JP2013004590A

JP2013004590A - 光ファイバ増幅器

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Publication number: JP2013004590A
Application number: JP2011131694A
Authority: JP
Inventors: Hidehiko Takara; 秀彦高良; Hirokazu Kubota; 寛和久保田; Toshio Morioka; 敏夫盛岡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2013-01-07
Anticipated expiration: 2031-06-13
Also published as: JP5727305B2

Abstract

【課題】本発明は、モード多重伝送方式において、モード間損失差を補償し、伝送距離を延伸する光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、信号光のモードが高次であるほど、信号光の光強度の分布がコアの中心位置からシフトすることを、利用することとした。つまり、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、信号光に対する増幅率を高くすることにより、信号光のモードが高次であるほど、信号光に対する増幅率を高くすることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、モード多重伝送方式に利用される光ファイバ増幅器に関する。

マルチモードファイバを利用するモード多重伝送方式では、シングルモードファイバを利用する単一モード伝送方式より、伝送容量が大きい利点がある。しかし、従来の光ファイバ増幅器（例えば、非特許文献１）は、単一モード伝送方式のみに適用されるため、モード多重伝送方式において、高次モードを増幅できず減衰させてしまう。そこで、所望の光ファイバ増幅器は、モード多重伝送方式において、高次モードを増幅できることが望ましい。

石尾秀樹編、中川清司、中沢正隆、相田一夫、萩本和男著、「光増幅器とその応用」、第１版、株式会社オーム社、平成４年５月、ｐｐ．３９−４７、１１２−１１３．

従来の光ファイバ増幅器では、増幅媒質がコアの中心部分に添加されるため、単一モード伝送方式に適用されるのみならず、モード多重伝送方式に適用されるにあたり、モード間損失差が問題となる。つまり、モードが高次であるほど伝搬損失が大きいため、モード間損失差が発生して、最も損失の大きいモードにより伝送距離が制限される。よって、モード多重伝送方式では、単一モード伝送方式より、伝送距離が短縮される。

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、モード多重伝送方式において、モード間損失差を補償し、伝送距離を延伸する光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、信号光のモードが高次であるほど、信号光の光強度の分布がコアの中心位置からシフトすることを、利用することとした。つまり、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、信号光に対する増幅率を高くすることにより、信号光のモードが高次であるほど、信号光に対する増幅率を高くすることとした。

具体的には、本発明は、伝搬する信号光のモードが高次であるほど、励起光による前記信号光に対する増幅率が高いことを特徴とする光ファイバ増幅器である。

この構成によれば、モード多重伝送方式において、モード間損失差を補償し、伝送距離を延伸する光ファイバ増幅器を提供することができる。

また、本発明は、コアでの径方向位置が前記コアでの中心位置から離れるほど、前記信号光に対する増幅率が高いことを特徴とする光ファイバ増幅器である。

この構成によれば、信号光のモードが高次であるほど、信号光に対する増幅率を高くすることができる。

また、本発明は、前記コアでの径方向位置が前記コアでの中心位置から離れるほど、前記励起光を利用して前記信号光を増幅する増幅媒質の添加濃度が高いことを特徴とする光ファイバ増幅器である。

この構成によれば、増幅媒質の添加濃度の分布を調節し、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、信号光に対する増幅率を高くすることができる。

また、本発明は、前記コアでの径方向位置が前記コアでの中心位置から離れるほど、前記励起光の光強度が高いことを特徴とする光ファイバ増幅器である。

この構成によれば、励起光の光強度の分布を調節し、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、信号光に対する増幅率を高くすることができる。

また、本発明は、前記コアが前記信号光を伝搬し、外部クラッドの内側が前記励起光を伝搬するダブルクラッドファイバであることを特徴とする光ファイバ増幅器である。

この構成によれば、励起光のコアへの侵入深さに対応し、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、励起光の光強度を高くすることができる。

また、本発明は、前記コアでの径方向位置が前記コアでの中心位置から離れるほど、前記励起光に対する屈折率が高いことを特徴とする光ファイバ増幅器である。

この構成によれば、励起光に対する屈折率の分布を調節し、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、励起光の光強度を高くすることができる。

また、本発明は、前記コアでの径方向位置が前記コアでの中心位置から離れるほど、前記信号光又は前記励起光に対する吸収が少ない光フィルタ、をさらに備えることを特徴とする光ファイバ増幅器である。

この構成によれば、信号光又は励起光に対する吸収の分布を調節し、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、信号光に対する増幅率を高くすることができる。

