CN111492545A - 光耦合器以及光放大器 - Google Patents

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Abstract

目的在于提供有助于光放大器的激发效率的提升的光耦合器以及光放大器。光耦合器具备：主光纤，其具备传输信号光的芯部、形成于芯部的外周且折射率比芯部低的内侧包层部、以及形成于内侧包层部的外周且折射率比内侧包层部低的外侧包层部，所述主光纤在长度方向上的一部分被去除了外侧包层部；以及至少一根激发光输入输出用光纤，其与主光纤的被去除了外侧包层部的部分中的内侧包层部熔融连接，且其与内侧包层部接触的接触区域的平均折射率比内侧包层部的折射率大，在激发光输入输出用光纤中传输的激发光从接触区域与内侧包层部耦合而在内侧包层部中传输，或者在内侧包层部中传输了的激发光从接触区域与激发光输入输出用光纤耦合而在激发光输入输出用光纤中传输。

Description

光耦合器以及光放大器
技术领域
本发明涉及光耦合器以及光放大器。
背景技术
例如，在海底光通信等用途中，通过使用多芯EDFA(Erbium-Doped optical FiberAmplifier)作为光放大器，而期待削减光放大器的消耗电力。
作为多芯EDFA，已知有使用双包层型的多芯EDF并通过包层激发方式对芯部所包含的光放大介质即铒(Er)进行光激发的结构(参照非专利文献1、2)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Kazi S Abedin et al，“Multimode Erbium Doped FiberAmplifiers for Space Division Multiplexing Systems”，JOURNAL OF LIGHTWAVETECHNOLOGY，VOL.32，NO.16，AUGUST 15，2014 pp.2800-2808.
非专利文献2：Kazi S Abedin et al，“Cladding-pumped erbium-dopedmulticore fiber amplifier”，OPTICS EXPRESS Vol.20，No.18 27 August2012PP.20191-20200.
发明内容
发明要解决的课题
在光放大器中，从消耗电力的削减的观点等出发希望激发效率的提升。在此，激发效率以光放大了的信号光的功率与激发光的功率之比表示。即，激发效率越高，则即使是相同的激发光功率，信号光功率也变大。激发光功率中的无助于信号光的光放大的部分例如变换为热量而被废弃。特别是，EDF与包含其他光放大介质即镱(Yb)的YDF、包含铒和镱的EYDF相比激发效率较低，因此希望更进一步的提升激发效率。
本发明是鉴于上述情况而完成的，目的在于提供有助于光放大器的激发效率的提升的光耦合器以及使用了该光耦合器的光放大器。
用于解决课题的方案
为了解决上述的课题并达成目的，本发明的一方案所涉及的光耦合器的特征在于，所述光耦合器具备：主光纤，其至少具备传输信号光的芯部、形成于所述芯部的外周且折射率比所述芯部低的内侧包层部、及形成于所述内侧包层部的外周且折射率比所述内侧包层部低的外侧包层部，所述主光纤在长度方向上的一部分被去除了所述外侧包层部；以及至少一根激发光输入输出用光纤，其与所述主光纤的被去除了所述外侧包层部的部分中的所述内侧包层部熔融连接，并且其与所述内侧包层部接触的接触区域的平均折射率比所述内侧包层部的折射率大，在所述激发光输入输出用光纤中传输的激发光从所述接触区域与所述内侧包层部耦合而在所述内侧包层部中传输，或者在所述内侧包层部中传输了的所述激发光从所述接触区域与所述激发光输入输出用光纤耦合而在所述激发光输入输出用光纤中传输。
本发明的一方案所涉及的光耦合器的特征在于，所述激发光输入输出用光纤的所述接触区域的平均折射率相对于所述内侧包层部的折射率的相对折射率差为0.05％以上。
本发明的一方案所涉及的光耦合器的特征在于，具备多个所述激发光输入输出用光纤。
本发明的一方案所涉及的光耦合器的特征在于，具备激发光合波器，所述激发光合波器将在所述多个激发光输入输出用光纤中分别传输的所述激发光合波。
本发明的一方案所涉及的光耦合器的特征在于，进一步具备激发光供给用光纤，所述激发光供给用光纤的一端与输出所述激发光的激发光源连接，并且另一端与所述主光纤的被去除了所述外侧包层部的部分中的所述内侧包层部熔融连接，从而向所述主光纤供给所述激发光。
本发明的一方案所涉及的光耦合器的特征在于，所述激发光供给用光纤的与所述内侧包层部接触的接触区域的平均折射率比所述内侧包层部的折射率大。
本发明的一方案所涉及的光放大器的特征在于，所述光放大器具备：激发光源；包层激发型的光放大光纤，其具备包含光放大介质的光放大芯部；第一光耦合器，其是本发明的一方案所涉及的光耦合器，所述激发光源与所述激发光供给用光纤连接，所述光放大光纤的一端与所述主光纤的一端连接；以及第二光耦合器，其是本发明的一方案所涉及的光耦合器，所述光放大光纤的另一端与所述主光纤的一端连接，所述第一光耦合器的所述激发光输入输出用光纤与所述第二光耦合器的所述激发光输入输出用光纤连接。
