特許 7552870 光増幅器、光中継器、及び光通信システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-09

(45)【発行日】2024-09-18

(54)【発明の名称】光増幅器、光中継器、及び光通信システム

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20240910BHJP

   H01S 3/067 20060101ALI20240910BHJP

   H01S 3/0941 20060101ALI20240910BHJP

【ＦＩ】

H01S3/10 D

H01S3/067

H01S3/0941

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023509162

(86)(22)【出願日】2022-03-22

(86)【国際出願番号】 JP2022012953

(87)【国際公開番号】W WO2022202737

(87)【国際公開日】2022-09-29

【審査請求日】2023-07-19

(31)【優先権主張番号】P 2021051265

(32)【優先日】2021-03-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109313

【弁理士】

【氏名又は名称】机 昌彦

(74)【代理人】

【識別番号】100149618

【弁理士】

【氏名又は名称】北嶋 啓至

(72)【発明者】

【氏名】竹内 剛

【審査官】高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／１５８５３２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１３／１２１７４４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０９７０７５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／０５６４３８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】独国特許出願公開第１９６２７１５６（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／００ － ３／０２

Ｈ０１Ｓ ３／０４ － ３／０９５９

Ｈ０１Ｓ ３／１０ － ３／１０２

Ｈ０１Ｓ ３／１０５－ ３／１３１

Ｈ０１Ｓ ３／１３６－ ３／２１３

Ｈ０１Ｓ ３／２３ － ５／５０

Ｈ０４Ｂ １０／００ －１０／９０

Ｈ０４Ｊ １４／００ －１４／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数系統の信号光を増幅して出力する光増幅器であって、
複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部と、複数の励起光源と、前記複数の励起光源からの励起光を分波する複数の励起光分波部と、前記複数の励起光分波部からの励起光を合波及び分波する複数の励起光合分波部と、前記複数の信号光の一つと前記複数の励起光合分波部からの励起光とを合波した後、前記複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の一つに入力する複数の合波部と、前記複数の励起光源を独立に駆動する制御部と、を含み、
前記複数の励起光源の数は上記複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の数より少なく、
前記複数の励起光源は、第１駆動電流で共通に駆動される第１励起光源及び第２励起光源と、前記第１駆動電流とは別系統の第２駆動電流で駆動される第３励起光源と、を少なくとも含んでおり、
前記複数の励起光分波部は、第１励起光分波部、第２励起光分波部及び第３励起光分波部を少なくとも含んでおり、
前記複数の励起光合分波部は、第１励起光合分波部、第２励起光合分波部及び第３励起光合分波部を少なくとも含んでおり、
前記複数の励起光源からの励起光は、前記複数の励起光分波部及び前記複数の励起光合分波部を経由して、前記複数の合波部に入力され、
前記制御部は、前記複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の各不純物ドープ光ファイバー増幅部の光出力がそれぞれ所定の値となるように、前記第１駆動電流及び前記第２駆動電流を制御する
光増幅器。

【請求項2】

前記制御部は、前記複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の光出力がお互いに実質的に等しくなるように前記第１駆動電流及び前記第２駆動電流を制御する、
請求項１に記載の光増幅器。

【請求項3】

前記複数の励起光源は、前記第１駆動電流及び前記第２駆動電流とは別系統の第３駆動電流で共通に駆動される第４励起光源及び第５励起光源を、さらに含み、
前記複数の励起光分波部は、第４励起光分波部及び第５励起光分波部を、さらに含み、
前記複数の励起光合分波部は、第４励起光合分波部、第５励起光合分波部を、さらに含み、
前記制御部は、前記複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の各不純物ドープ光ファイバー増幅部の光出力がそれぞれ所定の値となるように、前記第１駆動電流乃至前記第３駆動電流を制御する、
請求項１又は２に記載の光増幅器。

【請求項4】

前記複数系統の信号光を伝播する光ファイバーに挿入され、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光増幅器を含む、光中継器。

【請求項5】

複数の端局間を結び、前記複数系統の信号光を伝播する光ファイバーと、請求項４に記載の光中継器と、を含む、
光通信システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光増幅器、光中継器、及び光通信システムに関し、特に光増幅器による信号光の増幅に用いられる励起光源に関する。

【背景技術】

【0002】

光通信システムにおいて、減衰した光信号を増幅するために、ファイバー型増幅器が用いられる。この減衰した光信号を増幅するファイバー型増幅器としては、光信号が入力される希土類添加ファイバーに、励起光源から出力される励起光を入力することで、光信号の信号強度を増幅するものがある。このようなファイバー型増幅器は、高効率・高利得であり、光ファイバー通信システムの光信号中継用の増幅器として用いられる。

【0003】

このようなファイバー型増幅器は、１つの光通信経路に基本的に１つ配置され、光信号がＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）信号であり波長毎に別々に光信号を増幅したい場合には、１つの光通信経路に並列に複数配置される。光信号が伝播する光通信経路が並列して複数存在する場合には、各光通信経路にファイバー型増幅器が１つ配置される。

【0004】

次に、背景技術による、このような並列する光通信経路のための光増幅器について、説明する。図９は、背景技術の光増幅器を説明するための構成図である。ここでは、信号光が伝播する光通信経路が４系統の場合で説明する。

