JP2020194937A - 光増幅器 - Google Patents

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Abstract

【課題】励起光の利用効率を高めることができる光増幅器を提供する。【解決手段】一実施形態に係る光増幅器１は、励起光Ｌ１を出射する励起レーザ２と、励起レーザ２の外部に設けられた外部共振器１０と、を備え、外部共振器１０の内部には、励起光Ｌ１を吸収する希土類元素が添加されると共に信号光Ｌ２を増幅させる光導波路１２が配置されており、光導波路１２から出射した残留励起光Ｌ４，Ｌ５が閉じ込められる。【選択図】図１

Description

本開示の一側面は、光増幅器に関する。
非特許文献１〜３のそれぞれには、クラッド励起方式のマルチコア光ファイバ増幅器が記載されている。マルチコア光ファイバ増幅器は、残留励起光を回収する残留励起光回収器と、残留励起光回収器によって回収された残留励起光を再合流する残留励起光再合流器とを備える。残留励起光再合流器では、マルチコアファイバの側方にシングルコアマルチモードファイバが溶融接続された側方結合方式が採用されている。
S.Takasaka,"CladdingPump Recycling in 7-core EDFA" ECOC2018 We.1E 前田、他「クラッド一括励起型ＥＤＦＡの残留励起光の回収」２０１８年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会Ｂ−１０−１８ H.Takeshita, "Transmissionof 200Gbps PM-16QAM Signal through 7-core MCF and MC-EDFA using Novel TurboCladding Pumping Scheme of Improved Efficiency of the Optical Amplification,"ECOC2018 We.2
図４は、側方結合方式のマルチコア光ファイバ増幅器である例示的な光増幅器１００を示している。光増幅器１００は、励起レーザ１０１、ポンプ合流器１０２、エルビウムドープ光ファイバ（ＥＤＦ）１０３、残留励起光回収器１０４、光アイソレータ１０５及び残留励起光再合流器１０６を備える。残留励起光回収器１０４及び残留励起光再合流器１０６はマルチモードファイバＦ１１を介して互いに光学的に接続されている。また、残留励起光再合流器１０６、ポンプ合流器１０２、ＥＤＦ１０３、残留励起光回収器１０４及び光アイソレータ１０５は、マルチコアファイバＦ１２を介して互いに光学的に接続されている。
励起レーザ１０１は励起光Ｌ１１を出力する。ＥＤＦ１０３には信号光Ｌ１２と共に励起光Ｌ１１が入力し、ＥＤＦ１０３のエルビウムが励起光Ｌ１１を吸収することによって信号光Ｌ１２が増幅する。ＥＤＦ１０３において増幅した信号光Ｌ１３は、光アイソレータ１０５を介して光増幅器１００の外部に出力される。ＥＤＦ１０３を通った励起光Ｌ１１の残りである残留励起光Ｌ１４は、残留励起光回収器１０４によって回収される。残留励起光回収器１０４が回収した残留励起光Ｌ１４は、マルチモードファイバＦ１１を介して残留励起光再合流器１０６に再合流する。
光増幅器１００では、残留励起光Ｌ１４の回収及び再合流のための複数の光ファイバとして、マルチモードファイバＦ１１と、マルチコアファイバＦ１２とを備えることが必要である。また、残留励起光再合流器１０６において、マルチモードファイバＦ１１はマルチコアファイバＦ１２の側方に結合されている。従って、残留励起光Ｌ１４は、マルチモードファイバＦ１１を介して残留励起光再合流器１０６に入力しマルチコアファイバＦ１２に再合流することとなる。この光増幅器１００では、励起光Ｌ１１又は残留励起光Ｌ１４が残留励起光回収器１０４から光アイソレータ１０５に漏れて光増幅器１００の外部に漏洩するという問題が生じうる。また、残留励起光Ｌ１４は、励起光Ｌ１１と同様にＥＤＦ１０３に入射するので、ＥＤＦ１０３における励起光の利用効率は高まりにくい。すなわち、光増幅器１００のような側方結合方式の光増幅器では、励起光の利用効率の点で改善の余地がある。
本開示の一側面は、励起光の利用効率を高めることができる光増幅器を提供することを目的とする。
