JPH03107131A - 二光子吸収を用いた光ファイバレーザ増幅器 - 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】 （発明の技術分野） 本発明は、希土類元素ドープ光ファイバをポンピングし
て増幅、もしくは発振する二光子吸収を用いた光ファイ
バレーザ増幅器に関するものである。

（従来技術） これまで光通信においては弱まった光信号を増幅する手
段として、−度微弱な光信号を光検出器を介して電気信
号に変換し、その電気信号を等価・増幅・識別した後、
増幅された電気信号により半導体レーザを駆動する強い
光信号に変換するという方式が用いられてきた。

これに対して、光信号を光のままで増幅するいわゆる光
直接増幅（以下、「光増幅」と称す）方式がある。光増
幅方式では、光−電気−光変換を用いないので、ビット
レートの選択・変更が任意に行えたり波長多重光信号や
周波数多重光信号の一括増幅ができる上に、強度変調光
信号でもコヒーレント光信号でも増幅することができる
。従って、このような光増幅器を光中継器に用いると等
測的にシステム全体を一種の極低損失な伝送路と見なす
ことができるので、−度敷設した光通信システムでも端
局装置を交換するだけで随時システムアップすることが
できるようになる。このように光増幅器を用いた光中継
器技術は、柔軟性があり経済性にも優れた光通信システ
ムを提供できる可能性があることから、将来の光通信お
よび光計測などにおいて不可欠の技術として各国で盛ん
に研究開発が行われている。

そのような光増幅器のひとつとして、希土類元素をドー
プした光ファイバを用いて光増幅を行う方法がある。例
えば、希土類元素のひとつであるＢｒ（エルビウム）を
石英系ガラスファイバにドープすることにより１．５μ
ｍ帯の信号光を２０〜３０ｄＢ増幅できる光増幅器（Ｅ
ｒドープ光ファイバレーザ増幅器）が得られることが確
認されている。このＥｒドープ光ファイバレーザ増幅器
は、飽和出力レベルが高いこと、偏光依存性が小さいこ
と、雑音指数が小さいこと等の様々な利点から、将来の
実用的な光増幅器のひとつとして盛んに研究がおこなわ
れている（ＭＥＡＲＳ、Ｒ，Ｊ、　Ｒ１！ｔ！ＫＩＢ、
Ｌ、　ＪＡＩＪＮＣＹ、ｉ、Ｍ、　ａｎｄ　ＰＡＹＮＥ
、Ｄ、Ｎ、：Ｌｏｗ−ｎｏｉｓｅ　ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏ
ｐｅｄ　ｆｉｂｒｅ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｏｐｅｒａ
ｔｉｎｇ　ａｔ　１．５４μｍ　＊Ｅ１ｅｃｔｏｒｎＬ
ｅｔｔ、、１９Ｂ７１２３．ｐ１０２６）　ｅＥｒドー
プ光ファイバレーザ増幅器の基本的な動作原理は、Ｅｒ
のｆ殻内電子エネルギー準位をもちいて通常の３準位レ
ーザと同じように考えることができる。即ち、第１図に
示すように基底状態（ω３＝２ν０）と励起状態１，２
（ω１．ω２）があり、基底状態ω。と励起状態１との
エネルギー準位差に相当するエネルギー（ω１−ω３＝
２ν０）を有する光を吸収することにより基底状態にあ
った電子は励起状態１に励起される。励起状態１に励起
された電子は非発光遷移によって励起状態２に移行し、
基底状態と励起状態２とのエネルギー準位差に相当する
エネルギーを有する光（振動数ニジ２＝（ω２−ω３＝
２ν０）／ｈ、但しｈはブランク定数）を発光すること
により励起状態２にあった電子は基底状態ω。にもどる
。この時振動数ν２の光を入射すると、励起状態２から
基底状態ω。への発光遷移が入射光に誘発されて発生す
るので、これにより振動数ν２の光を増幅することがで
きる。

Ｅｒの場合、振動数ν２の光の波長は１．５μｍ帯とな
るのでＥｒドープ光ファイバレーザ増幅器は１．５μｍ
用の光増幅器として用いることができる。

第２図は従来の光ファイバレーザ増幅器に用いる吸収線
と波長との特性図であり、実線はＥｒ”のドーパント量
が１０ｐｐｍの場合、破線はＥｒ”のドーパント量が２
　ｐｐｍの場合をそれぞれ示す。

