JP6992907B2 - 光増幅装置および光増幅方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光増幅装置および光増幅方法に関し、特に、マルチコア光ファイバを用いた光増幅装置および光増幅方法に関する。
モバイルトラフィックやビデオサービスの急速な拡大などにより、コアネットワークにおける通信容量の拡大が求められている。この容量拡大の要求は、今後も継続する傾向にある。通信容量の拡大はこれまで、時間多重技術や波長多重技術を用いることによって実現されてきた。この時間多重技術や波長多重技術は、シングルコア光ファイバによる光通信システムに適用されてきた。
シングルコア光ファイバを用いる場合、シングルコアすなわち単一の光ファイバコアを伝送することが可能な光信号の多重数には制限があり、近年、その限界に達しつつある。この多重数の限界は、光ファイバ通信において利用可能な波長帯域幅、およびシングルコア光ファイバの入力光強度耐力によって決まる。
このような状況において、通信容量をさらに拡大するため、これまでの多重技術とは異なる次元の多重技術である空間多重技術が開発されている。空間多重技術には、光ファイバ１本あたりのコア数を増大させるマルチコア技術と、伝播モード数を増大させるマルチモード技術がある。従来の光ファイバ通信で用いられているコア数およびモード数は、いずれも一個である。そのため、コア数およびモード数を増大させることによって通信容量を飛躍的に拡大することが可能である。
しかしながら、光ファイバのコア数やモード数を増大させた場合、現在広く普及している光送受信機や光増幅器をそのまま利用することはできない。現在普及している光送受信機や光増幅器はシングルコアの光ファイバ向けに開発されたものであり、マルチコア光ファイバやマルチモード光ファイバに対して互換性がないからである。そのため、マルチコア光ファイバやマルチモード光ファイバに適した光送受信機および光増幅器を実現する技術が提案されている。
マルチコア光ファイバに適した光増幅方式としては、コア励起方式とクラッド励起方式の二方式がある。コア励起方式では、各コアを通して光伝送される光信号の強度をコア毎に個別の励起光源を用いて個別に増幅する。クラッド励起方式では、各コアを通して光伝送される光信号の強度を共通の励起光源を用いて一括して増幅する。
マルチコア光ファイバを伝送する光信号の光強度を効率よく増幅するためには、各コアを通して光伝送される光信号の強度を共通の励起光源を用いて一括して増幅するクラッド励起方式が望ましい。また、クラッド励起方式では、従来の単一コア励起方式による光増幅器の構成を原理的にはそのままクラッド励起方式の光増幅器の構成として用いることができる。
このようなクラッド励起方式による光増幅器の一例が、特許文献１に記載されている。
特許文献１に記載された関連する光増幅器は、マルチコア光ファイバ９１、励起用光源９２、光アイソレータ９４、光合波器９３、マルチコア光ファイバ９７＃１及び９７＃２を備える。ここで、マルチコア光ファイバ９１は、希土類イオンを添加した複数のコア１１が第１クラッド１２中に配置され、第１クラッド１２の周囲に配置されかつ希土類イオンを励起する波長を有する励起光を反射する第２クラッド１３を備える。そして、複数のコア１１は、伝搬光が結合するコア間距離を有する構成としている。
このように、関連する光増幅器は、マルチコア光ファイバ９１に備わるコア１１＃１～１１＃６の結合を用いるため、マルチコア光ファイバ９１の伝搬光を増幅するに際し、コア１１間の利得差の発生を抑制することができる、としている。
特開２０１７－２１０７０号公報
上述した関連する光増幅器のようなクラッド励起方式の光増幅器は、第１クラッド中の励起光パワー密度が小さいため、光増幅媒体における励起光成分の吸収効率がコア励起方式による吸収効率よりも低くなる。そのため、コア励起方式と比較してクラッド励起方式による光ファイバ増幅器は、光強度の増幅効率が極めて低くなる。
このように、マルチコア光ファイバを用いた光増幅器は、クラッド励起方式では光増幅媒体における励起光の吸収効率が低いため、光強度の増幅効率が低下してしまうという問題があった。
本発明の目的は、上述した課題である、マルチコア光ファイバを用いた光増幅器は、クラッド励起方式では光増幅媒体における励起光の吸収効率が低いため、光強度の増幅効率が低下する、という課題を解決する光増幅装置および光増幅方法を提供することにある。
本発明の光増幅装置は、信号光の波長帯域に利得を有し信号光を受付ける光増幅媒体と、光増幅媒体を励起する励起光を光増幅媒体に導入する励起光導入手段と、光増幅媒体から出力される、励起光の波長成分を有する残留励起光を、光増幅媒体に導入する残留励起光導入手段、とを有し、残留励起光導入手段は、信号光と残留励起光を合波する残留励起光合波手段を光増幅媒体の一端側に備え、信号光と残留励起光を空間光学系により波長分離する空間伝搬型波長分離手段を光増幅媒体の他端側に備える。
本発明の光増幅方法は、信号光の波長帯域に利得を有する光増幅媒体に信号光を導入し、光増幅媒体を励起する励起光を光増幅媒体に導入し、光増幅媒体から出力される、励起光の波長成分を有する残留励起光を、光増幅媒体に導入し、残留励起光を光増幅媒体に導入することは、光増幅媒体の一端側において、信号光と残留励起光を合波し、光増幅媒体の他端側において、信号光と残留励起光を空間光学系により波長分離することを含む。
本発明の光増幅装置および光増幅方法によれば、マルチコア光ファイバを備えた光増幅器をクラッド励起方式で用いる場合であっても、光増幅媒体における励起光の吸収効率を増大させることができ、光強度の増幅効率を向上させることができる。
