JPH0331826A - 光増幅形切替部品 - 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】 〈産業上の利用分針〉 本発明は、光ファイバを用いた光伝送方式において伝搬
光の増幅すると共に光路の切替を行うための光増幅形切
替部品に関する。

〈従来の技術及び発明が解決しようとする課題〉従来、
伝搬光の増幅と切替とを同時に行うことができる部品は
なかった。

光増幅技術としては、エルビウムイオン（Ｅｒ”）やネ
ジラムイオン（Ｎｂ”）における電子の反転分布（高い
エネルギー準位の電子数が低い準位に比べ多い分布状態
）を利用した誘電放出により、伝搬光を増幅する技術が
知られている。この技術では、反転分布を発生させろた
めの励起光と伝搬光とが共に、上述したようなイオンを
含有する領域と作用する必要がある。この状態を実現す
るため、従来の光増幅部品としては、エルビウム（Ｅｒ
）、ネオジウム（Ｎｄ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、イ
ッテリピウム（ｙｂ）等の希土類元素や、チタン（Ｔｉ
）等の遷移元素からなる、いわゆる光増幅元素のＩＮ以
上を光ファイバのコア部に含有させたもの（以下、コア
ドープ光ファイバという）が用いられている。これによ
り、励起光と伝搬光との界分布がコア部を中心に同時に
存在することが可能である。

しかし、この場合、励起光は上述した光増幅元素の各イ
オンによって吸収されるため、かかるコアドープ光ファ
イバに励起光を入射するためには、上記光増幅元素をコ
ア部に含まない合波部を用いる必要があり、例えば第６
図や第７図に示すような構成を採る必要がある。

両図において、１はコアドープ光ファイバ、２ａ、２ｂ
は通常の通信に使用する光ファイバ（以下、通常光ファ
イバという）であり、通常光ファイバ２ａからの伝搬光
をコアドープ光ファイバ１で増幅した後、通常光ファイ
バ２ｂに伝搬する構成となっている。そして、この場合
、コアドープ光ファイバ１には伝搬光と共に励起光を入
射する必要があるが、第６図の例ではミラー３、ハーフ
ミラ−４及びダイクロイックミラー５を用いて励起用光
源６からの励起光を伝搬光と共にコアドープ光ファイバ
１に入射するようになっている。また、第７図に示す例
では、２つの励起光源６からの励起光を合わせる合波カ
プラ７及びこの合波カプラ７からの励起光と伝搬光とを
合わせろ波長多重カプラ８を用いている。なお、合波カ
プラ７及び波長多重カプラ８は、通常ファイバを溶融延
伸して作製されたものである。また、図中、ｔと０とは
励起光の偏波方向を示し、両者の偏波面が直交している
ことを示している。すなわち、両方の例においては、直
交している２方向側波の励起光を合せてコアドープ光フ
ァイバ１に入射してコア内に反転分布を作り、伝搬光を
増幅している。

このように、従来、コアドープ光ファイバを用いて光増
幅を行う場合には、該コアドープ光ファイバと共に通常
光ファイバやその他の特別な光部品を必要とし、また、
両者の位置決め等の作業が煩雑であるという問題がある
。

一方、従来より、光ファイバを用いた光伝送方式におい
て伝搬光を切替える光切替部品としては種々の構造のも
のが知られている。

例えば第１の方式として、第８図に示すように光ファイ
バ１０１自体の位置を変化させｔこり、第９図に示すよ
うに光ファイバ間に挿入されたプリズム１０２の位置を
変化させたりして、導波路自体を移動させることにより
伝搬光の光路を切替える方式がある。

また、第２の方式として光ファイバ間に挿入した導波路
の屈折率を制御することにより伝搬光の光路を切替える
方式があり、乙の中には例えば第１０図に示すように屈
折率変化部１０３Ａの屈折率を電圧により変化させて全
反射の角度を制御する方法や、第１１図に示すように同
様に屈折率変化部１０３Ｂの屈折率を電圧により変化さ
せて結合係数を制御する方法がある。

