JP2001015841A

JP2001015841A - 光増幅器

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Publication number: JP2001015841A
Application number: JP11182540A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Nakai; 道弘中居; Tetsuya Sakai; 哲弥酒井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1999-06-28
Filing date: 1999-06-28
Publication date: 2001-01-19
Anticipated expiration: 2019-06-28
Also published as: JP4212724B2

Abstract

(57)【要約】【課題】コアと、このコアの周囲に設けられ該コアより
も低屈折率の内側クラッドと、この内側クラッドの周囲
に設けられ該内側クラッドよりも低屈折率の外側クラッ
ドを有し、前記コアに希土類金属がドープされている光
ファイバを用いたクラッド励起光増幅器における励起効
率を向上させることを目的とする【解決手段】クラッド励起光増幅器２０に、これに入
射される励起光の複数の導波モードのうち、希土類金属
の励起に寄与する導波モードに、希土類金属の励起に寄
与しない導波モードを結合する光ファイバグレーティン
グを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はクラッドにも励起光
を導波させる機構を備えた希土類ドープ光ファイバから
なる光増幅器に関し、特に光ファイバグレーティングを
用いて励起効率を向上できるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信分野で伝送容量を飛躍的に
向上させたのは光増幅器の出現によるところが大きい。
図６は従来の一般的な光増幅器の例を示した概略構成図
である。この図に示されるように、光増幅器は、一般
に、希土類金属をドープした石英系光ファイバ１のコア
に信号光と励起光を平行して導波させるように構成され
ており、励起光によって励起された希土類金属が信号光
により誘導放出されることで増幅作用が得られるように
なっている。図中符号２は励起光源、３はアイソレータ
をそれぞれ示している。また、最近では光増幅器に用い
られる希土類ドープ光ファイバ１を、図７に示すように
２層のクラッド１２，１３を有するダブルクラッド構造
として、内側クラッド部１２にも励起光を導波させて光
増幅特性をさらに高出力化、低雑音化する技術が開発さ
れている。図中符号１１はコア、１３は外側クラッド部
をそれぞれ示している。コア径は例えば４μｍであり、
内側クラッド径は例えば３０μｍで、外側クラッド径は
例えば１２５μｍである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように希土類ドー
プ光ファイバ１をダブルクラッド構造とした光増幅器、
すなわち、内側クラッド部１２にも励起光を導波させる
構造の光増幅器（以下、クラッド励起光増幅器という）
は、高出力の励起光源を使用することができるので、励
起光源の出力を増大させることにより出力特性を飛躍的
に向上させることができる。しかしながら、励起光パワ
ーに対する励起効率の点で、従来の光増幅器に比べて著
しく劣るという欠点もあった。すなわち、クラッド励起
光増幅器に入射される信号光は、その電界のほとんどが
コア１１内に存在しているため、増幅作用に寄与する希
土類金属も、主にコア１１内に存在している。したがっ
て、クラッド励起光増幅器に入射される励起光のうち、
光増幅に寄与しているのは、ほとんどがコア１１内を伝
搬する励起光であり、内側クラッド部１２を伝搬する励
起光はほとんど光増幅に使用されないことになり、この
ため励起効率は低くなる。図８は、励起光をクラッド励
起光増幅器へ入射した時の電界強度分布（図中、破線で
示す）と１００ｍ導波後の電界強度分布（図中、実線で
示す）を示したものである。この図より、コア１１内を
伝搬する励起光は１００ｍ導波する間にドーパントの励
起のために吸収されて減衰しているのに対して、内側ク
ラッド部１２内を伝搬する励起光はほとんど減衰してお
らず、ドーパントの励起にほとんど使用されていないこ
とがわかる。そして、入射励起光全体のパワーに対して
励起のために吸収された光はわずかであり、励起効率が
悪いことがわかる。

