JP5598882B2 - 光ファイバ増幅器 - Google Patents

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Description

本発明は、複数のコア同士を光結合させる光結合構造および光ファイバ増幅器に関するものである。
クラッド内に複数のコアが配置されたマルチコア光ファイバを使用する場合に、２つのマルチコア光ファイバの間に光アイソレータや光フィルタなどの光機能部品が挿入される場合がある。また、マルチコア光ファイバが光増幅機能を有する場合、マルチコア光ファイバに励起光を入力するための光部品が２つのマルチコア光ファイバの間に挿入される場合がある（たとえば、特許文献１や非特許文献１参照）。
特開平１０−１２５９８８号公報
P.M.Krummrich and Klaus Petermann, "Evaluation of Potential Optical Amplifier Concept for Coherent Mode Multiplexing", OFC2011, OMH5.
非特許文献１に開示される構造では、各コアに対応して設けた複数のレンズから構成されるレンズアレイを用いて、複数のコア同士の光結合を行っているため、光結合を行う構造の構成部品点数が増大するとともに構成が複雑になるという問題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数のコア同士を簡易な構成で光結合させることができる光結合構造およびこれを用いた光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光結合構造は、複数のコア部と複数のコア部とが光結合される光結合構造であって、複数の光を出力する複数の第１コア部と、前記複数の第１コア部から出力された複数の光を集光またはコリメートする第１レンズと、前記第１レンズが集光またはコリメートした複数の光を集光する第２レンズと、前記第２レンズが集光した複数の光がそれぞれ入力される複数の第２コア部と、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置され、前記複数の光が入力される光機能部品と、を備え、前記第１レンズおよび前記第２レンズの少なくとも一方は、前記複数の光を一括して集光またはコリメートする１つのレンズまたはレンズ群で構成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る光結合構造は、上記発明において、前記第１コア部と前記第２コア部との間で倒立像が形成されるように前記第１レンズと前記第２レンズとが構成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る光結合構造は、上記発明において、前記第１コア部と前記第２コア部との間で倒立像と正立像が形成されることを特徴とする。
また、本発明に係る光結合構造は、上記発明において、前記複数の第１コア部および前記複数の第２コア部の少なくとも一方は、マルチコア光ファイバを構成することを特徴とする。
また、本発明に係る光結合構造は、上記発明において、前記複数の第１コア部および前記複数の第２コア部の一方は、希土類元素が添加され、かつマルチコア光ファイバを構成しており、前記マルチコア光ファイバは、前記希土類元素が添加された複数のコア部の外周に形成された内側クラッド部と、前記内側クラッド部の外周に形成された外側クラッド部とを備えることを特徴とする。
また、本発明に係る光結合構造は、上記発明において、さらに前記希土類元素を光励起するための励起光を出力する少なくとも一つの励起光導入コア部を備え、前記光機能部品は、前記励起光導入コア部から出力された励起光を前記内側クラッド部に入力させる光フィルタであることを特徴とする。
また、本発明に係る光結合構造は、上記発明において、前記光フィルタは、前記励起光の光軸が前記マルチコア光ファイバの内側クラッド部の中心軸と一致するように前記励起光を前記内側クラッド部に入力させることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバ増幅器は、上記発明の光結合構造を備えることを特徴とする。
本発明によれば、簡易な構成の光結合構造を実現できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る光結合構造の模式図である。 図２は、図１における信号光の光路を示す図である。 図３は、実施の形態２に係る光結合構造の模式図である。 図４は、図３における信号光の光路の一例を示す図である。 図５は、実施の形態２の変形例に係る光結合構造における光路を示す図である。 図６は、実施の形態３に係る光結合構造の模式図である。 図７は、実施の形態４に係る光結合構造の模式図である。 図８は、図７に示すフェルールの端面を示す図である。 図９は、実施の形態５に係る光結合構造の模式図である。 図１０は、図９に示すフェルールの端面を示す図である。 図１１は、実施の形態６に係る光結合構造の模式図である。 図１２は、実施の形態７に係る光ファイバ増幅器の模式図である。 図１３は、ＡＳＥスペクトルを示す図である。 図１４は、出力信号光のスペクトルを示す図である。 図１５は、利得、ＮＦ、クロストークの波長依存性を示す図である。 図１６は、ビットエラーレートの測定系を示す図である。 図１７は、ビットエラーレート特性を示す図である。
