JP6261726B2 - 光学繊維を用いた光増幅器 - Google Patents

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Description

本発明は、光学繊維を用いた光増幅器に関する。さらに詳細には、本発明は、複数の希土類元素を同時に添加した光学繊維を用いた光増幅器に関する。
最近、２μｍ帯域のレーザー技術が多様な応用性の出現のため活発に研究されている。このうち、ツリウム添加光学繊維は、従来の光学繊維レーザーの優れた光学的特性と２μｍ帯域の光信号の発生が可能な特徴により現在活発に研究されている分野である。
ツリウム添加光学繊維を用いて光学繊維レーザーを製作する場合、希望する大きさの光信号を獲得するためにツリウム添加光学繊維を用いた多段の光学繊維増幅器が必要である。このようなツリウム添加光学繊維増幅器を具現するためには増幅媒質とポンプ光源が要求される。ツリウム添加光学繊維を用いて２μｍ帯域の光信号の発生及び増幅のためには８００ｎｍ帯域のポンプ光源あるいは１５６０ｎｍ帯域のポンプ光源が使用される。
図１は、従来の２μｍ帯域の低出力光信号増幅のための構造を図示した図である。
図１においては、２μｍ帯域の入力光信号に対して単一モードツリウム添加光学繊維とエルビウム添加光学繊維を用いて光学繊維増幅器を具現した。
高出力増幅器の場合、８００ｎｍ帯域の多重モード形態の高出力レーザーダイオードを使用して光学繊維クラッドポンピング方式の構造で具現が可能である。小さい大きさの信号を増幅する低出力増幅器の場合には、光学繊維コアポンピング方式を用いて具現すべきであるが、このための８００ｎｍ帯域の高出力単一モードレーザーダイオードと関連する光結合素子の不在により具現が不可能である。
このような問題点を解決するために図１に図示したようにエルビウム添加光学繊維を用いた１５６０ｎｍ帯域のエルビウムレーザーと単一モードツリウム添加光学繊維を用いて低出力コアポンピング方式の光増幅器を具現している。
しかし、このような構造は、ポンピング光源のためにエルビウム添加光学繊維を用いなければならないため、構造が複雑であり、製作費用が多く要求されるという問題点がある。
本発明は前記のような問題点を解決するために、複数の希土類元素が同時に添加された光学繊維を用いて簡単な構造で光信号を増幅させることができる光学繊維を用いた光増幅器を提供することを目的とする。
前記目的を達成するための本発明は、エルビウムとツリウムが同時に添加された単一モード光学繊維と、前記光学繊維内の希土類イオンを励起(excitation)させるポンピング光を生成するポンピング光源と、前記光学繊維の両端に具備され、励起された希土類イオンから発生した一定波長帯域の光を全反射する第１光学繊維格子及び第２光学繊維格子と、前記光学繊維と連結されて光源から生成された２μｍ波長帯域の光信号と前記ポンピング光源から出力された９８０ｎｍ波長帯域の前記ポンピング光とを前記光学繊維に伝達する光結合器と、を含み、前記励起されたエルビウムイオンから発生した１５６０ｎｍ波長帯域の光は、前記第１光学繊維格子及び前記第２光学繊維格子によって全反射されながら前記光学繊維内に拘束されて、前記光学繊維内のツリウムイオンを励起させて前記光信号と同じ２μｍ波長帯域の光を生成し、前記光学繊維では、２μｍ波長帯域の光信号を増幅するために、前記エルビウムとツリウムのドーピング割合を１：５とすることを特徴とする光学繊維を用いた光増幅器を提供する。
前記光源から生成された光信号は、１８００~２１００ｎｍ波長帯域であり得る。
前記エルビウムのドーピング濃度は１０００ｐｐｍであり、前記ツリウムのドーピング濃度は５０００ｐｐｍであり得る。
前記光源から生成された光信号は１８００〜２１００ｎｍ波長帯域であり、前記第１光学繊維格子及び前記第２光学繊維格子は１５５０〜１６１０ｎｍ波長帯域で特定波長の光を全反射することができる。
前記光源から生成された光信号は１８００〜２１００ｎｍ波長帯域であり、前記ポンピング光源は９７０〜９９０ｎｍ波長帯域のポンピング光を生成することができる。
