JP2777610B2 - 光増幅装置 - Google Patents

光増幅装置

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
    • H01S3/063Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067Fibre lasers
    • H01S3/06754Fibre amplifiers

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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、光通信の分野にて利用される増幅帯域の広
い光増幅装置に関するものである。
「従来の技術」 光信号を直接増幅する光増幅装置としては、様々な種
類のものがあるが、中でも光ファイバを用いた光増幅装
置(以下、光ファイバ増幅器と称する。)は最も単純で
かつ光伝送システムとの整合性に優れている。
この光ファイバ増幅器は、希土類元素イオン(例えば
Erイオン)が添加された光ファイバと、この光ファイバ
に励起光を入力する手段すなわち励起光源と、励起光と
信号光とを結合する光学系とから概略構成されている。
希土類元素イオン添加光ファイバに励起光が入力される
と、光ファイバ内の希土類元素イオンが励起され、光フ
ァイバは増幅媒質として機能する。この状態の希土類元
素添加光ファイバ内へ信号光が入力されると、信号光は
励起された希土類イオンとの誘導放出相互作用によって
増幅されて出力される。
このような光ファイバ増幅器は、増幅媒質が光ファイ
バであるために、光ファイバ伝送システムとの整合性が
良いうえに、増幅利得も20〜35dBと高利得であることが
知られており、光通信においては有用な装置である。
「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、光ファイバ増幅器には増幅波長帯域が
狭いという欠点がある。
前記誘導放出は、希土類元素イオンが励起された励起
エネルギー準位と、それより低いエネルギー準位とのエ
ネルギー差に対応する波長の光が入力された時に起こ
る。したがって増幅可能波長は、希土類元素イオン内の
エネルギー準位の状態により規定される。例えば、シリ
カを母体としてErイオンが添加された光ファイバの増幅
特性は、第8図に示したようなグラフとなる。
この増幅特性は、本発明者が実験的に得たものであっ
て、Erイオンが25ppmの濃度で添加された長さ65mの光フ
ァイバに、波長1.48μmの励起光を16dBm入力した状態
で得られたものである。波長1.535μmと1.552μm付近
に利得ピークが存在している。ピーク利得値は、それぞ
れ34.7dB、26.9dBと高い値が得られているが、3dB帯域
は、波長1.535μm近傍の3nmの範囲と、波長1.552μm
近傍の4.5nmの範囲となっている。
この様な増幅特性であると、例えば波長多重(または
周波数多重)された光信号を一括増幅する際に、増幅可
能な多重数が利得帯域により制限されてしまう。したが
って、特に波長多重伝送系への適用を考えた場合、光増
幅器としては増幅帯域が広いものが望ましいが、光ファ
イバ増幅器はこの点において不十分であった。
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであって、増
幅帯域の広い光増幅装置を提供することを目的としてい
る。
「課題を解決する手段」 本発明の光増幅装置は、希土類元素イオンが添加され
た光ファイバと、前記光ファイバに励起光を入力する励
起光源と、励起光と信号光とを結合する光学系とからな
る光ファイバ増幅器であって、該光ファイバの前段と後
段の少なくとも一方に、該光ファイバ増幅器の利得ピー
ク波長を平滑化する光フィルタを接続したことを解決手
段とした。
「作用」 本発明は、透過阻止中心波長が光ファイバ増幅器の利
得ピーク波長と一致する光フィルタを用いることによっ
て、光ファイバ増幅器本体の増幅特性を平滑化し、全体
として帯域の広い光増幅器を実現する。
以下、本発明を実施例に沿って詳細に説明する。
「実施例」 (実施例1) 第1図に本発明の光増幅装置の第一の実施例の構成例
と、この光増幅装置によって増幅される信号光を入力す
る信号光源とを合わせて示した。この光増幅装置は、希
土類添加光ファイバ1と、励起光源2と、励起光と信号
光とを結合する光合波器4と、光フィルタ5とからなる
ものである。第1図中、符号3はこの光増幅装置によっ
て増幅される信号光を出力する信号光源を示す。第1図