本发明的一方案所涉及的光放大器的特征在于，所述光放大光纤具备多个所述光放大芯部。
本发明的一方案所涉及的光放大器的特征在于，所述多个光放大芯部包含铒作为所述光放大介质。
本发明的一方案所涉及的光放大器的特征在于，所述第一光耦合器的所述激发光输入输出用光纤的折射率分布与所述第二光耦合器的所述激发光输入输出用光纤的折射率分布的差异以相对折射率差表示在±0.2％的范围内。
本发明的一方案所涉及的光放大器的特征在于，所述第二光耦合器的所述激发光输入输出用光纤的数值孔径为所述第一光耦合器的所述激发光输入输出用光纤的数值孔径以下。
发明效果
根据本发明，起到能够提升光放大器的激发效率这样的效果。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的光放大器的结构的示意图。
图2是示出多芯光纤的结构的示意图。
图3A是示出第一光耦合器的结构的示意图。
图3B是示出第一光耦合器的结构的示意图。
图4A是示出第二光耦合器的结构的示意图。
图4B是示出第二光耦合器的结构的示意图。
图5是示出激发光输入输出用光纤的折射率分布的一例的图。
图6是示出第一光耦合器的变形例的结构的示意图。
图7是说明实验例1的图。
图8是说明实验例2的图。
图9A是说明实验例3的图。
图9B是说明实验例3的图。
图10A是示出近场影像的光强度分布的图。
图10B是示出近场影像的光强度分布的图。
图10C是示出近场影像的光强度分布的图。
图11是说明实验例4的图。
图12是说明实验例5的图。
图13是示出实施方式2所涉及的光放大器的结构的示意图。
图14是示出实施方式3所涉及的光放大器的结构的示意图。
图15是示出实施方式4所涉及的光放大器的结构的示意图。
图16是说明利用了光的反射的激发光的再生机构的例1的图。
图17是说明利用了光的反射的激发光的再生机构的例2的图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。需要说明的是，本发明不被该实施方式限定。另外，在附图的记载中，对相同或者对应的要素适当标注相同的附图标记。另外，需要留意的是，附图是示意性的，各要素的尺寸的关系、各要素的比率等有时与现实不同。在附图的相互之间，也有时包括彼此尺寸的关系、比率不同的部分。
(实施方式1)
图1是示出实施方式1所涉及的光放大器的结构的示意图。如图1所示，光放大器100具备七个光隔离器1、光纤扇入(FAN IN)2、半导体激光器3、第一光耦合器4、多芯EDF 5、第二光耦合器6、泵浦光剥离器(pump stripper)7、光纤扇出(FAN OUT)8、以及七个光隔离器9。需要说明的是，图中“×”的符号表示光纤的熔接连接点。
光纤扇入2构成为：具备被捆束的七根单模光纤2a、以及具有七个芯部的一根多芯光纤2b，在耦合部2c中七根单模光纤2a的各芯部与多芯光纤2b的各芯部光学耦合。需要说明的是，七根单模光纤2a是例如在ITU-T(国际电信联盟)G.652中所定义的标准的单模光纤，分别设置有光隔离器1。光隔离器1、9使光在箭头所示的方向上通过，并阻挡光向相反方向的通过。多芯光纤2b与第一光耦合器4连接。需要说明的是，被捆束的七根单模光纤2a以及多芯光纤2b的光学耦合的端面为了抑制反射而被加工为相对于光轴倾斜，但也可以相对于光轴垂直。
如图2所示，光纤扇入2的多芯光纤2b具备配置为三角格子状的七个芯部2ba、以及形成于芯部2ba的外周且折射率比芯部2ba低的包层部2bb。包层部2bb的外径例如是135μm，最相邻的芯部2ba彼此的间隔例如是38.5μm。若向光纤扇入2的各单模光纤2a输入信号光，则各光隔离器1使各信号光通过，多芯光纤2b的各芯部2ba传输各信号光。
作为激发光源的半导体激光器3是横向多模半导体激光器，输出激发光。激发光的波长是与铒离子的900nm波长带中的吸收峰值的波长大致相同的975nm。半导体激光器3从多模光纤输出激发光。该多模光纤是芯直径/包层直径为例如105μm/125μm的阶跃折射率型，NA例如为0.16、0.22。
如图3A所示，第一光耦合器4具备主光纤4a、激发光输入输出用光纤4b、激发光供给用光纤4c、以及保护部4d。如图3B所示，主光纤4a是双包层型的光纤，具备与多芯光纤2b的芯部2ba同样地配置为三角格子状的七个芯部4aa、形成于芯部4aa的外周且折射率比芯部4aa低的内侧包层部4ab、以及形成于内侧包层部4ab的外周且折射率比内侧包层部4ab低的外侧包层部4ac。芯部4aa和内侧包层部4ab由石英系玻璃构成，外侧包层部4ac由树脂构成。
如图3A所示，在长度方向上的一部分被去除了外侧包层部4ac。并且，在被去除了外侧包层部4ac的部分4e中的内侧包层部4ab熔融连接有激发光输入输出用光纤4b的一端、以及激发光供给用光纤4c的一端。保护部4d设置为保护被去除了外侧包层部4ac的部分4e中的内侧包层部4ab。
