JP2971561B2 - エルビウム ドープ ファイバー増幅器 - Google Patents

エルビウム ドープ ファイバー増幅器

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は一般的にはファイバー増幅器、より詳細に
は、エルビウム ドープ ファイバー増幅器に関する。
背景技術 ローカル及びトランク光学通信網の両者のために弱い
光学信号を増幅するために希土類ドープ ファイバー増
幅器を使用することに大きな感心が寄せられている。希
土類にてドープされた光学増幅ファイバーは、低コスト
であり、低いノイズを示し、偏波に依存しない比較的大
きなバンド幅を持ち、クロストーク問題を大きく解消
し、また光学通信において使用される重要な動作波長に
おいて低い挿入損失を持つことが発見されている。考え
られる希土類ドープ光ファイバー増幅器は、伝送ファイ
バーに端と端とが結合され、また、方向性結合器を通じ
てレーダー ダイオード ポンプに横断方向に結合され
る。この方向性結合器は、最大のポンプ エネルギーが
最少の信号損失にて増幅器に結合されるようにポンプ波
長の所で高い結合比を持ち、信号波長の所で低い結合比
を持つように設計される。増幅媒体がポンプ レーザー
にて励起されたとき、この増幅器を伝播する信号光は、
利得を受ける。ポンプ エネルギーは、任意の残りの変
換されないポンプ光が送信機かあるいは受信機の所のい
ずれでより便利にフィルターできるかによって、信号エ
ネルギーに対して、同方向にもあるいは逆方向にも伝播
させることができる。
希土類ドープ光学増幅器の設計を複雑にする要因に増
幅器の性能を最適化するのに必要とされる様々なパラメ
ータと関連する伝送ファイバーの性能を最適化するため
に必要とされるパラメータとの間の差がある。光学増幅
器と伝送ファイバーによって遂行される異なる機能に起
因するこれら差異は、信号が伝送ファイバーから増幅フ
ァイバーに伝送されたときの大きな信号損失の原因とな
り、従って、信号を元のレベルに回復する増幅ファイバ
ーの効率が大きな問題となる。伝送ファイバー内におい
ては、バンド幅を最大化し、損失を最少化し、これによ
ってリピータ間の間隔を最大にするために、導波路分散
が最少にされなければならない。一方、増幅ファイバー
内においては、伝送ファイバーとは反対に、主な関心は
最少ポンプ パワーでの高利得、高飽和パワー及び低ノ
イズにある。伝送ファイバーと増幅ファイバーに対する
異なる最適パラメータの差異に起因して発生する一例と
しての信号損失は、信号モードサイズがこれら二つのフ
ァイバーで大きく異なるこによるモード ミスマッチに
起因するスプライシング損失である。
現時点においては、エルビウム ドープ ファイバー
増幅器は、通常の信号処理に起因するばかりでなく、上
に述べた伝送ファイバーと増幅ファイバー間のミスマッ
チに起因する信号損失を克服するために必要とされる高
増幅のための最も大きな可能性を持つように見える。エ
ルビウム ドープ ファイバー増幅器は、この増幅器
が、低い挿入損失、広い利得バンド幅（約30nm）及び偏
波インセンシティブ利得を示すために光学通信システム
に対して特に有効な波長であるλ＝1.53μｍにて動作す
る。この増幅器は、λ＝1.48μｍにてポンプされた場
合、26dBという高い利得を持つが、但し、76mWのという
高い発射ポンプ パワーを必要とする。低い値のポンプ
パワーでのより高い利得が好ましい。
発明の概要 本発明は、向上された利得及び低下されたポンプ閾値
を持つ器土類にてドープされた光学増幅器に関する。こ
の増幅スキームは、より一般的な４レベル レーシング
システムではなく３レベル レーシング システムに
基づく。これに加えて、この光ファイバーの伝送モード
は、ポンプ波長において、実質的にこのファイバー増幅
器コア内の希土類イオンの分散プロフィルの半径に等し
