JP4134511B2

JP4134511B2 - 希土類元素添加光ファイバ及びそれを用いた光デバイス

Info

Publication number: JP4134511B2
Application number: JP2000380487A
Authority: JP
Inventors: 克之井本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: JP2002185063A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希土類元素添加光ファイバ及びそれを用いた光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は本発明者が先に提案した希土類元素添加光ファイバの断面図である。
【０００３】
この希土類元素添加光ファイバ１は、希土類元素が添加された複数のコア２と、コア２より屈折率が低くコア２の束を覆う略円形断面形状のクラッド３とで構成されたものである。
【０００４】
図７は本発明者が先に提案した他の希土類元素添加光ファイバの断面図である。
【０００５】
この希土類元素添加光ファイバ４は、希土類元素が添加された複数のコア５と、コア５及びクラッド７より屈折率が低く各コア５をそれぞれ覆う中間層６と、コア５より屈折率が低く中間層６で覆われたコア５の束を覆う略円形断面形状のクラッド７とで構成されたものである。この希土類元素添加光ファイバ４は、コア５の外周に中間層６を設けることにより、コア５への光の閉込め性を向上させたものである。
【０００６】
これらの希土類元素添加光ファイバ１、４はいずれも略円形断面形状のクラッド３、７内の中央部に、希土類元素を添加した高屈折率のコア２、５を複数本設けたものであり、各コア２、５の外径、コア間隔、コア２、５とクラッド３、７との比屈折率差等を最適化することにより、光増幅器用の光ファイバとして作用するようになっている。尚、コア２、５の本数はいずれも数本から数十本用いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６及び図７に示した希土類元素添加マルチコアファイバや従来の希土類元素単一コアファイバを用いた光ファイバ増幅器には以下のような課題がある。
(1) 上述した希土類元素添加光ファイバに入力される信号光のパワーが大きくなってくると、ファイバ内で非線形効果が発生して雑音が生じてくるために、大電力パワーの光増幅が困難である。
(2) コアとクラッドとの比屈折率差を大きくとることが難しいので、Ｅｒ添加領域に効率良く光を閉じ込めて光増幅することが困難である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、信号光及び励起光の閉込め効率を高くした希土類元素添加光ファイバ及びそれを用いた光デバイスを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の希土類元素添加光ファイバは、希土類元素が添加された中空状の複数のコアと、コアより屈折率が低くコアの束を覆う略円形断面形状のクラッドとを備えたものである。
【００１０】
上記構成に加え本発明の希土類元素添加光ファイバは、コア間の隙間に中空部が形成されていてもよい。
【００１１】
上記構成に加え本発明の希土類元素添加光ファイバは、コアの束をコア及びクラッドより屈折率の低いリング断面形状の中間層で覆ってもよい。
【００１２】
上記構成に加え本発明の希土類元素添加光ファイバは、希土類元素としてＥｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｃｅ等を少なくとも１種類含んだものを用いるのが好ましい。
【００１３】
本発明の光ファイバ増幅器は、希土類元素が添加され信号光が伝搬する中空状の複数のコアを、コアより屈折率が低く略円形断面形状のクラッドで覆った希土類元素添加光ファイバと、励起光を発生する少なくとも一つの励起光源と、信号光を増幅すべく励起光源からの励起光を希土類元素添加光ファイバに入力する励起光入力手段とを備えたものである。
【００１４】
