DE60104588T2

DE60104588T2 - Optische Faser für optischen Verstärker, optischer Faserverstärker und optischer Faserlaser

Info

Publication number: DE60104588T2
Application number: DE60104588T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Yokohama-shi ENOMOTO; Masahiro Yokohama-shi Takagi; Yuichi Yokohama-shi Ohga; Motoki Yokohama-shi Kakui; Shinji Yokohama-shi ISHIKAWA; Masakazu Yokohama-shi SHIGEHARA; Shinji Yokohama-shi Endo
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2021-03-17
Also published as: EP1137127A2; EP1137127A3; AU2804701A; EP1137127B1; US20010026396A1; CN1314597A; US6490078B2; JP2001267665A; DE60104588D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen optischen Faserverstärker, einen optischen Faserlaser und eine optische Faser für einen optischen Verstärker (OFA), die dafür als ein optisches Verstärkungsmedium anwendbar ist.
Verwandter Sachstand
Eine optische Faser für einen optischen Verstärker (OFA) weist eine Funktion zum Verstärken von Signalen auf, die sich dort hindurch ausbreiten, indem dorthin Pumplicht zugeführt wird, und ist eine optische Vorrichtung, die als ein optisches Verstärkungsmedium in einem optischen Faserverstärker, einem optischen Faserlaser und dergleichen anwendbar ist. Allgemein ist ein OFA eine Quarz-basierte optische Faser und weist einen Kernbereich auf, der mit einem lumineszenten Element zur Signalverstärkung dotiert ist. Als dieses lumineszente Element kann beispielsweise ein Seltene-Erden-Element, vorzugsweise ER verwendet werden. Ein OFA, welchem Er als ein lumineszentes Element hinzugefügt ist, kann Signale eines Wellenlängenbands von 1,55 μm verstärken, wenn Pumplicht einer Wellenlänge von 1,48 μm bis 0,98 μm dorthin zugeführt wird. In einem derartigen OFA ist eine Erhöhung einer Signalverstärkung wichtig, und bestimmte Arten von Techniken zum Erfüllen dieser Anforderung sind vorgeschlagen worden.
Beispielsweise weist ein OFA, der als eine herkömmliche Technologie in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 135548/1998 (Dokument 1) offenbart ist, einen Kernbereich, der einen Brechungsindex n₁ aufweist, einen inneren Mantelbereich, der auf dem Umfang des Kernbereichs bereitgestellt ist und einen Brechungsindex n₂(<n₁) aufweist, und einen äußeren Mantelbereich, der auf dem Umfang des inneren Mantelbereichs bereitgestellt ist und einen Brechungsindex n₃(<n₂) aufweist, auf. Der Kernbereich ist mit einem lumineszenten Element dotiert. Diese optische Faser lässt das Pumplicht als ein Licht in einem inneren Mantelmodus ausbreiten (ein Modus, in welchem sich das Pumplicht ausbreitet, während es in sowohl dem Kernbereich als auch dem inneren Mantelbereich eingeschlossen ist) und lässt Signale als Licht eines Kernmodus ausbreiten (ein Modus, in welchem sich die Signale ausbreiten, während sie in dem Kernbereich gehalten werden). Ein derartiger OFA wird nachstehend als eine Mantel-gepumpte Faser bezeichnet werden.
Das japanische offengelegte Patent Nr. 238883/1991 (Dokument 2) offenbart eine Struktur, die für die oben erwähnte Mantelgepumpte Faser geeignet ist. Es wird beschrieben, dass sich in dieser Mantel-gepumpten Faser Pumplicht als ein inneres Mantelmoduslicht ausbreiten kann, so dass eine Kopplungseffizienz des Pumplichts in der Faser hoch ist. Weiter kann, da sich das Pumplicht auch durch einen inneren Mantelbereich ausbreitet, der kein lumineszentes Element enthält, und eine Übertragungsdämpfung des Pumplichts klein ist, eine Verstärkungseffizienz verbessert werden.
Eine Mantel-gepumpte Faser, die in der internationalen offengelegten Publikation PCT/EP96/04187 (Dokument 3) offenbart ist, arbeitet derart, eine Modenkopplung zwischen einem inneren Mantelmodus und einem Kernmodus bezüglich eines Pumplichts zu induzieren, indem eine nicht-kreisförmige Querschnittsform für den inneren Mantelbereich eingesetzt wird. Betreffend das Pumplicht, das in diese Mantel-gepumpte Faser eingeführt wird, wird der innere Mantelmodus effektiver an den Kernmodus gekoppelt und eine Verstärkungseffizienz wird dadurch auf einen hohen Pegel erhöht.
Weiter breiten sich in einer Mantel-gepumpten Faser, die in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 107345/1998 (Dokument 4) offenbart ist, Signale mit nicht nur Licht eines Grundmodus (Kernmodus) aus, sondern auch jenem eines Modus hoher Ordnung, während sie in einem Kernbereich eingeschlossen sind, und eine Signalverstärkung wird dadurch erhöht. Nur Licht des Grundmodus wird nach außen durch ein Gitter ausgegeben, das den Modus hoher Ordnung abschneidet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder diskutierten die oben erwähnten Techniken nach dem Stand der Technik, um die folgenden Probleme aufzudecken. In der Mantel-gepumpten Faser der Dokumente 1 und 2 kann das Pumplicht des inneren Mantelmodus nämlich nicht das lumineszente Element, das dem Kernbereich hinzugefügt ist, effektiv pumpen, wodurch ein Erhöhen einer Signalverstärkung nicht ausreichend erreicht werden kann. Es ist schwierig, die Herstellung einer Mantel-gepumpten Faser zu steuern, die eine nicht-kreisförmige Querschnittsform eines inneren Mantelbereichs aufweist, und weiter kann die mechanische Festigkeit einer derartigen optischen Faser leicht abnehmen.
In der Mantel-gepumpten Faser der Dokumente 3 und 4, durch welche sich Signale nicht nur mit Licht eines Grundmodus, sondern auch jene eines Modus hoher Ordnung ausbreiten, während sie in einem Kernbereich gehalten werden, ist es schwierig, Licht eines Modus mit hoher Ordnung durch ein Gitter abzuschneiden. Außerdem wird eine Spleißdämpfung zwischen dieser Mantel-gepumpten Faser und einer anderen optischen Faser groß, und das Pumpen des Modus einer hohen Ordnung tritt in der letzteren optischen Faser auf, wobei dieser Umstand auch ein Rauschmaß bildet.
Die vorliegende Erfindung ist ausgeführt worden, um die oben erwähnten Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen OFA, der eine hohe Verstärkungseffizienz aufweist, auf einfache Weise hergestellt werden kann, eine hohe mechanische Festigkeit aufweist, eine große Spleißdämpfung bezüglich einer anderen optischen Faser nicht aufweist und ein Rauschen bei einer Signalwellenlänge Licht induziert, einen optischen Faserverstärker und einen optischen Faserlaser bereitzustellen, worauf auf beider der OFA als ein optisches Verstärkungsmedium angewandt werden kann.
Ein OFA gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Quarzbasierte optische Faser, die eine Funktion zum Verstärken von Signalen aufweist, wenn dazu Pumplicht zugeführt wird, und umfasst einen Kernbereich, der einen Brechungsindex n₁ aufweist, einen inneren Mantelbereich, der an dem Umfang des Kernbereichs bereitgestellt ist und einen Brechungsindex n₂(<n₁) aufweist, und einen äußeren Mantelbereich, der an dem Umfang des inneren Mantelbereichs bereitgestellt ist, und einen Brechungsindex n₃(<n₂) aufweist. Der Kernbereich weist einen Aufbau auf, der einen Monomodus bezüglich der Signale sicherstellt, und der innere Mantelbereich weist einen Aufbau auf, der einen Mehrfachmodus bezüglich des Pumplichts sicherstellt. Ein Signalverstärkungs-Lumineszenzelement wird zumindest einem Teil des Kernbereichs hinzugefügt.
