JPH04134433A - 増幅用光導波路 - Google Patents
増幅用光導波路Info
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- JPH04134433A JPH04134433A JP2259554A JP25955490A JPH04134433A JP H04134433 A JPH04134433 A JP H04134433A JP 2259554 A JP2259554 A JP 2259554A JP 25955490 A JP25955490 A JP 25955490A JP H04134433 A JPH04134433 A JP H04134433A
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- Japan
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- gain
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- optical
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- waveguide
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Landscapes
- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
- Lasers (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
本発明は光の励起により光増幅作用を示す先導波路（光
ファイバも含む、光ファイバも円柱状の先導波路である
）に関するものである。
ファイバも含む、光ファイバも円柱状の先導波路である
）に関するものである。
石英系光ファイバの中にＥｒやＮｄ等の希土頌元素イオ
ンを混入させて、これらのイオンの光励起時における光
増幅作用を利用したファイバ形光増幅器の研究が盛んに
なってきている。 例えば、Ｅｒイオンを数百ｐｐｍａ人させた石英系単一
モード光ファイバ中に波長１４８０ｎｍや９８０ｎｍの
レーザ光を入力すると、１５３０ｎｍから１５６０ｎｍ
の波長を持つ光信号を増幅することができる。Ｚ ｒ
Ｆ ４を主成分とするフッ化物ガラス中にＮｄ”イオン
を混入させた場合は１．３４μｍの信号光を増幅するこ
とができる。 また、ＹＡＧやＹＬＦ等の酸化物もしくはフッ化物結晶
中に、希土頌元素や遷移金属イオンを混入させて先導波
路を構成しても、光励起により光増幅作用を示す先導波
路を作製することができる。
ンを混入させて、これらのイオンの光励起時における光
増幅作用を利用したファイバ形光増幅器の研究が盛んに
なってきている。 例えば、Ｅｒイオンを数百ｐｐｍａ人させた石英系単一
モード光ファイバ中に波長１４８０ｎｍや９８０ｎｍの
レーザ光を入力すると、１５３０ｎｍから１５６０ｎｍ
の波長を持つ光信号を増幅することができる。Ｚ ｒ
Ｆ ４を主成分とするフッ化物ガラス中にＮｄ”イオン
を混入させた場合は１．３４μｍの信号光を増幅するこ
とができる。 また、ＹＡＧやＹＬＦ等の酸化物もしくはフッ化物結晶
中に、希土頌元素や遷移金属イオンを混入させて先導波
路を構成しても、光励起により光増幅作用を示す先導波
路を作製することができる。
従来の光増幅用光導波路では次のような課題があった。
ａ 光増幅用光導波路にとって重要なポイントは利得特
性の向上であり、なるべく少ない励起光強度で大きな利
得を得ることは高利得光増幅器への期待に応えるのみな
らず、励起光への負担が軽減して長期信頼性の観点から
も大きな効果がある。しかし従来の光増幅用光導波路で
は石英系光ファイバの中にＥｒやＮｄ等の希土類元素イ
オンを混入させるだけであるため、それらの混入量や混
入比率を変えても利得を向上させるには限度があった。 ｂ 光増幅用先導波路の性能を劣化させる原因の一つに
信号光の光増幅器への接続損失がある。 接続損失を抑えるには先導波層の大きさを大きくすれば
よいが、そうすると導波路内に複数のモードが発生し、
各モードにパワーが分散される。また、光増幅器から後
段の伝送系へ信号光を送る際に、後段の伝送系が単一の
モードのみ伝搬させるような場合にはやはり大きな接続
