JP2007123477A - 光増幅用ファイバ及び光増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導ラマン散乱を抑制する機能を有する光増幅用ファイバの提供。
【解決手段】コアに希土類元素が添加された光増幅用ファイバであって、該光増幅用ファイバ中の非線形光学効果によって発生する光の透過損失を増加させるフィルタ機能部を有することを特徴とする光増幅用ファイバ１。前記フィルタ機能部としては、コア付近の屈折率変調によって形成されたファイバグレーティング２、ファイバの周期的な屈曲によって形成されたファイバグレーティング又はファイバを適切な曲率半径でコイル状に巻いた巻回部であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、コアに希土類元素が添加された光増幅用ファイバと該光増幅用ファイバを用いた光増幅器に関し、特に、誘導ラマン散乱の発生を抑圧する技術に関する。

高出力光ファイバアンプ、ファイバレーザなどでは、光ファイバ内部の希土類金属（Ｅｒ，Ｙｂなど）イオンの蛍光作用を用いて、光ファイバアンプやファイバレーザ等の光増幅器が実用化されている。これらは、イオンを励起状態にするための励起光と増幅したい信号光を一つの希土類添加ファイバに導入し、励起光のエネルギーを使って信号光を増幅する構成になっている。
近年は、光通信の大容量化に伴って信号強度を高くする必要性が出ていることと、ファイバレーザなど高パワー光源へのニーズに対応するために、光増幅器の利得は大きく、出力も大きくなる傾向にある。
M. E. Fermann,"Single mode excitation of multimode fiber amplifier", Optics letters, 23(1), 52-54, 1998 J. P. Koplow,"Single-mode operation of a coiled multimode fiber amplifier", Optics letters, 25(7), 442-444, 2000

これらの高利得光増幅器では、利得のレベルで２０ｄＢ以上、出力で平均１Ｗ〜１ｋＷ、出力パルスピーク値で１００Ｗ〜１００ｋＷに達することもある。
このような高パワー増幅媒体を有する光ファイバアンプやファイバレーザなどの光増幅器では、増幅器内部で信号出力が大きくなるにつれて、ファイバ内部での電界強度が大きくなり、非線形光学効果と呼ばれる現象が発生する。このような現象としてよく知られたものに、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）、４光波混合（ＦＷＭ）、自己位相変調（ＳＰＭ）、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）などが挙げられる。
誘導ラマン散乱は、強い単色光を物質に当てたとき物質の光学フォノンとの相互作用によって、固有な量だけ波長がずれたコヒーレント光が散乱される現象である。４光波混合は、異なる２波長以上の信号が入力されたとき、ある規則を持って新たな波長の光を生ずる現象である。自己位相変調は、単独で位相シフトを生ずる位相のシフト現象である。誘導ブリルアン散乱は、励起光と音響フォノンとの相互作用による散乱である。
それぞれの現象が実用上光増幅器に及ぼす影響をまとめると、以下のようになる。

・誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）：パルス幅１〜２ｎｓｅｃ、尖塔値１ｋＷ以上で影響が出ることが多く、信号光と同方向に長波長の光が出る。この誘導ラマン散乱の影響を避けるために、一般的には、高濃度ファイバで長さを短くして対応している。
・４光波混合（ＦＷＭ）：パルス幅１〜２ｎｓｅｃ、尖塔値１ｋＷ以上で影響がある。この４光波混合の影響を避けるために、一般的には、高濃度ファイバで長さを短くして対応している。
・自己位相変調（ＳＰＭ）：それほど影響は大きくなく、線幅が大きくなる程度である。
・誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）：狭帯域の時にだけ影響あるが、増幅光と反対方向に散乱光が出る。パルス幅も１〜２ｎｓｅｃではそれほど影響は大きくない。

前述したように、非線形光学効果の中でもっとも影響が大きいのは誘導ラマン散乱と４光波混合である。
この二つの非線形光学効果では、どちらも信号光とは異なる波長の光が発生するが、特に誘導ラマン散乱は、発生した散乱光が増幅器の利得波長帯の中にあることが多く、散乱によって増加する効果と、発生した光が増幅される効果が重なって非常に強い誘導放出光が発生すること（ファイバ全長にわたって、ラマンゲインと誘導放出のゲインがあるということ）がある。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、誘導ラマン散乱を抑制する機能を有する光増幅用ファイバの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、コアに希土類元素が添加された光増幅用ファイバであって、該光増幅用ファイバ中の非線形光学効果によって発生する光の透過損失を増加させるフィルタ機能部を有することを特徴とする光増幅用ファイバを提供する。

