JP2756510B2

JP2756510B2 - 広帯域ファイバレーザ媒質及びこれを用いた光増幅器

Info

Publication number: JP2756510B2
Application number: JP2084595A
Authority: JP
Inventors: 智規須川; 義昭宮島; 哲郎小向
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1998-05-25
Anticipated expiration: 2013-05-25
Also published as: JPH03283687A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の属する技術分野）本発明は光ファイバ型の発光素子として用いられるフ
ァイバレーザ媒質及びこれを用いた光増幅器に関するも
のである。

（従来の技術および問題点）光通信システムは他の通信システムと異なり、中継距
離を長くとれ、電磁誘導対策が不要であり、高密度な情
報を速く伝播できる等多くの利点を有しているため通信
システムとしてその地位を確立しつつある。近年におい
ては光通信システムの高性能化である長距離化、大容量
化をめざし、光ファイバ自体のコア及びクラッドの材料
開発、並びに発光受光素子、光増幅器等の光素子の開発
が盛んに進められている。

ところで現在実用化されている光ファイバ通信システ
ムにおいては光ファイバの損失による光信号の減衰を補
償するために一定距離毎に中継器を挿入しているが、そ
こでは光信号をフォトダイオードにより電気信号に変換
して、電子増幅器により信号を増幅した後、半導体レー
ザ等により光信号に変換し、光ファイバ伝送路に再び送
り出す。そこで光信号を電気信号に変換せず光のまま増
幅するErドープ石英ファイバ増幅器が開発された。Erド
ープ石英ファイバ増幅器は励起光により高いエネルギ準
位に励起された光ファイバ中のEr原子に信号光が入って
くると誘導放出が生じ信号光のパワーが光ファイバに沿
って次第に大きくなるものである。この増幅器では鋭く
高い利得を有する1.535μｍと低い利得だが帯域のやや
広い1.552μｍに利得のピークが存在する。ピーク利得
の3dB減の波長幅で定義される増幅帯域は1.535μｍ、1.
552μｍにおいてそれぞれ３〜5nm、10nmであり、WDM（W
ave Division Multiplexing）等の応用を考えた場合、
増幅帯域の狭いことが問題である。したがって、広い増
幅帯域にわたり、高い増幅特性を示す光増幅器を開発す
る必要があり、その実現が要望されている。

さらにまたErドープ石英ファイバ光増幅器ではErを高
濃度にドープしていくとクラスタ化が起こり、増幅特性
の劣化が起こる。このためErドープ石英ファイバ光増幅
器では媒質中のEr濃度を数10ppm程度に抑え、媒質であ
るファイバの長さを数10mにして大きな利得を得てい
る。しかしながらファイバが数10mもあると実用に際し
コンパクト化が難しく、中継器等に挿入した場合を考え
るとできるだけ小さい方が望ましい。したがって、広い
増幅帯域、大きな利得を有するのみならず短い媒質長で
コンパクトに作られた光増幅器を開発する必要があり、
その実現が要望されている。

（発明の目的）本発明の目的は、レーザ光の発振波長が1.5〜1.6μｍ
であり、しかも光ファイバ形状を有するファイバレーザ
媒質及びそれを用いたコンパクトな広帯域光増幅器を提
供することにある。

（発明の構成）本発明者らは、上記問題点を解決するものとして、Er
をEr³⁺として含有したフッ化物ガラスファイバをレーザ
媒質として用いると広い波長域で光を発振でき、しかも
光ファイバとの接続が容易で広帯域な光増幅器としても
使用できることを見い出した。

さらにフッ化物ガラスファイバのEr固溶限が石英ガラ
スファイバより大きいことにより、クラスタ化が抑えら
れ、その結果短くコンパクトな光増幅器が実現できるこ
とを見い出した。

すなわち、本発明に従うとコア部がEr³⁺を含有し、赤
外波長の発振光を得ることを特徴とするフッ化物ガラス
ファイバレーザ媒質が提供される。

さらに本発明に従うと光信号を伝播する手段と励起光
を伝播する手段と該光信号及び励起光を伝播する手段に
接続する光学的合波器と増幅媒体である光ファイバとを
具備する光増幅器であり、該光ファイバはコア部がEr³⁺
を含有し、赤外波長の光を増幅させることを特徴とする
光増幅器が提供される。

