JP6348535B2 - ハイパワー・ダブルクラッド（ｄｃ）・ポンプ・エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ｅｄｆａ） - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている、Ｚｈｕによる「Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｄｏｕｂｌｅ−Ｃｌａｄｄｉｎｇ−Ｐｕｍｐｅｄ （ＤＣ） Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ （ＥＤＦＡ）」という名称の２０１３年３月１５日に出願された米国特許仮出願第６１／８０２，０８６号及び米国特許出願第１４／０１０，６２２号の利益を主張するものである。

本開示は、一般に、光増幅器に関し、より詳細には、ダブルクラッド・ポンプ・エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）に関する。

データ容量を増大させることに対する要求は、次世代光ネットワークの創出をもたらしている。これらの次世代光ネットワークは、効率的な動作のためにハイパワー増幅器を使用する。したがって、これらの次世代光通信システムで使用するための増幅器を改善する努力が進行中である。

高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）用のハイパワー化ダブルクラッド（ＤＣ）・ポンプ・イッテルビウム・フリーのＬバンド・エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が開示される。ＤＣポンプ・イッテルビウム・フリーのＬバンドＥＤＦＡは、低屈折率大直径コアを有する１本のＤＣエルビウム・ドープ・ファイバ（ＥＤＦ）を含む。いくつかの実施形態では、ＤＣ−ＥＤＦには、半径方向でクラッドの外側に配置され、それによって、単一モード挙動を依然として効果的に維持しながらクラッド吸収を増加させるトレンチがさらに含まれる。

本開示の多くの態様は、以下の図面を参照してよりよく理解することができる。図面中の構成要素は必ずしも原寸に比例しておらず、その代わりに、本開示の原理を明確に示すことに重点が置かれている。さらに、図面において、同様の参照番号は、いくつかの図全体にわたって対応する部分を示す。

テーパ化ファイバ束による信号／ポンプ・マルチプレクサを使用するダブルクラッド（ＤＣ）・ポンプ・エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の１つの実施形態を示す図である。 ハイパワーＤＣイッテルビウム（Ｙｂ）フリーのＬバンドＥＤＦＡの１つの実施形態を示す図である。 図３Ａは、ＹｂフリーのＤＣエルビウム・ドープ・ファイバ（ＥＤＦ）の断面の１つの実施形態を示す図であり、図３Ｂは、図３ＡのＤＣ−ＥＤＦの屈折率プロファイルを示すグラフである。 ＤＣ ＹｂフリーのＬバンドＥＤＦの１つの実施形態の主要ファイバ・パラメータを示す表である。 マクロベンディング損失を示すグラフである。 トレンチ設計を使用した屈折率プロファイルのいくつかの実施形態を示すグラフである。 ファイバ設計のカットオフ波長およびベンディング損失への図６Ａのファイバ設計の影響を例証するシミュレーション結果を示すグラフである。 ＹｂフリーのＤＣ−ＥＤＦＡの測定した利得の１つの例を示すグラフである。 ＹｂフリーのＤＣ−ＥＤＦＡの測定した雑音指数（ＮＦ）の１つの例を示すグラフである。 ＹｂフリーのＤＣ−ＥＤＦＡからの出力スペクトルの１つの例を示すグラフである。 ＹｂフリーのＤＣ ＥＤＦＡの光信号対雑音比（ＳＮＲ）の関数としてのビット誤り率の１つの例を示すグラフである。

近年、次世代光通信ネットワーク用途で使用するためのハイパワー広帯域光増幅器への要求が高まってきている。これらのネットワーク用途の例には、無中継海底システム、メッシュ・ネットワークにおける再構成可能光アド−ドロップ・マルチプレクサ（ＲＯＡＤＭ）などが含まれる。ハイパワー光増幅器への要求が存在するが、それは、超大面積伝送ファイバの使用の結果として高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）伝送システムへの送出パワーを増加させることによって光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）を改善することができるからである。

これらの次世代光伝送システムの用途のうちのいくつかは、少なくとも約２５ｄＢｍの出力飽和パワーを必要とする。いくつかの例では、出力飽和パワーの要求は少なくとも約３０ｄＢｍである。例えば、この高い出力飽和パワーは、長距離メッシュ・ネットワークにおいて、ＲＯＡＤＭデバイス内の付加的な損失を補償するために必要とされる。

従来のコア・ポンピング方式を使用するＣバンドまたはＬバンドいずれかのエルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の現在の出力飽和パワーは約２３ｄＢｍに制限されている。出力飽和パワーは、従来のコア・ポンピング方式では、パワー変換効率（ＰＣＥ）の低減をもたらす励起状態吸収（ＥＳＡ）およびエルビウム・イオン濃度消光などの様々な望ましくない非線形効果の結果として制限される。コアの９８０ｎｍポンピングによって発生するＥＳＡのため、小さいコアでの高いポンプ強度に起因してハイパワーにおけるパワー変換効率が制限される。エルビウム（Ｅｒ）などによる高い利得ドーピング密度は対誘起消光およびＥＳＡを引き起こすことがあり、それにより、出力飽和パワーおよびＰＣＥの低下がもたらされる。

