JP2013187416A - マルチコア光ファイバ増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃ帯の複数組の信号光とＬ帯の複数組の信号光とを伝送することができる低コストのマルチコア光ファイバ増幅器を提供する。
【解決手段】エルビウム（Ｅｒ）を添加した複数のコアを有するマルチコア伝送用の信号増幅用光ファイバと、前記光ファイバのコアの各々に信号光と励起光とを入力する励起合波部と、ｎ個（ｎは１以上の整数）の信号光を前記光ファイバのｎ本のコアを用いて増幅し、波長帯域の異なるｍ個（ｍは１以上の整数）の信号光を前記光ファイバのｍ×ｃ本（ｃは２以上の整数）のコアを用いて増幅するように、ｎ＋ｍ個の入力光をｎ＋（ｍ×ｃ）本のコアに接続する入力部と、前記光ファイバのｎ＋（ｍ×ｃ）本のコアから、ｎ＋ｍ個の出力光を選択する出力部とを備えた。
【選択図】図３

Description

本発明は、マルチコア光ファイバ増幅器に関し、より詳細には、互いに波長の異なる複数組の信号光を増幅するマルチコア光ファイバ増幅器に関する。

近年、光ファイバ通信システムの伝送容量を飛躍的に増大させるために、マルチコア伝送に関する技術検討が進められている（例えば、非特許文献１参照）。マルチコア伝送とは、１本のファイバに複数のコアを有するマルチコア伝送用の光ファイバを用いて、各コアごとに光信号を伝播させて、伝送容量の増大を図る。

図１に、従来のマルチコア伝送用の光ファイバを示す。非特許文献２に記載された光ファイバ１であり、白い丸に見える部分が７つのコア２であり、黒い丸に見える部分が位置合わせ用のマーカ３である。

また、実用的なマルチコア伝送システムを実現するためには、伝送信号を増幅するためのマルチコア伝送用の光ファイバ増幅器が必要不可欠である。光ファイバ増幅器用の光ファイバとして、複数の希土類元素の一つであるエルビウム（Ｅｒ）イオンを添加したＥｒドープ光ファイバが知られている。

図２に、従来の光ファイバ増幅器用のＥｒドープ光ファイバを示す。非特許文献３に記載された信号増幅用光ファイバ４であり、白い丸に見える部分が７つのコア５である。各々のコアに、信号光と励起光とを入力することにより、７組の信号光を一括増幅することができる。

このようなマルチコア伝送用の信号増幅用光ファイバにおいては、各コアに添加されるＥｒイオンの濃度は同じである。このため、通信波長帯の１つであるＣ帯（１５２５〜１５６５ｎｍ）の複数組の信号光に対して、増幅可能なマルチコア光ファイバ増幅器が実現されている。

T. Morioka, "New Generation Optical Infrastructure Technologies: "EXAT Initiative" Towards 2020 and Beyond," in Proc. OECC2009, FT-4, 2009 K. Mukasa et al., "Multi-Core Fibers for Space-Division-Multiplexing," in Proc. Korea-Japan Workshop on Beyond 100G, ThB4, Jeju Grand Hotel, Korea, 2011 K.S. Abedin et al., "Amplification and noise properties of an erbium-doped multicore fiber amplifier", Optics Express, vol.19, pp.16715-16721, 2011

しかしながら、Ｃ帯とＬ帯（１５６５〜１６１５ｎｍ）とが混在する複数組の信号光を増幅するマルチコア光ファイバ増幅器を実現する場合、各コアに添加するＥｒイオンの濃度を、Ｃ帯用とＬ帯用とで変える必要があるため、Ｅｒイオンの濃度が均一な光ファイバを用いることができない。

このため、Ｃ帯とＬ帯とが混在する複数組の信号光を増幅可能とするマルチコア光ファイバ増幅器を実現するためには、Ｃ帯の信号組数とＬ帯の信号組数とに応じて、コアのＥｒイオン濃度を変えた光ファイバが必要となる。このような光ファイバは、製造コストが高く、マルチコア光ファイバ増幅器のコストを増加させる原因となっている。

