JP2010239035A

JP2010239035A - 光ファイバ増幅器の設計方法および光ファイバ増幅器

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Publication number: JP2010239035A
Application number: JP2009087356A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Nishigata; 由博西潟
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】ＳＢＳの発生を防止しつつ正確な光ファイバ増幅器の設計をすることができる光ファイバ増幅器の設計方法および光ファイバ増幅器を提供すること。
【解決手段】光増幅物質をコア部に添加した増幅光ファイバと、前記光増幅物質を光励起するための励起光を出力する励起光源とを備える光ファイバ増幅器の設計方法であって、前記増幅光ファイバに入力する増幅すべきレーザ光の強度をＰとし、前記増幅光ファイバの有効コア断面積をＡ_eff、長さをＬ、伝送損失をα、ブリユアン利得をｇ_B、増幅利得をｇ、誘導ブリユアン散乱の閾値をＰ_thとすると、前記Ｌを、以下の式（１）〜（３）を満たすように設計することを特徴とする光ファイバ増幅器の設計方法。
Ｐ_th＝２１Ａ_eff／（Ｌ_eff・ｇ_B）・・・（１）
Ｌ_eff＝｛ｅｘｐ［（ｇ−α）Ｌ］−１｝／（ｇ−α）・・・（２）
Ｐ＜Ｐ_th ・・・（３）
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ増幅器の設計方法および光ファイバ増幅器に関する。

従来、たとえば半導体の露光等のレーザ加工に用いられるレーザ装置として、レーザ光源と、このレーザ光源に接続した光増幅器とを備えたレーザ装置が開示されている（特許文献１参照）。このレーザ装置は、いわゆるＭＯＰＡ（ＭａｓｔｅｒＯｓｃｉｌｌａｔｏｒＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）構造を有するものであって、レーザ光源が所望の波長のレーザ光を出力し、光増幅器がこのレーザ光を所望の強度に増幅して出力するものである。なお、光増幅器としては、たとえば光ファイバ増幅器が使用される。光ファイバ増幅器は、増幅媒体として、光増幅物質をコア部に添加した増幅光ファイバを用いたものである。

一方、たとえば光ファイバ通信において光伝送路として用いられる、長さが１ｋｍ以上の光ファイバに強度の高い光を入力した場合、光ファイバ中で誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）と呼ばれる非線形光学現象が発生することが知られている（特許文献２参照）。このＳＢＳは、光ファイバの一端から閾値（ＳＢＳ閾値）以上の強度の光を入力すると、入力した光とは反対方向に伝搬する光（ＳＢＳ光）が発生する現象である。ＳＢＳが発生すると、光ファイバに入力した光のエネルギーが、ＳＢＳ光の発生に消費されるため、光ファイバの他端から出力される光の強度が減少してしまう。そのため、光ファイバに光を入力する場合は、ＳＢＳ閾値より小さい強度とすることが好ましい。

なお、光ファイバの有効コア断面積をＡ_eff、長さをＬ、伝送損失をα、ブリユアン利得をｇ_Bとすると、光ファイバのＳＢＳ閾値Ｐ_thは、以下の式（１ａ）、（２ａ）で表されることが知られている。

Ｐ_th＝２１Ａ_eff／（Ｌ_eff・ｇ_B）・・・（１ａ）
Ｌ_eff＝［１−ｅｘｐ（−αＬ）］／α ・・・（２ａ）
なお、Ｌ_effは光ファイバの有効相互作用長を示す。また、「ｅｘｐ」は自然対数ｅのべき乗を表す記号である。

特開２００７−３３５５２２号公報

Ｇ.Ｐ.Ａｇｒａｗａｌ、非線形ファイバー光学原書第２版,吉岡書店(１９９７)

ところで、上述したようなＭＯＰＡ構造のレーザ装置が高出力化するにつれて、レーザ光源から光ファイバ増幅器に入力するレーザ光の強度も高くなってきている。そのため、エネルギー効率が良い光ファイバ増幅器を実現するためには、光ファイバ増幅器内においてＳＢＳが発生しないように、光ファイバ増幅器の設計を行なうべきである。