加えて、現在のハイパワーＬバンドＥＤＦＡは、コア・ポンピング方式が利用される場合、小さいコア直径に起因する四光波混合（ＦＷＭ）の影響を受けやすい。四光波混合は、伝送容量を増加させるのに高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）を利用するシステムでは特に有害となることがある。そのような状況において、四光波混合は、異なる波長間の干渉クロストークおよび／または利得スペクトルのひずみを引き起こす。さらに、四光波混合の悪影響はファイバの長さに沿って蓄積することがある。

ダブルクラッド（ＤＣ）・ポンピングが、コア・ポンピングの代替として、低コスト多モード・ポンプ・ダイオードを使用するハイパワー増幅のために使用される。電気通信用途でＤＣポンピングを使用することに由来する利点にもかかわらず、低いポンプ光吸収の結果としてＤＣポンピング増幅器設計に伴うかなり大きい困難が依然として存在する。加えて、低いポンプ光吸収のため、ファイバ長を増加させる必要があることがある。

ＤＣポンプ・システムのポンプ光吸収を改善するために、Ｅｒのイッテルビウム（Ｙｂ）およびリン（Ｐ）との共ドーピングが時には使用される。しかし、Ｐによる共ドーピングはＥｒのクロス・スペクトルを変更し、短波長のＷＤＭ信号に悪影響を及ぼす。その上、Ｐ−ドーピングは、屈折率値および内側クラッドの変動へのそれの影響に起因して、アルミニウム（Ａｌ）などの他の共ドーパントの選択幅を狭める。要するに、ＤＣポンプ増幅器の低いポンプ吸収に関連する問題を解決するために実施されるＰ−共ドーピング方式は利得スペクトルを変更し、それにより、ＷＤＭシステムの短波長範囲の利得を低下させる。ＷＤＭシステムにおける望ましい広利得スペクトル平坦性には、Ｐのゼロ濃度が望ましい。これは、通常、増幅の広利得スペクトルと、良好な利得平坦性とを達成するために、ファイバが本質的にＹｂフリーであり、代わりに、Ａｌで共ドープされることを必要とする。

ＤＣポンプ増幅器のポンプ吸収を改善するために他の設計技法が実施されている。具体的には、ＤＣファイバのポンプ吸収係数は、コア面積に対する内側クラッド面積の比に反比例する。したがって、内側クラッド直径が減少するとポンプ吸収が増加する。この技法はポンプ吸収の改善をもたらすことができるが、不利点がないわけではない。例えば、内側クラッド面積を低減すると、通常、より小さい直径のピグテイル・ファイバを用いてパッケージ化された特別設計の多モード・ポンプ・ダイオードが必要とされ、それは低いパワー変換効率をもたらす。理論的には、ポンプ吸収係数の改善は、コア直径を増加させることによって達成することもできる。しかし、これは、どちらも電気通信用途を含むいくつかの用途では望ましくない多モード動作または過度の曲げ損失などの重大な不利点もたらすことがある。

このことから、電気通信用途の光増幅器設計で考慮すべき別の主要な問題は、単一モード動作を維持しながらファイバ・コア直径を最大化にすることであることを、通常の技術者は理解されよう。単一モード動作を得るには、コア屈折率（ステップ・インデックス・プロファイルを仮定する）およびコア直径が、典型的には、

πＮＡ_ｃｏｒｅｄ_ｃｏｒｅ／λ＜Ｖ_ｃ ［式１］

によって定義される単一モード・ファイバ基準を満たしており、ここで、λは動作波長であり、ＮＡ_ｃｏｒｅはコアの開口数（ＮＡ）であり、ｄ_ｃｏｒｅはコア直径であり、Ｖ_ｃはカットオフ周波数である。ステップ・インデックス・ファイバでは、Ｖ_ｃは２．４０５である。ＮＡは、

ＮＡ＝（（ｎ^２ _ｃｏｒｅ）−（ｎ^２ _{ｉｎｎｅｒ＿ｃｌａｄ}））^１／２ ［式２］

のようにコア屈折率に関連し、ここで、ｎ_ｃｏｒｅはコア屈折率であり、ｎ_{ｉｎｎｅｒ＿ｃｌａｄ}は内側クラッド屈折率である。式１および式２から、単一モード動作を維持するのに、固定カットオフ波長では、コアのＮＡが低いほど、コア直径が大きいことが通常必要とされることが分かる。言い換えれば、固定または低いカットオフ波長では、コアのＮＡを減少させることにより、コア・サイズの増加が補償され、したがって、単一モード機能が維持される。

加えて、利得ドーパント濃度を増加させることにより、ポンプ吸収効率を改善することができるが、この方法は、利得ドーパントの増加により、ポンプ吸収効率への放物線効果がもたらされるので、やはり、ポンプ吸収を改善する能力に限界がある。高いドーパント密度では、ＥＳＡおよび対誘起消光の負性非線形効果がポンプ効率の低下をもたらす。したがって、利得ドーパントの量を独断的に増加させるのは、ＤＣファイバ増幅器のポンプ吸収を増加させるための適切な設計解決策ではない。

