースの共通化・共有化により小型化および低コスト化を実現した、偏波モード分散補償機能を有する光増幅器を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る偏波モード分散補償機能を有する光増幅器は、入力される信号光の偏波状態を制御する偏波制御部と、該偏波制御部で制御された信号光の直交する偏波モード成分間に群遅延時間差を与えることが可能な複屈折性を持つ光伝送媒体を有し、該光伝送媒体に希土類元素を添加した偏波モード分散発生部と、該偏波モード分散発生部の光伝送媒体に対して、前記希土類元素を励起状態とすることが可能な励起光を与える励起光供給部と、前記偏波モード分散発生部から出力される信号光の偏波モード分散発生状態をモニタする第１モニタと、前記偏波モード分散発生部から出力される信号光のパワーをモニタする第２モニタと、前記第１モニタでモニタされる偏波モード分散が低減されるように前記偏波制御部を制御する第１制御回路と、前記第２モニタでモニタされる信号光のパワーが予め設定した値で一定となるように前記励起光供給部を制御する第２制御回路と、を備えて構成され、さらに、前記偏波モード分散発生部は、前記光伝送媒体として基板上に形成した複屈折性を持つ光導波路を用い、前記基板上の少なくとも光導波路に希土類元素を添加したものである。
【００１５】
上記のような構成の光増幅器では、偏波制御部に入力された信号光はその偏波状態が第１制御回路からの信号に従って制御された後に、偏波モード分散発生部の希土類元素が添加された複屈折性を持つ光導波路に与えられる。この偏波モード分散発生部には、励起光供給部からの励起光が与えられていて、光導波路内の希土類元素が励起状態にされている。このため、偏波モード分散発生部に送られた信号光は、その偏波状態に応じて直交偏波モード間に群遅延時間差が与えられると共に希土類元素の誘導放出作用により増幅され、信号光の偏波モード分散の補償と、その偏波モード分散補償に伴って発生する損失を少なくとも補償する信号光の増幅とが、第１、第２モニタおよび第１、第２制御回路による制御の下で同時に行われるようになる。これにより、一体化構成により高機能化と小型化を両立させた光増幅器の実現が可能になる。
【００１６】
【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。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当する部分を示すものとする。
【００１７】
図１は、本発明に係る光増幅器の第１実施形態の構成を示す機能ブロック図である。
図１において、本実施形態の光増幅器は、例えば、入力端子ＩＮに与えられる信号光Ｌｓの偏波状態を制御する偏波制御部１０と、希土類元素を添加した複屈折性を有する光伝送媒体に対して偏波制御部１０から出力される信号光Ｌｓを入力することで、その信号光Ｌｓの直交する偏波モード成分間に所要の群遅延時間差（Differential Group Delay：ＤＧＤ）を与えてＰＭＤ補償を行うと同時に、信号光Ｌｓを増幅するＰＭＤ発生部２０と、該ＰＭＤ発生部２０の光伝送媒体に励起光を供給して希土類元素を励起状態とする励起光供給部３０と、ＰＭＤ発生部２０から出力端子ＯＵＴに送られる信号光ＬｓのパワーおよびＰＭＤ発生状態をモニタするモニタ部４０と、モニタ部４０のモニタ結果に基づいて偏波制御部１０および励起光供給部３０を制御する制御部５０と、を備えて構成される。ここでは、モニタ部４０が、信号光ＬｓのＰＭＤ発生状態をモニタする第１モニタとしての機能と、信号光Ｌｓのパワーをモニタする第２モニタとしての機能とを備えており、また、制御部５０が、ＰＭＤの制御を行う第１制御回路としての機能と、励起光の制御を行う第２制御回路としての機能とを備えている。
【００１８】
偏波制御部１０は、制御部５０からの制御信号に従って、入力端子ＩＮを介して与えられる信号光Ｌｓの偏光面角度を調整する公知の光デバイスである。この偏波制御部１０は、例えば特許第３２３０７８４号公報や特開２０００−３１２１８１号公報等に記載されたＰＭＤ補償器に使用される偏波制御回路（偏波コントローラ）に相当するものである。
【００１９】
ＰＭＤ発生部２０は、複屈折性を有する光伝送媒体として例えば偏波保持ファイバ等を使用し、その偏波保持ファイバのコア部分に希土類元素を添加したものからなる。偏波保持ファイバは、直交する偏波モード間に伝搬定数差を生じさせ、一方の偏波モードから他方の偏波モードへの結合を抑制して偏波保持能力を高めた光ファイバであり、その構造としてはＰＡＮＤＡ型や楕円クラッド型等がある。図２は、ＰＡＮＤＡ型偏波保持ファイバの断面構造の一例である。図中の符号２１はコア、符号２２はクラッド、符号２３は応力付与部をそれぞれ示している。本実施形態においてＰＭＤ発生部２０として使用する偏波保持ファイバは、コア２１部分を中心とした光の伝搬領域に希土類元素を添加することにより光増幅媒体としての機能も備える。コア２１に添加される希土類元素の具体例としては、Ｅｒ（エルビウム）、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｔｈ（トリウム）、Ｅｒ−Ｙｂ（エルビウムおよびイッテルビウムの共添加）等を挙げることができる。ただし、希土類元素は上記の具体例に限定されるものではない。
【００２０】
励起光供給部３０は、例えば、偏波保持ファイバに添加された希土類元素を励起することのできる所要の波長の励起光Ｌｐを発生する励起光源３１と、その励起光ＬｐをＰＭＤ発生部２０の偏波保持ファイバに供給する合波器３２とを有する。ここでは、偏波保持ファイバの信号光出力側に合波器３２が配置され、信号光Ｌｓの伝搬方向とは逆方向に励起光Ｌｐが伝搬する後方励起型の一例が示してある。励起光源３１としては、例えば、半導体励起レーザやファイバラマンレーザ等を使用することが可能である。
【００２１】
なお、上記のように希土類元素を添加した偏波保持ファイバを用い、それに励起光を供給して光増幅器を構成する内容については、例えば、特開２００１−２４４５３５号公報、特開平７−１４２７９８号公報、特開平５−４５６８２号公報等で公知である。ただし、これら公知の光増幅器はＰＭＤ補償機能を具備するものではない。
【００２２】
ここで、上記の励起光供給部３０に用いられる合波器３２の具体的な構成例を図３および図４を参照しながら説明する。
図３の構成は、ファイバ型の融着ＷＤＭカプラを合波器３２として使用した一例である。この構成例では、ＰＭＤ発生部２０の希土類元素を添加した偏波保持ファイバの出力端が融着ＷＤＭカプラの１つのポートに光学的に接続され、そのポートとは反対側に位置する２つのポートの一方にはモニタ部４０に繋がる光路の一端が光学的に接続され、他方には励起光源３１のピグテールファイバ等が融着接続される。
【００２３】
