JP6059560B2 - Multimode transmission optical amplifier - Google Patents

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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技術である。   The present invention relates to a technique related to an optical amplifier in multimode transmission.

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(Wavelength Division Multiplexing: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(Single mode fiber,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。   In recent years, Internet traffic has continued to increase due to the diversification of services, and the transmission capacity has increased dramatically due to the increase in the number of wavelength multiplexing by the increase in the transmission speed and the wavelength division multiplexing (WDM) technology. . Further, in recent years, further expansion of transmission capacity is expected by digital coherent technology which has been actively studied. In digital coherent transmission systems, frequency utilization efficiency has been improved by using multilevel phase modulation signals, but higher signal-to-noise ratios are required. However, in a transmission system using a conventional single mode fiber (SMF), the transmission capacity is expected to saturate at 100 Tbit / sec due to input power limitation due to nonlinear effects in addition to the theoretical limit. Therefore, further increase in capacity has become difficult.

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(Multi mode fiber,MMF)を用いたモード多重伝送が注目を集めている。これまで光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1,2参照。)。   In order to further increase the transmission capacity in the future, a medium that realizes innovative transmission capacity expansion is required. Therefore, mode multiplex transmission using a multimode fiber (MMF) that can be expected to improve the signal-to-noise ratio and the space utilization efficiency by using a plurality of propagation modes in an optical fiber as a channel is attracting attention. . Up to now, high-order modes propagating in an optical fiber have been a cause of signal degradation. However, active use has been studied in the development of digital signal processing, multiplexing / demultiplexing techniques, and the like (for example, Non-Patent Document 1). , 2).

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、Er3+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4参照。)。 The expansion of transmission capacity using MMF has been remarkable in recent years, and has reached 26.4 Tbps in the DP-QPSK system using a three-mode fiber (see, for example, Non-Patent Document 3). In addition, studies have been made to increase the distance of multimode transmission, and reports have been made on the amplification of the LP01 mode in the basic mode and the LP02 mode, which is the fourth higher-order mode, using an Er 3+ doped optical amplifier. (For example, refer nonpatent literature 4.).

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及び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、増幅用光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マルチモード伝送用の増幅用光ファイバでは、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4及び5参照。)。   In order to maintain the transmission quality of all modes in order to increase the distance of multimode transmission, it is essential to adjust the gain of each mode in the optical amplifier. The gain of each mode is determined by the overlap of the number distribution of excitation elements determined by the electric field distribution of the excitation light incident on the amplification optical fiber and the rare earth element addition distribution and the electric field distribution of the signal light. At present, there are two main structures of the rare earth element added region of the amplification optical fiber: a step index type structure in which the rare earth element is added to the entire core and a center doped type structure in which the rare earth element is added only to the center of the core. However, in an amplification optical fiber for multimode transmission that needs to take into account the gain of higher-order modes, a method of adjusting gain for each propagation mode by connecting two different EDFs in series for gain adjustment, A structure in which a rare earth addition distribution is heavily doped at the edge of the fiber core has been proposed (see, for example, Non-Patent Documents 4 and 5).

関連するマルチモード伝送用光増幅器は、図14に示すような信号光及び励起光の増幅用光ファイバ11への入射及び出射に空間光学素子を用いた系であり、励起光を増幅用光ファイバ11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)や、位相マスクを用いて励起光を任意のモードへ変換し増幅用光ファイバ11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7参照。)。   The related multimode transmission optical amplifier is a system using a spatial optical element for entering and exiting the amplification optical fiber 11 for signal light and pumping light as shown in FIG. A method for exciting off-axis when entering the optical fiber 11 (for example, Non-Patent Document 6) or a gain for each propagation mode by converting the excitation light into an arbitrary mode using a phase mask and entering the amplification optical fiber 11 A method of adjusting has been proposed (for example, see Non-Patent Document 7).

しかしながら、上記非特許文献におけるマルチモード伝送用光増幅器の構成はすべて空間光学系となっているため、レンズ15、ミラー22、励起光を高次モードへ変換させるための位相マスク24などの素子に起因する損失が発生してしまう。また、非特許文献5のように各モードを一括で増幅する構成においては、空間に出た光を光ファイバへ結合させる際に発生するモード間クロストーク量は大きくなる。信号光のモード間クロストークはモード多重伝送を行う際には非常に大きな問題となってくる。   However, since the configuration of the optical amplifier for multimode transmission in the above non-patent document is a spatial optical system, it is used as an element such as the lens 15, the mirror 22, and the phase mask 24 for converting the excitation light into a higher order mode. The resulting loss will occur. Further, in the configuration in which each mode is amplified collectively as in Non-Patent Document 5, the amount of crosstalk between modes generated when light emitted into the space is coupled to the optical fiber becomes large. The crosstalk between modes of signal light becomes a very big problem when mode multiplexing transmission is performed.

