JP2017045967A

JP2017045967A - 光ファイバ増幅器

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Publication number: JP2017045967A
Application number: JP2015169814A
Authority: JP
Inventors: 浩孝小野; Hirotaka Ono; 誠山田; Makoto Yamada; 浩次増田; Koji Masuda
Original assignee: Shimane University; Nippon Telegraph and Telephone Corp; Osaka University NUC; Osaka Prefecture University
Current assignee: Shimane University; Nippon Telegraph and Telephone Corp; Osaka University NUC; Osaka Prefecture University
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-08-28
Also published as: JP6161170B2

Abstract

【課題】モード間利得差を小さくした光ファイバ増幅器を提供する。
【解決手段】複数のモードを有する信号光を増幅する光ファイバ増幅器であって、信号光の波長において高次モードが安定したモードである増幅用ファイバと、偏波状態の異なる２つの励起光源と、２つの励起光源の出力光を偏波合成する偏波合成器と、増幅用ファイバの前後に設けられ信号光と偏波合成された励起光を合波または分波する合分波器と、を有することを特徴とする光ファイバ増幅器とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、マルチモード光伝送で用いられる光ファイバ増幅器に関する。

通信サービスの高速化・大容量化に起因する幹線系光伝送システムで伝送されるトラフィックの爆発的な増大に対して、光伝送システムの伝送容量を飛躍的に増大する技術の一つとしてモード多重光伝送技術の研究が近年急速に進んでいる。モード多重光伝送とは、複数の異なる光伝播モードの光信号を１本の伝送用光ファイバで多重伝送する技術であり、これを利用した長距離モード多重光伝送システムでは、光信号の中継のため、複数の異なる光伝播モードの信号を含む信号光を１本の増幅用ファイバで増幅するマルチモード光ファイバ増幅器が必要となり、その研究開発が進められている（非特許文献１）。

E. Ip. et al., "88 × 3 × 112-Gb/s WDM transmission over 50 km of three-mode fiber with inline few-mode fiber amplifier," in The 37th European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC 2011) Technical Digest, PDP, Th.13.C.2. Y. Jung, et al., "First demonstration and detailed characterization of a multimode amplifier for space division multiplexed transmission systems," Optics Express, vol. 19, no. 26, pp. B952-957, 2011. R. N. Mahalati, et al., "Adaptive modal gain equalization techniques in multi-mode erbium-doped fiber amplifiers," IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 32, no. 11, pp. 2133-2143, 2014. H. Ono, et al., "Improvement of differential modal gain in few-mode fibre amplifier by employing ring-core erbium-doped fibre," Electronics Letters, vol. 51, no. 2, pp. 172-173, 2015. P. Wysocki, et al., "Polarization dependent gain in erbium-doped fiber amplifiers: computer model and approximate formulas," IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 14, no. 4, pp. 572-584, 1996. 五十嵐浩司他、「位相板を用いた１０モードファイバのモード励振シミュレーション」、２０１４年電子情報通信学会総合大会、Ｂ−１０−６２、通信講演論文集２、ｐｐ．４３０、２０１４／３／１８〜２１．

マルチモード光ファイバ増幅器では、各伝播モードの光信号間における増幅率（利得）の差、すなわちモード間利得差が課題となる。これは、モード間利得差がある光ファイバ増幅器を多中継光ファイバ伝送へ適用すると、光中継のたびにモード間の光パワーに差が生じて累積する結果、受信端においてモード間で光信号対雑音比（光ＳＮＲ）に大きな差が生じ、モード間で伝送特性が異なる状況が発生するためである。マルチモード光ファイバ増幅器のモード間利得差を小さくする方法として、主に以下の方法が検討されている。
１．増幅用ファイバのコアに添加する増幅用添加イオン（例えばエルビウムイオン）の分布を、信号光のモードを考慮して決定する（非特許文献２）。
２．信号光のモードを考慮して光増幅に用いる励起光のモードパワー分布を調節し、増幅用ファイバに入力する（非特許文献３）。
３．増幅用ファイバのコアをリング型屈折率分布とする（非特許文献４）。