ポンピングに用いることのできる励起状態１は、実際に
は複数あるがそれらの吸収線は第２図のように０．５〜
１．０μｍ以下にある。なお、図中の１．０μｍ以上の
吸収ピークは、Ｅｒイオン以外によるものである。従っ
て、従来は１．０μｍ以下にある吸収線と同一の波長を
発振するポンピング光源を用いている。具体的なポンピ
ング光源として、０．５μｍ帯のポンピング光を用いる
場合にはＡｒレーザや種々の色素レーザを用い、０゜８
μｍ帯のポンピング光を用いる場合には、ＧａＡｓ半導
体レーザ等が用いられている。

第３図は、従来の光ファイバレーザ増幅器の概略図であ
る。

第３図において、１はＥｒをドープしたＥｒドープ石英
系光ファイバ（以下、単にｒＥｒドープ光ファイバ」と
称す）、２はＥｒドープ光フアイバ１をポンピング（励
起）する波長１μｍ以下のポンピング光を発振するポン
ピング光源、３はポンピング光と信号光を合波する合・
分波器、４及び５はそれぞれ入力の信号光と出力の増幅
された信号光、６及び７は希土類元素がドープされてい
ない通常のシングルモード光ファイバである。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、ポンピング光源２として１．０μｍ以下の波長
帯を用いたのでは、次のような問題点がある。

（１）最も吸収効率の良い０．５〜０．６μｍ帯の波長
を発振させるためにＡｒレーザや種々の色素レーザ等の
大型レーザを用いたのでは、光ファイバレーザ増幅器も
大型化してしてしまい好ましくない。

（２）ポンピング光の波長が０．５μｍあるいは０．８
μｍで、信号光（被増幅光）の波長が石英光ファイバで
最も分散の影響が少ない１．３μｍあるいは低損失な１
．５μｍ帯を用いた場合には、ポンピング光と信号光と
の波長が大きく異なるため、希土類元素ドープ光フアイ
バ１内で伝搬モードをマツチングさせることが非常に困
難である。従って、伝搬モードのミスマツチングに相当
する分だけ増幅効率が低下する。

（３）ポンピング光と信号光とを合波する場合、光フア
イバカップラを用いてＥｒドープ光フアイバ１と融着接
続することが、増幅器端での反射率を低減する上で極め
て有効な手段であるが、ポンピング光と信号光との波長
が大きく異なるために高信頬の合波用光フアイバカップ
ラは現在のところまだ提案されていない。

以上のように、従来では、ポンピング光と信号光との波
長差が大きいために、増幅効率の低下や合・分波器の実
現性等により実用的な光ファイバレーザ増幅器が実現で
きなかった。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために
なされたもので、増幅効率の低下も少なく、かつ実用的
な光ファイバレーザ増幅器が実現可能な二光子吸収を用
いた光ファイバレーザ増幅器を提供することを目的とす
る。

（問題点を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明は、光ファイバに希
土類元素をドープした希土類元素ドープ光ファイバをポ
ンピング光源装置からのポンピング光により励起して信
号光を増幅する光ファイバレーザ増幅器において、 前記ポンピング光源の発振波長帯が１．０μｍ〜１．６
５μｍの光を用いて二光子吸収によりポンピングするよ
うに構成されている。

（発明の原理） 本発明者らは、物質の２つのエネルギー準位ω１゜０２
間の遷移に伴って、ｈ（ν１＋ν２）＝ω。

−ω２を満たす２つの周波数（振動数）シ３．シ２の光
子各１個を同時に吸収する二光子吸収現象が、シ１＝シ
２＝−ν。の場合、一つの光源（周波数ν３＝２ν０）
で二光子吸収させることができること（ＲｏｄｎｅｙＬ
ｏｕｄｏｎ、　Ｔｈｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｔｈｅｏｒｙ
　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔ　、０ｘｆｏｒｄＵｎｉｖｅｒｓｉ
ｔｙ　Ｐｒｅｓｓ　１９７３）に着目したものである。