Insbesondere umfasst der OFA gemäß der vorliegenden Erfindung eines oder mehrere Kopplungsgitter, wobei es jedes erlaubt, dass Kernmoduslicht dort hindurchläuft und eine Modenkopplung zwischen einem inneren Mantelmodus und einem Kernmodus bezüglich des Pumplichts induziert.
In dem OFA breitet sich das Pumplicht, das anfangs dort hinein eingeführt wird, als ein Licht eines inneren Mantelmodus aus, und der innere Mantelmodus wird dann in einen Kernmodus durch einen Modenkopplungseffekt des Modenkopplungsgitters konvertiert. Das Pumplicht des Kernmodus pumpt das lumineszente Element, das zumindest dem Teil des Kernbereichs des OFA hinzugefügt ist. Andererseits breiten sich Signale als Licht des Kernmodus aus und laufen durch das Modenkopplungsgitter, während es seinen Modus beibehält. Folglich werden verstärkte Signale von dem OFA erhalten.
Zumindest eines der Modenkopplungsgitter in dem OFA gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Gitter einer langen Periode einschließen, das eine Modenkopplung zwischen einem inneren Mantelmodus und einem Kernmodus induziert, dessen Ausbreitungsrichtung identisch zu jener des inneren Mantelmodus ist. In diesem Fall ist die Periode des Gitters der langen Periode vorzugsweise 10 μm – 400 μm. Wenn das Pumplicht ein Gitter einer langen Periode erreicht, wird der innere Mantelmodus in einen Kernmodus, dessen Ausbreitungsrichtung identisch zu jener des inneren Mantelmodus ist, durch den Modenkopplungseffekt des Modenkopplungsgitters konvertiert.
Zumindest eines der Modenkopplungsgitter in dem OFA gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein geneigtes Faser-Bragg-Gitter einschließen, dass eine Modenkopplung zwischen einem inneren Mantelmodus und einem Kernmodus induziert, dessen Ausbreitungsrichtung entgegengesetzt zu jener des inneren Mantelmodus ist. In diesem Fall ist ein Neigungswinkel des geneigten Faser-Bragg-Gitters bezüglich einer vorbestimmten Achse, beispielsweise einer optischen Achse vorzugsweise 0,5° – 20°. Wenn das Pumplicht das geneigte Faser-Bragg-Gitter erreicht, wird der innere Mantelmodus in einem Kernmodus konvertiert, dessen Ausbreitungsrichtung entgegengesetzt zu jener des inneren Mantelmodus durch den Modenkopplungseffekt dieses geneigten Faser-Bragg-Gitters ist.
Wie klar in dem US-Patent Nr. 5,703,978 offenbart ist, ist ein Gitter einer langen Periode ein Gitter, das eine Modenkopplung zwischen einem Kernmodus und einem Mantelmodus, die sich durch eine optische Faser ausbreiten, induziert wird, und klar unterschieden von einem Faser-Bragg-Gitter, das Licht um eine vorbestimmte Wellenlänge herum reflektiert, ohne eine Modenkopplung zu induzieren. In einem Gitter einer langen Periode ist eine Gitterperiode so eingestellt, dass eine Phasendifferenz zwischen einem Kernmodus und einem Mantelmodus 2π wird, um eine starke Energiekonversion von dem Kernmodus in den Mantelmodus zu erhalten. Deswegen schwächt, da das Gitter einer langen Periode so arbeitet, den Kernmodus mit dem Mantelmodus zu koppeln, sich der Kernmodus über ein schmales Band um eine vorbestimmte Wellenlänge (die nachstehend als eine Dämpfungswellenlänge bezeichnet werden wird) abschwächt.
Der optische Faserverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen OFA, der das oben erwähnte Modenkopplungsgitter aufweist (OFA gemäß der vorliegenden Erfindung), und eine oder mehrere Pumplichtquellen, die dem OFA Pumplicht zuführen. In Übereinstimmung mit dem optischen Faserverstärker wird eine hohe Verstärkung erhalten, weil der OFA als ein signalverstärkendes optisches Verstärkungsmedium eingesetzt wird.
Wenn der optischen Faserverstärker Pumplichtquellen umfasst, die jeweils Pumplicht von Wellenlängen, die unterschiedlich voneinander sind, zuführt, ist es vorzuziehen, dass die optische Faser für den optischen Verstärker Faser-Bragg-Gitter einschließt, die Licht einer vorbestimmten Wellenlänge selektiv reflektieren, der so angeordnet ist, das eine oder mehrere Modenkopplungsgitter einzubetten. Jedes der Faser-Bragg-Gitter kann entweder ein Bragg-Gitter, das Licht einer spezifischen Wellenlänge reflektiert, ohne ein Modenkoppeln zu induzieren, oder ein geneigtes Bragg-Gitter einschließen, das in einem vorbestimmten Winkel bezüglich einer vorbestimmten Achse geneigt ist und einen Modenkopplungseffekt aufweist.
Der optische Faserlaser gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen OFA, der den oben erwähnten Aufbau aufeist (OFA gemäß der vorliegenden Erfindung), eine oder mehrere Pumplichtquellen, die dem OFA jeweils Pumplicht zuführen, und einen Resonator, der Signale, die von dem OFA verstärkt werden, abstrahlt. Der Resonator in dem optischen Faserlaser kann durch Fabry-Perot-Resonator oder einen Resonator vom Ring-Typ ausgebildet sein. In Übereinstimmung mit einem derartigen optischen Faserlaser wird eine hohe Laseroszillationseffizienz durch die Anwendung des OFA als ein optisches Verstärkungsmedium zum Verstärken von Signalen (induziertem Emissionslicht) erhalten. In dem optischen Faserlaser können die optischen Pumplichtquellen auch Aufbauten aufweisen, die Pumplicht von Wellenlängen zuführen, die unterschiedlich voneinander sind. In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass der OFA Faser-Bragg-Gitter umfasst, die Licht einer vorbestimmten Wellenlänge selektiv reflektieren, der so angeordnet ist, dass eine oder die mehreren Modenkopplungsgitter einzubetten. Jedes der Faser-Bragg-Gitter kann entweder ein Bragg-Gitter, das Licht einer spezifischen Wellenlänge reflektiert, ohne eine Modenkopplung zu induzieren, oder ein geneigtes Bragg-Gitter einschließen, das in einem vorbestimmten Winkel bezüglich einer vorbestimmten Achse geneigt ist und einen Modenkopplungseffekt aufweist.
Die vorliegende Erfindung wird vollständiger aus der detaillierten Beschreibung, die untenstehend gegeben ist, und den zugehörigen Zeichnungen gegeben werden, die nur im Wege einer Veranschaulichung gegeben sind und nicht als einschränkend für die vorliegende Erfindung zu betrachten sind.
Ein weiterer Umfang einer Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung, die nachstehend gegeben ist, offensichtlich werden. Es ist jedoch zu verstehend, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angezeigt sind, nur im Wege einer Veranschaulichung gegeben sind, das verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung Durchschnittsfachleuten aus dieser detaillierten Benutzer offensichtlich sein werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1A und 1B Schnittansichten des OFA gemäß der vorliegenden Erfindung, und ein Brechungsindexprofil davon;
2 ein Diagramm, das eine elektromagnetische Feldverteilung eines Grundmodus LP(0,1) (Kernmodus) der Signale (Wellenlänge von 1,55 μm) zeigt;
3A–3E Diagramme, die eine elektromagnetische Feldverteilung eines Grundmodus LP (0,1) (Kernmodus) und Moden hoher Ordnung (LP(0,2)-LP(0,5)) des Pumplichts (Wellenlänge von 0,98 μm) zeigen;
4 ein Diagramm (1), das den Aufbau in einem Schnitt des OFA zeigt, der entlang der Linie I-I, die in 1A gezeigt ist, genommen ist;
5 ein Diagramm (2), das den Aufbau in einem Schnitt des OFA zeigt, der entlang der Linie I-I, die in 1A gezeigt ist, zeigt;
6 ein Diagramm, das den Aufbau einer ersten Ausführungsform des optischen Faserverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ein Diagramm zum Beschreiben eines Modenkopplungseffekts des Pumplichts in den OFA, in dem optischen Faserverstärker gemäß der ersten Ausführungsform;
8 ein Diagramm, das den Aufbau einer zweiten Ausführungsform des optischen Faserverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ein Diagramm zum Beschreiben eines Modenkopplungseffekts des Pumplichts in den OFA, in dem optischen Faserverstärker gemäß der zweiten Ausführungsform;
10 ein Diagramm, das den Aufbau einer dritten Ausführungsform des optischen Faserverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ein Diagramm, das den Aufbau einer vierten Ausführungsform des optischen Faserverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
12 ein Diagramm, das den Aufbau einer Ausführungsform des faseroptischen Laserresonators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Jede Ausführungsform des OFA, des optischen Faserverstärkers und des faseroptischen Laserresonators gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 1A, 1B, 2, 3A–3E und 4–12 beschrieben werden. In der Beschreibung der Zeichnungen werden die gleichen Elemente durch gleiche Bezugszeichen und Symbole gekennzeichnet sein, und die Duplikation von Beschreibungen wird weggelassen werden.