【０００４】ここで、クラッド励起光増幅器における励
起効率が低い理由について説明する。クラッド励起光増
幅器内を伝搬する励起光は、実際には複数の導波モード
が存在しており、図８における入射励起光はこれらの結
合によって表されている。そしてこれら複数の導波モー
ドのなかには、図９に示す１次モードのようにコア付近
にほとんど電界成分を持たないモードがあり、このよう
な導波モードはドーパントの励起にはほとんど寄与しな
い。またこれとは逆に、図１０に示す０次モードのよう
にコア付近に強い電界成分をもつ導波モードも存在して
いる。そこで、図７に示すダブルクラッド構造の希土類
ドープ光ファイバのコア１１における光の吸収率がαで
あるときの、この希土類ドープ光ファイバ中を伝搬する
光の電界強度を下記数式（I）で定義し、α＝１．０×
１０^-1（単位：ｌ／ｍ）として導波モードごとに電界強
度の変化状態をシュミレートした。Ｐ＝Ｐ０×exp［−αＺ］ …（I）（式中、ＰはＺでのパワー、Ｐ０は初期パワー、Ｚは伝
搬距離である。）図１１は０次モード、図１２は１次モード、図１３は２
次モード、図１４は４次モード、図１５は５次モードを
それぞれシュミレートした結果である。これらの図に示
されるように、０次モードは伝搬中に減衰し、例えば１
００ｍ伝搬した時点で入射時の電界強度の２〜３％程度
になっている。このことから、この０次モードがコアに
吸収されて効率良くドーパントを励起していることがわ
かる。一方、１次モード、２次モード、４次モード、お
よび５次モードは、１００ｍ伝搬後も入射時の電界強度
の５０％以上が残存しており、ドーパントの励起にほと
んど寄与していないことがわかる。

【０００５】ところで、従来のコアにのみ励起光を伝搬
させるタイプの光増幅器では、励起効率を向上させるた
めに、励起光入射端の反対側の出射端に全反射ミラーを
設けて、出射光を再度光増幅器内へ入射させる構造とす
ることも提案されている。しかしながらクラッド励起光
増幅器においては、上述したように励起光全体のパワー
に対して励起に寄与するパワーが小さいので、仮に一度
光増幅器内を通過した励起光を再び光増幅器内へ入射さ
せたとしても、励起効率を向上させる効果は小さい。

【０００６】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、クラッド励起光増幅器における励起効率を向上させ
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題は、コアと、こ
のコアの周囲に設けられ該コアよりも低屈折率の内側ク
ラッドと、この内側クラッドの周囲に設けられ該内側ク
ラッドよりも低屈折率の外側クラッドを有し、前記コア
に希土類金属がドープされている光ファイバからなる光
増幅器であって、該光増幅器に入射される励起光の複数
の導波モードのうち、前記希土類金属の励起に寄与する
導波モードに、前記希土類金属の励起に寄与しない導波
モードを結合する光ファイバグレーティングが設けられ
ていることを特徴とする光増幅器によって解決できる。
前記光ファイバグレーティングは、前記光増幅器を構成
する光ファイバに周期的な摂動を形成して構成すること
ができる。あるいは、前記光増幅器を構成する光ファイ
バの内側クラッド径と同じコア径を有する光ファイバに
周期的な摂動を形成してなる光ファイバグレーティング
を、前記光増幅器を構成する光ファイバの励起光入射端
と反対側の出射端に接続することもできる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の第１の実施形態を示した概略構成図であ
る。本実施形態の光増幅器が従来のクラッド励起光増幅
器と異なる点は光増幅器２０を構成する光ファイバに周
期的な摂動が形成されており、この光ファイバがグレー
ティング機能を有している点である。図１において符号
２は励起光源、３はアイソレータである。励起光源２と
しては、例えば発振波長９８０ｎｍのレーザダイオード
（ＬＤ）が用いられる。本実施形態の光増幅器２０は、
図７に示すようなダブルクラッド構造を有する光ファイ
バからなっている。すなわち、この光増幅器２０を構成
している光ファイバは、中心部に高屈折率のコア１１が
設けられており、その周囲にコア１１よりも低屈折率の
内側クラッド１２が設けられており、さらに内側クラッ
ド１２の周囲には、この内側クラッド１２よりも低屈折
率の外側クラッドが設けられている。コア１１と内側ク
ラッド１２との屈折率差は０．２〜２％程度、内側クラ
ッド１２と外側クラッド１３との屈折率差は０．２〜１
０％程度とされる。また、コア１１には希土類金属がド
ープされている。希土類金属としては、例えばエルビウ
ムなど光増幅器におけるドーパントとして従来周知のも
のを用いることができる。