以下に、図面を参照して本発明に係る光結合構造および光ファイバ増幅器の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光結合構造の模式図である。この光結合構造１０は、端面が対向して配置されたマルチコア光ファイバ１ａ、１ｂと、マルチコア光ファイバ１ａ、１ｂのそれぞれが挿通されたフェルール２ａ、２ｂと、第１レンズであるレンズ３と、第２レンズであるレンズ４と、光機能部品５とで構成されている。
マルチコア光ファイバ１ａは、石英系ガラスからなり、複数の第１コア部である７個のコア部１ａａと、コア部１ａａの外周に形成されたクラッド部１ａｂとを備えている。７個のコア部１ａａは、クラッド部１ａｂの中心軸近傍に配置された１個のコア部を中心として、その外側の周囲に６個のコア部が正六角形を形成するように配置されて、マルチコア光ファイバ１ａを構成している。同様に、マルチコア光ファイバ１ｂは、石英系ガラスからなり、複数の第２コア部である７個のコア部１ｂａと、コア部１ｂａの外周に形成されたクラッド部１ｂｂとを備えている。７個のコア部１ｂａは、クラッド部１ｂｂの中心軸近傍に配置された１個のコア部を中心としてその外側の周囲に６個のコア部が正六角形を形成するように配置されて、マルチコア光ファイバ１ｂを構成している。
フェルール２ａ、２ｂは、たとえばセラミックスからなる。マルチコア光ファイバ１ａ、１ｂは、フェルール２ａ、２ｂに挿通固定されている。マルチコア光ファイバ１ａ、１ｂのそれぞれの端面はフェルール２ａ、２ｂのそれぞれの端面と同一面上に位置している。
各コア部１ａａは、各コア部１ａａを伝搬してきた信号光を出力する。信号光の波長はたとえば光通信においてよく使用される１．５５μｍ波長帯の波長である。なお、７個のコア部１ａａのすべてから信号光が出力されるが、ここでは、説明を簡単にするために、信号光として、コア部１ａａのうち中心のコア部から出力される信号光Ｓ１と、中心のコア部に対して紙面上下方向に配置された各コア部から出力される信号光Ｓ２、Ｓ３を代表として説明する。
レンズ３は、コア部１ａａから出力された信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を一括してコリメートするように構成されている。レンズ３はたとえば球面レンズまたは非球面レンズで構成される。
光機能部品５は、コリメートされた信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が入力される。光機能部品５は、たとえば光アイソレータや光フィルタ等の、入力された光に対して所定の機能を発揮する部品である。信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３がコリメートされた平行光として入力されれば、光機能部品５は、信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に対してその機能を最も効果的に発揮できるので好ましい。
レンズ４は、光機能部品５から出力された信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を一括して、マルチコア光ファイバ１ｂの７個のコア部１ｂａのうち対応するコア部に集光するように構成されている。レンズ４はたとえば球面レンズまたは非球面レンズで構成される。
図２は、図１における信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の光路を示す図である。光結合構造１０では、コア部１ａａから出力された信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を１つのレンズ３で一括してコリメートし、かつ１つのレンズ４で一括して対応するコア部１ｂａに集光することによって、コア部１ａａとコア部１ｂａとの光結合を実現している。ただし、中心に対して上側または下側のコア部１ａａから出力された信号光Ｓ２、Ｓ３は、上下が逆転して各コア部１ｂａに集光される。これによって、従来のようにコア部の数に対応する複数のレンズから構成されるレンズアレイを用いて複数のコア部同士の光結合を行う場合よりも、光結合構造の構成部品点数を削減でき、かつ構成が簡易になり、さらには使用するレンズの数も大幅に少ないため、レンズ間の位置調整も簡易に行うことができる。
また、たとえば特定のコア位置に対応したマーカをフェルール２ａ、２ｂなどに設けることによって、マルチコア光ファイバの回転方向の向きが容易に識別できるため、マーカが上下逆転するように光結合構造１０を構成することにより、光結合構造１０の入出力端において対応するコアの位置を容易に識別することができる。更に、マルチコア光ファイバに設けた同様なマーカを設け、フェルールに設けたマーカと対応させておくとなお良い。
なお、コア部１ａａ同士のコア間隔およびコア部１ｂａ同士のコア間隔がそれぞれ６２．５μｍ程度以下であれば、コア部１ａａとコア部１ｂａとの光結合損失をたとえば０．３ｄＢ程度以下の低損失にすることができる。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る光結合構造の模式図である。この光結合構造１０Ａは、図１に示す実施の形態１に係る光結合構造１０において、レンズ３、４をそれぞれ屈折率分布型（Gradient Index：ＧＲＩＮ）レンズ３Ａ、４Ａに置き換えたものである。
