JPH0473718A - 光増幅装置 - 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〕 本発明は波長１，５〜１．７μｍ帯で使用される光増幅
装置に関する。

〔従来の技術〕

波長１．５〜１．７μｍ帯の光通信分野への応用等のた
め、希土類元素を添加した光コアイノ（を用いて、ファ
イバ増幅器、ファイバセンサ及びファイバレーザ等の光
増幅装置を作製する努力がなされている。希土類元素を
添加したコアイノ（の中でも、特にエルビウムイオン（
Ｅ　ｒ　３”）を添加した石英ガラスをコアとする光コ
アイノくについては多くの報告がなされており、このよ
うな光ファイバを使用した光増幅装置では、波長１．５
３〜１．５６μｍ帯で光増幅利得が得られることが分か
っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、Ｅｒ３＋を添加した光ファイバからなる光増幅
装置では、信号光源等として使用するレーザダイオード
（ＬＤ）のカバーする波長１．５〜１．７μｍ帯の範囲
に対して十分に対応できていなかった。また、波長１．
５５μｍ帯等の光通信システムの保守等のための障害検
出システムに使用するという目的で、例えばより長波長
側の波長１．６５帯域の光増幅装置か必要とされる場合
があるが、Ｅｒ３＋を添加した光ファイバからなる光増
幅装置では、この１．６５μｍ帯に必ずしも十分に対応
できていなかった。

そこで、上述の事情に鑑み、本発明は、波長１．５〜１
，７μｍ帯で十分な光増幅利得を有する光増幅装置を提
供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成するため、本発明に係る光増幅装置は
、光伝送路と、励起光源と、光学手段とを備える。ここ
に、光伝送路は、活性物質としてツリウムイオン（Ｔ　
ｍ　””）を添加した光機能性ガラスを有して構成され
、波長１．５〜１．７μｍ帯の信号光を伝搬する。また
、励起光源は、波長０．７０μｍ帯以下の励起光を発生
する。更に、光学手段は、励起光源からの励起光を光伝
送路内に入射させる。

〔作用〕

本発明に係る光増幅装置にあっては、光伝送路中に導入
された波長０，７０μｍ帯以下の励起光により、活性物
質であるＴｍ３＋を励起し、効率の良い４７ｙｊ／Ｈ位
系の発光を可能にする。このことを、Ｔｍ３＋のエネル
ギー準位を考慮に入れてより具体的に説明する。励起光
の波長か０．７０μｍ帯以下帯動下とき、この励起光に
よって基底準位３Ｈ６にある電子が励起されてエネルギ
ー準位３Ｆ２若しくはこれより高いエネルギー準位に遷
移する。このような励起とその後の緩和により、学位　
Ｈ４と準位　Ｈ４との間に、又は準位３Ｆ　　と準位　
Ｈ５との間に反転分布が形成されると、波長１．５〜１
，７μｍ帯での発光が可能になる。このとき、励起され
たＴｍ３＋に波長１．５〜１．７μｍ帯の信号光が入射
すると、Ｔｍ３＋は、この信号光に誘導され、波長］、
５〜１．７μｍ帯の光を発生する。この結果、波長１．
５〜１．７μｍ帯での光増幅か可能になる。

〔実施例〕

以下、本発明の光増幅装置の実施例について説明する。

第１図に、波長１．５〜１．７μｍ帯の光増幅装置であ
るファイバ増幅器を示す。

信号光源１１としては、レーザダイオードが使用されて
いる。信号光源１１の出力側には、光ファイバ１８ａの
一端が光学的に接続されており、この光ファイバ１８ａ
の他端はカプラ１３の入力側に接続されている。また、
励起光源であるレーザ光源１２としては、色素レーザ若
しくはＡｒレーザが使用されている。レーザ光Ｉｔｉ、
１２の出力側には、光ファイバ１９ａの一端が光学的に
接続されており、この光ファイバ１９ａの他端はカプラ
１３の入力側に接続されている。

