JP4094126B2 - 希土類ドープ光ファイバ及びそれを用いた光ファイバ増幅器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号の直接増幅を行うための希土類ドープ光ファイバ及び光ファイバ増幅器に関し、特に、波長多重信号光の増幅を行なう場合に好適な希土類ドープ光ファイバ及びそれを用いた光ファイバ増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の光通信システムでは、光ファイバのコア部に希土類元素をドープした光増幅用ファイバ（希土類元素ドープファイバ）を用いて光信号の直接増幅を行う光ファイバ増幅器が広く利用されている。従来の光ファイバ増幅器としては、例えば、エルビウム（Ｅｒ）をドープしたエルビウムドープファイバ（以下、ＥＤＦとする）に励起光を供給し、励起されたＥＤＦ内のエルビウムの誘導放出現象により光信号を増幅するものなどが知られている。
【０００３】
また、光通信システムの大容量化を実現する方法として、１つの伝送路に波長の異なる複数の信号光を多重化して伝送する波長多重（ＷＤＭ）光伝送システムが注目されている。このようなＷＤＭ光伝送システムの中継器として光ファイバ増幅器を使用すれば、ＷＤＭ信号光を一括して増幅することが可能となり、簡素な構成による大容量かつ長距離の光伝送が実現される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光ファイバ増幅器をＷＤＭ光伝送システムで使用する場合には、光ファイバ増幅器への入力光パワーが大きくなるため、例えば４光波混合などの非線形光学現象による波形劣化が問題となる。
一般に、４光波混合は、光ファイバに入力される光パワーが一定の値を超えると発生するようになる。その発生の割合は、パワーの大きな光信号が伝送される光ファイバの長さに比例して高くなるとともに、その光ファイバの実効光伝送断面積が狭くなる程高くなる。従って、使用する光ファイバに応じて入力光パワーの上限値を設定することによって、４光波混合の発生を防ぐことは可能となる。
【０００５】
例えば、長さが数１０ｋｍで実効光伝送断面積が５０μｍ2 の分散シフトファイバ（ＤＳＦ）をＷＤＭ光伝送システムにおいて使用した場合、４光波混合の発生を防ぐためには、分散シフトファイバへの入力光パワーを−５ｄＢｍ以下に設定する必要がある。
上記の値を基に光ファイバ増幅器について考えてみると、光ファイバ増幅器に用いられるＥＤＦ等の光増幅用ファイバは、一般に、その長さが数１０ｍで実効光伝送断面積が１３μｍ2 程度である。このため、上記分散シフトファイバの場合と比較すると、長さが約１／１０００倍となり、実効光伝送断面積が約１／４倍となる。従って、ＥＤＦにおける４光波混合が発生する割合は、分散シフトファイバの場合に対し、長さに関して約１／１０００倍となり、実効光伝送断面積に関して約４倍となる。
【０００６】
ここで、４光波混合の発生を防ぐための入力光パワーの上限値Ｐは、使用する光ファイバの長さＬ及び実効光伝送断面積Ａeff について、次の（１）式に示すような関係があることが知られている。
Ｐ∝（Ａeff ／Ｌ）1/2 …（１）
上記（１）式の関係を用いて、ＥＤＦの場合の入力光パワーの上限値を推定すると、分散シフトファイバの場合の上限値よりも約１２ｄＢ大きくなるので、ＥＤＦにおける上限値は＋７ｄＢｍ程度と考えられる。
【０００７】
しかしながら、ＥＤＦを用いた光ファイバ増幅器がＷＤＭ光伝送システムの中継器として使用される場合には、ＥＤＦ内で増幅されるＷＤＭ信号光のパワーが上記の上限値を超えてしまう可能性がある。即ち、ＥＤＦ内では、図８に示すように、一端に入射されたＷＤＭ信号光がファイバ長手方向に伝搬されるのに伴って、その光パワーが増大していく。このため、入射端では光パワーが上限値以下であっても、出射端に到達する手前で光パワーが上限値を超えてしまうことがある。従って、信号光パワーが上限値を超えた地点から信号光出射端までの間を、ＷＤＭ信号光が増幅されながら伝搬することで、４光波混合が発生してＷＤＭ信号光の波形が劣化するおそれがある。
【０００８】
ところで、ＥＤＦ内の４光波混合の発生は、（１）式の関係からも判断できるように、ＥＤＦ長を短くすることによって抑えられる。ただし、同等の利得を保ったままＥＤＦ長を短くするためには、ＥＤＦの信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射を大きくしなければならない。これを実現する方法としては、例えば、エルビウム濃度の高いＥＤＦを用いたり、エルビウムドープ径の大きいＥＤＦを用いることなどが考えられる。
【０００９】
しかし、エルビウム濃度を高くすると、エルビウムイオン間のエネルギー交換が起こり、ＥＤＦの励起効率が低下する濃度消光が生じてしまう。なお、現状のＥＤＦでは、エルビウム濃度の標準を５００ｐｐｍ程度としている。また、エルビウムドープ径を大きくすると、励起光のエネルギー密度が低く励起効果が小さい部分に、エルビウムがドープされることになるため、エルビウム濃度を上げた場合と同様に、ＥＤＦの励起効率低下を招くことになる。
【００１０】
このように、４光波混合の発生を抑えるためにＥＤＦ長を短くすることと、ＥＤＦの増幅特性を劣化させないこととは相反するものであるため、その両方を同時に実現することは困難であった。
本発明は上記の点に着目してなされたもので、ＷＤＭ信号光の増幅を行う場合においても、励起効率の低下を抑えながら四光波混合の発生による波形劣化を低減させた希土類ドープ光ファイバ及びそれを用いた光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の希土類ドープ光ファイバは、波長の異なる複数の信号光を含んだ波長多重信号光が入力され、少なくとも１つの励起光源からの励起光により励起される希土類ドープ光ファイバであって、信号光入射側に位置する第１の領域及び信号光出射側に位置する第２の領域を有し、前記第１の領域と前記第２の領域の境界は、前記第１の領域において四光波混合が発生しない位置であって、入射される信号光パワーが、使用する光ファイバの長さ及び実効光伝送断面積に基づいて算出される四光波混合の発生を防ぐための入力光パワーの上限値に達するまでの長さと等しくなるように設定され、前記第２の領域は、前記波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射、並びに、コア径が、前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の光ファイバ増幅器は、希土類元素をドープした希土類ドープ光ファイバと、励起光を発生する少なくとも１つの励起光源と、該励起光源からの励起光を前記希土類ドープ光ファイバに入力する少なくとも１つの合波部と、を備え、波長の異なる複数の信号光が多重化された波長多重信号光を一括して増幅する光ファイバ増幅器において、前記希土類ドープ光ファイバは、信号光入射側に位置する第１の領域及び信号光出射側に位置する第２の領域を有し、前記第１の領域と前記第２の領域の境界は、前記第１の領域において四光波混合が発生しない位置であって、入射される信号光パワーが、使用する光ファイバの長さ及び実効光伝送断面積に基づいて算出される四光波混合の発生を防ぐための入力光パワーの上限値に達するまでの長さと等しくなるように設定され、前記第２の領域は、前記波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射、並びに、コア径が、前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする。