また、本発明は、モード多重伝送方式及び波長多重伝送方式を併用する前記信号光を増幅するにあたり、モード間損失差の波長依存性を補償することを特徴とする光ファイバ増幅器である。

この構成によれば、モード多重伝送方式及び波長多重伝送方式を併用するとき、モード間損失差の波長依存性を補償することができる。

本発明は、モード多重伝送方式において、モード間損失差を補償し、伝送距離を延伸する光ファイバ増幅器を提供することができる。

各モードの信号光の光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。本発明のダブルクラッドファイバの構成を示す図である。本発明のファイバブラッググレーティングの構成を示す図である。本発明の光ファイバ増幅器の構成を示す図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。

（本発明の概要）
光通信用の光ファイバ増幅器として、増幅媒質が光ファイバに添加される光ファイバ増幅器、又は誘導ラマン散乱による誘導放出利得が利用される光ファイバ増幅器がある。

各モードの信号光の光強度分布のシミュレーション結果を図１に示す。図１に示した各モードは、基底モード（ＬＰ０１モード）、第２次モード（ＬＰ１１モード）、及び第３次モード（ＬＰ２１モード）である。図１で用いた光ファイバは、コア径が２０μｍであり、コア及びクラッドの比屈折率差が０．３５％であり、コアの屈折率分布がステップインデックス型であるとして、シミュレーションを行なっている。

基底モード（ＬＰ０１モード）の信号光の光強度分布は、コアの中心位置に最大強度を有する、シングルピーク形状である。第２次モード（ＬＰ１１モード）及び第３次モード（ＬＰ２１モード）では、各々４つのモードが縮退している。第２次モード（ＬＰ１１モード）及び第３次モード（ＬＰ２１モード）の信号光の光強度分布は、コアの中心位置から離れた位置に最大強度を有する、ドーナツ形状である。

図１に示したように、信号光のモードが高次であるほど、信号光の光強度の分布がコアの中心位置からシフトする。そこで、信号光のモードが高次であるほど、信号光に対する増幅率を高くするため、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、信号光に対する増幅率を高くする。ここで、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、信号光に対する増幅率を高くする方法を、実施形態１−４で説明する。

（実施形態１）
実施形態１の光ファイバ増幅器では、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、励起光を利用して信号光を増幅する増幅媒質の添加濃度が高い。ここで、増幅媒質として、増幅対象である信号光の光波長に応じて、エルビウムやテルビウム等の希土類イオン等を適宜選択することができる。

ここで、希土類イオン等の添加濃度を制御する方法は、シングルモードファイバのコア作成技術として確立している（例えば、非特許文献１のｐｐ．１１２−１１３）。そして、屈折率の分布を制御するため、光ファイバの母材の作成時に、ゲルマニウムやフッ素等の各種イオンの添加濃度を制御することが知られており、上記と同様にして、光ファイバの母材の作成時に、希土類イオン等の添加濃度を制御することができる。

実施形態１では、増幅媒質の添加濃度の分布を調節し、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、信号光に対する増幅率を高くする。よって、信号光のモードが高次であるほど、信号光に対する増幅率を高くすることができ、モード多重伝送方式において、モード間損失差を補償し、伝送距離を延伸する光ファイバ増幅器を提供することができる。

ただし、本来の目的は、モード多重伝送方式において、モード間損失差を補償することである。よって、信号光のモードが高次であるほど、信号光に対する増幅率を高くするとともに、信号光のモードが低次であっても、信号光に対する増幅率をある程度は確保する必要がある。つまり、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、増幅媒質の添加濃度を高くするとともに、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から近くても、増幅媒質の添加濃度をある程度は確保する必要がある。

（実施形態２）
実施形態２の光ファイバ増幅器では、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、励起光の光強度が高い。ここで、励起光の光強度の分布を調節する方法として、以下の２つの方法等を選択することができる。

第１の方法では、光ファイバ増幅器は、コアが信号光を伝搬し、外部クラッドの内側が励起光を伝搬するダブルクラッドファイバである。図２に示したダブルクラッドファイバ１は、コア１１、内部クラッド１２、及び外部クラッド１３から構成される。

コア１１は、信号光Ｓを伝搬し、増幅媒質を添加される。コア１１及び内部クラッド１２は、励起光Ｅを伝搬する。コア１１及び内部クラッド１２の界面近傍では、信号光Ｓが全反射される。内部クラッド１２及び外部クラッド１３の界面近傍では、励起光Ｅが全反射される。このように、ダブルクラッドファイバ１を用いて、クラッド励起を行なう。

