JP2012080138A

JP2012080138A - 光ファイバ増幅器

Info

Publication number: JP2012080138A
Application number: JP2012012232A
Authority: JP
Inventors: Makoto Yamada; 誠山田; Tadashi Sakamoto; 匡阪本; Junichi Kani; 淳一可児; Hirotaka Ono; 浩孝小野; Makoto Shimizu; 誠清水
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2012-04-19

Abstract

【課題】低消費電力、低価格でかつ広い温度範囲で動作可能な励起光源を用いることで、高信頼で低価格、低消費電力のＥｒ添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を提供すること。
【解決手段】１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュール１および広帯域な反射特性を有する反射ミラー２によって生成された励起光は、光合波器４−１で信号光と合波されて増幅媒体であるＥＤＦ３（Δｎ１．６％、カットオフ波長０．９５μｍ、Ｅｒ添加濃度２０００ｐｐｍ、ファイバ長：５ｍ）に入射される。ＥＤＦＡの発振を抑えるため入出力端には、光アイソレータ５−１、５−２がそれぞれ設置されている。反射ミラー２は、それぞれ１４５５ｎｍ、１４７６ｎｍ、１４９５ｎｍで反射を有する３つのファイバグレーティングを直列に接続して構成した。
【選択図】図５

Description

本発明は、光ファイバ増幅器に関し、より詳細には、光通信・光計測等に用いられる、低価格・低消費電力化された光ファイバ増幅器に関する。

Ｅｒ添加光ファイバを増幅媒体に用いたＥｒ添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、１．５５μｍあるいは１．５８μｍ通信帯を利用する光通信システムの重要な構成部品として精力的な研究・開発が実施され、今日、デジタル信号を伝送する幹線伝送系からアナログ信号を伝送する光ＣＡＴＶ等へ幅広く適用されている。

図１０に、ＥＤＦＡの基本構成を示す。ＥＤＦＡは、増幅媒体であるＥｒ添加光ファイバ（ＥＤＦ）７、ＥＤＦ７へ励起光を供給する励起光源６、信号光と励起光を合波、分波する光合分波器８−１、８−２、光増幅器の発振を抑えるための光アイソレータ９−１、９−２等により構成される（非特許文献１参照）。

従来、励起光源６としては、ペルチェ素子を搭載した１４８０ｎｍ帯若しくは９８０ｎｍ帯の半導体レーザモジュールが用いられてきた。この半導体レーザモジュールに搭載されるペルチェ素子は、ＥＤＦＡの使用環境温度が例えば０〜６０℃と変化した場合にも半導体レーザモジュールの発振波長を安定化させ、励起効率の温度依存特性を無くし、安定な増幅動作を保証するために必要とされてきた。しかし、この従来のＥＤＦＡでは、励起光源６として使用する半導体レーザモジュールの消費電力がペルチェ素子駆動電力分大きくなり（例えばペルチェ素子駆動電圧２Ｖ、電流２Ａとするとペルチェ素子駆動電力は４Ｗ）、そのためＥＤＦＡ全体の消費電力も大きくなるといった課題を有していた。また、半導体レーザモジュールの価格も、ペルチェ素子が搭載されることから高価である。

この課題を解決する技術として、９８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュール（ペルチェ素子未搭載）をＥＤＦＡに搭載する方法が発明された。この方法では、９８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュールの発振波長を安定化させるため、図１１に示すように９８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュール１０と共に、同モジュールの出力端にファイバグレーティング（ＦＢＧ）１１を配置する。この場合、９８０ｎｍ帯励起光は、図１２に示すように、９８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュール１０内のレーザチップ１０−１の裏面１０−１ｂとＦＢＧ１１間の共振によって発生する（非特許文献２参照）。通常、この半導体レーザモジュール１０ではレーザチップ１０−１の表面の反射による発振を抑えるため、表面は反射率数％以下の低反射としている。この構成では、ＦＢＧ１１の温度依存性が小さいため、ＥＤＦＡの使用環境温度が変化しても発振波長が安定した励起が可能である。また、ペルチェ素子の駆動電力が必要なくなったため、ＥＤＦＡの低消費電力化が実現できた。

