JP4032648B2 - 光ファイバ増幅器およびこれに用いられる光ファイバ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子から出射された光を入射させて導波させる光ファイバと、この光ファイバと半導体発光素子とを用いた光ファイバ型の光ファイバ増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信において信号光を増幅するための装置として光ファイバ増幅器が知られている。このような光ファイバ増幅器は、特開平１０−５６２２７号公報、特開平１０−９０５４７号公報にそれぞれ開示されているように、希土類添加ファイバからなる増幅用光ファイバに信号光を伝播させ、その両端から添加した希土類に信号光と同じ波長の光を放出させる信号光とは異なる所定の波長の励起光を入射させることにより信号光を増幅する構成となっている。
【０００３】
そして励起光光源としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子が一般的であり、これらの半導体発光素子から出射された光は、導波用の光ファイバによって増幅用光ファイバへと導かれる。
【０００４】
半導体発光素子の発光領域（活性領域）の出射端面の形状は長方形であり、発光領域の出射端面の長辺の長さＬは、光出力パワーが大きいものほど長いのが一般的である。そして、励起光光源に好適に用いられる半導体発光素子としては、Ｌが１００μｍのものや５０μｍのもの等が知られている。この種の半導体発光素子から出射された光を好適に導波用光ファイバに導くとともに、半導体発光素子と光ファイバとの位置調整を容易にするため、従来は、導波用光ファイバのコア径Ｄを、半導体発光素子の発光領域の出射端面の長辺の長さＬ以上とすることが一般的であった（例えば、三井化学製ＬＤモジュールＭＬＤ１００−ＦＣおよびＭＬＤ３００カタログ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｒｐ社製ＬＤモジュールＡＯＣ９８０−１２００−ＨＨＬ２００カタログ、ＳＤＬ社製ＬＤモジュールＳＤＬＯ−４０００カタログを参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
こうした光ファイバ増幅器では、導波用光ファイバに入射して導波させられる光のパワーが大きいだけでなく、そのコア領域における単位断面積当たりの光パワーすなわち光強度も大きいことが要求される。しかしながら、従来は、導波用光ファイバのコア径Ｄが大きいため、光ファイバに入射し導波する光のパワーは大きいものの、その光強度は充分ではなかった。このため、このような半導体発光素子と導波用光ファイバとを用いた従来の光ファイバ増幅器では、せっかく光出力パワーが大きい半導体発光素子を用いたとしても、導波される励起光の光強度が充分でないために、増幅用光ファイバ中の励起用元素の励起効率が低く光増幅率が小さかった。
【０００６】
本発明は係る問題点に鑑みて、十分な光強度及び光出力パワーの光を導波することが可能な光ファイバ及びこれを用いた光ファイバ増幅器を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、高出力パワーの光を高い光強度で伝送するために光ファイバが満たすべき条件について検討した。そして、入射側の光源との結合効率をほぼ１００％に維持した状態で、コア径Ｄを小さくすることが好ましいことを見出した。光ファイバ端面に入射する光のビーム径をコア径Ｄより絞り込めたとしても、コア径と開口数が一定の関係をみたしていなければモード数の高い光は光ファイバ内を導波することができず、結合効率はその分劣化してしまう。そして、コア径を大きくしすぎることは、光強度を低下させて好ましくない。光ファイバ増幅器等への適用を考えた場合、増幅用光ファイバとのマッチング、光強度の維持等の点から５０μｍを越えることは好ましくなく、コア径を上述の範囲に設定することで入射された高出力のビームを高い光強度を維持したまま高い結合効率で導波可能であることを見出した。この光ファイバを光ファイバ増幅器の励起光導波用光ファイバとして利用すれば、高出力、高強度の励起光を増幅用光ファイバへと導くことができるので、増幅効率を高めることができる。特に、高出力ＬＤ等を光源として用いた場合、ＬＤから出射された光のほとんどをコア部に導いて高い光強度を維持して伝送することが可能である。
【０００８】
そこで、本発明に係る発光モジュールは、所定波長の光を出射する半導体発光素子と、この半導体発光素子から出射された光を集光する集光光学系と、この集光光学系により導かれた光が入射され、コア領域を導波させて出射する光ファイバであって、石英系ガラスからなり、このコア領域は、入射端面付近で拡大加工されたものであり、この入射端面におけるコア領域の最大幅方向を入射ビームの最大幅方向に一致させて配置されており、入射端面におけるコア領域の最大幅Ｄ［μｍ］が半導体発光素子の発光領域の最大幅Ｌ［μｍ］以下である光ファイバとを備えていることを特徴とする。
【０００９】
この発光モジュールでは、集光光学系により半導体発光素子から出射された光ビームを絞り込んで、光ファイバに入射させることで、高い光強度で導波させることが可能である。
【００１０】
さらに、光ファイバの開口数をＮＡ、半導体発光素子の発光領域の最大幅方向の出射光の出射広がり角度をθとすると、Ｌｓｉｎθ／ＮＡ≦Ｄ（（１）式）を満たすことが好ましい。光ファイバのコア領域の最大幅Ｄを（１）式の範囲に設定することで、半導体発光素子から出射された全てのモードの光を光ファイバに導いて導波させることができる。したがって、半導体発光素子から出射された高出力のビームを低損失で光ファイバに導き、かつ、高い光強度で導波させることが可能である。
【００１１】
本発明に係る光ファイバ増幅器は、入射された所定波長の多モード励起光によって信号光を光増幅する増幅用光ファイバと、該励起光を出射する半導体発光素子と、前記半導体発光素子から出射された光を集光する集光光学系と、前記集光光学系により導かれた光が入射され、コア領域を導波させて前記増幅用光ファイバへと導く導波用光ファイバであって、石英系ガラスからなり、前記コア領域は、入射端面付近で拡大加工されたものであり、該入射端面におけるコア領域の最大幅方向を入射ビームの最大幅方向に一致させて配置されており、入射端面における前記コア領域の最大幅Ｄ［μｍ］が前記半導体発光素子の発光領域の最大幅Ｌ［μｍ］以下である導波用光ファイバとを備え、前記導波用光ファイバは、拡大前のコア径をＤ’、開口数をＮＡ、前記半導体発光素子の発光領域の最大幅方向の出射光の出射広がり角度をθとすると、Ｌｓｉｎθ／ＮＡ＜Ｄ’を満たすことを特徴とする。