ここで、コア１１に添加される増幅媒質は、コア１１に侵入する励起光Ｅを吸収する。よって、励起光Ｅがコア１１を周辺から中心へと伝搬するにつれて、励起光Ｅの光強度は減衰する。つまり、励起光Ｅのコア１１への侵入深さに対応し、コア１１での径方向位置がコア１１での中心位置から離れるほど、励起光Ｅの光強度を高くすることができる。

第２の方法では、光ファイバ増幅器は、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、励起光に対する屈折率が高い。ここで、励起光に対する屈折率を調節する物質として、ゲルマニウムやフッ素等の各種イオンを適宜選択することができる。

ここで、励起光は、励起光に対する屈折率が低い媒質より、励起光に対する屈折率が高い媒質に分布する。よって、励起光は、コアの中心位置より、コアの周辺位置に分布する。つまり、励起光に対する屈折率の分布を調節し、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、励起光の光強度を高くすることができる。なお、実施形態２の第２の方法は、増幅媒質が光ファイバに添加される光ファイバ増幅器に適用できるのみならず、誘導ラマン散乱による誘導放出利得が利用される光ファイバ増幅器に適用できる。

実施形態２では、第１の方法においては励起光のコアへの侵入深さに対応し、第２の方法においては励起光に対する屈折率の分布を調節し、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、信号光に対する増幅率を高くする。よって、信号光のモードが高次であるほど、信号光に対する増幅率を高くすることができ、モード多重伝送方式において、モード間損失差を補償し、伝送距離を延伸する光ファイバ増幅器を提供することができる。

ただし、本来の目的は、モード多重伝送方式において、モード間損失差を補償することである。よって、信号光のモードが高次であるほど、信号光に対する増幅率を高くするとともに、信号光のモードが低次であっても、信号光に対する増幅率をある程度は確保する必要がある。つまり、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、励起光の光強度を高くするとともに、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から近くても、励起光の光強度をある程度は確保する必要がある。

（実施形態３）
実施形態３の光ファイバ増幅器では、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、信号光又は励起光に対する吸収が少ない光フィルタを備える。ここで、信号光又は励起光に対する吸収を調節する物質として、ＣｄＳ等の半導体や金属微粒子等を選択することができる。

光フィルタが信号光を吸収する場合には、光フィルタは励起光を吸収するわけではないため、信号光に対する増幅率は、実際にはコアでの径方向位置に依存しないが、見かけ上コアでの径方向位置に依存する。光フィルタが励起光を吸収する場合には、信号光に対する増幅率は、当然コアでの径方向位置に依存する。光フィルタは、バルク型であってもよく、ファイバ型であってもよい。光フィルタの挿入位置は、光ファイバ増幅器の前段であってもよく、光ファイバ増幅器の後段であってもよく、隣接する光ファイバ増幅器の間であってもよい。

実施形態３では、信号光又は励起光に対する吸収の分布を調節し、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、信号光に対する増幅率を高くする。よって、信号光のモードが高次であるほど、信号光に対する増幅率を高くすることができ、モード多重伝送方式において、モード間損失差を補償し、伝送距離を延伸する光ファイバ増幅器を提供することができる。なお、実施形態３は、増幅媒質が光ファイバに添加される光ファイバ増幅器に適用できるのみならず、誘導ラマン散乱による誘導放出利得が利用される光ファイバ増幅器に適用できる。

ただし、本来の目的は、モード多重伝送方式において、モード間損失差を補償することである。よって、信号光のモードが高次であるほど、信号光に対する増幅率を高くするとともに、信号光のモードが低次であっても、信号光に対する増幅率をある程度は確保する必要がある。つまり、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から離れるほど、信号光又は励起光に対する吸収を抑制するとともに、コアでの径方向位置がコアでの中心位置から近くても、信号光又は励起光に対する吸収をある程度は抑制する必要がある。

（実施形態４）
実施形態４の光ファイバ増幅器では、モード多重伝送方式及び波長多重伝送方式を併用する信号光を増幅するにあたり、モード間損失差の波長依存性を補償する。ここで、モード多重伝送方式及び波長多重伝送方式を併用する方式では、モード多重伝送方式のみを利用する方式より、伝送容量がさらに大きい利点がある。しかし、モード多重伝送方式及び波長多重伝送方式を併用する方式では、モード間損失差が発生するのみならず、モード間損失差の波長依存性が発生する。そこで、実施形態４の光ファイバ増幅器では、モード間損失差の波長依存性を低減したうえで、モード間損失差を低減する。ここで、モード間損失差の波長依存性を低減する方法として、以下の２つの方法等を選択することができる。

