JP2532714B2 - Optical fiber amplifier - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は高効率および、低雑音化を図った光ファイ
バ増幅器に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical fiber amplifier with high efficiency and low noise.
［従来の技術］ 第３図はE.Desurvire et.al.によりOpt.Lett.vol.12,
no.11,p889（1987）に示された従来の光ファイバ増幅器
の構成例である。[Prior Art] FIG. 3 is based on E. Desurvire et.al.
It is a configuration example of the conventional optical fiber amplifier shown in No. 11, p889 (1987).
以下第３図に基づいて、従来の光ファイバ増幅器につ
いて説明する。A conventional optical fiber amplifier will be described below with reference to FIG.
図において、（１）はコアに希土類イオンをドープし
た光ファイバであって、前記光ファイバ（１）のコアに
ドープする材料としてはNd,Er等のイオンが良く知られ
ているがここでは石英系光ファイバの最小損失波長であ
る1.5μｍ近傍に利得を有するErドープ光ファイバを用
いた場合について説明する。（２）は励起光を発生する
励起光源であり、前記励起光源（２）としては514nm、8
05nm、980nm、1480nm等のErの吸収帯波長で発振するガ
スレーザ、固体レーザ、半導体レーザなどが用いられ
る。（３）は信号光発生光源であり、前記信号光発生光
源（３）としてはErがドープされた光ファイバ（１）で
利得を有する1530nm、1550nmで発振する半導体レーザが
用いられる。（４）は前記励起光源（２）から出た励起
光と前記信号光発生光源（３）から出た信号光を結合し
て光ファイバ（１）に入力するための合波器、（５）は
前記光ファイバ（１）を伝搬し出射した光のうち信号光
成分のみを通過させる光フィルタ、（６）は前記光フィ
ルタ（５）を通過してきた光を光電変換するための受光
素子である。In the figure, (1) is an optical fiber whose core is doped with rare earth ions, and as a material for doping the core of the optical fiber (1), ions such as Nd and Er are well known, but here, quartz is used. A case where an Er-doped optical fiber having a gain near the minimum loss wavelength of 1.5 μm of the system optical fiber is used will be described. (2) is an excitation light source for generating excitation light, and the excitation light source (2) is 514 nm, 8
Gas lasers, solid-state lasers, semiconductor lasers, etc. that oscillate at Er absorption band wavelengths such as 05 nm, 980 nm, and 1480 nm are used. (3) is a signal light generating light source, and as the signal light generating light source (3), a semiconductor laser oscillating at 1530 nm and 1550 nm having an Er-doped optical fiber (1) having a gain is used. (4) is a multiplexer for coupling the pumping light emitted from the pumping light source (2) and the signal light emitted from the signal light generating light source (3) and inputting them to the optical fiber (1), (5) Is an optical filter that passes only the signal light component of the light that has propagated through the optical fiber (1) and is emitted, and (6) is a light receiving element for photoelectrically converting the light that has passed through the optical filter (5). .
次に従来の光ファイバ増幅器の動作作用について説明
する。Next, the operation of the conventional optical fiber amplifier will be described.
励起光源（２）を出射した励起光は、信号光発生光源
（３）を出射し伝搬してきた信号光と合波器（４）で結
合され、光ファイバ（１）に入力される。Erドープの光
ファイバ（１）は３準位系の増幅器であり基底準位にあ
るErイオンは励起光を吸収し、吸収帯をへて数msecの寿
命を有するレーザ上位準位に遷移する。The excitation light emitted from the excitation light source (2) is combined with the signal light emitted from the signal light generation light source (3) and propagated by the multiplexer (4) and input to the optical fiber (1). The Er-doped optical fiber (1) is a three-level system amplifier, and Er ions in the ground level absorb the excitation light and transit to the laser upper level having a lifetime of several msec through the absorption band.
このとき励起光パワーが充分に大きければ基底準位と
レーザ上位準位間で反転分布が形成され、準位間エネル
ギーに相当する波長の信号光により誘導放出が生じ信号
光は増幅される。At this time, if the pumping light power is sufficiently high, an inversion distribution is formed between the ground level and the laser upper level, and stimulated emission is generated by the signal light having a wavelength corresponding to the energy between levels, and the signal light is amplified.
ここで基底準位を準位１、レーザ上位準位を準位２、
励起光吸収準位を準位３とすると、励起光、信号光は光
ファイバ（１）内を伝搬するにつれて、第１式、第２式
に従って変化する。Here, the ground level is level 1, the laser upper level is level 2,
When the pumping light absorption level is level 3, the pumping light and the signal light change according to the first and second equations as they propagate through the optical fiber (1).
Is:信号光強度（J/cm2・sec） Ip:励起光強度（J/cm2・sec） W:飽和光強度で規格化した信号光強度 R:励起率（/sec） A21:準位１、２間の自然放出率（/sec） Z:進行方向の距離 ρ：光ファイば内のErイオン密度（/cm3） σρ：準位１、３間の誘導吸収断面積（cm2） σs:準位１、２間の誘導放出断面積（cm2） 尚、Erドープファイバの典型値としてσｐ＝3.2×10
-21、σｓ＝5.1×10-21、ρ＝1.8×1018、A21＝71を用
い、光ファイバ（１）のコア径を９μｍとすると、Ｗは
信号光パワー1.2mW（光強度2.0kW/cm2）で1.0、Ｒは励
起光パワー100mWで1400となる。またＲ＝A21となる励起
光パワーは約5mWである。 Is: Signal light intensity (J / cm 2 · sec) Ip: Excitation light intensity (J / cm 2 · sec) W: Signal light intensity normalized by saturation light intensity R: Excitation rate (/ sec) A21: Level Spontaneous emission rate between 1 and 2 (/ sec) Z: Distance in the traveling direction ρ: Er ion density in optical fiber (/ cm 3 ) σρ: Induced absorption cross section between levels 1 and 3 (cm 2 ) σs: stimulated emission cross section between levels 1 and 2 (cm 2 ) Note that σp = 3.2 × 10 6 as a typical value of Er-doped fiber.
