JP2842674B2 - 光増幅装置 - Google Patents

光増幅装置

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JP2842674B2 JP2187379A JP18737990A JP2842674B2 JP 2842674 B2 JP2842674 B2 JP 2842674B2 JP 2187379 A JP2187379 A JP 2187379A JP 18737990 A JP18737990 A JP 18737990A JP 2842674 B2 JP2842674 B2 JP 2842674B2
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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+
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1.5〜1.7μ
m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
こに、光伝送路は、活性物質としてツリウムイオン(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、波長0.68μm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0.68μm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。このことを、Tm3+のエネルギー準位を考慮に入れて
より具体的に説明する。励起光の波長が0.68μm帯であ
るので、この励起光によって基底準位3H6にある電子が
励起されてエネルギー準位3F2に遷移する。このような
励起とその後の緩和により、準位3H4と準位3F4との間
に、又は準位3F3と準位3H5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1.5〜1.7μm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1.5〜1.7
μm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。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、色素レーザ若しくはArレ
ーザが使用されている。レーザ光源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に
説明を行う。
レーザ光源12は、波長0.68μm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13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1.5〜1.7μ
m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0.68μm帯の励起光によっ
て、Tm3+の基底準位3H6にある電子が励起される。すな
わち、Tm3+の基底準位にあった電子はエネルギー準位3F
2に一旦励起され、フォノンを放出した後準位3F4若しく
は準位3F3に遷移する。このような過程を経て、準位3F4
と準位3H4との間に反転分布が形成され、或いは準位3F3
と準位3H5との間に反転分布が形成される。この結果、
準位3F4に存在する電子は発光を伴って準位3H4に遷移す
ることとなり、準位3F3に存在する電子は発光をともな
って準位3H5に遷移することとなる。即ち、2組の輻射
遷移によって波長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ばかりでなく、2組
の輻射遷移のいずれかに対応する波長の光を目的に応じ
て増幅させることができ、より広帯域での光増幅が可能
になる。
なお、励起光がより短波長の場合、例えば励起光の波
長が約0.47μmの場合、Tm3+の基底準位にあった電子
は、エネルギー準位3G4に一旦励起され、フォノン等の
エネルギーを放出した後順次3F4若しくは準位3F3に遷移
する。その後は波長0.68μmの励起光の場合と同様であ
り、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。
第1図のファイバ増幅器の光増幅利得の測定は、励起
光の波長を変えた3つの条件で行った。
第1の条件では、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とした。また、信号
光源11からの入射信号光の波長を1.65μm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利得は
約0.8dBであることがわかった。
第2の条件では、レーザ光源12からの入射励起光の波
長を0.68μmに変更し、その出力を30mWとした。この結
果、増幅利得は4dBとなった。
第3の条件では、レーザ光源12からの入射励起光の波
長を0.47μmに変更し、その出力を30mWとした。この結
果、増幅利得は4.5dBとなった。
以上の結果から明らかなように、励起光の波長を0.68
μm帯に設定することにより、波長1.65μm帯光の増幅
利得が増大することが分かる。
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。参考のため、この図に基づいて、励起光の波長が0.
79μmの場合に光増幅利得が減少してしまうという現象
について説明しておく。
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のであるが、例えば上記
の場合(条件1)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+
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。一般に、このような準位系の発光では、準位
3F4と準位3H4との間に反転分布が形成されると、準位3F
4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用い
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125μm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。
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0.68μm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0.68μm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1.5〜1.7μm帯
の光とによって誘導され、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1.5〜1.7
μm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を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.1990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0.68μm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波長0.68μm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がレーザ発振が生
じる。
なお、共振器は、誘導体ミラー等を使用するタイプの
ものであってもよい。
〔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帯でのTm3+発光を可能にする波長
0.68μm帯の励起光の存在により、波長1.5〜1.7μm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0.68μm帯の波長の励起光による
Tm3+の励起を説明するための図、第4図は波長0.78μm
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……励起光源であ
るレーザ光源、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 須川 智規 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 (56)参考文献 Journal of Lightw ave Technology,第6 巻,第2号,p.p.287−293 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/35 501 H01S 3/07,3/094

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【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、 波長0.68μm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。
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