JP2004288747A - 増幅媒体及びそれを用いた光増幅器、並びに光源 - Google Patents
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Abstract
【課題】ツリウムイオンが添加された増幅媒体を使用して、増幅帯域もしくは発光波長域が１３６０〜１４６０ｎｍ（Ｅ帯）である、ツリウムイオンを含有する増幅器、ＡＳＥ光源を実現する。
【解決手段】コアにツリウムイオンを添加し、クラッドにエルビウムイオンを添加した増幅用ファイバ１０３に対し、信号光または１４６０ｎｍ以下のＡＳＥが１ｍｍ導波時に、増幅媒体内から発生する１４６０〜１５２０ｎｍ帯の増幅された自然放出光を６０％以上吸収するように、ツリウム添加濃度Ｃｏｎｃ（Ｔｍ）、エルビウム添加濃度Ｃｏｎｃ（Ｅｒ）、コア断面と信号光のモードフィールドの重なり比Γが以下の式を満たすように設定する。下式左辺が０．６６以上１．０Ｅ＋５以下であれば１０ｄＢ以上の利得が得られる可能性がある。
Ｃｏｎｃ（Ｅｒ）／Ｃｏｎｃ（Ｔｍ）×（１−Γ） ／Γ≧０．６６
【選択図】 図１
【解決手段】コアにツリウムイオンを添加し、クラッドにエルビウムイオンを添加した増幅用ファイバ１０３に対し、信号光または１４６０ｎｍ以下のＡＳＥが１ｍｍ導波時に、増幅媒体内から発生する１４６０〜１５２０ｎｍ帯の増幅された自然放出光を６０％以上吸収するように、ツリウム添加濃度Ｃｏｎｃ（Ｔｍ）、エルビウム添加濃度Ｃｏｎｃ（Ｅｒ）、コア断面と信号光のモードフィールドの重なり比Γが以下の式を満たすように設定する。下式左辺が０．６６以上１．０Ｅ＋５以下であれば１０ｄＢ以上の利得が得られる可能性がある。
Ｃｏｎｃ（Ｅｒ）／Ｃｏｎｃ（Ｔｍ）×（１−Γ） ／Γ≧０．６６
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路を増幅媒体として使用する光増幅に関し、より詳細には、増幅帯域もしくは発光波長域が１３６０〜１４６０ｎｍ（Ｅ帯）である、ツリウムイオンを含有する増幅媒体およびそれを備えた光増幅器、並びに増幅された自然放出光を発生する光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（ＷＤＭ）通信は、近年の光通信容量の急増に対応する最も有効な手段の１つである。波長分割多重通信では信号チャネル数の増加により、通信容量の拡大を行うことを特徴としているが、そのためには信号波長域の拡大が不可欠である。
【０００３】
現在の波長分割多重通信ではエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の増幅帯域であるＣ帯（１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍ）が一般に使用されている。また、Ｓ帯（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ）及びＬ帯（１５７０〜１６２０ｎｍ）はＣ帯と同等の光ファイバの低損失域及び低分散域にあり、次世代の信号波長域として注目されている。Ｓ帯用光ファイバ増幅器としてはツリウム添加光ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）、Ｌ帯用光ファイバ増幅器としては利得シフトのＥＤＦＡが既に提案されている。
【０００４】
更なる拡大帯域としてＥ帯（１３６０〜１４６０ｎｍ）が有望であるが、現在までにＥ帯の光増幅器はまだ実現されていない。また、Ｅ帯の光増幅器同様に、Ｅ帯の増幅された自然放出光（ＡＳＥ）光源も実現されていない。
【０００５】
現時点では、ＥＤＦＡによりＳ帯増幅、ＴＤＦＡ（３Ｆ４・３Ｈ６間増幅）によりＵ帯（１６２５〜１６７５ｎｍ）増幅が実現されている（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３を参照）。
【０００６】
通常であれば、ＥＤＦＡはＣ帯及びＬ帯、ＴＤＦＡは１９００ｎｍ付近に増幅帯域を有しており、その為にいずれの増幅器も反転分布状態を１００％にしても、利得ピークをＳ帯及びＵ帯にシフトさせることが不可能であるため、Ｓ帯及びＵ帯の高利得動作は難しい。しかし、上記の実現された上帯及びＵ帯の増幅器は、増幅用ファイバ長手方向に増幅帯域の長波長側の増幅された自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を断続的にもしくは連続的に除去する手段を用い、効率劣化の原因となる長波長側ＡＳＥの成長を抑制し、励起光が効率よく増幅帯域の短波長側の信号光増幅に利用できるようにすることで、Ｓ帯及びＵ帯の高利得動作を実現している。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｍ．Ａｒｂｏｒｅ， Ｙ．Ｚｈｏｕ， Ｇ．Ｋｅａｔｏｎ， Ｔ．Ｋａｎｅ， “３４ｄＢ ｇａｉｎ ａｔ １５００ｎｍ ｉｎ Ｓ−ｂａｎｄ ＥＤＦＡ ｗｉｔｈ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＡＳＥ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，” ｉｎ Ｐｒｏｃ， ＥＣＯＣ２００２． ２．２．２．， Ｃｏｐｅｎｈａｇｅｎ， Ｄｅｎｍａｒｋ， Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００２ 、
【０００８】
【非特許文献２】
Ｍ．Ｎｉｓｈｉｈａｒａ， Ｙ．Ｓｕｇａｙａ， Ｅ．Ｉｓｈｉｋａｗａ，“３４ｄＢ ｇａｉｎ ａｔ １５００ｎｍ ｉｎ Ｓ−ｂａｎｄ ＥＤＦＡ ｗｉｔｈ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＡＳＥ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，“ｉｎ Ｐｒｏｃ． ＯＡＡ２００２． ＯＷＢ４．， Ｖａｎｃｏｕｖｅｒ， Ｃａｎａｄａ， Ｊｕｌｙ ２００２
【０００９】
【非特許文献３】
Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ， Ｍ．Ｓｈｉｍｉｚｕ， Ｍ． Ｙａｍａｄａ， Ｔ．Ｋａｎａｍｏｒｉ， Ｙ．Ｏｈｉｓｈｉ， Ｙ．Ｔｅｒｕｎｕｍａ， Ｓ．Ｓｕｄｏ， “３５ｄＢ Ｇａｉｎ Ｔｍ−Ｄｏｐｅｄ ＺＢＬＹＡＮ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｔ １．６５ μｍ， ”ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌ Ｌｅｔｔ．， Ｖｏｌ． ８， Ｎｏ．３， Ｍａｒｃｈ １９９６
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ツリウムイオンの蛍光スペクトルはＥ帯にも及んでおり、そのためＥ帯光増幅器への適用が考えられる。図１５は、従来のツリウム添加光ファイバ増幅器の反転分布状態を変化させた時の利得スペクトルを表している。図１５に示すように、反転分布状態が高くなるにつれて、利得スペクトルが短波長域へシフトしている。しかし、反転分布を最も高い１００％（図１５において上の太線で示す）にしても、利得ピークは１４６０ｎｍより短波長域へシフトできない。つまり、従来の３凖位系光増幅器において用いられている反転分布状態の制御による増幅帯域のシフト法では、Ｅ帯（１３６０〜１４６０ｎｍ）において高利得を得るのは難しい。
【００１１】
このため、前述したように、現在までにＥ帯の光増幅器及びＥ帯のＡＳＥ光源は実現されていない。
【００１２】
本発明は、上述のような問題を鑑みてなされたもので、その目的は、ツリウムイオンが添加された増幅媒体を使用して、増幅帯域もしくは発光波長域が１３６０〜１４６０ｎｍ（Ｅ帯）である、ツリウムイオンを含有する増幅媒体およびそれを備えた光増幅器、並びに増幅された自然放出光を発生する光源を実現することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、増幅媒体の長手方向に沿って、増幅帯域の長波長側の増幅された自然放出光（ＡＳＥ）を断続的にもしくは連続的に除去することで、効率劣化の原因となる長波長側ＡＳＥの成長を抑制し、励起光が効率よく増幅帯域の短波長側の信号光増幅もしくはＡＳＥ光発生に利用できるようにすることで、Ｅ帯（１３６０〜１４６０ｎｍ）の高利得動作の光増幅器及びＡＳＥ光源を実現する。
【００１４】
その実現のため、請求項１に記載の発明は、ツリウムイオンをコアまたはクラッドの少なくともいずれか一方に添加した光ファイバ或いは光導波路を用いた増幅媒体において、クラッドにエルビウムイオンが添加されることを特徴とする。
