(57)【要約】【課題】  製造歩留まりが良く、低価格化を図ることができ、かつ実用的な安定性を有する光ファイバ増幅器を提供する。【解決手段】  増幅媒体であるＥr添加光ファイバ１と、増幅媒体を励起する励起光を発生する励起光源２と、信号光と励起光源１からの励起光とを結合しＥr添加光ファイバ１に入力する光合分波器３とを備え、信号光を増幅する光ファイバ増幅器において、励起光源２は、０．６６μｍ帯の励起光を出力し、光合分波器３は、カットオフ波長が励起光の波長より短いシングルモードファイバと、カットオフ波長が励起光の波長より長くかつ信号光の波長より短いシングルモードファイバと近接させて光を結合させるファイバ形光カプラである。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅媒体であるＥr添加光ファイバと、前記増幅媒体を励起する励起光を発生する励起光源と、信号光と前記励起光源からの励起光とを結合し前記Ｅr添加光ファイバに入力する光合分波器とを備え、前記信号光を増幅する光ファイバ増幅器において、
前記励起光源は、０．６６μｍ帯の励起光を出力し、
前記光合分波器は、カットオフ波長が前記励起光の波長より短いシングルモードファイバと、カットオフ波長が前記励起光の波長より長くかつ前記信号光の波長より短いシングルモードファイバとを近接させて光を結合させるファイバ形光カプラであることを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項２】
前記励起光源の発振波長は、６５０ｎｍから６８０ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅器。
【請求項３】
前記励起光源のファイバピッグテールは、カットオフ波長が前記励起光の波長より短いシングルモードファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ増幅器。
【請求項４】
前記励起光源のファイバピッグテールは、カットオフ波長が前記励起光の波長より短く、比屈折率差Δｎが１％以下のシングルモードファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ増幅器。
【請求項５】
前記光合分波器の前記信号光を入力する側と、前記Ｅr添加光ファイバの増幅された信号光を出力する側とに光アイソレータが接続され、該光アイソレータのファイバピッグテールは、カットオフ波長が前記励起光の波長より長くかつ前記信号光の波長より短いシングルモードファイバであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光ファイバ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ増幅器に関し、より詳細には、光通信・光計測等に用いられる増幅器であって、Ｅrを添加した光ファイバを増幅媒体に用いた光ファイバ増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
コア部あるいはクラッド部にレーザ遷移凖位を有するＥrを添加した光ファイバを、増幅媒体として用いたＥr添加光ファイバ増幅器（以下、ＥＤＦＡという）が知られている。ＥＤＦＡは、１．５５μｍ帯または１．５８μｍ帯の通信波長帯域を利用する光通信システムの重要な構成部品として、精力的な研究・開発が実施されている。今日では、デジタル信号を伝送する幹線系の伝送システムのみならず、アナログ信号を伝送する光ＣＡＴＶ等へも幅広く適用されている。
【０００３】
図１に、従来のＥＤＦＡの基本構成を示す。ＥＤＦＡは、光増幅器の発振を抑えるための光アイソレータ８−１、信号光と励起光を合波する光合分波器７、増幅媒体であるＥr添加光ファイバ５、および光アイソレータ８−２が順に接続されている。光合分波器７の他方の入力には、Ｅr添加光ファイバに励起光を供給する励起光源モジュール６が接続されている。これら光部品は、他の光部品との接続のために、ファイバピッグテールと呼ばれる入出力用の光ファイバを備えている。図１中の黒丸印は、それぞれファイバピッグテールの接続点を示している。ファイバピッグテールの接続は、融着接続を行ったり、光ファイバコネクタを介して行われる。
【０００４】
