JP2596620B2

JP2596620B2 - 光ファイバ増幅器

Info

Publication number: JP2596620B2
Application number: JP2000951A
Authority: JP
Inventors: 康郎木村; 正隆中沢
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-01-09
Filing date: 1990-01-09
Publication date: 1997-04-02
Anticipated expiration: 2012-04-02
Also published as: JPH03206426A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、1.5μｍ帯の信号光を希土類元素のエルビ
ウムが添加された光ファイバを増幅媒質として直接光増
幅する光ファイバ増幅器に関するものである。

（従来の技術）従来、エルビウム（以下、Erと表記する）添加光ファ
イバを用いた光ファイバ増幅器の励起光源としては、励
起可能な波長が可視光から近赤外領域に存在するため、
気体レーザ、色素レーザ、固体レーザ及び半導体レーザ
が適用されてきた。

これら各種レーザの中では、実用上の観点から、半導
体レーザによる励起が望まれており、励起可能な光源と
して0.8μｍ帯GaAlAs半導体レーザ、0.98μｍ帯InGaAs
歪量子井戸型レーザ、1.48μｍ帯InGaAsP半導体レーザ
が存在する。

これらの中で、0.8μｍ帯の励起波長では、励起吸収
というEr元素に特有の現象により（文献1;R.I.Laming,
S.B.Poole,and E.J.Tarbox,“Pump excited−state abs
orption in erbium−doped fibers",Opt.Lett.vol.13,N
o.12,1084（1988）参照）、有効な励起が行われず、大
きな増幅度を得ることができないため、これまで、半導
体レーザによる励起で6dB、色素レーザによる励起で15d
Bが報告されたのみであった（文献2;T.J.Whitley,“Las
er diode pumped operation of Er³⁺−doped fiber amp
lifier",Electron.Lett.vol.24,No.25,1537（1988）参
照）。このため、従来より、励起吸収の存在しない0.98
μｍ帯、1.48μｍ帯が励起波長として望ましいとされて
きた。

実際、励起波長が0.8μｍ帯の場合、利得係数が0.4dB
/mWと低い値であるのに対して、励起波長が0.98μｍ帯
の場合、利得係数が4.0dB/mW、1.48μｍ帯の場合、利得
係数が2.2dB/mWと良好な値が得られる（なお、0.98μｍ
帯及び1.48μｍ帯の利得係数に関しては、『文献3;R.S.
Vodhanel,R.I.Laming,V.Shah,L.Curtis,D.P.Bour,W.L.B
arnes,J.D.Minelly,E.J.Tarbox,and F.J.Favire,“High
ly efficient 978nm diode−pumped erbi um−doped fi
ber amplifier with 24dB gain",Electron.Lett.vol.2
5,No.20,1386（1989）。』及び『文献4;E.Desurvire,C.
R.Giles,J.R.Simpson and J.L.Zyskind,“Efficient er
bium−doped fiber amplifier at λ＝1.53μm with hi
gh output saturation power",CLEO,Ba1timore,U.S.A.,
PD20（1989）．』参照）。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、0.98μｍ帯半導体レーザは活性層幅が
広く、光ファイバとの結合が良くないこと、また、現
在、研究段階にあり入手するのが困難であることと、そ
の信頼性について不明であること等、実用に至るまでに
は解決すべき問題点をいくつか有している。

また、1.48μｍ帯半導体レーザについても、同様に、
未だ研究段階の状況である（文献5;M.Nakazawa,Y.Kimur
a and K.Suzuki,“Efficient Er³⁺−doped optical amp
lifier pumped by a 1.48μm InGaAsP Laser diode",Ap
pl.Phys.Lett.,vol.54,No.4,295（1989）．参照）。

また、Er添加光ファイバでは、信号光の波長1.5μｍ
で単一モードとなるようにカットオフ波長を1.1μｍか
ら1.4μｍの間に設定される。しかし、この場合、0.8μ
ｍ帯の半導体レーザ光では、高次のモードまで励振され
るために伝搬する光束が広がって励起光のエネルギー密
度が低くなってしまう。

一方、0.8μｍ帯の励起波長で単一モードとなるよう
な光ファイバでは、逆に1.5μｍ帯での曲げ損失が無視
できなくなるため、ファイバの曲がりに対しての利得が
不安定になってしまう。

