JPH03263889A - 光ファイバ及びその光増幅器 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、異なる波長において励起された光放出及び吸
収の特性を変質させ得るようにしたドーピング（被覆）
物質を含有する光ファイバに関する。

（従来の技術及びその課題） コアに特定の物質、例えば、希土イオンをドーピングし
た光ファイバは、レーザ源として、及び光増幅器として
使用し得るようにした励起された放出特性を有すること
が公知である。実際上、これら光ファイバは、ドーピン
グ物質原子を励起状態、又はボンピング帯にし得る特定
波長の発光源を供給することが出来、これら状態がら原
子は極めて短い時間で瞬間的に崩壊してレーザ放出状態
となり、この状態に比較的長時間、止まり得るようにす
ることが出来る。

放出レベルにて励起された極めて多数の原子を有するフ
ァイバに対して、そのレーザ放出状態に対応する波長の
発光信号が付与されると、その発光信号によって、励起
された原子がより低レベルに遷移し、放出光がその信号
と同一の波長を有するに至る。このため、この型式の光
ファイバを利用して、光信号の増幅を行うことが出来る
。

励起状態から開始して、原子の崩壊は又、瞬間的に生じ
、増幅信号に対応する励起された放出光にオーバラップ
する「暗雑音」を構成する乱数出光を発生する。

これら現象は、ドーピング物質に典型的である幾つかの
波長にて生じ、現物に対して蛍光スペクトルを生じさせ
る。上記型式のファイバによって最大の信号増幅、及び
高い信号対雑音比を実現するためには、使用されるドー
ピング物質を含有するファイバの蛍光スペクトル曲線の
最大値に対応する波長信号を使用するのが一般的である
。この信号は、レーザエミッタにより適正に発生される
。

例えば、ヨーロッパ特許出願第０３４５９５７号に記載
されたように、アルミニウムイオン（＾１３＋）及びエ
ルビウムイオン（Ｅｒ３つにてドーピングされたコアを
有するファイバを増幅ファイバとして使用することが出
来る。しかし、エルビウム蛍光スペクトルは、関係する
波長において、特に狭い放出ピークを有しており、この
ため、小さい設計許容公差にて良好に規定された波長に
対して作用するレーザエミッタを伝送信号として使用す
ることが必要とされる。その理由は、かかる設計許容公
差を上田る信号は適正に増幅されず、又、同時にこの波
長にて暗雑音の強力な増幅が行われるからである。しか
し、上記の特徴を備えるレーザエミッタを製造すること
は困難で、コストもかかる一方、業界におけるこれら装
置を製造するための放出光の波長に関する一般的な設計
許容公差はかなり大きい。

例えば、海底通信線のようなある適用例においては、例
えば市販のレーザを正確に選択することにより、適正な
波長にて作動する伝送信号エミッタを使用し、増幅器フ
ァイバのレーザ放出ピークに対して正確に近似した放出
値を有するエミッタのみが採用されるようにすることが
出来るが、例えば、都市通信線のようなその他の種類の
線の場合、付設コストを制限することが非常に重要であ
るから、この方法は、経済的な観点から許容し得ない。

例えば、上記ヨーロッパ特許出願によるファイバは、屈
折率を増幅させるためにアルミニウムイオンにてドーピ
ングされ、及びレーザの放出を許容するためにエルビウ
ムイオンにてドーピングされているが、約１．５３１ｎ
ｍの放出ピークを有し、このことは、この値の±５止の
範囲内では、大きな強度が得られ、増幅に利用し得るこ
とが分かる。

故に、この光ファイバにて適用するためには、上記の波
長範囲の信号を使用した方がよいが、用途に適した市販
の半導体レーザは、通常、放出光の波長が１．５２０乃
至１．５７０　ｎＩとなるように製造される。

その結果、多数の市販のレーザは、所望の範囲外にあり
、適正に増幅し得るようにされた信号を発生することが
出来ない。

一方、エルビウムにてドーピングされたファイバは、上
記のピークに隣接する波長範囲内にて強力でかつ略一定
の強度の放出光スペクトル領域を備え、及び上述の市販
レーザの信号領域を包含していることが公知である。し
かし、この先ファイバにおいて、最大の放出ピーク以外
の波長に供給される信号は、僅かな程度だけ増幅される
一方、ファイバ内におけるレーザ放出状態からの瞬間的
な遷移は、スペクトルのピーク波長、即ち、１，５３１
正の放出時に生じる。このため、「暗雑音」が発生し、
これは、ファイバの長さを通って増幅され、有用な信号
にオーバラップする結果となる。

