专利名称：：宽带光放大器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及宽带光放大装置，特别是采用铋荧光体的宽带光放大装置，关系到光通信、光纤放大器、高输出光放大器、高亮度激光器、激光振荡器。
背景技术：
：近年来发现，Bi(铋)掺杂的石英玻璃在红外区域发光。由此可以期望实现，包括有在利用借助这种新型荧光体的光信息通信用的1.3nm波段的光纤放大器在内的宽带放大器以及宽带激光振荡器。另一方面，用于光通信的Er(铒)掺杂光纤放大器其放大带宽是在1.55nm波段。但是，一般所用的单模二氧化硅光纤的零色散波长在1310nm，与此波段相对应的光放大器限于Pr(镨)ZBLAN等氟化物光纤。而这种氟化物则存在有受到湿度等环境影响的问题。为此希望有耐环境变化1000~1600nm波段的放大器。此外，在高输出的激光器中，以Nd(钕)作为荧光素的激光器其输出则受到由于ESA(已激发的状态吸收)影响的限制。特许文献1:特开平11-029334号>^净艮特许文献2:特开2002-252397号^^艮非特許文献l:"BidopedSi02asanewlasermaterialforanintenselaser",K.Murata,Y.Fujimoto,M.Nakatsuka,T.KanabeandH.Fujita,FusionEngineeringandDesign,44(1999)，p437—439.非特許文献2:"1.3jum帯(Cfctj^)Bi卜'一力:X!;力^，7^新LV、発光特性"，藤本靖、中塚正大、御前俊和、吉田実、須藤恭秀，電子情報通信学会論文誌C-I,Vol.J83—C,No.4,(2000)，p354-355.非特許文献3:"0.8Aim帯励起^t5BiK—力:^力"，;^n.3/xm帯。発光特性t光通信^0応用"，藤本靖、中塚正大，電子情報通信学会論文誌C一I，Vol.J84—C,No.1,(2001)p52—53.非特許文献4:"Infraredfluorescencefrombismuthdopedsilicaglass"，Y.FujimotoandM.Nakatsuka,Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.40(2001),No.3B,pp.L279-L281.非特許文献5:"Opticalamplificationinbismuth—dopedsilicaglass",Y.Fujimoto,andM.Nakatsuka,Appl.Phys.Lett.,82(2003),p3325—3326.非特許文献6:"AFluorescenceSpectrumat1.3pmofBismuth—DopedSilicaGlasswith0.8#mExcitation",Y.Fujimoto,H.MatsubaraandM.Nakatsuka'CLEO/QELS，01,CWJ1,BaltimoreConventionCenter,USA,May9,2001,TechnicalDigestSeries.非特許文献7:"NewFluorescencefromBi—DopedSilicaGlassandits1.3—jumEmissionwith0.8—/zmExcitationforFiberAmplifier",Y.Fujimoto,H.MatsubaraandM.Nakatsuka,CLEO/PacificRim2001,NipponConventionCenter,Chiba,JAPAN,July15—19,2001,TechnicalDigestSeries.