JP2000307176A - 光ファイバ増幅器及びこれを用いた広帯域光増幅器 - Google Patents
光ファイバ増幅器及びこれを用いた広帯域光増幅器Info
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Abstract
高いツリウム添加光ファイバ増幅器を実現すること。 【解決手段】 波長980〜1080nmの励起光を発
生する第1の励起光源3a,3b及び波長1080〜1
250nm、1510〜2000nm、770〜840
nmのいずれかの励起光を発生する第2の励起光源4
a,4bからの光を波長分割多重カプラ5a,5bで合
波し、波長分割多重カプラ6a,6bで信号光と合波し
てコアに希土類イオン・ツリウム(Tm3+)を添加した
増幅用光ファイバ1に入射することにより、Tmの3F4
準位への効率的な励起を可能とする。
Description
失領域である波長1440〜1520nmに増幅帯域を
有する光ファイバ増幅器及びこれを用いた広帯域光増幅
器に関するものである。
大への要請は、光ファイバの低損失波長である1550
nmの単チャネル伝送から、エルビウム添加光ファイバ
増幅器(erbium−doped fiber am
plifiers:EDFA)の増幅帯域(1528〜
1570nm)に複数のチャネルを伝送する波長分割多
重(wavelength division mul
tiplexing:WDM)伝送へと光伝送システム
を変貌させた。さらに、現在では、EDFAの増幅帯域
の外への信号帯域の拡大が検討されている段階である。
る光ファイバ増幅器としては、EDFAの利得帯域を長
波長にシフトした1560〜1650nm帯利得シフト
EDFA、1528〜1610nmのうち50nm以上
の増幅が可能な超広帯域EDFA、1440〜1490
nmを増幅可能なツリウム添加光ファイバ増幅器(th
ulium−doped fiber amplifi
er:TDFA)等がこれまで開発されてきた。
低損失領域である1450〜1650nmの波長帯域に
限っても、1450〜1490nm+1528〜162
0nmの132nmがWDM伝送に使用可能であるとい
うことになる。これは、例えば100GHzのチャネル
間隔を有するWDM伝送において、実に200チャネル
近くの信号が伝送できることになる。
有するTm添加光ファイバ増幅器に関するものである。
図1に、Tmが有するエネルギー準位を示す。1400
nm帯の光増幅は、Tmの3H4−3F4間の誘導放出に基
づく。
nmの励起光を用いたアップコンバージョン励起法によ
り行われるのが一般的である(例えば、T.Komuk
aiet al.,”Upconversion pu
mped Thulium−Doped Fluori
de Fiber Amplifier andLas
er Operating at 1.47μm”,I
EEE Journal of Quantumn E
lectronics, Vol.31,No.11,
1995,pp.1880−1889参照)。
ある3F4からの励起が行われるため、3F4の蛍光寿命は
長いにも拘わらず、高い反転分布が達成できる、(2)
基底準位(3H6)からの吸収は小さいため、3H4−3F4
間の誘導放出と競合する3H4−3H6間の800nm帯の
増幅された自然放出光(Amplified Spon
taneous Emission:ASE)の成長を
抑圧しながら増幅が可能である、(3)980〜108
0nmにおいて既に開発された固体レーザ(例えば、N
d:YLFレーザ(1047nm)、Nd:YAGレー
ザ(1064nm)、Ybをコアに添加したファイバレ
ーザ、半導体レーザ等)を使用することができる、等で
ある。
ップコンバージョン励起型TDFA(以下、単にTDF
A)は、励起光の基底準位3H6からの吸収が小さいため
に励起光のエネルギーを集中させることができず、ファ
