JPH03218945A - 光増幅用ファイバ - Google Patents

光増幅用ファイバ

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JPH03218945A
JPH03218945A JP2011782A JP1178290A JPH03218945A JP H03218945 A JPH03218945 A JP H03218945A JP 2011782 A JP2011782 A JP 2011782A JP 1178290 A JP1178290 A JP 1178290A JP H03218945 A JPH03218945 A JP H03218945A
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glass
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Hidenori Mimura
榮紀 三村
Noboru Edakawa
登 枝川
Hisahiro Yoshida
尚弘 吉田
Kazuo Kamiya
和雄 神屋
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Shin Etsu Chemical Co Ltd
KDDI Corp
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Shin Etsu Chemical Co Ltd
Kokusai Denshin Denwa KK
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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】 (発明の技術分野) 本発明は、光増幅用中継器を利用した1.5μ帯光通信
システムに用いられる光増幅用ファイバに関するもので
ある。
(従来技術とその問題点) 石英ファイバの最低損失波長帯である1.5μ帯の波長
の光を利用した光通信システムは、光の減衰が小さいた
め長距離通信に最も適したシステムである。しかしなが
ら、1.5μ帯通信システムでも無中継光伝送距離はせ
いぜい200km程度であるため、それ以上の距離を伝
送するためには減衰した光信号を再生するための中継器
を用いる必要がある。現在のシステムに使用されている
中継器は、減衰した光信号を一旦電気信号に変換し、電
気的回路によって再生増幅を行う方式であるが、中継器
の小型・経済化や伝送速度の固定されない柔軟なシステ
ム設計が可能な点などから将来的には光電気変換を行わ
ず光信号のまま再生増幅を行う光増幅方式の実現が望ま
れている。
このような光増幅を行う方法として、現在半導体増幅器
を利用する方法、ファイバの非線形光学効果を利用する
方法、Er添加したファイバの光増幅作用を利用する方
法などが提案されているが、なかでもEr添加ファイバ
を使用する方式は伝送用ファイバとの結合効率が高く、
雑音が低く、偏光に無依存であることなどから最も有望
視されている。
Er添加ファイバを使用する光増幅器の原理は、信号光
と異なる波長の励起光で励起したErイオンの誘導放出
光によって微弱信号光を増幅するものであるが、現在の
光増幅器を長距離光海底ケーブルシステムに適用するに
は以下のような問題点が存在する。即ち、現在のEr添
加ファイバは励起光を誘導放出光に変換する効率が低く
、そのため長距離光海底ケーブルシステムに必要な利得
を得るには100mW程度の強い励起光源が必要とされ
る。しかしながら、このように大出力で信顛性の高い半
導体レーザは現存しないため、光増幅器を長距離光海底
ケーブルシステムに適用するのは困難な状況であり、変
換効率の高い光増幅用ファイバの開発が強く望まれてい
る。
一般にNdなどの希土類元素を活性イオンとするガラス
レーザや増幅器の効率を高める方法としては、活性イオ
ンと共に他の希土類イオンや遷移金属イオンを増感剤と
して微量添加する方法や、ホストガラスの組成を変化さ
せる方法等が知られている。
前者に関しては、Erイオンに対してybが多少増悪作
用をもつことが知られているが、大きな増悪作用を持つ
イオンはまだ知られていない。一方、後者に関してはN
dイオンについて詳細に調べられており、硅酸塩ガラス
よりりん酸塩ガラスのほうが効率が高いことがよく知ら
れている。Ndイオンの例から類推すれば、Erイオン
の場合も発光効率の点で石英ガラスが最適であるとは言
えず、発光効率をより高くする組成のガラスが当然存在
する筈である。従って、このような組成のガラスを用い
てEr添加光増幅用ファイバを作れば、石英ガラスにE
rを添加した現在のファイバよりも効率の高いファイバ
となる筈である。しかし、石英ガラスと組成の差が大き
