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DEVICE AND METHOD FOR SIMULATING OPTICAL AMPLIFICATION CHARACTERISTIC

Patent code P140010817
File No. 722
Posted date Aug 8, 2014
Application number P2005-134415
Publication number P2006-310708A
Patent number P4863191
Date of filing May 2, 2005
Date of publication of application Nov 9, 2006
Date of registration Nov 18, 2011
Inventor
  • (In Japanese)林 悦子
  • (In Japanese)小野 俊介
  • (In Japanese)田部 勢津久
  • (In Japanese)室 真一郎
  • (In Japanese)西原 真人
Applicant
  • (In Japanese)富士通株式会社
  • (In Japanese)国立大学法人京都大学
Title DEVICE AND METHOD FOR SIMULATING OPTICAL AMPLIFICATION CHARACTERISTIC
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device and a method for simulating an optical amplification characteristic of an optical amplifier under an arbitrary condition with a high accuracy, by constructing a computational model of high versatility based on a physical phenomenon for gain fluctuation due to a gain spectral hole burning phenomenon (GSHB).
SOLUTION: This device for simulating the optical amplification characteristic calculates a gain wavelength characteristic of an amplification medium according to a pre-set calculation formula by using spectrum of a signal light input in the optical amplifier and a characteristic parameter of the amplification medium, etc. The calculation formula has a parameter corresponding to the gain fluctuation due to the GSHB, and the parameter is, based on increase of the occupying number of electrons of each Stark level on a final level side, defined by a function modeling a physical phenomenon that decrease of population inversion ratio is caused due to the GSHB. By finding output power of the signal light based on the calculated gain wavelength characteristic, the optical amplification property of the optical amplifier is simulated.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

波長多重(Wavelength Division Multiplexing:WDM)光伝送システムに適用される光増幅器は、例えば図27の基本構成図に示すように、増幅媒体としてのエルビウムイオン(Er3+)をドープした光ファイバ(EDF)101と、該EDF101を励起するための励起光源102と、信号光と励起光を合波するための光カプラ103と、利得若しくは出力を波長に対して平坦にするための利得等化器104と、入力側光カプラ103の前段および出力側光カプラ103の後段に配置された光アイソレータ105と、を備えて構成される。

従来、上記のような光増幅器の増幅特性は、例えば図28に示すように、増幅帯域を1つのバンドとしてみなし、全イオン数のうち増幅に寄与するイオン数で定義される反転分布率の値に応じて波長特性が一義的に決定されるモデルを用いたシミュレーション装置により計算されてきた。このような従来のシミュレーションでは、反転分布率が利得波長特性に読替えられる。つまり、利得一定制御が行われている光増幅器の増幅媒体の利得または出力の波長特性は、波長数(信号チャネル数)、波長配置(信号チャネル配置)または入力レベルが変化しても不変とする近似が用いられてきた。

近年、図29に示すような光分岐挿入装置(OADM)、光クロスコネクト(OXC)、光ハブ(HUB)などの波長ルーティング機能を有するノードを備えたWDM光伝送システムの導入が進められており、波長ルーティングにより波長数および波長配置が大きく変化する可能性が生じてきた。図30は、従来のOADMノードの構成例を示したものである。

このようなWDM光伝送システムでは、伝送路の破断等の障害が発生した時、サービスの品質劣化を抑えるために回線の切り替えを行い、信号伝送の中断を最小限に抑えるといった措置がとられる。具体的には、上記の図29に示したシステムにおいて、M波の信号光が挿入されるOADMノード#1とN波の信号光が挿入されるOADMノード#2との間の伝送路で障害が発生した場合を考えると、OADMノード#1で挿入されたM波の信号光をOADMノード#nまで伝送する回線が、障害の発生により図で右回りから左回りに切り替えられる。この場合、波長数の設定が例えばM=39,N=1であったとすると、OADMノード#2からOADMノード#3に送られる信号光の波長数は、障害発生の前後で40波から1波に変化することになる。このようなWDM光伝送システムの各ノードに適用される光増幅器としては、波長数や波長配置が大きく変化しても利得または出力の波長特性が平坦であるという性能が要求される。