【００１５】
ここで、好ましくは、信号光または１４６０ｎｍ以下の自然放出光、または１４６０ｎｍ以下の増幅された自然放出光のうち、少なくとも１つが１ｍｍ導波時に、増幅媒体内から発生する１４６０〜１５２０ｎｍ帯の増幅された自然放出光を６０％以上吸収するようにファイバパラメータ及びエルビウム添加濃度が設定される。
【００１６】
また、好ましくは、ツリウム添加濃度Ｃｏｎｃ（Ｔｍ）、エルビウム添加濃度Ｃｏｎｃ（Ｅｒ）、コア断面と信号光のモードフィールドの重なり比Γが以下の式を満たすように設定される。
Ｃｏｎｃ（Ｅｒ）／Ｃｏｎｃ（Ｔｍ）×（１−Γ） ／Γ≧０．６６
ただし、上式左辺が１．０Ｅ＋７を超える場合には、Ｅ帯全域にわたりツリウムイオンの蛍光量（単位長さ当り）よりもエルビウムイオンの吸収量（単位長さ当り）が大きくなってしまうため、Ｅ帯内での増幅を得られない可能性がある。一方、上式左辺が０．６６以上１．０Ｅ＋５以下であれば１０ｄＢ以上の利得を得られる可能性がある。
【００１７】
請求項４、請求項６に記載の発明は、ツリウムイオンをコアまたはクラッドの少なくともいずれか一方に添加した光ファイバ或いは光導波路を増幅媒体として使用し、該増幅媒体の入力端で受け取った信号光を光学的に増幅して増幅媒体の出射端から出力する光ファイバ増幅器もしくは増幅された自然放出光を発生する光源において、増幅媒体に、増幅始終凖位間の蛍光断面積のピーク波長よりも長波長域の増幅帯域内の増幅された自然放出光を５０％以上除去するフィルタが１台以上挿入されていることを特徴とする。
ここで、好ましくは、前記フィルタが１４６０ｎｍ以下の光のみを透過する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の光増幅器（光ファイバ増幅器）の第１の実施形態における構成を示す。同図に示すように、この光増幅器は、光信号の入力側のアイソレータ１０１、励起光を発生する励起光源１０７、励起光用のアイソレータ１０６、励起光と信号光を合波する合波器１０２、そのコアにツリウムイオンを、そのクラッドにエルビウムイオンを添加した増幅用ファイバ１０３、および増幅された光信号の出力側のアイソレータ１０５から構成される。
【００１９】
希土類イオンを添加した増幅用ファイバ１０３のホストガラスとしては、石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスとテルライトガラス等が使用可能である。
【００２０】
合波器１０２としては、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
【００２１】
励起光を発生する励起光源１０７としては、Ｎｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
【００２２】
図２は、ツリウムイオン（Ｔｍ３＋）の蛍光断面積と、エルビウムイオン（Ｅｒ３＋）の吸収断面積の波長依存性を示す。これら２つの断面積は１４６０〜１５２０ｎｍの範囲を中心に大きく重なっており、２つのイオンを同時に添加することで、エルビウムイオンをツリウムイオンから発する１４６０〜１５２０ｎｍの光の吸収媒体とすることが可能である。
【００２３】
一例として、本実施形態では、伝播する信号光には１４１０−１４４０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波のものを使用し、増幅用ファイバ１０３はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとして、そのコアにツリウムイオンを２０００ｐｐｍ、そのクラッドにエルビウムイオンを２０００ｐｐｍを添加した２０ｍのファイバを使用した。また、励起光源１０７の励起波長は１０４７ｎｍ、アイソレータ１０１，１０５の中心波長は１４３０ｎｍ、アイソレータ１０６の中心波長は１０５０ｎｍ、合波器１０２は１０５０ｎｍの光と１４３０ｎｍの光を合波する溶融延伸のファイバ型のものを使用した。
【００２４】
図３は、上記の条件で、信号光パワーが１９ｄＢｍ／ｃｈ×１６ｃｈ、励起光パワーが５００ｍＷ時の本実施形態における光増幅器の利得スペクトル（太線のＣ）を示す。なお、比較のために同一実験条件でクラッド部にツリウムイオンのみ添加してエルビウムイオンが無添加時の利得スペクトル（細線のＤで示す）も併載した。利得の評価は−３５ｄＢｍの小信号プローブ光をスキャンすることにより測定した。図３に示すように、利得２０ｄＢ以上の利得帯域はＣの太線で示す本実施形態の光増幅器では１４１０−１４４０ｎｍ、Ｄの細線で示すエルビウムイオン無添加時では１４５３−１４８３ｎｍであり、これは本発明の有効性を実証すると共に、Ｅ帯の高利得動作を実現したことを実証している。
【００２５】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の光増幅器（光ファイバ増幅器）の第２の実施形態における構成を示す。同図に示すように、この光増幅器は、図１の第１の実施形態の部品構成に、さらに２段目の励起光源２０９、アイソレータ２０８、合波器２０４を付加した構成のものであり、コアにツリウムイオンを、クラッドにエルビウムイオンを添加した増幅用ファイバ２０３、４個のアイソレータ２０１，２０５，２０６，２０８、励起光と信号光を合波する２個の合波器２０２，２０４、および２個の励起光源２０７，２０９から構成される。
【００２６】
希土類イオンを添加した増幅用ファイバ２０３のホストガラスとしては、第１の実施形態と同様に、石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスとテルライトガラス等が利用できる。
【００２７】
合波器２０２，２０４としては、第１の実施形態と同様に、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。本例では、誘電体多層膜型の合波器２０２、２０４を用いた。
【００２８】
励起光を発生する励起光源２０７，２０９としては、第１の実施形態と同様に、Ｎｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
【００２９】
本実施形態では、第１の実施形態と同様に、伝播する信号光は１４１０−１４４０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波のものを使用し、増幅用ファイバ２０３はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとして、そのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加したファイバを使用し、励起光源２０７，２０９の励起波長は１０４７ｎｍを使用した。また、アイソレータ２０１，２０５の中心波長は１４３０ｎｍ、アイソレータ２０６，２０８の中心波長は１０５０ｎｍ、合波器２０２，２０４は１０５０ｎｍの光と１４３０ｎｍの光を合波する溶融延伸のファイバ型のものを使用した。
【００３０】
励起光源２０７，２０９から発生した１０４７ｎｍの励起光は、中心波長が１０５０ｎｍのアイソレータ２０６，２０８を通って合波器２０２，２０４に達する。一方、入力側ファイバ２００に入力した１４１０−１４４０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波の信号光は、中心波長が１４３０ｎｍのアイソレータ２０１を通って前段の合波器２０２において１０５０ｎｍの励起光と合波され、合波された光はコアにツリウムイオン、クラッドにエルビウムイオンを添加した増幅用ファイバ２０３で増幅された後、再び後段の合波器２０４において１０５０ｎｍの励起光と合波され、この合波された光は、中心波長が１４３０ｎｍのアイソレータ２０５を通って出力側光ファイバ３１０から出力される。
【００３１】
図５は、増幅用ファイバ２０３のコア断面と信号光のモードフィールドの重なり比Γ＝０．３の時において、信号光が増幅媒体内１ｍｍまで導波した時に増幅媒体内から発生する１４５０〜１５２０ｎｍ帯の増幅された自然放出光のエルビウムイオンによる吸収率Ａ（％）とエルビウムイオンの添加濃度（ｐｐｍ）の関係をプロットした図である。エルビウムイオン添加濃度が増加するに伴い、吸収率も大幅に増加している。添加濃度３０００ｐｐｍ時にはＡ＝６０％を達成している。
【００３２】
図６は、ツリウムイオンの添加濃度が１０００ｐｐｍ、信号光のパワーが１９ｄＢｍ／ｃｈ×１６ｃｈ、励起光のパワーが６００ｍＷ（前方：３００ｍＷ、後方：３００ｍＷ）のときの、ＷＤＭ（波長分割多重）信号の平均利得ＧＡＶＥ（ｄＢ）、平均雑音指数ＮＦＡＶＥ（ｄＢ）の吸収率Ａ（％）依存性を示す。吸収率Ａが増加するに伴い、実線Ｅで示すＷＤＭ信号の平均利得ＧＡＶＥが増加しており、特にＡ＝６０％付近から急激に増加している。一方、実線Ｆで示す平均雑音指数ＮＦＡＶＥは殆ど劣化していない。
