JPH03237436A - 活性イオンドープ光ファイバ - 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、稀土類元素、遷移金属等の活性イオンを添加
した光ファイバに関する。

〔従来の技術〕

稀土類元素を添加した光ファイバは、光フアイバ増幅器
、光フアイバセンサ等への適用が考えられている。例え
ばエルビウム（Ｅ「）を添加した光ファイバは、石英系
光ファイバが最低損失を示す１．５μｍ帯で増幅特性を
持つことから、先ファイバ増幅器として極めて有用であ
る。

第４図にはＥｒ添加光フアイバ増幅器の構成を、第５図
にはこのエネルギー準位の説明図を示す。

フィルタ１を反射した励起光（この場合は波長１．４８
μｍ）によって高いエネルギー準位に励起された光フア
イバ２中のＥｒ原子に、フィルタ１を透過して入射され
たより低エネルギーの信号光（この場きは波長１．５５
μｍ）が当たると、誘導放出が起こって信号光のパワー
が光ファイバ２に沿って次第に大きくなる。すなわち、
信号光の増幅が行われて、フィルタ３を介して増幅光の
みが取り出される。

光フアイバ増幅器としては、できるだけ少ない励起光パ
ワーで、より大きな利得を得られることが望ましい。こ
れを実現するため、通常、光ファイバのコアとクラッド
の比屈折率差を大きく取り、しかもコア径を細くして、
伝搬光をコア内に強く閉じ込めることによりパワー密度
を上げることが行なわれる。例えば、比屈折率差１．２
％、コア半径１．８１μｍ１モ一ドフイールド径６μｍ
のＥｒ　ドープ光フアイバ増幅器か報告されている（　
Ｅ、Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅらによる、”Ｅｆ’ｆ’１ｃｉ
ｅｎｔ　Ｅｒｂｌｕｌ−Ｄｏｐｅｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ａｍ
ｐｌｉｆｉｅｒ　ａｔλ−１，５３ｕ　ｒｎ　ｗｉｔｈ
）１ｉｇｈ　０ｕｔｐｕｔ　５ａｔｕｒａｔｉｏｎ　Ｐ
ｏｗｅｒ　　ｒ波長１，５３μｍで高い飽和出力を有す
る高効率エルビウムドープ光フアイバ増幅器Ｊ　　（Ｃ
ＬＥＯ’８９．ＰＤ２０−１）　　。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の従来技術における報告例や、その他の従来例に見
られるＥ「添加光ファイバは、いずれもそのコア中に一
様な濃度でＥ「が添加されたものである。

しかしながら、本発明者らの研究によれば、この光ファ
イバに添加されたＥｒ原子は、信号光の波長である１、
５３５μｍにおいても無視し得ない吸収を示す（重松昌
行ら、１９８９年電子情報通信学会秋季全国大会報告論
文Ｃ−２７８ｒＥｒ添加シングルモード光ファイバの諸
特性」）。この事実から、この光ファイバに励起光パワ
ーが与えられない場合、あるいは励起光パワーが十分で
ない場合には、信号光に対し減衰器として作用すること
は明らかである。

一方、光ファイバのコア中におけるパワー密度の分布は
一様でない。例えばシングルモード光ファアバでは、第
６図に示される如く、半径方向にガウス分布を示すこと
が知られているから、励起光のパワー分布もコア中心部
では高く周辺部では低い。それゆえ、コア周辺部に存在
するＥｒ原子の発揮する信号光増幅能は、その吸収能に
比較して相対的に低く、この部分の低い光増幅能が、フ
ァイバ全体としての光増幅能を引き下げていることか予
想される。そして、このことはＥ「に限らず、これと同
様の光増幅能を示す全ての稀土類元素、史には遷移金属
等の活性イオンについて当てはまると考えられる。

転発明の目的は、以上の事実及び考察に基づいて、コア
中の励起光パワー、が十分に与えられない部分に起因す
る光増幅能の低下を、少なべすることのできる活性イオ
ンドープ光ファイバを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するため、本発明に係る活性イオンド
ープ光ファイバは、光増幅に寄与し得る稀土類元素等の
有効活性イオンの実効濃度が、コア全体に一様になるよ
うにするのではなく、上記実効濃度がコア内で階段状に
又は滑らかに分布するようにすることを特徴としている
。

ここで、活性イオンとして用い得る元素としては、Ｅｒ
、Ｎｄ（ネオジウム）の如き稀土類元素のほか、遷移金
属なども含まれる。これらの活性イオンは例えば第５図
に示したような、３準位系のレーザ媒質となっているの
で、活性イオンを励起光でより高いエネルギーレベルに
励起しながら、励起光より長波長の信号光を送ることて
、その光増幅を行なうことが可能になる。

