光増幅器
【課題】入力信号光パワーの変化があっても、利得の波長依存性を平坦に維持しつつ、利得の急激な変化を抑圧した光増幅器を提供する。
【解決手段】本発明の光増幅器は、信号光が増幅されるエルビウム添加ファイバと、前記エルビウム添加ファイバへの励起光を発生する半導体レーザと、前記信号光と前記励起光を合波する合波器と、前記エルビウム添加ファイバの入力信号光パワーおよび出力信号光パワーを検出する光パワー検出手段とを含む光増幅部を２つ以上備え、前記光パワー検出手段の検出結果に基づいて、各光増幅部の出力信号光パワーの検出値と入力信号光パワーの検出値との差である各光増幅部の利得の合計値に対して、増幅自然放出光補正値を加減算した結果が予め決めた固定の目標値となるように、前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流を制御するように構成された制御手段をさらに備える。
【解決手段】本発明の光増幅器は、信号光が増幅されるエルビウム添加ファイバと、前記エルビウム添加ファイバへの励起光を発生する半導体レーザと、前記信号光と前記励起光を合波する合波器と、前記エルビウム添加ファイバの入力信号光パワーおよび出力信号光パワーを検出する光パワー検出手段とを含む光増幅部を２つ以上備え、前記光パワー検出手段の検出結果に基づいて、各光増幅部の出力信号光パワーの検出値と入力信号光パワーの検出値との差である各光増幅部の利得の合計値に対して、増幅自然放出光補正値を加減算した結果が予め決めた固定の目標値となるように、前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流を制御するように構成された制御手段をさらに備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号光を増幅する光増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のインターネット通信需要の増加と光通信システムの低コスト化の要求に伴って、一本のファイバに複数の相異なる波長の信号光を多重して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）伝送方式が導入されている。さらに、その方式を用いたシステムおよびネットワークが検討されている。このＷＤＭ技術により、単に伝送容量を増加させるだけでなく、ルーティングやリストレーションなどのネットワーク機能を実現することが検討されている。このようなネットワークをフォトニックネットワークと呼ぶ。また、ＷＤＭ伝送方式は主に通信波長帯として１．５μｍ帯を使用するので、フォトニックネットワークで使用される光増幅器は主にＥｒ添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）である。
【０００３】
フォトニックネットワークでは、光通信ノード間距離の差によるスパンロスの差異があるだけでなく、ファイバへの接触、経年変化などによりスパンロスが変動したり、光パス切り替え、設備の増設撤去、光通信ノードの障害などにより入力波長数が変化したりする。スパンロス変動やチャネル数変化はネットワーク内で使用されるＥＤＦＡ入力光パワーを変化させる。ＷＤＭ伝送で使用されるＥＤＦＡは、複数の波長信号を各々等しい利得で増幅する必要があるので、信号波長帯で利得の波長依存性が平坦になるように設計される。しかしながら、ある信号入力光パワーで利得の波長依存性が平坦である場合に、ＥＤＦＡ入力パワーが変化するとＥＤＦＡの利得の波長依存性は平坦でなくなる（利得チルトが生じる）。利得チルトが生じると、十分な利得が得られない信号や逆に利得が大きくなりすぎる信号が生じ、伝送特性劣化をもたらすことがある。したがって、フォトニックネットワークで使用されるＥＤＦＡには、入力信号光パワーの変動・変化に対して常に一定の利得で且つ利得の波長依存性が平坦であるように制御（利得制御）される必要がある。
【０００４】
これに対して、多段の光増幅部を有し、各光増幅部の間に光可変減衰器および利得等化フィルタを備える光増幅器が検討されている。例えば、非特許文献１を参照されたい。このような光増幅器では、入力信号光パワーの変動・変化によって光可変減衰器の減衰量を制御し、利得等化フィルタを変わる必要がなく、入力信号光パワーの変動・変化に対して常に一定で且つ波長依存性が平坦である利得を得ることができる。また、非特許文献１では、光増幅器は、監視波を用いて入力信号光の変化を監視することも検討されている。
【０００５】
しかしながら、上記のような光増幅器において、各光増幅部および光可変減衰器などに対する制御は複雑かつ困難となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】D.Menashe et al., "Optical Amplifiers for Modern Networks," ICTON2006, pp. 115-118.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みなされたもので、光伝送システムのスパンロスの変動や入力波長数の変化により入力信号光パワーの変化があっても、利得の波長依存性を平坦に維持しつつ、利得の急激な変化を抑圧した光増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、信号光が増幅されるエルビウム添加ファイバと、前記エルビウム添加ファイバへの励起光を発生する半導体レーザと、前記信号光と前記励起光を合波する合波器と、前記エルビウム添加ファイバの入力信号光パワーおよび出力信号光パワーを検出する光パワー検出手段とを含む光増幅部を２つ以上備え、前記光パワー検出手段の検出結果に基づいて、各光増幅部の出力信号光パワー検出値と入力信号光パワー検出値との差である各光増幅部の利得の合計値に対して、増幅自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）補正値を加減算した結果が予め決めた固定の目標値となるように、前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流を制御するように構成された制御手段をさらに備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光増幅器であって、前記２つ以上の光増幅部のうち少なくとも１つの光増幅部において、前記合波器の前段および／または前記エルビウム添加ファイバの後段に光アイソレータをさらに備え、前記２つ以上の光増幅部の間に、前記光増幅器に入力される信号光のパワーの変化を補償するように減衰量が調整されて信号光の減衰を行う光可変減衰器と、前記光可変減衰器で減衰を受けた信号光に対して利得等化を行う利得等化フィルタとをさらに備え、前記制御手段は、前記光可変減衰器の減衰量を調整するようにさらに構成され、前記減衰量は、前記光パワー検出手段の検出結果に基づいて、最終段の光増幅部の出力信号光パワー検出値と第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値との差である、前記減衰量を含む前記光増幅器全体の利得に対して、前記ＡＳＥ補正値を加減算した結果が、１波長あたりの入力信号光パワーに従って変化する利得目標値となるように調整され、前記利得目標値は前記１波長あたりの入力信号光パワーの演算によって取得されることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光増幅器であって、前記１波長あたりの入力信号光パワーは、信号光波長数と前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値との演算によって取得されることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の光増幅器であって、前記第１段の光増幅部の前段に、監視波長の光と信号光とを分波する分波器が挿入され、フォトダイオードが前記分波器に接続されるように構成された、監視波長の光パワーを検出するための監視波長光パワー検出手段をさらに備え、前記１波長あたりの入力信号光パワーは、前記監視波長光パワー検出手段によって検出された監視波長の光パワーから取得されることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４に記載の光増幅器であって、前記ＡＳＥ補正値は、前記光増幅器が発生する第１のＡＳＥの補正値と前記光増幅器より上流側の光増幅器が発生する第２のＡＳＥの補正値との演算によって取得されることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光増幅器であって、前記第１のＡＳＥの補正値は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワーに従って変化することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の光増幅器であって、前記第１のＡＳＥの補正値は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー３ｄＢ毎に前記制御手段に事前に記憶されていることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７に記載の光増幅器であって、前記制御手段は、前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流の比が一定となるように、前記駆動電流を制御することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８に記載の光増幅器であって、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値が所定の入力信号光パワー値以下の場合に、前記各増幅部の半導体レーザへの駆動電流比が一定である制御と、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値が前記所定の入力信号光パワー値により大きい場合に、前記各増幅部の利得の波長依存性を平坦にする制御とを切り替えることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９に記載の光増幅器であって、前記制御手段は、前記制御による前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流に、予め決めた固定値の第１のフィードフォワード駆動電流と、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワーに従って変化する第２のフィードフォワード駆動電流とを付加することを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の光増幅器であって、前記制御手段は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワーの変化速度が所定の変化速度値を超えたという条件で、前記付加を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明の光増幅器によれば、各光増幅部および光可変減衰器などに対して適切な制御を行うので、光伝送システムのスパンロスの変動や入力波長数の変化により入力信号光パワーの変化があっても、低雑音性を実現しながら利得の波長依存性を平坦に維持できると共に、利得の急激な変化を抑圧するという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による光増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図２】光増幅器自身で発生するＡＳＥの補正値の誤差の、入力信号光パワー間隔に対する依存性を示す図である。
【図３】本発明による、監視波を用いた光増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図４】光可変減衰器の減衰量制御時の利得目標値の変化の様子を示す概念図である。
【図５】駆動電流比一定制御における半導体レーザの駆動電流の制御方法を示す概念図である。
【図６】（ａ）は駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御との１段目光増幅部利得の波長依存性を模式的に示す図であり、（ｂ）は駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御との２段目光増幅部利得の波長依存性を模式的に示す図である。
【図７】駆動電流比一定制御及び光増幅部平坦利得制御の雑音指数を比較する図である。
【図８】駆動電流比一定制御及び光増幅部平坦利得制御の励起光パワーを比較する図である。
【図９】駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御を切り替える制御法における励起光パワーを示す図である。
【図１０】駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御を切り替える制御法における雑音指数を示す図である。
【図１１】フィードフォワード駆動電流において入力信号光パワーに比例する駆動電流を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は本発明による光増幅器の構成例を示すブロック図である。光増幅器１００は、１段目の光増幅部１００ａと、光可変減衰器１１０と、利得等化フィルタ１１１と、２段目の光増幅部１００ｂとが順次に接続されている。また、この光増幅器１００は、１段目および２段目の光増幅部における励起半導体レーザの駆動電流と光可変減衰器１１０の減衰量とを制御する制御器１１２をさらに備える。
【００２２】
１段目の光増幅部１００ａにおいて、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、信号光と励起光を合波する合波器１０３ａと、増幅媒体とする、コアにエルビウムが添加されたエルビウム添加ファイバ１０４ａ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１０５ａとが順次に接続されている。また、エルビウム添加ファイバ１０４ａへの励起光を発生させる励起光源とする半導体レーザ１０８ａが、合波器１０３ａに接続されている。加えて、光パワー検出値を制御器１１２に提供するために、１段目の光増幅部１００ａの入出力側にそれぞれ、光パワーの一部を分岐する分岐器１０１ａ、１０６ａが挿入されており、さらに、光パワーを検出するフォトダイオード１０７ａ、１０９ａが分岐器１０１ａ、１０６ａに接続されている。２段目の光増幅部１００ｂは、１段目の光増幅部１００ａと同様な構造としている。
【００２３】
この構成例では、２つの光増幅部を有する光増幅器の構造を示したが、光増幅器は３つ以上の光増幅部を備えて、各光増幅部間に光可変減衰器および利得等化フィルタを備えることもできる。
【００２４】
図１において、入力した信号光（複数波長が多重化されたＷＤＭ信号光）は、まず１段目の光増幅部１００ａで増幅された後、光可変減衰器１１０で減衰を受け、さらに利得等化フィルタ１１１を透過してその複数波長間の利得のばらつきが一定値以下に揃えられた後、２段目の光増幅部１００ｂで増幅されて出力される。ここで、光可変減衰器１１０は、１波長あたりの入力信号光パワーに変化があった場合に、その変化量を補償するだけ減衰量を変化させることができる。それにより、後段の利得等化フィルタ１１１が入力信号光パワーの変化の影響を受けないように利得等化を行うことができる。従って、さらに後段の光増幅部１００ｂで増幅されて出力される１波長あたりの出力信号光パワーは、１波長あたりの入力信号光パワーの変化に関わらず常に一定の値（制御誤差を含めると一定の範囲）となる。
【００２５】
光増幅器１００における制御器１１２は、各フォトダイオードで検出した光パワーに基づいて演算を実施し、その演算結果に基づいて励起光源である半導体レーザの駆動電流を調整するように機能する。以下に制御器１１２の動作を説明する。
【００２６】
入力された各光増幅部の入出力パワー検出値は制御器１１２において対数変換される。すなわち、それぞれ１段目の増幅入力側はＰ1、１段目の増幅出力側はＰ4、２段目の増幅入力側はＰ3、２段目の増幅出力側はＰ2と変換される。或いは、各フォトダイオードにおける検出値（電流値）を光電変換後、ＬＯＧアンプで増幅することにより、同様の対数値を得ることもできる。
【００２７】
制御器１１２は、１段目光増幅部の利得（Ｐ4−Ｐ1）と２段目光増幅部の利得（Ｐ2−Ｐ3）との合計値に対して、ＡＳＥ補正値を加減算した結果が一定となるように、すなわち、
【００２８】
【数１】
【００２９】
が成り立つように、１段目の光増幅部１００ａにおける半導体レーザ１０８ａの駆動電流Ｉ1、及び２段目の光増幅部１００ｂにおける半導体レーザ１０８ｂの駆動電流Ｉ2を制御する。ここで、Ｇagcは予め決めた固定の目標値である。前述のように、光可変減衰器は入力信号光パワーの変化量を補償するように減衰量が制御されるので、各光増幅部の励起半導体レーザを制御する際には入力信号光パワーの変化量を考慮する必要がなくなる。また、
【００３０】
【数２】
【００３１】
は、ＡＳＥ補正値である。ここで、
【００３２】
【数３】
【００３３】
は、複数の光増幅器を用いた多中継光伝送システムに光増幅器を使用する場合に、自身より上流側の光増幅器で発生するＡＳＥに対する固定の補正値である。なお、
【００３４】
【数４】
【００３５】
は、光増幅器で発生するＡＳＥに対する補正値であり、その値が入力信号光のパワーＰ1に従って変化するので、Ｐ1の関数として表示される。
