JPH11236245A - 光導波路及びそれを用いた1.5〜1.6μm帯光増幅器 - Google Patents

光導波路及びそれを用いた1.5〜1.6μm帯光増幅器

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JPH11236245A
JPH11236245A JP10040043A JP4004398A JPH11236245A JP H11236245 A JPH11236245 A JP H11236245A JP 10040043 A JP10040043 A JP 10040043A JP 4004398 A JP4004398 A JP 4004398A JP H11236245 A JPH11236245 A JP H11236245A
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amplification
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Yoshinori Kubota
能徳 久保田
Natsuya Nishimura
夏哉 西村
Hiromi Kawamoto
博美 川本
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Central Glass Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低雑音かつ広帯域な光増幅を構成するための
光導波路およびそれを用いた光増幅器を提供する。 【解決手段】 少なくとも励起光源、光合分波素子、増
幅用光導波路、光アイソレータを備え、増幅用光導波路
のコア部にErとCeが共添加され、さらにSe,T
e,Bi,Sb,Pbから選ばれる少なくとも一種類の
元素を含有している重金属酸化物ガラスからなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信などで用い
られる光導波路及びそれを用いた光増幅器に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】Erを活性イオンとして添加した石英系
ファイバーは、1.5μm帯の光信号を増幅する光増幅
器に使用され、光通信の高速化に大きな役割を果たして
きた。このような光増幅器では、Erの 413/24
15/2の誘導放出が利用され、励起には1.48μmと0.
98μmが利用されている。そのErの準位図を図1に
示す。0.98μm励起の場合、1.48μm励起よりも
低雑音な増幅器が構成できることが判っている。一方、
通信の大容量化に伴い、波長多重通信方式が注目され、
広帯域な光増幅媒質が要求されている。このような背景
から、Er添加石英系ファイバーの広帯域化や、Er添
加ハライドガラス、カルコゲナイドガラス、亜テルル酸
塩ガラスなどの研究が盛んに行われている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】Erを添加した亜テル
ル酸塩ガラスのような重金属酸化物ガラスは、Erを添
加した石英ファイバー(以後EDFと略す)より平坦な
利得帯域が広いことが知られており、1.5〜1.6μ
m帯波長多重通信用の増幅媒質として期待されている
(A.Mori,et.al.,OFC'97,PD-1)。しかし、低雑音な増
幅器を構成するために0.98μmで励起すると、励起
状態からの吸収(ESA)が起こりやすくなる。これ
は、亜テルル酸塩ガラスのような重金属酸化物ガラスの
フォノンエネルギーが石英ガラスより小さいことによ
り、Erの411/2から413/2へのマルチフォノン緩和
が起こりにくく、411/2の蛍光寿命が長くなるためで
ある。その結果、ESAによる吸収損失が大きくなり、
1.5μm帯の誘導放出に分配される励起エネルギーの
割合が小さくなって、増幅効率が低下する。このため、
重金属酸化物ガラスを用いた低雑音広帯域な増幅器が実
現できない。この問題を解決するためには、Erの4
11/2の蛍光寿命を短寿命化する必要がある。このような
理由から、Er(0.05〜0.5wt%)とTb,D
y,Euを共添加する方法が開示されている(特開平8
−222784号)。しかし、Tb,Dy,Euは、ホ
スト材料の組成による吸収波長の変動や、大量に添加し
た場合には吸収の裾の影響で、励起光や信号光を吸収し
て効率を低下させる可能性がある。
【0004】本発明の目的は、1.5〜1.6μm帯光
増幅器において、Erを添加した重金属酸化物ガラスか
らなるコアを持つガラス導波路を用い、0.98μm帯
励起を可能にする光増幅器を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための具体的手段】本発明者らは、前
記目的を達成するため鋭意検討の結果、光導波路のコア
部分の重金属酸化物ガラスにErとCeを共添加するこ
とにより、低雑音広帯域な増幅器が構築できることを見
いだし本発明に到達したものである。
【0006】すなわち本発明は、光導波路のコア部が、
ErとCeとを含有した酸化物ガラスであり、さらにS
e,Te,Bi,Sb,Pbから選ばれる少なくとも一
種類の元素を含有した酸化物ガラスからなる光導波路
で、また、少なくとも励起光源、光合分波素子、光アイ
ソレータ、増幅用光導波路を備え、かつ増幅用光導波路
として該光導波路を用いることを特徴とする1.5〜1.
