JPH0392828A

JPH0392828A - 光ファイバレーザ増幅器

Info

Publication number: JPH0392828A
Application number: JP1229422A
Authority: JP
Inventors: Noboru Edakawa; 登枝川; Kiyobumi Mochizuki; 望月　清文; Hiroharu Wakabayashi; 若林　博晴
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1989-09-06
Filing date: 1989-09-06
Publication date: 1991-04-18

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】（発明の技術分野）本発明は希土類元素ドープ光ファイバをポンビングして
増幅する希土類元素ドープ光ファイバレーザ増幅器に関
するものである。

（従来技術）これまで光通信においては弱まった光信号を増幅する手
段として、一度微弱な光信号を光検出器を介して電気信
号に変換し、その電気信号を等価・増幅・識別した後、
増幅された電気信号により半導体レーザを駆動して強い
光信号に変換するという方式が用いられてきた。

これに対して、光信号を光のままで増幅するいわゆる光
直接増幅（以下、「光増幅」と称す）方式がある。光増
幅方式では、光一電気一光変換を用いないので、ビット
レートの選択・変更が任意に行えたり、波長多重光信号
や周波数多重光信号の一括増幅ができる上に、強度変調
光信号でもコヒーレント光信号でも増幅することができ
る。従って、このような光増幅器を光中継器に用いると
、等価的にシステム全体を一種の極低損失な伝送路と見
なすことができるので、一度敷設した光通信システムで
も端局装置を交換するだけで随時システムアップするこ
とができるようになる。このように光増幅器を用いた光
中継器技術は、柔軟性があり経済性にも優れた光通−信
システムを提供できる可能性があることから、将来の光
通信および光計測などにおいて不可欠の技術として各国
で盛んに研究開発が行われている。

そのような光増幅器のひとつとして希土類元素をドープ
した光ファイバを用いて光増幅を行う方式がある。例え
ば、希土類元素のひとつであるＥｒ（エルビウム）を石
英系ガラスファイバにドープすることにより１．５μｍ
帯の信号光を２０〜３０ｄＢ増幅可能な光増幅器（Ｅｒ
ドープ光ファイバレーザ増幅器）が得られることが確認
されている。このＥｒドープ光ファイバレーザ増幅器は
、飽和出力レベルが高いこと、偏光依存性が小さいこと
、雑音指数が小さいこと、等の様々な利点から、将来の
実用的な光増幅器のひとつとして盛んに研究がおこなわ
れている。

Ｅｒドープ光ファイバレーザ増幅器の基本的な動作原理
はＥｒのｆ殻内電子エネルギー準位をもちいて通常の３
準位レーザと同じように考えることができる。即ち、第
１図に示すように基底状態（ω。）と励起状態１、２（
ω１、ω２）があり、基底状態ω。と励起状態１とのエ
ネルギー単位差に相当するエネルギー（ω，−ω。）を
有する光を吸収することにより基底状態ω。にあった電
子は励起状態１に励起される。励起状態１に励起された
電子は非発光遷移によって励起状態２に移行し、基底状
態ω。と励起状態２とのエネルギー準位差に相当するエ
ネルギーを有する光（振動数：ν２−（ω２−ω。）／
ｈ、但しｈはブランク定数）を発光することにより励起
状態２にあった電子は基底状態ω。にもどる。この時振
動数ν２の光を入射すると、励起状態２から基底状態ω
。への発光遷移が入射光に誘発されて発生するので、こ
れにより振動数ν２の光を増幅することができる。Ｅｒ
の場合、振動数ν２の光の波長は１．５μｍ帯となるの
でＥｒドープ光ファイバレーザ増幅器は１．５μｍ用の
光増幅器として用いることができる。

一方、このような発光遷移には上述した入射光に誘発し
て起こるものの他に、入射光の有無とは無関係に発生す
るものがある。これがいわゆる光増幅器の雑音光であり
、その雑音特性が光増幅器全体の特性に大きく影響する
。ポンピング光が強くなれば雑音光の強度も強くなる。

