JPH05509202A - 光導波体増幅器 - 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】 先導波体増幅器 本発明は、先導波体増幅器に関し、特に第１の波長で１次蛍光ピークに関係され る３レベルのレーザ機構を供給している活性材料によってドープされる先導波体 を具備している増幅器に関する。

この明細書における用語“光”は、可視領域の各端部の赤外線および紫外線領域 の部分と共に可視領域として一般的に知られ、光ファイバのような誘電性の先導 波体によって伝送される電磁スペクトルの部分に関するものである。

３レベルレ一ザ機構は、かなりの熱的集群を有するエネルギレベルあるいはその ようなレベルの帯域に近い接地状態あるいはエネルギレベルである低いレーザレ ベルあるいはレベル帯域（Ｌ　Ｌ　Ｌ）と、高いレーザレベルあるいはレベル帯 域（Ｕ　Ｌ　Ｌ）と、およびＵＬＬの底部よりも高いエネルギの１つ以上のポン プバンドを有する。このような機構において、ＬＬＬバンドからＵＬＬバンドへ の吸収は、反対方向への転移によって得られる光量子の刺激された放射による直 接的な競争において起こる。

レーザ転移に関連され、ポンプバンドに対応している蛍光よりも短い波長の光ポ ンプを有するこのような増幅器のポンピングは、ＬＬＬの集群解除およびＵＬＬ の集群の増加を既知の形式によって生ずる。ＵＬＬの部分的集群はポンプパワー に依存し、与えられた信号波長に対する増幅器の相対利得率はＮ　σ　（λ）− Ｎ　σ　（λ）に比例し、ここでＮ１２　２　ｌ　１ およびＮ　はＬＬＬおよびＵＬＬの部分的集群密度であり、３レベルレ一ザ機構 の導波体増幅器は蛍光スペクトルの長波長尾部における波長で信号に利得を供給 するが、利得ピーク波長で増幅された自発性放射（ＡＳＥ）と関連される問題が 存在する。

本発明によれば、先導波体増幅器は第１の波長で１次蛍光ピークに関係される３ レベルのレーザ転移を行う活性材料によってドープされた先導波体を具備し、そ れにおいて導波体が第１の波長よりも長い第２の波長で光ポンプパワーを供給す るために少なくとも第１の光ポンプソースに結合されていることを特徴とする。

１次蛍光ピークの波長よりも長い波長での増幅器のボンピングは、この波長にお ける利得およびＡＳＥを消去する。

本発明は、光フアイバ通信ネットワークを通って伝送される光信号の増幅の実行 において特に適用が発見されることが期待される。このような二酸化珪素をベー スとする光フアイバネットワークを使用する適切な導波体増幅器は、このような ネットワークに容易に組込まれるような希土類イオンによってドープされる光フ ァイバである。例えば、Ｅｒ３＋イオンによってドープされるＳｉＯ−ＡＩ　Ｏ −Ｇｅｍ２光フアイμは、１．５５μｍの通信窓における利得を与える。このよ うな光増幅器は、１．５７μｍ乃至１．６１μｍの最大有効スペクトル帯域幅を 達成している１、５５μｍのポンプ波長に対して約１．６０μｍ程度の有効な利 得を与えることか認められている。

本発明は、特定な二酸化珪素をベースとするＥｒ３＋ド一プレーザ機構に対する 適用に限定されない。３レベルレ一ザ機構を使用している他のドープされた導波 体は、例えば適当なドーパントによってドープされる平坦な二酸化珪素あるいは ニオブ酸リチウム導波体を使用することができる。同様に、フッ化物ファイバの ような別の光フアイバホストあるいは例えばイッテルビウムのような別の適当な ドーパントが、本発明のポンピング機構に使用されることができる。

増幅器が、第１の波長よりも短い波長で光ポンプパワーを供給するために第２の 光ポンプソースを含むことが好ましい。

以下でさらに詳細に説明されるように、これは優れた雑音特性を提供し、蛍光ピ ーク波長で生成されるＡＳＥを抑制する能力を維持する。このような二酸化珪素 をベースとしたＥｒ＋３でドープされた光フアイバ増幅器に関して、第２の光ポ ンプソースは約１．４７μｍでポンプパワーを供給する半導体レーザであること が好ましい。

