JP3299684B2 - 光増幅器および光増幅方法 - Google Patents

光増幅器および光増幅方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低雑音、高利得な
光増幅器、および光増幅方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、光通信分野への応用を目的とし
て、コアに希土類元素を添加した光ファイバを光増幅媒
体とした光増幅器、特にＥｒ（エルビウム）添加光増幅
器（ＥＤＦＡ）の開発が行われ、光通信システムへの応
用が盛んに進められている。
【０００３】最近では、将来見込まれる通信サービスの
多様化に対応するため、伝送媒体を有効に利用して伝送
容量の拡大を図る波長多重化を利用した光通信方式の研
究が盛んに行われている。この波長多重伝送方式に使用
されるＥＤＦＡに要求される特性の一つとして、信号波
長による増幅利得の変動が小さいことである。なぜな
ら、ＥＤＦＡを多段配列することによって中継増幅され
た光信号は光信号間で強度レベル差が生ずるため、使用
している全波長にわたって特性が均一化された伝送を行
うことが困難となるためである。したがって、現在、利
得が波長に対してフラットな関係にあるＥＤＦＡの研究
が進められている。
【０００４】そのようなＥＤＦＡの一有力候補として、
フッ化物ファイバをＥｒのホストとしたＥｒ添加フッ化
物ファイバ光増幅器（ＥＤＦＦＡ）が注目を集めてい
る。この光増幅器の特徴は、Ｅｒのフッ化物ガラス中で
の１．５５μｍ帯の 4Ｉ13/2→4Ｉ15/2遷移による発光
スペクトルが、石英ガラス中のものより広く、かつデッ
プ等の波長依存性が急峻な変化がなく滑らかなために、
得られる利得スペクトルが石英ファイバを用いたＥＤＦ
Ａよりもフラットになることである。最近では、ＥＤＦ
ＦＡを多段に用いた波長多重伝送実験も行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ＥＤＦＦＡは
ひとつの欠点を有する。それは、石英ファイバを用いた
ＥＤＦＡほどには雑音指数（ＮＦ）を下げられない点で
ある。石英ファイバを用いたＥＤＦＡほどにはＮＦの値
を下げられない理由は、ＥＤＦＦＡの場合、 4Ｉ15/2→
4Ｉ11/2→遷移による 4Ｉ13/2準位の励起が行えない点
である。石英ファイバの場合、フォノンエネルギーが１
１００ｃｍ-1程度の大きい値を有するため、０．９８μ
ｍの光で 4Ｉ11/2準位に励起してもフォノン放出緩和に
より 4Ｉ13/2準位にエネルギーが緩和し、 4Ｉ13/2準位
が効率良く励起されて、 4Ｉ13/2準位および 4Ｉ15/2準
位間に良好な反転分布を形成することができる。従っ
て、ＮＦを下げられ量子限界（３ｄＢ）に近い４ｄＢ程
度の値が得られている。
【０００６】しかし、フッ化物ファイバの場合には、フ
ォノンエネルギーが約５００ｃｍ-1であり、石英ファイ
バの半分以下であるため、 4Ｉ11/2から 4Ｉ13/2準位へ
のフォノン放出緩和が起きにくく、０．９８μｍ励起で
は利得が得にくいことになる。従って、励起波長１．４
８μｍ付近の光で 4Ｉ13/2準位を直接励起して、１．５
５μｍ帯の利得を得ている。しかしながら、この励起法
は増幅始準位内の励起であるために、良好な反転分布状
態は得られず、ＮＦは６から７ｄＢという高い値となっ
ており、ＥＤＦＦＡでは、石英ファイバを用いたＥＤＦ
Ａほどには雑音特性の優れた増幅器は実現されていな
い。
【０００７】本発明の目的は、従来のＥＤＦＦＡの雑音
指数が高いという欠点を解決し、低雑音、高利得でかつ
利得がフラットな光増幅器および光増幅方法を提供する
ことである。
【０００８】
【発明を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明にもとづく光増幅方法は、エルビウムが添加
された光増幅媒体を用いる光増幅方法であって、前記光
増幅媒体はフッ化物ガラス、カルコゲナイドガラス、テ