本発明の第１の実施形態に係る光増幅装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るマルチコア光増幅器の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るマルチコア光増幅器の動作を説明するための図であって、観測点（ａ）における光スペクトルを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るマルチコア光増幅器の動作を説明するための図であって、観測点（ｂ）における光スペクトルを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るマルチコア光増幅器の動作を説明するための図であって、観測点（ｃ）における光スペクトルを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るマルチコア光増幅器の動作を説明するための図であって、観測点（ｄ）における光スペクトルを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るマルチコア光増幅器の動作を説明するための図であって、観測点（ｅ）における光スペクトルを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るマルチコア光増幅器の動作を説明するための図であって、観測点（ｆ）における光スペクトルを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るマルチコア光増幅器が備える光学レンズ系を備えた分波器の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るマルチコア光増幅器が備える空間光変調器を備えた分波器の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係るマルチコア光増幅器の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係るマルチコア光増幅器が備える光ファイバと残留励起光との結合について説明するためのブロック図である。
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光増幅装置１００の構成を示すブロック図である。
光増幅装置１００は、光増幅媒体１１０、励起光導入手段１２０、および残留励起光導入手段１３０を有する。光増幅媒体１１０は、信号光１０の波長帯域に利得を有し、この信号光１０を受付ける。励起光導入手段１２０は、光増幅媒体１１０を励起する励起光１１を光増幅媒体１１０に導入する。そして、残留励起光導入手段１３０は、光増幅媒体１１０から出力される、励起光１１の波長成分を有する残留励起光１２を、光増幅媒体１１０に導入する。
ここで、残留励起光導入手段１３０は、信号光１０と残留励起光１２を合波する残留励起光合波手段１３１を光増幅媒体１１０の一端側に備える。さらに、残留励起光導入手段１３０は、信号光１０と残留励起光１２を空間光学系により波長分離する空間伝搬型波長分離手段１３２を光増幅媒体１１０の他端側に備える。
このように、本実施形態による光増幅装置１００は残留励起光導入手段１３０を備えているので、光増幅媒体１１０において吸収されずに出力された励起光を、残留励起光として再度、光増幅媒体１１０に導入することが可能である。すなわち、励起光を再利用することにより、光増幅媒体における励起光の吸収効率を増大させることができる。
ここで、空間伝搬型波長分離手段１３２は、ダイクロイックミラーを備えた構成とすることができる。ダイクロイックミラーにより、励起光１１の波長成分を有する残留励起光１２を反射させ、信号光１０を透過させることができる。
また、光増幅媒体１１０として、希土類イオンが添加されたコアと、ダブルクラッド構造とを有するマルチコア光ファイバを用いることができる。このとき、励起光導入手段１２０は、ダブルクラッド構造に励起光を入射させるクラッド励起方式によって、励起光１１を光増幅媒体１１０に導入する構成とすることができる。
次に、本実施形態による光増幅方法について説明する。
本実施形態による光増幅方法においては、まず、信号光の波長帯域に利得を有する光増幅媒体に信号光を導入する。また、この光増幅媒体を励起する励起光を光増幅媒体に導入する。そして、このとき光増幅媒体から出力される、励起光の波長成分を有する残留励起光を、光増幅媒体に導入する。ここで、残留励起光を光増幅媒体に導入することは、光増幅媒体の一端側において、信号光と残留励起光を合波し、光増幅媒体の他端側において、信号光と残留励起光を空間光学系により波長分離することを含む。
このように、本実施形態の光増幅方法においては、光増幅媒体において吸収されずに出力された励起光を、残留励起光として再度、光増幅媒体に導入する構成としている。そのため、励起光を再利用することが可能となり、光増幅媒体における励起光の吸収効率を増大させることができる。
上述した空間光学系により波長分離することは、ダイクロイックミラーにより波長分離することを含むものとすることができる。
また、本実施形態による光増幅方法において、光増幅媒体に信号光を導入することは、希土類イオンが添加されたコアと、ダブルクラッド構造とを有するマルチコア光ファイバに信号光を導入することを含む。また、励起光を光増幅媒体に導入する際に、クラッド励起方式により励起光を光増幅媒体に導入することとすることができる。
以上説明したように、本実施形態による光増幅装置１００および光増幅方法によれば、マルチコア光ファイバを備えた光増幅器をクラッド励起方式で用いる場合であっても、光増幅媒体における励起光の吸収効率を増大させることができる。その結果、光増幅器における光強度の増幅効率を向上させることができる。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２に、本実施形態によるマルチコア光増幅器２００の構成を示す。
本実施形態によるマルチコア光増幅器２００は、第１の合波器（残留励起光合波手段）２１０、第２の合波器（波長合波手段）２２０、光増幅媒体としてのマルチコアエルビウム添加ファイバ（Ｍｕｌｔｉｃｏｒｅ Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ：ＭＣ－ＥＤＦ）２３０、および分波器（空間伝搬型波長分離手段）２４０を有する。ここで、マルチコアエルビウム添加ファイバ（ＭＣ－ＥＤＦ）２３０は、希土類イオンであるエルビウムイオンが添加されたコアと、ダブルクラッド構造とを有するマルチコア光ファイバである。マルチコア光増幅器２００はさらに、励起光源２５０、励起光制御部２６０、マルチコア光ファイバ２７１、２７２、２７３、およびマルチモード光ファイバ２８１、２８２を有する。
