WO2002054545A1 - Fibre optique amplificatrice, amplificateur de fibre optique et systeme de transmission optique - Google Patents

Fibre optique amplificatrice, amplificateur de fibre optique et systeme de transmission optique Download PDF

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amplification
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optical
edf
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Tomonori Kashiwada
Toshimi Suzuki
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Sumitomo Electric Industries, Ltd.
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    • H01S3/1693—Solid materials characterised by additives / sensitisers / promoters as further dopants aluminium

Definitions

  • the present invention relates to an amplification optical fiber in which an Er element is added to a core region, an optical fiber amplifier including the amplification optical fiber, and an optical transmission system including the optical fiber amplifier.
  • the optical transmission system transmits and receives information by propagating a signal through an optical fiber transmission line.
  • an optical fiber amplifier for amplifying the signal is provided in the repeater or the like to compensate for this loss.
  • the signal wavelength band used in optical transmission systems is the C band (wavelength 1530 ⁇ ! ⁇ 1570 nm).
  • An optical fiber amplifier that amplifies signals of each channel in the C band includes an optical fiber for amplification (EDF: Erbium-DopedFiber) doped with an Er element in a core region as an amplification medium.
  • EDF Erbium-Doped Fiber Amplifier
  • An EDFA can also be used as an optical fiber amplifier for amplifying the signal of each channel in the L band.
  • An EDFA can also be used as an optical fiber amplifier for amplifying the signal of each channel in the L band.
  • Ono et al. "1.58 zm band Er3 + doped optical fiber amplifier", 1997 IEICE General Conference, C-3 -86 (1997), L-band E-doped stone British Pheno mEr-doped fluoride fiber is shown as an EDF.
  • the inventors have found the following problems. That is, the operating condition of the L-band EDF is different from that of the C-band EDF, and it is necessary to increase the total amount of Er element added. Paraphrase If so, it is necessary to increase the concentration of the Er element added to the EDF or to lengthen the EDF.
  • the quartz-based EDF for L band described in the first conventional example has a] ⁇ concentration of 13 10 wt.111 and a length of 200 m.
  • the L-band EDFA described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-177172 (second conventional example) includes quartz-based EDFs connected in multiple stages. Each have an absorption length product of less than 5 60 dB.
  • the output power of the semiconductor laser light source itself used as the pumping light source that outputs pumping light is increased, and multiple light sources are used.
  • the power of the pump light supplied to the EDF can be up to about 800 mW by increasing the output power of the pump light by wavelength-combining or polarization-combining the light output from the EDF.
  • the absorption length product of one EDF has been studied up to about 900 dB.
  • the absorption loss 1.53 It is important to increase the absorption loss 1.53 at 53 zm.
  • the absorption loss L53 depends on the structure and the concentration of Er in the EDF. If the Er concentration is increased, the absorption loss 1.53 can be increased, but the amplification efficiency decreases due to the effect of concentration quenching.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and has an amplifying optical fiber having a structure suitable for amplifying a signal of each channel in an L band.
  • C It is an object of the present invention to provide an optical fiber amplifier including the optical fiber for wide band, and an optical transmission system including the optical fiber amplifier.
  • the amplifying optical fiber according to the present invention is a quartz-based optical fiber in which an Er element and an A1 element are added to a core region (including a case where an Er element and an A1 element are included in a part of a core region). is there.
  • the amplification optical fiber according to the present invention has a capacity of 150 wt.
  • the optical fiber amplifier according to the present invention is configured such that an input end for receiving an L-band (wavelength: 157 5 ⁇ ! 11610 nm) signal and pumping light are supplied.
  • the amplification optical fiber for amplifying the signal of each channel in the L band taken in through the input end includes the optical fiber amplifier (the optical fiber amplifier according to the present invention), and enables L-band signal amplification and transmission.
  • the amplification optical fiber can be configured to be short and the signal waveform deterioration due to polarization mode dispersion and nonlinear optical phenomenon can be effectively suppressed.
  • the effect of concentration quenching is reduced, and the amplification efficiency is improved.
  • An optical fiber amplifier equipped with such an amplification optical fiber enables downsizing and has particularly excellent amplification characteristics for L-band signals.
  • an optical transmission system equipped with such an optical fiber amplifier enables high-speed, large-capacity optical transmission using signals in the L band.
  • the amplification optical fiber according to the present invention preferably has a cut-off wavelength of not less than 1.2 m and not more than 1.5 ⁇ m at a length of 2 m. In this case, the absorption loss at the wavelength of 1.53 im can be increased without increasing the Er concentration.
  • the amplification optical fiber according to the present invention has a polarization of 0.5 IDS or less in the L band. It preferably has modal dispersion. In this case, signal waveform deterioration in the L band can be suppressed, and high-speed optical transmission becomes possible.
  • the amplification optical fiber according to the present invention is arranged in a bundled state or arranged in a state wound around a bobbin. In this case, the storability and handleability in the optical fiber amplifier are improved.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of an optical transmission system according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of one embodiment of the optical fiber amplifier according to the present invention.
  • FIG. 3A is a diagram showing a cross-sectional structure of an embodiment of the amplification optical fiber according to the present invention, and
  • FIG. 3B is a refractive index profile thereof.
  • FIG. 4 is a table summarizing the specifications of a plurality of types of samples and comparative examples corresponding to the amplification optical fiber according to the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the absorption loss 1.53 and the length at a wavelength of 1.53 m when the absorption length product was changed.