1 ist ein Diagramm, das den Aufbau in einem Abschnitt des OFA 10 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieser OFA 10 umfasst einen Kernbereich 11, der entlang einer vorbestimmten Achse, beispielsweise einer optischen Achse verläuft, einen inneren Mantel 12, der auf dem Umfang des Kernbereichs bereitgestellt ist, und einen äußeren Mantel 13, der auf dem Umfang des inneren Mantels 12 bereitgestellt ist. Der Kernbereich weist einen Brechungsindex n₁ und einen Außendurchmesser 2a auf. Der innere Mantel 12 weist einen Brechungsindex n₂ niedriger als der Brechungsindex n₁ und einen Außendurchmesser 2b auf. Der äußere Mantel 13 weist einen Brechungsindex n₃ niedriger als der Brechungsindex n₂ auf. Der OFA 10 ist eine Mantel-gepumpte Faser, die Signale verstärken kann, wenn das Pumplicht dorthin zugeführt wird, und lässt die Signale als Licht eines Kernmodus ausbreiten und lässt das Pumplicht als Licht eines Kernmodus oder eines inneren Mantelmodus ausbreiten. Um derartige Bedingungen zu erfüllen, sind der Brechungsindex und der Außendurchmesser jedes Glasbereichs der optischen Faser für einen optischen Verstärker 10 geeignet eingestellt.
Ein Brechungsindexprofil 100, das in 1B gezeigt ist, zeigt einen Brechungsindex jedes Punkts einer Linie L in 1A an. Ein Bereich 101 stellt einen Brechungsindex des Kernbereichs 11 auf der Linie L dar, ein Bereich 102 einen Brechungsindex des inneren Mantels 12 auf der Linie L bzw. ein Bereich 103 einen Brechungsindex des äußeren Mantels 13 auf der Linie L.
Zumindest ein Teil des Kernbereichs 11 des OFA 10 ist mit einem lumineszenten Element zur Signalverstärkung dotiert. Das somit dotierte lumineszente Element ist vorzugsweise ein Seltene-Erden-Element und ein Übergangselement, und vor allem Er ist geeignet. Wenn Er als ein lumineszentes Element hinzugefügt wird, ist ein Wellenlängenband des Pumplichts 0,98 μm oder 1,48 μm und ein verstärkbares Signal-Wellenlängenband ist 1,52 μm – 1,63 μm. Das lumineszente Element kann dem gesamten Kernbereich des OFA 10 oder nur einem Teil (beispielsweise einem Bereich in der Nähe der optischen Achse) des Kernbereichs, oder nicht nur dem Kernbereich, sondern auch dem inneren Mantelbereich hinzugefügt werden. Das lumineszente Element kann dem OFA 10 über der ganzen Länge davon oder einem Teil davon, der in der Längsrichtung der optischen Faser 10 verläuft, hinzugefügt werden.
Beispielsweise schließt der OFA 10 eine Quarz-basierte optische Faser ein, die einen Kern 11 mit GeO₂ und Er dotiert, den inneren Mantelbereich 12 mit F dotiert und den äußeren Mantelbereich 13 mit F dotiert (dessen Konzentration höher als jene von F in dem inneren Mantelbereich 12 ist) aufweist. Al und P können ferner dem Kernbereich 11 hinzugefügt werden. Ein Element für eine Brechungsindexeinstellung (beispielsweise Cl und B) können auch jedem Glasbereich hinzugefügt werden. Das Er kann nicht nur den Kernbereich, sondern auch dem inneren Mantelbereich 12 hinzugefügt werden. Das Er kann auch nur einem Teil des Kernbereichs hinzugefügt werden.
Um exakter zu sein, sind die großen Durchmesser 2a, 2b des Kernbereichs 11 und des inneren Mantelbereichs 12 auf 4 μm bzw. 35 μm und ein Außendurchmesser des äußeren Mantelbereichs 13 auf einen Standardwert von 125 μm eingestellt. Eine relative Brechungsindexdifferenz Δn₁(=n₁ ²-n₂ ²)/2n₂ ²) des Kernbereichs 11 bezüglich des inneren Mantelbereichs 12 ist auf 1,3% eingestellt, und jene Δn₂(=(n₂ ²-n₃ ²)/2n₂ ²) des äußeren Mantelbereichs 13 bezüglich dazu auf 0,35%. Der somit ausgelegte OFA lässt es zu, dass sich Signale in einem 1,55 μm Wellenlängenband als Licht des Kernmodus ausbreiten, und lässt es zu, dass sich das Pumplicht als Licht des Kernmodus oder des inneren Mantelmodus ausbreitet.
Der wie oben erwähnt ausgelegte OFA 10 stellt die Ausbreitung von Signalen einer Wellenlänge von 1,55 μm in einem Grundmodus LP (0,1) (Kernmodus) sicher, wie in 2 gezeigt, die eine elektromagnetische Feldverteilung des Signals (Wellenlänge von 1,55 μm) in dem Grundmodus LP (0,1) zeigt.
Der OFA 10 stellt die Ausbreitung des Pumplichts sowohl in dem Grundmodus LP (0,1) (Kernmodus), wie in 3A gezeigt, als auch in einem Modus hoher Ordnung (LP(0,2)-LP(0,5)) wie in den 3B–3E gezeigt, sicher. 3B zeigt einen sekundären inneren Mantelmodus LP(02,) bezüglich des Pumplichts, 3C einen tertiären inneren Mantelmodus LP(0,3) bezüglich des gleichen Lichts, 3E einen quaternären inneren Mantelmodus LP(0,4) bezüglich des gleichen Lichts und 3E einen quinären innere Mantelmodus LP(0,5) bezüglich des gleichen Lichts.
4 ist ein Diagramm, das den Aufbau in einem Schnitt des OFA 10 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, der entlang der Linie I-I in 1A genommen ist. Wie in 4 gezeigt, umfasst der OFA 10 einen Kernbereich 11 einschließlich einer optischen Achse, einen inneren Mantelbereich 12, der den Kernbereich 11 umgibt, und einen äußeren Mantelbereich 13, der den inneren Mantelbereich 12 umgibt. Dieser OFA 10 umfasst auch ein Modenkopplungsgitter 14. Das Modenkopplungsgitter 14 arbeitet als ein Brechungsindex-Modulationsbereich, der in einem Abschnitt des Kernbereichs 11 entlang der Längsrichtung des OFA 10 gebildet ist. Das Modenkopplungsgitter 14 lässt es zu, dass sich Signale eines Kernmodus ausbreiten, während ihr Modus erhalten bleibt, und arbeitet, eine Modenkopplung zwischen dem inneren Mantelmodus und dem Kernmodus bezüglich des Pumplichts zu erzeugen. Das Modenkopplungsgitter 14 wird durch Bestrahlen beispielsweise eines Ge-dotierten Kernbereichs 11 mit dem räumlich Intensitäts-modulierten Ultraviolettlicht erhalten.