光結合構造１０Ａでは、コア部１ａａから出力された信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を１つのＧＲＩＮレンズ３Ａで一括してコリメートし、かつ１つのＧＲＩＮレンズ４Ａで一括して対応するコア部１ｂａに集光することによって、コア部１ａａとコア部１ｂａとの光結合を実現している。これによって、実施の形態１と同様に、光結合構造の構成部品点数を削減でき、かつ構成が簡易になる。
図４は、図３における信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の光路の一例を示す図である。図４に示すＧＲＩＮレンズ３Ａ、４Ａは、信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を、コア部１ａａから出力されたときとは上下が逆になった倒立像としてコア部１ｂａに結像するようにその長さや屈折率分布が設計されている。
なお、図３ではＧＲＩＮレンズ３Ａ、４Ａおよび光機能部品５、マルチコア光ファイバ１ａ、１ｂがそれぞれ離間して配置されているが、それぞれ直接接触させて接着剤などで固定させても良い。このようにすることで、更に構成および製造を容易にすることができる。
図５は、実施の形態２の変形例に係る光結合構造における光路を示す図である。この光結合構造は、光結合構造１０ＡにおいてＧＲＩＮレンズ４ＡをＧＲＩＮレンズ４Ｂに置き換えたものである。ＧＲＩＮレンズ４Ｂは、ＧＲＩＮレンズ４Ａより長く構成されている。これによって、ＧＲＩＮレンズ４Ｂは、ＧＲＩＮレンズ内で一度倒立像を結像した後、信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の位置関係を正立像の位置関係になるように結像する。このように、ＧＲＩＮレンズ４Ａに換えてＧＲＩＮレンズ４Ｂを用いてもよい。なお、ＧＲＩＮレンズ４ＡのかわりにＧＲＩＮレンズ３ＡをＧＲＩＮレンズ４Ｂのように長くしてもよい。
このように、ＧＲＩＮレンズを用いた光結合構造は、光を出力するコア部と光が入力されるコア部との間で少なくとも１回倒立像を形成する。そして、ＧＲＩＮレンズは、図４や図５に示されたように、マルチコア光ファイバの各コア部から出力した光がＧＲＩＮレンズ間でほぼコリメート光となるように、２つのＧＲＩＮレンズが配置された状態で、ＧＲＩＮレンズ間に光機能部品が配置される。これによって光機能部品には平行光が入力される。なお、図５のように、正立像が形成される場合には、各コア部から出力された光がコリメート光となる箇所が複数ある。すなわち、たとえば図５ではＧＲＩＮレンズ４Ｂ内にも信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３がコリメート光となっている箇所がある。この場合、信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３がコリメート光となっている箇所でＧＲＩＮレンズ４Ｂを２分割して、分割したＧＲＩＮレンズ間に光機能部品を介挿してもよい。また、倒立像と正立像は交互に形成されるので、倒立像と正立像のいずれかが複数回形成されるようにＧＲＩＮレンズの長さおよび屈折率分布を設定してもよい。このとき、コア部から出力された光がコリメート光となる複数の箇所のおのおのでＧＲＩＮレンズを分割して、そこに上記と同様に光機能部品を介挿してもよい。
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係る光結合構造の模式図である。この光結合構造２０は、端面が対向して配置されたマルチコア光ファイバ１ａ、２１ｂと、マルチコア光ファイバ１ａ、２１ｂのそれぞれが挿通されたフェルール２ａ、２２ｂと、第１レンズであるレンズ３と、第２レンズであるレンズ４と、光機能部品５と、光機能部品である光フィルタ２８と、フェルール２２ｂに挿通された励起光導入光ファイバ２７ｂとで構成されている。
マルチコア光ファイバ１ａ、フェルール２ａ、レンズ３、レンズ４および光機能部品５については図１に示す実施の形態１の対応する構成と同じものなので説明を省略する。
マルチコア光ファイバ２１ｂは、複数の第２コア部である７個のコア部２１ｂａと、コア部２１ｂａの外周に形成された内側クラッド部２１ｂｂと、内側クラッド部２１ｂｂの外周に形成された外側クラッド部２１ｂｃとを備えている。
コア部２１ｂａは、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ツリウム（Ｔｍ）等の希土類元素が添加された石英系ガラスからなる。内側クラッド部２１ｂｂは、コア部２１ｂａよりも屈折率が低い石英系ガラスからなる。外側クラッド部２１ｂｃは、内側クラッド部２１ｂｂよりも屈折率が低いたとえば光学樹脂からなる。
すなわち、マルチコア光ファイバ２１ｂは、ダブルクラッド型の光増幅ファイバとして構成されている。
励起光導入光ファイバ２７ｂは、石英系ガラスからなり、励起光導入コア部２７ｂａと、励起光導入コア部２７ｂａの外周に形成されたクラッド部２７ｂｂとを備えている。励起光導入光ファイバ２７ｂは、半導体レーザ等の励起光源３０から出力され、励起光導入コア部２７ｂａを伝搬してきた励起光Ｐ１を励起光導入コア部２７ｂａから出力する。励起光Ｐ１の波長はマルチコア光ファイバ２１ｂのコア部２１ｂａに添加された希土類元素を光励起できる波長であり、たとえばＥｒの場合は０．９８μｍ波長帯等である。また、励起光導入光ファイバ２７ｂとしては、シングルモード光ファイバ、マルチモード光ファイバ、シングルモードまたはマルチモードのマルチコア光ファイバ等の各種光ファイバを利用できる。励起光源３０としては、励起光導入光ファイバ２７ｂの種類に合わせて、シングルモード励起光源やマルチモード励起光源を使用できる。
