JP7119611B2 - 光ファイバ増幅器 - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバ増幅器に関する。
特許文献１には、マルチコアファイバ（以下、「ＭＣＦ」とも略す）を用いた信号伝送において、希土類が添加された増幅用ＭＣＦに励起光を入射する構成の一例が開示されている。この増幅器では、希土類添加ＭＣＦの中央コアに励起光を入射し、そこから伝送信号が伝搬している外周コアにモード結合によって励起光を分配させることで、伝送信号を増幅している。この増幅器の一例では、希土類添加ＭＣＦの一部をくびれさせて各コア間の距離を近づけ、中央コアに入射された励起光の外周コアへのモード結合を促進させている。また、特許文献２には、ＭＣＦ用の増幅器において、マルチモードの励起光を増幅用の希土類添加ＭＣＦのクラッドに入射して、全コアを一括して励起する構成が開示されている。
特開２０１４－１３５５０８号公報 特開２０１６－１８９４０６号公報
特許文献１に記載の光ファイバ増幅器では、例えば希土類添加ＭＣＦの一部をくびれさせ各コア間の距離を近づけることで、中央コアに入射された励起光の外周コアへのモード結合を促進させている。しかしながら、この構成によると、希土類添加ＭＣＦの外周コアを伝送する信号光を、逆に中央コア等にモード結合させてしまう可能性がある。これは、信号光に主に用いられる波長である１５５０ｎｍが励起光の一般的な波長である９８０ｎｍ又は１４８０ｎｍよりも長波長であり、長波長の方がコア間のクロストークを生じさせやすいといったことに起因する。このため、希土類添加ＭＣＦにおいて中央コアから外周コアに励起光のモード結合を発生させやすい構成とすると、信号光についても外周コアから中央コアにモード結合が発生してしまい、信号光の光パワーが逃げてしまうといった可能性がある。また、特許文献２に記載の光ファイバ増幅器では、コアに比べて断面積が広いクラッドへ励起光を入射する構成であるため、励起光のパワー密度が低下してしまい、所望の増幅効率を得られない可能性がある。
そこで、本発明は、ＭＣＦによって伝送される信号光を効率よく増幅することができる光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る光ファイバ増幅器は、複数のコアと当該複数のコアを覆うクラッドとを有し、信号光を伝送するように構成された第１の光ファイバと、第１の光ファイバの出射面に対向して配置される第１のレンズと、複数のコアと当該複数のコアを覆うクラッドとを有し、希土類元素が添加され、内部を伝搬する信号光を励起光により増幅する第２の光ファイバと、第２の光ファイバの入出射面に対向してそれぞれが配置される第２のレンズと、複数のコアと当該複数のコアを覆うクラッドとを有し、第２の光ファイバでの信号増幅に用いられる励起光を伝送する第３の光ファイバと、第３の光ファイバの出射面に対向して配置される第３のレンズと、第１の光ファイバと第２の光ファイバとの光路上に配置され、第１の光ファイバから出射される信号光を透過又は反射により第２の光ファイバに入射させる第１のフィルタと、第３の光ファイバと第２の光ファイバとの光路上に配置され、第３の光ファイバから出射される励起光を反射又は透過により第２の光ファイバに入射させる第２のフィルタと、第３の光ファイバに励起光を入射するように構成された励起光源と、を備えている。第１の光ファイバ、第１のレンズ、第１のフィルタ、第２のレンズの一方、及び、第２の光ファイバは、第１の光ファイバから出射される信号光が第１のレンズ、第１のフィルタ及び第２のレンズの一方を介して第２の光ファイバに入射されるように、配置される。第３の光ファイバ、第３のレンズ、第２のフィルタ、第２のレンズの一方又は他方、及び、第２の光ファイバは、第３の光ファイバから出射される励起光が第３のレンズ、第２のフィルタ及び第２のレンズの一方又は他方を介して第２の光ファイバに入射されるように、配置される。第３の光ファイバは、細径化された部分を含み、当該細径部において、各コア間の距離が他の部分での各コア間の距離よりも短くなるように構成され、第３の光ファイバの何れかのコアに励起光源から入射された励起光が他のコアにモード結合して励起光を分配するように構成される。
上記の一態様によれば、ＭＣＦによって伝送される信号光を効率よく増幅する光ファイバ増幅器を提供できる。
図１は、一実施形態に係る光ファイバ増幅器の概略構成を示す模式図である。 図２は、変形例に係る光ファイバ増幅器の概略構成を示す模式図である。