従って、励起波長が0.8μｍ帯では、最適なファイバ
構造及び濃度、長さ等を得ることができないため、小型
で効率の良い光増幅器を実現できないと考えられてい
た。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、
その目的は、実用的な0.8μｍ帯の励起波長により30dB
程度の高利得と高出力を得られる光ファイバ増幅器を提
供することにある。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため、請求項（１）では、発振波
長領域が0.8μｍ帯にある励起光源と、Erを所定の濃度
で添加したEr添加光ファイバと、前記励起光源による励
起光と1.5μｍ帯信号光を合波し、該合波光を前記Er添
加光ファイバの一端に入射する光合波手段と、前記Er添
加光ファイバの他端からの出射光を入射し、通過させる
光アイソレータとを備えた。

また、請求項（２）では、請求項（１）記載の光ファ
イバ増幅器において、前記Er添加光ファイバの他端から
の出射光から信号光のみを通過させる光フィルタを、前
記光アイソレータの光入射側または光出射側に設けた。

また、請求項（３）では、請求項（１）または（２）
記載の光ファイバ増幅器において、前記光合波手段の合
波光出射側または励起光及び信号光入射側の少なくとも
一方に光アイソレータを配置した。

また、請求項（４）では、請求項（１），（２）また
は（３）記載の光ファイバ増幅器において、各々が偏波
または波長が異なる励起光を出射する複数の励起光源
と、これら励起光源からの励起光を合波し、該合波光を
前記光合波手段に入射する光合波手段を設けた。

また、請求項（５）では、請求項（１），（２），
（３）または（４）記載の光ファイバ増幅器において、
Er添加光ファイバを、コアの周囲に設けられ該コアより
低屈折率の第１のクラッドと、該第１のクラッドの周囲
に設けられ該第１のクラッドより低屈折率の第２のクラ
ッドとを備えた二重クラッド構造を有する光ファイバに
より構成した。

また、請求項（６）では、請求項（１），（２），
（３），（４）または（５）記載の光ファイバ増幅器に
おいて、Er添加光ファイバを、AlまたはＰを酸化物の形
で少なくとも１種類含む光ファイバを用い、かつ、Erを
1000ppm以下の濃度で添加して構成した。

また、請求項（７）では、請求項（１），（２），
（３），（４），（５）または（６）記載の光ファイバ
増幅器を、複数個、多段に直列接続して、一の光ファイ
バ増幅器を構成した。

（作用）請求項（１）によれば、光伝送路を伝搬した信号光と
励起光源から出射された波長0.8μｍ帯の励起光とが光
合波手段に入射され、ここで合波された後、この合波光
はEr添加光ファイバの一端に入射される。

Er添加光ファイバに入射された合波光のうち、励起光
の波長0.8μｍ帯は、Erの吸収帯と一致する。このた
め、励起光によって光ファイバへの添加物であるEr原子
が励起され、励起準位の⁴I_13/2と基底準位の⁴I_15/2の間
に反転分布が形成される。

これにより、Er添加光ファイバ中を伝搬する信号光が
この部分を通過すると誘導放出により信号光が所定の増
幅度をもって増幅される。

増幅された信号光は、Er添加光ファイバの他端から出
射して光アイソレータに入射され、ここを通過して当該
光ファイバ増幅器の出力光として出力される。

また、請求項（２）によれば、Er添加光ファイバにて
増幅された信号光と増幅作用に供した励起光は、光アイ
ソレータに入射され、ここを通過して、次に光フィルタ
に入射される。ここで、励起光の進行が妨げられ、信号
光のみが当該光ファイバ増幅器の出力光として出力され
る。

または、Er添加光ファイバにて増幅された信号光と増
幅作用に供した励起光は、光フィルタに入射される。こ
こで、励起光の進行が妨げられ、信号光のみが光アイソ
レータに入射され、信号光のみが当該光ファイバ増幅器
の出力光として出力される。

また、請求項（３）によれば、光合波手段で合波され
た信号光と励起光は、光アイソレータを介して、Er添加
光ファイバの一端に入射される。

または、光アイソレータを介した信号光あるいは励起
光が光合波手段に入射される。

また、請求項（４）によれば、各励起光源から出射さ
れた、偏波面あるいは波長の異なる各励起光は合波さ
れ、直接あるいは光アイソレータを介して光合波手段に
入射され、ここで信号光と合波される。

また、請求項（５）によれば、1.5μｍ帯と長波長の
信号光は、コアと第１のクラッドに閉じ込められて伝搬
される。一方、0.8μｍ帯と短い波長の励起光は、第１
のクラッドをコア、第２のクラッドをクラッドとして、
この両領域に閉じ込められ伝搬される。

また、請求項（６）によれば、AlまたはＰが酸化物の
形で光ファイバの構成要素として用いられ、かつ、Erが
1000ppm以下の濃度で添加されて増幅波長領域が拡張さ
れる。