ルライトガラス、ハライド結晶、および酸化鉛系ガラス
からなる群から選択される光増幅媒体からなり、前記光
増幅媒体に０．９６μｍ以上、０．９８μｍ未満の波長
を有する、少なくとも１つの励起光を入射し、エルビウ
ムを ４ Ｉ １５／２ 準位から ４ Ｉ １１／２ 準位へ、次い
で、 ４ Ｉ １１／２ 準位から ４ Ｆ ７／２ 準位ヘ励起する工
程と、前記 ４ Ｆ ７／２ 準位へと励起されたエルビウムが
４ Ｉ １３／２ 準位へと緩和される工程と、１．５５μｍ
帯の信号光を前記光増幅媒体入射し、エルビウムイオン
が ４ Ｉ １３／２ から ４ Ｉ １５／２ へ遷移することによっ
て前記信号光が増幅される工程とを備えることを特徴と
する。
【０００９】好ましくは、前記光増幅媒体は、ファイバ
形状を有する。また、好ましくは、前記励起光と前記信
号光とを、同方向から前記光増幅媒体に入射し、４Ｉ
１３／２準位を直接励起する第２の励起光をその反対方
向から入射する。
【００１０】上記目的を達成するため、本発明にもとづ
く光増幅器は、エルビウムが添加された光増幅媒体を有
し、１．５５μｍ帯の信号光を増幅するための光増幅器
であって、前記光増幅媒体はフッ化物ガラス、カルコゲ
ナイトガラス、テルライトガラス、ハライド結晶、およ
び酸化鉛系ガラスからなる群から選択される光増福媒体
からなり、０．９６μｍ以上、０．９８μｍ未満の発振
波長を有するエルビウム励起光源を少なくとも―つ備
え、前記エルビウムは前記励起光源によって、 ４ Ｉ
１５／２ 準位から ４ Ｉ １１／２ 準位へ、次いで、 ４ Ｉ
１１／２ 準位から ４ Ｆ ７／２ 準位へ励起されたのち、 ４
Ｉ １３／２ 準位へエネルギーが緩和することを特徴とす
る。
【００１１】好ましくは、前記光増幅媒体は、ファイバ
形状を有する。
【００１２】好ましくは、４Ｉ１３／２準位を直接励起
するための第２の励起光を発する第２の励起光源が、さ
らに設けられている。
【００１３】好ましくは、前記エルビウム励起光源は、
前記エルビウム励起光源から発せられる励起光と前記信
号光とが前記光増幅媒体に同方向から入射するように配
置され、前記第２の励起光源は、その反対方向から前記
光増幅媒体に前記第２の励起光を入射するように配置さ
れている。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の光増幅器および光増幅方
法は、Ｅｒの 4Ｉ11/2準位を励起するにあたり０．９６
μｍから０．９８μｍの間の波長の光を少なくとも一つ
用いることを主要な特徴とする。
【００１５】図に示すように、図１は、 4Ｉ15/2準位と
4Ｉ11/2準位との間の吸収断面積および誘導放出断面
と、波長との関係を示すグラフである。９８０ｎｍ付近
以上の波長域では、誘導放出断面積（破線）は吸収断面
積（実線）より大きくなる。従ってこの波長域で励起す
ると 4Ｉ15/2準位から 4Ｉ11/2準位への吸収遷移よりも
その逆の誘導放出遷移が強く起こり、 4Ｉ11/2準位は効
率よく励起されない。しかし、図から明らかなように、
９８０ｎｍよりも短い波長で励起すると 4Ｉ11/2準位へ
の励起は効率良く起こる。この際、一方では図２のＥｒ
エネルギー準位図に示すように、 4Ｉ11/2準位から 4Ｉ
7/2 準位へのｐｕｍｐ ＥＳＡ（励起状態吸収、ＥＳ
Ａ：Excited State Absorption）が起こり易くなるけれ
ども、図２に示すような 4Ｆ7/2 から 4Ｉ13/2に至る緩
和過程により最終的には 4Ｉ13/2準位の励起となる。
【００１６】図３は、Ｅｒ添加ＺｒＦ4 系フッ化物ファ
イバの励起スペクトル（信号利得の励起波長依存性）を
示す。このファイバののコア中へのＥｒ添加濃度は２０
０ｐｐｍであり、ファイバ長２５ｍ、カットオフ波長は
１μｍとした。また、信号波長を１５３０ｎｍ、入力強
度を−３０ｄＢｍ、さらに励起光強度を６０ｍＷとし
た。
【００１７】励起波長が９７０ｎｍのときに利得は最大
