JP3688131B2

JP3688131B2 - 光増幅素子

Info

Publication number: JP3688131B2
Application number: JP25731598A
Authority: JP
Inventors: 浩孝小野; 誠山田; 照寿金森; 泰丈大石; 誠清水
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Electronics Corp; NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2018-09-10
Also published as: JP2000091675A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号を増幅する光増幅素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、Ｅｒ添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、１．５μｍ帯光通信のキーデバイスであり、波長多重（ＷＤＭ）通信システムへの適用に向けて、研究が進められている。
【０００３】
ＥＤＦＡの利得特性には温度依存性があり、そのために、ＥＤＦＡにおいては、外部の温度が変化すると、利得が増加または減少する。
【０００４】
ところで、このＥＤＦＡには、図１３〜図１５に例示するように、各温度における利得の温度係数が等しくなるファイバ長が存在する。つまり、図１３〜図１５において、各温度に対する利得曲線が１点で交差する点（図中、矢印で示す）が存在し、この時のファイバ長を温度無依存ファイバ長と称している。従って、この長さのＥｒ添加ファイバ（ＥＤＦ）を使用することで、温度無依存型ＥＤＦＡが実現できる(M. Yamada et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.28, No.3, pp.640-649, 1992) 。
【０００５】
しかし、利得の温度係数は信号波長により異なり、そのため、複数の波長の信号を一括増幅するＷＤＭ用ＥＤＦＡでは、温度無依存ファイバ長が各信号波長により異なる結果となり、ファイバ長を温度に対して最適化できない。このため、ＷＤＭ用ＥＤＦＡの温度を一定に保つ必要があり、温度制御機能付ＥＤＦＡが求められていた。
【０００６】
前述の要求に対して、従来は、Ｅｒ添加ファイバ（ＥＤＦ）を収納したパッケージに対して温度制御を行う形態の温度制御機能付ＥＤＦＡがあった（特願平２−２０８９２３号）。
【０００７】
しかし、この従来の形態では、直接ＥＤＦの温度制御をしていないため、温度制御性が悪く、また、ＥＤＦだけでなくパッケージ全体を温度制御するため、必要な電力が大きくなるということと、サイズが大きくなるという、３つの欠点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、その課題は、外部の温度が変化しても利得の変動がなく、温度制御性が良く、小型でかつ低消費電力の光増幅素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の光増幅素子は、光ファイバの温度を一定に保つことにより常に一定の利得を有し、かつ温度制御性に優れ、小型で低消費電力であることを特徴とするもので、以下の構成を有する。
【００１０】
すなわち、本発明の光増幅素子は、コア部またはクラッド部にレーザ遷移を有する希土類または遷移金属が添加されている光増幅用の光ファイバと、前記光ファイバへ正または負の熱量を加える加熱素子と、前記光ファイバの温度を検知する温度検知手段と、前記加熱素子へ供給される電力を制御する電力制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の光増幅素子の一形態においては、前記加熱素子が線状に形成され、該線状の加熱素子がコイル状に巻かれた前記光ファイバの束に巻き付けられた状態で前記光ファイバと前記加熱素子とが接触している。
