JPH07211980A

JPH07211980A - 光ファイバ増幅器

Info

Publication number: JPH07211980A
Application number: JP6006775A
Authority: JP
Inventors: Makoto Shimizu; 誠清水; Yasutake Oishi; 泰丈大石; Makoto Yamada; 誠山田; Shoichi Sudo; 昭一須藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-01-26
Filing date: 1994-01-26
Publication date: 1995-08-11
Anticipated expiration: 2016-11-12
Also published as: JP3228451B2

Abstract

(57)【要約】【目的】信号光に対する増幅用光ファイバと伝送用光
ファイバとの低損失接続及び励起光に対する増幅用光フ
ァイバとの励起光源との低損失接続が可能な光ファイバ
増幅器を提供する。【構成】光ファイバのコア部分にレーザ遷移を有する
活性イオンを添加し、前記光ファイバ中に励起光と信号
光とを伝搬させ信号光の増幅作用を生じさせる光ファイ
バ増幅器において、クラッド３に囲まれた２重のコアを
有し、クラッド３の屈折率をｎ_clad、中心コア１の屈折
率をｎ_core1、外側コア２の屈折率をｎ_cor _e2とした場合
にｎ_core1＞ｎ_core2＞ｎ_cladであり、少なくとも中心コ
ア１部分に信号波長にレーザ遷移を有する希土類イオン
が添加された増幅用光ファイバ、光サーキュレータ、光
学フィルタ、励起光源の４つの素子からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光計測、光通信、光情
報処理、光加工等に使用される光ファイバ増幅器に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の光ファイバ増幅器の概略構成を図
９に示す。従来の光ファイバ増幅器は、図９に示すよう
に、励起光はファイバカップラ１１を介して、希土類添
加光ファイバ１３を励起する。信号光は光アイソレータ
１０の入射口１０-１より入射し、光アイソレータ１０
及びファイバカップラ１１を通り、希土類添加光ファイ
バ１３内で増幅され、光アイソレータ１０を通り出射口
１０-２より出射される。この場合、ファイバカップラ
１１での合波動作を安定にするためには全体を励起波長
及び信号波長に対して単一モード化する必要がある。こ
のことから励起光源に対しては、単一モードファイバに
高効率でかつ安定に結合する必要があり、発振横モード
が単一モードで発振している必要がある。この様な条件
を有する半導体レーザ（以下、ＬＤという）は、高々発
振出力が２００ｍＷであった。一方、高出力のＬＤとし
てアレイ構造のＬＤ（以下、アレイ型ＬＤという）が知
られているが、このアレイ型ＬＤでは横モードがマルチ
モードである。アレイレーザを励起光源として使用する
ためには、希土類元素添加光ファイバ１３の構造を２重
コア構造とし、外側コアに励起光を導波させる手法が知
られている。

【０００３】この方法の要点を以下に述べる。この方法
では、励起光は外側コアに結合される。外側コアは、そ
の断面寸法が直径５０μｍ程度であり、アレイ型ＬＤ等
の横モードがマルチであるレーザでも充分高い効率で結
合できる。この場合、励起光の波長では外側コアの伝搬
モードはマルチモードであり、伝搬する励起光は外側コ
ア断面内で近似的に均一の光パワー密度を有すると考え
られる。中心コアに添加された希土類イオンが受ける励
起光強度は、中心コアと外側コアの面積比と実際に外側
コアを伝搬する励起光強度との積になる。例えば、外側
コア直径５０μｍで中心コア直径１０μｍ、１０Ｗの励
起光が外側コアに結合している場合、実効的な励起光強
度として、１０（Ｗ）×（１０²／５０²）＝４００ｍＷ
となる。この励起光強度が中心コアに結合したことにな
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この方法のメリット
は、励起光の結合条件が大幅に緩和されアレイ型ＬＤな
どが使用可能になることである。その反面、増幅用ファ
イバ内をマルチモードで伝搬する励起光と単一モードで
伝搬する信号光とを安定に合分波する素子が必要となっ
てくる。ところが、光ファイバ増幅器で多用されるファ
イバ型カップラでは、マルチモード光と単一モード光で
光とを安定に合分波するファイバカップラは製造不可能
であり、結果として従来アレイ型ＬＤによる高効率光増
幅器の作製は成功していなかった。

【０００５】本発明は、前記問題点を解決するためにな
されたものであり、本発明の目的は、信号光に対する増
幅用光ファイバと伝送用光ファイバとの低損失接続及び
励起光に対する増幅用光ファイバとの励起光源との低損
失接続が可能な光ファイバ増幅器を提供することにあ
る。

【０００６】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【０００８】（１）光ファイバのコア部分にレーザ遷移
を有する活性イオンを添加し、前記光ファイバ中に励起
光と信号光とを伝搬させ信号光を増幅させる光ファイバ
増幅器であって、光ファイバ増幅器は、活性媒体として
屈折率ｎ_cladであるクラッドに囲まれた２重のコアを有
し、中心コアの屈折率をｎ_core1とし外側コアの屈折率
をｎ_core2とした場合に、ｎ_core1＞ｎ_core2＞ｎ_cladで
あり、少なくとも中心のコア部分に信号波長にレーザ遷
移を有する希土類イオンが添加された増幅用光ファイ
バ、信号光波長で動作する光サーキュレータ、信号光を
反射し励起光を透過する光学フィルタ、励起光源の４つ
の素子からなり、各々の相互の接続関係として光サーキ
ュレータの１ポートに増幅用光ファイバを接続し、増幅
用光ファイバの他端に光学フィルタが光学的に接続さ
れ、その光学フィルタを介して増幅用光ファイバと励起
用光源とが光学的に結合されていることを特徴とする。

【０００９】（２）前記中心のコア部分に２種類以上の
希土類イオンが添加され、その内の一つのイオンのレー
ザ遷移波長が信号波長と一致し、残りの希土類イオンが
当該イオンをエネルギー移動過程により励起できるエネ
ルギー準位を有することを特徴とする。

