JP2009117720A

JP2009117720A - 光ファイバ増幅器

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Publication number: JP2009117720A
Application number: JP2007291314A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Ono; 浩孝小野; Makoto Yamada; 誠山田; Makoto Shimizu; 誠清水; Teruhisa Kanamori; 照寿金森; Koichi Hoshino; 耕一星野
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2027-11-08
Also published as: JP4960198B2

Abstract

【課題】効率のよい光ファイバ増幅器を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態による光ファイバ増幅器１００は、励起光を発生する２つの励起光源１０４ａおよび１０４ｂと、それぞれの励起光源からの励起光を信号光とともにＥｒ添加ファイバに供給する２つの合波器１０６ａおよび１０６ｂと、励起光によって発生する自然放出光（ＡＳＥ光）により信号光が増幅されるＥｒ添加ファイバ１０８とを備えている。励起光源１０４ａには、ＡＳＥ光を反射する反射コーティングが施されている。Ｅｒ添加ファイバ１０８で発生するＡＳＥ光のうち、信号入力側へ伝搬するＡＳＥ光は、合波器１０６ａを励起光源１０４ａ側に透過し、反射コーティングで一部が反射された後、再び合波器１０６ａを介して、Ｅｒ添加ファイバ１０８に戻る。ＡＳＥ光の一部がＥｒ添加ファイバに戻り、信号光の増幅に寄与することにより、光ファイバ増幅器としてのパワー変換効率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号を増幅する光ファイバ増幅器に関する。

Ｅｒ添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、高速大容量の波長多重システム（ＷＤＭ）における中継器や前置／後置増幅器、損失補償デバイスとして、或いは、映像システムなどの光アクセスシステムにおける分配損失補償デバイス等として広く光通信システムに使用されている。特に、分散シフトファイバ（ＤＳＦ）を伝送路に使用したＷＤＭシステムでは、四光波混合（ＦＷＭ）等の非線形光学効果によりＣ帯（１５３０−１５６５ｎｍ）におけるＷＤＭ伝送が困難なため、Ｌ帯（１５６５−１６２５ｎｍ）を伝送帯域としているため、光増幅器としてＬ帯ＥＤＦＡが使用されている。

特許第３２８８９６５号 H.Ono et al., "1.58-μm band gain-flattened erbium-doped fiber amplifiers for WDM transmission system," IEEE Journal of Lightwave Technology, vol.17, no.3, pp.490-496, 1999.

しかしながら、Ｌ帯ＥＤＦＡはＣ帯ＥＤＦＡと比較して励起光波長と信号光波長との波長差が大きくなるため、励起波長帯として９８０ｎｍ帯または１４８０ｎｍ帯のいずれを使用しても、励起光から信号光へのパワー変換効率は、Ｌ帯ＥＤＦＡの方が小さくなる。これは、パワー変換効率の最大値が、励起光波長をλ_p、信号光波長をλ_sとして、λ_p／λ_sで与えられるためである。パワー変換効率が小さいと、必要な励起光パワーが増大し、装置コストの上昇につながるだけでなく、励起光源の駆動や温度調整に要する電力が大きくなり、光通信システム装置全体の消費電力を上昇させる結果になる。

本発明は、このような問題に鑑みなされたもので、効率のよい光ファイバ増幅器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、Ｌ帯の信号光が増幅されるＥｒ添加ファイバを備えた光ファイバ増幅器であって、前記Ｅｒ添加ファイバから放出されるＣ帯のＡＳＥ光を前記Ｅｒ添加ファイバに戻す反射手段を備えたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光ファイバ増幅器であって、前記反射手段は、前記Ｅｒ添加ファイバに励起光を供給する励起光源に備えられたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光ファイバ増幅器であって、前記反射手段は、前記励起光源の半導体レーザチップ表面の反射膜であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の光ファイバ増幅器であって、前記反射手段は、前記Ｅｒ添加ファイバと、前記Ｅｒ添加ファイバに励起光を供給する励起光源との間に備えられたことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の光ファイバ増幅器であって、前記反射手段は、前記Ｅｒ添加ファイバと、励起光を前記信号光と合波して前記Ｅｒ添加ファイバに供給する合波器との間に備えられたことを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の光ファイバ増幅器であって、前記Ｅｒ添加ファイバに戻されたＣ帯のＡＳＥ光がさらに前記Ｅｒ添加ファイバに戻ることによって発振が生じないようにする発振防止手段をさらに備えたことを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の光ファイバ増幅器であって、励起光を前記信号光と合波して前記Ｅｒ添加ファイバに供給する合波器を備え、前記合波器の励起光入力側から前記Ｅｒ添加ファイバ側への方向およびその逆方向への透過特性が、前記Ｃ帯のＡＳＥ光を選択的に透過するものであることを特徴とする。