【００３６】
式（４）の値は、入力信号光パワーＰ1に従って変化するので、事前に一定の入力信号光パワーの間隔で計測して、制御器１１２内の記憶回路にテーブルとして保存しておく。それにより、制御器が入力信号光パワーの検出結果に従って保存したテーブルから式（４）の値を取得することができる。
【００３７】
式（４）の誤差が大きくなると光増幅器制御誤差が大きくなるので、テーブル化に用いられる入力信号光パワーの間隔が入力信号光パワー検出精度（通常０．１ｄＢ程度）以下で式（４）の誤差が無いことが求められる。しかしながら、式（４）の誤差をなくすためには入力信号光パワー０．１ｄＢ毎に式（４）の値を制御器内の記憶回路にテーブル化すると、記憶回路の規模が大きくなる問題がある。従って、テーブル化に用いられる入力信号光パワーの間隔を広くする必要がある。
【００３８】
図２に入力信号光パワーの間隔に対する式（４）の誤差の依存性を示す。利得制御の検出精度も入力信号光パワー検出精度程度（通常０．１ｄＢ程度）であるので、式（４）の誤差は０．１ｄＢ以下に抑制する必要がある。図２から、入力信号光パワー間隔が３．８ｄＢ以下であれば、式（４）の誤差は０．１ｄＢ以下に抑制することができる。通常、入力信号光パワー間隔は整数であると演算などに都合が良い場合が多いため、入力信号光パワー間隔３ｄＢ以下で式（４）の値を記憶回路にテーブル化し、補間演算により所望の入力信号光パワーに対する式（４）の値を得ることが好ましい。一方で、制御器内の記憶回路規模が十分大きくて入力信号光パワー０．１ｄＢ毎にテーブル化できる場合も、式（４）の値を計測する際に入力信号光パワー間隔３ｄＢ以下で行うことにより、計測を簡略化することができる。
【００３９】
なお、光可変減衰器１１０の減衰量は、光増幅器全体の利得（Ｐ2−Ｐ1）に対して、ＡＳＥ補正値を加減算した結果が、１波長あたりの入力信号光パワーに従って変化する利得目標値となるように、すなわち、
【００４０】
【数５】
【００４１】
を満たすように制御器１１２によって制御することができる。ここで、式（５）の左辺は、光可変減衰器の減衰量を含む、自身及び上流側で発生するＡＳＥを補正した光増幅器全体の利得である。また、右辺の
【００４２】
【数６】
【００４３】
は、１波長あたりの入力信号光パワーに従って変化する利得目標値であり、
【００４４】
【数７】
【００４５】
は、１波長あたりの入力信号光パワーである。光増幅器全体の利得目標値が１波長あたりの入力信号光パワーに従って変化するのは、１波長あたりの出力信号光パワーを一定に保つために１波長あたりの入力信号光パワーの変化量を補償するためである。その補償は、光可変減衰器の減衰量を制御することにより行う。
【００４６】
さらに、式（１）とともに、式（５）について説明する。式（５）−式（１）から、
【００４７】
【数８】
【００４８】
となる。式（８）の左辺の（Ｐ3−Ｐ4）は、利得等化フィルタ１１１から出力される信号光パワーの値と、光可変減衰器１１０に入力される信号光パワーの値との差である。すなわち、光可変減衰器１１０の減衰量と、利得等化フィルタ１１１による信号光パワーの増減値との和である。利得等化フィルタ１１１は所定の利得等化を行い、それによる信号光パワーの増減値が固定値であるので、（Ｐ3−Ｐ4）の変化は光可変減衰器１１０の減衰量の変化に相当する。式（８）の右辺第２項が固定値であるので、式（８）の右辺の変化は第１項の変化に相当し、すなわち、１波長あたりの入力信号光パワーに従って変化する。従って、式（８）は、１波長あたりの入力信号光パワーが大きく（小さく）なった場合、光可変減衰器の減衰量をその分だけ大きく（小さく）することを示している。すなわち、光可変減衰器は入力信号光パワーの変化量を補償するように減衰量が制御される。
【００４９】
式（７）に示される１波長あたりの入力信号光パワーは、制御器がオペレーションシステムから波長数情報Ｎchを取得し、さらに
【００５０】
【数９】
【００５１】
から取得することができる。
【００５２】
或いは、光増幅器の入力側の伝送ファイバ損失に変化があった場合に、信号光と波長の異なる監視信号光を用いることより、１波長あたりの入力信号光パワーの変化を制御器に提供することもできる。図３に監視波を用いた光増幅器の構成例を示す。光増幅器３００は、図１の光増幅器１００において、１段目の光増幅部の前段に監視信号光と信号光を分波する分波器３１３が挿入されおり、さらに、フォトダイオード３１４が分波器３１３に接続されている。図３において、監視信号光は、分波器３１３を介してフォトダイオード３１４に入力され、フォトダイオード３１４によって検出された監視波長の光パワー値が制御器に提供される。監視波長光パワーの変化は１波長あたりの入力信号光パワーの変化と等しくなるので、監視波長光パワー検出値Ｐ5を利用して、光増幅器全体の利得目標値はＧalc（Ｐ5）とすることができる。図４は、光可変減衰器の減衰量制御時の利得目標値の変化の様子を示す概念図である。図４に示されるように、光増幅器全体の利得目標値は、１波長あたりの入力信号光パワーまたは監視波長光パワー（いずれもｄＢｍ単位換算）に対して、比例（負の比例係数）する値となる。
【００５３】
前述のように、１段目光増幅部の利得と２段目光増幅部の利得との合計値は式（１）を満たすように光増幅部の半導体レーザの駆動電流を制御する。それに加えて、１段目光増幅部と２段目光増幅部との間にもう１つの制約条件を設けて、光増幅部の半導体レーザの駆動電流をさらに制御し、その制約条件によって異なる制御方法となる。
【００５４】
図５は、駆動電流比一定制御における半導体レーザの駆動電流の制御方法を示す概念図である。Ｉ1は１段目光増幅部の半導体レーザの駆動電流であり、Ｉ2は２段目光増幅部の半導体レーザの駆動電流である。図５に示されるように、それぞれの半導体レーザの駆動電流リミット以下では、Ｉ1／Ｉ2が一定となるように制御される。それで、このような制御方法を駆動電流比一定制御と呼ぶ。一方で、１段目の光増幅部の半導体レーザの駆動電流Ｉ1、及び２段目の光増幅部の半導体レーザの駆動電流Ｉ2の制御方法としては、それぞれの光増幅部で利得一定となるように、すなわち、各光増幅部は利得平坦な増幅状態になるようにＩ1及びＩ2を制御する（以下、光増幅部平坦利得制御と呼ぶ）方法もある。以下に説明するように、駆動電流比一定制御の方が利点がある。
【００５５】
図６ａ、ｂに、駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御との各光増幅部利得の波長依存性を模式的に示している。ここで、駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御とで最大入力信号光パワーのときの駆動電流比Ｒ＝Ｉ1／Ｉ2を同じとした。最大入力信号光パワーのとき、駆動電流比一定制御は光増幅部平坦利得制御と同じように、１段目の光増幅部及び２段目の光増幅部共に利得は波長に対して平坦な特性（平坦利得）となる（点線で示している利得曲線）。入力信号光パワーが最大値より小さくなると、光増幅部平坦利得制御では、１段目の光増幅部及び２段目の光増幅部共に利得は点線の利得曲線のまま変化しない。一方、駆動電流比一定制御では、実線の利得曲線で示されるように、１段目の光増幅部利得は増大（特に短波長側で大きく増大）し、２段目の光増幅部利得は減少（特に短波長側で大きく減少）する。しかしながら、結果として両者を合わせて平坦な利得特性が得られる。これは、駆動電流比一定のため、入力信号光パワーが低下したときに１段目の光増幅部では励起光パワーが過剰状態となる一方、２段目の光増幅部では励起光パワーが不足状態となるためである。
【００５６】
入力信号光パワーが最大値より小さいときの駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御との雑音指数を比較すると、図７に示されるように、駆動電流比一定制御の方が小さく、低雑音となる。１段目の光増幅部の利得、雑音指数をそれぞれＧ1、ＮＦ1、２段目の光増幅部の雑音指数をＮＦ2、光可変減衰器の減衰量を含む１段目の光増幅部と２段目の光増幅部間の透過率をＬとすると、光増幅器の雑音指数ＮＦは
【００５７】
【数１０】
【００５８】
と表される。駆動電流比一定制御では、入力信号光パワーが小さくなると１段目の光増幅部利得Ｇ1が大きくなり、その結果、雑音指数ＮＦが小さくなる。
【００５９】
一方で、入力信号光パワーが最大値より小さいときの駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御との励起光パワーを比較すると、図８に示されるように、駆動電流比一定制御の方が励起光パワーが大きくなる。しかしながら、光増幅器には最大入力信号光パワーのときに必要な励起光パワーを発生する半導体レーザを搭載しているので、それ以下の励起光パワーであれば問題なく発生させることができる。従って、駆動電流比一定制御では光増幅部平坦利得制御に比べて励起光パワーが大きくなることは問題とはならない。
