JPH03166782A - アクティブファイバー型光増幅器 - 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１ユ１Ｉむ４生立 本発明は光ファイバー遠距離通信ライン用の光増幅器に
関し，特に入力ポンピング力に対するゲイン及び低ノイ
ズの高効率を有する光前置増幅器に関する． 従来立技査 遠距離通信ラインの分野において近年光ファイバーが使
用され，ファイバー内に変調信号光を人力する。この光
学システムは光ファイバーが極めて小さな減衰で長距離
に信号を伝達し得るため特に有利である。

更に信号通信距離を増加するための光増幅器は既知であ
り，アクティブファイバーの一部内に信号エネルギより
も低い波長の光ポンピングエネルギを供給し，このポン
ピングエネルギはアクティブファイバー内部に存在する
ドーバントのレーザエミフシヲン状態に遷移させる。レ
ーザエミッション状態に相当する波長を有する信号の存
在はドーパント原子をレーザ状態からベース状態に減衰
させ．これは信号に一致した光エミッシッンに関連して
増幅を生ずる。

この光学装置は電子装置を使用せずに信号増幅を可能に
し，電子装置は信号を光から電気に変換して電気的に増
幅した後に光信号に変換する必要があるため，電子装置
に付随する限定を遠距離通信ラインに導入し．特に通信
周波数を限定する。

作動のために．光増幅器は通信波長より短い特定波長の
ポンピング光源を必要とし，ダイクロインクカフブラー
又は光マルチブレクサを経て信号搬送ファイバー内に導
入し．アクティブファイバー内で拡散し，ファイバー長
内の光パワーの減衰を増加し主としてレーザエミフシヲ
ン状態に励起されたドーパントにエネルギを伝達して減
衰する．増幅器ゲインを左右する光ポンピングカはアク
ティブファイバー内で緩徐に減少し，このためアクティ
ブファイバー特性の変化は長さと共に順次減少する． アクティブファイバーの各セクションで要求されて増幅
ゲインを達或する最小光パワーは限界パワーとして設計
され．これ以上では原子数の反転が生じ，即ち励起レー
ザエミッション状態ではベース状態よりも原子数は多く
，信号光子はレーザエミッション状態から光エミッショ
ンベース状態に遷移してゲインを増加する。

反対に光パワーが限界パワーよりも低い時は原子数はベ
ース状態で高く，信号光子は励起状態に遷移する傾向と
なり，ゲインでなく信号減衰が生ずる。

光エミッションが信号に無関係に励起状態からベース状
態に瞬間的に減少することがあり，低ゲインの存在の下
でノイズと称し，即ちポンピング力は限界力よりも僅か
に高く，信号対ノイズ比が高く通信エネルギを害する．
実際にポンピングカ値が限界値に近い場合には原子数変
換減少条件であり．多数の原子が瞬間的に減衰し原点か
らゲインまでの刺激遷移が生ずる。この結果，信号対ノ
イズ比は悪化する， この事実のため，アクティブファイバーの選択長さは端
部で限界パワーに達するに相当する長さよりも著しく短
くする． このため．ポンピングカの一部は不使用となり増幅器効
率は減少し，更にこのパワーは増幅器の下流の通信ファ
イバー内で拡散するため，上述の増幅器が通信ラインの
端部の前置増幅器で受信電子装置に接続される場合には
欠点を生ずる．それ故．低ノイズ即ち出力信号対ノイズ
比が最大であり．増幅器出力において未使用ポンピング
力を除去し得る光増幅器が必要とされる。

允皿立抵翌 本発明の目的はアクティブファイバー型の光増幅器を提
供するにある． 本発明による光遠距離通信システム内で光ファイバーに
接続されるアクティブファイバー型の光増幅器は．は光
遠距離通信ファイバーに接続されて通信波長において光
を受け更に通信波長より低いポンピング波長で光源から
光を受けるレーザエミッタ部材を含むアクティブ光ファ
イバーの一部を含み，ポンピング光はアクティブファイ
バーに吸収される場合に，アクティブファイバーは直接
入力ポンピング光の部分吸収に相当する長さとし，アク
ティブファイバーの下流にポンピング波長で光を反射し
通信波長の光を透過させる選択鏡素子を含む。