図１に示すように、テーパ化ファイバ束１０２は、ＤＣ ＥＤＦＡ設計（図１）において多モード・ポンプ光と信号光とを結合させるのに使用することができる。信号光は、単一モード・ファイバ１０１に入力され、ピグテイル・ファイバ１０３を通して導入されたポンプ光と多重化される。次に、テーパ化ファイバ束は、ＤＣ ＥＤＦ１０５とスプライス接続される（１０４）。内側クラッドのＮＡを増加させ、それによって、高い多モード・スループットおよび／または高いポンプ結合効率を得るために、ダブルクラッド・ファイバの外側クラッドは、通常、低屈折率（ｌｏｗ ｉｎｄｅｘ）軟質ポリマーで製作される。しかし、機械的特性が不十分であること、経年変化性能に関連する懸念があること、およびパッケージ化された信号／ポンプ・マルチプレクサに使用される値が制限されていることのために、ポリマー被覆は電気通信用途での使用には望ましくない。したがって、全シリカ・ファイバ組成が、やはり、電気通信用途の光増幅器の設計での考慮事項である。

要するに、ＥＤＦＡの性能は、利得ドーパント濃度、ドーパント・タイプ、およびファイバの導波路特性の全体的な効果の関数である。通常の技術者は、前述のパラメータが互いに密接に関連しており、設計パラメータとＥＤＦＡ機能との間に複雑なトレードオフをもたらすことを理解されよう。したがって、ＷＤＭ用途用の実用的なハイパワー化ＤＣポンプＥＤＦＡを設計することが他のＤＣポンプＥＤＦＡ設計に鑑みてささいなことではないことが、当業者なら分かるであろう。開示するハイパワー化ＤＣポンプＥＤＦＡの様々な実施形態は少なくともこれら競合する利害関係を念頭において設計される。

本明細書で開示するＤＣ ＹｂフリーのＬバンドＥＤＦＡのいくつかの実施形態は、ポンプ変換効率を増加させ、パワー出力を改善しながら単一モード動作を維持するために、コア屈折率を最小にしながらコア直径を最大化しようと努める。１つの実施形態では、Ａｌで共ドープされ、約１９ミクロンのコア直径および約０．１１のＮＡをもつコアと、約１０５μｍの直径および約０．１８のＮＡをもつ内側クラッドとを有するある長さのＤＣ Ｙｂフリーのエルビウム・ドープ・ファイバ（ＥＤＦ）を、ＤＣ ＹｂフリーのＬバンドＥＤＦＡは含む。本明細書で開示する実施形態は、従来のＬバンドＥＤＦＡと比較して、より低い非線形性と増加したパワー出力とを含むいくつかの利点を有する。別の実施形態では、コア面積は、コアを囲む低屈折率トレンチによって増加される。

ハイパワーＤＣポンプＹｂフリーのＬバンドＥＤＦＡのいくつかの実施形態を概括的に説明したが、次に、図面に示すような実施形態の説明を詳細に参照する。いくつかの実施形態をこれらの図面に関連して説明するが、本明細書で開示する１つまたは複数の実施形態に本開示を限定する意図はない。むしろ、代替形態、変形形態、および均等物をすべて範囲に含むことが意図されている。

ダブルクラッド（ＤＣ）・ポンプ・エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）
図２は、ハイパワーＤＣポンプＹｂフリーのＬバンドＥＤＦＡの１つの実施形態を示す図である。信号光２０１は第１の単一モード・ファイバ２０２ａに入力され、第１の光マルチプレクサ２０３ａで多重化される。１つの実施形態では、第１の多モード・ポンプ源２０４ａからのポンプ光が第１の光マルチプレクサ２０３ａで多重化され、受動ＤＣファイバ２０５ａの内側クラッドに送り込まれる。別の実施形態では、第２のポンプ源２０４ｂからのポンプ光が第２の光マルチプレクサ２０３ｂで多重化され、受動ＤＣファイバ２０５ｂの内側クラッドに送り込まれる。さらなる実施形態では、第１のポンプ源２０４ａおよび第２のポンプ源２０４ｂの両方からのポンプ光を使用して、受動ＤＣファイバ２０５ａおよび２０５ｂのクラッドがポンプされる。