-21 , σs = 5.1 × 10 −21 , ρ = 1.8 × 10 18 , A21 = 71, and the core diameter of the optical fiber (1) is 9 μm, W is signal light power 1.2 mW (light intensity 2.0 kW / cm 2 ) is 1.0, and R is 1400 at a pumping light power of 100 mW. The pumping light power for R = A21 is about 5 mW.
これより光ファイバ（１）に入力する励起光パワーが
50mW以上と大きい場合第１式右辺は定数となり励起光強
度は伝搬距離Ｚに比例して減衰し、信号光強度は第２式
右辺の分数式が略１となることにより、伝搬距離Ｚによ
り指数関数的に増加する。From this, the pumping light power input to the optical fiber (1) is
When it is larger than 50 mW, the right side of the first equation becomes a constant, the pump light intensity is attenuated in proportion to the propagation distance Z, and the signal light intensity is an index by the propagation distance Z because the fractional expression on the right side of the second equation is approximately 1. Increase functionally.
次に伝搬距離Ｚが大きくなり励起光パワーが10mW程度
となってくると第１式右辺の分数式は略１となり励起光
強度は指数関数的に減衰を始め、信号光強度は増幅の割
合が減少し、励起光パワー5mWを境として減衰を始め
る。Next, when the propagation distance Z becomes large and the pumping light power becomes about 10 mW, the fractional expression on the right side of the first equation becomes approximately 1, and the pumping light intensity begins to decay exponentially, and the signal light intensity has an amplification rate. It decreases and begins to decay at a pumping light power of 5 mW.
第４図に伝搬距離Ｚに対する励起光パワー、信号光パ
ワーの変化を模式的に示す。FIG. 4 schematically shows changes in pumping light power and signal light power with respect to the propagation distance Z.
また全イオン数に対する準位２にあるイオン数の割合
は光ファイバ（１）入力端でほぼ１であり、出力端に向
けて励起光強度とほぼ同様に減衰する。励起光パワーが
一定の場合、増幅器として最大の利得が得られるのは第
２式よりＲ＝A21となるファイバ長の場合であり、この
時全イオン数に対する準位２にあるイオン数の割合は0.
5である。利得としては50mW〜100mWの励起光パワーによ
りファイバ長15m程度で20〜25dBが得られる。Further, the ratio of the number of ions at level 2 to the total number of ions is almost 1 at the input end of the optical fiber (1), and is attenuated toward the output end almost in the same manner as the excitation light intensity. When the pumping light power is constant, the maximum gain as an amplifier is obtained from the second equation when the fiber length is R = A21. At this time, the ratio of the number of ions in level 2 to the total number of ions is 0.
Is 5. As the gain, 20 to 25 dB can be obtained at a fiber length of about 15 m with a pumping light power of 50 mW to 100 mW.
光ファイバ（１）出射光は、増幅された信号光のほか
に、残留励起光、光ファイバ（１）内で発生し増幅され
た自然放出を含む。信号光以外の光は受信時にショット
雑音、ビート雑音を生じるため望ましくない。これより
光ファイバ（１）出射光を信号光波長近傍の光だけを透
過する光フィルタ（５）を通過させ残留励起光、および
増幅された自然放出光の１部を除去する。これより受光
素子（６）で光電変換された受信信号の内信号成分は第
３式で表せる。The light emitted from the optical fiber (1) includes, in addition to the amplified signal light, residual excitation light and spontaneous emission generated in the optical fiber (1) and amplified. Light other than the signal light is not desirable because it causes shot noise and beat noise during reception. As a result, the light emitted from the optical fiber (1) is passed through the optical filter (5) which transmits only the light in the vicinity of the signal light wavelength, and the residual excitation light and part of the amplified spontaneous emission light are removed. From this, the inner signal component of the received signal photoelectrically converted by the light receiving element (6) can be expressed by the third equation.
Ｓ＝Ｒ・（ｅ・Ｇ・Ps/h・ｆ）２ （３） G:光ファイバ増幅器利得 Ps:光ファイバ増幅器に入力された信号光パワー（ｗ） f:信号光の周波数（Hz） e:電子電荷（Ｃ） h:プランク定数（Ｊ・sec） R:受光素子の負荷抵抗（Ω） またノイズ成分は第４式で表せる。S = R · (e · G · Ps / h · f) 2 (3) G: optical fiber amplifier gain Ps: signal light power input to the optical fiber amplifier (w) f: frequency of signal light (Hz) e : Electronic charge (C) h: Planck's constant (J · sec) R: Load resistance of the light receiving element (Ω) Further, the noise component can be expressed by the equation (4).
Ｎ＝2B（Ｇ・Ps/h・ｆ＋（Ｇ−１）・ηSP・Δｆ＋２ ・Ｇ・（Ｇ−１）・ηSP・Ps/h・ｆ＋（Ｇ−１）２ ・ηSP 2・Δｆ） （４） B:受信帯域幅（Hz） ηSP:光ファイバ増幅器の自然放出係数 Δf:光フィルタ（５）の帯域幅（Hz） 第４式において、第１項は信号光のショットノイズ、
第２項は増幅自然放出光によるショットノイズを表す。
また第３項、第４項はそれぞれ信号光と増幅自然放出光
の間のビート雑音、増幅自然放出光間のビート雑音に対
応する。光ファイバ増幅器の利得が十分にある場合第１
項、第２項は第３項、第４項にくらべ無視できる。また
光フィルタ（５）として帯域幅の十分に狭いものを用い
るとすれば第４項も無視できるのでS/Nは第５式で表せ
る。N = 2B (G ・ Ps / h ・ f + (G-1) ・ η SP・ Δf + 2 ・ G ・ (G-1) ・ η SP・ Ps / h ・ f + (G-1) 2・ η SP 2・ Δf ) (4) B: Reception bandwidth (Hz) η SP : Spontaneous emission coefficient of optical fiber amplifier Δf: Bandwidth (Hz) of optical filter (5) In the fourth equation, the first term is the shot noise of the signal light,
The second term represents shot noise due to amplified spontaneous emission light.
