JP2000208840A - 光増幅装置 - Google Patents

光増幅装置

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JP2000208840A JP11007516A JP751699A JP2000208840A JP 2000208840 A JP2000208840 A JP 2000208840A JP 11007516 A JP11007516 A JP 11007516A JP 751699 A JP751699 A JP 751699A JP 2000208840 A JP2000208840 A JP 2000208840A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 励起光の発振波長を安定化させるための
互いに反射中心波長が異なる複数の光反射器と、励起光
源の励起光を合波するための光合波器の入力ポートとの
中心波長を一致させるために、それぞれを温度補償する
必要があった。 【解決手段】 複数の光反射器と光合波器とを使用波長
帯域内で温度変化に対する中心波長変化の微分係数がほ
ぼ等しい材料で形成し、使用環境温度範囲内の所定温度
下で、前記光合波器における各入力ポートの最適波長が
それぞれ光反射器の中心波長とほぼ一致させ、かつ両者
をほぼ同一の環境温度下で使用するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信用の光増幅
装置に関するもので、特に波長分割多重通信システムや
伝送距離の長い光海底伝送システム等で用いられる光増
幅装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、伝送距離の長い例えば光海底伝送
システム等に使用される光増幅装置として、遠隔励起方
式の光増幅装置を使用することが提案されている。この
遠隔励起方式の光増幅装置は、励起光源を海底に沈める
ことなく陸上に励起光源を設置できるという利点を有す
る。ところがこの遠隔励起方式の光増幅装置は、励起光
源とエルビウムドープ光ファイバ間の光ファイバの伝送
損失によって励起光のパワーが減衰するため、励起光源
の出力を大きくする必要がある。そのための一つの手段
として波長の異なる複数の励起光を波長合成する方法が
提案されている。
【0003】また、波長分割多重伝送システムにおい
て、多重度を増やし伝送量を増大させようとする試みが
なされている。多重度を増やす一つの方法として光ファ
イバの波長帯域を広げることが考えられるが、通常のエ
ルビウムドープ光ファイバでは最大30nmの利得帯域しか
持たず、光ファイバ長を長くして長波長域に帯域を広げ
ても最大60nmしか利得を持たない。以上のことから近
年、利得帯域を無限に広げられるRaman増幅への期待が
高まっている。しかしながらRaman増幅で帯域を広げる
ためには複数の異なる波長の励起光が必要であり、励起
光の波長合成が必須となる。
【0004】以上のように種々の光増幅装置において、
複数の波長の励起光源を低い損失で合波する必要があ
る。従来の励起波長数が少ない場合、例えば3波長程度
の場合には誘電体多層膜フィルタが使用されていたが、
波長数が4つ以上になると波長数が多くなるにつれ合波
損失が大きくなると言う欠点があった。
【0005】そこで近年、合波損失を少なくして波長数
を増やす一つの方法としてマッハツェンダ合波器を使用
することが提案されている。マッハツェンダ合波器は原
理的に波長数がいくら増えても、合波損失を少なくでき
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、波長合成を
する励起波長数が増加し波長間隔が狭まるに従い、マッ
ハツェンダ合波器の結合効率の波長依存性が大きくな
り、効率よく合波するために各励起光の中心波長と光合
波器の中心波長とを合わせなければならない。また更
に、通常は励起光源の波長を安定化させるためのファイ
バブラッググレーティングやマッハツェンダのような光
合波器の中心波長には、屈折率とデバイス長の積に比例
