JP2777456B2 - 光増幅部品 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、光ファイバを用いた光伝送系において信号
光を増幅するための光増幅部品に関する。

＜従来の技術＞ 光増幅技術として、エルビウムイオン（Er³⁺）やネオ
ジウムイオン（Nd³⁺）における電子の反転分布（高いエ
ネルギ準位の電子数が低いエネルギ準位よりも多い分
布）を利用した誘導放出により、伝搬光を増幅する技術
がある。

この技術では、反転分布を発生させるための励起光
と、伝搬光とが、ともに上述したようなイオンを含有す
る領域と作用する必要がある。

この状態を実現するため、従来の光増幅部品として
は、エルビウム（Er）、ネオジウム（Nd）、プラセオジ
ウム（Pr）、イッテルビウム（Yb）、サマリウム（S
m）、ホロニウム（Ho）、ツリウム（Tm）、ディスプロ
ニウム（Dy）等の希土類元素や、チタン（Ti）等の遷移
元素からなる、いわゆる光増幅元素の１種以上を光ファ
イバのコア部に含有させたもの（以下、コアドープ光フ
ァイバと称す）が用いられている。これにより、励起光
と伝搬光の電磁場がコア部を中心に同時に存在すること
が可能である。

一般に、励起光は光増幅元素の各イオンに吸収される
ため、コアドープ光ファイバに励起光を入射させるため
には、光増幅元素を含有しない合波部を用いる必要があ
る。

この合波部として、従来、第11図や第12図に示す構成
が必要であった。

第11図，第12図の光増幅部品において、51はコアドー
プ光ファイバ、52aと52bは通常の通信に使用する光ファ
イバ（以下、通常光ファイバと称す）であり、通常光フ
ァイバ52aからの伝搬光をコアドープ光ファイバ51で増
幅したのち、通常光ファイバ52bで再び伝搬する構成と
なっている。

この場合、コアドープ光ファイバ51には伝搬光ととも
に励起光を入射する必要があるが、第11図の例では、ミ
ラー53、ハーフミラー54及びダイクロイックミラー55を
用いて、２つの励起光源56からの励起光を、伝搬光とと
もに入射するようになっている。

第12図の例では、２つの励起光源56からの励起光を合
わせる合波カプラ57と、この合波カプラ57からの励起光
を伝搬光と合わせる波長多重カプラ58とを用いている。
なお、両カプラ57,58は通常光ファイバを溶融延伸して
作製されたものである。

第11図，第12図中、↑と◎は励起光の偏波方向を示
し、両者の偏波面が直交している。即ち、これらの例で
は、直交している２方向偏波の励起光を合わせてコアド
ープ光ファイバ51に入射してコア内に反転分布を作るこ
とにより、伝搬光を増幅している。

上記の従来例では、コアドープ光ファイバ51を用いて
光増幅を行う場合、励起光と伝搬光をコアドープ光ファ
イバ51内に結合するための特別な部品53〜55,57,58が必
要である、という不都合があった。

一方、これらの特別な部品を光増幅部品と一体化して
上述の不都合を解決する技術が研究されている（第６図
参照）。

第６図の光増幅部品40において、クラッド部の少なく
とも一部に光増幅元素を含む円形光ファイバ（以下、円
形クラッドドープ光ファイバ）41を２本以上用い、領域
Ｌにおいて、２本以上の円形クラッドドープ光ファイバ
41をその側面で相互に接合すると共に、この接合部42の
外径D₃を、円形クラッドドープ光ファイバ41相互をその
側面で単に密接したときの外径D₄よりも小さくしてあ
る。

第７図，第８図は各々円形クラッドドープ光ファイバ
う41の構成例を示し、第７図ではコア部20の外周に導波
クラッド部21を形成し、更にその外周に、光増幅元素を
１種以上含有する増幅クラッド部22を形成している。第
８図では、増幅クラッド部22の外周を更に覆う最外周ク
ラッド部23を形成し、クラッドの一部に光増幅元素を含
有している。

そして、接合部42での断面構造は第９図，第10図のよ
うになっており、24は伝搬光と励起光の電磁場が低密度
で伝搬する損失領域、25は伝搬光と励起光の電磁場が高
密度で伝搬する領域である。

動作は以下の通りである。伝搬光が接合部42を伝搬す
るとき、接合部42の外径D₃が単なる密接状態での外径D₄
よりも小さいので、Ａ又はＤからの伝搬光の電磁場がコ
ア部20と導波クラッド部21からしみ出して増幅クラッド
部22まで広がり、領域Ｌを囲む部分との屈折率差による
導波構造をとって伝搬し、屈折率差、領域Ｌの長さ、及
び接続部42の外径D₃によって決まる伝搬定数によって、
Ｂ又はＣとの出射口に出射するかが決まる。

