【書類名】 明細書
【発明の名称】 光ファイバ増幅器及びエルビウム添加光ファイバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】 所定の基準軸に沿って伸びたコア領域、当該コア領域の外周に設けられたクラッド領域、前記コア領域及び前記クラッド領域の双方にエルビウムを添加することにより構成したエルビウム添加部を有するエルビウム添加光ファイバと、
このエルビウム添加光ファイバの入力側及び出力側の少なくとも一方側に接続されたＷＤＭカプラと、
このＷＤＭカプラに接続された励起用光源と、
前記エルビウム添加光ファイバを飽和させ、信号光の波長略１５７０ｎｍ〜略１６００ｎｍの範囲において、光ファイバ増幅器の利得を平坦化するエルビウム添加光ファイバ飽和手段と、
を具備したことを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項２】 前記エルビウムのファイバ断面の半径方向の分布は、入射される信号光のモードフィールド径より外に及んでいることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅器。
【請求項３】 前記エルビウム添加光ファイバを構成するホストガラスは、石英系ガラスであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅器。
【請求項４】 前記エルビウム添加光ファイバ飽和手段は、前記エルビウム添加光ファイバを飽和させ、当該エルビウム添加光ファイバの長手方向に平均化した反転分布を略４０％とすることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅器。
【請求項５】 所定の基準軸に沿って伸びたコア領域と、
当該コア領域の外周に設けられたクラッド領域と、を具備し、
前記コア領域及び前記クラッド領域の双方にエルビウムが添加され、励起光を入射した場合波長１６００ｎｍで増幅利得を有するエルビウム添加光ファイバ。
【請求項６】 石英系ガラスを、ホストガラスとして構成されていることを特徴とする請求項５記載のエルビウム添加光ファイバ。
【請求項７】 前記エルビウムのファイバ断面における添加領域の半径は、波長域略１５７０ｎｍ〜略１６００ｎｍのモードフィールド径と同程度又はより大きいことを特徴とする請求項５記載のエルビウム添加光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長多重方式の光伝送システムにおいて、異なる波長を有する複数の信号光（多波長の信号光）を一括増幅する光ファイバ増幅器及び増幅用光ファイバであるエルビウム添加光ファイバに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の大容量高速化に伴い、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength division Multiplexing）伝送方式に関する研究・開発がなされている。このＷＤＭ伝送方式において、最も重要な光素子の一つが、多波長の信号光を一括増幅する光増幅器である。この光増幅器は、高利得・低雑音であって、信号光波長帯域において、利得スペクトルが平坦であることが要求されるため、従来より、希土類元素としてのＥｒ（エルビウム）元素を添加したエルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ：Er-Doped Fiber）を採用した光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Er-Doped Fiber Amplifier）が用いられている。
【０００３】
上記ＥＤＦは、図６に示すように、コア領域２１ａと、当該コア領域２１ａの外周に設けられたクラッド領域２１ｂと、励起光強度の高いコア領域２１ａの中心部分にのみにＥｒが添加されたＥｒ層２２と、からなるものである。このＥＤＦにおける信号光強度分布及び添加Ｅｒ濃度分布を示したのが図７であり、この図において、横軸はＥＤＦの縦断面における半径方向位置を表し、縦軸は信号光光強度と添加Ｅｒ濃度をともに表している。図７より明らかなように、コア領域２１ａの中心部分にＥｒが一様な濃度で添加されている。
【０００４】
ここで、上記ＥＤＦを用いたＥＤＦＡに関しては、例えば、「M.Fukusima et al."Flat gain Erbium-doped fiber amplifier in 1570nm-1600nm region for dense WDM transmission systems",OFC'97,Postdeadline papers 3.1997(古河電工)」（以後、従来例１と呼ぶ）、「小野 他 ”1.58μｍ帯Ｅｒ添加光ファイバ増幅器”９７年春季電子情報通信学会総合大会C-3-86(ＮＴＴ)」（以後、従来例２と呼ぶ）等に記載がなされている。
【０００５】
上記従来例１では、波長＝１５７０ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲に存在する信号光を増幅する場合には、波長１５６４ｎｍの大パワーのダミー信号光を入射させ、これにより、ＥＤＦを強く飽和させて当該ＥＤＦ内の長手方向に平均化した反転分布を４０％程度まで低下させ、上記波長の範囲で利得を平坦化した光増幅を行えることが述べられている。このとき、上記ＥＤＦを強く飽和させることにより、単位長当たりの利得が低下するため、所望の利得を得るべく、ＥＤＦ長を長く設定する必要がある。
【０００６】
また、上記従来例２では、ＥＤＦを長尺化することにより、励起光が届かない励起光の弱い領域、すなわち飽和の強い領域を形成し（ＥＤＦを強く飽和させ）、これにより、上記とほぼ同様な波長帯において、利得を平坦化した光増幅を行えることが述べられている。このとき、ＥＤＦの単位長当たりの利得は低いため、上記ＥＤＦを構成するホストガラスを石英系ガラスとしたもの（石英系ＥＤＦ）では、所望の利得を得るために必要なＥＤＦの長さは、２００ｍ程度であり、上記ホストガラスをフッ化物ガラスとしたもの（フッ化物ＥＤＦ）では、石英系ＥＤＦの１／５の長さである４０ｍ程度であることが述べられている。なお、上記石英系ＥＤＦでは、利得平坦化の目的で、さらに所定量のＡｌ（アルミニウム）が添加されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来例１、２では、所望の利得を得るには、最も多用される石英系ＥＤＦのままではＥＤＦを長くしなければならず、短尺化を図れないといった問題があった。
【０００８】
また、従来例２のように、ホストガラスをフッ化物ガラスとすれば、ＥＤＦの短尺化を図れるが、当該フッ化物ガラスは、信頼性に劣るとともに製造コストが高く、実用性に劣るといった問題があった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、短尺化されると共に実用性に優れたエルビウム添加光ファイバを備えて、所望の平坦化した利得を得ることができる光ファイバ増幅器、及び、増幅用光ファイバであるエルビウム添加光ファイバを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバ増幅器は、所定の基準軸に沿って伸びたコア領域、当該コア領域の外周に設けられたクラッド領域、コア領域及びクラッド領域の双方にエルビウムを添加することにより構成したエルビウム添加部を有するエルビウム添加光ファイバと、このエルビウム添加光ファイバの入力側及び出力側の少なくとも一方側に接続されたＷＤＭカプラと、このＷＤＭカプラに接続された励起用光源と、エルビウム添加光ファイバを飽和させ、信号光の波長略１５７０ｎｍ〜略１６００ｎｍの範囲において、光ファイバ増幅器の利得を平坦化するエルビウム添加光ファイバ飽和手段と、を具備した。
