EDFAの20年と将来展望

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招待論文

EDFA

の

20 年と将来展望

中沢

正隆

†a)

20 Years of EDFA and Future Prospects

Masataka NAKAZAWA

†a)

あらまし 1989 年に開発された波長 1.47 µm InGaAsP 半導体レーザ励起のコンパクトなエルビウム添加光 ファイバ増幅器（EDFA：Erbium-doped Fiber Amplifier）から出発して，その後の 20 年と将来展望について述べている．最初の EDFA はシリカ系ファイバをホストとして開発されたが，最近ではフッ化物系，リン酸系，ビスマス系，テルライト系などの様々な EDFA が出現しており，高利得，高出力，広帯域を実現している．今後の光デバイスの方向として重要な集積化に向けても，小型導波路型 EDFA いわゆる EDWA が提案され，希土類イオンの均一な高濃度化やナノ粒子の利用が始まっている．このような現状を見つめながら，本論文は，前半では EDFA の基本技術について述べ，後半ではそれらについてまとめている．キーワードエルビウム添加ファイバ増幅器，EDFA，希土類添加ファイバ，広帯域ファイバ増幅，高出力ファイバレーザ・ファイバ増幅器

1. まえがき

波長1.47μm InGaAsP半導体レーザを励起光源とした小型高性能な光ファイバ増幅器，今日では「EDFA」の略称で通じるエルビウム添加光ファイバ

増幅器（Erbium-doped optical ﬁber ampliﬁer）を研

究開発してちょうど20年が経つ[1]．「トランジスターが電子回路の基本素子として今日のエレクトロニクスを支えてきているように，小型の光増幅器が実現できたならば，今後の光エレクトロニクスをより一層発展させていくための基本能動素子として重要な役割を果たすであろうことは想像に難くない．」との出だしで，応用物理学会誌の総合報告に「Erドープ光ファイバーによる光増幅とその応用」と題して執筆したのが，つい先日のようにも感じられる[2]．あれから20 年，EDFAは光通信を革新し，今も新しい伝送技術や光装置が提案されるにつけ，その中には必ずといっていいほどEDFAが使われている．そしてこの間に

は，WDM（Wavelength Division Multiplexing）方

†_{東北大学電気通信研究所，仙台市}

Research Institute of Electrical Communication, Tohoku University, 2–1–1 Katahira, Aoba-ku, Sendai-shi, 980–8577 Japan a) E-mail: [email protected] 式により爆発的な情報の大容量・高速化を実現し，インターネットの出現とあいまって通信需要の拡大を加速させてきた[3]．総務省の報告によると，2009年時点で国内において1秒当りに情報のやり取りする量は1 Tbit/sに達し，更に年率40%台で伸びているそうである．これは 2030年頃のデータ量が1 Peta bit/sに達することを意味しており，光増幅器の更なる広帯域化・高効率・高集積化や新たなる光デバイスの出現が望まれている．一般に，希土類元素はフッ化物系のガラスでは光学活性になるものが多いが，シリカ系ガラスではフォノン緩和などでエネルギーを取られて発光しにくい．エルビウムイオンはたまたまシリカガラスの中でも 4_I 13/2と4I15/2の間の1.5μm誘導放出が活発（非発光緩和率が非常に小さい）であり，そのために，（1）従来の通信用シリカファイバがそのまま使えたこと，（2）信頼性の高い優れた励起光源に巡り会えたこと，（3）アモルファスであることが幸いして非常に広帯域な増幅器になったこと，（4）ガラスファイバの光増幅特性には偏波依存性がないこと，（5）光ファイバとの結合損が小さく，雑音指数も

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低いこと，等がEDFAがタイムリーに実用化できた理由と考えられる．このどれ一つが欠けても使いにくく，今日のような光通信の時代を迎えられなかったであろう．本論文では，EDFAの基本的項目を説明し，次に最近の高性能化について述べ，更に将来展望をしてみたい．なお，ここ20年のEDFAの光通信やレーザへの応用はあまりにも多岐にわたるので，別の機会に譲り，ここではEDFAデバイスに集中してまとめることとする．

2. 小型

EDFA

研究・開発の歴史

コアに希土類元素を添加した光ファイバが光増幅器あるいはレーザとして適しているのは，（1）コアが10μm以下の細径であるため，低い入力でも励起密度を高くできる（2）相互作用長が数10 cm∼数kmと長くとれるため，単位長さ当りの利得が小さくても十分な総合利得が得られる（3） MCVD，VAD法等の優れたファイバ製造技術によりホスト材料が低損失な導波路となっているなどが挙げられる．最初のファイバレーザは，クラウンガラスにNd2O3 を添加したものであり，KoesterとSnitzerにより 1964年に発表されている[4]．これはSnitzerがNd ガラスレーザを1961年に提案してすぐに，増幅媒体がガラスであることから，クラッドをつけてファイバレーザ化を考えたものと思われる．1960年のルビーレーザの発明後4年経ただけであり，ファイバレーザ分野の立上りの早さがうかがえる．しかし，このレーザはフラッシュランプによる横方向励起配置をとっており，パルス発振は可能であるものの，CWの発振や増幅はできなかった．70年代に入ると1973年に， StoneとBurrusによって，シリカ系のネオジム添加ファイバを用いて波長0.514μmアルゴンイオンレーザの光軸方向励起により1.06μmのCW発振が報告されている[5]．その後（3）のファイバ作製技術の進展とともに，数多くのファイバレーザ，光ファイバ増幅器が出現している．したがって，1960∼1970年代を第1世代とすると，1989年に開発されたEDFAはいわば第2世代の光増幅器・ファイバレーザの出発点だったといえる．我々が他に先んじてコンパクトなEDFAを実現できたのには大きく二つの理由がある．一つは，1983年に 100 kmを超える単一モードファイバ用光パルス試験器（OTDR）の1.5μm帯パルス光源として，エルビウムという元素に着目したことである．当時の半導体レーザ光源はOTDR用としてはまだ出力が低かった．そこで目をつけたのが，エルビウムを添加した波長 1.53μmのリン酸系ガラスレーザであった．大変だったのはリン酸ガラスへのエルビウムイオンの添加である．当時はまだ製法の確立していないレーザガラス開発だったのでほとんど手探り状態であり，レーザ発振が難しかった．ようやくその原因がガラス中の残留水分にあることを突き止め，発振に成功した[6]．そして，このエルビウム固体レーザを用いた波長1.5μm OTDR を世界で初めて作り，単一モードファイバ130 kmもの長距離障害点探索に成功した[7], [8]．サザンプトン大学から石英系のエルビウム添加光ファイバ増幅器の最初の論文[9]が報告される3年前のことである．その後，我々もシリカ系のエルビウムファイバの研究に突入していくのであるが，このようにエルビウムという素材に日本の研究者がいち早く目を付けていた事実を知る人は多くない．二つ目は光ファイバの損失を補償した「光アクティブ線路」という，いわば超伝導無損失線路の光版を実現するために，早くから光ファイバ中の誘導ラマン散乱による光増幅を用いた無損失光伝送路の研究をしていたことである[10]∼[13]．誘導ラマン散乱を用いて波長1.55μmにファイバ損を打ち消すだけの光増幅を行うには，約440 cm−1 のストークスシフトを考慮して波長1.47μm付近に励起光を設定する必要があった．このために高出力なCWのInGaAsP半導体レーザを用いてラマン増幅の研究を進めていた[14]．そのような折，波長が1.49μmのカラーセンタレーザを使ってエルビウムイオンが励起できることが報告された[15]．しかし，利得は1 dB以下と小さく，また，カラーセンタレーザは大型でかつ液体窒素冷却が必要であり，実用的ではなかった．それまでに大型のアルゴンレーザ， YAGレーザの第2高調波，あるいは色素レーザを励起光源に使ってEDFAとして20 dB以上の利得が得られており，EDFAの問題点は小型励起光源とエルビウム添加シリカファイバの低損失化に絞られていた．そこで，ラマン励起用の半導体レーザをエルビウムの励起光源に切り換え，それまでに開発していた低損失エルビウムファイバを組み合わせて小型EDFAの実験を行った．その結果，大きな蛍光とともに10 dB以上の利得がすぐに得られたのである[1]．当時はベル研

