JP7040639B2 - 光増幅器、光通信システム及び光増幅方法 - Google Patents

光増幅器、光通信システム及び光増幅方法 Download PDF

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Description

本発明は、光増幅器、光通信システムおよび光増幅方法に関する。
光通信分野では、光ファイバリンクの容量を増加させることが望ましい。これは、光ファイバリンク上で伝送される信号のスペクトル効率 (ＳＥ：Spectral Efficiency) を増加させることで実現できる。これを達成する一般的な方法は、送信される情報に対してより効率的な変調フォーマットを使用することである。この変調フォーマットは、波長分割多重 (ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing) と組み合わせて用いることができる。また、長距離伝送の可能性を維持しつつ、１本のファイバによる伝送容量を増大させるため、空間分割多重 (ＳＤＭ：Space Division Multiplexing) が用いられる。
非特許文献１では、４０波長の１２８Ｇｂ／ｓ ＰＭ‐ＱＰＳＫ (Polarization Multiplexed - Quadrature Phase Shift Keying：偏波多重直交位相シフトキーイング）信号を６，１６０ｋｍ以上の伝送に用いられる、７つのコアを含むマルチコアファイバ (ＭＣＦ：Multi Core Fiber )で実装されたＳＤＭが開示されている。ＭＣＦは、同一ファイバ内で光信号を伝送するいくつかのコアと、ＭＣＦを利得媒体とするファイバ増幅器からなるマルチコア（ＭＣ：multicore）－エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium Doped Fiber Amplifier ）からなる。ＭＣ－ＥＤＦＡは、直接コア励起法により、分離された励起光源で１つのＭＣＦ利得媒体を含む各コアを励起する。また、特許文献１では、コアに希土類元素をドープした他のマルチコアファイバ増幅器が提案されている。
非特許文献１のシステムによれば、システムの容量を、ＭＣＦのコア数倍、すなわち非特許文献１のコア数の７倍にすることができる。ＭＣＦを用いることにより、各コアにおけるＷＤＭに加えて、多数のコアを用いて光信号を空間的に多重化することが可能である。これにより、伝送距離を犠牲にすることなく、ファイバの伝送容量を増大させることができる。
非特許文献２は、個別コア励起（ＩＣＰ：Individual Core Pumping）、共有コア励起（ＳＣＰ：Shared Core Pumping）及び共通クラッド励起（ＣＣＰ：Common Cladding Pumping）などの様々な異なる増幅方法を開示している。非特許文献２では、これらの技術をＭＣ‐ＥＤＦＡに適用している。
さらに、ラマン増幅も、優れた雑音特性を有する、広く知られた増幅プロセスである。ラマン増幅方式の一例が非特許文献３によって提案されている。この方式は、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：Stimulated Raman Scattering）に依拠し、ファイバ中のフォノン放出により、短波長励起光（高周波）が長波長（低周波）の信号を非線形状態で増幅する。
典型的には、１４３０ｎｍ～１４９０ｎｍの範囲の励起光を使用して、Ｃ及びＬバンドの一方または両方の信号を増幅する。ラマン増幅は伝送ファイバ内の広範囲で起こるため、分布増幅である。ラマン増幅の雑音特性はＥＤＦＡの雑音特性より優れている。ハイブリッドＥＤＦＡ／ラマン増幅を実現するために、ＥＤＦＡにラマン増幅を適用することができる。しかし、非特許文献３に記載されるように、ラマン増幅はＥＤＦＡよりも消費電力が大きい。そのため、電源供給が制限されると、低雑音特性のラマン増幅の利用は制限される。
さらに、ラマン増幅に関連する２つの問題が知られている。第１には、異なる波長の励起光が波長多重される（すなわちＷＤＭ）ことである。
しかし、高出力励起光は広いスペクトルを有するので、多重化された励起光のスペクトルはいくつかの領域で重複し得る。重複したスペクトル部分の波長領域における多重化は、異なる励起光の重複の抑制につながり、増幅には使用されない。これにより、非効率的な消費電力が増加する。
第２に、ラマン増幅は、信号有効領域による励起光パワーの比である、ファイバコアに依存した励起光のパワー密度に依存する。このため、伝送光信号の劣化が激しいことからファイバコア直径を調整することができず、ラマン増幅を伝送距離に応じて調整することができない。したがって、ラマン増幅の設計は、伝送距離パラメータの観点から、信号対雑音及び電力消費の点で最適に設計できない。
