偏波面保存エルビウム添加光ファイバの増幅特性 （1096） 平成7年12月 レーザーオリジナル 偏波面保存エルビウム添加光ファイバの増幅特性 酒井 哲弥＊・姫野 邦治＊・和田 朗＊・山内 良三＊ （1995年8月11日 受理） AmphficationCharacteristicsofPolahzation−Maintaining Erbium−Doped Optical Fiber TetsuyaSAKAI＊，KuniharuHIMENO＊，AkiraWADA＊and RyozoYAMAUCHI＊ （Received August11，1995） A polarization−maintaining erbium−doped fiber（PM−EDF）based on the PANDA （Polarization−maintaining AND Absorption−reducing）type fiber technology has been developed as an amplification medium of a polarization−maintaining optical amplifier for 1550nm band．Detall amplification and polarization characteristics ofthe PM−EDF have been evaluated for the first time． The carefully designed PM−EDF amplifles the optical signal with a high ga童n and low noise figure，keeping the state of polarization through the fibeL The amplif玉cation performance of the newly developed PM−EDFis the same as that of the convent圭onal erbium doped amplifiers except the polar量zation characteristics．The achieved characteristics are35dB gain for small signal，4。8dB noise figure，70％slope efficiency，30dB of polarization extinction ratio even in a fiber coil of15mm in diameter．Polarization hole buming is also reported． Key Words＝Erblum−doped optical fiber，Polarization maintaining fiber，Optical fiber amplifier 型光増幅器が必要とされる場合がある。例えば， 1。はじめに ファイバリングレーザーの増幅用として用いる エルビウム添加光ファイバを用いた光増幅器 場合や，外部変調器など偏波依存性を有するデ （EDFA）は，容易に高出力が得られること， 低雑音であること，偏波依存性が小さいことな ど，光増幅器として非常に優れた特性を有して バイスともに光増幅器を用いる場合などが挙げ られる。こうした用途に偏波を保持しない通常 いるため，ここ数年の間に急速に開発が進み， のエルビウム添加ファイバ（EDF）が全く使用 できないわけではないが，偏光の制御が必要に すでに光通信の多くの分野で実用化が始まって なり，衝撃などの外乱に対する安定性に欠ける いる。ところで，光増幅器の用途の中には光信 などの問題点があってあまり実用的ではない。 号の偏波状態を保持したまま増幅する偏波保持 偏波保持型ではない通常のEDFに関しては， ＊株式会社フジクラ光エレクトロニクス研究所（〒285千葉県佐倉市六崎1440） ＊Opto−electronicsLaboratory，Fujikura，Ltd。（1440Mutsuzaki，Sakura，Chiba285） 一72一 第23巻 第12号 ザ ー 研 究 レ これまでに非常に多くの検討がなされており， その増幅特性，雑音特性についても豊富な報告 例がある。一方，偏波保持型のエルビウム添加 ファイバ（PM−EDF）に関する報告1・2）は数件あ るのみで，詳細な増幅特性，偏波保持特性に関 する報告はない。 （1097） Table I Fiber parameters。 Relative refractive 1．8％ index difference Core diameter 4。0μm 870帆。ppm Erbium concentration Alumin立um concentration 6700wt。ppm Mode∬eld diameter （λ＝155μm） 4．5，μm tainingAND Absorption−reducing）型偏波保持 Cutoffwavelength 1。