JPH09133935A - 光増幅器 - Google Patents

光増幅器

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JPH09133935A
JPH09133935A JP8206125A JP20612596A JPH09133935A JP H09133935 A JPH09133935 A JP H09133935A JP 8206125 A JP8206125 A JP 8206125A JP 20612596 A JP20612596 A JP 20612596A JP H09133935 A JPH09133935 A JP H09133935A
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gain
optical
wavelength
edfa
edf
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JP8206125A
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Johan Albinson Nilson Lars
ヨハン アルビンソン ニルソン ラルス
Yuu Ri
勇 雨 李
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Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
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    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/29Repeaters
    • H04B10/291Repeaters in which processing or amplification is carried out without conversion of the main signal from optical form
    • H04B10/293Signal power control
    • H04B10/294Signal power control in a multiwavelength system, e.g. gain equalisation
    • H04B10/2941Signal power control in a multiwavelength system, e.g. gain equalisation using an equalising unit, e.g. a filter
    • HELECTRICITY
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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
    • H01S3/063Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067Fibre lasers
    • H01S3/06754Fibre amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • HELECTRICITY
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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 エルビウムドープ光ファイバ増幅器、及びそ
の応用装置を提供する。 【解決手段】 エルビウムドープ光ファイバ増幅器は、
動作条件と独立した特性を有する利得媒体を用いること
により、動作条件と独立した利得スペクトルの形を有し
利得媒体として、低濃度Al3+含有アルミノーゲルマノシ
リケートを用いた、一定の波長範囲において波長と独立
した利得スイングを有する。利得媒体を少なくとも二片
のEDFで構成すれば、この相異なるEDFの各々の利
得スペクトルの形の変化は相互に効果的に相殺し合う。
さらに、重なる波長領域内でパワーと独立で平坦な利得
スペクトルを得るために、利得媒体の前後、或は利得媒
体の2つの接合面の間に、利得媒体に応じて配置された
1つ或は数個の光フィルターや、EDFAの一定の反転
密度領域で特別に選択されたフィルタリングEDFによ
って、利得スペクトルは変化され得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光増幅器に係り、特
に、エルビウムドープ光ファイバ増幅器 ( EDFA:erbium
-doped fiber amplifier) 、及びその応用装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】エルビウムドープ光ファイバ増幅器は現
在設置されている通信システムに広く使用されていて、
将来通信システムにも広く用いられると予測されてい
る。このエルビウムドープ光ファイバ増幅器は、多量の
データを一筋の光ファイバを通して再生することなく長
距離に亙って伝送する。しかし、長距離、及び/或は、
大容量伝送には幾つかの問題点が発生する。このような
長距離及び大容量伝送において発生する問題点の一部を
克服するための方法として、波長分割多重 ( WDM:wavel
ength division multiplexing) が利用されている。
【0003】図14Aは、一般的なポンピング構造を有
するエルビウムドープ光ファイバ増幅器の一例を示した
ものである。この図に示された光ファイバ増幅器は、エ
ルビウムドープ光ファイバ (EDF)、2つのポンプレーザ
ー、及び2つの波長選択カプラ(WSC: wavelength selec
ted coupler)1を具備し、そのポンピング構造は両方向
になっている。このポンピング構造は、場合によっては
両方向ではなく、一方向、即ち、順方向或はその逆方向
に構成することもできる。波長選択カプラは、相異なる
2つの波長の光信号、即ち、通信用の入射光信号と入射
光信号を増幅するためのポンプ光とを適切に結合して、
EDFに導入する役割をもつ。
【0004】図14Bは、一般的な反射形EDFAの一