図４の構成は、波長多重分離膜３２Ａと複数のレンズ３２Ｂを利用して空間レンズ結合型の構成とした合波器３２の一例である。波長多重分離膜３２Ａは、励起光Ｌｐを高い反射率で反射し、信号光Ｌｓを透過する特性を有するものとする。この構成例では、励起光源３１からレンズ３２Ｂを介して波長多重分離膜３２Ａに入射された励起光Ｌｐは、波長多重分離膜３２で反射されてＰＭＤ発生部２０の偏波保持ファイバに導かれる。一方、偏波保持ファイバからレンズ３２Ｂを介して波長多重分離膜３２Ａに入射された信号光Ｌｓは、波長多重分離膜３２Ａを透過してモニタ部４０に繋がる光路に導かれる。
【００２４】
なお、図３および図４には後方励起の場合を例に示したが、この構成は後述するような前方励起に場合にも同様にして応用することが可能である。
モニタ部４０（図１）は、ＰＭＤ発生部２０から出力され励起光供給部３０の合波器３１を通過して出力端子ＯＵＴに送られる信号光Ｌｓの一部をモニタ光として分岐する分岐器４１と、分岐器４１で分岐されたモニタ光を用いて信号光ＬｓのパワーやＰＭＤ発生状態をモニタする出力モニタ４２とを有する。出力モニタ４２は、例えば、菊池、外１名，「ＰＭＤ補償器における偏光度を用いたＰＭＤ検出方式の検討」，１９９９年電子情報通信学会ソサイエティ大会，Ｂ−１０−６８等に記載された公知のＰＭＤモニタ方法を適用することが可能である。出力モニタ４２の具体的な構成は、例えば図５に示すように、分岐器４１で分岐されたモニタ光をさらに分岐器４２Ａで４つの光に分岐し、それらのうちの３つの光を波長板４２Ｂや偏光子４２Ｃを介して受光器４２Ｄに送り、他の１つの光は受光器４２Ｄに直接送り、各々の受光器４２Ｄで検出される偏波状態の異なる光のパワーに基づいて、演算処理回路４２Ｅで偏光度（Degree of Polarization：ＤＯＰ）を演算して信号光ＬｓのＰＭＤ発生状態をモニタする。ただし、本発明に適用可能な出力モニタの構成は、図５の一例に限定されるものではない。
【００２５】
制御部５０（図１）は、モニタ部４０でのモニタ結果に基づいて、信号光Ｌｓに残留したＰＭＤがより小さくなるように偏波制御部１０で調整される信号光Ｌｓの偏光面角度を制御する。また、この制御部５０は、モニタ部４０でモニタされる信号光Ｌｓのパワーに応じて、出力端子ＯＵＴから出力される信号光Ｌｓが所要のレベルとなるように、励起光供給部３０の励起光源３１を制御して本光増幅器の利得設定を調整する。
【００２６】
なお、図１の構成例では図示を省略したが、偏波制御部１０およびＰＭＤ発生部２０の間と、励起光供給部３０の合波器３２およびモニタ部４０の分波器４１の間とには、信号光Ｌｓを入力側から出力側にのみ通過させる光アイソレータを必要に応じて（例えば、高利得動作が必要な場合など）挿入することが可能である。
【００２７】
次に、第１実施形態の光増幅器の動作について説明する。
本光増幅器では、信号光Ｌｓが入力端子ＩＮを介して偏波制御部１０に入力されると、その信号光Ｌｓの偏光面の角度が調整される。この偏波制御部１０での偏光面角度の調整は、入力端子ＩＮに接続される図示しない光伝送路等を伝搬することで信号光Ｌｓに発生したＰＭＤが、偏波制御部１０の後段に配置したＰＭＤ発生部２０で直交偏波モード成分間に付与される群遅延時間差によって低減されるように制御される。ここでは、出力段に配置したモニタ部４０でモニタされるＰＭＤ発生量が減少して零に近づくように、偏波制御部１０の動作が制御部５０によってフィードバック制御される。
【００２８】
ここで、入力端子ＩＮに与えられる信号光Ｌｓに発生するＰＭＤについて簡単に説明しておくと、例えば、光伝送路として一般的に広く使われているシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）が入力端子ＩＮに接続されるような場合、ＳＭＦには直交する２つの偏波面を持つ２つのモードが存在し、ＳＭＦの断面構造が完全に真円ではないために生じる複屈折性により、直交偏波モードの縮退状態がとけて、偏波ごとに群速度が異なるＰＭＤが発生する。具体的に、ＳＭＦの偏波伝達特性が０．５ｐｓ／ｋｍ1/2であるとすると、例えば３００ｋｍの長さを有するＳＭＦを伝搬した信号光Ｌｓには８．７ｐｓのＰＭＤが発生し、このＰＭＤが信号光Ｌｓの伝送特性を劣化させることになる。なお、上記のＰＭＤは温度変動等の外乱により時間的に変化するため、ＰＭＤの補償は動的に行う必要がある。このため、本実施形態ではモニタ部４０のモニタ結果に基づいて偏波制御部１０のフィードバック制御が行われる。
【００２９】
偏波制御部１０で偏波面角度が最適化された信号光Ｌｓは、ＰＭＤ発生部２０の希土類元素が添加された偏波保持ファイバのコア内を伝搬する。この偏波保持ファイバには、励起光源３１で発生した励起光Ｌｐが合波器３２を介して後方より供給され、コアに添加された希土類元素が励起状態とされている。これにより、ＰＭＤ発生部２０の偏波保持ファイバを伝搬する信号光Ｌｓは、その偏波面角度に応じて直交偏波モード間に群遅延時間差が付与されてＰＭＤの補償が行われると同時に、励起された希土類元素からの誘導放出により所要のレベルまで増幅される。
【００３０】
上記のＰＭＤ発生部２０で補償可能なＰＭＤ量は、偏波保持ファイバの長さに大きく依存する。一般的に、２０ｐｓ程度のＰＭＤを付与するために必要な偏波保持ファイバの長さは約２０ｍと言われている。上記の具体例のように入力端子ＩＮに入力される信号光Ｌｓに発生した８．７ｐｓのＰＭＤを補償するためには、およよ１０ｍ程度の長さの偏波保持ファイバを使用することが必要になる。一方、ＰＭＤ発生部２０における信号光Ｌｓの増幅利得についても、光増幅媒体（希土類元素の添加された偏波保持ファイバ）の長さに大きく依存し、ある程度の長さがないと所要の利得を発生することが難しい。例えば、周知のエルビウム添加光ファイバ増幅器に用いられている光増幅媒体の長さは数１０ｍである。この光増幅媒体の長さは、上記のＰＭＤ補償に必要な偏波保持ファイバの長さと同程度になっており、この長さの共通点に注目して本実施形態ではＰＭＤ補償のための偏波保持ファイバに希土類元素を添加して光増幅媒体としても機能させることにより、光部品の共通化による省スペース化を図った一体化構成を容易に実現可能にしている。
【００３１】
ＰＭＤ発生部２０における信号光Ｌｓの増幅利得は、本光増幅器をＰＭＤ補償器として考えたときの挿入損失を少なくとも補償可能な利得に設定される。具体的に、公知のＰＭＤ補償器の挿入損失は、適用技術やＰＭＤ補償量にもよるが、一般的に５〜１０ｄＢ程度であると考えられるため、例えば、これと同程度の利得が少なくとも得られるような励起光ＬｐがＰＭＤ発生部２０に供給される。ここでは、ＰＭＤ発生部２０で増幅された信号光Ｌｓのパワーをモニタ部４０でモニタし、所要の光パワーレベル（例えば、出力時の信号光Ｌｓのパワーが入力時のパワーに略等しくなるか、または、それを上回る所望のレベル）となるように、励起光源３１の駆動状態が制御部５０によってフィードバック制御される。