【０００９】そして、光増幅器２０を構成している光フ
ァイバは、その長さ方向に周期的な摂動が形成されてお
り、光ファイバグレーティングとしての機能も備えてい
る。光増幅器２０内に周期的な摂動を形成する方法とし
ては、例えば周知のフォトリフトラクティブ効果を利用
して、予めゲルマニウムをコア１１および内側クラッド
１２に添加しておき光ファイバ側面から位相マスクを介
して紫外光を照射することによって、コア１１および内
側クラッドの屈折率を光ファイバ長さ方向に周期的に変
化させる方法を用いることができる。あるいは、例えば
図２に示すように、光増幅器２０を構成している光ファ
イバの一部を、光ファイバとの接触面に凹凸を有する２
つのブロック２５，２６で挟むことによって、この光フ
ァイバを蛇行した波状に保持する方法を採用することも
できる。この場合、光ファイバの蛇行した部分がグレー
ティングとなり、周期的なマイクロベンド（小さな曲が
り）によって電磁界分布と屈折率分布とに周期的な変化
が生じ、この摂動によって特定のモード間の結合が生じ
る。また特開平７−３３３４５３号公報に開示された方
法でグレーティングを形成することもできる。この方法
は、図３（ａ）に示すように、まず光増幅器２０を構成
している光ファイバの表面に切欠部２７を長さ方向に所
定間隔で複数形成する。この状態で、切欠部２７におい
ては光ファイバ径が小さくなっており、図中符号一点鎖
線で示されているファイバ軸は直線状となっている。次
いで、この光ファイバ全体を加熱して軟化させると、図
３（ｂ）に示すように、ガラスの表面張力の効果により
光ファイバの表面がなめらかになるとともに、ファイバ
軸がほぼ正弦波状に蛇行した状態となり、周期的なマイ
クロベンドによるグレーティングが形成される。

【００１０】光増幅器２０に形成される摂動の周期Λ１
は、光増幅器２０に入射される励起光に存在する複数の
導波モードのうち希土類金属の励起に寄与する０次モー
ド（基本モード）の伝搬常数をＢ０とし、それ以外のあ
る特定の高次モードの伝搬常数をＢｎとすると、（Ｂ０
−Ｂｎ）＝２π／Λ１となるように設定される。このよ
うに摂動の周期Λ１を設定することにより、該特定の高
次モード（伝搬常数Ｂｎ）を０次モード（伝搬常数Ｂ
０）に結合させることができる。また本実施形態のよう
に光増幅器２０内にグレーティングを形成する場合は、
基本モードの伝搬方向と、これに結合させる特定の高次
モードの光の伝搬方向を同方向とした方が効率が良いの
で、Ｂ０とＢｎとを同符号とすることが好ましい。した
がって、これら２つの伝搬常数の差（Ｂ０−Ｂｎ）は小
さくなり、好ましい周期Λ１の値は１５０μｍ〜３００
μｍ程度の長周期となる。本実施形態において、光増幅
器を構成している希土類ドープ光ファイバの長さは、好
ましくは１〜８０ｍ程度であり、グレーティングはその
一部または全部に形成される。

【００１１】本実施形態の光増幅器２０によれば、光増
幅器２０を構成している光ファイバ内に光ファイバグレ
ーティングを形成するとともに、その摂動の周期Λ１を
適切に設定することにより、内側クラッド１２を伝搬す
る励起光の高次モードとコア１１を伝搬する励起光の基
本モードとの結合が生じる。そして光増幅器２０では、
コア１１を伝搬する基本モードはコアに吸収されてドー
パントの励起に寄与するので伝搬中に減衰することか
ら、結果的に内側クラッド１２の高次モードからコア１
１の基本モードへの結合が生じる。すなわち本実施形態
によれば、光増幅器２０を伝搬する励起光のうち、その
ままではドーパントの励起に寄与できない導波モード
を、ドーパントの励起に有効に寄与する基本モードに選
択的に結合させることができる。その結果、励起光パワ
ーのうちドーパントの励起に使用される光パワーが増大
し、光増幅器２０の励起効率が向上する。