【００６０】
ただし、入力信号光パワーが小さいときの励起光パワーを下げる必要がある場合は、励起光パワーが駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御とで同じになる入力信号光パワーを最大値から小さくすることにより、励起光パワーを下げることができる。図９において、その入力信号光パワーを
【００６１】
【数１１】
【００６２】
で示している。式（１１）の入力信号光パワーは、駆動電流比一定制御の励起光パワー曲線と光増幅部平坦利得制御の励起光パワー曲線との交点の入力信号光パワーであるので、以下、交点入力信号光パワーと呼ぶ。また、図９の太線で示されるように、入力信号光パワーが交点入力信号光パワー以下では駆動電流比一定制御、交点入力信号光パワーより大きいときは光増幅部平坦利得制御に切り替えるようにする。それにより、低雑音性を得ることができる。この切替方式の雑音指数を図１０において太線で示している。交点入力信号光パワーが最大値より小さい図９を、駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御とで最大入力信号光パワーのときの駆動電流比を同じとした、すなわち交点入力信号光パワーが最大値である図８と比較すると、交点入力信号光パワーを最大値から小さくすることにより、駆動電流比一定制御の励起光パワーを下げることができることがわかる。図１０に示されるように、入力信号光パワーが交点入力信号光パワー以下では、駆動電流比一定制御の方が雑音指数が小さく、入力信号光パワーが交点入力信号光パワーより大きいとき、光増幅部平坦利得制御の方が雑音指数が小さい。従って、上記の切替方式により、低雑音性を得ることができる。なお、交点入力信号光パワーの値は、所望の励起光パワー特性と所望の雑音指数特性とに基づいて事前に決定することができる。
【００６３】
前述のように、制御器は、式（１）及び式（２）の演算によってフィードバック制御を行う。それに加えて、信号波長数が急激に変化したときに入力信号光パワーが急変する場合、例えば、入力信号光パワー変化速度が±１０ｄＢ/μs以上となる場合に、制御器は、フィードフォワードの駆動電流値ＩFをフィードバック制御の駆動電流に付加することができる。フィードフォワードの駆動電流値ＩFは、
【００６４】
【数１２】
【００６５】
と表され、ここで、
【００６６】
【数１３】
【００６７】
は、予め決めた固定値のフィードフォワード駆動電流値であり、
【００６８】
【数１４】
【００６９】
は、光パワー検出手段によって検出される入力信号光パワーに応じて変化するフィードフォワード駆動電流値であり、図１１に示されるように入力信号光パワーに比例する。
【００７０】
このフィードフォワード制御をフィードバック制御に付加することにより、信号波長数が最大９６波から１波に急激に減少したときに、出力信号光パワー（入力が変化しなかった１波の出力信号光パワー）の変動を０．２ｄＢに抑圧することができる。それにより、フィードバック制御のみの１．５ｄＢに比べ、出力信号光パワー変動を小さくする効果がみられた。
【００７１】
以上説明したように、本発明の光増幅器は、光伝送システムのスパンロスの変動や入力波長数の変化により入力信号光パワーの変化があっても、低雑音性を実現しながら利得の波長依存性を平坦に維持できると共に、利得の急激な変化を抑圧するという利点を有する。
【符号の説明】
【００７２】
１００、３００ 光増幅器
１００ａ、３００ａ １段目光増幅部
１００ｂ、３００ｂ ２段目光増幅部
１０１ａ、１０６ａ、１０１ｂ、１０６ｂ、３０１ａ、３０６ａ、３０１ｂ、３０６ｂ 分岐器
１０２ａ、１０５ａ、１０２ｂ、１０５ｂ、３０２ａ、３０５ａ、３０２ｂ、３０５ｂ 光アイソレータ
１０３ａ、１０３ｂ、３０３ａ、３０３ｂ 合波器
１０４ａ、１０４ｂ、３０４ａ、３０４ｂ エルビウム添加ファイバ
１０７ａ、１０９ａ、１０７ｂ、１０９ｂ、３０７ａ、３０９ａ、３０７ｂ、３０９ｂ、３１４ フォトダイオード
１０８ａ、１０８ｂ、３０８ａ、３０８ｂ 半導体レーザ
１１０、３１０ 光可変減衰器
１１１、３１１ 利得等化フィルタ
１１２、３１２ 制御器
３１３ 分波器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号光を増幅する光増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のインターネット通信需要の増加と光通信システムの低コスト化の要求に伴って、一本のファイバに複数の相異なる波長の信号光を多重して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）伝送方式が導入されている。さらに、その方式を用いたシステムおよびネットワークが検討されている。このＷＤＭ技術により、単に伝送容量を増加させるだけでなく、ルーティングやリストレーションなどのネットワーク機能を実現することが検討されている。このようなネットワークをフォトニックネットワークと呼ぶ。また、ＷＤＭ伝送方式は主に通信波長帯として１．５μｍ帯を使用するので、フォトニックネットワークで使用される光増幅器は主にＥｒ添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）である。
【０００３】
フォトニックネットワークでは、光通信ノード間距離の差によるスパンロスの差異があるだけでなく、ファイバへの接触、経年変化などによりスパンロスが変動したり、光パス切り替え、設備の増設撤去、光通信ノードの障害などにより入力波長数が変化したりする。スパンロス変動やチャネル数変化はネットワーク内で使用されるＥＤＦＡ入力光パワーを変化させる。ＷＤＭ伝送で使用されるＥＤＦＡは、複数の波長信号を各々等しい利得で増幅する必要があるので、信号波長帯で利得の波長依存性が平坦になるように設計される。しかしながら、ある信号入力光パワーで利得の波長依存性が平坦である場合に、ＥＤＦＡ入力パワーが変化するとＥＤＦＡの利得の波長依存性は平坦でなくなる（利得チルトが生じる）。利得チルトが生じると、十分な利得が得られない信号や逆に利得が大きくなりすぎる信号が生じ、伝送特性劣化をもたらすことがある。したがって、フォトニックネットワークで使用されるＥＤＦＡには、入力信号光パワーの変動・変化に対して常に一定の利得で且つ利得の波長依存性が平坦であるように制御（利得制御）される必要がある。
【０００４】
これに対して、多段の光増幅部を有し、各光増幅部の間に光可変減衰器および利得等化フィルタを備える光増幅器が検討されている。例えば、非特許文献１を参照されたい。このような光増幅器では、入力信号光パワーの変動・変化によって光可変減衰器の減衰量を制御し、利得等化フィルタを変わる必要がなく、入力信号光パワーの変動・変化に対して常に一定で且つ波長依存性が平坦である利得を得ることができる。また、非特許文献１では、光増幅器は、監視波を用いて入力信号光の変化を監視することも検討されている。
【０００５】
しかしながら、上記のような光増幅器において、各光増幅部および光可変減衰器などに対する制御は複雑かつ困難となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】D.Menashe et al., "Optical Amplifiers for Modern Networks," ICTON2006, pp. 115-118.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みなされたもので、光伝送システムのスパンロスの変動や入力波長数の変化により入力信号光パワーの変化があっても、利得の波長依存性を平坦に維持しつつ、利得の急激な変化を抑圧した光増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、信号光が増幅されるエルビウム添加ファイバと、前記エルビウム添加ファイバへの励起光を発生する半導体レーザと、前記信号光と前記励起光を合波する合波器と、前記エルビウム添加ファイバの入力信号光パワーおよび出力信号光パワーを検出する光パワー検出手段とを含む光増幅部を２つ以上備え、前記光パワー検出手段の検出結果に基づいて、各光増幅部の出力信号光パワー検出値と入力信号光パワー検出値との差である各光増幅部の利得の合計値に対して、増幅自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）補正値を加減算した結果が予め決めた固定の目標値となるように、前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流を制御するように構成された制御手段をさらに備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光増幅器であって、前記２つ以上の光増幅部のうち少なくとも