となる。しかし、従来より用いられている 4Ｉ11/2準位
の励起波長９８０ｎｍでは利得は負の値となり、利得は
得られないことがわかる。従って 4Ｉ11/2準位を励起し
て利得を得るには、９６０ｎｍから９８０ｎｍの間の波
長で９７０ｎｍ近傍の波長を用いることが有効であるこ
とがわかる。
【００１８】以下、実施例により詳細に説明する。
【００１９】（実施例１）本実施例では上述のファイバ
を用いて増幅特性を検証した。９７０ｎｍの波長の励起
光を用いて前方励起により増幅特性を測定した。入射信
号強度は−３０ｄＢｍであった。励起光強度が１３２ｍ
Ｗのとき１．５３μｍでの利得は３０ｄＢであり、ＮＦ
（雑音指数：Noise Figure）は４．５ｄＢであった。ま
た、１．５５μｍではＮＦは３．５ｄＢであった。上述
のファイバを１．４８μｍの励起光で励起した場合に
は、ＮＦは１．５５μｍにおいて５ｄＢ以上あったの
で、ＮＦの改善度は１．５ｄＢ以上あった。
【００２０】また、励起光の波長を９６０ｎｍから９７
８ｎｍの任意の波長としたときも、１．４８μｍで励起
した場合より、ＮＦは改善する（低下する）ことが確認
できた。
【００２１】また、９６０ｎｍから９８０ｎｍの間の２
つ以上の波長で励起した場合もＮＦは改善した。
【００２２】（実施例２）本実施例では１５３０ｎｍか
ら１５６０ｎｍの波長間の８波のＷＤＭ(Wavelength Di
vision Multiplexing)信号を入射してＮＦを測定した。
１波当りの信号光強度は−２０ｄＢｍであった。９７０
ｎｍの励起波長を用いて、総励起光量１５０ｍＷで双方
向励起した。その結果、１５３０ｎｍから１５６０ｎｍ
の波長間でＮＦが５ｄＢ以下になることが確認できた。
【００２３】（実施例３）本実施例では実施例２と同
様、ＷＤＭ信号を用いて増幅特性を評価した。励起法は
９６０ｎｍから９８０ｎｍの間の励起光を前方（信号光
と同方向）から入射し、１４８０ｎｍ帯の励起光を後方
から入射する双方向励起法を取った。励起光強度は前方
励起光が５０ｍＷ、後方励起光強度は１００ｍＷ〜１５
０ｍＷであった。ＮＦは１５３０ｎｍから１５６０ｎｍ
の間の波長で、５ｄＢ以下であり、信号波長の利得偏差
は２ｄＢ以下であった。
【００２４】（実施例４）以上の実施例では、ＺｒＦ4
系のフッ化物ファイバを増幅媒体として増幅特性の評価
を行ったが、ここではＩｎＦ3 系のフッ化物ファイバ、
カルコゲナイドガラス系のファイバ、ＴｅＯ2 系のファ
イバ、ＰｂＯ系のファイバをＥｒのホストとした増幅媒
体を用いて、実施例１〜３の内容の評価を行った。その
結果、５ｄＢ以下のＮＦを確認することができた。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来困難であったフッ化物ファイバのような赤外線透過
性のファイバをＥｒのホストとした場合でも、 ４ Ｆ
７／２ という高い準位からの緩和過程によって ４ Ｉ
１３／２ 準位の励起状態密度を向上させることができ、
および、こうして得られた ４ Ｉ １３／２ 準位と ４ Ｉ
１５／２ 準位間の良好な反転分布によって１．５５μｍ
帯の光信号を増幅することができるので、雑音指数の低
い、１．５５μｍ帯光増幅器を実現することができる。
その結果、本発明によれば、広帯域利得がフラットであ
り、かつ低雑音な特性を有する光増幅器が得られ、また
この光増幅器を通信システムに応用すれば伝送容量の増
大、システム構成の多様化が可能となり、光通信の普
及、低コスト等に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】4Ｉ15/2準位および 4Ｉ11/2準位間の吸収断面
積および誘導放出断面積スペクトル図である。
【図２】Ｅｒのエネルギー準位図である。
【図３】4Ｉ11/2準位励起の励起スペクトル図である。