しかしながら、上述した式（１ａ）、（２ａ）を用いて光ファイバ増幅器におけるＳＢＳ閾値の計算を行なっても、増幅光ファイバの増幅利得を加味していないため、正確なＳＢＳ閾値を得ることができないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＳＢＳの発生を防止しつつ正確な光ファイバ増幅器の設計をすることができる光ファイバ増幅器の設計方法および光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバ増幅器の設計方法は、光増幅物質をコア部に添加した増幅光ファイバと、前記光増幅物質を光励起するための励起光を出力する励起光源とを備える光ファイバ増幅器の設計方法であって、前記増幅光ファイバに入力する増幅すべきレーザ光の強度をＰとし、前記増幅光ファイバの有効コア断面積をＡ_eff、長さをＬ、伝送損失をα、ブリユアン利得をｇ_B、増幅利得をｇ、誘導ブリユアン散乱の閾値をＰ_thとすると、前記Ｌを、以下の式（１）〜（３）を満たすように設計することを特徴とする。
Ｐ_th＝２１Ａ_eff／（Ｌ_eff・ｇ_B）・・・（１）
Ｌ_eff＝｛ｅｘｐ［（ｇ−α）Ｌ］−１｝／（ｇ−α）・・・（２）
Ｐ＜Ｐ_th ・・・（３）

また、本発明に係る光ファイバ増幅器は、上記発明の設計方法を用いて設計した長さを有する前記増幅光ファイバを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ＳＢＳの発生を防止しつつ正確な光ファイバ増幅器の設計をすることができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る光ファイバ増幅器の模式図である。図２は、図１に示す増幅光ファイバの長手方向に垂直な断面における模式的な断面図である。図３は、増幅光ファイバの長さと、設定した強度のレーザ光が増幅光ファイバに入力したときの、増幅光ファイバにより増幅されて出力するレーザ光の強度との関係を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバ増幅器の設計方法および光ファイバ増幅器の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバ増幅器の模式図である。この光ファイバ増幅器１０は、レーザ光源Ｓと接続しており、全体としてＭＯＰＡ構造のレーザ装置を構成しているものである。

光ファイバ増幅器１０の構成について説明する。この光ファイバ増幅器１０は、ｎを２以上の整数として、波長９１５ｎｍの励起光を出力する励起光源としてのマルチモード半導体レーザ１₁〜１_nと、マルチモード光ファイバ２₁〜２_nと、シングルモード光ファイバ３と、ＴＦＢ（Tapered Fiber Bundle）４と、ダブルクラッド光ファイバ５と、増幅光ファイバ６と、シングルモード光ファイバ７と、光コネクタ等の出力端子８とを備える。

マルチモード光ファイバ２₁〜２_nは、マルチモード半導体レーザ１₁〜１_nが出力する励起光を導波するように接続されている。また、シングルモード光ファイバ３は、レーザ光源Ｓが出力する、たとえば波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｌ１を導波するように接続されている。また、ＴＦＢ４は、マルチモード光ファイバ２₁〜２_nが導波した各励起光と、シングルモード光ファイバ３が導波したレーザ光Ｌ１とを、ダブルクラッド光ファイバ５から出力させるように構成されている。また、増幅光ファイバ６は、ダブルクラッド光ファイバ５と接続点Ｃ１において融着接続している。また、シングルモード光ファイバ７は、増幅光ファイバ６と接続点Ｃ２において融着接続している。また、出力端子８は、シングルモード光ファイバ７の一端に接続している。

図２は、図１に示す増幅光ファイバ６の長手方向に垂直な断面における模式的な断面図である。この増幅光ファイバ６は、ゲルマニウムが添加されるとともに、光増幅物質としてのイッテルビウム（Ｙｂ）が添加されたシリカガラスからなるコア部６ａと、コア部６ａの外周に形成され、コア部６ａよりも低屈折率のシリカガラスからなる内側クラッド部６ｂと、内側クラッド部６ｂの外周に形成され、内側クラッド部６ｂよりも低屈折率の樹脂からなる外側クラッド部６ｃとを備えるダブルクラッド型の増幅光ファイバである。

