JP6482126B2

JP6482126B2 - 光増幅器

Info

Publication number: JP6482126B2
Application number: JP2015151917A
Authority: JP
Inventors: 雅樹和田; 泰志坂本; 崇嘉森; 青笹　真一; 真一青笹; 山本　貴司; 貴司山本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: JP2017034064A

Description

本発明は、空間多重伝送における光増幅器に関する。

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（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が伸びている。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の向上が可能であるが、より高い信号雑音比が必要である。しかし従来のシングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅｍｏｄｅｆｉｂｅｒ，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。

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コア（Ｍｕｌｔｉｃｏｒｅｆｉｂｅｒ，ＭＣＦ）を用いたモード多重伝送が注目を集めている。（例えば、非特許文献１及び２参照。）

マルチコア伝送の長距離化を行う上で、マルチコアＥｒ添加光増幅器（ＭＣ−ＥＤＦＡ）は必須デバイスとなる。非特許文献１での報告にある通り、ＭＣ−ＥＤＦＡにおいては、コア毎に励起光を入力し、光増幅を行うコア励起の手段を用いている。このコア個別励起においては、コア毎に励起光源が必要であるため、小型化・低電力化が困難である。そこで、小型化・低電力化が期待できる手法として、ダブルクラッド構造のマルチコアファイバを用いたＥＤＦが提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

しかしながら、クラッド励起型ＭＣ−ＥＤＦＡは、複数のコアをコア数以下の光源を用いて励起するため、コア毎に励起強度が調整できない。そのため、クラッド励起型ＭＣ−ＥＤＦＡを用いてマルチコア伝送を行おうとすると、チャネル間利得差（Ｃｈａｎｎｅｌｄｅｐｅｎｄｅｎｔｇａｉｎ，ＣＤＧ）が発生するという問題があった。

Ｔ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉｅｔａｌ，"２ｘ３４４Ｔｂ／ｓＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎＩｎｔｅｒｌｅａｖｅｄＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｖｅｒ１５００−ｋｍＭＣＦＥｎｈａｎｃｅｄｂｙＭｕｌｔｉｃａｒｒｉｅｒＦｕｌｌＥｌｅｃｔｒｉｃ−ｆｉｅｌｄＤｉｇｉｔａｌＢａｃｋ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ"ｉｎＰｒｏｃ．ＥＣＯＣ２０１３，ＰＤ３．Ｅ．４（２０１３）Ｈ．Ｏｎｏｅｔａｌ．"１２−ＣｏｒｅＤｏｕｂｌｅ−ＣｌａｄＥｒ／Ｙｂ−ＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒＥｍｐｌｏｙｉｎｇＦｒｅｅ−ｓｐａｃｅＣｏｕｐｌｉｎｇＰｕｍｐ／ＳｉｇｎａｌＣｏｍｂｉｎｅｒＭｏｄｕｌｅ"ｉｎＰｒｏｃ．ＥＣＯＣ２０１３，Ｗｅ．４．Ａ．４（２０１３）．Ｎ．Ｈａｎｚａｗａ，ｅｔａｌ．， "Ｔｗｏ−ｍｏｄｅＰＬＣ−ｂａｓｅｄｍｏｄｅｍｕｌｔｉ／ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｆｏｒｍｏｄｅａｎｄｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，" Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．２１，ｎｏ．２２，ｐｐ．２５７５２−２５７６０，２０１３．Ａ．Ｌｉｅｔａｌ．， "Ｌｏｗ−ＬｏｓｓＦｕｓｅｄＭｏｄｅＣｏｕｐｌｅｒｆｏｒＦｅｗ−ＭｏｄｅＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，" ＯＦＣ／ＮＦＯＥＣ，ＯＴｕ３Ｇ．４，２０１３．Ｉ．Ｇｉｌｅｓｅｔａｌ．， "ＦｉｂｅｒＬＰＧＭｏｄｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒｓａｎｄＭｏｄｅＳｅｌｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒＭｕｌｔｉｍｏｄｅＳＤＭ，" ＩＥＥＥｐｈｏｔｏｎｉｃｓｔｅｃｈｎｏｌ．ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２４，ｎｏ．２１，ｐｐ．１９２２−１９２５，２０１２．