6μm帯光増幅器であり、その増幅用光導波路がファイ
バーまたは平面光導波路からなる1.5〜1.6μm帯光
増幅器を提供するものである。
【0007】以下、本発明について詳述する。本発明に
おいて、0.98μmで励起したときのESAを抑制す
るためには、前述したようにErの411/2の蛍光寿命
を短寿命化する必要がある。本発明の光導波路は、重金
属酸化物ガラスにErとCeを添加したものであり、C
eを添加した場合、2.7μmから3μmの吸収帯が、
Erの411/2413/2の遷移エネルギー差に相当す
る。このため、クロス緩和が生じてErの411/2の蛍
光寿命を効率よく短寿命化できる。そのCeの吸収スペ
クトルを図2に示す。Ceは、0.3μmから2.5μ
mに至る非常に広い透過域を持ち、0.98μmの励起
光と1.55μmの信号光に吸収損失を与える可能性は
全くない。
【0008】本発明におけるErの添加量としては、ガ
ラス組成にもよるが100ppm〜5wt%の範囲が好
ましい。100ppm未満の含有量では必要な光導波路
の長さが長すぎて導波路の損失の影響を強く受けるため
不適当である。5wt%を越えると濃度消光を起こして
増幅効率が低下するため好ましくない。また、Ceの添
加量としては、100ppm〜5wt%の範囲が好まし
い。100ppm未満だとESAの抑制効果がなく、5
wt%を超えるとガラスの安定性が低下して結晶化が起
こる。また、励起光をより効率よく利用するために、Y
bやHo,Ndなどの増感材をさらに適量添加しても、
クロス緩和過程は変化しない。
【0009】本発明で用いる酸化物ガラスとしては、S
e,Te,Sb,Bi,Pbのような重金属を含有する
酸化物ガラスが適している。特にこれらの重金属が陽イ
オンモル%で20〜80%含有され、これらが主成分と
なるような酸化物ガラスは、フォノンエネルギーが低
く、増幅可能な波長範囲が広いため波長多重増幅媒質と
して好ましい。中でも亜テルル酸塩ガラスやビスマス酸
塩ガラスは、これらの効果が優れており、増幅可能な波
長範囲が広いため波長多重増幅媒質としてより好まし
い。
【0010】次に光増幅器の励起源としては、0.98
μm帯のレーザーであれば何でも良いが、小型高効率か
つ光導波路との結合が容易である点から、ファイバーに
レンズ系を使用して結合された半導体レーザー(ピグテ
ール半導体レーザー)が好ましい。励起方法は、前方励
起、後方励起、双方向励起など、励起が効率よく行われ
る方法なら何でも良い。また、励起に使用されるレーザ
ーは、1台でも良いし、複数台をまとめて利用しても良
い。さらに、Erの吸収帯を完全に利用して励起効率を
高めるために、広い発振波長帯域を持つレーザーを用い
ることも効果的である。このようなレーザーは、わずか
に発振波長の異なるレーザーを複数台結合したり、誘導
ラマン散乱を利用する方法で実現できる。
【0011】また励起光と信号光を1本の光導波路にま
とめるためには、光合分波素子が必要である。光合分波
素子としては、挿入損失が小さく、合分波が効率よく行
える方法なら何でも良い。このような合分波素子として
は、波長分割多重素子(WDM)が適当である。光合分
波素子は、挿入損失低減の観点から、ファイバーや平面
導波路光部品で構成されたものが好ましい。また、光合
分波素子内に光アイソレータを内蔵した場合は、増幅器
の小型化低挿入損失化が図れる。
【0012】光アイソレータは、戻り光を十分に抑制
し、挿入損失の小さなものであれば何でも良い。前述し
たように、他の光学部品と一体にすれば、増幅器が小型
化できるため、好ましい。
【0013】また、増幅器に利得監視や利得等化機能を
内蔵または付属させると、光通信システムの信頼性が向
上するので好ましい。利得の監視には、実質的に入射信
号光強度と出力信号光強度を比較できる方法なら、どん
な方法を用いても良い。波長多重通信を行う場合は、各
波長に割り当てられた信号ごとに検出、監視できる方法
が望ましい。利得等化機能は、受動的な方法でも能動的
な方法でも良い。受動的な利得等化方法としては、光学
フィルターを利用した構成が簡単である。能動的な利得
等化方法は、利得監視機能とフィードバック機能から構
成され、実質的に入射信号光強度と出力信号光強度を比
較し、利得を一定にできる方法なら、どんな方法を用い
ても良い。波長多重通信を行う場合は、各波長に割り当
てられた信号ごとに利得等化できる方法が望ましい。利
得等化と同様の機能であるが、出力信号光強度を一定に