マルチコア光増幅器２００において、波長多重光源２０から出力される信号光はマルチコア光ファイバ２７１に入力される。入力された信号光は、第１の合波器２１０、マルチコア光ファイバ２７２、第２の合波器２２０、マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０、分波器２４０、およびマルチコア光ファイバ２７３の順に通過して出力される。ここで、光増幅媒体としてのマルチコアエルビウム添加ファイバ２３０は、信号光の波長帯域に利得を有し、マルチコア光ファイバ２７１、２７２を通して信号光を受付ける。
励起光源（励起光生成手段）２５０は励起光を生成し、励起光制御部（励起光制御手段）２６０の制御により所定の強度の励起光をマルチモード光ファイバ２８２に出力する。第２の合波器（波長合波手段）２２０は信号光と励起光を合波する。ここで、励起光源（励起光生成手段）２５０と第２の合波器２２０（波長合波手段）が励起光導入手段を構成している。すなわち、励起光導入手段は、マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０（光増幅媒体）を励起する励起光をマルチコアエルビウム添加ファイバ２３０（光増幅媒体）に導入する。このとき励起光導入手段は、クラッド励起方式により励起光をマルチコアエルビウム添加ファイバ２３０（光増幅媒体）に導入する。
励起光と合波された信号光がマルチコアエルビウム添加ファイバ２３０中を伝播することにより、信号光の光強度が増幅される。励起光がマルチコアエルビウム添加ファイバ２３０を伝播する過程において、マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０に吸収される励起光に応じて信号光が増幅される。そのため、マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０における励起光成分の吸収率が高いほど、大きな光強度増幅利得が得られることになる。
マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０における励起光成分の吸収率が一定であるとした場合、励起光の強度が大きいほど、大きな光強度増幅利得が得られる。光強度増幅利得に影響を与える他のパラメータとしては、マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０の長さや添加するエルビウムイオン濃度等がある。例えば、単位長さあたりのマルチコアエルビウム添加ファイバ２３０による励起光成分の吸収量が小さい場合、マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０を長くすることにより、吸収される励起光成分を増大させることができる。しかしながら、マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０を長くすると、利得スペクトルが波長シフトする性質がある。そのため、増幅する対象である信号光の波長に適した長さにする必要があるという、マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０の長さと増幅波長に関する制約がある。本実施形態においては、励起強度以外のパラメータはすべて、増幅する対象となる信号光に対して最適化されているものとして説明する。すなわち、マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０の長さは、信号光の増幅利得が最大となるように調整されているものとする。したがって、この場合、光強度増幅利得は励起光強度とマルチコアエルビウム添加ファイバ２３０における励起光の吸収率に正比例することになる。
励起光源２５０は励起光制御部２６０によって駆動される。具体的には、励起光源２５０の出力光強度は、励起光制御部２６０が供給する駆動電流に比例して増加する構成とすることができる。このとき、所望の光強度増幅利得を得るために必要な励起光源２５０の駆動条件、すなわち、励起光源の駆動電流値と光強度増幅利得との関係は、あらかじめ測定しておくことにより得られる。したがって、所望の光強度増幅利得が定まれば、必要となる励起光源２５０の駆動電流、すなわち、励起光源２５０を駆動するのに必要な消費電力を求めることができる。
マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０で吸収されなかった励起光成分、すなわち、残留励起光成分は、信号光の強度を増幅するために寄与することなく、そのままマルチコアエルビウム添加ファイバ２３０から出力される。ここで、分波器（空間伝搬型波長分離手段）２４０は、信号光と残留励起光を空間光学系により波長分離する。その後、信号光はマルチコア光ファイバ２７３を通過し、マルチコア光増幅器２００の光信号出力となる。一方、残留励起光はマルチモード光ファイバ２８１を通って第１の合波器２１０（残留励起光合波手段）に至る。第１の合波器２１０（残留励起光合波手段）は、信号光と残留励起光を合波する。
ここで、第１の合波器（残留励起光合波手段）２１０と分波器（空間伝搬型波長分離手段）２４０が、残留励起光導入手段を構成している。残留励起光導入手段は、マルチコアエルビウム添加ファイバ（光増幅媒体）２３０から出力される、励起光の波長成分を有する残留励起光を、マルチコアエルビウム添加ファイバ（光増幅媒体）２３０に導入する。具体的には、残留励起光導入手段は、第１の合波器２１０（残留励起光合波手段）をマルチコアエルビウム添加ファイバ（光増幅媒体）２３０の一端側に備え、分波器（空間伝搬型波長分離手段）２４０をマルチコアエルビウム添加ファイバ（光増幅媒体）２３０の他端側に備えた構成としている。なお、本実施形態においては後述するように、分波器（空間伝搬型波長分離手段）２４０は、残留励起光の空間強度分布を変換する機能を有する構成とした。
