JP6323913B2

JP6323913B2 - 光増幅器及び伝送システム

Info

Publication number: JP6323913B2
Application number: JP2015068239A
Authority: JP
Inventors: 雅樹和田; 泰志坂本; 青笹　真一; 真一青笹; 崇嘉森; 山本　貴司; 貴司山本; 山本　文彦; 文彦山本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2035-03-30
Also published as: JP2016189381A

Description

本発明は、モード多重伝送用の光増幅器及びモード多重伝送を行う伝送システムに関する技術である。

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（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：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（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅｍｏｄｅｆｉｂｅｒ）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：Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅｆｉｂｅｒ）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。

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モードと第四高次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。

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利得（ＭＤＧ：ＭｏｄｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔＧａｉｎ）を小さくする必要性がある。しかしながらＥｒ^３＋添加光ファイバ（ＥＤＦ：ＥｒｂｉｕｍＤｏｐｅｄｏｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒ）中を伝搬する光はモード毎に異なる電界分布を有するため一般的に異なる利得を得ることとなる。

各モードの利得は、ＥＤＦ等の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、及び信号光の電界分布の重なりによって決定される。

現在、シングルモード伝送における増幅用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等が知られている。さらに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も提案されている。

そして、伝搬モード毎の利得調整をする励起光電界分布からのアプローチとして次の２つが知られている。１つは、励起光を光増幅用ファイバへ入射する際に空間光学素子を用いて軸ずれ励振する方法（例えば、非特許文献１を参照。）である。もう一つは、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ファイバへ入射する方法である（例えば、非特許文献２を参照。）。

一方、モード多重伝送の伝送帯域の拡大に向けたＬ帯（１５６５−１６２５ｎｍ）光増幅技術の検討も近年行われ始めている（例えば、非特許文献３を参照。）。従来のシングルモード伝送においてはＣ帯（１５３０−１５６５ｎｍ）にて用いられるＥＤＦと比べ長尺なものを利用することでＬ帯光増幅を実現してきた。一般的に、長尺なＥＤＦを用いたＬ帯光増幅は次のような増幅の過程がなされる。励起光を吸収した前半のＥＤＦはＣ帯のＡＳＥを発生する。そして後半のＥＤＦがこのＣ帯のＡＳＥを吸収しＬ帯の光増幅を行う。そして、非特許文献３に記載されるように、ＭＤＧの低減がＬ帯の中でも長波長側になるほど困難となることが予想される。

Ｙ．Ｙｕｎｇｅｔａｌ．"Ｆｉｒｓｔｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｍｏｄｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｆｏｒｓｐａｔｉａｌｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ" ＥＣＯＣ２０１１ｐａｐｅｒＴｈ．１３．Ｋ．４Ｙ．Ｊｕｎｇｅｔａｌ．"Ｆｅｗ−ｍｏｄｅＥＤＦＡＳｕｐｐｏｒｔｉｎｇ５ＳｐａｔｉａｌＭｏｄｅｓｗｉｔｈＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＭｏｄａｌＧａｉｎＣｏｎｔｒｏｌ" ＥＣＯＣ２０１３ｐａｐｅｒＷｅ．４．Ａ．２．和田他、信学技法、ＯＣＳ２０１４−４０（２０１４）．

上述のように、現在伝送容量を増加させるため、モード多重や伝送帯域拡大が検討されている。そして、長距離伝送のためには光増幅を行う必要があるが、希土類元素添加光ファイバによる光増幅にはＭＤＧによるモード間の伝送品質に差が生ずるという課題があった。さらに、Ｌ帯への伝送帯域の拡大を図れば、Ｌ帯の長波長側でＭＤＧの影響が顕著になるという課題もあった。
そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、Ｌ帯でのマルチモード伝送においてＭＤＧを低減できる光増幅器及び伝送システムを提供することを目的とする。

