JP4040822B2 - １４００ｎｍウィンドウのためのＮｄでドーピングしたファイバ増幅器を採用している光ファイバ通信システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信システムに関し、特に１４００ｎｍのウィンドウにおいて増幅された伝送のためのＮｄでドーピングしたファイバ増幅器を使用しているシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】
光ファイバ通信システムは、莫大な量の情報を迅速に伝送するための大きな可能性を実現し始めている。本質において、光ファイバ・システムは、光源と、光の上に情報を刻印するための変調器と、その光信号を搬送するための光ファイバ伝送回線と、その伝送径路に沿って信号を増幅するための増幅器とを含む。また、信号を検出するための、そしてその信号が搬送している情報を復調するための受信機をも含む。光信号は複数の異なる波長の信号チャネルを含んでいる波長分割多重信号（ＷＤＭ信号）が多くなっている。
【０００３】
光ファイバ増幅器はファイバ通信システムにおける重要なコンポーネントである。普通、ファイバ増幅器は稀土類でドーピングしたある長さのファイバと、送信される信号より波長の短い適切なポンピング光源とを含む。そのファイバ増幅器が伝送のファイバと整列して配置されている時、それはその中を通過する送信される信号のチャネルを増幅する。たとえば、９７５〜９８５ｎｍおよび１４７０〜１４９０ｎｍの範囲の波長の光によってポンプされるエルビウムでドーピングしたファイバ増幅器は、シリカ・ファイバの１５３０〜１６１０ｎｍの範囲内の信号チャネルを光学的に増幅する。
【０００４】
新しい光伝送ファイバ、たとえば、Ｌｕｃｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ，ＮＪによって市販されているＡｌｌ−Ｗａｖｅ（登録商標）ファイバは、１４００ｎｍ±５０ｎｍにおける新しい可能な伝送ウィンドウを開いた。しかし、従来のエルビウムでドーピングしたファイバ増幅器は、この波長範囲においては効率的ではない。
【０００５】
稀土類でドーピングしたファイバ増幅器とは動作原理が異なっているラマン・ファイバ増幅器は、この波長範囲における増幅に対する１つの可能性を提供する。しかし、ラマン増幅器は複雑であり、大きな電力を必要とする。
【０００６】
フッ化物をベースとするファイバにおけるネオジム（Ｎｄ）でドーピングしたファイバ増幅器が、１３００ｎｍのウィンドウ内の信号を増幅するために以前に試みられた。しかし、効率は良くなかった。そしてＮｄでドーピングしたファイバには増幅された自然放出（ＡＳＥ）の問題があった。プラセオジムでドーピングしたファイバが導入された時、ネオジムでドーピングしたファイバについての研究は放棄された。
【０００７】
したがって、１４００ｎｍのウィンドウによって伝送される信号チャネルの効率的なファイバ増幅を提供する光ファイバ通信システムに対するニーズが存在する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光ファイバ通信システムは、１４００ｎｍのウィンドウにおける伝送の増幅のための１つまたはそれ以上のＮｄでドーピングしたファイバ増幅器を含む。その増幅器は導波路効果と、増幅された自然放出を許容レベルにまで減らすための選択的吸収とを組み合わせて設計されている。
【０００９】
本発明の利点、性質および種々の追加の特徴が、これから詳細に説明される実施形態を考慮することによって、より完全に理解することができるだろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図面を参照すると、図１は、本発明が向けられている問題を理解するのに役立つＮｄ³⁺でドーピングしたファイバに対する簡単なエネルギー・レベルの図である。この図は右側に指定されている６つの適切なエネルギー・レベルを示している。⁴Ｆ_3/2以外のすべてのレベルのライフタイムは、ほとんどないくらいに短いと仮定されている。