本発明による先導波体増幅器は、第１の波長よりも長い第２の波長で光ポンプパ ワーを供給する第１のポンプソースに結合される第１の波長における１次蛍光ピ ークと関連される３レベルレ一ザ機構を与える活性材料によってドープされる先 導波体を具備している第１の先導波体増幅器と、第１の光導波体増幅器と同じ活 性材料によってドープされた導波体を具備し、第１の波長よりも短い波長で光ポ ンプパワーを供給する第３の光ポンプパワーを含む第２の先導波体増幅器と、第 １および第２の光導波体増幅器のそれぞれ１つに光信号の一部分を結合する光結 合手段と、および第１および第２の光導波体増幅器に沿った伝播した後に光信号 の一部分を結合する光結合手段とを具備している。

このような増幅器は、活性材料によってドープされる単一のファイバ増幅器より も広い帯域幅を有している複合増幅器を提供する。

本発明の別の観点によれば、光伝送システムは本発明による先導波体増幅器を具 備し、第２の波長よりも長い波長で光信号のソースが結合される。

さらに本発明の観点によれば、光信号を増幅する方法は、各光ポンプソースから ポンプパワーを供給しながら本発明による先導波体増幅器へ光信号を結合し、光 信号は第２の波長よりも長い波長を有する。

本発明およびその動作は、添付図面に関する単なる例示としての実施例によって 説明されている。

図１は、研究された増幅形態を許容するように構成されている本発明による光Ｅ ｒ＋３ドープファイバ増幅器の概略図であり、 図２は、図１のドープされたファイバの関連する吸収および放射断面のグラフで あり、 図３は、０．３５の部分的反転に対する図１のドープされたファイバの相対利得 スペクトルのグラフであり、図４は、図１の実施例における様々な長さのドープ されたファイバの小信号利得スペクトルのグラフであり、図５は、図１の実施例 における１５０ｍの長さのドープされたファイバの小信号利得のポンプパワーの 依存性を示しているグラフであり、 図６は、図１の実施例における１５０ｍの長さのドープされたファイバの信号入 力パワーに対する信号出力パワーのグラフであり、 図７は、本発明の別の実施例の概略図であり、図８は、２つの光ポンプを使用す る本発明の別の実施例の概略図である。

図１を参照すると、先導波体増幅器２は、直径５．５μｍのコアを有し、吸収ピ ーク（図２参照）が１．５３μｍで５゜５ｄＢ／ｍの吸収に対応しているレベル までＥｒ３Ｚ’オンによってドープされている０、０１５のΔｎを有するＳ　ｉ Ｏ２−２−Ａ１２０３−Ｇｅ光フアイバ４を含む。それは、０゜０１ｄＢ／ｍ以 下の１．１μｍで測定される背景損失を有している。

図２は、反転しない（すなわち、ポンピングされないファイバ）および１．５３ μｍの蛍光ピークと関係した３レベルレ一ザ送信機構の十分な反転である波長の 関数として相対吸収および放射断面を示す。

”Ｈｉｇｈ−ｇａｉｎ、ｂｒｏａｄ　５ｐｅｃｊｒａｌ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　 ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ　ｔｌｂｒｅ　ａｍｐｌ百ｉｒｅ　ｐｕｍｐｅｄ　ｎ ｅａｒ　１．５．ａ＋”　と題されるＣ、　Ｇ、　Ａｊｋｉｎｓ氏、１．　Ｆ、 　Ｍａｓｓｉｃｏ目氏、１．　Ｒ，Ａｒｍ１　ｔ！ｇｅ氏、Ｒ，Ｗ７ａｌ＋氏、 ＢＩ。

Ａ１ｎ５ｌｉｅ氏およびＳ、　Ｐ、　Ｃｒａｉｇ−Ｒ７ａｎ氏らによる１９８９ 年７月６日のエレクトロニクス・レター第２５巻、第１４号の９１０乃至９１１ 頁の記述において論議されたように、任意の波長の強度なポンピングの最大反転 分布はポンプ波長における等しい吸収および放射率を仮定している吸収および放 射断面から計算される。不完全な反転は、任意の与えられたファイバ長に対して 得られる利得のピーク値および利得スペクトルの形の両方に影響を及ぼす。

