JP5239223B2

JP5239223B2 - 光増幅器

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Publication number: JP5239223B2
Application number: JP2007163391A
Authority: JP
Inventors: 達也續木; 宣文宿南; 裕司田村; 善雄島野; 昌生中田; 貴佐藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: EP2007041B1; US20080316591A1; EP2007041A1; JP2009004526A; US7929201B2

Description

本発明は、波長多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）光伝送システムに用いられる光増幅器に関し、特に、多段に接続された複数の光増幅部を備え、信号光の入力状態に応じて全体利得を可変にする機能をもつ光増幅器に関する。

インターネットや画像伝送サービス等の普及に伴い、ネットワークを介して伝送される情報の量が急速に増加しており、これに対応するためにＷＤＭ光伝送システムの導入が進められてきている。ＷＤＭ光伝送システムは、長距離幹線系から導入が始まったが、波長ルーチング機能を有したＷＤＭ光伝送システムとして、都市内リング網にも導入されるようになってきている。

上記のようなＷＤＭ光伝送システムで用いられる光増幅器については、その性能若しくは特徴として次の（ａ）〜（ｃ）に示す事項が要求される。
（ａ）多種多様な光損失を補償するために、利得可変機能を有すること。
（ｂ）ＷＤＭ光に含まれる全ての光信号を同様に伝送するために、利得の波長依存性がなく、利得変化時にも利得の波長依存性が生じないこと。
（ｃ）エルビウム添加ファイバ（Erbium Doped Fiber：ＥＤＦ）等を光増幅媒体に用いた光増幅器においては、その増幅原理から、光増幅媒体での発生利得を変化させると利得波長特性が変化するので、光増幅媒体での発生利得を一定に保つこと。

図１２は、上記（ａ)〜（ｃ）を満たすように構成された従来の光増幅器の一例を示したブロック図である。この従来の構成例では、固定の利得制御部と可変の光損失一定制御との組合せによって、利得可変機能を有する光増幅器を実現している。具体的には、ＥＤＦ１０１，１０２を用いた２段構成の光増幅部の段間に可変光減衰器（Valuable Optical Attenuator：ＶＯＡ）１３０が配置され、利得制御部１２１により前段のＥＤＦ１０１での発生利得が固定の目標値で一定となるように制御され、また、光損失制御部１４０によりＶＯＡ１３０における光損失が可変の目標値で一定となるように制御され、さらに、利得制御部１２２により後段のＥＤＦ１０２での発生利得が固定の目標値で一定となるように制御されることにより、上記（ａ)〜（ｃ）を満たす利得可変光増幅器が構成されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

また、都市内リング網に導入されてきているような、波長ルーチング機能を有したＷＤＭ光伝送システムでは、長距離幹線系システムと比べてＷＤＭ光の波長数が変更される頻度が高くなる。ＷＤＭ光の波長数が変更されると、光増幅器の信号光入力強度が変化するが、この時にも光増幅媒体での発生利得が変化しないことが光増幅器の性能として求められる。つまり、光増幅器の利得一定制御の高速性（光入力強度変化時の追従性）が要求される。

上記の図１２に示したような従来の光増幅器では、各段のＥＤＦ１０１，１０２に供給される励起光Ｐ₁，Ｐ₂の強度Ｐｐ₁，Ｐｐ₂の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）を光増幅器全体の利得設定値の変化に関係なく一定として各励起光源１１１，１１２の制御が行われることにより、ＶＯＡ１３０の光損失も含めた光増幅器全体での利得一定制御の高速化が図られている。また、利得一定制御の高速性という観点では、各ＥＤＦ１０１，１０２に対応させて利得制御部１２１，１２２を個別に設けるよりも、例えば図１３に示すように各ＥＤＦ１０１，１０２に共通な利得制御部１２０を設けた方が有利である。
特開平８−２４８４５５号公報

ところで、上記のような従来の光増幅器については、次の（Ｉ）（II）の理由により、各ＥＤＦ１０１，１０２での発生利得を適切な範囲に保つ必要がある。
（Ｉ）１段目のＥＤＦ１０１での発生利得が小さくなり過ぎると、光増幅器全体の雑音指数（Noise Figure：ＮＦ）が大きくなり光伝送特性に悪影響を及ぼす。
（II）１段目のＥＤＦ１０１での発生利得が大きくなり過ぎると、図１４の概念図に示すように、光増幅器内で発生する多光路干渉（Multi Pass Interference：ＭＰＩ）が大きくなり、ＥＤＦを１回通過した光Ｓ_OUTと複数回通過した光ＸＴ_OUTのクロストーク（ＭＰＩ−ＸＴ）により信号光の光伝送特性に悪影響を及ぼす。

しかしながら、上記図１３に示したような利得一定制御の高速化に有利な従来の構成では、各ＥＤＦ１０１，１０２での発生利得が直接的にはモニタされず、光増幅器全体の利得一定制御が各ＥＤＦの励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）を一定として行われるため、光増幅器全体の利得設定値が変化した時に各ＥＤＦ１０１，１０２での発生利得も変化してしまう。このため、上記（Ｉ）（II）を考慮して、各ＥＤＦ１０１，１０２での発生利得を適切な範囲に保つことが困難になり、増幅後の信号光の伝送特性に悪影響を及ぼしてしまうという問題点があった。