36μm 光ファイバをベースとして設計，試作した PM−EDFについて，その利得特性，雑音特性 Modal birefringence （λニ155μm） 本論文では，PANDA（Polarization−main． について報告する。EDFは小さな径でコイル 状に巻かれて実装されるのが一般的なので，今 回試作したPM−EDFはこうした条件下でも偏 光特性が劣化することがないように，通常の PANDA型光ファイバに比べてコアヘの印加応 力を高めに設定している。このため応力付与部 がコアに近づき損失面で不利であるにもかかわ らず，今回試作したPM−EDFは偏波を保持し ない通常のEDFと同等の良好な利得，雑音特 性を実現している。偏波保持特性については， その長さ依存性，曲げ径依存性を評価し，実用 的なファイバ長，曲げ半径において十分な偏波 特性が得られることを確認した。さらに偏波 ホールバーニングについても評価結果を報告 する。 Ge，Er，AI co−doped core 5．1×10−4 Fdopedcladding も 33μm 16μm Stress apPlying Parts Fig。1 Fiber structure． した。またクラッドには屈折率差をより大きく とるためフッ素を添加した。 PM−EDFはその高屈折率，小コア径構造に よりモードフィールド径（MFD）が4∼5μmと 2．製法と構造 この1》M−EDFは，通常のEDFと同様にVAD 法を用いて一次母材を作製した後，応力付与材 用の加工を行い，応力付与材と一体化と同時に 線引きして作製した。この製法は現状のPAN DAタイプと呼ばれる偏波保持ファイバ（PMF） の製法と全く同一であり，低損失と良好な偏波 保持特性が得られると期待される3）。 TableIとFig。1に開発したPM−EDFの構造と 小さくなっている。このため，通常のPMF （MFD∼10μm）と普通の融着条件で接続をお こなうと両ファイバの問のMFD不整合によっ て接続損失が増加する。この問題を解決するた め，ここではモードフィールド整合技術4）を用 いた。ファイバコア部のゲルマニウムは融着接 続時の熱によってクラッドヘと拡散するため， 光学特性を示す。 放電時間を長くとるほどMFDは拡大する。こ コア部の屈折率分布構造は，高屈折率差，小 コア径とし励起光の光密度を上げて少ない励起 パワーで利得が得られるようにした。またエル ビウム添加濃度を増加した際に生ずる近接した エルビウムイオン間のアップコンバージョンに よる利得低下を抑制するとともに，利得波長特 性を平坦化するために，アルミニウムを共添加 の拡散速度はPM−EDFと通常のPMFとで大き く異なっているため，放電時間を適当に選ぶこ とにより，両者のMFDを一致させMFD不整合 に起因する損失増加を解消することができる。 応力付与部の大きさと問隔は，偏波保持特性 すなわちコアヘの応力の大きさと損失に大きく 関わる5）。大きさにはコアヘの応力が最大と 一73一 偏波面保存エルビウム添加光ファイバの増幅特性 （1098） なる最適値があり，また間隔はコアヘの応力と 損失が相反する関係となっている。応力付与部 の大きさはほぼ最適値となる33μmとし，応力 付与部の問隔は，EDFとしての使用長が短い ことからコアヘの応力を優先し，PMFより若 干小さい16μmとした。これにより試作した PM−EDFのモード複屈折βは5。1×10−4が得ら 平成7年12月 ができる。ただし，このPM−EDFにおいては， クラッドヘのフッ素添加により応力付与部との 屈折率差が小さくなるため融着器による自動偏 波軸調芯は困難であり，実際には偏光消光比測 定を行いながら接続した。 4．増幅特性 れた。この値は通常のPMFの値より30％程度 PM−EDFの増幅特性を評価するために利得 良い値となっている。 と雑音指数の入射励起光パワー依存性及び励起 Fig．2に試作したPM−EDF及びPM−EDFと同 一のコア材から作製したEDFの損失波長特性 光から信号光への変換効率を測定した。以下の 特性はPMFとPM−EDFの接続損失を含んで を示す。ファイバ自体のバックグラウンド損失 いる。 は共に約10dB／kmである。この値はEDFの使 用長が数10mであることを考えると十分に小 Fig。3にPM−EDFの利得の励起光パワー依存 さい値である。また波長1．24μmと1．39μmに見 利得30dBが得られている。また利得しきい値 られるのはOHイオンによる吸収損失である。 励起光パワーは約4mWである。 両ファイバの損失スペクトルの比較から Fig．4にPM−EDFの雑音指数の励起光パワー PM−EDFの偏波保持化による損失増加はほと 依存性を示す。15mW以上の励起光入力によ 性を示す。25mW以上の励起光により小信号 り5dB以下の雑音指数が得られている。 んどないことがわかる。 Fig。5に飽和利得状態での入力励起光から出 3．接続技術 力信号光への変換効率を示す。 PMFとPM−EDFとの接続は偏波保持ファイ バ用融着接続器FSM−20PMHにより行った。 PMFとPM−EDFとの接続損失込の微分変換 効率は約70％であり，接続損失を含まない 融着時には放電時問を最適化することにより PM−EDF自体の微分変換効率は約77％である。 