JP7064139B2 - 光増幅中継システム - Google Patents

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Description

本発明は、光増幅中継システムに関する。
近年の光ファイバ通信の普及に伴うブロードバンドサービスの急速な発展とともに、通信容量は年々増え続けている。通信容量の急増に対応し、これまで、光ファイバの構造を変えずに光通信システム装置の大容量化により光ネットワークの大容量化が実現されてきた。現在の大容量光ネットワークの基盤となっている光ファイバは、１本の光ファイバにシングルモード光の光信号の通路となる１つのコアを有するもので、毎秒１テラビットの容量を長距離にわたり伝送する光ネットワークが実用化されている。しかし、近年の通信容量の増加率から、さらなる通信容量の大容量化が望まれている。
通信容量を増加させる手段として、光ファイバの本数を増やすことが考えられる。光送信器から光受信器に光信号を伝送する際に、１本の光ファイバをＮ本の光ファイバに増やすことで伝送容量をＮ倍にすることができる。あるいは別の手段として、１本の光ファイバ内を複数の伝搬モードの光が伝搬するようにしたモード多重伝送による空間分割多重光通信技術が検討されている。１本の光ファイバ中を伝搬する光のモードをＭ個（Ｍは２以上の整数）にすることで、信号を多重化し、伝送できる容量をＭ倍にすることができる。モード多重伝送で用いられる光伝送路として、例えば、マルチモード光ファイバ、伝搬モード数Ｍが２～１５程度であるフューモード光ファイバ、あるいは結合コア光ファイバなどが報告されている。
光信号が光ファイバ中を伝搬すると、距離に比例して光強度が弱くなり、信号品質が低下する。よって、一定距離ごとに光強度を増幅する必要がある。現在使用されているシングルモード光ファイバの一般的な伝搬損失は１ｋｍあたり０．２ｄＢ前後であるため、１０ｋｍ強伝搬するごとに光強度は半減する。そこで、光増幅中継システムでは、数十ｋｍ間隔で光増幅器を設置し、光強度が信号品質を維持できる所定値を上回るようにしている。上記のように光ファイバ光伝送路で使用する伝搬モード数を増やすには、複数の伝搬モードの光強度を増幅する必要があり、光増幅中継システムの大容量化も必要である。そのため、複数の伝搬モードを伝搬する光ファイバ伝送路に対応した様々な光増幅中継システムが検討されている。
（従来技術の第一例）
図２２は、複数の伝搬モード（以下、「モード」とも記載）の光を伝搬する光ファイバと光増幅中継器とを含む光伝送路からなる従来の光増幅中継システム９１の一例を示す図である。この従来の光増幅中継システム９１は、光送信器９０１－１～９０１－６と、マルチモード光合波器９４１と、光伝送路９９１と、マルチモード光分波器９４２と、光受信器９１１－１～９１１－６とからなる。光伝送路９９１は、複数モードを伝搬するマルチモード光ファイバ９７１－１～９７１－Ｐ（同図ではＰ＝３）と、光増幅中継器９３１－１～９３１－Ｑ（同図ではＱ＝２）とを含む。光増幅中継器９３１－ｑ（ｑは１以上Ｑ以下の整数）は、複数の伝搬モードの光強度を増幅するマルチモード光増幅器９２１－ｑからなる。光増幅中継システム９１では、光送信器９０１－１～９０１－６が送信した光信号を光伝送路９９１により中継伝送し、光受信器９１１－１～９１１－６で受信する。
非特許文献１では、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ、ＬＰ２１ｂ、ＬＰ０２の６つのモードが使用され、光ファイバ伝送路（マルチモード光ファイバ９７１－１～９７１－Ｐ）として、約６０ｋｍ長のグレーテッドインデックス型の４ＬＰモードファイバが使用されている。マルチモード光合波器９４１は、複数の光信号を複数の伝搬モード（モード数Ｍ＝６）からなる光信号に合波する機能を有する。合波された光信号は、マルチモード光ファイバ９７１－１を通して伝送された後、光増幅中継器９３１－１内のマルチモード光増幅器９２１－１により、複数の伝搬モードからなる光信号強度が光のまま増幅され、マルチモード光ファイバ９７１－２に伝送される。マルチモード光増幅器９２１－１～９２１－Ｑの例として、マルチモードエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ：Ｅｒｂｉｕｍ－Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ）を増幅媒体として用いたマルチモードＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ－Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）などが使用される（例えば、非特許文献１参照）。このような伝送と中継を繰り返し、光信号が受信端に到着すると、マルチモード光分波器９４２により光信号がモードごとに分離され、それぞれ光受信器９１１－１～９１１－６により受信され、光信号が復調される。
（従来技術の第二例）
図２３は、複数の伝搬モードを伝搬する光ファイバと光増幅中継器とを含む光伝送路からなる従来の光増幅中継システム９２の一例を示す図である（例えば、非特許文献２参照）。光増幅中継システム９２は、光送信器９０１－１～９０１－４と、マルチモード光合波器９４１と、光増幅器９２２－１～９２２－４からなる光増幅部９３２ａと、光伝送路９９２－１～９９２－Ｐ（同図ではＰ＝２）と、１台以上の光増幅中継器９３５と、マルチモード光分波器９４２と、光増幅器９２４－１～９２４－４からなる光増幅部９３２ｂと、光受信器９１１－１～９１１－４とを有する。光伝送路９９２－ｐ（ｐは１以上Ｐ以下の整数）は、結合コアファイバ９７２－１～９７２－２を有する。光増幅中継器９３５は、マルチモード光分波器９４３と、光増幅器９２３－１～９２３－４と、マルチモード光合波器９４４とからなる。光増幅中継システム９２は、複数のコアの光信号が伝搬中に光学的に結合するようにした結合コア型マルチコアファイバ伝送における各コアの光信号を、それぞれ従来のＥＤＦＡ（光増幅器９２２－１～９２２－４、９２３－１～９２３－４、９２４－１～９２４－４）で増幅する点が特徴である。
（従来技術の第三例）
図２４は、複数の伝搬モードを伝搬する光ファイバと光増幅中継器とを含む光伝送路からなる従来の光増幅中継システム９３の一例を示す図である（例えば、非特許文献３参照）。光増幅中継システム９３は、光送信器９０１－１～９０１－３と、光増幅部９３３ａと、マルチモード光合波器９４１と、光伝送路９９２－１～９９２－Ｐ（同図ではＰ＝２）と、１台以上の光増幅中継器９３４と、マルチモード光分波器９４２と、光増幅部９３３ｂと、光受信器９１１－１～９１１－３とを有する。光伝送路９９２－ｐ（ｐは１以上Ｐ以下の整数）は、マルチモード光ファイバ９７１－ｐを有する。
光増幅部９３３ａは、光増幅器９２５－１～９２５－３と、波長合波器９５１－１～９５１－２と、励起光源９６１－１～９６１－２とを備える。光増幅中継器９３４は、マルチモード光分波器９４３と、波長合波器９５１－３～９５１－４と、励起光源９６１－３～９６１－４と、光増幅器９２６－１～９２６－３と、光増幅器９２７－１～９２７－３と、波長合波器９５１－５～９５１－６と、励起光源９６１－５～９６１－６とを備える。光増幅部９３３ｂは、波長合波器９５１－７～９５１－８と、励起光源９６１－７～９６１－８と、光増幅器９２８－１～９２８－３とを備える。光増幅中継システム９３は、マルチモードファイバ内の複数の伝搬モードそれぞれを、従来のＥＤＦＡ（光増幅器９２５－１～９２５－３、９２６－１～９２６－３、９２７－１～９２７－３、９２８－１～９２８－３）で増幅し、かつ前方・後方励起のラマン（波長合波器９５１－１～９５１－８及び励起光源９６１－１～９６１－８）で増幅している点が特徴である。
R. Ryf et al.，"72-Tb/s Transmission over 179-km All-Fiber 6-Mode Span with Two Cladding Pumped In-Line Amplifiers"，in Proc. ECOC 2015, 2015年，Tu.3.2.2. R. Ryf et al.，"Long-Distance Transmission over Coupled-Core Multicore Fiber"，ECOC 2016 - Post Deadline 42nd European Conference and Exhibition on Optical Communications，2016年，p.40-42 R. Ryf et al.，"Distributed Raman Amplification based Transmission over 1050-km Few-Mode Fiber"，in Proc. ECOC 2015，2015年，Tu.3.2.3.