励起光源モジュール６は、波長１．４８μｍ帯または０．９８μｍ帯の励起光を出力する半導体レーザを用いる。しかしながら、これら波長帯の半導体レーザは、ＥＤＦＡ専用と言ってよく、他の光源への需要が少ないために非常に高価である。
【０００５】
近年、Ｅr添加光ファイバの励起光の波長帯である０．６６μｍ帯において、半導体レーザの高出力化が進み、励起光源として実用に供することができる可能性が出てきた。この波長帯の半導体レーザは、バーコードリーダの光源、ＤＶＤの書き込み用の光源などに使用されている。０．６６μｍ帯半導体レーザの生産量は、１．４８μｍ帯または０．９８μｍ帯半導体レーザに比べ非常に多く、価格もおよそ１／１０程度であり、将来的にもさらなる低価格化が期待できる。従って、０．６６μｍ帯半導体レーザを励起光源として用いることによって、ＥＤＦＡの飛躍的な低価格化が期待できる。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−３１８７５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、０．６６μｍ帯半導体レーザをＥＤＦＡの励起光源として適用する場合、従来のＥＤＦＡと異なり、励起光の波長帯と信号光の波長帯とが大きく離れているため、以下のような問題点があった。
【０００８】
ＥＤＦＡを構成するＥr添加光ファイバ、光合分波器、励起光源、光アイソレータなどの光部品が有するファイバピッグテールのカットオフ波長を、６６０ｎｍ以下にする必要がある。実用的な筐体の大きさのＥＤＦＡを作製するためには、ファイバピッグテールを筐体内に収容する場合、曲げ損増加を抑えるために、コアとクラッドの屈折率差Δｎを大きくしなければならない。
【０００９】
図２に、カットオフ波長６１０ｎｍの光ファイバの巻き直径と損失との関係を示す。比屈折率差Δｎ２％、巻き直径１００ｍｍの損失が５１００ｄＢ／ｋｍと非常に高いことが分かる。このことから、実用的な大きさのＥＤＦＡを作るには、比屈折率差Δｎが２％を大きく超えるＥr添加光ファイバと、ファイバピッグテールを用いなければならない。しかし、比屈折率差Δｎが２％を超えるＥr添加光ファイバは、分散補償用ファイバとして主に用いられており、通常の光ファイバよりも高価である。
【００１０】
カットオフ波長６１０ｎｍ、比屈折率差Δｎ２％の光ファイバのモードフィールド径は、波長６５０ｎｍにおいて１．９μｍ、波長１５５０ｎｍにおいて８μｍである。このため、光合分波器の作製と励起光源モジュールの作製に関して以下に示す課題があった。
【００１１】
一般的に、光合分波器として、小型で製造が容易であることから、２本の同種の光ファイバのコアを近接させて光を結合させるファイバ形光カプラが、広く用いられている。ファイバ形光カプラは、理論的には、伝搬・結合する光がシングルモードでなければ、結合比が不安定となり易く、損失が増えることが知られている。例えば、比屈折率差Δｎが大きな光ファイバを用いて、０．６６μｍ帯の励起光と１．５５μｍ帯の信号光とを合分波するファイバ形光カプラを作製すると、モードフィールド径が大きく異なることから、損失が大きい。具体例として、カットオフ波長６３０ｎｍ、比屈折率差Δｎ２％の光ファイバを用いてファイバ形光カプラを作製すると、０．６６μｍ帯の励起光の損失は１．３ｄＢ、１．５５μｍ帯の信号光の損失は、１．８ｄＢ程度となり、高性能なＥＤＦＡを実現することができない。
【００１２】
そこで、光を結合する際に、シングルモード条件を必要としない誘電体フィルタを適用することが考えられる。しかしながら、誘電体フィルタを用いる光合分波器は、部品点数が増える上に、製造時における切断・研磨の工程、位置合せの工程など工数がかかるために、原理的に低コスト化が難しく、将来的な低価格化を期待することができない。
【００１３】
また、励起光源モジュールにおいては、モードフィールド径が非常に小さくなるため、励起光源モジュールに付加するファイバピッグテールを高精度で実装しなければならず、歩留まりを向上することができない。
【００１４】
