JPH02157829A - 光ファイバ型光増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、小型にして高い利得を有し、１．５μｍ帯信
分光を直接増幅する光フアイバ型光増幅器に関する。

［従来の技術］ 従来、Ｅ「添加光フアイバ型光増幅器の励起光源として
は、第７図に示すようなＥｒ（エルビウム）固有のエネ
ルギー準位によって生じる吸収波長領域に合致するもの
を利用しており、その励起光源の光励起で本図中の’　
Ｉ　ｌ　３／２””　Ｉ　Ｉ　６／２のエネルギー準位
間に反転分布を形成することによって増幅作用を生じさ
せている。ここで、励起できる波長としては、第７図中
の矢印で示したＡｒイオンレーザ（５１４，５ｎｍ）　
（下記の文献１参照）１色素レーザ（６５０ｒ＋ｍ）　
（下記の文献２参照）１色中心レーザ（１，４９μｍ　
−１，５（ｌｕｍ）　（下記の文献３参照）、および０
８μｍ帯の半導体レーザ（下記の文献４゜文献５参照）
が知られていた。

文献１　：　Ｅ、Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅ　ｅｔ：　ａｌ、
、″ｌ旧３ｈ−ｇａｉｎ　ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ　
　むｒａｖｅｌｉｎｇ−ｗａｖｅ　　ｆｉｂｅｒ　　ａ
ｍｐｒｉｆｉｅｒＯｐｔｆｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　ｖｏ
ｌ、１２．ｐ、８８８（１９８７年）。

文献２　：　Ｒ，Ｊ、Ｍｅａｒｓ　ｅｔ　ａｌ、、”Ｌ
ｏｗ−ｎｏｉｓｅ　ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ　　ｆｉ
ｂｅｒ　　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ
　　ａｔ　　１．５４μｍ”、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
　　Ｌｅｔｔｅｒｓ　ｖｏｌ、２３．ｐ、１０２６（１
９８７年）。

文献３　：　Ｅ、５ｎｉｔｚｅｒ　ｅｔ　ａｌ、、−Ｅ
ｒｂｉｕＩＭｆｉｂｅｒ　ｌａｓｅｒａｍｐｌｉｆｉｅ
ｒ　　ａｔ　　１．５５　　μｍ　　ｗｉｔｈ　　ｐｕ
ｍｐ　　ａｔ　　１．４９　　μｍａｎｄ　　Ｙｂ　　
５ｅｎｓｉｔｊｚｅｄ　　Ｅｒ　　ｏｓｃｉｌｌａｔｉ
ｏｎ”、ＯＦＧ’８８（ＮｅｗＯｒｌｅａｎｓ）、Ｐｏ
５ｔｄｅａｄｌｉｎｅ　Ｐａｐｅｒ　ＰＤ２（１９８８
年）。

文献４　：　Ｔ、Ｊ、Ｗｈｉｔｌｅｙ　ｅｔ　ａｌ、’
１．５４　μｍ　Ｅｒ”ｄｏｐｅｄ　　ｆｉｂｅｒ　　
ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　　ｐｏｔｉｃａｌｌｙ　　ｐｕｍ
ｐｅｄ　　ａｔ８０７ｒ＋ｍ”、Ｅｕｒｏｐｅａｎ　　
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　　ｏｎ　　０ｐｔｉｃａｌ　　
Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　８８．ｐ、５８（１９８
８年）。

文献５　：　Ｄ、Ｃ，１（ａｎｎａ　ａｔ　ａｌ、、”
Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　　ｏｆ　　
ａｎ　　Ｙｂ−５ｅｎｓｉｔｉｚｅｄ　　Ｅｒ　　ｆｉ
ｂｅｒ　　１ａｓａｒ　　ｐｕｍ−ｐｅｄ　　ｉｎ　　
Ｏ，８μｍ　　ｒｅｇｉｏｎ　　、　　Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓｖｏｌ、２４．ｐ、１０６
８　（１９８８年）。

例えば、計イオンレーザで励起（ボンピング）すると、
基底状態のＩ　＋　５／２から’Ｉｌ＋／２へ遷移し、
さらにフォノンを放出して’　Ｉ　ｌ　３／２へ遷移す
る。この過程で２８１＋／２と’ＩＩ３／２の準位のエ
ネルギー差は熱となって失われ、また各準位を経るため
、反転分布の形成に時間的な遅れを生じることになる。