【００３２】
さらに、上記励起光源３１のフィードバック制御に関しては、信号光Ｌｓの出力レベルを一定に制御するＡＬＣとするのがよい。これにより、信号光Ｌｓの任意の入力レベルに対して出力レベルが一定になるため安定した出力が得られるようになる。また、ＡＬＣの出力レベルは、出力モニタ４２の感度を考慮して設定するのが好ましい。すなわち、出力モニタ４２に与えられるモニタ光（信号光Ｌｓの分岐光）の入力レベルが小さくなり過ぎると、受光器で発生する暗電流等の影響により光パワーやＰＭＤを正確にモニタすることができなくなる。また、出力モニタ４２への入力レベルが大きくなり過ぎると、受光器が飽和状態となって光パワーやＰＭＤを正確にモニタすることができなくなる。そこで、モニタ部４０に使用する分岐器４１の分岐比と出力モニタ４２の最小および最大入力レベルとに基づいて、出力モニタ４２に入力されるモニタ光のレベルが適切な値となるようにＡＬＣの出力レベルを設定することにより、上記のような状況を回避することができるようになり、信号光Ｌｓの入力レベルが広い範囲で変化してもＰＭＤ補償および光増幅を安定して行うことが可能となる。
【００３３】
上述したように第１実施形態の光増幅器によれば、これまではＰＭＤ補償器に対して別途設けていた挿入損失補償用の光増幅器について、希土類元素を添加した偏波保持ファイバを用いてＰＭＤ発生媒体と光増幅媒体とを共通の部品で構成すると共に、モニタ部４０や制御部５０も共有して省スペース化を図った一体化構成を実現したことで、ＰＭＤ補償機能と光増幅機能を単一の構成で実現した高機能かつ小型の光増幅器を提供することが可能になる。また、出力モニタ４２のモニタ結果に基づいて偏波制御部１０と励起光源３１の双方を同時にフィードバック制御するようにしたことで、信号光Ｌｐに発生したＰＭＤの補償とそのＰＭＤ補償により生じる損失の補償とを確実に安定して行うことができる。このように光増幅器内でＰＭＤ補償と損失補償を同時に行うようにすれば、例えば、光通信システムの受信側に配置されたＰＭＤ補償器の挿入損失をインライン光増幅器（光増幅中継器）の出力レベルを上昇させて補償するような場合と比較して、光伝送路の非線形効果による伝送特性劣化や、インライン光増幅器の過度な利得増加による光増幅特性劣化、信頼性劣化およびコストアップ等の問題発生を回避することが可能になる。
【００３４】
なお、上記の第１実施形態では、後方励起型の構成例について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば図６に示すように、ＰＭＤ発生部２０の希土類元素を添加した偏波保持ファイバの信号光入力側に合波器３２を配置し、信号光Ｌｓの伝搬方向と同じ方向に励起光Ｌｐが伝搬する前方励起型の構成としても当然よい。また、例えば図７に示すように、偏波保持ファイバの信号光入力側および出力側の双方から励起光Ｌｐを供給する双方向励起型の構成とすることも可能である。
【００３５】
次に、本発明に係る光増幅器の第２実施形態について説明する。
図８は、第２実施形態の光増幅器の構成を示す機能ブロック図である。
図８において、第２実施形態の光増幅器の構成が第１実施形態の場合と異なる点は、偏波制御部１０およびＰＭＤ発生部２０に代えて、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3：ＬＮ）等を材料とする結晶基板に形成された光導波路の複屈折性を利用して構成された偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’を設けた点である。上記以外の励起光供給部３０、モニタ部４０および制御部５０の各構成については、第１実施形態の場合と同様であるため、ここでの説明を省略する。
【００３６】
ＬＮ導波路型の偏波制御部１０’としては、例えば、ＴＥ−ＴＭモードコンバータと位相シフタを組み合わせた構成、または、結晶軸を回転させて波長板を導波路で実現した構成などが公知ある。ここでは、例えば図９に示すように、ＸカットのＬＮ基板１１上に、希土類元素を添加したＬＮ導波路１２を形成し、そのＬＮ導波路に沿って、ＴＥ−ＴＭモードコンバータと位相シフタとを交互に配置して偏波制御部１０’が構成されるものとする。各段のＴＥ−ＴＭモードコンバータは、ＬＮ導波路１２の長手方向に対して直交する方向に設けた３つの電極１３に、制御部５０からの出力信号に従って制御された所要の電気信号を与えることで、ＬＮ導波路１２を伝搬する信号光ＬｓのＴＥ−ＴＭモードの変換が行われる。また、各段の位相シフタは、ＬＮ導波路１２の両サイドに設けた２つの電極に、制御部５０からの出力信号に従って制御された所要の電気信号を与えることで、ＬＮ導波路１２を伝搬する信号光Ｌｓの位相をシフトさせる。
【００３７】
ＬＮ導波路型のＰＭＤ発生部２０’としては、例えば図１０に示すように、希土類元素が添加された光導波路２５Ａ，２５Ｂを形成した２つのＬＮ基板２４Ａ，２４Ｂの間にＴＥ−ＴＭモードコンバータ２６を設けた構成などを適用することが可能である。ＴＥ−ＴＭモードコンバータ２６を介したＬＮ基板２４Ａ，２４Ｂ間の光の導波手段は、空間、ファイバまたは導波路等の任意の手段を適宜に選択すればよい。
【００３８】
なお、上記の偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’において、希土類元素を添加したＬＮ導波路を実現するための技術としては、例えば、I.Baumann et al.,“Acoust Tunable Ti:Er:LiNbO3-Waveguide Laser”, ECOC'94, pp.99-102や、H.Suche, “High-speed Er-doped LiNbO3 waveguide Lasers”, IPR'99, RtuG3-1 pp.222-224等に記載された技術を適用することが可能である。
【００３９】
また、本実施形態の偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’では、ＬＮ基板１１，２４Ａ，２４Ｂに形成した光導波路１２，２５Ａ，２５Ｂの部分にのみ希土類元素を添加する一例を示したが、ＬＮ基板１１，２４Ａ，２４Ｂの全体に希土類元素を添加するようにしても構わない。さらに、本発明における偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’の構成は、図９および図１０に示した一例に限定されるものではなく、公知の構成を適用することが可能である。
【００４０】