さらに、第３の方式として、光ファイバ間に押入しｆ：
　Ａ　／　Ｏ素子（音響光学素子）の屈折率変化を用い
る方式がある。すなわち、第１２図に示すようにＡ１０
素子１０４に印加ずろ電圧等を変化させることにより弾
性波１０４Ａを変化させ、光路を切替える方法である。

しかし、上述した第１の方式では、損失は例えば０．５
〜１　ｄＢと小さいものの切替時にごみ等の影響を受は
易く、また、切替の度に高精度な位置決め技術が必要で
あるという欠点がある。

一方、第２あるいは第３の方式では、切替時においてご
み等の影響もなく、高９２な位置決め技術も必要ないが
、光ファイバ間に挿入される各部品の損失と共に光ファ
イバと各部品との間の接続損失が存在するので、例えば
２〜５　ｄＢと損失が大きいという欠点がある。

本発明はこのような事情に鑑み、単純な構造で他に特別
な光部品を使用することなく容易に光増幅を行うことが
でき、しかも低損失で位置決め技術が特別に必要とする
ことなく光切替を行うことができろ光増＠形切替部品を
提供することを目的とする。

く課題を解法するための手段〉 前記目的を達成する本発明に係る光増幅形切替部品は、
２本以上の光ファイバがその側面で相互に接続している
と共に当該接続部の５１′ｌ径が上記光ファイバ外径よ
り小さい光フチ１′バ部品であって、Ｅ配光ファイバの
クラッド部の少なくとも１部に、光増幅元素を少な２ど
も１種含むと共に、光強度により屈折率が変化する光非
線形物質を含むことを特徴とずろ。

く作 用〉 ｆｉｉｌ記構成記構剤幅１と切替部品においては、伝搬
光はその接続部の一方側から他方側へ伝搬する際にクラ
ッド部全体に漏れ出した状態で伝搬され、この伝搬光が
当該接続部を通過後に何れの光ファイバに出射するかは
、接続部における光非線形物質が含まれろ部品とこの部
分を取り囲む部分との屈折率差により決定さＪする。し
たがって、例えば別途導入した光の強度を変化させて光
非線形物質が含まれる部分の屈折率を変化させることに
より、上記伝搬光が出射する光ファイバを切替えろこと
ができろ。

一方、伝搬光の入射口及び出射口以外のところから励起
光を導入すると、該励起光は接続部においてクラッド部
に漏れ出して該クラ−ノド部に含まれろ光増幅元素に吸
収され、当該接続部に反転分布が発生する。したがって
、上記伝搬光は接続部の通過の際に増幅されろ。

く実　施　例〉 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図〜第４図Ｉとは本実施例の光増幅形切酵部品１０
の構成を示す１．第１図に示すように、光切増幅量１０
は２木の光ファイバ】１で構成されろものであり、光フ
ァイバ１１１ｔＴＩ−ＩＩ断面を示す第２図に示すよう
に、コア部１２と導波クラッド部１３と機能クラッド部
１４とからなる。ずなわら、この先ファ・イバ１１は通
常の光ファイバのクラッド部のうち、伝搬光がコア部か
らしみ出す部分以外のケラシト部に、光増幅元素及び光
非線形物質を含有させて８１能クラッド部とした４ので
あり、この機能クラッド部１４には通常は伝搬光が漏れ
出ろことばない。

光増幅形切替部品】０は、第３図に示すように、２本の
光ファイバ１１の側面同志を溶融時の表面張力により接
続し、その中央部の径を細くして領域りで示す接続部１
５を形成したものであり、この接続部１５では■−■断
面を示す第４図に示すように、コア部１２及び導波クラ
ッド部１３が小さくなると共に２本の光ファイバ１１の
機能クラッド部１４が一体的になっている。

このような構造の光増幅形切替部品１０において、Ａか
ら入射した伝搬光は領域りに近づくにしたがいコア部１
２及び導波クラッド部１３から機能クラッド部１４に漏
れ出て、接続部１５内では機能クラッド部１４全体を伝
搬することになり、この部分でのコア部１２及び導波ク
ラッド部１３は充分小さいのでほとんど伝搬には寄与し
ない。したがって、このときの導波ば、接続部１５の機
能クラッド部１４とこれを取り囲む外部との屈折率差に
より達成され、伝搬のモードは最低次の偶数モードと奇
数モードとに分離していると考えられろ。すなわち、領
域りの接続［１５を通過した後にＢあるいはＣの何れに
出射するがは、接続部１５で偶数モードと奇数モードと
に分配された光の領域り出射時の干渉により決定される
。

