JPH0473980A - 光増幅装置 - 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〕 本発明は波長１．５〜１．７μｍ帯で使用される光増幅
装置に関する。

〔従来の技術〕

波長１．５〜１．７μｍ帯の光通信分野への応用等のた
め、希土類元素を添加した光ファイバを用いて、ファイ
バ増幅器、ファイバセンサ及びファイバレーザ等の光増
幅装置を作製する努力がなされている。希土類元素を添
加したファイバの中でも、特にエルビウムイオン（Ｅ　
ｒ　”）を添加した石英ガラスをコアとする光ファイバ
については多くの報告がなされており、このような光フ
ァイバを使用した光増幅装置では、波長１．５３〜１．
５６μｍ帯で光増幅利得が得られることが分かっている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、Ｅｒ３＋を添加した光ファイバからなる光増幅
装置では、信号光源等として使用するレーザダイオード
（ＬＤ）のカバーする波長１，５〜１．７μｍ帯の範囲
に対して十分に対応できていなかった。また、波長１．
５５μｍ帯等の光通信システムの保守等のための障害検
出システムに使用するという目的で、例えばより長波長
側の波長１．６５帯域の光増幅装置が必要とされる場合
があるが、Ｅ「３＋を添加した光ファイバからなる光増
幅装置では、この１．６５μｍ帯に必ずしも十分に対応
できていなかった。

そこで、上述の事情に鑑み、本発明は、波長１．５〜１
，７μｍ帯で十分な光増幅利得を有する光増幅装置を提
供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成するため、本発明に係る光増幅装置は
、光伝送路と、励起光源と、光学手段とを備えることを
特徴とする。ここに、光伝送路は、活性物質としてＴｍ
３＋を添加した光機能性ガラスを有して構成され、波長
１．５〜１６７μｍ帯の信号光を伝搬する。また、励起
光源は、波長０．７０〜０．７８μｍ帯の励起光を発生
する。

更に、光学手段は、励起光源からの励起光を光伝送路内
に入射させる。

〔作用〕

本発明に係る光増幅装置にあっては、光伝送路中に導入
された波長０．７０〜０．７８μｍ帯の励起光により、
活性物質であるＴｍ３＋を励起し、効率の良い４準位系
の発光を可能にする。この励起光の波長０．７０〜０，
７８μｍは、基底準位３Ｈからエネルギー準位３Ｆ　　
への遷移に対応するからである。つまり、この励起によ
り基底準位３Ｈにある電子がエネルギー準位３Ｆ　　に
−旦ボンピングされ、その後輻射を伴わずに準位反転分
布が形成されると、波長１．５〜１，７μｍ帯での発光
が可能になる。このとき、励起されたＴｍ３＋に波長１
．５〜１．７μｍ帯の信号光が入射すると、Ｔｍ３＋は
、この信号光に誘導され、波長１，５〜１．７μｍ帯の
光を発生する。この結果、波長１．５〜１．７μｍ帯で
の光増幅が可能になる。

〔実施例〕

以下、本発明の光増幅装置の実施例について説明する。

第１図に、波長１．５〜１６７μｍ帯の光増幅装置であ
るファイバ増幅器を示す。

信号光源１１としては、レーザダイオードが使用されて
いる。この信号光源１１の出力側には、光ファイバ１８
ａの一端が光学的に接続されており、この光ファイバ１
８ａの他端はカブラ１３の入力側に接続されている。ま
た、励起光源であるレーザ光源１２としては、色素レー
ザ（レーザダイオード等を使用しても良い。）が使用さ
れている。このレーザ光源１２の出力側には、光ファイ
バ１９ａの一端が光学的に接続されており、この光ファ
イバ１９ａの他端はカブラ１３の入力端に接続されてい
る。

カブラ１３の出力側からは２本の光ファイバ１８ｂ、１
９ｂが延び、一方の光ファイバ１９ｂの終端は戻り光防
止用のマツチングオイル１７に浸漬されており、他方の
光ファイバ１８ｂの終端は光伝送路である光ファイバ１
０の一端にコネクタ等を介して接続されている。この光
ファイバ１０の他端の出力側には光スペクトラムアナラ
イザ１５が設けられており、これらの間にはフィルタ１
６が介在されている。

ここに、カブラ１３は、２本の光ファイバ１８．１９の
融着延伸によって作製されたもので、このカブラ１３と
光ファイバ１８ａ、１８ｂ、１９ａ。

１９ｂとは信号光と励起光とを光結合させる光学手段を
構成する。

また、光ファイバ１０は長さ２ｍの８Ｍファイバであり
、Ｔｍ３＋を添加した石英ガラス製のコアを備えている
。

以下、第１図のファイバ増幅器の動作について簡単な説
明を行う。

レーザ光源１２は、波長０．７０〜０．７８μｍ帯の励
起光を出力する。この励起光は、光ファイバ１９ａを介
してカブラ１３に入射し、更に光ファイバ１８ｂを介し
て光フアイバ１０内に入射する。励起光が入射する光フ
ァイバ１０のコアには活性物質としてＴｍ３＋が添加さ
れているため、この励起光によって所定の状態に励起さ
れたＴｍ３＋は、波長１．５〜１．７μｍ帯の発光が可
能な状態になる。