しかしながら、従来技術には以下問題があった。すなわち、従来技術の第一例では、伝送路中、および光増幅器でモード間損失差（ＭＤＬ）が生じるため、伝送可能な距離が最も品質が低いモードにより制限される。また、従来技術の第二例、および第三例では、モードごとに従来型の光増幅器が必要であり、消費電力や装置数の増大によるコストが増大する。
上記事情に鑑み、本発明は、モード分割多重による光ファイバ通信方式を用い、コストを低減しながら、長距離かつ大容量の通信を行うことができる光増幅中継システムを提供することを目的としている。
本発明の一態様は、複数の伝搬モードの光を伝搬する光ファイバと前記光を増幅する光増幅中継器とを有する光増幅中継システムであって、前記光増幅中継器は、前記光ファイバを伝搬する複数の伝搬モードの光を複数のシングルモード光に分波する光分波器と、前記複数のシングルモード光の強度を一つの励起光源が発生した光により一括励起で増幅する光増幅器と、前記光増幅器により増幅された前記複数のシングルモード光を複数の伝搬モードの光に合波する光合波器と、前記光増幅器による増幅の前又は後の少なくとも一方で前記複数のシングルモード光の強度を調整する光強度調整部とを有し、前記光強度調整部は、前記複数のシングルモード光それぞれが伝搬する光路個別に前記シングルモード光の光強度を増幅又は減衰することにより前記調整を行う、光増幅中継システムである。
本発明の一態様は、上述の光増幅中継システムであって、前記光強度調整部は、多チャネル光増幅器を用いた光強度の増幅により、又は、分布ラマン増幅による光強度の増幅により前記調整を行う。
本発明の一態様は、上述の光増幅中継システムであって、前記複数の光路上に、当該光路を伝搬する前記シングルモード光の光強度の一部を分岐する光タップを備え、前記光強度調整部は、前記光タップにより分岐された前記光強度の計測結果に応じて前記調整を行う。
本発明の一態様は、上述の光増幅中継システムであって、前記光ファイバは、伝搬モード数Ｍ（Ｍは２以上の整数）の光を伝搬し、前記光増幅器は、Ｎチャネル（Ｎは２以上の整数、かつＮ≧Ｍ）のクラッド励起のマルチコア光増幅器であり、前記光強度調整部は、コア励起のマルチコア光増幅器である。
本発明の一態様は、上述の光増幅中継システムであって、前記光ファイバは、伝搬モード数Ｍ（Ｍは２以上の整数）の光を伝搬し、前記光分波器は、Ｍ個の伝搬モードの前記光をＮ（Ｎは２以上の整数）個のシングルモード光に分波し、前記光合波器は、前記光増幅器により増幅された前記Ｎ個の前記シングルモード光を前記Ｍ個の伝搬モードの光に合波し、前記光強度調整部は、前記シングルモード光それぞれの光信号帯域とは異なる波長の励起光を出力するラマン増幅用励起光源と、前記Ｎ個の前記シングルモード光それぞれが伝搬する前記光路上に、前記ラマン増幅用励起光源が出力した前記光を合波することにより前記光信号帯域の光強度をラマン増幅するラマン増幅用波長合波器とを備え、前記ラマン増幅による増幅量は、前記Ｎ個のシングルモード光のそれぞれが伝搬する前記光路の特性差に基づく。
本発明の一態様は、上述の光増幅中継システムであって、前記光ファイバは、複数の伝搬モードを伝搬するコアを複数有し、前記光強度調整部は、前記伝搬モード間および前記コア間における光強度の差を低減するように前記調整を行う。
本発明の一態様は、上述の光増幅中継システムであって、前記光増幅器は、それぞれ一つのシングルモード光を入力する複数の入力ポートを備え、前記光分波器は、前記光増幅器による増幅後の光強度のばらつきを低減するように、分波した前記複数のシングルモード光をそれぞれ、前記光増幅器の異なる前記入力ポートに入力する。
本発明の一態様は、上述の光増幅中継システムであって、上述の光増幅中継器を複数備える。
本発明により、モード分割多重による光ファイバ通信方式の光増幅中継システムにおいて、コストを低減しながら、長距離かつ大容量の通信を行うことが可能となる。
本発明の第１実施形態による光増幅中継システムの概略の構成図である。 同実施形態による一括励起のマルチコア光増幅器の構成例を示す図である。 同実施形態を適用する前後の一括励起光増幅器への各モードの入力パワーを示す図である。 第２実施形態による光増幅中継システムの概略の構成図である。 同実施形態を適用する前後のＥＤＦＡ後の光パワーを示す図である。 第３実施形態による光増幅中継システムの概略の構成図である。 第４実施形態による光増幅中継システムの概略の構成図である。 同実施形態の光増幅中継システムにおける伝送路への入力パワーと一括励起光増幅器の利得の特性を示す図である。 同実施形態の光信号の例を示す図である。 同実施形態のラマン増幅適用前の光信号の光パワーを示す図である。 同実施形態のラマン増幅適用後の光信号の光パワーを示す図である。 第５実施形態による光増幅中継システムの概略の構成図である。 同実施形態による光増幅中継器に用いられるマルチコア光ファイバの断面を示す図である。 第６実施形態による光増幅中継システムの概略の構成図である。 第７実施形態による光増幅中継システムの概略の構成図である。 同実施形態による光ファイバの断面を示す図である。 第８実施形態による大容量光増幅器の概略の構成図である。 同実施形態による大容量光増幅器の外観を示す図である。 第９実施形態における光通信システムの概略図である。 第１０実施形態における光通信システムの概略図である。 第１１実施形態における光信号の例を示す図である。 従来の光増幅中継システムの例を示す図である。 従来の光増幅中継システムの例を示す図である。 従来の光増幅中継システムの例を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。各実施形態は可能な限り組み合わせることができる。また、以下では、機能部ＸＸＸがＹ個ある場合、Ｙ個の機能部ＸＸＸをそれぞれ機能部ＸＸＸ－１～ＸＸＸ－Ｙと記載する。
本実施形態は、複数の伝搬モードを伝搬する光ファイバと、一つの励起光源で複数のシングルモード光の強度を増幅する一括励起の光増幅器を含む光増幅中継器とからなる光伝送路において、一括励起の光増幅器に入力される複数の光信号の強度が設定されることにより、複数の光路間で均一で良好な伝送特性を有する光増幅中継システムに関する。なお、光路とは、送信端から受信端に至るまでの光の伝送路又はその伝送路の一部の区間である。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態における光増幅中継システム１１の概略の構成図である。光増幅中継システム１１は、光送信器５０１－１～５０１－６と、光ファイバ増幅器５４１－１～５４１－６と、マルチモード光合波器２７１と、光伝送路１９０と、マルチモード光分波器２８２と、光ファイバ増幅器５５１－１～５５１－６と、光受信器５１１－１～５１１－６とを備える。光伝送路１９０は、光ファイバ１１１－１～１１１－Ｐ（同図ではＰは２以上の整数、同図ではＰ＝２）と、１台以上の光増幅中継器５６１とを含む。光ファイバ１１１－１～１１１－Ｐは、モード数Ｍ（Ｍは２以上の整数、本実施形態ではＭ＝６）の伝搬モードを伝搬する伝送用のマルチモード光ファイバである。
光増幅中継器５６１は、マルチモード光分波器２８１と、一括励起のマルチコア光増幅器１２１と、マルチモード光合波器２７２とを備える。マルチモード光分波器２８１は、光ファイバ１１１－ｐ（ｐは１以上Ｐ－１以下の整数）の中を伝搬する複数の伝搬モードの光を、複数のシングルモード光に分波する。一括励起のマルチコア光増幅器１２１は、一つの励起光源で複数のシングルモード光の強度を増幅する一括励起のマルチコア光増幅器である。マルチモード光合波器２７２は、複数のシングルモード光を複数の伝搬モードの光に合波し、光ファイバ１１１－（ｐ＋１）に入力する。光増幅中継器５６１は、マルチモード光分波器２８１が分波したシングルモード光の光路である光伝送路１０１－１～１０１－６上に、可変光強度減衰器１８１－１～１８１－６と、波形整形器１９１－１～１９１－６とを備える。可変光強度減衰器１８１－１～１８１－６はそれぞれ、光伝送路１０１－１～１０１－６の光強度を減衰させる。波形整形器１９１－１～１９１－６は、波長多重された光信号の波長チャネルごとの光強度を設定する。
送信端において、光送信器５０１－１～５０１－６のそれぞれにより光信号が生成される。光ファイバ増幅器５４１－ｍ（同図では、ｍは１以上Ｍ以下の整数）は、光送信器５０１－ｍが生成した光信号の光強度を増幅する。マルチモード光合波器２７１は、光ファイバ増幅器５４１－１～５４１－６それぞれにより増幅された光信号をモード多重数Ｍ＝６でモード多重し、光ファイバ１１１－１に入力する。モード多重された光信号は、光ファイバ１１１－１中を伝搬する。光ファイバ１１１－１を伝送媒体としてモード多重数Ｍ＝６の光信号が伝送された後、光増幅中継器５６１は、各信号の光強度を増幅し、波形整形した後、光ファイバ１１１－２に入力する。モード多重数Ｍ＝６の光信号は光ファイバ１１１－２中を伝搬する。