すなわち、信号光波長に近いほど効率よく時間遅れがな
く、反転分布を励起することが可能となるため、１４９
μｍ〜１．５０μｍでの励起が適しているが、これまで
上記の文献３の色中心レーザでの報告しかなかった。小
型化の点からは、０８μｍ帯の半導体レーザな除いて、
いずれも励起光源が大型となるために実用的ではなく、
従って、小型で効率のよい光増幅器を実現するためには
０．８μｍ帯の半導体レーザを用いる以外に方法がなか
った。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記の従来例において、伝搬モードの点
からは、励起効率は励起光のエネルギー密度に比例する
ので励起波長で阜−モードとなることが、望ましく、通
常、Ｅｒｉ加光フィイバでは信号光の１．５μｍで単一
モードとなるように、カットオフ波長を１１μｍから１
４μｍの間に設定していた。この場合に、上述の０．８
μｍ帯の半導体レーザ光では高次のモードまで励振され
るために伝搬する光束が広がって励起光のエネルギー密
度が低くなってしまう。一方、０，８μｍの励起波長で
単一モードとなるような光ファイバでは、逆に１．５　
μｍｉでの曲げ損失が無視できなくなるので、ファイバ
の曲がりに対しての利得が不安定になってしまう。従っ
て、励起波長が０．８μｍ帯の半導体レーザでは最適な
ファイバ構造が得られないので、ノ」１型で効率のよい
光増幅器は実際には実現できなかった。

さらに、Ｅｒ固有のエネルギー準位により、０．８μｍ
の励起では、’＋３／２の励起電子の一部がさらに上の
準位に励起されて反転分布が減少する励起吸収が生じる
ので励起波長としては最適ではなく、そのためＹｂ（イ
ッテルビウム）を共添加するなどの方法を取る必要があ
った（上記の文献５下記の文献６参照）。この場合でも
、Ｙｂ−Ｅｒイオン間のエネルギー移動を利用するので
、損失が必ず生じた。

文献６　：　Ｍ、Ｅ、Ｆｅｒｍａｎｎ　ｅｔ　ａｌ、、
−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｐｅｒａ−ｔｉｏｎ　ｏｆ　
ａｎ　Ｙｂ−５ｅｎｓｉｔｉｚｅｄ　Ｅｒ　ｆｉｂｅｒ
　１ａｓｅｒ　ａｔｌ、５８μｍ″、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　ｖｏｌ、２４．ｐ、１１３５
（１９８８年）。

また、１．４９μｍ〜１．５０μｍの励起波長の励起光
源として色中心レーザを使用した上記の文献３のＥ、５
ｎｉｔｚｅｒ他による実験結果では、Ｓ８図に示すよう
に、１．４９μｍよりも短波長側では利得が得られなか
った。このためＥｒ添加光フアイバ増幅器において、こ
の１．４９μｍよりも短波長側の波長領域の半導体レー
ザによる励起は、これまで試みられなかったし、また２
準位間の励起になるために物理的に不可能と考えられて
いた。

本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、小型でかつ高効
率にして、１０ｄＢ以上の増幅度を有する光フアイバ型
光増幅器を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ かかる目的を達成するため、本発明は、励起光源として
発振波長領域が１．４０μｍから１，４９μｍの中にあ
る１４μｍｉ半導体レーザ光を出力し、かつその出力が
ファイバで取り出せるようにモジュール化された半導体
レーザモジュール（１）と、その半導体レーザ光と１．
５μｍ帯信分光の合波を行う光ファイバカップラ、ある
いは導波路型カップラ（２）と、このカップラ（２）の
出力を入力する比屈折率差を持ち希土類元素のＥｒ（エ
ルビウム）を添加したコア部分とＥｒを含まないクラッ
ド部分から成るＥｒ添加光ファイバ（３）とを有し、こ
のＥｒ添加光ファイバ（３）の終端から、またはこの終
端に接続させた励起光と信号光の分波を行う光ファイバ
カップラあるいは導波路型カップラ（２Ａ）から、上記
のＥｒ添加光ファイバ（３）を増幅媒質として増幅され
た信号光を得ることを特徴とする。

