(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エルビウムドープファイバを用いた複数波長の光信号を一括して増幅する光増幅器であって、
前記エルビウムドープファイバの光導波部を、エルビウムとゲルマニウムがドープされた中心部を成す第１のガラス材料層と、前記第１のガラス材料層の外側にエルビウムとアルミニウムがドープされた第２のガラス材料層で形成し、
それぞれ０．９８μｍ、１．４８μｍの励起波長帯の第１、第２の励起光を出力する励起光源を有し、
前記励起光源より出力される第１、第２の励起光を、それぞれ独立に励起光パワーを制御可能に、前記エルビウムドープファイバに供給する ように構成されたことを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載の光増幅器において、
前記ゲルマニウムがドープされた中心部を成す第１のガラス材料層をＧｅＯ２−ＳｉＯ２ガラスとし、前記アルミニウムがドープされた第２のガラス材料層をＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２ガラスとしたことを特徴とする光増幅器。
【請求項３】
請求項１に記載の光増幅器において、
前記ゲルマニウムがドープされた中心部を成す第１のガラス材料層をＧｅＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２ガラスとし、前記アルミニウムがドープされた第２のガラス材料層をＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２ガラスとしたことを特徴とする光増幅器。
【請求項４】
タンデムに接続された、それぞれエルビウムドープファイバを有する第１の光増幅器と第２の光増幅器を有し、
前記第１の光増幅器は、前記エルビウムドープファイバの光導波部が、エルビウムとゲルマニウムがドープされた中心部を成す第１のガラス材料層と、前記第１のガラス材料層の外側にエルビウムとアルミニウムがドープされた第２のガラス材料層で形成し、それぞれ０．９８μｍ、１．４８μｍの励起波長帯の第１、第２の励起光を出力する励起光源を有し、前記励起光源より出力される第１、第２の励起光を、それぞれ独立に励起光パワーを制御可能に、前記エルビウムドープファイバに供給するように構成し、前記ゲルマニウムがドープされた中心部を成す第１のガラス材料層をＧｅＯ２−ＳｉＯ２ガラスとし、前記アルミニウムがドープされた第２のガラス材料層をＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２ガラスとする光増幅器であって、
前記第２の光増幅器は、Ａｌ２Ｏ３−ＧｅＯ２−ＳｉＯ２ガラスのエルビウムドープファイバによる光増幅器である
ことを特徴とする光増幅器。
【請求項５】
タンデムに接続された、それぞれエルビウムドープファイバを有する第１の光増幅器と第２の光増幅器を有し、
前記第１の光増幅器は、前記エルビウムドープファイバの光導波部が、エルビウムとゲルマニウムがドープされた中心部を成す第１のガラス材料層と、前記第１のガラス材料層の外側にエルビウムとアルミニウムがドープされた第２のガラス材料層で形成され、それぞれ０．９８μｍ、１．４８μｍの励起波長帯の第１、第２の励起光を出力する第１、第２の励起光源を有し、前記第１、第２の励起光源より出力される第１、第２の励起光を、それぞれ独立に励起光パワーを制御可能に、前記エルビウムドープファイバに供給するように構成され、前記ゲルマニウムがドープされた中心部を成す第１のガラス材料層をＧｅＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２ガラスとし、前記アルミニウムがドープされた第２のガラス材料層をＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２ガラスとする光増幅器であって、
