JP2010080884A

JP2010080884A - 光ファイバ増幅器

Info

Publication number: JP2010080884A
Application number: JP2008250703A
Authority: JP
Inventors: Takushi Nagashima; 拓志永島; Toshiki Taru; 稔樹樽
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2010-04-08

Abstract

【課題】ＡＳＥ光発生を抑制しつつ高利得で被増幅光を光増幅することができる光ファイバ増幅器を提供する。
【解決手段】光ファイバ増幅器１は、光ファイバ２、励起光源３、光アイソレータ４および光アイソレータ５を備え、入力ポート１ａに入力された信号光を光増幅して、その光増幅後の信号光を出力ポート１ｂから出力する。光ファイバ２は、Ｅｒ元素が添加されたコア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域とを有し、クラッド領域がファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域に高屈折率領域が二次元周期構造を有し、コア領域が断面の中央部における二次元周期構造の欠陥によって形成され、波長範囲１.５０μｍ〜１.５３μｍにおいて遮断帯域となる光フィルタ特性を有する。励起光源３は。この光ファイバ２に波長０.９８μｍまたは波長１.４８μｍの励起光を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ増幅器に関するものである。

信号光を伝送することにより大量の情報を高速に送受信することができる光通信システムにおいて、一般に信号光伝送線路として石英系光ファイバが用いられる。また、信号光波長帯域としては、石英系光ファイバの伝送損失が小さいＣバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）やＬバンド（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）が用いられ、さらにＳバンド（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ）も用いられる。

また、光通信システムでは、信号光伝送線路により伝送される間に信号光が損失を被ることから、信号光を光増幅する光増幅器が光送信器，光中継器および光受信器などに設けられる。光増幅器としては一般に光ファイバ増幅器が用いられる。光ファイバ増幅器は、希土類元素や遷移金属元素等の光学活性元素がコア領域に添加された増幅用光ファイバを光増幅媒体として備え、この光学活性元素を励起し得る波長の励起光を増幅用光ファイバに供給することで、この増幅用光ファイバにおいて信号光（被増幅光）を光増幅する。

このような光ファイバ増幅器において、高利得で信号光を光増幅することが重要であるとともに、信号光に対してノイズとなる自然放出光（ＡＳＥ光）の発生を抑制することも重要である。しかし、高利得を得ようとするには、増幅用光ファイバに添加されている光学活性元素の反転分布率を高くする必要があり、そうするとＡＳＥ光の発生量が多くなってしまう。すなわち、従来の増幅用光ファイバでは高利得とＡＳＥ光抑制とは両立し得ない。

例えば、希土類元素であるＥｒ元素が添加された増幅用光ファイバ（ＥＤＦ: Erbium-doped fiber）を光増幅媒体として備える光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ: Erbium-doped fiber amplifier）では、Ｓバンドの信号光を光増幅するには、ＥＤＦに添加されているＥｒ元素の反転分布率を高くする必要があり、非特許文献１によるとＥｒ元素の反転分布率として０.７以上が必要と記載されている。このような高い反転分布率の場合、波長１５３０ｎｍ付近を中心に多くのＡＳＥ光が発生してしまう。

そこで、増幅用光ファイバでのＡＳＥ光の成長を抑制するために、増幅用光ファイバで発生したＡＳＥ光を除去することが行われている。例えば、非特許文献１に記載された技術は、増幅用光ファイバを多段に接続して、或る段の増幅用光ファイバと次の段の増幅用光ファイバとの間にＡＳＥカットフィルタを配置するものである。また、特許文献１に記載された技術は、特定の屈折率プロファイルを有する光ファイバを用い、信号光波長帯域より長波長側の帯域において該光ファイバの曲げ損失を大きくして、この長波長側の帯域のＡＳＥ光を除去するものである。

さらに一般的に高い反転分布率を得た状態（すなわち、利得が高い状態）で、ＡＳＥ光が多く発生するＡＳＥ帯より外側の帯域で利得を得たい場合は、ＡＳＥフィルタリング技術が必要である。
特表２００５−５２０３２６号公報 E. Ishikawa, M. Nishihara, Y. Sato, C. Ohshima, Y. Sugaya, and J.Kumasako, "Novel 1500nm-band EDFA with discrete Raman amplifier," ECOC2001,Postdeadline Papers, pp.48-49, (2001)