本発明の光学繊維を用いた光増幅器によると、複数の希土類元素が添加された光学繊維を用いた簡単な構成で効果的な光信号の増幅が可能である。
特に、２μｍ波長帯域の光信号を簡単で効果的に増幅させることができる効果がある。
図１は、従来の２μｍ波長帯域の低出力光信号増幅のための構造を図示した図である。 図２は、本発明において提案するツリウムとエルビウムが添加された光学繊維を用いて具現した光増幅器を図示した図である。 図３は、ツリウムとエルビウムが同時に添加された光学繊維を用いて２μｍ波長帯域の光信号が増幅される原理を図示した図である。 図４は、エルビウムイオンの濃度が高い場合、エルビウム−ツリウム同時添加光学繊維の蛍光特性を示したグラフである。 図５は、ツリウムイオンの濃度が高い場合、エルビウム−ツリウム同時添加光学繊維の蛍光特性を示したグラフである。
以下、本発明の好ましい実施例を添付された図面を参照して詳しく説明する。まず、各図面の構成要素に参照符号を付加することにおいて、同一な構成要素に対しては、たとえ、他の図面上に表示されていてもできる限り同一な符号を有するようにしていることに留意しなければならない。また、以下で本発明の好ましい実施例を説明するが、本発明の技術的思想はこれに限定されたり制限されず、当業者により変形されて多様に実施されることができることは勿論である。
図２は、本発明において提案するツリウムとエルビウムが添加された光学繊維を用いて具現した光増幅器を図示した図である。
本発明による光増幅器（２０）は、光源（１０）から出力された光信号の入力を受けて増幅して出力するものとして、光増幅器（２０）の入力端には第１光アイソレータ（１２）が具備され、光増幅器（２０）の出力端には第２光アイソレータ（１４）が具備されて光の進行方向を光源（１０）から光増幅器（２０）の方向に制限することができる。
図２を参照すると、本発明の一実施例による光増幅器（２０）は、ツリウムとエルビウムが同時に添加された単一モード光学繊維（２２）と、前記光学繊維（２２）の両端に具備された第１光学繊維格子（２４）及び第２光学繊維格子（３０）と、光を増幅させるためのポンピング光を生成するポンピング光源（２６）と、ポンピング光源から出力されたポンピング光を光学繊維（２２）に伝達するための光結合器（２８）とを含む。
光学繊維（２２）は、複数の希土類元素が同時に添加される。増幅させようとする光信号の波長帯域により希土類元素の種類は変わってもよい。本実施例においては、２μｍ波長帯域の光信号を効果的に増幅させるためにツリウム（ｔｈｕｌｉｕｍ）及びエルビウム（ｅｒｂｉｕｍ）が同時にドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）された光学繊維（２２）を使用した。
第１光学繊維格子（２４）及び第２光学繊維格子（３０）は、光学繊維ブラッグ格子（Ｂｒａｇｇ‘ｓ ｇｒａｔｉｎｇ）として設けられ、光学繊維（２２）の両端に設けられて一定波長帯域の光を全反射する。本実施例において第１光学繊維格子（２４）及び第２光学繊維格子（３０）は、１５６０ｎｍ波長帯域の光を全反射して光学繊維（２２）を間に置いて共振させる。
ポンピング光源（２６）は、光学繊維（２２）内の希土類イオンを励起（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）させるポンピング光を生成する。本実施例において、ポンピング光源（２６）は、９８０ｎｍ波長帯域のポンピング光を生成して光結合器（２８）により光学繊維（２２）に伝達することによって光学繊維（２２）内のエルビウムイオンのエネルギーを活性化させる。
光結合器（２８）は、光学繊維（２２）と連結されて光源（１０）から生成された光信号とポンピング光源（２６）から出力されたポンピング光とを結合して光学繊維（２２）に伝達する。
このような構成を有する光増幅器（２０）の作用に対して説明すると、次のようである。