最も広い観点における本発明は、適当な低い部分的反転分布でファイバ増幅器の 動作がピーク波長の利得を抑制しなからレーザ推移の蛍光スペクトルの長い波長 の尾部における波長の利得を供給し、特に、これは蛍光ピーク波長よりも長い第 ２の波長で導波体をポンピングすることによって達成される。ＡＳＥを避けるた めの実際の部分的集群は、特定な導波体およびドーパントに依存する。

図１を再び参照すると、ＮａＣ１：ＯＨの結晶によって動作し、＜１．４５μｍ 乃至＞１．６５μｍに同調できる安定したＮｄ：ＹＡＧのポンピングされたカラ ーセンターレーザ６は、ドープされたファイバ導波体４をポンピングする光ポン プパワーを供給する。１．５６μｍ乃至１．６５μｍで同調できる外部空洞半導 体レーザ８は増幅される信号を供給するために使用され、その信号（プローブ信 号）はファイバ結合およびスプライス接続によって結合された偏光に反応しない 光アイソレータ１２によって後続される正確な光減衰器１０を通過される。ポン プおよびプローブ信号は、１．５５μｍで生じる最大のポンプ伝送および１−６ μｍで生じる最大の信号伝送の２色性のファイバカブラ１４によって結合される 。結合されたポンプおよびプローブ信号は、モニタフォトダイオード１８によっ てファイバ４の入力におけるポンプおよびプローブパワーレベルの監視を可能に する予め較正された１％のカブラタップ１６によってドープされたファイバ４に 結合される。

ファイバ４からの出力信号は３０ｄＢの固定減衰率のファイバ減衰器２０を通過 し、光スペクトル分析器２２においてｉ＃ｊ定される。

１．５４μｍ乃至１．５７μｍのポンプ波長の仮の最適化は、１．５７乃至１． ６１μｍの最大のスペクトル帯域幅を達成する最良の妥協として１．５５μｍを 示した。これは、以下の全ての測定に使用された。固定されたプローブ波長を必 要とする測定のため、１．６μｍが選択された。ファイバ４中に放射される最大 のポンプおよび信号パワーは、それぞれ１６０ｍＷおよび０．１ｍＷ　（−１０ ｄＢｍ）であった。

残りのポンプパワーは常に１０ｍＷよりも小さい。

図４は、１４０ｍＷでポンピングされた１５０ｍ、１７５ｍおよび２００ｍのフ ァイバに対して得られる小信号利得スペクトルを示す。入力信号レベルは一２８ ｄＢｍに一定に保たれた。１５０ｍのファイバ４に関して、２５ｄＢより多い広 帯域利得応答が３１ｄＢの最大値を有して１．５７μｍ乃至１．６μｍの範囲で 測定された。ファイバが短くなるときの短い波長における利得スペクトルのシフ トは、ファイバにおける高いネット部分反転に一致している。しかしながら、予 測されたものよりも鋭い１，６μｍの利得における長さに無関係なカットオフが 認められ、励起された状態の吸収測定に一致している。

図５は、１５０ｍの長さのファイバ４における小信号利得のポンプパワーの依存 性を示す。曲線は、８０ｍＷよりも大きい発射されたポンプパワーに対して直線 から外れる。これは、増幅された自発性の放射による利得飽和の結果である。

この最適な点において、ポンプの１ｍＷにつき０．３３ｄＢの利得が得られる。

１４０ｍＷのポンプパワーの入力パワーに対する信号出力が図６に示される。利 得飽和は、　１８ｄＢｍの信号入力レベルで生じ始める。入射された最大の信号 に対して利得は２５ｄＢであり、１６０ｍＷの増加したポンプパワーに対して４ ５ｍＷの出力信号が得られた。

上記は、１．５５μｍでポンピングすることによって１゜５７μｍ乃至１．６１ μｍの間の２５ｄＢ以上の小信号利得を得る１、６μｍの広帯域増幅器としてＥ ｒ３＋でドープされた二酸化珪素ファイバの使用を示している。

