JP2004247466A - ハイブリッド光ファイバ増幅器 - Google Patents
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Abstract
【課題】広帯域で良好な増幅特性のハイブリッド光ファイバ増幅器を提供する。
【解決手段】エルビウム添加光ファイバ増幅器１０ｂとツリウム添加光ファイバ増幅器１０ａと直列に接続してなるハイブリッド光ファイバ増幅器１０において、信号光を入力する先頭の増幅器をツリウム添加光ファイバ増幅器１０ａとする。
【選択図】 図１
【解決手段】エルビウム添加光ファイバ増幅器１０ｂとツリウム添加光ファイバ増幅器１０ａと直列に接続してなるハイブリッド光ファイバ増幅器１０において、信号光を入力する先頭の増幅器をツリウム添加光ファイバ増幅器１０ａとする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、光ファイバ増幅器に関し、例えば、光ファイバ通信システムにおけるブースターアンプ、線形中継器、プリアンプ等として適用することが可能である。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信に用いる希土類添加光ファイバ増幅器としては、その増幅用光ファイバのコアに希土類イオンであるエルビウムイオン（Ｅｒ３＋）を添加した光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、ツリウムイオン（Ｔｍ３＋）を添加した光ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）、プラセオジムを用いた光ファイバ増幅器（ＰＤＦＡ）などがこれまで報告されている。
【０００３】
これらの光ファイバ増幅器の中でも、Ｓ帯（１４６０〜１５３０ｎｍ）にある信号を増幅する光ファイバ増幅器としては、Ｓ帯ツリウム添加光ファイバ増幅器（Ｓ帯ＴＤＦＡ）やＳ帯エルビウム添加光ファイバ増幅器（Ｓ帯ＥＤＦＡ）等が提案されている。
【０００４】
図１６は、Ｓ帯ＴＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。同図から分かるように、Ｓ帯ＴＤＦＡは１４５０〜１５１０ｎｍの範囲の光を増幅可能な光ファイバ増幅器である。Ｓ帯ＴＤＦＡは、Ｔｍ３＋の３Ｈ４−３Ｆ４間の誘導放出を利用した増幅器であり、反転分布状態を変えることにより上記波長範囲から、典型的には３０ｎｍ程度の利得帯域を実現することができる。
【０００５】
図１７は、Ｓ帯ＥＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。同図から分かるように、Ｓ帯ＥＤＦＡはエルビウムの４Ｉ１３／２−４Ｉ１５／２の誘導放出の短波長端領域を利用して、１４９０〜１５２０ｎｍの帯域において増幅を実現している。増幅に際しては、増幅用光ファイバの途中に光フィルタ等を挿入して１５３０〜１５６０ｎｍの増幅された自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ−Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ−Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を抑圧することで、高利得・低雑音の光増幅器を実現している。しかしながら、Ｓ帯ＥＤＦＡにおいても、増幅帯域は３０ｎｍ程度にとどまっている。
【０００６】
Ｓ帯ＥＤＦＡもしくはＣ帯ＥＤＦＡを直列に接続して構成するハイブリッド型光ファイバ増幅器とすることにより、広帯域な光増幅が期待されている。Ｃ帯ＥＤＦＡとＳ帯ＴＤＦＡとを直列に接続して構成する光ファイバ増幅器は既に報告されている（下記非特許文献１参照。）。この報告では、石英系ＥＤＦＡと石英系ＴＤＦＡを用い、信号光の入力側からＥＤＦＡ、ＴＤＦＡの順で直列接続して、１４８０〜１５６０ｎｍの利得帯域を得るというものである。
【０００７】
Ｕ帯の光ファイバ増幅器としては、Ｌ帯ＥＤＦＡの長波長端領域の利用や、Ｕ帯ＴＤＦＡの使用が考えられる。図１８は、Ｌ帯ＥＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。また、図１９は、Ｕ帯ＴＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。
【０００８】
Ｌ帯ＥＤＦＡは、通常１５６０〜１６１０ｎｍに利得帯域を有するが、エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ：Ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ）としてさらに長い光ファイバを利用することにより、図１８に示すように、１６３０ｎｍ近傍まで利得帯域を拡大することが可能となる。
【０００９】
Ｕ帯のＴＤＦＡは、図１９に示すように通常１６４０〜１６７５ｎｍに利得帯域を有するが、ツリウムの３Ｆ４−３Ｈ６の誘導遷移を利用することにより、更に長波長領域にまで利得帯域を拡大することができる。増幅に際しては、光フィルタを入れる、クラッドにテルビウム（Ｔｂ）を添加するなどの手段で、１７００ｎｍより長波長領域に発生するＡＳＥを抑圧することにより高利得を実現する。
【００１０】
【非特許文献１】
Ｔ．Ｓｅｇｉ他、１４８０−１５６０ｎｍに切れ目ない利得帯域を有する石英系組成からなるファイバ増幅器、「第２７回ＥＣＯＣ‘０１予稿集」、２００１年、第２巻、ｐ．２２８−２２９（Ｔ．Ｓｅｇｉ ｅｔ ａｌ．、Ｓｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｔｈ １４８０−１５６０ｎｍ Ｓｅａｍｌｅｓｓ Ｇａｉｎ−ｂａｎｄ、「Ｐｒｏｃ． Ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２００１．ＥＣＯＣ ’０１．２７ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ」、２００１、Ｖｏｌｕｍｅ：２、ｐ．２２８−２２９）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
Ｓ帯のＴＤＦＡとＥＤＦＡのハイブリッド光ファイバ増幅器には次のような３つの課題がある。
【００１２】
まず、第１の課題は、１５２０ｎｍより短波長領域で雑音指数（ＮＦ：Ｎｏｉｓｅ Ｆｉｇｕｒｅ）が高いという課題である。１４８０〜１５６０ｎｍの広帯域で利得を得ようとする場合、ＥＤＦＡを信号光の入力側先頭として構成したハイブリッド増幅器とするのが有利である。これは、ＥＤＦＡが、１５２０〜１５６０ｎｍで高い利得と低い雑音指数を有しているからである（上記非特許文献１参照。）。しかしながら、１４８０〜１５２０ｎｍの波長領城においては、前段のＥＤＦＡの雑音指数が高いため、増幅器全体の雑音指数が高くなってしまう。
【００１３】
次に、第２の課題は、１５１０ｎｍより長波長領域でＴＤＦＡに信号損失があるため、雑音指数の上昇やＥＤＦＡの帯域削減が起こるという課題である。ツリウム添加光ファイバ（ＴＤＦ：ｔｈｕｌｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ）は、１５１０ｎｍより長波長領域で大きな損失を有する。これにより、特に１５１０ｎｍより長波長領域で大きな雑音指数の劣化がある。また、１４８０〜１５６０ｎｍの広帯域で利得を得ようとする場合、ＴＤＦによる１５３０ｎｍより長波長領域における損失が、ＥＤＦＡの利得を削ってしまう。
【００１４】
上記非特許文献１では、１５３０ｎｍより長波長領域でのＴＤＦによる損失を小さくするために、ＴＤＦを短くして使用している。しかしながらこの方法では、１４８０〜１５１０ｎｍに利得帯域を有するＴＤＦＡの利得値を大きくすることはできず、実用上必要な２０ｄＢを超える利得を、１４８０〜１５６０ｎｍ全域にわたって得ることは困難であった。
【００１５】
更に、第３の課題は、１５１０〜１５３０ｎｍより短波長領域において高利得、低雑音指数という状態を実現できないという課題である。ＥＤＦＡの利得が高くなるように、励起光やファイバ長などを調整した場合、１５３０〜１５６０ｎｍ帯域では利得が高くなるが、その帯域で増幅される信号や増幅された自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）により、反転分布状態が悪くなり、１５３０ｎｍより短波長領域において高い利得を得ることが困難となる。また、ＥＤＦＡ中で、１５３０ｎｍより短波長領域において、更に雑音指数が劣化する。
【００１６】
一方、Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関しては、これまでに開発されているＬ帯ＥＤＦＡやＵ帯ＴＤＦＡ等の適用が考えられるが、それぞれ以下の問題がある。
【００１７】
Ｌ帯ＥＤＦＡでは、１６３０ｎｍより長波長領域においてエルビウムの誘導放出断面積が小さくなる上に、４Ｉ１３／２からの励起準位吸収が立ち上がるために、高い利得を得ることができない。また、励起準位吸収により１６３０ｎｍより長波長領域で雑音指数の上昇が観測される。したがって、Ｌ帯ＥＤＦＡでは、１６３０ｎｍより長波長領域を使用することができないという問題がある。
【００１８】
これに対し、Ｕ帯ＴＤＦＡでは、１６３０ｎｍより長波長領域においては、１６７５ｎｍ程度まで利得を得ることができる。しかしながら図１９のＵ帯ＴＤＦＡの増幅特性に示すように、Ｕ帯ＴＤＦＡは長波長領域となるほど利得が高くなっており、低利得領域である１６３０ｎｍで利得を得るためには、多くのパワーを必要とする。
【００１９】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、広範な波長帯域にわたって高い利得と比較的低い雑音指数を得ることにより、広帯域において良好な増幅特性を実現したハイブリッド光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題解決するための手段】
上記課題を解決する第１の発明は、前記「Ｓ帯における第１の課題」を解決する発明であり、
複数のエルビウム添加光ファイバ増幅器と複数のツリウム添加光ファイバ増幅器とから構成され、前記増幅器を直列に接続してなるハイブリッド光ファイバ増幅器において、
信号光を入力する先頭の増幅器をツリウム添加光ファイバ増幅器としたことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００２１】
例えば、「ＴＤＦＡ−ＥＤＦＡ−ＴＤＦＡ・・・」や「ＴＤＦＡ−ＥＤＦＡ−ＥＤＦＡ−ＴＤＦＡ−ＴＤＦＡ・・・」等の順でＴＤＦＡ及びＥＤＦＡを直列接続してハイブリッド光ファイバ増幅器を構成する。すなわち、信号光の入力側先頭の増幅器をＴＤＦＡとする以外は、以降の接続に関してはＴＤＦＡ及びＥＤＦＡを順不同で直列接続する。
【００２２】
これにより、信号光を入力する先頭の増幅器をＥＤＦＡとした場合に生じていた、１５２０ｎｍより短波長領域における雑音指数の上昇を、低減することができる。
【００２３】
一般的に、ハイブリッド光ファイバ増幅器全体の雑音指数ＮＦｔｏｔは、下記式（１）で表すことができる。
ＮＦｔｏｔ ＝ ＮＦ１ ＋ （Ｌ１／Ｇ１）ＮＦ２ ＋ （Ｌ１Ｌ２／Ｇ１Ｇ２）ＮＦ３ ＋・・・ （１）
ここで、ＮＦ１、ＮＦ２・・・は、信号光を入力する先頭の増幅器から数えて、それぞれ、１段目の増幅器の雑音指数、２段目の増幅器の雑音指数・・・である。また、Ｌ１、Ｌ２・・・は、それぞれ、前記１段目の増幅器と前記２段目の増幅器との間の光部品の損失、前記２段目の増幅器と３段目の増幅器との間の光部品の損失・・・である。また、Ｇ１、Ｇ２・・・は、それぞれ、前記１段目の増幅器の利得、前記２段目の増幅器の利得・・・である。
【００２４】
上記式（１）から分かるように、ＥＤＦＡを先頭にした場合は、ＥＤＦＡの利得Ｇ１が小さく、雑音指数ＮＦ１が高いために、ハイブリッド光ファイバ増幅器全体の雑音指数ＮＦｔｏｔは大きくなってしまう。
【００２５】
一方、第１の発明では、ＴＤＦＡを先頭とすることで、特にＳ帯において高い利得Ｇ１と低いＮＦ１を得ることができるため、Ｓ帯とＣ帯の一部を含む広範な領域において、低いＮＦｔｏｔを実現することができる。
【００２６】
しかしながら、ＴＤＦＡは、１５１０ｎｍより長波長領域で雑音指数が高いため、この領域においては増幅器全体の雑音指数も高くなってしまう。したがって、第１の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器は、特に１４４０〜１５１０ｎｍで有効な増幅器であるといえる。
【００２７】
上記課題を解決する第２の発明は、前記「Ｓ帯における第２の課題」を解決する発明であり、第１の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
少なくとも前記先頭に配置されたツリウム添加光ファイバ増幅器を、２種類以上の波長の励起光により励起することを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００２８】
また、上記課題を解決する第３の発明は、前記「Ｓ帯における第２の課題」を解決する発明であり、
第２の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記励起光の波長は、７００ｎｍ±３０ｎｍ，８００ｎｍ±３０ｎｍ，１０５０ｎｍ±３０ｎｍ，１２００ｎｍ±３０ｎｍ，１４００ｎｍ±４０ｎｍ又は１６５０ｎｍ±１３０ｎｍのいずれか２つ以上であることを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００２９】
ＴＤＦＡの１５１０ｎｍより長波長領域における雑音指数の上昇は主として、ＴＤＦの基底準位吸収に起因する。よって、この基底準位吸収を抑圧すれば、雑音指数の上昇を抑圧することができる。
【００３０】
図２０は、ツリウムイオンのエネルギー準位図である。ＴＤＦＡによるＳ帯増幅には、ツリウムイオンの３Ｈ４−３Ｆ４遷移を用いる。増幅始準位にツリウムイオンを励起するためには、通常の１０５０ｎｍや１４００ｎｍの励起光を用いたアップコンバージョン励起では、基底準位から励起されずに基底状態のまま残るイオンの数が少なくなく、この結果、１５１０ｎｍより長波長領域に大きな信号損失が生じる。
【００３１】
第２及び第３の発明では、２種類以上の波長の励起光を用いることにより、基底準位のイオン数を大幅に減少させることができ、１５１０ｎｍより長波長領域において雑音指数を改善することができる。
【００３２】
また、２種類以上の波長による励起は、前記「Ｓ帯における第２の課題」に記載した、１５３０ｎｍよりも長波長領域においてＴＤＦＡが信号損失を有することにより、ＥＤＦＡの利得が削られてしまうという課題を解決するという意味でも有効である。
【００３３】
このような、２種類以上の波長による励起は、ＴＤＦＡにおいて励起効率を上げるために用いられてきた技術である。しかしながら、当該技術を第２及び第３の発明に係る直列接続型のハイブリッド光ファイバ増幅器に利用することにより、増幅器の雑音指数を改善すると共に、利得帯域を広帯域化することができるという、特有の効果を奏する。
【００３４】