【００１２】
この本発明に係る光ファイバ増幅器は、光ファイバのコア径Ｄ’をＬｓｉｎθ／ＮＡ＜Ｄ’の範囲に設定することで、半導体発光素子から出射された全てのモードの光を光ファイバに導いて導波させることができるので、高い光強度と光出力パワーを有する励起光を増幅用光ファイバへと導くことができ、高い増幅効率を達成することができる。
【００１３】
この増幅用光ファイバは、２重クラッドセグメントを有しており、内側クラッドの径を２ｂ［μｍ］、その開口数をＮＡ’とすると、２ｂ×ＮＡ’≧Ｄ×ＮＡであることが好ましい。
【００１４】
この場合は、導波用光ファイバから出射された励起光の全てのモードの光が増幅用光ファイバの内側クラッド領域へと導かれるので、励起光の利用効率が高く、増幅効率を高めることができる。
【００１５】
本発明に係る発光モジュールの光ファイバとして、または、本発明に係る光ファイバ増幅器の導波用光ファイバとして用いられる本発明に係る光ファイバは、上述した拡大加工前の端面におけるコア断面の最大幅が５０μｍ以下で、この最大幅と開口数の積が５．２μｍ以上であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１は、本発明に係る光ファイバ増幅器の第１の実施形態を示す構成図である。この光ファイバ増幅器は、半導体発光素子１０、集光レンズ系３０、導波用光ファイバ２０、２１、２２、３ｄＢカプラ４０、ＷＤＭカプラ５１および５２、ならびに増幅用光ファイバ６０を備えて構成されている。この光ファイバ増幅器は、励起光を増幅用光ファイバ６０に供給して、光ファイバ７１から増幅用光ファイバ６０へと入力した信号光を双方向励起により光増幅したうえで、その光増幅された信号光を光ファイバ７２へと出力するものである。
【００１８】
あるいは、本発明に係る光ファイバは、端面におけるコア断面の最大幅と開口数の積がいずれも２．６μｍ以下である２つのコア部を有し、一端では該２つのコア部の周囲にそれぞれ独立したクラッド部が設けられ、他端では、少なくとも近接させて配置された該２つのコア部の周囲に共通のクラッド部が設けられ、該２つのコア部の外周の最大距離は５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
この光ファイバにおいても、コア部が近接されて配置されている側から高出力の光ビームを入射させてこのビームを２つに分けて高出力パワー、高強度の光ビームを分岐された両方の端面へと出射させることができる。この光ファイバを光ファイバ増幅器の導波用光ファイバに使用すれば、励起光源として単一の半導体レーザを用い、統合された一端から入射された励起光を増幅用光ファイバの両端へと導くことが容易であり、増幅効率も高められる。高出力ＬＤ等を光源として用いた場合、ＬＤから出射された光のほとんどをコア部に導いて高い光強度を維持して伝送することが可能である。
【００２０】
半導体発光素子１０は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）であり、図２に示されるように、発光領域１１がクラッド層１２および１３に挟まれた構造をしており、発光領域１１の出射端面から波長λ［μｍ］の励起光を出射する。この図に示すように発光領域１１の出射端面は長方形をしている。以下、その長辺の長さをＬ［μｍ］で表す。そして、光は、最大幅方向で角度θの広がり角度で出射される。一般に、発光領域１１の出射端面の長辺の長さＬは、光出力パワーが大きいものほど長くなることが知られている。
【００２１】
また、光ファイバ２０は、例えば、図３Ａに断面形状を示すようにコア領域２１とクラッド領域２２とを有するものである。図３Ａに示されるようにコア領域２１の断面は略円形であり、以下、その径をＤ［μｍ］で表す。この光ファイバ２０は、半導体発光素子１０から出射され、集光レンズ系３０で集光された光を入射端面に入射させて、その光をコア領域２１に導波させるものである。
【００２２】
なお、光ファイバ２０のコア領域２１は、図３Ａに示されるような真円形状である必要はなく、図３Ｂに示されるような円の一部を欠いた形状や、図３Ｃに示されるような楕円形状であってもよい。コア領域２１が真円形でない場合には、最大幅を径Ｄと称する。そして、端面に入射する光ビームが真円形でない場合には、ビームの最大幅方向にこのコア領域２１の最大幅方向が一致するよう半導体発光素子１０、集光ビーム系３０、光ファイバ２０が配置されている。
【００２３】
ここで集光ビーム系３０から出力される光ビームの最大幅をＬ’［μｍ］とすると、この第１の実施形態の光ファイバ増幅器においては、まず、
【００２４】
Ｌ’≦Ｄ≦Ｌ …（２）
が成り立つことを特徴としている。このようにすることにより、半導体発光素子１０の発光領域１１の出射端面の長辺の長さＬが大きく光出力パワーが大きい場合であっても、半導体発光素子１０から出射された光を集光して、光ファイバ２０へ効率よく入射させ、かつ、光ファイバ２０における光強度も充分なものとできる。
【００２５】
ここで、光ファイバ２０を導波し得る光のモード数の最大値Ｎｆｍａｘは、次式に示されるように、コア径Ｄと開口数ＮＡとの積に比例する。
【００２６】
Ｎｆｍａｘ≒Ｄ×ＮＡ／λ …（３）
【００２７】
ここで、開口数ＮＡは、コア領域２１の屈折率をｎ１、クラッド領域２２の屈折率をｎ２とすると、ＮＡ＝√（ｎ１ ２−ｎ２ ２）なる式で表される。
【００２８】
一方、半導体発光素子１０の発光領域１１の出射端面の最大幅方向に関する光のモード数の最大値Ｎｌｍａｘは、次式に示されるように、最大幅Ｌと最大幅方向の広がり角の関数ｓｉｎθに比例する。
【００２９】
Ｎｌｍａｘ≒Ｌｓｉｎθ／λ …（４）
【００３０】
したがって、Ｎｆｍａｘ≧Ｎｌｍａｘが成り立つ関係にあれば、半導体発光素子１０から出射された光に含まれるモードの全てが光ファイバ２０を導波することができるので、入射効率を原理的に略１００％とすることができる。この条件は、上述した（１）式、つまりＬｓｉｎθ／ＮＡ≦Ｄが成立するときに成り立つ。（２）式と（１）式を同時に成立させるようコア径Ｄを設定すると、半導体発光素子１０から光ファイバ２０に入射し導波する光のパワーが大きくても、低損失で、かつ、十分な光強度の光を導波させることが可能となる。
【００３１】
