CN110600976A - 光纤放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤放大器，该光纤放大器包括第一光纤、第二光纤、第三光纤和激发光源。每根光纤都具有芯部和围绕芯部的包层。第三光纤传输用于在第二光纤中信号放大的激发光。第二光纤掺杂有稀土元素，第二光纤通过激发光放大在其中传播的光信号。第三光纤包括直径减小部分。直径减小部分中的第三光纤的芯部之间的距离比第三光纤的其他部分中的芯部之间的距离短，并且在直径减小部分中，从激发光源进入第三光纤的多个芯部中的一个芯部的激发光与第三光纤的另一个芯部模耦合，以分配激发光。

Description

光纤放大器
技术领域
本发明涉及一种光纤放大器。
背景技术
JP2014-135508A公开了如下结构的一个实例：在该结构中，在使用多芯光纤(MCF)的信号传输中，向掺杂有稀土的放大MCF施加激发光。在该放大器中，激发光进入掺杂有稀土的MCF的中央芯部，并且激发光通过模耦合(mode connection)被分配到传输各个传输信号的多个外芯部，从而放大传输信号。由于掺杂有稀土的MCF的一部分收缩以缩短芯部之间的距离，所以放大器使进入中央芯部的激发光与外芯部的模耦合加速。JP2016-189406A公开了另一种构造：在该构造中，多模激发光进入掺杂有稀土的MCF的包层用于放大，以共同激发所有芯部。
发明内容
本发明提供了一种光纤放大器。该光纤放大器包括第一光纤、第一透镜、第二光纤、一对第二透镜、第三光纤、第三透镜、第一光学部件、第二光学部件和激发光源。第一光纤具有多个第一芯部和围绕多个第一芯部的包层。第一光纤构造成传输至少一个光信号。第一透镜布置成面向第一光纤的输出表面。第二光纤具有多个第二芯部和围绕多个第二芯部的包层，其中第二光纤掺杂有稀土元素。第二光纤构造成通过激发光放大在第二光纤中传播的光信号。该对第二透镜分别布置成面向第二光纤的进入表面和输出表面。第三光纤具有多个第三芯部和围绕多个第三芯部的包层。第三光纤构造成传输用于在第二光纤中信号放大的激发光。第三透镜布置成面向第三光纤的输出表面。第一光学部件布置在第一光纤与第二光纤之间的光路中。第一光学部件构造成使从第一光纤输出的光信号通过透射或反射进入第二光纤。第二光学部件布置在第三光纤与第二光纤之间的光路中。第二光学部件构造成使从第三光纤输出的激发光通过反射或透射进入第二光纤。激发光源构造成使激发光进入第三光纤。在光纤放大器中，第一光纤、第一透镜、第一光学部件、第二透镜中的一个和第二光纤布置成使得从第一光纤输出的光信号经由第一透镜、第一光学部件和第二透镜中的一个进入第二光纤。第三光纤、第三透镜、第二光学部件、第二透镜中的一个或另一个以及第二光纤布置成使得从第三光纤输出的激发光经由第三透镜、第二光学部件以及第二透镜中的一个或另一个进入第二光纤。第三光纤包括直径减小部分，并且构造成这样：直径减小部分中的第三芯部之间的距离比第三光纤的其他部分中的第三芯部之间的距离短，并且在直径减小部分中，从激发光源进入第三芯部中的一个芯部的激发光与第三芯部的另一个芯部模耦合，以分配激发光。
附图说明
根据下面参考附图对本发明的优选实施例进行的详细描述，将能更好地理解前述和其他目的、方面和优点，在附图中：
图1是根据一个实施例的光纤放大器的结构的示意图；
图2A是图1所示的光纤10A沿IIa-IIa线的横截面图，图2B是图1所示的光纤10B沿IIb-IIb线的横截面图；
图3是图1所示的光纤20沿III-III线的横截面图；
图4A是图1所示的光纤30沿IVa-IVa线的横截面图，图4B是图1所示的光纤30沿IVb-IVb线的横截面图；
图5是根据变型例的光纤放大器的结构的示意图。
具体实施方式
[本发明要解决的问题]
在根据JP2014-135508A的光纤放大器中，掺杂有稀土的MCF的一部分收缩，使得芯部之间的距离缩短，由此光纤放大器使进入中央芯部的激发光与外芯部的模耦合加速。然而，该结构能够将通过掺杂有稀土的MCF的外芯部传输的光信号与中央芯部等以相反模耦合。这是因为以下事实：主要用于光信号的波长1550nm是比激发光的一般波长980nm或1480nm更长的波长；以及在波长较长的情况下更可能产生芯间串扰。如果在上述光纤放大器中，在掺杂有稀土的MCF中从中央芯部到外芯部可能产生激发光的模耦合，则对于光信号而言也产生从外芯部到中央芯部的模耦合。因此，上述光纤放大器能够使光信号的光学功率消失。根据JP2016-189406A的光纤放大器采用这样的结构：激发光进入截面积比芯部大的包层，使得激发光的功率集中降低，并且有可能不能获得期望的放大效率。
[本发明的有益效果]