第１の方法として、図３に示したファイバブラッググレーティング２は、コア２１、クラッド２２、及び回折格子２３から構成される。波長λ_１、λ_２（λ_１＜λ_２）を有する信号光は、図３における左側から入射され、回折格子２３により反射され、図３における左側から出射される。図３において左側から右側へと向かうにつれて、回折格子２３の間隔は徐々に広くなる。より短い波長λ_１を有する信号光は、回折格子２３の間隔がより狭い図３における左側で反射される。より長い波長λ_２を有する信号光は、回折格子２３の間隔がより広い図３における右側で反射される。

ファイバブラッググレーティング２には、実施形態１で説明した増幅媒質、実施形態２の第２の方法で説明した屈折率調節物質、又は実施形態３で説明した吸収調節物質等が添加される。よって、より長い波長λ_２を有する信号光がより短い波長λ_１を有する信号光と比較して、ファイバブラッググレーティング２をより長く伝搬することにより、モード間損失差の波長依存性を補償することができる。または、ファイバブラッググレーティング２の断面における上記の物質の濃度分布が、ファイバブラッググレーティング２の長さ方向で異なることにより、モード間損失差の波長依存性を補償することができる。

第２の方法として、図４に示した光ファイバ増幅器３は、光増幅用ファイバ３１、励起光源３２、及び波長依存性補償器３３から構成される。波長λ_１、λ_２、λ_３、λ_４を有する信号光は、図４における左側から入射され、前段の光増幅用ファイバ３１−１並びに励起光源３２−１（前方励起用）又は３２−２（後方励起用）により増幅され、後段の光増幅用ファイバ３１−２並びに励起光源３２−３（前方励起用）又は３２−４（後方励起用）により増幅され、図４における右側から出射される。

波長依存性補償器３３は、補償器３３１、３３２、３３３、３３４から構成され、補償器３３１、３３２、３３３、３３４は、各々波長λ_１、λ_２、λ_３、λ_４を有する信号光に各々作用し、空間的に多段接続される。波長依存性補償器３３に、実施形態３で説明した吸収調節物質等が添加されるときは、波長依存性補償器３３は、図４に示したように光ファイバ増幅器３の前段部分及び後段部分の間に挿入されるか、光ファイバ増幅器３の入射直後又は出射直前の位置に挿入される。波長依存性補償器３３に、実施形態１で説明した増幅媒質、又は実施形態２の第２の方法で説明した屈折率調節物質が添加されるときは、波長依存性補償器３３は、光増幅用ファイバ３１−１及び／又は３１−２に挿入される。よって、波長依存性補償器３３の断面における上記の物質の濃度分布が、補償器３３１、３３２、３３３、３３４で異なることにより、モード間損失差の波長依存性を補償することができる。

本発明に係る光ファイバ増幅器は、伝送容量を大きくする、モード多重伝送方式並びにモード多重伝送方式及び波長多重伝送方式を併用する方式に適用することができる。

Ｓ：信号光
Ｅ：励起光
１：ダブルクラッドファイバ
２：ファイバブラッググレーティング
３：光ファイバ増幅器
１１：コア
１２：内部クラッド
１３：外部クラッド
２１：コア
２２：クラッド
２３：回折格子
３１：光増幅用ファイバ
３２：励起光源
３３：波長依存性補償器

Claims

伝搬する信号光のモードが高次であるほど、励起光による前記信号光に対する増幅率が高いことを特徴とする光ファイバ増幅器。
コアでの径方向位置が前記コアでの中心位置から離れるほど、前記信号光に対する増幅率が高いことを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバ増幅器。
前記コアでの径方向位置が前記コアでの中心位置から離れるほど、前記励起光を利用して前記信号光を増幅する増幅媒質の添加濃度が高いことを特徴とする、請求項２に記載の光ファイバ増幅器。
前記コアでの径方向位置が前記コアでの中心位置から離れるほど、前記励起光の光強度が高いことを特徴とする、請求項２に記載の光ファイバ増幅器。
前記コアが前記信号光を伝搬し、外部クラッドの内側が前記励起光を伝搬するダブルクラッドファイバであることを特徴とする、請求項４に記載の光ファイバ増幅器。
前記コアでの径方向位置が前記コアでの中心位置から離れるほど、前記励起光に対する屈折率が高いことを特徴とする、請求項４に記載の光ファイバ増幅器。
前記コアでの径方向位置が前記コアでの中心位置から離れるほど、前記信号光又は前記励起光に対する吸収が少ない光フィルタ、
をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の光ファイバ増幅器。
モード多重伝送方式及び波長多重伝送方式を併用する前記信号光を増幅するにあたり、モード間損失差の波長依存性を補償することを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれかに記載の光ファイバ増幅器。