The third and fourth terms correspond to beat noise between the signal light and the amplified spontaneous emission light and beat noise between the amplified spontaneous emission light, respectively. If the gain of the optical fiber amplifier is sufficient 1st
The terms 2 and 3 can be ignored as compared with the terms 3 and 4. If the optical filter (5) having a sufficiently narrow bandwidth is used, the fourth term can be ignored and the S / N can be expressed by the equation (5).
S/N＝Ps/h・ｆ・４・ηSP・Ｂ （５） また光ファイバ増幅器を挿入しない場合の受信時のS/
Nは第６式で表すことができ、これより光ファイバ増幅
器の雑音指数は第７式のように表すことができる。S / N = Ps / h ・ f ・ 4 ・ η SP・ B (5) S / N at the time of reception when the optical fiber amplifier is not inserted
N can be expressed by Equation 6, and the noise figure of the optical fiber amplifier can be expressed by Equation 7.
（S/N）０＝Ps/h・ｆ・２・Ｂ （６） NF＝（S/N）／（S/N）０＝２・ηSP （７） 更に、自然放出光係数ηSPは近似的に光ファイバ
（１）内全体での準位１のイオン数Ｘと準位２のイオン
数（１−Ｘ）の比を用いて第８式のように表せる。（全
イオン数を１とし規格化した。） ηSP＝（１−Ｘ）／（１−Ｘ）−Ｘ＝（１−Ｘ）／（１
−2X） （８） これより光ファイバ（１）内ですべてのErイオンが励
起され準位２にある状態、すなわちＸ＝０のときηSPは
最小値１をとりNFは光増幅器の理論限界である3dBとな
る。(S / N) 0 = Ps / h · f · 2 · B (6) NF = (S / N) / (S / N) 0 = 2 · η SP (7) Furthermore, the spontaneous emission coefficient η SP is Approximately, using the ratio of the number X of ions of level 1 and the number of ions of level 2 (1-X) in the entire optical fiber (1), it can be expressed as in Eq. (Normalized by setting the total number of ions to 1.) η SP = (1-X) / (1-X) -X = (1-X) / (1
−2X) (8) As a result, all Er ions are excited in the optical fiber (1) and are in level 2, that is, when X = 0, η SP has a minimum value of 1 and NF is the theoretical limit of the optical amplifier. Is 3 dB.
しかし従来の光ファイバ増幅器の励起方式では前述し
たように光ファイバ（１）入射端では略全イオンが準位
２に励起されているがこの割合は伝搬に従い減少し、最
大利得を得るファイバ長においては半数が励起されるに
すぎない。このため全体としてみた場合の準位２の励起
イオン数の割合は0.8〜0.9程度であり雑音指数は3.5〜4
dBと劣化する。However, in the conventional pumping method of the optical fiber amplifier, as described above, almost all ions are pumped to the level 2 at the entrance end of the optical fiber (1), but this ratio decreases with propagation, and at the fiber length where the maximum gain is obtained. Is only half excited. Therefore, when viewed as a whole, the ratio of the number of excited ions at level 2 is about 0.8 to 0.9, and the noise figure is 3.5 to 4
It deteriorates to dB.
［発明が解決しようとする課題］ 従来の光ファイバ増幅器は以上のように構成されてい
たので、光ファイバ（１）内の反転分布が入射端から離
れるに従い減少し、これに伴う利得の飽和、更に雑音指
数の劣化という課題があった。[Problems to be Solved by the Invention] Since the conventional optical fiber amplifier is configured as described above, the population inversion in the optical fiber (1) decreases as the distance from the incident end increases, and the saturation of the gain associated therewith, Further, there is a problem of deterioration of noise figure.
発明の目的 この発明はかかる課題を解決するために成されたもの
であり、光ファイバ（１）内の反転分布を全域で均一と
し不要な利得飽和、雑音指数の劣化を除去した理想的な
光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and is an ideal optical system in which the population inversion in the optical fiber (1) is made uniform over the entire area to eliminate unnecessary gain saturation and deterioration of noise figure. It is an object to provide a fiber amplifier.
［課題を解決するための手段］ 第１の発明にかかる光ファイバ増幅器は、希土類ドー
プ光ファイバと、前記希土類ドープ光ファイバの吸収波
長近傍で利得を有する進行波型光増幅器と、前記進行波
型増幅器の出射である前記光ファイバを励起する励起光
と前記信号光とを合波するため前記進行波型光増幅器の
一方の端面と前記希土類ドープ光ファイバの一方の端面
の間に設置された合波器と、前記励起光を反射し前記信
号光を透過する前記希土類ドープ光ファイバの他方の端
面に設置された光フィルタと、前記進行波型光増幅器の
他方の端面に設置され前記出射光の１部を透過し残りを
反射する出力結合器とにより構成されるファブリペロ型
レーザ発振器と、前記出力結合器を透過した前記励起光
を受光しその受光量に対応して前記進行波型光増幅器の
利得を調節する自動出力制御器とを備えたことを特徴と
する。[Means for Solving the Problems] An optical fiber amplifier according to a first invention is a rare-earth-doped optical fiber, a traveling-wave optical amplifier having a gain in the vicinity of an absorption wavelength of the rare-earth-doped optical fiber, and the traveling-wave type. In order to combine the pumping light for exciting the optical fiber, which is the output of the amplifier, and the signal light, a combination is provided between one end face of the traveling wave optical amplifier and one end face of the rare earth-doped optical fiber. Wave filter, an optical filter installed on the other end surface of the rare earth-doped optical fiber that reflects the excitation light and transmits the signal light, and the output light installed on the other end surface of the traveling wave optical amplifier A Fabry-Perot type laser oscillator composed of an output coupler that transmits a part and reflects the rest, and the traveling wave type laser oscillator that receives the excitation light that has passed through the output coupler and corresponds to the amount of the received light. And an automatic output controller for adjusting the gain of the optical amplifier.