根据本发明，可以提供有效放大由MCF传输的光信号的光纤放大器。
[本发明的实施例的描述]
下面将描述本发明的实施例。根据本发明的一个实施例的光纤放大器包括第一光纤、第一透镜、第二光纤、一对第二透镜、第三光纤、第三透镜、第一光学部件、第二光学部件和激发光源。第一光纤具有多个第一芯部和围绕多个第一芯部的包层。第一光纤构造成传输至少一个光信号。第一透镜布置成面向第一光纤的输出表面。第二光纤具有多个第二芯部和围绕多个第二芯部的包层，其中第二光纤掺杂有稀土元素。第二光纤构造成通过激发光放大在第二光纤中传播的光信号。该对第二透镜分别布置成面向第二光纤的进入表面和输出表面。第三光纤具有多个第三芯部和围绕多个第三芯部的包层。第三光纤构造成传输用于在第二光纤中信号放大的激发光。第三透镜布置成面向第三光纤的输出表面。第一光学部件布置在第一光纤与第二光纤之间的光路中。第一光学部件构造成使从第一光纤输出的光信号通过透射或反射进入第二光纤。第二光学部件布置在第三光纤与第二光纤之间的光路中。第二光学部件构造成使从第三光纤输出的激发光通过反射或透射进入第二光纤。激发光源构造成使激发光进入第三光纤。在光纤放大器中，第一光纤、第一透镜、第一光学部件、第二透镜中的一个和第二光纤布置成使得从第一光纤输出的光信号经由第一透镜、第一光学部件和第二透镜中的一个进入第二光纤。第三光纤、第三透镜、第二光学部件、第二透镜中的一个或另一个以及第二光纤布置成使得从第三光纤输出的激发光经由第三透镜、第二光学部件以及第二透镜中的一个或另一个进入第二光纤。第三光纤包括直径减小部分，并且构造成这样：直径减小部分中的第三芯部之间的距离比第三光纤的其他部分中的第三芯部之间的距离短，并且在直径减小部分中，从激发光源进入第三芯部中的一个芯部的激发光与第三芯部的另一个芯部模耦合，以分配激发光。
在上述光纤放大器中，不传输光信号而传输激发光的第三光纤包括第三光纤直径减小的部分(直径减小部分)。在直径减小部分中，第三芯部之间的距离比第三光纤的其他部分中的第三芯部之间的距离短。在光纤放大器中，从激发光源进入第三光纤的一个芯部的激发光与另一个芯部模耦合以分配激发光。在根据该实施例的光纤放大器中，不是在光信号进入且进行信号放大的第二光纤中，而是在传输激发光的第三光纤中，进入一个芯部的激发光与另一个芯部模耦合，从而可以抑制通过第二光纤传输的光信号的模耦合。因此，该光纤放大器能够有效地放大由MCF传输的光信号。此外，在该光纤放大器中，进入第三光纤的一个芯部的激发光与另一个芯部模耦合，从而可以将构成激发光源的激光二极管(LD)的数量减少到一个或较小的数量。此外，由于激发光通过第三光纤中的模耦合预先分配到另一个芯部，因此可以将更均匀的激发光施加到接收来自第三光纤的激发光的第二光纤的芯部。
在一个实施例中，第三光纤的第三芯部之间的距离可以彼此相等。由于在该实施例中第三芯部之间的距离彼此相等，所以当通过模耦合将从激发光源进入一个芯部的激发光分配到其他芯部时，该实施例使分配到第三芯部的激发光的光学功率均匀。
在一个实施例中，第三光纤的第三芯部可以具有相同的设计。由于在该实施例中第三光纤的第三芯部具有相同的设计，所以当通过模耦合将从激发光源进入一个芯部的激发光分配到其他芯部时，该实施例使分配到这些芯部的激发光的光学功率均匀。这里，表述“第三芯部具有相同的设计”是指例如第三光纤的第三芯部的模场直径(下文中缩写为“MFD”)的设计值彼此相等。
在一个实施例中，第三光纤的多个第三芯部包括布置在第三光纤的中心轴线上的中央芯部，并且来自激发光源的激发光可以进入中央芯部。该实施例能够容易地将激发光源与第三光纤的中央芯部光学耦合。此外，由于在该实施例中激发光进入的芯部是中央芯部，所以能够容易地使位于中央芯部外周的外芯部的光学分配均匀。
在一个实施例中，第一光纤的第一芯部、第二光纤的第二芯部和第三光纤的第三芯部至少在它们的沿每根光纤的周向布置的外芯部的布置中可以彼此相似。该实施例能够通过空间光学系统容易地实现第一光纤与第二光纤之间的连接，以及第三光纤与第二光纤之间的连接。
在一个实施例中，第一光纤、第二光纤和第三光纤可以形成为多边形点阵构造，使得当在截面图中观察时，沿每根光纤的周向布置的相邻外芯部之间的距离彼此相等。该实施例能够容易地使所有芯部的光学分配均匀。
在一个实施例中，第一光学部件和第二光学部件可以由一个波分复用(WDM)滤波器形成。在根据该实施例的光纤放大器中，从第一光纤输出的光信号通过WDM滤波器的透射或反射进入第二光纤，并且从第三光纤输出的激发光通过WDM滤波器的反射或透射进入第二光纤，由此可以形成同向传播(co-propagating)光纤放大器。在该实施例中，WDM滤波器可以布置在第一光纤与第二光纤之间的光路上。
