JPH02300727A - 光ファイバ増幅器 - 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】 「産業上の利用分野コ 本発明は、高増幅率、低雑音にして安定な光ファイバ増
幅器に関するしのである。

［従来の技術］ 近年、Ｎｄ（ネオンｌ、　）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｐ
ｒ（プラセオジム）、Ｙｂ（イッテリビウム）等の希土
類元素を添加した光ファイバ（以下、福土類元素添加光
ファイバと記す。）をレーザ活性物質とした単一モード
光ファイバレーザあるいは光増幅器が、光センサや光通
信の分野で多くの利用の可能性を有することが報告され
、その応用が期（もされている。

この希土類元素添加光ファイバを用いた光ファイバレー
ザ増幅器としては、Ｅｒを添加した石英系光ファイバを
レーザ活性物質として用い、半導体レーザを励起光源と
して、波長１．５４７１ｍにて光増幅を確認した例がア
ール・ンエー・メアーズ等（Ｒ、Ｊ　、Ｍｅａｒｓ　ｅ
ｔ　　ａｌ、Ｅ　Ｉｅｃｔｒｏｎ、Ｉ、　ｃｔｔ、、　
２３　。

ｐｐ、ｌ０２８−１０２９．．１９８７）によって報告
されている。

第３図は、上述のような光ファイバレーザ増幅器を構成
した一例であ−）で、符号１はたとえば波長１．５３μ
ｍのレーザダイオードからなる信号光源、符号２は駆動
信号、符号３および３°は集光用レンズ、符号４は励起
用光源（波長０．８０８μｍ）、符号５はダイクロイッ
クミラー、符号６はＥｒ添加の単一モード光ファイバ、
符号７は狭帯域フィルタ、符号８は伝送用ファイバであ
る。

この光ファイバレーザ増幅器を動作するには、まず励起
用の励起用光源４を点灯し、ここから出射された出力光
を集光レンズ３およびダイクロイックミラー５を介して
単一モード光ファイバ６に入射せしめ、この単一モード
光ファイバ６に添加されたＥｒを励起し反転分布状態を
作る。ついで駆動信号２により信号光源Ｉを駆動し、そ
の出力光を集光レンズ３．３°を介して単一モード光フ
ァイバ６に入射せしめる。この信号光は単一モード光フ
ァイバを伝播する際に励起状態にあるＥｒによって増幅
され、狭帯域フィルタ７を介して伝送用ファイバ８に結
合される。この際に駆動信号光は数ｄＢ増幅されること
となる。

［発明が解決しようとする課題］ ところが第３図に示した構造の光ファイバ増幅器にあっ
ては、Ｅｒ添加の単一モード光ファイバ６が室温にさら
されているために、励起されたＥｒから相当量の自然放
出光が放出されることとなり、これが光増幅器内でさら
に増幅され、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　　５ｐｏｎ
ｔａｎｅｏｕｓ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎの略）と呼ばれる放
射光となり、光増幅器のＳ／Ｎ比を低下させる原因とな
っていた。

これを防止するためには、たとえば第３図中にも示した
ように狭帯域フィルタ７を設置ノる方法があるが、この
狭帯域フィルタ７の半値幅は数ｎｍ程度を必要とするた
めに、」二部ＡＳＥを十分に低減することがてきないと
いう問題があった。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、かかる従来の問題点を解決し、光増幅器の雑
音を大幅に低減した高性能の光ファイバ増幅器を提供す
るものである。

本発明の請求項１記載の光ファイバ増幅器は、増幅媒体
である単一モード光ファイバの二次被覆材料が、線膨張
係数が±１０−５℃−１以下の高分子材料であり、かっ
該光ファイバの少なくとも一部を冷却する冷却機構を具
備してなることを解決手段とし、また請求項２記載の光
ファイバ増幅器は、増幅媒体である単一モード光ファイ
バの二次被覆材料が、液晶性高分子材料（ＬＣＰ）から
なることを解決手段とした。

［作用］ 本発明の請求項１記載の光ファイバ増幅器は、その増幅
媒体である単一モード光ファイバを線膨張係数が±１０
−５℃−１以下の材料で被覆することにより極低温下で
の使用を可能とし、かつ該増幅媒体を極めて低温に冷却
可能なように冷却機構を具備せしめて構成することによ
り、ＡＳＥに伴う雑音を大幅に低減することを可能にし
たものである。

また本発明の請求項２記載の光ファイバ増幅器は、増幅
媒体である単一モード光ファイバの二次被覆材料が、液
晶性高分子材料からなるものであるので、光ファイバの
マイクロベンディング損失を低減させることができる。

一般に光ファイバは、表面傷の発生に伴って著しくその
機械的強度が劣化するために、その表面には何らかの被
覆が施されている。たとえば−次被覆祠料としては、シ
リコーン樹脂、二次被覆材料としてはナイロン等が好適
に用いられている。