また、第２の発明にかかる光ファイバ増幅器は、希土
類ドープ光ファイバと、前記希土類ドープ光ファイバの
励起を行う励起光と前記信号光とを合波するため前記希
土類ドープ光ファイバの入射端に設置された第１の合波
器と、前記希土類ドープ光ファイバの励起を行う励起光
と前記信号光とを分波するため前記希土類ドープ光ファ
イバの出射端に設置された第２の合波器と、前記第２の
合波器から出力された励起光を分割する出力結合器と、
前記出力結合器から出力された励起光の一方が入射され
出射光を前記第１の合波器に帰還してリングレーザを形
成する前記希土類ドープ光ファイバの吸収波長近傍で利
得を有する進行波型光増幅器と、前記出力結合器から出
力された励起光の他方を受光しその受光量に対応して前
記進行波型光増幅器の利得を調整する自動出力制御器と
を備えたことを特徴とする。An optical fiber amplifier according to a second aspect of the present invention is installed at an incident end of a rare earth-doped optical fiber and a rare earth-doped optical fiber for multiplexing the signal light and the pumping light that excites the rare earth-doped optical fiber. And a second multiplexer installed at the exit end of the rare-earth-doped optical fiber for demultiplexing the pumping light for exciting the rare-earth-doped optical fiber and the signal light. An output coupler that splits the pumping light output from the second multiplexer,
A traveling wave type having a gain in the vicinity of the absorption wavelength of the rare earth-doped optical fiber that forms one of the excitation light output from the output coupler and returns the emitted light to the first multiplexer to form a ring laser. An optical amplifier and an automatic output controller for receiving the other of the pumping light output from the output coupler and adjusting the gain of the traveling-wave optical amplifier according to the amount of received light. .
［作用］ 第１の発明における光ファイバ増幅器は、光ファイバ
を励起光波長で発振を行うファブリペロ型のレーザ発振
器を構成しているため、進行波型LD増幅器に注入する電
流量が低くレーザが発振するまでは光ファイバの損失は
大きが、進行波型LD増幅器に注入する電流量が高くな
り、利得が光ファイバ伝搬損失を上回り一度発振をはじ
めると、この発振励起光により光ファイバ内に反転分布
が形成され、損失が減少し発振励起光の強度が大きくな
る。この発振励起光がさらに光ファイバ内の反転分布を
形成するといった正のフィードバックを形成する。[Operation] Since the optical fiber amplifier in the first invention constitutes a Fabry-Perot type laser oscillator that oscillates the optical fiber at the pumping light wavelength, the amount of current injected into the traveling wave LD amplifier is low and the laser oscillates. Until the optical fiber loss is large, the amount of current injected into the traveling-wave LD amplifier increases, and when the gain exceeds the optical fiber propagation loss and oscillation begins, this oscillation excitation light causes inversion distribution in the optical fiber. Are formed, the loss is reduced and the intensity of the oscillation excitation light is increased. This oscillation excitation light further forms a positive feedback such as forming an inverted distribution in the optical fiber.
すなわち、光ファイバはこのレーザにおける可飽和吸
収体として作用する。これによりレーザが発振を始める
と共に光ファイバの損失は減少していき定常状態では光
ファイバ全域において均一で完全な反転分布が形成され
る。これにより反転分布の不完全領域による利得の飽和
は雑音指数の増加という課題を解消でき、高効率、低雑
音を達成できる。That is, the optical fiber acts as a saturable absorber in this laser. As a result, as the laser starts to oscillate, the loss of the optical fiber decreases, and in the steady state, a uniform and complete population inversion is formed over the entire area of the optical fiber. As a result, the problem of saturation of gain due to the incomplete region of the population inversion can solve the problem of increased noise figure, and high efficiency and low noise can be achieved.
また第２の発明における光ファイバ増幅器は、光ファ
イバを励起光波長で発振を行うリングレーザを有し、進
行波型LD増幅器に注入する電流量が低くリングレーザが
発振するまでは光ファイバの損失は大きいが、進行波型
LD増幅器に注入する電流量が高くなり、利得が光ファイ
バ伝搬損失を上回り一度発振を始めると、この発振励起
光により光ファイバ内に反転分布が形成されると共にに
損失が減少し、発振励起光の強度が大きくなる。The optical fiber amplifier according to the second aspect of the present invention has a ring laser that oscillates the optical fiber at a pumping light wavelength, and the amount of current injected into the traveling wave LD amplifier is low, and the loss of the optical fiber until the ring laser oscillates. Is large, but traveling wave type
Once the amount of current injected into the LD amplifier becomes high and the gain exceeds the optical fiber propagation loss and oscillation begins, the oscillation pump light forms a population inversion in the optical fiber and the loss also decreases. The intensity of.
この発振励起光がさらに光ファイバ内の反転分布を形
成するといった正のフィードバックを形成する。This oscillation excitation light further forms a positive feedback such as forming an inverted distribution in the optical fiber.
すなわち、光ファイバはこのリングレーザにおける可
飽和吸収体として作用する。これによりリングレーザ発
振とともに光ファイバの損失はほぼ０になり、光ファイ
バ全域において均一で完全な反転分布が形成される。That is, the optical fiber acts as a saturable absorber in this ring laser. As a result, the loss of the optical fiber becomes almost zero with the ring laser oscillation, and a uniform and complete population inversion is formed over the entire area of the optical fiber.
これにより反転分布の不完全領域による利得の飽和や
雑音指数の増加という課題を解消でき、高効率、低雑音
を達成できる。As a result, the problems of gain saturation and noise figure increase due to the incomplete distribution region can be solved, and high efficiency and low noise can be achieved.
［発明の実施例］ 以下、第１および第２の発明にかかる一実施例を第１
図および第２図に基づいて説明する。[Embodiment of the Invention] Hereinafter, a first embodiment according to the first and second inventions will be described.
A description will be given with reference to FIGS.
第１図は第１の発明の第１の実施例を示す構成図であ
り、第２図は第２の発明の第１の実施例を示す構成図で
ある。FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the first invention, and FIG. 2 is a block diagram showing a first embodiment of the second invention.
