JP5226164B2 - 光増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、波長多重伝送システムにおいて使用される光増幅器に係わる。

近年、インターネット技術の発展に伴い、ネットワークを介して伝送される情報の量は飛躍的に増大してきている。このため、特に幹線系光伝送システムにおいては、伝送路のさらなる大容量化、および柔軟なネットワーク形成が求められている。そして、これらの要求に答えるための最も有効な手段の１つとして、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplex ）伝送方式が実用化されている。波長多重伝送方式は、１本の光ファイバを介して複数の信号を同時に伝送する技術であり、互いに波長の異なる信号光を多重化することにより実現される。尚、北米地域等では、既に波長多重伝送システムの商用化が進められている。

波長多重伝送システムにおいて使用される光増幅器としては、現在、希土類ドープファイバ光増幅器が最も普及している。希土類ドープファイバ光増幅器は、希土類元素を光ファイバに添加することにより光増幅作用を提供する光増幅器であり、たとえば、エルビウムドープファイバ光増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium-Doped Fiber Apmlifier）が知られている。エルビウムドープファイバ光増幅器は、利得帯域が広く、波長多重光を一括して増幅できるので、波長多重光伝送システムを実現するキーコンポーネントとして広く利用されている。

エルビウムドープファイバ光増幅器は、Ｃバンド（Conventional Band ）と呼ばれる帯域（１５３０〜１５６５ｎｍ）を増幅するものが主流であったが、近年では、Ｌバンド（Long wavelength Band）と呼ばれる帯域（１５７０〜１６０５ｎｍ）を増幅するものが開発されている。そして、現在、エルビウムドープファイバ光増幅器を利用する波長多重伝送システムでは、ＣバンドおよびＬバンドを併用することにより、約２００波を多重することが可能となっている。

エルビウムドープファイバ光増幅器を設計する際には、使用される波長帯域において多重化される各信号光に対する利得が一定になるよう反転分布率（もしくは、反転分布密度）を適切に選ぶ必要がある。以下、エルビウムドープファイバ光増幅器の設計方法を簡単に説明する。

図２１は、エルビウムドープファイバの利得係数の波長依存性を示しており、エルビウムの反転分布率をパラメータとして描かれている。ここで、反転分布率とは、光ファイバ内に添加されているエルビウムのうちの励起状態に遷移しているエルビウムの割合のことである。また、利得係数とは、単位長さのエルビウムドープファイバにより得られる利得である。したがって、利得係数が正である領域では入力光は増幅され、一方、利得係数が負である領域では入力光の光パワーは低下することになる。

エルビウムドープファイバの利得は、図２１に示すように、波長に依存するだけでなく、反転分布率に大きく依存する。すなわち、反転分布率が大きいほど利得が大きくなり、反転分布率が小さくなると、それに伴って利得も小さくなっていく。図２１に示す特性から、以下のことが判る。
(1) Ｃバンドを一括して増幅するためには、信号帯域の利得波長特性が平坦である必要があるため、エルビウムドープファイバの反転分布率が約０．７であることが望ましい。ここで、反転分布率を０．７とすると、利得係数が比較的大きくなる。したがって、Ｃバンドを増幅するためのエルビウムドープファイバ光増幅器は、比較的短い光ファイバを用いて十分な利得を確保できる。
(2) Ｌバンドを一括して増幅するためには、信号帯域の利得波長特性が平坦である必要があるため、エルビウムドープファイバの反転分布率が約０．４であることが望ましい。ここで、反転分布率を０．４とすると、利得係数はかなり小さくなる。したがって、Ｌバンドに対する利得をＣバンドに対する利得と同程度にするためには、Ｌバンドを増幅するためのエルビウムドープファイバ光増幅器のファイバ長をある程度長くする必要がある。

図２２は、Ｌバンドを増幅するためのエルビウムドープファイバ光増幅器の基本構成を示す図である。この光増幅器は、しばしば利得シフト型エルビウムドープファイバ光増幅器と呼ばれており、光増幅媒体としてのエルビウムドープファイバ１、光アイソレータ２−１、２−２、波長多重カプラ（ＷＤＭカプラ）３、および励起光源４を備える。そして、伝送路から入力される波長多重光は、光アイソレータ２−１および波長多重カプラ３を通過してエルビウムドープファイバ１に入射される。このとき、エルビウムドープファイバ１には、励起光源４により生成される励起光が供給されている。したがって、波長多重光は、エルビウムドープファイバ１において増幅される。そして、増幅された波長多重光は、光アイソレータ２−２を介して出力される。なお、Ｃバンドを増幅するためのエルビウムドープファイバ光増幅器も、基本的には同じ構成である。ただし、光増幅媒体としての光ファイバの長さは互いに異なっている。

上記構成において、励起光源４の発光パワーは、例えば、波長多重光の出力パワーを一定に保持するためのフィードバック系により制御される。すなわち、エルビウムドープファイバ１から出力される波長多重光の一部が分岐器１１により制御回路１２に導かれる。そして、この制御回路１２が、受信した波長多重光が一定のレベルに保持されるように励起光源４を制御する。

発明が解決しようとする課題

ところで、波長多重伝送システムにおいては、波長ごとに通信チャネルを設定することができる。このため、光ファイバを増設したり、光ファイバ同士の接続を切り替えることなく、伝送システムの構成を柔軟に変更できる。また、柔軟性のあるトランスポート網の構築には、多重化された複数波長の光信号のうちの特定の波長の光信号を分岐／挿入できる光通信システムの実現が必要となる。

しかし、Ｌバンドでは、複数の信号光が多重されている状態において所定の波長の信号光が停止すると、残された他の信号光に対するエルビウムドープファイバ光増幅器の利得が変動してしまう。具体的には、Ｌバンドの中の短波長側の信号光が停止すると、エルビウムドープファイバ光増幅器から出力されるＬバンドの中の長波長側の信号光の光パワーは、上記短波長側の信号光が伝送されていたときと比較して低下してしまう。この場合、条件によっては、残された長波長側の信号光の光パワーは、１０ｄＢ以上も低下してしまう。したがって、この現象が発生すると、受信装置において、残された長波長側の信号光を受信できなくなる等の問題が生じるおそれがある。

なお、この現象は、Ｌバンドの中の短波長側の信号光が長波長側の信号光に対する励起光として作用していることに起因すると考えられる。以下では、この現象のことを「出力低下現象」または"deviation" と呼ぶことにする。

上述の出力低下現象は、論理的には、図２２に示したフィードバック系により解決可能である。すなわち、エルビウムドープファイバ１の出力光パワーが低下したときに、制御回路１２が励起光源４の発光パワーを高くすることにより上記出力低下現象が補償される。しかし、この出力低下を補償するためには、μ秒オーダの応答速度を持ったフィードバック系を用意する必要があり、実現が困難であると共に、実現できたとしても制御系の安定性が問題となる。また、この方法は、光増幅媒体において生じた出力低下現象を励起光フィードバック制御により補償するものであり、エルビウムドープファイバ光増幅器の光静特性の観点から本質的な解決策にはなり得ない。すなわち、この方法は、出力低下現象自体を回避するものではない。

一方、出力低下現象が発生しないようにするためには、例えば、エルビウムドープファイバ光増幅器のファイバ長を短くする構成が考えられる。しかし、ファイバ長を短くすると、図２１を参照しながら説明したように、十分な利得が得られない。もし、短いファイバで十分な利得を得たいのであれば、エルビウムの反転分布率を高くする必要があるが、この場合、利得が波長に依存して変化してしまうので、波長多重光の各信号を均一な利得で増幅することが出来なくなる。

さらに他の解決策としては、複数の短いエルビウムドープファイバを直列的に接続する構成が考えられる。しかし、この構成は、各エルビウムドープファイバ毎にそれぞれ励起光源を用意する必要があるので、光増幅器の小型化および低コスト化を図ることが困難である。

なお、この問題は、エルビウムドープファイバ光増幅器においてのみ生じるものではなく、他の形態の光増幅器においても起こり得る。
本発明の課題は、波長多重光を増幅する光増幅器において、その波長多重光の中の一部の光が停止した場合であっても、他の光の出力パワーが低下しないようにすることである。

課題を解決するための手段

本発明の光増幅器は、波長多重光を増幅するための光増幅媒体として使用される光ファイバと、その光ファイバに励起光を供給する励起光源とを有し、上記波長多重光の中の第１の光が上記光ファイバに入力されている状態から実質的に入力されていない状態に遷ったときの上記光ファイバから出力される上記波長多重光の中の第２の光のパワーの低下量が予め決められた閾値を越えないように、上記光ファイバにおける上記励起光の伝搬できる距離の最小値が決定される。

上記光増幅器において、励起光の伝搬できる距離（実効長）が所定値以上になると、上記光ファイバは、その励起光のエネルギーを十分に吸収できる。このため、波長多重光は、その励起光から十分にエネルギーを受け取ることができる。すなわち、波長多重光の中の第１の光と第２の光との間でエネルギーを受け渡す必要はない。したがって、上記第１の光が停止した場合であっても、第２の光の出力パワーの変動（特に、低下）は小さくなる。