に示したこの構成は、従来例で述べた光ファイバ増幅器
に光フィルタ5が従属的に接続された構成である。
光フィルタ5は、光ファイバ増幅器の利得特性を平滑
化して、広い増幅領域を得るためのものである。そして
この光フィルタ5の透過阻止中心波長は、希土類元素光
ファイバ1と励起光源2と信号光源3と光合波器4とか
らなる光ファイバ増幅器の利得ピーク波長と一致するよ
うに設定されている。すなわち光フィルタ5は、ある中
心波長で透過率が最小となり、その波長の前後では高い
透過率となる透過特性を示すものである。これを例示す
れば、マッハツェンダ光フィルタ、干渉膜光フィルタ、
グレーティング光フィルタ等である。
いま、ここでマッハツェンダ光フィルタを例にとって
説明する。マッハツェンダ光フィルタはたとえば第2図
に示したような構成をしており、2つの光カップラ6a,6
bと、これらをつなぐ各光経路とからなっている。この
構造において光カップラ6aの入力側の一端子6a1から他
方の光カップラ6bの出力側の一端子6b3への透過特性
は、次の式で表される。
ここでTは光カップラ6aの入力側の端子6a1から出力
側の端子6a4、および光カップラ6bの入力側の端子6b2
から出力側の端子6b3への透過率を示し、Rは光カップ
ラ6aの入力側の端子6a1から出力側の端6a3、および光
カップラ6bの入力側の端子6b1から出力側の端子6b3
の透過率を示す。ΔLは2つの光カップラ6a、6bをむす
ぶ光経路の光路長差、nは光経路の屈折率、λは光波長
である。この式において、T,R,n,ΔLを一定とすれば、
マッハツェンダ光フィルタの透過特性は、光波長に対し
てサインカーブ状の特性を示す。例えば、R=0.68,T=
0.32、n=1.48、ΔL=120μmとすると、入力側の端
子6a1から出力側の端子6b3への透過特性は、第3図に
示したように計算される。なおこの時、透過中心波長の
制御は、マッハツェンダ光フィルタの光経路の屈折率を
温度制御などの手段で微小に変化させることにより行う
ことができる。
第3図に示したような光フィルタ5の透過特性を利用
して、光ファイバ増幅器の広帯域化を実現することがで
きる。
第1図の実施例に戻る。第1図において、希土類添加
光ファイバ1と、励起光源2と、光合波器4とからなる
光ファイバ増幅器の増幅特性が、例えば第4図(a)に
示した特性であったとする。第4図(a)の特性は、第
8図の特性をそのまま写したものである。これに対し、
マッハツェンダ光フィルタ5の透過特性を第4図(b)
のように設定する。第4図(b)の特性は、第3図の特
性をデシベル表示に直し、さらにその阻止中心波長を光
ファイバ増幅器の利得ピーク波長である1.5534μmにあ
わせたものである。このようにすると第1図に示した光
増幅装置の波長特性は、光ファイバ増幅器とマッハツェ
ンダ光フィルタ5のそれぞれの特性が重合わさったもの
となる。この特性を示したのが第4図(c)である。第
4図(c)によれば波長1.552μm近傍の3dB帯域は12nm
となっており、もとの光ファイバ増幅器の3dB帯域の4.5
nmに比べて2倍以上に拡がっている。したがって本発明
の光増幅装置によれば、従来の光ファイバ増幅器例に比
べて、増幅帯域を広くすることができ、波長多重信号光
の一括増幅に有利な光増幅器が実現できる。
なお本実施例では、増幅帯域を拡げた分、光増幅のピ
ーク利得値は減少しているが、それでもなお19.8dBとい
う値であり、実用性は十分高いといえる。
(実施例2) 実施例1では3dB帯域は拡がっているが、この帯域内
で2dB程度の利得の分布が見られる。光増幅装置の適用
形態によっては、この利得の分布が平滑化された方が望
ましい場合がある。本発明第二の実施例は、上記実施例
1で残された3dB帯域内の利得の分布をさらに平滑化す
ることを目的とする。
第5図に本発明の実施例2の光増幅装置と、この光増
幅装置に信号光を入力する信号光源3との概略構成図を
示した。この実施例2の光増幅装置が実施例1のものと
異なるところは、光ファイバ増幅器の後段に、2段の光
フィルタ51、52を接続したところである。ここで光フィ
ルタ51、52をそれぞれマッハツェンダ光フィルタとし、
これらの透過特性を例えば第6図(a),(b)のよう
にそれぞれ設定する。第6図(a)の特性は、前述のマ
ッハツェンダ光フィルタの透過特性を表す式においてT
=0.34、R=0.66、ΔL=110μmとした時に得られる
ものである。一方、第6図(b)はT=0.11、R=0.8
9、ΔL=200μmとした時に得られるものである。第6
図(a)の最小透過率の中心波長および第6図(b)の
最大透過率の中心波長は共に1.522μmとする。
