JP2708278B2 - エルビウム−ドープファイバ増幅器 - Google Patents
エルビウム−ドープファイバ増幅器Info
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
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Description
【0001】
【技術分野】本発明は一般にファイバ増幅器、より具体
的には改善された動作特性を有するエルビウムドープフ
ァイバに係る。
的には改善された動作特性を有するエルビウムドープフ
ァイバに係る。
【0002】
【本発明の背景】地域及び幹線光通信網の両方の場合、
弱い光信号を増幅するために、希土類ドープファイバ増
幅器を用いることにかなり関心がもたれている。希土類
ドープ光増幅ファイバは、低価格をもち、低雑音を示
し、偏光依存性のない比較的大きな帯域をもち、本質的
に漏話問題を軽減し、光通信で用いられている現在の動
作波長における低い挿入損を示す。考えられている希土
類ドープ光ファイバ増幅器は、伝送ファイバに端部と端
部をあわせて結合でき、方向性カプラを通して、ポンピ
ング用レーザダイオードに横に結合することができる。
方向性カプラはポンピング波長において高い結合比をも
ち、信号波長において低い結合比をもち、それによって
最大ポンピングエネルギーが最小の信号損失で増幅器に
結合されるように、設計される。増幅媒体がポンピング
レーザで励起された時、増幅器を伝搬する信号には利得
が与えられる。ポンピングエネルギーは任意の残った未
変換ポンピング光が送信機又は受信機のいずれかで濾波
されるのがより便利であるかに依存して、信号エネルギ
ーに対して同方向か反対方向に伝搬するように作ってよ
い。
弱い光信号を増幅するために、希土類ドープファイバ増
幅器を用いることにかなり関心がもたれている。希土類
ドープ光増幅ファイバは、低価格をもち、低雑音を示
し、偏光依存性のない比較的大きな帯域をもち、本質的
に漏話問題を軽減し、光通信で用いられている現在の動
作波長における低い挿入損を示す。考えられている希土
類ドープ光ファイバ増幅器は、伝送ファイバに端部と端
部をあわせて結合でき、方向性カプラを通して、ポンピ
ング用レーザダイオードに横に結合することができる。
方向性カプラはポンピング波長において高い結合比をも
ち、信号波長において低い結合比をもち、それによって
最大ポンピングエネルギーが最小の信号損失で増幅器に
結合されるように、設計される。増幅媒体がポンピング
レーザで励起された時、増幅器を伝搬する信号には利得
が与えられる。ポンピングエネルギーは任意の残った未
変換ポンピング光が送信機又は受信機のいずれかで濾波
されるのがより便利であるかに依存して、信号エネルギ
ーに対して同方向か反対方向に伝搬するように作ってよ
い。
【0003】希土類ドープ光増幅器の設計における複雑
さは、増幅器の特性を最適化するのに必要な各種パラメ
ータと、付随した伝送ファイバの特性を最適化するのに
必要なそれらとの違いに起因している。光増幅器と伝送
ファイバが果す異る機能から生じるこれらの違いは、信
号が伝送ファイバから増幅ファイバに伝達されるととも
に、著しい信号損失を生じ、従って増幅ファイバの効率
に負担を与え、それは信号を前のレベルに戻してしま
う。伝送ファイバ中では、帯域を最大にし、損失を最小
にし、それによって復調器間の間隔を最大にするため
に、波長分散は最小にしなければならない。しかし、増
幅ファイバ中では伝送ファイバとは反対に、高利得、高
飽和パワー及び低雑音が、主な関心事となる。伝送及び
増幅ファイバの最適パラメータが異なるために生じる信
号損失の例は、2つのファイバに対する信号モードサイ
ズが著しく異るためのモードの不整合による継ぎ合わせ
損失である。
さは、増幅器の特性を最適化するのに必要な各種パラメ
ータと、付随した伝送ファイバの特性を最適化するのに
必要なそれらとの違いに起因している。光増幅器と伝送
ファイバが果す異る機能から生じるこれらの違いは、信
号が伝送ファイバから増幅ファイバに伝達されるととも
に、著しい信号損失を生じ、従って増幅ファイバの効率
に負担を与え、それは信号を前のレベルに戻してしま
う。伝送ファイバ中では、帯域を最大にし、損失を最小
にし、それによって復調器間の間隔を最大にするため
に、波長分散は最小にしなければならない。しかし、増
幅ファイバ中では伝送ファイバとは反対に、高利得、高
飽和パワー及び低雑音が、主な関心事となる。伝送及び
増幅ファイバの最適パラメータが異なるために生じる信
号損失の例は、2つのファイバに対する信号モードサイ
ズが著しく異るためのモードの不整合による継ぎ合わせ
損失である。
【0004】現在まで、エルビウムファイバ増幅器は通
常の信号プロセスだけでなく、伝送ファイバと増幅ファ
イバ間で生じうる不整合による信号損失を克服するのに
必要な高増幅用として、最大の可能性をもつことがわか
っている。エルビウムドープファイバ増幅器はλ=1.
53μm で動作し、この波長はレーザ遷移がファイバ光
通信の低損失帯であるため、光通信システムで特に関心
がもたれている。加えて、この波長領域において、増幅
器は低挿入損、広利得帯域(約30nm)と偏光の影響を
受けない利得を示す。最も効率のよいモードで動作する
エルビウムドープファイバ増幅器を実現するための、各
種のパラメータを設定する問題の解が得られることが必
要とされている。
常の信号プロセスだけでなく、伝送ファイバと増幅ファ
イバ間で生じうる不整合による信号損失を克服するのに
必要な高増幅用として、最大の可能性をもつことがわか
っている。エルビウムドープファイバ増幅器はλ=1.
53μm で動作し、この波長はレーザ遷移がファイバ光
通信の低損失帯であるため、光通信システムで特に関心
がもたれている。加えて、この波長領域において、増幅
器は低挿入損、広利得帯域(約30nm)と偏光の影響を
受けない利得を示す。最も効率のよいモードで動作する
エルビウムドープファイバ増幅器を実現するための、各
種のパラメータを設定する問題の解が得られることが必
要とされている。
【0005】
【発明の概要】本発明は改善された動作特性を有するエ
ルビウムドープファイバ増幅器に係る。エルビウムドー
プファイバ増幅器の動作特性を決るパラメータは、ファ
イバのコア中のエルビウム濃度、ファイバのコアの半径
に対するエルビウムをドープしたファイバコアの半径の
比及びファイバの長さである。改善されたファイバ増幅
器特性は、ファイバのコア−クラッド屈折率差を変える
ことにより得られる。各種のパラメータ及びそれら相互
の関係は、最適利得特性を有するエルビウムドープファ
イバ増幅器を実現するために、規定される。
ルビウムドープファイバ増幅器に係る。エルビウムドー
プファイバ増幅器の動作特性を決るパラメータは、ファ
イバのコア中のエルビウム濃度、ファイバのコアの半径
に対するエルビウムをドープしたファイバコアの半径の
比及びファイバの長さである。改善されたファイバ増幅
器特性は、ファイバのコア−クラッド屈折率差を変える
ことにより得られる。各種のパラメータ及びそれら相互
の関係は、最適利得特性を有するエルビウムドープファ
イバ増幅器を実現するために、規定される。
【0006】
【詳細な記述】地域及び幹線光電話網の両方において、
弱い信号を増幅するための希土類ドープファイバは、そ
れらの低挿入損、広利得帯域及び偏光の影響を受けない
利得のため、特に関心がもたれている。使用中、ドープ
された光ファイバは、希土類利得プロフィル内のいくつ
かの波長において、弱い光信号が所望の増幅を得るよ
う、ポンピングに対し通常横方向に結合する。方向性カ
プラを通して光ファイバ中に結合できるポンピング光
は、ファイバ内で信号に対し同じ方向又は反対方向のい
ずれかに伝搬してよい。方向性カプラはポンピング波長
に対して高い結合比をもち、信号波長において低い結合
比をもつようにすることができる。
弱い信号を増幅するための希土類ドープファイバは、そ
れらの低挿入損、広利得帯域及び偏光の影響を受けない
利得のため、特に関心がもたれている。使用中、ドープ
された光ファイバは、希土類利得プロフィル内のいくつ
かの波長において、弱い光信号が所望の増幅を得るよ
う、ポンピングに対し通常横方向に結合する。方向性カ
プラを通して光ファイバ中に結合できるポンピング光
は、ファイバ内で信号に対し同じ方向又は反対方向のい
ずれかに伝搬してよい。方向性カプラはポンピング波長
に対して高い結合比をもち、信号波長において低い結合
比をもつようにすることができる。
【0007】ファイバがポンピングされない時、信号は
希土類イオンによる基底準位吸収による損失を受ける。
ファイバに加えられるポンピングパワーが増すととも
に、基底準位吸収による損失は、ポンピングパワーのあ
る値において、信号の吸収がなくなる(すなわち利得が
ゼロ)まで減少する(すなわち利得は負であるが増加す
る。)。これは透明状態とよばれる。従って、ファイバ
中のポンピングパワーが増すにつれ、希土類イオンのよ
り高い割合がそれらの励起準位に励起され、上部レーザ
準位から基底準位への誘導放射は、基底準位から上部レ
ーザ準位への吸収より強くなり、それにより各種波長に
おいて、正の利得が生じる。このように、光増幅器は、
上部レーザ準位への励起を行うようポンピングされた
時、ポンピング閾値以上で正味が正の利得を生じ、ファ
イバは増幅器として働く。
希土類イオンによる基底準位吸収による損失を受ける。
ファイバに加えられるポンピングパワーが増すととも
に、基底準位吸収による損失は、ポンピングパワーのあ
る値において、信号の吸収がなくなる(すなわち利得が
ゼロ)まで減少する(すなわち利得は負であるが増加す
る。)。これは透明状態とよばれる。従って、ファイバ
中のポンピングパワーが増すにつれ、希土類イオンのよ
り高い割合がそれらの励起準位に励起され、上部レーザ
準位から基底準位への誘導放射は、基底準位から上部レ
ーザ準位への吸収より強くなり、それにより各種波長に
おいて、正の利得が生じる。このように、光増幅器は、
上部レーザ準位への励起を行うようポンピングされた
時、ポンピング閾値以上で正味が正の利得を生じ、ファ
イバは増幅器として働く。
【0008】光増幅器には2つの基本的な型がある。1
つの型は4準位のレーザ系で動作し、他方は3準位のレ
ーザ系で動作する。図1は4準位レーザ系を示し、図2
は3準位レーザ系を示す。各例において、ポンピングは
信号波長に対応するエネルギーより高い適切なエネルギ
ーの光子を放出する別のレーザ又はランプにより行われ
る。電子は基底準位から、レーザ準位より上の1ないし
複数のポンピング帯に励起される。ポンピング帯はシュ
タルク多様体中の複数の状態を含んでよい。ガラス中の
イオンの場合、電子状態は一般にシュタルク分離多様体
中に広がる。しかし、均一な広がりのため、異なる多様
体状態は、通常室温において実際は別々の準位ではな
い。ポンピング周波数に依存して、電子は上部レーザ準
位の一準位に励起され、この準位は図1の準位E4 及び
図2のE3 より上にあり得る。次に、電子は通常この準
位から非発光的に上部レーザ準位に減衰する。上部レー