第２図は、従来の光ファイバレーザ増幅器の概略図であ
る。

第２図において、ｌはＢｒをドープしたＥｒドープ石英
系光ファイバ（以下、単にｒＥｒドープ光ファイバ」と
称す）、２はＥｒドープ光ファイバｌをポンピングする
ポンピング光を発振するポンピング光源、３はポンピン
グ光と信号光を合波する合・分波器、４及び５はそれぞ
れ入力の信号光、出力の増幅された信号光、６及び７は
希土類元素がドープされていない通常のシングルモード
光ファイバである。

（発明が解決しようとする問題点）しかし、第２図に示すような従来の光ファイハレーザ増
幅器では、Ｅｒドープ光ファイバ１の長さによって増幅
効率と雑音特性とが異なる。第３図は、Ｅｒドープ光フ
ァイバ１の長さに対する増幅効率を説明するための図で
あり、従来の光ファイハレーザ増幅器を用いた場合のポ
ンピングパヮー（電力）と増幅度との特性図である。図
のように、第２図のポンピング光源２から同一のポンピ
ングバワーでＥｒドープ光ファイバＩに入力しても、Ｅ
ｒドープ光ファイバ１の長さ（１０〜４０メ一トル）に
よって増幅度（出力信号光／入力信号光）が異なる。例
えば、６５ｍＷのポンピング光をＥｒドープ光ファイバ
１に入力した場合、ｌＯメートルのＥｒドープ光ファイ
バ１では、５ｄＢの増幅度しか得られないのに対し、４
０メートルのＥｒドープ光ファイバ１では約１８ｄＢの
増幅度が得られる。従って、Ｅｒドープ光ファイバ１が
長いほうが増幅効率は良くなる。

一方、第４図はＥｒドープ光ファイバ１の長さに対する
雑音特性を説明するための図であり、従来の光ファイバ
レーザ増幅器を用いた場合（前方増幅）の信号利得一全
自然放出光雑音電力の特性図である。図から明らかなよ
うに、Ｅｒドープ光ファイバ１の長さが長くなるにした
がって雑音特性が悪くなる。

以上のように、従来の光ファイバレーザ増幅器では、同
一のポンピング光パワーに対し、Ｅｒドープ光ファイバ
１の長さが短いと増幅効率が悪く、逆に、Ｅｒドープ光
ファイバ１の長さが長いと雑音特性が悪いという問題点
があった。従って、従来の方式では、雑音特性がよく、
かつ増幅効率の良い光ファイバレーザ増幅器が実現でき
なかった。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために
なされたもので、Ｅｒドープ光ファイバの長さが短くて
も良好な増幅効率が得られる光ファイバレーザ増幅器を
提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段）この目的を達戒するためには、本発明の光ファイバレー
ザ増幅器は、光ファイバに希土類元素をドープした希土
類元素ドープ光ファイハをポンピング光源からのポンピ
ング光により励起して信号光を増幅する光ファイバレー
ザ増幅器において、前記希土類元素ドープ光ファイバの
一端側に結合された前記ポンピング光源と、前記希土類元素ドープ光ファイバの他端側に結合され、
前記信号光と前記ポンピング光とを分離するための光合
分波器と、該光合分波器により分岐されたポンピング光を反射させ
て前記希土類元素ドープ光ファイバに戻すための反射器
とを有することを特徴とするように構成されている。

以下に例を用いて本発明を詳細に説明する。なお、従来
構成と同一構成部分には、同一番号を付し説明の重複を
省く。

（実施例１）第５図は本発明による光ファイバレーザ増幅器の概略図
であり、従来構成（第２図）と異なる点は、信号光とポ
ンピング光とを分離するための合・分波器８（光合分波
器）と、ポンピング光を反射するための反射逅ラー９と
を出力側（Ｅｒドープ光ファイバ１についてポンピング
光源２が配置されている側と反対の側）に備えたもので
ある。