各文献に示されているように、それぞれの方法においてモード間利得差低減が実証されている。

しかしながらこれらの方法は、増幅用ファイバコアのパラメータ（例えば、屈折率、コア直径、増幅イオン添加濃度など）のファイバ光軸断面内における方位角依存性がないことを前提としており、実際の増幅用ファイバにおいては、コアのパラメータのファイバ方位角依存性が全くなくなるようにファイバを製造することは困難であるため、コアのパラメータのファイバ方位角依存性に起因するモード間利得差が残留することになる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、モード間利得差を低減したマルチモード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、以下のような構成を備えることを特徴とする。

（発明の構成１）
複数のモードを有する信号光を増幅する光ファイバ増幅器であって、
前記信号光の波長において高次モードが安定したモードである増幅用ファイバと、
励起光を出力する２つの励起光源と、
前記２つの励起光源の出力する励起光を偏波合成する偏波合成器と、
前記増幅用ファイバの前後に設けられ、前記信号光と前記偏波合成された励起光を合波または分波する合分波器と、
を有することを特徴とする光ファイバ増幅器。

（発明の構成２）
前記偏波合成された励起光のモードを変換するモード変換器であって、前記信号光の複数のモードのうちいずれか同じモードに励起光を変換するモード変換器を有する
ことを特徴とする発明の構成１記載の光ファイバ増幅器。

（発明の構成３）
前記偏波合成された励起光のモードを変換するモード変換器であって、前記信号光の複数のモードのうちいずれとも異なるモードに励起光を変換するモード変換器を有する
ことを特徴とする発明の構成１記載の光ファイバ増幅器。

（発明の構成４）
発明の構成１〜３のいずれか１項記載の光ファイバ増幅器であって、
前記増幅用ファイバの信号光入力側の合分波器からのみ前記偏波合成された励起光を入力し、
信号光出力側の合分波器の励起光分波側の出力ファイバを終端した、前方励起構成の光ファイバ増幅器。

（発明の構成５）
発明の構成１〜３のいずれか１項記載の光ファイバ増幅器であって、
前記増幅用ファイバの信号光入力側の合分波器および信号光出力側の合分波器の両方から前記偏波合成された励起光を入力した、双方向励起構成の光ファイバ増幅器。

（発明の構成６）
発明の構成１〜３のいずれか１項記載の光ファイバ増幅器であって、
前記増幅用ファイバの信号光出力側の合分波器からのみ前記偏波合成された励起光を入力し、
信号光入力側の合分波器の励起光分波側の出力ファイバを終端した、後方励起構成の光ファイバ増幅器。

以上記載したように、本発明によれば、モード間利得差を低減したマルチモード光ファイバ増幅器を提供することが可能となる。

従来例のマルチモード光ファイバ増幅器を示す図である。本願発明の第１実施形態の光ファイバ増幅器を示すブロック図である。第１実施形態と従来形態の光ファイバ増幅器のモード間利得差を示す図である。本願発明の第１実施形態の変形例の光ファイバ増幅器を示すブロック図である。本願発明の第２実施形態の光ファイバ増幅器のモード間利得差を示す図である。本願発明の第３実施形態の光ファイバ増幅器を示すブロック図である。

（本発明の主要な特徴）
上記の課題を解決するため本発明の光ファイバ増幅器は、以下を主要な特徴とする。
（１）信号光波長においてＬＰ₁₁モード以上の高次モードが安定した伝搬モードである増幅用ファイバ備えること。
（２）さらに、励起光の条件が少なくとも以下のいずれかであること。
ｉ偏光度の小さい励起光を用いること。

ii 信号光の複数のモードのうちいずれとも異なるモードの励起光を発生する手段を備えること。

（本発明の作用）
前述のようにエルビウムイオン添加に異方性（方位角依存性）がある場合には、励起光の偏波（偏光）が利得特性に影響を及ぼすことが知られている（非特許文献５）。すなわち、励起光の偏波状態と同じ偏波状態の信号光は、より利得が増加する結果、利得の偏波依存性が生じる。このことはマルチモード光ファイバ増幅器でも同様に発生するが、励起光モードと同じモードの信号光に対して、より顕著におこる。

