JP3553361B2 - 光増幅器の動的ゲイン制御システムおよびその方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに関し、特に、光増幅器の動的ゲイン制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムは、情報信号チャネルに広帯域が利用できるので望ましい。光送信器および受信器の速度制限によって、単一の波長を使用している間は、この広帯域を十分に活用することが難しくなる。従って、大容量の光送信システムは、概して、高速システムを波長分割多重（ＷＤＭ）によって単一のファイバ上に結合させることにより、利用可能な帯域を全て使用することになる。このようなＷＤＭ光送信システムは、概して、稀土類ドープファイバ光増幅器（例えば、エルビウムやエルビウム−イッテルビイウムがドープされたもの）が使用され、ファイバリンクや分割損失を補う。光増幅器は、特定の条件下において、システムに好ましくないノイズを加える。さらに、稀土類ドープファイバ増幅器は、いくつかの適用において、課題が残されている。
【０００３】
光増幅器のゲイン過渡は、波長分割多重（ＷＤＭ）光システムにとって大きな問題である。このシステムでは、ネットワークの再構成あるいは障害によって、チャネルが追加または減少する。チャネルの追加により、現在のチャネルのパワーが弱まり、受信器が感知できなくなる。チャネルの減少により、残存チャネルのパワーが非線形効果の閾値を越えるために、好ましくない反射やノイズを引き起こす誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）やチャネル間のクロストークを追加する４光波混合（ＦＷＭ）など、残存チャネルにエラーが起こりやすくなる。これらパワー過渡の結果として起こる残存チャネルあるいは現在チャネルにおけるエラーバーストは、サービス提供者にとって受け入れられないものである。
【０００４】
さらに、エルビウムドープファイバ増幅器においては、光波長にわたりゲインが統一されていない。これは、エルビウムドープ増幅器のゲインが、ファイバ内エルビウムイオンの吸収／発散波長スペクトルによって固有に判定されるためである。これは、多重波長が同時に増幅されるＷＤＭシステムにとって重大な問題となる。このため、比較的一定した多チャネルゲインを有し、ＷＤＭ重力チャネルの数、パワー、波長、変調方法の変化に関わらず、ＷＤＭチャネル間のゲイン変動が少ないエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が求められる。エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）には、反転レベルが存在し、このため、多チャネルゲインに多少の変動が起こる。反転レベルは、ファイバ内の全体のエルビウムイオンのうち、反転あるいは励起したエルビウムイオンの数をいう。理想的なバージョンのＥＤＦＡについては、ＷＤＭチャネル間のゲイン変動がゼロである。実際、ＥＤＦＡのうち多チャネルゲイン変動が低いものでも、チャネル間に多少（例えば１ｄＢ）のチャネルゲイン変動が依然として起こり、これを受動光フィルタの使用により減少させ、それによって、比較的平坦で一定したＥＤＦＡの多チャネルゲインｖと波長スペクトルが、ＥＤＦＡの作動波長域内で得られる。
【０００５】