非特許文献8:"Newfluorescenceat1.3—;tnawith0.8—/zmexcitationfromBi—dopedsilicaglass"Y.FujimotoandM.Nakatsuka,CLEO/Europe—EQEC,2003,CG8—2—FRI，23—27June,2003,IntemationalCongressCentre(ICM)，Munich,Germany非特許文献9:"Newfluorescenceat1.3—/Ltmwith0.8—MmexcitationfromBi—dopedsilicaglassanditsopticalamplification",YasushiFUJIMOTOandMasahiroNAKATSUKA,XXInternationalCongressonGlass,0—07—077,September27—October1,2004，KyotoInternationalConferenceHall,Kyoto,JAPAN.非特許文献IO:"Novelbismuth—dopedopticalamplifierfor1.3—microntelecommunicationband",ShoichiKishimoto,MasahiroTsuda&KoichiSakaguchi,YasushiFUJIMOTOandMasahiroNAKATSUKA,XXInternationalCongressonGlass,0—14—029,September27—October1，2004,KyotoInternationalConferenceHall,Kyoto,Japan,Bi掺杂的石英玻璃主要成分为石英玻璃，但在1000nm1600nm显示出很宽的荧光。为此，本发明即通过构成采用这种荧光体(包含光纤)的光放大器来实现宽带放大器。此外，由于这种光纤的主要成分是石英玻璃，耐环境变化。如上述非特许文献5所示，虽然已确认在1.3|Lim的单一波长下具有放大作用，但在此之外的波段上未显示出放大效果。具体地说，本发明通过将这种新型荧光体加工成块状与纤维状，将可见光的激励光与红外光的波长可变放大的探测光于试样内重叠，由此来实现红外区域的宽带放大装置。
发明内容本发明考虑到上述状况，确定其目的是去提供能在红外区域进行宽带放大的宽带光放大装置。为了达到上述目的，本发明提供了(1)宽带光放大装置，其特征在于具有激励光源、以铋为荧光素的玻璃或晶体组成的放大介质、信号与激励光的光耦合(合波)器、隔离器以及输入与输出端口。(2)上迷(1)中所述的宽带光放大装置，其特征在于上述光放大是通过光激励和使用包括有以铋为荧光素(中心)的玻璃或晶体，在增益波长范围1000~1600nm中实现的。(3)上述(1)中所述的宽带光放大装置，其特征在于用于放大的波长范围为10001600nm，在此范围之中至少有两个波长能同时放大。大的波长范围为1000~1600nm，同时能使发生超短脉冲的线性调频脉沖的光(激光光镨各波长按时序排列的光脉冲)放大。(5)上述(1)中所述的宽带光放大装置，其特征在于用于放大的波长范围为1000~1600nm，能使具有连续的宽带光镨的光源放大。(6)上述(2)~(5)中任一项所述的宽带光放大装置，其特征在于所述激励光源的波长为400~1000nm。(7)上述(2)~(5)中任一项所述的宽带光放大装置，其特征在于所述激励光源的波长可以利用500土100nm、700士100nm、850士100nm、950土100nm中的任一波长范围。(8)上述(2)(5)中任一项所述的宽带光放大装置，其特征在于利用所述激励波长范围内至少两个以上激励波长。(9)上述(8)中所述的利用铋荧光素的宽带光放大装置，其特征在于在1000~1400nm的波长范围内，至少能将放大特性的平坦化控制在25%以内。(10)上述(2)~(9)中任一项所述的宽带光放大装置，其特征在于这种光放大装置用作激光振荡器。图1示明用于研究本发明的Bi掺杂石英玻璃的宽带放大特性的光放大测定装置。图2示明本发明的Bi掺杂石英玻璃的宽带增益测定结果。图3是本发明的光纤放大试验系统的结构图。图4是本发明的Bi掺杂石英光纤的示意图。