また、コアにおける活性イオンの濃度の差異は、これら
活性イオン自体の濃度の差異という意味だけに止まらず
、光増幅に対して有効に機能し得る意味での有効活性イ
オンについての、実効的な意味での濃度（実効的濃度）
として理解されなければならない。

例えば、石英系光ファイバのコアにドーピングされるＮ
ｄイオンが所定レベル以上の高濃度になると、いわゆる
「会合」という現象が現れて光増幅能が低下する（濃度
消光する）ことが知られ、更にこの増幅能の低下はＡｇ
　（アルミニウム）やＰ（リン）をドープすることで回
復できることが知られている（荒井和雄による「プラズ
マトーチＣＶＤ法による活性イオンドープ石英ガラスの
合成とその物性」　“セラミックス″２１　（１９８６
）Ｎａ５．　　ｐ、　４１９〜４２４）　、そこで、例
えば光ファイバのコアに一様に活性イオンを上記「会合
」が生しる程度までドーピングすると共に、コア中心部
には上記１．Ｐのような回復剤を更にドーピングすれば
、コア中心部の有効活性イオンの実効的濃度をコア外周
部よりも高くてきる。

また、例えばＥ「をドープした石英系光ファイバにおい
て、Ｅｒのドープ量か先増幅用としては不十分であると
きに、Ｅｒに加えてＹｂ　　（イッテルビウム）等をド
ーピングすると、これがセンシタイザ（増感剤）として
作用し、光増幅能を向上させ得ることが知られている（
吉田実ら、１９８９年電子情報通信学会春季全国大会報
告論文集Ｃ−６２１ｒＥｒ　ドープファイ／〈の蛍光特
性におけるＹｂ　Ａｐ添加効果」）。そこで、例えば光
ファイバのコアに一様に活性イオンを不十分な濃度でド
ーピングすると共に、コア中心部には上記増感剤を更に
ドーピングするようにすると、コア中心部の有効活性イ
オンの実効的濃度を外周部より高くできる。

本発明は有効活性イオンの実効的濃度の異なる領域が、
コア中の所定部分に形成されている点に特徴がある。従
って、活性イオンをコア中心部にのみ添加し、コアの外
周部には活性イオンを全く添加しないようにしてもよい
し、２種以上の活性イオンを泥合させたり、中心部と外
周部で別種の活性イオンをドーピングしてもよい。また
、濃度分布のプロファイルは階段状でも連続的に変化す
るものでもよいし、屈折率分布はステップインデックス
タイプでも、グレードインデックスタイプでもよい。さ
らに、シングルモード光ファイバでは光パワーの分布は
ガウス分布となるので、高痛度領域はコア中心部に形成
されるが、光ファイバの屈折率分布の態様と伝搬モード
（例えばマルチモード）により、光パワーは種々の異な
る分布となるので、高濃度活性イオン領域とすべき部分
はコア中心部に限られない。

〔作用〕

本発明に係る活性イオンドープ光ファイバは以上のよう
に構成されており、コア中の励起光パワーか小さく、従
って光増幅能か相対的に低い部分のｆｉ　功？Ｉｘ性イ
オンの実効的濃度を小さくできるので、その部分におけ
る稀土類元素等による信号光の吸収か減少する。また特
に、パワー密度かコアの半径方向にガウス分布する場合
は、パワー密度が小さいコアの周辺部はど有効活性イオ
ンの実効的濃度を小さくてきるので、コア周辺部分にお
ける信号光の吸収を減少させることができる。

かくして、ファイバ全体として光増幅能の阻害要因が除
去ないし低減されるので、光増幅特性の良好な光ファイ
バを得ることができる。

〔実施例〕

以下に添付図面を参照しつつ、本発明の一実施例及び比
較例について説明する。

第１図（ａ）は本実施例及び比較例の光ファイバの構成
を示す対比表であり、同図（ｂ）は両ファイバにおける
屈折率分布を示す模式図である。

すなわち、本実施例の光ファイバＡは、直径５．８μｍ
の石英（Ｓ１０２）のコアと、フッ素（Ｆ）を添加した
石英のクラッドとからなり、このコアの中心部は第１図
（ｂ）中にドツトで示すように、直径２，９μｍにわた
ってＥｒ濃度が２ｏ　ＯＰＰＨになるように、酸化エル
ビウム（Ｅｒ２０３）か添加されている。これに対して
比較例の光ファイバＢは、直径６．４μｍの石英のコア
と、Ｆを添加した石英のクラッドとからなり、同図（ｂ
）中にドツトで示すように、このコア全体が一様に３２
０　ＰＰ３ｉのＥｒａ度になるようにＥｒ２Ｏ３が添加
されている。