しかしながら、ＡＳＥカットフィルタを用いてＡＳＥ光を除去する技術は、導波路の長手方向のポイントで行うことから、完全にＡＳＥを除去することが不可能である。また、この技術では、励起光波長や信号光波長での光挿入損失も存在してしまう。また、この技術では、部品点数が増えるので、光増幅器の構成が複雑になり、小型化が困難で高コスト化にもつながる。

特定の屈折率プロファイルを有する光ファイバの曲げによってＡＳＥ発生帯域に損失を与える技術は、ＡＳＥフィルタリングが導波路の長手方向に分布した状態で行うので、ＡＳＥカットフィルタを用いる技術より性能が優れると考えられる。しかし、フィルタリングしたい帯域としたくない帯域とのアイソレーションが取りづらい（すなわち、急峻なフィルタ波形が得られにくい）という問題がある。また、特定の損失発生波長を合わせこむ設計が技術的に難しい問題もある。また、特許文献１で詳細に解説されているように、クラッドモードが存在するので、そこへの結合を防ぐ手段が必要である。さらに増幅モジュールとしてコイル巻きにする場合、環境温度変動による特性変動が生じやすいという問題も考えられる。

また、このような光ファイバを用いる場合、損失を与えることができるのは、透過波長帯の長波長側のみである。例えばＡＳＥを抑圧しながらその長波長側の利得を得たい場合は、この技術は使えない。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、ＡＳＥ光発生を抑制しつつ高利得で被増幅光を光増幅することができる光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。

本発明に係る光ファイバ増幅器は、(1) Ｅｒ元素が添加されたコア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域とを有する光ファイバと、(2) この光ファイバに波長０.９８μｍまたは波長１.４８μｍの励起光を供給する励起光源と、を備える。そして、本発明に係る光ファイバ増幅器に含まれる光ファイバは、クラッド領域がファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域に高屈折率領域が二次元周期構造を有し、コア領域が断面の中央部における二次元周期構造の欠陥によって形成され、波長範囲１.５０μｍ〜１.５３μｍにおいて遮断帯域となる光フィルタ特性を有することを特徴とする。また、この光ファイバは、波長範囲１.５０μｍ〜１.５６５μｍにおいて遮断帯域となる光フィルタ特性を有するのが好適である。

本発明に係る光ファイバ増幅器は、ＡＳＥ光発生を抑制しつつ、高利得で被増幅光を光増幅することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る光ファイバ増幅器１の構成図である。この図に示される光ファイバ増幅器１は、入力ポート１ａに入力された信号光を光増幅して、その光増幅後の信号光を出力ポート１ｂから出力する。光ファイバ増幅器１は、光ファイバ２、励起光源３、光アイソレータ４および光アイソレータ５を備える。入力ポート１ａから出力ポート１ｂへ向って順に、光アイソレータ４，光ファイバ２および光アイソレータ５が配置されている。

光ファイバ２は、Ｅｒ元素が添加されたコア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域とを有する。励起光源３は、この光ファイバ２に波長０.９８μｍまたは波長１.４８μｍの励起光を供給するものであり、好適には半導体レーザ光源を含む。光ファイバ２は、励起光源３からの励起光の供給によりＥｒ元素が励起されて、Ｌバンドの信号光を光増幅する。光アイソレータ４および光アイソレータ５それぞれは、入力ポート１ａから出力ポート１ｂへ向う順方向に光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。

この光ファイバ増幅器１では、励起光源３から出力された励起光が光ファイバ２に供給されて、光ファイバ２のコア領域に添加されたＥｒ元素が励起される。入力ポート１ａに入力されたＬバンドの信号光は、光アイソレータ４を通過して光ファイバ２に入力され、この光ファイバ２において光増幅される。光ファイバ２において光増幅された信号光は、光アイソレータ５を通過して出力ポート１ｂから出力される。

図２は、本実施形態に係る光ファイバ増幅器１に含まれる光ファイバ２の断面図である。この図は、光ファイバ２のファイバ軸に垂直な断面を示している。この図に示される光ファイバ２は、励起光により励起されてＬバンドにおいて利得を有するＥｒ元素が添加されたコア領域１０と、このコア領域１０を取り囲むクラッド領域２０とを備える。

光ファイバ２は、ファイバ軸に垂直なクラッド領域２０の断面において屈折率分布が二次元周期構造を有し、その二次元周期構造の中心の欠陥によりコア領域１０が形成され、ファイバ軸方向に沿って同一の断面形状を維持している。また、光ファイバ２は、クラッド領域２０の断面における屈折率分布の二次元周期構造に由来する透過帯域および遮断帯域を有し、コア領域１０により導波されてファイバ軸方向に沿って進むコア導波モードが透過帯域に存在する。