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究所，サザンプトン大学[9]，NTTなどの間で熾烈な開発競争が繰り広げられていたが，1989年のIOOC において世界で初めて小型の実用的EDFAが実現できたことを実物とともに紹介した[16]．これが最初の小型EDFAの開発である．その後，エルビウムイオンの波長0.98μmの吸収線を利用するためにひずみ超格子半導体レーザも開発され，EDFAの開発が加速されていくことになる．今日ではシリカばかりでなく，ビスマス，テルライト，リン酸系の低損失光ファイバが開発され，高効率な励起用半導体レーザ，小型アイソレータなどの豊富な光部品とあいまって，様々なEDFAが実現されている．更には高出力半導体レーザとダブルクラッド励起を用いて，波長1.1μmのYb（イッテリビウム）添加のファイバレーザやYDFA（Ytterbium-doped Fiber Ampliﬁer）ではその出力がkWにも達する報告[17], [18]もあり，EDFAばかりでなく他の波長帯でも大きな進展が報告されている．図1に近年の光ファイバ増幅器の開発状況についてそれらの種類と動作波長域を中心に示す．光ファイバ増幅器で中心となるのは波長1.5μm帯のEDFAであるが，シリカをホストとし，その高効率化のために Yb3+，Al2O3，P2O5 等を共添加したEDFAが開発されている．その他にも，フッ化物系[19]，テルライト系[20]，ビスマス系[21]などのホスト（ガラスマトリックス）を用いたEDFAも開発されている．これらはシリカ系EDFAにはない短尺，広帯域，高利得などの特徴をもっている．様々な波長に増幅域をもつのはTm（ツリウム）元素であり，0.7，1.4，1.6μm帯で高い利得が得られている[22]．GaAs系の半導体が図 1 各種光ファイバ増幅器とその動作波長域 Fig. 1 Various optical ampliﬁers and their operation

wavelengths.

利用できる0.8μm帯では，0.98μmの2光子吸収励起を用いたEDFFA（Erbium-doped Fluoride Fiber Ampliﬁer）が開発されているが，増幅帯域は3 nmと

狭い[23]．また，1μm帯には帯域が狭いが増幅度の高

いNDFA（Neodymium-doped Fiber Ampliﬁer）や

波長域が広いYDFAがあり，高出力ファイバレーザの

分野を担っている．波長1.3μm帯ではフッ化物ファイ

バにPr3+ を添加することにより増幅器が実現してお

り，PDFA（Praceodymium-doped Fiber Ampliﬁer）と呼ばれている[24]．ここで波長1.5μmのEDFAの研究推移を三つの世代に分けて概観してみよう．まず第1世代では，図1 にも示したようにEDFAの中心的な増幅帯である 1.55μm帯（いわゆるCバンド）からスタートして，その後シリカEDFへの高濃度Al共添加[25]，利得平たん化用イコライザの設置，並びにP共添加などにより1540∼1560 nm域における利得平たん化が実現された．第2世代では，EDFのホストガラスを石英系からフッ化物ガラスに変更したエルビウム添加フッ化物系ファイバ（EDFF）[26]を増幅媒体に用いる方法により，1530∼1560 nmの利得平たん化が達成された．更にEDFAの第2の増幅域（Lバンド）1.58∼1.61μm 帯を有効に活用し，1.58μm帯利得平たん型EDFAと 1.55μm帯利得平たん型EDFAとを並列接続する方法，Er3+_/P 2O5 添加ファイバ増幅器とラマン増幅器を直列接続する方法[27]，EDF長の最適化あるいはエルビウム添加テルライトファイバを用いることにより 1.55μm帯と1.58μm帯を1台のEDFAで一括増幅する[28]など，特性改善が進められた．第3世代では，いっそうの広帯域化を目指し，1.48∼ 1.52μmのSバンド増幅器が短尺ファイバと利得等化フィルタを複数台利用して実現されている[29]．更に，EDFAではカバーできない波長域で増幅可能な 1.45μm帯Tm3+ _{添加ファイバ増幅器}_TDFA

（Thulium-doped Fiber Ampliﬁer）並びに1.52μm 帯ラマン増幅器等を組み合わせる方法も提案されている．ここに至ってS+C+Lバンドの超広帯域光増幅が実現されたといってよい[30]．最近では誘電体のナノ粒子やシリコンナノ結晶を用いることでエルビウムイオンを高濃度にかつ均一に添加する方法などが研究されているが，これに関しては6.∼7.において述べる．以上のような変遷の中で，今まで開拓されてきた光ファイバ増幅器の応用分野を図2に示す．光通信の

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図 2 光ファイバ増幅器の応用分野 Fig. 2 Application fields of optical fiber amplifiers.

分野では，WDM伝送及びそれを用いたフォトニックネットワーク，超高速伝送，コヒーレント多値伝送， CATVを含むFTTH等へ広帯域・高出力EDFAが利用されている．レーザ分野では，計測・通信・溶接などへの応用を目指して，GHz帯のピコ秒レーザ，MHz 帯フェムト秒レーザ，単一周波数レーザ，CW高出力ファイバレーザなどがある．また，光信号処理や非線形光学応用については光信号のSNの確保のために低雑音EDFAが不可欠である．更に誘導ラマン散乱などは，最近，EDFAと組み合わせた広帯域大容量通信[3], [27]に利用されている．

3. 希土類添加ファイバの基礎

本章では希土類添加ファイバの特徴，作製方法，ファイバ構造などの基本技術について述べる． 3. 1 希土類添加ファイバの特徴希土類の3価のイオンを活性物質としたレーザガラスは，波長2μm以下の様々な波長で遷移線を有する．ガラス中の希土類元素はYAGまたはYLF等の結晶の場合と異なり，複雑な結晶場の影響を受けて微細構造をもたない幅広い準位を示すため，幅広い波長域にわたって光増幅が可能となる．特徴的な物質は Er3+_，_Nd3+_，_Pr3+_，及び_Yb3+_{イオンであり，それ} らのエネルギー準位を図3に示す．特に重要なエルビウムイオンに関しては励起レーザと励起準位の関係も併せて記載した．Er3+_{イオンの場合，}_1.53_∼_1.55_μm （4I_13/2-4_I 15/2）の遷移線がちょうど光通信の最低損失波長帯に合致している．励起光源については1.48μm 帯はInGaAsP系[1]，0.98μm帯はInGaAs系のひずみ超格子構造を用いたもの[31]，0.80∼0.82μm帯は GaAlAs系のレーザ[32]が用いられている．図4にエルビウムイオンの波長1.5μm帯での光吸図 3 Er3+，Nd3+，Pr3+及び Yb3+イオンのエネルギー準位図

Fig. 3 Energy levels of Er3+, Nd3+, Pr3+, and Yb3+ ions.

図 4 Er3+イオンの吸収・誘導放出断面積及び ESA 断面積

Fig. 4 Absorption and stimulated emission cross sec-tions and ESA (Excited State Absorption) cross section of Er3+ion.

