JP5476576B2 - バーストモードエルビウム添加ファイバ増幅器 - Google Patents

Description

本発明は，エルビウム添加ファイバ増幅器などのバーストモード希土類添加ファイバ，及びその製造方法などに関する。

実用化されている光増幅の原理は，誘導放出（もしくは誘導散乱，パラメトリック増幅）によるものである。これらは，いずれの場合も上位のエネルギー状態の電子数によって利得が得られる。光増幅によって上位の電子数が減少し，供給されるエネルギーによって回復するプロセスには，エネルギー供給の素過程および材料定数，構造定数で決まる時定数が与えられる。もっとも一般的な光増幅器であるエルビウム添加ファイバ増幅器（以下，「ＥＤＦＡ」とする）は，数ｍｓの時定数を持つため，ギガビット毎秒クラス以上の高速信号の増幅に好適とされている（時定数の短い半導体光増幅器等はパターン効果を生じるため，高速信号用としては改善措置が必要となる）。しかし，変調信号が連続したビット列でなく，バースト／パケットのような粒度の小さいデータ形式であった場合，ＥＤＦＡの比較的長い時定数であっても波形や包絡線に過渡的な変動を生じる（Ｅ. Ｓｃｈｕｌｚｅ, Ｍ. Ｍａｌａｃｈ, Ｆ. Ｒａｕｂ,“Ａｌｌ−Ｒａｍａｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｌｉｎｋｓ ｉｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｔｏ ＥＤＦＡ ｌｉｎｋｓ ｉｎ ｃａｓｅ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｔｒａｆｆｉｃ,“ｉｎ ＥＣＯＣ２００２, Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ３．８.）。

これに対して，光ループ回路等を用いた光学的手法と，自動利得制御回路（ＡＧＣ）等を用いた電気的手法に大別される変動抑圧技術が多数報告されている。しかし，光学的手法は構成の複雑さや制御性の低さから実用性に乏しい（Ｃ−Ｌ. Ｚｈａｏ, Ｈ−Ｙ. Ｔａｍ, Ｂ−Ｏ. Ｇｕａｎ, Ｘ. Ｄｏｎｇ, Ｐ. Ｋ. Ａ. Ｗａｉ, Ｘ. Ｄｏｎｇ, “Ｏｐｔｉｃａｌ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｇａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＥＤＦＡ ｕｓｉｎｇ ｔｗｏ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ ｉｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｏｐ,” Ｏｐｔｉｃｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ２２５, １５７−１６２ (２００３).）。一方で電気的手法は，比較的低速で切り替わるネットワークに関して一定の成果を挙げてきた。しかし，データ形式の粒度が小さくなり，光バースト／光パケットのような回線利用効率の高い通信方式が研究されるにつれて，電気的制御方式だけでは十分でないことがわかってきた。

調査文献によれば，利得変動を抑圧するための電気回路の時定数はサブマイクロ秒であり（Ｃ. Ｔｉａｎ ａ ＥＤＦＡ ｐｕｍｐｅｄ ｂｙ １４８０− ａｎｄ ９８０−ｎｍ ｌａｓｅｒｓ,” ＩＥＥＥ ＪＬＴ ２１(８),1７２８−１７３４(２００３),Ｈ. Ｎａｋａｊｉ, Ｙ. Ｎａｋａｉ, Ｍ. Ｓｈｉｇｅｍａｔｓｕ ａｎｄ Ｍ. Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ, ”Ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｇａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ,”Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ９, ２５−３５ (２００３)）,１０ギガビット毎秒クラス以上の高速のペイロードを収容する光パケットの典型的な長さ（短さ）に応答できない。また，光制御法も提案されているが，抑圧が不完全であったり，方式が複雑であったり等々，種々の問題を擁しているため実用化に至っていない。

また，ＷＤＭ環境下での入力信号のバースト的な変化が，ＥＤＦＡの過渡応答を引き起こす過程の表式が近似的に与えられている（下記非特許文献１参照）。しかしながら，このような過渡応答に対しての具体的な対策として，上記のように種々の外部回路を用いて適応的にＥＤＦＡの動作状態を制御する方法は数多く提案されているが，ＥＤＦＡの過渡応答そのものを抑圧する具体的な方法は，何ら提供されていない。

図１は，ＥＤＦＡによりもたらされるパケット波形の変化例を示す図である。図１は，１２８ビットのプリアンブルと，３８１４ビットのペイロードを有する９．９５３２８ビットであり，継続時間が約４００ｎ秒の光パケットの例を示す。図１に示されるように，光パケットは，ＥＤＦＡの利得変動により波形が崩れることとなる。

また，トラヒックが少ない場合，全てのパルスの強度が一定のまま変化しないのであれば，平均パワーが小さくなる。よって，トラヒックが減少したことを把握できる。しかし，ネットワーク制御側でパケットのラベル認識を常にしているわけではない（例えば伝送路中の光増幅：１Ｒ中継など）。その際に，一般的に用いられる方法が，平均電力のモニタである。しかしながら，平均電力をモニタするだけでは，低い平均パワーを検知したときに，トラヒックが少ないのか，それともパルス強度が低くなったのか判別できない。これまでの光通信システムでは，平均電力モニタによって制御されるＥＤＦＡは，多くの場合ＡＰＣ(パワー一定制御)で動作していた。このようなＥＤＦＡに対して，トラヒックが密でパルス強度が低い信号と同じ平均パワーを持つものの，トラヒックの少ない光信号が入射すると，非常に高いピークパワーを得て，非線形現象や光素子のダメージ等の問題が生ずる。一方，ＥＤＦＡの利得を変更すると，他の特性（例えば利得平坦性）などが影響を受ける。さらに，光パケットは様々なパスを経由することが想定されるので，パケットごとに経験する光損失と光利得の蓄積が異なり，パルス強度も異なることとなる。

このような場合の対策は大別して２通り想定される。１つの対処法は，適応的にＥＤＦＡのポンプ光強度を制御して利得を変える方法である。しかし，この方法では比較的大きな電流料の電流制御を用いることから応答速度が遅いという問題や，雑音指数の劣化など，多数の問題があると考えられる。もう１つの対処法として，ＥＤＦＡはたとえばＡＣＣ(電流一定制御)で駆動するとともに，入射する平均パワーを，それに含まれる光パルス強度を一定範囲に保つように制御される形態が想定される。この方法では，パルス光強度を適応的に制御する。一般的にはパルス強度を減衰させることになる。この方法の具体的な実現方法の一つとして，光変調器を用いるものが挙げられる。光変調器には電圧駆動のタイプが多数存在するので，光変調器を用いると光強度を高速に制御できることとなる。その場合に，入射する平均パワーが大きく変化すると（具体的には１０ｄＢ以上），条長やポンプ光強度について，仕様上の入射パワーや利得に対して最適化しているＥＤＦＡの動作条件が変わることとなる。具体的にはＷＤＭの利得平坦性が失われることとなる。ＷＤＭの利得平坦性が失われると，ＷＤＭとして欠陥があるだけでなく，過渡的な利得変動が波長帯ごとに変化するということになる。よって，特にトラヒックが少ない場合などであっても，各波長チャネルの強度を等しく増幅できる希土類添加ファイバ，及びそのような希土類添加ファイバを用いた光情報通信システムが望まれる。
Ｓｕｎ, Ｙ., Ｚｙｓｋｉｎｄ, Ｊ. Ｌ., Sｒｉｖａｓｔａｖａ, Ａ. Ｋ., Ｚｈａｎｇ, Ｌ.: Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ. Ａｐｐｌｉｅｄ ｏｐｔｉｃｓ ３８, ９ (１９９９) １６８２−１６８５

本発明は，過渡応答を抑圧したエルビウム添加ファイバ増幅器などの希土類添加ファイバを提供することを目的とする。

本発明は，過渡応答を抑圧したエルビウム添加ファイバ増幅器などの希土類添加ファイバを用いた光情報通信システムを提供することを目的とする。

本発明は，特にトラヒックが少ない場合などであっても，各波長チャネルの強度を等しく増幅できる希土類添加ファイバ，及びそのような希土類添加ファイバを用いた光情報通信システムを提供することを目的とする。

本発明は，過渡応答を抑圧したエルビウム添加ファイバ増幅器などの希土類添加ファイバなどの希土類添加ファイバを含む，光情報通信システムの構築プログラムを提供することを目的とする。