【００１３】
かかる構成の希土類ドープ光ファイバや光ファイバ増幅器では、励起光の供給により励起状態とされた希土類ドープ光ファイバの一端に波長多重信号光が入射されると、その信号光は、まず第１の領域内を通って境界位置に達する間に、例えば４光波混合等の非線形光学現象が発生可能な光パワーレベルまで増幅される。さらに、増幅された信号光は、第２の領域を通過することによって所要の光パワーまで増幅される。信号光が第２の領域を通過する際、その光パワーが大きいため四光波混合が発生するようになるが、第２の領域における波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射、および、コア径が、前記第１の領域よりも大きな構造を備えることで、四光波混合が発生し難くなる。これによって四光波混合による信号光の波形劣化が低減されるようになる。
【００１４】
第２の領域を非線形光学現象の発生を抑圧可能な構造とするためには、第２の領域は、波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射が、前記第１の領域よりも大きくなるようにしてもよい。具体的には、第２の領域について、希土類元素のドープ濃度が第１の領域よりも高くなるようにしたり、希土類元素のドープ径が第１の領域よりも大きくなるようにしたりするのが好ましい。
【００１５】
かかる構成とすることで、励起効率の低下を抑えながら第２の領域のファイバ長を短くすることができるため、非線形光学現象が発生し難くなる。
第２の領域の他の構造としては、モードフィールド径が第１の領域よりも大きくなるようにしてもよい。モードフィールド径を大きくすることによって、第２の領域内の光パワー密度が低くなるため、非線形光学現象が発生し難い構造となる。
【００１６】
第２の領域の他の構造としては、比屈折率差が第１の領域よりも小さくなるようにしてもよい。比屈折率差を小さくすると実効光伝送断面積が大きくなり、非線形光学現象の発生が抑えられるようになる。
第２の領域の他の構造としては、波長分散が第１の領域よりも大きくなるようにしてもよい。波長分散の大きいファイバ内では非線形光学現象が発生し難いため、信号光の波形劣化が低減されるようになる。
【００１７】
また、直列に接続された前段光ファイバ増幅部および後段光ファイバ増幅部を有し、前記後段光ファイバ増幅部に適用される後段用希土類ドープ光ファイバを伝播する信号光のパワーが非線形光学現象の発生し得るレベルに達している光ファイバ増幅器について、前記後段用希土類ドープ光ファイバに、上述したような各構造の希土類ドープ光ファイバを適用してもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。
図１において、本光ファイバ増幅器１０は、例えば、希土類ドープ光ファイバとしてのエルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）１と、励起光を発生する励起光源２と、該励起光源２から出射される励起光をＥＤＦ１に供給する合波部としての合波器３と、を備えて構成される。
【００１９】
ＥＤＦ１は、エルビウム濃度の異なる第１、２の領域１Ａ，１Ｂを有する。ここでは、領域１ＡがＥＤＦ１の長手方向に対して信号光入射側（図で左側）に位置し、領域１Ｂが信号光出射側（図で右側）に位置する。領域１Ａには、例えば、エルビウム濃度を５００ｐｐｍとし、モードフィールド径（ＭＦＤ）を６μｍとし、エルビウムドープ径を３μｍとしたＥＤＦ素線などが用いられる。この領域１Ａの素線は、従来の光ファイバ増幅器で一般に使用されているものと同様である。一方、領域１Ｂには、例えば、エルビウム濃度を１０００ｐｐｍとし、モードフィールド径を６μｍとし、エルビウムドープ径を３μｍとしたＥＤＦ素線などが用いられる。
【００２０】
上記各領域１Ａ，１ＢのＥＤＦ素線間はスプライスまたは光コネクタ等によって接続され、これにより１本のＥＤＦ１が形成される。また、各領域１Ａ，１Ｂの長さは、ＥＤＦ１に入射された信号光パワーが、上述した４光波混合の発生を防ぐための入力光パワーの上限値Ｐに達するまでの長さに応じて設定される。具体的な設定については後述する。
【００２１】
励起光源２は、ＥＤＦ１内のエルビウムを励起可能な、例えば波長が０．９８μｍ帯や１．４８μｍ帯等の励起光を発生する公知の光源である。
合波器３は、励起光源２からの励起光を外部からのＷＤＭ信号光Ｓと合波してＥＤＦ１に送る。ここでは、励起光とＷＤＭ信号光ＳとがＥＤＦ１内を同一方向に伝搬する前方励起型とした場合の構成が示してある。
【００２２】
上記のような構成の光ファイバ増幅器１０では、励起光源２で発生した励起光が合波器３を介してＥＤＦ１に供給され、ＥＤＦ１の各領域１Ａ，１Ｂが励起状態とされる。そして、外部からのＷＤＭ信号光Ｓが光ファイバ増幅器１０の入力ポートＩＮに入射されると、その信号光Ｓが合波器３を介してＥＤＦ１の一端に送られる。
【００２３】
ここでは、ＷＤＭ信号光Ｓとして、例えば、１５３５ｎｍ〜１５６５ｎｍの波長帯に３２波の信号光が多重化された場合を考える。また、ＥＤＦ１における増幅条件として、例えば、入力されるＷＤＭ信号光の最大パワーを−５ｄＢｍと想定し、増幅後の出力信号光パワーを１２ｄＢｍと設定した場合を考える。なお、本発明におけるＷＤＭ信号光の設定は上記の場合に限られるものではない。
【００２４】
図２は、ＥＤＦ１内における信号光パワーの変化を長手方向について示した図である。
図２に示すように、ＥＤＦ１の一端に入射された−５ｄＢｍのＷＤＭ信号光Ｓは、領域１Ａを伝搬するのに伴って、励起されたエルビウムの誘導放出作用により増幅される。そして、入射端からおよそ１１ｍ付近のところまで到達した時点で、ＥＤＦ１内の信号光パワーが７ｄＢｍに達する。上述したように、光パワーが７ｄＢｍ（ＥＤＦにおける４光波混合の発生を防ぐ上限値）を超えると、ＥＤＦ１内で４光波混合が発生するようになり、その発生の割合は、７ｄＢｍ以上に増幅された信号光の伝搬するＥＤＦ長が長くなる程大きくなる。
【００２５】
図２の破線で示した曲線は、入射端から１１ｍより先の部分にも領域１Ａと同様のＥＤＦ素線を接続した場合（従来の光ファイバ増幅器で用いられるＥＤＦと同様）を想定したときに、出力信号光パワーが１２ｄＢｍとなるまでの変化を示したものである。このように、ＥＤＦ１全体を同一の素線として所要の出力光パワーを得ようとすると、上限値を超えた大きなパワーの信号光がＥＤＦ１内を伝搬する距離が長くなるため、４光波混合による波形劣化が発生し易くなる。
【００２６】
そこで、ＥＤＦ１内の信号光パワーが７ｄＢｍに達する信号光入射端から約１１ｍの部分を境界として、ＥＤＦ１の素線をエルビウム濃度が高いものに変更することで、上限値を超えた大きなパワーの信号光がＥＤＦ１内を伝搬する距離を短くする。即ち、ＥＤＦ１の入射端から約１１ｍまでの部分を領域１Ａとし、該１１ｍから先の部分を領域１Ｂとする。領域１ＢのＥＤＦ素線は、領域１ＡのＥＤＦ素線に比べてエルビウム濃度が高いため、ＷＤＭ信号光Ｓに対する単位長さ当たりの吸収及び放射が大きくなる。これにより、７ｄＢｍを超えた信号光パワーを所要の出力レベルまで増幅するのに必要なＥＤＦの長さが、同一のＥＤＦ素線を用いた場合と比べて、ここでは約１／４程度に短縮される。従って、４光波混合の発生する割合が小さくなって、ＷＤＭ信号光の波形劣化が低減されるようになる。
【００２７】