カプラ１３の出力側がらは２本の光ファイバ１８ｂ、１
９ｂが延び、一方の光ファイバ１９ｂの終端は戻り光防
止用のマツチングオイル１７に浸漬されており、他方の
光ファイバ１８ｂの終端は光伝送路である先ファイバ１
ｏの一端にコネクタ等を介して接続されている。この光
ファイバ１０の他端の出力側には光スペクトラムアナラ
イザ１５が設けられており、これらの間にはフィルタ１
６が介在されている。

ここに、カプラ１３は、２本の光ファイバ１８．１９の
融着延伸によって作製されたもので、このカプラ１３と
光ファイバ１８　ａ　−、１８ｂｓ　］　９　ａ　５１
９ｂとは信号光と励起光とを光結合させる光学手段を構
成する。

また、光ファイバ１０は長さ２ｍの３Ｍファイバであり
、Ｔｍ３＋を添加した石英ガラス製のコアを備えている
。

以下、第１図のファイバ増幅器の動作について簡単な説
明を行う。

レーザ光源１２は、波長０．７０μｍ帯以下の励起光を
出力する。この励起光は、光ファイバ１．９ａを介して
カプラ１３に入射し、更に光ファイバ１８ｂを介して光
フアイバ１０内に入射する。

励起光が入射゛する光ファイバ１ｏのコアには活性物質
としてＴｍ”＋が添加されているため、この励起光によ
って所定の状態に励起されたＴｍ３＋は、波長１．５〜
１．７μｍ帯の発光が可能な状態になる。

信号光源１１から出力された波長１．５〜１．７μｍ帯
の信号光は、光ファイバ１８ａを介してカブラ１３に入
射する。カブラ１３に入射した信号光は、レーザ光源１
２からの励起光と結合されて光フアイバ１０内に入射す
る。光ファイノ（１０に入射した信号光は、ポンピング
されたＴｍ”＋を誘導して波長１．５〜１．７μｍ帯の
誘導放出光を生しさせる。

光ファイバ１０の出力側からは、励起光と増幅された信
号光とが出力されるが、これらのうち励起光については
、フィルタ１６にカットされることとなる。このため、
光スペクトラムアナライザ１５には増幅された信号光の
みが入射することとなり、Ｔｍ”＋を添加した光ファイ
バによる光増幅の利得がｌ’ｌＦ＋定できる。

第１図のファイバ増幅器の利得増大の原理について、第
３図を用いて簡単な説明を行う。

第３図は、石英ガラス等のガラス試料に添加されたＴｍ
３＋のエネルギー準位の一例を示した図である。

光ファイバに導入された０、７０μｍ以下の励３＋３ 起光によって、Ｔｍ　　の基底準位　Ｈ６にある電子か
励起される。例えば、励起光の波長が約０．６８μｍで
ある場合には、Ｔ　ｍ　””（７）基底準位にあった電
子はエネルギー準位　Ｆ２に一旦励起され、フォノンを
放出した後準位　Ｈ４若しくは準位３Ｆ　　に遷移する
。このような過程を経て、準位３Ｈと準位３Ｆ　　との
間に反転分布が形成され、或いは準位　Ｆ　と準位　Ｆ
５との間に反軽分布か形成される。この結果、準位　Ｈ
４に存在する電子は発光を伴って準位　Ｆ４に遷移する
こととなり、準位３Ｆ　　に存在する電子は発光をとも
なって準位　Ｆ５に遷移することとなる。即ち、２組の
輻射遷移によって波長１．５〜１．７μｍ帯をピークと
した４準位系の発光が可能になる。この結果、波長１．
５〜１，７μｍ帯での効果的な誘導放出か可能になるば
かりでなく、２組の輻射遷移のいずれかに対応する波長
の光を目的に応じて増幅させることができ、より広帯域
での光増幅が可能になる。

なお、励起光がより短波長の場合、例えば励起光の波長
が約０．４７μｍの場合、Ｔｍ”＋の基底準位にあった
電子は、エネルギー準位３Ｇ　　に−旦励起され、フォ
ノン等のエネルギーを放出した後準位　Ｈ若しくは準位
　Ｆ３に遷移する。その後は波長０．６８μｍの励起光
の場合と同様であり、波長１．５〜１．７μｍ帯をピー
クとした４準位系の発光が可能になる。