なお、上記励起光源は、上記光ファイバにおける伝搬できる距離が上記最小値以上になるような波長の励起光を出力するようにしてもよい。
本発明の他の形態の光増幅器は、上記光ファイバおよび励起光源を有し、上記波長多重光の中の第１の光が上記光ファイバに入力されている状態から実質的に入力されていない状態に遷ったときの上記光ファイバから出力される上記波長多重光の中の第２の光のパワーの低下量が予め決められた閾値を越えないように、上記光ファイバの出力端における反転分布率の最小値が決定される。この構成においても、同様に作用により、上記第１の光が停止した場合であっても、第２の光の出力パワーの変動（特に、低下）は小さくなる。

本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下では、Ｌバンドの波長多重光を増幅する光増幅器として、主にエルビウムドープファイバ光増幅器について説明する。なお、エルビウムが添加された光ファイバであるエルビウムドープファイバのことを「ＥＤＦ：Erbium Doped Fiber」と呼ぶことがあり、エルビウムドープファイバ光増幅器のことを「ＥＤＦＡ：EDF Amplifier」と呼ぶことがある。

はじめに、エルビウムドープファイバ光増幅器の特性、および従来技術において生じる出力低下現象の原因について検討する。
波長多重光を増幅する光増幅器は、一般に、下記の２つの条件を満たすように設計される。
(1) 必要な利得が得られる
(2) 波長多重光が配置される帯域全体に渡って利得が平坦である
したがって、Ｌバンドを増幅するためのエルビウムドープファイバ光増幅器を設計する際には、まず、上記条件(2) を満たすために、エルビウムドープファイバの平均反転分布率が約０．４に設定される。なお、反転分布率は、例えば、励起光の光パワーを制御することにより調整可能である。また、エルビウムドープファイバの長さは、平均反転分布率を約０．４とした状態で上記条件(1) を満たすような長さに設定される。

図１は、エルビウムドープファイバの反転分布率を示す図である。なお、この反転分布率は、所定の光パワーの励起光を前方励起によりエルビウムドープファイバに供給した場合のシミュレーション結果である。

反転分布率は、励起光の入射端の近くで高くなっている。すなわち、励起光の入射端から約１０ｍまでの領域では、反転分布率は０．５〜０．９程度である。しかし、励起光の入射端からの距離が大きくなると、励起光パワーが減衰していくので、それに伴って反転分布率は小さくなっていく。図１に示す例では、入力端から４０ｍの位置では、反転分布率は約０．２程度である。

図１および図２１より、以下のことが導き出される。
(1) Ｃバンドを増幅する場合は、平均反転分布率を約０．７にする必要があるので、図１に示す例では、エルビウムドープファイバの長さは１０ｍ程度になる。換言すれば、Ｃバンドを増幅するためのエルビウムドープファイバ光増幅器においては、エルビウムドープファイバ全体に渡って反転分布率が高くなっている。すなわち、エルビウムドープファイバの出射端においても、励起光パワーが十分に高い状態となっている。
(2) Ｌバンドを増幅する場合は、平均反転分布率を約０．４にする必要があるので、図１に示す例では、エルビウムドープファイバの長さは４０〜５０ｍ程度になる。換言すれば、Ｌバンドを増幅するためのエルビウムドープファイバ光増幅器においては、エルビウムドープファイバの出射端付近では反転分布率が低くなっている。すなわち、エルビウムドープファイバの出射端付近までは十分な励起光が供給されていないことがわかる。

図２は、Ｌバンドに配置されている波長多重光の光パワーの分布を示す図である。ここでは、１５７０〜１６０５ｎｍの帯域に約０．４ｎｍ間隔で８０波が多重されている。ただし、図１では、図面を見やすくするために、上記８０波から概ね等間隔に選択された１１波のみが描かれている。

なお、各波長の入力光パワーは互いに同じである。また、１５７０〜１６０５ｎｍに配置されている８０波は、それぞれ信号光として使用され、それらの信号光を利用する通信チャネルを「ｃｈ１」〜「ｃｈ８０」と呼ぶことにする。

図２に示すように、各信号光の光パワーの分布は、その波長に大きく依存している。具体的には、短波長側の光（１５７０ｎｍ付近の光）は、エルビウムドープファイバの入射端の近くで急激に増幅され、光パワーがいったん極大値に達した後に、出射端へ向かって徐々に減少していくという傾向を示す。一方、長波長側の光（１６０５ｎｍ付近の光）の光パワーは、エルビウムドープファイバの入力端から出射端へ向かって単調増加していく傾向を示す。

ここで、図１および図２に示す特性を合わせ考えると、エルビウムドープファイバにおける利得の波長特性が反転分布率に依存することがわかる。すなわち、反転分布率が高い領域（例えば、励起光の入射端から１０ｍまでの領域）では、Ｌバンドに配置されているすべての波長（ｃｈ１〜ｃｈ８０）が増幅される。ところが、反転分布率が低くなると、Ｌバンドの中の長波長側の光は増幅されているが、短波長側の光はその光パワーが低下する傾向にある。このことから、反転分布率が低い領域では、Ｌバンドの中の短波長側の光は、長波長側の光に対する励起光として作用しているものと考えられる。すなわち、反転分布率が低い領域では、励起光のエネルギーが十分でなく、Ｌバンドの中の短波長側の光のエネルギーの一部が長波長側の光により吸収されているものと考えられる。

このため、励起光の光パワーを一定とすると、短波長側の信号光が入力されている場合の長波長側の信号光の光パワーは、短波長側の信号光が入力されていない場合のそれよりも高くなる。すなわち、例えば、エルビウムドープファイバ光増幅器を用いてＬバンドに配置されている波長多重光が増幅されているときに、その中の短波長側の信号光（例えば、ｃｈ１）が停止すると、残された長波長側の信号光の光パワーは低下してしまう。そして、この現象のことを「出力低下現象」または"deviation" と呼んでいる。

図３は、出力低下現象の波長依存性を示す図である。ここでは、図２２に示すエルビウムドープファイバ光増幅器において、ｃｈ１の信号光およびｃｈ８０の信号光が入力されている状態から、ｃｈ８０の信号光のみが入力される状態に遷ったときの光パワーの差分量が示されている。

出力低下現象（deviation ）は、エルビウムドープファイバが短い場合は発生しない。図３に示す例では、ファイバ長が２０数ｍ程度以下のときは、出力低下現象は発生していない。しかし、ファイバ長が所定値以上になると、出力低下現象が発生する。

このことは、励起光の光パワーまたは反転分布率を用いて説明することができる。すなわち、エルビウムドープファイバが長くなると、その出力端付近では、励起光が十分に供給されず、反転分布率が低くなっている。このため、エルビウムドープファイバの出力端付近では、長波長側の信号光は、励起光から十分なエネルギーを吸収することができず、短波長側の信号光からエネルギーを受け取っている。したがって、エルビウムドープファイバが長い場合、短波長側の信号光が停止すると、長波長側の信号光の光パワーが低下することになる。

図４は、エルビウムイオンのエネルギー準位およびその遷移を示す図である。ここでは、エルビウムドープファイバに０．９８μｍの励起光、１．４８μｍの励起光、およびＬハンドの波長多重光が入力されていることを想定している。

エルビウムイオンは、０．９８μｍの励起光によりＩ(15/2)状態からＩ(11/2)状態に遷移し、１．４８μｍの励起光によりＩ(15/2)状態からＩ(13/2)状態に遷移する。また、Ｉ(13/2)状態からＩ(15/2)状態への遷移により、１．５５〜１．５７μｍ帯で自然放出光（ＡＳＥ）が発生する。一方、基底準位吸収（ＧＳＡ：Ground State Absorption ）により、Ｉ(15/2)状態からＩ(13/2)状態への遷移が生じる。この基底準位吸収は、Ｌバンドの中の短波長側の信号光のエネルギーの一部がエルビウムイオンに吸収される現象を含んでいる。即ち、励起光の光パワーが十分でない場合は、Ｌバンドの中の短波長側の信号光のエネルギーの一部がエルビウムイオンに吸収されることがある。そして、Ｉ(13/2)状態からＩ(15/2)状態への遷移により、１．５５〜１．６１μｍ帯の誘導光（Ｌバンドに配置される信号光）において誘導放出が生じ、Ｌバンドが増幅される。

ところで、図２１に示すように、反転分布率が０．３よりも小さくなると、Ｌバンドの利得係数は負の値になる。そして、この現象は、図４において、誘導放出よりも基底準位吸収（ＧＳＡ）の方が大きいことを意味する。一方、図１に示すように、エルビウムドープファイバの出力端付近（入力端から２０ｍ以上離れた領域）では、反転分布率は０．３よりも小さくなっている。よって、このことから、エルビウムドープファイバの出力端付近では、Ｌバンド内の短波長側の信号光の基底準位吸収により、長波長側の信号光が増幅されていると考えることができる。

図５は、短波長側の信号光の励起作用について説明する図である。ここでは、図２に示したｃｈ１およびｃｈ８０が使用されているものとする。なお、特性ａは、エルビウムドープファイバにｃｈ１およびｃｈ８０が入射されているときのｃｈ１の光パワーを示し、特性ｂは、ｃｈ１およびｃｈ８０が入射されているときのｃｈ８０の光パワーを示し、特性ｃは、ｃｈ８０のみが入射されているときのｃｈ８０の光パワーを示している。なお、励起光は一定である。