例えば、半導体発光素子１０として発光領域１１の出射端面の長辺の長さＬが５０μｍであり、その最大幅方向への光出射広がり角θが６度の半導体発光素子１０（三井化学製ＭＬＤ３００）を用いるものとする。一方、光ファイバ２０として最も一般的な石英系のものを仮定すると、コア領域２１にＧｅ（ゲルマニウム）元素を添加し、クラッド領域２２にＦ（フッ素）元素を添加することにより、クラッド領域２２に対するコア領域２１の比屈折率差を２％程度にまで高めることができる。
【００３２】
この場合、光ファイバ２０の開口数ＮＡは０．２９となり、（５）式より光ファイバ２０のコア径Ｄを１８μｍ程度にまで小さくすることが可能なことがわかる。この場合の光ファイバ２０のコア領域２１中における光強度は、発光領域１１の出射端面の長辺の長さＬと等しいコア径を有する従来の装置における光ファイバのコア領域中の光強度と比較して、８倍程度に高くなる。
【００３３】
この三井化学製ＭＬＤ３００に対しては、（１）式は、Ｄ×ＮＡ≧５．２μｍと変形できる。開口数ＮＡは、屈折率調整により０．４６程度まで上昇させることができるので、この場合は、コア径Ｄを１１．３μｍまで小さくすることが可能となり、より高い光強度を達成することが可能である。
【００３４】
この光ファイバ２０に接続されている３ｄＢカプラ４０は、光ファイバ２０を導波してきた励起光を２つに分岐して、光ファイバ２１および２２のそれぞれに導波させる。光ファイバ２１、２２は光ファイバ２０と同一の構成をしている。すなわち、それらのコア径Ｄはいずれも（１）、（２）式を満たす。
【００３５】
ＷＤＭカプラ５１は、光ファイバ７１を導波して到達した信号光、および、光ファイバ２１を導波して到達した励起光を、増幅用光ファイバ６０へと入射させる。ＷＤＭカプラ５２は、増幅用光ファイバ６０により光増幅された信号光を光ファイバ７２へ入射させるとともに、光ファイバ２２を導波して到達した励起光をこの信号光とは逆方向から増幅用光ファイバ６０へと入射させる。
【００３６】
ＷＤＭカプラ５１は、図４に示すように、フィルタ５１１およびレンズ５１２〜５１５を備えている。フィルタ５１１は、光ファイバ２１から出射された励起光を反射させるとともに、光ファイバ７１から出射された信号光を透過させるものである。光ファイバ７１を導波して到達した信号光は、光ファイバ７１の出射端面から出射される際に発散するものの、レンズ５１２および５１３により集光され、増幅用光ファイバ６０の入射端面の信号光導波領域に入射する。一方、光ファイバ２１を導波して到達した励起光は、光ファイバ２１の出射端面から出射される際に発散するものの、レンズ５１４、５１５および５１３により集光され、増幅用光ファイバ６０の入射端面の励起光導波領域に入射する。ＷＤＭカプラ５２も同様である。
【００３７】
増幅用光ファイバ６０は、少なくともコア領域にＥｒ（エルビウム）元素、Ｎｄ（ネオジム）元素、Ｐｒ元素（プラセオジム）等の希土類元素が添加された石英系光ファイバであって、図５に示すような二重クラッド型の屈折率プロファイルを有している。増幅用光ファイバ６０は、その中心に外径２ａで屈折率ｎ１のコア領域を有し、このコア領域の外側に外径２ｂ、屈折率ｎ２の第１クラッド領域、さらにその外側に屈折率ｎ３の第２クラッド領域を有する２重クラッド型の光ファイバである。各領域の屈折率ｎ１〜ｎ３は、
【００３８】
ｎ１＞ｎ２＞ｎ３ …（５）
の関係にある。そして、増幅用光ファイバ６０のコア領域が信号光を導波させる信号光導波領域であり、コア領域および第１クラッド領域が励起光を導波させる励起光導波領域である。なお、増幅用光ファイバ６０の第１クラッド領域の開口数をＮＡ’（ＮＡ’＝√（ｎ１ ２−ｎ２ ２））とすると、
【００３９】
２ｂ×ＮＡ’≧Ｄ×ＮＡ …（６）
を満たすことが好ましい。この場合、増幅用光ファイバ６０の第１クラッド領域を導波し得る光の最高モード数が、光ファイバ２０〜２２を導波し得る光の最高モード数より大きくなるので、ＷＤＭカプラ５１、５２において光ファイバ２１、２２から増幅用光ファイバ６０へと励起光が効率よく導入されることになる。一方、増幅用光ファイバ６０の第１クラッド領域の径２ｂを光ファイバ２０〜２２の径Ｄよりあまり大きくすると、励起光の光強度が低下することになるので好ましくない。この第１クラッド領域の径２ｂは、５０μｍ以内とすることが好ましい。また、両者の開口数に大きな差をつけることは光学系の調整等の観点から好ましくないので、増幅用光ファイバ６０の第１クラッド領域の径２ｂと光ファイバ２０〜２２の径Ｄとはほぼ等しいことが好ましい。
【００４０】
次に、このような光ファイバ増幅器における供給される励起光のパワーと出力される信号光のパワーとの関係について調べた結果を説明する。諸条件は以下のとおりとした。増幅用光ファイバ６０には、コア領域にＥｒ元素が１０００重量ｐｐｍ添加され、Ａｌ（アルミニウム）元素が５ｗｔ％添加されたものを用いた。増幅用光ファイバ６０のコア領域の径２ａは８．２μｍとした。増幅用光ファイバ６０の第１クラッド領域の径２ｂ、および、光ファイバ２０〜２２それぞれのコア径Ｄは、互いに等しく２５μｍまたは５０μｍとした。さらに、比較のために光ファイバ２０〜２２に替えて励起光が単一モードとなるシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）を用いた場合についても調べた。励起光の波長は９８０ｎｍとし、ＷＤＭカプラ５１および５２それぞれを経て増幅用光ファイバ６０へ供給される励起光のパワーも互いに等しくなるよう設定した。信号光の波長は１５６０ｎｍとし、信号光の入力パワーは０ｄＢｍとした。
【００４１】
図６にこれらの条件で、光ファイバ増幅器に供給される励起光のパワーと出力される信号光のパワーとの関係を調べた結果をグラフにして示す。
【００４２】
このグラフから判るように、励起効率および励起閾値は、光ファイバ２０〜２２のコア径Ｄが小さいほど優れており、ＳＭＦを用いた場合が最も優れていた。しかしながら、単一モードの励起光を出射することが可能な半導体発光素子では、励起光のパワーとしては１５０ｍＷ程度が限界であるため、図６に示されるように出力される信号光のパワーは１００ｍＷ程度が限界となった。このため、出力信号光のパワーを更に大きくするには、多モードの光を励起光として導入する必要がある。また、半導体発光素子１０の出力を大きくするには発光領域の幅を広げる必要もある。
【００４３】
本発明に係る光ファイバ増幅器では、ＳＭＦに比べてコア径Ｄが大きいこともあり、励起光パワーが同一であればＳＭＦを用いた場合に比べて出力信号は低くなった。しかしながら、多モードの光を発する半導体発光素子１０では、高出力化が可能であり、１０００ｍＷを越える励起光パワーを達成することも可能である。コア径Ｄが５０μｍの導波用光ファイバを用いたときで約８５０ｍＷ、Ｄが２５μｍの導波用光ファイバを用いたときには約３００ｍＷの光パワーを有する半導体発光素子１０が得られれば、ＳＭＦを用いたときには困難な１００ｍＷ以上の出力信号パワーが得られることになる。さらに、Ｄが２５μｍの導波用光ファイバを用いて、半導体発光素子１０の出力パワーを１０００ｍＷとすると、４００ｍＷの出力信号が得られることがわかった。