  • Figure 6 is a graph showing the relationship between, Wavelength 1. 3 absorption loss in the m shed L 53 and E r concentration when varying the cut-off wavelength.
  • Fig. 7 shows the amplification characteristics of an optical fiber amplifier to which EDF-A as a comparative example was applied, and the light to which sample EDF-B corresponding to the optical fiber for amplification according to the present invention was applied.
  • 5 is a graph showing amplification characteristics of a fiber amplifier.
  • FIGS. 1 to 2 FIGS. 3A to 3B, and FIGS. I will tell.
  • the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of an optical transmission system according to the present invention.
  • the optical transmission system 1 includes a transmitter 2, a repeater 3, and a receiver 4.
  • the transmitter 2 and the repeater 3 are connected by an optical fiber transmission line 5, and the repeater 3 and the receiver 4 are optically connected. Connected by fiber transmission line 6.
  • An optical fin filter 3A is provided in the repeater 3, and an optical fin amplifier 4A and a receiving device 4B are provided in the receiver 4.
  • the 'optical transmission system 1' is a system suitable for signal transmission belonging to the L band, and the optical fiber amplifiers 3A and 4A collectively amplify the signal of each channel in the L band.
  • the signal belonging to the L band transmitted from the transmitter 2 propagates through the optical fiber transmission line 5 and reaches the repeater 3.
  • the signal reached by the optical fiber amplifier 3A is amplified.
  • the signal belonging to the L band transmitted from the repeater 3 propagates through the optical fiber and the transmission path 6 and reaches the receiver 4.
  • the amplified signal is received by the receiver 4B.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an embodiment of the optical fiber amplifier according to the present invention, and corresponds to the optical fiber amplifiers 3A and 4A shown in FIG.
  • an optical isolator 21, a light power bra 40, an amplification optical fiber 31, a light power bra 41, and an optical isolator 22 are provided in order from the input end 11 to the output end 12.
  • An excitation light source 50 is connected to the optical power plug 40, and an excitation light source 51 is connected to the optical power blur 41.
  • the optical isolator 21 allows light to pass in the forward direction from the input end 11 to the optical power blur 40, but does not allow light to pass in the reverse direction.
  • the optical isolator 22 allows light to pass in the forward direction from the optical power bra 41 to the output end 12 but does not allow light to pass in the reverse direction.
  • the amplification optical fiber 31 is a silica-based optical fiber in which an Er element and an A1 element are added to a core region.
  • the pumping light (wavelength 1.48 zm) is supplied to the amplification optical fiber 31, the signal of each channel in the L band is amplified.
  • the optical power coupler 40 outputs the pump light arriving from the pump light source 50 to the amplifying optical fiber 31 and outputs the signal arriving from the optical isolator 21 to the optical fiber 31.
  • the optical power blur 41 outputs the pump light arriving from the pump light source 51 to the amplifying optical fiber 31, and outputs the signal arriving from the amplifying optical fiber 31 to the optical isolator 22.
  • Each of the excitation light sources 50 and 51 is, for example, a semiconductor laser light source, and outputs excitation light having a wavelength capable of exciting the Er element added to the amplification optical fiber 31.
  • the pumping light output from the pumping light source 50 is supplied to the amplifying optical fiber 31 through the optical power blur 40 in the forward direction.
  • the pumping light output from the pumping light source 51 is supplied to the amplifying optical fiber 31 in the opposite direction via the optical power blur 41.
  • the signal of each channel in the L band input from the input terminal 11 passes through the optical isolator 21 and the optical power plug 40 and enters the amplification optical fiber 31, where the signal is transmitted through the optical fiber 31. Amplified. Then, the amplified signal is output from the output terminal 12 through the optical power plug 41 and the optical isolator 22.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating an example of a cross-sectional structure of the amplification optical fiber 31.
  • the amplification optical fiber 31 has a core region 3 1 1 having an outer diameter a having a refractive index n 1 and extending along a predetermined axis, and an outer periphery of the core region 3 1 1. And a cladding region 312 having a refractive index n 2 ( ⁇ n 1).
  • FIG. 3B is a refractive index profile of the amplification optical fiber 31 shown in FIG. 2A.
  • the refractive index profile 350 indicates the refractive index of each part located on (the line perpendicular to the optical axis of the amplification optical fiber 31) in FIG. 3A, and the region 351 indicates the core region 3 1 1 line
  • the refractive index of the portion located on L and the region 352 indicate the refractive index of the portion located on the line L of the cladding region 312, respectively.
  • the relative refractive index difference ⁇ between the core region 311 having the refractive index n 1 and the cladding region 312 having the refractive index n 2 is given by the following equation (1).
  • the sectional structure and the refractive index profile shown in FIGS. 3A and 3B are representative examples for realizing the amplification optical fiber 31 according to the present invention, and various modifications are possible.
  • a refractive index profile applicable to the amplification optical fiber 31 for example, there is a refractive index profile as shown in FIGS. 7 to 9 of US Pat. No. 5,838,867.
  • These refractive index profiles include a refractive index profile in which the core region 311 is composed of a single glass layer and a refractive index profile in which the core region 311 is composed of a plurality of glass layers having different refractive indices. It is not necessary to add a rare earth element to the entire core region 311, and it is sufficient that a rare earth element is added to at least a part of the core region 311.