【００３３】
Ａ＝６０％は、図５を参照するとΓ＝０．３の時でエルビウムイオンの添加濃度が３０００ｐｐｍに相当し、更なる高利得を得るためには吸収率Ａの値が大きくなるようエルビウムイオンの添加濃度を高くすれば良いことがわかる。
【００３４】
以上のことから、微小区間あたりの増幅された自然放出光の吸収率が増加するようにエルビウムイオン添加濃度を設定すれば、Ｅ帯における高効率増幅が可能である。
【００３５】
なお、本実施形態ではコア断面と信号光のモードフィールドの重なり比Γを固定し、エルビウムイオン添加濃度を変化させてＥ帯の高利得化を目指したが、そのΓを変化させても吸収率Ａの値は変化するので、Γ単独もしくはΓとエルビウムイオン添加濃度を関連付けて設定することも可能である。
【００３６】
図７は、信号のパワーが１９ｄＢｍ／ｃｈ、励起光のパワーが６００ｍＷ（前方：３００ｍＷ、後方：３００ｍＷ）、Γ＝０．３、エルビウムイオン添加濃度が５０００ｐｐｍ時の本実施形態の光増幅器の利得スペクトルを示す。利得の評価は−３５ｄＢｍの小信号プローブ光をスキャンすることにより測定した。利得２０ｄＢ以上の利得帯域は本実施形態の光増幅器では１４２０−１４５０ｎｍであり、本実施形態の構成で、Ｅ帯の光増幅器（Ｅ帯アンプ）を実現できることを実証できた。
【００３７】
（第３の実施形態）
図８は、本発明の光増幅器（光ファイバ増幅器）の第３の実施形態における構成を示す。同図に示すように、この光ファイバ増幅器は、図１の第１の実施形態と同様な部品構成のもので、そのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加した増幅用ファイバ３０３と、３個のアイソレータ３０１，３０５，３０８と、励起光と信号光を合波する１個の合波器３０２と、励起光源３０７から構成される。
【００３８】
希土類イオンを添加した増幅用ファイバ３０３のホストガラスとしては、前述の第１と第２の実施形態と同様に、石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスとテルライトガラス等を使用可能である。
【００３９】
合波器３０２としては、前述の第１と第２の実施形態と同様に、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
【００４０】
励起光を発生する励起光源３０７としては、前述の第１と第２の実施形態と同様に、Ｎｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
【００４１】
本実施形態では、信号光は１４１０−１４４０ｎｍもしくは１４２０−１４５０ｎｍもしくは１４３０−１４５０ｎｍで、２ｎｍ間隔の１６波を使用し、増幅用ファイバ３０３はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしてそのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加したファイバを使用し、励起光源３０７の励起波長は１０４７ｎｍ、アイソレータ３０１，３０５の中心波長は１４３０ｎｍ、アイソレータ３０６の中心波長は１０５０ｎｍ、合波器３０２は１０５０ｎｍの光と１４３０ｎｍの光を合波する溶融延伸のファイバ型のものを使用した。
【００４２】
ここで、ツリウムイオン添加濃度をＣｏｎｃ（Ｔｍ）、エルビウムイオン添加濃度をＣｏｎｃ（Ｅｒ）としてαを以下の式（１）のように定義する。
α＝Ｃｏｎｃ（Ｅｒ）Ｃｏｎｃ（Ｔｍ）×（１−Γ）／Γ …（１）
【００４３】
図９は、増幅用ファイバ３０３のツリウムイオン添加濃度が１０００ｐｐｍ、ファイバ長が３０ｍ、信号光パワーが１９ｄＢｍ／ｃｈ×１６ｃｈ、励起光パワーが６００ｍＷ（前方：３００ｍＷ、後方：３００ｍＷ）時において、ＷＤＭ信号の平均利得ＧＡＶＥのαの依存性を示す。細線Ｇで表わす１４３０−１４６０ｎｍに信号を配置した場合、α＝０．６６時に最大の平均利得ＧＡＶＥを達成している。信号波長域が１４２０−１４５０ｎｍの破線Ｈ、１４１０−１４４０ｎｍの太線Ｉのグラフから分かるように、信号波長域が更に短波長域に設定するに従い、最大の平均利得ＧＡＶＥを達成時のαは更に増加する傾向にある。以上のことからＥ帯において高利得を得るためにはαを０．６６以上に設定する必要がある。即ち、次式（２）を満足させる必要がある。
Ｃｏｎｃ（Ｅｒ）Ｃｏｎｃ（Ｔｍ）×（１−Γ）／Γ≧０．６６ …（２）
ただし、αが１．０Ｅ＋７を超える場合には、Ｅ帯全域にわたりツリウムイオンの蛍光量（単位長さ当り）よりもエルビウムイオンの吸収量（単位長さ当り）が大きくなってしまうため、Ｅ帯内での増幅を得られない可能性がある。他方、αが０．６６以上で１．０Ｅ＋５以下であれば１０ｄＢ以上の利得を得る可能性がある。
【００４４】
図１０は、図９の実験条件において、信号帯域を１４３０−１４６０ｎｍ、α＝０．６６時の利得スペクトルを示す。この結果、１４３０−１４６０ｎｍで利得２５ｄＢ以上を達成しており、本実施形態の構成で、Ｅ帯の光増幅器（Ｅ帯アンプ）を実現できることを実証できた。
【００４５】
（第４の実施形態）
図１１は、本発明の光増幅器（光ファイバ増幅器）の第４の実施形態における構成を示す。同図に示すように、この光増幅器は、図１または図８に示すと同様な構成の光増幅器を複数ユニット、増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を除去するフィルタを介して縦続接続したもので、そのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加した３個の増幅用ファイバ４０３，４１１，４１８と、９個のアイソレータ４０１，４０５，４０６，４０９，４１２，４１３，４１６，４１９，４２０と、励起光と信号光を合波する３個の合波器４０２，４１０，４１７と、３個の励起光源４０７，４１４，４２１と、増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を５０％以上除去する２個のフィルタ４０８，４１５とから構成される。
【００４６】
希土類イオンを添加した増幅用ファイバ４０３，４１１，４１８のホストガラスとしては、前述の各実施形態と同様に、石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスとテルライトガラス等が使用可能である。
【００４７】
合波器４０２，４１０，４１７としては、前述の各実施形態と同様に、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
【００４８】
励起光を発生する励起光源４０７，４１４，４２１としては、前述の各実施形態と同様に、Ｎｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
【００４９】
増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を除去するフィルタ４０８，４１５は、誘電体多層膜型、短周期もしくは長周期のファイバグレーティング型、スラント型等のフィルタが使用可能である。
【００５０】
本実施形態では、信号光には１４３０−１４６０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用し、増幅用ファイバ４０３，４１１，４１８はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしてそのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加したファイバを使用した。励起光源４０７，４１４，４２１の励起波長は１０４７ｎｍ、一方のアイソレータ４０１，４０５，４０９，４１２，４１６，４１９の中心波長は１４３０ｎｍ、他方のアイソレータ４０６，４１３，４２０の中心波長は１０５０ｎｍを使用した。合波器４０２，４１０，４１７は１０５０ｎｍと１４３０ｎｍを合波する溶融延伸のファイバ型のものを使用した。フィルタ４０８，４１５は１４６０ｎｍ以下の光のみ透過する透過特性を有するものを使用した。
【００５１】
図１２は、図１１の構成の光増幅器において、ツリウムイオン添加濃度が２０００ｐｐｍ、ファイバ長が１０ｍ（前段の４０３，中段の４１１，後段の４１８共に）、信号光パワーが１９ｄＢｍ／ｃｈ×１６ｃｈ、励起光パワーが６００ｍＷ（前段の４０７の励起光：２００ｍＷ、中段の４１４の励起光：２００ｍＷ、後段の４２１の励起光：２００ｍＷ）時における利得スペクトルを示す。
【００５２】