上記のようなＰＭＤ発生部２０’のＬＮ導波路２５Ｂに励起光源３１で発生した励起光Ｌｐを供給する合波器３２の構成としては、例えば、前述の図３および図４に示した各構成を適用することが可能である。また、例えば図１１に示すように、合波器３２を導波路型の構成とすることも可能である。この導波路型の構成では、光導波路のＹ分岐部分に波長選択性モード結合部３２Ｃが形成され、励起光源３１からレンズ３２Ｄを介してＹ分岐の一方の分岐ポートに入射された励起光Ｌｐが、波長選択性モード結合部３２Ｃを通って、ＰＭＤ発生部２０’のＬＮ導波路２５Ｂに導かれる。一方、ＬＮ導波路２５Ｂから導波路型の合波器３２に入射された信号光Ｌｓは、波長選択性モード結合部３２Ｃを介してＹ分岐の他方の分岐ポートに送られる。また、図１１には、モニタ部４０の分岐器４１も導波路型として一体化した構成が併せて図示してあり、前段のＹ分岐の他方の分岐ポートに送られた信号光Ｌｓは、分岐器４１として機能する後段のＹ分岐で２分岐されて出力端子ＯＵＴおよび出力モニタ４２にそれぞれ導かれる。
【００４１】
次に、第２実施形態の光増幅器の動作について説明する。
上記のような構成の光増幅器では、ＰＭＤ発生部２０’のＬＮ導波路２５Ａ，２５Ｂに加えて偏波制御部１０’のＬＮ導波路１２にも希土類元素が添加されており、励起光供給部３０からの後方励起光ＬｐがＬＮ導波路２５Ｂ，２５ＡそしてＬＮ導波路１２にも供給されるため、入力端子ＩＮに入力された信号光ＬｓはＰＭＤ発生部２０’だけでなく偏波制御部１０’においても増幅されるようになる。
【００４２】
ＬＮ導波路型のＰＭＤ発生部２０’で付与されるＰＭＤ量は、一般的には、ＬＮ導波路の長さ１ｃｍあたりで２．５ｐｓ程度と言われている。このため、例えば２０ｐｓのＰＭＤが発生した信号光ＬｓのＰＭＤ補償を行う場合、ＰＭＤ発生部２０’のＬＮ導波路１２の長さとしては約１０ｃｍとすればよい。このＬＮ導波路１２の長さは、前述した偏波保持ファイバを用いてＰＭＤを発生させる場合と比べて非常に短くなるため小型化および省スペース化に有利である。
【００４３】
一方、上記のようなＬＮ導波路長の短いＰＭＤ発生部２０’では、希土類元素が添加される部分の長さも短くなるため、光増幅領域を偏波制御部１０’まで拡大しても高利得の動作は難しくなる。短い光増幅媒体を用いる場合に利得を上昇させるためには、例えば、希土類元素の添加濃度を高くする方法や、Ｅｒ−Ｙｂ共添加増幅媒体として励起光吸収率の向上を図る方法などを適用することが可能である。具体的な一例を挙げておくと、約１０ｃｍのＬＮ導波路にエルビウムを３０００〜５０００ｐｐｍの濃度で添加した場合には、５〜１０ｄＢ程度の利得を得ることができるようになる。ただし、希土類元素を高濃度で添加する場合には、希土類元素間の相互作用により利得が低下する濃度消光の影響に留意する必要がある。
【００４４】
上記のようにＬＮ導波路型の偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’を適用した光増幅器では信号光Ｌｓの増幅利得が低くなるが、本光増幅器をＰＭＤ補償器として考えたときの挿入損失を補償するための利得を得ることは十分に可能である。また、比較的低い利得で動作する光増幅器においては、高利得動作時に必須の構成要素となる光アイソレータを省略できるため、光増幅器の小型化および低コスト化を図ることも可能である。さらに、ＬＮ導波路型の偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’によるＰＭＤ補償は、例えば、１μｓ以下の応答速度が得られると共に、４５ｄＢ以上の反射減衰量が得られる等の利点を有している。加えて、ＬＮ導波路の集積化に有利な特徴を生かし、前述の図１１に例示したように励起光供給部３０やモニタ部４０の所要部品を導波路型の構成として集積化することで、より小型の光増幅器を実現することも可能になる。
【００４５】
なお、上記の第２実施形態では後方励起型の構成例について説明したが、本発明はこれに限らず、前述した図６または図７の場合と同様にして、前方励起型または双方向励起型の構成とすることも可能である。
【００４６】
また、上記の第２実施形態では、ＬＮ基板上に形成した光導波路を利用してＬＮ導波路型の偏波制御部１０’およびＰＭＤ発生部２０’を構成したが、これと同様にして、例えば図１２に示すように、シリコン基板上にガラス導波路を形成し、その屈折率を温度制御等により変化させる平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）型の構成を適用することも可能である。このＰＬＣ型の偏波制御部１０”およびＰＭＤ発生部２０”によって行われるＰＭＤ補償の利点としては、光部品の集積化による小型化が可能であることや、１０ｍｓ以下の応答速度が得られることなどを挙げることができる。
【００４７】
次に、本発明に係る光増幅器の第３実施形態について説明する。
上述の第１、第２実施形態で説明したようなＰＭＤ補償と光増幅を同時に行う一体化構成では、例えば図６に示した前方励起型または図７に示した双方向励起型の各構成に関して、信号光Ｌｓと同方向に伝搬する励起光Ｌｓの漏れ光がモニタ部４０に入力して出力モニタ４２におけるＰＭＤのモニタ精度を低下させる可能性がある。第３実施形態では、上記のような励起光Ｌｐの漏れ光（残留励起光）の影響によるモニタ精度の低下を防ぐための改良例について説明する。
【００４８】
図１３は、第３実施形態の光増幅器に用いられるモニタ部の構成を示すブロック図である。
図１３において、本光増幅器に適用されるモニタ部４０’は、信号光Ｌｓを透過し、励起光Ｌｐを遮断する光フィルタ４３を分岐器４１の前段の光路上に挿入したものである。なお、分岐器４１および出力モニタ４２の構成、並びに、モニタ部４０’以外の光増幅器の他の部分の構成については、第１または第２実施形態の場合と同様であるためここでの説明を省略する。
【００４９】
光フィルタ４３は、例えば図１４に示すように、信号光Ｌｓの波長帯域に対して透過率が高く、励起光Ｌｐの波長に対して透過率が低くなるようなフィルタ特性を有する一般的な光フィルタである。この光フィルタ４３の具体例としては、誘電体多層膜、融着カプラ、ファイバブラッググレーティング等を利用したフィルタを挙げることができる。ただし、光フィルタ４３は上記の具体例に限定されるものではない。
【００５０】
上記のような構成のモニタ部４０’では、偏波制御部１０およびＰＭＤ発生部２０を伝搬することによりＰＭＤ補償と光増幅が同時に施された信号光Ｌｓと、その信号光Ｌｓと同方向に伝搬する励起光Ｌｓの漏れ光とが光フィルタ４３に入力される。この光フィルタ４３では、図１４に示したフィルタ特性に従って、信号光Ｌｓが分岐器４１に送られ励起光Ｌｐの漏れ光は遮断される。光フィルタ４３を透過した信号光Ｌｓは、その一部が分岐器４１でモニタ光として分岐されて出力モニタ４２に送られる。出力モニタ４２では、分岐器４１からのモニタ光を用いて信号光ＬｓのＰＭＤ発生状態や出力パワーがモニタされるようになる。
【００５１】