例を示している。反射形EDFAは、EDF、波長選択
カプラ1、ポンプレーザー、反射形ミラーMと光分波器
(OC: optical circulator) 2を具備する。光分波器O
C2は、EDFによって増幅され、反射されてきた出力
光を分岐させるためのものである。
【0005】このような波長分割多重システムに使用さ
れるEDFA等は通常、チャンネル(波長等)に依存し
て利得が変化する利得特性を有している。光通信信号の
波長に依存して利得が変化する特性は、ロックドインバ
ージョン利得スペクトルにより特徴づけられる。ロック
ドインバージョン利得スペクトルは一定の反転分布で測
定される。EDFを用いた光通信システムの設計上のさ
らなる難点は、EDFAの反転分布の変化による利得の
変化量は、光信号等の波長によって異なることである。
従って、EDFの利得平坦度は動作利得に依存し、結果
的に、動作利得はEDFAの設計において最大限に考慮
されなければならない。
【0006】しかし、利得は、例えば光信号パワーとポ
ンプパワーに依存し、これらは変化させることができ
る。さらに、多数のEDFA等の縦続接続における平均
利得はおおよそ増幅器等の間での平均損失と同じであ
り、この平均損失はやはり未知または時ー変の可能性も
ある。しかも、一部応用装置において、普通は光ファイ
バ増幅器の固有の自動パワー制御が用いられ、これは全
的にEDFAの変動利得に依存する。従って、明白に、
どんな利得レベルで利得平坦EDFAが設計されるべき
かを知ることは困ったり、それとも不可能なのに違いな
い。
【0007】平坦なロックドインバージョン利得スペク
トルを得るために多様な複合性と応用性を有する幾つか
の方法が使用されて来た。1つの有用な方法はEDFA
に使用されるガラス組成を変化させることである。ガラ
ス組成を変化、形成する工程は、これまで、平坦利得を
得るために進められてきた。利得曲線の傾きを変えるこ
とのできる効果は、最適反転分布を選択してロックドイ
ンバージョン利得曲線を精密調整(fine-tune) するため
に利用することができる。しばしば、高濃度Al3+含有 E
r3+:Al3+:Ge4+:SiO2ガラスが、利得平坦EDFAを製造
するために使用される。同様に、フッ化系のガラスも広
い平坦利得を有するEDFAを製造するために使用され
る。また他の解決策は利得平坦フィルターを使用するこ
とである。WDMのための光増幅器を現時点で再検討し
てみると、従来技術によるEDFAには次のような問題
点がある。
【0008】第1に、完全にLI利得平坦度を無視す
る。(そして、LI利得平坦度が足りない。) 第2に、特定入力信号とポンプパワーにおいてのみ利得
平坦化される。
【0009】第3に、特定利得に対してのみ利得平坦化
される。
【0010】第4に、調整用のフィルターで均一化が必
要であったり、少なくとも可変減衰器で入力パワーの調
整が必要である。
【0011】このような全ての問題点から次のような多
数の欠陥が齎される。
【0012】第1に、平坦度を含むLI利得曲線の形は
作動条件の変化に応じて変わる。
【0013】第2に、少なくとも1つのポンプ源が故障
を起こしたら、LI利得曲線は著しく変化する。
【0014】第3に、従来のEDFAは一定の利得で動
作する。
【0015】第4に、従来のEDFAは信号パワーをモ
ニターする必要があり、また調節可能なスペクトルフィ
ルター或はEDFAのポンピングを制御する。
【0016】第5に、従来のEDFAは調整可能なフィ
ルターを必要とする。
【0017】第6に、従来のEDFAはEDFAの固有
特性の自動パワー制御が提供できない。何故なら、利得
曲線が変わるからである。
【0018】
【発明が解決しょうとする課題】本発明は前記のような
問題点を改善するために創案されたものであって、ロッ
クドインバージョン(LI)利得曲線のスペクトルの形
が、少なくとも利得スペクトルの一部において、例えば
入力信号パワーにより影響される、動作利得と無関係で
あるようなEDFAを提供することを目的とする。
【0019】また本発明の他の目的は、ロックドインバ
ージョン利得曲線のスペクトルの形は動作利得及び反転
分布(所定の限界内で)と関係のなく、何れか1つの重
なる波長区間でロックドインバージョン利得を平坦にし
て動的利得平坦度を得るEDFAを提供することにあ
る。
【0020】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明による光増幅器は、もし利得が1つの波長で変
わると、他の波長で前記利得は基本的に同じ量ほどずつ
変わる利得特性を有する利得媒体を具備することを特徴
とする。
【0021】本発明において、前記利得特性は、もし前
記利得が1つの波長で変わると、前記利得が1つの連続
的な波長帯での全ての波長で基本的に同じ量ほどずつ変
わったり、或は前記利得が1つの波長帯での複数の各離
散波長で基本的に同じ量ほどずつ変わることが望まし
い。
【0022】前記利得媒体は、基本的に同次に拡張され
たものであり、光ファイバよりなり、前記光ファイバは
エルビウムドープ光ファイバよりなり、アルミニウムを
10%まで含有したエルビウムドープアルミノゲルマノ
シリケート光ファイバよりなることが望ましい。
【0023】前記利得媒体の横配列は前記利得特性を提
供するように調整され、前記前記利得媒体は少なくとも
2つの相異なる利得媒体の片等を組合わせて得られる
が、前記相異なる利得媒体の長さ及び位置等が前記利得
特性を提供するように調整されたハイブリッド利得媒体
であり、ポンプ波長が所定の波長帯での利得レベルに対
するロックドインバージョン利得模様の任意の従属性を
最少化させるため調整されたことが望ましい。
【0024】利得媒体を2回通過して誘導された信号の
利得減縮の均一性を強化し、反射された信号がその後に
分岐、出力されるようにするため、ミラーで反射前後に
光信号を利得媒体に2回通過させる反射ミラー及び光分
岐手段をさらに含み、前記波長で基本的に同じ利得を得
るように前記利得媒体に前記利得スペクトルを変化、調
整するためのフィルターを具備し、前記スペクトルのフ
ィルタリングによる望ましい調整は、所定の波長帯で利
得が飽和しなかったり、或は選択的に利得の飽和量が自
体の設計された動作条件等の範囲にかけて変わらない一
部分の増幅器内に望ましいスペクトル特性を有する一片
の利得媒体の付加的な使用により得られ、前記一片の媒