しかるに、これらの被覆ファイバ（以下、心線と称する
。）は−６０℃以下の極低温にした場合、石英系光ファ
イバの線膨張係数と被覆飼料の線膨張係数の違いから大
きなマイクロベンディング損失が生じてしまうという問
題があった。たとえばナイロンの場合、その線膨張係数
はｌｏ−４℃−１程度であり、石英系ガラスファイバの
線膨張係数よりも２桁程大きくなっている。

この線膨張係数の違いによるマイクロベンディング損失
の発生を防止するためＺこ、本発明の請求項１゛記載の
光ファイバ増幅器にあっては、光ファイバの二次被覆材
料として線膨張係数を光ファイバの線膨張係数に近くな
るように、±１０−５℃−５とし、さらに請求項２記載
の光ファイバ増幅器にあってはこの二次被覆材料として
線膨張係数の小さな液晶高分子＋Ａｌ！］を用い、極低
温下での使用において△Ｓ　Ｅの大幅な低減を達成しつ
つ、かつ光ファイバのマイクロベンディング損失の増加
を発生させないようにしたもので、極めて低雑音の光フ
ァイバ増幅器を提供することができる。

光ファイバの二次被覆材料の線膨張係数を±ｊＯ−５℃
−１より大きくすると、実施例にて後述するように冷却
により損失増加が発生ずるので、冷却による雑音低減が
図れないためである。

［実施例］ 以下、具体的な実施例によって本発明の詳細な説明する
。

（実施例１） 第１図は本発明の第１の実施例の概略構成図であって、
符号１（」波長１．５３５Ｉｚｍの信号光源、２はその
駆動信号、３および３°は集光レンズ、４および４′は
波長１４８５μｍの半導体レーザからなる励起用光源、
５はダイクロイックミラー、２０はアイソレータ、９は
偏波ビームスプリッタ、１０および１０′は光コネクタ
、１１は単一モード光ファイバ６を冷却する冷却恒温槽
、６は二次被覆層が液晶高分子材料からなるＥｒ添加単
一モード光ファイバ（長さ１２ｍ、Ｅｒ濃度３２０　ｐ
ｐｍ）、１２は単一モード光ファイバ６の監視制御装置
、１３は液体窒素等の冷媒、１４は光検知器、１５は光
検知器１４の表示部、１６は励起光のカットフィルタで
ある。ここに単一モード光ファイバ６は、液体窒素温度
（−１９６℃）に冷却されている。

第１図に示した光ファイバ増幅器を動作するには、信号
光源ｌを点灯し、駆動信号２により＋００Ｍｂ／ｓの駆
動信号をこれに印加した。これにより得られた出力光を
集光レンズ３．３°およびダイクロイックミラー５を介
して単一モード光ファイバ６に入射した。このときの入
射パワーは一４５ｄＢｍであった。ついで励起光源４お
よび４°を点灯し、集光レンズ３．３”および偏波ビー
ムスプリッタ９およびダイクロイックミラー５を介して
、単一モード光ファイバ６に入射した。このときの入射
パワーは１２０ｍＷであった。

ここに信号光は、Ｅｒ添加単一モード光ファイ＝７− ハ６内で増幅され、集光レンズ３、アイソレータ２０、
カットフィルタ１６を介して光検知器１４で受光された
。このときの増幅率は４２ｄＢであり、単一モー１へ光
ファイバ６を冷却せずに室１Ａ２０℃とした場合に比較
して６ｄＢの改善が図られた。また雑音指数は３．８ｄ
Ｂの改善がみられた。

なお本実施例Ｉで用いた単一モード光ファイバ６は、そ
の−次被覆材料がシリコーン樹脂で４゜０８ｍの外径を
有し、二次被覆材料かサーモトロピック液晶高分子材料
であり、０．９ｍｍの外径を有するものである。

本実施例ｊにおいて、二次被覆材料として使用している
上記ザーモトロピック液晶を流動・配向させ、所定のヤ
ング率および線膨張係数を得る手段としては、たとえば
本発明者らの出願した特開昭６０−２４９１１０号公報
に詳細に記されているように、押出成形法が有効である
。かかる押出成形法では、小さなダイスからザーモトロ
ピック液晶を吐出させる時の剪断応力により、押出方向
７こ高分子鎖を配向させるこ七ができ、また押出成−８
＝ 形時に、押出方向にお（）る最終適な成形品の断面積を
、ダイス出口での断面積より小さくする、いわゆる流動
延伸により高分子鎖を配向さＵることもできる。このよ
うなザーモトロピック液晶においては、配向と共に線膨
張係数は低下し、ヤング率は増加する。またこれらは、
成形時の温度にも影響する。このように一般に、成形後
のザーモトロピック液晶の特性は、その構造（たとえば
ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）／ＰＯＢ（ｐ−
オキシ安息香酸）組成比）、押出時の剪断速度、引落し
比、押出温度によって決定される。なお、ここに引落し
比Ｒとは、次式で定義される値をいつ。