ザ準位の自然寿命が、上部レーザ準位のポピュレーショ
ンを高密度にできるよう、ポンピング帯の寿命をかなり
の程度越えることが重要である。レーザ波長における光
子が上部レーザ準位中の励起されたイオンと相互作用し
た時、誘導放射が起りうる。光子は先の自然放射、誘導
放射又は入力信号のいずれかから生ずる。図1の低部準
位E2 及び図2のE1 において、同様の多様体が存在し
うる。電子は低部多様体中のいくつかの準位に減衰し、
減衰する先の準位は、それが動作する波長、すなわち
1.53μm −1.56μm の波長により表わされる。
つの型は4準位のレーザ系で動作し、他方は3準位のレ
ーザ系で動作する。図1は4準位レーザ系を示し、図2
は3準位レーザ系を示す。各例において、ポンピングは
信号波長に対応するエネルギーより高い適切なエネルギ
ーの光子を放出する別のレーザ又はランプにより行われ
る。電子は基底準位から、レーザ準位より上の1ないし
複数のポンピング帯に励起される。ポンピング帯はシュ
タルク多様体中の複数の状態を含んでよい。ガラス中の
イオンの場合、電子状態は一般にシュタルク分離多様体
中に広がる。しかし、均一な広がりのため、異なる多様
体状態は、通常室温において実際は別々の準位ではな
い。ポンピング周波数に依存して、電子は上部レーザ準
位の一準位に励起され、この準位は図1の準位E4 及び
図2のE3 より上にあり得る。次に、電子は通常この準
位から非発光的に上部レーザ準位に減衰する。上部レー
ザ準位の自然寿命が、上部レーザ準位のポピュレーショ
ンを高密度にできるよう、ポンピング帯の寿命をかなり
の程度越えることが重要である。レーザ波長における光
子が上部レーザ準位中の励起されたイオンと相互作用し
た時、誘導放射が起りうる。光子は先の自然放射、誘導
放射又は入力信号のいずれかから生ずる。図1の低部準
位E2 及び図2のE1 において、同様の多様体が存在し
うる。電子は低部多様体中のいくつかの準位に減衰し、
減衰する先の準位は、それが動作する波長、すなわち
1.53μm −1.56μm の波長により表わされる。
【0009】図1の4準位レーザ系と図2の3準位レー
ザ系の違いは、注意すべき重要な点である。3準位レー
ザ系においては、下部レーザ準位は基底準位又はかなり
の熱的ポピュレーションをもつ基底準位に近いものであ
る。4準位レーザ系においては、更に下部レーザ準位か
ら基底準位への遷移があり、これは通常性質が非発光性
で、発光性遷移よりはるかに速い。3準位レーザ系にお
いて、基底準位から上部レーザ準位への直接の吸収が起
り、信号強度を弱め、強いポンピングにより基底準位の
ポピュレーションを減少させない限り、レーザ光子の放
射を劣化させる。レーザが3準位レーザ系であるか4準
位であるかの重要さは、主として3準位レーザ系におい
て、ポピュレーション・インバージョンを得るために、
高い強度でポンピングする必要があるか否かということ
にある。従って、3準位レーザ系は通常4準位レーザ系
より高い閾値をもち、特にバルクの非ファイバ活性媒体
に関しては、そのため4準位レーザ系が現在は好まし
い。希土類ドープ光ファイバ増幅器は、3及び4準位モ
ードの両方で動作する。
ザ系の違いは、注意すべき重要な点である。3準位レー
ザ系においては、下部レーザ準位は基底準位又はかなり
の熱的ポピュレーションをもつ基底準位に近いものであ
る。4準位レーザ系においては、更に下部レーザ準位か
ら基底準位への遷移があり、これは通常性質が非発光性
で、発光性遷移よりはるかに速い。3準位レーザ系にお
いて、基底準位から上部レーザ準位への直接の吸収が起
り、信号強度を弱め、強いポンピングにより基底準位の
ポピュレーションを減少させない限り、レーザ光子の放
射を劣化させる。レーザが3準位レーザ系であるか4準
位であるかの重要さは、主として3準位レーザ系におい
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高い強度でポンピングする必要があるか否かということ
にある。従って、3準位レーザ系は通常4準位レーザ系
より高い閾値をもち、特にバルクの非ファイバ活性媒体
に関しては、そのため4準位レーザ系が現在は好まし
い。希土類ドープ光ファイバ増幅器は、3及び4準位モ
ードの両方で動作する。
【0010】3及び4準位レーザ系のもう1つの違い
は、利得のファイバ長依存性にある。4準位系におい
て、不完全損失は無いと仮定すると、ファイバ長が増す
につれ利得が減少するということはない。3準位系にお
いては、与えられたポンピングパワーに対し、最大利得
となる最適長さがある。これは不完全損失が無いとして
も、3準位系に固有の特性である。端部ポンピング3準
位ファイバにおいて、得られるポンピング光子の数、従
ってポピュレーションインバージョンは照射端で最大と
なり、ファイバに沿って単調に減少する。与えられたポ
ンピングパワーに対する最大利得は、ファイバの他端か
ら現れるポンピングパワーが、透明性を得るために必要
なポンピング閾値パワーに正確に等しいようなファイバ
長の時に得られる。その点までの長さの増加は、ポンピ
ングパワーがポンピング閾値以上であるために正味の利
得をもたらし、その点を越えて長さを増加させると、ポ
ンピングパワーが透明性のための閾値より低くそして信
号はその領域で正味の損失を受けるため、利得を劣化さ
せる。
は、利得のファイバ長依存性にある。4準位系におい
て、不完全損失は無いと仮定すると、ファイバ長が増す
につれ利得が減少するということはない。3準位系にお
いては、与えられたポンピングパワーに対し、最大利得
となる最適長さがある。これは不完全損失が無いとして
も、3準位系に固有の特性である。端部ポンピング3準
位ファイバにおいて、得られるポンピング光子の数、従
ってポピュレーションインバージョンは照射端で最大と
なり、ファイバに沿って単調に減少する。与えられたポ
ンピングパワーに対する最大利得は、ファイバの他端か
ら現れるポンピングパワーが、透明性を得るために必要
なポンピング閾値パワーに正確に等しいようなファイバ
長の時に得られる。その点までの長さの増加は、ポンピ
ングパワーがポンピング閾値以上であるために正味の利
得をもたらし、その点を越えて長さを増加させると、ポ
ンピングパワーが透明性のための閾値より低くそして信
号はその領域で正味の損失を受けるため、利得を劣化さ
せる。
【0011】3準位系と4準位系のもう1つの大きな違
いは、飽和出力パワーのポンピングパワー依存性にあ
る。4準位系においては、飽和パワーはポンピングパワ
ーには依存しないが、3準位系では飽和パワーはポンピ
ングパワーに直線的に依存し、ポンピングパワーを増す
ことにより、増加させることができる。4準位系デバイ
スを用いた光増幅器の動作は、3準位系を用いた光増幅
器のそれとは著しく異なる。
いは、飽和出力パワーのポンピングパワー依存性にあ
る。4準位系においては、飽和パワーはポンピングパワ
ーには依存しないが、3準位系では飽和パワーはポンピ
ングパワーに直線的に依存し、ポンピングパワーを増す
ことにより、増加させることができる。4準位系デバイ
スを用いた光増幅器の動作は、3準位系を用いた光増幅
器のそれとは著しく異なる。
【0012】λ=1.53−1.56μm で動作するフ
ァイバを形成するため、エルビウムのような希土類をド
ープした光ファイバは、それらの低挿入損、広帯域及び
偏光に影響されない利得のため、特に関心がもたれてい
る。最近の開発により、エルビウムドープ光ファイバは
λp =1.47μm 又はλp =980nmのポンピング波
長で動作するレーザダイオードによりポンピンブできる
ことが示された。エルビウムドープ光増幅器は、3準位
系であることに注意する必要がある。
ァイバを形成するため、エルビウムのような希土類をド
ープした光ファイバは、それらの低挿入損、広帯域及び
偏光に影響されない利得のため、特に関心がもたれてい
る。最近の開発により、エルビウムドープ光ファイバは
λp =1.47μm 又はλp =980nmのポンピング波
長で動作するレーザダイオードによりポンピンブできる
ことが示された。エルビウムドープ光増幅器は、3準位
系であることに注意する必要がある。
【0013】現在エルビウムドープファイバ増幅器は、
コアがパワーモードサイズに比べ大きいため、高閾値パ
ワーをもつ。図3を参照すると、高ポンピング閾値をも
つ従来技術のエルビウムドープファイバ増幅器が示され
ている。中心ステップ部分50はシングルモードファイ
バのエルビウムドープコアの屈折率を表わし、端部52
はシングルモードファイバのクラッドの屈折率を表わ
す。ガラスから作ることのできる光ファイバのコアは、
従ってガラス母体とよばれ、希土類ドーパントエルビウ
ムが一様にドープされ、コアの屈折率はクラッドのそれ
より大きい。ポンピングパワーモード(ポンピングパワ
ーの強度プロフィル)54の曲線は、たとえば光ファイ
バの屈折率のプロット上に重畳させられる。エルビウム
ドープファイバのコア50の半径は、ポンピングパワー
モード54の半径に比べ大きい。図3にはコア全体に一
様に分布してよいエルビウム原子56、58、60、6
2、64の例が含まれている。動作中、エルビウム原子
62及び64はファイバの中心又はその近くにあり、ポ
ンピングパワーモードの最大強度に対して露らされる。
明らかに、それらは基底準位から、上部レーザ準位以上
の準位に励起される。しかし、これはコアの端部付近に
置かれたエルビウム原子56、58では起らない。図3
から、コアの端部又はその近くにおけるポンピングパワ
ーモード54の強度は、コアの中心におけるピーク値に
比べ、本質的に減少する。実際には、コアの端部におけ
るエルビウム原子が、正味の利得を生じるのに十分なポ
ンピング光子に露らされない可能性がある。そのような
原子は信号吸収にのみ寄与し、吸収は信号モードが受け
るファイバ全体の利得を減少させる。先に述べたよう
に、3準位系においては、下部レーザ準位は基底準位
か、又はかなりの熱的ポピュレーションを有する基底準
位に近い準位にある。低強度領域中に配置されたエルビ
ウム原子56、58、60はそれらの時間のほとんどを
下部レーザ準位で費し、利得プロセスに寄与しないだけ
でなく、それらは吸収に寄与し、増幅器の効率を減少さ
せる。一方、4準位系では低ポンピング領域中の原子
は、それらの時間のほとんどを下部レーザ準位ではない
基底準位で費し、従ってそれらは単なる受動的なもの
で、それらは利得には関与しないが、3準位系の場合と
は異なり、いずれの信号波長でも吸収を起さず、利得を
劣化させない。本発明において、エルビウムドープファ
イバ増幅器のパラメータは、最適利得特性を得るために
明らかにされる。以下の記述において、タイプAは標準
的なシングルモードファイバ(SMF)1.5μm 伝送
ファイバに適合するエルビウムドープファイバ増幅器
で、タイプBは標準的な1.5μm 分散−シフトファイ
バ(DSF)に適合するエルビウムドープファイバで、
タイプCはタイプA又はBのモードの次元より小さなモ
ード次元をもつエルビウムドープファイバ増幅器であ
る。
コアがパワーモードサイズに比べ大きいため、高閾値パ
ワーをもつ。図3を参照すると、高ポンピング閾値をも
