JP4655553B2 - 光増幅性導波路、光増幅モジュールおよび光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、光を増幅し得る光増幅性ファイバ、このような光増幅性ファイバを含む光増幅モジュール、および、このような光増幅モジュールを含む光通信システムに関するものである。

近年の光通信システムのブロードバンド化に伴い、信号光を光増幅する光増幅器においても、従来のＥｒ元素添加光ファイバを用いたＥＤＦＡ（Erbium-Doped Fiber Amplifier）で増幅し得たＣバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）およびＬバンド（１５７０ｎｍ〜１６００ｎｍ程度）に加えて、他の波長域での光増幅動作が求められている。殊に最近では、Ｔｍ元素添加光ファイバを用いたＴＤＦＡ（Thulium-Doped Fiber Amplifier）によるＳバンド（１４６０ｎｍ〜１５１０ｎｍ）の信号光を光増幅する技術の開発が急速に進みつつある。

しかし、ＴＤＦＡは、ホストガラスをフッ化物ガラス等の低フォノンエネルギーガラスとする必要がある為に、信頼性上不安があり、未だにフッ化物ガラスを商用化した事例は無い。また、ＴＤＦＡは、上限波長として１５１０ｎｍ程度までしか利得が得られない。したがって、従来のＥＤＦＡおよびＴＤＦＡそれぞれがカバーする光増幅帯域の間には帯域幅２０ｎｍ程度の空白の波長域ができてしまい、光ファイバの低ロス波長域の使用効率が悪化する。また、ＴＤＦＡは、動的挙動が極めて複雑で、ＥＤＦＡとは異なる制御方式が必要である。

一方で、特許文献１および非特許文献１に記載されているように、石英系Ａｌ共添加のＥｒ元素添加光ファイバ（ＥＤＦ: Erbium-Doped Fiber）の反転分布を高めて、波長帯域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍ付近で光増幅を行う方式も提案されている。
特開２００１−３１３４３３号公報 E. Ishikawa, et al., "Novel 1500nm-band EDFA with discrete Raman amplifier", ECOC2001, Postdeadline papers, pp.48-49

しかし、非特許文献１に記載されているとおり、波長帯域１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍ付近では、石英系Ａｌ共添加ＥＤＦの正の利得傾斜が顕著で、本文献中では光フィルタを用いて利得等化を行っているにも拘わらず、相対利得偏差が５６％もあり、単独では利得平坦を実現できないことから、ラマンアンプの併用を余儀なくされている。然るに、ラマン増幅器は、希土類元素添加光増幅器と比較し、励起効率が低い、ファイバ長として数ｋｍも必要であるため大型化する、ラマン増幅器では光ファイバ中の非線形現象や二重レーリ散乱による伝送品質の劣化が懸念される、等の欠点を有している。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、Ｃバンド以短の波長域で平坦な利得を有することができる光増幅性導波路、光増幅モジュールおよび光通信システムを提供することを目的とする。

本発明に係る光増幅性導波路は、シリカガラスを主成分とし、光導波領域の少なくとも一部にエルビウム元素を有し、１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍの付近の光を増幅する光増幅性導波路であって、光増幅性導波路の誘導放出断面積および吸収断面積の少なくとも一方は、波長１.５３μｍ帯のピークより短波長側で極大値をもち、光導波領域の少なくとも一部のエルビウム元素添加領域は、リン元素と酸化アルミニウムを有し、酸化アルミニウムを構成するアルミニウム元素の光導波路領域における平均濃度は、０.７５重量％以下であることを特徴とする。このような特徴を有する光増幅性導波路は、Ｃバンド以短の波長域で平坦な利得を有することができる。また、この光増幅性導波路は、石英ガラスを主成分とするものであるから、信頼性が高く、Ｅｒや他の元素を添加する際の制御が容易である。

光増幅性導波路の単位長さ当たりの非飽和吸収のピーク値に対する単位長さ当たりの非飽和利得のピーク値の比は、０.８以上であることが好ましい。この場合には、Ｃバンド以短の波長域で吸収から増幅への変化を低励起光パワーで実現することができる。

上記リン元素の濃度に対する上記アルミ元素の濃度の比率は、０.１７以下であることが好ましい。この場合には、濃度消光が低減され、且つ、Ｃバンド以短の波長域で利得が高くなる。

本発明に係る光増幅性導波路は、光ファイバであるのも好ましく、この場合には、長尺化が容易で、吸収条長積を容易に大きくすることができる。
また、本発明に係る光増幅性導波路は、平面光導波路であるのも好ましく、この場合には、集積化による小型化や低損失化を図ることができる。

反転分布の変化に起因する利得の変化量のスペクトルが、所定の波長域で、少なくとも一つの極小値をとるのが好ましい。この場合には、動的利得変動を低減することができる。

本発明に係る光増幅性導波路は、シリカガラスまたはリン酸塩ガラスを主成分とし、光導波領域の少なくとも一部にエルビウム元素を有する光増幅性導波路であって、波長域１４７０〜１５３０ｎｍに含まれる２５ｎｍ以上の波長範囲において、平均利得で規格化された反転分布に起因する利得スペクトルの変化量は、±０.２５ｄＢの範囲内であることを特徴とする。また、上記変化量は±０.１の範囲内であるのが好ましい。

本発明に係る光増幅モジュールは、信号光の入力端子、信号光の出力端子、および、上記の本発明に係る光増幅性導波路からなる光増幅モジュールであって、入力端子に入力した波長域１４９０ｎｍ〜１５３０ｎｍ内の波長の信号光を光増幅して出力端子から出力することを特徴とする。また、光増幅性導波路へ供給される励起光の波長は、波長域９７９ｎｍ〜９８１ｎｍ内にあるのが好ましい。

光増幅性導波路の中途に挿入され、１.５３μｍ帯ＡＳＥピーク波長における消光比が４６ｄＢ以上であるＡＳＥ除去フィルタをさらに有するのが好ましい。

信号光の波長範囲において、平均利得で規格化された反転分布に起因する利得スペクトルの変化量は、±０.２５ｄＢの範囲内であるのが好ましく、±０.１の範囲内であれば更に好ましい。

信号光の波長範囲の少なくとも一部が１４８８〜１５１８ｎｍと重複することが好ましく、この場合には、動的利得変動を最小とすることができる。

本発明に係る平面光導波路デバイスは、基板上に平面光導波路である光増幅性導波路を有することを特徴とする。

本発明に係る光増幅モジュールは、信号光の入力端子、信号光の出力端子、および、上記の本発明に係る光増幅性導波路からなる光増幅モジュールであって、信号光の波長範囲の少なくとも一部が１４８８〜１５１８ｎｍと重複することを特徴とする。また、基板の側面の折り返し位置で折り返す折り返し導波路と、折り返し位置にＡＳＥ除去フィルタをさらに有し、光増幅性導波路と折り返し導波路は接続されて信号光を伝搬させるのが好ましい。また、基板上にＡＳＥ除去フィルタをさらに有することが好ましい。また、ＡＳＥ除去フィルタの少なくとも１個を励起光がバイパスする経路を具備することが好ましい。また、信号光を入出力する入出力ファイバの全てを基板の同一側面に具備することが好ましい。

本発明に係る光増幅モジュールは、上記の本発明に係る平面光導波路デバイスを複数有する光増幅モジュールであって、少なくとも二つの平面光導波路デバイスは、光ファイバを介さずに実装されていることを特徴とする。

本発明に係るレーザモジュールは、上記の本発明に係る光増幅性導波路を有するレーザモジュールであって、発振波長を１４８０ｎｍ以下の波長に設定することができることを特徴とする。

本発明に係る光通信システムは、上記の本発明に係る光増幅モジュールを信号光伝送経路上に有する光通信システムであって、波長域１４９０ｎｍ〜１５３０ｎｍ内の波長の信号光を光増幅モジュールにより光増幅して光伝送することを特徴とする。

本発明に係る光増幅性導波路は、Ｃバンド以短の波長域で平坦な利得を有することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る光増幅モジュール１の構成図である。この図に示される光増幅モジュール１は、入力コネクタ１１に入力した波長域１４９０ｎｍ〜１５３０ｎｍの範囲内の波長の信号光を光増幅して出力コネクタ１２から出力するものであり、入力コネクタ１１から出力コネクタ１２へ至る信号光伝搬経路上に、光アイソレータ２１、ＷＤＭカプラ３１、Ｅｒ添加光ファイバ（ＥＤＦ）５０、ＷＤＭカプラ３２および光アイソレータ２２を順に備えている。また、この光増幅モジュール１は、ＷＤＭカプラ３１に接続された励起光源４１、および、ＷＤＭカプラ３２に接続された励起光源４２、をも備えている。