しているため屈折率の温度依存性と線膨張により1℃あ
たり約0.01nm長波長に移動するような温度依存性があ
り、中心波長を合わせるために、グレーティング及び光
合波器のそれぞれに温度補償や温度調節の必要があっ
た。そのために部品点数が増加し、長期信頼性が低下し
たり価格が上昇したりする課題が発生していた。
【0007】前記課題を解決するために、本発明ではグ
レーティング及び光合波器に温度補償や温度調節をせず
に中心波長を合わせ効率よく励起光を合波でき、合波後
の励起光強度の温度依存性が少ない光増幅装置を提供す
ることを目的としている。それにより部品点数の削減が
可能であり、長期信頼性が向上しかつ廉価な光増幅装置
を提供できる。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため以下のような構成になっている。本発明のうち
請求項1記載の光増幅装置は、図1に示すように、励起
波長の異なる複数の励起光源1と、前記励起光源1から
発生する励起光2の発振波長を安定化するための光反射
器3と、前記励起光源1の励起光2を合波するための光
合波器4と、前記光合波器4からの励起光を増幅用光フ
ァイバ6に合波するための光カプラ5とで構成されてい
る。さらに前記光増幅装置において、前記光反射器3と
光合波器4のそれぞれの中心波長が屈折率とデバイス特
性を決定付ける特定の長さの積に比例するようなデバイ
スとし、前記複数の光反射器と前記光合波器とはその使
用波長帯域内で温度変化に対する中心波長変化の微分係
数がほぼ等しい材料で形成され、使用環境温度範囲内の
所定温度下で、前記光合波器における各入力ポートの最
適波長がそれぞれ光反射器の中心波長とほぼ一致し、少
なくとも前記光反射器3と光合波器4とを同一パッケー
ジ7の中に入れ同一環境温度に保持することを特徴とし
ている。
【0009】本発明のうち請求項2記載の光増幅装置
は、図1における前記光反射器3と光合波器4を、SiO2
単体のガラスまたはSiO2を主成分としB2O3、P2O5、Ge
O2、TiO2、Fのうち少なくとも一種類の成分を添加した
ガラスで形成することを特徴としている。
【0010】本発明のうち請求項3記載の光増幅装置
は、図1における励起光2の発振波長を安定化させるた
めの光反射器3として、図2に示すようなグレーティン
グピッチΛを持つブラッググレーティング8を形成した
光ファイバ9を使用したことを特徴としている。
【0011】本発明のうち請求項4記載の光増幅装置
は、図1における励起光2を合波するための光合波器4
として、図3に示すような2個の方向性結合器部10・10
間に光路長差ΔLの位相部11を持つマッハツェンダ型合
波器12を少なくとも1つ以上使用することを特徴として
いる。
【0012】本発明のうち請求項5記載の光増幅装置
は、請求項4記載のマッハツェンダ合波として、図4に
示すような、2つの光ファイバのコアを近接又は密着さ
せて、一体とした溶融ファイバーカプラ13を使用するこ
とを特徴としている。
【0013】本発明のうち請求項6記載の光増幅装置
は、請求項4記載のマッハツェンダ合波器として、図6
に示すような基板14上に形成したガラス製光導波路15を
使用することを特徴としている。
【0014】本発明のうち請求項7記載の光増幅装置
は、請求項4記載のマッハツェンダ合波器として、図11
に示すような基板14上に形成したガラス製光導波路15を
使用し、同一基板上の光導波路にブラッググレーティン
グ16を形成することを特徴としている。
【0015】本発明のうち請求項8記載の光増幅装置
は、図1における増幅用光ファイバ6として、エルビウ
ムドープ光ファイバを使用し、かつ励起光2の波長とし
て1450nmから1500nm間の少なくとも二つ以上の波長を選
択したことを特徴としている。
【0016】本発明のうち請求項9記載の光増幅装置
は、図1における増幅用光ファイバ6として、誘導ラマ
ン利得を有する光ファイバを使用し、かつ励起光の波長
として最大のものと最小のものの周波数差を13 THz以下
にする事を特徴としている。
【0017】次に本発明の光増幅装置の作用について説