一方、励起光をＣ及び／又はＤから入射した場合、領
域Ｌにおいて励起光の電磁場も伝搬光と同様に増幅クラ
ッド部22まで広がり、ここで光増幅元素と作用して領域
Ｌに電子の反転分布を作る。

従って、伝搬光と励起光を入射すると、伝搬光が増幅
される。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかし、円形クラッドドープ光ファイバ41を用いた従
来の光増幅部品40では、伝搬光と励起光の電磁場が高密
度で重なり合う領域と、光増幅元素の含有領域とが一致
しない領域が生じ、伝搬光の増幅度が低減するという不
都合がある。

即ち、伝搬光うと励起光の電磁場は接合の領域Ｌに近
づくにつれて、接合部42の外径が連続的に細くなってい
るので、コア部20に閉じ込められていたものが、増幅ク
ラッド部22までしみ出す。この時、伝搬光と励起光の電
磁場の高密度な部分は一方の光ファイバのコア部から他
方のコア部へと繰り返しながら伝搬しており、最外周部
では伝搬光と励起光の電磁場は低密度でしか伝搬しな
い。

従って、伝搬光を有効に増幅する領域は第９図の破線
の内側の領域26であり、その外側の斜線を付した領域24
は光増幅に有効に寄与しない。例えば、第７図に示すよ
うにクラッド全体に光増幅元素を含有する円形クラッド
ドープ光ファイバ41aを用いた光増幅部品では、領域Ｌ
において、第９図の最外周領域24では光増幅元素による
増幅よりも伝搬光が光増幅元素に吸収される量が多くな
り、結局、この領域24は損失領域となる。このことか
ら、最外周部24には光増幅元素を含有しない方が良いこ
とになる。

一方、第８図に示すような最外周部23を除くクラッド
の一部22のみ光増幅元素を含有させた円形クラッドドー
プ光ファイバ41bを用いた光増幅部品では、第10図に示
すように、領域Ｌでは、伝搬光と励起光の電磁場が高密
度で重なり合う領域25に光増幅元素が含有されない構造
となり、増幅度が小さくなる。従って、この領域25には
光増幅元素が含有されているべきである。

ところで、クラッドドープ光ファイバ41a,41bの光増
幅元素は、第８図に示したように、通常、コア部20を中
心に同心円状に含有されている。そこで、伝搬光と励起
光の電磁場が高密度で重なり合う第10図の領域25に光増
幅元素を含有させるために、円形クラッドドープ光ファ
イバ自体に予め光増幅元素を非同心状に含有させておく
ことが考えられるが、実際にはこのような分布にするこ
とは困難であり、光増幅部品の均一な性能を保証し難
い。

本発明は、コアドープ光ファイバ、クラッドドープ光
ファイバいずれを用いた光増幅部品にも生じる従来技術
の不都合に鑑み、単純な構造で、他に特別の部品を必要
とせずに容易に光増幅をすることができ、しかも、伝搬
光と励起光の電磁場が設密度で重なり合う領域と、光増
幅元素の含有領域とが一致して大きな光増幅度を得るこ
とができる光増幅部品を提供することを目的とする。

＜課題を解決するための手段＞ 本発明による光増幅部品は、クラッド部の少なくとも
一部に光増幅元素を含むクラッドドープ光ファイバであ
って、側面の少なくとも一部分以上除去し断面形状が円
周の一部が除去してなるＤ形のクラッドドープ光ファイ
バを２本以上有し、Ｄ形クラッドドープ光ファイバの除
去された側面どうしが接合されており、この接合部の外
径がＤ形クラッドドープ光ファイバ相互を除去された側
面で密接した場合の外径よりも小さいことを特徴とす
る。

＜作用＞ 上記構成において、Ｄ形クラッドドープ光ファイバの
除去された側面どうしが接合されるため、コア周囲とコ
ア間に光増幅元素が含有される。従って、伝搬光と励起
光の電磁場の高密度な領域が両光ファイバのコア周囲と
コア間であることから、光増幅元素を含有する領域と一
致する。

これにより、両光ファイバの接合部では、伝搬光と励
起光の電磁場の高密度で重なり合う領域で光増幅元素と
作用して効果的な反転分布が生じて伝搬光が増幅され、
逆に、伝搬光と励起光の電磁場が低密度な最外周部は、
光増幅元素が含有されていないため、伝搬光が光増幅元
素に吸収されず損失領域とならない。