２種類以上の波長の励起光を用いた低ＮＦ化及び広帯域化は、特にフッ化物ガラスなどのハライド系ガラスやアルミノシリケートガラス、テルライトガラス、ビスマス系ガラス、カルコゲナイドガラスなどの石英ガラスよりも多音子放出率（Ｍｕｌｔｉ−ｐｈｏｎｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｅ）の低いガラスをホストとした増幅用光ファイバに用いた場合に有効である。
【００３５】
多音子放出率の低いガラス中では、ツリウムイオンは、励起準位に長時間滞っており、基底準位にあるイオン数を減らすことができるからである。特に、フッ化物ガラスの適用は、光ファイバの作製において成熟した技術であり、有効である。
【００３６】
上記課題を解決する第４の発明は、前記「Ｓ帯における第３の課題」を解決する発明であり、
複数のエルビウム添加光ファイバ増幅器と複数のツリウム添加光ファイバ増幅器とから構成され、前記増幅器を直列に接続してなるハイブリッド光ファイバ増幅器において、
更に、前記エルビウム添加光ファイバ増幅器の高利得領域に相当する波長の光を阻止するフィルタリング手段を設置したことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００３７】
また、上記課題を解決する第５の発明は、前記「Ｓ帯における第３の課題」を解決する発明であり、
第４の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記フィルタリング手段の阻止する波長領域は、１５３０〜１５３５ｎｍの波長領域を含むことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００３８】
更に、上記課題を解決する第６の発明は、前記「Ｓ帯における第３の課題」を解決する発明であり、
第４又は第５の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記フィルタリング手段は、光フィルタであることを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００３９】
ＥＤＦＡにおいて高利得を得ようとすると、特に１５３０ｎｍ近傍で大きなＡＳＥが成長してしまい、それが増幅器の反転分布状態を劣化させ、特に１５２０ｎｍより短波長領域での利得を減少させてしまう。そこで、ＥＤＦＡの高利得領域に相当する波長の光を阻止するフィルタリング手段を、例えば、ＥＤＦＡ中に設置し、ＡＳＥの成長を抑えることにより、高利得時にＳ帯の利得が減少してハイブリッド光ファイバ増幅器の帯域が狭くなったり、ＮＦが上昇したりすることを避けることができる。
【００４０】
上記課題を解決する第７の発明は、前記「Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関する問題」を解決する発明であり、
複数のエルビウム添加光ファイバ増幅器と複数のツリウム添加光ファイバ増幅器とから構成され、前記増幅器を直列に接続してなるハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記エルビウム添加光ファイバ増幅器は、１６００ｎｍにおける利得が１５３０ｎｍにおける利得よりも大きいことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００４１】
また、上記課題を解決する第８の発明は、前記「Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関する問題」を解決する発明であり、
第７の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
更に、前記ツリウム添加光ファイバ増幅器の高利得領域に相当する波長の光を阻止するフィルタリング手段を設置したことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００４２】
また、上記課題を解決する第９の発明は、前記「Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関する問題」を解決する発明であり、
第８の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記フィルタリング手段の阻止する波長領域は、１８００〜１８５０ｎｍの波長領域を含むことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００４３】
また、上記課題を解決する第１０の発明は、前記「Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関する問題」を解決する発明であり、
第８又は第９の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記フィルタリング手段は、光フィルタであることを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００４４】
また、上記課題を解決する第１１の発明は、前記「Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関する問題」を解決する発明であり、
第７ないし第１０のいずれかの発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において
信号光を入力する先頭の増幅器をツリウム添加光ファイバ増幅器としたことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００４５】
また、上記課題を解決する第１２の発明は、前記「Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関する問題」を解決する発明であり、
第７ないし第１０のいずれかの発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において
信号光を入力する先頭の増幅器をエルビウム添加光ファイバ増幅器としたことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００４６】
第７ないし第１２の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器を構成するＥＤＦＡは、１６００ｎｍにおける利得が１５３０ｎｍにおける利得よりも大きいことを特徴とするが、例えば、光ファイバの長さや使用する励起光などを調整することにより、当該特徴を実現する。このようなＬ帯用ＥＤＦＡを用いることにより、Ｕ帯ＴＤＦＡと接続して広帯域のハイブリッド光ファイバ増幅器を構成することができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態（第１の発明の説明）＞
図１は、第１の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図であり、Ｓ帯ハイブリッド光ファイバ増幅器である。同図に示すように、ハイブリッド光ファイバ増幅器１０は、前段のＴＤＦＡ１０ａと後段のＥＤＦＡ１０ｂとを直列接続した、２段構成である。
【００４８】
前段のＴＤＦＡ１０ａは、増幅用ツリウム添加光ファイバ１１と、アイソレータ１２と、励起光源１４ａ，ｂと、信号光と励起光源１４ａからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ１３ａと、信号光と励起光源１４ｂからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ１３ｂとから構成される。
【００４９】
励起光源１４ａ，ｂからの励起光としては、１０５０ｎｍ近傍や、約１３５０ｎｍ〜１４５０ｎｍの励起光を通常用いる。励起光源１４ａ，ｂとしては、高出力レーザダイオード（ＬＤ）、固体レーザ、ファイバレーザ又はファイバラマンレーザなどが用いられる。
【００５０】
ＴＤＦＡ１０ａに入力された信号光と、励起光源１４ａからの励起光とは、ＷＤＭカプラ１３ａにより合波され、増幅用ツリウム添加光ファイバ１１に入力される。ＴＤＦＡ１０ａの入力ポートと出力ポートには、それぞれアイソレータ１２が備えられており、利得が高い場合にレーザ発振が起こることを防いでいる。
【００５１】
後段のＥＤＦＡ１０ｂは、増幅用エルビウム添加光ファイバ１５と、アイソレータ１２と、励起光源１７ａ，ｂと、信号光と励起光源１７ａからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ１６ａと、信号光と励起光源１７ｂからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ１６ｂとから構成される。
【００５２】
励起光源１７ａ，ｂからの励起光としては、９８０ｎｍや約１３５０ｎｍ〜１４５０ｎｍの励起光を通常用いる。増幅用エルビウム添加光ファイバ１５が特に１４７０〜１５００ｎｍの領域の信号を比較的損失なく透過させるために、高い反転分布が必要となるからである。励起光源１７ａ，ｂとしては、高出力レーザダイオード（ＬＤ）、固体レーザ、ファイバレーザ又はファイバラマンレーザなどが用いられる。
【００５３】
ＥＤＦＡ１０ｂに入力された信号光と、励起光源１７ａからの励起光とは、ＷＤＭカプラ１６ａにより合波され、増幅用エルビウム添加光ファイバ１５に入力される。ＥＤＦＡ１０ｂの入力ポートと出力ポートには、それぞれアイソレータ１２が備えられており、利得が高い場合にレーザ発振が起こることを防いでいる。
【００５４】
ＴＤＦＡ１０ａを構成する増幅用ツリウム添加光ファイバ１１の材料としては、通常の光ファイバに用いられる石英系ガラスと比較して、多音子放出率の低いガラスを用いる。多音子放出率の低いガラスを使用するメリットとしては、励起効率が高くなるというメリットがある。
【００５５】
多音子放出率の高いガラスにツリウムイオンを添加した場合、励起準位に励起されたツリウムイオンは、発光して脱励起される過程のほかに、分子振動や分子回転などと結合して多音子を放出して非発光緩和するため、励起効率が悪い。これに対し、非発光緩和過程が小さいガラスを用いれば、励起されたイオンのほとんどが誘導放出で緩和するため、効率のよい増幅が可能となる。更に、多音子放出率の低いガラスを使用することは、Ｓ帯の利得を高くすることができ、結果的に使用できる増幅帯域を広げることができるという別のメリットも有する。
【００５６】
しかしながら、ハイブリッド光ファイバ増幅器１０を構成する増幅器のうち、ＴＤＦＡ１０ａには１５３０ｎｍより長波長領域に大きな基底準位吸収による損失が存在するため、これによりＥＤＦＡ１０ｂのＣ帯の利得が失われてしまう。特に多音子放出率の高いガラスを用いた場合、多くのツリウムイオンが基底準位に残るためＴＤＦＡ１０ａによるＣ帯利得の減少が顕著となる。
【００５７】
したがって、Ｃ帯全域にわたって高い利得を得るためには、長いＳ帯用ツリウム添加光ファイバを採用することは難しい。この結果、Ｓ帯利得は非常に小さいものとなり、ハイブリッド光ファイバ増幅器としては、Ｓ帯で利得が小さな増幅器となってしまう。
【００５８】
これに対して、ふっ化物などの多音子放出率の低いガラスを用いれば、励起準位に励起されたツリウムイオンの割合を高くすることができる。このため、結果的に、比較的多くのツリウムイオンを用いた場合にもＣ帯における損失を小さくし、Ｓ帯の利得を上げることができ、広範な増幅帯域を利用することが可能となる。
【００５９】
多音子放出率の低いガラスとしては、例えば、フッ化物などのハライド系ガラス、アルミン酸ガラス、テルライト系酸化物ガラス、ビスマス系酸化物ガラスなどの酸化物系ガラス、カルコゲナイド系ガラスなどの硫化物系ガラス等が代表的である。
【００６０】
特にＺｒ系組成をベースにしたフッ化物ガラス（いわゆるＺＢＬＡＮガラス：ＺｒＦ４，ＢａＦ２，ＬａＦ３，ＡｌＦ３，ＮａＦ３等をネットワーク形成元素として有するガラス）は、すでに成熟した技術であり、ＴＤＦＡを高効率・高利得・低雑音の光増幅器とすることができる。
【００６１】
図２は、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器１０において、１４６０〜１５５０ｎｍ帯域の信号光を入力した場合の増幅特性を示すグラフである。同図に示すように、１４６０〜１５５０ｎｍ帯域において正の利得を有し、特に１４６０〜１５２０ｎｍ帯域において８ｄＢ以下と低い雑音指数を示すハイブリッド光ファイバ増幅器を実現することができた。
【００６２】
＜比較例１＞
図３は、比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図であり、従来の技術の欄に記載した非特許文献１に挙げられているハイブリッド光ファイバ増幅器である。同図に示すように、比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器は、前段部（入力側）にＥＤＦＡ２０、後段部（出力側）にＴＤＦＡ３０を直列に接続した２段構成となっている。
【００６３】
前段部のＥＤＦＡ２０は、増幅用エルビウム添加光ファイバ２１と、ＷＤＭカプラ２２と、９８０ｎｍの励起光を発生する励起光源２３などから構成される。また、後段部のＴＤＦＡ３０は、増幅用ツリウム添加光ファイバ３１と、ＷＤＭカプラ３２と、励起光源３３と、補助励起光源３４と、光サーキュレータ３５と、ミラー３６などから構成される。
【００６４】
ＴＤＦＡ３０は、増幅用ツリウム添加光ファイバ３１を通過した光が、ミラー３６によって反射され、再度同じ増幅用ツリウム添加光ファイバ３１を逆方向に通過してから出力される、ダブルパス構成となっている。光サーキュレータ３５は、ＥＤＦＡ２０からの信号を増幅用ツリウム添加光ファイバ３１へ入力し、ミラー３６において反射され再び増幅用ツリウム添加光ファイバ３１を通ってきた光を出力する働きをすると共に、高利得時にレーザ発振を抑圧するアイソレータとしての役割も有している。
【００６５】
図４は、比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の利得の波長依存性を示した図であり、図５は、比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の雑音指数の波長依存性を示した図である。これらの図に示すように、比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器は以下の問題を有する。
【００６６】
図４に示すように、１５３０ｎｍを中心に１４８０〜１５６０ｎｍの波長領域において利得が得られているが、特に１４８０〜１５１０ｎｍにおける利得が小さく、相対的な利得の平坦性が悪い。また、図５に示すように、１４８０〜１５１０ｎｍにおいて雑音指数が高い。
【００６７】
以上より、第１の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器は、ＴＤＦＡを入力側（前段）に設置し、使用帯域を１４６０〜１５２０ｎｍとすることにより、比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の有する問題を克服したものとなっている。
【００６８】
＜第２の実施形態（第２及び第３の発明の説明）＞