  • the amplification optical fiber 31 according to the present invention has an Er concentration of 150 Owt.ppm or less, an absorption loss of 1.53 to 10 dBZm and 25 dBZm or less at a wavelength of 1.53 m, and an absorption loss of 900 dB or less. Has unsaturated absorption. Accordingly, the amplification optical fiber 31 can be shortened (for example, 100 m or less), which is preferable in miniaturizing the optical fiber amplifier 10. In addition, it is possible to suppress signal waveform deterioration due to polarization mode dispersion and nonlinear optical phenomena. Further, the effect of concentration quenching is reduced, and the amplification efficiency of the amplification optical fiber 31 is improved.
  • the Er concentration (wt. Ppm) added to the core region 311 of the amplification optical fiber 31 is derived from the Saturation Parameter as follows. That is, the Er concentration Nt (m ⁇ 3 ) in the amplification optical fiber 31 can be approximately derived from the following equation (2).
  • Nt ⁇ te / (7 ⁇ ⁇ b 2 )... (2)
  • S is Saturation Parameter
  • Te s- 1 ⁇ m_ 2) ⁇ is ⁇ life ms) ⁇ b is the radius of the area E r element is added.
  • the Saturation Parameter is determined by actual measurement, and the fluorescence lifetime r is often set to 10 ms as a representative value.
  • the radius b of the addition region can be easily calculated from the cutoff wavelength and the mode field diameter at a wavelength of 1.55 zm.
  • the amplifying optical fiber 31 has a cut of 1.2 m or more and 1.5 m or less in a 2 m length. It preferably has an off wavelength. As a result, the absorption loss 1.53 can be increased without increasing the Er concentration.
  • the optical fiber 31 for amplification preferably has a polarization mode dispersion of 0.5 ps or less in the L band. This is because signal waveform deterioration can be suppressed, and high-speed optical transmission at a bit rate of 1 OGbps or more is possible.
  • the amplification optical fiber 31 is preferably arranged in a bundle or wound around a bobbin. This is because the storability and handleability in the optical fiber amplifier 10 are improved.
  • EDF-A is a sample manufactured as an optical fiber for amplification as a comparative example
  • EDF-B to EDF-E are samples manufactured as an optical fiber 31 for amplification.
  • Figure 4 shows the ratio 13 is a table summarizing the specifications of Comparative Example ED F-A and Sample EDF—: B to ED FE corresponding to the amplification optical fiber 31.
  • EDF- A is, E r concentration of 52 Owt.ppm, 3. eight 1 concentration of 5 seven percent, the absorption loss. 53, 2 m length of 5. 5 d BZM at the wavelength 1. 53 m Contact It has a cut-off wavelength of 0.9 l ⁇ m, a length of 142 m, an absorption length product of 780 dB, and a polarization mode dispersion of 0.61 ps at a wavelength of 1.58 / m.
  • Sample EDF-3B has an Er concentration of 78 Owt.ppm, an A1 concentration of 2.Owt%, an absorption loss L53 of 15.6 dB / m at a wavelength of 1.53 m, and a 1. It has a cut-off wavelength of 46 zm, a length of 50 m, an absorption length product of 78 ° dB, and a polarization mode dispersion of 0.25 ps over a wavelength of 1.58 ⁇ 111.
  • Sample EDF-C has an absorption loss of 18.8 dB / m at an Er concentration of 97 Owt.ppm, an A1 concentration of 3. Owt%, and a wavelength of 1.53 m! 53 , has a cut-off wavelength of 1.39 / m at 2 m length.
  • Sample EDF-D has an Er concentration of 85 Owt.ppm, an A1 concentration of 3. Owt%, an absorption loss L53 of 16.0 d BZm at a wavelength of 1.53 m, and a 1.32 m It has a cut-off wavelength.
  • Sample EDF—E has an Er concentration of 108 Owt.ppm, an A1 concentration of 3.5 wt%, an absorption loss L53 of 20.0 dBBZm at a wavelength of 1.53 ⁇ m, and 1.3 lAdm at a length of 2 m. With a cut-off wavelength of
  • Figure 5 for amplifying optical full multiplexing 31 with absorbent strip length product 900 dB, 600 dB, 300 d B, is a graph showing the relationship between the absorption loss shed 1.53 and length.
  • the graph G 510 is an amplification optical finograph having an absorption length product of 900 dB
  • the graph G 520 is an amplification optical fiber having an absorption length product of 600 dB
  • the graph G 530 is an absorption length product. It shows the relationship between the absorption loss 1.53 and the length of the amplifying optical fiber having OOdB and each.
  • the comparative example EDF-A and the sample EDF-B are plotted.
  • Comparative Example EDF-A has characteristics outside the hatching region, while sample EDF_B has characteristics included in the hatching region.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the absorption loss 1.53 and the Er concentration when the cut-off wavelength is changed.
  • graph G610 is an optical fiber for amplification with a cut-off wavelength of 0.9 ⁇ m
  • graph G620 is an optical fiber for amplification with a cut-off wavelength of 1.2 m
  • G630 is an amplification optical fiber with a cut-off wavelength of 1. It is use light Faibaso relates it shows the relationship between the absorption loss shed L 53 and Er concentration.
  • the comparative example EDF-A and the sample EDF-B to EDF-E are plotted. In the hatching region, the absorption loss 1.53 is not less than 10 dBm and not more than 25 dBZm.
  • FIG. 7 is a graph showing the amplification characteristics of the optical fiber amplifier to which the comparative example EDF_A is applied and the amplification characteristics of the optical fiber amplifier to which the sample EDF-B is applied.
