JP2790520B2

JP2790520B2 - 光ファイバ増幅器

Info

Publication number: JP2790520B2
Application number: JP2101823A
Authority: JP
Inventors: 典久長沼
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-04-19
Filing date: 1990-04-19
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: JPH041729A

Description

【発明の詳細な説明】目次概要産業上の利用分野従来の技術発明が解決しようとする課題課題を解決するための手段作用実施例発明の効果概要希土類元素をドープしたドープ光ファイバに信号光と
ポンピング光（励起光）を入射することにより、信号光
を直接増幅する光ファイバ増幅器に関し、波長差が小さな信号光とポンピング光を互いに直角又
は平行に入射させることができるとともに、ポンピング
光に含まれる信号光波長成分を十分に阻止できる波長分
離度を有する光結合器を具備した光ファイバ増幅器を提
供することを目的とし、合波器により信号光とポンピング光を合波してErをド
ープしたErドーブ光ファイバに入射させ、信号光を直接
増幅する光ファイバ増幅器において、前記合波器を、45
゜の挟み角を有する第１のプリズムの該挟み角を画成す
る一方の面に全反射膜を形成するとともに他方の面に合
波膜を形成し、合波膜を形成した前記第１プリズムの前
記他方の面に三角プリズムを貼付した合波プリズムユニ
ットから構成し、偏波方向が互いに直交する第１ポンピ
ング光と第２ポンピング光を結合して前記合波プリズム
ユニットに入射させる偏波結合器を設け、信号光とポン
ピング光を合波する合波膜よりもポンピング光側に配置
された光学部品の空気との境界面の少なくとも一面に、
信号光波長成分を反射してポンピング光を透過させるフ
ィルタ膜を配置し、信号光を前記全反射膜により全反射
させてから前記合波膜に入射して、該合波膜にてポンピ
ング光と合波し、合波された信号光とポンピング光を前
記Erドープ光ファイバに入射させるように構成する。

産業上の利用分野本発明の希土類元素をドープしたドープファイバに信
号光とポンピング光（励起光）を入射することにより信
号光を直接増幅する光ファイバ増幅器に関する。

現在実用化されている光ファイバ通信システムにおい
ては、光ファイバの損失による光信号の減衰を補償する
ために、一定距離毎に中継器を挿入している。中継器で
は、光信号をフォトダイオードにより電気信号に変換し
て、電子増幅器により信号を増幅した後、半導体レーザ
等により光信号に変換し、光ファイバ伝送路に再び送り
出すという構成を取っている。もし、この光信号を低雑
音で直接光信号のまま増幅することができれば、光中継
器の小型化、経済化を図ることができる。

そこで、光信号を直接増幅できる光増幅器の研究が盛
んに進められており、研修の対象とされている光増幅器
を大別すると、希土類元素（Er,Nd,Yb等）をドープし
た光ファイバとポンピング光を組み合わせたもの、希
土類元素をドープ半導体レーザによるもの、光ファイ
バ中の非線形効果を利用した誘導ラマン増幅器、誘導ブ
リリュアン増幅器の３つがある。

このうちの希土類元素をドープした光ファイバとポ
ンピング光を組み合わせた光増幅器は、偏波依存性が無
いこと、低雑音であること、伝送路との結合損失が小さ
いといった優れた特徴があり、光ファイバ伝送システム
における伝送中継距離の飛躍的増大、光信号の多数への
分配を可能にすると期待されている。

光ファイバ通信で使用される1.53μｍ帯の増幅には希
土類元素としてErがドープしたErドープ光ファイバが一
般的に使用される。

従来の技術第６図に希土類元素ドープ光ファイバによる光増幅の
原理を示す。２はコア４及びクラッド６から構成された
光ファイバであり、コア４中にEr（エルビウム）がドー
プされている。このようなErドープ光ファイバ２に例え
ば波長1.48μｍのポンピング光（励起光）が入射される
と、Er原子が高いエネルギー準位に励起される。このよ
うに高いエネルギー準位に励起された光ファイバ２の中
のEr原子に例えば波長1.53μｍの信号光が入ってくる
と、Er原子が低いエネルギー準位に遷移するが、このと
き光の誘導放出が生じ、信号光のパワーが光ファイバに
沿って次第に大きくなり信号光の増幅が行われる。