従来のＬ帯ＥＤＦＡの励起は、非特許文献１に記載されているように、２段階からなる。まず９８０ｎｍ帯や１４８０ｎｍ帯の励起光によりＥｒ添加ファイバでＣ帯の自然放出増幅光（ＡＳＥ光）が発生する。このＣ帯のＡＳＥ光を励起源としてＬ帯の信号光の増幅が起こる。ＡＳＥ光はＥｒ添加ファイバの信号入力側から信号出力側に向かって放出されるだけでなく、信号出力側から信号入力側へも放出される。

Ｃ帯のＡＳＥ光は、Ｅｒ添加ファイバ内で吸収される量が大部分であるが、Ｌ帯ＥＤＦＡの動作状態によっては、信号出力側にも放出され得る。これら、Ｅｒ添加ファイバの信号入力側および信号出力側に放出されるＡＳＥ光の一方、またはその両方を反射させて再びＥｒ添加ファイバに戻すことにより、Ｅｒ添加ファイバで発生するＡＳＥ光が効率的にＥｒ添加ファイバに吸収され、その結果パワー変換効率が増大し、必要な励起光パワーが減少する。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、図面全体を通して、同様の構成要素には同様の符号を付して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による光ファイバ増幅器の一例を示すブロック図である。この光ファイバ増幅器１００は、入力された信号光を一方向に伝搬させる光アイソレータ１０２ａと、励起光を発生する２つの励起光源１０４ａおよび１０４ｂと、それぞれの励起光源からの励起光を信号光とともにＥｒ添加ファイバに供給する２つの合波器１０６ａおよび１０６ｂと、励起光により信号光が増幅されるＥｒ添加ファイバ１０８と、増幅された信号光を一方向に伝搬させて出力する光アイソレータ１０２ｂとを備えている。

図１において、Ｌ帯の信号光が光アイソレータ１０２ａに入力される。この信号光は、合波器１０６ａにおいて、励起光源１０４ａからの励起光と合波され、Ｅｒ添加ファイバ１０８に入力される。同様に励起光源１０４ｂからの励起光も合波器１０６ｂを介して、Ｅｒ添加ファイバ１０８に入力される。Ｅｒ添加ファイバでは、励起光によりＥｒイオンが励起されることにより、Ｃ帯の自然放出増幅光（ＡＳＥ光）が発生し、Ｌ帯の信号光が増幅される。Ｅｒ添加ファイバ１０８は、Ｌ帯の信号光を増幅するために、特許文献１に見られるように、等価的にファイバ長が調整されたファイバとすることができる。増幅された入力信号光は、合波器１０６ｂを介して、光アイソレータ１０２ｂから出力される。

図２に、図１の合波器１０６ａおよび１０６ｂの透過スペクトル特性を示す。図２（ａ）は、合波器１０６ａの信号入力側からＥｒ添加ファイバ側への方向およびその逆方向への透過スペクトルを示し、図２（ｂ）は、合波器１０６ａの励起光入力側からＥｒ添加ファイバ側への方向およびその逆方向への透過スペクトルを示しいている。合波器１０６ｂについても、同様のスペクトル特性を有しており、図２（ａ）は、合波器１０６ｂのＥｒ添加ファイバ側から信号出力側への方向およびその逆方向への透過スペクトルを示し、図２（ｂ）は、合波器１０６ｂの励起光入力側からＥｒ添加ファイバ側への方向およびその逆方向への透過スペクトルを示している。このように、合波器１０６ａおよび１０６ｂは、おおよそ１４６０−１５６０ｎｍの光、すなわち１４６０−１５２０ｎｍの励起光およびＣ帯のＡＳＥ光と、Ｌ帯の信号光を合波するものとすることができる。