上記が繰り返された後、受信端において、マルチモード光分波器２８２は、モード多重数Ｍ＝６の光信号を光ファイバ１１１－Ｐから入力し、６つのシングルモード光に分波する。光ファイバ増幅器５５１－１～５５１－６は、マルチモード光分波器２８２が分波したシングルモード光の光信号強度を増幅する。光受信器５１１－ｍは、光ファイバ増幅器５５１－ｍが増幅したシングルモード光を受光する。光受信器５１１－１～５１１－６は、受光した光をデジタル信号処理により復調し、元の信号を復元する。
従来技術では、複数の光信号をモード多重し、伝送後、個々の光ファイバ増幅器で光増幅中継する方式が知られていたが、多数の光ファイバ増幅器が必要になるという問題があった。また、複数の光信号をモード多重し、伝送後、マルチモード光ファイバ増幅器で光増幅中継する方式が知られていたが、モード間の損失差・利得差により、信号品質は最も特性の悪いモードに律速され、良質な伝送は困難であった。それに対し、本実施形態の光増幅中継システム１１は、光中継器に光増幅中継器５６１を、光伝送路にマルチモード光ファイバである光ファイバ１１１を用い、光中継器には、一括励起のマルチコア光増幅器１２１を用いる。これにより、装置数の削減や低電力化を実現しつつ、空間チャネル間の特性ばらつきが小さい光増幅中継システムを実現する。さらに、光増幅中継器５６１に可変光強度減衰器１８１－１～１８１－６及び波形整形器１９１－１～１９１－６の光強度調整手段を用いることで、複数の光信号間の特性ばらつきを微調整し、一括励起のマルチコア光増幅器１２１、および光ファイバ１１１のばらつきを最小化した。なお、波形整形器１９１－１～１９１－６の実装は任意である。また、波形整形器１９１－１～１９１－６は波長チャネルごとの光強度に加えて、空間チャネルの光強度の調整も合わせて行っても良く、可変光強度減衰器１８１の代わりに用いることもできる。
本実施形態では、光ファイバ１１１－１～１１１－Ｐとしてそれぞれ、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ、ＬＰ２１ｂ、ＬＰ０２の６つのモードを伝搬するコアからなる４ＬＰモード（６モード）光ファイバを用いている。しかし、本実施形態は任意の種類のモード、およびモードの数を伝搬する光ファイバ伝送路に適用できる。マルチモード光分波器２８１として、６つの伝搬モードが多重されたモード多重光を、モードごとに６つのシングルモード光にモード分波するモード分波器を用いた。また、マルチモード光合波器２７２として、６つのシングルモード光を６つの伝搬モードが多重されたモード多重光に合波するモード合波器を用いた。一括励起のマルチコア光増幅器１２１として、Ｎチャネル（Ｎは２以上の整数、かつ、Ｎ≧Ｍ）クラッド励起のマルチコア光増幅器（以下の参考文献１，２）を用いた。
（参考文献１）H. Ono et al., "12-Core Double-Clad Er/Yb-Doped Fiber Amplifier Employing Free-space Coupling Pump/Signal Combiner Module," ECOC2013, We.4.A.4, 2013
（参考文献２）S. Takasaka et al., "Cladding-Pumped Seven-Core EDFA Using a Multimode Pump Light Coupler," ECOC2013, We.4.A.5, 2013.
図２は、一括励起のマルチコア光増幅器１２１の構成例を示す図である。一括励起のマルチコア光増幅器１２１は、７つの入出力ポートを有し、そのうちの６つのポートが６つのシングルモードの光伝送路１０１－１～１０１－６に接続される。一括励起のマルチコア光増幅器１２１は、７つのシングルモードファイバを束ね、７つのコアを有するマルチコア光ファイバに接続するファンイン（ＦＩ）デバイス（図示せず）と、６つの光増幅媒体４７１－１～４７１－６を含む７コアのエルビウム添加マルチコア光ファイバと、７つのコアを有するマルチコア光ファイバの光を７つのシングルモードファイバに分けるファンアウト（ＦＯ）デバイス（図示せず）と、励起光源４６１と、光結合器４５１とを有する。光結合器４５１は、励起光源４６１が発生した励起光をエルビウム添加マルチコア光ファイバのクラッドに光学的に結合させる。
一例として、励起光源４６１としてマルチモードレーザダイオードを、光増幅媒体４７１～４７１－６としてエルビウム添加光ファイバを用いた。本構成では、１台の励起光源４６１により７つのコアの光強度を同時に増幅することができる。なお、必要なパワーに応じて、励起光源を２台に増やしても良い。同じ波長もしくは異なる波長の複数の励起光源が用いられることもある。本実施形態の光増幅中継システム１１は、６つの光伝送路１０１－１～１０１－６に対し、一括励起のマルチコア光増幅器１２１は７つの入出力ポートを有する。そこで、一括励起のマルチコア光増幅器１２１のポートのうち、他のコアよりもコア間クロストークが高い中心のコアを通すチャネルを避け、外周の６つのコアを通すポートを用いた。それにより隣接コアからの干渉の無い良好な特性を得たが、もちろん任意のポートを用いてもよい。
光ファイバ１１１を伝搬中、マルチモード光合波器２７１、マルチモード光分波器２８１、およびこれら光学機器の接続点において、モード間の損失差が生じる。そのため、光伝送路１０１－１～１０１－６のそれぞれから一括励起のマルチコア光増幅器１２１に入力される光信号に光強度差があった。そこで、可変光強度減衰器１８１－１～１８１－６を用いて、６つのチャネルの光強度差を合わせた。光強度差を合わせるために、可変光強度減衰器１８１－１～１８１－６の前段又は後段に光強度を検出するための手段があってもよい。例えば、光強度を検出する専用の検出装置を設けてもよく、一括励起のマルチコア光増幅器１２１として用いられるマルチコアＥＤＦＡ等、他の機器に光モニタを内蔵し、それを用いてもよい。
図３は、本実施形態を適用する前後の一括励起光増幅器への各モードの入力パワーを示す図である。図３（ａ）は、本実施形態適用前の６つの光伝送路から一括励起光増幅器への入力パワーを示す。光送信号がマルチモード光合波器２７１、光ファイバ１１１－１、マルチモード光分波器２８１を伝搬する過程において、６つのモード（光伝送路１０１－１～１０１－６）間でおよそ３ｄＢのパワーの偏差が生じた。これら複数の光路の光信号を一括励起のマルチコア光増幅器１２１で増幅すると、この空間チャネル間のパワーのばらつきはさらに拡大する。本実施形態では、可変光強度減衰器１８１を用いてばらつきを低減した。図３（ｂ）は、光伝送路１０１－１～１０１－６から一括励起のマルチコア光増幅器１２１に入力されるパワーを示す。図３（ｂ）のように、一括励起のマルチコア光増幅器１２１に入力されるパワーをそれぞれ適正なレベルに設定することで、増幅後に均一な光パワーを得た。それにより、従来はマルチコア伝送路でしか用いられなかった一括励起のマルチコア光増幅器がマルチモード伝送路においても適用できるようにした。
一括励起のマルチコアＥＤＦＡなどの一括励起のマルチコア光増幅器１２１は、コア間のパワーのばらつきが調整できないため、モード多重伝送のように、モード間の損失差によりチャネル間にばらつきが生じるような媒体には用いられていなかった。本実施形態では、可変光強度減衰器１８１－１～１８１－６及び波形整形器１９１－１～１９１－６により、複数の光信号間の特性のばらつきを調整し、一括励起のマルチコア光増幅器１２１をモード多重伝送に適用可能とした。
（第２実施形態）
図４は、本実施形態における光増幅中継システム１２の概略の構成図である。同図において、図１に示す第１の実施形態による光増幅中継システム１１と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態の光増幅中継システム１２が、図１に示す第１の実施形態の光増幅中継システム１１と異なる点は、光増幅中継器５６１に代えて、光増幅中継器５６２を備える点である。光増幅中継器５６２は、マルチモード光分波器２８１と、一括励起のマルチコア光増幅器１２１と、波形整形器１９１－１～１９１－６と、マルチモード光合波器２７２とを備える。波形整形器１９１－１～１９１－６は、一括励起のマルチコア光増幅器１２１とマルチモード光合波器２７２との間の光伝送路１０１－１～１０１－６上に設けられる。