Das Modenkopplungsgitter 14 kann bereitgestellt sein, über den Kernbereich 11 und den inneren Mantelbereich 12 in den OFA 10 zu verlaufen, wie in 5 gezeigt. Das Modenkopplungsgitter 14 schließt vorzugsweise ein Gitter einer langen Periode ein, das eine Modenkopplung zwischen dem Kernmodus und dem inneren Mantelmodus induziert, dessen Ausbreitungsrichtungen bezüglich des Pumplichts die gleichen sind. In diesem Fall beträgt eine Gitterperiode des Gitters einer langen Periode vorzugsweise 10 μm bis 400 μm. Das Modenkopplungsgitter 14 kann auch ein geneigtes Faser-Bragg-Gitter einschließen, dass eine Modenkopplung zwischen einem Kernmodus und einem inneren Mantelmodus induziert, dessen Ausbreitungsrichtungen entgegengesetzt zueinander, bezüglich des Pumplichts, sind. Ein Neigungswinkel θ des geneigten Faser-Bragg-Gitters bezüglich der optischen Achse AX beträgt vorzugsweise 0,5°–20° (siehe 9).
In dem OFA 10 können ein Bereich, wo ein lumineszentes Element entlang der Längsrichtung der Faser hinzugefügt ist, und ein Bereich, wo das Modenkopplungsgitter 14 gebildet ist, einander überlappen oder voneinander beabstandet sein. Der OFA 10 kann eine erste optische Faser, die mit einem lumineszenten Element dotierten Bereich einschließt, und eine zweite optische Faser umfassen, die einen Bereich einschließt, wo das Modenkopplungsgitter 14 gebildet und mit der ersten optischen Faser Schmelz-gespleißt ist.
Eine erste Ausführungsform eines optischen Faserverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben werden. Ein OFA 10a, der in dem OFA 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eingeschlossen ist, der in dem optischen Faserverstärker 1a gemäß der ersten Ausführungsform angewandt ist, schließt ein Gitter einer langen Periode als ein Modenkopplungsgitter 14a ein.
7 ist ein Diagramm, das den Aufbau in einem Abschnitt des optischen Faserverstärkers 1a gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, und einer Schnittansicht, die entlang der Linie I-I in 1A genommen ist, entspricht. Der optischen Faserverstärker 1a umfasst einen optischen Isolator 21, einen Koppler 31, einen OFA 10a, einen Koppler 32 und einen optischen Isolator 22, die in einer Reihenfolge von einem Signaleingangsanschluss 1_in zu einem Signalausgangsanschluss 1_out angeordnet sind. Eine Pumplichtquelle 41 zum Zuführen von Pumplicht zu dem OFA 10a ist optisch mit dem Koppler 31 verbunden, während eine Pumplichtquelle 42 zum Zuführen von Pumplicht zu dem OFA 10a optisch mit dem Koppler 32 verbunden ist. Der Eingangsanschluss 1_in und der optische Isolator 21, der optische Isolator 21 und der Koppler 31, der Koppler 32 und der optische Isolator 22, und der optische Isolator 22 und der Ausgangsanschluss 1_out sind optisch miteinander vermöge optischer Fasern verbunden, die einen Monomode bei einer Signalwellenlänge sicherstellen. Der Koppler 31 und die Pumplichtquelle 41 sind miteinander vermöge einer optischen Faser 51 optisch verbunden, die einen Mehrfachmodus bei einer Wellenlänge des Pumplichts sicherstellt. Der Koppler 32 und die Pumplichtquelle 42 sind optisch miteinander vermöge einer optischen Faser 42 verbunden, die einen Multimodus bei der Wellenlänge des Pumplichts sicherstellt.
Die optischen Isolatoren 21, 22 wirken derart, Licht in der Richtung von dem Eingangsanschluss 1in zu dem Ausgangsanschluss 1_out durchzulassen, und Licht in der entgegengesetzten Richtung nicht durchzulassen. Die Pumplichtquellen 41, 42 sind optische Vorrichtungen zum Ausgeben des Pumplichts. Der Koppler 31 gibt das Pumplicht, das von der Pumplichtquelle 41 ausgesendet wird und den Koppler 31 erreicht, zu dem OFA 10a zusammen mit den Signalen aus, die von dem Isolator 21 ausgegeben werden und den Koppler 31 erreichen. Der Koppler 32 gibt die Signale, die von dem OFA 10a ausgesendet werden und den Koppler 32 erreichen, zu dem optischen Isolator 22 aus, und gibt das Pumplicht, das von der Pumplichtquelle 42 ausgesendet wird und den Koppler 32 erreicht, zu dem OFA 10a aus.
In dem optischen Faserverstärker 1a wird dem OFA 10a vermöge der optischen Faser 51 und des Kopplers 31 das Pumplicht, das von der Pumplichtquelle 41 ausgegeben wird, zugeführt. Das Pumplicht, das von der Pumplichtquelle 42 ausgegeben wird, wird dem OFA 10a vermöge der optischen Faser 52 und des Kopplers 32 zugeführt. Signale, die über den Eingangsanschluss 1in aufgenommen werden, werden in den OFA 10a vermöge des optischen Isolators 21 und des Kopplers 31 eingegeben, und breiten sich als Licht eines Mantelmodus durch das Innere der optischen Faser 10a aus. Die verstärkten Signale werden von dem OFA 10a ausgegeben, und schließlich zu einer optischen Übertragungsleitung vermöge des Kopplers 32, des optischen Isolators 22 und des Ausgangsanschlusses 1_out ausgegeben.
7 ist eine Schnittansicht zum Beschreiben der Modenkopplung des Pumplichts in dem OFA 10a des optischen Faserverstärkers 1a gemäß der ersten Ausführungsform. Das Pumplicht, das von der Pumplichtquelle 41 ausgegeben wird, breitet sich als Licht P₁₁ eines inneren Mantelmodus in einer Vorwärtsrichtung während einer Anfangsperiode des Zuführens dieses Pumplichts zu dem OFA 10a aus. Wenn dieses Pumplicht P₁₁ des inneren Mantelmodus das Modenkopplungsgitter 14a (Gitter einer langen Periode) erreicht, wird der inneren Mantelmodus P₁₁ in einem Kernmodus P₁₂, dessen Ausbreitungsrichtung identisch zu jener des innere Mantelmodus P₁₁ ist, durch den Modenkopplungseffekt des Gitters 14a konvertiert. Auf ähnliche Weise breitet sich das Pumplicht, das von der Pumplichtquelle 42 ausgegeben wird, als Licht P₂₂ eines inneren Mantelmodus in einer Rückwärtsrichtung während einer Anfangsperiode des Zuführens des Pumplichts zu dem OFA 10a aus. Wenn dieses Pumplicht eines innere Mantelmodus P₂₁ das Modenkopplungsgitter 14a (Gitter einer langen Periode) erreicht, wird der innere Mantelmodus P₂₁ in den Kernmodus P₂₂, dessen Ausbreitungsrichtung identisch zu jener des inneren Mantelmodus P₂₁ ist, durch den Modenkopplungseffekt des Gitters 14a konvertiert. Das Pumplicht der Kernmoden P₁₂, P₂₂ pumpt das lumineszente Element, das in dem Kernbereich 11 des OFA 10a enthalten ist.
Das Modenkopplungsgitter 14a kann in jedweden Bereich der optischen Faser für einen optischen Faserverstärker 10a entlang der Längsrichtung davon gebildet werden, d.h. das Gitter 14a kann in einem Bereich in der Nähe eines Zwischenabschnitts der Faser 10a, einem Bereich in der Nähe von beiden Endabschnitten davon oder einem Bereich in der Nähe eines Endabschnitts davon gebildet werden. Obwohl ein Modenkopplungsgitter 14a in der optischen Faser für den optischen Verstärker 10a gemäß der ersten Ausführungsform gebildet ist, können mehrfache Modenkopplungsgitter auch gebildet werden, wie später beschrieben werden wird. In einem derartigen Fall sind die Modenkopplungsgitter 14a vorzugsweise in dem Bereich gebildet, wo es zugelassen ist, dass sich das Licht der Kernmoden P₁₂, P₂₂ für eine längste mögliche Zeitperiode durch den Kernbereich 11, in welchem das lumineszente Element enthalten ist, in den OFA 10a ausbreitet.