このように第１の実施形態によれば、ＥＤＦ１に入力されたＷＤＭ信号光Ｓのパワーが、４光波混合の発生を防ぐ上限値を超えると想定される地点を境界として、その境界よりも信号光出射端側のＥＤＦ素線を単位長さ当たりの吸収及び放射が大きいものとすることによって、同一のＥＤＦ素線でＥＤＦ１を構成したときに近い増幅特性を維持しながら４光波混合の発生を抑えることができる。従って、４光波混合による波形劣化の改善を図ったＷＤＭ光伝送システム用の光ファイバ増幅器を提供することが可能となる。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態の光ファイバ増幅器は、上述した第１の実施形態で用いたＥＤＦ１について、領域１ＡのＥＤＦ素線に対して領域１ＢのＥＤＦ素線のエルビウムドープ径を大きくしたものである。図３には、各領域１Ａ，１Ｂのファイバ断面及びエルビウムドープ状態を示す。
【００２９】
具体的には、領域１Ａ，１Ｂのモードフィールド径を６μｍとし、領域１Ａのエルビウムドープ径を３μｍ、領域１Ｂのエルビウムドープ径を５μｍとする。また、エルビウムのドープ濃度は、領域１Ａ，１Ｂともに５００ｐｐｍとする。このような光ファイバ増幅器では、領域１Ｂの素線のエルビウムドープ径を広げたことで、伝搬する信号光のうちでエルビウムで吸収及び放射を受ける光の割合が増えるため、単位長さ当たりの吸収及び放射が増加する。
【００３０】
従って、上述の図２と同様に、４光波混合の発生するレベルに達した信号光を増幅する光増幅用ファイバとして、図３に示した領域１Ｂの光ファイバを用いることで４光波混合の発生を抑圧することができる。
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態の光ファイバ増幅器は、第１、２の実施形態で用いられるＥＤＦ１を組み合わせたものである。図４には、第３の実施形態で用いられるＥＤＦ１の各領域１Ａ，１Ｂのファイバ断面及びエルビウムドープ状態を示す。
【００３１】
具体的には、領域１Ａ，１Ｂのモードフィールド径を６μｍとし、領域１Ａのエルビウムドープ径を３μｍ、領域１Ｂのエルビウムドープ径を５μｍとし、領域１Ａのエルビウムドープ濃度を５００ｐｐｍ、領域１Ｂのエルビウムドープ濃度を１０００ｐｐｍとしたものである。
このようなＥＤＦ１を用いることで、領域１Ｂは、領域１Ａよりもエルビウムドープ濃度が高く、かつ、エルビウムドープ径が広いため、領域１Ｂの長さを一層短くすることができる。従って、４光波混合の発生をより効果的に抑圧することができる。
【００３２】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
第４の実施形態の光ファイバ増幅器は、上述したＥＤＦ１の領域１Ｂについて、そのＥＤＦ素線のモードフィールド径を、領域１ＡのＥＤＦ素線のモードフィールド径より大きくすることで、４光波混合の発生を抑えるようにしたものである。領域１Ｂに用いるＥＤＦ素線が異なること以外の第４の実施形態の構成は、第１の実施形態の構成と同様であるため、その説明を省略する。
【００３３】
上記領域１ＢのＥＤＦ素線には、例えば、エルビウム濃度を５００ｐｐｍとし、モードフィールド径を１０μｍとし、エルビウムドープ径を４μｍとしたものが用いられる。なお、領域１ＡのＥＤＦ素線は、第１の実施形態の場合と同様である。図５には、各領域１Ａ，１Ｂについて、ファイバ断面方向のエルビウムドープ状態を示しておく。
【００３４】
ＥＤＦ１内の光パワーが７ｄＢｍ以上となる領域１Ｂについて、ＥＤＦ１のモードフィールド径を６μｍから１０μｍへと大きくすることによって、領域１Ｂにおける光パワー密度が領域１Ａにおける光パワー密度のおよそ１／３倍となるため、領域１Ｂでの４光波混合が起こり難くなる。また、ここでは、領域１Ｂにおけるエルビウムドープ径を３μｍから４μｍへと大きくしているため、領域１ＢのＥＤＦ素線長を長くしなくとも、信号光パワーを所要のレベルまで増幅することが可能である。
【００３５】
このように第４の実施形態によれば、領域１Ｂのモードフィールド径を領域１Ａよりも大きくすることでも、第１の実施形態の効果と同様に４光波混合の発生を抑えて信号光の波形劣化を低減することができる。
なお、ここでは領域１Ａ，１Ｂの各エルビウムドープ径を異なるようにしているが、領域１Ａ，１Ｂの各エルビウムドープ径を同じにし、領域１Ｂのモードフィールド径を領域１Ａよりも大きくしただけでも、４光波混合の発生を抑圧する効果は得られる。さらに、上述した第１〜３の各実施形態と第４の実施形態を組み合わせて効果を上げることもできる。
【００３６】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
第５の実施形態の光ファイバ増幅器は、上述したＥＤＦ１の領域１Ｂについて、そのＥＤＦ素線のコアとクラッドの比屈折率差を、領域１ＡのＥＤＦ素線の比屈折率差より小さくすることで、４光波混合の発生を抑えるようにしたものである。このためには、例えば、コアとクラッドの径は領域１Ａ，１Ｂともに同じ構造にし、ドーパントとしてのゲルマニウム（Ｇｅ）の量を変えることで、比屈折率差を変える。また、領域１Ａ，１Ｂの間でゲルマニウムの量を変えずに、領域１Ｂのファイバにフッ素（Ｆ）をさらにドープして比屈折率差を変えてもよい。なお、上述した第１〜３の各実施形態と第５の実施形態を組み合わせても構わない。
【００３７】
上記領域１ＢのＥＤＦ素線には、例えば、比屈折率差を０．３％程度と小さくしたものが用いられる。なお、領域１ＡのＥＤＦ素線には、比屈折率差を１％以上とした一般的なＥＤＦ素線を用いるものとする。
ＥＤＦ１内の光パワーが７ｄＢｍ以上となる領域１Ｂについて、ＥＤＦ１の比屈折率差を０．３％程度の小さな値とすることによって、領域１Ｂでの４光波混合が起こり難くなる。即ち、ＥＤＦ１の比屈折率差を小さくすると、非線形屈折率が下がるとともに実効光伝送断面積Ａeff が大きくなるため、上述した（１）式の関係からもわかるように、光パワーの上限値Ｐを増大させることになる。従って、領域１Ｂにおける４光波混合の発生が抑えられるようになり、信号光の波形劣化を低減することができる。
【００３８】
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
第６の実施形態の光ファイバ増幅器は、上述したＥＤＦ１の領域１Ｂについて、そのＥＤＦ素線として高波長分散ＥＤＦを用いることで、４光波混合の発生を抑えるようにしたものである。領域１Ｂに高波長分散ＥＤＦを適用したこと以外の第６の実施形態の構成は、第１の実施形態の構成と同様である。
【００３９】
上記領域１ＢのＥＤＦ素線として用いられる高波長分散ＥＤＦは、領域１Ａに用いられる通常のＥＤＦ素線と比べて、図６に示すように、コア部の屈折率を高くした部分の径を小さくしたものである。具体的には、高屈折率部分の径を２μｍ程度とした高波長分散ＥＤＦが領域１ＢのＥＤＦ素線として使用される。
光ファイバ内で発生する４光波混合は、波長分散が大きくなる程発生し難いことが知られている。このため、パワーの大きな信号光が伝搬する領域１Ｂに高波長分散ＥＤＦを適用することによって、４光波混合の発生が抑えられるようになり、信号光の波形劣化を低減することができる。ここで重要なのは、コア径を小さくするするとモードフィールド径も小さくなるため、モードフィールド径が小さくなったことによる４光波混合の増加よりも、波長分散による４光波混合の抑圧効果が大きくなるように高波長分散ＥＤＦの分散値を設定する必要がある。
【００４０】
