(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｅｒ元素が光導波領域に添加され、励起光が供給されることにより信号光を光増幅する光増幅用ファイバであって、波長０.９８μｍでの非飽和吸収値αPと波長１.５３μｍでの非飽和吸収ピーク値αSとの比（αP／αS）が０.８以上であることを特徴とする光増幅用ファイバ。
【請求項２】
前記比（αP／αS）が０.９以上であることを特徴とする請求項１記載の光増幅用ファイバ。
【請求項３】
光軸に近いほど前記Ｅｒ元素添加濃度が多いことを特徴とする請求項１記載の光増幅用ファイバ。
【請求項４】
請求項１記載の光増幅用ファイバと、前記光増幅用ファイバに前記励起光を供給する励起光供給手段とを備えることを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項５】
信号光を伝搬させて光通信を行う光通信システムであって、この信号光を光増幅する請求項４記載の光ファイバ増幅器を備えることを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｅｒ元素が光導波領域に添加され励起光が供給されることにより信号光を光増幅する光増幅用ファイバ、この光増幅用ファイバを含む光ファイバ増幅器、および、この光ファイバ増幅器を含む光通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネットの普及に伴い、通信容量の需要は急増している。特に、大陸間を結ぶ大洋横断光通信システムは、主に大容量が要求される国際通信の用途に供され、且つ、通信距離が数千ｋｍにも及ぶ。このような長距離の光通信システムにおいては光ファイバ増幅器が不可欠である。光ファイバ増幅器は、希土類元素が光導波領域に添加された光増幅用ファイバを含み、この光増幅用ファイバに励起光を供給することで、この光増幅用ファイバにおいて信号光を光増幅することができる。例えば、希土類元素はＥｒ元素であり、励起光波長は９８０ｎｍであり、信号光波長は１．５５μｍ帯である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、長距離光通信システムにおいて光ファイバ増幅器が光増幅性能を充分に発揮するには技術的に困難な点が多い。従来の光ファイバ増幅器は光増幅性能（特に雑音指数に関する性能）を充分に発揮しているとは言えず、したがって、光通信システムの性能も不充分であった。
【０００４】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、優れた光増幅特性を発揮し得る光増幅用ファイバおよび光ファイバ増幅器、ならびに、この光ファイバ増幅器を含む光通信システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光増幅用ファイバは、Ｅｒ元素が光導波領域に添加され、励起光が供給されることにより信号光を光増幅する光増幅用ファイバであって、波長０.９８μｍでの非飽和吸収値αPと波長１.５３μｍでの非飽和吸収ピーク値αSとの比（αP／αS）が０.８以上（より好適には０.９以上）であることを特徴とする。また、本発明に係る光増幅用ファイバは、光軸に近いほどＥｒ元素添加濃度が多いのが好適である。
【０００６】
本発明に係る光ファイバ増幅器は、上記の本発明に係る光増幅用ファイバと、この光増幅用ファイバに励起光を供給する励起光供給手段とを備えることを特徴とする。また、本発明に係る光通信システムは、信号光を伝搬させて光通信を行う光通信システムであって、この信号光を光増幅する上記の本発明に係る光ファイバ増幅器を備えることを特徴とする。
