JP3316660B2 - 光増幅器およびレーザ装置 - Google Patents
光増幅器およびレーザ装置Info
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
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- H01S3/17—Solid materials amorphous, e.g. glass
- H01S3/177—Solid materials amorphous, e.g. glass telluride glass
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- Lasers (AREA)
- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
- Glass Compositions (AREA)
Description
れを用いた光増幅器およびレーザ装置に関し、特に1.
6μmから1.7μmの波長域でも動作可能な広帯域光
増幅媒体ならびにこれを用いた光増幅器およびレーザ装
置に関する。
信号光の他にシステムを保守、監視するための光が必要
になる。例えば、1.55μm帯の光通信システムには
1.6μmから1.7μmの波長帯の光による保守、監
視が考えられており、そのため、この波長帯の光源や光
ファイバ増幅器の開発が望まれている。
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
した光ファイバ増幅器、Er(エルビウム)添加光ファ
イバ増幅器(EDFA)の研究開発が進められ、光通信
システムへの応用が盛んに進められている。
化に対応するため伝送容量の拡大を図る波長多重を利用
した光通信方式の研究が行われている。この波長多重伝
送方式に使用されるEDFAに要求される特性は、先
ず、信号波長による増幅利得の変動が小さいことであ
る。これは、EDFAにより多段に中継増幅されると信
号間の強度レベル差が付き、使用している全波長に渡り
均一な特性の伝送ができなくなるためである。従って、
現在、利得が波長に対してフラットなEDFAの研究が
進められている。
波長依存性が急峻であり(利得の凹凸が激しく)、これ
を補正するために、EDFA内にフィルタ等を挿入して
利得をフラットにしている。しかし、利得がフラットに
なる波長幅は10nm程度という狭いものである。
性を持つものとしてEr添加フッ化物ファイバが知られ
ている。しかし、これとても利得がフラットな波長幅は
30nm程度に限られている。
つEDFAが実現されれば使用できる信号波長が広げら
れ伝送容量の格段の向上が期待できるため、そのような
EDFAの実現が望まれている。
光源が開始されれば、それを波長多重伝送の光源として
利用でき、やはり通信容量の増大に応用することができ
るため、そのようなEDFAの実現が望まれている。
でのところ1.6μmから1.7μmの波長帯域で動作
する光ファイバ増幅器はない。
帯域が広く1.6μmから1.7μmの波長帯域まで動
作する光増幅媒体ならびにこれを用いた光増幅器および
レーザ装置を提供することを目的とする。
長域でしかフラットにならないEDFAの特性を改良
し、高い量子効率、低雑音で幅広い波長域で増幅利得が
フラットになるEDFAを提供することである。
長でしかフラットにならないEDFAの特性を改良し、
幅広い波長域で増幅利得がフラットになるEDFAおよ
び高帯域チューナブルレーザを提供することである。
明の第1の態様は、コアが少なくともエルビウムが添加
されたガラスで形成された光ファイバからなる光増幅媒
体、該光増幅媒体を励起するための励起光源、および該
励起光源からの励起光と信号光とを前記光増幅媒体に入
力する入力手段を備えた光増幅器であって、前記光増幅
媒体は、コアがホウ素、リンおよび水酸基よりなる群か
ら選択される少なくとも1種が添加され、B−O結合、
P−O結合またはO−H結合の少なくとも1種の結合を
有する、少なくともエルビウムが添加された酸化テルラ
イト系ガラスである光ファイバからなり、そして前記励
起光源は前記エルビウムの4I11/2準位を直接励起
する0.98μm付近の光を放射し得る励起光源からな
る、ことを特徴とする光増幅器である。
エルビウムを添加したガラスで形成された光ファイバか
らなる複数の光増幅媒体を直列に配置した光増幅器であ
って、前記複数の光増幅媒体の少なくとも1つが前記第
1の態様に記載の光増幅媒体からなることを特徴とする
光増幅器にある。
エルビウムが添加されたガラスで形成された光ファイバ
からなる光増幅媒体を少なくとも一部に有する光共振
器、および前記光増幅媒体を励起する励起光源を具備す
るレーザ装置であって、前記光増幅媒体が、前記第1の
態様に記載の光増幅媒体からなり、前記励起光源が前記
第1の態様に記載の励起光源からなることを特徴とする
レーザ装置にある。
エルビウムを添加したガラスで形成された光ファイバか
らなる複数の光増幅媒体を直列に配置したレーザ装置で
あって、前記複数の光増幅媒体の少なくとも1つが前記
第1の態様に記載の光増幅媒体からなることを特徴とす
るレーザ装置にある。
テルライド系ガラスを用いた光ファイバを光増幅媒体と
して用い、Erの 4I13/2準位から 4I15/2準位への誘
導放出遷移を利用することを最も主要な特徴とする。図
6はEr3+イオンのエネルギ準位図であり、上準位 4I
13/2から規定状態と同じ下準位 4I15/2への遷移により
発光することを示している。
3+の 4I13/2→ 4I15/2の発光およびフッ化物ガラス中
のEr3+の 4I13/2→ 4I15/2の発光を比較したもので
ある。
化物ガラス中では他のガラス、例えば、石英ガラス中な
どよりも幅広い 4I13/2→ 4I15/2発光帯を有すること
が知られている。しかし、図7からわかるように、1.