なお、上述した第１〜６の実施形態では、１段構成の光ファイバ増幅器として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、２以上の光ファイバ増幅器を直列に接続した多段構成の光ファイバ増幅器等にも応用することが可能である。図７は、２段構成の光ファイバ増幅器に本発明を適用した場合の一例を示すブロック図である。
【００４１】
図７の光ファイバ増幅器２０は、２つの光ファイバ増幅部２０ａ，２０ｂが光アイソレータ４を介して直列に接続された構成である。信号光入射側に位置する前段の光ファイバ増幅部２０ａは、従来の光ファイバ増幅器と同様の構成であって、単一のＥＤＦ素線を用いたＥＤＦ１ａ、励起光源２ａ及び合波器３ａから構成される。一方、後段の光ファイバ増幅部２０ｂは、例えば、上述した第１の実施形態の光ファイバ増幅器と同様の構成とし、異なるＥＤＦ素線を用いた２つの領域１Ａ，１Ｂを有するＥＤＦ１ｂ、励起光源２ｂ及び合波器３ｂから構成される。なお、図示しないが、光ファイバ増幅部２０ａの信号光入射端や光ファイバ増幅部２０ｂの信号光出射端に光アイソレータを挿入してもよい。また、ここでは後段の光ファイバ増幅部２０ｂのＥＤＦ１ｂが、２つの領域１Ａ，１Ｂを有するものとしたが、これに限らずＥＤＦ１ｂを領域１Ｂだけで構成することも可能である。
【００４２】
一般に、２段構成の光ファイバ増幅器では、入射された信号光を前段の光ファイバ増幅部２０ａで一旦増幅することで雑音特性の向上が図られ、その信号光を後段の光ファイバ増幅部２０ｂで所要のパワーまで増幅して高出力化が図られる。従って、後段の光ファイバ増幅部２０ｂを伝搬する信号光のパワーが４光波混合の発生を防ぐ上限値を超える可能性がある。具体例としては、前段の光ファイバ増幅部２０ａで信号光パワーが−１０ｄＢｍから３ｄＢｍまで増幅され、後段の光ファイバ増幅部２０ｂで信号光が３ｄＢｍから１１ｄＢｍまで増幅されるような光ファイバ増幅器では、光レベルが後段の光ファイバ増幅部２０ｂの途中で非線形光学効果の発生する７ｄＢｍ近傍に達すると推定される。このような場合に上記のような構成の光ファイバ増幅器２０を用いることで、４光波混合の発生を抑えることが可能となる。
【００４３】
また、上述の各実施形態では、前方励起型の基本構成とした場合について説明したが、本発明は前方励起型の構成以外にも、励起光とＷＤＭ信号光とがＥＤＦ内を逆方向に伝搬する後方励起型や、励起光がＥＤＦの両端から供給される双方向励起型の構成としても構わない。さらに、希土類ドープ光ファイバとしてＥＤＦを使用するようにしたが、エルビウム以外の他の希土類元素をドープした公知の希土類元素ドープファイバを用いてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の希土類ドープ光ファイバ及び光ファイバ増幅器は、ＷＤＭ信号光のパワーが、使用する光ファイバの長さ及び実効光伝送断面積に基づいて算出される四光波混合の発生を防ぐための入力光パワーの上限値に達する境界位置の前後に第１、２の領域を形成し、信号光出射側に位置する第２の領域は、波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射、および、コア径が、第１の領域よりも大きな構造としたことによって、励起効率の低下を抑えながら四光波混合の発生を抑えることができる。従って、四光波混合によるＷＤＭ信号光の波形劣化を改善した希土類ドープ光ファイバ及び光ファイバ増幅器を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２】同上第１の実施形態のＥＤＦ内における信号光パワーの変化を示した図である。
【図３】本発明の第２の実施形態で用いるＥＤＦの各領域におけるエルビウムドープ状態を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態で用いるＥＤＦの各領域におけるエルビウムドープ状態を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施形態で用いるＥＤＦの各領域におけるエルビウムドープ状態を示す図である。
【図６】本発明の第６の実施形態で用いるＥＤＦの各領域における屈折率の変化を示す図である。
【図７】２段構成の光ファイバ増幅器について本発明を適用した場合の構成例を示すブロック図である。
【図８】従来の光ファイバ増幅器についてＥＤＦ内における信号光パワーの変化を示した図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ…エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）
１Ａ，１Ｂ…領域
２，２ａ，２ｂ…励起光源
３，３ａ，３ｂ…合波器
１０，２０…光ファイバ増幅器
２０ａ，２０ｂ…光ファイバ増幅部
ＩＮ…入力ポート
ＯＵＴ…出力ポート
Ｓ…ＷＤＭ信号光
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号の直接増幅を行うための希土類ドープ光ファイバ及び光ファイバ増幅器に関し、特に、波長多重信号光の増幅を行なう場合に好適な希土類ドープ光ファイバ及びそれを用いた光ファイバ増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の光通信システムでは、光ファイバのコア部に希土類元素をドープした光増幅用ファイバ（希土類元素ドープファイバ）を用いて光信号の直接増幅を行う光ファイバ増幅器が広く利用されている。従来の光ファイバ増幅器としては、例えば、エルビウム（Ｅｒ）をドープしたエルビウムドープファイバ（以下、ＥＤＦとする）に励起光を供給し、励起されたＥＤＦ内のエルビウムの誘導放出現象により光信号を増幅するものなどが知られている。
【０００３】
また、光通信システムの大容量化を実現する方法として、１つの伝送路に波長の異なる複数の信号光を多重化して伝送する波長多重（ＷＤＭ）光伝送システムが注目されている。このようなＷＤＭ光伝送システムの中継器として光ファイバ増幅器を使用すれば、ＷＤＭ信号光を一括して増幅することが可能となり、簡素な構成による大容量かつ長距離の光伝送が実現される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光ファイバ増幅器をＷＤＭ光伝送システムで使用する場合には、光ファイバ増幅器への入力光パワーが大きくなるため、例えば４光波混合などの非線形光学現象による波形劣化が問題となる。
一般に、４光波混合は、光ファイバに入力される光パワーが一定の値を超えると発生するようになる。その発生の割合は、パワーの大きな光信号が伝送される光ファイバの長さに比例して高くなるとともに、その光ファイバの実効光伝送断面積が狭くなる程高くなる。従って、使用する光ファイバに応じて入力光パワーの上限値を設定することによって、４光波混合の発生を防ぐことは可能となる。
【０００５】
例えば、長さが数１０ｋｍで実効光伝送断面積が５０μｍ2 の分散シフトファイバ（ＤＳＦ）をＷＤＭ光伝送システムにおいて使用した場合、４光波混合の発生を防ぐためには、分散シフトファイバへの入力光パワーを−５ｄＢｍ以下に設定する必要がある。
上記の値を基に光ファイバ増幅器について考えてみると、光ファイバ増幅器に用いられるＥＤＦ等の光増幅用ファイバは、一般に、その長さが数１０ｍで実効光伝送断面積が１３μｍ2 程度である。このため、上記分散シフトファイバの場合と比較すると、長さが約１／１０００倍となり、実効光伝送断面積が約１／４倍となる。従って、ＥＤＦにおける４光波混合が発生する割合は、分散シフトファイバの場合に対し、長さに関して約１／１０００倍となり、実効光伝送断面積に関して約４倍となる。