図１２から、１４３０−１４６０ｎｍで利得２５ｄＢ以上を達成しており、増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を除去するフィルタ４０８、４１５を用いた本実施形態の構成で、Ｅ帯の光増幅器（Ｅ帯アンプ）を実現できることを実証できた。
【００５３】
（第５の実施形態）
図１３は、本発明の第５の実施形態として本発明によるＥ帯の増幅された自然放出光（ＡＳＥ）光源の構成を示す。同図に示すように、このＡＳＥ光源は、そのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加した２個の増幅用ファイバ５０３，５０７、５個のアイソレータ５０２，５０４，５０６，５０９，５１０、合波器５０８、２個の励起光源５０１，５１１、および増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を５０％以上除去するフィルタ５０５から構成される。
【００５４】
前段の励起光源５０１から出力した励起光は、アイソレータ５０２を通って前段の増幅用ファイバ５０３で増幅され、次いでアイソレータ５０４を通ってフィルタ５０５で増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を除去され、さらにフィルタ５０４を通って後段の増幅用ファイバ５０７で再び増幅され、後段の励起光源５１１から発生しアイソレータ５１０を通って供給される励起光と合波器５０８で合波され、アイソレータ５０９を通って出力側光ファイバ５２０から出力される。
【００５５】
希土類イオンを添加した増幅用ファイバ５０３，５０７のホストガラスとしては、前述の各実施形態と同様に、石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスとテルライトガラス等が使用可能である。
【００５６】
合波器５０８としては、前述の各実施形態と同様に、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
【００５７】
励起光を発生する励起光源５０１，５１１としては、前述の各実施形態と同様に、Ｎｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
【００５８】
増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を除去するフィルタ５０５は、誘電体多層膜型、短周期もしくは長周期のファイバグレーティング型、スラント型等が使用可能である。
【００５９】
本実施形態では、増幅用ファイバ５０３，５０７はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとして、そのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加したファイバを使用した。また、励起光源５０１の励起波長は１０４７ｎｍ、アイソレータ５０４，５０６，５０９の中心波長は１４３０ｎｍ、アイソレータ５０２，５１０の中心波長は１０５０ｎｍのものを使用した。また、合波器５０８は１０５０ｎｍと１４３０ｎｍを合波する溶融延伸のファイバ型のものを使用した。フィルタ５０５は１４６０ｎｍ以下の光のみ透過する透過特性を有するものを使用した。
【００６０】
図１４は、図１３の構成のＡＳＥ光源において、ツリウムイオン添加濃度が２０００ｐｐｍ、ファイバ長が１０ｍ（５０３，５０７の増幅用ファイバ共に）、励起光パワーが６００ｍＷ（前段の５０１の励起光：３００ｍＷ、後段の５１１の励起光：３００ｍＷ）時におけるＡＳＥパワースペクトルを示す。
【００６１】
図１４から、１４３０−１４６０ｎｍで出力−２０ｄＢｍ／ｎｍ以上を達成しており、増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を除去するフィルタ５０５を用いた本実施形態の構成で、Ｅ帯のＡＳＥ光源の実現に成功したことを確認できた。
【００６２】
（その他の実施形態）
なお、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、各請求項に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。例えば、光ファイバの代わりに光導波路を用いた場合も本発明は同様に適用できる。また、前述の本発明の各実施形態を必要に応じ組み合わせることも好ましい。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ツリウムイオンを添加した増幅媒体を用いた光ファイバ増幅器もしくはＡＳＥ光源において、増幅媒体長手方向に沿って、増幅帯域の長波長側の増幅された自然放出光を断続的にもしくは連続的に除去することで、効率劣化の原因となる長波長側ＡＳＥの成長を抑制し、励起光が効率よく増幅帯域の短波長側の信号光増幅もしくはＡＳＥ光発生に利用できるようにしているので、Ｅ帯（１３６０〜１４６０ｎｍ）の高利得動作光増幅器もしくはＡＳＥ光源を実現することができる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光増幅器の構成図である。
【図２】ツリウムイオンの蛍光断面積とエルビウムイオンの吸収断面積の波長依存性を示す特性図である。
【図３】比較のためツリウムのみ添加した増幅用ファイバを用いたＴＤＦＡと、本発明によるツリウムおよびエルビウムを添加した増幅用ファイバを用いたＴＤＦＡの利得スペクトルを示す特性図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る光増幅器の構成図である。
【図５】コア断面と信号光のモードフィールドの重なり比Γ＝０．３時において、信号光が増幅媒体内１ｍｍ導波した時に増幅媒体内から発生する１４５０〜１５２０ｎｍ帯の増幅された自然放出光のエルビウムイオンによる吸収率Ａとエルビウムイオンの添加濃度の関係をプロットした特性図である。
【図６】ＷＤＭ信号の平均利得ＧＡＶＥ、平均雑音指数ＮＦＡＶＥの吸収率（Ａ）依存性を示す特性図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の光増幅器の利得スペクトルを示す特性図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る光増幅器の構成図である。
【図９】ＷＤＭ信号の平均利得ＧＡＶＥのα依存性を示す特性図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の光増幅器の利得スペクトルを示す特性図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係る光増幅器の構成図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態の光増幅器の利得スペクトルを示す特性図である。
【図１３】本発明の第５の実施の形態に係る光増幅器の構成図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態の光増幅器のＡＳＥパワースペクトルを示す特性図である。
【図１５】従来のＴＤＦＡの各反転分布状態における相対利得スペクトルを示す特性図である。
【符号の説明】
１００ 入力側光ファイバ
１０１、１０６、１０５ アイソレータ
１０２ 合波器
１０３ 増幅用ファイバ
１０７ 励起光源
１１０ 出力側光ファイバ
２００ 入力側光ファイバ
２０１，２０５，２０６，２０８ アイソレータ
２０２，２０４ 合波器
２０３ 増幅用ファイバ
２０７，２０９ 励起光源
２１０ 出力側光ファイバ
３００ 入力側光ファイバ
３０１，３０５，３０８ アイソレータ
３０２ 合波器
３０３ 増幅用ファイバ
３０７ 励起光源
３１０ 出力側光ファイバ
４００ 入力側光ファイバ
４０１，４０５，４０６，４０９，４１２ アイソレータ
４０２，４１０，４１７ 合波器
４０３，４１１，４１８ 増幅用ファイバ
４０７，４１４，４２１ 励起光源
４０８，４１５ 増幅された自然放出光を除去するフィルタ
４１３，４１６，４１９，４２０ アイソレータ
４３０ 出力側光ファイバ
５０１，５１１ 励起光源
５０２，５０４，５０６，５０９，５１０ アイソレータ
５０５ 増幅された自然放出光を除去するフィルタ
５０３，５０７ 増幅用ファイバ
５０８ 合波器
