JPH03210537A - 広ポンピング・バンドを有する活性ファイバ光増幅器及びその関連の活性ファイバ - 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］ 本発明は、塩ボンピング・バンド域を有する活性ファイ
バ光増幅器及びその関連の活性ファイバに間する。

［従来の技術］ 特定の物質によりドープされたコアを有する光ファイバ
は、し−ザ発振源及び光増幅器として用いるのに適した
誘導放出特性を有することが知られている。

実際に、このような光ファイバは、特定の波長を有する
光源からエネルギが供給されると、ドーパント原子を誘
導エネルギ状態へ、即ちボンピング・バンドへ遷移させ
る。ｙＸ子はこのボンピング・バンドから極めて短い期
間に自発減衰をしてレーザ発振状態と呼ばれる状態に遷
移し、比較的に長い時間この状態に留まる。

レーザ発振準位において励起状態にある多量の原子をも
つ光ファイバを介して、その放出状態に対応する波長を
もつ光信号が通過すると、光信号は励起された原子を低
いエネルギ準位に遷移させて光信号と同一波長の光を放
出させる。従って、前記型式の光ファイバに送出された
光信号の増幅に、この光ファイバを用いることが可能で
ある。

前記現象はドーパントに典型的ないくつかの波長で発生
することが可能なので、光ファイバにおいて蛍光スペク
トルを発生させる。

前述の型式の増幅放出の発生は、光ファイバに対する充
分な「ボンピング」エネルギを管理することにより可能
とされ、これを分布反転の状態に保持すること、即ち保
持可能なドーピング物質の原子数はエネルギ基底状態の
ときよりも、レーザ発振状態のときの方が多くすること
ができる。前記ポンピング・エネルギは光エネルギの形
式で光ファイバに供給可能とされる。従って、光ファイ
バは、ドーピング物質がレーザ発振準位よりも高い準位
へエネルギ遷移することに対応した波長の光源からエネ
ルギが供給される必要がある。

光ファイバは、ある光吸収スペクトルを示し、即ちその
光ファイバに含丈れるドーパントが取り得る他のエネル
ギ遷移で光吸収が特に高くなる複数の波長が存在する。

従って、充分な量のＶボンピング」エネルギを供給する
場合に、前記光エネルギはある波長で光ファイバに導入
され、その波長が所望のレーザ放出準位と同−又はこれ
よりも高いエネルギ遷移を有する光ファイバの吸収スペ
クトルのピークに対応している。

例えば、英国特許出願第８８１３７６９号に記載されて
いるように、コアをエルビウムによりドープし、前記型
式の誘導放出をさせることにより、光信号の増幅に用い
るようにした光ファイバに、約９８０ｎ−の波長を有す
る光ポンピング・エネルギを吸収させて、励起状態に遷
移させることができる。

このためには、このような波長で「ポンピング」レーザ
により供給する光エネルギを用いなければならない。

このスペクトル領域で動作するレーザのうちで、半導体
ダイオード型式のレーザは、コンパクト性、信頼性及び
コストについて所要の品質を示すので、産業上、光ファ
イバ通信回線に用いることができる。しかし、このよう
なレーザは、約９８０ｎ輪の波長で動作するように製造
されたときは、実質的に前記放出波長を発生するのに繊
細な結晶構造が必要なために、（１（ｌｅＷ程度）電力
を減少させており、従って通信回線に沿って配置される
電力増幅器の給電には適していない。

更に、５０ｍＷ以上の出力電力を発生するようにした半
導体ダイオード型式のレーザを製造することもできる。

しかし、このようなレーザは、前記型式のエルビウムに
よりドープされた光ファイバがエネルギの光を吸収し得
るスペクトル領域を超えた９００ｎ−〜９５０ｎ−の波
長領域で動作するものであるから、これらレーザを前記
光ファイバに用いることはできない。

高電力の光エネルギを供給するようにしたレーザとして
、例えばネオディウム：ＹＡＧ型の３準位ダイオード・
ポンプ式レーザも知られている。

このレーザは、光増幅器用の光ポンプ・エネルギ源とし
て用いるのに適当かも知れない、しかし、これらの光放
出の波長は９４７ｎｍであり、エルビウムをポンピング
することが可能な領域を超えている。

従って、本発明の目的は、高パワーのレーザ放出でレー
ザ発振状態にそのドーピング物質即ちドーパントを遷移
させるようにした光エネルギをよく吸収する、ドープさ
れた光ファイバを提供することにある。更に、前記光フ
ァイバは実用的な産業用のものであり、通信回線におけ
る光信号を増幅するように動作されている。