損失を生ずる。 このため導波路内にモード選択性を持たせない限り利得
効率が低下してしまう。 Ｃ９光通信の方式によっては複数の波長の信号光を用い
て通信を行なうことがある。この場合は波長の選択機能
をもつ光デバイス（フィルタ）で分波することが行われ
る。従って光増幅機能と分波Ｗ＆能とを合せ持つ光デバ
イスがあればこの応用に極めて有効である。しかし従来
の光増幅用先導波路には波長の選択機能を有するものは
ない。
性の向上であり、なるべく少ない励起光強度で大きな利
得を得ることは高利得光増幅器への期待に応えるのみな
らず、励起光への負担が軽減して長期信頼性の観点から
も大きな効果がある。しかし従来の光増幅用光導波路で
は石英系光ファイバの中にＥｒやＮｄ等の希土類元素イ
オンを混入させるだけであるため、それらの混入量や混
入比率を変えても利得を向上させるには限度があった。 ｂ 光増幅用先導波路の性能を劣化させる原因の一つに
信号光の光増幅器への接続損失がある。 接続損失を抑えるには先導波層の大きさを大きくすれば
よいが、そうすると導波路内に複数のモードが発生し、
各モードにパワーが分散される。また、光増幅器から後
段の伝送系へ信号光を送る際に、後段の伝送系が単一の
モードのみ伝搬させるような場合にはやはり大きな接続
損失を生ずる。 このため導波路内にモード選択性を持たせない限り利得
効率が低下してしまう。 Ｃ９光通信の方式によっては複数の波長の信号光を用い
て通信を行なうことがある。この場合は波長の選択機能
をもつ光デバイス（フィルタ）で分波することが行われ
る。従って光増幅機能と分波Ｗ＆能とを合せ持つ光デバ
イスがあればこの応用に極めて有効である。しかし従来
の光増幅用先導波路には波長の選択機能を有するものは
ない。
本発明の目的は前記諸問題を解決し、利得の効率向上を
実現し、利得のモード選択性及び波長の選択性を有する
光導波路形光増幅器を実現することにある。
実現し、利得のモード選択性及び波長の選択性を有する
光導波路形光増幅器を実現することにある。
本発明の増幅用先導波路は第１図に示すように、光励起
により光増幅作用を示す光導波路ｌの増幅される信号光
の伝搬方向に、屈折率と利得の両方又はいずれか一方が
高い部分（高部）２と、それよりも屈折率又は利得が低
い部分（低部）３とを交互に形成して周期性をもたせた
ものである
により光増幅作用を示す光導波路ｌの増幅される信号光
の伝搬方向に、屈折率と利得の両方又はいずれか一方が
高い部分（高部）２と、それよりも屈折率又は利得が低
い部分（低部）３とを交互に形成して周期性をもたせた
ものである
第１図に示した増幅用先導波路において、Ｌ：光導波路
（同図では光ファイバ）ｌの長さ、へ利得および屈折率
の一周期の長さ、γ：低低利郡部利得、Δγ：高利高利
上部利得部の利得の差、ｎ、低屈折率部の屈折率、Δｎ
：高屈折率部と低屈折率部の屈折率の差、とすると、高
部２と低部３の周期が第２図に示すように矩形状のとき
、ファイバ１のＺ軸に沿った利得γ（ｚ）と屈折率ｎ（
２）はフーリエ級数を用いて次のように表わす・・・
（１） ・・・ （２） ここで、 Ｂ、＝□／Δ ・−・ （３
）である、この光フアイバ中をブラッグ反射条件に近い
位相定数β。を持つ波が伝搬する。 Ｂ ｏ ＝ （２ｍ＋ １ ） Ｘβ８、ｍ＝ｏ、ｌ、
２、・・・ （４） 光フアイバ中の電界をＥ （ｚ）とす・・・と＝Ｆ
（ｚ）ｅｘｐ （−ｊ （２ｍ＋１） β、２）
＋Ｒ（ｚ）ｅｘｐ （ｉ （２ｍ＋１） β、２
１ここてＦ （ｚ）は光ファイバを前進する光波、Ｒ（
ｚ）は同光ファイバを後退する光波を表わす（第８図参
照）。これらの式を波動方程式に代入し、Ｆ （ｚ）及
びＲ（ｚ）の２次微分項が十分小さいという近似を用い
ると次の結合方程式が得られる。尚、この近似は、光フ
アイバ中を導波する光波の電界がゆっくりと連続的に変
化するときは十分に妥当性を持っているため、−Ｈに成
立する近似である。 Ｅ （ｚ） 但し δ＝ Ｂ ｏ （２ｍ ＋ １ ）β３境界
条件： Ｆ （−Ｌ／２）＝Ｆ、、、Ｆ、Ｎ：入力信号光強度Ｒ
（Ｌ／２）＝０ 尚、計算の簡便のため、光ファイバの中心でＺＯになる
ように目盛った。 従って、光ファイバの出射端および入射端での強度透過
率Ｔと強度反射率Ｒは ここで、ｍ＝０、ｌ、２・・・ と定義した。この式からＥｒドープファイバの各モード
に対応する透過率Ｔをと（周期）とη（ファイバ長）と
の関数として求めることができる。 多モードＥｒドープファイバ増幅器の実際的な値を用い