【０００７】
このような光増幅用ファイバを備える光ファイバ増幅器は、雑音指数が０，４ｄＢ以下となり、優れた光増幅特性を発揮し得る。また、このような光ファイバ増幅器を有する光通信システムは、受信エラー無しで多波長の信号光を高ビットレートで長距離伝送することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【０００９】
本実施形態では、図１に示すように、光通信システム１として太平洋横断（距離９０００ｋｍ）のものを想定して、中継段数が２００段であり、中継スパンが４５ｋｍであるとする。すなわち、送信器２０と受信器３０との間に光ファイバ増幅器１０n（ｎ＝１〜１９９）が設けられ、送信器２０と光ファイバ増幅器１０1との間の光ファイバ伝送路４０1の長さが４５ｋｍであり、光ファイバ増幅器１０n-1と光ファイバ増幅器１０nとの間の光ファイバ伝送路４０nの長さが４５ｋｍであり（ｎ＝２〜１９９）、光ファイバ増幅器１０199と受信器３０との間の光ファイバ伝送路４０200の長さが４５ｋｍである。また、信号光波数が６４波（波長１５３５．８２ｎｍ〜１５６１．０１ｎｍの帯域で周波数間隔が５０ＧＨｚ）であり、１波当たりのビットレートが１０Ｇｂｉｔ／ｓであるとする。
【００１０】
また、各中継器に設けられる光ファイバ増幅器は図２に示した構成のものとする。この図に示した光ファイバ増幅器１０は、入力端１１から出力端１２へ向かって順に、ＷＤＭカプラ１３、光増幅用ファイバとしてのＥｒ元素添加光ファイバ（ＥＤＦ: Erbium Doped Fiber）１４、光アイソレータ１５および利得等化器１６が設けられており、ＷＤＭカプラ１３には励起光源（例えば半導体レーザ光源）１７が接続されている。ＥＤＦ１４の波長１．５３μｍ帯吸収条長積は４６ｄＢであり、励起光源１７から出力される励起光の波長は９８０ｎｍである。励起光源１７から出力された励起光は、ＷＤＭカプラ１３を経てＥＤＦ１４へ導入される。入力端１１より入力した波長１．５５μｍ帯の多波長の信号光は、ＷＤＭカプラ１３を経てＥＤＦ１４へ入射し、ＥＤＦ１４において光増幅され、さらに光アイソレータ１５を経て、利得等化器１６により利得等化されて出力端１２より出力される。
【００１１】
図２に示した光ファイバ増幅器１０における信号光入出力レベルおよび雑音指数（ＮＦ: Noise Figure）への要求は以下のようにして求められる。信号光をエラー無しに受信するには、波長分解能が０，１ｎｍであって光ＳＮ比が１８ｄＢ以上であることが必要である。また、光ファイバ増幅器１０における雑音指数ＮＦは、
ＮＦ＝ＰASE／(ｈ・ν・Δν・Ｇ)    …(1)
なる式で表される。ここで、ＰASEは信号光波長における光増幅された自然放出光のパワーであり、ｈはプランク定数であり、νは信号光の周波数であり、Δνは周波数分解能であり、Ｇは利得である。
【００１２】
光ファイバ増幅器１０の利得偏差が理想どおり０ｄＢであったとしても、光ファイバ増幅器１０への１チャネル当りの信号光入力レベルＰin（ｄＢｍ／ｃｈ）と雑音指数ＮＦ（ｄＢ）との間には、
ＮＦ≦Ｐin＋１７    …(2)
なる関係式が成り立つ。なお、中継器間の光ファイバ伝送路における非線型効果などに因る信号光伝送特性の劣化を勘案して通常２ｄＢ程度のマージンを見込む。このマージンを見込む場合には、１チャネル当りの信号光入力レベルＰin（ｄＢｍ／ｃｈ）と雑音指数ＮＦ（ｄＢ）との間の関係式は、
ＮＦ≦Ｐin＋１５    …(3)
なる式で表される。
【００１３】
ただし、光ファイバ増幅器１０の雑音指数ＮＦは量子限界の３ｄＢ以下にはならないことが一般に知られており、
ＮＦ≧３            …(4)