6μmより長波長には発光は持たずErはフッ化物ガラ
ス中に在っても1.6μm以上の長波長での光増幅やレ
ーザ発振は困難である。
に添加されると他のガラス中よりも強い電場を受け、そ
の結果、 4I13/2や 4I15/2準位等の受けるスターク効
果による準位拡がりが大きくなり、より長波長域でも誘
導放出断面積を持ち、図7で見られるように1.65μ
m以上の長波長でも蛍光が存在する。
酸化テルライド系ガラスファイバを光増幅媒体とすれ
ば、Er添加石英ファイバやEr添加フッ化物ファイバ
では実現できなかった1.6μmから1.7μmにかけ
ての光増幅やレーザ発振が可能になる。酸化テルライド
系ガラスがホウ素、リンまたは水酸基のうち少なくとも
1種を含むと、0.98μm励起した場合も利得係数向
上および雑音指数が改善される。すなわち、B−O,P
−O,O−Hの振動エネルギは、それぞれ約1400c
m-1、1200cm-1、3700cm-1であり、これら
を含まない酸化テルライドガラスのフォノンエネルギー
は600〜700cm-1であるので、倍以上大きくな
る。このため、波長0.98μm付近の光でErの 4I
11/2準位を直接励起して 4I13/2→ 4I15/2遷移による
1.5μmの光増幅を起こすと多音子放出による緩和を
受け易く量子効率の低下が少ないため、 4I13/2準位の
励起効率が低下しにくいからである(図7)。また、 4
I11/2準位から 4I13/2準位への緩和が起き易いと 4I
13/2準位を1.48μm付近の光で直接励起するよりも
4I11/2準位を励起したのち 4I13/2準位を励起した方
が 4I13/2準位および 4I15/2準位間の反転分布が得易
く、従って雑音特性も優れるからである。
に説明する。
a2 O(6モル%)−ZnO(15.5モル%)−Bi
2 O3 (1.5モル%)ガラスをコア材としてErを1
000ppm添加し、TeO2 (75モル%)−Na2
O(5モル%)−ZnO(20モル%)ガラスをクラッ
ド材とし、カットオフ波長0.95μm、コア・クラッ
ド屈折率差2%の光ファイバを形成し、これを光増幅媒
体とした。この光増幅媒体を用い、1.6μmから1.