具体的には、クラッド領域２０の断面における屈折率分布の二次元周期構造は、二次元三角格子の各格子点上に配置された高屈折率領域２１と、略均一の屈折率を有する低屈折率領域２２とからなる。断面の中央において高屈折率領域２１が欠けている領域がコア領域１０となる。高屈折率領域２１の屈折率は、低屈折率領域２２の屈折率と比べて高い。例えば、高屈折率領域２１は、Ｇｅ，Ｃｌ，Ｔｉ，Ａｌのうち少なくとも１種の元素が添加されたシリカガラスからなる。また、低屈折率領域２２は、純シリカガラスまたはＦ，Ｂ，Ｃｌのうち少なくとも１種の元素が添加されたシリカガラスからなる。

図３は、光ファイバ２の損失スペクトルの一例を示す図である。この図において、実線は光ファイバ２の励起されていない状態でのＥｒ元素による吸収を除いた全損失を示し、破線はＥｒ元素による吸収を除いた材料損失を示す。光ファイバ２の全損失は、材料損失および曲げ損失に加えて、クラッド領域２０の断面における屈折率分布の二次元周期構造に基づく不連続な損失を含む。また、フォトニックバンドギャップ効果によって光が導波される場合は、光ファイバ２の全損失は閉じ込め損をも含む。二次元周期構造に基づく損失は、光の波長だけでなく、屈折率や、二次元周期構造のピッチや外径などのパラメータによって決定される。

この図に示されるように、光ファイバ２の損失スペクトルにおいては、透過帯域と遮断帯域とが交互に存在し、両帯域の透過率の差は１ｍ程度のサンプルの透過率測定で通常１５〜５０ｄＢである。特に、本実施形態では、光ファイバ２は、波長範囲１.５０μｍ〜１.５３μｍにおいて遮断帯域となる光フィルタ特性を有する。また、光ファイバ２は、波長範囲１.５０μｍ〜１.５６５μｍにおいて遮断帯域となる光フィルタ特性を有するのが好適である。

図２に示される光ファイバ２は例えばスタックアンドドロー法などにより容易に製造され得る。図４は、スタックアンドドロー法による光ファイバ２の製造方法の一例を説明する図である。スタックアンドドロー法では、同図に示されるように各種のロッド１０１〜１０３をジャケット管１００内に規則的に配列したプリフォームを用意し、これをコラプス後線引または直接線引することで、図２に示されるような断面構造を持つ光ファイバ２が得られる。

ロッド１０１，１０２それぞれの直径は互いに等しい。１本のロッド１０１の周りに多数のロッド１０２が三角格子状に規則正しく配置され、これらがジャケット管１００内に挿入されるとともに、これらとジャケット管１００との隙間を埋めるようにロッド１０３が挿入される。

ロッド１０１は、直近のロッド１０２の一部とともに線引後にコア領域１０となるべきもので、Ｅｒ元素が添加されている。ロッド１０２，１０３は、線引後にクラッド領域２９となるべきものである。そのうち、ロッド１０２の中心部は線引後に高屈折率領域２１となるべき領域であり、これの周囲の部分は線引後に低屈折率領域２２となるべき領域である。これらのロッド１０１〜１０３は、通常の光ファイバ母材の製造方法と同様の方法（例えばＭＣＶＤ法やＯＶＤ法やコラップス法など）により製造され、また、必要に応じて外周が機械研削またはＨＦエッチングされる。

波長範囲１.５０μｍ〜１.５３μｍにおいて遮断帯域となる光フィルタ特性を有する光ファイバを設計するには、はじめにコア領域の径と、コア領域と低屈折領域における比屈折率差の差分とを決定する。コア領域の径は、2.6-5.2μｍが好ましい。また、コア領域と低屈折領域における比屈折率差の差分は1-1.5%が好ましい。径の下限と比屈折率差の差分の下限は、励起Erと信号光の重なりの下限値によって制限され、これらの範囲を下回ると信号光の利得の悪化が顕著になる。径の上限と比屈折率差の差分の上限は、励起光のモード数によって制限され、これらの範囲を上回ると励起光のマルチモード化が顕著になり、励起されたErと信号光の重なりが小さくなり利得の低下が起こる。