なお、ダブルクラッド光ファイバ５も、増幅光ファイバ６と同様の断面構造を有し、コア部にはゲルマニウムが添加されているダブルクラッド型の光ファイバである。また、シングルモード光ファイバ３、７は、ダブルクラッド型ではなく、図２に示す増幅光ファイバ６の構造において、内側クラッド部６ｂと外側クラッド部６ｃとからなるクラッド部を１層のクラッド部に置き換え、さらにこのクラッド部の外周に光ファイバのガラス部分の保護のための樹脂被覆を備えた構造を有している。

また、マルチモード光ファイバ２₁〜２_nはコア部とクラッド部とを備えた通常の構造を有し、コア部のコア径がたとえば１０５μｍのマルチモード光ファイバであり、励起光の波長の光をマルチモードで導波するように構成されている。

つぎに、この光ファイバ増幅器１０の動作について説明する。まず、マルチモード半導体レーザ１₁〜１_nが波長９１５ｎｍ近傍の励起光を出力すると、マルチモード光ファイバ２₁〜２_nが各励起光を導波し、ＴＦＢ４が、導波した各励起光を結合してダブルクラッド光ファイバ５に出力する。ダブルクラッド光ファイバ５は、結合した励起光をマルチモードで伝搬し、増幅光ファイバ６に到達させる。

増幅光ファイバ６に到達した励起光は、増幅光ファイバ６の内側クラッド部６ｂ内をマルチモードで伝搬しながら、増幅光ファイバ６のコア部６ａに添加したＹｂを光励起する。

一方で、ＴＦＢ４は、シングルモード光ファイバ３が導波したレーザ光Ｌ１をダブルクラッド光ファイバ５に出力する。ダブルクラッド光ファイバ５は、レーザ光Ｌ１をシングルモードで導波し、増幅光ファイバ６に到達させる。増幅光ファイバ６においては、レーザ光Ｌ１は、励起状態にあるＹｂと相互作用し、増幅光ファイバ６を伝搬しながらレーザ増幅される。シングルモード光ファイバ７は、増幅されたレーザ光Ｌ１を導波し、出力端子８は、増幅されたレーザ光Ｌ１をレーザ光Ｌ２として出力する。

ここで、本実施の形態１に係る光ファイバ増幅器１０においては、増幅光ファイバ６に入力するレーザ光Ｌ１の強度をＰとし、増幅光ファイバ６の有効コア断面積をＡ_eff、長さをＬ、伝送損失をα、ブリユアン利得をｇ_B、増幅利得をｇとすると、Ｌは、以下の式（１）〜（３）を満たすように設計されている。

Ｐ_th＝２１Ａ_eff／（Ｌ_eff・ｇ_B）・・・（１）
Ｌ_eff＝｛ｅｘｐ［（ｇ−α）Ｌ］−１｝／（ｇ−α）・・・（２）
Ｐ＜Ｐ_th ・・・（３）
なお、Ｐ_thは増幅光ファイバ６のＳＢＳ閾値を示し、Ｌ_effは有効相互作用長を示す。

すなわち、この光ファイバ増幅器１０においては、増幅光ファイバ６の長さＬを、増幅利得ｇを加味した上記式（１）〜（３）を満たすように設計している。その結果、この光ファイバ増幅器１０は、ＳＢＳの発生を防止しつつ、より正確に設計された光ファイバ増幅器となっている。

本実施の形態１について、シミュレーション計算結果を用いてより具体的に説明する。以下では、設定した強度のレーザ光を増幅光ファイバ６に入力した場合に、増幅光ファイバ６により増幅されて出力するレーザ光の強度を、長さＬを変えて計算した。なお、この計算には、式（１ａ）、（２ａ）、または式（１）、（２）を用いた。具体的には、ＳＢＳ閾値は光ファイバに入力する光の強度で定義されるので、はじめに増幅光ファイバ６にどれくらいの強度の光を入力するのかを決めた。ここでは、通常の値が１００〜２００ｍＷであることを勘案して、１００ｍＷまたは２００ｍＷとした。つぎに、決定した入力光強度をＳＢＳ閾値Ｐ_thとして、一定値であるＡ_eff、ｇ_Bを用いて、式（１）よりＬ_effを決定した。つぎに、式（２）を用いて、このＬ_effの値を満たすような、Ｌとｇとの値の組み合わせを計算した。そして、計算したＬとｇとの組み合わせを用いて、増幅光ファイバ６により増幅されて出力するレーザ光の強度を計算した。なお、Ｌは通常、４〜１０ｍ程度であるが、ここでは２〜１４ｍの範囲で計算した。また、ｇを大きくしすぎると、ＡＳＥ（Anplified Spontaneous Emission）光が寄生発振をする可能性があるので、ｇとしては大きくとも１７ｄＢの利得を想定した。また、計算に用いた値は以下の通りである。