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態を列記して説明する。本発明の一態様に係る光ファイバ増幅器は、複数のコアと当該複数のコアを覆うクラッドとを有し、信号光を伝送するように構成された第１の光ファイバと、第１の光ファイバの出射面に対向して配置される第１のレンズと、複数のコアと当該複数のコアを覆うクラッドとを有し、希土類元素が添加され、内部を伝搬する信号光を励起光により増幅する第２の光ファイバと、第２の光ファイバの入出射面に対向してそれぞれが配置される第２のレンズと、複数のコアと当該複数のコアを覆うクラッドとを有し、第２の光ファイバでの信号増幅に用いられる励起光を伝送する第３の光ファイバと、第３の光ファイバの出射面に対向して配置される第３のレンズと、第１の光ファイバと第２の光ファイバとの光路上に配置され、第１の光ファイバから出射される信号光を透過又は反射により第２の光ファイバに入射させる第１のフィルタと、第３の光ファイバと第２の光ファイバとの光路上に配置され、第３の光ファイバから出射される励起光を反射又は透過により第２の光ファイバに入射させる第２のフィルタと、第３の光ファイバに励起光を入射するように構成された励起光源と、を備えている。第１の光ファイバ、第１のレンズ、第１のフィルタ、第２のレンズの一方、及び、第２の光ファイバは、第１の光ファイバから出射される信号光が第１のレンズ、第１のフィルタ及び第２のレンズの一方を介して第２の光ファイバに入射されるように、配置される。第３の光ファイバ、第３のレンズ、第２のフィルタ、第２のレンズの一方又は他方、及び、第２の光ファイバは、第３の光ファイバから出射される励起光が第３のレンズ、第２のフィルタ及び第２のレンズの一方又は他方を介して第２の光ファイバに入射されるように、配置される。第３の光ファイバは、細径化された部分を含み、当該細径部において、各コア間の距離が他の部分での各コア間の距離よりも短くなるように構成され、第３の光ファイバの何れかのコアに励起光源から入射された励起光が他のコアにモード結合して励起光を分配するように構成される。
上記の光ファイバ増幅器では、信号光ではなく励起光を伝送する第３の光ファイバが細径化された部分（細径部）を含み、当該細径部において、各コア間の距離が他の部分での各コア間の距離よりも短くなるように構成され、第３の光ファイバの何れかのコアに励起光源から入射された励起光が他のコアにモード結合して励起光を分配するように構成されている。この態様によれば、信号光が入射されて信号増幅を行う第２の光ファイバではなく、励起光を伝送する第３の光ファイバにおいて、何れかのコアに入射された励起光を他のコアにモード結合させるため、第２の光ファイバを伝搬する信号光のモード結合を抑制することができる。このため、この光ファイバ増幅器によれば、ＭＣＦによって伝送される信号光を効率よく増幅することが可能である。また、この光ファイバ増幅器では、第３の光ファイバの何れかのコアに入射された励起光を他のコアにモード結合するようになっているため、励起光源であるレーザダイオード（ＬＤ）を１つ又は少数に抑えるといったことが可能となる。更に、第３の光ファイバにおいて予め他のコアにモード結合によって励起光を分配しているため、第３の光ファイバから励起光を受ける第２の光ファイバの各コアに対して、より均一な励起光を入射させることができる。
上記の光ファイバ増幅器では、第３の光ファイバの各コア間の距離が等しくてもよい。この場合、第３の光ファイバの各コア間の距離が等しいため、励起光源から１のコアに入射された励起光を他のコアにモード結合によって分配する際、各コアに分配される励起光の光パワーを均一なものにすることができる。
上記の光ファイバ増幅器では、第３の光ファイバの各コアの設計が同一であってもよい。この場合、第３の光ファイバの各コアの設計が同一であるため、励起光源から１のコアに入射された励起光を他のコアにモード結合によって分配する際、各コアに分配される励起光の光パワーを均一なものにすることができる。ここでいう「コア設計が同一である」とは、例えば、第３のファイバにおける各コアのモードフィールド径（以下、「ＭＦＤ」とも略す）の設計値が互いに同一であることを意味する。
上記の光ファイバ増幅器では、第３の光ファイバの複数のコアには、当該光ファイバの中心軸上に配置される中央コアが含まれ、当該中央コアに励起光源からの励起光が入射されてもよい。この場合、励起光源と第３の光ファイバの中央コアとの光結合を容易に行うことができる。また、励起光が入射されるコアが中央コアであることから、その外周に位置する外周コアへの光分配を均一化するのが容易である。
上記の光ファイバ増幅器では、第１の光ファイバの各コアと第２の光ファイバの各コアと第３の光ファイバの各コアとは、少なくとも周方向に沿った外周コアの配置が互いに相似していてもよい。この場合、第１の光ファイバと第２の光ファイバとの結合、及び、第３の光ファイバと第２の光ファイバとの結合を空間結合系によって容易に実現することができる。
上記の光ファイバ増幅器では、第１、第２及び第３の光ファイバは、断面視した際に周方向に沿った外周コアの隣接コア間距離が等しい多角格子形状となるように構成されていてもよい。この場合、すべてのコアへの光分配における均一化を容易に実現することができる。
