JP2000091675A

JP2000091675A - 光増幅素子

Info

Publication number: JP2000091675A
Application number: JP25731598A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Ono; 浩孝小野; Makoto Yamada; 誠山田; Teruhisa Kanamori; 照寿金森; Yasutake Oishi; 泰丈大石; Makoto Shimizu; 誠清水
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2000-03-31
Anticipated expiration: 2018-09-10
Also published as: JP3688131B2

Abstract

(57)【要約】【課題】外部の温度が変化しても利得の変動がなく、
温度制御性が良く、小型でかつ低消費電力の光増幅素子
を提供する。【解決手段】コア部またはクラッド部にレーザ遷移を
有する希土類または遷移金属が添加されている光増幅用
の光ファイバと、前記光ファイバへ正または負の熱量を
加える加熱素子と、前記光ファイバの温度を検知する温
度検知手段と、前記加熱素子へ供給される電力を制御す
る電力制御手段とから、少なくとも構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光信号を増幅する
光増幅素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、Ｅｒ添加光ファイバ増幅
器（ＥＤＦＡ）は、１．５μｍ帯光通信のキーデバイス
であり、波長多重（ＷＤＭ）通信システムへの適用に向
けて、研究が進められている。

【０００３】ＥＤＦＡの利得特性には温度依存性があ
り、そのために、ＥＤＦＡにおいては、外部の温度が変
化すると、利得が増加または減少する。

【０００４】ところで、このＥＤＦＡには、図１３〜図
１５に例示するように、各温度における利得の温度係数
が等しくなるファイバ長が存在する。つまり、図１３〜
図１５において、各温度に対する利得曲線が１点で交差
する点（図中、矢印で示す）が存在し、この時のファイ
バ長を温度無依存ファイバ長と称している。従って、こ
の長さのＥｒ添加ファイバ（ＥＤＦ）を使用すること
で、温度無依存型ＥＤＦＡが実現できる(M. Yamada et
al., IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.28,
No.3, pp.640-649, 1992) 。

【０００５】しかし、利得の温度係数は信号波長により
異なり、そのため、複数の波長の信号を一括増幅するＷ
ＤＭ用ＥＤＦＡでは、温度無依存ファイバ長が各信号波
長により異なる結果となり、ファイバ長を温度に対して
最適化できない。このため、ＷＤＭ用ＥＤＦＡの温度を
一定に保つ必要があり、温度制御機能付ＥＤＦＡが求め
られていた。

【０００６】前述の要求に対して、従来は、Ｅｒ添加フ
ァイバ（ＥＤＦ）を収納したパッケージに対して温度制
御を行う形態の温度制御機能付ＥＤＦＡがあった（特願
平２−２０８９２３号）。

【０００７】しかし、この従来の形態では、直接ＥＤＦ
の温度制御をしていないため、温度制御性が悪く、ま
た、ＥＤＦだけでなくパッケージ全体を温度制御するた
め、必要な電力が大きくなるということと、サイズが大
きくなるという、３つの欠点があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記事情に
鑑みてなされたもので、その課題は、外部の温度が変化
しても利得の変動がなく、温度制御性が良く、小型でか
つ低消費電力の光増幅素子を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の光増幅素子は、
光ファイバの温度を一定に保つことにより常に一定の利
得を有し、かつ温度制御性に優れ、小型で低消費電力で
あることを特徴とするもので、以下の構成を有する。

【００１０】すなわち、本発明の請求項１の光増幅素子
は、コア部またはクラッド部にレーザ遷移を有する希土
類または遷移金属が添加されている光増幅用の光ファイ
バと、前記光ファイバへ正または負の熱量を加える加熱
素子と、前記光ファイバの温度を検知する温度検知手段
と、前記加熱素子へ供給される電力を制御する電力制御
手段と、を備えることを特徴とする。

【００１１】本発明の請求項２の光増幅素子は、前記請
求項１の光増幅素子において、前記光ファイバがコイル
状に巻かれていることを特徴とする。

【００１２】本発明の請求項３の光増幅素子は、前記請
求項２の光増幅素子において、前記光ファイバが前記加
熱素子と接触するとともに、コイル状に巻かれた光ファ
イバが前記加熱素子に被われていることを特徴とする。

【００１３】本発明の請求項４の光増幅素子は、前記請
求項２の光増幅素子において、前記加熱素子が線状に形
成され、該線状の加熱素子が前記コイル状に巻かれた光
ファイバの束に巻き付けられた状態で前記光ファイバと
前記加熱素子とが接触していることを特徴とする。