第１図において、（４）は希土類ドープ光ファイバ
（１）の吸収波長近傍で利得を有する進行波型光増幅器
（７）の出射である前記光ファイバ（１）を励起する励
起光と前記信号光とを合波するため、前記進行波型光増
幅器（７）の一方の端面と前記希土類ドープ光ファイバ
（１）の一方の端面の間に設置された合波器であって、
前記合波器（４）は信号光発生光源（３）を出力し伝送
路を伝搬してきた波長1.53μｍまたは1.55μｍの信号光
を１つの入力端子に、進行波型LD増幅器（７）を出射し
た波長1.48μｍ、または0.98μｍの励起光を他方の入力
端子に入力すると波長の違いにより合波光が１つの出力
端子から光ファイバ（１）に結合するように出力され
る。In FIG. 1, (4) is the pumping light and the signal for exciting the optical fiber (1) which is the output of the traveling wave optical amplifier (7) having a gain in the vicinity of the absorption wavelength of the rare earth-doped optical fiber (1). A multiplexer, which is installed between one end face of the traveling wave optical amplifier (7) and one end face of the rare earth-doped optical fiber (1) for multiplexing light,
The multiplexer (4) outputs the signal light generation light source (3) and outputs the traveling wave LD amplifier (7) to one input terminal of the signal light of wavelength 1.53 μm or 1.55 μm propagated through the transmission line. When pumping light having a wavelength of 1.48 μm or 0.98 μm is input to the other input terminal, the combined light is output from one output terminal so as to be coupled to the optical fiber (1) due to the difference in wavelength.
また（５）は、前記励起光を反射し前記信号光を透過
する前記希土類ドープ光ファイバ（１）の他方の端面に
設置された光フィルタであって、光ファイバ（１）を伝
搬してきた信号光を透過し励起光を反射するものであ
る。（８）は前記進行波型光増幅器（７）の他方の端面
に設置され前記出射光の１部を透過し残りを反射する出
力結合器であって、前記出力結合器（８）は10:1程度の
割合で励起光を反射するものである。励起光波長に対し
進行波型LD増幅器（７）に注入する電流を増加させ、フ
ァブリペロ共振器内の利得がファブリペロ共振器内の損
失を上回ったときレーザとして動作する。（９）は前記
出力結合器（８）を透過した前記励起光を受光しその受
光量に対応して前記進行波型光増幅器の利得を調節する
自動出力制御器であり、前記自動出力制御器（９）はこ
のレーザの出力パワーを検出しこれが一定となるように
進行波型LD増幅器（７）の注入電流に帰還をかけるもの
である。Further, (5) is an optical filter installed on the other end face of the rare earth-doped optical fiber (1) that reflects the excitation light and transmits the signal light, and is a signal that has propagated through the optical fiber (1). It transmits light and reflects excitation light. (8) is an output coupler installed on the other end face of the traveling wave optical amplifier (7) for transmitting a part of the emitted light and reflecting the rest, and the output coupler (8) is 10: It reflects excitation light at a rate of about 1. The current injected into the traveling-wave LD amplifier (7) is increased with respect to the pumping light wavelength, and the laser operates when the gain in the Fabry-Perot resonator exceeds the loss in the Fabry-Perot resonator. (9) is an automatic output controller that receives the excitation light transmitted through the output coupler (8) and adjusts the gain of the traveling wave optical amplifier according to the amount of received light. (9) detects the output power of this laser and feeds back the injection current of the traveling-wave LD amplifier (7) so that it becomes constant.
ここで、進行波型LD増幅器（７）としては例えば1.48
μｍ近傍で発振するInGaAsP/InPファブリペロLD、0.98
μｍ近傍で発振する歪み量子井戸ファブリペロLD等の両
端面に低噴射コーティングを施したものが用いられる。
また共振器長として500μｍ〜1mm程度を選べば30〜40dB
の高い利得を得ることができる。Here, as the traveling wave LD amplifier (7), for example, 1.48
InGaAsP / InP Fabry-Perot LD oscillating near μm, 0.98
A low-injection coating is applied to both end faces of a strained quantum well Fabry-Perot LD or the like that oscillates in the vicinity of μm.
Also, if you select a resonator length of 500 μm to 1 mm, it will be 30 to 40 dB.
A high gain can be obtained.
尚、光ファイバ（１）の励起光波長で発振可能なファ
ブリペロ共振器は、出力結合器（８）、進行波型LD増幅
器（７）、合波器（４）、光ファイバ（１）、光フィル
タ（５）で構成される。The Fabry-Perot resonator capable of oscillating at the pumping light wavelength of the optical fiber (1) includes an output coupler (8), a traveling-wave LD amplifier (7), a multiplexer (4), an optical fiber (1), and an optical fiber (1). It is composed of a filter (5).
また、ファブリペロ共振器の構成を簡単にするために
は、光ファイバ（１）の端面に誘電体多層幕で光フィル
タ（５）を構成するのが良い。さらに、各素子間の連結
には低損失の石英系光ファイバや光導波路、またはレン
ズ系やミラーが用いられている。In order to simplify the structure of the Fabry-Perot resonator, the optical filter (5) should be composed of a dielectric multi-layer curtain on the end face of the optical fiber (1). Furthermore, a low-loss silica optical fiber or optical waveguide, or a lens system or a mirror is used to connect the respective elements.
次に、第１の発明にかかる一実施例の動作、作用を説
明する。Next, the operation and action of one embodiment according to the first invention will be described.