【０００６】
ここで、４光波混合の発生を防ぐための入力光パワーの上限値Ｐは、使用する光ファイバの長さＬ及び実効光伝送断面積Ａeff について、次の（１）式に示すような関係があることが知られている。
Ｐ∝（Ａeff ／Ｌ）1/2 …（１）
上記（１）式の関係を用いて、ＥＤＦの場合の入力光パワーの上限値を推定すると、分散シフトファイバの場合の上限値よりも約１２ｄＢ大きくなるので、ＥＤＦにおける上限値は＋７ｄＢｍ程度と考えられる。
【０００７】
しかしながら、ＥＤＦを用いた光ファイバ増幅器がＷＤＭ光伝送システムの中継器として使用される場合には、ＥＤＦ内で増幅されるＷＤＭ信号光のパワーが上記の上限値を超えてしまう可能性がある。即ち、ＥＤＦ内では、図８に示すように、一端に入射されたＷＤＭ信号光がファイバ長手方向に伝搬されるのに伴って、その光パワーが増大していく。このため、入射端では光パワーが上限値以下であっても、出射端に到達する手前で光パワーが上限値を超えてしまうことがある。従って、信号光パワーが上限値を超えた地点から信号光出射端までの間を、ＷＤＭ信号光が増幅されながら伝搬することで、４光波混合が発生してＷＤＭ信号光の波形が劣化するおそれがある。
【０００８】
ところで、ＥＤＦ内の４光波混合の発生は、（１）式の関係からも判断できるように、ＥＤＦ長を短くすることによって抑えられる。ただし、同等の利得を保ったままＥＤＦ長を短くするためには、ＥＤＦの信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射を大きくしなければならない。これを実現する方法としては、例えば、エルビウム濃度の高いＥＤＦを用いたり、エルビウムドープ径の大きいＥＤＦを用いることなどが考えられる。
【０００９】
しかし、エルビウム濃度を高くすると、エルビウムイオン間のエネルギー交換が起こり、ＥＤＦの励起効率が低下する濃度消光が生じてしまう。なお、現状のＥＤＦでは、エルビウム濃度の標準を５００ｐｐｍ程度としている。また、エルビウムドープ径を大きくすると、励起光のエネルギー密度が低く励起効果が小さい部分に、エルビウムがドープされることになるため、エルビウム濃度を上げた場合と同様に、ＥＤＦの励起効率低下を招くことになる。
【００１０】
このように、４光波混合の発生を抑えるためにＥＤＦ長を短くすることと、ＥＤＦの増幅特性を劣化させないこととは相反するものであるため、その両方を同時に実現することは困難であった。
本発明は上記の点に着目してなされたもので、ＷＤＭ信号光の増幅を行う場合においても、励起効率の低下を抑えながら四光波混合の発生による波形劣化を低減させた希土類ドープ光ファイバ及びそれを用いた光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の希土類ドープ光ファイバは、波長の異なる複数の信号光を含んだ波長多重信号光が入力され、少なくとも１つの励起光源からの励起光により励起される希土類ドープ光ファイバであって、信号光入射側に位置する第１の領域及び信号光出射側に位置する第２の領域を有し、前記第１の領域と前記第２の領域の境界は、前記第１の領域において四光波混合が発生しない位置であって、入射される信号光パワーが、使用する光ファイバの長さ及び実効光伝送断面積に基づいて算出される四光波混合の発生を防ぐための入力光パワーの上限値に達するまでの長さと等しくなるように設定され、前記第２の領域は、前記波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射、並びに、コア径が、前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の光ファイバ増幅器は、希土類元素をドープした希土類ドープ光ファイバと、励起光を発生する少なくとも１つの励起光源と、該励起光源からの励起光を前記希土類ドープ光ファイバに入力する少なくとも１つの合波部と、を備え、波長の異なる複数の信号光が多重化された波長多重信号光を一括して増幅する光ファイバ増幅器において、前記希土類ドープ光ファイバは、信号光入射側に位置する第１の領域及び信号光出射側に位置する第２の領域を有し、前記第１の領域と前記第２の領域の境界は、前記第１の領域において四光波混合が発生しない位置であって、入射される信号光パワーが、使用する光ファイバの長さ及び実効光伝送断面積に基づいて算出される四光波混合の発生を防ぐための入力光パワーの上限値に達するまでの長さと等しくなるように設定され、前記第２の領域は、前記波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射、並びに、コア径が、前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする。
【００１３】
かかる構成の希土類ドープ光ファイバや光ファイバ増幅器では、励起光の供給により励起状態とされた希土類ドープ光ファイバの一端に波長多重信号光が入射されると、その信号光は、まず第１の領域内を通って境界位置に達する間に、例えば４光波混合等の非線形光学現象が発生可能な光パワーレベルまで増幅される。さらに、増幅された信号光は、第２の領域を通過することによって所要の光パワーまで増幅される。信号光が第２の領域を通過する際、その光パワーが大きいため四光波混合が発生するようになるが、第２の領域における波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射、および、コア径が、前記第１の領域よりも大きな構造を備えることで、四光波混合が発生し難くなる。これによって四光波混合による信号光の波形劣化が低減されるようになる。
【００１４】
第２の領域を非線形光学現象の発生を抑圧可能な構造とするためには、第２の領域は、波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射が、前記第１の領域よりも大きくなるようにしてもよい。具体的には、第２の領域について、希土類元素のドープ濃度が第１の領域よりも高くなるようにしたり、希土類元素のドープ径が第１の領域よりも大きくなるようにしたりするのが好ましい。
【００１５】
かかる構成とすることで、励起効率の低下を抑えながら第２の領域のファイバ長を短くすることができるため、非線形光学現象が発生し難くなる。
第２の領域の他の構造としては、モードフィールド径が第１の領域よりも大きくなるようにしてもよい。モードフィールド径を大きくすることによって、第２の領域内の光パワー密度が低くなるため、非線形光学現象が発生し難い構造となる。
【００１６】
第２の領域の他の構造としては、比屈折率差が第１の領域よりも小さくなるようにしてもよい。比屈折率差を小さくすると実効光伝送断面積が大きくなり、非線形光学現象の発生が抑えられるようになる。
第２の領域の他の構造としては、波長分散が第１の領域よりも大きくなるようにしてもよい。波長分散の大きいファイバ内では非線形光学現象が発生し難いため、信号光の波形劣化が低減されるようになる。
【００１７】
また、直列に接続された前段光ファイバ増幅部および後段光ファイバ増幅部を有し、前記後段光ファイバ増幅部に適用される後段用希土類ドープ光ファイバを伝播する信号光のパワーが非線形光学現象の発生し得るレベルに達している光ファイバ増幅器について、前記後段用希土類ドープ光ファイバに、上述したような各構造の希土類ドープ光ファイバを適用してもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。