例えば、特許文献１参照には、上述したファイバ形光カップラの課題を解決する方法として、カットオフ波長が励起光の波長より長く、かつ信号光の波長より短いシングルモード光ファイバを用いることが開示されている。しかしながら、特許文献１のファイバ形光カプラにおいては、０．６６μｍ帯の励起光は、光カプラを形成する光ファイバに対してマルチモードとなり、短期的な安定性はあるものの長期的な安定性に欠ける。例えば、ＥＤＦＡの周囲温度を２０度から６０度に変化させ、３５０時間動作させた場合の信号利得の変動は、２．６ｄＢである。
【００１５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、製造歩留まりが良く、低価格化を図ることができ、かつ実用的な安定性を有する光ファイバ増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、増幅媒体であるＥr添加光ファイバと、前記増幅媒体を励起する励起光を発生する励起光源と、信号光と前記励起光源からの励起光とを結合し前記Ｅr添加光ファイバに入力する光合分波器とを備え、前記信号光を増幅する光ファイバ増幅器において、前記励起光源は、０．６６μｍ帯の励起光を出力し、前記光合分波器は、カットオフ波長が前記励起光の波長より短いシングルモードファイバと、カットオフ波長が前記励起光の波長より長くかつ前記信号光の波長より短いシングルモードファイバとを近接させて光を結合させるファイバ形光カプラであることを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記励起光源の発振波長は、６５０ｎｍから６８０ｎｍの範囲にあることを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記励起光源のファイバピッグテールは、カットオフ波長が前記励起光の波長より短いシングルモードファイバであることを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記励起光源のファイバピッグテールは、カットオフ波長が前記励起光の波長より短く、比屈折率差Δｎが１％以下のシングルモードファイバであることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の光ファイバ増幅器において、前記光合分波器の前記信号光を入力する側と、前記Ｅr添加光ファイバの増幅された信号光を出力する側とに光アイソレータが接続され、該光アイソレータのファイバピッグテールは、カットオフ波長が前記励起光の波長より長くかつ前記信号光の波長より短いシングルモードファイバであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、光合分波器を、カットオフ波長が励起光の波長より短いシングルモードファイバと、カットオフ波長が励起光の波長より長くかつ信号光の波長より短いシングルモードファイバと近接させて光を結合させるファイバ形光カプラとすることにより、合波損失を大幅に低減することができ、曲げ損増加を抑えるために、屈折率差Δｎを大きくする必要はないので、廉価なシングルモードファイバを用いることができる。
【００２２】
また、本発明によれば、励起光源のファイバピッグテールを、カットオフ波長が前記励起光の波長より短いシングルモードファイバにすることにより、長期的な安定性を有し、温度または振動による結合効率の変化も改善することができる。さらに、比屈折率差Δｎが１％以下のシングルモードファイバを用いることにより、製造歩留まりが良く、低価格化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、０．６６μｍ帯の励起光を用いるＥr添加光ファイバ増幅器を構成する上で、以下の特徴点を有する。  
（１）ファイバ形光カップラを構成する２本の光ファイバは、一方のカットオフ波長が励起光の波長より短いシングルモードファイバであり、他方のカットオフ波長が励起光の波長より長く、かつ信号光の波長より短いシングルモードファイバである。  
（２）励起光源モジュールのファイバピッグテールのカットオフ波長は、励起光の波長より短く、比屈折率差Δｎが１％以下である。
【００２４】
通常、ＥＤＦＡで用いられるファイバ形光カップラは、２本の同種の光ファイバのコアを近接させることにより、光を結合させている。一方、異種の光ファイバを用いてタップ機能を実現するファイバ形光カップラが知られていた。しかしながら、本実施形態のように、０．６６μｍ帯と１．５５μｍ帯という離れた波長帯域の光を合波するファイバ形光カップラは知られていない。ファイバ形光カップラの２本の光ファイバを、上述の（１）に記載した要件とすることで、０．６６μｍ帯の励起光の損失は０．７ｄＢ、１．５５μｍ帯の信号光の損失は、０．７ｄＢとなり、合波損失を大幅に低減することができる。
