JP2751123B2 - エルビウム添加光ファイバ及びその励起方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高利得を有する光増幅器を構成する光ファ
イバ及びその光ファイバの励起方法に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

エルビウム添加光ファイバを用いた光増幅器の励起波
長として、0.5μｍ帯、0.6μｍ帯、0.8μｍ帯、0.98μ
ｍ帯、1.48μｍ帯を使用できることが報告されている。
これらの波長帯の内、高出力半導体レーザで励起するこ
とが出来る波長帯としては、0.8μｍ帯、0.98μｍ帯及
び1.48μｍ帯がある。

第３図は、1.48μｍ帯半導体レーザを用いたエルビウ
ム添加光ファイバ増幅器の構成の一例である。１は励起
用半導体レーザ、２は信号入力端子、３はWDM光ファイ
バカップラー、４は光アイソレータ、15はエルビウム添
加光ファイバ、６は光学フィルター、７は信号出力端子
である。これを動作させるには、信号入力端子２へ入力
された波長1.5μｍ帯の信号と励起用半導体レーザ１の
出力をWDM光ファイバカップラー３を用いて合波し、エ
ルビウム添加光ファイバ15に結合する。この際エルビウ
ム添加光ファイバ15の発振を防ぐために光アイソレータ
４を挿入する。エルビウム添加光ファイバ15中で増幅さ
れた信号光は、光学フィルター６で励起光成分および増
幅された自然放出光成分（Amplified Spontaneous Emis
sion）を除去した後信号出力端子７から出力を取り出
す。第４図に、第３図に示した光増幅器の増幅特性を示
す。エルビウム添加光ファイバ15には、エルビウム濃度
60ppm、長さ120mのものを用いた。この図から50mWのフ
ァイバ内励起入力で35dB以上の利得が得られることがわ
かる。しかしながら、1.48μｍ帯においてこの様に大き
な出力を１個の半導体レーザから得ることは現状では困
難であり、偏波多重などの方法により必要な励起入力を
得ている。また、1.48μｍ帯の高出力半導体レーザは高
価であるため、CATV信号の伝送等の低コストが要求され
るシステムへの適用は困難である。さらに、1.48μｍ帯
半導体レーザの動作電流が一個当たり400〜700mA必要で
あり、この駆動用電源の消費電力の低減や小型化は困難
である。

0.98μｍ帯の励起波長は、理論限界に近い低雑音の増
幅が可能であり、低い励起入力で高い利得が得られると
いう特徴があるが、この波長帯で動作する半導体レーザ
は実験室段階での動作が確認された段階であり、光増幅
器へ組み込んだ際の特性の評価が始まったばかりであ
る。

それに対して、0.8μｍ帯の励起波長は、高出力半導
体レーザが比較的低コストで入手できるためこれを励起
光源として用いることができればエルビウム光増幅器を
経済的に構成することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、0.8μｍ帯にはESA（Excited State Ab
sorption）という吸収があり、0.8μｍ帯で吸収された
励起光パワーの一部がさらに高い励起準位に移り、緑色
に発光する。その結果として、光増幅に寄与する準位が
有効に励起されず、高い利得が得られないという欠点が
あった。例えば20mWの励起入力で8dBの利得しか得られ
ていない。（T.J.Whiteley and T.G.Hodgkinson:OFC′p
p.58-61,1988） 又、石英系光ファイバのレイリー散乱損失は、1.48μ
ｍ帯で0.5dB/km以下であるのに対し、0.8μｍ帯では３
〜5dB/kmと大きい。そのため、添加したエルビウムによ
る吸収の他に励起光の損失を生じ、片端面からの励起で
はエルビウム添加光ファイバの全長にわたりエルビウム
イオンを有効に励起できず、その結果高い利得が得られ
ないという欠点があった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の目的は、励起波長の最適化を行い、合わせて
光ファイバの構造パラメータの最適化および新たな励起
方法を提案することにより、エルビウム添加光ファイバ
を用いた光増幅器の高い利得を実現し、安価な0.8μｍ
帯半導体レーザを励起光限として用いることを可能と
し、光増幅器の経済化を図ることにある。

以上の目的を達成するための第一の発明は、内部コア
と外部コアの二重構造からなるコア部を有する石英系光
ファイバであって、前記内部コアの直径が前記外部コア
の直径の1/2から1/10の間にあり、前記内部コアにはエ
ルビウムが0.01〜1000ppmの濃度で添加され、かつ基本
モードの遮断波長が0.80μｍ〜1.2μｍの範囲にあり、
さらに前記内部コアに100〜5000ppmのイットリビウムが
添加されていることを特徴とするエルビウム添加光ファ
イバである。

