JP4846770B2

JP4846770B2 - 光増幅器

Info

Publication number: JP4846770B2
Application number: JP2008201294A
Authority: JP
Inventors: 道弘中居; 哲弥酒井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2019-06-28
Also published as: JP2008263245A

Description

本発明はクラッドにも励起光を導波させる機構を備えた希土類ドープ光ファイバからなる光増幅器に関し、特に光ファイバグレーティングを用いて励起効率を向上できるようにしたものである。

近年、光通信分野で伝送容量を飛躍的に向上させたのは光増幅器の出現によるところが大きい。図６は従来の一般的な光増幅器の例を示した概略構成図である。この図に示されるように、光増幅器は、一般に、希土類金属をドープした石英系光ファイバ１のコアに信号光と励起光を平行して導波させるように構成されており、励起光によって励起された希土類金属が信号光により誘導放出されることで増幅作用が得られるようになっている。図中符号２は励起光源、３はアイソレータをそれぞれ示している。また、最近では光増幅器に用いられる希土類ドープ光ファイバ１を、図７に示すように２層のクラッド１２，１３を有するダブルクラッド構造として、内側クラッド部１２にも励起光を導波させて光増幅特性をさらに高出力化、低雑音化する技術が開発されている。図中符号１１はコア、１３は外側クラッド部をそれぞれ示している。コア径は例えば４μｍであり、内側クラッド径は例えば３０μｍで、外側クラッド径は例えば１２５μｍである。

このように希土類ドープ光ファイバ１をダブルクラッド構造とした光増幅器、すなわち、内側クラッド部１２にも励起光を導波させる構造の光増幅器（以下、クラッド励起光増幅器という）は、高出力の励起光源を使用することができるので、励起光源の出力を増大させることにより出力特性を飛躍的に向上させることができる。しかしながら、励起光パワーに対する励起効率の点で、従来の光増幅器に比べて著しく劣るという欠点もあった。すなわち、クラッド励起光増幅器に入射される信号光は、その電界のほとんどがコア１１内に存在しているため、増幅作用に寄与する希土類金属も、主にコア１１内に存在している。したがって、クラッド励起光増幅器に入射される励起光のうち、光増幅に寄与しているのは、ほとんどがコア１１内を伝搬する励起光であり、内側クラッド部１２を伝搬する励起光はほとんど光増幅に使用されないことになり、このため励起効率は低くなる。図８は、励起光をクラッド励起光増幅器へ入射した時の電界強度分布（図中、破線で示す）と１００ｍ導波後の電界強度分布（図中、実線で示す）を示したものである。この図より、コア１１内を伝搬する励起光は１００ｍ導波する間にドーパントの励起のために吸収されて減衰しているのに対して、内側クラッド部１２内を伝搬する励起光はほとんど減衰しておらず、ドーパントの励起にほとんど使用されていないことがわかる。そして、入射励起光全体のパワーに対して励起のために吸収された光はわずかであり、励起効率が悪いことがわかる。

ここで、クラッド励起光増幅器における励起効率が低い理由について説明する。クラッド励起光増幅器内を伝搬する励起光は、実際には複数の導波モードが存在しており、図８における入射励起光はこれらの結合によって表されている。そしてこれら複数の導波モードのなかには、図９に示す１次モードのようにコア付近にほとんど電界成分を持たないモードがあり、このような導波モードはドーパントの励起にはほとんど寄与しない。またこれとは逆に、図１０に示す０次モードのようにコア付近に強い電界成分をもつ導波モードも存在している。そこで、図７に示すダブルクラッド構造の希土類ドープ光ファイバのコア１１における光の吸収率がαであるときの、この希土類ドープ光ファイバ中を伝搬する光の電界強度を下記数式（I）で定義し、α＝１．０×１０-1（単位：ｌ／ｍ）として導波モードごとに電界強度の変化状態をシュミレートした。Ｐ＝Ｐ０×exp［−αＺ］ …（I）（式中、ＰはＺでのパワー、Ｐ０は初期パワー、Ｚは伝搬距離である。）図１１は０次モード、図１２は１次モード、図１３は２次モード、図１４は４次モード、図１５は５次モードをそれぞれシュミレートした結果である。これらの図に示されるように、０次モードは伝搬中に減衰し、例えば１００ｍ伝搬した時点で入射時の電界強度の２〜３％程度になっている。このことから、この０次モードがコアに吸収されて効率良くドーパントを励起していることがわかる。一方、１次モード、２次モード、４次モード、および５次モードは、１００ｍ伝搬後も入射時の電界強度の５０％以上が残存しており、ドーパントの励起にほとんど寄与していないことがわかる。