また、残留励起光導入手段は、残留励起光を導波するマルチモード光ファイバ２８１を備える。さらに、図２に示したように、残留励起光の進行方向を制限する光アイソレータ２９０を備えた構成とすることができる。光アイソレータ２９０により、分波器２４０から第１の合波器２１０に残留励起光が供給される回生ループ経路において、残留励起光が反射してマルチコア光増幅器２００の動作が不安定になることを防止することができる。
上述したように、第１の合波器２１０および第２の合波器２２０は、信号光と励起光を多重するために用いられる。このとき、第１の合波器２１０には、分波器２４０と同様に空間光学系を用いることもでき、また、光カプラ等の光導波路型デバイスを用いることもできる。空間光学系を用いた合波器は、光導波路型の合波器よりも、耐熱特性、放熱特性、および光損失特性のいずれにおいても優れている。一方、光導波路型の合波器は小型化が可能であるという利点を有するが、耐熱特性、放熱特性、および光損失特性の観点から必要な性能を実現できず実装が困難な場合が生じる。特に、入出力光ファイバ（２７１、２７３）がマルチコアファイバである場合、所望の特性を得ることは困難である。
一方、第２の合波器２２０には、空間光学系を用いた合波器を用いることはできない。その理由は以下の通りである。マルチコア光ファイバ２７２には信号光（典型的には波長１．５μｍ）と励起光（典型的には波長０．９８μｍ）が波長多重されて通過する。第２の合波器２２０として空間光学系を用いた合波器を利用した場合、空間光学系の内部に備えられたダイクロイックミラーの反射特性により、信号光を通過させることはできるが励起光を通過させることができない。つまり、第１の合波器２１０によって波長多重された励起光は遮断されることになる。したがって、第２の合波器２２０は光導波路型の合波器とする必要がある。
次に、本実施形態によるマルチコア光増幅器２００の動作について説明する。
図３Ａから図３Ｆに、上述のように構成されたマルチコア光増幅器２００の各部における光スペクトルをそれぞれ示す。すなわち、図２に示した観測点（ａ）～（ｆ）における光スペクトルをそれぞれ示す。
観測点（ａ）においては、図３Ａに示すように、波長多重光源２０から出力された波長多重信号光２１だけが観測される。観測点（ｂ）においては、図３Ｂに示すように、残留励起光が存在する場合には波長多重信号光２１の他に残留励起光２２が観測される。観測点（ｃ）においては、図３Ｃに示すように、励起光源２５０から励起光が供給されている場合には励起光成分が観測される。ここで、残留励起光成分が存在する場合には、励起光源２５０によって励起光成分が追加されるため、観測点（ｃ）で観測される合成励起光２３の強度は観測点（ｂ）で観測される残留励起光２２の強度よりも大きくなる。
観測点（ｄ）においては、図３Ｄに示すように、マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０において吸収されなかった励起光成分である残留励起光２２、増幅された信号光成分である増幅多重信号光２４、および光増幅動作の過程で発生した光雑音成分２５が観測される。この光雑音成分２５は信号光成分と同波長帯に混在し、マルチコア光増幅器２００の雑音指数に影響を与えるものである。
マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０の後段において、分波器２４０が信号光と残留励起光を分波する。そのため、観測点（ｅ）においては図３Ｅに示すように、励起光成分が観測されることはなく、信号光成分である増幅多重信号光２４と光雑音成分２５だけが観測される。分波器２４０で分波された残留励起光２２は、マルチモード光ファイバ２８１から出力される。したがって、観測点（ｆ）においては図３Ｆに示すように、残留励起光２２だけが観測される。
上述したように、本実施形態によるマルチコア光増幅器２００の特徴は、分波器２４０から第１の合波器２１０へと接続される回生経路が存在することである。図３Ｂおよび３Ｃから明らかなように、この回生経路が存在することにより残留励起光を回生し再利用することが可能になる。すなわち、残留励起光を励起光源２５０の出力に加算することができるので、励起光源２５０の駆動電流を減少させても所望の光増幅利得を得ることができる。すなわち、光強度の増幅効率が向上し、所望の光増幅利得を得るために必要な消費電力を低減することができる。
このように、本実施形態によるマルチコア光増幅器２００によれば、光増幅媒体における励起光の吸収効率を改善することにより、励起光源の駆動に要する消費電力を低減することが可能となる。また、励起光源を構成する素子の発熱量を低減することができるので、励起光源を構成する素子の冷却に必要な電気回路の消費電力もあわせて低減することが可能である。よって、光増幅器全体の消費電力を大幅に低減することができる。
上述したように、本実施形態によるマルチコア光増幅器２００が備える分波器（空間伝搬型波長分離手段）２４０は、信号光と残留励起光を空間光学系により波長分離する。そして、信号光（典型的には波長λ１＝１．５μｍ）はマルチコア光ファイバ２７３に、残留励起光（典型的には波長λ２＝０．９８μｍ）はマルチモード光ファイバ２８１にそれぞれ導入される。すなわち、信号光はマルチコア光ファイバから出射され同種のマルチコア光ファイバに入射されるのに対し、残留励起光はマルチコア光ファイバから出射され異なる種類のマルチモード光ファイバに入射される。さらに、マルチコア光ファイバから分波器２４０に出射される光の空間光強度分布は波長毎に異なる。したがって、信号光はマルチコア光ファイバに適切に結合されている場合であっても、残留励起光はマルチモード光ファイバ２８１に適切に結合されるとは限らない。
しかしながら、本実施形態においては、分波器（空間伝搬型波長分離手段）２４０は、残留励起光の空間強度分布を変換する機能を有する構成としている。したがって、残留励起光をマルチモード光ファイバ２８１に適切に結合させ、残留励起光を効率よく回生し再利用することが可能である。