なお、非特許文献３に記載されている複数組の信号光は、それぞれ１波長の信号光である。一方、各コアに波長多重光を伝送させることができ、複数組の波長多重光の場合も同じ問題点を有している。本明細書では便宜上、１波長信号光の場合も波長多重の信号光の場合も「１組の信号光」として述べる。

本発明の目的は、上記の問題点を解決し、Ｃ帯の複数組の信号光とＬ帯の複数組の信号光とを伝送することができる低コストのマルチコア光ファイバ増幅器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、第１の実施態様のマルチコア光ファイバ増幅器において、エルビウム（Ｅｒ）を添加した複数のコアを有するマルチコア伝送用の信号増幅用光ファイバと、前記光ファイバのコアの各々に信号光と励起光とを入力する励起合波部と、ｎ個（ｎは１以上の整数）の信号光を前記光ファイバのｎ本のコアを用いて増幅し、波長帯域の異なるｍ個（ｍは１以上の整数）の信号光を前記光ファイバのｍ×ｃ本（ｃは２以上の整数）のコアを用いて増幅するように、ｎ＋ｍ個の入力光をｎ＋（ｍ×ｃ）本のコアに接続する入力部と、前記光ファイバのｎ＋（ｍ×ｃ）本のコアから、ｎ＋ｍ個の出力光を選択する出力部とを備えたことを特徴とする。

また、第２の実施態様のマルチコア光ファイバ増幅器において、エルビウム（Ｅｒ）を添加したコアを有する複数の信号増幅用光ファイバと、前記光ファイバの各々に信号光と励起光とを入力する励起合波部と、ｎ個（ｎは１以上の整数）の信号光をｎ本の光ファイバを用いて増幅し、波長帯域の異なるｍ個（ｍは１以上の整数）の信号光をｍ×ｃ本（ｃは２以上の整数）の光ファイバを用いて増幅するように、ｎ＋ｍ個の入力光をｎ＋（ｍ×ｃ）本の光ファイバに接続する入力部と、前記ｎ＋（ｍ×ｃ）本の光ファイバから、ｎ＋ｍ個の出力光を選択する出力部とを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、Ｅｒ濃度が均一の複数のコアから成るマルチコア伝送用の信号増幅用光ファイバを用いて、例えば、Ｃ帯の信号光とＬ帯の信号光の両方に対応できるマルチコア光ファイバ増幅器を実現することができる。

従来のマルチコア伝送用の光ファイバを示す断面図である。 従来の光ファイバ増幅器用のＥｒドープ光ファイバを示す断面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる信号増幅用光ファイバを示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる信号増幅用光ファイバを示す図である。 信号増幅用光ファイバのファイバ長と信号利得の関係を示す図である。 実施例１にかかるマルチコア光ファイバ増幅器を示す図である。 実施例１にかかる励起光合波部を示す図である。 実施例１のマルチコア光ファイバ増幅器の増幅特性を示す図である。 実施例３にかかるマルチコア光ファイバ増幅器を示す図である。 実施例３にかかる励起光合波部を示す図である。 実施例３のマルチコア光ファイバ増幅器の増幅特性を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図３に、本発明の第１の実施形態にかかる信号増幅用光ファイバを示す。第１の実施形態で使用するマルチコア伝送用の信号増幅用光ファイバ１１は、９つのコア１２−１〜１２−９を有している。説明の便宜上、図３は、コアが平面上に配置されているように描かれている。光ファイバ１１のＥｒイオンの添加濃度は均一である。すなわち、Ｃ帯の９組の信号光を伝送するマルチコア光ファイバ増幅器としても用いることができる。

Ｃ帯の信号光に対しては、１本のコアを通過させることで光増幅を行う。図３においては、コア１２−１〜１２−６を使用して、Ｃ帯の６組の信号光を増幅する。一方、Ｌ帯の信号光に対しては、コア１２−７〜１２−９を使用して、光ファイバ１１の中を１往復半することにより光増幅を行う。