明する。本発明のうち請求項1記載の光増幅装置では、
図1における光反射器3と光合波器4を光路長の温度依
存性がほぼ同じ材料で形成され、かつ同一環境温度に保
持されている。このような光増幅装置において光反射器
3と光合波器4の中心波長を同じ環境温度下で合わせた
ものを選択することにより、図5に示すように環境温度
が変化しても励起光の中心波長と光合波器の中心波長と
が同じだけシフトし両者のずれは少ない。このことによ
り温度補償や温度調整無しで励起光を効率よく合波する
ことが可能となる。
【0018】本発明のうち請求項2記載の光増幅装置で
は、前記励起波長を安定化させるための光反射器と前記
励起光源からの励起光を合波するための光合波器を、そ
れぞれの中心波長が屈折率とデバイス特性を決定付ける
特定の長さとの積に比例するようなデバイスで形成して
いる。そのようなデバイスでは中心波長λと中心波長の
温度依存性(微分係数)dλ/Dtにそれぞれ次式の関係
が成り立つ。
【0019】 λ = k・nL ・・・(1) dλ/dT = λ/n・dn/dT + λ/L・dL/dT = λ/n・dn/dT + λα ・・・(2) ここで k:比例定数 n:屈折率 L:デバイス特性を決定付ける特定の長さ α:線膨張係数
【0020】従って、光反射器と光合波器との両者の中
心波長を温度で微分した温度依存性(微分係数)dλ/d
Tは、比例定数kに関わらず同様の式で表される。さらに
光反射器と光合波器との両者をSiO2単体のガラスまたは
SiO2を主成分としたガラスで形成することにより、屈折
率の温度勾配dn/dTが約1×10-5/℃、線膨張係数が4〜
20×10-7/℃となり、光反射器と光合波器との両者の中
心波長の温度依存性dλ/dTがほぼ同様の値を示す。従
って環境温度が変化しても励起光の中心波長と光合波器
の中心波長とが同じだけシフトし両者のずれは少なくな
り、従って同一の温度環境下で中心波長を一致させてお
けば、温度補償や温度調整をしなくても両者の中心波長
は常に一致しており励起光を効率よく合波することが可
能となる。
【0021】本発明のうち請求項3記載の光増幅装置で
は、前記励起波長を安定化させるための光反射器とし
て、ブラッググレーティングを形成した光ファイバを使
用している。ファイバブラッククレーティングにおける
特性を決定する特定の長さとは、図2に示すグレーティ
ングピッチΛのことである。ファイバブラッググレーテ
ィングの中心波長λは以下の式で表される。
【0022】 λ = 2n・Λ ・・・(3) ここで Λ:グレーティングのピッチ長
【0023】(3)式は(1)式と同じ形態の式であり、従っ
て中心波長の温度依存性は(2)式で表される。従って環
境温度が変化しても励起光の中心波長と光合波器の中心
波長とが同じだけシフトし両者のずれは少なくなり、温
度補償や温度調整無しで励起光を効率よく合波すること
が可能となる。
【0024】本発明のうち請求項4、5、6、7記載の
光増幅装置では、励起光を合波するための光合波器とし
てマッハツェンダ合波器を使用している。マッハツェン
ダ合成器における特性を決定する特定の長さとは、図3
に示す2つのアームの光路長差ΔLのことである。マッ
ハツェンダ合波器の中心波長λは以下の式で表される。
【0025】 λ = n・ΔL/m ・・・(4) ここで m:マッハツェンダ干渉計の次数(整数または
整数の1/2倍)
【0026】(4)式は(1)式と同じ形態の式であり、従っ
て中心波長の温度依存性は(2)式で表される。従って環
境温度が変化しても励起光の中心波長と光合波器の中心
波長とが同じだけシフトし両者のずれは少なくなり、温
度補償や温度調整無しで励起光を効率よく合波すること
が可能となる。
【0027】本発明のうち請求項8記載の光増幅装置で
は、増幅用光ファイバとしてエルビウムドープ光ファイ
バを用い、励起光の波長としてエルビウムの吸収がある
波長域1450nmから1500nm間の少なくとも二つ以上の波長
を選択している。複数の励起波長を用いることで励起光
強度を高めることができる。
【0028】本発明のうち請求項9記載の光増幅装置で
は、増幅用光ファイバとして誘導ラマン利得を有する光