加えて、特許文献２及び非特許文献４において、ＭＣＦによるＳＤＭに対するラマン増幅が提案されている。この場合には、ＭＣＦ内のコアのそれぞれに励起光を与え、各コアでラマン増幅を行う。よって、ＭＣＦによるＳＤＭに対するラマン増幅は、大容量化及び並列化を実現できる。
米国特許公開第２００８／００１８９８９号明細書 米国特許公開第２００７／０２６８５６９号明細書
H. Takahashi et al., "First Demonstration of MC-EDFA-Repeatered SDM Transmission of 40 x 128-Gbit/s PDM-QPSK Signals per Core over 6,160-km 7-core MCF", ECOC 2012, paper Th.3.C.3. E. Le Taillandier de Gabory et al., "Transmission of 256Gb/s PM-16QAM Signal through 7-Core MCF and MC-EDFA with Common Cladding and Variable Shared Core Pumping for Reduction of Power Consumption", ECOC 2017, paper M.1.E.2 J-X. Cai et al., "49.3 Tb/s Transmission Over 9100 km Using C+L EDFA and 54 Tb/s Transmission Over 9150 km Using Hybrid-Raman EDFA", Journal of Lightwave technology, Vol. 33, No. 13, pages 2724-2734. T. Mizuno et al., "Hybrid Cladding-pumped EDFA/Raman for SDM Transmission Systems Using Core-by-core Gain Control Scheme", ECOC 2017, paper M.1.E.3
しかし、上述のラマン増幅には、いくつかの問題がある。非特許文献３に記載されるように、ラマン増幅はＥＤＦＡよりも消費電力が大きい。そのため、電源供給が制限されると、低雑音特性のラマン増幅の利用は制限される。また、非特許文献４におけるＭＣＦによるＳＤＭに対するラマン増幅は、大容量化及び並列化を実現できる。しかしながら、各コアに励起光を供給する必要があるため、励起光を供給するための多数の装置が必要となる。その結果、コストが高くなり、装置の設置面積が大きくなる。そのため、ラマン光増幅器の消費電力、コスト及びサイズの低減が求められている。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、消費電力及びサイズを抑えつつラマン増幅を行うことができる光増幅器を提供することを目的とする。
本発明の一態様である光増幅器は、ダブルクラッド構造を有し、前記ダブルクラッド構造は光信号が伝送される複数のコアと前記コアを含むクラッドとを有する、マルチコアファイバと、前記マルチコアファイバにおいて誘導ラマン散乱によって前記光信号を増幅するために用いられる、複数の第１のマルチモードレーザ光を多重化して生成される第１の励起光を出力する第１の光源と、前記マルチコアファイバの前記クラッドに前記第１の励起光を結合する第１の光カプラと、を備える、ものである。
本発明の一態様である光通信システムは、光信号を出力する第１の光通信装置と、前記第１の光通信装置から出力される前記光信号を増幅する少なくとも１つの光増幅器と、前記光増幅器で増幅された光信号を受信する第２の光通信装置と、を備え、前記光増幅器は、ダブルクラッド構造を有し、前記ダブルクラッド構造は光信号が伝送される複数のコアとコアを含むクラッドとを有する、マルチコアファイバと、前記マルチコアファイバにおいて誘導ラマン散乱によって前記光信号を増幅するために用いられる、複数の第１のマルチモードレーザ光を多重化して生成される第１の励起光を出力する第１の光源と、前記マルチコアファイバの前記クラッドに前記第１の励起光を結合する第１の光カプラと、を備えるものである。
本発明の一態様である光増幅方法は、複数の第１のマルチモードレーザ光を多重化して第１の励起光を生成し、マルチコアファイバのクラッドに前記第１の励起光を結合し、前記マルチコアファイバはダブルクラッド構造を有し、前記ダブルクラッド構造は光信号が伝送される複数のコアと、前記コアを含むクラッドと、を有し、前記第１の励起光は、前記マルチコアファイバにおいて誘導ラマン散乱によって前記光信号を増幅するために用いられるものである。