受動ＤＣファイバ２０５ａは、ＤＣ ＥＤＦ２０６の一方の端部にコアおよびクラッド整合スプライス接続される（２０７ａ）。いくつかの実施形態において、受動ＤＣファイバ２０５ａの一方の端部のファイバ・パラメータがＤＣ ＥＤＦ２０６へのコアおよびクラッド整合スプライス接続を可能にするように、受動ＤＣファイバ２０５ａはテーパ化される。ＤＣ ＥＤＦ２０６に沿って伝搬された後、ポンプ源２０４ａおよび２０４ｂからのポンプ光はＤＣ ＥＤＦの内側クラッドに沿って伝送され、ポンプ光は希土類元素ドーパントに吸収される。これにより、誘導放出、したがって、信号の増幅利得がもたらされる。図３に示されるような星形状などの内側クラッドの不規則な形状は、コア沿いのポンプ光と信号との相互作用を増加させ、それはポンプ光吸収を改善する。多重化された信号光およびポンプ光は、ＤＣ ＥＤＦ２０６の他方の端部でスプライス接続された（２０７ｂ）受動ＤＣファイバ２０５ｂの第２のセグメントに沿って伝送される。信号光と、第１のポンプ源２０４ａからのポンプ光とが、第１光マルチプレクサ２０３ａで多重化される実施形態では、ＤＣ ＥＤＦ２０６に沿って伝搬された後、多重化された信号光およびポンプ光は、ＤＣ ＥＤＦ２０６の他方の端部でスプライス接続された（２０７ｂ）受動ＤＣファイバ２０５ｂの第２のセグメントに沿って伝送される。いくつかの実施形態では、第２のマルチプレクサ２０３ｂを使用して、ＤＣ ＥＤＦ２０６を逆方向ポンプすることができる。次に、出力信号２０８は第２の単一モード・ファイバ２０２ｂに沿って伝搬され渡される。第２のポンプ源２０４ｂからのポンプ光が第２の光マルチプレクサ２０３ｂで多重化され、受動ＤＣファイバ２０５ｂの内側クラッドに送り込まれる実施形態では、ポンプおよび信号は、第１の信号／ポンプ・マルチプレクサ２０３ａで多重分離される。すべての実施形態について、次に、出力信号２０８は第２の単一モード・ファイバ２０２ｂに沿って伝搬される。いくつかの実施形態において、出力信号２０８は、利得平坦化フィルタ（ＧＦＦ）２０９を通される。いくつかの実施形態では、システムは、入力部および出力部に光アイソレータをさらに含むことができる。

図３Ａは、ＹｂフリーのＤＣエルビウム・ドープ・ファイバ（ＥＤＦ）３００の断面の１つの実施形態を示す図である。好ましい実施形態では、コア３０１はＡｌで共ドープされる。他の実施形態では、ゲルマニウム（Ｇｅ）、フッ素（Ｆ）など、またはこれらのドーパントの任意の組合せのような追加の共ドーパントが使用される。すべての実施形態について、Ｙｂによるドーピングが実質的にない。この設計制限の結果、相対的なＥｒ濃度を増加させることによる比較的高いコア・ピーク・ポンプ光吸収が必要であり、したがって、対誘起消光または励起状態吸収（ＥＳＡ）を際立って誘起することなしにポンプ光の十分な吸収を可能にする。Ｅｒドープ・コア３０１は、より低い屈折率の内側クラッド３０２で囲まれ、より低い屈折率の内側クラッド３０２は、さらに低い屈折率の外側クラッド３０３（例えば、軟質ポリマー、空気、低屈折率ガラス、または他の好適な材料）で囲まれる。

図３Ｂは、図３ＡのＤＣポンプＥＤＦの屈折率プロファイルを示す図である。多モード・ポンプ光は内側クラッド３０２によって導波される。通常、単一モードである信号光は、コア３０１によって導波される。１つまたは複数のポンプ源からの光は、ファイバ３００の内側クラッド３０２に沿って伝送される。ポンプ光がコア３０１を横断するか、またはコア３０１と重なり合うとき、ポンプ光は希土類元素ドーパントによって吸収され、誘導放出がコア３０１中で発生し、それによって、コア３０１中の信号の増幅利得がもたらされる。本明細書で開示するＤＣ設計は、低コストでハイパワーの９８０ｎｍ多モード・ポンプ源２０４ａ、２０４ｂ（まとめて２０４）（図２）の使用を可能にする。市販されていることに加えて、９８０ｎｍ多モード・ポンプ源２０４の使用は、単一モード・ポンプ・レーザ源と比較して、電気直列抵抗を低減させる。これは、従来の単一モード・コア・ポンピングＥＤＦＡ設計と比べて、開示するＥＤＦＡ設計にかなり大きいエネルギー節約の利点を与える。雑音指数は約５ｄＢから約８ｄＢになるはずであり、これは、ＷＤＭ伝送システムのパワー・ブースタ増幅器として機能するのに十分であることが予想される。

図４は、ＹｂフリーのＬバンドＥＤＦＡ用のＤＣポンプＥＤＦの主要パラメータの１つの実施形態を示す表である。言い換えれば、単純なステップ・インデックス設計で構成されたＤＣポンプＹｂフリーのＬバンドＥＤＦの１つの実施形態のいくつかの主要なファイバ・パラメータが図４に示される。ピーク・コア吸収は、１５３０ｎｍにおいて少なくとも１０ｄＢ／ｍであるが、好ましくは２５ｄＢ／ｍから５０ｄＢ／ｍの間である。市販の多モード・ポンプ・ダイオードは、約１０５μｍの直径をもち、約０．１５から約０．２２までのＮＡをもつコアを有する。したがって、図４の実施形態では、図３ＡのＤＣポンプＹｂフリーのＬバンドＥＤＦは、市販の低コスト多モード・ポンプ・ダイオードを使用して高いポンプ効率を達成するために約１０５μｍの内側クラッド直径３０４（図３Ａ）を有するように構成される。