【００１１】
この光ファイバ増幅器によれば、エルビウム添加光ファイバ飽和手段により、エルビウム添加光ファイバを強く飽和させる（エルビウム添加光ファイバの長手方向に平均化した反転分布を低下させる）ため、信号光の波長略１５７０ｎｍ〜略１６００ｎｍの範囲において、平坦化された増幅器利得が得られるようになる。ここで、従来技術では、ＥＤＦを強く飽和させることにより単位長当たりの利得が低下するため、所望の利得を得るべく、ＥＤＦ長を長く設定する必要があったが、一方、本発明では、エルビウム添加範囲がクラッド領域にまで広げられるため、信号光とエルビウム添加部分との重なり合う部分が大きくなり、単位長さ当たりの利得が増やされるようになる。従って、エルビウム添加光ファイバの長さを長くして利得の増加を図るという必要がなくなり、短尺化が図られるようになると共に、エルビウム添加光ファイバの長さの短尺化を図るべくホストガラスに例えばフッ化物ガラスを用いるという必要がなくなり、信頼性の確保及び製造コストの上昇防止が図られるようになる。また、エルビウム添加範囲を広げることにより単位長さ当たりの利得を増やすようにすれば、短尺化が図られると共に、この短尺化により背景損失の影響が低減されるようになる。従って、従来技術のようにエルビウム添加光ファイバの長さを長くすることにより利得を増やす場合に比して、短尺化により背景損失の影響が抑えられる分、さらに有利となる。
【００１２】
このとき、エルビウムのファイバ断面の半径方向の分布が、入射される信号光のモードフィールド径より外に及んでいると、上述した信号光とエルビウム添加部分との重なり合う部分が非常に大きくなるため、エルビウム添加光ファイバの必要長が非常に短くなり、ホストガラスを例えばフッ化物ガラスとした場合と同程度まで短くされるようになる。
【００１３】
また、このとき、エルビウム添加光ファイバを構成するホストガラスが、石英系ガラスであると、ホストガラスを例えばフッ化物ガラスとした場合に比して、信頼性が向上されると共に製造コストが低減されるようになる。
【００１４】
また、本発明に係るエルビウム添加光ファイバは、所定の基準軸に沿って伸びたコア領域と、当該コア領域の外周に設けられたクラッド領域と、を具備し、コア領域及びクラッド領域の双方にエルビウムが添加され、励起光を入射した場合波長１６００ｎｍで増幅利得を有することを特徴としている。
【００１５】
これによれば、上記増幅を行う増幅用光ファイバであるエルビウム添加光ファイバを提供することができる。
【００１６】
ここで、エルビウム添加光ファイバは、石英系ガラスをホストガラスとして構成されていると、ホストガラスを例えばフッ化物ガラスとした場合に比して、信頼性が向上されると共に製造コストが低減されるようになる。
【００１７】
また、エルビウムのファイバ断面における添加領域の半径は、波長域略１５７０ｎｍ〜略１６００ｎｍのモードフィールド径と同程度又はより大きいと、信号光とエルビウム添加領域との重なり合う部分が非常に大きくなるため、エルビウム添加光ファイバの必要長が非常に短くなり、ホストガラスを例えばフッ化物ガラスとした場合と同程度又はそれ以上に短くされるようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明に係る光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を表した構成図である。このＥＤＦＡは、半導体レーザ（図示せず）から出射され、光ファイバ伝送路２を伝送されてきた多波長の信号光を入力して一括増幅し、光ファイバ伝送路７に出力するものであり、活性元素としてエルビウムを添加したエルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）１の入力には、融着部１０を介して、ＷＤＭカプラ４の出力が接続されている。このＷＤＭカプラ４の一方の入力には、上記ＥＤＦ１に励起光を供給するための励起用レーザ光源８が接続されていると共に、他方の入力には、アイソレータ３の出力が接続されている。
【００２０】
一方、上記ＥＤＦ１の出力には、融着部１０を介して、ＷＤＭカプラ５の一端子が接続されており、このＷＤＭカプラ５の他方の入力には、上記ＥＤＦ１に励起光を供給するための励起用レーザ光源９が接続されていると共に、カプラ５の出力には、アイソレータ６の入力が接続されている。
【００２１】
上記アイソレータ３，６は、光を一方向にのみ透過させるものであって、アイソレータ３は、光ファイバ伝送路２側からＥＤＦ１側への方向には光を通過させるが、その逆方向には光を通過させないものであり、アイソレータ６は、ＥＤＦ１側から光ファイバ伝送路７側への方向には光を通過させるが、その逆方向には光を通過させないものである。
【００２２】
また、上記ＷＤＭカプラ４は、励起用レーザ光源８からの励起光をＥＤＦ１側へ出力すると共に、アイソレータ３を透過した信号光を入力してＥＤＦ１側へ通過させる。また、上記ＷＤＭカプラ５は、励起用レーザ光源９からの励起光をＥＤＦ１に出力すると共に、ＥＤＦ１で増幅された信号光を入力してアイソレータ６へ通過させる。
【００２３】
上記ＥＤＦ１は、上記励起用レーザ光源８，９からの励起光（波長１．４８μｍ帯）により双方向励起され、これにより反転分布が形成される。そして、この反転分布が形成されている時に、多波長信号光（波長１．５８μｍ帯：各信号光の中心波長が略１５７０ｎｍ〜略１６００ｎｍの範囲内にある複数の信号光）が入力すると、その信号光を一括増幅して出力する。
【００２４】
このＥＤＦ１は、ホストガラスを石英系ガラスとしたものであり、この石英系ガラスは、信頼性が高く且つ製造コストが安いという特性を有している。
【００２５】
当該ＥＤＦ１は、図２に示すように、所定の基準軸１ｃに沿って伸び（紙面に垂直な方向に伸び）、屈折率ｎ１を有するコア領域１ａと、当該コア領域１ａの外周に設けられ、屈折率ｎ２（＜ｎ１）を有するクラッド領域１ｂと、後述の所定領域（所定位置）にＥｒが添加されたＥｒ（エルビウム）層１２と、から構成されており、利得平坦化の目的で、上記Ｅｒ層１２と同じ領域にさらにＡｌ（アルミニウム）が所定量添加されている。
【００２６】
上記Ｅｒ層１２は、図２に示すように、その軸心がコア領域１ａの軸心１ｃと同軸の断面円形状となっている。
【００２７】
特に、本実施形態においては、上記Ｅｒ層１２は、短尺化を図るべく、コア領域１ａ及びクラッド領域１ｂ、すなわちコア領域１ａの外側部分まで拡大されている。
【００２８】
このＥＤＦ１における信号光強度分布及び添加Ｅｒ濃度分布を示したのが図３であり、この図において、横軸はＥＤＦ１の縦断面における半径方向位置を表し、縦軸は信号光光強度と添加Ｅｒ濃度をともに表している。図３より明らかなように、コア領域１ａの外側部分までＥｒが添加されている。
【００２９】