５２０ 出力側光ファイバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路を増幅媒体として使用する光増幅に関し、より詳細には、増幅帯域もしくは発光波長域が１３６０〜１４６０ｎｍ（Ｅ帯）である、ツリウムイオンを含有する増幅媒体およびそれを備えた光増幅器、並びに増幅された自然放出光を発生する光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（ＷＤＭ）通信は、近年の光通信容量の急増に対応する最も有効な手段の１つである。波長分割多重通信では信号チャネル数の増加により、通信容量の拡大を行うことを特徴としているが、そのためには信号波長域の拡大が不可欠である。
【０００３】
現在の波長分割多重通信ではエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の増幅帯域であるＣ帯（１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍ）が一般に使用されている。また、Ｓ帯（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ）及びＬ帯（１５７０〜１６２０ｎｍ）はＣ帯と同等の光ファイバの低損失域及び低分散域にあり、次世代の信号波長域として注目されている。Ｓ帯用光ファイバ増幅器としてはツリウム添加光ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）、Ｌ帯用光ファイバ増幅器としては利得シフトのＥＤＦＡが既に提案されている。
【０００４】
更なる拡大帯域としてＥ帯（１３６０〜１４６０ｎｍ）が有望であるが、現在までにＥ帯の光増幅器はまだ実現されていない。また、Ｅ帯の光増幅器同様に、Ｅ帯の増幅された自然放出光（ＡＳＥ）光源も実現されていない。
【０００５】
現時点では、ＥＤＦＡによりＳ帯増幅、ＴＤＦＡ（３Ｆ４・３Ｈ６間増幅）によりＵ帯（１６２５〜１６７５ｎｍ）増幅が実現されている（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３を参照）。
【０００６】
通常であれば、ＥＤＦＡはＣ帯及びＬ帯、ＴＤＦＡは１９００ｎｍ付近に増幅帯域を有しており、その為にいずれの増幅器も反転分布状態を１００％にしても、利得ピークをＳ帯及びＵ帯にシフトさせることが不可能であるため、Ｓ帯及びＵ帯の高利得動作は難しい。しかし、上記の実現された上帯及びＵ帯の増幅器は、増幅用ファイバ長手方向に増幅帯域の長波長側の増幅された自然放出光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を断続的にもしくは連続的に除去する手段を用い、効率劣化の原因となる長波長側ＡＳＥの成長を抑制し、励起光が効率よく増幅帯域の短波長側の信号光増幅に利用できるようにすることで、Ｓ帯及びＵ帯の高利得動作を実現している。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｍ．Ａｒｂｏｒｅ， Ｙ．Ｚｈｏｕ， Ｇ．Ｋｅａｔｏｎ， Ｔ．Ｋａｎｅ， “３４ｄＢ ｇａｉｎ ａｔ １５００ｎｍ ｉｎ Ｓ−ｂａｎｄ ＥＤＦＡ ｗｉｔｈ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＡＳＥ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，” ｉｎ Ｐｒｏｃ， ＥＣＯＣ２００２． ２．２．２．， Ｃｏｐｅｎｈａｇｅｎ， Ｄｅｎｍａｒｋ， Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００２ 、
【０００８】
【非特許文献２】
Ｍ．Ｎｉｓｈｉｈａｒａ， Ｙ．Ｓｕｇａｙａ， Ｅ．Ｉｓｈｉｋａｗａ，“３４ｄＢ ｇａｉｎ ａｔ １５００ｎｍ ｉｎ Ｓ−ｂａｎｄ ＥＤＦＡ ｗｉｔｈ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＡＳＥ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，“ｉｎ Ｐｒｏｃ． ＯＡＡ２００２． ＯＷＢ４．， Ｖａｎｃｏｕｖｅｒ， Ｃａｎａｄａ， Ｊｕｌｙ ２００２
【０００９】
【非特許文献３】
Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ， Ｍ．Ｓｈｉｍｉｚｕ， Ｍ． Ｙａｍａｄａ， Ｔ．Ｋａｎａｍｏｒｉ， Ｙ．Ｏｈｉｓｈｉ， Ｙ．Ｔｅｒｕｎｕｍａ， Ｓ．Ｓｕｄｏ， “３５ｄＢ Ｇａｉｎ Ｔｍ−Ｄｏｐｅｄ ＺＢＬＹＡＮ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｔ １．６５ μｍ， ”ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌ Ｌｅｔｔ．， Ｖｏｌ． ８， Ｎｏ．３， Ｍａｒｃｈ １９９６
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ツリウムイオンの蛍光スペクトルはＥ帯にも及んでおり、そのためＥ帯光増幅器への適用が考えられる。図１５は、従来のツリウム添加光ファイバ増幅器の反転分布状態を変化させた時の利得スペクトルを表している。図１５に示すように、反転分布状態が高くなるにつれて、利得スペクトルが短波長域へシフトしている。しかし、反転分布を最も高い１００％（図１５において上の太線で示す）にしても、利得ピークは１４６０ｎｍより短波長域へシフトできない。つまり、従来の３凖位系光増幅器において用いられている反転分布状態の制御による増幅帯域のシフト法では、Ｅ帯（１３６０〜１４６０ｎｍ）において高利得を得るのは難しい。
【００１１】
このため、前述したように、現在までにＥ帯の光増幅器及びＥ帯のＡＳＥ光源は実現されていない。
【００１２】
本発明は、上述のような問題を鑑みてなされたもので、その目的は、ツリウムイオンが添加された増幅媒体を使用して、増幅帯域もしくは発光波長域が１３６０〜１４６０ｎｍ（Ｅ帯）である、ツリウムイオンを含有する増幅媒体およびそれを備えた光増幅器、並びに増幅された自然放出光を発生する光源を実現することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、増幅媒体の長手方向に沿って、増幅帯域の長波長側の増幅された自然放出光（ＡＳＥ）を断続的にもしくは連続的に除去することで、効率劣化の原因となる長波長側ＡＳＥの成長を抑制し、励起光が効率よく増幅帯域の短波長側の信号光増幅もしくはＡＳＥ光発生に利用できるようにすることで、Ｅ帯（１３６０〜１４６０ｎｍ）の高利得動作の光増幅器及びＡＳＥ光源を実現する。
【００１４】
その実現のため、請求項１に記載の発明は、ツリウムイオンをコアまたはクラッドの少なくともいずれか一方に添加した光ファイバ或いは光導波路を用いた増幅媒体において、クラッドにエルビウムイオンが添加されることを特徴とする。
【００１５】
ここで、好ましくは、信号光または１４６０ｎｍ以下の自然放出光、または１４６０ｎｍ以下の増幅された自然放出光のうち、少なくとも１つが１ｍｍ導波時に、増幅媒体内から発生する１４６０〜１５２０ｎｍ帯の増幅された自然放出光を６０％以上吸収するようにファイバパラメータ及びエルビウム添加濃度が設定される。
【００１６】
また、好ましくは、ツリウム添加濃度Ｃｏｎｃ（Ｔｍ）、エルビウム添加濃度Ｃｏｎｃ（Ｅｒ）、コア断面と信号光のモードフィールドの重なり比Γが以下の式を満たすように設定される。
Ｃｏｎｃ（Ｅｒ）／Ｃｏｎｃ（Ｔｍ）×（１−Γ） ／Γ≧０．６６
ただし、上式左辺が１．０Ｅ＋７を超える場合には、Ｅ帯全域にわたりツリウムイオンの蛍光量（単位長さ当り）よりもエルビウムイオンの吸収量（単位長さ当り）が大きくなってしまうため、Ｅ帯内での増幅を得られない可能性がある。一方、上式左辺が０．６６以上１．０Ｅ＋５以下であれば１０ｄＢ以上の利得を得られる可能性がある。
【００１７】
請求項４、請求項６に記載の発明は、ツリウムイオンをコアまたはクラッドの少なくともいずれか一方に添加した光ファイバ或いは光導波路を増幅媒体として使用し、該増幅媒体の入力端で受け取った信号光を光学的に増幅して増幅媒体の出射端から出力する光ファイバ増幅器もしくは増幅された自然放出光を発生する光源において、増幅媒体に、増幅始終凖位間の蛍光断面積のピーク波長よりも長波長域の増幅帯域内の増幅された自然放出光を５０％以上除去するフィルタが１台以上挿入されていることを特徴とする。
ここで、好ましくは、前記フィルタが１４６０ｎｍ以下の光のみを透過する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の光増幅器（光ファイバ増幅器）の第１の実施形態における構成を示す。同図に示すように、この光増幅器は、光信号の入力側のアイソレータ１０１、励起光を発生する励起光源１０７、励起光用のアイソレータ１０６、励起光と信号光を合波する合波器１０２、そのコアにツリウムイオンを、そのクラッドにエルビウムイオンを添加した増幅用ファイバ１０３、および増幅された光信号の出力側のアイソレータ１０５から構成される。
