JP2933998B2 - エルビウムにてドープされたファイバー増幅器結合デバイス - Google Patents

エルビウムにてドープされたファイバー増幅器結合デバイス

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、一般的には、光学通信システム、より詳細
には、一つのモード寸法の光学ファイバー増幅器を第二
のモード寸法のファイバーを持つ光ファイバー通信シス
テムへ結合することに関する。
発明の背景 ローカル及びトランク光学電気通信網の両方に対して
弱い光学信号を増幅するために希土類元素にてドープさ
れたファイバーを使用することは考慮すべき関心事であ
る。希土類元素をドープした光学増幅ファイバーは低コ
ストで、低ノイズ特性を持ち、偏波に依存しない比較的
大きなバンド幅を持ち、クロストークの問題を持たず、
さらに、光学通信において使用される波長において比較
的低い挿入損失を持つ。使用においては、希土類にてド
ープされた光学ファイバー増幅器は、端と端とを光学通
信ファイバーへ結合され、そして通常、この希土類元素
にてドープされた光学ファイバー増幅器内においてある
波長の弱い光学入力信号が利得を得るために、方向性カ
プラを通じて、横断方向に、レーザー・ダイオード・ポ
ンプと結合される。この方向性カプラは、ポンプ波長に
おいて高い結合比を持ち、信号波長において低い結合比
を持つように設計される。このポンプ光は、変換されな
いポンプ光がより好都合に送信機の所でろ波されるか、
あるいは受信機の所でろ波されるかに応じて、この信号
に対して同方向に、あるいは逆方向に伝播させられる。
コア直径及び屈折率プロフィルは、ドープされない伝送
ファイバー及びドープされた増幅ファイバーのモード・
サイズを決定し、従って、これらファイバーは、必ずし
も同一である必要はない。伝送ファイバーの第一の制約
は構造分散の要件であり、一方、増幅ファイバーにおい
ては、ポンプ・モードと信号モードの重複を最大にする
必要性がある。増幅ファイバーは伝送ファイバーと異な
るモード・サイズを持つため、モードの不整合に起因す
る接合点での損失は非常に大きくなる。二つのファイバ
ーの間でのコア間接合点におけるこの損失を低減するた
めに、融合接合点をテイパー化することが提案されてい
る。
発明の要旨 本発明は異なるモード直径の二つの光学ファイバーが
互いに結合されたとき発生する損失を大きく低減するこ
とを目的とする。本発明においては、異なるモード直径
を持つ一方のファイバーと他方のファイバーの結合が、
コア間接合点におけるテイパー融合を有するのではな
く、エバネセント フィールド（evanescent field）
ファイバーカプラによって行なわれる。簡単に述べる
と、弱い光学信号の増幅を達成するために、増幅ファイ
バーがこのシステム内の一つあるいは複数の位置に挿入
される。より具体的には、要求される位置において、伝
送ファイバーが二つの区分を提供するために切断され、
切断された区分が増幅ファイバーに対し横断方向に結合
される。伝送ファイバーの第一区分からの弱い信号は、
第一のエバネセント フィールド タイプのファイバー
カプラを介して増幅ファイバーに結合され；こうして
増幅された信号は、この増幅ファイバーから第二のエバ
ネセント フィールド タイプのファイバー カプラを
介して伝送ファイバーの第二区分に結合される。この第
一のエバネセント フィールド タイプのファイバー
カプラは伝送ファイバーの第一区分からの信号エネルギ
ーの実質的に全てを増幅ファイバーに結合し、増幅ファ
イバーからのレーザー・ダイオード・ポンプ信号あるい
はエネルギーは、実質的に全く伝送ファイバーに結合し
ないように設計される。第二のエバネセント フィール
ド タイプのファイバー カプラは、増幅ファイバー内
の信号エネルギーの実質的に全てを伝送ファイバーに結
合するように設計され、また増幅ファイバーからのレー
ザー・ダイオード・エネルギーが実質的に殆ど伝送ファ
イバーに送られないように設計される。伝送ファイバー
の切断された一方あるいは両端がモニターデバイスに結