图5示明与本发明的Bi掺杂石英光纤耦合的示意图。图6是本发明的单一波长U308nm)的放大率特性图。图7是将本发明的1308nm作为固定波长的双波长放大特性图。图8是示明本发明的光纤的熔接的示意图。图9示明本发明的熔接型光纤放大系统的放大试验结果。图10是示明本发明的熔接型光纤放大系统的宽带放大试验系统图11示明本发明的熔接型光纤放大系统的放大试验(对激励功率的依存性)的第一实验结果。图12示明本发明的熔接型光纤放大系统的放大试验(对激励功率的依存性)的第二实验结果。图13是本发明的宽带放大器的结构图。图14示明本发明的宽带放大器的各种激励状态。图15示明由于本发明的双波长激励导致放大特性的平坦化。具体实施方式本发明的采用铋荧光物质的宽带放大装置是在以铋为荧光素的玻璃或晶体中，通过光激励求得光放大，放大的波长范围为1000~1600nm。由此能促进宽带放大器的实现，可以构成大容量光通信系统。下面详细说明本发明的实施形式。图1示明用于研究本发明的Bi掺杂石英玻璃的宽带放大特性的光放大测定装置。在图1中，1为激励用LD光源(0.8pm)，2为光学系统箱而2A为其第一输入连接器、2B为其第二输入连接器、2C为其输出连接器，3为光缆，4、6与10为适配器，5为带连接器的Bi掺杂光纤，7为光谱分析仪，8为用作为探测的LD光源的波长可调的LD光源(1260~1360nm)，9与11为FC型的具有垂直抛光面的连接器，12为隔离器，13为单模光纤。首先以表1示明各个测定值的定义。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表1为测定放大信号时的测定值的定义。在此，将激励用LD光源1断开而探测(信号)用LD光源8断开的情形作为背景信号的测定值A;将激励光用LD光源1断开而探测用LD光源8接通时的情形作为信号光(1.3nm)的测定值B;将激励用LD光源1接通而探测用LD光源8接通的情形作为放大输出值C(信号光加激励光的测定值)；将激励光用LD光源1接通而探测用LD光源断开的情形作为透过试样(带连接器的Bi掺杂光纤)的激励光(O都m)D。光放大率Gain是入射光功率与出射光功率之比，可由下式表示'.Gain=(C—D)/(B—A)=I/I…(l)o式中，I为出射光功率，1。为入射光功率。此外，厚度为t的试样的增益系数g可定义如下g-(l/t)ln(I/lo)…(2)测定对象试样为采用Bi掺杂浓度是0.5mol。/。的Bi掺杂石英玻璃的带连接器的Bi掺杂石英玻璃纤维5。这里的探测(信号)用LD光源(波长可调放大探测光源)8在其可调范围包括零色散波长1310nm，且在1260nm到1360nm之间按20nm间距增加，测定了带连接器的Bi掺杂石英光纤5输出的放大光。结果示明于图2。此时用的带连接器的Bi掺杂石英光纤5的长度为24cm，激励光功率为0.612W。此外，Bi的浓度为0.5mol%。在荧光峰值波长(1260nm)处可获得极大的增益，在整个波长范围上已确认输出光得到放大。Bi掺杂的石英玻璃光纤5的荧光示明于上述特许文献2中。由此可知，Bi掺杂的石英光纤(及其玻璃)5在宽的波长范围上能获得增益而能用作宽带放大器。下面进行采用本发明的Bi掺杂石英光纤的放大试验。图3是此种光纤放大试验系统的结构图。在此图中，21为激励用LD光源(0.8pm)，22为光学系统箱、22A为第一输入连接器、22B为第二输入连接器、22C为其输出连接器、23为光缆、24为光纤与块体材料测定系统、25为光纤维(Bi掺杂石英玻璃)、26为OFR聚焦器、27为光镨分析仪、27A、33A、34A、34B、46A、48A、48B为连接器、28、36为LD驱动器、29、37、39~43为带连接器的设备电缆；30为探测用LD光源(1.3|am)、31、45、50、52、54、56为连接器(SC/PC)、32、46为FC-SC变换适配器、33、47为隔离器、34、48为FC-FC变换适配器、35为光纤耦合器、38为设备转换箱、38A为其输入端、38B为其输出端、44为1.272pmLD光源；49为1.297|imLD光源、51为1.307nmLD光源；53为1.323nmLD光源、55为1.347nmLD光源、57为信号监控器用连接器(FC/APC)。