上述したように、従来のコアにのみ励起光を伝搬させるタイプの光増幅器では、励起効率を向上させるために、励起光入射端の反対側の出射端に全反射ミラーを設けて、出射光を再度光増幅器内へ入射させる構造とすることも提案されている。しかしながらクラッド励起光増幅器においては、上述したように励起光全体のパワーに対して励起に寄与するパワーが小さいので、仮に一度光増幅器内を通過した励起光を再び光増幅器内へ入射させたとしても、励起効率を向上させる効果は小さい。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、クラッド励起光増幅器における励起効率を向上させることを目的とする。

本発明の請求項１に記載の光増幅器は、コアと、このコアの周囲に設けられ該コアよりも低屈折率の内側クラッドと、この内側クラッドの周囲に設けられ該内側クラッドよりも低屈折率の外側クラッドを有し、前記コアに希土類金属がドープされている光ファイバからなる光増幅器であって、
前記光増幅器を構成する前記光ファイバに対して、マイクロベンディングによる周期的な摂動が形成された光ファイバグレーティングを設け、前記光増幅器に入射される励起光の複数の導波モードのうち、前記希土類金属の励起に寄与する導波モードに、前記希土類金属の励起に寄与しない導波モードを結合させてなることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の光増幅器は、請求項１において、前記マイクロベンディングによる周期的な摂動の周期をΛ１、光増幅器に入射される励起光に存在する複数の動波モードのうち、希土類金属の励起に寄与する０次モードの伝搬常数をＢ０、前記０次モード以外の特定の高次モードの伝搬常数をＢｎとした時に、
（Ｂ０−Ｂｎ）＝２π／Λ１
の関係を満たすことを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の光増幅器は、請求項２において、前記マイクロベンディングによる周期的な摂動の周期をΛ１が、１５０μｍ以上、３００μｍ以下の長周期であることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の光増幅器は、コアと、このコアの周囲に設けられ該コアよりも低屈折率の内側クラッドと、この内側クラッドの周囲に設けられ該内側クラッドよりも低屈折率の外側クラッドを有し、前記コアに希土類金属がドープされている光ファイバからなる光増幅器であって、
前記光増幅器の励起光入射端と反対側の出射端に対して、前記内側クラッドの径と同じコア径を有する光ファイバに周期的な摂動が形成された光ファイバグレーティングを接続し、前記光増幅器に入射される励起光の複数の導波モードのうち、前記希土類金属の励起に寄与する導波モードの反射光に、前記希土類金属の励起に寄与しない導波モードを結合させてなることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の光増幅器は、請求項４において、前記出射端に接続される光ファイバに形成される周期的な摂動の周期をΛ２、光増幅器に入射される励起光に存在する複数の動波モードのうち、希土類金属の励起に寄与する０次モードの伝搬常数をＢ０、その反射光の伝搬常数を−Ｂ０、前記０次モード以外の特定の高次モードの伝搬常数をＢｎとした時に、
（Ｂｎ−（−Ｂ０））＝（Ｂｎ＋Ｂ０）＝２π／Λ２
の関係を満たすことを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の光増幅器は、請求項５において、前記光ファイバグレーティングにおける周期的な摂動の周期をΛ２が、３００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の短周期であることを特徴とする。

本発明の光増幅器によれば、クラッド励起光増幅器に入射される励起光のうち、そのままではドーパントの励起に使用されない光パワーを、光ファイバグレーティングを用いてドーパントの励起に使用される導波モードに結合させることによってドーパントの励起に有効に使用することができるので、光増幅器の励起効率を向上させることができる。また、光増幅器を構成する光ファイバに周期的な摂動を形成して光ファイバグレーティングを設ける構成とすれば、光ファイバグレーティングを設けることによって光増幅器が大型化することがないので、光デバイスのコンパクト化を図る上で好ましい。一方、光増幅器を構成する光ファイバとは別に、光ファイバに周期的な摂動を形成してなる光ファイバグレーティングを、光増幅器を構成する光ファイバの出射端に接続する構成とすれば、光増幅器と光ファイバグレーティングをそれぞれ作製して接続すればよいので、製造が簡単であるという利点が得られる。