激发光供给用光纤4c是另外一端与半导体激光器3的多模光纤连接的同种的多模光纤，是芯直径/包层直径为例如105μm/125μm的阶跃折射率型，NA例如为0.16、0.22。激发光供给用光纤4c从半导体激光器3输入箭头Ar1所示的激发光(pump)，并将该激发光向主光纤4a供给。内侧包层部4ab传输激发光。
需要说明的是，激发光也从激发光输入输出用光纤4b与内侧包层部4ab耦合而传输，但关于此在后文详述。
主光纤4a的一端与光纤扇入2的多芯光纤2b连接。多芯光纤2b的各芯部2ba与主光纤4a的各芯部4aa连接。因此，若在多芯光纤2b的各芯部2ba传输的各信号光(signal)如箭头Ar2所示向主光纤4a输入，则与各芯部4aa光学耦合。各芯部4aa传输各信号光。激发光和信号光如箭头Ar3所示从主光纤4a向多芯EDF 5输出。
多芯EDF 5为七芯型，与第一光耦合器4的主光纤4a同样地具备配置为三角格子状的七个光放大芯部、形成于光放大芯部的外周且折射率比光放大芯部低的内侧包层部、以及形成于内侧包层部的外周且折射率比内侧包层部低的外侧包层部。多芯EDF 5是在光放大芯部包含作为光放大介质的铒的离子的、公知的包层激发型的光放大光纤。
多芯EDF 5的一端与第一光耦合器4的主光纤4a连接。多芯EDF 5的各芯部与主光纤4a的各芯部4aa连接。另外，多芯EDF 5的内侧包层部与主光纤4a的内侧包层部4ab连接。因此，若在主光纤4a中传输的各信号光以及激发光向多芯EDF 5输入，则分别在各光放大芯部和内侧包层部沿相同方向传输。激发光一边在内侧包层部中传输一边对各光放大芯部内的铒进行光激发。在各光放大芯部传输的各信号光通过铒的受泵浦射的作用而光放大。多芯EDF 5输出光放大了的各信号光、以及无助于光放大的激发光。
如图4A所示，第二光耦合器6具备主光纤6a、激发光输入输出用光纤6b、以及保护部6d。如图4B所示，主光纤6a是双包层型的光纤，具备与主光纤4a的芯部4aa同样地配置为三角格子状的七个芯部6aa、形成于芯部6aa的外周且折射率比芯部6aa低的内侧包层部6ab、以及形成于内侧包层部6ab的外周且折射率比内侧包层部6ab低的外侧包层部6ac。芯部6aa和内侧包层部6ab由石英系玻璃构成，外侧包层部6ac由树脂构成。
如图4A所示，在长度方向上的一部分被去除了外侧包层部6ac。并且，在去除了外侧包层部6ac的部分6e中的内侧包层部6ab熔融连接有激发光输入输出用光纤6b。保护部6d设置为保护被去除了外侧包层部6ac的部分6e中的内侧包层部6ab。
主光纤6a的一端与多芯EDF 5连接。多芯EDF 5的各芯部与主光纤6a的各芯部6aa连接。另外，多芯EDF 5的内侧包层部与主光纤6a的内侧包层部6ab连接。因此，若从多芯EDF5输出的光放大了的各信号光、以及无助于光放大的激发光如箭头Ar4所示向主光纤6a输入，则分别在各芯部6aa和内侧包层部6ab中传输。
在此，在第二光耦合器6中，激发光输入输出用光纤6b与主光纤6a的内侧包层部6ab熔接连接，而在接触区域6ba接触。该接触区域6ba的平均折射率比内侧包层部6ab的折射率大。其结果是，在内侧包层部6ab中传输的激发光的至少一部分从接触区域6ba与激发光输入输出用光纤6b耦合，并在激发光输入输出用光纤6b中传输。此时的耦合是激发光从内侧包层部6ab的侧面与激发光输入输出用光纤6b耦合的、所谓的横耦合型。另外，激发光输入输出用光纤6b以与主光纤6a中的激发光的传输方向成锐角的方式配置，因此容易与激发光耦合。
在此，平均折射率例如由以下的算式定义。
[算式1]
Figure BDA0002534835770000071
n(r)是例如表示激发光输入输出用光纤6b的、相对于纯石英玻璃的相对折射率差的对直径(r)的依赖性的函数，r0是光传输的区域的外径。
另外，如图1所示，第二光耦合器6的激发光输入输出用光纤6b与第一光耦合器4的激发光输入输出用光纤4b连接。因此，如图4A中箭头Ar5所示在激发光输入输出用光纤6b中传输而输出的激发光是如图3A中箭头Ar5所示向激发光输入输出用光纤4b输入而传输的。
并且，激发光输入输出用光纤4b的、与主光纤4a的内侧包层部4ab熔接连接而接触的接触区域4ba的平均折射率也比内侧包层部4ab的折射率大。其结果是，激发光从激发光输入输出用光纤4b与内侧包层部4ab耦合，并与从激发光供给用光纤4c供给的激发光一起在内侧包层部4ab中传输。此时的耦合也是激发光从激发光输入输出用光纤4b与内侧包层部4ab的侧面耦合的横耦合型。需要说明的是，激发光输入输出用光纤4b也以与主光纤4a中的激发光的传输方向成锐角的方式配置，因此激发光容易与内侧包层部4ab耦合。
另一方面，在主光纤6a的各芯部6aa中传输的各信号光如箭头Ar6所示从主光纤6a向泵浦光剥离器7输出。需要说明的是，没有与激发光输入输出用光纤6b耦合的激发光也从主光纤6a向泵浦光剥离器7输出。
泵浦光剥离器7是排除从第二光耦合器6的主光纤6a输出的激发光的公知的装置。泵浦光剥离器7例如具有如下结构：去除具有七个芯的双包层型多芯光纤的外侧包层的一部分，从被去除了的部分的内侧包层部的表面将激发光取出而向放热板等照射并使放热板吸收，从而将激发光的能量变换为热能而放热。泵浦光剥离器7利用多芯光纤来使各信号光传输，并且使激发光的功率降低到即使从光放大器100输出也没有问题的程度。