なお、Ｅｒ層１２は、本実施形態においては、より好ましいとして、その軸心がコア領域１ａの軸心１ｃと同軸の断面円形状となっているが、必ずしも断面円形状でなくても良く、またコア領域１ａの軸心１ｃと同軸でなくても良い。
【００３０】
斯くの如く構成されたＥＤＦＡは、以下のように作用する。すなわち、図１を参照すれば、励起用レーザ光源８から出力された励起光がＷＤＭカプラ４を介してＥＤＦ１に供給され、また励起用レーザ光源９から出力された励起光がＷＤＭカプラ５を介して上記ＥＤＦ１に供給されている時に、半導体レーザから光ファイバ伝送路２を伝送されてきた多波長信号光がＥＤＦＡに入力すると、その多波長信号光はアイソレータ３を通過し、ＥＤＦ１に入力して一括増幅される。続いて、このＥＤＦ１から出力された多波長信号光は、ＷＤＭカプラ５、アイソレータ６を順次通過し、光ファイバ伝送路７に出力される。
【００３１】
このとき、本実施形態においては、エルビウム添加光ファイバ飽和手段として、励起用レーザ光源８，９からの励起光を弱めてＥＤＦ１を強く飽和させる励起光調整手段を用いている。この励起光調整手段は、例えば、励起用レーザ光源８，９にコントローラ８ａ，９ａを設けて当該コントローラ８ａ，９ａにより電流を調整して励起光を最適化するというものであり、これにより、上記ＥＤＦ１が強く飽和し（ＥＤＦ１の長手方向に平均化した反転分布が低下し）、１．５８μｍ帯の波長の範囲において、利得を平坦化した光増幅を行うことができる。ここで、本実施形態においては、ＥＤＦ１の長手方向に平均化した反転分布が４０％程度に最適化している。なお、反転分布の定義式は以下の式（１）で表される。
【００３２】
反転分布＝Ｎ２／（Ｎ１＋Ｎ２） …（１）
但し、Ｎ１は基底準位のＥｒ密度をＥＤＦの長手方向に平均化したもの
Ｎ２は励起準位のＥｒ密度をＥＤＦの長手方向に平均化したもの
また、ＥＤＦ１を強く飽和させる他の方法としては、例えば、従来例１で説明したダミー信号光を入射させる等の方法がある。
【００３３】
次に、上記ＥＤＦＡの利得Ｇについて説明する。上記ＥＤＦＡの利得Ｇは以下の式（２）で表される。
【００３４】
Ｇ＝ζ・（σｅ・Ｎ２−σａ・Ｎ１）・Ｌ−α・Ｌ …（２）
但し、ζは信号光とＥｒ添加部分との重なりを表す閉じ込め係数
σｅは誘導放出断面積
σａは吸収断面積
Ｎ１は基底準位のＥｒ密度をＥＤＦの長手方向に平均化したもの
Ｎ２は励起準位のＥｒ密度をＥＤＦの長手方向に平均化したもの
ＬはＥＤＦの長さ
αは単位長さ当たりの背景損失である。
【００３５】
ここで、従来技術では、上記利得Ｇを増やすために、上記ＥＤＦの長さＬを大きくするようにしていたが、本実施形態では、ＥＤＦの長さＬを大きくすることなくＥｒ添加部分の直径（以下Ｅｒ添加径と記す）を広げ、これにより、上記信号光及び励起光とＥｒ添加部分との重なりを表す閉じ込め係数ζを大きくして、上記利得Ｇを増やすようにしている。
【００３６】
本発明者は、上記作用・効果を確認すべく、以下の条件で、図１に示したＥＤＦＡを動作させた。すなわち、励起光の波長を１．４８μｍ帯として、双方向からＥＤＦ１に対して２００ｍＷづつの励起光パワーで供給する一方で、信号光の波長を１５６８、１５７０、１５７２、１５７４ｎｍの２ｎｍ刻みの４波ＷＤＭ信号とすると共に、信号光入力を−１０ｄＢｍ／ｃｈ×４波、すなわちトータル信号光入力を−４ｄＢｍとし、さらに上記ＷＤＭカプラ４，５として、１．４８／１．５５μｍＷＤＭカプラを用いた。
【００３７】
また、上記ＥＤＦ１としては、以下の表１に示す諸元のＥＤＦを用いた。
【００３８】
【表１】
【００３９】
なお、表１に示す信号光のモードフィールド径（ＭＦＤ）は、波長１５７０ｎｍにおけるものである。また、一般にＭＦＤは、波長にほぼ正比例するので、励起光のＭＦＤは、信号光の波長を１５７０ｎｍとすると、信号光のＭＦＤの１．４８／１．５７倍で与えられ、この値は、信号光のＭＦＤよりも小さい。
【００４０】
図４及び図５は、Ｅｒ添加径を最大８μｍまで変化させた時の最大信号光出力と、ＥＤＦ長との関係を表したものであり、図４にＥｒ添加径と最大信号光出力との関係を、図５にＥｒ添加径とＥＤＦ長との関係を、それぞれ示す。上記最大信号光出力とは、あるＥｒ添加径のＥＤＦに対して一定の信号光入力と励起光入力とを与えて、ＥＤＦの長さを変化させた時の光出力の最大値のことであり、上記ＥＤＦ長とは、上記最大信号光出力を得るのに必要なＥＤＦの長さのことである。
【００４１】
ここで、通常のＡｌ添加石英系ＥＤＦ（従来例２に記載のもの）では、Ｅｒ添加径が１．０〜１．４μｍ程度である。従って、上記動作条件では、図５に示すように、４５ｍを越えるＥＤＦ長が必要となる。特に、Ｅｒ添加径を１．０μｍとした場合には、図５に示すように、１００ｍを越えるＥＤＦ長が必要となる。このとき、７．５ｄＢ／ｋｍ程度の背景損失の影響が現れるため、ＥＤＦＡとしての最大信号光出力は、図４に示すように、低い値となっている。
【００４２】
一方、図５に示すように、Ｅｒ添加径を広げれば、ＥＤＦ長を低減できるというのが判る。特に、Ｅｒ添加径を信号光のＭＦＤと同程度まで広げると、図５に示すように、ＥＤＦ長は９ｍ程度となり、通常のＡｌ添加石英系ＥＤＦ長の１／５以下となる。これは、従来例２で説明した、通常のＡｌ添加石英系ＥＤＦに対してホストガラスをフッ化物ガラスとした場合と比較しても、同比率の改善となっている。
【００４３】
すなわち、Ｅｒ添加径を信号光のＭＦＤと同程度まで広げれば、信頼性に劣ると共に製造コストの高いフッ化物ＥＤＦを用いることなく、通常の実用性に優れた石英系ＥＤＦであっても、ＥＤＦ長をフッ化物ＥＤＦと同程度に短くすることができることになる。さらにＥｒ添加径を広げれば、図５に示すように、未だ若干ＥＤＦを短縮することが可能である。
【００４４】
そして、このように、Ｅｒ添加径を広げることにより上記係数ζを大きくし、上記利得Ｇを大きくすれば、ＥＤＦを短尺化できるため、上記背景損失の影響α・Ｌを低減できる（上記式（２）参照）。従って、従来技術のようにＥＤＦの長さＬを大きくすることにより上記利得Ｇを増やすのに比して、背景損失の影響α・Ｌを抑えることができる分、さらに有利である。
【００４５】
因みに、Ｅｒ添加濃度は、現状の製造プロセスでは、上記表１に示した値がほぼ限界に当たる濃度である。また、このＥｒ添加濃度としては、製造上の実績を考慮すると、１０００ｐｐｍ前後が望ましい。
【００４６】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であるというのはいうまでもなく、例えば、上記実施形態においては、ＥＤＦＡを、ＥＤＦ１の入力側及び出力側の両方から励起光を供給する双方向励起型としているが、例えば励起用レーザ光源９及びＷＤＭカプラ５の無い前方励起や励起用レーザ光源８及びＷＤＭカプラ４の無い後方励起に対しても同様に適用できる。
【００４７】
また、光通信システムでは、シングルモード光ファイバが主流なため、本発明のＥＤＦＡを、シングルモード光ファイバの光通信システムに適用するのが好適であるが、マルチモード光ファイバの光通信システムに対しても適用できる。
【００４８】