光アイソレータ２１は、入力コネクタ１１からＷＤＭカプラ３１へ向かう順方向には光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。ＷＤＭカプラ３１は、光アイソレータ２１から到達した信号光を入力してＥＤＦ５０へ出力し、励起光源４１から到達した励起光をも入力してＥＤＦ５０へ出力する。ＷＤＭカプラ３２は、ＥＤＦ５０から到達した信号光を入力して光アイソレータ２２へ出力し、励起光源４２から到達した励起光をも入力してＥＤＦ５０へ出力する。光アイソレータ２２は、ＷＤＭカプラ３２から入力コネクタ１２へ向かう順方向には光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。また、励起光源４１，４２それぞれは、ＥＤＦ５０に添加されたＥｒイオンを励起し得る波長の励起光を出力する。この励起光波長は９７９ｎｍ〜９８１ｎｍの範囲内にあるのが好適である。

ＥＤＦ５０は、石英ガラスを主成分としていて光導波領域にＥｒ元素が添加された光ファイバであって、ＷＤＭカプラ３１，３２から励起光が供給されることで、ＷＤＭカプラ３１から到達した信号光を光増幅して、その光増幅した信号光をＷＤＭカプラ３２へ出力する。

この光増幅モジュール１では、励起光源４１から出力された励起光はＷＤＭカプラ２１を経てＥＤＦ５０に順方向に供給され、励起光源４２から出力された励起光はＷＤＭカプラ２２を経てＥＤＦ５０に逆方向に供給される。波長域１４９０ｎｍ〜１５３０ｎｍの範囲内の波長の信号光が入力端１１に入力すると、その信号光は、光アイソレータ２１およびＷＤＭカプラ３１を通過して、ＥＤＦ５０に入力し、このＥＤＦ５０において光増幅される。この光増幅された信号光は、ＷＤＭカプラ３２および光アイソレータ２２を通過して、出力コネクタ１２から外部へ出力される。

特に、本実施形態に係るＥＤＦ５０は、誘導放出断面積および吸収断面積のうち少なくとも何れか一方が波長１.５３μｍ帯ピークより短波長側で極大を示す。このような特徴を有することにより、ＥＤＦ５０は、Ｃバンド以短の波長域（特に波長域１４９０ｎｍ〜１５３０ｎｍ）で平坦な利得を有することができる。また、ＥＤＦ５０は、石英ガラスを主成分とするものであるから、信頼性が高く、Ｅｒや他の元素を添加する際の制御が容易である。

また、ＥＤＦ５０は、光導波領域にＰ元素が添加されているのが好適であり、この場合には、波長１.４９μｍ付近に誘導放出断面積および吸収断面積のピークを有することができ、Ｃバンド以短の波長域で利得を実現する上で好都合である。ＥＤＦ５０は、単位長さ当たりの非飽和利得ｇ*および単位長さ当たりの非飽和吸収αそれぞれのピーク値の比（ｇ*／α）が０.８以上であるのが好適であり、この場合には、Ｃバンド以短の波長域で吸収から増幅への変化を低励起光パワーで実現することができる。

ＥＤＦ５０は、３価の正イオンとなる元素の酸化物が共添加物として光導波領域に添加されているのが好適であり、この場合には、Ｅｒイオンのクラスタリングが防止されて、濃度消光が低減される。また、この為には、安価なＡｌ_２Ｏ_３が共添加物として光導波領域に添加されているのが好適であり、また、Ａｌの平均濃度が０.７５重量％以下であるのが好適である。また、Ｐ濃度（重量％）に対するＡｌ濃度（重量％）の比率（Ａｌ／Ｐ）が０.１７以下であるのが好適である。これらの場合には、濃度消光が低減され、且つ、Ｃバンド以短の波長域で利得が高くなる。

また、ＥＤＦ５０は、共添加物としてＹｂ_２Ｏ_３が光導波領域に添加されているのも好適であり、この場合には、０.９８μｍ帯励起光の波長域での吸収断面積を実効的に大きくすることができる。

次に、ＥＤＦ５０の具体的な実施例について比較例とともに説明する。図２は、実施例および比較例それぞれのＥＤＦの諸元を纏めた図表である。この図に示されたタイプＡ〜ＥそれぞれのＥＤＦは実施例のものであり、タイプＦのＥＤＦは比較例のものである。この図には、各タイプのＥＤＦについて、Ａｌ濃度Ｃ_Ａｌ（重量％）、Ｐ濃度Ｃ_Ｐ（重量％）、Ａｌ濃度とＰ濃度との比（Ｃ_Ａｌ／Ｃ_Ｐ）、および、非飽和吸収αのピーク値（ｄＢ／ｍ）、が示されている。何れのタイプのＥＤＦも、Ｅｒ単価濃度が５００〜１０００重量ｐｐｍ程度の範囲であり、濃度消光が起こらず、蛍光特性などに影響しない範囲である。また、何れのタイプのＥＤＦも、モードフィールド径が４μｍ〜５μｍの範囲である。カットオフ波長は１.１〜１.３μｍの範囲である。背景ロスは１０〜７０ｄＢ／ｋｍの範囲である。

例えば、タイプＢのｇ＊と背景ロスを比較すると、図４より、Ｓバンドのｇ＋は約２ｄＢ／ｍである。一方で、背景ロスは３０ｄＢ／ｋｍ（＝０.０３ｄＢ／ｍ）で、ｇ＊の約１.５％に相当する。然るに、図１０を見るとタイプＣには及ばないものの、タイプＢも良好な利得を呈しており、背景損失の影響はないものと思われる。無論、タイプＢのように１％になれば、より好適である。

図３は、タイプＡのＥＤＦの単位長さ当たりの非飽和利得ｇ*［ｄＢ／ｍ］および非飽和吸収α［ｄＢ／ｍ］それぞれの波長依存性を示すグラフである。図４は、タイプＢのＥＤＦの単位長さ当たりの非飽和利得ｇ*および非飽和吸収αそれぞれの波長依存性を示すグラフである。図５は、タイプＣのＥＤＦの単位長さ当たりの非飽和利得ｇ*および非飽和吸収αそれぞれの波長依存性を示すグラフである。図６は、タイプＤのＥＤＦの単位長さ当たりの非飽和利得ｇ*および非飽和吸収αそれぞれの波長依存性を示すグラフである。図７は、タイプＥのＥＤＦの単位長さ当たりの非飽和利得ｇ*および非飽和吸収αそれぞれの波長依存性を示すグラフである。また、図８は、タイプＦのＥＤＦの単位長さ当たりの非飽和利得ｇ*および非飽和吸収αそれぞれの波長依存性を示すグラフである。非飽和利得ｇ*および非飽和吸収αそれぞれは、ＥＤＦの組成によって決定され、各々誘導放出断面積、吸収断面積に比例した係数である。

図９は、タイプＣのＥＤＦおよびＡｌ添加ＥＤＦそれぞれについて、非飽和利得ｇ*および非飽和吸収αそれぞれの波長依存性を示すグラフである。Ｓバンド用ＥＤＦＡでは反転分布は１００％近く保たれるので、特に非飽和利得ｇ*の形状が重要である。Ｐが添加されていないＡｌ添加ＥＤＦと比較すると、Ｐ／Ａｌが共添加されたタイプＣのＥＤＦは、非飽和利得ｇ*のメインピークの帯域が狭いが、ＳバンドＥＤＦＡで増幅できる可能性のある１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍの波長範囲に着目すると、非飽和利得ｇ*の傾斜が小さい。タイプＣのＥＤＦは、非飽和利得ｇ*のピーク値から見たときの抑圧比が大きいが、これはＣバンドＡＳＥ除去フィルタの除去比を高めることで解決できる。１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍという信号波長域における利得等化フィルタに要求されるロスの量が小さく抑えられる分、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦの方が有利と考えられる。

ただし、図３〜図８に見られるとおり、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦは、組成により非飽和利得ｇ*および非飽和吸収αの特性が大きく異なるので、組成を最適化することが重要である。

図１０は、非飽和吸収ピークを６０ｄＢとしたときのタイプＢ〜ＦそれぞれのＥＤＦのＳバンド増幅特性を示す図である。この非飽和吸収ピーク値が６０ｄＢより小さければＳバンド利得が不足し、非飽和吸収ピーク値が大き過ぎれば利得傾斜が悪化する。利得の評価には、波長１４９１.８ｎｍ、１４９７.８ｎｍ、１５０３.８ｎｍ、１５０９.９ｎｍおよび１５１９.１ｎｍの５波のＤＦＢ主信号光源ならびにプローブ光源から構成されるLocked-inversion法（別名Pump-probe法）を用いた。ＥＤＦへのトータル信号入力パワーを−８ｄＢｍとし、順方向励起パワーを４５０ｍＷとした。

この図１０から判るように、タイプＣのＥＤＦが最も高い利得を呈する。タイプＣのＥＤＦは、１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍの波長域の利得傾斜についてはタイプＢのＥＤＦと大差ないが、ＥＤＦＡによるＳバンド増幅技術のボトルネックである波長１４９０ｎｍ付近において、最も高い利得が得られることは注目すべきである。タイプＤおよびＥそれぞれのＥＤＦは、誘導放出断面積の形状からの予測と比較して利得が低いが、図２，図６および図７に示したとおり、Ａｌ無添加である為に濃度消光が生じ、非飽和吸収αの非飽和利得ｇ*に対する割合が高い為であると考えられる。