【００１１】
８００ｎｍにおけるポンプ光が増幅器の中に送り込まれると、Ｎｄ³⁺が基底状態⁴Ｉ９／２から状態⁴Ｆ_5/2へ励起される。その状態のライフタイムは極端に短いので、Ｎｄイオンはより安定な状態⁴Ｆ_3/2へ直ちに崩壊する。この状態のライフタイムは約５００μｓであると仮定される。
【００１２】
２つのプロセスが発生する。電子は１３００ｎｍにおいてフォトンからエネルギーを吸収し、状態⁴Ｇ_7/2へ移行することができ、次に状態⁴Ｆ_3/2へ直ちに崩壊して戻り、結果として１つのフォトンが消失する。このプロセスは励起状態吸収（ＥＳＡ）と呼ばれる。代わりに、電子は状態⁴Ｆ_3/2からエネルギーのより低い状態、たとえば、⁴Ｉ_15/2（図１には示されていない）、⁴Ｉ_13/2または⁴Ｉ_11/2へ崩壊する可能性がある。このプロセスにおいては、１つのフォトンが放出される。すべてのプロセスは、自然発生的であるか、あるいは刺激された発生のいずれかである。
【００１３】
任意の１つのプロセスが発生する確率は放出および吸収の断面によって与えられる。図１に示されているように、フッ化物のファイバにおいては、ＥＳＡのための吸収断面は約１３００ｎｍにピークがある。⁴Ｆ_3/2−⁴Ｉ_11/2の遷移に対する放出の断面は、約１０５０ｎｍにピークがある。⁴Ｆ_3/2−⁴Ｉ_13/2の遷移に対する放出の断面は、約１３３０ｎｍにピークがある。⁴Ｆ_3/2−⁴Ｉ_15/2の遷移に対する放出断面は、約１８００ｎｍにピークがある。この後者の遷移は図１には示されていない。というのは、その断面が他のすべてより大幅に小さいからである。シリカ・ファイバの挙動も同様である。
【００１４】
そのＥＳＡは反転を変化させることはない（⁴Ｇ_7/2の状態のライフタイムが短いので）。しかし、利得は減る。⁴Ｆ_3/2−⁴Ｉ_11/2（１０５０ｎｍ）からの自然放出は、それが抑圧されない限り、増幅された自然放出（ＡＳＥ）として成長する。
【００１５】
１４００ｎｍにおいて増幅器を最適化するためには、１４００ｎｍにおける放出の確率を最大化しなければならない。同時に、１４００ｎｍおよび１０５０ｎｍ付近のＥＳＡおよびＡＳＥがそれぞれ最小化されなければならない。この最適化はポンプの効率を大幅に犠牲にすることなしに行われなければならない。
【００１６】
ＥＳＡやＡＳＥなどの寄生効果がない場合、ステップ的な屈折率のコア・プロファイルおよび２００ｐｐｍモルのＮｄでのファイバのモデリングは、基本のＬＰ０１モードにおいて８００ｎｍにおける２００ｍＷのポンプ・パワーによって２２ｄＢの利得が得られることを示す。これは性能の上限値である。
【００１７】
フッ化物のファイバにおいては、ＥＳＡの問題は動作波長が増加するにつれて消滅する。ＳｉＯ２をベースとするファイバにおいても同じ挙動が期待される。したがって、１４００ｎｍにおけるＥＳＡは、大きな問題となるとは思われない。しかし、文献（Ｋ．アラキ他、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ）から、燐はピークのフロレッセンスをより低い波長に対してシフトするが、アルミニウムはシフトしないことが示されている。したがって、ここではアルミニウムでドーピングしたファイバを使用する。
【００１８】
ＡＳＥは１４００ｎｍのウィンドウにおける増幅に対する大きな問題である。上記のような従来のステップ的屈折率の設計を使って、１０５０ｎｍにおけるＡＳＥの含入によって、利得が２２ｄＢから約６ｄＢまで減少する。これは明らかに許されず、解決されなければならない。