本発明の光増幅用ファイバにおいて、前記フィルタ機能部は、コア付近の屈折率変調によって形成されたファイバグレーティングであることが好ましい。

本発明の光増幅用ファイバにおいて、前記フィルタ機能部は、ファイバの周期的な屈曲によって形成されたファイバグレーティングであってもよい。

本発明の光増幅用ファイバにおいて、前記フィルタ機能部は、ファイバを適切な曲率半径でコイル状に巻いた巻回部であってもよい。

また本発明は、コアに希土類元素が添加された光増幅用ファイバの被増幅光が出射する側に、該光増幅用ファイバ中の非線形光学効果によって発生する光の透過損失を増加させるフィルタ機能部を有するファイバが接続されてなることを特徴とする光増幅用ファイバを提供する。

前記光増幅用ファイバにおいて、前記フィルタ機能部は、コア付近の屈折率変調によって形成されたファイバグレーティングであることが好ましい。

前記光増幅用ファイバにおいて、前記フィルタ機能部は、ファイバの周期的な屈曲によって形成されたファイバグレーティングであってもよい。

前記光増幅用ファイバにおいて、前記フィルタ機能部は、ファイバを適切な曲率半径でコイル状に巻いた巻回部であってもよい。

また本発明は、前述した本発明に係る光増幅用ファイバと、該光増幅用ファイバに励起光を入射する励起光源とを少なくとも有することを特徴とする光増幅器を提供する。

本発明の光増幅用ファイバは、光増幅用ファイバ中の非線形光学効果によって発生する光の透過損失を増加させるフィルタ機能部を有するものなので、高パワー光を入射した場合であっても誘導ラマン散乱を抑圧することができる。
本発明の光増幅器は、前記本発明に係る光増幅用ファイバを用いた構成としたので、高パワー光を入射した場合であっても誘導ラマン散乱を抑圧することができ、光増幅効率が高く、長寿命化を図ることができる。

これまで、光ファイバアンプやファイバレーザなどの光増幅器において誘導ラマン散乱を抑制する方法は、光のエネルギー密度を低下させるか、作用長を短くするかの二つの方法が利用されている。作用長を短くするには、コアの希土類添加濃度を高める、クラッドポンピングファイバであればコア−クラッド径の比率を小さくすることによって実現することができる。希土類添加濃度を高めるデメリットとしては、濃度消光と呼ばれる、希土類イオンの励起寿命が短くなるために起こる効率低下が最も深刻である。従って、コアの希土類添加濃度は無制限に高くできるわけではなく、限界がある。

また、ファイバ中の光のエネルギー密度を小さくすることは、光が伝搬するコアの断面積を大きくすることが有効であり、実際に市販のクラッドポンピングファイバでも高出力タイプとしてコア直径２０μｍを超えるものも存在する。これらのファイバの技術的な内容は、例えば、非特許文献１，２に記載されている。

非特許文献１，２に記載されているファイバやその使用方法は、ファイバ中の非線形光学効果を抑圧するために開発されたものであり、この点で本発明の目的と一見類似している。しかし一般に、コア直径が１０μｍを超えると、コア：クラッドの比屈折率差でシングルモード伝送を維持するのは困難となる。一方で、通信用途は当然として、ファイバーレーザ用途であっても、シングルモード伝送はファイバを用いる上での大きなメリットであるため、非特許文献１，２に記載されているような大口径コアを有するファイバでは、シングルモード伝送で使用するために規定の直径以下に巻いたコイルとして使用している。しかし、このような使用方法を採用しても、コア直径が２０μｍを超えると、様々な制約条件からシングルモードで使用することは困難である。

前記制約条件としては、以下のことが挙げられる。
１．コア径が大きくなるとコイルの直径を小さくする必要があるが、小さい径でファイバを巻くと、ファイバ外周部に大きな引っ張り応力が発生し破断を誘発する。
２．コア径が大きくなると、基本モードの曲げ損失が大きくなり、結果として使用できなくなる。