Im allgemeinen sind in dem Modenkopplungsgitter 14a (Gitter einer langen Periode) eine Kopplungseffizienz von dem inneren Mantelmodus des Pumplichts zu dem Kernmodus davon und eine Kopplungseffizienz von dem Kernmodus des Pumplichts zu dem inneren Mantelmodus davon zueinander gleich. Jedoch wird in dem optischen Faserverstärker 1a gemäß der ersten Ausführungsform das Pumplicht eines Kernmodus in dem lumineszenten Element, das in dem Kernbereich 11 enthalten ist, absorbiert, und die Energie davon wird klein. Deswegen wird die Modenkopplung von dem inneren Mantelmodus des Pumplichts zu dem Kernmodus davon vorherrschend, und das Pumplicht wird von dem inneren Mantelmodus in den Kernmodus konvertiert und in dem lumineszenten Element absorbiert.
Wie oben beschrieben, wird in Übereinstimmung mit dem optischen Faserverstärker 1a der ersten Ausführungsform, auf welchem der OFA 10a angewandt wird, das lumineszente Element von dem Pumplicht gepumpt, das sich als Licht der Kernmoden P₁₂, P₂₂ ausbreitet. Deswegen ist eine Pumpeffizienz in das lumineszente Element durch das Pumplicht hoch und ein Signalverstärkungsfaktor kann effektiv verbessert werden. Da die Querschnittsform jedes Glasbereichs des OFA 10a kreisförmig sein kann (die Querschnittsform jedes Glasbereichs muss nicht nicht-kreisförmig eingestellt werden), kann das Herstellen des OFA 10a mit einer hohen Genauigkeit gesteuert werden und eine ausreichende mechanische Festigkeit davon kann erhalten werden. Da sich Signale als Licht eines Kernmodus durch den OFA 10a ausbreiten, kann ein Verbindungsendpunkt zwischen dem OFA 10a und anderen optischen Fasern minimiert werden, und das Pumplicht eines Modus hoher Ordnung in den letzteren optischen Fasern wird niedrig gehalten. Deswegen wird das Auftreten von Rauschen in einem Signalwellenlängenband kaum angetroffen.
Eine zweite Ausführungsform des optischen Faserverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 8 und 9 geschrieben werden. Ein geneigtes Faser-Bragg-Gitter ist als ein Modenkopplungsgitter 14a in dem OFA 10b (OFA 10 gemäß der vorliegenden Erfindung), der in dem optischen Faserverstärker 1b gemäß der zweiten Ausführungsform eingesetzt wird, gebildet.
8 ist ein schematischer Aufbau der zweiten Ausführungsform des optischen Faserverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der optischen Faserverstärker 1b gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst den OFA 10b, in welchem ein geneigtes Faser-Bragg-Gitter (Modenkopplungsgitter 14b) gebildet ist, anstelle des oben erwähnten OFA 10a in dem optischen Faserverstärker 1a gemäß der ersten Ausführungsform (6).
9 ist eine Schnittansicht zum Beschreiben der Modenkopplung des Pumplichts in dem OFA 10b des optischen Faserverstärkers 1b gemäß der zweiten Ausführungsform. Das Pumplicht, das aus der Pumplichtquelle 41 ausgegeben wird, breitet sich als Licht eines inneren Mantelmodus P₁₁ in einer Vorwärtsrichtung während einer Anfangsperiode des Zuführens des Pumplichts zu dem OFA 10b aus. Wenn dieses Pumplicht des inneren Mantelmodus P₁₁ das Modenkopplungsgitter 14b (geneigtes Faser-Bragg-Gitter) erreicht, wird der innere Mantelmodus P₁₁ in einen Kernmodus P₁₂, dessen Ausbreitungsrichtung entgegengesetzt zu jener des inneren Mantelmodus P₁₁ ist, durch den Modenkopplungseffekt des Gitters 14b konvertiert. Auf ähnliche Weise breitet sich das Pumplicht, das aus der Pumplichtquelle 42 ausgegeben wird, als Licht eines inneren Mantelmodus P₂₁ in einer Rückwärtsrichtung während einer Anfangsperiode des Zuführens des Pumplichts zu dem OFA 10b aus. Wenn dieses Pumplicht des inneren Mantelmodus P₂₁ das Modenkopplungsgitter 14b (geneigtes Faser-Bragg-Gitter) erreicht, wird der innere Mantelmodus in einem Kernmodus P₂₂, dessen Ausbreitungsrichtung entgegengesetzt zu jener des inneren Mantelmodus P₂₁ ist, durch den Modenkopplungseffekt des Gitters 14b konvertiert. Das Pumplicht der Kernmoden P₁₂, P₂₂ pumpt das lumineszente Element, das in dem Kernbereich 11 des OFA 10b enthalten ist.
Das Modenkopplungsgitter 14b kann in jedweden Bereich des OFA 10b entlang der Längsrichtung davon gebildet werden, d.h. das Gitter 14b kann in einen Bereich in der Nähe eines Zwischenabschnitts der Faser 10b, einem Bereich in der Nähe beider Endabschnitte davon oder einem Bereich in der Nähe eines Endabschnitts davon gebildet werden. Obwohl ein Modenkopplungsgitter 14b in dem OFA 10b auch in dieser zweiten Ausführungsform gebildet ist, können mehrfache Modenkopplungsgitter auch gebildet werden. In einem derartigen Fall werden die Modenkopplungsgitter 14b vorzugsweise in einem Bereich gebildet, wo zugelassen ist, dass sich das Pumplicht der Kernmoden P₁₂, P₂₂ für eine längste mögliche Zeitperiode durch den Kernbereich 11, in welchem das lumineszente Element enthalten ist, in dem OFA 10b ausbreitet.
Im allgemeinen sind in dem Modenkopplungsgitter 14b (geneigtes Faser-Bragg-Gitter) eine Kopplungseffizienz von dem inneren Mantelmodus des Pumplichts zu dem Kernmodus davon und eine Kopplungseffizienz von dem Kernmodus des Pumplichts zu dem inneren Mantelmodus davon zueinander gleich. Jedoch wird in dem optischen Faserverstärker 1b gemäß der zweiten Ausführungsform das Pumplicht eines Kernmodus in dem lumineszenten Element, das in dem Kernbereich 11 enthalten ist, absorbiert, und die Energie davon wird klein. Deswegen wird das Modenkoppeln von dem inneren Mantelmodus des Pumplichts zu dem Kernmodus davon vorherrschend, und das Pumplicht wird von dem inneren Mantelmodus in den Kernmodus konvertiert und in dem lumineszenten Element absorbiert.
Wie oben beschrieben, wird auch in dem optischen Faserverstärker 1b gemäß der zweiten Ausführungsform das lumineszente Element von dem Pumplicht, das sich als Licht der Kernmoden P₁₂, P₂₂ ausbreitet, gepumpt. Deswegen ist eine Pumpeffizienz für das lumineszente Element durch das Pumplicht hoch, und eine Signalverstärkung kann effektiv verbessert werden. Da eine Querschnittsform jedes Glasbereichs des OFA 10b kreisförmig sein kann (die Querschnittsform jedes Glasbereichs muss nicht nichtkreisförmig sein), kann das Herstellen des OFA 10b mit einer hohen Genauigkeit gesteuert werden, und eine ausreichende mechanische Festigkeit davon kann erhalten werden. Da sich Signale als Licht eines Kernmodus durch den OFA 10b ausweiten, kann eine Spleißdämpfung zwischen dem OFA 10b und anderen optischen Fasern minimiert werden, und eine Pumposzillation eines Modus einer hohen Ordnung in den letzteren optischen Fasern wird niedrig gehalten. Deswegen wird das Rauschen in einem Signalwellenlängenband kaum angetroffen.