なお、特開平４−２０９３８号公報には、活性元素イオンが主として光ファイバのクラッドにドープされているものの開示があり、また特開平３−２８９６３３号公報には、活性元素が主として光ファイバのコアとクラッドの境界近傍にドープされているものの開示があり、また特開平４ー１９９０３１号公報には、光ファイバのクラッドに希土類元素をドープした時でも、一定程度の光増幅ができるという開示があるが、これらは、コア領域及びクラッド領域の双方にエルビウムを添加すると共にエルビウム添加光ファイバを飽和させることによって、エルビウム添加光ファイバを短尺化すると共に実用性に優れたものとしつつ、信号光の波長略１５７０ｎｍ〜略１６００ｎｍの範囲において、所望の平坦化した増幅器利得を得ることができるという本発明とは、全く異なるものである。
【００４９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り本発明の光ファイバ増幅器は、エルビウム添加光ファイバ飽和手段によって、エルビウム添加光ファイバを強く飽和させるため、信号光の波長略１５７０ｎｍ〜略１６００ｎｍの範囲において、利得を平坦化した光増幅を行なうことができる。このとき、コア領域及びクラッド領域の双方にエルビウムを添加しているため、信号光とエルビウム添加部分との重なり合う部分が大きくなる。このため、単位長さ当たりの利得が増え、エルビウム添加光ファイバの長さを長くして利得の増加を図るという必要がない。その結果、エルビウム添加光ファイバの短尺化を図り得ると共に、エルビウム添加光ファイバの長さの短尺化を図るべくホストガラスに例えばフッ化物ガラスを用いるという必要がなく、エルビウム添加光ファイバを実用性に優れたものとし得るようになっている。すなわち、短尺化されると共に実用性に優れたエルビウム添加光ファイバを備えて、所望の平坦化した利得を得ることができる光ファイバ増幅器を提供することができる。
【００５０】
また、エルビウム添加範囲を広げることにより単位長さ当たりの利得を増やすようにすれば、短尺化が図られると共に、この短尺化により背景損失の影響が低減されるようになる。このため、従来技術のようにエルビウム添加光ファイバの長さを長くすることにより利得を増やす場合に比して、短尺化により背景損失の影響が抑えられる分、本発明の光ファイバ増幅器は、さらに有利である。
【００５１】
また、本発明によれば、所定の基準軸に沿って伸びたコア領域と、当該コア領域の外周に設けられたクラッド領域と、を具備し、コア領域及びクラッド領域の双方にエルビウムが添加され、励起光を入射した場合波長１６００ｎｍで増幅利得を有するエルビウム添加光ファイバを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係る光ファイバ増幅器を表した構成図である。
【図２】
図１中のエルビウム添加光ファイバを表した断面図である。
【図３】
エルビウム添加光ファイバにおける信号光強度及び添加エルビウム濃度を表した分布図である。
【図４】
エルビウム添加径と最大信号光出力との関係を表した特性図である。
【図５】
エルビウム添加径と最大信号光出力を得るのに必要なエルビウム添加光ファイバ長との関係を表した特性図である。
【図６】
従来技術におけるエルビウム添加光ファイバを表した断面図である。
【図７】
従来技術のエルビウム添加光ファイバにおける信号光強度及び添加エルビウム濃度を表した分布図である。
【符号の説明】
１…エルビウム添加光ファイバ、１ａ…コア領域、１ｂ…クラッド領域、１ｃ…基準軸、４，５…ＷＤＭカプラ、８，９…励起用光源、８ａ，９ａ…エルビウム添加光ファイバ飽和手段、１２…エルビウム添加部。
[Document name] Specification [Title of invention] Optical fiber amplifier and erbium-doped optical fiber [Claims]
1. An erbium-doped optical fiber having a core region extending along a predetermined reference axis, a cladding region provided on the outer periphery of the core region, and an erbium-doped portion formed by doping both the core region and the cladding region with erbium;
a WDM coupler connected to at least one of the input and output sides of the erbium-doped optical fiber;
a pumping light source connected to the WDM coupler;
an erbium-doped optical fiber saturation means for saturating the erbium-doped optical fiber and flattening the gain of the optical fiber amplifier in the wavelength range of signal light from approximately 1570 nm to approximately 1600 nm;
An optical fiber amplifier comprising:
2. An optical fiber amplifier according to claim 1, wherein the radial distribution of said erbium in the cross section of the fiber extends beyond the mode field diameter of the incident signal light.
3. An optical fiber amplifier according to claim 1, wherein the host glass constituting said erbium-doped optical fiber is a silica-based glass.
4. The optical fiber amplifier according to claim 1, wherein the erbium-doped optical fiber saturation means saturates the erbium-doped optical fiber to set the population inversion averaged in the longitudinal direction of the erbium-doped optical fiber to approximately 40%.
5. A core region extending along a predetermined reference axis;
a cladding region provided on the outer periphery of the core region,
an erbium-doped optical fiber in which both the core region and the cladding region are doped with erbium, and which has an amplification gain at a wavelength of 1600 nm when pumping light is incident thereon;