本発明は，活性領域を拡大した希土類添加ファイバを用いることで，過渡応答を抑圧したＥＤＦＡを得ることができ，そのようなＥＤＦＡを用いることで，光情報通信に好ましく用いることができるという知見に基づくものである。

本発明は，また，利得等化フィルタをＥＤＦＡの前に設置することで，利得媒質端での光パワーや，利得変動の波長依存性を小さくし，それによって過渡応答を抑圧することができるという知見に基づくものである。

本発明は，また，プリアンプを設置することで，利得等化フィルタで生じる過剰雑音を抑制できるという知見に基づくものである。本発明は，さらに，オーバーポンピングを行うことで，希土類添加ファイバの入力パワー依存性を軽減でき，一定利得を得ることができ，その結果，利得平坦性（波長に対する利得の均一性）を維持できるという知見に基づくものである。

本発明の第１の側面は，活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である希土類添加ファイバを用いた，光パケット通信用光増幅器に関する。すなわち，光パケット通信用の光増幅器では，従来出力が小さい光通信用のファイバ増幅器が用いられていた。これは，高出力用のファイバ増幅器は，高価であることのほか，大きなスペースを要すること及び容易に扱えないことなどによる。また，高出力用のファイバ増幅器は，利得変動（時間に対する利得の変化）が大きいので光パルスを用いた光情報通信用の増幅器としては向かないと考えられていた。ところが，本発明ではあえてそのような高出力用の光通信などに用いられるファイバ増幅器を光パケット通信に用いることで，利得変動を抑えることができたというものである。なお，活性領域の直径は，３．５μｍ以上１０μｍ以下でも，４μｍ以上６μｍ以下でも，４μｍ以上５μｍ以下でもよく，以下同様である。

本発明の第１の側面の好ましい態様は，前記希土類添加ファイバは，希土類としてエルビウムが添加された光ファイバである上記に記載の増幅器である。

本発明の第１の側面の好ましい態様は，エルビウムイオンと光のモード場との重複領域の積分値が小さくなるように，開口数を減少させることで，増幅器動作における非飽和領域を拡大させたものに関する。具体的には，エルビウム添加ファイバの開口数が０．２以下である上記いずれかに記載の増幅器に関する。なお，好ましい開口数は，０．１３以下である。たとえば，コアとクラッドとに含まれるエルビウム濃度を調整することで，開口数を制御できる。たとえば，須藤昭一著「エルビウム添加光ファイバ増幅器」オプトニクス社１５０頁〜１５２頁の１.７．２ファイバ構造依存性の欄に記載されるように，光ファイバは，一般的に開口数が高いものが高効率であると考えられていた。そして，できる限り開口数が高くなるように，エルビウム添加ファイバを設計するのが常識であった。本発明では，利得変動を抑圧するために合えて，開口数を低くしたファイバを用いたものである。開口数を減少させることでエルビウムイオンと光のモード場との重複領域の積分値が小さくなるようにすることができ，増幅器動作における非飽和領域を拡大させることができる。

本発明の第１の側面の好ましい態様は，前記エルビウム添加ファイバは，コアと，前記コアの周囲に存在するクラッドとを有し，前記コアに希土類としてエルビウムが添加され，前記クラッドに，前記コアに含まれるエルビウム濃度より小さな濃度でエルビウムが添加された光ファイバである，上記いずれかに記載の増幅器に関する。開口数を小さくするひとつの態様として，このような光ファイバがあげられる。

本発明の第１の側面の好ましい態様は，上記に記載の増幅器を用いた光パケット通信システムに関する。上記のようなファイバ増幅器を有するので，ヘッダ及びペイロードなどの光パケットを含む信号を，利得変動を抑えつつ増幅できる。

本発明の第２の側面は，活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である希土類添加ファイバを用い，前記ファイバ増幅器に光パケットが入力する工程と，前記ファイバ増幅器に入力した光パケットの強度が増幅される工程と，を含む光パケット信号の強度を増幅する方法に関する。この側面に係る光増幅方法に用いられる希土類添加ファイバとして，先に説明したファイバを適宜利用することができる。特に開口数の低いエルビウム添加ファイバを好ましく用いることができる。

本発明の第２の側面の好ましい態様は，利得等化フィルタと，前記利得等化フィルタを透過した光が入射する活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である希土類添加ファイバとを含む，光パケット通信用光増幅装置に関する。

本発明の第２の側面の好ましい態様は，プリアンプと，前記プリアンプにより増幅された光が入射する利得等化フィルタと，前記利得等化フィルタを透過した光が入射する，活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である希土類添加ファイバと，を含む，光パケット通信用光増幅装置に関する。

本発明の第３の側面は，利得等化フィルタにより，希土類添加ファイバに入射し，希土類添加ファイバを透過した波長チャネルの光強度が等しくとなるように，各波長チャネルの強度を調整する工程と，前記工程を経た光パケットが希土類添加ファイバに入射する工程と，を含む，光パケットの増幅方法に関する。

本発明の第４の側面は，活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である第１の希土類添加ファイバ（３１）と，前記第１の希土類添加ファイバ(３１)を透過した光が入射する，中間利得等化フィルタ(３２)と，前記中間利得等化フィルタ(３２)を透過した光が入射する，活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である第２の希土類添加ファイバ(３３)と，を具備し，前記第１の希土類添加ファイバは，前記第２の希土類添加ファイバより長さが短く，前記中間利得等化フィルタは，前記第２の希土類添加ファイバを透過した各波長チャネルの光強度が等しくなるように，各波長チャネルの強度を調整する，光パケット通信用光増幅装置である。この側面に係る光増幅装置に用いられる希土類添加ファイバとして，先に説明したファイバを適宜利用することができる。特に開口数の低いエルビウム添加ファイバを好ましく用いることができる。

このように，調整された２つの希土類添加ファイバとその間に設けられた利得等化フィルタを含むことで，利得変動が小さくなり，平坦性が損なわれず（たとえば，各チャネルの強度差が１ｄＢｍ以内），入力信号の許容幅が増え，そして，雑音特性も良好となる。その結果，上記の光増幅装置は，入力光に対して，トラヒックが少ない場合であっても，トラヒックが多い場合と変わらない増幅特性を与えることができることとなる。

２つの希土類添加ファイバは，入力信号の波長範囲，利得の大きさ，入力信号の強度，出力信号の強度などを総合的に勘案して設計される。具体的には，ある大きさの活性領域を有する希土類添加ファイバを用いる場合は，その長さを適宜調整する。前記第１の希土類添加ファイバ(３１)の主な役割は，たとえば，中間利得等化フィルタ(２２)による損失によって過剰な雑音が発生しないように，中間利得等化フィルタ(２２)に入射する光に小さな利得を与えるというものである。一方，第２の希土類添加ファイバは，光信号を増幅することを主な役割とするものである。このため，第１の希土類添加ファイバにくらべて，第２の希土類添加ファイバによる利得が大きいことが好ましい。通常は，それらの希土類添加ファイバとして，同じか似ているものを用いるので，前記第１の希土類添加ファイバの長さは，前記第２の希土類添加ファイバの長さの半分以下であることが好ましい。

具体的な２つの希土類添加ファイバの長さとして，前記第１の希土類添加ファイバの長さは，２５ｃｍ以上７５ｃｍ以下であり，前記第２の希土類添加ファイバの長さは，１ｍ以上３ｍ以下であるものが好ましい。実施例おいて，実際に設計し，機能を確認したように，この範囲であれば通常の光パケット通信などに好適に用いることができる。

前記中間利得等化フィルタは，前記第２の希土類添加ファイバを透過した各波長チャネルの光強度が等しくなるように，各波長チャネルの強度を調整するものである。中間利得等化フィルタが上記のように機能するようにするためには，２つの希土類添加ファイバによる利得変動を補償するような特性を持たせればよい。これにより出力される光パルスの利得平坦性を担保できることとなる。利得等化フィルタの特性を制御することは，公知技術である。よって，２つの希土類添加ファイバによる利得特性を合わせた利得変動がわかれば，その利得変動を補償するように利得等化フィルタを設計し，製造すればよい。

後述する実施例により実証されたとおり，前記第１の希土類添加ファイバに入射する光の光源として，オーバーポンピング光源を用いることで極めて良好な特性を有する光パケット通信用光増幅装置を提供できる。