て最低次モードＬＰ、、と高次モードＬＰ、、およびＬ
Ｐｏ２モードの透過率（即ち、全長における利得）を求
めると第３図、第４図及び第７図のようになる。 このとき用いたパラメータは： ｙ＝０．５ｍ−１、Δｙ＝Ｑ、０５ｍ−１ （１０％
の利得変動に対応）、ｎ＝１．５、△ｎ＝０（屈折率に
は周期性を持たせないことに対応）、となる。 さらにΔやＬを信号光の波長支て規格化すると １＝Ａ／λ、 上の式のＴ及びＲは η＝Ｌ／λ 比屈折率差＝１％、コア直径＝ｌＯλ ・・・（１２） 第３図からＬＰ、、モードでは透過率はと （周期）と
η（ファイバ長）とに強く依存し、例えばｎ＝５４にお
ける透過率のピークは約５５ｄＢに達し、ピークの谷は
約２３ｄＢでその差は３２ｄＢという大きな差となった
。 一方、ＬＰ、、モードでは第７図のようにＬＰ、。 モードのようなことｎに対する強い依存性は現われず、
同しη：５．４で比較するとＬＰ、、モードでのピーク
の透過率との差は約１８ｄＢとなり、やはり大きなモー
ド選択性を示した。このことはＬＰ、、モード以外では
ブラッグ反射条件が異なってくるために生ずるので、Ｌ
Ｐ、、やＬＰ、２モードだけでなくＬＰ。、モード以外
のモードにも当てはまる。 従って、光増幅作用を持つ光導波路において利得の周期
性を設けることにより、次のことが示された。 ａ、ξ （周期）やη（ファイバ長）の変化に対し透過
率の変動が生じ、ξとｎの良好な条件を運ぶことにより
高い利得が得られること。 ｂ、ｌとｎも信号光波長の関数であるので波長に対する
利得の選択性が生れること。 Ｃ，モードの選択性が現われること。 この解析では説明を簡単にするため、励起光の変化を考
慮しないで行ったが、−射的には励起光の変化はファイ
バの長手方向に対し緩やかに低下するため、透過率のフ
ァイバ長手方向の緩やかな変動が第３図、第４図、第７
図に加わるが、ＬＰ、、モードにおける透過率のピーク
の発生やＬＰ、、モードに対する選択増幅特性を示すこ
とは明らかである。 更に、ここては利得の周期構造のみを検討したが、利得
がファイバの軸線方向に平坦で屈折率が周期構造を有す
る場合も、或は利得と屈折率の両方が周期構造を有する
場合も同じ傾向の効果が第５図、第６図（いずれもＬＰ
、、モード）に示すごとく得られる。 第５図はΔγ＝０て△ｎ＝＝ＩＸ１０−’の条件下ての
結果、第６図は△γ＝７．５Ｘ］０−２．△ｎ＝ｌＸ１
０−’の場合の結果である、 前記実施例は光フアイバ型の場合であるが、より一般的
な先導波路にも本発明は適用できる。
（同図では光ファイバ）ｌの長さ、へ利得および屈折率
の一周期の長さ、γ：低低利郡部利得、Δγ：高利高利
上部利得部の利得の差、ｎ、低屈折率部の屈折率、Δｎ
：高屈折率部と低屈折率部の屈折率の差、とすると、高
部２と低部３の周期が第２図に示すように矩形状のとき
、ファイバ１のＺ軸に沿った利得γ（ｚ）と屈折率ｎ（
２）はフーリエ級数を用いて次のように表わす・・・
（１） ・・・ （２） ここで、 Ｂ、＝□／Δ ・−・ （３
）である、この光フアイバ中をブラッグ反射条件に近い
位相定数β。を持つ波が伝搬する。 Ｂ ｏ ＝ （２ｍ＋ １ ） Ｘβ８、ｍ＝ｏ、ｌ、
２、・・・ （４） 光フアイバ中の電界をＥ （ｚ）とす・・・と＝Ｆ
（ｚ）ｅｘｐ （−ｊ （２ｍ＋１） β、２）
＋Ｒ（ｚ）ｅｘｐ （ｉ （２ｍ＋１） β、２
１ここてＦ （ｚ）は光ファイバを前進する光波、Ｒ（
ｚ）は同光ファイバを後退する光波を表わす（第８図参
照）。これらの式を波動方程式に代入し、Ｆ （ｚ）及
びＲ（ｚ）の２次微分項が十分小さいという近似を用い
ると次の結合方程式が得られる。尚、この近似は、光フ
アイバ中を導波する光波の電界がゆっくりと連続的に変
化するときは十分に妥当性を持っているため、−Ｈに成
立する近似である。 Ｅ （ｚ） 但し δ＝ Ｂ ｏ （２ｍ ＋ １ ）β３境界
条件： Ｆ （−Ｌ／２）＝Ｆ、、、Ｆ、Ｎ：入力信号光強度Ｒ
（Ｌ／２）＝０ 尚、計算の簡便のため、光ファイバの中心でＺＯになる
ように目盛った。 従って、光ファイバの出射端および入射端での強度透過
率Ｔと強度反射率Ｒは ここで、ｍ＝０、ｌ、２・・・ と定義した。この式からＥｒドープファイバの各モード
に対応する透過率Ｔをと（周期）とη（ファイバ長）と
の関数として求めることができる。 多モードＥｒドープファイバ増幅器の実際的な値を用い
て最低次モードＬＰ、、と高次モードＬＰ、、およびＬ