また、請求項（７）によれば、各段部で上記と同様の
作用が行われる。

（実施例）第１図は、本発明に係る光ファイバ増幅器の第１の実
施例を示す構成図である。

第１図において、１は励起光源で、発振波長領域が0.
8μｍ帯（0.78μｍ〜0.85μｍ）、例えば0.818μｍのGa
AlAs半導体レーザ、Ti:サファイアレーザ、色素レーザ
等からなり、所定強度の励起光Ｐを出射する。

２は光合波手段で、例えば光ファイバカップラまたは
導波路型カップラからなり、波長1.5μｍ帯、例えば波
長1.535μｍの信号光Ｓと励起光源１による励起光Ｐと
を合波する。

３はEr添加光ファイバで、一端が光合波手段２の合波
光出射部と接続され、全体に亘って希土類元素であるEr
が、添加濃度1000ppm以下、例えば20ppmから200ppm前後
の低濃度で添加され、かつ、そのファイバ長が50mから1
50m程度に設定されており、一端から入射した光合波手
段２による合波光のうち、励起光Ｐに基づく増幅作用に
よって信号光Ｓを増幅する。

４は無偏波型光アイソレータで、Er添加光ファイバ３
の他端に接続され、Er添加光ファイバ３の他端への戻り
光の入射を抑止する。

５は光バンドパスフィルタで、光アイソレータの光出
射側に接続され、信号光Ｓは通過させて、励起光Ｐを遮
断する。

次に、上記構成による動作を説明する。

例えば、図示しない光伝送路を伝搬した信号光Ｓと励
起光源１から出射された励起光Ｐとが光合波手段２に入
射され、ここで合波された後、この合波光がEr添加光フ
ァイバ３の一端に入射される。

Er添加光ファイバ３に入射された合波光のうち、励起
光Ｐとしては、上述したようにErの吸収帯と一致する波
長領域（0.8μｍ帯）を使用している。このため、励起
光Ｐによって光ファイバへの添加物であるEr原子が励起
され、励起準位の⁴I_13/2と基底準位の⁴I_15/2の間に反転
分布が形成される。

これにより、Er添加光ファイバ３中を伝搬する信号光
Ｓがこの部分を通過すると誘導放出により信号光Ｓが所
定の増幅度をもって増幅される。

増幅された信号光Ｓと増幅作用に供した励起光Ｐは、
Er添加光ファイバ３の他端から出射して光アイソレータ
４を通過し、次に、光バンドパスフィルタ５に入射され
る。ここで、励起光Ｐの進行が妨げられ、信号光Ｓのみ
が当該光ファイバ増幅器の出力光として出力される。

第２図は第１図の構成において、２種類のEr添加光フ
ァイバを用いて、光アイソレータ４の出射端で測定した
波長1.535μｍの信号光Ｓに対する増幅度と励起波長0.8
18μｍの入射励起光強度との関係及び従来の技術の項で
引用した文献２に記載されている従来までに報告された
最良の結果を示すグラフである。第２図では、横軸がEr
添加光ファイバ３への入射励起光強度を、縦軸が増幅度
をそれぞれ表している。

図中、実線で示す曲線は、Er添加濃度が160ppmで、
GeO₂とSiO₂の組成からなり、長さ70mのEr添加光ファイ
バ３を用いた場合の測定結果を示している。また、実線
で示す曲線は、Er添加濃度が88ppmで、GeO₂,Al₂O₃とS
iO₂の組成からなり、長さ124mのEr添加光ファイバ３を
用いた場合の測定結果を示している。一方、図中、破線
で示す曲線は、文献２からの引用結果である（ファイ
バ長8m、Er添加濃度1000ppm近傍値）。

第２図から明らかなように、従来の光ファイバ増幅器
では、増幅度が15dB程度で飽和してしまう（最大増幅度
約15dB）のに対して、本第１の実施例による光ファイバ
増幅器では、30dB以上の高増幅度が得られ、その増幅度
は従来より15dB以上大幅に改善されている。

また、Erを添加しているコア部の径を小さくすること
によって（例えば、単一モード光ファイバの場合コア径
２〜３μｍ程度）、必要とする入射励起光強度を下げる
ことができるので、励起光源１として、いわゆるコンパ
クトディスクあるいは光ディスク用のGaAlAs半導体レー
ザの使用も可能である。