信号光源１１から出力された波長１．５〜１．７μｍ帯
の信号光は、光ファイバ１８ａを介してカブラ１３に入
射する。カプラ１３に入射した信号光は、レーザ光源１
２からの励起光と結合されて光フアイバ１０内に入射す
る。光ファイバ１０に入射した信号光は、ポンピングさ
れたＴｍ３＋を誘導して波長１．５〜１．７μｍ帯の誘
導放出光を生じさせる。

光ファイバ１０の出力側からは、励起光と増幅された信
号光とが出力されるか、これらのうち励起光については
、フィルタ１６にカットされることとなる。このため、
光スペクトラムアナライザ１５には増幅された信号光の
みが入射することとなり、Ｔｍ３＋を添加した光ファイ
バによる光増幅の利得が測定できる。

第１図のファイバ増幅器の利得増大の原理について、第
３図を用いて簡単な説明を行う。

第３図は、石英ガラス等のガラス試料に添加されたＴｍ
”＋のエネルギー準位の一例を示した図である。

光ファイバに導入された０、７０〜０．７８μｍ帯の励
起光によってＴｍ”＋が励起され、その基され、フォノ
ンを放出した後準位　Ｈ４に遷移し緩和する。このよう
な励起及び緩和により、準位３Ｈと準位３Ｆ　　との間
に反転分布が形成されると、波長１．５〜１．７μｍ帯
をピークとした４準位系の発光が可能になる。この結果
、波長１．５〜１．７μｍ帯での効果的な誘導放出が可
能になる。

第１図のファイバ増幅器について得られた光増幅利得の
測定結果について説明する。

レーザ光源１２から先ファイバに入射する励起光の波長
を０．７１μｍとし、その出力を３０ｍＷとした。また
、信号光源１１からの光ファイバに入射する信号光の波
長を１，６５μｍとし、その出力を１μＷとした。光ス
ペクトラムアナライザー５による測定結果から、実施例
のファイバ増幅器の光増幅の利得は約６ｄＢであること
がわかった。

一方、比較のために他の条件は同一とし、レーザ光源１
２からの入射励起光の波長のみを変化させた場合につい
ても測定を行った。この場合、レーザ光源１２からの入
射励起光の波長を０．７９μｍとし、その出力を３０ｍ
Ｗとして、光増幅利得について、約０．８ｄＢという結
果を得た。つまり、励起光の波長を０．７１μｍから０
．７９μｍに変更することにより、波長１．６５μｍ光
の増幅利得が大きく減少することがわかる。

第４図は、第３図と同様に、石英ガラス等のガラス試料
に添加されたＴｍ３＋のエネルギー準位の一例を示して
いる。この図に基づいて、励起光の波長を０，７１μｍ
から０．７９μｍに変更することによって光増幅利得が
大きく減少するという現象について簡単に説明する。

実験によると、Ｔｍ３＋は波長０．７８〜０．８０μｍ
帯に大きな吸収を有することがわかっているのであるが
、例えば上記のように波長０．７９μｍの励起光を使用
しても、波長１．５〜１．７μｍ帯の信号光に対して十
分な利得が得られない。この現象は以下のように考えら
れる。

つまり、光ファイバに導入された励起光によって３十 Ｔｍ　　が励起され、その基底準位３Ｈにある電子が準
位　Ｈ４に直接遷移する。しかし、このような３準位系
の発光では、準位３Ｈと準位３、との間に反転分布が形
成されると、準位３Ｈ４へのポンピングが困難となる。

この結果、波長１．５〜１．７μｍ帯での効果的な誘導
放出が期待できなくなる。

第２図に、参考のため、第１図のファイバ増幅器に使用
した光ファイバー０の構造を示した。

光ファイバー０は、石英にＴｍを添加したコアと石英に
弗素（Ｆ）を添加したクラッドとを備える。そのコア径
は６μｍで、その外径は１２５μｍである。また、これ
らのコア及びクラッドの比屈折率差△は約０．７％であ
る。

以下に、第２図の光ファイバの作製について簡単な説明
を行う。

まず、光伝送路である光ファイバのコア材として、Ｔｍ
３＋を酸化物として添加した石英ガラスを溶融し棒状に
成形し、コア用のガラスロッドとする。この石英ガラス
に添加した活性物質であるツリウムイオンの濃度は重量
で３００ｐｐｍとする。

次に、弗素を添加した石英ガラスを溶融・形成し、クラ
ッドパイプとする。クラッドパイプにはツリウムイオン
を添加していない。これらのコアロッド及びクラッドパ
イプをロッドインチューブ法によりプリフォームに形成
する。このプリフォームを公知の線引き装置にセットし
、光ファイバに線引きする。この結果、コア径６μｍで
外径１２５μｍの５Ｍファイバが得られる。この５Ｍフ
ァイバを測定のため長さ２ｍの試料に切り出し、第１図
のファイバ増幅器に使用する光ファイバ１０とする。