図６は、第２の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図であり、Ｓ帯ハイブリッド光ファイバ増幅器である。同図に示すように、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器４０は、入力側（前段）のＴＤＦＡ４０ａと、出力側（後段）のＴＤＡＦ４０ｃと、これらの間に挟まれた中段のＥＤＦＡ４０ｂとから構成される。
【００６９】
同図に示すように、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器４０は、第１の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器１０（図１参照）の構成を基本としており、後段のＴＤＦＡ４０ｃを更に直列接続した点と、前段のＴＤＦＡ４０ａに補助励起光源４４ｃを備えている点で、第１の実施形態と異なる。
【００７０】
ＴＤＦＡ４０ａにおける入力側の励起光源４４ａからの励起光と補助励起光源４４ｃからの励起光とを合波した後、増幅用ツリウム添加光ファイバ４１ヘ前方励起する。一方、後方励起光は、出力側の励起光源４４ｂからの励起光のみである。
【００７１】
ここでは、励起光源４４ａ，ｂとして１４００ｎｍ、補助励起光源４４ｃとして１２２０ｎｍの励起光を発生する励起光源を用いた。励起光源としては、このほかにも、７００ｎｍ±３０ｎｍ、８００ｎｍ±３０ｎｍ、１０５０ｎｍ±３０ｎｍ、１２００ｎｍ±３０ｎｍ、１４００ｎｍ±４０ｎｍ、１６５０ｎｍ±１３０ｎｍから２種類以上を選んで用いることができる。
【００７２】
このうち、主励起光である励起光源４４ａからの励起光としては、主に８００ｎｍ±３０ｎｍ、１０５０ｎｍ±３０ｎｍ、１４００ｎｍ±４０ｎｍ等の励起光が用いられる。一方、補助励起光源４４ｃの励起光としては、主に７００ｎｍ±３０ｎｍ、８００ｎｍ±３０ｎｍ（主励起光が８００ｎｍ±３０ｎｍでない場合）、１２００ｎｍ±３０ｎｍ、１６５０ｎｍ±１３０ｎｍ等の励起光が用いられる。
【００７３】
ＷＤＭカプラ４３ａ，ｂ、４６ａ，ｂやアイソレータ４２等に用いる光ファイバとしては、シングルモード条件かつ曲げ損失が小さいことが理想的であり、そのため信号光と励起光とは４０ｎｍ以上の差がない方が良い。この観点からは、励起光としては、特に１０５０ｎｍ±３０ｎｎｍ、１４００ｎｍ±４０ｎｍ、１２００ｎｍ±３０ｎｍ、１６５０ｎｍ±１３０ｎｍから選択される励起光とするのがよい。
【００７４】
更に、特に低い雑音指数を実現するためには、基底準位にあるイオンをほぼなくすことができる１２００ｎｍ±３０ｎｍ又は１６５０ｎｍ±１３０ｎｍの励起光と、励起下準位にあるイオンをほぼなくすことができる１０５０ｎｍ±３０ｎｍの励起光と組み合わせが有効である。また、高い出力を得るには、１４００ｎｍ±４０ｎｍの励起光と、１２００ｎｍ±３０ｎｍ又は１６５０ｎｍ±１３０ｎｍの励起光と組み合わせが好ましい。
【００７５】
図７は、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。同図に示すように、前段のＴＤＦＡ４０ａにおいて２種類の波長の励起光を用いることにより、第１の実施形態の場合と比較して、特に１５１０ｎｍより長波長領域での雑音指数の増加を抑圧できている。
【００７６】
これは、補助励起光源４４ｃからの補助励起光が基底準位にあるツリウムイオンの励起効率を上げることで、１５１０ｎｍより長波長領域での基底準位吸収による信号損失を低減できるためである。また、同じく基底準位吸収の低減により、１５３０ｎｍより長波長領域で起こるＴＤＦＡの信号光損失を抑制できるため、ＴＤＦＡがＥＤＦＡのＣ帯の利得を削ってしまうのを防ぐことができ、１５３０ｎｍより長波長領域をも含んださらに広帯域な光増幅が可能となる。
【００７７】
なお、後段に設置したＴＤＦＡ４０ｃは、前段に設置したＴＤＦＡ４０ａで補えきれなかった利得を得るための増幅器である。前段のＴＤＦＡ４０ａでは、補助励起光源４４ｃを用いることにより、基底準位のＴｍ３＋イオンをほぼ全て励起順位へ励起することが可能となっている。しかしながら、このような完全励起の条件では、Ｓ帯において必ずしも高い利得を得ることができない場合がある。そこで、後段のＴＤＦＡ４０ｃにより、この利得を補い、Ｓ帯においても十分な利得を得ている。
【００７８】
ＴＤＦＡで雑音指数が高くなりやすい１５３０より長波長の領域において、ＥＤＦＡ４０ｂにより高い利得・低い雑音指数がすでに得られていることから、後段のＴＤＦＡ４０ｃとしては、雑音指数は若干悪くとも、高利得・高エネルギー変換効率となるような増幅器を用いることが望ましい。
【００７９】
＜第３の実施形態（第２及び第３の発明の説明）＞
図８は、第３の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図であり、Ｓ帯ハイブリッド光ファイバ増幅器である。同図に示すように、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器５０は、入力側（前段）のＴＤＦＡ５０ａと、出力側（後段）のＴＤＡＦ５０ｃと、これらの間に挟まれた中段のＥＤＦＡ５０ｂとから構成される。
【００８０】
同図に示すように、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器５０は、第２の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器４０（図６参照）の構成を基本としており、後段のＴＤＦＡ５０ｃにも補助励起光源５４ｃを備えている点で、第２の実施形態と異なる。
【００８１】
ＴＤＦＡ５０ａにおける励起光源５４ａ，ｂ及び補助励起光源５４ｃからの励起光としては、雑音指数を下げるために、励起光源５４ａ，ｂでは１０４７ｎｍの励起光、補助励起光源５４ｃでは１２２０ｎｍの励起光を用いた。また、ＴＤＦＡ５０ｃにおける励起光源５４ａ，ｂ及び補助励起光源５４ｃからの励起光としては、エネルギー変換効率を重視して、励起光源５４ａ，ｂでは１４００ｎｍの励起光、補助励起光源５４ｃでは１５５０ｎｍの励起光を用いた。
【００８２】
このように、複数のＴＤＦＡにおいて２種類以上の波長の励起光を用いることで、低雑音指数かつ高出力のハイブリッド光ファイバ増幅器を実現できる。
【００８３】
＜第４の実施形態（第４〜第６の発明の説明）＞
図９は、第４の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図であり、Ｓ帯ハイブリッド光ファイバ増幅器である。同図に示すように、ハイブリッド光ファイバ増幅器６０は、前段のＴＤＦＡ６０ａと後段のＥＤＦＡ６０ｂとをカスケード接続とした、２段構成である。
【００８４】
前段のＴＤＦＡ６０ａは、増幅用ツリウム添加光ファイバ６１と、アイソレータ６２と、励起光源６４ａ，ｂと、信号光と励起光源６４ａからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ６３ａと、信号光と励起光源６４ｂからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ６３ｂとから構成される。
【００８５】
励起光源６４ａ，ｂからの励起光としては、１０５０ｎｍ近傍や、約１３５０〜１４５０ｎｍの励起光を通常用いる。励起光源６４ａ，ｂとしては、高出力レーザダイオード（ＬＤ）、固体レーザ、ファイバレーザ又はファイバラマンレーザなどが用いられる。
【００８６】
ＴＤＦＡ６０ａに入力された信号光と、励起光源６４ａからの励起光とは、ＷＤＭカプラ６３ａにより合波され、増幅用ツリウム添加光ファイバ６１に入力される。ＴＤＦＡ６０ａの入力ポートと出力ポートには、それぞれアイソレータ６２が備えられており、利得が高い場合にレーザ発振が起こることを防いでいる。
【００８７】
後段のＥＤＦＡ６０ｂは、増幅用エルビウム添加光ファイバ６５ａ，ｂ，ｃと、フィルタリング手段である光フィルタ６８ａ，ｂと、アイソレータ６２と、励起光源６７ａ，ｂと、信号光と励起光源６７ａからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ６６ａと、信号光と励起光源６７ｂからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ６６ｂとから構成される。
【００８８】
増幅用エルビウム添加光ファイバは、増幅用エルビウム添加光ファイバ６５ａ，ｂ，ｃと３つに分割されており、光ファイバ６５ａと６５ｂとの間に光フィルタ６８ａが、光ファイバ６５ｂと６５ｃとの間に光フィルタ６８ｂが挿入されている。光フィルタとしては、例えば、多層膜フィルタ、エタロンフィルタ、マッハツェンダー干渉系型フィルタ、ファイバブラッググレーティングフィルタ、ファブリ・ペロー型フィルタなどが挙げられる。
【００８９】
フィルタリング手段としては、光フィルタ６８ａ，ｂのほかに、コアやクラッドに１５３０〜１５６０ｎｍの光を吸収する吸収剤を添加する手段、光ファイバに長周期グレーティングなどを書き込んで１５３０〜１５６０ｎｍのＡＳＥを抑庄する手段、光ファイバをボビンに巻きつける等して、光ファイバのコア径や比屈折率差、曲率半径などを最適にして、光ファイバの曲げ損失やカットオフ波長での損失を利用する手段などが挙げられる。
【００９０】
励起光源６７ａ，ｂからの励起光としては、９８０ｎｍや約１３５０ｎｍ〜１４５０ｎｍの励起光を通常用いる。増幅用エルビウム添加光ファイバ６５ａ，ｂ，ｃが特に１４７０〜１５００ｎｍの領域の信号を比較的損失なく透過させるために、高い反転分布が必要となるからである。励起光源６７ａ，ｂとしては、高出力レーザダイオード（ＬＤ）、固体レーザ、ファイバレーザ又はファイバラマンレーザなどが用いられる。
【００９１】
ＥＤＦＡ６０ｂに入力された信号光と、励起光源６７ａからの励起光とは、ＷＤＭカプラ６６ａにより合波され、増幅用エルビウム添加光ファイバ６５ａに入力される。光フィルタ６８ａ，ｂは、励起光と信号光とを通し、ＥＤＦＡの高利得領域である１５３０〜１５６０ｎｍに生成されるＡＳＥを除去する役割を果たす。これにより、１５３０〜１５６０ｎｍに成長するＡＳＥを抑えながら、高効率よく、Ｓ帯信号を増幅することが可能となる。ＥＤＦＡ６０ｂの入力ポートと出力ポートには、それぞれアイソレータ６２が備えられており、利得が高い場合にレーザ発振が起こることを防いでいる。
【００９２】
ＴＤＦＡ６０ａを構成する増幅用ツリウム添加光ファイバ６１の材料としては、通常の光ファイバに用いられる石英系ガラスと比較して、多音子放出率の低いガラスを用いる。多音子放出率の低いガラスを使用するメリットとしては、励起効率が高くなるというメリットがある。
【００９３】
多音子放出率の低いガラスとしては、例えば、フッ化物などのハライド系ガラス、アルミン酸ガラス、テルライト系酸化物ガラス、ビスマス系酸化物ガラスなどの酸化物系ガラス、カルコゲナイド系ガラスなどの硫化物系ガラス等が代表的である。
【００９４】
特にＺｒ系組成をベースにしたフッ化物ガラス（いわゆるＺＢＬＡＮガラス：ＺｒＦ４，ＢａＦ２，ＬａＦ３，ＡｌＦ３，ＮａＦ３等をネットワーク形成元素として有するガラス）は、すでに成熟した技術であり、ＴＤＦＡを高効率・高利得・低雑音の光増幅器とすることができる。
【００９５】
図１０は、第４の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。増幅波長領域が、１４６０〜１５２５ｎｍと第１及び第２の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器と比較して狭くなったものの、１５２５ｎｍより短波長のＥＤＦＡの利得を大きく得ることができることから、利得の波長依存性は比較的平坦となり、入力変化などに対しても利得スペクトルの変化が比較的少ない増幅器が得られた。
【００９６】
一般に用いられているＥＤＦＡの増幅帯域は１５３０〜１５６５ｎｍであることから、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器をＣ帯ＥＤＦＡと並列接続する構成を採用すれば、５ｎｍという狭いデッドゾーンで、１４６０〜１５６０ｎｍまで広帯域な増幅器を構成することができる。
【００９７】
また、Ｌ帯ＥＤＦＡの増幅帯域は、１５６５〜１６２０ｎｍであることから、本発明のハイブリッド増幅器（増幅帯域：１４６０〜１５２５ｎｍ）、Ｃ帯ＥＤＦＡ（増幅帯域：１５３０〜１５６０ｎｍ）、Ｌ帯ＥＤＦＡの３つを並列接続すれば、各帯域を接続する帯域合波カプラのデッドゾーンが１５２５〜１５３０ｎｍ、１５６０〜１５６５ｎｍに５ｎｍずつ、トータル１０ｎｍ生じるだけで、１４６０〜１６２０ｎｍの広範囲にわたる光増幅器を構成することができる。
【００９８】
＜第５の実施形態（第４及び第５の発明の説明）＞
図１１は、第５の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図であり、Ｓ帯ハイブリッド光ファイバ増幅器である。同図に示すように、ハイブリッド光ファイバ増幅器７０は、前段のＥＤＦＡ７０ａと後段のＴＤＦＡ７０ｂとを直列接続した、２段構成としている。
【００９９】
前段のＥＤＦＡ７０ａにおける増幅用エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）７５には、１５３０〜１５６０ｎｍの光をフィルタリングする手段として、ＥＤＦの曲げ損失を用いている。ＥＤＦの比屈折率差やカットオフ波長を曲げ損失が有効に出るような値に設定した上で、ボビンにＥＤＦを巻きつけて、曲げ応力を加えている。
【０１００】
本実施形態では、カットオフ波長として８５０ｎｍ、比屈折率差△ｎを１．５％とした上で、ボビン直径として５ｃｍのものを用いた。ＥＤＦにかける張力については、増幅スペクトルをモニタしながら調整した上で、接着剤などを用いて固定した。本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器においても、図１０に示す増幅特性と同様の増幅特性を得ることができた。
【０１０１】
本実施形態では、カットオフ波長として８５０ｎｍ、比屈折率差△ｎを１．５％のＥＤＦを用いた上で、ボビン直径を５ｃｍとしたが、光ファイバの△ｎやカットオフ波長、ボビン直径は１５３０〜１５６０ｎｍに曲げ損失が出るように設定されていればよく、本発明はこのパラメータ値に限られるものではない。
【０１０２】
また、本実施形態では、光ファイバの曲げ損失を利用する手段を示したが、このほかの手段として、コアやクラッドに１５３０〜１５６０ｎｍの光を吸収する吸収剤を添加する手段、光ファイバに長周期グレーティングなどを書き込んで１５３０〜１５６０ｎｍのＡＳＥを抑圧する手段などを使用することも可能である。
【０１０３】
ＥＤＦＡを前段とし、後段をＴＤＦＡとした場合、ＴＤＦＡを前段、ＥＤＦＡを後段とした場合と比較して、出力が高くとれるというメリットがある。本発明のような、ＥＤＦＡの１５３０〜１５６０ｎｍの利得を削って、１４８０〜１５２５ｎｍの利得を出そうとした場合、高い反転分布を維持しなくてはならない。高い反転分布を形成するために強い励起光を入力する場合、励起光のうち多くが増幅に使用されずに外に出てしまうこととなるため、本質的にこのようなＥＤＦＡではエネルギー変換効率が低い。このＥＤＦＡを後段とすると高い励起光を投入する割に出力があまりとれないと言うことになる。ＥＤＦＡを前段に配し、ＴＤＦＡを後段とした場合は、ＴＤＦＡの効率が良いため、全体として効率が高くとれるというメリットがある。