【0005】

図９の光増幅器は、４系統の信号光のための４つのファイバー型増幅器（ＥＤＦＡ１０１、ＥＤＦＡ１０２、ＥＤＦＡ１０３、ＥＤＦＡ１０４）を含む（なおここで、ＥＤＦＡはエルビウム添加光ファイバー型増幅器の略称である）。さらに図９の光増幅器は、励起光源としての４つのレーザーダイオード（ＬＤ１０５、ＬＤ１０６、ＬＤ１０７、ＬＤ１０８）を含む。ＬＤ１０５～ＬＤ１０８は、図示しないそれぞれの制御系によって駆動電流が調整され、これによってＬＤ１０５～ＬＤ１０８が出力する励起光の強度が調整される。主に、図９の光増幅器の信号光出力が一定となるように、ＬＤ１０５～ＬＤ１０８の駆動電流が調整される。

【0006】

さらに図９の光増幅器は、各光通信経路を伝播する信号光と励起光とを合波するＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）カップラー１０９、１１０、１１１、１１２を含む。さらに図９の光増幅器は、点線で示す励起光合分波部を含む。図９の励起光合分波部は、ＬＤ１０５及びＬＤ１０６からの励起光を合波し、２つに分波する２×２カップラー１１３と、ＬＤ１０７及びＬＤ１０８からの励起光を合波し、２つに分波する２×２カップラー１１４と、を含む。さらに図９の励起光合分波部は、２×２カップラー１１３からの励起光と２×２カップラー１１４からの励起光とを合波し、２つの励起光に分波してＷＤＭカップラー１０９及びＷＤＭカップラー１１０へ出力する２×２カップラー１１５を含む。さらに図９の励起光合分波部は、２×２カップラー１１３からの励起光と２×２カップラー１１４からの励起光とを合波し、２つの励起光に分波してＷＤＭカップラー１１１及びＷＤＭカップラー１１２へ出力する２×２カップラー１１６を含む。

【0007】

図９の光増幅器では、４つのファイバー型増幅器（ＥＤＦＡ１０１、ＥＤＦＡ１０２、ＥＤＦＡ１０３、ＥＤＦＡ１０４）はそれぞれ４つのＬＤ１０５～ＬＤ１０８からの励起光により励起される４ＬＤ冗長構成となっている。すなわち、例えば、４つのＬＤ１０５～ＬＤ１０８のいずれか一つのＬＤが故障により出力光がゼロとなっても、他の３つのＬＤの励起光がＥＤＦＡに入射されており、光通信は持続される構成となっている。

【0008】

また図９の光増幅器では、励起光合分波部を備えることによって、ＬＤ１０５、ＬＤ１０６、ＬＤ１０７、ＬＤ１０８で生成された励起光をそれぞれＷＤＭカップラー１０９、１１０、１１１、１１２へ直接的に出力する構成と比べて、ＬＤ１０５、ＬＤ１０６、ＬＤ１０７、ＬＤ１０８で生成された励起光の強度ばらつきの影響を小さくすることができる。

【0009】

特許文献１は、並行する、第１の光通信経路及び第２の光信号経路のための光信号中継器に関するものであり、第１の光通信経路を伝播する光信号を第１の光通信経路に挿入された第１のファイバー型光アンプで増幅し、第２の光通信経路を伝播する光信号を第２の光通信経路に挿入された第２のファイバー型光アンプで増幅する構成が提案されている。さらに特許文献１では、第１のファイバー型光アンプ及び第２のファイバー型光アンプへの励起光源として、並列する第１の励起用半導体レーザ及び第２の励起用半導体レーザを用いることが提案されている。

【0010】

特許文献２は、光ファイバー型増幅器に関するものであり、複数のレーザーダイオードを含む合波レーザ光源を備えること、１つの光信号経路に１つの光ファイバー型増幅器を挿入し光信号を増幅すること、上記複数のレーザーダイオードからの励起光を合波した後に、希土類添加ファイバーの入力側に入射することが提案されている。さらに特許文献２では、複数のレーザーダイオードの中の１つのレーザーダイオードが故障しても、光ファイバー型増幅器で信号光出力が一定となるように、複数のレーザーダイオードのための駆動電流制御回路がレーザーダイオードの駆動電流を変化させることが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特開２０１４－１６０９０８号公報

【文献】特開２００７－２１４１７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

上述したように、背景技術の光増幅器では、１つの光ファイバー型増幅器が１つの光通信経路に基本的に１つ配置され、光ファイバー型増幅器と同数の励起光源が用いられることが一般的である。光信号がＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）信号であり波長毎に別々に光信号を増幅したい場合には、１つの光通信経路に並列に複数配置される。

【0013】

ここでこのような光増幅器の低コスト化について、検討する。例えば、８系統の信号光を増幅する８つの光ファイバー型増幅器のためには、８つの励起光源が必要である。光ファイバー型増幅器の低コスト化を検討するときに、コストがかかるのは励起光源である。よって、光ファイバー型増幅器の数よりも小さい数の励起光源で、光増幅器を構成することが望まれる。

【0014】

しかしながら、上述した特許文献１や特許文献２では、光ファイバー増幅部の数よりも小さい数の励起光源で、光増幅器を構成することについては記載が見当たらない。

【0015】

本発明の目的は、複数系統の信号光を増幅することができ、低コスト化を実現できる光増幅器、光中継器、及び光通信システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0016】