しかし、従来の利得一定制御が適用された光増幅器では、利得波長特性または出力波長特性の平坦性を維持するのが困難であることが分かり、その理由の1つとして、希土類イオンの利得スペクトラルホールバーニング(Gain Spectral Hole Burning:GSHB)現象が考えられてきた。利得スペクトラルホールバーニング現象は、誘導放出による増幅現象で生じるスペクトラルホールバーニングのことである。例えば、エルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)の利得スペクトラルホールバーニング現象については、1560nmの信号光の利得を一定に保つように励起光を制御することで、利得スペクトラルホールバーニングを顕著に観察できることが報告されている(例えば、非特許文献1参照)。

利得スペクトラルホールバーニング現象のスペクトルは、光増幅器に飽和信号光(利得が飽和する信号光)およびパワーの低いプローブ光を入射し、プローブ光の波長掃引により測定される利得スペクトルと、パワーの低いプローブ光のみを入射し、プローブ光の波長掃引により測定される利得スペクトルとの差分をとることで求められる。その差分スペクトルには、例えば図31に示すように、飽和信号光の波長λ1~λ6付近および1530nm付近において、ガウシアン関数に近い形状で発生する利得差分を観察することができ、これを利得スペクトラルホールバーニングと定義する。このガウシアンライクに発生する利得差分をホールと称し、飽和信号光の波長付近のホールをメインホール、1530nm付近のホールをセカンドホールと称している。

例えば、EDFAのCバンド(Conventional band)の場合、1530nm付近のセカンドホールは、飽和信号光の波長に依存せず1530nmに発生し、そのホール幅やホール深さも飽和信号光の波長に依存しない。一方、メインホールは、そのホール幅が飽和信号光の波長に依存せずほぼ一定であるのに対し、ホール深さが飽和信号光の波長が短くなるほど深くなるという特性をもっている(図31参照)。また、上記光増幅器において、飽和信号光が波長多重化された場合には、セカンドホールの深さは、全入力飽和信号光パワーが増加するに従って減少し、メインホールの深さは、全入力飽和信号光パワーおよび各波長の入力パワーの比と飽和信号光パワーとに依存することが知られている。

このように利得スペクトラルホールバーニング現象の観察が進んだことにより、その計算モデルを用いた光増幅特性のシミュレーションが可能になり、増幅波長範囲、入出力パワー範囲、利得設定範囲を限定し、計算パラメータを適切に設定することで、一波増幅特性のみならず、波長多重増幅特性の実験結果をトレースすることのできるシミュレーション装置の提案がなされている(例えば、特許文献1参照)。
【非特許文献1】
M. Nishihara, Y. Sugaya, and E. Ishikawa, in Proceedings of Optical Amplifiers and Their Applications, OAA 2003, Tud3, (2003)
【特許文献1】
国際公開第2005/002009号パンフレット

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、光伝送システムに適用される光増幅器の光増幅特性をシミュレーションする装置および方法に関し、特に、利得スペクトラルホールバーニング現象による利得変動を考慮した光増幅特性シミュレーション装置および方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
希土類イオンがドープされた増幅媒体に励起光を供給し、励起された希土類イオンの誘導放出現象により、前記増幅媒体に入力される信号光を増幅して出力する前記増幅媒体の光増幅特性をシミュレーションする装置であって、
前記増幅媒体に入力される信号光に関する情報を入力する入力部と、
少なくとも前記増幅媒体の特性に関する情報を記憶する記憶部と、
前記入力部の入力情報および前記記憶部の記憶情報を用い、利得スペクトラルホールバーニング現象による利得変動分を含めた前記増幅媒体の利得波長特性を予め設定した計算式に従って算出し、該算出した利得波長特性に基づいて前記増幅媒体から出力される信号光のパワーを求めることにより、前記増幅媒体の光増幅特性をシミュレーションする演算部と、
前記演算部のシミュレーション結果を出力する出力部と、を備え、
前記演算部で用いられる前記計算式は、利得スペクトラルホールバーニング現象による利得変動分に対応したパラメータを有し、該パラメータが、クーロン相互作用、スピン軌道相互作用およびシュタル効果により全量子数Jに対してJ+1/2個または2J+1個に分裂したシュタルク準位を持つ前記増幅媒体のエネルギー準位構造において、終準位側の各シュタルク準位の電子占有数が増加することに基づき、利得スペクトラルホールバーニング現象による反転分布率の低下が発生する物理現象をモデル化した関数によって定義されることを特徴とする光増幅特性シミュレーション装置。