これら両ファイバはＥｒ濃度とその添加部分が異なる点
以外は路間−構造、同一組成であり、このコア／クラッ
ドの比屈折率差Δ、カットオフ波長、モードフィールド
径（Ｍ　Ｆ　Ｄ　）とも、実質的に路間−になるように
作成されている。

次に、両ファイバＡ、Ｂの光増幅特性について、第２図
および第３図より説明する。

第２図の通り、ａｊ定波長（信号光波長）は１．５３５
μｍ１励起光波長は１，４９μｍであり、励起光パワー
は両ファイバＡ、Ｂとも、はぼ同等の１６．０ｍＷ及び
１２．７ｍＷである。

ｆＳ２図の対比表及び第３図のグラフに示すように、本
実施例の先ファイバＡについては、ファイバ長６０ｍに
おける最大利得２３．２ｄＢ、利得係数（最大利得を励
起光パワーで割った値）１．４５ｄＢ／ｍＷを得た。こ
れに女１し、比較例の光ファイバＢては、ファイバ長１
５．５ｍにおける最大利得９．２ｄＢ、利１４係数は０
．７２ｃｌＢ／ｍＷであった。

以上か占、コア全体に一様にＥ「を添加するよりは、パ
ワー密度の高いコア中心部により多く添加する方が、よ
り高い利得係数が得られることが確認された。

また、コア中心部により多くのＥｒを添加し、周辺部に
少なく添加することにより、コア自体を極端に細くする
必要がなくなるので、モードフィールド径を適当な値に
調節することが容易になり、このＥｒ添加光ファイバを
、通常のシングルモード光ファイバ（モードフィールド
径１０μｍ）の中間に挿入する場合の接続損失を最少に
止め得る。

さらに、励起光パワー密度が小さいコア周辺部における
Ｅｒ６度を低くすることにより、この部分におけるＥｒ
による信号光の吸収を減少させることができるので、よ
り高い入力信号光パワーの点までの利得飽和を防止する
効果を期待できる。

なお、一定励起先パワーの下では、最大増幅度（利得）
を与える最適ファイバ長が存在する。また、励起光パワ
ーが大きくなると、増幅度（利得）は大きくなって最適
ファイバ長も長くなることが知られている（前出の重松
らの論文）。

〔発明の効果］ 以上詳述したように、コア全体に一様に稀土類元素等の
活性イオンを添加するなどして、有効活性イオンの実効
的濃度を一様とするよりも、コア中のパワー密度の高い
部分により多く活性イオンを添加するなどして、有効活
性イオンの実効的濃度に差をつけるようにする方が、先
ファイバ増幅器としてより１ｆｆｌｌいｆ’ｌ　ｉ５係
数か得られる。通常、シングルモード光ファイバにおい
ては、コア中のパワー密度は周辺部に比して中心部が高
いから、コア周辺部はと有効活性イオンの実効濃度が小
さくなるように添加する方が、より高い利得係数が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例及び比較例の光ファイバの構成
を示すり・↑比表および模式図、第２図は実晦例文び比
較例の光ファイバの光増幅特性をまとめた対比表、第３
図は実施例及び比較例の光ファイバにお：する利得−フ
ァイバ長の関係を示すグラフ、第４図：：　Ｅ　ｒ添加
光ファイバ増幅器の構成を示す概念図、第５図はこの増
幅器におけるエネルギ準位の説明図、第６図はシングル
モード光ファイバにおける光パワーの密度分布を説明す
る図である。 Ｌ増ｖｌｊ行恒の将疋 第２図 １．３・・・フィルタ、２・・・ファイバ。 イ巴工、下ルイ′−シベノし ＃：、、増中冶のＡ夢、！ 第５図 メジ貨ツーの分布 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光増幅能を持ち得る活性イオンがドーピングされた
   活性イオンドープ光ファイバにおいて、光増幅に対して
   有効に機能し得る状態とされた有効活性イオンの実効的
   濃度の異なる領域がコア内に形成されていることを特徴
   とする活性イオンドープ光ファイバ。 ２、前記実効的濃度のより高い領域が、伝搬光による光
   パワー密度のより高い領域に形成されている請求項１記
   載の活性イオンドープ光ファイバ。 ３、前記実効的濃度のより高い領域が、前記コアの中心
   部およびその近傍に形成されている請求項１または２記
   載の活性イオンドープ光ファイバ。 ４、前記実効的濃度の分布が、前記コア内において連続
   的に変化している請求項１ないし３のいずれかに記載の
   活性イオンドープ光ファイバ。