M. Yamada et al., "Er3+-Doped Fiber Amplifier Pumped by 0.98 μm Laser Diodes", IEEE PTL, 1989, Vol. 1, No. 12, pp.422-424 麦野明、入江雄一郎、「ファイバグレーティング付き９８０ｎｍポンプレーザの出力最適化」、古河電工時報、２０００年１月、第１０５、ｐ．２４−２９

しかしながら、９８０ｎｍ帯半導体レーザは、１４８０ｎｍ帯半導体レーザに比べて、レーザチップを搭載するパッケージからの有機物により頓死（突然、レーザからの出力が低下、あるいは停止する現象）するという問題がある。この頓死を克服するため、現在は高度な実装（パッケージ中に微量の酸素を導入）が用いられており、このため９８０ｎｍ帯半導体レーザ自体を高価なものとしていた。

さらに近年、９８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザの他に、１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザも登場し始めているが、その１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザには発振波長を安定化するＦＢＧは搭載されておらず、温度の変化に対して発振波長がシフトし、ＥＤＦＡを安定に動作できなかった。１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザもＦＢＧにより発振波長の安定化を実現できるが、同半導体レーザの動作環境温度が変化した場合、ＬＤチップの利得スペクトルが変化し、ＦＢＧの反射波長にＬＤチップの利得が無くなると発振が維持できなくなる。図１３に、ＬＤチップの利得スペクトルの温度による変化とＦＢＧの反射波長の関係を模式的に示す。低温時および室温時では、ＦＢＧの反射波長がＬＤチップの利得スペクトルに重なって発振をするが、高温時ではＦＢＧの反射波長がＬＤチップの利得スペクトルに重ならないため発振を維持できない。このため、０〜７０℃の温度範囲で安定に動作するＦＢＧ付き１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザは実現されていなかった。

さらに、図１４にＥＤＦＡの励起波長の変化に対して出力１１ｄＢｍを実現するために必要な励起光量の例を示す（信号波長：１５２４．５ｎｍ、入射信号光量：＋２ｄＢ）。励起波長域１４５５〜１４９５ｎｍを超える波長域では、励起光量が著しく上昇している。また、図１５に、１４８０ｎｍ帯半導体レーザモジュール・発振スペクトルの温度（外気温）依存性を示す（ペルチェ素子を搭載した１４８０ｎｍ帯半導体レーザモジュールを用い、ペルチェ素子を無制御で測定）。図１５に示すように、アンクール状態での１４８０ｎｍ帯半導体レーザモジュールは同モジュールの置かれる温度（外気温）に対して発振スペクトルが大きく変わり、６０℃では発振スペクトルの中心波長が１５００ｎｍとなる。この状態でＥＤＦＡを構成すると、出力１１ｄＢｍを実現するために必要な励起光量（信号波長：１５２４．５ｎｍ、入射信号光量：＋２ｄＢｍ）は、１２０ｍＷ以上（励起波長が１４５５〜１４９５ｎｍ内では６０ｍＷ以下）となり、実使用に耐えない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、低消費電力、低価格でかつ広い温度範囲で動作可能な励起光源を用いることで、高信頼で低価格、低消費電力のＥＤＦＡを提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、コア部あるいはクラッド部にレーザ遷移準位を有するエリビウムを添加した光ファイバから成る活性媒体と、前記活性媒体を励起する励起光を発生する励起光源と、前記励起光源からの励起光及び被増幅光を結合して前記活性媒体に導く光学部品と、光アイソレータとから成る光ファイバ増幅器において、前記励起光源は、１４８０ｎｍ帯のアンクール半導体レーザと反射波長が１４５５ｎｍ以上、１５９５ｎｍ以下に存在する反射ミラーを含み、前記反射ミラーの反射スペクトルは、励起波長域全体を反射する特性を有し、前記１４８０ｎｍ帯のアンクール半導体レーザと前記反射ミラーとの間の共振により、少なくとも１４５５ｎｍ以上、１５９５ｎｍ以下の波長で発振することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光ファイバ増幅器において、反射ミラーが、誘電体多層膜であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光ファイバ増幅器において、反射ミラーが、チャープドグレーティングであることを特徴とする。