これは、モードによって光強度のファイバ方位角依存性が異なり、励起光と同じモードの信号光強度は励起光強度とオーバーラップが大きくなり、一方で励起光と異なるモードの信号光強度は励起光強度とオーバーラップが小さくなるためである。したがって、信号光モードにより利得の偏波依存性の大きさが異なる結果、モード間利得差を増大させる。

そこで、前述の主要な特徴に従って以下の少なくともいずれかの方法を採ることにより、モード間利得差を小さくすることができる。

ｉ利得の偏波依存性は偏光度の小さい励起光を用いることで減少させることができる。したがって、偏光度の小さい（＝偏波状態の異なる２つの励起光を偏波合成した）励起光を用いることにより、利得の偏波依存性を小さくすることができ、その結果、モード間利得差を小さくすることができる。

ii信号光モードと異なるモードの励起光を用いることで、信号光モードのうち特定のモードだけが励起光強度とのオーバーラップが大きくなることを避け、モード間利得差を小さく保つことが可能となる。一般的に、励起光波長は信号光波長より短波長となるため、励起光波長では信号光波長よりもより高次のモードが安定して伝搬する。したがって、信号光のモードより高次モードの励起光を用いることで励起光モードと信号光モードを異なるモードに設定できる。

なお、上記ｉの偏光度の小さい（＝偏波状態の異なる２つの励起光を偏波合成した）励起光の要件を満たしていれば、必ずしも上記iiの励起光モードと信号光モードが異なるモードとする要件を満たす必要は無い（すなわち、偏波合成した励起光のモードと信号光のモードが同じであってもよいし、偏波合成せずに単に励起光のモードと信号光のモードを異なるものとしてもよい）が、２つの要件を同時に満たすようにすれば、よりモード間利得差を小さくすることができるのは明らかである。

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。

（第１の実施形態）
図２は本願発明の第１の実施形態の光ファイバ増幅器構成を示すブロック図である。

図２において、左端の光アイソレータ５−１より入力された信号光は、励起光源２−１、２−２から偏波合成器３を経由して偏波合成されて供給される励起光と合分波器４−１において合波され、増幅用ファイバ１を通り光増幅されて、合分波器４−２において励起光を分波された後、右端の光アイソレータ５−２より出力される。なお、図示はしないが合分波器４−１は図１の従来例と同じく位相板を含み、偏波合成された励起光のモード変換を行うことができる。

本実施形態１において、増幅用ファイバ１はエルビウム添加ファイバでＬＰ₂₁、ＬＰ₃₁、ＬＰ₀₂、ＬＰ₄₁の各モードのカットオフ波長がそれぞれ１４１０，１０８０，９９０，８７０ｎｍである。すなわち、信号光波長（１５５０ｎｍ帯）ではＬＰ₀₁モードとＬＰ₁₁モードが、励起光波長（９８０ｎｍ帯）ではＬＰ₀₁、ＬＰ₁₁、ＬＰ₂₁、ＬＰ₃₁、ＬＰ₀₂の各モードが安定して伝搬する。

励起光源２−１及び２−２は共に９８０ｎｍシングルモード半導体レーザ（ＬＤ）であり、共に偏波保持ファイバをピグテイルファイバとして備えており、それぞれ偏波状態の異なる励起光を出力している。励起光源２−１及び２−２が発生する励起光は偏波合成器３で合成され、合分波器４−１に内蔵されたモード変換器（本実施形態では位相板を用いている）でＬＰ₀₁モードからＬＰ₁₁モードに変換された上で、信号光と合波されて増幅用ファイバ１へ入力する。