このようにして、Ｃ帯の複数組（ｎ組、ｎは１以上の整数）の信号光のみを増幅する場合でも、Ｃ帯の複数組（ｎ組）の信号光とＬ帯の複数組（ｍ組、ｍは１以上の整数）の信号光とが混在する場合でも、共通の１本の光ファイバにより、マルチコア光ファイバ増幅器を実現することができる。従って、マルチコア光ファイバ増幅器のコスト削減に大きな効果が期待できる。

図４に、本発明の第２の実施形態にかかる信号増幅用光ファイバを示す。第２の実施形態で使用するマルチコア伝送用の信号増幅用光ファイバ１３は、９つのコア１４−１〜１４−９を有している。第１の実施形態との相違点は、光ファイバ１３の前後に、Ｃ帯／Ｌ帯合分波フィルタ１５，１６を用いることにより、Ｃ帯の信号光とＬ帯の信号光とが波長多重された信号光でも、同時に増幅することができる。

なお、上記の実施形態では、Ｃ帯の信号光の増幅にコアを１本、Ｌ帯の信号光の増幅にコアを３本（＝ｃ、ｃは２以上の整数）使用したが、これはあくまで概念を説明するためである。通常、Ｃ帯とＬ帯の信号利得を同程度にして使用する場合を考慮すると、Ｃ帯の信号光の増幅にはコアを１本、Ｌ帯の信号光の増幅にはコアを４〜８本（２〜４往復）程度用いる。

図５に、信号増幅用光ファイバのファイバ長と信号利得の関係を示す。Ｌ帯の信号光の増幅にはコアを何本用いるかは、信号増幅用光ファイバのファイバ諸元に依存するので、カットオフ波長、比屈折率差、コア径、モードフィールド直径、Ｅｒ吸収係数等が異なる光ファイバを作製して、これら関係を導出した。図５は、モードフィールド直径：５．５μｍ、カットオフ波長：１４１０ｎｍ、Ｅｒ吸収係数（波長：１５３０ｎｍ）：１３ｄＢを有する信号増幅用光ファイバにおいて、ファイバ長（コア長）と、Ｃ帯及びＬ帯の信号利得の関係を示している。

信号増幅用光ファイバの長さを５．４ｍとし、コアを１本に設定すると、Ｃ帯の信号光の増幅では、２３ｄＢの信号利得を実現できる。Ｌ帯の信号光の増幅においても、同じ信号利得２３ｄＢを得るためには、ファイバの長さをおよそ３０ｍ、すなわちコアを６本接続すればよいことがわかる。

図６に、実施例１にかかるマルチコア光ファイバ増幅器を示す。７つの信号光に、それぞれ励起光を合波する励起光合波部１０５-１〜１０５-７と、光ファイバ入力部１０２と、Ｅｒイオンを添加したマルチコア伝送用の信号増幅用光ファイバ１０１と、光ファイバ出力部１０３と、出力切替部１０４とが縦続接続されている。

図７に、実施例１にかかる励起光合波部を示す。励起光合波部１０５は、励起光レーザとその駆動回路からなる励起光光源１５２から出力された励起光と、信号光とを合波する合波器１５３を有する。合波器１５３の信号光を入力するポートには、光アイソレータ１５１が接続されている。実施例１では、励起光レーザとして１４８０ｎｍ帯半導体レーザを用いる。

光ファイバ１０１は、２１本のコアを有し、３本を一組として、１つの信号光に割り当てる。光ファイバ１０１のコアは、モードフィールド直径：５．５μｍ、カットオフ波長：１４１０ｎｍ、Ｅｒ吸収係数（波長：１５３０ｎｍ）：１３ｄＢを有する。