一方、最も濃度消光が抑圧されている筈のタイプＦのＥＤＦでは、波長１５００ｎｍより短い波長域では吸収になっている。これは、波長１.４９μｍ帯付近で非飽和吸収ｇ*の盛り上りが見られないためと考えられる。すなわち、図８を見ると、タイプＦのＥＤＦは、その他のタイプのＥＤＦと異なり、非飽和利得ｇ*でも非飽和吸収αでも波長１.４９μｍ帯付近の極大が存在しない。

図１１〜図１４それぞれは、各タイプのＥＤＦの組成とＳバンド増幅特性との関係を示すグラフである。図１１は、非飽和利得ｇ*および非飽和吸収αそれぞれのピーク値の比（ｇ*／α）とＡｌ濃度との関係を示すグラフである。図１２は、波長１４９０ｎｍにおける利得とＡｌ濃度との関係を示すグラフである。図１３は、波長１４９０ｎｍにおける利得とＰ濃度との関係を示すグラフである。また、図１４は、波長１４９０ｎｍにおける利得とＡｌ／Ｐの濃度比との関係を示すグラフである。

図１１に示されるように、Ａｌ濃度が高いほど、濃度消光の指標となる比（ｇ*／α）の値は大きい。すなわち、利得スペクトルが非飽和吸収αの影響を受け難くなっている。しかし、その一方で、図１２に示されるように、Ａｌ濃度が零の場合（タイプＤ，Ｅ）を除いて、Ａｌ濃度が低いほど、波長１４９０ｎｍにおける利得は高い。Ａｌを添加することで、Ａｌ無添加の場合よりも良好な結果が得られるのは、Ａｌ平均濃度が０.７５重量％以下であるときである。

一方、図１３に示されるように、Ｐ濃度が高いほど、波長１４９０ｎｍにおける利得は高い、と結論できるほどに明快な相関を認め難い。しかし、図３〜図８に示されるとおり、Ｐ濃度が高いほど波長１.４９μｍ帯の非飽和利得ｇ*および非飽和吸収αそれぞれのピークが顕著になる傾向が認められる。要するに、図１４に示されるように、ＡｌおよびＰそれぞれの濃度の比（Ｃ_Ａｌ／Ｃ_Ｐ）を設計パラメータとして考えるのが妥当であると考えられる。図１４からは、Ａｌを添加することことで、Ａｌ無添加の場合よりも良好な結果が得られるのは、Ａｌ／Ｐの濃度比（Ｃ_Ａｌ／Ｃ_Ｐ）が０.１７以下である場合である。

図１５は、タイプＢ，ＣのＥＤＦの波長０.９８μｍ帯の非飽和吸収αの波長依存性を示すグラフである。以上までに述べてきたように、タイプＡ〜ＦのＥＤＦのうち、組成上の条件が最適であるのは、タイプＣのＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦである。しかし、図１５に示されるように、ＣタイプのＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦの波長０.９８μｍ帯の非飽和吸収αは、図５に示された波長１.５３μｍ帯の非飽和吸収αのピーク値と比較すると、４０％に満たない。一方、Ａｌ添加ＥＤＦでは、波長１.５３μｍ帯の非飽和吸収αのピーク値に対する波長０.９８μｍ帯の非飽和吸収αの比は６０％を超えることが普通である。

以上から、ＣタイプのＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦを短尺で用いることは望ましくない。例えばＥＤＦを多段構成として各段のＥＤＦに励起光／信号光を合波するカプラを設ける方式は、Ａｌ添加ＥＤＦでは兎も角、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦで行っては、各段での残留励起光が無駄になってしまう。そこで、図１６に示されるように、ある段のＥＤＦの残留励起光が次段以降のＥＤＦでも使える構成のほうが望ましい。

図１６は、本実施形態に係る光増幅モジュール２の構成図である。この図に示される光増幅モジュール２は、入力コネクタ１１に入力した波長域１４９０ｎｍ〜１５３０ｎｍの範囲内の波長の信号光を光増幅して出力コネクタ１２から出力するものであり、入力コネクタ１１から出力コネクタ１２へ至る信号光伝搬経路上に、光アイソレータ２１、ＷＤＭカプラ３１、ＥＤＦ５１、ＷＤＭカプラ６１、Ｃバンド除去フィルタ７１、ＷＤＭカプラ６２、ＥＤＦ５２、ＷＤＭカプラ６３、Ｃバンド除去フィルタ７２、ＷＤＭカプラ６４、ＥＤＦ５３、ＷＤＭカプラ６５、Ｃバンド除去フィルタ７３、ＷＤＭカプラ６６、ＥＤＦ５４、ＷＤＭカプラ３２および光アイソレータ２２を順に備えている。

また、この光増幅モジュール２は、ＷＤＭカプラ３１に接続された励起光源４１、ＷＤＭカプラ３２に接続された励起光源４２、ＷＤＭカプラ６１とＷＤＭカプラ６２との間に接続されたバイパス用光ファイバ８１、ＷＤＭカプラ６３とＷＤＭカプラ６４との間に接続されたバイパス用光ファイバ８２、および、ＷＤＭカプラ６５とＷＤＭカプラ６６との間に接続されたバイパス用光ファイバ８３、をも備えている。

ＥＤＦ５１〜５４それぞれは、図１に示された光増幅モジュール１におけるＥＤＦ５０と同様の組成を有するものであり、タイプＣのＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦであるのが好適である。ＥＤＦ５１とＥＤＦ５２との間に接続部分１０１が設けられ、ＥＤＦ５２とＥＤＦ５３との間に接続部分１０２が設けられ、また、ＥＤＦ５３とＥＤＦ５４との間に接続部分１０３が設けられている。

接続部分１０１は、ＷＤＭカプラ６１および６２、Ｃバンド除去フィルタ７１およびバイパス用光ファイバ８１を含む。ＷＤＭカプラ６１は、ＥＤＦ５１から到達した信号光および励起光を分波して、励起光をバイパス用光ファイバ８１へ出力し、他の波長の光をＣバンド除去フィルタ７１へ出力する。バイパス用光ファイバ８１は、ＷＤＭカプラ６１とＷＤＭカプラ６２との間で励起光を伝搬させる。Ｃバンド除去フィルタ７１は、ＷＤＭカプラ６１から到達した光を入力して、その光のうちＣバンドの光を遮断し、Ｓバンドの光を透過させる。ＷＤＭカプラ６２は、バイパス用光ファイバ８１を経て到達した励起光と、Ｃバンド除去フィルタ７１を透過して到達したＳバンドの光とを入力し、これらを合波してＥＤＦ５２へ出力する。また、ＷＤＭカプラ６２は、ＥＤＦ５２から到達した励起光をバイパス用光ファイバ８１へ出力し、ＷＤＭカプラ６１は、バイパス用光ファイバ８１から到達した励起光をＥＤＦ５１へ出力する。

接続部分１０２は、ＷＤＭカプラ６３および６４、Ｃバンド除去フィルタ７２およびバイパス用光ファイバ８２を含む。ＷＤＭカプラ６３は、ＥＤＦ５２から到達した信号光および励起光を分波して、励起光をバイパス用光ファイバ８２へ出力し、他の波長の光をＣバンド除去フィルタ７２へ出力する。バイパス用光ファイバ８２は、ＷＤＭカプラ６３とＷＤＭカプラ６４との間で励起光を伝搬させる。Ｃバンド除去フィルタ７２は、ＷＤＭカプラ６３から到達した光を入力して、その光のうちＣバンドの光を遮断し、Ｓバンドの光を透過させる。ＷＤＭカプラ６４は、バイパス用光ファイバ８２を経て到達した励起光と、Ｃバンド除去フィルタ７２を透過して到達したＳバンドの光とを入力し、これらを合波してＥＤＦ５３へ出力する。また、ＷＤＭカプラ６４は、ＥＤＦ５３から到達した励起光をバイパス用光ファイバ８２へ出力し、ＷＤＭカプラ６３は、バイパス用光ファイバ８２から到達した励起光をＥＤＦ５２へ出力する。

接続部分１０３は、ＷＤＭカプラ６５および６６、Ｃバンド除去フィルタ７３およびバイパス用光ファイバ８３を含む。ＷＤＭカプラ６５は、ＥＤＦ５３から到達した信号光および励起光を分波して、励起光をバイパス用光ファイバ８３へ出力し、他の波長の光をＣバンド除去フィルタ７３へ出力する。バイパス用光ファイバ８３は、ＷＤＭカプラ６５とＷＤＭカプラ６６との間で励起光を伝搬させる。Ｃバンド除去フィルタ７３は、ＷＤＭカプラ６３から到達した光を入力して、その光のうちＣバンドの光を遮断し、Ｓバンドの光を透過させる。ＷＤＭカプラ６６は、バイパス用光ファイバ８３を経て到達した励起光と、Ｃバンド除去フィルタ７３を透過して到達したＳバンドの光とを入力し、これらを合波してＥＤＦ５４へ出力する。また、ＷＤＭカプラ６６は、ＥＤＦ５４から到達した励起光をバイパス用光ファイバ８３へ出力し、ＷＤＭカプラ６５は、バイパス用光ファイバ８３から到達した励起光をＥＤＦ５３へ出力する。