【００１９】
ＡＳＥを減らすための従来の方法は不十分である。１０５０ｎｍにおけるＡＳＥは、問題の３つの波長（８００ｎｍにおけるポンプ、１０５０ｎｍにおけるＡＳＥ、および１４００ｎｍにおける信号）を空間的に分離することによって減らすことができる。これはＮｄをコアの回りにリングに配置し、そしてＬＰ₀₁モードにおける１４００ｎｍの信号を増幅するためにＬＰ₁₁モードにおいて８００ｎｍでのポンピングを行うことによって実行することができる。ＬＰ₁₁モードのプロファイルはドーナツ型であるので、Ｎｄによる８００ｎｍのオーバラップは良好である。さらに、ＬＰ₀₁のモード・フィールドの直径は波長とともに増加するので、１４００ｎｍにおける信号は十分に広帯域であり、また、Ｎｄと十分にオーバラップしている。しかし、１０５０ｎｍにおけるＡＳＥは、そのリングが適切に選定されない場合、ＬＰ₀₁またはＬＰ₁₁のいずれにおいてもオーバラップが不十分である。したがって、１０５０ｎｍにおける利得は、消失する。この概念はＡ．ブジャークレフ他のＥｌｅｃｔｒ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９１によって報告された。モデリングによって、この方法は利得を５ｄＢだけ改善できることが示されている。それは依然として不十分である。ここではさらに改善を追求する。
【００２０】
ＡＳＥは選択的な吸収要素および適切なポンプ・モードの選定によって十分に減らすことができる。１０５０ｎｍにおける自然放出は避けられない。というのは、それはＮｄ³⁺の放出断面によって説明されるからである。しかし、この放出の増幅は、追加のドーパントを使って波長の制御および選択的吸収によって減らせることが分かった。注意深い導波路の設計によって吸収を強めることができる。たとえば、イッテルビウム（Ｙｂ）は１０５０ｎｍにおいて吸収するが、８００ｎｍおよび１４００ｎｍを透過させる。
【００２１】
図２は、シミュレートされたＹｂでドーピングしたファイバにおける損失をグラフで示している。水平軸は１０５０ｎｍにおける減衰であり、曲線には８００ｎｍにおけるＮｄの吸収のラベルが付けられている。８００ｎｍにおけるＮｄからの４ｄＢ／ｍの吸収は、１５ｍの長さの増幅器に対応する。Ｙｂの濃度を程よくすることによって、１０５０ｎｍにおいて約４ｄＢ／ｍの吸収を誘起することができる。ＹｂおよびＮｄは非放射エネルギー変換を避けるために物理的に隔てられていなければならないことに留意されたい。
【００２２】
図３は、ＡＳＥを最小化するために選択的に吸収要素でドーピングした領域を含んでいる、Ｎｄでドーピングしたファイバ３０の第１の実施形態の横方向の断面である。ここで、コア３１は、Ｎｄでドーピングされ、そしてクラッディング３２の内部領域３２ＡはＹｂでドーピングされている。１０５０ｎｍのＡＳＥの吸収はＬＰ０１モードにおいて８００ｎｍでファイバをポンピングすることによって強められる。ファイバ３０における１０５０ｎｍでの寄生ＡＳＥはＹｂでドーピングした領域における吸収によって減らされるが、１０５０ｎｍに光の一部分だけがクラッディングの中を伝播するので、最適な吸収を得ることは困難である。しかし、この方法はモード変換器が不要であるという利点を有する。
【００２３】
図４は、ＬＰ₁₁のポンピングに対して構成されている第２のＮｄでドーピングしたファイバ３０の断面を示している。この図において、ファイバはクラッディング３２の内面およびコア３１の外側の領域を含むことができるＮｄでドーピングしたリング４０を含む。ファイバ３０はコア３１のＹｂでドーピングした中央領域４１をさらに含む。ポンプはＮｄでドーピングしたリングを励起するためにＬＰ₁₁の中に送り込まれる。Ｙｂの領域は１０５０ｎｍにおいて吸収する。この方法は普通のＬＰ₀₁モードではなく、ＬＰ₁₁モードにおけるポンプ光の効率的な結合に基づいている。この方法のためのモード変換器は標準のファイバ格子に対する修正を使って利用できる。１０５０ｎｍにおいて４ｄＢ／ｍが実現可能である。
