JPH04180280A - 光増幅装置及び光発振装置 - 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〕 本発明は波長１．５〜１．７μｍ帯で使用される光増幅
装置及び光発振装置に関する。

〔従来の技術〕

波長１．５〜１．７μｍ帯の光通信分野への応用等のた
め、希土類元素を添加した光ファイバを用いて、ファイ
バ増幅器、ファイバセンサ及びファイバレーザ等の光増
幅・光発振装置を作製する努力がなされている。希土類
元素を添加したファイバの中でも、特にエルビウムイオ
ン（Ｅｒ”）を添加した石英ガラスをコアとする光ファ
イバについては多くの報告がなされており、このような
光ファイバを使用した光増幅装置では、波長１．５３〜
１，５６μｍ帯で光増幅利得が得られることが分かって
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、Ｅｒ　　を添加した光ファイバからなる光増幅
装置では、信号光源等として使用する半導体レーザのカ
バーする波長１，５〜１．７μｍ帯の範囲に対して十分
に対応できてぃなかった。また、波長１．５５μｍ帯等
の光通信システムの保守等のための障害検出システムに
使用するという目的で、例えばより長波長側の波長１．
６５μｍ帯域の光増幅・光発振装置が必要とされる場合
があるが、Ｅｒ３＋を添加した光ファイバからなる光増
幅装置、光発振装置等では、この１．６５μｍ帯に必ず
しも十分に対応できてぃなかった。

そこで、上述の事情に鑑み、本発明は、Ｅｒ”を活性物
質として用いない光ファイバ等からなる光増幅装置及び
光発振装置であって、波長１，５〜１．７μｍ帯で十分
な光増幅・光発振利得を有する光増幅装置及び光発振装
置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成するため、本発明に係る光増幅装置は
、光伝送路と、励起光源と、光学手段とを備える。ここ
に、光伝送路は、活性物質としてツリウムイオン（Ｔ　
ｍ　３＋）を添加した光機能性ガラスを有して構成され
、波長１，５〜１．７μｍ帯の信号光を伝搬する。また
、励起光源は、波長１．５μｍ帯の励起光を発生する。

更に、光学手段は、励起光源からの励起光を光伝送路内
に入射させる。

本発明に係る光増幅装置に使用した光伝送路等は、例え
ばファイバレーザ等の光発振装置にも応用することがで
きる。

具体的には、光発振装置を、上記光伝送路と、励起光源
と、光学手段とを備えるように構成する。

ここに、励起光源は波長１．５μｍ帯の励起光を発生し
、光学手段は励起光を励起光源から光伝送路内に入射さ
せる。また、光発振装置には共振器構造が形成されてい
て、光伝送路内からの波長１．５〜１．７μｍ帯の放射
光を光伝送路にフィードバックする。

〔作用〕

本発明に係る光増幅装置にあっては、光伝送路中に導入
された波長１．５μｍ帯の励起光により、活性物質であ
るＴｍ３＋を励起し、効率の良い３準位系の発光を可能
にする。この励起光の波長１．５μｍは、基底準位　Ｈ
６からエネルギー準位　Ｈ４への遷移に対応するからで
ある。つまり、この励起により基底準位３Ｈにある原子
がエネルギー準位　Ｈ４の上部レベルに一旦ポンピング
され、その後輻射を伴わずに単位３Ｆ　　の下部しベル
に遷移する。この様なポンピング及び非輻射遷移により
、準位３Ｈと準位３Ｆ　　の下部レベルとの間に反転分
布が形成されると、波長１，５〜１．７μｍ帯での発光
が可能になる。このとき、励起されたＴｍ３＋に波長１
．５〜１．７μｍ帯の信号光が入射すると、Ｔｍ３＋は
、この信号光に誘導され、波長１．５〜１．７μｍ帯の
光を発生する。この結果、波長１．５〜１，７μｍ帯で
の光増幅が可能になる。

本発明に係る光発振装置にあっては、光学手段により光
伝送路内に導入された波長１，５μｍ帯の励起光によっ
てＴｍ”＋が励起される。この励起されたＴ　ｍ　３＋
（ｊ）一部は、光伝送路内からの波長１．５〜１，７μ
ｍ帯の放出光と、共振器構造によって光伝送路内にフィ
ードバックされた波長１．５〜１．７μｍ帯の光とによ
って誘導され、波長１．５〜１．７μｍ帯の放出光を発
生する。

これを繰り返すことにより、波長１．５〜１．７μｍ帯
での光発振が可能になる。

〔実施例〕

以下、本発明の光増幅装置の実施例について説明する。

第１図に、波長１．５〜１．７μｍ帯の光増幅装置であ
るファイバ増幅器を示す。

信号光源１１としては、レーザダイオード（カラーセン
ターレーザ等を使用しても良い、）が使用されている。

この信号光源１１の出力側には、光ファイバ１８ａの一
端が光学的に接続されておす、コノ光ファイバ１８ａの
他端はカプラ１３の入力側に接続されている。また、励
起光源であるレーザ光源１２としては、レーザダイオー
ドが使用されている。このレーザ光源１２の出力側には
、光ファイバ１９ａの一端か光学的に接続されており、
この光ファイバ１９ａの他端はカプラ１３の入力側に接
続されている。