ここで、上記（Ｉ）（II）の理由について詳しく説明する。まず、前述の図１３の構成例について、次のパラメータを定義する。

Ｐｓ_IN：光増幅器の信号光入力強度
ＮＦ_AMP：光増幅器全体の雑音指数（ＮＦ）
ＭＰＩ_AMP：光増幅器内での多光路干渉（ＭＰＩ）の発生量
Ｐｓ₁，Ｐｓ₂：１，２段目のＥＤＦの信号光入力強度
Ｐｐ₁，Ｐｐ₂：１，２段目の励起光源の出力強度
Ｇ₁，Ｇ₂：１，２段目のＥＤＦでの発生利得
ＮＦ₁，ＮＦ₂：１，２段目のＥＤＦの雑音指数
Ｒｂ₁，Ｒｂ₂：１，２段目のＥＤＦの上流側における反射減衰量
Ｒｆ₁、Ｒｆ₂：１，２段目のＥＤＦの下流側における反射減衰量
Ｌ₁₂：１，２段目のＥＤＦの間における光損失
一般的に、光増幅器の雑音指数ＮＦ_AMPは次の（１）式で表される。

ＮＦ_AMP＝（ＮＦ₁／Ｐｓ₁＋ＮＦ₂／Ｐｓ₂）×Ｐｓ_IN …（１）式
また、１段目のＥＤＦの信号光入力強度Ｐｓ₁と２段目のＥＤＦの信号光入力強度Ｐｓ₂との間には次の（２）式の関係がある。

Ｐｓ₂＝Ｐｓ₁×Ｇ₁／Ｌ₁₂ …（２）
上記（１）式および（２）式より、１段目のＥＤＦでの発生利得Ｇ₁が小さくなると、２段目のＥＤＦの信号光入力強度Ｐｓ₂が小さくなり、光増幅器全体の雑音指数ＮＦ_AMPが大きくなることが分かる。

また、上記図１４に示したような光増幅器内での多光路干渉の発生量ＭＰＩ_AMPは、ＥＤＦ付近の信号光経路が支配的であり、次の（３）式で表すことができる。

ＭＰＩ_AMP＝Ｇ₁ ²／（Ｒｂ₁×Ｒｆ₁）＋Ｇ₂ ²／（Ｒｂ₁×Ｒｆ₁） …（３）
上記（３）式より、１段目のＥＤＦでの発生利得Ｇ₁が大きくなると、光増幅器内でのる多光路干渉の発生量ＭＰＩ_AMPが大きくなることが分かる。

図１５〜図１７は、上記の内容について、各ＥＤＦの励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）を大きく設定した場合と、小さく設定した場合とで具体的に比較した一例である。なお、図中のＧ_SETは、光増幅器全体に対する利得設定値を表している。

図１５に示すように、励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）を大きく設定した場合には、光増幅器全体の利得設定値Ｇ_SETとして３０ｄＢのような比較的大きな値が設定されると、１段目のＥＤＦの利得Ｇ₁が２５ｄＢと大きくなる。この状態は、図１７の実線Ａに示す関係において横軸の利得設定値Ｇ_SETを大きくした領域ａに対応しており、ＭＰＩ−ＸＴの許容範囲の上限レベル（破線）を超えた上記（II）に相当する状態となる。なお、図１７の上段は、利得設定値Ｇ_SETに対する励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）の関係を示し、図１７の下段は、利得設定値Ｇ_SETに対する１段目のＥＤＦでの発生利得Ｇ₁の関係を示している。

また、図１６に示すように、励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）を小さく設定した場合には、光増幅器全体の利得設定値Ｇ_SETとして１５ｄＢのような比較的小さな値が設定されると、２段目のＥＤＦへの信号光入力強度Ｐｓ₂が−２０ｄＢｍと小さくなる。この状態は、図１７の実線Ｂに示す関係において横軸の利得設定値Ｇ_SETを小さくした領域ｂに対応しており、ＮＦ劣化の許容範囲の下限レベル（１点鎖線）に達していない上記（Ｉ）に相当する状態となる。

なお、上記のような光増幅器におけるＭＰＩ−ＸＴの抑圧に関しては、例えば国際公開第０３／０８４００７号パンフレットにおいて、段間のＶＯＡの減衰量に応じて出力側反射減衰量が低減されＭＰＩ−ＸＴを改善できることが示されている。しかしながら、この従来技術では、各段の光増幅媒体に与えられる励起光強度の比率（各段の光増幅媒体での発生利得）と、ＭＰＩ−ＸＴやＮＦ劣化との関係についてまでは検討されておらず、前述したような各ＥＤＦでの発生利得を適切な範囲に保つという課題を解決することは難しい。

本発明は上記の点に着目してなされたもので、多段構成の光増幅部を一括して利得一定制御すると共に、段間の可変光減衰部を用いて全体利得を可変とした構成について、ＭＰＩ−ＸＴおよびＮＦ劣化による光伝送特性への悪影響を回避することが可能な光増幅器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の光増幅器は、信号光が入力される光入力ポートおよび信号光が出力される光出力ポートと、光増幅媒体および該光増幅媒体を励起する励起光源をそれぞれ有し、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの間に直列に接続された複数の光増幅部と、前記各光増幅部の間の光路上に挿入された少なくとも１つの可変光減衰部と、前記各光増幅部での発生利得の和が一定となるように、前記各光増幅部の励起光強度を制御する利得制御部と、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの間で得られる信号光の全体利得が、前記光入力ポートに入力される信号光の状態に応じて設定される利得設定値で一定となるように、前記可変光減衰部における光損失を制御する光損失制御部と、を備えた光増幅器であって、前記利得制御部は、２段目以降の前記各光増幅部の励起光強度に対する１段目の前記光増幅部の励起光強度の比率が、前記利得設定値の増大につれて小さくなると共に、当該励起光強度の比率が、信号光の増幅特性に基づいて定めた第１の閾値以下で、かつ、第２の閾値以上となるように、前記各光増幅部の励起光強度を制御する構成としたことを特徴とする。