Ｐｏ２モードの透過率（即ち、全長における利得）を求
めると第３図、第４図及び第７図のようになる。 このとき用いたパラメータは： ｙ＝０．５ｍ−１、Δｙ＝Ｑ、０５ｍ−１ （１０％
の利得変動に対応）、ｎ＝１．５、△ｎ＝０（屈折率に
は周期性を持たせないことに対応）、となる。 さらにΔやＬを信号光の波長支て規格化すると １＝Ａ／λ、 上の式のＴ及びＲは η＝Ｌ／λ 比屈折率差＝１％、コア直径＝ｌＯλ ・・・（１２） 第３図からＬＰ、、モードでは透過率はと （周期）と
η（ファイバ長）とに強く依存し、例えばｎ＝５４にお
ける透過率のピークは約５５ｄＢに達し、ピークの谷は
約２３ｄＢでその差は３２ｄＢという大きな差となった
。 一方、ＬＰ、、モードでは第７図のようにＬＰ、。 モードのようなことｎに対する強い依存性は現われず、
同しη：５．４で比較するとＬＰ、、モードでのピーク
の透過率との差は約１８ｄＢとなり、やはり大きなモー
ド選択性を示した。このことはＬＰ、、モード以外では
ブラッグ反射条件が異なってくるために生ずるので、Ｌ
Ｐ、、やＬＰ、２モードだけでなくＬＰ。、モード以外
のモードにも当てはまる。 従って、光増幅作用を持つ光導波路において利得の周期
性を設けることにより、次のことが示された。 ａ、ξ （周期）やη（ファイバ長）の変化に対し透過
率の変動が生じ、ξとｎの良好な条件を運ぶことにより
高い利得が得られること。 ｂ、ｌとｎも信号光波長の関数であるので波長に対する
利得の選択性が生れること。 Ｃ，モードの選択性が現われること。 この解析では説明を簡単にするため、励起光の変化を考
慮しないで行ったが、−射的には励起光の変化はファイ
バの長手方向に対し緩やかに低下するため、透過率のフ
ァイバ長手方向の緩やかな変動が第３図、第４図、第７
図に加わるが、ＬＰ、、モードにおける透過率のピーク
の発生やＬＰ、、モードに対する選択増幅特性を示すこ
とは明らかである。 更に、ここては利得の周期構造のみを検討したが、利得
がファイバの軸線方向に平坦で屈折率が周期構造を有す
る場合も、或は利得と屈折率の両方が周期構造を有する
場合も同じ傾向の効果が第５図、第６図（いずれもＬＰ
、、モード）に示すごとく得られる。 第５図はΔγ＝０て△ｎ＝＝ＩＸ１０−’の条件下ての
結果、第６図は△γ＝７．５Ｘ］０−２．△ｎ＝ｌＸ１
０−’の場合の結果である、 前記実施例は光フアイバ型の場合であるが、より一般的
な先導波路にも本発明は適用できる。
本発明の増幅用光導波路の一実施例を示す第１区におい
て、ｌはＥｒイオンやＮｄイオン等の光励起により光増
幅作用を示す物質が混入されている光ファイバであり、
４はコア部、５はコア部４の外周に設けられているクラ
ッド部である。 前記コア部２には光ファイバｌにおける信号光の伝搬方
向ＣＺ軸）に沿って、利得と屈折率の方又は両方が高い
部分（高部）２と、それよりも利得と屈折率の一方又は
両方が低い部分（低部）３とを交互に均一間隔で形成し
て周期性をもたせであるや 高部２の屈折率を高めるためには、その部分にドーパン
トする二酸化ゲルマニウムの量を多くし、低部３の屈折
率を低くするためには、その部分にドーパントするフッ
素の量を多くする。 低部３の利得を低くするためには、その部分にＥｒイオ
ンのドーピングを行わないか、あるいはその部分に信号
光に対し損失を有する物質をドーピングする。 あるいはまた、励起光源の強度を信号光の伝搬方向に沿
って周期的に分布させることにより、利得の高部２と低
部３を実現する事ができる。 利得または屈折率の周期を調整する機能を設けることも
本発明には有効である。
て、ｌはＥｒイオンやＮｄイオン等の光励起により光増
幅作用を示す物質が混入されている光ファイバであり、
４はコア部、５はコア部４の外周に設けられているクラ
ッド部である。 前記コア部２には光ファイバｌにおける信号光の伝搬方
向ＣＺ軸）に沿って、利得と屈折率の方又は両方が高い
部分（高部）２と、それよりも利得と屈折率の一方又は
両方が低い部分（低部）３とを交互に均一間隔で形成し
て周期性をもたせであるや 高部２の屈折率を高めるためには、その部分にドーパン
トする二酸化ゲルマニウムの量を多くし、低部３の屈折
率を低くするためには、その部分にドーパントするフッ
素の量を多くする。 低部３の利得を低くするためには、その部分にＥｒイオ
ンのドーピングを行わないか、あるいはその部分に信号
