JP4703026B2

JP4703026B2 - 広帯域ａｓｅ光源

Info

Publication number: JP4703026B2
Application number: JP2001130426A
Authority: JP
Inventors: 弘美安島; 由紀子古堅; 裕介武井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: JP2002329907A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エルビウム添加光ファイバから発生される自然放出光を光源とする広帯域自然放出光光源に関するものであり、波長多重光通信システム、光計測等の光源として使用するのに適するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エルビウム添加光ファイバは、ある波長範囲の励起光を入射することにより、ある波長に対して大きな利得を得ることができる特性を有する。このため、利得を有する波長帯の信号光をエルビウム添加光ファイバ（以下ＥＤＦ）内に透過させることで、信号光の光強度を非常に大きくすることが可能であり、現在光増幅器として光通信の分野において広く利用されている。ＥＤＦに励起光を入射したとき、ＥＤＦは信号光の利得を発生させると共に自然放出光も発生する。発生した自然放出光は、利得の影響を受けて光出力が増大する。このようにして発生した光は、ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ光（以下、ＡＳＥ光）と呼ばれている。
【０００３】
ＥＤＦは、それ自身が持つ大きな利得によりＡＳＥ出力を出射することができ、広帯域光源として使用することが可能である。近年、通信容量の拡大に伴い、広い波長帯域を用いて、異なる波長を持つ光信号を多重し、送受信する波長多重光通信システムが盛んに検討されており、このような背景のもと、ＥＤＦのＡＳＥ光を用いた広帯域光源が、インコヒーレントなＷＤＭ用光源として、またＷＤＭシステム用光部品の試験用光源として使用されている。
【０００４】
通信容量を増大するため、光通信の利用波長帯域が拡大されつつある。これまで利用されてきた１５３０〜１５６０ｎｍ帯（１５５０ｎｍ帯）に加え１５７０〜１６１０ｎｍ帯（１５８０ｎｍ帯）も用いられるようになってきた。この波長帯域の拡大に伴い光通信用光コンポーネントは１５３０〜１６１０ｎｍ以上での動作が必要で、その損失波長特性を測定するためには、この波長帯域をカバーすると同時に測定ダイナミックレンジを広げるため高出力な広帯域光源が求められている。
【０００５】
図６は従来の広帯域ＡＳＥ光源の構成を示す図である（特開平１１−３３０５９３号公報）。エルビウム添加光ファイバ１０、第1、第２の励起光源２０ａ、２０ｂ、第１、第２の波長多重合波器３０ａ、３０ｂ，光出力ポート４０、無反射端５０からなる。
【０００６】
エルビウム添加光ファイバ１０の無反射端５０側及び光出力ポート４０側に励起光源２０ａ,２０ｂからの励起光を加え、ＥＤＦ１０は無反射端５０側で発生されたＡＳＥ光が光出力ポート４０側に至るまでに主に短波長成分が吸収されて長波長成分が残る長さあるいは吸収特性のものとし、この無反射端５０側からの励起光で発生されてＥＤＦ１０を伝播するＡＳＥ光と、光出力ポート４０側からの励起光で発生されたＡＳＥ光とを共に光出力ポート４０側から出力する構成である。ＥＤＦ１０の長さは３６０ｍで、励起光源２ａの光強度は１７０ｍＷ、励起光源２ｂは３４ｍＷである。
【０００７】
また、特開平１１−３３０５９３号公報には示されていないが、一般的に出力ポート４０の前段には偏波無依存型の光アイソレータが配置される。この光アイソレータの役目は、ＥＤＦ１０への反射戻り光を除去することにあり、反射戻り光による寄生発振、およびＡＳＥ光の多重反射による利得の低下を抑圧している。
【０００８】