上記のように第３実施形態の光増幅器によれば、前方励起型または双方向励起型の構成においても、励起光Ｌｐの漏れ光の影響を受けることなく、信号光ＬｓのＰＭＤ発生状態を高い精度でモニタすることが可能になる。
【００５２】
なお、上記の第３実施形態では、光フィルタ４３を分岐器４１の前段の主信号系の光路上に配置するようにしたが、光フィルタ４３の配置は上記以外にも、例えば図１５に示すように、分岐器４１と出力モニタ４２の間のモニタ系の光路上に光フィルタ４３を配置するようにしてもよい。また、図１６に示すように、光フィルタ４３に代えて、励起光Ｌｐに対応した波長帯で大きな損失が発生する光アイソレータ４４を設けることも可能である。具体的には、１．５５μｍ帯の信号光Ｌｓに対して０．９８μｍの励起光Ｌｐにより光増幅を行う場合、１．５５μｍ帯用の光アイソレータは、０．９８μｍ付近で５０ｄＢ程度の損失が生じるため、励起光Ｌｐを遮断するデバイスとして好適である。上記のように光アイソレータ４４を設けるようにすれば、光増幅媒体の出力側反射光が遮断されるため、高利得動作時においても安定な光増幅特性を得ることができるという効果も得られるようになる。
【００５３】
また、上記の第３実施形態では、個別の光フィルタ４３をモニタ部４０に追加するようにしたが、例えば、モニタ部４０に接続されるＰＭＤ発生部３０の光伝送媒体（希土類元素を添加した偏波保持ファイバや光導波路等）に直接グレーティングを形成して、上記の光フィルタ４３と同様のフィルタ特性を実現させることも可能である。さらに、励起光に対応した波長帯の光を吸収する希土類元素（例えば、０．９８μｍの励起光に対してイッテルビウム（Ｙｂ）やボロン（
Ｂ）など）を添加した吸収体を光フィルタ４３に代えて主信号系またはモニタ系の光路に設けるようにしてもよい。加えて、モニタ部４０を構成する各光部品自体に、光フィルタ４３と同様の特性を有する光フィルタ膜を蒸着するようにしても構わない。この場合の具体例としては、上述の図５に示したような構成の出力モニタ４２について、ガラス結晶を使用した偏光子４２Ｃに対して光フィルタ膜を蒸着することが可能である。
【００５４】
次に、本発明に係る光増幅器の第４実施形態について説明する。
上述したような信号光Ｌｓに対するＰＭＤ補償機能と光増幅機能を同時に実現した一体化構成では、光増幅に伴って発生する自然放出（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）光もＰＭＤのモニタ精度を低下させる要因となる。第４実施形態では、前述した励起光の漏れ光だけでなくＡＳＥ光の影響をも考慮した改良例について説明する。
【００５５】
図１７は、第４実施形態の光増幅器の構成を示す機能ブロック図である。
図１７において、本実施形態の光増幅器は、信号光Ｌｓを透過すると共に、励起光Ｌｐの漏れ光を遮断し、かつ、ＡＳＥ光を遮断する光フィルタ６０Ａ，６０ＢをＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００の前段および後段にそれぞれ配置したものである。なお、ここでのＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００は、上述した各実施形態における偏波制御部１０（または１０’）とＰＭＤ発生部２０（または２０’）とを１つの系として表した機能ブロックである。ＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００の前後に挿入した光フィルタ６０Ａ，６０Ｂ以外の他の部分の構成は、第１または第２実施形態の場合と同様であるため、ここでの説明を省略する。
【００５６】
各光フィルタ６０Ａ，６０Ｂは、例えば図１８に示すように、信号光Ｌｓの波長帯域に対して透過率が高くなると共に、励起光Ｌｐの波長に対して透過率が低く、かつ、信号光Ｌｓの波長帯域の短波長側および長波長側の両端に続くＡＳＥ光の波長帯域に対しても透過率が低くなるようなフィルタ特性を有する一般的な光フィルタである。
【００５７】
上記のような構成の光増幅器では、入力端子ＩＮに与えられた信号光Ｌｓは、光フィルタ６０Ａを透過してＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００に送られ、ＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００内の偏波制御部１０およびＰＭＤ発生部２０を伝搬することによりＰＭＤ補償と光増幅が同時に施される。このとき、信号光Ｌｓの光増幅に伴ってＡＳＥ光が発生し、そのＡＳＥ光は信号光Ｌｓと同方向および逆方向にそれぞれ伝搬する。信号光Ｌｓと同方向に伝搬するＡＳＥ光は、信号光Ｌｓおよび前方励起光の漏れ光と共にＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００から出力側の光フィルタ６０Ｂに送られ、信号光Ｌｓのみが光フィルタ６０Ｂを透過してモニタ部４０に送られる。また、信号光Ｌｓと逆方向に伝搬するＡＳＥ光は、後方励起光の漏れ光と共にＰＭＤ補償／光増幅ユニット１００から入力側の光フィルタ６０Ａに送られ、ＡＳＥ光および後方励起光の漏れ光の双方の光増幅器外への伝搬が光フィルタ６０Ａによって遮断される。
【００５８】
出力側の光フィルタ６０Ａを透過した信号光Ｌｓは、その一部がモニタ部４０の分岐器４１でモニタ光として分岐されて出力モニタ４２に送られる。出力モニタ４２では、分岐器４１からのモニタ光を用いて信号光ＬｓのＰＭＤ発生状態や出力パワーがモニタされるようになる。
【００５９】
上記のように第４実施形態の光増幅器によれば、光増幅に伴って発生するＡＳＥ光および励起光の漏れ光を遮断する光フィルタ６０Ａ，６０Ｂを主信号系の光路上に配置したことにより、ＡＳＥ光および励起光Ｌｐの漏れ光の影響を受けることなく、信号光ＬｓのＰＭＤ発生状態を高い精度でモニタすることが可能になる。また、ＡＳＥ光を遮断することによって光増幅器としての雑音指数（ＮＦ）および信号光Ｌｓに対する広帯域ＡＳＥパワーの割合を低減させることもできる。さらに、光増幅器の外部へ不要の光が出力されなくなるため、安全性および信頼性の向上を図ることも可能になる。
【００６０】
なお、上記の第４実施形態では、ＡＳＥ光および励起光Ｌｐの漏れ光の両方を遮断することが可能な光フィルタ６０Ａ，６０Ｂを設けるようにしたが、ＡＳＥ光および励起光Ｌｐの漏れ光のいずれかを遮断する光フィルタを主信号系の光路上に設けるようにしても、モニタ精度等の向上を図ることは可能である。
【００６１】
次に、本発明に係る光増幅器の第５実施形態について説明する。
第５実施形態では、例えば、上述の図１に示した第１実施形態の構成について、ＰＭＤ発生部２０の複屈折性を有する光伝送媒体を複数段構成（ここでは２段構成）としたときの好ましい具体例を図１９〜図２１を参照しながら説明する。