具体的には、分波器（空間伝搬型波長分離手段）２４０は、残留励起光がマルチモード光ファイバ（第１の残留励起光導波手段）２８１に結合するように残留励起光の空間強度分布を変換する光学レンズ系を備える構成とすることができる。ここでマルチモード光ファイバ（第１の残留励起光導波手段）２８１は、残留励起光を分波器２４０から第１の合波器２１０に導波し、残留励起光導入手段を構成している。
図４に、光学レンズ系を備えた分波器（空間伝搬型波長分離手段）２４１０の構成を示す。同図には、入射側の第１のマルチコア光ファイバ２７３１、出射側の第２のマルチコア光ファイバ２７３２、マルチモード光ファイバ２８１０、および調整機構（２５１１、２５１２）も合わせて示している。
光学レンズ系を備えた分波器２４１０は、入射側の第１のレンズ２４１１、出射側の第２のレンズ２４１２、出射側の第３のレンズ２４１３、およびダイクロイックミラー２４１４を備える。光学レンズ系を備えた分波器２４１０には、信号光（典型的には波長λ１＝１．５μｍ）と残留励起光（典型的には波長λ２＝０．９８μｍ）が多重された波長多重光が第１のマルチコア光ファイバ２７３１から入射する。入射した波長多重光は第１のレンズ２４１１によってコリメートされ、ダイクロイックミラー２４１４に入射する。
ここで、ダイクロイックミラー２４１４は、特定の波長（本実施形態の例では波長λ２＝０．９８μｍ）の光を反射し、その他の波長（本実施形態の例では波長λ１＝１．５μｍ）の光を透過する。したがって、波長多重光に含まれる信号光λ１はダイクロイックミラー２４１４を透過し、第２のレンズ２４１２によって第２のマルチコア光ファイバ２７３２に結合される。
一方、波長多重光に含まれる残留励起光λ２は、ダイクロイックミラー２４１４によって反射され、第３のレンズ２４１３に入射する。ここで、残留励起光λ２のマルチモード光ファイバ２８１０への結合光損失が最小となるように、マルチモード光ファイバ２８１０の位置決めを行う。この位置決めには、例えば可動台２５１１を用いることができる。
このときの結合光損失は、図４に例示したように、マルチモード光ファイバ２８１０の出力端において、例えば光受光器２５１２を用いて残留励起光の強度を計測することによって得ることができる。これに限らず、光分岐素子等を用いてタップすることにより、マルチモード光ファイバ２８１０の途中で分岐して残留励起光の強度を計測することとしてもよい。なお、可動台２５１１および光受光器２５１２は常に備える必要はなく、計測した結果に基づいて結合光損失が最小となる適切な位置にマルチモード光ファイバ２８１０を固定することとしてもよい。
上述したように、光学レンズ系を備えた分波器２４１０によれば、信号光λ１と分離した残留励起光λ２を効率よくマルチモード光ファイバ２８１０に結合させることができる。したがって、マルチコア光増幅器２００における残留励起光の回生効率を改善することができる。
なお、第１のマルチコア光ファイバ２７３１、第２のマルチコア光ファイバ２７３２、およびマルチモード光ファイバ２８１０の開口数（ＮＡ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）には、製造上の困難性等から制限がある。したがって、光学レンズ系を構成する第１のレンズ２４１１、第２のレンズ２４１２、および第３のレンズ２４１３の焦点距離にも制約が生じる。そのため、光学レンズ系を備えた分波器２４１０が大型になる場合がある。しかしながら、光学レンズ系を備えた分波器２４１０には、光学レンズ系の設計を一度行えば、簡易な構成で実現できるという利点がある。
また、分波器（空間伝搬型波長分離手段）２４０は、残留励起光がマルチモード光ファイバ（第１の残留励起光導波手段）２８１に結合するように残留励起光の空間強度分布を変換する空間光変調器を備えた構成とすることができる。ここでマルチモード光ファイバ（第１の残留励起光導波手段）２８１は、残留励起光を分波器２４０から第１の合波器２１０に導波し、残留励起光導入手段を構成している。
図５に、空間光変調器を備えた分波器（空間伝搬型波長分離手段）２４２０の構成を示す。同図には、入射側の第１のマルチコア光ファイバ２７３１、出射側の第２のマルチコア光ファイバ２７３２、マルチモード光ファイバ２８１０、および光受光器２５２２も合わせて示している。
空間光変調器を備えた分波器２４２０は、入射側の第１のレンズ２４２１、出射側の第２のレンズ２４２２、出射側の第３のレンズ２４２３、ダイクロイックミラー２４２４、および空間光変調器２４２５を備える。空間光変調器を備えた分波器２４２０には、信号光（典型的には波長λ１＝１．５μｍ）と残留励起光（典型的には波長λ２＝０．９８μｍ）が多重された波長多重光が第１のマルチコア光ファイバ２７３１から入射する。入射した波長多重光は第１のレンズ２４２１によってコリメートされ、ダイクロイックミラー２４２４に入射する。
ここで、ダイクロイックミラー２４２４は、特定の波長（本実施形態の例では波長λ２＝０．９８μｍ）の光を反射し、その他の波長（本実施形態の例では波長λ１＝１．５μｍ）の光を透過する。したがって、波長多重光に含まれる信号光λ１はダイクロイックミラー２４２４を透過し、第２のレンズ２４２２によって第２のマルチコア光ファイバ２７３２に結合される。
一方、波長多重光に含まれる残留励起光λ２は、ダイクロイックミラー２４２４によって反射され、第３のレンズ２４２３を通って空間光変調器２４２５に入射する。空間光変調器２４２５は、残留励起光λ２がマルチモード光ファイバ２８１０に結合するように残留励起光λ２の空間強度分布を変換する。すなわち、空間光変調器を備えた分波器２４２０は、残留励起光λ２のマルチモード光ファイバ２８１０への結合光損失が最小となるように、残留励起光λ２の空間光強度分布を制御する。
このときの結合光損失は、図５に例示したように、マルチモード光ファイバ２８１０の出力端において、例えば光受光器２５２２を用いて残留励起光の強度を計測することによって得ることができる。これに限らず、光分岐素子等を用いてタップすることにより、マルチモード光ファイバ２８１０の途中で分岐して残留励起光の強度を計測することとしてもよい。なお、光受光器２５２２は常に備える必要はない。すなわち、残留励起光のマルチモード光ファイバ２８１０への結合光損失が最小となる空間光強度分布を予め測定し、その測定結果をメモリ等に保存する。そして、保存してある空間光強度分布を用いて空間光変調器２４２５を設定することとしてもよい。
