JP2744471B2 - 光増幅伝送回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光ファイバ中に希土類元素または遷移金属
が添加された光増幅用光ファイバを用いて長距離の光フ
ァイバ伝送を実現する光増幅伝送回路に関するものであ
る。

（従来の技術） 近年、Nd（ネオジム）、Er（エルビウム）等を希土類
元素を添加した光ファイバ（以下、光増幅用光ファイバ
という）は、単一モード光ファイバレーザや光増幅器と
して光通信や光センサへの応用が注目されており、これ
らの応用例について多くの報告がある。

一例として、Erを添加した光増幅用光ファイバを用
い、波長1.48μｍの半導体レーザを励起光源として、波
長1.54μｍの信号光を増幅した実験が報告されている
（R.J.Mears el al;Electlon.Lett.,vol.23,pp.1028−1
029（1987）参照）。

また、最近では光増幅用光ファイバを伝送用単一モー
ド光ファイバの送信側と受信側に接続することによっ
て、送信レベル10dB、受信感度6dBの改善により、1.8Gb
it/sの212km伝送に成功しており（k.Hagimoto et al:OF
C'89,PD15,1989）、光増幅用光ファイバの長距離光伝送
に極めて効果的であることが確認されている。

ところで、このような光伝送系では、全て光ファイバ
にて構成することにより、低損失化が実現されるので、
システムの全光ファイバ化が検討されている。

第２図は、光増幅用光ファイバを用いた従来の全光フ
ァイバ伝送システムの構成図である。第２図において、
１は伝送用半導体レーザモジュール、2a,2bは光増幅用
半導体レーザモジュール、3,4a,4b,5はカットオフ波長
が1.1μｍ〜1.2μｍの標準化された単一モード光ファイ
バ、6a,6bは波長合分波光ファイバカップラ、7a,7bはEr
添加の光増幅用光ファイバ、８は伝送信号光のみを透過
させるフィルタ、９は光検出器で、単一モード光ファイ
バ５が伝送用光ファイバとなっている。

また、第３図は、添加濃度300ppmでErを添加した光増
幅用光ファイバの損失特性と蛍光特性を示す図である。
第３図において、実線で示す曲線が損失特性を、破線で
示す曲線が蛍光特性をそれぞれ示している。

第３図から分かるように、光ファイバ通信に有望視さ
れているEr添加の光増幅用光ファイバでは、波長1.55μ
ｍ帯の光を増幅でき、光増幅用光（励起光）の波長λｐ
としては1.47μｍ〜1.49μｍが最も効率がよく、この
他、波長0.98μｍ、0.807μｍが有望な励起光の波長で
ある。

このような構成において、伝送用半導体レーザモジュ
ール１から出射された、例えば、波長1.55μｍ帯の伝送
信号光と、光増幅用半導体レーザモジュール2aから出射
された、波長1.48μｍ帯の励起光は、単一モード光ファ
イバ３及び4aをそれぞれ伝搬して、波長合分波光ファイ
バカップラ6aに入射し、ここで合波される。

この合波された伝送信号光と励起光は、次に、光増幅
用光ファイバ7aに入射する。これにより、伝送信号光
は、光増幅用光ファイバ7aを伝搬中に増幅作用を受け
る。増幅された伝送信号光は、伝送用単一モード光ファ
イバ５に導波される。

次に、伝送用単一モード光ファイバ５を伝搬した伝送
信号光は、波長合分波光ファイバカップラ6bに入射す
る。このとき、波長合分波光ファイバカップラ6bは、光
増幅用半導体レーザモジュール2bによる波長1.48μｍ帯
の励起光が入射され、伝送信号光と励起光とが合波され
る。この合波光は、次に、光増幅用光ファイバ7bに入射
する。これにより、伝送信号光は、伝送用単一モード光
ファイバ５を伝搬中に受けた光損失が補償（回復）さ
れ、フィルタ８に入射する。

