JPH02211681A - ドーピングした光ファイバを用いるレーザ増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、主に光フアイバ通信システムで使用するため
の、ドーピングした光ファイバを用いるレーザ増幅器に
係わる。

この種の増幅器は、波長λＳの光信号と波長λｐのボン
ピング信号とを、増幅用のドーピングしたファイバの入
口で結合器により結合して受容するようになっている。

約１．５５１１ｍの第３通信窓における光増幅には、エ
ルビウムのドーピングが適している。

増幅器は、下記の式で示される純利得Ｇ（単位デシベル
）を特徴とする。

Ｇ（ｄＢ）　−１０ｘ　ｌｏｇ（Ｐ　　　　　／　Ｐ　
　　　ｅ＋　＞出力信号　入力信号 増幅純利得は、誘導放出（ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｔｉｍ
ｕｌｌ！ｅ）に由来する増幅総利得とその信号の波長で
の損失との差に等しい。

ここで留意すべきは、増幅純利得を飽和レベルに到達さ
せるボンピング出力（ｐｕｉｓｓａｎｃｅ　ｄｅｐｏｍ
ｐｅ）の存在である。この「飽和」ボンピング出力は、
一定のファイバ長さで最大の利得を得るのに必要なボン
ピング出力である。従って、この出力が小さければ小さ
いほどプロセスの効率が大きいことになる。即ち、プロ
セスの効率は、純利得を必要なボンピンク出力に対比さ
せた値ｇ（単位ｄＢ／ｍｌ＋Ｉ）で示すことができる。

このボンピング出力は、例えば前記希土類元素による吸
収以外の理由によってこの波長でファイバに損失が存在
すると、余り有効には使用てきない。

エルビウムをドーピングしたファイバの増幅に関する研
究は、例えば下記の文献に発表されている。

参考文献１　：　”０ｐｔｉｏｎａｌ　ｐｕｍｐｉＢ　
ｏｆ　ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄｆｉｂｒｅ　　ｏｐｔ
ｉｃａｌ　　ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”、Ｒ，１，ＬへＭ
ＩＮＧ、　　Ｌ、ＲＥＥＫＩＥ、　　Ｄ、Ｎ、ＰＡＹＮ
Ｅ、　　Ｐ、Ｌ、５ＣＲＩＶＥＮＥＲＦ、ＦＯＮＴ八Ｎ
Δへ　八ＲＩＧＩＩＥＴＴＴ、１４ｔｈ　Ｅｕｒｏｐｅ
ａｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ＯｐＬｉｃａＣｏ
ｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ、　１１−１５　Ｓｅｐｔｅｍ
ｂｅｒ　１９８８．ＢｒｉｇｈｔｏｎＵＫ。

参考文献２　：　”ｌｌｉｇｈ−ｇａｉｎ　ｅｒｂｉｕ
ｍ−ｄｏｐｅｄ　ｔｒａｖｅｌｉＢｕ＋ａｖｅ　　ｆｉ
ｂｅｒ　　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ”、Ｅ、ＤＥＳＵＲＶＩ
ＲＥ、Ｊ、Ｒ３ＩＭＰＳＯＮ、Ｐ、Ｃ，ＢＥＣＫＥＲ，
０ｐｔｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ、１２（１９
８７）Ｉｐｐ　　８８８−８９０゜下記の文献は、参考
文献１及び２て使用されているファイバの製造方法及び
特徴を援用している。

参考文献３　：　”Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆΔ１
２０３　ｃｏ−ｄｏｐｅｄｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ
ｓ　ｂｙ　ａ　５ｏｌｕｔｉｏｎ　ｄｏｐｉｎｇｔｅｃ
ｈｎｉｑｕｅ”、Ｓ、Ｂ、ＰＯＯＬＥ、１４ｔｈ　　Ｅ
ｕｒｏｐｅａｎ　　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ　０ｐｔ
ｉｃａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ、　１１−１５
　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ１９８８、ＢｒｉｇｈＬｏｎ、Ｕ
Ｋ０ 公知の光増幅器は、エルビウムを比較的大量に（通常数
百ｐｐｍ＞ドーピングした光ファイバを含む。