  • the symbol P 710 indicates the amplification characteristics of the optical fiber amplifier to which the comparative example EDF-A is applied
  • the symbol P72 ° indicates the amplification characteristics of the optical fins to which the sample EDF-B is applied.
  • the configuration of the optical fiber amplifier prepared for the measurement is the same as the configuration of the optical fiber amplifier shown in FIG.
  • the pump light source 50 for supplying pump light in the forward direction had an output wavelength of 1480 nm and an output power of 100 mW.
  • the pumping light source 51 for supplying pumping light in the opposite direction also had an output wavelength of 1480 nm and an output power of 10 OmW.
  • the signal input from input terminal 11 is L A signal of four channels (1570 nm, 1580 nm, 1590 nm, 1600 nm) belonging to the node, and the input pulse of each channel signal is 1 d B m.
  • an optical fiber amplifier may be configured to connect a plurality of amplifying optical fibers having the above-described structure and supply the plurality of amplifying optical fibers and the pump light.
  • an amplification optical fiber As described above, according to the present invention, it is possible to shorten the length of an amplification optical fiber and to effectively suppress signal waveform deterioration caused by polarization mode dispersion and nonlinear optical phenomena. . The effect of concentration quenching is reduced, and amplification efficiency is improved. Further, an optical fiber amplifier to which such an amplification optical fiber is applied can be miniaturized and has excellent amplification characteristics, and is suitable for L-band signal amplification. Further, an optical transmission system including such an optical fiber amplifier enables high-speed and large-capacity optical transmission using signals of each channel in the L band.

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Description

明細書
増幅用光ファイバ、 光ファイバ増幅器及び光伝送システム 技術分野
この発明は、 コア領域に Er元素が添加された増幅用光ファイバ、 この増幅用 光ファイバを含む光ファイバ増幅器、 及び、 この光ファイバ増幅器を含む光伝送 システムに関するものである。
背景技術
光伝送システムは、 光ファイバ伝送路に信号を伝搬させることで、 情報の送受 信を行う。この際、光ファイバ伝送路を伝搬する信号は減衰するので（伝送損失)、 この損失を補償するため、 信号増幅を行ぅ光フアイバ増幅器が中継器等に設けら れる。 従来、 光伝送システムにおいて利用されている信号波長帯域は、 Cバンド (波長 1530 ηπ！〜 1570 nm) である。 また、 この Cバンドにおける各チ ャネルの信号を増幅する光ファイバ増幅器には、 コア領域に E r元素が添加され た増幅用光ファイバ（EDF:Erbium-DopedFiber) を増幅媒体とする光フアイ ノ 曽幅器 （ E D F A： Erbium-Doped Fiber Amplifier) が利用されている。
近年では、 情報伝送の更なる大容量化を実現すべく、 Cバンドに加えて Lバン ド （波長 1570 ηπ！〜 1610 nm) における各チャネルの信号の利用が検討 されている。 また、 Lバンドにおける各チャネルの信号を増幅する光ファイバ増 幅器としても EDFAが利用され得る。 例えば、 第 1従来例として、 小野、 他、 "1. 58 zm帯 E r 3+添加光ファイバ増幅器"、 1997年電子情報通信学会 総合大会、 C-3 -86 ( 1997) には、 Lバンド用 E D Fとして E r添加石 英ファイノ m E r添加フッ化物ファイバが示されている。
発明の開示
発明者らは、 上述のような従来の光ファイバ増幅器について検討した結果、 以 下のような課題を発見した。 すなわち、 Cバンド用 EDFと比べて、 Lバンド用 EDFは、 動作条件が異なり、 Er元素の総添加量を多くする必要がある。 換言 すれば、 EDFに添加される E r元素の濃度自体を高くするか、 あるいは、 ED Fを長尺にする必要がある。 例えば、 上記第 1従来例に記載された石英系の Lバ ンド用 EDFは、 13 10wt . 111の ]^濃度と、 200mの長さを有する 。 また、 特開平 1 1— 177 1 72号公報 （第 2従来例） に記載された Lバンド 用 EDFAは、 多段に接続された石英系の EDFを備えており、 そのうち 2段目 以降の各 EDFは、 それそれ 5 60 dB以下の吸収条長積を有する。
なお、 EDFの吸収条長積は、 その損失スペクトルにおける波長 1. 53 m での単位長さ当たりの吸収量 （日本国特許第 2669976号参照） とその長さ の積 （=波長 1. 53 mにおける単位長当たりの吸収損失 X長さ） で与えられ る。
一方、 例えば波長 1. 48〃mの励起光を EDFの両端より供給する双方向励 起の場合、 励起光を出力する励起光源として利用される半導体レーザ光源自体の 高出力化や、 複数の光源から出力された光を波長合成あるいは偏波合成すること による励起光の高出力化により、 EDFへ供給される励起光のパヮ一は 800m W程度まで可能である。 これに伴い、 1本の EDFの吸収条長積は 900 dB程 度まで検討されている。
しかしながら、 EDFの吸収条長積を大きくするには、 EDFを長くする必要 があり、 このことから、 従来の Lバンド用 EDFAは小型化が困難であった。 ま た、 EDFが長いと、 偏波モード分散や非線形光学現象に起因した信号の波形劣 化が問題となる。 そこで、 EDFの吸収条長積を大きくするためには、 波長 1.