鏡素子のアクティブファイバー内の反射性は通信波長に
おいて−４０ｄＢよりも低くポンピング波長において−
１０ｄＢよりも高くする。

鏡素子はダイクロイック鏡と夫々アクティブファイバー
からダイクロイック鏡に及びダイクロインク鏡から光遠
距離通信ファイバーに光を送る２種の焦点群を含む個別
の部材から戊る。

鏡素子は１個以上のモノリシック光ファイバー素子から
成る． 鏡素子はアクティブファイバーの端部に接続され通信波
長と単ファイバー内にマルチプレクスされたポンピング
波長を受ける入力ファイバーを有する光デマルチプレク
サと２本の出力ファイバーとから成り、デマルチプレク
サ通信波長を一方の出力ファイバーにポンピング波長を
他方の出力ファイバーに分離させ，通信波長を搬送する
出力ファイバーは通信ファイバーに接続され，ポンピン
グ波長を搬送する出力ファイバーは端部に少なくともポ
ンピング波長を反射する鏡を有する。

Ｉ素子はダイクロイック鏡として反射性は信号波長で　
−２ｄＢ以下としポンピング波長で−５ｄＢ以上とし．
デマルチプレクサは通信波長とポンピング波長との間で
−１０ｄＢよりも高い絶縁とする．大旌班 本発明を好適な例示とした実施例並びに図面について説
明する． 第１ｖ！Ｊは線図としてアクティブファイバー型の光増
幅器の構造を示し，遠距離通信光ファイバー１に波長Ｓ
の伝達信号Ｓｔを送る。この信号はある距離後に減衰す
るため増幅の目的で既知のダイクロイック力フプラー即
ち光マルチブレクサ２の入力に送りポンピングレーザエ
ミフタ３の発生する波長ｐのポンピング光ｔ，ｐに結合
し，夫々のファイバー４を経てカソブラー２の入力に送
る。光マルチプレクサ２から出る同じファイバー５に結
合した両波長はアクティブファイバー６に入力される。

アクティブファイバー６において，光ポンピングカの存
在の下で光エミッションが生じ，波長Ｓで刺激されて伝
達信号Ｓｔを増幅する。伝達信号は伝達ファイバー７に
導入されて目的地即ち光ケーブルの他の部分又は端子受
信装置に向う。

第１の場合には増幅器はライン増幅器と画威され，第２
の場合には組立体は前置増幅器と画戒され，即ち伝達ラ
インの端部で電気信号に変換される前に光信号の強度を
増加する装置である。

第２図に示す通り，アクティブファイバー内の光ポンピ
ングカＰはファイバー１の長さの増加と共に減少し．入
力値Ｐｉからほぼ線状であり，これはファイバーによっ
て吸収されるためであり，内部のドーバントはレーザエ
ミッション状態となる。

アクティブファイバーの部分Ｉｓを通過後に内部のポン
ピングカは飽和力値Ｐｓに達し，この値の下でファイバ
ー内のエネルギ分布は伝達信号増幅即ちゲインを生ぜず
，ファイバーの励起状態に対する遷移によって信号光エ
ネルギ自体に有害な信号減衰を生ずる。

ゲイン６のアクティブファイバーの長さに応じた量的変
化を第２図に示す。図示の通り，飽和長Ｉｓに近いファ
イバー長さに対してゲインは極めて小さな増加を示して
値Ｇｍａｘに達し．長さＩｓより長いファイバー長さに
対してはゲインは減少する。

それ故，実際目的のためには，　Ｉｓより小さいファイ
バー長さｌｕを使用して信号に対する充分なゲインＧｕ
を得て，レーザエミッション状態からべ一ス状態への瞬
間的転移によって生ずるノイズの導入を最小にする。

