JPH065955A - 光ファイバーアンプおよび光ファイバーレーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ファイバーアンプの、増幅効率向上、光出
力安定化、信頼性の向上、波長領域を拡大する。 【構成】 不純物添加光ファイバーを用いた光ファイバ
ーアンプにおいて、不純物添加光ファイバーとして、Ｅ
ｒ添加光ファイバーを用い、Ｅｒ添加光ファイバー１１
の光入射側および光出射側に光アイソレーター２、５、
前記光出射側光アイソレーターの光出射側にフィルター
６を備え、さらに、前記Ｅｒ添加光ファイバー中の不純
物Ｅｒの励起に使用するためのマルチ・チップ電界放射
型電子源１１をＥｒ添加光ファイバーと対向させて配置
する。そして、Ｅｒ添加光ファイバーとマルチ・チップ
との間に電界を印加してＥｒ添加光ファイバーに電子ビ
ームを照射し、不純物添加光ファイバー中の不純物Ｅｒ
を励起して増幅に必要な反転分布を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光通信、光情報処理分
野、光応用計測分野等で用いる光ファイバー素子、すな
わち光ファイバーアンプ、光ファイバーレーザに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信分野では高速伝送、長距離
伝送の実現のため、増幅デバイスが要望され光ファイバ
ーアンプの研究開発が活発に行われている。また、光情
報処理分野等ではレーザ光源の短波長化、小型軽量化が
要望され、光ファイバーレーザの研究開発が各所で盛ん
に行われている。

【０００３】従来、その光ファイバーアンプの一方式と
して、例えば日経エレクトロニクス１９９１．７．１号
に示されている様に、Ｅｒ添加光ファイバーを増幅媒体
に使用した前方向励起方式あるいは後方向励起方式が提
案されている。その典型的な構造を図５に示す。

【０００４】図５（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、Ｅｒ
添加光ファイバーを増幅媒体に用いた前方向励起方式あ
るいは後方向励起方式光ファイバーアンプの構成を示し
ている。ここで、１はＥｒ添加光ファイバー、２は入射
光側光アイソレータ、３は合波器、４は励起用光源、例
えば発振波長０．９８μｍ帯の高出力半導体レーザ、５
は出射光側光アイソレータ、６は光フィルター、７は伝
送用光ファイバーである。

【０００５】このように、従来は不純物添加光ファイバ
ー中の不純物の励起に、高出力半導体レーザが使用さ
れ、合波器を用いて励起光を光ファイバー中に導入し、
増幅に必要な反転分布を生成していた。

【０００６】また、従来の光ファイバーレーザの構成を
図６に示す。ここで、８はＴｍ添加光ファイバー、９は
１．０２μｍ帯高出力半導体レーザ、１０は光共振器を
構成するためのファイバー端面に形成した共振器端面、
例えばハーフミラーである。なお、他の部分は図４に示
した従来の光ファイバーアンプと同じ構造である。この
場合も、従来の光ファイバーアンプと同様に、不純物添
加光ファイバー中の不純物の励起に、高出力半導体レー
ザが使用され、合波器３を用いて励起光を光ファイバー
中に導入し、レーザ発振に必要な反転分布を生成してい
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うに、高出力半導体レーザを励起光源として用いる場
合、温度変化に対して半導体レーザの発振波長や光出力
が不安定となるため、光ファイバーアンプの場合増幅効
率が変化し、また光ファイバーレーザの場合光出力が変
動するという問題点を有していた。また半導体レーザを
高出力動作するめに信頼性、特に寿命の点で問題が生
じ、その結果、光ファイバー素子自体の信頼性を低下さ
せていた。さらに、ファイバー中に添加された不純物原
子のエネルギー準位に対応した発振波長の半導体レーザ
が必要となるが、現状では半導体レーザの発振波長は限
られているため、光ファイバーアンプ、光ファイバーレ
ーザの波長も限られたものとなっていた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記した従来
の問題点を解消するため、不純物添加光ファイバーの光
入射側および光出射側に光アイソレーター、前記光出射
側光アイソレーターの光出射側にフィルターを備え、か
つ前記不純物添加光ファイバー中の不純物の励起に前記
不純物光ファイバーと対向させて配置されたマルチ・チ
ップ電界放射型電子源を備えた光ファイバーアンプを提
供するものである。