（モード変換器として動作する）位相板は、例えば非特許文献６のものがある。非特許文献６の図１（ｂ）の左端のように、左半分がπ、右半分が０のプロファイルを持つ位相板を用いることで、ＬＰ₀₁モードからＬＰ₁₁モードへの変換が可能になる。

図３は第１実施形態と従来形態の光ファイバ増幅器のモード間利得差をグラフで比較して示す図である。ここで、図３のグラフ縦軸のモード間利得差は、ＬＰ₀₁モードの信号利得とＬＰ₁₁モードの信号利得との差（ＬＰ₀₁モードの信号利得−ＬＰ₁₁モードの信号利得）であり、横軸は入力信号光場の強度（光パワー）である。

従来形態の励起光が偏波合成されていない光ファイバ増幅器（図３の黒□）ではモード間利得差が入力信号光パワーに対して変化し、最大で３．２ｄＢのモード間利得差が観測された。

これに対し本実施形態１の光ファイバ増幅器（図３の黒○）では、モード間利得差は入力信号光パワーに対してほとんど変化せず、最大でも０．８ｄＢであった。

このように、信号光波長でＬＰ₀₁モード及びＬＰ₁₁モードが安定して伝搬する光ファイバ増幅器において、信号光モードと同じＬＰ₁₁モード励起の光ファイバ増幅器では偏波合成した励起光を用いることによってモード間利得差の増大を抑制できる効果があることが確認できている。

なお、図２の本実施形態１では、増幅用光ファイバ１の前方（信号光入力側）の合分波器４−１からのみ励起光を入力し、後方（増幅後の信号光出力側）の合分波器４−２の励起光分波側の出力ファイバを終端した、前方励起構成を採っているが、他の励起構成の変形例も可能である。

すなわち図４（ａ）に示すように、後方の合分波器４−２からのみ偏波合成した励起光を入力した、後方励起構成（この場合前方の合分波器４−２の励起光分波出力は終端する）や、増幅用光ファイバ前後の合分波器４−１及び４−２の両方から偏波合成した励起光を入力した、双方向励起構成（図４（ｂ））においても、上記本発明の作用で説明した本発明の効果は変わることはない。

（第２の実施形態）
本願発明の第２の実施形態の光ファイバ増幅器は図２の実施形態１の光ファイバ増幅器と図面上は同様の構成であるので図示はしないが、本実施形態２では、実施形態１と同様に２つの偏波状態の異なる励起光が偏波合成器３で合成され、更に合分波器４−１に内蔵されたモード変換器（本実施形態では空間位相変調器を用いている）でＬＰ₀₁モードからＬＰ₂₁モードに変換された上で、信号光と合波されて増幅用ファイバ１へ入力する。

本実施形態２で使用している増幅用ファイバ１も実施形態１で使用したものと同じエルビウム添加ファイバである。このため、本実施形態２の光ファイバ増幅器の励起光モードであるＬＰ₂₁モードは信号光のモード（ＬＰ₀₁モードとＬＰ₁₁モード）とは異なるものとなっている。

図５は、本実施形態２の光ファイバ増幅器のモード間利得差を示す図３と同様なグラフを示す図である。ここで、図５のグラフ縦軸のモード間利得差（図５の黒△）はＬＰ₀₁モードの信号利得とＬＰ₁₁モードの信号利得との差（ＬＰ₀₁モードの信号利得−ＬＰ₁₁モードの信号利得）であり、横軸は入力信号光場の強度（光パワー）である。

本実施形態２の光ファイバ増幅器ではモード間利得差は入力信号光パワーに対してほとんど変化せず、最大でも１．１ｄＢであった。このように、信号光波長でＬＰ₀₁モード及びＬＰ₁₁モードが安定して伝搬する光ファイバ増幅器において、偏波合成した上に信号光モードと異なる、より高次のＬＰ₂₁モードに変換された励起光を使用することによってモード間利得差の増大を抑制できる効果があることが確認できている。