光纤扇出8与光纤扇入2同样地构成为：具备被捆束的七根单模光纤、以及具有七个芯部的一根多芯光纤，在耦合部中七根单模光纤的各芯部与多芯光纤的各芯部光学耦合。在各单模光纤分别设置有光隔离器9。多芯光纤与泵浦光剥离器7连接。需要说明的是，被捆束的七根单模光纤以及多芯光纤的光学耦合的端面为了抑制反射而被加工为相对于光轴倾斜，但也可以相对于光轴垂直。
若从泵浦光剥离器7的多芯光纤的各芯部向光纤扇出8的各芯部输入信号光，则各信号光在各单模光纤的各芯部传输，并通过光隔离器9输出。
根据该光放大器100，从半导体激光器3输出并经由第一光耦合器4供给到多芯EDF5的激发光中的、在多芯EDF 5无助于光激发的激发光的至少一部分被第二光耦合器6回收。被回收了的激发光通过激发光输入输出用光纤6b、激发光输入输出用光纤4b向第一光耦合器4输入而再生为激发光，并再次向多芯EDF 5供给。由此，能够提升光放大器100的激发效率。
接着，对激发光输入输出用光纤4b、6b的优选的特性进行例示。如上所述，激发光输入输出用光纤4b、6b的与主光纤4a、6a的内侧包层部4ab、6ab接触的接触区域4ba、6ba的平均折射率比内侧包层部4ab、6ab的折射率大。这样的条件能够例如通过由纯石英玻璃构成内侧包层部4ab、6ab、并将激发光输入输出用光纤4b、6b设为具有与商用的GI(GradedIndex)光纤的芯部相同的折射率分布、且不存在商用的GI光纤的包层部那样的光纤(以下，有时称作无包层GI光纤)来实现。另外，激发光输入输出用光纤4b、6b也能够通过仅拉丝出商用的SI(Step Index)光纤中的由石英系玻璃构成的芯部并由低折射率树脂覆盖来实现。
图5是示出激发光输入输出用光纤的折射率分布的一例的图。横轴表示距光纤的中心轴的径向上的位置，纵轴表示相对于纯石英玻璃的相对折射率差(Δn)。该激发光输入输出用光纤是无包层GI光纤，直径为大约120μm。中心轴附近的相对折射率差的最大值为大约2％，位置为±60μm(即光纤的外周)的相对折射率差大致为零，即就折射率而言与纯石英玻璃大致相同。若将这样的无包层GI光纤作为激发光输入输出用光纤4b、6b来使用、并由纯石英玻璃构成内侧包层部4ab，则激发光输入输出用光纤4b的接触区域4ba的平均折射率相对于内侧包层部4ab的折射率的相对折射率差成为0.83％左右。
需要说明的是，从激发光的有效回收的观点出发优选为激发光输入输出用光纤4b的接触区域4ba的平均折射率相对于内侧包层部4ab的折射率的相对折射率差为0.05％以上。同样地，从激发光的有效回收的观点出发优选为激发光输入输出用光纤6b的接触区域6ba的平均折射率相对于内侧包层部6ab的折射率的相对折射率差为0.05％以上。
另外，若激发光输入输出用光纤4b与激发光输入输出用光纤6b为相同的光纤，则能够降低激发光输入输出用光纤4b与激发光输入输出用光纤6b的连接点处的连接损失，因此从使回收的激发光高效地再生的观点出发更加优选。另外，若激发光输入输出用光纤4b的折射率分布与激发光输入输出用光纤6b的折射率分布的差异以相对折射率差表示在±0.2％的范围内，则从使回收的激发光高效地再生的观点出发更加优选。
另外，在激发光输入输出用光纤4b的折射率分布与激发光输入输出用光纤6b不是相同的光纤的情况下，若激发光输入输出用光纤6b的数值孔径为激发光输入输出用光纤4b的数值孔径以下，则能够降低激发光输入输出用光纤4b与激发光输入输出用光纤6b的连接点处的连接损失，因此优选。
(变形例)
图6是示出第一光耦合器的变形例的结构的示意图。该变形例的第一光耦合器4A具有在图3A以及图3B所示的第一光耦合器4的基础上将激发光供给用光纤4c置换为激发光供给用光纤4Ac而成的结构。激发光供给用光纤4Ac是与激发光输入输出用光纤4b相同的光纤。其结果是，激发光供给用光纤4Ac的、与主光纤4a的内侧包层部4ab熔接连接而接触的接触区域4Aca的平均折射率也比内侧包层部4ab的折射率大。由此，能够使如箭头Ar1那样从半导体激光器3输入的激发光的对内侧包层部4ab的耦合效率提升，从而激发效率也提升。
(实验例1～5)
接着，对为了确认本发明的激发效率的提升的效果而进行的实验例进行说明。图7是说明实验例1的图。为了进行实验例1，在输出波长975nm的激光来作为激发光的半导体激光器10安装芯直径/包层直径为105μm/125μm的阶跃折射率型的多模光纤10a，并将多模光纤10a与光耦合器11连接。需要说明的是，在多模光纤10a中，芯部由纯石英玻璃构成，包层部由添加了氟的石英系玻璃构成且相对于纯石英玻璃的相对折射率差为-1.25％左右，多模光纤10a的平均折射率为-0.36％。光耦合器11具备：多芯光纤11a，其具有与第二光耦合器6的主光纤6a相同的结构；多模光纤11b，其与多模光纤10a相同；以及无包层GI光纤11c，其具有图5所示的折射率分布。多模光纤10a与多芯光纤11a在“×”的符号的位置处熔接连接。多模光纤10a与多芯光纤11a以从多模光纤10a输出的激发光与多芯光纤11a的内侧包层部耦合的方式连接。多模光纤11b与无包层GI光纤11c在去除了多芯光纤11a的外侧芯部的部分的内侧包层部以与第二光耦合器6处的激发光输入输出用光纤6b相同的方式连接。
