JP3571967B2 - 高出力変換効率を有する長波長帯域向きの光ファイバ増幅器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバ増幅器に関するものであり、特に、自然放出光を二次励起光源として用いることにより高出力変換効率を有する長波長帯域（１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍ）の光ファイバ増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ：ＷＤＭ）伝送システムにおいて、広帯域で平坦化した利得を有するエルビウムドープファイバ増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＥＤＦＡ）及び従来のＥＤＦＡでは実現が困難であった長波長帯域でも動作可能な光増幅器の研究開発が重要な技術的関心事項の一つとなっている。このため、増幅光ファイバに新規物質、例えば、亜テルル酸塩基材（ｔｅｌｌｕｒｉｔｅ ｂａｓｅｄ）を使用し長波長帯域でも動作可能な光ファイバ増幅器の研究開発が進められているが、例えば、該亜テルル酸塩基材を光ファイバ増幅器に使用すると、長波長帯域の光ファイバ増幅器の要件を満たすことはできるが、その利得スペクトルが不均一となり、しかも、この問題を解決するための関連技術分野の技術水準が追いついていないことから実用化が困難となっている。
【０００３】
また、上記以外の物質として、様々な構造のシリカ基材がＥＤＦＡに用いられており、従来の増幅帯域（１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍ：Ｃ−バンド）とは異なる帯域で利得を得るための研究や、ＥＤＦ内で３０〜４０％程度の密度反転を誘導する適宜のシステム構成により１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍ（Ｌ−バンド）の長波長帯域でも光増幅が可能となるような研究も進められている。多少複雑な構成となるが、このようなＣ−バンド及びＬ−バンド増幅器を並列に配置してＥＤＦＡにシリカ基材を用いることにより、このＥＤＦＡが将来の大容量ＷＤＭ伝送システムに対して８０ｎｍ以上の広い利得帯域を有することが可能となる。しかしながら、Ｌ−バンドの光ファイバ増幅器はＥＤＦ部を長くしなければならず、また、そのために高出力ポンプ（励起光源）を必要とし、更には出力変換効率の低下を引き起こすという改善点を持つ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような事情を背景に本発明は、比較的長波長帯域における高出力変換効率の光増幅が可能な光ファイバ増幅器の提供を目的としている
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的のために本発明は、励起光の提供を受ける第１光ファイバ部分と、この第１光ファイバ部分に接続され、励起光の提供を受けない第２光ファイバ部分と、第１光ファイバ部分による自然放出光を第２光ファイバ部分の励起用に用いる再用手段と、を備える光ファイバ増幅器を提供する。
【０００６】
具体的には、Ｌ−バンドで利得を示すように長さを１３５ｍに調節したエルビウムドープ光ファイバからなる第１光ファイバ部分と、Ｌ−バンドで利得を示すように長さを５ｍ以上且つ３５ｍ以下に調整したエルビウムドープ光ファイバからなる第２光ファイバ部分と、を縦列接続し、その第１光ファイバ部分と第２光ファイバ部分との間に波長分割多重結合器を挿入することで該波長分割多重結合器から前記第１光ファイバ部分へ励起光源による励起光を提供すると共に、前記第１光ファイバ部分で生じる自然放出光を励起用として前記第２光ファイバ部分へ提供する構成とするものである。
【０００７】