（第３の実施形態）
励起光の条件として偏光度の小さい励起光を用いること（ｉ）が望ましいのは当然であるが、励起光のモードを信号光モードと異なるものとする（ii）のみでも、モード間利得差を小さく保つことは可能となる。この場合、実施形態３として図６に示すように励起光の光源は偏光度のあまり大きくないものであれば励起光源２の１つで済ませることができ、偏波合成器３も不要となる。

以上説明したように、本願発明によって、モード間利得差を小さくした光ファイバ増幅器を提供することができる。

１増幅用ファイバ
２、２−１、２−２励起光源
３偏波合成器
４−１、４−２合分波器
４−１ａ、４−２ａ位相板
５−１、５−２光アイソレータ

（発明の構成１）
複数のモードを有する信号光を増幅する光ファイバ増幅器であって、
前記信号光の波長において高次モードが安定したモードである増幅用ファイバと、
偏波状態の異なる励起光を出力する２つの励起光源と、
前記２つの励起光源の出力する偏波状態の異なる２つの励起光を偏波合成する偏波合成器と、
前記偏波合成器により偏波合成された励起光のモードを変換するモード変換器であって、前記信号光の複数のモードのうちいずれとも異なるモードに励起光を変換するモード変換器と、
前記増幅用ファイバの前後に設けられ、前記信号光と前記モード変換器により前記信号光の複数のモードのうちいずれとも異なるモードにモード変換された励起光を合波または分波する合分波器と、
を有することを特徴とする光ファイバ増幅器。

（発明の構成２）
発明の構成１記載の光ファイバ増幅器であって、
前記増幅用ファイバの信号光入力側の合分波器からのみ前記モード変換器によりモード変換された励起光を入力し、
信号光出力側の合分波器の励起光分波側の出力ファイバを終端した、前方励起構成の光ファイバ増幅器。

（発明の構成３）
発明の構成１記載の光ファイバ増幅器であって、
前記増幅用ファイバの信号光入力側の合分波器および信号光出力側の合分波器の両方から前記モード変換器によりモード変換された励起光を入力した、双方向励起構成の光ファイバ増幅器。

（発明の構成４）
発明の構成１記載の光ファイバ増幅器であって、
前記増幅用ファイバの信号光出力側の合分波器からのみ前記モード変換器によりモード変換された励起光を入力し、
信号光入力側の合分波器の励起光分波側の出力ファイバを終端した、後方励起構成の光ファイバ増幅器。

Claims

複数のモードを有する信号光を増幅する光ファイバ増幅器であって、
前記信号光の波長において高次モードが安定したモードである増幅用ファイバと、
励起光を出力する２つの励起光源と、
前記２つの励起光源の出力する励起光を偏波合成する偏波合成器と、
前記増幅用ファイバの前後に設けられ、前記信号光と前記偏波合成された励起光を合波または分波する合分波器と、
を有することを特徴とする光ファイバ増幅器。
前記偏波合成された励起光のモードを変換するモード変換器であって、前記信号光の複数のモードのうちいずれか同じモードに励起光を変換するモード変換器を有する
ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅器。
前記偏波合成された励起光のモードを変換するモード変換器であって、前記信号光の複数のモードのうちいずれとも異なるモードに励起光を変換するモード変換器を有する
ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅器。
請求項１〜３のいずれか１項記載の光ファイバ増幅器であって、
前記増幅用ファイバの信号光入力側の合分波器からのみ前記偏波合成された励起光を入力し、
信号光出力側の合分波器の励起光分波側の出力ファイバを終端した、前方励起構成の光ファイバ増幅器。
請求項１〜３のいずれか１項記載の光ファイバ増幅器であって、
前記増幅用ファイバの信号光入力側の合分波器および信号光出力側の合分波器の両方から前記偏波合成された励起光を入力した、双方向励起構成の光ファイバ増幅器。
請求項１〜３のいずれか１項記載の光ファイバ増幅器であって、
前記増幅用ファイバの信号光出力側の合分波器からのみ前記偏波合成された励起光を入力し、
信号光入力側の合分波器の励起光分波側の出力ファイバを終端した、後方励起構成の光ファイバ増幅器。