特性ｂおよび特性ｃを比較すると、ｃｈ８０の信号光がｃｈ１の信号光により励起されていることがわかる。すなわち、ｃｈ８０の信号光の光パワーは、ｃｈ１の信号光が停止していいるときは、エルビウムドープファイバの出射端付近で大きく減衰しているのに対し、ｃｈ１の信号光が入射されているときは、そのような減衰は見られない。これは、ｃｈ１の信号光の基底準位吸収によりｃｈ８０の信号光が増幅されていることを意味している。

このように、エルビウムドープファイバ光増幅器を用いてＬバンドの波長多重光を増幅するシステムでは、何らかの理由で短波長側の信号光が停止（ｏｆｆ）すると、長波長側の信号光の出力パワーが低下する。なお、当該光増幅器が出力一定制御回路または利得一定制御回路を備えていたとしても、この出力低下現象が一時的に発生する事態を回避することは困難である。このため、従来のシステムでは、この光増幅器から出力される波長多重光を受信する受信装置において、長波長側の信号光を受信できず、受信エラーが発生する等のおそれがあった。

なお、この現象は、エルビウムドープファイバ光増幅器においてのみ生じるものではなく、低い平均反転分布率が設定されることにより光増幅媒体としてのファイバ長が長くなる構成であれば、３準位動作を行う他の希土類ドープ光ファイバ増幅器においても生じ得る。例えば、疑似３準位動作を行うツリウム（Ｔｍ）ドープフッ化物ファイバを用いた光増幅器においても同様の出力低下現象が生じる。

本発明の光増幅器は、希土類ドープファイバの特性を考慮しながら、上述の出力低下現象が生じないように設計される。具体的には、上述の出力低下現象が生じない光増幅器を設計する際のパラメータとして、希土類ドープファイバにおける励起光の実効長、希土類ドープファイバに供給すべき励起光の波長、希土類ドープファイバの出力端における反転分布率などを閾値として利用する。

次に、本発明に係わる具体的な実施例（シミュレーション結果）を示す。シミュレーションの条件は、以下の通りである。
(1) 使用チャネル
図２に示したｃｈ１〜ｃｈ８０の中の、ｃｈ１（1570.41nm ）およびｃｈ３３（1583.69nm ）を使用
(2) 差分量（deviation ）の定義
差分量（deviation ）は、ｃｈ３３の信号光のみが入力されているときのｃｈ３３の光パワーレベルから、ｃｈ１の信号光およびｃｈ３３の信号光が入力されているときのｃｈ３３の光パワーレベルを差し引いた値とする。したがって、この値が正のときは、出力低下が生じていないことを表す。一方、この値が負のときは、出力低下が生じていることを表し、その絶対値が大きいほどｃｈ３３の光パワーが大きく低下していることを意味する。
(3) エルビウムドープファイバ光増幅器
(a) 光増幅媒体：石英系エルビウムドープファイバ
(b) 励起方法：１段前方励起
(c) 励起光の波長：０．９８〜１．４６μｍの範囲で変化
(d) 各チャネルの入力レベル：−１４．３〜−２１．３ｄＢｍ／ｃｈの範囲で変化
(e) 光増幅器の利得：１６．１〜２９．１ｄＢの範囲で変化
(f) 制御方式：利得一定制御（ＡＧＣ）
利得一定制御においては、信号光の入力光レベルが変動すると、その対応して出力光パワーも変動する。なお、図２２には、出力一定制御のためのフィードバック系が示されているが、利得一定制御を行うためには、光増幅器の入力光パワーおよび出力光パワーに基づいて励起光源を制御するようにすればよい。

(g) ＥＤＦ長：光増幅媒体として使用されるエルビウムドープファイバの長さのことであり、ｃｈ１の信号光およびｃｈ３３の信号光が入力されたときに、それらの利得が互いに一致もしくは略等しくなるように最適化される。なお、励起光波長、信号光の入力レベルが変動した場合には、それに応じてＥＤＦ長も変化する。

上記条件の下で、まず、励起光の実効長と差分量（deviation ）との関係についてシミュレーションを行った。ここで、「励起光の実効長」とは、励起光がエルビウムドープファイバ中を伝搬できる距離を表し、ここでは、エルビウムドープファイバの入射端から、励起光の光パワーが入射端における光パワーの１／ｅ（約０．３６８）に減衰する位置までの距離として定義される。

なお、励起光の実効長と差分量との関係を調べた理由は、以下の通りである。すなわち、出力低下現象は、上述したように、励起光がエルビウムドープファイバの出力端付近にまで十分に供給されないことに起因している。このため、出力低下現象が発生するか否かは、エルビウムドープファイバ内で励起光が十分に供給される距離（すなわち、励起光の実効長）と深く係わると推測される。したがって、出力低下現象の生じない光増幅器を設計するためのパラメータとして、励起光の実効長が有力であると考えられる。

励起光の実効長を調整するためには、以下の３つの方法が考えられる。
(1) 励起光の波長を変更する
(2) 励起密度を変更する
(3) 光増幅媒体を変更する
ここでは、まず、励起光の波長を変更することにより励起光の実効長を調整した場合のシミュレーション結果を示す。

図６(a) は、励起光の波長を変化させた場合の差分量を示す図である。また、図６(b) は、励起光の波長とその実効長との関係を示す図である。さらに、図７は、エルビウムドープファイバ内での励起光の減衰特性を示す図である。なお、図６(a) および図６(b) のシミュレーションでは、当該光増幅器の利得を変えた場合（利得＝１６ｄＢ、２３．５ｄＢ、２９．１ｄＢ）のデータ３種が記されている。

差分量は、図６(a) に示すように、励起光波長が約１４３０ｎｍのときにゼロになる。そして、励起光波長が１４００〜１４３０ｎｍの領域では、この差分量は正の値になる。すなわち、出力低下現象は発生しない。なお、この領域では、励起光波長が短くなるにつれて差分量が大きくなるが、その値は約１ｄＢ程度で飽和する。したがって、ｃｈ１の信号光が停止した場合であっても、ｃｈ３３の信号光の光パワーの変動はわずかであり、問題になる可能性はかなり少ない。

一方、励起光波長が１４３０ｎｍよりも長くなると、差分量が負の値になる。すなわち、出力低下現象が発生するようになる。このとき、この領域では、励起光波長が長くなるにつれて差分量の絶対値が急激に大きくなっていく。特に、光増幅器の利得が小さい場合は、差分量の絶対値がかなり大きくなってしまう。このため、励起光波長が１４６０ｎｍ以上の領域では、ｃｈ１の信号光が停止したときに、ｃｈ３３の信号光の光パワーは大きく低下してしまう。

ＥＤＦ入射端からＥＤＦ長手方向における励起光についてのパワー分布は、励起波長により大きな特徴がある。信号光の入力およびと出力の条件が同じ場合について、ＥＤＦの一般的な励起波長である０．９８μｍ及び１．４６μｍを例に説明すると、０．９８μｍの利得効率（利得／ＥＤＦ長／励起光パワー）が１．４６μｍのそれよりも大きいことに起因して、信号光パワーは、０．９８μｍの方が短いＥＤＦ領域で急峻に大きく増加して極大に達し、ＥＤＦ長手方向に急峻に減衰していく。このとき、励起光は、急峻に吸収されるため、ＥＤＦの短い領域で急峻に低下する。

このため、ＥＤＦ長を長くして使用する必要のあるＬバンド用ＥＤＦでは、励起波長によってはＥＤＦ全長に渡って励起光が行き渡らない状況が生じる。この状況について、図７を参照しながら、ＥＤＦの一般的な励起波長である１．４８μｍ帯よりも短波長側の１．４３μｍを例に加えて説明する（励起光のＥＤＦ入射端からＥＤＦ長手方向におけるパワー分布）。図７に示すように、０．９８μｍ、１．４６μｍ、１．４３μｍの順に励起光がＥＤＦの長い領域まで行き渡っている。すなわち、励起光の実効的なＥＤＦ長が長くなっていることが見てとれる。

ＥＤＦの従来の一般的な１．４８μｍ帯の励起波長より短波長側の励起光実効長を図６(b) に示す。ここでは、励起光実効長は、ＥＤＦ入射端の初期励起光パワーから励起光が１／ｅの割合（約０．３６８）に減少した時点でのＥＤＦ長と定義する。励起光実効長は、一般的な光増幅器として広い利得範囲および入力範囲において、励起波長ごとにほぼ固有の値を示す。たとえば、励起波長が１．４６μｍ、１．４３μｍ、１．４０μｍの場合の励起光実効長は、それぞれ７ｍ付近、２０ｍ付近、５０ｍ付近となる。しかし、詳細には、利得により反転分布率異なるため、励起光実効長には利得依存性が若干見られる（図６(b) ）。このため、より詳細に設計する場合には、励起光実効長の利得依存性に注意する必要があり、例えば、励起光実効長は、利得１６ｄＢ〜２９ｄＢ範囲で励起波長が１．４３μｍの場合はほぼ一定であるが、１．４０μｍの場合は１０ｍ程度の偏差、１．４６μｍの場合には５ｍ程度の偏差を有する。

また、励起光実効長には入力依存性も若干はある。入力に応じて信号入射端付近の反転分布率は変化するため、利得効率が高い励起波長ほど実効長が短いために影響を受けやすくなる。入力が大きいと、ＥＤＦ入射端付近の反転分布が小さくなるため実効長が長くなる傾向にある。例えば、入力が−３６．３４ｄＢｍ〜＋６．１ｄＢｍという広い範囲において、励起波長が１．４０μｍの場合はほぼ一定であるが、１．４３μｍの場合には１ｍ程度の偏差、１．４６μｍの場合には６ｍ程度の偏差となり、利得効率の順に入力依存性が大きくなる傾向にある。利得効率が大きい励起波長の場合で、且つ、入力が極端に大きい場合には入力依存性にも注意する必要がある。