Konkrete Beispiele, auf welche die ersten und zweiten Ausführungsformen angewandt werden, werden nun mit einem vergleichenden Beispiel beschrieben werden. Ein optischer Faserverstärker einer Verstärkung 1 weist einen Aufbau identisch zu jenem des optischen Faserverstärkers 1a gemäß der ersten Ausführungsform auf, gezeigt in 6, und der OFA, der einen Bereich in der Nähe eines Zwischenabschnitts davon mit einem Gitter einer langen Periode als ein Modenkopplungsgitter aufweist, wird in den Verstärker dieser Anwendung 1 eingesetzt. Ein optischer Faserverstärker einer Anwendung 2 weist einen Aufbau identisch zu jenem des optischen Faserverstärkers 1b gemäß der zweiten Ausführungsform auf, gezeigt in 8, und der OFA, der einen Bereich in der Nähe eines Zwischenabschnitts davon mit einem geneigten Faser-Bragg-Gitter als ein Modenkopplungsgitter aufweist, wird in dem Verstärker dieses angewandten Beispiels 2 eingesetzt. Ein optischer Faserverstärker eines vergleichenden Beispiels weist einen Aufbau ähnlich zu jenen der optischen Faserverstärker, die in den 6 und 8 gezeigt sind, auf, außer dem Aufbau eines eingesetzten OFA. Dieses vergleichende Beispiel ist unterschiedlich zu den oben beschriebenen Anwendungen 1 und 2 dahingehend, dass ein Modenkopplungsgitter in den eingesetzten OFAs nicht bereitgestellt ist.
Sämtliche der OFAs in den Anwendungen 1 und 2 und in dem vergleichenden Beispiel weisen die folgenden Einzelheiten auf. Äußere Durchmesser 2a, 2b eines Kernbereichs und eines inneren Mantelbereichs sind nämlich 4 μm bzw. 35 μm, und ein äußerer Durchmesser eines äußeren Mantelbereichs auf einem Standardniveau von 125 μm. Die relativen Brechungsindexdifferenzen Δn₁, Δn₂ des inneren Mantelbereichs und des äußeren Mantelbereichs sind jeweils bezüglich des inneren Mantelbereichs 1,3% und 0,35%. Jede Länge der optischen Fasern beträgt 30 m. Eine Wellenlänge des Pumplichts ist 0,98 μm, und die Summe der Leistung des Pumplichts, das dem OFA in Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen zugeführt wird, ist 800 mW. Über jeden der eingesetzten OFAs breiten sich Signale eines 1,55 μm-Wellenlängenbands als Licht eines Kernmodus aus, und das Pumplicht einer Wellenlänge von 0,98 μm breitet sich als Licht eines Kernmodus oder eines inneren Mantelmodus aus.
Der OFA in der Anwendung 1 schließt ein Gitter einer langen Periode mit einer Brechungsindex-Modulationsperiode (Gitterperiode) von 75 μm und einer Länge von 10 mm als ein Modenkopplungsgitter ein. Der OFA in der Anwendung 2 schließt ein geneigtes Faser-Bragg-Gitter mit einer Brechungsindex-Modulationsperiode (Gitterperiode) von 350 nm, einem Neigungswinkel θ (siehe 9) von 6,0° bezüglich einer optischen Achse AX und einer Länge von 10 mm als ein Modenkopplungsgitter ein.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung gaben Signale der Wellenlänge von 1,55 μm mit einem vorbestimmten Leistungspegel in einen Eingangsanschluss jedes optischen Faserverstärkers ein, der den oben beschriebenen Aufbau aufweist, und maßen die Leistung von Signalen, die von einem Ausgangsanschluss ausgegeben werden. Folglich betrug der Pegel der Leistung in dem vergleichenden Beispiel 18,3 dBm, wohin die Pegel der Leistung in den Anwendungen 1 und 2 22,0 dBm bzw. 21,8 dBm waren. Es wurde somit bestimmt, dass die Verstärkungswerte beider optischer Faserverstärker der Anwendungen 1 und 2 um 3,7 dB bzw. 3,5 dB größer als der optische Faserverstärker des vergleichenden Beispiels wurden.
10 ist ein Diagramm, das den Aufbau einer dritten Ausführungsform des optischen Faserverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein optischer Faserverstärker 1c gemäß der dritten Ausführungsform weist einen Aufbau im wesentlichen identisch zu jenem des optischen Faserverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform auf, und ist von dem eingesetzten OFA 10c unterschiedlich, der mehrfache Modenkopplungsgitter 14c, 14d, 14e einschließt. Insbesondere ist der OFA 10c in dem optischen Faserverstärker 1c durch Schmelzspleißen der Mantel-gepumpten Fasern, die jeweils ein Signalverstärkungselement wie etwa Er enthalten, an beiden Enden der optischen Faser, in welcher die mehrfachen Modenkopplungsgitter 14c, 14d, 14e gebildet sind, gebildet.
In dem Pumplicht, das sich durch den OFA 10c ausweitet, existieren mehrfache innere Mantelmoden einer hohen Ordnung (siehe 3B–3E). In Übereinstimmung mit dem optischen Faserverstärker 1c gemäß der dritten Ausführungsform werden diese inneren Mantelmoden hoher Ordnung jeweils in einen Kernmodus durch mehrfache Modenkopplungsgitter 14c, 14d, 14e gekoppelt, und das Pumplicht, das der optischen Faser für den optischen Verstärker 10c zugeführt wird, kann dadurch effizienter verwendet werden.
Die mehrfachen Modenkopplungsgitter 14c, 14d, 14e, die in einer optischen Faser gebildet sind, die einen Teil des OFA 10c ausbildet, können sämtlich aus Gittern einer langen Periode gebildet werden, und manche von ihnen können aus geneigten Faser-Bragg-Gittern gebildet werden.
Um exakt zu sein, stellten die Erfinder einen OFA, auf welchem ein Gitter einer langen Periode mit einer Gitterperiode von 75 μm und einer Länge von 10 mm, das das Modenkopplungsgitter 14c ausbildet, ein Gitter einer langen Periode mit einer Gitterperiode von 70 μm und einer Länge von 10 mm, das das Modenkopplungsgitter 14d ausbildet, und ein Gitter einer langen Periode mit einer Gitterperiode von 64 μm und einer Länge von 10 mm her, das das Modenkopplungsgitter 14e ausbildet, gebildet wurden, als den OFA 10c, der in der dritten Ausführungsform eingesetzt wird, her, und sie maßen eine Ausgangssignalleistung des hergestellten OFA 10c. Die Messbedingungen sind die gleichen wie jene, die in der Anwendung 1 verwendet werden.
In der Folge wurde bestimmt, dass die Ausgangssignalleistung 22,9 dBm betrug, und dass ein Verstärkungswert verglichen mit jenem in dem optischen Faserverstärker der Anwendung 1 erhöht war. Die Gründe, warum diese Vorteile erhalten werden, liegen darin, dass der optische Faserverstärker 1c gemäß der dritten Ausführungsform innere Mantelmoden mit dem Kernmodus mehr als der optische Faserverstärker 1a (Anwendung 1, die nur ein Modenkopplungsgitter aufweist) gemäß der ersten Ausführungsform koppeln kann.
11 ist ein Diagramm, das den Aufbau einer vierten Ausführungsform des optischen Faserverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Der optische Faserverstärker gemäß der vierten Ausführungsform weist im wesentlichen den gleichen Aufbau wie jener 1a gemäß der ersten Ausführungsform auf, und umfasst Pumplichtquellen 410, 420, die Pumplicht von Wellenlängen λ₁ und λ₂ unterschiedlich voneinander ausgeben, und einen OFA 10d, in welchem Faser-Bragg-Gitter 140a, 140b, die Licht einer vorbestimmten Wellenlänge reflektieren, gebildet sind, um so angeordnet zu sein, ein Modenkopplungsgitter 14f dazwischen einzubetten.
Das Modenkopplungsgitter 14f kann entweder aus einem Gitter einer langen Periode oder einem geneigten Faser-Bragg-Gitter gebildet werden. Jedes der Faser-Bragg-Gitter 140a, 140b kann ein Gitter sein, das Licht einer vorbestimmten Wellenlänge reflektiert, oder ein geneigtes Faser-Bragg-Gitter, das eine Modenkopplung induziert.