であるから、１チャネル当りの信号光入力レベルＰin（ｄＢｍ／ｃｈ）は、
Ｐin≧−１２        …(5)
となる。
【００１４】
一方、光ファイバ増幅器１０からの１チャネル当りの信号光出力レベルＰout（ｄＢｍ／ｃｈ）は、中継器間の光ファイバ伝送路における非線型効果に因る信号光波形劣化を低減する為に、
Ｐout≦０          …(6)
を満たすことが望ましい。また、中継器間の光ファイバ伝送路の伝送損失が１０ｄＢ〜１１ｄＢであるので、１チャネル当りの信号光入力レベルＰin（ｄＢｍ／ｃｈ）は、
Ｐin≦−１１        …(7)
であるのが望ましい。以上より、光ファイバ増幅器１０への６４波全体の信号光入力レベルは６ｄＢｍ〜７ｄＢｍとなる。
【００１５】
図３は、以上の解析から求められた雑音指数ＮＦの許容範囲を示すグラフである。この図中には、１チャネル当りの信号光入力レベルＰinと雑音指数ＮＦとの間の関係式（(3)式）の範囲、光ファイバ増幅器１０の雑音指数ＮＦの量子限界（(4)式）に対して入力端１１からＥＤＦ１４に到るまでの損失として０．２ｄＢを加えた範囲、および、１チャネル当りの信号光入力レベルＰin（(7)式）の範囲が示されている。また、この図中には、光ファイバ増幅器１０における１チャネル当りの信号光入力レベルＰinと雑音指数ＮＦとの間の関係も示されている。
【００１６】
雑音指数ＮＦを量子限界に近づけるためには、ＥＤＦ１４の入力端付近の反転分布を１００％にする必要がある。また、この為には、励起光源１７からＥＤＦ１４に供給される励起光の波長を９８０ｎｍ近傍（９７０ｎｍ〜９８５ｎｍ）のものとし、ＥＤＦ１４に添加されたＥｒイオンから見た励起光強度を信号光強度より充分大きくする必要がある。図４は、ＥＤＦ１４の屈折率プロファイル、ＥＤＦ１４におけるＥｒ添加領域、ならびに、ＥＤＦ１４の径方向における信号光および励起光それぞれのモード分布を説明する図である。この図に示すように、ＥＤＦ１４に添加されたＥｒイオンから見た励起光強度と信号光強度との大小関係は、ＥＤＦ１４における信号光波長でのモードフィールド径、ＥＤＦ１４における励起光波長でのモードフィールド径、および、ＥＤＦ１４におけるＥｒ添加領域径により決定される。なお、Ｅｒ添加領域の断面形状はＥＤＦ１４の光軸中心を中心とする円状とし、Ｅｒ添加濃度は一様とする。
【００１７】
ＥＤＦ１４における信号光波長でのモードフィールド径、励起光波長でのモードフィールド径およびＥｒ添加領域径の３つのパラメータには様々な組み合わせが存在し得る。ここでは、図５に示したタイプＡ〜Ｆの６つのタイプのＥＤＦを用い、１チャネル当りの信号光入力レベルを−１１ｄＢｍ／ｃｈとし、励起光源１７から順方向にＥＤＦ１４に供給される励起光の強度を２７０ｍＷとして、光ファイバ増幅器１０の雑音指数ＮＦを求めた。
【００１８】
図６は、タイプＡ，ＢおよびＣそれぞれを用いた場合の信号光波長でのモードフィールド径と雑音指数ＮＦとの関係を示すグラフである。タイプＡ〜Ｃそれぞれは、励起光波長（０．９８μｍ）でのモードフィールド径が３．４μｍであり、Ｅｒ添加濃度が１．７３×１０25ｍ-3である。タイプＡのＥｒ添加領域径は１．６μｍであり、タイプＢのＥｒ添加領域径は２．０μｍであり、タイプＣのＥｒ添加領域径は２．４μｍである。信号光波長（１．５３μｍ）でのモードフィールド径は、５．０μｍ，５．５μｍ，６．０μｍ，６．５μｍそれぞれである。この図から判るように、信号光波長でのモードフィールド径が大きいほど、雑音指数ＮＦが小さくなっている。
【００１９】
