JPH03188687A - エルビウム ドープ ファイバー増幅器 - 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】 皮血豆１ 本発明は一般的にはファイバー増幅器、より詳細には、
エルビウム　ドープ　ファイバー増幅器に関する。

背ｉｔＬ術 ローカル及びトランク光学通信網の両者のために弱い光
学信号を増幅するために希土類ドープファイバー増幅器
を使用することに大きな関心が寄せられている。希土類
にてドープされた光学増幅ファイバーは、低コストであ
り、低いノイズを示し、偏波に依存しない比較的大きな
バンド幅を持ち、クロストーク問題を大きく解消し、ま
た光学通信において使用される重要な動作波長において
低い挿入損失を持つことが発見されている。考えられる
希土類ドープ光フアイバー増幅器は、伝送ファイバーに
端と端とが結合され、また、方向性結合器を通じてレー
ダー　ダイオード　ポンプに横断方向に結合される。こ
の方向性結合器は、最大のポンプ　エネルギーが最少の
信号損失にて増幅器に結合されるようにポンプ波長の所
で高い結合比を持ち、信号波長の所で低い結合比を持つ
ように設計される。増幅媒体がポンプ　レーザーにて励
起されたとき、この増幅器を伝播する信号光は、利得を
受ける。ポンプ　エネルギーは、任意の残りの変換され
ないポンプ光が送信機かあるいは受信機の所のいずれで
より便利にフィルターできるかによって、信号エネルギ
ーに対して、同方向にもあるいは逆方向にも伝播させる
ことができる。

希土類ドープ光学増幅器の設計を複雑にする要因に増幅
器の性能を最適化するのに必要とされる様々なパラメー
タと関連する伝送ファイバーの性能を最適化するために
必要とされるパラメータとの間の差がある。光学増幅器
と伝送ファイバーによって遂行される異なる機能に起因
するこれら差異は、信号が伝送ファイバーから増幅ファ
イバーに伝送されたときの大きな信号損失の原因となり
、従って、信号を元のレベルに回復する増幅ファイバー
の効率が大きな問題となる。伝送ファイバー内において
は、バンド幅を最大化し、損失を最少化し、これによっ
てリピータ間の間隔を最大にするために、導波路分散が
最少にされなければならない、一方、増幅ファイバー内
においては、伝送ファイバーとは反対に、主な関心は最
少ポンプ　パワーでの高利得、高飽和パワー及び低ノイ
ズにある。伝送ファイバーと増幅ファイバーに対する異
なる最適パラメータの差異に起因して発生する一例とし
ての信号損失は、信号モードサイズがこれら二つのファ
イバーで大きく異なることによるモード　ミスマツチに
起因するスプライシング損失である。

現時点においては、エルビウム　ドープ　ファイバー増
幅器は１通常の信号処理に起因するばかりでなく、上に
述べた伝送ファイバーと増幅ファイバー間のミスマツチ
に起因する信号損失を克服するために必要とされる高増
幅のための最も大きな可能性を持つように見える。エル
ビウム　ドープ　ファイバー増幅器は、この増幅器が、
低い挿入損失、広い利得バンド幅（約３０　ｎｍ）及び
偏波インセンシティブ利得を示すために光学通信システ
ムに対して特に有効な波長であるλ＝１．５３ｕｍにて
動作する。この増幅器は、＾＝１．４８ｕｍにてポンプ
された場合、２６ｄＢという高い利得を持つが、但し、
７６ｍＷのという高い発射ポンプ　パワーを必要とする
。低い値のポンプ　パワーでのより高い利得が好ましい
。

発明の概要 本発明は、向上された利得及び低下されたポンプ閾値を
持つ希土類にてドープされた光学増幅器に関する。この
増幅スキームは、より一般的な４レベル　レーシング　
システムではなく３レベル　レーシング　システムに基
づく、これに加えて、この光ファイバーの伝送モードは
、ポンプ波長において、実質的にこのファイバー増幅器
コア内の希土類イオンの分散プロフィルの半径に等しい
かそれより大きな半径を持つ０本発明の増幅器によって
、３７ｄＢの利得及び１１．３ｄＢｍの飽和パワーがλ
＝１．４９ｕｍの５４ｍＷのみの発射パワーにて達成で
きる。

