JP2708278B2 - エルビウム−ドープファイバ増幅器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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
λ_p ＝１．４７μm 又はλ_p ＝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。

【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。

【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 λ_C （μm ） 1.19 1.34 1.16 ω_P ⁰¹ （980nm) (μm ） 3.27 2.10 1.1 ω_P ⁰¹ （1.47μm)（μm ） 3.98 2.47 1.35 ω_S ⁰¹ （1.53μm)（μm ） 4.09 2.53 1.38 η_SMF(dB) ＜-0.05 -1.3 -5 η_DSF (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 λ_C ＝遮断波長 ω_P ⁰¹ 、ω_S 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 η_SMF、 η_DSF ＝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、ω_S 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η_SM及びη_DSF 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】λ_p ＝９８０nm（ＬＰ₀₁及びＬＰ₁₁）モー
ド及びλ_p ＝１．４７μm 、λ_S ^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。

【００１９】 表 ２ Ｅ_r ：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 τ_p ＝１０ms σ_a（λ_P ＝９８０nm）＝ 3.48×10^-25m² σ_a（λ_P ＝１４７０nm）＝ 1.5×10^-25m σ_a（λ＝１．５３１μm ）＝ 5.7510^-25m σ_e（λ＝１．５３１μm ）＝ 7.90×10^-25m σ_a（λ＝１．５４４μm ）＝ 3.11×10^-25m σ_e（λ＝１．５４４μm ）＝ 5.16×10^-25m ここで、 σ_a 、_e （λ_{p 、 s})＝λ_{p 、 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λ_S ^A＝１．５２５μm （幅７nm）にピークを
もち、λ_S ^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λ_S ^A及びλ_S ^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 Ｐ_p ^th （980nm)(mW) 1.96 0.806 0.222 Ｐ_p ^th （1.47μm)(mW) 4.48 1.730 0.514 Ｐ_sat ^*（1.531 μm) (μW) 998 382 115 Ｐ_sat ^*（1.544 μm) (μW) 1.650 631 190 ここで、 Ｐ_p ^th ＝λ_p におけるポンピング閾値で、 Ｐ_p ^th ＝ｈν_p π（ω_p ⁰¹）² ／σ_a（λ_p ）τ）で定義される。 Ｐ_sat ^*＝λ_S における飽和パワーで、 （Ｐ_sat ＝２ｈν_S π（ω_S ⁰¹）² ／［σ_a(λ_s ）＋σ_e（λ_S ）］により 定義され、τは４_l13/2 −４_l15/2 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。

【００２３】図５−図１０を参照すると、信号波長λ_S ^A
及びλ_S ^B 及び２のポンピング波長λ_p ＝１．４７μm
（実線）及びλ_p ＝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Ｌ_opt 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Ｐ_p 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（Ｐ_p
ⁱⁿ ５−２０mW）の場合、９８０nmポンピングの時のλ_S
^A、λ_S ^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（Ｐ_p 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（Ｐ_p ⁱⁿ は約２５mW以下）では、λ_S ^A
の利得はλ_S ^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（Ｐ_p
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Ｐ_p ^th ＝１．
９６mW、１．４７μm におけるポンピングの場合のＰ_p
^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（Ｐ_p 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Ｅ_r −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（Ｌ_opt ＝５．８（４．２）又はＬ_opt ＝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、Ｅ_r −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、Ｅ_r −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、Ｅ_r −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（Ｐ_p ^th
＝０−５０mW）に対するＥ_r −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
Ｐ_p 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Ｐ_p 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（λ_S ^{A 、 B}λ_p ）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λ_P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λ_S ^Bにおいて最も重要で、約１
０％で最大になる。図１１の場合（Ｐ_p 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】Ｅ_r −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。

【００３０】Ｅ_r −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、Ｅ_r 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Ｌ_opt と呼ばれる。図１
２は２つの信号波長λ_S ^A、λ_S ^Bとポンピングパワーの２
つの値すなわちＰ_p ⁱⁿ ＝１０又は３０mWについてのタイ
プＡファイバの場合のＥ_r 閉じ込めパラメータεの関数
としてのＬ_optを示す。ε＝１の場合、最適長さはλ_S ^A
よりλ_S ^Bで長く、このことは螢光断面積がσ_e（λ_S ^B）
＜（λ_S ^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Ｌ_opt は増加し、増加の割合は
εの逆自乗則に近似される。即ち、Ｌ_opt（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Ｐ_p 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、Ｌ_opt（ε＝１）＝
２−３ｍ、及びＬ_opt（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Ｅ_r −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、Ｌ_opt 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。Ｌ_opt 対ε曲線の原
点付近の高い勾配は、もし最適長さＬ_opt 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Ｐ_p ⁱⁿ 及びＥ_r ³⁺ の濃度範囲ρに
対応する最適長さＬ_opt 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、Ｐ_p ⁱⁿ
＝１０又は５０mW、λ_p ＝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Ｌ_opt 対Ｅ_r 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Ｅ_r ³⁺ 濃度の
関数として、Ｅ_r 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、Ｅ_r 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Ｌ_opt
（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Ｅ_r 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Ｌ_opt （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Ｌ_opt（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Ｌ_opt ^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Ｌ_opt ^min＝２５−５５ｍで、タイプＣの場合はＬ
_opt ^min＝３５−６５ｍである。Ｌ_opt ^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。λ_p
＝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（Ｌ_opt 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、λ_p＝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Ｌ_optは約Ｌ_opt ^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Ｅ_r −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Ｅ_r−ドープファイバ増幅器の任意の設計に対
し、Ｌ_opt 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。