つ従来技術のエルビウムドープファイバ増幅器が示され
ている。中心ステップ部分50はシングルモードファイ
バのエルビウムドープコアの屈折率を表わし、端部52
はシングルモードファイバのクラッドの屈折率を表わ
す。ガラスから作ることのできる光ファイバのコアは、
従ってガラス母体とよばれ、希土類ドーパントエルビウ
ムが一様にドープされ、コアの屈折率はクラッドのそれ
より大きい。ポンピングパワーモード(ポンピングパワ
ーの強度プロフィル)54の曲線は、たとえば光ファイ
バの屈折率のプロット上に重畳させられる。エルビウム
ドープファイバのコア50の半径は、ポンピングパワー
モード54の半径に比べ大きい。図3にはコア全体に一
様に分布してよいエルビウム原子56、58、60、6
2、64の例が含まれている。動作中、エルビウム原子
62及び64はファイバの中心又はその近くにあり、ポ
ンピングパワーモードの最大強度に対して露らされる。
明らかに、それらは基底準位から、上部レーザ準位以上
の準位に励起される。しかし、これはコアの端部付近に
置かれたエルビウム原子56、58では起らない。図3
から、コアの端部又はその近くにおけるポンピングパワ
ーモード54の強度は、コアの中心におけるピーク値に
比べ、本質的に減少する。実際には、コアの端部におけ
るエルビウム原子が、正味の利得を生じるのに十分なポ
ンピング光子に露らされない可能性がある。そのような
原子は信号吸収にのみ寄与し、吸収は信号モードが受け
るファイバ全体の利得を減少させる。先に述べたよう
に、3準位系においては、下部レーザ準位は基底準位
か、又はかなりの熱的ポピュレーションを有する基底準
位に近い準位にある。低強度領域中に配置されたエルビ
ウム原子56、58、60はそれらの時間のほとんどを
下部レーザ準位で費し、利得プロセスに寄与しないだけ
でなく、それらは吸収に寄与し、増幅器の効率を減少さ
せる。一方、4準位系では低ポンピング領域中の原子
は、それらの時間のほとんどを下部レーザ準位ではない
基底準位で費し、従ってそれらは単なる受動的なもの
で、それらは利得には関与しないが、3準位系の場合と
は異なり、いずれの信号波長でも吸収を起さず、利得を
劣化させない。本発明において、エルビウムドープファ
イバ増幅器のパラメータは、最適利得特性を得るために
明らかにされる。以下の記述において、タイプAは標準
的なシングルモードファイバ(SMF)1.5μm 伝送
ファイバに適合するエルビウムドープファイバ増幅器
で、タイプBは標準的な1.5μm 分散−シフトファイ
バ(DSF)に適合するエルビウムドープファイバで、
タイプCはタイプA又はBのモードの次元より小さなモ
ード次元をもつエルビウムドープファイバ増幅器であ
る。
【0014】本発明において、エルビウムドープファイ
バ増幅器のパラメータは、980nm及び1.47μm の
波長でポンピングされた時、最適利得及び利得係数を実
現するものとして示される。
バ増幅器のパラメータは、980nm及び1.47μm の
波長でポンピングされた時、最適利得及び利得係数を実
現するものとして示される。
【0015】タイプA、B及びCのパラメータを表1に
示す。 表 1 ファイバパラメータ タイプA タイプB タイプC a(μm ) 4.5 3 1.5 Δn 0.0035 0.01 0.03 NA 0.10 0.17 0.29 λC (μm ) 1.19 1.34 1.16 ωP 01 (980nm) (μm ) 3.27 2.10 1.1 ωP 01 (1.47μm)(μm ) 3.98 2.47 1.35 ωS 01 (1.53μm)(μm ) 4.09 2.53 1.38 ηSMF(dB) <-0.05 -1.3 -5 ηDSF (dB) -0.8 <-0.05 -1.5 a=コア半径 Δn=コア−クラッド屈折率差 NA=開口数 λC =遮断波長 ωP 01 、ωS 01 =ガウス分布モード包絡線近似の1/e半径として定義された LP01モードのポンピングパワーモード半径及び信号パワー サイズ半径 ηSMF、 ηDSF =タイプA、B及びCとSMF及びDSFファイバとの間の 各結合損失
示す。 表 1 ファイバパラメータ タイプA タイプB タイプC a(μm ) 4.5 3 1.5 Δn 0.0035 0.01 0.03 NA 0.10 0.17 0.29 λC (μm ) 1.19 1.34 1.16 ωP 01 (980nm) (μm ) 3.27 2.10 1.1 ωP 01 (1.47μm)(μm ) 3.98 2.47 1.35 ωS 01 (1.53μm)(μm ) 4.09 2.53 1.38 ηSMF(dB) <-0.05 -1.3 -5 ηDSF (dB) -0.8 <-0.05 -1.5 a=コア半径 Δn=コア−クラッド屈折率差 NA=開口数 λC =遮断波長 ωP 01 、ωS 01 =ガウス分布モード包絡線近似の1/e半径として定義された LP01モードのポンピングパワーモード半径及び信号パワー サイズ半径 ηSMF、 ηDSF =タイプA、B及びCとSMF及びDSFファイバとの間の 各結合損失
【0016】タイプAからタイプCへコア半径は減少し
(a=4.5、3、1.5μm )、屈折率差は増し(Δ
n=0.0035、0.01、0.03)、それによっ
てタイプAのSMFに対する及びタイプBのDSFに対
するモードサイズ整合が可能になり、ωS 01 =1.38
μm の最小値まで信号モードサイズを減少し得、これは
Δn=0.03の屈折率差で得られる。表1のファイバ
パラメータの表はまた、それぞれSMF及びDSFと3
つの型のファイバの間の結合損失ηSM及びηDSF も示
す。これらの値はガウス分布包絡線近似から得られた。
整合のとれたファイバの型、すなわちタイプAとSM
F、タイプBとDSFでは結合損失は0.05dBより小
さい。タイプCとSMF(DSF)との5(1.5)dB
結合損は、複数の型のファイバを用いることにより、抑
えることができる。同じ技術はタイプBとSMF及びタ
イプAとDSFを整合させるために使用できる。パワー
モードサイズとは、ポンピングパワーによりエルビウム
原子が所望のレベルに励起されるファイバ中の断面領域
であり、そのサイズの半径がパワーモード半径である。
(a=4.5、3、1.5μm )、屈折率差は増し(Δ
n=0.0035、0.01、0.03)、それによっ
てタイプAのSMFに対する及びタイプBのDSFに対
するモードサイズ整合が可能になり、ωS 01 =1.38
μm の最小値まで信号モードサイズを減少し得、これは
Δn=0.03の屈折率差で得られる。表1のファイバ
パラメータの表はまた、それぞれSMF及びDSFと3
つの型のファイバの間の結合損失ηSM及びηDSF も示
す。これらの値はガウス分布包絡線近似から得られた。
整合のとれたファイバの型、すなわちタイプAとSM
F、タイプBとDSFでは結合損失は0.05dBより小
さい。タイプCとSMF(DSF)との5(1.5)dB
結合損は、複数の型のファイバを用いることにより、抑
えることができる。同じ技術はタイプBとSMF及びタ
イプAとDSFを整合させるために使用できる。パワー
モードサイズとは、ポンピングパワーによりエルビウム
原子が所望のレベルに励起されるファイバ中の断面領域
であり、そのサイズの半径がパワーモード半径である。
【0017】λp =980nm(LP01及びLP11)モー
ド及びλp =1.47μm 、λS A=1.531μm (L
P01モード)の場合について、3つの型のファイバにつ
いて計算から得られたポンピングパワーモード包絡線が
ファイバ半径の関数として、図4にプロットされている
(アプライド・オプティクス(Appl.Optics) 、第10
巻、第10号、2252(1971)、ディー・グロー
グ(D.Gloge) による“弱く誘導するファイバ”を参照の
こと)。ポンピングパワー閉じ込めは、タイプAからタ
イプCファイバへ増加することに注意されたい。図は3
つの型のファイバの場合、強度はr=0におけるその最
大値からコア−クラッド界面における1/4まで減少す
ることがわかる。従って、ポンピングパワーがファイバ
の中心における閾値以上から、モードの減衰テイル中の
ある点で閾値以下まで落ることが起りうる。エルビウム
ドープガラス系の3準位特性により、コアの内部領域が
反転して利得を有し、外部領域は反転せず吸収を起し、
その結果ポンピングが不十分になる。これはエルビウム
ドーピングをファイバコアの中心近くに閉じ込めること
により、軽減できる。閾値よりはるかに高いポンピング
パワーの場合、ファイバコア全体に完全で均一な反転が
実現できる。この例において、エルビウムドーピングの
寸法を減しても、ポンピング効率に影響を与えない。9
80nmにおけるマルチモード励起の場合、ファイバ軸ま
わりのLP11モード中のゼロ点は、この領域における反
転を減す原因となる。LP01及びLP11の両方が励起さ
れた時、この効果はLP01モードがγ=0において最高
強度をもつという事実により補償される。従って、LP
11モードを励起する割合に依存して、エルビウムドーピ
ングを中心付近に閉じ込めると、場合によっては、エル
ビウムドープファイバ増幅器の効率は下る。
ド及びλp =1.47μm 、λS A=1.531μm (L
P01モード)の場合について、3つの型のファイバにつ
いて計算から得られたポンピングパワーモード包絡線が
ファイバ半径の関数として、図4にプロットされている
(アプライド・オプティクス(Appl.Optics) 、第10
巻、第10号、2252(1971)、ディー・グロー
グ(D.Gloge) による“弱く誘導するファイバ”を参照の
こと)。ポンピングパワー閉じ込めは、タイプAからタ
イプCファイバへ増加することに注意されたい。図は3
つの型のファイバの場合、強度はr=0におけるその最
大値からコア−クラッド界面における1/4まで減少す
ることがわかる。従って、ポンピングパワーがファイバ
の中心における閾値以上から、モードの減衰テイル中の
ある点で閾値以下まで落ることが起りうる。エルビウム
ドープガラス系の3準位特性により、コアの内部領域が
反転して利得を有し、外部領域は反転せず吸収を起し、
その結果ポンピングが不十分になる。これはエルビウム
ドーピングをファイバコアの中心近くに閉じ込めること
により、軽減できる。閾値よりはるかに高いポンピング
パワーの場合、ファイバコア全体に完全で均一な反転が
実現できる。この例において、エルビウムドーピングの
寸法を減しても、ポンピング効率に影響を与えない。9
80nmにおけるマルチモード励起の場合、ファイバ軸ま
わりのLP11モード中のゼロ点は、この領域における反
転を減す原因となる。LP01及びLP11の両方が励起さ
れた時、この効果はLP01モードがγ=0において最高
強度をもつという事実により補償される。従って、LP
11モードを励起する割合に依存して、エルビウムドーピ
ングを中心付近に閉じ込めると、場合によっては、エル
ビウムドープファイバ増幅器の効率は下る。
【0018】吸収及び利得係数は計算できる。イー・デ
ィザービア(E.Desurvire) らによる“λ=1.53μm