Ｘ１Ｊ１λ駁用 ローカル及びトランク光学通信網の両方に対して弱い信
号を増幅するための希土類にてドープされたファイバー
は、これらの低い挿入損失、広い利得バンド幅及び偏波
インセンシティブ利得のために特に興味深い、使用にお
いて、これら光ファイバーは、通常、希土類利得プロフ
ァイル内のある波長の所で弱い光学入力信号の要求され
る増幅が得られるようにポンプに横方向に結合される。

方向性結合器を介して光ファイバーに結合されるポンプ
光は、ファイバー内において信号に対して同方向あるい
は逆方向に伝播される。方向性結合器はポンプ波長の所
で高い結合比を持ち、信号波長の所で低い結合比を持つ
。

ファイバーが励起されないときは、信号は希土類イオン
による基底状態吸収のために損失を受ける。ファイバー
に加えられるポンプ（励起）パワーが増加されると、基
底レベル吸収に起因する損失は減少してゆき（つまり、
利得は負であるが増加してゆき）、ある値のポンプ　パ
ワーにおいて、正味信号吸収がなくなる（つまり、利得
がゼロとなる）、これはトランスバレンシー状態と呼ば
れる。その後、ファイバー内のバンブ　パワーが増加さ
れてゆくと、希土類イオンのより高い割合が励起状態に
なり、高いレーシング状態から基底状態への刺激された
放射が基底状態から高いレーシング状態への吸収よりも
強くなり、結果として、様々な波長において、正味の正
の利得が起こる。こうして、この光学ファイバーは、高
いレーシングシ　レベルが多くなるように励起されると
、そのポンプ閾値レベルより高い所で正の正味利得を与
え、ファイバーは増幅器として働く。

光学増幅器には二つの基本タイプがある０片方のタイプ
は４レベル　レーシング　システムにて動作し、他方は
、３レベル　レーシング　システムにて動作する。第１
図は４レベル　レーシング　システムを図解し、第２図
は３レベル　レーシング　システムを図解する０個々の
ケースにおいて、励起は信号波長に対応するものよりも
高い適当なエネルギーの光子を放射する別個のレーザー
あるいはランプによりて遂行される。電子は基底状態か
ら上側レーシング　レベルよりも上の一つあるいは複数
のポンプ　バンドに励起される。一つのポンプ　バンド
は、シュタルク　マニホールド［Ｓｔ、ａｒｋ　ｍａｎ
ｉｆｏｌｄ）内の倍数状態がら成る。ガラス内のイオン
の場合は、電子状態は。

通常、シュタルク　スプリット　マニホールド（Ｓｔａ
ｒｋ　５ｐｌｉｔ　ｍａｎｉｆｏｌｄｌに広げられる。

ただし、様々な異なるマニホールド倍数状態は、均一な
広がりのために、通常、室温においては、本当に離散さ
れたレベルとはならない、ポンプ周波数に依存して、こ
れら電子は、上側し〜ジング状態のレベルに励起される
が、このレベルは、第１図のレベルＥ４及び第２図のＥ
、の上である。これら電子は次に、通常このレベルから
非放射的に上側レーシング　レベルへと減衰する。上側
レーシング　レベルの自発的ライフタイムはポンプ　バ
ンドのそれよりも非常に大きく、上側レベルに大きな密
度が起こることに注意する。レーザー波長の光子が上側
レーシング状態内の励起されたイオンと反応すると、刺
激された放射が起こる。光子は、前の自発的放射、刺激
された放射、あるいは入力信号のいずれかから来る。第
１図のＥ２及び第２図のＥｌの下側レベルにおいても類
似のマニホールドが存在する。電子は下側マニホールド
内のあるレベルに減衰し、これが減衰するレベルは、そ
れが動作する波長、つまり１．５３ｕｍ−１，５５ｕｍ
によって表わされる。

第１図の４レベル　レーシング　システムと第２図の３
レベル　レーシング　システムとの差を指摘することが
重要である。３レベル　レーシング　システムにおいて
は、下側レーシング　レベルは基底状態かあるいは大き
な熱的密度を持つのに十分に基底状態に接近している。