【００１４】本発明の請求項５の光増幅素子は、前記請
求項２の光増幅素子において、前記光ファイバが前記加
熱素子と接触するとともに、前記加熱素子が線状に形成
され、該加熱素子と前記光ファイバが一緒にコイル状に
巻かれて該光ファイバと加熱素子とが接触していること
を特徴とする。

【００１５】本発明の請求項６の光増幅素子は、前記請
求項２の光増幅素子において、前記光ファイバはボビン
にコイル状に巻かれ、前記ボビンには前記加熱素子が取
り付けられていることを特徴とする。

【００１６】本発明の請求項７の光増幅素子は、前記請
求項１ないし６のいずれかの光増幅素子において、前記
光ファイバ、加熱素子、温度検知手段および電力制御手
段が、パッケージに収納されていることを特徴とする。

【００１７】本発明の請求項８の光増幅素子は、前記請
求項７の光増幅素子において、前記パッケージの内部に
断熱材が取り付けられていることを特徴とする。

【００１８】本発明の請求項９の光増幅素子は、前記請
求項１ないし８のいずれかの光増幅素子において、前記
光増幅用の光ファイバがＥｒ添加光ファイバであること
を特徴とする。

【００１９】本発明の請求項１０の光増幅素子は、前記
請求項９の光増幅素子において、前記Ｅｒ添加光ファイ
バのホストが、石英系光ファイバ材、フッ化物系光ファ
イバ材、テルライト系光ファイバ材、多成分酸化物系光
ファイバ材、フツリン酸系光ファイバ材、カルコゲナイ
ドガラス光ファイバ材の中から選択された１種類以上の
材料から構成されていることを特徴とする。

【００２０】本発明の請求項１１の光増幅素子は、前記
請求項１ないし１０のいずれかの光増幅素子において、
前記光ファイバの増幅帯域が１．５５μｍ帯と１．５８
μｍ帯の少なくとも一方にあることを特徴とする。

【００２１】本発明の請求項１２の光増幅素子は、前記
請求項１ないし１１のいずれかの光増幅素子において、
前記加熱素子が前記光ファイバへ正の熱量を加える導電
性発熱体であることを特徴とする。

【００２２】本発明の請求項１３の光増幅素子は、前記
請求項１ないし１１のいずれかの光増幅素子において、
前記加熱素子が前記光ファイバへ負の熱量を加える吸熱
素子であることを特徴とする。

【００２３】以下、本発明の実施の形態を説明するが、
本発明は、以下の実施形態例に限定されるものではな
い。

【００２４】

【発明の実施の形態】（実施形態例１）図１は、本発明
の光増幅素子の第１の実施形態例を示す斜視図である。
図中、１はＥｒ添加光ファイバを示し、２は加熱素子で
あるシリコンラバーヒータ（導電性発熱体）を示す。ま
た、３ａは熱電対、３ｂは電圧計または温度モニタであ
り、これらは温度検知手段を構成している。さらに、５
は加熱素子２に電力を供給する電源装置（電力制御手
段）を示す。前記各構成要素は、パッケージの内部に収
納されて使用に供されるようになっており、パッケージ
の一部を構成する支持基板１００の上に固定されてい
る。前記Ｅｒ添加光ファイバ１は、図に示すように、支
持基板１００上で所要回数巻かれて、コイル状の束にさ
れており、このコイル状の束部分を前記シリコンラバヒ
ータ２、２が挟んでいる。

【００２５】このように、本実施形態例の光増幅素子
は、Ｅｒ添加光ファイバ１に直接熱を与えることによっ
て、パッケージに対して熱を与える従来のものよりも高
い温度制御性が得られ、小型で低消費電力の光増幅素子
が実現されている。定量的には、先に説明した従来技術
に比べて、体積は４分の３に、消費電力は２分の１とな
っている。なお、図１は、パッケージを開けた状態を示
しており、前述のように、支持基板１００はこのパッケ
ージの一部であり、各構成要素１〜５の部品は、かかる
パッケージ（一つの箱）に収納されている。また、本実
施形態においては、パッケージ内部に断熱材（不図示）
を入れ、温度制御性を高めている。

