いまさら聞けないガラス講座

光ファイバ増幅器
豊田工業大学大学院 工学研究科
先端フォトンテクノロジー研究センター

大 石泰 丈Optical fiber amplifiers
Yasutake Ohishi
Research Center for Advanced Photon Technology Graduate School of Engineering Toyota Technological Institute１．はじめにァイバ増幅器を用いた増幅波長域拡大の研究も精力的なされてきた。また，光ファイバの増幅インターネット技術の発展は目覚ましく，世機能は，単に信号増幅だけではなく，光信号の界全体で数十億台を超えるコンピュータが相互制御にも積極的に応用されようとしている。本に接続されデータや画像等いろいろな情報を稿では，光ファイバーアンプの基礎を紹介す人々が交換して生活するようになろうとしている。

る。今後予想される良質な動画像の送受信には基幹伝送網でテラビットからペタビット級の大２．光ファイバ増幅器の原理容量光通信技術が必要になる。そのような大容

ここでは最も開発の進んだ希土類添加光ファ量光通信を実現するために WDM（Wavelength

イバ増幅器とファイバラマン増幅器について動Division Multiplexing）伝送技術の開発が進め。
作原理を述べる［１］

られてきた。EDFA（Erbium―Doped Fiber Am-

１!

希土類添加光ファイバ増幅器plifier）を用いると WDM 信号が一括増幅でき希土類添加光ファイバ増幅器は希土類イオンるため中継器コストの大幅な低減が可能となるの４f エネルギー準位間の誘導放出遷移を利用ため，WDM システムのキーデバイスとなってして光の増幅を行う。これまでに開発された希いる。WDM 伝送で大容量化するには，一波当

土類添加光ファイバ増幅器は EDFA，TDFAたりの通信速度を上げるとともに信号の波長数（Thulium―Dopedを増やす必要があり，そのため光増幅器の広帯（Praseodymium―Doped Fiber Amplifier）など

FiberAmplifier），PDFA３μm 帯 か ら
域 化 が 不 可 欠 で あ る。ま た，１．

である。Er，Tm，Pr のエネルギー準位ダイ

１．
６５μm 帯にわたる光ファイバの低損失波長４I１３／２ 準位と４I１５／２アグラムを図１に示す。Er では，域は５０THz 近くあり，それをすべて利用でき準位間の誘導放出により１．
５μｍ帯の光増幅がれば通信容量を一挙に大規模化できるため，フなされ，Tm では，３H４ 準位と３F４ 準位間の誘導ァイバラマン増幅器などの EDFA 以外の光フ放出により，また，Pr では１G４ 準位と３H 準位間４６μｍ帯およびの誘導放出によりそれぞれ１．

〒４６８―８５１１ 名古屋市天白区久方２―１２―１
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ac．
jp

１．
３μｍ帯等の光通信波長帯での光増幅が可能になる。これまでに開発された光ファイバ増幅器の増幅帯域を図２にまとめる。
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１０６ ２０１２) + 
6 )  3,

3

'

*3F4μP*6$

,

3

H6Er3+↓㍽ᑕ㑄⛣&RRSHUDWLYHXSFRQYHUVLRQ)
)
)

+
+
+



1.4-1.7 μm GSA

H51.047 μm

31.02 μm GSA,μP ᖏⓎග

H41.047 μm,

1.4 μm3

1.4 μm&RRSHUDWLYHXSFRQYHUVLRQ

F23F31.3μmᖏⓎගȣP(6$μP*6$࢚ࢿࣝࢠ࣮;  FP Pr3+Tm3+
図１ Er，Tm，Pr のエネルギー準位図QP

O-bandE-bandS-bandC-Transmission Loss (dB/km)

QP QP QP band

1.2L-bandQP

U-band
QP

Rare-earth-doped fiber amplifiers

TDFA
TDFA
GS-TDFA
GS-TDFA

PDFA

1.0

PDFA

0.8

S-EDFAC-EDFAC-EDFAEDTFA
L-EDFA
L-EDFA
L-EDTFA

Rare-earth-doped fiber amplifiers + FRATDFA + FRAEDFA + FRA

0.6
0.4
0.2
01.2

1.3

1.4
1.5
Wavelength (μm)