本実施形態の光増幅中継システム１２が、第１実施形態の光増幅中継システム１１と異なる点は、マルチモード光分波器２８１と一括励起のマルチコア光増幅器１２１との接続部である。第１実施形態で述べたように、一般に光伝送路１０１－１～１０１－６を伝搬する信号光の光強度にずれが生じる。また、一括励起のマルチコア光増幅器１２１の励起特性はチャネル間でずれが生じる。そこで、本実施形態では、光増幅中継した後の光伝送路間の信号光の光強度のばらつきを最少にするよう、マルチモード光分波器２８１の出力ポートと一括励起のマルチコア光増幅器１２１の入力ポートの組み合わせを考慮して接続した。これにより、一括励起のマルチコア光増幅器１２１の入力部において、６つの光伝送路１０１－１～１０１－６間の光強度がほぼ均一となり、第１実施形態のように可変光強度減衰器１８１－１～１８１－６を用いる必要が無くなり、より簡易・低コストで損失の低い光増幅中継システムとした。
図５は、本実施形態の適用前後における増幅後の光パワーを示す図である。同図では、一括励起のマルチコア光増幅器１２１として一括励起のマルチコアＥＤＦＡを用いた。同図に示すように、本実施形態の適用後は、適用前よりもＥＤＦＡ後のモード間の光強度のばらつきが改善された。
なお、本実施形態では、相互接続するマルチモード光分波器２８１の出力ポートと一括励起のマルチコア光増幅器１２１の入力ポートとを固定にしたが、入力信号に応じてポート間の接続を切り替える構成にしても良い。また、相互接続する箇所は任意で、光増幅器の後に適用しても良い。
（第３実施形態）
図６は、本実施形態における光増幅中継システム１３の構成図である。同図において、図１に示す第１の実施形態による光増幅中継システム１１と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態の光増幅中継システム１３が、図１に示す第１の実施形態の光増幅中継システム１１と異なる点は、光増幅中継器５６１に代えて、光増幅中継器５６３を備える点である。光増幅中継器５６３が、第１実施形態の光増幅中継器５６１と異なる点は、光強度調整手段として、可変光強度減衰器１８１－１～１８１－６の代わりに多チャネル光増幅器を用い、光強度の増幅により複数の光路間の光強度を設定した点である。多チャネル光増幅器とは、コア別に異なる増幅量で増幅を行うことができる光増幅器や、コア別に複数の単一モードの光増幅器を備える光増幅器である。
多チャネル光増幅器の一例として、個別励起（コア励起）のマルチコア光増幅器１２９を用いた。より詳細には、光増幅中継システム１３では、光ファイバ１１１－１～１１１－Ｐを伝搬するモード数Ｍ＝６であり、一括励起のマルチコア光増幅器１２１としてＮ＝７チャネルのクラッド励起のマルチコア光増幅器を用い、光強度調整手段として個別励起のマルチコア光増幅器１２９を用いた。個別励起のマルチコア光増幅器１２９は、光増幅器１７１－１～１７１－６により、光伝送路１０１－１～１０１－６を伝送する光それぞれの増幅量を調整する。
一括励起のマルチコア光増幅器１２１は省電力性に優れている一方で、複数のコア内の光強度が一律に増幅されるため、コアごとに調整はできない。そこで第１実施形態では、光強度を減衰させることでコア間の強度差を均一化した。それに対し、本実施形態では個別励起のマルチコア光増幅器１２９を合わせて用い、コアごとの光強度を調整する構成とした。両者を併用することで省電力性と制御性の双方の利点を得ることができる。
本実施形態の光増幅中継システム１３は、個別励起のマルチコア光増幅器１２９との併用で、第１～第２実施形態の構成よりも光強度をより大きく増幅することができる。個別励起のマルチコア光増幅器１２９と一括励起のマルチコア光増幅器１２１の順番は任意である。さらに、一般には光信号のチャネル数が多く、中継間隔が広いほど、より大きな出力パワーが必要で、個別励起のマルチコア光増幅器１２９と一括励起のマルチコア光増幅器１２１を複数台、多段に接続して使用しても良い。また、第１の実施形態では、可変光強度減衰器１８１－１～１８１－６により光強度を減衰させ、光のエネルギーを捨てているのに対し、本実施形態では、光強度が弱いポートを励起しているので、無駄が少なく、より省電力なシステムを実現できる。
（第４実施形態）
図７は、本実施形態における光増幅中継システム１４の構成図である。同図において、図１に示す第１の実施形態による光増幅中継システム１１と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態の光増幅中継システム１４が、図１に示す第１の実施形態の光増幅中継システム１１と異なる点は、光増幅中継器５６１に代えて、光増幅中継器５６４を備える点である。本実施形態の光増幅中継器５６４が、第１実施形態の光増幅中継器５６１と異なる点は、光強度調整手段として分布ラマン増幅を用い、光強度の増幅により複数の光伝送路１０１－１～１０１－６間の光強度を設定（調整）した点である。光増幅中継器５６４は、マルチモード光分波器２８１と、波長合波器１３１－１～１３１－６と、励起光源１５１－１～１５１－６と、一括励起のマルチコア光増幅器１２１と、マルチモード光合波器２７２とを備える。
より詳細には、光増幅中継システム１４では、光ファイバ１１１－１～１１１－Ｐ（同図ではＰ＝２）を伝搬するモード数Ｍ＝６であり、マルチモード光分波器２８１は、Ｍ＝６個の伝搬モードの光をＮ＝６個のシングルモード光に合分波する。光増幅中継器５６４におけるＮ＝６個の光伝送路１０１－ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）上には、それぞれ光信号帯域とは異なる波長の光を合波する波長合波器１３１－ｎを備え、その光信号帯域とは異なる波長の励起光を出力する励起光源１５１－ｎにより、光信号帯域の光強度がラマン増幅される。Ｎ＝６個のシングルモード光の光伝送路１０１－１～１０１－６を通過する光信号の特性差に応じて、このラマン増幅による増幅量が設定される。一括励起のマルチコア光増幅器１２１は、波長合波器１３１－１～１３１－６それぞれが励起光を合波することによりラマン増幅された光信号を一括増幅する。
第３実施形態と同様に、本実施形態では、コア励起の一括励起のマルチコア光増幅器１２１に波長合波器１３１－１～１３１－６及び励起光源１５１－１～１５１－６を併用することで、第１～第２実施形態の構成よりも光強度をより大きく増幅することができる。また、第１の実施形態では、可変光強度減衰器１８１－１～１８１－６において光強度を減衰させ、光のエネルギーを捨てているのに対し、本実施形態では、光強度の弱いポートを励起しているので、無駄が少なく、より省電力なシステムを実現できる。さらに、分布ラマン増幅を用いることで、損失の高いコアの光信号雑音比（ＯＳＮＲ）を補償し、より良い伝送特性が得られる。
図８は、本実施形態の光増幅中継システム１４における伝送路への入力パワーと一括励起光増幅器の利得の特性を示す図である。図８（ａ）は、光増幅中継システム１４における各光伝送路１０１－１～１０１－６への入力信号の光パワーの一例を示す図である。モード番号ｎ（ｎは１以上６以下の整数）が、それぞれ光伝送路１０１－ｎに対応する。図９に示すように、入力信号はλ１～λ４０の４０波長を１００ＧＨｚ間隔で波長多重（ＷＤＭ）化したＷＤＭ光とし、それぞれの波長λ１～λ４０を偏波多重化し、１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）方式で変調された４０波ＷＤＭ・偏波多重１６ＱＡＭ信号とした。図９は、一例としてモード番号２の波長多重信号を示す。入力パワーはモード間で７．５～９．０ｄＢｍ（１波長あたりでは、－８．５～－７．０ｄＢｍ／ｃｈ）の間でばらつき、平均で８．２５ｄＢｍ（１波長あたりでは、－７．７５ｄＢｍ／ｃｈ）であった。
図８（ｂ）は、光増幅中継システム１４に用いられる一括励起のマルチコア光増幅器１２１の利得特性を示す図である。一括励起のマルチコア光増幅器１２１のそれぞれのポートに、－５ｄＢｍの光パワーに設定した４０波ＷＤＭ・偏波多重１６ＱＡＭ信号を入力し、増幅後の光パワーを計測し、増幅前後の光パワーの差を利得とした。チャネル番号ｎ（ｎは１以上６以下の整数）は、モード番号ｎの光が挿入されるｎ番目のポートに対応する。利得はポート間で１２．５～１４ｄＢの間でばらつき、平均値は約１３ｄＢであった。
このように、複数の光伝送路間の光パワーが入力地点でも不均一であり、また、一括励起のマルチコア光増幅器１２１のポート間の利得差により、光伝送路間の特性ばらつきが増える。それに加えて、入力信号は、各光伝送路上の、損失特性の異なる光ファイバ、光コネクタ、光分岐なども通過する。そのため、これら光伝送媒体や光部品の特性ばらつきにより、特性偏差がさらに拡大する。
図１０は、本実施形態のラマン増幅適用前の光信号の光パワーを示す図である。図１０（ａ）は、光ファイバ１１１を通して５０ｋｍにわたり光信号を伝送した後の光強度と、本実施形態に用いられる一括励起のマルチコア光増幅器１２１で増幅した後の光強度とを示す。光信号を伝送後、信号品質を保つには、雑音レベルに対して光信号の光パワーを所定のレベル以上に保つ必要がある。必要な光信号雑音比（ＯＳＮＲ）は変調方式によって異なり、一般に多値度が高く、高速な信号ほど高いＯＳＮＲが求められる傾向がある。
