JPH04312988A - ドープされた活性光ファイバを有する光増幅器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、活性ファイバによる高
振幅率の光パワー増幅器に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバを有する通信回線を介しての
長距離信号伝送では、同一信号が十分なレベルで受信ス
テーションに到達して確認と利用が可能なことが必要で
ある。光ファイバの伝搬には信号光の減衰があるので、
数十又は数百キロメータ離れた受信ステーションで十分
な信号レベルを得るためには、光ファイバに最初に導入
される信号ができる限り高いレベルでなければならない
。

【０００３】しかし、伝送信号の発生に用いられるレー
ザは、数ｍＷを超えない程度に限定されたパワーを有す
る。ところが、より強力なレーザは、このような信号を
発生することができない。従って、我々にとってはパワ
ー増幅器を用い、レーザが発生した信号を受信し、かつ
所望のレベルまで増幅することが急務である。

【０００４】特定の物質、例えば希土類のイオンにより
ドープされたコアを有する光ファイバは、光増幅器とし
て用いるのに適した誘導放出特性を示すことが知られて
いる。

【０００５】実際において、このような光ファイバに「
ポンピング源」と呼ばれる光源からドーピング物質の吸
収スペクトルのピークに対応した特定の波長で光を送り
込むことができる。この波長はドーピング物質の原子を
励起エネルギ状態、即ちポンピング帯域に持って来るこ
とができ、前記原子はこのエネルギ状態から非常に短い
時間でレーザ出力状態に自発的に消滅して、このレーザ
出力状態で比較的に長い時間留まることができる。

【０００６】放射レベルで励起状態にある多数の原子を
有する光ファイバがこのようなレーザ放出状態に対応す
る波長を有する信号光と交差すると、この信号光が励起
されている原子を，その信号光と同一波長を有する光を
放出して更に低いレベルに遷移させる。従って、この種
の光ファイバを光信号の増幅に用いることができる。レ
ーザ放射ドーパントとしてエルビウム用いた特殊な光増
幅器は、周知である。この光増幅器は、約１５５０ｎｍ
の蛍光を用いて光信号の減衰の観点から回線の光ファイ
バの最良の伝送特性となる領域で信号を増幅する。

【０００７】エルビウムによりドープされた光ファイバ
を用いる光パワー増幅器は「１９８９年ＥＣＯＣ学会報
告（光通信に関するヨーロッパ学会）」の第４２頁〜第
４３頁により記載されている。このような文献は、ゲル
マニウム及びエルビウムによりドープされた石英ファイ
バを用い、５３２ｎｍに対して周波数が２倍のレーザＮ
ｄ−ＹＡＧにより励起されたパワー増幅器を説明してい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような増
幅器は、最大理論効率から掛け離れた２０％にも満たな
い非常に低い増幅効率（供給された励起パワーと出力に
おける伝送信号のパワーとの間の比を考えたときに）し
か示さない。

【０００９】ヨーロッパ特許公開公報第０３４５９５７
号は公知である。この場合に、光の案内に適した屈折率
プロファイルを得るために用いるドーパントは、Ａｌ２
Ｏ３である。この光ファイバは５１４．５ｎｍで励起さ
れた光増幅器に適している。

【００１０】前記ヨーロッパ特許出願第０３４５９５７
号によれば、ＡＬ／Ｅｒ型の光ファイバは、指摘された
５１４．５ｎｍの波長で励起されると、従来のＧｅ／Ｅ
ｒ光ファイバにとり好ましい結果となる。何故ならば、
　励起状態において、Ｇｅ／Ｅｒ光ファイバ内にこのよ
うな波長で発生する吸収現象が避けられるためである。

【００１１】一方、高い増幅効率を得るために、比較的
に高い励起波長を用いるのが都合が良く、特に９８０ｎ
ｍの波長が有用である。なぜならば、パワー増幅器にお
ける増幅効率はほぼ励起波長に比例しているからである
。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、比較的
に高い励起波長、ほぼ５２０ｎｍ以上に対応して高い増
幅効率を有するパワー増幅器を提供することにある。

【００１３】本発明は、光ファイバにより通信回線に接
続されると共に、関連するダイクロイック・カップラー
を介して励起レーザから光が送り込まれ、蛍光ドーパン
トとして屈折率を修正するドーパント及びエルビウムを
含むドープされた活性光ファイバを有し、蛍光ドーパン
トの誘導放出用の飽和条件で動作に適した光パワー増幅
器に関し、前記活性光ファイバの屈折率変更ドーパント
がＡｌ２Ｏ３であることを特徴とする。