体でフィルタリングはポンプ波長を変更することにより
調整されることが望ましい。
【0025】また、前記他の目的を達成するために本発
明による光伝送装置は、本発明による少なくとも1つの
光リンク及び少なくとも1つの光増幅器を具備したこと
を特徴とする。
【0026】本発明において、前記装置は1つの期間に
かけて予想された波長従属様式に変わり、前記利得媒体
の前記利得特性は前記期間にかけて損失に因した前記変
化を補償するように所定の波長従属様式に変わるように
選択され、それで純利得の波長従属が基本的に前記損失
変化等と依然として関係のない前記損失等を有し、複数
の前記光増幅器と結合され、前記光増幅器の1つに統合
されたり、2つの前記光増幅器の間に配置された少なく
とも1つのフィルターを具備したことが望ましい。
【0027】波長分割多重された信号等は前記装置の少
なくとも一部分から増幅され、AMCATVファイバー
光分布リンク或はネットワークを提供することが望まし
い。
【0028】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面に基づき本発明
による動的利得平坦度EDFAを説明する。
【0029】同次に拡張された利得媒体におけるLI利
得スペクトルの変化率は、利得スイング:gp-p (λ)
≡[g* (λ)+α(λ)](e.g.,単位長さ当りd
B)で与えられる。ここで、g*(λ)は利得であり、
α(λ)は吸収スペクトルである。この式は、EDFA
等の利得が圧倒的に同時に拡張された所で、実験的に立
証されてきたように、EDFAをよく説明すると期待さ
れている。しかし、この式と他の式等は、単に本発明の
望ましい実施例の原理を説明するのに寄与するだけであ
る。さらに一般的に、本発明は、前記の式等の有効性に
必ずしも依存するものではない。ある場合には、前記式
等は、単に概略的に有効なものとして期待されるだけで
ある。それで、一部波長領域に対して一定の利得スイン
グを有したり、離散集合の波長で同一利得を有するED
Fを使用することが提案されている。従って、確実に利
得を減縮することによって、利得スペクトルの形が最小
限の変動をするEDFAを得ることができたり、離散集
合の波長で同じ利得スイングを有して、これら波長で同
一の利得変化を有するEDFAを得ることができたりす
る。
【0030】本発明による第1の利得媒体は、一定の利
得スイングを有する通常のEDFである。しかし、この
ようなEDFを得るためには、その組成と製造工程は注
意深く調節及び調整されるべきである。前記低濃度Al3+
イオン含有アルミノーゲルマノシリケートガラスは、一
定の利得スイングを有するEDFであって、EDFAに
適用される、本発明による第1の利得媒体である。本発
明による第2の利得媒体は、ハイブリッドEDFAで構
成され、少なくとも2つ以上の相異なるEDFを相互接
合して構成される。ハイブリッドEDFAでは、相異な
るEDF利得スペクトルの形の変化は相互に相殺され、
平坦な利得スイングを作り出す。この場合に、相異なる
EDF等の長さ、及びその相互の結合順序に注目すべき
である。ポンプ波長を注意して調節することにより、付
加的な利点等が得られる。
【0031】前記のような利得媒体では、利得スペクト
ルの形が動作条件とは無関係ということは保障されてい
るが、利得スペクトルの形は平坦とは言えない。従っ
て、利得スペクトルを平坦にするため、一部において調
整が必要である。このための方法は、利得媒体の前後、
或は内部に、スペクトル的に従属減衰を提供する信号パ
ワーと関係のない線形フィルターを挿入することであ
る。
【0032】効率的なフィルタリングのための他の方法
は、EDFAの一定の反転領域から特別に選択されたE
DFを使用して前記線形フィルターのようなフィルタリ
ング効果を得ることである。この際、反転は信号波長と
パワーの変動とは独立しているべきである。順方向に進
行するポンプを有するEDFAで、そのような領域等は
EDFAの開始部から見つかる。何故なら、多くの実際
装置で、信号パワーとその変動は、EDFAの開始部で
濃度反転に影響を与えないほど小さいからである。この
EDFと別に使用される(もしあれば)EDFとは、そ
の利得スペクトルの差異によって利得が平坦化するよう
に、注意深く合せられる。
【0033】また、LI利得曲線のスペクトルの形が入
力信号パワー、動作利得、及び反転分布と無関係のED
FAが作れることがわかった。この新しいEDFAは、
利得媒体(EDF)が所定の特性を有するように設計さ
れたことを除いては、基本的に従来のEDFAと同じで
ある。特別に注目する点は、利得媒体の何れバージョン
におけるポンピングにある。望ましい実施例において、
新規EDFAは、前記の問題点に関しては、かなりの程
度改善されたものとなっている。新規EDFAの特徴の
一つは、LI利得のスペクトルの形が動作利得及び反転
分布と関係のないことである。さらに、一定の曲線領域
を重ねて、何れ波長領域でLI利得を平坦にすることが
できる。すると、動的利得平坦度(DGF)が得られ
る。この目的のために、スペクトルフィルターや利得媒
体の設計変更のうち何れか1つを使用することができ
る。それでは、利得は利得変化の動作レベルにより平坦
になったり平坦領域に留ることになる。動的利得の平坦
度は、やはりアナログAMのCATV用のEDFAで、
AC利得の傾き及び傾きの変動を除去する。
【0034】図14A及び図14Bは、幾つかの可能な
EDFAの配置を示したものである。ここで、基本的
に、ポンピングよりは利得媒体(EDF/EDFs)に
ついてさらに詳しく説明する。図14Aは、可能な一方
向(順方向及び逆方向)或は両方向ポンピングを有する
EDFAを示したものである。図14Bは、光分波器を
有する反射形EDFAの一例を示したものである。
【0035】図14A及び図14Bに示した従来のED
FAに基づき、本発明による動的利得平坦度EDFAの
実施例を説明すれば次のようである。
【0036】まず、本発明による第1のEDFよりなる
利得媒体を有したEDFAについて説明する。
【0037】第1に、EDFAが単一のEDFで構成さ
れると、EDFのように同次に拡張された利得媒体にお
いて、LI利得G(dB単位で)は、
【数1】 である(式1)。
【0038】ここで、λは波長、Lは信号がEDFを通
して伝播する距離、α(λ)はメートル当りデシベルで