図１０（ａ）には、本実施形態で用いたＷＤＭ光信号の送受信に必要な最低パワーを、伝送後光パワー基準値としてさらに示している。光信号を伝送後、この基準値を下回った場合は、所定の信号品質を維持できないことを示している。伝送後もこの光パワー基準値を上回るには、光ファイバの平均的な伝搬損失に基づいて入力パワーを設定すれば良く、そのレベルを入力パワー基準値として示した。一方で、光ファイバへの入力パワーを高くしすぎると非線形現象により信号品質が劣化する。そのため、光ファイバへの入力パワーを、上記の入力パワー基準値を最低限上回り、かつ高すぎない値に設定する必要がある。伝送特性を測定した結果、本実施形態では伝送後光パワー基準値を－６ｄＢｍ、入力パワー基準値を７ｄＢｍに設定した。
図１０（ａ）には、図８（ａ）に示した光パワーのＷＤＭ信号を光ファイバ１１１に入力し、その光ファイバ１１１を伝送した後の光強度を示している。入力パワー、ＭＤＬ、融着損失の偏差等により、モードごとに光パワーにばらつきが生じた。また、モード４、５、６の光信号が５０ｋｍ伝送後に伝送後光パワー基準値を下回った。伝送後光パワー基準値を下回っているので、他の伝送路を通る光信号に比べて信号品質が劣化している。図１０（ｂ）は、これら伝送距離に対する光パワーの変化の様子を示すレベルダイヤグラムである。光伝送路番号ｎは、モード番号ｎの光伝送路である。
本実施形態では、光信号帯域の光の強度をラマン増幅する構成とし、光伝送路の特性差に応じて、ラマン増幅量を設定した。ラマンＷＤＭカプラである波長合波器１３１－１～１３１－６は、１．５～１．６μｍの信号帯域に、１．４μｍ帯の励起光源を合波する仕様のものを用いた。モード４～６の損失を補償するため、ラマンＷＤＭカプラの波長合波器１３１－４～１３１－６により、励起光源１５１－４～１５１－６から励起波長１４２５ｎｍと１４５０ｎｍの励起光を入力し、光伝送路１０１－４～１０１－６を構成する光ファイバに後方ラマン散乱を発生させた。
図１１は、本実施形態のラマン増幅適用後の光信号の光パワーを示す図である。図１１（ａ）は、光伝送路番号４の光伝送路１０１－４（モード４の光路）、光伝送路番号５の光伝送路１０１－５（モード５の光路）、光伝送路番号６の光伝送路１０１－６（モード６の光路）にラマン励起を適用した後の光伝送路１０１－１～１０１－６の光パワーを示す図である。図１１（ｂ）は、伝送距離に対する光伝送路１０１－１、１０１－４～１０１－６の光パワーの変化の様子を示すレベルダイヤグラムである。図１１（ｂ）に示すように、図１０（ｂ）では光伝送路１０１－４～１０１－６の光信号が伝送後光パワー基準値を下回っていたが、ラマン散乱効果により光ファイバの出力に近づくにつれて光パワーが持ち上がり、光信号のパワーが基準値を下回ることなく、５０ｋｍ伝送された。
このように、本実施形態を適用することで、従来の光ファイバ増幅器のみを用いた光増幅中継システムでは実現できなかった、光伝送路間の特性偏差を解消し、かつ良好な伝送品質を有する大容量光増幅中継システムを実現した。
上記の光伝送路の数、伝送路長、光ファイバの種類、光パワー設定、光信号の変調方式、波長配置、光パワーなどは一例であり、任意のものを用いることができる。また、一括励起のマルチコア光増幅器１２１として、クラッド励起の一括励起光ファイバ増幅器を用いたが、１個の励起光源で複数の光増幅媒体を励起できる任意の一括励起光増幅器を用いたとしても、同様に本実施形態の効果が得られる。さらに、本実施形態では後方ラマン増幅を用いたが、前方ラマン増幅を用いても良いし、前方および後方ラマン増幅の両方を用いてもかまわない。
（第５実施形態）
図１２は、本実施形態における光増幅中継システム１５の概略の構成図である。同図において、図１に示す第１の実施形態による光増幅中継システム１１と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態の光増幅中継システム１５が、図１に示す第１の実施形態の光増幅中継システム１１と異なる点は、光増幅中継器５６１に代えて、光増幅中継器５６５を備える点である。また、光送信器５０１及び光受信器５５１はそれぞれ４台である。光増幅中継器５６５は、分布ラマン増幅を集積化し、マルチコア分布ラマン増幅を行う。光増幅中継器５６５は、マルチモード・マルチコア変換器２７９と、励起光源１５１－１～１５１－４と、ファンイン（ＦＩ）デバイス２０１と、マルチコアＷＤＭカプラ２９１と、一括励起のマルチコア光増幅器１２１と、マルチコア・マルチモード変換器２８９とを備える。
より詳細には、光増幅中継システム１５では、光ファイバ１１１－１～１１１－Ｐを伝搬するモード数Ｍ＝４であり、光増幅中継器５６５が備えるマルチモード・マルチコア変換器２７９は、光ファイバ１１１－ｐ（ｐは１以上Ｐ－１以下の整数）を伝送するモード数Ｍ＝４個の伝搬モードの光をＮ＝４個のシングルモード光に変換し、これらシングルモード光をそれぞれ図１３に示すマルチコア光ファイバの４つのコアに入力するマルチモード－マルチコア変換器である。これら４つのコアは光伝送路１０１－１～１０１－４として用いられる。光増幅中継器５６５は、Ｎ＝４個の光伝送路１０１－１～１０１－４上に、それぞれ光信号帯域とは異なる波長の光を合波するマルチコアＷＤＭカプラ２９１を備える。励起光源１５１－１～１５１－４は、光信号帯域とは異なる波長の励起光を出力する。マルチコアＷＤＭカプラ２９１は、励起光源１５１－１～１５１－４より出力されたこの励起光を光伝送路１０１－１～１０１－４に光学的に結合し、後方ラマン散乱効果により光伝送路１０１－１～１０１－４を伝送する光信号帯域の光強度がラマン増幅される。Ｎ＝４個のシングルモード光の光伝送路１０１－１～１０１－４を通過する光信号の特性差に応じて、このラマン増幅による増幅量が設定される。一括励起のマルチコア光増幅器１２１により光信号が一括増幅され、再び光ファイバ１１１－２を通して伝送される。
図１３は、本実施形態の光増幅中継器５６５に用いられるマルチコア光ファイバの断面を示す図である。本実施形態では、Ｎ＝４個のシングルモード光の光伝送路１０１－１～１０１－４として、１つの光ファイバに４つのコア４０１－１～４０１－４を有する４コアのマルチコア光ファイバを使用した。このマルチコア光ファイバは、例えば、図２３に示す従来技術で用いられている結合コアファイバ９７２と同様の構成である。被覆４３１で覆われたクラッド４２１上に、Ｎ＝４個のコア４０１－１～４０１－Ｎが配置されている。コア４０１－１～４０１－４は、相互の距離が近いため、長距離を伝送する間にコア４０１－１～４０１－４それぞれを伝送する光から漏れ出して他のコアを伝送する光と結合することや、コア４０１－１～４０１－４の間に結合した光が発生することがある。一括励起のマルチコア光増幅器１２１は、これらの結合した光を一括励起により増幅してもよく、コア４０１－１～４０１－４それぞれを伝送するシングルモード光をそれぞれ異なる光ファイバに入力し、一括励起のマルチコア光増幅器１２１は、それら光ファイバを伝送する光を一括励起により増幅してもよい。なお、光信号を結合コア型のマルチコアファイバに入力し、長距離伝送すると、伝搬中に光信号が互いに結合し、擬似的にマルチモード伝送となる。そこで、伝送媒体として結合コア型のマルチコアファイバを光ファイバ１１１として使用することもできる。
光増幅中継器５６５が備えるマルチコアＷＤＭカプラ２９１は、図１３に示すマルチコア光ファイバの４つのコアの光を同時に波長合波する。ファンインデバイス２０１は、４つの単一モード光ファイバを、４つのコア４０１－１～４０１－４を有する４コアのマルチコア光ファイバに接続する。マルチコアＷＤＭカプラ２９１は、このファンインデバイス２０１を用いて、励起光源１５１－１～１５１－４が出力したラマン励起光を、光伝送路１０１－１～１０１－４として用いられる個々のコア４０１－１～４０１－４に入力する。マルチコアＷＤＭカプラ２９１の透過ポートの先に、一括励起のマルチコア光増幅器１２１として、クラッド励起の４コアのマルチコア光増幅器が配置される。一括励起のマルチコア光増幅器１２１が４つのコア４０１－１～４０１－４の光を一括で増幅した後、マルチコア・マルチモード変換器２８９は、Ｎ＝４個のシングルモード光をＭ＝４個の伝搬モードの光にマルチコア－マルチモード変換する。このように、光増幅中継器５６５で増幅中継された後、光信号は続く光ファイバ１１１－（ｐ＋１）で伝送される。
（第６実施形態）
