JP2829101B2

JP2829101B2 - 光増幅装置

Info

Publication number: JP2829101B2
Application number: JP2187378A
Authority: JP
Inventors: 隆司向後; 昌行重松; 佳樹千種; 正志大西; 泉三川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-07-16
Filing date: 1990-07-16
Publication date: 1998-11-25
Anticipated expiration: 2013-11-25
Also published as: JPH0473980A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は波長1.5〜1.7μｍ帯で使用される光増幅装置
に関する。

〔従来の技術〕

波長1.5〜1.7μｍ帯の光通信分野への応用等のため、
希土類元素を添加した光ファイバを用いて、ファイバ増
幅器、ファイバセンサ及びファイバレーザ等の光増幅装
置を作製する努力がなされている。希土類元素を添加し
たファイバの中でも、特にエルビウムイオン（Er³⁺）を
添加した石英ガラスをコアとする光ファイバについては
多くの報告がなされており、このような光ファイバを使
用した光増幅装置では、波長1.53〜1.56μｍ帯で光増幅
利得が得られることが分かっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、Er³⁺を添加した光ファイバからなる光増幅装
置では、信号光源等として使用するレーザダイオード
（LD）のカバーする波長1.5〜1.7μｍ帯の範囲に対して
十分に対応できていなかった。また、波長1.55μｍ帯等
の光通信システムの保守等のための障害検出システムに
使用するという目的で、例えばより長波長側の波長1.65
帯域の光増幅装置が必要とされる場合があるが、Er³⁺を
添加した光ファイバからなる光増幅装置では、この1.65
μｍ帯に必ずしも十分に対応できていなかった。

そこで、上述の事情に鑑み、本発明は、波長1.5〜1.7
μｍ帯で十分な光増幅利得を有する光増幅装置を提供す
ることを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成するため、本発明に係る光増幅装置
は、光伝送路と、励起光源と、光学手段とを備えること
を特徴とする。ここに、光伝送路は、活性物質としてTm
³⁺を添加した光機能性ガラスを有して構成され、波長1.
5〜1.7μｍ帯の信号光を伝搬する。また、励起光源は、
Tm³⁺の基底準位³H₆から準位³F₃へ励起可能な波長0.70〜
0.78μｍ帯の励起光を発生する。更に、光学手段は、励
起光源からの励起光を光伝送路内に入射させる。

〔作用〕

本発明に係る光増幅装置にあっては、光伝送路中に導
入された波長0.70〜0.78μｍ帯の励起光により、活性物
質であるTm³⁺を励起し、効率の良い４準位系の発光を可
能にする。この励起光の波長0.70〜0.78μｍは、基底準
位³H₆からエネルギー準位³F₃への遷移に対応するからで
ある。つまり、この励起により基底準位³H₆にある電子
がエネルギー準位³F₃に一旦ポンピングされ、その後輻
射を伴わずに準位³F₄に遷移する。この様なポンピング
及び非輻射遷移により、準位³F₄と準位³H₄との間に反転
分布が形成されると、波長1.5〜1.7μｍ帯での発光が可
能になる。このとき、励起されたTm³⁺に波長1.5〜1.7μ
ｍ帯の信号光が入射すると、Tm³⁺は、この信号光に誘導
され、波長1.5〜1.7μｍ帯の光を発生する。この結果、
波長1.5〜1.7μｍ帯での光増幅が可能になる。

〔実施例〕

以下、本発明の光増幅装置の実施例について説明す
る。

第１図に、波長1.5〜1.7μｍ帯の光増幅装置であるフ
ァイバ増幅器を示す。

信号光源11としては、レーザダイオードが使用されて
いる。この信号光源11の出力側には、光ファイバ18aの
一端が光学的に接続されており、この光ファイバ18aの
他端はカプラ13の入力側に接続されている。また、励起
光源であるレーザ光源12としては、色素レーザ（レーザ
ダイオード等を使用しても良い。）が使用されている。
このレーザ装置12の出力側には、光ファイバ19aの一端
が光学的に接続されており、この光ファイバ19aの他端
はカプラ13の入力側に接続されている。

カプラ13の出力側からは２本の光ファイバ18b、19bが
延び、一方の光ファイバ19bの終端は戻り光防止用のマ
ッチングオイル17に浸漬されており、他方の光ファイバ
18bの終端は光伝送路である光ファイバ10の一端にコネ
クタ等を介して接続されている。この光ファイバ10の他
端の出力側には光スペクトラムアナライザ15が設けられ
ており、これらの間にはフィルタ16が介在されている。

ここに、カプラ13は、２本の光ファイバ18、19の融着
延伸によって作製されたもので、このカプラ13と光ファ
イバ18a、18b、19a、19bとは信号光と励起光とを光結合
させる光学手段を構成する。

