JPH04161930A - 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、光ファイバ増幅器に関する。より詳細には、
光信号を光電変換せずに直接増幅する増幅器で、希土類
元素を添加したガラスから作製される光ファイバを用い
た光ファイバ増幅器に関するものである。

従来の技術 希土類元素を添加したガラスは、良質なレーザ媒質とな
ることが知られている。中でもＥｒ　（エルビウム）を
添加したガラスは、１．５μｍ帯において増幅機能を有
する。１．５μｍ帯では、石英系光ファイバの損失が最
低になるので、８ｒを添加したガラスを用いた光ファイ
バは、光ファイバ増幅器として使用が検討されている。

第１図に光ファイバ増幅器の概念図を示す。第１図の光
ファイバ増幅器は、希土類元素を添加したガラス系光フ
ァイバ１と、励起光Ｒを発振する半導体レーザ２と、半
導体レーザ２から出射した励起光Ｒを光ファイバ１に誘
導するためのレンズ６およびミラー７と、光ファイバ１
から出射する光から励起光Ｒを分離するフィルタ８とを
具備する。

上記の光ファイバ増幅器では、信号光Ｓとともに励起光
Ｒが光ファイバ１に入射し、信号光Ｓは光ファイバ１内
を進行するに連れて増幅される。

光ファイバ１から出射した光は、フィルタ８で励起光Ｒ
が分離される。

第６図を参照して上記の光ファイバ増幅器の原理を説明
する。第６図は、上記の光ファイバ１に、Ｅｒを添加し
たガラス系の光ファイバを使用し、信号光Ｓの波長が１
．５５μｍで、励起光Ｒとして波長１．４８μｍのレー
ザ光を使用した場合のエネルギ準位の概念図である。

第６図に示すよう、光ファイバ１中のＥｒ原子は、励起
光Ｒによって高いエネルギー準位に励起されている。光
ファイバ１中に信号光Ｓが入射されると誘導放出現象が
起こり、信号光Ｓのパワーは、光ファイバ１中を進行す
るに従い、しだいに太きくなる。即ち、信号光Ｓは光フ
ァイバ１中で増幅される（Ｏｐｌｕｓ　Ｅ、　　Ｎｏ、
１１３．　ｐｐ７５〜ｇ２（１９８９））。

上記の励起光としては、Ｅｒ原子が吸収をもついくつか
の波長の光が提案されているが、実用的な高出力半導体
レーザが得られる１、４８μｍ帯が現在量も有効とされ
ている（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　Ｖｏｌ、
　５４゜Ｎｏ、４　ｐｐ２９５〜２９７　）。

また、上記の光ファイバ増幅器を用いた伝送実験も行な
われており、１．８Ｇｂ／ｓで２５０ｋｍの伝送実験も
成功している（電子情報通信学会光通信システム研究会
０Ｃ３８９−３＞。

発胡が解決しようとする課題 上記の［ｌｉｒ添加光ファイバを用いた光ファイバ増幅
器は、利得が最大となる波長１．５３５μｍおよび１．
５５μｍ付近での帯域が、各々わずか２ｎｍおよび４ｎ
ｍと非常に狭い欠点があった。

また、波長１．５５μｍで運用されている分散シフトフ
ァイバを用いた監視方法として波長１．６５μｍでのフ
ァイバの曲げ損失を利用することも提案されている（荒
用他、ＩＷＳＣ’８９ｆｌρ８８〜９３）が、Ｅｒ添加
光ファイバは、１．６〜１．７μｍ帯で増幅機能を持た
ないという問題点もある。

このような１．５〜１．７μｍ帯で増幅機能を有する可
能性がある希土類元素としては、Ｔｍ　（ツリウム）、
Ｐｒ（プラセオジウム）が挙げられる。しかしながら、
従来のＴｍまたはＰｒを添加したガラス系光ファイバを
使用した光ファイバ増幅器では、励起光発振手段として
Ａｒレーザを用いており、実用的ではない（Ｊｏｕｒｎ
ａｌ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ
ｙ。