イバの損失や励起準位からさらに上準位への吸収等で励
起光が損失してしまい、励起効率が小さくなってしまう
ことが問題であった。
3F4への効率的な励起を実現し、TDFAの効率を高め
ることである。
未だ実現されていない、波長1480〜1520nmに
増幅帯域を有する光ファイバ増幅器を開発することであ
る。
土類イオンの持つ発光帯域に強く依存するが、この14
80〜1520nmの波長帯域に大きな量子効率を有す
る発光遷移を持った希土類イオンはこれまで報告されて
いない。Tmイオンは、この1480〜1520nmに
小さいながらも誘導放出断面積を有するため、この波長
帯域の増幅用イオンとして期待できる。しがしながら、
3F4に励起されたイオン数が少ないためにEDFAで観
測されるような利得帯域のシフトは期待できなかった。
ため、本発明の請求項1記載の発明では、Tm3+イオン
をコアあるいはクラッドのいずれかに添加した増幅用光
ファイバと、光アイソレータと、波長980〜1080
nmの励起光を発生する一の励起光源と、励起光と増幅
すべき信号光を合波する合分波カプラとを備えた光ファ
イバ増幅器において、(1)波長1080〜1250n
m、(2)1510〜2000nm、(3)770〜8
40nmのいずれかの励起光を発生する他の励起光源を
少なくとも1つ、前記980〜1080nm波長の一の
励起光源とともに用いることを特徴とする。
いずれかの波長の励起光を用いることにより、基底準位
にある多くのイオンを2段目の励起の始準位である3F4
に励起することができ、その結果、2段目の励起準位を
効率良く励起できる。また、別の波長で励起することに
より、3F4−3H4間において実質上3準位の励起、誘導
吸収・放出が行われることになるので、ファイバ長を長
くすることにより、長波長に利得帯域をシフトさせるこ
とが可能となる。
密度を高くする場合、3F4−3H6間に生じる大きな16
00〜2000nmのASEが成長し、1段目の励起の
効率を悪くする。
発明では、請求項1記載の光ファイバ増幅器において、
ツリウムイオン(Tm3+)を添加した増幅用光ファイバ
のクラッドもしくはコアの少なくとも一方に、テルビウ
ムイオン(Tb3+)、ユーロピウムイオン(Eu3+)、
ホロミウムイオン(Ho3+)、ジスプロッシウムイオン
(Dy3+)のいずれかのイオンのうち少なくとも1種類
を添加したことを特徴とする。
00〜2000nmの光を吸収するエネルギー準位を有
するため、コアまたはクラッドにこれらを添加すること
により1600〜2000nmのASEの成長を抑える
ことが可能となり、3F4準位への励起効率を低下させな
くて済む。
するTDFAや1480〜1520nmへ利得帯域をシ
フトさせたTDFAを、従来のEDFAや利得帯域をシ
フトさせたEDFAと併用することにより、超広帯域な
光増幅器が構成可能となる。通常、4つの帯域を合波す
るには、波長分割多重(WDM)カプラを用いて4つの
増幅帯域を合波するが、この構成ではWDMカプラの挿
入損失が非常に高いものとなり、増幅器の雑音指数を増
加させることになる。これは次のようにすれば解決す
る。
50nmの帯域をWDMカプラで分波した後、TDFA
及び利得帯域シフトTDFAの帯域、EDFA及び利得
帯域シフトEDFAの帯域をそれぞれ光サーキュレータ
を用いた双方向として合分波した後、WDMカプラで合
波する。
レータを光アイソレータのように使用することが可能で
あるため、光アイソレータの挿入損失を省くことができ
る。また、WDMカプラで2つの帯域に分けてから光サ
ーキュレータで合分波するため、光サーキュレータの挿
入損失・アイソレーション等の特性を超広帯域に亘って
要求する必要がなくなる。
て図面を参照して説明する。
す光ファイバ増幅器の構成図である。図中、1はコアに
希土類イオン・ツリウム(Tm3+)を添加した増幅用光
ファイバ、2a,2bは光アイソレータ、3a,3bは
波長980〜1080nmの励起光を発生する第1の励