４レベルレーシング　システムにおいては、さらにこの
下側レーシング　レベルから基底状態への遷移があり、
これは、通常、非放射的に行なわれ、放射的遷移よりも
かなり速い、３レベル　レーシングシステムにおいては
、基底状態から直接に上側レーシング　レベルへの吸収
が起こり、基底状態が強い励起によってデボビュレーテ
ィング（ｄｅｐｏｐｕｌａｔｅｄ）されない限り、信号
強度が落ち、レーシング光子の放射効果が損なわれる。

レーザーが３レベル　レーザー　システムであるか、４
レベル　システムであるかの重要性は、主に、３レベル
　レーシング　システムがポピユレーションの逆転を得
るために高い強度にて励起されることを必要とすること
に依存する。従って、３レベル　レーシング　システム
は、通常、４レベル　レーシング　システムよりも、特
に、バルク　ノン　ファイバー　アクティブ媒体に対し
ては、高い値の閾値パワーを持ち、従って、現時点にお
いては、４レベル　レーシング　システムの方が好まし
い、希土類ドープ光フアイバー増幅器、は３及び４レベ
ル　モードの両方にて動作する。

３レベル　システムと４レベル　レーシングシステムと
の間のもう一つの差異は、ファイバー長への利得の依存
にある。４レベル　システムにおいては、欠陥損失が存
在しないものと想定すると、ファイバー長が増加される
と利得が減少するようなポイントは存在しない、３レベ
ル　システムにおいては、任意のポンプ　パワーに対し
て最大利得が得られるような最適長が存在する。これは
欠陥損失がないような場合においてさえも見られる３レ
ベル　システムに固有の特性である。終端励起３レベル
　ファイバーにおいては、得られるポンプ光子の数及び
、従って、ポピユレーションの逆転は、発射端の所で最
大となり、ファイバーに沿って単調的に減少する。任意
のポンプパワーに対する最大利得は、ファイバー長がフ
ァイバーの他端から現われるポンプ　パワーがトランス
バレンシーを達成するために必要とされるポンプ閾値パ
ワーと丁度等しいようなファイバー長であるときに達成
される。このポイントまでの長さの個々の増分は、そこ
に存在するポンプ　パワーがポンプ閾値より上であるた
めに正味利得に貢献し：このポイントを越えての個々の
長さの増分は、ポンプ　パワーがトランスバレンシーに
対する閾値レベル以下であり、信号はこの領域内におい
て正味損失を受けるために利得を減する。

３レベル　システムと４レベル　システム　システムと
の間のもう一つの大きな違いは飽和出力パワーのポンプ
　パワーへの依存性にある。４レベル　システムにおい
ては、飽和パワーはポンプ　パワーに依存しないが、一
方、３レベル　システムにおいては、飽和出力パワーは
、ポンプパワーに直線的に依存し、ポンプ　パワーを増
加させることによって増加させることができる６４レベ
ル　システム　デバイスを使用する光学増幅器の動作は
、３レベル　システムを使用する光学増幅器の動作と太
き（異なることは明らかである。

希土類、例えばエルビウムにてえ＝１．５３ｕｍにて動
作するファイバー増幅器を形成するようにドープされた
光ファイバーは、光通信に対して、これらの低挿入損失
、広い利得バンド幅（約３０ｎｍ）及び偏波インセンシ
ティブ利得のために特に興味深い、最近の研究は、エル
ビウムにてドープされたファイバー増幅器が、ｔｐ＝ｉ
　４８ｕｍあるいはえ、−９８０ｎｍのポンプ波長にて
動作するレーザー　ダイオードにて励起できることを実
証している。エルビウムにてドープされた光学増幅器は
３レベル　システムを使用することに注意する。

現在、エルビウムにてドープされたファイバー増幅器は
、コアがパワー　モード　サイズと比較して大きなため
に得られる高い閾値パワーを持つ、第３図には、高いポ
ンプ閾値を持つ先行技術によるエルビウム　ドープされ
たファイバー増幅器のプロットが示される。中央股部分
５０は、シングル　モード　ファイバーのエルビウム　
ドープされたコアの屈折率を表わし、端５２は、シング
ル　モード　ファイバーのクラディングの屈折率を表わ
す、ガラスから製造され、従って、ガラス　ホストと呼
ばれる光ファイバーのコアは、希土類ドーパントである
エルビウムにて均一にドープされ、クラディングのコア
よりも大きなコア屈折率を持つ、ファイバーのポンプ　
モードの曲線５４が光ファイバーの屈折率のプロット上
に重ねて示される。エルビウム　ドープされたファイバ
ーのコア５０の半径は、ファイバーのポンプモード５４
の半径と比較して大きい。第３図には、コアを横断して
実質的に均一に分散するエルビウムの代表原子５６．５
８．６０．６４が示される。動作において、エルビウム
原子６２及び６４は、ファイバーの中心付近に存在し、
ポンプ　モードの最大強度に露出される。明らかに、こ
れらは、基底状態から上側レーシング　レベルよりも高
いバンドに励起される。但し、これは。