53 zmにおける吸収損失ひ 1.53を大きくすることが重要である。この吸収損失ひ L53は、 EDF中の E r濃度と構造とに依存する。 E r濃度を大きくすれば、 吸収 損失 1.53を大きくすることができるが、これに伴い、濃度消光の影響に起因した 増幅効率が低下する。
この発明は、 上述のような課題を解決するためになされたものであり、 Lバン ドにおける各チャネルの信号を増幅するのに適した構造を備えた増幅用光フアイ ノ 、 この增幅用光ファイバを含む光ファイバ増幅器、 及び、 この光ファイバ増幅 器を含む光伝送システムを提供することを目的としている。
この発明に係る増幅用光ファィバは、 コァ領域に E r元素及び A 1元素が添加 (コア領域の一部に E r元素及び A 1元素が含まれる場合を含む） された石英系 光ファイバである。 特に、 この発明に係る増幅用光ファイバは、 1 5 0 0 w t .
111以下の£ 2^濃度と、 波長 1 . 5 3〃mにおいて 1 0 d B/m以上かつ 2 5 d B Z m以下の吸収損失と、 9 0 0 d B以下の吸収条長積 （unsaturated absorption)を有する。 また、 この発明に係る光ファイバ増幅器は、 Lバンド（波 長 1 5 7 Ο η π！〜 1 6 1 0 n m) の信号を取り込むための入力端と、 励起光が供 給されることにより該入力端を介して取り込まれた Lバンドにおける各チャネル の信号を増幅する上記増幅用光ファイバ（この発明に係る増幅用光ファイノ と、 この増幅用光ファイバに励起光を供給する励起光光源を備える。 さらに、 この発 明に係る光伝送システムは、 上記光ファイバ増幅器 （この発明に係る光ファイバ 増幅器） を含み、 Lバンドの信号増幅及び伝送を可能にする。
上述の構成により、 当該増幅用光ファイバは短尺構成が可能なるとともに、 偏 波モード分散や非線形光学現象に起因した信号の波形劣化が効果的に抑制される。 また、 当該増幅用光ファイバによれば、 濃度消光の影響が低減され、 増幅効率が 向上する。 このような増幅用光ファイバを備えた光ファイバ増幅器は、 小型化を 可能にするとともに、 特に Lバンドの信号に対する増幅特性に優れる。 さらに、 このような光ファイバ増幅器を備える光伝送システムは、 Lバンドにおける信号 を利用した高速かつ大容量の光伝送を可能にする。
なお、 この発明に係る増幅用光ファイバは、 2 m長において 1 . 2 m以上か つ 1 . 5〃m以下のカヅトオフ波長を有するのが好ましい。 この場合、 E r濃度 を高くすることなく、 波長 1 . 5 3 imにおける吸収損失を大きくすることがで きる。
この発明に係る増幅用光ファイバは、 Lバンドにおいて 0 . 5 ID S以下の偏波 モード分散を有するのが好ましい。 この場合、 Lバンドにおける信号の波形劣化 を抑制することができ、 高速光伝送が可能になる。
また、 この発明に係る増幅用光ファイバは、 束状態で配置されるか、 あるいは ボビンに卷かれた状態で配置されるのが好ましい。 この場合、 光ファイバ増幅器 への収納性や取扱性が向上する。
なお、 この発明に係る各実施例は、 以下の詳細な説明及び添付図面によりさら に十分に理解可能となる。 これら実施例は単に例示のために示されるものであつ て、 この発明を限定するものと考えるべきではない。
また、 この発明のさらなる応用範囲は、 以下の詳細な説明から明らかになる。 しかしながら、 詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すもの ではあるが、 例示のためにのみ示されているものであって、 この発明の思想及び 範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明である ことは明らかである。
図面の簡単な説明
図 1は、 この発明に係る光伝送システムの一実施例の構成を示す図である。 図 2は、 この発明に係る光ファイバ増幅器の一実施例の構成を示す図である。 図 3 Aは、 この発明に係る増幅用光ファイバの一実施例の断面構造を示す図で あり、 図 3 Bは、 その屈折率プロファイルである。
図 4は、 この発明に係る増幅用光ファイバに相当する複数種類のサンプル及び 比較例の諸元をまとめた表である。
図 5は、 吸収条長積を変えたときの、 波長 1 . 5 3 mにおける吸収損失ひ: 1.53 と長さとの関係を示すグラフである。
図 6は、 カットオフ波長を変えたときの、 波長 1 . 5 3 mにおける吸収損失 ひ L53と E r濃度との関係を示すグラフである。
図 7は、比較例である E D F— Aが適用された光ファイバ増幅器の増幅特性と、 この発明に係る増幅用光ファイバに相当するサンプル E D F— Bが適用された光 ファイバ増幅器の増幅特性を、 それぞれ示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態
以下、 この発明に係る増幅用光フアイノ^ 光ファイバ増幅器及び光伝送システ ムの各実施例を、 図 1〜図 2、 図 3 A〜図 3 B及び図 4〜図 7を用いて詳細に説 明する。 なお、 図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、 重複する 説明を省略する。