光ファイバ入力部１０２は、光回路１２１-１〜１２１-７を含む。各々の光回路１２１は、４つのポートＩＣＸ、ＩＯＸ、ＩＰＸ０、ＩＰＸ１（Ｘは、入射光Ｘに対応する整数を示す。実施例１では、Ｘは１〜７の整数）を有し、ポートＩＣＸとＩＯＸとが接続され、ポートＩＰＸ０とＩＰＸ１とが接続されている。励起光合波部１０５の出力がポートＩＣＸに接続され、ポートＩＯＸ、ＩＰＸ０、ＩＰＸ１が、図示したように、光ファイバ１０１の３本のコアに接続されている。各接続部の接続損失は、信号光と励起光の両者に対して０．３ｄＢ以下である。

光ファイバ出力部１０３は、光回路１３１-１〜１３１-７を含む。各々の光回路１３１は、５つのポートＯＣＸ、ＯＳＸ０、ＯＳＸ１、ＯＰＸ０、ＯＰＸ１（Ｘは、入射光Ｘに対応する整数を示す。実施例１では、Ｘは１〜７の整数）を有し、ポートＯＰＸ０とＯＰＸ１とが接続されている。ポートＯＣＸは、１×２光スイッチの入力ポートに対応し、ポートＯＳＸ０とＯＳＸ１とは、１×２光スイッチの出力ポートに対応する。ポートＯＣＸ、ＯＳＸ１、ＯＰＸ１とは、図示したように、光ファイバ１０１の３本のコアに接続されている。

出力切替部１０４は、２×１光スイッチ１４１-１〜１４１-７を含む。各々の光スイッチ１４１は、ポートＯＴＸ０、ＯＴＸ１、ＯＯＸ（Ｘは、入射光Ｘに対応する整数を示す。実施例１では、Ｘは１〜７の整数）を有し、ポートＯＴＸ０とＯＴＸ１とが入力ポートに対応し、ポートＯＯＸは出力ポートに対応する。また、ポートＯＴＸ０とＯＴＸ１とが、光アイソレータ１４２を介して、光ファイバ出力部１０３のポートＯＳＸ０とＯＰＸ１とにそれぞれ接続されている。

また、光ファイバ出力部１０３の１×２光スイッチと２×１光スイッチ１４１の挿入損失は、信号光と励起光の両者に対して０．５ｄＢ以下であり、各接続部の接続損失は０．３ｄＢ以下である。

実施例１では、光ファイバ出力部１０３と出力切替部１０４の光スイッチを切り替えることにより、Ｃ帯とＬ帯の両帯域で動作する光増幅器を実現する。例えば、Ｃ帯の７組の信号光（ｎ＝７、ｎは１以上の整数）を増幅する時は、光ファイバ出力部１０３の１×２光スイッチのＯＣＸとＯＳＸ０とを接続状態に、出力切替部１０４の２×１光スイッチ１４１のＯＴＸ０とＯＯＸを接続状態にする。各々の信号光は、光ファイバ１０１の１本のコア（７（＝ｎ）×１＝計７本）を用いて増幅される。

一方、Ｌ帯の７組の信号光（ｍ＝７、ｍは１以上の整数）を増幅する時は、光ファイバ出力部１０３の１×２光スイッチのＯＣＸとＯＳＸ１を接続状態に、出力切替部１０４の２×１光スイッチ１４１のＯＴＸ１とＯＯＸを接続状態にする。各々の信号光は、光ファイバ１０１の３本のコア１（７（＝ｍ）×３（＝ｃ）＝計２１本、ｃは２以上の整数）を用いて増幅される。

図８に、実施例１のマルチコア光ファイバ増幅器の増幅特性示す。図６に示したマルチコア光ファイバ増幅器の入力光１に、Ｃ帯の信号光とＬ帯の信号光とを入力した場合の特性を示す。光ファイバ１０１のファイバ長は４０ｍ、コア部は、Ａｌ／Ｅｒを共添加した石英であり、Ｅｒ濃度は１３１０ｐｐｍ、Ａｌ濃度は４．２ｗｔ％である。カットオフ波長は１．１３μｍ、比屈折率差Δｎは１．８％である。励起光の波長は１４８０ｎｍ、入力光１の信号強度は−３０ｄＢｍである。