カプラ１３の出力側からは２本の光ファイバ１８ｂ、１
９ｂが延び、一方の光ファイバ１９ｂの終端は戻り光防
止用のマツチングオイル１７に浸漬されており、他方の
光ファイバ１８ｂの終端は光伝送路である光ファイバ１
０の一端にコネクタ等を介して接続されている。この光
ファイバ１０の他端の出力側には光スペクトラムアナラ
イザ１５が設けられており、これらの間にはフィルタ１
６が介在されている。

ここに、カプラ１３は、２本の光ファイバ１８．１９の
融着延伸によって作製されたもので、このカプラ１３と
ファイバ１８ａ、１８ｂ、１９ａ。

１９ｂとは光学手段を構成する。

また、光ファイバ１０は長さ２ｍの５Ｍファイバてあり
、Ｔｍ３＋を添加した石英ガラス製のコアを備えている
。

以下、第１図のファイバ増幅器の動作について簡単な説
明を行う。

レーザ光源１２は、波長１．５μｍ帯の励起光を出力す
る。この励起光は、光ファイバ１９ａを介してカプラ１
３に入射し、更に光ファイバ１８ｂを介して光フアイバ
１０内に入射する。励起光か入射する光ファイバ１０の
コアには活性物質としてＴｍ３＋か添加されているため
、この励起光によって所定の状態に励起されたＴｍ”＋
は、波長１．５〜１．７μｍ帯の発光が可能な状態にな
る。

信号光源１１から出力された波長１．５〜１．７μｍ帯
の信号光は、光ファイバ１８ａを介してファイバカブラ
１３に入射する。カプラ１３に入射した信号光は、レー
ザ光源１２からの励起光と結合されて光フアイバ１０内
に入射する。光ファイバ１０に入射した信号光は、ポン
ピングされたＴｍ３＋を誘導して波長１．５〜１，７μ
ｍ帯の誘導放出光を生じさせる。

光フフイハ１０の出力側からは、励起光と増幅された信
号光とが出力されるか、これらのうち励起光については
、フィルター６によってカットされることとなる。この
ため、光スペクトラムアナライザ１５には増幅された信
号光のみが入射することとなり、Ｔｍ３＋を添加した光
ファイバによる光増幅の利得か測定できる。

第１図のファイバ増幅器の利得増大の原理について、第
２図を用いて簡単な説明を行う。

第２図は、石英ガラス等のガラス試料に添加されたＴｍ
”＋のエネルギー準位を模式的に示した図である。

光ファイバに導入された１、５μｍの励起光によってそ
のコア中のＴｍ”＋が励起され、その基底準位　Ｈにあ
る原子、が準位　Ｆ４の上部レベルに−旦遷移する。そ
の後、励起された電子はフすノン等のエネルギーを放出
して緩和され準位３Ｆ４の下部レベルに遷移する。この
ようなボンピングにより、準位３Ｈと準位３Ｆ　　の下
部しヘルとの間に反転分布か形成されると、波長１．５
〜１．７μｍ帯をピークとした３準位系の発光か可能に
なる。この結果、波長１．５〜１．７μｍ帯での効果的
な誘導放出が可能になる。

第３図は、Ｔｍ”＋を添加したファイバの損失特性を示
した図である。第２図のエネルギー準位３Ｆ　　、”Ｈ
，Ｈ，Ｆ３に対応する吸収ピークかそれぞれ示されてい
る。Ｔｍ”＋の準位３、は第２図に模式的に示した準位
よりも比較的広い範囲に分布しているものと考えられ、
その上部レヘルと下部レベルを十分に確保できることが
分かる。

第１図のファイバ増幅器について得られた光増幅利得の
測定結果について説明する。

レーザ光源１２から光ファイバに入射する励起光の波長
を１．５６μｍとし、その出力を３０ｍＷとした。また
、信号光源１１から光ファイバに入射する信号光の波長
を１．６５μｍとし、その出力を１μＷとした。光スペ
クトラムアナライザ１５による測定結果から、実施例の
ファイバ増幅器の光増幅利得は約６ｄＢであることがわ
かった。

比較のため、励起光源を１．５μｍ帯から０．８μｍ帯
のものにかえ、同様の実験を行ったところ、光増幅利得
は１ｄＢ程度であった。これは、波長０．８μｍ帯の励
起光によって準位準位３Ｈまて緩和されるなどして、準
位３Ｈと準位３Ｆ　　の下部レベルとの間に有効な反転
分布が形成されないためであると考えられる。

第４図に、参考のため、第１図のファイバ増幅器に使用
した光ファイバー０の構造を示した。

光ファイバー０は、石英にＴｍを添加したコアと石英に
弗素（Ｆ）を添加したクラッドとを備える。そのコア径
は６μｍで、その外径は１２５μｍである。また、これ
らのコア及びクラッドの比屈折率差△は約０．７％であ
る。