第二の発明は、内部コアと外部コアの二重構造からな
るコア部を有し、前記内部コアの直径が前記外部コアの
直径の1/2から1/10の間にあり、前記内部コアにはエル
ビウムが0.01〜1000ppmの濃度で添加され、かつ基本モ
ードの遮断波長が0.80μｍ〜1.2μｍの範囲であるエル
ビウム添加光ファイバの励起方法であって、波長815〜8
30nmに発振波長を持つ単一横モード半導体レーザからの
出力光を前記エルビウム添加光ファイバの一端に結合す
るとともに前記エルビウム添加光ファイバの他端に前記
単一横モード半導体レーザと同じ波長範囲を有する半導
体レーザの出力光を結合させ前記エルビウム添加光ファ
イバを励起させることを特徴とするエルビウム添加光フ
ァイバの励起方法である。

〔作用〕

まず、第一の発明にかかるエルビウム添加光ファイバ
について説明する。単一モード光ファイバ内を伝搬する
励起光及び信号光の電界分布はガウス形に近い分布とな
っており、コア中心部で強くコア周辺部にいくに従って
減少する。従って、コア周辺部にエルビウムイオンが存
在すると、励起光の電界が弱いためエルビウムイオンが
有効に励起されずに増幅度の低下もしくは損失の増加に
つながる。そこで、エルビウムイオンをコアの中心部の
みに添加することにより、励起効率および増幅度を向上
させることができる。例えば、第８図に示した二重コア
構造のエルビウムを添加した内部コアと無添加の外部コ
アの半径の比率を1/1（コア全領域にエルビウム添加）
から1/3にすることにより励起効率（単位励起入力パワ
ー当たりの増幅度）を２倍以上に改善することができ
る。ここで、図において、８は内部コア、９は外部コ
ア、10はクラッドである。コア径比をあげることにより
さらに効率を改善できる。しかし、コア径比を1/10以下
にすることは、ファイバ製造上も困難であり、また、仮
にそれが実現できたとしても、ファイバ中に添加できる
エルビウム原子の総数が減少するため、高出力を得よう
とする用途には適さない。

一方、エルビウムイオン濃度を増やすことにより、短
いファイバ長で高い利得を得ることができる。しかしな
がら、添加濃度が1000ppmを越えると隣接するエルビウ
ムイオン同士の相互作用による濃度消光という現象が起
こるため高い利得を得るのは困難である。逆に0.01ppm
よりも低濃度ではエルビウム増幅による利得が通常の光
ファイバの損失（0.2dB/km程度）を上まわることができ
ず、エルビウム増幅を適用するメリットは生じない。エ
ルビウム濃度100ppmの光ファイバを用いると波長1.48μ
ｍの励起光で40dB以上の高利得は容易に得ることができ
る。励起波長が変わってもエルビウムの濃度変化に対す
る増幅特性の変化は同様であることを確認している。

また、第２の発明では、エルビウム添加光ファイバの
励起光源として波長815〜830nmの半導体レーザを用い、
エルビウム添加光ファイバの両端から励起することを最
大の特徴とする。励起波長をエルビウムイオンの吸収ピ
ークからわずかに長波長側にずらし、従来問題となって
いたESAによる励起光の吸収を避けることによりエルビ
ウムイオンの励起効率を向上させた。また、励起効率を
上げるためにエルビウム濃度を従来用いられていた値よ
り低いものを採用したが、これにより必要な利得を得る
ための光ファイバ長が長くなり、0.8μｍ帯では励起波
長における光損失が大きくなりエルビウム添加光ファイ
バの全長にわたって励起することが困難であったという
問題を、光ファイバの両端から励起することにより解決
した。

