(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）コアとクラッド層を具備するガラス製ファイバ（１１）と、
（ｂ）前記ガラス製ファイバの前記コア内に符号化された光信号を導入する光入力手段（１４）と、
（ｃ）前記ガラス製ファイバの前記コア内に光ポンプエネルギを導入する光学ポンプ手段（１３）と、
を有し、
前記ガラス製ファイバの前記コアの組成は、モル％で、
０．０１−０．１  Ｅｒ
０−１２．０  Ｇｅ
０．５−４．０  Ａｌ
１．０−１０．０  Ｐ
残りがＳｉＯ２であり
前記コアと前記クラッド層との屈折率差が、０．０１２以上であり、前記Ａｌのモル％に対する前記Ｐのモル％の比率が１以上であり、前記光信号は１６１０ｎｍ以上の少なくとも１つの波長を含み、前記１６１０ｎｍ以上の波長は進行波として増幅される
ことを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項２】
０．１−１０．０モル％のＬａをさらに含む
ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅器。
【請求項３】
１５６５−１６２０ｎｍの波長範囲において、ゲインのリップル率は７０％以下である
ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅器。
【請求項４】
前記ファイバのＮＡが０．１９以上である
ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学デバイス用のエルビウム（Ｅｒ）をドープした光ファイバ増幅器（erbium-doped fiber amplifiers，ＥＤＦＡ）に関し、特にＬバンドで動作する光ファイバ増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学伝送システムは、波長分割多重化（Wavelength Division Multiplexing，ＷＤＭ）を用いて、光ファイバ伝送ライン、通常長距離伝送ラインの情報処理量を増加させている。初期のＷＤＭシステムは、比較的狭い波長帯域、例えば１５５０ｎｍを中心にして、１５３０−１５６５ｎｍ（Ｃバンドと称する）で動作していた。この領域は標準のシリカベースの光ファイバが、低い損失を有する波長領域である。
【０００３】
多くのＷＤＭシステムにおいては、システムが機能できるチャネルの数とチャネルの分離周波数との間にはトレードオフが存在する。両方の目標は、広い動作スペクトラム、即ち広範囲の動作波長を得ることである。
【０００４】
近年、Ｃバンド伝送帯域以上の動作波長範囲を拡張するようなシステムが設計されている。波長の観点からすると、Ｌバンドと称する新たなバンド（帯域）は、様々に定義されるが、本明細書では１５７０−１６１０ｎｍと定義する。これらの付加された波長は、ＷＤＭシステムの容量を大幅に拡張できる。しかし、有効動作波長ウインドウを超えて、さらにまた１６１０ｎｍを超えるような開発努力が続けられている。これらの開発努力は、いわゆる拡張Ｌバンドである１５７０から１６１０ｎｍ以上、例えば１６２０ｎｍに現在向けられている。
【０００５】
稀土類元素をドーピングした光ファイバ増幅器は、ＷＤＭ通信システムで増幅器として幅広い利用が認められている。通常これらの増幅器は、エルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）である。これらは、長距離光ファイバケーブルに容易に組み込むことができ、低価格のマルチモードレーザ、例えばＧａＡｌＡｓで、高パワーのシングルモードの出力を提供するレーザでポンピング可能である。これらは、上記の目標の一部を達成するために比較的広いゲインの帯域でもって製造されている。
【０００６】
ＷＤＭシステムは、ＣバンドよりもＬバンドでより多くの波長を搬送することのできる分散シフト型ファイバ（dispersion shifted fiber，ＤＳＦ）を用いている。これらの新たな設計構成要素、例えばＥＤＦＡ伝送ラインとＤＳＦ伝送ラインを用いて高密度ＷＤＭ（ＤＷＤＭ）システムが、Ｌバンドで４０×１０Gbit/sの波長を伝送することができ、これはネットワークの容量の１６０倍の増加となる。これを実際の情報処理能力に置き変えてみると、このシステムは、毎秒８０枚以上のＣＤＲＯＭに含まれた情報を同時に伝送できることに相当する。
【０００７】