6. The erbium-doped optical fiber according to claim 5, wherein silica-based glass is used as a host glass.
7. An erbium-doped optical fiber according to claim 5, wherein the radius of the erbium-doped region in the cross section of the fiber is approximately equal to or larger than the mode field diameter in the wavelength range of approximately 1570 nm to approximately 1600 nm.
Detailed Description of the Invention
[0001]
[Technical Field to which the Invention Belongs]
The present invention relates to an optical fiber amplifier that collectively amplifies a plurality of signal lights having different wavelengths (multi-wavelength signal lights) in a wavelength division multiplexing optical transmission system, and to an erbium-doped optical fiber that is an amplifying optical fiber.
[0002]
2. Description of the Related Art
With the increasing capacity and speed of optical communications, research and development has been conducted on wavelength division multiplexing (WDM) transmission systems. One of the most important optical elements in WDM transmission systems is an optical amplifier that collectively amplifies multiple wavelength signal lights. This optical amplifier is required to have high gain, low noise, and a flat gain spectrum in the signal light wavelength band. Therefore, optical fiber amplifiers (EDFAs) that employ erbium-doped optical fibers (EDFs) doped with Er (erbium), a rare earth element, have traditionally been used.
[0003]
As shown in Fig. 6, the EDF comprises a core region 21a, a cladding region 21b provided around the core region 21a, and an Er layer 22 doped with Er only in the central portion of the core region 21a where the pumping light intensity is high. Fig. 7 shows the signal light intensity distribution and the doped Er concentration distribution in this EDF, where the horizontal axis represents the radial position in the vertical cross section of the EDF, and the vertical axis represents both the signal light intensity and the doped Er concentration. As is clear from Fig. 7, the central portion of the core region 21a is doped with Er at a uniform concentration.
[0004]
Here, the EDFA using the above-mentioned EDF is described, for example, in "M. Fukushima et al., 'Flat gain Erbium-doped fiber amplifier in 1570 nm-1600 nm region for dense WDM transmission systems,' OFC '97, Postdeadline papers 3. 1997 (Furukawa Electric)" (hereinafter referred to as Prior Art 1), and "Ono et al., '1.58 μm band Erbium-doped optical fiber amplifier,' 1997 Spring General Conference of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, C-3-86 (NTT)" (hereinafter referred to as Prior Art 2).
[0005]
In the above-mentioned conventional example 1, when amplifying signal light in the wavelength range of 1570 nm to 1600 nm, a high-power dummy signal light with a wavelength of 1564 nm is input, which strongly saturates the EDF and reduces the population inversion averaged in the longitudinal direction of the EDF to about 40%, thereby enabling optical amplification with a flat gain in the above wavelength range. In this case, since the gain per unit length decreases due to the strong saturation of the EDF, it is necessary to set the EDF length long in order to obtain the desired gain.