【００１０】（３）前記中心のコア部分に信号波長にレ
ーザ遷移を有する希土類イオンが添加され、その希土類
イオンの励起波長と一致したレーザ遷移を有する別の希
土類イオンが少なくとも外側クラッド部分に添加され、
かつ光サーキュレータの１ポートと増幅用光ファイバと
の接続途中に光フィルタが設置されていることを特徴と
する。

【００１１】

【作用】前記手段の項の（１）によれば、横モードがマ
ルチモードで発振するアレイ型ＬＤ等の高出力ではある
が、単一モード光ファイバとの結合が困難である光源が
光ファイバ増幅器用としては使用でき、高効率でかつ安
定な光ファイバ増幅器が構成できる。

【００１２】前記手段の項の（２）によれば、添加する
センシタイザーを選択することにより、横モードがマル
チモードではあるが高出力である光源を使用し、光源自
体の発振波長では励起できなかった希土類イオンのレー
ザ遷移波長での高効率かつ安定な光増幅が可能となる。

【００１３】前記手段の項の（３）によれば、横モード
がマルチモードではあるが高出力である光源を使用し、
第２の希土類イオン（元素）を励起しレーザ発振状態と
することにより、信号光の増幅に寄与する希土類元素の
反転分布の状態を増幅用光ファイバ長手方向で一定の値
とすることが可能となる。この様な均一な反転分布状態
は、信号光の増幅に寄与する希土類元素がアップコンバ
ージョン過程や励起光ＥＳＡ（励起準位間吸収）がある
場合に、それらの寄与による増幅特性の劣化を最小限に
抑えられる。また、全体を通じて、信号光が増幅用希土
類添加２重コアファイバ中を往復する構成のために、増
幅効率が２倍になるという利点も併せて持っている。

【００１４】

【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。

【００１５】なお、実施例を説明するための全図におい
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り
返しの説明は省略する。

【００１６】（実施例１）図１は本発明による実施例１
の光増幅用の同心円構造の２重光コア光ファイバの断面
構造を示す図、図２は図１に示す２重コア光ファイバの
構成における各部の屈折率を示す図、図３は本発明によ
る実施例１の光ファイバ増幅器の概略構成を示す図であ
る。図１において、１は２重コア光ファイバの中心コ
ア、２は２重コア光ファイバの外側コア、３はクラッド
である。図２において、ｎ_core1は２重コアの中心コア
１の屈折率、ｎ_core2は２重コアの外側コア２の屈折
率、ｎ_cla _dはクラッド３の屈折率である。図３におい
て、４は光サーキュレータ、４-１はピグテイルファイ
バ、４-２はピグテイルファイバ、４-３はピグテイルフ
ァイバ、５は接続部材、６は希土類添加２重コア光ファ
イバ、７は光フィルタ、８は励起光結合用レンズ系、９
は発振波長λｐの励起光源である。

【００１７】本実施例１の光増幅用の同心円構造の２重
光コア光ファイバは、図１に示すように、２重光コア光
ファイバの中心コア１の外周面に外側コア２が設けら
れ、その外側コア２の外周面にクラッド３が設けられて
いる。この２重光コア光ファイバの構成における各部の
屈折率は、図２に示すように、ｎ_core1＞ｎ_core2＞ｎ_cl
_adの関係になっている。一方、吸収波長がλａで、波長
λａの波長の励起光により反転分布が形成されることに
より波長λｓの誘導放出が生じる希土類元素（イオン）
ＲＥ１が、少なくとも２重光コアの中心コア１の部分に
添加されている。この波長λｓに対して、中心コア１の
コア径を次のように決める。中心コア１をコアとし、外
側コア２をクラッドに見立てて、波長λｓで単一モード
条件が満足されるようなコア径とする。このようなファ
イバを使用し、図３に示すような光ファイバ増幅器を構
成する。

【００１８】すなわち、光サーキュレータ４は波長λｓ
の光に対し、ピグテイルファイバ４-１から入射した光
をピグテイルファイバ４-２に出射し、ピグテイルファ
イバ４-２から入射した光をピグテイルファイバ４-３に
十分低い接続損失で出射する。同時に、ピグテイルファ
イバ４-３からピグテイルファイバ４-２へ、また、ピグ
テイルファイバ４-２からピグテイルファイバ４-１方向
への接続損失は十分高いため、光の逆行は無視できる。
このような光サーキュレータ４のピグテイルファイバ４
-２に希土類添加２重コア光ファイバ６が接続部材５に
より接続され、その他端に、光フィルタ７が装着されて
いる。一方、発振波長λｐの励起光源９は、レンズ８を
介して、希土類添加２重コア光ファイバ６の外側コア２
の部分に光学的に結合されている。

【００１９】前記励起光源の発振波長λｐは希土類元素
ＲＥ１の吸収波長λａと等しい。また、光フィルタ７
は、波長λｐの光は透過し、波長λｓの光は高い反射率
で反射する特性を持たせる。この結果、励起光源からの
励起光は、希土類添加２重コア光ファイバ６の外側コア
部分をコアと見立てた導波モードでファイバ中を伝搬す
る。このような結合形態をとるために、励起光源９から
の励起光のビーム品質はガウシアンである必要がなく、
アレイ型ＬＤ等の非ガウシアン形状のビームを発する励
起光源でも低い損失で結合できる。希土類添加２重コア
光ファイバ６内では、少なくとも中心コア部分に添加さ
れた希土類元素ＲＥ１を励起し反転分布が形成される。
一方、光サーキュレータ４のピグテイルファイバ４-１
より入射した信号光（波長λｓ）は、ピグテイルファイ
バ４-２より希土類添加２重コア光ファイバ６に入射す
る。この際、信号光は、希土類添加２重コア光ファイバ
の中心コア１をコアとし外側コア２（クラッドも含め
て）をクラッド３とする導波モードに結合させる。この
導波モードは信号光に対して単一モード条件を満足して
いる。