例えば、光ファイバ（１）の吸収係数を2.5dBm、ファ
イバ長を10m、進行波型LD増幅器（７）の入出力結合効
率を5dBとすると、進行波型LD増幅器（７）の利得が30d
B程度で発振を生じる。このとき進行波型LD増幅器
（７）の利得帯域幅は数10nmと広いが、合波器（４）、
光フィルタ（５）が光路中にあるため、励起波長以外の
波長での発振は抑制される。ファイプリペロ型のレーザ
内では光ファイバ（１）は可飽和吸収体として働くため
発振が始まり発振光によるErイオンの励起率が準位２か
ら準位１への自然放出率を上回った時点で（＞5mW）、
光ファイバ（１）の損失は減少しはじめ、自然放出光の
寿命程度の時間（〜13msec）で発振強度は急速に発振す
る。このときの発振強度の増大により進行波型LD増幅器
（７）活性層内において光学損傷（COD）が生じる恐れ
があるので、数msec程度の応答時間を持つ自動出力制御
器（９）により発振光強度は一定に保たれる。このよう
に励起光波長で発振するレーザの光路中に光ファイバ
（１）を挿入することで光ファイバ（１）内の反転分布
は完全に形成され、高効率励起、低雑音指数の光ファイ
バ増幅器が実現できる。For example, if the absorption coefficient of the optical fiber (1) is 2.5 dBm, the fiber length is 10 m, and the input / output coupling efficiency of the traveling wave LD amplifier (7) is 5 dB, the gain of the traveling wave LD amplifier (7) is 30 d.
Oscillation occurs at about B. At this time, the gain bandwidth of the traveling wave LD amplifier (7) is as wide as several tens of nm, but the multiplexer (4)
Since the optical filter (5) is in the optical path, oscillation at wavelengths other than the excitation wavelength is suppressed. Since the optical fiber (1) acts as a saturable absorber in the fpli-perot type laser, oscillation starts and when the excitation rate of Er ions by the oscillating light exceeds the spontaneous emission rate from level 2 to level 1 (> 5mW),
The loss of the optical fiber (1) begins to decrease, and the oscillation intensity rapidly oscillates within a time period (up to 13 msec) of the spontaneous emission light. At this time, there is a possibility that optical damage (COD) may occur in the active layer of the traveling wave LD amplifier (7) due to the increase of the oscillation intensity. Therefore, the oscillating light is generated by the automatic output controller (9) having a response time of about several msec. The strength is kept constant. By thus inserting the optical fiber (1) in the optical path of the laser oscillating at the pumping light wavelength, the population inversion within the optical fiber (1) is completely formed, and the optical fiber amplifier with high efficiency pumping and low noise figure is formed. Can be realized.
次に第２図に基づいて第２の発明の一実施例を説明す
る。Next, an embodiment of the second invention will be described with reference to FIG.
図において、（4a）は前記希土類ドープ光ファイバ
（１）の励起を行う励起光と前記信号光とを合波するた
め前記希土類ドープ光ファイバ（１）の入射端に設置さ
れた第１の合波器、（4b）は前記希土類ドープ光ファイ
バの励起を行う励起光と前記信号光とを分波するため前
記希土類ドープ光ファイバ（１）の出射端に設置された
第２の合波器である。前記第１の合波器（4a）、第２の
合波器（4b）は２入力２出力の一般に用いられている合
分波器を用いることができる。また、前記第１の合波器
は、第１の発明にかかる一実施例と同様に信号発生光源
（３）を出射し伝送路を伝搬してきた波長1.53μｍまた
は1.55μｍの信号光を１つの入力端子に、また進行波型
LD増幅器（７）第を出射した波長1.48μｍ、または0.98
μｍの励起光を他方の入力端子に入力されると波長の違
いにより合波光を１つの出力端子から光ファイバ（１）
に出力するものである。また第２の合波器（4b）は光フ
ァイバ（１）を伝搬した光が１つの入力端子に入力され
ると、励起光を出力結合器（８）に、信号光を受光素子
（６）に出力するものである。In the figure, (4a) is a first combination installed at the incident end of the rare earth-doped optical fiber (1) for multiplexing the excitation light for exciting the rare earth-doped optical fiber (1) and the signal light. A wave multiplexer, (4b) is a second multiplexer installed at the emission end of the rare earth-doped optical fiber (1) for demultiplexing the excitation light for exciting the rare earth-doped optical fiber and the signal light. is there. As the first multiplexer (4a) and the second multiplexer (4b), a generally used multiplexer / demultiplexer having two inputs and two outputs can be used. Further, the first multiplexer combines the signal light having the wavelength of 1.53 μm or 1.55 μm, which is emitted from the signal generating light source (3) and propagated through the transmission line, in the same manner as in the first embodiment according to the first invention. Input wave, traveling wave type
LD amplifier (7) first emitted wavelength 1.48μm, or 0.98
When the μm pump light is input to the other input terminal, the combined light is output from one output terminal due to the difference in wavelength.
Is output to When the light propagating through the optical fiber (1) is input to one input terminal of the second multiplexer (4b), the pump light is output to the output coupler (8) and the signal light is received by the light receiving element (6). Is output to.
（７）は出力結合器（８）から出力された励起光の一
方が入射され出射光を前記第１の合波器（4a）に帰還し
てリングレーザを形成する前記希土類ドープ光ファイバ
（１）の吸収波長近傍で利得を有する進行波型光増幅器
である。(7) is one of the rare earth-doped optical fibers (1) that receives one of the excitation lights output from the output coupler (8) and returns the emitted light to the first multiplexer (4a) to form a ring laser. ) Is a traveling wave type optical amplifier having a gain in the vicinity of the absorption wavelength of.
また、出力結合器（８）は第２の合波器（4b）出力光
が入力され、その１部を自動出力制御器（９）に出力
し、残りを進行波型LD増幅器（７）に出力するためのも
ので、10:1程度の割合で励起光を反射する光分配器であ
る。さらに自動出力制御器（９）はリングレーザの出力
パワーを検出しこれが一定となるように進行波型LD増幅
器（７）の注入電流に帰還をかけるものである。The output light from the second multiplexer (4b) is input to the output coupler (8), a part of it is output to the automatic output controller (9), and the rest is output to the traveling wave LD amplifier (7). It is for output, and is a light distributor that reflects excitation light at a ratio of about 10: 1. Further, the automatic output controller (9) detects the output power of the ring laser and feeds back the injection current of the traveling wave type LD amplifier (7) so that it becomes constant.