合され、例えば、増幅ファイバーの利得を制御するため
に増幅器内へ結合される信号及び／あるいは増幅器から
出る信号の値が検出され、決定される。
詳細な説明 第１図から第３図には光ファイバー伝送システムと結
合された三つの増幅ファイバーの従来技術の構成の略図
が示される。システムの要件に応じて、これら増幅ファ
イバーは、送信端、伝送ファイバーの中央、あるいは受
信端の所に位置することができる。
第１図は弱いソースからの出力を大きなシステム フ
ァイバー内へ伝送の前に増幅させるために使用する希土
類元素にてドープされた増幅ファイバーを図解する。
第１図から第３図において、結合器はＣ、ポンプは
Ｐ、接合点はＳ、伝送ファイバはＴ、増幅ファイバは
Ａ、そして検出器はＤの符号で示されている。
第２図は増幅器が、システムの中央の一つあるいはそ
れ以上の位置に挿入される場合のような最も重要な用途
と考えられるものを図解する。第３図は、弱い信号を受
信機によって検出できるような値に増幅するために使用
される、ドープされた増幅ファイバーを図解する。図示
されてないが、ある応用においては小さな挿入損失を持
つ光学アイソレータが、ファイバー システムの片側あ
るいは両側、つまり、信号レーザー側、検出器側、ある
いは伝送ファイバーの側に必要となることに注意する。
個々のケースにおいて、ドープされた増幅ファイバー
は、コア間融合接合点（core−to−core fusion splic
e）によって伝送ファイバーと結合される。レーザー・
ダイオード・ポンプが光ファイバーに要求されるポンプ
・エネルギーをダイクロイックカプラを介して増幅ファ
イバーに供給するために結合される。明らかに、この従
来技術におけるデバイスにおいては、増幅ファイバーが
融合接合点を介して伝送ファイバーに結合され、ポンプ
・エネルギーが光学ファイバー及びダイクロイックカプ
ラを介して増幅ファイバーに供給される。
第４図には、本発明の原理に従う構造が示される。光
学信号を受信及び運ぶために結合された光学伝送光ファ
イバーの第一区分40は、終端42の所でエバネセント フ
ィールド（evanescent field）タイプのカプラ、例え
ば、ダイクロイックカプラ48を介してドープされた増幅
ファイバー44の終端46と結合される。ドープされた増幅
ファイバー44の他終端50は、光伝送ファイバーの第二区
分52の終端54、あるいはその付近において、エバネセン
ト フィールド タイプのカプラ、例えば、ダイクロイ
ックカプラ56を介して第二区分52に結合される。
このダイクロイックカプラは二つの異なるファイバー
から成るが、一方のファイバーは伝送ファイバー40であ
り、もう一方のファイバーは、ドープされた増幅ファイ
バー44である。増幅ファイバーの屈折率及びコア サイ
ズは、ポンプとレーザー モードとの間の重複を最適化
し、また、増幅ファイバーと伝送ファイバーとの間の結
合を信号波長においてのみ許すように設計される。ダイ
クロイックカプラに関しては、IEEEジャーナル オブ
クゥォンタム エレクトロニクス（IEEE Journal of Qu
antum Electronics）、Vol.QE−18,No.4,1982年４月号
にマイケル.J.F.ジゴネット（Michel J.F.Digonnet）ら
によって発表の論文『チューナブル シングル モード
光ファイバー カプラの分析（Analysis of a Tunable
Single Mode Optical Fiber Coupler）』、レミジャー
ズ ゼンジェレ（Remigiers Zengerle）らによってジャ
ーナル オブ ライトウエーブ テクノロジー（Journa
l of Lightwave Technology）、Vol.LT−4,No.7,1986年
７月号に掲載の論文『同一でないシングル モード フ
ァイバーの波長選択性双方向結合器モード（Wavelength
−Selective Directional Coupler Mode of Non−ident
ical Single−Mode Fibers）』、及びR.A.バーグ（R.A.