［課題を解決するための手段］ 本発明の目的は、レーザ放出ドーパントとじてエルビウ
ムを含有し、導波路効果を確保するように屈折率の変更
要素として作用するドーパントを有し、光ボンピング源
から所定の波長が供給されて前記レーザ放出を発生する
特に光通信回線用の光ファイバ増幅器用の光ファイバで
あって、更に、前記光ファイバは関連する光増幅器内の
ポンピング・レーザの放出波長で光エネルギをよく吸収
するドーパントを備え、更に前記ドーパントは吸収した
ポンピング・エネルギを前記光ファイバに含有するエル
ビウムへ転送することにより、分布反転が光伝送信号の
存在で誘導された光放出を発生させることを特徴とする
。

更に、前記ドーパントは、好ましいものとして、３価の
陽イオンの形式にあるイ・ｙテルビウムからなる。

含有するエルビウムに対する前記光ファイバのイッテル
ビウムの濃度は、含有する酸化物の重量百分率として表
わされたときは、 であり、かつ光ファイバの全重量に対するイ・ソテルビ
ウムの濃度は重量で５％未満であり、好ましいものとし
て１％未満である。

屈折率の変更が可能なドーパントはゲルマニウム又はア
ルミニウムでもよい。

更に、本発明の目的は、エルビウムによりドープされた
レーザ放出が活性な光ファイバと、所定の波長で動作す
る光ポンピング・レーザ発生源とを備えた特に光ファイ
バ通信回線用の光増幅器において、 前記活性な光ファイバは更にポンピング・レーザ発生源
の放出波長で光吸収を示すドーパントを備え、吸収した
エネルギを前記活性な光ファイバに含まれているエルビ
ウムへ転送することにより、その分布反転が光伝送信号
の存在により誘導光放出を発生するようにさせたことに
ある。

好ましいものとして、更に、前記活性な光ファイバにお
ける前記ドーパントは３価の陽イオンの形式にあるイッ
テルビウムからなり、前記光ポンピング・レーザ発生源
は９００ｎ−と９５ｏｎ−との間に動作するネオディウ
ム：ＹＡＧ型の３準位ダイオード・ポンプ式レーザ又は
半導体ダイオード・レーザであり、含有するエルビウム
の濃度に対する前記光増幅器の活性な光ファイバ内のイ
ッテルビウムの濃度は、前記活性ファイバに含まれてい
る酸化物の重量百分率として表わされたときは、であり
、かつ前記活性な光ファイバの全重量に対するイッテル
ビウムの重量による濃度は５％未満であり、好ましいも
のとして１％未満である。

添付する図面を嘗照して行なう本発明の詳細な説明から
更にその詳細が明らかとなる。

［実施例コ 通信光ファイバにおける信号を増幅するために、光ファ
イバを用いる増幅器を便宜的に採用する。

この増幅器の構造を第１図に示す。第１図において、１
は波長λ、の伝送信号を送り込まれる通信光ファイバを
表わしている。この伝送信号はレーザ信号源２が発生す
る。この伝送信号は、一定長のラインにより減衰される
ものであり、ダイクロイック・カップラー３に送出され
る。ダイクロイック・カップラー３において、伝送信号
はポンピング・レーザ発振源４が発生した波長λ、のポ
ンピング光と組合わせられる。次いで、−本の光ファイ
バ５内で合成された２つの波長は、伝送信号の増幅素子
を構成する活性な光ファイバ６に送出されて必要に応じ
て増幅され、最終的に光ファイバ７に導入された後、そ
の送出先へ送出される。

活性な光ファイバ６は全体として増幅素子を構成してお
り、これを作成するために用いられる光ファイバは、例
えば導波路を得るようにした所望の屈折率のプロファイ
ルを達成するために＾Ｌ２０゜と、例えば前述の英国特
許出願第８８１３７６９号に記載されている型式のＥｒ
２Ｏ３とによりドープされた例えば石英ガラスの溶液か
らなる光ファイバであり、エルビウムのレーザ遷移を活
用することにより、伝送信号の良好な増幅を達成可能に
する。