上述したように、空間光変調器を備えた分波器２４２０によれば、信号光λ１と分離した残留励起光λ２を効率よくマルチモード光ファイバ２８１０に結合させることができる。空間光変調器を備えた分波器２４２０は、空間光変調器２４２５を備えるため光学レンズ系を備えた分波器２４１０よりも製造コストは増加する。しかしながら、光学レンズ系を備えた分波器２４１０よりも空間光学系の設計自由度が向上し、実装が容易になるという利点がある。
図２には、信号光と励起光の伝搬方向が同一方向である前方励起方式によるマルチコア光増幅器２００の構成を示した。しかし、これに限らず、信号光の伝搬方向が励起光と逆である後方励起方式による構成としてもよい。この場合、残留励起光を回生させるループが、前方励起方式の場合は右回りであったものが、後方励起方式の場合には左回りになるだけであり、同様の効果が得られる。
次に、本実施形態による光増幅方法について説明する。
本実施形態による光増幅方法においては、まず、信号光の波長帯域に利得を有する光増幅媒体に信号光を導入する。また、この光増幅媒体を励起する励起光を光増幅媒体に導入する。そして、このとき光増幅媒体から出力される、励起光の波長成分を有する残留励起光を、光増幅媒体に導入する。ここで、残留励起光を光増幅媒体に導入することは、光増幅媒体の一端側において、信号光と残留励起光を合波し、光増幅媒体の他端側において、信号光と残留励起光を空間光学系により波長分離することを含む。これまでの構成は、第１の実施形態による光増幅方法と同様である。
本実施形態による光増幅方法においては、上述した空間光学系により波長分離する際に、残留励起光の空間強度分布を変換する構成とした。ここで、空間光学系により波長分離する際に、残留励起光が光導波媒体を導波するように、光学レンズ系により空間強度分布を変換する構成とすることができる。また、空間光学系により波長分離する際に、残留励起光が光導波媒体を導波するように、空間光変調器により空間強度分布を変換することとしてもよい。
また、励起光を光増幅媒体に導入する際に、信号光と励起光を合波する構成とすることができる。
以上説明したように、本実施形態によるマルチコア光増幅器２００および光増幅方法によれば、マルチコア光ファイバを備えた光増幅器をクラッド励起方式で用いる場合であっても、光増幅媒体における励起光の吸収効率を増大させることができる。さらに、残留励起光の回生効率を改善することができる。その結果、光増幅器における光強度の増幅効率を向上させることができる。
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図６に、本実施形態によるマルチコア光増幅器３００の構成を示す。
本実施形態によるマルチコア光増幅器３００は、第１の合波器（残留励起光合波手段）２１０、第２の合波器（波長合波手段）２２０、光増幅媒体としてのマルチコアエルビウム添加ファイバ２３０、および分波器（空間伝搬型波長分離手段）２４０を有する。ここで、分波器２４０は、信号光と残留励起光を空間光学系により波長分離する。マルチコア光増幅器３００はさらに、励起光源２５０、励起光制御部２６０、マルチコア光ファイバ２７１、２７２、２７３、およびマルチモード光ファイバ２８２を有する。ここまでの構成は、第２の実施形態によるマルチコア光増幅器２００の構成と同様である。
本実施形態によるマルチコア光増幅器３００はさらに、空間光変調器（空間光変調手段）３１０および光ファイバ（第２の残留励起光導波手段）３８０を有する構成とした。マルチコア光増幅器３００のその他の構成および動作は、第２の実施形態によるマルチコア光増幅器２００と同様であるから、それらの詳細な説明は省略する。
空間光変調器（空間光変調手段）３１０は、第１の合波器（残留励起光合波手段）２１０の残留励起光が出力される側に配置され、残留励起光の空間強度分布を変換する機能を有する。ここで、マルチコア光ファイバ２７２（合波光導波手段）は、第１の合波器（残留励起光合波手段）２１０において合波された信号光と残留励起光を導波する。このとき、空間光変調器（空間光変調手段）３１０は、残留励起光がマルチコア光ファイバ２７２（合波光導波手段）に結合するように残留励起光の空間強度分布を変換する。
光ファイバ（第２の残留励起光導波手段）３８０は、残留励起光を分波器２４０から第１の合波器２１０に導波し、残留励起光導入手段を構成している。ここで、光ファイバ３８０は、残留励起光のビーム径よりも大きなコア径を有する構成とした。
次に、図７を用いて、分波器２４０から出射した残留励起光と光ファイバ３８０との結合について説明する。同図には、入射側の第１のマルチコア光ファイバ２７３１および出射側の第２のマルチコア光ファイバ２７３２も合わせて示している。
分波器２４０は、入射側の第１のレンズ２４１、出射側の第２のレンズ２４２、出射側の第３のレンズ２４３、およびダイクロイックミラー２４４を備えた構成とした。分波器２４０には、信号光（典型的には波長λ１＝１．５μｍ）と残留励起光（典型的には波長λ２＝０．９８μｍ）が多重された波長多重光が第１のマルチコア光ファイバ２７３１から入射する。入射した波長多重光は第１のレンズ２４１によってコリメートされ、ダイクロイックミラー２４４に入射する。
ここで、ダイクロイックミラー２４４は、特定の波長（本実施形態の例では波長λ２＝０．９８μｍ）の光を反射し、その他の波長（本実施形態の例では波長λ１＝１．５μｍ）の光を透過する。したがって、波長多重光に含まれる信号光λ１はダイクロイックミラー２４４を透過し、第２のレンズ２４２によって第２のマルチコア光ファイバ２７３２に結合される。
一方、波長多重光に含まれる残留励起光λ２は、ダイクロイックミラー２４４によって反射され、第３のレンズ２４３に入射する。ここで、光ファイバ３８０は、残留励起光のビーム径よりも大きなコア径を有しているので、残留励起光λ２の光ファイバ３８０への結合光損失を最小にすることができる。すなわち、信号光λ１と分離した残留励起光λ２を効率よく光ファイバ３８０に結合させることができる。したがって、マルチコア光増幅器２００における残留励起光の回生効率を改善することができる。