Bergh）らによってエレクトロニック レターズ（Elect
ronic Letters）、Vol.16,ページ260−261,1980年３月2
7日発行に掲載の論文『シングル モード ファイバー
オプティック方向性結合器（Single−Mode Fiber Opt
ic Directional Coupler）』において説明されている。
簡単に述べると、上に参照の第一の文献において説明
されている如く、光ファイバーの全長が並行のポリッシ
ュされた面を持つ水晶ブロック内に切り込まれた溝内に
しっかりと固定される。基板の表面がファイバー コア
に対して要求される接近が得られるまで研磨及びポリッ
シュされる。材料が十分に除去されたら、二つの基板が
互いに結合され、カプラを形成するために、これらの基
板間にファイバー被覆の屈折率に近い屈折率を持つ液体
が挿入される。
レーザー・ダイオード・ポンプ58からの光は、ドープ
された増幅ファイバー44の末端62の所に位置するレンズ
60に向けられる。要求される後放散散を提供することに
よってレーザー・ダイオード・ポンプからの不要なモー
ドを破棄するためにホログラフィック格子64が増幅ファ
イバー内の末端62とカプラ48との間に位置される。増幅
ファイバー44の終端46内のポンプ・エネルギーの吸収を
最少に保つために終端46の長さは短く保たれ、また、終
端46内のドーパント濃度は低く保たれる。
ダイクロイックカプラ48は伝送ファイバー40内の信号
の実質的に全部を増幅ファイバー44に結合するように設
計される。ダイクロイックカプラ48は、ポンプからのポ
ンプ信号を伝送ファイバー40に実質的に全く結合しない
ように設計される。従って、伝送ファイバー40内の信号
は増幅ファイバー44内に結合され；またファイバーの終
端46に入るポンプ58からのエネルギーは、ダイクロイッ
クカプラ48を通ってファイバー44へと通過する。ポンプ
58からのエネルギーのほんの少しのみがダイクロイック
カプラ48を通ってファイバー40へと通過する。
増幅ファイバー44の他端50の所で、ダイクロイックカ
プラ56は増幅ファイバー44からの増幅ファイバー信号エ
ネルギーの実質的に全てが、伝送ファイバーの第二区分
52内に結合するように設計される。
ダイクロイックカプラ48を説明すると、ダイクロイッ
クカプラを通って終端42へ直接通過する伝送ファイバー
内の少量の信号エネルギーは、システムの動作を監視す
るために使用することができる。類似の方法で、増幅フ
ァイバー44からカプラ56を介して受信される伝送ファイ
バーの第二区分52の終端54での信号を、監視の目的で使
用することができる。
通常、伝送ファイバーは、エルビウムをドープされた
増幅ファイバーのコア直径とは異なるモード直径を持
つ。このエルビウムにてドープされた増幅ファイバーを
直接ライン中のコア間接合点ではなく、エバネセント
フィールド タイプのカプラを通じて伝送ファイバーに
結合することによって結合損失が大きく減少する。これ
に加えて、市販の高パワー ポンプ レーザーは数個の
縦モードを持ち、生成されるポンプ・モードは1.48umの
ポンプ波長の所、及び1.50から1.55umの間の信号波長の
所で生じる。本発明では、エバネセント フィールド
カプラが、エルビウムにてドープされた増幅ファイバー
と伝送ファイバーとの間の効率的なカプラとして動作す
るのに加えて、1.50〜1.55umの信号バンド内の波長を持
つポンプ信号のモードが増幅ファイバーに到達すること
を排除する帯域フィルタとしても機能する。動作におい
ては、1.50から1.55umの間の波長を持つレーザー・ダイ
オード・ポンプによって生成されるこれら信号は、ダイ
クロイックカプラ48によって増幅ファイバー44から伝送
ファイバーの第一区分40に分路される。ポンプ・レーザ
ー・ダイオードによって生成される1.50から1.55間の波
長を持つ縦モードは、ダイクロイックカプラ48によって
ファイバー44から40に分路されないときは、望ましくな
いノイズの原因となる。
これに加えて、一つのモニターをファイバー40の終端
42に結合し、もう一つのモニターをファイバー52の終端
54に結合することによって、ファイバー40上の信号を増
幅の前後の両方において監視することができる。
幾つかの状況においては、入力信号に追加の増幅が必
要とされる。これは、バックアップ・レーザー・ダイオ
ード・ポンプ66を増幅ファイバー44の終端50に結合する
ことによって達成することができる。バックアップ・レ
ーザー・ダイオード・ポンプ66とレーザー・ダイオード
・ポンプ58は同時に動作し、増幅を増加させ、個々のポ
ンプ ダイオードに対するパワー要求を減少させること
ができ、あるいは、逐次的に動作したときには、バック
アップ・レーザー・ダイオード・ポンプ66がレーザー・
ダイオード・ポンプ58の出力パワーが低下したときある
いは動作不能になったときのみ動作するようにされる。
さらに第４図には、レーザー・ダイオード・ポンプ58
に自動利得制御を提示するための構造が示される。より
詳細には、伝送ファイバー68がダイクロイックカプラを