以下、本発明を詳しく説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示した概略構成図である。本実施形態の光増幅器が従来のクラッド励起光増幅器と異なる点は光増幅器２０を構成する光ファイバに周期的な摂動が形成されており、この光ファイバがグレーティング機能を有している点である。図１において符号２は励起光源、３はアイソレータである。励起光源２としては、例えば発振波長９８０ｎｍのレーザダイオード（ＬＤ）が用いられる。本実施形態の光増幅器２０は、図７に示すようなダブルクラッド構造を有する光ファイバからなっている。すなわち、この光増幅器２０を構成している光ファイバは、中心部に高屈折率のコア１１が設けられており、その周囲にコア１１よりも低屈折率の内側クラッド１２が設けられており、さらに内側クラッド１２の周囲には、この内側クラッド１２よりも低屈折率の外側クラッドが設けられている。コア１１と内側クラッド１２との屈折率差は０．２〜２％程度、内側クラッド１２と外側クラッド１３との屈折率差は０．２〜１０％程度とされる。また、コア１１には希土類金属がドープされている。希土類金属としては、例えばエルビウムなど光増幅器におけるドーパントとして従来周知のものを用いることができる。

そして、光増幅器２０を構成している光ファイバは、その長さ方向に周期的な摂動が形成されており、光ファイバグレーティングとしての機能も備えている。光増幅器２０内に周期的な摂動を形成する方法としては、例えば周知のフォトリフトラクティブ効果を利用して、予めゲルマニウムをコア１１および内側クラッド１２に添加しておき光ファイバ側面から位相マスクを介して紫外光を照射することによって、コア１１および内側クラッドの屈折率を光ファイバ長さ方向に周期的に変化させる方法を用いることができる。あるいは、例えば図２に示すように、光増幅器２０を構成している光ファイバの一部を、光ファイバとの接触面に凹凸を有する２つのブロック２５，２６で挟むことによって、この光ファイバを蛇行した波状に保持する方法を採用することもできる。この場合、光ファイバの蛇行した部分がグレーティングとなり、周期的なマイクロベンド（小さな曲がり）によって電磁界分布と屈折率分布とに周期的な変化が生じ、この摂動によって特定のモード間の結合が生じる。また特開平７−３３３４５３号公報に開示された方法でグレーティングを形成することもできる。この方法は、図３（ａ）に示すように、まず光増幅器２０を構成している光ファイバの表面に切欠部２７を長さ方向に所定間隔で複数形成する。この状態で、切欠部２７においては光ファイバ径が小さくなっており、図中符号一点鎖線で示されているファイバ軸は直線状となっている。次いで、この光ファイバ全体を加熱して軟化させると、図３（ｂ）に示すように、ガラスの表面張力の効果により光ファイバの表面がなめらかになるとともに、ファイバ軸がほぼ正弦波状に蛇行した状態となり、周期的なマイクロベンドによるグレーティングが形成される。

光増幅器２０に形成される摂動の周期Λ１は、光増幅器２０に入射される励起光に存在する複数の導波モードのうち希土類金属の励起に寄与する０次モード（基本モード）の伝搬常数をＢ０とし、それ以外のある特定の高次モードの伝搬常数をＢｎとすると、（Ｂ０−Ｂｎ）＝２π／Λ１となるように設定される。このように摂動の周期Λ１を設定することにより、該特定の高次モード（伝搬常数Ｂｎ）を０次モード（伝搬常数Ｂ０）に結合させることができる。また本実施形態のように光増幅器２０内にグレーティングを形成する場合は、基本モードの伝搬方向と、これに結合させる特定の高次モードの光の伝搬方向を同方向とした方が効率が良いので、Ｂ０とＢｎとを同符号とすることが好ましい。したがって、これら２つの伝搬常数の差（Ｂ０−Ｂｎ）は小さくなり、好ましい周期Λ１の値は１５０μｍ〜３００μｍ程度の長周期となる。本実施形態において、光増幅器を構成している希土類ドープ光ファイバの長さは、好ましくは１〜８０ｍ程度であり、グレーティングはその一部または全部に形成される。

本実施形態の光増幅器２０によれば、光増幅器２０を構成している光ファイバ内に光ファイバグレーティングを形成するとともに、その摂動の周期Λ１を適切に設定することにより、内側クラッド１２を伝搬する励起光の高次モードとコア１１を伝搬する励起光の基本モードとの結合が生じる。そして光増幅器２０では、コア１１を伝搬する基本モードはコアに吸収されてドーパントの励起に寄与するので伝搬中に減衰することから、結果的に内側クラッド１２の高次モードからコア１１の基本モードへの結合が生じる。すなわち本実施形態によれば、光増幅器２０を伝搬する励起光のうち、そのままではドーパントの励起に寄与できない導波モードを、ドーパントの励起に有効に寄与する基本モードに選択的に結合させることができる。その結果、励起光パワーのうちドーパントの励起に使用される光パワーが増大し、光増幅器２０の励起効率が向上する。

