WO1992005466A1 - Optical amplifier - Google Patents

Description

光 幅 技 術 分 野

こ の発明は、 一般的に、 光バ ラ メ 卜 リ ッ ク i½幅 又は四光波混合光増明幅の原理に従 う 光 i 幅器に関 し、 さ ら に詳 し く は、 号光及びポ ンプ光の位 整合が容易で、 効率的な光増幅が可能な信 ¾光の 帯域が広い光増幅器に関する。 背 景 技 術 - 光の 界振幅を直接増幅する 光 ¾幅器は、 光 フ ァ ィ バ伝送 シ ス テ ム において次のよ う な用途に適 用可能であ り 、 近 光堦幅器につ い て の研究が ^ 発化 してい る。

( A ) 光源の光出力增大 ： 光送 i,†機におけ る ί 号光の光源の出力を高め る こ と に よ り 、 伝送距離 がお；大す る。 ま た、 コ ヒ ー レ ン ト 光波通 シ ス テ ムの光受信機において、 " 一 カ ル光川 光源に光 増幅器を適用 した と き に 、 受 i,†感度が改莕 さ れる

( 13 ) 光受 ^機にお け る つ。 リ ア ンマ' ： 光 ¾ 変換の ϊί'ί前に光 ^幅を行 う こ と に よ り 、 受 i t感度 が改善 さ れる -:

( C ) 光中継 ^ ： 従 3 の光屮 lit ^において - Π. 光— 電気変換 してか ら電気信 nを増幅する の と比 較 して、 光のま ま増幅する こ と によ り 中継器 ΙΊ ik の小型化が可能にな る。 ま た 、 中継問隔が拡人す る o

従来、 非線形光学材料か ら な る光導波構造に ^ 号光及びポ ンプ光を導波 させて、 2 次の非線形効 によ つ て信号光の光パラ メ ト リ ッ ク 増幅を う 光増幅器が公知でめ 。

ま た、 非線形光学材料か らな る光導波構造に信 号光及びポ ンプ光を導波させて、 3 次の非線形効 果 よ つ て信号光の四光波混合光増幅を行 う 光増 幅器が公知であ

これ ら従来の光増幅器の欠点は、 r j光及びポ ンプ光の位相整合が必ず し も容易でな く 、 そのた め、 効率的な光増幅が可能な ^光の 域が狭い と い う A にあ る o

そ こで、 本発明は、 信号光及びポ ンプ光の位 1 整合が容易で、 効率的な光増幅が可能な ^ ^ι 光の 帯域が広い光増幅器の提供を \\的と する 発 明 の 開 示

本発明をあ る側面か ら 見る と 、 比較的高 m折率 な コ ア及び比較的低屈折率な ク ラ ッ ドを冇 し少な く と も 上記 コ ア は 2 次の非線形'応答を示す光導波 構造に信号光及びポ ン プ光を導波させて上記信 光の光パ ラ メ ト リ ッ ク 増幅を行 う 光增幅器におい て、 光パ ラ メ ト リ ッ ク 增幅過禾 ¥:で 4: じ る ア イ ド ラ 光を上記光導波構造内で減衰 さ せ る ァ ィ ド ラ 光減 衰手段を備えた こ と を特徴と す る 光増幅器が捉供 さ れる。

本発明を他のあ る側而か ら ϋ る と 、 比較的《 折率な コ ァ及び比較的低屈折率な ク ラ ッ ドを ϊ し 少な く と も 上記 コ ア は 3 次の非線形応答を示す光 導波構造に信号光及びポ ンプ光を導波 さ せて上記 信 号光 四光混合光増幅を う 光お ^Yi I.Vi器において 四光波混合光増幅過程において生 じ る ア イ ド ラ 光 を上記光導波構造内で減衰 させる ァ ィ ド ラ 光減衰 手段を備えた こ と を特徴 と す る 光增幅器が煶供 さ れる o

本発明の望ま しい実施態様に よ る と 、 ア イ ド ラ 光を吸収する元素又は該元素の化合物を光導波構 造のコ ア に ド ープする こ と に よ つ て、 ア イ ド ラ 光 を光導波構造内で減衰さ せ る よ う に してい る。

ア イ ド ラ 光の波長力《 1 . 5 3 j mであ る場 に は、 ア イ ド ラ 光を吸収する 元素 と して は I': r ( ェ ルビ ゥ 厶 ） を用い る こ と ができ る（）