第４図は本発明に用いる二光子吸収過程図である。図の
ように、ポンピング光の周波数（振動数）ν。を、吸収
線の周波数（振動数）ν、の１／２（ν３＝２ν３＝２
ν０）とするか、または２種のポンピング光の周波数（
シ１．シｔ）の和が吸収線の周波数（振動数）と一致さ
せる（シ、＝ν１＋ν２）ようにしたものである。なお
、上述の二光子吸収の関係を波長で示せば、次式のよう
になる。

λ、＝（ハ・λ２）／（ハ＋λ２）・・・・・（１）但
し、λ３．λ２及びλ３は周波数ν３．ν２及びν３に
それぞれ対応する波長である。

このように、従来は物質の２つのエネルギー準位ω１．
ω２間の遷移に伴って、ｈν１＝ω。

ω２を満たす２つの周波数（振動数）νの光子吸収する
一光子吸収現象を用いていたのに対し、本発明は二光子
吸収現象を用いたものである。

以下に例を用いて本発明の詳細な説明する。なお、従来
構成と同一構成部分には、同一番号を付し説明の重複を
省く。

（実施例１） 第５図は本発明による第１の実施例であり、光ファイバ
レーザ増幅器の概略図である。従来構成（第３図）と異
なる点は、ポンピング光の波長が１．３１〜１．３５μ
ｍ帯のポンピング光源２０をポンピング光源装置１００
として用いたことにある。

Ｅｒをドープした光ファイバは、第２図からも明らかな
ように、吸収線として効率の最も良いポンピング光の波
長帯が０．６５５〜０．６７５μｍである。

従って、実施例１では最も効率の良い吸収線の２倍の波
長（１，３１〜１．３５μｍ帯）で発振するポンピング
光源２０を用いたものである。すなわち、発明の原理で
述べたポンピング光の周波数ν。を、吸収線の周波数ν
、の１／２（シ、＝２ν３＝２ν０）とした場合の実施
例である。

なお、１．３１〜１．３５μｍ帯の波長で発振するポン
ピング光Ｂ２０としては、小型でかつ信軌性の高いＩｎ
ＧａＡｓＰ半導体レーザを用いることができる。

また、信号光４の波長（１，３μｍもしくは１．５μｍ
帯）とポンピング光の波長（１，３１〜１．３５μｍ）
が、ともに１μｍ帯であまり波長の差がないため、信号
光とポンピング光との伝搬モードのミスマツチングがほ
とんどな（なるため、増幅効率の低下を防ぐことができ
る。さらに、合・分波器３も安定な光フアイバカップラ
等を用いることができる。

（実施例２） 第６図は本発明による第２の実施例であり、光ファイバ
レーザ増幅器の概略図である。実施例２は、互いに異な
る波長を発振する２つのポンピング光源２１及び２２と
合分波器３０を用いて二光子吸収過程を起こさせるよう
にポンピング光源装置１００を構成したものである。す
なわち、発明の原理で述べた２種のポンピング光の周波
数（ν１゜νｔ）の和（ν１＋ν、）が吸収線の周波数
ν３と一致する（シ、＝シ、＋ν２）ようにしたもので
ある。具体的には、ポンピング光源２１は１．２μｍで
、ポンピング光源２２は１．５μｍでそれぞれ発振させ
て、約０．８μｍの吸収線でポンピングするように構成
したものである。なお、３０はポンピング光源２１及び
２２のポンピング光を合波させるための合・分波器であ
る。

（実施例３） 第７図は本発明による第３の実施例であり、光ファイバ
レーザ増幅器の概略図である。この実施例３は、三光子
吸収の効率を高めるために信号光４０を強度変調したも
のである。信号光４０を強度変調した場合、図に示すよ
うに、信号光４０のパルス周期（ビットレート）に同期
するように変調器５０で強度変調したポンピング光１０
をＥｒドープ光ファイバｌに入射するようにポンピング
光源装置１００を構成すれば、実施例１及び２のポンピ
ング光源をＣＷ動作させた場合に比べて効率の良い増幅
を行うことができる。

通常、Ｅｒドープ光フアイバ１の長さは数メートル程度
であるため、分散によるウオークオフが非常に小さい、
従って、この信号光とポンピング光とを強度変調した方
式は、数Ｇｂｉｔ／ｓの信号に対しても十分適用可能で
ある。