【００４４】
このように、本発明に係る光ファイバ増幅器では、高出力、高強度の励起光を導波させることで、従来にない高い増幅出力が得られることが確認された。
【００４５】
光ファイバ２０は、コア径が全長にわたって一定である必要はなく、図７Ａ、図７Ｂに示されるように、光ファイバ２０のコア領域２１を入射端面付近で拡大したものであってもよい。このような光ファイバ２０の入射端面付近のコア領域の拡大は、入射端面をバーナにより加熱することにより可能となる。この光ファイバ２０では、拡大前の本来のコア領域の径Ｄが上述した要件を満たせば、入射端面付近における拡大されたコア領域の径についても上述の要件を満たすことになる。このような光ファイバ２０を用いると、上述した効果に加えて、入射端面におけるコア領域が拡大されるので半導体発光素子およびレンズ系との光軸のトレランスが大きくなり、これらと共に発光モジュールを組み立てるのが容易となるという効果をも奏する。
【００４６】
次に、本発明に係る光ファイバおよび光ファイバ増幅器の第２の実施形態について説明する。
【００４７】
図８は、第２の実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成図である。本実施形態に係る光ファイバ増幅器は、第１の実施形態のものと比較すると、光ファイバ２０〜２２および３ｄＢカプラ４０に替えて、図９Ａ、図９Ｂに示される光ファイバ８０を用いている点が相違する。
【００４８】
図９Ａ、図９Ｂは、それぞれこの光ファイバ８０の入力端面を示す図と縦断面の模式図である。このような光ファイバ８０は、２本の光ファイバを用意して、それぞれの一端を揃えて互いに光軸を平行にし、揃えた端面側の一部の領域を接触させて加熱することで、それぞれのこの一端側のコア領域を互いに接触または一体化させ、その部分を入射端面としたものである。光ファイバ８０の入射端面では、図９Ａに示すように、コア領域８１および８２が互いに接触または一体化されており、これらの周囲にクラッド領域８３がある。光ファイバ８０の入射端面から或る距離だけ隔てた地点より先では、図９Ｂに示されるように２つのコア領域８１および８２は互いに分離し、更に先ではクラッド領域８３も２つに分離する。そして、光ファイバ８０は２つの出射端面を有することになる。
【００４９】
この光ファイバ８０では、入射端面においてコア領域８１および８２それぞれの中心を結ぶ方向のコア領域全体の幅をＤとする。そして、半導体発光素子の発光領域の出射端面の最大幅Ｌと光ファイバ８０のコア幅Ｄとの関係が上記（２）式（５）式の関係を満たせば、半導体発光素子から光ファイバ８０に入射し導波する光のパワーが大きく、かつ、光ファイバ８０における光強度も充分なものとなる。
【００５０】
この光ファイバ増幅器における光ファイバ８０は、半導体発光素子１０から出射されレンズ系３０により集光された励起光を入射端面から入射し、その励起光をコア領域８１および８２それぞれに導波させ、２つの出射端面それぞれからＷＤＭカプラ５１、５２へ出力する。
【００５１】
本実施形態に係る光ファイバ増幅器でも、半導体発光素子１０の発光領域１１の出射端面の長辺の長さＬが大きく光出力パワーが大きい場合であっても、半導体発光素子１０から出射された励起光は、光ファイバ８０へ効率よく入射し、増幅用光ファイバ６０へ効率よく供給され、かつ、光強度も充分なものとなる。したがって、増幅用光ファイバ６０における信号光の光増幅率は高い。また、本実施形態では、第１の実施形態の場合と異なり３ｄＢカプラを設ける必要がないので、半導体発光素子１０から出射された励起光を更に効率よく増幅用光ファイバ６０に供給することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明に係る光ファイバ、光ファイバ増幅器、発光モジュールにおいては、導波用の光ファイバにおいて入射された光のほとんどをコア部に導いて高い光強度を維持して伝送することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る光ファイバ増幅器の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】 図１の装置で用いられる半導体発光素子の構成図である。
【図３】 図１の装置で用いられる励起光導波用の光ファイバであって、本発明に係る光ファイバのそれぞれの端面を示す図である。
【図４】 図１の装置におけるＷＤＭカプラの構成を示す図である。
【図５】 図１の装置における増幅用光ファイバの屈折率プロファイルを説明する図である。
【図６】 図１の装置において供給される励起光パワーと出力される信号光パワーとの関係を調べた結果を示すグラフである。
【図７】 本発明に係る光ファイバの別の形態の端面と縦断面構造を示す図である。
【図８】 本発明に係る光ファイバ増幅器の第２の実施形態を示す構成図である。
【図９】 図８の装置に適用される本発明に係る光ファイバのそれぞれ端面と縦断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１０…半導体発光素子、１１…発光領域、１２…クラッド層、２０〜２２…光ファイバ、３０…レンズ系、４０、５１、５２…カプラ、６０…増幅用光ファイバ、７１、７２…光ファイバ、８０…光ファイバ、８１…コア領域、８３…クラッド領域、５１１…フィルタ、５１２〜５１５…レンズ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子から出射された光を入射させて導波させる光ファイバと、この光ファイバと半導体発光素子とを用いた光ファイバ型の光ファイバ増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信において信号光を増幅するための装置として光ファイバ増幅器が知られている。このような光ファイバ増幅器は、特開平１０−５６２２７号公報、特開平１０−９０５４７号公報にそれぞれ開示されているように、希土類添加ファイバからなる増幅用光ファイバに信号光を伝播させ、その両端から添加した希土類に信号光と同じ波長の光を放出させる信号光とは異なる所定の波長の励起光を入射させることにより信号光を増幅する構成となっている。