[0006]
Furthermore, in the above-mentioned conventional example 2, it is stated that by lengthening the EDF, a weak pumping light region where the pumping light does not reach, i.e., a highly saturated region, is formed (the EDF is strongly saturated), thereby enabling optical amplification with a flattened gain in a wavelength band similar to that described above. In this case, since the gain per unit length of the EDF is low, the length of the EDF required to obtain the desired gain is approximately 200 m when the host glass constituting the EDF is silica-based glass (silica-based EDF), and approximately 40 m, which is one-fifth the length of the silica-based EDF, when the host glass is fluoride glass (fluoride EDF). In addition, the silica-based EDF further contains a predetermined amount of Al (aluminum) for the purpose of gain flattening.
[0007]
[Problem to be solved by the invention]
As described above, in the conventional examples 1 and 2, in order to obtain a desired gain, if the most commonly used silica-based EDF is used, the EDF must be made long, and there is a problem that it is not possible to shorten the length.
[0008]
Furthermore, if a fluoride glass is used as the host glass as in Conventional Example 2, the length of the EDF can be shortened, but the fluoride glass has problems such as poor reliability, high manufacturing costs, and poor practicality.
[0009]
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical fiber amplifier that includes an erbium-doped optical fiber that is short and highly practical, and that can obtain a desired flattened gain, and an erbium-doped optical fiber that is an amplifying optical fiber.
[0010]
[Means for solving the problem]
The optical fiber amplifier according to the present invention comprises an erbium-doped optical fiber having an erbium-doped portion formed by doping a core region extending along a predetermined reference axis, a cladding region provided on the outer periphery of the core region, and both the core region and the cladding region with erbium, a WDM coupler connected to at least one of the input side and the output side of the erbium-doped optical fiber, a pumping light source connected to the WDM coupler, and erbium-doped optical fiber saturation means for saturating the erbium-doped optical fiber and flattening the gain of the optical fiber amplifier in the wavelength range of signal light from approximately 1570 nm to approximately 1600 nm.
[0011]
According to this optical fiber amplifier, the erbium-doped optical fiber saturation means strongly saturates the erbium-doped optical fiber (reducing the population inversion averaged along the longitudinal direction of the erbium-doped optical fiber), thereby achieving a flat amplifier gain in the signal light wavelength range of approximately 1570 nm to approximately 1600 nm. In the prior art, the strong saturation of the EDF reduces the gain per unit length, so it was necessary to set the EDF length long to obtain the desired gain. In contrast, in the present invention, the erbium-doped range is extended to the cladding region, so the overlapping area between the signal light and the erbium-doped portion is large, thereby increasing the gain per unit length. Therefore, it is no longer necessary to increase the gain by lengthening the erbium-doped optical fiber, thereby enabling the fiber to be shortened. It is also no longer necessary to use a host glass, such as a fluoride glass, to shorten the erbium-doped optical fiber, thereby ensuring reliability and preventing increases in manufacturing costs. Furthermore, if the gain per unit length is increased by widening the erbium doping range, the length can be shortened and the influence of background loss can be reduced by this shortening. Therefore, compared to the conventional technique of increasing gain by lengthening the length of erbium-doped optical fiber, this is even more advantageous in that the influence of background loss can be reduced by shortening the length.
[0012]
In this case, if the radial distribution of erbium in the fiber cross section extends beyond the mode field diameter of the incident signal light, the overlapping area between the signal light and the erbium-doped portion described above will become very large, and the required length of the erbium-doped optical fiber will be very short, to the same extent as when the host glass is, for example, fluoride glass.
[0013]
Furthermore, if the host glass constituting the erbium-doped optical fiber is a silica-based glass, the reliability is improved and the manufacturing costs are reduced compared to when the host glass is, for example, a fluoride glass.
[0014]
Furthermore, the erbium-doped optical fiber according to the present invention comprises a core region extending along a predetermined reference axis and a cladding region provided on the outer periphery of the core region, and is characterized in that both the core region and the cladding region are doped with erbium, and has an amplification gain at a wavelength of 1600 nm when pumping light is incident thereon.
[0015]
This makes it possible to provide an erbium-doped optical fiber that is an amplifying optical fiber for performing the above amplification.
[0016]
Here, when an erbium-doped optical fiber is constructed using silica-based glass as the host glass, the reliability is improved and the manufacturing cost is reduced compared to when the host glass is, for example, fluoride glass.
[0017]
Furthermore, if the radius of the erbium-doped region in the cross section of the fiber is approximately the same as or larger than the mode field diameter in the wavelength range of approximately 1570 nm to approximately 1600 nm, the overlapping portion between the signal light and the erbium-doped region becomes very large, and the required length of the erbium-doped optical fiber becomes very short, to the same extent as or even shorter than when the host glass is, for example, fluoride glass.
[0018]
[Embodiments of the Invention]
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
[0019]
1 is a block diagram showing an optical fiber amplifier (EDFA) according to the present invention. This EDFA receives multi-wavelength signal light emitted from a semiconductor laser (not shown) and transmitted through an optical fiber transmission line 2, amplifies it collectively, and outputs it to an optical fiber transmission line 7. The output of a WDM coupler 4 is connected to the input of an erbium-doped optical fiber (EDF) 1, which is doped with erbium as an active element, via a fusion splice 10. One input of this WDM coupler 4 is connected to a pumping laser light source 8 for supplying pumping light to the EDF 1, and the other input is connected to the output of an isolator 3.
[0020]
On the other hand, one terminal of a WDM coupler 5 is connected to the output of the EDF 1 via a fusion splice 10, and the other input of the WDM coupler 5 is connected to a pumping laser light source 9 for supplying pumping light to the EDF 1, and the output of the coupler 5 is connected to the input of an isolator 6.
[0021]
The isolators 3 and 6 are designed to transmit light in only one direction. The isolator 3 allows light to pass from the optical fiber transmission line 2 side to the EDF 1 side but does not allow light to pass in the reverse direction. The isolator 6 allows light to pass from the EDF 1 side to the optical fiber transmission line 7 side but does not allow light to pass in the reverse direction.
[0022]
The WDM coupler 4 outputs pumping light from a pumping laser light source 8 to the EDF 1 side, and also inputs signal light that has passed through the isolator 3 and passes it to the EDF 1 side. The WDM coupler 5 outputs pumping light from a pumping laser light source 9 to the EDF 1, and also inputs signal light amplified by the EDF 1 and passes it to the isolator 6.