【００１２】
本発明の光増幅素子の別の形態においては、前記光ファイバが前記加熱素子と接触するとともに、前記加熱素子が線状に形成され、該加熱素子と前記光ファイバが一緒にコイル状に巻かれて該光ファイバと加熱素子とが接触している。
【００１３】
本発明の光増幅素子において、前記光ファイバ、加熱素子、温度検知手段および電力制御手段は、パッケージに収納されている。
【００１４】
そして、前記パッケージの内部に断熱材が取り付けられている。
【００１５】
本発明の光増幅素子において、前記光増幅用の光ファイバはＥｒ添加光ファイバである。
【００１６】
前記Ｅｒ添加光ファイバのホストは、石英系光ファイバ材、フッ化物系光ファイバ材、テルライト系光ファイバ材、多成分酸化物系光ファイバ材、フツリン酸系光ファイバ材、カルコゲナイドガラス光ファイバ材の中から選択された１種類以上の材料から構成されている。
【００１７】
本発明の光増幅素子において、前記光ファイバの増幅帯域は、１．５５μｍ帯と１．５８μｍ帯の少なくとも一方にある。
【００１８】
本発明の光増幅素子においては、前記加熱素子が前記光ファイバへ正の熱量を加える導電性発熱体であることができる。
【００１９】
本発明の光増幅素子においては、前記加熱素子が前記光ファイバへ負の熱量を加える吸熱素子であることもできる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は、以下の実施形態例に限定されるものではない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施形態例１・参考）
図１は、本発明において参考とする光増幅素子の第１の実施形態例を示す斜視図である。図中、１はＥｒ添加光ファイバを示し、２は加熱素子であるシリコンラバーヒータ（導電性発熱体）を示す。また、３ａは熱電対、３ｂは電圧計または温度モニタであり、これらは温度検知手段を構成している。さらに、５は加熱素子２に電力を供給する電源装置（電力制御手段）を示す。前記各構成要素は、パッケージの内部に収納されて使用に供されるようになっており、パッケージの一部を構成する支持基板１００の上に固定されている。前記Ｅｒ添加光ファイバ１は、図に示すように、支持基板１００上で所要回数巻かれて、コイル状の束にされており、このコイル状の束部分を前記シリコンラバヒータ２、２が挟んでいる。
【００２２】
このように、本実施形態例の光増幅素子は、Ｅｒ添加光ファイバ１に直接熱を与えることによって、パッケージに対して熱を与える従来のものよりも高い温度制御性が得られ、小型で低消費電力の光増幅素子が実現されている。定量的には、先に説明した従来技術に比べて、体積は４分の３に、消費電力は２分の１となっている。なお、図１は、パッケージを開けた状態を示しており、前述のように、支持基板１００はこのパッケージの一部であり、各構成要素１〜５の部品は、かかるパッケージ（一つの箱）に収納されている。また、本実施形態においては、パッケージ内部に断熱材（不図示）を入れ、温度制御性を高めている。
【００２３】
Ｅｒ添加ファイバ１としては、Ｅｒ添加石英系ファイバ（屈折率差１．８％、カットオフ波長０．９μｍ、Ｅｒ添加濃度１０００ｐｐｍ、Ａｌ添加濃度４ｗｔ％、長さ１７５ｍ）を使用した。Ｅｒ添加ファイバ１の温度は、熱電対３と電圧計または温度モニタ４とからなる温度検知手段４で監視し、電源装置５から供給される電力を制御することによって、一定に保たれる。
【００２４】
図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の光増幅素子を使用した光増幅器の構成例を示す図である。図において、これらの光増幅器は、光増幅素子６と、励起光と信号光を合波する合波器７，７と、励起光源８，８と、アイソレータ９，９と、光サーキュレータ１０、全反射ミラー（全反射ミラーを端面にコートしたファイバ）１１により、構成される。合波器７としてはバルク型ＷＤＭカップラ、励起光源８としては１．４８μｍ帯ＬＤを使用した。