このファイバの典型的長さは約３メー１〜ル、最大長さ
は約１３メートルである。

本発明の目的は、所与のボンピンク出力で公知の増幅器
より大きい利得を有し、従ってより太きいプロセス効率
をもたらず光フアイバレーザ増幅器の実現にある。

そこで本発明では、エルビウムをドーピングした光ファ
イバを用いるレーザ増幅器であって、前記ファイバのエ
ルビウムドーピング量が５〜５０ｐｐｍであり、前記フ
ァイバの長さが選択したドーピング量に応じて２５０メ
ートル〜３０メートルであり、ドーピングしたゾーンの
径方向位置と前記ファイバにおけるボンピング波長の伝
搬モート全体の最大エネルギとの間に実質的な適合（コ
インシデンス）が存在することを特徴とする増幅器を提
供する。

本発明の特定具体例の１つでは、ドーピングゾーンの径
方向位置が、ファイバの中心から０．６Ｒ〜０．８５Ｒ
［Ｒはファイバのコアの半径である］離れた地点におか
れる。

本発明の他の特徴及び利点は、添付図面に基づく以下の
非限定的具体例の説明で明らかにされよつ 第１図は、増幅器１の入口における波長λＳの光は号Ｓ
及び波長λｐのボンピンク信号Ｐを簡単に示している。

これら２つの信号Ｓ及びＰは結合器２を介して本発明の
ドーピングした増幅用ファイバ３の入口に導入される。

増幅器１の出口には、増幅された波長λＳの信号Ｓ′か
得られる。

−例として、コアのガラス質マトリックスがベースのシ
リカにＧｅＯ□及びＰ２Ｏ５タイプの酸化物を添加した
ものからなるファイバを１４０メートル用いて光増幅器
を製造する。このファイバにはエルビウムを１．０　ｐ
　ｐ　ｍの含量でドーピングする。この数値は、スペク
トル減衰曲線に基づいて得た総体的な値である。

前記ファイバのプリフォームを得るべく、”　Ｍ　ＣＶ
　Ｄ　”タイプの一般的方法を用いてクラッド層及び第
１コア層をデポジットする。ドーピング層を形成したい
場所に対応するコア層かガラス化したら、好ましくは１
９８７年１０月１６日の仏国特許出願第８７１４．２８
６号に記載の方法て操作を行う。

下記の操作ステップに従い、先に形成しておいた管の上
にエルビウム層を噴霧化によってデポジットする。

１）揮発性液状担体にエルビウムを加えてドーピング液
を形成する。

２）前記ドーピング液を、気体状担体中に懸濁した小滴
からなる霧状ドーピング剤の形態にすへく噴霧化（ｎ６
ｂｕｌｉｓａｔｉｏｎ）する。

３）霧状ドーピング剤導入チューブの入口端を前記管の
外側においた状態で前記管の第１端部から前記管の中に
前記チューブを挿入し、このチューブが前記管の内部ス
ペース内で出口端まで延びるようにして、霧状ドーピン
グ剤導入チューブを前記管の内部スペースに配置する。

４ン霧状ドーピング剤導入チユーブの出口端から前記管
の内部スペースに霧状ドーピング剤が放出され、その結
果前記管の内側表面における前記霧の小滴の堆積によっ
てエルビウムのデポジットが形成されるように、入口端
を介して霧状ドーピング剤導入チューブへの供給を行う
。

５）供給を続けなから霧状ドーピング剤導入チューブを
前記管内で調節的に移動させて、このチューブの出口端
を前記管の長さに沿って動かし、それによってエルビウ
ムのデポジッＩ・を前記管の内側表面全体にわたって形
成せしめる。

６）デポジットが形成されたら、前記内側表面を乾燥し
て液状担体を蒸発させる。

７）前記管の内側表面が乾燥したら、この表面の上にカ
ラスの被覆層をデポジットする。

８）エルビウムがガラス中に拡散する温度まで前記管を
加熱する加熱−拡散処理を行う。

その後、次のコア層をデポジッｌ−Ｌ、、通常の方法で
プリフォームを形成する。エルビウムは気相にするのが
難しいドーピング剤であるため、前述のごとき噴霧化に
よるデポジションが適している。

ファイバ製造の他のステップは、ＭＣＶＤデポジション
と称する一般的方法に従って行う。

前述の方法では、単一の端部を介してエルビウムをプリ
フォーム中に混入することができ、前記管を予めガラス
工業用の旋盤の上に載置した場合てもこの管を取り外す
必要がなく、もう一方の端部が汚染されていた場合、こ
の他端を介してエルビウムの混入を行った時に生じる汚
染の危険が回避される。また、エルビウムが長手方向に
沿って極めて均一に分配され、更に、引抜きによって光
ファイバになるプリフォームを形成すべく前記管を直径
収縮処理にかける場合には、極めて優れた光学特性と極
めて優れたエルビウム混入状態とを有するドーピングさ
れたファイバが低コストで得られる。