コアの端付近に位置するこれらコルビウム原子に対して
は起こらない、第３図から、コアの端付近のモードの強
度は、コアの中心の所のピーク値と比較して大きく減少
することが分かる。実施においては、この低減は、コア
の端の所のエルビウム原子が正味利得を与えるのに十分
なポンプ光子の束を見ない程度である。これら原子は信
号吸収にのみ寄与し、これはシングル　モードが受ける
総ファイバー利得を低減する。前に述べたように。

３レベル　レーシング　システムにおいては、下側レー
シング　レベルは、基底状態か、あるいはそれが大きな
熱密度を持たないような基底状態に十分に近いレベルで
ある。低強度領域内に位置するエルビウム原子５６．５
８．６０は、それらの時間の殆どを下側レーシング　レ
ベルにて費やすために、これらは、利得プロセスに実質
的に寄与しないばかりでなく、これらは吸収に寄与し、
増幅器の効率を低下させる。４レベル　システムにおい
ては１反対に、低ポンプ領域内の原子は、それらの時間
の殆どを下側板レーシング状態ではな（、従って、単に
、受動的オブザーバ−となる基底状態に費やし：これら
は利得に参与せず、：３レベル　システムの場合は反対
に、信号波長においても吸収せず従って、利得を劣化さ
せることもない、４レベル　レーシング　システムにお
いては、高飽和出力パワーを達成するために飽和強度以
丁に信号強度をたもっために大きな空洞を持つことが要
求される。

本発明においては、ｌｌｍＷ−５４ｍＷレンジにおいて
え＝１．４９ｕｍのポンプ　パワーにて＋２．５ｄＢか
ら＋３７ｄＢの利得を提供するより効率的なエルビウム
　ドープされたファイバ増幅器が開示される。＋２．５
ｄＢｍから＋１１ｄＢｍの対応する飽和出力パワーが達
成される。

ここに開示される新たな改良された光学増幅器について
実施された測定値は、２．１±Ｏ，ｌｄＢ／ｍＷの最大
利得係数を示す、この値の利得係数は、えｐ　＝　１　
、４８−１　、４９　ｕ　ｍの吸収バンド内で励起され
たエルビウム　ドープ　ファイバー増幅器に対して今日
まで報告された最大の値である。５４ｍＷ発射ポンプ　
パワーに対しては。

＋　１１　ｄＢｍの高飽和出力信号パワーが測定されて
いる。これはこのポンプ波長に対してこれまでに報告さ
れている＋２．５ｄＢｍと比較して劇的な向上である。

上に述べた結果を与えるエルビウムにてドープされたフ
ァイバー増幅器は、１．＋８ｕｍのコア半径及び０．２
３の開口数を持つ、Ｅｒ”°濃度はｐ＝２ｘｌｏ”ｍ−
１であり、これは、おおむね５０ｐｐｍのＥ　ｒ　２０
３１１度に相当する。

エルビウムが活性イオンであるときは、効率の向上が、
現在エルビウム　ドープ　ファイバー増幅器に対して行
なわれているようにゲルマニウムのみを使用するのでは
な（、コアの屈折率を上げるために主要ドーパントとし
てのアルミニウム及びゲルマニウムの両方にてドープさ
れたコアを使用することによって得られる。アルミニウ
ムが加えられた場合、吸収及びＥ　ｒ”イオンの螢光プ
ロファイルは１．４６−１．４９ｕｍ波長バンドにおけ
るボンピングに好ましいように変わるが、これは、この
波長レンジにおいては、アルミニウム　ドープされたコ
アでは、吸収が高く、螢光が低くなるためである。

