JPH04283731A - 光ファイバ通信システム - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、情報を光のかたちで長
大な光ファイバを介して伝送する光ファイバ通信システ
ムに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在実用化されている光ファイバ通信シ
ステムにおいては、光ファイバ伝送線路中での損失によ
る信号光の減衰を補償するために、所定距離ごとに増幅
専用の光中継器が介在されている。その光中継器は、光
信号をフォトダイオード等のＯ／Ｅ素子によって電気信
号に変換し、電子増幅器によって増幅した後、半導体レ
ーザ（ＬＤ）等のＥ／Ｏ素子によって光信号に変換して
再び光ファイバ伝送線路に送り出すようになっている。

【０００３】この光中継器は、光信号を一旦電気信号に
変換した後、再び光信号に戻すために、雑音が多くなる
とともに光ファイバとの接続の損失が大きく、さらに、
装置が大型化する等の難点がある。

【０００４】そこで、誘導放出効果をもつ光ファイバを
利用した図７に示すような光増幅器Ａが提案されている
。この光増幅器Ａは、Ｅｒ（エルビウム）を１，０００
ｐｐｍ程度の高濃度でドーピングした１０ｍ程度の長さ
の増幅用光ファイバａと、この増幅用光ファイバａを上
手側の光ファイバ伝送線路ｅ１　および下手側の光ファ
イバ伝送線路ｅ２　に接続するための光コネクタｂ１　
，ｂ２　と、増幅用光ファイバａ内のＥｒを励起する半
導体レーザ等の励起光源ｃと、光ファイバ伝送線路ｅ１
　を介して伝送されてきた信号光と励起光源ｃからの励
起光とを混合する合波器ｄとを備えている。

【０００５】合波器ｄで混合された信号光と励起光とは
光コネクタｂ１　を介して増幅用光ファイバａに入射し
、励起光によって増幅用光ファイバａ内のＥｒを高いエ
ネルギー準位に励起（ポンピング）し、誘導放出効果に
よって信号光を増幅する。

【０００６】このような光増幅器Ａを使用すれば、光信
号を電気信号に変換することなく光の状態のまま直接的
に増幅することができるので、低雑音であるとともに、
増幅用光ファイバａと光ファイバ伝送線路ｅ１　，ｅ２
　との接続の損失も少ない上に、装置の小型化，低廉化
を図れる等の利点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】光ファイバ通信システ
ムの全体の伝送距離が長くなるほど信号光の減衰が大き
くなるが、これを補償するためには、図８に示すように
、光ファイバ伝送線路ｅの所定距離ごとに上記のような
光増幅器Ａを介在しなければならないことに変わりはな
い。そのため、装置の小型化，低廉化にも自ずと一定の
限界がある。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑みて創案さ
れたものであって、誘導放出によって信号光を直接的に
増幅する増幅用光ファイバを光中継器としての光増幅器
の一要素として用いるのではなく、光ファイバ伝送線路
そのものとして増幅用光ファイバを用いることにより、
線路自体で必要な増幅利得を得ることができるようにし
て、光中継器の必要性を無くし、システム構成の簡素化
および低廉化を図ることを目的とする。

【０００９】従来、光中継器としての光増幅器の一要素
として把握されていた増幅用光ファイバについては、そ
の長さはせいぜい１０ｍ程度と短いものであり、また、
所定の増幅利得を得るためのＥｒ濃度は光ファイバのコ
ア部において１，０００ｐｐｍ程度の高濃度とするのが
常識であった。このような長さの短い増幅用光ファイバ
を光ファイバ伝送線路として用いることは全く考えられ
ていなかった。