ファイバを用い、励起光の波長として最大のものと最小
のものの周波数差を13 THz以下にしている。SiO2を主成
分とするガラスではラマン利得は励起波長から13 THzだ
け低周波側(長波長側)に得られる。従って複数の励起
光の波長域を13 THz以上にすると励起光と信号光が重複
し信号光の波形劣化が起こる。そのために本発明では励
起光の波長として最大のものと最小のものの周波数差を
13 THz以下としている。このようにラマン増幅を用いる
ことにより波長の多重度を増加できる。
【0029】
【発明の実施の形態】[実施形態1]図6は本発明の第
1の実施形態であり、信号入力光ファイバ17と、光アイ
ソレータ18と、増幅用エルビウムドープ光ファイバ6
と、励起光源としてのファブリペロー型の半導体レーザ
101,102,103,104と、励起光の発振波長を安定化するた
めの光反射器としてのファイバブラッググレーティング
301、302、303、304と、励起光を合波するための光合波
器4と、励起光と信号光を合波(または分波)するため
の光カプラ5で形成されている。信号光の波長帯域とし
てエルビウムドープ光ファイバで効率よく増幅される15
30から1560nmの波長を選択した。
【0030】励起光源1としてファブリペロー型の半導
体レーザ101,102,103,104が使用されており、波長安定
化用の光反射器3としてはファイバブラッググレーティ
ング301、302、303、304が使用され外部共振器として作
用する。ここで半導体レーザの発振波長とそれに接続さ
れたファイバグレーティングの反射中心波長はそれぞれ
同じであり、半導体レーザ101とファイバグレーティン
グ301は波長1450nmに中心を持ち、半導体レーザ102とフ
ァイバグレーティング302は1480nmに、半導体レーザ103
とファイバグレーティング303は1495nmに、半導体レー
ザ104とファイバグレーティング304は1465nmにそれぞれ
中心を持つ。なお本実施例ではグレーティング形成に使
用される光ファイバとしてシングルモード光ファイバを
用いている。シングルモード光ファイバはクラッドとし
てSiO2を、コアとしてSiO2を主成分としGeO2を添加した
ガラスで形成されている。さらにブラッググレーティン
グは高圧水素処理と紫外線照射を併用して作製されてい
る。
【0031】さらに光合波器4として、基板14上に形成
された光導波路15で構成されるマッハツェンダ合波器12
を3個用いている。マッハツェンダ合波器12の各入力ポ
ートはそれぞれ1450, 1480, 1495, 1465nmに中心を持
つ。なおここで光導波路は図7に示す断面図のように火
炎堆積法(例えば、N.Takato et al, J.Lightwave Tec
h. , vol6, pp.1003-1010, 1988参照のこと)を用い
て、Si基板上にクラッド層19とコア回路20を形成し、さ
らにクラッド層21で埋め込まれた構造を持つ。それぞれ
の層は全てSiO2を主成分とするガラスであり、クラッド
層にはB2O3, P2O5がドーパントとして添加されており、
コア層にはB2O3, P2O5, TiO2がドーパントとして添加さ
れている。
【0032】以上のように光反射器3と光合波器4はSi
O2を主成分とするガラスで作製されており、ほぼ同様の
温度特性を持つ。従って同一パッケージ7中に両者を入
れることで、同一環境温度下に保持され両者の中心波長
は、温度が変化しても同じように変化し、そのずれは少
なくなる。
【0033】光合波器の中心波長とファイバグレーティ
ング付き半導体レーザの発振波長の温度依存性を図8に
示す。この図から光合波器の中心波長と発振波長は温度
に対してほぼ同じ傾きで変化していることがわかる。こ
のことは、光合波器及びファイバグレーティングの両者
を共にSiO2を主成分とするガラスで作製されていること
から、両者がほぼ同じ温度特性を持つために起こる。
【0034】図9に光合波器から出力される光強度の温
度依存性を示す。ただしこの図で使用した光合波器とフ
ァイバグレーティングは20℃の環境温度で中心波長が合
うようなものを選んだ。光合波器のみの環境温度を変化