以上のような制約条件から、大口径コアを用いる方法を用いても、非線形光学効果を完全に抑制することはできない。

そこで本発明では、従来の方法と併用して適用することができる、「同一コア径、同一長さの条件において誘導ラマン散乱により発生する長波長の光を最小化するファイバ」を提供する。つまり、従来の方法を利用しつつ従来の方法だけでは抑制できない誘導ラマン散乱を抑圧する技術である。

光増幅用ファイバにおける誘導ラマン散乱の発生量は、ファイバの損失を無視すれば、以下の式（Ａ）によって求めることができる。
発生量（Ｗ）＝［ラマン利得／有効断面積×レーザ波長のパワー×ラマン波長のパワー］×長さ ・・・（Ａ）

従来は、前記式（Ａ）の中の有効断面積を大きくすることや、長さの項を小さくすることが検討の対象であった。しかし、本発明者らは、ある地点での誘導ラマン散乱の増加量は、その地点での誘導ラマン散乱光の強度に比例することに着目し、この強度を抑えることに主眼を置いた。つまり、単位長さあたりの誘導ラマン散乱光の導波損失を大きくすることができれば、単にその光自体の強度を抑えるばかりでなく、強度の増大をも抑制できることに着目した。さらに本発明者らは、誘導ラマン散乱を最小化するために、誘導ラマン散乱光を抑制する手法について鋭意研究を重ねた。その結果、誘導ラマン光自体の伝搬損失を十分に大きくする以下の二つの手法により、誘導ラマン散乱を最小化できることを知見した。
（１）導波路中に長波長の損失フィルタ（フィルタ機能部）を形成したファイバ。
（２）曲げ損失の波長依存性が大きいファイバ。
前記（１）、（２）の手法について検討した結果を以下に示す。

（１）フィルタで抑制する手法
（１）で示す手法では、例えば、コアの一部にファイバグレーティングを形成する。非線形現象は基本的にコアの内部でしか発生しないので、コアにフィルタを設けることが重要である。
ファイバグレーティングは、特定の波長の光を反射（短周期型グレーティング）、放出させる（長周期型グレーティング）機能を持っているが、このファイバグレーティングを希土類添加ファイバ中に形成することによって、誘導ラマンによって発生した光を効率的に、反射、散乱させることが可能となる。

（１−１）反射型グレーティング
ＵＶ光を利用してファイバ中に書き込まれる周期１μｍ以下の回折格子によって、ファイバ中の光はブラッグ反射を受ける。このブラッグ反射が発生する光の波長は、グレーティング周期と導波路によって一意的に決定される。従って、このブラッグ反射の波長をラマン散乱の発生する波長に合わせれば、効率よくラマン光を反射させることが可能となる。この際、回折格子を光の進行方向と垂直（格子ベクトルが光の進行方向と平行）にすれば、反射された光は、コアの中を反対方向に伝搬していくことになるが、回折格子を少し傾けることによって後ろ（反対方向）へ散乱させるブレイズドグレーティングを行うことも可能である。

（１−２）放射型グレーティング
放射型グレーティングは、格子の間隔が１００μｍ程度の回折格子である。ＵＶ光を利用してファイバ中に書き込むことも可能であるが、マイクロベンドでも回折格子を形成することは可能である。このグレーティングによって伝搬してきた誘導ラマン散乱光は、クラッドへと放射される。

（２）曲げ損失
ファイバの曲げ損失は一般に、長波長で大きく、短波長で小さい。この特性を利用して、レーザ光の波長では曲げ損失が出力に影響を及ぼさない程度に小さく、かつ誘導ラマン散乱が発生する波長で損失が大きければ、ある曲率でファイバをコイル状に巻回して使用することによって誘導ラマン散乱光の発生を抑制することができる。
以下、実施例により本発明の光増幅用ファイバ及びそれを用いた光増幅器を具体的に説明する。

［実施例１］
本実施例では、光増幅器においてファイバグレーティングを使用して波長１１２０ｎｍの誘導ラマン散乱光を抑制する。
光増幅用ファイバとしては、Ｙｂドープファイバを用いた。このＹｂドープファイバは、励起波長９８０ｎｍ、信号波長１０６４ｎｍとすると波長１１２０ｎｍ付近にラマン散乱光が発生する。この波長１１２０ｎｍの光を抑制した。実施例を図１〜３に示す。