7μmの波長帯の光増幅器を作成し、増幅実験を行っ
た。励起波長として0.98μmを選び、1.6μmか
ら1.7μm帯の信号光源としてDFBレーザを用い
た。
源1および励起光源2は光カップラ3を介して増幅用光
ファイバ4の一端に接続され、増幅用光ファイバ4の他
端には光アイソレータ5が接続されている。なお、各部
品の接続は光ファイバ6で行われている。
り、1.6μmから1.7μmの間の波長で増幅利得を
得ることができた。
すチューナブルな狭帯域バンドパスフィルタを挿入した
リングレーザを構成した。かかるリングレーザは、図1
の信号光源1の代りに、光アイソレータ5の出力側を光
カップラ3に接続してリング状の光共振器を形成し、こ
のリング状光共振器の途中に狭帯域バンドパスフィルタ
7を挿入したものである。そして、狭帯域バンドパスフ
ィルタ7の透過域を1.6μmから1.7μmの間で変
動させ、励起光源2から光を入射してレーザ発振実験を
行った。その結果、出力端8から上記波長帯でのレーザ
発振を確認することができた。
μmを使い、 4I11/2準位を励起したが、1.48μm
帯の波長を用い 4I13/2準位を直接励起しても良いこと
は言うまでもない。また、0.98μmより短波長の光
で 4I11/2準位よりエネルギの高い準位を励起しても良
い。
い、1.5μm帯の光増幅実験を行った。励起波長は
0.98μmであった。その結果、短波長域では、通常
のEr添加ファイバ増幅幅では利得の得られない1.4
7μmでも利得が確認できた。これにより、波長幅にし
て160nm以上の広い領域で利得が得られることが確
認できた。
を共添加したガラスをコアとした以外は実施例1と同様
な光ファイバを作製し、光増幅媒体とした。
施例2の構成で、光増幅実験およびレーザ発振実験を行
った。励起波長として1.029μm(Yb添加YAG
レーザ)、1.047μm(Nd添加YLFレーザ)、
1.053μm(Nd添加YAGレーザ)、1.064
(Nd添加YAGレーザ)等を使った。このようにYb
をErと共添加した場合、YbからErへのエネルギ移
動を利得することにより、上述したような波長で励起し
ても1.6μmから1.7μmの間でのレーザ発振およ
び1.5μm帯の広帯域光増幅を確認することができ
た。
一例を示したが、本発明はこれに限定されるものではな
い。たとえば、Cs2 O,Rb2 O,K2 O,Na2
O,Li2 O,BaO,SrO,CaO,MgO,Be
O,La2 O3 ,Y2 O3 ,Sc2 O3 ,Al2 O3 ,
ThO2 ,HfO2 ,ZrO2 ,TiO2 ,Ta2
O5,Nb2 O5 ,WO3 ,Tl2 O,CdO,Zn
O,PbO,In2 O3 ,Ga2 O3 ,Bi2 O3 のい
ずれかひとつ以上をTeO2 とともに含むガラスであっ
てもよい(参照:ガラスハンドブック(第8編)、作花
済夫他編集、朝倉書店、昭和50年発行)。また、Er
またはErおよびYbは、コアのみでなく、クラッドに
も添加してもよい。
と、この光増幅媒体を励起する励起光源と、信号光の入
力および出力手段を有するものであれば上述した構成に
限定されるものではない。
れた光共振器の途中に本発明の光増幅媒体を挿入し、さ
らに、この光増幅媒体を励起する励起光源を有するもの
であれば、特に限定されるものではない。
000ppmをコアに添加したファイバ4mを用いて
1.5μm帯の増幅特性を測定した。コアガラス組成を
TeO2 (75モル%)−ZnO(13モル%)−Na
2 O(3モル%)−Bi2 O3 (4モル%)−P2 O5
(5モル%)としてリンを添加し、クラッドガラス組成
をTeO2 (75モル%)−Na2 O(5モル%)−Z
nO(20モル%)とした。コア・クラッド屈折率差は
2%であり、カットオフ波長を0.96μmとした。
0.98μmの光(光源は半導体レーザ)を励起光とし
て1.5μm帯の小信号利得を測定したところ、リンを
添加しないものに比較し利得効率は5倍増加して2dB
/mWに達した。また、入力信号レベルを0dBmとし
て飽和領域での利得スペクトルを測定したところ、15
30nmから1600nmまでの70mm幅で利得がフ
ラットになった(励起強度は100mWであった)。こ
のようにコアガラスとしてリンを添加することにより、
利得係数および雑音指数が大幅に改善した。
7dBであったが、リンを添加することにより4dBに
低下した。
ても利得係数および雑音指数の改善が確認できた。
nO(13モル%)−Na2 O(6モル%)−Bi2 O
3 (4モル%)をコアガラスとしてこれにOH基を50
00ppm、Erを1000ppm添加したところ、利
得係数はOH基を添加しないときと比較して3倍増加す
ることが確認できた。
程度が低いのはOH基の振動エネルギーが3700cm