光増幅器とその応用についての１９９６年会議、ＯＡＡ’９６のテクニカルダイジェストであるＰｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ Ｐａｐｅｒ ＰＤＰ４のＡ．Ｋ．Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ他による「エルビウムドープファイバ増幅器の第一ゲイン制御」によれば、出力パワー制御システムは、チャネルから出力パワーを量り、フィードバック・ループとともにポンプレーザを駆動させることによって、チャネルの出力パワーを比較的一定に保っている。しかしながら、このシステムでは、本当のゲイン制御を得ることはできない。なぜならば、ゲイン制御は、一定の入力パワーである時のみ得られるものである。この解決策の短所は、出力パワーの測定に使用されるチャネルそのものが減少された場合、作動しなくなることである。さらに上述したように、このシステムでは、測定されたチャネルの入力パワーが変化したときに、多チャネルゲインおよび多チャネルゲインスペクトルの非変動が維持できない。
【０００６】
カリフォルニア、サンノゼにおける１９９３年、光ファイバ通信会議（ＯＦＣ’９３）の論文Ｔｕ１５（第４０〜４２頁）のＫ．Ｍｏｔｏｓｈｉｍａ他による「エルビウムドープファイバ増幅器におけるポンプフィードバック制御による過渡ゲイン飽和の動的補完」によれば、システムは、余分のプローブ信号を有しており、その信号の波長はＥＤＦＡのゲイン波長域に位置づけられるが、可能な信号波長には存在せず、それによりゲインを測定し安定させている。そして、プローブ信号の入力パワー、出力パワーのいずれもが測定され、実際のゲインが決定される。フィードバック回路を使用して、ポンプレーザダイオード電流とそのパワーを供給することにより、システムは比較的変化のないゲインを生成する。この技術の短所は、プローブ信号供給のための余分のＤＦＢレーザと、プローブ信号を追加し抽出するための鋭角波長多重器が、全てのＥＤＦＡに必要とされることであり、ＥＤＦＡの製造コストが増加する。
【０００７】
光増幅器とその応用についての１９９６年会議、ＯＡＡ’９６のテクニカルダイジェストであるＰａｐｅｒ ＦＢ２（第７７〜８０頁）のＪ．Ｍａｓｓｉｃｏｔｔ他による「全光ゲイン制御のエルビウムドープファイバ増幅器の低ノイズ動作を達成する非対称制御レーザキャビティ」によれば、光ゲインのクランプによる解決策が報告されている。しかし、光ゲインのクランプ使用は、余分な信号波長光反射器が少なくとも２つは必要となる。さらに、ゲインクランプ制御のためのフィルタおよび／または反射器により、信号波長に追加的損失が起こるため、使用可能なポンプパワーでは、ノイズ型を増加させ、増幅器の出力パワーを低下させる。
【０００８】
したがって、これら従来のシステムの短所を克服し、比較的一定で多チャネルゲインを有し、ＷＤＭ入力チャネル数、パワー、波長および変調方法の変化に独立であるＥＤＦＡが求められている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の原理による動的ゲイン制御システムは、ポンプ光損失を判定し、入力チャネルの変化に対してポンプ光損失を比較的一定に維持するものである。これにより、動的ゲイン制御システムは、光増幅器の反転レベルを維持できる。比較的一定な反転レベルは、すなわち、入力チャネル数、パワー、波長および／または変調方法の変化に関わらず、チャネル（多チャネルゲイン）に対して比較的一定なゲインをもたらす。
【００１０】