[0023]
The EDF 1 is bidirectionally pumped by pumping light (wavelength 1.48 μm band) from the pumping laser light sources 8 and 9, thereby forming a population inversion. When this population inversion is formed, if multi-wavelength signal light (wavelength 1.58 μm band: a plurality of signal light signals each having a central wavelength within the range of approximately 1570 nm to approximately 1600 nm) is input, the signal light is collectively amplified and output.
[0024]
This EDF 1 uses silica-based glass as the host glass, which has the characteristics of being highly reliable and having low manufacturing costs.
[0025]
As shown in FIG. 2, the EDF 1 is composed of a core region 1a extending along a predetermined reference axis 1c (extending in a direction perpendicular to the paper surface) and having a refractive index n1 , a cladding region 1b provided around the core region 1a and having a refractive index n2 (< n1 ), and an Er (erbium) layer 12 doped with Er in a predetermined region (predetermined position) described below, and a predetermined amount of Al (aluminum) is further doped in the same region as the Er layer 12 for the purpose of gain flattening.
[0026]
As shown in FIG. 2, the Er layer 12 has a circular cross section whose axis is coaxial with the axis 1c of the core region 1a.
[0027]
In particular, in this embodiment, the Er layer 12 is expanded to the core region 1a and cladding region 1b, that is, to the outer portion of the core region 1a, in order to shorten the length.
[0028]
3 shows the signal light intensity distribution and the Er concentration distribution in this EDF 1. In this figure, the horizontal axis represents the radial position in the vertical cross section of the EDF 1, and the vertical axis represents both the signal light intensity and the Er concentration. As is clear from FIG. 3, Er is doped up to the outer portion of the core region 1a.
[0029]
In this embodiment, it is more preferable that the Er layer 12 has a circular cross section whose axis is coaxial with the axis 1c of the core region 1a. However, the cross section does not necessarily have to be circular, and the Er layer 12 does not necessarily have to be coaxial with the axis 1c of the core region 1a.
[0030]
1, when pumping light output from a pumping laser light source 8 is supplied to EDF 1 via WDM coupler 4 and pumping light output from a pumping laser light source 9 is supplied to EDF 1 via WDM coupler 5, multi-wavelength signal light transmitted through optical fiber transmission line 2 from a semiconductor laser enters the EDFA, passes through isolator 3, and enters EDF 1 where it is amplified collectively. Subsequently, the multi-wavelength signal light output from EDF 1 passes through WDM coupler 5 and isolator 6 in that order, and is output to optical fiber transmission line 7.
[0031]
In this embodiment, the erbium-doped optical fiber saturation means uses pumping light adjusting means that weakens the pumping light from the pumping laser light sources 8 and 9 to strongly saturate the EDF 1. This pumping light adjusting means, for example, is provided with controllers 8a and 9a in the pumping laser light sources 8 and 9, and the controllers 8a and 9a adjust the current to optimize the pumping light, thereby strongly saturating the EDF 1 (reducing the population inversion averaged in the longitudinal direction of the EDF 1) and enabling optical amplification with a flattened gain in the 1.58 μm wavelength range. Here, in this embodiment, the population inversion averaged in the longitudinal direction of the EDF 1 is optimized to about 40%. The definition of the population inversion is expressed by the following equation (1):
[0032]
Population inversion=N 2 /(N 1 +N 2 ) (1)
where N1 is the ground level Er density averaged in the longitudinal direction of the EDF.
N2 is the Er density at the excitation level averaged in the longitudinal direction of the EDF. Another method for strongly saturating the EDF 1 is to input dummy signal light, as explained in the first conventional example.
[0033]
Next, the gain G of the EDFA will be described. The gain G of the EDFA is expressed by the following equation (2).
[0034]
G=ζ・(σ e・N 2 −σ a・N 1 )・L−α・L … (2)
where ζ is the confinement coefficient that represents the overlap between the signal light and the Er-doped portion.
σ e is the stimulated emission cross section
σ a is the absorption cross section
N1 is the ground level Er density averaged in the longitudinal direction of the EDF
N2 is the Er density of the excited level averaged in the longitudinal direction of the EDF.
L is the length of the EDF
α is the background loss per unit length.
[0035]
In the prior art, the length L of the EDF is increased in order to increase the gain G. However, in this embodiment, the diameter of the Er-doped portion (hereinafter referred to as the Er-doped diameter) is increased without increasing the length L of the EDF, thereby increasing the confinement factor ζ, which represents the overlap between the signal light and pump light and the Er-doped portion, and thereby increasing the gain G.
[0036]
1 was operated under the following conditions in order to confirm the above-mentioned effects and advantages: the pumping light wavelength was set to the 1.48 μm band, and pumping light power of 200 mW was supplied to EDF 1 from both directions, while the signal light wavelengths were set to 1568, 1570, 1572, and 1574 nm, a four-wave WDM signal with 2 nm intervals, and the signal light input was set to -10 dBm/ch×4 waves, i.e., a total signal light input of -4 dBm. Furthermore, 1.48/1.55 μm WDM couplers were used as the WDM couplers 4 and 5.
[0037]
As the EDF 1, an EDF having the specifications shown in Table 1 below was used.
[0038]
[Table 1]
[0039]
The mode field diameter (MFD) of the signal light shown in Table 1 is at a wavelength of 1570 nm. In general, the MFD is almost directly proportional to the wavelength, so if the wavelength of the signal light is 1570 nm, the MFD of the pump light is given by 1.48/1.57 times the MFD of the signal light, which is smaller than the MFD of the signal light.
[0040]
4 and 5 show the relationship between the maximum signal light output and the EDF length when the Er-doped diameter is changed up to a maximum of 8 μm, with Fig. 4 showing the relationship between the Er-doped diameter and the maximum signal light output, and Fig. 5 showing the relationship between the Er-doped diameter and the EDF length. The maximum signal light output is the maximum value of the optical output when a constant signal light input and pump light input are applied to an EDF with a certain Er-doped diameter and the EDF length is changed, and the EDF length is the length of the EDF required to obtain the maximum signal light output.