そこで本発明は、コアの希土類元素添加分布が互いに異なる増幅用光ファイバを光の伝搬方向に直接に接続することとした。

具体的には、本発明に係る光増幅器は、
コアに添加された希土類元素の断面における濃度分布が互いに異なり、光の伝搬方向に直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の増幅用光ファイバと、
それぞれの前記増幅用光ファイバに励起光を供給するＮ個の励起光源と、
を備える。

また、本発明に係る伝送システムは、
伝搬する波長帯域においてマルチモードで光を伝搬するマルチモードファイバと、
前記マルチモードファイバへ伝搬モードを違えた複数の光信号を結合する送信機と、
光の伝搬方向に前記マルチモードファイバと直列に接続され、コアに添加された希土類元素の断面における濃度分布が互いに異なるＮ個の増幅用光ファイバと、
それぞれの前記増幅用光ファイバに励起光を供給するＮ個の励起光源と、
を備える。

本光増幅器及び本伝送システムの１つの増幅用光ファイバでの利得は伝搬モード毎に異なっている。そして、全ての増幅用光ファイバを通過したときに各伝搬モードの光が受けるトータルの利得が等しくなるように各増幅用光ファイバのコアの希土類元素添加分布を設定する。特に、Ｌ帯の光でトータルの利得が等しくなるようにコアの希土類元素添加分布を設定することで、Ｌ帯でのマルチモード伝送においてＭＤＧを低減できる光増幅器及び伝送システムを提供することができる。

例えば、本発明に係る光増幅器及び伝送システムの前記増幅用光ファイバは、伝搬モード毎の利得のうち最大利得の伝搬モードが互いに異なることを特徴とする。１番目の増幅用光ファイバで最大利得を得られるモードがＬＰ０１、２番目の増幅用光ファイバで最大利得を得られるモードがＬＰ１１、３番目の増幅用光ファイバで最大利得を得られるモードがＬＰ１２、・・・のように各増幅用光ファイバで最大利得を得られるモードを違えておき、全ての増幅用光ファイバを通過したときにトータルの利得が伝搬モード間で等しくなるように設定してもよい。

例えば、本発明に係る光増幅器及び伝送システムは、前記励起光源からの励起光の伝搬モードを変換するモード変換器をさらに備える。励起光の伝搬モードを変更することで増幅用光ファイバでの利得を調整することができ、コアの希土類元素添加分布設定後にＭＤＧ調整が可能となる。

例えば、本発明に係る光増幅器及び伝送システムの前記励起光源は、それぞれの励起光の光強度が所定比となるように出力する励起光の光強度を調整することを特徴とする。励起光の光強度を変更することで増幅用光ファイバでの利得を調整することができ、コアの希土類元素添加分布設定後にＭＤＧ調整が可能となる。

本発明は、Ｌ帯でのマルチモード伝送においてＭＤＧを低減できる光増幅器及び伝送システムを提供することができる。

本発明に係る光増幅器の構成を説明する図である。本発明に係る光増幅器の構成を説明する図である。ＥＤＦ１のエルビウム添加分布を説明する図である。ＥＤＦ２のエルビウム添加分布を説明する図である。ＥＤＦ１の励起光強度依存性を説明する図である。ＥＤＦ２の励起光強度依存性を説明する図である。励起光強度比と利得（波長１５８０ｎｍ）の関係を説明する図である。励起光強度比２．４０における利得の波長依存性を説明する図である。励起光強度比０．８５における利得の波長依存性を説明する図である。励起光強度比０．８５、励起光１をＬＰ０１モード、励起光２をＬＰ１１モードとしたときの利得の波長依存性を説明する図である。本発明に係る伝送システムを説明する図である。

添付の図面を参照して本願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願発明の実施の例であり、本願発明は、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。

まず、各モードの利得を決める要素について説明する。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。

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下記数式１の様に表せる。

ここでｐ_ｓ，ｉはｉ番目のモード（モードｉ）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。

モードｉの信号光利得係数γ_ｅ，ｉ（ｚ，ν）と吸収係数γ_ａ，ｉ（ｚ，ν）は、各モードの規格化電界分布ψ_ｓ，ｉ（ν，ｒ，θ）と信号光、励起光に対する放出断面積σ^Ｓ _ｅｓ，ｉ、吸収断面積σ^Ｓ _ａｓ，ｉを用いてそれぞれ以下のように表せる。