いかそれより大きな半径を持つ。本発明の増幅器によっ
て、37dBの利得及び11.3dBmの飽和パワーがλ＝1.49μ
ｍの54mWのみの発射パワーにて達成できる。
実施例の説明 ローカル及びトランク光学通信網の両方に対して弱い
信号を増幅するための希土類にてドープされたファイバ
ーは、これらの低い挿入損失、広い利得バンド幅及び偏
波インセンシティブ利得のために特に興味深い。使用に
おいて、これら光ファイバーは、通常、希土類利得プロ
ファイル内のある波長の所で弱い光学入力信号の要求さ
れる増幅が得られるようにポンプに横方向に結合され
る。方向性結合器を介して光ファイバーに結合されるポ
ンプ光は、ファイバー内において信号に対して同方向あ
るいは逆方向に伝播される。方向性結合器はポンプ波長
の所で高い結合比を持ち、信号波長の所で低い結合比を
持つ。
ファイバーが励起されないときは、信号は希土類イオ
ンによる基底状態吸収のために損失を受ける。ファイバ
ーに加えられるポンプ（励起）パワーが増加されると、
基底レベル吸収に起因する損失は減少してゆき（つま
り、利得は負であるが増加してゆき）、ある種のポンプ
パワーにおいて、正味信号吸収がなくなる（つまり、
利得がゼロとなる）。これはトランスパレンシー状態と
呼ばれる。その後、ファイバー内のパンプ パワーが増
加されてゆくと、希土類イオンのより高い割合が励起状
態になり、高いレージング状態から基底状態への刺激さ
れた放射が基底状態から高いレージング状態への吸収よ
りも強くなり、結果として、様々な波長において、正味
の正の利得が起こる。こうして、この光学ファイバー
は、高いレージングシ レベルが多くなるように励起さ
れると、そのポンプ閾値レベルより高い所で正の正味利
得を与え、ファイバーは増幅器として働く。
光学増幅器には二つの基本タイプがある。片方のタイ
プは４レベル レージング システムにて動作し、他方
は、３レベル レージング システムにて動作する。第
１図は４レベル レージング システムを図解し、第２
図は３レベル レージング システムを図解する。個々
のケースにおいて、励起は信号波長に対応するものより
も高い適当なエネルギーの光子を放射する別個のレーザ
ーあるいはランプによって遂行される。電子は基底状態
から上側レージング レベルよりも上の一つあるいは複
数のポンプ バンドに励起される。一つのポンプ バン
ドは、シュタルク マニホールド（Stark manifold）内
の倍数状態から成る。ガラス内のイオンの場合は、電子
状態は、通常、シュタルク スプリット マニホールド
（Stark split manifold）に広げられる。ただし、様々
な異なるマニホールド倍数状態は、均一な広がりのため
に、通常、室温においては、本当に離散されたレベルと
はならない。ポンプ周波数に依存して、これら電子は、
上側レージング状態のレベルに励起されるが、このレベ
ルは、第１図のレベルE4及び第２図のE3の上である。こ
れら電子は次に、通常このレベルから非放射的に上側レ
ージング レベルへと減衰する。上側レージング レベ
ルの自発的ライフタイムはポンプ バンドのそれよりも
非常に大きく、上側レベルに大きな密度が起こることに
注意する。レーザー波長の光子が上側レージング状態内
の励起されたイオンと反応すると、刺激された放射が起
こる。光子は、前の自発的放射、刺激された放射、ある
いは入力信号のいずれかから来る。第１図のE2及び第２
図のE1の下側レベルにおいても類似のマニホールドが存
在する。電子は下側マニホールド内のあるレベルに減衰
し、これが減衰するレベルは、それが動作する波長、つ
まり1.53μｍ−1.55μｍによって表わされる。
第１図の４レベル レージング システムと第２図の
３レベル レージング システムとの差を指摘すること
が重要である。３レベル レージング システムにおい
ては、下側レージング レベルは基底状態かあるいは大