収と誘導放出の衝突断面積の波長依存性を示す．波長 1.48μmの擬似2準位的な励起が可能なのは1.45∼ 1.51μmで反転分布を起こすだけの吸収が存在することであり，励起波長と信号光波長が近いために量子効率が高く，かつファイバ中でのモード径がマッチした増幅が可能になっている．1.38μmのOH吸収を少なくすることにより1.48μm帯でのエルビウムへの効率の良い吸収が実現していることも重要である． Nd3+イオンには4準位を構成する波長1.06μm （4_F 3/2-4I11/2）と3準位である0.91μm（4F3/2-4I9/2）の遷移線がある．Nd3+_{ファイバには}_0.9_μm_{帯と} 1.1μm帯の光増幅作用のほかに，4F_3/2-4_I 13/2の間の波長1.3μm帯遷移もある．Nd3+を添加したフッ化物系ファイバZBLANなどでは，1.3μmで10 dB以上の利得と高い飽和出力が報告されているものの[33]，シ

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Ab-sorption）のため波長1.32μmの利得は小さい． Pr3+イオンにおいては，1.0μm帯の光によって基底状態 3H4 準位から 1G4 準位まで光励起が行われ，1G4 準位から3H5 準位への誘導放出遷移により 1.3μm帯の光増幅が得られる[24], [34]．また図より Nd3+_，_Pr3+_イオンは_1.3_μm_{帯の遷移は}₄_準位動作をすることが分かる．したがって，信号波長帯に基底吸収が存在しないため増幅媒質の長さは長いほどよい，利得のしきい値が存在しない，等の特徴を有している．Yb3+ _は4_F 5/2 と4F7/2の間の擬似2準位を構成するが，Er3+_の_1.48_μm_{励起と同様に}4_F 5/2準位のボルツマン分布の上準位部分を励起することにより，3準位系の1μm帯高出力レーザ・増幅器となっている[17], [18]．エルビウムの励起に伴う利得の波長依存性を図5に示す[35]．D = −1は励起光がない状態での利得係数，またD = +1 は完全に励起が実現した場合でのそれを示す．励起とともに利得係数が負から正になり，波長1.54μmを谷として双峰的なピークが見られるようになる．これは吸収断面積と誘導放出断面積の波長依存性に起因している．エルビウム添加シリカファイバの場合，コアにAl2O3 やP2O5 などを共添加化することで増幅帯域を変化させることができる．その共添加による蛍光特性の変化を図6に示す[36]．一般に線幅を広げる（帯域を広げる）にはAl2O3 を添加するのが一番良い．Geの濃度に対してAlを増加させていくと，まず1.54μm近傍の利得のへこみが埋まり，更に増量していくと短波長及び長波長側の利得が増大して広帯域化される．この効果を利用して，前述したように1540∼1560 nm（Cバンド）の利得特性が平たん化されたEDFAが実現されている．また，P2O5 を添加すると短波長側の利得が抑えられ長波長側の利得が大きくなることも知られている．この効果を用いて P2O5 添加のEDFAとラマン増幅を組み合わせて長波長帯のEDFAが提案され，20 Tbit/sのWDM伝送が報告されている[27]． Al2O3 やP2O5などの共添加は，Er3+等の添加濃度が高くなると局所的に起こるclusteringも防ぐことができる[37]．これは共添加元素がエルビウムイオンの周りに集まって殻を形成し，エルビウムをガラス構造の中にうまく取り込むことができるようになるためといわれている．またYb3+ にも同様な効果がある．これはYb3+ がEr3+ と同程度のイオン半径をもつためEr3+のかわりにクラスタの中に入り，この結果図 5 異なる反転分布条件に対する信号利得の波長依存性 Fig. 5 Wavelength dependence of gain coeﬃcient under

various population inversion conditions.

図 6 Al2O3，GeO2 及び P2O5を共添加したシリカガラスに対する Er3+イオンの 1.5µm 遷移の発光ス

ペクトルの変化

Fig. 6 1.5µm band ﬂuorescence changes of Er3+ion in silica glass due to co-doping of Al2O3, GeO2, and P2O5. Er3+ 一つに対して複数のYb3+がペアとなった状態が形成されやすくなる．これによりEr3+ 同士を遠ざけることができるため，Er3+_{の濃度消光を抑えるこ} とができる． 3. 2 エルビウム添加光ファイバの製作

エルビウム添加ファイバは主にVAD（Vapor Axial

Deposition）法，またはMCVD（Modiﬁed Chemical Vapor Deposition）法を用いて分子スタッフィング法あるいは液浸法と呼ばれる添加法により作製されている[38], [39]．この方法は，蒸気圧が高いErを極めて容易に石英ガラス中に添加することができ，かつ添加

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濃度の均一性が高い，制御性に優れる，共添加が可能である，等の特長がある．希土類の原料としては，塩化物，フッ化物などハロゲン化物を使用するのが一般的である．例えば，塩化物では900∼1200◦Cの温度において，0.1∼10 mmHgの蒸気圧を有するため，石英系ガラスファイバの制作温度範囲と合致している．しかし，希土類の酸化物については，2500◦C以上の融点をもつため気相での原料輸送ができないだけでなく，マトリックスガラスとの相溶性がよくないので，それらの使用は難しい． 3. 2. 1 VAD法 VAD法では，SiO2 スート（ガラス微粒子），あるいはGeO2，P2O5を添加したコアスートを作製する．このコアスートにEr塩化物，更に特性改良のために各種塩化物（共添加剤）を加えたアルコール溶液を含浸させた後，空気中で乾燥させて塩化物を沈着させる． He-Cl雰囲気で燒結を行い，Erコアロッドが得られる．更に，スート法，あるいはロッドインチューブ法によりクラッド部を作製して母材化は完了する．ファイバ化は通常の線引条件で行われる．ErCl3 アルコール溶液濃度とコアロッド中のEr添加量の相関は線形であり，添加量の正確な制御が可能である[2], [38], [39]．気相法により，希土類化合物をVADのスートに入れる方法もある．この方法では希土類ハロゲン化物の昇華量を制御しながらスートの粒子の間げきに原料を拡散させ，次いで，加熱炉温度を上げて透明ガラス化する．VAD法は種々の屈折率分布をもつ母材の制作が可能であり，かつ大型化が容易である．偏波保持型，分散シフト型等の特長をもつEr添加ファイバあるいはアクティブ光線路を目指した低濃度Er3+添加長尺光ファイバ増幅ファイバ（線路）も既に開発されている． 3. 2. 2 MCVD法気相法による希土類ファイバ作製では，まずガラスの堆積前に希土類原料を適正温度で加熱して完全に結晶水を除去する．次に，クラッドガラスを通常の MCVD法と全く同じプロセスで堆積させる．コアガラスについては，やや低めの堆積温度を設定することにより透明ガラスではなくガラス微粒子を堆積させる．この状態でいったんプロセスを中断し，次に，第 2バーナの温度を上げて希土類原材料を昇華させ，コアガラス微粒子のすき間を通じて，添加を行う．十分にコアを脱水した後，温度を上げて透明ガラス化する．最後に出発石英ガラス管全体をコラプスし，プリフォームを完成させる．液侵法の場合には，パイプを準備して，その内側にSiO2/P2O5/F組成のクラッドガラス層を合成し，引き続いて，合成温度を下げてSiO2，あるいは SiO2/GeO2/P2O5 コアスート層に作製する．この石英パイプを希土類元素の塩化物，また屈折率差を与える塩化物を含む水溶液に浸漬し，塩化物をコアスート層に含浸させる．含浸を完了させた後，アセトンで洗浄して余剰水分を除去し，その後，Cl2/H2/O2 雰囲気で脱水–燒結–コラプス工程を経て希土類元素添加母材が得られる． 3. 2. 3 ロッドインチューブ法及びキャスティング法希土類元素を含んだ軟化温度の低い多成分ガラスを準備し，これを厚肉石英管に挿入して線引きする．いわゆるロッドインチューブ法により希土類元素添加ファイバを作製することができる．フッ化物ガラスファイバへのErの添加も可能であり，キャスティング法と呼ばれる方法が用いられている[2], [39]．フッ化物ファイバへの希土類の添加は，石英系ガラスなどをホストとしたのでは得られない波長での増幅を実現するためである．例えば，Nd3+イオンを添加した石英ガラス中では1.30μm付近での増幅は困難であるが，ZBLAN 系ガラスにNdを添加することにより1.32μmでの増幅を実現している． 3. 3 エルビウム添加ファイバ（EDF）の構造 3. 2で述べたように，VAD法やMCVD法によりエルビウム添加ファイバ（EDF）は作製されるが，Er3+ イオンはコア部分に添加されている．大きな利得を得るためには励起光の横モード分布と信号光のそれとができるだけ一致するように設定することが望ましい．その意味で1.48μm帯励起法は1.53∼1.55μmでのモードフィールドがほぼ一致するため，優れた励起特性を示す．0.98μm帯励起の場合には，モードのミスマッチは大きいものの吸収係数が1.48μm帯に比べて約2倍程度大きいため，大きな利得係数を得ることができる．高効率な励起を実現する上でもう一つ重要な点は，励起光の強度分布とEr3+イオンの径方向の分布である．Er3+_イオンは₃_{準位系であるため励起が弱いと} ころでは信号光に対して吸収媒質となる．したがって，もし励起光の裾野のパワーの弱い部分にEr3+_イオンが存在する場合，信号光は吸収されてしまい増幅度が高くできない．重要な点は，励起パワー密度が高いフィールドの中心部にのみEr3+_{イオンを入れるこ} とである．すなわち，コアの中心部のみにエルビウム