１つの光増幅部において、前記合波器の前段および／または前記エルビウム添加ファイバの後段に光アイソレータをさらに備え、前記２つ以上の光増幅部の間に、前記光増幅器に入力される信号光のパワーの変化を補償するように減衰量が調整されて信号光の減衰を行う光可変減衰器と、前記光可変減衰器で減衰を受けた信号光に対して利得等化を行う利得等化フィルタとをさらに備え、前記制御手段は、前記光可変減衰器の減衰量を調整するようにさらに構成され、前記減衰量は、前記光パワー検出手段の検出結果に基づいて、最終段の光増幅部の出力信号光パワー検出値と第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値との差である、前記減衰量を含む前記光増幅器全体の利得に対して、前記ＡＳＥ補正値を加減算した結果が、１波長あたりの入力信号光パワーに従って変化する利得目標値となるように調整され、前記利得目標値は前記１波長あたりの入力信号光パワーの演算によって取得されることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光増幅器であって、前記１波長あたりの入力信号光パワーは、信号光波長数と前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値との演算によって取得されることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の光増幅器であって、前記第１段の光増幅部の前段に、監視波長の光と信号光とを分波する分波器が挿入され、フォトダイオードが前記分波器に接続されるように構成された、監視波長の光パワーを検出するための監視波長光パワー検出手段をさらに備え、前記１波長あたりの入力信号光パワーは、前記監視波長光パワー検出手段によって検出された監視波長の光パワーから取得されることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４に記載の光増幅器であって、前記ＡＳＥ補正値は、前記光増幅器が発生する第１のＡＳＥの補正値と前記光増幅器より上流側の光増幅器が発生する第２のＡＳＥの補正値との演算によって取得されることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光増幅器であって、前記第１のＡＳＥの補正値は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワーに従って変化することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の光増幅器であって、前記第１のＡＳＥの補正値は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー３ｄＢ毎に前記制御手段に事前に記憶されていることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７に記載の光増幅器であって、前記制御手段は、前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流の比が一定となるように、前記駆動電流を制御することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８に記載の光増幅器であって、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値が所定の入力信号光パワー値以下の場合に、前記各増幅部の半導体レーザへの駆動電流比が一定である制御と、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値が前記所定の入力信号光パワー値により大きい場合に、前記各増幅部の利得の波長依存性を平坦にする制御とを切り替えることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９に記載の光増幅器であって、前記制御手段は、前記制御による前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流に、予め決めた固定値の第１のフィードフォワード駆動電流と、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワーに従って変化する第２のフィードフォワード駆動電流とを付加することを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の光増幅器であって、前記制御手段は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワーの変化速度が所定の変化速度値を超えたという条件で、前記付加を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明の光増幅器によれば、各光増幅部および光可変減衰器などに対して適切な制御を行うので、光伝送システムのスパンロスの変動や入力波長数の変化により入力信号光パワーの変化があっても、低雑音性を実現しながら利得の波長依存性を平坦に維持できると共に、利得の急激な変化を抑圧するという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による光増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図２】光増幅器自身で発生するＡＳＥの補正値の誤差の、入力信号光パワー間隔に対する依存性を示す図である。
【図３】本発明による、監視波を用いた光増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図４】光可変減衰器の減衰量制御時の利得目標値の変化の様子を示す概念図である。
【図５】駆動電流比一定制御における半導体レーザの駆動電流の制御方法を示す概念図である。
【図６】（ａ）は駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御との１段目光増幅部利得の波長依存性を模式的に示す図であり、（ｂ）は駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御との２段目光増幅部利得の波長依存性を模式的に示す図である。
【図７】駆動電流比一定制御及び光増幅部平坦利得制御の雑音指数を比較する図である。
【図８】駆動電流比一定制御及び光増幅部平坦利得制御の励起光パワーを比較する図である。
【図９】駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御を切り替える制御法における励起光パワーを示す図である。
【図１０】駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御を切り替える制御法における雑音指数を示す図である。
【図１１】フィードフォワード駆動電流において入力信号光パワーに比例する駆動電流を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は本発明による光増幅器の構成例を示すブロック図である。光増幅器１００は、１段目の光増幅部１００ａと、光可変減衰器１１０と、利得等化フィルタ１１１と、２段目の光増幅部１００ｂとが順次に接続されている。また、この光増幅器１００は、１段目および２段目の光増幅部における励起半導体レーザの駆動電流と光可変減衰器１１０の減衰量とを制御する制御器１１２をさらに備える。
【００２２】
１段目の光増幅部１００ａにおいて、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、信号光と励起光を合波する合波器１０３ａと、増幅媒体とする、コアにエルビウムが添加されたエルビウム添加ファイバ１０４ａ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１０５ａとが順次に接続されている。また、エルビウム添加ファイバ１０４ａへの励起光を発生させる励起光源とする半導体レーザ１０８ａが、合波器１０３ａに接続されている。加えて、光パワー検出値を制御器１１２に提供するために、１段目の光増幅部１００ａの入出力側にそれぞれ、光パワーの一部を分岐する分岐器１０１ａ、１０６ａが挿入されており、さらに、光パワーを検出するフォトダイオード１０７ａ、１０９ａが分岐器１０１ａ、１０６ａに接続されている。２段目の光増幅部１００ｂは、１段目の光増幅部１００ａと同様な構造としている。
【００２３】
この構成例では、２つの光増幅部を有する光増幅器の構造を示したが、光増幅器は３つ以上の光増幅部を備えて、各光増幅部間に光可変減衰器および利得等化フィルタを備えることもできる。
【００２４】