制作图7所示的结构的样本1-1、1-2，从半导体激光器10输出激发光，对从多模光纤11b、多芯光纤11a、无包层GI光纤11c输出的激发光的功率分别进行测定，并计算出测定功率相对于来自半导体激光器10的输出功率的比率。其结果是，在样本1-1中为：
多模光纤11b：4.8％
无包层GI光纤11c：25.8％
多芯光纤11a：68.3％。
另外，在样本1-2中为：
多模光纤11b：4.0％
无包层GI光纤11c：28.0％
多芯光纤11a：66.1％。
根据以上的结果，确认了与多模光纤11b相比，无包层GI光纤11c的比率较大，对激发光的回收更有效。
接下来，制作将图7所示的结构中的多模光纤11b置换为无包层GI光纤11c而成的结构的样本1′-1、1′-2，从半导体激光器10输出激发光，对从多芯光纤11a、两个无包层GI光纤11c输出的激发光的功率分别进行测定，并计算出测定功率相对于来自半导体激光器10的输出功率的比率。其结果是，在样本1′-1中为：
无包层GI光纤11c：23.3％
无包层GI光纤11c：24.6％
多芯光纤11a：51.5％。
另外，在样本1′-2中为：
无包层GI光纤11c：24.6％
无包层GI光纤11c：23.7％
多芯光纤11a：50.4％。
根据以上的结果，确认了无包层GI光纤11c对激发光的回收有效。
图8是说明实验例2的图。为了进行实验例2，将安装于半导体激光器10的多模光纤10a与第一光耦合器4的激发光供给用光纤4c连接。另外，光耦合器11A与样本1′-1、1′-2同样地具备多芯光纤11a、以及两个无包层GI光纤11c。并且，第一光耦合器4的主光纤4a与多芯光纤11a在“×”的符号的位置处熔接连接。主光纤4a与多芯光纤11a以从主光纤4a输出的激发光与多芯光纤11a的内侧包层部耦合的方式连接。
制作图8所示的结构的样本2-1、2-2，从半导体激光器10输出激发光，对从多芯光纤11a、两个无包层GI光纤11c输出的激发光的功率分别进行测定，并计算出测定功率相对于来自半导体激光器10的输出功率的比率。其结果是，在样本2-1中为：
无包层GI光纤11c：17.4％
无包层GI光纤11c：16.9％
多芯光纤11a：41.3％。
另外，在样本2-2中为：
无包层GI光纤11c：15.9％
无包层GI光纤11c：16.5％
多芯光纤11a：46.8％。
根据以上的结果，确认了无包层GI光纤11c对激发光的回收有效。
然而，在实验例1与实验例2中，即使是相同的无包层GI光纤11c，比率也不同。为了确认其原因，而进行了以下的实验例3。图9是说明实验例3的图。在该实验例3中，如图9A所示，代替第一光耦合器4将安装于半导体激光器10的多模光纤10a与光耦合器4B连接。光耦合器4B具备主光纤4Ba而代替主光纤4a。如图9B所示，主光纤4Ba是具备以整体上形成正六角形的方式配置为三角格子状的十九个芯部4Baa、以及内侧包层部4Bab的十九芯型的多芯光纤。并且，主光纤4Ba的一端与多芯EDF12连接。多芯EDF12也是具备与主光纤4Ba同样地配置为三角格子状的十九个的光放大芯部、内侧包层部、以及外侧包层部的十九芯型的双包层EDF，且其长度为4m。
并且，对从半导体激光器10输出激发光时的多模光纤10a的输出、光耦合器4B的主光纤4Ba的输出、多芯EDF12的输出分别测定出近场影像。
图10是示出近场影像的光强度分布的图。图10A、图10B、以及图10C分别是多模光纤10a的输出、光耦合器4B的主光纤4Ba的输出、多芯EDF12的输出的近场影像的、通过中心轴的截面上的强度分布。横轴是相对于中心轴的位置，纵轴是光功率(线形，任意单位)。在图10A中，强度分布为山型，但在图10B以及图10C中强度分布成为平顶型。根据图10A、图10B、以及图10C，激发光的光强度分布在光耦合器4B的前后为不同的形状。相同的现象也在第一光耦合器4的前后产生，因此可认为是实验例1与实验例2中比率不同的原因。
图11是说明实验例4的图。在实验例4中，在图8所示的结构的基础上，将第一光耦合器4的激发光输入输出用光纤4b(在此为无包层GI光纤)与光耦合器11的无包层GT光纤11c熔接连接。制作这样构成的样本4-1、4-2，从半导体激光器10输出激发光，对从多芯光纤11a输出的激发光的功率分别进行测定，并计算出测定功率相对于主光纤4a与多芯光纤11a的连接点(“×”的符号的位置)处的激发光功率的比率。其结果是，在样本4-1中为120.1％，在样本4-2中为118.5％。可认为该结果表示：光耦合器11A由无包层GI光纤11c回收激发光的一部分，并利用激发光输入输出用光纤4b以及第一光耦合器4向主光纤4a再次输入，由此再生了激发光，因此增加了18％～20％。
需要说明的是，作为实验例5，在图8所示的结构的样本2-1、2-2的基础上，切断主光纤4a和多芯光纤11a，而分别作为图12所示的结构的样本5-1、5-2。然后，从半导体激光器10输出激发光，对从主光纤4a输出的激发光的功率分别进行测定，并计算出测定功率相对于多模光纤10a与主光纤4a的连接点处的激发光功率的比率。其结果是，在样本5-1中为84.5％，在样本5-2中为81.0％。