Ｖｏｌ　６．　Ｎｏ、２．　Ｐ、　２８７〜２９３．　
（１９８８）　）。

そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し
た帯域が広く、実用性の高い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 本発明に従うと、信号光が入射する希土類元素を添加し
たガラス系光ファイバと、該光ファイバに入射して前記
希土類元素を励起する励起光を発振する半導体レーザと
、前記励起光を前記半導体レーザから前記光ファイバに
入射するよう誘導する光学手段とを具備する光ファイバ
増幅器において、前記光ファイバが、Ｔｍを添加したガ
ラス系光ファイバであり、励起するＴｍイオンのエネル
ギ準位が３８４であることを特徴とする光ファイバ増幅
器が提供される。上記本発明の光ファイバ増幅器におい
ては、半導体レーザから発振される励起光の波長が、０
．７６〜０．８１μｍであることが好まし７い。

作用 本発明の光ファイバ増幅器は、Ｔｍを添加したガラス系
光ファイバを使用し、発振波長０．８μｍ付近の半導体
レーザを励起光発振手段として使用可能としたところに
その主要な特徴がある。

第７図に釦原子のエネルギー準位を示す（オーム社刊　
レーザ・ハンドブックより）。１．５　μｍ帯の遷移は
３Ｈ，→３Ｆ４にあたり、Ｔｍを添加したガラス系光フ
ァイバを用いて、１．５　μｍ帯での増幅を実現するに
はＴｍ原子のエネルギー準位を励紀元により３８４以上
の高い準位に励起することが必要である。

本発明者等の実験結果によると、Ｔｍを添加したガラス
系光ファイバは、第５図に示す損失波長特性を有する。

それによると、Ｔｍを添加したガラス系光ファイバには
、０．６８．０．７８．１．２１．１．５６μｍ付近を
中心に、各々基準準位３Ｈ６から３Ｆ２　・３Ｆ３．３
Ｈ４，３Ｈ５，３Ｆ、への遷移に対応する吸収が見られ
る。中でも０．７８μｍ付近の吸収は、１．５〜１．７
　μｍ帯の増幅を実現するための３Ｈ。

以上の準位への励起が可能なばかりではなく、他の吸収
線に比べ吸収が大きく大きな励起効率が期待できる。ま
た、安価でかつ実用的な高出力な半導体レーザが容易に
入手できるなどの利点がある。

従って、本発明の光ファイバ増幅器では、０．７８μｍ
に近い０゜８μｍ帯で発振する半導体レーザを励起光発
振手段に使用可能である。この半導体レーザとしては、
例えばＡｌＧａＡｓ半導体レーザが使用できる。上記の
半導体レーザの出力は、できるだけ大きいことが好まし
い。その理由は、励起光のエネルギが大きいほど大きな
反転分布が形成され、より高い利得が得られるためであ
る。

一方、Ｅｒを添加したガラス系光ファイバも、０．８μ
ｍ帯の半導体レーザで励起可能ではあるが、ＥＳ　Ａ　
（Ｅｘｃｉｔｅｄ　５ｔａｔｅ　Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ
）という現象が起こり、充分な利得が得られない。第８
図を参照してＥＳＡを説明する。Ｅｒの場合、０．８μ
ｍ帯の励起光でエネルギ準位　１１３／□に励起された
原子が、さらに励起光によりエネルギ準位”Ｈ１＋／□
まで励起され、そのためにエネルギ準位’ｌ１３７□の
原子が減少する。エネルギ準位’Ｉ＋３／２のＥｒ原子
は、利得に関わっているため減少すると、大きな反転分
布が形成されず、充分な利得が得られない。

従って、本発明の光ファイバ増幅器では、０．８　μｍ
帯の励起光でこのような現象の起こらないＴｍを使用す
る。

また、本発明の光ファイバ増幅器に使用するガラス系光
ファイバは、石英系光ファイバ・フッ化物光ファイバ・
多成分光ファイバ等である。そして、Ｔｍ添加量は、例
えば石英系光ファイバの場合１１０００ｐｐ程度以下が
好ましい。これは、Ｔｍの添加量が多過ぎると会合等を
生じ、濃度消光と呼ばれる利得の劣化を引き起こすため
である。

さらに、本発明の光ファイバ増幅器では、一定の励起光
のもとでは最大利得を与える最適ファイバ長が存在する
。これは、第５図に示したように、Ｔｍ添加光ファイバ
には、利得を有する１、５μｍ帯での損失があるため、
光ファイバ長が長くなり過ぎて励起光が弱まると、得ら
れる利得より損失の方が大きくなるたｔである。この最
適ファイバ長は、Ｔｍ添加濃度が高いほど短くなる。

