JPH0359547A - 光ファイバ増幅器 - 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、高効率であり、かつ高増幅率をもつ光ファイ
バ増幅器に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、Ｎｄ（ネオジム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｐ「（
プラセオジム）、Ｙｂ（イッテリビウム）等の希土類元
素を添加した光ファイバ（以下、希土類元素添加光ファ
イ゛バと記す。）をレーザ活性物質とした単一モード光
ファイバレーザあるいは光増幅器が、光センサや光通信
の分野で多くの利用の可能性を有することが報告され、
その応用が期待されている。

この希土類元素添加光ファイバを用いた光ファイバレー
ザ増幅器としては、１）Ｅｒを添加した石英系光ファイ
バをレーザ活性物質として用い、半導体レーザを励起光
源として、波長１．５４μｍにて光増幅を確認した例が
アール・ジェー・メアーズ等（Ｒ，Ｊ、Ｍｅａｒｓ　ｅ
ｔ　ａｌ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、Ｌｅｔｔ、、２３．ｐｐ
、ＩＱ２８−１０２９．１９８７）によって報告されて
いる。

第３図は、上述のような光ファイバレーザ増幅器を構成
した一例であって、１０１はたとえば波長１．５３μｍ
のレーザダイオードからなる信号光源、１０２は駆動信
号、１０３および１０３′は集光用レンズ、１０４は励
起用光源（波長０．８０８　μｍ）、１０５はダイクロ
イックミラー、１０６はＥ１添加の単一モード光ファイ
バ、１０７は狭帯域フィルタ、１０８は伝送用光ファイ
バである。

この光ファイバレーザ増幅器を動作するにあたっては、
まず、励起用光源１０４を点灯し、ここから出射された
出力光を集光レンズ１０３およびダイクロイックミラー
１０５を介して単一モード光ファイバ１０６に入射させ
、この単一モード光ファイバ１０６に添加されたＥｌを
励起し反転分布状態を作る。ついで、駆ａ信号１０２に
より信号光源１０１を駆動し、その出力光を集光レンズ
１０３，１０３’を介して単一モード光ファイバ１０６
に入射させる。この信号光は単一モード光ファイバ１０
６を伝播する際に励起状態にある１）Ｅｒ、によって増
幅され、狭帯域フィルタ１０７を介して伝送用ファイバ
１０８に結合される。この際に駆動信号光は数ｄＢ増幅
されることどなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、第３図に示した構造の従来の光ファイバ増幅
器にあっては、Ｅｒ添加光ファイバ１０６における材料
および構造の最適化がなされてないため、著じるしく効
率が悪く、高性能の光ファイバ増幅器を実現できないと
いう問題があった。

そこで、本発明の目的は、かかる従来の問題点を解決し
、光増幅器の増幅効率を大幅に向上させた、高性能の光
ファイバ増幅器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

増幅器用１）Ｅｒ添加光ファイバにおいて、最適化に必
須の重要パラメータは、種々の検討により、（１）　Ｅ
ｒの濃度 （２）　Ｅｒ添加ファイバの損失 （３）励起波長帯 であることがわかった。

（１）については、従来希土類元素を添加したガラスレ
ーザー用レーザホストなどでは、リン珪酸ガラスなど、
軟化温度の低い（数百℃）材料を用い、致方ｐｐｍの希
土類元素を添加している。この様に、低軟化温度のガラ
スでは、一般に希土類元素のクラスターの発生を効果的
に防止できるため、希土類元素を数百ｐｐｍ添加しても
致命的な効率低下を招かない。

しかるに、石英系ガラス光ファイバにおいては、従来１
）Ｅｒの添加濃度に対する増幅効率の関係が未解明であ
った。本発明は、種々の検討の結果、Ｅｒの添加濃度が
、増幅効率に対して極めて重要な因子であることを発見
し、その認識の下に完成したものである。

すなわち、Ｅｒの添加濃度を１５０ｐｐｍ以下に低く抑
えることにより、石英系ガラス中におけるクラスタリン
グを極めて効果的に防止でき、以て増幅特性の高性能化
を達成した。

上述したような目的を達成するために、本発明は、１）
Ｅｒを添加した石英系単一モード光ファイバをレーザ活
性物質とする増幅媒体と、レーザ活性物質を励起するた
めの励起光を発生する励起光源と、信号光を発生する信
号光源と、励起光と信号光とを結合して、単一モード光
ファイバに導く光学系とを有する光ファイバ増幅器であ
って、単一モード光ファイバのＥ１添添加度Ｎ　（ｐｐ
ｍ）が１≦Ｎ≦１５０ｐｐ１１１であることを特徴とす
る。