きな熱的密度を持つのに十分に基底状態に接近してい
る。４レベル レージング システムにおいては、さら
にこの下側レージング レベルから基底状態への遷移が
あり、これは、通常、非放射的に行なわれ、放射的遷移
よりもかなり速い。３レベル レージング システムに
おいては、基底状態から直接に上側レージング レベル
への吸収が起こり、基底状態が強い励起によってデポピ
ュレーティング（depopulated）されない限り、信号強
度が落ち、レージング光子の放射効果が損なわれる。レ
ーザーが３レベル レーザー システムであるか、４レ
ベル システムであるかの重要性は、主に、３レベル
レージング システムがポピュレーションの逆転を得る
ために高い強度にて励起されることを必要とすることに
依存する。従って、３レベル レージング システム
は、通常、４レベル レージング システムよりも、特
に、バルク ノン ファイバー アクティブ媒体に対し
ては、高い値の閾値パワーを持ち、従って、現時点にお
いては、４レベル レージング システムの方が好まし
い。基土類ドープ光ファイバー増幅器は３及４レベル
モードの両方にて動作する。
３レベル システムと４レベル レージング システ
ムとの間のもう一つの差異は、ファイバー長への利得の
依存にある。４レベル システムにおいては、欠陥損失
が存在しないものと想定すると、ファイバー長が増加さ
れると利得が減少するようなポイントは存在しない。３
レベル システムにおいては、任意のポンプ パワーに
対して最大利得が得られるような最適長が存在する。こ
れは欠陥損失がないような場合においてさえも見られる
３レベル システムに固有の特性である。終端励起３レ
ベル ファイバーにおいては、得られるポンプ光子の数
及び、従って、ポピュレーションの逆転は、発射端の所
で最大となり、ファイバーに沿って単調的に減少する。
任意のポンプ パワーに対する最大利得は、ファイバー
長がファイバーの他端から現われるポンプ パワーがト
ランスパレンシーを達成するために必要とされるポンプ
閾値パワーと丁度等しいようなファイバー長であるとき
に達成される。このポイントまでの長さの個々の増分
は、そこに存在するポンプ パワーがポンプ閾値より上
であるために正味利得に貢献し；このポイントを越えて
の個々の長さの増分は、ポンプ パワーがトランスパレ
ンシーに対する閾値レベル以下であり、信号はこの領域
内において正味損失を受けるために利得を減ずる。
３レベル システムと４レベル システム システム
との間のもう一つの大きな違いは飽和出力パワーのポン
プ パワーへの依存性にある。４レベル システムにお
いては、飽和パワーはポンプ パワーに依存しないが、
一方、３レベル システムにおいては、飽和出力パワー
は、ポンプ パワーに直接的に依存し、ポンプ パワー
を増加させることによって増加させることができる。
４レベル システム デバイスを使用する光学増幅器
の動作は、３レベル システムを使用する光学増幅器の
動作と大きく異なることは明らかである。
希土類、例えばエルビウムにてλ＝1.53μｍにて動作
するファイバー増幅器を形成するようにドープされた光
ファイバーは、光通信に対して、これらの低挿入損失、
広い利得バンド幅（約30nm）及び偏波インセンシティブ
利得のために特に興味深い。最近の研究は、エルビウム
にてドープされたファイバー増幅器がλｐ＝1.48μｍあ
るいはλｐ−980nmのポンプ波長にて動作するレーザー
ダイオードにて励起できることを実証している。エル
ビウムにてドープされた光学増幅器は３レベル システ
ムを使用することに注意する。
現在、エルビウムにてドープされたファイバー増幅器
は、コアがパワー モード サイズと比較して大きなた
めに得られる高い閾値パワーを持つ。第３図には、高い
ポンプ閾値を持つ先行技術によるエルビウム ドープさ
れたファイバー増幅器のプロットが示される。中央段部