本開示の一側面に係る光増幅器は、励起光を出射する励起レーザと、励起レーザの外部に設けられた外部共振器と、を備え、外部共振器の内部には、励起光を吸収する希土類元素が添加されると共に信号光を増幅させる光導波路が配置されており、光導波路から出射した残留励起光は外部共振器の内部に閉じ込められる。
本開示によれば、励起光の利用効率を高めることができる。
図１は、第１実施形態に係る光増幅器の構成を示す図である。 図２は、第２実施形態に係る光増幅器の構成を示す図である。 図３は、実施例に係る光増幅器の励起光電力と電力効率との関係を示すグラフである。 図４は、従来の光増幅器の構成を示す図である。
［実施形態の説明］
最初に実施形態の内容を列記して説明する。一実施形態に係る光増幅器は、励起光を出射する励起レーザと、励起レーザの外部に設けられた外部共振器と、を備え、外部共振器の内部には、励起光を吸収する希土類元素が添加されると共に信号光を増幅させる光導波路が配置されており、光導波路から出射した残留励起光は外部共振器の内部に閉じ込められる。
この光増幅器では、励起レーザの外部に外部共振器が設けられ、外部共振器の内部に希土類元素が添加されると共に信号光を増幅させる光導波路が配置されている。そして、希土類元素が添加された光導波路を通った残留励起光は外部共振器の内部に閉じ込められる。従って、外部共振器の内部に閉じ込められた残留励起光を再度光導波路に通すことができるので、希土類元素に吸収される励起光の吸収効率を高めることができる。すなわち、残留励起光が外部共振器の内部に閉じ込められることによって希土類元素が励起光を吸収する確率を高めることができる。その結果、励起レーザの電力効率を高めることができる。
［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る光増幅器の具体例を図面を参照しながら説明する。本発明は、以下の具体例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示され、特許請求の範囲と均等の範囲における全ての変更が含まれることが意図される。図面の説明において、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、図面は、理解の容易のため、一部を簡略化又は誇張して描いている場合があり、寸法比率等は図面に記載のものに限定されない。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光増幅器１の構成を示す図である。光増幅器１は、例えば、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）において信号光を伝送する光通信システムにおいて使用される光ファイバ増幅器を構成する。本実施形態に係る光増幅器１は、マルチコアファイバの複数のコアのそれぞれの信号光を一括して励起する一括クラッド励起方式を用いる。光増幅器１では、一例として、Ｃバンドの信号光が増幅される。
光増幅器１は、励起光Ｌ１を出射する励起レーザ２と、励起レーザ２の外部に設けられると共に光増幅器１に入射した信号光Ｌ２を増幅させる外部共振器１０と、増幅した信号光Ｌ３を光増幅器１の外部に透過する光アイソレータ２０とを備える。励起レーザ２は、例えば、マルチモードファイバＦ１を介して外部共振器１０（後述するポンプ合流器１１）に接続されている。励起レーザ２は、一例として、励起光Ｌ１を出射する半導体レーザダイオードである。励起レーザ２は、例えば、波長０．９８μｍ又は波長１．４８μｍの励起光Ｌ１を外部共振器１０に供給する半導体レーザ光源であってもよい。
外部共振器１０は、励起光Ｌ１及び信号光Ｌ２が合流するポンプ合流器１１と、励起光Ｌ１を吸収する希土類元素が添加されると共に信号光Ｌ２を増幅させる光導波路１２と、光導波路１２から出射した残留励起光Ｌ４を反射する反射鏡１３と、光導波路１２から出射した信号光Ｌ３を外部共振器１０の外部に出射する光射出端面１４とを備える。ポンプ合流器１１は、例えば、波長分割多重カプラ（ＷＤＭカプラ）である。
光導波路１２は、例えば、二重クラッド構造を有する利得ファイバである。また、光導波路１２は、希土類元素が添加された希土類添加光ファイバであり、励起光Ｌ１を導波する二重クラッド構造を有するマルチコアファイバである。ここで、二重クラッド構造を有するマルチコアファイバとは、複数のコアと、複数のコアのそれぞれを覆う複数のクラッドと、複数のクラッドを覆うクラッドとを更に備えるマルチコアファイバを示している。光導波路１２は、例えば、７個のコア、又は１９個のコアを有する。光導波路１２は、複数のコアのそれぞれを通る信号光Ｌ２を一括して励起し、信号光Ｌ２を一括して増幅する。