表わした吸収スペクトル、g*(λ) は完全反転でメー
トル当りデシベルで表わした利得、f(λ)はデシベル
で表わした光ファイバの減衰量、n2 はEDFAでの平
均励起度、即ちEr3+イオン総数に対する励起された
(準安定)状態のEr3+イオン数の比である。n2 は反
転分布と直接関係する量である。量n2 は、動作条件の
変化に起因して利得がどのように変わるかを説明する際
のパラメータである。式1によれば、LI利得スペクト
ルは励起度n2 の変化に伴って、
【数2】 のように変わる(式2)。
【0039】もし、量[g* (λ)+α(λ)]≡g
p-p (λ)が2つの波長に対して同じだとすれば、これ
ら2つの波長での利得(単位:デシベル[dB])は、
2 の変化に対して同一量だけ変化する。算出量Lg
p-p (λ)はまた、完全な反転分布状態にあるEDFA
とポンプされていないEDFAとの間の利得差、即ちE
DFの総利得スイング(変化)と同一である。本発明の
望ましい実施例で重要なのは、動的利得平坦度(DG
F)EDFAの設計において、利得gp-p (λ)を広い
波長範囲にわたって一定にすることである。研究の結
果、これが重量で約1%の Al2O3を含有する Er3+:A
l3+:Ge4+:SiO2ガラスファイバで、波長約1.55μm
に対して達成されうることがわかった。このようなED
Fは、標準的な方法(この場合に、溶液ドーピング)に
よって製造することができる。
【0040】式1と式2は、4段システムに対しても適
用できる。これと対照的に、EDFポンプレベルに従属
的な2段或は3段システムである。4段システムに対
し、α(λ)は信号波長等に対してゼロと同じである。
それで損失f(λ)もやはり無視できるとすれば、利得
が波長と関係のない場合に限って、利得スイングは波長
と無関係である。EDFA利得平坦度と対比し、利得媒
体の化学的組成を変更することにより、波長と関係のな
い利得及び利得スイングの2点を同時に達成することが
できる。従って、波長と無関係な利得特性は、たとえ動
作条件が変化しても、たやすく得られる。何故なら、動
作条件と無関係な利得の形の問題は、波長と無関係の利
得を得ると共に解決されるからである。
【0041】しかし、EDFAに対しては、前記問題等
は同時に解決されない。これまで研究者らは、EDFの
組成を変えて平坦利得を得ようと努力してきた。しか
し、利得スペクトルの形を変える問題は残っている。何
故なら、利得スペクトルの形を変更することは、利得媒
体の外部からは解決しにくい残留の問題である。このた
め我々は、代りに利得媒体の内部で利得スペクトルの形
を変えて問題を解決する。このために、我々は、利得の
形が波長と関係のない、より簡単な残留問題のみ解決す
れば良く、これはフィルターを使用して容易に解決する
ことができる。
【0042】図1は、現在(従来の技術)利得平坦度に
広く使用される標準的な高濃度Al3+含有 Er3+:Al3+:Ge
4+:SiO2ガラスファイバ(例えば、サンプル名:SE
4B401)とともに、低濃度Al3+含有 Er3+:Al3+:Ge
4+:SiO2EDFにおける各量のスペクトルを示した図で
ある。このような光ファイバよりなるEDFAは、フィ
ルターさえなく、1545nm〜1552nmの比較大
きな波長範囲において相対的に平坦な利得スペクトルを
示す。ここで曲線a、c、eは、左側座標軸の尺度で表
わされたスペクトルであって、従来のEDFを使用した
場合のgp-p (λ)、α(λ)、g* (λ)を各々示
し、曲線b、d、f、gは、右側座標軸の尺度で表わさ
れたスペクトルであって、新規EDFAのgp-p
(λ)、g* (λ)、α(λ)及びf(λ)を各々示
す。
【0043】図2A及び図2Bは、新規の低濃度Al3+
有EDF(サンプル名EXR9325)、及び従来のE
DF(サンプル名SE 4B401)において、式1を
用いてn2 の複数の値に対して計算した利得スペクトル
を示す。図中、例えば80%の値は、n2 =0.8の値
において計算されたスペクトルであることを意味してい
る。動的利得平坦度(DGF)を得てEDFAを作るた
め、EDFの特性を図2Aを参照してみてみると、15
45nm〜1552nmの波長範囲で、利得スペクトル
の形がn2 の根と無関係なことがわかる。これは、図1
に示された一定の利得スイングの範囲に対応する。他の
EDFに対してはそのような範囲がない。
【0044】反転分布と無関係な利得スペクトルの形
は、例えば、AM CATVに役立てることができる。
何故なら、一定の利得スペクトルの傾きは、補償しやす
く、特にLI利得スペクトルが平坦であれば、波長分割
多重に適用しやすいからである。図3に示したように、
前記一定の利得スペクトルの傾きを補償するためのフィ
ルター(OF)3は、EDF或はEDF等の前端、中
端、或は後端に挿入することができる。フィルタリング
は、光ファイバ(EDF)に応じて分割することができ
る。たとえフィルター3の位置がEDFAの特性に大き
な影響を与えるとしても、それはどのように利得スペク
トルがn2 に依存するかとは無関係である。新規のED
Fの利得スペクトルは、フィルターによる補償のある場
合、n2 の相異なる値に対して図4に示されるようであ
る。図4では、1570nmで最大の減衰量を有し、6
8nmのスペクトル領域がなく、挿入損失がゼロであ
り、EDFの単位長さ(メートル)当り0.373dB
のピーク減衰量を示すマッハ・チェンダー・フィルター
が利得を平坦化するために使用されている。図4でMI
Nと示された曲線は、マッハ・チェンダー・フィルター
の損失スペクトルを示している。
【0045】図2A、図2B及び図4が、図1に示され
た測定されたスペクトルに基づいた計算値であるのに対
し、図5は、波長領域1542nm〜1550nmで一
定のスペクトルの形を有するEDFAのLI利得の実際
の測定値を示している。ここにおいて各々の曲線は、各
ポンプパワーにおける利得スペクトルを表わしている。
本図は、EDFAにおける一定の利得スペクトルの形を
実験的に立証したものである。
【0046】特殊EDFA(新規の低濃度Al3+含有)と
フィルターとで得られた動的利得平坦度を詳しく分析
し、それを従来の増幅器の利得平坦度と比較するため、
図6において、前記新規のEDFと従来のEDFを使用
したEDFA等の、n2 の相異なる値における利得偏差
を示した。曲線a、b、cは、各々n2 =0.6、0.