【００２６】Ｅｒ添加ファイバ１としては、Ｅｒ添加石
英系ファイバ（屈折率差１．８％、カットオフ波長０．
９μｍ、Ｅｒ添加濃度１０００ｐｐｍ、Ａｌ添加濃度４
ｗｔ％、長さ１７５ｍ）を使用した。Ｅｒ添加ファイバ
１の温度は、熱電対３と電圧計または温度モニタ４とか
らなる温度検知手段４で監視し、電源装置５から供給さ
れる電力を制御することによって、一定に保たれる。

【００２７】図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の光増幅素
子を使用した光増幅器の構成例を示す図である。図にお
いて、これらの光増幅器は、本発明の光増幅素子６と、
励起光と信号光を合波する合波器７，７と、励起光源
８，８と、アイソレータ９，９と、光サーキュレータ１
０、全反射ミラー（全反射ミラーを端面にコートしたフ
ァイバ）１１により、構成される。合波器７としてはバ
ルク型ＷＤＭカップラ、励起光源８としては１．４８μ
ｍ帯ＬＤを使用した。

【００２８】前記図２（ａ）の構成を使用した場合にお
いて、温度制御をしない場合の利得特性を図３に、温度
制御をした場合（８０℃）の利得特性を図４に、それぞ
れ示す。

【００２９】図３および図４から明らかなように、温度
制御をすることによって、利得の温度依存性がなくなっ
ているのがわかる。例えば、１５７０ｍｍで３．７ｄ
Ｂ、１５９５ｎｍで６．５ｄＢの利得偏差が、温度制御
により、０．３ｄＢに抑えられている。

【００３０】励起光源として、０．９８μｍ帯ＬＤを使
用した場合も、１．４８μｍ帯ＬＤを使用した場合と同
様に、温度制御を行うことによって、利得を一定に保つ
ことができた。

【００３１】以上のように、本発明の光増幅素子を使用
することによって、従来技術より温度制御性が良く、小
型で低消費電力の温度無依存型光増幅器が実現できた。

【００３２】なお、残りの図２（ｂ），（ｃ），（ｄ）
の構成を用いたが、同様の温度無依存型光増幅器が実現
できた。

【００３３】図５，図６，図９に光増幅素子の他の形態
をまとめて示す。図中、図１と同一構成要素には同一符
号を付して説明を簡略化する。

【００３４】（実施形態例２）図５の構成では、コイル
状の束になっているＥｒ添加光ファイバ１の周囲に、線
状のヒータ２ａを巻き付けたことを特徴としている。本
形態をとることにより、第１の実施形態の光増幅素子
（図１）よりもさらに消費電力が小さくなった。具体的
には、この図５の素子では、必要な消費電力が、第１の
実施形態の光増幅素子に比べて、４分の３であった。

【００３５】（実施形態例３）図６の構成では、Ｅｒ添
加光ファイバ１と、線状のヒータ２ｂとを、図７あるい
は図８に示すように、互いに交互に並べるように束ね
て、コイル状に巻回している。光ファイバ１と線状ヒー
タ２ｂの巻回の仕方は、図７または図８に断面構成を示
すように、配置することができる。このように、光ファ
イバ１とヒータ２ｂとを同時に巻き回すことにより、図
１に示した第１の実施形態例の光増幅素子よりも、低消
費電力であった。さらに、光ファイバの巻き回し後に、
ヒータを巻き付けるなどの作業が省略できるため、作業
性の向上が得られた。具体的には、第１の実施形態例の
光増幅素子に比べて、消費電力は４分の３、作成作業時
間は２分の１であった。

【００３６】（実施形態例４）図９の構成では、Ｅｒ光
添加ファイバ１を巻き回したボビン２００に、面状ヒー
タ２ｃが内蔵されていることを特徴としている。本形態
をとることにより、図８の構成で必要な光ファイバ１と
ヒータとの位置合わせが不必要となり、図８の光増幅素
子よりも作業性が向上した。具体的には、図８の光増幅
素子に比べて、作業時間は２分の１であり、消費電力は
第１の実施形態例の光増幅素子（図１）と同程度であっ
た。

【００３７】なお、図５，図６，図９では、パッケージ
を開けた状態を示しており、構成要素１〜５は一つの箱
（パッケージ）に収納されている。また、本実施形態に
おいては、パッケージ内部に断熱材（不図示）を入れ、
温度制御性を高めている。