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を添加することが重要である．これは1%を超す高い比屈折率差でかつ小さいコア径にエルビウムを添加する方法，いわゆる二重コア法等によって実現されている[2], [38], [39]．

4. 各種光増幅器の比較とエルビウム添加

光ファイバ増幅器の特徴

光増幅器は反転分布媒質からの誘導放出を用いるレーザ増幅器と，ラマン散乱，ブリルアン散乱などの非線形光学効果による誘導散乱に基づく増幅器に分別される．光増幅器の一般的な種類と特徴の比較を表1 に示す．レーザ増幅器には，ここで取り扱う希土類添加ファイバ増幅器と半導体増幅媒質を用いる半導体レーザ増幅器（SOA：Semiconductor Optical Ampliﬁer）の二つがあり，前者は光励起により，また後者は注入電流励起により光増幅器として動作させることができる．レーザ発振器から増幅作用だけを抜き出して高利得な光増幅を実現するためには，端面反射の除去，光アイソレータの挿入，ASE（Ampliﬁed Spontaneous Emission）の除去等が重要である．非線形光学効果による増幅の特徴は，相互作用長を1 km以上にすることにより，単位長さ当りの利得は小さいものの全体として高利得を実現している点である．光ファイバ中の非線形光学効果による光増幅については詳しくは文献[40]を参照されたい．様々な用途が考えられる光増幅器が備えるべき特徴としては（1）十分大きな小信号利得（2）広い利得帯域（3）利得の偏波無依存性（4）大きな出力（利得が飽和しにくい）（5）小さな雑音指数などが挙げられる．EDFAは40 dB以上の小信号利得，100 nm以上の広い利得帯域，利得の偏波無依存性，1 W以上の高出力，3∼5 dBの低雑音指数など，上記の要求条件をすべて満たしている．加えて，伝送用光ファイバとほとんど無損失で接続できる，チャネル間のクロストークが小さい，温度変化に対して利得が安定であるなどの特長も有している．誘導放出を利用する光増幅器には3準位系の増幅器と4準位系の増幅器がある．ここでは表2に示すように3準位系と4準位系の光増幅の相異点を述べる． Er3+_イオンの_1.5_μm_{帯での増幅は}4_I 13/2の上準位から4I_15/2の基底状態への誘導放出であり，3準位系を表 1 光増幅器の種類と特徴

Table 1 Various kinds of optical ampliﬁers and their characteristics.

表 2 3準位系と 4 準位系の光増幅の相違点 Table 2 Comparison of light ampliﬁcation between

3-level and 4-level materials.

構成している．すなわち終準位が基底状態であり，このため基底吸収（Ground State Absorption）が存在するため，励起が弱い場合には信号光は吸収されてしまう．これを超えて，正味の誘導放出を発生させるためにはある程度の励起パワーが必要となってくる．そして，この信号光が減衰しない（透明な条件の）励起パワーのことを励起しきい値（Pump Threshold）と呼んでいる．一方，4準位系では終準位が中間準位にあるため基底吸収がない．もう一つ両者の著しい相違点は，利得の飽和強度

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Isat にある．3準位系の場合，表に示したように，励起強度Wpが小さいときは4準位系同様Isat が信号光のCross sectionσsと寿命τs とによって決定されるが，励起が強くなると励起に比例してIsat が大きくなる点である．すなわち4準位系では材料が決定されればIsat は一義的に決まるが，3準位系では励起パワーの関数となる．このため，エルビウム添加光増幅器の励起パワーを増加すると，それに応じて（飽和）出力が増大する重要な特徴をもっている．このことはパワー増幅が可能であることを示しており，WDM伝送はこの効果によって実現されているのである．エルビウムイオンの4I13/2-4I15/2の1.5μm帯の放射についてはほとんどのガラス中で非発光の緩和率は 1 [s−1]以下と非常に小さいため，効率の良い発光をする．4_I 13/2 の自然放出率は100 [s−1]程度なので多重フォノンによる発光効率の劣化はほとんどない．一方，一つ上の準位間4I11/2-4I13/2での発光効率はホスト材料に大きく依存している．4I11/2の自然放出率は 90 [s−1]程度であり，非発光緩和率が10000 [s−1]を超えるリン酸塩ガラスやケイ酸塩ガラスなどのガラス中では，4I_11/2準位に励起されたEr3+_{イオンは，ほとん} ど多重フォノン放出により非発光緩和して4I13/2の状態に移る．これに対してフッ化物ガラス中でのEr3+イオンは非発光緩和率が自然放出率と同程度と低いため，発光の割合が高い．フッ化物ファイバ中の希土類イオンがよく発光するのは，シリカファイバ中より非発光緩和率が小さいことに起因している．

5. エルビウム添加光ファイバ増幅器

（

EDFA

）

本章では，EDFAの構成とその基本的な増幅特性について述べる． 5. 1 EDFAの構成 EDFAの構成を図7に示す．EDFAは励起用半導体レーザ光源，ファイバカプラ，無偏波型アイソレータ，Er添加シリカファイバ，狭帯域光フィルタの五つの主要な光部品から構成されている．励起光源は波長 1.48，0.98，0.82μm等の半導体レーザが用いられている．信号光と励起光を重ね合わせるのには，ファイバカプラ若しくは誘電体多層膜型のミラーが利用される．励起光が1.48μm帯，信号光が1.53μmの場合，両者の波長差が少ないためファイバカプラの結合長を長くする必要があるが，結合効率が95%以上のものが実現されている．一方，0.98μm/1.53 μm及び図 7 エルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA）の構成図 Fig. 7 Conﬁguration of Erbium-Doped Fiber Ampliﬁer

(EDFA). 0.8μm/1.53 μmのカプラは結合長は短いが，両者のファイバのカットオフ波長の選択によって単一モード条件が異なるため，ファイバの選択及び延伸に工夫が必要とされる．無偏波型の光アイソレータはEDFAにおいて大変重要な役割を果たしている．光ファイバの中のEr3+ イオンはガラスという非晶質媒質に溶け込んでいるため，もともとその蛍光特性，増幅特性に偏波依存性がない．前章で述べたように，半導体による光増幅では TEとTMのモード間による偏波依存性を除去するためにいろいろな工夫を必要とするのに対し，エルビウムファイバでの増幅は偏波無依存であることに注目したい．この性質を生かすため，無偏波型のアイソレータ（常光と異常光とを空間的に分離して同一YIG中を伝搬させ，出口において逆に両者を重ね合わせて出力とする）を利用することにより，あらゆる偏波に対して同一の利得を得ることができている．光伝送では信号光の偏波が時間とともに変化するが，その変化に対して同じ利得が得られることはシステムへの応用上極めて重要である．この特長によりシステムが複雑にならずに実用化されたといえる．このアイソレータは，発振を抑えるばかりでなく，ASEのフィードバックを除去することにより信号光の利得を増加させる役目もある．すなわち，ASEがフィードバックすると不必要な波長域でのSuper Luminescent的な発光が顕著となるため，40 dB以上の高利得を得ようとする場合，出力段（エルビウムファイバと光フィルタ若しくは出力ポートと光フィルタの間）にもアイソレータを挿入しなければならない．このようにして46.5 dBの利得が実現されている[41]．狭帯域の帯域フィルタをエルビウムファイバの後に入れることも重要である．これにより，ASEをカッ