【０１０４】
＜第６の実施形態（第７〜第１１の発明の説明）＞
図１２は、第６の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。第６の実施形態は、Ｕ帯ハイブリッド光ファイバ増幅器についてである。同図に示すように、本実施形態にかかるハイブリッド光ファイバ増幅器の構成は基本的には図１と同じである。
【０１０５】
第１、第２、第４の実施形態と本実施形態とで異なるのは、ＥＤＦＡ８０ｂの動作条件である。第１、第２、第４の実施形態では、主に増幅用エルビウム添加光ファイバを、通常のＣ帯の増幅器にもちいる光ファイバ長の条件で使用していた。一方、本実施形態では、光ファイバ長を長くしてＬ帯の増幅器にもちいる光ファイバ長の条件、もしくはＬ帯の増幅器にもちいる光ファイバ長よりも長い条件で使用する。すなわち、エルビウム添加光ファイバを、Ｃ帯の増幅器に用いるファイバ長から更に長くしていくと、利得帯域が長波長側へシフトし、ある長さで１６００ｎｍにおける利得が１５３０ｎｍにおける利得よりも大きくなるが、本実施形態では、この１６００ｎｍにおける利得が１５３０ｎｍにおける利得よりも大きくなる長さよりも更に長いエルビウム添加光ファイバを用いることを特徴としている。
【０１０６】
ＴＤＦＡ８０ａに使用する増幅用ツリウム添加光ファイバ８１には、ＴＤＦＡの高利得領域である１７５０〜２０００ｎｍの利得を抑圧する光フィルタ（フィルタリング手段）などが必要である。光フィルタを利用しない場合には、１７５０〜２０００ｎｍ帯域でＡＳＥが成長し、これがＴＤＦＡの３Ｆ４−３Ｈ６間の反転分布を劣化させる。
【０１０７】
本実施形態では、ＴＤＦＡ８０ａにおける増幅用ツリウム添加光ファイバ８１として、クラッドにテルビウムイオン（Ｔｂ３＋）が添加されている増幅用ツリウム添加光ファイバ８１を用いる。また、増幅用ツリウム添加光ファイバを複数に分割し、前記各光ファイバの間に、１６２０〜１７００ｎｍの光を透過し、１７５０〜２０００ｎｍの光を阻止する光フィルタ（例えば、多層膜フィルタ、エタロンフィルタ、マッハツェンダー干渉系型フィルタ、ファイバブラッググレーティングフィルタ、ファブリ・ペロー型フィルタなど）を挿入しても、同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
ＴＤＦＡ８０ａに用いる励起光源８４ａ，ｂとしては、１２００ｎｍ帯の励起光を発する励起光源が望ましい。ＥＤＦＡ８０ｂに用いる励起光源８７ａ，ｂとしては、９８０ｎｍ帯のほか、１４８０ｎｍ帯又はそれより長波長領域（＜１６００ｎｍ）の励起光を発する励起光源を用いることができる。
【０１０９】
図１３は、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。同図から分かるように、１６３０〜１６７５ｎｍにかけて比較的平坦な利得の増幅器が実現されている。
【０１１０】
ＥＤＦＡの利得は一般的には１５３０〜１５６０ｎｍであるが、ファイバ長などのパラメータを最適化（具体的にはファイバ長をより長く）することにより、利得帯域を１５６０〜１６００ｎｍ、あるいはさらに長波長領域ヘシフトさせることができる。本実施形態では、Ｕ帯（１６３０〜１６７５ｎｍ）ＴＤＦＡ８０ａとＥＤＦＡ８０ｂとをハイブリッドする際に、ＥＤＦＡ８０ｂの利得を前述する方法により長波長ヘシフトさせ、１６００ｎｍにおける利得を１５３０ｎｍの利得よりも大きくすることにより、図１３に示す増幅特性を得ることができた。
【０１１１】
＜第７の実施形態（第７〜第１０、第１２の発明の説明）＞
第７の実施形態は、Ｕ帯のハイブリッド増幅器についてである。本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の構成は図１１と同じであり、増幅器は光信号が入力される先頭からＥＤＦＡ、ＴＤＦＡの順に直列接続されている。使用した部品や各段のＥＤＦＡ、ＴＤＦＡの構成は、第６の実施形態におけるＥＤＦＡ、ＴＤＦＡと同じであり、ＥＤＦＡを先頭とした点のみが第６の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器と異なる。
【０１１２】
ＥＤＦＡを先頭とした場合のメリットは、入力信号パワーが高い場合にも比較的雑音指数を低く保つことができる点である。ＴＤＦＡは、３準位系利得帯域の短波長領域を利用していることから、入力パワーが上昇すると雑音指数が急激に劣化する傾向にあるのに対し、ＥＤＦＡは入力パワーが比較的高い場合にも雑音指数の上昇があまり大きくない。このため、ＥＤＦＡを先頭に配置することにより、信号入力が高い場合にもハイブリッド光ファイバ増幅器全体の雑音指数の上昇を防ぐことができる。
【０１１３】
図１４は、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器における、増幅特性を示すグラフである。なお、同図には、入力信号が小信号（−２０ｄＢｍ）の場合と大信号（０ｄＢｍ）の場合の増幅特性を示してある。また、図１５は、ＴＤＦＡを先頭としたハイブリッド光ファイバ増幅器における、増幅特性を示すグラフであり、本実施形態に対する比較図である。
【０１１４】
これらの図に示すように、入力信号が小信号の場合にはＴＤＦＡを先頭とした場合の方が雑音指数が低いが、入力信号が大信号の場合には本実施形態であるＥＤＦＡを先頭とした場合の方が雑音指数が低くなることがわかる。
【０１１５】
【発明の効果】
第１の発明によれば、信号光を入力する先頭の増幅器をＥＤＦＡとした場合に生じていた、１５２０ｎｍより短波長領域における雑音指数の上昇を、低減することができる。また、ＴＤＦＡを先頭とすることで、特にＳ帯において高い利得Ｇ１と低いＮＦ１を得ることができるため、Ｓ帯とＣ帯の一部を含む広範な領域において、低いＮＦｔｏｔを実現することができる。
【０１１６】
第２及び第３の発明によれば、２種類以上の波長の励起光を用いることにより、基底準位のイオン数を大幅に減少させることができ、１５１０ｎｍより長波長領域において雑音指数を改善することができる。また、２種類以上の波長による励起は、前記「Ｓ帯における第２の課題」に記載した、１５３０ｎｍよりも長波長領域においてＴＤＦＡが信号損失を有することにより、ＥＤＦＡの利得が削られてしまうという課題を解決するという意味でも有効である。
【０１１７】
第４ないし第６の発明によれば、ＥＤＦＡの高利得領域に相当する波長の光を阻止するフィルタリング手段を、例えば、ＥＤＦＡ中に設置し、ＡＳＥの成長を抑えることにより、高利得時にＳ帯の利得が減少してハイブリッド光ファイバ増幅器の帯域が狭くなったり、ＮＦが上昇したりすることを避けることができる。
【０１１８】
第７ないし第１２の発明によれば、１６００ｎｍにおける利得が１５３０ｎｍにおける利得よりも大きいことを特徴とするＬ帯用ＥＤＦＡを用いることにより、Ｕ帯ＴＤＦＡと接続して広帯域のハイブリッド光ファイバ増幅器を構成することができる。また、フィルタリング手段による効果は、前記第４〜第６の発明の効果と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。
【図３】比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図４】比較例１に係る増幅器の利得の波長依存性を示したグラフである。
【図５】比較例１に係る増幅器の雑音指数の波長依存性を示したグラフである。
【図６】第２の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図７】第２の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。
【図８】第３の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図９】第４の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図１０】第４の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。
【図１１】第５の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図１２】第６の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図１３】第６の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。
【図１４】第７の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。
【図１５】ＴＤＦＡを先頭に配置したハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。
【図１６】Ｓ帯ＴＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。
【図１７】Ｓ帯ＥＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。
【図１８】Ｌ帯ＥＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。
【図１９】Ｕ帯ＴＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。
【図２０】Ｔｍ３＋のエネルギー準位図である。
【符号の説明】
１０ ハイブリッド光ファイバ増幅器
１０ａ ＴＤＦＡ
１０ｂ ＥＤＦＡ
１１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
１２ アイソレータ
１３，１６ ＷＤＭカプラ
１４ａ，ｂ 励起光源
１５ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
１７ａ，ｂ 励起光源
２０ ＥＤＦＡ
２１ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
２２ ＷＤＭカプラ
２３ 励起光源
３０ ＴＤＦＡ
３１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
３２ ＷＤＭカプラ
３３ 励起光源
３４ 補助励起光源
３５ 光サーキュレータ
３６ ミラー
４０ ハイブリッド光ファイバ増幅器
４０ａ ＴＤＦＡ
４０ｂ ＥＤＦＡ
４０ｃ ＴＤＦＡ
４１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
４２ アイソレータ
４３，４６ ＷＤＭカプラ
４４ａ，ｂ 励起光源
４４ｃ 補助励起光源
４５ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
４７ａ，ｂ 励起光源
５０ ハイブリッド光ファイバ増幅器
５０ａ ＴＤＦＡ
５０ｂ ＥＤＦＡ
５０ｃ ＴＤＦＡ
５１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
５２ アイソレータ
５３，５６ ＷＤＭカプラ
５４ａ，ｂ 励起光源
５４ｃ 補助励起光源
５５ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
５７ａ，ｂ 励起光源
６０ ハイブリッド光ファイバ増幅器
６０ａ ＴＤＦＡ
６０ｂ ＥＤＦＡ
６１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
６２ アイソレータ
６３，６６ ＷＤＭカプラ
６４ａ，ｂ 励起光源
６５ａ，ｂ，ｃ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
６７ａ，ｂ 励起光源
６８ａ，ｂ 光フィルタ
７０ ハイブリッド光ファイバ増幅器
７０ａ ＥＤＦＡ
７０ｂ ＴＤＦＡ
７１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
７２ アイソレータ
７３，７６ ＷＤＭカプラ
７４ａ，ｂ 励起光源
７５ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
７７ａ，ｂ 励起光源
８０ ハイブリッド光ファイバ増幅器
８０ａ ＴＤＦＡ
８０ｂ ＥＤＦＡ
８１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
８２ アイソレータ
８３，８６ ＷＤＭカプラ
８４ａ，ｂ 励起光源
８５ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
８７ａ，ｂ 励起光源
【発明が属する技術分野】
本発明は、光ファイバ増幅器に関し、例えば、光ファイバ通信システムにおけるブースターアンプ、線形中継器、プリアンプ等として適用することが可能である。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信に用いる希土類添加光ファイバ増幅器としては、その増幅用光ファイバのコアに希土類イオンであるエルビウムイオン（Ｅｒ３＋）を添加した光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、ツリウムイオン（Ｔｍ３＋）を添加した光ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）、プラセオジムを用いた光ファイバ増幅器（ＰＤＦＡ）などがこれまで報告されている。
【０００３】
これらの光ファイバ増幅器の中でも、Ｓ帯（１４６０〜１５３０ｎｍ）にある信号を増幅する光ファイバ増幅器としては、Ｓ帯ツリウム添加光ファイバ増幅器（Ｓ帯ＴＤＦＡ）やＳ帯エルビウム添加光ファイバ増幅器（Ｓ帯ＥＤＦＡ）等が提案されている。
【０００４】
図１６は、Ｓ帯ＴＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。同図から分かるように、Ｓ帯ＴＤＦＡは１４５０〜１５１０ｎｍの範囲の光を増幅可能な光ファイバ増幅器である。Ｓ帯ＴＤＦＡは、Ｔｍ３＋の３Ｈ４−３Ｆ４間の誘導放出を利用した増幅器であり、反転分布状態を変えることにより上記波長範囲から、典型的には３０ｎｍ程度の利得帯域を実現することができる。
【０００５】
図１７は、Ｓ帯ＥＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。同図から分かるように、Ｓ帯ＥＤＦＡはエルビウムの４Ｉ１３／２−４Ｉ１５／２の誘導放出の短波長端領域を利用して、１４９０〜１５２０ｎｍの帯域において増幅を実現している。増幅に際しては、増幅用光ファイバの途中に光フィルタ等を挿入して１５３０〜１５６０ｎｍの増幅された自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ−Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ−Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を抑圧することで、高利得・低雑音の光増幅器を実現している。しかしながら、Ｓ帯ＥＤＦＡにおいても、増幅帯域は３０ｎｍ程度にとどまっている。