[0041]
In a typical Al-doped silica-based EDF (as described in Prior Art Example 2), the Er-doped diameter is approximately 1.0 to 1.4 μm. Therefore, under the above operating conditions, an EDF length exceeding 45 m is required, as shown in Figure 5. In particular, if the Er-doped diameter is set to 1.0 μm, an EDF length exceeding 100 m is required, as shown in Figure 5. In this case, the influence of a background loss of approximately 7.5 dB/km appears, and the maximum signal light output of the EDFA is therefore low, as shown in Figure 4.
[0042]
On the other hand, as shown in Figure 5, it can be seen that the EDF length can be reduced by increasing the Er doping diameter. In particular, when the Er doping diameter is increased to the same extent as the MFD of the signal light, the EDF length becomes approximately 9 m, as shown in Figure 5, which is less than one-fifth the length of a normal Al-doped silica-based EDF. This is an improvement of the same ratio as when a fluoride glass is used as the host glass for a normal Al-doped silica-based EDF, as explained in Conventional Example 2.
[0043]
In other words, if the Er-doped diameter is increased to the same level as the MFD of the signal light, it becomes possible to shorten the EDF length to the same level as that of a fluoride EDF, even if the silica-based EDF is highly practical, without using a fluoride EDF, which is inferior in reliability and expensive to manufacture. If the Er-doped diameter is further increased, it is possible to shorten the EDF length slightly, as shown in Figure 5.
[0044]
In this way, by increasing the Er-doped diameter to increase the coefficient ζ and the gain G, the EDF can be shortened, thereby reducing the influence of the background loss α·L (see formula (2) above). Therefore, compared to increasing the gain G by increasing the length L of the EDF as in the prior art, this is more advantageous in that it can suppress the influence of the background loss α·L.
[0045]
Incidentally, the Er concentration shown in Table 1 is the limit of the current manufacturing process. Taking into account the manufacturing results, the Er concentration is preferably around 1000 ppm.
[0046]
The invention made by the present inventor has been specifically described above based on the embodiments, but it goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiments and can be modified in various ways without departing from the spirit of the invention. For example, in the above embodiment, the EDFA is of a bidirectional pumping type in which pumping light is supplied from both the input side and the output side of the EDF 1, but the invention can also be applied to, for example, forward pumping without the pumping laser light source 9 and the WDM coupler 5, or backward pumping without the pumping laser light source 8 and the WDM coupler 4.
[0047]
Furthermore, since single-mode optical fibers are the mainstream in optical communication systems, the EDFA of the present invention is preferably applied to optical communication systems using single-mode optical fibers, but it can also be applied to optical communication systems using multi-mode optical fibers.
[0048]
Japanese Patent Laid-Open Publication No. 4-20938 discloses an optical fiber in which active element ions are doped mainly in the clad of the optical fiber, and Japanese Patent Laid-Open Publication No. 3-289633 discloses an optical fiber in which the active element is doped mainly near the boundary between the core and the clad of the optical fiber, and Japanese Patent Laid-Open Publication No. 4-199031 discloses that a certain degree of optical amplification is possible even when the clad of the optical fiber is doped with a rare earth element. However, these are completely different from the present invention, which is capable of shortening the erbium-doped optical fiber and making it highly practical by doping erbium in both the core region and the clad region and saturating the erbium-doped optical fiber, while also making it possible to obtain a desired flattened amplifier gain in the signal light wavelength range of approximately 1570 nm to approximately 1600 nm.
[0049]
[Effects of the Invention]
As described above in detail, the optical fiber amplifier of the present invention uses an erbium-doped optical fiber saturation means to strongly saturate the erbium-doped optical fiber, thereby enabling optical amplification with flattened gain in the signal light wavelength range of approximately 1570 nm to approximately 1600 nm. Since both the core region and the cladding region are doped with erbium, the overlapping area between the signal light and the erbium-doped portion is large. This increases the gain per unit length, eliminating the need to increase the gain by lengthening the erbium-doped optical fiber. As a result, the length of the erbium-doped optical fiber can be shortened, and there is no need to use a fluoride glass, for example, as the host glass to shorten the length of the erbium-doped optical fiber, making the erbium-doped optical fiber highly practical. In other words, an optical fiber amplifier can be provided that is equipped with a short, highly practical erbium-doped optical fiber and can achieve the desired flattened gain.
[0050]
Furthermore, if the gain per unit length is increased by widening the erbium doping range, the length can be shortened and the influence of background loss can be reduced by this shortening. Therefore, compared to the prior art where the gain is increased by lengthening the length of the erbium doped optical fiber, the optical fiber amplifier of the present invention is even more advantageous in that the influence of background loss can be reduced by shortening the length.
[0051]
Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide an erbium-doped optical fiber comprising a core region extending along a predetermined reference axis and a cladding region provided on the outer periphery of the core region, in which both the core region and the cladding region are doped with erbium, and which has an amplification gain at a wavelength of 1600 nm when pumping light is incident thereon.
[Brief explanation of the drawings]
Figure 1
1 is a configuration diagram showing an optical fiber amplifier according to the present invention;
Figure 2
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the erbium-doped optical fiber in FIG. 1 .
Figure 3
1 is a distribution diagram showing the signal light intensity and the doped erbium concentration in an erbium-doped optical fiber.
Figure 4
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the erbium doping diameter and the maximum signal light output.
Figure 5
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the erbium doped diameter and the erbium doped optical fiber length required to obtain the maximum signal light output.
Figure 6
1 is a cross-sectional view showing an erbium-doped optical fiber according to the prior art;
Figure 7
1 is a distribution diagram showing the signal light intensity and the doped erbium concentration in an erbium-doped optical fiber according to the prior art;
[Explanation of symbols]
1... erbium-doped optical fiber, 1a... core region, 1b... cladding region, 1c... reference axis, 4, 5... WDM coupler, 8, 9... pumping light source, 8a, 9a... erbium-doped optical fiber saturation means, 12... erbium doping section.