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トして信号光に対する雑音成分の比率を小さくすることができる．通常1∼3 nmのフィルタを用いるが，このEDFAを複数個用いて多中継伝送する場合，信号光のみを通過させるようなフィルタを挿入することによりASEの増幅を抑制することができる．信号光は図7に示すように入力ポートからWDMファイバカプラ，光アイソレータを経てエルビウムファイバに導かれる．増幅された信号は光フィルタを経て出力ポートより出力される．エルビウムの添加濃度は用途にもよるが，一般的な増幅器では100∼1000 ppm程度，Alを共添加して濃度消光を抑えた5000 ppm程度の濃度のものが開発されている．このような高濃度のファイバでは長さ1 m 程度でも20 dB以上の利得を得ることができるため，共振器長をできるだけ短くするようなファイバレーザに用いられている． SOAのような光増幅器では，光信号の伝搬方向に沿って，反転分布が一様に形成されているとみなしてよい．しかし，EDFAの場合には励起光が軸方向に伝搬することにより反転分布を形成するために，反転分布の大きさが，励起光の吸収とともに伝搬方向に沿って変化する[42]．このために，信号光を順方向入射するか逆方向入射するかにより雑音の発生量が異なること，飽和パラメータが長手方向に変化することなどの特徴が現れる．例えば，エルビウムファイバが長い場合には，後方励起は前方励起に比べて雑音指数は劣化する．これは信号光の入射端近傍では後方からの励起光が減少しているので十分な励起が行えないためである．このため，後方励起はプリアンプとしてよりもパワーアンプとしてよく利用されている．一方，前方励起では微弱な信号光が反転分布の高い媒質で効率良く増幅されるために雑音指数は低い．このため，出力は小さいがプリアンプとして利用されている．両方向励起を用いると，エルビウムファイバの全長にわたって効率良く励起できるため，雑音指数も低くかつ高出力のEDFAが実現している．これらの特徴はレート方程式により詳しく解析されている[43]． 5. 2 0.98 µm及び1.48 µm励起のEDFAの増幅特性の比較シリカファイバ中のエルビウムイオンの0.98μm帯励起は吸収係数が大きくまたESAも起こらないため効率が良い．0.98μmを中心にして，0.975∼0.985μm の3∼5 nmが効率の良い励起波長帯となる．この帯域は1.48μm帯の励起波長域に比べて有効波長域が狭く，図 8 0.98µm 及び 1.48 µm 励起による高効率 EDFA

Fig. 8 Highly eﬃcient EDFAs at 0.98µm and

1.48µm pumpings.

しかも長・短波長の両域で急激に利得が減少してしま

う[2]．このため励起半導体レーザの波長選択の自由度

は小さくなるが，FBG（Fiber Bragg Grating）を用いて発振光の再注入により励起波長を安定化する方法が開発されている[44]．図8 (a)に高NA（Numerical Aperture：開口数）ファイバの増幅度の励起入力依存特性の一例を示す．このファイバの比屈折率差は 1.67%，モードフィールド径は4.8μm，Er添加濃度は 210 ppmである．ファイバ長30 m，励起パワー9 mW で39 dBの増幅度が得られ，ファイバ長が10∼23 m の場合，利得効率も10.2 dB/mWと高い値が得られている[45]．0.98μm励起の雑音特性は雑音指数（Noise Figure：NF）が3.4 dB以下とほぼ量子限界に近い値が得られており[46], [47]，前置増幅器としてよく利用されている． 1.48μm帯における最適励起波長は1.475μm付近であるが，1.450∼1.485μmの広い波長域において高い利得が得られる[48], [49]．それゆえ，ファブリペロー型の縦多モード発振（スペクトル幅がおおよそ 20 nm）するInGaAsP半導体レーザを用いて効率の良い励起が可能となる[1]．前述の高NAファイバの増幅度と励起入力の関係を図8 (b)に示す．ファイバ長90 mのとき，励起パワー9 mWで33 dB，利得係数5.1 dB/mWが得られている[45]．0.98μmと比べると吸収係数が小さいために，必要なファイバは長くなる．1.48μm帯励起の雑音指数は4∼5 dBであり， 0.98μmと比較すると1∼2 dB劣化する[46], [50]．この状況を図9で説明しよう．1.48μm帯励起における雑音指数の増加はこの励起が擬似2準位的に起こ

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図 9 0.98及び 1.48µm 励起における反転分布形成の比較と雑音指数の推定

Fig. 9 Comparison of population inversion mechanism in 0.98µm and 1.48 µm

pumpings and their noise ﬁgure estimations.

ることに由来する．0.98μm励起のN3は4I11/2準位であり，最大の励起となって励起パワーがTransparent になるのはN3=N1∼= 0の条件である．したがって，励起分布パラメータμはμ = 1となりNF = 3 dB の雑音指数となる．一方，1.48μm帯励起では，誘導放出の上準位 4I_13/2 の高エネルギー側のエネルギー準位 EU（NU の分布をもつ）にEr3+イオンを励起させる．しかし，この準位でのシュタルクレベルの分布はボルツマン分布をしている．そのため，誘導放出の起こる準位 EL での分布を NL とすると， NU =NLexp(−ΔE/kT ) = 0.38NL の関係で結ばれている．前と同様に励起のTransparentな条件は NU=N1であるから，μ = NL/(NL−N1) = 1.61となる．したがって，NFは5.1 dB程度となり，0.98μm に比べると2 dB程度悪い．しかしながら，SOAで得られている8∼10 dBの雑音指数よりも小さく，1.48μm 励起EDFAが低雑音光増幅器であることを示している．多中継光伝送のようにたくさんの光増幅器を用いる場合には，雑音指数が小さいことが大きな利点となる．最近では0.98μm及び1.48μmを併用した低雑音・高出力EDFAがよく利用されている．これはパワー増幅を必要とするWDM伝送には不可欠であり，前段には低雑音増幅が可能な0.98μm励起EDFAを，また後段には量子効率の高いパワーアンプ型の1.48μm 励起EDFAを用いて1台のEDFAとしている． 5. 3 EDFAの利得帯域の等化最近のEDFAでは，増幅スペクトルの波長依存性を補正する光フィルタ（利得等化器）を出力端に装備することにより，その利得平たん性を向上させている．この技術は，EDFAを用いて多中継伝送をする場合，わずかな利得の波長依存性が長距離伝送後には大きくなって，信号チャネル間の伝送品質が劣化することを防いでいる．当初，1540∼1560 nm帯の利得平たん化（Er3+ 添加ファイバの有する二つの利得ピークの一

方）については，PLC（Planer Lightwave Circuit）型マッハツェンダ[51]，Split-beam Fourier型フィルタ[52]，音響光学フィルタ[53]等の利得等化器を用いて改善された．その後，利得等化器の高性能化が進められ，1525∼1535 nm帯及び1540∼1560 nm帯に存在する二つの利得ピークを平たん化するための複雑な透過特性が長周期グレーティング[54]，複数のファブリペローエタロンからなるバルク型フィルタ及び多段型音響光学フィルタ[55]により実現されている．これにより，1530∼1564 nm帯で利得平たん度が0.8 dB 以下の利得平たん型EDFAが実現されている． 5. 4 Lバンド（長波長）帯EDFA及びSバンド（短波長）帯EDFAの実現波長1530 nm以上の波長帯では図5に示したように誘導放出断面積が吸収断面積より大きいために有効な反転分布が形成され，1560 nm付近までは比較的利得が平たんである．しかし，波長がそれより長くなると，利得係数の波長依存性が大きくなるとともに，利得係数が小さくなってしまう．そこで利得特性が劣化する長波長帯増幅（Lバンド）では，Al2O3 を共添加し，更にエルビウムファイバ長を長くして短波長の利得を抑制しながら，長波長帯の利得を大きくする方法がよく用いられている．この方法により，エルビウム濃度1300 ppm長さ150 mの条件で，波長1610 nm あたりでも10 dB以上の利得が得られている．一方，1480∼1520 nmの短波長帯（Sバンド）では，エルビウムファイバ長を短尺にして何段も強励起す

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図 10 Al共添加 Er3+添加石英系ファイバ増幅器と Er3+添加フッ化物ファイバ増幅器の増幅特性比較