【００１２】図４（ａ）は本発明の第２の実施形態を示
した概略構成図である。図１と同じ構成要素には同じ符
号を付してその説明を省略する。本実施形態の光増幅器
３０が従来のクラッド励起光増幅器と異なる点は、光増
幅器３０の励起光源２とは反対側に光ファイバグレーテ
ィング４０が設けられている点である。本実施形態にお
ける光増幅器３０を構成する光ファイバは、グレーティ
ングが形成されていない点を除いては前記第１の実施形
態における光増幅器２０を構成する光ファイバと同様の
構成である。すなわち、光増幅器３０は、図７に示すよ
うなダブルクラッド構造を有し、コア１１にエルビウム
などの希土類金属がドープされた光ファイバからなって
いる。

【００１３】本実施形態における光ファイバグレーティ
ング４０は、光増幅器３０を構成している光ファイバに
おける内側クラッド１２の径と同じコア径を有し、希土
類金属がドープされていない光ファイバに、その長さ方
向に沿って周期的な摂動を形成することによって好まし
く構成され、光増幅器３０の励起光の入射端とは反対側
の出射端に接続される。光増幅器３０における内側クラ
ッド１２の径と光ファイバグレーティング４０のコア径
を等しくすることにより、これらの接続による接続損失
を小さくすることができる。この光ファイバグレーティ
ング４０における摂動の周期Λ２は、光増幅器３０に入
射される励起光に存在する複数の導波モードのうち希土
類金属の励起に寄与する０次モード（基本モード）の伝
搬常数をＢ０とすると、この基本モードの反射光の伝搬
定数は（−Ｂ０）となる。そして基本モード以外のある
特定の高次モードの伝搬常数をＢｎとするとき、摂動の
周期Λ２は、（Ｂｎ−（−Ｂ０））＝（Ｂｎ＋Ｂ０）＝
２π／Λ２となるように設定される。このように摂動の
周期Λ２を設定することにより、図４（ｂ）に示すよう
に特定の高次モード（伝搬常数Ｂｎ）を基本モードの反
射光（伝搬常数−Ｂ０）に結合させることができる。ま
た光ファイバグレーティング４０における摂動が、例え
ば周期的なコア屈折率の摂動であってその摂動の方向が
光ファイバ長さ方向に対して傾けられているスラント型
の周期的摂動であるならば、基本モードの反射光に結合
される特定の高次モードを奇モードとすることができ
る。また摂動が光ファイバ長さ方向に対して傾きを有し
ていない場合は、基本モードの反射光に毛集うされる特
定の高次モードは偶モードとなる。本実施形態において
は、グレーティングにおいて結合させる２つの光の向き
は互いに逆となり、したがって両者の伝搬常数の符号は
異符号となる。このため、これら２つの伝搬常数の差
（Ｂｎ−(−Ｂ０)）は前記第１の実施形態よりも大きく
なり、周期Λ２の値はおおよそ３００ｎｍ〜３５０ｎｍ
と短周期となる。

【００１４】このような短周期の光ファイバグレーティ
ング４０を作製する方法としては、例えば周知のフォト
リフトラクティブ効果を利用して、予めゲルマニウムを
コアに添加した光ファイバに対して、側面から位相マス
クを介して紫外光を照射することによって、コアの屈折
率を光ファイバ長さ方向に周期的に変化させる方法を用
いることができる。またスラント型の周期的摂動を有す
る光ファイバグレーティング４０を得るには、フォトリ
フトラクティブ効果を利用する際に、例えば図５に示す
ように、石英ガラスからなる位相マスク４３の片面に形
成されている周期的な格子４３ａ、４３ａ…が、光ファ
イバ４０ａの軸方向に対して斜めになるようにセットし
た状態で、この位相マスク４３を介して光ファイバ４０
ａに紫外光を照射すればよい。