図１４は、本実施形態における光増幅中継システム１６の構成図である。同図において、図７に示す第４の実施形態による光増幅中継システム１４と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態の光増幅中継システム１６が、図７に示す第４の実施形態の光増幅中継システム１４と異なる点は、光増幅中継器５６４に代えて、光増幅中継器５６６を備える点である。また、光送信器５０１及び光受信器５５１はそれぞれ１０台である。光増幅中継器５６６が第４実施形態の光増幅中継器５６４と異なる点は、２台の一括励起のマルチコア光増幅器１２１を用いた点である。光増幅中継器５６４は、マルチモード光分波器２８１と、波長合波器１３１－１～１３１－１０と、励起光源１５１－１～１５１－１０と、一括励起のマルチコア光増幅器１２１－１、１２１－２と、マルチモード光合波器２７２とを備える。
より詳細には、光増幅中継システム１６では、光ファイバ１１１－１～１１１－Ｐ（同図ではＰ＝２）を伝搬するモード数Ｍ＝１０であり、マルチモード光分波器２８１は、光ファイバ１１１－ｐ（ｐは１以上Ｐ－１以下の整数）を伝送するＭ＝１０個の伝搬モードの光をＮ＝１０個のシングルモード光に合分波する。光増幅中継器５６６におけるＮ＝１０個の光伝送路１０１－ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）上には、それぞれ光信号帯域とは異なる波長の光を合波する波長合波器１３１－ｎを備え、その光信号帯域とは異なる波長の励起光を出力する励起光源１５１－ｎにより、光信号帯域の光強度がラマン増幅される。Ｎ＝１０個のシングルモード光の光伝送路１０１－１～１０１－１０を通過する光信号の特性差に応じて、このラマン増幅による増幅量が設定される。
一括励起のマルチコア光増幅器１２１－１は、波長合波器１３１－１～１３１－６それぞれが励起光を合波することによりラマン増幅された光信号を一括増幅し、一括励起のマルチコア光増幅器１２１－２は、波長合波器１３１－７～１３１－１０それぞれが励起光を合波することによりラマン増幅された光信号を一括増幅する。マルチモード光合波器２７２は、一括励起のマルチコア光増幅器１２１－１が増幅した６つのシングルモード光及び一括励起のマルチコア光増幅器１２１－２が増幅した４つのシングルモード光を、Ｍ＝１０個の伝搬モードが多重されたモード多重光に合波し、光ファイバ１１１－（ｐ＋１）に出力する。このように、第４実施形態との大きな違いは、複数のマルチコア光増幅器を用いた点にある。一般に、マルチコア光増幅器内のコア数が多いほど、チャネルあたりの電力や集積性が向上する。一方で、少数チャネルのマルチコア光増幅器の方が作製は容易である。その際、多数の汎用的なマルチコア光増幅器を量産し、本実施形態のように必要なチャネル数に応じて組み合わせて用いることができる。
（第７実施形態）
図１５は、本実施形態における光増幅中継システム１７の構成図である。同図において、図１２に示す第５の実施形態による光増幅中継システム１５と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態の光増幅中継システム１７が、図１２に示す第５の実施形態の光増幅中継システム１５と異なる点は、光ファイバ１１１－１～１１１－Ｐ、マルチモード光合波器２７１、光増幅中継器５６５及びマルチモード光分波器２８２に代えて、光ファイバ１１２－１～１１２－Ｐ、マルチコア・マルチモード合波器３７１、光増幅中継器５６７及びマルチコア・マルチモード分波器３８２を備える点である。光ファイバ１１２は、それぞれのコアが複数のモードを伝搬するマルチコア・マルチモード光ファイバである。光増幅中継器５６７は、マルチコア・マルチモード分波器３８１と、マルチコアＷＤＭカプラ２９１－１、２９１－２、…と、一括励起のマルチコア光増幅器１２１－１、１２１－２、…と、マルチコア・マルチモード合波器３７２とを備える。
図１６は、本実施形態の光ファイバ１１２の断面を示す図である。本実施形態では、同図に示すように、被覆４３１で覆われたクラッド４２１上に、コア４０２－１～４０２－Ｎが配置されたＮ＝１２コアの光ファイバ１１２を用いた。また、光ファイバ１１２は、マルチコア光ファイバ同士を接続する際の位置合わせのためのマーカ４４１を備える。各コア４０２は、モード数Ｍ＝３つのモードを伝搬する。
図１５に示す光ファイバ増幅器５４１－ｉ（ｉは１以上Ｎ×Ｍ以下の整数）は、光送信器５０１－ｉが出力した光を増幅する。マルチコア・マルチモード合波器３７１は、信号光を３つずつモード数Ｍ＝３でモード多重し、モード多重されたＮ個のモード多重光信号をそれぞれ光ファイバ１１２のコア４０２－１～４０２－Ｎに入力する。例えば、マルチコア・マルチモード合波器３７１は、光ファイバ増幅器５４１－（Ｍ（ｎ－１）＋１）～５４１－（Ｍ×ｎ）（ｎは１以上Ｎ以下の整数）が増幅した光をモード数Ｍでモード多重してコア４０２－ｎに入力する。
光増幅中継器５６７のマルチコア・マルチモード分波器３８１は、光ファイバ１１２－ｐ（ｐは１以上Ｐ－１以下の整数）のコア４０２－１～４０２－Ｎそれぞれを伝送したモード数Ｍの各マルチモード光信号をＭ個のシングルモード光に変換し、各シングルモード光を、Ｍ個のコアを有するＮ本のマルチコアファイバに入力する。各シングルモード光はそれぞれ異なるコアに入力される。マルチコアＷＤＭカプラ２９１－１、２９１－２、…は、第５の実施形態のマルチコアＷＤＭカプラ２９１と同様に、ファンインデバイス２０１を用いて、複数の励起光源１５１それぞれが出力したラマン励起光を、マルチコアファイバの個々のコアに入力し、後方ラマン増幅を行う。なお、図１５では、ファンインデバイス２０１及び励起光源１５１を省略している。
一括励起のマルチコア光増幅器１２１－ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）は、マルチコアＷＤＭカプラ２９１－ｎによりラマン増幅された、ｎ本のマルチコアファイバ中のＭ個のコアを伝送する光を一括で増幅する。マルチコア・マルチモード合波器３７２は、各マルチコアファイバのＭ個のコアそれぞれを伝送する増幅後の光をモード数Ｍにモード多重し、モード多重光信号をそれぞれ光ファイバ１１２－（ｐ＋１）のコア４０２－１～４０２－１２に入力する。マルチコア・マルチモード分波器３８２は、光ファイバ１１２－Ｐのコア４０２－１～４０２－Ｎそれぞれを伝送したマルチモードの光信号をシングルモード光に変換し、各シングルモード光を光ファイバ増幅器５５１－１、５５１－２、…に出力する。以上、本実施形態では、マルチコア・マルチモード光ファイバ伝送システムに応用した一形態を示した。本実施形態で用いたコアやモードは一例であり、その組み合わせは任意である。一括励起のマルチコア光増幅器を用いて複数チャネルの光信号を一括で励起する一方で、第１～第４実施形態で示した基本構成を適用し、個別のコア、もしくはモードの光強度を調整することで、低電力で高集積、伝送特性が優れた長距離大容量光増幅中継システムを実現した。
（第８実施形態）
本実施形態では、光増幅中継システムに用いられる光増幅器を示す。
図１７は、第８実施形態における大容量光増幅器５２１の概略の構成図である。同図において、図１２に示す光増幅中継システム１５が備える光増幅中継器５６５と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。大容量光増幅器５２１は、マルチモード・マルチコア変換器２７９と、励起光源１５１－１、１５１－２、…と、ファンインデバイス２０１と、マルチコアＷＤＭカプラ２９１と、マルチコア光タップ３０１と、ファンアウトデバイス２０２と、光モニタ３２１－１、３２１－２、…と、一括励起のマルチコア光増幅器１２１と、マルチコア・マルチモード変換器２８９とを備える。
マルチコア光タップ３０１は、マルチコアＷＤＭカプラ２９１によるラマン増幅後に、マルチコア光ファイバの複数のコアそれぞれを伝送するシングルモード光を分岐し、ファンアウトデバイス２０２との間のマルチコア光ファイバの各コアに入力する。ファンアウトデバイス２０２は、マルチコア光ファイバの各コアに入力されたシングルモードの光信号を、光モニタ３２１－１、３２１－２、…との間のシングルモードファイバに分離して出力する。光モニタ３２１－１、３２１－２、…はそれぞれ、分岐された光強度を計測する。この計測結果に基づいて、一括励起のマルチコア光増幅器１２１への入力前にラマン増幅すべき量、すなわち、励起光源１５１－１、１５１－２、…が発生する励起光の強さを調整する。
図１７に示すような構成要素を図１８に示すように装置に収め、光増幅中継システムに適合する光増幅中継器を作製した。この光増幅中継器を光伝送システムに導入し、本実施形態の光増幅中継システムを実現した。