接下来，将样本5-1、5-2的多模光纤10a从激发光输入输出用光纤4b切换为与激发光输入输出用光纤4b(在此为无包层GI光纤)连接而制作样本6-1、6-2，并进行与样本5-1、5-2相同的测定、比率的计算后，在样本6-1中为90.5％，在样本6-2中为88.8％。比较样本5-1、5-2与样本6-1、6-2的结果时，确认了与多模光纤10a相比，激发光输入输出用光纤4b能够提高对第一光耦合器4的主光纤4a的耦合效率。
接下来，在样本6-1、6-2的基础上，将第一光耦合器4置换为将激发光供给用光纤4c设为激发光输入输出用光纤4b(在此为无包层GI光纤)的结构的光耦合器，并且将另一半导体激光器10经由另一多模光纤10a与该激发光输入输出用光纤4b连接，而制作样本7-1、7-2。然后，对样本7-1、7-2的两个激发光输入输出用光纤4b进行与样本5-1、5-2相同的测定、比率的计算后的结果是，在样本7-1中分别为87.0％、87.2％，在样本7-2中为88.8％、88.7％。
(实施例1、2，比较例1、2)
接下来，制作与图1所示的实施方式1所涉及的光放大器100相同的结构的光放大器作为实施例1。需要说明的是，第一光耦合器的激发光输入输出用光纤和第二光耦合器的激发光输入输出用光纤均设为图5所示的特性的无包层GI光纤。并且，多芯EDF设为8m，以使得能够将C波段(大约1.53～1.565μm)的波长带的信号光适当地光放大。然后，一边经由输入侧的光隔离器对多芯EDF的中心轴附近的芯部(中央芯)输入波长为1550nm、光功率为-5dBm的CW光的信号光，并一边在半导体激光器通入5A的驱动电流，一边测定出从输出侧的光隔离器输出的信号光的功率(输出功率)。并且，计算出光放大器的增益和杂音指数(NF)。需要说明的是，在半导体激光器通入5A的驱动电流时从半导体激光器输出的激发光的功率为大约10W，消耗电力为21.65W。
在实施例1中，增益、NF、输出功率分别为16.65dB、4.82dB、11.63dBm。另一方面，作为比较例1的光放大器，设为在实施例1的光放大器的基础上不将两个激发光输入输出用光纤连接而不使激发光再生的结构，并在与实施例1的光放大器相同的条件下进行测定后的结果是，增益、NF、输出功率分别为15.98dB、4.83dB、10.96dBm。
即，与比较例1的光放大器相比，实施例1的光放大器的增益以及输出功率大了0.67dB。可认为这是由于再生了激发光的效果而引起的。另外，在实施例1的光放大器中，以成为与比较例1的光放大器相同的输出功率的方式使驱动电流减少后，在驱动电流为4.5A时成为与比较例1的光放大器相同的输出功率。在此，在半导体激光器通入4.5A的驱动电流时从半导体激光器输出的激发光的功率为大约9W，消耗电力为19.32W。因此，确认了当实施例1的光放大器以成为与比较例1的光放大器相同的输出功率的方式动作时，与比较例1相比能够将激发光的功率降低1W，并能够将半导体激光器的消耗电力削减2.33W(即大约11％)。
接下来，作为实施例2，制作在实施例1的光放大器的基础上将多芯EDF置换为50m的多芯EDF的光放大器，以使得能够将L波段(大约1.57～1.61μm)的波长带的信号光适当地光放大。然后，一边经由输入侧的光隔离器对多芯EDF的中央芯输入波长为1590nm、光功率为5dBm的CW光的信号光，并一边在半导体激光器通入5A的驱动电流，一边测定出从输出侧的光隔离器输出的信号光的输出功率。并且，计算出光放大器的增益和NF。
在实施例2中，增益、NF、输出功率分别为13.71dB、5.33dB、18.72dBm。另一方面，作为比较例2，设为在实施例2的光放大器的基础上不将两个激发光输入输出用光纤连接而不使激发光再生的结构，并在与实施例2的光放大器相同的条件下进行测定后的结果是，增益、NF、输出功率分别为13.47dB、5.46dB、18.48dBm。
即，与比较例2的光放大器相比，实施例2的光放大器的增益以及输出功率大了0.24dB。可认为这是由于再生了激发光的效果而引起的。另外，在实施例2的光放大器中，以成为与比较例2的光放大器相同的输出功率的方式使驱动电流减少后，在驱动电流为4.86A时成为与比较例2的光放大器相同的输出功率。在此，在半导体激光器通入4.86A的驱动电流时从半导体激光器输出的激发光的功率为大约9.72W，消耗电力为21W。因此，确认了当实施例2的光放大器以成为与比较例1的光放大器相同的输出功率的方式动作时，与比较例2相比能够将激发光的功率降低0.28W，并能够将半导体激光器的消耗电力削减0.65W(即大约3％)。
(实施方式2)
图13是示出实施方式2所涉及的光放大器的结构的示意图。如图13所示，光放大器200具有将图1所示的实施方式1所涉及的光放大器100的第一光耦合器4、第二光耦合器6分别置换为第一光耦合器4C、第二光耦合器6A而成的结构。