具体的なオーバーポンピング光源（３４）の出力パワーとして，２００ｍＷ以上１Ｗ以下があげられる。

本発明の第５の側面は，エルビウム添加ファイバ増幅器の製造方法であって，前記エルビウム添加ファイバの活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下となるように設計するとともに，前記エルビウム添加ファイバを開口数が０．２以下とすることで開口数が０．２以下となり，Γ_ｊを，波長チャネルにおけるエルビウムイオンと光のモード場との重複領域の積分値を示す係数とした場合に，Γ_ｊが小さくなるように設計する工程を含む，エルビウム添加ファイバ増幅器の製造方法に関する。

本発明の第６の側面は，コンピュータを，希土類添加ファイバの活性領域の断面積Ｓを入力する手段と，第１の係数を読み出すとともに，前記活性領域の断面積Ｓと前記所第１の係数とを乗算して各波長チャネルにおける内在的飽和出力Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）を求める手段と，前記各波長チャネルを透過した後の光の強度Ｐ^ＯＵＴ（λ_ｊ）を読み出すとともに，読み出したＰ^ＯＵＴ（λ_ｊ）を先に求めた内在的飽和出力Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）で除算した値を，全ての波長チャネルについて求め，求めたＰ^ＯＵＴ（λ_ｊ）／Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）の値を加算する手段と，所定の数及び第２の係数を読み出すとともに，前記全ての波長チャネルについてＰ^ＯＵＴ（λ_ｊ）／Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）の値を加算した値と前記所定の数とを加算するとともに，加算後の値に，前記第２の係数を乗算する手段と，して機能させることにより，希土類添加ファイバの利得変動の初期値及び時間変動を求めるための，プログラムに関する。

本発明の第６の側面は，コンピュータを用いた，光通信システムの設計用プログラムであって，少なくとも，コンピュータを，出力装置に希土類添加ファイバに関するアイコンを表示させる手段と，光通信システムの動作を求める設計画面のある位置に，前記アイコンを表示させる手段と，前記アイコンが設計画面のある位置に表示された場合に，前記希土類添加ファイバに入力した光パルスについて，あらかじめ記憶した増幅係数分を乗じた分だけ入力した光パルスの振幅を増幅させて出力する手段として機能させるプログラムに関する。

本発明の第６の側面の好ましい態様は，前記プログラムは，コンピュータを，希土類添加ファイバの活性領域の断面積Ｓを入力する手段と，第１の係数を読み出すとともに，前記活性領域の断面積Ｓと前記所第１の係数とを乗算して各波長チャネルにおける内在的飽和出力Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）を求める手段と，前記各波長チャネルを透過した後の光の強度Ｐ^ＯＵＴ（λ_ｊ）を読み出すとともに，読み出したＰ^ＯＵＴ（λ_ｊ）を先に求めた内在的飽和出力Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）で除算した値を，全ての波長チャネルについて求め，求めたＰ^ＯＵＴ（λ_ｊ）／Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）の値を加算する手段と，所定の数及び第２の係数を読み出すとともに，前記全ての波長チャネルについてＰ^ＯＵＴ（λ_ｊ）／Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）の値を加算した値と前記所定の数とを加算するとともに，加算後の値に，前記第２の係数を乗算する手段と，して機能させることにより，希土類添加ファイバの利得変動の初期値及び時間変動を考慮した光通信システムの設計を行うための上記に記載のプログラムに関する。

本発明の第６の側面の好ましい態様は，コンピュータを用いた，光通信システムの設計用プログラムであって，少なくとも，コンピュータを，出力装置に前置フィルタと希土類添加ファイバとを組合わせた光パケット通信用光増幅装置に関するアイコンを表示させる手段と，光通信システムの動作を求める設計画面のある位置に，前記アイコンを表示させる手段と，前記アイコンが設計画面のある位置に表示された場合に，前記光パケット通信用光増幅装置に入力した光パルスについて，あらかじめ記憶した増幅係数分を乗じた分だけ入力した光パルスの振幅を増幅させて出力する手段と，して機能させるプログラムに関する。

本発明の第６の側面の好ましい態様は，上記いずれかに記載のプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な情報記録媒体に関する。

本発明の第６の側面の好ましい態様は，上記いずれかに記載のプログラムを実装し，希土類添加ファイバを含む，光情報通信システムを設計するためのコンピュータに関する。

本発明によれば，過渡応答を抑圧したエルビウム添加ファイバ増幅器などの希土類添加ファイバを提供することができる。

本発明によれば，過渡応答を抑圧したエルビウム添加ファイバ増幅器などの希土類添加ファイバを用いた光情報通信システムを提供することができる。

本発明によれば，特にトラヒックが少ない場合であっても，各波長チャネルの強度を等しく増幅できる希土類添加ファイバ，及びそのような希土類添加ファイバを用いた光情報通信システムを提供することができる。

本発明によれば，過渡応答を抑圧したエルビウム添加ファイバ増幅器などの希土類添加ファイバを含む，光情報通信システムの構築プログラムなどを提供することができる。

以下，本発明を実施するための最良の形態について説明する。本発明の第１の側面は，活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である希土類添加ファイバを用いた，光パケット通信用光増幅器に関する。すなわち，光パケット通信用の光増幅器では，従来出力が小さい光通信用のファイバ増幅器が用いられていた。これは，高出力用のファイバ増幅器は，高価であることのほか，大きなスペースを要すること及び容易に扱えないことなどによる。また，高出力用のファイバ増幅器は，利得変動が大きいので光パルスを用いた光情報通信用の増幅器としては向かないと考えられていた。ところが，本発明ではあえてそのような高出力用の光通信などに用いられるファイバ増幅器を光パケット通信に用いることで，利得変動を抑えることができたというものである。

図１４は，本発明の光パケット通信用光増幅器の概略構成を説明するための図である。図１４に示されるように，光パケット通信用光増幅器は，希土類添加ファイバ（１）を含む。そして，希土類添加ファイバ（１）は，一般的には，コア（３）及びクラッド（４）を含むように構成されている。一方，通常は，コア（２）全体が活性領域（２）であるが，図１４に示されるようにコア（３）のある領域が活性領域（２）であるものもある。

図１５は，具体的な希土類添加ファイバの断面を示す図である。図１５（ａ）は，シングルモードファイバの断面の例を示し，図１５（ｂ）は活性領域がコアと同心円状にあるものの例を示し，図１５（ｃ）は活性領域がコアとほぼ等しいものの例を示す。多くの希土類添加ファイバにおいて，図１５（ｃ）に示されるようにコアが活性領域とほぼ同一の大きさである。一方，図１５（ｂ）に示されるように，コアと活性領域とが同一でなくても構わない。

活性領域とは，ゲインエリア（Ｇａｉｎ ａｒｅａ）や，添加する希土類がエルビウムの場合にはアクティブエルビウムエリア（Ａｃｔｉｖｅ ｅｒｂｉｕｍ ａｒｅａ）ともよばれるファイバのコア内のある領域を意味する。コアは，導波のために周囲より高い比屈折率を持った領域である。ポンプ光強度が弱いところでは信号光の増幅よりも吸収の方が大きくなる。このため，通常，コアの中心付近のポンプ光強度が強い領域に重なるように活性領域が配置される。活性領域は，希土類イオンが添加された領域であり，ファイバの設計時に一意に決定されるとともに，事後においては，ポンプ光照射による自然放出光の発光によって，その領域を確認することができる。

本発明の第１の側面の好ましい態様は，前記希土類がエルビウムである上記に記載の増幅器である。すなわち，希土類添加ファイバとして，希土類としてエルビウムが添加された光ファイバがあげられ，実施例で実証されたようにエルビウム添加ファイバ増幅器が好ましい。

本発明の第１の側面の好ましい態様は，前記エルビウム添加ファイバの開口数が０．２以下である上記いずれかに記載の増幅器に関する。なお，好ましい開口数は，０．１３以下である。コアとクラッドとに含まれるエルビウム濃度を調整することで，開口数を制御できる。たとえば，須藤昭一著「エルビウム添加光ファイバ増幅器」オプトニクス社１５０頁〜１５２頁の１.７．２ファイバ構造依存性の欄に記載されるように，光ファイバは，一般的に開口数が高いものが高効率であると考えられていた。そして，できる限り開口数が高くなるように，エルビウム添加ファイバを設計するのが常識であった。本発明では，利得変動を抑圧するために合えて，開口数を低くしたファイバを用いたものである。開口数を減少させることでエルビウムイオンと光のモード場との重複領域の積分値が小さくなるようにすることができ，増幅器動作における非飽和領域を拡大させることができる。

