JP4237871B2 - 光ファイバカップラとその製造方法及びこれを用いた光増幅器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野で用いられる光ファイバカップラとその製造方法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】
従来、光通信システムにおいて、入射した光をそのまま増幅する光ファイバ増幅器が用いられている。
【０００３】
その構造は、例えば図７に示したように、合波器（ＷＤＭ）７と励起光源６を組合わせ、Ｅｒ、Ｎｄに代表される希土類をコア内に添加した希土類添加ファイバ４と融着接続し、出力部においては、インライン型光アイソレータ８のような受動部品と融着接続し構成される。そして、入力された信号光は合波器７で励起光と合波され、希土類添加ファイバ４内で増幅されて出力することになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この構成では、各構成部品を融着接続する為、融着によるスプライス接続等に手間がかかり、また接続による損失も発生し、利得、雑音特性など増幅特性上好ましくなかった。
【０００５】
例えば、図７に示す従来の構成では、合波器７と励起光源６の間、希土類添加ファイバ４の両端の合計３ヵ所にスプライス部９が必要であった。そのため、スプライス部９による接続損失だけでなく、光回路実装の際にスプライス部９を収納するスペースも必要とし、光回路部分の実装スペースを増大させるという問題もあった。
【０００６】
また、図７に示す従来の構成では、信号光と励起光が合波器７で合波してか ら、共に希土類添加ファイバ４に入射することになるが、信号光成分と励起光成分はそれぞれ異なるモードフィールド径を有する為、合波器７と希土類添加ファイバ４間のスプライス部９において信号光成分と励起光成分の両方を最適に調整・接続する事は困難であった。
【０００７】
【課題を解決する為の手段】
そこで本発明は、希土類添加ファイバと、該希土類添加ファイバと伝搬定数をほぼ等しくし、かつ希土類元素を含まない光ファイバとを融着延伸し、該融着延伸部の近傍における前記希土類添加ファイバにシングルモードファイバを融着接続して光ファイバカップラを構成したことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、シングルモードファイバと希土類添加ファイバの端面を融着接続したファイバと、前記希土類添加ファイバと伝搬定数をほぼ等しくし、かつ希土類元素を含まない光ファイバとを並列に配設した後、前記希土類添加ファイバと前記光ファイバとを加熱融着延伸する工程からなる光ファイバカプラの製造方法を特徴とする。
【０００９】
さらに本発明は、上記光ファイバカプラを用い、前記シングルモードファイバ側から信号光を入力し、前記光ファイバ側から励起光を入力合波し、前記希土類添加ファイバ側から増幅信号を出力するようにして光増幅器を構成したことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
【００１１】
図１は、本発明によるファイバカップラを示した図であり、図２は本発明によるファイバカップラの基板実装図であり、図３は本発明による光ファイバカップラの製造工程の説明図であり、図４は本発明による光ファイバカップラを使用した光ファイバ増幅器の実施形態を説明した図である。
【００１２】
図１（ａ）に示す光ファイバカップラは、希土類添加ファイバ４と、疑似希土類添加ファイバ２とを融着延伸してなり、該融着延伸部３の一方側の近傍における上記希土類添加ファイバ４にシングルモードファイバ１を融着接続部１ａにて接続して構成したものである。
【００１３】
ここで、疑似希土類添加ファイバ２とは、モードフィールド径を小さくして希土類添加ファイバ４との伝搬定数をほぼ等しくし、かつ希土類を含まないような光ファイバである。
【００１４】