在一个实施例中，第二光学部件可以由一个WDM滤波器形成。在这种情况下，可以形成反向传播(counter-propagating)光纤放大器。在该实施例中，WDM滤波器可以布置在第二透镜中的另一透镜的外侧。
在一个实施例中，第一光学部件可以构造成使从第一光纤输出的光信号通过透射进入第二光纤，并且第二光学部件可以构造成使从第三光纤输出的激发光通过反射进入第二光纤。在另一个实施例中，第二光纤的第二芯部之间的第二间距可以小于第一光纤的第一芯部之间的第一间距。
在一个实施例中，第三光纤还可以包括：入射部分，其构造成使激发光从激发光源进入；以及输出部分，其构造成将激发光输出到第二光学部件。在该实施例中，直径减小部分可以布置在入射部分与输出部分之间。直径减小部分的第三芯部之间的距离可以比入射部分的第三芯部之间的距离和输出部分的第三芯部之间的距离中的至少一者短。
在一个实施例中，第一光纤的所有第一芯部、第二光纤的所有第二芯部以及第三光纤的所有第三芯部可以位于围绕每根光纤的中心轴线的0.1mm的直径内。在另一个实施例中，光纤放大器还可以包括：增益均衡滤波器，其构造成透射被第二光纤放大的光信号，并反射和返回激发光；以及第四光纤，其构造成传输从第二光纤输出且经过增益均衡滤波器的已放大的光信号。增益均衡滤波器可以布置在第二光纤与第四光纤之间。
在一个实施例中，第三光纤可以构造成从第三芯部的围绕其中央芯部的外芯部输出激发光。在该实施例中，从第三光纤的外芯部输出的激发光可以经由第三透镜、第二光学部件和第二透镜中的一个或另一个进入第二光纤的第二芯部的各个相应的外芯部。在另一个实施例中，激发光源可以构造成使具有0.98μm或1.48μm的波段的激发光进入第三光纤。
[本发明的实施例的详细描述]
在下文中，将参考附图描述根据本发明的光纤放大器的实施例。在描述中，相同组件或相同功能的组件由相同的附图标记表示，并且将省略多余的描述。
图1是示意性地示出根据一个实施例的光纤放大器的结构的图。如图1所示，光纤放大器1包括用于信号传输的光纤10A和10B、准直透镜12和14、用于信号放大的光纤20、一对准直透镜22和24、用于激发光的光纤30、准直透镜35、波分复用(WDM)滤波器40和增益均衡滤波器42。光纤放大器1用于光信号通过多芯光纤(MCF)传输的光通信系统。每根光纤的截面构造如图2A和图2B、图3以及图4A和图4B所示。图2A是光纤10A沿IIa-IIa线的横截面图，图2B是光纤10B沿IIb-IIb线的横截面图。图3是光纤20沿III-III线的横截面图。图4A是光纤30沿IVa-IVa线的横截面图，图4B是光纤30沿IVb-IVb线的横截面图。
光纤10A和10B构造成传输用于光通信的光信号S。这些光纤中的每一个都具有中央芯部10a、布置成围绕中央芯部10a的外芯部10b至10g、以及围绕芯部10a至10g的包层11。在光纤10A和10B中，芯部10a至10g的折射率高于包层11的折射率，由此光信号S通过芯部10a至10g传输。在光纤10A和10B中，芯部10a至10g具有相同的设计，并且当光信号S通过芯部10a至10g传输时，芯部10a至10g具有共模场直径MFD1S。此外，芯部10a至10g布置成使得芯部间距P1(即中心间距离)彼此相等(均等)。即，在外芯部10b至10g中，相邻芯部之间的中心间距离都是P1，并且在中央芯部10a中，中央芯部10a与外芯部10b至10g之间的中心间距离都是P1。在下文中，“均等”一词对于芯部间距具有类似意义。只要光纤10A和10B中的每一个具有两个或更多个芯部，光纤10A和10B可以不具有中央芯部10a或外芯部10b至10g的一部分。光纤10A和10B可以构造成不使光信号S通过中央芯部10a。在这种情况下，芯部间距P1表示外芯部10b至10g的芯部间距。通过光纤10A和10B传输的光信号S是例如1.55μm波段的光束。
准直透镜12布置成面向光纤10A在放大之前的光信号S的入射侧的输出表面10h，并且准直透镜12将从光纤10A进入的光束朝向WDM滤波器40会聚。准直透镜12在透射光信号S时具有焦距f1S。准直透镜14布置成面向光纤10B在放大之后的光信号S的输出侧的入射表面10i，并且准直透镜14将由光纤20放大并且由滤波器42增益均衡的光信号S朝向光纤10B准直。准直透镜14可以具有与准直透镜12相同的焦距f1S。