Insbesondere arbeitet in dieser vierten aus das Gitter 140 derart, dass Pumplicht einer Wellenlänge λ₁ hindurch zu lassen, und das Pumplicht einer Wellenlänge λ₂ daran zu reflektieren. Das Gitter 140b arbeitet derart, dass Pumplicht einer Wellenlänge λ₁ daran zu reflektieren und das Pumplicht einer Wellenlänge λ₂ hindurchzulassen. In dem Fall eines Aufbaus, in welchem das Pumplicht unterschiedlicher Wellenlängen λ₁, λ₂ von beiden Enden des OFA 10c zugeführt wird, sind die Faser-Bragg-Gitter, die eine Lichtreflexionsfunktion aufweisen, an den Abschnitten bereitgestellt, wo sie nahe an beiden Enden davon sind, und dies ermöglicht es, dass das Pumplicht effektiv verwendet wird.
Um exakt zu sein, maßen die Erfinder einen Pegel einer Ausgangssignalleistung des optischen Verstärkers 1d, der das Pumplicht der Wellenlänge 0,97 μm und das Pumplicht der Wellenlänge 0,985 μm verwendet, wie in der vierten Ausführungsform. Der hergestellte OFA 10d schließt ein Gitter einer langen Periode mit einer Gitterperiode von 77 μm und einer Länge von 10 mm und ein Gitter einer langen Periode mit einer Gitterperiode von 75 μm und einer Länge von 10 mm als ein Modenkopplungsgitter 14f ein. Der OFA 10d schließt weiter ein Faser-Bragg-Gitter mit einer Gitterperiode von 338 μm und einer Länge von 10 mm als ein Gitter 140b, das das Pumplicht einer Wellenlänge λ₁ reflektiert, und ein Bragg-Gitter mit einer Gitterperiode von 333 μm und einer Länge von 10 mm als ein Gitter 140a, das das Pumplicht einer Wellenlänge λ₂ reflektiert, ein. Die Messbedingungen sind die gleichen wie jene, die in der Anwendung 1 verwendet wurden.
Als Folge wurde bestimmt, dass die Ausgangssignalleistung 22,4 dBm betrug, und dass ein Verstärkungswert verglichen mit jenem in dem optischen Faserverstärker der Anwendung 1 weiter zunahm. Die Gründe, warum diese Vorteile erhalten werden, liegen darin, dass der optische Faserverstärker 1d gemäß der vierten Ausführungsform so gebildet ist, dass dieser Verstärker 1d das Pumplicht effizienter als der optische Faserverstärker 1a (Anwendung 1, die nur ein Modenkopplungsgitter aufweist) gemäß der ersten Ausführungsform nutzen kann.
Eine erste Ausführungsform des optischen Faserlasers gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 12 beschrieben werden. Ein OFA 10e, der in dem optischen Faserlaser 2 gemäß dieser Ausführungsform eingesetzt wird, schließt ein Modenkopplungsgitter 14g (ein Gitter einer langen Periode oder ein geneigtes Faser-Bragg-Gitter) auf die gleiche Weise wie die optischen Faserverstärker 1a–1d gemäß den ersten bis vierten Ausführungsformen ein.
12 ist ein Diagramm, das den Aufbau dieser Ausführungsform des optischen Faserlasers 2 zeigt. Der optische Faserlaser 2 umfasst eine optische Faser 71, einen Koppler 31, einen OFA 10e, einen Koppler 32 und eine optische Faser 72, die in einer Reihenfolge von einem Hochreflexionsspiegel 61 zu einem Niedrigreflexionsspiegel 62 angeordnet sind. Eine Pumplichtquelle 41 ist optisch mit dem Koppler 31 verbunden, und eine Pumplichtquelle 42 mit dem Koppler 32. Jede der optischen Fasern 71, 72 stellt einen Monomode bei einer Signalwellenlänge (Oszillationswellenlänge) sicher. Der Koppler 31 und die Pumplichtquelle 41 sind optisch miteinander vermöge einer optischen Faser 51 verbunden, die einen Multimode bei einer Pumplichtwellenlänge sicherstellt. Der Koppler 32 und die Pumplichtquelle 42 sind optisch miteinander vermöge einer optischen Faser 52 verbunden, die einen Multimode bei einer Pumplichtwellenlänge sicherstellt.
Der Koppler 31 gibt Signale von der optischen Faser 71 zu dem OFA 10e, Signale von dem OFA 10e zu der optischen Faser 71 und das Pumplicht von der Pumplichtquelle 41 zu dem OFA 10e aus. Der Koppler 32 gibt Signale von dem OFA 10e zu der optischen Faser 72, Signale von der optischen Faser 72 zu dem OFA 10e und das Pumplicht von der Pumplichtquelle 42 zu dem OFA 10e aus.
In dem optischen Faserlaser 2 wird das Pumplicht, das von der Pumplichtquelle 41 ausgegeben wird, dem OFA 10e vermöge der optischen Faser 51 und des Kopplers 31 zugeführt. Andererseits wird das Pumplicht, das von der Pumplichtquelle 42 ausgegeben wird, dem OFA 10e vermöge der optischen Faser 52 des Kopplers 32 zugeführt. Das Pumplicht breitet sich als ein Licht eines inneren Mantelmodus während einer Anfangsperiode des Zuführens des Pumplichts zu dem OFA 10e auf die gleiche Weise wie in den Betriebsschritten aus, die unter Bezugnahme auf die 7 und 9 beschrieben sind. Wenn das Pumplicht des inneren Mantelmodus das Modenkopplungsgitter 14g erreicht, wird der innere Mantelmodus in einen Kernmodus durch den Modenkopplungseffekt des Gitters 14d konvertiert. Das Pumplicht des Kernmodus pumpt das lumineszente Element, das in den Kernbereichen des OFA 10e enthalten ist.
Wenn das lumineszente Element, das in den Kernbereichen des OFA 10e enthalten ist, von dem Pumplicht gepumpt wird, imitiert das lumineszente Element spontanes Emissionslicht. Dieses spontane Emissionslicht breitet sich als Licht eines Kernmodus durch den OFA 10e und die optischen Fasern 71, 72 aus und läuft in einem Fabry-Perot-Resonator, der durch einen Hochreflexionsspiegel 61 und einen Niedrigreflexionsspiegel 62 ausgebildet ist, vor und zurück. Während sich das spontane Emissionslicht durch den OFA 10e ausbreitet, tritt induziertes Emissionslicht auf, um eine Laseroszillation herbeizuführen. Ein Teil dieses induzierten Emissionslichts wird als ein Laserstrahl nach außen von dem Niedrigreflexionsspiegel 62 ausgegeben.
Das Modenkopplungsgitter 14g kann in jedweden Bereich des OFA 10e entlang der Längsrichtung davon gebildet werden, d.h. das Gitter kann in Bereichen in der Nähe der Zwischenabschnitte der Faser 10e, in Bereichen in der Nähe beider Endabschnitte davon oder in Bereichen in der Nähe eines Endabschnitts davon gebildet werden. Obwohl ein Modenkopplungsgitter 14e in dem OFA 10e, der in dieser Ausführungsform eingesetzt wird, gebildet ist, können mehrfache Modenkopplungsgitter auch bereitgestellt werden. In einem derartigen Fall schließt die optische Faser für den optischen Verstärker 10e vorzugsweise die Modenkopplungsgitter 14g in einem Bereich ein, wo zugelassen ist, dass sich das Pumplicht des Kernmodus für eine längste mögliche Zeitperiode durch den Kernbereich ausweitet, der das lumineszente Element enthält.
Im allgemeinen sind in dem Modenkopplungsgitter 14g eine Kopplungseffizienz von dem inneren Mantelmodus des Pumplichts zu dem Kernmodus davon und eine Kopplungseffizienz von dem Koppeln des Kernmodus des Pumplichts zu dem inneren Mantelmodus davon zueinander gleich. Jedoch wird in dieser Ausführungsform des optischen Faserlasers 2 das Pumplicht eines Kernmodus in dem lumineszenten Element, das in dem Kernbereich enthalten ist, absorbiert, und die Leistung davon wird klein. Deswegen wird eine Modenkopplung von dem inneren Mantelmodus in den Kernmodus vorherrschen, und das Pumplicht wird von dem inneren Mantelmodus in den Kernmodus konvertiert und die lumineszenten Elemente absorbiert.