本発明の他の望ま しい実施態様に よ る と 、 了 ィ ド ラ 光の周波数が光導波構造の力 ッ ト オ フ 周波数 よ り も低 く な る よ う に光導波構造の構造パ ラ メ 一 タ を設定 してお く こ と に よ っ て、 ア イ ド ラ 光が光 導波構造内で減衰する よ う に してい る 図面の簡単な説明

図 1 は本発明の望ま しい実施例を示す光增幅器 の構成図、

図 2 は光パ ラ メ ト リ ッ ク 増幅の概念図、 図 3 は四光波混合光増幅の概念図、

図 4 は本発明の他の望ま しい実施例を示す光増 幅器の構成図、

図 5 は誘導ブ リ ル ア ン散乱を抑えた実施例を示 す光送信機の一部の構成図、

図 6 は誘導ブ リ ル ア ン散乱を.抑えた他の実施例 を示す光送信機の一部の構成図であ る。 発明を実施する ための最良の形態

以下本発明の望ま しい実施例を添付の図面に従 つ て詳細に 兌明する

図 1 は本発明の望ま しい実施例を示す光増幅器 の構成図であ る。 符 ^ 2 は信号光及びポ ンプ光を 導波させる ための光導波構造であ り 、 この実施例 では光導波構造 2 は、 比較的高屈折率な 丁 4 及 び こ の周朗に設け られた比較的低 iii祈 Ψな ク ラ ッ ド 6 か らな る光フ ァ ィ バによ つ て実現 さ れてい る 光導波構造 2 において少な く と も入射 した光が伝 搬する コ 了 は、 入射 した光の電界に比例する分極 に加えて電界の 2 乗 （光パ ラ メ ト リ ッ ク 增幅の場 合） 又は電界の 3 乗 （四光波混合光増幅の場合） に比例する 分極が生 じ る よ う な光学的に非線形な 材料か ら形成さ れる。 光学的に非線形な材料 と し て石英等の等方性結晶を用い る こ と がで き る。 石 英か ら な る光フ ァ イ バは製造が容易であ り 、 後述 する ア イ ド ラ 光を吸収する元素の コ アへの ド ープ 容易で ' る。

ポ ン プ光源 8 か らのポ ン プ光は、 光合波器 1 () において信号光と 合波さ れ、 こ の合波 さ れた ' 光及びポ ンプ光は、 図示 しない レ ン ズに よ り 集束 さ れて光導波構造 2 にそのコ 了'端面か ら入射する（ ポ ン プ光源 8 と しては、 一定周波数で発振す る レ ―ザダィ オ ー ドを用 い る こ と ができ る。 光合波器 1 () と しては、 分岐比が波長に人き く 依 ^す る フ ア イ バ融着型の光力 ブラ や、 透過率乂は反射率が 波長に大き く 依存す る光学フ ィ ル タ を用い る こ と ができ る。

図 2 は 2 次の非線形応答に よ る 光パ ラ メ ト リ ッ ク 増幅の概念図であ る。 電界の 2 乗に比例す る非 線形分栎を有する媒！？に、 -· iii in 波数 ω _Ρ ΰ)強 いポ ン プ光 と 増幅すベき角周波数 ω s ( < ω _Ρ ) の信号光と を同時に入射 させ る と 、 一般的に は ω , - ω ρ - ω _s な る角周波数の了 ィ ド ラ 光を仲立ち と する 2 つの差周波混合過程の結合に よ り 、 角周 波数 _s の信号光が増幅さ れる。 增幅に必要な ェ ネ ルギ一 はポ ンプ光によ つ て供給 さ れる„ こ こで

( p 2 ω s , ( p 2 ω i が成立する。

図 3 は 3 次の非線形応答によ る四光波混 光増 幅の概念図であ る。 こ の場合、 信号光の周波数 ω ポ ンプ光の周波数 ω _Ρ 、 了 ィ ド ラ 光の周波数 ω , は一般に次の関係を満足す ο