における高速マルチチャネルエルビウム−ドープファイ
バ増幅器”、アイイーイーイー ジャーナル・ライトウ
エーブ・テクノロジー(IEEEJ.Lightwave Tech.)198
9年12月を参照のこと。下の表2にあげられた断面積
は、アルミノ−シリケートガラスファイバに対応する。
ィザービア(E.Desurvire) らによる“λ=1.53μm
における高速マルチチャネルエルビウム−ドープファイ
バ増幅器”、アイイーイーイー ジャーナル・ライトウ
エーブ・テクノロジー(IEEEJ.Lightwave Tech.)198
9年12月を参照のこと。下の表2にあげられた断面積
は、アルミノ−シリケートガラスファイバに対応する。
【0019】 表 2 Er :ガラスレーザパラメータ (アルミノ−シリケートガラスファイバ) ρ0 =1×1019cm-3 τp =10ms σa(λP =980nm)= 3.48×10-25m2 σa(λP =1470nm)= 1.5×10-25m σa(λ=1.531μm )= 5.7510-25m σe(λ=1.531μm )= 7.90×10-25m σa(λ=1.544μm )= 3.11×10-25m σe(λ=1.544μm )= 5.16×10-25m ここで、 σa 、e (λp 、 s)=λp 、 s における吸収及び放射断面積
【0020】この型のエルビウムドープガラスの場合、
利得曲線はλS A=1.525μm (幅7nm)にピークを
もち、λS B=1.544μm に中心をもつ平担領域(幅
20nm)をもつ。従って、信号波長λS A及びλS Bは興味
のもたれる2つの代表的な利得領域の代表的な信号波長
と考えることができる。ポンピング閾値及び飽和パワー
が下の表3に示されている。
利得曲線はλS A=1.525μm (幅7nm)にピークを
もち、λS B=1.544μm に中心をもつ平担領域(幅
20nm)をもつ。従って、信号波長λS A及びλS Bは興味
のもたれる2つの代表的な利得領域の代表的な信号波長
と考えることができる。ポンピング閾値及び飽和パワー
が下の表3に示されている。
【0021】 表 3 ポンピング閾値及び飽和パワー タイプA タイプB タイプC Pp th (980nm)(mW) 1.96 0.806 0.222 Pp th (1.47μm)(mW) 4.48 1.730 0.514 Psat *(1.531 μm) (μW) 998 382 115 Psat *(1.544 μm) (μW) 1.650 631 190 ここで、 Pp th =λp におけるポンピング閾値で、 Pp th =hνp π(ωp 01)2 /σa(λp )τ)で定義される。 Psat *=λS における飽和パワーで、 (Psat =2hνS π(ωS 01)2 /[σa(λs )+σe(λS )]により 定義され、τは4l13/2 −4l15/2 遷移の螢光寿命
【0022】エルビウム濃度はρ0 =1×1019イオン
/cm3 と仮定し、以下で述べるエルビウム−ドープファ
イバ増幅器の最適長さに対してのみ、スケーリング係数
を仮定したことに注意されたい。
/cm3 と仮定し、以下で述べるエルビウム−ドープファ
イバ増幅器の最適長さに対してのみ、スケーリング係数
を仮定したことに注意されたい。
【0023】図5−図10を参照すると、信号波長λS A
及びλS B 及び2のポンピング波長λp =1.47μm
(実線)及びλp =980nm(破線)の場合について、
3の型のファイバに関して、照射ポンピングパワーの関
数として、理論的な利得曲線が示されている。これらの
曲線はエルビウムドーピング閉じ込めパラメータε(フ
ァイバコア径に対するエルビウムドーピングコア半径の
比)の2つの値、すなわちε=1及びε=0.25につ
いて得たものである。各図は異なる最適長さLopt につ
いて得た2つの組の曲線(各ポンピング波長に対して1
組)を含む。各組は入力ポンピングパワーPp in =10
mW、20mW又は30mWの時利得が最大になる3つの曲線
を含む。
及びλS B 及び2のポンピング波長λp =1.47μm
(実線)及びλp =980nm(破線)の場合について、
3の型のファイバに関して、照射ポンピングパワーの関
数として、理論的な利得曲線が示されている。これらの
曲線はエルビウムドーピング閉じ込めパラメータε(フ
ァイバコア径に対するエルビウムドーピングコア半径の
比)の2つの値、すなわちε=1及びε=0.25につ
いて得たものである。各図は異なる最適長さLopt につ
いて得た2つの組の曲線(各ポンピング波長に対して1
組)を含む。各組は入力ポンピングパワーPp in =10
mW、20mW又は30mWの時利得が最大になる3つの曲線
を含む。
【0024】図5はε=1及び低ポンピング領域(Pp
in 5−20mW)の場合、980nmポンピングの時のλS
A、λS Bにおける利得は、1.47μm のポンピングの
時より大きいが、高ポンピング領域(Pp in は約20mW
以上)では逆が起ることを示す。図5はまた、適度の低
ポンピングパワー(Pp in は約25mW以下)では、λS A
の利得はλS Bにおける利得より約5dBだけ高いが、50
mWのポンピングパワーにおける値では約36dBに等しく
なる傾向があることを示す。高ポンピングパワー(Pp
in>40mW)において、980nmのポンピングの時の利
得は、1.47μmポンピングのとき得られる値より2
ないし3dB低い。980nmにおける吸収断面積は1.4
7μm における値より大きく(表2参照)、980nmL
P01モードサイズは1.47μm のポンピングの時より
小さいから、980nmのポンピングの場合Pp th =1.
96mW、1.47μm におけるポンピングの場合のPp
th =4.48mW(表3)であることがわかる。従っ
て、利得の差は1.47μm のポンピングの場合、予想
と反する。実際に、980nmにおける低ポンピング閾値
のため、利得曲線の勾配は急峻になり、利得は低ポンピ
ング領域(Pp in <15mW)でより高くなる。しかし、
閾値以上の高いパワーにおいて、媒体は十分反転し、最
大利得は最適長さにより決る。ポンピング吸収係数の差
により(980nmは1.47μm より強く吸収される)
最適長さは1.47μm ポンピング波長の場合に長くな
り、それにより利得は高くなる。
in 5−20mW)の場合、980nmポンピングの時のλS
A、λS Bにおける利得は、1.47μm のポンピングの
時より大きいが、高ポンピング領域(Pp in は約20mW
以上)では逆が起ることを示す。図5はまた、適度の低
ポンピングパワー(Pp in は約25mW以下)では、λS A
の利得はλS Bにおける利得より約5dBだけ高いが、50
mWのポンピングパワーにおける値では約36dBに等しく
なる傾向があることを示す。高ポンピングパワー(Pp
in>40mW)において、980nmのポンピングの時の利
得は、1.47μmポンピングのとき得られる値より2
ないし3dB低い。980nmにおける吸収断面積は1.4
7μm における値より大きく(表2参照)、980nmL
P01モードサイズは1.47μm のポンピングの時より
小さいから、980nmのポンピングの場合Pp th =1.
96mW、1.47μm におけるポンピングの場合のPp
th =4.48mW(表3)であることがわかる。従っ
て、利得の差は1.47μm のポンピングの場合、予想
と反する。実際に、980nmにおける低ポンピング閾値
のため、利得曲線の勾配は急峻になり、利得は低ポンピ
ング領域(Pp in <15mW)でより高くなる。しかし、
閾値以上の高いパワーにおいて、媒体は十分反転し、最
大利得は最適長さにより決る。ポンピング吸収係数の差
により(980nmは1.47μm より強く吸収される)
最適長さは1.47μm ポンピング波長の場合に長くな
り、それにより利得は高くなる。
【0025】図5及び図6を比較すると、ファイバコア
軸付近のEr −ドーピング閉じ込めの効果が示される。
図6において、閉じ込め係数は、ε=0.25の値に固
定されている。低ポンピングパワーにおいて、εの0.
25への減少で利得曲線の傾斜は2倍に増加し、ポンピ
ング領域全体で、利得が1ないし20dBだけ増すことに
なる。最小の増加(1dB)は高ポンピング(50mW)に
おいてである。ε=1の時、30dB付近の利得のために
は30mWのポンピングパワーが必要で、それは最長の長
さ(Lopt =5.8(4.2)又はLopt =8(5.
5))でのみ得られる(図5)。εが0.25に減少し
た時、同じ利得を得るために、20mWのみが必要になる
(図6)。従って、両方の波長及び両方の信号波長の場
合、Er −ドーピングの閉じ込めにより、利得及びポン
ピング効率の明らかな改善が得られる。図7及び図8は
それぞれε=1及び0.25の時タイプBの導波路につ
いて得られた利得曲線を示す。図7及び図8の曲線は図
5及び図6のそれらと比較した時、タイプBファイバは
タイプAより効率的であることを示している。事実、E
r −閉じ込めがない(ε=1)のときのタイプBの利得
特性は、Er −閉じ込め(ε=0.25)を有するタイ
プAのそれと同様で、タイプB導波路で得られる最大利
得(約39dB)はわずかに大きい。タイプA導波路の場
合、Er −ドーピング寸法をε=0.25に減少させる
と、相対的な変化は重要ではないが、傾斜効率及び利得
も増加する。これはポンピング閾値が非常に低い(0.
8−1.7mW)ため、10mWもの低いパワーですら、コ
アの内部領域からクラッド付近の外部領域まで、ほぼ均
一な反転が得られるからである。
軸付近のEr −ドーピング閉じ込めの効果が示される。
図6において、閉じ込め係数は、ε=0.25の値に固
定されている。低ポンピングパワーにおいて、εの0.
25への減少で利得曲線の傾斜は2倍に増加し、ポンピ
ング領域全体で、利得が1ないし20dBだけ増すことに
なる。最小の増加(1dB)は高ポンピング(50mW)に
おいてである。ε=1の時、30dB付近の利得のために
は30mWのポンピングパワーが必要で、それは最長の長
さ(Lopt =5.8(4.2)又はLopt =8(5.
5))でのみ得られる(図5)。εが0.25に減少し
た時、同じ利得を得るために、20mWのみが必要になる
(図6)。従って、両方の波長及び両方の信号波長の場
合、Er −ドーピングの閉じ込めにより、利得及びポン
ピング効率の明らかな改善が得られる。図7及び図8は
それぞれε=1及び0.25の時タイプBの導波路につ
いて得られた利得曲線を示す。図7及び図8の曲線は図
5及び図6のそれらと比較した時、タイプBファイバは
タイプAより効率的であることを示している。事実、E
r −閉じ込めがない(ε=1)のときのタイプBの利得
特性は、Er −閉じ込め(ε=0.25)を有するタイ
プAのそれと同様で、タイプB導波路で得られる最大利
得(約39dB)はわずかに大きい。タイプA導波路の場
合、Er −ドーピング寸法をε=0.25に減少させる
と、相対的な変化は重要ではないが、傾斜効率及び利得
も増加する。これはポンピング閾値が非常に低い(0.