これらPM−EDFの増幅特性は，非常に高効 率であり，これまでに我々が開発した通常の MFDの異なるPMFとPM−EDFとを低損失にて 接続することができる。この際の接続損失は信 号光励起光共に約0．2dBであった。また偏波軸 35 の回転調整により偏光消光比30dB以上の接続 10000 i 』』555nm ｝ o EDF o PM−EDF …ii ミ 25 晶 1 碧 済1000 8 触 お 8 芒 で20 oa8 』 一徳15 … 0 ノ ．9 総 ’一 100 ”9’”’臼’ ● o の ζ ω ．3 5 、 ● 888●●e eo馳・・．。． ooo Psignal ▲ 口 ●8 ← pumpニ1480nm ○ ● …ii Length躍20m signa1ニ1 10 弘8 10 ぞ ゆ 30 8 8● 一30dBm 一20dBm 一10dBm 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 1．1 1．2 1，3 1．4 1．5 1．6 燦．7 Fo酬ard pumping Power（mW） Wavelength（μm） Fig，3Pump power dependence of gain for different Fig．2Transmiss孟on Ioss spectra・ input signal powers・ 一74一 第23巻 第12号 （1099） レ ー ザー 研究 7．0 Length＝20mλslgnal＝曜555nmλpump＝1480nm □ 1．55μm 6．5 LED 伍 Psignal 96．0 2 O コ ▲ に 口 95．5 LED 4．5 カ ¶ へ口 r口 PM−EDFF ModuIatbn ∼ f＝；1000Hz 霧 ¶ Polarizer 1．31、μm 一30dBm 一20dBm 一確OdBm ロδ5．O Z 蝋…・◎・ 刈 → ¶ ｛ 関・②・ Lock−ln amplifier 4．0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Polarizer Fo㎜ard pumping Power（mW） Fig、6Measurementsetupforextinctionratio． Fig．4Pump power dependence of noise figure for different input s五gnal powers． 55 宙 ε50 5 逼45 40 ●witわout PMF pigtails o with PMF l》igtailsl タ 530 お タ a 5 お20 ＝77％ Sl・pe 話35 910 （withPMF pigtails） ● ●餅ポ 、、 、 8・一… ●の．豊 、♂ ’・、 、 ．製 鉱 、 、 、 、 025 石 し Length＝20m λsignal＝1550nm O ●λ誕t55μm 隠30 l l コ λ＝1．31μm ○し 、 、 5 e捕ciency ＝70％ ’あ ヨ 5 B40 葺 Sbpe efficiency… ○λ＝t55μm ㌔・ 、 、覧’甲 氏 20 ．1 唾 10 100 1000 P signal＝OdBm 0 0 10 20 30 40 50 60 Fiber length（m） Fig。7Fiber length dependence of polarization eXtinCt重On ratiO． Backward pumping power（mW） Fig。5Conversion efficiency from pump power to signa丑poweL Fig。6に偏光消光比の測定系を示す。自然放 出光の影響を取り除くため信号光に変調をか EDFとほぼ同等な値である。 け，ロックインアンプにより観察した。偏光消 5．偏波保持特性 光比の長さ依存性を比較するため1。31μmの光 源も使用している。 偏光消光比は外部からPM−EDFへ加わる歪 により劣化する。また偏波保持ファイバが長く なるほど，一つの偏光軸から直交する偏光軸へ のモード結合による偏光消光比の劣化は蓄積さ れる。そこで偏光消光比の長さ依存性と曲げ径 依存を調査することにより，実際の偏波保持光 増幅器への適応の可否を検討した。 Fig．7に偏光消光比の長さ依存性を示す。こ こにはPM−EDFのみの偏光消光比とその両端 にPMFを接続した場合の結果を示している。 偏光消光比の長さ依存性は以下の式により表わ されることが知られている。 一75一 η＝tanh（L・h） （1） 偏波面保存エルビウム添加光ファイバの増幅特性 （1100） 平成7年12月 ここでLはファイバ長，hは直交する2つの偏 このとき式の第2項のEはファイバのヤング 波の結合定数を示す。 率，Cは光弾性定数，Bはモード複屈折率，わは 図の破線は波長1．31μmでの測定値を上式に ファイバ半径，Rは曲げ半径を表わす。この式 よりフィッティングした結果である。