【００２５】
また、励起光源モジュールのファイバピッグテールは、励起光の波長より短いシングルモードファイバであり、ファイバ形光カップラの励起光の波長より短いシングルモードファイバと接続することにより、励起光源モジュールと光合波器とを低損失で接続することができる。
【００２６】
さらに、カットオフ波長が励起光の波長（０．６６μｍ帯）より長く、かつ信号光の波長より短いシングルモードファイバは、１．５５μｍ帯の信号光の入射端及び信号光と励起光とが合波された合波端となる。従って、ＥＤＦＡの筐体に収容する場合、曲げ損増加を抑えるために、屈折率差Δｎを大きくする必要はないので、廉価なシングルモードファイバを用いることができる。
【００２７】
本実施形態では、０．６６μｍ帯の励起光は、励起光の波長より短いシングルモードファイバに入射されるので、長期的な安定性を有し、温度または振動による結合効率の変化も改善することができる。
【００２８】
上述したように、従来、励起光源モジュールのファイバピッグテールは、カットオフ波長を６６０ｎｍ以下にしなくてはならず、実用的な大きさのＥＤＦＡを作製する際に、許容できる曲げ損とするために、比屈折率差Δｎが２％を超える光ファイバを使用していた。このとき、モードフィールド径は、波長６５０ｎｍにおいて１．９μｍであり、励起光源モジュールの半導体レーザとファイバピッグテールとの結合効率が低いという問題があった。また、励起光源モジュールの作製トレランスが小さくなり、結果として製造歩留まりが悪かった。例えば、波長６５０ｎｍの半導体レーザとカットオフ波長６１０ｎｍ、Δｎ２％の光ファイバとを非球面レンズを用いて結合したときの結合効率は、１０％であり、実用的な励起光源とはならなかった。
【００２９】
図３に、比屈折率差Δｎと結合効率との関係を示す。カットオフ波長６１０ｎｍの光ファイバの場合を示しており、Δｎを１％以下にすることにより、結合効率を２５％以上に改善できることがわかる。例えば、現在低価格化が進んでいる１５０ｍＷ出力、波長６６０ｎｍの半導体レーザチップに、Δｎ１％以上のファイバピッグテールを用いると、３７ｍＷ以上の励起光を出力することができる。波長６６０ｎｍの励起光の光量と増幅された出力光の光量との比は、３０％程度となり、実用的な出力１０ｄＢｍ以上のＥＤＦＡを実現することができる。
【００３０】
また、モードフィールド径に比例しての精度の実装が要求されるため、Δｎを小さくすることによって歩留まりが向上する。例えば、カットオフ波長６１０ｎｍ、Δｎ２％の光ファイバを用いた場合、結合効率１０％以上の励起光源モジュールの製造歩留まりは２０％程度である。カットオフ波長６１０ｎｍ、Δｎ１％の光ファイバを用いた場合、結合効率２５％以上の励起光源モジュールの製造歩留まりは５０％程度となる。
【００３１】
なお、ＥＤＦＡで使用するＥr添加光ファイバと光アイソレータのファイバピッグテールについても、カットオフ波長が励起光波長より長いシングルモードファイバを用いることにより、これに接続される光学部品との接続が容易となる。
【００３２】
以下に図面を参照し本発明の実施例をより具体的に詳述するが、以下に開示する実施例は本発明の単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を何等限定するものではない。
【００３３】
図４に、本発明の実施例にかかるＥＤＦＡの基本構成を示す。ＥＤＦＡは、光増幅器の発振を抑えるための光アイソレータ４−１、信号光と励起光を合波する光合分波器３、増幅媒体であるＥr添加光ファイバ１、および光アイソレータ４−２が順に接続されている。光合分波器３の他方の入力には、Ｅr添加光ファイバに０．６６μｍ帯の励起光を供給する励起光源モジュール２が接続されている。
【００３４】
図５に、光合分波器の構造を示す。光合分波器３は、カットオフ波長が励起光の波長より短いシングルモードファイバ１１と、カットオフ波長が励起光波長より長くかつ信号光波長より短いシングルモードファイバ１２とを近接させて光を結合させるファイバ形光カプラである。