以下に、第４図の光ファイバの作製について簡単な説明
を行う。

まず、光伝送路である光ファイバのコア材として、ツリ
ウムイオンを酸化物の状態で添加した石英ガラスを溶融
し棒状に形成し、コア用のガラスロッドとする。この石
英ガラスに添加した活性物３十 質であるＴｍ　　の濃度は重量で３００ｐｐｍとする。

次に、弗素を添加した石英ガラスを溶融・形成し、クラ
ッドパイプとする。クラッドパイプにはＴｍ３＋を添加
していない。これらのコア口・ソド及びクラッドパイプ
をロッドインチューブ法によりプリフォームに形成する
。このプリフォームを公知の線引き装置にセットし、光
ファイバに線引きする。この結果、すでに述べたように
、コア径６μｍで外径１２５μｍのＳＭソファノくが得
られる。この３Ｍファイバを測定のため長さ２ｍの試料
に切り出し、ファイバ増幅器用の光ファイ１（１０とす
る。

以下、本発明の光発振装置の実施例について説明する。

第５図に、波長１．５〜１．７μｍ帯の光発振装置であ
るファイバレーザを示す。

レーザ光源１２は、第１図のファイバ増幅器に使用した
もので、波長１．５６μｍのレーザダイオード（ＬＤ）
である。Ｔｍ３＋を添加した光ファイバ１０もまた上記
ファイバ増幅器に使用したものである。

ＬＤからの波長１．５６μｍの励起光は、レンズ、光コ
ネクタ等の適当な手段によって光フアイバ２８内に導入
される。この励起光は、光ファイバ２８の終端からＴｍ
３＋を添加した光フアイバ１０内に入射する。この励起
光により光フアイバ内のＴｍ”＋が所定の状態に励起さ
れ、波長１．５〜１．７μｍ帯の発光が可能になる。こ
こで、光ファイバ１０の出力端を鏡面に仕上げているた
め、この出力端とレーザダイオードの端面とは共振器を
構成する。この結果、励起光の出力が所定値を超えると
波長１．５〜１．７μｍ帯のいずれかの波長でレーザ発
振が生じる。

なお、本実施例の光ファイバではコアに使用するマトリ
ックスガラスとして石英ガラスを使用したが、マトリッ
クスガラスの組成はこれに限られるものではない。例え
ば、珪酸塩ガラス、燐酸塩ガラス及び弗化物系ガラス等
を使用しても良い。

この様にマトリックスガラスの組成を変更することで、
波長１．５〜１．７μｍ帯の範囲で発光若しくは誘導放
出の波長を調節することもできる。

また、本発明の光伝送路は上記の光ファイバに限定され
るものではない。例えば、上記Ｔｍ３＋添加ガラスを平
面導波路等に形成しても良い。ただし、光ファイバに形
成することが長尺の光伝送路を得る点では望ましい。光
損失が少ないこと等を利用すれば、低閾値でＴｍ３＋に
反転分布を生じさせることができるからである。

更に、ファイバレーザーに使用した共振器は、誘電体ミ
ラー等を使用するタイプのものであってもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る光増幅装置又は光発
振装置によれば、波長１．５〜１．７μｍ帯でのＴｍ”
＋発光を可能にする波長１．５μｍ帯の励起光の存在に
より、波長１．５〜１．７μｍ帯での光増幅又は光発振
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光増幅装置の実施例を示した図、
第２図は波長１．５μｍ帯の励起光１こよ３す るＴｍ　　励起を説明するための図、第３図４ｉＴｍ３
＋の吸収を示した図、第４図は第１図の光増幅装置に用
いる先ファイバの構造を示した図、第５図は本発明によ
る光発振装置の実施例を示しｔ：図である。 １０・・・光伝送路である光ファイノく、１２・・・波
長１．５μｍ帯の励起光源、１３．１８．１９．２８・
・・光学手段。 代理人弁理士　　　長谷用　　芳　　樹□３Ｆ３ ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝３Ｈ４ ０：＝：＝：＝＝：＝：＝＝：：＝３日５Ｔｍ３＋のエ
ネルギー庫イｑ 第２図 Ｔｍ′／小カロファイバ 第４図 ファイバし−サ゛の実施１列 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｔｍ＾３＾＋を活性物質として添加した光機能性ガ
   ラスを有して構成され、波長１．５乃至１．７μｍ帯の
   信号光を伝搬する光伝送路と、波長１．５μｍ帯の励起
   光を発生する励起光源と、 前記励起光源からの前記励起光を前記光伝送路内に入射
   させる光学手段と、 を備える光増幅装置。 ２、Ｔｍ＾３＾＋を活性物質として添加した光機能性ガ
   ラスを有して構成され、波長１．５乃至１．７μｍ帯の
   光を伝搬する光伝送路と、 波長１．５μｍ帯の励起光を発生する励起光源と、 前記励起光を前記励起光源から前記光伝送路内に入射さ
   せる光学手段と、を備え、 前記光伝送路内からの波長１．５乃至１．７μｍ帯の放
   射光を前記光伝送路にフィードバックする共振器構造が
   形成されていることを特徴とする光発振装置。