フェルール２２ｂは、いわゆる２芯フェルールと呼ばれる種類のフェルールである。マルチコア光ファイバ２１ｂ、励起光導入光ファイバ２７ｂは、フェルール２２ｂに挿通固定されている。マルチコア光ファイバ２１ｂ、励起光導入光ファイバ２７ｂのそれぞれの端面は、フェルール２２ｂの端面と同一面上に位置している。本実施の形態３では、マルチコア光ファイバ２１ｂと励起光導入光ファイバ２７ｂとは互いに平行な状態でフェルール２２ｂに挿通されているが、互いに傾斜した状態で挿通されていてもよい。
光フィルタ２８は、たとえば誘電体多層膜フィルタからなり、レンズ４によって導かれた励起光Ｐ１を反射して、励起光Ｐ２としてマルチコア光ファイバ２１ｂの内側クラッド部２１ｂｂに入力させるように構成および配置がされている。また、光フィルタ２８は、励起光Ｐ１の波長の光は反射するが、後述する信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の波長の光は透過するような波長特性を有している。光フィルタ２８によって反射された励起光Ｐ２は、マルチコア光ファイバ２１ｂの内側クラッド部２１ｂｂを伝搬しながら各コア部２１ｂａに徐々に結合し、各コア部２１ｂａに添加された希土類元素を光励起する。これによって、励起光Ｐ２は７個のコア部２１ｂａを一括して励起することができる。
ここで、光結合構造２０では、光増幅したい信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３（たとえばＥｒの場合は１．５５μｍ波長帯や１．５８μｍ波長帯等）がマルチコア光ファイバ１ａを伝搬してきて出力されると、信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を１つのレンズ３で一括してコリメートし、かつ１つのレンズ４で一括して対応するコア部２１ｂａに集光することによって、コア部１ａａとコア部２１ｂａとの光結合を実現している。各コア部２１ｂａに光結合された信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、各コア部２１ｂａを伝搬しながら希土類元素の誘導放出作用によって光増幅される。
このように、光結合構造２０によれば、簡易な構成で光増幅のための光結合が実現される。
なお、マルチコア光ファイバ２１ｂと励起光導入光ファイバ２７ｂとの中心軸間の距離は、たとえば１２５μｍ以上であるがそれほど大きくないので、励起光Ｐ１が光フィルタ２８で反射して励起光Ｐ２となるときの反射角度はきわめて小さい。したがって、光フィルタ２８の傾斜角度を調整することによって、励起光導入光ファイバ２７ｂとマルチコア光ファイバ２１ｂとの間の励起光の光結合損失を小さくすることができる。
また、光フィルタ２８は、励起光Ｐ２の光軸がマルチコア光ファイバ２１ｂの内側クラッド部２１ｂｂの中心軸と一致するように励起光Ｐ２を内側クラッド部２１ｂｂに入力させることが励起光Ｐ２の結合効率を高めるためには好ましい。したがって、これを実現するために光フィルタ２８の位置や角度等が調整されていることが好ましい。ただし、光フィルタ２８が、励起光Ｐ２を入力させる内側クラッド部２１ｂｂ上の位置については、特に限定はされず、光フィルタ２８の位置や角度等の調整によって励起光Ｐ２を入力させる位置を任意に設定することができる。励起光Ｐ２を入力させる位置の調整によって、各コア部２１ｂａの励起状態および利得を変化させることができる。したがって、たとえば、各コア部２１ｂａの利得がよりいっそう均一になるように、励起光Ｐ２の入力位置を調整してもよい。
また、光結合構造２０では、信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の伝搬方向と励起光Ｐ２の伝搬方向とが同一方向である、いわゆる前方励起型の励起方式に適用できる構成を有している。しかしながら、コア部２１ｂａが信号光を出力する第１コア部となり、コア部１ａａが信号光が入力される第２コア部となるように、信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の伝搬方向を変更すれば、信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の伝搬方向と励起光Ｐ２の伝搬方向とが逆方向になる。これによって、後方励起型の励起方式に適用できる光結合構造を構成することができる。
（実施の形態４）
図７は、実施の形態４に係る光結合構造の模式図である。図７に示す光結合構造２０Ａは、図６に示す実施の形態３に係る光結合構造２０において、フェルール２２ｂをフェルール２２Ａｂに置き換えている。フェルール２２Ａｂには、マルチコア光ファイバ２１ｂと複数の励起光導入光ファイバ２７ｂとが、それぞれの端面がフェルール２２Ａｂの端面と同一面上に位置する状態に挿通固定されている。さらに、光フィルタ２８が励起光導入光ファイバ２７ｂと同じ数だけ設けられている。
図８は、図７に示すフェルール２２Ａｂの端面を示す図である。図８に示すように、フェルール２２Ａｂの中心にはマルチコア光ファイバ２１ｂが配置され、その外側の周囲には６つの励起光導入光ファイバ２７ｂが正六角形を形成するように配置されている。なお、図７では図面を簡略化するためにマルチコア光ファイバ２１ｂに対して紙面上下方向に配置された励起光導入光ファイバ２７ｂのみ表してある。
また、各光フィルタ２８は、それぞれ、対応する各励起光導入光ファイバ２７ｂの励起光導入コア部２７ｂａから出力された励起光Ｐ１を反射して、励起光Ｐ２としてマルチコア光ファイバ２１ｂの内側クラッド部２１ｂｂに入力させるように、構成および配置がされている。