第４図にはエルビウム　ドープ　ファイバー増幅器をテ
ストするためのテスト　セット　アップの略図が示され
る−　ｊｐ＝１．４９３ｕｍにて動作するＮａＣｌ：Ｏ
Ｈ色素中心レーザー１０がポンプとして使用される６色
素中心レーザー１０に対する最大出力とこの特定のポン
プ波長に帰着する動作波長との間のトレード　才〕が最
適として選択される。但し、このレーザーは、最高のエ
ルビウム　ドープ　ファイバー増幅器利得を達成するた
めの最適ポンプ波長を与えるものではないことに注意す
る。グレーティング１２が色素中心レーザー　ポンプか
ら出るえ＝１．０６４ｕｍの所の望ましくない光を排除
するために使用される。え、＝ｌ、５３１ｕｍ付近にて
動作する可調外部空洞レーザー　ダイオード１４が信号
のために使用される。ファラデー　アイソレータ１６が
バックワードＡＳＥからの信号レーザーへのフィードバ
ックを防止し、また反射からエルビウム　ドープ　ファ
イバー増幅器へのフィードバックを阻止するために使用
される。低反射率屈折率マツチング　ウィンドウを持つ
ファイバー　ビッグ　テール１８が外部空洞レーザー　
ダイオード１４とファラデー　アイソレータ１６との間
に置かれる。ファラデー　アイソレータを通ってバスす
る信号の最大化は、ビッグ　テール上に置かれたファイ
バー偏波コントローラ２０を通じて達成される。偏波ビ
ーム　スプリッター２２がポンプと信号をｎ＝ｏ、ｏ１
２の低結合係数を持つ融合ファイバー結合器２８のファ
イバー上に組合わせるために使用される。エルビウム　
ドープ　ファイバー増幅器２４が２６の所で結合器２８
の直通出力ファイバーにバット　スプライスされるが、
結合器２８は、望ましくない反射及びファブリペロ効用
を押えるために屈折率マツチング　オ　イル２９を使用
する。エルビウム　ドープ　ファイバーの出力端３０は
エルビウム　ドープ　ファイバー増幅器へのフィードバ
ックをｉｔ止するために１０度の角度にポリッシュされ
る。結合器の１％出力ボート３２がエルビウム　ドープ
　ファイバー増幅器へのポンプ及び信号入力をモニタす
るために使用される。結合器人力ファイバーノードの端
３４もフィードバックを防ぐために１０度の角度にポリ
ッシュされる。使用されない他方の人力リードも同じ目
的のために屈折率マツチされる。

このエルビウム　ドープ　ファイバーのコア径は１．８
１ｕｍであり、開口数は０．２３である。このω　＝３
　ｕｍのｌ／ωパワー　モードサイズ（半径）は実験的
に近距離場イメージングを使用して得られた。結合器フ
ァイバーのパワー　モード　サイズω＝４．４ｕｍであ
る。エルビウム　ドープ　ファイバー増幅器のＥ　ｒ　
”１度は、ｐ＝２ｘ　１０”ｍ−３であるが、これは、
約５０ｐｐｍのＥ　ｒｚ　Ｏｓ濃度に相当する。η＝０
．６３であると測定された人力ファイバーリードとファ
イバー増幅器との間の結合比は２．０ｄＢ結合損失に対
応する。この結合損失は、増幅器ファイバーと結合器フ
ァイバーのモード包結線の間の非最適重複整数を与える
少しの整合ミスに起因する。え、＝ｌ、５３１ｕｍを中
心とする２、６ｎｍのバンド幅（Ｆ　Ｗ　ＨＭ　）を持
つ干渉フィルター３５を通過した後、エルビウムドープ
　ファイバー増幅器の出力は、増幅された信号をモニタ
ーするためにスペクトル計に送られるか、あるいは利得
の測定のためにパワー　メタ−に送られる。

エルビウム　ドープ　ファイバー増幅器に発射されたポ
ンプ　パワーＰｐ″′の関数としての信号利得Ｇが第５
図に示される０図解される結果を得るために使用された
ファイバーは４７９ｍの長さを持つ、第５図の挿入は、
λ＝１．４９３ｕｍにチューニングされたポンプによる
出カスベクトル及び螢光スペクトルのピークの周波数で
あるλ＝１．５３１ｕｍの信号を図解する。ファイバー
増幅器トランスバレンシー（利得−０ｄＢ）がＰｐ”＝
６．５にて得られた。長いファイバー長に対してトラン
スバレンシーを達成するために要求される入カボンブ　
パワーがファイバーに沿ってのポンプ減衰に起因する媒
体反転のために要求されるポンプ閾値よりも高いことは
、このファイバーが実際に低い反転閾値を持つことを示
す。