増幅器の終端にて、「雑音」を構成する放出発光のろ過
を行い、能動的フィルタの終端に適当なフィルタを設け
る目的のためにのみ信号の波長を受は取ればよいことが
考えられる。しかし、ファイバの最大の増幅範囲内にて
ファイバ内に望まない放出が行われるときは、ボンピン
グエネルギが減衰され、このため、その信号増幅の点に
てファイバは略不作動状態とされる。

干渉フィルタも又公知である。この干渉フィルタは増幅
ファイバに沿った異なる位置に配置することが出来るが
、この型式の公知のフィルタは、ファイバではなく、別
個の構成要素にて形成され、このため、空中での光ビー
ムを必要とし、工業用の適用には不適当である。

故に、市販のレーザと共に使用し、更に制限されること
なく伝送信号を放出し得るようにした光増幅器内にて使
用される能動的光ファイバを提供することが問題となる
。

本発明は、十分な範囲の波長にて満足すべき増幅を行い
、市販のレーザの使用を可能にする一方、望まない波長
に対する瞬間的な材料の放出がファイバの増幅機能を損
傷させ、伝送信号に対して強力な暗雑音が形成されるの
を阻止することである。

本発明の１つの目的は、レーザを放出するドーピング物
質としてエルビウムを含有する、特に光ファイバ通信に
使用するのに適したレーザ放出物質を有する、レーザか
らの一定波長の遠距離通信信号を受は取り得るようにし
た光ファイバであって、ファイバに沿って配分された更
に別のドーピング物質を備え、該ドーピング物質が１．
５４０止以下の波長の光を吸収し、その吸収率が、該ド
ーピング物質が伝送信号の１，５４０ｎｉ＋から所定の
範囲のより優れた限界値までの光に対する吸収率より実
質的に大きい値であるようにしたことを特徴とする光フ
ァイバを提供することである。

本発明の特に好適な実施例において、別のドーピング物
質は、能動的光ファイバの形態のサマリウムである。

ファイバ内におけるエルビウム濃度に対するファイバ内
のサマリウム濃度は、含有された酸化物の重量％として
次式にて示される。

［Ｓ田２０３］ １＜　　　　　　＜１０゜ ［Ｅｒ２Ｏ３コ 本発明の別の目的は、エルビウムでドーピングされたレ
ーザ放出の能動的光ファイバを備え、特に、所定の波長
範囲の伝送信号により作動する光ファイバ遠距離通信線
用の光増幅器であって、該能動的光ファイバが、ファイ
バに沿って配分された別のドーピング物質を含有し、該
ドーピング物質が、１．５４０　ｎｍよりも小さい波長
の光に対しである吸収率を示すが、その吸収率が、該ド
ーピング物質が伝送信号の１，５４０ｎｍから所定の波
長範囲のより優れた限界値までの波長の光に対する吸収
率よりも実際的に大きい値であるようにし、その別のド
ーピング物質がサマリウムであることが望ましいことを
特徴とする光増幅器を提供することである。

（実施例） 本発明の更に詳細は、添付図面に関する以下の説明から
明確になるであろう。

光ファイバ遠距離通信信号を増幅するため、ファイバか
ら成る増幅器を適時使用することが出来る。

これら増幅器の構造は、第１図に線図的に図示してあり
、ここで符号１は遠距離通信光ファイバを示し、このフ
ァイバ１には、信号放出レーザにより発生され、波長λ
Ｓを有する伝送信号が送られる。一定の線の長さを通過
した後に減衰する上記信号は二色カプラ３に送られ、こ
こで単一の出力ファイバ４上にて、ボンピングレーザエ
ミッタ５により発生され、波長λ、を有するボンピング
信号と結合される。二色カブラ３から出る出力ファイバ
４に接続された能動的ファイバ６は、信号増幅要素を構
成腰該増幅要素は、線ファイバ７内に導入されその目的
方向に進む。

装置内の増幅要素を構成する能動的ファイバ６を実現す
るためには、例えば、上記ヨーロッパ特許出願第０３４
５９５７号に記載された型式のＡ１□０３及びＥｒ２Ｏ
３を含有するドーピングされた溶液内に石英系光ファイ
バを使用すると便宜である。これにより、エルビウムを
レーザ遷移させることにより、伝送信号を増幅すること
が可能となる。