これらのことを勘案すると、Ｌバンドを増幅するためのエルビウムドープファイバ光増幅器において、励起光の実効長が所定値よりも長くなるように設計すれば、出力低下現象が発生しない光増幅器を実現できる。上述の例では、励起光の実効長が２０ｍ以上になるように設計すれば、出力低下現象が回避される。そして、励起光の実効長が２０ｍ以上になるようにするためには、励起光波長を１４３０ｎｍ以下にすればよい。ただし、後述する雑音特性を考慮すると、励起光波長は１４００ｎｍ以上であることが望ましい。また、この設計手法は、広い動作範囲（光増幅器の利得、励起光の入力パワー）に渡って適用可能である。

なお、Ｌバンドを増幅するためのエルビウムドープファイバ光増幅器の励起光波長としては、主に、０．９８μｍ帯および１．４８μｍ帯が使用されてきた。これらの波長帯は、Excited State Absorption（励起された電子が励起光によりさらに上の準位に励起される現象）がなく、高い利得が得られるので、実用化が進んでいる。そして、１．４８μｍ帯の励起光源としては、主に、１４６０〜１４９０ｎｍの半導体レーザが開発されている。すなわち、従来は、励起光波長として、１４００〜１４６０ｎｍの領域は使われていなかった。

励起光波長として１４６０〜１４９０ｎｍが使用されてきた理由は、主に、ノイズが少ないことに起因する。また、従来は、本発明が問題としている出力低下現象が発見されていなかったため、励起光波長として１４６０〜１４９０ｎｍを使用することに何ら問題はなかった。すなわち、従来は、励起光波長として１４６０〜１４９０ｎｍ以外の波長を使用する必要性がなかった。

これに対して、本実施形態の光増幅器では、Ｌバンドを増幅する際の出力低下現象を抑えるために、１４６０ｎｍよりも短い波長の励起光を使用する。特に、１４００〜１４３０ｎｍの波長の励起光を使用することで、出力低下現象を回避することができる。

励起光の実効長を調整する他の方法としては、上述したように、光増幅媒体の励起密度を変更する方法や、光増幅媒体の材料を変更する方法が考えられるが、基本的な設計ポリシーは同じである。以下、簡単に説明する。

励起密度は、利得効率と密接に関係するパラメータである。すなわち、励起密度を小さくすると、利得効率は低くなる。一方、利得効率を低くすると、励起光の実効長が長くなる。したがって、エルビウムドープファイバの励起密度を所定値以下に抑えることにより、励起光の実効長を所定値以上に長くすることが可能になる。

なお、励起密度は、一般に、光増幅媒体において信号光と励起光との重なりを低くすることにより小さくなることが知られている。そして、光増幅媒体において信号光と励起光との重なりを低くする方法としては、例えば、光増幅媒体に低ＮＡコアまたは太径コアを導入する構成、あるいは光増幅媒体の広範囲ドープ化などが好適である。これらの構成よれば、励起光強度の高い領域に希土類イオンが集中するのを抑えられるので、励起密度が低くなる。

希土類ドープ光増幅媒体の一般的な設計パラメータであるモードフィールド径と希土類ドープ半径の割合を変更することにより、励起光の実効長を長くすることができ、これにより出力低下現象を防止するようにしてもよい。

光増幅媒体のホストガラスとしては、石英系だけでなく、フッ化物系、テルライド系、ビスマス系、燐酸系、ケイ酸塩系等が知られている。したがって、ホストガラスの材料を適切に選択することにより、励起光の実効長を調整できる可能性がある。

なお、励起光の実効長を調整する手段として３つの実施例を示したが、これらの実施例を組み合わせることも可能である。すなわち、例えば、励起光の実効長を所望の値にするために、励起光波長および励起密度の双方を調整するようにしてもよい。

また、励起光の実効長を所定値以上に長くすることにより出力低下現象を回避する際には、当然のことではあるが、雑音特性や利得効率が問題となる可能性があるので、その場合は、それらの値を十分に考慮する必要がある。

次に、励起光波長とノイズの関係について説明する。
エルビウムドープファイバ光増幅器は、光通信システムにおいて使用される場合は、一般に、飽和出力が高く、かつ、低雑音である（雑音指数ＮＦが小さい）ことが望ましい。ここで、１．４８μｍ帯励起は、０．９８μｍ帯励起と比較すると、飽和出力は大きくなるが、雑音も大きくなってしまう。具体的には、０．９８μｍ帯励起の場合の雑音指数は約３ｄＢであり、１．４８μｍ帯励起の場合の雑音指数は約５ｄＢである。なお、雑音指数は、一般に、励起準位と上準位との差が近接していると大きくなることが知られている。

ところで、本実施形態では、励起光波長を変更することにより出力低下現象を抑える場合には、励起光波長として１４６０ｎｍよりも短い領域を使用する。しかし、この領域の励起光波長を使用すると、１４６０〜１４９０ｎｍの励起光波長を使用する場合よりも雑音指数が劣化してしまう。

図８は、励起光波長と雑音指数との関係を示す図である。ここでは、ｃｈ１の信号光およびｃｈ３３の信号光が入力されている場合のｃｈ１の雑音指数ＮＦのシミュレーション結果が描かれている。また、光増幅器の利得を変化させた場合のデータも得られている。なお、この例では、各信号光の入力パワーがそれぞれ−１６．３４ｄＢｍである場合を示しているが、信号光の入力パワーが変わっても、励起光波長と雑音指数との関係はほぼ同じである。

図８に示すように、１４００〜１４６０ｎｍの領域では、励起光波長が短くなるにつれて雑音指数が劣化している。この例では、１４００ｎｍの励起光波長を使用すると、１４６０ｎｍの励起光波長が使用される場合と比較して、雑音指数が約２ｄＢ劣化している。ここで、光増幅器の雑音指数の劣化は、光通信システムの伝送特性に大きく影響する。そして、雑音指数が２ｄＢ以上劣化するようでは、光通信システムへの適用が難しくなると予想される。従って、雑音指数を考慮すると、励起光波長は１４００ｎｍよりも長いことが好適である。

このように、励起光波長の変動は、出力低下現象および雑音指数に大きな影響を及ぼす。したがって、エルビウムドープファイバ光増幅器を設計する際には、出力低下現象の抑制と雑音指数の劣化との兼合いを考慮する必要がある。以下、エルビウムドープファイバ光増幅器の設計する際の目安を示す。

出力低下現象が発生しないようにするためには、図６(b) に示したように、励起光の実効長を２０〜６０ｍにすればよい。そして、この条件は、図６(a) に示すように、励起光波長を１４００〜１４３０ｎｍとすることにより満たされる。ただし、この領域の励起光波長を使用すると、励起光波長として一般的な１．４８μｍ帯（１４６０〜１４９０ｎｍ）が使用される場合と比較して、雑音指数が最大約２ｄＢ程度劣化するので、注意を要する。

一方、出力低下現象を抑えつつ、雑音指数の劣化を最小限にするためには、図６(b) に示したように、励起光の実効長を５〜２０ｍにすればよい。そして、この条件は、図６(a) に示すように、励起光波長を１４３０〜１４６０ｎｍとすることにより満たされる。この条件で光増幅器を設計すれば、励起光波長として１４００〜１４３０ｎｍが使用される場合よりも雑音指数が良好であり、且つ、励起光波長として一般的な１．４８μｍ帯が使用される場合よりも出力低下現象が抑えられる。

図９は、所定の利得を得るために必要な励起光パワーと励起光波長との関係を示す図である。ここでは、光増幅器の利得を１６ｄＢとするための励起光パワーが描かれている。必要な励起光パワーは、単位長さあたりの利得効率との関係を考慮すると、基本的には、１４００〜１４６０ｎｍ帯においては、波長が短くなるにつれて大きくなるものと考えられる。しかしながら、光増幅媒体を長くして動作させる必要があるＬバンド用ＥＤＦＡ等の場合においては、励起光実効長が長いほど励起効率（＝信号光パワー÷励起光パワー）が大きくなることも考慮する。本シミュレーション条件（ＥＤＦ長等）では、１４００〜１４６０ｎｍ帯では約１４３０ｎｍにおいて極小値が得られた。すなわち、励起光波長として１４３０ｎｍを使用すれば、より小さな光パワーで所望の利得を得ることができる。

次に、出力低下現象と反転分布率との関係について説明する。
図１０は、出力低下現象と反転分布率との関係を示す図である。ここでは、励起光波長は０．９８μｍ帯である。また、光増幅器の利得は１６ｄＢである。なお、図１０に示す反転分布率は、入力パワーが−２１．３４ｄＢｍの信号光（ｃｈ３３）のみが入力されている場合のデータである。

反転分布率は、基本的に、エルビウムドープファイバが長くなると低下していく。このことは、図１を参照しながら説明した通りである。一方、ｃｈ３３の信号光の差分量（deviation ）は、エルビウムドープファイバが短いときは正の値であり、所定長さを越えると負の値になる。即ち、ファイバ長が所定値を越えると、出力低下現象が発生する。この例では、ファイバ長が約３５ｍを越えると、出力低下現象が発生している。