従って、接合部には光増幅度の大きい領域でのみ反転
分布が生じ、それ以外では伝搬光の吸収がないので、伝
搬光が接合部を通過する際に、効果的に増幅される。

＜実 施 例＞ 以下、第１図〜第５図により本発明の実施例を説明す
る。

第１図は本発明の一実施例の光増幅部品10を示し、こ
の光増幅部品10は２本のＤ形クラッドドープ光ファイバ
11で構成してある。各Ｄ形クラッドドープ光ファイバ11
自体は第２図に断面構造を示すように、コア部20と導波
クラッド部21と増幅クラッド部22と最外周部23からな
り、増幅クラッド部22と最外周部23の各一部分27を除去
した構造となっている。光増幅元素は少なくとも一種、
伝搬光がコア部20からしみ出す部分以外のクラッド部に
含有させて増幅クラッド部22としてあり、この増幅クラ
ッド部22には通常は伝搬光がしみ出すことはない。また
最外周クラッド部23の一部分27を除去しているが、ここ
は導波クラッド部21から離れているので、この除去部分
27から伝搬光が漏れることもない。最外周部23には光増
幅元素を含有させていない。

光増幅部品10は第３図に断面構造を示すように、２本
のＤ形クラッドドープ光ファイバ11どうしを除去側面28
どうしで密接し、その中央部の領域Ｌで、第４図に断面
構造を示すように、溶融延伸などで外径D₁の他の部分で
の外径D₂よりも細くして接合部12を形成したものであ
る。

この接合部12では、第４図に示すように、コア部20と
導波クラッド部21が小さくなると共に、２本のＤ形クラ
ッドドープ光ファイバ11,11の増幅クラッド部22,22が一
体化して２本のコア部20,20を取り囲んでいる。

上述した構造の光増幅部品10において、Ａから入射し
た伝搬光は、従来の第６図に示した光増幅部品40と同様
の原理で伝搬する。

即ち、伝搬光は領域Ｌに近づくにしたがいコア部20及
び導波クラッド部21から増幅クラッド部22にしみ出て、
接合部12内では増幅クラッド部22全体を伝搬し、伝搬光
と励起光の電磁場の高密度な部分は一方の光ファイバの
コアから他方の光ファイバのコアへと繰り返し片寄りつ
つ伝搬する。このときの導波は接合部12の増幅クラッド
部22及び最外周部23とこれを取り囲む外部との屈折率差
によって達成され、伝搬モードは最低次の偶数モードと
奇数モードとに分離していると考えられる。すなわち、
領域Ｌの接合部12を通過した後にＢあるいはＣのいずれ
に出射するかは、接合部12で偶数モードと奇数モードに
分配された領域Ｌの出射時の光の干渉によって決定され
る。そこで、本実施例では伝搬光がＢから出射するもの
とする。したがって、この伝搬光を増幅するための励起
光はＣもしくはＤの何れか、または両方から入射するこ
とができる。

ここで、励起光は上述したように、領域Ｌに至るまで
は光ファイバのコア部20及び導波クラッド部21を伝搬す
るが領域Ｌがい近づくにしたがい増幅クラッド部22にし
み出して領域Ｌの接合部12内部では増幅クラッド部22全
体を伝搬することになり、このときの励磁光は増幅クラ
ッド部22に含まれる光増幅元素イオンに吸収され、反転
分布が発生する。その際、伝搬光と励磁光の電磁場が高
密度で伝搬し重なり合う領域が、光増幅部品10の光増幅
元素の含有領域22と一致しているので、効果的な反転分
布が作られる。また、伝搬光と励起光の電磁場が低密度
で伝搬し重なり合いが小さい領域である最外周部23には
光増幅元素が含有されていないので、伝搬光が光増幅元
素に吸収されて損失となることはない。

よって、このように励磁光が増幅クラッド部22に吸収
され効果的な反転分布が生じ、上述したように伝搬光が
通過することにより、伝搬光は領域Ｌの増幅クラッド部
22で光増幅し、それ以外の領域では低損失な伝搬をす
る。

なお、かかる光増幅には特に偏波依存性はないので、
励起光として第一偏波を用いても通常光を用いてもよ
く、また、従来の項で示したように偏波面が互いに直交
する偏波合成波を用いてもよく、さらに、偏波面が直交
しない２つの偏波を用いてもよい。

また、光増幅元素としては、従来の項で示したように
Er,Nd,Pr,Yb,Sm,Ho,Tm,Dy等の希土類元素やTi等の遷移
元素を例示することができる。

以上説明したように、本実施例の光増幅部品10によれ
ば、ＣまたはＤから、もしくはＣ及びＤから入射した励
起光が領域Ｌとその近傍の増幅クラッド部22内の光増幅
元素に吸収されて、Ａから入射した伝搬光を増幅させて
Ｂから出射させることが可能である。この場合、励起光
は領域Ｌ以外では増幅クラッド部22と作用せずに光ファ
イバを伝搬するため、励起光源は例えばＣ及び／または
Ｄと接合するだけでよく、領域Ｌとの位置関係を特別に
配慮したり、何種類もの光カプラ等の光部品を準備する
必要がないという利点がある。また、光増幅部品10の各
入出力口Ａ〜ＤはＤ形クラッドドープ光ファイバである
ので、光通信用の通常光のファイバとの接合には、低損
失な融着技術を適用することができる。