図 1は、 この発明に係る光伝送システムの一実施例の構成図である。 この光伝 送システム 1は、 送信器 2、 中継器 3及び受信器 4を備え、 送信器 2と中継器 3 とが光ファイバ伝送路 5で接続され、 中継器 3と受信器 4とが光ファイバ伝送路 6で接続されている。 中継器 3内には光ファイノ 曽幅器 3 Aが設けられており、 受信器 4内には光ファイノ 増幅器 4 A及び受信装置 4 Bが設けられている。 この '光伝送システム 1は、 Lバンドに属する信号伝送に適したシステムであって、 光 ファイバ増幅器 3 A、 4 Aそれそれは Lバンドにおける各チヤネルの信号を一括 増幅する。
送信器 2より送出された Lバンドに属する信号は、 光ファイク、'伝送路 5を伝搬 して中継器 3に到達する。 中継器 3では、 光ファイバ増幅器 3 Aにより到達した 信号が増幅される。 そして、 中継器 3より送出された Lバンドに属する信号は、 光ファイノ、伝送路 6を伝搬して受信器 4に到達する。 この受信器 4でも光フアイ バ増幅器 4 Aにより Lバンドに属する信号が増幅された後、 該増幅された信号が 受信装置 4 Bにより受信される。
図 2は、 この発明に係る光フアイバ増幅器の一実施例の構成を示す図であり、 図 1に示された光ファイバ増幅器 3 A、 4 Aに相当する。 光ファイバ増幅器 1 0 では、 入力端 1 1から出力端 1 2へ向けて順に、 光アイソレ一夕 2 1、 光力ブラ 4 0、 増幅用光ファイバ 3 1、 光力ブラ 4 1及び光アイソレー夕 2 2が設けられ ている。 光力プラ 4 0には励起光源 5 0が接続されており、 また、 光力ブラ 4 1 には励起光源 5 1が接続されている。 光アイソレータ 2 1は、 入力端 1 1から光力ブラ 4 0への順方向には光を通過 させるが、 逆方向には光を通過させない。 光アイソレー夕 2 2は、 光力ブラ 4 1 から出力端 1 2への順方向には光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。 増幅用光ファイバ 3 1は、 コア領域に E r元素及び A 1元素が添加された石英系 光ファイバである。 この増幅用光ファイバ 3 1に励起光 （波長 1 . 4 8 zm) が 供給されることにより Lバンドにおける各チャネルの信号が増幅される。 光力プ ラ 4 0は、 励起光源 5 0より到達した励起光を増幅用光ファイバ 3 1へ出力し、 光アイソレ一夕 2 1より到達した信号を增幅用光ファイバ 3 1へ出力する。 光力 ブラ 4 1は、励起光源 5 1より到達した励起光を増幅用光ファイバ 3 1へ出力し、 増幅用光ファイバ 3 1より到達した信号を光アイソレー夕 2 2へ出力する。 励起 光源 5 0、 5 1おのおのは、 例えば半導体レーザ光源であり、 増幅用光ファイバ 3 1に添加された E r元素を励起し得る波長の励起光を出力する。
光ファイバ増幅器 1 0において、 励起光源 5 0から出力された励起光は、 光力 ブラ 4 0を経て増幅用光ファイバ 3 1に順方向に供給される。 また、 励起光源 5 1から出力された励起光は、 光力ブラ 4 1を経て増幅用光ファイバ 3 1に逆方向 に供給される。入力端 1 1から入力された Lバンドにおける各チャネルの信号は、 光アイソレー夕 2 1及び光力プラ 4 0を通過して増幅用光ファイバ 3 1に入射さ れ、増幅用光ファイバ 3 1において増幅される。そして、この増幅された信号は、 光力プラ 4 1及び光アイソレー夕 2 2を経て出力端 1 2から出力される。
図 3 Aは、 増幅用光ファイバ 3 1における断面構造の一例を示す図である。 図
3 Aに示されたように、 増幅用光ファイバ 3 1は、 所定軸に沿って伸びた、 屈折 率 n 1を有する外径 aのコア領域 3 1 1と、 該コア領域 3 1 1の外周に設けられ た、 屈折率 n 2 (< n 1 ) のクラッド領域 3 1 2とを備える。 また、 図 3 Bは、 図 2 Aに示された増幅用光ファイバ 3 1の屈折率プロファイルである。 この屈折 率プロファイル 3 5 0は、 図 3 A中の (増幅用光ファイバ 3 1の光軸と直交 する線） 上に位置する各部の屈折率を示し、 領域 3 5 1は、 コア領域 3 1 1の線 L上に位置する部位の屈折率、 領域 352は、 クラッド領域 3 12の線 L上に位 置する部位の屈折率をそれぞれ示す。
ここで、 屈折率 n 1のコア領域 3 1 1と屈折率 n 2のクラヅド領域 312との 比屈折率差 Δηは、 以下の式 （1) で与えられる。
厶 η= ((η 1) 2— (η2) " /2 (η 1) 2 … ( 1)
なお、 図 3 Α及び図 3 Βに示された断面構造及び屈折率プロファイルは、 この 発明に係る増幅用光ファイバ 31を実現するための代表例であって、 種々の変形 が可能である。 当該増幅用光ファイバ 3 1に適用可能な屈折率プロファイルとし ては、 例えば、 米国特許第 5, 838， 867号の図 7〜図 9に示されたような 屈折率プロファイルがある。 これら屈折率プロファイルには、 コア領域 3 1 1が 単一ガラス層で構成された屈折率プロファイルと、 屈折率の異なる複数のガラス 層で構成された屈折率プロファイルが含まれるが、 いずれの場合も該コア領域 3 1 1全体に希土類元素が添加される必要はなく、 該コア領域 3 11の少なくとも 一部に希土類元素が添加されていればよい。