次に、高屈折率領域と低屈折率領域における比屈折率差との差分と、周期構造の周期とを、遮断帯域の長波長端が１．５３μｍとなるように決定する。周期構造の周期が大きいほど遮断波長は長波長側にシフトする傾向があるが、所望の特性が周期構造の周期5-30μｍで実現できるように、高屈折率領域と低屈折率領域における比屈折率差の差分は1%-3.5%が好ましい。（現状では比屈折率差が-1.0%を下回る石英ガラスの製造は難しく、高屈折領域の比屈折率差は0%-3.5%が好ましい。尚、高屈折率領域を比屈折率差が3.5%を超えるようにGeを高濃度で添加して実現する場合には、加熱時にプリフォームが割れやすくなり、歩留まりの低下につながる。）
高屈折率領域と低屈折率領域における比屈折率差の差分が1%よりも小さいと、周期構造の周期が大きくなり、ファイバ径の増加あるいは高屈折率領域の層数の減少につながる。その結果、コアモード結合先のクラッドモード密度の減少につながり、フィルタ特性のアイソレーションの低下を引き起こす。また高屈折領域と低屈折率領域における比屈折率差の差分が3.5%よりも大きいと、周期構造の周期が小さくなり、ファイバ製造時にプリフォームが加熱されることによる、屈折率を増加・減少させる元素の拡散の特性への影響が大きくなる。その結果、完成したファイバの屈折率プロファイルが当初の設計と大きく異なってしまう。

そして、高屈折領域の径/周期を遮断帯域幅が３０ｎｍになるように調整する。高屈折領域の径/周期は、0.4-0.7が好ましい。高屈折領域の径/周期の値が小さすぎると、不透過帯域でのコアモードとクラッドモードの結合が小さくなり、フィルタのアイソレーションが悪化する。高屈折領域の径/周期の値が大きすぎると、製造時の元素の拡散により完成したファイバの屈折率プロファイルが設計と大きく異なってしまう。

次に、本実施形態に係る光ファイバ増幅器１に含まれる光ファイバ２が図５に示される光フィルタ特性を有すると仮定して、本実施形態の光ファイバ増幅器１および比較例の光ファイバ増幅器それぞれの光増幅特性を互いに比較する。図５は、本実施形態に係る光ファイバ増幅器１に含まれる光ファイバ２の透過スペクトルとして仮定したものを示す図である。この図に示されるように、光ファイバ２は、波長範囲１.５０μｍ〜１.５６５μｍにおいて遮断帯域となって、その遮断帯域では透過率が−３０ｄＢであり、波長１.５０μｍ以下の透過帯域および波長１.５６５μｍ以上の透過帯域では透過率が０ｄＢであるとする。

比較例の光ファイバ増幅器は、図１に示される構成において、二次元周期構造を有しない通常のＥＤＦを光ファイバ２に替えて備え、波長１.４８μｍの励起光を出力する励起光源３を備えるものとする。本実施形態の光ファイバ増幅器１の光ファイバ２、および、比較例の光ファイバ増幅器のＥＤＦそれぞれは、長さが７３.５ｍであり、条長積が５０５ｄＢであるとする。本実施形態の光ファイバ増幅器１および比較例の光ファイバ増幅器の何れにおいても、パワーが１８.１３ｄＢｍの励起光を励起光源３が出力するものとし、波長範囲１５７２.２ｎｍ〜１６０５.０ｎｍに含まれる４０波長（１００ＧＨｚ間隔）の多波長の連続光（各パワー：−１９.５ｄＢｍ）を被増幅光として入力ポートに入力するものとする。

以下では、本実施形態の光ファイバ増幅器１において、励起光波長が０.９８μｍである場合（第１実施例）、および、励起光波長が１.４８μｍである場合（第２実施例）、それぞれについて比較例と対比する。

図６は、第１実施例の光ファイバ増幅器と比較例の光ファイバ増幅器それぞれの利得の波長依存性を示すグラフである。図７は、第１実施例の光ファイバ増幅器と比較例の光ファイバ増幅器それぞれのＡＳＥに起因する雑音指数ＮＦの波長依存性を示すグラフである。励起光波長１.４８μｍの比較例と比べて、励起光波長０.９８μｍの第１実施例では、利得が０.１２ｄＢ低下するものの、雑音指数ＮＦは０.４５ｄＢ改善し、全体として信号の質が改善している。比較例と比べて第１実施例において利得が同程度であるのは、光ファイバ２の光フィルタ特性により波長１.５３μｍ付近のＡＳＥを抑制することによると考えられる。比較例と比べて第１実施例において雑音指数が改善したのは、反転分布の不完全性に起因する自然放出光の影響が小さくなるためと考えられる。