第７図は上述した増幅原理に基づいた従来のErドープ
光ファイバ増幅器の概略構成を示している。10は偏波結
合器であり、この偏波結合器10には光ファイバ11,12を
介して水平偏波面を有する第１ポンピング光と垂直偏波
面を有する第２ポンピング光がそれぞれ入射され、これ
らのポンピング光が偏波結合器10で結合されて出射され
る。第１ポンピング光及び第２ポンピング光ともその波
長は例えば1.48μｍである。偏波結合器10は２つの三角
プリズム13,14で偏波結合膜15を挟み込んだ構成の偏波
結合プリズムユニット16を有している。

光ファイバ11から入射される水平偏光面を有する第１
ポンピング光はコリメートレンズ17でコリメートされて
から偏波結合プリズムユニット16に入射されて、偏波結
合膜15をそのまま透過する。一方、光ファイバ12から入
射される垂直偏光面を有する第２ポンピング光はコリメ
ートレンズ18でコリメートされてから偏波結合プリズム
ユニット16に入射され、偏波結合膜15で第１ポンピング
光の透過光路と同一光路上に反射される。よって、偏波
結合プリズムユニット16からの出射光は第１ポンピング
光と第２ポンピング光が結合されたものとなり、この結
合されたポンピング光はレンズ19により集光されて光フ
ァイバ20に入射される。光ファイバ21は接続アダプタ22
で光ファイバ20に接続されており、光ファイバ20,21を
伝送されてきた第１及び第２ポンピング光は合波器23に
入射されて、光ファイバ28を伝送されてきた例えば1.53
μｍ帯の信号光と合波される。

合波器23は三角プリズム24の傾斜面に誘電体多層膜等
から形成された合波膜25の形成された合波プリズム26を
含んでおり、光ファイバ21からの第１及び第２ポンピン
グ光はコリメートレンズ27によりコリメートされてから
合波プリズム26に入射され、合波膜25を通過して出射さ
れる。一方、光ファイバ28を伝送されてきた例えば波長
1.53μｍ帯の信号光はコリメートレンズ29でコリメート
されてから合波プリズム26に入射され、合波膜25で反射
されてポンピング光の透過光路と同一光路上に出射され
る。このようにして合波された信号光とポンピング光は
レンズ30により集光されてErドープ光ファイバ31に入射
され、上述した原理に基づき信号光を増幅が行われる。

この従来例の構成において、第１ポンピング光と第２
ポンピング光を偏波結合器10により結合する構成をとっ
ているのは、ポンピング光を出射する半導体レーザー
（LD）の出力が十分でない場合に２個の本導体レーザー
を使用してポンピング光の高出力化を図るためであり、
半導体レーザーの出十分の場合には、一方のポンピング
光のみを使用する冗長化構成とすることができる。

発明が解決しようとする課題 Erドープ光ファイバ増幅器では、上述したように信号
光として波長1.53μｍ帯のレーザー光が、またポンピン
グ光として波長1.48μｍのレーザー光が使用される。こ
のような信号光とポンピング光の波長差が小さい場合に
は、信号光の合波膜への入射角が45゜より小さくないと
信号光とポンピング光の合波が十分に達成できないため
に、合波プリズムに信号光を入射させるのにポンピング
光の光路に対して垂直または平行に入射させることがで
きず、合波プリズム等の光学部品の配置が複雑になると
いう問題があった。

そこで本出願人は、特殊な構成を有する合波器を使用
することにより、この問題を解決した光ファイバ増幅器
を先に提案した（特願平２−49254号）。この先願に記
載された光ファイバ増幅器は、波長差が小さい信号光と
ポンピング光を互いに直角又は平行に入射させることが
できるものであるが、ポンピング光の含まれる信号光波
長成分を十分に阻止できるための波長分離度を有してい
ないため、伝送路を伝送されてきてレベルの落ちた信号
光にとってSNを劣化させる要因となっていることが後に
なって判明した。

これを第８図を用いて説明する。同図において、Ａは
中心波長1.48μｍを有するポンピング光であり、その最
大光出力は約50mWである。Ｂは中心波長1.536μｍを有
する伝送される前の信号光であり、その最大光出力は約
1mWである。この信号Ｂは光ファイバ内を長距離伝送さ
れる間に減衰し、伝送端ではＣに示すようにその最大光
出力は約0.01W程度は減衰する。