本発明の上記および他の側面を達成するため、動的ゲイン制御システムは、ポンプ光を供給するポンプ源を有する。動的ゲイン制御システムは、光増幅器に流れる入力ポンプ光のある一部分を測定し、光増幅器から発せられるポンプ光のある一部分を測定する。動的ゲイン制御は、入力ポンプ光および出力ポンプ光の測定値に基づきポンプ光の損失を判定する。このポンプ光損失に基づき、動的ゲイン制御システムは、出力ポンプ光を制御するためのフィードバックを供給することにより、入力チャネルおよびそれに関連するパワー（例えば、５０ｄＢｍから１０ｄＢｍの入力チャネルパワー）に関わらず、ポンプ光損失を比較的一定に（例えば０．１ｄＢ）に維持することができる。このように、動的ゲイン制御システムは、光増幅器の入力チャネルを変化させた結果、多チャネルゲイン変化を減少させている。いくつかの実施例によれば、広域に及ぶ全体の入力パワー域において、チャネル間のゲイン変動を少なくするには、多チャネル波長ゲインスペクトルを、受動光フィルタ技術を使用することで補完している。
【００１１】
本発明のいくつかの実施例によれば、出力パワーが変化した場合でも、ポンプ源の出力パワースペクトルの型は比較的一定（例えば±５％）している。出力ポンプ光の制御は、例えば、固定バイアス電流と温度を有する９８０あるいは１４８０ｎｍのポンプ源を設置し、外部の変調器、減衰器を使用してポンプ源の出力光を変化させることによって達成される。あるいは、ポンプ源を、単一波長低パーセンテージ反射器（例えば、９７８ｎｍで４％のファイバブラッグ格子反射器）を使用することにより光学的に単一の信号波長に固定し、ポンプ源の駆動電流を制御することにより、ポンプ源の出力パワーを変化させる。動的制御回路は、ゲイン過渡の問題を解決するように、例えば、μ秒単位の高速反応時間を有するように製造される。
本発明の他の側面および長所を、図面を参照して以下に詳細に記載する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の原理による動的ゲイン制御システムの実施例を、以下に図示的に説明する。動的ゲイン制御システムは、ＥＤＦの平均反転を維持あるいは固定することで、多チャネルゲインを有し、入力チャネルの変化、すなわち、ＷＤＭ入力チャネル数、そのパワー、波長および変調方法に関わらず、ＥＤＦＡが可能となる。さらに、ＥＤＦＡのチャネル間ゲインの変動を取り除くためにフィルタ機能が用いられる。これら特徴、および高速負のフィードバックループを使用した動的制御の動的特性によって、ゲイン過渡の問題が解決される。
【００１３】
波長の関数であるゲインλは、エルビウムドープファイバ長Ｌ、エルビウムイオンの時間および位置平均反転＜Ｎ＞の関数である。すなわち、
Ｇ（λ）Ｌ^＊［α（λ）＋ｇ^＊（λ））＜Ｎ＞−（α（λ）＋δ（λ））］
ここで、α（λ）は、吸収率、ｇ^＊（λ）は発散率、δ（λ）は、バックグラウンド損失（すべてｄＢ／ｍ）である。ＥＤＦのエルビウムイオンの固定反転によって、固定多チャネルゲインの外郭とポンプ光損失がもたらされる。したがって、この特定の実施例では、異なるＷＤＭ入力チャネルパワーに対して、ポンプパワーロスＬｐ＝Ｐ_{ｐｕｍｐ−ｉｎ}／Ｐ_{ｐｕｍｐ−ｏｕｔ}を比較的一定に保つことにより、反転レベルを固定することができる。ここでＰ_{ｐｕｍｐ−ｉｎ}は、ＥＤＦＡへ入力するポンプパワーであり、Ｐ_{ｐｕｍｐ−ｏｕｔ}は、ＥＤＦＡから出力されるポンプパワーである。
【００１４】
図１は、本発明の原理による動的ゲイン制御システムの一実施例におけるＥＤＦＡ１０の概略図である。本実施例において、ポンプ源１２は９８０ｎｍポンプレーザであり、駆動電流によって決まるポンプパワーを有するポンプ光を生成する。単一波長低パーセンテージ反射器１４は、例えば４％９７８ｎｍファイバのブラッグ格子反射器であり、ポンプ源１２の出力にあり、ポンプパワーのスペクトルを安定させる。
【００１５】