特に、 この発明に係る増幅用光ファイバ 3 1は、 150 Owt.ppm以下の E r濃度と、 波長 1. 53 mにおいて 10 dBZm以上かつ 25 dBZm以下の 吸収損失 1.53と、 900 dB以下の吸収条長積 (unsaturated absorption) を有 する。 これにより、 増幅用光ファイバ 31は、 短尺化が可能になり （例えば 10 0 m以下)、光ファイバ増幅器 10を小型化する上で好ましい。 また、偏波モード 分散や非線形光学現象に起因した信号の波形劣化をも抑制することができる。 さ らに、 濃度消光の影響も低減して、 当該増幅用光ファイバ 3 1の増幅効率が向上 する。
なお、 増幅用光ファイバ 3 1の吸収条長積は、 その損失スペクトルにおける波 長 1. 53〃mでの単位長さ当たりの吸収量 （日本国特許第 2669976号） とその長さの積 （=波長 1 · 53 mにおける単位長当たりの吸収損失 x長さ） で与えられる。 また、 増幅用光ファイバ 3 1のコア領域 31 1に添加される Er濃度 （wt. ppm) は、 以下のように Saturation Parameterから導出される。 すなわち、 増幅用光ファイバ 31における Er濃度 Nt (m— 3) は、 以下の式 （2) により 近似的に導出することができる。
Nt = ·て / (7Γ■ b2) … (2)
ここで、 Sは Saturation Parameter 、s— 1 · m_2)ヽ ては凿光寿命 ms)ヽ bは E r元素が添加された領域の半径である。 Saturation Parameter は実測 により求められ、蛍光寿命 rは代表値として 10 m sとされる場合が多い。また、 添加領域半径 bは、 カットオフ波長と波長 1. 55 zmにおけるモ一ドフィール ド径から容易に算出される。 このとき、 濃度 七 （m— 3) は、 ガラス （S i 〇2)密度 D (=2. 86 g/cm3)、 E r3+の lmo 1での質量 Z (= 167. 3 g)、 ァボガドロ数 N (= 6. 02 x 1023) を用いて、 以下の式 （3) によ り E r濃度 Ns (wt . ppm) へ換算される。
Ns (wt . p m) 二 Nt (m -3) · Z/ (D · N) … (3) さらに、 増幅用光ファイバ 31は、 2m長において 1. 2 zm以上かつ 1. 5 m以下のカットオフ波長を有するのが好ましい。 これにより、 Er濃度を高く することなく、吸収損失ひ 1.53を大きくすることができる。 また、増幅用光フアイ ノ 3 1は、 Lバンドにおいて 0. 5 ps以下の偏波モード分散を有するのが好ま しい。 信号の波形劣化を抑制することができ、 ビヅトレ一ト 1 OGbps以上の 高速光伝送が可能になるからである。 さらに、 増幅用光ファイバ 31は、 光ファ ィバ増幅器 10への適用に際して、 束状態に配置されるか、 あるいはボビンに卷 かれた状態で配置されるのが好ましい。 光ファイバ増幅器 10への収納性や取扱 性が向上するからである。
次に、 増幅用光ファイバ 3 1として試作されたサンプルについて説明する。 こ こでは、 EDF— Aは比較例である増幅用光ファイノ 、 EDF— B〜EDF— E は、 増幅用光ファイバ 31として試作されたサンプルである。 なお、 図 4は、 比 較例 ED F—A及び増幅用光ファイバ 31に相当するサンプル EDF—： B〜ED F-Eの諸元をまとめた表である。
比較例である EDF— Aは、 52 Owt.ppmの E r濃度、 3. 5 七％の八 1濃度、 波長 1. 53 mにおいて 5. 5 d BZmの吸収損失 .53、 2 m長にお いて 0.9 l〃mのカツトオフ波長、 142mの長さ、 780 dBの吸収条長積、 波長 1. 58 / mにおいて 0. 61 p sの偏波モード分散を有する。
サンプル EDF— 3Bは、 78 Owt.ppmの E r濃度、 2. Owt%の A1濃 度、 波長 1. 53〃mにおいて 15. 6 d B/mの吸収損失 L53、 2 m長におい て 1. 46 zmのカットオフ波長、 50mの長さ、 78◦ d Bの吸収条長積、 波 長 1. 58〃111にぉぃて0. 25 p sの偏波モード分散を有する。
サンプル EDF— Cは、 97 Owt.ppmの E r濃度、 3. Owt%の A1濃 度、 波長 1. 53 mにおいて 18. 8 d B/mの吸収損失ひ！.53、 2 m長におい て 1. 39 /mのカットオフ波長を有する。
サンプル EDF— Dは、 85 Owt.ppmの E r濃度、 3. Owt%の A1濃 度、 波長 1. 53 mにおいて 16. 0 d BZmの吸収損失 L53、 2 m長におい て 1. 32 mのカットオフ波長を有する。
サンプル EDF— Eは、 108 Owt.ppmの E r濃度、 3. 5wt%の A1 濃度、 波長 1. 53〃mにおいて 20. 0 d BZmの吸収損失 L53、 2 m長にお いて 1. 3 lAdmのカヅトオフ波長を有する。
図 5は、 吸収条長積 900 dB、 600 dB, 300 d Bを有する増幅用光フ アイバ 31について、その吸収損失ひ 1.53と長さとの関係を示すグラフである。な お、 図 5において、 グラフ G 510は、 吸収条長積 900 dBを有する増幅用光 ファイノ グラフ G 520は吸収条長積 600 dBを有する増幅用光フアイノ^ グラフ G 530は吸収条長積 3 OOdBを有する増幅用光ファイバそれそれに関 し、 吸収損失ひ 1.53と長さとの関係を示している。 また、 この図 5中には、 比較例 EDF— A及びサンプル EDF— Bがプロットされており、 ハッチング領域は、 吸収損失ひ 1.53が 10 d B/m以上かつ 25 d B/m以下、吸収条長積が 900 d B以下である範囲を示す。 この図 5から分かるように、 比較例 EDF— Aはハツ チング領域から外れる特性を有するが、 サンプル E D F _ Bはハッチング領域に 含まれる特性を有する。
