JP2009507367A

JP2009507367A - 光利得制御を有する光増幅器

Info

Publication number: JP2009507367A
Application number: JP2008528483A
Authority: JP
Inventors: トーマスロゴウスキ，; カリンエンセル，
Original assignee: エリクソンエービー
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2009-02-19
Also published as: CN101253713A; EP1925107A1; ITMI20051625A1; CA2620133A1; US20100178055A1; WO2007025929A1

Abstract

光利得制御（ＯＧＣ）を有する光増幅器には、増幅対象の信号のための入力（１１）と増幅された信号のための出力（１２）とがある。それには、第一のブラッグ・グレーティング（ＢＧ）（１５）と、１個の可変光減衰器（ＶＯＡ)(17)と、ポンプを有する1個の光増幅ユニット（１３）と、並びに第二のグラッグ・グレーティング（ＢＧ）（１４）とを直列に備える。上記二個のファイバ・ブラッグ・グレーティングにより、二つの間のその中間点に上記増幅ユニット（１３）をもつレーザー共振器を定め、増幅する信号は、増幅ユニット（１３）の入力にあるスプリッタ（１６）を有する増幅ユニットの入力に配置する。増幅器を備えるノードを有するネットワークについても提供される。

Description

本発明は、利得制御を有する革新的な光増幅器、及び、光増幅器を使用した全光型のＷＤＭリング・ネットワークに関する。

リング・ネットワークにおける一つの問題点は、増幅器の利得が飽和するために生じる過渡信号の累積に対する増幅器の感度である。コストに非常に敏感なメトロ・ネットワーク（都市圏を結ぶネットワーク）市場においては、ネットワーク設計者には、柔軟で堅牢な、そして、ネットワークの複雑性とコストを減少する制御技術を必要とする。メトロ地区の既知の主な商用増幅器では、コストと性能の点で生まれながら不利な点を有する電子利得制御器を使用している。再構成可能なメトロポリタン・エリア・ネットワークにおける電子利得制御器を用いる解決策の例は、Ｎ．ＭＡＤＡＭＯＰＯＵＬＯＳ等、Ｊ．ＬＩＧＨＴＷＡＶＥＴＥＣＨＮＯＬ．、２０（２００２）、Ｐ．９３７に見ることができる。

代替方法の１つである光利得クランプ（ＯｐｔｉｃａｌＧａｉｎＣｌａｍｐｉｎｇ、ＯＧＣ）は、より簡単な技術で実現することが可能であり、Ｍ．ＺＩＲＮＧＩＢＬ、全光帰還ループによるエルビウム添加ファイバ増幅器の利得制御、ＥＬＥＣＴＲＯＮ．ＬＥＴＴ．２７（１９９１）、Ｐ５６０、および、Ｌｕｏ等、ＷＤＭネットワークのための全光得クランプＥＤＦＡにおける緩和振動とスペクトル・ホール・バーニング効果の実験的および理論的解析、Ｊ．ＬＩＧＨＴＷＡＶＥＴＥＣＨＮＯＬ．、１６（１９９８）、Ｐ５２７に比較的経済的で効率的な技術が提案されている。しかしながら、ＯＧＣを得るために提案されたシステムは、そのプロジェクトのコストを上げない限り、いまだ過渡信号に対して満足のできない堅牢さに苦しんでいる。

最近、エルビウム添加導波路増幅器（ＥｒｂｉｕｍＤｏｐｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ、ＥＤＷＡ）構成が提案されている（Ｋ．ＥＮＮＳＥＲ、メトロ・システム・ネットワークにおける光増幅器過渡信号動特性の制御、ＩＣＴＯＮ（２００４）、Ｔｕ．Ｃ１．２）。エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥｒｂｉｕｍＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ、ＥＤＦＡ）に比較して過渡的障害に対する優れた耐性に加え、導波路技術は他の機能と集積する場合、良好な可能性を持っている。大量生産を行えば、集積ブロックは小さい設置面積で、低いコストを実現できよう。ＯＧＣを有する増幅器を得る目的に対して、ＥＤＷＡでもってしても上記要求条件を満足する構成を見付けるのに問題点が残る。

本発明の一般的な目的は、全光リング・ネットワークの実現を可能とし、同時に従来技術の欠点を取り除く、光クランプ利得を有する革新的全光増幅器構成の利用を可能とすることである。