光ファイバライン１６の入力信号を９８０／１５５０ｎｍの信管をとりつけたファイバＷＤＭを用いてポンプパワーと結合させる前に、ポンプパワーの一部（例えば１０％）を、タップカプラ２２（例えば信管を取り付けた１０％９８０ｎｍファイバのタップカプラ）を使用して、フォトダイオードのような光検出器２０に結合する。このように、本実施例では、光検出器２０は、ＥＤＦ２４に入力する入力ポンプパワーＰ_{ｐｕｍｐ−ｉｎ}の測定を行う。ＥＤＦ２４の出力では、出力ポンプパワーの一部（ごく端数については１００％）が、高分離でＷＤＭ２６を使用して、増幅信号パワーから分離される（図１では、２本の信管を取り付けたファイバのＷＤＭカスケードを使用して、例えば、４０〜５０ｄＢの高分離を達成する）。分離されたポンプパワーは、フォトダイオードのような光検出器２８に結合され、ＥＤＦ２６の出力ポンプパワーＰ_{ｐｕｍｐ−ｏｕｔ}を測定する。
【００１６】
処理回路３０は、入力ポンプパワーを表示する入力パワー信号Ｉ_ｐｄ１を光検出器２０から、また、出力パワーＩ_ｐｄ２を表示する出力パワー信号を光検出器２８から受信する。処理回路３０は、ポンプパワーロスを示すフィードバック信号を生成する。本実施例において、処理回路は、ツーソン、アリゾナの登録商標であるＢｕｒｒ−Ｂｒｏｗｎログ１００集積回路を有し、電圧信号Ｖ＝Ｋｌｏｇ（Ｉ_ｐｄ２／Ｉ_ｐｄ１）＝Ｋｌｏｇ（ＣＰ_{ｐｕｍｐ−ｏｕｔ}／Ｐ_{ｐｕｍｐ−ｉｎ}）を生成する。ここでＫは、集積回路により生成され、一定に設置されており、Ｃは、Ｐ_{ｐｕｍｐ−ｉｎ}およびＰ_{ｐｕｍｐ−ｏｕｔ}を実際の入力、出力ポンプパワーとする分数による除算である。フィードバック信号は、非常に高い直流ループゲインを有する負フィードバックループ３２により受信される。本実施例では、負フィードバックループ３２は、基準電圧源３４，抵抗３６および３８、動作増幅器４０およびコンデンサ４２からなる。
【００１７】
負フィードバックループ３２は、出力ポンプパワーを、バイアス電流Ｉ_０源４６の上部で可変ポンプレーザダイオード電流Ｉ_ｖ＝ＧＵ源４４の駆動することによって制御する。ここでＧは一定であり、制御電流源の透過率を判定し、Ｕは動作増幅器４０の出力である。このように、電流Ｉ_ｖ＋Ｉ_０は、ポンプ源１２の駆動電流となり、電圧信号Ｖを電圧Ｖ_ｒｅｆに等しくなるように維持する。この基準電圧Ｖ_ｒｅｆは、ＥＤＦ２４を固定する平均反転を設定する。固定電流Ｉ_０源４６は、ポンプ源１２をその閾値を越えるように偏向させ、ポンプ光の吸収を測定可能なように保証する。総ポンプレーザ電流Ｉ_ｖ＋Ｉ_０は、ポンプレーザに対して最大電流Ｉ_ｍａｘを下回るように維持され、ポンプレーザ１２を破壊しないようにする。ポンプ源は、キンクフリーのＰ−Ｉ（Ｐｏｗｅｒ−Ｃｕｒｒｅｎｔ）特質を有するものが望ましい。入力チャネルパワーが多いほど、より多くのポンプパワーが反転レベル、すなわち多チャネルゲインを比較的一定に保つために必要とされるために、最大ポンプパワーが高いほど、動的ゲイン制御システムの動的総信号入力域が大きくなる。あるいは、フィードバックループ３２により、フィードバック信号３２を、ポンプ源１２の出力にある変調器（図示されず）あるいは減衰器（図示されず）に供給し、ポンプ源１２の出力を制御することも可能である。
【００１８】
図２は、測定ＥＤＦＡゲインを、ＥＤＦＡに入力する１５５０ｎｍ入力信号パワーの関数として２本の曲線を示したものである。曲線５０は、動的制御回路のスイッチがオンのときのＥＤＦＡゲインｖ入力パワー、曲線５２は、ポンプレーザパワーがその最大値に固定されているときのＥＤＦＡゲインｖ入力パワーを示す。図２に示されるように、本発明の原理による動的ゲイン制御システムは、およそ−１０ｄＢｍから−３５ｄＢｍで変化する入力信号パワーにおいても、ＥＤＦＡゲインを比較的一定に維持する。
【００１９】