【００１０】ところが、本発明者の近時の研究によれば
、光ファイバのコア部にドーピングするＥｒ濃度を低く
し、光ファイバの長さを長くすれば長くするほど、増幅
利得が大きくなることが判明した。さらに、研究を進め
た結果、光ファイバのコア部に対してＥｒ（エルビウム
）とともに所定濃度のＡｌ（アルミニウム）を一緒にド
ーピング（これを共ドープという）した方が、増幅利得
が一層増大することを見出した。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光ファイバ
通信システムは、光ファイバ伝送線路の送信側端部と受
信側端部とのうち少なくとも送信側端部において、励起
光源およびこの励起光源からの励起光と信号光とを混合
する合波器を備えているとともに、前記光ファイバ伝送
線路の全部または大部分に、Ｅｒ（エルビウム）が０．
０１〜２．８ｐｐｍの低濃度状態でドープされていると
ともにＡｌ（アルミニウム）が最大５０ｐｐｍまでの低
濃度状態で共ドープされたコア部を有する増幅用光ファ
イバを用いたことを特徴とするものである。

【００１２】

【作用】本発明によれば、ドーピングするＥｒ濃度の下
限値を０．０１ｐｐｍとし、上限値を２．８ｐｐｍとし
、さらに共ドープするＡｌ濃度の上限値を５０ｐｐｍと
することにより、増幅利得を充分に高いものとすること
ができ、増幅用光ファイバを、光中継器としての光増幅
器の一要素としてではなく、光ファイバ伝送線路の全部
または大部分を占める伝送増幅線路として用いることが
できるようになった。

【００１３】なお、励起光源および合波器を光ファイバ
伝送線路の受信側端部にも設けた場合には、一層高い増
幅利得が得られるので、伝送距離をさらに伸ばすことが
できる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

【００１５】図１は、本発明の一実施例に係る光ファイ
バ通信システムを示す概略構成図である。

【００１６】ＰＣＭ変調された１．５５μｍ波長帯の信
号光を出射する発光ダイオードや半導体レーザ（ＬＤ）
等の通信用光源１が信号光入射用光ファイバ２の入射端
に設けられている。１．４８μｍ波長帯の励起光を出射
する半導体レーザ（ＬＤ）等の励起光源３が励起光入射
用光ファイバ４の入射端に設けられている。信号光入射
用光ファイバ２と励起光入射用光ファイバ４とは合波器
５（光カプラ）を介して接続されている。

【００１７】合波器５に光コネクタ６を介して伝送増幅
線路として構成された長大な増幅用光ファイバ７が接続
されている。この増幅用光ファイバ７は、そのコア部に
Ｅｒ（エルビウム）とＡｌ（アルミニウム）とをそれぞ
れ所要の濃度で共ドープしたものである。

【００１８】この増幅用光ファイバ７の他端が光コネク
タ１０を介して合波器１１に接続されている。１．４８
μｍ波長帯の励起光を出射する励起光源１２が励起光入
射用光ファイバ１３の入射端に設けられている。

【００１９】光ファイバ伝送線路９の送信側端部の励起
光入射用光ファイバ４が、増幅用光ファイバ７に対して
励起光を信号光の伝送方向に沿って入射するのに対して
、光ファイバ伝送線路９の受信側端部の励起光入射用光
ファイバ１３は、増幅用光ファイバ７に対して励起光を
信号光の伝送方向とは逆方向に入射し、増幅用光ファイ
バ７に入った段階からＥｒ（エルビウム）をポンピング
して増幅作用を発揮するようになっている。

【００２０】合波器１１の出力側光ファイバ８には、信
号光の波長成分のみを通過させて励起光を除去するバン
ドパスフィルタ１４が設けられ、バンドパスフィルタ１
４を通過した信号光がフォトダイオードなどの受信用光
電変換素子１５に入射されるようになっている。

【００２１】増幅用光ファイバ７は、マッチド型光ファ
イバでもコンベックス型光ファイバでもよい。マッチド
型光ファイバは、コアとその外周のクラッドとからなり
、コアにＥｒとＡｌとを共ドープしたものである。コン
ベックス型光ファイバは、センタコアとその外周のサイ
ドコアと、さらにその外周のクラッドとからなり、セン
タコアにＥｒとＡｌとを共ドープしたものである。なお
、コンベックス型光ファイバの方が零分散波長の制御性
が良いのでより好ましい。