Wie oben beschrieben, wird in Übereinstimmung mit dem optischen Faserlaser, in welchem der OFA 10e eingesetzt wird, das lumineszente Element gepumpt, das sich dort hindurch als Licht des Kernmodus ausbreitet. Deswegen ist eine Pumpeffizienz des lumineszenten Elements durch das Pumplicht hoch, und eine Laseroszillationseffizienz kann effektiv verbessert werden. Da eine Querschnittsform jedes Glasbereichs des OFA 10e kreisförmig sein kann (die Querschnittsform jedes Glasbereichs muss nicht nichtkreisförmig sein), kann das Herstellen des OFA 10e mit einer hohen Genauigkeit gesteuert werden, und eine ausreichende mechanische Festigkeit der Faser kann erhalten werden. Da die Signale (die in dem induzierten Emissionslicht enthalten sind) sich als Licht des Kernmodus durch den OFA 10e ausbreiten, wird eine Spleißdämpfung zwischen dem OFA 10e und anderen optischen Fasern auf einen niedrigen Pegel verringert, so dass das Pumpen eines Modus hoher Ordnung der letzteren Fasern niedrig gehalten wird. Als Folge wird das Rauschmaß eines Signalwellenlängenbands kaum angetroffen.
Wie oben beschrieben, breitet sich, da der OFA, der ein Modenkopplungsgitter aufweist, in der vorliegenden Erfindung bereitgestellt ist, das Pumplicht, das anfangs in die optische Faser für den optischen Verstärker eingeführt wird, deswegen als ein Licht eines inneren Mantelmodus aus, aber wenn dieses Pumplicht eines inneren Mantelmodus das Modenkopplungsgitter erreicht, wird der innere Mantelmodus in einen Kernmodus durch den Modenkopplungseffekt des Modenkopplungsgitters konvertiert, und dieses Pumplicht eines Kernmodus pumpt das lumineszente Element, das in dem Kernbereich des OFA enthalten ist. Andererseits laufen Signale, die in den OFA eingeführt werden, als ein Licht eines Kernmodus durch das Modenkopplungsgitter, während sein Modus beibehalten wird, und verstärkte Signale werden erhalten.
Deswegen wird das lumineszente Element effizient durch das Pumplicht gepumpt, das sich als ein Licht eines Kernmodus ausbreitet. Dementsprechend wird die Pumpeffizienz für das lumineszente Element durch die Pumplichtquelle hoch, und ein Signalverstärkungsfaktor kann verbessert werden. Da die Querschnittsform jedes Glasbereichs des OFA kreisförmig sein kann, wird es möglich, die Herstellung der optischen Faser mit einer hohen Genauigkeit zu steuern, und eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit der optischen Faser zu erhalten. Außerdem wird, da sich Signale als Licht eines Kernmodus durch den OFA ausbreiten, eine Spleißdämpfung zwischen dem OFA und anderen optischen Fasern auf einen niedrigen Pegel verringert, und das Pumpen eines Modus hoher Ordnung in der letzteren optischen Faser wird auch niedrig gehalten. Deswegen wird das Rauschmaß in einer Signalwellenlänge kaum angetroffen.
Aus der somit beschriebenen Erfindung wird offensichtlich sein, dass die Ausführungsformen der Erfindung auf viele Weisen variiert werden können. Derartige Variationen sind nicht als Abweichung von dem Umfang der Erfindung anzusehen, und es ist beabsichtigt, dass sämtliche derartige Modifikationen, wie sie Durchschnittsfachleuten offensichtlich sein würden, innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche eingeschlossen sind.

Claims

Optische Faser für einen optischen Verstärker (10) zum Verstärken von Signalen, die sich dort hindurch ausbreiten, unter Verwendung einer dafür bereitgestellten Pumplichtquelle, wobei die optische Faser für den optischen Verstärker umfasst: einen Kernbereich (11), der entlang einer vorbestimmten Achse verläuft und einen ersten Brechungsindex (n₁) aufweist, wobei der Kernbereich (11) einen Aufbau, der einen Monomode bezüglich der Signale sicherstellt und zumindest einen Teil aufweist, der mit einem Element für eine Signalverstärkung dotiert ist; einen inneren Mantelbereich (12), der auf dem Umfang des Kernbereichs bereitgestellt ist und einen zweiten Brechungsindex (n₂) niedriger als der erste Brechungsindex (n₁) aufweist, wobei der innere Mantelbereich (12) einen Aufbau aufweist, der einen Multimode bezüglich des Pumplichts sicherstellt; einen äußeren Mantelbereich (13), der auf dem Umfang des inneren Mantelbereichs bereitgestellt ist und einen dritten Brechungsindex geringer als der zweite Brechungsindex aufweist; und ein oder mehrere Modenkopplungsgitter (14), die Kernmodensignale dort hindurch leiten und eine Modenkopplung zwischen einem inneren Mantelmodus und einem Kernmodus bezüglich des Pumplichts induzieren.
Optische Faser für einen optischen Verstärker nach Anspruch 1, wobei der innere Mantelbereich 12 mit dem Element für eine Signalverstärkung dotiert ist.
Optische Faser für einen optischen Verstärker nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der Modenkopplungsgitter (14) ein Gitter (14a) einer langen Periode einschließt, das eine Modenkopplung zwischen dem inneren Mantelmodus und dem Kernmodus induziert, dessen Ausbreitungsrichtung identisch zu jener des inneren Mantelmodus ist.
Optische Faser für einen optischen Verstärker nach Anspruch 3, wobei eine Gitterperiode des Gitters (14a) einer langen Periode 10 μm–400 μm beträgt.
Optische Faser für einen optischen Verstärker nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der Modenkopplungsgitter (14) ein geneigtes Faser-Bragg-Gitter (14b) einschließt, das eine Modenkopplung zwischen dem inneren Mantelmodus und dem Kernmodus induziert, dessen Ausbreitungsrichtung entgegengesetzt zu jener des inneren Mantelmodus ist.
Optische Faser für einen optischen Verstärker nach Anspruch 5, wobei das geneigte Faser-Bragg-Gitter (14b) unter 0,5°–20° zu der vorbestimmten Achse geneigt ist.
Optische Faser für einen optischen Verstärker nach Anspruch 1, weiter umfassend Gitter (140a, 140b) einer kurzen Periode, die jeweils selektiv Licht einer vorbestimmten Wellenlänge reflektieren, wobei die Gitter (140a, 140b) einer kurzen Periode so bereitgestellt sind, eines oder mehrere Modenkopplungsgitter (14f) einzubetten.
Optische Faser für einen optischen Verstärker nach Anspruch 7, wobei jedes der Gitter einer kurzen Periode entweder ein Bragg-Gitter oder ein geneigtes Bragg-Gitter einschließt, das einen vorbestimmten Neigungswinkel bezüglich der vorbestimmten Achse aufweist.
Optischer Faserverstärker, umfassend: eine optische Faser für einen optischen Verstärker nach Anspruch 1; und eine oder mehrere Pumplichtquellen (410, 420) zum Zuführen von Pumplicht zu der optischen Faser für den optischen Verstärker.
Optischer Verstärker nach Anspruch 9, wobei die Pumplichtquellen (410, 420) Pumplicht von Wellenlängen, die unterschiedlich zueinander sind, zuführen.
Optischer Faserlaser, umfassend: eine optische Faser für einen optischen Verstärker nach Anspruch 1; eine oder mehrere Pumplichtquellen (41, 42) zum Zuführen von Pumplicht zu der optischen Faser für den optischen Verstärker; und einen Resonator zum Mitschwingen verstärkter Signale von der optischen Faser für den optischen Verstärker.
Optischer Faserlaser nach Anspruch 11, wobei die Pumplichtquellen (41, 42) Pumplicht von Wellenlängen zuführen, die unterschiedlich zueinander sind.