分50は、シングル モード ファイバーのエルビウム
ドープされたコアの屈折率を表わし、端52は、シングル
モード ファイバーのクラディングの屈折率を表わ
す。ガラスから製造され、従って、ガラス ホストと呼
ばれる光ファイバーのコアは、希土類ドーパントである
エルビウムにて均一にドープされ、クラディングのコア
よりも大きなコア屈折率を持つ。ファイバーのポンプ
モードの曲線54が光ファイバーの屈折率のプロット上に
重ねて示される。エルビウム ドープされたファイバー
のコア50の半径は、ファイバーのポンプ モード54の半
径と比較して大きい。第３図には、コアを横断して実質
的に均一に分散するエルビウムの代表原子56、58、60、
64が示される。動作において、エルビウム原子62及び64
は、ファイバーの中心付近に存在し、ポンプ モードの
最大強度に露出される。明らかに、これらは、基底状態
から上側レージング レベルよりも高いバンドに励起さ
れる。但し、これは、コアの端付近に位置するこれらコ
ルビウム原子に対しては起こらない。第３図から、コア
の端付近のモードの強度は、コアの中心の所のピーク値
と比較して大きく減少することが分かる。実施において
は、この低減は、コアの端の所のエルビウム原子が正味
利得を与えるのに十分なポンプ光子の束を見ない程度で
ある。これら原子は信号吸収にのみ寄与し、これはシン
グル モードが受ける総ファイバー利得を低減する。前
に述べたように、３レベル レージング システムにお
いては、下側レージング レベルは、基底状態か、ある
いはそれが大きな熱密度を持たないような基底状態に十
分に近いレベルである。低強度領域内に位置するエルビ
ウム原子56、58、60は、それらの時間の殆どを下側レー
ジング レベルにて費やすために、これらは、利得プロ
セスに実質的に寄与しないばかりでなく、これらは吸収
に寄与し、増幅器の効率を低下させる。４レベル シス
テムにおいては、反対に、低ポンプ領域内の原子は、そ
れらの時間の殆どを下側板レージング状態ではなく、従
って、単に、受動的オブザーバーとなる基底状態に費や
し；これらは利得に参与せず、３レベル システムの場
合は反対に、信号波長においても吸収せず従って、利得
を劣化させることもない。４レベル レージング シス
テムにおいては、高飽和出力パワーを達成するために飽
和強度以下に信号強度をたもつために大きな空洞を持つ
ことが要求される。
本発明においては、11mW−54mWレンジにおいてλ＝1.
49μｍのポンプ パワーにて＋2.5dBから＋37dBの利得
を提供するより効率的なエルビウム ドープされたファ
イバー増幅器が開示される。＋2.5dBmから＋11dBmの対
応する飽和出力パワーが達成される。ここに開示される
新たな改良された光学増幅器について実施された測定値
は、2.1±0.1dB/mWの最大利得係数を示す。この値の利
得係数は、λＰ＝1.48−1.49μｍの吸収バンド内で励起
されたエルビウム ドープ ファイバー増幅器に対して
今日まで報告された最大の値である。54mW発射ポンプ
パワーに対しては、＋11dBmの高飽和出力信号パワーが
測定されている。これはこのポンプ波長に対してこれま
でに報告されている＋2.5dBmと比較して劇的な向上であ
る。
上に述べた結果を与えるエルビウムにてドープされた
ファイバー増幅器は、1.18μｍのコア半径及び0.23の開
口数を持つ。Er3+濃度はｐ＝2x1024m-3であり、これ
は、おおむね50ppmのEr2O3濃度に相当する。
エルビウムが活性イオンであるときは、効率の向上
が、現在エルビウム ドープ ファイバー増幅器に対し
て行なわれているようにゲルマニウムのみを使用するの
ではなく、コアの屈折率を上げるために主要ドーパント
としてのアルミニウム及びゲルマニウムの両方にてドー
プされたコアを使用することによって得られる。アルミ
ニウムが加えられた場合、吸収及びEr3+イオンの螢光プ