Ｃバンド除去フィルタ７１〜７３それぞれとして、図１７に示される損失スペクトルを有するFibernett社製のバンドパスフィルタが好適に用いられる。このフィルタは、Ｓバンドの光を低損失で反射させ、Ｃバンドの光を低損失で透過させる。透過帯域は１４８０ｎｍ〜１５２０ｎｍであり、Ｃバンド除去比は４０ｄＢ程度確保されており、また、ピーク値に対するＳバンドの蛍光が微弱なＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦと雖もＣバンドＡＳＥ光の抑圧が可能である。

波長０.９８μｍ帯の励起光の単位長さ当たりの吸収効率が悪いので、励起光源４１，４２から出力される励起光の波長は、最も吸収係数がよい９８１ｎｍ付近に設定するのが好ましい。なお、Ａｌ添加ＥＤＦでは、波長０.９８μｍ帯励起波長に利得スペクトル形状が微妙に依存する。しかし、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦでは、図１８に示されるとおり、波長０.９８μｍ帯励起波長の違いは、非飽和利得ｇ*の形状に殆ど影響を及ぼさない。

図１８（ａ）は、励起波長９７４ｎｍ，９７６ｎｍおよび９８１ｎｍそれぞれでのＡｌ添加ＥＤＦの自然放出光スペクトルを示す図である。図１８（ｂ）は、励起波長９７４ｎｍ，９７６ｎｍおよび９８１ｎｍそれぞれでのＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦの自然放出光スペクトルを示す図である。この図に示されるように、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦでは、励起波長が異なっても、自然放出光スペクトルに有意な差は認められない。したがって、Ｓバンド用Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦＡの励起波長は、吸収係数の大きさのみから決定してよい。

この光増幅モジュール２では、励起光源４１から出力された励起光は、ＷＤＭカプラ２１を経てＥＤＦ５１に順方向に供給され、このＥＤＦ５１に添加されているＥｒイオンを励起する。ＥＤＦ５１へ供給された励起光のうちＥＤＦ５１で吸収されなかった残留の励起光は、ＷＤＭカプラ６１，バイパス用光ファイバ８１およびＷＤＭカプラ６２を経て、ＥＤＦ５２に順方向に供給され、このＥＤＦ５２に添加されているＥｒイオンを励起する。

ＥＤＦ５２へ供給された励起光のうちＥＤＦ５２で吸収されなかった残留の励起光は、ＷＤＭカプラ６３，バイパス用光ファイバ８２およびＷＤＭカプラ６４を経て、ＥＤＦ５３に順方向に供給され、このＥＤＦ５３に添加されているＥｒイオンを励起する。また、ＥＤＦ５３へ供給された励起光のうちＥＤＦ５３で吸収されなかった残留の励起光は、ＷＤＭカプラ６５，バイパス用光ファイバ８３およびＷＤＭカプラ６６を経て、ＥＤＦ５４に順方向に供給され、このＥＤＦ５４に添加されているＥｒイオンを励起する。

同様に、励起光源４２から出力された励起光は、ＷＤＭカプラ２２を経て、ＥＤＦ５４，ＥＤＦ５３，ＥＤＦ５２およびＥＤＦ５１に逆方向に供給され、各々のＥＤＦに添加されているＥｒイオンを励起する。

波長域１４９０ｎｍ〜１５３０ｎｍの範囲内の波長の信号光が入力端１１に入力すると、その信号光は、光アイソレータ２１およびＷＤＭカプラ３１を通過して、ＥＤＦ５１に入力し、このＥＤＦ５１において光増幅される。この光増幅された信号光は、ＷＤＭカプラ６１を経てＣバンド除去フィルタ７１に入力し、このＣバンド除去フィルタ７１においてＣバンドＡＳＥ光が除去され、ＷＤＭカプラ６２を経てＥＤＦ５２に入力して光増幅される。

ＥＤＦ５２で光増幅された信号光は、ＷＤＭカプラ６３を経てＣバンド除去フィルタ７２に入力し、このＣバンド除去フィルタ７２においてＣバンドＡＳＥ光が除去され、ＷＤＭカプラ６４を経てＥＤＦ５３に入力して光増幅される。ＥＤＦ５３で光増幅された信号光は、ＷＤＭカプラ６５を経てＣバンド除去フィルタ７３に入力し、このＣバンド除去フィルタ７３においてＣバンドＡＳＥ光が除去され、ＷＤＭカプラ６６を経てＥＤＦ５４に入力して光増幅される。

そして、このようにしてＥＤＦ５１〜５４それぞれで光増幅された信号光は、ＷＤＭカプラ３２および光アイソレータ２２を通過して、出力コネクタ１２から外部へ出力される。

図１６に示される光増幅モジュール２において、ＥＤＦ５１〜５４それぞれの吸収条長積を６０ｄＢとし、全体の吸収条長積を２４０ｄＢ（＝６０ｄＢ×４）とした。なお、タイプＣのＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦでは、前述のとおり、波長０.９８μｍ帯の単位長当りの吸収効率が低いので、ここでは、Ｃバンド除去フィルタ７１〜７３を迂回する励起光バイパス用の光ファイバ８１〜８３を設けている。ＳバンドでのＥＤＦの利得は非常に低いので、受動光部品の挿入損失を下げることが重要であるが、１セットのＣバンド除去フィルタおよびＷＤＭカプラの挿入損失は、波長０.９８μｍ帯で０.８ｄＢ程度であり、波長１.５０μｍ帯で１.５ｄＢ程度であった。また、入出力端の光部品の挿入損失は各々１.０ｄＢと１.１ｄＢであった。

この光増幅モジュール２の特性を評価するため、通常の石英系Ａｌ添加ＥＤＦを用いた同様の構成のＥＤＦＡと対比した。比較の条件として先ず考えられるのは、非飽和吸収ピーク値を統一することであるが、Ａｌ添加ＥＤＦでは、誘導放出断面積のピークに対するＳバンド領域の比率も高いので、吸収条長積が２４０ｄＢというのはＥＤＦとして長すぎて、反転分布が下がってしまい、正の利得傾斜が甚だしく悪化する。一方、ＥＤＦを短くすれば、利得傾斜が低減されるが、利得も下がる。両者のトレードオフとして、図１９に示されるように、ＥＤＦ吸収条長積を２４０ｄＢから下げて行ったときにトータル信号出力に劣化の無い限界である吸収条長積１２０ｄＢの状態で、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦと比較した。

図２０は、タイプＣのＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦ（吸収条長積＝２４０ｄＢ）およびＡｌ添加ＥＤＦ（吸収条長積＝１２０ｄＢ）それぞれのＳバンド増幅特性を示す図である。ただし、トータル信号入力パワーを−８ｄＢｍとし、順方向励起パワーを３００ｍＷとし、逆方向励起パワーを１５０ｍＷとし、また、温度を２５℃および７５℃それぞれとした。Ａｌ添加ＥＤＦでは利得が乏しかった波長域１４９２ｎｍ〜１５０２ｎｍにおいて、タイプＣのＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦでは９ｄＢ程度の利得の改善が得られていることが判る。更に、ヒータやペルチエ素子などを用いてＥＤＦを温度２５℃から７５℃に温めることにより、利得の改善量は１０ｄＢを上回る。

図１３を用いて説明したように、Ｐ濃度は高い方が望ましい。その傾向は、石英系ガラスと比べると、リン酸塩ガラス（Ｐ_２Ｏ_５）の方が大きい。文献「D. Barbier, OAA1997, Tech. Dig., TuA1, (1997)」に述べられているとおり、リン酸塩ガラスは、石英系ガラスと並んで、平面光導波路（ＰＬＣ）のホストガラスとして適している。

その一方で、本実施形態のＳバンド光増幅モジュールは、ＣバンドＡＳＥ光を光増幅性導波路上の数箇所で除去しなければならず、図１６に示されたように構成が複雑とならざるを得ない。光増幅性導波路として光ファイバを用いると、偏波特性が良好で、導波路の長さを自在に決められるので柔軟な設計製造ができるという利点がある。しかし、その反面、光増幅性導波路として光ファイバを用いると、部品点数が多いので、融着箇所が増加し、収納が困難となり組立てに長時間かかるという欠点がある。

これに対して、ＰＬＣ上の光増幅性導波路であれば、ＡＳＥ除去フィルタ、これをバイパスする励起光用の光導波路および利得等化器などを集積化することが容易である。

すなわち、本実施形態の光増幅モジュールは、組成および部品構成の両方の観点から、ＰＬＣ上での製作が適している。

なお、ＣバンドのＡＳＥを除去するＡＳＥ除去フィルタに関して、図１７に示される実施例では、ＡＳＥピーク波長である１５３５ｎｍでの消光比が６０ｄＢを超える良好なものを使用している。しかし、一般に市販されるフィルタの中には、もっと消光比が劣悪なものも多く存在する。図２１のような消光比が小さい一般的なフィルタを仮定して、図１６で説明した構成の光増幅モジュール２のトータル信号出力パワーをシミュレートした結果を図２２に示す。図２１は、一般的なフィルタの損失スペクトルの例を示す図である。図２２は、一般的なフィルタを用いた場合の光増幅モジュール２のトータル信号出力パワーをシミュレートした結果を示す図である。