特定型式のファイバに関し、及び石英系ファイバマトリ
ックス内の溶液内のエルビウムイオンに対する適当なエ
ネルギ状態を示す第２図の線図に示すように、伝送信号
波長λ、より小さい「ボンピング」波長λ６を発光性の
能動的ファイバ内に導入することにより、ドーピング物
質としてファイバガラスマトリックス内に存在する一定
数のＥｒ３＋が以下に「ボンピング」帯と称する「励起
された」励起状態８となり、この状態からイオンは瞬間
的に崩壊して、レーザ放出レベルを構成する励起レベル
９となる。

Ｅｒ’＋イオンは、瞬間的に遷移して、基準レベル１０
となる前、レーザ放出励起レベル９に比較的長時間留ま
ることが出来る。

ボンピング帯８から励起レベル９への遷移は、ファイバ
の外側に分散された熱放射（光子放射）に関係する一方
、励起レベル９から基準レベル１０への遷移は、レーザ
放出励起レベル９の励起値に対応する波長の放出発光を
発生させる。レーザ放出レベルの大量のイオンを含有す
るファイバにかかる放出レベルに対応する波長を有する
波長信号を透過させた場合、その信号により、関係する
イオンは、瞬間的に崩壊する前に、カスケード現象によ
り、放出状態から基準状態に励起されて遷移し、能動的
ファイバ６の出力側に大きく増幅された伝送信号を放出
させる。

伝送信号がない場合、各物質に典型的な異なる数である
レーザ放出状態からの瞬間的な崩壊により、利用可能な
レベルに対応する異なる周波数のピークを有する発光度
が生ずる。特に、第３図に示すように、光増幅器に使用
し得るようにしたＥｒ３＋にてドーピングされたＳｉ／
ＡＩファイバは、１．５３１ｎｍの波長にて強力な放出
ピークを示す一方、約１゜５６０　ｎｍまでのより大き
い波長にては、依然強い放出ではあるが、強度は相当に
低下する領域が存在する。

１、５３１．　ｎｍにてＥｒ３＋放出ピークに対応する
波長にてファイバ内に導入された発光信号が存在する場
合、極めて強力な信号増幅が行われる一方、エルビウム
の瞬間的な放出により生じる暗雑音は制限され、このた
め、ファイバはこの波長の信号に対する光増幅器内に使
用するのに適したものとなる。

半導体型式（Ｉｎ、　Ｇａ、　Ａｓ）の従来から使用さ
れている市販の信号発生レーザは、１．５２乃至１．５
７ｍｍの範囲に典型的な放出帯を有している。このこと
は、その製造技術は増幅器として使用されるエルビウム
でドーピングしたファイバの放出ピークに対応する正確
な周波数にて伝送信号を放出することが出来ず、信号が
上記放出ピークに隣接するファイバ放出曲線領域に集中
する製品の製造比率が増大するような製造しか行い得な
いことを意味する。

上記レーザエミッタにより発生される信号は、増幅され
て上記型式のＥｒ３＋ドーピングした光ファイバ増幅器
内で十分なゲインに達することが出来ない。その理由は
、能動的ファイバ内に導入されたボンビングカの殆どが
、１．５３１止の波長にてエルビウムを瞬間的に放出さ
せるのに対応し、増幅器自体の能動的ファイバ内部に発
生される暗雑音を増幅するために使用されてしまうから
である。

しかし、Ｅｒ”＋と共に別のドーピング物質としてサマ
リウム（ＳＩＩ＋３つを含有するファイバは、強力な１
．５３１０ｍの波長にて局所的なピークを生ずることな
く、略１．５３０乃至１．５６０　ｎｍの広範囲に亘り
大きくかつ略一定である値を含む波長範囲の励起された
第４図に示した型式の放出曲線を示す。

このファイバは、許容し得ない量の「雑音」を生ずるこ
となく、上記波長範囲内にて伝送信号に対して満足すべ
きゲインによる増幅効果を提供し得るため、市販のレー
ザエミッタにより発生される信号にて機能する光増幅器
内に使用することが出来る。

一例として、Ｅｒ３＋及び籏３＋にてドーピングされた
、重量比で４０　ｐｐｆｆｌのＥｒ、、Ｏｓ及び６０　
ｐｐｍの５Ｉ２０．を含有する型式の［ステップ指数Ｊ
　Ｓｉ／Ａｌ型式の能動的光ファイバ６を有する増幅器
を第１図の線図に従って構成する。この能動的ファイバ
の長さは、３０Ｉ［ｌとする。