式（1）が は曲げにより偏光消光比が最も劣化する場合， 長さ依存性を良く表わしていることがわかる。 つまり曲げ角度が偏波軸に対して45度になった 波長1．55μmではエルビウムの吸収が存在する 場合を表わしている。曲線は測定結果をよく表 ために測定値は10m程度のファイバ長までし 式（1）をフィッティングすることにより長尺の わしている。図から15mmφ以上の曲げ径にお いて30dB以上の偏光消光比が得られることが わかる。実際の使用に際しては問題ないレベル 1．55μmでの値を推定した。これより波長 と考えられる。 か得られていない。そこで短尺での測定結果に 1．55μmにおいても70m程度の長さまで30dB 6．利得の偏光依存特性 以上の偏光消光比が得られることがわかる。 またこのときの結合定数hはL4×10−5m−1と PM−EDFの利得の偏光依存性を把握するこ なる。 とは，光増幅器を設計する際に重要である。コ 先の増幅特性からわかるように，この アヘの応力付与は微小ではあるが2つの偏光軸 PM−EDFの実用的ファイバ長は20m前後であ の屈折率差を生みだし，若干の利得差を生ずる るので，十分な偏光消光比が得られていること 可能性が考えられる。また信号光と励起光の偏 がわかる。また両端にPMFを接続した場合に 光状態の違いが利得差をもたらす可能性もあ は，接続部の偏波軸の不整合により測定結果に る7−9）。そこで信号光，励起光各々偏光方向を ばらつきが見られるが，それでも30dB以上の 変えることにより利得差を観察した。 偏光消光比が得られている。 Fig．9にその測定系を示す。信号光励起光共 Fig．8に偏光消光比の曲げ径依存を示す。図 中の曲線は，以下の式により求められる偏光消 に偏波コントローラを用いて，全ての偏光状態 の組み合わせによる測定を行った。励起光の偏 光比の曲げ径依存を表わす6）。 波状態を固定した状態で，信号光の偏光状態を 変化させ利得変化を観察し，これを励起光の η一tanh（L・h）＋（E・C／2）2・ （わノR）4・（1／B）2 i… 90 に ● 9 540 530 ．製 筍 石 本 ● ● ● … 【 … … Polarization controller … ＼ ● ● ● i … iE … … ｝ … i Fiberlength繍2m … 本 i Pump WDM ゆ LD α 20 ゆ ／ ● ● 岳 話 焉 PM−EDF LD 50 β 后 P signal漏O dBm λsignalニ1557nm SignaI （2） 510152025303540 Bending diameter（mm） P pump＝50mW λpump隣1470nm Fig。8Bending diameter dependence of polariza− tiOn eXtinCtiOn ratiO。 耕 OpticaI powermeter Fig．9Measurement setup for polarization depend− ence of gain。 一76一 第23巻 第12号 レ （1101） 研 究 ザ 0．20 PM−EDF ⊆ ω Probe signaI λs＝1557nm o い パ oαユ 0．15 ①てコ o） ⊆α ⑳o OpticaI powermeter 20dB coupler 本 一・ 本 Signai ↑ ’2の Φ記 Ω・⊆： O．10 LD Polarization Φσ》 controHer てコ・あ に＿ 9お Si器al ↓ 焉』 0．05 ．製2 誌 § § § 石 氏 O．00 蒔 §…一1 WDM 本 一・ 金 Main signal λs罰557nm 0 30 60 90 120 150 180 P躍P斜 PBS λ／2plate angle ofpump polarization controller（deg．） λp＝1470nm 丹 Fig．10Polarization dependence of gain． Fig．11Meas皿ement setup for gain change due to 全ての偏光状態について行った。 polarization hole burning、 Fig．10に測定結果を示す。図中の横軸は，励 起光の偏波コントローラのλ／2板の回転角を示 EDFAを用いた長距離光ファイバ通信におい しており，縦軸は励起光の偏光状態を変えずに 信号光の全ての偏光状態における利得を観察し て，このPHBによる信号光の偏光方向と垂直 なASE光の蓄積は，雑音指数の増加となりシ た際の利得差の最大値を表わしている。横軸の ステム設計上問題となる。 同一点における測定値は励起光の偏波コント PM−EDFにおけるPHBによる利得変化を ローラのλ／4板の回転角を変化させた場合の違 EDFの値と比較するためFig．11の測定系を用 いを表わしている。図からどのような偏光状態 いて観察した。図において，偏波ビームスプリッ においても利得差は0．05dB以下であることが タ（PBS）により偏波合波された励起光とメイ わかる。 ン信号光はWDMにより波長合波され被測定 PM−EDFもしくはEDFに入力される。