ここで、単一モード光ファイバの比屈折率差Δｎが０．
７≦Δｎ≦３９６の範囲にあって、その長さｌλが、励
起波長λＰに関し少なくともｋ（入・）　　（。） ℃λ≧　　Ｎ ｌλ≧ｋ（λＰ）　　（ｍ）ただし、 ｋ（０，９８−１，５Ｘ　１０３ ｋ（１，４７−４，４Ｘ　１０３ ｋ（１，４８−３，５Ｘ　１０’ ｋ（１，４９−２，９Ｘ　１０３ ｋ（１，５０−２，５Ｘ　１０’ ｋ（１．５０）＝２．５×　１０’ ｋ（１，５２）−１，６Ｘ　１０’ ｋ（１．５２）＝１．６×　１０３ ｋ（１，５３Ｂ）−０，９８Ｘ　１０３となるよう調整
されているのが好適である。

ここで、単一モード光ファイバの使用波長帯１．５３〜
１．５７μｍでの分散Ｄ（λ）がＤ（λ）−Ｉｌλ≦ｌ
ｐｓ／ｒ＋＋ｎ となるように単一モード光ファイバのファイバ構造が調
整されているのが好適である。

さらに、光学系は、ファイバ形カップラからなり、カッ
プラを形成する光ファイバの少なくとも一部分を、Ｅｌ
を添加した石英系単一モード光ファイバにより構成する
ことができる。

〔作　用〕

第４図は、Ｅ１添添加度と、１）Ｅｒ添加光ファイバの
増幅度との関係を調べたものである。１）Ｅｒ添加光７
フイバは、ＶＡＤ法（特願昭８１−１９２７９６号参照
）により作製したコア母材に、フッ素添加石英ガラスに
よるクラッド層を形成して作製した。その光ファイバの
比屈折率差Δは、Δ＝０．６５にとした。

励起波長丸、は１．４８５μｍで、励起パワーＰＰは６
８ｍＷとした。ファイバの試料長は、添加濃度に対し１
．４８５μｍでの吸収量が等しくなるように設定し、各
光ファイバの増幅度（増幅信号波長λ５−１．５５２　
μｍ０）を測定した。

第４図に示すように、１）Ｅｒ濃度が約１５０ｐｐＵａ
以下で増幅度が急激に向上していること、および、３０
０ｐｐｍ以上で、増幅度が著しく劣化することがわかっ
た。

第４図の結果は、石英系光ファイバでは、軟化温度が１
０００℃以上と高いため、数百〜１１０００ｐｐ程度の
濃度であっても、クラスターの発生の影響が大きいこと
を明確に確認したものである。

次に、Ｅ−ｍ加光ファイバの損失特性については、種々
の検討の結果、Ｅｒの添加濃度に大きく影響を受けるこ
とを解明した。第５図は、１）Ｅｒ添加光ファイバの波
長１．２μｍでの過剰損失を１）Ｅｒの濃度に対して測
定した結果である。第５図より、１）Ｅｒ濃度１５０ｐ
ｐｍ以上で急激な損失増が観測された。こうした特性は
、クラスターの発生により散乱損失が増加したことに起
因するものと言える。

以上の様な詳細な検討により、Ｅ１濃度を低く抑えるこ
とが、光ファイバの増幅特性を向上させる上で極めて重
要な条件であることを見い出した。

１）Ｅｒ濃度を低くすることは、結果的には増幅媒体の
長さが長くなり、光増幅装置の小型化には反するが、第
４図および第５図の結果から、１）Ｅｒ濃度を低く抑制
することのメリットがはるかに大きいことがわかる。

第６図は、ε、を約４７０ｐｐｍ含む光ファイバの損失
−波長特性の一例である。１０ｆ！１１！類の光ファイ
バの損失−波長特性の平均値から、各波長でのｔｐｐの
当りの吸収損失αＰは、以下の通りであった。