図の○印は、Ｃ帯（１５２５〜１５６５ｎｍ）の信号光を入力し、Ｃ帯の信号光を増幅するように光ファイバ出力部１０３と出力切替部１０４の光スイッチを切り替えた場合である。励起光のパワー５０ｍＷのとき２５ｄＢの信号利得を得ている。図の△印は、Ｌ帯（１５６５〜１６１５ｎｍ）の信号光を入力し、Ｌ帯の信号光を増幅するように光ファイバ出力部１０３と出力切替部１０４の光スイッチを切り替えた場合である。励起光のパワー１００ｍＷのとき１５ｄＢの信号利得を得ている。このように、Ｃ帯とＬ帯の信号光の増幅を共通の１本の光ファイバにより実現することができる。また、入力光２〜７に対しても同様の結果を得ることができた。

実施例２では、実施例１で用いた１のＥｒイオンを添加したマルチコア伝送用の信号増幅用光ファイバ１０１の代わりに、Ｅｒを添加した単一のコアを有する信号増幅用光ファイバを複数本（２１本）束ねて構成した光ファイバを用いた。その他の構成は、実施例１と同じである。

単一コアを有する信号増幅用光ファイバのファイバ長は４１ｍ、コア部は、Ａｌ／Ｅｒ共添加石英であり、Ｅｒ濃度は１３００ｐｐｍ、Ａｌ濃度は４．２ｗｔ％である。カットオフ波長は１．１３μｍ、Δｎは１．７％である。励起光の波長は１４８０ｎｍ、入力光１の信号強度は−３０ｄＢｍである。

実施例１の場合と同様の条件にて、Ｃ帯の信号光とＬ帯の信号光を入力したとき、実施例１と同程度の信号利得を得ている。このように、実施例２の場合も、Ｃ帯とＬ帯の信号光の増幅を共通の１本の光ファイバにより実現することができる。

図９に、実施例３にかかるマルチコア光ファイバ増幅器を示す。実施例３では、Ｃ帯の複数組の信号光とＬ帯の複数組の信号光とが混在する場合を示す。Ｅｒイオンを添加したマルチコア伝送用の信号増幅用光ファイバ２０１は、１３本のコアを有している。６つの信号光（入力光１〜６）に、それぞれ励起光を合波する励起光合波部２０２−１〜２０２−６と、光ファイバ２０１の６本のコアと、励起光合波部２０３−１〜２０３−６とが縦続接続されている。励起光合波部２０２の構成は、図７に示した励起光合波部１０５と同じであり、光ファイバ２０１に対して、いわゆる前方励起を行う。

図１０に、実施例３にかかる励起光合波部を示す。励起光合波部２０３は、励起光レーザとその駆動回路からなる励起光光源２３２から出力された励起光と、信号光とを合波する合波器２３３を有する。合波器２３３の信号光を出力するポートには、光アイソレータ２３１が接続されている。実施例１では、励起光レーザとして１４８０ｎｍ帯半導体レーザを用いる。励起光合波部２０３は、光ファイバ２０１に対して、いわゆる後方励起を行う。

入力光７は、Ｃ帯の信号光とＬ帯の信号光とが波長多重された信号光であり、Ｃ帯／Ｌ帯合分波フィルタ２０４で分波した後、励起光合波部２０２−７−１〜２０２−７−２に接続される。Ｃ帯の信号光は、光ファイバ２０１のコア１本を使い、励起光合波部２０３−７−１に接続される。Ｌ帯の信号光は、光ファイバ２０１のコア６本を使い、励起光合波部２０３−７−２に接続される。増幅された信号光は、Ｃ帯／Ｌ帯合分波フィルタ２０５で合波された後、出力光７として出力される。