本発明によれば、低消費電力、低価格でかつ広い温度範囲で動作可能な励起光源を用いることで、高信頼で低価格、低消費電力のＥＤＦＡが可能になる。

本発明の一実施形態に係るＥＤＦＡに用いる励起光源の構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る励起光源において用いる反射ミラーの反射特性を示す図である。本発明の一実施形態に係る励起光源において用いる反射ミラーの反射特性を示す図である。本発明の一実施形態に係る励起光源において用いる反射ミラーの反射特性を示す図である。本発明の一実施形態に係るＥＤＦＡの構成を示す図である。本発明の実施形態１に係る広帯域な反射特性を有する反射ミラー２の反射特性を示す図である。本発明の実施形態１に係るＥＤＦＡの、周囲温度が０、２５、７０℃の場合における信号利得、雑音スペクトル及び駆動電流を示すである。本発明の実施形態２に係る誘電体多層膜を用いた反射ミラーの反射特性を示す図である。本発明の実施形態２に係るＥＤＦＡの、周囲温度が０、２５、７０℃の場合における信号利得、雑音スペクトル及び駆動電流を示すである。従来のＥＤＦＡの基本構成を示す図である。従来のＥＤＦＡの基本構成を示す図である。従来のＥＤＦＡに用いられる励起光源の構成を示す図である。ＬＤチップの利得スペクトルを示す図である。ＥＤＦＡの励起波長の変化に対して出力１１ｄＢｍを実現するために必要な励起光量の例を示す図である。１４８０ｎｍ帯半導体レーザモジュール・発振スペクトルの温度（外気温）依存性を示す図である。

本発明に係るＥＤＦＡの最大の特徴は、図１に示すように１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュール１に広帯域な反射特性を有する反射ミラー２を付加し、１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザの発振波長を所望の発振波長域内で発振させることができるところにある。図２に、ＦＢＧと反射ミラー２の反射スペクトルを示す。従来のＦＢＧを搭載したＥＤＦＡにおいては特定の狭い波長帯域だけでしか発振させられなかったのに対し、本発明に係るＥＤＦＡでは、反射ミラー２を搭載したことにより広帯域に発振可能となったことに特徴を有する。反射ミラー２が広帯域の反射特性を有するため、図３に示すように１４８０ｎｍ帯ＬＤチップの利得スペクトルが温度の変化に対してシフトしても利得スペクトルが反射ミラー２の反射波長と重なりを保つので、広い温度範囲で安定してＥＤＦの励起が実現できる。尚、反射ミラー２の反射スペクトルは図４に示すように、ＥＤＦの励起波長域全体を反射する特性でも励起波長域内に２つ以上の急峻な反射特性を有するものでも良い。すなわち、１４８０ｎｍ帯ＬＤチップの利得スペクトルがシフト後も、反射ミラー２の反射波長の少なくとも一部が１４８０ｎｍ帯ＬＤチップの利得スペクトルと重なるようになっていれば良い。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
（実施形態１）
図５に、本発明の一実施形態に係るＥＤＦＡの構成を示す。１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュール１および広帯域な反射特性を有する反射ミラー２によって生成された励起光は、光合波器４−１で信号光と合波されて増幅媒体であるＥＤＦ３（Δｎ１．６％、カットオフ波長０．９５μｍ、Ｅｒ添加濃度２０００ｐｐｍ、ファイバ長：５ｍ）に入射される。ＥＤＦＡの発振を抑えるため入出力端には、光アイソレータ５−１、５−２がそれぞれ設置されている。

図６に、実施形態１において用いた広帯域な反射特性を有する反射ミラー２の反射特性を示す。反射ミラー２は、それぞれ１４５５ｎｍ、１４７６ｎｍ、１４９５ｎｍで反射を有する３つのＦＢＧを直列に接続して構成した。尚、ＥＤＦ３の励起波長域は図６に示すように１４５５ｎｍ〜１４９５ｎｍである。また、１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュール１のレーザチップ１−１の表面の反射による発振を抑えるため、レーザチップ１−１の表面は反射率数％以下の低反射とした。本構成により、１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュール１の発振波長は環境温度０〜７０℃において、１４５５ｎｍ、１４７６ｎｍ、１４９５ｎｍのいずれかの１つあるいは複数（１４５５ｎｍと１４７６ｎｍ、１４７６ｎｍと１４９５ｎｍ）であり、同温度範囲においてＥＤＦの励起波長域内での発振が確認できた。

