JPH0486727A - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、光信号を増幅する光増幅装置に係わり、特に
光ファイバのコアにドープされた希土類元素の電子状態
量遷移を利用してに５号光の増幅を行う光増幅装置に関
する。

（従来の技術） 近年、信号光を一旦電気信号に戻すことなく増幅するこ
とができる光増幅装置か開発され、電気的再生中継器間
隔や分岐数の飛躍的な増大を可能にする技術として注目
されている。特に、コスト、信頼性及び保守の点から、
海底に設置する再生中継機の数を減らしたい海底中継系
での利用が期待されている。また、光周波数分割多重（
光ＦＤＭ）システムでは、光増幅装置を用いると複数の
チャンネルを一括して増幅することができるので、その
メリットが大きい。

光増幅装置の代表的なものに、Ｅ　ｒ　”　（エルビウ
ム）ドープ光フアイバ増幅器（ＥＤＦＡ）がある。この
ＥＤＦＡは、ファイバのコア中にドープされたＥｒ’“
の電子状態を励起光により基底状態’ｌ１５２から蛍光
寿命の長い励起状態４工、３□に励起して反転分布を作
り、この電子状態間の誘導放出により、波長１．５２〜
１．５７μｍの信号光を増幅するものである。信号光の
偏波状態によらず数十ｄＢの利得が得られること、シン
グルモード・ファイバとの結合が容易であること、低雑
音であること、広帯域であること、等の種々の利点をも
っている。なお、励起光としては一般に、０．９８〜１
．４８μｍの波長が使用される。

ＥＤＦＡの利得は、利得飽和レベル以下ではＥｒドーピ
ング濃度とＥｒドープ領域ファイバ長の積に比例する。

従って、第６図に示すように、ファイバが長いほど利得
Ｇは高く取れる。

しかし、ファイバを長くし過ぎると、利得Ｇはかえって
減少する。これは、入射端からある距離以上の領域では
励起光か減衰して弱く（励起光パワーＰ、ｌか小さく）
なっているので、信号波長に対して増幅の代わりに吸収
か生じるためである。また、ドーピング濃度を高くし過
ぎると蛍光寿命か短くなり、大きなゲインが取れない。

従って、得られる利得には限度かある。

ＥＤＦＡを海底中継系に応用する場合、保守や給電等を
考えると、励起用ドープを陸上に設置して遠隔励起を行
うことか好ましい。海底系に限らす、砂漠、極地、密林
等に設置する場合も同様である。得られる利得には限度
かあるので、距離か長いと複数段の増幅が必要になるか
、この場合送信側から初段と受信側から最終段の２段の
みしか遠隔励起を行えない。

（発明か鼾決しようとする課題） このように、従来の光増幅装置では、増幅領域長をある
値より長くしても利得が減少してしまい、十分な利得か
取れないという問題かあった。また、送信側と受信側の
各１段しか遠隔励起できないという問題もあった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、光増幅利得の増大をはかることかで
き、且つ複数段を遠隔励起することのできる光増幅装置
を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、信号光を複数段の光増幅部により増幅
することにあり、このために各増幅部にドープする不純
物元素の種類を変えることにある。

即ち本発明は、希土類元素等の電子状態量遷移を利用し
て信号光を増幅する光増幅装置において、コアの少なく
とも一部に不純物をドープした光ファイバからなり、第
１の励起波長の励起光を吸収して信号光を増幅し、且つ
第２の励起波長の励起光を透過する第１の光増幅部と、
この第１の光増幅部に直列接続され、コアの少なくとも
一部に不純物をドープした光ファイバからなり、第２の
励起波長の励起光を吸収して信号光を増幅する第２の光
増幅部と、第１の光増幅部の第２の光増幅部とは反対側
から、第１及び第２の励起波長の各励起光を入射する手
段とを具備してなることを特徴としている。