このように信号光とポンピング光の波長が近接してい
ると、ポンピング光の出力が大きいためにそのEL（エレ
クトロ・ルミネセンス）成分が広い裾野を形成し、ポン
ピング光の一部が信号光の波長と重なることになる。伝
送後の信号光Ｃは光出力は上述したように非常に小さい
ので、ポンピング光のEL成分によって強く影響を受け、
信号光のSN比が劣化することになる。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、
その目的とするところは、波長差が小さな信号光とポン
ピング光を互いに直角又は平行に入射させることができ
るとともに、ポンピング光に含まれる信号光波長成分を
十分に阻止できる波長分離度を有する光結合器を具備し
た光ファイバ増幅器を提供することである。

課題を解決するための手段合波器により信号光とポンピング光を合波してErをド
ープしたErドープ光ファイバに入射させ、信号光を直接
増幅する光ファイバ増幅器において、前記合波器を、45
゜の挟み角を有する第１のプリズムの該挟み角を画成す
る一方の面に全反射膜を形成するとともに他方の面に合
波膜を形成し、合波膜を形成した前記第１プリズムの前
記他方の面に三角プリズムを貼付した合波プリズムユニ
ットから構成する。さらに、偏波方向が互いに直交する
第１ポンピング光と第２ポンピング光を結合して前記合
波プリズムユニットに入射させる偏波結合器を設け、信
号光とポンピング光を合波する合波膜よりもポンピング
光側に配設された光学部品の空気との境界面の少なくと
も一面に、信号光波長成分を反射しポンピング光を透過
させるフィルタ膜を配置する。そして、信号光を前記全
反射膜により全反射させてから前記合波膜に入射して、
該合波膜にてポンピング光と合波し、合波された信号光
とポンピング光を前記Erドープ光ファイバに入射させ
る。

作用上述したように構成の合波プリズムユニットを使用す
ることにより、合波プリズムユニットに入射するポンピ
ング光の光路と信号光の光路の互いに直角又は平行にす
ることができ、光学部品の配置を簡略化することができ
る。

さらに、信号光とポンピング光を合波しる合波膜より
もポンピング光側に配設された光学部品の空気との境界
面の少なくとも一面に、信号光波長成分を反射しポンピ
ング光を透過させるフィルタ膜を設けたことにより、ポ
ンピング光の信号光波長成分を高い減衰量で阻止でき、
信号光のSN比を向上することができる。

実施例以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。

第１図は本発明実施例の概略構成図である。32は偏波
合成プリズムユニットであり、２つの三角プリズム33,3
4の間に誘電体多層膜等から形成された偏波合成膜35を
蒸着等により形成して構成されている。偏波合成膜35の
透過特性は第２図に示すようになっており、波長1.48μ
ｍのＰ偏光である水平偏波面を有する第１ポンピング光
を透過し、波長1.48μｍのＳ偏光である垂直偏波面を有
する第２ポンピング光を反射するような特性を有してい
る。

水平偏波面を有する波長1.48μｍの第１ポンピング光
（励起光）はフェルール37に挿入された光ファイバ36か
ら出射させ、ロッドレンズ38によりコリメートされて偏
波合成プリズムユニット32に入射され、偏波合成膜35を
透過して偏波合成プリズムユニット32からそのまま出射
する。一方、垂直偏波面を有する波長1.48μｍの第２ポ
ンピング光はフェルール40に挿入された光ファイバ39か
ら出射され、ロッドレンズ41によりコリメートされてか
ら偏波合成プリズムユニット32に入射され、偏波合成膜
35により反射されて第１ポンピング光の透過光路と同一
光路上に出射され、第１ポンピング光と第２ポンピング
光が結合される。

結合された第１ポンピング光と第２ポンピング光が出
射する偏波合成プリズムユニット32の面上には、ポンピ
ング光の信号光波長成分を反射しポンピング光を透過さ
せる特性を有するフィルタ膜56の形成されたガラス基板
55が光学接着剤により接着されている。また、第１ポン
ピング光及び第２ポンピング光が入射する偏波合成プリ
ズムユニット32の端面には、反射防止膜61,62がそれぞ
れ形成されている。

このように第１ポンピング光と第２ポンピング光を偏
波合成プリズムユニット32で結合しているのは、ポンピ
ング光を出射する半導体レーザ（LD）の出力が十分でな
い場合に、２つのポンピング光を結合してその高出力化
を図るためである。ポンピング光源の出力が十分である
場合には、一方のポンピング光源のみを駆動してポンピ
ング光の冗長化を図ることができる。