在光纤20中，将诸如铒等稀土元素掺杂到芯部20a至20g中，并且当来自光纤10A的光信号S通过芯部20a至20g传输时，光纤20通过来自光纤30的激发光P将光信号S放大。光纤20具有中央芯部20a、布置成围绕中央芯部20a的外芯部20b至20g、以及围绕芯部20a至20g的包层21。在光纤20中，芯部20a至20g的折射率高于包层21的折射率，由此光信号S和激发光P通过芯部20a至20g传输。在光纤20中，芯部20a至20g具有相同的设计，并且当光信号通过芯部20a至20g传输时，芯部20a至20g具有共模场直径MFD2S，以及当激发光P通过芯部20a至20g传输时，芯部20a至20g具有共模场直径MFD2P。芯部20a至20g布置成使得作为它们的中心间距离的芯部间距P2是均等的。进入光纤20的激发光P可以是例如0.98μm波段的光束或者例如1.48μm波段的光束。
在光纤20中，芯部20a至20g的布置类似于光纤10A、10B的芯部10a至10g的布置。即，中央芯部20a布置在光纤20的中心轴线上，以对应于中央芯部10a，并且外芯部20b至20g以与外芯部10b至10g的布置角度相同的布置角度布置，使得外芯部20b至20g可以分别对应于外芯部10b至10g。例如，外芯部10b至10g和外芯部20b至20g布置成使得两个相邻芯部与中心轴线彼此连接形成的角度彼此相等。另一方面，在光纤10A和10B与光纤20之间，每根光纤10A和10B的芯部间距P1和光纤20的芯部间距P2彼此不同。例如，芯部间距P2小于芯部间距P1。只要光纤20具有两个或更多个芯部，光纤20可以不具有中央芯部20a或外芯部20b至20g的一部分。光纤20的芯部数量不限于上述芯部数量，也可以是其他数量。期望的是，光纤20的芯部数量与光纤10A、10B的芯部10a至10g(或10b至10g)相对应。
准直透镜22布置成面向光纤20的进入表面20h，并且将从光纤10A输出且在WDM滤波器40处会聚的光信号朝向光纤20准直。准直透镜24布置成面向光纤20的输出表面20i，并且将由光纤20放大和输出的光束朝向滤波器42会聚。准直透镜22和24在透射光信号S时具有焦距f2S，在透射激发光P时具有焦距f2P。
光纤30构造成传输用于在光纤20处信号放大的激发光P。光纤30具有中央芯部30a、布置成围绕中央芯部30a的外芯部30b至30g、以及围绕芯部30a至30g的包层31。在光纤30中，芯部30a至30g的折射率高于包层31的折射率，由此激发光P通过芯部30a至30g传输。在光纤30中，芯部30a至30g通过相同的设计制备，并且当激发光P通过芯部30a至30g传输时，芯部30a至30g具有共模场直径MFD3P。此外，芯部30a至30g布置成使得它们的芯部间距P3(其中心间距离)是均等的。
在光纤30中，芯部30a至30g的布置类似于光纤20的芯部20a至20g的布置。即，中央芯部30a布置在光纤30的中心轴线上以与中央芯部20a对应，并且外芯部30b至30g布置成六边形点阵构造(多边形点阵构造)并且与外芯部20b至20g的布置角度相同，使得外芯部30b至30g可以分别与外芯部20b至20g对应。在一个实例中，外芯部20b至20g和外芯部30b至30g布置成使得两个相邻芯部与中心轴线彼此连接形成的角度彼此相等。另一方面，在光纤30与光纤20之间，光纤30的芯部间距P3与光纤20的芯部间距P2彼此不同。例如，芯部间距P2小于芯部间距P3。以这种方式，光纤20的芯部20a至20g的布置类似于光纤10A和10B的芯部10a至10g的布置以及光纤30的芯部30a至30g的布置。
光纤30具有沿其轴向依次排列的入射部分32、直径减小部分33和输出部分34。激发光P进入入射部分32。与入射部分32和输出部分34相比，直径减小部分33的直径减小。输出部分34的直径大于直径减小部分33的直径且与入射部分32的外径基本相同。输出部分34朝向光纤20发射激发光P。直径减小部分33中的芯部30a至30g之间的距离比入射部分32和/或输出部分34中的芯部30a至30g之间的距离短。结果，在光纤30中，当激发光P例如从激发光源50(例如激光二极管(LD))进入中央芯部30a时，在直径减小部分33中，中央芯部30a与外芯部30b至30g模耦合，并且激发光P分配到外芯部30b至30g。芯部30a至30g的芯间距离和芯部的MFD是相同的，使得激发光P的光学功率均匀地分配到所有芯部30a至30g。从激发光源50进入的激发光P可以不施加到中央芯部30a而是施加到其他外芯部30b到30g中的一个。在这种情况下，激发光P也能够从激发光P进入的芯部分配到其他芯部。然而，当激发光P进入中央芯部30a时，可以缩短直径减小部分33的长度。上述芯部间距P3是指在输出部分34(或入射部分32)处的芯部30a至30g之间的间距，并且芯部间距P3比直径减小部分33处的芯部间距P3长。
准直透镜35布置成面向光纤30的输出表面30h，并且将从光纤30的输出部分34进入的激发光P朝向WDM滤波器40会聚。准直透镜35在透射激发光P时具有焦距f3P。