【００１４】前記活性ファイバに接続された励起レーザ
の波長は、ほぼ５２０ｎｍより長く、好ましいものとし
て５２０ｎｍに等しい。

【００１５】光ファイバにおけるエルビウムの濃度は、
Ｅｒ２Ｏ３の重量で表わすと、３０ｐｐｍと２０００ｐ
ｐｍとの間にあり、好ましいものとして３０ｐｐｍと１
０００ｐｐｍとの間である。

【００１６】活性光ファイバの全部分内で高い励起パワ
ーを得るために、励起波長ではない伝送信号の波長のと
きに活性光ファイバを単一モード状態にすることができ
る。他の実施例として、ダイクロイック・カップラーに
よる励起レーザの接続損失を減少させるために、伝送信
号の波長及び励起波長で活性光ファイバを単一モードと
することができる。

【００１７】好ましい実施例において、本発明による光
パワー増幅器は、前記活性光ファイバに向けて励起レー
ザにより放射されたパワー光の入力方向に向けた各ダイ
クロイック・カップラーを介して前記活性光ファイバの
２端に接続された２つの励起レーザを備えている。

【００１８】更に詳細については、添付された図面を参
照して、以下の本発明の説明から理解することができる
。

【００１９】

【実施例】図１に概要的に示す光ファイバを備えた通信
回線は、伝送信号を送出するステーション１と、ステー
ション１に入力された信号を長距離伝送するのに適した
光ファイバ回線２と、信号が着信する受信ステーション
３とを備えている。

【００２０】光ファイバ内の長い経路のために光ファイ
バ内で避けることができない減衰にも拘わらず、ステー
ション１から数十数百キロメートル遠方に配置された受
信ステーション３に到達させるのに十分な初期パワー・
レベルを有し、そこに配置された受信装置の感度にとっ
て受け入れ可能なパワー・レベルを有する光信号を光フ
ァイバ回線２に導入させるために、ステーション１内に
存在するレーザ放射器が発生した光信号は、パワー増幅
器４により便宜的に増幅される。

【００２１】実際には、光ファイバの伝送特性が最良と
なる波長、即ちほぼ１５００〜１６００ｎｍのいわゆる
第３の窓に対応する波長で動作する伝送信号を発生する
ために利用可能なレーザは、モジュール化が可能でかつ
良好なパフォーマンスを有する半導体レーザである。し
かし、このようなレーザは約３ｄＢ（約５ｍＷ）を超え
ることのない、いくらか低いレベルの出力信号レベルを
有する。 このために、これらのレーザが発生する出力信号は適当
に高いレベル、例えば最大１５〜２０ｄＢｍまで増幅さ
れてから回線に導入される。

【００２２】通信のために光ファイバを備えた回線に導
入される信号の光増幅を実現するために、光ファイバを
備えたパワー増幅器が用いられる。

【００２３】光ファイバを有する増幅器の構造は、図２
に概要的に示されている。即ち、波長λｓを有する伝送
信号はダイクロイック・カップラー５に送出される。ダ
イクロイック・カップラー５では、伝送信号が励起レー
ザ７が発生した波長λｐの励起　　信号と固有の出ファ
イバ６上で合流する。適当な長さの活性光ファイバ８は
、ダイクロイック・カップラー５を出て行くファイバ６
に接続されており、伝送信号の増幅器を構成している。 即ち、この伝送信号は、このように光ファイバ回線２に
導入されてその送信先へ送出される。

【００２４】一般に、前述の形式の光増幅器は、Ｅｒ２
Ｏ３による溶液においてドープされた石英に活性光ファ
イバ８を用いる。これは、エルビウムの励起遷移を利用
することにより伝送信号の増幅が得られるものにする。

【００２５】図３は、光ファイバの石英マトリックスに
おけるエルビウム・イオンの利用可能なエネルギ条件を
シンンボルにより表わしている。この図３に示すように
、伝送信号の波長λｓより低い波長λｐで光パワーを活
性光ファイバ内に導入すると、励起エネルギ状態９、即
ち「励起バンド」でドーピング物質として存在する一定
数のＥｒ３＋イオンをファイバ・ガラス・マトリックス
に導入する。この励起帯域からＥｒ３＋イオンはレーザ
放射レベルからなるエネルギ準位１０に自然に遷移する
。　　Ｅｒ３＋イオンは、エネルギ準位１０に比較的に
長い時間留まり、その後に基準準位１１に自然遷移する
ことができる。