本発明によれば、消費電力及びサイズを抑えつつラマン増幅を行うことができる光増幅器を提供することができる。
実施の形態１にかかる光通信システムを模式的に示すブロック図である。 実施の形態１にかかるファイバラマン増幅器の構成を示す図である。 実施の形態１にかかるファイバラマン増幅器の構成を示す図である。 実施の形態１にかかる繰り返し配置されたＦＲＡの構成を示す図である。 実施の形態１にかかるファイバラマン増幅器及び比較例のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態２にかかるファイバラマン増幅器の構成を示す図である。 レーザから放射された光及び励起光のスペクトルを示す図である。 レーザの消費電力の比較を示す図である。 実施の形態３にかかるファイバラマン増幅器の構成を示す図である。 実施の形態４にかかるファイバラマン増幅器の構成を示す図である。 多重光信号のパワーのシミュレーションを示す図である。 実施の形態５にかかるファイバラマン増幅器の構成を示す図である。 多重光信号のパワーのシミュレーションを示す図である。 実施の形態６にかかるファイバラマン増幅器の構成を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
実施の形態１
実施の形態１にかかるファイバラマン増幅器について説明する。図１は、実施の形態１にかかる光通信システム１００を模式的に示す図である。光通信システム１００は、光通信装置１０１及び１０２、ファイバラマン増幅器（ＦＲＡ：Fiber Raman Amplifier）１０を有する。
光通信装置１０１及び１０２は、複数のトランスポンダを有する、光トランシーバとして構成される。本実施の形態では、簡略化のため、光通信装置１０１が、ＦＲＡ１０を介して、光通信装置１０２へ多重光信号ＳＩＧを出力する例について説明する。なお、光通信装置１０２がＦＲＡを介して光通信装置１０１へ多重光信号を出力してもよいことは、言うまでもない。
光通信装置１０１は、トランスポンダから出射された光信号を多重化して得られる多重光信号ＳＩＧを出力する。ここで、トランスポンダから出射される光信号は、波長多重方式（例えば、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）と特定の多重方式（例えば、空間分割多重（ＳＤＭ：Space Division Multiplexing）とにより多重化される。
光通信装置１０１から出力された多重光信号ＳＩＧは、光通信装置１０２に送信される間に減衰する。よって、本構成では、多重光信号ＳＩＧの減衰を補償するために、少なくとも一つのＦＲＡ１０が光通信デバイス１０１と光通信デバイス１０２との間に設けられる。
ＦＲＡ１０は、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：Stimulated Raman Scattering）により多重光信号ＳＩＧを増幅する光増幅器として構成されている。なお、ＳＲＳによる増幅をラマン増幅と称する。ＦＲＡ１０は、多重光信号ＳＩＧを増幅して光通信装置１０２に出力する。これにより、光通信装置１０２は、適切な復調を行うのに十分なパワーを有する多重光信号ＳＩＧを受信することができる。
ＦＲＡ１０の構成について説明する。図２及び図３に、実施の形態１にかかるＦＲＡ１０の構成を示す。ＦＲＡ１０は、マルチコアファイバ（ＭＣＦ：Multicore Fiber）１１０、ＷＤＭカプラ１２０及び光源１３０を有する。
ＭＣＦ１１０は、ダブルクラッド構造を有し、７つのコアＣ１～Ｃ７を有する。ＭＣＦ１１０の長さは、一般に数十キロメートル、例えば８０キロメートルである。光通信装置１０１から出力される多重光信号ＳＩＧは、コアＣ１～Ｃ７を介して伝送される。つまり、ＷＤＭによって多重化された多重光信号ＳＩＧ中の光信号はコアＣ１～Ｃ７に分配されるため、ＭＣＦ１１０中でＳＤＭによって多重化される。
本構成では、コアＣ１～Ｃ７は内側クラッドＣＬ１に含まれ、内側クラッドＣＬ１は外側クラッドＣＬ２に含まれる。外側クラッドＣＬ２の屈折率は内側クラッドＣＬ１の屈折率よりも低い。例えば、外側クラッドＣＬ２は、内側クラッドＣＬ１の表面に低屈折率樹脂の層を塗布して形成してもよい。
また、ダブルクラッド構造は、単一のクラッドと、この単一クラッドを囲む空気（空気層または空気孔）とによって構成されてもよい。この場合、空気の屈折率は一般に単一のクラッドよりも低いので、単一のクラッドを内側クラッドＣＬ１として機能させることができ、かつ、空気を外側クラッドＣＬ２として機能させることができる。