なお、上記測定では、の光ファイバとしてAlを酸化
物の形で含むものを用いたが、Ｐを酸化物として含むも
のを用いても、上記とほぼ同様の効果を得ることができ
る。

以上説明したように、本第１の実施例によれば、コア
径が小さく比較的低濃度でErが添加され、かつ、100m程
度のEr添加光ファイバ３を増幅媒質として用いたので、
励起波長が0.8μｍ帯の励起光Ｐによっても1.5μｍ帯信
号光に対して高増幅度を実現できる利点がある。

また、Er添加光ファイバ３の他端（出射端）側に光ア
イソレータ４を配置したので、この他端への戻り光の入
射を阻止することができ、発振現象の発生を防止でき、
良好な増幅作用を発現できる。

さらに、光アイソレータ４の出射側に信号光Ｓのみを
通過させる光バンドパスフィルタ５を配置したので、不
要な励起光Ｐや雑音となる自然放出光を取り除いて増幅
作用を受けた信号光Ｓのみを当該光ファイバ増幅器の出
力光として取り出すことができ、1.5μｍ帯信号光を用
いた雑音の少ない良好な光通信システムを実現できる。

なお、光アイソレータ４と光バンドパスフィルタ５と
の配置関係を入れ換えてもよい。

第３図は本発明に係る光ファイバ増幅器の第２の実施
例を示す構成図である。本第２の実施例では、前記第１
の実施例の構成に加えて、全合波手段２の合波光出射端
側とEr添加光ファイバ３の一端（入射端）間に、無偏波
型光アイソレータ６を挿入している。

この構成によりEr添加光ファイバ２の一端側における
反射による発振現象の発生を防止することができ、前記
第１の実施例の場合に比べて、より良好な増幅作用の発
現を実現できる。その他の構成、作用、効果は、前記第
１の実施例と同様である。

第４図は、本発明に係る光ファイバ増幅器の第３の実
施例を示す構成図である。本第３の実施例では、Er添加
光ファイバ３の増幅度が励起光の偏光に依存しないとい
う特性を利用した構成としている。

即ち、２個の励起光源、具体的には、ｘ偏波の励起光
を出射する励起光源1aと、ｖ偏波の励起光を出射する励
起光源1bと、これらｘ及びｙ偏波の励起光を合波する偏
光ビームスプリッタ７と、この合波光と信号光Ｓとを合
波する光合波手段としてのダイクロイックミラー８と、
ダイクロイックミラー８の信号光Ｓの入射側並びに合波
光出射側に配置したレンズ9a,9bとをEr添加光ファイバ
３の一端側前段に設けている。

このような構成にすることにより、前記第１の実施例
の効果に加えて、特に、出力の小さい半導体レーザを用
いた場合には、２倍の励起出力が得られる利点がある。

第５図は、本発明に係る光ファイバ増幅器の第４の実
施例を示す構成図である。本第４の実施例では、第１図
の構成の光ファイバ増幅器を複数個、直列に多段接続し
て、一つの光ファイバ増幅器を構成している。

これにより、大きな増幅度と光出力を得られる利点が
ある。

なお、第２及び第３の実施例による光ファイバ増幅器
を多段に接続して、一つの光ファイバ増幅器を構成でき
ることはいうまでもない。

第６図は、本発明に係るEr添加光ファイバの他の構成
例である二重クラッド型Er添加光ファイバの断面図であ
る。

このEr添加光ファイバ30は、励起光の光ファイバへの
結合度を改善するために、クラッド部を二重化したもの
であり、具体的には、コア31の周囲を覆い、コア31より
屈折率の小さい第１のクラッド32と、第１のクラッド32
の周囲を覆い、第１のクラッド32より屈折率の小さい第
２のクラッド33を有している。

また第１のクラッド32の形状としては、第６図（ａ）
乃至（ｃ）に示すように、長方形、楕円形、円形等、種
々の構成とすることが可能である。

このような二重クラッド構造では、1.5μｍ帯と長波
長の信号光Ｓは、コア31と第１のクラッド32に閉じ込め
られて伝搬する。一方、0.8μｍ帯と短い波長の励起光
は、第１のクラッド32をコア、第２のクラッド33をクラ
ッドとしてこの両領域に閉じ込められ伝搬する。

これにより、0.8μｍ帯の励起光を長い距離伝搬させ
ても、エネルギー密度の低下をきたす恐れがなく、ま
た、ファイバの曲がりに対しても波長1.5μｍ帯の信号
光に対する増幅度を安定させることができる。従って、
GaAs、GaAlAs等の半導体レーザにより高い増幅度を得る
ことができる。