N.Hanzawa et al., “Demonstration of Mode−Division multiplexing Transmission Over 10 km Two−mode Fiber with Mode Coupler” OFC2011, paper OWA4N. Hanzawa et al. , “Demonstration of Mode-Division multiplexing Transmission 10 km Two-mode Fiber with Mode Coupler” OFC2011, paper OWA4 T.Sakamoto et al., “Modal Dispersion Compensation Technique for Long−haul Transmission over Few−mode Fiber with SIMO Configuration” ECOC2011, We.10.P1.82T.A. Sakamoto et al. , “Modal Disposition Compensation Technology for Long-haul Transmission over Few-mode Fiber with SIMO Configuration”, ECOC2011, We. 10. P1.82 E.Ip et al., “88x3x112−Gb/s WDM Transmission over 50 km of Three−Mode Fiber with Inline Few−Mode Fiber Amplifier” ECOC2011, paper Th.13.C.2E. Ip et al. "88x3x112-Gb / s WDM Transmission over 50 km of Three-Mode Fiber with Inline Few-Mode Fiber Amplifier" EcoC2011, paper Thr. 13. C. 2 M.Salsi et al., “A Six−Mode Erbium−Doped Fiber Amplifier” ECOC 2012 paper Th.3.A.6M.M. Salsi et al. "A Six-Mode Erbium-Doped Fiber Amplifier" ECOC 2012 paper Thr. 3. A. 6 M.Salsi et al., “In−line Few−Mode Optical Amplifier with Erbium Profile Tuned to Support LP01, LP11 and LP21 Mode Groups” ECOC 2012 Tu.3.F.1M.M. Salsi et al. "In-line Few-Mode Optical Amplifier with Erbium Profile Tuned to Support LP01, LP11 and LP21 Mode Groups" ECOC 2012 Tu. 3. F. 1 Y.Yung et al., “First demonstration of multimode amplifier for spatial division multiplexed transmission systems” ECOC 2011 paper Th.13.K.4Y. Yung et al. , “First demonstration of multimode amplifier for spatial division multiplexed systems”, ECOC 2011 paper Th. 13. K. 4 Neng Bai et al., “Multimode fiber amplifier with tunable modal gain using a reconfigurable multimode pump” OPTICS EXPRESS Vol.19, No. 17, 2011Neng Bai et al. "Multimode fiber amplifier with tunable modular gaining a reconfigurable multimode pump" OPTICS EXPRESS Vol. 19, no. 17, 2011 須藤昭一著、「エルビウム添加光ファイバ増幅器」、オプトロニクス社発行、ISBN4−900474−80−0Shoichi Sudo, "Erbium-doped fiber amplifier", published by Optronics, ISBN 4-900474-80-0

本発明の課題は、マルチモード伝送用光増幅器において、増幅用光ファイバへの信号光及び励起光の入射及び出射に空間光学系を用いずに信号光の各モードにおける利得の調整を行うことである。   An object of the present invention is to perform gain adjustment in each mode of signal light in a multimode transmission optical amplifier without using a spatial optical system for incidence and emission of signal light and excitation light to and from an amplification optical fiber. is there.

本発明のマルチモード伝送用光増幅器は、
複数モードの信号光を伝送する伝送用光ファイバと、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記伝送用光ファイバを伝搬する複数モードの信号光を増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、
前記伝送用光ファイバに縦続に挿入され、それぞれ前記励起光源からの前記励起光を予め定められたモードに変換して前記信号光に合波する複数のモード合波用光カプラと、を備える。
The optical amplifier for multimode transmission of the present invention is
A transmission optical fiber for transmitting signal light of a plurality of modes;
An amplification optical fiber that is inserted into the transmission optical fiber and that amplifies a plurality of modes of signal light propagating through the transmission optical fiber;
An excitation light source that outputs excitation light for exciting the amplification optical fiber;
A plurality of mode multiplexing optical couplers inserted in cascade in the transmission optical fiber, each of which converts the pumping light from the pumping light source into a predetermined mode and combines it with the signal light.

そして、本発明のマルチモード伝送用光増幅器では、
前記複数のモード合波用光カプラは、それぞれ、
前記信号光が入力される第1のポートと、
前記励起光が入力される第3のポートと、
前記第1のポートから入力された信号光と前記第3のポートから入力された励起光の一部を合波した光を出力する第2のポートと、
前記第3のポートから入力された励起光のうちの前記信号光に合波されなかった光を出力する第4のポートと、を備え、
前記複数のモード合波用光カプラのうちの前記増幅用光ファイバから最も遠い位置に挿入されている第1のモード合波用光カプラは、前記第3のポートが前記励起光源に接続され、
前記第1のモード合波用光カプラに隣接して挿入されている第2のモード合波用光カプラは、前記第3のポートが前記第1のモード合波用光カプラの前記第4のポートに接続されており、
前記第1のモード合波用光カプラの前記第4のポートと前記第2のモード合波用光カプラの前記第3のポートとを結ぶ光ファイバに、前記信号光を遮断するバンドパスフィルタが挿入されてい
And in the optical amplifier for multimode transmission of the present invention,
Each of the plurality of mode multiplexing optical couplers ,
A first port to which the signal light is input;
A third port to which the excitation light is input;
A second port that outputs light obtained by combining the signal light input from the first port and a part of the excitation light input from the third port;
A fourth port that outputs light that has not been combined with the signal light out of the excitation light input from the third port, and
The first mode multiplexing optical coupler inserted in a position farthest from the amplification optical fiber among the plurality of mode multiplexing optical couplers, the third port is connected to the pumping light source,
In the second mode multiplexing optical coupler inserted adjacent to the first mode multiplexing optical coupler, the third port is the fourth mode multiplexing optical coupler of the first mode multiplexing optical coupler. Connected to the port,
A band-pass filter for blocking the signal light is connected to an optical fiber connecting the fourth port of the first mode multiplexing optical coupler and the third port of the second mode multiplexing optical coupler. that has been inserted.

本発明によれば、マルチモード伝送用光増幅器において、増幅用光ファイバへの信号光及び励起光の入射及び出射に空間光学系を用いずに信号光の各モードにおける利得の調整を行うことができる。これにより、信号光及び励起光の損失を防ぐとともにモード間クロストークを低減することができる。   According to the present invention, in a multimode transmission optical amplifier, gain adjustment in each mode of signal light can be performed without using a spatial optical system for incident and output of signal light and pumping light to an amplification optical fiber. it can. Thereby, loss of signal light and excitation light can be prevented and crosstalk between modes can be reduced.