【００６２】
図１９は、上記のような２段構成のＰＭＤ発生部を備えた光増幅器について、低ＮＦ特性を実現可能にする一例を示す機能ブロック図である。
図１９の構成例では、複屈折性を有する光伝送媒体としての入力側の偏波保持ファイバ７１および出力側の偏波保持ファイバ７３を位相シフタ７１を介して縦続接続した２段構成のＰＭＤ発生部７０ａについて、上述の図２に示した場合と同様にして、少なくとも入力側の偏波保持ファイバ７１のコア部分に希土類元素が添加される。そして、このＰＭＤ発生部７０ａに励起光Ｌｐを供給する励起光供給部３０は、偏波制御部１０と入力側の偏波保持ファイバ７１との間に合波器３２を配置した前方励起型の構成とされる。ここでは、ＰＭＤ発生部７０ａの位相シフタ７１の動作が制御部５０からの制御信号により制御され、また、偏波制御部１０と合波器３２の間に光アイソレータ８０が配置されるものとする。
【００６３】
上記のような光増幅器の構成によれば、ＰＭＤ発生部７０ａの少なくとも入力側の偏波保持ファイバ７１に希土類元素を添加して前方励起型の構成としたことにより、ＰＭＤ発生部７０ａを伝搬する信号光Ｌｓがその入力側で主に増幅されるようになるため、低ＮＦ特性の光増幅器を実現することが可能になる。
【００６４】
図２０は、２段構成のＰＭＤ発生部を備えた光増幅器について、高効率を実現可能にする一例を示す機能ブロック図である。
図２０の構成例では、複屈折性を有する光伝送媒体としての入力側の偏波保持ファイバ７１および出力側の偏波保持ファイバ７３を位相シフタ７１を介して縦続接続した２段構成のＰＭＤ発生部７０ｂについて、上述の図２に示した場合と同様にして、少なくとも出力側の偏波保持ファイバ７３のコア部分に希土類元素が添加される。そして、このＰＭＤ発生部７０ｂに励起光Ｌｐを供給する励起光供給部３０は、出力側の偏波保持ファイバ７３とモニタ部４０の分岐器４１との間に合波器３２を配置した後方励起型の構成とされる。ここでは、ＰＭＤ発生部７０ｂの位相シフタ７１の動作が制御部５０からの制御信号により制御され、また、合波器３２と分岐器４１の間に光アイソレータ８０が配置されるものとする。
【００６５】
上記のような光増幅器の構成によれば、ＰＭＤ発生部７０ｂの少なくとも出力側の偏波保持ファイバ７３に希土類元素を添加して後方励起型の構成としたことにより、ＰＭＤ発生部７０ｂを伝搬する信号光Ｌｓがその出力側で主に増幅されるようになるため、出力効率の向上を図った光増幅器を実現することが可能になる。
【００６６】
図２１は、２段構成のＰＭＤ発生部を備えた光増幅器について、低ＮＦ特性および高利得を実現可能にする一例を示す機能ブロック図である。
図２１の構成例では、上記の図１９および図２０の各構成を組み合わせて、２段構成のＰＭＤ発生部７０ｃの入力側および出力側の各偏波保持ファイバ７１，７３のコア部分に希土類元素を添加し、入力側の偏波保持ファイバ７１には偏波制御部１０との間に配置した励起光供給部３０からの前方励起光Ｌｐを供給し、出力側の偏波保持ファイバ７３にはモニタ部４０との間に配置した励起光供給部３０からの後方励起光Ｌｐを供給するようにした双方向励起型の構成とされる。これにより、ＰＭＤ発生部７０ｃを伝搬する信号光Ｌｓがその略全域に亘って増幅されるようになるため、低ＮＦ特性と高利得を同時に図った光増幅器を実現することが可能になる。
【００６７】
なお、２段構成のＰＭＤ発生部７０ｃの入力側および出力側の偏波保持ファイバ７１，７３の両方に希土類元素を添加する場合の構成は、上記の図２１に示したような双方向励起型に限定されるものではなく、例えば図２２に示すように、出力側の偏波保持ファイバ７３とモニタ部４０との間にだけ励起光供給部３０を配置し、励起光供給部３０からの後方励起光Ｌｐが出力側の偏波保持ファイバ７３に供給された後に、その残留励起光が位相シフタ７２を介して入力側の偏波保持ファイバ７１に供給されるような構成としてもよい。また、図示しないが偏波制御部１０と入力側の偏波保持ファイバ７１との間にだけに励起光供給部３０を配置し、前方励起光Ｌｐが入力側および出力側の各偏波保持ファイバ７１，７３に順に供給されるようにしても構わない。
【００６８】
次に、本発明に係る光増幅器の第６実施形態について説明する。
第６実施形態では、例えば、上述の図１に示した第１実施形態の光増幅器を複数台使用してＰＭＤ補償および光増幅を行う場合に、さらなる小型化を図った応用例について説明する。
【００６９】
図２３は、第６実施形態の光増幅器の構成を示す機能ブロック図である。
図２３に示す光増幅器は、入力端子アレイＩＮを介して入力される波長λ1，λ2，…，λNの信号光Ｌｓ1，Ｌｓ2，…，ＬｓNに対応した共通の構成要素である偏波制御部、ＰＭＤ発生部、励起光源およびモニタ部をそれぞれ集積化して構成した偏波制御部アレイ１１０、ＰＭＤ発生部アレイ１２０、励起光源アレイ１３０およびモニタ部アレイ１４０を備える。この光増幅器では、第１実施形態の場合と同様にして、モニタ部アレイ１４０における各波長λ1〜λNに対応したモニタ結果を基に、偏波制御部アレイ１１０の各偏波制御部および励起光源アレイ１３０の各励起光源が制御部５０によりフィードバック制御される。
【００７０】
上記のような共通要素を集積（アレイ化）した構成により、複数の信号光Ｌｓ1〜ＬｓNに対応したＰＭＤ補償および光増幅を行う光増幅器についての小型化および低コスト化を効果的に実現することが可能になる。具体的に、例えば８波の信号光に対応したＰＭＤ補償および光増幅を行う場合の上記効果は次のように見積もることができる。ここでは、偏波保持ファイバを用いた８波対応のＰＭＤ補償器モジュールと、そのＰＭＤ補償器モジュールでの損失を補償する８波対応の光増幅器モジュールとを光ファイバで接続した従来の構成を想定し、それと本実施形態のアレイ化構成との比較を行うことにする。上記の従来構成において、ＰＭＤ補償器モジュールを除いたスペース（光増幅器モジュールとモジュール間の接続ファイバとに要するスペース）に対する各要素部品のスペースの割合（サイズ比）を計算すると、次の表１に示すような値となる。
【００７１】
【表１】
【００７２】
【表２】
【００７３】
以上、本明細書で開示した主な発明について以下にまとめる。
【００７４】
（付記１） 入力される信号光の偏波状態を制御する偏波制御部と、
該偏波制御部で制御された信号光の直交する偏波モード成分間に群遅延時間差を与えることが可能な複屈折性を持つ光伝送媒体を有し、該光伝送媒体に希土類元素を添加した偏波モード分散発生部と、
該偏波モード分散発生部の光伝送媒体に対して、前記希土類元素を励起状態とすることが可能な励起光を与える励起光供給部と、
前記偏波モード分散発生部から出力される信号光の偏波モード分散発生状態をモニタするモニタ部と、
該モニタ部でモニタされる偏波モード分散が低減されるように前記偏波制御部を制御する制御部と、