光導波路１２は、例えば、螺旋状とされている。また、光導波路１２は、エルビウム（Ｅｒ）が添加されたマルチコアエルビウム添加光ファイバアンプ（結合型アンプ）を構成してもよい。この場合、光導波路１２は、Ｅｒが添加された複数のコアと、複数のコアを囲むクラッドとを有する。光導波路１２には、励起光Ｌ１及び信号光Ｌ２が供給される。光導波路１２に励起光Ｌ１が供給されると、例えば、光導波路１２のコアに添加されたＥｒ元素が励起されると共に信号光Ｌ２が増幅される。
反射鏡１３は、例えば、光導波路１２の隣接位置（光導波路１２の下流側）に配置されている。反射鏡１３は、光導波路１２において吸収されなかった残留励起光Ｌ４を光導波路１２に反射する残留励起光反射フィルタである。この反射鏡１３によって、残留励起光Ｌ４が直接光導波路１２に戻されるので、光導波路１２における励起光（励起光Ｌ１及び残留励起光Ｌ４）の光密度を高めることができると共に、励起レーザ２から出力された励起光の利用効率が高められる。
また、光導波路１２において吸収されずに光導波路１２からポンプ合流器１１に向かって出射する残留励起光Ｌ５は励起レーザ２に戻り、励起レーザ２においてポンプ合流器１１に反射する。このように、残留励起光Ｌ４，Ｌ５が反射鏡１３と励起レーザ２との間で往復するので、励起光を外部共振器１０の内部に閉じ込めることが可能である。また、光増幅器１は、励起光が双方向から光導波路１２に入射して信号光Ｌ２を励起する双方向励起方式を採用しているため、低雑音と高出力とを両立させることが可能となる。
光射出端面１４は、光導波路１２において増幅された信号光Ｌ３を出射する。光射出端面１４からの信号光Ｌ３は、光アイソレータ２０に入射し、光アイソレータ２０を介して光増幅器１の外部に出射する。光アイソレータ２０は、磁気光学結晶からなるアイソレータブロックを含んでいる。例えば、光アイソレータ２０の入射端には波長選択ミラーが配置されている。
本実施形態において、例えば、反射鏡１３、光射出端面１４及び光アイソレータ２０は集積化されている。ここで「集積化」とは、複数の部品が互いに固定されることの他、複数の部品が所定の箇所にまとめられることを含んでいる。光射出端面１４は、例えば、光アイソレータ２０の入射端面であってもよく、光アイソレータ２０の入射端面である光射出端面１４に反射鏡１３が配置されていてもよい。
次に、本実施形態に係る光増幅器１の作用効果について説明する。光増幅器１では、励起レーザ２の外部に外部共振器１０が設けられ、外部共振器１０の内部に希土類元素が添加されると共に信号光Ｌ２を増幅させる光導波路１２が配置されている。そして、希土類元素が添加された光導波路１２を通った残留励起光Ｌ４，Ｌ５が外部共振器１０の内部に閉じ込められる。従って、外部共振器１０の内部に閉じ込められた残留励起光Ｌ４，Ｌ５を光導波路１２に通すことができるので、希土類元素に吸収される励起光の利用効率を高めることができる。
すなわち、残留励起光Ｌ４，Ｌ５が外部共振器１０の内部に閉じ込められることによって希土類元素が励起光を吸収する確率を高めることができる。その結果、励起レーザ２の電力効率を高めることができる。また、本実施形態に係る光増幅器１において、励起レーザ２は、半導体レーザダイオードである。従って、励起レーザ２を小型化させることができる。
本実施形態に係る光増幅器１において、希土類元素が添加された光導波路１２は、希土類添加光ファイバである。このように、外部共振器１０の内部に配置された光導波路１２として希土類添加光ファイバを用いることができる。
本実施形態に係る光増幅器１において、希土類添加光ファイバは、複数のコアを有するマルチコアファイバである。よって、希土類添加光ファイバがマルチコアファイバであって、光導波路１２のコアの数が複数であることにより、励起光の吸収効率をより高めることができる。
本実施形態に係る光増幅器１において、希土類添加光ファイバは、励起光を導波する二重クラッド構造を有していてもよい。この場合、希土類添加光ファイバが二重クラッド構造を有することにより、クラッド励起方式を有する光増幅器１とすることができる。