図３は、入力パワーをＥＤＦＡｖポンプ源電流に対応プロットしたものである。曲線５４は、動的制御回路のスイッチがオフでありポンプ源電流が最大に設定されているときの入力パワーｖポンプ源電流、曲線５６は、動的ゲイン制御回路が作動し、バイアス電流Ｉ_０が４０ｍＡに設定されているときの入力パワーｖポンプ源電流を示す。図３は、この波長における反転を固定したＥＤＦＡの動的レンジが、約２５ｄＢ（−３５〜−１０ｄＢｍ）であることを示している。この動的レンジは、最大出力パワーが高いポンプレーザ（本実施例のポンプレーザについては、出力パワーの最大は、約７０ｍＷ）を用いることで拡張可能である。
【００２０】
チャネルが追加あるいは減少された時、本実施例のＥＤＦＡにおける動的制御回路の動的挙動の一例を以下に示す。図４は、動的ゲイン制御システムの動的挙動検査を行うための測定セットアップを示す。１．５５ミクロンファブリ−ペロレーザ６０は、ＥＤＦＡ６６の入力ポートにおいてレーザ６０のパワーがＰ_ｉ＝−１１．５ｄＢｍとなる。１５５０．０ｎｍでは、１０Ｈｚ矩形波信号によるレーシングモードの変調はない。矩形波生成器６２は、１０Ｈｚの矩形波信号を生成し、可変レーザ源６４からの１５５０．０ｎｍ信号について、６チャネルのうち５チャネルの追加あるいは減少を誘導し、本実施例の反転を固定したＥＤＦＡ６６に、パワーＰ_ｉ＝−１７．５ｄＢｍの可変レーザ６４が入力する。オシロスコープ６８を使用して、総入力パワー（ＥＤＦＡ６６に入力するファブリ−ペロレーザ６０および可変レーザ６４の合計値）およびＥＤＦＡ６６からの１５５０ｎｍでの出力パワーを、時間の関数として測定する。１５５０ｎｍでの出力パワーを測定するには、０．５ｎｍ帯域フィルタ７０を１５５０ｎｍに調整して使用する。
【００２１】
図５は、オシロスコープ６８のチャネル１上の総入力パワーのプロット７４、および動的制御回路のスイッチがオフの時、オシロスコープ６８のチャネル２上の１５５０ｎｍにおけるＥＤＦＡ６６の出力パワープロット７６を示す（両パワースケールは線形である）。この場合、他のチャネルが時間周期７８の間減少されているとき、１５５０ｎｍ信号の出力パワーは、３ｄＢを越えて上昇する。
【００２２】
図６は本実施例の動的制御回路のスイッチがオンになっている時の結果を示す。この場合、１５５０ｎｍ出力８０は、２ミリ秒の間元の値に戻り、エクスカーションピーク８２は、約１．７ｄＢまで減少する。このように、図５のプロットにより、動的制御回路が、チャネルの追加／減少の間に、本発明の原理によって、ＥＤＦＡ６６（図４）からの１５５０ｎｍ出力パワー信号に関連するゲインを維持する方法が示された。動的制御回路の反応時間をマイクロ秒に改善することにより、エクスカーションピーク８２によって示されるゲイン過渡の性能は改善される。
【００２３】
このような動的ゲイン制御システムは、従来のシステムの短所を克服し、入力信号に独立であり、比較的一定したスペクトルゲインを有する光増幅器が得られる。上述の制御方法あるいはその変形を実行するにあたり、要素の省略または追加、あるいは異なる要素の使用により、動的ゲイン制御システムの他の構成も可能である。例えば、動的ゲイン制御システムからより高速で、なめらかな反応が得られるように、フィードバックエレクトロニクスを改善することも可能である。さらに、上述の実施例は、エルビウムドープファイバ増幅器の動的ゲイン制御を扱ったが、本発明の動的ゲイン制御システムは、他の光増幅器と共に使用することも可能であり、スペクトルゲインは、ポンプ光損失を測定し、ポンプ源の出力を制御するフィードバックシステムの入力信号としてそれを用いることで維持される。このように、光増幅器は、エルビウムドーププラナ波長増幅器、およびエルビウム−イッテルビウムドープ増幅器のような他の稀土類ドープ増幅器でも可能である。さらに、動的ゲイン制御システムは、入出力ポンプパワーを測定し、その測定値からポンプパワーロスを判定するように記述されたが、ポンプパワーの入出力測定は、実際の入出力ポンプパワーに関連するこれら値、あるいは他のパラメータの分数測定でも達成され、ポンプパワーロスの判定は、ポンプパワーロスに関するこれらあるいは他のパラメータ測定によっても達成される。