前述の説明では、Ｅｒドープ石英系光ファイバを光増幅
器として用いた場合を例に取り説明したが、この光増幅
器の両端に反射板を配置すれば、レーザ発振器として用
いることができる。

また、Ｅｒ以外のドーパントを用いたり、あるいは光フ
ァイバの組成を変えることによりゲインピークが１．５
μｍ以外にシフトしても、吸収線の波長が０．５〜０．
８μｍにある場合は、本発明を適用することができる。

さらに、実施例１及び２では、信号光４とポンピング光
との進行方向が逆でも同様に適用可能である。

（発明の効果） 以上のように、本発明は１．０μｍ〜１．６５μｍ帯の
ポンピング光を用いて二光子吸収によりポンピングする
ように構成することにより、増幅効率の低下を少なくし
、小型で高信頬の実用的な光ファイバレーザ増幅器を実
現することが可能となる。

ポンピング光源２０が一つで、かつポンピング光の周波
数ν。を、吸収線の周波数ν３の１／２（ν３＝２ν３
＝２ν０）なるように構成することにより、実用的な光
ファイバレーザ増幅器を実現することができる。

ポンピング光源を二つ配置し、かつ２種のポンピング光
の周波数（シ１．シ２）の和が吸収線の周波数と一致さ
せる（シ３＝シ１＋ν２）ように構成することにより、
任意の吸収線の波長を実現することができる。

信号光を強度変調すると共に、強度変調された信号光の
パルス周期に同期してポンピング光を強度変調するよう
に構成することにより、増幅効率を高めることができる
。

従って、本発明は希土類元素をドープした光ファイバレ
ーザ素子や光ファイバレーザ増幅器を実際に実用化する
上で極めて有用な手段であり、その効果が極めて大であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＥｒドープ光ファイバレーザ増幅器の原
理を説明するためのエネルギー状態図、第２図は従来の
Ｅｒドープ光ファイバレーザ増幅器に用いる吸収線と波
長との特性図、第３図は従来のＥｒドープ光ファイバレ
ーザ増幅器の概略構成図、第４図は本発明に用いる二光
子吸収の動作原理説明用のエネルギー図、第５図、第６
図及び第７図は本発明によるＥｒドープ光ファイバレー
ザ増幅器の概略構成図である。 １−”　Ｅ　ｒドープ光ファイバ、　　２，２０．．２
１゜２２・・・ポンピング光源、　３，３０・・・合・
分波器、　４，５．４０・・・信号光、　６．７・・・
シングルモード光ファイバ、　　１０・・・ポンピング
光５０・・・変調器、　　１００・・・ポンピング光源
装置。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ファイバに希土類元素をドープした希土類元素
   ドープ光ファイバをポンピング光源装置からのポンピン
   グ光により励起して信号光を増幅する光ファイバレーザ
   増幅器において、 前記ポンピング光源装置から出力された１．０μｍ〜１
   ．６μｍ帯のポンピング光を用いて二光子吸収によりポ
   ンピングするように構成されたことを特徴とする二光子
   吸収を用いた光ファイバレーザ増幅器。
2. （２）前記ポンピング光源装置は、そのポンピング光の
   周波数ν＿０が、吸収線の周波数ν＿３の１／２（ν＿
   ３＝２ν＿０）となるように構成されたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の二光子吸収を用いた光フ
   ァイバレーザ増幅器。
3. （３）前記ポンピング光源装置が周波数ν＿１のポンピ
   ング光と周波数ν＿２のポンピング光のそれぞれ発生す
   る二つの光源と、該二つの光源からの出力光を合波して
   前記ポンピング光をとり出す合波器よりなり、 前記二つの光源からの出力光の周波数ν＿１、ν＿２の
   和（ν＿１＋ν＿２）が前記二光子吸収の吸収線の周波
   数ν＿３に一致するように構成されたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の二光子吸収を用いた光ファ
   イバレーザ増幅器。
4. （４）前記信号光が強度変調されており、前記ポンピン
   グ光源装置は連続する出力光を有するポンピング光源と
   、該連続する出力光を該強度変調された信号光のパルス
   周期に同期して強度変調することにより前記ポンピング
   光を得る変調器とにより構成されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の二光子吸収を用いた光フ
   ァイバレーザ増幅器。