本実施形態に係る光増幅器１において、外部共振器１０は、光導波路１２から出射した残留励起光Ｌ４を光導波路１２に反射する反射鏡１３と、光導波路１２において増幅された信号光Ｌ３を外部共振器１０の外部に出射する光射出端面１４とを有する。従って、外部共振器１０において、残留励起光Ｌ４を光導波路１２に反射する反射鏡１３を備えることにより、光導波路１２で吸収しきれなかった残留励起光Ｌ４を反射鏡１３によって光導波路１２に入射することができる。従って、光導波路１２における励起光の吸収効率をより高めることができる。
また、反射鏡１３によって光導波路１２に残留励起光Ｌ４を再入射させる構成とすることができるので、部品点数の増大を抑えて構成を簡易にすることができる。具体的には、励起光を再利用するための構成として、図４に示される従来の光増幅器１００では、残留励起光回収器１０４と残留励起光再合流器１０６が必要であったのに対し、光増幅器１では、反射鏡１３のみとすることが可能である。
本実施形態に係る光増幅器１は、光アイソレータ２０を更に備え、光アイソレータ２０と反射鏡１３とが集積化されている。すなわち、反射鏡１３を通る信号光Ｌ３の光路の下流側に設けられた光アイソレータ２０が反射鏡１３に集積されている。従って、部品点数を減らして構成を更に簡易にすることができる。
（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る光増幅器３１の構成を示す図である。光増幅器３１の少なくとも一部は、光増幅器１と同様の構成を備えるため、以降の説明では光増幅器１と重複する説明を適宜省略する。光増幅器３１は、励起光Ｌ１を出射する励起レーザ２Ａ及び励起レーザ２Ｂと、励起レーザ２Ａ及び励起レーザ２Ｂの外部に設けられる外部共振器４０と、光アイソレータ２０とを備える。励起レーザ２Ａ及び励起レーザ２Ｂのそれぞれは、例えば、マルチモードファイバＦ１を介して外部共振器４０に接続されている。励起レーザ２Ａ及び励起レーザ２Ｂの構成は、例えば、前述した励起レーザ２の構成と同一である。
外部共振器４０は、励起光Ｌ１及び信号光Ｌ２が合流するポンプ合流器１１と、励起光Ｌ１を吸収する希土類元素が添加された光導波路１２と、励起光Ｌ１及び信号光Ｌ３が合流するポンプ合流器４３と、信号光Ｌ３を外部共振器４０の外部に出射する光射出端面１４とを備える。ポンプ合流器４３は、例えば、光導波路１２の隣接位置に配置された波長分割多重カプラ（ＷＤＭカプラ）である。
ポンプ合流器４３は、励起レーザ２Ｂからの励起光Ｌ１を光導波路１２に入射する。ポンプ合流器４３によって、励起光Ｌ１が直接光導波路１２に入射するので、光導波路１２における励起光（励起レーザ２Ａからの励起光Ｌ１、及び励起レーザ２Ｂからの励起光Ｌ１）の光密度を高めることができると共に、励起レーザ２Ａ，２Ｂからの励起光の利用効率を高めることができる。
ポンプ合流器４３は光導波路１２から入射した残留励起光Ｌ４を励起レーザ２Ｂに反射し、励起レーザ２Ｂに達した残留励起光Ｌ４は励起レーザ２Ｂにおいて反射されてポンプ合流器４３に戻される。ポンプ合流器４３に戻された残留励起光Ｌ４は再度光導波路１２に入射する。
また、光導波路１２からポンプ合流器１１に向かって出射する残留励起光Ｌ５は、ポンプ合流器１１から励起レーザ２Ａに出射すると共に、励起レーザ２Ａにおいてポンプ合流器１１に反射し、ポンプ合流器１１に戻される。ポンプ合流器１１に戻された残留励起光Ｌ５は、再度光導波路１２に入射する。このように、残留励起光Ｌ４，Ｌ５が励起レーザ２Ａと励起レーザ２Ｂとの間で往復するので、残留励起光Ｌ４，Ｌ５を外部共振器４０の内部に閉じ込めることが可能である。
以上、第２実施形態に係る光増幅器３１では、外部共振器４０の内部に希土類元素が添加された光導波路１２が配置されており、光導波路１２を通った残留励起光Ｌ４，Ｌ５が外部共振器４０の内部に閉じ込められる。従って、第１実施形態と同様、希土類元素に吸収される励起光の利用効率を高めることができる。
また、第２実施形態に係る光増幅器３１は、複数の励起レーザ（励起レーザ２Ａ及び励起レーザ２Ｂ）を備え、光導波路１２には、複数の励起レーザのそれぞれからの励起光Ｌ１が入射し、外部共振器４０は、光導波路１２において増幅された信号光Ｌ３を外部共振器４０の外部に出射する光射出端面１４を有する。よって、複数の励起レーザの間に外部共振器４０が設けられ、外部共振器４０の内部に光導波路１２が設けられる。