【０００６】
Ｓ帯ＥＤＦＡもしくはＣ帯ＥＤＦＡを直列に接続して構成するハイブリッド型光ファイバ増幅器とすることにより、広帯域な光増幅が期待されている。Ｃ帯ＥＤＦＡとＳ帯ＴＤＦＡとを直列に接続して構成する光ファイバ増幅器は既に報告されている（下記非特許文献１参照。）。この報告では、石英系ＥＤＦＡと石英系ＴＤＦＡを用い、信号光の入力側からＥＤＦＡ、ＴＤＦＡの順で直列接続して、１４８０〜１５６０ｎｍの利得帯域を得るというものである。
【０００７】
Ｕ帯の光ファイバ増幅器としては、Ｌ帯ＥＤＦＡの長波長端領域の利用や、Ｕ帯ＴＤＦＡの使用が考えられる。図１８は、Ｌ帯ＥＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。また、図１９は、Ｕ帯ＴＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。
【０００８】
Ｌ帯ＥＤＦＡは、通常１５６０〜１６１０ｎｍに利得帯域を有するが、エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ：Ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ）としてさらに長い光ファイバを利用することにより、図１８に示すように、１６３０ｎｍ近傍まで利得帯域を拡大することが可能となる。
【０００９】
Ｕ帯のＴＤＦＡは、図１９に示すように通常１６４０〜１６７５ｎｍに利得帯域を有するが、ツリウムの３Ｆ４−３Ｈ６の誘導遷移を利用することにより、更に長波長領域にまで利得帯域を拡大することができる。増幅に際しては、光フィルタを入れる、クラッドにテルビウム（Ｔｂ）を添加するなどの手段で、１７００ｎｍより長波長領域に発生するＡＳＥを抑圧することにより高利得を実現する。
【００１０】
【非特許文献１】
Ｔ．Ｓｅｇｉ他、１４８０−１５６０ｎｍに切れ目ない利得帯域を有する石英系組成からなるファイバ増幅器、「第２７回ＥＣＯＣ‘０１予稿集」、２００１年、第２巻、ｐ．２２８−２２９（Ｔ．Ｓｅｇｉ ｅｔ ａｌ．、Ｓｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｔｈ １４８０−１５６０ｎｍ Ｓｅａｍｌｅｓｓ Ｇａｉｎ−ｂａｎｄ、「Ｐｒｏｃ． Ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２００１．ＥＣＯＣ ’０１．２７ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ」、２００１、Ｖｏｌｕｍｅ：２、ｐ．２２８−２２９）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
Ｓ帯のＴＤＦＡとＥＤＦＡのハイブリッド光ファイバ増幅器には次のような３つの課題がある。
【００１２】
まず、第１の課題は、１５２０ｎｍより短波長領域で雑音指数（ＮＦ：Ｎｏｉｓｅ Ｆｉｇｕｒｅ）が高いという課題である。１４８０〜１５６０ｎｍの広帯域で利得を得ようとする場合、ＥＤＦＡを信号光の入力側先頭として構成したハイブリッド増幅器とするのが有利である。これは、ＥＤＦＡが、１５２０〜１５６０ｎｍで高い利得と低い雑音指数を有しているからである（上記非特許文献１参照。）。しかしながら、１４８０〜１５２０ｎｍの波長領城においては、前段のＥＤＦＡの雑音指数が高いため、増幅器全体の雑音指数が高くなってしまう。
【００１３】
次に、第２の課題は、１５１０ｎｍより長波長領域でＴＤＦＡに信号損失があるため、雑音指数の上昇やＥＤＦＡの帯域削減が起こるという課題である。ツリウム添加光ファイバ（ＴＤＦ：ｔｈｕｌｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ）は、１５１０ｎｍより長波長領域で大きな損失を有する。これにより、特に１５１０ｎｍより長波長領域で大きな雑音指数の劣化がある。また、１４８０〜１５６０ｎｍの広帯域で利得を得ようとする場合、ＴＤＦによる１５３０ｎｍより長波長領域における損失が、ＥＤＦＡの利得を削ってしまう。
【００１４】
上記非特許文献１では、１５３０ｎｍより長波長領域でのＴＤＦによる損失を小さくするために、ＴＤＦを短くして使用している。しかしながらこの方法では、１４８０〜１５１０ｎｍに利得帯域を有するＴＤＦＡの利得値を大きくすることはできず、実用上必要な２０ｄＢを超える利得を、１４８０〜１５６０ｎｍ全域にわたって得ることは困難であった。
【００１５】
更に、第３の課題は、１５１０〜１５３０ｎｍより短波長領域において高利得、低雑音指数という状態を実現できないという課題である。ＥＤＦＡの利得が高くなるように、励起光やファイバ長などを調整した場合、１５３０〜１５６０ｎｍ帯域では利得が高くなるが、その帯域で増幅される信号や増幅された自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）により、反転分布状態が悪くなり、１５３０ｎｍより短波長領域において高い利得を得ることが困難となる。また、ＥＤＦＡ中で、１５３０ｎｍより短波長領域において、更に雑音指数が劣化する。
【００１６】
一方、Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関しては、これまでに開発されているＬ帯ＥＤＦＡやＵ帯ＴＤＦＡ等の適用が考えられるが、それぞれ以下の問題がある。
【００１７】
Ｌ帯ＥＤＦＡでは、１６３０ｎｍより長波長領域においてエルビウムの誘導放出断面積が小さくなる上に、４Ｉ１３／２からの励起準位吸収が立ち上がるために、高い利得を得ることができない。また、励起準位吸収により１６３０ｎｍより長波長領域で雑音指数の上昇が観測される。したがって、Ｌ帯ＥＤＦＡでは、１６３０ｎｍより長波長領域を使用することができないという問題がある。
【００１８】
これに対し、Ｕ帯ＴＤＦＡでは、１６３０ｎｍより長波長領域においては、１６７５ｎｍ程度まで利得を得ることができる。しかしながら図１９のＵ帯ＴＤＦＡの増幅特性に示すように、Ｕ帯ＴＤＦＡは長波長領域となるほど利得が高くなっており、低利得領域である１６３０ｎｍで利得を得るためには、多くのパワーを必要とする。
【００１９】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、広範な波長帯域にわたって高い利得と比較的低い雑音指数を得ることにより、広帯域において良好な増幅特性を実現したハイブリッド光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題解決するための手段】
上記課題を解決する第１の発明は、前記「Ｓ帯における第１の課題」を解決する発明であり、
複数のエルビウム添加光ファイバ増幅器と複数のツリウム添加光ファイバ増幅器とから構成され、前記増幅器を直列に接続してなるハイブリッド光ファイバ増幅器において、
信号光を入力する先頭の増幅器をツリウム添加光ファイバ増幅器としたことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００２１】
例えば、「ＴＤＦＡ−ＥＤＦＡ−ＴＤＦＡ・・・」や「ＴＤＦＡ−ＥＤＦＡ−ＥＤＦＡ−ＴＤＦＡ−ＴＤＦＡ・・・」等の順でＴＤＦＡ及びＥＤＦＡを直列接続してハイブリッド光ファイバ増幅器を構成する。すなわち、信号光の入力側先頭の増幅器をＴＤＦＡとする以外は、以降の接続に関してはＴＤＦＡ及びＥＤＦＡを順不同で直列接続する。
【００２２】
これにより、信号光を入力する先頭の増幅器をＥＤＦＡとした場合に生じていた、１５２０ｎｍより短波長領域における雑音指数の上昇を、低減することができる。
【００２３】
一般的に、ハイブリッド光ファイバ増幅器全体の雑音指数ＮＦｔｏｔは、下記式（１）で表すことができる。
ＮＦｔｏｔ ＝ ＮＦ１ ＋ （Ｌ１／Ｇ１）ＮＦ２ ＋ （Ｌ１Ｌ２／Ｇ１Ｇ２）ＮＦ３ ＋・・・ （１）
ここで、ＮＦ１、ＮＦ２・・・は、信号光を入力する先頭の増幅器から数えて、それぞれ、１段目の増幅器の雑音指数、２段目の増幅器の雑音指数・・・である。また、Ｌ１、Ｌ２・・・は、それぞれ、前記１段目の増幅器と前記２段目の増幅器との間の光部品の損失、前記２段目の増幅器と３段目の増幅器との間の光部品の損失・・・である。また、Ｇ１、Ｇ２・・・は、それぞれ、前記１段目の増幅器の利得、前記２段目の増幅器の利得・・・である。
【００２４】
上記式（１）から分かるように、ＥＤＦＡを先頭にした場合は、ＥＤＦＡの利得Ｇ１が小さく、雑音指数ＮＦ１が高いために、ハイブリッド光ファイバ増幅器全体の雑音指数ＮＦｔｏｔは大きくなってしまう。
【００２５】
一方、第１の発明では、ＴＤＦＡを先頭とすることで、特にＳ帯において高い利得Ｇ１と低いＮＦ１を得ることができるため、Ｓ帯とＣ帯の一部を含む広範な領域において、低いＮＦｔｏｔを実現することができる。
【００２６】
しかしながら、ＴＤＦＡは、１５１０ｎｍより長波長領域で雑音指数が高いため、この領域においては増幅器全体の雑音指数も高くなってしまう。したがって、第１の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器は、特に１４４０〜１５１０ｎｍで有効な増幅器であるといえる。
【００２７】
上記課題を解決する第２の発明は、前記「Ｓ帯における第２の課題」を解決する発明であり、第１の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
少なくとも前記先頭に配置されたツリウム添加光ファイバ増幅器を、２種類以上の波長の励起光により励起することを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００２８】
また、上記課題を解決する第３の発明は、前記「Ｓ帯における第２の課題」を解決する発明であり、
第２の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記励起光の波長は、７００ｎｍ±３０ｎｍ，８００ｎｍ±３０ｎｍ，１０５０ｎｍ±３０ｎｍ，１２００ｎｍ±３０ｎｍ，１４００ｎｍ±４０ｎｍ又は１６５０ｎｍ±１３０ｎｍのいずれか２つ以上であることを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００２９】
ＴＤＦＡの１５１０ｎｍより長波長領域における雑音指数の上昇は主として、ＴＤＦの基底準位吸収に起因する。よって、この基底準位吸収を抑圧すれば、雑音指数の上昇を抑圧することができる。
【００３０】
図２０は、ツリウムイオンのエネルギー準位図である。ＴＤＦＡによるＳ帯増幅には、ツリウムイオンの３Ｈ４−３Ｆ４遷移を用いる。増幅始準位にツリウムイオンを励起するためには、通常の１０５０ｎｍや１４００ｎｍの励起光を用いたアップコンバージョン励起では、基底準位から励起されずに基底状態のまま残るイオンの数が少なくなく、この結果、１５１０ｎｍより長波長領域に大きな信号損失が生じる。
【００３１】
第２及び第３の発明では、２種類以上の波長の励起光を用いることにより、基底準位のイオン数を大幅に減少させることができ、１５１０ｎｍより長波長領域において雑音指数を改善することができる。
【００３２】
また、２種類以上の波長による励起は、前記「Ｓ帯における第２の課題」に記載した、１５３０ｎｍよりも長波長領域においてＴＤＦＡが信号損失を有することにより、ＥＤＦＡの利得が削られてしまうという課題を解決するという意味でも有効である。
【００３３】
このような、２種類以上の波長による励起は、ＴＤＦＡにおいて励起効率を上げるために用いられてきた技術である。しかしながら、当該技術を第２及び第３の発明に係る直列接続型のハイブリッド光ファイバ増幅器に利用することにより、増幅器の雑音指数を改善すると共に、利得帯域を広帯域化することができるという、特有の効果を奏する。
【００３４】
２種類以上の波長の励起光を用いた低ＮＦ化及び広帯域化は、特にフッ化物ガラスなどのハライド系ガラスやアルミノシリケートガラス、テルライトガラス、ビスマス系ガラス、カルコゲナイドガラスなどの石英ガラスよりも多音子放出率（Ｍｕｌｔｉ−ｐｈｏｎｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｅ）の低いガラスをホストとした増幅用光ファイバに用いた場合に有効である。
【００３５】
多音子放出率の低いガラス中では、ツリウムイオンは、励起準位に長時間滞っており、基底準位にあるイオン数を減らすことができるからである。特に、フッ化物ガラスの適用は、光ファイバの作製において成熟した技術であり、有効である。
【００３６】
上記課題を解決する第４の発明は、前記「Ｓ帯における第３の課題」を解決する発明であり、
複数のエルビウム添加光ファイバ増幅器と複数のツリウム添加光ファイバ増幅器とから構成され、前記増幅器を直列に接続してなるハイブリッド光ファイバ増幅器において、
更に、前記エルビウム添加光ファイバ増幅器の高利得領域に相当する波長の光を阻止するフィルタリング手段を設置したことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００３７】
また、上記課題を解決する第５の発明は、前記「Ｓ帯における第３の課題」を解決する発明であり、
第４の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記フィルタリング手段の阻止する波長領域は、１５３０〜１５３５ｎｍの波長領域を含むことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００３８】
更に、上記課題を解決する第６の発明は、前記「Ｓ帯における第３の課題」を解決する発明であり、
第４又は第５の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記フィルタリング手段は、光フィルタであることを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００３９】
ＥＤＦＡにおいて高利得を得ようとすると、特に１５３０ｎｍ近傍で大きなＡＳＥが成長してしまい、それが増幅器の反転分布状態を劣化させ、特に１５２０ｎｍより短波長領域での利得を減少させてしまう。そこで、ＥＤＦＡの高利得領域に相当する波長の光を阻止するフィルタリング手段を、例えば、ＥＤＦＡ中に設置し、ＡＳＥの成長を抑えることにより、高利得時にＳ帯の利得が減少してハイブリッド光ファイバ増幅器の帯域が狭くなったり、ＮＦが上昇したりすることを避けることができる。
【００４０】
上記課題を解決する第７の発明は、前記「Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関する問題」を解決する発明であり、
複数のエルビウム添加光ファイバ増幅器と複数のツリウム添加光ファイバ増幅器とから構成され、前記増幅器を直列に接続してなるハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記エルビウム添加光ファイバ増幅器は、１６００ｎｍにおける利得が１５３０ｎｍにおける利得よりも大きいことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００４１】
また、上記課題を解決する第８の発明は、前記「Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関する問題」を解決する発明であり、