1.61.7

図２ 光ファイバ増幅器の増幅帯域

EDFA による光増幅は Er イオンの４I１３／２ 準位準位間に反転分布が生じる。このときそのレベ４。と I１５／２ 準位問の誘導放出遷移による（図１）

ル間のエネルギー差に対応するエネルギーを持

９８μm や１．
４８μm の波長の充分すなわち，０．

った光が入射されると４I１３／２ 準位から４I１５／２ 準位へ

強 い 励 起 光 が 注 入 さ れ る と４I１１／２ 準 位，ま たの遷移が強制的に起こり入射光と等しいエネル

４４は， I１３／２ 準位が励起され， I１１／２ 準位からの緩和ギーを持った光が放出される。これが誘導放出または４I１３／２ 準位内の緩和により４I１３／２ 準位と４I１５／２遷移であり光ファイバ中では光ファイバの長手

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図３ 光ファイバの構造

図４ 希土類添加光ファイバ増幅器の構成図に沿ってこの遷移が連続的に起こり，増幅作用は，図４のようになる。励起光と信号光とを光が積分されて大きな利得が得られることにな

カップラーにより合波して希土類添加光ファイる。光ファイバは，コアとクラッドからなり（図バに入射させる。励起光によりコアに添加され３［２］），クラッドより高い屈折率を持ったコア

た希土類イオンは励起され，誘導放出により信内をコア・クラッド界面での全反射を繰り返し号光を増幅する。光アイソレータはレーザ発振ながら，伝搬する。コアとクラッドとの屈折率を抑えて利得を高く保持するために使われる。の差を大きくとれば，コア径はより小さくすることができ，コア内での光のパワー密度を大き２!

ファイバラマン増幅器くすることができるので，励起効率を上げるこ

ラマン散乱は，物質の光学フォノンと光の相とができる。したがって，光ファイバを Er の互作用によって生じる。図５に示すように，入ホストに使うもう一つの利点は，小さなコァ内射光により物質が仮想状態に励起され脱励起す（直径：〜４μm）に励起光を閉じこめるため高る際物質の光学フオノンが励起されそのエネルい励起光密度が得られ，励起効率が非常に上げギーに対応したストークスシフト分だけ周波数９８μm 帯励起られる点である。その結果，０．の低い光（ストークス光）が生成される。ストー

４８μm 帯 励 起 で は６で は１０dB/mW 以 上，１．

クス光の波長と同じ波長を有する光が同時に入dB/mW 以上の利得効率が実現されている。

射すると誘導ラマン散乱によって利得を得る。

具体的な希土類添加光ファイバ増幅器の構成

ファイバラマン増幅器はこの誘導過程を利用し
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器では励起光が信号光に対して同方向に伝搬しても反対方向でもほぼ同じ利得を生じる。
ラマン増幅スペクトルは媒質を構成する分子ບ㉳ගに依存する。したがって，媒質の構成分子を変䝣䜷䝜䞁䛾ບ㉳‽఩えることにより，増幅特性を制御することができる。これまでに石英光ファイバではドーパン䝣䜷䝜䞁䛾ᇶᗏ‽఩ಙྕග

トとラマン増幅特性の相関が研究されてきた。

図５ ラマン増幅過程

また，最近では，石英光ファイバ以外のテルラ䝷䝬䞁ቑᖜ⏝ග䝣䜯䜲䝞

イトファイバやシリコン導波路や半導体によるග䜹䝑䝥䝷ග䜹䝑䝥䝷

新規な利得媒質を用いたラマン光増幅器の研究も行われるようになり，新たな可能性も検討されている。

ບ㉳ගບ㉳ග※ບ㉳ගບ㉳ග※図６ ファイバラマン増幅器の構成図

５．むすび
希土類添加光ファイバ増幅器とファイバラマン増幅器について述べた。その応用可能な分野た光増幅器である。すなわち，ファイバラマンは非常に広い。新しい素材による光増幅器研究

増幅器を実現するには，増幅したい信号光からの進展および応用が今後も期待される。

ストークスシフト分短い波長を持つ励起光を用意し，利得媒質である光ファイバ中で誘導ラマン散乱が起きるように，EDFA のように励起光と信号光を光力ップラによって合波しこれらの光が同時に増幅用光ファイバを伝搬するよう。誘導ラマン散乱は光学フに構成する（図６）
ォノンの等方性によってその散乱断面積が励起光と信号光の伝搬方向にあまりよらないという特徴がある。したがって，ファイバラマン増幅

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参考文献
１．たとえば，
Emmanuel Desurvire，Dominique Bayart，Bertrand Desthieux and Sebastien Bigo，“Erbium―doped fiber amplifiers : Principles and Applications”，
A John Wiley & Sons，
Inc．
，
２００２．
２．２．
Bahaa E．A．Saleh and Malvin Carl Teich，Fundamentals of Photonics，John Wiley & Sons，
Inc．
，
１９９１．