【００３５】
増幅媒体であるＥr添加光ファイバ１は、励起光波長より長くかつ信号光波長より短いカットオフ波長を有している。励起光源モジュール２は、カットオフ波長が励起光波長より短く、Δｎが１％以下のファイバピッグテールが付加されている。光合分波器３のファイバピッグテールは、励起光を入力する、すなわち励起光源モジュール２に接続される側が、励起光波長より短いカットオフ波長を有するシングルモードファイバ１１である。一方、信号光を入力する、すなわち光アイソレータ４−１に接続される側と、Ｅr添加光ファイバ１に接続される側が、励起光波長より長くかつ信号光波長より短いカットオフ波長を有するシングルモードファイバ１２である。光アイソレータ４−１、４−２のファイバピッグテールは、励起光波長より長くかつ信号光波長より短いカットオフ波長を有する。
【００３６】
以下に、実際に使用した光ファイバの諸元を以下に示す。  
［Ｅr添加光ファイバ１］
Δｎ１．６％、カットオフ波長９５０ｎｍ、Ｅr添加濃度２０００ｐｐｍ、ファイバ長５ｍ
［励起光源モジュール２のファイバピッグテール］
Δｎ０．７％、カットオフ波長６１０ｎｍ
［光合分波器３のファイバ形カップラ］
Δｎ１．６％、カットオフ波長９５０ｎｍ及びΔｎ０．７％、カットオフ波長６１０ｎｍの光ファイバ
０．６６μｍ帯の励起光の損失０．６６ｄＢ、１．５５μｍ帯の信号光の損失０．５７ｄＢ
［光アイソレータ４のファイバピッグテール］
Δｎ０．７％、カットオフ波長１４００ｎｍ、ファイバ長５ｍ。
【００３７】
図６に、波長６６０ｎｍの励起光を出力する励起光源モジュールの構造を示す。励起光源モジュール２は、出力１５０ｍＷ、０．６６μｍ帯の光を出力するＬＤチップ２１を備え、ＬＤチップ２１とファイバピッグテール２３とが、非球面レンズ２２を介して光学的に結合されている。ファイバピッグテール２３からの励起光の出力は、５３ｍＷである。
【００３８】
このような構成により、信号利得２０ｄＢ、雑音６．５ｄＢ、出力１１ｄＢｍを有するＥＤＦＡを実現することができる。図７に、励起光源モジュールの励起光の波長とＥＤＦＡの信号利得との関係を示す。励起光源モジュール２のＬＤチップ２１の発振波長を変化させたときの、ＥＤＦＡの信号利得を示している。励起光波長が６５０〜６８０ｎｍの範囲において、信号利得が実用的な１５ｄＢ以上を確保できていることがわかる。
【００３９】
図８に、本発明の実施例にかかるＥＤＦＡの信号利得の安定性を示す。ＥＤＦＡの周囲温度を２０度から６０度に変化させ、３５０時間動作させた場合の時間安定性及び温度安定性を示す。点線は、右側の縦軸で周囲温度の変化を表し、実線は、左側の縦軸でＥＤＦＡの信号利得を表している。このような条件で、利得変動は０．０６４ｄＢと非常に小さく安定している。上述したように、特許文献１のＥＤＦＡの信号利得の変動が２．６ｄＢであったのに対して、非常に小さい変動幅である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来のＥＤＦＡの基本構成を示す図である。
【図２】カットオフ波長６１０ｎｍの光ファイバの巻き直径と損失との関係を示す図である。
【図３】比屈折率差Δｎと結合効率との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例にかかるＥＤＦＡの基本構成を示す図である。
【図５】光合分波器の構造を示す上面図である。
【図６】波長６６０ｎｍの励起光を出力する励起光源モジュールの構造を示す断面図である。
【図７】励起光源モジュールの励起光の波長とＥＤＦＡの信号利得との関係を示す図である。
【図８】本発明の実施例にかかるＥＤＦＡの信号利得の安定性を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１，５  Ｅr添加光ファイバ
２，６  励起光源モジュール
３，７  光合分波器
４，８  光アイソレータ
１１，１２  シングルモードファイバ
２１  ＬＤチップ
２２  非球面レンズ
２３  ファイバピッグテール
【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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