【０００３】
そして励起光光源としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子が一般的であり、これらの半導体発光素子から出射された光は、導波用の光ファイバによって増幅用光ファイバへと導かれる。
【０００４】
半導体発光素子の発光領域（活性領域）の出射端面の形状は長方形であり、発光領域の出射端面の長辺の長さＬは、光出力パワーが大きいものほど長いのが一般的である。そして、励起光光源に好適に用いられる半導体発光素子としては、Ｌが１００μｍのものや５０μｍのもの等が知られている。この種の半導体発光素子から出射された光を好適に導波用光ファイバに導くとともに、半導体発光素子と光ファイバとの位置調整を容易にするため、従来は、導波用光ファイバのコア径Ｄを、半導体発光素子の発光領域の出射端面の長辺の長さＬ以上とすることが一般的であった（例えば、三井化学製ＬＤモジュールＭＬＤ１００−ＦＣおよびＭＬＤ３００カタログ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｒｐ社製ＬＤモジュールＡＯＣ９８０−１２００−ＨＨＬ２００カタログ、ＳＤＬ社製ＬＤモジュールＳＤＬＯ−４０００カタログを参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
こうした光ファイバ増幅器では、導波用光ファイバに入射して導波させられる光のパワーが大きいだけでなく、そのコア領域における単位断面積当たりの光パワーすなわち光強度も大きいことが要求される。しかしながら、従来は、導波用光ファイバのコア径Ｄが大きいため、光ファイバに入射し導波する光のパワーは大きいものの、その光強度は充分ではなかった。このため、このような半導体発光素子と導波用光ファイバとを用いた従来の光ファイバ増幅器では、せっかく光出力パワーが大きい半導体発光素子を用いたとしても、導波される励起光の光強度が充分でないために、増幅用光ファイバ中の励起用元素の励起効率が低く光増幅率が小さかった。
【０００６】
本発明は係る問題点に鑑みて、十分な光強度及び光出力パワーの光を導波することが可能な光ファイバ及びこれを用いた光ファイバ増幅器を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、高出力パワーの光を高い光強度で伝送するために光ファイバが満たすべき条件について検討した。そして、入射側の光源との結合効率をほぼ１００％に維持した状態で、コア径Ｄを小さくすることが好ましいことを見出した。光ファイバ端面に入射する光のビーム径をコア径Ｄより絞り込めたとしても、コア径と開口数が一定の関係をみたしていなければモード数の高い光は光ファイバ内を導波することができず、結合効率はその分劣化してしまう。そして、コア径を大きくしすぎることは、光強度を低下させて好ましくない。光ファイバ増幅器等への適用を考えた場合、増幅用光ファイバとのマッチング、光強度の維持等の点から５０μｍを越えることは好ましくなく、コア径を上述の範囲に設定することで入射された高出力のビームを高い光強度を維持したまま高い結合効率で導波可能であることを見出した。この光ファイバを光ファイバ増幅器の励起光導波用光ファイバとして利用すれば、高出力、高強度の励起光を増幅用光ファイバへと導くことができるので、増幅効率を高めることができる。特に、高出力ＬＤ等を光源として用いた場合、ＬＤから出射された光のほとんどをコア部に導いて高い光強度を維持して伝送することが可能である。
【０００８】
そこで、本発明に係る発光モジュールは、所定波長の光を出射する半導体発光素子と、この半導体発光素子から出射された光を集光する集光光学系と、この集光光学系により導かれた光が入射され、コア領域を導波させて出射する光ファイバであって、石英系ガラスからなり、このコア領域は、入射端面付近で拡大加工されたものであり、この入射端面におけるコア領域の最大幅方向を入射ビームの最大幅方向に一致させて配置されており、入射端面におけるコア領域の最大幅Ｄ［μｍ］が半導体発光素子の発光領域の最大幅Ｌ［μｍ］以下である光ファイバとを備えていることを特徴とする。
【０００９】
この発光モジュールでは、集光光学系により半導体発光素子から出射された光ビームを絞り込んで、光ファイバに入射させることで、高い光強度で導波させることが可能である。
【００１０】
さらに、光ファイバの開口数をＮＡ、半導体発光素子の発光領域の最大幅方向の出射光の出射広がり角度をθとすると、Ｌｓｉｎθ／ＮＡ≦Ｄ（（１）式）を満たすことが好ましい。光ファイバのコア領域の最大幅Ｄを（１）式の範囲に設定することで、半導体発光素子から出射された全てのモードの光を光ファイバに導いて導波させることができる。したがって、半導体発光素子から出射された高出力のビームを低損失で光ファイバに導き、かつ、高い光強度で導波させることが可能である。
【００１１】
本発明に係る光ファイバ増幅器は、入射された所定波長の多モード励起光によって信号光を光増幅する増幅用光ファイバと、該励起光を出射する半導体発光素子と、前記半導体発光素子から出射された光を集光する集光光学系と、前記集光光学系により導かれた光が入射され、コア領域を導波させて前記増幅用光ファイバへと導く導波用光ファイバであって、石英系ガラスからなり、前記コア領域は、入射端面付近で拡大加工されたものであり、該入射端面におけるコア領域の最大幅方向を入射ビームの最大幅方向に一致させて配置されており、入射端面における前記コア領域の最大幅Ｄ［μｍ］が前記半導体発光素子の発光領域の最大幅Ｌ［μｍ］以下である導波用光ファイバとを備え、前記導波用光ファイバは、拡大前のコア径をＤ’、開口数をＮＡ、前記半導体発光素子の発光領域の最大幅方向の出射光の出射広がり角度をθとすると、Ｌｓｉｎθ／ＮＡ＜Ｄ’を満たすことを特徴とする。
【００１２】
この本発明に係る光ファイバ増幅器は、光ファイバのコア径Ｄ’をＬｓｉｎθ／ＮＡ＜Ｄ’の範囲に設定することで、半導体発光素子から出射された全てのモードの光を光ファイバに導いて導波させることができるので、高い光強度と光出力パワーを有する励起光を増幅用光ファイバへと導くことができ、高い増幅効率を達成することができる。
【００１３】
この増幅用光ファイバは、２重クラッドセグメントを有しており、内側クラッドの径を２ｂ［μｍ］、その開口数をＮＡ’とすると、２ｂ×ＮＡ’≧Ｄ×ＮＡであることが好ましい。
【００１４】
この場合は、導波用光ファイバから出射された励起光の全てのモードの光が増幅用光ファイバの内側クラッド領域へと導かれるので、励起光の利用効率が高く、増幅効率を高めることができる。