更に、レーザ放出ドーパントとしてエルビウムを含む光
ファイバも用いることができ、このレーザ放出ドーパン
トはゲルマニウムからなる変更要素として作用している
。

第２図に示すように、前述の型式の光ファイバに関連さ
せ、かつシリカをベースとした光ファイバのマトリック
スの溶液における１エルビウム・イオンのために、利用
可能なエネルギ状態をシンボルにより表わし、伝送信号
の波長λＳより短い「ボンピング」波長＾、により活性
な光ファイバに光パワーを導入すると、シリカをベース
とした光ファイバのマトリックスにおいてドーパントと
して存在する一定数のイオンＥｒ’“を以下でボンピン
グ「バンド」と呼ぶ「励起された」エネルギ状態８へ遷
移させ、この励起エネルギ状態８からイオンはレーザ放
出準位を構成するエネルギ準位９へ自発的に減衰する。

エネルギ準位９において、Ｅｒ３＋イオンは比較的に長
い時間、留まることができるので、活性な光ファイバ内
に分布反転を発生させる。高いレーザ準位におけるイオ
ン数は基底準位１０のイオン数よりも多い、レーザ放出
準位で多量のイオンを含む光ファイバをこのような遷移
に対応する波長の信号を通過させると、対象のイオンを
レーザ放出準位から低いレーザ放出準位へ誘導遷移させ
て、活性な光ファイバの出力に大きく増幅された伝送信
号を送出するカスケード現象により、同一波長で光放出
を伴い、イオンの自発−衰を発生させる。

第３図に示すように、前述の型式の光ファイバの光吸収
のスペクトルは、約９８０ｎ−で高い値のピークを示す
、前記光吸収は、当該波長の光の存在において、エルビ
ウム・イオンがボンピング・バンドへ遷移することに関
連している。従って、９８０ｎ−を用いると、高いボン
ピング・パワーの光ファイバへの遷移を増幅に用いるこ
とが可能となる。

しかし、このような波長を、研究所の装置、例えばチタ
ン・サファイアからなる、又はパワーを低下させた半導
体ダイオードを備えたレーザにより容易に発生させるこ
とができる。一方、産業分野では、好ましいものとして
、高いパワーかつ実用的なレーザ発生源、例えば５０ｍ
Ｗより大きなパワーを有し、約９４７ｎ−で光を放出す
る商業的に入手可能なネオディウム：ＹＡＧ型の３単位
ダイオード・ポンプ・レーザ、又は９００と９５０ｎｍ
との間で動作する５０−Ｗより大きなパワーを有する半
導体ダイオード・レーザが用いられる。その作成は、線
路増幅器に用いるようにしたコスト及び信頼性特性に従
っている。

しかし、前述のようなレーザ発振源は、第３図に斜線領
域により示すように、９００ｎ−と９５０ｎｍとの間に
放出バンドを有する。しかし、第３図から明らかなよう
に、エルビウムを含む光ファイバは、レーザ放出ドーパ
ントとしてこの波長領域で非常に低い吸収値を有し、所
望の分布反転を実行してレーザ効果を発生させるのには
充分ではない。

更にドーパントとしてイッテルビウム（Ｙｂ３”　）を
含む前記型式の光ファイバは、屈折率の変更要素として
作用するエルビウム及びドーパント（アルミニウム又は
ゲルマニウム）に加えて、第４図に示す型式の吸収曲線
を有することが分かった。

第４図では、高パワーの前記３準位ネオデイウム：ＹＡ
Ｇレーザ又は半導体ダイオード・レーザの放出バンドを
含むようにした高吸収の非常に広い領域が存在する。こ
れに加えて、前記波長での光吸収は、イッテルビウムの
存在のために、エルビウムによりドープした光ファイバ
に典型的な同一波長でのレーザ放出に関連し、従って前
記光ファイバを光増幅器における活性素子として用いる
ことが可能なことにも分かった。

エルビウム及びイッテルビウムによりドープした前記型
式の光ファイバには、エルビウムによるエネルギ吸収に
続いてイッテルビウム・イオンからエルビウム・イオン
へのエネルギ遷移が存在すると考えられている。従って
、エルビウム・イオンはこれらに関連したレーザ放出準
位に到達し、その準位に関連する波長で所要の増幅を実
行することができる。

この論理によれば、１．５μ輪と１．６μ麟との間の波
長領域ではイッテルビウムのみによりドープされた光フ
ァイバがレーザ効果を示さず、従って説明した光ファイ
バについて検出された光放出をイッテルビウムによるも
のとすることはできず、放出された波長がエルビウムに
典型なものであるように見えることに注意すべきである
。

