JP7036199B2 - 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ファイバ増幅器は、光合分波器３、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ－Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）カプラ４、励起光源５、マルチモード光ファイバ６、および光増幅ファイバ７を備える。関連する光ファイバ増幅器はさらに、残留励起光処理部８、光合分波器９、光アイソレータ１０、接続光ファイバ１１、およびＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）カットフィルタ１２を備えている。
ここで、光増幅ファイバ７は、希土類元素であるエルビウム（Ｅｒ）が添加された複数のコア部と、コア部の外周に形成された内側クラッド部と、内側クラッド部の外周に形成された外側クラッド部とを有するダブルクラッド構造の光増幅ファイバである。そして、関連する光ファイバ増幅器は、励起光が内側クラッド部によってマルチモードで伝搬するクラッド励起型の光ファイバ増幅器である。
残留励起光処理部８は、内側クラッド部を伝搬し、光増幅に使用されずに出力された残留励起光を処理する機能を有する。光アイソレータ１０は、残留励起光処理部８で除去できなかった残留励起光が接続光ファイバ１１に向けて通過することを防止するような波長依存光損失特性を有する。そして、接続光ファイバ１１は、光合分波器９の出力側光ファイバから出力された信号光を光合分波器３の入力側光ファイバに入力させる構成としている。
このように、関連するクラッド励起型の光ファイバ増幅器では、光増幅ファイバの異なるコア部７ａａとコア部７ａｋ同士が直列接続されており、多段光増幅ファイバ構造を構成している。
また、関連技術としては、特許文献２～５に記載された技術がある。
特開２０１７－１８３５６４号公報 特開２０１３－２３６１１５号公報 特開２００１－０８５７６８号公報 特開２０００－２６１０７８号公報 特開平９－１６００８５号公報
上述した関連する光ファイバ増幅器のようなクラッド励起方式の光ファイバ増幅器は、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の１／１０程度である。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。その理由について以下に説明する。
光ファイバ増幅器の励起効率は、信号光と励起光がそれぞれ通過する媒体の断面積の比に比例する。図８Ａに、１個のコア８１とクラッド８２からなる従来型のシングルコア光ファイバ８０の断面図を示す。また、図８Ｂには、コア９１の個数が４である場合であって、コア９１の周囲に第１クラッド９２と第２クラッド９３を備えたダブルクラッド構造のマルチコア光ファイバ９０の断面図を示す。
マルチコア光ファイバ９０を光増幅媒体として用いる場合、コア励起方式においては、励起対象である信号光はコア９１をそれぞれ伝搬し、励起光は第１クラッド９２を伝播する。一方、クラッド励起方式の場合には、励起対象となるのは第１クラッド９２内にある複数のコア９１であり、励起光は第２クラッド９３を伝播することになる。したがって、励起効率を決定する、信号光と励起光がそれぞれ通過する媒体の断面積の比は、コア励起方式の場合は第１クラッド９２の断面積とコア９１の断面積の比となる。一方、クラッド励起方式の場合、第２クラッド９３の断面積と第１クラッド９２の断面積の比となる。したがって、コア励起方式の断面積比とクラッド励起方式の断面積比は約１０倍異なることになる。
ここで、励起光成分の吸収効率の相違が１／１０程度であるならば、原理的には励起光強度を１０倍増大させることによって、同程度の光強度が得られることになる。しかし、励起光強度を１０倍にすることが可能な半導体光源を実現することは極めて困難である。仮に、そのような半導体光源を実現できたとしても、光源の発熱量が増大したり、消費電力が増大したりするといった課題が生じることは明らかである。このような課題があるため、光強度の増幅効率が優れているにも関わらず、クラッド励起方式の光増幅器の実用化は進展していない。
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、とを有する。
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、光増幅媒体に導入する。
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、光強度の増幅効率の低下を回避することができる。
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の別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の動作を説明するための図であって、光強度モニタのモニタ電流と励起光源の駆動電流の時間変化をそれぞれ示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るマルチコア光増幅器の別の構成を示すブロック図である。 従来型のシングルコア光ファイバの断面図である。 ダブルクラッド構造のマルチコア光ファイバの断面図である。
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、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。
なお、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の低下を回避することができる。