このように、出力低下現象は、エルビウムドープファイバの長さがある閾値を越えたときに発生するようになる。そして、その閾値に対応する反転分布率は、信号光の入力パワーや励起光波長に依存しない一定の値になる。この例では、ファイバ長が約３５ｍのときに、差分量がゼロになり、その出力端における反転分布率が０．１７となっている。

図１１(a) および図１１(b) は、励起光波長および信号光の入力パワーを変えた場合のシミュレーション結果である。図１１(a) および図１１(b) は、それぞれ信号光の入力パワーが−２１．３４ｄＢｍ／ｃｈおよび−１４．３４ｄＢｍ／ｃｈである。また、それぞれの入力パワーに対して、３種類の励起光波長が設定されている。

このシミュレーションにおいて、反転分布率が０．１７になったときに差分量がゼロになり、それが０．１７以下になったときに出力低下現象が発生することが確認された。なお、図１１(b) において、励起光波長が１．４３μｍである場合は、反転分布率が常に０．１７よりも大きくなっており、出力低下現象は見られていない。

このように、出力低下現象は、光増幅媒体の出力端の反転分布率がある閾値よりも低下したときに発生する。図１０に示す例では、エルビウムドープファイバの出力端の反転分布率が０．１７よりも小さくなったときに発生している。したがって、エルビウムドープファイバの出力端における反転分布率がその閾値以上になるように設計すれば、出力低下現象は発生しない。すなわち、図１０に示す例では、エルビウムドープファイバの出力端における反転分布率が０．１７以上になるように設計すれば、出力低下現象は発生しない。

なお、出力低下現象の発生に係わる反転分布率の閾値は、信号光の入力パワーおよび励起光波長には依存しないが、光増幅器の利得には依存する。光増幅器の利得を変えながら図１０〜図１１に示したシミュレーションを行った結果を図１２に示す。なお、図１２(a) および図１２(b) は、それぞれ光増幅器の利得が１６ｄＢおよび２９．１ｄＢの場合のシミュレーション結果である。

これらのシミュレーションにおいて、光増幅器の利得が低い場合は出力低下現象の発生に係わる反転分布率の閾値も低く、利得が高くなるとその閾値も高くなる現象が見られた。具体的には、図１３に示すように、反転分布率の閾値が概ね光増幅器の利得に比例する関係が得られた。ここで、反転分布率の閾値を「Ｙ」とし、光増幅器の利得を「Ｘ」とすれば、下記の関係が成立する。

Ｙ＝０．００７Ｘ＋０．０６２
したがって、エルビウムドープファイバ光増幅器を設計する際には、まず、上記関係式により反転分布率の閾値を算出する。そして、エルビウムドープファイバの出力端の反転分布率がその閾値以上になるように励起波長や励起密度を設定する。この手順で光増幅器を設計するようにすれば、必要以上に他の特性（雑音指数など）を劣化させることなく、効率的に出力低下現象を抑えることが可能になる。

なお、反転分布率は、誘導放出原理を用いる光増幅媒体の増幅特性に起因する単純なパラメータであり、ホストガラスが石英系から例えばフッ化物系に変わっても、上記反転分布率の閾値は同程度の値になると考えられる。

図１４は、反転分布率の閾値と励起光波長の関係を示す図である。ここでは、光増幅媒体として使用される石英系エルビウムドープファイバに１チャネル分の信号光が入力されたときの出力端における反転分布率が描かれている。

反転分布率の閾値は、図１３を参照しながら説明したように、光増幅器の利得が高いほど大きくなる。実施例では、光増幅器の利得が２９．１ｄＢのときの閾値が０．２６となっている。したがって、エルビウムドープファイバの出力端の反転分布率が０．２６以上になるように設計すれば、利得が２９ｄＢよりも小さい範囲では、常に、出力低下現象が発生しないようになる。ただし、エルビウムドープファイバの出力端の反転分布率を０．２６以上にするためには、図１４に示すように、励起光波長を１４１５ｎｍよりも短くする必要がある。また、図８を参照しながら説明したように、既存技術に対する雑音指数の劣化を２ｄＢ以下に抑えるためには、励起光波長を１４００ｎｍよりも長くする必要がある。したがって、広い利得範囲に渡って出力低下現象を回避し、且つ雑音指数の劣化を許容範囲内に抑えるためには、励起光波長を１４００〜１４１５ｎｍの範囲とすることが好適である。

ところで、本実施形態の光増幅器（特に、図６を参照しながら説明した光増幅器）は、既存の光増幅器と比べて励起光の実効長を長くすることにより出力低下現象を抑える構成である。しかし、励起光の実効長が長くなると、エルビウムドープファイバの出力端においても励起光のエネルギーが残っている。このため、本実施形態の光増幅器では、エルビウムドープファイバの出力端から残留励起光が出力されることになる。

図１５(a) は、エルビウムドープファイバの長さと励起光パワーの関係を示す図である。１４００〜１４６０ｎｍの領域では、励起光のエネルギーは、その波長が長いほどエルビウムドープファイバに吸収される。換言すれば、この領域では、励起光は、その波長が短いほど遠くまで伝搬される。図１５(a) に示す例では、ファイバ長が４０ｍであるとすると、その出力端において、１４６０ｎｍの波長を持った励起光パワーはほぼゼロになるが、１４００ｎｍの波長を持った励起光パワーは約５０ｍＷとなっている。

図１５(b) は、残留励起光パワーと励起光波長との関係を示す図である。ここでは、所定の利得（１６ｄＢ、２３．５ｄＢ、２９．１ｄＢ）が得られるようにファイバ長および励起光の入力パワーが調整されている場合の、出力端における残留励起光パワーが描かれている。１４００〜１４６０ｎｍの領域では、励起光波長が短いほど残留励起光が大きくなる。特に、１４００〜１４３０ｎｍの領域では、エルビウムドープファイバから出力される励起光パワーはかなり強い。

残留励起光パワーが大きくなると、光増幅器の制御誤差が大きくなり、また、下流の伝送路でラマン増幅が行われて非線形効果により伝送特性を劣化させる可能性が考えられる。このため、本実施形態の光増幅器では、エルビウムドープファイバから出力される残留励起光の影響を排除することが望ましい。

図１６(a) に示す例では、光増幅器の出力側に励起光波長をカットする光フィルタ２１が設けられている。この構成においては、信号光を伝送するための伝送路から励起光成分が除去される。

図１６(b) に示す例では、光増幅器の出力パワーまたは利得を制御するために使用される分岐光から励起光成分をカットするための光フィルタ２２設けられている。すなわち、光伝送媒体（エルビウムドープファイバ）１から出力される光（信号光および残留励起光を含む）は、分岐器１１により分岐される。光フィルタ２２は、分岐器１１により分岐された分岐光から励起光成分をカットする。そして、この励起光成分がカットされた光のパワーが受光素子（ＰＤ）２３により検出される。したがって、制御回路１２は、残留励起光が混在していない波長多重光のパワーに基づいて励起光源（ＬＤ）４を制御できる。なお、制御回路１２は、利得を制御する場合には入力光パワーも検出するが、入力光には励起光が含まれていないので、光増幅器の入力側に光フィルタを設ける必要はない。

図１７(a) に示す例では、残留励起光がラマン増幅に利用される。すなわち、光増幅器に入力される波長多重光は、分波器３１によりＣバンド信号およびＬバンド信号に分波される。なお、分波器３１のＬバンド用ポートは、図１７(b) に示すように、Ｃバンド帯をカットする損失特性を有し、Ｃバンド用ポートは、図１７(C) に示すように、Ｃバンド帯のみを通過させる損失特性を有している。分波器３１により分波されたＣバンド信号はＣバンド用ＥＤＦＡ３２により増幅され、一方、Ｌバンド信号はＬバンド用ＥＤＦＡ３３により増幅される。そして、対応する増幅器により増幅されたＣバンド信号およびＬバンド信号は、合波器３４により互いに合波されて出力される。上記構成において、Ｌバンド用ＥＤＦＡ３３は、励起光の実効長が所定値以上に長くなるように設計されているので、比較的強い残留励起光が出力されることになる。

Ｌバンド用ＥＤＦＡ３３の出力側には、信号光波長と励起光波長とを分波するＷＤＭカプラ３５が設けられている。このＷＤＭカプラ３５は、信号光を合波器３４に導き、励起光をＬバンド用ＥＤＦＡ３３の入力側に設けられているＷＤＭカプラ３６に導く。また、ＷＤＭカプラ３６は、分波器３１から受け取る信号光をＬバンド用ＥＤＦＡ３３に導き、ＷＤＭカプラ３５から受け取る励起光を分波器３１に導く。ここで、分波器３１のＬバンド側のポートは、図１７(b) に示す損失特性を有している。したがって、Ｌバンド用ＥＤＦＡ３３から出力される残留励起光は、ＷＤＭカプラ３５、ＷＤＭカプラ３６、分波器３１を介して光増幅器の入力側の伝送路に導かれる。

ところで、ラマン増幅は、伝送媒体に供給される励起光の周波数よりも１３．２ＴＨｚだけ小さい周波数帯域で利得を有する。ここで、１．５５μｍ帯においては、１３．２ＴＨｚは、約１００ｎｍに相当する。従って、例えば、ラマン増幅のための励起光波長を１４３０ｎｍとすると、１５３０ｎｍ付近の波長帯域で利得が得られる。この場合、Ｃバンドのためのラマン増幅が実現される。