このような光ファイバカップラの製造方法は、図１（ｂ）に示すように、まず端面側の保護被覆を剥がしたシングルモードファイバ１と、同様に被覆を剥がした希土類添加ファイバ４とを用意し、それらの端面同士を融着接続したものを少なくとも１本用意する。融着接続は、シングルモードファイバ１と希土類添加ファイバ４の軸芯を合わせ、複数回加熱して融着する。これにより、加熱した部分のコア内の屈折率を増大させているＧｅ等の添加物が拡散し、融着接続部１ａの各モードフィールド径が拡大し、伝搬時の接続損失を低減させることができる。
【００１５】
次に、このようにしてシングルモードファイバ１希土類添加ファイバ４を融着接続したものと疑似希土類添加ファイバ２とを整列し、加熱融着延伸することによって、希土類添加ファイバ４と疑似希土類添加ファイバ２との間で融着延伸部３を形成する。
【００１６】
ここで、上述したように疑似希土類添加ファイバ２は希土類添加ファイバ４と伝搬定数がほぼ等しいため、ある特定波長での完全結合ができる。即ち、励起光源の波長領域が結合するような加熱延伸を行えば、励起光を合波する合波器として機能するのである。
【００１７】
なお、融着延伸部３は、融着接続部１ａ近傍の希土類添加ファイバ４側に形成する。そして、融着延伸部３と融着接続部１ａとの距離は３０ｍｍ以下とすることが好ましい。これは、３０ｍｍを超えると、シングルモードファイバ１側から希土類添加ファイバ４に入射した信号光成分が励起光と結合する前に希土類元素にエネルギーを吸収され、減衰してしまうからである。又、上記距離が長いと実装ケースも長くなり、実装上好ましくないためである。
【００１８】
最後に、上記加熱融着延伸後、所定の工程により、図２に示したように基板５上に融着延伸部３を含む部位を載置し、接着剤５ａ等で実装固定し、光ファイバカップラとして完成する。
【００１９】
このような光ファイバカップラを用いて光増幅器を構成すれば、例えばシングルモードファイバ１から信号光を入力し、疑似希土類添加ファイバ２側から励起光を入力することによって、信号光と励起光を希土類添加ファイバ４内に通過させ、増幅した信号を出力できる。
【００２０】
このとき、光ファイバカップラ自体を希土類添加ファイバ４で形成することによって、光ファイバカップラと希土類添加ファイバ４間の接続が必要ない。ま た、疑似希土類添加ファイバ２を用いることによって、この疑似希土類添加ファイバ２を励起光源に直結すれば、この部分の接続も必要なくなるなど、接続部を大幅に減らすことができ、それにより融着接続による損失がなくなり伝搬損失を低下できる。
【００２１】
更に希土類元素ファイバ４と疑似希土類添加ファイバ２間の融着延伸部は伝搬定数を合わせておくことで完全結合が可能であり、しかも疑似希土類添加ファイバ２には希土類元素が含まれていないため、ここを通過する励起光は希土類元素の吸収による損失がなくなり、励起光の損失が押さえられる。それにより、増幅効率が向上すると共に雑音特性などの増幅特性も向上する。
【００２２】
また、本発明の光ファイバカップラは、信号光を希土類添加ファイバ４に入力する融着接続部１ａと、励起光を希土類添加ファイバ４に入力する融着延伸部３が異なる部位にあるため、それぞれの箇所でモードフィールド径をそれぞれ適正に事前に調整する事ができ、それにより各接続損失を減少することができる。
【００２３】
即ち、従来例のようにシングルモードファイバ側で信号光と励起光を合波し、希土類添加ファイバ端に信号光と励起光が同時に入射する構造では、接続時にそれぞれの波長に合わせたモードフィールド径の適切な整合による接続が困難となり、その分損失が増大してしまうのである。実際、従来の合波器を成す光ファイバカップラでは励起光源の伝送波長に合わせた光ファイバが使用され、信号光を伝送するシングルモードファイバと異なるモードフィールド径を有する光ファイバで構成されているため、信号光にとって損失が大きい構成となっている。
【００２４】
これに対し、本発明の場合は、まずシングルモードファイバ１と希土類添加ファイバ４とを融着接続する時に、信号光による接続損失が最少となるように調整し、その後融着延伸する際に励起光による接続損失が最少となるように調整することができるのである。
【００２５】