【００２０】信号光は、希土類添加２重コア光ファイバ
６をまず右方向に伝搬し反転分布状態にある希土類元素
ＲＥ１により増幅され、光フィルタ７により反射され、
今度は希土類添加２重コア光ファイバ６を左方向に伝搬
し増幅される。この増幅された信号光は、再度ピグテイ
ルファイバ４-２に入射するわけだが、信号光の導波モ
ードは希土類添加２重コア光ファイバ６中で単一モード
で伝搬していることから、低い接続損失で安定にピグテ
イルファイバ４-２に結合できる。増幅された信号光
は、光サーキュレータ４を介してピグテイルファイバ４
-３より出射する。この際、ピグテイルファイバ４-３→
ピグテイルファイバ４-２→ピグテイルファイバ４-１方
向の損失（逆方向阻止比）が十分高いために、信号光の
発振は十分抑制できる。信号光に対する増幅用光ファイ
バと伝送用光ファイバとの低損失接続及び励起光に対す
る増幅用光ファイバと励起光源との低損失接続の２点を
両立した光ファイバ増幅器となる。

【００２１】次に、本実施例１の増幅用光ファイバの具
体例を説明する。図１に示すように、前記クラッド３は
Ｆ添加ＳｉＯ₂ガラス、外側コア２にはＳｉＯ₂ガラス、
中心コア１にはＡｌ₂Ｏ₃-ＧｅＯ₂-ＳｉＯ₂ガラスを使用
した。外側コア２を基準とした中心コア１及びクラッド
３の比屈折率差は、各々−０.７％，＋３.０％である。
中心コア１中に含有されるＡｌ₂Ｏ₃は、その濃度が１mo
l％である。中心コア１の直径は約２μｍであり、外側
コア２をクラッドとして見立てた場合でのカットオフ波
長は０.９μｍである。一方、外側コア２の直径は６０
μｍとし、クラッド直径は１２５μｍとした。添加した
希土類元素はＥｒを用い、中心コア１部分のみに均一に
１０００ｐｐｍ添加した。

【００２２】使用した光フィルタ７は、波長０.９μｍ
〜１.１μｍでの透過率が９９％以上で、波長１.４μｍ
〜１.６μｍでの反射率は９９％以上である。この光フ
ィルタ７は石英ガラス板（厚さ３００μｍ）の片面に蒸
着により形成された誘電体多層膜であり、同膜面側をフ
ァイバ端面に直接接着させて使用した（前記反射率等の
特性は、対石英ショートでの値である）。使用した光サ
ーキュレータ４は、偏波無依存型の４端子型光サーキュ
レータであり、順方向過剰損失０.６ｄＢ以下、逆方向
阻止比３６ｄＢ以上の特性を有している。励起光源１２
としては、０.９８μｍ発振のアレイ型ＬＤであり、発
振出力１Ｗでアレイ型ＬＤ端面での発光領域のサイズは
１μｍ×１００μｍである。励起光結合用のレンズとし
ては、非球面レンズとシリンドリカルレンズの複合レン
ズであり、焦点面（増幅用光ファイバ端面）で、ＬＤ発
振光を５μｍ×６０μｍの楕円形状に集光した。励起光
は、光フィルタ７を介して２重コア増幅用光ファイバの
外側コア２の部分に結合させたが、その際の結合効率
は、レンズ及びフィルタの損失を含めて６０％であっ
た。信号光は、１.５５μｍで発振している分布帰還型
半導体レーザ（ＤＦＢ-ＬＤ）であり、光サーキュレー
タ４の入射ポートに-３０ｄＢｍのパワーを結合させ
た。

【００２３】図４に励起用ＬＤの発振パワーに対して測
定された信号光の利得を示す。信号光利得が０ｄＢとな
るＬＤ発振光量は約８０ｍＷであり、４５０ｍＷ励起に
おいて２５ｄＢの小信号利得を実現した。

【００２４】（比較例１）実施例１において、増幅用光
ファイバを通常の単一コアのものとした。クラッドガラ
スはＳｉＯ₂ガラス、コアはＡｌ₂Ｏ₃-ＧｅＯ₂-ＳｉＯ₂
ガラスである。クラッドを基準としたコアの比屈折率差
は＋３.０％である。コア中に含有されるＡｌ₂Ｏ₃は、
その濃度が１mol％である。コアの直径は約２μｍであ
り、カットオフ波長は０.９μｍである。一方、クラッ
ド直径は１２５μｍとした。添加した希土類元素はＥｒ
であり、コア部分のみに均一に１０００ｐｐｍ添加し
た。

【００２５】増幅特性の評価は、実施例１の場合と同一
の装置構成により行い、単に２重コア光ファイバを単一
コア光ファイバに置き換えた構成とした。

【００２６】結果は、励起用半導体レーザ（ＬＤ）から
増幅用光ファイバへの励起光の結合率が約１０％と低
く、結果として正の信号利得は得られなかった。

【００２７】（実施例２）本発明の実施例２の増幅用光
ファイバと前記実施例１の増幅用光ファイバとの異なる
点は、希土類添加２重コア光ファイバ６の少なくとも中
心のコア部分に２種類以上の希土類元素が添加されてい
ることであり、信号波長λｓで誘導放出遷移を有する希
土類元素（イオン）ＲＥ１と、励起光源からの励起光を
吸収し、エネルギー伝達過程により希土類元素（イオ
ン）ＲＥ１を励起するためのセンシタイザーとしての希
土類イオンＲＥ２を含むことである。希土類元素のエネ
ルギー準位の相互関係を図５に示す。図５では、希土類
元素（イオン）ＲＥ２の励起過程として、エネルギー伝
達過程に直接関与する準位を励起する場合、より高エネ
ルギー準位を励起し無輻射或いは輻射過程よりエネルギ
ー伝達過程に直接関与する準位に緩和させる方法につい
て示した。どちらの方法においても、励起光源の発振波
長λｐは希土類イオンＲＥ１の吸収波長λａと等しい必
要はなく、センシタイザーとして添加した希土類イオン
ＲＥ２の吸収波長に一致させればよい。当然のことなが
ら、光フィルタ７は、波長λｐの光は透過し、波長λｓ
の光は高い反射率で反射する特性を持たせてある。