させた場合に比べ、両者の環境温度を同じように変化さ
せた方が出力強度の温度変化が少ないことがわかる。以
上のことから、ある温度で両者の中心波長が合うように
すれば、環境温度の変化に関わらず効率よく合波できる
ことがわかる。
【0035】[実施形態2]図10は本発明の第2の実施
形態を示す図である。光合波器4として溶融ファイバカ
プラ13を使用したマッハツェンダ型合波器12を用いてい
る。溶融ファイバカプラの光ファイバとして、クラッド
にSiO2のみで形成されたガラスを、コアにSiO2を主成分
としGeO2を添加したガラスで形成されたシングルモード
光ファイバを用いている。その他の構成は図6に示す実
施形態1の光増幅装置と同様であり詳細な説明を省く。
【0036】本実施形態においてはファイバグレーティ
ング16及び光合波器4にほとんど同一組成のシングル
モード光ファイバを使用しており、両者は全く同じ温度
特性を持つ。従ってある温度で両者の中心波長が合うよ
うにすれば、環境温度の変化に関わらず効率よく励起光
を合波できる。
【0037】[実施形態3]図11は本発明の第3の実施
形態を示す図である。光合波器4として基板14上に形成
された光導波路15で構成されるマッハツェンダ合波器12
を3個用いている。さらに光合波器それぞれの入射導波
路に直接ブラッググレーティング16が書き込まれてい
る。その他の構成は図6に示す実施形態1の光増幅装置
と同様であり詳細な説明を省く。
【0038】本実施形態においてはグレーティング16と
光合波器4を同一の光導波路で形成しており、両者は全
く同じ温度特性を持つ。さらに同一基板上に形成してい
るため特別なパッケージを使用することなく同一の環境
温度に保持される。従ってある温度で両者の中心波長が
合うようにすれば、環境温度の変化に関わらず効率よく
励起光を合波できる。
【0039】[実施形態4]本発明の第4の実施形態
は、図6と同じであるが、増幅用光ファイバ6としてラ
マン利得を持つ光ファイバで構成されている。その他の
構成は実施形態1の光増幅装置と同様であり詳細な説明
を省く。
【0040】ここで半導体レーザの発振波長とそれに接
続されたファイバグレーティングの反射中心波長はそれ
ぞれ同じであり、半導体レーザ101とファイバグレーテ
ィング301は波長1420nmに中心を持ち、半導体レーザ102
とファイバグレーティング302は1480nmに、半導体レー
ザ103とファイバグレーティング303は1510nmに、半導体
レーザ104とファイバグレーティング304は1450nmにそれ
ぞれ中心を持つように設定した。励起光の最長波長と最
短波長の差が13 THz以下であるため、ラマン効果により
増幅できる信号光の波長は1513nmから1615nmとなり励起
光と信号光が重複することがない。このような構成によ
り100nm以上の広帯域で光増幅が可能となる。
【0041】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の光増幅装置
では、励起波長を安定化させるための光反射器と励起光
を合波するための光合波器とをほぼ同一の温度特性を持
つ材料で形成し、前記励起波長を安定化させるための光
反射器と前記励起光源からの励起光を合波するための光
合波器との両者の中心波長を同じ環境温度下で合わせ、
かつ両者をほぼ同一の環境温度下で使用することによ
り、周囲の環境温度の変化に関わらず両者の中心波長は
同じ値になるため複数の励起光を効率よく合波すること
が可能となる。このことにより、合波後の励起光強度の
温度依存性が少ない光増幅装置を提供でき、エルビウム
ドープ光ファイバやラマン利得を持つ光ファイバ等の増
幅用光ファイバを高強度・広帯域の励起光で励起するこ
とが可能であり、様々な光伝送システムに適応すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の光増幅装置の概略を示すブロック図
【図2】 ファイバブラッググレーティングを示した説
明図
【図3】 マッハツェンダ合波器を示した説明図
【図4】 ファイバカプラを示した説明図