図１において、本光ファイバ増幅器１０は、例えば、希土類ドープ光ファイバとしてのエルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）１と、励起光を発生する励起光源２と、該励起光源２から出射される励起光をＥＤＦ１に供給する合波部としての合波器３と、を備えて構成される。
【００１９】
ＥＤＦ１は、エルビウム濃度の異なる第１、２の領域１Ａ，１Ｂを有する。ここでは、領域１ＡがＥＤＦ１の長手方向に対して信号光入射側（図で左側）に位置し、領域１Ｂが信号光出射側（図で右側）に位置する。領域１Ａには、例えば、エルビウム濃度を５００ｐｐｍとし、モードフィールド径（ＭＦＤ）を６μｍとし、エルビウムドープ径を３μｍとしたＥＤＦ素線などが用いられる。この領域１Ａの素線は、従来の光ファイバ増幅器で一般に使用されているものと同様である。一方、領域１Ｂには、例えば、エルビウム濃度を１０００ｐｐｍとし、モードフィールド径を６μｍとし、エルビウムドープ径を３μｍとしたＥＤＦ素線などが用いられる。
【００２０】
上記各領域１Ａ，１ＢのＥＤＦ素線間はスプライスまたは光コネクタ等によって接続され、これにより１本のＥＤＦ１が形成される。また、各領域１Ａ，１Ｂの長さは、ＥＤＦ１に入射された信号光パワーが、上述した４光波混合の発生を防ぐための入力光パワーの上限値Ｐに達するまでの長さに応じて設定される。具体的な設定については後述する。
【００２１】
励起光源２は、ＥＤＦ１内のエルビウムを励起可能な、例えば波長が０．９８μｍ帯や１．４８μｍ帯等の励起光を発生する公知の光源である。
合波器３は、励起光源２からの励起光を外部からのＷＤＭ信号光Ｓと合波してＥＤＦ１に送る。ここでは、励起光とＷＤＭ信号光ＳとがＥＤＦ１内を同一方向に伝搬する前方励起型とした場合の構成が示してある。
【００２２】
上記のような構成の光ファイバ増幅器１０では、励起光源２で発生した励起光が合波器３を介してＥＤＦ１に供給され、ＥＤＦ１の各領域１Ａ，１Ｂが励起状態とされる。そして、外部からのＷＤＭ信号光Ｓが光ファイバ増幅器１０の入力ポートＩＮに入射されると、その信号光Ｓが合波器３を介してＥＤＦ１の一端に送られる。
【００２３】
ここでは、ＷＤＭ信号光Ｓとして、例えば、１５３５ｎｍ〜１５６５ｎｍの波長帯に３２波の信号光が多重化された場合を考える。また、ＥＤＦ１における増幅条件として、例えば、入力されるＷＤＭ信号光の最大パワーを−５ｄＢｍと想定し、増幅後の出力信号光パワーを１２ｄＢｍと設定した場合を考える。なお、本発明におけるＷＤＭ信号光の設定は上記の場合に限られるものではない。
【００２４】
図２は、ＥＤＦ１内における信号光パワーの変化を長手方向について示した図である。
図２に示すように、ＥＤＦ１の一端に入射された−５ｄＢｍのＷＤＭ信号光Ｓは、領域１Ａを伝搬するのに伴って、励起されたエルビウムの誘導放出作用により増幅される。そして、入射端からおよそ１１ｍ付近のところまで到達した時点で、ＥＤＦ１内の信号光パワーが７ｄＢｍに達する。上述したように、光パワーが７ｄＢｍ（ＥＤＦにおける４光波混合の発生を防ぐ上限値）を超えると、ＥＤＦ１内で４光波混合が発生するようになり、その発生の割合は、７ｄＢｍ以上に増幅された信号光の伝搬するＥＤＦ長が長くなる程大きくなる。
【００２５】
図２の破線で示した曲線は、入射端から１１ｍより先の部分にも領域１Ａと同様のＥＤＦ素線を接続した場合（従来の光ファイバ増幅器で用いられるＥＤＦと同様）を想定したときに、出力信号光パワーが１２ｄＢｍとなるまでの変化を示したものである。このように、ＥＤＦ１全体を同一の素線として所要の出力光パワーを得ようとすると、上限値を超えた大きなパワーの信号光がＥＤＦ１内を伝搬する距離が長くなるため、４光波混合による波形劣化が発生し易くなる。
【００２６】
そこで、ＥＤＦ１内の信号光パワーが７ｄＢｍに達する信号光入射端から約１１ｍの部分を境界として、ＥＤＦ１の素線をエルビウム濃度が高いものに変更することで、上限値を超えた大きなパワーの信号光がＥＤＦ１内を伝搬する距離を短くする。即ち、ＥＤＦ１の入射端から約１１ｍまでの部分を領域１Ａとし、該１１ｍから先の部分を領域１Ｂとする。領域１ＢのＥＤＦ素線は、領域１ＡのＥＤＦ素線に比べてエルビウム濃度が高いため、ＷＤＭ信号光Ｓに対する単位長さ当たりの吸収及び放射が大きくなる。これにより、７ｄＢｍを超えた信号光パワーを所要の出力レベルまで増幅するのに必要なＥＤＦの長さが、同一のＥＤＦ素線を用いた場合と比べて、ここでは約１／４程度に短縮される。従って、４光波混合の発生する割合が小さくなって、ＷＤＭ信号光の波形劣化が低減されるようになる。
【００２７】
このように第１の実施形態によれば、ＥＤＦ１に入力されたＷＤＭ信号光Ｓのパワーが、４光波混合の発生を防ぐ上限値を超えると想定される地点を境界として、その境界よりも信号光出射端側のＥＤＦ素線を単位長さ当たりの吸収及び放射が大きいものとすることによって、同一のＥＤＦ素線でＥＤＦ１を構成したときに近い増幅特性を維持しながら４光波混合の発生を抑えることができる。従って、４光波混合による波形劣化の改善を図ったＷＤＭ光伝送システム用の光ファイバ増幅器を提供することが可能となる。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態の光ファイバ増幅器は、上述した第１の実施形態で用いたＥＤＦ１について、領域１ＡのＥＤＦ素線に対して領域１ＢのＥＤＦ素線のエルビウムドープ径を大きくしたものである。図３には、各領域１Ａ，１Ｂのファイバ断面及びエルビウムドープ状態を示す。
【００２９】
具体的には、領域１Ａ，１Ｂのモードフィールド径を６μｍとし、領域１Ａのエルビウムドープ径を３μｍ、領域１Ｂのエルビウムドープ径を５μｍとする。また、エルビウムのドープ濃度は、領域１Ａ，１Ｂともに５００ｐｐｍとする。このような光ファイバ増幅器では、領域１Ｂの素線のエルビウムドープ径を広げたことで、伝搬する信号光のうちでエルビウムで吸収及び放射を受ける光の割合が増えるため、単位長さ当たりの吸収及び放射が増加する。
【００３０】
従って、上述の図２と同様に、４光波混合の発生するレベルに達した信号光を増幅する光増幅用ファイバとして、図３に示した領域１Ｂの光ファイバを用いることで４光波混合の発生を抑圧することができる。
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態の光ファイバ増幅器は、第１、２の実施形態で用いられるＥＤＦ１を組み合わせたものである。図４には、第３の実施形態で用いられるＥＤＦ１の各領域１Ａ，１Ｂのファイバ断面及びエルビウムドープ状態を示す。
【００３１】
具体的には、領域１Ａ，１Ｂのモードフィールド径を６μｍとし、領域１Ａのエルビウムドープ径を３μｍ、領域１Ｂのエルビウムドープ径を５μｍとし、領域１Ａのエルビウムドープ濃度を５００ｐｐｍ、領域１Ｂのエルビウムドープ濃度を１０００ｐｐｍとしたものである。
このようなＥＤＦ１を用いることで、領域１Ｂは、領域１Ａよりもエルビウムドープ濃度が高く、かつ、エルビウムドープ径が広いため、領域１Ｂの長さを一層短くすることができる。従って、４光波混合の発生をより効果的に抑圧することができる。
【００３２】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