起光源、4a,4bは波長1080〜1250nm、1
510〜2000nm、770〜840nmのいずれか
の励起光を発生する第2の励起光源、5a,5bは励起
光源3a,3b及び4a,4bの励起光を合波する波長
分割多重カプラ、6a,6bは合波後の励起光と140
0〜1520nmの信号光とを合波する波長分割多重カ
プラである。
光ファイバ1の材料(ホス卜)ガラスには、通常の伝送
路用光ファイバ材料として用いられる石英ガラスより
も、多音子放出確率が低いガラスが用いられる。代表的
なガラスとしては、ふっ化物ガラス(代表的なガラスと
しては、ZrF4、BaF2、LaF3等を主成分とした
ZBLANガラス、InF2、BaF2、PbF2を主成
分としたIn−Pbガラス等)や、GaS、AsS等を
主成分としたカルコゲナイドガラス(硫化物ガラス)、
TeO2を主成分としたテルライトガラス等がある。
源3a,3bとしては、半導体LDの他、Ybをコアに
添加した光ファイバを用いたファイバレーザ、Nd添加
固体レーザ(Nd:YLFレーザ、Nd:YAGレー
ザ)等が使用可能である。1080〜1250nmの光
を発する励起光源4a,4bとしては、半導体レーザの
他に誘導ラマンレーザやHoを添加したファイバレー
ザ、固体レーザ等を使用することが可能である。
起することにより、Tmの3F4準位への効率的な励起が
可能となり、高効率な光増幅または長波長測への利得シ
フトが可能となる。
(a)信号光と2種類の合波励起光を同一方向に導波す
る前方励起、(b)信号光と2種類の合波励起光を反対
方向に導波する後方励起、(c)波長980〜1080
nmの光を前方向または後方向に導波し、波長1080
〜1250nm、1510〜2000nm、770〜8
40nmのいずれかの励起光を反対方向から導波する構
成、(d)前方あるいは後方のいずれか一方からの励起
光を1種類とし、他方を2種類の励起光とする方法、等
の構成法がある。
実施の形態の光ファイバ増幅器と同じ部品構成を有す
る。相違点は、増幅用光ファイバ1のコアにTm3+が添
加され、クラッドにテルビウムイオン(Tb3+)、ユー
ロピウムイオン(Eu3+)、ホロミウムイオン(H
o3+)、ジスプロッシウムイオン(Dy3+)のいずれか
のイオンのうち少なくとも1種類が添加されている点で
ある。これにより、Tmの3F4に励起するために加えた
第2の励起光が1600〜2000nmのASEにより
消耗されるのを防ぎ、効率的な増幅が可能となる。
幅特性を示す。増幅用光ファイバとしては、コアにTm
を2000ppm添加し、クラッドにTbを4000p
pm添加したZr系ふっ化物ファイバを用いる。ファイ
バの比屈折率差を3.7%とし、コア径を1.8μmと
した。ファイバ長は10mである。励起には、波長10
47nmの光を発生するNd:YLFレーザと、波長1
200nmの光を発生する半導体LDとによる2種類の
励起光を用いた。
0mW一定にしながら半導体LDの光を0〜60mWま
で変化させた場合、半導体LDの励起光パワーを増加さ
せるにつれて利得効率が上昇し、その後、利得が長波長
側にシフトしているのが分かる。このことより、波長1
047nmの励起光に加え1200nmの励起光を加え
ることにより高効率な増幅、さらには長波長への利得帯
域のシフトが可能となることが分かる。
が示す特性は雑音指数である。
す広帯域光ファイバ増幅器の構成図である。図中、1
1,12は波長分割多重(WDM)カプラ、13,1
4,15,16は光サーキュレータ、20はTm添加光
ファイバ増幅器(TDFA)(帯域1450〜1485
nm)、30は利得シフトTDFA(帯域1480〜1
510nm)、40はEr添加光ファイバ増幅器(ED
FA)(帯域1528〜1570nm)、50は利得シ
フトEDFA(帯域1560〜1650nm)である。
バ21a,21bと、光アイソレータ22a,22b
と、第1の励起光源(980〜1080nm)23a,
23b,23cと、第2の励起光源(1080〜125