2 ( ρ = ω i + <u _s , ω < s , ω ρ --Ϊ ω i 光ハ。ラ メ ト リ ッ ク 増幅又は四光波混合光増幅を 行う 場合、 大き い利得を得るために は、 位相整合 が要求さ れる。 本発明においては、 ァ ィ ド ラ 光を 光導波構造内で減衰させる手段を採用 してい るの で、 光増幅に寄与 した了 ィ F ラ 光は速やかに減衰 "Τる よ う にな り 、 ボ ン つ"光と 号光の位 整 ^に ついては、 ア イ ド ラ 光が減衰 してい る nilの時 πυだ けを考慮すればよい こ と にな る。 その結果、 光導 波構造全体についてポ ンプ光 と信 ¾光の位祀整 ί を満足さ せ る場合と比較 して、 位相整合条件が大 幅に緩和 さ れ、 広い帯域にわた つ て高い利得を V る こ とがてき る光増幅器の提供が可能にな る。

図 1 に示さ れた光増幅器において、 了 ィ ド ラ 光 を光導波構造内で減衰さ せるために は、 例えば、 ア イ ド ラ 光を吸収する元素又は この元素の化合物 を コ ア 4 に ド ープ してお く 0 ァ ィ ド' ラ 光の波 が 1 . 5 3 〃 m付近にあ る場 は、 ァ ィ ド ラ 光を 吸収する 元素 と しては例えば E r ( ェ ル ビ ゥ ム ） を採用可能であ る。 E r は石英ガ ラ ス か ら な る光 フ ァ イ ノ、'のコ アに ド ープす る のが容易であ る。

コ ア に E r が ド 一プさ れた光 フ ア イ バの製造方 法は、 例えば次のス テ ッ プを含む。

( A ) ク ラ ッ ド と な るべ き石英ガ ラ ス 管内に、 C V D法 （化学的気相析出法） によ っ て、 屈折率 調整用の ド ーパ ン ト を含んだ、 コ ア と な るべき ス 一 ト 状酸化物を堆積 させ る ス テ ッ プ。

( B ) こ の ス ー ト 状酸化物に エ ル ビ ウ ム塩化物 の水溶液又はア ルコ ー ル溶液を含浸させる ス テ ッ プ。 -

( C ) こ の溶液の溶媒を蒸発 さ せ る ス テ ッ プ。 ( D ) エ ル ビ ゥ ム塩化物を含む ス 一 -ト 状酸化物 をガ ラ ス 化 させる ス テ ッ プ。

( E ) 石英ガ ラ ス管を コ ラ ブ ス し てプ リ フ ォ ー ム とする ス テ ッ プ。

( F ) プ リ フ ォ ー ムを溶融 * 紡糸 して光フ ア イ バと する ス テ ッ プ。

尚、 ド ープ元素 と してェ ル ビ ゥ 厶を採用 した場 合に は、 ア イ ド ラ 光の波畏力 1 . ?> μ 付近に あ る ので、 増幅すべき信 光の波 が予め定ま つ てい る場合に は、 ポ ン プ光の波長は、 前 Mの角周 波数の閲係式に基づいて算出 さ れる。

図 4 は本発明の他の望ま し '、 m施例を示す光 幅器の構成図 C、 め 6 o の実施例では前実施例に お け る光フ ァ ィ カヽ らな る 光導波構 に代えて、 光導波路チ ッ プか ら な る光導波構造 2 ' が採用 さ れてい る。 光導波路チ ッ プは、 例えば、 比較的低 屈折率な光導波路基板に熱拡散等によ り 高屈 iff 率 部を形成 し、 この高屈折率部をコ 了 1 4 と し、 そ れ以外の部分をク ラ ッ ド 1 2 と して得る こ と がで ¾ る。 コ ァ 1 4 に光学的な非線形応答を生 じ させ るために、 光導波路基板と して L i N b 〇 3 等の 対称中心がない異方性結晶を用い る α の種の異 方性結 HHは 次の非線形効果を生 じ させる のに適 してい o 英ガラ スか ら な る-光導波路ナ ッ プを 使用する こ と もでき る。

こ の実施例においては 、 了 イ ド ラ 光の周波数が 光導波構造 2 ' におけ る 力 ッ ト ォ フ 周波数よ り も 低 く な る よ う に してお く こ と によ つ て、 光増幅に 関与 したア イ ド ラ 光が光導波構造內で速やかに減 衰する よ う に してい る。 即ち、 図 4 に示さ れた光 増幅器によ り 光パ ラ メ ト リ ッ ク 増幅或い は四光波 混合光増幅を行 う 場合に は、 光導波構造の力 ッ 卜 ォ フ角周波数 ω _c は次の閲係を満 λί 一 3 cj