第４の実施形態の光ファイバ増幅器は、上述したＥＤＦ１の領域１Ｂについて、そのＥＤＦ素線のモードフィールド径を、領域１ＡのＥＤＦ素線のモードフィールド径より大きくすることで、４光波混合の発生を抑えるようにしたものである。領域１Ｂに用いるＥＤＦ素線が異なること以外の第４の実施形態の構成は、第１の実施形態の構成と同様であるため、その説明を省略する。
【００３３】
上記領域１ＢのＥＤＦ素線には、例えば、エルビウム濃度を５００ｐｐｍとし、モードフィールド径を１０μｍとし、エルビウムドープ径を４μｍとしたものが用いられる。なお、領域１ＡのＥＤＦ素線は、第１の実施形態の場合と同様である。図５には、各領域１Ａ，１Ｂについて、ファイバ断面方向のエルビウムドープ状態を示しておく。
【００３４】
ＥＤＦ１内の光パワーが７ｄＢｍ以上となる領域１Ｂについて、ＥＤＦ１のモードフィールド径を６μｍから１０μｍへと大きくすることによって、領域１Ｂにおける光パワー密度が領域１Ａにおける光パワー密度のおよそ１／３倍となるため、領域１Ｂでの４光波混合が起こり難くなる。また、ここでは、領域１Ｂにおけるエルビウムドープ径を３μｍから４μｍへと大きくしているため、領域１ＢのＥＤＦ素線長を長くしなくとも、信号光パワーを所要のレベルまで増幅することが可能である。
【００３５】
このように第４の実施形態によれば、領域１Ｂのモードフィールド径を領域１Ａよりも大きくすることでも、第１の実施形態の効果と同様に４光波混合の発生を抑えて信号光の波形劣化を低減することができる。
なお、ここでは領域１Ａ，１Ｂの各エルビウムドープ径を異なるようにしているが、領域１Ａ，１Ｂの各エルビウムドープ径を同じにし、領域１Ｂのモードフィールド径を領域１Ａよりも大きくしただけでも、４光波混合の発生を抑圧する効果は得られる。さらに、上述した第１〜３の各実施形態と第４の実施形態を組み合わせて効果を上げることもできる。
【００３６】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
第５の実施形態の光ファイバ増幅器は、上述したＥＤＦ１の領域１Ｂについて、そのＥＤＦ素線のコアとクラッドの比屈折率差を、領域１ＡのＥＤＦ素線の比屈折率差より小さくすることで、４光波混合の発生を抑えるようにしたものである。このためには、例えば、コアとクラッドの径は領域１Ａ，１Ｂともに同じ構造にし、ドーパントとしてのゲルマニウム（Ｇｅ）の量を変えることで、比屈折率差を変える。また、領域１Ａ，１Ｂの間でゲルマニウムの量を変えずに、領域１Ｂのファイバにフッ素（Ｆ）をさらにドープして比屈折率差を変えてもよい。なお、上述した第１〜３の各実施形態と第５の実施形態を組み合わせても構わない。
【００３７】
上記領域１ＢのＥＤＦ素線には、例えば、比屈折率差を０．３％程度と小さくしたものが用いられる。なお、領域１ＡのＥＤＦ素線には、比屈折率差を１％以上とした一般的なＥＤＦ素線を用いるものとする。
ＥＤＦ１内の光パワーが７ｄＢｍ以上となる領域１Ｂについて、ＥＤＦ１の比屈折率差を０．３％程度の小さな値とすることによって、領域１Ｂでの４光波混合が起こり難くなる。即ち、ＥＤＦ１の比屈折率差を小さくすると、非線形屈折率が下がるとともに実効光伝送断面積Ａeff が大きくなるため、上述した（１）式の関係からもわかるように、光パワーの上限値Ｐを増大させることになる。従って、領域１Ｂにおける４光波混合の発生が抑えられるようになり、信号光の波形劣化を低減することができる。
【００３８】
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
第６の実施形態の光ファイバ増幅器は、上述したＥＤＦ１の領域１Ｂについて、そのＥＤＦ素線として高波長分散ＥＤＦを用いることで、４光波混合の発生を抑えるようにしたものである。領域１Ｂに高波長分散ＥＤＦを適用したこと以外の第６の実施形態の構成は、第１の実施形態の構成と同様である。
【００３９】
上記領域１ＢのＥＤＦ素線として用いられる高波長分散ＥＤＦは、領域１Ａに用いられる通常のＥＤＦ素線と比べて、図６に示すように、コア部の屈折率を高くした部分の径を小さくしたものである。具体的には、高屈折率部分の径を２μｍ程度とした高波長分散ＥＤＦが領域１ＢのＥＤＦ素線として使用される。
光ファイバ内で発生する４光波混合は、波長分散が大きくなる程発生し難いことが知られている。このため、パワーの大きな信号光が伝搬する領域１Ｂに高波長分散ＥＤＦを適用することによって、４光波混合の発生が抑えられるようになり、信号光の波形劣化を低減することができる。ここで重要なのは、コア径を小さくするするとモードフィールド径も小さくなるため、モードフィールド径が小さくなったことによる４光波混合の増加よりも、波長分散による４光波混合の抑圧効果が大きくなるように高波長分散ＥＤＦの分散値を設定する必要がある。
【００４０】
なお、上述した第１〜６の実施形態では、１段構成の光ファイバ増幅器として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、２以上の光ファイバ増幅器を直列に接続した多段構成の光ファイバ増幅器等にも応用することが可能である。図７は、２段構成の光ファイバ増幅器に本発明を適用した場合の一例を示すブロック図である。
【００４１】
図７の光ファイバ増幅器２０は、２つの光ファイバ増幅部２０ａ，２０ｂが光アイソレータ４を介して直列に接続された構成である。信号光入射側に位置する前段の光ファイバ増幅部２０ａは、従来の光ファイバ増幅器と同様の構成であって、単一のＥＤＦ素線を用いたＥＤＦ１ａ、励起光源２ａ及び合波器３ａから構成される。一方、後段の光ファイバ増幅部２０ｂは、例えば、上述した第１の実施形態の光ファイバ増幅器と同様の構成とし、異なるＥＤＦ素線を用いた２つの領域１Ａ，１Ｂを有するＥＤＦ１ｂ、励起光源２ｂ及び合波器３ｂから構成される。なお、図示しないが、光ファイバ増幅部２０ａの信号光入射端や光ファイバ増幅部２０ｂの信号光出射端に光アイソレータを挿入してもよい。また、ここでは後段の光ファイバ増幅部２０ｂのＥＤＦ１ｂが、２つの領域１Ａ，１Ｂを有するものとしたが、これに限らずＥＤＦ１ｂを領域１Ｂだけで構成することも可能である。
【００４２】
一般に、２段構成の光ファイバ増幅器では、入射された信号光を前段の光ファイバ増幅部２０ａで一旦増幅することで雑音特性の向上が図られ、その信号光を後段の光ファイバ増幅部２０ｂで所要のパワーまで増幅して高出力化が図られる。従って、後段の光ファイバ増幅部２０ｂを伝搬する信号光のパワーが４光波混合の発生を防ぐ上限値を超える可能性がある。具体例としては、前段の光ファイバ増幅部２０ａで信号光パワーが−１０ｄＢｍから３ｄＢｍまで増幅され、後段の光ファイバ増幅部２０ｂで信号光が３ｄＢｍから１１ｄＢｍまで増幅されるような光ファイバ増幅器では、光レベルが後段の光ファイバ増幅部２０ｂの途中で非線形光学効果の発生する７ｄＢｍ近傍に達すると推定される。このような場合に上記のような構成の光ファイバ増幅器２０を用いることで、４光波混合の発生を抑えることが可能となる。
【００４３】