【００２２】次に、本実施例の光ファイバ通信システム
の動作を説明する。

【００２３】送信側端部の励起光源３から出射された１
．４８μｍ波長帯の励起光は、励起光入射用光ファイバ
４，合波器５および光コネクタ６を介して増幅用光ファ
イバ７に順方向（信号光送信方向）に入射される。また
、受信側端部の励起光源１２から出射された１．４８μ
ｍ波長帯の励起光は、励起光入射用光ファイバ１３，合
波器１１および光コネクタ１０を介して増幅用光ファイ
バ７に逆方向に入射される。その励起光によって、増幅
用光ファイバ７にドーピングされているＥｒが励起され
る（ポンピング）。この場合、励起光が増幅用光ファイ
バ７に対して順逆いずれの方向から入射されてもポンピ
ング作用には変わりはない。

【００２４】このような励起状態で通信用光源１から１
．５５μｍ波長帯の信号光が出射され、信号光入射用光
ファイバ２，合波器５および光コネクタ６を介して増幅
用光ファイバ７に入射されると、この信号光は、増幅用
光ファイバ７中を進行する過程で誘導放出効果によって
増幅される。そして、増幅された信号光は、光コネクタ
１０，合波器１１およびその出力側光ファイバ８を介し
てバンドパスフィルタ１４に至り、バンドパスフィルタ
１４を通過して受信用光電変換素子１５に入射されて電
気信号に復調される。励起光の波長成分はバンドパスフ
ィルタ１４によってカットされる。

【００２５】次に、増幅用光ファイバ７をコンベックス
型光ファイバとした場合の具体的データを示す。

【００２６】■　　まず、コンベックス型光ファイバの
センタコアにＥｒ（エルビウム）のみをドープすること
とし、高利得を得るためのドープ濃度の最適範囲を求め
る。

【００２７】コンベックス型光ファイバのセンタコアに
Ｅｒ（エルビウム）を０．５ｐｐｍの濃度となるように
ドープした。センタコアの直径は３μｍ、サイドコアの
直径は１０μｍ、クラッドの直径は１２５μｍである。 サイドコアは純石英であり、サイドコアに対するセンタ
コアの比屈折率差は０．６５％であり、クラッドに対す
るサイドコアの比屈折率差は０．１５％である。このと
きの零分散波長は１．５４８μｍであり、カットオフ波
長λＣ　は１．１９μｍである。

【００２８】上記の特性を備えた条長が９，３７０ｍと
１８，１９６ｍの各増幅用光ファイバについて、波長が
１．４８μｍの励起光でポンピングする状態において、
励起光パワー〔ｍＷ〕の変化に対する信号光の増幅利得
〔ｄＢ〕の変化を調べた。その結果を図２に示す。

【００２９】図から明らかなとおり、９，３７０ｍ長の
ファイバ（Ａ）では励起光パワーが約８ｍＷで、１８，
１９６ｍ長のファイバ（Ｂ）では約１２．５ｍＷで、そ
れぞれ増幅利得と線路損失とが釣り合い、無損失線路が
形成される。したがって、Ｅｒのドープ濃度が同じであ
れば、増幅用光ファイバの条長に応じて励起光パワーを
高める必要があることがわかる。

【００３０】また、図２の特性を見れば、曲線（Ａ），
（Ｂ）で示すいずれの増幅用光ファイバも励起光パワー
を上げるにつれて増幅利得が飽和してくることがわかる
。この飽和した増幅利得をその条長の光ファイバの最大
利得とし、この最大利得の変化を光ファイバのＥｒ濃度
×条長すなわち濃度条長積〔ｐｐｍ・ｍ〕をパラメータ
として測定したものを図３に示す。この図によれば、約
１６，０００ｐｐｍ・ｍで最大利得はピークを示す。

【００３１】一般に長距離伝送とは１０ｋｍ以上のもの
を言い、実用されているＥｒをドープしない光ファイバ
線路の減衰量は０．２ｄＢ／ｋｍ程度である。したがっ
て、線路長を１０ｋｍとすれば、減衰量は２ｄＢとなる
。その他の条件として、ドープしたＥｒによる減衰量等
を加味しても、１０ｋｍの総減衰量は１０ｄＢを超える
ことはない。