42はポンピング光と信号光とを合波する合波プリズム
ユニットであり、45゜の挟み角を有するプリズム43の該
挟み角を画成する一方の面に誘電体多層膜等ら形成され
た全反射膜44を形成するとともに、他方の面に同じく誘
電体多層膜等から形成された合波膜45を形成したプリズ
ム43を含んでおり、このプリズム43の他方の面上に頂角
22.5゜の三角プリズム46を貼付して構成されている。合
波膜45の透過特性は第３図に示すようになっており、波
長1.48μｍの第１及び第２ポンピング光は透過するが、
波長1.53μｍ帯の信号光は反射されるような特性を有し
ている。

合波プリズムユニット42の偏波合成プリズムユニット
32に対向する面上には、ポンピング光の信号光波長成分
を反射しポンピング光を透過する特性を有するフィルタ
膜58の形成されたガラス基板57が光学接着剤により接着
されている。また他の面上には、反射防止膜63,64が形
成されている。フィルタ膜56,58の透過特性は同一であ
り、概略第３図に示した合波膜の透過特性に一致してい
る。

偏波合成プリズムユニット32から出射された第１及び
／又は第２ポンピング光は合波プリズムユニット42に入
射して、合波膜45を透過して合波プリズムユニット42か
らそのまま出射される。一方、波長1.53μｍの信号光は
フェルール48に挿入された光ファイバ47から出射され、
ロッドレンズ49でコリメートされてから合波プリズムユ
ニット42に入射する。この信号光は全反射膜44で全反射
されて45゜より小さい入射角、例えば20゜位の入射角で
合波膜45に入射し、合波膜45で反射されてポンピング光
の透過光路と同一光路上に出射され、信号光と第１及び
／又は第２ポンピング光が合波される。本実施例では、
偏波合成プリズムユニット32と合波プリズムユニット42
により、ポンピング光と信号光を結合する光結合器60を
構成している。

このように合波プリズムユニット42で合波された信号
光とポンピング光は、ロッドレンズ50で集光されてフェ
ルール51に挿入されたErドープ光ファイバ52に入射さ
れ、上述した原理に基づいて信号が増幅され、伝送路に
送り出される。

本実施例では、挟み角45゜を有するプリズム43と頂角
22.5゜を有する三角プリズム46を貼り合わせて合波プリ
ズムユニット42を構成しているため、波長差の小さい信
号光とポンピング光を合波するに際し、信号光を全反射
膜48で全反射させて合波膜45に入射させることができる
ため、合波プリズムユニット42に対するポンピング光の
入射光路と信号光の入射光路を互いに垂直となるように
設定することができる。

また、合波プリズムユニット42の合波膜45よりポンピ
ング光側に、上述したような特性を有するフィルタ膜5
6,58が設けられているため、ポンピング光の信号光波長
成分を高い減衰量で阻止することができる。フィルタ膜
56,58を有しない合波膜45のみの構成では、波長分離度
が約15dB程度であるが、本実施例ではフィルタ膜56,58
を２枚設けたことにより、波長分離度を約45dBに向上さ
せることができる。

上述した実施例では、フィルタ膜56,58を偏波合成膜3
5の下流側に設けているが、これは１枚のフィルタ膜に
より第１ポンピング光及び第２ポンピング光のいずれに
対してもフィルタリングを可能とするためである。しか
し、フィルタ膜の配設位置は図示した実施例に限定され
るものではなく、例えば反射防止膜61,62が形成された
偏波合成プリズムユニット32の面上にフィルタ膜を設け
るようにしても良く、ロッドレンズ38,41の端面にフィ
ルタ膜を設けるようにしても良い。

第４図は合波プリズムユニットの他の実施例の概略図
であり、この実施例の合波プリズムユニット42′は上述
した実施例と同様の挟み角45゜を有するプリズム43′
に、対向する頂角α，βがそれぞれ22.5゜及び45゜であ
る四辺形プリズム54を貼付して構成されている。ポンピ
ング光に対して合波膜45より上流側に合波プリズムユニ
ット42′の面上には、ポンピング光の信号光波長成分を
反射しポンピング光を透過させる特性を有するフィルタ
膜66の形成されたガラス基板65が光学接着剤により接着
されている。67,68は反射防止膜である。このような構
成の合波プリズムユニット42′を採用することにより、
合波プリズムユニット42′にポンピング光と信号光を互
いに平行関係で入射させることができる。