上記光ファイバ増幅器において、第１及び第２光ファイバ部分の前後に位置し光信号の進行方向を一方向に誘導する光アイソレーターを備えるようにしてもよい。
【０００８】
このような光ファイバ増幅器については、第２光ファイバ部分を入力端側に、第１光ファイバ部分を出力端側にして縦列接続し、波長分割多重結合器から出力端側の前記第１光ファイバ部分へ励起光源による励起光を提供する前方向励起方式とすることができる。
【０００９】
あるいは、第１光ファイバ部分を入力端側に、第２光ファイバ部分を出力端側にして縦列接続し、波長分割多重結合器から入力端側の前記第１光ファイバ部分へ励起光源による励起光を提供する後方向励起方式とすることもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
図１及び図２は従来のシリカ基材を用いたＬ−バンドＥＤＦＡの例をそれぞれ示したブロック図である。図１における光ファイバ増幅器（以下、“第１型光ファイバ増幅器”という）は前方向励起構造を、図２における光ファイバ増幅器（以下、“第２型光ファイバ増幅器”という）は後方向励起構造をそれぞれ備えている。
【００１２】
図１の第１型光ファイバ増幅器では、入力光信号１０は、光カップラであるＷＤＭ結合器２０を介し前方向励起手段３０により励起されるＥＤＦ領域（ＥＤＦ Ｉ）と、励起されないＥＤＦ領域（ＥＤＦ ＩＩ）とに順次入力され増幅された後に出力光信号４０として出力される。一方、図２の第２型光ファイバ増幅器では、入力光信号１０は、励起されないＥＤＦ領域（ＥＤＦ ＩＩ）と、ＷＤＭ結合器２０を介し後方向励起手段３０’により励起されるＥＤＦ領域（ＥＤＦ Ｉ）とに順次入力され増幅された後に出力光信号４０として出力される。これら第１型及び第２型光増幅器では、光信号の進行方向を一方向に誘導するために入力端と出力端にそれぞれ光アイソレーター５０，５０’を備える。
【００１３】
図３及び図４は本発明の一実施形態をそれぞれ示したものであり、シリカ基材を用いたＬ−バンドのＥＤＦＡのブロック図である。図３の光ファイバ増幅器（以下、“第３型光ファイバ増幅器”という）では、入力光信号１２は、励起されないＥＤＦ領域（ＥＤＦ ＩＩ）からＷＤＭ結合器２２を通過した後、ＷＤＭ結合器２２を介し前方向励起手段３２により励起されるＥＤＦ領域（ＥＤＦ Ｉ）に入力される。一方、図４の光ファイバ増幅器（以下、“第４型光ファイバ増幅器”という）では、入力信号光１２は、ＷＤＭ結合器２２を介し後方向励起手段３２’により励起されるＥＤＦ領域（ＥＤＦ Ｉ）から出力された後、ＷＤＭ結合器２２を通過し、励起されないＥＤＦ領域（ＥＤＦ ＩＩ）に入力される。これら第３型及び第４型光ファイバ増幅器においても、光信号の進行方向を一方向に誘導するために入力端と出力端にそれぞれ光アイソレーター５２，５２’を備える。
【００１４】
図５〜図８において本例による光ファイバ増幅器の特性を示す。尚、 本発明と従来技術との特性を対比するにあたり、同一動作条件下で対比すべく第１型から第４型の光ファイバ増幅器に同一のＥＤＦを使用した。すなわち、４．５ｄＢ／ｍ の最大吸収係数を有する商業的に利用可能なアルミニウム共ドープ（Ａｌ−ｃｏｄｏｐｅｄ）光ファイバを使用し、かつ、励起されないＥＤＦ領域（ＥＤＦ ＩＩ）のその長さによる小信号利得（Ｓｍａｌｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｇａｉｎ））の依存性を分析するためにＥＤＦ Ｉの長さを１３５ｍにし、ＥＤＦ ＩＩの長さを０ｍ，５ｍ，１５ｍ，２０ｍ，２５ｍ，３５ｍに変化させて小信号利得を測定した。この対比における励起波長は９８０ｎｍで、その出力は９０ｍＷに固定した。また、光増幅器の利得を評価すべく光スペクトル分析器とともに１５９０ｎｍの中心波長を有する波長可変レーザーを用いるとともに、小信号利得、雑音指数、飽和出力強度及び出力変換効率などを正確に測定するためにそれぞれ−２０ｄＢｍ及び０ｄＢｍの強度を有する入力信号を使用した。