この光結合構造２０Ａでは、６つの励起光導入光ファイバ２７ｂの励起光導入コア部２７ｂａから出力される複数の励起光Ｐ１を複数の光フィルタ２８で反射し、マルチコア光ファイバ２１ｂの内側クラッド部２１ｂｂに入力しているので、より高い光強度でコア部２１ｂａを励起することができる。
なお、図７に示すように、信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３と干渉しないように光フィルタ２８を配置する場合は、光フィルタ２８は必ずしも信号光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の波長の光を透過しなくてもよい。
（実施の形態５）
図９は、実施の形態５に係る光結合構造の模式図である。図９に示す光結合構造２０Ｂは、図７に示す実施の形態４に係る光結合構造２０Ａにおいて、フェルール２２Ａｂをフェルール２２Ｂｂに置き換え、複数の光フィルタ２８を１つの光フィルタ２８Ｂに置き換えた構成を有する。
図１０は、図９に示すフェルール２２Ｂｂの端面を示す図である。図１０に示すように、フェルール２２Ｂｂには、中心にはマルチコア光ファイバ２１ｂが配置され、その外側の周囲には６つの励起光導入光ファイバ２７ｂが正六角形を形成するように配置されている。なお、図９では図面を簡略化するためにマルチコア光ファイバ２１ｂに対して紙面上下方向に配置された励起光導入光ファイバ２７ｂのみ表してある。
また、フェルール２２Ｂｂの端面２２Ｂｂａは、円錐の頂点部分を軸に垂直な面で切断した形状をしている。フェルール２２Ｂｂに挿通された励起光導入光ファイバ２７ｂは、端面がフェルール２２Ｂｂの端面２２Ｂｂａと同一面上に位置するような形状となっているので、各励起光導入光ファイバ２７ｂの端面は、いずれも中心（マルチコア光ファイバ２１ｂ側）に対して外側に傾斜している。その結果、各励起光導入光ファイバ２７ｂの励起光導入コア部２７ｂａから出力される励起光Ｐ１は、いずれも中心に対して内側に傾斜した角度に出力される。
その結果、光フィルタ２８Ｂについては、その主表面がマルチコア光ファイバ２１ｂの中心軸（または信号光Ｓ１の光軸）と垂直になるように配置することによって、すべての励起光導入コア部２７ｂａから出力される励起光Ｐ１を、１枚の光フィルタ２８Ｂで一括して反射して、励起光Ｐ２としてマルチコア光ファイバ２１ｂの内側クラッド部２１ｂｂに入力させることができる。これによって、使用する光フィルタの数を削減することができる。
（実施の形態６）
図１１は、実施の形態４に係る光結合構造の模式図である。図１１に示す光結合構造２０Ｃは、図６に示す実施の形態３に係る光結合構造２０において、レンズ３、４をそれぞれＧＲＩＮレンズ３Ａ、４Ａに置き換えたものである。
このように、ＧＲＩＮレンズを用いた光結合構造２０Ｃによっても、簡易な構成で光増幅のための光結合が実現される。
（実施の形態７）
図１２は、本発明の実施の形態７に係る光ファイバ増幅器の模式図である。図１２に示すように、クラッドポンプ型の光ファイバ増幅器１００は、光アイソレータ１０１、１０２と、ＷＤＭ（Wavelength division Multiplexing）カプラ１０３、１０４と、励起ＬＤ（Laser Diode）１０５と、光結合構造１３０と、マルチコアＥＤＦ（Erbium-Doped optical Fiber）１０６と、光結合構造１４０と、ＷＤＭカプラ１０７、１０８と、光アイソレータ１０９、１１０と、を備えている。
光アイソレータ１０１は、光ファイバ増幅器１００の外部に設置された波長可変光源ＬＳ１から出力される信号光（波長はたとえば１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍ）を受け付け、ＷＤＭカプラ１０３に出力する。ＷＤＭカプラ１０３は、信号光を通過させ、光結合構造１３０に出力する。同様に、光アイソレータ１０２は、光ファイバ増幅器１００の外部に設置された波長可変光源ＬＳ２から出力される信号光を受け付け、ＷＤＭカプラ１０４に出力する。ＷＤＭカプラ１０４は、信号光を通過させ、光結合構造１３０に出力する。
マルチコアＥＤＦ１０６は、図６に示すマルチコア光ファイバ２１ｂと同様の構成を有するダブルクラッド型のマルチコア光ファイバであり、７個のコア部と、コア部の外周に形成された内側クラッド部と、内側クラッド部の外周に形成された外側クラッド部とを備えている。７個のコア部については、１個のコア部が内側クラッド部の中心軸近傍に配置され、その外側の周囲に６個のコア部が正六角形を形成するように配置されている。
マルチコアＥＤＦ１０６の各コア部のモードフィールド径は、波長１５８０ｎｍにおいて約７．３μｍである。２ｍの長さのサンプルで測定したカットオフ波長は、７個のコア部の平均で１０５０ｎｍである。コア部の離間距離は４５μｍであり、内側クラッド部の外径は１８０μｍである。コア部には、波長１５５０ｎｍにおける損失係数が３．４ｄＢ／ｍであり、小信号利得係数が４．３ｄＢ／ｍになるようにＥｒが添加されている。マルチコアＥＤＦ１０６の各コア間での光のクロストークは、波長１６４０ｎｍ、長さ１６ｍにて−４０ｄＢ以下である。マルチコアＥＤＦ１０６の長さは１００ｍであり、波長１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍの信号光を好適に光増幅するために長さが調整されている。
励起ＬＤ１０５は、たとえば半導体ＬＤであり、波長９８０ｎｍのマルチモード励起光を光結合構造１３０に出力する。