実施形態1に係るマルチモード伝送用光増幅器の構成の一例を示す。2 shows an exemplary configuration of an optical amplifier for multimode transmission according to the first embodiment. 4モードファイバの設計の一例を示す。An example of a 4-mode fiber design is shown. 励起光の伝搬モードの違いによる信号光の伝搬モードの利得依存性の一例を示す。An example of the gain dependence of the propagation mode of the signal light due to the difference in the propagation mode of the excitation light is shown. 光カプラの詳細の一例を示す。An example of the detail of an optical coupler is shown. 励起光と信号光の増幅用光ファイバ及びマルチモード伝送用光ファイバにおけるLP01とLP11の実効屈折率の一例を示す。An example of the effective refractive indexes of LP01 and LP11 in an optical fiber for amplifying pumping light and signal light and an optical fiber for multimode transmission is shown. 信号光と励起光における結合効率の相互作用長依存性の一例を示す。An example of the interaction length dependence of the coupling efficiency between signal light and excitation light is shown. X個の光カプラとX個の励起光源を用い伝搬モードの利得を調整するためのマルチモード伝送用光増幅器の構成の一例を示す。An example of the configuration of an optical amplifier for multimode transmission for adjusting the gain of a propagation mode using X optical couplers and X pumping light sources is shown. Y個の光カプラと1個の励起光源を用いて各伝搬モードの利得を調整するためのマルチモード伝送用光増幅器の構成の一例を示す。An example of the configuration of a multimode transmission optical amplifier for adjusting the gain of each propagation mode using Y optical couplers and one pumping light source is shown. Y個の光カプラ、1個の励起光源、パワーカプラ、アテネータを用いて各伝搬モードの利得を調整するためのマルチモード伝送用光増幅器の構成の一例を示す。An example of the configuration of an optical amplifier for multimode transmission for adjusting the gain of each propagation mode using Y optical couplers, one pumping light source, a power coupler, and an attenuator is shown. 実施形態2に係る光カプラ合波前にモード変換器を置くマルチモード伝送用光増幅器の構成の第1例を示す。6 shows a first example of the configuration of a multimode transmission optical amplifier in which a mode converter is placed before optical coupler multiplexing according to a second embodiment. 実施形態2に係る光カプラ合波後にモード変換器を置くマルチモード伝送用光増幅器の構成の第1例を示す。6 shows a first example of the configuration of an optical amplifier for multimode transmission in which a mode converter is placed after optical coupler multiplexing according to the second embodiment. 実施形態2に係る光カプラ合波前にモード変換器を置くマルチモード伝送用光増幅器の構成の第2例を示す。6 shows a second example of the configuration of an optical amplifier for multimode transmission in which a mode converter is placed before optical coupler multiplexing according to the second embodiment. 実施形態2に係る光カプラ合波後にモード変換器を置くマルチモード伝送用光増幅器の構成の第2例を示す。6 shows a second example of the configuration of an optical amplifier for multimode transmission in which a mode converter is placed after optical coupler multiplexing according to the second embodiment. 空間光学系を用いたマルチモード伝送用光増幅器の一例を示す。An example of an optical amplifier for multimode transmission using a spatial optical system is shown.

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の例であり、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。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.

本発明に係るマルチモード伝送用光増幅器は、非特許文献8に記載されているとおり、伝送用光ファイバ14と、増幅用光ファイバ11と、励起光源21を備える。伝送用光ファイバ14は、複数モードの信号光を伝送する。増幅用光ファイバ11は、複数モードの信号光を増幅するためのものであり、例えば希土類元素の添加されたものである。励起光源21は、増幅用光ファイバ11の励起光を出力する。   As described in Non-Patent Document 8, the multimode transmission optical amplifier according to the present invention includes a transmission optical fiber 14, an amplification optical fiber 11, and a pumping light source 21. The transmission optical fiber 14 transmits signal light in a plurality of modes. The amplification optical fiber 11 is for amplifying a plurality of modes of signal light. For example, a rare earth element is added to the amplification optical fiber 11. The excitation light source 21 outputs the excitation light of the amplification optical fiber 11.

しかしながらマルチモード伝送用光増幅器においては、励起光と信号光を合波するだけではなく、信号光において所望の利得を得るために1つまたは複数の励起光を増幅用光ファイバ11へ入射することが必要となる。   However, in the multimode transmission optical amplifier, not only the pumping light and the signal light are multiplexed, but also one or a plurality of pumping lights are incident on the amplification optical fiber 11 in order to obtain a desired gain in the signal light. Is required.

そこで本発明では、モード合波用光カプラ12又はモード変換器34を備える。モード合波用光カプラ12は、励起光を信号光に合波するとともに、励起光を任意のモードへ変換する。モード合波用光カプラ12は、ファイバ型であってもよいし、光導波路型であってもよい。モード変換器34は、伝送用光ファイバ14に入射前又は入射後の励起光を任意のモードに変換する。これにより、本発明のマルチモード伝送用光増幅器は、増幅用光ファイバへの信号光及び励起光の入射及び出射に空間光学系を用いずに信号光の各モードにおける利得の調整を行うことができる。これにより、信号光及び励起光の損失を防ぐとともにモード間クロストークを低減することができる。   Accordingly, the present invention includes the mode multiplexing optical coupler 12 or the mode converter 34. The mode multiplexing optical coupler 12 combines the excitation light with the signal light and converts the excitation light into an arbitrary mode. The mode multiplexing optical coupler 12 may be a fiber type or an optical waveguide type. The mode converter 34 converts the excitation light before or after being incident on the transmission optical fiber 14 into an arbitrary mode. As a result, the multimode transmission optical amplifier of the present invention can adjust the gain in each mode of the signal light without using a spatial optical system for the incidence and emission of the signal light and the excitation light to and from the amplification optical fiber. it can. Thereby, loss of signal light and excitation light can be prevented and crosstalk between modes can be reduced.