〔実施例１〕 第１図は、本発明の第一の実施例を説明する図であっ
て、11は励起用半導体レーザＡ、12は結合用レーザ、２
は信号入力端子、13はWDM光ファイバカップラーＡ、14
は光アイソレータＡ、５はエルビウム添加光ファイバ、
21は励起用半導体レーザＢ、22は結合用レンズ、23はWD
M光ファイバカップラーＢ、24は光アイソレータＢ、６
は光学フィルター、７は信号出力端子である。２つの励
起用半導体レーザの出力は、それぞれ結合レンズ12およ
び22を通じWDM光ファイバカップラーA13及びWDM光ファ
イバカップラーB23に結合し、WDM光ファイバカップラー
A13及びWDM光ファイバカップラーB23に接続されたエル
ビウム添加光ファイバ５の両端から励起を行なう。これ
と同時に、信号入力端子２へ入力された波長1.5μｍ帯
の信号は、エルビウム添加光ファイバ５の発振防止のた
めに挿入した光アイソレータA14及びWDM光ファイバカッ
プラーA13を通じて、エルビウム添加光ファイバ５に結
合する。エルビウム添加光ファイバ５中で増幅された信
号光は、WDM光ファイバカップラーB23で励起光成分を分
離した後、光アイソレータB24を通り、光学フィルター
６で励起光成分及び増幅された自然放出光成分（Amplif
ied Spontaneous Emission）を除去し、信号出力端子７
から出力を取り出す。励起用半導体レーザA11及び励起
用半導体レーザB21には、0.8μｍ帯単一横モードGaAlAs
半導体レーザを用いる。0.8μｍ帯では、1W程度の出力
が得られるアレイ形半導体レーザや発光領域の広い半導
体レーザがあるが、これらのレーザの空間出力パターン
はガウス型とはかなり異なっているため、単一モード光
ファイバとの結合効率が非常に悪く、必要な励起パワー
が得られないためこれを用いることは困難である。単一
横モード半導体レーザは、100mW程度の出力ではあるが
単一モード光ファイバとの結合効率を50％程度まで上げ
ることができ、エルビウム添加光ファイバ５への励起入
力を50mW程度得ることができる。0.8μｍ帯の励起では
励起効率が悪く、励起光の損失が大きいという欠点は、
本実施例に示すようにエルビウム添加光ファイバの両端
から励起することによって解決できる。

ESAにより励起効率が低下し、高い利得が得られない
という問題は、励起波長を815〜830nmに設定することに
より解決できる。第２図は利得の励起波長依存性を示
す。実験にはエルビウム濃度34ppm、長さ100mの光ファ
イバを用い、励起入力100mWで行なった。エルビウムイ
オンは807nm付近に吸収のピーク波長があるがこの波長
付近ではESAのため利得は20dB程度にとどまっている。
一方、820〜825nmでは吸収される励起光パワーは減るも
ののESAの影響が減少するため30dB以上の高い利得が得
られている。この特性は光ファイバ長が長くなるほど顕
著になる。

第５図は利得の励起入力依存性を示す図である。53mW
の励起入力で22dBの利得が得られた。このときの利得閾
値励起入力は15mWと低く、第６図に示すように同一の光
ファイバを片端から励起した場合の閾値27mWに較べて大
幅に低くなっている。また、利得係数も両方向励起の方
が高い値が得られており、このことから両方向励起を行
なうことによりエルビウム添加光ファイバの長手方向で
利得に寄与する原子の数を増やすことができ、増幅器と
しての効率を上げることができる。

〔実施例２〕 第７図は、第一の発明にかかるエルビウム添加光ファ
イバの構造の一例であり、断面の屈折率分布を示す。コ
ア部は中心に高屈折率の内部コア８、そのまわりに比較
的低屈折率の外部コア９を持ち、内部コア８にのみエル
ビウムを添加した構造である。10はクラッドである。内
部コア８は比屈折率差0.9％、直径５μｍ、外部コア９
は比屈折率差0.3％、直径10μｍである。この様な構造
にすることにより、ファイバ内を伝搬する励起光の電界
強度の強い部分とエルビウムを添加した部分が一致し、
効率の良い励起が出来る。エルビウムをコア部に一様に
添加した場合には、励起光の電界分布が弱くなる外側の
部分では、エルビウム原子を十分に励起できず損失とな
る。この光ファイバを用いることにより、0.8μｍ帯の
励起で20dB以上の高い利得を得ることができる。

また、第８図に示すように、光ファイバ全体の屈折率
分布が段階型で、そのコアの中心部を内部コア８とし、
内部コア８にのみエルビウムを添加した光ファイバを用
いても高い利得を得ることが出来る。実験には、コア径
６μｍ、比屈折率差0.9％の光ファイバを用い、エルビ
ウムはコアの中心部２μｍの範囲に100ppm添加した。

励起光波長において基本モードが伝搬するようにエル
ビウム添加光ファイバのカットオフ波長を励起光波長よ
り短波長に設定すると、励起光は中心対称なモード分布
となり最も励起効率が良くなるが、信号光波長の1.55μ
ｍ帯では光ファイバのＶ値が１以下となりファイバの曲
げ損失及びマイクロベントによる損失が大きくなるため
に利得がとれない。例えば、カットオフ波長0.75μｍ、
エルビウム濃度49ppmのエルビウム添加光ファイバを用
い、波長0.82μｍの半導体レーザでファイバの両端から
励起したところ、励起入力が50mWのときの利得は10dBに
とどまった。

