JP2015026742A

JP2015026742A - 光増幅器

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Publication number: JP2015026742A
Application number: JP2013156018A
Authority: JP
Inventors: 雅樹和田; Masaki Wada; 泰志坂本; Yasushi Sakamoto; 崇嘉森; Takayoshi Mori; 山本　貴司; Takashi Yamamoto; 貴司山本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: JP6023020B2

Abstract

【課題】増幅器構成が簡易、且つ励起光の損失が小さいながら各伝搬モードの利得調整が可能な光増幅器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る光増幅器は、複数Ｎ個の伝搬モードの信号光を伝送する希土類元素の添加された増幅用光ファイバと、増幅用光ファイバを励起する励起光を発生させる励起用光源と、励起光を信号光に合波する合波器とを備えるマルチモード光増幅器において、信号光のＮ個の伝搬モードをそれぞれ異なる伝搬モードに排他的に変換するモード変換器を増幅用光ファイバの途中に設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マルチモード伝送における光増幅器に関するものである。

近年、サービスの多様化によりインターネットトラヒックは未だ増加し続けており、伝送速度の高速化や波長分割多重（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）技術による波長多重数の増加により飛躍的に伝送容量を伸ばしてきた。また近年、検討が盛んに行われているデジタルコヒーレント技術によって更なる伝送容量の拡大が予想されている。デジタルコヒーレント伝送システムでは多値位相変調信号を用いることにより周波数利用効率を向上させてきたが、より高い信号雑音比が必要となってくる。しかし従来のシングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅｍｏｄｅｆｉｂｅｒ，ＳＭＦ）を用いた伝送システムでは、理論的な限界に加え非線形効果に起因する入力パワー制限のため伝送容量は１００Ｔｂｉｔ／ｓｅｃを境に飽和することが予想されており、更なる大容量化は困難となってきている。

今後さらに伝送容量を増やしていくためには革新的な伝送容量拡大を実現する媒体が必要とされている。そこで、光ファイバ中の複数の伝搬モードをチャネルとして用いることで信号雑音比と空間利用効率の向上が期待できるマルチモードファイバ（ＭＭＦ：ＭｕｌｔｉＭｏｄｅＦｉｂｅｒ）を用いたモード多重伝送が注目を集めている。これまでファイバ中を伝搬する高次のモードは信号劣化の要因であったが、デジタル信号処理や合分波技術などの発展で積極的な利用が検討されている（例えば、非特許文献１，２を参照）。

ＭＭＦを用いた伝送容量の拡大はここ数年で目覚ましく、３モードファイバを用いたＤＰ−ＱＰＳＫ方式で２６．４Ｔｂｐｓまで達している（例えば、非特許文献３を参照。）。

またマルチモード伝送の長距離化に向けた検討も行われており、Ｅｒ^３＋添加型光増幅器を用いた基本モードのＬＰ０１モードと第四高次モードであるＬＰ０２モードの増幅に関する報告がなされている（例えば、非特許文献４を参照。）。

マルチモード伝送の長距離化を行う上で、すべてのモードの伝送品質を保つためには光増幅器において各モードの利得の調整が必須となる。各モードの利得は、増幅用光ファイバに入射する励起光の電界分布・希土類元素添加分布により決まる励起元素数分布と信号光の電界分布の重なりによって決定する。現在、増幅用ファイバの希土類元素添加領域はコア全体に希土類元素を添加するステップインデックス型構造とコアの中心部のみに希土類元素を添加するセンタードープ型構造の２つが主な構造である。しかし高次モードの利得を考慮に入れる必要がある多モード伝送用の増幅用光ファイバでは非特許文献４のように利得の調整のため異なる２本のＥＤＦを直列に接続し伝搬モード毎の利得調整を行う方法や希土類添加分布をファイバコアのエッジに多くドープするような構造が提案されている（例えば、非特許文献５を参照。）。

現状の報告では励起光を光増幅用ファイバへ入射する際に軸ずれ励振する方法（例えば、非特許文献６を参照。）や位相フィルタを用いて励起光を任意のモードへ変換し光増幅用ファイバへ入射することで伝搬モード毎の利得調整をする方法が提案されている（例えば、非特許文献７を参照。）。