本発明の第１の側面の好ましい態様は，前記エルビウム添加ファイバは，コアと，前記コアの周囲に存在するクラッドとを有し，前記コアに希土類としてエルビウムが添加され，前記クラッドに，前記コアに含まれるエルビウム濃度より小さな濃度でエルビウムが添加された光ファイバである，上記いずれかに記載の増幅器に関する。開口数を小さくするひとつの態様として，このような光ファイバがあげられる。

本発明の第１の側面の好ましい態様は，上記に記載の増幅器を用いた光パケット通信システムに関する。上記のようなファイバ増幅器を有するので，ヘッダ及びペイロードなどの光パケットを含む信号を，利得変動を抑えつつ増幅できる。この光パケット通信システムは，光パケット通信システムにおける公知の構成を適宜採用できる。そして，通常，光パケット通信システムにおけるファイバ増幅器として，本発明のファイバ増幅器を用いればよい。具体的には，光パケット通信システムは，送信機及び受信機のほかに，それらを接続するためのノード，及びそれらを接続する光ファイバを含む。そして，通信距離が長くなるに従い，徐々に光パルス強度は弱くなるので，適宜ファイバ増幅器を用いて振幅を増強する。そのような振幅を増幅するための手段として，本発明のファイバ増幅器を適宜設置すればよい。

本発明の第２の側面は，活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である希土類添加ファイバを用い，前記ファイバ増幅器に光パケットが入力する工程と，前記ファイバ増幅器に入力した光パケットの強度が増幅される工程と，を含む光パケット信号の強度を増幅する方法に関する。すなわち，後述する実施例により実証されたとおり，本発明のファイバ増幅器を用いれば，利得変動を抑えつつ光パケット信号を増幅することができるので好ましい。この側面に係る光増幅方法に用いられる希土類添加ファイバとして，先に説明したファイバを適宜利用することができる。特に開口数の低いエルビウム添加ファイバを好ましく用いることができる。

本発明の第２の側面の好ましい態様は，利得等化フィルタと，前記利得等化フィルタを透過した光が入射する活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である希土類添加ファイバとを含む，光パケット通信用光増幅装置に関する。すなわち，通常光パケットは，複数の光パルスを含んでいる。ファイバ増幅器の増幅特性は，入力光の波長によって異なる。そして，光パケットが，波長の異なる複数の光パルスを含む場合，ファイバ増幅器によって増幅される強度は，波長ごとに異なることとなる。よって，複数の波長の光パルスを含む光パケットを，ファイバ増幅器で増幅すると，増幅後の振幅が均一にならない。そこで，利得等化フィルタが用いられる。

図７は，エルビウム添加ファイバ増幅器の増加特性を示す概念図である。図７に示されるように，エルビウム添加ファイバ増幅器は，１５３０ｎｍ付近の増幅が最大であり，この付近での利得変動も最大となる。一方，１５８０ｎｍ付近では振幅の増幅はそれほど大きくない。一方，波長が１５３０ｎｍ付近の光信号の増幅を行うと，ノイズが多くなる。このため，本発明では，入力信号として，波長が１５３５ｎｍ以上１５７０ｎｍの範囲の光を用いることが好ましく，より好ましくは１５３５ｎｍ以上１５６５ｎｍの範囲の光を用いるものである。

通常の光パケット通信システムでは，いったんエルビウム添加ファイバ増幅器により光パケットの振幅を増幅する。すると，光パケットに含まれる光パルスの波長によって増幅される程度が異なる。そこで，増幅され，波長ごとに利得が異なることとなった光パルスを，利得等化フィルタを用いて，利得を平準化する。光パケットに含まれる全てのチャネルを用いる場合は，そのような平準化方法でも問題が少ない。しかし，特に一部のチャネルのみを用いる場合は，後述する式（１）などで示されるとおり，大きな利得変動が生ずることとなる。そこで，本発明の好ましい態様では，あらかじめ利得等化フィルタを透過させた後に，ファイバ増幅器により振幅を増幅するものである。このようにすることで，特に一部のチャネルのみが用いられている場合であっても，利得変動を抑えることができることとなる。すなわち，利得等化フィルタを用いることで，本発明においては，過渡的利得変動の波長帯依存性を低減することができる。

本発明の第２の側面の好ましい態様は，プリアンプと，前記プリアンプにより増幅された光が入射する利得等化フィルタと，前記利得等化フィルタを透過した光が入射する，活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である希土類添加ファイバと，を含む，光パケット通信用光増幅装置に関する。プリアンプとして，光通信に用いられる公知のプリアンプを適宜用いることができる。プリアンプを用いることで，本発明においては，利得等化フィルタで生じる過剰雑音を抑制することができる。

本発明の第３の側面は，利得等化フィルタにより，希土類添加ファイバに入射し，希土類添加ファイバを透過した波長チャネルの光強度が等しくとなるように，各波長チャネルの強度を調整する工程と，前記工程を経た光パケットが希土類添加ファイバに入射する工程と，を含む，光パケットの増幅方法に関する。

図８は，本発明の第３の側面に係る光パケットの増幅方法を説明するための概念図である。図８に示されるように，光ファイバなどの伝送路(１０)を介して，光パケット（１１)が伝送される。その光パケットは，複数の波長の光パルスを含む。そして，複数の波長の光パルスを含む光パケット(１１)は，利得等化フィルタ(１２)に入力する。しかしながら，通常であれば，利得等化フィルタは，それを通過した後の各パルスの利得が等しくなるようにされるものであるが，この実施態様における利得等化フィルタ(１２)は，希土類添加ファイバに入射し，希土類添加ファイバを透過した波長チャネルの光強度が等しくとなるように設定されている。このため，利得等化フィルタを通過した光パケット(１３)に含まれる各波長の光パルスの利得は均一とならない。一方，利得等化フィルタを透過した光パケット(１３)が，ファイバ増幅器(１４)を通過すると，ファイバ増幅器を通過した光パルス(１５)の利得は均一（たとえば，各チャネルの光強度のずれが，平均強度の上下１０％以内，好ましくは平均強度の上下５％以内，より好ましくは平均強度の上下３％以内）になるようにされている。

上記のような利得等化フィルタを用いることで，ファイバ増幅器(１４)を通過すると，ファイバ増幅器を通過した光パルス(１５)の利得は均一となる。よって，上記のファイバ増幅器を光パケット通信に好ましく用いることができる。一方，トラヒックが少ない場合に，パケットが利得変動の影響を受けて，パケットの傾きが強調されるという問題がある。さらには，トラヒックが少ない場合に，パケットのピーク値が異常に高くなるという現象が起る。このような異常に高いピーク値は，さらなる利得変動を与えるだけでなく，光素子にダメージを与える可能性が極めて高くなるため，なんらかの手段を用いて，これを検知しファイバ増幅器への入射パワーを制限する必要がある。しかし，その結果平均パワーが極めて低い入射光の条件が生じることになる。そこで，トラヒック量が変動しても，各チャネルの光強度が変動しないファイバ増幅器が望まれる。

上記の問題は，２つの希土類添加ファイバとその間に設けられた利得等化フィルタを含む装置により解決される。図１０は，本発明のある側面に係る光パケット通信用光増幅装置の概略構成を示すブロック図である。すなわち，図１０に示されるように，本発明の第４の側面は，活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である第１の希土類添加ファイバ（３１）と，前記第１の希土類添加ファイバ(３１)を透過した光が入射する，中間利得等化フィルタ(３２)と，前記中間利得等化フィルタ(３２)を透過した光が入射する，活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である第２の希土類添加ファイバ(３３)と，を具備し，前記第１の希土類添加ファイバは，前記第２の希土類添加ファイバより長さが短く，前記中間利得等化フィルタは，前記第２の希土類添加ファイバを透過した各波長チャネルの光強度が等しくなるように，各波長チャネルの強度を調整する，光パケット通信用光増幅装置である。