ω i く ω < ω s

刀 ッ ト オ フ周波数の設 iiは、 光導波構造におけ る コ ア と ク ラ ッ ドの比屈折率差等の構造パ ラ メ 一 夕 の調整によ り 行 う こ と ができ る 尚、 信号光、 ポ ンプ光及びァ ィ ド ラ 光の周波数 の相互関係については前実施例と 同様であ る ので 説明を省略する。

本実施例によ る と 、 コ ア 1 4 内で生 じた ア イ ド ラ 光は、 漏洩モ ー ド と な っ て速やかに減衰 し、 従 つ て ポ ン プ光 と 信号光の位相整合が容易に な り 、 広い帯域にわた つ て大き な利 を有す る光増幅器 の実現が可能に な o

図 1 に示さ れた構成において、 ア イ ド ラ 光の周 波数を光フ ァ イ バのカ ツ ト オ フ周波数よ り も低 く する こ と によ っ て、 光フ ァ イ ノ、、の コ ア 内で生 じた ア イ ド ラ 光を減衰さ せる よ う に-して も よ い。

ま た、 図 4 に示さ れた構成において 、 ァ ィ ド ラ 光を吸収する 元素又は こ の元素の化 物を光導波 路チ ッ プの コ 了 に ド 一プ してお く こ と に よ つ て、 ア イ ド ラ 光を減衰さ せる よ う に して も よ い。

と こ ろで、 本発明を実施する 上で、 光導波構造 のコ ァ 内で誘導ブ リ ル ア ン ！ ¾乱が生 じて、 光增幅 器の利得が制限 さ れる こ と があ る。 こ れに対処す る ための構造を図 5 、 図 6 によ り 説明す る。

図 5 に示さ れた例では、 光導波構造の コ ア に入 射 さ せるべき ポ ンプ光を出力す る ポ ンプ光源 8 に ついて僅かに周波数変調をかけてお く 。 即 ち、 ポ ンプ光源 8 が例えば定常電流で駆動 さ れる レ ーザ ダィ オ ー ドであ る場合に は、 レ ーザダィ ォ ー ドの 発振周波数が駆動電流に応 じて変化す る こ とを利 用 して、 発振器 1 6 か らの交流信号を レーザダイ オ ー ドの駆動電流に重覺さ せて、 ポ ンプ光につい て周波数変調を行 う よ う にする 。 こ う " る こ と に よ っ て、 光導波構造の コ ア内での誘導ブ リ ル ア ン 散乱を抑制する こ とができ、 光増幅器の利得の制 限を排除する こ とがでさ る。

ま た、 図 6 に示さ れた例では、 ボ ンプ光源 8 か らのポ ンプ光を位相変 ϋ ό- 1 8 を介 して光導波構 造のコ ア に入射させる よ う にする。 位相変調器 1 8 と してはマ ッ ノヽ ッ ェ ンダ型光変調器を用い る こ とができ、 この場合、 マ 、リ ノヽ ッ .ェ ンダ型光変調器 の装荷電極に発振器 2 0 か らの交流電圧信 を印 加する こ と によ つ て、 ポ ンプ光についての位相変 調が可能にな る。 この例よ つ て も 、 光学的に非線 形な応答を示すコ ア内での誘導ブ リ ル 了 ン散乱を 有効に抑制す る こ とができ るので、 光増幅器の利 得の制限を排除する こ と がで § る。

本発明によ る と、 光導波路内での相互作用が全 て光波の間で行われる こ と に も起因 して、 光増幅 の帯域を広 く と る こ と ができ る よ う にな る 。 ¾ た 本発明の光増幅 れま で..知 られてい る 種々 の 光増幅器に比べて低雑 if であ り 、 光通 等にお け る高感度な受信が可能にな る

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5 産業上の利用可能性

以上のよ う に、 本発明の光増幅器は、 ポ ンプ光 と信号光の位相整合が容易であ る と い う 利点を有 してい る ので、 広帯域な光増幅器と して有用であ り 、 周波数分割多重 さ れた複数の信号光を一括 し て増幅するのに適 してい る。

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Claims

求 の 範 囲

1 . 比較的高屈折率な コ ァ及び比較的低屈折 率な ク ラ ッ ドを有 し少な く と も 上記コ ア は 2 次の 非線形応答を示す光導波構造に信号光及びポ ンプ 光を導波させて上記信号光の光パ ラ メ ト リ ッ ク 増