【００２６】エネルギ準位９から励起エネルギ状態１０
への遷移は、光ファイバの外部に放散される熱出力（音
量子による放射）に関連していることが知られているよ
うに、エネルギ準位１０から基準準位１１への遷移は、
エネルギ準位１０のエネルギ値に対応した波長を有する
光子からなる光放出を発生する。即ち、レーザ放射レベ
ルで多量のイオンを有する光ファイバにこのような放射
レベルに対応した波長の信号が交差すると、この信号は
、対象のイオンを放射レベルから基準準位１１へ自然遷
移させ、信号の光子と同期した対応する光子の出力に関
連し、自然崩壊をする前に、活性光ファイバからの出力
端に強力に増幅した伝送信号を放出させる「滝（Ｗａｔ
ｅｒｆａｌｌ）」現象を発生させる原因となる。

【００２７】活性光ファイバへ低いパワー・レベルによ
る入力において複数の信号、例えば光ファイバ内を長距
離伝送することにより減衰した信号が存在し、かつ低い
出力パワーの条件において、活性光ファイバからの出力
において波長λｓを有する伝送信号の光パワーＰＵは、
前記光ファイバの入力における伝送信号の光パワーＰｉ
に比例しており、これらの間の比例定数は式ＰＵ＝ＧＰ
ｉにより、増幅Ｇの利得として定義される。

【００２８】このような動作条件は、通信回線の光ファ
イバに沿って配置された回線増幅器に典型的なものであ
リ、光ファイバにおける一定の行路後に減衰した信号を
十分なレベルに復帰させる。

【００２９】パワー増幅器は、高いパワーの入力信号が
存在し、かつ励起パワーのほぼ５％以上が減少した高い
出力パワーにより、飽和状態で動作し、かつ実際上で入
力パワーに何ら依存せず、励起パワーにのみ依存する出
力パワーを発生させる。実際において、活性光ファイバ
内に多数の光子が存在するときは、エネルギ準位１０に
よる励起遷移のために新しい光子を放出させる光ファイ
バの容量は、導入された励起パワーに相関された確率に
より制限されることにより、エネルギ準位１０において
十分な数のエルビウム・イオンが得られ、しかも光ファ
イバへの入力パワーである入力信号の光子数に依存しな
い。

【００３０】このような動作条件は、パワー増幅器に典
型的なものであり、これから式Ｐｕ＝ＫＰＰが得られる
。ただし、Ｐｕは出力におけるパワー、ＰＰは励起パワ
ー、Ｋは実質的に光増幅器の効率を表わす比例定数であ
る。

【００３１】光増幅器の最大効率は、理論的に、ドーパ
ントを基準レベル１１からエネルギ準位１０へ遷移させ
る励起波長λｐで光ファイバ内に供給される各光子にと
り、伝送波長λｓのときに信号の存在において、光子放
出が存在する条件に対応した効率である。このような条
件は、前記「量子効率」、即ち出力における光子のエネ
ルギと、入力における光子のエネルギとのとの間、具体
的には励起光子である入力光子と、遷移光子である波長
との間の比、即ちＥｑ＝λｐ／λｓである効率に対応し
ている。

【００３２】約１５５０ｎｍ及び９８０ｎｍの励起波長
の伝送信号の場合は、量子効率は約６３％（８９８０／
１５５０）である。

【００３３】従って、高い増幅効率を得るためには、比
較的に高い励起波長を用い、更に可能な限り量子効率に
近づけ、高い量子効率により対応する条件で動作させる
必要がある。

【００３４】特に、実質的に５２０ｎｍ未満の低い励起
波長を用いると、量子効率が非常に低く（３３％未満）
、量子効率に等しい効率を有する増幅器を用いたもっと
良い場合であっても量子効率が非常に悪い。

【００３５】前述の種類の光増幅器を実現するために、
所望の屈折率プロファイルを得るようにレーザ放射によ
りドープしたエルビウムを含み、Ａｌ２Ｏ３によりドー
プされた活性石英ファイバは、５２０ｎｍより高い励起
波長に対応し，特に９８０ｎｍの吸収ピークに対応して
、前述の量子効率に近い、非常に高い効率を示す。

【００３６】前述の光ファイバは、一つの内部焼結層を
有する管状のプリフォームを、含有する食塩に対応する
水溶液に浸潤し、次いで溶融して押しつぶし、このプリ
フォームからファイバを引き出すことにより、Ａｌ２Ｏ
３である主要なドーパントと、Ｅｒ３＋である蛍光ドー
パントとが光ファイバのコアに関連される当該技術分野
で周知の溶液ドーピング法により得られる。