また、光ファイバ10は長さ2mのSMファイバであり、Tm
³⁺を添加した石英ガラス製のコアを備えている。

以下、第１図のファイバ増幅器の動作について簡単な
説明を行う。

レーザ光源12は、波長0.70〜0.78μｍ帯の励起光を出
力する。この励起光は、光ファイバ19aを介してカプラ1
3に入射し、更に光ファイバ18bを介して光ファイバ10内
に入射する。励起光が入射する光ファイバ10のコアには
活性物質としてTm³⁺が添加されているため、この励起光
によって所定の状態に励起されたTm³⁺は、波長1.5〜1.7
μｍ帯の発光が可能な状態になる。

信号光源11から出力された波長1.5〜1.7μｍ帯の信号
光は、光ファイバ18aを介してカプラ13に入射する。カ
プラ13に入射した信号光は、レーザ光源12からの励起光
と結合されて光ファイバ10内に入射する。光ファイバ10
に入射した信号光は、ポンピングされたTm³⁺を誘導して
波長1.5〜1.7μｍ帯の誘導放出光を生じさせる。

光ファイバ10の出力側からは、励起光と増幅された信
号光とが出力されるが、これらのうち励起光について
は、フィルタ16にカットされることとなる。このため、
光スペクトラムアナライザ15には増幅された信号光のみ
が入射することとなり、Tm³⁺を添加した光ファイバによ
る光増幅の利得が測定できる。

第１図のファイバ増幅器の利得増大の原理について、
第３図を用いて簡単な説明を行う。

第３図は、石英ガラス等のガラス試料に添加されたTm
³⁺のエネルギー準位の一例を示した図である。

光ファイバに導入された0.70〜0.78μｍ帯の励起光に
よってTm³⁺が励起され、その基底準位³H₆にある電子が
準位³F₃に一旦励起され、フォノンを放出した後準位³F₄
に遷移し緩和する。このような励起及び緩和により、準
位³F₄と準位³H₄との間に反転分布が形成されると、波長
1.5〜1.7μｍ帯をピークとした４準位系の発光が可能に
なる。この結果、波長1.5〜1.7μｍ帯での効果的な誘導
放出が可能になる。

第１図のファイバ増幅器について得られた光増幅利得
の測定結果について説明する。

レーザ光源12から光ファイバに入射する励起光の波長
を0.71μｍとし、その出力を30mWとした。また、信号光
源11からの光ファイバに入射する信号光の波長を1.65μ
ｍとし、その出力を１μＷとした。光スペクトラムアナ
ライザ15による測定結果から、実施例のファイバ増幅器
の光増幅の利得は約6dBであることがわかった。

一方、比較のために他の条件は同一とし、レーザ光源
12からの入射励起光の波長のみを変化させた場合につい
ても測定を行った。この場合、レーザ光源12からの入射
励起光の波長を0.79μｍとし、その出力を30mWとして、
光増幅利得について、約0.8dBという結果を得た。つま
り、励起光の波長を0.71μｍから0.79μｍに変更するこ
とにより、波長1.65μｍ光の増幅利得が大きく減少する
ことがわかる。

第４図は、第３図と同様に、石英ガラス等のガラス試
料に添加されたTm³⁺のエネルギー準位の一例を示してい
る。この図に基づいて、励起光の波長を0.71μｍから0.
79μｍに変更することによって光増幅利得が大きく減少
するという現象について簡単に説明する。

実験によると、Tm³⁺は波長0.78〜0.80μｍ帯に大きな
吸収を有することがわかっているのであるが、例えば上
記のように波長0.79μｍの励起光を使用しても、波長1.
5〜1.7μｍ帯の信号光に対して十分な利得が得られな
い。この現象は以下のように考えられる。つまり、光フ
ァイバに導入された励起光によってTm³⁺が励起され、そ
の基底準位³H₆にある電子が準位³F₄に直接遷移する。し
かし、このような３準位系の発光では、準位³F₄と準位³
H₄との間に反転分布が形成されると、準位³F₄へのポン
ピングが困難となる。この結果、波長1.5〜1.7μｍ帯で
の効果的な誘導放出が期待できなくなる。

第２図に、参考のため、第１図のファイバ増幅器に使
用した光ファイバ10の構造を示した。

光ファイバ10は、石英にTmを添加したコアと石英に弗
素（Ｆ）を添加したクラッドとを備える。そのコア径は
６μｍで、その外径は125μｍである。また、これらの
コア及びクラッドの比屈折率差△は約0.7％である。

以下に、第２図の光ファイバの作製について簡単な説
明を行う。

まず、光伝送路である光ファイバのコア材として、Tm
³⁺を酸化物として添加した石英ガラスを溶融し棒状に成
形し、コア用のガラスロッドとする。この石英ガラスに
添加した活性物質であるツリウムイオンの濃度は重量で
300ppmとする。次に、弗素を添加した石英ガラスを溶融
・形成し、クラッドパイプとする。クラッドパイプには
ツリウムイオンを添加していない。これらのコアロッド
及びクラッドパイプをロッドインチューブ法によりプリ
フォームに形成する。このプリフォームを公知の線引き
装置にセットし、光ファイバに線引きする。この結果、
コア径６μｍで外径125μのSMファイバが得られる。こ
のSMファイバを測定のため長さ2mの試料に切り出し、第
１図のファイバ増幅器に使用する光ファイバ10とする。

