JP6265863B2 - 光増幅器及び光増幅器の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、モード多重伝送における光増幅器及び光増幅器の設計方法に関する。

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（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）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。

しかし関連技術に係るシングルモードファイバ（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）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：Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）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−１６ＱＡＭ方式で７３．７Ｔｂｐｓまで達している（例えば、非特許文献３参照。）。また、モード多重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４高次ＬＰ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。）。

モード多重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伝搬モード依存損失（ＭＤＬ：Ｍｏｄｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ）を補償する必要がある。高次のモードにおいては合分波器などモード多重伝送用デバイスの損失が基本モードに比べ大きくなることも懸念されるため少なくとも高次モードの利得は基本モード以上であることが求められる（例えば、非特許文献５参照。）。

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多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本の添加ファイバ（ＥＤＦ：Ｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ）を直列に接続し伝搬モード毎の利得調整を行う方法（例えば、非特許文献４参照。）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６参照。）。

現状の報告では空間光学素子を用いた系が主流であり励起光を光増幅用光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７参照。）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光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７参照。）。

しかしながら、上記非特許文献において光増幅器の構成はすべて空間光学系となっており、レンズ、ミラー、励起光を高次モードへ変換させるための位相マスクなどの素子に起因する損失が発生してしまう。また、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が懸念される（例えば、非特許文献６参照。）。

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懸念事項となる。信号光と励起光の合波および励起光のモード変換に空間光学素子を用いない報告もされており（例えば非特許文献８）、非特許文献８においては励起光のモード変換に長周期ファイバグレーティング（ＬＰＦＧ：Ｌｏｎｇ Ｐｅｒｉｏｄ Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇ）を用いている。

Ｎ．Ｈａｎｚａｗａ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｄｅ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｏｖｅｒ １０ ｋｍ Ｔｗｏ−ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ Ｍｏｄｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ" ＯＦＣ２０１１， ｐａｐｅｒ ＯＷＡ４， ２０１１． Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｍｏｄａｌ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｌｏｎｇ−ｈａｕｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｖｅｒ Ｆｅｗ−ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ＳＩＭＯ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ" ＥＣＯＣ２０１１， Ｗｅ．１０．Ｐ１．８２， ２０１１． Ｖ． Ｓｌｅｉｆｆｅｒ ｅｔ ａｌ， "７３．７ Ｔｂ／ｓ （９６ ｘ ３ ｘ ２５６−Ｇｂ／ｓ） ｍｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ＤＰ−１６ＱＡＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ｉｎｌｉｎｅ ＭＭ−ＥＤＦＡ" ＯＰＴ ＥＸＰＲＥＳＳ，ｖｏｌ．２０， Ｎｏ．２６ ，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１２． Ｍ．Ｓａｌｓｉ ｅｔ ａｌ．， "Ａ Ｓｉｘ−Ｍｏｄｅ Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ" ＥＣＯＣ ２０１２ ｐａｐｅｒ Ｔｈ．３．Ａ．６， ２０１２． Ａ． Ｌｉ ｅｔ ａｌ． "Ｌｏｗ−Ｌｏｓｓ Ｆｕｓｅｄ Ｍｏｄｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ ｆｏｒ Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ" ＯＦＣ／ＮＦＯＥＣ２０１３ ＯＴｕ３Ｇ．４， ２０１３． 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， ２０１２． Ｙ．Ｙｕｎｇ ｅｔ ａｌ． "Ｆｉｒｓｔ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ" ＥＣＯＣ ｐａｐｅｒ Ｔｈ．１３．Ｋ．４， ２０１１． 和田他、「ＰＬＣ型合波器を用いた低損失マルチモード光増幅器に関する検討」、電子情報通信学会 総合大会２０１４ Ｂ−１３−１０ ２０１４年 Ｓ． Ｓａｖｉｎ， Ｍ． Ｊ． Ｆ． Ｄｉｇｏｎｎｅｔ， Ｇ． Ｓ． Ｋｉｎｏ， ａｎｄ Ｈ． Ｊ． Ｓｈａｗ， "Ｔｕｎａｂｌｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｌｏｎｇ−ｐｅｒｉｏｄ ｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇｓ" ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ， ｖｏｌ．２５， Ｎｏ．１０， Ｍａｙ １５．２０００．