(実施形態1)
以下に、合波部をファイバもしくはPLCとすることで空間系光増幅器と比較し低損失、低クロストーク、構成素子数の簡易化を図る構成を示す。
(Embodiment 1)
The following is a configuration in which the multiplexing unit is a fiber or a PLC to achieve low loss, low crosstalk, and simplification of the number of constituent elements as compared with a spatial optical amplifier.

図1は本実施形態に係るマルチモード伝送用光増幅器の概略図である。本マルチモード伝送用光増幅器は、多モード伝送用光ファイバ14中を伝搬されてきたNモードを有する信号光はマルチモード伝送用光増幅器に入射される。励起光はモード合波用光カプラ12にて設計により同一もしくは異なる所望の伝搬モードに結合され増幅用光ファイバ11に入射される。入射された信号光は励起光により反転分布状態になった希土類元素を媒体に誘導放出を起こし光増幅後出射される。また必要に応じてマルチモード伝送用増幅器での発振を防ぐためアイソレータ13を挿入する。   FIG. 1 is a schematic diagram of an optical amplifier for multimode transmission according to this embodiment. In this multimode transmission optical amplifier, the signal light having the N mode propagated through the multimode transmission optical fiber 14 is incident on the multimode transmission optical amplifier. The pumping light is coupled to the same or different desired propagation mode by design by the mode multiplexing optical coupler 12 and is incident on the amplification optical fiber 11. The incident signal light is stimulated and emitted from the rare earth element in an inversion distribution state by the excitation light, and is emitted after optical amplification. If necessary, an isolator 13 is inserted to prevent oscillation in the multimode transmission amplifier.

これより各モードの利得の調整に向けて増幅についての基本理論を説明したのち、それに基づいた増幅用光ファイバ11に入射する励起光の違いによって信号光における各モードの利得の違いをシミュレーションにより示す。ここで添加される希土類元素はエルビウム(Er)とし以下進める。   From this, the basic theory about amplification is explained for the adjustment of the gain of each mode, and then the difference in the gain of each mode in the signal light is shown by simulation based on the difference in the pumping light incident on the amplification optical fiber 11 based thereon. . Here, the rare earth element to be added is erbium (Er) and will be described below.

Erを3準位系と考えた際のレート方程式を解き、EDFの伝搬方程式を求めると式(1)の様に表せる。

Figure 0006059560
When the rate equation when Er is considered as a three-level system is solved and the propagation equation of EDF is obtained, it can be expressed as equation (1).
Figure 0006059560

ここでPs,iはiモード目の信号光および自然放出光の強度、zはEDFにおける光の伝搬方向、νは光の波長である。iモード目の信号光利得係数γe,i(z,ν)と吸収係数γa,i(z,ν)は各モードの規格化電界分布ψs,i(ν,r、θ)と信号光、励起光に対する放出断面積σes,i 、吸収断面積σas,i を用いてそれぞれ以下の式(2)及び式(3)のように表せる。

Figure 0006059560
Figure 0006059560
Here, P s, i is the intensity of the i-mode signal light and spontaneous emission light, z is the light propagation direction in the EDF, and ν is the light wavelength. The i-mode signal light gain coefficient γ e, i (z, ν) and the absorption coefficient γ a, i (z, ν) are the normalized electric field distribution ψ s, i (ν, r, θ) and signal of each mode. Using the emission cross sections σ es, i S and absorption cross sections σ as, i S for light and excitation light, they can be expressed as the following formulas (2) and (3), respectively.
Figure 0006059560
Figure 0006059560

(r,θ,z)、N(r,θ,z)はぞれぞれ位置zにおけるファイバ断面の1点を動径rと偏角をθで表した時のEr3+励起準位と基底準位のイオン密度を表す。各伝搬モードにおいて式(1)の伝搬方程式を解くことにより励起光のモードの違いによる信号光の利得がわかる。 N 2 (r, θ, z) and N 1 (r, θ, z) are Er 3+ excitation quasi when one point of the fiber cross section at the position z is represented by a radius r and a declination angle θ. Represents the ion density of the level and ground level. By solving the propagation equation of equation (1) in each propagation mode, the gain of the signal light due to the difference in the mode of the excitation light can be found.

Er添加光ファイバ(EDF)の励起光源21は980nm帯、1480nm帯が一般的に用いられている。光源の違いによりモードの形状は大きく変わらず同様の傾向がみられる。本シミュレーションでは980nmの励起光源21で入力パワーは200mW、添加するEr濃度は300ppm、用いるEDFの長さは20mとしている。また信号光は1550nmで入力パワーを−10dBmとしている。   As the excitation light source 21 of the Er-doped optical fiber (EDF), the 980 nm band and the 1480 nm band are generally used. The same tendency is seen without changing the shape of the mode greatly due to the difference in the light source. In this simulation, the excitation power source 21 of 980 nm has an input power of 200 mW, an Er concentration to be added is 300 ppm, and the length of the EDF used is 20 m. The signal light is 1550 nm and the input power is -10 dBm.

モード多重伝送においてはすべてのモードが、所望の曲げ損失の実現が求められる。ITU−T G652で推奨される曲げ損失は、曲げ半径30mmにおいて0.5dB/100turn以下である。本シミュレーションで用いた増幅用光ファイバ11はコア半径(以下、コア径と略記)がaであり、コアとクラッドの比屈折率差をΔとしたステップ型を仮定し、使用波長をC帯の1530から1565nm、曲げ損失を0.1dB/100turn以下、伝搬モードがLP01モード、LP11モード、LP21モード、LP02モードとなる設計範囲を計算したものを図2に示す。斜線で示されている領域はLP02モードが所望の曲げ損失を満たし、LP31モードを伝搬しない領域である。   In mode multiplexing transmission, all modes are required to realize a desired bending loss. The bending loss recommended in ITU-T G652 is 0.5 dB / 100 turn or less at a bending radius of 30 mm. The amplification optical fiber 11 used in this simulation has a core radius (hereinafter abbreviated as “core diameter”) and is assumed to be a step type in which the relative refractive index difference between the core and the cladding is Δ. FIG. 2 shows a calculation range of 1530 to 1565 nm, a bending loss of 0.1 dB / 100 turn or less, and a propagation range of LP01 mode, LP11 mode, LP21 mode, and LP02 mode. A region indicated by diagonal lines is a region where the LP02 mode satisfies a desired bending loss and does not propagate the LP31 mode.