図１において、入力した信号光（複数波長が多重化されたＷＤＭ信号光）は、まず１段目の光増幅部１００ａで増幅された後、光可変減衰器１１０で減衰を受け、さらに利得等化フィルタ１１１を透過してその複数波長間の利得のばらつきが一定値以下に揃えられた後、２段目の光増幅部１００ｂで増幅されて出力される。ここで、光可変減衰器１１０は、１波長あたりの入力信号光パワーに変化があった場合に、その変化量を補償するだけ減衰量を変化させることができる。それにより、後段の利得等化フィルタ１１１が入力信号光パワーの変化の影響を受けないように利得等化を行うことができる。従って、さらに後段の光増幅部１００ｂで増幅されて出力される１波長あたりの出力信号光パワーは、１波長あたりの入力信号光パワーの変化に関わらず常に一定の値（制御誤差を含めると一定の範囲）となる。
【００２５】
光増幅器１００における制御器１１２は、各フォトダイオードで検出した光パワーに基づいて演算を実施し、その演算結果に基づいて励起光源である半導体レーザの駆動電流を調整するように機能する。以下に制御器１１２の動作を説明する。
【００２６】
入力された各光増幅部の入出力パワー検出値は制御器１１２において対数変換される。すなわち、それぞれ１段目の増幅入力側はＰ1、１段目の増幅出力側はＰ4、２段目の増幅入力側はＰ3、２段目の増幅出力側はＰ2と変換される。或いは、各フォトダイオードにおける検出値（電流値）を光電変換後、ＬＯＧアンプで増幅することにより、同様の対数値を得ることもできる。
【００２７】
制御器１１２は、１段目光増幅部の利得（Ｐ4−Ｐ1）と２段目光増幅部の利得（Ｐ2−Ｐ3）との合計値に対して、ＡＳＥ補正値を加減算した結果が一定となるように、すなわち、
【００２８】
【数１】
【００２９】
が成り立つように、１段目の光増幅部１００ａにおける半導体レーザ１０８ａの駆動電流Ｉ1、及び２段目の光増幅部１００ｂにおける半導体レーザ１０８ｂの駆動電流Ｉ2を制御する。ここで、Ｇagcは予め決めた固定の目標値である。前述のように、光可変減衰器は入力信号光パワーの変化量を補償するように減衰量が制御されるので、各光増幅部の励起半導体レーザを制御する際には入力信号光パワーの変化量を考慮する必要がなくなる。また、
【００３０】
【数２】
【００３１】
は、ＡＳＥ補正値である。ここで、
【００３２】
【数３】
【００３３】
は、複数の光増幅器を用いた多中継光伝送システムに光増幅器を使用する場合に、自身より上流側の光増幅器で発生するＡＳＥに対する固定の補正値である。なお、
【００３４】
【数４】
【００３５】
は、光増幅器で発生するＡＳＥに対する補正値であり、その値が入力信号光のパワーＰ1に従って変化するので、Ｐ1の関数として表示される。
【００３６】
式（４）の値は、入力信号光パワーＰ1に従って変化するので、事前に一定の入力信号光パワーの間隔で計測して、制御器１１２内の記憶回路にテーブルとして保存しておく。それにより、制御器が入力信号光パワーの検出結果に従って保存したテーブルから式（４）の値を取得することができる。
【００３７】
式（４）の誤差が大きくなると光増幅器制御誤差が大きくなるので、テーブル化に用いられる入力信号光パワーの間隔が入力信号光パワー検出精度（通常０．１ｄＢ程度）以下で式（４）の誤差が無いことが求められる。しかしながら、式（４）の誤差をなくすためには入力信号光パワー０．１ｄＢ毎に式（４）の値を制御器内の記憶回路にテーブル化すると、記憶回路の規模が大きくなる問題がある。従って、テーブル化に用いられる入力信号光パワーの間隔を広くする必要がある。
【００３８】
図２に入力信号光パワーの間隔に対する式（４）の誤差の依存性を示す。利得制御の検出精度も入力信号光パワー検出精度程度（通常０．１ｄＢ程度）であるので、式（４）の誤差は０．１ｄＢ以下に抑制する必要がある。図２から、入力信号光パワー間隔が３．８ｄＢ以下であれば、式（４）の誤差は０．１ｄＢ以下に抑制することができる。通常、入力信号光パワー間隔は整数であると演算などに都合が良い場合が多いため、入力信号光パワー間隔３ｄＢ以下で式（４）の値を記憶回路にテーブル化し、補間演算により所望の入力信号光パワーに対する式（４）の値を得ることが好ましい。一方で、制御器内の記憶回路規模が十分大きくて入力信号光パワー０．１ｄＢ毎にテーブル化できる場合も、式（４）の値を計測する際に入力信号光パワー間隔３ｄＢ以下で行うことにより、計測を簡略化することができる。
【００３９】
なお、光可変減衰器１１０の減衰量は、光増幅器全体の利得（Ｐ2−Ｐ1）に対して、ＡＳＥ補正値を加減算した結果が、１波長あたりの入力信号光パワーに従って変化する利得目標値となるように、すなわち、
【００４０】
【数５】
【００４１】
を満たすように制御器１１２によって制御することができる。ここで、式（５）の左辺は、光可変減衰器の減衰量を含む、自身及び上流側で発生するＡＳＥを補正した光増幅器全体の利得である。また、右辺の
【００４２】
【数６】
【００４３】
は、１波長あたりの入力信号光パワーに従って変化する利得目標値であり、
【００４４】
【数７】
【００４５】
は、１波長あたりの入力信号光パワーである。光増幅器全体の利得目標値が１波長あたりの入力信号光パワーに従って変化するのは、１波長あたりの出力信号光パワーを一定に保つために１波長あたりの入力信号光パワーの変化量を補償するためである。その補償は、光可変減衰器の減衰量を制御することにより行う。
【００４６】
さらに、式（１）とともに、式（５）について説明する。式（５）−式（１）から、
【００４７】
【数８】
【００４８】
となる。式（８）の左辺の（Ｐ3−Ｐ4）は、利得等化フィルタ１１１から出力される信号光パワーの値と、光可変減衰器１１０に入力される信号光パワーの値との差である。すなわち、光可変減衰器１１０の減衰量と、利得等化フィルタ１１１による信号光パワーの増減値との和である。利得等化フィルタ１１１は所定の利得等化を行い、それによる信号光パワーの増減値が固定値であるので、（Ｐ3−Ｐ4）の変化は光可変減衰器１１０の減衰量の変化に相当する。式（８）の右辺第２項が固定値であるので、式（８）の右辺の変化は第１項の変化に相当し、すなわち、１波長あたりの入力信号光パワーに従って変化する。従って、式（８）は、１波長あたりの入力信号光パワーが大きく（小さく）なった場合、光可変減衰器の減衰量をその分だけ大きく（小さく）することを示している。すなわち、光可変減衰器は入力信号光パワーの変化量を補償するように減衰量が制御される。
【００４９】
式（７）に示される１波長あたりの入力信号光パワーは、制御器がオペレーションシステムから波長数情報Ｎchを取得し、さらに
【００５０】
【数９】
【００５１】
から取得することができる。
【００５２】
或いは、光増幅器の入力側の伝送ファイバ損失に変化があった場合に、信号光と波長の異なる監視信号光を用いることより、１波長あたりの入力信号光パワーの変化を制御器に提供することもできる。図３に監視波を用いた光増幅器の構成例を示す。光増幅器３００は、図１の光増幅器１００において、１段目の光増幅部の前段に監視信号光と信号光を分波する分波器３１３が挿入されおり、さらに、フォトダイオード３１４が分波器３１３に接続されている。図３において、監視信号光は、分波器３１３を介してフォトダイオード３１４に入力され、フォトダイオード３１４によって検出された監視波長の光パワー値が制御器に提供される。監視波長光パワーの変化は１波長あたりの入力信号光パワーの変化と等しくなるので、監視波長光パワー検出値Ｐ5を利用して、光増幅器全体の利得目標値はＧalc（Ｐ5）とすることができる。図４は、光可変減衰器の減衰量制御時の利得目標値の変化の様子を示す概念図である。図４に示されるように、光増幅器全体の利得目標値は、１波長あたりの入力信号光パワーまたは監視波長光パワー（いずれもｄＢｍ単位換算）に対して、比例（負の比例係数）する値となる。
【００５３】
前述のように、１段目光増幅部の利得と２段目光増幅部の利得との合計値は式（１）を満たすように光増幅部の半導体レーザの駆動電流を制御する。それに加えて、１段目光増幅部と２段目光増幅部との間にもう１つの制約条件を設けて、光増幅部の半導体レーザの駆動電流をさらに制御し、その制約条件によって異なる制御方法となる。
【００５４】
図５は、駆動電流比一定制御における半導体レーザの駆動電流の制御方法を示す概念図である。Ｉ1は１段目光増幅部の半導体レーザの駆動電流であり、Ｉ2は２段目光増幅部の半導体レーザの駆動電流である。図５に示されるように、それぞれの半導体レーザの駆動電流リミット以下では、Ｉ1／Ｉ2が一定となるように制御される。それで、このような制御方法を駆動電流比一定制御と呼ぶ。一方で、１段目の光増幅部の半導体レーザの駆動電流Ｉ1、及び２段目の光増幅部の半導体レーザの駆動電流Ｉ2の制御方法としては、それぞれの光増幅部で利得一定となるように、すなわち、各光増幅部は利得平坦な増幅状態になるようにＩ1及びＩ2を制御する（以下、光増幅部平坦利得制御と呼ぶ）方法もある。以下に説明するように、駆動電流比一定制御の方が利点がある。
【００５５】