【００２８】本発明の実施例２の増幅用光ファイバの構
造は、図１に示したものと同一であり、クラッド３には
Ｆ添加ＳｉＯ₂ガラス、外側コア２にはＡｌ₂Ｏ₃-ＳｉＯ
₂ガラス、中心コア１にはＡｌ₂Ｏ₃-ＧｅＯ₂-ＳｉＯ₂ガ
ラスを使用した。ＳｉＯ₂ガラスを基準とした中心コ
ア、外側コア及びクラッドの比屈折率差は、各々−０.
８％，＋０.１％、＋３.０％である。中心コア１及び外
側コア２中に含有されるＡｌ₂Ｏ₃は、その濃度が約１mo
l％である。中心コア１の直径は約２μｍであり、外側
コア２をクラッドとして見立てた場合でのカットオフ波
長は０.９μｍである。一方、外側コア２の直径は６０
μｍとし、クラッド直径は１２５μｍとした。希土類元
素は中心コア１の部分のみに均一に添加し、その種類と
添加濃度はＥｒが１０００ｐｐｍでＹｂが１００００ｐ
ｐｍである。

【００２９】使用した光フィルタ７は、波長０.７μｍ
〜０.９μｍでの透過率が９９％以上で、波長１.４μｍ
〜１.６μｍでの反射率は９９％以上である。光フィル
タ７は石英ガラス板（厚さ３００μｍ）の片面に蒸着に
より形成された誘電体多層膜であり、同膜面側を光ファ
イバ端面に直接接着させて使用した（前記反射率等の特
性は、対石英ショートでの値である）。使用した光サー
キュレータ４は、偏波無依存型の４端子型光サーキュレ
ータであり、順方向過剰損失０.６ｄＢ以下、逆方向阻
止比３６ｄＢ以上の特性を有している。励起光源９とし
ては、０.８５μｍ発振のアレイ型ＬＤであり、発振出
力３Ｗでアレイ型ＬＤ端面での発光領域のサイズは１μ
ｍ×２００μｍである。励起光結合用のレンズとして
は、非球面レンズとシリンドリカルレンズの複合レンズ
であり、焦点面（増幅用光ファイバ端面）で、アレイ型
ＬＤの発振光を５μｍ×８０μｍの楕円形状に集光し
た。励起光は、光フィルタを介して２重コア増幅用光フ
ァイバの外側コア２の部分に結合させたが、その際の結
合効率は、レンズ及びフィルタの損失を含めて６０％で
あった。信号光は、１.５５μｍで発振している分布帰
還型半導体レーザ（ＤＦＢ-ＬＤ）であり、光サーキュ
レータの入射ポートに−３０ｄＢｍのパワーを結合させ
た。

【００３０】図６に本実施例２の増幅用光ファイバに結
合した発振パワーに対して測定された信号光の利得を示
す。信号光利得が０ｄＢとなる励起光量は約１５０ｍＷ
であり、９５０ｍＷ励起において３０ｄＢの小信号利得
を実現した。

【００３１】（比較例２）前記実施例２において、増幅
用光ファイバを通常の単一コアのものとした。クラッド
にはＳｉＯ₂ガラス、コアにはＡｌ₂Ｏ₃-ＧｅＯ₂-ＳｉＯ
₂ガラスを使用した。クラッドを基準としたコアの比屈
折率差は＋３.０％である。コア中に含有されるＡｌ₂Ｏ
₃は、その濃度が１mol％である。コアの直径は約２μｍ
であり、カットオフ波長は０.９μｍである。一方、ク
ラッド直径は１２５μｍとした。添加した希土類元素は
ＥｒとＹｂであり、コア部分のみに均一に各々１０００
ｐｐｍ、１００００ｐｐｍ添加した。

【００３２】増幅特性評価の装置構成は、前記実施例２
の場合と同一であり、単に、２重コア光ファイバを単一
コア光ファイバに置き換えた構成とした。

【００３３】結果は、励起用ＬＤから増幅用光ファイバ
への励起光の結合率が約１０％と低く、励起光量１００
０ｍＷまでの範囲内で正の信号利得は得られなかった。

【００３４】（比較例３）前記実施例２の増幅用光ファ
イバにおいて、クラッド３にはＦ添加ＳｉＯ₂ガラス、
外側コア２にはＡｌ₂Ｏ₃-ＳｉＯ₂ガラス、中心コア１に
はＡｌ₂Ｏ₃-ＧｅＯ₂-ＳｉＯ₂ガラスを使用した。ＳｉＯ
₂ガラスを基準とした中心コア１、外側コア２及びクラ
ッド３の比屈折率差は各々−０.８％，＋０.１％、＋
３.０％である。中心コア１及び外側コア２中に含有さ
れるＡｌ₂Ｏ₃は、その濃度が１mol％である。中心コア
１の直径は約２μｍであり、外側コア２をクラッド３と
して見立てた場合でのカットオフ波長は０.９μｍであ
る。一方、外側コア２の直径は６０μｍとし、クラッド
直径は１２５μｍとした。希土類元素は中心コア１の部
分のみに均一に添加し、その種類と添加濃度はＥｒが１
０００ｐｐｍのみである。