励起光のモード変換にＬＰＦＧを用いる場合には、変換するモードに依って信号光へモード間クロストークを生じさせる可能性があり、実用の際には信号光へのモード間クロストークの影響を最小限に抑えるＬＰＦＧの設計技術が必須となる。

前記課題を解決するために、本発明は、励起光のモード変換時に信号光へのモード間クロストークや透過損失などの影響を無くすため、ＬＰＦＧを形成する伝送光ファイバのパラメータを最適化する方法を示すことを目的とする。また、変換するモード毎にＬＰＦＧを形成することで複数のモードを任意の割合で増幅用光ファイバへ入射することが可能となる。

上記目的を達成するため、本発明では、多モード伝送用光増幅器において低損失な励起光のモード変換、および信号光のモード間クロストークの低減を実現する。

具体的には、本発明に係る光増幅器は、
増幅用光ファイバを励起する励起光を光合波器に出射する励起光源と、
外部から出射された信号光及び前記励起光を合波し、合波した前記信号光及び前記励起光を含む第１の入力信号を伝送光ファイバに出射する光合波器と、
前記伝送光ファイバに形成されたグレーティングを用いて前記第１の入力信号に含まれる励起光を所定のモードにモード変換し、前記信号光及び前記励起光を含む入力信号を第２の入力信号として増幅用光ファイバに送出するモード変換部と、
前記第２の入力信号を増幅し、増幅した第２の入力信号をアイソレータに送出する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバから送出された前記第２の入力信号を予め定められた方向にのみ通過させるアイソレータと、
を備え、
前記モード変換部において励起光をモード変換する前記所定のモードは、前記第１の入力信号のうち信号光に対するモード間クロストーク及び透過損失を発生するモード以外のモードであり、
前記グレーティングが、モード間クロストークの生じる波長が信号帯域と重ならないコア半径及び比屈折率差を有する伝送光ファイバ上に形成されている。

本発明に係る光増幅器では、前記モード変換部は、複数の前記グレーティングが縦続に接続され、複数の前記グレーティングに、コア半径及び比屈折率差の組み合わせの異なる伝送光ファイバが含まれていてもよい。

本発明に係る光増幅器では、
前記モード変換部は、
前記第１の入力信号に含まれる励起光を前記所定のモードに変換するグレーティング周期で、前記伝送光ファイバに対して押圧する押圧部と、
前記押圧部が前記伝送光ファイバを押圧する圧力を調整する圧力調整部と、
を備え、
前記圧力調整部は、モード間クロストークの生じる波長が信号帯域と重ならないコア半径及び比屈折率差を有する伝送光ファイバに、前記押圧部を押し当ててもよい。

本発明に係る光増幅器では、前記グレーティングのグレーティング周期は、前記モード変換部におけるモード変換前の励起光のモードの実効屈折率、前記モード変換部におけるモード変換後の励起光のモードの実効屈折率、及び当該励起光の波長によって定められている。

本発明に係る光増幅器では、前記グレーティングのグレーティング長さは、モード群遅延差（ＤＭＤ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ）が予め定められた値を満たすように定められていてもよい。

本発明に係る光増幅器では、
前記モード変換部は、
前記光合波器から入射された前記第１の入力信号のうち前記励起光のモード変換を行うグレーティング周期Λｐにおいてλ_２以外の波長で異なるモードに変換する波長をλ_３として、
前記λ_３から使用する信号帯域までの波長差をλ_ｄとした場合、前記グレーティングが前記λ_３を中心に有する反応帯域幅Δλが以下の（Ｃ１）式を満たすこととしてもよい。
Δλ＝０．８・λ_３ ^２／（ｃ・ＤＭＤ・Ｌ） （Ｃ１）
ただし、ｃ：光速、ＤＭＤ：モード群遅延差、Ｌ：グレーティング長さ

本発明に係る光増幅器では、
前記モード変換部は、
信号帯域と前記λ_３が重なっていない場合、伝送光ファイバに形成されるグレーティングのＤＭＤは以下の（Ｃ２）式を満たすこととしてもよい。
｜ＤＭＤ｜≦（０．４・λ_３ ^２）／（ｃ・λ_ｄ・Ｌ） （Ｃ２）
ただし、ｃ：光速、ＤＭＤ：モード群遅延差、Ｌ：グレーティング長さ