希土類元素が添加された中空状の複数のコアを、コアより屈折率が低く略円形断面形状のクラッドで覆った希土類元素添加光ファイバと、希土類元素添加光ファイバの一端側に配置され励起光を発する励起光源と、希土類元素添加光ファイバの一端側に配置され励起光を通過させ希土類元素添加光ファイバ内で発生した誘導放出光を反射して希土類元素添加光ファイバ内に戻す第一のミラーと、希土類元素添加光ファイバの他端側に配置され誘導放出光を反射して希土類元素添加光ファイバ内に戻す第二のミラーと、希土類元素添加光ファイバの他端側に配置され特定の波長のレーザ光を通過させるフィルタとを備えたものである。
【００１５】
本発明によれば、希土類元素を添加したコアの中心部が中空になっているので、比屈折率差を極めて大きくとることができ、希土類元素を添加したコア領域に信号光及び励起光を閉じ込めて伝搬、増幅させることが可能となる。その結果、高効率、高利得の増幅器が得られる。光を各希土類元素添加コア内に分配して伝搬、増幅させることができるので、大電力パワーの信号光を入力しても非線形効果が生じにくい。信号光ばかりではなく、励起光も希土類元素添加コア内に効率良く結合し、閉じ込められて伝搬していくので、さらに高効率な増幅器を期待することができる。また、このような閉込め性を利用することにより、希土類元素を低濃度に長尺にわたって添加したファイバ、すなわち、希土類元素低濃度添加長尺光ファイバを用いた増幅器を構成することにより、励起光を長尺にわたって伝搬させることが可能となり、損失を補償しつつ、あるいは利得を得つつ信号光を伝搬させることが可能となり、光ファイバの非線形現象を抑えた伝送が期待できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１７】
図１は本発明の希土類元素添加光ファイバの一実施の形態を示す断面図である。
【００１８】
この希土類元素添加光ファイバ（以下「光ファイバ」という。）１０は、希土類元素が添加された中空状の複数のＥｒ添加コア（以下「コア」という。）１１と、コア１１より屈折率が低くコア１１の束を覆う略円形断面形状のクラッド１２とで構成されたものである。すなわち、光ファイバ１０は、低屈折率ｎ_c の略円形断面形状のクラッド１２内の中央部に希土類元素（例えばＥｒ）を添加した高屈折率ｎ_w （ｎ_w ＞ｎ_c ）の７本の略円形断面形状のコア１１を有し、各コア１１の中心に中空部１３が形成されたものである。
【００１９】
クラッド１２の外径は通常１２５μｍであり、その材質はＳｉＯ₂ （若しくはＳｉＯ₂ にＦを添加したもの）であり、屈折率ｎ_c は１．４４から１．４６程度（波長６３３ｎｍの値）である。コア１１の直径は、２μｍ〜４μｍの範囲内でコア１１の本数に応じて変えるのが好ましい。すなわち、コア１１の直径は、コア１１の本数が少ないときには大きくし、コア１１の本数数が多いときには小さくするのが好ましい。コア１１の材質はＳｉＯ₂ にＧｅＯ₂ 、Ｐ₂ Ｏ₅ 、Ｆ等の屈折率制御用ドーパントを添加したものであり、この場合のコア１１とクラッド１２との比屈折率差Δは０．３％〜２％程度である。Ｅｒ添加量は５０ｐｐｍ〜数千ｐｐｍの範囲が好ましい。各コア１１はわずかな隙間ｄ（０．数μｍ〜数μｍ）をもたせて配置されている。
【００２０】
この光ファイバ１０の各コア１１内に信号光及び励起光をそれぞれ分配して伝搬させる。各コア１１内の中空部１３の内径は０．０５μｍ〜２μｍの範囲が好ましい。中空部１３をコア１１内に形成することにより、コア１１と中空部１３との比屈折率差を極めて大きくとることができる（比屈折率差Δ＞数十）。この結果、信号光及び励起光は各コア１１内に強く閉じ込められて伝搬するようになる。
【００２１】
ここで、コア１１の本数は図では７本であるが、これに限定されるものではなく、２本以上、数十本程度であってもよい。しかし、製造の容易さや構造の対称性等を考慮すると、数本から十数本の範囲から選択するのが好ましい。
【００２２】
希土類元素としては、Ｅｒ以外にＮｄ、Ｓｍ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｃｅ等を少なくとも１種類含んだものを用いることができる。また、Ｅｒと、他の希土類元素、例えばＹｂとを含んだ構成とすることによって、より高利得の増幅用光ファイバを提供することができる。
【００２３】
図２は本発明の希土類元素添加光ファイバの他の実施の形態を示す断面図である。尚、図１に示した部材と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００２４】
図１に示した希土類元素添加光ファイバとの相違点は、各Ｅｒ添加コア間の隙間に中空部を形成した点である。