ノイズは実際に上部レーザレベル内に存在する原子数に
比例し、ポンピングカがファイバー自体内で減少する際
にファイバーに沿ってゲインよりも遅い速度で減少する
。

第２図の線図に示す通り，アクティブファイバーにおい
てファイバーの単位長さ当りの最大到達ゲインを定める
最大ポンピングカはファイバー自体の初期部分のみで生
じ，次にポンピングカは著しく低く，第２図のゲイン線
図に示す通り，増幅目的として利用可能のアクティブフ
ァイバー長さの利用可能性が減少する。

光ラインの端部の受信及び光対電気信号変換部材の直上
流の位置の増幅器としての前置増幅器の場合には，前置
増幅器のノイズが受信装置のノイズより低い場合には受
信の信頼性を増加し得る。

増幅器ノイズはゲインに比例するため．両ノイズ寄与に
対するゲイン値は同じである．一方は受信の信頼性を良
くするために前置増幅器で使用すべき最大ゲイン値であ
る． 他方．高い前置増幅器ゲインを採用することは種々の理
由から便利であり．例えば信号受信の信頼性に悪影響を
生ずることなく前置増幅器の下流に安価な装置を使用し
得る． それ故光増幅器を前置増幅器として使用する時は，ファ
イバ一端において全体のゲインの増加が信頼性の増加と
間じレベルとなるポンピングカＰを供給し得るファイバ
ー長を使用する．第３図は本発明による増幅ユニントを
示し．ダイクロイックカソブラー２，ポンピングレーザ
３ｌアクティブファイバー６を含み．選択（又はダイク
ロイック）性鏡素子８をアクティブファイバー６の下流
に設け，ポンピング波長ｐを反射し．通信波長ｐは変化
せずに通過させる。鏡素子８の出力に接続した通信ファ
イバー７は増幅した信号を搬送して目的地に通信する。

第５図に示す鏡素子８はアクティブファイバー６の一部
１ｐの端邪に存在する残存ポンピングカＰｒをアクティ
ブファイバー内を反対方向に反射し，反射した力Ｐｒｉ
ｆはレーザ３から直接放射したポンピングカＰｄｉｒに
加算されてアクティブファイバー内のポンピングカに値
を与えて値を高＜シ，図の鎮線Ｐｔｏｔに示す通り使用
アクティブファイバーの全長についてほぼ一定又は緩い
傾斜で減少する。

それ故，全体のファイバー内に高い密度反転値を保ち，
ゲインは良くなり，増幅器によって発生するノイズは等
しい。

鎮素子８はマイクロ光学的に製造でき、ポンピング波長
のみを反射する゛ように処理した板で形戒し，光ファイ
バーから鏡に及び鏡から鏡の上流の光ファイバーに反射
波長について．及び通過波長に関して鏡の下流の通信フ
ァイバーに光を搬送するレンズ焦点部材等を取付ける．
他の例として，鏡素子をモノリシック形式で同じ通信光
ファイバー又は数本の光ファイバーを使用して製造し，
組立体の安定性の見地から有利である。

本発明の好通な例を第４図に示し，鏡素子８は第２のダ
イクロイックカンブラ−９又は即ち光デマルチプレクサ
から威り，入力ファイバー１０ｌ　出カファイバー１１
．１２を含み，通信Ｓとポンピングｐとは夫々分離する
。

出力ファイバー１１の増幅器の下流に通信光ファイバー
７を接続し，鏡ｌ３はファイバー１２の端部に取付ける
． 既知の通り，デマルチプレクサによって，１本の人力フ
ァイバー上に２［の異なる波長の光を受けて同じ波長を
２本の出力ファイバーに分離放射する光素子となる。

実際の光デマルチプレクサ又はデカップリング装置はマ
ルチプレクサ又はダイクロインクカップラーと同様に出
力波長間にある程度の分離があり，デマルチプレクサ回
路１２上の通信信号の小分数である。この信号は鏡１３
で反射した時は同様に増幅されて通信信号に干渉問題を
生ずるため，通信ライン及び光ファイバーに危険であり
得る。