信号光波長における損失増加を抑え、高利得を実現す
るため、エルビウム添加光ファイバのカットオフ波長を
0.80μｍから1.2μｍの範囲に設定した。カットオフ波
長が励起光波長より長波長側にあるため、光ファイバ中
を一部高次モードも伝搬するが、励起光のエネルギーは
コアの中心付近に集中するため、カットオフ波長の移動
による励起効率の低下は殆ど問題にならない。実施例１
で述べたように、カットオフ波長0.88μｍのエルビウム
添加光ファイバを用いて、50mWの励起入力で20dB以上の
利得が得られている。さらに励起入力を83mWまで上げる
と、最大29dBの利得が得られた。

〔実施例３〕 0.8μｍ帯励起によるエルビウム添加光ファイバの利
得は、イットリビウムを共添加することによりさらに向
上させることができる。第７図に示す構造のエルビウム
添加光ファイバの内部コアに500ppmのイットリビウムを
共添加した光ファイバを用いることにより、ファイバ両
端からの励起入力50mWで30dBの利得が得られた。これに
より、励起に必要な半導体レーザの出力をさらに低減で
きる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明はエルビウム添加光ファ
イバの構造及びカットオフ波長を最適化し、発振波長の
制御を行なったGaAlAs半導体レーザを励起に用いること
により高い利得を実現するものであり、波長1.48μｍの
InGaAsP系半導体レーザに比べてはるかに安価なGaAlAs
系半導体レーザを用いることにより増幅器の経済化に寄
与することが出来る。

また、GaAlAs系半導体レーザの駆動電流はInGaAsP系
半導体レーザよりはるかに少ないため、励起用半導体レ
ーザの駆動電源を小型化することができ、光増幅器の小
型化が可能になる。この効果は、多心の光伝送路や構内
網、CATVなどにおける、損失補償用にエルビウム光増幅
器を応用する場合、非常に大きなものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１を説明する図、第２図は利得の励起波
長依存性を示す図、第３図は1.48μｍ帯半導体レーザを
励起光源としたエルビウム光増幅器の構成を示す図、第
４図は第３図に示したエルビウム添加光ファイバの増幅
特性を示す図、第５図は利得の励起入力依存性を示す
図、第６図は片側励起の時の利得の励起入力依存性を示
す図、第７図及び第８図は実施例２を説明する図であ
る。 １……励起用半導体レーザ、２……信号入力端子、３…
…WDM光ファイバカップラー、４……光アイソレータ、
5,15……エルビウム添加光ファイバ、６……光学フィル
ター、７……信号出力端子、８……内部コア、９……外
部コア、10……クラッド、11……励起用半導体レーザ
Ａ、12,22……結合用レンズ、13……WDM光ファイバカッ
プラーＡ、14……光アイソレータＡ、21……励起用半導
体レーザＢ、23……WDM光ファイバカップラーＢ、24…
…光アイソレータＢ、

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部コアと外部コアの二重構造からなるコ
   ア部を有する石英系光ファイバであって、前記内部コア
   の直径が前記外部コアの直径の1/2から1/10の間にあ
   り、前記内部コアにはエルビウムが0.01〜1000ppmの濃
   度で添加され、かつ基本モードの遮断波長が0.80μｍ〜
   1.2μｍの範囲にあり、さらに前記内部コアに100〜5000
   ppmのイットリビウムが添加されていることを特徴とす
   るエルビウム添加光ファイバ。
2. 【請求項２】内部コアと外部コアの二重構造からなるコ
   ア部を有し、前記内部コアの直径が前記外部コアの直径
   の1/2から1/10の間にあり、前記内部コアにはエルビウ
   ムが0.01〜1000ppmの濃度で添加され、かつ基本モード
   の遮断波長が0.80μｍ〜1.2μｍの範囲であるエルビウ
   ム添加光ファイバの励起方法であって、波長815〜830nm
   に発進波長を持つ単一横モード半導体レーザからの出力
   光を前記エルビウム添加光ファイバの一端に結合すると
   ともに前記エルビウム添加光ファイバの他端に前記単一
   横モード半導体レーザと同じ波長範囲を有する半導体レ
   ーザの出力光を結合させ前記エルビウム添加光ファイバ
   を励起させることを特徴とするエルビウム添加光ファイ
   バの励起方法。