ＷＤＭシステムにおいては、ＷＤＭ波長帯域全体に亘って均一のゲインを有することが重要である。このような目標は、動作波長範囲が長い波長にまで拡張するにつれて困難となる。ゲインカーブの穏やかな非均一性は、高いゲインのピークをチョッピング（切り取る）ことによりフィルタ除去することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、通常のゲインカーブは、波長帯域の大部分に亘って湾曲しているために高いゲイン部分をチョッピングすることは、信号の大部分を失うことになる。かくして、Ｌバンドに亘って、さらにまた拡張Ｌバンドに亘って、比較的均一でかつ平坦なゲインを有する光ファイバは、ＤＷＤＭシステム設計における重要な技術的前進を示すことになる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、拡張Ｌバンド領域で動作できるような稀土類をドープした光ファイバと光ファイバ増幅器が得られる。本発明で用いられる光ファイバは、基本的な光増幅機能用にＥｒを、拡張Ｌバンドにおける目標波長で選択的にゲインを上げるためにＰを、高い開口数（numerical aperture，ＮＡ）を得るためにＧｅを、他の添加物を固化するためにＡｌを含有する。Ａｌの量は、Ｐの量よりも低く、通常４％以下でゲインカーブの平坦さを維持している。これらの添加物の実際の機能は、部分的には交換可能であり、各添加物（元素）の正確な役割は完全には研究調査されてはいない。しかし、これらの添加物を加えた効果は以下に述べるように明らかである。
【００１０】
本発明の光ファイバは、少なくとも１６２０ｎｍまで平坦なゲインプロファイル（ゲインカーブ）を示し、かくしてＬバンドの帯域を２０％以上拡張できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、光ファイバコイル１１を具備した光ファイバ増幅器を示す。光ファイバコイル１１の一部は省略してあり、当業者に明らかなように実際のスケール通りには描いていない。これらの増幅器構造で用いられる光ファイバの長さは、数１０ｍのオーダーで、図ではそれを何回もの巻回で示している。光ファイバは、円形または楕円形の様々な種類のマンドレル構造体で支持されている。
【００１２】
増幅器は、カプラ１２を介して光ファイバのコアに結合されたレーザポンプ１３を用いてファイバ中に端部からポンピングされる。反対方向からのポンピング（図示せず）も増幅器の出力端に結合することもできる。通常、ポンピングの波長は、９８０ｎｍと１４８０ｎｍであるが他の波長でもよい。信号入力は１４で増幅された信号出力は１５で表される。原理的には、図示したように端部からポンピングされているために、光ファイバコイル１１は、その全長あるいは大部分の長さに亘って伸ばすこともできる。
【００１３】
図２に光ファイバの端面が示されている。同図は、光ファイバのある部分での断面を表す。光ファイバレーザは、コア２１とクラッド層２２とを有する。光ファイバのコア２１は、以下に説明するような本発明による組成を有する。クラッド層２２は、高いシリカ材料、即ち少なくとも８５％がＳｉＯ２であり、ある好ましい実施例においては純粋なシリカ製である。
【００１４】
図２に示す構造体の寸法は、様々に変更可能である。クラッド層２２の直径は、通常５０−４００μｍで、好ましくは７０−３００μｍである。
【００１５】
図１の構造体と以下に説明する光ファイバは、米国特許第５，９３７，１３４（発行日、August 10, 1999 to David J. DiGiovanni）に記載された光ファイバレーザに類似する。しかし、多くの光ファイバ増幅器および光ファイバレーザの主要な構成要素は、稀土類をドーピングした光ファイバであるために大部分が類似することになる。しかし、光ファイバおよびその特性の全体的な設計は大幅に異なる。さらにまた、光ファイバレーザは、ブラグリフレクタグレーティングにより通常形成される共鳴キャビティ（resonant cavity）を具備している。本発明の増幅器は、進行波原理で動作するため共鳴キャビティは必要ではない。また、レーザは、符号化された入力と出力を有しない。増幅器ファイバは、同時に多くの波長を増幅するよう設計されている。
【００１６】
ＥＤＦＡデバイスにおいては、増幅器のゲインは実際の光ファイバの長さの関数であり、ゲインカーブは、吸収係数とゲイン係数を用いて次式で計算される。
【数１】
0003803310.tif 000002
