JP4728778B2

JP4728778B2 - 光増幅用ファイバの評価方法、光増幅用ファイバ及び光増幅器

Info

Publication number: JP4728778B2
Application number: JP2005319321A
Authority: JP
Inventors: 陽子森合; 景一相曽
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-11-02
Also published as: JP2007129013A

Description

本発明は光通信システムに利用される光増幅用ファイバに関し、具体的には光増幅器に用いられる光増幅用ファイバとその評価方法及び当該光増幅用ファイバを具備する光増幅器に関するものである。

近年の光通信システム分野では、光通信の大容量化に不可欠なWDM（Wavelength Division Multiplexing）伝送および、それを用いた機能的な光通信網であるフォトニクスネットワークの構築を目指した研究開発が進められている。石英系光ファイバのコア部に希土類元素であるエルビウム（Er）を添加したエルビウムドープファイバ（EDF）は、石英系光ファイバの最低損失波長帯と同じ1.55μｍ波長帯に増幅帯域を持ち、また伝送用ファイバとほとんど同一材料・構造とすることができるため、伝送用ファイバとの間における接続損失が小さく、さらにＥｒの添加されたコア部において高い励起光密度の励起光と信号光とをオーバーラップしたまま長距離を維持できるため、高効率・高利得な進行波型増幅器が実現できるなどといった特長を有する。従って、エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)はWDM伝送システムにおいて大きな役割を担っている。
EDFの増幅帯域特性は実際の1.5μｍ帯伝送システムにおいて使用可能な伝送帯を決定付け、特に近年のWDM伝送システムにおいては、EDFの利得帯域の帯域幅と平坦性は、その伝送システムで利用できる光信号多重数を決定する重要な特性となっている。長距離、高速、大容量の通信ネットワークを実現するためには、使用可能な伝送帯域を拡大する必要がある。このためWDM伝送システムのキーデバイスとなるEDFの増幅帯域の帯域幅と平坦性の向上が必要とされている。

EDFの増幅帯域の平坦性を向上させる手法としてはコア部にAlを共添加する方法が知られており、Alを高濃度で添加するほど利得平坦性が向上することが知られている。
須藤昭一、「エルビウム添加光ファイバ増幅器」、オプトロニクス社、１９９９年

Al濃度が分かれば利得平坦度は一義的に決まるため、Al濃度が分かれば利得平坦度は推定できるが、Al濃度の測定には別途化学分析を行う必要がある。

また、実際に利得平坦性の測定を行うためには測定用のシステムを構築する必要があり、光増幅用ファイバ単体で容易に利得平坦度を推定できる評価方法が望まれている。

上記の問題を解決するため、本発明では光増幅用ファイバ単体で増幅帯域の利得平坦性の評価を行う新しい方法、十分な利得平坦性を有する光増幅用ファイバ、及びこのような光増幅用ファイバを具備する光増幅器を提供する。

本発明の光増幅用ファイバの評価方法は、希土類元素であるエルビウム（Er）を少なくともコアの一部に添加した光増幅用ファイバにおいて、当該ファイバの波長1540nmから1560nmの範囲における利得の最大値と最小値の差を利得平坦度とした場合に、1480ｎｍの波長における吸収値α₁₄₈₀と光増幅用ファイバの吸収ピーク値α_peakの比（α₁₄₈₀/α_peak）を得て、得られた吸収ピーク値α_peakの比から利得平坦度を推定することを特徴とする。

また、本発明の光増幅用ファイバは、希土類元素であるエルビウム（Er）を少なくともコアの一部に添加した光増幅用ファイバにおいて、1480ｎｍの波長における吸収値α₁₄₈₀と光増幅用ファイバの吸収ピーク値α_peakの比α₁₄₈₀/α_peakが0.38以上であることを特徴とする。

また、本発明の光増幅用ファイバは、希土類元素であるエルビウム（Er）を少なくともコアの一部に添加した光増幅用ファイバにおいて、1480ｎｍの波長における吸収値α₁₄₈₀と光増幅用ファイバの吸収ピーク値α_peakの比α₁₄₈₀/α_peakが0.42以上であることを特徴とする

また、本発明の光増幅器は、上述の本発明の光増幅用ファイバを含むことを特徴とする。

本発明は、増幅帯域の利得平坦性を1480ｎｍにおける単位長当りの吸収（吸収係数）値α₁₄₈₀と信号光波長帯における光増幅用ファイバの吸収ピーク値α_peakの比（α₁₄₈₀/α_peak）で評価することで、光増幅用ファイバ単体で増幅帯域の平坦性を評価することを可能にする。また、波長1480ｎｍにおける単位長当りの吸収（吸収係数）値α₁₄₈₀と光増幅用ファイバの吸収係数ピーク値α_peakの比（α₁₄₈₀/α_peak）を0.38以上と大きくすることで、利得帯域の平坦性の向上が達成できる。より好ましい条件としては、α₁₄₈₀/α_peak値が0.42以上であれば利得平坦度がさらに向上可能である。加えて、波長1480nmの励起光による励起を行う場合、励起光吸収帯である1480ｎｍ付近の吸収が増大することにより、反転分布率が増大し雑音指数の低減も期待できる。