前記目的を達成するため、本発明に係る光増幅器は、複数系統の信号光を増幅して出力する光増幅器であって、
複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部と、複数の励起光源と、上記複数の励起光源からの励起光を分波する複数の励起光分波部と、上記複数の励起光分波部からの励起光を合波及び分波する複数の励起光合分波部と、上記複数の信号光の一つと上記複数の励起光合分波部からの励起光とを合波した後、上記複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の一つに入力する複数の合波部と、を含み、
上記複数の励起光源の数は上記複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の数より少なく、上記複数の励起光源は、第１駆動電流で共通に駆動される第１励起光源及び第２励起光源と、上記第１駆動電流とは別系統の第２駆動電流で駆動される第３励起光源と、を少なくとも含んでおり、
上記複数の励起光分波部は、第１励起光分波部、第２励起光分波部及び第３励起光分波部を少なくとも含んでおり、
上記複数の励起光合分波部は、第１励起光合分波部、第２励起光合分波部及び第３励起光合分波部を少なくとも含んでおり、
上記複数の励起光源からの励起光は、上記複数の励起光分波部及び上記複数の励起光合分波部を経由して、上記複数の合波部に入力され、
上記複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の各不純物ドープ光ファイバー増幅部の光出力に対する、上記第１励起光源の励起光及び上記第２励起光源による励起光の関与と、上記第３励起光源による励起光の関与とを考慮して、上記複数の励起光源、上記複数の励起光分波部、及び上記励起光合分波部が選択されている。

【0017】

本発明に係る光中継器は、上記複数系統の信号光を伝播する光ファイバーに挿入される、上記光増幅器を含む。

【0018】

本発明に係る光通信システムは、複数の端局間を結び、上記複数系統の信号光を伝播する光ファイバーと、上記光中継器と、を含む。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、複数系統の信号光を増幅する複数の光ファイバー増幅部の数より少数の複数の励起光源を用いて、複数系統の信号光を増幅することができ、低コスト化を実現する光増幅器、光中継器、及び光通信システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の上位概念の実施形態の光増幅器の構成図である。

【図2】本発明の一実施形態の光増幅器の構成図である。

【図3】図２の光増幅器の、励起光源の電流量と、ＥＤＦＡの光出力とに関する関係式である。

【図4】図３の関係式から、励起光源の電流量を求めるための関係式である。

【図5】図４の関係式について、係数Ｋにシンボルを付した説明図である。

【図6】図５の関係式を、励起光源の電流量を求めるために、シンボルに着目して変形した関係式である。

【図7】図６の関係式から得られる関係式である。

【図8】本発明の一実施形態の光中継器、及び光通信システムを説明するための構成図である。

【図9】背景技術の光増幅器を説明するための構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

〔実施形態の概要〕
本発明の実施形態による光通信システムは、図８に示されるような、伝送線路の一例としての光ファイバー７３を含む。ここで、伝送線路は、図８に示されるような、端局Ａの光伝送装置７１と端局Ｂの光伝送装置７２との間を結び、光伝送装置７１と光伝送装置７２との間で送受信される信号光を伝送する。さらにこの光通信システムは、光伝送装置７１と光伝送装置７２との間の伝送線路の一例としての光ファイバー７３に挿入されて、上記信号光を増幅する光中継器７４を含む。図８では、光ファイバー７３に複数の光中継器７４が挿入された状態を示している。さらにこの光中継器７４は、伝送線路を伝播する信号光を増幅する光増幅器を含む。

【0022】

本発明の実施形態による光増幅器は、複数系統の信号光を増幅して出力する光ファイバー型増幅器であり、複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部と、上記複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の数より少ない数の複数の励起光源と、を含む。さらに上記複数の励起光源は、第１駆動電流で共通に駆動される第１励起光源及び第２励起光源と、上記第１駆動電流とは別系統の第２駆動電流で駆動される第３励起光源と、を少なくとも含む。さらに本発明の実施形態による光増幅器は、上記複数の励起光源からの励起光を分波する複数の励起光分波部と、上記複数の励起光分波部からの励起光を合波及び分波する複数の励起光合分波部と、上記複数の信号光の一つと上記複数の励起光合分波部からの励起光とを合波した後、上記複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の一つに入力する複数の合波部と、を含む。そして本発明の実施形態による光増幅器では、上記複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の各不純物ドープ光ファイバー増幅部の光出力に対する、上記第１励起光源の励起光及び上記第２励起光源による励起光の関与と、上記第３励起光源による励起光の関与とを考慮して、上記複数の励起光源、上記複数の励起光分波部、及び上記複数の励起光合分波部が選択されている。そして励起光源の効率、励起光分波部や励起光合分波部の透過損失、不純物ドープ光ファイバー増幅部の効率が、上記複数の励起光源の内、どの励起光源が同一の駆動電流により駆動されているかに応じて調整される。さらに、上記複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の光出力が全て等しくなるように、複数の励起光源の駆動電流が調整される。

【0023】

〔上位概念の実施形態〕
本発明の上位概念の実施形態による光増幅器、光中継器、及び光通信システムについて、図面を参照して説明する。図１は、本発明の上位概念の実施形態による光増幅器の構成図である。図１に示される光増幅器は、上述した図８の光中継器７４に用いられ、光伝送装置７１と光伝送装置７２との間の伝送線路の一例としての光ファイバー７３に挿入されて、光ファイバー７３を伝播する信号光を増幅する。そして本実施形態の光通信システムは、図８と同様に、端局Ａの光伝送装置７１と端局Ｂの光伝送装置７２との間を結び、光伝送装置７１と光伝送装置７２との間で送受信される信号光を伝送する伝送線路の一例としての光ファイバー７３と、光ファイバー７３に挿入されて、上記信号光を増幅する光中継器７４と、を含む。