〔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２１０、第２の合波器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（残留励起光分離手段）２４０は、信号光と残留励起光を波長分離する。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（残留励起光分離手段）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２３０（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、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。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（残留励起光分離手段）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。
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。
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。
上述したマルチコア光増幅器２００においては、図２に示したように、第２の合波器２２０（波長合波手段）が信号光と励起光を合波する構成とした。しかし、これに限らず、図４に示したマルチコア光増幅器２０１のように、励起光源（励起光生成手段）２５０が生成した励起光と残留励起光を合波する励起光合波器（励起光合波手段）２２１を備えた構成としてもよい。ここで、励起光源（励起光生成手段）２５０と励起光合波器（励起光合波手段）２２１が励起光導入手段を構成している。このとき、残留励起光導入手段を構成する第１の合波器（残留励起光合波手段）２１１は、励起光合波器（励起光合波手段）２２１が励起光と合波した後の残留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。
図２に示したマルチコア光増幅器２００においては、第２の合波器２２０に入力されるのは信号光と励起光である。信号光と励起光の波長は異なるため、第２の合波器２２０は波長多重機能を備えている必要がある。それに対して、図４に示したマルチコア光増幅器２０１において、励起光合波器２２１に入力されるのは励起光源２５０から出力される励起光と、分波器２４０からマルチモード光ファイバ２８１を通って回生される残留励起光である。つまり、励起光合波器２２１に入力されるのはいずれも励起光であり、同一波長である。したがって、励起光合波器２２１には波長多重機能が不要となる。
図２および図４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、２０１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、上述した残留励起光を光増幅媒体に導入する際に、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波長分離する構成とした。
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。これに替えて、励起光を光増幅媒体に導入する際に励起光と残留励起光を合波し、励起光と合波した後の残留励起光を光増幅媒体に導入することにより残留励起光を光増幅媒体に導入する構成としてもよい。
さらに、残留励起光を光増幅媒体に導入する際に、残留励起光をマルチモード光ファイバに導入して導波させ、このとき、残留励起光の進行方向を制限す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２００、２０１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の低下を回避することができる。
〔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５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２１０、第２の合波器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２４０を有する。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２８１、２８２を有する。図５には、マルチモード光ファイバ２８１の経路中に光アイソレータ２９０を備えた構成を示す。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、分波器２４０が波長分離した残留励起光の光強度をモニタする光強度モニタ（残留励起光モニタ手段）３１０を有する構成とした。ここで、残留励起光の一部を光強度モニタ３１０に導入するために、図５に示すように光カプラ３２０を用いることができる。
この場合、光強度モニタ３１０は、残留励起光の強度を励起光制御部（励起光制御手段）２６０に通知する。そして、励起光制御部２６０は、光強度モニタ３１０のモニタ結果に基づいて励起光源（励起光生成手段）２５０を制御する。具体的には、励起光制御部２６０は、光強度モニタ３１０からの通知される残留励起光の強度に応じて、励起光源２５０の駆動電流を制御する構成とすることができる。
次に、本実施形態によるマルチコア光増幅器３００の動作について説明する。
まず、励起光源２５０を一定時間τだけ駆動させた後に休止させる場合の動作について説明する。
励起光源２５０から出力された励起光は、マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０を通過し、分波器２４０からマルチモード光ファイバ２８１を通って第１の合波器２１０に至る回生ループ経路を周回する。この周回の過程において、残留励起光の一定の成分がマルチコアエルビウム添加ファイバ２３０において吸収されるので、励起光の強度は周回する毎に徐々に減衰する。そして、残留励起光の強度がある一定値を下回った場合、所望の光増幅利得を達成することができなくなる。