一般にＢ及びＣに出射する伝搬光のパワーＰ、、Ｐｏは
近似的に下式で表されろ（Ｆ、　Ｐ　ＰａｙｎｅＣ，Ｄ
、Ｈｕｓｓｅｙ　ａｎｄ　Ｍ、Ｓ、Ｙａｔａｋｉ、　’
Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ　Ｆｕｓｅｄ　ＳｉｎｇｌｅＭｏｄ
ｅ−Ｆｉｂｒｅ　　Ｃｏｕｐｌｅｒｊ”　　、Ｅｌｅｅ
ｔｒｏｎ、Ｌｅｔ（、，１９８５，２１，ｐｐ、４８１
４６２参照）。

Ｐ、＝ＰＡｍ２（ｃ　Ｌ）　　　　　　　　　　・（１
）ｐｃ＝ｐＡｃＶ２（ｃ　Ｌ）　　　　　　　　　　・
−（２１但し、ＰＡはＡに入射した伝搬光のパワーＬは
領域りの長さであり、Ｃは下式で表される。

ｃ＝３πλ／　（３２Ｎ２ａ２（１＋１／Ｖ）’）　　
　・・（３１Ｖ＝　ａ　ｋ　（Ｎ２’−Ｎ３’）　”　
　　　　　　・（４１ここで、λは波長、ｋは伝崖定数
、 Ｎ２は領域りにおける機能クラッド部 １４の屈折率、Ｎ３は領域りにおける 機能クラッド部１４を取り囲む部分 の屈折率である。

以上の式よ快、ＰＡとＰ、は領域り内部の機能クラッド
部１４の屈折率Ｎ、に依存することがわかる。これは、
屈折率Ｎ２の変化に伴い、偶数モードと奇数モードとの
干渉状態が周期的に変化するためである。したがって、
屈折率Ｎ２を変化させることにより伝搬光の光路をＢと
Ｃとの間で切替えることが可能となる。

そして、本実施例ではＤから入射させたポンプ光の光強
度を変化させろことにより、機能クラッド部１４に含ま
れる光非線形物質の光非線形現象を利用して屈折率Ｎ２
を変化させている。

すなわち、Ｄから入射されたポンプ光は、領域りに至る
までは光ファイバのコア部１２及び導波クラッド部１３
を伝搬するが領域りに近づくにしたがい機能クラッド部
１４に漏れ出して領域りの接続部１５内部では機能クラ
ッド部１４全体を伝搬することになり、このときポンプ
光は機能クラッド部１４に含まれる光非線形物質に吸収
される。ここで、領域りの機能クラッド部１４の屈折率
Ｎ２ば、ポンプ光のパワーを■とすると、下式で表され
る。

Ｎ２＝Ｎ、。＋γＩ２　　　　　　　・・・（５）ここ
でＮ２Ｃはポンプ光のパワーＩに依存しない屈折率、γ
は非線形屈折率係数である。

このように、機能クラッド部１４の屈折率Ｎ２はポンプ
光のパワーＩにより変化し、上述した伝搬光切替に必要
な屈折率変化を与えることが可能である。

ここで、ポンプ光は領域りにおける機能クラッド部１４
中の光非線形物質のみに作用して他の領域では光非線形
物質に吸収されずに透過するのが望ましい。つまり、他
の領域における光非線形物質による吸収でそのパワー■
が低下するのをさけるためである。本実施例では、ポン
プ光は、領域り以外では光ファイバ１１のコア部１２及
び導波クラッド部１３を伝搬して機能クラッド部１４に
作用することがないので光非線形物質に吸収されず、領
域りでのみ機能クラッド部１４に作用してその屈折率Ｎ
、を変化させている。