本発明は、マルチコアで伝送される信号光を増幅する際に生じる、各コア間の利得差を低減することを目的とする。

本発明は、マルチコア光ファイバを伝搬してきたＮ（Ｎは２以上）個のコアチャネルを、Ｎ個の伝搬モードへ変換するモード変換器と、Ｎ個のモードを伝搬可能な増幅用光ファイバと、増幅用ファイバを励起するための励起光源、および励起光、信号光を合波するための波長カプラを有する光増幅器を用いる。このような、マルチコアファイバ伝送路の各コアのチャネルをＬＰモードに変換することによってチャネルのスクランブルが発生し、ＣＤＧを低減する。

具体的には、本発明に係る光増幅器は、
マルチコアファイバに備わる複数のコアで伝搬されたチャネルの異なる複数の信号光を、チャネル間のクロストークが発生するように、チャネルに応じて伝搬モードが異なるマルチモードの信号光に変換する第１の変換器と、
前記第１の変換器からのマルチモードの信号光を増幅する増幅用ファイバと、
を備える。

本発明に係る光増幅器では、前記チャネル間のクロストークは、前記増幅用ファイバ内で発生する最大モード間利得差をΔＧ（ｄＢ）としたとき、−０．７９７−３．４ｅｘｐ（（１−ΔＧ）／１．４６）
以上であってもよい。

本発明に係る光増幅器では、任意の伝搬モードの励起光を前方から前記増幅用ファイバに供給するための第１の励起光源と、任意の伝搬モードの励起光を前記増幅用ファイバに後方から供給するための第２の励起光源と、をさらに備えてもよい。

本発明に係る光増幅器では、前記増幅用光ファイバは、ダブルクラッド構造を有し、前記第１の励起光源及び前記第２の励起光源の少なくとも一方は、前記マルチモードの信号光を励起するためのマルチモードの励起光を、前記増幅用光ファイバのクラッドに供給してもよい。

本発明に係る光増幅器では、前記増幅用ファイバは、２以上のコアを有し、前記第１の変換器は、マルチコアファイバに備わる隣接する複数のコアを含むコア群ごとに、チャネルの異なる複数の信号光を、チャネル間のクロストークが発生するように、チャネルに応じて伝搬モードが異なるマルチモードの信号光に変換してもよい。

本発明に係る光増幅器では、前記増幅用ファイバからのマルチモードの信号光をマルチコアの信号光に変換する第２の変換器をさらに備え、前記第１の変換器及び前記第２の変換器では１つの信号光チャネルが強度差の予め定められた値以上となるように、全ての変換後の信号光チャネルに結合するよう、チャネル間のクロストークを発生させるチャネルスクランブラである。

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、マルチコアで伝送される信号光を増幅する際に生じる、各コア間の利得差を低減するができる。

本発明の実施形態に係る光増幅器の構成の一例である。本実施形態における計算に用いたマルチコア伝送システムの概略図の一例である。伝搬距離とコア１とコア２の受信強度差ΔＰの関係の一例である。クロストーク量とΔＧが受信強度差ΔＰに与える影響の一例である。クロストーク量とΔＧの関係の一例である。コア‐ＬＰモード変換器のクロストーク特性の評価の一例である。ランタン１の各ポートから入力した光が、ランタン２の各ポートへ出力される強度の測定結果の一例である。光増幅器の利得特性スペクトルの一例である。ＬＰ０１モードのニアフィールドパターンを示す。ＬＰ１１モードのニアフィールドパターンを示す。本発明の実施形態に係るマルチコア伝送システムの一例を示す。複数のコア群に分かれたマルチコア伝送路を増幅するシステム例の一例である。

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）
以下に、マルチコア伝送システムに用いる光増幅器において発生するＣＤＧの低減を実現するための増幅用ファイバの実施形態について詳細に説明する。図１に、本実施形態に係る光増幅器の概念図を示す。本実施形態に係る光増幅器は、第１の変換器（不図示）と、増幅用ファイバ１２２と、第２の変換器（不図示）と、を備える。

第１の変換器は、マルチコアファイバ１１ａに備わる複数のコアで伝搬されたチャネルの異なる複数の信号光を、チャネルに応じて伝搬モードが異なるマルチモードの信号光に変換する。これにより、マルチコアファイバ１１ａの各コアを伝搬してきた信号光は、シングルコアのマルチモードの信号光に変換され、増幅用ファイバ１２２へ入射される。この際に、マルチコアファイバ１１ａにおけるコアの総チャネル数と増幅用ファイバ１２２におけるＬＰモードのチャネル数を合わせておくことで、各チャネルの信号を保ったまま増幅用ファイバ１２２において増幅することが可能となる。