【００１５】
ＥＤＦの入力端側の挿入損失を正確に測定した結果、全ての場合に対して２ｄＢ以下であった。
【００１６】
図５に、ＥＤＦ ＩＩの長さを順次変化させて計測した第１型光ファイバ増幅器（ＦＩＲＳＴ ＴＹＰＥ Ｌ−ＢＡＮＤ ＥＤＦＡ），第２型光ファイバ増幅器（ＳＥＣＯＮＤ ＴＹＰＥ Ｌ−ＢＡＮＤ ＥＤＦＡ），第３型光ファイバ増幅器（ＴＨＩＲＤ ＴＹＰＥ Ｌ−ＢＡＮＤ ＥＤＦＡ），及び第４型光ファイバ増幅器（ＦＯＵＲＴＨ ＴＹＰＥ Ｌ−ＢＡＮＤ ＥＤＦＡ）の小信号利得値を示す。この結果によれば、励起されないＥＤＦ領域（ＥＤＦ ＩＩ）を有する第３型及び第４型光ファイバ増幅器は、従来の前方向及び後方向励起手段を有する第１型及び第２型光ファイバ増幅器と比べて小信号利得がＥＤＦ ＩＩの長さに強く依存するという特性が得られる。また、図６には、ＥＤＦ ＩＩの長さを順次変化させたときの第１型から第４型光ファイバ増幅器の出力変換効率（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示す。図５及び図６より、第３型光ファイバ増幅器においてＥＤＦ ＩＩの長さが３５ｍの場合に、小信号利得及び出力変換効率の値が最も高いことが確認でき、それぞれ２１．８３ｄＢ及び２１．１％である。
【００１７】
これらの値は第１型光ファイバ増幅器の場合よりそれぞれ４ｄＢ及び１１．５１％向上している。すなわち、励起レーザーダイオードの前又は後に励起されないＥＤＦ領域（ＥＤＦ ＩＩ）を位置させることにより、励起出力を効率よく利用することができるようになっている。これは、励起光と反対方向に進行する自然放出光（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＡＳＥ）を、励起されないＥＤＦ領域における１５５０ｎｍの励起源として再利用するものであり、１６００ｎｍの帯域で光子を生成させる。
【００１８】
出力変換効率を向上させるのに十分な逆進ＡＳＥの存在を証明するために、サーキュレーターを用いてＥＤＦ ＩＩのない第１型光ファイバ増幅器における逆進ＡＳＥスペクトルを測定した。図７に０．２ｎｍの分解能帯域で０ｄＢの入力信号に対する逆進ＡＳＥスペクトルを測定した結果を示す。−２５ｄＢｍ／０．２ｎｍ以上の光出力を示す波長領域、すなわち、１５２０ｎｍから１５６５ｎｍまでの波長領域では全体的に２０．５９ｍＷ程度の強い逆進ＡＳＥ出力を示した。より弱い−２０ｄＢｍの入力信号が光ファイバ増幅器に入射された場合、全体励起出力の３０％に至る２８．９ｍＷ程度のより強い全体逆進ＡＳＥ出力を確認することができた。このことから、より弱い出力強度及び１５５０ｎｍの帯域信号を有するＬ−バンド増幅においては、ＡＳＥ出力レベルはＬ−バンドを増幅するのに十分である。なお、１５９０ｎｍ付近のピークは入力光信号のレイリー後方散乱（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｂａｃｋ−ｓｃａｔｔｅｒｅｄ）部分により発生するものと考えられる。
【００１９】
図８に、ＥＤＦ ＩＩの長さを順次変化させて第１型から第４型光ファイバ増幅器の１５５０ｎｍ帯域における第２レベル励起に対する雑音指数（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｎｏｉｓｅ Ｉｎｄｅｘ）を測定した結果を示す。前方向励起手段を有する第１型及び第３型光ファイバ増幅器は後方向励起手段を有する第２型及び第４型光ファイバ増幅器より優れた性能を示す。また、第２型光ファイバ増幅器は他光ファイバ増幅器に比べて雑音指数が非常に高く、ＥＤＦ ＩＩの長さによる雑音指数も急激に増加するため、Ｌ−バンドＥＤＦＡとして使用するには不適当である。第３型光ファイバ増幅器が第１型光ファイバ増幅器よりも雑音指数面に関し低特性を示すのは、励起されないＥＤＦ部分で１６００ｎｍの励起に用いられる逆進ＡＳＥ波長において大きい放射断面積が存在するからである。第４型光ファイバ増幅器にあっても励起されないＥＤＦ部分を有するため、ＥＤＦＡ全体の後方部で雑音に鈍感であり、雑音指数に対する影響は確認されない。