【００２４】
さらに、動的ゲイン制御システムは、いくつかの単純な要素を含むように記述されたが、動的ゲイン制御システムとその構成要素は、特定用途向け集積回路、ソフトウェア駆動処理回路、または、それぞれの要素の他の配置によって構成されてもよい。以上は、本発明の原理の適用を図示的に記述したものにすぎず、当業者であれば分かるように、ここに図示および記述された例示的な適用に忠実に従うことなく、また、本発明の趣旨から逸脱することなく、本発明にこれらおよび他の変形、構成および方法を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、ポンプ光損失制御により反転／ゲインを固定する動的ゲイン制御システムの実施例におけるＥＤＦＡの概略図である。
【図２】動的ゲイン制御システムのスイッチオン／オフによる、１５５０ｎｍにおける、信号入力パワー関数であるＥＤＦＡのゲインをプロットしたグラフである。
【図３】動的ゲイン制御システムのスイッチオン／オフによる、１５５０ｎｍにおける、信号入力パワー関数であるポンプレーザ電流をプロットしたグラフである。
【図４】動的ゲイン制御システムの実施例における測定セットアップのブロック図である。
【図５】動的ゲイン制御システムのスイッチがオフの時、ＥＤＦＡにおけるチャネル１での総入力パワー、及び１５５０ｎｍでのチャネル２での出力パワーの測定を示す図である。
【図６】動的ゲイン制御システムのスイッチがオンの時、ＥＤＦＡにおけるチャネル１での総入力パワー、及び１５５０ｎｍでのチャネル２での出力パワーの測定を示す図である。
【符号の説明】
１０ エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）
１２ ポンプ源
１４ 単一波長低パーセンテージ反射器
１６ 光ファイバライン
２０ 光検出器
２２ タップカプラ
２４ エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）
２６ 波長分割多重（ＷＤＭ）
２８ 光検出器
３０ 処理回路
３２ 負フィードバックループ
３４ 基準電圧源
３６，３８ 抵抗
４０ 動作増幅器
４２ コンデンサ
４４ 可変ポンプレーザダイオード電流Ｉ_ｖ＝ＧＵ源
４６ バイアス電流Ｉ_０源
６０ ファブリ−ペロレーザ
６２ 矩形波生成器
６４ 可変レーザ
６６ エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）
６８ オシロスコープ
７０ 帯域フィルタ

Claims (1)

1. 光増幅器（２４）の制御方法であって、ポンプ源（１２）からポンプ光を供給し、該ポンプ源（１２）からのポンプ光のパワースペクトルを安定化させ、該光増幅器（２４）でのポンプ光損失を決定し、そして該ポンプ光損失に関係づけて該ポンプ光を制御する光増幅器の制御方法において、
   該ポンプ源を固定されたバイアス電流と温度に固定し、そして外部変調器又は減衰器を用いて該ポンプ源の出力光を変化させることで、該パワースペクトルの安定化が行われることを特徴とする光増幅器の制御方法。

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