図１は、ファイバグレーティングを導入した光増幅器の構成図であり、本実施例の光増幅器は、コアに希土類元素としてＹｂがドープされ、ダブルクラッド構造を持つＹｂドープファイバ１（光増幅用ファイバ）と、その入射側に接続された励起光源とを備えてなり、Ｙｂドープファイバ１の出射側に、該ファイバ中の非線形光学効果によって発生する誘導ラマン散乱光の透過損失を増加させるフィルタ機能部としてのファイバグレーティング２が設けられている。Ｙｂドープファイバ１のコア３には、波長１０６４ｎｍの信号光が入射され、Ｙｂドープファイバ１の内側クラッド４には、波長９８０ｎｍの励起光が入射されるようになっている。

図２は、Ｙｂドープファイバ１の入口（入射端）から１０ｍの地点にファイバグレーティング２を導入したときの波長１０６４ｎｍのパワーと波長１１２０ｎｍのパワーの変化を表したグラフである。この図からわかるように、ファイバグレーティング２によって波長１１２０ｎｍ付近の誘導ラマン散乱光を減衰させることによって、誘導ラマン散乱光の増幅を抑制することができた。

図３は、本実施例で用いたＹｂドープファイバ１へのファイバグレーティング作製の概念を示す図である。このＹｂドープファイバ１は、Ｙｂがドープされているコア３と、該コア３を囲んで設けられた内側クラッド４と、該内側クラッド４を囲んで設けられた外側クラッド５とからなっている。Ｙｂドープファイバ１のコア３の一部分には、Ｇｅがドープされており、そのＧｅドープ部分だけにグレーティングを形成できるようになっている。このＧｅドープ部分に形成したファイバグレーティング２は、信号光と同じ波長１０６４ｎｍの光は透過し、波長１１２０ｎｍの誘導ラマン散乱光を反射するようなフィルタ機能を有している。

図４は、本実施例において好適に用いられるファイバグレーティング２の光学特性を示すグラフであり、図４（ａ）はこの目的に用いる放射型グレーティングの透過波長スペクトルであり、図４（ｂ）はこの目的に用いる反射型グレーティングの透過波長スペクトルである。いずれのファイバグレーティングを用いても、波長１１２０帯では８〜１２ｄＢの透過損失を発生させる一方で、波長１０６４ｎｍでは０．１ｄＢ程度の透過損失しかなかった。

また、計算による見積もりの結果、ファイバグレーティング２は、Ｙｂドープファイバ１のどの位置にあったとしても同様の効果が得られることがわかっている。また、Ｙｂドープファイバ１の長さが短く、Ｙｂドープファイバ１中で誘導ラマン散乱光が発生しない場合も、Ｙｂドープファイバ１に接続された出力側のファイバ中で誘導ラマン散乱光が発生する。このような場合は、Ｙｂドープファイバ１中にグレーティングを形成しても良いし、出力側のファイバ中にグレーティングを形成しても同様の効果が得られる。

［実施例２］
本実施例では、光増幅器において、ファイバの曲げ損失を用いて波長１１２０ｎｍの誘導ラマン散乱光を抑制する。
使用する光増幅用ファイバは、実施例１と同じくＹｂドープファイバを用いた。このＹｂドープファイバは、励起波長９８０ｎｍ、信号波長１０６４ｎｍとすると波長１１２０ｎｍ付近にラマン散乱光が発生する。この波長１１２０ｎｍの光を曲げ損失で抑制した。

図５は、本実施例で用いた光増幅器の構成図であり、この光増幅器は、コアに希土類元素としてＹｂがドープされ、ダブルクラッド構造を持つＹｂドープファイバ１１（光増幅用ファイバ）と、その入射側に接続された励起光源とを備えてなり、Ｙｂドープファイバ１１に、該ファイバ中の非線形光学効果によって発生するラマン散乱光の透過損失を増加させるフィルタ機能部としてのコイル状の巻回部１１Ａが設けられている。Ｙｂドープファイバ１１のコアには、波長１０６４ｎｍの信号光が入射され、Ｙｂドープファイバ１１の内側クラッドには、励起光源から波長９８０ｎｍの励起光がＭＭ−ＦＢＧ１３を介して入射されるようになっている。また、Ｙｂドープファイバ１１の出力側には、コイル状の巻回部１２Ａを有する出力ファイバ１２が接続されている。Ｙｂドープファイバ１１及び出力ファイバ１２にそれぞれ設けられた巻回部１１Ａ，１２Ａのコイル直径は、波長１０６４ｎｍの信号光は低損失であるが、波長１１２０ｎｍの誘導ラマン散乱光は高損失になるように設定されている。