【請求項2】
 
請求項1に記載の光増幅特性シミュレーション装置であって、
前記パラメータを定義する関数は、利得スペクトラルホールバーニング現象によって利得スペクトル上に形成されるホールの数が、始準位側の電子の占有しているシュタルク準位と終準位側の各シュタルク準位との組み合わせの数により決定され、前記ホールは終準位の電子占有数の増加と、始準位の電子占有数の低下とに基づき、前記利得スペクトラルホールバーニング現象による利得反転分布率の低下に対応したものであることを特徴とする光増幅特性シミュレーション装置。

【請求項3】
 
請求項1に記載の光増幅特性シミュレーション装置であって、
前記パラメータを定義する関数は、前記増幅媒体内の希土類イオンのうちの一部の希土類イオンが、利得スペクトラルホールバーニング現象による利得スペクトル上のホールの形成に寄与することに対応したものであることを特徴とする光増幅特性シミュレーション装置。

【請求項4】
 
請求項3に記載の光増幅特性シミュレーション装置であって、
前記パラメータを定義する関数は、前記増幅媒体に入力される信号光のパワーが高くなるほど、前記増幅媒体内の希土類イオンのうちの前記ホールの形成に寄与する希土類イオンの割合が増加することに対応したものであることを特徴とする光増幅特性シミュレーション装置。

【請求項5】
 
請求項3に記載の光増幅特性シミュレーション装置であって、
前記パラメータを定義する関数は、前記増幅媒体内の全ての希土類イオンの数に対する、始準位の誘導放出遷移に関わる電子を拠出する希土類イオンの数の比率で定義される全反転分布率が高くなるほど、前記増幅媒体内の希土類イオンのうちの前記ホールの形成に寄与する希土類イオンの割合が増加することに対応したものであることを特徴とする光増幅特性シミュレーション装置。

【請求項6】
 
請求項3に記載の光増幅特性シミュレーション装置であって、
前記パラメータを定義する関数は、前記増幅媒体の希土類イオン濃度が高くなるほど、
前記増幅媒体内の希土類イオンのうちの前記ホールの形成に寄与する希土類イオンの割合が減少することに対応したものであることを特徴とする光増幅特性シミュレーション装置。

【請求項7】
 
請求項3に記載の光増幅特性シミュレーション装置であって、
前記パラメータを定義する関数は、前記増幅媒体の温度が上昇するに従い、前記増幅媒体内のホール形成に関与する始準位のシュタルク準位が増えることに対応してホール幅が増加することを特徴とする光増幅特性シミュレーション装置。

【請求項8】
 
請求項1または請求項2に記載の光増幅特性シミュレーション装置であって、
前記入力部は、前記増幅媒体に入力される信号光の波長数および波長配置、並びに雑音光に関する情報を含んだ入力スペクトルが入力され、
前記記憶部は、前記光増幅器の構成に関する情報と、前記増幅媒体の特性パラメータとがデータベースとして記憶されるとともに、前記演算部で用いられる計算式を組み込んだシミュレーション用プログラムが記憶され、
前記演算部は、前記増幅媒体中を伝搬する信号光のパワーの変化量を前記増幅媒体の長手方向の微小区間を単位として算出し、該微小区間での信号光パワーの変化量を変化前の信号光パワーに加算する演算処理を、前記増幅媒体の信号光入力端を起点として信号光出力端まで順次実行することにより、前記増幅媒体から出力される信号光のパワーを算出することを特徴とする光増幅特性シミュレーション装置。

【請求項9】
 
請求項1または請求項2に記載の光増幅特性シミュレーション装置であって、
前記光増幅器は、信号光の波長数および波長配置に関わらず利得を一定にする利得一定制御が行われ、
前記入力部は、前記増幅媒体に入力される信号光の波長数および波長配置、並びに雑音光に関する情報を含んだ入力スペクトルが入力され、
前記記憶部は、前記利得一定制御における設定利得に対応した平均利得と、該平均利得と各波長の利得との差分を示す利得偏差と、前記増幅媒体の特性パラメータとがデータベースとして記憶されるとともに、前記演算部で用いられる計算式を組み込んだシミュレーション用プログラムが記憶され、
前記演算部は、前記記憶部に記憶された前記増幅媒体の特性パラメータを用い、利得スペクトラルホールバーニング現象による利得変動分に対応した前記パラメータを定義する関数を適用して、基準となる波長数および波長配置における増幅時に発生する利得スペクトラルホールバーニング現象による利得変化量に対する、予め設定した波長数および波長配置における増幅時に発生する利得スペクトラルホールバーニング現象による利得変化量の差分値を算出し、さらに、前記入力部に入力された情報、前記記憶部に記憶された前記平均利得および前記利得偏差、並びに、前記利得スペクトラルホールバーニング現象による利得変化量の差分値を用い、利得一定制御による利得動作点のシフトに応じて発生する利得変動量をパラメータとした前記計算式に従って、基準となる波長数および波長配置で前記増幅媒体から出力される信号光の出力スペクトルと、予め設定した波長数および波長配置で前記増幅媒体から出力される信号光の出力スペクトルとを算出することを特徴とする光増幅特性シミュレーション装置。