【００３５】増幅特性評価の装置構成は、前記実施例２
の場合と同一であり、前記Ｅｒ単一添加２重光コアファ
イバを、単に、Ｅｒ及びＹｂを添加した２重光コアファ
イバに置き換えた構成とした。

【００３６】結果は、励起光の外側コア２への結合率
は、前記実施例２と同様に高いものであったが、励起波
長がＥｒの吸収波長から外れているために十分な励起が
できず、励起光量１０００ｍＷまでの範囲内で正の信号
利得は得られなかった。

【００３７】比較例２及び３より、共添加系でのエネル
ギー伝達を介した励起の有効性と、同励起システムにお
いても２重コア光ファイバを用いる利点が明確となっ
た。

【００３８】（実施例３）本発明の実施例３の増幅用光
ファイバは、前記希土類添加２重コア光ファイバ６の少
なくとも中心コア１の部分（図１）に、信号波長λｓで
誘導放出が生じる希土類元素ＲＥ１が添加されている
（波長λａの波長の励起光により反転分布が形成され
る）ことは、実施例１及び実施例２と同じである。異な
る点は、同時に少なくとも外側コア２の部分に、波長λ
ａで誘導放出が生じる希土類元素（イオン）ＲＥ３が添
加されている（波長λａ２の波長の励起光により反転分
布が形成される）。

【００３９】本実施例３の励起及び増幅過程について、
図７（エネルギー準位図）、図８（概略構成を示す模式
図）を用いて説明する。図７に示すように、励起光源９
の発振波長λｐは、ＲＥ３の吸収波長λａ３に一致させ
る。また、光フィルタ７は、波長λａ３の光は透過し、
波長λｓでは高い反射率で反射し、希土類元素ＲＥ１の
吸収波長λａでは有限の反射率を有する。本実施例３に
おいては、接続部５の位置にも光フィルタ７’を挿入す
る。この光フィルタ７’は、波長λｓでは高い透過率を
有する共に、希土類元素（イオン）ＲＥ１の吸収波長λ
ａでは有限の反射率を有し、光フィルタ７と組み合わさ
れて、希土類元素ＲＥ１の吸収波長λａにおいて共振器
を構成するようにしてある。励起光は、希土類添加２重
コア光ファイバの外側コア２の部分に結合され、波長λ
ｐ（＝λａ３）の励起光により希土類元素ＲＥ３は反転
分布が形成され、十分励起光が強ければ光フィルタ７と
光フィルタ７’により構成されるレーザ共振器が発振波
長λａで発振を開始する。この状態では、波長λａでの
発振光は希土類添加２重コア光ファイバ６の長手方向で
均一なパワー分布を有する。この結果、希土類添加２重
コア光ファイバ６の少なくとも中心コア部分添加された
ＲＥ１は、同光ファイバ内で波長λａでの発振光により
励起され、信号波長λｓで誘導放出が生じる。この結
果、信号光が増幅される。

【００４０】本実施例３の増幅用光ファイバの構造は、
図１に示したものと同一であり、例えば、クラッド３に
はＺＨＢＬＹＡＮガラス（ＺｒＦ₄-ＨｆＦ₄-ＢａＦ₂-Ｌ
ｉＦ-ＹＦ₃-ＡｌＦ₃-ＮａＦ）、外側コア２にはＺＢＬ
ＹＡＮガラス（ＺｒＦ₄-ＢａＦ₂-ＬｉＦ-ＹＦ₃-ＡｌＦ₃
-ＮａＦ）、中心コア１にはＰｂＦ₂添加ＺＢＬＹＡＮガ
ラス（ＺｒＦ₄-ＢａＦ₂-ＬｉＦ-ＹＦ₃-ＡｌＦ₃-ＮａＦ-
ＰｂＦ₂）を使用した。クラッド３を基準とした中心コ
ア１、外側コア２の比屈折率差は、各々＋４.５％，＋
１.０％である。中心コア１の直径は約１.８μｍであ
り、外側コア２をクラッドとして見立てた場合でのカッ
トオフ波長は１.０μｍである。一方、外側コア２の直
径は６０μｍとし、クラッド３の直径は１２５μｍとし
た。希土類元素はＰｒとＹｂを添加し、Ｐｒは中心コア
１の部分にのみ均一に５００ｐｐｍで、Ｙｂは外側コア
２の部分のみ（中心コア１部分には添加されていない）
均一に１０００ｐｐｍ添加した。

【００４１】光フィルタは２種類使用した。励起光源９
側に設置した光フィルタ７は、波長０.７μｍ〜０.９μ
ｍでの透過率が９９％以上で、波長１.２μｍ〜１.４μ
ｍでの反射率は９９％以上、波長１.０μｍ〜１.１μｍ
での反射率は４０％である。光サーキュレータ４側に設
置した光フィルタ７’は、波長１.２μｍ〜１.４μｍで
の透過率は９９％以上、波長１.０μｍ〜１.１μｍでの
反射率は４０％である。光フィルタ７，７’は石英ガラ
ス板（厚さ１００μｍ）の片面に蒸着により形成された
誘電体多層膜であり、同膜面側を増幅用光ファイバの端
面に直接接着させて使用した（前記反射率等の特性は、
対石英ショートでの値である）。使用した光サーキュレ
ータ４は、偏波無依存型の４端子型光サーキュレータで
あり、順方向過剰損失０.６ｄＢ以下、逆方向阻止比３
６ｄＢ以上の特性を有している。励起光源９としては、
０.８０μｍ発振のアレイ型ＬＤであり、発振出力１０
ＷでＬＤ端面での発光領域のサイズは１μｍ×３００μ
ｍである。励起光結合用レンズ系８のレンズとしては、
非球面レンズとシリンドリカルレンズの複合レンズであ
り、焦点面（増幅用光ファイバ端面）で、ＬＤの発振光
を５μｍ×７０μｍの楕円形状に集光した。