ここで比屈折率差Δは以下の式(4)であらわされる。

Figure 0006059560
a=7.5μm、Δ=0.65%とした際にC帯の波長域で基本モードであるLP01モードから第三高次モードであるLP02モードが伝搬する構造である。また980nmの励起光においては増幅用光ファイバ11中ではLP01、LP02、LP03、LP11、LP12、LP21、LP22、LP31、LP41、LP51の10モードが存在し得る。 Here, the relative refractive index difference Δ is expressed by the following equation (4).
Figure 0006059560
When a = 7.5 μm and Δ = 0.65%, the LP02 mode, which is the third higher order mode, propagates from the LP01 mode, which is the fundamental mode, in the wavelength band of the C band. In the 980 nm excitation light, the amplification optical fiber 11 may have 10 modes of LP01, LP02, LP03, LP11, LP12, LP21, LP22, LP31, LP41, and LP51.

図3に増幅用光ファイバ11に入射する励起光(980nm)におけるモードの違いによる、信号光の各モードLP01、LP11、LP21、LP02における利得の違いを示す。図3はLP01モードを基準とした利得比(dB)として示している。このように励起光の伝搬モードにより信号光のモード毎の利得は異なる。   FIG. 3 shows a difference in gain in each mode LP01, LP11, LP21, and LP02 of signal light due to a difference in mode in pumping light (980 nm) incident on the amplification optical fiber 11. FIG. 3 shows the gain ratio (dB) based on the LP01 mode. Thus, the gain for each mode of signal light differs depending on the propagation mode of pumping light.

本発明では増幅用光ファイバ11に所望する励起光のモードを入射するために、励起光を伝送用光ファイバ14へ結合させるためにモード合波用光カプラ12の設計を行う必要がある。以下にモード合波用光カプラ12の設計方法について述べる。   In the present invention, in order to enter a desired pumping light mode into the amplification optical fiber 11, it is necessary to design the mode multiplexing optical coupler 12 in order to couple the pumping light to the transmission optical fiber 14. The design method of the mode multiplexing optical coupler 12 will be described below.

図4に図1に示したモード合波用光カプラの詳細を示す。モード合波用光カプラ12における励起光の入射はファイバ型もしくは導波路型を想定している。ファイバ型の作製においては多モードの信号光を伝搬する伝送用光ファイバ14と励起光を入射する光ファイバ25を溶融延伸もしくはファイバの側面研磨などの方法を用いてファイバのコア間距離を近づける、もしくは結合部121を光導波路型とし、導波路幅や導波路間隔DCを設定することで作製する。   FIG. 4 shows details of the optical coupler for mode multiplexing shown in FIG. The incidence of the excitation light in the mode multiplexing optical coupler 12 is assumed to be a fiber type or a waveguide type. In the production of the fiber type, the distance between the fiber cores is reduced by using a method such as melt drawing or side polishing of the optical fiber 25 for transmitting the transmission optical fiber 14 for propagating multimode signal light and the optical fiber 25 for receiving the excitation light. Alternatively, the coupling portion 121 is an optical waveguide type, and is manufactured by setting the waveguide width and the waveguide interval DC.

簡単のため、伝送用光ファイバ14をC帯にて基本モードと第一高次モードのみを伝搬する2モードファイバ、光ファイバ25を1550nmでシングルモード動作するファイバとしたときの例を示す。本例では伝送用光ファイバ14に入射する1550nmの信号光LP01、LP11モードはポート4へ結合することなくポート2から出射され、ポート3よりLP01モードとして入射する波長980nmの励起光をモード合波用光カプラ12の結合部121にてポート2へLP11モードとして結合し出射することが求められる。ポート3より入射した励起光を所望のモードとしてポート2へ結合させるには、伝送用光ファイバ14の実効屈折率と光ファイバ25の所望の伝搬モードの実効屈折率が等しくなることが求められる。また信号光においては増幅用光ファイバ11を伝搬する第一高次モードの実効屈折率が光ファイバ25の基本モードの実効屈折率と異なることが望ましい。各々の実効屈折率は導波する光ファイバのコア径aと比屈折率差Δによって決まる。   For simplicity, an example is shown in which the transmission optical fiber 14 is a two-mode fiber that propagates only the fundamental mode and the first higher-order mode in the C band, and the optical fiber 25 is a fiber that operates in a single mode at 1550 nm. In this example, the 1550 nm signal light LP01 and LP11 modes incident on the transmission optical fiber 14 are emitted from the port 2 without being coupled to the port 4, and the excitation light having a wavelength of 980 nm incident from the port 3 as the LP01 mode is mode-multiplexed. The coupling portion 121 of the optical coupler 12 is required to couple to the port 2 as an LP11 mode and emit. In order to couple the excitation light incident from the port 3 to the port 2 as a desired mode, the effective refractive index of the transmission optical fiber 14 and the effective refractive index of the desired propagation mode of the optical fiber 25 are required to be equal. In the signal light, it is desirable that the effective refractive index of the first higher-order mode propagating through the amplification optical fiber 11 is different from the effective refractive index of the fundamental mode of the optical fiber 25. Each effective refractive index is determined by the core diameter a of the optical fiber to be guided and the relative refractive index difference Δ.