１つの主要設計考慮事項は、単一モード動作を保持しながらコア直径を最大化することである。約１３μｍから約１９μｍの比較的大きいコア直径３０５（図３Ａ）は、Ｌバンドに対応している、０．１１の低いＮＡ（約０．００４１のデルタｎ）に対して１５２０ｎｍのカットオフ波長による単一モード動作を維持しながら、ポンプ吸収比の増加を可能にし、これは、電気通信用途にとって十分である。

他の実施形態では、単一モード動作は、コア３０１（図３Ａ）中の基本モードのみを優先的に励起するように信号光を入力することによって達成される。数モード動作がＥｒドープ・コアで生じることがある実施形態では、約０．１１以上のＮＡをもつより大きいコア直径が高次モードをもたらすことがある。これらの実施形態では、入力単一モード・ファイバは、ＤＣポンプＹｂフリーのＬバンドＥＤＦの中心に直接スプライス接続されることになる。いくつかの実施形態において、コア対内側クラッド比は約６５：１から約７０：１であり、約０．４から約０．５ｄＢ／ｍのクラッド吸収係数をもたらす。９０パーセントのポンプ吸収効率を仮定すると、クラッド吸収係数は、約５０ｍのファイバ長で効率的な増幅器（例えば、利得＞２５ｄＢ）を構築するのに十分である。他の実施形態では、より高いコア対内側クラッド比が使用される。これは、ポンプ吸収をさらに増加させ、それにより、さらに短いファイバ長を使用できるようにする。全体として、この設計は、四光波混合に起因する干渉可能性を制限し、その制限はファイバ長の減少とコア直径の増加からもたらされる。

ＤＣ ＹｂフリーのＬバンドＥＤＦＡを設計する際、ファイバの実効カットオフ波長への屈曲の影響を考慮することが重要である。屈曲は、高次モードの伝搬に影響を与え、それにより、所望の単一モード伝搬に影響を及ぼす。ファイバはスプールに巻きつけられることになるので、ファイバの小さい曲げにより、カットオフがより低い波長の方に押し進められ、より大きい曲げ直径で観測されるよりも効率的な高次モードの除去が行われることになる。

これを念頭において、基本および高次モードのマクロベンディング損失を示す図５に注目する。具体的には、図５は、０．００４１のデルタｎコア屈折率および１３．５μｍコア直径をもつファイバ設計（図４）の７５ｍｍ曲げ直径でのＬＰ０１およびＬＰ１１マクロベンディング損失をプロットしている。ＬＰ０１モードは無視できるほどの小さい曲げ損失を有するが、ＬＰ１１モードは１．５５μｍにおいて７５ｍｍ曲げ直径で７５４ｄＢ／メートルの極端に高い曲げ損失を有する。それにより、ＬＰ１１モードは、ファイバの数センチメートル以内で除去される。これにより、１．５５μｍより上の明白なカットオフを伴ってより大きいコア直径の使用が可能になる。以前に説明したように、コア直径が大きいほどポンプ吸収は増加する。そのような屈曲により、普通なら数モード・ファイバを実用的なものにすることができる。したがって、いくつかの実施形態において、コア直径３０５をさらに増加させて、多モード・ポンプ光の吸収を最大化させる。

図５に示したＬＰ０１およびＬＰ１１モードのマクロベンディング損失の差により、ＬＰ１１モードのベンディング損失を選択的に増加させるようにスプール直径を減少させることによって、ＬＰ１１モードを除去することができる。

加えて、他の実施形態はより複雑なコア設計を実施して、単一モード動作を維持しながらコア面積の増加と低ＮＡとを達成する。これには、高次モードを抑制するために低屈折率トレンチおよび／または高屈折率リングを追加することが含まれる（図６Ａ）。低屈折率トレンチを使用すると、コア直径をさらに増加させることができ、コア対内側クラッド比は約２８：１から約３０：１とし、約０．７から約０．８ｄＢ／ｍのクラッド吸収係数をもたらすことができる。コアを囲む低屈折率トレンチを使用する実施形態では、改善した屈曲性能が達成され、それはＬバンドＥＤＦＡにとって重要である。図６Ａは、トレンチのない１１．６μｍのコア直径（ＤＣＥＤＦ０）と、トレンチをもつ１１．６μｍのコア直径（ＤＣＥＤＦＡ）と、トレンチをもつ１３．６μｍのコア直径（ＤＣＥＤＦＢ）とをもつファイバの屈折率プロファイルを示す図である。