フロントページの続き (72)発明者 須藤 昭一 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−283687（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−129683（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−318754（ＪＰ，Ａ) 特表 平６−508961（ＪＰ，Ａ) ＩＥＥＥ．Ｐｈｏｔｏ．Ｔｅｃｈ．Ｌ ｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２ Ｎｏ．９ （1990），ｐ．656−658 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 3/00 - 3/30 G02F 1/35 H04B 10/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】エルビウムが添加された光増幅媒体を用い
    る光増幅方法であって、 前記光増幅媒体はフッ化物ガラス、カルコゲナイドガラ
    ス、テルライトガラス、ハライド結晶、および酸化鉛系
    ガラスからなる群から選択される光増幅媒体からなり、前記光増幅媒体に ０．９６μｍ以上、０．９８μｍ未満
    の波長を有する、少なくとも１つの励起光を入射し、エ
    ルビウムを ４ Ｉ １５／２ 準位から ４ Ｉ １１／２ 準位へ、
    次いで、 ４ Ｉ １１／２ 準位から ４ Ｆ ７／２ 準位ヘ励起す
    る工程と、 前記 ４ Ｆ ７／２ 準位へと励起されたエルビウムが ４ Ｉ
    １３／２ 準位へと緩和される工程と、 １．５５μｍ帯の信号光を前記光増幅媒体入射し、エル
    ビウムイオンが ４ Ｉ １３／２ から ４ Ｉ １５／２ へ遷移す
    ることによって前記信号光が増幅される工程と を備える
    ことを特徴とする光増幅方法。
  2. 【請求項２】 前記光増幅媒体は、ファイバ形状を有す
    ることを特徴とする請求項１に記載の光増幅方法。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の光増幅方法で
    あって、 前記励起光と前記信号光とを、同方向から前記光増幅媒
    体に入射し、４ Ｉ１３／２準位を直接励起する第２の励起光をその反
    対方向から入射することを特徴とする光増幅方法。
  4. 【請求項４】エルビウムが添加された光増幅媒体を有
    し、１．５５μｍ帯の信号光を増幅するための光増幅器
    であって、 前記光増幅媒体はフッ化物ガラス、カルコゲナイトガラ
    ス、テルライトガラス、ハライド結晶、および酸化鉛系
    ガラスからなる群から選択される光増福媒体からなり、 ０．９６μｍ以上、０．９８μｍ未満の発振波長を有す
    るエルビウム励起光源を少なくとも―つ備え、前記エルビウムは前記励起光源によって、 ４ Ｉ １５／２
    準位から ４ Ｉ １１／２ 準位へ、次いで、 ４ Ｉ １１／２ 準
    位から ４ Ｆ ７／２ 準位へ励起されたのち、 ４ Ｉ １３／２
    準位へエネルギーが緩和する ことを特徴とする光増幅
    器。
  5. 【請求項５】 前記光増幅媒体は、ファイバ形状を有す
    ることを特徴とする請求項４に記載の光増幅器。
  6. 【請求項６】 ４Ｉ１３／２準位を直接励起するための
    第２の励起光を発する第２の励起光源が、さらに設けら
    れたことを特徴とする請求項４または５に記載の光増幅
    器。
  7. 【請求項７】 前記エルビウム励起光源は、前記エルビ
    ウム励起光源から発せられる励起光と前記信号光とが前
    記光増幅媒体に同方向から入射するように配置され、 前記第２の励起光源は、その反対方向から前記光増幅媒
    体に前記第２の励起光を入射するように配置されたこと
    を特徴とする請求項６に記載の光増幅器。
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