又、一般に希土類添加ファイバ４とシングルモードファイバ１のようなモードフィールド径の異なるファイバー同士の融着接続の場合、モードフィールド径の違いにより、接続部にて放射による接続損失が生じる事がある。例えば、信号光のシングルモードファイバ１内でのモードフィールド径と信号光の希土類添加ファイバ４内でのモードフィールド径は異なる。
【００２６】
しかし本発明の場合、特に融着接続部１ａを融着延伸部３の近傍に備えたことによって、融着延伸時にファイバ内導波光のエバネセントフィールドが共に大きく増大し、各ファイバの接続部モードフィールド径の相対的なサイズの差を更に減らす事ができる。即ち、図３に示したようにシングルモードファイバ１と希土類添加ファイバ４との融着接続部１ａ近傍を延伸すると、内部の導波光を閉じこめているコア部が細くなり、導波光のエバネセントフィールドが増大し、シングルモードファイバ１、希土類添加ファイバ４側共にモードフィールド径が拡大 し、両者のモードフィールド径の相対的なサイズの差を減らす事ができる。
【００２７】
次に本発明の光ファイバカップラを光増幅器に応用した場合の実施形態について説明する。
【００２８】
図４は、本発明による光ファイバカップラを用いた光増幅器の一実施形態で、上記の光ファイバカップラを合波器７とし、シングルモードファイバ１側より信号光を入力し、疑似希土類添加ファイバ２は励起光源６に直結してある。また、光ファイバカップラと一体的に形成された希土類添加ファイバ４の他端は、インライン型光アイソレータ８と接続してシングルモードファイバ１０を通じて出力される。
【００２９】
このような本発明の光増幅器によれば、光ファイバカップラを希土類添加ファイバ４と疑似希土類添加ファイバ２で形成し、該疑似希土類添加ファイバ２を励起光源６に直結したことによって、合波器７の両側にスプライス部が必要なくなり、図７に示す従来例に比べてスプライス部を２カ所減らすことができる。
【００３０】
通常、希土類添加ファイバ４とシングルモードファイバ１とのスプライスによる接続により、１カ所当たり０．１〜０．２ｄＢ程度、２カ所で最大０．４ｄＢの損失が生じるが、本発明ではこのようなスプライス部をなくすことによって損失を全部で０．１ｄＢ程度に押さえる事ができ、それによりゲイン特性及び雑音特性等の増幅特性が向上する。又、各種光部品により光回路を構成する際に融着スプライス工程が不要で、スプライス部の保護チューブスペースも不要である。
ここで、本発明による光増幅器の動作を図４に基づいて説明する。信号光は、合波器７のシングルモードファイバ１側より入射し、希土類添加ファイバ４との融着接続部１ａをモードフィールド径を拡大しながら透過し、希土類添加ファイバ４に入射する。一方、励起光は励起光源６から疑似希土類添加ファイバ２を通って融着延伸部３で希土類添加ファイバ４に入射し、信号光と合波する。
【００３１】
即ち、希土類添加ファイバ４にはまず信号光成分のみ入射し、信号光と励起光との結合は、希土類添加ファイバ４内の融着延伸部で行われる。
【００３２】
これにより、信号光のみの伝搬用シングルモードファイバ１と希土類添加ファイバ４との融着接続部１ａで両者のモードフィールド径を適正に調整した接続が可能となり、低損失な光結合が実現できる。また励起光源６から出射された励起光は、接続部を通過することなく合波器７の融着延伸部３にて希土類添加ファイバ４に入射し、信号光に合波される。
【００３３】
その後、励起光により希土類添加ファイバ４内の希土類元素が励起され、反転分布が形成され、信号光成分を増幅し、インライン型光アイソレータ素子８に入射し、順方向成分のみ出射する。
【００３４】
このような本発明の光増幅器によれば、接続部が少なく、融着接続部１ａのモードフィールド径の整合性の良さから光回路全体が低損失となり、ゲイン特性、雑音特性などの増幅特性が向上する。
【００３５】
図５にて本発明の光増幅器と従来例との特性を比較した。動作信号光波長領域において、利得及び雑音指数において、本発明による希土類添加ファイバを用いた光ファイバカップラを使用した光増幅器の特性が優れていることがわかる。
【００３６】
尚、上記実施形態では、前方励起方式の光増幅器について記したが、本発明 は、前方励起と反対方向の希土類添加ファイバ端側から信号光を入射する後方励起方式、希土類添加ファイバの両側にカップラを構成する双方向励起方式に応用することができる。