このように，調整された２つの希土類添加ファイバとその間に設けられた利得等化フィルタを含むことで，利得変動が小さくなり，平坦性が損なわれない（たとえば，各チャネルの強度差が１ｄＢｍ以内）。その結果，上記の光増幅装置は，入力光に対して，トラヒックが少ない場合であっても，トラヒックが多い場合と変わらない増幅特性を与えることができることとなる。

２つの希土類添加ファイバは，入力信号の波長範囲，利得の大きさ，入力信号の強度，出力信号の強度などを総合的に勘案して設計される。具体的には，ある大きさの活性領域を有する希土類添加ファイバを用いる場合は，その長さを適宜調整する。前記第１の希土類添加ファイバ(３１)の主な役割は，たとえば，中間利得等化フィルタ(３２)による損失によって過剰な雑音が発生しないように，中間利得等化フィルタ(３２)に入射する光に小さな利得を与えるというものである。一方，第２の希土類添加ファイバは，光信号を増幅することを主な役割とするものである。このため，第１の希土類添加ファイバにくらべて，第２の希土類添加ファイバによる利得が大きいことが好ましい。通常は，それらの希土類添加ファイバとして，同じか似ているものを用いるので，前記第１の希土類添加ファイバの長さは，前記第２の希土類添加ファイバの長さの半分以下であることが好ましい。

具体的な２つの希土類添加ファイバの長さとして，前記第１の希土類添加ファイバの長さは，２５ｃｍ以上７５ｃｍ以下であり，前記第２の希土類添加ファイバの長さは，１ｍ以上３ｍ以下であるものが好ましい。実施例おいて，実際に設計し，機能を確認したように，この範囲であれば通常の光パケット通信などに好適に用いることができる。

前記中間利得等化フィルタは，前記第２の希土類添加ファイバを透過した各波長チャネルの光強度が等しくなるように，各波長チャネルの強度を調整するものである。中間利得等化フィルタにおける中間とは，第２の希土類添加ファイバの間に位置するという意味である。したがって，中間利得等化フィルタとして，公知の利得等化フィルタを加工したものを適宜用いることができる。中間利得等化フィルタが上記のように機能するようにするためには，２つの希土類添加ファイバによる利得特性を合わせた利得変動を補償するような特性を持たせればよい。利得等化フィルタの特性を制御することは，公知技術である。よって，２つの希土類添加ファイバによる利得特性を合わせた利得変動がわかれば，その利得変動を補償するように利得等化フィルタを設計し，製造すればよい。

後述する実施例により実証されたとおり，前記第１の希土類添加ファイバに入射する光の光源として，オーバーポンピング光源(３４)を用いることで極めて良好な特性を有する光パケット通信用光増幅装置を提供できる。オーバーポンピング光源とは，適正なポンプ強度を上回る出力の光源を意味し，通常は，想定されるポンプ強度を遥かに上回る出力の光源である。より具体的に説明すると，オーバーポンピング光源とは，通常のＥＤＦＡなどの設計手法において，ＥＤＦの活性領域，添加濃度，条長，および想定される入射信号の諸条件などから決定される，適正なポンプ光強度を遙かに上回る出力の光源であり，その大部分の光電力は光増幅に直接寄与しないものを意味する。ＥＤＦＡなどの希土類添加ファイバにおけるオーバーポンピングについては，たとえば，Ｍ．Ｋａｒａｓｅｋら“Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｒｏｓｓ Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｃａｓｃａｄｅｓ ｏｆ Ｏｖｅｒｐｕｍｐｅｄ Ｅｒｉｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”ＩＥＥＥ Ｐｈｏｎｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｎｏｌｏｇｙ ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ． １０， Ｎｏ． ７， Ｊｕｌｙ， １９９８などを参照のこと。オーバーポンピング光源を用いることで，本発明においては,増幅器の入射パワー依存性を低減できることとなり，一定利得に近づくこととなる。その結果，出力パルスの利得平坦性を維持できることとなる。

具体的なオーバーポンピング光源の出力パワーとして，２００ｍＷ以上１Ｗ以下があげられる。オーバーポンピング光源の出力パワーが高いほど好ましいが，装置コストが高くなるので３００ｍＷ以上６００ｍＷ以下が好ましく，５５０ｍＷのものなどが好ましい。

オーバーポンピング光源からのパルス信号がカプラを介して第１の希土類添加ファイバに入射する。すると，第１の希土類添加ファイバ(３１)では，中間利得等化フィルタ(３２)による損失によって過剰な雑音が発生しないように，光信号に利得が与えられる。中間利得等化フィルタ(３２)は，第２の希土類添加ファイバを透過した各波長チャネルの光強度が等しくなるように，各波長チャネルの強度を調整する。具体的には，中間利得等化フィルタは，２つの希土類添加ファイバによる利得特性を合わせた利得変動を補償するような特性を持つように設計され，製造されているので，これらの利得特性を補償した光信号が出力されることとなる。中間利得等化フィルタ(３２)を透過した光信号は，第２の希土類添加ファイバへと入射する。第２の希土類添加ファイバを透過した各波長チャネルの光強度は，およそ等しくなるようにされている。

本発明の第６の側面は，コンピュータを，希土類添加ファイバの活性領域の断面積Ｓを入力する手段と，第１の係数を読み出すとともに，前記活性領域の断面積Ｓと前記所第１の係数とを乗算して各波長チャネルにおける内在的飽和出力Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）を求める手段と，前記各波長チャネルを透過した後の光の強度Ｐ^ＯＵＴ（λ_ｊ）を読み出すとともに，読み出したＰ^ＯＵＴ（λ_ｊ）を先に求めた内在的飽和出力Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）で除算した値を，全ての波長チャネルについて求め，求めたＰ^ＯＵＴ（λ_ｊ）／Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）の値を加算する手段と，所定の数及び第２の係数を読み出すとともに，前記全ての波長チャネルについてＰ^ＯＵＴ（λ_ｊ）／Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）の値を加算した値と前記所定の数とを加算するとともに，加算後の値に，前記第２の係数を乗算する手段と，して機能させることにより，希土類添加ファイバの利得変動の初期値及び時間変動を求めるための，プログラムに関する。

本発明の第６の側面は，コンピュータを用いた，光通信システムの設計用プログラムであって，少なくとも，コンピュータを，出力装置に希土類添加ファイバに関するアイコンを表示させる手段と，光通信システムの動作を求める設計画面のある位置に，前記アイコンを表示させる手段と，前記アイコンが設計画面のある位置に表示された場合に，前記希土類添加ファイバに入力した光パルスについて，あらかじめ記憶した増幅係数分を乗じた分だけ入力した光パルスの振幅を増幅させて出力する手段として機能させるプログラムに関する。

図９は，本発明の第６の側面に係るプログラムを説明するための概念図である。図９に示されるように，このプログラムが実装されたコンピュータは，たとえば，モニタなどの出力装置に図９に示されるような表示を行う。すなわち，アイコンメニュー（２１）には，ファイバ増幅器に関するアイコン(２２)や，利得等化フィルタに関するアイコン（２３）などが表示されている。そして，それらのアイコンを適宜設計画面(２４)にドラックアンドドロップすることで，ドラックしたアイコンに関する装置等が設計画面に描画される。この設計画面において，ファイバ増幅器に光パルスが入力された場合，記憶装置に記憶される増幅係数が読み出されて，入力された光パルスの強度と乗算されて，出力される。なお，通常のファイバ増幅器に関するアイコンのほかに，本発明におけるファイバ増幅器に関するアイコンを別途設けるものは本発明の好ましい態様である。

本発明の第６の側面の好ましい態様は，前記プログラムは，コンピュータを，希土類添加ファイバの活性領域の断面積Ｓを入力する手段と，第１の係数を読み出すとともに，前記活性領域の断面積Ｓと前記所第１の係数とを乗算して各波長チャネルにおける内在的飽和出力Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）を求める手段と，前記各波長チャネルを透過した後の光の強度Ｐ^ＯＵＴ（λ_ｊ）を読み出すとともに，読み出したＰ^ＯＵＴ（λ_ｊ）を先に求めた内在的飽和出力Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）で除算した値を，全ての波長チャネルについて求め，求めたＰ^ＯＵＴ（λ_ｊ）／Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）の値を加算する手段と，所定の数及び第２の係数を読み出すとともに，前記全ての波長チャネルについてＰ^ＯＵＴ（λ_ｊ）／Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）の値を加算した値と前記所定の数とを加算するとともに，加算後の値に，前記第２の係数を乗算する手段と，して機能させることにより，希土類添加ファイバの利得変動の初期値及び時間変動を考慮した光通信システムの設計を行うための上記に記載のプログラムに関する。