具体的には、本発明に係る光増幅器の設計方法は、
信号帯域と励起光の波長を設定する帯域波長設定手順と、
前記励起光をモード変換するためのグレーティング周期をモードの実効屈折率に応じて設定するグレーティング周期設定手順と、
モード間クロストークの生じる波長が前記信号帯域と重ならないようにグレーティングの形成に用いる伝送光ファイバのコア半径及び比屈折率差を設定し、モード群遅延差が予め定められた値を満たすようにグレーティング長さを設定する調整値設定手順と、を順に行う。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、励起光のモード変換時に信号光へのモード間クロストークや透過損失などの影響を無くすため、ＬＰＦＧを形成する伝送光ファイバのパラメータを最適化することで、信号光に対してモード間クロストークや透過損失等の影響を与えることなく励起光をモード変換することができる。

本実施形態に係る多モード伝送用光増幅器の構成の一例を示す。 本実施形態に係るＬＰＦＧを多段に設置した多モード伝送用光増幅器の構成の一例を示す。 本実施形態に係るＬＰＦＧの形成工程の一例を示す。 本実施形態に係る励起光９８０ｎｍにおけるΛｐのａ−Δ依存性の一例を示す。 本実施形態に係る波長１５５０ｎｍにおけるＬＰ０１モードとＬＰ１１モードのＤＭＤの一例を示す。 本実施形態に係るλ_３＝１５００ｎｍにおけるΔλの一例を示す。 本実施形態に係るλ_３＝１５１０ｎｍにおけるΔλ＝４０ｎｍ以下の領域の一例を示す。 本実施形態に係るλ_３＝１５２０ｎｍの領域の一例を示す。 本実施形態に係るλ_３＝１５７５ｎｍの領域の一例を示す。 本実施形態に係るλ_３＝１５８５ｎｍにおけるΔλ＝４０ｎｍ以下の領域の一例を示す。 本実施形態に係るλ_３＝１５９５ｎｍにおけるΔλ＝６０ｎｍ以下の領域の一例を示す。 本実施形態に係るＬＰＦＧの設計手順

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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）
本実施形態に係る光増幅器は、励起光源と、光合波器と、モード変換部と、増幅用光ファイバと、アイソレータと、を備える。また、光増幅器の設計方法は、帯域波長設定手順と、グレーティング周期設定手順と、調整値設定手順と、を順に行う。光増幅器において、光合波器は信号光励起光合波用カプラ１１として機能し、モード変換部は伝送光ファイバとして機能する光ファイバに形成されたグレーティングを有し、増幅用光ファイバはＥＤＦとして機能する。

以下に、励起光のモード変換における損失を低減し、かつ信号のモード間クロストークを低減するための光増幅器の構成および設計手法を示す。図１は提案する光増幅器１０の形態の概略図である。本光増幅器１０は、信号光励起光合波用カプラ１１と、励起光源１２と、光ファイバ２０に形成されたＬＰＦＧ１３と、ＥＤＦ１４と、アイソレータ１５と、を備える。光増幅器１０において、多モードファイバ中を伝搬されてきたＮモードを有する信号光は、波長選択合波器として機能する信号光励起光合波用カプラ１１により励起光源１２から出射される励起光と合波される。

以下、光ファイバ２０中を伝搬するモードは弱導波近似によるＬＰモードを用いる。信号光励起光合波用カプラ１１で合波された信号光と励起光は、外力を用いて形成されたＬＰＦＧ１３を通過後、増幅用光ファイバとして機能するＥＤＦ１４へと入射する。ここでグレーティングの形成手法において形成されるＬＰＦＧ１３は、励起光に関して任意のモードへ変換するが、信号光に関してはモード間クロストークとなるモード変換が起きないことが、ＬＰＦＧ１３の特性として求められる。所望の利得を得るために複数の励起光のモード変換が必要な場合、図２に示すように光増幅器１０では、多段に複数のＬＰＦＧ１３を縦続接続し、励起光のモード変換を行うことで増幅用光ファイバに入射するモードを複数かつ任意の割合で変換することが出来る。