（発明の効果）以上説明したように、請求項（１）によれば、波長0.
8μｍ帯の励起光による励起によっても30dBを超える増
幅度が得られる。従って、その励起光源に民生用の0.8
μｍ帯GaAlAs半導体レーザ等を用いることにより、小型
で、経済性かつ信頼性に優れた光ファイバ増幅器を実現
できる利点がある。また、これを利用した光通信システ
ムが実現可能となる利点がある。

また、Er添加光ファイバの他端側に光アイソレータを
配置したので、この他端への戻り光の入射を阻止するこ
とができる。これにより、発振現象の発生を防止でき、
良好な増幅作用を発現できる。

また、請求項（２）によれば、Er添加光ファイバの他
端側に信号光のみを通過させる光フィルタを配置したの
で、不要な励起光や雑音となる自然放出光を取り除いて
増幅作用を受けた信号光のみを当該光ファイバ増幅器の
出力光として取り出すことができ、1.5μｍ帯信号光を
用いた雑音の少ない良好な光通信システムを実現でき
る。

また、請求項（３）によれば、上記各効果に加えて、
光合波手段の合波光出射側または励起光及び信号光入射
側における反射による発振現象の発生を防止することが
でき、より良好な増幅作用の発現を期待できる。

また、請求項（４）によれば、上記各効果に加えて、
数倍の励起出力が得られる利点がある。

また、請求項（５）によれば、上記各効果に加えて、
GaAs、GaAlAs等の半導体レーザにより高い増幅度が得ら
れる。

また、請求項（６）によれば、上記各効果に加えて、
信号光に対する増幅波長領域の拡張を図れる利点があ
る。

また、請求項（７）によれば、上記各効果に加えて、
大きな増幅度と光出力を得られる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光ファイバ増幅器の第１の実施例
を示す構成図、第２図は第１図の光ファイバ増幅器の無
偏波型光アイソレータの出射端で測定したEr添加光ファ
イバへの入射励起光強度と増幅度との関係を示すグラ
フ、第３図は本発明に係る光ファイバ増幅器の第２の実
施例を示す構成図、第４図は本発明に係る光ファイバ増
幅器の第３の実施例を示す構成図、第５図は本発明に係
る光ファイバ増幅器の第４の実施例を示す構成図、第６
図は本発明に係るEr添加光ファイバの他の構成例である
二重クラッド型Er添加光ファイバの断面図である。図中、1,1a,1b……励起光源、２……光合波手段、3,30
……Er添加光ファイバ、4,6……無偏波型光アイソレー
タ、５……光バンドパスフィルタ、７……偏光ビームス
プリッタ、８……ダイクロイックミラー、31……コア、
32……第１のクラッド、33……第２のクラッド。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】発振波長領域が0.8μｍ帯にある励起光源
と、エルビウム（Er）を所定の濃度で添加したエルビウム添
加光ファイバと、前記励起光源による励起光と1.5μｍ帯信号光を合波
し、該合波光を前記エルビウム添加光ファイバの一端に
入射する光合波手段と、前記エルビウム添加光ファイバの他端からの出射光を入
射し、通過させる光アイソレータとを備えたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項２】前記エルビウム添加光ファイバの他端から
の出射光から信号光のみを通過させる光フィルタを、前
記光アイソレータの光入射側または光出射側に設けた請
求項（１）記載の光ファイバ増幅器。
【請求項３】前記光合波手段の合波光出射側または励起
光及び信号光入射側の少なくとも一方に光アイソレータ
を配置した請求項（１）または（２）記載の光ファイバ
増幅器。
【請求項４】各々が偏波または波長が異なる励起光を出
射する複数の励起光源と、これら励起光源からの励起光
を合波し、該合波光を前記光合波手段に入射する光合波
手段を設けた請求項（１），（２）または（３）記載の
光ファイバ増幅器。
【請求項５】前記エルビウム添加光ファイバが、コアの
周囲に設けられ該コアより低屈折率の第１のクラッド
と、該第１のクラッドの周囲に設けられ該第１のクラッ
ドより低屈折率の第２のクラッドとを備えた二重クラッ
ド構造を有する請求項（１），（２），（３）または
（４）記載の光ファイバ増幅器。
【請求項６】前記エルビウム添加光ファイバが、アルミ
ニウム（Al）またはリン（Ｐ）を酸化物の形で少なくと
も１種類含み、かつ、エルビウムの添加濃度が1000ppm
以下である請求項（１），（２），（３），（４）また
は（５）記載の光ファイバ増幅器。
【請求項７】請求項（１），（２），（３），（４），
（５）または（６）記載の光ファイバ増幅器を、複数
個、多段に直列接続してなる光ファイバ増幅器。