本発明の増幅動作は次のようにして行われる。

光ファイバ６を伝搬してきた信号光４は、合・分波器３
でポンピング光と合波されてＥｒドープ光ファイバ１を
伝搬する間に前述した原理により増幅される。Ｅｒドー
プ光ファイバエの他端側に配置された合・分波器８によ
り、増幅された信号光５とポンピング光とが分離される
。即ち、入力された信号光４は増幅されて光ファイバ７
に増幅された信号光５として取り出され、ポンピング光
は反射旦ラー９で反射されて再びＥｒドープ光ファイハ
１に入射されて信号光４の進行方向と逆方向に伝搬する
。この逆方向に伝搬するポンピング光（以下、「後方向
ポンピング光」と称す）は、Ｅｒドープ光ファイバ１を
伝搬する信号光４を後方向増幅するため、あたかも反射
ξラー９の位置に配置された第２のポンビング光源から
のポンピング光と同等の機能を有し、増幅作用を行う。

第６図は、本発明による増幅効率を説明するための、ポ
ンピング強度分布特性図である。図のように、ポンビン
グ光源２からＥｒドープ光ファイバ１に入力されたポン
ピング光（以下、「前方向ポンピング光」と称す）は、
Ｅｒドープ光ファイバ１の入力端から離れるにしたがっ
て減衰し、出力端ではパワーレベルがＦまで低下する。

この入力端から出力端に向かって進む前方向ポ′ンピン
グ光は、信号光４の増幅゛（以下、「前方向増幅」と称
す）に寄与する。次に、本発明では、減衰したポンピン
グ光（Ｆ）を合・分波器８で取−り出し、レベルＢで再
びＥｒドープ光ファイバＩに人ノノする。このＥｒドー
プ光ファイバ１に戻す後方向ポンピング光は、図の斜線
のように前方向ポンピング光とは逆に前方向ポンピング
光から見た出力端から前方向ポンピング光から見た人力
端に行くに従って減衰する。従って、本発明では一つの
ポンピング光源２で前方向増幅と後方向増幅とを行わせ
るため、極めて効率の良い増幅を行うことができる。よ
って、本発明では、増幅効率が改善されるため、従来と
同じ利得を得るのにＥｒドープ光ファイバ１の長さを短
くすることができる。すなわち、本発明では短いＥｒド
ープ光ファイバ１を用いて、増幅効率の良い光ファイバ
レーザ増幅器を実現できるため、雑音特性もよくなると
いう利点がある。

第７図は、本発明に用いる他の反射器の構威図であり、
２０は石英ガラス等からなる光学ブロック、２１は多層
膜の誘電体からなり波長分波からなる波長分波用の干渉
フィルタ、２２及び２３は金属あるいは誘電体からなる
反射膜、２４は干渉フィルタ２１により信号光５から分
離されたポンピング光、２５は反射膜２３で反射されて
後方向ポンピング光となるポンピング光である。図のよ
うに、反射器として光学系を用いて後方向ポンピング光
を取り出すように構成すれば、信号光の反射成分を低減
し、かつポンビング光の反射或分を多くすることができ
るため、ポンピング光２４を効率良＜Ｅｒドープ光ファ
イバ１に戻すことができる。すなわち、前述したように
光軸に対して直角に干渉フィルタを配置した反射器では
、僅かながら信号光も干渉フィルタで反射してしまい、
信号光４に悪影響を与えてしまう。そこで、第７図の反
射器３０では光軸に対し干渉フィルタを傾けて配置する
ことにより、信号光が反射してＥｒドープ光ファイバ１
に戻らないようにしたものである。

従って、反射膜２２及び２３として、信号光を透過し、
ポンピング光のみを反射させる波長選択性のある光学フ
ィルタを用いれば極めて効果的である。具体的には、Ｅ
ｒドープ光ファイバ１内に戻ってくる後方向ポンピング
光のレベルは、Ｅｒドープ光ファイバ１から出射ポンピ
ング光のレベルに比較して１ｄＢ程度低下するだけで結
合させることができる。