【０００９】また、本発明は不純物添加光ファイバーの
両端面に光共振器を備え、かつ前記不純物添加光ファイ
バー中の不純物の励起に前記不純物光ファイバーと対向
させて配置されたマルチ・チップ電界放射型電子源を備
えた光ファイバーレーザを備えた光ファイバーレーザを
提供するものである。

【００１０】

【作用】この技術的手段による作用は次のようになる。
すなわち、不純物添加光ファイバーとマルチ・チップ電
界放射型電子源を対向させて配置し、両者間に印加した
電界によって放射された電子ビームによって不純物添加
光ファイバー中の不純物を励起し、反転分布を生成す
る。そして、その状態にある不純物添加光ファイバーに
信号光が入射すると、誘導放出が生じ、信号光が増幅さ
れる。

【００１１】また、不純物添加光ファイバーを光共振器
内に設置し、不純物添加光ファイバーとマルチ・チップ
電界放射型電子源を対向させて配置し、両者間に印加し
た電界によって放射された電子ビームによって不純物添
加光ファイバー中の不純物を励起し、反転分布を生成す
る。その結果、不純物添加光ファイバーが光共振器内に
設置されているため、レーザ光が発振する。

【００１２】

【実施例】本発明による光ファイバーアンプの構成を図
１に、また不純物添加光ファイバーのマルチ・チップ電
界放射型電子源による励起部分の断面構造を図２に示
す。この場合、１はＥｒドープ光ファイバー、２は光入
射側光アイソレータ、５は光出射側光アイソレータ、６
はフィルター、７は伝送用光ファイバー、１０はマルチ
・チップ電界放射型電子源である。また、１０１はＳｉ
等の導伝性基板、１０２は電界放射チップ、１０３はＳ
ｉＯ₂等の絶縁膜、１０４は絶縁膜、１０５は真空空
間、１０６はＡｌコーティング膜、１０７はＳｉ等の導
伝性基板、１０８はＡｕ電極、１０９はＡｕ電極、１１
０は電界印加装置である。

【００１３】次に、不純物添加光ファイバーのマルチ・
チップ電界放射型電子源による励起部分および光ファイ
バーアンプの製造方法について簡単に説明する。最初、
金属あるいはＳｉ等の導電性基板１０１に、Ｓｉ結晶の
異方性エッチングを利用する方法、あるいはＭｏ薄膜の
コーン状堆積を利用する方法、あるいは放電加工の方法
等により、電界放射チップ１０２を形成する。電界放射
チップ１個の大きさは通常直径数μｍ程度なので、Ｅｒ
ドープ光ファイバー１が均一に電子線照射・励起できる
ように一定の面内密度で形成する。そして、この電界放
射チップ１０２の形成とは並行して、Ｅｒドープ光ファ
イバー１を予め導伝性基板１０７表面上に形成した溝内
に固定する。なお、この場合、導伝性基板１０７表面上
に形成した溝内に固定される部分のＥｒドープ光ファイ
バー表面にＡｌ膜１０８をコーティングしておく。その
後、電界放射チップ１０２が形成された導電性基板１０
１とＥｒドープ光ファイバーが表面上に固定されている
導伝性基板１０７とを絶縁膜１０４を間にはさんで、真
空中でＩｎ等のハンダで接合する。この時、電界放射チ
ップ１０２とＥｒドープ光ファイバー１とがちょうど対
向するように接合する。そして、最後に、導伝性基板１
０１、１０７上に電極としてＡｕ膜１０８、１０９を形
成する。そして、Ｅｒドープ光ファイバー１の両端に光
アイソレータ２、５、さらに光出射側にフィルター６を
接続する。