次に、図３に、図１の励起光源の構成例を示す。この励起光源１０４は、レーザ光を発生させる半導体レーザチップ１２０と、励起光の波長帯でレーザ発振が起こるように反射率が調整された反射コーティング１２２と、反射コーティングを透過した励起光を光ファイバ１２６に結合するレンズ１２４と、各構成要素を固定し、保護する金属ケース１２８とから構成されている。

半導体レーザチップ１２０は、例えば１４６０−１５２０ｎｍでのレーザ発振に適するように設計することができる。反射コーティング１２２は、１４６５−１４９０ｎｍ程度の波長域でレーザ発振が起こるようにこの波長近傍における反射率が８％程度になるようにする。また、励起光源１０４ａおよび１０４ｂの一方について、反射コーティング１２２は、さらにＣ帯の光を反射するように設計する。本実施形態では、図１の励起光源１０４ａには、Ｃ帯の光を反射するコーティングを施した励起光源を使用し、図１の励起光源１０４ｂには、Ｃ帯の光を反射するコーティングを施していない励起光源を使用した場合について説明する。この場合、例えば、Ｃ帯の光の反射率を１０％とする。

このような構成において、Ｅｒ添加ファイバ１０８で発生するＣ帯のＡＳＥ光のうち、信号入力側へ伝搬するＡＳＥ光は、合波器１０６ａを励起光源１０４ａ側に透過し、反射コーティング１２２で一部が反射された後、再び合波器１０６ａを介して、Ｅｒ添加ファイバ１０８に戻る。このように、ＡＳＥ光の一部がＥｒ添加ファイバに戻り、信号光の増幅に寄与することにより、光ファイバ増幅器としてのパワー変換効率が向上する。

なお、励起光源１０４ａに代えて励起光源１０４ｂに、Ｃ帯の光を反射するコーティングを施した励起光源を使用しても同様の効果が得られる。ただし、励起光源１０４ａおよび１０４ｂの両方にこのような反射コーティングを施した励起光源を使用すると、Ｃ帯のＡＳＥ光が励起光源１０４ａおよび１０４ｂの間を往復し、発振することがある。そのため、本実施形態による光ファイバ増幅器１００では、Ｃ帯の光を反射するコーティングを施した励起光源を前方の励起光源１０４ａのみに使用している。

上記の構成による光ファイバ増幅器１００において、等価的ファイバ長が６．５×１０⁴重量ｐｐｍ・ｍである石英系Ｅｒ添加ファイバを使用し、波長１５９０ｎｍ、信号光パワー−１９ｄＢｍの信号光を入力し、＋８ｄＢｍの出力信号光パワーを得たときに要した励起光パワーは、励起光源１０４ａおよび１０４ｂの合計で１７８．５ｍＷであった。一方、励起光源として従来の１４８０ｎｍ帯の半導体レーザ（ＬＤ）を使用した場合、同じ光ファイバ増幅器の動作条件で要した励起光パワーは、励起光源１０４ａおよび１０４ｂの合計で１９０ｍＷであった。このように、Ｅｒ添加ファイバ１０８で発生するＣ帯のＡＳＥ光をＬ帯の信号増幅に有効に利用することにより、従来の光ファイバ増幅器と比較して必要な励起光パワーを減少できる効果があることが確認できた。

なお、本実施形態ではＣ帯光の反射率を１０％に設定したが、反射率はこれに限るものではない。図４は、必要な励起光パワーと反射率の関係をプロットしたグラフである。従来の１４８０ｎｍ帯のＬＤを使用し、反射率がほぼ０％の場合と比較して、反射率が２％程度以上あれば必要な励起光パワーを減少できることがわかる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態による光ファイバ増幅器の一例を示すブロック図である。この光ファイバ増幅器２００は、入力された信号光を一方向に伝搬させる光アイソレータ１０２ａと、励起光を発生する２つの励起光源１０４ａおよび１０４ｂと、それぞれの励起光源からの励起光を信号光とともにＥｒ添加ファイバに供給する２つの合波器１０６ａおよび１０６ｂと、励起光により信号光が増幅される２つのＥｒ添加ファイバ１０８ａおよび１０８ｂと、２つのＥｒ添加ファイバの間に配置され、光を入力側から出力側へ一方向に伝搬させる光アイソレータ１０２ｃと、増幅された信号光を一方向に伝搬させて出力する光アイソレータ１０２ｂとを備えている。