【００２５】
すなわち、この希土類元素添加光ファイバ２０は、希土類元素が添加された中空状の複数のコア１１と、コア１１より屈折率が低くコア１１の束を覆う略円形断面形状のクラッド２１と、コア１１間の隙間に形成された中空部２２とで構成されている。
【００２６】
このような中空部２２を形成することにより、信号光及び励起光はより一層各コア１１内に強く閉じ込められて伝搬するようになる。中空部２２の構造は、三角断面形状、多角形断面形状、円形断面形状、楕円断面形状のいずれであってもよい。これらの中空部２２は製造工程において容易に形成することができる。
【００２７】
以下、この希土類元素添加光ファイバの製造方法について説明する。
【００２８】
それぞれのＥｒ添加中空コア母材７本を中空のクラッド母材管内に挿入し、中空のクラッド母材管の外側から加熱して中空クラッド母材管中にそれぞれのＥｒ添加コア中空母材を溶着させ、この溶着工程の後に、光ファイバへの線引き工程を施すと、図２に示すような断面形状の希土類元素添加光ファイバが得られる。
【００２９】
図３は本発明の希土類元素添加光ファイバの他の実施の形態を示す断面図である。
【００３０】
図１に示した希土類元素添加光ファイバとの相違点は、Ｅｒ添加コアの外周にリング断面形状の中間層を形成した点である。
【００３１】
すなわち、本希土類元素添加光ファイバ３０は、希土類元素が添加された中空状の複数のコア１１と、コア１１の束を覆いコア１１及びクラッド３１より屈折率の低いリング断面形状の中間層３２と、中間層３２を覆いコア１１より屈折率が低い略円形断面形状のクラッド３１とで構成されたものである。
【００３２】
中間層３２の屈折率は、Ｆを添加することによってクラッド３１の屈折率よりも低い値にすることができる。この結果、信号光及び励起光はさらにより一層各コア１１内に閉じ込められて伝搬するようになる。
【００３３】
図４は本発明の希土類元素添加光ファイバを用いた光ファイバ増幅器の一実施の形態を示すブロック図である。
【００３４】
この光ファイバ増幅器４０は、二つの励起光源４１、４２を用い、図１に示した光ファイバ１０（若しくは希土類元素添加光ファイバ２０、希土類元素添加光ファイバ３０）内に双方向から矢印４３、４４で示す励起光を入力する、いわゆる双方向励起の光増幅器である。一方（図では左側）の励起光源４１からの励起光４３は励起光入力手段としてのＷＤＭ（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ：波長分割多重）フィルタ（若しくは光合波器）４５を介して光ファイバ１０内に入力され、他方（図では右側）の励起光源４２からの励起光４４はＷＤＭフィルタ（若しくは光合波器）４６を介して光ファイバ１０内に入力されて反転分布状態を形成する。信号光４７は光アイソレータ４８ａ、ＷＤＭフィルタ４５を介して光ファイバ１０内に入力され、ＷＤＭフィルタ４６、光アイソレータ４８ｂを経て矢印４９方向に出力される。尚、励起光は、矢印４３方向、あるいは矢印４４方向のいずれか一方から入力される、いわゆる片方向励起でもよい。また、ラマン増幅器のように、励起光が波長の少しずつ異なった複数の波長多重光源からの光であってもよい。
【００３５】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、希土類元素添加ファイバレーザに適用してもよい。
【００３６】
図５は本発明の希土類元素添加光ファイバを用いた希土類元素添加ファイバレーザの一実施の形態を示すブロック図である。
【００３７】
この希土類元素添加ファイバレーザ５０は、光ファイバ１０と、光ファイバ１０の一端側（図では左側）に配置され励起光を発する励起光源５１と、光ファイバ１０の一端側に配置され励起光を通過させ光ファイバ１０内で発生した誘導放出光を反射して光ファイバ１０内に戻す第一のミラー５２と、光ファイバ１０の他端側（図では右側）に配置され誘導放出光を反射して光ファイバ１０内に戻す第二のミラー５３と、光ファイバ１０の他端側に配置され特定の波長のレーザ光５４を通過させるフィルタ５５とで構成されており、特定の波長のレーザ光を出射することができる。
【００３８】
以上において、本希土類元素添加光ファイバ及びそれを用いた光デバイスは、(1) 希土類元素を添加した複数のコアのそれぞれの中心部が中空になっているので、比屈折率差を極めて大きくとることができ、希土類元素を添加したコア領域内に信号光及び励起光を閉じ込めて効率よく伝搬させ、信号光を高利得に増幅させる希土類元素添加光ファイバを提供することができる。