以下、本ＬＰＦＧ１３の設計手法について具体例を元に示す。ＬＰＦＧ１３の形成手段としてグレーティング板を光ファイバ２０へ押し当てる手法を用いることとする。信号光ＬＰ０１モードと第一高次モードのＬＰ１１モードにおける適用について記述するが、さらに高次のモードにおいても同様の構成、設計手法を用いることで同様に課題解決を行うことが出来る。

本シミュレーションで用いた増幅用光ファイバはＥｒ３＋添加ファイバ（ＥＤＦ１４：Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ）とし、コア半径が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、増幅波長をＣ＋Ｌ帯の１５３０ｎｍから１６２５ｎｍ、伝搬モードはＬＰ０１モード、ＬＰ１１モードを想定している。ＥＤＦ１４の励起光は一般的に９８０ｎｍ帯、１４８０ｎｍ帯が用いられる。ここでは励起光λ_２は９８０ｎｍを例に用いるが１４８０ｎｍにおいても同様に検討可能である。ここで比屈折率差Δは以下の式１であらわされる。
（数１）

本実施形態に係る光増幅器１０の構成においては、励起光λ_２を任意のモードへ変換する際に、信号光の帯域も併せてモード変換を起こさないことが求められる。また増幅用光ファイバへ入射する励起光のモードを任意に変えるため、本ＬＰＦＧ１３は紫外線や放電による光ファイバ２０への書き込みではない。

例えば、本実施形態では、図３に示すように光ファイバ２０に外力を与えることによりＬＰＦＧ１３を形成する。本手法では図３において、グレーティング周期に合わせたグレーティング板として機能する押圧部２１及び平面板２２を用意し、平面板２２に配置した光ファイバ２０に押圧部２１を押し当てることでモード変換を行う。ここで、光ファイバ２０に対し押圧部２１を押し当てる圧力を調整する圧力調整部（不図示）は、光ファイバ２０へ与える外力を調整することでモードの変換比率を調整することが出来る。また、グレーティング周期Λｐの調整パラメータとして、押圧部２１のグレーティング間隔ｌを可変してもよい。

ＬＰＦＧ１３では特定の波長λにおいて２つのモード間の実効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。ＬＰＦＧ１３の帯域に信号光の波長が重なってしまう際にはモード間クロストークとなるため本構成を用いることは出来ない。

外力を用いて形成するＬＰＦＧ１３において、励起光がモード変換するグレーティングの周期Λｐは以下の式２で表せる。式２のｎ _１，ｐ 、ｎ _２，ｐ は、励起光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。この実効屈折率は光ファイバ２０の構造パラメータ、波長、モードの次数により決定する。
（数２）

図４に光ファイバパラメータによるグレーティング周期Λｐの値の違いをコア半径ａ−比屈折率差Δ図上に示す。グレーティング周期Λｐの単位はμｍである。図４では、９８０ｎｍの励起光の伝搬モードはＬＰ１１モード、ＬＰ２１モードの２つのモードを用いている。次に、励起光の波長を示すλ_２がＬＰ１１モードからＬＰ２１モードへ変換されるグレーティング周期Λｐにおいて、信号光に使用されるモードであるＬＰ０１からＬＰ１１モードへ変換される波長λ_３ について、このλ _３ が信号光帯域に重ならないための光ファイバ２０のコア半径ａ及び比屈折率差Δの条件について考える。

ＬＰＦＧ１３を形成する際にはこのλ_３が信号光帯域に重ならないよう留意する必要がある。また、ＬＰＦＧ１３により発生するλ_３を中心とする帯域幅Δλについても信号光帯域に重ならないように設計を行う必要がある。グレーティングの帯域幅Δλに関しては以下の式３で表すことが出来る。ｃは光速、ＤＭＤはＬＰ１１モードとＬＰ０１モードのモード群遅延差（ＤＭＤ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ）、Ｌは用いるグレーティングの長さを表している。
（数３）

波長１５５０ｎｍにおいて、コア半径ａと比屈折率差Δを変えた場合、有限要素法に基づいて計算したモード群遅延差ＤＭＤの変化を図５に示す。モード群遅延差ＤＭＤはＬＰ１１モードの群遅延からＬＰ０１モードの群遅延を引いた値で示している。斜線の領域は１６２５ｎｍにおけるＬＰ１１モードのカットオフ領域を表している。ＤＭＤの単位はｐｓ／ｍで表している。図５より光ファイバ２０のコア半径ａのパラメータによりＤＭＤの値が変わりΔλに影響を与えることが分かる。