EDFの増幅帯域特性は、ファイバのホストガラスの組成によりErイオンの受ける結晶場が変化し、そのシュタルク分裂の度合いが異なることや、Erイオンが配位する場所が微妙に異なることにより大きく変化する。増幅帯域を改善するドーパントとして、アルミニウム（Al）、リン（P）、ランタン（La）等が知られている。
そこで、実施例としてドーパント組成の濃度を変えた3水準のEDFを試作して利得平坦性にどのような影響があるか調査した。また、比較例として従来型のEDFもあわせて調査した。これらの4種類のEDFの屈折率プロファイルは全てステップインデックス型プロファイルである。各ドーパント組成の添加は一般的な気相法、含浸法により添加している。各ファイバの諸元を表1に示す。EDFの単位長当りの吸収（吸収係数）を測定し、吸収スペクトルの変化を調べた。得られた吸収スペクトルから波長1480nmにおける吸収値と波長1530nm付近における吸収ピーク値との比（α₁₄₈₀/α_peak）の比較を行った。表1に試作したEDF1〜3及び従来型のEDFのα₁₄₈₀/α_peak値を示す。また、図1に波長1530nm付近の吸収ピーク値で規格化したEDF1〜3の吸収スペクトルの拡大図（波長1450〜1520nm付近）を示す。

表1及び図１の結果から従来型EDFに比べてドーパント組成の濃度を変えた3種類のEDF1〜3においてはα₁₄₈₀/α_peak値が大きくなることが確認された。すなわち、添加するドーパントの組成濃度（本実施例においてはAl濃度）が変化すると、吸収スペクトルの波長1480nm付近の吸収値が波長1530nm付近のピークに比べて相対的に増加することを確認した。また、図１に示すように、EDF1〜3においては従来型EDFに比べて1480nmの吸収が増加しており、これにより反転分布率が増大し、1480nm励起での効率が改善されることが予想される。

このようなα₁₄₈₀/α_peak値が異なるEDF1〜3と従来型のEDFを使用して増幅特性評価を行ない、α₁₄₈₀/α_peak値の違いによる増幅特性への影響を調べた。測定系の構成図を図2に示す。測定条件は、波長1480ｎｍ（1.48μｍ）のレーザ（LD）による双方向励起で、光源として8ch-WDM光源を使用した。各光源の波長は1530〜1560nmの範囲において600GHz間隔で配置した。入力信号パワーは-20dBm/ch、励起光パワーは110ｍWとした。EDF長は、吸収条長積(波長1530ｎｍにおける吸収値とファイバ長の積)がいずれの場合も約100ｄＢになるように調整した。各EDFの利得平坦性を調べるために利得平坦度ΔGの比較を行った。ΔGの定義は、図3に示すように、波長1540〜1560nmの範囲における利得の最大値と最小値の差とした。表2にEDF1〜3及び従来型EDFについての利得平坦度ΔGの測定結果を示す。また、図4に各α₁₄₈₀/α_peak値における利得平坦度ΔＧを比較したグラフを示す。ΔGがα₁₄₈₀/α_peak値に依存して変化することが示された。

表2及び図4の結果よりα₁₄₈₀/α_peak値とΔGに相関関係があることがわかる。この関係から、増幅用ファイバのα₁₄₈₀/α_peak値を求めることで利得平坦性を評価することが可能となる。すなわち、図4に示す相関関係が予め知られていれば、評価すべき光増幅用ファイバのα₁₄₈₀/α_peak値を得るだけで当該ファイバの利得平坦性が推定可能である。加えて、図4においてα₁₄₈₀/α_peak値の増加に伴い、1540〜1560nm帯の利得平坦性が向上していることがわかる。図4の結果から、α₁₄₈₀/α_peak値が0.38以上であるとΔGが3ｄB以上となるのがわかる。利得等価器による利得偏差の補償のしやすさ、平坦後の利得低下の制御等からΔGは3ｄB以下が望ましい。このためα₁₄₈₀/α_peak値は0.38以上であればよいことがわかる。さらに、より好ましい条件としてはα₁₄₈₀/α_peak値が0.42以上であるとΔGが2ｄB以下となる。すなわち、α₁₄₈₀/α_peak値が0.38以上もしくは0.42以上となるように光増幅用ファイバを設計することにより、優れた利得平坦性を有する光増幅用ファイバが得られる。加えて、波長1480nmの励起光による励起を行う場合、励起光吸収帯である1480ｎｍ付近の吸収が増大することにより、反転分布率が増大し雑音指数の低減も期待できる。