また、前記利得制御部は、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの間で発生する多光路干渉の許容範囲の上限レベルを前記第１の閾値とするのがよく、さらに、前記各光増幅部の雑音指数劣化の許容範囲の下限レベルを前記第２の閾値とするのが好ましい。

上記のような構成の光増幅器によれば、従来技術のように各光増幅部での発生利得を直接モニタして各々の光増幅部毎に利得一定制御を行わなくても、２段目以降の前記各光増幅部の励起光強度に対する１段目の光増幅部の励起光強度の比率を利得設定値に応じて最適化しながら、光増幅器全体の利得一定制御を高速に行うようにしたことで、利得設定値が変化した時でも各光増幅部での発生利得を適切な範囲に保つことができ、ＭＰＩ−ＸＴやＮＦ劣化による光伝送特性への悪影響を回避することが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。

図１は、本発明の第１実施形態による光増幅器の構成を示すブロック図である。

図１において、本実施形態の光増幅器は、例えば、光入力ポートＩＮおよび光出力ポートＯＵＴの間に直列に接続された２段の光増幅部１，２と、該光増幅部１，２の間の光路上に挿入された配置された可変光減衰器（ＶＯＡ）５と、を備える。また、この光増幅器は、可変光減衰器５の減衰量を含めた光増幅器全体の利得が、外部より指示される利得設定値Ｇ_SETで一定となるように、各光増幅部１，２における励起光強度の比率を上記利得設定値Ｇ_SETに応じて変化させながら各光増幅部１，２を制御する利得制御部４０と、可変光減衰器５における光損失が上記利得設定値Ｇ_SETに対応した目標値で一定となるように可変光減衰器５を制御する光損失制御部５０と、を備える。

さらに、ここでは、光入力ポートＩＮ、１段目の光増幅部１、可変光減衰器５、２段目の光増幅部２および光出力ポートＯＵＴの間に光アイソレータ７がそれぞれ配置されると共に、１段目の光増幅部１および可変光減衰器５の間には各光増幅部１，２における利得の波長依存性を等化するための利得等化器（ＧＥＱ）８が設けられている。なお、各光アイソレータ７および利得等化器８は、必要に応じて適宜に設ければよく、省略することも可能である。

１段目および２段目の光増幅部１，２は、それぞれ、エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）１１，２１、励起光源（ＬＤ）１２，２２およびＷＤＭカプラ１３，２３を有し、励起光源１２，２２から出力される励起光Ｐ₁，Ｐ₂がＷＤＭカプラ１３，２３で信号光Ｓと合波されてＥＤＦ１１，２１に供給される構成である。各励起光源１２，２２から出力される励起光Ｐ₁，Ｐ₂の強度Ｐｐ₁，Ｐｐ₂は、利得制御部４０から各励起光源１２，２２に伝えられる制御信号に従って可変制御される。

なお、ここでは光増幅媒体としてＥＤＦを用いる一例を示したが、エルビウム以外の希土類が添加された光ファイバを光増幅媒体として使用してもよい。本発明は、利得設定が変化すると波長特性が変わる増幅特性をもつ光増幅媒体を用いた光増幅器に対して有効である。また、ＥＤＦに対して信号光および励起光が同方向に与えられる前方励起型の構成例を示したが、本発明はこれに限らず、ＥＤＦに対して信号光および励起光が逆方向に与えられる後方励起型、または、前方励起および後方励起を組み合わせた双方向励起型の構成にも適用可能である。

利得制御部４０には、図示を省略した外部インターフェース部を介して利得設定値Ｇ_SETに関する情報が与えられると共に、光入力ポートＩＮおよびＷＤＭカプラ１３の間の光路上に挿入された光分岐カプラ４１および該光分岐カプラ４１の分岐ポートに接続された光検出器（ＰＤ）４２を用いて、光入力ポートＩＮから１段目の光増幅部１に入力される信号光Ｓの強度Ｐｓ_INをモニタした結果と、ＥＤＦ２１および光出力ポートＯＵＴの間の光路上に挿入された光分岐カプラ４３および該光分岐カプラ４３の分岐ポートに接続された光検出器（ＰＤ）４４を用いて、２段目の光増幅部２から光出力ポートＯＵＴに出力される信号光Ｓの強度Ｐｓ_OUTをモニタした結果と、が与えられる。この利得制御部４０は、後で詳しく説明するように、外部から指示される利得設定値Ｇ_SETに応じて、１段目の光増幅部１の励起光源１２から出力される励起光Ｐ₁の強度Ｐｐ₁と２段目の光増幅部２の励起光源２２から出力される励起光Ｐ₂の強度Ｐｐ₂との比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）を決定し、信号光入力強度Ｐｓ_INおよび信号光出力強度Ｐｓ_OUTのモニタ値を用いて算出した光増幅器全体の利得Ｇ_AMPが上記利得設定値Ｇ_SETで一定となるように、各励起光源１２，２２の出力強度Ｐｐ₁，Ｐｐ₂を上記比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）に従って制御する。