介してファイバー44の終端50に結合される。ダイクロイ
ックカプラ70はファイバー50からの増幅されたエネルギ
ーをファイバー68に結合するように設計される。光学信
号を電気信号に変換する光学検出器72がファイバー68内
に存在する信号を検出するために位置される。光学検出
器70によって生成される電気信号は、増幅器74の入力端
子に結合され、増幅器74の出力は、レーザー・ダイオー
ド・ポンプ58の動作を制御するために結合される。類似
の方法にて、ポンプ66の動作が、自動利得制御を提供す
るために制御されることができる。
上に開示の実施態様においては、レーザー・ダイオー
ド・ポンプ58あるいは66は、1.48umの波長を持つ主信号
を生成する。但し、このダイオードポンプは0.98umの波
長を持つ信号を生成することができることにも注意す
る。0.98umの波長を持つ信号を生成するレーザー・ダイ
オード・ポンプが使用された場合は、1.50から1.55umの
波長における望ましくないモードと関連する問題は通常
存在しない。0.98umにて動作するレーザー・ダイオード
・ポンプの使用は、異なるモード直径を持つエルビウム
にてドープされた増幅ファイバーを要求する。但し、ダ
イクロイックカプラを使用することによって、伝送ファ
イバーと増幅ファイバーとの間の結合損失は、伝送ファ
イバーのモード直径と増幅ファイバーのモードとに無関
係に最少となる。
【図面の簡単な説明】
第１図−第３図は三つのレーザー増幅器の応用の従来技
術による構成の略図を示し；そして 第４図は本発明の原理に従う光学伝送システムの略図を
示す。 〈主要部分の符号の説明〉 40,52,68:伝送ファイバー 42,46,50,54:終端 44:ドープされた増幅ファイバー 48,56,70:ダイクロイックカプラ 58:レーザー・ダイオード・ポンプ 60:レンズ 62:末端 64:ホログラフィック格子 66:バックアップ・レーザー・ダイオード・ポンプ 72:光学検出器 74:増幅器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マシュー エス．ファーレン アメリカ合衆国 07760 ニュージャー シイ，ラムソン，ビンガム アヴェニュ ー 81 (56)参考文献 特開 平２−2533（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−39937（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/06 G02F 1/35 501 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光学通信システムであって、 光学信号を伝送するための第１のモード直径を有する伝
    送ファイバーと、 該第１のモード直径とは異なる第２のモード直径を有す
    る、希土類元素にてドープされた光学増幅ファイバー
    と、 該希土類元素にてドープされた増幅ファイバーを励起す
    るためのポンプ・エネルギーのソースと、 一方のファイバーが該伝送ファイバーの一部分であり他
    方のファイバーが該希土類元素にてドープされた光学増
    幅ファイバーの一部分である２つのファイバーを含む第
    １のダイクロイックカプラとを含み、 該第１のダイクロイックカプラの２つのファイバーは、
    伝送ファイバー内の信号を増幅ファイバーに結合すると
    ともに増幅ファイバー内のポンプ・エネルギーが伝送フ
    ァイバーに結合するのを阻止するよう並列に配置される
    ことを特徴とする光学通信システム。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の光学通信システムであっ
    て、 一方のファイバーが該伝送ファイバーの別の一部分であ
    り他方のファイバーが該希土類元素にドープされた光学
    増幅ファイバーの別の一部分である２つのファイバーを
    含む第２のダイクロイックカプラを含み、 該第２のダイクロイックカプラの２つのファイバーは、
    増幅ファイバー内の信号を伝送ファイバーに結合すると
    ともに増幅ファイバー内のポンプ・エネルギーが伝送フ
    ァイバーに結合するのを阻止するよう並列に配置され、 該第１のダイクロイックカプラは該増幅ファイバーの一
    方の終端に隣接して結合され、該第２のダイクロイック
    カプラは該増幅ファイバーの他方の終端に隣接して結合
    されることを特徴とする光学通信システム。
  3. 【請求項３】請求項２に記載の光学通信システムにおい
    て、 該希土類元素にてドープされた光学増幅ファイバーがエ
    ルビウムを含むことを特徴とする光学通信システム。
JP2208330A 1989-08-08 1990-08-08 エルビウムにてドープされたファイバー増幅器結合デバイス Expired - Lifetime JP2933998B2 (ja)

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