図４（ａ）は本発明の第２の実施形態を示した概略構成図である。図１と同じ構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。本実施形態の光増幅器３０が従来のクラッド励起光増幅器と異なる点は、光増幅器３０の励起光源２とは反対側に光ファイバグレーティング４０が設けられている点である。本実施形態における光増幅器３０を構成する光ファイバは、グレーティングが形成されていない点を除いては前記第１の実施形態における光増幅器２０を構成する光ファイバと同様の構成である。すなわち、光増幅器３０は、図７に示すようなダブルクラッド構造を有し、コア１１にエルビウムなどの希土類金属がドープされた光ファイバからなっている。

本実施形態における光ファイバグレーティング４０は、光増幅器３０を構成している光ファイバにおける内側クラッド１２の径と同じコア径を有し、希土類金属がドープされていない光ファイバに、その長さ方向に沿って周期的な摂動を形成することによって好ましく構成され、光増幅器３０の励起光の入射端とは反対側の出射端に接続される。光増幅器３０における内側クラッド１２の径と光ファイバグレーティング４０のコア径を等しくすることにより、これらの接続による接続損失を小さくすることができる。この光ファイバグレーティング４０における摂動の周期Λ２は、光増幅器３０に入射される励起光に存在する複数の導波モードのうち希土類金属の励起に寄与する０次モード（基本モード）の伝搬常数をＢ０とすると、この基本モードの反射光の伝搬定数は（−Ｂ０）となる。そして基本モード以外のある特定の高次モードの伝搬常数をＢｎとするとき、摂動の周期Λ２は、（Ｂｎ−（−Ｂ０））＝（Ｂｎ＋Ｂ０）＝２π／Λ２となるように設定される。このように摂動の周期Λ２を設定することにより、図４（ｂ）に示すように特定の高次モード（伝搬常数Ｂｎ）を基本モードの反射光（伝搬常数−Ｂ０）に結合させることができる。また光ファイバグレーティング４０における摂動が、例えば周期的なコア屈折率の摂動であってその摂動の方向が光ファイバ長さ方向に対して傾けられているスラント型の周期的摂動であるならば、基本モードの反射光に結合される特定の高次モードを奇モードとすることができる。また摂動が光ファイバ長さ方向に対して傾きを有していない場合は、基本モードの反射光に毛集うされる特定の高次モードは偶モードとなる。本実施形態においては、グレーティングにおいて結合させる２つの光の向きは互いに逆となり、したがって両者の伝搬常数の符号は異符号となる。このため、これら２つの伝搬常数の差（Ｂｎ−(−Ｂ０)）は前記第１の実施形態よりも大きくなり、周期Λ２の値はおおよそ３００ｎｍ〜３５０ｎｍと短周期となる。

このような短周期の光ファイバグレーティング４０を作製する方法としては、例えば周知のフォトリフトラクティブ効果を利用して、予めゲルマニウムをコアに添加した光ファイバに対して、側面から位相マスクを介して紫外光を照射することによって、コアの屈折率を光ファイバ長さ方向に周期的に変化させる方法を用いることができる。またスラント型の周期的摂動を有する光ファイバグレーティング４０を得るには、フォトリフトラクティブ効果を利用する際に、例えば図５に示すように、石英ガラスからなる位相マスク４３の片面に形成されている周期的な格子４３ａ、４３ａ…が、光ファイバ４０ａの軸方向に対して斜めになるようにセットした状態で、この位相マスク４３を介して光ファイバ４０ａに紫外光を照射すればよい。

本実施形態の光増幅器によれば、光ファイバグレーティング４０の摂動の周期を適切に設計することによって、光増幅器３０を伝搬して光増幅器３０から出射される励起光のうち励起に寄与しなかった特定の高次モードと、励起に寄与する基本モードの反射光との結合が効率良く生じる。そして光増幅器３０では、コア１１を伝搬する基本モードはコア１１に吸収されドーパントの励起に寄与して伝搬中に減衰しているので、光ファイバグレーティング４０における基本モードの反射光は高次モードの伝搬光に比べて小さい。したがって結果的に、光ファイバグレーティング４０においては、内側クラッド１２を伝搬した後光増幅器３０から出射された励起光の高次モードから、コア１１を伝搬した後光増幅器３０から出射された励起光の基本モードの反射光への結合が生じる。すなわち、本実施形態によれば、光増幅器３０の出射側に反射型の光ファイバグレーティング４０を設けることにより、光増幅器３０を伝搬した後に出射される励起光のうち、そのままではドーパントの励起に寄与できない導波モードを、ドーパントの励起に有効に寄与する基本モードであって、しかも光増幅器３０の出射側から入射側へ向かって伝搬するモードに選択的に結合させて再び光増幅器３０に入射させることができる。その結果、励起光パワーのうちドーパントの励起に使用される光パワーが増大し、光増幅器３０の励起効率が向上する。