在此所利用的光纤(Bi掺杂石英玻璃)25非常之脆而易于断裂，故如图4所示，于光纤(Bi掺杂石英玻璃)61的表面用喷涂型特氟隆树脂作特氟隆树脂层62。此外，Bi掺杂石英光纤61的两端面63、64切断后进行手工抛光。用于放大的光纤长8cm。图5是示明上述Bi掺杂石英光纤的耦合方法的示意图。如此图所示，用光纤夹72将涂有树脂层的Bi掺杂石英光纤71固定，将激励用LD光源(0.8pm)与探测用LD光源(1.3nm)用图1的试验系统中结合后，使用准直仪变换为空间光，通过物镜73引入Bi掺杂石英光纤71。在Bi掺杂石英光纤71的出射侧设置截止用滤光片74与聚焦器75，由聚焦器75将放大的光导入探测器(光谱分析仪)(未图示)。首先由图6示明这样求得的单一波长(1308nm)下求得的放大特性。横轴表示入射到物镜的激励功率(w)，纵轴表示求得的放大率。从准直仪输出的功率的最大值为152mW，与块体玻璃放大试验时(0.6W)比较，减少到其约25V。，但是可以获得最大3.8的放大率。由此可知，Bi掺杂石英光纤能有效地闭锁激励光。此时的增益系数成为0.166[cm1。此时所用的Bi掺杂石英光纤的芯径为13nm，引入激励光源的光纤的芯径为50nm，因而从原理上说是不能实现50pm以下的聚光，为此必须考虑耦合损耗。为了减少耦合损耗，例如采用熔接技术则可在不久的将来能实现更有效的放大系统。此外，由于激励光源可下降到100nW的功率级，因而可以考虑利用单模激励半导体(作为光通信用放大器的激励光源的多数情形下为100mW左右)，这将显著促进光通信用的放大器的制作。多波长下放大的测定是以1308nm作为固定波长而测定了1272、1297、1307、1323与1347nm的5种波长下的多重放大特性，其结果示明于图7。图7(a)示明1272nm与1308nm两波长同时放大的结果。图7(b)示明1297nm与1308nm两波长同时放大的结果，图7(c)示明1307nm与1308nm两波长同时放大的结果，图7(d)示明1323nm与1308nm两波长同时放大的结果，图7(e)示明1347nm与1308nm两波长同时放大的结果。从上述结果可知，采用Bi掺杂的石英光纤可以求得两个波长下的同时放大。由于波长之间的放大率有分散，需要考虑到将空间光耦合时各个波长的耦合效率(入射侧与出射侧两方面)的问题。例如通过对耦合进行调节，会改变各自的放大率。但不论在何种情形下，通过对目的光纤进行熔接都是可以作出改进的。上述结果表明，通过构成光纤形状的放大器是可以制成高效的放大器的。因此，使用光纤熔接机对目的光纤进行熔接，预期可以开发出降4氐了损耗的高效放大器。还由于有可能采用100mW级的激励光源，就可以期待大大推前实用装置的制成。对于波长复用放大，可以确定在带宽75nm以上能实现在两种波长下的放大。下面示明采用块体玻璃时两波长放大的结果。所用的样本为Bi203(1.0mol%),A1203(7.0molo/o)，Si02(91.9mol%)，Tm203(0.1mol%)。为使入射的光束为垂直的，样本的两面经过抛光。测定的例子只是把图3所示的光纤(Bi掺杂石英玻璃)25作为样本，这一点与光纤放大的情形不同。所准备的试样规格其厚度为0.24cm与5.5mm。信号光的波长分别为1272nm、1297nm、1307nm、1323nm、1347nm。810nm波长的激励光输出为0.59W。表2示明各种波长下两个波长同时放大的增益。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>从上表可知，即便采用块状玻璃，在两个波长下也能同时放大，这表明不问光纤的结构、块体的结构如何，在多个波长下都能放大。