【００１５】本実施形態の光増幅器によれば、光ファイ
バグレーティング４０の摂動の周期を適切に設計するこ
とによって、光増幅器３０を伝搬して光増幅器３０から
出射される励起光のうち励起に寄与しなかった特定の高
次モードと、励起に寄与する基本モードの反射光との結
合が効率良く生じる。そして光増幅器３０では、コア１
１を伝搬する基本モードはコア１１に吸収されドーパン
トの励起に寄与して伝搬中に減衰しているので、光ファ
イバグレーティング４０における基本モードの反射光は
高次モードの伝搬光に比べて小さい。したがって結果的
に、光ファイバグレーティング４０においては、内側ク
ラッド１２を伝搬した後光増幅器３０から出射された励
起光の高次モードから、コア１１を伝搬した後光増幅器
３０から出射された励起光の基本モードの反射光への結
合が生じる。すなわち、本実施形態によれば、光増幅器
３０の出射側に反射型の光ファイバグレーティング４０
を設けることにより、光増幅器３０を伝搬した後に出射
される励起光のうち、そのままではドーパントの励起に
寄与できない導波モードを、ドーパントの励起に有効に
寄与する基本モードであって、しかも光増幅器３０の出
射側から入射側へ向かって伝搬するモードに選択的に結
合させて再び光増幅器３０に入射させることができる。
その結果、励起光パワーのうちドーパントの励起に使用
される光パワーが増大し、光増幅器３０の励起効率が向
上する。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ク
ラッド励起光増幅器に入射される励起光のうち、そのま
まではドーパントの励起に使用されない光パワーを、光
ファイバグレーティングを用いてドーパントの励起に使
用される導波モードに結合させることによってドーパン
トの励起に有効に使用することができるので、光増幅器
の励起効率を向上させることができる。また、光増幅器
を構成する光ファイバに周期的な摂動を形成して光ファ
イバグレーティングを設ける構成とすれば、光ファイバ
グレーティングを設けることによって光増幅器が大型化
することがないので、光デバイスのコンパクト化を図る
上で好ましい。一方、光増幅器を構成する光ファイバと
は別に、光ファイバに周期的な摂動を形成してなる光フ
ァイバグレーティングを、光増幅器を構成する光ファイ
バの出射端に接続する構成とすれば、光増幅器と光ファ
イバグレーティングをそれぞれ作製して接続すればよい
ので、製造が簡単であるという利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光増幅器の第１の実施形態を示す概略
構成図である。

【図２】図１の光増幅器で用いられる光ファイバグレー
ティングの製造方法の一例の説明図である。

【図３】図１の光増幅器で用いられる光ファイバグレー
ティングの製造方法の他の例の説明図である。

【図４】本発明の光増幅器の第２の実施形態を示す概略
構成図である。

【図５】図４の光増幅器で用いられる光ファイバグレー
ティングの製造方法の一例の説明図である。

【図６】従来の光増幅器の例を示す概略構成図である。

【図７】クラッド励起光増幅器を構成する光ファイバの
例を示した正面図である。

【図８】クラッド励起光増幅器における励起光の減衰状
態を示すグラフである。

【図９】クラッド励起光増幅器を伝搬する励起光の一次
モードを示すグラフである。

【図１０】クラッド励起光増幅器を伝搬する励起光の０
次モードを示すグラフである。

【図１１】クラッド励起光増幅器における励起光の０次
モードの伝搬状態を示すグラフである。

【図１２】クラッド励起光増幅器における励起光の１次
モードの伝搬状態を示すグラフである。

【図１３】クラッド励起光増幅器における励起光の２次
モードの伝搬状態を示すグラフである。

【図１４】クラッド励起光増幅器における励起光の４次
モードの伝搬状態を示すグラフである。

【図１５】クラッド励起光増幅器における励起光の５次
モードの伝搬状態を示すグラフである。

【符号の説明】

２…励起光源、１１…コア、１２…内側クラッド、１３
…外側クラッド、２０，３０…光増幅器、４０…光ファ
イバグレーティング。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コアと、このコアの周囲に設けられ該コ
アよりも低屈折率の内側クラッドと、この内側クラッド
の周囲に設けられ該内側クラッドよりも低屈折率の外側
クラッドを有し、前記コアに希土類金属がドープされて
いる光ファイバからなる光増幅器であって、該光増幅器に入射される励起光の複数の導波モードのう
ち、前記希土類金属の励起に寄与する導波モードに、前
記希土類金属の励起に寄与しない導波モードを結合する
光ファイバグレーティングが設けられていることを特徴
とする光増幅器。
【請求項２】前記光ファイバグレーティングが、前記
光増幅器を構成する光ファイバに周期的な摂動を形成し
てなることを特徴とする請求項１記載の光増幅器。
【請求項３】前記光増幅器を構成する光ファイバの内
側クラッド径と同じコア径を有する光ファイバに周期的
な摂動を形成してなる光ファイバグレーティングが、前
記光増幅器を構成する光ファイバの励起光入射端と反対
側の出射端に接続されていることを特徴とする請求項１
記載の光増幅器。