光源１３０（第１の光源とも称する）は、レーザ装置やレーザダイオードなどの複数のレーザを有する。本実施の形態では、光源１３０は、マルチモードレーザである３つのレーザ１３１～１３３を有する。レーザ１３１～１３３は、それぞれ、励起光としてＭＣＦ１１０に供給されるマルチモードレーザ光であるレーザ光Ｌ１～Ｌ３（第１のマルチモードレーザ光とも称する）を出力する。なお、レーザの数は適宜変更可能である。
例えば、レーザ１３１～１３３から出射されるレーザ光Ｌ１～Ｌ３の中心波長は、所定の範囲内において異なっている。この範囲は、典型的には１４３０ｎｍ～１４９０ｎｍである。レーザ光Ｌ１～Ｌ３のそれぞれのパワーは、典型的には数ワットである。レーザ１３１～１３３のそれぞれは、非特許文献３及び非特許文献４で用いられるレーザのような単一モードレーザに比べて電力効率が高い。レーザ光のスペクトルの全部又は一部は、重ね合わされてもよい。
ＭＣＦ１１０の出力（第１の端部とも称する）及び光源１３０の出力は、ＷＤＭカプラ１２０に接続される。ＷＤＭカプラ１２０は、ＭＣＦ１１０を介して伝送された多重光信号ＳＩＧを光通信装置１０２に出力できる。ＷＤＭカプラ１２０は、レーザ１３１～１３３から出射されたレーザ光Ｌ１～Ｌ３を合波する。この場合、レーザ光Ｌ１～Ｌ３を波長多重することができる。また、レーザ光Ｌ１～Ｌ３は、波長多重される前に偏波多重されてもよい。
ＷＤＭカプラ１２０（第１の光カプラとも称する）は、合波されたレーザ光をＭＣＦ１１０の内側クラッドＣＬ１に結合することで、合波されたレーザ光は内側クラッドＣＬ１を介してＭＣＦ１１０の入力に伝送される（第２の端部とも称する）。これにより、励起光ＰＬ（第１の励起光とも称する）である合波されたレーザ光を用いて、コアＣ１～Ｃ７の全てを同時に励起する。ＭＣＦ１１０はダブルクラッド構造を有しているため、ダブルクラッド構造を有しないＭＣＦと同様に、内側クラッドＣＬ１の外部において無駄になることなく、内側クラッドＣＬ１を介して励起光ＰＬを伝送することができる。
ここで、多重光信号ＳＩＧの伝送方向を順方向（第１の方向とも称する）とする。順方向とは反対の方向を逆方向（第２の方向とも称する）とする。ＭＣＦ１１０では、励起光ＰＬは逆方向に伝送される。
本実施の形態では、光通信装置１０１及び１０２は、３７．５ＧＨｚのチャネル幅でＰＭ－１６ＱＡＭ （位相変調－１６直交振幅変調：Phase Modulation - 16 Quadrature Amplitude Modulation）の変調方式を用いた２００Ｇｂ／ｓの光信号を送受信することができる。各光通信装置から出力される多重光信号は、１００波長の光信号を含む。コアＣ１～Ｃ７のそれぞれは、最大２０Ｔｂ／ｓの光信号を送信することができるので、ＭＣＦ１１０の総容量は最大で１４０Ｔｂ／ｓとなる。
次に、ＦＲＡ１０の利点を検討するため、励起光がコアによって伝送される比較例について説明する。この例では、非特許文献４のように、ＭＣＦのコアでラマン増幅が直接的に行われる。この場合では、１コア当たり３つのレーザ光を波長多重することで、広帯域化及び高利得化を図っている。よって、比較例では、１コア当たり３つのレーザが必要である。したがって、１４０Ｔｂ／ｓの総容量をＭＣＦ１１０によって実現する場合、３×７＝２１個のレーザが必要である。
これに対し、ＦＲＡ１０によれば、多重光信号ＳＩＧのラマン増幅は、より少数の励起用レーザで実現することができる。これにより、ＦＲＡ全体のサイズを抑制し、低コストで製造する上で有利である。
また、光通信装置１０１と光通信装置１０２との間の距離が数百ｋｍ以上の場合には、光通信装置１０１と光通信装置１０２との間に複数のＦＲＡを直列的に配置してもよい。図４に、実施の形態１にかかる繰り返し配置されたＦＲＡの構成を示す。図４に示すように、Ｎ（Ｎは、２以上の整数）個のＦＲＡ１０＿１～１０＿Ｎが直列的に配置されている。
上述のように、１つのＦＲＡ１０は、８０ｋｍの１つのＭＣＦ１１０をカバーすることができる。これにより、ＦＲＡ１０＿１～１０＿Ｎは、Ｎ×８０ｋｍをカバーすることができる。例えば、光通信装置１０１と光通信装置１０２との間の距離が４００ｋｍである場合には、Ｎは５に設定される。本構成によれば、多重光信号ＳＩＧはＦＲＡ１０＿１～１０＿Ｎで繰り返し増幅されるので、長距離伝送による多重光信号ＳＩＧの減衰を適切に補償することができる。
図５に、本構成及び比較例のシミュレーション結果を示す。図５において、実線は実施の形態１にかかるＦＲＡに含まれるレーザの数を表す。破線は、比較例にかかるＦＲＡを直列的に配置した場合のレーザ数を示す。
比較例では、ＦＲＡの数が１つ増えると、レーザの数は２１個増える。Ｎ＝５のとき、レーザの数は１０５個にもなる。これに対し、本構成によれば、ＦＲＡの数が１つ増えるとレーザの数は３個しか増えない。Ｎ＝５のとき、レーザの数はわずか１５個である。
よって、ＦＲＡを直列的に配置しても、本構成では、励起用レーザの数を減らすことができ、ＦＲＡの全体サイズ及びとコストを抑えることができる。