第７の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
更に、前記ツリウム添加光ファイバ増幅器の高利得領域に相当する波長の光を阻止するフィルタリング手段を設置したことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００４２】
また、上記課題を解決する第９の発明は、前記「Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関する問題」を解決する発明であり、
第８の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記フィルタリング手段の阻止する波長領域は、１８００〜１８５０ｎｍの波長領域を含むことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００４３】
また、上記課題を解決する第１０の発明は、前記「Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関する問題」を解決する発明であり、
第８又は第９の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記フィルタリング手段は、光フィルタであることを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００４４】
また、上記課題を解決する第１１の発明は、前記「Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関する問題」を解決する発明であり、
第７ないし第１０のいずれかの発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において
信号光を入力する先頭の増幅器をツリウム添加光ファイバ増幅器としたことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００４５】
また、上記課題を解決する第１２の発明は、前記「Ｕ帯の光ファイバ増幅器に関する問題」を解決する発明であり、
第７ないし第１０のいずれかの発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器において
信号光を入力する先頭の増幅器をエルビウム添加光ファイバ増幅器としたことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器である。
【００４６】
第７ないし第１２の発明に係るハイブリッド光ファイバ増幅器を構成するＥＤＦＡは、１６００ｎｍにおける利得が１５３０ｎｍにおける利得よりも大きいことを特徴とするが、例えば、光ファイバの長さや使用する励起光などを調整することにより、当該特徴を実現する。このようなＬ帯用ＥＤＦＡを用いることにより、Ｕ帯ＴＤＦＡと接続して広帯域のハイブリッド光ファイバ増幅器を構成することができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態（第１の発明の説明）＞
図１は、第１の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図であり、Ｓ帯ハイブリッド光ファイバ増幅器である。同図に示すように、ハイブリッド光ファイバ増幅器１０は、前段のＴＤＦＡ１０ａと後段のＥＤＦＡ１０ｂとを直列接続した、２段構成である。
【００４８】
前段のＴＤＦＡ１０ａは、増幅用ツリウム添加光ファイバ１１と、アイソレータ１２と、励起光源１４ａ，ｂと、信号光と励起光源１４ａからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ１３ａと、信号光と励起光源１４ｂからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ１３ｂとから構成される。
【００４９】
励起光源１４ａ，ｂからの励起光としては、１０５０ｎｍ近傍や、約１３５０ｎｍ〜１４５０ｎｍの励起光を通常用いる。励起光源１４ａ，ｂとしては、高出力レーザダイオード（ＬＤ）、固体レーザ、ファイバレーザ又はファイバラマンレーザなどが用いられる。
【００５０】
ＴＤＦＡ１０ａに入力された信号光と、励起光源１４ａからの励起光とは、ＷＤＭカプラ１３ａにより合波され、増幅用ツリウム添加光ファイバ１１に入力される。ＴＤＦＡ１０ａの入力ポートと出力ポートには、それぞれアイソレータ１２が備えられており、利得が高い場合にレーザ発振が起こることを防いでいる。
【００５１】
後段のＥＤＦＡ１０ｂは、増幅用エルビウム添加光ファイバ１５と、アイソレータ１２と、励起光源１７ａ，ｂと、信号光と励起光源１７ａからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ１６ａと、信号光と励起光源１７ｂからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ１６ｂとから構成される。
【００５２】
励起光源１７ａ，ｂからの励起光としては、９８０ｎｍや約１３５０ｎｍ〜１４５０ｎｍの励起光を通常用いる。増幅用エルビウム添加光ファイバ１５が特に１４７０〜１５００ｎｍの領域の信号を比較的損失なく透過させるために、高い反転分布が必要となるからである。励起光源１７ａ，ｂとしては、高出力レーザダイオード（ＬＤ）、固体レーザ、ファイバレーザ又はファイバラマンレーザなどが用いられる。
【００５３】
ＥＤＦＡ１０ｂに入力された信号光と、励起光源１７ａからの励起光とは、ＷＤＭカプラ１６ａにより合波され、増幅用エルビウム添加光ファイバ１５に入力される。ＥＤＦＡ１０ｂの入力ポートと出力ポートには、それぞれアイソレータ１２が備えられており、利得が高い場合にレーザ発振が起こることを防いでいる。
【００５４】
ＴＤＦＡ１０ａを構成する増幅用ツリウム添加光ファイバ１１の材料としては、通常の光ファイバに用いられる石英系ガラスと比較して、多音子放出率の低いガラスを用いる。多音子放出率の低いガラスを使用するメリットとしては、励起効率が高くなるというメリットがある。
【００５５】
多音子放出率の高いガラスにツリウムイオンを添加した場合、励起準位に励起されたツリウムイオンは、発光して脱励起される過程のほかに、分子振動や分子回転などと結合して多音子を放出して非発光緩和するため、励起効率が悪い。これに対し、非発光緩和過程が小さいガラスを用いれば、励起されたイオンのほとんどが誘導放出で緩和するため、効率のよい増幅が可能となる。更に、多音子放出率の低いガラスを使用することは、Ｓ帯の利得を高くすることができ、結果的に使用できる増幅帯域を広げることができるという別のメリットも有する。
【００５６】
しかしながら、ハイブリッド光ファイバ増幅器１０を構成する増幅器のうち、ＴＤＦＡ１０ａには１５３０ｎｍより長波長領域に大きな基底準位吸収による損失が存在するため、これによりＥＤＦＡ１０ｂのＣ帯の利得が失われてしまう。特に多音子放出率の高いガラスを用いた場合、多くのツリウムイオンが基底準位に残るためＴＤＦＡ１０ａによるＣ帯利得の減少が顕著となる。
【００５７】
したがって、Ｃ帯全域にわたって高い利得を得るためには、長いＳ帯用ツリウム添加光ファイバを採用することは難しい。この結果、Ｓ帯利得は非常に小さいものとなり、ハイブリッド光ファイバ増幅器としては、Ｓ帯で利得が小さな増幅器となってしまう。
【００５８】
これに対して、ふっ化物などの多音子放出率の低いガラスを用いれば、励起準位に励起されたツリウムイオンの割合を高くすることができる。このため、結果的に、比較的多くのツリウムイオンを用いた場合にもＣ帯における損失を小さくし、Ｓ帯の利得を上げることができ、広範な増幅帯域を利用することが可能となる。
【００５９】
多音子放出率の低いガラスとしては、例えば、フッ化物などのハライド系ガラス、アルミン酸ガラス、テルライト系酸化物ガラス、ビスマス系酸化物ガラスなどの酸化物系ガラス、カルコゲナイド系ガラスなどの硫化物系ガラス等が代表的である。
【００６０】
特にＺｒ系組成をベースにしたフッ化物ガラス（いわゆるＺＢＬＡＮガラス：ＺｒＦ４，ＢａＦ２，ＬａＦ３，ＡｌＦ３，ＮａＦ３等をネットワーク形成元素として有するガラス）は、すでに成熟した技術であり、ＴＤＦＡを高効率・高利得・低雑音の光増幅器とすることができる。
【００６１】
図２は、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器１０において、１４６０〜１５５０ｎｍ帯域の信号光を入力した場合の増幅特性を示すグラフである。同図に示すように、１４６０〜１５５０ｎｍ帯域において正の利得を有し、特に１４６０〜１５２０ｎｍ帯域において８ｄＢ以下と低い雑音指数を示すハイブリッド光ファイバ増幅器を実現することができた。
【００６２】
＜比較例１＞
図３は、比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図であり、従来の技術の欄に記載した非特許文献１に挙げられているハイブリッド光ファイバ増幅器である。同図に示すように、比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器は、前段部（入力側）にＥＤＦＡ２０、後段部（出力側）にＴＤＦＡ３０を直列に接続した２段構成となっている。
【００６３】
前段部のＥＤＦＡ２０は、増幅用エルビウム添加光ファイバ２１と、ＷＤＭカプラ２２と、９８０ｎｍの励起光を発生する励起光源２３などから構成される。また、後段部のＴＤＦＡ３０は、増幅用ツリウム添加光ファイバ３１と、ＷＤＭカプラ３２と、励起光源３３と、補助励起光源３４と、光サーキュレータ３５と、ミラー３６などから構成される。
【００６４】
ＴＤＦＡ３０は、増幅用ツリウム添加光ファイバ３１を通過した光が、ミラー３６によって反射され、再度同じ増幅用ツリウム添加光ファイバ３１を逆方向に通過してから出力される、ダブルパス構成となっている。光サーキュレータ３５は、ＥＤＦＡ２０からの信号を増幅用ツリウム添加光ファイバ３１へ入力し、ミラー３６において反射され再び増幅用ツリウム添加光ファイバ３１を通ってきた光を出力する働きをすると共に、高利得時にレーザ発振を抑圧するアイソレータとしての役割も有している。
【００６５】
図４は、比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の利得の波長依存性を示した図であり、図５は、比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の雑音指数の波長依存性を示した図である。これらの図に示すように、比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器は以下の問題を有する。
【００６６】
図４に示すように、１５３０ｎｍを中心に１４８０〜１５６０ｎｍの波長領域において利得が得られているが、特に１４８０〜１５１０ｎｍにおける利得が小さく、相対的な利得の平坦性が悪い。また、図５に示すように、１４８０〜１５１０ｎｍにおいて雑音指数が高い。
【００６７】
以上より、第１の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器は、ＴＤＦＡを入力側（前段）に設置し、使用帯域を１４６０〜１５２０ｎｍとすることにより、比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の有する問題を克服したものとなっている。
【００６８】
＜第２の実施形態（第２及び第３の発明の説明）＞
図６は、第２の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図であり、Ｓ帯ハイブリッド光ファイバ増幅器である。同図に示すように、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器４０は、入力側（前段）のＴＤＦＡ４０ａと、出力側（後段）のＴＤＡＦ４０ｃと、これらの間に挟まれた中段のＥＤＦＡ４０ｂとから構成される。
【００６９】
同図に示すように、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器４０は、第１の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器１０（図１参照）の構成を基本としており、後段のＴＤＦＡ４０ｃを更に直列接続した点と、前段のＴＤＦＡ４０ａに補助励起光源４４ｃを備えている点で、第１の実施形態と異なる。
【００７０】
ＴＤＦＡ４０ａにおける入力側の励起光源４４ａからの励起光と補助励起光源４４ｃからの励起光とを合波した後、増幅用ツリウム添加光ファイバ４１ヘ前方励起する。一方、後方励起光は、出力側の励起光源４４ｂからの励起光のみである。
【００７１】
ここでは、励起光源４４ａ，ｂとして１４００ｎｍ、補助励起光源４４ｃとして１２２０ｎｍの励起光を発生する励起光源を用いた。励起光源としては、このほかにも、７００ｎｍ±３０ｎｍ、８００ｎｍ±３０ｎｍ、１０５０ｎｍ±３０ｎｍ、１２００ｎｍ±３０ｎｍ、１４００ｎｍ±４０ｎｍ、１６５０ｎｍ±１３０ｎｍから２種類以上を選んで用いることができる。
【００７２】
このうち、主励起光である励起光源４４ａからの励起光としては、主に８００ｎｍ±３０ｎｍ、１０５０ｎｍ±３０ｎｍ、１４００ｎｍ±４０ｎｍ等の励起光が用いられる。一方、補助励起光源４４ｃの励起光としては、主に７００ｎｍ±３０ｎｍ、８００ｎｍ±３０ｎｍ（主励起光が８００ｎｍ±３０ｎｍでない場合）、１２００ｎｍ±３０ｎｍ、１６５０ｎｍ±１３０ｎｍ等の励起光が用いられる。
【００７３】
ＷＤＭカプラ４３ａ，ｂ、４６ａ，ｂやアイソレータ４２等に用いる光ファイバとしては、シングルモード条件かつ曲げ損失が小さいことが理想的であり、そのため信号光と励起光とは４０ｎｍ以上の差がない方が良い。この観点からは、励起光としては、特に１０５０ｎｍ±３０ｎｎｍ、１４００ｎｍ±４０ｎｍ、１２００ｎｍ±３０ｎｍ、１６５０ｎｍ±１３０ｎｍから選択される励起光とするのがよい。
【００７４】
更に、特に低い雑音指数を実現するためには、基底準位にあるイオンをほぼなくすことができる１２００ｎｍ±３０ｎｍ又は１６５０ｎｍ±１３０ｎｍの励起光と、励起下準位にあるイオンをほぼなくすことができる１０５０ｎｍ±３０ｎｍの励起光と組み合わせが有効である。また、高い出力を得るには、１４００ｎｍ±４０ｎｍの励起光と、１２００ｎｍ±３０ｎｍ又は１６５０ｎｍ±１３０ｎｍの励起光と組み合わせが好ましい。
【００７５】
図７は、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。同図に示すように、前段のＴＤＦＡ４０ａにおいて２種類の波長の励起光を用いることにより、第１の実施形態の場合と比較して、特に１５１０ｎｍより長波長領域での雑音指数の増加を抑圧できている。
【００７６】
これは、補助励起光源４４ｃからの補助励起光が基底準位にあるツリウムイオンの励起効率を上げることで、１５１０ｎｍより長波長領域での基底準位吸収による信号損失を低減できるためである。また、同じく基底準位吸収の低減により、１５３０ｎｍより長波長領域で起こるＴＤＦＡの信号光損失を抑制できるため、ＴＤＦＡがＥＤＦＡのＣ帯の利得を削ってしまうのを防ぐことができ、１５３０ｎｍより長波長領域をも含んださらに広帯域な光増幅が可能となる。