【００３７】
双方向励起方式の実施形態については、図６に示すように、希土類添加ファイバ４の両端に上述した本発明の光ファイバカップラからなる合波器７を備え、一方端のシングルモードファイバ１から信号光を入力し、他方端のシングルモードファイバ１にインライン型光アイソレータ８を接続して出力光を取り出し、両端の２つの疑似希土類添加ファイバ２にそれぞれ励起光源６を接続したものであ る。
【００３８】
この場合、２つの励起光源６を用いることによって、増幅量を大きくすることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば以下のような優れた効果がある。
【００４０】
（１）希土類添加ファイバと疑似希土類添加ファイバを用いて光ファイバカップラを構成したことによって、この光ファイバカップラを用いて光増幅器を構成する際に、他部材とのスプライス部を減らすことができる。そのため、接続損失を低下できるとともに、光回路を構成する際のスペースを小さくし、また工程を簡素化して増幅器を小型・低価格化とする事ができる。
【００４１】
（２）希土類添加ファイバとシングルモードファイバとの融着接続部と、希土類添加ファイバと疑似希土類添加ファイバとの融着延伸部とを別々の部位に備えたことから、それぞれの部位で損失の小さい最適な接続を行うことができる。
【００４２】
（３）シングルモードファイバと希土類添加ファイバの融着接続部でモードフィールド整合ができるため、トータルな接続損失を減少する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明による光ファイバカップラの全体概要図、（ｂ）は製造工程の説明図である。
【図２】本発明による光ファイバカップラの基板実装図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は本発明による光ファイバカップラの製造工程の説明図である。
【図４】本発明による光ファイバカップラを使用した光増幅器を示す図である。
【図５】本発明の光増幅器と従来例による利得、雑音特性を比較したグラフである。
【図６】本発明による光ファイバカップラを使用した光増幅器の他の実施形態を示す図である。
【図７】従来の光増幅器を示す図である。
【符号の説明】
１：シングルモードファイバ
１ａ：融着接続部
２：疑似希土類添加ファイバ
３：融着延伸部
４：希土類添加ファイバ
５：基板
６：励起光源
７：合波器
８：インライン型光アイソレータ

Claims (6)

1. 希土類添加ファイバと、該希土類添加ファイバと伝搬定数をほぼ等しくし、かつ希土類元素を含まない光ファイバとが融着延伸され、該融着延伸部の近傍における前記希土類添加ファイバにシングルモードファイバが融着接続されていることを特徴とする光ファイバカップラ。
2. 前記シングルモードファイバと希土類元素添加ファイバとの融着接続部が、前記融着延伸部から３０ｍｍ以下の所にあることを特徴とする請求項１記載の光ファイバカップラ。
3. シングルモードファイバと希土類添加ファイバの端面同士を融着接続したファイバと、前記希土類添加ファイバと伝搬定数をほぼ等しくし、かつ希土類元素を含まない光ファイバとを並列に配設した後、前記希土類添加ファイバと前記光ファイバとを加熱融着延伸する工程からなる光ファイバカプラの製造方法。
4. 請求項１記載の光ファイバカプラを用い、前記シングルモードファイバ側から信号光を入力し、前記光ファイバ側から励起光を入力合波し、前記希土類添加ファイバ側から増幅信号を出力するようにしたことを特徴とする光増幅器。
5. 前記光ファイバを励起光源と直接接続したことを特徴とする請求項４記載の光増幅器。
6. 希土類添加ファイバの両端に請求項１記載の光ファイバカプラを設け、一方のシングルモードファイバ側から信号光を入力し、希土類添加ファイバの両端に備えた両方の光ファイバから励起光を入力するようにしたことを特徴とする光増幅器。

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