エルビウムを１０ｐｐｍの含量でドーピングした本発明
のファイバ１４０メートルを波長５１４．５ナノメー１
−ルのボンピング放射線にかけると、４５ｍ１１１のボ
ンピンク出力Ｐｐて１６ｄＢの純利得Ｇが得られる。こ
れは、０．３５ｄＢ／ｍ１１１の相対利得ｇに等しい。

比較として、前出の参考文献１に記載の先行技術の増幅
ファイバ、即ちＳｉＯ□／八１２０へに０，３重量％の
酸化エルビウムをドーピングしたマトリックスを含むフ
ァイバを２メートル使用すると、１００ｍＷのボンピン
グ出力で１６ｄＢの純利得が得られる。これは、０．１
６ｄＢ／ｍ１ｌｌの相対利得に等しい。

前出の参考文献２に記載の先行技術の増幅ファイバ、即
ち５ｉ０２／八１２０３に約７０ｐｐｍのエルビウムを
ドーピングした７トリツクスを含むファイバを１３メー
トル使用すると、１００１のボンピング出力て２２ｄＢ
の純利得Ｇが得られる。これは、０．２２ｄＢ／ｍＨの
相対利得に等しい。

プロセスの効率を表す利得ｇは、驚くべきことに、公知
のファイバより本発明のファイバの方が遥かに高い。

従って、増幅利得が増幅器の長さとエルビウム濃度との
積によって決まるものだと簡単に断定することはできな
い。実際、全く予想外のことに、本発明はドーピング量
が少なく長さが長いファイバを増幅器として使用する方
が有利であることを立証している。この種の用途では長
さが不利な問題になることはない。このような結果は重
要な意味をもつ。なぜなら、工業用ファイバ増幅器では
ボンピング源としてレーザダイオードが使用されるため
、ファイバ中に導入される出力が実験室レベルで使用さ
れるボンピングレーザの場合より限定され、増幅器の効
率を最大にすることが最も重要だからである。

第２図は、先行技術の２つの光ファイバのスペクトル減
衰曲線部、及び＾２、即ち波長λ（ナノメートル）に応
じた損失（ｄＢ／ｋｍ＞　（対数目盛り）を示している
。これらの曲線は前出の参考文献３に記載されていたも
のである。

曲線部は、コアのガラス質マトリックスがベースの５ｉ
ｎ２／ΔＩ２Ｏ３に約３００ｐｐｍのエルビウムをドー
ピングしたものからなるファイバに対応する。

曲線部、は、コアのガラス質マトリックスがベースのＳ
＋０２／ＧｅＯ２に約２００ｐｐ＋ｎのエルビウムをド
ーピングしたものからなるファイバに対応する。

第３図及び第４図は、エルビウムを約１０ｐｐｍドーピ
ングした本発明の２種類のファイバに関する同様の減衰
曲線Ｆ、及びＦ２（損失は直線目盛りで示す）を示して
いる。これらのファイバのガラス質マトリックスは曲線
Δ２に対応する先行技術ファイバのマトリックスに類似
している。

これらの曲線ＡＩ、Δ２、Ｆ、及びＦ２を比較すると、
下記の点が知見される。

曲線Ｆ、及びＦ２ではエルビウムイオンの吸収ピークが
文献に記載のデータと比較して全く「正常」であり、こ
れら２種類のファイバの光学特性は、吸収ピークの外側
に続くバックグラウンド（ｆｏｎｄ）が極めて低く、約
１〜２ｄＢ／ｋｍの最小値を有するため、極めて優れて
いる。

本発明のファイバと類似したコア基体物質を有するファ
イバに係わる曲線Ａ２の場合には、減衰最小値が約７０
ｄＢ／ｋｍである。これは、ファイバのガラス質マトリ
ックスのドーピングが大量であるために擾乱が生じたこ
とを意味する。

曲線部では減衰最小値が７ｄＢ／ｋｍであるが、これは
本発明のファイバの最小値より大きい。また、減衰の増
加が見られる１２００〜１３５０ｎｍのゾーンは極めて
疑わしい。というのも、このゾーンはエルビウムの吸収
に対応しないからである。更に、吸収ピークの拡大も疑
わしいと言える。なぜなら、エルビウムイオンは、その
条件においては不均一に混入されるからである。