可変光減衰器５は、１段目のＥＤＦ１１で増幅され光アイソレータ７および利得等化器８を通過した信号光Ｓが入力され、光損失制御部５０により制御される可変の減衰量に従って信号光Ｓに損失を与え、該信号光Ｓを光アイソレータ７およびＷＤＭカプラ２３を介して２段目のＥＤＦ２１に出力する。

光損失制御部５０には、利得制御部４０を介して利得設定値Ｇ_SETが伝えられると共に、可変光減衰器５の入力端に挿入された光分岐カプラ５１および該光分岐カプラ５１の分岐ポートに接続された光検出器（ＰＤ）５２を用いて、可変光減衰器５に入力される信号光Ｓの強度をモニタした結果と、可変光減衰器５の出力端に挿入された光分岐カプラ５３および該光分岐カプラ５３の分岐ポートに接続された光検出器（ＰＤ）５４を用いて、可変光減衰器５から出力される信号光Ｓの強度をモニタした結果と、が与えられる。この光損失制御部５０は、利得設定値Ｇ_SETに応じて、可変光減衰器５における光損失の目標値を決定し、各光検出器５２，５４から出力される信号光強度のモニタ値を用いて算出した可変光減衰器５における光損失が上記目標値で一定となるように、可変光減衰器５の減衰量を制御する。

なお、ここでは、可変光減衰器５に対して入出力される信号光の強度をモニタして可変光減衰器５における光損失を制御する構成例を示したが、光分岐カプラ５１，５３および光検出器５２，５４を省略し、可変光減衰器５の減衰量を光損失の目標値に対応した所定値に直接制御するようにしても構わない。

次に、第１実施形態の動作について説明する。

上記のような構成の光増幅器では、１段目および２段目の光増幅部１，２の各励起光源１２，２２から出力される励起光Ｐ₁，Ｐ₂の強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）を利得設定値Ｇ_SETに応じて変化させる、具体的には、利得設定値Ｇ_SETが大きくなるにつれて、励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）が小さくなるようにすることによって、利得設定値Ｇ_SETが変化しても各光増幅部１，２のＥＤＦ１１，２１での発生利得が適切な範囲に保たれるようにしている。

図２は、第１実施形態の光増幅器について、異なる利得設定値Ｇ_SET（ここでは、例えば３０ｄＢと１５ｄＢを想定する）に対応したレベルダイヤの一例である。この例に示すように、本光増幅器では、利得設定値Ｇ_SETの変化に関係なく各ＥＤＦ１１，２１での発生利得Ｇ₁，Ｇ₂が一定（ここでは１５ｄＢ）に保たれ、可変光減衰器５での光損失Ｌ₁₂を変化させることにより利得設定値Ｇ_SETの変化が補償される。

ここで、各ＥＤＦ１１，２１での発生利得Ｇ₁，Ｇ₂が一定に保たれるようにするための条件をＥＤＦの基本的な増幅特性に基づいて詳しく説明する。

ＥＤＦを用いて信号光を増幅する場合、基本的な増幅特性として、ＥＤＦの信号光入力強度、励起光強度および発生利得の間には図３に示すような線形性があることが知られている。このようなＥＤＦ増幅特性の線形性に着目すると、ＥＤＦ１１，２１それぞれについて発生利得Ｇ₁，Ｇ₂が一定に保たれるための信号光入力強度Ｐｓ₁，Ｐｓ₂および励起光強度Ｐｐ₁，Ｐｐ₂の条件は、次の（４）式および（５）式で表すことができる。

Ｐｐ₁＝ａ₁×Ｐｓ₁＋ｂ₁ …（４）
Ｐｐ₂＝ａ₂×Ｐｓ₂＋ｂ₂ …（５）
ただし、ａ₁，ａ₂，ｂ₁，ｂ₂は比例定数であり固定値である。

また、１段目のＥＤＦ１１の信号光入力強度Ｐｓ₁と２段目のＥＤＦ２１の信号光入力強度Ｐｓ₂との間には、前述した（２）式の関係が成り立ち、それを変形することで次の（６）式が得られる。

Ｐｓ₁／Ｐｓ₂＝Ｌ₁₂／Ｇ₁ …（６）
さらに、１，２段目のＥＤＦの間における光損失Ｌ₁₂は、利得設定値Ｇ_SETの最大値をＧ_MAXとして、次の（７）式で表すことができる。

Ｌ₁₂＝Ｇ_MAX／Ｇ_SET …（７）
上記（４）〜（７）式を整理することにより、１段目の励起光源１２の出力強度Ｐｐ₁と２段目の励起光源２２の出力強度Ｐｐ₂との関係を次の（８）式で記述することが可能である。

（Ｐｐ₁−ｂ₁）／（Ｐｐ₂−ｂ₂）＝ａ／Ｇ_SET …（８）
ただし、ａは定数で、ａ＝（ａ₁／ａ₂）×（Ｇ_MAX／Ｇ₁）としている。

したがって、上記（８）式の各定数ａ，ｂ₁，ｂ₂を、光増幅器の光回路構成やＥＤＦの増幅特性に基づき、ＭＰＩ−ＸＴおよびＮＦ劣化の許容範囲を考慮して適切に設定することにより、当該（８）式の関係に従って、光増幅器全体の利得設定値Ｇ_SETに対応した励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）を算出することができる。

図４は、第１実施形態の光増幅器における励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）と利得設定値Ｇ_SETとの関係の一例を示したものである。また、図５は、第１実施形態の光増幅器における１段目のＥＤＦ１１での発生利得Ｇ₁と利得設定値Ｇ_SETとの関係の一例を示したものである。