この2つのマッハツェンダ光フィルタ51、52を光ファ
イバ増幅器に接続すると、光増幅装置全体の波長特性
は、2つのマッハツェンダ光フィルタ51、52および光フ
ァイバ増幅器の増幅特性を重合わせたものとなる。例え
ば、光ファイバ増幅器の増幅特性が第8図に示すもので
あったとすると、光増幅装置全体の波長特性としては、
第7図に示したような特性が得られる。実施例1で見ら
れた3dB帯域内の利得ピークの分布がより一層平滑化さ
れており、実用上極めて有用な増幅特性か実現される。
なお前記実施例1および実施例2の光増幅装置は、い
ずれも1個または複数個のマッハツェンダ光フィルタ5
1、52を光ファイバ増幅器の後段に接続してなるもので
あるが、光フィルタ5を光ファイバ増幅器の前段に接続
しても、またその前後に接続しても、本発明の光増幅装
置では、実施例1および実施例2と全く同様の効果が得
られる。
また実施例1および実施例2では、光フィルタ5とし
て、いずれもマッハツェンダ光フィルタを利用している
が、本発明の光増幅装置はこれに限られるものではな
く、光ファイバ増幅器の利得特性を平滑化できるもので
あれば他のフィルタを用いても良い。
「発明の効果」 以上説明したように、本発明の光増幅装置は、希土類
元素添加光ファイバと、励起光源と、光学系とからなる
光ファイバ増幅器に、光フィルタを接続してなるもので
あるので、光フィルタによって利得特性を平滑化するこ
とができる。よって増幅帯域の広い光増幅装置とするこ
とができ、特に波長多重伝送系において非常に有効な光
増幅装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例1の光増幅装置および信号光源
との概略構成図、 第2図は本発明の光増幅装置に好適に用いられるマッハ
ツェンダ光フィルタの概略構成図、 第3図はマッハツェンダ光フィルタの透過特性を示した
グラフ、 第4図は(a)の光ファイバ増幅器の増幅特性を示した
グラフ、 第4図(b)はマッハツェンダ光フィルタの透過特性を
示したグラフ、 第4図(c)は第1図に示した光増幅装置の増幅特性を
示したグラフ、 第5図は本発明の実施例2の光増幅装置と信号光源との
概略構成図、 第6図(a)は第5図に示した光増幅装置で用いられる
1段目のマッハツェンダ光フィルタの透過特性を示した
グラフ、 第6図(b)は2段目のマッハツェンダ光フィルタの透
過特性を示したグラフ、 第7図は本発明の実施例2の光増幅装置の増幅特性を示
したグラフ、 第8図は従来の光ファイバ増幅器の概略構成図である。 1……希土類添加光ファイバ、2……励起光源、4……
光合波器、5……光フィルタ。
フロントページの続き (56)参考文献 JOURNAL OF LIGHTW AVE TECHNOLOGY Vo l.7,No.12,PP.2095−2104 (1989/12) IEEE PHOTONICS TE CHNOLOGY LETTERS V ol.3,No.8,PP.718−720 (1991/8) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/10 H01S 3/06 H01S 3/17 G02F 1/35 H04B 10/00 JICST

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】希土類元素イオンが添加された光ファイバ
    と、前記光ファイバに励起光を入力する励起光源と、励
    起光と信号光とを結合する光学系とからなる光ファイバ
    増幅器であって、 該光ファイバの前段と後段の少なくとも一方に、該光フ
    ァイバ増幅器の利得ピーク分布を平滑化する光フィルタ
    を接続したことを特徴とする光増幅装置。
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JPH09289349A (ja) * 1996-04-23 1997-11-04 Nec Corp 光イコライザおよびこれを用いた光増幅装置と波長多重光伝送装置
JP2000004061A (ja) 1998-06-15 2000-01-07 Nec Corp 光利得等化装置
JP2002026813A (ja) * 2000-07-06 2002-01-25 Kdd Submarine Cable Systems Inc 利得等化装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS Vol.3,No.8,PP.718−720 (1991/8)
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