また、本発明の望ましい実施態様としては、第１の光増
幅部を形成する不純物として、第１の励起波長の励起光
を吸収するＥｒ等の希土類元素を用い、第２の光増幅部
を形成する不純物として、第２の励起波長の励起光を吸
収するＤｙ等の希土類元素（増感材）とＥｒ等の希土類
を用いることを特徴としている。

（作用） 本発明によれば、第１の励起波長の励起光は第１の光増
幅部にドープされた不純物元素、例えばＥｒ等の希土類
元素に吸収され、希土類元素の電子状態の励起に利用さ
れる。そして、この希土類元素の電子状態量遷移による
誘導放出で信号光の増幅が行われる。一方、第２の励起
波長の励起光は第１の光増幅部では殆ど吸収されないの
で、第２の光増幅部まで到達し、第２の光増幅部にドー
プされている不純物元素により第２の励起波長光に対す
る吸収か生じる。そして、この不純物元素の電子状態量
遷移による誘導放出て再び信号光の増幅が行われる。

ここで、第２の光増幅部にドープする不純物元素として
第２の励起波長光を吸収するＤＹ等の増感材とＥｒ等の
希土類元素を用いると、第２の励起波長光は第２の光増
幅部で増感材により吸収される。増感材により吸収され
たエネルギーは、増感材から希土類元素に与えられ、電
子状態量遷移による誘導放出で信号光の増幅が行われる
。即ち第２の光増幅部では、増感材の励起を介して希土
類元素が励起され、その誘導放出により再び信号光の増
幅か行われる。

このようにして、２段の増幅か行われることになり、従
来の１段の増幅と比べて大きな利得を得ることができる
。また、遠隔励起も片側２段、送信側と受信側の両側か
らの場合４段の遠隔励起かＥＴ能になる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わる光増幅装置を示
す概略構成図である。第１の光増幅部１は、Ｅｒ”をコ
ア（径６μｍ）の中心部直径３μ０の部分に３００ｐｐ
ｍドープしたシングルモード・コア・イバである。高次
モードカットオフ波長は約１．１５μｍ１フアイバ長は
４０ｍである。第２の光増幅部２は、Ｅｒ３＋とＤｙ３
″″（ディスプロシウム）をそれぞれコア（径６μｍ）
の中心部直径３ＩＩｍの部分に３００ｐｐｓずつドープ
したシングルモード・ファイバである。カットオフ波長
は約１．１５μｍ１フアイバ長は２０ｍである。これら
の光増幅部１，２は直列に接続されている。

第１の励起光源３は波長１．４８ｐｍの　１ｎＧａＡｓ
Ｐ／ＩｎＰ半導体レーザであり、第２の励起光源４は波
長１．２７μｍのＩｎＧａＡｓＰ／ｌｎＰ半導体レーザ
である。各レーザの出力パワーは約６０ｍＷである。光
ファイバへの結合効率は約５０％であり、波長１．４８
μｍの励起光、波長１．２７μｍの励起光のそれぞれ約
３０１がファイバに結合していることになる。

波長１．５５１＋ｍの信号光と第１の励起光源３からの
波長１．４８μｍの励起光は、１．５５μｍ／　１．４
８ｇｍ分合波器型光ファイバカブラ５で合波され、■、
５０μｍ帯／　１．３０ｇｍ帯分合波器型光ファイバカ
プラ６に供給される。第２の励起光源４からの励起光は
、光フアイバカブラ６で上記入力した光と合波される。

そして、先ファイバカブラ６で合波された光か第１の光
増幅器１に供給されるものとなっている。なお、ファイ
バカプラ５，６、光増幅部〕、２は融着接続されている
。また、入力信号光のパワーは、例えば−４０ｄＢｍと
した。

このような構成においては、第１の励起光源３からの波
長１．４８μｍの励起光及び第２の励起光源４からの波
長１．２７Ｉ１ｍの励起光は第１の光増幅部１に供給さ
れる。ここで、波長１．４８μｍの励起光は第１の光増
幅部１にドープされたＥ［３１によりその大部分か吸収
される。この光吸収によりＥｒ”の電子状態は、第２図
に示すように基底状＠　４１，５□から励起状態　１１
３２に励起され、反転分布が生じる。信号光はこの反転
分布による誘導放出て増幅される。第１の光増幅部１で
の信号光利得は３２ｄＢである。従って、第２の光増幅
部２には一８ｄＢｍの信号光が入射する。