消光比が４０ｄＢであるときには、信号出力パワーは、本来１７.５ｄＢｍ出る筈のところが、僅か１４ｄＢｍとなってしまう。この劣化量を、光部品や融着損バラつきなどに因る製造ばらつきである１ｄＢ_ｐ−ｐ以内に抑えようとすると、ＡＳＥ除去フィルタの消光比は４６ｄＢ以上である必要がある。前述の実施例では、ＡＳＥ除去フィルタを信号光が透過する形態で用いていたが、ＡＳＥ除去フィルタで信号光が反射する形態で使用したとすると、図１７の例のように、消光比を４６ｄＢ以上とするのは困難になる。

本実施形態の光増幅性導波路をＰＬＣ上に実現した例を以下に示す。図２３は、図１６に示した光増幅モジュール２をＰＬＣ上に実現した構成を示す斜視図である。この図に示されるように、ＰＬＣ上の信号光を伝搬する光増幅性導波路５１〜５４に交差して溝を作成し、各溝にＡＳＥ除去フィルタ７１〜７３として誘電体多層膜を装着することができる。

光増幅性導波路５１〜５４それぞれにおけるＥｒ添加領域のＥｒ濃度は１〜２ｗｔ％であるのが好ましく、導波路の断面積は２×２〜３×３μｍ^２程度であるのが好ましい。なお、カットオフ波長として励起波長より短い０.９５μｍを目標とするなら、断面積が２×２μｍ^２であるときに比屈折率差は２％程度とする必要があり、このときの伝搬損失が生じない最小曲げ半径は１０ｍｍである。断面積が３×３μｍ^２であるならば比屈折率差は１％で良いが、最小曲げ半径が２５ｍｍと大きくなってしまう。

なお、０.９８μｍ帯励起光がＡＳＥ除去フィルタ７１〜７３を迂回するように、各ＡＳＥ除去フィルタの前後にＷＤＭカプラ６１〜６６として方向性結合器またはマッハツェンダ干渉計が作成される。方向性結合器の消光比は５ｄＢであり、マッハツェンダ干渉計の消光比は３０ｄＢ程度であり、方向性結合器と比較してマッハツェンダ干渉計の方が透過帯域のスペクトル幅を広くできるので、ＷＤＮ信号増幅の際はマッハツェンダ干渉計の方が望ましい。

図２４は、ＷＤＭカプラとしてのマッハツェンダ干渉計の構成図である。この図に示されるマッハツェンダ干渉計において、２つの光結合部の間の２つの光路のうち、一方の光路の長さＬ_１を５０００.００μｍとし、他方の光路の長さＬ_２を５００１.０７μｍとし、また、導波路の実効屈折率を１.４６９４７とすることで、図２５に示されるような光結合特性を有するＷＤＭカプラを実現することができる。

ＰＬＣチップ両端には、入出力ファイバ９１，９２が結合されている。この際、ＰＬＣ上の導波路５１，５４と光ファイバ９１，９２との結合は、非球面レンズを介しても良く、融着してもよい。

図２６は、ＰＬＣ上に構成した他の実施形態に係る光増幅モジュール３の構成を示す平面図である。この図に示される光増幅モジュール３は、入出力光ファイバ９１，９２をＰＬＣチップの同一端に具備している。そのために、信号光をＰＬＣチップ端面で反射させることとし、その反射位置に、信号光を反射させる一方でＡＳＥ光を透過させるＡＳＥ除去フィルタ７１〜７３が設けられている。このように構成される光増幅モジュール３は、図２３に示された構成の光増幅モジュールと比較して、実装時のスペース効率が優れる。

この光増幅モジュール３におけるＡＳＥ除去フィルタ７１〜７３は、信号光反射スペクトルに所定の波長域幅を確保するとともに消光比を高くすると、誘電体多層膜の設計自由度が減り、励起光まで高い反射率で反射することが困難となる。したがって、励起光は、ＰＬＣ上に作成されたＷＤＭカプラ６１〜６６（方向性結合器またはマッハツェンダ干渉計）により合分波されて、バイパス用光導波路８１〜８３を伝搬する。

しかし、ＡＳＥ除去の為の消光比を反射経路にて高めるのは、図１７に示されるとおり困難である。そこで、図２７に示されるように、ＡＳＥ除去フィルタが信号光を透過させ、ＰＬＣ上で信号光伝搬方向をＵ字型に反転させる信号光用導波路を具備するか、或いは、利得等化用フィルタで反射させる構造とすることが望ましい。

図２７は、ＰＬＣ上に構成した他の実施形態に係る光増幅モジュール４の構成を示す平面図である。この図に示される光増幅モジュール４は、ＰＬＣチップ上に光導波路として、光増幅性導波路５１〜５６、バイパス用光導波路８１〜８４および励起光導波路８８，８９を備える。また、この光増幅モジュール４は、ＰＬＣチップに形成された溝に挿入されたＡＳＥ除去フィルタ７１，７２を備え、ＰＬＣチップの端面に設けられた利得等化用フィルタ７９を備える。

この光増幅モジュール４では、一方の励起光供給用の光ファイバ９３からＰＬＣ上の励起光導波路８８に導入された励起光は、ＷＤＭカプラ３１、光増幅性導波路５１、ＷＤＭカプラ６１、バイパス用光導波路８１、ＷＤＭカプラ６２、光増幅性導波路５２、ＷＤＭカプラ６３、バイパス用光導波路８２、ＷＤＭカプラ６４および光増幅性導波路５３を経て、利得等化用フィルタ７９に到達し反射される。他方の励起光供給用の光ファイバ９４からＰＬＣ上の励起光導波路８９に導入された励起光は、ＷＤＭカプラ３２、光増幅性導波路５６、ＷＤＭカプラ６８、バイパス用光導波路８４、ＷＤＭカプラ６７、光増幅性導波路５５、ＷＤＭカプラ６６、バイパス用光導波路８３、ＷＤＭカプラ６５および光増幅性導波路５４を経て、利得等化用フィルタ７９に到達し反射される。

また、信号光入力用の光ファイバ９１からＰＬＣ上の光増幅性導波路５１に導入された信号光は、ＷＤＭカプラ３１、光増幅性導波路５１、ＷＤＭカプラ６１、ＡＳＥ除去フィルタ７１、ＷＤＭカプラ６２、光増幅性導波路５２、ＷＤＭカプラ６３、ＡＳＥ除去フィルタ７１、ＷＤＭカプラ６４および光増幅性導波路５３を経て、利得等化用フィルタ７９により反射される。さらに、この反射された信号光は、光増幅性導波路５４、ＷＤＭカプラ６５、ＡＳＥ除去フィルタ７２、ＷＤＭカプラ６６、光増幅性導波路５５、ＷＤＭカプラ６７、ＡＳＥ除去フィルタ７２、ＷＤＭカプラ６８、光増幅性導波路５６およびＷＤＭカプラ３２を経て、信号光出力用の光ファイバ９２へ出力される。

図３６は、本発明の平面光導波路デバイスを複数有する光増幅モジュールの実施形態を示す斜視図である。光増幅モジュール６は３個の平面光導波路デバイス３１，３２，３３、アイソレータ２１，２２を有する。平面光導波路デバイス３１と平面光導波路デバイス32とはアイソレータ２１を介して接続され、平面光導波路デバイス３２と平面光導波路デバイス３３とはアイソレータ２２を介して接続されている。光増幅モジュール６は、平面光導波路デバイスの数を増やすことで、利得を大きくすることができる。

図１９，図２０に示された利得特性から判るように、本実施形態の光増幅性導波路を用いれば、従来のＡｌ添加ＥＤＦより短波長側でも利得が得られることが明らかである。また、利得が得られるということは、光増幅器として応用されるだけでなく、図２８に示されるような構成でレーザモジュールを構成することもできる。

図２８は、本実施形態に係るレーザモジュール９の構成図である。この図に示されるレーザモジュール９は、光増幅モジュール４（図２７）に加えて、光カプラ９５、バンドパスフィルタ９６、可変光減衰器９７、励起光源９８および光カプラ９９を備える。励起光源９８から出力された励起光は、光カプラ９９により２分岐されて、光ファイバ９３，９４を経て、光増幅モジュール４に供給される。信号光出力用の光ファイバ９２に光カプラ９５が設けられ、また、信号光入力用の光ファイバ９１とこの光カプラ９５との間にバンドパスフィルタ９６および可変光減衰器９７が設けられている。このレーザモジュール９は、リング型のレーザ共振器の構造を有していて、光増幅モジュール４から光ファイバ９２に出力されて光カプラ９５により分岐された信号光の一部は、バンドパスフィルタ９６、可変光減衰器９７および光ファイバ９１を経て、光増幅モジュール４に帰還する。

図１９に示された利得特性を見ると、従来のＡｌ添加ＥＤＦでは、吸収条長積を下げても、波長１４８０ｎｍでは正味利得がゼロとなり、レーザ発振は物理的に得られない。一方で、図２０に示された利得特性をみると、本実施形態の光増幅性導波路では、たとえ波長１４８０ｎｍでも、室温で２ｄＢの利得が得られ、温度７５℃で４ｄＢの利得が得られている。