【００１９】
希土類イオンを添加した増幅用ファイバ１０３のホストガラスとしては、石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスとテルライトガラス等が使用可能である。
【００２０】
合波器１０２としては、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
【００２１】
励起光を発生する励起光源１０７としては、Ｎｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
【００２２】
図２は、ツリウムイオン（Ｔｍ３＋）の蛍光断面積と、エルビウムイオン（Ｅｒ３＋）の吸収断面積の波長依存性を示す。これら２つの断面積は１４６０〜１５２０ｎｍの範囲を中心に大きく重なっており、２つのイオンを同時に添加することで、エルビウムイオンをツリウムイオンから発する１４６０〜１５２０ｎｍの光の吸収媒体とすることが可能である。
【００２３】
一例として、本実施形態では、伝播する信号光には１４１０−１４４０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波のものを使用し、増幅用ファイバ１０３はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとして、そのコアにツリウムイオンを２０００ｐｐｍ、そのクラッドにエルビウムイオンを２０００ｐｐｍを添加した２０ｍのファイバを使用した。また、励起光源１０７の励起波長は１０４７ｎｍ、アイソレータ１０１，１０５の中心波長は１４３０ｎｍ、アイソレータ１０６の中心波長は１０５０ｎｍ、合波器１０２は１０５０ｎｍの光と１４３０ｎｍの光を合波する溶融延伸のファイバ型のものを使用した。
【００２４】
図３は、上記の条件で、信号光パワーが１９ｄＢｍ／ｃｈ×１６ｃｈ、励起光パワーが５００ｍＷ時の本実施形態における光増幅器の利得スペクトル（太線のＣ）を示す。なお、比較のために同一実験条件でクラッド部にツリウムイオンのみ添加してエルビウムイオンが無添加時の利得スペクトル（細線のＤで示す）も併載した。利得の評価は−３５ｄＢｍの小信号プローブ光をスキャンすることにより測定した。図３に示すように、利得２０ｄＢ以上の利得帯域はＣの太線で示す本実施形態の光増幅器では１４１０−１４４０ｎｍ、Ｄの細線で示すエルビウムイオン無添加時では１４５３−１４８３ｎｍであり、これは本発明の有効性を実証すると共に、Ｅ帯の高利得動作を実現したことを実証している。
【００２５】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の光増幅器（光ファイバ増幅器）の第２の実施形態における構成を示す。同図に示すように、この光増幅器は、図１の第１の実施形態の部品構成に、さらに２段目の励起光源２０９、アイソレータ２０８、合波器２０４を付加した構成のものであり、コアにツリウムイオンを、クラッドにエルビウムイオンを添加した増幅用ファイバ２０３、４個のアイソレータ２０１，２０５，２０６，２０８、励起光と信号光を合波する２個の合波器２０２，２０４、および２個の励起光源２０７，２０９から構成される。
【００２６】
希土類イオンを添加した増幅用ファイバ２０３のホストガラスとしては、第１の実施形態と同様に、石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスとテルライトガラス等が利用できる。
【００２７】
合波器２０２，２０４としては、第１の実施形態と同様に、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。本例では、誘電体多層膜型の合波器２０２、２０４を用いた。
【００２８】
励起光を発生する励起光源２０７，２０９としては、第１の実施形態と同様に、Ｎｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
【００２９】
本実施形態では、第１の実施形態と同様に、伝播する信号光は１４１０−１４４０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波のものを使用し、増幅用ファイバ２０３はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとして、そのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加したファイバを使用し、励起光源２０７，２０９の励起波長は１０４７ｎｍを使用した。また、アイソレータ２０１，２０５の中心波長は１４３０ｎｍ、アイソレータ２０６，２０８の中心波長は１０５０ｎｍ、合波器２０２，２０４は１０５０ｎｍの光と１４３０ｎｍの光を合波する溶融延伸のファイバ型のものを使用した。
【００３０】
励起光源２０７，２０９から発生した１０４７ｎｍの励起光は、中心波長が１０５０ｎｍのアイソレータ２０６，２０８を通って合波器２０２，２０４に達する。一方、入力側ファイバ２００に入力した１４１０−１４４０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波の信号光は、中心波長が１４３０ｎｍのアイソレータ２０１を通って前段の合波器２０２において１０５０ｎｍの励起光と合波され、合波された光はコアにツリウムイオン、クラッドにエルビウムイオンを添加した増幅用ファイバ２０３で増幅された後、再び後段の合波器２０４において１０５０ｎｍの励起光と合波され、この合波された光は、中心波長が１４３０ｎｍのアイソレータ２０５を通って出力側光ファイバ３１０から出力される。
【００３１】
図５は、増幅用ファイバ２０３のコア断面と信号光のモードフィールドの重なり比Γ＝０．３の時において、信号光が増幅媒体内１ｍｍまで導波した時に増幅媒体内から発生する１４５０〜１５２０ｎｍ帯の増幅された自然放出光のエルビウムイオンによる吸収率Ａ（％）とエルビウムイオンの添加濃度（ｐｐｍ）の関係をプロットした図である。エルビウムイオン添加濃度が増加するに伴い、吸収率も大幅に増加している。添加濃度３０００ｐｐｍ時にはＡ＝６０％を達成している。
【００３２】
図６は、ツリウムイオンの添加濃度が１０００ｐｐｍ、信号光のパワーが１９ｄＢｍ／ｃｈ×１６ｃｈ、励起光のパワーが６００ｍＷ（前方：３００ｍＷ、後方：３００ｍＷ）のときの、ＷＤＭ（波長分割多重）信号の平均利得ＧＡＶＥ（ｄＢ）、平均雑音指数ＮＦＡＶＥ（ｄＢ）の吸収率Ａ（％）依存性を示す。吸収率Ａが増加するに伴い、実線Ｅで示すＷＤＭ信号の平均利得ＧＡＶＥが増加しており、特にＡ＝６０％付近から急激に増加している。一方、実線Ｆで示す平均雑音指数ＮＦＡＶＥは殆ど劣化していない。
【００３３】
Ａ＝６０％は、図５を参照するとΓ＝０．３の時でエルビウムイオンの添加濃度が３０００ｐｐｍに相当し、更なる高利得を得るためには吸収率Ａの値が大きくなるようエルビウムイオンの添加濃度を高くすれば良いことがわかる。
【００３４】
以上のことから、微小区間あたりの増幅された自然放出光の吸収率が増加するようにエルビウムイオン添加濃度を設定すれば、Ｅ帯における高効率増幅が可能である。
【００３５】
なお、本実施形態ではコア断面と信号光のモードフィールドの重なり比Γを固定し、エルビウムイオン添加濃度を変化させてＥ帯の高利得化を目指したが、そのΓを変化させても吸収率Ａの値は変化するので、Γ単独もしくはΓとエルビウムイオン添加濃度を関連付けて設定することも可能である。
【００３６】
図７は、信号のパワーが１９ｄＢｍ／ｃｈ、励起光のパワーが６００ｍＷ（前方：３００ｍＷ、後方：３００ｍＷ）、Γ＝０．３、エルビウムイオン添加濃度が５０００ｐｐｍ時の本実施形態の光増幅器の利得スペクトルを示す。利得の評価は−３５ｄＢｍの小信号プローブ光をスキャンすることにより測定した。利得２０ｄＢ以上の利得帯域は本実施形態の光増幅器では１４２０−１４５０ｎｍであり、本実施形態の構成で、Ｅ帯の光増幅器（Ｅ帯アンプ）を実現できることを実証できた。
【００３７】
（第３の実施形態）
図８は、本発明の光増幅器（光ファイバ増幅器）の第３の実施形態における構成を示す。同図に示すように、この光ファイバ増幅器は、図１の第１の実施形態と同様な部品構成のもので、そのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加した増幅用ファイバ３０３と、３個のアイソレータ３０１，３０５，３０８と、励起光と信号光を合波する１個の合波器３０２と、励起光源３０７から構成される。