また、同様にして、偏波合成プリズムユニット32の三
角プリズム34を平行四辺形プリズムで置き換えることに
より、第１ポンピング光と第２ポンピング光を平行に入
射させることができる。

第５図はポンピング光の光路に対してフィルタ膜を傾
斜させることにより、フィルタ膜の波長特性がシフトす
るのを説明するための図であり、フィルタ膜がポンピン
グ光の光路に対して垂直に配置されている場合が実線で
示されており、フィルタ膜をこの垂直関係から傾斜させ
ると破線で示されたようにフィルタ膜の波長特性がシフ
トする。この原理を利用することにより、形成したフィ
ルタ膜の特性が要求する特性に完全に一致していなくて
も、フィルタ膜の形成された偏波合成プリズムユニット
32又は合波プリズムユニット42の光軸に対する角度を調
整して、フィルタ膜56,58の波長特性をシフトさせて波
長分離度を最適にした後、偏波結合プリズムユニット32
又は合波プリズムユニット42を固定して、光結合器60を
組み立てるようにすれば、ある程度特性のずれたフィル
タ膜でも最適な波長分離度を達成することができる。

発明の効果本発明の光ファイバ増幅器は以上詳細したように構成
したので、ポンピング光に含まれる信号光波長成分をフ
ィルタ膜の挿入段数に応じて高い減衰量で阻止すること
ができ、信号光のSN比の向上を図ることができるという
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の概略構成図、第２図は偏波合成膜の透過特性図、第３図は合波膜の透過特性図、第４図は合波プリズムユニットの他の実施例を示す概略
図、第５図はフィルタ膜の波長特性のシフトを説明する説明
図、第６図は希土類元素をドープしたドープ光ファイバによ
る光増幅の原理を示す模式図、第７図は従来例の概略構成図、第８図は信号光とポンピング光の光パワーの関係を示す
説明図である。 32……偏波合成プリズムユニット、 35……偏波合成膜、 42,42′……合波プリズムユニット、 43,43′……挟み角45゜のプリズム、 46……三角プリズム、 52……Erドープ光ファイバ、 54……四辺形プリズム、 56,58,66……フィルタ膜、 60……光結合器。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】合波器により信号光とポンピング光を合波
してErをドープしたErドープ光ファイバに入射させ、信
号光を直接増幅する光ファイバ増幅器において、前記合波器を、45゜の挟み角を有する第１プリズム（4
3）の該挟み角を画成する一方の面に全反射膜（44）を
形成するとともに他方の面に合波膜（45）を形成し、合
波膜（45）を形成した前記第１プリズム（43）の前記他
方の面に三角プリズム（46）を貼付した合波プリズムユ
ニット（42）から構成し、偏波方向が互いに直交する第１ポンピング光と第２ポン
ピング光を結合して前記合波プリズムユニット（42）に
入射させる偏波結合器（32）を設け、信号光とポンピング光を合波する合波膜（45）よりもポ
ンピング光側に配設された光学部品の空気との境界面の
少なくとも一面に、信号光波長成分を反射してポンピン
グ光を透過させるフィルタ膜（56,58）を配置し、信号光を前記全反射膜（44）により全反射させてから前
記合波膜（45）に入射して、該合波膜（45）にポンピン
グ光と合波し、合波された信号光とポンピング光を前記
Erドープ光ファイバ（52）に入射させることを特徴とす
る光ファイバ増幅器。
【請求項２】前記三角プリズム（46）に換えて前記第１
プリズム（43）の他方の面に四辺形プリズム（54）を貼
付した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】前記偏波結合器（32）に対向した前記合波
プリズムユニット（42）の端面に前記フィルタ膜（58）
を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の光ファ
イバ増幅器。
【請求項４】前記合波プリズムユニット（42）に対向し
た前記偏波結合器（32）の端面に前記フィルタ膜（56）
を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の光ファ
イバ増幅器。
【請求項５】前記フィルタ膜（56,58）の設けられた合
波プリズムユニット（42）あるいは偏波結合器（32）の
光軸に対する角度を調整して、該フィルタ膜（56,58）
の波長特性をシフトさせて波長分離度を最適にした後、
合波プリズムユニット（42）あるいは偏波結合器（32）
を固定することを特徴する請求項３又は４記載の光ファ
イバ増幅器の組立方法。