ここで、Ｎ_２（ｒ、θ、ｚ）、Ｎ_１（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Ｅｒ^３＋励起準位と基底準位のイオン密度を表し、これらはＥＤＦ作製時のＥｒ添加分布により決まる。

各伝搬モードにおいて数式１の伝搬方程式を解くことにより、信号光の利得が求められる。上記より信号光の利得は、励起光の伝搬モード、ＥＤＦのＥｒ添加分布により決まることが分かる。

以下に、マルチモードＬ帯光増幅におけるＭＤＧの低減を実現するための光増幅器及び伝送システムの構成および実施例を示す。

（実施形態１）
図１は、本実施形態の光増幅器３０１の構成を説明する図である。光増幅器３０１は、コアに添加された希土類元素の断面における濃度分布が互いに異なり、光の伝搬方向に直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の増幅用光ファイバ（１４、２４）と、それぞれの前記増幅用光ファイバに励起光を供給するＮ個の励起光源（１１、２１）と、を備える。

本実施形態はＮ＝２であり、増幅用光ファイバとして２種のＥＤＦを縦続に接続した実施例である。モード多重（Ｎモード）された信号光が入力端１０に入力され、モード多重のまま合波用カプラ１３、増幅用光ファイバ１４、アイソレータ１５、合波用カプラ２３、増幅用光ファイバ２４の順で通過し、出力端２０から出力される。信号光は合波用カプラ（１３、２３）により励起光（波長１４８０ｎｍ）と合波される。合波された信号光と励起光は、増幅用光ファイバ（１４、２４）へと入射する。信号光は増幅用光ファイバ（１４、２４）中で誘導放出を起こし、光増幅後出射される。また必要に応じて増幅用光ファイバ（１４、２４）での発振を防ぐため光アイソレータ１５を挿入する。

増幅用光ファイバ（１４、２４）はＥＤＦである。このＥＤＦはＬ帯において２ＬＰモードを伝搬する構造である。増幅用光ファイバ（１４、２４）のコアはそれぞれ異なるエルビウム添加分布を有しており、信号光はモード毎に異なる利得となる。図３及び図４は、本実施形態のＥＤＦのエルビウム添加分布を示す図である。増幅用光ファイバ（１４、２４）のＥＤＦはコアとクラッドの屈折率分布に関しては共にステップ形状であるが、エルビウム添加分布に関しては、増幅用光ファイバ１４はコア内外側に強くドーパントが添加されるリング型、増幅用光ファイバ２４はコア内に一様にドーパントが添加されるステップ型である。

増幅用光ファイバ（１４、２４）は、伝搬モード毎の利得のうち最大利得の伝搬モードが互いに異なる。ここでは、増幅用光ファイバ１４で最大利得を与える伝搬モードはＬＰ１１であり、増幅用光ファイバ２４で最大利得を与える伝搬モードはＬＰ０１である。
ここで、図５および図６に具体的な増幅用光ファイバ（１４、２４）の励起強度依存性を示す。信号光波長は１６００ｎｍ、信号光強度は−１０ｄＢｍ、励起光はＬＰ０１モードである。結果より増幅用光ファイバ１４においては利得ＬＰ１１＞ＬＰ０１、増幅用光ファイバ２４においては利得ＬＰ０１＞ＬＰ１１モードという傾向であることが確認できる。これは、増幅用光ファイバ１４においてはエルビウム添加分布をリング形状であることによりＥＤＦ断面における反転分布領域が信号光ＬＰ１１モードと大きく重なっているためである。

励起光源は、それぞれの励起光の光強度が所定比となるように出力する励起光の光強度を調整することができる。本実施形態では、信号光励起光合波用カプラ（１３、２３）が各増幅用光ファイバ（１４、２４）に入射する励起光強度を変えることができる。励起光の光強度を調整することで各伝搬モード毎の利得を調整することができる。