一方、Ｌバンド用ＥＤＦＡ３３では、１４００〜１４６０ｎｍの励起光波長が使用される。ここで、Ｌバンド用ＥＤＦＡ３３において使用される励起光の波長を１４３０ｎｍとすると、その残留励起光は、Ｃバンドをラマン増幅するための励起光として使用することができる。したがって、図１７(a) に示すように、Ｌバンド用ＥＤＦＡ３３から出力される残留励起光を光増幅器の入力側の伝送路に導けば、その伝送路においてＣバンドのためのラマン増幅が実現される。

このように、図１７(a) に示す光増幅器では、残留励起光が信号光といっしょに出力側の伝送路に送出されてしまうことが回避されると共に、その残留励起光は信号光のラマン増幅のために利用される。従って、この構成は、伝送特性の劣化が抑えられるだけでなく、伝送特性の向上にも寄与する。

なお、波長多重光を長距離伝送するシステムでは、伝送路において信号間のラマン効果により、短波長側の信号光の光パワーが長波長側にシフトして短波長側の信号が劣化する。例えば、ＣバンドおよびＬバンドを一括して伝送するシステムでは、Ｃバンドに配置されている信号が劣化することがある。そして、この劣化量は、信号光パワーや信号波長間隔等に依存するが、５ｄＢ程度にもなることがある。このため、上述のようなシステムでは、短波長側の信号光に対する利得劣化を補償するために、ＥＤＦＡの入力側にＣバンドを増幅するためのラマン増幅器（集中型もしくは分布型）を適用することが有効である。

図１８は、ＥＤＦＡおよびラマン増幅のための励起光源を共用化した光増幅器の例である。この光増幅器は、Ｃバンド用ＥＤＦＡ３２およびＬバンド用ＥＤＦＡ３３を備え、Ｌバンド用ＥＤＦＡ３３が使用する励起光の波長は１４３０ｎｍである。また、入力側の伝送路においてラマン増幅が行われるが、そのための励起光の波長も１４３０ｎｍである。

励起光源４１は、１４３０ｎｍの波長を持つ励起光を生成して出力する。分岐器４２は、生成された励起光を分岐する光カプラ又はスプリッタである。分岐比は、たとえば、１０：１である。ここで、一方の分岐励起光は、可変光減衰器４３を介して合波器４４に導かれる。そして、合波器４４は、その分岐励起光を伝送路に供給する。これにより、この伝送路においてＣバンドに配置されている信号光に対するラマン増幅が実現される。また、他方の分岐励起光は、可変光減衰器４５を介してＬバンド用ＥＤＦＡ３３に導かれる。そして、これにより、Ｌバンド用ＥＤＦＡ３３においてＬバンドに配置されている信号光が増幅されることになる。なお、Ｃバンド用ＥＤＦＡ３２には、不図示の励起光源により励起光が供給される。

可変光減衰器４３、４５における減衰量は、例えば、この光増幅器から出力される波長多重光のパワーに基づいて調整されるようにしてもよい。この場合、可変光減衰器４３、４５は、例えば、ＣバンドおよびＬバンドの各光パワーが適切に調整されるように互いに独立して制御される。

このように、図１８に示す光増幅器においては、１つの励起光源によりＥＤＦＡのための励起光およびラマン増幅のための励起光が生成されるので、光増幅器の小型化に寄与すると共に、部品コストの低減が見込まれる。

図１９は、本実施形態の光増幅器を長距離光伝送システムにおいて使用する場合の構成図である。
長距離光伝送システムでは、通常、伝送路上に複数の光増幅器が設けられる。ここで、それら複数の光増幅器の中の任意の光増幅器において出力低下現象が生じると、このシステムで伝送エラーが発生してしまう。したがって、このシステムでは、伝送路上のすべての光増幅器にそれぞれ本実施形態の光増幅器を適用することが望ましい。

しかし、本実施形態の光増幅器は、図８を参照しながら説明したように、雑音特性の劣化が懸念される。このため、伝送システムを設計する際には、出力低下現象の抑制効果、雑音特性、コストなどを総合的に考慮する必要がある。

具体的には、本実施形態の光増幅器は、雑音特性に関する要求が厳しくないロケーションに配置される。すなわち、本実施形態の光増幅器は、例えば、図１９に示すように、送信側用光増幅器、または伝送路上に配置されるインライン光増幅器として使用される。一方、良好な雑音特性が要求される受信側には、後述する多段ＥＤＦＡユニットを使用する。なお、多段ＥＤＦＡユニットは、良好な雑音特性を維持しながら出力低下現象を回避できる光増幅器であるが、そのサイズが大きいだけでなく、製造コストが高くなる。このため、システム全体のコストを抑えるためには、多段ＥＤＦＡユニットの数を出来るだけ少なくする必要がある。

このように、複数の光増幅器を必要とする光伝送システムでは、本実施形態の光増幅器を適切なロケーションに配置することにより、システム全体のコストを抑制しながら、出力低下現象を回避することができる。

図２０は、本実施形態の光増幅器が適用される光増幅装置の構成図である。この光増幅装置は、直列的に接続された４個の光増幅器から構成される。そして、１段目および最終段の光増幅器として、それぞれ多段増幅ユニットが使用され、２段目および３段目の光増幅器としてそれぞれ本実施形態の光増幅器が使用されている。

多段ＥＤＦＡユニットは、互いに直列に接続される２本のＥＤＦを含む。そして、１段目の光増幅器は、第一に雑音特性に関する要求が厳しく、また、ある程度大きな利得が要求されるので、０．９８μｍ帯の波長を持つ励起光および１．４８μｍ帯の波長を持つ励起光が併用されている。また、４段目の多段ＥＤＦＡユニットは、大きな利得が要求されると共に良好な雑音特性が要求されるので、１．４８μｍ帯の励起光を生成するための励起光源を複数個備える構成としている。

一方、２段目および３段目の光増幅器は、必ずしも良好な雑音特性が要求されるわけではないので、本実施形態の光増幅器が使用される。本実施形態の光増幅器では、例えば、１．４３μｍの波長を持つ励起光が使用される。

なお、１段目の光増幅器と２段目の光増幅器との間、および３段目の光増幅器と４段目の光増幅器との間には、波長多重光に含まれている複数の信号光の光パワーを均一にするための利得等化器ＧＥＱ１およびＧＥＱ２（ＧＥＱ：Gain Equalizer）、及び波長多重光の光パワーを調整し、出力一定制御を行うための可変光減衰器（ＡＴＴ１および２）が設けられている。また、２段目の光増幅器と３段目の光増幅器との間には、不図示の分散補償ファイバが設けられている。

上述のように、本実施形態の光増幅器は、光増幅媒体中での励起光の実効長が所定値よりも長くなるように、あるいは光増幅媒体の出力端における反転分布率が所定値よりも大きくなるように設計することにより、出力低下現象の発生が回避される。

第１段目から最終段の光増幅器は、具体的には以下のように構成される。
１段目の光増幅器：
第１段目の光増幅器は、１．５８μｍ帯（１５７０〜１６０５ｎｍ）でフラットな波長特性を得るために必要な反転分布率において所定の利得を得るために必要なＥＤＦ長を、第１のＥＤＦ（ＥＤＦ１(a) ）および第２のＥＤＦ（ＥＤＦ１(b) ）により実現する。

第１のＥＤＦ（ＥＤＦ１(a) ）には、第１の波長多重カプラ（ＷＤＭ１）により第１の励起光源（Ｐｕｍｐ１）からの０．９８μｍの励起光と、第１の光分岐カプラ（ＢＳ１）および光アイソレータ（ＩＳＯ１）を通過した波長多重光とが合波された光が入射される。

第１のＥＤＦ（ＥＤＦ１(a) ）は、上記励起光により波長多重光を光増幅し、それを光アイソレータ（ＩＳＯ２）を介して第２の波長多重カプラ（ＷＤＭ２）に出力する。

第２の波長多重カプラ（ＷＤＭ２）は、波長多重光と第２の励起光源（Ｐｕｍｐ２）からの１．４８μｍの励起光とを波長多重し、それを第２のＥＤＦ（ＥＤＦ１(b) ）に出力する。

第２のＥＤＦ（ＥＤＦ１(b) ）は、第２の励起光源（Ｐｕｍｐ２）により波長多重光を光増幅する。
第１および第２のモニタ（ＰＤ１、ＰＤ２）は、それぞれ第１および第２の光分岐カプラ（ＢＳ１、ＢＳ２）により分岐された光をモニタする。そして、これらのモニタ結果に基づいて、第１および第２の励起光源（Ｐｕｍｐ１、Ｐｕｍｐ２）の出力パワーを変化させ、第１のＥＤＦ（ＥＤＦ１(a) ）および第２のＥＤＦ（ＥＤＦ１(b) ）からなる多段ＥＤＦＡユニットの利得が調整される。

第１段目の光増幅器（多段ＥＤＦＡユニット）で増幅された光は、上述した利得等化器（ＧＥＱ１）および光可変減衰器（ＡＴＴ１）を介して２段目の光増幅器に入力される。
２段目の光増幅器：
第２段目の光増幅器は、１．５８μｍ帯（１５７０〜１６１０ｎｍ）でフラットな波長特性を得るために必要な反転分布率において所定の利得を得るために必要なＥＤＦ長を第３のＥＤＦ（ＥＤＦ２）で構成する。