【００２０】
従来では、増幅器飽和現象を引き起こすことから、十分なＬ−バンド信号利得を得るためには、ＡＳＥを抑制すべきとされていた。これに対し本発明によれば、励起されないＥＤＦ領域に対する励起源としてＡＳＥを利用するという発想の転換により、信号利得及び励起出力効率を向上させ、１５７０ｎｍから１６１０ｎｍまでの波長領域で光信号増幅に使用可能な高出力変換効率を有する光ファイバ増幅器を提供する。
【００２１】
雑音指数面では１ｄＢ分の損失があったが、９．６％から２１．１％に至る出力変換効率の向上及び最大４ｄＢの小信号利得増加という結果を得た。性能向上は、励起されないＥＤＦ部分を通して１４８０ｎｍの励起を行った場合にも確認されたが、これは本発明の光ファイバ増幅器がどのような励起波長にも適用可能であるということを示す。したがって、ＡＳＥを励起源として再使用する本発明の基本概念は光増幅器の性能向上のみならず、励起出力の経済的な使用面でも実用的なＬ−バンドＥＤＦＡの開発に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリカ基材を用いたＬ−バンドＥＤＦＡの従来例を示したブロック図。
【図２】シリカ基材を用いたＬ−バンドＥＤＦＡの他の従来例を示したブロック図。
【図３】本発明のシリカ基材を用いたＬ−バンドＥＤＦＡの実施形態を示したブロック図。
【図４】本発明のシリカ基材を用いたＬ−バンドＥＤＦＡの他の実施形態を示したブロック図。
【図５】励起されないＥＤＦ領域（ＥＤＦ ＩＩ）の長さを順次変化させて測定した第１型から第４型光ファイバ増幅器の小信号利得を示したグラフ。
【図６】励起されないＥＤＦ領域（ＥＤＦ ＩＩ）の長さを順次変化させて測定した第１型から４型光ファイバ増幅器の出力変換効率を示したグラフ。
【図７】出力変換効率を向上させ得るＡＳＥの存在を証明するために測定したＡＳＥスペクトルのグラフ。
【図８】励起されないＥＤＦ領域（ＥＤＦ ＩＩ）の長さを順次変化させて測定した第１型から第４型光ファイバ増幅器の雑音指数を示したグラフ。

Claims (4)

1. Ｌ−バンドで利得を示すように長さを１３５ｍに調節したエルビウムドープ光ファイバからなる第１光ファイバ部分と、Ｌ−バンドで利得を示すように長さを５ｍ以上且つ３５ｍ以下に調整したエルビウムドープ光ファイバからなる第２光ファイバ部分と、を縦列接続し、その第１光ファイバ部分と第２光ファイバ部分との間に波長分割多重結合器を挿入することで該波長分割多重結合器から前記第１光ファイバ部分へ励起光源による励起光を提供すると共に、前記第１光ファイバ部分で生じる自然放出光を励起用として前記第２光ファイバ部分へ提供するようにしたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
2. 第１及び第２光ファイバ部分の前後に位置し光信号の進行方向を一方向に誘導する光アイソレーターを備える請求項１に記載の光ファイバ増幅器。
3. 第２光ファイバ部分を入力端側に、第１光ファイバ部分を出力端側にして縦列接続し、波長分割多重結合器から出力端側の前記第１光ファイバ部分へ励起光源による励起光を提供する前方向励起方式とした請求項１又は請求項２記載の光ファイバ増幅器。
4. 第１光ファイバ部分を入力端側に、第２光ファイバ部分を出力端側にして縦列接続し、波長分割多重結合器から入力端側の前記第１光ファイバ部分へ励起光源による励起光を提供する後方向励起方式とした請求項１又は請求項２記載の光ファイバ増幅器。

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