保つような、出力等化機能も利得等化機能と同じように
有効である。これらの機能は、遠隔操作でプログラミン
グ可能なマイクロプロセッサなどで、自動的に調整可能
になっていることが好ましい。
【0014】以上のように、CeとErを光導波路のコ
アに共添加し、さらにSe,Te,Sb,Bi,Pbの
ような重金属を含有する酸化物ガラスとすることで、該
重金属酸化物ガラスのようなフォノンエネルギーの小さ
なガラス中においてもErのESAを効果的に抑制し、
0.98μm励起可能な高効率で低雑音広帯域な光増幅
器を提供できる。
【0015】
【実施例】以下、実施例を挙げて本発明をさらに説明す
るが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。
【0016】実施例1 コアにEr23を5000ppm、Ce23を5000
ppm添加した亜テルル酸塩ガラスファイバーを用い
た。コアガラスの組成を以下に示す。Er23とCe2
3は、La23を置換している。数字はmol%であ
る。 ガラス組成:90TeO2- 8BaO - 2La23 このファイバーの比屈折率差は1.5%、カットオフ波
長は0.96μmであった。
【0017】次に測定に使用した光増幅器の構成を図3
に示す。測定に使用したファイバーは長さ1mである。
励起にはファイバーピグテイル付きの半導体レーザー3
を使用し、光合分波素子2と高N.A.の石英ファイバ
ー5を介して光増幅用フッ化物ファイバー4と結合して
いる。石英ファイバー5とフッ化物ファイバー4の結合
はV溝ブロックを利用し、接合端面は反射損失を低減す
るため斜めに光学研磨して、光学接着剤で固定した。
1.55μm帯の信号光を光合分波素子2から入射し
て、増幅された出射光を光アイソレーター6に通して測
定器7において小信号利得、利得スペクトル、雑音指数
特性について測定を行った。小信号利得を図4に、利得
スペクトルを図5に、雑音指数特性を図6にそれぞれ示
す。図4から判るとおり、0.98μmの励起光強度が
100mWの時、信号光波長1.55μmにおいて29
dBの利得を達成した。また、この時の利得スペクトル
は、1.530μmから1.562μmの広い波長範囲で
±0.2dB以内の平坦度を確保できた。また、この波
長域での雑音指数は3.7dBであった。
【0018】比較例1 コアにEr23を5000ppm添加した亜テルル酸塩
ガラスファイバーを用いた。コアガラス組成は実施例1
と同じである。Er23は、La23を置換している。
このファイバーの比屈折率差は1.5%、カットオフ波
長は0.96μmであった。測定に使用したファイバー
は長さ1mである。実施例1と同様に測定系を構成し、
増幅された出射光の小信号利得、利得スペクトルについ
て測定を行った。小信号利得を図7に、利得スペクトル
を図8に示す。図7から判るとおり、0.98μmの励
起光強度が100mWの時、信号光波長1.55μmに
おいて18dBの利得しか得られなかった。このことか
ら、Ce共添加による11dBの利得改善が確認でき
た。また、この時の利得スペクトルは、実施例1と全く
同じであり、Ce添加による増幅帯域幅への影響はなか
った。
【0019】実施例2 実施例1に記載のガラス組成で、Er23を1wt%、
Ce23を1wt%添加したガラスプレートに、高繰り
返しフェムト秒レーザーで平面光導波路を書き込んだ。
Er23とCe23はLa23を置換している。この導
波路の比屈折率差は0.8%、カットオフ波長は0.9
6μm、導波路長は40cmである。実施例1と同様に
測定系を構成したが、高N.A.の石英ファイバーは使
用していない。平面光導波路と石英ファイバーとの接続
は、斜め研磨した端面を光学接着して固定した。ファイ
バーと導波路の位置あわせには、微動調整付きのステー
ジを利用し、信号光透過率が最大になるようにした。増
幅特性は実施例1とほぼ同じ傾向を示し、100mW励
起の時1.55μmの利得が22dBであり、1.53
5〜1.56μmの範囲で±0.2dBの利得平坦度を
確認し、この雑音指数は4.2dBであった。
【0020】比較例2 実施例1に記載のガラス組成で、Er23を1wt%添
加したガラスプレートに、高繰り返しフェムト秒レーザ
ーで平面光導波路を書き込んだ。Er23はLa23
置換している。この導波路の比屈折率差は0.8%、カ
ットオフ波長は0.96μm、導波路長は40cmであ
る。実施例1と同様に測定系を構成したが、高N.A.