一方、第１の光増幅部１の波長１．２７μｍの励起光に
対する伝搬損失は５ｄＢ／ｋａ＋であり、ファイバ長４
０ｍでは９５％程度が透過する。つまり、波長■、２７
μｍの励起光は第１の光増幅部１では殆ど吸収されるこ
となく第２の光増幅部２に供給される。第２の光増幅部
２にドープされたＤｙ３−はこの波長１．２７ｇｍの励
起光を吸収し、第２図に示すように基底状態６Ｈ，，２
から励起状態″Ｆ　１１２＋　　６Ｈ９’２に励起され
る。このエネルギーは近くにドープされているＥｒ３＋
に遷移する。即ち、Ｄｙ３−が基底状態に戻り、Ｅｒ’
＋は基底状態’ｌ１５２から励起状態’　Ｉ　１３／２
に励起される。Ｅｒ”の電子状態の反転分布により生じ
る誘導放出で、信号光は１８ｄＢ増幅される。従って、
出力信号光は＋１ＯｄＢとなり、トータルで５０ｄＢの
大きな利得か得られたことになる。

かくして本実施例によれば、第１の光増幅部１にＥｒ”
をドープし、第２の光増幅部２にＤｙ３＋とＥｒ”をド
ープし、励起光として１６４８μｍと１．２７μｍの２
波長の光を用いることにより、第１及び第２の光増幅部
１．２て波長１．５５μｍの信号光を増幅することがで
きる。このため、１段の増幅に比べ光増幅利得の大幅な
向上をはかることができる。また、波長１．２７μｍの
励起光は第１の光増幅部１では殆ど吸収されずに第２の
光増幅部２に達するので、第１の光増幅部１の入力側か
ら２つの励起光を入力するのみで２段の増幅が可能にな
る利点がある。

第３図は、本発明の第２の実施例に係わる遠隔励起光増
幅装置を含む海底光中継系を示す概略構成図である。送
信局８と３９０に■離れた受信局９の間をシングルモー
ド光ファイバ１０か結んでいる。このうち、送信局８か
ら８０に■離れた送信側地上中継局１８と、受信局９か
ら１３５ｋｍ離れた受信側地上中継局１９に挟まれた１
７５ｋｍの部分は海底に敷設されている。第１の光増幅
部１及び第２の光増幅部２は、送信側地上中継局１８か
ら２５に１離れたところに設置されている。

同様に、その１２５１ｖ先には受信側地上中継局１９か
ら遠隔励起される第２の光増幅部１２と第１の光増幅部
１１が設置されている。

第１の光増幅部１，１１は、Ｅｒ３＋をコア（径６μｍ
）の中心部直径３μｍの部分に２００ｐｐａ＋ドープし
たシングルモード・光ファイバである。

カットオフ周波数は約１．１５μｍ１フアイバ長は６０
１である。第２の光増幅部２，１２は、Ｅｒ３−とＤｙ
３＋をそれぞコア（径６μｍ）の中心部３μｍの部分に
１００ｐｐｉずつドープしたシングルモード・ファイバ
である。カットオフ波長は約１，１５μｍ１フアイバ長
は１２０ｍである。

なお、送信側の各光増幅部１，２と受信側の各光増幅部
１１．１２は使用するパワーレベルか異なるので、それ
ぞれドーピング濃度や長さを最適化すれば、さらに利得
や雑音特性を改善することができる。