Ｐ、”　＝１１．３ｍＷの入力パワーにて、＋２５．２
ｄＢの利得が達成された。これは、ｇ＝２．１±０．１
ｄＢ／ｍＷの利得係数に相当する。これは、Ａｐｐｌｉ
ｅｄ　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ。

５４、　　Ｎｏ、　　５．　　（１９８９年）、ページ
２９５に、Ｍ、ナカザワ（Ｍ、Ｎａｋａｚａｗａ）、　
　Ｙ、　　キムテ（Ｙ。

Ｋｉｍｕｒａ）及びに、スズキ（Ｋ、　３ｕｚｕｋｉ）
によって開示される１、４８ｕｍポンプ波長に対して現
在報告されてるｇ＝０．３９ｄＢ／ｍＷと比較して劇的
な向上である。

＋３６．８±０．３ｄＢの最大利得が５３．６ｍＷ発射
ポンプ　パワーにて達成されるが、これは、可視光線に
てポンプされたときのエルビウム　ドープ　ファイバー
増幅器に対して報告されている＋３５ｄＢよりも少し高
く、また、０ｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎ
ｉｃａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ。

１９８９年、テクニカル　ダイジェスト　シリーズ、Ｐ
Ｄ１５−１に、Ｋ、　　ハギモト（Ｋ、　Ｈａｇｉｍｏ
ｔｏ）らによって報告されている１、４９ｕｍにてポン
プされたときの利得よりも約１０ｄＢ高い。この向上は
、ファイバーの非常に低いポンプ閾値に起因するが、こ
れは、ポンプ　モードの小さなサイズの結果である。

λ３における理論ポンプ閾値ＰＰ１″は、以下の超越式
の解である。

ここで、σ１及びσ、はそれぞれλ、における吸収及び
放射断面であり； η＝ｅｘｐ（−ａ’／ω２）であり、ここで、ａ＝ファ
イバーのコア径、ωは１／εＸモードセンターの所の最
大強度に相当するモードの半径であシバ　Ｐ”　＝＝ｈ
、−’　ｒｔ　ａ’　／ａ、ｒであり、ここで、ｈｐ−
””ポンプ光子エネルギー　σ、＝ポンプ吸収断面、そ
してτ＝’Ｉ１３／２レベルの螢光寿命である。

このファイバーに対して測定された螢光寿命及び断面を
使用することによって、つまり、τ＝１０ｍｓ、　　ａ
、　　（１，４９ｕｍ）　＝２ｘ　１０−２６ｍ。

ａ、（１，５３ｕｍ）＝４ｘ８ｘｌＯ−２５ｍ２ａ、（
１，５３ｕｍ）−８ｘｌｘｌＯ−”ｍ２を使用すること
によって、ファイバー　パラメータが式（１）Ｐｐ”　
＝１．３５ｍＷから得られるが、これは、エルビウム　
ドープ　ファイバー増幅器においてトランスバレンシー
を達成するために要求されるＰｐ′ｈ＝６．５ｍＷとト
ランスバレンシーがポンプがファイバーの入力端の所の
閾値より数倍高いことを要求するために一貫するもので
ある。こうして、ＰｐＬｈ＝５４ｍＷの最大発射パワー
は比Ｐ　、Ｉｎ　／　Ｐ　ｐ′ｈ〜４０を持つ高度にポ
ンプされた状態を表わし、結果としてファイバーに対す
る高い利得が測定される。　　Ｐｐｔｈ＝１．　３ｍＷ
よりもかなり低いポンプ閾値がパラメーターωの値を３
ｕｍよりも低い値、例えば、ファイバーの屈折率の差を
Δ。＝０．０３に増加し、ファイバーのコア径をａ＝１
．５ｕｍに減らすことによって達成される１、５ｕｍに
調節することによって得ることができることに注意する
。