第１図のファイバ増幅器の光増幅利得の測定は、励起光
の波長を変えた３つの条件で行った。

第１の条件では、レーザ光源１２からの入射励起光の波
長を０．７９μｍとし、その出力を３０ｍＷとした。ま
た、信号光源１１からの入射信号光の波長を１．６５μ
ｍとし、その出力を１μＷとした。光スペクトラムアナ
ライザー５によるＡＰＩ定結果から、実施例のファイバ
増幅器の光増幅利得は約０．８ｄＢであることがわかっ
た。

第２の条件では、レーザ光源１２からの入射励起光の波
長を０．６８μｍに変更し、その出力を３０ｍＷとした
。この結果、増幅利得は４ｄＢとなった。

第３の条件では、レーザ光源１２からの入射励起光の波
長を０．４７μｍに変更し、その出力を３０ｍＷとした
。この結果、増幅利得は４．５ｄＢとなった。

以上の結果から明らかなように、励起光の波長を約０．
７０μｍ以下に設定することにより、波長］、６５μｍ
帯先の増幅利得が増大することが分かる。

第４図は、第３図と同様に、石英ガラス等のガラス試料
に添加されたＴｍ３＋のエネルギー準位の一例を示して
いる。参考のため、この図に基づいて、励起光の波長が
０．７９μｍの場合に光増幅利得が減少してしまうとい
う現象について説明しておく。

実験によると、Ｔｍ３＋は波長０．７８〜０．８０μｍ
帯に大きな吸収を有することがわかっているのであるが
、例えば上記の場合（条件１）のように波長０．７９μ
ｍの励起光を使用しても、波長１．５〜１．７μｍ帯の
信号光に対して十分な利得が得られない。この現象は以
下のように考えられる。つまり、光ファイバに導入され
た励起光によってＴｍ３＋が励起され、その基底準位３
Ｈにある電子が準位３Ｈに直接遷移する。

一般に、このような準位系の発光では、準位３Ｈと準位
３Ｆ　　との間に反転分布が形成されると、準位３Ｈへ
のポンピングが困難となる。

この結果、波長１．５〜１．７μｍ帯での効果的な誘導
放出が期待できなくなる。

第２図に、参考のため、第１図のファイバ増幅器用いた
先ファイバーＯの構造を示した。

光ファイバー０は、石英にＴｍを添加したコアと石英に
弗素（Ｆ）を添加したクラッドとを備える。そのコア径
は６μｍで、その外径は１２５μｍである。また、これ
らのコア及びクラッドの比屈折率差Δは約０，７％であ
る。

以下に、第２図の光ファイバの作製について簡１１１な
説明を行う。

まず、光伝送路である光ファイバのコア材として、Ｔｍ
３＋を酸化物として添加した石英ガラスを溶融し棒状に
成形し、コア用のガラスロッドとする。この石英ガラス
に添加した活性物質であるツリウムイオンの濃度は重量
で３００ｐｐｍとする。

次に、弗素を添加した石英ガラスを溶融・形成し、クラ
ッドバイブとする。クラッドバイブにはツリウムイオン
を添加していない。これらのコアロット及びクラッドパ
イプをロットインチューブ法によりプリフォームに形成
する。このプリフォームを公知の線引き装置にセットし
、先ファイバに線引きする。この結果、コア径６μｍで
外径１２５μｍの３Ｍファイバか得られる。この３Ｍフ
ァイバを測定のため長さ２ｍの試料に切り出し、第１図
のファイバ増幅器に使用する光ファイバ１０とする。

なお、本実施例の光ファイバではコアに使用するマトリ
ックスガラスとして石英ガラスを使用したか、マトリッ
クスガラスの組成はこれに限られるものではない。例え
ば、珪酸塩ガラス、燐酸塩ガラス及び弗化物系ガラス等
を使用しても良い。