を備えて構成されたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００７５】
（付記２） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記モニタ部は、前記偏波モード分散発生部から出力される信号光のパワーをモニタし、
前記制御部は、前記モニタ部でモニタされる信号光のパワーを入力時のパワー以上にする利得が得られるように前記励起光供給部を制御することを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００７６】
（付記３） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記モニタ部は、前記偏波モード分散発生部から出力される信号光のパワーをモニタし、
前記制御部は、前記モニタ部でモニタされる信号光のパワーが予め設定した値で一定となるように前記励起光供給部を制御することを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００７７】
（付記４） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記偏波モード分散発生部は、前記光伝送媒体として偏波保持ファイバを用い、該偏波保持ファイバのコア部分を中心とした光の伝搬領域に希土類元素を添加したことを特徴とする光増幅器。
【００７８】
（付記５） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記偏波モード分散発生部は、前記光伝送媒体として基板上に形成した複屈折性を持つ光導波路を用い、前記基板上の少なくとも光導波路に希土類元素を添加したことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００７９】
（付記６） 付記５に記載の光増幅器であって、
前記光導波路は、ニオブ酸リチウムを材料とする光導波路であることを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８０】
（付記７） 付記５に記載の光増幅器であって、
前記光導波路は、平面光波回路に形成された屈折率可変の光導波路であることを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８１】
（付記８） 付記５に記載の光増幅器であって、
前記偏波制御部は、希土類元素を添加した光導波路型の光伝送媒体を有し、
前記励起光供給部は、前記偏波制御部および前記偏波モード分散発生部の各光伝送媒体に励起光を供給することを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８２】
（付記９） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記モニタ部は、前記偏波モード分散発生部から出力される信号光の一部をモニタ光として分岐する分岐器と、該分岐器で分岐されたモニタ光のパワーおよび偏波モード分散発生状態をモニタする出力モニタと、信号光を透過し、励起光を遮断する特性を持ち、前記偏波モード分散発生部に供給された励起光の漏れ光が前記出力モニタに入力されることを阻止する励起光遮断デバイスと、を備えたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８３】
（付記１０） 付記９に記載の光増幅器であって、
前記励起光遮断デバイスは、信号光を透過し、励起光を遮断する光フィルタを、前記偏波モード分散発生部および前記分岐器の間に位置する主信号系の光路上、または、前記分岐器および前記出力モニタの間に位置するモニタ系の光路上に配置したことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８４】
（付記１１） 付記９に記載の光増幅器であって、
前記励起光遮断デバイスは、信号光に比べて励起光に対する損失が大きい光アイソレータを、前記偏波モード分散発生部および前記分岐器の間に位置する主信号系の光路上に配置したことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８５】
（付記１２） 付記１に記載の光増幅器であって、
信号光を透過し、励起光と前記偏波モード分散発生部における信号光の増幅に伴って発生する自然放出光とを遮断する特性を持った光フィルタを、信号光が伝搬する光路上に備えて構成されたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８６】
（付記１３） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記偏波モード分散発生部は、複屈折性を持つ複数の光伝送媒体を縦続接続して構成されるとき、該複数の光伝送媒体のうちの少なくとも信号光入力側に位置する光伝送媒体に対して希土類元素が添加され、
前記励起光供給部は、前記偏波モード分散発生部の希土類元素が添加された光伝送媒体に前方励起光を供給する構成としたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８７】
（付記１４） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記偏波モード分散発生部は、複屈折性を持つ複数の光伝送媒体を縦続接続して構成されるとき、該複数の光伝送媒体のうちの少なくとも信号光出力側に位置する光伝送媒体に対して希土類元素が添加され、
前記励起光供給部は、前記偏波モード分散発生部の希土類元素が添加された光伝送媒体に後方励起光を供給する構成としたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８８】
（付記１５） 付記１に記載の光増幅器であって、
前記偏波モード分散発生部は、複屈折性を持つ複数の光伝送媒体を縦続接続して構成されるとき、該複数の光伝送媒体に対して希土類元素が添加され、
前記励起光供給部は、前記偏波モード分散発生部の希土類元素が添加された複数の光伝送媒体のうちの信号光入力側に位置する光伝送媒体に前方励起光を供給し、信号光出力側に位置する光伝送媒体に後方励起光を供給する構成としたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００８９】
（付記１６） 付記１に記載の光増幅器を１つのユニットとして、複数のユニットを波長グループに含まれる複数の信号光に対応させて並列的に設けた光増幅器であって、前記各ユニットの共通する構成部分を一体化したことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００９０】