【0024】

図１の光増幅器は、複数系統の信号光を増幅して出力する光ファイバー型増幅器である。図１では複数系統の信号光を増幅する構成の一例として、６系統の信号光を増幅する構成を示している。図１の光増幅器は、複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の一例としての６つのエルビウムドープファイバー増幅部５５ａ～５５ｆ（ＥＤＦＡ５５ａ～５５ｆ）と、複数の励起光源５１と、を含む。図１の光増幅器はさらに、上記複数の励起光源５１からの励起光を分波する複数の励起光分波部５２と、上記複数の励起光分波部５２からの励起光を合波及び分波する複数の励起光合分波部５３と、上記複数の信号光の一つと上記複数の励起光合分波部５３からの励起光とを合波した後、上記６つのＥＤＦＡ５５ａ～５５ｆの一つに入力する複数の合波部５４ａ～５４ｆと、を含む。

【0025】

図１の光増幅器では、複数の励起光源５１の数は上記ＥＤＦＡ５５ａ～５５ｆの数より少なく、上記複数の励起光源５１は、第１駆動電流で共通に駆動される第１励起光源５１ａ及び第２励起光源５１ｂと、上記第１駆動電流とは別系統の第２駆動電流で駆動される第３励起光源５１ｃと、を含んでいる。図１の光増幅器では、複数の励起光源５１の数は３つである。図１の光増幅器では、上記複数の励起光分波部５２は、第１励起光分波部５２ａ、第２励起光分波部５２ｂ及び第３励起光分波部５２ｃを含んでいる。図１の光増幅器では、上記複数の励起光合分波部５３は、第１励起光合分波部５３ａ、第２励起光合分波部５３ｂ及び第３励起光合分波部５３ｃを含んでいる。図１の光増幅器では、上記複数の励起光源５１（第１励起光源５１ａ、第２励起光源５１ｂ、や第３励起光源５１ｃ）からの励起光は、上記複数の励起光分波部５２及び上記複数の励起光合分波部５３を経由して、上記複数の合波部５４ａ～５４ｆに入力される。そして図１の光増幅器では、上記複数の不純物ドープ光ファイバー増幅部の各不純物ドープ光ファイバー増幅部の光出力に対する、上記第１励起光源５１ａの励起光及び上記第２励起光源５１ｂによる励起光の関与と、上記第３励起光源５１ｃによる励起光の関与とを考慮して、上記複数の励起光源５１、上記複数の励起光分波部５２、及び上記励起光合分波部５３が選択されている。

【0026】

ここでＥＤＦＡ５５ａ～５５ｆの光出力は、各ＥＤＦＡに入射する励起光源５１の励起光のパワーによって制御される。そして励起光源５１の第１励起光源５１ａ、第２励起光源５１ｂ、や第３励起光源５１ｃの出力パワーは、第１励起光源５１ａ、第２励起光源５１ｂ、第３励起光源５１ｃへ供給される駆動電流によって制御される。つまり、各ＥＤＦＡの光出力は、第１励起光源５１ａ、第２励起光源５１ｂへ供給される第１駆動電流の電流量と、第３励起光源５１ｃへ供給される第２駆動電流であって、上記第１駆動電流とは別系統の第２駆動電流の電流量とによって、制御されている。

【0027】

複数の光ファイバーチャンネルからなる光通信システムにおいては、各チャンネルの不純物ドープ光ファイバー増幅部の出力が、なるべく等しくなるよう、調節することが望ましい。図１の光増幅器では、ＥＤＦＡ５５ａ～５５ｆの光出力に対する、上記第１励起光源５１ａの励起光及び上記第２励起光源５１ｂによる励起光の影響と、上記第３励起光源５１ｃによる励起光の影響とを考慮して、上記複数の励起光源５１、上記複数の励起光分波部５２、及び上記励起光合分波部５３などの部品の組み合わせを最適化する。例えば、ＥＤＦＡ５５ａ～５５ｆのうち一つのＥＤＦＡの光出力に対し、第１励起光源５１ａの励起光及び第２励起光源５１ｂによる励起光がともに関与しているときには、関与の大きさを大きく評価しつつ、上記複数の励起光源５１、上記複数の励起光分波部５２、及び上記励起光合分波部５３などの部品の組み合わせを最適化する。また例えば、ＥＤＦＡ５５ａ～５５ｆのうち一つのＥＤＦＡの光出力に対し、第３励起光源５１ｃの励起光が関与していないときには、関与がないものと評価して、上記複数の励起光源５１、上記複数の励起光分波部５２、及び上記励起光合分波部５３などの部品の組み合わせを最適化する。