この目的を考慮して、本発明に従って光利得制御を有する光増幅器を提供しようとするものであり、その特徴は、第一のファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ、ＦＢＧ）１個と、可変光減衰器（ｖａｒｉａｂｌｅｏｐｔｉｃａｌａｔｔｅｎｕａｔｏｒ、ＶＯＡ）１個と、光増幅ユニット１個と、および第二のファイバ・ブラッグ・グレーティング１個とを直列に備え、上記２個のファイバ・ブラッグ・グレーティングは中心波長を持ち、２個のファイバ・ブラッグ・グレーティングの中間に増幅ユニットを有するレーザー共振器を形成しており、増幅すべき信号入力が第一のファイバ・ブラッグ・グレーティングと増幅ユニット入力との間にある、ということである。

また、本発明は、ノードで光増幅器を使用するリングを持つＷＤＭ光ネットワークを実現しようとするものである。

本発明の革新的原理および従来技術（米国特許Ｎｏ．６，４２１，１６８参照）に比較した利点の説明を明確にするため、上記原理を応用する非限定的例を目的として、付属図面の助けをかり、可能な実施形態を下記に示す。

図１において、参照番号１０で増幅器の全体を示したが、本発明によるクランプのある光利得と１個の入力１１および１個の出力１２とを有する増幅器の構成を図１に図式的に示す。上記増幅器は、既知の増幅器により構成されており、具体的にはポンプを有する利得ブロック１３を含む。上記ポンプ増幅器は既知のエルビウム添加導波路増幅器（ＥｒｂｉｕｍＤｏｐｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ、ＥＤＷＡ）で有利に実現可能である。これにより過渡信号においては良好な性能を実現可能となる。しかしながら、本発明の原理にとっては、既知のエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥｒｂｉｕｍＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ、ＥＤＦＡ）もまた使用可能と判明した。

レーザー共振器は２個の既知のファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ、ＦＢＧ）１４，１５を備え、その間に増幅ユニット１３を構成している。したがって、共振器の長さは２個のファイバ・ブラッグ・グレーティング間の全パスの長さである。しかしながら、本発明の原理では、また、上記のＦＢＧを集積導波路構造として描くこともできる。

アクティブ（能動）媒体として増幅ユニットを使用してレーザー共振器を形成するような中心波長を有する二個のファイバ・ブラッグ・グレーティングを選択する。例えば、中心波長を１５４９．５８ｎｍ（ＷＤＭＣバンド）に設定する。増幅器の入力部には伝送信号がまったくなくても、この波長でレーザー発振に効果を及ぼすのに十分なパワーを得るまで、これらのバンドパス・フィルタの中心の長さにある二つのファイバ・ブラッグ・グレーティング間において、ポンプ増幅器によって生成された雑音が反射する。

ＦＢＧ１４は、０．２ｎｍから１ｎｍまでの半値幅（ｆｕｌｌ−ｗｉｄｔｈ−ｈａｌｆ−ｍａｘｉｍｕｍ、ＦＷＨＭ）で、高い反射率（９５％程度以上が有利であり、具体的には約９９．９％）を持った“フラットトップ”ファイバ・ブラッグ・グレーティングとするのが有利であり、信号チャネルと一列に並んで配置される。ＦＢＧ１５は、例えば０．２ｎｍと第一のＦＢＧのそれより低くできる反射率（例えば、80%より高い方が有利であり、具体的には約９５％またはこれより高い）とを有するＦＷＨＭバンド（同様にＦＢＧ１４のそれに等しい中心波長を有する）を持つ。ファイバ・ブラッグ・グレーティング１５は“ナロートップ”で０．２ｎｍ半値幅タイプが有利である。

入力１１に到達する信号チャネルは、既知の可変光減衰器（ＶａｒｉａｂｌｅＯｐｔｉｃａｌＡｔｔｅｎｕａｔｏｒ、ＶＯＡ）１７を経由して第二のＦＢＧ１５を他のポートで接続するカップリングスプリッタ１６を経由し、ＥＤＷＡ１３に入る。スプリッタは９０％／１０％スプリッタ（損失０．５ｄＢ）が有利である。