【００２４】
図５は、マルチモード・ポンピングを使っている第３の実施形態の横方向の断面図である。ここで、ファイバ３０はコア３１と、複数（ここでは３）のクラッディング層５１、５２とを含む。領域５２は屈折率の小さいポリマとすることができる。Ｎｄはリング形状の内部クラッディング５０の中にドーピングされ、Ｙｂは中央領域３１にドーピングされている。ポンプ光は領域５１、５２の間のインターフェースによって導かれるクラッディングにおいて多くのモードでファイバ３０の中に送り込まれる。ポンプとのオーバラップはドーピングされた領域に対するクラッディングのポンピングされる領域の比によって固定されている。１０５０ｎｍおよび１４００ｎｍでのＮｄのオーバラップは波長設計によって上記のように制御することができる。特に、リングの中にＮｄを置くことによって、基本モードのモード・フィールドの直径が波長と共に増加するので、１０５０ｎｍよりは、１４００ｎｍにおいて比較的大きいオーバラップが存在する。この効果は、盛り上げられたリングまたは沈下させられたリングなどのより複雑な屈折率構造を使うことによって高めることができる。８００ｎｍのポンプとのオーバラップはリングの断面積が比較的大きいために改善される。この複数構造は、高いパワーに対してよく適している。図３、図４および図５のファイバ構成に対する選択的な吸収要素はＹｂであるが、１０５０ｎｍにおける他の選択的な吸収要素も使うことができる。これらは、ＳｍまたはＦｅ、Ｃｒ、ＣｕまたはＣｏなどの遷移金属を含む。
【００２５】
図６は、図３、図４または図５に従って、Ｎｄおよび吸収要素でドーピングしたファイバ３０を採用している代表的なＮｄファイバ増幅器６０を示している。本質において、増幅器６０は図３、図４または図５に示されているようなある長さのファイバ３０と、適切なポンプ・ソース６１と、信号の光およびポンプ光をファイバ３０に対して印加するためのＷＤＭカプラ６２とを含む。ポンプ・ソース６１は、その導波の機能の中に適切なモード・コンバータ(図示せず）を含む。
【００２６】
図６のファイバ増幅器は、光共振キャビティの内部にファイバ３０を配置することによって、ファイバ・レーザにすることができる。これはファイバ３０の端において１３５０〜１４５０ｎｍの範囲において反射するブラッグ格子を配置することによって実現することができる。
【００２７】
図７は、Ｎｄでドーピングしたファイバ増幅器６０を採用している光ファイバ通信システム７０の第１の実施形態を概略的に示している。本質において、システム７０は、ＷＤＭ光送信機７１と、広帯域伝送光ファイバ７２と、Ｎｄでドーピングした増幅器６０とＥｒでドーピングした増幅器７４が並列に接続されているものを含んでいる増幅装置７３とを含む。
【００２８】
動作において、ＷＤＭデマルチプレクサ７５は、送信される信号を、Ｎｄでドーピングした増幅器６０に向けられている１４００ｎｍのウィンドウの信号と、Ｅｒでドーピングした増幅器７４に向けられている従来のＳｉＯ₂ウィンドウの信号とに分割する。次に、そのそれぞれの増幅された信号チャネルがＷＤＭマルチプレクサ７６において再び組み合わされ、ＷＤＭ光受信機７７に対してさらに送信される。
【００２９】
図８は、Ｎｄでドーピングしたファイバ増幅器６０を採用している通信システム８０の第２の実施形態を示している。システム８０はさらに１０５０ｎｍのＡＳＥを抑圧するために特に適応されている。その増幅装置８３は、サーキュレータ８４と、Ｎｄでドーピングした増幅器６０とを含み、Ｎｄでドーピングした増幅器６０は、Ｎｄでドーピングしたファイバ３０の両側にＡＳＥ抑圧用フィルタ８４Ａ、８４Ｂを含んでいる。また、それはＬＰ₁₁コンバータ８６およびポンプ・フィルタ８７、８８を含んでいるポンプ・ソース８５も含んでいる。