【００４２】励起光は、光フィルタ７，７’を介して希
土類添加２重コア光ファイバ６の外側コア２の部分に結
合させたが、その際の結合効率は、励起光結合用レンズ
系８及び光フィルタ７，７’の損失を含めて６０％であ
った。信号光は、１.３０μｍで発振している分布帰還
型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）であり、光サーキュレ
ータ４の入射ポートに−３０ｄＢｍのパワーを結合させ
た。

【００４３】次に、２重コア光ファイバに結合した励起
光量が４Ｗの際の特性について説明する。この励起光量
においては、Ｙｂは十分励起され反転分布が形成されて
おり、Ｙｂのレーザ遷移波長である１μｍ帯で２枚の光
フィルタ７，７’とＰｒ／Ｙｂ共添加２重コア光ファイ
バにより構成された共振器は、レーザ発振状態となって
いた。２枚の光フィルタとＰｒ／Ｙｂ共添加２重コア光
ファイバにより構成された共振器から出射された１μｍ
帯発振光のパワーは、４００ｍＷであった。このこと
は、共振器内部での１μｍ帯発振光のパワーが１.２Ｗ
以上であることを意味しており、この発振波長がＰｒイ
オンの励起波長に一致していることから、以下の順序で
Ｐｒイオンの励起が生じていることが予期される。

【００４４】アレイ型ＬＤからの発振光→２重コアファ
イバ内でのＹｂイオンの励起→光フィルタに囲まれた２
重コアファイバ内でのＹｂイオンによるレーザ発振→レ
ーザ発振光（共振器内）による２重コアファイバ内での
Ｐｒイオンの励起→Ｐｒイオンの反転分布形成→Ｐｒイ
オンにより信号光が増幅される。

【００４５】実際に当該光ファイバからはＰｒイオンが
励起されていることを示す赤色のアップコンバージョン
光が視認された。

【００４６】増幅実験の結果を次に示す。信号光利得
は、１.３０μｍであり、光サーキュレータ４の入射端
への結合光量は−３０ｄＢｍとした。増幅用光ファイバ
に結合したアレイ型ＬＤからの発振光パワーが４Ｗの際
に、３０ｄＢの小信号利得を実現した。

【００４７】（実施例４）本発明の実施例４の増幅用光
ファイバの構造は、図１に示したものと同一であり、例
えば、クラッド３にはＦ添加ＳｉＯ₂ガラス、外側コア
２にはＳｉＯ₂ガラス、中心コア１にはＡｌ₂Ｏ₃-ＧｅＯ
₂-ＳｉＯ₂ガラスを使用した。外側コアを基準とした中
心コア及びクラッドの比屈折率差は各々−０.７％，＋
３.０％である。中心コア中に含有されるＡｌ₂Ｏ₃は、
その濃度が１mol％である。中心コアの直径は約２μｍ
であり、外側コアをクラッドとして見立てた場合でのカ
ットオフ波長は０.９μｍである。一方、外側コアの直
径は６０μｍとし、クラッド直径は１２５μｍとした。
添加した希土類元素はＮｄであり、中心コア部分のみに
均一に１０００ｐｐｍ添加した。

【００４８】使用した光フィルタ７，７’は、波長０.
７μｍ〜０.９μｍでの透過率が９９％以上で、波長１.
０μｍ〜１.１μｍでの反射率は９９％以上である。光
フィルタ７，７’は石英ガラス板（厚さ３００μｍ）の
片面に蒸着により形成された誘電体多層膜であり、同膜
面側をファイバ端面に直接接着させて使用した（前記反
射率等の特性は、対石英ショートでの値である）。使用
した光サーキュレータ４は、偏波無依存型の４端子型光
サーキュレータであり、順方向過剰損失２ｄＢ以下、逆
方向阻止比３０ｄＢ以上の特性を有している。励起光源
９としては、０.８０μｍ発振のアレイ型ＬＤであり、
発振出力５Ｗでアレイ型ＬＤの端面での発光領域のサイ
ズは１μｍ×１００μｍである。励起光結合には、コア
直径５０μｍのマルチモード光ファイバの片端を頂角６
０度に先球加工をしたファイバ（長さ１０ｍｍ）を使用
し、アレイ型ＬＤ側に先球加工面を接近させ、レーザ光
（ＬＤ光）を結合させ、他端を光フィルタを介して２重
コア増幅用光ファイバの外側コア２の部分に結合させ
た。その際の結合効率は、短尺マルチモード光ファイバ
及びフィルタの損失を含めて５０％であった。信号光
は、１.０６４μｍで発振しているＮｄ：ＹＡＧレーザ
であり、光サーキュレータの入射ポートに−３０ｄＢｍ
のパワーを結合させた。

【００４９】図７に励起用アレイ型ＬＤの発振パワーに
対して測定された信号光の利得を示す。信号光利得が０
ｄＢとなるＬＤ発振光量は約５０ｍＷであり、１０００
ｍＷ励起において２０ｄＢの小信号利得を実現した。

【００５０】（実施例５）本発明の実施例５の増幅用光
ファイバの基本的構成は、前記実施例２と同一であり、
励起用光源のみＬＤ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（マルチモ
ード発振で発振波長及び出力は１.０６４μｍ、２Ｗ）
とした励起光の結合光学系は実施例２と同一としたため
に結合効率は５５％と若干低かった。本実施例５の構成
により励起光量（希土類添加２重コア光ファイバ６への
結合光量）５００ｍＷで信号光利得２５ｄＢを実現し
た。

【００５１】（実施例６）本発明の実施例６の増幅用光
ファイバの基本的構成は、前記実施例１と同一である
が、異なる点はＥｒを中心コア１及び外側コア２の部分
に均一に１０００ｐｐｍ添加したことである。