図７に、周囲温度を０、２５、７０℃に変化させた場合の実施形態１に係るＥＤＦＡの信号利得、雑音スペクトルおよび駆動電流を示す。実施形態１においては、入射信号波長（単一波長）の入射信号光量は−５ｄＢｍ、信号利得は７ｄＢ以上を安定に実現できる。このように、１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュール１に広帯域な反射特性を有する反射ミラー２を付加する構成は、１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザの安定動作に極めて有効である。また、反射波長の異なる複数のＦＢＧを半導体レーザモジュールの出力端に配置する構成をとるため、半導体レーザモジュールの価格を抑えられ、かつ電力消費量も低く抑えることができる。

（実施形態２）
実施形態２に係るＥＤＦＡでは、広帯域な反射特性を有する反射ミラー２として誘電体多層膜を用いた反射ミラー２を用い、その他の構成は実施形態１と同じとする。図８に、この誘電体多層膜を用いた反射ミラー２の反射特性を示す。この構成により１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュール１の発振波長は、環境温度０〜７０℃において１４５５ｎｍ〜１４９５ｎｍの波長域内で発振する。

図９に、周囲温度を０、２５、７０℃に変化させた場合の実施形態２のＥＤＦＡの信号利得、雑音スペクトル及び駆動電流を示す。尚、本特性は、図８に示すＴｙｐｅＡを用いた場合の特性であるが、ＴｙｐｅＢ、ＴｙｐｅＣにおいてもほぼ同様の結果が得られる。実施形態２においては、入射信号波長（単一波長）の入射信号光量は−５ｄＢｍ、信号利得は７ｄＢ以上を安定に実現できる。このように、１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュール１に広帯域な反射特性を有する反射ミラー２を付加する構成は、１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザの安定動作に極めて有効である。また、ＦＢＧの代わりに誘電体多層膜を半導体レーザモジュールの出力端に配置する構成をとるため、半導体レーザモジュールの価格を抑えられ、かつ電力消費量も低く抑えることができる。

尚、以上の実施形態１及び実施形態２では、複数のＦＢＧ、誘電体多層膜を用いたが、チャープドファイバグレーティングを用いても実施形態２の結果(図９)とほぼ同様の結果が得られる。

１１４８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュール
１−１レーザチップ
１−２レンズ
２反射ミラー
３ＥＤＦ
４−１光合波器
５−１、５−２光アイソレータ
６励起光源
７ＥＤＦ
８−１、８−２光合分波器
９−１、９−２光アイソレータ
１０９８０ｎｍ帯アンクール半導体レーザモジュール
１０−１レーザチップ
１０−２レンズ
１１ＦＢＧ

Claims

コア部あるいはクラッド部にレーザ遷移準位を有するエリビウムを添加した光ファイバから成る活性媒体と、前記活性媒体を励起する励起光を発生する励起光源と、前記励起光源からの励起光及び被増幅光を結合して前記活性媒体に導く光学部品と、光アイソレータとから成る光ファイバ増幅器において、
前記励起光源は、１４８０ｎｍ帯のアンクール半導体レーザと反射波長が１４５５ｎｍ以上、１５９５ｎｍ以下に存在する反射ミラーを含み、前記反射ミラーの反射スペクトルは、励起波長域全体を反射する特性を有し、前記１４８０ｎｍ帯のアンクール半導体レーザと前記反射ミラーとの間の共振により、少なくとも１４５５ｎｍ以上、１５９５ｎｍ以下の波長で発振することを特徴とする光ファイバ増幅器。
前記反射ミラーは、誘電体多層膜であ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。
前記反射ミラーは、チャープドグレーティングであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅器。