５２８　ｎｍにて機能し、１５０　ｍｌの出力にて作用
するアルゴンイオンレーザをボンピングレーザエミッタ
５として使用する一方、信号レーザエミッタ２として、
１　ｍＷの出力及び１．５６０正であると測定された放
出波長を有する半導体型式（Ｉｎ、　Ｇａ、＾Ｓ）の市
販のレーザを使用する。

上記の実験的形態において、増幅器の下流にて１　ｍＷ
の入力信号に対して２７　ｄＢのゲインが達成された。

信号のない場合、増幅器の下流における瞬間的な放出レ
ベルは１０μＷであると測定された。

増幅器により発生される暗雑音を構成するかがる放出は
、遥かに高レベル（約２５０　ｕｔ）　マチ増幅された
信号に対する重要な雑音を意味しない。

比較のため、同一の伝送レーザエミッタ２を前の実施例
と同様の構造を有するが、「ステップ指数Ｊ　Ｓｉ／Ａ
ｌ型式でＥｒ”＋のみをドーピングした重量比で４０　
ｐｐｍのＥｒ’＋を含有する長さ３０ｍの能動的光ファ
イバ６を有する増幅器に使用した。

１．５６Ｏｒ＋ｍの波長時におけるその増幅器の伝送信
号は、１５　ｄＢ以下のゲインであったが、瞬間的な放
出は、出力信号のそれと比較し得るレベルであった。

上記例から明らかであるように、第２の実施例の増幅器
はゲインが小さく、伝送信号の受は取りを困難にするよ
うな雑音を発生させ、かかる増幅器は実際には使用し得
ないが、第１の実施例から明らかであるように、本発明
による能動的光ファイバを使用する増幅器は、雑音の発
生が無視し得る程度であると共に、大きい増幅ゲインを
実現する°能力を備えるものであることが分がった。

上記の結果は、別のドーピング物質として能動的ファイ
バ内にサマリウムが存在することに起因すると考えられ
、実際上、サマリウムは１，５３１ｎａ＋の波長にてエ
ルビウムの放出光の波長吸収体として機能すると同時に
、より高い波長の光を実質上全く吸収せず、このように
して、能動的光ファイバのスペクトル放出を「均一に（
レベリング）コし、市販の大部分の半導体レーザ（Ｉｎ
、　Ｇａ、　Ａｓ）を受は入れるのに十分な幅の領域に
て伝送信号に対してより効果的に機能することが出来る
。

第５図に図示するように、サマリウムをドーピングした
Ｓｉ／Ａｌファイバの長さ単位に対する吸収曲線が示さ
れており、ファイバ内にサマリウムが存在することによ
り、１．５４０　ｎｏ＋より実質的に小さい波長に対し
、１．５４０乃至１．５６Ｏｒ＋ｍの範囲に示した吸収
率よりもはるかに高い吸収率が得られる。

このことは、本発明によりファイバに導入したサマリウ
ムは、能動的ファイバに沿って配分された「フィルタ」
として機能し、Ｅｒ’＋イオンのレーザ放出レベルが瞬
間的に崩壊するのに対して光子が発生されるや否や、１
，５３１ｎｍの波長にて放出された光子を吸収し、この
ようにしてイオンは能動的ファイバ内を前方に送られ、
この波長に対し更に崩壊し、このため、有用な信号が送
られる値に隣接する波長領域内のボンピングエネルギを
減衰させ、増幅された暗雑音が発生されることを意味す
る。

能動的光ファイバ内に含有されるエルビウムの量は、使
用するファイバ長さに対する所望のゲインに従って選択
する。即ち、ファイバ長さは、所望のゲインを関数とし
、ファイバ内に含有されるエルビウム量に従って選択す
る。通常、酸化物（Ｅｒ２０ｓ）の形態にてファイバ内
に含有されるエルビウムは重量比で１０乃至１００１）
ｐ■の量である。

ファイバ内のこれらエルビウムの濃度に対応して、酸化
物（ＳＩｎ２０３）の形態によるサマリウムの重量比の
濃度は、エルビウムの濃度に等しいか又は望ましくはそ
れ以上とする。サマリウムの濃度範囲は次式にて示され
る。

［３１１１２０１１１ １＜　−＜　１０゜ ［ＥｒｚＯｓ］ ドーピング物質は、例えば、当該技術分野で周知の「溶
液ドーピング」法によりファイバ内に導入することが出
来る。この方法は、満足すべき品質が得られるが、必要
性に応じてその他の周知の方法を利用してもよい。