Fig. 10 Comparison of amplification characteristics between Al-codoped Erbium-doped silica amplifier (EDFA) and Erbium-Erbium-doped fluoride fiber amplifier (EDFFA). ることにより，比較的平たんな利得特性を得ることができる．図5から分かるように，短波長側では吸収断面積と誘導放出断面積の波長依存性が大きいため，利得係数の波長依存性が大きい．また，この波長依存性は長波長帯よりも大きく，励起が弱い場合には吸収が強く有効な利得が得られない．そこで高効率化するために強励起を行い，更に吸収を抑えるために短尺なエルビウムファイバを複数回用いるような手法がとられている．Onoらは九つの光増幅部，八つのASE抑制フィルタ，二つの利得等化器を用いて，利得が20 dBで1490∼1520 nmの波長範囲で利得フラットなEDFAを実現している[56]．最近では1台の1450 nm励起EDFAをダブルパス構造にして用いることで，10∼28 dB利得を1500∼1520 nmの波長帯で得ている[57]． 5. 5 EDFAの高出力化 3準位系の性質から，希土類イオンがすべて励起されるまでは励起パワーが強いほど出力が大きくなる．しかし，励起光のファイバへの結合が問題となる．そこでよく用いられているのが二重クラッド希土類添加ファイバである．二重クラッド型エルビウムファイバでは第1クラッドを励起光用のコアとして，励起光を伝搬させる[58]．その励起光の中心にはエルビウム，ネオジムあるいはイッテリビウムなどが添加された単一モードのコアが存在し，励起光はそのコアによって吸収される．第1クラッドがない場合は励起光が効率良くコアの周りを伝搬しないが，このクラッドがあることによって効率的な励起が可能となる．この方法では比較的断面積が広い第1クラッドに励起光が効率良く結合できるため励起パワーが増加する．このため，単一活性層の半導体レーザに比べて高出力特性を有するアレー型半導体レーザを利用できる利点がある． EDFAの更なる高出力化の方法として，Yb3+_を増感材として共添加する方法もよく用いられている．これは図3からも分かるように，Yb3+の0.98μmの吸収帯（4F5/2）とEr3+の0.98μmの吸収帯（4I11/2）とが一致することから，励起エネルギーのYb3+_から_Er3+ のエネルギー伝達を使って1.55μm帯の増幅に変換する方法である．これは増感作用と呼ばれ，Yb3+の吸収帯が広いので同じ0.98μm帯の増幅でも各種の高出力励起が利用できる特長がある．最近の高出力EDFAにはその出力が100 W近いものも報告されている[59]．また，Yb3+ _{の吸収帯は}₇₀₀_∼_{1100 nm}_{と広いため，} 短波長側の吸収波長，例えば0.98μmの半導体レーザを励起に使うことにより，波長1.07μmの光増幅器並びに高出力ファイバレーザも実現されている[17], [18]． 5. 6 エルビウム添加フッ化物光ファイバ増幅器（EDFFA）エルビウム添加フッ化物ファイバは，1530∼1560 nm の信号波長域で利得変化が少ないことから，WDM信号（1532∼1560 nm）が一様に増幅できる（利得偏差 1.5 dB以下）利得平たん型エルビウム添加フッ化物ファイバ増幅器（EDFFA）として開発されている[26]．図10に1.48μm励起EDFFAとAl共添加EDFAの増幅特性の比較をそれぞれ(a)と(b)に示す．EDFFA はEDFAに比べ，1530∼1560 nmの広い信号波長域で利得変動が小さいということが分かる．当初，EDFFA では励起光ESA（4I_11/2 から4F_7/2への遷移）のた

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図 11 0.98µm/EDFA 及び 1.48 µm/フッ化物 EDFA を用いたハイブリッド型 Er3+

添加ファイバ増幅器の構成

Fig. 11 Conﬁguration of hybrid EDFA with 0.98µm/silica EDFA and 1.48µm/ﬂuoride EDFA. め，0.98μm励起が効率良く利用できないという課題があったが，4_I 11/2の0.97μm励起[60]により解決している．0.97μm励起を用いると，4I_11/2 準位に励起されたEr3+イオンはESA過程で4F7/2 準位へ再励起され，その後増幅始準位である4I13/2準位に無ふく射緩和される．このため，4I13/2準位と4I15/2準位間の反転分布が形成され，低雑音増幅が実現できている．一方，通常の0.98μm帯励起では，Er3+ _{添加フッ化} 物ファイバの 4I11/2 準位の蛍光寿命が長い．そのため，その準位に励起されたEr3+イオンは0.98μm励起光による誘導放出で4I11/2 準位から4I15/2 準位に緩和される．よって，効率の良い反転分布が形成されず，低雑音増幅は難しい． 1.48μm 励起EDFFA とそのEDFFAの前段に 0.98μm帯励起のEDFAを配置するハイブリッド構成により，低雑音で広帯域・利得平たん特性を有する増幅器が実現されている．図11にハイブリッド型EDFFA の構成を示す[61]．

6. 最近の光ファイバ増幅器の研究展開

図1に示したように，波長1.5μm帯以外の増幅波長として1μm帯のYDFA，1.3μm帯のPDFA， 1.45μm帯のTDFA等がある．最近の展開としては， Ce3+を添加したテルライトガラスEDFA [62]，ビスマスガラスを用いたBi-EDFA [63]，フッ素リン酸系 EDFA [64]，PLCを用いた小型集積型EDFA [65]，エアクラッドを用いたクラッド励起型高出力EDFA [66] 等の重要な技術が報告されている．本章ではこれらについて述べる． 6. 1 Ce3+_{を共添加したテルライトガラス}_EDFA テルライトガラスはエルビウムイオンを添加すると 1.53μm帯において大きな遷移断面積をもち，長波長側に蛍光断面積がなだらかに変化する．これにより広図 12 Er3+/Ce3+共添加テルライト EDFA の利得特性 Fig. 12 Gain characteristics of Er3+/Ce3+codoped

tellurite EDFA. 帯域でCバンドからLバンドに及ぶ超広帯域EDFA が実現されている[28]．従来のEDFAでは980 nm励起が有効であったが，テルライトガラスEDFAでは 4_I 11/2から4I13/2 へのゆっくりとした遷移時間と，高い誘導吸収率のためにシリカEDFAのような高い利得特性は実現できなかった．最近この問題をCe3+イオンを共添加することで解決できることが報告され，短尺・高効率なテルライトEDFAが実現している[62]．これはCe3+_{イオンの共添加により}4_I 11/2 から4I13/2 の遷移率を増加させ，発光緩和を抑制（すなわち誘導放出の抑制）できたためである．図12にEr3+/Ce3+ 共添加テルライトEDF を 980 nm励起した場合の利得特性を示す[62]．用いたテルライト EDFAは長さが22 cm，Er3+_イオンが 0.9 × 1020_cm−3_，_Ce3+_イオンが₂_{.1 × 10}20_cm−3 _の濃度で共添加されたものと，同じ長さのEr3+イオンのみが同じ濃度で添加されたテルライトEDFAの特性の比較を行っている．励起パワーに対する利得特性を見ると，Er3+_/Ce3+_{共添加テルライト}_EDFA_{は励起パワー}

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の増加に対する利得の上昇率が早く，励起190 mWでは22 dBの利得が得られている．一方，Er3+イオンのみ添加したテルライトEDFAでは190 mWの励起で利得が11 dBであるので，Ce3+イオン添加の効果が大きいことが分かる．また，NFにおいても従来のテルライトEDFAより1 dBほどの改善が図れている． 6. 2 ビスマスガラスを用いたBi-EDFA Bi2O3ガラスをホストとしたEDFAは，濃度消光を起こさずに高濃度にエルビウムを添加できる，1530∼ 1620 nmという広帯域の増幅が可能である，従来の融着機によるシリカファイバへの融着可能である，などの特長を有している[67]．更に重要な特性として，L バンドへの増幅帯域の拡大，また短尺化ができるため群速度分散によるパルス広がりの効果が抑えられるなどの効果がある[63]． Lバンドへの増幅帯域拡大の様子（利得とNF）を図13 (a)に示す[63]．Bi-EDFにはLaが共添加されており，Erの濃度は6500または3250 wt-ppm，La の濃度は4.4 wt%である．そのコア径は6.2μmであり，コアの屈折率は2.03，またファイバの挿入損は 0.55 dB/mであった．ファイバとしての損失は大きいが，非常に短尺で高利得が得られるため問題にはならない．ここで示すように，+20 dBm以上の高い出力パ図 13 Bi-EDFAの利得と NF の波長特性 (a) 及び Bi-EDWの構成 (b)