WDM滤波器40布置在光纤10A和光纤20的光路中，并使从光纤10A发射的光信号S通过透射进入光纤20。当通过WDM滤波器40透射光信号S时，WDM滤波器40不透射波长不同于光信号S的波长的光束。此外，WDM滤波器40布置在光纤30和光纤20的光路中，并使从光纤30发射的激发光P通过反射进入光纤20。WDM滤波器40可以是这样的滤波器：其使从光纤10A发射的光信号S通过反射进入光纤20，并且使从光纤30发射的激发光P通过透射进入光纤20。
滤波器42是布置在光纤20和光纤10B的光路中的增益均衡滤波器。滤波器42透射由光纤20放大的光信号S，并且将用于在光纤20处放大的激发光P等反射并返回。
在光纤放大器1中，作为用于光信号S的光学连接的空间光学系统，光纤10A、准直透镜12、WDM滤波器40、准直透镜22和光纤20布置成使得从光纤10A输出的光信号S被准直透镜12会聚，只有具有光信号S的波长的光束被WDM滤波器40透射，并且透射的光信号S被准直透镜22准直并进入光纤20。另外，作为用于激发光P的光学连接的另一空间光学系统，光纤30、准直透镜35、WDM滤波器40、准直透镜22和光纤20布置成使得从光纤30输出的激发光P被准直透镜35会聚，激发光P被WDM滤波器40反射，并且反射的激发光P被准直透镜22准直并进入光纤20。
这里，将参考图1更详细地描述光纤10A与光纤20之间的光学连接，以及光纤30与光纤20之间的光学连接。如图1所示，输出光信号S的光纤10A和光信号S进入的光纤20通过由例如两个准直透镜12和22构成的空间光学系统光学连接。在图1所示的实例中，光纤10A的芯部间距P1和模场直径MFD1S分别大于光纤20的芯部间距P2和模场直径MFD2S，以及准直透镜12在光信号S情况下的焦距f1S大于准直透镜22在光信号S情况下的焦距f2S。即，虽然在布置上彼此相似，但是光纤10A的芯部10a至10g和光纤20的芯部20a至20g在芯部间距和模场直径彼此不同。因此，为了理想地连接光纤10A和光纤20(不涉及任何连接损耗)，必须满足以下等式(1)和(2)：
透镜放大率M12＝f2S/f1S...(1)
透镜放大率M12＝P2/P1＝MFD2S/MFD1S...(2)
这里，M12是指准直透镜12和22的透镜放大率。f1S表示准直透镜12在光信号S的波长情况下的焦距，f2S表示准直透镜22在光信号S的波长情况下的焦距。P1是光纤10的芯部间距，MFD1S是光纤10A和10B的芯部在光信号S的波长情况下的模场直径。P2是光纤20的芯部间距，MFD2S是光纤20的芯部在光信号S的波长情况下的模场直径。
类似地，另外关于光纤30和光纤20的光学连接，虽然它们的布置彼此相似，但是光纤30的芯部30a至30g和光纤20的芯部20a至20g在芯部间距和模场直径彼此不同。因此，为了理想地连接光纤30和光纤20(不涉及任何连接损耗)，必须满足以下等式(3)和(4)：
透镜放大率M32(P)＝f2P/f3P...(3)
透镜放大率M32(P)＝P2/P3＝MFD2P/MFD3P...(4)
这里，M32是准直透镜35和22达到的透镜放大率。f2P是准直透镜22在激发光P的波长情况下的焦距，f3P是准直透镜35在激发光P的波长情况下的焦距。MFD2P是光纤20的芯部在激发光P的波长情况下的模场直径。P3是光纤30的输出部分34(或入射部分32)处的芯部间距，MFD3P是在光纤30的输出部分34(或入射部分32)处芯部在激发光P的波长情况下的模场直径。
理想地，希望光纤10A、光纤30和光纤20通过空间光学系统的光学连接满足所有上述等式(1)、(2)、(3)和(4)。然而，在该实施例中，除了满足上述关系之外，还包括这样的光学连接：光纤10A和10B的MFD1S的理想值和光纤30的MFD3P的理想值相对于光纤20的MFD2S和MFD2P的偏差分别为25％或更小。更优选地，包括这样的光学连接：光纤10A和10B的MFD1S和光纤30的MFD3P相对于光纤20的MFD2S和MFD2P的偏差为25％或更小。这是因为这样的事实：在该范围内的偏差中，当诸如MCF等光纤彼此连接时的连接损耗在允许范围内。
更具体地，光纤放大器1以满足以下条件(1)至(4)的方式形成：
[光纤10A与光纤20之间的光学连接]
条件(1)：光纤10A的芯部10a至10g在光信号S情况下的每个MFD1S是光纤20的相应芯部20a至20g在光信号S情况下的MFD2S×(P1/P2)的±25％内的值。
条件(2)：光纤10A的芯部10a至10g在光信号S情况下的每个MFD1S是光纤20的相应芯部20a至20g在光信号S情况下的MFD2S×(f1S/f2S)的±25％内的值。