図７は、タイプＤ，ＥおよびＦそれぞれを用いた場合の励起光波長でのモードフィールド径と雑音指数ＮＦとの関係を示すグラフである。タイプＤ〜Ｆそれぞれは、信号光波長（１．５３μｍ）でのモードフィールド径が５．０μｍであり、Ｅｒ添加濃度が１．７３×１０25ｍ-3である。タイプＤのＥｒ添加領域径は１．６μｍであり、タイプＥのＥｒ添加領域径は２．０μｍであり、タイプＦのＥｒ添加領域径は２．４μｍである。励起光波長（０．９８μｍ）でのモードフィールド径は、２．４μｍ，２．６μｍ，３．０μｍ，３．４μｍそれぞれである。この図から判るように、励起光波長でのモードフィールド径が大きいほど、雑音指数ＮＦが大きくなっている。
【００２０】
図８は、励起光波長（０．９８μｍ）における非飽和吸収値αPと信号光波長（１．５３μｍ）における非飽和吸収ピーク値αSとの比（αP／αS）と、雑音指数ＮＦとの関係を示すグラフである。この図には、タイプＡ〜Ｆだけでなく、後述するタイプＧ，Ｈについても示されている。この図に示すように、比（αP／αS）と雑音指数ＮＦとの関係は、タイプによらず１つの曲線でよく表されている。比（αP／αS）が大きいほど雑音指数ＮＦが小さい。比（αP／αS）が０．８以上であれば雑音指数ＮＦが４ｄＢ以下となる。例えば、コア径が２．０μｍであってクラッド領域に対するコア領域の比屈折率差が２．２％であるＥＤＦは、信号光波長におけるモードフィールド径が５．０μｍであり、励起光波長におけるモードフィールド径が２．６μｍであり、また、Ｅｒ添加領域径が２．４μｍ以下であれば比（αP／αS）が０．８以上となる。
【００２１】
なお、光ファイバ増幅器１０のＥＤＦ１４の入力端における信号光の損失は雑音指数ＮＦに影響を与える。特に、ＥＤＦ１４と異種ファイバとの融着接続は困難であり、接続損失のばらつきが０．１ｄＢP-P以上になる。このような製造上発生する損失ばらつきまで考慮すると、比（αP／αS）が０．９以上であることが好ましい。例えば、コア径が２．６μｍであってクラッド領域に対するコア領域の比屈折率差が１．３％であるＥＤＦは、信号光波長におけるモードフィールド径が６．５μｍであり、励起光波長におけるモードフィールド径が３．４μｍであり、また、Ｅｒ添加領域径が２．４μｍ以下であれば比（αP／αS）が０．９以上となる。
【００２２】
また、ＥＤＦのコア領域におけるＥｒ添加濃度が一様であるとは限らず、実際には、図９（ａ）に示すように光軸から或る距離の位置でＥｒ添加濃度がピークとなる場合があり、図９（ｂ）に示すように光軸に近いほどＥｒ添加濃度が多い場合（タイプＧ）があり、或いは、図９（ｃ）に示すように光軸に近いほどＥｒ添加濃度が少ない場合（タイプＨ）がある。このようなタイプＧ，Ｈの場合には、信号光波長および励起光波長それぞれでのモードフィールド径ならびにＥｒ元素添加分布から雑音指数ＮＦを予測することは困難である。しかし、タイプＧ，ＨのようにＥｒ添加濃度が一様でない場合であっても、比（αP／αS）から雑音指数ＮＦを容易に求めることができる。図５には、タイプＧ，ＨのＥＤＦについても諸元が示されている。図８には、タイプＧ，Ｈについても比（αP／αS）と雑音指数ＮＦとの関係が示されている。この図に示すように、比（αP／αS）と雑音指数ＮＦとの関係は、Ｅｒ添加濃度が一様であるか否かによらず１つの曲線でよく表されている。また、図８において、タイプＧとタイプＨとを比較すると判るように、Ｅｒ添加領域径が同一であれば、図９（ｂ）に示すように光軸に近いほどＥｒ添加濃度が多いタイプＧの方が比（αP／αS）を大きくすることができる。
【００２３】
以上のように、励起光波長（０．９８μｍ）における非飽和吸収値αPと信号光波長（１．５３μｍ）における非飽和吸収ピーク値αSとの比（αP／αS）が０．８以上（より好ましくは０．９以上）であるＥＤＦ１４を用いることで、光ファイバ増幅器１０は、(3)式、(4)式および(7)式を満たすことができる。したがって、送信器２０と受信器３０との間の距離が９０００ｋｍである光通信システム１は、信号光波数が６４波でビットレートが１０Ｇｂｉｔ／ｓである光通信を高品質で行うことができる。