の石英ファイバーは使用していない。平面光導波路と石
英ファイバーとの接続は、斜め研磨した端面を光学接着
して固定した。ファイバーと導波路の位置あわせには、
微動調整付きのステージを利用し、信号光透過率が最大
になるようにした。増幅特性は実施例1とほぼ同じ傾向
を示し、100mW励起の時1.55μmの利得が17
dBであり、雑音指数は4.2dBであった。
【0021】実施例3 コアにEr23を5000ppm、Ce23を5000
ppm添加したビスマス酸塩ガラスファイバーを用い
た。コアガラス組成を以下に示す。Er23,Ce23
はLa23を置換している。数字はmol%である。 ガラス組成:75Bi23−18B23−5SiO2
2La23 このファイバーの比屈折率差は1.5%、カットオフ波
長は0.96μmであった。測定に使用したファイバー
は長さ1mである。実施例1と同様に測定系を構成し、
増幅された出射光の小信号利得、雑音指数特性について
測定を行った。その結果、励起パワー100mWのとき
26dBの利得を得た。この波長域での雑音指数は4d
Bであった。
【0022】比較例3 実施例3と同じ基本ガラス組成で、コアにEr23を5
000ppm添加したビスマス酸塩ガラスファイバーを
用いた。Er23はLa23を置換している。このファ
イバーの比屈折率差は1.5%、カットオフ波長は0.
96μmであった。測定に使用したファイバーは長さ1
mである。実施例1と同様に測定系を構成し、増幅され
た出射光の小信号利得、雑音指数特性について測定を行
った。その結果、励起パワー100mWのとき18.5
dBの利得を得た。この波長域での雑音指数は4dBで
あった。
【0023】実施例4 実施例3と同じ基本ガラス組成で、コアにEr23を1
wt%、Ce23を1wt%添加したビスマス酸塩ガラ
スプレートに、高繰り返しフェムト秒レーザーで平面光
導波路を書き込んだ。Er23,Ce23はLa23
置換している。この平面光導波路の比屈折率差は0.9
%、カットオフ波長は0.96μmであった。測定に使
用した導波路は長さ40cmである。実施例2と同様に
測定系を構成し、増幅された出射光の小信号利得、雑音
指数特性について測定を行った。その結果、励起パワー
100mWのとき25dBの利得を得た。この波長域で
の雑音指数は4.3dBであった。
【0024】比較例4 実施例3と同じ基本ガラス組成で、コアにEr23を1
wt%添加したビスマス酸塩ガラスプレートに、高繰り
返しフェムト秒レーザーで平面光導波路を書き込んだ。
Er23はLa23を置換している。この平面光導波路
の比屈折率差は0.9%、カットオフ波長は0.96μ
mであった。測定に使用した導波路は長さ40cmであ
る。実施例2と同様に測定系を構成し、増幅された出射
光の小信号利得、雑音指数特性について測定を行った。
その結果、励起パワー100mWのとき16dBの利得
を得た。この波長域での雑音指数は4.3dBであっ
た。
【0025】
【発明の効果】本発明の光導波路を用いることにより、
0.98μm励起可能な高効率で低雑音広帯域な光増幅
器を構成でき、それにより信頼性の高い大容量高速光通
信網が構築できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】Erの準位図と、Ceによるクロス緩和過程を
示す図である。
【図2】Ceの吸収を示す図である。
【図3】本発明の光増幅器の構成図である。
【図4】Er−Ce共添加ファイバー増幅器の小信号利
得特性を示す図である。
【図5】Er−Ce共添加ファイバー増幅器の利得スペ
クトルを示す図である。
【図6】Er−Ce共添加ファイバー増幅器の雑音特性
を示す図である。
【図7】Er添加ファイバー増幅器の小信号利得特性を
示す図である。
【図8】Er添加ファイバー増幅器の利得スペクトルを
示す図である。
【符号の説明】
1 信号光の入射部 2 光合分波素子 3 半導体レーザー 4 光増幅用ファイバー 5 高N.A.石英ファイバー 6 光アイソレーター 7 計測器

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光導波路のコア部が、ErとCeとを含
    有した酸化物ガラスからなり、該酸化物ガラスは、S
    e,Te,Bi,Sb,Pbから選ばれる少なくとも一
    種類の元素を含有した酸化物ガラスからなることを特徴
    とする光導波路。
  2. 【請求項2】 少なくとも励起光源、光合分波素子、光
    アイソレータ、増幅用光導波路を備え、かつ増幅用光導
    波路として請求項1記載の光導波路を用いることを特徴
    とする1.5〜1.6μm帯光増幅器。
  3. 【請求項3】 増幅用光導波路がファイバーからなるこ
    とを特徴とする請求項2記載の光増幅器。
  4. 【請求項4】 増幅用光導波路が平面光導波路からなる
    ことを特徴とする請求項2記載の光増幅器。
JP10040043A 1998-02-23 1998-02-23 光導波路及びそれを用いた1.5〜1.6μm帯光増幅器 Pending JPH11236245A (ja)

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