【００７７】
なお、後段に設置したＴＤＦＡ４０ｃは、前段に設置したＴＤＦＡ４０ａで補えきれなかった利得を得るための増幅器である。前段のＴＤＦＡ４０ａでは、補助励起光源４４ｃを用いることにより、基底準位のＴｍ３＋イオンをほぼ全て励起順位へ励起することが可能となっている。しかしながら、このような完全励起の条件では、Ｓ帯において必ずしも高い利得を得ることができない場合がある。そこで、後段のＴＤＦＡ４０ｃにより、この利得を補い、Ｓ帯においても十分な利得を得ている。
【００７８】
ＴＤＦＡで雑音指数が高くなりやすい１５３０より長波長の領域において、ＥＤＦＡ４０ｂにより高い利得・低い雑音指数がすでに得られていることから、後段のＴＤＦＡ４０ｃとしては、雑音指数は若干悪くとも、高利得・高エネルギー変換効率となるような増幅器を用いることが望ましい。
【００７９】
＜第３の実施形態（第２及び第３の発明の説明）＞
図８は、第３の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図であり、Ｓ帯ハイブリッド光ファイバ増幅器である。同図に示すように、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器５０は、入力側（前段）のＴＤＦＡ５０ａと、出力側（後段）のＴＤＡＦ５０ｃと、これらの間に挟まれた中段のＥＤＦＡ５０ｂとから構成される。
【００８０】
同図に示すように、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器５０は、第２の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器４０（図６参照）の構成を基本としており、後段のＴＤＦＡ５０ｃにも補助励起光源５４ｃを備えている点で、第２の実施形態と異なる。
【００８１】
ＴＤＦＡ５０ａにおける励起光源５４ａ，ｂ及び補助励起光源５４ｃからの励起光としては、雑音指数を下げるために、励起光源５４ａ，ｂでは１０４７ｎｍの励起光、補助励起光源５４ｃでは１２２０ｎｍの励起光を用いた。また、ＴＤＦＡ５０ｃにおける励起光源５４ａ，ｂ及び補助励起光源５４ｃからの励起光としては、エネルギー変換効率を重視して、励起光源５４ａ，ｂでは１４００ｎｍの励起光、補助励起光源５４ｃでは１５５０ｎｍの励起光を用いた。
【００８２】
このように、複数のＴＤＦＡにおいて２種類以上の波長の励起光を用いることで、低雑音指数かつ高出力のハイブリッド光ファイバ増幅器を実現できる。
【００８３】
＜第４の実施形態（第４〜第６の発明の説明）＞
図９は、第４の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図であり、Ｓ帯ハイブリッド光ファイバ増幅器である。同図に示すように、ハイブリッド光ファイバ増幅器６０は、前段のＴＤＦＡ６０ａと後段のＥＤＦＡ６０ｂとをカスケード接続とした、２段構成である。
【００８４】
前段のＴＤＦＡ６０ａは、増幅用ツリウム添加光ファイバ６１と、アイソレータ６２と、励起光源６４ａ，ｂと、信号光と励起光源６４ａからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ６３ａと、信号光と励起光源６４ｂからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ６３ｂとから構成される。
【００８５】
励起光源６４ａ，ｂからの励起光としては、１０５０ｎｍ近傍や、約１３５０〜１４５０ｎｍの励起光を通常用いる。励起光源６４ａ，ｂとしては、高出力レーザダイオード（ＬＤ）、固体レーザ、ファイバレーザ又はファイバラマンレーザなどが用いられる。
【００８６】
ＴＤＦＡ６０ａに入力された信号光と、励起光源６４ａからの励起光とは、ＷＤＭカプラ６３ａにより合波され、増幅用ツリウム添加光ファイバ６１に入力される。ＴＤＦＡ６０ａの入力ポートと出力ポートには、それぞれアイソレータ６２が備えられており、利得が高い場合にレーザ発振が起こることを防いでいる。
【００８７】
後段のＥＤＦＡ６０ｂは、増幅用エルビウム添加光ファイバ６５ａ，ｂ，ｃと、フィルタリング手段である光フィルタ６８ａ，ｂと、アイソレータ６２と、励起光源６７ａ，ｂと、信号光と励起光源６７ａからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ６６ａと、信号光と励起光源６７ｂからの励起光とを合波するＷＤＭカプラ６６ｂとから構成される。
【００８８】
増幅用エルビウム添加光ファイバは、増幅用エルビウム添加光ファイバ６５ａ，ｂ，ｃと３つに分割されており、光ファイバ６５ａと６５ｂとの間に光フィルタ６８ａが、光ファイバ６５ｂと６５ｃとの間に光フィルタ６８ｂが挿入されている。光フィルタとしては、例えば、多層膜フィルタ、エタロンフィルタ、マッハツェンダー干渉系型フィルタ、ファイバブラッググレーティングフィルタ、ファブリ・ペロー型フィルタなどが挙げられる。
【００８９】
フィルタリング手段としては、光フィルタ６８ａ，ｂのほかに、コアやクラッドに１５３０〜１５６０ｎｍの光を吸収する吸収剤を添加する手段、光ファイバに長周期グレーティングなどを書き込んで１５３０〜１５６０ｎｍのＡＳＥを抑庄する手段、光ファイバをボビンに巻きつける等して、光ファイバのコア径や比屈折率差、曲率半径などを最適にして、光ファイバの曲げ損失やカットオフ波長での損失を利用する手段などが挙げられる。
【００９０】
励起光源６７ａ，ｂからの励起光としては、９８０ｎｍや約１３５０ｎｍ〜１４５０ｎｍの励起光を通常用いる。増幅用エルビウム添加光ファイバ６５ａ，ｂ，ｃが特に１４７０〜１５００ｎｍの領域の信号を比較的損失なく透過させるために、高い反転分布が必要となるからである。励起光源６７ａ，ｂとしては、高出力レーザダイオード（ＬＤ）、固体レーザ、ファイバレーザ又はファイバラマンレーザなどが用いられる。
【００９１】
ＥＤＦＡ６０ｂに入力された信号光と、励起光源６７ａからの励起光とは、ＷＤＭカプラ６６ａにより合波され、増幅用エルビウム添加光ファイバ６５ａに入力される。光フィルタ６８ａ，ｂは、励起光と信号光とを通し、ＥＤＦＡの高利得領域である１５３０〜１５６０ｎｍに生成されるＡＳＥを除去する役割を果たす。これにより、１５３０〜１５６０ｎｍに成長するＡＳＥを抑えながら、高効率よく、Ｓ帯信号を増幅することが可能となる。ＥＤＦＡ６０ｂの入力ポートと出力ポートには、それぞれアイソレータ６２が備えられており、利得が高い場合にレーザ発振が起こることを防いでいる。
【００９２】
ＴＤＦＡ６０ａを構成する増幅用ツリウム添加光ファイバ６１の材料としては、通常の光ファイバに用いられる石英系ガラスと比較して、多音子放出率の低いガラスを用いる。多音子放出率の低いガラスを使用するメリットとしては、励起効率が高くなるというメリットがある。
【００９３】
多音子放出率の低いガラスとしては、例えば、フッ化物などのハライド系ガラス、アルミン酸ガラス、テルライト系酸化物ガラス、ビスマス系酸化物ガラスなどの酸化物系ガラス、カルコゲナイド系ガラスなどの硫化物系ガラス等が代表的である。
【００９４】
特にＺｒ系組成をベースにしたフッ化物ガラス（いわゆるＺＢＬＡＮガラス：ＺｒＦ４，ＢａＦ２，ＬａＦ３，ＡｌＦ３，ＮａＦ３等をネットワーク形成元素として有するガラス）は、すでに成熟した技術であり、ＴＤＦＡを高効率・高利得・低雑音の光増幅器とすることができる。
【００９５】
図１０は、第４の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。増幅波長領域が、１４６０〜１５２５ｎｍと第１及び第２の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器と比較して狭くなったものの、１５２５ｎｍより短波長のＥＤＦＡの利得を大きく得ることができることから、利得の波長依存性は比較的平坦となり、入力変化などに対しても利得スペクトルの変化が比較的少ない増幅器が得られた。
【００９６】
一般に用いられているＥＤＦＡの増幅帯域は１５３０〜１５６５ｎｍであることから、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器をＣ帯ＥＤＦＡと並列接続する構成を採用すれば、５ｎｍという狭いデッドゾーンで、１４６０〜１５６０ｎｍまで広帯域な増幅器を構成することができる。
【００９７】
また、Ｌ帯ＥＤＦＡの増幅帯域は、１５６５〜１６２０ｎｍであることから、本発明のハイブリッド増幅器（増幅帯域：１４６０〜１５２５ｎｍ）、Ｃ帯ＥＤＦＡ（増幅帯域：１５３０〜１５６０ｎｍ）、Ｌ帯ＥＤＦＡの３つを並列接続すれば、各帯域を接続する帯域合波カプラのデッドゾーンが１５２５〜１５３０ｎｍ、１５６０〜１５６５ｎｍに５ｎｍずつ、トータル１０ｎｍ生じるだけで、１４６０〜１６２０ｎｍの広範囲にわたる光増幅器を構成することができる。
【００９８】
＜第５の実施形態（第４及び第５の発明の説明）＞
図１１は、第５の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図であり、Ｓ帯ハイブリッド光ファイバ増幅器である。同図に示すように、ハイブリッド光ファイバ増幅器７０は、前段のＥＤＦＡ７０ａと後段のＴＤＦＡ７０ｂとを直列接続した、２段構成としている。
【００９９】
前段のＥＤＦＡ７０ａにおける増幅用エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）７５には、１５３０〜１５６０ｎｍの光をフィルタリングする手段として、ＥＤＦの曲げ損失を用いている。ＥＤＦの比屈折率差やカットオフ波長を曲げ損失が有効に出るような値に設定した上で、ボビンにＥＤＦを巻きつけて、曲げ応力を加えている。
【０１００】
本実施形態では、カットオフ波長として８５０ｎｍ、比屈折率差△ｎを１．５％とした上で、ボビン直径として５ｃｍのものを用いた。ＥＤＦにかける張力については、増幅スペクトルをモニタしながら調整した上で、接着剤などを用いて固定した。本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器においても、図１０に示す増幅特性と同様の増幅特性を得ることができた。
【０１０１】
本実施形態では、カットオフ波長として８５０ｎｍ、比屈折率差△ｎを１．５％のＥＤＦを用いた上で、ボビン直径を５ｃｍとしたが、光ファイバの△ｎやカットオフ波長、ボビン直径は１５３０〜１５６０ｎｍに曲げ損失が出るように設定されていればよく、本発明はこのパラメータ値に限られるものではない。
【０１０２】
また、本実施形態では、光ファイバの曲げ損失を利用する手段を示したが、このほかの手段として、コアやクラッドに１５３０〜１５６０ｎｍの光を吸収する吸収剤を添加する手段、光ファイバに長周期グレーティングなどを書き込んで１５３０〜１５６０ｎｍのＡＳＥを抑圧する手段などを使用することも可能である。
【０１０３】
ＥＤＦＡを前段とし、後段をＴＤＦＡとした場合、ＴＤＦＡを前段、ＥＤＦＡを後段とした場合と比較して、出力が高くとれるというメリットがある。本発明のような、ＥＤＦＡの１５３０〜１５６０ｎｍの利得を削って、１４８０〜１５２５ｎｍの利得を出そうとした場合、高い反転分布を維持しなくてはならない。高い反転分布を形成するために強い励起光を入力する場合、励起光のうち多くが増幅に使用されずに外に出てしまうこととなるため、本質的にこのようなＥＤＦＡではエネルギー変換効率が低い。このＥＤＦＡを後段とすると高い励起光を投入する割に出力があまりとれないと言うことになる。ＥＤＦＡを前段に配し、ＴＤＦＡを後段とした場合は、ＴＤＦＡの効率が良いため、全体として効率が高くとれるというメリットがある。
【０１０４】
＜第６の実施形態（第７〜第１１の発明の説明）＞
図１２は、第６の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。第６の実施形態は、Ｕ帯ハイブリッド光ファイバ増幅器についてである。同図に示すように、本実施形態にかかるハイブリッド光ファイバ増幅器の構成は基本的には図１と同じである。
【０１０５】
第１、第２、第４の実施形態と本実施形態とで異なるのは、ＥＤＦＡ８０ｂの動作条件である。第１、第２、第４の実施形態では、主に増幅用エルビウム添加光ファイバを、通常のＣ帯の増幅器にもちいる光ファイバ長の条件で使用していた。一方、本実施形態では、光ファイバ長を長くしてＬ帯の増幅器にもちいる光ファイバ長の条件、もしくはＬ帯の増幅器にもちいる光ファイバ長よりも長い条件で使用する。すなわち、エルビウム添加光ファイバを、Ｃ帯の増幅器に用いるファイバ長から更に長くしていくと、利得帯域が長波長側へシフトし、ある長さで１６００ｎｍにおける利得が１５３０ｎｍにおける利得よりも大きくなるが、本実施形態では、この１６００ｎｍにおける利得が１５３０ｎｍにおける利得よりも大きくなる長さよりも更に長いエルビウム添加光ファイバを用いることを特徴としている。
【０１０６】
ＴＤＦＡ８０ａに使用する増幅用ツリウム添加光ファイバ８１には、ＴＤＦＡの高利得領域である１７５０〜２０００ｎｍの利得を抑圧する光フィルタ（フィルタリング手段）などが必要である。光フィルタを利用しない場合には、１７５０〜２０００ｎｍ帯域でＡＳＥが成長し、これがＴＤＦＡの３Ｆ４−３Ｈ６間の反転分布を劣化させる。
【０１０７】
本実施形態では、ＴＤＦＡ８０ａにおける増幅用ツリウム添加光ファイバ８１として、クラッドにテルビウムイオン（Ｔｂ３＋）が添加されている増幅用ツリウム添加光ファイバ８１を用いる。また、増幅用ツリウム添加光ファイバを複数に分割し、前記各光ファイバの間に、１６２０〜１７００ｎｍの光を透過し、１７５０〜２０００ｎｍの光を阻止する光フィルタ（例えば、多層膜フィルタ、エタロンフィルタ、マッハツェンダー干渉系型フィルタ、ファイバブラッググレーティングフィルタ、ファブリ・ペロー型フィルタなど）を挿入しても、同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
ＴＤＦＡ８０ａに用いる励起光源８４ａ，ｂとしては、１２００ｎｍ帯の励起光を発する励起光源が望ましい。ＥＤＦＡ８０ｂに用いる励起光源８７ａ，ｂとしては、９８０ｎｍ帯のほか、１４８０ｎｍ帯又はそれより長波長領域（＜１６００ｎｍ）の励起光を発する励起光源を用いることができる。
【０１０９】
図１３は、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。同図から分かるように、１６３０〜１６７５ｎｍにかけて比較的平坦な利得の増幅器が実現されている。
【０１１０】
ＥＤＦＡの利得は一般的には１５３０〜１５６０ｎｍであるが、ファイバ長などのパラメータを最適化（具体的にはファイバ長をより長く）することにより、利得帯域を１５６０〜１６００ｎｍ、あるいはさらに長波長領域ヘシフトさせることができる。本実施形態では、Ｕ帯（１６３０〜１６７５ｎｍ）ＴＤＦＡ８０ａとＥＤＦＡ８０ｂとをハイブリッドする際に、ＥＤＦＡ８０ｂの利得を前述する方法により長波長ヘシフトさせ、１６００ｎｍにおける利得を１５３０ｎｍの利得よりも大きくすることにより、図１３に示す増幅特性を得ることができた。
【０１１１】
＜第７の実施形態（第７〜第１０、第１２の発明の説明）＞