Ｎ．Ｈａｎｚａｗａｅｔａｌ．，"ＤｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｏｆＭｏｄｅ−ＤｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＯｖｅｒ１０ｋｍＴｗｏ−ｍｏｄｅＦｉｂｅｒｗｉｔｈＭｏｄｅＣｏｕｐｌｅｒ" ＯＦＣ２０１１，ｐａｐｅｒＯＷＡ４Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏｅｔａｌ．，"ＭｏｄａｌＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒＬｏｎｇ−ｈａｕｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｖｅｒＦｅｗ−ｍｏｄｅＦｉｂｅｒｗｉｔｈＳＩＭＯＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ" ＥＣＯＣ２０１１，Ｗｅ．１０．Ｐ１．８２Ｅ．Ｉｐｅｔａｌ，"８８ｘ３ｘ１１２−Ｇｂ／ｓＷＤＭＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏ−ｎｏｖｅｒ５０ｋｍｏｆＴｈｒｅｅ−ＭｏｄｅＦｉｂｅｒｗｉｔｈＩｎｌｉｎｅＦｅｗ−ＭｏｄｅＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ" ＥＣＯＣ２０１１，ｐａｐｅｒＴｈ．１３．Ｃ．２Ｍ．Ｓａｌｓｉｅｔａｌ．"ＡＳｉｘ−ＭｏｄｅＥｒｂｉｕｍ−ＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ" ＥＣＯＣ２０１２ｐａｐｅｒＴｈ．３．Ａ．６Ｍ．Ｓａｌｓｉｅｔａｌ．"Ｉｎ−ｌｉｎｅＦｅｗ−ＭｏｄｅＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒｗｉｔｈＥｒｂｉｕｍＰｒｏｆｉｌｅＴｕｎｅｄｔｏＳｕｐｐｏｒｔＬＰ０１，ＬＰ１１ａｎｄＬＰ２１ＭｏｄｅＧｒｏｕｐｓ" ＥＣＯＣ２０１２Ｔｕ．３．Ｆ．１Ｙ．Ｙｕｎｇｅｔａｌ．"Ｆｉｒｓｔｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｍｏｄｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｆｏｒｓｐａｔｉａｌｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ" ＥＣＯＣｐａｐｅｒＴｈ．１３．Ｋ．４ＮｅｎｇＢａｉｅｔａｌ．"Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅｆｉｂｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｗｉｔｈｔｕｎａｂｌｅｍｏｄａｌｇａｉｎｕｓｉｎｇａｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅｍｕｌｔｉｍｏｄｅｐｕｍｐ" ＯＰＴＩＣＳＥＸＰＲＥＳＳＶｏｌ．１９，Ｎｏ．１７，２０１１Ｓ．Ｓａｖｉｎ他，"Ｔｕｎａｂｌｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙｉｎｄｕｃｅｄｌｏｎｇ−ｐｅｒｉｏｄｆｉｂｅｒｇｒａｔｉｎｇｓ" ＯＰＴＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１０，２０００

しかしながら、非特許文献５の技術では、複雑な希土類添加分布を有するファイバの使用や、複数本の異なる希土類添加分布を有する増幅用ファイバの接続が必要であり増幅器構成が複雑化する課題がある。また、非特許文献６の技術では、励起光をモード変換する素子を組み込むことで増幅器構成が複雑化する、あるいは励起光の損失が増大する可能性があるという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するために、増幅器構成が簡易、且つ励起光の損失が小さいながら各伝搬モードの利得調整が可能な光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、本発明は、少なくとも１種類の希土類添加増幅用ファイバと少なくとも１つの励起光源を用い、増幅用ファイバの途中に配置されたモード変換器により信号光の伝搬モードを循環的に変換することとした。

具体的には、本発明に係る光増幅器は、
入力された互いに異なる伝搬モードであるＮ個の信号光を励起光を用いて増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバに設置され、前記増幅用光ファイバにおいてぞれぞれの前記信号光が順に全ての伝播モードで増幅されるように前記信号光の伝搬モードをそれぞれ異なる伝搬モードに排他的に変換し、最後の変換で前記増幅用光ファイバへの入力時の伝搬モードに戻すＮ個のモード変換器と、
前記励起光を出力する励起用光源と、
Ｎ個の前記信号光と前記励起光を合波し、前記光増幅器の前記増幅用光ファイバに結合する合波器と、
を備える。

本光増幅器は、各光信号の伝搬モードをモード変換器毎に順次変換し、全ての伝搬モードで光増幅する。本光増幅器は、モード変換器の配置位置を調整することで入力される各伝搬モードの信号光の利得調整が可能である。また、本光増幅器は、励起モードが１つで良いため増幅器の構成を簡易にすることができ、励起光の損失も小さくすることができる。従って、本発明は、増幅器構成が簡易、且つ励起光の損失が小さいながら各伝搬モードの利得調整が可能な光増幅器を提供することができる。

本発明に係る光増幅器の前記モード変換器は、等間隔で前記増幅用光ファイバに配置されていることを特徴とする。本光増幅器は、入力される各伝播モードの信号光の利得を均等化することができる。

本発明に係る光増幅器の前記モード変換器は、所定の間隔で前記増幅用光ファイバに配置されていることを特徴とする。本光増幅器は、入力される各伝播モードの信号光の利得を要求に応じて調整することができる。