図７は従来の広帯域ＡＳＥ光源のスペクトラム波形を示す図である。スペクトラム密度は−２０ｄＢｍ（１５３０〜１６１０ｎｍ）、−１２ｄＢｍ（１５５０〜１６００ｎｍ）である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６、図７に示す従来の広帯域ＡＳＥ光源はＡＳＥ出力帯域として１５３０〜１６１０ｎｍをカバーしているものの一方端が無反射端５０であるため、無反射端５０側に伝播するＡＳＥ光は、無反射端５０でＥＤＦ１０側には反射してこない構成となっており、出力ポート４０側のＡＳＥ光出力には寄与していなかった。無反射端５０側に伝播するＡＳＥ光をＥＤＦ内に戻して増幅するという考えが無かった。即ち高出力化については十分な検討がされていなかった。
【００１０】
１５６５〜１６１０ｎｍ帯（１５８０ｎｍ帯）のＡＳＥ出力強度は、１５３０〜１５６５ｎｍ帯（１５５０ｎｍ帯）の１０分の１程度であり、１５６５〜１６１０ｎｍ帯（１５８０ｎｍ帯）のＡＳＥ出力光強度を上げるために大きな励起光強度が必要となるため、従来技術では無反射端側の励起光強度１７０ｍＷ，出力ポート側のそれは３４ｍＷで、トータル２０４ｍＷとかなりハイパワーが必要であった。
【００１１】
またＥＤＦ長が３６０ｍと長く装置の小型化にも不向きであった。このように励起光源がハイパワーである事、およびＥＤＦ長が長いことは装置も高価になる欠点があった。
【００１２】
さらに従来技術ではスペクトラムを平坦化するために補償フィルタが必要であるという欠点があった。
【００１３】
本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、少ない励起光強度で高出力かつ小型、低価格な１５３０〜１６１０ｎｍ帯をカバーし、補償フィルタを用いないでスペクトラム平坦性を向上した広帯域ＡＳＥ光源を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、
エルビウム添加光ファイバの一方端に波長が９８０ｎｍ帯の励起光源と、光アイソレータを介して出力端子を接続すると共に、他方端に波長が９８０ｎｍ帯の励起光源と反射体を接続し、前記出力端子から１５５０ｎｍ帯と１５８０ｎｍ帯の光が出力されるＡＳＥ光源であって、前記エルビウム添加光ファイバはエルビウム添加濃度が１０００ｐｐｍ以上であり、前記一方端の励起光源は前記他方端の励起光源より光強度が大きく、前記他方端の励起光源の励起光は前記反射体で反射される１５８０ｎｍ帯のＡＳＥ光を増幅し、前記一方端の励起光源と前記他方端の励起光源の光強度の合計が１２０ｍＷであって、前記エルビウム添加光ファイバの長さが１２ｍ〜１８ｍに設定されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による広帯域ＡＳＥ光源について説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１の実施形態を示す構成図である。５のエルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）は希土類元素であるエルビウムが１０００ｐｐｍ以上添加された信号光の増幅作用がある石英系光ファイバで、今日最も多く用いられている光増幅用光ファイバであり、励起光を入射したときに一方端で発生する１５５０ｎｍ帯（第１の波長帯）のＡＳＥ光が他方端に伝播した時に１５８０ｎｍ帯（第2の波長帯）に変換される長さを有している。
【００１９】
４は光の合波器であり、光ファイバを融着延伸して作られている。３は励起光源である。６は反射体で光信号を反射するように誘電体多層膜で構成した全反射ミラーを光ファイバー端面に接着接続して構成したものである。２は光アイソレータで光信号を一方向のみ通過させるようにする働きをするもので、原理はファラデー回転子を用いたものである。
【００２０】