【００３０】
動作において、１４００ｎｍのウィンドウのチャネルは、サーキュレータ８３およびすべてのフィルタを通過してファイバ３０に達し、そこでそれらが増幅される。１０５０におけるＡＳＥは、図４のファイバ設計およびポンプ・ソース８５を伴うＬＰ₁₁コンバータを使って最小化される。ポンプ・フィルタ８６、８７は、増幅器ファイバ３０におけるポンプ・エネルギーを保持する。
【００３１】
上記実施形態は本発明の原理の適用を代表することができる多くの可能な特定の実施形態のうちの少数のものだけを例示していることを理解されたい。この分野の技術に熟達した人であれば、多数の、そして種々の他の装置を本発明の精神および範囲から逸脱することなしに作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｎｄ³⁺でドーピングしたファイバに対する簡単なエネルギー図である。
【図２】異なるレベルのＹｂでドーピングしたファイバに対する１０５０ｎｍにおける利得対減衰のグラフのプロットである。
【図３】ＡＳＥを減らすためのＹｂでドーピングした領域を含んでいるＮｄでドーピングしたファイバの断面である。
【図４】ＡＳＥを減らすためのＹｂでドーピングした領域を含んでいるＮｄでドーピングしたファイバの断面である。
【図５】ＡＳＥを減らすためのＹｂでドーピングした領域を含んでいるＮｄでドーピングしたファイバの断面である。
【図６】図３、図４および図５のＮｄでドーピングしたファイバを使っている代表的な増幅器の構成を示す。
【図７】Ｎｄでドーピングしたファイバ増幅器を使っている光ファイバ通信システムを示す。
【図８】Ｎｄでドーピングしたファイバ増幅器を使っている光ファイバ通信システムを示す。これらの図面は、本発明の概念を示す目的のための図面であり、グラフ以外は正確に縮尺したものではないことを理解されたい。

Claims (6)

1. 波長範囲１３５０〜１４５０ｎｍの光信号を増幅するための光ファイバ増幅器であって、
   横方向の断面において物理的に隔てられた第１および第２のドーピング領域を含む、ある長さのガラスの光ファイバからなり、前記第１のドーピング領域は前記光ファイバのクラッド領域にあり、前記信号を増幅するために、Ｎｄからなるドーピングを有し、そして前記第２のドーピング領域を周辺で取り囲んでおり、そして前記光ファイバのコア領域である前記第２のドーピング領域は１０５０ｎｍ付近における増幅された自然放出を吸収する吸収材料からなるドーピングを有する中央領域を含み、さらに、
   約８００ｎｍにおけるポンプ・エネルギーを提供するために前記光ファイバに対して光学的に結合されているポンピングのソースからなることを特徴とする増幅器。
2. 請求項１に記載の増幅器において、前記吸収材料がＹｂからなることを特徴とする増幅器。
3. 光ファイバ通信システムであって、
   波長分割多重光信号を送り込む光送信機と、
   前記光信号を送信する送信用光ファイバと、
   前記光信号を受信する光受信機と、
   前記送信機と受信機との間の光学的径路の中に配置された、請求項１に記載の光ファイバ増幅器とからなることを特徴とするシステム。
4. 請求項３に記載の通信システムにおいて、請求項１に記載の増幅器に平行な光学的径路の中にＥｒでドーピングした増幅器が配置されていることを特徴とするシステム。
5. 請求項１に記載の光ファイバ増幅器を含む光ファイバ・レーザ。
6. 請求項１に記載の増幅器であって、前記光ファイバは、複数モードのポンピングを可能とする複数層クラッドを有する光ファイバからなることを特徴とする増幅器。

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