光結合構造１３０は、ＷＤＭカプラ１０３、１０４にそれぞれ接続されたシングルモード光ファイバである光ファイバ１３１ａ、１３１ｂと、励起ＬＤ１０５に接続されたマルチモード光ファイバである光ファイバ１３１ｃと、マルチコアＥＤＦ１０６の一方の端部であるマルチコアＥＤＦ１３１ｄと、光ファイバ１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃに対応して設けられた第１レンズであるレンズ１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃと、マルチコアＥＤＦ１３１ｄに対応して設けられた第２レンズであるレンズ１３４と、で構成されている。光ファイバ１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃのコア部が複数の第１コア部を構成している。
光結合構造１４０は、ＷＤＭカプラ１０７、１０８にそれぞれ接続されたシングルモード光ファイバである光ファイバ１４１ａ、１４１ｂと、マルチコアＥＤＦ１０６の他方の端部であるマルチコアＥＤＦ１４１ｄと、マルチコアＥＤＦ１４１ｄに対応して設けられた第１レンズであるレンズ１４４と、光ファイバ１４１ａ、１４１ｂに対応して設けられた第２レンズであるレンズ１４３ａ、１４３ｂと、で構成されている。光ファイバ１４１ａ、１４１ｂのコア部が複数の第２コア部を構成している。レンズ１３４、１４４は、たとえば球面レンズ、非球面レンズ、またはＧＲＩＮレンズで構成される。
ＷＤＭカプラ１０７は、後述するようにマルチコアＥＤＦ１０６によって増幅された信号光を通過させ、光アイソレータ１０９に出力する。同様に、ＷＤＭカプラ１０８は、マルチコアＥＤＦ１０６によって増幅された信号光を通過させ、光アイソレータ１１０に出力する。光アイソレータ１０９、１１０は光選択スイッチ２００に接続されている。光選択スイッチ２００は、光アイソレータ１０９、１１０から出力された信号光のどちらか一方を任意に選択して光スペクトラムアナライザＯＳＡに出力できるように構成されている。
光結合構造１３０では、レンズ１３３ａは、光ファイバ１３１ａから出力された、波長可変光源ＬＳ１からの信号光Ｓ３１をコリメートする。レンズ１３３ｂは、光ファイバ１３１ｂから出力された、波長可変光源ＬＳ２からの信号光Ｓ３２をコリメートする。レンズ１３３ｃは、光ファイバ１３１ｃから出力された、励起ＬＤ１０５からの励起光Ｐ３１をコリメートする。
レンズ１３４は、コリメートされた信号光Ｓ３１、Ｓ３２を一括して、マルチコアＥＤＦ１３１ｄのうち所定のコア部に集光するように構成されている。信号光Ｓ３１は７個のコア部のうち中心のコア部に集光され、信号光Ｓ３２は外側のコア部のいずれか一つに集光される。さらに、レンズ１３４は、コリメートされた励起光Ｐ３１をマルチコアＥＤＦ１３１ｄの内側クラッド部に入力させる。これによって、マルチコアＥＤＦ１０６の各コア部は光励起され、マルチコアＥＤＦ１０６の所定のコア部に光結合された信号光Ｓ３１、Ｓ３２はそのコア部を伝搬しながら光増幅される。
光結合構造１３０では、光ファイバ１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃの各コア部から出力された信号光Ｓ３１、Ｓ３２を１つのレンズ１３４で一括してマルチコアＥＤＦ１３１ｄの対応するコア部に集光することによって、光ファイバ１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃとマルチコアＥＤＦ１３１ｄとの光結合を実現している。これによって、光結合構造の構成部品点数を削減でき、かつ構成が簡易になる。
一方、光結合構造１４０では、レンズ１４４は、マルチコアＥＤＦ１０６で光増幅された信号光Ｓ３１、Ｓ３２を一括してコリメートするように構成されている。レンズ１４３ａは、コリメートされた信号光Ｓ３１を光ファイバ１４１ａのコア部に集光する。同様に、レンズ１４３ｂは、コリメートされた信号光Ｓ３２を光ファイバ１４１ｂのコア部に集光する。
光結合構造１４０では、マルチコアＥＤＦ１４１ｄのコア部から出力された信号光Ｓ３１、Ｓ３２を１つのレンズ１４４で一括してコリメートすることによって、光ファイバ１４１ａ、１４１ｂとマルチコアＥＤＦ１４１ｄとの光結合を実現している。これによって、光結合構造の構成部品点数を削減でき、かつ構成が簡易になる。
ここで、レンズ１３４について、信号光Ｓ３１、Ｓ３２とマルチコアＥＤＦ１３１ｄのコア部との光結合効率と、励起光Ｐ３１とマルチコアＥＤＦ１３１ｄの内側クラッド部との光結合効率とは、トレードオフの関係にある場合がある。すなわち、信号光Ｓ３１、Ｓ３２とマルチコアＥＤＦ１３１ｄのコア部との光結合効率を高めるためにレンズ１３４の焦点の位置を調整すると、励起光Ｐ３１とマルチコアＥＤＦ１３１ｄの内側クラッド部との光結合効率が低下する場合がある。一方、励起光Ｐ３１とマルチコアＥＤＦ１３１ｄの内側クラッド部との光結合効率を高めるためにレンズ１３４の焦点位置を調整すると、信号光Ｓ３１、Ｓ３２とマルチコアＥＤＦ１３１ｄのコア部との光結合効率が低下し、かつ各コア間での光のクロストークが低下する場合がある。
以下に示す測定では、波長１５８０ｎｍ〜１６１０ｎｍの信号光に対して、マルチコアＥＤＦ１０６で得られる利得が１５ｄＢ以上、マルチコアＥＤＦ１０６の各コア間での光のクロストークが−３０ｄＢ以下となるように、レンズ１３４の焦点の位置を調整した。このとき、光結合構造１３０における励起光Ｐ３１および信号光Ｓ３１、Ｓ３２の結合損失はそれぞれ１０ｄＢ程度であった。