8−1.7mW)ため、10mWもの低いパワーですら、コ
アの内部領域からクラッド付近の外部領域まで、ほぼ均
一な反転が得られるからである。
【0026】図9及び図10を参照すると、ε=1を有
するタイプCファイバは、ε=0.25を有するタイプ
Bファイバと非常に似ている。エルビウム−コア寸法を
ε=0.25(図10)に減少させることによって導入
される改善は、ポンピング閾値が非常に低い値(即ちP
p th =222mW及び514mW、表3)ため、タイプBフ
ァイバの場合のように重要ではない。表3に示されるよ
うにパワーモード半径が1〜2μm のようなタイプCフ
ァイバの場合、5mWの照射ポンピングパワーは、これら
のポンピング閾値の10ないし25倍に対応し、この高
ポンピングレートにおいて、媒体の反転はコア全体での
ポンピング強度の横方向の変化によっては影響を受けな
い。すると、考えているポンピングパワー領域(Pp th
=0−50mW)に対するEr −ドーピング閉じ込めの効
果は、最も高いポンピング閾値を有するタイプAファイ
バの場合に、最も強いことが明らかである。
するタイプCファイバは、ε=0.25を有するタイプ
Bファイバと非常に似ている。エルビウム−コア寸法を
ε=0.25(図10)に減少させることによって導入
される改善は、ポンピング閾値が非常に低い値(即ちP
p th =222mW及び514mW、表3)ため、タイプBフ
ァイバの場合のように重要ではない。表3に示されるよ
うにパワーモード半径が1〜2μm のようなタイプCフ
ァイバの場合、5mWの照射ポンピングパワーは、これら
のポンピング閾値の10ないし25倍に対応し、この高
ポンピングレートにおいて、媒体の反転はコア全体での
ポンピング強度の横方向の変化によっては影響を受けな
い。すると、考えているポンピングパワー領域(Pp th
=0−50mW)に対するEr −ドーピング閉じ込めの効
果は、最も高いポンピング閾値を有するタイプAファイ
バの場合に、最も強いことが明らかである。
【0027】照射ポンピングパワー(mW)に対する利得
(dB)の最大比又は利得係数g(dB/mW)はエルビウムド
ープファイバ増幅器(EDFA)の特性の良好さを表わ
す。図5−図10からわかるように、高利得係数はエル
ビウムドープファイバ増幅器の利得が、低ポンピングパ
ワーにおいて急速に増加し、次にほぼ一定になる場合に
対応する。タイプAの導波路の場合、この最後の傾向は
Pp in 〜50mW(図5、図6)及びタイプCの場合はP
p in 〜25mW(図9、図10)の時得られる。この傾向
におけるエルビウム−ドープファイバ増幅器の動作は、
ポンピングパワーの変動に対する利得の依存性を最小に
する。高利得係数は、この傾向が適度の低ポンピングパ
ワー(すなわち25mW)において得られることを示して
いる。図11は3つのファイバ導波路及びPp in =10
mWである2つのポンピング波長について、εの関数とし
てプロットした利得係数を示す。図はエルビウム−ドー
ピング寸法を減すことにより、図5−図10にも示され
るように、利得係数が増すことを示している。その増加
は閉じ込めパラメータをε=1からε=0.25に減少
させた時に、最も顕著である。最初にε=1の場合を考
えると、最低の利得係数はタイプAの導波路の場合であ
る。即ち、利得係数g(λS A 、 Bλp )は約0.6−0.
75dB/mWに等しい。ポンピング閾値の減少に従い、係
数はタイプBファイバ(g=2−2.5dB/mW)及びタ
イプCファイバ(g=5.5−7dB/mW)と増加する。
(dB)の最大比又は利得係数g(dB/mW)はエルビウムド
ープファイバ増幅器(EDFA)の特性の良好さを表わ
す。図5−図10からわかるように、高利得係数はエル
ビウムドープファイバ増幅器の利得が、低ポンピングパ
ワーにおいて急速に増加し、次にほぼ一定になる場合に
対応する。タイプAの導波路の場合、この最後の傾向は
Pp in 〜50mW(図5、図6)及びタイプCの場合はP
p in 〜25mW(図9、図10)の時得られる。この傾向
におけるエルビウム−ドープファイバ増幅器の動作は、
ポンピングパワーの変動に対する利得の依存性を最小に
する。高利得係数は、この傾向が適度の低ポンピングパ
ワー(すなわち25mW)において得られることを示して
いる。図11は3つのファイバ導波路及びPp in =10
mWである2つのポンピング波長について、εの関数とし
てプロットした利得係数を示す。図はエルビウム−ドー
ピング寸法を減すことにより、図5−図10にも示され
るように、利得係数が増すことを示している。その増加
は閉じ込めパラメータをε=1からε=0.25に減少
させた時に、最も顕著である。最初にε=1の場合を考
えると、最低の利得係数はタイプAの導波路の場合であ
る。即ち、利得係数g(λS A 、 Bλp )は約0.6−0.
75dB/mWに等しい。ポンピング閾値の減少に従い、係
数はタイプBファイバ(g=2−2.5dB/mW)及びタ
イプCファイバ(g=5.5−7dB/mW)と増加する。
【0028】980nmと1.47μm の2つのポンピン
グ波長λPにおける利得係数の差は、図11に示される
ように、3つの型のファイバすべてにおいて、比較的小
さい。2つのポンピング波長間の利得係数の相違は、タ
イプCの場合、信号波長λS Bにおいて最も重要で、約1
0%で最大になる。図11の場合(Pp in =20−30
mW)より高いポンピングパワーに対してファイバ長が最
適化された時、ポンピング波長に対する利得係数の依存
性は、図5−図10中の利得曲線の傾きにより示される
ように、はるかに弱くなる。
グ波長λPにおける利得係数の差は、図11に示される
ように、3つの型のファイバすべてにおいて、比較的小
さい。2つのポンピング波長間の利得係数の相違は、タ
イプCの場合、信号波長λS Bにおいて最も重要で、約1
0%で最大になる。図11の場合(Pp in =20−30
mW)より高いポンピングパワーに対してファイバ長が最
適化された時、ポンピング波長に対する利得係数の依存
性は、図5−図10中の利得曲線の傾きにより示される
ように、はるかに弱くなる。
【0029】Er −ドーピングがファイバの中心に閉じ
込められた時、即ちεは約0.25以下の時、実現しう
る最善の利得係数は図11から、g=1.5±0.2dB
/mW(タイプA)、g=3.7±0.3dB/mW(タイプ
B)及びg=9±0.75dB/mW(タイプC)である。
これら全ての値に対する範囲は、ポンピング及び信号波
長に伴う利得係数の変化を説明する。ε→0の場合は数
字的な極限で、この場合最適長さは無限であるから、物
理的意味をもたない。図に示されるように、エルビウム
ドーピングをεが約0.25に等しいように閉じ込める
ことによる利得係数の増加は、タイプA及びBファイバ
の場合、約2倍の改善に対応する。非常に近いポンピン
グ閾値(表3)を有するタイプCファイバの場合、改善
はやや小さく(約1.5倍)、コア全体の反転は横方向
ポンピング強度プロフィルに依存しない。
込められた時、即ちεは約0.25以下の時、実現しう
る最善の利得係数は図11から、g=1.5±0.2dB
/mW(タイプA)、g=3.7±0.3dB/mW(タイプ
B)及びg=9±0.75dB/mW(タイプC)である。
これら全ての値に対する範囲は、ポンピング及び信号波
長に伴う利得係数の変化を説明する。ε→0の場合は数
字的な極限で、この場合最適長さは無限であるから、物
理的意味をもたない。図に示されるように、エルビウム
ドーピングをεが約0.25に等しいように閉じ込める
ことによる利得係数の増加は、タイプA及びBファイバ
の場合、約2倍の改善に対応する。非常に近いポンピン
グ閾値(表3)を有するタイプCファイバの場合、改善
はやや小さく(約1.5倍)、コア全体の反転は横方向
ポンピング強度プロフィルに依存しない。
【0030】Er −ドーピングがコアの中心付近に集っ
た時、ポンピングモードと、対応する活性領域を有する
信号モード間の重畳は減少し、そのためポンピング吸収
率及び信号利得係数とも減少する。従って、Er がコア
の中心に閉じ込められた時、より長いファイバ長が必要
となる。与えられた照射ポンピングパワーに対して利得
を最大にする長さは、最適長さLopt と呼ばれる。図1
2は2つの信号波長λS A、λS Bとポンピングパワーの2
つの値すなわちPp in =10又は30mWについてのタイ
プAファイバの場合のEr 閉じ込めパラメータεの関数
としてのLoptを示す。ε=1の場合、最適長さはλS A
よりλS Bで長く、このことは螢光断面積がσe(λS B)
<(λS A) を満すため、予想される。εが小さな値に
なるにつれて、最適長さLopt は増加し、増加の割合は
εの逆自乗則に近似される。即ち、Lopt(ε2 )/L
opt(ε1 )は約(ε1 /ε2 )2 に等しく、このこと
はコアモード相互作用領域の減少と一致する。図5、図
6にも示されているPp in =30mWにおけるタイプAフ
ァイバの場合の最適長さの範囲は、Lopt(ε=1)=
2−3m、及びLopt(ε=0.25)≒27−44m
に等しい。このように、タイプAの導波路の場合、上で
述べたε=0.25までEr −ドーピングを閉じ込めた
ことによる利得係数の改善は、約1桁ファイバ長を増す
ことを必要とする。図12に示されるように、更に閉じ
込めると(εは約0.1)、最適長さは100mの範囲
になる。この条件はエルビウムドープファイバ増幅器を
ひとまとまりとしたデバイスとして用いるには実際的で
ない。しかし、Lopt が約10−100kmである分散し
た利得を必要とする用途では、図12はエルビウム−ド
ーピングを更に閉じ込めることが、実際には必要(ε≪
0.1)であることを示している。Lopt 対ε曲線の原
点付近の高い勾配は、もし最適長さLopt を正確に規定
しなければならないとしたら、閉じ込めパラメータεと
濃度ρの精密さに、厳しい制約を課す。
た時、ポンピングモードと、対応する活性領域を有する
信号モード間の重畳は減少し、そのためポンピング吸収
率及び信号利得係数とも減少する。従って、Er がコア
の中心に閉じ込められた時、より長いファイバ長が必要
となる。与えられた照射ポンピングパワーに対して利得
を最大にする長さは、最適長さLopt と呼ばれる。図1
2は2つの信号波長λS A、λS Bとポンピングパワーの2
つの値すなわちPp in =10又は30mWについてのタイ
プAファイバの場合のEr 閉じ込めパラメータεの関数
としてのLoptを示す。ε=1の場合、最適長さはλS A
よりλS Bで長く、このことは螢光断面積がσe(λS B)
<(λS A) を満すため、予想される。εが小さな値に
なるにつれて、最適長さLopt は増加し、増加の割合は
εの逆自乗則に近似される。即ち、Lopt(ε2 )/L
opt(ε1 )は約(ε1 /ε2 )2 に等しく、このこと
はコアモード相互作用領域の減少と一致する。図5、図
6にも示されているPp in =30mWにおけるタイプAフ
ァイバの場合の最適長さの範囲は、Lopt(ε=1)=
2−3m、及びLopt(ε=0.25)≒27−44m
に等しい。このように、タイプAの導波路の場合、上で
述べたε=0.25までEr −ドーピングを閉じ込めた
ことによる利得係数の改善は、約1桁ファイバ長を増す
ことを必要とする。図12に示されるように、更に閉じ
込めると(εは約0.1)、最適長さは100mの範囲
になる。この条件はエルビウムドープファイバ増幅器を
ひとまとまりとしたデバイスとして用いるには実際的で
ない。しかし、Lopt が約10−100kmである分散し
た利得を必要とする用途では、図12はエルビウム−ド
ーピングを更に閉じ込めることが、実際には必要(ε≪
0.1)であることを示している。Lopt 対ε曲線の原
点付近の高い勾配は、もし最適長さLopt を正確に規定
しなければならないとしたら、閉じ込めパラメータεと
濃度ρの精密さに、厳しい制約を課す。
【0031】この時点で、閉じ込めパラメータεの値、
照射ポンピングパワーPp in 及びEr 3+ の濃度範囲ρに
対応する最適長さLopt の範囲を決めることは重点であ
る。図13及び図14は、ε=1又は0.25、Pp in
=10又は50mW、λp =980nm(破線)又は1.4
7μm (実線)及びタイプA及びCファイバについて
の、最適長さLopt 対Er 3濃度ρ0 のプロットを示す。
図にはまた、シリケートガラスに対応するEr 3+ 濃度の
関数として、Er 3+ 螢光寿命τがプロットされている。
この最後の曲線は、濃度がρ0=1×1019イオン/cm3
を越えて増加した時の螢光の急冷(クウンチング)効果
又は螢光寿命の減少を示す。この効果は信号増幅に対し