言い換えれば、増幅器は、第一のファイバ・ブラッグ・グレーティング、一個のＶＯＡ、ポンプ増幅ユニットおよびもう一つのファイバ・ブラッグ・グレーティングの直列接続で構成される。増幅する信号をＶＯＡと増幅ユニットとの間に挿入し、一方、出力信号をもう一つのファイバ・ブラッグ・グレーティングを経由して増幅ユニットの出力で取る。

ＶＯＡの挿入により、利得クランプを柔軟に制御することが可能になる。この特徴は、例えば、ネットワークの接続形態とその損失を再構成する場合に有用となるであろう。

この構成を再循環する全光ＷＤＭリング・ネットワークに適用することは極めて利点があった。

このネットワークでは、レーザー・パワーが上記の再循環を経由して共振器に戻るかもしれないということを避けなければならない。この理由のため、レーザー・パワーを逆方向にのみ出ていくことができるこのような方法で、上記増幅器と上記ファイバ・ブラッグ・グレーティングの入力および出力を配置する。順方向には、代わりにインラインのアイソレータによってレーザー・パワーを阻止し、一方９９．９％でミラーを経由して一緒に伝搬するレーザーのパワー損失は無視でき、パワー結合は１００ｎＷ程度と見積もることができる。

例では、共振器の利得を１３ｄＢに設定し、ポンプ・パワーは１８０ｍＷである。約１６０ｍＷのポンプ・パワーで非クランプの増幅条件を獲得することを考慮すると、過渡信号に対する安定したクランプと耐性を獲得するために、１５％の余分なポンプ・パワーがあれば十分であることが分かる。

また、飽和レベルまでポンプ・パワーをさらに増強することで、出力オーバーシュートをさらに削減できるということが判明した。

また、１ｍの長さの共振器を有するＯＧＣ−ＥＤＦＡは、もっと長いＯＧＣ−ＥＤＦＡ共振器（１０ｍまたはそれ以上）より良い性能をもつであろうということが判明したが、これは、レーザー共振器がより短い緩和時間のため過渡信号からより早く回復することができるためである。したがって、共振器長を最適化することにより、本発明によるＯＧＣを有する増幅器の性能を、具体的にはＯＧＣ−ＥＤＷＡの場合、容易に改善できる。

図２に、３箇所のノードを有する閉じたメトロ地区におけるリング・ネットワーク２０の実験的レイアウトを示す。各ノードは、本発明による図１の増幅器を備える。具体的には、飽和領域で約１２ｄＢから１３ｄＢの利得を持ったバージョンのＥＤＷＡを選択した。

上記３箇所のノードにあるポンプ・パワーは、それぞれ２００ｍＷ、１８０ｍＷおよび１８０ｍＷである。中心波長はそれぞれ１５４９．５８ｎｍ、１５５１．１８ｎｍおよび１５４７．９８ｎｍである。ＯＧＣ−ＥＤＦＡに基づくネットワークに対してさえもその結果の妥当性を拡張するため、９ｍの長さを有したＯＧＣ−ＥＤＦＡの共振器を意図的に使用している。

システムの性能を検証するため、テスト・チャネルを第一のノードの前で取り入れ、最後のノードの後から取り除く。

２１で挿入する（参照番号２２で示す適当な５０／５０カップラーにより）１６個のＷＤＭチャネルを獲得するため、各々が−７ｄＢｍの３個のチャネルを第一のノードの前で取り入れ、それぞれがチャネル１６のパワーの５倍（５×チャネル１６）のパワーを有する５個の伝送チャネル各々と、−２ｄＢｍの全入力パワーのために２３で生成する−１４ｄＢの１個のプローブ信号（チャネル１６）とを、シミュレートする。１５５４．９５ｎｍから開始して一つから他まで１００ＧＨｚ毎に、示していないが、４個のＤＦＢレ−ザーを配置する。

上記１５個のシミュレートするチャネルを既知のＭＵＸ２４で多重化し、音波光変調器（ＡｃｏｕｓｔｉｃＯｐｔｉｃＭｏｄｕｌａｔｏｒ、ＡＯＭ）２５により繰返し周波数１ｋＨｚで接続（ＯＮ）と切断（ＯＦＦ）の切換えをし、その後、５０／５０カップラー２７によってプローブ・チャネル２６と混合（合波）する。チャネルを減衰するためにＶＯＡを使用することができる。