【００１４】この様にして作製された光ファイバーアン
プの導伝性基板１０１と１０７との間に数Ｖから数百Ｖ
の電圧を印加することにより、Ｅｒドープ光ファイバー
を電子ビーム照射し、Ｅｒ原子を励起して反転分布を生
成する。すなわち、電圧を印加するとティップ先端の電
界強度は、ティップ先端の曲率半径が小さければ小さい
ほど、極めて大きいくなり、電界放射で電子が放出され
る。放出された電子は真空空間１０５中を加速されなが
ら走りＡｌコーティング膜１０６の表面に到達する。電
子のエネルギーは数ｅＶから数百ｅＶなのでＡｌ膜１０
６を通過し、かつＥｒ原子内の電子を励起する。そし
て、励起された電子は励起準位にとどまり、反転分布が
生成される。そして、この状態にあるＥｒドープ光ファ
イバーに信号光が導入されると波長１．５５μｍの誘導
放出が生じ、その結果、信号光が増幅されることにな
る。

【００１５】なお、本実施例においては、Ｅｒドープ光
ファイバー１をＡｌコーティング膜１０６で被覆した
が、これはＥｒドープ光ファイバー１が絶縁体であるこ
とによる電荷（励起用電子）のチャージアップを防ぐた
めである。すなわち、Ａｌコーティング膜１０６と導伝
性基板１０７とが接触しているのでＥｒドープ光ファイ
バー１に注入された励起用電子がＡｌコーティング膜１
０６、導伝性基板１０７、Ａｕ電極１０８を通して常に
アースへ逃げ、Ｅｒドープ光ファイバー１中に溜まるこ
とはない。しかし、もしこのＡｌコーティング膜１０６
がなければ電子励起を続けるに連れて、Ｅｒドープ光フ
ァイバー１中に電子が溜まり、Ｅｒドープ光ファイバー
１と電界放射チップ１０２と間の電圧差が徐々に減少す
る。その結果、励起電子の持つエネルギーが減少し、反
転分布密度を減少を招く。

【００１６】なお、本実施例においては、不純物添加光
ファイバーにＥｒドープ光ファイバーを用いた場合につ
いて述べたが、本発明は他の不純物添加光ファイバー、
例えば他の希土類ドープ光ファイバーを用いた場合にも
適用可能であることは言うまでもない。例えば、Ｐｒド
ープ光ファイバーを用いた場合は、増幅できる波長が
１．３μｍとなり、１．３μｍ帯の光ファイバーアンプ
が得られる。すなわち、本発明においては不純物の励起
に電子ビームを用いているので、従来の半導体レーザ光
励起の場合と違って、どんな不純物の場合にも適用可能
となり、様々な波長の光ファイバーアンプが実現でき
る。

【００１７】次に光ファイバーレーザの場合の実施例に
ついて述べる。その構成を図３に示す。この場合、不純
物添加光ファイバーのマルチ・チップ電界放射型電子源
による励起部分の構造は図２とほぼ同様であるが、ただ
異なる点は不純物添加光ファイバーが光共振器内に設置
されていることと、不純物添加光ファイバーとしてＴｍ
ドープ光ファイバーを用いていることである。図３にお
いて、８はＴｍドープ光ファイバー、１０はファイバー
端面に作製したハーフミラー等の共振器端面、１１はマ
ルチ・チップ電界放射型電子源である。

【００１８】また、この場合のＴｍドープ光ファイバー
のマルチ・チップ電界放射型電子源による励起部分の製
造方法は光ファイバーアンプの場合の実施例と全く同じ
である。

【００１９】この場合も第一の実施例と同様に、導伝性
基板１０１と１０７との間に数Ｖから数百Ｖの電圧を印
加することによってＴｍドープ光ファイバーを電子ビー
ム照射し、Ｔｍ原子を励起して反転分布を生成する。そ
の結果誘導放出が生じレーザ発振する。なお、この場合
の発振波長は４００ｎｍ台となり、短波長のレーザ光源
が得られる。