送信側地上中継局１８の中には、第１の励起光源３（３
１，３２）、第２の励起光Ｒ４（４＋、４□、　４３　
、４４　）及び合波器５．６（６１，６２）、７　（７
１，７□、７３）か配置されている。第１の励起光源３
３，３□は、波長１．４８ａｍ、出力１２００のＩ　ｎ
ＧａＡｓ／　Ｉ　ｎＧａＡｓＰ／　Ｉ　ｎＰ歪量子井戸
半導体レーザである。２つのレーザ出力は偏光方向か直
交するようにして偏波ビームスプリッタ７１で合波され
、１．５５μｍ／　１．４８Ｂ＋分合波器型光ファイバ
カブラ５で波長１．５５μｍの信号光と合波される。第
２の励起光源４のうち、４１，４□は波長１．３０μｌ
ｆｆ１．４３　、４４は波長１．２５ｇｍのＩｎＧａＡ
ｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ歪量子井戸半導体レーザ
である。それぞれの出力は２００１ｍＷであり、各波長
のレーザ出力はそれぞれ第１の励起光源と同様に偏波ビ
ームスプリッタ７□、７゜で合波された後、１０００μ
ｍ／　１．２５μｍ分合波器型光ファイバカプラ６、で
合波される。その出力は、１．５０μｍ帯／１．３０μ
ｍ帯分合波器型光ファイバカブラ６２で信号光及び波長
１．４８μｍの励起光と合波される。

受信側地上中継局１９には、送信側地上中継局１８と同
じように、波長１．４８ｇｍの励起光源１３、．１３２
、波長１．３０７ＩＩ１１の励起光源１４１゜１４□、
波長１．２５μｍの励起光源１４３，１４４及び合波器
１５．１６＋　、１６２，１７１　。

１７２．１７３等が配置されている。その詳細は送信側
と同じであるが、励起光は信号光と反対向きに進行する
。

信号光のパワーダイアグラムを第４図に示す。

送信局８は出力ＯｄＢｎ＋の４００Ｍｂ／ｓ光信号を送
出する。光ファイバ１０の波長１．５５μｍ、　１．４
８μｍ。

１．２５〜１．３０μｍに対する伝搬損失は、それぞれ
接続部の損失を含めて平均０．２４ｄＢ／ｋｍ、　０．
２７ｄＢ／ｋｍ。

０．４０ｄＢ／ｋｍである。送信側中継局１８から送出
される信号光パワーは−１９，２ｄＢＩ１１で、波長１
．４８μｍと１，２５〜１．３０μｍの励起光パワーは
それぞれ２０ｄＢｍ　、　２５ｄＢｍである。第１の光
増幅部１の人口における各波長の光パワーは、それぞれ
−２５，２ｄＢｍ　、　＋１４．［ｉｄＢｍ、　＋１５
ｄＢ１１となる。２５ｋｍ先の第１の光増幅部１は波長
１．４８μｍの励起光を吸収し、信号光を２０ｄＢ増幅
する。従って、第２の光増幅部２には−５，２ｄＢｍの
信号光が入射する。第１の光増幅部１は波長１．２５〜
１．３０μｍの励起光の大部分を透過する。第１の実施
例と同様、第２の光増幅部２にドープされたＤｙ３−は
この波長Ｉ、２５〜１．３０μｍの励起光を吸収し、こ
のエネルギーにより近くにドープされているＥｒ”が励
起される。Ｅｒ”の電子状態の反転分布により生じる誘
導放出で、信号光は１ＯｄＢ増幅される。従って、出力
信号光パワーは＋４．８ｄＢｍとなる。

また、１２５ｋｍ先の受信側から遠隔励起される光増幅
部１２．１１も、送信側と略同じ働きと利得を持つ。即
ち、第２の光増幅部１２により光信号は−２５，２ｄＢ
ｍから−１５，２ｄＢｍに、第１の光増幅部１１により
−１５，２ｄＢＩＩから＋４．８ｄＢｍに増幅される。