ＡＳＥ雑音と各増幅器をクランプするために使用するレーザー波長とに反して、どのチャネルも一度以上は循環しないと仮定する。各セクションは約１２ｄＢのスパン損失を持つ。勿論、上記の数値はここでの例であり、実際の応用では変更することができる。

全てのチャネルを既知の分波器２８で抽出し、測定器２９のブロックに送って本解決策の堅牢性を検証する。

図３に、１個のチャネルまたは全チャネルを負荷に持つオープン型およびクローズ型のリング・ネットワークの光スペクトルを示す。拡大部にオープン・リングとクローズ・リングとの間の詳細な相違を示す。オープン・リングとクローズ・リングのスペクトルは互いに非常に似かよっていることが分かる。したがって、循環するＡＳＥ光はクローズ・リングでは小さな影響であり、クランプ増幅器は独立に動作すると結論づけることが可能である。小さなシフトを二つのシナリオ間で見ることができるが、これは、１５３３ｎｍでの領域を主に支配するＳＨＢ効果のためであり、１．３ｄＢの変化であることに注目しなければならない。左側のリップルはＤＢＦプローブ・レーザーによる。しかしながら、ファイバ・ブラッグ・グレーティングの中心波長がネットワークにおける各増幅器に対して同じなら、全ＣバンドがＷＤＭ伝送のために利用可能である。

図４に、最悪のシナリオをシミュレートするため、最長光路に１６チャネルのうちの１５チャネルを付加し、除去した後の残存チャネルのパワー軌跡を示す。クローズ・リングに集まったＡＳＥ雑音の影響を定量化するため、オープン・リング構成についても測定する。しかしながら、過渡信号に何ら重要な変化が観測されない。

明確にするため、図５と６に、図４の付加および除去動作時点の過渡信号拡大図を示す。１５チャネルの除去後に観測された小さなＳＨＢシフトは、イン・バンド・レージングによる。

注意すべきは、約０．２５ｄＢの最大オーバーシュートおよび０．４ｄＢのＳＨＢシフトは、たった３個のＯＧＣ−ＥＤＷＡの連鎖効果の線形和によって引き起こされるということである。測定した最大オーバーシュートおよび単一のＯＧＣ−ＥＤＷＡのＳＨＢシフトは、それぞれ約０．０８ｄＢおよび０．１４ｄＢである。これは、本発明のＯＧＣを有する各増幅器は独立に動作すること、および、Ｎ段で上記結果を取り扱うことができることを裏付けるものである（Ｎはいかなる自然数でもよい）。

本発明により実現する増幅器利得の独立制御により、回復または故障の過渡信号の累積に対して、ネットワークを堅牢にできる。ネットワーク故障は部品の劣化またはファイバの切断による可能性がある。

例えば、図７は、全てのチャネルが突然中断し、その後に回復した場合の効果を示す。図から分かるように、ネットワーク回復の開始時点では、０．４ｄＢの過渡信号のピークと、次にシステムの急速な安定化が観測される。気付くことは、このオーバーシュート・ピークは図４のＳＨＢオフセットに等しく、故障の場合にはチャネルの単純な脱落以上の他の余分な効果はまったく無いことを示していることである。

比較的簡単であり、高価でなくても、堅牢な特性を有するＯＧＣ付き全光増幅器を設計することにより、予め設定した目的が達成されたことは、今や明らかである。増幅器の利得の動的な規制は、簡単なＶＯＡを設定することによって、容易に獲得できる。

また、光クランプ利得を有する上記増幅器に基づき、堅牢で、拡張性があり、柔軟で低価格な全光ＷＤＭリング・ネットワークをいかにして実現するかを示した。チャネルの付加と脱落およびネットワークが故障の場合に、リング・ネットワークの堅牢性がオープン・リング構成およびクローズ・リング構成の両方において示される。本発明による増幅器を個々にクランプしているので、過渡信号の極めて早い応答時間と高い堅牢性が獲得される。実験的結果は、殆どのフルＣバンドはＷＤＭチャネルの伝送に利用可能であることを示す。さらに、得られた結果は、ノード数が増加した場合、拡張可能である。かくして、Ｎセクションに対する本発明によるネットワークの安定性は証明された。

提案したネットワーク・プロジェクトは単に標準的素子に基づいているという事実のため、ネットワークは容易に更新可能である。例えば、本発明による上記解決策の優秀な性能は、ＷＤＭを導入したリング・ネットワークを次世代にするのに適すると考えられる。