【００１５】
本発明に係る発光モジュールの光ファイバとして、または、本発明に係る光ファイバ増幅器の導波用光ファイバとして用いられる本発明に係る光ファイバは、上述した拡大加工前の端面におけるコア断面の最大幅が５０μｍ以下で、この最大幅と開口数の積が５．２μｍ以上であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１は、本発明に係る光ファイバ増幅器の第１の実施形態を示す構成図である。この光ファイバ増幅器は、半導体発光素子１０、集光レンズ系３０、導波用光ファイバ２０、２１、２２、３ｄＢカプラ４０、ＷＤＭカプラ５１および５２、ならびに増幅用光ファイバ６０を備えて構成されている。この光ファイバ増幅器は、励起光を増幅用光ファイバ６０に供給して、光ファイバ７１から増幅用光ファイバ６０へと入力した信号光を双方向励起により光増幅したうえで、その光増幅された信号光を光ファイバ７２へと出力するものである。
【００１８】
あるいは、本発明に係る光ファイバは、端面におけるコア断面の最大幅と開口数の積がいずれも２．６μｍ以下である２つのコア部を有し、一端では該２つのコア部の周囲にそれぞれ独立したクラッド部が設けられ、他端では、少なくとも近接させて配置された該２つのコア部の周囲に共通のクラッド部が設けられ、該２つのコア部の外周の最大距離は５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
この光ファイバにおいても、コア部が近接されて配置されている側から高出力の光ビームを入射させてこのビームを２つに分けて高出力パワー、高強度の光ビームを分岐された両方の端面へと出射させることができる。この光ファイバを光ファイバ増幅器の導波用光ファイバに使用すれば、励起光源として単一の半導体レーザを用い、統合された一端から入射された励起光を増幅用光ファイバの両端へと導くことが容易であり、増幅効率も高められる。高出力ＬＤ等を光源として用いた場合、ＬＤから出射された光のほとんどをコア部に導いて高い光強度を維持して伝送することが可能である。
【００２０】
半導体発光素子１０は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）であり、図２に示されるように、発光領域１１がクラッド層１２および１３に挟まれた構造をしており、発光領域１１の出射端面から波長λ［μｍ］の励起光を出射する。この図に示すように発光領域１１の出射端面は長方形をしている。以下、その長辺の長さをＬ［μｍ］で表す。そして、光は、最大幅方向で角度θの広がり角度で出射される。一般に、発光領域１１の出射端面の長辺の長さＬは、光出力パワーが大きいものほど長くなることが知られている。
【００２１】
また、光ファイバ２０は、例えば、図３Ａに断面形状を示すようにコア領域２１とクラッド領域２２とを有するものである。図３Ａに示されるようにコア領域２１の断面は略円形であり、以下、その径をＤ［μｍ］で表す。この光ファイバ２０は、半導体発光素子１０から出射され、集光レンズ系３０で集光された光を入射端面に入射させて、その光をコア領域２１に導波させるものである。
【００２２】
なお、光ファイバ２０のコア領域２１は、図３Ａに示されるような真円形状である必要はなく、図３Ｂに示されるような円の一部を欠いた形状や、図３Ｃに示されるような楕円形状であってもよい。コア領域２１が真円形でない場合には、最大幅を径Ｄと称する。そして、端面に入射する光ビームが真円形でない場合には、ビームの最大幅方向にこのコア領域２１の最大幅方向が一致するよう半導体発光素子１０、集光ビーム系３０、光ファイバ２０が配置されている。
【００２３】
ここで集光ビーム系３０から出力される光ビームの最大幅をＬ’［μｍ］とすると、この第１の実施形態の光ファイバ増幅器においては、まず、
【００２４】
Ｌ’≦Ｄ≦Ｌ …（２）
が成り立つことを特徴としている。このようにすることにより、半導体発光素子１０の発光領域１１の出射端面の長辺の長さＬが大きく光出力パワーが大きい場合であっても、半導体発光素子１０から出射された光を集光して、光ファイバ２０へ効率よく入射させ、かつ、光ファイバ２０における光強度も充分なものとできる。
【００２５】
ここで、光ファイバ２０を導波し得る光のモード数の最大値Ｎｆｍａｘは、次式に示されるように、コア径Ｄと開口数ＮＡとの積に比例する。
【００２６】
Ｎｆｍａｘ≒Ｄ×ＮＡ／λ …（３）
【００２７】
ここで、開口数ＮＡは、コア領域２１の屈折率をｎ１、クラッド領域２２の屈折率をｎ２とすると、ＮＡ＝√（ｎ１ ２−ｎ２ ２）なる式で表される。
【００２８】
一方、半導体発光素子１０の発光領域１１の出射端面の最大幅方向に関する光のモード数の最大値Ｎｌｍａｘは、次式に示されるように、最大幅Ｌと最大幅方向の広がり角の関数ｓｉｎθに比例する。
【００２９】
Ｎｌｍａｘ≒Ｌｓｉｎθ／λ …（４）
【００３０】
したがって、Ｎｆｍａｘ≧Ｎｌｍａｘが成り立つ関係にあれば、半導体発光素子１０から出射された光に含まれるモードの全てが光ファイバ２０を導波することができるので、入射効率を原理的に略１００％とすることができる。この条件は、上述した（１）式、つまりＬｓｉｎθ／ＮＡ≦Ｄが成立するときに成り立つ。（２）式と（１）式を同時に成立させるようコア径Ｄを設定すると、半導体発光素子１０から光ファイバ２０に入射し導波する光のパワーが大きくても、低損失で、かつ、十分な光強度の光を導波させることが可能となる。
【００３１】
例えば、半導体発光素子１０として発光領域１１の出射端面の長辺の長さＬが５０μｍであり、その最大幅方向への光出射広がり角θが６度の半導体発光素子１０（三井化学製ＭＬＤ３００）を用いるものとする。一方、光ファイバ２０として最も一般的な石英系のものを仮定すると、コア領域２１にＧｅ（ゲルマニウム）元素を添加し、クラッド領域２２にＦ（フッ素）元素を添加することにより、クラッド領域２２に対するコア領域２１の比屈折率差を２％程度にまで高めることができる。
【００３２】
この場合、光ファイバ２０の開口数ＮＡは０．２９となり、（５）式より光ファイバ２０のコア径Ｄを１８μｍ程度にまで小さくすることが可能なことがわかる。この場合の光ファイバ２０のコア領域２１中における光強度は、発光領域１１の出射端面の長辺の長さＬと等しいコア径を有する従来の装置における光ファイバのコア領域中の光強度と比較して、８倍程度に高くなる。
【００３３】
この三井化学製ＭＬＤ３００に対しては、（１）式は、Ｄ×ＮＡ≧５．２μｍと変形できる。開口数ＮＡは、屈折率調整により０．４６程度まで上昇させることができるので、この場合は、コア径Ｄを１１．３μｍまで小さくすることが可能となり、より高い光強度を達成することが可能である。