図１８は、大容量光増幅器５２１の外観を示す図である。大容量光増幅器５２１の筐体には、表示画面６０１と、大容量光増幅器５２１へユーザ操作を入力する操作パネル６１１と、電源スイッチ６２１と、Ｎ個のコアを有する入力ポート２１１と、Ｎ個のコアを有する出力ポート２３１とが備えられる。このように、本実施形態で開示する構成要素の一部を装置とすることで、実システムへの適用を容易にすることができる。
（第９実施形態）
本実施形態では、第１～第８実施形態の光増幅中継システム、および光増幅器を適用した光通信システムの一例を示す。
図１９は、第９実施形態における光増幅中継システム２１の概略図である。同図に示すように、光増幅中継システム２１は、光ファイバ１１３－１～１１３－Ｐ、および光増幅中継器５６９－１～５６９－Ｑを用いた光通信システムである。ＰとＱは１以上の整数であり、同図では、Ｐ＝４、Ｑ＝３の場合を例に示している。光ファイバ１１３は、上記の実施形態における光ファイバ１１１又は１１２であり、光増幅中継器５６９は、上記の実施形態における光増幅中継器５６１～５６８である。マルチモード光合波器２７１は、光伝送路１０１－１～１０１－Ｎにより伝送する光を入力ポート２１１－１～２１１－Ｎから入力し、光ファイバ１１３－１の各コアに挿入する。同図では、Ｎ＝１２の場合を例に示している。光ファイバ１１３－１を伝搬した後、各コアの光は光増幅中継器５６９－１により増幅される。以降は、光ファイバ１１３－ｐ（ｐは１以上Ｐ以下の整数）を伝搬した各コアの光を、その後段の大容量光増幅中継器５６１－ｑ（ｑは１以上Ｑ以下の整数）が増幅することを順に繰り返す。マルチモード光分波器２８２は、光ファイバ１１３－Ｐの各コアの光を出力ポート２３１－１～２３１－Ｎに出力する。Ｐ＝３、Ｑ＝４のようにＰよりＱの方が大きくても良いし、Ｐ＝Ｑでも良い。
このように、本実施形態では、光ファイバ１１３、および光増幅中継器５６９を基本単位として、光信号が複数回繰り替えし中継伝送される。本実施形態の光増幅中継システム２１の最も簡単な例としてポイント・ツー・ポイントの光通信システムに適用した例を示したが、もちろんネットワークのノードなど、より複雑な光通信システムにも有用である。
（第１０実施形態）
本実施形態では、第１～第８実施形態の光増幅中継システム、および光増幅中継器を適用した光通信システムの一例を示す。
図２０は、第１０実施形態における光増幅中継システム２２の概略図である。同図において、図１９に示す第９の実施形態による光増幅中継システム２１と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。同図に示すように、光増幅中継システム２２は、光送信器５０１－１～５０１－７と、マルチモード光合波器２７１と、光ファイバ１１３－１～１１３－Ｐと、光増幅中継器５６９－１～５６９－Ｑと、マルチモード光分波器２８２と、光受信器５１１－１～５１１－７とを用いた光通信システムである。ＰとＱは１以上の整数であり、同図では、Ｐ＝４、Ｑ＝３の場合を例に示している。マルチモード光合波器２７１は、光送信器５０１－１～５０１－６それぞれが生成した光信号をモード多重し、光ファイバ１１３－１に入力する。マルチモード光分波器２８２は、複数の伝搬モードに多重化された光信号を光ファイバ１１３－Ｐから入力し、７つのシングルモード光に分波する。光受信器５１１－１～５１１－７は、マルチモード光分波器２８２が分波したシングルモード光を受光する。
このように、本実施形態では、光ファイバ１１３、および光増幅中継器５６９を基本単位として、光信号が複数回繰り替えし中継伝送される。本実施形態の光増幅中継システム２２の最も簡単な例としてポイント・ツー・ポイントの光通信システムに適用した例を示したが、もちろんネットワークのノードなど、より複雑な光通信システムにも有用である。
（第１１実施形態）
本実施形態は、第１～第１０実施形態において伝送される光信号を示す。
図２１は、１空間チャネルの信号を示す図である。図２１（ａ）に示すように、基本的には、全ての空間チャネルにおいて、使用する波長帯域がほぼ埋まるように、複数波長の信号を並べて伝送することを想定している。空間チャネルは、例えば、第１実施形態の場合、モード１～モード６に相当する。
しかし、従来の単一モードの光ファイバ通信システムから空間多重光ファイバ通信システムへの移行期や、移行後も時期や時間帯次第では必要な容量が変化し、全空間チャネルが全波長帯域を使用するような最大容量は必要ないと考えられる。その場合、図２１（ｂ）に示すように、使用可能な波長帯域のうち、一部の波長のみに信号を有する空間チャネルが混在する可能性がある。その場合、波長チャネルごとの光パワーが異なる光信号であっても本実施形態を適用することで、波長と空間チャネル（モード）の特性を最適化し、全チャネルにわたり良好な特性を得ることができる。
また、上記のような需要に応じた設定とは異なり、意図的に空間チャネル（モード）間において波長のチャネル数を異なるものとしてもよい。具体的には、使用する波長数が多いほどハイパワーが必要につき、損失が高く、光パワーが出にくい空間チャネル（モード）については他の空間チャネル（モード）よりも波長数を減らすと良い。このように、波長チャネルを不均衡にすることで、一括励起の光増幅器で増幅した際に、パワーが出にくい空間チャネルに余裕を持たせ、システム全体として、より均一な特性が得られやすくすることができる。
（その他の実施形態）
なお、以上説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の構成を備え、目的及び効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造及び形状等は、本発明の目的及び効果を達成できる範囲内において、他の構造や形状等としても問題はない。本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形や改良は、本発明に含まれるものである。
以上説明した実施形態によれば、モード分割多重により通信容量を大容量化した光ファイバ通信方式を用いた光増幅中継システムにおいて、複数の光増幅器を集積化し、かつ、従来の光増幅器よりも低電力化が可能な一括励起のマルチコア光増幅器を用いた。そして、マルチモード光伝送路内で生じるモード間の損失差を、第１～第３実施形態の方法で補償、もしくは第４実施形態のようにラマン分布増幅で補償することにより、モード多重伝送において、一括励起のマルチコア光増幅器の適用を可能にした。これにより、コストや消費電力を低減しながら、長距離・大容量の光増幅中継システムを実現することが可能となる。
以上説明した実施形態によれば、光増幅中継システムは、複数の伝搬モードの光を伝搬する光ファイバと、光ファイバを伝搬する光を増幅する光増幅中継器とを有する。例えば、光ファイバは、光ファイバ１１１、１１２であり、光増幅中継器は、光増幅中継器５６１、５６２、５６３、５６４、５６５、大容量光増幅器５２１である。光増幅中継器は、光分波器と、光増幅器と、光合波器と、光強度調整部とを備える。光分波器は、光ファイバを伝搬する複数の伝搬モードの光を複数のシングルモード光に分波する。光分波器は、例えば、マルチモード光分波器２８１、マルチモード・マルチコア変換器２７９、マルチコア・マルチモード分波器３８１である。光増幅器は、複数のシングルモード光の強度を一つの励起光源が発生した光により一括励起で増幅する。例えば、光増幅器は、一括励起のマルチコア光増幅器１２１であり、励起光源は、励起光源４６１である。光合波器は、光増幅器により増幅された複数のシングルモード光を複数の伝搬モードの光に合波する。光合波器は、例えば、マルチモード光合波器２７２、マルチコア・マルチモード変換器２８９、マルチコア・マルチモード合波器３７２である。光強度調整部は、光増幅器による増幅の前又は後の少なくとも一方で複数のシングルモード光の強度を増幅、減衰するなどして調整する。光強度調整部は、この調整を、複数のシングルモード光それぞれが伝搬する光路個別に、その光路を伝送するシングルモード光の光強度を増幅又は減衰することにより行う。例えば、光強度調整部は、光路間の損失の差を補償するように、各光路を伝送するシングルモード光の光強度を増幅又は減衰する。光強度調整部は、光路間の光強度の差を低減するよう調整を行ってもよく、各光路における使用している波長チャネルに応じた光強度となるように調整を行ってもよい。光強度調整部は、例えば、可変光強度減衰器１８１、波形整形器１９１、個別励起のマルチコア光増幅器１２９、波長合波器１３１及び励起光源１５１、マルチコアＷＤＭカプラ２９１及び励起光源１５１である。
光強度調整部は、多チャネル光増幅器を用いた光強度の増幅により、又は、分布ラマン増幅による光強度の増幅により、複数のシングルモード光の強度の調整を行ってもよい。また、光増幅中継システムは、複数の光路上に、当該光路を伝搬するシングルモード光の光強度の一部を分岐する光タップを備え、光強度調整部は、この分岐された光強度の計測結果に応じて、複数のシングルモード光の強度の調整を行ってもよい。光タップは、例えば、マルチコア光タップ３０１である。