勿論、本特許で請求する独占的権利の範囲内で上記原理の非制限的な例を示す目的で、本発明の革新的原理を適用する実施形態について上記で説明した。本発明による増幅器は、ポイント・ツー・ポイントのシステム、メッシュ・ネットワークおよびリング構成にさえも同様に有利に使用できる。本発明の原理は具体的にはメトロ・ネットワークに有用であるが、上記原理はまた、長距離ネットワークまたは他のネットワークに適用可能であり、飽和動作において増幅器の必要性があれば十分である。

本発明により実現する光利得クランプ増幅器構成の構成を示す図である。本発明による増幅器を有するリング・ネットワークの実験的試験構成を示す図である。本発明の原理を使用したネットワークの特性を示すグラフである。本発明の原理を使用したネットワークの特性を示すグラフである。本発明の原理を使用したネットワークの特性を示すグラフである。本発明の原理を使用したネットワークの特性を示すグラフである。本発明の原理を使用したネットワークの特性を示すグラフである。

Claims

光利得制御機能を備えた光増幅器（１０）であって、
第１のファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）（１５）と、
可変光減衰器（ＶＯＡ）（１７）と、
光増幅ユニット（１３）と、
第２のファイバ・ブラッグ・グレーティング（１４）と
が直列に接続されており、
前記第１のファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）（１５）と前記第２のファイバ・ブラッグ・グレーティング（１４）の中心波長は、該第１のファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）（１５）と該第２のファイバ・ブラッグ・グレーティング（１４）との中間に前記光増幅ユニット（１３）を配置されたレーザー共振器を形成するように選択されており、
さらに、前記光増幅器（１０）は、
増幅対象となる信号を入力するために、前記第１のファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）（１５）と前記光増幅ユニット（１３）の入力との間に配置された入力部（１１）を備えていることを特徴とする光増幅器。
前記光増幅ユニット（１３）は、Ｅ（Ｙ）ＤＷＡ型又はＥ（Ｙ）ＤＦＡ型の増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
増幅された光信号は、前記光増幅ユニット（１３）の出力側に設けられた前記第２のファイバ・ブラッグ・グレーティング（１４）を通じて出力される
ことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
前記増幅対象の信号は、前記可変光減衰器（１７）と前記光増幅ユニット（１３）との間に設けられたカップリングスプリッタ（１６）を通じて前記光増幅ユニット（１３）へ入力される
ことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
前記カップリングスプリッタ（１６）は、９０％／１０％スプリッタである
ことを特徴とする請求項４に記載の光増幅器。
前記第２のファイバ・ブラッグ・グレーティング（１４）は、０．２ｎｍから１．０ｎｍまでの波長に対してフラットトップ型の半値幅（ＦＷＨＭ）の素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
前記第１のファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）（１５）は、０．２ｎｍ波長のナロートップ型半値幅（ＦＷＨＭ）の素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
前記光増幅ユニット（１３）の入力側に配置された前記第１のファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）（１５）の反射率は８０％よりも大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
前記光増幅ユニット（１３）の入力側に配置された前記第１のファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）（１５）の反射率は９５％程度又はそれよりも大きい
ことを特徴とする請求項８に記載の光増幅器。
前記光増幅ユニット（１３）の出力側に配置された前記第２のファイバ・ブラッグ・グレーティング（１４）の反射率は９５％よりも大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
前記光増幅ユニット（１３）の出力側に配置された前記第２のファイバ・ブラッグ・グレーティング（１４）の反射率は９９．９％程度である
ことを特徴とする請求項１０に記載の光増幅器。
光通信ネットワークであって、
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載された光増幅器を備えたノード装置
を含むことを特徴とする光通信ネットワーク。
前記光通信ネットワークは、ＡＳＥ光の再循環機能を備えた全光型ＷＤＭリング・ネットワークであることを特徴とする請求項１２に記載の光通信ネットワーク。
前記光通信ネットワークは、ポイント・ツー・ポイント型のネットワーク、メッシュ状のネットワーク又は全光型ＷＤＭリング・ネットワークのいずれかであることを特徴とする請求項１２に記載の光通信ネットワーク。
前記光通信ネットワークはメトロ・ネットワークであることを特徴とする請求項１３に記載の光通信ネットワーク。