フィルタ８は、伝送信号光のみを透過させ、励起光を
遮断し、伝送信号光のみが光検出器９にて受光され検出
される。

このようにして、伝送信号光の長距離光ファイバ伝送
が行なわれる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来構成では、光増幅に用いる光
源は、光増幅用光ファイバの入力直前のみに、１個の波
長合分波光ファイバカップラを介して接続されているの
で、光増幅用光源は１個になり、伝送用光ファイバ５の
前後の光増幅用光ファイバ7a,7bにおける光増幅度は、1
0dB前後留まっていた。このため、長距離の光伝送には
適用が困難であるという問題点があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、
その目的は、伝送信号光を光増幅用光ファイバを介して
光増幅し、低損失な長距離ファイバ伝送あるいは光分配
形の加入者系光ファイバ伝送のシステムを実現できる光
増幅伝送回路を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）によれば、伝
送用の低損失単一モード光ファイバの両端に、希土類元
素または遷移金属が添加されてなる光増幅用光ファイバ
をそれぞれ配置した光増幅伝送回路において、前記伝送
用光ファイバの入力側では、該伝送用光ファイバの入力
端に向かって、伝送用半導体レーザ、第１の波長合分波
光ファイバカップラ、第２の波長合分波光ファイバカッ
プラ、光増幅用光ファイバを表記した順に接続し、前記
伝送用光ファイバの出力側では、該伝送用光ファイバの
出力端に対して、第１の波長合分波光ファイバカップ
ラ、第２の波長合分波光ファイバカップラ、光増幅用光
ファイバを表記した順に接続し、さらに、前記各第１の
波長合分波光ファイバカップラに第１の光増幅用半導体
レーザを接続するとともに、前記各第２の波長合分波光
ファイバカップラには前記第１の光増幅用半導体レーザ
の波長とは異なる波長の第２の光増幅用半導体レーザを
接続し、かつ、前記第２の波長合分波光ファイバカップ
ラは、前記第１の波長合分波光ファイバカップラにて合
波された伝送信号光と前記第１の波長合分波光ファイバ
カップラによる光増幅用光をほぼ100％透過させる機能
を有するように構成した。

（作 用） 請求項（１）によれば、伝送信号光は、各光増幅用光
ファイバの前段に配設した、二つの第１及び第２の光増
幅用半導体レーザモジュールによるそれぞれ異なる波長
の二つの光増幅用光と、第１さらに第２の波長合分波光
ファイバカップラを通過するこにより合波される。

この合波光が、光増幅用光ファイバに導波されること
により、伝送信号は、二つの光増幅用光に基づく増幅作
用を受ける。このとき、伝送信号光は、一つの光増幅用
光に基づく増幅作用による増幅度に比べて、数倍の増幅
度をもって、増幅作用を受ける。

伝送信号光は、このような増幅作用を、伝送用光ファ
イバを伝搬前及び伝搬後に受ける。

（実施例１） 第１図は、本発明に係る光増幅伝送回路の第１の実施
例を示す構成図である。

第１図において、11は伝送用半導体レーザモジュール
で、波長1.55μｍの伝送信号光（以下、単に信号光とい
う）を出射する。

12a,12b,13a,13bは光増幅用半導体レーザモジュール
で、波長1.48μｍの光増幅用光（以下、励起光という）
を出射する。

14a,14b,15a,15bは波長1.55μm/1.48μｍの波長合分
波光ファイバカップラである。

16a,16bはEr添加の光増幅用光ファイバで、比屈折率
Δ＝0.3％、コア径８μｍ、長さ45mのパラメータを有
し、Erの添加濃度は50ppmである。

17は標準化された伝送用単一モード光ファイバ（以
下、伝送用光ファイバという）で、比屈折率Δ＝0.3
％、コア径８μｍ、波長1.55μｍの光に対する損失は0.
25dB/km、長さ150kmのパラメータを有している。

18は信号光のみを透過させるフィルタ、19は光検出器
である。また、第１図中、『×』印で示す部分は融着接
続部をそれぞれ示している。

第１図においては、伝送用光ファイバ17の入力側（図
面に向かって左側）では、伝送用光ファイバ17の一端と
波長合分波光ファイバカップラ15aの一の光入出射側の
一方の分岐端とが接続され、波長合分波光ファイバカッ
プラ15aの一の光入出射側の他方の分岐端には、光増幅
用半導体レーザモジュール13aが接続されている。波長
合分波光ファイバカップラ15aの他の光入出射側の一方
の分岐端には、光増幅用光ファイバ16aの一端が接続さ
れ、光増幅用光ファイバ16aの他端には、波長合分波光
ファイバカップラ14aの一の光入出射側の一方の分岐端
が接続されている。さらに、波長合分波光ファイバカッ
プラ14aの他の光入出射側の一方の分岐端には伝送用半
導体レーザモジュール11が接続され、他方の分岐端には
光増幅用半導体レーザモジュール12aが接続されてい
る。