そこで、所望の光増幅利得を維持し続けるために、休止させていた励起光源２５０の駆動を再開する。そして、マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０を通過する励起光の強度を一定値以上でかつ適切な値に維持できるように、励起光源２５０を制御する。
このように、光強度モニタ３１０および光カプラ３２０によって、マルチコア光増幅器３００の光増幅利得が時間的に所望の値を維持できるよう制御することができる。
具体的には、光カプラ３２０によって回生ループ経路を通過する残留励起光の一部を取り出し、光強度モニタ３１０で観測することにより残留励起光の強度を知ることができる。そして、励起光制御部２６０は、光強度モニタ３１０から通知される残留励起光の強度に応じて励起光源２５０の駆動電流を増減する。このとき、回生ループ経路を通過してマルチコアエルビウム添加ファイバ２３０に再度入力される残留励起光の強度の減衰を補うように、励起光源２５０から出力される励起光の強度を制御することができる。ここで、励起光制御部（励起光制御手段）２６０は、励起光の光強度と残留励起光の光強度との和が一定となるように、励起光源（励起光生成手段）２５０を制御する構成とすることができる。具体的には、励起光源２５０から出力される励起光強度と、光強度モニタ３１０によってモニタされる残留励起光強度の和が一定となるように、励起光源２５０の駆動電流を制御することとすればよい。なお、励起光制御部２６０は、励起光源２５０における駆動電流と出力光強度の関係に関する情報を予め取得しておくことにより、所望の励起光強度を得るための駆動電流値を知ることができる。
図６を用いて、励起光源２５０から出力される励起光の強度と、光強度モニタ３１０によってモニタされた残留励起光の強度との和が一定となるように、励起光源２５０の駆動電流を制御する例を説明する。図６の上段に光強度モニタ３１０のモニタ電流の時間変化を、下段に励起光源２５０の駆動電流の時間変化をそれぞれ示す。図中、「τ」は励起光源２５０が励起光を生成している時間を示し、「Ｉｐ０」は閾値電流値を示す。
光強度モニタ３１０のモニタ電流値Ｉｍは、回生ループ経路内を通過する残留励起光の強度によって定まる。モニタ電流が図６に示したように時間変化した場合、励起光制御部２６０はモニタ電流値Ｉｍと駆動電流値Ｉｐの和が一定値（Ｉｍ＋Ｉｐ＝一定値）となるように、駆動電流値Ｉｐの大きさを制御する。このような動作によって、マルチコアエルビウム添加ファイバ２３０を通過する励起光成分を時間的に一定とすることができる。その結果、マルチコア光増幅器３００の光出力が時間的に一定となるように制御することが可能である。
なお、残留励起光の回生がない場合、モニタ電流値Ｉｍは時間的に常にゼロ（Ｉｍ＝０）となる。したがって、励起光源２５０を駆動するために必要な電力（駆動電流値Ｉｐ）はモニタ電流値Ｉｍが供給されている分だけ低減する。その結果、マルチコア光増幅器３００の消費電力を低減しつつ、出力光の強度を一定に維持することが可能となる。
図５に示したマルチコア光増幅器３００では、残留励起光の光強度をモニタする光強度モニタ３１０を備え、励起光制御部２６０が光強度モニタ３１０のモニタ結果に基づいて励起光源２５０を制御する構成とした。これに限らず、図７に示すマルチコア光増幅器３０１のように、残留励起光の光強度をモニタする光強度モニタ（残留励起光モニタ手段）３１０と、残留励起光の光強度を減衰させる光アッテネータ（光減衰手段）３３０を備えた構成としてもよい。この場合、光アッテネータ（光減衰手段）３３０が残留励起光導入手段の一部を構成している。ここで、光アッテネータ（光減衰手段）３３０の減衰率は、励起光の光強度と残留励起光の光強度との和が一定となるように、光強度モニタ（残留励起光モニタ手段）３１０のモニタ結果に基づいて決定され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、残留励起光の光強度をモニタし、ここでモニタした結果に基づいて励起光の光強度を制御する構成とした。このとき、励起光の光強度を制御する際に、励起光の光強度と残留励起光の光強度との和が一定となるように制御することとすることができる。
また、残留励起光の光強度をモニタするとともに、残留励起光を光増幅媒体に導入する際に、励起光の光強度と残留励起光の光強度との和が一定となるように、モニタした結果に基づいて残留励起光の光強度を減衰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、３０１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の低下を回避することができる。
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、とを有する光増幅装置。
（付記２）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波長分離する残留励起光分離手段を前記光増幅媒体の他端側に備える付記１に記載した光増幅装置。
（付記３）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または２に記載した光増幅装置。
（付記４）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、前記励起光と前記残留励起光を合波する励起光合波手段を備え、前記残留励起光導入手段は、前記励起光合波手段が前記励起光と合波した後の前記残留励起光を前記光増幅媒体に導入する付記１または２に記載した光増幅装置。