本発明に係る光増幅器の前記モード変換器は、前記励起光の伝搬モードを前記増幅用光ファイバへの入力時の伝搬モードに維持することを特徴とする。

本発明は、増幅器構成が簡易、且つ励起光の損失が小さいながら各伝搬モードの利得調整が可能な光増幅器を提供することができる。

本発明に係る光増幅器を説明する図である。本発明に係る光増幅器（４モード時）の動作を説明する図である。本発明に係る光増幅器（４モード時）のモード変換手法を説明する図である。

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。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
前述のようにマルチモードの光増幅器では利得の等化が必須となる。図１は、利得等化を実現する光増幅器１００の構成を説明する図である。光増幅器１００は、利得調整機能を付与した増幅用ファイバ１５０と、励起光を出力する励起用光源１０と、Ｎ個の信号光と励起光を合波し、増幅用光ファイバ３０に結合する合波器２０と、を備える。利得調整機能を付与した増幅用ファイバ１５０は、入力された互いに異なる伝搬モードであるＮ個の信号光を励起光を用いて増幅する増幅用光ファイバ３０と、増幅用光ファイバ３０に設置され、増幅用光ファイバ３０においてぞれぞれの信号光が順に全ての伝播モードで増幅されるように信号光の伝搬モードをそれぞれ異なる伝搬モードに排他的に変換し、最後の変換で増幅用光ファイバ３０への入力時の伝搬モードに戻すＮ個のモード変換器４０と、を備える。

光増幅器１００は、多モードファイバ５中を伝搬されてきたＮモードを有する信号光と励起光が合波器２０（合波用光カプラ）で合波され増幅用光ファイバ３０に入射される。増幅用光ファイバ３０において、入射された信号光は、励起光で反転分布状態になった希土類元素を媒体に生じた誘導放出で光増幅され、出射される。また必要に応じて光増幅器１００での発振を防ぐため光アイソレータ５０が配置される。

本実施形態では各伝搬モードにおいて利得の等化を行うため、増幅用ファイバ３０をモード数と同じ数で等分割し、それぞれの分割点にモード変換器４０を設置する。図２にモード数が４の例を示す。各伝搬モード毎に電界分布が異なるため、伝搬モード毎に利得の違いが生じる。ここで、モード変換器４０を設置しないときにＬＰ０１モードの信号光を増幅用ファイバ３０に伝搬させたときの利得をＧ１、ＬＰ１１モードの信号光の利得をＧ２、ＬＰ２１モードの信号光の利得をＧ３、ＬＰ０２モードの信号光の利得をＧ４とする。Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４の単位はｄＢである。

等分割点毎にモード変換器４０を設置すると、モード変換器４０−１においてＬＰ０１モードからＬＰ１１モードへ変換され、モード変換器４０−２、モード変換器４０−３にてそれぞれＬＰ２１、ＬＰ０２モードへ変換され、増幅用ファイバ３０の終端のモード変換器４０−４において元のＬＰ０１モードに変換される。ＬＰ０１モード以外のモードにおいても同様に循環的にモード変換を行う。循環的にモード変換を行うことにより、全てのモードの利得が１／｛４（Ｇ１＋Ｇ２＋Ｇ３＋Ｇ４）｝と均等になる。なお、各モード変換器４０は、励起光のモードを変換せず、増幅用ファイバ３０入射時の励起光のモードを維持しているとする。

モード変換器４０は、例えば、長周期グレーティング（ＬＰＧ；ＬｏｎｇＰｅｒｉｏｄＧｒａｔｉｎｇ）を用いる手法が考えられる。ＬＰＧにおいては特定の波長λにおいて２つのモード間の実行屈折率差に応じた屈折率揺らぎによって伝搬してきた信号光を異なる伝搬モードへ変換することができる。モード変換するためのグレーティングの間隔Λは非特許文献８に示されるように、以下の式で表せる。式のｎ_１とｎ_２はそれぞれ波長λにおける変換する２つのモードにおける実効屈折率を示している。この実効屈折率ｎ_１とｎ_２は光ファイバの構造パラメータ、波長、及びモードの次数により決定する。信号光と励起光の波長は異なるため、ＬＰＧは励起光のモード変換を行わない。

なお、ＬＰＧを用いる場合は、各分割点において必要となるモード変換数だけＬＰＧが必要となる。例えば、モード数が４の場合、図３に示すように、各モード変換器４０は、モードを循環的に変換するために３個のＬＰＧを有する。先頭のＬＰＧ１は、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードを変換する。続くＬＰＧ２は、ＬＰ０１モードとＬＰ２１モードの変換、最後のＬＰＧ３は、ＬＰ０１モードとＬＰ０２モードの変換を行う。図３のような構成で図２のモード変換器４０−１のモード変換が実現できる。