実験のために、重量で以下のドーノくントを含有し、シ
リカをベースにした「ステ・ンプ・インチ・ンクス」型
の光ファイバからなる活性フィルタを作成した。

Ｅ　ｒ２０　ｓ　　　　　　０．０６＄Ｙｂ２Ｏ３６，
０１ ＡＺ２０，８．８＄ この、光ファイバは第４図に示す吸収曲線を有し、はぼ
８９０ｎ−と１０００ｎ−との間で大きな光吸収を示す
。

第６図に再現された光ファイバ自体の放出スペクトルは
、約８０ｍＷのパワー及び９３０ｎｍｎｏ波長を有する
ボンピング発生源の存在において、エルビウムのみを含
有する５ｉ−ＡＩ光フコアノくのものと同一プロファイ
ルを示す。

第６図に示すように、光ファイバにおけるイ・ツテルビ
ウムの存在がエルビウムの放出スペクトｌしを余り変化
させないので、光ファイバを光通信に用いる型式の伝送
信号を増幅するのに用いることができ、エルビウムのみ
でドープされた「活性」光ファイバを用いたものと同一
の結果が得られる。

前記光ファイバは第１図のブロック図により光増幅器を
構築することを可能にした。第１図において、活性フィ
ルタは長さ５−である、ポンピング・レーザ発振源とし
て３準位Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いた。これは、９４７
１−で動作する１００ｍＷのパワーを有し、商業的に入
手可能である。

伝送信号は、１５３１ｎｍの波長、かつ１ｍＷのパワー
を有する半導体レーザ（Ｉ　ｎ、Ｇａ、Ａｓ）Ｄ　Ｆ　
Ｂにより発生した。光増幅器に入力される伝送信号は、
この伝送信号が１μＷになるまで減衰された。

前記条件においては、光増幅器の下流で３０ｄ　Ｂの利
得を達成した。

比較のために、ＡｂＯｓ及びＥｒ２０．によりドープさ
れ、重量で５ｏｏｐｐ−のＥ　ｒ　２０３を含有する「
ステップ・インデックス」型のシリカをベースにした活
性な光ファイバを有する同一構成を試験した。前配光増
幅器は、同一のボンピング・パワーの存在において、前
述の場合に用いた９４７ｎ−の波長で、８ｄＢ以下の利
得を示した。逆に、同一の光ファイバは、９８０ｎ−で
ポンピング・レーザ発振源を用いることにより大きな利
得を示した。これは、通信信号を増幅するのには適当で
ないパワーを（ＩＣ１ｍＷ以下に〉低下させた半導体ダ
イオード型のレーザにより、又は高パワーのチタン・サ
ファイアからなるが、非常に高価であり、線路増幅器に
実際に用いるのには適当でないレーザにより、達成可能
である。

第５図はシリカをベースとし、ゲルマニウムによりドー
プされた光ファイバの吸収曲線を示しており、更に重量
で Ｅ　ｒ２０　ｙ　　　　０．１７５＄ Ｙｂ２０．　　　１．７２Ｋ を含有している。

更に、ゲルマニウムを用いることにより所望プロファイ
ルの屈折率を達成した光ファイバは、前記例のように同
一の吸収展開を有し、またこれを用いて、９００ｎｍと
９５０ｎｍとの間で動作し、３準位Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
又は半導体ダイオード・レーザを用いることによりボン
ピングを実行する光増幅器を得ることもできる。

本発明による光ファイバ内のイッテルビウム内容は、好
ましいものとして、エネルギをイッテルビウムから光フ
ァイバの構造により許容されるエルビウムへ効果的に転
移させることに関連させてエルビウム内容より多いか又
は等しく、かつの範囲にある。

光ファイバにおいて最大イッテルビウム内容は重量で５
％未満であり、好ましいものとして重量で１％未満であ
る。実際には、イッテルビウム濃度に関連した高い値゛
を、光ファイバ増幅器に用いるようにした活性な光ファ
イバに用いることはできない、なぜならば、活性な光フ
ァイバ内の光伝搬に関して別の現象が発生し、更に光フ
ァイバ自体に増幅の効率、即ち不活性型のエネルギ遷移
が発生する結果として、それぞれ供給されたボンピング
・パワー装置の利得を許容できない値に減少させるため
である。

例えば、当該分野に周知であって、満足すべき品質結果
を保証する溶液ドーピング技術により、又は要求に従っ
た他の公知の技術によりドーパントを光ファイバに導入
させてもよい。