λＰ（μｍ） １）Ｅｒｉｐｐｍ当りの損失α２ ｋ（λＰ） 本発明者による一連の実験的検討から、最大の増幅度を
得るには、励起光の吸収量は、１）Ｅｒファイバの入出
力端での光電力の比で少なくとも１０ｄＢ以上あること
が望ましいことがわかった。すなわち、ファイバのＥｒ
？Ｉ／４度をＮ　（ｐｐｍ）とすると、増幅に必要な１
）Ｅｒ添加ファイバの望ましい長さは、次式で与えられ
る。

例えば、１．４８μｍ励起で、１）Ｅｒの濃度が２０ｐ
ｐｍの場合、ファイバ長は、１７５ｍ以上となる。一方
、ε。

濃度をｌｐｐｍ以下の極端に低い濃度とした場合、（１
）式より１）Ｅｒファイバは、約１ｋｍ以上の長さが必
要となり、小形の光ファイバ増幅器を構成する上で不利
となることが判明した。すなわち、Ｅｒの濃度としては
、材料の点からの制約により１５０ｐｐｍ以下がよく、
かつ装置構成上の点からは１　ｐｐｍ以上が望ましいこ
とが判明した。なお、最適なファイバ長については、励
起光源の出力、ファイバパラメータ、材料組成によって
増幅媒体としての材料および構造特性が異なるので、上
記条件の範囲でさらに詳細に実験的に決定する必要があ
る。

この様に、本発明の光ファイバ増幅器においては、従来
知られている光ファイバ増幅器の増幅媒体に比較して媒
体の長さが長いのが特徴であり、その分散特性も無視で
きない。最大１００Ｇｂ／Ｓ以上の伝送系で使用するこ
とを考慮すれば、本発明の増幅器のＥ１添加ファイバの
分散りは、Ｄ（λ）ｆＬλ≦ｌｐｓ／ｎｍ　　　　　　
　（２）の条件が必要となる。

以上の様に、本発明の光増幅器は、増幅特性を決定する
最大要因が、１）Ｅｒの添加濃度にあることは着目し、
光増幅器のＲ適パラメータを提供することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明実施例を詳細に説明する。

実施例１ 第１図は、本発明の第・１の実施例の構成を示し、ここ
で１は波長１．５５２　μｍのＤＦＢ　レーザ、２はこ
の駆動信号、３．３′は集光レンズ、４゜４′は波長１
．４８５μｍの励起光源、５はダイクロイックミラー（
波長１．５５２μｍ７１．４８５μｍ用）である。６は
１）Ｅｒ添加光ファイバ（１）Ｅｒ？ａ度７５ｐｐｍ、
ファイバ長１２０ｍ、比屈折率差０．７３＊、零分散波
長１．５５０μｍ、コア材料５ｉＯ２−１）Ｅｒクラッ
ド材料５ｉ０２−Ｆ）　、９は光源４，４′の出力光を
偏波合成するための偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）　
、１０は８°に斜め研磨された光ファイバコネクタであ
る。エエは偏波無依存光アイソレータ、１２は波長１．
５５２μｍの狭ｆ域透過フィルタ（Δλ−４ｎｍ）であ
る、、１３はスペクトラムアナライザ、１４は光パワー
メータである。

１６″は光アイソレータ１１とフィルタ１２とを結合す
る光ファイバ、１６”’はフィルタＩ２とスペクトラム
アナライザ１３とを結合する光ファイバである。光パワ
ーメータ１４はフィルタ１２から光ファイバ１６１７を
介して光出力を受けることができる。

ここで、励起光源４および４′を点灯し、各励起光をレ
ンズ３．　ＰＢＳ　９およびダイクロイックくラー５を
介して、さらにレンズ３′およびコネクタ１０を経て１
）Ｅｒ光ファイバ６に入射する。このとき先ファイバ６
への入射光量は１０５ｍＷであった。駆動信号２を被増
幅信号源としてのＤＦＢレーザ１に印加し、その出力光
をレンズ３、ダイクロイックミラー５．レンズ３′およ
びコネクタ１０を介して、１）Ｅｒ添加光ファイバ６に
入射する。ここに、ＤＦＢレーザ１の光ファイバ６への
結合光電力は一４８ｄＢｍであった。

ここに、　ＤＦＢレーザの波長１．５５２μｍの光信号
は、１）Ｅｒ添加光ファイバ６内で進行波増幅される。

これをアイソレータ１１および狭帯域フィルタ１２を介
して光スペクトラムアナライザ１３で観測し、光パワー
メータ１４で出力を測定した。その結果、増幅度として
３９ｄＢが得られた。