第一光耦合器4C具有对第一光耦合器4进一步追加一根以上的激发光输入输出用光纤4b而成的结构，并具备多个激发光输入输出用光纤4b。各激发光输入输出用光纤4b均与第一光耦合器4C的主光纤的被去除了外侧包层部的部分中的内侧包层部熔融连接，且其与内侧包层部接触的接触区域的平均折射率均比内侧包层部的折射率大。
第二光耦合器6A具有对第二光耦合器6进一步追加一根以上的激发光输入输出用光纤6b而成的结构，并具备与激发光输入输出用光纤4b相同数量的多个激发光输入输出用光纤6b。各激发光输入输出用光纤6b均与第二光耦合器6A的主光纤的被去除了外侧包层部的部分中的内侧包层部熔融连接，且与内侧包层部接触的接触区域的平均折射率均比内侧包层部的折射率大。
并且，各激发光输入输出用光纤6b与任一个激发光输入输出用光纤4b连接。由此，能够在多个光纤路线中回收、再生激发光，因此激发效率更进一步提升。
(实施方式3)
图14是示出实施方式3所涉及的光放大器的结构的示意图。如图14所示，光放大器300具有将图13所示的实施方式2所涉及的光放大器200的第二光耦合器6A置换为多个第二光耦合器6而成的结构。
具备与第一光耦合器4C的激发光输入输出用光纤4b的数量相同数量的多个第二光耦合器6，多个第二光耦合器6的主光纤彼此串联连接。并且，多个第二光耦合器6所具备的各激发光输入输出用光纤6b与第一光耦合器4C的任一个激发光输入输出用光纤4b连接。由此，能够在多个光纤路线中回收、再生激发光，因此激发效率更进一步提升。
(实施方式4)
图15是示出实施方式4所涉及的光放大器的结构的示意图。如图15所示，光放大器400具有将图13所示的实施方式2所涉及的光放大器200的第一光耦合器4C置换为第一光耦合器4、并且追加激发光合波器15而成的结构。
第一光耦合器4所具备的激发光输入输出用光纤4b与第二光耦合器6A所具备的多个激发光输入输出用光纤6b经由激发光合波器15而连接。激发光合波器15将由第二光耦合器6A回收、并将在多个激发光输入输出用光纤6b中分别传输的激发光合波，并向激发光输入输出用光纤4b输出。由此，被合波了的激发光在激发光输入输出用光纤4b中传输而向第一光耦合器4输入而再生。若是该结构，则能够削减第一光耦合器4应该具备的激发光输入输出用光纤4b的数量，因此能够使第一光耦合器4的结构简易。需要说明的是，激发光合波器15可以与第一光耦合器4等同样地是横耦合型的光合波器，也可以是在TFB(TaperedFiber Bundle)等中采用的端面耦合型的光合波器。
需要说明的是，作为上述实施方式以外的激发光的再生机构，例如，可考虑如图16所示的例1那样，在多芯EDF20的两端以将光放大芯部20a以外的内侧包层部20b覆盖的方式形成由金属蒸镀膜、电介质多层膜构成的反射膜20c的机构。根据该机构，从光放大芯部20a输出信号光SL，但激发光PL被反射膜20c反射而返回多芯EDF20内而再生。
另外，可考虑如图17所示的例2那样，在多芯EDF30与多芯光纤31之间设置有透镜32、WDM(Wavelength Division-Multiplexing)过滤器33、透镜34，并且设置有透镜35、反射镜36的机构。根据该机构，从多芯EDF30的光放大芯部30a输出的信号光SL通过透镜32而成为平行光，并透过WDM过滤器33，并通过透镜34在多芯光纤31的芯部31a聚光而进行耦合。另一方面，从多芯EDF30的内侧包层部30b输出的激发光PL被WDM过滤器33、反射镜36、WDM过滤器33依次反射，返回多芯EDF30内而再生。
另外，除图16、17那样的通过反射膜、反射镜使激发光反射的结构以外，也可以设为通过FBG(Fiber Bragg Grating)使激发光反射的结构。即，例如在图1所示的光放大器100的结构中，也可以向多芯EDF 5的终端部(后段侧)或者与该多芯EDF 5连接的多芯光纤写入第一FBG，并向第一光耦合器4的前段部的光纤(光纤扇入2与第一光耦合器4之间的光纤)写入第二FBG。第一、第二FBG具有选择性地反射激发光(976nm、975nm的波长)的反射特性，且不对1.5μm带的信号光带来任何影响，从而构成了选择性地反射在内侧包层部中传输的激发光的谐振器。由此，残留激发光在第一、第二FBG之间往复，因此能够有效地使用激发光的功率，从而能够使包层激发效率提升。但是，由于内侧包层部为多模，因此不论FBG的设置如何，激发光的一部分都会透过。因此，优选为在第一FBG的后段和第二FBG的前段设置将透过了的激发光从内侧包层去除的泵浦光剥离器。通过这些泵浦光剥离器，能够抑制由光纤扇入2和光纤扇出8的因热量引起的损伤。需要说明的是，为了防止被FBG反射而向前段侧传输的激发光的一部分经由第一光耦合器4返回半导体激光器3，优选为在半导体激光器3的后段(光输出侧)将隔离器插入第一光耦合器4的近前。