【００５２】増幅実験の結果、４５０ｍＷ励起において
２７ｄＢの小信号利得を実現した。通常の単一コア光フ
ァイバのコア部分にＥｒを添加した場合、クラッドにも
添加すると増幅効率（単位励起光量あたりの信号光利
得）が低下するが、本実施例６の２重コア光ファイバで
は、外側コア２内での励起光が均一に近いために、外側
コア１にＥｒを添加しても増幅効率の劣化は生じない。
このことは、Ｅｒに限ったことではなく、全ての希土類
に当てはまる。

【００５３】（比較例４）基本的構成は前記実施例２と
同一である。前記実施例２と異なる点は、希土類イオン
の添加分布が異なっていることのみであり、添加分布は
以下の通りである。Ｅｒは中心コア１のみに１０００ｐ
ｐｍ、Ｙｂは外側コア２のみに１０００ｐｐｍとした。
この構成では、利得は得られず、励起光量に関わらず、
信号波長ではＥｒの吸収に起因した損失（４０ｄＢ）が
観測された。

【００５４】（実施例７）本発明の実施例７の増幅用光
ファイバの基本的構成は、前記実施例２と同一である
が、異なる点はＥｒ及びＹｂを外側コア２及び中心コア
１の両方に各々１０００ｐｐｍ及び１００００ｐｐｍ均
一に添加したことである。実験の結果、９５０ｍＷ励起
において３２ｄＢの小信号利得を実現した。小信号利得
が、前記実施例２に比べて若干高くなっているのは、前
記実施例６と同様に外側コア２部分に添加したＥｒが増
幅に寄与したためと考えられる。

【００５５】（比較例５）前記実施例２と基本的構成は
同一とした。異なる点はＥｒ及びＹｂを外側コア２のみ
に各々１０００ｐｐｍ及び１００００ｐｐｍ均一に添加
し、中心コア１部分には添加しなかった。実験の結果、
９５０ｍＷ励起において１ｄＢの小信号利得を実現し
た。小信号利得が、前記実施例２に比べて非常に低いの
は、中心コア１部分にＥｒが添加されて無いために、信
号光と励起されたＥｒイオン分布との重ね合わせが悪か
ったためと判断でき、このことから少なくともコア部分
には信号光を増幅するための希土類元素（希土類イオ
ン）が添加されている必要があることが明らかとなっ
た。

【００５６】（実施例８）本発明の実施例８の増幅用光
ファイバの基本的構成は、前記実施例１において希土類
添加２重コア光ファイバ６を以下の仕様のものとした。

【００５７】中心コア１にはＩＢＳＰＺガラス（ＩｎＦ
₃-ＢａＦ₂-ＳｒＦ₂-ＰｂＦ₂-ＺｎＦ₂）、外側コア２に
はＰｂＦ₂の添加濃度の異なるＩＢＳＰＺガラス、クラ
ッド３にはＰｂＦ₂を含まないＩＢＳＺガラスを使用し
た。中心コア１のみにＴｍを１０００ｐｐｍ添加した。
なお、クラッド３を基準とした外側コア２及び中心コア
１の比屈折率差は、各々１％，３％である。励起には、
０.８μｍ帯アレイ型ＬＤを使用した。出力は３Ｗであ
る。外側コア２をクラッドに見立てた場合での中心コア
１のカットオフ波長は０.７５μｍであり、外側コア２
の直径は６０μｍである。励起光の外側クラッドへの結
合は実施例１と同一とした。使用した光サーキュレータ
４は、動作波長１.４７μｍであり、挿入損失０.８ｄＢ
以下、逆方向阻止比３５ｄＢである。

【００５８】使用した光フィルタ７は実施例１と同一で
ある。信号光源には発振波長１.４７μｍの分布帰還型
半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）を使用し、光サーキュレ
ータの入射ポートに−３０ｄＢｍのパワーを結合させ
た。

【００５９】増幅特性の実験の結果、励起光強度（２重
コアファイバへの結合光量）７００ｍＷで小信号利得２
０ｄＢの値を実現した。

【００６０】（実施例９）本発明の実施例９の増幅用光
ファイバの基本的構成は、前記実施例１において希土類
添加２重コア光ファイバ６を以下の仕様のものとした。

【００６１】中心コア１，外側コア２及びクラッド３に
は各々組成の異なるＧｅ-Ｇａ-Ｓガラスを使用し、中心
コア１のみにＥｒを１０００ｐｐｍ添加した。なお、ク
ラッドを基準とした外側コア２及び中心コア１の比屈折
率差は各々２％，３％である。励起及び信号光等に関し
ては実施例１と同じであった。

【００６２】増幅特性の実験の結果、４００ｍＷ励起に
おいて１８ｄＢの利得を実現した。

【００６３】（実施例１０）本発明の実施例１０の増幅
用光ファイバの基本的構成は、前記実施例１において希
土類添加２重コア光ファイバ６を以下の仕様のものとし
た。

【００６４】中心コア１，外側コア２及びクラッド３に
は各々組成の異なるＧｅ-Ｇａ-Ｓガラスを使用し、中心
コア１のみにＤｙを１０００ｐｐｍ添加した。なお、ク
ラッド３を基準とした外側コア２及び中心コア１の比屈
折率差は、各々２％，３％である。励起には発振波長
０.８１μｍのアレイ型半導体レーザ（ＬＤ：発振出力
３Ｗ）を使用し、前記実施例１と同一の方法により２重
コアファイバの外側クラッド部に結合させた。信号光
は、波長１.３５μｍの分布帰還型半導体レーザ（ＤＦ
Ｂ−ＬＤ）を使用した。光サーキュレータ４は、動作波
長１.３１μｍのものを使用した。１.３５μｍでの挿入
損失と逆方向阻止比は各々１ｄＢと３０ｄＢであった。