以下、本発明を実施例により、さらに詳しく説明するが
、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎず、本発明
の技術的範囲をなんら制限するものではない。

実施例 本発明の光ファイバ増幅器に使用する光ファイバを作製
した。作製した光ファイバの屈折率分布を第２図に、第
１表にその諸元を示す。

作製した光ファイバのコアは、純石英にＴｍのみを添加
し、クラッドにはフッ素を添加して比屈折率差を形成し
た。比屈折率差は０．６４％、コア直径５．１ｐｍ、Ｔ
ｍ濃度は３１０　ｐｐｍである。

第１表 この光ファイバの１．５〜１．７　μｍ帯での増幅の可
能性を確認するため以下の実験を行なった。励起光によ
り高いエネルギー単位に励起されたＴｍ原子は信号光が
存在しないときには、蛍光と呼ばれる準位間の遷移に対
応する自然放出光を発生する。

０．７８μｍ付近で発振する半導体レーザでＴｍ原子を
励起し、１．５〜１．７μｍ帯で蛍光が確認されれば、
１．５〜１．７μｍ帯の増幅が可能となる。

第３図に、上記の蛍光（より具体的には増幅された自然
放出光（ＡＳＥ　：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　Ｓｐｏｎｔａ
ｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ））の測定装置を示す。波
長０．７９２μｍで発振する半導体レーザ２の出力光を
レンズ６で集光し、Ｔｍ添加光ファイバ１に入射してそ
の出力光を光スペクトラム・アナライザ１０で分光観測
した。

Ｔｍ添加光ファイバ１のファイバ長は０．９ｍ、レーザ
光のファイバ内人力は約５ｍＷであった。第４図に出力
光の波長依存性を示す。第４図に示すよう、Ｔ＋ｙ＋添
加光ファイバ１からは１．４〜１，８　μｍ帯にかけ幅
広い波長範囲で蛍光が確認され、広帯域な増幅が可能で
ある。

さらに、Ｔｍを伝搬する光パワーの密度がより高いコア
中心部分のみに添加すれば、大きな利得が期待できる。

発明の効果 以上、説明したように本発明に従うと、実用的て広帯域
な増幅が実現できる光ファイバ増幅器が提供される。

本発明の光ファイバ増幅器は１．５〜１．７　μｎ〕帯
での波長多重信号の一括増幅や運用ンステムの監視に用
いると効果的である。　また、ファイバ・レーザにする
ことにより半導体レーザでは容易に得られない波長例え
ば１．６〜１．８　μｍ帯の光源を得ることも可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、光ファイバ増幅器の概念図であり、第２図は
、本実施例で作製した光ファイバ増幅器に使用されるＴ
ｍ添加光ファイバの屈折率分布を示す図であり、 第３図は、第２図の光ファイバの蛍光測定装置の概略図
であり、 第４図は、第３図の装置で測定された第２図の光ファイ
バの出力光強度の波長依存性を示すグラフであり、 第５図は、Ｔｍ添加光ファイバの損失の波長依存性を示
すグラフであり、 第６図は、Ｅｒを添加した光ファイバ増幅器におけるエ
ネルギー準位の概念図であり、 第７図は、Ｔｍ原子のエネルギー準位の概念図であり、 第８図は、Ｅｒを添加した光ファイバ増幅器におけるＥ
ＳＡ現象を説明するためのエネルギー準位の概念図であ
る。 〔主な参照番号〕 １・・・希土類添加光ファイバ、 ２・・・半導体レーザ、 ６・・・レンズ、 ７・・・ミラー、 ８・・・フィルタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）信号光が入射する希土類元素を添加したガラス系
   光ファイバと、該光ファイバに入射して前記希土類元素
   を励起する励起光を発振する半導体レーザと、前記励起
   光を前記半導体レーザから前記光ファイバに入射するよ
   う誘導する光学手段とを具備する光ファイバ増幅器にお
   いて、前記光ファイバが、Ｔｍを添加したガラス系光フ
   ァイバであり、励起するＴｍイオンのエネルギ準位が＾
   ３Ｈ＿４であることを特徴とする光ファイバ増幅器。
2. （２）前記半導体レーザから発振される励起光の波長が
   、０．７６〜０．８１μｍであることを特徴とする請求
   項１に記載の光ファイバ増幅器。