図5に980nmにおける伝送用光ファイバ14でのLP11モードと光ファイバ25でのLP01モードのΔを共に0.4%としたときの実効屈折率のコア径依存性を示す。図5から伝送用光ファイバ14のコア径が7μmで光ファイバ25のコア径が3.9μmのとき、よい結合効率が得られることがわかる。しかし信号光の増幅用光ファイバ11でのLP11モードの実効屈折率と光ファイバ25中での実効屈折率の値も近いため結合する恐れがある。そこで伝送用光ファイバ14と光ファイバ25における相互作用長LCを調整することで任意の特性を得ていくことを目指す。   FIG. 5 shows the core diameter dependence of the effective refractive index when Δ of both the LP11 mode in the transmission optical fiber 14 and the LP01 mode in the optical fiber 25 at 980 nm is 0.4%. FIG. 5 shows that good coupling efficiency can be obtained when the core diameter of the transmission optical fiber 14 is 7 μm and the core diameter of the optical fiber 25 is 3.9 μm. However, since the effective refractive index of the LP11 mode in the optical fiber 11 for amplifying signal light and the effective refractive index in the optical fiber 25 are close, there is a risk of coupling. Therefore, it is aimed to obtain an arbitrary characteristic by adjusting the interaction length LC between the transmission optical fiber 14 and the optical fiber 25.

図6に信号光LP11モードのポート1からポート4への結合効率と励起光LP01モードのポート3からポート2への結合効率の相互作用長による違いをそれぞれ示す。図6より相互作用長を8950μmとしたときC帯で信号光のポート1からポート2への結合効率は0.93であり励起光のポート3からポート2への結合効率は0.97を得ることが出来る。さらに高次のモードに関しても同様に設計を行うことで所望のモード合波用光カプラ12を得ることが出来る。また信号光の各モードにおいて所望の利得を得るためには励起光を複数の伝搬モードとし増幅用光ファイバ11を励起することが有効となる。   FIG. 6 shows differences in coupling efficiency from the port 1 to the port 4 in the signal light LP11 mode and the coupling efficiency from the port 3 to the port 2 in the pumping light LP01 mode, depending on the interaction length. As shown in FIG. 6, when the interaction length is 8950 μm, the coupling efficiency from the port 1 to the port 2 of the signal light is 0.93 in the C band, and the coupling efficiency from the port 3 to the port 2 of the pumping light is 0.97. I can do it. Further, the desired mode multiplexing optical coupler 12 can be obtained by designing the higher-order modes in the same manner. In addition, in order to obtain a desired gain in each mode of signal light, it is effective to pump the amplification optical fiber 11 with pumping light as a plurality of propagation modes.

そこで、モード合波用光カプラ12を複数個縦続に接続することで複数のモードを増幅用光ファイバ11へ入射する構成の例を以下に示す。ここで用いる複数個のモード合波用光カプラ12はそれぞれポート3へ入射した励起光を異なる伝搬モードとしてポート2へ結合する構造とする。例えば、モード合波用光カプラ12−1はポート3に入力されたLP01モードをLP11モードとしてポート2へ結合し、モード合波用光カプラ12−Xはポート3に入力されたLP01モードをLP21モードとしてポート2へ結合する。なお、それぞれのモード合波用光カプラ12において結合する伝搬モードはファイバ(光導波路)のコア径(導波路幅)や比屈折率差を調整することにより決定する。   Accordingly, an example of a configuration in which a plurality of modes are incident on the amplification optical fiber 11 by connecting a plurality of mode multiplexing optical couplers 12 in cascade will be described below. The plurality of mode multiplexing optical couplers 12 used here are configured to couple the pumping light incident on the port 3 to the port 2 as different propagation modes. For example, the mode multiplexing optical coupler 12-1 couples the LP01 mode input to port 3 to the port 2 as the LP11 mode, and the mode multiplexing optical coupler 12-X converts the LP01 mode input to the port 3 to LP21. Connect to port 2 as mode. The propagation mode coupled in each mode multiplexing optical coupler 12 is determined by adjusting the core diameter (waveguide width) of the fiber (optical waveguide) and the relative refractive index difference.

図7のように励起光をポート2へ所望の伝搬モードとして結合し、かつ結合する伝搬モードはすべて異なるモード合波用光カプラ12を複数個縦続に接続することにより複数のモードとして励起光を入射することができる。本構成ではX(Xは1以上の整数)個の各々のモード合波用光カプラ12に1つずつ励起光源21がついて、X個のモード合波用光カプラ12はそれぞれ励起光を異なる伝搬モードとしてポート2へ結合する構成となっている。   As shown in FIG. 7, the pumping light is coupled to the port 2 as a desired propagation mode, and the coupled propagation modes are all connected by connecting a plurality of different mode multiplexing optical couplers 12 in cascade. Can be incident. In this configuration, one pump light source 21 is attached to each of X (X is an integer of 1 or more) mode multiplexing optical couplers 12, and each of the X mode multiplexing optical couplers 12 propagates pumping light differently. It is configured to couple to port 2 as a mode.