ここで、光ファイバ増幅器１００に信号光を入力せず、励起ＬＤ１０５から励起光を出力させた状態で、光スペクトラムアナライザＯＳＡにてＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）スペクトルの測定を行った。なお、光強度が４．５Ｗの励起光がマルチコアＥＤＦ１０６の内側クラッド部に入力されるように励起ＬＤ１０５の出力光強度を設定した。マルチコアＥＤＦ１０６の各コア部には４．５Ｗの１／１０である４５０ｍＷの光強度の励起光が入力されていると見積もられる。
また、比較のために、波長９８０ｎｍのシングルモードＬＤを励起光源として用いて、マルチコアＥＤＦ１０６の特定のコア部に入力させて励起して、ＡＳＥスペクトルの測定を行った。このときのコア部に入力される励起光の光強度は４５０ｍＷとした。
図１３は、光ファイバ増幅器１００におけるＡＳＥスペクトルを示す図である。「cladding pump」は励起光を内側クラッド部に入力させた場合であり、「core pump」は励起光を特定のコア部に入力させた場合である。図１３に示すように、「core pump」の場合は励起光がコア部の端面から入力されるため、マルチコアＥＤＦ１０６の長さ方向にわたってコア部を十分に励起することができず、ＡＳＥのパワーが低かった。一方、「cladding pump」の場合は、励起光は、内側クラッド部を伝搬しながらマルチコアＥＤＦ１０６の長さ方向にわたって各コア部を徐々に励起するので、ＡＳＥのパワーが高かった。
つぎに、光ファイバ増幅器１００に対して、波長可変光源ＬＳ１から波長１５９０ｎｍの信号光Ｓ３１を入力し、波長可変光源ＬＳ２から波長１５９１ｎｍの信号光Ｓ３２を入力し、光増幅特性の測定を行った。マルチコアＥＤＦ１０６に入力される光強度が−１５ｄＢｍとなるように、信号光Ｓ３１、Ｓ３２の光強度を設定した。以下では、信号光Ｓ３１が入力される中心のコア部はＣｏｒｅＡまたはＩｎｎｅｒ Ｃｏｒｅと表記し、信号光Ｓ３２が入力される外側のコア部はＣｏｒｅＢまたはＯｕｔｅｒ Ｃｏｒｅと表記する。
図１４は、光増幅特性測定における出力信号光のスペクトルを示す図である。図１４において、実線は光選択スイッチ２００にて光アイソレータ１０９から出力された信号光Ｓ３１を選択して光スペクトラムアナライザＯＳＡに出力させて測定した場合の出力スペクトルを示している。実線は光選択スイッチ２００にて光アイソレータ１１０から出力された信号光Ｓ３２を選択して光スペクトラムアナライザＯＳＡに出力させて測定した場合の出力スペクトルを示している。また、縦軸は相対強度で表してある。
図１４に示すように、各信号光についても、光のクロストークのために、入力されたコア部とは違うコア部からも信号光がわずかに出力されているが、光のクロストークは−３０ｄＢ以下（差としては３０ｄＢ以上）であった。
つぎに、信号光Ｓ３１、Ｓ３２の波長を変えながら、利得、ＮＦ（Noise Figure）、クロストークの測定を行った。図１５は、利得（Ｇａｉｎ）、ＮＦ、クロストーク（ＸＴ）の波長依存性を示す図である。なお、利得とＮＦはマルチコアＥＤＦ１０６に対するグロス値，クロストークは光ファイバ増幅器１００に対する値である。図１５に示すように、Ｉｎｎｅｒ ＣｏｒｅおよびＯｕｔｅｒ Ｃｏｒｅの各コア部において、波長１５８０ｎｍ〜１６１０ｎｍの信号光に対して、１５ｄＢより高い利得と、５．５ｄＢより低いＮＦと、−３０ｄＢより小さいクロストークが得られた。
つぎに、光ファイバ増幅器１００に対して、ビットエラーレートの測定を行った。図１６は、ビットエラーレートの測定系を示す図である。この測定系１０００では、ＰＲＢＳ長(Pseudo-Random Binary Sequence)が２３１−１の１０Ｇｂｉｔ／ｓ ＮＲＺ（Non-Return to Zero）信号が重畳された波長１５９０ｎｍの信号光を出力できる信号光源１００１と、信号光源１００１から出力した信号光を２分岐する３ｄＢカプラ１００２と、２分岐された２つの信号光から非相関の２つの信号光を生成するための光ファイバ１００３および５ｎｓのディレイラインとしての光ファイバ１００４と、測定対象である光ファイバ増幅器１００と、光選択スイッチ２００と、波長１５９０ｎｍの信号光を透過するバンドパス光フィルタ１００５と、可変光減衰器１００６と、受光器１００７と、受光器１００７に接続された不図示のビットエラーレート測定器とで構成されている。
光ファイバ増幅器１００は、マルチコアＥＤＦ１０６に入力される信号光の光強度が−１５ｄＢｍ、マルチコアＥＤＦ１０６から出力される増幅された信号光の光強度が＋３ｄＢｍとなるような動作条件で動作させた。また、信号光は、上記の増幅特性の測定で用いたＣｏｒｅＡ、ＣｏｒｅＢに入力させてビットエラーレートの測定を行った。
図１７は、ビットエラーレート特性を示す図である。横軸は受光器１００７における受光パワーを示している。図１７に示すように、ＣｏｒｅＡ、ＣｏｒｅＢのいずれに対しても、ＢＥＲ（Bit Error Rate）が１０−９のときのＢａｃｋ ｔｏ ｂａｃｋに対するパワーペナルティーは１ｄＢよりも十分に小さかった。また、図１７では、Ｂａｃｋ ｔｏ ｂａｃｋと、ＣｏｒｅＡ、ＣｏｒｅＢによる光増幅時とのアイパターンを示しているが、光増幅によるアイパターンの劣化は見られなかった。これによって、光ファイバ増幅器１００が信号光を劣化させずに光増幅できることが確認された。