更に、特定の応用における特定の振舞を得るために、本
発明により光ファイバにドーパントを導入させてもよい
。

本発明は、その全般的な特徴による本発明の範囲から逸
脱することなく、多くの変更を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はドープされた光ファイバに用いる本発明の増幅
器のブロック図、 第２図は第１Ｉ！ｌに示すブロック図による光増幅器に
用いられる光ファイバのエネルギ遷移を示す図、 第３図はＥ　ｒ”によりドープされた石英ガラスからな
る光ファイバ内の光吸収曲線を示す図、第４図はＥｒ’
＋及びＹｂ’＋によりドープされた石英ガラスからなり
、本発明の第１の実施例による光ファイバ内の光吸収曲
線を示す図、第５図はＥ　Ｓ”及びＹｂ”によりドープ
された石英ガラスからなり、本発明の第２の実施例によ
る光ファイバ内の光吸収曲線を示す図、第６図は第４図
に示す光ファイバにおける誘導放出曲線を示す図である
９ １・・・通信光ファイバ　　２・・・レーザ信号源３・
・・ダイクロイック・カップラー ４・・・ポンピング・レーザ発振源 ５・・・光ファイバ　　　　６・・・活性な光ファイバ
７・・・光ファイバ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ放出ドーパントとしてエルビウムを含有し
   、導波路効果を確保するように屈折率の変更要素として
   作用するドーパントを有し、光ポンピング源から所定の
   波長が供給されて前記レーザ放出を発生する特に光通信
   回線用の光ファイバ増幅器用の光ファイバにおいて、 前記光ファイバは関連する光増幅器内のポンピング・レ
   ーザの放出波長で光エネルギをよく吸収するドーバント
   を備え、更に、 前記ドーパントは吸収したポンピング・エネルギを前記
   光ファイバに含有する前記エルビウムへ転送することに
   より、分布反転が光伝送信号の存在で誘導された光放出
   を発生させることを特徴とする光ファイバ。
2. （２）更に前記ドーバントは３価の陽イオンの形式にあ
   るイッテルビウムからなることを特徴とする請求項１記
   載の光ファイバ。
3. （３）含有するエルビウムに対する前記光ファイバのイ
   ッテルビウムの濃度は、含有する酸化物の重量百分率と
   して表わされたときは、 １≦［Ｙｂ＿２Ｏ＿３］／［Ｅｒ＿２Ｏ＿３］≦１００
   であり、かつ前記光ファイバの全重量に対するイッテル
   ビウムの濃度は重量で５％未満であることを特徴とする
   請求項２記載の光ファイバ。
4. （４）前記光ファイバの全重量に対するイッテルビウム
   の濃度は重量で１％未満であることを特徴とする請求項
   ３記載の光ファイバ。
5. （５）屈折率の変更が可能な前記ドーバントはゲルマニ
   ウムであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ
   。
6. （６）屈折率の変更が可能な前記ドーバントはアルミニ
   ウムであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ
   。
7. （７）エルビウムによりドープされたレーザ放出が活性
   な光ファイバと、所定の波長で動作する光ポンピング・
   レーザ発生源とを備えた特に光ファイバ通信回線用の光
   増幅器において、 前記活性な光ファイバは更に前記ポンピング・レーザ発
   生源の放出波長で光吸収を示すドーバントを備え、吸収
   したエネルギを前記活性な光ファイバに含まれているエ
   ルビウムへ転送することにより、その分布反転が光伝送
   信号の存在により誘導光放出を発生するようにされたこ
   とを特徴とする光増幅器。
8. （８）前記活性な光ファイバにおけるドーバントは、更
   に３価の陽イオンの形式にあるイッテルビウムからなり
   、前記光ポンピング・レーザ発生源は９００ｎｍと９５
   ０ｎｍとの間で動作するネオディウム：ＹＡＧ型の３準
   位ダイオード・ポンプによるレーザ、又は半導体ダイオ
   ード・レーザであることを特徴とする請求項７記載の光
   増幅器。
9. （９）含有するエルビウムの濃度に対する前記光増幅器
   の活性な光ファイバ内のイッテルビウムの濃度は、前記
   活性なファイバに含まれている酸化物の重量百分率とし
   て表わされたときは、 １≦［Ｙｂ＿２Ｏ＿３］／［Ｅｒ＿２Ｏ＿３］≦１００
   であり、かつ前記活性な光ファイバの全重量に対するイ
   ッテルビウムの重量による濃度は５％未満であることを
   特徴とする請求項７記載の光増幅器。
10. （１０）イッテルビウムの濃度は１％未満であることを
    特徴とする請求項７記載の光増幅器。