［作　用］ 本発明では、半導体レーザモジュールから出力される発
振波長領域が１，４０μｍから１．４９μｍの中にある
１、４μｍｆ半導体レーザ光を励起光源として用い、こ
の半導体レーザ光と１．５μ０１Ｆ信号光を光ファバカ
ップラ、あるいは導波路型カップラで合波し、その励起
光と信号光の合波された光を比屈折率差を持ち希土類元
素のＥｒを添加したコア部分とＥｒを含まないクラット
部分からなるＥｒ添加光ファイバに入射させているので
、このＥｒ添加光ファイバを増幅媒質として、このＥｒ
ｉ加光ファイバの１＠端から、あるいは、この終端に接
続した励起光と信号光の分波を行う光ファイバカップラ
あるいは導波路型カップラから増幅された信号光が得ら
れる。

このよ−うに、本発明では励起光源として１．４μｍ％
Ｆの高出力半導体レーザを用いるので、従来問題となっ
ていた励起光源の小型化を解決し、また、励起吸収によ
る増幅度の減少を防ぐことができるＥｒ添加光フアイバ
型光増幅器を容易に構成できる。

また、出力光をファイバで取り出せるようにモジュール
化した半導体レーザモジュールと光ファイバカップラと
を組み合わせるようにしたので、それぞれのファイバを
融着あるいは、コネクタで接続するだけで、Ｅｒ添加光
フアイバ型光増幅器か簡単に構成できる。さらに、１．
４μｍ帯による励起が可能となるのは、’　Ｉ　１３／
２−Ｉ　ｌ　５／２間のエネルギー準位の分布がこれま
で考えられていたよりも複雑であることが原因であり、
その’Ｉ１３／２の準位の分裂を利用している点が従来
技術と顕著に異なる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

入工Ｊ口」１凰囮 第１図は本発明の第１実施例の構成を示す。

第１図において、１は出力がファイバで取り出せるよう
にモジュール化され、励起用の発振波長領域が１．４０
μｍから１．１９μｍの中にある１４μｍ半導体レーザ
モジュール、２はこの半導体モジュール１の出力励起光
と１．５　μｍ帯信号光を合波する光ファイバカップラ
あるいは導波路型カップラ、および３はカップラ２の出
力光を入力するコア部分にＥｒを添加した増幅用のＥｒ
添加光ファイバである。なお、光ファイバ３のクラッド
部分にはＥｒは含まれていない。

１．４　μｍ半導体レーザモジュール１の出力用ファイ
バ４を、光ファイバカップラあるいは導波路型カップラ
２の入力端子に接続して、励起光をＥ「添加光ファイバ
３に入射させる。一方、入力用ファイバ５から導入され
た１５μｍ帯信号先金光ファイバカップラあるいは導波
路型カップラ２のもう一方の入力端子からＥｒｉ加光フ
ァイバ３に入射させる。これにより、増幅された信号光
がＥｒ添加光フアイバ３の終端から得られる。

第２図は本実施例に用いた１、４μｍ帯半導体レーザモ
ジュール１の発振スペクトルとＥｒｄ加光ファイバ３の
吸収スペクトルとを示す。実線で示す１．４８μｍの波
長に励起波長の中心を持つ半導体レーザ光を用いると、
破線で示すＥｒの固有の吸収と重なることかわかる。波
長１．４８μｍ、１．５３μｍ、１．５５μｍにみられ
る吸収のピークから、常温では３個の遷移に分かれてお
り、基底状態から１．４８μｍへ、また１、５３μｍあ
るいは１．５５μｍに対応する準位間で３準位を形成し
ていると考えられる。従って、１．４μｍ帯の励起光に
より反転分布がＥｒ添加光フアイバ３内に形成されて、
信号光による誘導放出が起こり、増幅された信号光が光
ファイバ３の終端から得られる。

第３図には１．４μｍ帯半導体レーザモジュール１の励
起光と゛信号光の合波用に用いた本実施例の光ファイバ
カップラ２の結合特性を示す。第３図に示すように、１
．４８μｍ帯では８０９６，１．５３μｍから１．５５
μｍの間では２０〜３眞の結合効率を有する。