【００３４】
この光ファイバ２０に接続されている３ｄＢカプラ４０は、光ファイバ２０を導波してきた励起光を２つに分岐して、光ファイバ２１および２２のそれぞれに導波させる。光ファイバ２１、２２は光ファイバ２０と同一の構成をしている。すなわち、それらのコア径Ｄはいずれも（１）、（２）式を満たす。
【００３５】
ＷＤＭカプラ５１は、光ファイバ７１を導波して到達した信号光、および、光ファイバ２１を導波して到達した励起光を、増幅用光ファイバ６０へと入射させる。ＷＤＭカプラ５２は、増幅用光ファイバ６０により光増幅された信号光を光ファイバ７２へ入射させるとともに、光ファイバ２２を導波して到達した励起光をこの信号光とは逆方向から増幅用光ファイバ６０へと入射させる。
【００３６】
ＷＤＭカプラ５１は、図４に示すように、フィルタ５１１およびレンズ５１２〜５１５を備えている。フィルタ５１１は、光ファイバ２１から出射された励起光を反射させるとともに、光ファイバ７１から出射された信号光を透過させるものである。光ファイバ７１を導波して到達した信号光は、光ファイバ７１の出射端面から出射される際に発散するものの、レンズ５１２および５１３により集光され、増幅用光ファイバ６０の入射端面の信号光導波領域に入射する。一方、光ファイバ２１を導波して到達した励起光は、光ファイバ２１の出射端面から出射される際に発散するものの、レンズ５１４、５１５および５１３により集光され、増幅用光ファイバ６０の入射端面の励起光導波領域に入射する。ＷＤＭカプラ５２も同様である。
【００３７】
増幅用光ファイバ６０は、少なくともコア領域にＥｒ（エルビウム）元素、Ｎｄ（ネオジム）元素、Ｐｒ元素（プラセオジム）等の希土類元素が添加された石英系光ファイバであって、図５に示すような二重クラッド型の屈折率プロファイルを有している。増幅用光ファイバ６０は、その中心に外径２ａで屈折率ｎ１のコア領域を有し、このコア領域の外側に外径２ｂ、屈折率ｎ２の第１クラッド領域、さらにその外側に屈折率ｎ３の第２クラッド領域を有する２重クラッド型の光ファイバである。各領域の屈折率ｎ１〜ｎ３は、
【００３８】
ｎ１＞ｎ２＞ｎ３ …（５）
の関係にある。そして、増幅用光ファイバ６０のコア領域が信号光を導波させる信号光導波領域であり、コア領域および第１クラッド領域が励起光を導波させる励起光導波領域である。なお、増幅用光ファイバ６０の第１クラッド領域の開口数をＮＡ’（ＮＡ’＝√（ｎ１ ２−ｎ２ ２））とすると、
【００３９】
２ｂ×ＮＡ’≧Ｄ×ＮＡ …（６）
を満たすことが好ましい。この場合、増幅用光ファイバ６０の第１クラッド領域を導波し得る光の最高モード数が、光ファイバ２０〜２２を導波し得る光の最高モード数より大きくなるので、ＷＤＭカプラ５１、５２において光ファイバ２１、２２から増幅用光ファイバ６０へと励起光が効率よく導入されることになる。一方、増幅用光ファイバ６０の第１クラッド領域の径２ｂを光ファイバ２０〜２２の径Ｄよりあまり大きくすると、励起光の光強度が低下することになるので好ましくない。この第１クラッド領域の径２ｂは、５０μｍ以内とすることが好ましい。また、両者の開口数に大きな差をつけることは光学系の調整等の観点から好ましくないので、増幅用光ファイバ６０の第１クラッド領域の径２ｂと光ファイバ２０〜２２の径Ｄとはほぼ等しいことが好ましい。
【００４０】
次に、このような光ファイバ増幅器における供給される励起光のパワーと出力される信号光のパワーとの関係について調べた結果を説明する。諸条件は以下のとおりとした。増幅用光ファイバ６０には、コア領域にＥｒ元素が１０００重量ｐｐｍ添加され、Ａｌ（アルミニウム）元素が５ｗｔ％添加されたものを用いた。増幅用光ファイバ６０のコア領域の径２ａは８．２μｍとした。増幅用光ファイバ６０の第１クラッド領域の径２ｂ、および、光ファイバ２０〜２２それぞれのコア径Ｄは、互いに等しく２５μｍまたは５０μｍとした。さらに、比較のために光ファイバ２０〜２２に替えて励起光が単一モードとなるシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）を用いた場合についても調べた。励起光の波長は９８０ｎｍとし、ＷＤＭカプラ５１および５２それぞれを経て増幅用光ファイバ６０へ供給される励起光のパワーも互いに等しくなるよう設定した。信号光の波長は１５６０ｎｍとし、信号光の入力パワーは０ｄＢｍとした。
【００４１】
図６にこれらの条件で、光ファイバ増幅器に供給される励起光のパワーと出力される信号光のパワーとの関係を調べた結果をグラフにして示す。
【００４２】
このグラフから判るように、励起効率および励起閾値は、光ファイバ２０〜２２のコア径Ｄが小さいほど優れており、ＳＭＦを用いた場合が最も優れていた。しかしながら、単一モードの励起光を出射することが可能な半導体発光素子では、励起光のパワーとしては１５０ｍＷ程度が限界であるため、図６に示されるように出力される信号光のパワーは１００ｍＷ程度が限界となった。このため、出力信号光のパワーを更に大きくするには、多モードの光を励起光として導入する必要がある。また、半導体発光素子１０の出力を大きくするには発光領域の幅を広げる必要もある。
【００４３】
本発明に係る光ファイバ増幅器では、ＳＭＦに比べてコア径Ｄが大きいこともあり、励起光パワーが同一であればＳＭＦを用いた場合に比べて出力信号は低くなった。しかしながら、多モードの光を発する半導体発光素子１０では、高出力化が可能であり、１０００ｍＷを越える励起光パワーを達成することも可能である。コア径Ｄが５０μｍの導波用光ファイバを用いたときで約８５０ｍＷ、Ｄが２５μｍの導波用光ファイバを用いたときには約３００ｍＷの光パワーを有する半導体発光素子１０が得られれば、ＳＭＦを用いたときには困難な１００ｍＷ以上の出力信号パワーが得られることになる。さらに、Ｄが２５μｍの導波用光ファイバを用いて、半導体発光素子１０の出力パワーを１０００ｍＷとすると、４００ｍＷの出力信号が得られることがわかった。
【００４４】
このように、本発明に係る光ファイバ増幅器では、高出力、高強度の励起光を導波させることで、従来にない高い増幅出力が得られることが確認された。
【００４５】