【００３２】ここで、図３を見ると、線路損失１０ｄＢ
と釣り合う最大利得を得るための濃度条長積の値は１０
，０００ｐｐｍ・ｍであるから、Ｅｒ濃度が０．５ｐｐ
ｍの増幅用光ファイバを用いる場合には、線路の条長と
しては２０ｋｍのものを用いればよいことがわかる。 したがって、長距離伝送用として１０ｋｍ条長の線路を
設計する場合、Ｅｒ濃度は１ｐｐｍとすればよいことが
わかる。

【００３３】一方、Ｅｒ濃度を１ｐｐｍ以下とすれば、
伝送距離は長くなるが、あまりＥｒ濃度を低くすると、
最大利得が低下してしまう。さらに、長距離伝送を安定
して行うためには、Ｅｒ濃度は最低でも０．０１ｐｐｍ
は必要となる。なお、このときの伝送距離は１，０００
ｋｍとなる。

【００３４】さらに、零分散波長を信号光波長帯１．５
５μｍを中心とする１．４９〜１．６０μｍの波長域に
存在させるようにセンタコアとサイドコアとの比屈折率
差およびコア径比を適当に定めることにより、無損失線
路長を充分に長いものとしても信号歪みのない長距離伝
送を可能となし得る。

【００３５】■　　次に、Ｅｒのみをドープした試料と
、Ｅｒ／Ａｌ共ドープの試料との比較を行う。

【００３６】〔１〕コンベックス型光ファイバのセンタ
コアにＥｒ（エルビウム）のみをドープした試料と、Ｅ
ｒ（エルビウム）とＡｌ（アルミニウム）とを共ドープ
した試料をそれぞれ２種類作製した。

【００３７】試料（Ａ）はＥｒのみ０．５ｐｐｍドープ
のもの、試料（Ｃ）はＥｒのみ０．２４ｐｐｍドープの
もの、試料（Ｂ）は０．６３ｐｐｍのＥｒと５ｐｐｍの
Ａｌとを共ドープしたもの、試料（Ｄ）は０．２５ｐｐ
ｍのＥｒと１，０００ｐｐｍのＡｌとを共ドープしたも
のである。

【００３８】励起光パワーと利得との関係をおのおのの
試料で調べた結果を図４に示す。

【００３９】試料（Ｄ）を共ドープのない試料（Ａ），
（Ｃ）と比べると、この場合には利得が低下しているこ
とがわかる。これはＡｌの濃度が高過ぎるのとＥｒ濃度
がかなり低いことが原因であると考えられる。

【００４０】Ａｌ濃度を充分に低くした共ドープの試料
（Ｂ）を試料（Ａ），（Ｃ）と比べると、利得が改善さ
れていることがわかる。しかも、試料（Ａ）に比べて飽
和の傾向が少ないこともわかる。

【００４１】以上のことから、Ｅｒ／Ａｌ共ドープの光
ファイバは、Ｅｒのみドープの光ファイバに比べて信号
光の増幅利得が増加する傾向があるが、共ドープするＡ
ｌ濃度は高過ぎてはいけないということがわかる。

【００４２】〔２〕ここで、図３と同様に、Ａｌを低濃
度状態（５ｐｐｍ）で共ドープした試料（ハ）について
も、Ｅｒ濃度条長積と増幅利得との関係を調べてみたと
ころ、図５の結果を得た。

【００４３】Ａｌを共ドープしない試料（イ）よりも増
幅利得が改善されていることは明らかであるが、ここで
重要なのは、低濃度状態でのＡｌ共ドープによって長距
離伝送を満足し得るＥｒ濃度がどのように増えるかを知
ることである。

【００４４】長距離伝送の基準１０ｋｍでの総減衰量１
０ｄＢと釣り合う濃度条長積の値は約２８，０００ｐｐ
ｍ・ｍとなっている。したがって、このときのＥｒ濃度
は、１０×１０３　で割って、２．８ｐｐｍということ
になる。Ａｌを共ドープしない試料（イ）の場合のＥｒ
濃度の上限値が１ｐｐｍであったのが、２．８ｐｐｍま
で拡大されたことになる。