こうして、ポンプ閾値と導波路の特性との関係を記述す
る式（１）からポンプ閾値は、向上された効率を得るた
めには可能な限り低いことが要求されることが分かる。

第６図は本発明の原理に従うエルビウム　ドープ　ファ
イバ−増幅器の屈折率のプロットであるが、ここでは、
ファイバーが低ポンプ閾値を持つように設計される。中
央股部分３６は、シングル　モード　ファイバーのエル
ビウム　ドープコアの屈折率を表わし、両端３８は、シ
ングルモード　ファイバーのクラディングの屈折率を表
わす、光学ファイバーのコアはエルビウムを含み、コア
の屈折率はクラディングのそれよりも大きい、ファイバ
ーのポンプ　モードの曲線４２が一例として光ファイバ
ーの屈折率のプロット上に重ねて示される０式（１）の
結果に従うと、エルビウム　ドープ　ファイバーのコア
３６の半径はファイバーのポンプ　モードの半径に等し
いかこれより小さい、こうして、エルビウム　ドープコ
アの半径がファイバーのポンプ　モードの半径以下であ
るために、コア断面内のエルビウムの個々の原子は、実
質的にポンプ　モードの等しいレベルの高強度部分にさ
らされる。エルビウムにて実質的に均一にドープされた
コアを持つ光フアイバー増幅器においては、高動作効率
がコアが１．８ｕｍの半径を持ち、コアの屈折率とタラ
ディングの屈折率との差が実質的に０．０１９であり、
ポンプのパワー　モード　サイズωが実質的に３ｕｍを
越えないときに得られる。

第７図には、３ｄＢ利得圧縮を与える人力及び出力信号
飽和パワーが発射されるポンプ　パワーの関数として示
される６図面は、ポンプが増加されると人力飽和パワー
Ｐ　ｍａｔ“０は減少し、出力飽和パワーＰ、。ｏｕｔ
は増加することを示す。

Ｐ、、、”ｔ＝　ｌ　ｌ　、　３　ｄ　Ｂの出力飽和パ
ワーが最大利得Ｇ、、、＝３７．１　ｄＢに対応する最
大可能放射ポンプ　パワー、つまり、Ｐ、、′〜５３．
６にて達成される。これは、光フアイバー通信会議、１
９８９年、テクニカル　ダイジェスト　シリーズ、ＰＤ
１５−１　　（アメリカ光学協会、ワシントン、Ｄ、Ｃ
，１９８８年）に、Ｋ、ハギモト（Ｋ、　ＩＩａｇｉｎ
＋ｏｔｏｌらによって報告される値、Ｐｓａｔ”’＝＋
２．５ｄＢｍ、Ｇｍａｘ　＝２６ｄＢ、と較べて劇的な
向上である。第４図に示される出力飽和パワーのレンジ
、つまり、Ｐ　、、ｔＯＩＩＬ＝＋２．５ｄＢｍから＋
１１．３ｄＢｍは進行波半導体増幅器にて得られる結果
、つまり、ＰｍａＬ。“１＝＋５ｄＢｍから＋１２．５
ｄＢｍに匹敵する。