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幅を行 う 光増幅器において、

光パ ラ メ ト リ ッ ク 増幅過程で生 じ る ア イ ド ラ 光 を上記光導波構造内で減衰させる ア イ ド ラ 光減衰 手段を備えた こ とを特徴とする光増幅器。

2 . 上記アイ ド ラ 先減衰手段はア イ ド ラ 光を 吸収する 元素又は該元素の化合物が上記コ ァ に ド —プさ れてい る構成であ る こ とを特徴とする請求 項 1 に記載の光増幅器。

3 . 上記元素は E r ( エ ル ビ ウ ム ） であ り 、 上記ア イ ド ラ 光の波長は 1 . 5 3 〃 rnであ る こ と を特徵とする請求項 2 に記載の光増幅器。

4 . 上記光導波構造は石英ガ ラ ス か ら な る光 フ ア イ バであ る こ と を特徴とする請求項 3 に記載 の光増幅器。 上記光導波構造は I, i N b 0 ₃ か らな る 光導波路チ ッ プであ る こ と を特徴と する請求 ¾ 3 に記載の光増幅器。

6 . 上記ア イ ド ラ 光減衰手段はア イ ド ラ 光の 周波数が上記光導波構造のカ ツ ト オ フ 周波数よ り も低 く な る よ う に上記光導波構造の構造パ ラ メ 一 夕 が設定さ れてい る構成であ る こ と を特徴と する 請求項 1 に記載の光増幅器。 7 . 上記光導波構造は石英ガ ラ ス か ら な る光 フ ァ ィ バであ る こ と を特徴と する請求項 6 に記載 の光増幅器。 -

8 . 上記光導波構造は L i N b 0 ₃ か ら な る 光導波路チ ッ プであ る こ と を特徴と する請求項 に記載の光増幅器。

9 . 上記ポ ンプ光の周波数又は位相が変調 さ れてい る こ と を特徴とする請求項 1 に記載の光 ^ 幅器。

1 0 . 比較的髙屈折率な コ ア及び比較 &； &屈折 率な ク ラ ッ ドを有 し少な く と も上記コ ア は 3 次の 非線形応答を示す光導波構造に信号光及びポ ンプ 光を導波させて上記信号光の四光混合光増幅を行 う 光増幅器において、

四光波混合光増幅過程において生 じ る ア イ ド ラ 光を上記光導波構造内で減衰させる ア イ ド ラ 光減 衰手段を備えた こ とを特徴とする光増幅器。

1 1 . 上記ア イ ド ラ 光減衰手段はア イ ド ラ 光を 吸収する元素又は該元素の化合物が上記コ ァに ド ープさ れてい る構成であ る こ とを特徴とする請求 項 1 0 に記載の光増幅器。

1 2 . 上記元素は E r ( エ ル ビ ウ ム） であ り 、 上記ア イ ド ラ 光の波長は 1 . 5 3 〃 mであ る こ と を特徵とする請求項 1 1 に記載の光増幅器。 1 3 . 上記光導波構造は石英ガ ラ スか らな る光 フ ァ イ バであ る こ とを特徴とする請求項 1 2 に記 載の光増幅器。

1 4 . 上記光導波構造は L i N b 0₃ か らな る 光導波路チ ッ プであ る こ と を特徴とする請求項 1 2 に記載の光増幅器。

1 5 . 上記ア イ ド ラ 光減衰手段はア イ ド ラ 光の 周波数が上記光導波構造のカ ツ ト オ フ 周波数よ り も低 く な る よ う に上記光導波構造の構造パ ラ メ 一 - 1

5 タ が設定さ れてい る構成であ る こ と を特徴と する 請求項 1 0 に記載の光増幅器。

1 6 . 上記光導波構造は石英ガ ラ ス か ら な る光 フ ァ イ バであ る こ と を特徴 とする請求項 1 5 に記 載の光増幅器。

1 7 . 上記光導波構造は L i N b 0 3 か ら な る 光導波路チ ッ プであ る こ と を特徴と す る請求項 】

1 0 5 に記載の光増幅器。

1 8 . 上記ポ ン プ光の周波数又は位相が変調さ れてい る こ と を特徴 と する請求项 1 0 に記載の光 増幅器。

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