励起光源１１および励起光源１２からの励起光の強度比を変えることによるＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの利得の変化について評価を行った。測定は、光増幅器３０１の入力端１０へ光強度が既知であるＬＰ０１モードの信号光とＬＰ１１モードの信号光（いずれも波長１５８０ｎｍ）を入力し、出力端２０から出力されたＬＰ０１モードの信号光とＬＰ１１モードの信号光の強度を測定し、それおぞれの信号光が光増幅器３０１で得られる利得を計算した。その結果を図７に示す。図７は励起光の強度比（励起光源１２からの励起光強度／励起光源１１からの励起光強度）に対する各モードの利得の関係である。励起光の強度比を変化させることで各モードの信号光が得られる利得が変化することがわかる。つまり、励起光の強度比を変えることによりＭＤＧを調整することが可能である。

次に、励起光強度比２．４０及び０．８５における、各モードの信号光の波長依存性（１５７０−１６００ｎｍ）をそれぞれ図８及び図９に示す。この結果から励起光強度比を２．４０から０．８５に変えることによりＬ帯域でＭＤＧを低減できることが確認できる。

（実施形態２）
図２は、本実施形態の光増幅器３０２の構成を説明する図である。光増幅器３０２は、図１の光増幅器３０１に、励起光源（１１、２１）からの励起光の伝搬モードを変換するモード変換器（１２、２４）をさらに備える構成である。モード変換器１２は励起光源１１からの励起光の伝搬モードを所望の伝搬モードに変換し、モード変換器２２は励起光源２１からの励起光の伝搬モードを所望の伝搬モードに変換する。励起光の伝搬モードを変換することで、増幅用光ファイバのコアでの励起光と信号光との重なりの大きさが変わり、信号光が得る利得の大きさが変わる。すなわち、励起光の伝搬モードを調整することでＭＤＧを改善することができる。

図１０は、励起光源２１からの励起光の伝搬モードをモード変換器２２でＬＰ１１モードへ変換して増幅用光ファイバ２４へ入射した際の信号光の利得特性を示す図である。励起光源１１からの励起光はＬＰ０１モードとしている。１５７０ｎｍ，１５８０ｎｍにおいてＬＰ１１モードの信号光の利得がＬＰ０１モードの信号光の利得を上回っており、励起光の伝搬モードに依る利得特性の変化を確認できる。この励起光のモード変換による利得調整手法は増幅用光ファイバのコアの希土類元素添加分布が決まった後も、伝搬モード毎に利得を変化させることができるため、ＭＤＧ改善の有用な手法の一つである。

（実施形態３）
図１１は、本実施形態の伝送システム３０３を説明する図である。実施形態１及び実施形態２では、増幅用光ファイバ（１６、２６）を備える光増幅器を説明してきたが、増幅用光ファイバ（１６、２６）は伝送路のマルチモードファイバの途中に配置してもよい。

すなわち、伝送システム３０３は、
伝搬する波長帯域においてマルチモードで光を伝搬するマルチモードファイバ（１６、２６）と、
前記マルチモードファイバへ伝搬モードを違えた複数の光信号を結合する送信機１７と、
光の伝搬方向に前記マルチモードファイバと直列に接続され、コアに添加された希土類元素の断面における濃度分布が互いに異なるＮ個の増幅用光ファイバ（１４、２４）と、
それぞれの前記増幅用光ファイバに励起光を供給するＮ個の励起光源（１１、２１）と、
を備える。

また、伝送システム３０３は、前記励起光源からの励起光の伝搬モードを変換するモード変換器（１２、２２）をさらに備える。
伝送システム３０３は、光増幅器３０１や光増幅器３０２で説明した図３から図１０の特徴を同様に有しており、ＭＤＧを改善することができる。

伝送システム３０３は、光増幅器３０１や光増幅器３０２と異なり、励起光を信号光に合波するポイントが送信機１７や受信機２７の近傍にある。このため、伝送システム３０３は、光増幅器３０１や光増幅器３０２を伝送経路の途中に設置する伝送システムに比べ、ＭＤＧを遠隔で調整することができる。
また、伝送システム３０３は、マルチモードファイバとしてＮモード伝搬可能な光ファイバとすることで、副次的に発生するラマン増幅効果も利得改善に活用できるシステムとなる。