8、1.0の値における、動的利得平坦度EDFA(D
GF−EDFA)の相対的な利得偏差を示す。相異なる
2 に対して3つの曲線がほとんど一致する。曲線d、
e、fは、各々n2 =1.0、0.8、0.6の値にお
ける従来のEDFの利得の相対的な偏差を示す。なお、
ここでは、λ>1.540μm、及びλ>1.545μ
mにおける最大利得等を、従来のEDFAと動的利得平
坦度光ファイバ増幅器(DGF−EDFA)の利得偏差
の計算値の基準値として使用した。また、利得は式1を
用いて計算した。
【0047】図6を参照すれば、基準EDFAは使用さ
れるn2 の3つの異なる値に対し広い波長範囲において
平坦利得(3%以内)を示す。n2 =0.8で、その波
長範囲は1538nmから1554nmまでである。そ
れで、30dBの利得を有するEDFAにおいて、±
0.45dBの平坦度はこの領域から得られる。100
dB(333dB)の総利得を有する、n2 =0.8に
おけるEDFA等においては、(全てのEDFAに対し
て平均化して)この波長の範囲は3dB(10dB)の
幅を示す。しかし、波長の範囲はn2 と共に変わる。n
2 =0.6では、前記の波長の範囲は1552nm〜1
563nmである。n2 =0.8での前記の波長範囲と
の重複波長区間は、単に1nm〜2nmである。動的利
得平坦度光ファイバ増幅器(DGF−EDFA)におい
て、相異なるn2 における曲線等は相互近接していて、
そのバンドの幅は狭い。しかし、重複波長区間が相対的
に大きな平坦利得波長等の範囲は、例えば、n2 が1.
0から0.6まで変わっても10%の平坦度で10nm
であり、3%の平坦度で7nmである。これは、予想し
なかった新しい結果である。
【0048】図4及び図6に対応するDGF−EDFA
は、制限された領域において単純に平坦化されていた。
しかし、たとえDGFが本来の波長領域でのみ起るとし
ても、さらに広い波長領域にかけてDGF−EDFAを
平坦化することができる。一例として、図4に示された
フィルターと類似した簡単なマッハ・チェンダー・フィ
ルターが1542nm〜1562nmの波長領域を平坦
化できることがわかる。それで、従来の利得平坦化され
たEDFA等のバンド幅と類似したバンド幅を有するよ
り幅広い平坦利得が、EDFAの構成を複雑にせずに得
られる。
【0049】DGF−EDFAの狭いバンド幅は1つの
制限である。他の主材料等は、さらに大きなバンド幅に
おいて一定のgp-p (λ)を提供する。さらに、スペク
トルの形は、EDFの屈折率及びEr3+のドーピング分
布を変更することにより変化させることができる。
【0050】次に、本発明による前記のハイブリッド化
(少なくとも2種のEDF等の利得媒体)の長所につい
て説明する。
【0051】前記のDGF−EDFAが、動作条件等の
より広い範囲にかけて平坦な利得スペクトルを有するの
に対して、製造工程においてEDFの利得スイングを正
確に制御することには困難が伴う。この利得スイングを
正確に制御する1つの方法は、図7に示されたように、
少なくとも2つ以上の相異なる利得スイングの形を有す
るEDF(A、B、C)等を、効率的な平坦利得スイン
グを有するように相互接続して、ハイブリッドEDFを
構成することである。このようなハイブリッドEDFの
利得Gは、
【数3】 で与えられる(式3)。
【0052】ここでkは、相異なるEDF等を識別する
ための番号であり、λは波長、Liはi番目のEDFの
長さであり、αi (λ)はi番目のEDFのメートル当
りデシベルで表わした吸収スペクトルであり、g*
(λ)はi番目のEDFの完全反転分布状態におけるメ
ートル当りデシベルで表わした利得であり、f(λ)は
光フィルター及び背景損失等のデシベルで示された減衰
量、そしてn2,i は励起度、即ちi番目のEDF中のE
3+イオンの総数に対する励起された(準安定)状態の
Er3+イオンの数の比である(以下、相異なるEDFに
おけるn2 を区別すべきである)。
【0053】しかし、動作利得平坦度(DGF)を得る
のに充分なハイブリッドEDFAを作るためには、従来
のハイブリッドEDFAに比べて若干の設計変更が必要
である。
【0054】まず、EDF等及びこのEDF等の長さ
は、これらの利得スイングの加重された和が1つの波長
領域にかけて一定になるように選択されるべきである。
その和は、減縮されうるEDF等の各片の長さと相異な
るEDF等に有り得る減縮の最大量、即ちn2,i が減縮
する間変われる最大量に従った加重和である。一般的
に、それはn2,i の最大値との差により与えられる。そ
れは加重値:gI *(λP )/gP-P,I (λP )により上
向きに制限され、αI (λS )/gI *(λS )により下
向きに制限される。ここで、λP はポンプ波長であり、
λS は体表的な信号波長である。しかし、上向き制限は
よく設計されたEDFA内でも絶対に到達できるもので
はなく、下向き制限も実際に到達できない。硬直した制
限より実質的な制限等を用いた設計はさらによく具現さ
れうる。利得スイングとそれらの加重された和について
は図8に示されている。図8で、曲線aはAl非含有光
ファイバ(SE49407)での総利得スイングであ
り、曲線bはGe非含有光ファイバでの総利得スイング
であり、曲線cはAl非含有光ファイバ(SE4940
7)での加重利得スイングであり、曲線dはGe非含有
光ファイバでの加重利得スイングであり、曲線eは曲線
cと曲線dで示された加重利得スイングの和である。
【0055】このような方式で、相異なる種類のEDF
等を接続してハイブリッド構成とすれば、利得変化等が
波長と関係のない波長領域を得る。
【0056】前記のような設計規則によって、LI利得
スペクトルは、n2,i がそれらの最大(実質)値に到達
する時と最低値に到達する時に同じ形を有することが保
障される。しかし、動作条件等が変わることにより、n
2,i は異なるEDFでそれぞれ異なった量だけ変化す
る。もし、ASE(amplified spontaneous emission)が
無視されれば、