図8はY(Yは1より大きい整数)個の励起光をポート3より入射しポート2に結合する伝搬モードがすべて異なるモード合波用光カプラ12と、Y個のモード合波用光カプラ12に1つの励起光源21を有しており、これらのモード合波用光カプラ12は図7と同様に縦続接続することにより励起光を複数の伝搬モードにして増幅用光ファイバ11へ入射することができる。本構成においてモード合波用光カプラ12のポート3からポート2への結合効率は100%未満の任意の値であり、各モード合波用光カプラ12のポート4から結合しなかった励起光が出力される。ポート4より出力される励起光は隣接するモード合波用光カプラ12のポート3より入射されポート2へ任意の結合効率で再度結合される。接続したY個のモード合波用光カプラ12を前記と同様の構成とすることで複数のモードとして励起光を入射することができる。図8に示す構成では、励起光源21を少なくすることができるため、マルチモード伝送用光増幅器の構成を簡略化することができるとともに、モード合波用光カプラ12の設計の自由度を向上することができる。   FIG. 8 shows a mode multiplexing optical coupler 12 in which Y (Y is an integer greater than 1) pumping lights are incident from the port 3 and coupled to the port 2 and have different propagation modes, and Y mode multiplexing optical couplers. 12 includes one pumping light source 21, and these mode multiplexing optical couplers 12 are cascaded in the same manner as in FIG. 7 to make pumping light into a plurality of propagation modes and enter the optical fiber 11 for amplification. be able to. In this configuration, the coupling efficiency from the port 3 to the port 2 of the mode multiplexing optical coupler 12 is an arbitrary value less than 100%, and the excitation light that is not coupled from the port 4 of each mode multiplexing optical coupler 12 Is output. The pumping light output from the port 4 enters from the port 3 of the adjacent mode multiplexing optical coupler 12 and is coupled again to the port 2 with an arbitrary coupling efficiency. By configuring the connected Y mode multiplexing optical couplers 12 to have the same configuration as described above, excitation light can be incident as a plurality of modes. In the configuration shown in FIG. 8, since the number of pumping light sources 21 can be reduced, the configuration of the multimode transmission optical amplifier can be simplified and the degree of freedom in designing the mode multiplexing optical coupler 12 can be improved. be able to.

ここで、図8の構成では、各モード合波用光カプラ12のポート4とポート3の間には信号光を遮断するバンドパスフィルタ31を挿入することが好ましい。これにより、ポート1からポート4へわずかに漏れる信号光をカットすることができるため、モード間クロストークを抑制することができる。   Here, in the configuration of FIG. 8, it is preferable to insert a band pass filter 31 that blocks signal light between the port 4 and the port 3 of each mode multiplexing optical coupler 12. As a result, the signal light that slightly leaks from the port 1 to the port 4 can be cut, so that crosstalk between modes can be suppressed.

図9はY(Yは1より大きい整数)個のモード合波用光カプラ12に1つの励起光源21を有しており、これらのモード合波用光カプラ12は前記図8と同様に縦続接続することにより複数モードの励起光として増幅用光ファイバ11へ入射することができる。励起光源21はまずY分岐可能なパワーカプラ33に入射され、パワーカプラ33で分岐後の励起光はY個のモード合波用光カプラ12のポート3に入射される。これにより、各励起光は、各々のモードとしてY個のモード合波用光カプラ12のポート2へ結合する。増幅用光ファイバ11に入射する励起光の各伝搬モードの強度を調節するために、パワーカプラ33にて分岐後の励起光を減衰させる光アテネータ32を設置する構成とする。このような構成にすることで、増幅用光ファイバ11に入射する励起光の各伝搬モードの励起光強度を調節でき、励起光源21を共用することでマルチモード伝送用光増幅器の構成が簡易となる。   In FIG. 9, Y (Y is an integer greater than 1) mode multiplexing optical couplers 12 have one pumping light source 21, and these mode multiplexing optical couplers 12 are cascaded as in FIG. By connecting, it can enter into the optical fiber 11 for amplification as excitation light of multiple modes. The pumping light source 21 is first incident on a Y-branchable power coupler 33, and the pumping light branched by the power coupler 33 is incident on the port 3 of the Y mode multiplexing optical couplers 12. As a result, each pump light is coupled to port 2 of Y mode multiplexing optical couplers 12 as respective modes. In order to adjust the intensity of each propagation mode of the excitation light incident on the amplification optical fiber 11, an optical attenuator 32 for attenuating the excitation light after branching by the power coupler 33 is installed. With such a configuration, it is possible to adjust the pumping light intensity of each propagation mode of the pumping light incident on the amplification optical fiber 11, and the configuration of the multimode transmission optical amplifier is simplified by using the pumping light source 21 in common. Become.

(実施形態2)
本構成は実施形態1の図1を元にしているが、本構成はモード合波用光カプラ12の設計による利得の調節ではなくモード変換器34を用いた例を示す。こちらの構成ではモード合波用光カプラ12は1つでも良いため、さらに損失の低下が可能となりマルチモード伝送用光増幅器の構成も簡易となる。
(Embodiment 2)
Although this configuration is based on FIG. 1 of the first embodiment, this configuration shows an example in which the mode converter 34 is used instead of the gain adjustment by the design of the mode coupling optical coupler 12. In this configuration, since only one mode multiplexing optical coupler 12 is required, loss can be further reduced, and the configuration of the optical amplifier for multimode transmission can be simplified.

またモード変換器34として、ここでは長周期ファイバブラッググレーティング(LPG)を用いる。LPGでは特定の波長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励起光を異なる伝搬モードへ変換することが出来る。ここでは狭帯域なLPGを用いることで励起光波長でのみモード変換することを実現する。しかしLPGの帯域に信号光の波長が重なってしまう際には本構成を用いることは出来ない。   As the mode converter 34, a long period fiber Bragg grating (LPG) is used here. In LPG, it is possible to convert excitation light propagating by refractive index fluctuation according to the effective refractive index difference between two modes at a specific wavelength λ into different propagation modes. Here, mode conversion is realized only at the pumping light wavelength by using narrow band LPG. However, this configuration cannot be used when the wavelength of the signal light overlaps the LPG band.