図８は、第２実施例の光ファイバ増幅器と比較例の光ファイバ増幅器それぞれの利得の波長依存性を示すグラフである。図９は、第２実施例の光ファイバ増幅器と比較例の光ファイバ増幅器それぞれのＡＳＥに起因する雑音指数ＮＦの波長依存性を示すグラフである。励起光波長１.４８μｍの比較例と比べて、励起光波長１.４８μｍの第２実施例では、利得が１.０ｄＢ上昇するとともに、雑音指数ＮＦが０.２ｄＢ改善し、全体として信号の質が改善している。比較例と比べて第２実施例において利得が上昇したのは、光ファイバ２の光フィルタ特性により波長１.５３μｍ付近のＡＳＥを抑制することによると考えられる。

このように、本実施形態に係る光ファイバ増幅器１は、ＡＳＥ光発生を抑制しつつ、高利得で被増幅光を光増幅することができる。

図１０は、本実施形態に係る光ファイバ増幅器１に含まれる光ファイバ２として試作したものの断面の写真である。また、図１１は、この試作した光ファイバの断面構造のパラメータを説明する図である。この試作した光ファイバは、コア領域１０におけるＥｒ添加部の比屈折率差が１％であり、高屈折率領域２１の比屈折率差が３％であり、低屈折率領域２２の比屈折率差が−０.３６％であった。また、この光ファイバは、コア領域１０におけるＥｒ添加部の径Ｄが２.２μｍであり、高屈折率領域２１の径ｄが５.２μｍであり、高屈折率領域２１の周期Λが８.６μｍであった。図１２は、この試作した光ファイバを径４０φで５ターンだけ巻いたときの該光ファイバの透過特性を示す図である。この図から判るように、波長１.５６５μｍ以下の光に対してロスを与えるフィルタを実現できていることが分かる。

本実施形態に係る光ファイバ増幅器１の構成図である。本実施形態に係る光ファイバ増幅器１に含まれる光ファイバ２の断面図である。本実施形態に係る光ファイバ増幅器１に含まれる光ファイバ２の損失スペクトルの一例を示す図である。スタックアンドドロー法による光ファイバ２の製造方法の一例を説明する図である。本実施形態に係る光ファイバ増幅器１に含まれる光ファイバ２の透過スペクトルとして仮定したものを示す図である。第１実施例の光ファイバ増幅器と比較例の光ファイバ増幅器それぞれの利得の波長依存性を示すグラフである。第１実施例の光ファイバ増幅器と比較例の光ファイバ増幅器それぞれのＡＳＥに起因する雑音指数ＮＦの波長依存性を示すグラフである。第２実施例の光ファイバ増幅器と比較例の光ファイバ増幅器それぞれの利得の波長依存性を示すグラフである。第２実施例の光ファイバ増幅器と比較例の光ファイバ増幅器それぞれのＡＳＥに起因する雑音指数ＮＦの波長依存性を示すグラフである。本実施形態に係る光ファイバ増幅器１に含まれる光ファイバ２として試作したものの断面の写真である。本実施形態に係る光ファイバ増幅器１に含まれる光ファイバ２として試作したものの断面構造のパラメータを説明する図である。本実施形態に係る光ファイバ増幅器１に含まれる光ファイバ２として試作したものを径４０φで５ターンだけ巻いたときの該光ファイバの透過特性を示す図である。

符号の説明

１…光ファイバ増幅器、２…光ファイバ、３…励起光源、４，５…光アイソレータ。１０…コア領域、２０…クラッド領域、２１…高屈折率領域、２２…低屈折率領域。

Claims

Ｅｒ元素が添加されたコア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域とを有する光ファイバと、
この光ファイバに波長０.９８μｍまたは波長１.４８μｍの励起光を供給する励起光源と、
を備え、
前記光ファイバは、
前記クラッド領域がファイバ軸に垂直な断面において低屈折率背景領域に高屈折率領域が二次元周期構造を有し、
前記コア領域が前記断面の中央部における前記二次元周期構造の欠陥によって形成され、
波長範囲１.５０μｍ〜１.５３μｍにおいて遮断帯域となる光フィルタ特性を有する、
ことを特徴とする光ファイバ増幅器。
前記光ファイバは、
波長範囲１.５０μｍ〜１.５６５μｍにおいて遮断帯域となる光フィルタ特性を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅器。