また、上述の各実施形態では、前方励起型の基本構成とした場合について説明したが、本発明は前方励起型の構成以外にも、励起光とＷＤＭ信号光とがＥＤＦ内を逆方向に伝搬する後方励起型や、励起光がＥＤＦの両端から供給される双方向励起型の構成としても構わない。さらに、希土類ドープ光ファイバとしてＥＤＦを使用するようにしたが、エルビウム以外の他の希土類元素をドープした公知の希土類元素ドープファイバを用いてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の希土類ドープ光ファイバ及び光ファイバ増幅器は、ＷＤＭ信号光のパワーが、使用する光ファイバの長さ及び実効光伝送断面積に基づいて算出される四光波混合の発生を防ぐための入力光パワーの上限値に達する境界位置の前後に第１、２の領域を形成し、信号光出射側に位置する第２の領域は、波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射、および、コア径が、第１の領域よりも大きな構造としたことによって、励起効率の低下を抑えながら四光波混合の発生を抑えることができる。従って、四光波混合によるＷＤＭ信号光の波形劣化を改善した希土類ドープ光ファイバ及び光ファイバ増幅器を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２】同上第１の実施形態のＥＤＦ内における信号光パワーの変化を示した図である。
【図３】本発明の第２の実施形態で用いるＥＤＦの各領域におけるエルビウムドープ状態を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態で用いるＥＤＦの各領域におけるエルビウムドープ状態を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施形態で用いるＥＤＦの各領域におけるエルビウムドープ状態を示す図である。
【図６】本発明の第６の実施形態で用いるＥＤＦの各領域における屈折率の変化を示す図である。
【図７】２段構成の光ファイバ増幅器について本発明を適用した場合の構成例を示すブロック図である。
【図８】従来の光ファイバ増幅器についてＥＤＦ内における信号光パワーの変化を示した図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ…エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）
１Ａ，１Ｂ…領域
２，２ａ，２ｂ…励起光源
３，３ａ，３ｂ…合波器
１０，２０…光ファイバ増幅器
２０ａ，２０ｂ…光ファイバ増幅部
ＩＮ…入力ポート
ＯＵＴ…出力ポート
Ｓ…ＷＤＭ信号光
Claims (14)
- 波長の異なる複数の信号光を含んだ波長多重信号光が入力され、少なくとも１つの励起光源からの励起光により励起される希土類ドープ光ファイバであって、
信号光入射側に位置する第１の領域及び信号光出射側に位置する第２の領域を有し、
前記第１の領域と前記第２の領域の境界は、前記第１の領域において四光波混合が発生しない位置であって、入射される信号光パワーが、使用する光ファイバの長さ及び実効光伝送断面積に基づいて算出される四光波混合の発生を防ぐための入力光パワーの上限値に達するまでの長さと等しくなるように設定され、
前記第２の領域は、前記波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射、並びに、コア径が、前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする希土類ドープ光ファイバ。 - 希土類元素をドープした希土類ドープ光ファイバと、
励起光を発生する少なくとも１つの励起光源と、
該励起光源からの励起光を前記希土類ドープ光ファイバに入力する少なくとも１つの合波部と、を備え、波長の異なる複数の信号光が多重化された波長多重信号光を一括して増幅する光ファイバ増幅器において、
前記希土類ドープ光ファイバは、信号光入射側に位置する第１の領域及び信号光出射側に位置する第２の領域を有し、
前記第１の領域と前記第２の領域の境界は、前記第１の領域において四光波混合が発生しない位置であって、前記希土類ドープ光ファイバに入射される信号光パワーが、使用する光ファイバの長さ及び実効光伝送断面積に基づいて算出される四光波混合の発生を防ぐための入力光パワーの上限値に達するまでの長さと等しくなるように設定され、
前記第２の領域は、前記波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射、並びに、コア径が、前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする光ファイバ増幅器。 - 前記第２の領域は、希土類元素のドープ濃度が前記第１の領域よりも高いことを特徴とする請求項２記載の光ファイバ増幅器。
- 前記第２の領域は、希土類元素のドープ径が前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする請求項３記載の光ファイバ増幅器。
- 前記第２の領域は、モードフィールド径が前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の光ファイバ増幅器。
- 前記第２の領域は、比屈折率差が前記第１の領域よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の光ファイバ増幅器。
- 前記第２の領域は、波長分散が前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の光ファイバ増幅器。
- 直列に接続された前段光ファイバ増幅部および後段光ファイバ増幅部を有し、前記後段光ファイバ増幅部に適用される後段用希土類ドープ光ファイバを伝播する信号光のパワーが非線形光学現象の発生し得るレベルに達している光ファイバ増幅器において、
前記後段用希土類ドープ光ファイバは、信号光入射側に位置する第１の領域及び信号光出射側に位置する第２の領域を有し、
前記第１の領域と前記第２の領域の境界は、前記第１の領域において四光波混合が発生しない位置であって、前記後段用希土類ドープ光ファイバに入射される信号光パワーが、使用する光ファイバの長さ及び実効光伝送断面積に基づいて算出される四光波混合の発生を防ぐための入力光パワーの上限値に達するまでの長さと等しくなるように設定され、
前記第２の領域は、前記波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射、並びに、コア径が、前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする光ファイバ増幅器。 - 前記後段用希土類ドープ光ファイバは、前記第２の領域の前記波長多重信号光に対する単位長さ当たりの吸収及び放射が前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする請求項８記載の光ファイバ増幅器。
- 前記後段用希土類ドープ光ファイバは、前記第２の領域の希土類元素のドープ濃度が前記第１の領域よりも高いことを特徴とする請求項９記載の光ファイバ増幅器。
- 前記後段用希土類ドープ光ファイバは、前記第２の領域の希土類元素のドープ径が前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする請求項９または１０記載の光ファイバ増幅器。
- 前記後段用希土類ドープ光ファイバは、前記第２の領域のモードフィールド径が前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする請求項８記載の光ファイバ増幅器。
- 前記後段用希土類ドープ光ファイバは、前記第２の領域の比屈折率差が前記第１の領域よりも小さいことを特徴とする請求項８記載の光ファイバ増幅器。
- 前記後段用希土類ドープ光ファイバは、前記第２の領域の波長分散が前記第１の領域よりも大きいことを特徴とする請求項８記載の光ファイバ増幅器。
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