先に、図２に図示されたように、光源（１０）から入力された２μｍ波長帯域の光信号をツリウムとエルビウムが同時に添加された単一モード光学繊維（２２）に入射させる。光信号の進行方向は、第１光アイソレータ（１２）及び第２光アイソレータ（１４）により光源（１０）から光増幅器（２０）方向に制限される。
光結合器（２８）は、光源（１０）から入力された２μｍ波長帯域の光信号とポンピング光源（２６）から生成された９８０ｎｍ波長帯域のポンピング光とを光学繊維（２２）に伝達する。
図３は、ツリウムとエルビウムが同時に添加された光学繊維を用いて２μｍ波長帯域の光信号が増幅される原理を図示した図である。
図２及び図３を参照すると、光学繊維（２２）内に伝達された９８０ｎｍ波長帯域のポンピング光は、光学繊維（２２）内にエルビウムイオンのエネルギーを活性化させ、励起されたエルビウムイオンにおいては１５６０ｎｍ波長帯域の光が発生する。
エルビウムイオンから発生された１５６０ｎｍ波長帯域の光は、光学繊維（２２）の両端に設けられる第１光学繊維格子（２４）及び第２光学繊維格子（３０）により全反射され、光学繊維（２２）を間に置いて１５６０ｎｍ波長帯域の光が共振する。
光学繊維（２２）を間に置いて共振する１５６０ｎｍ波長帯域の光は、光学繊維（２２）内のツリウムイオンを励起させ、活性化されたツリウムイオンから２μｍ波長帯域の光が発生されることにより、光源（１０）から入力された２μｍ帯域の光信号が増幅される。
このような構造は、従来の方式より非常に簡単で効果的に２μｍ帯域の光信号の増幅が可能である。また、現在、商用化が多くなされている１５６０ｎｍ帯域の光素子を用いることができるため、経済的なレーザーの開発が可能な効果がある。
本実施例において光学繊維（２２）は、エルビウムとツリウムが同時に添加されて２μｍ帯域の光信号を増幅させるが、この時、エルビウムとツリウムの添加の割合により増幅される光信号の波長帯域が変わり得る。以下においてはこれに対してより詳しく説明する。
図４は、エルビウムイオンの濃度が高い場合、エルビウム−ツリウム同時添加光学繊維の蛍光特性を示したグラフであり、図５は、ツリウムイオンの濃度が高い場合、エルビウム−ツリウム同時添加光学繊維の蛍光特性を示したグラフである。
図４は、光学繊維（２２）においてエルビウム：ツリウムのドーピングの割合が１：１（５００ｐｐｍ：５００ｐｐｍ）であり、図５は、光学繊維（２２）においてエルビウム：ツリウムのドーピングの割合が１：５（１０００ｐｐｍ：５０００ｐｐｍ）である時、光学繊維（２２）の蛍光特性を示したグラフである。
図４を参照すると、光学繊維（２２）において、エルビウム：ツリウムのドーピングの割合が１：１（５００ｐｐｍ：５００ｐｐｍ）の場合、エルビウムによる強い蛍光（図４のＡグラフ）が現れ、相対的にツリウムによる蛍光（図４のＢグラフ）は１８００ｎｍ波長帯域から現れる。
図５を参照すると、光学繊維（２２）において、エルビウム：ツリウムのドーピングの割合が１：５（１０００ｐｐｍ：５０００ｐｐｍ）の場合、エルビウムによる蛍光（図５のＡグラフ）は相対的に小さく現れ、ツリウムによる蛍光（図５のＢグラフ）が２μｍの長波長帯域から強く現れて１４５０ｎｍ波長帯域でも現れる。
上のような実験結果により、光源（１０）から発生される光信号の波長によりエルビウムとツリウムとのドーピングの割合を相対的に決めることができる。
本実施例においては、２μｍ波長帯域の光信号を増幅するためにエルビウムとツリウムが同時にドーピングされた光学繊維（２２）を使用したため、前記のような実験結果によってエルビウム：ツリウムのドーピングの割合は１：５の比率を使用したが、ドーピングの濃度は、エルビウムは１０００ｐｐｍ、ツリウムは５０００ｐｐｍで形成することが好ましい。しかし、本発明の権利範囲はこれに制限される必要はなく、エルビウムとツリウムとのドーピングの割合は１：２〜１：１０の範囲においても２μｍ波長帯域の光信号を増幅することに効果がある。
前述した実施例においては、２μｍ波長帯域の光信号を増幅したが、本発明の権利範囲がこれに制限される必要はなく、本発明の光学繊維を用いた光増幅器（２０）は、１８００〜２１００ｎｍ波長帯域の光信号を増幅することに使用され得る。