メイン よって，偏波保持光増幅器を構成する際には， 0．05dB以下の利得変動を問題にしない限り， PM−EDFのどちらの偏光軸を用いても良く， 励起光の偏光状態も考えなくて良いと結論され 信号光と同一波長でメイン信号光より充分小さ る。 た場合の利得変化をパワーメータにより観察し いパワーのプローブ信号光を逆方向から入射 し，偏波コントローラにて偏波方向を変化させ た。またPM−EDFの偏波保存軸との関係を知 るためにメイン信号光の偏光方向を変えた場合 7．偏波ホールバーニング EDFAにおいて，信号光の偏光方向と垂直な ASE光はEDF内の偏波ホールバーニング （PHB）効果により，信号光の偏光方向と平行 なASE光に比べ若干大きな利得を持つことが 報告されている10）。光部品による偏波依存損 の測定も行った。 Hg．12に観察したPHBによる利得変化を， 利得圧縮比の関数として表わした。利得圧縮比 は，小信号パワー入力時の利得を基準としたと きの，観察時の入力信号パワーでの利得の低下 失と異なり，PHBによる利得の偏波依存性は 信号の偏光方向に依るため，多段接続時の偏光 する割合を表わしている。文献10ではPHBに よる利得変化はEDFの種類に依らず，この利 依存性は平均化されず蓄積される。多段に 得圧縮比（ら）に対して以下の実験式に従うと 一77一 偏波面保存エルビウム添加光ファイバの増幅特性 （1102） 利得，雑音指数等増幅特性は，現在開発され 0．20 伍 ε ㊧ ている高効率なEDFと同等な特性を有してい ○ ることを確認した。 の エ0、｛5 鉱 o ○⑫ 偏光消光比は，実際に使用されるファイバ長， O 曲げ径において，偏波保持ファイバと接続した り Φ コ0．10 状態で30dB以上が得られることを確認した。 これは，偏波保持光増幅器として十分適用でき ℃ Φ o ○ 信 邸 Eq．（3）O EDF◎ PM−EDF ‘0．05 0 るQ ⊆ 利得の偏光依存性は励起光の偏光状態の影響 ”而 0 0、00 平成7年12月 0 を含めても，測定誤差程度の0．05dB以下であ ることを確認した。またPHBによる利得変化 はEDFと同等であり，その利得圧縮比により 2 4 6 8 10 Gain compression（dB） Fig。12Gain change due to PHB against gain 求められることを確認した。 compression。 参 考 文 献 報告している。 1）K．Tajima：Electronics Letters，30th August， PHB−0．027・qグ0．001・Cp2（dB） Cp＜8dB （3） 我々の観察においても，EDFの測定結果は 図にあるように，ほぼ式（3）により計算した実 線に沿っている。若干我々の観察結果が大きな 値を示しているのは，測定系の偏波依存損失の 影響と考えられる。 PM−EDFの観察結果も同様に式（3）に従って いる。またPM−EDFの偏波保存軸へのメイン 信号光の入射偏光方向を変化させて観察した結 果も，誤差範囲内で図中の観察点に一致してい る。 PM−EDFにおけるPHBによる利得変化は， EDFと同等であるといえる。 西村正幸，首藤晃一：1993年電子情報通信学 会春季大会C−294． 3）姫野邦治，沢田 稔，和田 朗，菊地佳夫， 鈴木文生，山内良三：フジクラ技報，第85号， 1993年10月． 4）A．Wada，T。Sakai，D．Tanaka，T。Nozawaand R。Yamauchi：Optlcal Amplifiers and Their Applicat孟ons，paper FD3，1991， 5）J．Noda，K．Okamoto and Y．Sasaki；Joumal of Lightwave Technology LT−4（1968）107L 6）柴田 宣，青海恵之，阿部徹治＝NTT電気通 信研究所研究実用化報告35（1986）431． 7）V．J．Mazurczyk andJ．L Zyskind：Conference on Lasers and Electro−Optics11（1993）post− deadline paper CPD26， 8）R W。Keys，S。J。Wilson，M．Healy，S。R。 Baker，A．Robinsonand J．E Righton： Optical Fiber Communicat孟on（1994）paper FF5． 9）P。F．Wysocki：Optical Fiber Communlcation 8，おわりに 偏波保持型光アンプの増幅媒体としてPAN− DA型の構造を用いたエルビウム添加偏波保持 ファイバを開発し，その基本特性を評価した。 26No．18（1990）。 2）重松昌行，高城政浩，柏田智徳，大西正志， （1994）paper FF6。 10）V．J．Mazurczyk and J。L Zyskind：Photonics Technology Letters6（1994）。 一78一
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