【００２５】
前記図２（ａ）の構成を使用した場合において、温度制御をしない場合の利得特性を図３に、温度制御をした場合（８０℃）の利得特性を図４に、それぞれ示す。
【００２６】
図３および図４から明らかなように、温度制御をすることによって、利得の温度依存性がなくなっているのがわかる。例えば、１５７０ｍｍで３．７ｄＢ、１５９５ｎｍで６．５ｄＢの利得偏差が、温度制御により、０．３ｄＢに抑えられている。
【００２７】
励起光源として、０．９８μｍ帯ＬＤを使用した場合も、１．４８μｍ帯ＬＤを使用した場合と同様に、温度制御を行うことによって、利得を一定に保つことができた。
【００２８】
以上のように、本実施形態の光増幅素子を使用することによって、従来技術より温度制御性が良く、小型で低消費電力の温度無依存型光増幅器が実現できた。
【００２９】
なお、残りの図２（ｂ），（ｃ），（ｄ）の構成を用いたが、同様の温度無依存型光増幅器が実現できた。
【００３０】
図５，図６，図９に光増幅素子の他の形態をまとめて示す。図中、図１と同一構成要素には同一符号を付して説明を簡略化する。
【００３１】
（実施形態例２・本発明）
図５の構成は、本発明のコイル状の束になっているＥｒ添加光ファイバ１の周囲に、線状のヒータ２ａを巻き付けたことを特徴としている実施形態例を示す。本形態をとることにより、第１の実施形態の光増幅素子（図１）よりもさらに消費電力が小さくなった。具体的には、この図５の素子では、必要な消費電力が、第１の実施形態の光増幅素子に比べて、４分の３であった。
【００３２】
（実施形態例３・本発明）
図６の構成は、本発明のＥｒ添加光ファイバ１と、線状のヒータ２ｂとを、図７あるいは図８に示すように、互いに交互に並べるように束ねて、コイル状に巻回していることを特徴としている実施形態例を示す。光ファイバ１と線状ヒータ２ｂの巻回の仕方は、図７または図８に断面構成を示すように、配置することができる。このように、光ファイバ１とヒータ２ｂとを同時に巻き回すことにより、図１に示した第１の実施形態例の光増幅素子よりも、低消費電力であった。さらに、光ファイバの巻き回し後に、ヒータを巻き付けるなどの作業が省略できるため、作業性の向上が得られた。具体的には、第１の実施形態例の光増幅素子に比べて、消費電力は４分の３、作成作業時間は２分の１であった。
【００３３】
（実施形態例４・参考）
図９の構成は、Ｅｒ光添加ファイバ１を巻き回したボビン２００に、面状ヒータ２ｃが内蔵されていることを特徴としている参考実施形態例を示す。本形態をとることにより、図８の構成で必要な光ファイバ１とヒータとの位置合わせが不必要となり、図８の光増幅素子よりも作業性が向上した。具体的には、図８の光増幅素子に比べて、作業時間は２分の１であり、消費電力は第１の実施形態例の光増幅素子（図１）と同程度であった。
【００３４】
なお、図５，図６，図９では、パッケージを開けた状態を示しており、構成要素１〜５は一つの箱（パッケージ）に収納されている。また、本実施形態においては、パッケージ内部に断熱材（不図示）を入れ、温度制御性を高めている。
【００３５】
これらの光増幅素子を使用し、第１の実施形態と同様に光増幅器を構成して温度無依存型光増幅器が実現できた。
【００３６】
（実施形態例５・参考）
本実施形態例の光増幅素子の基本構成は、第１の実施形態例と同様である。本実施形態例では、素子の材料組成を変えた。
【００３７】
ホストガラスの組成を変えた各種Ｅｒ添加光ファイバを使用して光増幅素子を構成し、この素子を用いて光増幅器を構成した。この光増幅器の温度特性を、表１および表２に示す。表中の利得の温度変化は、−４０から＋８０℃まで外部温度を変化させたときの最大利得と最小利得との差を示している。
【００３８】
このように光増幅素子の種類を変えることにより、従来技術より温度制御性が良く、小型で低消費電力の温度無依存型光増幅器が実現できた。
【００３９】
【表１】