【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Ｔ_i ：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、Ｅ_r 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、Ｅ_r −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】λ_p ＝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。

【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λ_S ＝
１．５５２μm 及びλ_p ＝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λ_S ＝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λ_p ＝１．４７６μm である。飽和出力パ
ワーＰ_sat ^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Ｐ_sat
^out＝−０．７dBm 及び１１mWにおけるＰ_sat ^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λ_P 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
λ_S＝１．５３３μm において４．５dB/mW で、λ_S ＝
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、λ_p ＝
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（Ｐ_sat ^out＝４．８dBm ）を発生させることが
できる。λ_p ＝０．９７２μm の場合、最大利得係数は
６．１dB/mW である。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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λ_p ＝１．４７μm 及び信号波長λ_S ^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λ_P ＝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λ_S ^A＝１．５３１μm 及びλ_S ^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λ_p ＝１．４７μm 、
破線はλ_p ＝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λ_S ^A＝１．５３１μm 及びλ_S ^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λ_p ＝１．４７
μm 、破線はλ_p ＝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。

【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。

【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。

【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。

【図１１】３つの型のファイバ、２つの信号波長λ_S ^A
及びλ_S ^B 、２つのポンピング波長λ_p ＝１．４７μm
（実線）及びλ_p ＝９８０nm（破線）の場合について、
入力ポンピングパワーがＰ_p ⁱⁿ ＝１０mWであるときのパ
ラメータε（ε＝^a Ｅ_r/_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λ_S ^A、λ_S ^Bにおいて、入力ポ
ンピングパワーＰ_p ⁱⁿ ＝１０mW及び３０mW、λ_p ＝１．
４７μm （実線）及びλ_p ＝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Ｌ_opt 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Ｅ_r ³⁺ 濃度の関数としての最適長Ｌ_opt を示
し、実線はポンピングパワーがＰ_p ⁱⁿ ＝０から５０mWま
で変化した時のλ_p ＝１．４７μm におけるＬ_opt の範
囲を示し、破線はλ_p ＝９８０nmの場合であり、螢光寿
命対Ｅ_r 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Ｅ_r ³⁺ 濃度の関数としての最適長Ｌ_opt を示
し、実線はポンピングパワーがＰ_p ⁱⁿ ＝０から５０mWま
で変化した時のλ_p ＝１．４７μm におけるＬ_opt の範
囲を示し、破線はλ_p ＝９８０nmの場合であり、螢光寿
命対Ｅ_r 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。

【図１６】長さが１９．５ｍで０．０４のコア−クラッ
ド屈折率差を有し、λ_p ＝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】λ_s ＝１．５３３μm 及びλ_p ＝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。

【図１８】λ_s ＝１．５２２μm 及びλ_p ＝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。

【図１９】ファイバ長２０ｍ、λ_p ＝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。

【符号の説明】

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)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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Ｅ_r 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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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Ｅ_r 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。
5. 【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。
6. 【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。
7. 【請求項７】 ファイバコア半径に対するＥ_r 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。
8. 【請求項８】 ファイバコア半径に対するＥ_r 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。
9. 【請求項９】 ファイバコア半径に対するＥ_r 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
   Ｅ_r 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。
10. 【請求項１０】 ファイバコア半径に対する前記Ｅ_r 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Ｅ_r 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。
11. 【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Ｅ_r 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Ｅ_r 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Ｅ_r 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。
12. 【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Ｅ_r 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Ｅ_r 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Ｅ_r 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。
13. 【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
    Ｅ_r 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。
14. 【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。
15. 【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。
16. 【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Ｅ_r 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。
17. 【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。
18. 【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。
19. 【請求項１９】 ファイバコア半径に対するＥ_r 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。
20. 【請求項２０】 ファイバコア半径に対するＥ_r 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。
21. 【請求項２１】 ファイバコア半径に対するＥ_r 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Ｅ_r 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。
22. 【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Ｅ_r 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。