図６は、波長１１２０ｎｍにおいて曲げ損失が１．０ｄＢ／ｍ発生している時の誘導ラマン散乱光の発生抑制効果を示すグラフである。１．０ｄＢの損失でも誘導ラマン散乱光を１／５以下にする効果があることがグラフから読み取れる。

図７は、実際に作製したファイバで曲げ損失を測定した結果である。図７に示されるように、波長１．０６４μｍでは低損失であり、かつ波長１．１２μｍで１ｄＢ／ｍ以上の曲げ損失を有するファイバを作製することは容易に実現できることがわかる。このようなファイバの作製は、コア径、コア−クラッド比屈折率差によって一意的に求められるＶ値と呼ばれるパラメータに大きく依存しており、この値を目安としてファイバを作製すれば実現できる。

なお、本発明は前述した各実施例に限定されるものではなく、種々変更や修正が可能である。
例えば、光増幅用ファイバは、前記Ｙｂドープファイバに限定されず、Ｙｂ−Ｅｒドープガラス、Ｔｍドープガラスなど、光増幅媒体として使用可能な希土類元素添加ガラスをコアに有するファイバに応用できる。
また、ファイバグレーティングやコイル状の巻回部を設けたファイバは、光増幅用ファイバに限定されず、光増幅用ファイバの被増幅光の出射側に接続されたファイバに形成されていれば、同様の効果を得ることができる。

本発明による光増幅用ファイバを用いた実施例１の光増幅器を示す構成図である。 実施例１で用いたファイバグレーティング付きＹｂドープファイバの波長１０６４ｎｍのパワーと波長１１２０ｎｍのパワーの変化を表したグラフである。 実施例１で用いたＹｂドープファイバへのファイバグレーティング作製の概念を示す図である。 本実施例において好適に用いられるファイバグレーティングの光学特性を示すグラフであり、（ａ）は放射型グレーティングの透過波長スペクトル、（ｂ）は反射型グレーティングの透過波長スペクトルである。 本発明による光増幅用ファイバを用いた実施例２の光増幅器を示す構成図である。 波長１１２０ｎｍにおいて曲げ損失が１．０ｄＢ／ｍ発生している時の誘導ラマン散乱光の発生抑制効果を示すグラフである。 実際に作製した実施例２のファイバで曲げ損失を測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

１，１１…Ｙｂドープファイバ（光増幅用ファイバ）、２…ファイバグレーティング、３…コア、４…内側クラッド、５…外側クラッド、１１Ａ，１２Ａ…巻回部、１２…出力ファイバ。

Claims (9)

1. コアに希土類元素が添加された光増幅用ファイバであって、該光増幅用ファイバ中の非線形光学効果によって発生する光の透過損失を増加させるフィルタ機能部を有することを特徴とする光増幅用ファイバ。
2. 前記フィルタ機能部が、コア付近の屈折率変調によって形成されたファイバグレーティングであることを特徴とする請求項１に記載の光増幅用ファイバ。
3. 前記フィルタ機能部が、ファイバの周期的な屈曲によって形成されたファイバグレーティングであることを特徴とする請求項１に記載の光増幅用ファイバ。
4. 前記フィルタ機能部が、ファイバを適切な曲率半径でコイル状に巻いた巻回部であることを特徴とする請求項１に記載の光増幅用ファイバ。
5. コアに希土類元素が添加された光増幅用ファイバの被増幅光が出射する側に、該光増幅用ファイバ中の非線形光学効果によって発生する光の透過損失を増加させるフィルタ機能部を有するファイバが接続されてなることを特徴とする光増幅用ファイバ。
6. 前記フィルタ機能部が、コア付近の屈折率変調によって形成されたファイバグレーティングであることを特徴とする請求項５に記載の光増幅用ファイバ。
7. 前記フィルタ機能部が、ファイバの周期的な屈曲によって形成されたファイバグレーティングであることを特徴とする請求項５に記載の光増幅用ファイバ。
8. 前記フィルタ機能部が、ファイバを適切な曲率半径でコイル状に巻いた巻回部であることを特徴とする請求項５に記載の光増幅用ファイバ。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の光増幅用ファイバと、該光増幅用ファイバに励起光を入射する励起光源とを少なくとも有することを特徴とする光増幅器。
   
   

Images