ＬＰモードとして増幅用ファイバ１２２にて増幅された後、第２の変換器は、シングルコアのマルチモードの信号光をマルチコアの信号光に変換し、マルチコアファイバ１１ｂに入射する。本実施形態に係る発明は、第１の変換器における変換時に、チャネルのスクランブリングを同時に行う。

増幅用ファイバ１２２は、マルチモードの信号光を増幅可能な任意のファイバであり、例えば、Ｅｒなどの希土類を添加したファイバが例示できる。図１では、一例として、増幅用ファイバ１２２のコアが１つである例を示したが、増幅用ファイバ１２２のコアは複数であってもよい。励起光のモードは信号光の伝搬モードと同じである必要はなく、任意の伝搬モードとすることができる。

また、図１では、一例として、第１の励起光源１２４からの励起光を増幅用ファイバ１２２の前方から入射し、第２の励起光源１２５からの励起光を増幅用ファイバ１２２の後方から入射する構成を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本実施形態に係る増幅器の構成は、所望の利得特性に応じ、第１の励起光源１２４のみとすることもできるし、第２の励起光源１２５のみとすることもできる。

最初に、第１の変換器のコア‐ＬＰモード変換時に発生するチャネル間クロストークが各チャネルの受信強度に与える影響について説明する。図２は、計算に用いたマルチコア伝送システムの概略図である。信号チャネル数は２つとしており、シングルモードファイバとマルチコアファイバ間の合分波は合波器１３及び分波器１４を用いて行われる。

１００ｋｍのマルチコアファイバ１１を伝搬してきた各コアチャネルは第１の変換器１２１を用いて変換され、増幅用ファイバ１２２にて増幅される。増幅用ファイバ１２２では伝搬するモードに応じたモード依存利得（Ｍｏｄｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｇａｉｎ，ＭＤＧ）が発生する。第２の変換器１２３は、増幅用ファイバ１２２内にて光増幅された各モードの信号光を、各コアチャネルへ変換し、マルチコアファイバ１１ｂに出射する。

本計算は以下の式にて表すことが出来る。

Ａ１、Ａ２はそれぞれコア＃１、コア＃２を伝搬する光の電界振幅強度を示す。ｒは第１の変換器１２１にて発生するクロストーク、ｇ_１、ｇ_２はＡ１、Ａ２が増幅用ファイバ１２２内にて受ける利得、ｅｘｐ（−αＬｎ／２）はマルチコアファイバ１１にて発生する伝搬損失を示している。本実施形態における計算では、マルチコアファイバ１１のコア１１１＃１及び１１１＃２における損失を０．２ｄＢ／ｋｍとした。光増幅器の利得は、３０００ｋｍ伝搬後、コア＃１の受信強度が変動しないよう調整した値である。

図３に、伝搬距離とコア＃１及びコア＃２の受信強度差ΔＰとの関係の一例を示す。Ｌ３１、Ｌ３２及びＬ３３は、それぞれ、第１の変換器１２１におけるクロストークＸＴがそれぞれ−３７ｄＢ、−７ｄＢ及び−２ｄＢの場合を示す。ここで、増幅用ファイバ１２２中の２つの信号チャネルの利得差ΔＧは３．０ｄＢとした。

クロストークＸＴがそれぞれ−３７ｄＢであるとき、受信強度差ΔＰは３０ｄＢ以上と大きな値となるが、クロストークＸＴを大きくしていくに従い、受信強度差ΔＰの増加が抑えられていることが確認できる。

次に、クロストーク量と利得差ΔＧが受信強度差ΔＰに与える影響について説明する。図４に、チャネル間のクロストーク量と受信強度差ΔＰとの関係の一例を示す。Ｌ４１〜Ｌ４４は、それぞれ、利得差ΔＧが１ｄＢ、３ｄＢ、５ｄＢ及び７ｄＢである場合を示す。Ｌ４１〜Ｌ４４より、増幅用ファイバ１２２内にて発生するモード依存利得差ΔＧに依らず、チャネル間のクロストーク量を大きくすることによって、伝送路にて発生するコア間の受信強度差ΔＰを低減することが出来ることが分かる。

図５に、図４の結果をΔＧ（ｄＢ）とクロストーク量との関係に示し直したものを示す。Ｐ５１〜Ｐ５４は、それぞれ、利得差ΔＧが１ｄＢ、３ｄＢ、５ｄＢ及び７ｄＢである場合を示す。コア間の受信強度差ΔＰが１ｄＢ以下となるためには、第１の変換器１２１にて必要となるクロストーク量（ｄＢ）は、Ｐ５１〜Ｐ５４のフィッティングより、次式で表されるＬ５以上であることがわかる。
（数２）
−０．７９７−３．４ｅｘｐ（（１−ΔＧ）／１．４６）