なお、本実施例の光ファイバではコアに使用するマト
リックスガラスとして石英ガラスを使用したが、マトリ
ックスガラスの組成はこれに限られるものではない。例
えば、珪酸塩ガラス、燐酸塩ガラス及び弗化物系ガラス
等を使用しても良い。この様にマトリックスガラスの組
成を変更することで、波長1.5〜1.7μｍ帯の範囲で発光
若しくは誘導放出の波長を調節することもできる。ただ
し、Er³⁺の1.55μｍ帯の発光に対応する２準位⁴I_13/2、
⁴I_15/2間のエネルギー差が、Tm³⁺の２準位³H₄、³F₄間の
エネルギー差よりも600cm^-1程度少ないことを考慮する
と、マトリックスガラスが同一である場合には、Tm³⁺の
発光波長のほうがEr³⁺の発光波長よりも近似的には約0.
15μｍ程度長いものと考えられる。ただし、この値は計
算値にすぎず、実施例の結果からは、両者の差は0.1μ
ｍ程度であるとみとめられる。いづれにせよ、Tm³⁺の発
光波長のほうがEr³⁺の発光波長よりもある程度長いこと
が期待される。

また、本発明の光伝送路は上記の光ファイバに限定さ
れるものではない。例えば、上記Tm³⁺添加ガラスを平面
導波路等に形成しても良い。ただし、光ファイバに形成
することが、長尺の光伝送路を得る点では望ましい。光
損失が少ないこと等を利用すれば、低閾値でTm³⁺に反転
分布を生じさせることができるからである。

本発明に係る光増幅装置の光伝送路として使用した光
ファイバは、例えばファイバレーザ等の装置にも応用す
ることができる。

具体的には、ファイバレーザを、上記光ファイバと、
励起光源と、光学手段と、光共振器とを備えるように構
成する。ここに、励起光源は波長0.70〜0.78μｍ帯の励
起光を発生する。また、光学手段は励起光を励起光源か
ら光ファイバ内に入射させる。さらに、光共振器は光フ
ァイバ内からの波長1.5〜1.7μｍ帯の放射光を光ファイ
バにフィードバックする。

上記のようなファイバレーザによれば、光学手段によ
りファイバ内に導入された波長0.70〜0.78μｍ帯の励起
光によってTm³⁺が励起される。この励起されたTm³⁺の一
部は、光ファイバ内からの波長1.5〜1.7μｍ帯の放出光
と、光ファイバ内にフィードバックされた波長1.5〜1.7
μｍ帯の光とによって誘電され、波長1.5〜1.7μｍ帯の
放出光を発生する。これを繰り返すことにより、波長1.
5〜1.7μｍ帯でのレーザ発光が可能になる。

以下に、ファイバレーザの実施例について説明する。

具体的な構成は、Erはドープした公知のファイバレー
ザと同様である（「Erドープファイバー」、O plus E.1
990年１月、pp.112〜118等参照）。ただし本実施例の場
合、光ファイバとして、Tm³⁺をドープした上記実施例の
光ファイバを使用する。また、励起光源として、波長0.
71μｍの励起光を発生するレーザダイオードを使用す
る。

レーザダイオードからの波長0.71μｍの励起光は、レ
ンズ等の適当な光学手段によって上記実施例に示した光
ファイバ内に導入される。光ファイバ内のTm³⁺は所定の
状態に励起され、波長1.5〜1.7μｍ帯の発光が可能にな
る。ここで、ファイバの出力端を鏡面に仕上げているた
め、この出力端とレーザダイオードの端面とは共振器を
構成する。この結果、励起光の出力が所定値を超えると
波長1.5〜1.7μｍ帯のいずれかの波長でレーザ発振が生
じる。

なお、共振器は、誘電体ミラー等を使用するタイプの
もであってもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る光増幅装置によれ
ば、波長1.5〜1.7μｍ体でのTm³⁺発光を可能にする波長
0.70〜0.78μｍ帯の励起光の存在により、波長1.5〜1.7
μｍ帯での光増幅が可能になる。

【図面の簡単な説明】第１図は実施例のファイバ増幅器を示した図、第２図は
第１図のファイバ増幅器に用いる光ファイバの構造を示
した図、第３図は波長0.70〜0.78μｍ帯の励起光による
Tm³⁺励起を説明するための図、第４図は波長0.78〜0.80
μｍ帯の励起光によるTm³⁺励起を説明するための図であ
る。 10……光伝送路である光ファイバ、12……波長0.70〜0.
78μｍ帯の励起光源、 13、18、19……光学手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者千種佳樹神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者大西正志神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者三川泉東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/35 501 H01S 3/07 H01S 3/10 H01S 3/17

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Tm³⁺を活性物質として添加した光機能性ガ
ラスを有して構成され、波長1.5乃至1.7μｍ帯の信号光
を伝搬する光伝送路と、 Tm³⁺の基底準位³H₆から準位³F₃へ励起可能な波長0.70乃
至0.78μｍ帯の励起光を発生する励起光源と、前記励起光源からの前記励起光を前記光伝送路内に入射
させる光学手段と、を備える光増幅装置。