こうした正味利得がレーザ共振器の損失を上回ったときにレーザ発振が得られる。図２８に示された構成では、レーザ共振器の損失は、殆ど光カプラ９５の分岐比で決定される。光カプラ９５の分岐比は高いほど、高いレーザ出力が得られ易くなるが、その一方で、レーザ発振が実現し辛くなる。図２０に示された温度７５℃での利得ならば、光カプラ９５として３ｄＢカプラを使っても、波長１４８０ｎｍで発振が得られる。

一般に、ＥＤＦＡでは、反転分布が変化すると、利得スペクトルの大きさと形状も変化する。文献「M. Kakui他、電子情報通信学会英文論文誌Vol.E83-C, no.6, p.799」に述べられるとおり、ＣバンドやＬバンドでは、利得スペクトルの形状の変化が単一減少ないし増加である。すなわち、利得スペクトル上の傾斜となるので、この現象を動的利得傾斜（ＤＧＴ: Dynamic Gain Tilt）という。ＤＧＴの形状は、図９に示される非飽和利得ｇ*と非飽和吸収αとの和で与えられる。

ここで、図９に示された非飽和利得ｇ*および非飽和吸収αから明らかなように、実施例のＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦＡ（又はＥＤＷＡ）では、波長範囲１４８８〜１５１８ｎｍにおいて平坦な和（ｇ*＋α）の値を示す。これは、反転分布が変化しても、利得スペクトルの形状が大きくは変わらないことを意味し、特にＷＤＭ信号用光増幅器において、利得の大きさを制御する上で好都合である。本実施形態では、反転分布の変化で誘起される利得スペクトルの変化が傾斜状にならないので、上記のＤＧＴという表現を改め、以下、動的利得変動（ＤＣＶ: Dynamic Gain Variation）という。

当然ながら、利得の大きさ（すなわち、所定の信号波長域内の平均利得）の変化量が大きいときに、ＤＧＶはより大きくなる。帯域内平均利得をＧ_Ｍとし、その変化量で規格化した或る信号波長λでのＤＧＶをＶ(λ)と表すと、このＶ(λ)は次式で与えられる。ただし、Ｇ(λ)は波長λでの利得を表す。また、上記のＧ(λ)およびＧ_Ｍそれぞれの単位は全て[ｄＢ]である。

Ｖ(λ)＝（Ｇ(λ)−Ｇ_Ｍ）／Ｇ_Ｍ …（1）

図２９は、従来のＡｌ添加ＥＤＦおよび図２中の実施例のタイプＣのＥＤＦそれぞれのＶ(λ)を示す図である。同図（ａ）は、従来のＡｌ添加ＥＤＦの非飽和利得ｇ*、非飽和吸収αおよびＤＧＶそれぞれの波長依存性を示す。同図（ｂ）は、タイプＣのＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦの非飽和利得ｇ*、非飽和吸収αおよびＤＧＶそれぞれの波長依存性を示す。また、同図（ｃ）は、信号光帯域として暫定的に１４９５〜１５２０ｎｍを仮定した場合にＤＧＶを規格して得られたＶ(λ)を、従来のＡｌ添加ＥＤＦおよびタイプＣのＥＤＦそれぞれについて示す。タイプＣのＥＤＦでは、１４９５〜１５２１ｎｍでは規格化ＤＧＶが０.１３ｄＢ（ピーク-ピーク）であり、±０.１ｄＢの範囲に収まっている。同等のＤＧＶ特性は、信号波長域を１４８８〜１５２０ｎｍに拡張しても得られる。更にＤＧＶを重視して、１４８８〜１５１８ｎｍという信号波長域を想定すると、０.０９ｄＢ（ピーク-ピーク）であり、±０.０５ｄＢに収まっている。一方、従来のＥＤＦでは、波長範囲１４９５〜１５２０ｎｍで、規格化ＤＧＶが−０.１８〜＋０.３６の範囲、即ち０.５４(p-p)と３倍以上の値となる。

こうした平坦なＤＧＶ特性はタイプＣのＥＤＦに限らず、タイプＡ，Ｂ，Ｄ，Ｅでも実現できる。また、Ｐ添加した組成に限らず、例えば、Ｂなどの共添加により、請求項１に記載の誘導放出断面積又は吸収断面積の極大が実現できるなら、上述のＤＧＶ特性の平坦化の為に好適である。

実際に図３０に示されるような８段型利得平坦化Ｓバンド光増幅器を試作し、室温において波長範囲１４９５〜１５２０ｎｍのＷＤＭ信号を用いて評価した。図３０は、本実施形態に係る光増幅モジュール５の構成図である。この図に示される光増幅モジュール５では、入力コネクタ１１から出力コネクタ１２に向かって順に直列的に接続された８個の光増幅性導波路５１〜５８が備えられている。

入力コネクタ１１と光増幅性導波路５１との間には、光カプラ３６、光アイソレータ２１およびＷＤＭ光カプラ３１が設けられ、光カプラ３６には入力信号光モニタ用の受光素子４６が接続され、ＷＤＭ光カプラ３１には３ｄＢカプラ３８が接続されている。

光増幅性導波路５１と光増幅性導波路５２との間に設けられた接続部分１０１は、ＷＤＭカプラ６１_１、ＡＳＥ除去フィルタ７１およびＷＤＭカプラ６１_２を含み、さらに、ＷＤＭカプラ６１_１とＷＤＭカプラ６１_２との間に設けられたバイパス用光導波路８１をも含む。

光増幅性導波路５２と光増幅性導波路５３との間に設けられた接続部分１０２は、ＷＤＭカプラ６２_１、ＡＳＥ除去フィルタ７２およびＷＤＭカプラ６２_２を含み、さらに、ＷＤＭカプラ６２_１とＷＤＭカプラ６２_２との間に設けられたバイパス用光導波路８２をも含む。

光増幅性導波路５３と光増幅性導波路５４との間には、ＷＤＭカプラ３２、光アイソレータ２２、利得等化器７８、ＡＳＥ除去フィルタ７３、光アイソレータ２３およびＷＤＭカプラ３３が設けられ、ＷＤＭ光カプラ３２には３ｄＢカプラ３８が接続され、ＷＤＭカプラ３３には励起光源４３が接続されている。

光増幅性導波路５４と光増幅性導波路５５との間に設けられた接続部分１０３は、ＷＤＭカプラ６４_１、ＡＳＥ除去フィルタ７４およびＷＤＭカプラ６４_２を含み、さらに、ＷＤＭカプラ６４_１とＷＤＭカプラ６４_２との間に設けられたバイパス用光導波路８４をも含む。

光増幅性導波路５５と光増幅性導波路５６との間には、ＷＤＭカプラ６５_１、光アイソレータ２４、利得等化器７９、ＡＳＥ除去フィルタ７５、光アイソレータ２５およびＷＤＭカプラ６５_２が設けられ、ＷＤＭカプラ６５_１とＷＤＭカプラ６５_２との間にはバイパス用光導波路８５が設けられている。

光増幅性導波路５６と光増幅性導波路５７との間に設けられた接続部分１０４は、ＷＤＭカプラ６６_１、ＡＳＥ除去フィルタ７６およびＷＤＭカプラ６６_２を含み、さらに、ＷＤＭカプラ６６_１とＷＤＭカプラ６６_２との間に設けられたバイパス用光導波路８６をも含む。

光増幅性導波路５７と光増幅性導波路５８との間に設けられた接続部分１０５は、ＷＤＭカプラ６７_１、ＡＳＥ除去フィルタ７７およびＷＤＭカプラ６７_２を含み、さらに、ＷＤＭカプラ６７_１とＷＤＭカプラ６７_２との間に設けられたバイパス用光導波路８７をも含む。

光増幅性導波路５８と出力コネクタ１２との間には、ＷＤＭカプラ３４、光アイソレータ２６および光カプラ３７が設けられ、ＷＤＭカプラ３４には励起光源４４が接続され、光カプラ３７には出力信号光モニタ用の受光素子４７が接続されている。

励起光源４１から出力された波長０.９８μｍ帯の励起光は、３ｄＢ光カプラ３８により２分岐され、ＷＤＭ光カプラ３１，３２を経て、双方向から光増幅性導波路５１〜５３に供給される。励起光源４３から出力された波長０.９８μｍ帯の励起光は、ＷＤＭ光カプラ３３を経て、順方向から光増幅性導波路５４〜５８に供給される。また、励起光源４４から出力された波長０.９８μｍ帯の励起光は、ＷＤＭ光カプラ３４を経て、逆方向から光増幅性導波路５４〜５８に供給される。

ＷＤＭカプラ６１〜６６は、励起光をＡＳＥ除去フィルタ７１〜７７に透過させることなく、バイパス用光導波路８１〜８７に伝搬させるためのものである。利得等化器７８，７９は、図３１に示される損失スペクトルを有している。