(2) 各希土類元素添加コアの隙間に中空部を形成することにより、希土類元素を添加した各コア領域内に信号光及び励起光をさらに強く閉込めて伝搬させることができる。
(3) 希土類元素を添加した複数のコアを取り囲むようにリング断面形状の低屈折率の中間層を設け、この中間層とコアとの隙間に中空部を形成することにより、さらにより一層の閉込め効果を得ることができる。
(4) 信号光及び励起光を各希土類元素添加コア内に分配して伝搬、増幅させることができるので、大電力パワーの信号光を入力しても非線形効果が起こりにくい。
(5) 本発明の希土類元素添加光ファイバを用いることにより、高利得の光増幅器、大電力の光増幅器、大電力の希土類元素添加ファイバレーザ等の光デバイスを実現することができる。
(6) 非線形効果をできるだけ抑圧するために、それぞれのコア内に添加する希土類元素の濃度を少なくし、励起光を長尺にわたって伝搬させることにより、光ファイバの伝搬損失を補償、あるいは利得を得つつ信号光を伝搬させる伝送路を実現することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００４０】
信号光及び励起光の閉込め効率を高くした希土類元素添加光ファイバ及びそれを用いた光デバイスの提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の希土類元素添加光ファイバの一実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の希土類元素添加光ファイバの他の実施の形態を示す断面図である。
【図３】本発明の希土類元素添加光ファイバの他の実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明の希土類元素添加光ファイバを用いた光ファイバ増幅器の一実施の形態を示すブロック図である。
【図５】本発明の希土類元素添加光ファイバを用いた希土類元素添加ファイバレーザの一実施の形態を示すブロック図である。
【図６】本発明者が先に提案した希土類元素添加光ファイバの断面図である。
【図７】本発明者が先に提案した他の希土類元素添加光ファイバの断面図である。
【符号の説明】
１０希土類元素添加光ファイバ（光ファイバ）
１１希土類元素添加コア（コア）
１２クラッド
１３中空部

Claims

希土類元素が添加された中空状の複数のコアと、該コアより屈折率が低く上記コアの束を覆う略円形断面形状のクラッドとを備えたことを特徴とする希土類元素添加光ファイバ。
上記コア間の隙間に中空部が形成されている請求項１に記載の希土類元素添加光ファイバ。
上記コアの束を上記コア及び上記クラッドより屈折率の低いリング断面形状の中間層で覆った請求項１または２に記載の希土類元素添加光ファイバ。
上記希土類元素としてＥｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｃｅ等を少なくとも１種類含んだものを用いた請求項１から３のいずれかに記載の希土類元素添加光ファイバ。
希土類元素が添加され信号光が伝搬する中空状の複数のコアを、該コアより屈折率が低く略円形断面形状のクラッドで覆った希土類元素添加光ファイバと、励起光を発生する少なくとも一つの励起光源と、上記信号光を増幅すべく上記励起光源からの励起光を上記希土類元素添加光ファイバに入力する励起光入力手段とを備えたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
希土類元素が添加された中空状の複数のコアを、該コアより屈折率が低く略円形断面形状のクラッドで覆った希土類元素添加光ファイバと、該希土類元素添加光ファイバの一端側に配置され励起光を発する励起光源と、上記希土類元素添加光ファイバの一端側に配置され上記励起光を通過させ上記希土類元素添加光ファイバ内で発生した誘導放出光を反射して上記希土類元素添加光ファイバ内に戻す第一のミラーと、上記希土類元素添加光ファイバの他端側に配置され上記誘導放出光を反射して上記希土類元素添加光ファイバ内に戻す第二のミラーと、上記希土類元素添加光ファイバの他端側に配置され特定の波長のレーザ光を通過させるフィルタとを備えたことを特徴とする希土類元素添加ファイバレーザ。