第３のＥＤＦ（ＥＤＦ２）には、第３の光分岐カプラ（ＢＳ３）、光アイソレータ（ＩＳＯ４）、および第３の波長多重カプラ（ＷＤＭ３）を介して１段目の光増幅器の出力が入力される。そして、第３のＥＤＦ（ＥＤＦ２）は、第３の波長多重カプラ（ＷＤＭ３）を介して第３の励起光源（Ｐｕｍｐ３）から約１．４３μｍの励起光を受け取り、波長多重光を増幅する。

第３のＥＤＦ（ＥＤＦ２）で増幅された光は、光アイソレータ（ＩＳＯ５）および光分岐カプラ（ＢＳ４）を介して３段目の光増幅器に入力される。
２段目の光増幅器と３段目の光増幅器とは、光コネクタで接続される。また、第３および第４の光分岐カプラ（ＢＳ３、ＢＳ４）で分岐した光をそれぞれ第３および第４の光モニタ（ＰＤ３、ＰＤ４）によりモニタし、そのモニタ結果に基づいて励起光源（Ｐｕｍｕ３）の光パワーや波長の制御することにより、２段目の光増幅器の利得調整が行われる。
３段目の光増幅器：
第３段目の光増幅器は、１．５８μｍ帯（１５７０〜１６１０ｎｍ）でフラットな波長特性を得るために必要な反転分布率において所定の利得を得るために必要なＥＤＦ長を第４のＥＤＦ（ＥＤＦ３）で構成する。

第４のＥＤＦ（ＥＤＦ３）には、第５の光分岐カプラ（ＢＳ５）、光アイソレータ（ＩＳＯ５）、および第４の波長多重カプラ（ＷＤＭ４）を介して２段目の光増幅器の出力が入力される。そして、第４のＥＤＦ（ＥＤＦ３）は、第４の波長多重カプラ（ＷＤＭ４）を介して第４の励起光源（Ｐｕｍｐ４）から約１．４３μｍの励起光を受け取り、波長多重光を増幅する。

第４のＥＤＦ（ＥＤＦ３）で増幅された光は、光アイソレータ（ＩＳＯ６）、上述した利得等化器（ＧＥＱ２）、光分岐カプラ（ＢＳ６）、および光可変減衰器（ＡＴＴ２）を介して４段目の光増幅器に入力される。

第５および第６の光分岐カプラ（ＢＳ５、ＢＳ６）で分岐した光をそれぞれ第５および第６の光モニタ（ＰＤ５、ＰＤ６）によりモニタし、そのモニタ結果に基づいて励起光源（Ｐｕｍｕ４）の光パワーや波長を制御することにより、３段目の光増幅器の利得調整が行われる。
４段目の光増幅器：
第４段目の光増幅器は、１段目の光増幅器と同様に、１．５８μｍ帯（１５７０〜１６０５ｎｍ）でフラットな波長特性を得るために必要な反転分布率において所定の利得を得るために必要なＥＤＦ長を、第５のＥＤＦ（ＥＤＦ４(a) ）および第６のＥＤＦ（ＥＤＦ４(b) ）により実現する。

３段目の光増幅器からの出力は、第７の分岐カプラ（ＢＳ７）、光アイソレータ（ＩＳＯ７）、第５の波長多重カプラ（ＷＤＭ５）を介して第５のＥＤＦ（ＥＤＦ４(a) ）に入力される。

第５の波長多重カプラ（ＷＤＭ５）は、励起光源（Ｐｕｍｐ５およびＰｕｍｐ６）により生成される１．４７μｍの光を偏光ビームカプラ（ＰＢＳ１）で偏光合成した合成光を第９の分岐カプラ（ＢＳ９）で分岐した光と、３段目の光増幅器の出力とを波長多重する。

第５のＥＤＦ（ＥＤＦ４(a) ）は、第５の波長多重カプラ（ＷＤＭ５）からの励起光を用いて３段目の光増幅器の出力を光増幅する。この出力は、光アイソレータ（ＩＳＯ８）および第６の波長多重カプラ（ＷＤＭ６）を介して第６のＥＤＦ（ＥＤＦ４(b) ）に入力される、
第６の波長多重カプラ（ＷＤＭ６）は、光分岐カプラ（ＢＳ９）で分岐された光と、第５のＥＤＦ（ＥＤＦ４(a) ）の出力とを波長多重し、第６のＥＤＦ（ＥＤＦ４(b) ）に出力する。

第７の波長多重カプラ（ＷＤＭ７）は、励起光源（Ｐｕｍｐ７およびＰｕｍｐ８）により生成される１．４７μｍの光を偏光ビームカプラ（ＰＢＳ２）で偏光合成した合成光を第６のＥＤＦ（ＥＤＦ４(b) ）に入力する。

第６のＥＤＦ（ＥＤＦ４(b) ）は、光分岐カプラ（ＢＳ９）からの励起光、および偏光ビームカプラ（ＰＢＳ２）からの励起光により、波長多重光を光増幅する。そして、第６のＥＤＦ（ＥＤＦ４(b) ）の出力は、波長多重カプラ（ＷＤＭ７）、光アイソレータ（ＩＳＯ９）、および光分岐カプラ（ＢＳ８）を介して出力される。

第７および第８の光分岐カプラ（ＢＳ７、ＢＳ８）で分岐した光をそれぞれ第７および第８の光モニタ（ＰＤ７、ＰＤ８）によりモニタし、そのモニタ結果に基づいて励起光源（Ｐｕｍｕ５〜８）の光パワーや波長を制御することにより、４段目の光増幅器の利得調整が行われる。

なお、上述の実施例では、波長多重光の中の短波長側の信号光が光増幅媒体に入力されている状態から入力されない状態に遷ったときに出力低下現象が発生するものとして説明したが、上記短波長側の信号光のパワーが低下した場合にも同様の現象が起こり得る。そして、本実施形態の光増幅器は、そのような場合にも有効に出力低下現象を回避する。ここで、光増幅媒体に入力される短波長側の信号光のパワーが大幅に低下した状態は、その信号光が実質的に入力されていない状態とみなすことができる。

また、上述の実施例では、光増幅器を設計する際の励起光の実効長の基準値または光増幅媒体の出力端の反転分布率の基準値は、主に、出力光パワーの差分量がゼロになる状態を想定しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、雑音特性の劣化を回避するために、一定の出力低下現象を許容するように、上記実効長または反転分布率を設計してもよい。

さらに、上述の実施例では、波長多重光の中の短波長側の信号光が停止した場合に長波長側の信号光のパワーが低下する現象に着目しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、波長多重光の中の任意の信号光が停止した場合に他の信号光のパワーが変動する現象を回避する場合にも適用可能である。

さらに、光増幅媒体のホストガラスとしては、石英系だけでなくフッ化物系、テルライド系、ビスマス系、燐酸系、ケイ酸塩系等があるが、高利得、低雑音、信頼性、実用性などの観点から総合的に判断すると、現時点では、石英系が好適である。また、光ファイバに添加すべき材料としては、エルビウムだけでなく、プラセオジウム等でもよいが、これについても上述の観点から判断すると、エルビウムが好適である。