図６Ｂは、３つのファイバ設計のカットオフ波長およびベンディング損失への図６Ａのファイバ設計の影響を例証するシミュレーション結果を示す図である。図６Ｂに示されるように、トレンチのない１１．６μｍのコア直径のカットオフ波長は１．４５６μｍである。トレンチが１１．６μｍの直径をもつコアに加えられると、カットオフ波長は１．３３９μｍに減少することが予測される（図６Ｂ）。重要なことには、トレンチを利用するいくつかの実施形態は、約１５２０ｎｍのカットオフ波長を依然として維持しながら約１３．６μｍの増加したコア直径をさらに含む。言い換えれば、トレンチを含む実施形態は、増加したコア直径２０５を有することができ、ポンプ光吸収の改善を可能にし、一方、図６Ｂに示されるように著しい曲げ損失による影響を受けない。

信号／ポンプ・マルチプレクサ
内側クラッド直径の低減に関連する１つの弱点は、特別なポンプ・ダイオードを必要とすることがあることである。具体的には、特別なポンプ・ダイオードは、使用するＤＣ ＥＤＦ２０５の内側クラッドと直径が一致する特別な多モード・ピグテイル・ファイバを必要とすることがある。例えば、ＤＣ ＥＤＦ２０５の内側クラッドが５０μｍである場合、多モード・ピグテイル・ファイバの直径は、やはり、約５０μｍであるべきである。市販のポンプ・ダイオードの多モード・ピグテイル・ファイバは１０５μｍの内側クラッド直径を有し、したがって、ＥＤＦの内側クラッド直径を約１０５μｍ未満まで減少させるのは、電気通信用途にとって経済上実用的ではない。これらの弱点に対処するために、開示する実施形態は、市販の低コスト・ポンプ・ダイオードを使用しながら高いポンプ吸収係数を達成するように設計される。

ハイパワーＤＣポンプＹｂフリーのＥＤＦＡ（図２）のいくつかの実施形態は、信号およびポンプ光が干渉フィルタに基づく光マルチプレクサよって結合される光信号／ポンプ・マルチプレクサ２０３を含む。いくつかの実施形態では、信号／ポンプ・マルチプレクサは、信号ポートに配置された標準単一モード・ファイバ２０２ａ、２０２ｂ（まとめて２０２）と、共通ポートに配置された受動ＤＣファイバ２０５ａ、２０５ｂ（まとめて２０５）とを含み、受動ＤＣファイバ２０５は、それにスプライス接続されるＤＣ ＥＤＦ２０６と同様の導波路特性（例えば、コア直径、内側クラッド直径、および外側クラッド直径）を有する。受動ＤＣファイバは、約１２μｍから１５μｍのコア直径を有する。加えて、受動ＤＣファイバ２０５は、内側クラッドに対して約０．０８から約０．１０のＮＡをもつコアを有する。市販の低コスト多モード・ポンプ・ダイオードを活用するために、ポンプ・ポートは、約１０５μｍのコア直径、約１２５μｍの外側クラッド直径、およびクラッドに対して約０．１５であるコアのＮＡをもつ多モード・ファイバを利用する。

いくつかの実施形態では、受動ＤＣファイバ２０５は、１０５μｍの内側クラッド直径および１２５μｍの外側クラッド直径を有する。受動ＤＣファイバ２０５の内側クラッドは、外側クラッドに対して少なくとも０．１８のＮＡを有する。受動ＤＣファイバ２０５のコアの低いＮＡは、Ｌバンド波長の信号光の単一モード動作を維持する。さらに、受動ＤＣファイバ２０５の内側クラッドの高いＮＡは、ポンプ光結合効率を改善するように働く。したがって、薄膜技法によって実証されているように、説明した実施形態は約９５パーセントもの高いポンプ光結合効率を達成する。ＹｂフリーのＤＣ−ＥＤＦＡは、例えば、テーパ化ファイバ束（図１に示したような）、溶融カプラ、薄膜技術に基づく干渉デバイスなどの他のタイプの信号／ポンプ光マルチプレクサを使用することもできる。

例
開示する実施形態は以下の例によってさらに明確にされ、その以下の例は、図２および図３で概括的に示したような実施形態を代表するものである。

＋３２ｄＢｍの全出力パワーが、図３に示した設計に基づくＹｂフリーのＤＣ−ＥＤＦファイバを使用することによって達成された。この例では、ＹｂフリーのＤＣ−ＥＤＦは、１７μｍのコア直径、および内側クラッドに対して０．１１のＮＡを有する。さらに、内側クラッドは、約１２５μｍ直径を有し、外側クラッドに対して０．４５のＮＡをもつ。コアは、約１５３０ｎｍにおける約１４．５ｄＢ／ｍのピーク吸収と、１５５０ｎｍにおける５ｄＢ／ｋｍ未満のバックグラウンド損失とを有する。

６０メートルのＹｂフリーのＤＣ ＥＤＦが、ＹｂフリーのＤＣ ＥＤＦＡで使用され、図２に示したように双方向でポンプされ、性能特性が評価された。図７Ａは、１５７０．４ｎｍから１６１０．４ｎｍまでの波長の関数としてＤＣ ＥＤＦＡの測定した利得を示す。測定したとき、利得は、５ｄＢ未満の利得偏差を伴ってＬバンドの４０ｎｍ帯域幅で約２５ｄＢもの高さであった。出力パワーは、９．７Ｗの総計の９７６ｎｍ多モード・ポンプ・パワーを使用して＋３２ｄＢｍであった。

