EDFAの応用

光増幅器は光通信ネットワークにとって極めて重要な技術であり、光ファイバの損失限界を克服することで、数百キロメートルから数千キロメートルの距離にわたって数テラビットのデータ伝送を可能にします。光通信システムで一般的に使用される最初の光増幅器であるEDFAは、WDMシステムの導入により伝送容量の飛躍的な増加をもたらしました。高出力、高利得、広帯域、偏波非依存性、低雑音指数といった特徴を備えたEDFAは、新世代光通信システムで使用される重要なコンポーネントの一つとなっています。では、EDFAとは何でしょうか？EDFAの動作原理をご存知ですか？

 

エルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA）は、光ファイバ通信システムで伝送される光信号の強度を増幅するために利用される光中継装置です。光ファイバに希土類元素のエルビウムを添加することで、ガラスファイバがある周波数の光を吸収し、別の周波数の光を放射できるようになります。

 

エルビウム添加光ファイバー（EDF）は、従来のシリカ光ファイバーにエルビウムを添加した光ファイバーで、EDFA技術の中核を成しています。エルビウムは、適切な波長（980 nmまたは1480 nm）の光エネルギーで照射されると、長寿命の中間状態に移行し、その後、1525～1565 nm帯域の光を放射して基底状態に戻ります。エルビウムは、980 nm光で励起することができ、その場合、不安定な短寿命状態を経て急速に準安定状態に減衰します。また、1480 nm光で励起された場合は、準安定状態に直接励起されます。準安定状態になると、1525～1565 nm帯域の光を放射して基底状態に減衰します。この減衰プロセスは、既存の光によって刺激することができ、増幅をもたらします。 EDFA の動作原理を図 1 に示します。

 

EDFA構成は、主にEDF、ポンプレーザー、そして信号波長とポンプ波長を結合し、EDFを介して同時に伝搬させるコンポーネント（WDMと呼ばれることが多い）で構成されます。原理的には、EDFAは、ポンプエネルギーが信号と同じ方向（前方ポンピング）、信号と反対方向（後方ポンピング）、または両方向に伝搬するように設計できます。ポンプエネルギーは、980 nm、1480 nm、またはその両方の組み合わせのいずれかです。実際には、図2に示すように、980 nmポンプエネルギーを使用する前方ポンピング構成が最も一般的なEDFA構成です。

 

EDFAとは何か、そしてEDFAの動作原理について学んだ後、次にEDFAの応用形態と応用分野について説明します。

 

EDFAをブースターアンプとして使用する場合、図3に示すように、光送信機の出力部にEDFAを配置することで、多重化された多波長信号の出力パワーを向上させることができます。これにより、光通信の伝送距離を延長することができます。この用途では、 EDFAにより高い出力パワーが求められます。

 

EDFA の応用分野は次のとおりです。

 

(1) EDFAは大容量・高速光通信システムに応用できます。EDFAの適用は、受信感度の低さやOEO中継器の不足による伝送距離の短さといった問題に対処するのに非常に効果的です。

 

(2) EDFAは長距離光通信システムに活用できます。EDFAを活用することで、中継器間隔を広げ、再生中継器の数を減らすことで、建設コストを大幅に削減できます。長距離光通信システムには、主に陸上幹線光伝送システムと海底光ファイバケーブル伝送システムが含まれます。

 

（3）EDFAは光ファイバ加入者アクセスネットワークシステムに使用できます。伝送距離が長い場合、EDFAは回線増幅器として機能し、回線の伝送損失を補償することで、加入者数を大幅に増加させることができます。

 

(4) EDFAは波長分割多重（WDM）システム、特に高密度波長分割多重（DWDM）システムに用いることができる。WDMシステムにおけるEDFAの利用は、挿入損失の問題を解決し、波長分散の影響を低減することができる。

 

(5) EDFAはCATV（コミュニティアンテナテレビ）システムに利用できます。CATVシステムにおいて、EDFAはブースターアンプとして機能し、光送信機の入力電力を大幅に向上させます。EDFAを用いて光パワースプリッタの挿入損失を補償することで、配電網の規模を大幅に拡大し、加入者数を増やすことができます。