【００４５】〔３〕これまでは、Ａｌの共ドープの低濃
度の程度として５ｐｐｍを例にとっているが、ここで、
無損失線路を構成する上で、Ａｌの低濃度状態の限界を
調べることにする。

【００４６】Ａｌの共ドープ濃度を変えて最大利得をプ
ロットしたところ、図６のような結果を得た。最大利得
が１０ｄＢで無損失線路となるから、１０ｄＢ以上であ
れば長距離伝送が可能である。特性曲線が１０ｄＢと交
差する点のＡｌ濃度を見ると、それは５０ｐｐｍである
ことがわかる。つまり、ＡｌをＥｒに共ドープするに当
たり、最大５０ｐｐｍまでの低濃度状態での共ドープが
可能である。

【００４７】〔４〕Ａｌを適当な低濃度状態でＥｒに共
ドープすると増幅利得が増すのは、次のような理由によ
るものと思われる。

【００４８】Ｅｒドープファイバ中に適当量Ａｌが共添
加されることで、励起光の吸収効率が向上する。その結
果、同じ励起光入力の場合には、Ａｌを共添加している
ファイバでは反転分布を生じ易く、高い利得が得られる
のである。

【００４９】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、受信側端部側の合波器１１、励起光源１２
および励起光入射用光ファイバ１３を省略してもよいし
、光ファイバ伝送線路９の全体をＥｒ／Ａｌ共ドープし
た増幅用光ファイバ７のみで構成してもよく、また、光
コネクタ６，１０間にＥｒ／Ａｌを共ドープしない通常
の伝送用光ファイバを部分的に介挿してもよい。

【００５０】

【発明の効果】Ｅｒのみの低濃度ドープに比べて増幅利
得をアップでき、しかも、信号光に対する増幅作用を信
号光波長帯の広い範囲にまで拡大するため励起光パワー
に対する飽和傾向を抑制することができる。そして、そ
の結果として、増幅用光ファイバそのもので伝送増幅線
路にとって必要な増幅利得を確保することができ、増幅
専用の光中継器の必要性を無くして増幅用光ファイバ自
体で伝送増幅線路を構成することができるため、システ
ム構成の簡素化および低廉化はもとより、特に、長距離
伝送での伝送距離の一層の長大化を促進することができ
るという顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る光ファイバ通信システ
ムの概略構成図である。

【図２】Ｅｒ（エルビウム）のみをドープしたものの励
起光パワーに対する利得の特性図である。

【図３】濃度条長積に対する最大利得の特性図である。

【図４】Ａｌ（アルミニウム）を共ドープしたものとし
ないものとにおける励起光パワーに対する利得の特性図
である。

【図５】濃度条長積に対する利得の特性図である。

【図６】Ａｌ（アルミニウム）の濃度に対する最大利得
の特性図である。

【図７】従来例の増幅専用の光中継器の構成図である。

【図８】光ファイバ伝送線路中に複数の光中継器を設け
た状態の構成図である。

【符号の説明】

１　　　　通信用光源 ２　　　　信号光入射用光ファイバ ３　　　　励起光源 ４　　　　励起光入射用光ファイバ ５　　　　合波器 ６　　　　光コネクタ ７　　　　増幅用光ファイバ ８　　　　出力側光ファイバ ９　　　　光ファイバ伝送線路 １０　　　　光コネクタ １１　　　　合波器 １２　　　　励起光源 １３　　　　励起光入射用光ファイバ １４　　　　バンドパスフィルタ １５　　　　受信用光電変換素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光ファイバ伝送線路の送信側端部と受
   信側端部とのうち少なくとも送信側端部において、励起
   光源およびこの励起光源からの励起光と信号光とを混合
   する合波器を備えているとともに、前記光ファイバ伝送
   線路の全部または大部分に、Ｅｒ（エルビウム）が０．
   ０１〜２．８ｐｐｍの低濃度状態でドープされていると
   ともにＡｌ（アルミニウム）が最大５０ｐｐｍまでの低
   濃度状態で共ドープされたコア部を有する増幅用光ファ
   イバを用いたことを特徴とする光ファイバ通信システム
   。