ＥＤＦ５の一方端には合波器４を介して半導体レーザーの励起光源３を接続し、ＥＤＦ５の他端には反射体６を接続し、合波器４の一端には光アイソレータ２を接続し、光アイソレータ２を通して出力端子１からＡＳＥ光を出力するようになっている。出力端子１からの反射光がＥＤＦ５に戻ってくるとＡＳＥ光が不安定になるが、光アイソレータ２によって出力端子１側からの反射光がＥＤＦ５内に戻らないようにする事でＡＳＥ光が不安定になるのを防ぐことができる。
【００２１】
励起光源３から出力された励起光はその波長が１４８０ｎｍ帯あるいは９８０ｎｍ帯であって合波器４を介してＥＤＦ５に導かれる。上記励起光源３からの励起光が入射すると、合波器４を接続したＥＤＦ５の一方端側の前半部分でまず１５５０ｎｍ帯（第一の波長帯）のＡＳＥ光が放出され、ＥＤＦ５の両側に伝播する。光アイソレータ２側に伝播したＡＳＥ光は１５５０ｎｍ帯であって光アイソレータ２を通過して出力端子１から出力される。さらに反射体６側に伝播する上記１５５０ｎｍ帯（第１の波長帯）のＡＳＥ光は、その途中のＥＤＦ５後半部分で吸収されることにより、他方端に伝播したときに１５８０ｎｍ帯（第２の波長帯）のＡＳＥ光になり、さらに１５８０ｎｍ帯ＡＳＥ光は反射体６で反射され、ＥＤＦ５内に戻ることで、ＥＤＦ５内で増幅されて出力端子１から出力される。この状態で出力端子１から１５５０ｎｍ帯と１５８０ｎｍ帯のＡＳＥ光が比較的平坦で合わさった状態で出力されるのである。
【００２２】
ＥＤＦを光増幅用ファイバとして用いた場合は、エルビウム添加濃度を高めることにより、光増幅器で使用するＥＤＦ長を短尺化することができ、ＥＤＦ製造における生産性の向上と光増幅器の小型化が可能となる。しかし、エルビウムの濃度を増加しすぎると励起状態にあるエルビウムイオン間の相互作用によりＡＳＥの出力が低下する。石英系光ファイバの場合、ＥＤＦのエルビウム濃度が１００ｐｐｍを超えるとこの現象（濃度消光と呼ぶ）が起こるが、アルミニウム（Ａｌ）を共添加することにより１０００ｐｐｍ程度のエルビウム添加濃度においても濃度消光は起こらない。またファイバを高ＮＡ構造にすることでエルビウム添加コア部の励起光強度の増加を図ると共に、励起光強度の弱い領域がコア部と重ならないため、高効率化が実現できる（参考文献：エルビウム添加光ファイバ増幅器、須藤昭一偏、オプトロニクス社、１４９−１５２ＰＰ）。
【００２３】
従来ＥＤＦのエルビウム添加濃度は２００ｐｐｍ〜４００ｐｐｍ程度であるため、１５５０ｎｍ帯ＡＳＥ光源を構成する場合のＥＤＦ長は１０ｍ〜２０ｍ必要であり、１５８０ｎｍ帯ＡＳＥを構成する場合には５０ｍ〜１００ｍ近く必要であった。本発明では、ＥＤＦ５のエルビウム添加濃度を１０００ｐｐｍ以上とすることで１５８０ｎｍ帯をカバーするＡＳＥ光源においてＥＤＦ長を１５５０ｎｍ帯並みの１０〜２０ｍあるいはそれ以下にすることができる。
【００２４】
今後エルビウム添加濃度をさらに高めることが出きれば、さらに装置の小型化が可能となる。たとえばエルビウム添加濃度５０００ｐｐｍのＥＤＦが濃度消光を起こさずに出来れば、本発明に使用するＥＤＦは長さ２ｍ〜４ｍになり、装置の更なる小型化が可能となる。
【００２５】
ここで本発明のＥＤＦ５は一方端で発生する１５５０ｎｍ帯（第１の波長帯）のＡＳＥ光が他方端に伝播したときに１５８０ｎｍ帯（第２の波長帯）に変換される長さとしてあるが、このような長さであるかどうかは、実際に上記第１の波長帯の光を入力することで確認できる。
【００２６】
図５（ａ）、図５（ｂ）は第１の波長帯のＡＳＥ光が第２の波長帯に変換されるエルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）の長さについて説明するものである。図５（ａ）は該ＥＤＦの一方端から１４８０ｎｍ帯励起光を入力したときに該ＥＤＦの他方端から出力されるＡＳＥスペクトラム波形をシミュレーションしたものである。ＥＤＦは希土類元素であるエルビウムが添加された信号光の増幅作用がある石英系光ファイバで、今日最も多く用いられている光増幅用光ファイバである。励起光強度１００ｍＷ、ＥＤＦ長を２０ｍから１５０ｍまで変化させると、ＥＤＦ長が２０ｍ〜３０ｍでは１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍの第１の波長帯を有するＡＳＥであるが、ＥＤＦ長を１００ｍにすると、１５４０ｎｍでのＡＳＥ出力は３０ｄＢ以上低下し、第２の波長帯である１５６５ｎｍ〜１６１０ｎｍ帯（１５８０ｎｍ帯）へ推移する。