なお、光アイソレータ１１は増幅系の発振防止のために
設けたものであり、狭帯域フィルタ１２は増幅された蛍
光（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　５ｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　Ｅ
ｍｉｓｓｉｏｎ）を増幅出力光から除去するためのもの
である。

比較例 第１図と同様の測定系で、１）Ｅｒ添加濃度が４７０ｐ
ｐｍ、１１０５０ｐｐ、および１６１０ｐｐ＋ｎの光フ
ァイバについて同様の増幅実験を実施した。実施例１の
ファイバを含め各々のファイバ長は、波長１．４８μｍ
での吸収光量がほぼ等しくなる長さとなる様、４７０ｐ
ｐｍに対し１９．１ｍ　、　Ｉ０５０ｐｐｍに対し８．
δｍ、　１６１０ｐｐｒｎに対し５．６ｍとした。その
他のファイバのパラメータは、上記実施例と同様とした
。

以上の実験の結果、Ｅｒ濃度４７０ｐｐｍ、　１１０５
０ｐｐおよび１６１０ｐｐｍの光ファイバの増幅度は、
それぞれ、２３ｄＢ、　１１ｄＢおよび９ｄＢであった
６実施例２ 第２図は、本発明の第２の実施例の構成を示し、ここで
１は波長１．５３５μｍのＤＦＢレーザ、４．４′は波
長０．９８μｍのＩｎＧａＡｓレーザ、６はＥ。

添加光ファイバ（１）Ｅｒ濃度２８ｐｐｍ、ファイバ長
８８ｍ、比屈折率差Δ＝ｌ、５％、零分散波長１．５３
４μｍ、コア材料５ｉ０２−Ｇｅ０２−１）Ｅｒ、クラ
ッド材料５ｉ０２）である。

６′、６″は光ファイバ６と同一のファイバで作製した
延伸形ファイバカップラ１５の一部分を構成する光ファ
イバである。１６．１６’は、ファイバ６と同一の構造
パラメータを有し、１）Ｅｒを含まない光ファイバであ
って、カップラ１５の一部分を構成する。１７は光ファ
イバ１６′　　に結合された波長１．５３５μｍと波長
０．９８μｍの分波器、１４’、１４″は分波器１７か
らの分波出力を受けてＤＦＢレーザ１および励起光源４
．４′　の各光パワーをモニタするための光パワーメー
タである。１８はファイバ６と６＃の融着接続部である
。ここで、ファイバカップラ１５の特性は、ボート１６
→ボート６″への結合度９９．５零　（波長１．５３５
　μｍ）、ボート６′→ボート６＃への結合度９９．８
零（波長０．９８μｍ）である。

これを動作するには、実施例１と同様に、励起光源４，
４′を点灯し、レンズ３，３′およびＰＢＳ　９を介し
て、レーザ光を光ファイバ６′に入射する。このときの
ファイバ６′への入射電力は、たとえば光パワーメータ
１４″によって測定した結果、３７ｍＷであった。つい
で、信号光源１を駆動信号２で点灯し、光ファイバ１６
（Δｎ−１．６％；）へ結合させる。このときの結合光
電力は、−４３ｄＢ＋＋＋であった。このレーザ光は、
カップラ１５によってその大部分（９９，５％；）が光
ファイバ６″に導びかれＥ。

添加光ファイバ６″、６内で増幅を受ける。この出力を
、アイソレータ１１およびフィルタ１２を介して、光ス
ペクトラムアナライザ１３．光パワーメータ１４で測定
した。その結果、増幅度として３８ｄＢを得た。

本実施例において、カップラ１５にもＥｒ添加ファイバ
を使用できた結果、光増幅系の光ファイバのミスマツチ
ングによる効率の低下を防止できるが、これは、本発明
の特徴である１）Ｅｒの濃度が十分に低く単位長さ当り
の吸収損失が小さいためで（〜０．１９ｄＢ／ｍ　ａｔ
　０．９８ｔ、ｔ　ｍ）あり、本発明の利点の１つであ
る。

比較例 上記と同一の構成系において、光ファイバ６として、１
）Ｅｒ濃度１１０５０ｐｐ　、長さ２．３ｍの光ファイ
バを用いて光増幅実験を行なったところ、得られた最大
増幅度は１２ｄＢにとどまった。