（付記１）波長多重光を増幅する光増幅器であって、
波長多重光を増幅するための光増幅媒体として使用される光ファイバと、
上記光ファイバに励起光を供給する励起光源とを有し、
上記波長多重光の中の第１の光が上記光ファイバに入力されている状態から実質的に入力されていない状態に遷ったときの上記光ファイバから出力される上記波長多重光の中の第２の光のパワーの低下量が予め決められた閾値を越えないように、上記光ファイバにおける上記励起光の伝搬できる距離の最小値が決定されることを特徴とする光増幅器。
（付記２）付記１に記載の光増幅器であって、
上記第１の光の波長は、上記第２の光の波長よりも短い。
（付記３）付記１に記載の光増幅器であって、
上記光ファイバにおける上記励起光の伝搬できる距離は、上記第１の光が実質的に停止したときに上記光ファイバから出力される上記第２の光のパワーが、上記第１の光が上記光ファイバに入力されているときに上記光ファイバから出力される上記第２の光のパワーよりも小さくならない値である。
（付記４）付記１に記載の光増幅器であって、
上記励起光源は、上記光ファイバにおける伝搬できる距離が上記最小値以上になるような波長の励起光を出力する。
（付記５）波長多重光を増幅する光増幅器であって、
波長多重光を増幅するための光増幅媒体として使用される光ファイバと、
上記光ファイバに励起光を供給する励起光源とを有し、
上記波長多重光の中の第１の光のパワーが低下したときに上記光ファイバから出力される上記波長多重光の中の第２の光のパワーの低下量が予め決められた閾値を越えないように、上記光ファイバにおける上記励起光の伝搬できる距離の最小値が決定されることを特徴とする光増幅器。
（付記６）波長多重光を増幅する光増幅器であって、
波長多重光を増幅するための光増幅媒体として使用される光ファイバと、
上記光ファイバに励起光を供給する励起光源とを有し、
上記波長多重光の中の第１の光が上記光ファイバに入力されている状態から実質的に入力されていない状態に遷ったときの上記光ファイバから出力される上記波長多重光の中の第２の光のパワーの低下量が予め決められた閾値を越えないように、上記光ファイバの出力端における反転分布率の最小値が決定されることを特徴とする光増幅器。
（付記７）付記６に記載の光増幅器であって、
上記第１の光の波長は、上記第２の光の波長よりも短い。
（付記８）付記６に記載の光増幅器であって、
上記光ファイバの出力端における反転分布率は、上記第１の光が実質的に停止したときに上記光ファイバから出力される上記第２の光のパワーが、上記第１の光が上記光ファイバに入力されているときに上記光ファイバから出力される上記第２の光のパワーよりも小さくならない値である。
（付記９）付記６に記載の光増幅器であって、
上記反転分布率の最小値は、当該光増幅器の利得に基づいて決定される。
（付記１０）波長多重光を増幅する光増幅器であって、
波長多重光を増幅するための光増幅媒体として使用される光ファイバと、
上記光ファイバに励起光を供給する励起光源とを有し、
上記波長多重光の中の第１の光のパワーが低下したときに上記光ファイバから出力される上記波長多重光の中の第２の光のパワーの低下量が予め決められた閾値を越えないように、上記光ファイバの出力端における反転分布率の最小値が決定されることを特徴とする光増幅器。
（付記１１）付記１または６に記載の光増幅器であって、
上記光ファイバから出力される残留励起光を、当該光増幅器の入力側に接続される上記波長多重光を伝送するための伝送路に導く手段をさらに有する。
（付記１２）波長多重光を増幅する光増幅器であって、
波長多重光を増幅するための光増幅媒体として使用される光ファイバと、
励起光を生成する励起光源と、
上記励起光から第１の分岐励起光および第２の分岐励起光を生成する分岐手段と、
上記第１の分岐励起光を上記光ファイバに導き、上記第２の分岐励起光を当該光増幅器の入力側に接続される上記波長多重光を伝送するための光伝送路に導く手段と
を有することを特徴とする光増幅器。
（付記１３）第１の波長帯に配置されている信号光および第２の波長帯に配置されている信号光を含む波長多重光を増幅する光増幅器であって、
上記第１の波長帯に配置されている信号光を増幅するための光増幅媒体として使用される第１の光ファイバと、
上記第２の波長帯に配置されている信号光を増幅するための光増幅媒体として使用される第２の光ファイバと、
励起光を生成する励起光源と、
上記励起光から第１の分岐励起光および第２の分岐励起光を生成する分岐手段と、
上記第１の分岐励起光を上記第１の光ファイバに導き、上記第２の分岐励起光を上記第２の波長帯に配置されている信号光をラマン増幅するための励起光として当該光増幅器の入力側に接続されている光伝送路に導く手段と
を有することを特徴とする光増幅器。
（付記１４）付記１〜１２のいずれか１つに記載の光増幅器であって、
上記光ファイバのホストガラスは石英系ガラスである。
（付記１５）付記１〜１２のいずれか１つに記載の光増幅器であって、
上記光ファイバは、エルビウムドープファイバである。
（付記１６）１５７０〜１６０５ｎｍ帯に配置される複数の信号光を含む波長多重光を増幅する光増幅器であって、
上記波長多重光を増幅するための光増幅媒体として使用される石英系エルビウムドープファイバと、
１４００〜１４６０ｎｍの範囲内の所定の波長を持つ励起光を生成する励起光源と、
上記励起光を上記石英系エルビウムドープファイバに導く手段と、
を有することを特徴とする光増幅器。
（付記１７）送信機と受信機との間に波長多重光を増幅するための複数の光増幅器が設けられた光伝送システムであって、
上記複数の光増幅器の中の１以上の光増幅器が、それぞれ、
波長多重光を増幅するための光増幅媒体として使用される光ファイバと、
上記光ファイバに励起光を供給する励起光源とを有し、
上記波長多重光の中の第１の光が上記光ファイバに入力されている状態から実質的に入力されていない状態に遷ったときの上記光ファイバから出力される上記波長多重光の中の第２の光のパワーの低下量が予め決められた閾値を越えないように、上記光ファイバにおける上記励起光の伝搬できる距離の最小値または上記光ファイバの出力端における反転分布率の最小値が決定されている
ことを特徴とする光伝送システム。
（付記１８）波長多重光を励起光により光増幅する光増幅媒体と、
該励起光を発生する励起光源とを有し、
該波長多重光の波長数が変化した場合に各波長の光の出力変動が最も少なくなる励起波長で該励起光源を動作することを特徴とする光増幅器。

発明の効果

本発明によれば、波長多重光を増幅する光増幅器において、光増幅媒体内での励起光の実効長または光増幅媒体の出力端における反転分布率を適切に設計するようにしたので、波長多重光の中の一部の光が停止した場合であっても、他の光の出力パワーが低下しないか、或いはその低下量が抑制される。したがって、当該光増幅器から出力される波長多重光を受信する受信機において、伝送エラーの発生が回避される。

エルビウムドープファイバの反転分布率を示す図である。 Ｌバンドに配置されている波長多重光の光パワーの分布を示す図である。 出力低下現象のＥＤＦ長依存性を示す図である。 エルビウムイオンのエネルギー準位およびその遷移を示す図である。 短波長側の信号光の励起作用について説明する図である。 (a) は、励起光の波長を変化させた場合の差分量を示す図、(b) は、励起光の波長とその実効長との関係を示す図である。 エルビウムドープファイバ内での励起光の減衰特性を示す図である。 励起光波長と雑音指数との関係を示す図である。 所定の利得を得るために必要な励起光パワーと励起光波長との関係を示す図である。 出力低下現象と反転分布率との関係を示す図である。 励起光波長および信号光の入力パワーを変えた場合のシミュレーション結果である。 光増幅器の利得を変えながら反転分布率と出力低下現象との関係をシミュレーションした結果である。 反転分布率の閾値と利得の関係を示す図である。 反転分布率の閾値と励起光波長の関係を示す図である。 (a) は、ＥＤＦ長と励起光パワーの関係を示す図であり、(b) は、残留励起光パワーと励起光波長との関係を示す図である。 残留励起光をカットする光フィルタを備える光増幅器の例である。 (a) は、残留励起光をラマン増幅のために使用する光増幅器の例であり、(b)および(c) は、分波器の損失特性を示す図である。 ＥＤＦＡおよびラマン増幅の励起光源を共用化した光増幅器の例である。 本実施形態の光増幅器を長距離光伝送システムにおいて使用する場合の構成図である。 本実施形態の光増幅器が適用される光増幅装置の構成図である。 エルビウムドープファイバの利得係数の波長依存性を示す図である。 Ｌバンドを増幅するためのＥＤＦＡの基本構成を示す図である。

１ 光増幅媒体（エルビウムドープファイバ）
３ 波長多重カプラ（ＷＤＭカプラ）
４ 励起光源（ＬＤ）
２１、２２ 光フィルタ
３２ Ｃバンド用ＥＤＦＡ
３３ Ｌバンド用ＥＤＦＡ
３５、３６ 波長多重カプラ（ＷＤＭカプラ）
４１ 励起光源
４２ 分岐器
４４ 合波器

Claims (5)

1. 波長多重光を増幅する光増幅器であって、
   波長多重光を増幅するための光増幅媒体として使用される光ファイバと、
   上記光ファイバに前方励起用の励起光を供給する励起光源とを有し、
   上記波長多重光の中のＬバンド内の第１の光が上記光ファイバに入力されている状態から実質的に入力されていない状態に遷ったときの上記光ファイバから出力される上記波長多重光の中の該Ｌバンド内の該第１の光より波長が長い第２の光のパワーが小さくならないような、上記光ファイバの出力端における反転分布率を有するように上記励起光源を動作する
   ことを特徴とする光増幅器。
   
2. 請求項１に記載の光増幅器であって、
   前記励起光源は、前記波長多重光の中のＬバンド内の第１の光が前記光ファイバに入力されている状態から実質的に入力されていない状態に遷ったときの前記光ファイバから出力される前記波長多重光の中の該Ｌバンド内の該第１の光より波長が長い第２の光のパワーが小さくならないような励起光を出力することを特徴とする光増幅器。
   
3. 波長多重光を励起光により光増幅する光増幅媒体と、
   該励起光を発生する励起光源とを有し、
   該波長多重光のＬバンド内の波長数が変化した場合に該Ｌバンド内の各波長の光の出力変動が最も少なくなるような上記光ファイバの出力端における反転分布率を有するように該励起光源を動作する
   ことを特徴とする光増幅器。
   
4. 波長多重光を増幅する光増幅器であって、
   波長多重光を増幅するための光増幅媒体として使用される光ファイバと、
   上記光ファイバに励起光を供給する励起光源とを有し、
   上記波長多重光の中のＬバンド内の第１の光が上記光ファイバに入力されている状態から実質的に入力されていない状態に遷ったときの上記光ファイバから出力される上記波長多重光の中の該Ｌバンド内の該第１の光より波長が長い第２の光のパワーが小さくならないような、上記光ファイバの出力端における反転分布率を有することを特徴とする光増幅器。
   
5. 請求項４に記載の光増幅器であって、
   上記光ファイバの出力端における反転分布率は、上記第１の光が実質的に停止したときに上記光ファイバから出力される上 記第２の光のパワーが、上記第１の光が上記光ファイバに入力されているときに上記光ファイバから出力される上記第２の光のパワーよりも小さくならない値である。

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