【００２７】
この現象は次のように説明される。１４８０ｎｍ帯励起又は９８０ｎｍ帯励起により１５５０ｎｍ帯ＡＳＥがファイバ前半部分で発生する。この１５５０ｎｍ帯ＡＳＥがファイバ後半部分において吸収されることにより１５８０ｎｍ帯増幅が起こる。ファイバを長くしていくとＡＳＥの出力は１５５０ｎｍ帯から１５８０ｎｍ帯に推移する、この長さを変換される長さと呼ぶ（参考文献：小野他、１．５８μｍ帯Ｅｒ３＋添加光ファイバ増幅器の増幅特性、信学技報、ＯＳＣ９７−５、ｐｐ２５−３０、１９９７）。
【００２８】
また図５（ｂ）はＥＤＦの一方端から１４８０ｎｍ帯励起光を入力したときに該ＥＤＦの一方端から出力されるＡＳＥスペクトラム波形をシミュレーションしたもので、励起光強度１００ｍＷ、ＥＤＦ長を２０ｍ〜１５０ｍまで変化させても１５３０〜１５６５ｎｍ帯ＡＳＥはそのまま残り、１５８０ｎｍ帯への推移は見られない。
【００２９】
これらからアルミニウムを共添加したエルビウム高濃度のＥＤＦを選択し、ＥＤＦ長を最適化した本発明の構成にすれば、高出力、小型、低価格な広帯域ＡＳＥ光源が実現できる。
【００３０】
図２は本発明の第２の実施形態である。
【００３１】
図１と同様に構成した装置で、反射体６側のＥＤＦ５端に光合波器７を介して第２の励起光源８を接続したものである。励起光源８はその波長が１４８０ｎｍ帯あるいは９８０ｎｍ帯の物である。高出力ＡＳＥを得るためには励起光源３、および励起光源８の光強度は大きいほうが良いが、スペクトラム密度を平坦化する場合には、ＥＤＦ５の一方端側励起光源３の光強度は他方端側の励起光源８より大きくすることが好ましい。なぜなら励起光源８は主に、反射体６で反射される１５８０ｎｍ帯ＡＳＥの増幅に寄与し、反射体があるために１５８０ｎｍ帯ＡＳＥを効率よく増幅するからである。
【００３２】
従って励起光源３及び励起光源８の光強度比を適切に選択することでＡＳＥスペクトラム密度を平坦化できる。
【００３３】
【実施例】
本発明の広帯域ＡＳＥ光源の第１実施例として図１に示したＡＳＥ光源の試作を行った。各部品と構成について以下に説明する。
【００３４】
図３（ａ）、図３（ｂ）は図１に示す実施形態のＡＳＥ光源における試作結果である。励起光源３は波長１４８０ｎｍで励起出力を図３（ａ）では１１０ｍＷ，図３（ｂ）では１３０ｍＷとした。ＥＤＦ５は市販されている石英系のエルビウム添加光ファイバを用い、ＥＤＦはエルビウム濃度１２００ｐｐｍ、ＥＤＦ長は１３．５〜１８ｍまで確認した。反射体の反射率は９０％である。
【００３５】
従来技術と動作波長帯域はほぼ同じであるが、励起強度を上げる（１１０ｍＷ〜１３０ｍＷへ）と長波長側（１５７０〜１６１０ｎｍ）の出力が増加すると同時にＡＳＥ光強度も増加する。ＥＤＦ長が短いと短波長側のＡＳＥ出力が低下し、ＥＤＦ長を長くすると長波長側ＡＳＥ出力が低下する。最適なＥＤＦ長は励起光強度１１０ｍＷの時１３.５ｍ、励起光強度１３０ｍＷの時１５ｍ程度である。
【００３６】
ＡＳＥ出力光スペクトラム密度は従来技術では−２０ｄＢｍ（１５３０〜１６１０ｎｍ）、−１２ｄＢｍ（１５５０〜１６００ｎｍ）であるが、本発明の図３（ｂ）では−１２ｄＢｍ（１５３０〜１６１０ｎｍ）、−７ｄＢｍ（１５５０〜１６００ｎｍ）と高出力である。しかも励起光強度は従来比１３０ｍＷ／２０４ｍＷ（≒５４％）に押さえることができる。ＥＤＦ長は従来比１５ｍ／３６０ｍ（≒４％）に改善でき、１５３０〜１６００ｎｍ波長帯域におけるスペクトラム平坦性（スペクトラムにおける最大出力値と最小出力値の差）が１５ｄＢ以下となる。
【００３７】