【００３７】この種の光ファイバ及び関連する実現方法
は、前記ヨーロッパ特許公開公報第０３４５９５７号に
説明されている。

【００３８】本発明によるパワー増幅器を実現するため
に、Ａｌ２Ｏ３によりドープされた光ファイバは、Ｅｒ
２Ｏ３の重量により３０ｐｐｍと２０００ｐｐｍとの間
、好ましいものとして３０ｐｐｍと１０００ｐｍｎとの
間の濃度として表わされたエルビウムを含む。屈折率変
更ドーパントの内容、即ちＡｌ２Ｏ３及び光ファイバに
おける屈折率の放射プロファイルは、応用の特殊事情に
基づいて選択されてもよく、本発明の目的を限定するも
のではない。

【００３９】特に、光ファイバの開口数及びモード直径
は低い損失により回線の光ファイバとの結合を満足する
ようにうまく選択され、一方光ファイバにおけるエルビ
ウム含有量及び径方向の分布は公知の基準により、選択
した活性光ファイバの長さ、入力パワー等と相関させて
選択されてもよい。

【００４０】活性光ファイバは伝送波長において単一モ
ードの光ファイバである。この活性光ファイバは、全セ
クションに分布し、可能とする更に大きな励起パワーの
光ファイバの入力に対応するために、励起波長で単一モ
ードとすることはできない。しかし、励起波長λｐでの
単一モードの光ファイバの使用は、簡単化するため、か
つダイクロイック・カップラー５による光ファイバの接
続損失を減少させるために、都合が良い。

【００４１】パワー増幅器を、図２に示し、かつ先に説
明した構成に従って、このような光ファイバにより作成
することが可能である。都合により、活性光ファイバ８
の全長にわたって高い値の励起パワーを維持するために
、かつ活性光ファイバに導入される総合励起パワーを増
加させるために、活性光ファイバの下流に第２の励起パ
ワー１２及び前記活性光ファイバの方向の相対ダイクロ
イック・カップラー１３を備えることもできる。

【００４２】特に、これは、活性光ファイバに必要な全
てのパワーを供給する間に、信号の劣化に関連させない
ために、パワーが高す過ぎないところで励起レーザを用
いることを可能にする。

【００４３】Ａｌ２Ｏ３及びＥｒ３＋によりドープされ
、９８０ｎｍ（±５ｎｍ）で励起された光ファイバを用
いると、前述の量子効率に近い非常に高い増幅効率であ
って、しかもその値の６０％より高いよりものを得るこ
とができる。しかし、ゲルマニウムによりドープされた
従来の光ファイバは、量子効率の３０％以下の非常に低
効率を示していた。

【００４４】図４は、本発明による光ファイバを用いる
ことにより実現した増幅器用のための励起パワーＰＰの
関数（Ａｌ／Ｅｒ）をなす出力パワーＰＵの特性図であ
る。光ファイバは下記の特性を有する。

【００４５】 開口数　　０．１６ エルビウム含有量（Ｅｒ２Ｏ３の重量）　　３５０ｐｐ
ｍ遮断波長（λｃｕｔ−ｏｆｆ）　　９３０ｎｍ１５３
６ｎｍにおけるモード・フィールド直径　　８．１４μ
ｍ増幅器入力において、波長λｓ＝１５３６ｎｍを有す
る伝送信号のパワーはＰｉ＝−２ｄＢｍ、励起波長はλ
ｐ＝９８０ｎｍ、活性光ファイバの長さは３．７ｍであ
った。

【００４６】このような条件により、量子効率にほぼ等
しい増幅効率が得られた。

【００４７】図５は、出力パワーＰＵに対し、従来の光
ファイバ（Ｇｅ／Ｅｒ）を用いて実現した増幅器のため
の励起パワーＰＰを比較して示す。この光ファイバは下
記の特性を示す。

【００４８】 開口数　　０．２１ エルビウム含有量（Ｅｒ２Ｏ３の重量）　　３００ｐｐ
ｍ遮断波長（λｃｕｔ−ｏｆｆ）　　９８０ｎｍ１５３
６ｎｍにおけるモード・フィールド直径　　５．８２μ
ｍ増幅器入力において、波長λｓ＝１５３６ｎｍを有す
る伝送信号のパワーはＰｉ＝−０ｄＢｍ、励起波長はλ
ｐ＝９８０ｎｍ、活性光ファイバの長さは４ｍであった
。

【００４９】この場合に、得られた増幅効率は、量子効
率の２５％にほぼ等しい１６％であった。更に、これら
の図面を比較すると、光ファイバＡｌ／Ｅｒは光ファイ
バＧｅ／Ｅｒよりも優れたパフォーマンスを示した。