【請求項10】
 
希土類イオンがドープされた増幅媒体に励起光を供給し、励起された希土類イオンの誘導放出現象により、前記増幅媒体に入力される信号光を増幅して出力する光増幅器について、前記光増幅器に入力される信号光に関する情報および前記増幅媒体の特性に関する情報を用い、利得スペクトラルホールバーニング現象による利得変動分を含めた前記光増幅器の利得波長特性を予め設定した計算式に従って算出し、または、予め設定した波長数および波長配置における光増幅時に発生する利得スペクトラルホールバーニング現象による利得変化量を、光増幅器の特性を事前に測定することで入手し、該算出または入手した利得波長特性に基づいて前記光増幅器の光増幅特性を算出する光増幅特性シミュレーション方法であって、
前記光増幅器の利得波長特性の算出に用いられる前記計算式は、利得スペクトラルホールバーニング現象による利得変動分に対応したパラメータを有し、該パラメータが、クーロン相互作用、スピン軌道相互作用およびシュタル効果により全量子数Jに対してJ+1/2個または2J+1個に分裂したシュタルク準位を持つ前記増幅媒体のエネルギー準位構造において、終準位側の各シュタルク準位の電子占有数が増加することに基づき、利得スペクトラルホールバーニング現象による反転分布率の低下が発生する物理現象をモデル化した関数によって定義されていることを特徴とする光増幅特性シミュレーション方法。

【請求項11】
 
波長ルーティング機能を持つ装置および光増幅器が伝送路上に複数配置された波長多重光伝送システムの伝送特性をシミュレーションする装置であって、
前記波長多重光伝送システムの構成に関する情報および前記波長多重光伝送システムを伝送される信号光に関する情報を入力する入力部と、
前記光増幅器の増幅媒体の特性に関する情報または前記光増幅器の構成に関する情報と、前記伝送路に関する損失波長特性と、前記波長ルーティング機能を持つ装置のフィルタ特性とを記憶する記憶部と、
前記入力部の入力情報および前記記憶部の記憶情報を用い、シミュレーションの起点に設定した光増幅器について、利得スペクトラルホールバーニング現象による利得変動分を含めた光増幅器の利得波長特性を前記光増幅器の構成に基づいて予め設定した計算式に従って算出し、または、予め設定した波長数および波長配置における増幅時に発生する利得スペクトラルホールバーニング現象による利得変化量を、光増幅器の特性を事前に測定することで入手し、該算出または入手した利得波長特性に基づいて前記光増幅器から出力される信号光のパワーを求めた後、該光増幅器の後段に接続される、前記伝送路の損失波長特性または前記波長ルーティング機能を持つ装置のフィルタ特性に応じて、次段の光増幅器に入力される信号光のパワーを算出する一連の演算処理を、受信端に接続する光増幅器まで繰り返し実行して、受信端に到達する信号光の伝送特性をシミュレーションする演算部と、
前記演算部のシミュレーション結果を出力する出力部と、を備え、
前記演算部での光増幅器の利得波長特性の算出に用いられる前記計算式は、利得スペクトラルホールバーニング現象による利得変動分に対応したパラメータを有し、該パラメータが、クーロン相互作用、スピン軌道相互作用およびシュタル効果により全量子数Jに対してJ+1/2個または2J+1個に分裂したシュタルク準位を持つ前記増幅媒体のエネルギー準位構造において、終準位側の各シュタルク準位の電子占有数が増加することに基づき、利得スペクトラルホールバーニング現象による反転分布率の低下が発生する物理現象をモデル化した関数によって定義されることを特徴とする伝送特性シミュレーション装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2005134415thum.jpg
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