図 6は、カツトオフ波長を変えたときの吸収損失ひ 1.53と E r濃度との関係を示 すグラフである。 なお、 この図 6において、 グラフ G610は、 カヅトオフ波長 0. 9〃mの増幅用光ファイノ 、 グラフ G 620はカットオフ波長 1. 2 mの 増幅用光フアイノ^ G630はカットオフ波長 1. の増幅用光ファイバそ れそれに関し、 吸収損失ひ L53と Er濃度との関係を示している。また、 図 6中に は、 比較例 EDF— A及びサンプル EDF— B~EDF— Eがプロットされてお り、ハツチング領域は、吸収損失ひ 1.53が 10 d B m以上かつ 25 d B Zm以下、 2 m長におけるカットオフ波長が 1. 以上かつ 1. 5 m以下である範囲 を示す。 加えて、 図 6中、 矢印 Aで示された領域は、 濃度消光に起因した増幅特 性の劣化を回避できる濃度範囲を示す。 この図 6から分かるように、 比較例 ED F— Aはハヅチング領域から外れる特性を有するが、 サンプル EDF— B〜ED F—Eはいずれもハッチング領域に含まれる特性を有する。
さらに図 7は、比較例 E D F _ Aが適用された光フアイバ増幅器の増幅特性と、 サンプル E D F— Bが適用された光フアイバ増幅器の増幅特性をそれそれ示すグ ラフである。 なお、 図 7において、 記号 P 710は比較例 EDF— Aが適用され た光ファイバ増幅器の増幅特性、 記号 P72◦はサンプル EDF— Bが適用され た光ファイノ 曾幅器の増幅特性をそれぞれ示す。
測定のために用意された光ファイバ増幅器の構成は、 図 2に示された光フアイ バ増幅器の構成と同様である。 また、 順方向に励起光を供給するための励起光源 50は、 出力波長が 1480 nmであって、 出力パワーが 100 mWであった。 逆方向に励起光を供給するための励起光源 51も、 出力波長が 1480 nmであ つて、 出力パワーが 10 OmWであった。 入力端 11から入力される信号は、 L ノ ンドに属する 4チャネル （ 1 5 7 0 nm、 1 5 8 0 nm、 1 5 9 0 nm、 1 6 0 0 nm) の信号であって、 各チャネルの信号の入力パヮ一は一 1 5 d B mであ つた。
図 7から分かるように、 比較例 E D F— Aと比較して、 1 Z 3の長さを有する サンプル E D F— Bが適用された光ファイバ増幅器は良好な増幅特性を有する。 なお、 この発明は、 上記実施形態に限定されるものではなく、 種々の変形が可 能である。 例えば、 上述のような構造を有する複数の増幅用光ファイバを接続し て、 これら複数の増幅用光ファイバそれそれに励起光を供給するよう、 光フアイ バ増幅器を構成してもよい。
以上の本発明の説明から、 本発明を様々に変形しうることは明らかである。 そ のような変形は、 本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはで きず、 すべての当業者にとって自明である改良は、 以下の請求の範囲に含まれる ものである。
産業上の利用可能性
以上のようにこの発明によれば、 増幅用光ファィバの短尺化が可能になるとと もに、 偏波モード分散や非線形光学現象に起因した信号の波形劣化を効果的に抑 制することができる。 濃度消光の影響が低減され、 増幅効率が向上する。 また、 このような増幅用光ファィバが適用された光ファィバ増幅器は、 小型化が実現可 能になるとともに、増幅特性に優れ、 Lバンドの信号増幅に適している。さらに、 このような光ファイバ増幅器を含む光伝送システムは、 Lバンドにおける各チヤ ネルの信号を利用した高速かつ大容量の光伝送を可能にする。

Claims

請求の範囲
1. コア領域に E r元素及び A 1元素が添加された石英系光ファイバであつ て、
1500^1:. 111以下の£ 1^濃度と、 波長 1. 5 にいて 1 OdBZm 以上かつ 25 d B m以下の吸収損失と、 900 d B以下の吸収条長積を有する 増幅用光ファイバ。
2. 請求項 1記載の増幅用光ファイバは、 さらに、
2 m長において、 1. 2〃111以上かっ 1. 5〃m以下のカヅトオフ波長を有す る。 '
3. 請求項 1記載の増幅用光ファイバは、 さらに、
Lバンド （波長 1570 nm〜 16 10 nm) において、 0. 5 p s以下の偏 波モード分散を有する。
4. Lバンド （波長 1570 ηπ！〜 16 10 nm) における各チャネルの信 号を取り込むための入力端と、
励起光が供給されることにより前記入力端を介して取り込まれた信号を増幅す る請求項 1記載の増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバに前記励起光を供給する励起光光源を備えた光ファイバ
5. 請求項 4記載の光ファイバ増幅器において、
前記増幅用光ファイバは、 束状態で配置されるか、 あるいはボビンに卷かれた 状態で配置される。
6. 請求項 4記載の光ファイバ増幅器を含む光伝送システム。
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