以下、光増幅部品10の具立的使用方法について説明す
る。

第５図はその使用形態を示す概念図であり、図中、31
は伝搬光光源（1.535μｍ帯DFBレーザ）であり、光通信
光源を模擬している。また、32は通常光ファイバ（1.55
μｍ帯零分散シフト光ファイバ）、33は伝搬光受光部
（光スペクトラムアナライザ）、34は励起用光源（1.48
μｍ帯レーザダイオード）である。なお、図中の↑、◎
は２つの励起用光源34の偏波面が互いに直交しているこ
とを示している。また、光増幅部品10としては増幅クラ
ッド部にエルビウムイオンを1000ppm程度ドープしたガ
ラスを用い、光増幅部品10と通常光ファイバ32との接合
は融着接合により行った。

このような構成において、励起用光源34から励起光を
入射した場合の伝搬光の受光レベルと、励起光を入射し
ない場合の伝搬光の受光レベルとを伝搬光受光部33で測
定したところ、励起光入射において約3dB程度の受光レ
ベルの向上が認められた。

第５図と同様な系で、第６図〜第10図に示した円形ク
ラッドドープ光ファイバを用いた従来の光増幅部品40に
よって、伝搬光を増幅した場合、増幅クラッド部にエル
ビウムイオンを1000ppm程度ドープしたガラスを用い
て、約1dB程度の受光レベルの向上が認められている。

この結果から本実施例の光増幅部品10は、長距離光通
信に用いられている1.55μｍ付近の伝搬光を従来の円形
クラッドドープ光ファイバを用いた光増幅部品40よりも
効果的に増幅でき、かつ第11図と第12図に示したような
コアドープ光ファイバを用いた光増幅部品よりも簡便に
増幅できる。また、この光増幅特性は、上記実施例にお
ける光増幅元素濃度を10000ppm程度に増大することによ
り、さらに向上可能である。

次に、ネオジウムをドープした光増幅部品10を用い、
伝搬光光源31に1.3μｍファブリペロレーザ、伝搬光受
光部33に光スペクトラムアナライザ、通常光ファイバ32
に1.3μｍ帯光ファイバ、励起用光源34にチタンサファ
イヤレーザをそれぞれ用いた。この場合、励起光を入射
することにより約2dBの受光レベルの向上が認められ
た。円形クラッドドープ光ファイバを用いた従来の光増
幅部品40では約0.7dBの受光レベルの向上が認められて
おり、本実施例の場合、効果的に増幅できることがわか
った。

なお、この場合にも光増幅元素濃度を増大することに
よって光増幅特性の一層の向上が可能である。

＜発明の効果＞ 以上説明したように、本発明の光増幅部品は、円形ク
ラッドドープ光ファイバを用いた従来の光増幅部品に比
べ大きな増幅効率が得られ、また、コアドープ光ファイ
バを用いた従来の光増幅部品に比べ、励起用光源との結
合に特別の光部品を使用する必要がなく簡便である。従
って、本発明の光増幅部品を光ファイバを用いた光伝送
方式に導入することにより、伝搬光源の出力を低減して
光源の信頼性の向上を図るなどの効果を奏し、ひいては
光伝送のサービスの品質の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明の一実施例に係り、第１図は光
増幅部品の外観図、第２図は第１図のII−II断面図、第
３図は第１図のIII−III断面図、第４図は第１図のIV−
IV断面図、第５図は使用例の概念図である。第６図〜第
12図は従来技術に関し、第６図，第11図及び第12図は光
増幅部品の説明図、第７図は第６図のVII−VII断面図、
第８図は第６図の他の例のVII−VII断面図、第９図は第
６図のIX−IX断面図、第10図は第６図の他の例のIX−IX
断面図である。 図面中、10は光増幅部品、11はＤ形クラッドドープ光フ
ァイバ、12は接合部、20はコア部、21は導波クラッド
部、22は増幅クラッド部、23は最外周部、27は除去部
分、28は除去側面である。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/35 501 G02B 6/28 H01S 3/07,3/10

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】クラッド部の少なくとも一部に光増幅元素
   を含むクラッドドープ光ファイバ光であって、側面の少
   なくとも一部分以上除去し断面形状が円周の一部が除去
   してなるＤ形のクラッドドープ光ファイバを２本以上有
   し、Ｄ形クラッドドープ光ファイバの除去された側面ど
   うしが接合されており、この接合部の外径がＤ形クラッ
   ドドープ光ファイバ相互を除去された側面で密接した場
   合の外径よりも小さいことを特徴とする光増幅部品。