【００６５】増幅特性の実験の結果、４００ｍＷ励起に
おいて１０ｄＢの利得を実現した。

【００６６】（実施例１１）本発明の実施例１１の増幅
用光ファイバの基本的構成は、前記実施例１において希
土類添加２重コア光ファイバ６を以下の仕様のものとし
た。

【００６７】中心コア１，外側コア２及びクラッド３に
は、各々組成の異なるフツリン酸ガラス（Ｐ₂Ｏ₅-Ｌｉ
Ｆ-ＭｇＦ₂-ＣａＦ₂-ＳｒＦ₂-ＢａＦ₂-ＡｌＦ₃）を使用
し、中心コアのみにＥｒを１０００ｐｐｍ添加した。な
お、クラッド３を基準とした外側コア２及び中心コア１
の比屈折率差は、各々２％，３％である。励起及び信号
光等に関しては実施例１と同じであった。

【００６８】増幅特性の実験の結果、４００ｍＷ励起に
おいて１５ｄＢの利得を実現した。

【００６９】（実施例１２）本発明の実施例１２の増幅
用光ファイバの基本的構成は、前記実施例１において希
土類添加２重コア光ファイバ６を以下の仕様のものとし
た。

【００７０】中心コア１，外側コア２及びクラッド３に
は、各々組成の異なるアルミン酸ガラス（Ａｌ₂Ｏ₃-Ｃ
ａＯ-Ｎａ₂Ｏ-ＳｉＯ₂-ＧｅＯ₂）を使用し、中心コア１
のみにＥｒを１０００ｐｐｍ添加した。なお、クラッド
３を基準とした外側コア２及び中心コア１の比屈折率差
は、各々１％，２％である。励起及び信号光等に関して
は実施例１と同じであった。

【００７１】増幅特性の実験の結果、８００ｍＷ励起に
おいて１７ｄＢの利得を実現した。

【００７２】以上本発明を実施例により具体的に示し
た。本発明の主旨は新規な光ファイバ増幅器の構成につ
いてであり、当然のことながら本発明で示した光ファイ
バ増幅器の構成を逸脱しない範囲で他のファイバガラス
組成や希土類イオンを使用できることは言うまでもな
い。例えば、励起光源としてはマルチモード発振してい
るＮｄ：ＹＬＦ等の固体レーザ等も使用でき、ファイバ
ガラス組成としては、フツリン酸ガラス、アルミノシリ
ケートガラス、インジウム系フッ化物ガラス、カルコゲ
ナイドガラス等の幅広いガラスが使用できる。また、レ
ーザ遷移を有する全ての希土類イオンが使用できること
は勿論である。

【００７３】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、ファイバ増幅器の励起光源として高出力のアレイＬ
Ｄやマルチモード発振している固体レーザ等の高出力高
効率な光源が使用でき、かつ、安定な増幅特性が実現で
きる。このことは、コストパーフォーマンスに優れた光
ファイバ増幅器の構成が可能になるという効果が達成さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例１の光増幅用の同心円構造
の２重光コアファイバの断面構造を示す図である。

【図２】図１に示す２重光コアファイバの構成における
各部の屈折率を示す図である。

【図３】本発明による実施例１の光ファイバ増幅器の概
略構成を示す図である。

【図４】本実施例１の励起用ＬＤの発振パワーに対して
測定された信号光の利得を示す図である。

【図５】本発明の実施例２の増幅用光ファイバの希土類
元素のエネルギー準位の相互関係を示す図である。

【図６】本実施例２の励起用ＬＤの発振パワーに対して
測定された信号光の利得を示す図である。

【図７】本発明の実施例３の増幅用光ファイバの希土類
元素のエネルギー準位の相互関係を示す図である。

【図８】本発明の実施例３の光ファイバ増幅器の動作を
説明するための図である。

【図９】従来の光ファイバ増幅器の概略構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１…中心コア、２…外側コア、３…クラッド、４…光サ
ーキュレータ、５…接続部、６…希土類添加２重コア光
ファイバ、７…光フィルタ、８…励起光結合用レンズ
系、９…励起光源、１０…光アイソレータ、１１…励起
光／信号光合波用ファイバカップラ、１２…励起光源、
１３…希土類添加単一コア光ファイバ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者須藤昭一東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバのコア部分にレーザ遷移を有
する活性イオンを添加し、前記光ファイバ中に励起光と
信号光とを伝搬させ、信号光を増幅させる光ファイバ増
幅器であって、活性媒体として屈折率ｎ_cladであるクラ
ッドに囲まれた２重のコアを有し、中心コアの屈折率を
ｎ_core1とし外側コアの屈折率をｎ_cor _e2とした場合に、
ｎ_core1＞ｎ_core2＞ｎ_cladであり、少なくとも中心コア
部分に信号波長にレーザ遷移を有する希土類イオンが添
加された増幅用光ファイバ、信号光波長で動作する光サ
ーキュレータ、信号光を反射し励起光を透過する光学フ
ィルタ、励起光源の４つの素子からなり、各々の相互の
接続関係として光サーキュレータの１ポートに増幅用光
ファイバを接続し、増幅用光ファイバの他端に光学フィ
ルタが光学的に接続され、その光学フィルタを介して増
幅用光ファイバと励起用光源とが光学的に結合されてい
ることを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項２】請求項１に記載の光ファイバ増幅器にお
いて、前記中心コア部分に２種類以上の希土類イオンが
添加され、その内の一つのイオンのレーザ遷移波長が信
号波長と一致し、残りの希土類イオンが当該イオンをエ
ネルギー移動過程により励起できるエネルギー準位を有
することを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項３】請求項２に記載の光ファイバ増幅器にお
いて、前記中心コア部分に信号波長にレーザ遷移を有す
る希土類イオンが添加され、その希土類イオンの励起波
長と一致したレーザ遷移を有する別の希土類イオンが少
なくとも外側クラッド部分に添加され、かつ光サーキュ
レータの１ポートと増幅用光ファイバとの接続途中に光
フィルタが設置されていることを特徴とする光ファイバ
増幅器。