本発明においてファイバレーザ媒質に含有するErはフ
ァイバ中においてEr³⁺の形で存在し、Er³⁺の３準位系の
電子励起状態間の遷移に基づいて赤外線レーザ発振をさ
せることを目的とするものである。Er³⁺濃度は、好まし
くは1mol％以下であるのがよい。1mol％を越えると、フ
ァイバ媒質の特性が劣化するからである。

本発明において、ファイバレーザ媒質としてはたとえ
ばZrF₄−BaF₂−LaF₃−AlF₃等のフッ化物ガラス等の材料
を主成分とする光ファイバを使用する。

本発明に従うファイバレーザ媒質としてはファイバに
前記のZrF₄−BaF₂−LaF₃−AlF₃系フッ化物ガラスを主成
分として使用する場合は、好ましくはZrF₄＝50〜58mol
％、BaF₂＝33〜36mol％、LaF₃＝３〜6mol％、AlF₃＝２
〜5mol％及びErF₃＝10000ppm（1mol％）以下であるのが
よい。この組成範囲を逸脱すると優れた特性がでにくい
恐れがあるからである。

また同ガラス材料をファイバにする際にファイバの形
状はコア径、クラッド径がそれぞれ5.5〜11μｍ、125μ
ｍであるのがよい。上記範囲を逸脱すると、ファイバ媒
体としての特性が悪化する恐れがある。

また、カットオフ波長が1.45μｍであるファイバが好
適である。

本発明の赤外線ファイバレーザ媒質を用いたファイバ
レーザの発振方法としてはファイバレーザ媒質をレーザ
発振波長λがＬ＝（λ/2）ｎを満足するような所定の長
さＬに切断し、この両断面に反射率が90％程度になるよ
うにAu、Ag、Al等を蒸着し、その両方の蒸着量を制御し
てハーフミラーとし、レーザ出力部を構成する。このフ
ァイバを固定し、ハーフミラーを介してファイバの軸方
向から励起光を照射してレーザ発振させることができ
る。励起光としては1.48μｍに発光帯を有するGaInAsP
高出力半導体レーザまたは0.98μｍに発光帯を有するIn
GaAs高出力半導体レーザが用いられる。

また、以上説明したファイバレーザ媒質は光増幅器と
して使用できる。光増幅器として使用するには励起光を
照射しておきレーザ媒質に該レーザ媒質の発振波長と同
じ波長の光信号を入射すればよい。

この際、光信号は反転分布の生じているレーザ媒質中
を誘導放出現象を伴いながら通過するため、該光信号と
同じ波長の光を発生させる。このためレーザ媒質から増
幅した信号を取り出すことができる。このときレーザ媒
質としてフッ化物ガラス材料にErをドープしている点が
従来の石英ガラスにErをドープした光増幅器と異なる。
フッ化物ガラス材料は石英ガラスよりも材料物性的に、
Er原子を多く固溶することができ、従って石英ガラスよ
りも単位長さ当たりのEr濃度を大きくすることが可能で
ある。そのため石英ガラスファイバで問題となっている
Er濃度を上げられないことにより長くファイバを使用せ
ざるを得ないという問題が解決できる。すなわちErドー
プ石英ファイバ光増幅器よりも、より小型化が期待され
る。

さらにフッ化物ガラスは多成分ガラスであり、ドープ
されたEr原子は母材から受ける結晶場の影響が複雑であ
るためEr原子の有するエネルギ準位に広がりを生じる。
その結果発光スペクトルがErドープ石英ガラスの場合よ
り広がり増幅帯域も広くとることができる。このため増
幅媒体から増幅した信号を広い帯域にわたり取り出すこ
とができる。

（実施例１） ZrF₄＝57mol％、BaF₂＝34mol％、LaF₃＝5mol％、AlF₃
＝4mol％及びErF₃＝1000ppmのファイバーレーザ媒質を
同ガラス材料を約1mの長さとなるように切断した。ファ
イバにする際にファイバの形状はコア径、クラッド径が
それぞれ6.5μｍ、125μｍとし、コア部とクラッド部と
の比屈折率差が0.5％で、かつカットオフ波長が1.45μ
ｍとした。

ファイバレーザ媒質を切断の際ファイバの長軸に対し
て垂直な切断面が得られるように切断した。そして両端
面にAu、Ag、Alのいずれかを反射率が少なくとも約90％
になるように蒸着させ、一方蒸着量を制御してハーフミ
ラーとし、他方を全反射ミラーとしてレーザ発振に必要
な共振器を作製した。