【００３８】これらの光増幅素子を使用し、第１の実施
形態と同様に光増幅器を構成して温度無依存型光増幅器
が実現できた。

【００３９】（実施形態例５）本実施形態例の光増幅素
子の基本構成は、第１の実施形態例と同様である。本実
施形態例では、素子の材料組成を変えた。

【００４０】ホストガラスの組成を変えた各種Ｅｒ添加
光ファイバを使用して光増幅素子を構成し、この素子を
用いて光増幅器を構成した。この光増幅器の温度特性
を、表１および表２に示す。表中の利得の温度変化は、
−４０から＋８０℃まで外部温度を変化させたときの最
大利得と最小利得との差を示している。

【００４１】このように光増幅素子の種類を変えること
により、従来技術より温度制御性が良く、小型で低消費
電力の温度無依存型光増幅器が実現できた。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】（実施形態例６）図１０は、本発明の光増
幅素子の第６の実施形態を示す。図中、図１と同一構成
要素には、同一符号を付して説明を簡略化する。図中、
１２は負の熱量を加えるペルチェ素子（吸熱型加熱素
子）であり、コイル状に巻回された光ファイバ１の下に
敷設されている。このペルチェ素子１２には、電源５か
ら電力が供給される。

【００４５】このように本実施形態例の光増幅素子は、
Ｅｒ添加光ファイバ１に直接熱を与えることにより、パ
ッケージに対して熱を与える従来のものより高い温度制
御性が得られ、小型で低消費電力の光増幅素子が実現さ
れている。具体的には、従来技術に比べて、体積は４分
の３に、消費電力は２分の１である。なお、図１０はパ
ッケージを開けた状態を示しており、構成要素１〜５お
よび１２は一つの箱（パッケージ）に収納されている。
また、本実施形態においては、パッケージ内部に断熱材
を入れ、温度制御性を高めている。

【００４６】Ｅｒ添加ファイバ１としては、Ｅｒ添加石
英系ファイバ（比屈折率差１．８％、カットオフ波長
０．９μｍ、Ｅｒ添加濃度１０００ｐｐｍ、Ａｌ添加濃
度４ｗｔ％、長さ１７５ｍ）を使用した。Ｅｒ添加ファ
イバ１の温度は、熱電対３および電圧計または温度モニ
タ４で監視し、電源５を制御することによって、一定に
保たれる。

【００４７】図２（ａ）の構成の光増幅素子において、
温度制御をしない場合の利得特性を図１１に、温度制御
をした場合（２０℃）の利得特性を図１２に、それぞれ
示す。

【００４８】両図から明らかなように、温度制御をする
ことによって、利得の温度依存性がなくなっているのが
わかる。例えば、１５７０ｎｍで３．７ｄＢ、１５９５
ｎｍで６．５ｄＢの利得偏差が温度制御により０．４ｄ
Ｂに抑えられている。

【００４９】励起光源として、０．９８μｍ帯ＬＤを使
用した時も、１．４８μｍ帯ＬＤを使用した場合と同様
に、温度制御を行うことによって利得を一定に保つこと
ができた。

【００５０】以上のように、本発明の光増幅素子を使用
することによって、従来技術より温度制御性が良く、小
型で低消費電力の温度無依存型光増幅器が実現できた。

【００５１】なお、図２（ｂ），（ｃ），（ｄ）の構成
を用いたが、図２（ａ）の構成の場合と同様の温度無依
存型光増幅器が実現できた。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光増幅器
は、外部の温度が変化した場合に、ＥＤＦの温度を一定
に保つことによって利得を制御して、常に一定の利得が
得られる。さらに、従来の光増幅素子、光増幅器に比べ
て温度制御性に優れ、小型で低消費電力である。

【００５３】このような光増幅器を光通信システムに適
用することにより、外部温度変化があった場合にも伝送
特性劣化のないシステムを構築することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光増幅素子の第１の実施形態例の構成
を示す斜視図である。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の第１の実
施形態例の光増幅素子を用いた光増幅器の構成を示すブ
ロック図である。