図３２は、光増幅モジュール５において入力コネクタ１１に入力される信号光のパワーを−９ｄＢｍ，−５ｄＢｍおよび−１ｄＢｍそれぞれとしたときの利得スペクトルを示す図である。同図（ａ）は利得スペクトルを示し、同図（ｂ）は信号光出力レベルの偏差を示す。この偏差は、利得スペクトルにオフセットとして信号光入力レベルを加え、入力信号光レベルが−５ｄＢｍであるときを基準として、入力信号光レベルが−９ｄＢｍおよび−１ｄＢｍそれぞれの差分をとったものである。

この図に示されるように、何れの入力信号光レベルの場合でも、利得スペクトルの形状の変化は殆ど無く、波長範囲１４９５〜１５２０ｎｍにおける利得偏差は１.７ｄＢ_ｐ−ｐ以内に保たれている。なお、信号光入力レベルが−９ｄＢｍ，−５ｄＢｍおよび−１ｄＢｍそれぞれのときに信号出力スペクトルがどのような変化を示すかを同図（ａ）の利得スペクトルから算出した結果が同図（ｂ）に示されている。なお、同図（ｂ）の黒丸点と黒三角点それぞれは実測結果であり、曲線は図２９に示された規格化ＤＧＶに±４ｄＢの平均利得変化分を乗じたものである。この光増幅モジュール５は、８段構成という大掛りな構成であるので、受動光部品の偏波依存ロス等も蓄積しており、±０.１ｄＢ以内の精度が望める実験ではないが、両者の偏差の値は略一致している。

図３３は、光増幅モジュール５における励起光パワーおよびパワー変換効率（ＰＣＥ）を纏めた図表である。ＰＣＥは、ＥＤＦ入力の励起パワー総和分に対する、ＥＤＦからの信号光出力の比率で計算される。入力信号光パワーが−９ｄＢｍ，−５ｄＢｍおよび−１ｄＢｍそれぞれの場合において、励起光源４１からＷＤＭ光カプラ３１を経て順方向から光増幅性導波路５１〜５３に供給される励起光のパワーＰ_１を６０.０ｍＷとし、励起光源４１からＷＤＭ光カプラ３２を経て逆方向から光増幅性導波路５１〜５３に供給される励起光のパワーＰ_２を５４.２ｍＷとし、励起光源４３からＷＤＭ光カプラ３３を経て順方向から光増幅性導波路５４〜５８に供給される励起光のパワーＰ_３を１１５.６ｍＷとした。また、励起光源４４からＷＤＭ光カプラ３４を経て逆方向から光増幅性導波路５４〜５８に供給される励起光のパワーＰ_４を、入力信号光パワーが−９ｄＢｍであるときに４８７.０ｍＷとし、入力信号光パワーが−５ｄＢｍであるときに２４８.０ｍＷとし、入力信号光パワーが−１ｄＢｍであるときに２０４.０ｍＷとした。

この図に示されるように、本実施形態に係る光増幅モジュール５では、入力信号光パワーが−９ｄＢｍであるときＰＣＥは６.０％であり、入力信号光パワーが−５ｄＢｍであるときＰＣＥは８.９％であり、入力信号光パワーが−１ｄＢｍであるときＰＣＥは９.８％であった。

従来技術のＡｌ添加ＥＤＦを使った光増幅モジュールの例として、文献「H. Ono, M. Yamada, and M. Shimizu, Electron. Lett., vol. 38, no. 19, p. 1084, Sept. (2002)」に記載されたものが報告されているが、本文献では信号入力パワーが−５ｄＢｍであるときに、５.７％のＰＣＥが得られている。本実施形態では、利得等化器の個数が削減され、信号光入力パワーが−５ｄＢｍのときに１.５６倍のＰＣＥ改善が得られている。すなわち、所要励起パワーは２／３に改善できる。

なお、本実施形態ではファイバブラッググレーティングによる利得等化器を用いたので、利得等化器の反射率が大きく、利得等化器の前後にアイソレータを挿入する必要があった。その結果、過剰損失が増大したが、利得等化器を誘電体多層膜などで形成すれば、ＰＣＥが更に改善できる。或いは、過剰損失分を利得等化用プロファイルとして役立てて、信号光波長域を１４９５ｎｍからもっと短波長側に広げられる。

以上は室温での実験結果であるが、図２０に示されるとおり、Ｐ／Ａｌ共添加ＥＤＦは、高温になる程、一定の励起パワーの元で高いＳバンド利得を示す。すなわち、信号光入力パワーおよび信号光出力パワーそれぞれが一定であるならば、ＰＣＥが更に改善されることになる。

図３４は、光増幅モジュール５を温度２５℃，５０℃および７５℃それぞれの環境で駆動した際の利得スペクトルを示す図である。同図（ａ）は、利得スペクトルを示し、同図（ｂ）は、温度５０℃のときの利得スペクトルを基準として、温度２５℃および７５℃それぞれのときの利得スペクトルの偏差を示す。図３５は、光増幅モジュール５における温度、励起光パワーおよびパワー変換効率（ＰＣＥ）を纏めた図表である。ここでは、信号光入力パワーを−５ｄＢｍと設定し、信号光出力パワーを＋１７.１ｄＢｍと設定した。

励起光源４１からＷＤＭ光カプラ３１を経て順方向から光増幅性導波路５１〜５３に供給される励起光のパワーＰ_１を６０.０ｍＷとし、励起光源４１からＷＤＭ光カプラ３２を経て逆方向から光増幅性導波路５１〜５３に供給される励起光のパワーＰ_２を５４.２ｍＷとし、励起光源４３からＷＤＭ光カプラ３３を経て順方向から光増幅性導波路５４〜５８に供給される励起光のパワーＰ_３を１１５.６ｍＷとした。また、励起光源４４からＷＤＭ光カプラ３４を経て逆方向から光増幅性導波路５４〜５８に供給される励起光のパワーＰ_４を、温度が２５℃であるときに４２７.０ｍＷとし、温度が５０℃であるときに３０４.０ｍＷとし、温度が７５℃であるときに２６２.０ｍＷとした。

温度７５℃のときは、温度２５℃のときと比べ、三割程度ＰＣＥが改善されることになる。なお、このとき、高温になる程、利得スペクトルは徐々に右下がりの傾斜を示す。

図３２を用いて説明したとおり、本実施形態の光増幅モジュールは、反転分布の変化があっても殆ど利得傾斜が生じない。これは、ＷＤＭ信号を広いダイナミックレンジで増幅する場合はメリットであるが、往々にしてＷＤＭ伝送システムでは伝送路ファイバ中の誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）現象による信号スペクトルの傾斜が生じることがある。このような場合、従来のＡｌ添加ＥＤＦでは、可変アッテネータと組合せて、ＤＧＴでＳＲＳ傾斜を補償することも可能であるが、図３０に示された光増幅モジュール５ではこれを行なえない。

したがって、損失スペクトル傾斜が可変である光減衰器（文献「H. Hatayama, C. Hirose, K. Koyama, N. Akasaka, and N. Nishimura, “Variable attenuation slope compensator (VASC) using silica-based planar lightwave circuit technology for active gain slope control in EDFAs”, OFC2000, Tech. Dig., WH7, 2000」参照）のようなデバイスを内蔵することが望ましい。ただし、このとき、過剰損失やコストも上昇してしまうので、図２４（ｂ）に示されるような温度制御によって生じる利得傾斜を活用する方式もコストやＰＣＥの観点からは望ましい。

以上に説明したような光増幅モジュールを光通信システムにおいて用いて、この光増幅モジュールにより波長域１４９０ｎｍ〜１５３０ｎｍの範囲内の多波長の信号光を光増幅して伝送するのが好適である。