光に対し損失を有する物質をドーピングする。 あるいはまた、励起光源の強度を信号光の伝搬方向に沿
って周期的に分布させることにより、利得の高部２と低
部３を実現する事ができる。 利得または屈折率の周期を調整する機能を設けることも
本発明には有効である。
本発明の増幅用光導波路によれば次のような効果がある
。 ａ、光増幅作用を有する先導波路に、利得の向上と利得
の波長選択性及びモード選択性という機能を持たせるこ
とができる。 ｂ、利得の波長選択性は光増幅器にフィルタ機能を持た
せることになるので、光通信に有用な新しい光デバイス
となる。 Ｃ１利得のモード選択性は先導波路が多モード導波路で
あっても利得を持つモードフィルタとなり、極めて有用
な光デバイスとなる。
。 ａ、光増幅作用を有する先導波路に、利得の向上と利得
の波長選択性及びモード選択性という機能を持たせるこ
とができる。 ｂ、利得の波長選択性は光増幅器にフィルタ機能を持た
せることになるので、光通信に有用な新しい光デバイス
となる。 Ｃ１利得のモード選択性は先導波路が多モード導波路で
あっても利得を持つモードフィルタとなり、極めて有用
な光デバイスとなる。
第１図は本発明の増幅用先導波路の一例を示す説明図、
第２図は同増幅用先導波路における利得と屈折率との関
係を示す説明図、第３図はＬＰ。 モードでの透過率（利得）の説明図、第４図はＬＰ、、
モードでの透過率の説明図、第５図、第６図は利得と屈
折率の両方が周期構造を有する場合のＬＰ、、モードで
の透過率の説明図、第７区はＬＰ、２モードでの透過率
の説明図、第８図はファイバを前進する光波と後退する
光波の説明図である。 １はファイバ、 ２は高部 ３は低部
第２図は同増幅用先導波路における利得と屈折率との関
係を示す説明図、第３図はＬＰ。 モードでの透過率（利得）の説明図、第４図はＬＰ、、
モードでの透過率の説明図、第５図、第６図は利得と屈
折率の両方が周期構造を有する場合のＬＰ、、モードで
の透過率の説明図、第７区はＬＰ、２モードでの透過率
の説明図、第８図はファイバを前進する光波と後退する
光波の説明図である。 １はファイバ、 ２は高部 ３は低部
Claims (1)
- 光励起により光増幅作用を示す光導波路１の増幅される
信号光の伝搬方向に、屈折率と利得の一方又は両方の周
期性をもたせたことを特徴とする増幅用光導波路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2259554A JPH04134433A (ja) | 1990-09-27 | 1990-09-27 | 増幅用光導波路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2259554A JPH04134433A (ja) | 1990-09-27 | 1990-09-27 | 増幅用光導波路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04134433A true JPH04134433A (ja) | 1992-05-08 |
Family
ID=17335731
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2259554A Pending JPH04134433A (ja) | 1990-09-27 | 1990-09-27 | 増幅用光導波路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04134433A (ja) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH029188A (ja) * | 1988-03-17 | 1990-01-12 | Alcatel Nv | 周期的屈折率分布及び周期的増幅率分布を発生するための半導体装置 |
-
1990
- 1990-09-27 JP JP2259554A patent/JPH04134433A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH029188A (ja) * | 1988-03-17 | 1990-01-12 | Alcatel Nv | 周期的屈折率分布及び周期的増幅率分布を発生するための半導体装置 |
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