Ｒ＝Ｓｏ／Ｓ ただし、Ｓｏはダイス出１１の樹脂断面積、Ｓは二次被
覆後の被覆層の断面積である。

本実施例では、光ファイバの被覆条件として、組成（Ｐ
ＥＴ／ＰＯＢ）　　　４２１５８（モル％）剪断速度　
　　　　　　　１７０　（ｓｅｅ−’）引落比　　　　
　　　　　１６ 押出温度　　　　　　　　２４５ＣＣ）を選定し、Ｅｒ
添加単一モード光ファイバ６のＰＥＴ／ＰＯＢを外径０
　、９　ｍｍに被覆した。その結果、得られた光ファイ
バ心線の線膨張係数は−６゜５　Ｘ　ｌ　Ｏ−”Ｃ−’
、弾性率は２８ＧＰａであった。

このような低線膨張係数の光ファイバ心線を適用した結
果、液体窒素の冷却温度においても、光ファイバの損失
は１５ｄＢ／ｋｍの増加にとどまった。本実施例でのフ
ァイバ長さ１２ｍでは、冷却によるその損失増加量は０
．２ｄＢ以下であった。

（比較例１） 比較のために、前記光ファイバの二次被覆をナイロンＩ
２に替えたＥｒ添加単一モード光ファイバを作製し、こ
れを増幅媒体とした以外は実施例Ｉと全く同一構成の装
置により実験を行ったところ、ファイバ長さ１２ｍで１
９ｄＢの損失増加がみられ、雑音の低減効果を上まわる
損失増加となり、実用に供し得ないことが判明した。

また二次被覆材料の線膨張係数がｌｏ−５℃−１より大
きいの心線を使用した場合、冷却による損失増加が３ｄ
Ｂ／ＩＯｍ程度あり、冷却効果を十分に発現させること
はできなかった。

この結果から単一モード光ファイバ６の二次被覆材料の
線膨張係数は±１０−５℃−１でなければ、冷却による
雑音低減の効果が得られないことが判明した。

（実施例２） 第２図は本発明の第２の実施例を説明するための光ファ
イバ増幅器の装置概念図であって、符号１７は単一モー
ド光ファイバ６および光検知器１４を共に極低温に冷却
する恒温槽、１８は恒／Ｉ！！槽１７に付属する補助冷
却装置、１９は補助冷却装置１８の制御装置である。こ
の他の構成は上記実施例１の装置と全く同様である。

本実施例においては、光検知器Ｉ４も単一モード光ファ
イバ６と同様に冷却しているのが特徴であり、これによ
り雑音係数は室温時に比較して４５ｄＢの改善がみられ
た。

（実施例３） 単一モード光ファイバ６および光検知器１４を電子冷却
により一３０℃にまで冷却し、実施例２と同様の実験を
おこなった。このときの増幅率は３８．８ｄＢと、室温
動作時に比べて２．８ｄＢの改善がみられた。また雑音
指数は１．６ｄＢの改善が観測された。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の光ファイバ増幅器は、レ
ーザ活性物質を添加した光ファイバの二次被覆材料の線
膨張係数を±１０−５℃−１以下とすることにより、極
低温に冷却することを可能とし、極めて低雑音にして高
増幅率の光増幅器の提供を可能とした。よって本発明の
光ファイバ増幅器は光ファイバ通信や汎用の光計測機器
の高性能化に適用できる優れた利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の光ファイバ増幅器の概
略構成図、 第２図は本発明の第２の実施例の光ファイバ増幅器の概
略構成図、 第３図は従来の光ファイバ増幅器の一例を示した概略構
成図である。 ６・・・単一モード光ファイバ １１・・冷却恒温槽、 １３・・・冷媒。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）希土類元素あるいは遷移金属元素等のレーザ活性
   物質を添加した単一モード光ファイバからなる増幅媒体
   と、該レーザ活性物質を励起するための光源とからなる
   光ファイバ増幅器であって、該単一モード光ファイバの
   二次被覆材料が、線膨張係数が±１０＾−＾５℃＾−＾
   １以下の高分子材料であり、かつ該単一モード光ファイ
   バの少なくとも一部を冷却する冷却機構を具備してなる
   ことを特徴とする光ファイバ増幅器。
2. （２）単一モード光ファイバの二次被覆材料が、液晶性
   高分子材料（ＬＣＰ）からなることを特徴とする請求項
   １記載の光ファイバ増幅器。