変換するためのグレーティングの間隔Λは以下の式(5)で表せる。

Figure 0006059560
式(5)のnとnはそれぞれ波長λにおける変換する前のモードの実効屈折率と変換後のモードの実効屈折率を示している。この実効屈折率nとnは光ファイバの構造パラメータ、波長、モードの次数により決定する。 The grating interval Λ for conversion can be expressed by the following equation (5).
Figure 0006059560
In Equation (5), n 1 and n 2 indicate the effective refractive index of the mode before conversion and the effective refractive index of the mode after conversion, respectively, at the wavelength λ. The effective refractive indexes n 1 and n 2 are determined by the structural parameters, wavelength, and mode order of the optical fiber.

図10に励起光がポート3からポート2へ結合される前に所望のモードに変換する例を示す。この構成で用いられる光カプラ17はLPG34にて変換したモードの結合効率が高くなるよう設計することが望ましい。図11に励起光がポート3からポート2へ合波された後に所望のモードへ変換する例を示す。こちらの構成では結合するモードに制限はなく結合効率の高いものが望ましい。   FIG. 10 shows an example in which excitation light is converted into a desired mode before being coupled from port 3 to port 2. The optical coupler 17 used in this configuration is preferably designed so that the coupling efficiency of the mode converted by the LPG 34 is high. FIG. 11 shows an example in which the excitation light is multiplexed from port 3 to port 2 and then converted to a desired mode. In this configuration, there are no restrictions on the modes to be coupled, and those with high coupling efficiency are desirable.

図10及び図11の構成においては共に、必要な利得を得るとき複数の励起光のモードが必要な場合は、図12及び図13に示すように、所望のモードの数のモード変換器34を配置すればよい。   In both of the configurations of FIGS. 10 and 11, when a plurality of modes of pumping light are required to obtain a necessary gain, the number of mode converters 34 of the desired mode is added as shown in FIGS. What is necessary is just to arrange.

本発明は、マルチモード伝送用光増幅器であり、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。   The present invention is an optical amplifier for multimode transmission, and realizes gain adjustment for each propagation mode and extension of transmission distance in transmission using a plurality of modes.

11:増幅用光ファイバ
12:モード合波用光カプラ
121:結合部
13:アイソレータ
14:Nモード伝送用光ファイバ
15:レンズ
16:ダイクロイックミラー
17:光カプラ
21:励起光源
22:ミラー
23:ハーフミラー
24:位相マスク
25:光ファイバ
31:バンドパスフィルタ
32:光アテネータ
33:パワーカプラ
34:LPG
11: optical fiber for amplification 12: optical coupler for mode multiplexing 121: coupling unit 13: isolator 14: optical fiber for N-mode transmission 15: lens 16: dichroic mirror 17: optical coupler 21: excitation light source 22: mirror 23: half Mirror 24: Phase mask 25: Optical fiber 31: Band pass filter 32: Optical attenuator 33: Power coupler 34: LPG

Claims (1)

複数モードの信号光を伝送する伝送用光ファイバと、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記伝送用光ファイバを伝搬する複数モードの信号光を増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、
前記伝送用光ファイバに縦続に挿入され、それぞれ前記励起光源からの前記励起光を予め定められたモードに変換して前記信号光に合波する複数のモード合波用光カプラと、を備え、
前記複数のモード合波用光カプラの変換する前記予め定められたモードが互いに異なり、
前記複数のモード合波用光カプラは、それぞれ、
前記信号光が入力される第1のポートと、
前記励起光が入力される第3のポートと、
前記第1のポートから入力された信号光と前記第3のポートから入力された励起光の一部を合波した光を出力する第2のポートと、
前記第3のポートから入力された励起光のうちの前記信号光に合波されなかった光を出力する第4のポートと、を備え、
前記複数のモード合波用光カプラのうちの前記増幅用光ファイバから最も遠い位置に挿入されている第1のモード合波用光カプラは、前記第3のポートが前記励起光源に接続され、
前記第1のモード合波用光カプラに隣接して挿入されている第2のモード合波用光カプラは、前記第3のポートが前記第1のモード合波用光カプラの前記第4のポートに接続されており、
前記第1のモード合波用光カプラの前記第4のポートと前記第2のモード合波用光カプラの前記第3のポートとを結ぶ光ファイバに、前記信号光を遮断するバンドパスフィルタが挿入されている
ことを特徴とするマルチモード伝送用光増幅器。
A transmission optical fiber for transmitting signal light of a plurality of modes;
An amplification optical fiber that is inserted into the transmission optical fiber and that amplifies a plurality of modes of signal light propagating through the transmission optical fiber;
An excitation light source that outputs excitation light for exciting the amplification optical fiber;
A plurality of mode multiplexing optical couplers inserted in cascade in the transmission optical fiber, each converting the pumping light from the pumping light source into a predetermined mode and multiplexing the signal light;
The predetermined modes to be converted by the plurality of mode multiplexing optical couplers are different from each other,
Each of the plurality of mode multiplexing optical couplers,
A first port to which the signal light is input;
A third port to which the excitation light is input;
A second port that outputs light obtained by combining the signal light input from the first port and a part of the excitation light input from the third port;
A fourth port that outputs light that has not been combined with the signal light out of the excitation light input from the third port, and
The first mode multiplexing optical coupler inserted in a position farthest from the amplification optical fiber among the plurality of mode multiplexing optical couplers, the third port is connected to the pumping light source,
In the second mode multiplexing optical coupler inserted adjacent to the first mode multiplexing optical coupler, the third port is the fourth mode multiplexing optical coupler of the first mode multiplexing optical coupler. Connected to the port,
A band-pass filter for blocking the signal light is connected to an optical fiber connecting the fourth port of the first mode multiplexing optical coupler and the third port of the second mode multiplexing optical coupler. An optical amplifier for multimode transmission characterized by being inserted.
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