このように、本発明は前方向ポンピング光と後方向ポン
ピング光とを用いてポンピングをすることにより、増幅
効率を改善することができる。また、従来では増幅効率
を改善するために、雑音特性を無視してＥｒドープ光フ
ァイバを長くするか、またはできるだけ高出力のポンピ
ング光源を用いていたが、本発明は従来と比べて長いＥ
ｒドープ光ファイバを用いることなく、あるいは高出力
なポンピング光源を用いる必要がなくなり、かつ後方向
ポンピング光を一つの光源で済ませることができるため
、安価で簡単な構戒にすることができる。

上述の説明ではＥｒドープ石英系光ファイバをもちいて
説明したが、Ｅｒ以外のドーパントを用いたり光ファイ
バの組或を変えた場合でも、同様のポンピング技術が通
用可能である。

また、本発明による光ファイバ増幅器は、従来と同様に
双方向増幅器としても利用可能である。

（発明の効果）以上のように、本発明は一つのポンピング光源２で前方
向ポンピング光と後方向ポンピング光によりポンビング
をするため、増幅効率を改善することができる。また、
従来のものより短い光ファイバでも同じ増幅度が得られ
るため、雑音特性も改善することができる。

反射器３０が合・分波器８と反射ミラー９とで構成する
ことにより、簡単に構成することができる。

反射器３０が光学ブロック２０と、波長分波用の干渉フ
ィルター２１と、金属または誘電体からなる反射膜２２
．２３とで構戒することにより、信号光の反射戒分を低
減し、かつポンピング光の反射成分を多くすることがで
きる。

従って、本発明は希土類元素をドープした光ファイバレ
ーザ素子や光ファイバレーザ増幅器に適用することがで
きその効果が極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＥｒドープ光ファイバレーザ増幅器の原
理を説明するためのエネルギー状態図、第２図は従来の
Ｅｒドープ光ファイバレーザ増幅器の概略構戒図、第３
図は従来のＥｒドープ光ファイハレーザ増幅器の増幅特
性図、第４図は従来のＥｒドープ光ファイバレーザ増幅
器の雑音特性図、第５図は本発明によるＥｒドープ光フ
ァイバレーザ増幅器の実施例を示す概略構戒図、第６図
は本発明によるポンピングパワーの強度分布特性図、第
７図は本発明による他の実施例を示す構成図である。１・・・Ｅｒドープ光ファイバ、　　２・・・ポンピン
グ光源、　３，８・・・合・分波器（光合分波器）、４
．５・・・信号光、６．７・・・シングルモード光ファ
イバ、　　９・・・反射ミラー　　２０・・・光学ブロ
ンク、　　２１・・・波長分波用干渉フィルタ、２２．
２３・・・反射膜、　２４．２５・・・ポンピング光、
　３０・・・反射器。弗図弟２図第７図鈎慴第６図喝

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光ファイバに希土類元素をドープした希土類元素
ドープ光ファイバをポンピング光源からのポンピング光
により励起して信号光を増幅する光ファイバレーザ増幅
器において、前記希土類元素ドープ光ファイバの一端側に結合された
前記ポンピング光源と、前記希土類元素ドープ光ファイバの他端側に結合され、
前記信号光と前記ポンピング光とを分離するための光合
分波器と、該光合分波器により分岐されたポンピング光を反射させ
て前記希土類元素ドープ光ファイバに戻すための反射器
とを有することを特徴とする光ファイバレーザ増幅器。
（２）前記反射器が光合分波器と反射ミラーとから構成
されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の光ファイバレーザ増幅器。
（３）前記反射器が光学ブロックと、波長分波用の干渉
フィルタと、金属または誘電体からなる反射膜とから構
成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の光ファイバレーザ増幅器。