ロファイルは1.46−1.49μｍ波長バンドにおけるポンピ
ングに好ましいように変わるが、これは、この波長レン
ジにおいては、アルミニウム ドープされたコアでは、
吸収が高く、螢光が低くなるためである。
第４図にはエルビウム ドープ ファイバー増幅器を
テストするためのテスト セット アップの略図が示さ
れる。λＰ＝1.493μｍにて動作するNaCl:OH色素中心レ
ーザー10がポンプとして使用される。色素中心レーザー
10に対する最大出力とこの特定のポンプ波長に帰着する
動作波長との間のトレード オフが最適として選択され
る。但し、このレーザーは、最高のエルビウム ドープ
ファイバー増幅器利得を達成するための最適ポンプ波
長を与えるものではないことに注意する。グレーティン
グ12が色素中心レーザー ポンプから出るλ＝1.064μ
ｍの所の望ましくない光を排除するために使用される。
λＳ＝1.531μｍ付近にて動作する可調外部空洞レーザ
ー ダイオード14が信号のために使用される。ファラデ
ー アイソレータ16がバックワードASEからの信号レー
ザーへのフィードバックを防止し、また反射からエルビ
ウム ドープ ファイバー増幅器へのフィードバックを
阻止するために使用される。低反射率屈折率マッチング
ウインドウを持つファイバー ピッグ テール18が外
部空洞レーザー ダイオード14とファラデー アイソレ
ータ16との間に置かれる。ファラデー アイソレータを
通ってパスする信号の最大化は、ピッグ テール上に置
かれたファイバー偏波コントローラ20を通じて達成され
る。偏波ビーム スプリッター22がポンプと信号をｎ＝
0.012の低結合係数を持つ融合ファイバー結合器28のフ
ァイバー上に組合わせるために使用される。エルビウム
ドープ ファイバー増幅器24が26の所で結合器28の直
通出力ファイバーにバット スプライスされるが、結合
器28は、望ましくない反射及びファブリペロ効果を押え
るために屈折率マッチング オイル29を使用する。エル
ビウム ドープ ファイバーの出力端30はエルビウム
ドープ ファイバー増幅器へのフィードバックを阻止す
るために10度の角度にポリッシュされる。結合器の１％
出力ポート32がエルビウム ドープ ファイバー増幅器
へのポンプ及び信号入力をモニターするために使用され
る。結合器入力ファイバー リードの端34もフィードバ
ックを防ぐために10度の角度にポリッシュされる。使用
されない他方の入力リードも同じ目的のために屈折率マ
ッチされる。
このエルビウム ドープ ファイバーのコア径は1.81
μｍであり、開口数は0.23である。このω′＝３μｍの
l/パワー モード サイズ（半径）は実験的に近距離場
イメージングを使用して得られた。結合器ファイバーの
パワー モード サイズω＝4.4μｍである。エルビウ
ム ドープ ファイバー増幅器のEr3+濃度は、ｐ＝2x10
24m-3であるが、これは、約50ppmのEr2O3濃度に相当す
る。η＝0.63であると測定された入力ファイバー リー
ドとファイバー増幅器との間の結合比は−2.0dB結合損
失に対応する。この結合損失は、増幅器ファイバーと結
合器ファイバーのモード包絡線の間の非最適重複整数を
与える少しの整合ミスに起因する。λＳ＝1.531μｍを
中心とする2.6nmのバンド幅（FWHM）を持つ干渉フィル
ター35を通過した後、エルビウム ドープ ファイバー
増幅器の出力は、増幅された信号をモニターするために
スペクトル計に送られるか、あるいは利得の測定のため
にパワー メーターに送られる。
エルビウム ドープ ファイバー増幅器に発射された
ポンプ パワーPp inの関数としての信号利得Ｇが第５図
に示される。図解される結果を得るために使用されたフ
ァイバーは47.mの長さを持つ。第５図の挿入は、λ＝1.
493μｍにチューニングされたポンプによる出力スペク
トル及び螢光スペクトルのピークの周波数であるλ＝1.