図４に示すように、励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）は、上記（８）式の関係に従い、利得設定値Ｇ_SETが大きくなるにつれて小さくなると共に、ＭＰＩ−ＸＴの許容範囲の上限レベル（第１の閾値、破線）以下で、ＮＦ劣化の許容範囲の下限レベル（第２の閾値、１点鎖線）以上となるように設定される。このように利得設定値Ｇ_SETに応じて最適化した励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）に従って、利得制御部４０により光増幅器全体の利得一定制御を行うことで、１段目のＥＤＦ１１での発生利得Ｇ₁は、図５に示すように、利得設定値Ｇ_SETの変化に関係なく、ＭＰＩ−ＸＴおよびＮＦ劣化の許容範囲（斜線部分）内で一定となる。また、２段目のＥＤＦ２１での発生利得Ｇ₂についても、利得設定値Ｇ_SETの変化が可変光減衰器５における光損失Ｌ₁₂の制御により補償されるため、利得設定値Ｇ_SETの変化に関係なく、ＭＰＩ−ＸＴおよびＮＦ劣化の許容範囲内で一定となる。

よって、第１実施形態の光増幅器によれば、利得設定値Ｇ_SETの変化時においても、各ＥＤＦ１１，２１での発生利得Ｇ₁，Ｇ₂を適切な範囲に保ちながら光増幅器全体の利得一定制御を高速に行うことができ、ＭＰＩ−ＸＴやＮＦ劣化による光伝送特性への悪影響を回避することが可能になる。

なお、上記の第１実施形態では、（８）式の関係に従い、利得設定値Ｇ_SETが大きくなるにつれて、励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）が連続的に小さくなるようにしたが（図４）、例えば図６に示すように、利得設定値Ｇ_SETの可変範囲を複数（ここでは３つ）の区間に分け、励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）が区間ごとに一定となり段階的に小さくなるようにしてもよい。また、例えば図７に示すように、励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）を連続的に変化させる区間と一定とする区間とが混在するようにしても構わない。

さらに、各ＥＤＦでの発生利得Ｇ₁，Ｇ₂が一定に保たれる条件を考える際に、ＥＤＦ増幅特性の線形性を利用する一例を示したが、上記とは異なる光増幅媒体の増幅特性を想定して各光増幅部での発生利得Ｇ₁，Ｇ₂が一定に保たれるための条件を数式化してもよい。

加えて、励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）が、ＭＰＩ−ＸＴおよびＮＦ劣化の許容範囲内の中間レベル付近に設定される一例を示したが（図４および図５）、ＮＦ劣化に関しては１段目のＥＤＦ１１での発生利得を大きくすることで抑圧効果が得られるので、ＭＰＩ−ＸＴ許容範囲の上限レベルを超えない範囲で励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）をより大きくした方が、ＮＦ劣化の抑圧という観点では優れている。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。

図８は、本発明の第２実施形態による光増幅器の構成を示すブロック図である。

図８において、本実施形態の光増幅器は、例えば、光入力ポートＩＮおよび光出力ポートＯＵＴの間に直列に接続された３段の光増幅部１，２，３と、２段目および３段目の光増幅部２，３の間の光路上に挿入された可変光減衰器５と、を備える。前述した第１実施形態の構成との相違点は、第１実施形態の光増幅部１，２の後段に３段目の光増幅部３を追加し、可変光減衰器５の配置を２，３段目の光増幅部２，３の段間に変更している点であり、その他の構成は第１実施形態の場合と同様である。なお、図８では、第１実施形態の構成において光入力ポートＩＮおよび光出力ポートＯＵＴ間の光路上に配置される光アイソレータ７および利得等化器８の図示を省略している。

３段目の光増幅部３は、１，２段目光増幅部１，２と同様に、ＥＤＦ３１、励起光源３２およびＷＤＭカプラ３３を有し、利得制御部４０からの制御信号に従って励起光源３２が制御される。ここでは、ＥＤＦ３１に入力される信号光Ｓの強度をＰｓ₃、励起光源３２から出力される励起光をＰ₃、該励起光の強度をＰｐ₃、ＥＤＦ３１での発生利得をＧ₃とする。なお、３段目の光増幅部３から光出力ポートＯＵＴに出力される信号光Ｓは、その一部が、ＥＤＦ３１および光出力ポートＯＵＴの間の光路上に挿入された光分岐カプラ４３で分岐されて光検出器４４に送られ信号光出力強度Ｐｓ_OUTがモニタされる。該光検出器４４のモニタ結果は、第１実施形態の場合と同様に利得制御部４０に伝えられ、光増幅器全体の利得一定制御に用いられる。

上記のような３段構成の光増幅器においても、前述した第１実施形態の場合と同様にして、利得設定値Ｇ_SETの変化に関係なく各ＥＤＦ１１，２１，３１での発生利得Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃が一定に保たれ、可変光減衰器５での光損失を変化させることにより利得設定値Ｇ_SETの変化が補償される。各ＥＤＦ１１，２１，３１での発生利得Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃が一定に保たれるとき、各々のＥＤＦの信号光入力強度Ｐｓ₁，Ｐｓ₂，Ｐｓ₃の間には、次の（９）式および（１０）式に示す関係が成り立つ。