なお、上記実施の形態に係る光ファイバ増幅器１００は前方励起型の構成であるが、後方励起型や双方向励起型の構成を採用してもよい。また、上記実施の形態に係る光ファイバ増幅器１００では、入力される信号光は２個であるが、マルチコアＥＤＦ１０６のコア部の数に応じて７個の信号光を入力する構成としてもよい。また、使用する励起ＬＤの数も１個に限らず、複数の励起ＬＤからの励起光をマルチコアＥＤＦ１０６に入力させる構成としてもよい。また、たとえば図６、図７や図９に示した光結合構造２０、２０Ａ、２０Ｂを用いて、光ファイバ増幅器を構成してもよい。
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。その他、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明に含まれる。
以上のように、本発明に係る光結合構造および光ファイバ増幅器は、主に光通信の用途に利用して好適なものである。
１ａ、１ｂ、２１ｂ マルチコア光ファイバ
１ａａ、１ｂａ、２１ｂａ コア部
１ａｂ、１ｂｂ クラッド部
２ａ、２ｂ、２２ｂ、２２Ａｂ、２２Ｂｂ フェルール
３、４ レンズ
３Ａ、４Ａ、４Ｂ ＧＲＩＮレンズ
５ 光機能部品
１０、１０Ａ、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、１３０、１４０ 光結合構造
２１ｂｂ 内側クラッド部
２１ｂｃ 外側クラッド部
２２Ｂｂａ 端面
２７ｂ 励起光導入光ファイバ
２７ｂａ 励起光導入コア部
２７ｂｂ クラッド部
２８、２８Ｂ 光フィルタ
３０ 励起光源
１００ 光ファイバ増幅器
１０１、１０２、１０９、１１０ 光アイソレータ
１０３、１０４、１０７、１０８ ＷＤＭカプラ
１０５ 励起ＬＤ
１０６、１３１ｄ、１４１ｄ マルチコアＥＤＦ
１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１４１ａ、１４１ｂ、１００３、１００４ 光ファイバ
１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃ、１３４、１４３ａ、１４３ｂ、１４４ レンズ
２００ 光選択スイッチ
１０００ 測定系
１００１ 信号光源
１００２ ３ｄＢカプラ
１００５ バンドパス光フィルタ
１００６ 可変光減衰器
１００７ 受光器
ＬＳ１、ＬＳ２ 波長可変光源
ＯＳＡ 光スペクトラムアナライザ
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３１ 励起光
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３１、Ｓ３２ 信号光

Claims (6)

  1. 複数のコア部と複数のコア部とが光結合される光結合構造を備える光ファイバ増幅器であって、
    複数の光を出力する複数の第１コア部と、
    前記複数の第１コア部から出力された複数の光を集光またはコリメートする第１レンズと、
    前記第１レンズが集光またはコリメートした複数の光を集光する第２レンズと、
    前記第２レンズが集光した複数の光がそれぞれ入力される複数の第２コア部と、
    前記第１コア部と前記第２コア部との間に配置された光機能部品と、
    少なくとも一つの励起光導入コア部と、
    を備え、
    前記第１レンズおよび前記第２レンズの少なくとも一方は、前記複数の光を一括して集光またはコリメートする１つのレンズで構成されており、
    前記複数の第１コア部および前記複数の第２コア部の一方は、希土類元素が添加され、かつマルチコア光ファイバを構成しており、前記マルチコア光ファイバは、前記希土類元素が添加された複数のコア部の外周に形成された内側クラッド部と、前記内側クラッド部の外周に形成された外側クラッド部とを備え、
    前記励起光導入コア部は、マルチモード光ファイバである励起光導入光ファイバを構成している
    光結合構造と、
    前記励起光導入光ファイバに励起光を導入するマルチモード励起光源と、
    を備え、前記光機能部品は、前記励起光導入コア部から出力された励起光を反射して前記内側クラッド部に入力させるとともに、前記複数の光と干渉しないように配置されている光フィルタである
    ことを特徴とする光ファイバ増幅器。
  2. 前記第１コア部と前記第２コア部との間で倒立像が形成されるように前記第１レンズと前記第２レンズとが構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅器。
  3. 前記第１コア部と前記第２コア部との間で倒立像と正立像が形成され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。
  4. 前記光フィルタは、前記励起光の光軸が前記マルチコア光ファイバの内側クラッド部の中心軸に対して斜めになるように前記励起光を前記内側クラッド部に入力させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光ファイバ増幅器。
  5. 前記光フィルタは前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光ファイバ増幅器。
  6. 前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置された第２の光機能部品をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光ファイバ増幅器。
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