[光纤30与光纤20之间的光学连接]
条件(3)：光纤30的芯部30a至30g在激发光P情况下的每个MFD3P是光纤20的相应芯部20a至20g在激发光P情况下的MFD2P×(P3/P2)的±25％内的值。
条件(4)：光纤30的芯部30a至30g在激发光P情况下的每个MFD3P是光纤20的相应芯部20a至20g在激发光P情况下的MFD2P×(f3P/f2P)的±25％内的值。
光纤20与光纤10B之间的光学连接类似于光纤10A与光纤20之间的光学连接的情况。
这样，在光纤放大器1中，传输光信号S的光纤10A和10B以及放大光信号S的光纤20通过由准直透镜12和22、WDM滤波器40等构成的空间光学系统光学地连接。此外，光纤10A和10B的芯部10a至10g的布置与光纤20的芯部20a至20g的布置彼此相似。光纤10A和10B的芯部10a至10g的每个MFD1S是在光纤20的相应芯部20a至20g的MFD2S×(P1/P2)的±25％内的值，并且是在光纤20的相应芯部20a至20g的MFD2S×(f1S/f2S)的±25％内的值。在这种结构中，即使当传输光信号S的光纤10A和10B是MCF时，也可以适当地实现光纤10A、10B的芯部与光纤20的芯部之间的光学连接，使得可以减少光纤之间光放大时的连接损耗。即，在用于MCF的光学放大器中，甚至在MFD彼此不同的光纤之间也可以提高光学连接效率。此外，光纤10A、10B和光纤20通过空间光学系统彼此连接，可以共同连接多个芯部，使得可以实现结构和操作的简化。
在光纤放大器1中，光纤30的输出部分34处的芯部30a至30g的布置与光纤20的芯部20a至20g的布置彼此相似。光纤30的输出部分34处的芯部30a至30g的每个MFD3P是在光纤20的相应芯部20a至20g的MFD2P×(P3/P2)的±25％内的值，并且是在光纤20的相应芯部20a至20g的MFD2P×(f3P/f2P)的±25％内的值。在这种结构中，即使当传输激发光P的光纤30是MCF时，也可以适当地实现光纤20和光纤30的芯部之间的光学连接，使得可以减少光纤之间光放大时的连接损耗。即，在用于MCF的光学放大器中，甚至在MFD彼此不同的光纤20和30之间也可以提高光学连接效率。此外，光纤20和30通过空间光学系统彼此连接，可以共同连接多个芯部，使得可以实现结构和操作的简化。
在根据该实施例的光纤放大器1中，不传输光信号S而传输激发光P的光纤30包括直径减小部分33，并且直径减小部分33处的芯部30a至30g之间的距离比入射部分32和输出部分34处的芯间距离短。从激发光源50进入光纤30的中央芯部30a的激发光P与外芯部30b至30g模耦合，以分配激发光P。在该实施例中，不是在光信号S进入并进行信号放大的光纤20中，而是在传输激发光P的光纤30中，进入中央芯部30a的激发光P与外芯部30b至30g模耦合，使得可以抑制通过光纤20传输的光信号S中的模耦合。结果，在光纤放大器1中，可以有效地放大由MCF传输的光信号S。此外，在光纤放大器1中，由于进入光纤30的中央芯部30a的激发光P与外芯部30b至30g模耦合，因此可以将用作激发光源50的激光二极管(LD)的数量抑制至1。此外，由于激发光P通过光纤30中的模耦合预先分配到其他芯部，因此可以将更均匀的激发光束施加到光纤20的芯部20a至20g。
在光纤放大器1中，光纤30的芯部30a至30g之间的距离彼此相等。因此，当通过模耦合将从激发光源50进入一个芯部的激发光P分配到其他芯部时，能够使分配到各芯部的激发光P的光学功率均匀。
在光纤放大器1中，光纤30的芯部30a至30g具有相同的设计。因此，当通过模耦合将从激发光源50进入中央芯部30a的激发光P分配到外芯部30b至30g时，能够使分配到各芯部的激发光P的光学功率均匀。
在光纤放大器1中，来自激发光源50的激发光进入中央芯部30a。在这种情况下，可以容易地实现激发光源50与光纤30的中央芯部30a之间的光学连接。此外，由于激发光P进入的芯部是中央芯部30a，所以能够容易地使位于中央芯部30a外周的外芯部30b至30g的光学分配均匀。
在光纤放大器1中，光纤10A和10B的芯部10a至10g、光纤20的芯部20a至20g以及光纤30的芯部30a至30g至少在沿周向的外芯部的布置中彼此相似。因此，通过空间连接系统能够容易地实现光纤10A、10B与光纤20之间的连接，以及光纤30与光纤20之间的连接。
在光纤放大器1中，光纤10A、10B、20和30形成为多边形点阵构造，使得当在截面图中观察时，沿周向布置的相邻外芯部之间的距离彼此相等。在这方面，光纤放大器1也能够容易地实现对所有芯部的光学分配的均匀性。