ここで、α（λ）は吸収係数で、ｇ＊（λ）はゲイン係数である。＜ｎ２＞は平均反転（average inversion）イオンの数であり、ｎｔはＥｒイオンの全数であり、Ｌは光ファイバの長さである。
【００１７】
この関係を用いてＥＤＦＡデバイスのゲインカーブが計算され、Ｌバンドの性能用に解析される。様々なパラメータを調節してゲインカーブに対する影響を決定する。特に１６１０ｎｍ以上の波長における性能に対する影響を決定する。これらのモデル化された技術を用いて高性能のＥＤＦＡデバイスが得られるが、１６１０ｎｍ以上の波長においてゲインの急激な落ち込みがあることが見出された。このことを図３に示し、同図においてカーブ３１は、成功したＥＤＦＡ設計に対する実際の測定値を表し、１６００ｎｍ以上ではゲインの鋭い落ち込みが見られる。点線３２は、同図に示された波長に対し好ましい最低目標値としての１１ｄＢを示す。
【００１８】
本発明によれば、光ファイバのコアにエルビウムをドーピングして増幅機能を与え、単位長さあたりのゲインを最適化している。０．０１〜０．１モル％のレベルのエルビウムドーピングが推奨される。高いエルビウムレベルに起因する濃度クエンチング（concentration quenching）を阻止するために、Ａｌが追加され、増幅器の効率を許容可能なレベルまで上げている。０．５〜０．８モル％のＡｌドーピングレベルが推奨される。高いレベルのＡｌのドーピングは、ゲインカーブのリップル（ギザギザ）を引き起こすために注意しなければならない。ゲイン量を増加させる際に、ゲインカーブが許容できない程に波打つ（ギザギザになる）場合には、より高い全体的なゲインの利点は、過剰なリップル（ギザギザ）をフィルタ除去する必要性により解消してまう。そのためＡｌの濃度は、４モル％以下にキープしなければならない。
【００１９】
ゲインカーブの形状は、ＧｅとＰをコアに同時にドーピングすることにより調整される。Ｇｅの濃度は、高いＮＡを与えるために、０−１２モル％、さらに一般的には０．１−１０モル％、さらに好ましくは６モル％以上の比較的広い範囲に亘って変動可能である。高いＮＡは、曲げ損失に対する光ファイバの敏感性を減らすことができる。Ｇｅの量を減らすことは、抑制されたクラッド層、即ちダウンドーピング（フッ素ドーピング）されたクラッド層を具備した光ファイバで用いられる。このような専門的知識を用いて、比較的高いＮＡを保持しながら全体的な添加物のレベルを低く維持することができる。
【００２０】
比較的平坦なゲインスペクトラムを得るために、Ｐの濃度ははＡｌの濃度以上のでなければならないことが見出された。そのため大部分の場合のＰの濃度は１．０−１０モル％で、好ましくは５−１０モル％である。Ａｌは、Ｐの屈折率変更効果に対し反作用として働き、したがって大量のＰまたはＰ＋Ｇｅが比較的高いコアΔを提供するために好ましい。一般的な目的は、ここに開示した共ドーピングを用いて、コアΔを少なくとも０．００５、さらに好ましくは０．００８以上にすることである。最適の結果は、少なくとも０．０１２のコアΔで得られる。０．００８と０．０１２のコアΔは、それぞれ０．１５のＮＡと０．１９のＮＡに対応している（第１クラッド材料として純粋シリカを用いた場合）。
【００２１】
以下の表は、本発明を具体化するために用いられた光ファイバの例である。コアの組成と特性は、本発明の効果を示すためであり、本発明の範囲を制限するものではない。主要材料がシリカの場合について、コアΔは第１クラッド層としてシリカが用いられた場合に計算されている。
【表１】
0003803310.tif 000003
これらのファイバのコアの直径は３−７μｍで、カットオフ波長は９００と１６００ｎｍの間である。内側クラッド層の直径は１２５μｍである。
【００２２】
これらのファイバの組成を用いてゲインスペクトラムに与える組成の影響を見ながら光ファイバ増幅器が製造された。増幅器の測定値の結果は、以下の表に示すとおりである。ゲインのリップル（ギザギザ）は(Gmax-Gmin)/Gminとして定義した。
【００２３】
0003803310.tif 000004
【００２４】
表１と表２の例Ａ−Ｅに対するゲインスペクトラムをゲイン対波長の関係で、それらをそれぞれ図４−８に示す。ゲインの値は任意単位であり、デバイスの長さ、エルビウムの濃度、ポンプの特性のうちの１つあるいは複数の要素を調整することにより選ばれたレベルで固定されたものである。
【００２５】
本発明の目的を達成するためには、ゲインのリップル率は、波長範囲１５６５−１６２０ｎｍで、７０％以下さらに好ましくは４０％以下でなければならない。ゲインのリップル率は上記に定義したとおりである。