光ファイバ３８０を導波した残留励起光は、第１の合波器２１０において信号光と合波され、マルチコア光ファイバ２７２に導入される。このとき、空間光変調器３１０は、残留励起光がマルチコア光ファイバ２７２に結合するように残留励起光の空間強度分布を変換するので、残留励起光のマルチコア光ファイバ２７２への結合光損失を最小とすることができる。
なお、光ファイバのコア径および開口数（ＮＡ）には製造上の制限があるので、光ファイバ３８０を最適化する上でも制約がある。しかしながら、光ファイバ３８０を備えたマルチコア光増幅器３００は、簡易な構成とすることができるという利点がある。
次に、本実施形態による光増幅方法について説明する。
本実施形態による光増幅方法においては、まず、信号光の波長帯域に利得を有する光増幅媒体に信号光を導入する。また、この光増幅媒体を励起する励起光を光増幅媒体に導入する。そして、このとき光増幅媒体から出力される、励起光の波長成分を有する残留励起光を、光増幅媒体に導入する。ここで、残留励起光を光増幅媒体に導入することは、光増幅媒体の一端側において、信号光と残留励起光を合波し、光増幅媒体の他端側において、信号光と残留励起光を空間光学系により波長分離することを含む。これまでの構成は、第１の実施形態による光増幅方法と同様である。
本実施形態による光増幅方法においては、残留励起光を光増幅媒体に導入する際に、信号光と残留励起光を合波した後に、残留励起光が光導波媒体を導波するように、空間光変調器により残留励起光の空間強度分布を変換する構成とした。このとき、空間光学系により波長分離した残留励起光を、この残留励起光のビーム径よりも大きなコア径を有する光ファイバを導波させることとしてもよい。
以上説明したように、本実施形態によるマルチコア光増幅器３００および光増幅方法によれば、マルチコア光ファイバを備えた光増幅器をクラッド励起方式で用いる場合であっても、光増幅媒体における励起光の吸収効率を増大させることができる。さらに、残留励起光の回生効率を改善することができる。その結果、光増幅器における光強度の増幅効率を向上させることができる。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）信号光の波長帯域に利得を有し前記信号光を受付ける光増幅媒体と、前記光増幅媒体を励起する励起光を前記光増幅媒体に導入する励起光導入手段と、前記光増幅媒体から出力される、前記励起光の波長成分を有する残留励起光を、前記光増幅媒体に導入する残留励起光導入手段、とを有し、前記残留励起光導入手段は、前記信号光と前記残留励起光を合波する残留励起光合波手段を前記光増幅媒体の一端側に備え、前記信号光と前記残留励起光を空間光学系により波長分離する空間伝搬型波長分離手段を前記光増幅媒体の他端側に備える光増幅装置。
（付記２）前記空間伝搬型波長分離手段は、前記残留励起光の空間強度分布を変換する機能を有する付記１に記載した光増幅装置。
（付記３）前記残留励起光導入手段は、前記残留励起光を導波する第１の残留励起光導波手段を有し、前記空間伝搬型波長分離手段は、前記残留励起光が前記第１の残留励起光導波手段に結合するように前記空間強度分布を変換する光学レンズ系を備える付記２に記載した光増幅装置。
（付記４）前記残留励起光導入手段は、前記残留励起光を導波する第１の残留励起光導波手段を有し、前記空間伝搬型波長分離手段は、前記残留励起光が前記第１の残留励起光導波手段に結合するように前記空間強度分布を変換する空間光変調器を備える付記２に記載した光増幅装置。
（付記５）前記残留励起光合波手段において合波された前記信号光と前記残留励起光を導波する合波光導波手段と、前記残留励起光合波手段の前記残留励起光が出力される側に配置された、前記残留励起光の空間強度分布を変換する機能を有する空間光変調手段、とをさらに有し、前記空間光変調手段は、前記残留励起光が前記合波光導波手段に結合するように前記空間強度分布を変換する付記１に記載した光増幅装置。
（付記６）前記残留励起光導入手段は、前記残留励起光を導波する第２の残留励起光導波手段を有し、前記第２の残留励起光導波手段は、光ファイバを備え、前記光ファイバは、前記残留励起光のビーム径よりも大きなコア径を有する付記５に記載した光増幅装置。
（付記７）前記励起光導入手段は、前記励起光を生成する励起光生成手段と、前記信号光と前記励起光を合波する波長合波手段、とを備える付記１から６のいずれか一項に記載した光増幅装置。
（付記８）前記空間伝搬型波長分離手段は、ダイクロイックミラーを備える付記１から７のいずれか一項に記載した光増幅装置。
（付記９）前記光増幅媒体は、希土類イオンが添加されたコアと、ダブルクラッド構造とを有するマルチコア光ファイバであり、前記励起光導入手段は、クラッド励起方式により前記励起光を前記光増幅媒体に導入する付記１から８のいずれか一項に記載した光増幅装置。
（付記１０）信号光の波長帯域に利得を有する光増幅媒体に前記信号光を導入し、前記光増幅媒体を励起する励起光を前記光増幅媒体に導入し、前記光増幅媒体から出力される、前記励起光の波長成分を有する残留励起光を、前記光増幅媒体に導入し、前記残留励起光を前記光増幅媒体に導入することは、前記光増幅媒体の一端側において、前記信号光と前記残留励起光を合波し、前記光増幅媒体の他端側において、前記信号光と前記残留励起光を空間光学系により波長分離することを含む光増幅方法。
（付記１１）前記空間光学系により波長分離することは、前記残留励起光の空間強度分布を変換することを含む付記１０に記載した光増幅方法。
（付記１２）前記空間光学系により波長分離することは、前記残留励起光が光導波媒体を導波するように、光学レンズ系により前記空間強度分布を変換することを含む付記１１に記載した光増幅方法。
（付記１３）前記空間光学系により波長分離することは、前記残留励起光が光導波媒体を導波するように、空間光変調器により前記空間強度分布を変換することを含む付記１１に記載した光増幅方法。
（付記１４）前記残留励起光を前記光増幅媒体に導入することは、前記信号光と前記残留励起光を合波した後に、前記残留励起光が光導波媒体を導波するように、空間光変調器により前記残留励起光の空間強度分布を変換することを含む付記１０に記載した光増幅方法。