考慮すべき別の重要な特性はＯＳＮＲである。図７Ｂは、波長の関数としてＹｂフリーのＤＣ−ＥＤＦＡの測定した雑音指数（ＮＦ）を示す。測定したとき、現在の例の６０ｍのＤＣ−ＥＤＦを利用して試験したＹｂフリーのＤＣ−ＥＤＦＡは、約４．６ｄＢから９．６ｄＢの範囲のＮＦを有していた。この範囲内のＮＦは、光ファイバ伝送のためのブースタ・ハイパワー増幅器では許容できる。ＤＣ−ＥＤＦとＤＣ−ＥＤＦＡの設計とのさらなる最適化により、増幅器システムの利得平坦性およびＮＦをさらに改善することができる。

図８は、出力パワー＋３２ｄＢｍをもつＤＣ−ＥＤＦＡからの出力スペクトルを示し、２つの波長チャネルは遮断されている。使用した大きいコア直径のＤＣ−ＥＤＦのために、ＦＷＭ成分は、＋３２ｄＢｍの出力パワーで−４５ｄＢよりも少ない。約１００ＧＨｚのチャネル間隔で、本開示のＹｂフリーのＬバンドＤＣ ＥＤＦＡは従来のＬバンドＥＤＦＡよりも非常に低い非線形性を有する。

この例のＹｂフリーのＤＣ−ＥＤＦは、１５３０から１６１５ｎｍの信号バンドで２つの導波信号モード（ＬＰ０１およびＬＰ１１）を許容する。現在開示したＹｂフリーのＤＣ−ＥＤＦが標準単一モード・ファイバ（ＳＳＭＦ）に溶融スプライス接続されて、図２に示したようなＤＣ−ＥＤＦＡが構築される場合、基本モード（ＬＰ０１）のみが、利用可能な利得から大いに利益を得る。高次モード（この例ではＬＰ１１）は、高次モード除去プロセスによって除去することができる。ここで、２つのモード除去プロセスが含まれていた。第１の高次モード除去プロセスは、ＤＣ−ＥＤＦの入力部および出力部（図２、２０７）で作用するＤＣ−ＥＤＦとＳＳＭＦとの間のモード選択結合であった。高次モード除去は、ＤＣ−ＥＤＦ利得媒体への大きい閉込めのために高次モードと比較してＤＣ−ＥＤＦ基本モードの利得係数が増加することからももたらされる。

第１の高次モード（ＨＯＭ）除去プロセスでは、ＳＳＭＦからＤＣ−ＥＤＦのＬＰモードに（逆の場合も同様に）移送されるパワーの量は、ＳＭＦの基本モードの横モード・フィールド・プロファイルとＤＣ−ＥＤＦのＬＰモードの横モード・フィールド・プロファイルとの間の重なり積分（Ψ_ｌｐ）によって決定される。ＤＣ−ＥＤＦのＨＯＭ重なり積分値は、ＳＭＦを伝搬する基本モードの重なり積分値と密接に一致する基本モード（ＬＰ０１）の重なり積分値よりも非常に小さい。数値計算が示すところによれば、ＳＳＭＦの基本モードと開示したＤＣ−ＥＤＦのＬＰ０１モードとの間の重なり積分は、Ψ_０１≒０．９９である。一方では、ＳＳＭＦを伝搬する基本モードと開示したＤＣ−ＥＤＦのＬＰ１１モードとの間に重なり積分は、Ψ_０１≒０．０である。

第２のＨＯＭ除去プロセスでは、開示するＤＣ−ＥＤＦの利得係数は、開示するＤＣ−ＥＤＦのコアのモードのいわゆる閉込め係数「Γ_ｌｐ」によって決定される。閉込め係数は、モード（ＬＰ０１またはＬＰ１１）で伝搬する全パワーに対するドープ・コアに閉じ込められたパワーの比である。数値計算の示すところによれば、閉込め係数「Γ_ｌｐ」は、この例では、ＬＰ０１に対して０．９８（すなわち、Γ_０１≒０．９８）であり、ＬＰ１１に対して０．８８（すなわち、Γ_１１≒０．８８）である。

これらの２つのモード除去プロセスを組み合わせることによって、ＬＰモードのネット利得は、

であり、ここで、ｇは単位長さ当たりの利得であり、ＬはＤＣ−ＥＤＦＡで使用されるＤＣ−ＥＤＦの長さである。この計算によると、この例のＬＰ１１モードのネット利得は、−∞になることになる。したがって、理論上、高次モードのネット利得は、図２の構成に基づく開示したＤＣ−ＥＤＦＡでは存在しない。実際は、スプライス接続プロセスの間に生成されたわずかなコア位置合わせ不良があっても、ＳＳＭＦからパワーの大部分は開示したＤＣ−ＥＤＦＡの基本モードＬＰ０１に結合される。