図６ａ、ｂに、駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御との各光増幅部利得の波長依存性を模式的に示している。ここで、駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御とで最大入力信号光パワーのときの駆動電流比Ｒ＝Ｉ1／Ｉ2を同じとした。最大入力信号光パワーのとき、駆動電流比一定制御は光増幅部平坦利得制御と同じように、１段目の光増幅部及び２段目の光増幅部共に利得は波長に対して平坦な特性（平坦利得）となる（点線で示している利得曲線）。入力信号光パワーが最大値より小さくなると、光増幅部平坦利得制御では、１段目の光増幅部及び２段目の光増幅部共に利得は点線の利得曲線のまま変化しない。一方、駆動電流比一定制御では、実線の利得曲線で示されるように、１段目の光増幅部利得は増大（特に短波長側で大きく増大）し、２段目の光増幅部利得は減少（特に短波長側で大きく減少）する。しかしながら、結果として両者を合わせて平坦な利得特性が得られる。これは、駆動電流比一定のため、入力信号光パワーが低下したときに１段目の光増幅部では励起光パワーが過剰状態となる一方、２段目の光増幅部では励起光パワーが不足状態となるためである。
【００５６】
入力信号光パワーが最大値より小さいときの駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御との雑音指数を比較すると、図７に示されるように、駆動電流比一定制御の方が小さく、低雑音となる。１段目の光増幅部の利得、雑音指数をそれぞれＧ1、ＮＦ1、２段目の光増幅部の雑音指数をＮＦ2、光可変減衰器の減衰量を含む１段目の光増幅部と２段目の光増幅部間の透過率をＬとすると、光増幅器の雑音指数ＮＦは
【００５７】
【数１０】
【００５８】
と表される。駆動電流比一定制御では、入力信号光パワーが小さくなると１段目の光増幅部利得Ｇ1が大きくなり、その結果、雑音指数ＮＦが小さくなる。
【００５９】
一方で、入力信号光パワーが最大値より小さいときの駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御との励起光パワーを比較すると、図８に示されるように、駆動電流比一定制御の方が励起光パワーが大きくなる。しかしながら、光増幅器には最大入力信号光パワーのときに必要な励起光パワーを発生する半導体レーザを搭載しているので、それ以下の励起光パワーであれば問題なく発生させることができる。従って、駆動電流比一定制御では光増幅部平坦利得制御に比べて励起光パワーが大きくなることは問題とはならない。
【００６０】
ただし、入力信号光パワーが小さいときの励起光パワーを下げる必要がある場合は、励起光パワーが駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御とで同じになる入力信号光パワーを最大値から小さくすることにより、励起光パワーを下げることができる。図９において、その入力信号光パワーを
【００６１】
【数１１】
【００６２】
で示している。式（１１）の入力信号光パワーは、駆動電流比一定制御の励起光パワー曲線と光増幅部平坦利得制御の励起光パワー曲線との交点の入力信号光パワーであるので、以下、交点入力信号光パワーと呼ぶ。また、図９の太線で示されるように、入力信号光パワーが交点入力信号光パワー以下では駆動電流比一定制御、交点入力信号光パワーより大きいときは光増幅部平坦利得制御に切り替えるようにする。それにより、低雑音性を得ることができる。この切替方式の雑音指数を図１０において太線で示している。交点入力信号光パワーが最大値より小さい図９を、駆動電流比一定制御と光増幅部平坦利得制御とで最大入力信号光パワーのときの駆動電流比を同じとした、すなわち交点入力信号光パワーが最大値である図８と比較すると、交点入力信号光パワーを最大値から小さくすることにより、駆動電流比一定制御の励起光パワーを下げることができることがわかる。図１０に示されるように、入力信号光パワーが交点入力信号光パワー以下では、駆動電流比一定制御の方が雑音指数が小さく、入力信号光パワーが交点入力信号光パワーより大きいとき、光増幅部平坦利得制御の方が雑音指数が小さい。従って、上記の切替方式により、低雑音性を得ることができる。なお、交点入力信号光パワーの値は、所望の励起光パワー特性と所望の雑音指数特性とに基づいて事前に決定することができる。
【００６３】
前述のように、制御器は、式（１）及び式（２）の演算によってフィードバック制御を行う。それに加えて、信号波長数が急激に変化したときに入力信号光パワーが急変する場合、例えば、入力信号光パワー変化速度が±１０ｄＢ/μs以上となる場合に、制御器は、フィードフォワードの駆動電流値ＩFをフィードバック制御の駆動電流に付加することができる。フィードフォワードの駆動電流値ＩFは、
【００６４】
【数１２】
【００６５】
と表され、ここで、
【００６６】
【数１３】
【００６７】
は、予め決めた固定値のフィードフォワード駆動電流値であり、
【００６８】
【数１４】
【００６９】
は、光パワー検出手段によって検出される入力信号光パワーに応じて変化するフィードフォワード駆動電流値であり、図１１に示されるように入力信号光パワーに比例する。
【００７０】
このフィードフォワード制御をフィードバック制御に付加することにより、信号波長数が最大９６波から１波に急激に減少したときに、出力信号光パワー（入力が変化しなかった１波の出力信号光パワー）の変動を０．２ｄＢに抑圧することができる。それにより、フィードバック制御のみの１．５ｄＢに比べ、出力信号光パワー変動を小さくする効果がみられた。
【００７１】
以上説明したように、本発明の光増幅器は、光伝送システムのスパンロスの変動や入力波長数の変化により入力信号光パワーの変化があっても、低雑音性を実現しながら利得の波長依存性を平坦に維持できると共に、利得の急激な変化を抑圧するという利点を有する。
【符号の説明】
【００７２】
１００、３００ 光増幅器
１００ａ、３００ａ １段目光増幅部
１００ｂ、３００ｂ ２段目光増幅部
１０１ａ、１０６ａ、１０１ｂ、１０６ｂ、３０１ａ、３０６ａ、３０１ｂ、３０６ｂ 分岐器
１０２ａ、１０５ａ、１０２ｂ、１０５ｂ、３０２ａ、３０５ａ、３０２ｂ、３０５ｂ 光アイソレータ
１０３ａ、１０３ｂ、３０３ａ、３０３ｂ 合波器
１０４ａ、１０４ｂ、３０４ａ、３０４ｂ エルビウム添加ファイバ
１０７ａ、１０９ａ、１０７ｂ、１０９ｂ、３０７ａ、３０９ａ、３０７ｂ、３０９ｂ、３１４ フォトダイオード
１０８ａ、１０８ｂ、３０８ａ、３０８ｂ 半導体レーザ
１１０、３１０ 光可変減衰器
１１１、３１１ 利得等化フィルタ
１１２、３１２ 制御器
３１３ 分波器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光が増幅されるエルビウム添加ファイバと、前記エルビウム添加ファイバへの励起光を発生する半導体レーザと、前記信号光と前記励起光を合波する合波器と、前記エルビウム添加ファイバの入力信号光パワーおよび出力信号光パワーを検出する光パワー検出手段とを含む光増幅部を２つ以上備え、
前記光パワー検出手段の検出結果に基づいて、各光増幅部の出力信号光パワー検出値と入力信号光パワー検出値との差である各光増幅部の利得の合計値に対して、増幅自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）補正値を加減算した結果が予め決めた固定の目標値となるように、前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流を制御するように構成された制御手段をさらに備えることを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
前記２つ以上の光増幅部のうち少なくとも１つの光増幅部において、前記合波器の前段および／または前記エルビウム添加ファイバの後段に光アイソレータをさらに備え、
前記２つ以上の光増幅部の間に、前記光増幅器に入力される信号光のパワーの変化を補償するように減衰量が調整されて信号光の減衰を行う光可変減衰器と、前記光可変減衰器で減衰を受けた信号光に対して利得等化を行う利得等化フィルタとをさらに備え、
前記制御手段は、前記光可変減衰器の減衰量を調整するようにさらに構成され、前記減衰量は、前記光パワー検出手段の検出結果に基づいて、最終段の光増幅部の出力信号光パワー検出値と第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値との差である、前記減衰量を含む前記光増幅器全体の利得に対して、前記ＡＳＥ補正値を加減算した結果が、１波長あたりの入力信号光パワーに従って変化する利得目標値となるように調整され、前記利得目標値は前記１波長あたりの入力信号光パワーの演算によって取得されることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
【請求項３】