【数4】 を得る(式4)。n2,i は、n2 i(x,y,z)に対す
る加重平均値として得られる。ASEが無視できない場
合でも、類似した表現式が成立する。式4で、Iは利得
媒体内部での信号(添字s)とポンプ(添字p)の強度
であり、σi はi番目のEDFにおける信号とポンプに
よる誘導放出(添字e)と吸収(添字a)の断面積であ
り、νは光周波数であり、τi sp はi番目のEDFにお
けるライフタイムであり、hはプランク定数である。
今、単に2つの形のEDFA等、AとBがあると仮定す
る。A形EDFにおける)n2,A の変化と(B形EDF
における)n2,B の変化とを常に一致させるためには、
自発放出のためのライフタイムだけでなく、全ての断面
積の比率が2つの形のEDFの間で同一でなければなら
ない。実験的には、非常に短いEDFの飽和特性は、2
つの形のEDFに対する存在可能な全てのポンプパワー
において同一でなければならない。これはここで示され
た理論的な説明よりさらに正確である。何故なら、相異
なるEDFにおける相異なる波長での重複区間の差を考
慮するからである。しかし、たとえ断面積の波長依存性
は異なるべきなのを無視できたとしても、これは実際的
ではないようである。しかし、図9及び図10に示され
るように、ポンプ波長を調節することにより、(少なく
とも)2つの異なる形のEDFの飽和特性の差を最少化
することができる。図9及び図10は、3つの相異なる
ポンプ波長λP =965、975、985nmにおける
シリケートEDFとZBLAN−EDFとの間での相対
的な利得減縮の差(即ち、小信号利得における相対的な
利得差)を示す。図9はλP =1532nmの信号波長
における差を示し、図10はλS =1550nmの信号
波長における差を示す。
【0057】たとえ最少化が完璧であったとしても、そ
れだけでは十分でない恐れがある。EDF等は、必要に
応じて各々異なる場所に配置されることによって、その
パワーフラックスと強度が変わる。従って、ひとつに
は、相異なるEDFの短い片等の飽和特性における差を
最少化するように、完成されたハイブリッドEDFに対
してポンプ波長を最適化するとよい。特に、完成された
EDFAでのみ重要な意味を有するASEは、飽和の細
部条件等に対しても重要な因子になるからである。
【0058】相異なる形のEDFの相異なる位置の効果
はやはり他の方式として減少されうる。理想的なことを
考え、ハイブリッドEDFが多量の片の短いEDFより
構成されるとする。この場合、相異なる位置による影響
は無くなるが、このような構成は非実用的であり、信号
の大半は接続部点で反射されてしまう。しかし依然とし
て、相異なる光ファイバ片の数は、非反射EDFAの2
つより多くするべきである。それは、飽和が1つの形の
EDFでのみ起こった場合、そのEDFの利得スイング
スペクトルのみが重要になり、ハイブリッド化による何
れの補償も行われないからである。
【0059】次に、反射形EDFAの利点について説明
する。
【0060】図14Bに示されたように、一般的な反射
形EDFAは、利得媒体全体において利得をさらに均等
に飽和させることのできる可能性を示している。信号は
まず一方向に利得媒体を通過してから反対方向に通過し
て、常に正規的に増幅されているので、順方向に進行す
る相対的に低強度の信号パワーを有する領域は、逆方向
において相対的に高強度の信号パワーを経験し、その逆
もまた有り得る。従って、順方向と逆方向の両方向に進
行する信号パワーは、利得媒体(EDF)への通過によ
ってさらに均一になり、特にポンプ波長が注意深く選択
され、EDFの片等の位置が最適化されると、相異なる
EDFはさらに均一に飽和状態に導かれる。
【0061】同様に、逆方向にポンプされたEDFA
も、相異なる光ファイバにおける利得減縮の均一発生の
可能性を増大させることができる。このようなEDFA
においては、信号とポンプパワーは、信号入力端におけ
るよりも信号出力端でのほうがずっと高強度であり、そ
の2つの強度比は、順方向にポンプされたEDFA(ポ
ンプパワーは、入力端におけるよりも信号出力端でのほ
うがよほど小さい)における強度比よりもかなりの程度
小さい。利得減縮量は、大抵この比(式4参照)により
決定されるので、利得減縮はそのEDFAを通して均一
に分布する。
【0062】次に、“フィルタリングEDF”の使用可
能性について述べる。
【0063】DGF−EDFAの要点は、反転度n2
変わる時も利得の形が一定するように保障することであ
る。これは利得スイングが一定すればできる。ハイブリ
ッドの場合において、やはり相異なるn2,i が適当な比
率に変わることを保障すべきである。
【0064】これと対照的に、少なくともEDFAの一
部で、そして動作条件(充分に低い信号入力パワー)等
の一部条件において、励起度n2 が一定すればその片の
利得の形は常に同一になる。これは制御方式としてED
FAの利得スペクトルを変化させるのに利用することが
できる。優勢な条件下のEDFの片が、さらに他の形の
EDFで置き換えられると、EDFA全体の利得スペク
トルは、置き換えられる前と後のEDF等の間の利得ス
ペクトル差の量だけ変化を受ける。この変化は、化学組
成のような置き換えられたEDF等の正確な材料仕様に
依存している。利得の変化は、以下の有用な例外事項は
あるが、利得応答(即ち、従来の技術)の変化が正常的
に考慮された普通の減衰フィルターを用いて得られた利
得の変化と等価である。
【0065】第1に、特にフィルターがEDFの間に置
かれると(中間フィルタリング)、減衰フィルター等
は、しばしばポンプ等をも減衰させる。これは望ましく
ない。
【0066】第2に、たとえフィルター等がポンプ光を
減衰させなくても、フィルター等は信号を減衰させう
る。利得スペクトルの所望する変化が、信号の減衰なく
得られることが望ましい。このような信号の減衰のない
利得スペクトルの望ましい変化は、ここで提案している
“フィルタリングEDF”で可能になる。
【0067】第3に、減衰フィルターがEDFAの入力
端或はその付近に置かれると、EDFAのノイズ特性は