0nm、1510〜2000nm、770〜840nm
のいずれかの波長)24と、励起光の波長分割多重カプ
ラ25と、励起光/信号光の波長分割多重カプラ26
a,26b,26cと、利得等化フィルタ27とからな
っている。
用光ファイバ31a,31bと、光アイソレータ32
と、第1の励起光源(980〜1080nm)33a,
33b,33c,33dと、第2の励起光源(1080
〜1250nm、1510〜2000nm、770〜8
40nmのいずれかの波長)34a,34bと、励起光
の波長分割多重カプラ35a,35bと、励起光/信号
光の波長分割多重カプラ36a,36b,36c,36
dとからなっている。
バ41a,41bと、光アイソレータ42a,42b
と、励起光源43a,43bと、励起光/信号光の波長
分割多重カプラ44a,44bと、利得等化フィルタ4
5とからなっている。
用光ファイバ51a,51bと、光アイソレータ52
a,52bと、励起光源53a,53bと、励起光/信
号光の波長分割多重カプラ54a,54bと、利得等化
フィルタ55とからなっている。
バ増幅器20〜40の帯域を合波する広帯域・低雑音な
光増幅器が構成可能となり、これによって石英系光ファ
イバの最低損失領域である1450〜1650nmのう
ち、1450〜1520nm、1528〜1650nm
の増幅帯域が活用可能となる。
WDMカプラ11,12により1450〜1520n
m、1528〜1650nmの2つの帯域に分波された
後、光サーキュレータ13〜16によりさらに2つの帯
域を合分波する構成とする。本構成を用いることによ
り、4つの増幅器を用いても増幅不能な1525nm近
傍(1521〜1527nm)の帯域を誘電体多層膜か
らなるWDMカプラの波長マージンとすることができ
る。
ることにより、信号入力ポートのアイソレータを使用す
る必要がなくなるため、4つの増幅帯域をWDMカプラ
で合波した場合に比べて挿入損失を低くでき、過剰な雑
音指数の上昇を防ぐことができる。また、WDMカプラ
11,12で2帯域を分けてからサーキュレータ13〜
16で2つずつの帯域を合分波するため、サーキュレー
タの挿入損・アイソレーションといった特性を80nm
以上の広帯域に亘って要求する必要がなくなる。
a,21bとしては、希土類イオン・ツリウム(Tm)
を添加した増幅用光ファイバか、もしくは第2の実施の
形態に示した増幅用光ファイバを用い、980〜108
0nmの励起光の一波長励起あるいは980〜1080
nmの励起光と1080〜1250nm、1510〜2
000nm、770〜840nmのうちの1波長の励起
光による2波長励起とする。
イバ31a,31bとしては、第1または第2の実施の
形態に示した光ファイバを用い、980〜1080nm
の励起光と1080〜1250nm、1510〜200
0nm、770〜840nmのうちの1波長の励起光に
よる2波長励起とする。
a,41bとしては、コアにErを添加した光ファイバ
を用い、励起光源として980nmまたは1480nm
の高出力レーザを用いる。
イバ51a,51bとしては、コアにErを添加した光
ファイバ(光ファイバ41a,41bに比べて[Er添
加量×ファイバ長]の値が5倍以上大きいもの)を用
い、励起光源として980nmまたは1480nmの高
出力レーザを用いる。
との間に利得等化フィルタを設置したが、これらは必ず
しも必要ではない。
一例を示す。同図(a)はポートA→Bの特性を示してお
り、波長1440〜1490nm及び1528〜157
0nmの信号を増幅する。同図(b)はポートB→Aの特
性を示しており、波長1480〜1520nm及び15
60〜1650nmの信号を増幅する。
いて、利得20dB以上、雑音指数7dB以下を実現で
きる。
波長1080〜1250nm、1510〜2000n
m、770〜840nmのいずれかの励起光を発生する
他の励起光源を用いることにより、基底準位にある多く