て有害な協同アップ−コンバージョンによるものである
ことが知られている。この曲線がすべての型のシリカガ
ラスの典型的なものであれば、ρ0=1×1019cm-3の
値は実際の用途において、Er 濃度の上限であると考え
ることができる。低濃度ρ0 1の場合、最適長さLopt
(ρ0 1)は次式で与えられる。
照射ポンピングパワーPp in 及びEr 3+ の濃度範囲ρに
対応する最適長さLopt の範囲を決めることは重点であ
る。図13及び図14は、ε=1又は0.25、Pp in
=10又は50mW、λp =980nm(破線)又は1.4
7μm (実線)及びタイプA及びCファイバについて
の、最適長さLopt 対Er 3濃度ρ0 のプロットを示す。
図にはまた、シリケートガラスに対応するEr 3+ 濃度の
関数として、Er 3+ 螢光寿命τがプロットされている。
この最後の曲線は、濃度がρ0=1×1019イオン/cm3
を越えて増加した時の螢光の急冷(クウンチング)効果
又は螢光寿命の減少を示す。この効果は信号増幅に対し
て有害な協同アップ−コンバージョンによるものである
ことが知られている。この曲線がすべての型のシリカガ
ラスの典型的なものであれば、ρ0=1×1019cm-3の
値は実際の用途において、Er 濃度の上限であると考え
ることができる。低濃度ρ0 1の場合、最適長さLopt
(ρ0 1)は次式で与えられる。
【0032】
【数1】
【0033】なぜならば、エルビウムドープファイバ増
幅器利得(dB)はEr 3+ 濃度に比例するからである。
(イ−・デザビア(E.Desurvire)らによるアイイーイー
イージャーナル・ライトウェーブ・テクノロジー(IEEE
J.Lightwave Technolog)、1989年12月、“λ=
1.53μm における高速マルチチャネル・エルビウム
−ドープファイバ増幅器における利得飽和効果”を参照
のこと)図13、図14中のLopt (ρ)を示す直線
は、ρ0 =1×1019cm-3と1式の直線則により計算し
た最適長さLopt(ρ0)に対応する点により決められ
る。図13、図14からρ0 が約1×1019cm-3以下と
ε=0.25の両方の条件は、最適長さの下限Lopt min
を与えることが明らかである。タイプAの場合、最小長
さはLopt min=25−55mで、タイプCの場合はL
opt min=35−65mである。Lopt minのこれらの範囲
は10ないし50mWのポンピングパワーと2つのポンピ
ング波長の場合をカバーする。ε=0.25の時、最適
化された長さはε=1の場合より、約10倍長い。λp
=980nmのポンピングを用いる用途の場合、過度に長
いファイバ長(Lopt は約100m)は望ましくないこ
とがある。この波長におけるレーリー散乱が余分の吸収
(数dB/km)を発生する可能性があるからである。しか
し、λp=1.47μmの場合、この型の損失は0.2dB
/kmにも低くでき、それによってより長い最適長(L
opt は約1−10km)が使えるようになる。このよう
に、この理由又はデバイス設計の考えから、最大長さと
してたとえばLoptは約Lopt max100m以下に制限さ
れることがある。この場合、図13及び図14中の曲線
から可能な濃度ρ0 はは約0.5±0.2×1018cm-3
(ε=1)以上又はρ0 は約3.5±1.5×1018cm
-3(ε=0.25)以上の条件を満さなければならず、
余裕度はポンピングパワー(10−50mW)の範囲及び
ポンピング波長(980nm又は1.47μm )の選択で
与えられる。これらの余裕度は名目上の濃度ρ0 =0.
5×1018cm-3及び3.5×1018cm-3の約±40%の
変動に対応する。もし動作ポンピングパワー及びポンピ
ング波長を優先的に固定するなら、エルビウム濃度ρ0
及び相対的なEr −ドーピング寸法(ε)は、ファイバ
製作中より正確に制御しなければならない。最適長さに
関してはタイプAからタイプCファイバへ変化しても、
図13を図14と比較すればわかるように、顕著な差が
ないことには注意する必要がある。従って、図13、図
14はEr−ドープファイバ増幅器の任意の設計に対
し、Lopt の値を表わすとみなすことができる。利得飽
和領域において、利得を最大にする最適長さは、不飽和
条件のそれらとは幾分異なることに注意する必要があ
る。
幅器利得(dB)はEr 3+ 濃度に比例するからである。
(イ−・デザビア(E.Desurvire)らによるアイイーイー
イージャーナル・ライトウェーブ・テクノロジー(IEEE
J.Lightwave Technolog)、1989年12月、“λ=
1.53μm における高速マルチチャネル・エルビウム
−ドープファイバ増幅器における利得飽和効果”を参照
のこと)図13、図14中のLopt (ρ)を示す直線
は、ρ0 =1×1019cm-3と1式の直線則により計算し
た最適長さLopt(ρ0)に対応する点により決められ
る。図13、図14からρ0 が約1×1019cm-3以下と
ε=0.25の両方の条件は、最適長さの下限Lopt min
を与えることが明らかである。タイプAの場合、最小長
さはLopt min=25−55mで、タイプCの場合はL
opt min=35−65mである。Lopt minのこれらの範囲
は10ないし50mWのポンピングパワーと2つのポンピ
ング波長の場合をカバーする。ε=0.25の時、最適
化された長さはε=1の場合より、約10倍長い。λp
=980nmのポンピングを用いる用途の場合、過度に長
いファイバ長(Lopt は約100m)は望ましくないこ
とがある。この波長におけるレーリー散乱が余分の吸収
(数dB/km)を発生する可能性があるからである。しか
し、λp=1.47μmの場合、この型の損失は0.2dB
/kmにも低くでき、それによってより長い最適長(L
opt は約1−10km)が使えるようになる。このよう
に、この理由又はデバイス設計の考えから、最大長さと
してたとえばLoptは約Lopt max100m以下に制限さ
れることがある。この場合、図13及び図14中の曲線
から可能な濃度ρ0 はは約0.5±0.2×1018cm-3
(ε=1)以上又はρ0 は約3.5±1.5×1018cm
-3(ε=0.25)以上の条件を満さなければならず、
余裕度はポンピングパワー(10−50mW)の範囲及び
ポンピング波長(980nm又は1.47μm )の選択で
与えられる。これらの余裕度は名目上の濃度ρ0 =0.
5×1018cm-3及び3.5×1018cm-3の約±40%の
変動に対応する。もし動作ポンピングパワー及びポンピ
ング波長を優先的に固定するなら、エルビウム濃度ρ0
及び相対的なEr −ドーピング寸法(ε)は、ファイバ
製作中より正確に制御しなければならない。最適長さに
関してはタイプAからタイプCファイバへ変化しても、
図13を図14と比較すればわかるように、顕著な差が
ないことには注意する必要がある。従って、図13、図
14はEr−ドープファイバ増幅器の任意の設計に対
し、Lopt の値を表わすとみなすことができる。利得飽
和領域において、利得を最大にする最適長さは、不飽和
条件のそれらとは幾分異なることに注意する必要があ
る。
【0034】ファイバのコア−クラッド屈折率差を増す
と、利得係数の増した光増幅器が得られる。少くとも
0.05の高さのコア−クラッド屈折率差をもつファイ
バは、非常に高い利得係数をもつことがわかっている。
一実施例において、本発明の原理に従う高動作特性エル
ビウムドープファイバ増幅器は、1.48μm でポンピ
ングされた時、5.9dB/mW の利得係数を有し、0.9
72μm でポンピングされた時は、6.1dB/mW のほぼ
等しい利得係数を有する。
と、利得係数の増した光増幅器が得られる。少くとも
0.05の高さのコア−クラッド屈折率差をもつファイ
バは、非常に高い利得係数をもつことがわかっている。
一実施例において、本発明の原理に従う高動作特性エル
ビウムドープファイバ増幅器は、1.48μm でポンピ
ングされた時、5.9dB/mW の利得係数を有し、0.9
72μm でポンピングされた時は、6.1dB/mW のほぼ
等しい利得係数を有する。
【0035】エルビウムドープファイバ増幅器は1.4
7−1.48μm ポンピング波長用にはNaClF−セ
ンタレーザによりポンピングされ、0.972−0.9
80μm ポンピング波長用にはTi :サファイアレーザ
によりポンピングされる。シングルモード信号源は調整
可能な外部空洞共振器レーザ又は分布帰還レーザのいず
れかであった。
7−1.48μm ポンピング波長用にはNaClF−セ
ンタレーザによりポンピングされ、0.972−0.9
80μm ポンピング波長用にはTi :サファイアレーザ
によりポンピングされる。シングルモード信号源は調整
可能な外部空洞共振器レーザ又は分布帰還レーザのいず
れかであった。
【0036】エルビウム−ドープファイバは1.02μ
m の遮断波長をもち、Er 濃度は本質的に200ppm で
ある。屈折率の整合のとれたクラッドはF及びPをドー
プしたシリカで、Er −ドープコアはGe及びAlが同
時にドープされている。この実施例において、ファイバ
のコア−クラッド屈折率差は、本質的に0.04であ
る。ファイバの損失曲線が、図15に示されている。動
作上関心がもたれる波長における損失は、1.48μm
で1.64dB/mW 、1.533μm で4.48dB/ m、
1.552μm で2.38dB/ mである。
m の遮断波長をもち、Er 濃度は本質的に200ppm で
ある。屈折率の整合のとれたクラッドはF及びPをドー
プしたシリカで、Er −ドープコアはGe及びAlが同
時にドープされている。この実施例において、ファイバ
のコア−クラッド屈折率差は、本質的に0.04であ
る。ファイバの損失曲線が、図15に示されている。動
作上関心がもたれる波長における損失は、1.48μm
で1.64dB/mW 、1.533μm で4.48dB/ m、
1.552μm で2.38dB/ mである。
【0037】λp =1.48μm の場合の利得が、ポン
ピングパワーの関数として、図16に示されている。2
つの信号波長、1.533μm 及び1.552μm は利
得スペクトルの2つのピークに対応する。ファイバ長は
19.5mである。短い信号波長の場合の利得係数は
4.3dB/mW で、ポンピングパワー5.5mWにおける利
得24dBに対応する。この長さのファイバが透明(利得
=1)に達するのには、約2.5mWのポンピングが必要
である。長い信号波長の場合、利得係数は5.9dB/mW
で、それは3.6mWのポンピングパワーの場合の21dB
の利得に対応する。この場合、約1.7mWのポンピング
パワーで透明に達する。
ピングパワーの関数として、図16に示されている。2
つの信号波長、1.533μm 及び1.552μm は利
得スペクトルの2つのピークに対応する。ファイバ長は
19.5mである。短い信号波長の場合の利得係数は
4.3dB/mW で、ポンピングパワー5.5mWにおける利
得24dBに対応する。この長さのファイバが透明(利得
=1)に達するのには、約2.5mWのポンピングが必要
である。長い信号波長の場合、利得係数は5.9dB/mW
で、それは3.6mWのポンピングパワーの場合の21dB
の利得に対応する。この場合、約1.7mWのポンピング
パワーで透明に達する。
【0038】長さ7.3mのファイバの場合、透明であ
るためのポンピングパワー閾値(透明閾値)はλS =
1.552μm 及びλp =1.48μm においてわずか
0.9mWであるが、高ポンピングパワー(約15dB)に
おける最大利得が低いため、利得係数は低い(3.7dB
/mW )。
るためのポンピングパワー閾値(透明閾値)はλS =
1.552μm 及びλp =1.48μm においてわずか
0.9mWであるが、高ポンピングパワー(約15dB)に
おける最大利得が低いため、利得係数は低い(3.7dB
/mW )。
【0039】信号波長λS =1.533μm 及び1.5
22μm の信号の場合の飽和特性が、それぞれ図17及
び図18に示されている。増幅器長(光ファイバ長)は
19.5mでλp =1.476μm である。飽和出力パ
ワーPsat out(3dBの利得圧縮の場合)は長い信号波長
の場合より高く、低螢光断面積を反映している。透明閾
値が非常に低く、この増幅器の効率の勾配が大きいた
め、利得曲線は低ポンピングパワーで、平坦な高利得領
域に到達する。このことは高利得エルビウム−ドープフ
ァイバ増幅器で、効率よくポンピング光を引出すために
必要である。この結果、照射ポンピングパワーの18%
及び27%にそれぞれ対応する4.6mWにおけるPsat
out=−0.7dBm 及び11mWにおけるPsat out=4.