従って、受信側地上中継局１９と受信局９における信号
光パワーは、それぞれ−１，２ｄＢｍ　、　−３３，６
ｄＢａ＋となる。

このように本実施例では、送信側、受信側共に光増幅部
を２段構成にしていることで、各１０ｄＢずつ余分に利
得を得ている。この２０ｄｂの余分な利得は、８３ｋｍ
分の伝搬損失を保証する。即ち、伝送距離を８３ｋｍ延
ばしたことになる。また、励起用半導体レーザ３，４．
１３１４は地上にあるから、給電や保守も容易である利
点がある。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。第２の実施例では、励起用光源は地上にあったが
、かならずしも地上になければいけないということはな
い。例えば、光増幅部が複数段挿入された長距離海底光
中継系において、第５図のように励起光源を特定の中継
器２８に集中させることができる。この場合、電源の集
中管理かでき、給電、保守が簡素化される。中継器２８
の内部には、第１の励起光源２３、第２の励起光源２４
．２波長１：１カブラ２５　、　　（１，３０μｍ＋　
１．４８４ｍ）　／　１．５５μｍ光合波器２６等か設
置されている。また、この例では第１の光増幅部２１と
第２の光増幅部２２の間に光ファイバ２０が挿入されて
おり、２つの増幅部が分離された構成をとっている。こ
の場合、従来より大きな利得が期待できるので、中継器
２８の設置場所の自由度が増え、保守、管理のし易さが
増す。

また、ファイバのコアにドープされる元素もＥｒやＤｙ
に限定されるものではない。さらに、第３の波長の励起
光を吸収する増感材をドープした第３の光増幅部を接続
した多段構成等も考えられる。コアの構造、ドーピング
・プロファイル等にも種々の変形が考えられる。また、
光増幅部を構成する導波構造はシリカ系単一モートフフ
イハに限定されるものではなく、弗化物ファイバ、石英
系平面光導波路等、様々な光導波構造か考えられる。励
起光波長や光源も上記の例に限定されるものではなく、
半導体レーザの他に気体レーザ、固体レーザ等も利用可
能である。勿論、光ＦＤＭ伝送システムや双方向光伝送
システムにも適用できる。その他、本発明の要旨を逸脱
しない範囲で、種々変形して実施することができる。

［発明の効果〕 以上詳述したように本発明によれば、一つの光増幅装置
て得られる利得を大幅に増やすことかできる。また、遠
隔励起を行う際にも、より大きな利得を得たり、複数段
の増幅部を遠隔励起したりすることができる。従って、
給電を必要とする中継器間距離を長くでき、中継器数を
減らせる。また、設置位置にも自由度が増え、給電や保
守か容易になる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる光増幅装置を示
す概略構成図、第２図はＥｒ’＋とｐｙ３−の電子状態
を示す模式図、第３図は本発明の第２の実施例を示す概
略構成図、第４図は第２の実施例のパワー・ダイヤグラ
ムを示す模式図、第５図は本発明の詳細な説明するため
の概略構成図、第６図は従来のＥｒ”ドープ光フアイバ
増幅器のファイバ長と利得の関係を示す特性図である。 １．１１．２１・・・第１の光増幅部、２．１２．２２
・・・第２の光増幅部、３．１３．２３・・・第１の励
起波長の励起光源、４．１４．２４・・・第２の励起波
長の励起光源、５．６，７．１５．１６．１？、２５．
２Ｂ・・・合波器、１０．２０・・・光ファイバ。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第 図 ｙ Ｅｒ 第５ 図 Ｅｒ３＋ドープ ファイバ゛、ル　（ｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 コアの少なくとも一部に不純物をドープした光ファイバ
   からなり、第１の励起波長の励起光を吸収して信号光を
   増幅し、且つ第２の励起波長の励起光を透過する第１の
   光増幅部と、 この第１の光増幅部に直列接続され、コアの少なくとも
   一部に不純物をドープした光ファイバからなり、第２の
   励起波長の励起光を吸収して信号光を増幅する第２の光
   増幅部と、 第１の光増幅部の第２の光増幅部とは反対側から、第１
   及び第２の励起波長の各励起光を入射する手段とを具備
   してなることを特徴とする光増幅装置。