531μｍの信号を図解する。ファイバー増幅器トランス
パレンシー（利得＝0dB）がPp in＝6.5にて得られた。長
いファイバー長に対してトランスパレンシーを達成する
ために要求される入力ポンプ パワーがファイバーに沿
ってのポンプ減衰に起因する媒体反転のために要求され
るポンプ閾値よりも高いことは、このファイバーが実際
に低い反転閾値を持つことを示す。
Pp in＝11.3mWの入力パワーにて、＋25.2dBの利得が達
成された。これは、ｇ＝2.1±0.1dB/mWの利得係数に相
当する。これは、Applied Phys.Letters,Vol.54,No.5,
（1989年）、ページ295に、M.ナカザワ（M.Nakazawa）,
Y.キムラ（Y.Kimura）及びK.スズキ（K.Suzuki）によっ
て開示される1.48μｍポンプ波長に対して現在報告され
てるｇ＝0.39dB/mWと比較して劇的な向上である。
＋36.8±0.3dBの最大利得が53.6mW発射ポンプ パワ
ーにて達成されるが、これは、可視光線にてポンプされ
たときのエルビウム ドープ ファイバー増幅器に対し
て報告されている＋35dBよりも少し高く、また、Optica
l Fiber Communication Conference,1989年、テクニカ
ル ダイジェスト シリーズ、PD15−１に、K.ハギモト
（K.Hagimoto）らによって報告されている1.49μｍにて
ポンプされたときの利得よりも約10dB高い。この向上
は、ファイバーの非常に低いポンプ閾値に起因するが、
これは、ポンプ モードの小さなサイズの結果である。
λＳにおける理論ポンプ閾値PP inは、以下の超越式の
解である。
ここで、σａ及びσｅはそれぞれλｓにおける吸収及
び放射断面であり； η＝exp（−a2/ω２）であり、ここで、ａ＝ファイバー
のコア径、ωは1/εｘモード センターの所の最大強度
に相当するモードの半径であり、Ｐ＊＝hp -vπa2/σｐ
τであり、ここで、hp -v＝ポンプ光子エネルギー、σｐ
＝ポンプ吸収断面、そしてτ＝4I13/2レベルの螢光寿命
である。
このファイバーに対して測定された螢光寿命及び断面
を使用することによって、つまり、τ＝10ms,σａ（1.4
9μｍ）＝2x10-25m,σａ（1.53μｍ）＝4x8x10-25m2,σ
ｅ（1.53μｍ）＝8x1x10-25m2を使用することによっ
て、ファイバー パラメータが式（１）Pp +a＝1.35mWら
得られるが、これは、エルビウム ドープ ファイバー
増幅器においてトランスパレンシーを達成するために要
求されるPp th＝6.5mWとトランスパレンシーがポンプが
ファイバーの入力端の所の閾値より数倍高いことを要求
するために一貫するものである。こうして、Pp th＝54mW
の最大発射パワーは比Pp in/Pp th〜40を持つ高度にポン
プされた状態を表わし、結果としてファイバーに対する
高い利得が測定される。Pp th＝1.3mWよりもかなり低い
ポンプ閾値がパラメーターωの値を3umよりも低い値、
例えば、ファイバーの屈折率の差をΔｎ＝0.03に増加
し、ファイバーのコア径をａ＝1.5μｍに減らすことに
よって達成される1.5μｍに調節することによって得る
ことができることに注意する。
こうして、ポンプ閾値と導波路の特性との関係を記述
する式（１）からポンプ閾値は、向上された効率を得る
ためには可能な限り低いことが要求されることが分か
る。
第６図は本発明の原理に従うエルビウム ドープ フ
ァイバァー増幅器の屈折率のプロットであるが、ここで
は、ファイバーが低ポンプ閾値を持つように設計され
る。中央段部分36は、シングル モード ファイバーの
エルビウム ドープ コアの屈折率を表わし、両端38
は、シングル モード ファイバーのクラディングの屈
折率を表わす。光学ファイバーのコアはエルビウムを含
み、コアの屈折率はクラディングのそれよりも大きい。
ファイバーのポンプ モードの曲線42が一例として光フ
ァイバーの屈折率のプロット上に重ねて示される。式
（１）の結果に従うと、エルビウム ドープ ファイバ
ーのコア36の半径はファイバーのポンプ モードの半径