実施の形態２
次に、実施の形態２にかかるファイバラマン増幅器について説明する。図６に、実施の形態２にかかるＦＲＡ２０の構成を模式的に示す。ＦＲＡ２０は、ＦＲＡ１０のＷＤＭカプラ１２０及び光源１３０を、空間分割多重（ＳＤＭ：Space Division Multiplex）カプラ２２０（第１の光カプラとも称する）及び光源２３０（第１の光源とも称する）に置き換えた構成を有する。
光源２３０は、レーザ１３１及び１３２とモードカプラ２３０Ａとを有する。換言すれば、光源１３０と比較して、光源２３０は、レーザ１３３を除去し、かつ、モードカプラ２３０Ａを追加した構成を有する。レーザ１３１及び１３２から出射されたレーザ光Ｌ１及びＬ２は、入力において空間分割多重を行うモードカプラ２３０Ａによりモード多重される。励起光ＰＬである多重光は、ＳＤＭカプラ２２０の入力に供給される。ＳＤＭカプラ２２０は、励起光ＰＬをＭＣＦ１１０の内側クラッドＣＬ１に結合する。
よって、本構成によれば、実施の形態１と同様に、ＭＣＦを通じて伝送される多重光信号ＳＩＧは、適宜ＳＲＳによって増幅される。
また、ＦＲＡ２０の利点について説明する。図７に、光Ｌ１及びＬ２と励起光ＰＬとのスペクトルを示す。図７では、ＦＲＡ２０内の励起光ＰＬをＰＬ＿２で示している。また、図７には、例えばＷＤＭカプラ１２０によりレーザ光Ｌ１及びＬ２が波長多重された励起光ＰＬ＿Ｃが、比較例Ａとして示されている。
図７に示すように、励起光ＰＬ＿２及びＰＬ＿Ｃのピークは、カプラの挿入損失により、レーザ光Ｌ１及びＬ２のピークよりも低くなる。また、励起光ＰＬ＿２及びＰＬ＿Ｃのピークはほぼ一致している。しかし、２つのピーク間の中央領域では、励起光ＰＬ＿２のパワーは、励起光ＰＬ＿Ｃのパワーよりも大きい。これは、励起光ＰＬ＿２が波長多重ではなくモード多重されており、レーザ光Ｌ１及びＬ２を追加損失なく多重化できるためである。
その結果、本構成によれば、ＦＲＡ１０に比べて、レーザが発するレーザ光のパワーを低減することができる。図８に、レーザの消費電力の比較を示す。図８では、非特許文献４の２つのレーザの消費電力を比較例Ｂとして示している。図８に示すように、ＦＲＡ２０は消費電力をさらに低減することができる。
実施の形態３
次に、実施の形態３にかかるファイバラマン増幅器について説明する。図９に、実施の形態３にかかるＦＲＡ３０の構成を示す。ＦＲＡ３０は、ＦＲＡ１０のＭＣＦ１１０を、ＭＣＦ３１０に置換し、かつ、ＭＣ－ＥＤＦＡ（マルチコア－エルビウムドープファイバ増幅器：Multi Core - Erbium Doped Fiber Amplifier)３４０を追加した構成を有する。本構成において、ＭＣ－ＥＤＦＡ３４０は、ＭＣＦ３１０を介してＳＲＳにより増幅された多重光信号ＳＩＧをさらに増幅する。なお、図９では、簡略化のため、外側クラッドＣＬ２を省略している。
ＭＣＦ１１０と同様に、ＭＣＦ３１０もコアＣ１～Ｃ７を有する。しかし、ＭＣＦ３１０の内側クラッドＣＬ１の入力端の直径Ｄ１は、出力端の直径Ｄ２よりも小さい。内側クラッドＣＬ１の直径は、順方向（または逆方向）に連続的に変化する。具体的には、内側クラッドＣＬ１の直径は、入力端から出力端に向かって連続的に増加する。
この場合、実施の形態１と同様に、励起光ＰＬは逆方向へ伝送される。ＭＣＦ３１０の出力端における励起光ＰＬのパワー密度は、大きな直径Ｄ２により低下し、これによりラマン増幅の利得も低下する。また、ＭＣＦ３１０の出力端からの距離が長くなると、ＳＲＳによる消費のために、励起光のパワーが低下する。
すなわち、逆方向においては、励起光ＰＬのパワーが減少するのにしたがって、内側クラッドＣＬ１の直径も減少する。よって、励起光ＰＬのパワー密度（すなわち、ラマン増幅の利得）は、逆方向の長い距離において平均化される。また、内側クラッドＣＬ１の直径の変化を適切に設計することにより、励起光ＰＬ（すなわち、ＳＲＳによる振幅利得）のパワー密度を長い距離において一定に保つことができる。
励起光ＰＬのパワー密度は平均化されるか、一定であるため、多重光信号ＳＩＧの伝送特性を変化させることなく、安定に保つことができる。したがって、本構成によれば、ＳＲＳによって、多重光信号ＳＩＧをより高品質に増幅することができる。
実施の形態４
次に、実施の形態４にかかるファイバラマン増幅器について説明する。図１０に、実施の形態４にかかるＦＲＡ４０の構成を示す。ＦＲＡ４０は、ファイバラマン増幅器３０のＭＣＦ３１０をＭＣＦ４１０に置換した構成を有する。
ＭＣＦ４１０は、ＭＣＦ４１０Ａ及び４１０Ｂを有する。ＭＣＦ４１０Ａは、ＭＣＦ４１０の入力側に配置される。ＭＣＦ４１０Ｂは、ＭＣＦ４１０の出力側に配置される。ＭＣＦ４１０Ａ及び４１０Ｂは、スプライス点４１０Ｃでスプライスされる。