【００３８】
希土類イオンを添加した増幅用ファイバ３０３のホストガラスとしては、前述の第１と第２の実施形態と同様に、石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスとテルライトガラス等を使用可能である。
【００３９】
合波器３０２としては、前述の第１と第２の実施形態と同様に、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
【００４０】
励起光を発生する励起光源３０７としては、前述の第１と第２の実施形態と同様に、Ｎｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
【００４１】
本実施形態では、信号光は１４１０−１４４０ｎｍもしくは１４２０−１４５０ｎｍもしくは１４３０−１４５０ｎｍで、２ｎｍ間隔の１６波を使用し、増幅用ファイバ３０３はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしてそのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加したファイバを使用し、励起光源３０７の励起波長は１０４７ｎｍ、アイソレータ３０１，３０５の中心波長は１４３０ｎｍ、アイソレータ３０６の中心波長は１０５０ｎｍ、合波器３０２は１０５０ｎｍの光と１４３０ｎｍの光を合波する溶融延伸のファイバ型のものを使用した。
【００４２】
ここで、ツリウムイオン添加濃度をＣｏｎｃ（Ｔｍ）、エルビウムイオン添加濃度をＣｏｎｃ（Ｅｒ）としてαを以下の式（１）のように定義する。
α＝Ｃｏｎｃ（Ｅｒ）Ｃｏｎｃ（Ｔｍ）×（１−Γ）／Γ …（１）
【００４３】
図９は、増幅用ファイバ３０３のツリウムイオン添加濃度が１０００ｐｐｍ、ファイバ長が３０ｍ、信号光パワーが１９ｄＢｍ／ｃｈ×１６ｃｈ、励起光パワーが６００ｍＷ（前方：３００ｍＷ、後方：３００ｍＷ）時において、ＷＤＭ信号の平均利得ＧＡＶＥのαの依存性を示す。細線Ｇで表わす１４３０−１４６０ｎｍに信号を配置した場合、α＝０．６６時に最大の平均利得ＧＡＶＥを達成している。信号波長域が１４２０−１４５０ｎｍの破線Ｈ、１４１０−１４４０ｎｍの太線Ｉのグラフから分かるように、信号波長域が更に短波長域に設定するに従い、最大の平均利得ＧＡＶＥを達成時のαは更に増加する傾向にある。以上のことからＥ帯において高利得を得るためにはαを０．６６以上に設定する必要がある。即ち、次式（２）を満足させる必要がある。
Ｃｏｎｃ（Ｅｒ）Ｃｏｎｃ（Ｔｍ）×（１−Γ）／Γ≧０．６６ …（２）
ただし、αが１．０Ｅ＋７を超える場合には、Ｅ帯全域にわたりツリウムイオンの蛍光量（単位長さ当り）よりもエルビウムイオンの吸収量（単位長さ当り）が大きくなってしまうため、Ｅ帯内での増幅を得られない可能性がある。他方、αが０．６６以上で１．０Ｅ＋５以下であれば１０ｄＢ以上の利得を得る可能性がある。
【００４４】
図１０は、図９の実験条件において、信号帯域を１４３０−１４６０ｎｍ、α＝０．６６時の利得スペクトルを示す。この結果、１４３０−１４６０ｎｍで利得２５ｄＢ以上を達成しており、本実施形態の構成で、Ｅ帯の光増幅器（Ｅ帯アンプ）を実現できることを実証できた。
【００４５】
（第４の実施形態）
図１１は、本発明の光増幅器（光ファイバ増幅器）の第４の実施形態における構成を示す。同図に示すように、この光増幅器は、図１または図８に示すと同様な構成の光増幅器を複数ユニット、増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を除去するフィルタを介して縦続接続したもので、そのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加した３個の増幅用ファイバ４０３，４１１，４１８と、９個のアイソレータ４０１，４０５，４０６，４０９，４１２，４１３，４１６，４１９，４２０と、励起光と信号光を合波する３個の合波器４０２，４１０，４１７と、３個の励起光源４０７，４１４，４２１と、増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を５０％以上除去する２個のフィルタ４０８，４１５とから構成される。
【００４６】
希土類イオンを添加した増幅用ファイバ４０３，４１１，４１８のホストガラスとしては、前述の各実施形態と同様に、石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスとテルライトガラス等が使用可能である。
【００４７】
合波器４０２，４１０，４１７としては、前述の各実施形態と同様に、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
【００４８】
励起光を発生する励起光源４０７，４１４，４２１としては、前述の各実施形態と同様に、Ｎｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
【００４９】
増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を除去するフィルタ４０８，４１５は、誘電体多層膜型、短周期もしくは長周期のファイバグレーティング型、スラント型等のフィルタが使用可能である。
【００５０】
本実施形態では、信号光には１４３０−１４６０ｎｍ、２ｎｍ間隔の１６波を使用し、増幅用ファイバ４０３，４１１，４１８はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとしてそのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加したファイバを使用した。励起光源４０７，４１４，４２１の励起波長は１０４７ｎｍ、一方のアイソレータ４０１，４０５，４０９，４１２，４１６，４１９の中心波長は１４３０ｎｍ、他方のアイソレータ４０６，４１３，４２０の中心波長は１０５０ｎｍを使用した。合波器４０２，４１０，４１７は１０５０ｎｍと１４３０ｎｍを合波する溶融延伸のファイバ型のものを使用した。フィルタ４０８，４１５は１４６０ｎｍ以下の光のみ透過する透過特性を有するものを使用した。
【００５１】
図１２は、図１１の構成の光増幅器において、ツリウムイオン添加濃度が２０００ｐｐｍ、ファイバ長が１０ｍ（前段の４０３，中段の４１１，後段の４１８共に）、信号光パワーが１９ｄＢｍ／ｃｈ×１６ｃｈ、励起光パワーが６００ｍＷ（前段の４０７の励起光：２００ｍＷ、中段の４１４の励起光：２００ｍＷ、後段の４２１の励起光：２００ｍＷ）時における利得スペクトルを示す。
【００５２】
図１２から、１４３０−１４６０ｎｍで利得２５ｄＢ以上を達成しており、増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を除去するフィルタ４０８、４１５を用いた本実施形態の構成で、Ｅ帯の光増幅器（Ｅ帯アンプ）を実現できることを実証できた。
【００５３】
（第５の実施形態）
図１３は、本発明の第５の実施形態として本発明によるＥ帯の増幅された自然放出光（ＡＳＥ）光源の構成を示す。同図に示すように、このＡＳＥ光源は、そのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加した２個の増幅用ファイバ５０３，５０７、５個のアイソレータ５０２，５０４，５０６，５０９，５１０、合波器５０８、２個の励起光源５０１，５１１、および増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を５０％以上除去するフィルタ５０５から構成される。
【００５４】
前段の励起光源５０１から出力した励起光は、アイソレータ５０２を通って前段の増幅用ファイバ５０３で増幅され、次いでアイソレータ５０４を通ってフィルタ５０５で増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を除去され、さらにフィルタ５０４を通って後段の増幅用ファイバ５０７で再び増幅され、後段の励起光源５１１から発生しアイソレータ５１０を通って供給される励起光と合波器５０８で合波され、アイソレータ５０９を通って出力側光ファイバ５２０から出力される。
【００５５】
希土類イオンを添加した増幅用ファイバ５０３，５０７のホストガラスとしては、前述の各実施形態と同様に、石英ガラス、ビスマス系ガラス、非輻射遷移の起こりにくいフッ化物系ガラスのＺＢＬＡＮガラス、Ｉｎ−Ｐｂガラスとテルライトガラス等が使用可能である。
【００５６】
合波器５０８としては、前述の各実施形態と同様に、溶融延伸のファイバ型、誘電体多層膜型、ファイバグレーティングと組み合わせたサーキュレータ等が使用可能である。