尚、波長1480ｎｍ付近における吸収値はEDFのホストガラス（本実施例においては、ＳｉＯ_２、ＧｅＯ_２、及びＡｌ_２Ｏ_３からなる）にのみ依存するため、屈折率プロファイル等、EDFの他の特性が異なる場合であっても、吸収値の比は図４の関係を満たすと考えられる。

また、α₁₄₈₀/α_peak値を増大させればΔGが減少することが図4からわかるが、α₁₄₈₀/α_peak値を増大するためには非常に高濃度のドーパントを共添加させる必要がある。しかし、α₁₄₈₀/α_peak値を大きくするためにコアに高濃度のドーパントを添加すると、母材化中にクラックや泡が発生するなどの問題が生じ、ファイバ化が困難となる。従って、製造上の観点から、α₁₄₈₀/α_peak値は0.5程度を上限とすべきであると考えられる。

本実施例においては、希土類元素としてEr元素を添加しているが、Er以外の希土類元素を共添加してもよい。また、本実施例ではドーパントとしてGe、Alを添加しているがこれらの元素に限定されるものではない。また、本実施例では添加物の添加方法は気相法、含浸法の両方法を用いているが、これらの添加方法に限定されるものではない。

また、本実施例においては、波長1480ｎｍの励起光を使用したが、980ｎｍ等、他の波長の励起光を使用した場合にも同様の結果が得られるであろう。

さらに、本実施例においては波長1530〜1560nmの範囲の信号光を増幅するのに適したEDFを使用したが、より長波長（例えば、Ｌバンド（1565〜1625ｎｍ））の信号光を増幅するのに適したEDFの利得平坦度の評価に際しても、本発明の方法を適用しうる。

本発明による優れた利得平坦性を有する光増幅用ファイバ１１を具備する光ファイバ増幅器１０を図５に示す。図５において、本発明の光増幅用ファイバ１１が光ファイバ増幅器１０内に設けられている。この本発明の光ファイバ増幅器１０を適用した光通信システム２０を図６に示す。

本発明の光ファイバ増幅器１０は、入力した信号光を光増幅して出力するためのものであり、図５に示すように、信号光を入力する入力端１６ａと、光増幅後の信号光を出力する出力端１６ｂと、信号光の進行方向を揃えるための光アイソレータ１７ａ、１７ｂと、励起光を供給する励起光源１９ａ、１９ｂと、信号光に励起光源１９ａ、１９ｂから供給される励起光を合波するためのＷＤＭカプラ１８ａ、１８ｂと、本発明の光増幅用ファイバ１１とを備える。また、光通信システム２０は、信号光を長距離伝送するためのものであり、図６に示すように、信号光を送信する送信器２１ａと、伝送後の信号光を受信する受信器２１ｂと、信号光を伝送する光ファイバ伝送路２２と、伝送中の信号光を光増幅するための本発明の光ファイバ増幅器１０とを備える。

雑音指数が大幅に改善され、優れた利得平坦度を有する本発明の光増幅用ファイバ１１を具備する光増幅器１０を用いた光通信システム２０においては、受信側のエラーが低減され高品質な信号光の長距離伝送が可能となる。

表1のEDF1〜3及び従来型EDFの波長1480nm付近における吸収スペクトルを比較したグラフである。 EDFの増幅特性を評価する測定系の構成図である。利得平坦度ΔＧの定義を示すグラフである。各α₁₄₈₀/α_peak値における利得平坦度ΔＧを比較したグラフである。本発明による光ファイバ増幅器の構成を示す図である。図5に示す本発明の光ファイバ増幅器を備えた光通信システムの構成を示す図である。

Claims

エルビウム（Er）を少なくともコアの一部に添加し、ホストガラスがＳｉＯ _２、ＧｅＯ _２、及びＡｌ _２Ｏ _３からなる光増幅用ファイバの評価方法であって、前記光増幅用ファイバの波長1540nmから1560nmの範囲における利得の最大値と最小値の差を利得平坦度とした場合に、
Ａｌドーパント濃度に依存する1480ｎｍの波長における吸収値α₁₄₈₀と前記光増幅用ファイバの吸収ピーク値α_peakの比（α₁₄₈₀/α_peak）を得るステップと、
前記利得平坦度を前記吸収ピーク値α_peakの比（α₁₄₈₀/α_peak）から推定するステップとからなることを特徴とする光増幅用ファイバの評価方法。