采用熔接的Bi掺杂光纤进行了以下试验。主要的试验装置如图3所示。在此如图8所示，于熔融点85将Bi掺杂石英光纤84与多模光纤83熔接，同时与光纤或块体玻璃的测定系统24连接。纤芯的Bh03浓度为0.5mol%。此外，在图8中，81为激励光源(0.8pm激励光源0.5W，1.3nmLD光200~300nW)，82为光纤耦合器，Bi掺杂石英光纤84为单模Bi掺杂光纤(0.8nm激励光源300mW，1.3|imLD光200~300nW)。此时所用的Bi掺杂石英光纤具有纤芯包层结构，芯径为9nm。由于激励LD光源具有50jnm的多模(MM)光纤输出形式，在与Bi石英光纤连接时采用石英MM光纤。此时的放大率与光纤长度相关性的测量结果如图9所示。注入光纤的LD激励能量由截断法测定为520mW，离熔接点lcm处为353mW。此后每隔lcm可观察到约有15mW的激励光衰减，据此推定熔接点的损耗约为30%，150mW。此外，由截断法测定波长1.3nm处光纤的损耗系数为0.0977[cm"l(-42.4[dB/ml)。如图9所示，光纤长5cm的增益为9.25倍(9.dB)，而在激光波长下包括损耗在内的净增益成为5.7倍(7.dB)。在此试验中求得净增益一事在朝向实用设备开发上具有重大意义。下面于Bi掺杂石英光纤的两端熔接单模光纤，在这种配置下进行试验，主要的试验装置如图10所示。纤芯的Bi203浓度为0.5mol%。图10中，101为激励光束(845nmLD)，102为光纤耦合器、103为多模光纤，104为Bi掺杂光纤，105为熔接点，106为光镨分析仪，107为单模光纤，108为光纤耦合器，109为光功率计，113为隔离器，111为LD(1308nm)，112、119为LD电源，114为LD(1272nm)，115为LD(1297nm)，116为LD(1307nm)，117为LD(1322nm)，118为LD(1347nm)。此时所用的Bi掺杂石英光纤具有纤芯包层结构。芯径为9pm。此外，熔接的光纤长度为5.5cm。激励LD光源由于具有845nm的单模(SM)光纤输出形式，故采用石英SM光纤与Bi掺杂石英光纤连接。熔接部的照片示明于图10。此时的放大率与激励输入的相关性的研究结果示明于图11，使激励固定于81.4mW时的放大率对波长的相关系示明于图12。注入光纤的LD激励能量测定为81.4mW，这约为产生9.7dB增益时激励功率的1/6。根据图11，获得的增益相对于1308nm的信号光为2.6倍。此外根据图12，将固定波长设为1308nm时，在12701350nm的波长范围内，于其中两个波长同时放大时得到了增益，这表明出与荧光光谱类似形状的分布。如上所述，相对于采用Bi掺杂石英玻璃的宽大放大器，测定了其基本特性，有希望实现1.3pm带宽的宽带放大器。基于以上试验结果，在图13、14示明了宽带放大器的基本结构。图13中，201、204为单模光纤(通信线路)，202为BiDFA(Bi掺杂光纤放大器)、203为熔接点。此外，在图14中，图14(a)示明正向激励情形，301为第一BiDFA(Bi摻杂光纤放大器)，302、310为FC连接器，303、305为隔离器，304为激励LD(500nm，700nm，800nm，940nm)，306为WDM耦合器(1.3nm/0.8nm)，307为单模光纤，308为BiDF(Bi掺杂光纤)，309为熔接点。图14(b)示明反向激励情形，401为第二BiDFA(Bi掺杂光纤放大器)，402、411为FC连接器，403、410为隔离器，404为BiDF(Bi掺杂光纤)，405为熔接点，406为单模光纤，408为WDM耦合器(1.3nm/0.8nm)，409为激励LD(500nm、700nm、800nm、940nm)。