在光纤放大器1中，光纤10A、10B的所有芯部10a至10g、光纤20的所有芯部20a至20g以及光线30所有芯部30a至30g可以位于每根光纤的中心轴线周围0.1mm的直径内。这抑制了当光路中从光纤10A、30等发射的光束的偏移较大而使得在实现与光纤20的光学连接时发生轴向偏差时导致的光学连接效率的劣化。优选地，光纤10A、10B、20和30的外芯部都围绕每根光纤的中心轴线布置在0.1mm的直径内，由此可以减小光路的偏移并减轻偏移的影响。在该结构中，可以抑制例如当诸如光信号S等光束被透射通过WDM滤波器40时所产生的光路的偏移，由此可以抑制由光路偏移所产生的光学连接效率的降低。这也适用于滤波器42。
在光纤放大器1中，光纤20的外芯部20b至20g可以布置得比光纤10A和10B的外芯部10b至10g更靠近中心轴线。用于放大的光纤20的MFD通常小于其他光纤的MFD，并且光纤20的MFD受到由旋转角度偏差引起的轴向偏差的影响。通过如本结构那样将光纤20的外芯部布置得更靠近中心，可以相对减小由旋转角度偏差引起的轴向偏差量。结果，可以进一步减少光纤20处的连接损耗。
以上已经描述了根据该实施例的光纤放大器，但是本发明不限于该实施例，并且允许应用各种变型例。例如，虽然上述实施例应用于正向泵浦型光纤放大器1，但它也适用于如图5所示的反向泵浦型光纤放大器1a。如图5所示，在反向泵浦型光纤放大器1a中，在用于放大的光纤20的光信号S入射(端面20h)侧，光纤10A经由滤波器42(其是增益均衡滤波器)光学连接，而用于激发光的光纤30不与光纤20光学连接。另一方面，在光纤20的光信号S输出(端面20i)侧，光纤30经由WDM滤波器40光学连接到光纤20。激发光P经由WDM滤波器40从光纤20的端面20i进入，并且光信号S被该激发光P放大。关于反向泵浦型光纤放大器1a中的放大方法，对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且将省略其详细描述。与光纤放大器1的情况一样，只要满足上述等式(1)至(4)和上述条件(1)至(4)，就可以减少伴随MCF连接的连接损耗。同样在该变型例中，光纤30设置有直径减小部分33，并且进入中央芯部30a的激发光P在直径减小部分33处适当地分配到外芯部30b至30g。此后，激发光P进入光纤20的芯部20a至20g。
应该理解的是，这里公开的实施例在每个方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围不由上文示出，而是由所附权利要求示出，并且旨在包括与权利要求等同的意义和范围内的所有改变。
本申请基于并要求2018年6月12日提交的日本专利申请No.2018-111970的优先权，该日本专利申请的全文以引用的方式并入本文。

Claims (20)

1.一种光纤放大器，包括：
第一光纤，其具有多个第一芯部和围绕所述多个第一芯部的包层，所述第一光纤构造成传输至少一个光信号；
第一透镜，其布置成面向所述第一光纤的输出表面；
第二光纤，其具有多个第二芯部和围绕所述多个第二芯部的包层，其中所述第二光纤掺杂有稀土元素，所述第二光纤构造成通过激发光放大在第二光纤中传播的所述光信号；
一对第二透镜，其分别布置成面向所述第二光纤的进入表面和输出表面；
第三光纤，其具有多个第三芯部和围绕所述多个第三芯部的包层，所述第三光纤构造成传输用于所述第二光纤中的信号放大的所述激发光；
第三透镜，其布置成面向所述第三光纤的输出表面；
第一光学部件，其布置在所述第一光纤与所述第二光纤之间的光路中，所述第一光学部件构造成使从所述第一光纤输出的所述光信号通过透射或反射进入所述第二光纤；
第二光学部件，其布置在所述第三光纤与所述第二光纤之间的光路中，所述第二光学部件构造成使从所述第三光纤输出的所述激发光通过反射或透射进入所述第二光纤；以及
激发光源，其构造成使所述激发光进入所述第三光纤，
其中，所述第一光纤、所述第一透镜、所述第一光学部件、所述一对第二透镜中的一个透镜和所述第二光纤布置成使得从所述第一光纤输出的所述光信号经由所述第一透镜、所述第一光学部件和所述一对第二透镜中的所述一个透镜进入所述第二光纤，并且
所述第三光纤、所述第三透镜、所述第二光学部件、所述一对第二透镜中的所述一个透镜或另一个透镜以及所述第二光纤布置成使得从所述第三光纤输出的所述激发光经由所述第三透镜、所述第二光学部件以及所述一对第二透镜中的所述一个透镜或所述另一个透镜进入所述第二光纤，并且
所述第三光纤包括直径减小部分，并且所述第三光纤构造成这样：所述直径减小部分中的第三芯部之间的距离比所述第三光纤的其他部分中的第三芯部之间的距离短，并且在所述直径减小部分中，从所述激发光源进入所述第三芯部中的一个芯部的激发光与所述第三芯部的另一个芯部模耦合，以分配所述激发光。