いガラスで作ったファイバは、例え増幅特性が優れてい
ても光通信システムに用いるには問題がある。
光通信システムに用いる光増幅用ファイバの場合には、
信号伝送用石英ファイバとの整合性が必要であり、例え
ば、両者を融着接続するために粘性一温度特性がほぼ同
一であること、コア径,モードフィールド径などのファ
イバパラメータを近くする必要性から互いに類似した屈
折率であること、耐候性,耐化学性などの点で石英ファ
イバに匹敵する信頬性を有することなどが要求される。
ガラス組成の差が大きいファイバでは到底このような要
求を満足することは不可能であり、たとえ増幅特性が優
れていても光通信システムに用いることはできない。
以上説明したように、現在のEr添加光増幅用ファイバ
は長距離通信システムに用いるには増幅効率が低く、ま
た光通信システムに用いるための諸要求を満足し、かつ
増幅効率を向上させるための方法も何等開示されていな
い。
(発明の目的) 本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みなされたも
ので、励起光と誘導放出光の変換効率が高く、かつ光通
信システムに用いるために必要な諸要求を満足する光増
幅用ファイバを提供することを目的とするものである。
(問題点を解決するための手段) この目的を達成するために、本発明の光増幅用ファイバ
は、石英系ガラスファイバ中に分散させたErイオンを
光励起しその誘導放出光でファイバ内を伝搬する信号光
を増幅するEr添加光増幅用石英ガラスファイバにおい
て、Erイオン近傍に存在するSiイオンがErイオン
の配位子場の非対称性を増加させるイオンで局所的に置
換され、かつ置換イオンの濃度が伝送用ファイバとの整
合性に支障のない低濃度であることを特徴とする構成を
有している。
(実施例1) 第1図は本発明のErイオンの近傍に存在するSi イ
オンを局所的に他のイオンと置換した状態を示す図であ
る。
まず、ガラス全体の組成を変えなくてもErイオン近傍
のSi イオンのみを置換すれば励起光と誘導放出光の
変換効率の向上が可能になる理由について説明する。
一般に、希土類イオンを添加した固体レーザ増幅器によ
り、微小信号を増幅する場合、単位長あたりの利得は次
式で与えられる。
G=ex直σ.・ΔN)   ・一・− (1)ここで
、σ2は誘導放出断面積、ΔNは反転分布密度である。
ΔNを太き《するには励起光強度を増大させなければな
らないので、励起光強度一定のまま高利得を得るにはσ
,を大きくする必要がある。
また、希土類イオンの状態J゜からJへの遷移の誘導放
出断面積σ,は次式で与えられる。
ここで、A,・,は状態J゛がらJへの輻射遷移確率、
Δλ.ffは発光スペクトルの有効半値幅、λは発光波
長、nは屈折率、Cは光速である。(2)式からわかる
ように大きなσpを得るには状態間の輻射遷移確率を大
きくするが、発光スペクトルの有効半値幅を小さくすれ
ばよい. 以下、輻射遷移確率を大きくするための方法を述べる。
輻射遷移確率を決定しているのは遷移の強度パラメータ
Ωtであり、Ω、が大きい程輻射遷移確率も大きい。ま
たΩ1は次式で表される。
Ω1=Σl A.”l三”(k−t)    ・−−−
−−− (3)ここでA♂は結晶場を展開した時の奇パ
リティ(odd parity)項で、希土類イオンの
配位子場の対称性と強度に依存する。一方、三(k, 
t)は4f軌道と4f軌道に混じり込む異なるパリティ
を持った軌道との波動函数の重なり積分とエネルギー差
を含む項で、希土類イオンと配位子間の結合の性質に依
存する。即ち、(3)式は希土類イオンの配位子場の非
対称性の増加や希土類イオンと配位子の軌道の重なりの
増加などがΩ、を大きくする効果のあることを示してい
る。従って、輻射遷移確率を増大させるには希土類イオ
ンの配位子場の非対称性が増すように配位子のOイオン
あるいはOイオンと結合しているSi イオンを他のイ
オンと置換するのが有効と考えられる。
このような置換を行うための最も簡便な方法はガラス全
体の組成を変化させることであるが、上述の議論から判
るようにΩ,に直接関与しているのはErに配位してい
るOイオンあるいは0イオンと結合しているSi イオ
ンであるので、第2図のガラス構造の模式図のうよにE
rに近接するイオンのみを部分置換しても十分な効果が
得られるはずである。実際に添加されるErイオンの濃
度は、濃度消光を避けるため50〜500ppm程度が
望ましいとされている。従って、Erイオンの配位数を
7〜8と仮定すればErイオンに配位しているイオンは
せいぜい400〜4000ppm程度にしかならず、こ
れらの配位イオンを効率的に置換すれば石英ガラスの物
性に顕著な変化を与えない数%以内の僅かな組成変化で
もって十分な効果を得ることが可能になる。すなわち、
置換イオンの濃度は伝送用ファイバとの整合性に支障が