【0028】

本実施形態によれば、複数系統の信号光を増幅することができ、低コスト化を実現できる光増幅器、光中継器、及び光通信システムを提供することができる。その理由は、複数系統の信号光を増幅する６つのＥＤＦＡ５５ａ～５５ｆに対して、ＥＤＦＡ５５ａ～５５ｆの数より少ない数である、３つの励起光源５１（第１励起光源５１ａ、第２励起光源５１ｂ、第３励起光源５１ｃ）を含んで光増幅器を構成できるからである。またその理由は、複数の励起光源５１のうち、第１励起光源５１ａ及び第２励起光源５１ｂを第１駆動電流で共通に駆動される構成としたことにより、第１励起光源５１ａと第２励起光源５１ｂとを別々の制御系で制御する構成とした場合と比べて、構成が簡略化できるからである。またこの構成の際に、上記第１励起光源５１ａの励起光及び上記第２励起光源５１ｂによる励起光の影響と、上記第３励起光源５１ｃによる励起光の影響とを考慮して、上記複数の励起光源５１、上記複数の励起光分波部５２、及び上記励起光合分波部５３などの部品の組み合わせを最適化しているからである。以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0029】

〔一実施形態〕
次に、本発明の一実施形態による光増幅器、光中継器、及び光通信システムについて図面を参照して説明する。

【0030】

本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態の光増幅器を説明する図である。図２に示される光増幅器は、上述した図８の光中継器７４に用いられ、光伝送装置７１と光伝送装置７２との間の伝送線路の一例としての光ファイバー７３に挿入されて、光ファイバー７３を伝播する信号光を増幅する。そして本実施形態の光通信システムは、図８と同様に、端局Ａの光伝送装置７１と端局Ｂの光伝送装置７２との間を結び、光伝送装置７１と光伝送装置７２との間で送受信される信号光を伝送する伝送線路の一例としての光ファイバー７３と、光ファイバー７３に挿入されて、上記信号光を増幅する光中継器７４と、を含む。

【0031】

図２の光増幅器が、図９の背景技術の光増幅器と構成上異なる点は、背景技術では、励起光源の数が４、エルビウムドープファイバーアンプ（ＥＤＦＡ）の数が４であったのに対し、図２の光増幅器では、励起光源の数が５、ＥＤＦＡの数が１０となっていること、また、図２の光増幅器では、励起光を分岐するための励起光分波部を備えている点である。

【0032】

またさらに、背景技術の光増幅器では、励起光源に対して、それぞれの制御系が備えられていたのに対し、本実施形態では、一部の励起光源が、同一の制御系により制御されている点が異なる。すなわち、本実施形態においては、励起光源のレーザーダイオード（ＬＤ１、ＬＤ２）は、共通の制御系である制御系Ａから供給される電流値Ａの駆動電流により駆動され、励起光源のレーザーダイオード（ＬＤ３、ＬＤ４）は、共通の制御系である制御系Ｂから供給される電流値Ｂの駆動電流により駆動されている。一方、励起光源のレーザーダイオード（ＬＤ５）は、制御系Ｃから供給される電流値Ｃの駆動電流により単独で駆動されている。なお本実施形態においては、電流値Ａの駆動電流は第１駆動電流の一例であり、電流値Ｃの駆動電流は第２駆動電流の一例であり、電流値Ｂの駆動電流は第３駆動電流の一例である。

【0033】

本実施形態の光増幅器において、複数の励起光源の一例として、励起光源１１ａ（ＬＤ１）、励起光源１１ｂ（ＬＤ２）、励起光源１１ｃ（ＬＤ３）、励起光源１１ｄ（ＬＤ４）、及び励起光源１１ｅ（ＬＤ５）を含む。なお本実施形態においては、励起光源１１ａ（ＬＤ１）は第１励起光源の一例であり、励起光源１１ｂ（ＬＤ２）は第２励起光源の一例である。また本実施形態においては、励起光源１１ｅ（ＬＤ５）は第３励起光源の一例であり、励起光源１１ｃ（ＬＤ３）は第４励起光源の一例であり、励起光源１１ｄ（ＬＤ４）は第５励起光源の一例である。

【0034】

本実施形態の光増幅器においては、複数の励起光源の数は奇数であり、図２の光増幅器では励起光源の数は５つである。励起光源１１ａ～１１ｅ（ＬＤ１～ＬＤ５）は、同一品種のＬＤであり、その光電変換効率は、ある典型値を中心に、製造ばらつきによる、ある分布幅で分布している。そして、これらＬＤの出力光は、励起光分波部において、それぞれ１×２カップラー１２ａ～１２ｅにより２系統の励起光に分波され、励起光分波部からは、合計１０系統の励起光が出射される。なお本実施形態においては、１×２カップラー１２ａは第１励起光分波部の一例であり、１×２カップラー１２ｂは第２励起光分波部の一例である。また本実施形態においては、１×２カップラー１２ｅは第３励起光分波部の一例であり、１×２カップラー１２ｃは第４励起光分波部の一例であり、１×２カップラー１２ｄは第５励起光分波部の一例である。

【0035】

そして同図に示すように、これら１０系統の励起光は、１０個の２×２カップラー１３ａ～１３ｊで構成された励起光合分波部の１０か所の入力ポートにそれぞれ入射される。なお本実施形態においては、２×２カップラー１３ａは第１励起光合分波部の一例であり、２×２カップラー１３ｂは第２励起光合分波部の一例である。また本実施形態においては、２×２カップラー１３ｅは第３励起光合分波部の一例であり、２×２カップラー１３ｃは第４励起光合分波部の一例であり、２×２カップラー１３ｄは第５励起光合分波部の一例である。