悪くなるが、出力端の付近に置かれると、信号出力のパ
ワーは減衰される。2つの場合において、小信号の利得
も同じように減衰を受けるので、これら全ての減衰は充
分に小さく保たれないと、増幅器の動作に深刻な影響を
与える。
【0068】本発明の第1のEDFは、他のEDFと置
き換えることができると説明したが、これはただ、本発
明の発想を説明するためのことに過ぎない。実際には、
最終EDFAのみが重要な意味を有する。最終EDFA
設計に至るため、1つのEDFAが、実際に或は概念的
に、さらに他のEDFAで置き換えられるかどうかは無
関係である。
【0069】図11A及び図11Bに示されたように、
フィルタリングEDF4は、典型的には、共同伝播する
ポンプを有するEDFAの始端部に置かれる。以降、信
号は弱くなり、ポンプは強くなる。逆方向のASEが、
フィルタリングEDFの片でのn2 に影響を与える恐れ
があるので、厳しく制御されるべきである。
【0070】フィルタリングEDFは、図11Bに示さ
れたように、分波器2を有する反射形EDFAに対して
特に良く動作することができる。なぜなら、反射形ED
FAにおいてフィルタリングEDFは、分波器の損失か
ら生ずることのある高ノイズ特性に関する問題点を同時
に解決するからである。反射形EDFAでは、図11B
に示されたように、フィルタリングEDF4は、反射形
EDFAの分波器2の入力の前に置かれる必要がある。
【0071】フィルタリングEDFと対置したEDFの
片の利得スペクトル、及びその結果としてのフィルタリ
ング効果は、置き換えたEDFの励起度に依存する。同
時に、励起度は一定する必要がある。これは、ポンピン
グは強く信号が弱く、そしてASEも弱いと、自動的に
達成される。EDFの内部バンドポンピングの場合に
は、約1480nmのポンプを使用すれば、n2 はポン
プ波長に応じて変わる。このような結果は、フィルタリ
ングEDFの効果を精密に制御するために利用される。
図12及び図13は、相異なる波長λP =1460、1
470、1480、1490nmにおけるフィルタリン
グの効果を示すグラフである。図12は、Al非含有ゲル
マノシリケート(aluminiumfree germanosilicate) ED
Fの代りに同じ長さのGe非含有アルミノシリケート(ger
maniumfree aluminosilicate) EDFを用いた場合に、
結果として現れる変化を示す。図13は、リンコドープ
アルミノーゲルマノシリケート(phosphorous-codoped a
lumino-germanosilicate) EDFが、リン及びアルミニ
ウム非含有ゲルマノシリケート(aluminiumfree germano
silicate) EDFで置き換えられた結果として現れる変
化を示す。
【0072】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によるDG
F−EDFAの望ましい実施例においては、一定の範囲
の波長帯で一定の利得スイングを有するが、第1のED
F(特に低濃度Al3+含有アルミノーゲルマノシリケート
ガラスEDF)を使用した動作利得媒体を採用し、動作
利得と関係のない利得スペクトルの形を有する新規のE
DFAを得ることができる。また、相異なる形の利得ス
イングを有する少なくとも2つの相異なるEDFを結合
してハイブリッドEDFAを作ることにより、相異なる
EDFでの利得スペクトル形に生じている変動を効果的
に相殺させ、動作条件と関係のない平坦な利得スイング
を作り出す。また、ポンプ波長は、付加的な利点を得る
ように注意深く調節される。利得媒体の前後、或は内部
に、スペクトル的に従属減衰を生じさせる線形フィルタ
ーを挿入したり、反転密度が信号波長やパワー変動と無
関係であって、一定の反転領域を特に選択したEDFA
のEDFを使用することにより、利得スペクトルの形が
波長に依存せず平坦であるDGFが得られる。従って、
前記のように、波長と無関係な利得スイングを有する同
次或はハイブリッド利得媒体は、入力パワー、動作利
得、及び反転分布に依存しない一定のLI利得スペクト
ルを結果として有する。特殊なフィルターや利得媒体の
追加設計変更は、利得スペクトルが波長と独立するよう
にする。一定の利得スペクトルの形は、WDMを採用し
たEDFA等、例えばアナログAMのCATVにおいて
LI利得の傾きの変動を除去する。
【0073】本発明のEDFAは、他の光増幅器等に応
用することができる。本発明の選択的な実施例は、エル
ビウムドープ平面(2次元)増幅器 ( EDPA: erbium-do
pedplanar amplifiers) 及び他の形の光増幅器にも応用
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の高濃度Al3+イオン含有EDFにおける各
量のスペクトルと、本発明の実施例による低濃度Al3+
オン含有EDFにおける各量のスペクトルとを対比した
図である。
【図2】図2Aは、フィルター補償のない、本発明の実
施例による低濃度Al3+イオン含有EDFAにおいて、各
動作条件ごとに計算されたロックドインバージョン利得
スペクトルを示した図であり、図2Bは、フィルター補
償のない、従来の高濃度Al3+イオン含有EDFAにおい
て、各動作条件ごとに計算されたロックドインバージョ
ン利得スペクトルを示した図である。
【図3】一般的なフィルターを有するEDFAの一例を
示した図である。
【図4】フィルター補償のある、本発明による低濃度Al
3+イオン含有EDFAにおいて、各動作条件ごとに計算
されたロックドインバージョン利得スペクトルを示した
図である。
【図5】フィルター補償のないEDFAにおいて、各動
作条件ごとに計算されたロックドインバージョン利得ス
ペクトルを示した図である。
【図6】DGF−EDFA及び従来のEDFAの利得平
坦度の計算値を示した図である。
【図7】ハイブリッドEDFAの一例を示した図であ
る。
【図8】ハイブリッドEDFAにおける相異なる2つの
光ファイバの利得スイング、及びこれらの利得スイング