に等しいかこれより小さい。こうして、エルビウム ド
ープ コアの半径がファイバーのポンプ モードの半径
以下であるために、コア断面内のエルビウムの個々の原
子は、実質的にポンプ モードの等しいレベルの高強度
部分にさらされる。エルビウムにて実質的に均一にドー
プされたコアを持つ光ファイバー増幅器においては、高
動作効率がコアが1.8μｍの半径を持ち、コアの屈折率
とクラディングの屈折率との差が実質的に0.019であ
り、ポンプのパワー モード サイズωが実質的に３μ
ｍを越えないときに得られる。
第７図には、3dB利得圧縮を与える入力及び出力信号
飽和パワーが発射されるポンプ パワーの関数として示
される。図面は、ポンプが増加されると入力飽和パワー
Psat inは減少し、出力飽和パワーPsat outは増加するこ
とを示す。Psat out＝11.3dBの出力飽和パワーが最大利
得Gmax＝37.1dBに対応する最大可能放射ポンプ パワ
ー、つまり、Pp in〜53.6にて達成される。これは、光フ
ァイバー通信会議、1989年、テクニカル ダイジェスト
シリーズ、PD15−１（アメリカ光学協会、ワシント
ン,D.C.1988年）に、K.ハギモト（K.Hagimoto）らによ
って報告される値、Psat out＝＋2.5dBm,Gmax＝26dBと較
べて劇的な向上である。第４図に示される出力飽和パワ
ーのレンジ、つまり、Psat out＝＋2.5dBmから＋11.3dBm
進行波半導体増幅器にて得られる結果、つまり、Psat
out＝＋5dBmから＋12.5dBmに匹敵する。明らかに、本発
明に従って、1.49μｍレーザー ダイオード ポンプに
て＋30dBを越えるファイバー・ファイバー利得を得るこ
とが可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は非半導体４レベル システムに対するポピュレ
ーション反転及びレージングを示すエネルギー レベル
図であり； 第２図は非半導体３レベル システムに対するポピュレ
ーション反転及びレージングを示すエネルギー レベル
図であり； 第３図は先行技術による光学増幅器のポンプ モードの
強度プロフィルのプロットの上に重ねられたエルビウム
ドープ ファイバーの屈折率のプロットを示す図であ
り； 第４図はエルビウム ドープ ファイバー増幅器をテス
トするための構造の略図であり； 第５図はλｓ＝1.531μｍにおける信号利得のλｐ＝1.4
93μｍの発射パンプ パワーの関数としてのプロットを
示す図であり； 第６図は本発明の原理に従うポンプ モードの強度プロ
フィルのプロットの上に重ねられたエルビウム ドープ
ファイバーの屈折率のプロットを示す図であり；そし
て 第７図は発射ポンプ パワーの関数としての入力及び出
力信号飽和パワーのプロットを示す図である。 ＜主要部分の符号の説明＞ 12……グレーティング 16……ファラデー アイソレータ 28……結合器
フロントページの続き (72)発明者 ジェイ リチャード シンプソン アメリカ合衆国 07023 ニュージャー シィ，ファンウッド，ロビン ロード ８ (72)発明者 ジョン エル．ズィスキンド アメリカ合衆国 07702 ニュージャー シィ，シュリウズバリー，パーク アヴ ェニュー 106 (56)参考文献 特開 平３−48225（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−127032（ＪＰ，Ａ) ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏ ｌ．14，Ｎｏ．22，ｐｐ．1266−1268 ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳ Ｖｏ ｌ．27，Ｎｏ．23，ｐｐ．4831−4836 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/06 H01S 3/10 G02B 6/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】クラディングによって包囲されたコアを持
    つシングル モード光ファイバー、及びポンプ波長のポ