また、前述した実施例において、ポンピング光源（２６）は、９８０ｎｍ（９７０~９９０ｎｍ範囲）波長帯域のポンピング光を生成して光学繊維（２２）内のエルビウムイオンのエネルギーを活性化させたが、本発明の権利範囲はこれに制限される必要はなく、ポンピング光源（２６）は、１４８０ｎｍ（１４７０~１４９０ｎｍ範囲）波長帯域のポンピング光を生成して光学繊維（２２）内のエルビウムイオンのエネルギーを活性化させることもできる。この時、光学繊維（２２）内に伝達された１４８０ｎｍ波長帯域のポンピング光は、光学繊維（２２）内にエルビウムイオンのエネルギーを活性化させ、励起されたエルビウムイオンにおいては１６１０ｎｍ波長帯域の光が発生する。これにより第１光学繊維格子（２４）及び第２光学繊維格子（３０）は、エルビウムイオンから発生された１６１０ｎｍ波長帯域の光を全反射させて光学繊維（２２）を間に置いて１６１０ｎｍ波長帯域の光が共振するように構成され得る。
以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有した者であれば、本発明の本質的な特性から脱しない範囲内で多様な 修正、変更及び置換が可能である。従って、本発明に開示された実施例及び添付された図面などは、本発明の技術思想を限定するためのものではなく説明するためのものであり、このような実施例及び添付された図面によって本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は、下記の請求範囲により解釈されなければならず、それと同等な範囲内にあるすべての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されなければならない。
１０ 光源
１２ 第１光アイソレータ
１４ 第２光アイソレータ
２０ 光増幅器
２２ 光学繊維
２４ 第１光学繊維格子
２６ ポンピング光源
２８ 光結合器
３０ 第２光学繊維格子

Claims (5)

  1. エルビウムとツリウムが同時に添加された単一モード光学繊維と、
    前記光学繊維内の希土類イオンを励起(excitation)させるポンピング光を生成するポンピング光源と、
    前記光学繊維の両端に具備され、励起された希土類イオンから発生した一定波長帯域の光を全反射する第１光学繊維格子及び第２光学繊維格子と、
    前記光学繊維と連結されて光源から生成された２μｍ波長帯域の光信号と前記ポンピング光源から出力された９８０ｎｍ波長帯域の前記ポンピング光とを前記光学繊維に伝達する光結合器と、を含み、
    前記励起されたエルビウムイオンから発生した１５６０ｎｍ波長帯域の光は、前記第１光学繊維格子及び前記第２光学繊維格子によって全反射されながら前記光学繊維内に拘束されて、前記光学繊維内のツリウムイオンを励起させて前記光信号と同じ２μｍ波長帯域の光を生成し、
    前記光学繊維では、２μｍ波長帯域の光信号を増幅するために、前記エルビウムとツリウムのドーピング割合を１：５とすることを特徴とする光学繊維を用いた光増幅器。
  2. 前記光源から生成された光信号は、１８００〜２１００ｎｍ波長帯域であることを特徴とする、請求項１に記載の光学繊維を用いた光増幅器。
  3. 前記エルビウムのドーピング濃度は、１０００ｐｐｍであり、前記ツリウムのドーピング濃度は、５０００ｐｐｍであることを特徴とする、請求項２に記載の光学繊維を用いた光増幅器。
  4. 前記光源から生成された光信号は、１８００〜２１００ｎｍ波長帯域であり、前記第１光学繊維格子及び前記第２光学繊維格子は、１５５０〜１６１０ｎｍ波長帯域で特定波長の光を全反射することを特徴とする、請求項１に記載の光学繊維を用いた光増幅器。
  5. 前記光源から生成された光信号は、１８００〜２１００ｎｍ波長帯域であり、前記ポンピング光源は、９７０〜９９０ｎｍ波長帯域のポンピング光を生成することを特徴とする、請求項１に記載の光学繊維を用いた光増幅器。
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