（付記１５）前記残留励起光を前記光増幅媒体に導入することは、前記空間光学系により波長分離した前記残留励起光を、前記残留励起光のビーム径よりも大きなコア径を有する光ファイバを導波させることを含む付記１４に記載した光増幅方法。
（付記１６）前記励起光を前記光増幅媒体に導入することは、前記信号光と前記励起光を合波することを含む付記１０から１５のいずれか一項に記載した光増幅方法。
（付記１７）前記空間光学系により波長分離することは、ダイクロイックミラーにより波長分離することを含む付記１０から１６のいずれか一項に記載した光増幅方法。
（付記１８）前記光増幅媒体に前記信号光を導入することは、希土類イオンが添加されたコアと、ダブルクラッド構造とを有するマルチコア光ファイバに前記信号光を導入することを含み、前記励起光を前記光増幅媒体に導入することは、クラッド励起方式により前記励起光を前記光増幅媒体に導入することを含む付記１０から１７のいずれか一項に記載した光増幅方法。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１８年１０月１日に出願された日本出願特願２０１８－１８６５８１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１００ 光増幅装置
１１０ 光増幅媒体
１２０ 励起光導入手段
１３０ 残留励起光導入手段
１３１ 残留励起光合波手段
１３２ 空間伝搬型波長分離手段
２００、３００ マルチコア光増幅器
２１０ 第１の合波器
２２０ 第２の合波器
２３０ マルチコアエルビウム添加ファイバ
２４０ 分波器
２５０ 励起光源
２６０ 励起光制御部
２７１、２７２、２７３ マルチコア光ファイバ
２８１、２８２ マルチモード光ファイバ
２９０ 光アイソレータ
３１０ 空間光変調器
３８０ 光ファイバ
２４１０ 光学レンズ系を備えた分波器
２４１、２４１１、２４２１ 第１のレンズ
２４２、２４１２、２４２２ 第２のレンズ
２４３、２４１３、２４２３ 第３のレンズ
２４４、２４１４、２４２４ ダイクロイックミラー
２４２０ 空間光変調器を備えた分波器
２４２５ 空間光変調器
２５１１ 可動台
２５１２、２５２２ 光受光器
２７３１ 第１のマルチコア光ファイバ
２７３２ 第２のマルチコア光ファイバ
２８１０ マルチモード光ファイバ
１０ 信号光
１１ 励起光
１２ 残留励起光
２０ 波長多重光源
２１ 波長多重信号光
２２ 残留励起光
２３ 合成励起光
２４ 増幅多重信号光
２５ 光雑音成分

Claims (10)

  1. 信号光の波長帯域に利得を有し前記信号光を受付ける光増幅媒体と、
    前記光増幅媒体を励起する励起光を前記光増幅媒体に導入する励起光導入手段と、
    前記光増幅媒体から出力される、前記励起光の波長成分を有する残留励起光を、前記光増幅媒体に導入する残留励起光導入手段、とを有し、
    前記残留励起光導入手段は、前記信号光と前記残留励起光を合波する残留励起光合波手段を前記光増幅媒体の一端側に備え、前記信号光と前記残留励起光を空間光学系により波長分離する空間伝搬型波長分離手段を前記光増幅媒体の他端側に備える
    光増幅装置。
  2. 前記空間伝搬型波長分離手段は、前記残留励起光の空間強度分布を変換する機能を有する
    請求項１に記載した光増幅装置。
  3. 前記残留励起光導入手段は、前記残留励起光を導波する第１の残留励起光導波手段を有し、
    前記空間伝搬型波長分離手段は、前記残留励起光が前記第１の残留励起光導波手段に結合するように前記空間強度分布を変換する光学レンズ系を備える
    請求項２に記載した光増幅装置。
  4. 前記残留励起光導入手段は、前記残留励起光を導波する第１の残留励起光導波手段を有し、
    前記空間伝搬型波長分離手段は、前記残留励起光が前記第１の残留励起光導波手段に結合するように前記空間強度分布を変換する空間光変調器を備える
    請求項２に記載した光増幅装置。
  5. 前記残留励起光合波手段において合波された前記信号光と前記残留励起光を導波する合波光導波手段と、
    前記残留励起光合波手段の前記残留励起光が出力される側に配置された、前記残留励起光の空間強度分布を変換する機能を有する空間光変調手段、とをさらに有し、
    前記空間光変調手段は、前記残留励起光が前記合波光導波手段に結合するように前記空間強度分布を変換する
    請求項１に記載した光増幅装置。
  6. 前記残留励起光導入手段は、前記残留励起光を導波する第２の残留励起光導波手段を有し、
    前記第２の残留励起光導波手段は、光ファイバを備え、
    前記光ファイバは、前記残留励起光のビーム径よりも大きなコア径を有する
    請求項５に記載した光増幅装置。
  7. 前記励起光導入手段は、
    前記励起光を生成する励起光生成手段と、
    前記信号光と前記励起光を合波する波長合波手段、とを備える
    請求項１から６のいずれか一項に記載した光増幅装置。
  8. 前記空間伝搬型波長分離手段は、ダイクロイックミラーを備える
    請求項１から７のいずれか一項に記載した光増幅装置。
  9. 前記光増幅媒体は、希土類イオンが添加されたコアと、ダブルクラッド構造とを有するマルチコア光ファイバであり、
    前記励起光導入手段は、クラッド励起方式により前記励起光を前記光増幅媒体に導入する
    請求項１から８のいずれか一項に記載した光増幅装置。
  10. 信号光の波長帯域に利得を有する光増幅媒体に前記信号光を導入し、
    前記光増幅媒体を励起する励起光を前記光増幅媒体に導入し、
    前記光増幅媒体から出力される、前記励起光の波長成分を有する残留励起光を、前記光増幅媒体に導入し、
    前記残留励起光を前記光増幅媒体に導入することは、
    前記光増幅媒体の一端側において、前記信号光と前記残留励起光を合波し、
    前記光増幅媒体の他端側において、前記信号光と前記残留励起光を空間光学系により波長分離することを含む
    光増幅方法。
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