2.根据权利要求1所述的光纤放大器，其中，所述第三光纤的第三芯部之间的距离彼此相等。
3.根据权利要求1或2所述的光纤放大器，其中，所述第三光纤的第三芯部具有相同的设计。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤放大器，其中，所述第三光纤的所述多个第三芯部包括布置在所述第三光纤的中心轴线上的中央芯部，来自所述激发光源的激发光进入所述中央芯部。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤放大器，其中，所述第一光纤的第一芯部、所述第二光纤的第二芯部和所述第三光纤的第三芯部至少在它们的沿每根光纤的周向布置的外芯部的布置中彼此相似。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光纤放大器，其中，所述第一光纤、所述第二光纤和所述第三光纤形成为多边形点阵构造，使得当在截面图中观察时，沿每根光纤的周向布置的相邻外芯部之间的距离彼此相等。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤放大器，其中，所述第一光学部件和所述第二光学部件由一个波分复用滤波器形成。
8.根据权利要求7所述的光纤放大器，其中，所述波分复用滤波器布置在所述第一光纤与所述第二光纤之间的光路上。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤放大器，其中，所述第二光学部件由一个波分复用滤波器形成。
10.根据权利要求9所述的光纤放大器，其中，所述波分复用滤波器布置在所述一对第二透镜中的所述另一个透镜的外侧。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光纤放大器，其中，所述第一光学部件构造成使从所述第一光纤输出的所述光信号通过透射进入所述第二光纤，并且所述第二光学部件构造成使从所述第三光纤输出的所述激发光通过反射进入所述第二光纤。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光纤放大器，其中，所述第二光纤的所述第二芯部之间的第二间距小于所述第一光纤的所述第一芯部之间的第一间距。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光纤放大器，其中，所述第三光纤还包括：入射部分，其构造成使所述激发光从所述激发光源进入；以及输出部分，其构造成将所述激发光输出到所述第二光学部件。
14.根据权利要求13所述的光纤放大器，其中，所述直径减小部分布置在所述入射部分与所述输出部分之间。
15.根据权利要求13或14所述的光纤放大器，其中，所述直径减小部分的第三芯部之间的距离比所述入射部分的第三芯部之间的距离和所述输出部分的第三芯部之间的距离中的至少一者短。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的光纤放大器，其中，所述第一光纤的所有第一芯部、所述第二光纤的所有第二芯部以及所述第三光纤的所有第三芯部位于围绕每根光纤的中心轴线的0.1mm的直径内。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的光纤放大器，还包括：
增益均衡滤波器，其构造成透射被所述第二光纤放大的所述光信号，并反射和返回所述激发光；以及
第四光纤，其构造成传输从所述第二光纤输出且经过所述增益均衡滤波器的已放大的光信号，
其中，所述增益均衡滤波器布置在所述第二光纤与所述第四光纤之间。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的光纤放大器，其中，所述第三光纤构造成从所述第三芯部的围绕其中央芯部的外芯部输出所述激发光。
19.根据权利要求18所述的光纤放大器，其中，从所述第三光纤的外芯部输出的所述激发光经由所述第三透镜、所述第二光学部件和所述一对第二透镜中的所述一个透镜或所述另一个透镜进入所述第二光纤的所述第二芯部的各个相应的外芯部。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的光纤放大器，其中，所述激发光源构造成使具有0.98μm或1.48μm的波段的所述激发光进入所述第三光纤。
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