本発明は、能動的ファイバ内のドーピング物質としてサ
マリウムを使用することについて特に説明したが、同一
目的に他のドーピング物質を使用することも可能である
。但し、それらドーピング物質は、エルビウムの瞬間的
な最大放出波長、特に、約１．５３１ｒ＋ｍに対応する
大きい発光吸収性を備えると同時に、この波長より大き
い波長、望ましくは、市販の信号レーザエミッタの設計
許容範囲の波長である１、５４０ｎｍより大きい波長に
対して実質的に小さい発光吸収性を備えるようにする。

光ファイバ内にレーザ放出を生じさせる反転分布を行う
のに必要とされる増幅器のポンピング出力に影響しない
ようにするため、該ポンピング出力は、伝送信号の波長
より小さい波長にて発光放射の形態にてファイバに供給
し、ファイバ内のエルビウムに添加すべきドーピング物
質は、サマリウムのように、望ましくは５２８又は９８
０止とすることも出来るボンピング波長にて感知し得る
発光吸収性を備えないようにする。

本発明の範囲内でその一般的特徴を備えた多くの変形例
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は能動的ファイバを使用する光増幅器の線図、 第２図は第１図の線図に従い増幅器に適したファイバの
励起トランジスタであって、励起（レーザ）放出を発生
させ得るようにした該トランジスタの線図、 第３図はＡ１３＋及びＥｒ３＋でドーピングした石英系
光ファイバの励起された放出曲線図、 第４図はＡＩ”、Ｅｒ３＋及び５Ｉ１１３＋でドーピン
グした第１図の光ファイバの励起された放出曲線図、第
５図はＡ１３＋、Ｅｒ３＋及びｓｍ”−ｃ”ドーピング
した石英光ファイバの光吸収性を示す線図である。 １：光ファイバ　　３：二色カブラ ４：出力フィルタ　５：レーザエミッタ能動的ファイバ 線ファイバ ポンピング帯 励起レベル 基準レベル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ放出ドーピング物質を備え、かつレーザ放出
   物質としてエルビウムを含有し、特に、遠距離通信線用
   の光ファイバ増幅器に使用するのに適し、所定の波長範
   囲において、レーザエミッタからの遠距離通信信号を受
   理し得るようにした光ファイバにして、 該能動的光ファイバが、ファイバに沿って配分された更
   に別のドーピング物質であって、１，５４０ｎｍ以下の
   波長を有する光に対して、ある吸収率を示す前記物質を
   含有し、 前記吸収率が、該別のドーピング物質が伝送信号の所定
   の波長範囲の１，５４０ｎｍから優れた限界値の波長を
   有する光に対する吸収率より実質的に大きい値であるこ
   とを特徴とする光ファイバ。 ２、請求項１に記載のレーザ放出ドーピング物質を備え
   る光ファイバにして、 前記更に別のドーピング物質が、三価陽イオンの形態の
   サマリウムであることを特徴とする光ファイバ。 ３、請求項２に記載のレーザ放出ドーピング物質を備え
   る光ファイバにして、 含有された酸化物の重量比で示す、同一ファイバのエル
   ビウム濃度に対するファイバ内のサマリウム濃度が次式
   にて示されることを特徴とする光ファイバ。 １≦［Ｓｍ＿２Ｏ＿３］／［Ｅｒ＿２Ｏ＿３］≦１０４
   、エルビウムでドーピングしたレーザ放出の能動的光フ
   ァイバを備える、所定の波長範囲の伝送にて機能する、
   特に光ファイバ遠距離通信線用の光増幅器にして、 該能動的光ファイバが、ファイバに沿って配分された更
   に別のドーピング物質であって、１，５４０ｎｍ以下の
   波長を有する光に対して、ある吸収率を示す前記ドーピ
   ング物質を含有し、 前記吸収率が、該別のドーピング物質が伝送信号の所定
   の波長範囲の１，５４０ｎｍから優れた限界値まで変化
   する波長を有する光に対する吸収率より実質的に大きい
   値であることを特徴とする光ファイバ。 ５、請求項４に記載の光ファイバにして、 能動的光ファイバの更に別のドーピング物質が、三価陽
   イオンの形態によるサマリウムにより形成されることを
   特徴とする光ファイバ。 ６、請求項４に記載の光増幅器にして、 ファイバ内のエルビウム濃度に対する活性光ファイバ内
   のサマリウム濃度が、ファイバ内に含有される酸化物の
   重量比により次式にて示されることを特徴とする光増幅
   器。 １＜［Ｓｍ＿２Ｏ＿３／Ｅｒ＿２Ｏ＿３］＜１０．