【００５７】
励起光を発生する励起光源５０１，５１１としては、前述の各実施形態と同様に、Ｎｄ−ＹＬＦレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉサファイアレーザなどの固体レーザや半導体レーザ、ファイバレーザ等が使用可能である。
【００５８】
増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を除去するフィルタ５０５は、誘電体多層膜型、短周期もしくは長周期のファイバグレーティング型、スラント型等が使用可能である。
【００５９】
本実施形態では、増幅用ファイバ５０３，５０７はＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをホストとして、そのコアにツリウムイオン、そのクラッドにエルビウムイオンを添加したファイバを使用した。また、励起光源５０１の励起波長は１０４７ｎｍ、アイソレータ５０４，５０６，５０９の中心波長は１４３０ｎｍ、アイソレータ５０２，５１０の中心波長は１０５０ｎｍのものを使用した。また、合波器５０８は１０５０ｎｍと１４３０ｎｍを合波する溶融延伸のファイバ型のものを使用した。フィルタ５０５は１４６０ｎｍ以下の光のみ透過する透過特性を有するものを使用した。
【００６０】
図１４は、図１３の構成のＡＳＥ光源において、ツリウムイオン添加濃度が２０００ｐｐｍ、ファイバ長が１０ｍ（５０３，５０７の増幅用ファイバ共に）、励起光パワーが６００ｍＷ（前段の５０１の励起光：３００ｍＷ、後段の５１１の励起光：３００ｍＷ）時におけるＡＳＥパワースペクトルを示す。
【００６１】
図１４から、１４３０−１４６０ｎｍで出力−２０ｄＢｍ／ｎｍ以上を達成しており、増幅始終凖位間にて発生する増幅された自然放出光を除去するフィルタ５０５を用いた本実施形態の構成で、Ｅ帯のＡＳＥ光源の実現に成功したことを確認できた。
【００６２】
（その他の実施形態）
なお、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、各請求項に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。例えば、光ファイバの代わりに光導波路を用いた場合も本発明は同様に適用できる。また、前述の本発明の各実施形態を必要に応じ組み合わせることも好ましい。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ツリウムイオンを添加した増幅媒体を用いた光ファイバ増幅器もしくはＡＳＥ光源において、増幅媒体長手方向に沿って、増幅帯域の長波長側の増幅された自然放出光を断続的にもしくは連続的に除去することで、効率劣化の原因となる長波長側ＡＳＥの成長を抑制し、励起光が効率よく増幅帯域の短波長側の信号光増幅もしくはＡＳＥ光発生に利用できるようにしているので、Ｅ帯（１３６０〜１４６０ｎｍ）の高利得動作光増幅器もしくはＡＳＥ光源を実現することができる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光増幅器の構成図である。
【図２】ツリウムイオンの蛍光断面積とエルビウムイオンの吸収断面積の波長依存性を示す特性図である。
【図３】比較のためツリウムのみ添加した増幅用ファイバを用いたＴＤＦＡと、本発明によるツリウムおよびエルビウムを添加した増幅用ファイバを用いたＴＤＦＡの利得スペクトルを示す特性図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る光増幅器の構成図である。
【図５】コア断面と信号光のモードフィールドの重なり比Γ＝０．３時において、信号光が増幅媒体内１ｍｍ導波した時に増幅媒体内から発生する１４５０〜１５２０ｎｍ帯の増幅された自然放出光のエルビウムイオンによる吸収率Ａとエルビウムイオンの添加濃度の関係をプロットした特性図である。
【図６】ＷＤＭ信号の平均利得ＧＡＶＥ、平均雑音指数ＮＦＡＶＥの吸収率（Ａ）依存性を示す特性図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の光増幅器の利得スペクトルを示す特性図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る光増幅器の構成図である。
【図９】ＷＤＭ信号の平均利得ＧＡＶＥのα依存性を示す特性図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の光増幅器の利得スペクトルを示す特性図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係る光増幅器の構成図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態の光増幅器の利得スペクトルを示す特性図である。
【図１３】本発明の第５の実施の形態に係る光増幅器の構成図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態の光増幅器のＡＳＥパワースペクトルを示す特性図である。
【図１５】従来のＴＤＦＡの各反転分布状態における相対利得スペクトルを示す特性図である。
【符号の説明】
１００ 入力側光ファイバ
１０１、１０６、１０５ アイソレータ
１０２ 合波器
１０３ 増幅用ファイバ
１０７ 励起光源
１１０ 出力側光ファイバ
２００ 入力側光ファイバ
２０１，２０５，２０６，２０８ アイソレータ
２０２，２０４ 合波器
２０３ 増幅用ファイバ
２０７，２０９ 励起光源
２１０ 出力側光ファイバ
３００ 入力側光ファイバ
３０１，３０５，３０８ アイソレータ
３０２ 合波器
３０３ 増幅用ファイバ
３０７ 励起光源
３１０ 出力側光ファイバ
４００ 入力側光ファイバ
４０１，４０５，４０６，４０９，４１２ アイソレータ
４０２，４１０，４１７ 合波器
４０３，４１１，４１８ 増幅用ファイバ
４０７，４１４，４２１ 励起光源
４０８，４１５ 増幅された自然放出光を除去するフィルタ
４１３，４１６，４１９，４２０ アイソレータ
４３０ 出力側光ファイバ
５０１，５１１ 励起光源
５０２，５０４，５０６，５０９，５１０ アイソレータ
５０５ 増幅された自然放出光を除去するフィルタ
５０３，５０７ 増幅用ファイバ
５０８ 合波器
５２０ 出力側光ファイバ
Claims (7)
- ツリウムイオンをコアまたはクラッドの少なくともいずれか一方に添加した光ファイバ或いは光導波路を用いた増幅媒体において、クラッドにエルビウムイオンが添加されていることを特徴とする増幅媒体。
- 請求項１記載の増幅媒体において、
信号光または１４６０ｎｍ以下の自然放出光、または１４６０ｎｍ以下の増幅された自然放出光のうち、少なくとも１つが前記増幅媒体内を１ｍｍ導波時に、該増幅媒体内から発生する１４６０〜１５２０ｎｍ帯の増幅された自然放出光を６０％以上吸収するように、ファイバパラメータ及び前記エルビウムイオンの添加濃度が設定されていることを特徴とする増幅媒体。 - 請求項１または２に記載の増幅媒体において、
前記ツリウムイオンの添加濃度をＣｏｎｃ（Ｔｍ）、前記エルビウムイオンの添加濃度をＣｏｎｃ（Ｅｒ）として、前記コアの断面と信号光のモードフィールドの重なり比Γが以下の式を満たすように設定されていることを特徴とする増幅媒体。
Ｃｏｎｃ（Ｅｒ）／Ｃｏｎｃ（Ｔｍ）×（１−Γ） ／Γ≧０．６６ - ツリウムイオンをコアまたはクラッドの少なくともいずれか一方に添加した光ファイバ或いは光導波路を増幅媒体として使用し、該増幅媒体の入力端で受け取った信号光を光学的に増幅して該増幅媒体の出射端から出力する光増幅器において、
前記増幅媒体に、増幅始終凖位間の蛍光スペクトルのピーク波長よりも長波長域の増幅帯域内の増幅された自然放出光を５０％以上除去するフィルタが１台以上挿入されていることを特徴とする光増幅器。 - 請求項４記載の光増幅器において、
前記フィルタが１４６０ｎｍ以下の光のみを透過することを特徴とする光増幅器。 - ツリウムイオンをコアまたはクラッドの少なくともいずれか一方に添加した光ファイバ或いは光導波路を増幅媒体として使用し、該増幅媒体の入力端で受け取った自然放出光を光学的に増幅して該記増幅媒体の出射端から出力する自然放出光を発生する光源において、
前記増幅媒体に、増幅始終凖位間の蛍光スペクトルのピーク波長よりも長波長域の増幅帯域内の増幅された自然放出光を５０％以上除去するフィルタが１台以上挿入されていることを特徴とする光源。 - 請求項６記載の光源において、
前記フィルタが１４６０ｎｍ以下の光のみを透過することを特徴とする光源。
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