これより、信号光の帯域をＣ帯（１５３０から１５６５ｎｍ）、グレーティングの長さＬを３ｃｍとしたときのＬＰＦＧ１１の設計について図６に示す。図６では、ａ‐Δ上にλ３＝１５００ｎｍ及びΔλを一例として図示し、λ_３が実線に示した１５００ｎｍであるとき、Δλは６０ｎｍ以下（Δλ／２＝３０ｎｍ）であれば１５３０ｎｍに影響を与えることはないことを表している。

図５の通り、光ファイバ２０のパラメータによりΔλが異なり、λ_３＝１５００ｎｍにおいては、図６中○点で示したΔλ＝６０ｎｍ以下の矢印方向の領域の光ファイバ２０を用いたＬＰＦＧ１３であれば信号光へ与えるモード間クロストークの影響は小さく、本手法を用いることが可能である。λ_３を同様に評価していくことで用いることの出来るＬＰＦＧ１３のパラメータが決定する。

同様にλ_３＝１５１０、１５２０、１５７５、１５８５、１５９５ｎｍについて計算を行った結果を図７、図８、図９、図１０、図１１にそれぞれ示す。図７では、ａ‐Δ上にλ_３＝１５１０ｎｍ及びΔλを一例として図示し、λ_３が実線に示した１５１０ｎｍであるとき、Δλは４０ｎｍ以下（Δλ／２＝２０ｎｍ）であれば１５３０ｎｍに影響を与えることはないことを表している。

図７と同様に、信号光が１５３０ｎｍの場合、影響のないパラメータを図１０及び１１を用いて以下に示す。図１０では、ａ‐Δ上にλ_３＝１５８５ｎｍを一例として図示し、λ_３が実線に示した１５８５ｎｍであるとき、Δλは４０ｎｍ以下（Δλ／２＝２０ｎｍ）となる。図１１では、ａ‐Δ上にλ_３＝１５９５ｎｍを一例として図示し、λ_３が実線に示した１５９５ｎｍであるとき、Δλは６０ｎｍ以下（Δλ／２＝３０ｎｍ）となる。

なお、本実施形態では、λ_３からＣ帯端（１５３０もしくは１５６５ｎｍ）までの波長差λ_ｄとなるΔλを併せて図示している。この場合、図８及び９では、λ_３の値によってＬＰＦＧ１３として用いることが出来る光ファイバパラメータが異なるため、本計算領域（ａ＝４．０〜７．５μｍ、Δ＝０．３〜１．０％）においては図８に示すλ_３＝１５２０及び図９に示す１５７５ｎｍには、要件を満たす領域が無いことがわかる。

本光増幅器１０に用いられるＬＰＦＧ１３に求められる特性として、励起光がモード変換するΛｐにおいて共鳴するλ_３を中心に発生する帯域幅Δλが使用する信号光の帯域と重なっていないことが求められる。本光増幅器として機能するＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）に用いられるＬＰＦＧ１３は、以下の式４を満たす。
（数４）

つまり、式３と式４より光ファイバ２０のパラメータであるモード群遅延差ＤＭＤが、以下の関係式５を満たす光ファイバ２０を用いたＬＰＦＧ１３の形成が必要となる。
（数５）

伝送に用いる帯域、励起光の波長とＬＰＦＧ１３に用いる光ファイバ２０を決定することで、ＤＭＤ、λ_３とλ_ｄが決定する。その後、グレーティング長さＬが式５を満たすように調整することで本ＬＰＦＧ１３を有する光増幅器１０となる。

ここで、図１２を用いて本光増幅器１０に必要なＬＰＦＧ１３の設計手順を以下に示す。帯域波長設定手順では、信号光の帯域と励起光の波長を決定する（ステップＳ１１０）。グレーティング周期設定手順では、励起光をモード変換するためのグレーティング周期Λｐをモードの実効屈折率から決定する（ステップＳ１１１）。調整値設定手順では、ＬＰＦＧ１３に用いる光ファイバ２０のＤＭＤ、及びグレーティング長Ｌを調整する（ステップＳ１１２）。

本発明は、光増幅器１０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ため情報通信産業に適用することができる。