本発明の第６の側面の好ましい態様は，コンピュータを用いた，光通信システムの設計用プログラムであって，少なくとも，コンピュータを，出力装置に前置フィルタと希土類添加ファイバとを組合わせた光パケット通信用光増幅装置に関するアイコンを表示させる手段と，光通信システムの動作を求める設計画面のある位置に，前記アイコンを表示させる手段と，前記アイコンが設計画面のある位置に表示された場合に，前記光パケット通信用光増幅装置に入力した光パルスについて，あらかじめ記憶した増幅係数分を乗じた分だけ入力した光パルスの振幅を増幅させて出力する手段と，して機能させるプログラムに関する。

具体的には，たとえば，図９に示されるように，利得等化フィルタ及びファイバ増幅器がこの順で並んだ場合に，本明細書において説明したような出力特性及び利得変動を与えるものが好ましい。

本発明の第６の側面の好ましい態様は，上記いずれかに記載のプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な情報記録媒体に関する。

本発明の第６の側面の好ましい態様は，上記いずれかに記載のプログラムを実装し，希土類添加ファイバを含む，光情報通信システムを設計するためのコンピュータに関する。本発明のコンピュータは，たとえば，メインメモリに上記したいずれかのプログラムを格納する。そして，ポインティングデバイスなどから入力があった場合に，ＣＰＵがメインメモリに格納されたプログラムを読み出し，読み出したプログラムの指令を受けて，適宜メモリに格納された情報を読み出し，所定の演算を行い，出力する。このような動作を実現するため，制御部は，入力部，出力部，記憶部及び演算部とバスなどを介して情報の授受を行うことができるように接続されている。

本発明では，公知のエルビウム添加光ファイバなどの希土類添加ファイバであって，活性領域の直径が比較的大きなものを用いることができる。希土類添加ファイバにおける希土類として，エルビウムのほかに，プラセオジウム，ツリウム，又はネオジミウムなどがあげられる。一方，光ファイバ増幅器の代表例がエルビウム添加光ファイバなので，以下ではエルビウム添加光ファイバを例として説明する。エルビウム添加光ファイバは，活性領域にゲルマニウムが１０〜２０重量％添加され，屈折率を高めるためのドーパントとして増幅媒体としてのエルビウムが５００〜２０００ｐｐｍ添加されてなるもので，高利得，低雑音などの優れた特性を有する。また増幅波長帯が１．５５μｍにあり１．５μｍ帯用の光増幅器として広く用いられている。

エルビウム添加光ファイバは，活性領域とクラッドからなり，活性領域は，エルビウム，アルミニウム，ゲルマニウムを含有する石英ガラスである。

ゲルマニウムの含有量は，１．５重量％未満であり，好ましくは０．５〜１．０重量％である。これによりエルビウム添加 光ファイバの利得平坦度とエネルギー変換効率とを改善できる。ゲルマニウムの含有量が１．５重量％以上の場合，アルミニウムイオンがエルビウムクラスター形成を抑える作用を抑制するため，好ましくない。

アルミニウムの含有量は，特に限定されないが，通常４重量％未満である。アルミニウムが含有されたことによって，１５４０〜１５６０ｎｍ帯での利得の波長依存性を平坦化でき，利得平坦度を改善できる。またアルミニウムイオンはエルビウムイオンに配位し，エルビウムクラスターの形成を抑えることができる。これによりエルビウムイオン間のエネルギー交換を低減でき，優れたエネルギー変換効率が実現できる。活性領域のエルビウムの含有量は，特に限定されず，目的用途により適宜決定できる。

エルビウム添加光ファイバ増幅器などのファイバ増幅器は，ＭＣＶＤ法，ＶＡＤ法などの化学気相蒸着法，アルミニウム化合物溶液を用いた浸漬法などの公知技術によって，所望の濃度でゲルマニウムなどの元素が添加されたファイバ用母剤を製造し，これを溶融線引きすることで製造できる。

なお，本発明の技術範囲は，上記の実施形態に限定されるものではなく，本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。活性領域は，上記したようにエルビウム，アルミニウム，ゲルマニウムを所望の濃度を含有していれば，他の元素を含有していても構わない。また，例えば活性領域に，セリウム，イッテルビウム，ランタンをそれぞれ０．５〜２．０重量％含有させることにより，エルビウムイオン間の結合を更に抑えることができ，エネルギー変換効率を更に向上できる。このため特にエルビウムを高濃度に含有させた場合であっても，優れたエネルギー変換効率が実現できる。また結晶構造が安定化し，構造欠陥に伴う光損失を低減できる。

ＥＤＦＡの利得をＧ（ｔ）として，ＥＤＦＡの利得変動Ｇ’（０）は，おおよそ以下の式（１）で与えられる（Ｓｕｎ, Ｙ., Ｚｙｓｋｉｎｄ, Ｊ. Ｌ., Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ, Ａ. Ｋ., Ｚｈａｎｇ, Ｌ.: Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ. Ａｐｐｌｉｅｄ ｏｐｔｉｃｓ ３８, ９ (１９９９) １６８２−１６８５）。

上記式（１）において，Ｇ（０）は，透過前の利得であり，Ｇ（∞）は透過後に定常状態となった際の利得である。τ_０は，励起状態にあるエルビウムイオンの内在寿命を意味する。τ_０は，励起光をＯＮ／ＯＦＦすることで求めることができる。なお，３つの励起レベルが存在する場合もあるけれども，ここでは，発光遷移に係るＥｒ^３＋の２つのレベルの系を想定した。Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）は，各波長チャネル（λ_ｊ）における内在飽和出力を意味する。ｈνは，光の強度を意味する。Ｓは，ＥＤＦにおける活性エルビウム断面積を意味する。σ_ａ及びσ_ｅは，それぞれ，各波長チャネルにおける吸収及び誘導放出の断面積を意味する。σ_ａ及びσ_ｅは，横方向蛍光寿命測定法など公知の分光分析により求めることができる。Γ_ｊは，各波長チャネルにおけるエルビウムイオンと光のモード場との重複領域の積分値を示す係数(オーバーラップファクタ)を意味する。なお，上記の式において，信号光とポンプ光とは，同一に扱われることとなる。

Ｇ’（０）は，初期の利得変動の傾きを示す。一方，従来，活性領域の直径が大きい光ファイバは，高い出力を得る場合に用いられていた。すなわち，活性領域の直径が大きい光ファイバを用いるのは，Ｐ^ＯＵＴが大きい場合であるから，通常，そのような光ファイバを用いれば，必然的にＰ^ＯＵＴが大きくなり，利得変動が大きくなる。本発明では，通常そのように高い出力用に用いられる活性領域の直径が大きい光ファイバを低出力（たとえば，出力が１ｍＷ以上１Ｗ以下，好ましくは１０ｍＷ以上５００ｍＷ以下，より好ましくは５０ｍＷ以上４００ｍＷ以下）の光パルスに用いるというものである。

上記式に示されるとおり，Ｇ’（０）は，初期の利得変動の傾きを示し，Ｓに逆比例する。よって，活性エルビウム断面積を大きくしたＥＤＦを用いることで，利得変動を向上させることができる。また，本発明のエルビウム添加ファイバ増幅器は，従来発明の電気的制御法と組み合わせて，広い時間応答の利得変動抑圧光増幅器を構成することもできる。

上記のとおり，Ｇ’（０）を小さくするためには，Ｐ^ＩＳ（λ_ｊ）を大きくすればよい。このためには，Ｓを大きくするほか，Γ_ｊを小さくしてもよい。また，非飽和領域が拡大し，かつ開口数が減少するようにバーストモードエルビウム添加ファイバ増幅器を設計してもよい。本発明の好ましい態様は，エルビウム添加ファイバの開口数が０．２以下である。なお，開口数が，０．１３以下でれば，より好ましい。コアとクラッドとに含まれるエルビウム濃度を調整することで，開口数を制御できる。たとえば，コアに希土類としてエルビウムが添加されるほか，クラッドにもエルビウムが添加された光ファイバを用いればよい。すなわち，本発明では，コアに含まれるエルビウム濃度より小さな濃度でエルビウムが添加されたクラッドを有する光ファイバを用いることが好ましい。また，コアにエルビウムなどの希土類を添加せず，クラッドにのみエルビウムを添加した光ファイバを用いても良い。本発明の第５の側面は，エルビウム添加ファイバ増幅器の製造方法であって，前記エルビウム添加ファイバの開口数が０．２以下となり，Γ_ｊを，波長チャネルにおけるエルビウムイオンと光のモード場との重複領域の積分値を示す係数とした場合に，Γ_ｊが小さくなるように設計する工程を含む，エルビウム添加ファイバ増幅器の製造方法に関する。開口数を小さくするのと同様の方法にて，Γ_ｊが小さくなるように設計することができる。