それ故，デマルチプレクサ入力を波長間の低絶縁度，２
０ｄＢ以下とするには，ダイクロインク型の鏡！３を使
用し，通信波長では反射性が低＜　，−２０ｄＢ以下で
あり，このための実施例で鏡素子８をデマルチプレクサ
９とダイクロイック１１３で形威し，全体の絶縁は波長
Ｓにおいて常に４０ｄＢ以上である。

波長Ｓの光が反射前後に２回デマルチプレクサを通る．
これによってデマルチプレクサの絶縁は２回作用し，鏡
によって反射された波長Ｓの光力は限定されてファイバ
ー６の入力に入り通信ラインに入る。

もしデマルチプレクサの絶縁が２０ｄＢ以上とすれば，
デマルチプレクサはライン内の通信波長の反射ノイズを
なくするに充分であり，鏡１３は使用波長全体を反射さ
せ得る． 好適な例で，鏡１３を得るにはファイバー１２の端部を
臂開等の既知の技法で切断して鍍金し，所要の特性を有
するファイバー１２の反射面又は部分を形或する。

第４図に示す実施例の構造は特に有利であり，完全に光
ファイバーで製造され，強固で時間に影響されず，小型
化した焦点装置等の受ける変化や変形がなく，デマルチ
プレクサの絶縁特性とダイクロイック鏡の選択反射特性
との組合せは計歯段階での自由度が高く，特定の用途に
対して最も適切な結果が得られ、ポンピング波長での最
大の反射と通信波長での最小の反射となる． 本発明による増幅ユニットを第４図に示し，増幅ユニフ
トは比較のために示した第１図に示す反射部材がない． 両実施例において使用した通信ライン波長Ｓの１５３６
ｎｍの信号を有し、ポンピングレーザダイオード３は１
０−，波長Ｐは９８０ｎｍとした．９８０−１５３６ｎ
ｍの光マルチブレクサ又はカップラー２を使用し．　９
８０ｎｍと１５ｄＢ絶縁において９０χのカップリング
を得る． 両テストにおいてステップインデックス型の３＋ Ｓｔ／Ｇｏアクティブファイバー６を使用し，　Ｅｒ　
　イオンでドーブする． 第１図に示す増幅ユニットにおいて９ｍ長さのアクティ
ブファイバーを使用し，第３図の増幅ユニットでは７ｍ
長さのアクティブファイバーを使用した． 第４図の増幅器では，　９８０−１５３６ｎｍのデマル
チプレクサ９は９８０ｒｖで９０′１のカンプリングで
あり，１５３６ｎｍでは９０χのカップリングである。

両出力回路は３０ｄＢの絶縁である． デマルチプレクサファイバーの端部を金鍍金して鏡ｌ３
を得る。

第１図に示す構戊は９ｍ長さのアクティブファイバーは
２０ｄＢのゲインを得られ，ノイズは（Ｓ／Ｎ）ｉ　／
（Ｓ／Ｎ）ｏ　＝５ｄＢである。

第３図に示す構或は７ｍ長さのアクティブファイバーの
ゲインＧ２は２０ｄＢであり，ゲイン値は前と同様であ
り．ノイズは（Ｓ／Ｎ）ｔ　／（Ｓ／Ｎ）ｏ　＝３ｄＢ
でありノイズは２ｄＢの減少となる。

本発明によって，増幅器から通信ラインに導入されるノ
イズが減少するため通信信号の品質に重要な改良を得ら
れた。

更に，デマルチプレクサの存在はポンピング波長をライ
ン７から除去し，フィルタ等の装置の使用を不要にする
。

本発明の増幅器によって，受信装置の信頼性を改善し，
ポンピング力の増加のための強いレーザダイオード又は
２個の結合ダイオードの使用の必要なく，レーザダイオ
ードは高価で利用困難であり，結合ダイオードは損傷故
障が多い。