この光ファイバ増幅器２００は、第１の実施形態による光ファイバ増幅器１００と類似しているが、２つのＥｒ添加ファイバ１０８ａおよび１０８ｂの間に光アイソレータ１０２ｃを配置し、励起光源１０４ａおよび１０４ｂのいずれにも、図３に関連して説明した、Ｃ帯の光を反射するコーティングを施した励起光源を使用している点が異なる。

このような構成において、励起光源１０４ｂで反射されるＣ帯のＡＳＥ光は光アイソレータ１０２ｃで完全に遮断され、励起光源１０４ａに注入される可能性がないため、励起光源１０４ａおよび１０４ｂのいずれにもＣ帯の光を反射するコーティングを施したものを使用することができる。この場合、合波器１０６ａおよび１０６ｂはいずれも、図２（ａ）および（ｂ）に示すような、おおよそ１４６０−１５６０ｎｍの光、すなわち１４６０−１５２０ｎｍの励起光およびＣ帯のＡＳＥ光と、Ｌ帯の信号光を合波するものとすることができる。

上記の構成による光ファイバ増幅器２００において、第１の実施形態と同じ光ファイバ増幅器の動作条件、すなわち、Ｅｒ添加ファイバ１０８ａおよび１０８ｂ全体として等価的ファイバ長が６．５×１０⁴重量ｐｐｍ・ｍである石英系Ｅｒ添加ファイバを使用し、波長１５９０ｎｍ、信号光パワー−１９ｄＢｍの信号を入力し、＋８ｄＢｍの出力信号光パワーを得たときに要した励起光パワーは、励起光源１０４ａおよび１０４ｂの合計で１７５ｍＷであった。このように、第１の実施形態で述べた従来の光ファイバ増幅器と比較して必要な励起光パワーを減少できる効果があることが確認できた。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態による光ファイバ増幅器の一例を示すブロック図である。この光ファイバ増幅器３００は、入力された信号光を一方向に伝搬させる光アイソレータ１０２ａと、励起光を発生する２つの励起光源１０４ａおよび１０４ｂと、それぞれの励起光源からの励起光を信号光とともにＥｒ添加ファイバに供給する２つの合波器１０６ａおよび１０６ｂと、Ｃ帯の光を反射するフィルタ１１０と、励起光により信号光が増幅されるＥｒ添加ファイバ１０８と、増幅された信号光を一方向に伝搬させて出力する光アイソレータ１０２ｂとを備えている。

この光ファイバ増幅器３００は、第１の実施形態の光ファイバ増幅器１００と類似しているが、一方の励起光源１０４ａと合波器１０６ａの間にＣ帯の光を反射するフィルタ１１０が配置され、励起光源１０４ａおよび１０４ｂのいずれにも、Ｃ帯の光を反射するコーティングを施していない従来の励起光源を使用している点が異なる。このフィルタ１１０は、１４８０ｎｍ帯の励起光を透過し、Ｃ帯の光を反射するように設計されたもので、誘電体多層膜から構成される。

このような構成において、Ｅｒ添加ファイバ１０８で発生するＣ帯ＡＳＥ光のうち、信号入力側へ伝搬するＡＳＥ光は、合波器１０６ａを透過し、フィルタ１１０で反射された後、再び合波器１０６ａを介して、Ｅｒ添加ファイバ１０８に戻る。このように、ＡＳＥ光の一部がＥｒ添加ファイバに戻り、信号光の増幅に寄与することにより、光ファイバ増幅器としてのパワー変換効率が向上する。なお、本実施形態による光ファイバ増幅器３００では、Ｃ帯のＡＳＥ光の反射による発振を防ぐため、フィルタ１１０を前方の励起光源１０４ａと合波器１０６ａの間にのみ挿入している。