Fig. 13 Wavelength dependence of gain and NF of Bi-EDFA (a) and conﬁguration of Bi-EDW (b). ワーが実現できており，入力パワーが−2 dBmのとき利得は20 dB以上得られている．シリカ系EDFAは数十mの長さを必要とするため，ピコ秒パルス増幅には分散補償あるいはゼロ分散EDFAを必要とする場合がある．しかし，Bi-EDFAは数十cmで10 dB以上の利得を得ることができるため，短光パルスの増幅に好適であり，またシリカ系EDFと比較して大きな非線形耐力がある．今までに，長さ23 cmのBi-EDFA （帯域1520∼1600 nm）を用いて1 psのパルスの増幅が報告されている．最近では図13 (b)に示すような超小型エルビウム添加ビスマス系ガラス導波路型光増幅器（

Multicompo-nent Bismuthate Er-doped Waveguides：Bi-EDW）

も実現されている[68]．この導波路はRFマグネトロンスパッタ法，リソグラフィー及びドライエッチング技術により作製されたもので，導波路コア部のEr添加濃度は6250 ppm，導波路のΔは1.8%程度が得られている．この導波路を1 cm2のパッケージ内にらせん状に配置し，全長24 cmの導波路型光増幅器を作製した結果，140 mWの1480 nmポンプ光により双方向励起の場合，1530∼1565 nmのCバンド全域において15 dB 以上の利得及び8 dB以下の雑音指数が実現されている． 6. 3 フッ素リン酸系EDFA フッ素リン酸ガラスは融点は500◦Cと低いが，シリカ系ガラスに比較して非線形感受率が低く，更に濃度消光を引き起こすことなく高濃度に希土類イオンを添加できる特長がある．これまでCバンドのエルビウム添加フッ素リン酸ガラスファイバ光増幅器[69]が報告されている．しかし，フッ素リン酸ガラスファイバの挿入損が融着による接続損も含めて12 dB/mと非常に大きいことから，Lバンド帯域におけるエルビウム添加フッ素リン酸ガラスファイバ光増幅器（EDFPFA）は実現されていなかった．ところが最近では，これらの欠点を克服したリン酸ガラスEDFA（Er3+_添加濃度が5000 ppm，挿入損が0.7 dB/m）が報告されており，低い非線形感受性による4光波混合の低クロストークが特長となっている[64]．作製したエルビウム添加フッ素リン酸ガラスファイバのコア径は7.6μm であり，DSFとの融着損を1箇所当り0.3 dB/m以下に低減できたため全体で0.7 dB/mと低損失な特性が実現されている．本EDFAに100 GHzの間隔の44チャネルのCW光（波長1571∼1607 nm）を入力し，出力側で1チャネルを抜き出し，4光波混合（Four Wave Mixing：FWM）

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図 14 エルビウム添加フッ素リン酸系ファイバ増幅器（EDFPFA）の FWM のクロストークの波長依

存性

Fig. 14 Wavelength dependence of FWM cross-talk of erbium-doped fluorophosphate glass fiber amplifier (EDFPFA). によって生成される信号のクロストークの波長依存性を図14に示す[64]．いずれの増幅器を用いた場合においても最も大きなFWM-クロストーク値でFWM信号が発生している．しかしEDFPFAを用いた場合では，従来のEDFA（ここではEDSFAと記述）と比較して，クロストークを10 dB低減することができている．リン酸ガラスファイバEDFAもBi-EDFA同様短尺で高利得が得られ，更に特長的なこととして数cmの長さで数ワットのCWパワーを達成することができる．このためフェムト秒モード同期レーザなどへの応用に適している．実際に，1%のEr3+_イオンと_8%_の Yb3+_{を共添加した長さ}_{20 cm}_{のリン酸ガラスファイ} バを用いて高調波モード同期リングレーザが報告されている[70]．励起は975 nmのLDで行っており，∼ 5 Wの励起パワーで1.1 Wの出力が得られている．繰返し周波数が7.2 GHzの場合，パルス幅は570 fsであり，時間バンド幅積は0.336と報告されている．このように高繰返しのフェムト秒レーザがEDFPFAを用いて実現できている． 6. 4 PLCを用いた小型集積型EDWA PLC技術を用いたエルビウム添加シリカ系導波路型増幅器（PLC-EDWA）は，利得20 dB程度のものが既に報告されている[71]．更に最近ではEDFAの小型化，低コスト化を目的として，アイソレータ，WDM 図 15 PLC-EDWAの概略構成 Fig. 15 Schematic of PLC-EDWA.

カプラ，PD，スプリッタ，可変光減衰器などの光学部品を集積化したEDWAが報告されている[65]．この PLC-EDWAの概略構成を図15に示す．PLCチップのサイズは31 mm× 83 mmであり，励起光源，EDF コイル，利得平たん化フィルタはPLCの外部にあり，ファイバアレーでPLCと接続されている．導波路間のクロストークは60 dB以下と小さく，PDLは0.4 dB 以下である．PLCの損失に伴い通常の構成に比べて NFが増大するという問題点がある．しかし，この PLC-EDWAの利点である励起光の可変スプリッタ機構により各EDFの励起を調整することで，NFをむしろ低減することができている．今後光デバイスの集積化とあいまって，Bi添加導波路型EDFAも含めて集積型EDWAが重要な課題となっていこう． 6. 5 エアクラッドを用いたクラッド励起型高出力 EDFA クラッド励起エルビウム添加ファイバ光増幅器（CP-EDFA）は光電力変換効率が高く，コストパフォーマンスの良い光増幅器として期待され，最近では 33 dBmの高出力が報告されている[66]．CP-EDFA を構成するダブルクラッドファイバは，信号光を伝搬させるための内側のシングルモードコア部とその外側に励起光を結合するためのマルチモードコア部よりなっている．その励起方式には，ファイバの側面に付与したV溝より励起光を結合する方式と，空間結合の波長分割多重器を用いる方式及びマルチモードコア部に融着接続したテーパファイバを介する方式がある．更に利得を向上させるためにファイバ構造の改良がいくつか報告されている．一つは，シングルモードコア部の周りにリング状の希土類添加部を設けることにより，信号光と希土類元素との重なりを低減させ飽和利得を増大させる方法である．これにより高い反転分布を得ることができるため，CバンドEDFAの高出力化に有効であり，Cバンド全域において33 dBmの

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図 17 偏波保持高出力光増幅器（PM-HPOA）の構成

Fig. 17 Conﬁguration of polarization-maintained high-power optical ampliﬁer (PM-HPOA).

図 16 エアクラッドファイバの断面写真 Fig. 16 Cross section of air-clad ﬁber.