（付記１７） 付記１６に記載の光増幅器であって、
前記各ユニットの共通するモニタ部を一体化した構成は、各ユニットの偏波モード分散発生部から出力される各々の信号光いずれか１つを選択し、当該信号光の一部をモニタ光として出力する光スイッチと、該光スイッチから出力されるモニタ光の偏波モード分散発生状態および光パワーをモニタする、前記各ユニットで共通化された出力モニタとを備えたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の偏波モード分散補償機能を有する光増幅器によれば、従来、ＰＭＤ補償器に対して別途設けていた挿入損失補償用の光増幅器について、複屈折性を持つ光導波路に希土類元素を添加してＰＭＤ発生媒体と光増幅媒体を共通化し、第１および第２モニタのモニタ結果に応じて第１および第２制御回路により偏波制御部と励起光供給部の双方を同時に制御するようにしたことで、ＰＭＤ補償機能と光増幅機能を簡略な構成で実現した高機能かつ小型の光増幅器を低コストで提供することが可能になる。また、第２モニタでモニタされる信号光のパワーが予め設定した値で一定となるように励起光供給部の制御を行うようにしたことで、信号光の任意の入力レベルに対して出力レベルが一定になるため安定した出力を得ることができ、第１および第２モニタへの入力レベルを最適化することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光増幅器の第１実施形態の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】上記第１実施形態に用いられるＰＡＮＤＡ型偏波保持ファイバの断面構造の一例を示す図である。
【図３】上記第１実施形態においてファイバ型の融着ＷＤＭカプラを励起光供給部の合波器として用いた一例を示す図である。
【図４】上記第１実施形態において空間レンズ結合型の構成を励起光供給部の合波器に適用した一例を示す図である。
【図５】上記第１実施形態に用いられるモニタ部の具体的な構成例を示す図である。
【図６】上記第１実施形態に関連した前方励起型の構成例を示す機能ブロック図である。
【図７】上記第１実施形態に関連した双方向励起型の構成例を示す機能ブロック図である。
【図８】本発明に係る光増幅器の第２実施形態の構成を示す機能ブロック図である。
【図９】上記第２実施形態に用いられるＬＮ導波路型の偏波制御部の一例を示す図である。
【図１０】上記第２実施形態に用いられるＬＮ導波路型のＰＭＤ発生部の一例を示す図である。
【図１１】上記第２実施形態において導波路型の構成を励起光供給部の合波器およびモニタ部の分岐器に適用した一例を示す図である。
【図１２】上記第２実施形態に関連したＰＬＣ型の構成例を示す機能ブロック図である。
【図１３】本発明に係る光増幅器の第３実施形態に用いられるモニタ部の構成を示すブロック図である。
【図１４】上記第３実施形態に用いられる光フィルタの透過特性の一例を示す図である。
【図１５】上記第３実施形態に関連した光フィルタの他の配置例を示すブロック図である。
【図１６】上記第３実施形態に関連して光フィルタに代えて光アイソレータを用いた一例を示すブロック図である。
【図１７】本発明に係る光増幅器の第４実施形態の構成を示す機能ブロック図である。
【図１８】上記第４実施形態に用いられる光フィルタの透過特性の一例を示す図である。
【図１９】本発明に係る光増幅器の第５実施形態について低ＮＦ特性を実現可能にする一例を示す機能ブロック図である。
【図２０】上記第５実施形態について高効率を実現可能にする一例を示す機能ブロック図である。
【図２１】上記第５実施形態について低ＮＦ特性および高利得を実現可能にする一例を示す機能ブロック図である。
【図２２】図２１の構成に関連した他の一例を示す機能ブロック図である。
【図２３】本発明に係る光増幅器の第６実施形態の構成を示す機能ブロック図である。
【図２４】上記第６実施形態に関連した他の構成例を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
１０，１０’，１０” 偏波制御部
１１ ＬＮ基板
１２ 希土類元素添加ＬＮ導波路
１３ ＴＥ−ＴＭコンバータ用電極
１４ 位相シフタ用電極
２０，２０’，２０”，７０，７０ａ〜７０ｃ ＰＭＤ発生部
２１ 希土類元素添加コア
２２ クラッド
２３ 応力付与部
２４Ａ，２４Ｂ ＬＮ基板
２５Ａ，２５Ｂ 希土類元素添加ＬＮ導波路
２６ ＴＥ−ＴＭコンバータ
３０ 励起光供給部
３１ 励起光源
３２ 合波器
４０，４０’ モニタ部
４１ 分岐器
４２，１４２ 出力モニタ
４３ 光フィルタ
４４，８０ 光アイソレータ
５０ 制御部
６０Ａ，６０Ｂ 光フィルタ
７１，７３ 偏波保持ファイバ
７２ 位相シフタ
１１０ 偏波制御部アレイ
１２０ ＰＭＤ発生部アレイ
１３０ 励起光源アレイ
１４０ モニタ部アレイ
１４１ 光スイッチ
Claims (2)
- 入力される信号光の偏波状態を制御する偏波制御部と、
該偏波制御部で制御された信号光の直交する偏波モード成分間に群遅延時間差を与えることが可能な複屈折性を持つ光伝送媒体を有し、該光伝送媒体に希土類元素を添加した偏波モード分散発生部と、
該偏波モード分散発生部の光伝送媒体に対して、前記希土類元素を励起状態とすることが可能な励起光を与える励起光供給部と、
前記偏波モード分散発生部から出力される信号光の偏波モード分散発生状態をモニタする第１モニタと、
前記偏波モード分散発生部から出力される信号光のパワーをモニタする第２モニタと、
前記第１モニタでモニタされる偏波モード分散が低減されるように前記偏波制御部を制御する第１制御回路と、
前記第２モニタでモニタされる信号光のパワーが予め設定した値で一定となるように前記励起光供給部を制御する第２制御回路と、を備えて構成され、さらに、
前記偏波モード分散発生部は、前記光伝送媒体として基板上に形成した複屈折性を持つ光導波路を用い、前記基板上の少なくとも光導波路に希土類元素を添加したことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。 - 請求項１に記載の光増幅器であって、
前記第１および第２モニタ部は、前記偏波モード分散発生部から出力される信号光の一部をモニタ光として分岐する分岐器と、該分岐器で分岐されたモニタ光のパワーおよび偏波モード分散発生状態をモニタする出力モニタと、信号光を透過し、励起光を遮断する特性を持ち、前記偏波モード分散発生部に供給された励起光の漏れ光が前記出力モニタに入力されることを阻止する励起光遮断デバイスと、を備えたことを特徴とする偏波モード分散補償機能を有する光増幅器。
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