Ｐｓ₁／Ｐｓ₃＝ａ₁₃／Ｇ_SET …（９）
Ｐｓ₂／Ｐｓ₃＝ａ₂₃／Ｇ_SET …（１０）
ただし、ａ₁₃、ａ₂₃は比例係数であり固定値である。

また、各ＥＤＦ１１，２１，３１の増幅特性が前述の図３に示したような線形性を有する場合、各々のＥＤＦの信号光入力強度Ｐｓ₁，Ｐｓ₂，Ｐｓ₃および励起光強度Ｐｐ₁，Ｐｐ₂，Ｐｐ₃の間の関係は、次の（１１）〜（１３）式で表すことができる。

Ｐｐ₁＝ａ₁×Ｐｓ₁＋ｂ₁ …（１１）
Ｐｐ₂＝ａ₂×Ｐｓ₂＋ｂ₂ …（１２）
Ｐｐ₃＝ａ₃×Ｐｓ₃＋ｂ₃ …（１３）
ただし、ａ₁〜ａ₃，ｂ₁〜ｂ₃は比例係数であり固定値である。

上記（９）式〜（１３）式により、各ＥＤＦの励起光強度Ｐｐ₁，Ｐｐ₂，Ｐｐ₃の間の関係は、次の（１４）式および（１５）式で表すことができる。

（Ｐｐ₁−ｂ₁）／（Ｐｐ₃−ｂ₃）＝ｃ₁₃／Ｇ_SET …（１４）
（Ｐｐ₂−ｂ₂）／（Ｐｐ₃−ｂ₃）＝ｃ₂₃／Ｇ_SET …（１５）
ただし、ｃ₁₃＝ａ₁₃×ａ₁／ａ_3,ｃ₂₃＝ａ₂₃×ａ₂／ａ₃であり、ｃ₁₃，ｃ₂₃は固定値である。

したがって、上記（１４）式および（１５）式における定数ｂ₁〜ｂ₃，ｃ₁₃，ｃ₂₃を、光増幅器の光回路構成やＥＤＦの増幅特性に基づき、ＭＰＩ−ＸＴおよびＮＦ劣化の許容範囲を考慮して適切に設定することにより、当該（１４）式および（１５）式の関係に従って、光増幅器全体の利得設定値Ｇ_SETに対応した、１，３段目のＥＤＦの励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₃）および２，３段目のＥＤＦの励起光強度の比率（Ｐｐ₂／Ｐｐ₃）をそれぞれ算出することができる。具体的には、利得設定値Ｇ_SETが大きくなるにつれて、各々の励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₃），（Ｐｐ₂／Ｐｐ₃）を小さくすればよい。

このように利得設定値Ｇ_SETに応じて最適化した励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₃），（Ｐｐ₂／Ｐｐ₃）に従い、前述した第１実施形態の場合と同様にして、利得制御部４０および光損失制御部５０により光増幅器全体の利得一定制御を行うことで、各ＥＤＦ１１，２１，３１での発生利得Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃は、利得設定値Ｇ_SETの変化に関係なく、ＭＰＩ−ＸＴおよびＮＦ劣化の許容範囲内で一定となる。

よって、第２実施形態の光増幅器によれば、利得設定値Ｇ_SETの変化時においても、各ＥＤＦ１１，２１，３１での発生利得Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃を適切な範囲に保ちながら光増幅器全体の利得一定制御を高速に行うことができ、ＭＰＩ−ＸＴやＮＦ劣化による光伝送特性への悪影響を回避することが可能になる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図９は、本発明の第３実施形態による光増幅器の構成を示すブロック図である。

図９において、本実施形態の光増幅器は、前述の図８に示した第２実施形態の構成について、１，２段目の光増幅部１，２の段間にも可変光減衰器を配置するようにしたものである。ここでは、可変光減衰器５₁およびそれを制御する光損失制御部５０₁が１，２段目の光増幅部１，２の段間に設けられ、可変光減衰器５₂およびそれを制御する光損失制御部５０₂が２，３段目の光増幅部２，３の段間に設けられる。なお、可変光減衰器５₁，５₂および光損失制御部５０₁，５０₂は、上述した第１実施形態における可変光減衰器５および光損失制御部５０と同様のものである。

上記のような構成の光増幅器では、光増幅器全体の利得設定値Ｇ_SETの変化が、２個の可変光減衰器５₁，５₂における光損失の制御により補償される。利得設定値Ｇ_SETに対する各可変光減衰器５₁，５₂の光損失の関係は、例えば図１０に示すように、予め定めた基準値Ｇ₀に対する利得設定値Ｇ_SETの大小に応じて、次の（ｉ）（ii）のように設定することが可能である。
（ｉ）利得設定値Ｇ_SETが基準値Ｇ₀以下の場合（Ｇ_SET≦Ｇ₀）、利得設定値Ｇ_SETの変化を１段目の可変光減衰器５₁における光損失の制御により補償し、２段目の可変光減衰器５₂における光損失は一定とする。
（ii）利得設定値Ｇ_SETが基準値Ｇ₀より大きい場合（Ｇ_SET＞Ｇ₀）、利得設定値Ｇ_SETの変化を２段目の可変光減衰器５₂における光損失の制御により補償し、１段目の可変光減衰器５₁における光損失は一定とする。

上記（ii）の場合には、１段目の可変光減衰器５₁の光損失が固定になるので、２段目の可変光減衰器５₂の制御も含めた光増幅器全体の利得一定制御は、前述した第２実施形態の場合と同様となる。

一方、上記（ｉ）の場合には、各ＥＤＦ１１，２１，３１の発生利得Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃
が一定に保たれるとき、各々のＥＤＦの信号光入力強度Ｐｓ₁，Ｐｓ₂，Ｐｓ₃の間には、次の（１６）式および（１７）式に示す関係が成立する。