［付記］
以下は、本実施形態の光増幅器を説明したものである。
＜課題＞
マルチモードＬ帯光増幅器におけるモード間利得差を低減し、モード多重伝送の広帯域化を図る光増幅器を提供することを目的とする。

＜手段＞
（１）：信号光波長１５６５から１６２５ｎｍにおいて伝搬モードがＮ（Ｎは２以上の整数）以上伝送可能な２種以上の異なるエルビウム添加分布を有する増幅用光ファイバ（ＥＤＦ）と、
上記増幅用ファイバを励起するための励起光源と、
信号光と励起光を合波するための合波器と、
上記信号光用の光アイソレータと、
を有することを特徴とする光増幅器。

（２）：
上記励起光源の伝搬モードを任意のモードへ変換するためのモード変換器を有することを特徴とする上記（１）に記載の光増幅器。

（３）：
上記ＥＤＦはそれぞれ異なるモードが最も大きな利得となることを特徴とする上記（１）に記載の光増幅器。

（４）：
上記光増幅器の後段に光伝送路を有しており、
受信端側に励起光源と、伝搬モードを変換するためのモード変換器と、伝送路に励起光を合波するための信号光励起光合波器を有する伝送システム。

（５）：
複数の増幅用光ファイバを経由した信号光のトータルの利得が伝搬モード間で等しくなるように各増幅用光ファイバのコアの希土類元素濃度分布を設定する光増幅器の製造方法。

（６）：
上記（１）から（５）のいずれかに記載の光増幅器又は伝送システムの調整方法であって、複数の増幅用光ファイバを経由した信号光のトータルの利得が伝搬モード間で等しくなるように各励起光の光強度又は伝搬モードを調整することを特徴とする調整方法。

（７）：
伝送された信号光の利得を伝搬モード毎に計測する利得測定器と、
前記利得測定器の測定結果に基づき各励起光の光強度又は伝搬モードを調整するフィードバック回路と、
をさらに備える上記（１）から（５）のいずれかに記載の光増幅器又は伝送システム。

＜効果＞
本発明によれば、マルチモードＬ帯光増幅器におけるモード間利得差低減を実現し、モード多重伝送の更なる広帯域化に貢献する。

実施形態ではＮ＝２の場合を説明してきたが、本発明は、増幅用光ファイバの数を増やすことでＮ＝３以上のＭＤＧ調整を可能とする。

１０：入力端
１１、２１：励起光源
１２、２２：モード変換器
１３、２３：合波用カプラ
１４、２４：増幅用光ファイバ（ＥＤＦ）
１５：アイソレータ
１６、２６：マルチモードファイバ
１７：送信機
２０：出力端
２７：受信機
３０１、３０２：光増幅器
３０３：伝送システム

Claims

伝搬する波長帯域においてマルチモードで光を伝搬するマルチモードファイバと、
前記マルチモードファイバの一端へ伝搬モードを違えた複数の光信号を結合する送信機と、
前記マルチモードファイバの他端から前記複数の光信号を受信する受信機と、
前記マルチモードファイバの途中に、光の伝搬方向に前記マルチモードファイバと直列に接続され、コアに添加された希土類元素の断面における濃度分布が互いに異なるＮ個の増幅用光ファイバと、
前記送信機と前記マルチモードファイバとの接続点及び前記受信機と前記マルチモードファイバとの接続点からそれぞれの前記増幅用光ファイバに励起光を供給するＮ個の励起光源と、
を備える伝送システム。
前記増幅用光ファイバは、伝搬モード毎の利得のうち最大利得の伝搬モードが互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の伝送システム。
前記励起光源からの励起光の伝搬モードを変換するモード変換器をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の伝送システム。
前記励起光源は、それぞれの励起光の光強度が所定比となるように出力する励起光の光強度を調整することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の伝送システム。