励起光合波部２０２、２０３の励起光レーザとしては、１４８０ｎｍ帯半導体レーザを用いる。光ファイバ２０１のコアは、モードフィールド直径：５．５μｍ、カットオフ波長：１４１０ｎｍ、Ｅｒ吸収係数（波長：１５３０ｎｍ）：１３ｄＢを有する。ファイバ長は５．４ｍである。

図１１に、実施例３のマルチコア光ファイバ増幅器の増幅特性を示す。マルチコア光ファイバ増幅器の出力スペクトルを、光スペクトラムアナライザ（波長分解能０．２ｎｍ）により測定した結果である。図９に示したマルチコア光ファイバ増幅器の入力光７に、Ｃ帯とＬ帯の波長多重とを入力した場合の特性を示す。図に示すように、Ｃ帯とＬ帯の信号光がともに、所定の増幅度で増幅されていることがわかる。

また、実施例３で用いた光ファイバ２０１の代わりに、Ｅｒを添加した単一のコアを有する信号増幅用光ファイバを複数本（１３本）束ねて構成した光ファイバを用いる。この場合も、実施例３と同様に、Ｃ帯とＬ帯の信号光の増幅を共通の１本の光ファイバにより実現することができる。

１，４，１１，１３，１０１，２０１ 光ファイバ
２，５，１２，１４ コア
３ マーカ
１５，１６，２０４，２０５ Ｃ帯／Ｌ帯合分波フィルタ
１０２ 光ファイバ入力部
１０３ 光ファイバ出力部
１０４ 出力切替部
１２１，１３１ 光回路
１４１ 光スイッチ
１０５，２０２，２０３ 励起光合波部
１５１，２３１ 合波器
１５２，２３２ 励起光光源
１４２，１５３，２３３ 光アイソレータ

Claims (5)

1. エルビウム（Ｅｒ）を添加した複数のコアを有するマルチコア伝送用の信号増幅用光ファイバと、
   前記光ファイバのコアの各々に信号光と励起光とを入力する励起合波部と、
   ｎ個（ｎは１以上の整数）の信号光を前記光ファイバのｎ本のコアを用いて増幅し、波長帯域の異なるｍ個（ｍは１以上の整数）の信号光を前記光ファイバのｍ×ｃ本（ｃは２以上の整数）のコアを用いて増幅するように、ｎ＋ｍ個の入力光をｎ＋（ｍ×ｃ）本のコアに接続する入力部と、
   前記光ファイバのｎ＋（ｍ×ｃ）本のコアから、ｎ＋ｍ個の出力光を選択する出力部と を備えたことを特徴とするマルチコア光ファイバ増幅器。
2. エルビウム（Ｅｒ）を添加したコアを有する複数の信号増幅用光ファイバと、
   前記光ファイバの各々に信号光と励起光とを入力する励起合波部と、
   ｎ個（ｎは１以上の整数）の信号光をｎ本の光ファイバを用いて増幅し、波長帯域の異なるｍ個（ｍは１以上の整数）の信号光をｍ×ｃ本（ｃは２以上の整数）の光ファイバを用いて増幅するように、ｎ＋ｍ個の入力光をｎ＋（ｍ×ｃ）本の光ファイバに接続する入力部と、
   前記ｎ＋（ｍ×ｃ）本の光ファイバから、ｎ＋ｍ個の出力光を選択する出力部と
   を備えたことを特徴とするマルチコア光ファイバ増幅器。
3. 前記ｎ個の信号光の少なくとも１つと前記ｍ個の信号光の少なくとも１つとが、波長多重されており、前記入力部および前記出力部は、波長帯域を合分波する光学回路を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のマルチコア光ファイバ増幅器。
4. 前記信号増幅用光ファイバのコアに添加するＥｒの添加濃度が均一であることを特徴とする請求項１、２または３に記載のマルチコア光ファイバ増幅器。
5. 前記ｎ個の信号光は、Ｃ帯（１５２５〜１５６５ｎｍ）の信号光であり、前記ｍ個の信号光は、Ｌ帯（１５６５〜１６１５ｎｍ）の信号光であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のマルチコア光ファイバ増幅器。