ない範囲内の低濃度である。
次に、輻射遷移確率の増大に有効なイオンの種類につい
て述べる。前述したように、輻射遷移確率を増大させる
ためには、配位子場の非対称性を増加させることが有効
と考えられるので、その効果が大きくかつ伝送波長帯の
1.5μ帯に吸収を持たないイオン種を選択することが
必要である。配位子場の非対称性を増加させる直接的な
方法は、Erイオンに配位しているOイオンの一部を他
の陰イオンで置換することであるが、配位イオンを直接
置換しな《でも配位してぃる0イオンと結合しているS
iイオンを置換することによっても配位子場の非対称性
を増加させる可能である。配位子場の対称性はErと0
イオン間の距離と角度によって決まるが、これらは0イ
オンと結合している陽イオンによって強く支配される。
従って、0イオンと結合しているSiイオンの一部を他
イオンで置換しても配位子場の非対称性を増すことがで
きる。
このような目的でSi イオンを他の陽イオンで置換す
るためには、添加した陽イオンはガラス中でSi イオ
ンと類似したサイトを占め得るイオンであることが必要
であるが、アルカリ,アルカリ土類イオンのようなガラ
ス中で網目修飾酸化物となるイオンはErに配位する0
イオンとの結合に直接関与しないので殆ど効果がない。
これに対し、ガラス中で網目形成酸化物となるpS+B
S−As”,Sb5′″等のイオン、あるいは中間酸化
物となるA It !+,  ca”,  T i”,
  S n”  Ta”Nb”+  Bt3+等のイオ
ンはErに配位する0イオンと直接的に結合するので顕
著な効果が得られる.次に本発明の光増幅用ファイバを
実現するための製造法の例について述べる。
Erイオンの近傍に所望のイオンを添加するには、例え
ば液相浸漬法においてErイオンと添加イオンが共存す
る溶液中にコア用スートを浸漬し、乾燥後焼結して母材
を作ればよい。このようにすれば溶液中のErイオンと
添加イオンの濃度を調節することによりEr近傍の添加
イオン濃度を調節することも可能である。
なお、上述の説明では、コアとクラッドの屈折率差によ
り石英ファイバに導波機能を持たせる手段について何ら
触れなかったが、コアの屈折率をクラッドの屈折率より
も相対的に大きくする手段としては、一般にコアにゲル
マニウム(Gelをドープしてコアの屈折率を相対的に
大きくする方法、またはクラッドにふっ素でF)等をド
ープしてクラッドの屈折率を相対的に小さくする方法が
ある。本発明は石英ファイバにErがドープされていれ
ば、どちらの石英ファイバにも適用可能である。
(発明の効果) 以上詳細に説明したように、本発明はErに配位する0
イオンと結合するSiイオンをErの配位子場の非対称
特性を増加させるイオンで置換することにより、Er添
加光増幅用ファイバの変換効率(増幅効率)を高めるこ
とを可能にする,またEr近傍のSi イオンのみを局
所的に置換することにより、伝送用石英ファイバと類似
した粘性一温度特性,屈折率,信幀性を有することを可
能にする。
従って本発明による光増幅用ファイバは、長距離用光通
信システムに適用することが可能であり、その効果は極
めて大である。
【図面の簡単な説明】
第1図はEr添加光増幅用ファイバのErイオン近傍の
Stイオンを局所的に置換した状態を示す本発明の模式
図、第2図はErイオンに近接したSi イオンを置換
した場合の本発明によるガラス構造の模式図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)石英系ガラスファイバ中に分散させたErイオン
    を光励起しその誘導放出光でファイバ内を伝搬する信号
    光を増幅するEr添加光増幅用石英ガラスファイバおい
    て、 Erイオン近傍に存在するSiイオンがErイオンの配
    位子場の非対称性を増加させるイオンで局所的に置換さ
    れ、かつ置換イオンの濃度が伝送用ファイバとの整合性
    に支障のない低濃度であるように構成されたことを特徴
    とする光増幅用ファイバ。
  2. (2)前記置換イオンがP^5^+、B^5^+、As
    ^5^+、Sb^5^+等のガラス内で網目形成酸化物
    となる陽イオンであることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の光増幅用ファイバ。
  3. (3)前記置換イオンがAl^3^+、Ga^3^+、
    Ti^4^+、Sn^4^+、Ta^5^+、Nb^5
    ^+、Bi^3^+等のガラス内で中間酸化物となる陽
    イオンであることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載の光増幅用ファイバ。
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