【００２４】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上記実施形態では、光ファイバ増幅器は、Ｅｒ元素が光導波領域に添加されたＥＤＦを光増幅用ファイバとして用いたものであったが、他の希土類元素が光導波領域に添加された光増幅用ファイバを用いた光ファイバ増幅器であってもよい。特に励起光波長と信号光波長とが比較的大きく離れている希土類元素添加光ファイバの場合に本発明は適用可能である。例えば、Ｔｍ元素が光導波領域に添加された光増幅用ファイバを用いた光ファイバ増幅器は、励起光波長が１．０５μｍ帯であって信号光波長が１．４７μｍ帯であり、励起光波長（１．０５μｍ）における非飽和吸収値αPと信号光波長（１．４７μｍ）における非飽和吸収ピーク値αSとの比（αP／αS）が０．８以上（より好ましくは０．９以上）であれば、優れた光増幅特性を発揮し得る。
【００２５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る光増幅用ファイバは、励起光の波長帯における非飽和吸収値αPと信号光の波長帯における非飽和吸収ピーク値αSとの比（αP／αS）が０.８以上（より好適には０.９以上）であり、好適には光軸に近いほどＥｒ元素添加濃度が多い。また、本発明に係る光ファイバ増幅器は、上記の本発明に係る光増幅用ファイバを備えており、雑音指数が０，４ｄＢ以下となり、優れた光増幅特性を発揮し得る。また、本発明に係る光通信システムは、上記の本発明に係る光ファイバ増幅器を備えており、受信エラー無しで多波長の信号光を高ビットレートで長距離伝送することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光通信システム１の構成図である。
【図２】光ファイバ増幅器１０の構成図である。
【図３】雑音指数ＮＦの許容範囲を示すグラフである。
【図４】ＥＤＦ１４の屈折率プロファイル、ＥＤＦ１４におけるＥｒ添加領域、ならびに、ＥＤＦ１４の径方向における信号光および励起光それぞれのモード分布を説明する図である。
【図５】８つのタイプのＥＤＦそれぞれの諸元を纏めた図表である。
【図６】タイプＡ，ＢおよびＣそれぞれを用いた場合の信号光波長でのモードフィールド径と雑音指数ＮＦとの関係を示すグラフである。
【図７】タイプＤ，ＥおよびＦそれぞれを用いた場合の励起光波長でのモードフィールド径と雑音指数ＮＦとの関係を示すグラフである。
【図８】励起光波長（０．９８μｍ）における非飽和吸収値αPと信号光波長（１．５３μｍ）における非飽和吸収ピーク値αSとの比（αP／αS）と、雑音指数ＮＦとの関係を示すグラフである。
【図９】Ｅｒ添加濃度分布を説明する図である。
【符号の説明】
１…光通信システム、１０…光ファイバ増幅器、１１…入力端、１２…出力端、１３…ＷＤＭカプラ、１４…光増幅用ファイバ（ＥＤＦ）、１５…光アイソレータ、１６…利得等化器、１７…励起光源、２０…送信器、３０…受信器、４０…光ファイバ伝送路。
【図１】
0004655353.tif 000002
【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】
0004655353.tif 000008
【図８】
0004655353.tif 000009
【図９】
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