第７の実施形態は、Ｕ帯のハイブリッド増幅器についてである。本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の構成は図１１と同じであり、増幅器は光信号が入力される先頭からＥＤＦＡ、ＴＤＦＡの順に直列接続されている。使用した部品や各段のＥＤＦＡ、ＴＤＦＡの構成は、第６の実施形態におけるＥＤＦＡ、ＴＤＦＡと同じであり、ＥＤＦＡを先頭とした点のみが第６の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器と異なる。
【０１１２】
ＥＤＦＡを先頭とした場合のメリットは、入力信号パワーが高い場合にも比較的雑音指数を低く保つことができる点である。ＴＤＦＡは、３準位系利得帯域の短波長領域を利用していることから、入力パワーが上昇すると雑音指数が急激に劣化する傾向にあるのに対し、ＥＤＦＡは入力パワーが比較的高い場合にも雑音指数の上昇があまり大きくない。このため、ＥＤＦＡを先頭に配置することにより、信号入力が高い場合にもハイブリッド光ファイバ増幅器全体の雑音指数の上昇を防ぐことができる。
【０１１３】
図１４は、本実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器における、増幅特性を示すグラフである。なお、同図には、入力信号が小信号（−２０ｄＢｍ）の場合と大信号（０ｄＢｍ）の場合の増幅特性を示してある。また、図１５は、ＴＤＦＡを先頭としたハイブリッド光ファイバ増幅器における、増幅特性を示すグラフであり、本実施形態に対する比較図である。
【０１１４】
これらの図に示すように、入力信号が小信号の場合にはＴＤＦＡを先頭とした場合の方が雑音指数が低いが、入力信号が大信号の場合には本実施形態であるＥＤＦＡを先頭とした場合の方が雑音指数が低くなることがわかる。
【０１１５】
【発明の効果】
第１の発明によれば、信号光を入力する先頭の増幅器をＥＤＦＡとした場合に生じていた、１５２０ｎｍより短波長領域における雑音指数の上昇を、低減することができる。また、ＴＤＦＡを先頭とすることで、特にＳ帯において高い利得Ｇ１と低いＮＦ１を得ることができるため、Ｓ帯とＣ帯の一部を含む広範な領域において、低いＮＦｔｏｔを実現することができる。
【０１１６】
第２及び第３の発明によれば、２種類以上の波長の励起光を用いることにより、基底準位のイオン数を大幅に減少させることができ、１５１０ｎｍより長波長領域において雑音指数を改善することができる。また、２種類以上の波長による励起は、前記「Ｓ帯における第２の課題」に記載した、１５３０ｎｍよりも長波長領域においてＴＤＦＡが信号損失を有することにより、ＥＤＦＡの利得が削られてしまうという課題を解決するという意味でも有効である。
【０１１７】
第４ないし第６の発明によれば、ＥＤＦＡの高利得領域に相当する波長の光を阻止するフィルタリング手段を、例えば、ＥＤＦＡ中に設置し、ＡＳＥの成長を抑えることにより、高利得時にＳ帯の利得が減少してハイブリッド光ファイバ増幅器の帯域が狭くなったり、ＮＦが上昇したりすることを避けることができる。
【０１１８】
第７ないし第１２の発明によれば、１６００ｎｍにおける利得が１５３０ｎｍにおける利得よりも大きいことを特徴とするＬ帯用ＥＤＦＡを用いることにより、Ｕ帯ＴＤＦＡと接続して広帯域のハイブリッド光ファイバ増幅器を構成することができる。また、フィルタリング手段による効果は、前記第４〜第６の発明の効果と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。
【図３】比較例１に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図４】比較例１に係る増幅器の利得の波長依存性を示したグラフである。
【図５】比較例１に係る増幅器の雑音指数の波長依存性を示したグラフである。
【図６】第２の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図７】第２の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。
【図８】第３の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図９】第４の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図１０】第４の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。
【図１１】第５の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図１２】第６の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図１３】第６の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。
【図１４】第７の実施形態に係るハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。
【図１５】ＴＤＦＡを先頭に配置したハイブリッド光ファイバ増幅器の増幅特性を示すグラフである。
【図１６】Ｓ帯ＴＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。
【図１７】Ｓ帯ＥＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。
【図１８】Ｌ帯ＥＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。
【図１９】Ｕ帯ＴＤＦＡの増幅特性を示すグラフである。
【図２０】Ｔｍ３＋のエネルギー準位図である。
【符号の説明】
１０ ハイブリッド光ファイバ増幅器
１０ａ ＴＤＦＡ
１０ｂ ＥＤＦＡ
１１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
１２ アイソレータ
１３，１６ ＷＤＭカプラ
１４ａ，ｂ 励起光源
１５ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
１７ａ，ｂ 励起光源
２０ ＥＤＦＡ
２１ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
２２ ＷＤＭカプラ
２３ 励起光源
３０ ＴＤＦＡ
３１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
３２ ＷＤＭカプラ
３３ 励起光源
３４ 補助励起光源
３５ 光サーキュレータ
３６ ミラー
４０ ハイブリッド光ファイバ増幅器
４０ａ ＴＤＦＡ
４０ｂ ＥＤＦＡ
４０ｃ ＴＤＦＡ
４１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
４２ アイソレータ
４３，４６ ＷＤＭカプラ
４４ａ，ｂ 励起光源
４４ｃ 補助励起光源
４５ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
４７ａ，ｂ 励起光源
５０ ハイブリッド光ファイバ増幅器
５０ａ ＴＤＦＡ
５０ｂ ＥＤＦＡ
５０ｃ ＴＤＦＡ
５１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
５２ アイソレータ
５３，５６ ＷＤＭカプラ
５４ａ，ｂ 励起光源
５４ｃ 補助励起光源
５５ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
５７ａ，ｂ 励起光源
６０ ハイブリッド光ファイバ増幅器
６０ａ ＴＤＦＡ
６０ｂ ＥＤＦＡ
６１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
６２ アイソレータ
６３，６６ ＷＤＭカプラ
６４ａ，ｂ 励起光源
６５ａ，ｂ，ｃ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
６７ａ，ｂ 励起光源
６８ａ，ｂ 光フィルタ
７０ ハイブリッド光ファイバ増幅器
７０ａ ＥＤＦＡ
７０ｂ ＴＤＦＡ
７１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
７２ アイソレータ
７３，７６ ＷＤＭカプラ
７４ａ，ｂ 励起光源
７５ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
７７ａ，ｂ 励起光源
８０ ハイブリッド光ファイバ増幅器
８０ａ ＴＤＦＡ
８０ｂ ＥＤＦＡ
８１ 増幅用ツリウム添加光ファイバ
８２ アイソレータ
８３，８６ ＷＤＭカプラ
８４ａ，ｂ 励起光源
８５ 増幅用エルビウム添加光ファイバ
８７ａ，ｂ 励起光源
Claims (12)
- 複数のエルビウム添加光ファイバ増幅器と複数のツリウム添加光ファイバ増幅器とから構成され、前記増幅器を直列に接続してなるハイブリッド光ファイバ増幅器において、
信号光を入力する先頭の増幅器をツリウム添加光ファイバ増幅器としたことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器。 - 請求項１に記載するハイブリッド光ファイバ増幅器において、
少なくとも前記先頭に配置されたツリウム添加光ファイバ増幅器を、２種類以上の波長の励起光により励起することを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器。 - 請求項２に記載するハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記励起光の波長は、７００ｎｍ±３０ｎｍ，８００ｎｍ±３０ｎｍ，１０５０ｎｍ±３０ｎｍ，１２００ｎｍ±３０ｎｍ，１４００ｎｍ±４０ｎｍ又は１６５０ｎｍ±１３０ｎｍのいずれか２つ以上であることを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器。 - 複数のエルビウム添加光ファイバ増幅器と複数のツリウム添加光ファイバ増幅器とから構成され、前記増幅器を直列に接続してなるハイブリッド光ファイバ増幅器において、
更に、前記エルビウム添加光ファイバ増幅器の高利得領域に相当する波長の光を阻止するフィルタリング手段を設置したことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器。 - 請求項４に記載するハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記フィルタリング手段の阻止する波長領域は、１５３０〜１５３５ｎｍの波長領域を含むことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器。 - 請求項４又は５に記載するハイブリッド光ファイバ増幅器において
前記フィルタリング手段は、光フィルタであることを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器。 - 複数のエルビウム添加光ファイバ増幅器と複数のツリウム添加光ファイバ増幅器とから構成され、前記増幅器を直列に接続してなるハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記エルビウム添加光ファイバ増幅器は、１６００ｎｍにおける利得が１５３０ｎｍにおける利得よりも大きいことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器。 - 請求項７に記載するハイブリッド光ファイバ増幅器において、
更に、前記ツリウム添加光ファイバ増幅器の高利得領域に相当する波長の光を阻止するフィルタリング手段を設置したことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器。 - 請求項８に記載するハイブリッド光ファイバ増幅器において、
前記フィルタリング手段の阻止する波長領域は、１８００〜１８５０ｎｍの波長領域を含むことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器。 - 請求項８又は９に記載するハイブリッド光ファイバ増幅器において
前記フィルタリング手段は、光フィルタであることを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器。 - 請求項７ないし１０のいずれかに記載するハイブリッド光ファイバ増幅器において
信号光を入力する先頭の増幅器をツリウム添加光ファイバ増幅器としたことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器。 - 請求項７ないし１０のいずれかに記載するハイブリッド光ファイバ増幅器において
信号光を入力する先頭の増幅器をエルビウム添加光ファイバ増幅器としたことを特徴とするハイブリッド光ファイバ増幅器。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2003035038A JP2004247466A (ja) | 2003-02-13 | 2003-02-13 | ハイブリッド光ファイバ増幅器 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004247466A true JP2004247466A (ja) | 2004-09-02 |
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ID=33020566
Family Applications (1)
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| JP2003035038A Pending JP2004247466A (ja) | 2003-02-13 | 2003-02-13 | ハイブリッド光ファイバ増幅器 |
Country Status (1)
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|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007123477A (ja) * | 2005-10-27 | 2007-05-17 | Fujikura Ltd | 光増幅用ファイバ及び光増幅器 |
| JP2008227411A (ja) * | 2007-03-15 | 2008-09-25 | Nec Corp | 多段光増幅器及びその制御方法 |
| JP2019512924A (ja) * | 2016-03-01 | 2019-05-16 | アリス エンタープライジズ エルエルシーＡｒｒｉｓ Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ Ｌｌｃ | ポイントツーマルチポイントネットワーク用のコスト最適化されたアグリゲータベースの通信トポロジ |
-
2003
- 2003-02-13 JP JP2003035038A patent/JP2004247466A/ja active Pending
Cited By (4)
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