１０：光増幅器
１１：信号光励起光合波用カプラ
１２：励起光源
１３、１３−１、１３−２、１３−ｎ：ＬＰＦＧ
１４：ＥＤＦ
１５：アイソレータ
２０：光ファイバ
２１：押圧部
２２：平面板

Claims (8)

1. 増幅用光ファイバを励起する励起光を光合波器に出射する励起光源と、
   外部から出射された信号光及び前記励起光を合波し、合波した前記信号光及び前記励起光を含む第１の入力信号を伝送光ファイバに出射する光合波器と、
   前記伝送光ファイバに形成されたグレーティングを用いて前記第１の入力信号に含まれる励起光を所定のモードにモード変換し、前記信号光及び前記励起光を含む入力信号を第２の入力信号として増幅用光ファイバに送出するモード変換部と、
   前記第２の入力信号を増幅し、増幅した第２の入力信号をアイソレータに送出する増幅用光ファイバと、
   前記増幅用光ファイバから送出された前記第２の入力信号を予め定められた方向にのみ通過させるアイソレータと、
   を備え、
   前記モード変換部において励起光をモード変換する前記所定のモードは、前記第１の入力信号のうち信号光に対するモード間クロストーク及び透過損失を発生するモード以外のモードであり、
   前記グレーティングが、モード間クロストークの生じる波長が信号帯域と重ならないコア半径及び比屈折率差を有する伝送光ファイバ上に形成されている、
   光増幅器。
2. 前記モード変換部は、複数の前記グレーティングが縦続に接続され、
   複数の前記グレーティングに、コア半径及び比屈折率差の組み合わせの異なる伝送光ファイバが含まれている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
3. 前記モード変換部は、
   前記第１の入力信号に含まれる励起光を前記所定のモードに変換するグレーティング周期で、前記伝送光ファイバに対して押圧する押圧部と、
   前記押圧部が前記伝送光ファイバを押圧する圧力を調整する圧力調整部と、
   を備え、
   前記圧力調整部は、モード間クロストークの生じる波長が信号帯域と重ならないコア半径及び比屈折率差を有する伝送光ファイバに、前記押圧部を押し当てる、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光増幅器。
4. 前記グレーティングのグレーティング周期は、前記モード変換部におけるモード変換前の励起光のモードの実効屈折率、前記モード変換部におけるモード変換後の励起光のモードの実効屈折率、及び当該励起光の波長によって定められる、
   ことを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の光増幅器。
5. 前記グレーティングのグレーティング長さは、モード群遅延差（ＤＭＤ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ）が予め定められた値を満たすように定められている、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光増幅器。
6. 前記モード変換部は、
   前記光合波器から入射された前記第１の入力信号のうち前記励起光のモード変換を行うグレーティング周期Λｐにおいてλ_２以外の波長で異なるモードに変換する波長をλ_３として、
   前記λ_３から使用する信号帯域までの波長差をλ_ｄとした場合、前記グレーティングが前記λ_３を中心に有する反応帯域幅Δλが以下の（Ｃ１）式を満たすことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光増幅器。
   Δλ＝０．８・λ_３ ^２／（ｃ・ＤＭＤ・Ｌ） （Ｃ１）
   ただし、ｃ：光速、ＤＭＤ：モード群遅延差、Ｌ：グレーティング長さ
7. 前記モード変換部は、
   信号帯域と前記λ_３が重なっていない場合、伝送光ファイバに形成されるグレーティングのＤＭＤは以下の（Ｃ２）式を満たすことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光増幅器。
   ｜ＤＭＤ｜≦（０．４・λ_３ ^２）／（ｃ・λ_ｄ・Ｌ） （Ｃ２）
   ただし、ｃ：光速、ＤＭＤ：モード群遅延差、Ｌ：グレーティング長さ
8. 信号帯域と励起光の波長を設定する帯域波長設定手順と、
   前記励起光をモード変換するためのグレーティング周期をモードの実効屈折率に応じて設定するグレーティング周期設定手順と、
   モード間クロストークの生じる波長が前記信号帯域と重ならないようにグレーティングの形成に用いる伝送光ファイバのコア半径及び比屈折率差を設定し、モード群遅延差が予め定められた値を満たすようにグレーティング長さを設定する調整値設定手順と、
   を順に行うことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光増幅器の設計方法。

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