8dBm のように、より長い信号波長に対して、非常に低
いポンピングパワーにおいてさえ、著しいパワーを引出
すことができる。
22μm の信号の場合の飽和特性が、それぞれ図17及
び図18に示されている。増幅器長(光ファイバ長)は
19.5mでλp =1.476μm である。飽和出力パ
ワーPsat out(3dBの利得圧縮の場合)は長い信号波長
の場合より高く、低螢光断面積を反映している。透明閾
値が非常に低く、この増幅器の効率の勾配が大きいた
め、利得曲線は低ポンピングパワーで、平坦な高利得領
域に到達する。このことは高利得エルビウム−ドープフ
ァイバ増幅器で、効率よくポンピング光を引出すために
必要である。この結果、照射ポンピングパワーの18%
及び27%にそれぞれ対応する4.6mWにおけるPsat
out=−0.7dBm 及び11mWにおけるPsat out=4.
8dBm のように、より長い信号波長に対して、非常に低
いポンピングパワーにおいてさえ、著しいパワーを引出
すことができる。
【0040】図19はポンピング波長λP が0.972
μm の時の、ポンピングパワーの関数としての利得を示
す。ファイバ増幅器は20mの長さである。利得係数は
λS=1.533μm において4.5dB/mW で、λS =
1.522μm において6.1dB/mW であり、1.47
6μm のポンピング波長で得られた値にほぼ等しい。
μm の時の、ポンピングパワーの関数としての利得を示
す。ファイバ増幅器は20mの長さである。利得係数は
λS=1.533μm において4.5dB/mW で、λS =
1.522μm において6.1dB/mW であり、1.47
6μm のポンピング波長で得られた値にほぼ等しい。
【0041】コア−クラッド屈折率差が本質的に0.0
4である上で述べた光ファイバ増幅器は、1.476μ
m 及び0.972μm の両方のポンピングの場合に、高
利得動作に必要とされるきわめて低いポンピング条件の
利得特性を有する。短い増幅器を通した1.552μm
の信号の透明伝送のポンピングパワー閾値は、λp =
1.476μm のポンピング光で、0.9mWと測定され
た。長い高利得増幅器の場合、わずか11mWのポンピン
グパワーで、最大利得係数は5.9dB/mW で、高増幅信
号パワー(Psat out=4.8dBm )を発生させることが
できる。λp =0.972μm の場合、最大利得係数は
6.1dB/mW である。
4である上で述べた光ファイバ増幅器は、1.476μ
m 及び0.972μm の両方のポンピングの場合に、高
利得動作に必要とされるきわめて低いポンピング条件の
利得特性を有する。短い増幅器を通した1.552μm
の信号の透明伝送のポンピングパワー閾値は、λp =
1.476μm のポンピング光で、0.9mWと測定され
た。長い高利得増幅器の場合、わずか11mWのポンピン
グパワーで、最大利得係数は5.9dB/mW で、高増幅信
号パワー(Psat out=4.8dBm )を発生させることが
できる。λp =0.972μm の場合、最大利得係数は
6.1dB/mW である。
【図1】非半導体4準位系のポピュレーション・インバ
ージョン及びレーザ発振を示すエネルギーレベルダイア
グラムを示す図である。
ージョン及びレーザ発振を示すエネルギーレベルダイア
グラムを示す図である。
【図2】エルビウムレーザ系のような非半導体3準位系
のポピュレーション・インバージョン及びレーザ発振を
示すエネルギーレベルダイアグラムを示す図である。
のポピュレーション・インバージョン及びレーザ発振を
示すエネルギーレベルダイアグラムを示す図である。
【図3】従来技術の光増幅器のポンピングパワーモード
の強度プロフィルが重畳されたエルビウムドープファイ
バの屈折率のプロットを示す図である。
の強度プロフィルが重畳されたエルビウムドープファイ
バの屈折率のプロットを示す図である。
【図4】3つの型のファイバについて、ポンピングパワ
ーモード包絡線対ファイバ径を示し、実線はポンピング
波長λp =1.47μm 及び信号波長λS A=1.531
μm におけるLP01モードに対応し、破線はポンピング
波長λP =980nmにおけるLP01及びLP11モードに
対応する図である。
ーモード包絡線対ファイバ径を示し、実線はポンピング
波長λp =1.47μm 及び信号波長λS A=1.531
μm におけるLP01モードに対応し、破線はポンピング
波長λP =980nmにおけるLP01及びLP11モードに
対応する図である。
【図5】エルビウム利得曲線における典型的な信号波長
であるλS A=1.531μm 及びλS B=1.544μm
でのエルビウムドーピング閉じ込めパラメータε=1に
ついてタイプAファイバの場合の入射ポンピングパワー
に対する利得を示す図で、実線はλp =1.47μm 、
破線はλp =980を示す図である。
であるλS A=1.531μm 及びλS B=1.544μm
でのエルビウムドーピング閉じ込めパラメータε=1に
ついてタイプAファイバの場合の入射ポンピングパワー
に対する利得を示す図で、実線はλp =1.47μm 、
破線はλp =980を示す図である。
【図6】エルビウム利得曲線における典型的な信号波長
であるλS A=1.531μm 及びλS B=1.544μm
でのエルビウムドーピング閉じ込めパラメータε=0.
25についてタイプAファイバの場合の入射ポンピング
パワーに対する利得を示す図で、実線はλp =1.47
μm 、破線はλp =980を示す図である。
であるλS A=1.531μm 及びλS B=1.544μm
でのエルビウムドーピング閉じ込めパラメータε=0.
25についてタイプAファイバの場合の入射ポンピング
パワーに対する利得を示す図で、実線はλp =1.47
μm 、破線はλp =980を示す図である。
【図7】タイプBファイバについての図5及び図6と同
じ図である。
じ図である。
【図8】タイプBファイバについての図5及び図6と同
じ図である。
じ図である。
【図9】タイプCファイバについての図5及び図6と同
じ図である。
じ図である。
【図10】タイプCファイバについての図5及び図6と
同じ図である。
同じ図である。
【図11】3つの型のファイバ、2つの信号波長λS A
及びλS B 、2つのポンピング波長λp =1.47μm
(実線)及びλp =980nm(破線)の場合について、
入力ポンピングパワーがPp in =10mWであるときのパ
ラメータε(ε=a Er/a :ファイバコア径に対するE
r −ドープコア半径の比)の関数として計算した利得係
数を示す図である。
及びλS B 、2つのポンピング波長λp =1.47μm
(実線)及びλp =980nm(破線)の場合について、
入力ポンピングパワーがPp in =10mWであるときのパ
ラメータε(ε=a Er/a :ファイバコア径に対するE
r −ドープコア半径の比)の関数として計算した利得係
数を示す図である。
【図12】2つの信号波長λS A、λS Bにおいて、入力ポ
ンピングパワーPp in =10mW及び30mW、λp =1.
47μm (実線)及びλp =980nm(破線)の場合に
ついて、パラメータεの関数として、タイプAファイバ
の最適長さLopt を示す図である。
ンピングパワーPp in =10mW及び30mW、λp =1.