なお、本発明の実施例１，２において、１）Ｅｒ添加光
ファイバ６の比屈折率差を３％以上にしたところ、散乱
損失が極端に大きくなると共に、１）Ｅｒの添加が均一
に行なえず、効率的な増幅特性は得られなかった。また
、Δｎが０．７９６以下では、カットオフ波長を０．９
８μｍ以下にした場合、１．５μＩｎ−１ｌＦでの曲げ
損失が大きくなると共に、波長１．５４ないし１．５６
μｍ’ｌで零分散領域を得ることができなかった。

〔発明の効果〕

以上、説明した様に、本発明によれば、Ｅｌの増幅特性
を最大限に引き出せる様にＥｒ？ａ度を低く抑えている
ため、増幅度が極めて高く、かつ増幅系の過剰損失が少
なく、かつ曲げや分散などの伝送特性に優れた高性能の
光ファイバ増幅器を提供できるから、本発明を光伝送方
式や各種光計測に適用して多大な効果を期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例の構成図、第２図は、
本発明の第２の実施例の構成図、第３図は、従来の光フ
ァイバ増幅器の一例の構成図、 第４図は、光増幅度の１）Ｅｒ濃度依存性を示す特性図
、 第５図は、１）Ｅｒ添加光ファイバの過剰損失（波長１
．２μｍ）特性図、 第６図は、１）Ｅｒ添加光ファイバ（１）Ｅｒｉ７０ｐ
ｐｍ）の損失スペクトラム図である。 １・・・ＤＦＢ　レーザ、 ２・・・駆動信号、 ３．３′・・・集光レンズ、 ４．４′・・・励起光源、 ５・・・ダイクロイックミラー ６・・・１）Ｅｒ添加光ファイバ、 ６’、５″・・・光ファイバ、 ９・・・偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、１０・・・
コネクタ、 １１・・・光アイソレータ、 １２・・・狭帯域透過フィルタ、 １３・・・スペクトラムアナライザ、 １’ｌ、　１４’　　、　１４”・・・光パワーメータ
、１５・・・ファイバカップラ、 １６、１６’・・・光ファイバ、 １６”　、　１６　　、１６　　・・・光ファイバ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）Ｅ＿ｒを添加した石英系単一モード光ファイバをレ
   ーザ活性物質とする増幅媒体と、前記レーザ活性物質を
   励起するための励起光を発生する励起光源と、信号光を
   発生する信号光源と、前記励起光と前記信号光とを結合
   して、前記単一モード光ファイバに導く光学系とを有す
   る光ファイバ増幅器であって、 前記単一モード光ファイバのＥ＿ｒ添加濃度Ｎ（ｐｐｍ
   ）が１≦Ｎ≦１５０ｐｐｍであることを特徴とする光フ
   ァイバ増幅器。 ２）前記単一モード光ファイバの比屈折率差Δ＿ｎが０
   ．７≦Δ＿ｎ≦３％の範囲にあって、その長さｌ＿λが
   、励起波長λ＿Ｐに関し少なくともｌ＿λ≧ｋ（λ＿Ｐ
   ）／Ｎ（ｍ） ただし、ｋ（λ＿Ｐ）（ｍ・ｐｐｍ）の値は、ｋ（０．
   ９８）＝１．５×１０＾３ ｋ（１．４７）＝４．４×１０＾３ ｋ（１．４８）＝３．５×１０＾３ ｋ（１．４９）＝２．９×１０＾３ ｋ（１．５０）＝２．５×１０＾３ ｋ（１．５１）＝２．０×１０＾３ ｋ（１．５２）＝１．６×１０＾３ ｋ（１．５３）＝１．０×１０＾３ ｋ（１．５３６）＝０．９８×１０＾３ となるよう調整されていることを特徴とする請求項１記
   載の光ファイバ増幅器。 ３）前記単一モード光ファイバの使用波長帯１．５３〜
   １．５７μｍでの分散Ｄ（λ）がＤ（λ）・ｌ＿λ≦１
   ｐｓ／ｎｍ となるように前記単一モード光ファイバの ファイバ構造が調整されたことを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の光ファイバ増幅 器。 ４）前記光学系は、ファイバ形カップラからなり、該カ
   ップラを形成する光ファイバの少なくとも一部分を、前
   記Ｅ＿ｒを添加した石英系単一モード光ファイバにより
   構成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか
   の項に記載の光ファイバ増幅器。