ここで、進行波型LD増幅器（７）としては例えば第１
の発明にかかる一実施例と同様に1.48μｍ近傍で発振す
るInGaAsP/InPファブリペロLD、0.98μｍ近傍で発振す
る歪み量子井戸ファブリペロLD等の両端面に低反射コー
ティングを施したものが用いられる。また共振器長とし
て500μｍ〜1mm程度を選べば30〜40dBの高い利得を得る
ことができる。尚、各素子間の連結には低損失の石英系
光ファイバや光導波路、またはレンズ系やミラーが用い
られる。Here, as the traveling wave LD amplifier (7), for example, the first
As in the embodiment of the present invention, an InGaAsP / InP Fabry-Perot LD that oscillates in the vicinity of 1.48 μm, a strained quantum well Fabry-Perot LD that oscillates in the vicinity of 0.98 μm, and the like with low-reflection coating on both end surfaces are used. If the resonator length is selected to be about 500 μm to 1 mm, a high gain of 30 to 40 dB can be obtained. A low-loss silica-based optical fiber or optical waveguide, or a lens system or mirror is used to connect the elements.
次に第２の発明にかかる一実施例の動作、作用につい
て説明する。Next, the operation and action of the embodiment according to the second invention will be described.
そこで前述の実施例と同様に光ファイバ（１）の吸収
係数2.5dB/m、ファイバ長を10m、進行波型LD増幅器
（７）の入出力結合効率を5dBとすると、進行波型LD増
幅器（７）の利得が30dB程度で発振を生じる。このとき
進行波型LD増幅器（７）の利得帯域幅は数10nms広いが
第１の合波器（4a）、第２の合波器（4b）が光路中にあ
るため励起波長以外の波長での発振は抑制される。リン
グレーザ内では光ファイバ（１）は可飽和吸収体として
働くため、発振が始まり発振光によるErイオンの励起率
が準位２から準位１への自然放出立を上回った時点で
（＞5mW）、光ファイバ（１）の損失は減少し始め、自
然放出光の寿命程度の時間（〜13msec）で発振光強度は
急速に増大する。このときこの発振光強度の増大により
進行波型LD増幅器（７）活性層内において光学損傷（CO
D）が生じる恐れがあるので、数msec程度の応答時間を
持つ自動出力増幅器（９）により発振光強度は一定に保
たれる。このように励起光波長で発振するリングレーザ
の光路中に光ファイバ（１）を挿入することで光ファイ
バ（１）内の反転分布は完全に形成され、高効率励起、
低雑音指数の光ファイバ増幅器が実現できる。Therefore, assuming that the absorption coefficient of the optical fiber (1) is 2.5 dB / m, the fiber length is 10 m, and the input / output coupling efficiency of the traveling wave type LD amplifier (7) is 5 dB as in the above-described embodiment, the traveling wave type LD amplifier ( Oscillation occurs when the gain of 7) is about 30 dB. At this time, the gain bandwidth of the traveling-wave LD amplifier (7) is wide by several tens of nms, but since the first multiplexer (4a) and the second multiplexer (4b) are in the optical path, wavelengths other than the pump wavelength are used. Oscillation is suppressed. Since the optical fiber (1) acts as a saturable absorber in the ring laser, when oscillation starts and the excitation rate of Er ions by the oscillating light exceeds the spontaneous emission standing from level 2 to level 1 (> 5mW ), The loss of the optical fiber (1) begins to decrease, and the oscillation light intensity increases rapidly in the time period (up to 13 msec) of the spontaneous emission light. At this time, due to the increase of the oscillation light intensity, optical damage (CO
Since D) may occur, the oscillating light intensity is kept constant by the automatic output amplifier (9) having a response time of about several msec. Thus, by inserting the optical fiber (1) in the optical path of the ring laser that oscillates at the pumping light wavelength, the population inversion within the optical fiber (1) is completely formed, and highly efficient pumping,
An optical fiber amplifier with a low noise figure can be realized.
また上記従来例のように一定の光強度で励起を行って
いる場合、信号光強度の変化により準位２から準位１へ
の誘導放出の割合が変化するため光ファイバ増幅器の利
得が幾分変化したが、上記実施例においては準位２から
準位１への誘導放出の割合の変化はファブリペロレー
ザ、あるいはリングレーザの損失変化として現れるの
で、自動出力制御器（９）により発振光強度を一定に保
つという作用により変化は生じない。Further, when pumping is performed with a constant light intensity as in the above-mentioned conventional example, the ratio of the stimulated emission from the level 2 to the level 1 changes due to the change of the signal light intensity, so that the gain of the optical fiber amplifier is somewhat increased. However, in the above embodiment, the change in the stimulated emission rate from the level 2 to the level 1 appears as a loss change in the Fabry-Perot laser or the ring laser. Therefore, the oscillation light intensity is changed by the automatic output controller (9). There is no change due to the effect of keeping the constant.
なお、上記各実施例では進行波型増幅器としてLD増幅
器を用いたが、励起光波長で利得を有するガス、固体レ
ーザを用いた増幅器を用いてもよい。Although an LD amplifier is used as a traveling wave amplifier in each of the above-described embodiments, an amplifier using a gas or solid laser having a gain at the pumping light wavelength may be used.
また光ファイバ（１）としてErドープ光ファイバを用
いたが、ドープ材料としてはNd、Hoなどのレーザ発振線
を有する希土類イオンであってもよい。Although the Er-doped optical fiber is used as the optical fiber (1), the doping material may be rare earth ions having laser oscillation lines such as Nd and Ho.
更に、増幅に利用できるレーザ遷移としては３準位系
に限らず４準位系であってもよい。Further, the laser transition that can be used for amplification is not limited to the three-level system and may be the four-level system.