本発明の光増幅器の第１の実施形態を示す概略構成図である。図１の光増幅器で用いられる光ファイバグレーティングの製造方法の一例の説明図である。図１の光増幅器で用いられる光ファイバグレーティングの製造方法の他の例の説明図である。本発明の光増幅器の第２の実施形態を示す概略構成図である。図４の光増幅器で用いられる光ファイバグレーティングの製造方法の一例の説明図である。従来の光増幅器の例を示す概略構成図である。クラッド励起光増幅器を構成する光ファイバの例を示した正面図である。クラッド励起光増幅器における励起光の減衰状態を示すグラフである。クラッド励起光増幅器を伝搬する励起光の一次モードを示すグラフである。クラッド励起光増幅器を伝搬する励起光の０次モードを示すグラフである。クラッド励起光増幅器における励起光の０次モードの伝搬状態を示すグラフである。クラッド励起光増幅器における励起光の１次モードの伝搬状態を示すグラフである。クラッド励起光増幅器における励起光の２次モードの伝搬状態を示すグラフである。クラッド励起光増幅器における励起光の４次モードの伝搬状態を示すグラフである。クラッド励起光増幅器における励起光の５次モードの伝搬状態を示すグラフである。

符号の説明

２…励起光源、１１…コア、１２…内側クラッド、１３…外側クラッド、２０，３０…光増幅器、４０…光ファイバグレーティング。

Claims

コアと、このコアの周囲に設けられ該コアよりも低屈折率の内側クラッドと、この内側クラッドの周囲に設けられ該内側クラッドよりも低屈折率の外側クラッドを有し、前記コアに希土類金属がドープされている光ファイバからなる光増幅器であって、
前記光増幅器を構成する前記光ファイバに対して、マイクロベンディングによる周期的な摂動が形成された光ファイバグレーティングを設け、前記光増幅器に入射される励起光の複数の導波モードのうち、前記希土類金属の励起に寄与する導波モードに、前記希土類金属の励起に寄与しない導波モードを結合させてなることを特徴とする光増幅器。
前記マイクロベンディングによる周期的な摂動の周期をΛ１、光増幅器に入射される励起光に存在する複数の動波モードのうち、希土類金属の励起に寄与する０次モードの伝搬常数をＢ０、前記０次モード以外の特定の高次モードの伝搬常数をＢｎとした時に、
（Ｂ０−Ｂｎ）＝２π／Λ１
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
前記マイクロベンディングによる周期的な摂動の周期をΛ１が、１５０μｍ以上、３００μｍ以下の長周期であることを特徴とする請求項２に記載の光増幅器。
コアと、このコアの周囲に設けられ該コアよりも低屈折率の内側クラッドと、この内側クラッドの周囲に設けられ該内側クラッドよりも低屈折率の外側クラッドを有し、前記コアに希土類金属がドープされている光ファイバからなる光増幅器であって、
前記光増幅器の励起光入射端と反対側の出射端に対して、前記内側クラッドの径と同じコア径を有する光ファイバに周期的な摂動が形成された光ファイバグレーティングを接続し、前記光増幅器に入射される励起光の複数の導波モードのうち、前記希土類金属の励起に寄与する導波モードの反射光に、前記希土類金属の励起に寄与しない導波モードを結合させてなることを特徴とする光増幅器。
前記出射端に接続される光ファイバに形成される周期的な摂動の周期をΛ２、光増幅器に入射される励起光に存在する複数の動波モードのうち、希土類金属の励起に寄与する０次モードの伝搬常数をＢ０、その反射光の伝搬常数を−Ｂ０、前記０次モード以外の特定の高次モードの伝搬常数をＢｎとした時に、
（Ｂｎ−（−Ｂ０））＝（Ｂｎ＋Ｂ０）＝２π／Λ２
の関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載の光増幅器。
前記光ファイバグレーティングにおける周期的な摂動の周期をΛ２が、３００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の短周期であることを特徴とする請求項５に記載の光増幅器。