【００４０】
【表２】

【００４１】
（実施形態例６・参考）
図１０は、本発明で参考とする光増幅素子の第６の実施形態を示す。図中、図１と同一構成要素には、同一符号を付して説明を簡略化する。図中、１２は負の熱量を加えるペルチェ素子（吸熱型加熱素子）であり、コイル状に巻回された光ファイバ１の下に敷設されている。このペルチェ素子１２には、電源５から電力が供給される。
【００４２】
このように本実施形態例の光増幅素子は、Ｅｒ添加光ファイバ１に直接熱を与えることにより、パッケージに対して熱を与える従来のものより高い温度制御性が得られ、小型で低消費電力の光増幅素子が実現されている。具体的には、従来技術に比べて、体積は４分の３に、消費電力は２分の１である。なお、図１０はパッケージを開けた状態を示しており、構成要素１〜５および１２は一つの箱（パッケージ）に収納されている。また、本実施形態においては、パッケージ内部に断熱材を入れ、温度制御性を高めている。
【００４３】
Ｅｒ添加ファイバ１としては、Ｅｒ添加石英系ファイバ（比屈折率差１．８％、カットオフ波長０．９μｍ、Ｅｒ添加濃度１０００ｐｐｍ、Ａｌ添加濃度４ｗｔ％、長さ１７５ｍ）を使用した。Ｅｒ添加ファイバ１の温度は、熱電対３および電圧計または温度モニタ４で監視し、電源５を制御することによって、一定に保たれる。
【００４４】
図２（ａ）の構成の光増幅素子において、温度制御をしない場合の利得特性を図１１に、温度制御をした場合（２０℃）の利得特性を図１２に、それぞれ示す。
【００４５】
両図から明らかなように、温度制御をすることによって、利得の温度依存性がなくなっているのがわかる。例えば、１５７０ｎｍで３．７ｄＢ、１５９５ｎｍで６．５ｄＢの利得偏差が温度制御により０．４ｄＢに抑えられている。
【００４６】
励起光源として、０．９８μｍ帯ＬＤを使用した時も、１．４８μｍ帯ＬＤを使用した場合と同様に、温度制御を行うことによって利得を一定に保つことができた。
【００４７】
以上のように、本発明の光増幅素子を使用することによって、従来技術より温度制御性が良く、小型で低消費電力の温度無依存型光増幅器が実現できた。
【００４８】
なお、図２（ｂ），（ｃ），（ｄ）の構成を用いたが、図２（ａ）の構成の場合と同様の温度無依存型光増幅器が実現できた。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光増幅器は、外部の温度が変化した場合に、ＥＤＦの温度を一定に保つことによって利得を制御して、常に一定の利得が得られる。さらに、従来の光増幅素子、光増幅器に比べて温度制御性に優れ、小型で低消費電力である。
【００５０】
このような光増幅器を光通信システムに適用することにより、外部温度変化があった場合にも伝送特性劣化のないシステムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光増幅素子の第１の参考実施形態例の構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ第１の参考実施形態例の光増幅素子を用いた光増幅器の構成を示すブロック図である。
【図３】第１の参考実施形態例による光増幅器の温度の特性（温度制御なし）を示すグラフである。
【図４】第１の参考実施形態例による光増幅器の温度の特性（温度制御あり）を示すグラフである。
【図５】本発明の光増幅素子の第２の実施形態例を示す斜視図である。
【図６】本発明の光増幅素子の第３の実施形態例を示す斜視図である。
【図７】図６に示した光増幅素子の光ファイバとヒータとの組み合わせ構成を示す断面図である。
【図８】図６に示した光増幅素子の光ファイバとヒータとの他の組み合わせ構成を示す断面図である。
【図９】光増幅素子の第４の参考実施形態例を示す斜視図である。
【図１０】光増幅素子の第６の参考実施形態例を示す斜視図である。
【図１１】第６の参考実施形態例による光増幅器の温度特性（温度制御なし）を示すグラフである。
【図１２】第６の参考実施形態例による光増幅器の温度特性（温度制御あり）を示すグラフである。
【図１３】従来の光増幅器の特性を説明するグラフである。
【図１４】従来の光増幅器の特性を説明するグラフである。
【図１５】従来の光増幅器の特性を説明するグラフである。
【符号の説明】
１Ｅｒ添加ファイバ
２シリコンラバーヒータ（導電性発熱体；加熱素子）
２ａ線状ヒータ（導電性発熱体；加熱素子）
２ｂ線状ヒータ（導電性発熱体；加熱素子）
２ｃ面状ヒータ（導電性発熱体；加熱素子）
３熱電対
３ｂ電圧計または温度モニタ
４温度検知手段
５電源（電力制御手段）
６光増幅素子
７合波器
８励起光源
９アイソレータ
１０光サーキュレータ
１１全反射ミラー
１２ペルチェ素子（吸熱型加熱素子）
１００基板（パッケージの一部）
２００ボビン

Claims

コア部またはクラッド部にレーザ遷移を有する希土類または遷移金属が添加されている光増幅用の光ファイバと、
前記光ファイバへ正または負の熱量を加える加熱素子と、
前記光ファイバの温度を検知する温度検知手段と、
前記加熱素子へ供給される電力を制御する電力制御手段と、を備え、
前記加熱素子が線状に形成され、該線状の加熱素子がコイル状に巻かれた前記光ファイバの束に巻き付けられているか、もしくは前記線状の加熱素子と前記光ファイバが一緒にコイル状に巻かれて、光ファイバと加熱素子とが接触していることを特徴とする光増幅素子。
前記光ファイバ、加熱素子、温度検知手段および電力制御手段が、パッケージに収納されていることを特徴とする請求項１に記載の光増幅素子。
前記パッケージの内部に断熱材が取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載の光増幅素子。
前記光増幅用の光ファイバがＥｒ添加光ファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の光増幅素子。
前記Ｅｒ添加光ファイバのホストが、石英系光ファイバ材、フッ化物系光ファイバ材、テルライト系光ファイバ材、多成分酸化物系光ファイバ材、フツリン酸系光ファイバ材、およびカルコゲナイドガラス光ファイバ材よりなる群から選択された１種類以上の材料から構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光増幅素子。
前記光ファイバの増幅帯域が１．５５μｍ帯と１．５８μｍ帯の少なくとも一方にあることを特徴とする請求項１、２または４のいずれかに記載の光増幅素子。
前記加熱素子が前記光ファイバへ正の熱量を加える導電性発熱体であることを特徴とする請求項１または２に記載の光増幅素子。
前記加熱素子が前記光ファイバへ負の熱量を加える吸熱素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の光増幅素子。