（付記５）前記残留励起光の光強度をモニタする残留励起光モニタ手段と、前記残留励起光モニタ手段のモニタ結果に基づいて前記励起光生成手段を制御する励起光制御手段、をさらに有する付記３または４に記載した光増幅装置。
（付記６）前記励起光制御手段は、前記励起光の光強度と前記残留励起光の光強度との和が一定となるように、前記励起光生成手段を制御する付記５に記載した光増幅装置。
（付記７）前記残留励起光の光強度をモニタする残留励起光モニタ手段をさらに有し、前記残留励起光導入手段は、前記残留励起光の光強度を減衰させる光減衰手段を備え、前記光減衰手段の減衰率は、前記励起光の光強度と前記残留励起光の光強度との和が一定となるように、前記残留励起光モニタ手段のモニタ結果に基づいて決定される付記１から４のいずれか一項に記載した光増幅装置。
（付記８）前記残留励起光導入手段は、前記残留励起光を導波するマルチモード光ファイバと、前記残留励起光の進行方向を制限する光アイソレータを備える付記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する光増幅方法。
（付記１１）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波長分離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または１１に記載した光増幅方法。
（付記１３）前記励起光を前記光増幅媒体に導入することは、前記励起光と前記残留励起光を合波することを含み、前記残留励起光を前記光増幅媒体に導入することは、前記励起光と合波した後の前記残留励起光を前記光増幅媒体に導入することを含む付記１０または１１に記載した光増幅方法。
（付記１４）前記残留励起光の光強度をモニタし、前記モニタした結果に基づいて前記励起光の光強度を制御する、ことをさらに有する付記１０から１３のいずれか一項に記載した光増幅方法。
（付記１５）前記励起光の光強度を制御することは、前記励起光の光強度と前記残留励起光の光強度との和が一定となるように制御することを含む付記１４に記載した光増幅方法。
（付記１６）前記残留励起光の光強度をモニタすることをさらに有し、前記残留励起光を前記光増幅媒体に導入することは、前記励起光の光強度と前記残留励起光の光強度との和が一定となるように、前記モニタした結果に基づいて前記残留励起光の光強度を減衰させることを含む付記１０から１３のいずれか一項に記載した光増幅方法。
（付記１７）前記残留励起光を前記光増幅媒体に導入することは、前記残留励起光をマルチモード光ファイバに導入して導波させ、前記残留励起光の進行方向を制限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４月１１日に出願された日本出願特願２０１８－０７６２０８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
２００、２０１、３００、３０１ マルチコア光増幅器
２１０、２１１ 第１の合波器
２２０ 第２の合波器
２２１ 励起光合波器
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 光強度モニタ
３２０ 光カプラ
３３０ 光アッテネータ
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
８０ シングルコア光ファイバ
８１、９１ コア
８２ クラッド
９０ マルチコア光ファイバ
９２ 第１クラッド
９３ 第２クラッド

Claims (7)

  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、
    前記残留励起光の光強度をモニタする残留励起光モニタ手段と、
    前記残留励起光モニタ手段のモニタ結果に基づいて前記励起光生成手段を制御する励起光制御手段、をさらに有し、
    前記励起光制御手段は、前記励起光の光強度と前記残留励起光の光強度との和が一定となるように、前記励起光生成手段を制御する
    光増幅装置。
  2. 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波長分離する残留励起光分離手段を前記光増幅媒体の他端側に備える
    請求項１に記載した光増幅装置。
  3. 前記励起光導入手段は、
    前記励起光と前記残留励起光を合波する励起光合波手段を備え、
    前記残留励起光導入手段は、前記励起光合波手段が前記励起光と合波した後の前記残留励起光を前記光増幅媒体に導入する
    請求項１または２に記載した光増幅装置。
  4. 前記残留励起光導入手段は、前記残留励起光の光強度を減衰させる光減衰手段を備え、
    前記光減衰手段の減衰率は、前記励起光の光強度と前記残留励起光の光強度との和が一定となるように、前記残留励起光モニタ手段のモニタ結果に基づいて決定される
    請求項１から３のいずれか一項に記載した光増幅装置。
  5. 前記残留励起光導入手段は、前記残留励起光を導波するマルチモード光ファイバと、前記残留励起光の進行方向を制限する光アイソレータを備える
    請求項１から４のいずれか一項に記載した光増幅装置。
  6. 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５のいずれか一項に記載した光増幅装置。
  7. 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、
    前記残留励起光の光強度をモニタし、前記モニタした結果に基づいて前記励起光の光強度を制御し、
    前記励起光の光強度を制御することは、前記励起光の光強度と前記残留励起光の光強度との和が一定となるように制御することを含む
    光増幅方法。
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