次に、本実施形態に係る発明の効果を実験的に確認した。第１の変換器１２１としてフォトニックランタンを用い、マルチコアファイバ１１ａ及び１１ｂのコア数を３とした。増幅用ファイバ１２２は、２ＬＰモードを伝搬し、ＬＰ１１モードの縮退を含めると、コア数と同じ３つのモードを伝搬する。

ここでフォトニックランタンは、モード合波器・分波器のことを表すが、入力側のチャネルがマルチモードファイバへ特定のＬＰモードで励振される選択モード励振器ではなく、マルチモードファイバ内に存在する複数のＬＰモードに任意の割合で結合する非選択モード励振器を示す。

その他、第１の変換器１２１は、例えば、モードを励振する選択モード励振器と、モードのスクランブリングを行うモードスクランブラと、を用いることができる。選択モード励振器は、例えば、光導波路型、ファイバカプラ型などが知られている（例えば、非特許文献３及び４）。これらのモード合分波器は高い消光比で複数のＬＰモードを励振することが可能である。

モードスクランブラの接続位置は、第１の変換器１２１と増幅用ファイバ１２２の間に限定されない。例えば、選択モード励振器からの出力光をモード合波器を用いて増幅用ファイバ１２２へ結合した後、増幅用ファイバ１２２においてモード間クロストークを積極的に起こすことによっても、フォトニックランタンを用いた際と同様の効果を得る。クロストークを与えるモードスクランブラには、例えば長周期グレーティングを用いる例が挙げられる（例えば、非特許文献５）。

まずは、第１の変換器１２１のクロストーク特性の評価を図６の系を用いて行った。フォトニックランタン１２１Ｌ及び１２３Ｌを融着接続で縦続に接続し、フォトニックランタン１２１Ｌの各ポートＰ１２１＃１〜Ｐ１２１＃３に入力した光が、フォトニックランタン１２３Ｌの各ポートＰ１２３＃１〜Ｐ１２３＃３から出力される強度を測定した。測定結果の一例を図７に示す。

図７は、フォトニックランタン１２１ＬのポートＰ１２１＃１から光を入力したときの、フォトニックランタン１２３ＬのポートＰ１２３＃１に出力される光の強度に対するポートＰ１２３＃２に出力される光の強度の比およびポートＰ１２３＃３に出力される光の強度の比をヒストグラムとして示したものである。（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、それぞれ、ポートＰ１２１＃１に入力する光を、１５３０〜１５３５ｎｍ、１５５０〜１５５５ｎｍ、１５６０〜１５６５ｎｍの範囲で掃引した場合を示す。

強度比の変動は、測定に用いたフォトニックランタンが、縮退モード及び偏波により結合効率が変動していることにより発生しているが、各波長の範囲において０ｄＢを中心に±５ｄＢ程度に収まっていることを確認した。

次に、第１の変換器１２１を用いた光増幅器１２の利得特性評価を行った。本利得特性評価においては、１５５０ｎｍの利得が２０ｄＢ固定となる条件とした。各ポートＰ１２１＃１〜Ｐ１２１＃３に１５３０、１５４０、１５５０、１５６０ｎｍ光を入射しており、増幅器１２からの出射時に入射したポートを区別できるよう波長を０．５ｎｍずらして測定を行った。図８に、結果のスペクトルを示す。

図８に示す利得（ｄＢ）は、２０回測定を行った際の、平均値および平均二乗誤差を示している。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、それぞれ、励起光がＬＰ０１及びＬＰ１１モードである場合を示す。図９及び図１０に、ＬＰ０１及びＬＰ１１モードのニアフィールドパターンを示す。図８より、励起光のモードに依らず、チャネル間利得差は２ｄＢ以下となることが確認できる。

（実施形態２）
図１１に、本実施形態に係るマルチコア伝送システムの一例を示す。本実施形態に係るマルチコア伝送システムは、ｎ個の送信部９１と、ｎ個の受信部９２と、マルチコアファイバ１１と、光増幅器１２と、を備える。

本実施形態に係る光増幅器１２は、第１の変換器１２１がチャネルのスクランブリングを行う。そのため、光増幅器１２で増幅後は、各コアを伝搬する信号光にすべてのチャネルが含まれている。そうすると、光増幅器１２を伝送システムに用いる際は、受信部９２においてデジタル信号処理による信号分離が必須となる。そこで、信号処理量の分散のため、図１２に示すような、マルチコアファイバ１１におけるコア１１１が複数のコア群１１２に分かれたマルチコア伝送路を増幅する例を示す。