一般的に，本発明による増幅器は夫々の用途に応じた要
求によって，同じ出力で通信のノイズを減少し，又は高
いゲインを得る。作用するポンピング力は同じ，又は得
られるゲインを変更することなく低出力のポンピング光
力を使用できる。

本発明を光前置増幅器について説明したが，ライン増幅
器等の装置に使用して使用光ファイバーの全長について
高いポンピング力レベルを達戒することができる。

本発明を好通な実施例について説明したが実施例並びに
図面は例示であって発明を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は既知の光増幅器の線図，第２図は第１図の増幅
器のアクティブファイバー長に関するポンピング力と増
幅ゲインの変化を示す図．第３図は本発明による反射ユ
ニットを有する光増幅器の線図．第４図は第３図の増幅
器の別の実施例の線図，第５図は第３図の増幅器のアク
ティブファイバー長に関してポンピング力と増幅ゲイン
の変化を示す図である． １．．遠距離通信光ファイバー ２．．．ダイクロイックカップラー（光マルチプレクサ
） ３．．．ポンピングレーザエミソタ ４，５．．．光ファイバー　６．．．アクティブファイ
バー７．．．通信ファイバー　８．．．鏡素子９．．．
光デマルチプレクサ　１０．．入力ファイバー１１．１
２．．．出力ファイバー　１３．．鏡第 ！ 図 第３図 第４ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光遠距離通信システム内で光ファイバーに接続され
   るアクティブファイバー型の光増幅器であって、該増幅
   器が光遠距離通信ファイバーに接続されて通信波長でそ
   こからの光を受け更に通信波長より低いポンピング波長
   で光源から光を受けるレーザエミッタ部材を含むアクテ
   ィブ光ファイバーの一部を含み、ポンピング光がアクテ
   ィブファイバーに吸収される前記光増幅器において、ア
   クティブファイバーは直接入力ポンピング光の部分吸収
   に相当する長さとし、アクティブファイバーの下流にポ
   ンピング波長で光を反射し通信波長で光を透過させる選
   択鏡素子を含むことを特徴とするアクティブファイバー
   型光増幅器。 ２、前記鏡素子のアクティブファイバー内の反射性は通
   信波長において−４０ｄＢよりも低くポンピング波長に
   おいて−１０ｄＢよりも高いことを特徴とする請求項１
   記載の光増幅器。 ３、前記鏡素子はダイクロイック鏡と夫々アクティブフ
   ァイバーからダイクロイック鏡に及びダイクロイック鏡
   から光遠距離通信ファイバーに光を送る２種の焦点群を
   含む個別の部材とから成ることを特徴とする請求項１記
   載の光増幅器。 ４、前記鏡素子は１個以上のモノリシック光ファイバー
   素子から成ることを特徴とする請求項１記載の光増幅器
   。 ５、前記鏡素子はアクティブファイバーの端部に接続さ
   れ通信波長と単ファイバー内にマルチプレクスされたポ
   ンピング波長を受ける入力ファイバーを有する光デマル
   チプレクサと２本の出力ファイバーとから成り、前記デ
   マルチプレクサは通信波長を一方の出力ファイバーにポ
   ンピング波長を他方の出力ファイバーに分離させ、通信
   波長を搬送する出力ファイバーは通信ファイバーに接続
   され、ポンピング波長を搬送する出力ファイバーは端部
   に少なくともポンピング波長を反射する鏡を有すること
   を特徴とする請求項４記載の光増幅器。 ６、前記鏡は信号波長で−２ｄＢ以下の反射性を有し、
   ポンピング波長で−５ｄＢ以上の反射性を有するダイク
   ロイック鏡であることを特徴とする請求項５記載の光増
   幅器。 ７、前記デマルチプレクサは通信波長とポンピング波長
   との間で−１０ｄＢよりも高い絶縁とすることを特徴と
   する請求項５記載の光増幅器。