Ｐｓ₁／Ｐｓ₂＝ａ₁₂／Ｇ_SET …（１６）
Ｐｓ₁／Ｐｓ₃＝ａ₁₃／Ｇ_SET …（１７）
ただし、ａ₁₂，ａ₁₃は比例係数であり固定値である。

各ＥＤＦ１１，２１，３１の増幅特性が上述の図３に示したような線形性を有する場合、各々のＥＤＦの励起光強度Ｐｐ₁，Ｐｐ₂，Ｐｐ₃は、前述した（１１）〜（１３）式と同様の関係で表すことができるので、上記（１６）〜（１７）式と（１１）〜（１３）式とにより、各ＥＤＦの励起光強度Ｐｐ₁、Ｐｐ₂、Ｐｐ₃の間の関係は、次の（１８）式および（１９）式で表すことができる。

（Ｐｐ₁−ｂ₁）／（Ｐｐ₂−ｂ₂）＝ｃ₁₂／Ｇ_SET …（１８）
（Ｐｐ₁−ｂ₁）／（Ｐｐ₃−ｂ₃）＝ｃ₁₃／Ｇ_SET …（１９）
ただし、ｃ₁₂＝ａ₁₂×ａ₁／ａ₂，ｃ₁₃＝ａ₁₃×ａ₁／ａ₃であり、ｃ₁₂，ｃ₁₃は固定値である。

したがって、（ｉ）Ｇ_SET＞Ｇ₀の場合についても、上記（１８）式および（１９）式
における定数ｂ₁〜ｂ₃，ｃ₁₂，ｃ₁₃を、光増幅器の光回路構成やＥＤＦの増幅特性に基づき、ＭＰＩ−ＸＴおよびＮＦ劣化の許容範囲を考慮して適切に設定することにより、当該（１８）式および（１９）式の関係に従って、光増幅器全体の利得設定値Ｇ_SETに対応した、１，２段目のＥＤＦの励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂）および１，３段目のＥＤＦの励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₃）をそれぞれ算出することができる。具体的には、利得設定値Ｇ_SETが大きくなるにつれて、各々の励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂），（Ｐｐ₁／Ｐｐ₃）を小さくすればよい。

このように、基準値Ｇ₀に対する利得設定値Ｇ_SETの大小関係に応じて、利得設定値Ｇ_SETの変化を補償する可変光減衰器５₁，５₂を切り替えると共に、利得設定値Ｇ_SETに応じて最適化した励起光強度の比率（Ｐｐ₁／Ｐｐ₃），（Ｐｐ₂／Ｐｐ₃）若しくは（Ｐｐ₁／Ｐｐ₂），（Ｐｐ₁／Ｐｐ₃）に従い、上述した第１実施形態の場合と同様にして、利得制御部４０および光損失制御部５０₁，５０₂により光増幅器全体の利得一定制御を行うことで、各ＥＤＦ１１，２１，３１での発生利得Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃は、利得設定値Ｇ_SETの変化に関係なく、ＭＰＩ−ＸＴおよびＮＦ劣化の許容範囲内で一定となる。図１１に第３実施形態の光増幅器におけるレベルダイヤの一例を示しておく。

よって、第３実施形態のような構成を適用しても、各ＥＤＦ１１，２１，３１での発生利得Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃を適切な範囲に保ちながら光増幅器全体の利得一定制御を高速に行うことができ、ＭＰＩ−ＸＴやＮＦ劣化による光伝送特性への悪影響を回避することが可能になる。

なお、上述した第１〜第３実施形態では、２段または３段の光増幅部を備えた光増幅器について説明したが、光増幅部が４段以上の場合についても各実施形態と同様にして本発明を適用することが可能である。

以上、本明細書で開示した主な発明について以下にまとめる。

（付記１）信号光が入力される光入力ポートおよび信号光が出力される光出力ポートと、
光増幅媒体および該光増幅媒体を励起する励起光源をそれぞれ有し、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの間に直列に接続された複数の光増幅部と、
前記各光増幅部の間の光路上に挿入された少なくとも１つの可変光減衰部と、
前記各光増幅部での発生利得の和が一定となるように、前記各光増幅部の励起光強度を制御する利得制御部と、
前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの間で得られる信号光の全体利得が、前記光入力ポートに入力される信号光の状態に応じて設定される利得設定値で一定となるように、前記可変光減衰部における光損失を制御する光損失制御部と、を備えた光増幅器であって、
前記利得制御部は、２段目以降の前記各光増幅部の励起光強度に対する１段目の前記光増幅部の励起光強度の比率が、前記利得設定値の増大につれて小さくなると共に、当該励起光強度の比率が、信号光の増幅特性に基づいて定めた第１の閾値以下で、かつ、第２の閾値以上となるように、前記各光増幅部の励起光強度を制御する構成としたことを特徴とする光増幅器。

（付記２）前記利得制御部は、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの間で発生する多光路干渉の許容範囲の上限レベルを前記第１の閾値とすることを特徴とする付記１に記載の光増幅器。

（付記３）前記利得制御部は、前記各光増幅部の雑音指数劣化の許容範囲の下限レベルを前記第２の閾値とすることを特徴とする付記１に記載の光増幅器。

（付記４）前記利得制御部は、前記利得設定値の変化に関係なく、前記各光増幅部での発生利得が一定に保たれるように、前記各光増幅部の励起光強度を制御し、
前記光損失制御部は、前記可変光減衰部における光損失を変化させることで、前記利得設定値の変化を補償することを特徴とする付記１に記載の光増幅器。