［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば希土類ドープ光ファ
イバの励起光波長で発振するファブリペロ型レーザある
いはリングレーザの光路内に希土類ドープ光ファイバを
挿入した構成としたため、前記レーザを発振させ、発振
光強度を一定に保つことより、光ファイバ内に均一な反
転分布を形成でき、このため高効率、低雑音、さらには
信号光により利得変動を受けにくいという効果を奏する
ものである。As described above, according to the present invention, since the rare earth-doped optical fiber is inserted in the optical path of the Fabry-Perot type laser or the ring laser that oscillates at the excitation light wavelength of the rare earth-doped optical fiber, the laser is used. By oscillating and keeping the intensity of the oscillated light constant, a uniform population inversion can be formed in the optical fiber. Therefore, it is possible to obtain high efficiency, low noise, and the effect of being less susceptible to gain fluctuation due to signal light. .
第１図、第２図は第１、第２の発明にかかる一実施例に
よる光ファイバ増幅器の構成図、第３図は従来の光ファ
イバ増幅器の構成例、第４図は従来の光ファイバ増幅器
の構成例における励起光入射端面からの距離と励起光、
信号光の大きさの関係を示す模式図である。 図において、（１）は光ファイバ、（２）は励起光源、
（３）は信号光発生光源、（４）は合波器、（4a）は第
１の合波器、（4b）は第２の合波器、（５）は光フィル
タ、（６）は受光素子、（７）は進行波型LD増幅器、
（８）は出力結合器、（９）は自動出力制御器である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。1 and 2 are configuration diagrams of an optical fiber amplifier according to an embodiment of the first and second inventions, FIG. 3 is a configuration example of a conventional optical fiber amplifier, and FIG. 4 is a conventional optical fiber amplifier. Distance from the excitation light incident end face and the excitation light in the configuration example of
It is a schematic diagram which shows the relationship of the magnitude | size of signal light. In the figure, (1) is an optical fiber, (2) is an excitation light source,
(3) is a signal light generating light source, (4) is a multiplexer, (4a) is a first multiplexer, (4b) is a second multiplexer, (5) is an optical filter, (6) is Light receiving element, (7) traveling wave LD amplifier,
(8) is an output coupler, and (9) is an automatic output controller. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
Claims (2)
光ファイバ増幅器において、 希土類ドープ光ファイバと、 前記希土類ドープ光ファイバの吸収波長近傍で利得を有
する進行波型光増幅器と、 前記進行波型増幅器の出射である前記光ファイバを励起
する励起光と前記信号光とを合波するため前記進行波型
光増幅器の一方の端面と前記希土類ドープ光ファイバの
一方の端面の間に設置された合波器と、 前記励起光を反射し前記信号光を透過する前記希土類ド
ープ光ファイバの他方の端面に設置された光フィルタ
と、 前記進行波型光増幅器の他方の端面に設置され前記出射
光の１部を透過し残りを反射する出力結合器とにより構
成されるファブリペロ型レーザ発振器と、 前記出力結合器を透過した前記励起光を受光しその受光
量に対応して前記進行波型光増幅器の利得を調節する自
動出力制御器とを備えたことを特徴とする光ファイバ増
幅器。1. An optical fiber amplifier for amplifying a signal light propagating in an optical fiber, a rare earth-doped optical fiber, a traveling wave type optical amplifier having a gain in the vicinity of an absorption wavelength of the rare earth doped optical fiber, and the traveling wave. Is provided between one end face of the traveling-wave optical amplifier and one end face of the rare earth-doped optical fiber in order to combine the pumping light for exciting the optical fiber, which is the output of the type amplifier, and the signal light. A multiplexer, an optical filter installed on the other end face of the rare earth-doped optical fiber that reflects the excitation light and transmits the signal light, and the emitted light installed on the other end face of the traveling wave optical amplifier Of the Fabry-Perot type laser oscillator, which is composed of an output coupler that transmits a part of the above and reflects the rest, and that corresponds to the received light amount of the excitation light that has passed through the output coupler. Optical fiber amplifier characterized by comprising an automatic output controller for adjusting the gain of the traveling wave type optical amplifier.
光ファイバ増幅器において、 希土類ドープ光ファイバと、 前記希土類ドープ光ファイバの励起を行う励起光と前記
信号光とを合波するため前記希土類ドープ光ファイバの
入射端に設置された第１の合波器と、 前記希土類ドープ光ファイバの励起を行う励起光と前記
信号光とを分波するため前記希土類ドープ光ファイバの
出射端に設置された第２の合波器と、 前記第２の合波器から出力された励起光を分割する出力
結合器と、 前記出力結合器から出力された励起光の一方が入射され
出射光を前記第１の合波器に帰還してリングレーザを形
成する前記希土類ドープ光ファイバの吸収波長近傍で利
得を有する進行波型光増幅器と、 前記出力結合器から出力された励起光の他方を受光しそ
の受光量に対応して前記進行波型光増幅器の利得を調整
する自動出力制御器とを備えたことを特徴とする光ファ
イバ増幅器。2. An optical fiber amplifier for amplifying a signal light propagating in an optical fiber, comprising: a rare earth-doped optical fiber; and a rare earth element for multiplexing the signal light and an excitation light for exciting the rare earth-doped optical fiber. A first multiplexer installed at the entrance end of the doped optical fiber; and a first multiplexer installed at the exit end of the rare earth-doped optical fiber for demultiplexing the pumping light for exciting the rare earth-doped optical fiber and the signal light. A second multiplexer, an output coupler that splits the pumping light output from the second multiplexer, and one of the pumping light output from the output coupler is incident on the output light. A traveling-wave optical amplifier having a gain in the vicinity of the absorption wavelength of the rare-earth-doped optical fiber that returns to the multiplexer 1 to form a ring laser, and receives the other of the pumping light output from the output coupler. Optical fiber amplifier, characterized in that in response to the light quantity and a automatic power controller for adjusting the gain of the traveling wave type optical amplifier.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2095847A JP2532714B2 (en) | 1990-04-10 | 1990-04-10 | Optical fiber amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2095847A JP2532714B2 (en) | 1990-04-10 | 1990-04-10 | Optical fiber amplifier |
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| JPH03293333A JPH03293333A (en) | 1991-12-25 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2095847A Expired - Fee Related JP2532714B2 (en) | 1990-04-10 | 1990-04-10 | Optical fiber amplifier |
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1990
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| JPH03293333A (en) | 1991-12-25 |
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