ＭＣＦ３１０と同様に、ＭＣＦ４１０Ａ及び４１０ＢもコアＣ１～Ｃ７を有する。ＭＣＦ４１０Ａ及び４１０Ｂのそれぞれの内側クラッドの直径は一定である。しかし、ＭＣＦ４１０Ａの内側クラッドの直径Ｄ３は、ＭＣＦ４１０Ｂの内側クラッドの直径Ｄ４よりも小さい。
ＭＣＦ３１０と同様に、励起光ＰＬのパワー密度は、ＭＣＦ４１０内で、内側クラッドの直径の変化によって制御できる。したがって、実施の形態３と同様に、励起光ＰＬのパワー密度を平均化し、又は、一定とすることができる。よって、本構成によれば、ＳＲＳによって、光信号をより高品質に増幅することができる。
本構成では、内側クラッドの直径は段階的に変化している。その結果、ＦＲＡ３０よりも励起光ＰＬのパワー密度を、より大まかに制御することができる。
図１１に、多重光信号のパワーのシミュレーションを示す。図１１では、ＦＲＡ３０、ＦＲＡ４０、ＥＤＦＡのみ（ＥＤＦＡ－ＯＮＬＹ）の場合及び比較例が示されている。ＥＤＦＡのみの場合は、ＦＲＡ３０のＭＣ－ＥＤＦＡ３４０のみによって増幅される場合である。比較例は、非特許文献４の場合である。
ここでは、長さ８０ｋｍのＭＣＦを有する３つのＦＲＡを直列に配置することで、多重光信号ＳＩＧのパワーは、ＭＣ－ＥＤＦＡによって８０ｋｍ毎に最大まで増幅される。８０ｋｍのＭＣＦでの損失は０．２ｄＢ／ｋｍである。
図１１に示すように、ＥＤＦＡのみの場合には、ＦＲＡで減衰が補償されないため、多重光信号ＳＩＧのパワーが最も小さく、ダイナミックレンジが最大となる。非特許文献４の比較例では、ＥＤＦＡのみの場合よりも４０ｋｍ後にパワーが大きくなるように、多重光信号ＳＩＧがＳＲＳで増幅される。一般に、送信時の最小電力が大きくなるほど、受信点におけるＯＳＮＲ（光信号対雑音比：Optical Signal to Noise Ratio）などの多重光信号ＳＩＧの品質が高くなる。したがって、比較例の多重光信号ＳＩＧの品質は、ＥＤＦＡのみの場合よりも高くなる。
また、ＦＲＡ３０及び４０では、ＭＣＦの内側クラッドの直径によって、逆方向へのラマン増幅が制御されている。これにより、ＦＲＡ３０及び４０では、多重光信号ＳＩＧのパワーが比較例に比べて好適に補償される。その結果、ＦＲＡ３０及び４０のそれぞれにおける多重光信号ＳＩＧの最小パワーは、比較例よりも大きくなる。したがって、ＦＲＡ３０及び４０によれば、受信点における多重光信号ＳＩＧの品質をより高めることができる。
しかし、上述したように、ＦＲＡ４０における励起光ＰＬのパワー密度は、ＦＲＡ３０よりも大まかに制御されているため、ＦＲＡ４０における多重光信号ＳＩＧのパワーは、底部においては、ＦＲＡ３０よりも減少する。
しかし、ＦＲＡ３０のＭＣＦ３１０の構成は、ＭＣＦ４１０の構成よりも複雑である。このため、連続的に直径が変化するＭＣＦ３１０の製造は比較的困難である。これに対し、ＭＣＦ４１０は、互いに直径の異なるＭＣＦ４１０Ａ及び４１０Ｂをスプライスした単純な構成である。よって、励起光ＰＬのパワー密度の平均化の効果はＭＣＦ３１０よりも劣るものの、ＭＣＦ４１０の方がＭＣＦ３１０よりも容易に製造できる。
したがって、本構成によれば、低コスト製造と多重光信号の高品質な増幅とを両立可能なＦＲＡを提供することができる。
実施の形態５
次に、実施の形態５にかかるファイバラマン増幅器について説明する。図１２に、実施の形態５にかかるＦＲＡ５０の構成を示す。ＦＲＡ５０は、ＦＲＡ３０のＭＣＦ３１０をＭＣＦ１１０に置換し、光源１３０を光源５３０及び５５０に置換し、かつ、ＷＤＭカプラ５６０を追加した構成を有する。ＷＤＭカプラ５６０は、ＭＣＦ１１０の入力端に配置される。
光源５３０（第１の光源とも称する）は、レーザＬ１３１及びＬ１３２と同一のレーザ５３１及び５３２（第１のレーザとも称する）を有する。レーザ５３１及び５３２は、それぞれレーザ光Ｌ１１１及びＬ１２を出射する。レーザ光Ｌ１１及びＬ１２はＷＤＭカプラ１２０で多重化され、多重化された励起光ＰＬ１（第１の励起光とも称する）は内側クラッドＣＬ１に結合される。励起光ＰＬ１は、逆方向に伝送される。
光源５５０（第２の光源とも称する）は、レーザＬ１３１及びＬ１３２と同一のレーザ５５１及び５５２（第２のレーザとも称する）を有する。レーザ５５１及び５５２は、それぞれレーザ光Ｌ２１及びＬ２２（第２のマルチモードレーザ光とも称する）を出射する。レーザ光Ｌ２１及びＬ２２はＷＤＭカプラ５６０（第２の光カプラとも称する）で多重化され、多重化された励起光ＰＬ２（第２の励起光とも称する）は内側クラッドＣＬ１に結合される。励起光ＰＬ２は、順方向に伝送される。