なお、理想的には励起波長で１ｏＯ９６，信号光波長て
０＊の結合効率が望ましいが、実際上は困難である。

第４図は本実施例で得られた増幅度のファイバ長依存性
に関する実験結果を示す。本実験ではＥｒの添加濃度の
違うファイバを用意し、−例としてファイバＮ０１１は
１３００ｐｐｍ、ファイバＮＯ１２は１１０００ｐｐノ
Ｅｒをそのコア部分に添加しである。励起光強度はＮｏ
、１．Ｎｏ、２のＥｒ添加光フアイバ３の入射端で３２
ｍＷであった。また、増幅度（ｄＢ）はＥｒ添加光ファ
イバの入射端と出射端での信号光強度の比である。

第４図から明らかなようにファイバＮ０１１もファイバ
Ｎｏ、２も約１２ｄＢの増幅度が得られている。また、
増幅度のファイバ長依存性はＥｒの濃度に依存し、ファ
イバＮｏ、１に見られる増幅度の飽和は励起光がＥｒに
吸収されて、出射側で減衰するために生じるものである
。以上の実験結果から、本実施例においで１０（１８以
上の増幅度を持った小型で取扱が容易な光フアイバ型光
増幅器が容易に実現できることが確言ばてきた。

ｌ。Ｊじじ１１伝 第５図は本発明の第２実施例の構成を示す。本実施例は
、前述の第１実施例の構成におけるＥｒ添加光フアイバ
３の終端にさらに光ファイバカッフラあるいは導波路型
カップラ２Ａを接続して、信号光と励起光を分離できる
ようにした構成例のものである。

本実施例の増幅動作は第１実施例と同様てあり、また光
ファイバカップラあるいは導波路型カップラ２肩ま前段
のカップラ２と同じ特性のものを使用する。このカップ
ラ２への出力ファイハロからは増幅され、かつ励起光と
分離された信号光か得られる。

Ｃ１第３実施°例 第６図は本発明の第３実施例の構成を示す。本実施例は
、前述の第２実施例の構成におけるカップラ２への信号
光出射側からも１と同様の半導体レーザモジュールｌＡ
の励起光をファイバ７を介して入射させることにより、
第１図、第４図に示した片側のみの励起による増幅度の
飽和が起こらないようにした構成例のものである。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、１．４μｍ帯半
導体レーザモジュールと光ファイバカップラおよびＥｒ
添加光ファイバとを用いているので、挿入損失のない１
０ｄＢ以上の増幅度を持った小型で取扱い易く、かつ高
効率の光フアイバ型光増幅器を提供できる効果が得られ
る。

図、 第６図は本発明の第３実施例の構成を示す模式第７図は
Ｅｒイオンの励起エネルギー準位と励起光と信号光の関
係を示す説明図、 第８図は従来の５ｎｉｔｚｅｒ他らの実験結果を示すグ
ラフである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す模式第２図は
本発明の第１実施例における励起用１．４μｍ帯半導体
レーザの発振スペクトルとＥｒｉ加光ファメバの吸収特
性を示すグラフ、第３図は本発明の第１実施例における
分波および合波用の光ファイバカップラの結合特性を示
すグラフ、 第４図は本発明の第１実施例における増幅度のファイバ
長依存性を示すグラフ、 第５図は本発明の第２実施例の構成を示す模式１、ＩＡ
・・・１．４μｍ帯半導体レーザモジュール、２．２Ａ
・・・光ファイバカップラあるいは導波路型カップラ、 ３・・・Ｅｒ添′加光ファイバ、 ４〜７・・・ファイバ。 特許出願人　　日本電信電話株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）励起光源として発振波長領域が１．４０μｍから１
   ．４９μｍの中にある１．４μｍ帯半導体レーザ光を出
   力し、かつ該出力がファイバで取り出せるようにモジュ
   ール化された半導体レーザモジュールと、 前記半導体レーザ光と１．５μｍ帯信号光の合波を行う
   光ファイバカップラ、あるいは導波路型カップラと、 該カップラの出力を入力する比屈折率差を持ち希土類元
   素のＥｒ（エルビウム）を添加したコア部分とＥｒを含
   まないクラッド部分から成るＥｒ添加光ファイバとを有
   し、 該Ｅｒ添加光ファイバの終端から、または該終端に接続
   させた励起光と信号光の分波を行う光ファイバカップラ
   あるいは導波路型カップラから、前記Ｅｒ添加光ファイ
   バを増幅媒質として増幅された信号光を得ることを特徴
   とする光ファイバ型光増幅器。