加えて、高速１００Ｇｂ／ｓデジタル伝送実験が、開示したＹｂフリーのＤＣ−ＥＤＦＡに高次モードが存在することに起因した障害がないことを確認するために行われた。これを念頭において、図９は、開示したＹｂフリーのＤＣ−ＥＤＦＡがある場合とない場合の１００Ｇｂ／ｓ偏光分割多重四位相偏移変調（ＰＤＭ−ＱＰＳＫ）増幅伝送ファイバ・リンクでの光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）の関数としてのビット誤り率（ＢＥＲ）を示す。全体として、開示したＹｂフリーのＤＣ−ＥＤＦＡは無視できるＯＳＮＲペナルティ（＜０．３ｄＢ）を示している。このＯＳＮＲペナルティは、この実験で使用した測定器によって制限された測定誤差範囲内にある。

例示の実施形態を図示し説明したが、説明したような本開示にいくつかの変更、修正、または改変を加えることができることが当業者には明らかであろう。ポンプ光は、単一のポンプ・ダイオード源または多数のダイオードから導入することができ、多数のダイオードは冗長性を介してあるレベルの頑健性を備えるように構成される。例えば、ポンプは異なる増幅器または利得段の間で共有することができる。ポンプは、利得媒体の吸収帯域幅内のどこかに出力があるラマン・レーザまたは増幅器などの他のレーザ・タイプとすることもできる。加えて、テーパ化ファイバ束がマルチプレクサの好ましい実施形態として示されているが、信号光を利得ファイバのコアに、およびポンプ光を利得ファイバの少なくとも内側クラッドに結合させるのに、任意のマルチプレクサを使用することもできることを理解されたい。例えば、溶融カプラに加えて、信号光およびポンプ光は、微小光学、側方結合法、および当技術分野の他の既知の方法に基づく自由空間デバイスを使用して結合させることができる。したがって、そのような変更形態、修正形態、および改変形態はすべて本開示の範囲内にあると見なされるべきである。

Claims (7)

1. 光増幅器であって、
   単一モード挙動を示すダブルクラッド（ＤＣ）・ポンプ・エルビウム・ドープ・ファイバ（ＥＤＦ）を備え、前記ＤＣ−ＥＤＦはイッテルビウム（Ｙｂ）が実質的に存在せず、前記ＤＣ−ＥＤＦが、
   約１３μｍから約１９μｍの間にある直径を有するコアを備え、さらに、
   半径方向で前記コアの外側に配置されたトレンチを備え、前記トレンチは、前記ＤＣ−ＥＤＦに単一モード挙動を維持しながらクラッド吸収を増加させるためのものである、光増幅器。
2. 前記ＤＣ−ＥＤＦはさらにリン（Ｐ）が実質的に存在しない、請求項１に記載の光増幅器。
3. イッテルビウム（Ｙｂ）が実質的に存在しない光ファイバであって、
   希土類元素ドーパントを含むコアを備え、前記コアは約１３μｍから約１９μｍの間のコア直径を有し、さらに、
   半径方向で前記コアの外側に配置された内側クラッドを備え、前記内側クラッドは、約１０５μｍから１２５μｍの間の内側クラッド直径を有し、前記コアが、前記内側クラッドに対して少なくとも０．１５の開口数をさらに有し、さらに、
   前記コアと前記内側クラッドとの間に配置された低屈折率トレンチ、および、
   半径方向で前記内側クラッドの外側に配置された外側クラッドを備え、前記内側クラッドが、前記外側クラッドに対して少なくとも約０．１８の開口数をさらに有する、光ファイバ。
4. 前記コアが、少なくとも１０ｄＢ／ｍのピーク吸収を有するようにエルビウム（Ｅｒ）でドープされ、前記コアが、さらに、アルミニウム（Ａｌ）で共ドープされる、請求項３に記載の光ファイバ。
5. 希土類元素ドーパントを含むコアを備え、前記コアは約１３μｍから約１９μｍの間のコア直径を有し、さらに、
   半径方向で前記コアの外側に配置された内側クラッドを備え、前記内側クラッドは、約１０５μｍから１２５μｍの間の内側クラッド直径を有し、前記コアが、前記内側クラッドに対して少なくとも０．１５の開口数をさらに有し、さらに、
   前記コアと前記内側クラッドとの間に配置された高屈折率リングを備え、さらに、
   半径方向で前記内側クラッドの外側に配置された外側クラッドを備え、前記内側クラッドが、前記外側クラッドに対して少なくとも約０．１８の開口数をさらに有する、イッテルビウム（Ｙｂ）が実質的に存在しない光ファイバ。
6. 基本モードの信号のみを伝搬するスプール直径をさらに含む、請求項３に記載の光ファイバ。
7. 基本モードにおける低いマクロベンディング損失と、高次モードにおける高い曲げ損失とを許容するための屈折率特徴をさらに含む、請求項３に記載の光ファイバ。

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