上述したように、ＭＣＦ１１０の出力端からの距離（またはＷＤＭカプラ１２０）が長くなるほど、励起光ＰＬ１のパワー密度は小さくなる。一方、ＭＣＦ１１０の出力端からの距離（またはＷＤＭカプラ１２０）が長くなると、励起光ＰＬ２のパワー密度は大きくなる。つまり、励起光ＰＬ１のパワー密度の減少を、励起光ＰＬ２の増加で補うことができる。これにより、励起光ＰＬ１及びＰＬ２の合計パワー密度を平均化することができる。また、ＭＣＦ１１０を適切に設計して励起光のパワーを設定することで、励起光ＰＬ１及びＰＬ２（すなわち、ラマン増幅の利得）の合計パワー密度をより長い距離で一定に保つことができる。
図１３に、多重光信号のパワーのシミュレーションを示す。図１３では、ＦＲＡ３０、４０及び５０、ならびにＥＤＦＡのみ（ＥＤＦＡ－ＯＮＬＹ）の場合が示されている。
図１１に示すように、ＥＤＦＡのみの場合は、ＦＲＡ３０のＭＣ－ＥＤＦＡ３４０のみによって増幅される場合である。図１３に示すように、８０ｋｍの長さのＭＣＦを有する３つのＦＲＡを直列的に配置することで、多重光信号ＳＩＧのパワーが８０ｋｍ毎に最大まで増幅される。
図１３に示すように、ＥＤＦＡのみの場合には、ＦＲＡで減衰が補償されないため、多重光信号ＳＩＧのパワーのダイナミックレンジが最も小さくなる。ＦＲＡ５０では、ラマン増幅がＰＬ２で励起される、入力端（０ｋｍ）１５ｋｍまでの多重光信号のパワーが大きくなる。ＰＬ２により励起されたラマン増幅でパワーの減少を補償することができるので、多重光信号ＳＩＧのパワーを減少させることができる。なお、電力の削減は、光通信デバイス１０１の出力電力と前段のＦＲＡのＭＣ－ＥＤＦＡ３４０による増幅とを適宜制御することで、実現することができる。
一般に、Ｋｅｒｒ効果に起因する非線形劣化による信号の歪みは、光信号の増幅を抑制することにより低減できる。したがって、本構成によれば、受信点における多重光信号の品質をさらに向上させることができる。
実施の形態６
次に、実施の形態６にかかるファイバラマン増幅器について説明する。図１４に、実施の形態６にかかるＦＲＡ６０の構成を示す。ＦＲＡ６０は、ＦＲＡ１０のＭＣＦ１１０を、ＭＣＦ６１０に置換した構成を有する。
ＭＣＦ６１０は、ＭＣＦ６１０Ａ、ＭＣ－ＥＤＦＡ６１０Ｂ及びＭＣＦ６１０Ｃを有し、ＭＣＦ６１０Ａ、ＭＣ－ＥＤＦＡ６１０Ｂ及びＭＣＦ６１０Ｃは順方向に直列的に接続されている。ＭＣＦ６１０Ａ及びＭＣＦ６１０Ｃは、ＭＣＦ１１０と同様の構成を有する。ＭＣ－ＥＤＦＡ６１０Ｂは、ＭＣＦ１１０と同様に、コアＣ１～Ｃ７を有する。ＭＣ－ＥＤＦＡ６１０Ｂの長さは、通常、数十メートルである。ＭＣＦ６１０Ｃの長さは、通常、数十キロメートルである。
光源１３０では、レーザ１３１の中心波長は、ＥＤＦＡによる増幅に適した１４８０ｎｍである。レーザ１３１の出力パワーは、レーザ１３２及び１３３の出力パワーよりも高く設定されている。
次に、ＭＣＦ６１０における光増幅について説明する。逆方向に伝送される励起光ＰＬは、ラマン増幅によって、ＭＣＦ６１０Ｃで減衰する。しかし、レーザ１３１の出力パワーはレーザ１３２及び１３３の出力パワーよりも高く、レーザ光Ｌ１はＭＣＦ６１０Ｃでは完全には減衰しないので、残存したレーザ光Ｌ１がＭＣ－ＥＤＦＡ６１０Ｂに入射する。よって、ＭＣ－ＥＤＦＡ６１０Ｂは残存したレーザ光Ｌ１によって励起され、多重光信号ＳＩＧはＭＣ－ＥＤＦＡ６１０Ｂによって増幅される。
本構成によれば、多重光信号ＳＩＧは、ＭＣＦ６１０Ｃでのラマン増幅のみならず、ＭＣ－ＥＤＦＡ６１０Ｂを励起するためのレーザを追加配置することなく、ＭＣ－ＥＤＦＡ６１０Ｂでも増幅することができる。
ＭＣ－ＥＤＦＡ６１０Ｂを励起するための追加のレーザが必要な場合、追加のレーザは、光源１３０から数十キロメートル離れた位置に配置される。この場合、離れた場所に電力を供給する必要があるため、電源の構成は比較的大きなものとなる。これに対し、本構成によれば、ＭＣ－ＥＤＦＡ６１０Ｂを励起するための追加のレーザを必要としないので、ＦＲＡのサイズを抑制することができる。
上述したように、本構成によれば、コンパクトな構成で光信号を効果的に増幅することができる。
その他の実施の形態
本発明は、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、コアの数は、２以上の任意の数とすることができる。
実施の形態１、２及び６において、ＭＣ－ＥＤＦＡは、実施の形態３～５と同様に配置することができる。なお、ＭＣ－ＥＤＦＡの個数は１個に限定されるものではなく、上述の実施の形態にかかるＭＣ－ＥＤＦＡを複数個、ＦＲＡ内に配置してもよい。この場合、ＦＲＡと光通信装置との間にＭＣ－ＥＤＦＡを直列に配置してもよい。また、ＥＤＦＡに換えて、エルビウム以外の希土類元素をドープした他のファイバアンプを用いてもよい。
光源１３０及び５３０は、レーザ光をモード多重する光源２３０のような構成であってもよい。この場合、ＷＤＭカプラ１２０をＳＤＭカプラ２２０等のＳＤＭカプラに置き換えてもよい。