一方、ポンプ光とｗＲ欅にＤから励起光を入射すると、
この励起光は上述したように、領域りに至るまでは光フ
ァイバのコア部１２及び導波クラッド部１３を伝搬する
が領域りに近づくにしたがい機能クラッド部１４に漏れ
出して領域りの接続部１５内部では機能クラッド部１４
全体を伝搬することになり、このとき励起光は機能クラ
ッド部１４に含まれる光増幅元素イオンに吸収され、反
転分布が発生する。

よって、このように励起光が吸収された領域に、上述し
たように伝搬光が通過することになり、伝搬光は領域り
で増幅される。

なお、かかる増幅には特に偏波依存性はないので、励起
光として偏波を用いても通常光を用いてもよく、また、
従来の項で示したように偏波面が互いに直交する偏波を
用いてもよく、さらに、偏波面が直交しない２つの偏波
を用いてもよい。

ここで、光増幅元素としては、従来の項で示したように
Ｅｒ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｙｂ等の希土顕元素やＴｉ等の遷移
金属元素を例示することができる。

また、非線形物質としては、例えばＣｄ５０．、Ｓｅ、
。２゜ＣｄＴｅ　、　　［ｎＳｂなどの半導体からなる
光非線形物質をドープしたガラスとするのが好ましい。

勿論、通常用いられている有機材料や液晶なども光非線
形物質として用いることができるが、これらはγが小さ
い上に加工の作業性のｗ４題があり、望ましくない。

以上説明したように、本実施例の光増幅形切替部品１０
によれば、Ｄから入射したポンプ光の強度を変化させろ
ことにより領域りの機能クラッド部１４の屈折率を変化
させることができ、これによりＡから入射した伝搬光を
ＢかＣの何かに切替えて出射することが可能となる。ま
た、このとき、ポンプ光は領域り以外では機能クラッド
部１４に作用せずに光ファイバ中を伝搬するため、ポン
プ光月光源はＤと接続するだけでよく、領域りどの位置
関係を特別に配慮する必要がないという利点がある。

また、Ｄからポンプ光と共に励起光を入射すると、この
励起光は領域りとその近傍の機能クラッド部１４内の光
増幅元素イオンに吸収され、これによりＡから入射した
伝搬光を増幅させてＢ又はＣから出射させることが可能
である。この場合、励起光は領域り以外では機能クラッ
ド部１４と作用せずに光ファイバ中を伝搬するため、励
起用光源は例えばＤと接続するだけでよく、領域りどの
位置関係を特別に配慮したり、何種類もの光カプラ等の
光部品を準備する必要がないという利点がある。

しかも、光増幅形切替部品１０の各入出力Ａ−Ｄは光フ
ァイバ形状であるので、光通信用の光ファイバとの間の
接続は、低損失な融着接続技術を適用することができ、
従来問題となっていた損失を低減することができる。

なお、以上説明した例ではポンプ光と励起光とを同時に
導入して光切好機能と光増幅機能とを作用させているが
、両Ｉａ能はそれぞれ独立に作用するので、ポンプ光と
励起光の何れか一方のみを導入することにより、それに
対応する機能のみを働かせることができろ。

以下、光増幅形切替部品１０の具体的使用例について説
明する。

第５図はその使用態様を示す概念図であり、図中、２１
は伝搬光光源（１，５３８μｎ帯ＤＦＢし−ザ）であり
、光通（ス光源を模擬している。

また、２２は通常光アイμ（１，５５μｍ帯分布シフト
ファイバ）、２３ａ及び２３ｂば伝搬光受光部（スペク
トラムアナライザ）、２４は増幅に用いろ励起用光源（
Ａｒイオンレーザ）、２５は切替に用いるポンプ用光源
（大出力色素レーザ）である。なお、ここで、光増幅形
切替部品１０としては機能クラッド部に、１．５５μｍ
帯の波長で増幅作用を有するエルビムイオンと微小結晶
半導体とをドープしたガラスを用い、光増＋ｌ＋！形切
替部品１０と通常光ファイバ２２との接続は、融着接続
により１１っな。