の加重和を示した図である。
【図9】各ポンプ波長、及び信号波長1532nmで
の、ZBLANとシリケートEDFとの間での相対的な
利得減衰の差を示した図である。
【図10】各ポンプ波長、及び信号波長1550nmで
の、ZBLANとシリケートEDFとの間での相対的な
利得減衰の差を示した図である。
【図11】図11Aは、前置フィルタリングEDFを有
するEDFAを示した図であり、図11Bは、前置フィ
ルタリングEDFを有する反射形EDFAを示した図で
ある。
【図12】Ge非含有アルミノシリケートEDFを用い
た場合の、各ポンプ波長におけるフィルタリングの効果
を示した図である。
【図13】リンドープシリカガラスEDFを用いた場合
の、各ポンプ波長におけるフィルタリングの効果を示し
た図である。
【図14】図14Aは、一般的な一方向性或は両方向性
ポンピング構造を有するEDFAの例を示した図であ
り、図14Bは、一般的な光分波器を有する反射形ED
FAの例を示した図である。

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 もし利得が1つの波長で変わると、他の
    波長で前記利得は基本的に同じ量ほどずつ変わる利得特
    性を有する利得媒体を具備することを特徴とする光増幅
    器。
  2. 【請求項2】 前記利得特性は、もし前記利得が1つの
    波長で変わると、前記利得が1つの連続的な波長帯での
    全ての波長で基本的に同じ量ほどずつ変わることを特徴
    とする請求項1に記載の光増幅器。
  3. 【請求項3】 前記利得特性は、もし前記利得が1つの
    波長で変わると、前記利得が1つの波長帯での複数の各
    離散波長で基本的に同じ量ほどずつ変わることを特徴と
    する請求項1に記載の光増幅器。
  4. 【請求項4】 前記利得媒体は基本的に同次に拡張され
    たことを特徴とする請求項2または3に記載の光増幅
    器。
  5. 【請求項5】 前記利得媒体は光ファイバよりなること
    を特徴とする請求項4に記載の光増幅器。
  6. 【請求項6】 前記光ファイバはエルビウムドープ光フ
    ァイバよりなることを特徴とする請求項5に記載の光増
    幅器。
  7. 【請求項7】 前記光ファイバはアルミニウムを10%
    以内で含有したエルビウムドープアルミノゲルマノシリ
    ケート光ファイバよりなることを特徴とする請求項6に
    記載の光増幅器。
  8. 【請求項8】 前記アルミニウム含有量は1%であるこ
    とを特徴とする請求項7に記載の光記録媒体。
  9. 【請求項9】 前記利得媒体の横配列は前記利得特性を
    提供するように調整されていることを特徴とする請求項
    5または6に記載の光増幅器。
  10. 【請求項10】 前記利得媒体は少なくとも2つの相異
    なる利得媒体の片等を組合わせて得られ、前記相異なる
    利得媒体の長さ及び位置が前記利得特性を提供するよう
    に調整されたハイブリッド利得媒体であることを特徴と
    する請求項9に記載の光増幅器。
  11. 【請求項11】 ポンプ波長が、所定の波長帯での利得
    レベルについてのロックドインバージョン利得形の任意
    の従属性を最少化させるため調整されたことを特徴とす
    る請求項10に記載の光増幅器。
  12. 【請求項12】 利得媒体を2回通過して誘導された信
    号の利得減縮の均一性を強化し、反射された信号がその
    後に分岐、出力されるようにするため、ミラーで反射さ
    れる前と後に、光信号を利得媒体に2回通過させる反射
    ミラー及び光分岐手段をさらに含むことを特徴とする請
    求項10または11に記載の光増幅器。
  13. 【請求項13】 前記波長で基本的に同じ利得を得るよ
    うに、前記利得媒体の前記利得スペクトルを変化、調整
    するためのフィルターを具備することを特徴とする請求
    項12に記載の光増幅器。
  14. 【請求項14】 前記スペクトルのフィルタリングによ
    る調整は、所定の波長帯で利得が飽和しなかったり、或
    は選択的に利得の飽和量が設計された動作条件の範囲に
    かけて変わらない一部分のスペクトル特性を有する、一
    片の利得媒体の増幅器内での付加的な使用により得られ
    ることを特徴とする請求項12に記載の光増幅器。
  15. 【請求項15】 前記一片の媒体でフィルタリングは、
    ポンプ波長を変更することにより調整されることを特徴
    とする請求項14に記載の光増幅器。
  16. 【請求項16】 請求項1乃至15の中何れか1項によ
    る少なくとも1つの光リンク及び少なくとも1つの光増
    幅器を具備したことを特徴とする光伝送装置。
  17. 【請求項17】 前記装置は1つの期間にかけて予想さ
    れた波長従属様式に変わり、前記利得媒体の前記利得特
    性は、前記期間にかけて損失に起因する前記変化を補償
    するように、所定の波長従属様式に変わるように選択さ
    れ、それにより、純利得の波長従属が基本的に前記損失
    変化等と依然として無関係の前記損失等を有することを
    特徴とする請求項16に記載の光伝送装置。
  18. 【請求項18】 複数の前記光増幅器と結合され、前記
    光増幅器の1つに統合されたり、2つの前記光増幅器の
    間に配置された少なくとも1つのフィルターを具備した
    ことを特徴とする請求項16または17に記載の光伝送
    装置。
  19. 【請求項19】 波長分割多重された信号は、前記装置
    の少なくとも一部分によって増幅されることを特徴とす
    る請求項16、17または18に記載の光伝送装置。
  20. 【請求項20】 AMのCATVファイバー光分布リン
    ク或はネットワークを提供することを特徴とする請求項
    19に記載の光伝送装置。
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