実施の形態５では、光源５５０は、レーザ光をモード多重する光源２３０のような構成であってもよい。この場合、ＷＤＭカプラ５６０をＳＤＭカプラ２２０等のＳＤＭカプラに置き換えてもよい。また、光源５６０におけるレーザ光のスペクトルの全部または一部を重ね合わせてもよい。
１０、１０＿１～１０＿Ｎ、２０、３０、４０、５０、６０ ファイバラマン増幅器（ＦＲＡ）
１００ 光通信システム
１０１、１０２ 光通信装置
１１０、３１０、４１０、４１０Ａ、４１０Ｂ、６１０、６１０Ａ、６１０Ｃ マルチコアファイバ（ＭＣＦ）
１２０、５６０ ＷＤＭカプラ
１３０、２３０、５５０ 光源
１３１～１３２、５３１、５３２、５５１、５５２ レーザ
２２０ ＳＤＭカプラ
２３０Ａ モードカプラ
３４０、６１０Ｂ マルチコア－エルビウムドープファイバ増幅器（ＭＣ－ＥＤＦＡ）
Ｃ１～Ｃ７ コア
ＣＬ１ 内側クラッド
ＣＬ２ 外側クラッド
Ｌ１～Ｌ３、Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ２１、Ｌ２２ レーザ光
ＰＬ、ＰＬ１、ＰＬ２ 励起光

Claims (9)

  1. ダブルクラッド構造を有し、前記ダブルクラッド構造は光信号が伝送される複数のコアと前記コアを含むクラッドとを有する、マルチコアファイバと、
    前記マルチコアファイバにおいて誘導ラマン散乱によって前記光信号を増幅するために用いられる、複数の第１のマルチモードレーザ光を多重化して生成される第１の励起光を出力する第１の光源と、
    前記マルチコアファイバの前記クラッドに前記第１の励起光を結合する第１の光カプラと、を備え、
    前記第１のマルチモードレーザ光がモード多重されて、前記第１の励起光が生成される、
    光増幅器。
  2. 前記第１のマルチモードレーザ光のスペクトルの一部又は全部は重複している、
    請求項１に記載の光増幅器。
  3. 前記光信号は、前記マルチコアファイバを通じて第１の方向に伝送され、
    前記第１の励起光は、前記マルチコアファイバを通じて、前記第１の方向とは反対の第２の方向に伝送される、
    請求項１又は２に記載の光増幅器。
  4. 前記第１の光カプラは、前記マルチコアファイバの第１の端部に配置され、前記マルチコアファイバで伝送及び増幅された前記光信号は、前記マルチコアファイバの前記第１の端部から出力される、
    請求項３に記載の光増幅器。
  5. 前記クラッドの直径は、前記第１の方向に連続的に増加する、
    請求項３又は４に記載の光増幅器。
  6. 前記マルチコアファイバは、マルチコアファイバの複数の領域を有し、
    前記領域の前記クラッドの直径は、それぞれ、前記第１の方向で異なり、かつ、増加する、
    請求項３又は４に記載の光増幅器。
  7. 前記マルチコアファイバにおいて前記誘導ラマン散乱によって前記光信号を増幅するために用いられる、複数の第２のマルチモードレーザ光を多重化して生成される第２の励起光を出力する第２の光源と、
    前記マルチコアファイバの前記クラッドに前記第２の励起光を結合する第２の光カプラと、をさらに備え、
    前記第２の励起光は、前記マルチコアファイバを通じて前記第１の方向に伝送される、
    請求項３乃至６のいずれか一項に記載の光増幅器。
  8. 光信号を出力する第１の光通信装置と、
    前記第１の光通信装置から出力される前記光信号を増幅する少なくとも１つの光増幅器と、
    前記光増幅器で増幅された光信号を受信する第２の光通信装置と、を備え、
    前記光増幅器は、
    ダブルクラッド構造を有し、前記ダブルクラッド構造は光信号が伝送される複数のコアとコアを含むクラッドとを有する、マルチコアファイバと、
    前記マルチコアファイバにおいて誘導ラマン散乱によって前記光信号を増幅するために用いられる、複数の第１のマルチモードレーザ光を多重化して生成される第１の励起光を出力する第１の光源と、
    前記マルチコアファイバの前記クラッドに前記第１の励起光を結合する第１の光カプラと、を備え、
    前記第１のマルチモードレーザ光がモード多重されて、前記第１の励起光が生成される、
    光通信システム。
  9. 複数の第１のマルチモードレーザ光を多重化して第１の励起光を生成し、
    マルチコアファイバのクラッドに前記第１の励起光を結合し、
    前記マルチコアファイバはダブルクラッド構造を有し、
    前記ダブルクラッド構造は光信号が伝送される複数のコアと、前記コアを含むクラッドと、を有し、
    前記第１の励起光は、前記マルチコアファイバにおいて誘導ラマン散乱によって前記光信号を増幅するために用いられ、
    前記第１のマルチモードレーザ光がモード多重されて、前記第１の励起光が生成される、
    光増幅方法。
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