一方、伝送用光ファイバ17の出力側（図面に向かって
右側）では、伝送用光ファイバ17の他端と波長合分波光
ファイバカップラ14bの一の光入出射側の一方の分岐端
とが接続され、波長合分波光ファイバカップラ14bの一
の光入出射側の他方の分岐端には、光増幅用半導体レー
ザモジュール12bが接続されている。さらに、波長合分
波光ファイバカップラ14bの他の光入出射側の一方の分
岐端には、光増幅用光ファイバ16bの一端が接続され、
光増幅用光ファイバ16bの他端には、波長合分波光ファ
イバカップラ15bの一の光入出射側の一方の分岐端が接
続されている。波長合分波光ファイバカップラ15bの他
の光入出射側の一方の分岐端にはフィルタ18が配置さ
れ、フィルタ18の光透過側には光検出器19が配置されて
いる。また、波長合分波光ファイバカップラ15bの他の
光入出射側の他方の分岐端には光増幅用半導体レーザモ
ジュール13bが接続されている。

次に、波長1.55μm/1.48μｍの波長合分波光ファイバ
カップラの構造及びその特性について第４図乃至第６図
に基づいて説明する。

第４図は、２本の光ファイバを融着・延伸によって作
製した光ファイバカップラの構造図である。第４図にお
いて、141,142は比屈折率Δ＝0.3％、コア径８μｍの単
一モード光ファイバ、143は融着・延伸部である。

このような構造の波長合分波光ファイバカップラの特
性は、第５図に示すように、過剰損失0.2dB、波長1.55
μm/1.48μｍのアイソレーションは20dBである。また、
第１図中、『×』印で示す11ケ所の融着接続部の平均損
失は0.23dB/1ケ所を示している。

なお、各光部品の端面反射の影響を防止するために、
接続されていない光ファイバカップラの端面、レーザモ
ジュールの端面、光検出器の端面は数度傾斜されてい
る。

このような構成にすることにより、伝送信号光は、光
増幅用ファイバ16a,16b内において、順方向及び反対方
向の励起光（光増幅用光）によって、入力側で波長1.55
μｍの光は18dBの利得を、出力側で20dBの利得を得た。
これに対して、第２図に示す従来の構成では、入力側で
波長1.55μｍの光は12dBの利得であり、出力側で11dBの
利得にすぎない。

なお、第１図の構成においては、励起光に、波長1.48
μｍを用いているが、これに限定されるものではなく、
波長1.48μｍと波長0.98μｍのように異なる波長の励起
光の組合わせでも良い。

この場合、波長合分波光ファイバカップラ14a,14bに
は、波長1.55μm/1.48μｍの波長合分波光ファイバカッ
プラが、波長合分波光ファイバカップラ15a,15bには、
波長1.55μm/0.98μｍのモード変換兼用波長合分波光フ
ァイバカップラが用いられる。

また、使用している単一モード光ファイバのカットオ
フ波長は1.2μｍであるから、波長0.98μｍに対して
は、多モードになっている。

このような単一モード光ファイバを多モード光ファイ
バを用いて融着・延伸形の光ファイバカップラを作製す
るときには、一方または両方の光ファイバを予め延伸
し、波長0.98μｍに対して単一モード条件にした後、融
着・延伸して波長合分波光ファイバカップラとする。従
って、この波長合分波光ファイバカップラは、モード変
換の機能も有することになる。

また、その特性は、第６図に示すように、過剰損失0.
2dB、波長1.55μm/0.98μｍのアイソレーションは22dB
であった。

以上のように、本実施例によれば、光増幅用光ファイ
バ16a,16b内において、順方向と反対方向から二つの光
増幅用光（励起光）にて、伝送信号光を増幅することが
できるので、従来の構成に比べて、数倍の利得を得るこ
とができ、低損失な長距離光伝送システムを実現でき
る。