また、光ファイバが伝搬モード数Ｍ（Ｍは２以上の整数）の光を伝搬する場合に、光増幅器を、Ｎチャネル（Ｎは２以上の整数、かつＮ≧Ｍ）のクラッド励起のマルチコア光増幅器とし、光強度調整部を、コア励起のマルチコア光増幅器としてもよい。
また、光ファイバが伝搬モード数Ｍ（Ｍは２以上の整数）の光を伝搬する場合に、光分波器は、Ｍ個の伝搬モードの光をＮ（Ｎは２以上の整数）個のシングルモード光に分波し、光合波器は、光増幅器により増幅されたＮ個のシングルモード光をＭ個の伝搬モードの光に合波する。この場合、光強度調整部は、ラマン増幅用励起光源（例えば、励起光源１５１）とラマン増幅用波長合波器（例えば、波長合波器１３１、マルチコアＷＤＭカプラ２９１）とを備えてもよい。ラマン増幅用励起光源は、シングルモード光それぞれの光信号帯域とは異なる波長の励起光を出力する。ラマン増幅用波長合波器は、Ｎ個のシングルモード光それぞれが伝搬する光路上に、ラマン増幅用励起光源が出力した光を合波することにより光信号帯域の光強度をラマン増幅する。ラマン増幅による増幅量は、Ｎ個のシングルモード光のそれぞれが伝搬する光路の特性差に基づく。
また、光増幅器に入力される複数のシングルモード光は、伝搬中に相互に結合してもよい。また、光ファイバは、複数の伝搬モードを伝搬するコアを複数有してもよい。この場合、光強度調整部は、伝搬モード間およびコア間における光強度の差を低減するように複数のシングルモード光の強度の調整を行う。また、光増幅中継システムは、光増幅中継器を複数備えてもよい。例えば、光増幅中継器は、光増幅中継器５６９である。また、光増幅器は、１つのシングルモード光を入力する入力ポートを複数備えており、光分波器は、光増幅器による増幅後の光強度のばらつきを低減するように、分波した複数のシングルモード光のそれぞれを光増幅器が備える異なる複数の入力ポートに出力する。
以上説明した実施形態によれば、マルチモードファイバでの複数のモードを使ったモード多重光伝送を行う光増幅中継システムにおいて、モードを分離して光強度調整手段により光強度をそろえた後、一括励起のマルチコア光増幅器により光増幅をする。これにより、チャネル間の特性ばらつきが小さい光増幅中継システムを、少ない装置数かつ低電力で実現することが可能となる。
１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、２１、２２、９１、９２、９３…光増幅中継システム，
１０１－１～１０１－１０、１９０、９９１、９９２－１～９９２－２…光伝送路，
１１１－１、１１１－２、１１２－１、１１２－２、１１３－１～１１３－４…光ファイバ，
１２１、１２１－１、１２１－２…一括励起のマルチコア光増幅器，
１２９…個別励起のマルチコア光増幅器，
１３１－１～１３１－１０、９５１－１～９５１－８…波長合波器，
１５１－１～１５１－１０、９６１－１～９６１－８…励起光源，
１７１－１～１７１－６…光増幅器，
１８１－１～１８１－６…可変光強度減衰器，
１９１－１～１９１－６…波形整形器，
２０１…ファンインデバイス，
２０２…ファンアウトデバイス，
２１１、２１１－１～２１１－１２…入力ポート，
２３１、２３１－１～２３１－１２…出力ポート，
２７１、２７２、９４１、９４４…マルチモード光合波器，
２７９…マルチモード・マルチコア変換器，
２８１、２８２、９４２、９４３…マルチモード光分波器，
２８９…マルチコア・マルチモード変換器，
２９１、２９１－１、２９１－２…マルチコアＷＤＭカプラ，
３０１…マルチコア光タップ，
３２１－１、３２１－２…光モニタ，
３７１、３７２…マルチコア・マルチモード合波器，
３８１、３８２…マルチコア・マルチモード分波器，
４０１－１～４０１－４、４０２－１～４０２－１２…コア，
４２１…クラッド，
４３１…被覆，
４４１…マーカ，
４５１…光結合器，
４６１…励起光源，
４７１－１～４７１－６…光増幅媒体，
５０１－１～５０１－１０、９０１－１～９０１－６…光送信器，
５１１－１～５１１－１０、９１１－１～９１１－６…光受信器，
５２１…大容量光増幅器，
５４１－１～５４１－１０、５５１－１～５５１－１０…光ファイバ増幅器，
５６１、５６２、５６３、５６４、５６５、５６９－１～５６９－３、９３１－１～９３１－２、９３４、９３５…光増幅中継器，
６０１…表示画面，
６０２…操作パネル，
６２１…電源スイッチ，
９７１－１～９７１－３…マルチモード光ファイバ，
９２１－１～９２１－２…マルチモード光増幅器，
９２２－１～９２２－４、９２３－１～９２３－４、９２４－１～９２４－４、９２５－１～９２５－３、９２６－１～９２６－３、９２７－１～９２７－３、９２８－１～９２８－３…光増幅器，
９３２ａ、９３２ｂ、９３３ａ、９３３ｂ…光増幅部，
９７２－１～９７２－２…結合コアファイバ

Claims (7)

  1. 複数の伝搬モードの光を伝搬する光ファイバと前記光を増幅する光増幅中継器とを有する光増幅中継システムであって、
    前記光増幅中継器は、
    前記光ファイバを伝搬する複数の伝搬モードの光を複数のシングルモード光に分波する光分波器と、
    前記複数のシングルモード光の強度を一つの励起光源が発生した光により一括励起で増幅する光増幅器と、
    前記光増幅器により増幅された前記複数のシングルモード光を複数の伝搬モードの光に合波する光合波器と、
    前記光増幅器による増幅の前又は後の少なくとも一方で前記複数のシングルモード光の強度を調整する光強度調整部とを有し、
    前記光強度調整部は、前記複数のシングルモード光それぞれが伝搬する光路個別に前記シングルモード光の光強度を増幅又は減衰することにより前記調整を行い、
    前記光増幅器は、それぞれ一つのシングルモード光を入力する複数の入力ポートを備え、
    前記光分波器は、分波した前記複数のシングルモード光を複数の出力ポートのそれぞれから出力し、前記光増幅器による増幅後の光強度のばらつきを低減するように、複数の前記出力ポートそれぞれから出力された前記複数のシングルモード光を前記複数のシングルモード光に応じて前記光増幅器の異なる前記入力ポートに切り替えて入力する、
    光増幅中継システム。
  2. 前記光強度調整部は、多チャネル光増幅器を用いた光強度の増幅により、又は、分布ラマン増幅による光強度の増幅により前記調整を行う、
    請求項１に記載の光増幅中継システム。
  3. 前記複数の光路上に、当該光路を伝搬する前記シングルモード光の光強度の一部を分岐する光タップを備え、
    前記光強度調整部は、前記光タップにより分岐された前記光強度の計測結果に応じて前記調整を行う、
    請求項２に記載の光増幅中継システム。
  4. 前記光ファイバは、伝搬モード数Ｍ（Ｍは２以上の整数）の光を伝搬し、
    前記光増幅器は、Ｎチャネル（Ｎは２以上の整数、かつＮ≧Ｍ）のクラッド励起のマルチコア光増幅器であり、
    前記光強度調整部は、コア励起のマルチコア光増幅器である、
    請求項２又は請求項３に記載の光増幅中継システム。
  5. 前記光ファイバは、伝搬モード数Ｍ（Ｍは２以上の整数）の光を伝搬し、
    前記光分波器は、Ｍ個の伝搬モードの前記光をＮ（Ｎは２以上の整数）個のシングルモード光に分波し、
    前記光合波器は、前記光増幅器により増幅された前記Ｎ個の前記シングルモード光を前記Ｍ個の伝搬モードの光に合波し、
    前記光強度調整部は、
    前記シングルモード光それぞれの光信号帯域とは異なる波長の励起光を出力するラマン増幅用励起光源と、
    前記Ｎ個の前記シングルモード光それぞれが伝搬する前記光路上に、前記ラマン増幅用励起光源が出力した前記光を合波することにより前記光信号帯域の光強度をラマン増幅するラマン増幅用波長合波器とを備え、
    前記ラマン増幅による増幅量は、前記Ｎ個のシングルモード光のそれぞれが伝搬する前記光路の特性差に基づく、
    請求項２又は請求項３に記載の光増幅中継システム。
  6. 前記光ファイバは、複数の伝搬モードを伝搬するコアを複数有し、
    前記光強度調整部は、前記伝搬モード間および前記コア間における光強度の差を低減するように前記調整を行う、
    請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光増幅中継システム。
  7. 前記光増幅中継器を複数備える請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光増幅中継システム。
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