のイオンを2段目の励起の始準位である3F4に励起する
ことができ、その結果、2段目の励起準位を効率良く励
起できる。また、別の波長で励起することにより、3F4
−3H4間において実質上3準位の励起、誘導吸収・放出
が行われることになるので、ファイバ長を長くすること
により、長波長に利得帯域をシフトさせることが可能と
なる。
ミウムイオン、ジスプロッシウムイオンのエネルギー準
位を示す図
幅器の構成図
示す図
器の構成図
す図
3a,3b:第1の励起光源、4a,4b:第2の励起
光源、5a,5b:励起光の波長分割多重カプラ、6
a,6b:励起光/信号光の波長分割多重カプラ、1
1,12:信号光の波長分割多重カプラ、13,14,
15,16:光サーキュレータ、20:TDFA、21
a,21b:Tm添加増幅用光ファイバ、22a,22
b:光アイソレータ、23a,23b,23c:第1の
励起光源、24:第2の励起光源、25:励起光の波長
分割多重カプラ、26a,26b,26c:励起光/信
号光の波長分割多重カプラ、27:利得等化フィルタ、
30:利得シフトTDFA、31a,31b:Tm添加
増幅用光ファイバ、32:光アイソレータ、33a,3
3b,33c,33d:第1の励起光源、34a,34
b:第2の励起光源、35a,35b:励起光の波長分
割多重カプラ、36a,36b,36c,36d:励起
光/信号光の波長分割多重カプラ、40:EDFA、4
1a,41b:Er添加増幅用光ファイバ、42a,4
2b:光アイソレータ、43a,43b:励起光源、4
4a,44b:励起光/信号光の波長分割多重カプラ、
45:利得等化フィルタ、50:利得シフトEDFA、
51a,51b:Er添加増幅用光ファイバ、52a,
52b:光アイソレータ、53a,53b:励起光源、
54a,54b:励起光/信号光の波長分割多重カプ
ラ、55:利得等化フィルタ。
Claims (3)
- 【請求項1】 希土類イオン・ツリウム(Tm3+)をコ
アあるいはクラッドのいずれかに添加した増幅用光ファ
イバと、光アイソレータと、波長980〜1080nm
の励起光を発生する一の励起光源と、励起光と増幅すべ
き信号光を合波する合分波カプラとを備えた光ファイバ
増幅器において、 前記一の励起光源に加え、波長1080〜1250n
m、1510〜2000nm、770〜840nmのい
ずれかの励起光を発生する他の励起光源を少なくとも1
つ備えたことを特徴とする光ファイバ増幅器。 - 【請求項2】 請求項1記載の光ファイバ増幅器におい
て、ツリウムイオン(Tm3+)を添加した増幅用光ファ
イバのクラッドもしくはコアの少なくとも一方に、テル
ビウムイオン(Tb3+)、ユーロピウムイオン(E
u3+)、ホロミウムイオン(Ho3+)、ジスプロッシウ
ムイオン(Dy3+)のいずれかのイオンのうち少なくと
も1種類を添加したことを特徴とする光ファイバ増幅
器。 - 【請求項3】 信号光を波長1440〜1520nm及
び1528〜1650nmに合分波する第1及び第2の
波長分割多重カプラと、 波長1440〜1490nm帯に高利得を有する請求項
1または2記載の第1の光ファイバ増幅器と、 波長1480〜1520nm帯に利得シフトさせた請求
項1または2記載の第2の光ファイバ増幅器と、 第1及び第2の波長分割多重カプラ間に、第1の光ファ
イバ増幅器と第2の光ファイバ増幅器とを光の進行方向
が双方向となるように接続する第1及び第2の光サーキ
ュレータと、 波長1528〜1570nm帯に高利得を有する第3の
光ファイバ増幅器と、 波長1560〜1650nm帯に利得シフトさせた第4
の光ファイバ増幅器と、 第1及び第2の波長分割多重カプラ間に、第3の光ファ
イバ増幅器と第4の光ファイバ増幅器とを光の進行方向
が双方向となるように接続する第3及び第4の光サーキ
ュレータとを備えたことを特徴とする広帯域光増幅器。
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