第１図はこのようにして得られた本発明のファイバレ
ーザ媒質を使用したレーザ装置の構成を示す。ファイバ
レーザ媒質１の一端に励起光源２として発振波長1.48μ
ｍのGaInAsPまたは発振波長0.98μｍのInGaAsの高出力
半導体レーザを備える。この際レーザ発振強度が最大と
なるように半導体レーザを配置する。

上記のように半導体レーザ２から照射することでファ
イバレーザ媒質１中のEr³⁺が励起され、輻射を伴った遷
移で発光する。その発光スペクトルのうち、共振器長、
すなわちハーフミラー及び全反射ミラーの間隔で決定さ
れる関係や満足する波長だけが選択的に増幅され、レー
ザ発振し、ハーフミラーを通してレーザ出力される。

（実施例２）次に実施例１で得られている本発明のファイバレーザ
媒質を使用した光増幅器を説明する。

第２図は本発明の光増幅器の一具体例を示す概略図で
ある。

図示の装置は光信号であるレーザ光（光信号）６を伝
送する光ファイバ５とレーザ媒質１を励起する励起光源
用半導体レーザ２と励起光を伝送するための光ファイバ
４と、それらの光ファイバ４、５を結合する合波器３
と、該合波器３の末端に当接した本発明のファイバレー
ザ媒質１とを備えるものである。また光信号であるレー
ザ光６は本発明のファイバレーザ媒質１により発振する
レーザ光と同じ波長のレーザ光である。また励起光２は
本発明のフッ化物ガラスレーザ媒質１を励起するための
光源である。

このような光増幅器を用いて光信号を増幅するために
は、まずレーザ光２を光ファイバ４を通して合波器３に
入力し、レーザ媒質１が反転分布を生じるようにレーザ
光２の出力を増加する。レーザ媒質１が反転分布する強
度にしておき、光信号を光ファイバ５を通して合波器３
に入力する。このような操作により、レーザ媒質１の末
端から増幅された光信号を取り出すことができる。この
とき各信号波長に対しての該光増幅器を用いた利得特性
を第３図に示されている。

第３図において、で、36mW（符号ａ）および55mW（符号ｂ）の二種、で、55mW（符号ｃ）の合計三種の測定を行なった結果を
示している。

ベースに石英系ファイバを用いた場合、1.5μｍ〜1.6
μｍ帯における増幅帯域が、1.530μｍの利得値の3dB減
での値間の波長間隔で定義されるとすると、10nm程度で
あるが、本実施例では、いずれも約40nmと広いことが注
目されている。

（発明の効果）以上説明したように、本発明のファイバレーザ媒質は
光ファイバ用発光素子であり、光ファイバとの接続も容
易である。

また本発明のファイバレーザ媒質は光ファイバの中継
点で連結して光増幅器としても利用することができるた
め非常に有用である。

さらに本発明による光ファイバ型増幅器は従来のErド
ープ石英ファイバ光増幅器に比べて広い帯域を有してお
り、例えばWDMシステム等に挿入された光増幅器として
非常に有用なものである。

また本発明のファイバレーザ媒質は石英ガラス材料と
異なりフッ化物ガラス材料であるためEr原子濃度を大き
くすることができ、そのため媒質長も短くすることがで
きるので小型、コンパクトな光増幅器が作製できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ媒質を使用してレーザ装置を構
成した一具体例、第２図は本発明の光増幅器の一例の概
略図、第３図は本発明の光増幅器の光増幅特性である。１……ファイバレーザ媒質、２……半導体レーザ（励起
光）、３……合波器、4,5……光ファイバ、６……レー
ザ光。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ZrF₄が50〜58mol％、BaF₂が33〜36mol％、
LaF₃が３〜6mol％の組成比を有するフッ化物ガラスのコ
ア部とこのコア部周囲に設けられたフッ化物ガラスのク
ラッド部を有するファイバレーザ媒質において、前記コ
ア部がEr³⁺を含有し、1.5〜1.6μｍ帯の発振光を得るこ
とを特徴とする広帯域ファイバレーザ媒質。
【請求項２】光信号を伝播する手段と励起光を伝播する
手段を該光信号および励起光を伝播する手段に接続する
光学的合波器と増幅媒体である請求項１記載のファイバ
ーレーザ媒質とフッ化物ファイバを具備する光増幅器で
あって、該フッ化物光ファイバはコア部がEr³⁺を含有
し、1.5〜1.6μｍ帯の発振光を得ることを特徴とする広
帯域でコンパクトな光増幅器。