別の具体例として、長さ及びドーピング量は同じである
が、ファイバのコアにおけるエルビウムドーピング位置
を正確に選択するようにして、本発明の別のファイバを
形成する。これも、前述の方法を用いて行うことかでき
る。エルビウムは第２コア層と第３コア層との間に配置
する。このようにすると、ドーピング層が、半径Ｒのコ
アにおいて約０．８８の径方向位置ｄにおかれることに
なる。

このファイバの屈折率ｎのプロフィルを半径ｒの関数と
して、第５図に曲線Ｊで示した。曲線Ｅはエルビウムイ
オン濃度のプロフィルに対応する。

ボンピング出力４５ｍＷでは、１８ｄＢの純利得Ｇ、即
ち０．４０ｃｌＢ／ｍＨの相対利得が得られる。これは
、前記した具体例より更に好ましい数値である。

このように、本発明のファイバを大きい長さで使用する
と、ファイバ中のボンピング光線束の結合条件に係わり
なく、入射エネルギがファイバ中で誘導される４つのモ
ート全体にわたって適切に分配される。前記モートはλ
−５１４，５ｎｍの場合にはＬＰ、、、ＬＰＩＩ、ＬＰ
２．、ＬＰ０１である。ボンピングの最大エネルギは高
位モードＬＰ、、、ＬＰ２．、ＬＰｏ２で分配される。

このエネルキは径方向に分配されるため、前記希土類元
素と前記３つのモードの場の最大強度との間には適合が
存在する。これらのモートの方位配置（ｃｏｎｆｉｇｕ
ｒａｔｉｏｎ　ａｚｉｍｕｔａｌｅ）は質の面で容易に
考慮することができる。この適合の許容ゾーンは０．６
Ｒ〜０８５Ｒである。この場合には、ボンピンク光線束
とエルビウムイオンとの間に特に好ましい相互作用が生
じ、その結果反転分布が効果的に生じる。

シグナル光線束の場の径方向分布は、ファイバの光幾何
学的（ｏｐＬｏ−ｇ！ｏｍ６ｔｒｉｑｕｅ）パラメータ
に起因して比較的広い範囲に及ぶ。これは、励起イオン
とシグナル光線束との間の相互作用が比較的良好である
ことを意味する。総合的基準となるのは、これら２つの
相互作用、即ちボンピングとエルビウムイオン分布との
間の相互作用及び励起エルビウムイオン分布とシグナル
との間の相互作用のバランスである。

勿論、本発明は以上説明してきた具体例には限定されな
い。例えば、ファイバのエルビウムドーピング量は５〜
５０ｐｐｍの範囲で選択し得、ファイバの長さは純利得
Ｇが最大になるようにドーピング量に応して２５０メー
トル〜３０メートルにし得る。

実際、他の総ての条件か一定であれば、ファイバの長さ
には最適値がある。これは、増幅現象がシグナル波長に
しか関係しない一方て、ボンピング波長に関連した吸収
現象とシグナル波長に関連した吸収現象との間には競合
が存在するからである。

【図面の簡単な説明】

第１図は光ファイバを用いるレーザ増幅器の原理を示す
簡略説明図、第２図は先行技術の２つのファイバのスペ
ク１〜ル減哀（ｄＢ／ｋｍ）曲線酷、八、を示すグラフ
、第３図及び第４図は本発明の２つのファイバのスペク
１−ル減衰（ｄＢ／ｋＪ曲線Ｆ１、Ｆ２を示すグラフ、
第５図はファイバのコアにおける屈折率ｎの変化を半径
Ｒの関数として示し、エルビウムドロ ーピング層が位置する領域を明らかにするグラフである
。 １・・・増幅器、２・・・　結合器、３・・・・・・ド
ーピングした光ファイバ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）エルビウムをドーピングした光ファイバを用いる
   レーザ増幅器であって、前記ファイバのドーピング量が
   ５〜５０ｐｐｍであり、前記ファイバの長さが選択した
   ドーピング量に応じて２５０メートル〜３０メートルで
   あり、ドーピングしたゾーンの径方向位置と前記ファイ
   バにおけるポンピング波長の伝搬モード全体の最大エネ
   ルギとの間に実質的な適合が存在することを特徴とする
   、エルビウムをドーピングした光ファイバを用いる増幅
   器。
2. （２）ドーピングゾーンの径方向位置が、ファイバの半
   径をＲとして、ファイバの中心から０．６Ｒ〜０．８５
   Ｒ離れた地点にあることを特徴とする請求項１に記載の
   増幅器。