前記第２の光増幅器は、ＧｅＯ２−ＳｉＯ２ガラスのエルビウムドープファイバによる光増幅器である
ことを特徴とする光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エルビウム（Ｅｒ）をドープした光ファイバによる光増幅器、特に複数の波長信号を一括して増幅する多波長一括光増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エルビウム（Ｅｒ）をドープした光ファイバによる光増幅器が光通信に採用され、更に近年光通信システムの大容量化に対応として、複数波長の信号を一括して増幅することの開発が進められている。かかる複数波長の信号を一括して増幅により、エルビウムドープファイバを用いた光増幅器を単一で済ませることが可能であり、経済的利点が大きい。
【０００３】
しかし、このような多波長一括光増幅器に対する課題として個々の信号光出力の利得制御性がある。利得制御の手法として先に本発明者等により０．９８μｍと１．４８μｍの２波長励起の方法が提案されている（例えば、電子通信学会予稿集論文「０．９８μｍと１．４８μｍ帯両波長励起によるＥＤＦＡの多波長一括増幅特性」９５年３月１０日発行）。
【０００４】
かかる論文の図３は、本発明者等により測定した０．９８μｍと１．４８μｍの２波長励起におけるそれぞれの励起光パワと総出力の関係を示している。これを図１０に拡大して示すと、図１０において、横軸に０．９８μｍ帯励起光パワ、縦軸に１．４８μｍ帯励起光パワを示し、２つの信号光出力の和としての総出力がプロットされている。
【０００５】
図において、例として０．９８μｍ帯励起光パワを１２．５ｍＷ、１．４８μｍ帯励起光パワを２２．５ｍＷとする時、総出力１１ｄＢｍが得られる。図１０は、この様な関係を測定してプロットしたものである。
【０００６】
一方、多波長一括増幅器において、それぞれの波長に対し、利得が一定即ち、複数波長間で利得差がないことが望ましい。図１０において、ΔＧ＝０は、０．９８μｍと１．４８μｍの２波長間で利得差が無い点をプロットして得られる特性線である。
【０００７】
したがって、図１０において、利得差ΔＧ＝０の線上で０．９８μｍ帯励起光パワを２２ｍＷから５０ｍＷまで変化させることにより、光出力を１２．５ｄＢｍから１３．７ｄＢｍまで約１ｄＢｍの範囲で制御できることが読み取れる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年更に、利得の制御範囲を拡大できる、例えば６ｄＢｍ程度の範囲を利得制御できるシステムの提供が望まれている。
【０００９】
このような要求に対して、先に本発明者等が提案した方式では、必ずしも未だ十分ではない。したがって、本発明の目的は、１ｄＢｍ以上のより大きい範囲での利得制御を可能とする多波長信号を一括増幅する光増幅器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる本発明の課題を解決する光増幅器は、基本構成として第一にエルビウムドープファイバを用いた複数波長の光信号を一括して増幅する光増幅器であって、エルビウムドープファイバがその断面方向において、エルビウムがドープされているガラス材料として複数種類で構成され、同時に励起波長帯も複数種類である。
【００１１】
あるいは、エルビウムドープファイバがその断面方向において、エルビウムの吸収及び放射の波長特性が異なる複数のドープ領域を有し、同時に励起波長帯も複数種類である。
【００１２】
かかる構成は、従来例においては、エルビウムがドープされているガラス材料が均一であることに起因し、利得制御の範囲が大きくとれないという本発明者の認識に基づき、エルビウムがドープされているガラス材料を少なくとも２種類以上とし、あるいは、エルビウムの異なる濃度のドープ領域を複数有するようにし、且つ励起波長帯も複数種類とするものであり、これにより、制御範囲を大きくすることを可能としたものである。
【００１３】