図７を参照すると、光フアイバ増幅器は、図１の実施例におけるような１．５５ μｍの光ポンプソースによってポンピングされるＥｒ”ｒドープされた二酸化珪 素をベースとした光フアイバ増幅器３２と並列な既知の方法によって１．５５μ ｍの増幅に最適化されたＥｒ”７’ドープされた二酸化珪素をベースとした光フ アイバ増幅器３０を具備する。光信号のソース３４は、光フアイバカブラ３６に よって増幅器３０および３２に結合される。各増幅器３０および３２によって増 幅される信号の一部分は、カブラ３８に接続されるファイバ４０に沿って伝送の 前方に光カブラ３８によって結合される。図７の配置は、波長分割多重化システ ムにおける増幅に適当な約７０ｎｍの帯域幅を提供する。

このような増幅器は、一般に最適な雑音特性を有さない。

準安定の上部レーザレベルに直接ポンピングされる３レベルの転移機構の雑音指 数は、ポンプ波長に依存する。最小値は次のような式における高いポンプパワー に対して得られる。

Ｆｍ１ｎ−２／　（１−（Ｒ／Ｒ）） ｐｕｍｐ　ｓｉｇｎａｌ ここでＲおよびＲは、それぞれポンプおよび信ｐｕｍｐ　ｓｉｇｎａｌ 号波長における吸収断面の放射率である。

１．４７ａｍのＲ値は、１．５５μｍで典型的に０．３４であり、１．５８μｍ で典型的に１．７であり、図１のＳｉμｍの信号を増幅する１、４７μｍでポン ピングされた増幅器に対して雑音指数の式を使用すると、３．９ｄＢの理論的に 最小の雑音指数が得られ、１．５８μｍの信号を増幅する１、５５μｍボンピン グされた増幅器を得る場合、６．６ｄＢの値が得られ、この場合は明らかに不利 である。これは、信号波長に対するポンプ波長の非常に近く接近しているためで ある。この接近は本発明により適当な調整された利得スペクトルを得ると同時に 利得ピークに近いレーザ作用およびＡＳＥを抑制するために必要である。１．４ ７μｍポンピングされた１、５８μｍ増幅器は、利得ピークでＡＳＥの効果を抑 制する方法が発見される場合、３．３ｄＢの雑音指数にすることができる。

利得ピークで成長されるＡＳＥを抑制するための能力を維持しながらそれらの優 れた雑音特性を有する短いポンピング波長の利益を得るための方法は、２つのポ ンプ波長を利用することである。例えば１．４７μｍの第１のポンプは強力なポ ンプであり、１．５８μｍの信号に対して数ｄＢの低い雑音利得を与える。第２ のポンプは約１．５５μｍであり、ファイバ入力において０．１ｍＷ乃至１ｍＷ のパワーを有する。

３レベルレ一ザ機構の蛍光ピークよりも短い波長の１．４７μｍのポンプは、フ ァイバが１．５８μｍ信号の利得よりも高い利得を有するこの１．５５μｍの第 ２のポンプに対するポンプとして動作する。ファイバの下流の距離に従って、増 幅された１、５５μｍの２次ポンプは１次ポンプからのパワーを消耗させ、利得 ピークのＡＳＥの増加を防ぐ。２次ポンプへのパワーの転送は非常に効果的であ り、増幅された１゜５５μｍはエレクトロニクス・レター第２６巻、第１４号の １０３８−９頁のＪ、　Ｓ、　Ｍａｓｓｉｃｏ口氏、Ｒ，Ｗ７ａｔｊ氏、Ｂ、　 Ｊ、　Ａ１ｎ５ｌｉ！氏、Ｓ。