【0036】

そして、励起光合分波部の１０か所の出力ポート出射された励起光は、それぞれＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）カップラー１４ａ～１４ｊを介して１０個のＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊに入射される。ここで、励起光分波部の１×２カップラー１２ａ～１２ｅ、励起光合分波部の２×２カップラー１３ａ～１３ｊの分岐比は、設計中心値を５０：５０としているが、実際には製造ばらつきによる、ある分布幅をもって分岐比はばらついている。

【0037】

次に、本実施形態の構成として、各励起光源と、各ＥＤＦＡとの対応関係について説明する。図２の各ＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊの出力部に１～５の数字を４桁記載しているが、これは、励起光源１１ａ～１１ｅのＬＤ１～ＬＤ５に対応する。例えば、ＥＤＦＡ１５ｅの出力部には「３,４,１,５」と記載されているが、これは、励起光源のＬＤ３、ＬＤ４、ＬＤ１、ＬＤ５の出力パワーが、ＥＤＦＡ１５ｅに入射されていることを示す。ここで、同図に示すように、全てのＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊが、それぞれ、励起光源のＬＤ１～ＬＤ５のうち異なる４つのＬＤにより励起されている。この構成は、図９の背景技術と同様に４ＬＤ冗長構成となっている。

【0038】

（実施形態の動作、設計）
次に、本発明の実施形態の光増幅器の動作、設計について説明する。各ＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊの光出力は、各ＥＤＦＡに入射する励起ＬＤのパワーによって制御される。そして各励起ＬＤの出力パワーは、制御系Ａ、Ｂ、Ｃから各励起ＬＤへ供給される駆動電流によって制御される。つまり、各ＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊの光出力は、制御系Ａ、Ｂ、Ｃから供給する電流量により制御されている。

【0039】

ここで、ＥＤＦＡ１５ａと１５ｂ、１５ｃと１５ｄ、１５ｅと１５ｆ、１５ｇと１５ｈ、１５ｉと１５ｊの光出力はそれぞれ、ペア内で常に等しくなるよう設計されている。この設計は、制御系Ａ、Ｂ、Ｃからの供給電流量によらず、それぞれペア内で常に等しくなるような設計である。このような設計は、ＷＤＭカップラー１４ａ～１４ｊの前段の２×２カップラー１３ａ～１３ｊの分岐比について、製造ばらつきによる分布幅の中で、できる限り設計中心値である５０：５０に近いものを選別し、さらに、ＷＤＭカップラー１４ａ～１４ｊの損失と、ＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊの効率との積がペア内でよくバランスするように調整することで可能となる。

【0040】

この時、ＥＤＦＡ１５ａと１５ｂ、１５ｃと１５ｄ、１５ｅと１５ｆ、１５ｇと１５ｈ、１５ｉと１５ｊの光出力を、それぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５とする。ここで、制御系Ａ、Ｂ、Ｃからの供給電流量Ａ、Ｂ、Ｃと、ＥＤＦＡの光出力Ｐ１～Ｐ５の関係は、図３の式で表すことができる。式中のＫ１１～Ｋ５３の係数は、各励起光源（ＬＤ１～ＬＤ５）の効率、各カップラー（１２ａ～１２ｅ、１３ａ～１３ｊ）の透過率、ＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊの効率によって決まる数値である。

【0041】

複数の光ファイバーチャンネルを含んで構成される光通信システムにおいては、各チャンネルの光増幅器の出力が、なるべく等しくなるよう、調節することが望ましい。制御系Ａ、Ｂ、Ｃからの供給電流量Ａ、Ｂ、Ｃを、どのような値とすればＥＤＦＡの光出力Ｐ１～Ｐ５が等しくなるか、を知るためには、図３の式において、Ｐ１＝Ｐ２＝Ｐ３＝Ｐ４＝Ｐ５≡Ｐとして、また、供給電流量Ａ、Ｂ、Ｃを未知数として図４のような連立方程式とし、これを解けばよい。

【0042】

ところが、図４の連立方程式は、未知数の数が３つであるのに対し、方程式は５本あり、一般には解が存在しない。ここで、本実施形態の光増幅器では、この連立方程式に解が存在するように、ＬＤ、カップラー、ＥＤＦＡの各部品の組み合わせが最適化されている。次にその最適化の方法について、図５を用いて説明する。図５の右辺の右側に記載した１～５の数字は、図２の右側に記した励起光源（ＬＤ１～ＬＤ５）の数字と同じものであり、それぞれＬＤ１～ＬＤ５のパワーが、その式が表すＥＤＦＡの光出力Ｐ１～Ｐ５に関与していることを示す。また図５では、これら１～５の数字の下段にＡ、Ｂ、Ｃの記号が記載されているが、これは、励起光源（ＬＤ１～ＬＤ５）が、図２において、電流Ａ、電流Ｂ、電流Ｃの内、どの電流で駆動されているかを示す。

【0043】

ここで例えば、図４の（２）式、すなわちＥＤＦＡ１５ｃと１５ｄの光出力Ｐ２におけるＡ、Ｂ、Ｃの記号に注目すると、Ａが二つ、Ｂ、Ｃがそれぞれ一つずつあり、電流Ａによって駆動されるＬＤが２系統、関与しており、一方、電流Ｂ、電流Ｃによって駆動されるＬＤは、それぞれ１系統のみ関与している。すなわち、（２）式で表されるＥＤＦＡの光出力Ｐ２に対する電流Ａの影響は、電流Ｂ、電流Ｃの影響の、おおむね２倍程度となる。したがって、（２）式の左辺の係数Ｋ２１は、Ｋ２２、Ｋ２３のおおむね２倍程度となっている。一方、Ｋ２２とＫ２３とは、おおむね同程度の値となっている。