【図３】第１の実施形態例による光増幅器の温度の特性
（温度制御なし）を示すグラフである。

【図４】第１の実施形態例による光増幅器の温度の特性
（温度制御あり）を示すグラフである。

【図５】本発明の光増幅素子の第２の実施形態例を示す
斜視図である。

【図６】本発明の光増幅素子の第３の実施形態例を示す
斜視図である。

【図７】図６に示した光増幅素子の光ファイバとヒータ
との組み合わせ構成を示す断面図である。

【図８】図６に示した光増幅素子の光ファイバとヒータ
との他の組み合わせ構成を示す断面図である。

【図９】本発明の光増幅素子の第４の実施形態例を示す
斜視図である。

【図１０】本発明の光増幅素子の第６の実施形態例を示
す斜視図である。

【図１１】本発明の第６の実施形態例による光増幅器の
温度特性（温度制御なし）を示すグラフである。

【図１２】本発明の第６の実施形態例による光増幅器の
温度特性（温度制御あり）を示すグラフである。

【図１３】従来の光増幅器の特性を説明するグラフであ
る。

【図１４】従来の光増幅器の特性を説明するグラフであ
る。

【図１５】従来の光増幅器の特性を説明するグラフであ
る。

【符号の説明】

１Ｅｒ添加ファイバ２シリコンラバーヒータ（導電性発熱体；加熱素子）２ａ線状ヒータ（導電性発熱体；加熱素子）２ｂ線状ヒータ（導電性発熱体；加熱素子）２ｃ面状ヒータ（導電性発熱体；加熱素子）３熱電対３ｂ電圧計または温度モニタ４温度検知手段５電源（電力制御手段）６光増幅素子７合波器８励起光源９アイソレータ１０光サーキュレータ１１全反射ミラー１２ペルチェ素子（吸熱型加熱素子）１００基板（パッケージの一部）２００ボビン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田誠東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者金森照寿東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者大石泰丈東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者清水誠東京都渋谷区桜丘町20番１号エヌティティエレクトロニクス株式会社内Ｆターム(参考） 5F072 AB09 AK06 JJ20 KK30 RR01 TT05 TT22 TT30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コア部またはクラッド部にレーザ遷移を
有する希土類または遷移金属が添加されている光増幅用
の光ファイバと、前記光ファイバへ正または負の熱量を加える加熱素子
と、前記光ファイバの温度を検知する温度検知手段と、前記加熱素子へ供給される電力を制御する電力制御手段
と、を備えることを特徴とする光増幅素子。
【請求項２】前記光ファイバがコイル状に巻かれてい
ることを特徴とする請求項１に記載の光増幅素子。
【請求項３】前記光ファイバが前記加熱素子と接触す
るとともに、コイル状に巻かれた光ファイバが前記加熱
素子に被われていることを特徴とする請求項２に記載の
光増幅素子。
【請求項４】前記加熱素子が線状に形成され、該線状
の加熱素子が前記コイル状に巻かれた光ファイバの束に
巻き付けられた状態で前記光ファイバと前記加熱素子と
が接触していることを特徴とする請求項２に記載の光増
幅素子。
【請求項５】前記光ファイバが前記加熱素子と接触す
るとともに、前記加熱素子が線状に形成され、該加熱素
子と前記光ファイバが一緒にコイル状に巻かれて該光フ
ァイバと加熱素子とが接触していることを特徴とする請
求項２に記載の光増幅素子。
【請求項６】前記光ファイバはボビンにコイル状に巻
かれ、前記ボビンには前記加熱素子が取り付けられてい
ることを特徴とする請求項２に記載の光増幅素子。
【請求項７】前記光ファイバ、加熱素子、温度検知手
段および電力制御手段は、パッケージに収納されている
ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の
光増幅素子。
【請求項８】前記パッケージの内部に断熱材が取り付
けられていることを特徴とする請求項７に記載の光増幅
素子。
【請求項９】前記光増幅用の光ファイバがＥｒ添加光
ファイバであることを特徴とする請求項１ないし８のい
ずれかに記載の光増幅素子。
【請求項１０】前記Ｅｒ添加光ファイバのホストが、
石英系光ファイバ材、フッ化物系光ファイバ材、テルラ
イト系光ファイバ材、多成分酸化物系光ファイバ材、フ
ツリン酸系光ファイバ材、カルコゲナイドガラス光ファ
イバ材の中から選択された１種類以上の材料から構成さ
れていることを特徴とする請求項９に記載の光増幅素
子。
【請求項１１】前記光ファイバの増幅帯域が１．５５
μｍ帯と１．５８μｍ帯の少なくとも一方にあることを
特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の光増
幅素子。
【請求項１２】前記加熱素子が前記光ファイバへ正の
熱量を加える導電性発熱体であることを特徴とする請求
項１ないし１１のいずれかに記載の光増幅素子。
【請求項１３】前記加熱素子が前記光ファイバへ負の
熱量を加える吸熱素子であることを特徴とする請求項１
ないし１１のいずれかに記載の光増幅素子。