【００２０】次に、光ファイバーレーザの場合の第二の
実施例について述べる。その構成を図４に示す。この場
合Ｔｍドープ光ファイバーはリング状になって、リング
型レーザの構成をとっている。ここで、８はＴｍドープ
光ファイバー、１１はマルチ・チップ電界放射型電子
源、１２は光カプラーである。この場合も、Ｔｍドープ
光ファイバーのマルチ・チップ電界放射型電子源による
励起部分の製造方法は光ファイバーアンプの場合の実施
例と全く同じである。また、この場合、Ｔｍドープ光フ
ァイバーがリング状となっているため、ファイバー端面
に光共振器を作製する必要がなくなり、レーザ特性、信
頼性が向上する。

【００２１】

【発明の効果】本発明による光ファイバーアンプは、マ
ルチ・チップ電界放射型電子源から放射された電子ビー
ムで不純物添加光ファイバー中の不純物を直接励起する
方式なので、励起効率が高く反転分布の形成が容易で誘
導放出が効率よく行える。また、温度変化に対して、電
子ビーム強度の変化は全くなくなるので、安定した励起
が可能となり、その結果出射光強度が安定する。また、
不純物添加光ファイバーに添加される不純物の種類に関
係なく本発明は適用可能であり、様々な波長の光ファイ
バーアンプ、光ファイバーレーザが実現できる。さら
に、信頼性の点においても従来の半導体レーザに比べ寿
命が長く、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例における光ファイバーア
ンプの構成模式図

【図２】本発明の第一、第二、第三の実施例における不
純物添加光ファイバーのマルティ・ティップ電界放射型
電子源による励起部分の断面構造図

【図３】本発明の第二の実施例における光ファイバーレ
ーザの構成模式図

【図４】本発明の第三の実施例における光ファイバーレ
ーザの構成模式図

【図５】（ａ）は前方向励起方式の従来の光ファイバー
アンプの構成模式図 （ｂ）は後方向励起方式の従来の光ファイバーアンプの
構成模式図

【図６】従来の光ファイバーレーザの構成模式図

【符号の説明】

１ Ｅｒ添加光ファイバー ２ 入射光側光アイソレータ ３ 合波器 ４ 励起用光源、例えば発振波長０．９８μｍ帯の高出
力半導体レーザ ５ 出射光側光アイソレータ ６ 光フィルタ ７ 伝送用光ファイバー ８ Ｔｍ添加光ファイバー ９ 励起用光源、例えば発振波長６６０ｎｍの高出力赤
色半導体レーザ １０ ハーフミラー等の光共振器 １１ マルチ・チップ電界放射型電子源 １２ 光カプラー １０１ 導伝性基板 １０２ 電界放射チップ １０３ 絶縁膜（１） １０４ 絶縁膜（２） １０５ 真空空間 １０６ Ａｌコーティング膜 １０７ 導伝性基板 １０８ Ａｕ電極 １０９ Ａｕ電極 １１０ 電界印加装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】不純物添加光ファイバーの光入射側および
   光出射側に光アイソレーター、前記光出射側光アイソレ
   ーターの光出射側にフィルターを備え、かつ前記不純物
   添加光ファイバー中の不純物の励起に前記不純物光ファ
   イバーと対向させて配置されたマルチ・チップ電界放射
   型電子源を備えたことを特徴とする光ファイバーアン
   プ。
2. 【請求項２】不純物添加光ファイバーの両端面に光共振
   器を備え、かつ前記不純物添加光ファイバー中の不純物
   の励起に前記不純物光ファイバーと対向させて配置され
   たマルチ・チップ電界放射型電子源を備えたことを特徴
   とする光ファイバーレーザ。
3. 【請求項３】リング状の不純物添加光ファイバーの一部
   分に光カプラーを備え、前記ドープファイバー中の不純
   物の励起にマルティ・ティップ電界放射型電子源を備え
   たことを特徴とする光ファイバーレーザ。
4. 【請求項４】不純物添加光ファイバーの不純物原子が希
   土類元素であることを特徴とする請求項１に記載の光フ
   ァイバーアンプ。
5. 【請求項５】不純物添加光ファイバーの不純物原子が希
   土類元素であることを特徴とする請求項２または３に記
   載の光ファイバーレーザ。