前記１波長あたりの入力信号光パワーは、信号光波長数と前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値との演算によって取得されることを特徴とする請求項２に記載の光増幅器。
【請求項４】
前記第１段の光増幅部の前段に、監視波長の光と信号光とを分波する分波器が挿入され、フォトダイオードが前記分波器に接続されるように構成された、監視波長の光パワーを検出するための監視波長光パワー検出手段をさらに備え、
前記１波長あたりの入力信号光パワーは、前記監視波長光パワー検出手段によって検出された監視波長の光パワーから取得されることを特徴とする請求項２に記載の光増幅器。
【請求項５】
前記ＡＳＥ補正値は、前記光増幅器が発生する第１のＡＳＥの補正値と前記光増幅器より上流側の光増幅器が発生する第２のＡＳＥの補正値との演算によって取得されることを特徴とする請求項１乃至４に記載の光増幅器。
【請求項６】
前記第１のＡＳＥの補正値は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワーに従って変化することを特徴とする請求項５に記載の光増幅器。
【請求項７】
前記第１のＡＳＥの補正値は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー３ｄＢ毎に前記制御手段に事前に記憶されていることを特徴とする請求項６に記載の光増幅器。
【請求項８】
前記制御手段は、前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流の比が一定となるように、前記駆動電流を制御することを特徴とする請求項１乃至７に記載の光増幅器。
【請求項９】
前記制御手段は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値が所定の入力信号光パワー値以下の場合に、前記各増幅部の半導体レーザへの駆動電流比が一定である制御と、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値が前記所定の入力信号光パワー値により大きい場合に、前記各増幅部の利得の波長依存性を平坦にする制御とを切り替えることを特徴とする請求項１乃至８に記載の光増幅器。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記制御による前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流に、予め決めた固定値の第１のフィードフォワード駆動電流と、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワーに従って変化する第２のフィードフォワード駆動電流とを付加することを特徴とする請求項１乃至９に記載の光増幅器。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワーの変化速度が所定の変化速度値を超えたという条件で、前記付加を行うことを特徴とする請求項１０に記載の光増幅器。
【請求項１】
信号光が増幅されるエルビウム添加ファイバと、前記エルビウム添加ファイバへの励起光を発生する半導体レーザと、前記信号光と前記励起光を合波する合波器と、前記エルビウム添加ファイバの入力信号光パワーおよび出力信号光パワーを検出する光パワー検出手段とを含む光増幅部を２つ以上備え、
前記光パワー検出手段の検出結果に基づいて、各光増幅部の出力信号光パワー検出値と入力信号光パワー検出値との差である各光増幅部の利得の合計値に対して、増幅自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）補正値を加減算した結果が予め決めた固定の目標値となるように、前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流を制御するように構成された制御手段をさらに備えることを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
前記２つ以上の光増幅部のうち少なくとも１つの光増幅部において、前記合波器の前段および／または前記エルビウム添加ファイバの後段に光アイソレータをさらに備え、
前記２つ以上の光増幅部の間に、前記光増幅器に入力される信号光のパワーの変化を補償するように減衰量が調整されて信号光の減衰を行う光可変減衰器と、前記光可変減衰器で減衰を受けた信号光に対して利得等化を行う利得等化フィルタとをさらに備え、
前記制御手段は、前記光可変減衰器の減衰量を調整するようにさらに構成され、前記減衰量は、前記光パワー検出手段の検出結果に基づいて、最終段の光増幅部の出力信号光パワー検出値と第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値との差である、前記減衰量を含む前記光増幅器全体の利得に対して、前記ＡＳＥ補正値を加減算した結果が、１波長あたりの入力信号光パワーに従って変化する利得目標値となるように調整され、前記利得目標値は前記１波長あたりの入力信号光パワーの演算によって取得されることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
【請求項３】
前記１波長あたりの入力信号光パワーは、信号光波長数と前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値との演算によって取得されることを特徴とする請求項２に記載の光増幅器。
【請求項４】
前記第１段の光増幅部の前段に、監視波長の光と信号光とを分波する分波器が挿入され、フォトダイオードが前記分波器に接続されるように構成された、監視波長の光パワーを検出するための監視波長光パワー検出手段をさらに備え、
前記１波長あたりの入力信号光パワーは、前記監視波長光パワー検出手段によって検出された監視波長の光パワーから取得されることを特徴とする請求項２に記載の光増幅器。
【請求項５】
前記ＡＳＥ補正値は、前記光増幅器が発生する第１のＡＳＥの補正値と前記光増幅器より上流側の光増幅器が発生する第２のＡＳＥの補正値との演算によって取得されることを特徴とする請求項１乃至４に記載の光増幅器。
【請求項６】
前記第１のＡＳＥの補正値は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワーに従って変化することを特徴とする請求項５に記載の光増幅器。
【請求項７】
前記第１のＡＳＥの補正値は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー３ｄＢ毎に前記制御手段に事前に記憶されていることを特徴とする請求項６に記載の光増幅器。
【請求項８】
前記制御手段は、前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流の比が一定となるように、前記駆動電流を制御することを特徴とする請求項１乃至７に記載の光増幅器。
【請求項９】
前記制御手段は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値が所定の入力信号光パワー値以下の場合に、前記各増幅部の半導体レーザへの駆動電流比が一定である制御と、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワー検出値が前記所定の入力信号光パワー値により大きい場合に、前記各増幅部の利得の波長依存性を平坦にする制御とを切り替えることを特徴とする請求項１乃至８に記載の光増幅器。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記制御による前記各光増幅部の半導体レーザへの駆動電流に、予め決めた固定値の第１のフィードフォワード駆動電流と、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワーに従って変化する第２のフィードフォワード駆動電流とを付加することを特徴とする請求項１乃至９に記載の光増幅器。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記第１段の光増幅部の入力信号光パワーの変化速度が所定の変化速度値を超えたという条件で、前記付加を行うことを特徴とする請求項１０に記載の光増幅器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１４６７８５（Ｐ２０１２−１４６７８５Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３３０５（Ｐ２０１１−３３０５）
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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