なお、本実施例の光ファイバではコアに使用するマトリ
ックスガラスとして石英ガラスを使用したが、マトリッ
クスガラスの組成はこれに限られるものではない。例え
ば、珪酸塩ガラス、燐酸塩ガラス及び弗化物系ガラス等
を使用しても良い。

この様にマトリックスガラスの組成を変更することで、
波長１．５〜１．７μｍ帯の範囲で発光若しくは誘導放
出の波長を調節することもできる。

ただし、Ｅｒ３＋の１，５５μｍ帯の発光に対応す３＋
　　　　　　　　　３　　　　　　３Ｔｍ　　の２準位
　Ｈ，Ｆ４間のエネルギー差よりも６００ｃｍ−１程度
少ないことを考慮すると、マトリックスガラスが同一で
ある場合には、Ｔｍ　　の発光波長のほうかＥ　ｒ　”
（Ｄ発光波長より３＋ も近似的には約０．１５μｍ程度長いものと考えられる
。たたし、この値は計算値にすぎず、実施例の結果から
は、両者の差は０．１μｍ程度であるとみとめられる。

いづれにせよ、Ｔｍ３＋の発光波長のほうがＥｒ３＋の
発光波長よりもある程度長いことが期待される。

また、本発明の光伝送路は上記の光ファイバに限定され
るものではない。例えば、上記Ｔｍ３＋添加ガラスを平
面導波路等に形成しても良い。ただし、光ファイバに形
成することが、長尺の光伝送路を得る点では望ましい。

光損失が少ないこと等を利用すれば、低閾値でＴｍ”＋
に反転分布を生じさせることができるからである。

本発明に係る光増幅装置の光伝送路として使用した光フ
ァイバは、例えばファイバレーザ等の装置にも応用する
ことができる。

具体的には、ファイバレーザを、上記光ファイバと、励
起光源と、光学手段と、光共振器とを備えるように構成
する。ここに、励起光源は波長０゜７０〜０．７８μｍ
帯の励起光を発生する。また、光学手段は励起光を励起
光源から光フアイバ内に入射させる。さらに、光共振器
は光フアイバ内からの波長１．５〜１．７μｍ帯の放射
光を光ファイバにフィードバックする。

上記のようなファイバレーザによれば、光学手段により
ファイバ内に導入された波長０．７０〜０．７８μｍ帯
の励起光によってＴｍ”＋が励起される。この励起され
たＴｍ”＋の一部は、光フアイバ内からの波長１．５〜
１．７μｍ帯の放出光と、光フアイバ内にフィードバッ
クされた波長１．５〜１．７μｍ帯の光とによって誘導
され、波長１．５〜１．７μｍ帯の放出光を発生する。

これを繰り返すことにより、波長１．５〜１．７μｍ帯
でのレーザ発光か可能になる。

以下に、ファイバレーザの実施例について説明する。

具体的な構成は、Ｅｒをドープした公知のファイバレー
ザと同様である（ｒＥｒドープファイバーＪ、Ｏｐｌｕ
ｓ　　Ｅ、１９９０年１月、ｐｐ。

１１２〜１１８等参照。）。たたし本実施例の場合、光
ファイバとして、Ｔｍ３＋をドープした上記実施例の光
ファイバを使用する。また、励起光源として、波長０．
７１μｍの励起光を発生するレーザダイオードを使用す
る。

レーザダイオードからの波長０．７１μｍの励起光は、
レンズ等の適当な光学手段によって上記実施例に示した
光フアイバ内に導入される。光フアイバ内のＴｍ３＋は
所定の状態に励起され、波長１．５〜１，７μｍ帯の発
光が可能になる。ここで、ファイバの出力端を鏡面に仕
上げているため、この出力端とレーザダイオードの端面
とは共振器を構成する。この結果、励起光の出力が所定
値を超えると波長１．５〜１．７μｍ帯のいずれかの波
長てレーザ発振か生しる。

なお、共振器は、誘電体ミラー等を使用するタイプのも
のであってもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る光増幅装置によれば
、波長１．５〜１．７μｍ帯でのＴｍ３＋発光を可能に
する波長０．７０〜０．７８μｍ帯の励起光の存在によ
り、波長１．５〜１．７μｍ帯での光増幅か可能になる
。

０．７０〜０．７８μｍ帯の励起光源、１３．１８．１
９・・・光学手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｔｍ＾３＾＋を活性物質として添加した光機能性ガラス
   を有して構成され、波長１．５乃至１．７μｍ帯の信号
   光を伝搬する光伝送路と、 波長０．７０乃至０．７８μｍ帯の励起光を発生する励
   起光源と、 前記励起光源からの前記励起光を前記光伝送路内に入射
   させる光学手段と、 を備える光増幅装置。