即ち、エルビウムがドープされているガラス材料として複数種類又は、複数のドープ領域を有し、それらのドープ濃度を異ならしめることにより、ガラス材料が均一であることを回避して利得制御の範囲を大きくしている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図にしたがって、説明する。尚、図において同一及び類似のものには、同一の参照番号及び記号を付して説明する。ここで本発明の実施の形態を説明するに当たって、先ず従来の光増幅器の特性を検討しながら本発明の原理について説明する。
【００１５】
光増幅器の利得の波長特性は、マクロ的に見ると図２に示されるように、エルビウムドープファイバの励起率で決まる。ここで励起率は、次のように定義される。
【００１６】
即ち、ドープされているエルビウムが励起光の注入に対し、エネルギ順位Ｎ１  からそれより高いエネルギ順位Ｎ２  移る場合は、励起光の吸収が行われる。一方、エネルギ順位Ｎ２  にあるエルビウム電子が、励起光によりエネルギ順位Ｎ１  に落ちる時は、光の放射が行われる。したがって、エネルギ順位Ｎ２  にある量Ｎ２  に対するエネルギ順位Ｎ１  及びエネルギ順位Ｎ２  にある量の和（Ｎ１  ＋Ｎ２  ）との比を励起率と呼んでいる。
【００１７】
したがって、エルビウムドープファイバの励起率が一定であれば、これに対応して図２に示すように利得が決められてしますことが知られている。
【００１８】
これに対し、本発明者は、図３の（Ａ）〜（Ｃ）に例示するように、エルビウムドープファイバのガラス材料により吸収及び放射の断面積特性（励起光の吸収、放射の割合が、吸収及び放射の断面積に対応する）が異なる、これにより励起率が同じであっても利得の波長依存性が異なることに注目した。
【００１９】
図３（Ａ）〜Ｃ）は、それぞれＧｅ０２  −ＳｉＯ２  ガラス、Ａｌ２  Ｏ３  −Ｇｅ０２  −ＳｉＯ２  ガラス、Ａｌ２  Ｏ３  −ＳｉＯ２  ガラスの吸収及び放射の断面積特性を示している。
【００２０】
図１は、本発明者による上記の認識に基づく、本発明の複数波長光信号を一括して増幅する光増幅器の原理構成図である。
【００２１】
図１において、（１）はエルビウムドープファイバ１の断面を示す図であり、コア３０を含む光導波部１０とその周囲に形成されるクラッド部２０を有する。
【００２２】
図１（２）は、光導波部１０の拡大図であり、その中心部にエルビウムがドープされたガラス材Ｉの層とその周囲のリング部のエルビウムがドープされたガラス材ＩＩの層を有する。更に、ガラス材ＩＩの層の外周の層ＩＩＩは、エルビウムがドープされいない、例えばシリカガラスで形成される。
【００２３】
上記のガラス材Ｉとガラス材ＩＩは異なる材料で形成される。即ち、図３について説明したような、それぞれ励起光の吸収／放射特性の異なるエルビウムがドープされたガラス材が選択される。
【００２４】
更に、本発明にしたがう多波長一括光増幅器は、図１に示す原理構成のエルビウムドープファイバを用い、図４の原理図に示されるように、エルビウムドープファイバに供給される複数種（図４では２種）の波長帯の励起光の光パワーを独立して制御可能に構成される。
【００２５】
即ち、図４において、１は図１に示すエルビウムドープファイバ、２１、２６はアイソレータ、２２、２４は波長多重化部、２３は０．９８μｍまたは０．５１μｍの励起光の発生部、２５は１．４８μｍの励起光の発生部である。
【００２６】
第一の波長多重化部２２で０．９８μｍあるいは０．５μｍの励起光を前方向にエルビウムドープファイバ１に送り、第二の波長多重化部２４で１．４８μｍの励起光を後方向にエルビウムドープファイバ１に送りドープされたエルビウムを励起する。
【００２７】
更に後に実施例において説明するようにエルビウムドープファイバ１において波長帯によりモードフィールド径が異なる。例えば０．９８μｍ帯波長あるいは０．５μｍ帯波長は、１．４８μｍ帯波長と比較して小さいため、０．９８μｍあるいは０．５μｍは中心部のエルビウムドープ層（ガラス材Ｉの層）を選択的に励起可能である。これに対し、１．４８μｍ帯波長は、外周のリング部のエルビウムドープ層（ガラス材ＩＩの層）を選択的に励起可能である。