この様にマトリックスガラスの組成を変更することで、
波長１．５〜１．７μｍ帯の範囲で発光若しくは誘導放
出の波長を調節することもてきる。

また、本発明の光伝送路は上記の光ファイバに限定され
るものではない。例えば、上記Ｔｍ３＋添加ガラスを平
面導波路等に形成しても良い。ただし、光ファイバに形
成することが、長尺の光伝送路を得る点ては望ましい。

光損失か少ないこと等を利用すれば、低閾値でＴｍ３＋
に反転分布を生じさせることができるからである。

本発明に係る光増幅装置の光伝送路として使用した光フ
ァイバは、例えばファイバレーザ等の装置にも応用する
ことができる。

具体的には、ファイバレーザを、上記光ファイバと、励
起光源と、光学手段と、光共振器とを備えるように構成
する。ここに、励起光源は波長０゜７０μｍ帯以下の励
起光を発生する。また、光学手段は励起光を励起光源か
ら光フアイバ内に入射させる。さらに、光共振器は光フ
アイバ内からの波長１．５〜１，７μｍ帯の放射光を光
ファイバにフィードバックする。

上記のようなファイバレーザによれば、光学手段により
ファイバ内に導入された波長０，７０μｍ帯以下の励起
光によってＴｍ３＋が励起される。

この励起されたＴ　ｒｎ　３＋の一部は、先ファイバ内
からの波長１．５〜１．７μｍ帯の放出光と、光フアイ
バ内にフィードバックされた波長１，５〜１．７μｍ帯
の光とによって誘導され、波長１．５〜１．７μｍ帯の
放出光を発生する。これを繰り返すことにより、波長１
，５〜１．７μｍ帯でのレーザ発光か可能になる。

以下に、ファイバレーザの実施例について説明する。

具体的な構成は、Ｅｒをドープした公知のファイバレー
ザと同様である（「ＥｒドープファイバーＪ、Ｏｐｌｕ
ｓ　　Ｅ、１９９０年１月、ｐｐ。

１１２〜１１８等参照。）。たたし本実施例の場合、先
ファイバとして、Ｔｍ”＋をドープした上記実施例の光
ファイバを使用する。また、励起光源として、波長０，
６８μｍの励起光を発生するレーザダイオードを使用す
る。

レーザダイオードからの波長０．６８μｍの励起先は、
レンズ等の適当な光学手段によって上記実施例に示した
光フアイバ内に導入される。光フアイバ内のＴｍ３＋は
所定の状態に励起され、波長１．５〜１．７μｍ帯の発
光か可能になる。ここで、ファイバの出力端を鏡面に仕
上げているため、この出力端とレーザダイオードの端面
とは共振器を構成する。この結果、励起光の出力が所定
値を超えると波長１．５〜１，７μｍ帯のいずれかの波
長てレーザ発振が生じる。

なお、共振器は、誘電体ミラー等を使用するタイプのも
のであってもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る光増幅装置によれば
、波長１．５〜１．７．ｃｚｍ帯でのＴ　ｍ　””発光
を可能にする波長０，７０μｍ帯以下の励起光の存在に
より、波長１．５〜１．７μｍ帯での光増幅が可能にな
る。

第２図は第１図のファイバ増幅器に用いる光ファイバの
構造を示した図、第３図は０．７０μｍ帯以下帯動下の
励起光によるＴ　ｍ　”０’）励起を説明するための図
、第４図は波長０．７８μｍ帯の励起光によるＴｍ３＋
励起を説明するための図である。

１０・・光伝送路である光ファイバ、１２・・・励起光
源であるレーザ光源、１３．１８．１９・・・光学手段
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｔｍ＾３＾＋を活性物質として添加した光機能性ガラス
   を有して構成され、波長１．５乃至１．７μｍ帯の信号
   光を伝搬する光伝送路と、 波長０．７０μｍ帯以下の励起光を発生する励起光源と
   、 前記励起光源からの前記励起光を前記光伝送路内に入射
   させる光学手段と、 を備える光増幅装置。