图14(c)示明双向激励情形，501为第三BiDFA(Bi掺杂光纤放大器)，502、513为FC连接器，503、505、512为隔离器，504、511为激励LD(500nm,700nm，800腿，940nm)，506、510为WDM耦合器(1.3nm/0.8|im),507为单模光纤，508为BiDF(Bi掺杂光纤)，509为熔接点。下面示明放大特性的均衡性的可能性。Bi掺杂的石英玻璃具有的激励波长区为500土100nm、700土100nm、850土100nm、950士100nm，各个的荧光光谱形状不同，因而通过利用其至少两个这样的激励波长，有可能实现增益的均衡化。如图15所示，通过将激励波长设定为860870nm，则在10001400nm的波长范围内可以实现放大特性的均衡化而使变动抑制在至多不超过25%。此时的Bi浓度为0.5mol%，虽然这时只用一个激励波长，但它相当于同时激励两个不同的激励波长范围(850土100nm，950土100nm)，这表明，通过同时激励两个以上波长是可能实现增益的均衡化的。掺杂石英玻璃组成而变化。因此，对于新的组成，可能会有不同的激励波长，但可以设想其是在以850nm为中心的士50nm的范围内观测。这样，可以确定，在75nm或更大的带宽范围内可以有双波长放大，从而本发明的Bi摻杂石英玻璃有可能用于宽带放大器，具有多个波长同时放大的功能，而通过同时激励两个以上的激励波长可以实现增益的均衡化。根据本发明，能在Bi掺杂的石英玻璃的荧光光镨所示的大部分波长范围上获得光放大，可促进宽大放大器的实现而实现大容量光通信系统。此外，能在宽广的波长范围上同时使光放大一事也可用于光放大器来实现放大线性调频超短光脉沖的功能。由此，本发明还可以有着种种用途，包括加工用的激光器以及THz光的发生等。本发明不限于上述各实施形式，而是可以根据其精神具有种种变形，而这些变形都应包括在本发明的范围之内。工业实用性本发明的宽带光放大装置能用于光通信、光纤放大器、高输出光放大器、高亮度激光器以及激光振荡器等方面。权利要求1.一种宽带光放大装置，其特征在于具有激励光源、以铋为荧光素的玻璃或晶体组成的放大介质、信号与激励光的光耦合器、隔离器以及输入与输出端口。2.根据权利要求1所述的宽带光放大装置，其特征在于上述光放大是通过采用包括有以铋为荧光素的玻璃或晶体，通过光激励在增益波长范围1000~1600nm中实现的。3.根据权利要求1所述的宽带光放大装置，其特征在于用于放大的波长范围为10001600nm，在此范围之中至少有两个波长能同时放大。4.根据权利要求1所述的宽带光放大装置，其特征在于用于放大的波长范围为1000~1600nm，同时能使发生超短脉冲的线线调频的光(激光光镨各波长按时序排列的光脉沖)放大。5.根据权利要求1所述的宽带光放大装置，其特征在于用于放大的波长范围为10001600nm，同时能使连续的宽带光镨的光源放大。6.根据权利要求2~5中任一项所述的宽带光放大装置，其特征在于所述激励光的波长为4001000nm。7.根据权利要求25中任一项所述的宽带光放大装置，其特征在于所述激励光的波长可以利用500土100nm、700土100nm、850土100nm、950土100nm中的任一波长范围。8.根据权利要求25中任一项所述的宽带光放大装置，其特征在于所述激励光具有利用权利要求6或7所述的激励波长范围内至少两激励波长。。9.根据权利要求8所述的利用铋荧光素的宽带光放大装置，其特征在于在10001400nm的波长范围内，至少能够将放大特性的均衡化控制在25%以内。10.根据权利要求29中任一项所述的宽带光放大装置，其特征在于这种光放大装置用作激光振荡器。全文摘要提供了能在红外区域进行宽带放大的宽带光放大装置。在这种宽带光放大装置中，其特征是在以铋为荧光素的玻璃或晶体中通过光激励使光放大，放大的波长范围为1000～1600nm。文档编号H01S3/094GK101133529SQ20068000686公开日2008年2月27日申请日期2006年2月28日优先权日2005年3月4日发明者中塚正大,徐永锡,藤本靖申请人:独立行政法人科学技术振兴机构;国立大学法人大阪大学