    ンプ信号を生成するための手段を持つ光学増幅器におい
    て、該コアがある分布プロフィルを持つ希土類イオンに
    てドープされ、 該ポンプ波長が該希土類イオンの基底状態をレージング
    遷移の下側レベルとして持つ３レベル レージング シ
    ステムの上側ポンプ レベルである励起状態に結合する
    能力を持ち、該生成手段が光学的に該光ファイバーに結
    合され、該光ファイバーの伝送モードが該ポンプ波長に
    おいて該コア内の該希土類イオンの該分布プロフィルの
    半径に等しいかこれよりも大きな半径を持ち、該ポンプ
    信号の該モードの半径が３μｍを越えないものであり、
    該ファイバーのドープされたコアが1.0μｍから1.8μｍ
    のレンジ内の半径を持ち、ファイバー屈折率の差が0.04
    から0.019の間であることを特徴とする光学増幅器。
  2. 【請求項２】該ファイバーのドープされたコアが実質的
    に1.8μｍの半径を持ち、コアの該クラディングとの屈
    折率の差が実質的に0.019であることを特徴とする請求
    項１に記載の光学増幅器。
  3. 【請求項３】該ファイバーが下側限界0.2及び上側限界
    0.35を持つレンジ内の開口数を持つことを特徴とする請
    求項１に記載の光学増幅器。
  4. 【請求項４】該ファイバーの開口数が実質的に、0.23で
    あることを特徴とする請求項３に記載の光学増幅器。
  5. 【請求項５】該ファイバーのモード寸法が1.5μｍの下
    側限界及び３μｍの上側限界を持つレンジ内であること
    を特徴とする請求項１に記載の光学増幅器。
  6. 【請求項６】該光学ファイバーが実質的に1.46−1.49μ
    ｍの吸収バンド内のポンプエネルギーを受けるように結
    合されることを特徴とする請求項５に記載の光学増幅
    器。
  7. 【請求項７】該生成手段のパワー モード サイズの半
    径が1.5μｍに等しいかこれより小さいことを特徴とす
    る請求項６に記載の光学増幅器。
  8. 【請求項８】該コアがガラス ホストであることを特徴
    とする請求項７に記載の光学増幅器。
  9. 【請求項９】該ガラス ホスト コアがシリカであり、
    エルビウムに加えてコアの屈折率を上げるためにドーパ
    ントが使用されることを特徴とする請求項８に記載の光
    学増幅器。
  10. 【請求項１０】該コア内の屈折率を上げるためのドーパ
    ントが重要な成分としてアルミニウムを含むことを特徴
    とする請求項９に記載の光学増幅器。
  11. 【請求項１１】出力パワーが最高11dBmまでポンプ パ
    ワーの増加と正比例して増加することを特徴とする請求
    項３に記載の光学増幅器。
  12. 【請求項１２】光学信号を増幅するための方法におい
    て、該方法が グラディングにて包囲されたコアを持つシングル モー
    ド光ファイバーにポンプ信号を加えるポンプ波長のポン
    プ信号を生成するステップをふくみ、該コアがある分布
    プロフィルを持つ希土類イオンにてドープされ、該ポン
    プ波長が該希土類イオンの基底状態を該基底状態をレー
    ジング遷移の下側レベルとして持つ３レベル レージン
    グ システムの上側ポンプ レベルである励起状態に結
    合する能力を持ち、該方法がさらに 該光ファイバーの伝送モードを該ポンプ波長において該
    コア内の該希土類イオンの該分布プロフィルの半径に等
    しいかこれよりも大きな半径を持つようにするステップ
    であって該ポンプ信号の該モードの半径が３μｍを越え
    ないものであり、該ファイバーのドープされたコアが1.
    0μｍから1.8μｍのレンジ内の半径を持ち、ファイバー
    屈折率の差が0.04から0.019の間であり、及び 該シングル モード光ファイバーに増幅のために光学信
    号を加えるステップをふくむことを特徴とする方法。
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