以下の実施例では，１０Ｇ−イーサーネットフレーム入力による８波長に分割されたＷＤＭパケットの転送を行った。図２は，本実施例におけるパケットフォーマットと，トラヒック強度とを示す概念図である。ペイロードのビットレートは，ＯＣ−１９２（９．９５３２８Ｇｂｐｓ）とし，パケットは１２８ビットのプレフレームと３８１４ビットのペイロードを含むものとし，パケットの継続時間は４００ｎ秒であった。本実施例では，２つの平均リンク利用率（ＬＵ［％］を，１秒間におけるパケットの継続時間の合計と定義した）が，３３％と，０．４％のものを用いた。なお，開口数は０．１８であった。

式（１）及び式（２）は，実装系とは異なり，あくまで近似式である。よって，残留する連続光や増幅された自然放出光（ＡＳＥ）が存在する。たとえば，パケットにおけるマークの割合が５０：５０であることを考慮すると，ＬＵ＝０．４％の場合におけるマーク“１”のビットを形成する光エネルギーの合計は全ての光エネルギーの１／５０に過ぎない。残りの光エネルギーは，スペース“０”のＤＣコンポーネントに用いられるか，又はパケット間の空白に用いられる。そのような状況においては，有効な光パルスに用いられるエネルギーが主なものではない。一方，上記の式によれば，ビットストリームが連続的であるような高速スイッチＷＤＭネットワークを想定しており，有効な光パルスや明瞭なＡＳＥコンポーネントによりＥＤＦの励起エネルギーが効率的に使われることとなる。しかしながら，本実施例においては，上記の式に従うものであり，より正確で定量的な検討は将来的な問題である。

図３は，ＷＤＭ環境におけるそれぞれの波長とタイミングにおけるパケットの様子を示す概念図である。パケット生成機は，同時に１００ＧＨｚ間隔の８波長のパケットを生成する（パターン１）。ここでは，比較のために相関のないＷＤＭストリームをも観測した（パターン２）。パターン１を選択するか，パターン２を選択するかは，ＥＤＦＡの過渡応答の観点から，ネットワークの構造によってきめられるものである。

上記の式は，他の波長における光強度が利得変動に影響を与えることをも意味するので，それは，ＷＤＭにおいて，重大な問題となる。この他の波長による影響を検討するため，ここではパターン３と，パターン４についても観測した。

図４は，実施例における装置の概略構成図である。この装置では，５つの連続するＥＤＦＡを用いた，典型的な光パケットスイッチング（ＯＰＳ）システムを想定した。このシステムは，いくつかのホップを有する他の光パケットネットワークモデルにも適用できる。最初のＥＤＦＡに入力される光の平均強度は，ＬＵの値によって，−８〜−１２ｄＢｍの間をとり，＋１３ｄＢｍまで増強される。そして，ＥＤＦＡに入力される光は，７．６ｎｍのバンドパスフィルタにより−３ｄＢｍまで減衰され，次のＥＤＦＡに入力される。それぞれのＥＤＦＡにより利得は１６ｄＢとなるように設定した。なお，簡単のため，以下では，λ４（１５５０．１２ｎｍ）についてのみ観測を行った。

なお，参照のため，市販されているあるＥＤＦＡ（タイプＡ）をＬＵが３３％，パターン１にて用いたもの，市販されているあるＥＤＦＡ（タイプＢ）をＬＵが０．４％，パターン２にて用いたものをも観測した。なお，本発明のＥＤＦＡ（タイプＣ）は，パターン３にて，活性領域の直径が４．３μｍのものを用いた。

結論として，本発明のＥＤＦＡを用いたもの（タイプＣ）がもっとも優れており，（タイプＡがもっとも劣っていた。タイプＢは，タイプＣに近い性能を発揮したけれども，わずかに劣っていた。ＬＵについて検討すると，ＬＵが３３％の場合は，タイプＡのものを除いて，大きな障害はなかった。タイプＡでは，わずかなノイズが観測された。一方，ＬＵが０．４％では，多くの障害が観測された。さらに，障害は，連続するＥＤＦＡの数によっても影響されることがわかった。

図５は，利得変動及びクロストークによって惹き起こされる障害を示すためのグラフである。図５（ａ）は，パターン１でタイプＢのものを示し，図５（ｂ）はパターン２でタイプＡのものを示し，図５（ｃ）はパターン３でタイプＡのものを示し，図５（ｄ）はパターン４でタイプＡのものを示す。

図５（ａ）に示されるように，５つの連続するＥＤＦＡにより光パケットが利得変動を被る。そのような障害は，現在は避けようがない問題である。タイプＢは，変動が少ない傾向があるけれども，全ての波長が同じタイミングの場合であっても変動の蓄積は生じている。

図５（ｂ）〜図５（ｄ）は，タイプＡを用いた良くない例を示している。図５（ｂ）では，相関関係のなくなった他の波長によるノイズが極めて高い。図５（ｃ）及び図５（ｄ）では，観測対象に比べて，他のチャネルが加えられたり，なくなったりした場合に，観測対象ではなく，観測対象以外の７つのチャネルが明らかに観測されている。障害を強調するため，７つのチャネルのタイミングを同じくした。このことは，最適化されていないＥＤＦＡをＷＤＭ環境に用いると，光パケットが破損してしまうことを示している。

本実施例における全てのケースにおいて，大きなエルビウム活性領域を有するタイプＣを用いた場合に，最も良い結果を得ることができた。図６は，タイプＣを用いた場合における図５の各ケースに対応したものを示すグラフである。図６（ａ）は，パターン１のものを示し，図６（ｂ）はパターン２のものを示し，図６（ｃ）はパターン３のものを示し，図６（ｄ）はパターン４のものを示す。

図６（ａ）の結果は，図５（ａ）とほとんど同じであったが３０％よくなっている。さらに，タイプＡを用いた場合は，明らかな障害が存在したにもかかわらず，図６（ｂ）〜図６（ｄ）はわずかな障害が存在することを示すものの，クロストークに由来する新たな障害は見られなかった。これにより，本発明は，明らかに利得変動やクロストークの影響を改善できることが示された。

活性領域拡大希土類添加ファイバの特性検討
活性領域拡大希土類添加ファイバの特性を検討した。図１１は，活性領域拡大希土類添加ファイバの特性を検討するために製造した活性領域拡大希土類添加ファイバの概略図である。用いたファイバ増幅器は，バーストモードで用いることができる，エルビウム添加ファイバ増幅器であった。そして，活性領域の直径は７．６μｍ，長さが３ｍ−４ｍのものを用いた。入力信号の強度は−３ｄＢｍであった。この製造したファイバ増幅器の，トラヒックが少ない場合の特性を求めるために，コンピュータによるシミュレーションを行った。なお，開口数は０．１３であった。

図１２は，活性領域拡大希土類添加ファイバの特性を表す図面に替わるグラフである。図１２（ａ）は，各チャネルの信号の強度を示し，図１２（ｂ）は矩形パルスの形状を示す。図１２（ａ）から，トラヒックが少ない場合，各チャネルの信号に利得変動の影響が見られることがわかる。また，図１２（ｂ）から，矩形パルスの形状が一部傾くことがわかる。また，図１２から，小信号の増幅は，飽和領域での増幅よりも利得が高くなる傾向があることがわかる。