（実施例２） 第７図は、本発明に係る光増幅伝送回路の第２の実施
例を示す構成図である。

第７図において、21は伝送用半導体レーザモジュール
で、波長1.55μｍの信号光を出射する。

22a,22bは第１の光増幅用半導体レーザモジュール
で、波長1.48μｍの励起光を出射する。

23a,23bは第２の光増幅用半導体レーザモジュール
で、波長0.98μｍの励起光を出射する。

24a,24bは波長1.55μm/1.48μｍの第１の波長合分波
光ファイバカップラである。

25a,25bは1.48μｍ〜波長1.55μm/0.98μｍの第２の
波長合分波光ファイバカップラである。

26a,26bはEr添加の光増幅用光ファイバで、比屈折率
Δ＝0.3％、コア径８μｍ、長さ45mのパラメータを有
し、Erの添加濃度は50ppmである。

27は標準化された伝送用（単一モード）光ファイバ
で、比屈折率Δ＝0.3％、コア径８μｍ、波長1.55μｍ
の光に対する損失は0.25dB/km、長さ150kmのパラメータ
を有している。

28は信号光のみを透過させるフィルタ、29は光検出器
である。また、第１図中、『×』印で示す部分は融着接
続部をそれぞれ示している。

第１図においては、伝送用光ファイバ27の入力側（図
面に向かって左側）において、伝送用光ファイバ27の一
端と光増幅用光ファイバ26aの一端とが接続され、光増
幅用光ファイバ26aの他端には、波長合分波光ファイバ
カップラ25aの一の光入出射側の一方の分岐端が接続さ
れている。波長合分波光ファイバカップラ25aの他の光
入出射側の一方の分岐端には、光増幅用半導体レーザモ
ジュール23aが接続され、波長合分波光ファイバカップ
ラ25aの一の光入出射側の他方の分岐端には波長合分波
光ファイバカップラ24aの一の光入出射側の一方の分岐
端が接続されている。さらに、波長合分波光ファイバカ
ップラ24aの他の光入出射側の一方の分岐端には、伝送
用半導体レーザモジュール21が接続され、他方の分岐端
には光増幅用半導体レーザモジュール22aが接続されて
いる。

一方、伝送用光ファイバ27の出力側（図面に向かって
右側）において、伝送用光ファイバ27の他端には波長合
分波光ファイバカップラ24bの一の光入出射側の一方の
分岐端が接続され、波長合分波光ファイバカップラ24b
の一の光入出射側の他方の分岐端には、光増幅用半導体
レーザモジュール22bが接続されている。さらに、波長
合分波光ファイバカップラ24bの他の光入出射側の一方
の分岐端には、波長合分波光ファイバカップラ25bの一
の光入出射側の一方の分岐端が接続され、波長合分波光
ファイバカップラ25bの一の光入出射側の他方の分岐端
には、光増幅用半導体レーザモジュール23bが接続され
ている。波長合分波光ファイバカップラ25bの他の光入
射出側の一方の分岐端には、光増幅用ファイバ26bの一
端が接続され、光増幅用光ファイバ26bの他端にはフィ
ルタ28が配置され、フィルタ28の光透過側には、光検出
器29が配置されている。

この構成において、波長1.55μm/1.48μｍの第１の波
長合分波光ファイバカップラ24a,24bは、第５図に示し
た特性と同等の特性を有する。

これに対して、波長1.48μｍ〜1.55μm/0.98μｍの第
２の波長合分波光ファイバカップラ25a,25bは、既に合
波されている波長1.55μｍ並びに波長1.48μｍと波長0.
98μｍを合波する必要がある。また、前記第１に実施例
において説明したと同様に、波長0.98μｍに対して、多
モードの光ファイバを単一モードにするモード変換機能
も必要である。