コア１１１＃１〜コア１１１＃６を有するマルチコアファイバ１１を例に示す。マルチコアファイバ１１は、コア１１１＃１、コア１１１＃２、コア１１１＃３をコア群１１２＃１、コア１１１＃４、コア１１１＃５、コア１１１＃６をコア群１１２＃２であるとき、少なくともコア群１１２＃１とコア群１１２＃２間は非結合型伝送路とする。各コア群１１２＃１及び１１２＃２にて発生する伝送損失は、コア群数に対応するコア数を有するマルチコア光増幅器を用いることで補償される。例えば、コア群数が２である場合、図１２に示すように、増幅用ファイバ１２２のコア数は２となる。

コア群１１２＃１から増幅用ファイバ１２のコア１２２１＃１への変換、及び、コア群１１２＃２から増幅用ファイバ１２のコア１２２１＃２への変換は、第１の変換器１２１を用いることで実現する。この場合、第１の変換器１２１は、マルチコアファイバ１１に備わる隣接する複数のコア１１１を含むコア群１１２ごとに、チャネルの異なる複数の信号光を、チャネル間のクロストークが発生するように、チャネルに応じて伝搬モードが異なるマルチモードの信号光に変換する。ここで、マルチコアファイバ１１のコア群１１２に含まれるコア数と増幅用ファイバ１２２のチャネル数は整合を取る必要がある。

本光増幅器１２の励起手法は、任意であり、例えば、コア直接励起法を用いることができる。光増幅器１２の部品点数削減のため、クラッド励起法を用いることが好ましい。クラッド励起構成とする場合は、用いられる増幅用ファイバ１２は、ダブルクラッド構造を備える。

本発明は、光増幅器であり、複数のコアを用いた伝送においてコア間にて発生する利得差を小さくする効果および伝送距離の長延化を実現する。

１１、１１ａ、１１ｂ：マルチコアファイバ
１２：光増幅器
１３：合波器
１４：分波器
９１：送信部
９２：受信部
１１１：マルチコアファイバのコア
１１２：マルチコアファイバのコア群
１２２１：増幅用ファイバのコア
１２１：第１の変換器
１２１Ｌ、１２３Ｌ：フォトニックランタン
Ｐ１２１、Ｐ１２３：ポート
１２２：増幅用ファイバ
１２３：第２の変換器
１２４：第１の励起光源
１２５：第２の励起光源

Claims

マルチコアファイバに備わる複数のコアで伝搬されたチャネルの異なる複数の信号光を、チャネル間のクロストークが発生するように、チャネルに応じて伝搬モードが異なるマルチモードの信号光に変換する第１の変換器と、
前記第１の変換器からのマルチモードの信号光を増幅する増幅用ファイバと、
を備え、
前記第１の変換器は、１つの信号光チャネルが強度差の予め定められた値以上となるように、全ての変換後の信号光チャネルに結合するよう、チャネル間のクロストークを発生させるチャネルスクランブラであることを特徴とする、光増幅器。
前記増幅用ファイバからのマルチモードの信号光をマルチコアの信号光に変換する第２の変換器をさらに備え、
前記第２の変換器は、１つの信号光チャネルが強度差の予め定められた値以上となるように、全ての変換後の信号光チャネルに結合するよう、チャネル間のクロストークを発生させるチャネルスクランブラであることを特徴とする、
請求項１に記載の光増幅器。
任意の伝搬モードの励起光を前方から前記増幅用ファイバに供給するための第１の励起光源と、
任意の伝搬モードの励起光を後方から前記増幅用ファイバに供給するための第２の励起光源と、をさらに備える、
請求項１又は２に記載の光増幅器。
前記増幅用ファイバは、ダブルクラッド構造を有し、
前記第１の励起光源及び前記第２の励起光源の少なくとも一方は、前記マルチモードの信号光を励起するためのマルチモードの励起光を、前記増幅用光ファイバのクラッドに供給する、
請求項３に記載の光増幅器。
前記増幅用ファイバは、２以上のコアを有し、
前記第１の変換器は、マルチコアファイバに備わる隣接する複数のコアを含むコア群ごとに、チャネルの異なる複数の信号光を、チャネル間のクロストークが発生するように、チャネルに応じて伝搬モードが異なるマルチモードの信号光に変換する、
請求項１から４のいずれかに記載の光増幅器。