-1という大きな値を持つため、増幅の始準位である 4I
13/2準位もわずかに多音子放出により緩和されるためで
ある。
ラスとしてTeO2 −ZnO−Na2 O−Bi2O3 系
ガラスを用いてホウ素、リン、OH基の添加効果を示し
た。しかし、それら元素の添加効果が現れるのは上記の
酸化テルライドガラスだけではない。例えば、TeO2
−BaO−Na2 O系、TeO2 −BaO−K2 O系、
TeO2 −BaO−CaO系、TeO2 −BaO−Sr
O系、TeO2 −SrO−CaO系、TeO2 −Li2
O−Na2 O系、TeO2 −Li2 O−K2 O系、Te
O2−Li2 O−BaO−CaO−SrO系、TeO2
−La2 O3 −Li2 O−K2 O−N2 O系、TeO2
−La2 O3 −BaO−SrO系、TeO2 −MgO−
K2 O−Li2 O−N 2O系、TeO2 −MgO−Ba
O−SiO−CaO系、TeO2 −MgO−La2 O3
−Al2 O3 系、TeO2 −ThO2 −K2 O−Li2
O−Na2 O系、TeO2 −ThO2 −BaO−SrO
系、TeO2 −ThO2 −MgO−BeO系、TeO2
−ThO2 −La2 O3 −Al2 O3 系、TeO2 −B
eO−K2 O−Li2 O−N2 O系、TeO2 −BeO
−MgO−CaO−BaO−SrO系、TeO2 −Be
O−La2 O3 −Al2 O3 系、TeO2 −TiO2 −
Li2 O−Na2 O−K2 O系、TeO2 −TiO2 −
BaO−SiO系、TeO2 −TiO2 −La2 O3 −
Al2 O3 系、TeO2 −TiO2 −ThO2 系、Te
O2 −Ta2 O5 −Li2 O−Na2 O−K2 O系、T
eO2 −Ta2 O5 −BaO−SrO系、TeO2 −N
b2 O5 −Li2 O−Na2 O−K2 O系、TeO2 −
Nb2 O5 −BaO−CaO−SrO系、TeO2 −N
b2 O5 −MgO−BeO系、TeO2 −Nb2 O5 −
La2 O3 −Al2 O3 系、TeO2 −Nb2 O5 −T
hO2 −TiO2 系、TeO2 −WO3 −K2 O−Li
2 O−Na2 O系、TeO2 −WO3 −BaO−CaO
−SrO系、TeO2 −WO3 −MgO−BeO系、T
eO2 −WO3 −La2 O3 −Al2 O3 系、TeO2
−WO3 −ThO2 −TiO2 系、TeO2 −WO3 −
Ta2 O5 −Nb2 O5 系ガラスまたは上記ガラスの2
種類以上の混合ガラスに添加しても0.98μm励起し
た場合の利得係数向上および雑音指数の改善が確認でき
た。
り、11,11′は励起用半導体レーザ(波長:148
0nm)、12,12′は信号光と励起光とを結合させ
る光カップラー、13,15は増幅用光ファイバ、14
は光アイソレータであり、信号光はAのポートより入射
したのちBのポートより出射する構成となっている。
0ppm添加したZrF4 系のフッ化物ファイバ(Ka
namori et al. Proceeding
of9th International Synpo
sium on Non−Oxide Glasse
s,P.74,1994)を用い、15の増幅用ファイ
バとしてErを1000ppm添加したTeO2 −Na
2 O−ZrO−Bi2O3 系の酸化テルライドファイバ
を用いた。
折率差は2.5%であり、カットオフ波長は1.35μ
m、ファイバ長はそれぞれ10m、および7mであっ
た。11,11′の励起用半導体レーザの出力光強度を
150mWとして1.5μm帯の利得スペクトルを測定
した。
ある。1530nmから1600nmまでの70nm幅
で利得が30dB近くの値を持ちフラットになっている
ことがわかる。従ってこの波長帯でゲインチルトも小さ
く抑えられることになる。Er添加フッ化物ファイバを
用いた場合の利得がフラットになる波長幅は1530n
mから1560nmの30nmであるので、利得がフラ
ットになる波長幅は2倍以上に広がった。またEr添加
石英ファイバの場合は、フラットな波長幅はたかだか1
0nmであるので、7倍にも広がったことになる。
物ファイバを前段に用い、Er添加酸化テルライドファ
イバを後段に使用したが、この逆でも良いし、InF3
系のフッ化物ファイバでも良い。また、Er添加酸化物
多成分ガラスファイバを増幅用ファイバに加えても良
い。要するに、増幅用光ファイバのひとつとしてEr添
加酸化テルライドファイバを用いることが重要である。
ては本実施例で使用されたものに限定されるものではな
い。
は、前方励起、後方励起、双方向励起のいずれかを取っ
ても良いことは言うまでもない。
り、実施例1で用いた増幅用ファイバ13,15を直列
に波長可変バンドパスフィルタ17(バンド幅3nm)