これらにより、反射体を使うこと及び、エルビウム高濃度ＥＤＦを使用することで高出力、ＥＤＦが短く小型な、かつＥＤＦ長が短いため低価格化な広帯域ＡＳＥ光源が開発できた。
【００３８】
また本発明の広帯域ＡＳＥ光源の第２実施例として図２に示したＡＳＥ光源の試作を行った。各部品と構成について以下に説明する。図４は図２に示す実施形態のＡＳＥ光源における試作結果である。励起光源３及び励起光源８は波長９８０ｎｍで励起光源３および励起光源８の励起出力を合わせたトータルパワーを１２０ｍＷ、その他は実施形態１と同じ物である。
【００３９】
上記状態でＡＳＥスペクトラム密度が平坦になるようＥＤＦ長と励起光強度比を最適に調整した。ファイバ長は１２ｍ〜１８ｍまで変化させたところ、ファイバが１８ｍのとき励起光源８および励起光源３の光強度はそれぞれ４８ｍＷおよび７２０ｍＷであった。ファイバ長を短くすると励起光源３の光強度はさらに大きいほうがよく、ＡＳＥ出力も大きくなることがわかった。
【００４０】
たとえばＥＤＦ長１６ｍの時、励起光源８は４１ｍＷ、励起光源３は７９ｍＷでＡＳＥ出力強度１４．４ｄＢｍであった。このときスペクトラム密度は−１０ｄＢｍ／ｎｍ（１５２８〜１６１０ｎｍ）で、スペクトラム平坦性は７ｄＢと従来に比べかなりよくなっている。
【００４１】
以上から本方式ではスペクトラムの平坦性が改善できる、このとき励起光源３の光強度は励起光源８のそれより大きいことを確認した。
【００４２】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、エルビウム添加光ファイバの一方端に励起光源と、光アイソレータを介して出力端子を接続すると共に、他方端に反射体を接続したＡＳＥ光源であって、前記エルビウム添加光ファイバはエルビウム添加濃度が１０００ｐｐｍ以上であり、かつ一方端側で発生する第１の光波長帯を有するＡＳＥ光が他方端に伝播した時に第２の光波長帯に変換される長さとすることで、低い励起パワーと短い希土類添加ファイバで１５３０〜１６００ｎｍ波長帯域におけるスペクトラム平坦性に優れた、高出力な広帯域ＡＳＥを得ることができ、小型、低価格化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における広帯域ＡＳＥ光源の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明における広帯域ＡＳＥ光源の第２の実施形態を示す構成図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は本発明における第１の実施形態のＡＳＥスペクトラムを示す実験結果である。
【図４】本発明における第２の実施形態のＡＳＥスペクトラムを示す実験結果である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は第１の波長帯のＡＳＥ光が第２の波長帯に変換されるエルビウム添加光ファイバの長さを説明するための図である。
【図６】従来のＡＳＥ光源を示す図である。
【図７】従来のＡＳＥ光源のＡＳＥスペクトラムを示す図である。
【符号の説明】
１：出力端子
２：光アイソレータ
３：励起光源
４：合波器
５：エルビウム添加光ファイバ
６：反射体
７：合波器
８：励起光源

Claims

エルビウム添加光ファイバの一方端に波長が９８０ｎｍ帯の励起光源と、光アイソレータを介して出力端子を接続すると共に、他方端に波長が９８０ｎｍ帯の励起光源と反射体を接続し、前記出力端子から１５５０ｎｍ帯と１５８０ｎｍ帯の光が出力されるＡＳＥ光源であって、前記エルビウム添加光ファイバはエルビウム添加濃度が１０００ｐｐｍ以上であり、前記一方端の励起光源は前記他方端の励起光源より光強度が大きく、前記他方端の励起光源の励起光は前記反射体で反射される１５８０ｎｍ帯のＡＳＥ光を増幅し、前記一方端の励起光源と前記他方端の励起光源の光強度の合計が１２０ｍＷであって、前記エルビウム添加光ファイバの長さが１２ｍ〜１８ｍに設定されていることを特徴とする広帯域ＡＳＥ光源。