【図5】 温度変化による中心波長のシフトを示す説明
【図6】 本発明の実施形態1の光増幅装置を示すブロ
ック図
【図7】 本発明の実施形態1の光導波路の断面を示す
説明図
【図8】 本発明の実施形態1の光増幅装置で使用され
ている光合波器とレーザの中心波長が同様の温度特性を
持つことを示す説明図
【図9】 本発明の実施形態1の光増幅装置において合
波後の励起出力の温度依存性が小さいことを示す説明図
【図10】 本発明の実施形態2の光増幅装置を示すブ
ロック図
【図11】 本発明の実施形態3の光増幅装置を示すブ
ロック図
【符号の説明】
1 励起光源 2 励起光 3 励起波長を安定化するための光反射器 4 複数の励起光を合波するための光合波器 5 信号光と励起光とを合波するための光カプラ 6 増幅用光ファイバ 7 光反射器3と光合波器4を同一環境温度に保つため
の同一パッケージ 18 光アイソレータ
フロントページの続き Fターム(参考) 2K002 AA02 AB02 BA01 EA07 GA04 5F072 AB09 HH05 JJ05 KK07 KK30 RR01 YY17

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 増幅用光ファイバと、励起光を発生させ
    る複数の励起光源と、前記励起光源と一対一に接続され
    前記励起光の発振波長を安定化させるための互いに反射
    中心波長が異なる複数の光反射器と、前記励起光源の励
    起光を合波するための光合波器と、前記光合波器からの
    励起光を前記増幅用光ファイバに合波するための光カプ
    ラを有する光増幅装置において、前記複数の光反射器と
    前記光合波器とはその使用波長帯域内で温度変化に対す
    る中心波長変化の微分係数がほぼ等しい材料で形成さ
    れ、使用環境温度範囲内の所定温度下で、前記光合波器
    における各入力ポートの最適波長がそれぞれ光反射器の
    中心波長とほぼ一致し、かつ両者がほぼ同一の環境温度
    下で使用されることを特徴とする光増幅装置。
  2. 【請求項2】 光反射器と光合波器の両者は、SiO2単体
    のガラスまたはSiO2を主成分としB2O3、P2O5、GeO2、Ti
    O2、Fのうち少なくとも一種類の成分を添加したガラス
    で構成されていることを特徴とする請求項1記載の光増
    幅装置。
  3. 【請求項3】 光反射器は、ブラッググレーティングを
    形成した光ファイバで構成されていることを特徴とする
    請求項1記載の光増幅装置。
  4. 【請求項4】 光合波器は、2つの方向性結合器とそれ
    に挟まれた位相部を持つマッハツェンダ型合波器の少な
    くとも一つ以上で構成されていることを特徴とする請求
    項1記載の光増幅装置。
  5. 【請求項5】 マッハツェンダ型合波器は、溶融ファイ
    バカプラで構成されていることを特徴とする請求項4記
    載の光増幅装置。
  6. 【請求項6】 マッハツェンダ型合波器は、基板上に形
    成されたガラス製光導波路で構成されていることを特徴
    とする請求項4記載の光増幅装置。
  7. 【請求項7】 マッハツェンダ型合波器は、基板上に形
    成されたガラス製光導波路で構成され、光反射器は、前
    記ガラス製光導波路にブラックグレーティングが形成さ
    れることにより構成されていることを特徴とする請求項
    4記載の光増幅装置。
  8. 【請求項8】 増幅用光ファイバはエルビウムドープ光
    ファイバで構成され、励起光の発振波長は1450nmから15
    00nm間の少なくとも二つ以上の波長であることを特徴と
    する請求項1記載の光増幅装置。
  9. 【請求項9】 増幅用光ファイバは誘導ラマン利得を有
    する光ファイバで構成され、かつ励起光の発振波長は最
    大のものと最小のものの周波数差を13THz以下にしたこ
    とを特徴とする請求項1記載の光増幅装置。
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