を介して接続し、16の1480nmで透過率が99
%、1530nmから1630nmで反射率が100%
のミラーを設け、また、他端に1530nmから163
0nmで透過率20%のミラー18を設けてレーザ発振
を行った。その結果、1530nmから1630nmの
広い範囲でレーザ発振を確認することができ、1.5μ
mで使用できる高帯域チューナブルレーザとして使用で
きることがわかった。
体を用いれば、これまで光ファイバ増幅器では不可能で
あった1.6μmから1.7μmにかけての光増幅器や
レーザ装置の構成が可能になり、1.55μm帯の光通
信システムに用いられる保守・監視システムの高性能化
が達成でき、光通信システムの安定な運用が可能にな
る。
ば、フェムト秒のような短光パルスも効率良く増幅する
こともできるし、波長多重光伝送システム中に用いる光
増幅器としても有効である。
ァイバ増幅器において0.98μm励起による利得係数
が大幅に改善でき、従来のEr添加酸化テルライド光フ
ァイバ増幅器で実現できなかった高効率、低雑音の特性
を達成することができる。
ルライド光ファイバ増幅器のもつ高帯域性を合わせると
波長多重光伝送システムや光CATVシステムの高性能
化を進めることができ、その結果、それらシステムを用
いたサービスの高度化、経済かに大きく寄与できるとい
う利点がある。
送システムで利用すれば伝送容量の格段の増大が期待で
き、情報通信の低コスト化に寄与できる。また、光CA
TVシステムにおいて、そのゲインチルトが小さい特性
を利用して使用すれば、従来は困難であった波長多重に
よる高品質な映像の分配や中継が可能となり、やはり光
CATVの低コスト化が達成できるという大きなメリッ
トがある。さらに、レーザ光源として応用すれば各種波
長多重光伝送システムの低コスト化や光計測の高性能化
に寄与できる。
である。
4I15/2発光スペクトルを表す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 コアが少なくともエルビウムが添加され
たガラスで形成された光ファイバからなる光増幅媒体、
該光増幅媒体を励起するための励起光源、および該励起
光源からの励起光と信号光とを前記光増幅媒体に入力す
る入力手段を備えた光増幅器であって、 前記光増幅媒体は、コアが、ホウ素、リンおよび水酸基
よりなる群から選択される少なくとも1種が添加され、
B−O結合、P−O結合またはO−H結合の少なくとも
1種の結合を有する、少なくともエルビウムが添加され
た酸化テルライト系ガラスである光ファイバからなり、
そして前記励起光源は前記エルビウムの4I11/2準
位を直接励起する0.98μm付近の光を放射し得る励
起光源からなる、 ことを特徴とする光増幅器。 - 【請求項2】 コアが少なくともエルビウムを添加した
ガラスで形成された光ファイバからなる複数の光増幅媒
体を直列に配置した光増幅器であって、前記複数の光増
幅媒体の少なくとも1つが、コアが、ホウ素、リンおよ
び水酸基よりなる群から選択される少なくとも1種が添
加され、B−O結合、P−O結合またはO−H結合の少
なくとも1種の結合を有する、少なくともエルビウムが
添加された酸化テルライト系ガラスである光ファイバか
らなり、0.98μmの励起光によって直接励起される
光増幅媒体であることを特徴とする光増幅器。 - 【請求項3】 コアが少なくともエルビウムが添加され
たガラスで形成された光ファイバからなる光増幅媒体を
少なくとも一部に有する光共振器、および前記光増幅媒
体を励起する励起光源を具備するレーザ装置であって、 前記光増幅媒体は、コアが、ホウ素、リンおよび水酸基
よりなる群から選択される少なくとも1種が添加され、
B−O結合、P−O結合またはO−H結合の少なくとも
1種の結合を有する、少なくともエルビウムが添加され
た酸化テルライト系ガラスである光ファイバからなり、
そして前記励起光源は前記エルビウムの4I11/2準
位を直接励起する0.98μm付近の光を放射し得る励
起光源からなる、 ことを特徴とするレーザ装置。 - 【請求項4】 コアが少なくともエルビウムを添加した
ガラスで形成された光ファイバからなる複数の光増幅媒
体を直列に配置したレーザ装置であって、前記複数の光
増幅媒体の少なくとも1つが、コアが、ホウ素、リンお
よび水酸基よりなる群から選択される少なくとも1種が
添加され、B−O結合、P−O結合またはO−H結合の
少なくとも1種の結合を有する、少なくともエルビウム
が添加された酸化テルライト系ガラスである光ファイバ
からなり、0.98μmの励起光によって直接励起され
る光増幅媒体であることを特徴とするレーザ装置。
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