1. 分類FイベルAアンプ
光増幅器には主に 3 つの種類があります。
（１）半導体光増幅器（SOA、半導体光増幅器）
（2） 希土類元素（エルビウムEr、ツリウムTm、プラセオジムPr、ルビジウムNdなど）を添加した光ファイバ増幅器、主にエルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA）、ツリウム添加光ファイバ増幅器（TDFA）、プラセオジム添加光ファイバ増幅器（PDFA）などがある。
（3）非線形光ファイバ増幅器、主に光ファイバラマン増幅器（FRA、Fiber Raman Amplifier）。これらの光増幅器の主な性能比較は表に示すとおりである。
EDFA（エルビウム添加光ファイバ増幅器）
石英光ファイバに希土類元素（Nd、Er、Pr、Tmなど）をドープすることで、多段レーザーシステムを形成し、入力信号光をポンプ光の作用で直接増幅し、適切なフィードバックをかけることでファイバーレーザーを形成する。Ndドープ光ファイバ増幅器の動作波長は1060nmと1330nmであり、光ファイバ通信の最適なシンクポートからのずれなどの理由から、その開発と応用は限られている。EDFAとPDFAの動作波長は、それぞれ光ファイバ通信の最低損失（1550nm）とゼロ分散波長（1300nm）のウィンドウ内にあり、TDFAはSバンドで動作し、光ファイバ通信システムの用途に非常に適している。特にEDFAは最も急速に開発が進められており、実用化されている。
そのPEDFAの原理
EDFAの基本構造は図1(a)に示されており、主に活性媒体（長さ数十メートルのエルビウム添加シリカ光ファイバ、コア径3～5ミクロン、ドーピング濃度(25～1000)×10-6）、ポンプ光源（990nmまたは1480nm LD）、光カプラ、光アイソレータで構成されています。信号光とポンプ光は、エルビウム光ファイバ内を同じ方向（同方向ポンピング）、反対方向（逆方向ポンピング）、または両方向（双方向ポンピング）に伝搬できます。信号光とポンプ光が同時にエルビウム光ファイバに注入されると、エルビウムイオンはポンプ光の作用で高エネルギー準位に励起され（図1（b）、三準位系）、急速に準安定エネルギー準位に減衰し、入射信号光の作用で基底状態に戻る際に信号光に対応する光子を放出し、信号が増幅される。図1（c）は、その増幅自然放出光（ASE）スペクトルであり、広い帯域幅（最大20〜40nm）と、それぞれ1530nmと1550nmに対応する2つのピークを持つ。
EDFA の主な利点は、高ゲイン、広い帯域幅、高出力、高ポンプ効率、低挿入損失、および偏光状態に対する無依存です。
2. 光ファイバー増幅器の問題点
光増幅器（特にEDFA）には多くの優れた利点がありますが、理想的な増幅器ではありません。信号のSNRを低下させる追加ノイズに加えて、以下のような欠点もあります。
- 増幅器帯域幅内のゲインスペクトルの不均一性は、マルチチャネル増幅性能に影響を与えます。
- 光増幅器をカスケード接続すると、ASE ノイズ、ファイバー分散、非線形効果の影響が蓄積されます。
これらの問題は、アプリケーションおよびシステムの設計において考慮する必要があります。
3. 光ファイバ通信システムにおける光増幅器の応用
光ファイバ通信システムでは、光ファイバー増幅器送信機のパワーブーストアンプとして使用して送信電力を高めるだけでなく、受信機のプリアンプとして使用して受信感度を向上させることもできます。また、従来の光電気光中継器を置き換えて伝送距離を延長し、全光通信を実現することもできます。
光ファイバ通信システムにおいて、伝送距離を制限する主な要因は、光ファイバの損失と分散です。狭帯域光源を使用するか、零分散波長付近で動作させることで、光ファイバ分散の影響は小さくなります。このシステムでは、各中継局で完全な信号タイミング再生（3R中継）を行う必要はなく、光増幅器で光信号を直接増幅（1R中継）するだけで十分です。光増幅器は、長距離幹線システムだけでなく、光ファイバ配線網、特にWDMシステムにおいて、複数チャネルを同時に増幅するためにも使用できます。
1) 基幹光ファイバ通信システムにおける光増幅器の応用
図2は、基幹光ファイバ通信システムにおける光増幅器の応用の概略図である。（a）図は、光増幅器を送信機のパワーブースト増幅器と受信機の前置増幅器として用いることで、無中継距離を2倍に延長する様子を示している。例えば、EDFAを採用することで、システム伝送は 1.8Gb/sの距離は、120kmから250kmに増加し、さらには400kmに達します。図2（b）-（d）は、マルチリレーシステムにおける光増幅器の応用です。図（b）は、従来の3Rリレーモードです。図（c）は、3Rリピータと光増幅器の混合リレーモードです。図2（d）は全光リレーモードです。全光通信システムでは、タイミング回路と再生回路が含まれていないため、ビット透過的であり、「電子ボトルウィスカー」制限はありません。両端の送受信機器を交換するだけで、低速から高速へのアップグレードが容易で、光増幅器を交換する必要もありません。
2) 光ファイバ配線網における光増幅器の応用
光増幅器（特にEDFA）の高出力の利点は、ブロードバンド配信ネットワーク（ケーブルテレビネットワーク）。従来のCATVネットワークは同軸ケーブルを採用しており、数百メートルごとに増幅する必要があり、ネットワークのサービス半径は約7kmです。光増幅器を用いた光ファイバCATVネットワークは、分散ユーザー数を大幅に増やすだけでなく、ネットワークパスも大幅に拡張できます。近年の開発状況では、光ファイバ/ハイブリッド（HFC）の配線が両者の長所を引き出し、強力な競争力を持つことが示されています。
図4は、35チャンネルのテレビAM-VSB変調用光ファイバー分配ネットワークの例です。送信機の光源は、波長1550nm、出力3.3dBmのDFB-LDです。4レベルEDFAを電力分配増幅器として使用し、入力電力は約-6dBm、出力電力は約13dBmです。光受信感度は-9.2dBmです。4レベル分配後、総ユーザー数は420万人に達し、ネットワークパスは数十キロメートルを超えています。テストの加重信号対雑音比は45dBを超え、EDFAはCSOの低下を引き起こしませんでした。
投稿日時: 2023年4月23日