47μm (実線)及びλp =980nm(破線)の場合に
ついて、パラメータεの関数として、タイプAファイバ
の最適長さLopt を示す図である。
【図13】タイプA(図13)及びタイプC(図14)
ファイバ及びパラメータεの2つの値ε=1及び0.2
5の場合のEr 3+ 濃度の関数としての最適長Lopt を示
し、実線はポンピングパワーがPp in =0から50mWま
で変化した時のλp =1.47μm におけるLopt の範
囲を示し、破線はλp =980nmの場合であり、螢光寿
命対Er 濃度も図13中にプロットしてある図である。
ファイバ及びパラメータεの2つの値ε=1及び0.2
5の場合のEr 3+ 濃度の関数としての最適長Lopt を示
し、実線はポンピングパワーがPp in =0から50mWま
で変化した時のλp =1.47μm におけるLopt の範
囲を示し、破線はλp =980nmの場合であり、螢光寿
命対Er 濃度も図13中にプロットしてある図である。
【図14】タイプA(図13)及びタイプC(図14)
ファイバ及びパラメータεの2つの値ε=1及び0.2
5の場合のEr 3+ 濃度の関数としての最適長Lopt を示
し、実線はポンピングパワーがPp in =0から50mWま
で変化した時のλp =1.47μm におけるLopt の範
囲を示し、破線はλp =980nmの場合であり、螢光寿
命対Er 濃度も図13中にプロットしてある図である。
ファイバ及びパラメータεの2つの値ε=1及び0.2
5の場合のEr 3+ 濃度の関数としての最適長Lopt を示
し、実線はポンピングパワーがPp in =0から50mWま
で変化した時のλp =1.47μm におけるLopt の範
囲を示し、破線はλp =980nmの場合であり、螢光寿
命対Er 濃度も図13中にプロットしてある図である。
【図15】0.04のコア−クラッド屈折率差を有する
エルビウムドープファイバの1.72mの長さの場合に
ついて測定された損失スペクトルを示す図である。
エルビウムドープファイバの1.72mの長さの場合に
ついて測定された損失スペクトルを示す図である。
【図16】長さが19.5mで0.04のコア−クラッ
ド屈折率差を有し、λp =1.476μm においてポン
ピングされたファイバの場合の、入射ポンピングパワー
の関数としての利得を示す図である。
ド屈折率差を有し、λp =1.476μm においてポン
ピングされたファイバの場合の、入射ポンピングパワー
の関数としての利得を示す図である。
【図17】λs =1.533μm 及びλp =1.476
μm 、ファイバ長19.5m及びコア−クラッド屈折率
差が0.04である場合の出力信号パワー及び示されて
いるポンピングパワーの関数としての利得を示す図であ
る。
μm 、ファイバ長19.5m及びコア−クラッド屈折率
差が0.04である場合の出力信号パワー及び示されて
いるポンピングパワーの関数としての利得を示す図であ
る。
【図18】λs =1.522μm 及びλp =1.476
μm 、ファイバ長19.5m及びコア−クラッド屈折率
差が0.04である場合の出力信号パワー及び示されて
いるポンピングパワーの関数としての利得を示す図であ
る。
μm 、ファイバ長19.5m及びコア−クラッド屈折率
差が0.04である場合の出力信号パワー及び示されて
いるポンピングパワーの関数としての利得を示す図であ
る。
【図19】ファイバ長20m、λp =0.972μm で
ポンピングされ、コア−クラッド屈折率差が0.04で
ある場合の放射ポンピングパワーの関数としての利得を
示す図である。
ポンピングされ、コア−クラッド屈折率差が0.04で
ある場合の放射ポンピングパワーの関数としての利得を
示す図である。
50 中心ステップ部分 52 端部 54 ポンピングモード 56 エルビウム原子 58 エルビウム原子 60 エルビウム原子 62 エルビウム原子 64 エルビウム原子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリントン ランディ ギルズ アメリカ合衆国 07733 ニュージャー シィ,ホルムデル,ストーンヘンジ ド ライヴ 12 (72)発明者 ジョン レーラー ズィスキンド アメリカ合衆国 07702 ニュージャー シィ,シュリーズバリー,パーク アヴ ェニュー 106
Claims (22)
- 【請求項1】 光増幅器において、クラッドにより囲ま
れたコアを有し、前記コアは分布プロフィルをもつよう
にEr 3+ イオンがドープされたシングルモード光ファイ
バが含まれ、前記光増幅器は本質的に1.47μm 波長
のポンピング信号を受けるために結合するよう構成さ
れ、本質的に2μm ないし1μm のパワーモード半径を
有し、前記ファイバのコア−クラッド屈折率差は本質的
に0.025に等しいかそれより大きい範囲内にあるこ
とを特徴とする光増幅器。 - 【請求項2】 前記コア−クラッド屈折率差は本質的に
0.025又はそれ以上で、本質的に0.03に等しい
かそれより小さい請求項1記載の増幅器。 - 【請求項3】 前記コア−クラッド屈折率差が本質的に
0.03に等しい請求項1記載の光増幅器。 - 【請求項4】 光増幅器において、クラッドにより囲ま
れたコアを有し、前記コアは分布プロフィルをもつよう
にEr 3+ イオンがドープされたシングルモード光ファイ
バが含まれ、前記光増幅器は本質的に980nm波長のポ
ンピング信号を受けるために結合するよう構成され、本
質的に2μm ないし1μm のパワーモード半径を有し、
前記ファイバのコア−クラッド屈折率差は本質的に0.
025に等しいかそれより大きい範囲内にあることを特
徴とする光増幅器。 - 【請求項5】 前記コア−クラッド屈折率差は、本質的
に0.025かそれより大きく、本質的に0.03に等
しいかそれより小さい請求項4記載の光増幅器。 - 【請求項6】 前記コア−クラッド屈折率差は本質的に
0.03に等しい請求項5記載の光増幅器。 - 【請求項7】 ファイバコア半径に対するEr 3+ イオン
ドープコア半径の比は、本質的に1に等しいかそれより
小さく、本質的に0.25に等しいかそれより大きい請
求項1記載の光増幅器。 - 【請求項8】 ファイバコア半径に対するEr 3+ イオン
ドープコア半径の比は、本質的に1に等しいかそれより
小さく、本質的に0.25に等しいかそれより大きい範
囲内にある請求項4記載の光増幅器。 - 【請求項9】 ファイバコア半径に対するEr 3+ イオン
ドープコア半径の比の値は1より小さく、前記コア中の
Er 3+ イオンの前記濃度は1017イオン/cm3 ないし1
020イオン/cm3 の範囲で、前記光ファイバは500メ
ートルないし1メートルの範囲の長さをもつ請求項7又
は8記載の光増幅器。 - 【請求項10】 ファイバコア半径に対する前記Er 3+
イオンドープコア半径の前記比の前記値は1より小さ
く、前記コア中のEr 3+ イオンの前記濃度は1017イオ
ン/cm3 ないし1020イオン/cm3 の範囲内にあり、前
記光ファイバは5kmないし5メートルの範囲内の長さを
もつ請求項7又は8記載の光増幅器。 - 【請求項11】 光通信システムにおいて使用するため
の光増幅器において、クラッドに囲まれたコアを有し、
前記コアはEr 3+ イオンがドープされたシングルモード
光ファバが含まれ、ファイバコアに対するEr 3+ ドープ
コア半径の比は、本質的に1に等しいかそれより小さ
く、0.25に等しいかそれより大きい範囲内にあり、
前記光増幅器は本質的に1.47μm の波長において、
1ミリワットないし50ミリワットのポンピング信号を
受けるために結合するよう構成され、パワーモード半径
は本質的に2μm に等しいかそれより小さく、前記ファ
イバのコア中のEr 3+ イオンの濃度は1017イオン/cm
3 ないし1020イオン/cm3 の範囲内にあり、コア及び
クラッド間の屈折率差は本質的に0.025ないし0.
05の範囲内にあり、光ファイバは500メートルない
し1メートルの長さをもつ光増幅器。 - 【請求項12】 光通信システム中で使用するための光
増幅器において、クラッドに囲まれたコアを有し、前記
コアはEr 3+ イオンがドープされたシングルモード光フ
ァイバが含まれ、ファイバコア半径に対するEr 3+ ドー
プコア半径の比は、1ないし0.25の範囲内にあり、
前記光増幅器は本質的に980nmの波長において1ミリ
ワットないし50ミリワットのポンピング信号を受ける
ために結合するよう構成され、パワーモード半径は本質
的に2μm に等しいかそれより小さく、前記ファイバの
コア中のEr 3+ イオンの濃度は1017イオン/cm3 ない
し1020イオン/cm3 の範囲内にあり、コア及びクラッ
ド間の屈折率差は本質的に0.025ないし0.05の
範囲内にあり、光ファイバは500メートルないし1メ
ートルの長さをもつ光増幅器。 - 【請求項13】 光増幅器において、クラッドに囲まれ
たコアを有し、前記コアは分布プロフィルをもつように
Er 3+ イオンがドープされたシングルモード光ファイバ
が含まれ、前記光増幅器は本質的に1.47μm の波長
のポンピング信号を受けるために結合するよう構成さ
れ、本質的に2μm ないし1μm のパワーモード半径を
有し、前記ファイバのコア−クラッド屈折率差は、本質
的に0.03に等しいかそれより大きい範囲内にある光
増幅器。 - 【請求項14】 前記コア−クラッド屈折率差は本質的
に0.03に等しいかそれより大きく、本質的に0.0
5に等しいか小さい請求項13記載の増幅器。 - 【請求項15】 前記コア−クラッド屈折率差は本質的
に0.04である請求項13記載の光増幅器。 - 【請求項16】 光増幅器において、クラッドにより囲
まれたコアを有し、前記コアは分布プロフィルをもつよ
うEr 3+ イオンがドープされたシングルモード光ファイ
バを含み、前記光増幅器は本質的に980nm波長のポン
ピング信号を受けるために結合するよう構成され、本質
的に2μm ないし1μm のパワーモード半径を有し、前
記ファイバのコア−クラッド屈折率差は、本質的に0.
03に等しいかそれより大きい範囲内にある光増幅器。 - 【請求項17】 前記コア−クラッド屈折率差は本質的
に0.03かそれより大きく、本質的に0.05に等し
いかそれより大きい請求項16記載の光増幅器。 - 【請求項18】 前記コア−クラッド屈折率差は本質的
に0.04に等しい請求項17記載の光増幅器。 - 【請求項19】 ファイバコア半径に対するEr 3+ イオ
ンドープコア半径の比は、本質的に1に等しいかそれよ
り小さく、本質的に0.25に等しいかそれより大きい
範囲内にある請求項13記載の光増幅器。 - 【請求項20】 ファイバコア半径に対するEr 3+ イオ
ンドープコア半径の比は、本質的に1に等しいかそれよ
り小さく、本質的に0.25に等しいかそれより大きい
範囲内にある請求項16記載の光増幅器。 - 【請求項21】 ファイバコア半径に対するEr 3+ イオ
ンドープコア半径の比の値は、1より小さく、前記コア
中のEr 3+ イオンの前記濃度は、1017イオン/cm3 な
いし1020イオン/cm3 の範囲にあり、前記光ファイバ
は500メートルないし1メートルの範囲の長さをもつ
請求項19又は20記載の光増幅器。 - 【請求項22】 ファイバコア半径に対するコア半径の
前記比の前記値は本質的に0.25に等しく、前記コア
中のEr 3+ イオンの前記濃度は1017イオン/cm3 ない
し1020イオン/cm3 の範囲内にあり、前記光ファイバ
は5kmないし5メートルの範囲の長さをもつ請求項19
又は20記載の光増幅器。
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US467,699 | 1983-02-24 | ||
US46769990A | 1990-01-19 | 1990-01-19 | |
US07/560,664 US5027079A (en) | 1990-01-19 | 1990-07-31 | Erbium-doped fiber amplifier |
US560,664 | 1990-07-31 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04212131A JPH04212131A (ja) | 1992-08-03 |
JP2708278B2 true JP2708278B2 (ja) | 1998-02-04 |
Family
ID=27042147
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3004762A Expired - Fee Related JP2708278B2 (ja) | 1990-01-19 | 1991-01-19 | エルビウム−ドープファイバ増幅器 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5027079A (ja) |
EP (1) | EP0437935A3 (ja) |
JP (1) | JP2708278B2 (ja) |
CA (1) | CA2030437C (ja) |
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