【００２６】
ここに示した例の光ファイバは、標準のＭＣＶＤとそれと組み合わせた溶液ドーピング（solution doping）により用意された。Ｇｅをスート（soot）層に含有させた。Ｐは、ＰＯＣｌ３雰囲気でプリフォームを形成すること（consolidating）により含有された。ＡｌとＥｒは、ＡｌＣｌ３とＥｒＣｌ３を用いた溶液ドーピング（solution doping）を用いて導入された。通常のプリフォームは、スート堆積中に、1.2 g/min SiCl４, 1.2 g/min GeCl４ を、シンタリングプロセス中に 250 sccm POCl３ を、溶液中に120 g/l AlCl３・6H２O and 1.5 g/l ErCl３・6H２O を含有させて形成した。生成された公称上の組成は、７モル％のＧｅＯ２、３．４モル％のＡｌ２Ｏ３、５．４モル％のＰ２Ｏ５であり、公称コアΔは０．０１２で、これは０．１９のＮＡに対応する。
【００２７】
これらの例で用いられる稀土類元素および本発明の好ましい稀土類元素はＥｒである。実施例ＣとＤでは他の添加物、好ましくは稀土類添加物を示すためにランタン（lanthanum）の添加が行われ、これはＧｅと組み合わせて用いて、ＮＡとファイバの効率を上げている。
【００２８】
構成材料の上記の制約に加えて全体的な屈折率の変動、即ちコアΔは本発明の目的を達成するよう制御しなければならない。ドーパントの組み合わされたモル％は、ＮＡの値は少なくとも０．１４１５で、好ましくは０．１９以上を生成するように適合しなければならない。
【００２９】
これらの実施例で用いられたポンプダイオードは、比較的広い帯域のＧａＡｌＡｓデバイスである。しかし、他の半導体レーザポンプソース、例えばＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰで置換可能である。半導体ポンプレーザが好ましいが他のポンプソース例えばＮｄ−ガラス、Ｔｉサファイアも用いることができる。
【００３０】
当業者に公知のように、光ファイバ増幅器は、「インライン（in-line）」で用いられ、多重化信号、例えば平坦なゲインバンド特性が重要であるようなＬバンドとＣバンドに跨る波長の信号を増幅する。これらの増幅器は、また単一チャネルからの信号、例えばディマルチプレクシング処理の後の信号を増幅するために用いることもできる。後者の場合、入力信号は、１６２０ｎｍまでの比較的狭い波長の信号を有する。しかし、増幅器の平坦なゲイン特性は、このアプリケーションでは重要であり、その結果異なるチャネルの増幅器は、個々のゲイン調整を必要としない。本明細書で用いられる信号は、情報で符号化され送信中の光を意味する。しかし、本発明の増幅器は、変調されない信号、例えばレーザソースデバイス用に用いることもできる。各場合において、本発明の利点を得るためには、入力信号は１６１０ｎｍ以上の波長を有する。
【００３１】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。尚、特許請求の範囲に記載した参照番号は発明の容易な理解のためで、その技術的範囲を制限するよう解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバ増幅器を表す図
【図２】図１の光ファイバ増幅器の光ファイバの端面を表す図
【図３】本発明の稀土類元素をドーピングした光ファイバ増幅器と標準のＬバンド光ファイバ増幅器のゲインと波長との関係を表すグラフ
【図４】本発明による光ファイバ増幅器のゲインと波長との関係を表すグラフ
【図５】本発明による光ファイバ増幅器のゲインと波長との関係を表すグラフ
【図６】本発明による光ファイバ増幅器のゲインと波長との関係を表すグラフ
【図７】本発明による光ファイバ増幅器のゲインと波長との関係を表すグラフ
【符号の説明】
１１  光ファイバコイル
１２  カプラ
１３  レーザポンプ
１４  信号入力
１５  信号出力
２１  コア
２２  クラッド層
２３  被覆層
【図１】
0003803310.tif 000005
【図２】
0003803310.tif 000006
【図３】
0003803310.tif 000007
【図４】
0003803310.tif 000008
【図５】
0003803310.tif 000009
【図６】
0003803310.tif 000010
【図７】
0003803310.tif 000011