このような構成において、まず、光増幅形切替部品ｌＯ
の外部を空気とした場合、すなわちＮ　　＝１の場合に
おいて、ポンプ光源２５からのポンプ光をオン・オフさ
せ、光パワーメータ２４ａ、２４ｂのパワー比を測定し
た。

この結果、ポンプ光を入射したときと入射しないとさと
のパワー比は、それぞれ約８％と約９５％であり、光路
の切替えが行われることが認められた。また、この切替
は、光増幅形切替部品の外部の屈折率Ｎ３を変えること
により、切替波長等を変更することができろ。

一方、励起用光源２４から励起光を入射した場合の伝搬
光の受光レベルと、励起光を入射しない場合の伝搬光の
受光レベルとを伝搬光受光部２３ａ又は２３ｂで測定し
たところ、励起光入射において約０．５ｄＢ程度の受光
レベルの向上が認められた。

さらに、ポンプ光と励起光とを同時に入射したところ、
上記切替特性に加え、同程度の増幅特性が同時に得られ
ることが確認された。

以上の結果は、本発明の光増幅形切替部品が長距離光通
信に用いられる１、５５μｍ付近の伝搬光を簡便に切替
・増幅できることを示しており、従来それぞれに必要で
あった複雑な光学部品の組合せを用いなくとも同様な切
替・増幅を実現することができろ。また、この場合、増
幅特性は、上記実施例におけろ光増幅元素イオン１度１
０００　ｐＨｌｌ程度を増大ずろことにより、さらに向
上可能である。

次に、ネオジウムと微小結晶半導体とをド・−ブした光
増幅形切替部品１０を用い、伝曙先光Ｈ２１に１．１μ
ｍｕｆｆファブリペロレーザ、伝搬光受光部２３ａ、２
３ｂにスペクトラムアナライザ、通常光フ７・イバ２２
に１．３μｍ帯ファイバ、励起用光源２４にＡｒイオン
レーザ、ポンプ光源２５に大出力色素レーザをそれぞれ
用いたところ、約０１７ｄＢの受光レベルの向上と９０
％／１０％の切替特性とが認められた。なお、この場合
にも光増幅元素イオン濃度を向上することにより増幅特
性の一層の向上が可能である。

なお、上記実施例では、光増幅元素と光非線形物質とを
クラッド部の伝搬光がしみ出てこない部分のみに含有さ
せたが、これに限定されるものではなく、例えばクラッ
ド部全体に含有させるようにしてもよい。但し、この場
合には、伝搬光や励起光及びポンプ光が多少減資する可
能性がある。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明の光増幅形切替部品は１部
品で増幅と切替との両機能を実現するものであり、光伝
送方式に導入することにより、伝搬光光源の出力低減や
光ファイバ環路の融通性を向上することができ、ひいて
はサービスの向上を図ることができる。しかも、光伝送
方式に導入するに際に特別の部品も必要とせずに接続が
容易且つ低損失であるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明の実施例に係り、第１図はその
光ｆｆｆｆｆ切形切替部品観図、第２図〜第４図はその
Ｉｆ−ＩＩ、　Ｉ−Ｉ、　ＩＶ−１１／断面図、第５図
はその使用態様を示す概念図、第６図及び第７図は従来
技術に係る光増幅技術を示す説明図、第８図〜第１２図
はそれぞれ従来技術に係る光切付方式を示す説明図であ
る。 図　面　中、 ｌＯは光増幅形切替部品、 １１は光ファイバ、 １２はコア部、 １３は導波クラッド部、 ４は機能クラッド部、 ５は接続部、 １（ま伝搬光光源、 ２は通常光ファイバ、 ３ａ、２３ｂは伝搬光受光部、 ４は励起用光源、 ５はポンプ光源である。 Δ 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２本以上の光ファイバがその側面で相互に接続している
   と共に当該接続部の外径が上記光ファイバ外径より小さ
   い光ファイバ部品であつて、上記光ファイバのクラッド
   部の少なくとも１部に、光増幅元素を少なくとも１種含
   むと共に、光強度により屈折率が変化する光非線形物質
   を含むことを特徴とする光増幅形切替部品。