（付記５）前記利得制御部は、前記励起光強度の比率が前記利得設定値の増大につれて連続的に小さくなるように、前記各光増幅部の励起光強度を制御することを特徴とする付記１に記載の光増幅器。

（付記６）前記利得制御部は、前記励起光強度の比率が前記利得設定値の増大につれて段階的に小さくなるように、前記各光増幅部の励起光強度を制御することを特徴とする付記１に記載の光増幅器。

（付記７）前記利得制御部は、前記利得設定値の可変範囲のうちの一部の区間において、前記励起光強度の比率が前記利得設定値の増大につれて連続的に小さくなり、前記利得設定値の可変範囲のうちの残りの区間において、前記励起光強度の比率が一定となるように、前記各光増幅部の励起光強度を制御することを特徴とする付記１に記載の光増幅器。

（付記８）前記各光増幅部の光増幅媒体は、希土類が添加された光ファイバであることを特徴とする付記１に記載の光増幅器。

（付記９）前記各光増幅部の光増幅媒体は、エルビウム添加ファイバであり、該エルビウム添加ファイバの増幅特性が、信号光入力強度、励起光強度および発生利得の間の関係に線形性を有することを特徴とする付記７に記載の光増幅器。

（付記１０）付記１に記載の光増幅器を備えて構成されたことを特徴とする波長多重光伝送システム。

本発明の第１実施形態による光増幅器の構成を示すブロック図である。上記第１実施形態について異なる利得設定値に対応したレベルダイヤの一例を示す図である。ＥＤＦの基本的な増幅特性を示す図である。上記第１実施形態における励起光強度の比率と利得設定値との関係の一例を示す図である。上記第１実施形態における１段目のＥＤＦでの発生利得と利得設定値との関係の一例を示す図である。上記第１実施形態に関連した励起光強度の比率と利得設定値との関係の他の例を示す図である。上記第１実施形態に関連した励起光強度の比率と利得設定値との関係の別の例を示す図である。本発明の第２実施形態による光増幅器の構成を示すブロック図である。本発明の第３実施形態による光増幅器の構成を示すブロック図である。上記第３実施形態について利得設定値に対する各可変光減衰器の光損失の関係の一例を示す図である。上記第１実施形態について異なる利得設定値に対応したレベルダイヤの一例を示す図である。従来の光増幅器の構成例を示すブロック図である。利得一定制御の高速化に有利な構成例を示すブロック図である。光増幅器におけるＭＰＩ−ＸＴを説明するための図である。図１３の構成について各ＥＤＦの励起光強度の比率を大きく設定した場合の一例を示す図である。図１３の構成について各ＥＤＦの励起光強度の比率を小さく設定した場合の一例を示す図である。図１３の構成において利得設定値の変化により生じるＭＰＩ−ＸＴおよびＮＦ劣化の様子を示す図である。

符号の説明

１，２，３…光増幅部
５，５₁，５₂…可変光減衰器（ＶＯＡ）
７…光アイソレータ
８…利得等化器（ＧＥＱ）
１１，２１，３１…エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）
１２，２２，３２…励起光源（ＬＤ）
１３，２３，３３…ＷＤＭカプラ
４０…利得制御部
５０，５０₁，５０₂…光損失制御部
４１，４３，５１，５３…光分岐カプラ
４２，４４，５２，５４…光検出器（ＰＤ）
ＩＮ…光入力ポート
ＯＵＴ…光出力ポート
Ｓ…信号光
Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…励起光
Ｇ_SET…利得設定値

Claims

信号光が入力される光入力ポートおよび信号光が出力される光出力ポートと、
光増幅媒体および該光増幅媒体を励起する励起光源をそれぞれ有し、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの間に直列に接続された複数の光増幅部と、
前記各光増幅部の間の光路上に挿入された少なくとも１つの可変光減衰部と、
前記各光増幅部での発生利得の和が一定となるように、前記各光増幅部の励起光強度を制御する利得制御部と、
前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの間で得られる信号光の全体利得が、前記光入力ポートに入力される信号光の状態に応じて設定される利得設定値で一定となるように、前記可変光減衰部における光損失を制御する光損失制御部と、を備えた光増幅器であって、
前記利得制御部は、２段目以降の前記各光増幅部の励起光強度に対する１段目の前記光増幅部の励起光強度の比率が、前記利得設定値の増大につれて小さくなると共に、当該励起光強度の比率が、信号光の増幅特性に基づいて定めた第１の閾値以下で、かつ、第２の閾値以上となるように、前記各光増幅部の励起光強度を制御する構成としたことを特徴とする光増幅器。
前記利得制御部は、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの間で発生する多光路干渉の許容範囲の上限レベルを前記第１の閾値とすることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
前記利得制御部は、前記各光増幅部の雑音指数劣化の許容範囲の下限レベルを前記第２の閾値とすることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
前記利得制御部は、前記利得設定値の変化に関係なく、前記各光増幅部での発生利得が一定に保たれるように、前記各光増幅部の励起光強度を制御し、
前記光損失制御部は、前記可変光減衰部における光損失を変化させることで、前記利得設定値の変化を補償することを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
前記利得制御部は、前記励起光強度の比率が前記利得設定値の増大につれて連続的に小さくなるように、前記各光増幅部の励起光強度を制御することを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。