Ｐ、　ＣｒａＩｇ−ＲＴａｎ氏らによる”Ｅｆｆｉｃｉｓｌ、ｈｉｆｈ　ｐｏｗ ｅｒ、ｈｉｇｈ　Ｈｉｎ、ｅｒｂｉｕＩＩｌｄｏｐｅｄ　５ｉｌｉｅｘ　ｆａｉ ｂｅｒ　ｘｍｐｌｉｆｉｓｔ　”に見られる１゜５８μｍの信号の新しい１次ポ ンプとして動作する。この信号は高いレベルにあるため、近接したポンプ波長か らの雑音ペナルティは影響が小さい。このポンピング機構は、組込まれた低雑音 の前置増幅器として１．４７μｍでポンピングさ要約書 光フアイバ増幅器（５０）は、Ｅｒ＋３によってドープされるＳ　１０　Ａ　１ 　０　−　Ｇ　ｅ　Ｏ２の単一モードの光ファイバ（５２）を具備する。それは 、光出力が光カブラ（５８）によって結合され、さらに別のカブラ（６０）によ ってファイバ（５２）に結合される１、５５μｍおよび１．４７μｍの光ソース （５４および５６）によってポンピングされる。増幅される（６２）光信号のソ ースは、別のカブラ（６０）によってファイバ（５２）に結合される。Ｅｒ＋３ イオンは、約１．５３μｍの蛍光ピークで３レベルのレーザ機構を供給する。蛍 光スペクトルピーク波長で抑制されたＡＳＥを有する蛍光スペクトルの長い波長 の尾部における光信号の低雑音増幅器は、次のようにして得られる。１．４７μ ｍのポンプは光信号の低雑音の増幅を提供するが、１．５５μｍのポンプソース を優先的に増幅する。結果的な１．５５μｍの増幅されたポンプ信号は、それが 蛍光ピーク波長よりも長い波長を有するのでＡＳＥを抑制しながら光信号を増幅 するポンプパワーを供給する。

国際調査磐失

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．第１の波長で１次蛍光ピークに関連した３レベルレーザ転移を行う活性材料 によってドープされる光導波体を具備している光導波体増幅器において、導波体 が第１の波長よりも長い第２の波長で光ポンプパワーを供給する少なくとも第１ の光ポンプソースに結合されていることを特徴とする光導波体増幅器。
2. ２．導波体が希土類イオンによってドープされた二酸化珪素をベースとしたファ イバを具備する請求項１記載の増幅器。
3. ３．導波体がドープされたＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＧｅＯ２光ファイバを具備し 、活性材料がＥｒ３＋である請求項２記載の増幅器。
4. ４．第２の波長が１．５４μｍ乃至１．５７μｍである請求項３記載の増幅器。
5. ５．第２の波長が１．５５μｍである請求項４記載の増幅器。
6. ６．第１の波長よりも短い第３の波長で光ポンプパワーを供給する第２の光ポン プソースが含まれている請求項１乃至５のいずれか１項記載の増幅器。
7. ７．第２の光ポンプソースが約１．４７μｍでポンプパワーを供給している半導 体レーザである請求項４および５のいずれかに依存している請求項６記載の増幅 器。
8. ８．第１の光導波体増幅器と同じ活性材料によってドープされる導波体を具備し 、第１の波長よりも短い波長で光ポンプパワーを供給する第３の光ポンプソース を含んでいる第２の光導波体増幅器と、第１および第２の光導波体増幅器のそれ ぞれ１つに光信号の一部分を結合する光カプラ手段と、第１および第２の光導波 体増幅器に沿った伝播後に光信号の一部分を結合する光結合手段とを具備してお り、請求項１乃至７のいずれか記載の第１の光導波体増幅器を具備している光導 波体増幅器。
9. ９．光カプラ手段および光結合手段が光ファイバカプラから構成されている請求 項２乃至７のいずれかに依存している請求項８記載の光導波体増幅器。
10. １０．第２の波長よりも長い第４の波長で光信号のソースが結合されている請求 項１乃至９のいずれか記載の光導波体増幅器を具備している光伝送システム。
11. １１．各光ポンプソースからのポンプパワーを供給し、光信号が第２の波長より も長い波長を有する請求項１乃至９のいずれか記載の光導波体増幅器に光信号を 結合することを具備している光信号の増幅方法。
12. １２．図１あるいは図７に関連して説明されるような光増幅器。
13. １３．図面に関連して説明されるような光信号の増幅方法。