このようなモード変換を３か所のモード変換器（４０−１、４０−２、４０−３）で行い、増幅用ファイバ３０終端のモード変換器４０−４で入射時のモードへ変換することで、光増幅器１００は各モードの利得を等化できる。またモード数が４以外の場合においても同様にモード変換を行うことで利得の等化を行うことが可能である。

（実施形態２）
実施形態１では増幅用ファイバ３０を等間隔に分割してモード変換を行ったため、各伝搬モードが得られる利得は同じ値であった。本実施形態では、所望の特性に応じモード毎の利得を調整する手法を説明する。具体的には、モード変換器４０の設置間隔を変えることで各伝搬モードの利得を違えることができる。

例えば、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２モードの４つのモードが伝搬する場合で説明する。モード変換器４０を設置する増幅用ファイバ３０の分割点の分岐比をａ：ｂ：ｃ：ｄとする。このとき、
ＬＰ０１モードの利得はａ×Ｇ１＋ｂ×Ｇ２＋ｃ×Ｇ３＋ｄ×Ｇ４、
ＬＰ１１モードの利得はａ×Ｇ２＋ｂ×Ｇ３＋ｃ×Ｇ４＋ｄ×Ｇ１、
ＬＰ２１モードの利得はａ×Ｇ３＋ｂ×Ｇ４＋ｃ×Ｇ１＋ｄ×Ｇ２、
ＬＰ０２モードの利得はａ×Ｇ４＋ｂ×Ｇ１＋ｃ×Ｇ２＋ｄ×Ｇ３、
と表すことができる。本実施形態の光増幅器１００は、ａ、ｂ、ｃ、ｄの比を任意の値に設定することでモード毎の利得調整が可能である。

本発明は、光増幅器であり、複数のモードを用いた伝送において伝搬モード毎の利得調整および伝送距離の長延化を実現する。

［付記］
以下は、本実施形態の光増幅器を説明したものである。
（１）：
Ｎモード伝送可能な希土類元素の添加された増幅用光ファイバと、
前記増幅用ファイバを励起するための励起用光源と、
前記Ｎ個のモードを有する信号光と励起光を合波する合波器と、
前記増幅用光ファイバに設置することの出来るＮ個の伝搬モードをそれぞれ異なる伝搬モードに排他的に変換するモード変換器、
を備えることを特徴とする光増幅器。

（２）：
前記増幅用光ファイバ伝搬中に、等間隔にモード変換器を配置し、
信号光においては、各々の伝搬モードがその他すべての伝搬モードに変換されることで伝搬モードのモード毎の利得等化を行った後、増幅用ファイバ終端にて入射時のモードへ変換され、
励起光に関しては、増幅用ファイバ入射時のモードを維持する
ことを特徴とする上記（１）に記載の光増幅器。

（３）：
前記増幅用光ファイバ伝搬中に、所定の間隔にモード変換器を配置し
信号光においては各々の伝搬モードがその他の伝搬モードへ変換されることで利得調整を行い、増幅用ファイバ終端にて入射時のモードへ変換され
励起光に関しては、増幅用ファイバ入射時のモードを維持する
ことを特徴とする上記（１）に記載の光増幅器。

（４）：
前記モード変換器が長周期グレーティングで構成される
ことを特徴とする上記（１）に記載の光増幅器。

本発明によれば、複数の伝搬モードを用いた伝送において伝送距離を拡大する効果を有する。本発明によれば、マルチモード光増幅器において、伝搬モード毎の利得が希土類添加分布に依らないため増幅用ファイバの設計が簡易となる効果を有する。本発明によれば、励起モードが１つで良いため増幅器の構成を簡易にする効果を有する。

５：Ｎモード伝送用光ファイバ
１０：励起用光源
２０：光カプラ
３０：増幅用光ファイバ
４０：モード変換器
５０：アイソレータ
１００：光増幅器
１５０：利得調整機能を付与した増幅用ファイバ

Claims

入力された互いに異なる伝搬モードであるＮ個の信号光を励起光を用いて増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバに設置され、前記増幅用光ファイバにおいてぞれぞれの前記信号光が順に全ての伝播モードで増幅されるように前記信号光の伝搬モードをそれぞれ異なる伝搬モードに排他的に変換し、最後の変換で前記増幅用光ファイバへの入力時の伝搬モードに戻すＮ個のモード変換器と、
前記励起光を出力する励起用光源と、
Ｎ個の前記信号光と前記励起光を合波し、前記光増幅器の前記増幅用光ファイバに結合する合波器と、
を備える光増幅器。
前記モード変換器は、等間隔で前記増幅用光ファイバに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
前記モード変換器は、所定の間隔で前記増幅用光ファイバに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
前記モード変換器は、前記励起光の伝搬モードを前記増幅用光ファイバへの入力時の伝搬モードに維持することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光増幅器。