高出力及び33.1%の高い光電力変換効率を実現している．二つ目は，エアクラッド部を設けマルチモードコア部のNAを増大させる方法である．これにより，直径の小さいマルチモードコア部に励起光を閉じ込めることができるため，シングルモードコア部に高い反転分布を形成することができる．エアコアクラッドファイバの一例を図16に示す[66]．マルチモードコア部の直径は52μm，NAは0.5であり，直径5μmのシングルモードコア部にエルビウムイオンを添加している．本光増幅器ではCバンドにおいて最大出力33 dBm，光変換効率21.3%が実現されている． Wysocki らは49 dBの利得，13 Wの出力電力， 30 dB の偏波消光比，12.9%の電気–光変換効率， 42%のスロープ効率を有する偏波保持Er/Yb共添加クラッド励起光増幅器を実現している[72]．その偏波保持高出力光増幅器（PM-HPOA）の構造を図17 に示す．1台のPM-EDFAと2台のEr/Yb共添加クラッド励起光増幅器がカスケード接続されている．長期運転の信頼性を保持するために計18台の最大5 W 出力可能なマルチモード励起用LDと2台のシングルモード励起用LDを使用し，更にパワーモニタ用の光カプラ，ポラライザ，アイソレータ，ASEノイズを除去するために狭帯域フィルタ素子を用いている．

7. 将来展望

ここでは将来展望として，EDFの更なる高性能化に向けてのナノ粒子を用いる方法[73]，ナノクリスタル Siを増感材として用いたシリカ導波路型光増幅器[74]，並びにシリコンにエルビウムを添加したシリコン光増幅器[75]等の発展性について述べる．フォトニック結晶や量子ドットに代表されるナノ構造に希土類元素を添加して，効率的な発光やコンパクトで広帯域・高利得な光増幅ができるようになれば，様々な分野へ応用できる小型能動光デバイスが実現できる．特に，高い屈折率差の小型PLCや自発光が難しいSi導波路にナノ構造を利用してエルビウムイオンを効率良く閉じ込めて増幅作用をもたせることは，大変興味深い．ここでは，ナノ粒子の添加とナノクリスタルSiを増感材として用いたシリカ導波路型光増幅器並びにエルビウムを添加したシリコンの光増幅器の可能性について述べる． EDFAの増幅帯域を拡大し利得効率を向上するには，エルビウムイオンをシリカガラスにいかに均一にそして高濃度に添加するかが大変重要である．しかし，純シリカは非結合酸素の数が非常に少ないためエルビウムが混ざりにくい．またエルビウムを高濃度化すると濃度消光により利得効率が低下してしまう．これらの問題点を解決するためにAl2O3を共添加するが，これはAl2O3 が非結合酸素の数を増大させることからエルビウムの分散性が向上するためである．その一方で最近，ナノ粒子を用いることにより，エルビウムを均一にかつ高濃度に添加できることが報告されている．例えばナノ粒子を直接堆積させるDND

（Direct Nanoparticle Deposition）法と呼ばれる方法

がある[73]．この方法はガラス粒子を堆積させる段階

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図 18 ナノクリスタル Si を増感材として用いた Er 添加シリカ導波路型光増幅器の構造 Fig. 18 Erbium-doped silica waveguide ampliﬁer with nanocrystal Si as a

sensitizer. などのナノ粒子を同時に添加する．3. 2. 1∼3. 2. 2で述べたコアスートを作ってから後で添加物を拡散させる方法とは異なり，この方法ではエルビウムを均一に添加することができる．更に添加を高速にできることからエルビウムイオン同士のクラスタも形成されず，高濃度な添加が可能である．実際にDND法でプリフォームを作製したところ，コア中の添加濃度はそのばらつきが5%以下と均一に分散されていることが確認されている．また，エルビウム濃度が異なる4種類のEDFに対して利得スペクトルを測定したところ，濃度による違いは見られていない．またDND法によりエルビウムイオン周辺の結晶場もうまく制御され， 1525∼1610 nmの広帯域にわたるASEスペクトルも観測されている[73]．

誘電体ナノ粒子（DNP：Dielectric Nano Particles）の中にエルビウムイオンを封入して添加することにより，シリカ系ファイバ増幅器でも利得帯域が拡大できることも報告されている[76]．このDNP添加ファイバの作製は，前述したDNDの手法とは異なり，MCVD 法で作製されたプリフォームにおいて，シリケイトとCaOのような2価の金属酸化物が互いの強い非混和性により相分離を起こすことを利用している．数 mol%のCaOを含むシリケイトガラスを熱すると，シリカの多い相とCaOの多い相とに自然に分離するという性質を用いる．このときCaOの多い層は球状粒子を形成する．そこで溶液含浸法によりカルシウムにエルビウムを含浸させ，更にGeO2 とP2O5 を加え SiO2 と混合して熱することにより，エルビウムイオンをナノ粒子に封入した状態でエルビウムを添加することができる．カルシウム濃度が0.1 mol/l以上のときにDNPが観測されており，DNPの平均的な大きさは100 nm程度である．DNPの有無によるエルビウムの発光スペクトルではその帯域が拡大できることが分かっている[76]．また，シリコンナノ結晶（Si-nc）を増感材として用い，ErとTmを共添加したシリカ導波路型超広帯域光増幅器も提案されている[74]．Si-ncより1.54μm の蛍光が放出される様子及びそれを利用したEr添加シリカ導波路型光増幅器の構造を図18に示す．Si-nc の吸収断面積はEr3+_{イオンと比べ}₄_{けた大きいため，} 安価なLEDを用いた導波路上面からの光励起が行える．また，Si-ncを用いた励起機構では励起光と希土類イオンとの共鳴を必要としない．例えばErとTmを共添加することにより1台の励起LEDにより1.5∼ 1.9μmの超広帯域の光増幅を実現することができる．直接ErとTmを共添加した場合にはErの蛍光がTm の周波数上方変換（up conversion）を介して吸収されてしまう問題点があるが，高効率に両方の蛍光を得るために，ErとTmを添加したナノ結晶を交互に重ねた多層フィルム構造が提案されている[74]．作製されたEr/Tm共添加フィルムの構造と層の厚さに対する蛍光スペクトルの関係を図19に示す．層の厚みを増すにつれ，Tmの蛍光強度は一定に保たれたままEr の蛍光強度が増大していく様子が分かる．その結果 1.4∼1.9μmの超広帯域な蛍光スペクトルを得ることに成功している．最近はシリコンフォトニクスと呼ばれる分野が脚光を浴びるようになってきており，安価なシリコンで発光，変調，伝送，受光ができれば新たなる光通信の可能性もある．特にシリコンは屈折率が高いため導波路にすると小型化が可能であり，電子デバイスとしての機能と光デバイスの機能を数十ナノに近接して共存させる新たなる光エレクトロニクスデバイスが実現できる．しかし，シリコンは直接遷移をもたないのでもともと光りにくい．その中で，シリコンによる発光デバイスの可能性が最初に注目されたのは1985年エルビウム添加シリコンの1.54μm LEDの報告である[77]．その後，シリコンのラマン増幅[78]やラマンレーザ[79]

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図 19 Er/Tm共添加フィルムの構造と層の厚さに対する蛍光スペクトルの関係 Fig. 19 Er/Tm co-doped ﬁlm structure and the eﬀect of the layer thickness on

the luminescence spectra.

図 20 シリカ中の Er と Si-nc の様子 (a) 及び Er-Si-O 結晶の構造 (b)

Fig. 20 Er3+ ion and silicon-nano crystal in silica glass (a) and Er-Si-O super lattice struc-ture (b). の発表もあり，進展が著しい．希土類添加半導体を光励起し，生成された電子正孔対の再結合エネルギーで希土類イオンを励起する方法では，Si [77]，GaAs [80]，GaN [81]において，それぞれ Er，Eu，Tmからの可視から近赤外までのエレクトロルミネセンスが報告されている．GaN:Euでは光励起による誘導放出も報告されており，電流注入型LDの期待もある[82]．また，高いQ値のSiフォトニック結晶にエルビウムイオンなどを封入することで発光の緩和時間を長くし，発光効率を上げることも考えられよう．単結晶シリコンへのErの溶解度はもともと小さい．このため高濃度を目指すと，凝縮，析出，欠陥の生成などが起こり，高濃度化が難しい．そこで酸素をEr に共添加することにより高濃度化や欠陥の抑制が達成されるが，その一方で電気抵抗が高くなる欠点がある．木村らはEr，Si，Oを構成元素とするEr-Si-O結晶を提案し，それが自己組織化により周期0.9 nmの自然超格子的構造になることを見出している[83]．図18 図 21 Er-Si-O超格子の 1.54µm 室温発光スペクトル Fig. 21 1.54µm electro luminescence of Er-Si-O

super lattice at room temperature.

で述べたSi-ncとエルビウムイオンがシリカ中に共存している様子とEr-Si-O結晶の様子を図20 (a)と(b) にそれぞれ示す[75]．この図20 (b)の構造ではErが高濃度であるにもかかわらず欠陥が少なく，図21に示すような，室温でシュタルク分裂の微細構造も見える強い発光が観測されている[83]．このEr-Si-O結晶の主要組成はEr2SiO5 と同定されており，1.5μm帯の新たな増幅器の可能性も指摘されている．