【0044】

このことを、図５の上では、Ｋ２１に丸印、Ｋ２２とＫ２３に四角印を付して表している。図５の他の式の係数Ｋに対しても同様に丸印、四角印を付している。ここで、Ｋ１３には三角印を付しているが、これは、（１）式の右辺のアルファベットの記号をみるとわかるように、（１）式で表されるＥＤＦＡ１５ａと１５ｂの光出力Ｐ１には、電流Ｃは関与しておらず、すなわち、他の係数Ｋとは異なり、Ｋ１３＝０であることを示している。

【0045】

ここで、図５の各式の左辺をみると、（２）式と（５）式、（３）式と（４）式が、Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれの係数に付した印が同じ印となっており、すなわち、Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれの係数が近い値となっている。ここで、前述のように、係数Ｋは、励起光源（ＬＤ１～ＬＤ５）の効率、励起光分波部や励起光合分波部に含まれる各カップラー（１２ａ～１２ｅ、１３ａ～１３ｊ）の分岐比、あるいは透過損失、ＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊの効率によって決まる数値であり、さらに、励起光源の効率、各カップラーの分岐比、あるいは透過損失、ＥＤＦＡの効率は、ある典型値、あるいは設計中心値を中心として、製造ばらつきによる分布幅をもってばらついている値である。

【0046】

したがって、これらの部品の組み合わせを最適化することにより、もともと値が近いＫ値同士（同じ印を付したＫ値同士）を、ほぼ等しい値に調節することが可能である。本発明の実施形態の光増幅器においては、この原理により、図５の（２）式と（５）式、（３）式と（４）式の左辺において、Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれの係数を、ほぼ等しい値とする。すなわち、図５の（２）式と（５）式においては
Ｋ２１＝Ｋ５１
Ｋ２２＝Ｋ５２
Ｋ２３＝Ｋ５３
とする。

【0047】

また、図５の（３）式と（４）式においては
Ｋ３１＝Ｋ４１
Ｋ３２＝Ｋ４２
Ｋ３３＝Ｋ４３
とする。

【0048】

ここで、図５の（２）式と（５）式において、
Ｋ２１＝Ｋ５１≡ＫＸ１
Ｋ２２＝Ｋ５２≡ＫＸ２
Ｋ２３＝Ｋ５３≡ＫＸ３
また、図５の（３）式と（４）式において、
Ｋ３１＝Ｋ４１≡ＫＹ１
Ｋ３２＝Ｋ４２≡ＫＹ２
Ｋ３３＝Ｋ４３≡ＫＹ３
とすれば、図５の方程式は、図６のように表される。ここで、図６においては、（２）式と（５）式、（３）式と（４）式は同一の方程式であるから、それぞれ一方を削除すると、図６の連立方程式は、さらに図７のようになる。図７の連立方程式は、変数（未知数）がＡ、Ｂ、Ｃの３つに対し、方程式が３本であるから、一般にこれを解くことができる。すなわち、電流Ａ、電流Ｂ、電流Ｃを調節することで、ＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊの光出力Ｐ１～Ｐ５を、全て等しいパワーに調節することができる。

【0049】

（実施形態の効果）
次に、本発明の実施形態の効果について説明する。本実施形態によれば、複数系統の信号光を増幅することができ、低コスト化を実現できる光増幅器、光中継器、及び光通信システムを提供することができる。その理由は、複数系統の信号光を増幅する１０つのＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊに対して、ＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊの数より少ない数である、５つの励起光源（ＬＤ１～ＬＤ５）を含んで光増幅器を構成できるからである。またその理由は、複数の励起光源（ＬＤ１～ＬＤ５）のうち、ＬＤ１及びＬＤ２を制御系Ａから供給される電流値Ａの駆動電流で共通に駆動される構成としたことにより、励起光源１１ａ（ＬＤ１）と励起光源１１ｂ（ＬＤ２）とを別々の制御系で制御する構成とした場合と比べて、構成が簡略化できるからである。また複数の励起光源（ＬＤ１～ＬＤ５）のうち、ＬＤ３及びＬＤ４を制御系Ｂから供給される電流値Ｂの駆動電流で共通に駆動される構成としたことにより、励起光源１１ｃ（ＬＤ３）と励起光源１１ｄ（ＬＤ４）とを別々の制御系で制御する構成とした場合と比べて、構成が簡略化できるからである。

【0050】

例えば、励起光源１１ａ（ＬＤ１）と励起光源１１ｂ（ＬＤ２）とを別々の制御系で制御する構成とした場合、ＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊのうちの複数のＥＤＦＡの光出力を揃えることが容易であるが、その一方、コストがかかる。これに対して本実施形態によれば、励起光源１１ａ（ＬＤ１）と励起光源１１ｂ（ＬＤ２）を制御系Ａから供給される電流値Ａの駆動電流で共通に駆動される構成としたことにより、制御回路を減らして構成を簡略化しつつ、ＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊのうちの複数のＥＤＦＡの光出力を揃えることができる。