Ａ_eff：５０μｍ²、ｇ_B：３．５×１０^-11、ｇ：０〜１７ｄＢ、α：０．００３ｄＢ／ｍ。また、増幅光ファイバ６に入力させる波長９１５ｎｍの励起光の強度は１３〜１７Ｗとする。

図３は、増幅光ファイバの長さと、設定した強度のレーザ光が増幅光ファイバに入力したときの、増幅光ファイバにより増幅されて出力するレーザ光の強度（以下、出力光強度）との関係を示す図である。図３中、「従来例」とは、入力するレーザ光強度を１００ｍＷに設定し、式（１ａ）、（２ａ）を用いて計算を行なったものである。また、「本発明１（１００ｍＷ）」、「本発明２（２００ｍＷ）」とは、入力するレーザ光強度をそれぞれ１００ｍＷ、２００ｍＷに設定し、式（１）、（２）を用いて計算を行なったものである。

図３において、たとえば出力光強度として１０Ｗを実現したい場合を考える。この場合、従来例では増幅光ファイバ６の長さを３ｍ程度にする必要があるが、本発明１では、長さを４ｍにすることができる。

なお、この増幅光ファイバ６の場合、励起光から出力レーザ光へのエネルギー変換効率が最も高くなる増幅光ファイバ６の長さは、２５ｍであり、これより短くなるにつれてエネルギー変換効率は低くなっていく。したがって、本発明１のように式（１）、（２）を用いて増幅光ファイバ６の長さをより長く設計することによって、光ファイバ増幅器１０はエネルギー変換効率がより高いものとなるので、増幅光ファイバ６の長さをより正確に設計することの効果が得られることとなる。

また、一般的に、増幅光ファイバのエネルギー変換効率は、入力するレーザ光強度を高くするに従って高くなる。そこで、本発明２のように入力するレーザ光強度の設定値を２００ｍＷにする場合について、式（１）、（２）を用いて計算する。すると、図３に示すように、増幅光ファイバ６の長さを３．３ｍ程度に長くできる。この場合、光ファイバ増幅器１０のエネルギー変換効率はさらに高いものとなる。また、このように光ファイバ増幅器１０のエネルギー変換効率が高くなれば、励起光のエネルギーのうちレーザ光に変換されずに熱エネルギーとなるものの量も減少するので、光ファイバ増幅器１０の発熱量を低減できる。その結果、光ファイバ増幅器１０の信頼性が向上するとともに、発熱に対応するためのペルチェ素子等の冷却手段の消費電力を低減できる。

１₁〜１_n マルチモード半導体レーザ
２₁〜２_n マルチモード光ファイバ
３、７シングルモード光ファイバ
４ＴＦＢ
５ダブルクラッド光ファイバ
６増幅光ファイバ
８出力端子
１０光ファイバ増幅器
Ｓレーザ光源

Claims

光増幅物質をコア部に添加した増幅光ファイバと、前記光増幅物質を光励起するための励起光を出力する励起光源とを備える光ファイバ増幅器の設計方法であって、前記増幅光ファイバに入力する増幅すべきレーザ光の強度をＰとし、前記増幅光ファイバの有効コア断面積をＡ_eff、長さをＬ、伝送損失をα、ブリユアン利得をｇ_B、増幅利得をｇ、誘導ブリユアン散乱の閾値をＰ_thとすると、前記Ｌを、以下の式（１）〜（３）を満たすように設計することを特徴とする光ファイバ増幅器の設計方法。
Ｐ_th＝２１Ａ_eff／（Ｌ_eff・ｇ_B）・・・（１）
Ｌ_eff＝｛ｅｘｐ［（ｇ−α）Ｌ］−１｝／（ｇ−α）・・・（２）
Ｐ＜Ｐ_th ・・・（３）
請求項１に記載の設計方法を用いて設計した長さを有する前記増幅光ファイバを備えることを特徴とする光ファイバ増幅器。