この光ファイバカップラも、前記第１の実施例にて説
明したように、光ファイバを予め延伸することにより、
第８図に示すような特性を得ることができる。

この波長1.48μｍ〜1.55μm/0.98μｍの第２の波長合
分波光ファイバカップラ25a,25bの過剰損失は、波長0.9
8μｍの光に対しては0.1dB、波長1.55μｍと波長1.48μ
ｍの光に対しては0.5dB、波長1.48μｍ〜1.55μm/0.98
μｍのアイソレーションは14dBであった。

この構成により、波長1.55μｍの信号光は、光増幅用
光ファイバ26a,26b内において、順方向の二つの波長の
励起光（光増幅用光）によって、入力側で17dBの利得
を、出力側で19dBの利得を得た。

本実施例においても、前記第１の実施例と同様の効果
を得ることができる。

なお、本実施例においては希土類元素を添加した光増
幅用光ファイバを例に説明したが、遷移金属、例えばTi
（チタン）、Ni（ニッケル）の添加した光増幅用光ファ
イバも適用可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）によれば、光増幅
用光ファイバ内において、順方向からの波長の異なる二
つの光増幅用光にて、伝送信号光を増幅することができ
るので、従来の構成に比べて、数倍の利得を得ることが
できる。従って、低損失な長距離光伝送システムを実現
できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光増幅伝送回路の第１の実施例を
示す構成図、第２図は従来の光増幅用光ファイバを用い
た全光ファイバ伝送システムの構成図、第３図はEr添加
の光増幅用光ファイバの損失特性と螢光特性を示す図、
第４図は本発明に係る波長合分波光ファイバカップラの
構造図、第５図は本発明に係る波長1.55μm/1.48μｍの
波長合分波光ファイバカップラの波長合分波特性図、第
６図は本発明に係る波長1.55μm/0.98μｍの波長合分波
光ファイバカップラの波長合分波特性図、第７図は本発
明に係る光増幅伝送回路の第２の実施例を示す構成図、
第８図は波長1.48μｍ〜1.55μm/0.98μｍの波長合分波
光ファイバカップラの波長合分波特性図である。 図中、11、21……伝送用半導体レーザモジュール、12a,
12b,13a,13b,22a、22b……波長1.48μｍの光増幅用半導
体レーザモジュール、23a,23b……波長0.98μｍの光増
幅用半導体レーザモジュール、14a,14b,15a,15b,24a,24
b……波長1.55μm/1.48μｍの波長合分波光ファイバカ
ップラ、25a、25b……波長1.48μｍ〜1.55μm/1.48μｍ
の波長合分波光ファイバカップラ、16a,16b,26a,26b…
…光増幅用光ファイバ、17,27……伝送用単一モード光
ファイバ、18、28……フィルタ、19、29……光検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀口 正治 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 清水 誠 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 杉田 悦治 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−157279（ＪＰ，Ａ) Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ ｒｓ Ｖｏｌ．25，Ｎｏ．10，ＰＰ. 662−664 （1989)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】伝送用の低損失単一モード光ファイバの両
   端に、希土類元素または遷移金属が添加されてなる光増
   幅用光ファイバをそれぞれ配置した光増幅伝送回路にお
   いて、 前記伝送用光ファイバの入力側では、該伝送用光ファイ
   バの入力端に向かって、伝送用半導体レーザ、第１の波
   長合分波光ファイバカップラ、第２の波長合分波光ファ
   イバカップラ、光増幅用光ファイバを表記した順に接続
   し、 前記伝送用光ファイバの出力側では、該伝送用光ファイ
   バの出力端に対して、第１の波長合分波光ファイバカッ
   プラ、第２の波長合分波光ファイバカップラ、光増幅用
   光ファイバを表記した順に接続し、 さらに、前記各第１の波長合分波光ファイバカップラに
   第１の光増幅用半導体レーザを接続するとともに、 前記各第２の波長合分波光ファイバカップラには前記第
   １の光増幅用半導体レーザの波長とは異なる波長の第２
   の光増幅用半導体レーザを接続し、 かつ、前記第２の波長合分波光ファイバカップラは、前
   記第１の波長合分波光ファイバカップラにて合波された
   伝送信号光と前記第１の波長合分波光ファイバカップラ
   による光増幅用光をほぼ100％透過させる機能を有する ことを特徴とする光増幅伝送回路。