【００２８】
これにより、中心部とリング部で励起率を独立に制御することができより広範囲の利得制御が可能となる。
【００２９】
【実施例】
実施例１
図５に本発明の第一の実施例としてのエルビウムドープファイバ１の光導波部分１０の断面構造を示す。図５において、破線円４０内が図１に示す光導波部分１０である。図５において、本実施例では、中心部領域４１にＧｅＯ２  −ＳｉＯ２  のガラス材層が配置されている。４２はリング状に配置されるＡｌ２  Ｏ３  −ＳｉＯ２  のガラス材層である。
【００３０】
これらガラス材層４１及び４２にはエルビウムがドープされている。光導波部分１０の他の部分はシリカガラスで構成され、中心部のコア部を生成する領域には、不純物としてＧｅがドープされている。
【００３１】
尚、上記のように、ＧｅＯ２  −ＳｉＯ２  を中心部のガラス材層４１とし、Ａｌ２  Ｏ３  −ＳｉＯ２  を、リング部のガラス材層４２としているのは、次の理由に基づく。
【００３２】
図５に示されるように、屈折率分布の０．９８μｍ帯励起光のモードフィールド４３は、１．４８μｍ帯励起光のモードフィールド４４より狭い。したがって、０．９８μｍ帯励起光は中心部のエルビウムドープのガラス材層４１対して、選択的に励起が可能であり、１．４８μｍ帯励起光は、リング状のエルビウムドープのガラス材層４２に対して選択的に励起が可能である。
【００３３】
したがって、図５のエルビウムドープファイバを利用して構成される光増幅器は、図４の原理構成図において、エルビウムドープファイバ１を図５に示す構成とし、更に励起光発生器２３から０．９８μｍ帯励起光を前方向に供給し、励起光発生器２５から１．４８μｍ帯励起光を後方向に供給することにより、それぞれの励起光パワをガラス材層４１及び４２に対して、独立して制御が可能である。
【００３４】
図６は、上記図５の実施例の効果を説明する図である。図６は横軸に信号光入力、縦軸に光出力とし、２つの波長帯励起光による利得差が無い（ΔＧ＝０）時の最小利得と最大利得の関係を示すグラフである。
【００３５】
図６において、（Ｉ）は導波部の中心部のみエルビウムをドープした一種類ののガラス材層からなる従来のエルビウムドープファイバを用いた光増幅器の特性である。この特性（Ｉ）は、−９〜−６ｄＢｍの信号光入力に対し、利得制御幅は、先に図１０において説明したように約１ｄＢｍである。
【００３６】
これに対し、本発明の図５にエルビウムドープファイバ１を用い、図４のように構成された光増幅器では、−１２〜−６ｄＢｍの信号光入力に対し、４〜７．５ｄＢｍ（平均約５．８ｄＢｍ）の利得制御幅を得ることが出来る。
【００３７】
実施例２
図５において、中心部のエルビウムをドープしたガラス材料層４１をＧｅＯ２  −ＳｉＯ２  からＡｌ２  Ｏ２  −ＧｅＯ２  −ＳｉＯ２  に変え、１．５５μｍ付近での利得をより広帯域とした例である。尚、光増幅器としての全体構成は実施例１と同様である。広帯域となるのは、図３において、図３（Ａ）、図３（Ｂ）との比較によりＧｅＯ２  −ＳｉＯ２  の例に対し、Ａｌ２  Ｏ２  −ＧｅＯ２  −ＳｉＯ２  の方が、吸収／放射断面積の帯域が広がっているためである。
【００３８】
実施例３
図７は、本発明の一実施例として、本発明にしたがう実施例１のエルビウムドープファイバを用いた光増幅器５０に、Ａｌ２  Ｏ３  −ＧｅＯ２  −ＳｉＯ２  ガラスにエルビウムをドープしたエルビウムドープファイバを用いた従来の光増幅器５１を縦続したものである。
【００３９】
かかる実施例では、エルビウムドープのＧｅＯ２  −ＳｉＯ２  ガラス、エルビウムドープのＧｅＯ２  −Ａｌ２  Ｏ３  −ＳｉＯ２  ガラス及びエルビウムドープのＡｌ−Ｓｉガラスの３つのエルビウムドープ層の吸収／放射断面積をすべて利得制御に使うようにすることが出来る。