【0051】

また本実施形態によれば、複数の励起光源（ＬＤ１～ＬＤ５）、上記複数の励起光分波部を構成している１×２カップラー１２ａ～１２ｅ、上記励起光合分波部を構成している２×２カップラー１３ａ～１３ｊなどのパッシブな光部品の特性のばらつきを利用して、ＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊの光出力を揃えることができる。

【0052】

また本実施形態の光増幅器を構成する際に、ＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊのうち一つのＥＤＦＡの光出力に対し、励起光源１１ａ（ＬＤ１）と励起光源１１ｂ（ＬＤ２）による励起光の影響と、励起光源１１ｃ（ＬＤ３）と励起光源１１ｄ（ＬＤ４）による励起光の影響と、励起光源１１ｅ（ＬＤ５）による励起光の影響とを考慮して、上記複数の励起光源、上記複数の励起光分波部、及び上記励起光合分波部などの部品の組み合わせを最適化しているからである。

【0053】

言い換えると、本実施形態によれば、前述のように、本実施形態の光増幅器では、ＥＤＦＡ１５ａ～１５ｊの光出力Ｐ１～Ｐ５の増減に対して、制御系Ａの電流Ａ、制御系Ｂの電流Ｂ、制御系Ｃの電流Ｃの内、どの電流が、どの程度関与しているかに注目して、各部品の組み合わせを最適化することで、ＥＤＦＡの出力Ｐ１～Ｐ５を、全て等しいパワーに調節することができるという効果が得られる。

【0054】

また、図２に示したように、本実施形態の光増幅器では、複数のＬＤ、例えばＬＤ１とＬＤ２とを共通の電流（電流Ａ）で駆動しており、駆動回路の数を減らすことができまた、複数のＬＤ、例えばＬＤ３とＬＤ４とを共通の電流（電流Ｂ）で駆動しており、駆動回路の数を減らすことが可能となる。このように光増幅器を構成する複数のＬＤのうちの、複数のＬＤを共通の電流で駆動する構成を採用することにより、複数のＬＤを共通の電流で駆動しており、駆動回路の数を減らすことが可能となり、光アンプ構成の製造コストが削減できるという効果が得られる。

【0055】

複数の励起光源１１ａ～１１ｅの一部、具体的には励起光源１１ａ及び励起光源１１ｂが同一の駆動電流の電流量Ａで駆動されており、又は励起光源１１ｃ及び励起光源１１ｄが同一の駆動電流の電流量Ｂで駆動されており、かつ、複数の励起光源の効率、励起光分波部や励起光合分波部に含まれる光カップラーの透過損失、やＥＤＦＡの効率が、複数の励起光源の内、どの励起光源が同一の駆動電流により駆動されているかに応じて調整されている。各ＥＤＦＡの光出力が全て等しくなるように、複数の励起光源の駆動電流を調整することにより、複数系統の信号光を増幅することができ、低コスト化が可能な光増幅器を提供できる。

【0056】

複数系統の信号光を増幅することができ、低コスト化が可能な光増幅器を実現できることによって、光伝送装置７１と光伝送装置７２との間の伝送線路の一例としての光ファイバー７３に挿入され、この光増幅器を用いた光中継器７４について、低コスト化を実現することができる。また複数系統の信号光を増幅することができ、低コスト化が可能な光増幅器を実現できることによって、端局Ａの光伝送装置７１と端局Ｂの光伝送装置７２との間を結び、送受信される信号光を伝送する光ファイバー７３と、光ファイバー７３に挿入されて、上記信号光を増幅する光中継器７４と、を含む光通信システムについて低コスト化を実現することができる。

【0057】

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態の光増幅器の複数の励起光源の数は、上述したような３つや５つに限られるものではなく、奇数で構成するものであればよく、７つや９つでもよい。その際、複数の励起光源の数は、光増幅器の複数のＥＤＦＡの数より少なく、かつ奇数であればよく、複数の励起光源のうち、一組のＬＤを共通の制御系から供給される駆動電流で共通に駆動される構成とすればよい。また上述した実施形態では不純物ドープ光ファイバー増幅部として、エルビウム（Ｅｒ）が添加された光ファイバー増幅部を挙げて説明したが、本発明の実施形態の不純物ドープ光ファイバー増幅部はＥＤＦＡに限られない。エルビウム以外の不純物が添加された光ファイバー増幅部、例えばプラセオジム（Ｐｒ）が添加された光ファイバー増幅部（ＰＤＦＡ）、やツリウム（Ｔｍ）が添加された光ファイバー増幅部（ＴＤＦＡ）を用いることもでき、光増幅器で増幅される信号光の波長帯に応じて選択すればよい。請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0058】

本発明の活用例として、長距離光通信システムにおける中継用光アンプが挙げられる。

【0059】

この出願は、２０２１年３月２５日に出願された日本出願特願２０２１－５１２６５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

【符号の説明】

【0060】

１０ａ 制御系Ａ
１０ｂ 制御系Ｂ
１０ｃ 制御系Ｃ
１１ａ～１１ｅ ＬＤ
１２ａ～１２ｅ １×２カップラー
１３ａ～１３ｊ ２×２カップラー
１４ａ～１４ｊ ＷＤＭカップラー
１５ａ～１５ｊ ＥＤＦＡ
７１、７２ 光伝送装置
７３ 光ファイバー
７４ 光中継器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】