上記の構成による光ファイバ増幅器３００において、第１の実施形態と同じ光ファイバ増幅器動作条件、すなわち、Ｅｒ添加ファイバ１０８として等価的ファイバ長が６．５×１０⁴重量ｐｐｍ・ｍである石英系Ｅｒ添加ファイバを使用し、波長１５９０ｎｍ、信号光パワー−１９ｄＢｍの信号を入力し、＋８ｄＢｍの出力信号光パワーを得たときに要した励起光パワーは、励起光源１０４ａおよび１０４ｂそれぞれ４０ｍＷであり、パワー変換効率は７．９％であった。一方、励起光源として従来の１４８０ｎｍ帯のＬＤを使用した場合、同じ光ファイバ増幅器の動作条件で要した励起光パワーは、２つの励起光源の合計で１７３ｍＷであった。このように、Ｅｒ添加ファイバ１０８で発生するＣ帯のＡＳＥ光をＬ帯の信号増幅に有効に利用することにより、従来の光ファイバ増幅器と比較して必要な励起光パワーを減少できる効果があることが確認できた。

また、図７に示すように、合波器１０６ａとＥｒ添加ファイバ１０８との間にフィルタ１１０を挿入するように構成することもできる。この場合、フィルタ１１０はＣ帯のＡＳＥ光を反射させ、かつ励起光とＬ帯の信号光を透過させる必要があるので、フィルタ１１０の特性を図８に示すようにＣ帯の光を反射するバンド除去フィルタとする必要がある。

以上、本発明について、具体的にいくつかの実施形態について説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。

本発明の第１の実施形態による光ファイバ増幅器の一例を示すブロック図である。本発明による光ファイバ増幅器の合波器の透過スペクトル特性の一例を示す図である。本発明による光ファイバ増幅器の励起光源の構成例を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態による光ファイバ増幅器において必要な励起光パワーと反射率の関係をプロットしたグラフである。本発明の第２の実施形態による光ファイバ増幅器の一例を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態による光ファイバ増幅器の一例を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態による光ファイバ増幅器の別の一例を示すブロック図である。本発明による光ファイバ増幅器のフィルタの反射スペクトル特性の一例を示す図である。

符号の説明

１００，２００，３００，４００光ファイバ増幅器
１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ光アイソレータ
１０８，１０８ａ，１０８ｂＥｒ添加ファイバ
１１０フィルタ
１２２反射コーティング
１２４レンズ
１２６光ファイバ
１２８金属ケース

Claims

Ｌ帯の信号光が増幅されるＥｒ添加ファイバを備えた光ファイバ増幅器であって、
前記Ｅｒ添加ファイバから放出されるＣ帯のＡＳＥ光を前記Ｅｒ添加ファイバに戻す反射手段を備えたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
請求項１に記載の光ファイバ増幅器であって、
前記反射手段は、前記Ｅｒ添加ファイバに励起光を供給する励起光源に備えられたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
請求項２に記載の光ファイバ増幅器であって、
前記反射手段は、前記励起光源の半導体レーザチップ表面の反射膜であることを特徴とする光ファイバ増幅器。
請求項１に記載の光ファイバ増幅器であって、
前記反射手段は、前記Ｅｒ添加ファイバと、前記Ｅｒ添加ファイバに励起光を供給する励起光源との間に備えられたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
請求項１に記載の光ファイバ増幅器であって、
前記反射手段は、前記Ｅｒ添加ファイバと、励起光を前記信号光と合波して前記Ｅｒ添加ファイバに供給する合波器との間に備えられたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
請求項１から５のいずれかに記載の光ファイバ増幅器であって、
前記Ｅｒ添加ファイバに戻されたＣ帯のＡＳＥ光がさらに前記Ｅｒ添加ファイバに戻ることによって発振が生じないようにする発振防止手段をさらに備えたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
請求項１から６のいずれかに記載の光ファイバ増幅器であって、
励起光を前記信号光と合波して前記Ｅｒ添加ファイバに供給する合波器を備え、
前記合波器の励起光入力側から前記Ｅｒ添加ファイバ側への方向およびその逆方向への透過特性が、前記Ｃ帯のＡＳＥ光を選択的に透過するものであることを特徴とする光ファイバ増幅器。