【００４０】
実施例４
また、図示省略するが、上記図５に示す例と同様にして実施例２の光増幅器とＧｅ−Ｓｉガラスにエルビウムをドープしたエルビウムドープファイバを用いた光増幅器を縦続して構成することが可能である。この場合にも、エルビウムドープＧｅ−Ｓｉガラス、エルビウムドープＧｅＯ２  −ＳｉＯ２  ガラス及びエルビウムドープＡｌ２  Ｏ２  −ＧｅＯ２  −ＳｉＯ２  ガラスの吸収／放射断面積を使うようにすることが出来る。
【００４１】
実施例５
図８、図９は、０．５μｍ、０．９８μｍ、１．４８μｍ帯励起光の３つのモードフィールドの差を利用し、それぞれのモードフィールドの差が大きいところで、ガラス材料を変えてエルビウムをドープしたファイバを適用する光増幅器の実施例である。
【００４２】
即ち、図８にオイテ、光導波部１０の断面図の６０〜６２は、それぞれ異なるガラス材料にエルビウムがドープされた領域である。更に、６３〜６５は、それぞれ０．５μｍ、０．９８μｍ、１．４８μｍ帯の屈折率分布のモードフィールドである。
【００４３】
図９は図８のエルビウムドープファイバを利用する光増幅器の構成であり、他の実施例構成と異なる点は、カプラ２６と励起光発生器２７、２８を有し、励起光発生器２７、２８からのそれぞれ０．５μｍ帯波長及び０．９８μｍ帯波長のの励起光を混合し、波長分割変調器２２を通して前方向に、エルビウムドープファイバ１に対して供給する構成である。
【００４４】
尚、０．５μｍ帯波長の励起光を発生する励起光発生器２８は、レーザダイオード単体による構成とせずに、倍波共振レーザＳＨＧ（１．０６４μｍのＹＡＧレーザ出力を倍波長にする装置）により構成することも可能である。
【００４５】
尚、かかる実施例２〜５の場合も、図示は省略するが実施例１における図６に示した従来装置との比較における利得制御幅が大きくなると言う本発明の効果は同様である。
【００４６】
【発明の効果】
以上、図に従い本発明の実施例を説明したように、従来の方法では利得制御範囲として１ｄＢ程度でしかなかったが、本発明の適用により大きな範囲の利得制御が可能である。
【００４７】
また、上記実施例では、異なるエルビウムがドープされたガラス材料を二種以上使用することにより利得を一定に制御することを説明した。しかし、本発明はこれに限られない。即ち、本発明者によりエルビウムのドープ濃度に比例して励起光の吸収及び放射断面積が大きくなることが実験により確かめられている。
【００４８】
したがって、ガラス材料を変える代わりにエルビウムのドープ量を変えることによっても同様に利得制御の範囲を大きくすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するエルビウムドープファイバの断面構成例である。
【図２】励起率の変化による利得の依存性変化を説明する図である。
【図３】ガラス材料による励起光の吸収・放射特性の相違を説明する図である。
【図４】本発明の原理を説明するエルビウムドープファイバを用いた光増幅器の構成例である。
【図５】第１の実施例における光導波部分の断面構造を示す図である。
【図６】本発明の効果を説明する図である。
【図７】本発明の第３の実施例の構成図である。
【図８】本発明の第５の実施例におけるエルビウムドープファイバの光導波部分の断面構成を示す図である。
【図９】図８のエルビウムドープファイバを用いた光増幅器の構成例である。
【図１０】０．９８μｍと１．４８μｍの２波長励起におけるそれぞれの励起光パワと総出力の関係である。
【符号の説明】
１  エルビウムドープファイバ
１０  光導波部
２１、２６  アイソレータ
２２、２４  波長多重変調器
２３、２５  励起光発生部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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