光ファイバ２０は、コア径が全長にわたって一定である必要はなく、図７Ａ、図７Ｂに示されるように、光ファイバ２０のコア領域２１を入射端面付近で拡大したものであってもよい。このような光ファイバ２０の入射端面付近のコア領域の拡大は、入射端面をバーナにより加熱することにより可能となる。この光ファイバ２０では、拡大前の本来のコア領域の径Ｄが上述した要件を満たせば、入射端面付近における拡大されたコア領域の径についても上述の要件を満たすことになる。このような光ファイバ２０を用いると、上述した効果に加えて、入射端面におけるコア領域が拡大されるので半導体発光素子およびレンズ系との光軸のトレランスが大きくなり、これらと共に発光モジュールを組み立てるのが容易となるという効果をも奏する。
【００４６】
次に、本発明に係る光ファイバおよび光ファイバ増幅器の第２の実施形態について説明する。
【００４７】
図８は、第２の実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成図である。本実施形態に係る光ファイバ増幅器は、第１の実施形態のものと比較すると、光ファイバ２０〜２２および３ｄＢカプラ４０に替えて、図９Ａ、図９Ｂに示される光ファイバ８０を用いている点が相違する。
【００４８】
図９Ａ、図９Ｂは、それぞれこの光ファイバ８０の入力端面を示す図と縦断面の模式図である。このような光ファイバ８０は、２本の光ファイバを用意して、それぞれの一端を揃えて互いに光軸を平行にし、揃えた端面側の一部の領域を接触させて加熱することで、それぞれのこの一端側のコア領域を互いに接触または一体化させ、その部分を入射端面としたものである。光ファイバ８０の入射端面では、図９Ａに示すように、コア領域８１および８２が互いに接触または一体化されており、これらの周囲にクラッド領域８３がある。光ファイバ８０の入射端面から或る距離だけ隔てた地点より先では、図９Ｂに示されるように２つのコア領域８１および８２は互いに分離し、更に先ではクラッド領域８３も２つに分離する。そして、光ファイバ８０は２つの出射端面を有することになる。
【００４９】
この光ファイバ８０では、入射端面においてコア領域８１および８２それぞれの中心を結ぶ方向のコア領域全体の幅をＤとする。そして、半導体発光素子の発光領域の出射端面の最大幅Ｌと光ファイバ８０のコア幅Ｄとの関係が上記（２）式（５）式の関係を満たせば、半導体発光素子から光ファイバ８０に入射し導波する光のパワーが大きく、かつ、光ファイバ８０における光強度も充分なものとなる。
【００５０】
この光ファイバ増幅器における光ファイバ８０は、半導体発光素子１０から出射されレンズ系３０により集光された励起光を入射端面から入射し、その励起光をコア領域８１および８２それぞれに導波させ、２つの出射端面それぞれからＷＤＭカプラ５１、５２へ出力する。
【００５１】
本実施形態に係る光ファイバ増幅器でも、半導体発光素子１０の発光領域１１の出射端面の長辺の長さＬが大きく光出力パワーが大きい場合であっても、半導体発光素子１０から出射された励起光は、光ファイバ８０へ効率よく入射し、増幅用光ファイバ６０へ効率よく供給され、かつ、光強度も充分なものとなる。したがって、増幅用光ファイバ６０における信号光の光増幅率は高い。また、本実施形態では、第１の実施形態の場合と異なり３ｄＢカプラを設ける必要がないので、半導体発光素子１０から出射された励起光を更に効率よく増幅用光ファイバ６０に供給することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明に係る光ファイバ、光ファイバ増幅器、発光モジュールにおいては、導波用の光ファイバにおいて入射された光のほとんどをコア部に導いて高い光強度を維持して伝送することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る光ファイバ増幅器の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】 図１の装置で用いられる半導体発光素子の構成図である。
【図３】 図１の装置で用いられる励起光導波用の光ファイバであって、本発明に係る光ファイバのそれぞれの端面を示す図である。
【図４】 図１の装置におけるＷＤＭカプラの構成を示す図である。
【図５】 図１の装置における増幅用光ファイバの屈折率プロファイルを説明する図である。
【図６】 図１の装置において供給される励起光パワーと出力される信号光パワーとの関係を調べた結果を示すグラフである。
【図７】 本発明に係る光ファイバの別の形態の端面と縦断面構造を示す図である。
【図８】 本発明に係る光ファイバ増幅器の第２の実施形態を示す構成図である。
【図９】 図８の装置に適用される本発明に係る光ファイバのそれぞれ端面と縦断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１０…半導体発光素子、１１…発光領域、１２…クラッド層、２０〜２２…光ファイバ、３０…レンズ系、４０、５１、５２…カプラ、６０…増幅用光ファイバ、７１、７２…光ファイバ、８０…光ファイバ、８１…コア領域、８３…クラッド領域、５１１…フィルタ、５１２〜５１５…レンズ。
Claims (3)
- 入射された所定波長の多モード励起光によって信号光を光増幅する増幅用光ファイバと、
該励起光を出射する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射された光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系により導かれた光が入射され、コア領域を導波させて前記増幅用光ファイバへと導く導波用光ファイバであって、石英系ガラスからなり、前記コア領域は、入射端面付近で拡大加工されたものであり、該入射端面におけるコア領域の最大幅方向を入射ビームの最大幅方向に一致させて配置されており、入射端面における前記コア領域の最大幅Ｄ［μｍ］が前記半導体発光素子の発光領域の最大幅Ｌ［μｍ］以下である導波用光ファイバとを備え、
前記導波用光ファイバは、拡大前のコア径をＤ’、開口数をＮＡ、前記半導体発光素子の発光領域の最大幅方向の出射光の出射広がり角度をθとすると、Ｌｓｉｎθ／ＮＡ＜Ｄ’を満たすことを特徴とするファイバ増幅器。 - 前記増幅用光ファイバは、２重クラッドセグメントを有しており、内側クラッドの径を２ｂ［μｍ］、その開口数をＮＡ’とすると、２ｂ×ＮＡ’≧Ｄ×ＮＡであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅器。
- 請求項１記載の光ファイバ増幅器の導波用光ファイバとして用いられる光ファイバであって、前記拡大加工前のコア断面の最大幅が５０μｍ以下で、この最大幅と開口数の積が５．２μｍ以上であることを特徴とする光ファイバ。
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