本実施形態に係る光増幅モジュール１の構成図である。 実施例および比較例それぞれのＥＤＦの諸元を纏めた図表である。 タイプＡのＥＤＦの単位長さ当たりの非飽和利得ｇ*［ｄＢ／ｍ］および非飽和吸収α［ｄＢ／ｍ］それぞれの波長依存性を示すグラフである。 タイプＢのＥＤＦの単位長さ当たりの非飽和利得ｇ*［ｄＢ／ｍ］および非飽和吸収α［ｄＢ／ｍ］それぞれの波長依存性を示すグラフである。 タイプＣのＥＤＦの単位長さ当たりの非飽和利得ｇ*［ｄＢ／ｍ］および非飽和吸収α［ｄＢ／ｍ］それぞれの波長依存性を示すグラフである。 タイプＤのＥＤＦの単位長さ当たりの非飽和利得ｇ*［ｄＢ／ｍ］および非飽和吸収α［ｄＢ／ｍ］それぞれの波長依存性を示すグラフである。 タイプＥのＥＤＦの単位長さ当たりの非飽和利得ｇ*［ｄＢ／ｍ］および非飽和吸収α［ｄＢ／ｍ］それぞれの波長依存性を示すグラフである。 タイプＦのＥＤＦの単位長さ当たりの非飽和利得ｇ*［ｄＢ／ｍ］および非飽和吸収α［ｄＢ／ｍ］それぞれの波長依存性を示すグラフである。 タイプＣのＥＤＦおよびＡｌ添加ＥＤＦそれぞれについて、非飽和利得ｇ*および非飽和吸収αそれぞれの波長依存性を示すグラフである。 非飽和吸収ピークを６０ｄＢとしたときのタイプＢ〜ＦそれぞれのＥＤＦのＳバンド増幅特性を示す図である。 非飽和利得ｇ*および非飽和吸収αそれぞれのピーク値の比（ｇ*／α）とＡｌ濃度との関係を示すグラフである。 波長１４９０ｎｍにおける利得とＡｌ濃度との関係を示すグラフである。 波長１４９０ｎｍにおける利得とＰ濃度との関係を示すグラフである。 波長１４９０ｎｍにおける利得とＡｌ／Ｐの濃度比との関係を示すグラフである。 タイプＢ，ＣのＥＤＦの波長０.９８μｍ帯の非飽和吸収αの波長依存性を示すグラフである。 本実施形態に係る光増幅モジュール２の構成図である。 Ｃバンド除去フィルタ７１〜７３それぞれの損失スペクトルの一例を示す図である。 励起波長９７４ｎｍ，９７６ｎｍおよび９８１ｎｍそれぞれでのＡｌ添加ＥＤＦおよびＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦそれぞれの自然放出光スペクトルを示す図である。 吸収条長積７６ｄＢ，１２０ｄＢおよい２４０ｄＢそれぞれでのＡｌ添加ＥＤＦの利得特性および雑音指数特性を示す図である。 タイプＣのＰ／Ａｌ共添加ＥＤＦ（吸収条長積＝２４０ｄＢ）およびＡｌ添加ＥＤＦ（吸収条長積＝１２０ｄＢ）それぞれのＳバンド増幅特性を示す図である。 一般的なフィルタの損失スペクトルの例を示す図である。 一般的なフィルタを用いた場合の光増幅モジュール２のトータル信号出力パワーをシミュレートした結果を示す図である。 図１６に示した光増幅モジュール２をＰＬＣ上に実現した構成を示す斜視図である。 ＷＤＭカプラとしてのマッハツェンダ干渉計の構成図である。 ＷＤＭカプラとしてのマッハツェンダ干渉計の光結合特性を示す図である。 ＰＬＣ上に構成した他の実施形態に係る光増幅モジュール３の構成を示す平面図である。 ＰＬＣ上に構成した他の実施形態に係る光増幅モジュール４の構成を示す平面図である。 本実施形態に係るレーザモジュール９の構成図である。 従来のＡｌ添加ＥＤＦおよび図２中の実施例のタイプＣのＥＤＦそれぞれのＶ(λ)を示す図である。 本実施形態に係る光増幅モジュール５の構成図である。 光増幅モジュール５に含まれる利得等化器７８，７９の損失スペクトルを示す図である。 光増幅モジュール５において入力コネクタ１１に入力される信号光のパワーを−９ｄＢｍ，−５ｄＢｍおよび−１ｄＢｍそれぞれとしたときの利得スペクトルを示す図である。 光増幅モジュール５における励起光パワーおよびパワー変換効率（ＰＣＥ）を纏めた図表である。 光増幅モジュール５を温度５０℃および７５℃それぞれの環境で駆動した際の利得スペクトルを示す図である。 光増幅モジュール５における温度、励起光パワーおよびパワー変換効率（ＰＣＥ）を纏めた図表である。 本発明の平面光導波路デバイスを複数有する光増幅モジュールの実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

１〜６…光増幅モジュール、９…レーザモジュール、１１…入力コネクタ、１２…出力コネクタ、２１〜２６…光アイソレータ、３１〜３４…ＷＤＭカプラ、３６〜３８…光カプラ、４１〜４４…励起光源、４６，４７…受光素子、５０〜５８…光増幅性導波路、６１〜６８…ＷＤＭカプラ、７１〜７７…Ｃバンド除去フィルタ、７８，７９…利得等化用フィルタ、８１〜８７…バイパス用光導波路、９１〜９４…光ファイバ。

Claims (23)

1. シリカガラスを主成分とし、光導波領域の少なくとも一部にエルビウム元素を有し、１４９０ｎｍ〜１５２０ｎｍの付近の光を増幅する光増幅性導波路であって、
   前記光増幅性導波路の誘導放出断面積および吸収断面積の少なくとも一方は、波長１.５３μｍ帯のピークより短波長側で極大値をもち、
   前記光導波領域の少なくとも一部のエルビウム元素添加領域は、リン元素と酸化アルミニウムを有し、
   前記酸化アルミニウムを構成するアルミニウム元素の前記光導波路領域における平均濃度は、０.７５重量％以下である
   ことを特徴とする光増幅性導波路。
2. 前記光増幅性導波路の単位長さ当たりの非飽和吸収のピーク値に対する単位長さ当たりの非飽和利得のピーク値の比は、０.８以上である、
   ことを特徴とする請求項１記載の光増幅性導波路。
3. 前記リン元素の濃度に対する前記アルミ元素の濃度の比率は、０.１７以下である、
   ことを特徴とする請求項１記載の光増幅性導波路。
4. 前記光増幅性導波路は、光ファイバである、
   ことを特徴とする請求項１記載の光増幅性導波路。
5. 前記光増幅性導波路は、平面光導波路である。
   ことを特徴とする請求項１記載の光増幅性導波路。
6. 反転分布の変化に起因する利得の変化量のスペクトルが、所定の波長域で、少なくとも一つの極小値をとる、
   ことを特徴とする請求項１記載の光増幅性導波路。
7. 波長域１４７０〜１５３０ｎｍに含まれる２５ｎｍ以上の波長範囲において、平均利得で規格化された反転分布に起因する利得スペクトルの変化量は、±０.２５ｄＢの範囲内である、
   ことを特徴とする請求項１記載の光増幅性導波路。
8. 前記変化量は±０.１の範囲内である、
   ことを特徴とする請求項７記載の光増幅性導波路。
9. 信号光の入力端子、信号光の出力端子、および、請求項１記載の光増幅性導波路からなる光増幅モジュールであって、
   前記光増幅モジュールは、前記入力端子に入力した波長域１４９０ｎｍ〜１５３０ｎｍ内の波長の信号光を光増幅して前記出力端子から出力する、
   ことを特徴とする光増幅モジュール。
10. 前記光増幅性導波路へ供給される励起光の波長は、波長域９７９ｎｍ〜９８１ｎｍ内にある、
    ことを特徴とする請求項９記載の光増幅モジュール。
11. 前記光増幅性導波路の中途に挿入され、１.５３μｍ帯ＡＳＥピーク波長における消光比が４６ｄＢ以上であるＡＳＥ除去フィルタをさらに有する、
    ことを特徴とする請求項９記載の光増幅モジュール。
12. 信号光の波長範囲において、平均利得で規格化された反転分布に起因する利得スペクトルの変化量は、±０.２５ｄＢの範囲内である、
    ことを特徴とする請求項９記載の光増幅モジュール。
13. 前記変化量は±０.１の範囲内である、
    ことを特徴とする請求項１２記載の光増幅モジュール。
14. 信号光の波長範囲の少なくとも一部が１４８８〜１５１８ｎｍと重複する、
    ことを特徴とする請求項１２記載の光増幅モジュール。
15. 基板上に請求項５記載の光増幅性導波路を有することを特徴とする平面光導波路デバイス。
16. 信号光の入力端子、信号光の出力端子、および、請求項７記載の光増幅性導波路からなる光増幅モジュールであって、
    信号光の波長範囲の少なくとも一部が１４８８〜１５１８ｎｍと重複する、
    ことを特徴とする光増幅モジュール。
17. 前記基板の側面の折り返し位置で折り返す折り返し導波路と、
    前記折り返し位置にＡＳＥ除去フィルタをさらに有し、
    前記光増幅性導波路と前記折り返し導波路は接続されて信号光を伝搬させる、
    ことを特徴とする請求項１５記載の平面光導波路デバイス。
18. 前記基板上にＡＳＥ除去フィルタをさらに有する、
    ことを特徴とする請求項１５記載の平面光導波路デバイス。
19. 前記ＡＳＥ除去フィルタの少なくとも１個を励起光がバイパスする経路を具備する、
    ことを特徴とする請求項１７または１８に記載の平面光導波路デバイス。
20. 信号光を入出力する入出力ファイバの全てを前記基板の同一側面に具備する、
    ことを特徴とする請求項１５記載の平面光導波路デバイス。
21. 請求項１５記載の平面光導波路デバイスを複数有する光増幅モジュールであって、
    少なくとも二つの前記平面光導波路デバイスは、光ファイバを介さずに実装されている、
    ことを特徴とする光増幅モジュール。
22. 請求項１記載の光増幅性導波路を有するレーザモジュールであって、
    発振波長を１４８０ｎｍ以下の波長に設定することができる、
    ことを特徴とするレーザモジュール。
23. 請求項９記載の光増幅モジュールを信号光伝送経路上に有する光通信システムであって、
    波長域１４９０ｎｍ〜１５３０ｎｍ内の波長の信号光を前記光増幅モジュールにより光増幅して光伝送する、
    ことを特徴とする光通信システム。
    

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