需要说明的是，在上述实施方式中，光放大光纤为七芯型的多芯EDF，但也可以是十九芯型的多芯EDF，也可以是单芯EDF。另外，在上述实施方式中，光放大光纤中的光放大介质为铒，但也可以是镱等其他光放大介质。另外，在上述实施方式中，作为激发光源的半导体激光器为一个，第一光耦合器中的激发光供给用光纤为一根，但也可以是，激发光源为多个，第一光耦合器中的激发光供给用光纤为多根。另外，在上述实施方式中，作为激发光输入输出用光纤而例示了无包层GI光纤，但只要满足激发光输入输出用光纤的条件，则也可以是有包层的通常的GI光纤，也可以是阶跃折射率型的光纤。另外，折射率分布在半径方向上可以恒定也可以发生变动。另外，在上述实施方式中，光放大器为前方激发型，但可以是后方激发型，也可以是双向激发型。为了构成后方激发型的光放大器，例如在实施方式1的光放大器100中，将第一光耦合器4与光纤扇出8侧连接，并将泵浦光剥离器7与光纤扇入2侧连接即可。
另外，并不通过上述实施方式来限定本发明。将上述的各构成要素适当组合而构成的方式也包含于本发明。另外，进一步的效果、变形例能够由本领域技术人员容易地导出。因而，本发明的更广范的方案并不限定于上述的实施方式，而能够进行各种变更。
工业实用性
如以上那样，本发明所涉及的光耦合器以及光放大器适于在海底光通信等使用的光放大器。
附图标记说明：
1、9 光隔离器
2 光纤扇入
2a 单模光纤
2b、11a 多芯光纤
2ba、4aa、4Baa、6aa 芯部
2bb 包层部
2c 耦合部
3、10 半导体激光器
4、4A、4C 第一光耦合器
4B、11、11A 光耦合器
4a、4Ba、6a 主光纤
4ab、4Bab、6ab 内侧包层部
4ac、6ac 外侧包层部
4b、6b 激发光输入输出用光纤
4ba、4Aca、6ba 接触区域
4c、4Ac 激发光供给用光纤
4d、6d 保护部
4e、6e 部分
5、12、20、30 多芯EDF
6、6A 第二光耦合器
7 泵浦光剥离器
8 光纤扇出
10a、11b 多模光纤
11c 无包层GI光纤
15 激发光合波器
100、200、300、400 光放大器。

Claims (11)

1.一种光耦合器，其特征在于，
所述光耦合器具备：
主光纤，其至少具备传输信号光的芯部、形成于所述芯部的外周且折射率比所述芯部低的内侧包层部、及形成于所述内侧包层部的外周且折射率比所述内侧包层部低的外侧包层部，所述主光纤在长度方向上的一部分被去除了所述外侧包层部；以及
至少一根激发光输入输出用光纤，其与所述主光纤的被去除了所述外侧包层部的部分中的所述内侧包层部熔融连接，并且其与所述内侧包层部接触的接触区域的平均折射率比所述内侧包层部的折射率大，
在所述激发光输入输出用光纤中传输的激发光从所述接触区域与所述内侧包层部耦合而在所述内侧包层部中传输，或者在所述内侧包层部中传输了的所述激发光从所述接触区域与所述激发光输入输出用光纤耦合而在所述激发光输入输出用光纤中传输。
2.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，
所述激发光输入输出用光纤的所述接触区域的平均折射率相对于所述内侧包层部的折射率的相对折射率差为0.05％以上。
3.根据权利要求1或2所述的光耦合器，其特征在于，
所述光耦合器具备多个所述激发光输入输出用光纤。
4.根据权利要求3所述的光耦合器，其特征在于，
所述光耦合器具备激发光合波器，所述激发光合波器将在所述多个激发光输入输出用光纤中分别传输的所述激发光合波。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光耦合器，其特征在于，
所述光耦合器进一步具备激发光供给用光纤，所述激发光供给用光纤的一端与输出所述激发光的激发光源连接，并且另一端与所述主光纤的被去除了所述外侧包层部的部分中的所述内侧包层部熔融连接，从而向所述主光纤供给所述激发光。
6.根据权利要求5所述的光耦合器，其特征在于，
所述激发光供给用光纤的与所述内侧包层部接触的接触区域的平均折射率比所述内侧包层部的折射率大。
7.一种光放大器，其特征在于，
所述光放大器具备：
激发光源；
包层激发型的光放大光纤，其具备包含光放大介质的光放大芯部；
第一光耦合器，其是权利要求5或6所述的光耦合器，所述激发光源与所述激发光供给用光纤连接，所述光放大光纤的一端与所述主光纤的一端连接；以及
第二光耦合器，其是权利要求1至4中任一项所述的光耦合器，所述光放大光纤的另一端与所述主光纤的一端连接，
所述第一光耦合器的所述激发光输入输出用光纤与所述第二光耦合器的所述激发光输入输出用光纤连接。
8.根据权利要求7所述的光放大器，其特征在于，
所述光放大光纤具备多个所述光放大芯部。
9.根据权利要求7或8所述的光放大器，其特征在于，
所述多个光放大芯部包含铒作为所述光放大介质。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的光放大器，其特征在于，
所述第一光耦合器的所述激发光输入输出用光纤的折射率分布与所述第二光耦合器的所述激发光输入输出用光纤的折射率分布的差异以相对折射率差表示在±0.2％的范围内。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的光放大器，其特征在于，
所述第二光耦合器的所述激发光输入输出用光纤的数值孔径为所述第一光耦合器的所述激发光输入输出用光纤的数值孔径以下。
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