従って、複数の励起レーザの間に配置された外部共振器４０の内部に残留励起光Ｌ４，Ｌ５を閉じ込めることができるので、励起光の吸収効率を更に高めることができる。また、第２実施形態では、２つの励起レーザを備えるため、１つあたりの励起レーザの駆動電流を、１つの励起レーザを備える場合と比較して半分程度に抑えることが可能となる。その結果、励起レーザの寿命を長くすることができる。
図３は、実施例１に係る光増幅器、実施例２に係る光増幅器、及び比較例１に係る光増幅器における励起光電力（１つのコアあたりの電力、単位：Ｗ／ｃｏｒｅ）と電力効率（単位：％）との関係を示すグラフである。実施例１に係る光増幅器は反射鏡１３を備える光増幅器１であり、実施例２に係る光増幅器は複数の励起レーザを備える光増幅器３１であり、比較例１に係る光増幅器は残留励起光回収器１０４及び残留励起光再合流器１０６を備える光増幅器１００である。
図３に示されるように、反射鏡１３を備える実施例１の光増幅器、及び複数の励起レーザを備える実施例２の光増幅器では、残留励起光回収器１０４と残留励起光再合流器１０６とを備える比較例１の光増幅器と比較して、電力効率を大幅に高められることが分かった。更に、複数の励起レーザを備える実施例２の光増幅器では、反射鏡１３を備える実施例１の光増幅器よりも更に電力効率を高められることが分かった。
以上、本開示に係る光増幅器の実施形態及び実施例について説明した。しかしながら、本発明は、前述した実施形態及び実施例の内容に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した要旨を変更しない範囲において種々の変形が可能である。すなわち、光増幅器を構成する部品の種類、数、機能及び配置態様は、上記の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、前述の実施形態では、二重クラッド構造を有する利得ファイバである光導波路１２について説明した。しかしながら、光導波路は二重クラッド構造を有しないマルチコアファイバであってもよく、信号光を増幅させる光導波路の種類は適宜変更可能である。また、前述の実施形態では、マルチコアファイバの複数のコアのそれぞれの信号光を一括して励起する一括クラッド励起方式を用いる光増幅器１について説明した。しかしながら、本発明は、一括クラッド励起方式以外の方式を用いる光増幅器にも適用可能である。
１，３１…光増幅器、２，２Ａ，２Ｂ…励起レーザ、１０，４０…外部共振器、１１，４３…ポンプ合流器、１２…光導波路、１３…反射鏡、１４…光射出端面、２０…光アイソレータ、３１…光増幅器、４０…外部共振器、Ｆ１…マルチモードファイバ、Ｌ１…励起光、Ｌ２…信号光、Ｌ３…信号光、Ｌ４，Ｌ５…残留励起光。

Claims (7)

  1. 励起光を出射する励起レーザと、
    前記励起レーザの外部に設けられた外部共振器と、
    を備え、
    前記外部共振器の内部には、前記励起光を吸収する希土類元素が添加されると共に信号光を増幅させる光導波路が配置されており、前記光導波路から出射した残留励起光は前記外部共振器の内部に閉じ込められる、
    光増幅器。
  2. 前記希土類元素が添加された光導波路は、希土類添加光ファイバである、
    請求項１に記載の光増幅器。
  3. 前記希土類添加光ファイバは、複数のコアを有するマルチコアファイバである、
    請求項２に記載の光増幅器。
  4. 前記希土類添加光ファイバは、励起光を導波する二重クラッド構造を有する、
    請求項２又は請求項３に記載の光増幅器。
  5. 前記外部共振器は、前記光導波路から出射した残留励起光を前記光導波路に反射する反射鏡と、前記光導波路において増幅された信号光を前記外部共振器の外部に出射する光射出端面とを有する、
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光増幅器。
  6. 光アイソレータを更に備え、
    前記光アイソレータと前記反射鏡とが集積化されている、
    請求項５に記載の光増幅器。
  7. 複数の前記励起レーザを備え、
    前記光導波路には、複数の前記励起レーザのそれぞれからの励起光が入射し、
    前記外部共振器は、前記光導波路において増幅された信号光を前記外部共振器の外部に出射する光射出端面を有する、
    請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光増幅器。
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