明らかに、本発明に従って、１．４９ｕｍレーザー　ダ
イオード　ポンプにて＋３０ｄＢを越えるファイバー・
ファイバー利得を得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は非半導体４レベル　システムに対するポピユレ
ーション反転及びレーシングを示すエネルギー　レベル
図であり。 第２図は非半導体３レベル　システムに対するポピユレ
ーション反転及びレーシングを示すエネルギー　レベル
図であり： 第３図は先行技術による光学増幅器のポンプモードの強
度プロフィルのプロットの上に重ねられたエルビウム　
ドープ　ファイバーの屈折率のプロットを示す図であり
： 第４図はエルビウム　ドープ　ファイバー増幅器をテス
トするための構造の略図であり：第５図はえ、＝１．５
３１ｕｍにおける信号利（りのえ、＝１．４９３ｕｍの
発射バンブ　パワーの関数としてのプロットを示す図で
あり：第６図は本発明の原理に従うポンプ　モードの強
度プロフィルのプロットの上に重ねられたエルビウム　
ドープ　ファイバーの屈折率のプロットを示す図であり
；そして 第７図は発射ポンプ　パワーの関数としての入力及び出
力信号飽和パワーのプロットを示す図である。 ２ ６ ８　− く主要部分の符号の説明〉 グレーティング ファラデー　アイソレータ 結合器 ＦＬＧ、５ ＦＩＧ、７ ０ 発射ポンプパワー（ｍＷ） ０ ０ ０ ０ 発射ポンプパワー（ｍＷ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、クラディングによって包囲されたコアを持つシング
   ルモード光ファイバー、及びポン プ波長のポンプ信号を生成するための手段を持つ光学増
   幅器において、該コアがある分布プロフィルを持つ希土
   類イオンにてドープされ、 該ポンプ波長が該希土類イオンの基底状態 をレーシング遷移の下側レベルとして持つ３レベルレー
   シングシステムの上側ポン プレベルである励起状態に結合する能力を 持ち、該生成手段が光学的に該光ファイバーに結合され
   、該光ファイバーの伝送モードが該ポンプ波長において
   該コア内の該希土類イオンの該分布プロフィルの半径に
   等しいかこれよりも大きな半径を持つことを特徴とする
   光学増幅器。 ２、該コア内の該希土類イオンの該分布プロフィルが１
   ．９ｕｍよりも小さな半径を持つことを特徴とする請求
   項１に記載の光学増幅器。 ３、該希土類イオンがエルビウムから成ることを特徴と
   する請求項１に記載の光学増幅器。 ４、該ポンプ信号の該モードの半径が３ｕｍを越えない
   ことを特徴とする請求項２に記載の光学増幅器。 ５、該ファイバーのドープされたコアが１．０ｕｍから
   １．８ｕｍのレンジ内の半径を持ち、 ファイバー屈折率の差が０．０４から０．１９の間であ
   ることを特徴とする請求項４に記載の光学増幅器。 ６、該ファイバーのドープされたコアが実質的に１．８
   ｕｍの半径を持ち、コアの該ク ラディングとの屈折率の差が実質的に０．０１９である
   ことを特徴とする請求項５に記載の光学増幅器。 ７、該ファイバーが下側限界０．２及び上側限界０．３
   ５を持つレンジ内の開口数を持つことを特徴とする請求
   項５に記載の光学増幅 器。 ８、該ファイバーの開口数が実質的に、０．２３である
   ことを特徴とする請求項７に記載の光学増幅器。 ９、該ファイバーのモード寸法が１．５ｕｍの下側限界
   及び３ｕｍの上側限界を持つレンジ内であることを特徴
   とする請求項３に記載の光学増幅器。 １０、該光学ファイバーが実質的に１．４６−１．４９
   ｕｍの吸収バンド内のポンプエネルギーを受けるように
   結合されることを特徴とする請求項９に記載の光学増幅
   器。 １１、該生成手段のパワーモードサイズの半径が１．５
   ｕｍに等しいかこれより小さいことを特徴とする請求項
   １０に記載の光学増幅器。 １２、該コアがガラスホストであることを特徴とする請
   求項１１に記載の光学増幅器。 １３、該ガラスホストコアがシリカであり、エルビウム
   に加えてコアの屈折率を上げるためにドーパントが使用
   されることを特徴とする請求項１２に記載の光学増幅器
   。 １４、該コア内の屈折率を上げるためのドーパントが重
   要な成分としてアルミニウムを含むことを特徴とする請
   求項１３に記載の光学増幅器。 １５、出力パワーが最高１１ｄＢｍまでポンプパワーの
   増加と正比例して増加することを特徴とする請求項７に
   記載の光学増幅器。 １６、光学信号を増幅するための方法において、該方法
   が クラディングにて包囲されたコアを持つシ ングルモード光ファイバーにポンプ信号を 加えるポンプ波長のポンプ信号を生成するステップを含
   み、該コアがある分布プロフィルを持つ希土類イオンに
   てドープされ、該ポンプ波長が該希土類イオンの基底状
   態を該基底状態をレーシング遷移の下側レベルとして持
   つ３レベルレーシングシステムの上側ポ ンプレベルである励起状態に結合する能力 を持ち、該方法がさらに 該光ファイバーの伝送モードを該ポンプ波 長において該コア内の該希土類イオンの該分布プロフィ
   ルの半径に等しいかこれよりも大きな半径を持つように
   するステップ、及び 該シングルモード光ファイバーに増幅の ために光学信号を加えるステップを含むことを特徴とす
   る方法。