オーバーポンプ光源，２つの活性領域拡大希土類添加ファイバ，及び中間利得等化フィルタを含むシステムの特性検討
図１０に示されるような構成のシステムを構築し，オーバーポンプ光源，２つの活性領域拡大希土類添加ファイバ，及び中間利得等化フィルタを含むシステムの特性を検討した。オーバーポンプ光源の強度は−３ｄＢｍであった。２つの活性領域拡大希土類添加ファイバはバーストモードで用いることができる，エルビウム添加ファイバ増幅器であった。そして，活性領域の直径は７．６μｍであり，第１の希土類添加ファイバの長さが５０ｃｍであり，第２の希土類添加ファイバの長さが２ｍであった。中間利得等化フィルタは，前記第１及び第２の希土類添加ファイバによる利得変動を補償するようなフィルタ特性を有するように設計し，製造した。トラヒックが少ない場合における，この製造したシステムの特性を求めるために，コンピュータによるシミュレーションを行った。

図１３は，オーバーポンプ光源，２つの活性領域拡大希土類添加ファイバ，及び中間利得等化フィルタを含むシステムの特性を表す図面に替わるグラフである。図１３（ａ）は，各チャネルの信号の強度を示し，図１３（ｂ）は矩形パルスの形状を示す。図１３（ａ）から，トラヒックが少ない場合，各チャネルの信号に与えられる利得変動の影響は少ないことがわかる。また，図１３（ｂ）から，矩形パルスの形状がほぼ矩形に維持されることがわかる。図１２と図１３では，スペクトルの縦軸の値が異なる。これは，オーバーポンプ及び利得等化フィルタを用いることで，静的な利得も入射光の平均パワーに依存せずに一定値に近いものが得られることを意味する。

開口数とオーバーラップファクタとの関係
次に，１５３０ｎｍ〜１５８０ｎｍの光波長領域における開口数とオーバーラップファクタの関係をシミュレーションした。
図１６は，開口数とオーバーラップファクタの関係を求めた図面に替わるグラフである。図１６に示されるように，１５３０ｎｍ〜１５８０ｎｍの領域においては，開口数を０．２以下とすることでオーバーラップファクタを効果的に減少させることができることがわかる。特に，開口数が０．１３以下とすると急激にオーバーラップファクタを減少させることができることがわかる。

本発明のエルビウム添加ファイバ増幅器は，光情報通信などの分野で利用されうる。また，本発明のエルビウム添加ファイバ増幅器は，従来発明の電気的制御法と組み合わせて，広い時間応答の利得変動抑圧光増幅器を構成することもできる。

図１は，ＥＤＦＡによりもたらされるパケット波形の変化例を示す図である。 図２は，本実施例におけるパケットフォーマットと，トラヒック強度とを示す概念図である。 図３は，ＷＤＭ環境におけるそれぞれの波長とタイミングにおけるパケットの様子を示す概念図である。 図４は，実施例における装置の概略構成図である。 図５は，利得変動及びクロストークによって惹き起こされる障害を示すためのグラフである。図５（ａ）は，パターン１でタイプＢのものを示し，図５（ｂ）はパターン２でタイプＡのものを示し，図５（ｃ）はパターン３でタイプＡのものを示し，図５（ｄ）はパターン４でタイプＡのものを示す。 図６は，タイプＣを用いた場合における図５の各ケースに対応したものを示すグラフである。図６（ａ）は，パターン１のものを示し，図６（ｂ）はパターン２のものを示し，図６（ｃ）はパターン３のものを示し，図６（ｄ）はパターン４のものを示す。 図７は，エルビウム添加ファイバ増幅器の増加特性を示す概念図である。 図８は，本発明の第３の側面に係る光パケットの増幅方法を説明するための概念図である。 図９は，本発明の第６の側面に係るプログラムを説明するための概念図である。 図１０は，本発明のある側面に係る光パケット通信用光増幅装置の概略構成を示すブロック図である。 図１１は，活性領域拡大希土類添加ファイバの特性を検討するために製造した活性領域拡大希土類添加ファイバの概略図である。 図１２は，活性領域拡大希土類添加ファイバの特性を表す図面に替わるグラフである。図１２（ａ）は，各チャネルの信号の強度を示し，図１２（ｂ）は矩形パルスの形状を示す。 図１３は，オーバーポンプ光源，２つの活性領域拡大希土類添加ファイバ，及び中間利得等化フィルタを含むシステムの特性を表す図面に替わるグラフである。図１３（ａ）は，各チャネルの信号の強度を示し，図１３（ｂ）は矩形パルスの形状を示す。 図１４は，本発明の光パケット通信用光増幅器の概略構成を説明するための図である。 図１５は，具体的な希土類添加ファイバの断面を示す図である。図１５（ａ）は，シングルモードファイバの断面の例を示し，図１５（ｂ）は活性領域がコアと同心円状にあるものの例を示し，図１５（ｃ）は活性領域がコアとほぼ等しいものの例を示す。 図１６は，開口数とオーバーラップファクタの関係を求めた図面に替わるグラフである。

符号の説明

１ ファイバ
２ 活性領域
３ コア
４ クラッド
１０ 光ファイバなどの伝送路
１１ 光パケット
１２ 利得等化フィルタ
１３ 利得等化フィルタを通過した光パケット
１４ ファイバ増幅器
１５ ファイバ増幅器を通過した光パルス
２１ アイコンメニュー
２２ ファイバ増幅器に関するアイコン
２３ 利得等化フィルタに関するアイコン
２４ 設計画面
３１ 第１の希土類添加ファイバ
３２ 中間利得等化フィルタ
３３ 第２の希土類添加ファイバ
３４ オーバーポンピング光源

Claims (8)

1. 光パケット通信用増幅装置を用いた光パケット通信システムであって，
   前記光パケット通信用増幅装置は，
   活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である希土類添加ファイバを一つ含み，
   前記希土類添加ファイバは，希土類としてエルビウムが添加されたエルビウム添加ファイバであり，
   前記増幅装置は，エルビウムイオンと光のモード場との重複領域の積分値が小さくなるように，開口数を減少させることで，増幅器動作における非飽和領域を拡大させたものであり，
   前記エルビウム添加ファイバの開口数は，０．２以下であり，
   前記エルビウム添加ファイバは，コアと，前記コアの周囲に存在するクラッドとを有し，前記コアに希土類としてエルビウムが添加され，前記クラッドに，前記コアに含まれるエルビウム濃度より小さな濃度でエルビウムが添加された光ファイバであり，
   前記希土類添加ファイバの長さは，３ｍ以上４ｍ以下である，
   光パケット通信システム。
2. 光パケット通信用増幅装置を用いた光パケット通信システムであって，
   前記光パケット通信用増幅装置は，
   活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である第１の希土類添加ファイバと，
   前記第１の希土類添加ファイバを透過した光が入射する利得等化フィルタと，
   前記利得等化フィルタを透過した光が入射する，活性領域の直径が３．４μｍ以上１０μｍ以下である第２の希土類添加ファイバと，含み，
   前記第２の希土類添加ファイバは，希土類としてエルビウムが添加されたエルビウム添加ファイバであり，
   前記増幅装置は，エルビウムイオンと光のモード場との重複領域の積分値が小さくなるように，開口数を減少させることで，増幅器動作における非飽和領域を拡大させたものであり，
   前記エルビウム添加ファイバの開口数は，０．２以下であり，
   前記エルビウム添加ファイバは，コアと，前記コアの周囲に存在するクラッドとを有し，前記コアに希土類としてエルビウムが添加され，前記クラッドに，前記コアに含まれるエルビウム濃度より小さな濃度でエルビウムが添加された光ファイバであり，
   前記第２の希土類添加ファイバの長さは，１ｍ以上３ｍ以下である，
   光パケット通信システム。
3. 前記利得等化フィルタは，前記希土類添加ファイバを透過した各波長チャネルの光強度が等しくなるように，各波長チャネルの強度を調整する，
   請求項２に記載の光パケット通信システム。
4. 前記第１の希土類添加ファイバは，前記第２の希土類添加ファイバより長さが短い，
   請求項２に記載の光パケット通信システム。
5. 前記第１の希土類添加ファイバの長さは，前記第２の希土類添加ファイバの長さの半分以下である，
   請求項４に記載の光パケット通信システム。
6. 前記第１の希土類添加ファイバの長さは，２５ｃｍ以上７５ｃｍ以下であり，
   請求項５に記載の光パケット通信システム。
7. 前記第１の希土類添加ファイバに入射する光の光源として，
   オーバーポンピング光源を用いる，
   請求項６に記載の光パケット通信システム。
8. 前記オーバーポンピング光源の出力パワーが，２００ｍＷ以上１Ｗ以下である，
   請求項７に記載の光パケット通信システム。