【００５０】光ファイバＡｌ／Ｅｒは、図６の各曲線Ａ
及びＧにより表わした対応する光ファイバＧｅ／Ｅｒの
うちの一つよりも広い蛍光スペクトルを示す。これは、
光ファイバＧｅ／Ｅｒと比較したときに、波長が信号の
長さと異なるエルビウム・イオンの自然崩壊のために、
活性光ファイバ源を雑音の大きなものにし、即ちこれら
を回線増幅器として用いた場合に、励起パワーに比較す
ると出力パワーを低下させる。

【００５１】その代わりに、光ファイバＡｌ／Ｅｒは、
パワー増幅器として用いる場合に光ファイバＧｅ／Ｅｒ
に比較して、雑音がそれ程大きくないことが解った。こ
れは、このような光ファイバにより示される量子効率に
近い増幅効率が確保されるので、前述のようにパワー増
幅器が動作する飽和条件において、光ファイバＡｌ／Ｅ
ｒ内でレーザ・レベルに到達したほぼ全てのエルビウム
・イオンが、信号の光子によって基準準位に崩壊させる
ためであると、本発明者は考える。従って、実際におい
て自然崩壊して雑音原因となるイオンは存在しない。更
に、これは、信号の出力パワーとしてどのようなレベル
が与えられたとしても無視し得るものとなる。

【００５２】更に、光ファイバの蛍光スペクトルを広く
することは、波長においてより大きな選択の自由を満足
させる効果があり、例えば信号レーザにおいてより広い
製造許容誤差を可能にさせる。

【００５３】従って，本発明による光ファイバは、光増
幅器に用いるのに特に効果があり、しかも従来の光ファ
イバより著しく高い増幅効率が得られることが明らかと
なった。

【００５４】本発明の範囲を超えることなく、その全般
的な構成において、種々の変形が到達可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】パワー増幅器と共に光通信回線の図を示す。

【図２】活性光ファイバを用いた光パワー増幅器の図で
ある。

【図３】誘導された（レーザ）出力を発生するのに適し
た図２による増幅器の光ファイバのエネルギ遷移を示す
図である。

【図４】本発明による活性光ファイバを用いたパワー増
幅器における励起パワー対出力パワーを示す図である。

【図５】Ｇｅ／Ｅｒ活性光ファイバを用いたパワー増幅
器における励起パワー対出力パワーの図である。

【図６】本発明による光ファイバ及びＧｅ／Ｅｒ光ファ
イバの蛍光スペクトルを示す。

【符号の説明】

２　　　　　　光ファイバ回線 ８　　　　　　活性光ファイバ ５、１３　　　ダイクロイック・カップラー７、１２　
　　励起レーザ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】屈折率変更ドーパント及び蛍光ドーパント
   としてのエルビウムを含み、相対的なダイクロイック・
   カップラーを介して励起レーザから供給され、かつ光フ
   ァイバの通信回線に接続され、ドープされた活性光ファ
   イバを備え、蛍光ドーピング物質の誘導放出のための飽
   和条件で動作に適した光パワー増幅器において、前記活
   性光ファイバの屈折率変更ドーパントはＡｌ２Ｏ３であ
   ることを特徴とした光パワー増幅器。
2. 【請求項２】前記活性光ファイバに接続された前記励起
   レーザの波長は５２０ｎｍより高いことを特徴とした請
   求項１記載の光パワー増幅器。
3. 【請求項３】前記活性光ファイバに接続された前記励起
   レーザの波長は９８０ｎｍであることを特徴とした請求
   項１記載の光パワー増幅器。
4. 【請求項４】Ｅｒ２Ｏ３の重量により表わされた前記活
   性光ファイバにおけるエルビウムの濃度は３０ｐｐｍと
   ２０００ｐｐｍとの間に含まれることを特徴とした請求
   項１記載の光パワー増幅器。
5. 【請求項５】Ｅｒ２Ｏ３の重量により表わされた前記活
   性光ファイバにおけるエルビウムの濃度は３０ｐｐｍと
   １０００ｐｐｍとの間に含まれることを特徴とした請求
   項３記載の光パワー増幅器。
6. 【請求項６】前記活性光ファイバは、前記励起波長を除
   き、伝送信号の波長で単一モードであることを特徴とし
   た請求項１記載の光パワー増幅器。
7. 【請求項７】前記活性光ファイバは前記伝送信号の波長
   及び前記励起波長で単一モードであることを特徴とした
   請求項１記載の光パワー増幅器。
8. 【請求項８】前記活性光ファイバに向けられた励起レー
   ザにより放射される光パワーの入力方向に向けられたそ
   れぞれのダイクロイック・カップラーを介して前記活性
   光ファイバの両端に接続された２つの励起レーザを備え
   ていることを特徴とした請求項１記載の光パワー増幅器
   。