上記の光ファイバ増幅器では、第１及び第２のフィルタは、１の波長分割多重フィルタから構成されてもよい。この場合、この１の波長多分分割フィルタにより、第１の光ファイバから出射される信号光を透過又は反射により第２の光ファイバに入射させ、且つ、第３の光ファイバから出射される励起光を反射又は透過により第２の光ファイバに入射させることにより、前方励起の光ファイバ増幅器を構成することができる。また、第２のフィルタは、１の波長分割多重フィルタから構成されてもよい。この場合、後方励起の光ファイバ増幅器を構成することができる。
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る光ファイバ増幅器の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図１は、一実施形態に係る光ファイバ増幅器の概略構成を示す図である。図１に示すように、光ファイバ増幅器１は、マルチコアファイバで信号光を伝送する光通信システムにおいて使用される光増幅器であり、信号伝送用の光ファイバ１０Ａ，１０Ｂ、コリメートレンズ１２，１４、信号増幅用の光ファイバ２０、一対のコリメートレンズ２２，２４、励起光用の光ファイバ３０、コリメートレンズ３５、波長分割多重フィルタ（以下、「ＷＤＭフィルタ」とも記す）４０、及び、利得等価フィルタ４２、を備えている。図１では、各光ファイバ１０Ａ，１０Ｂ，２０，３０の上方又は横に各光ファイバの断面構成を示している。
光ファイバ１０Ａ，１０Ｂは、光通信用の信号光ｓを伝送するように構成された光ファイバであり、それぞれが、中央コア１０ａと、中央コア１０ａを取り巻くように配置される外周コア１０ｂ～１０ｇと、コア１０ａ～１０ｇを覆うクラッド１１と、を有している。光ファイバ１０Ａ，１０Ｂでは、コア１０ａ～１０ｇの屈折率がクラッド１１の屈折率よりも高く構成されており、これにより、コア１０ａ～１０ｇ内を信号光ｓが伝搬する。光ファイバ１０Ａ，１０Ｂでは各コア１０ａ～１０ｇが同一設計により作成されており、各コア１０ａ～１０ｇは、信号光ｓをその中に伝搬する際のモードフィールド径として共通の「ＭＦＤ１ｓ」を有している。また、各コア１０ａ～１０ｇは、その中心間の距離であるコアピッチ「Ｐ１」が均等になるように配置されている。即ち、外周コア１０ｂ～１０ｇにおいては、隣接するコア間におけるコア中心間の距離がすべて「Ｐ１」であり、中央コア１０ａにおいては、中央コア１０ａと各外周コア１０ｂ～１０ｇとの間のコア中心間の距離がすべて「Ｐ１」である。以下のコアピッチにおける均等も同様の意味である。なお、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂに含まれるコアの数は複数であればよく、中央コア１０ａを有しなくてもよく、又は、中央コア１０ａに信号光ｓを通さないように構成されていてもよい。この場合、コアピッチ「Ｐ１」は、外周コア１０ｂ～１０ｇにおけるコアピッチを意味する。また、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂによって伝送される信号光ｓは、例えば１．５５μｍ帯の波長を有する光である。
コリメートレンズ１２は、増幅前の信号光ｓの入射側において、光ファイバ１０Ａの出射面１０ｈに対向して配置され、光ファイバ１０Ａから入射された光をＷＤＭフィルタ４０に向かって集光する。コリメートレンズ１２は、信号光ｓを透過させる際の焦点距離として「ｆ１ｓ」を有している。コリメートレンズ１４は、増幅後の信号光ｓの出射側において、光ファイバ１０Ｂの入射面１０ｉに対向して配置され、光ファイバ２０で増幅されてフィルタ４２で利得等価された信号光ｓを光ファイバ１０Ｂに向かってコリメートする。コリメートレンズ１４は、コリメートレンズ１２と同様の焦点距離「ｆ１ｓ」を有していてもよい。
光ファイバ２０は、希土類元素（例えばエルビウム）がコア２０ａ～２０ｇに添加され、光ファイバ１０Ａからの信号光ｓを内部で伝搬する際に光ファイバ３０からの励起光ｐによってその信号光ｓを増幅させる光ファイバである。光ファイバ２０は、中央コア２０ａと、中央コア２０ａを取り巻くように配置される外周コア２０ｂ～２０ｇと、コア２０ａ～２０ｇを覆うクラッド２１と、を有している。光ファイバ２０では、コア２０ａ～２０ｇの屈折率がクラッド２１の屈折率より高く構成されており、これにより、コア２０ａ～２０ｇ内を信号光ｓや励起光ｐが伝搬する。光ファイバ２０では、各コア２０ａ～２０ｇが同一設計により作成されており、各コア２０ａ～２０ｇは、信号光ｓをその中に伝搬する際のモードフィールド径として共通の「ＭＦＤ２ｓ」と、励起光ｐをその中に伝搬する際のモードフィールド径として共通の「ＭＦＤ２ｐ」とを有している。また、各コア２０ａ～２０ｇは、その中心間の距離であるコアピッチ「Ｐ２」が均等になるように配置されている。なお、光ファイバ２０に入射される励起光は、例えば０．９８μｍ帯の波長を有する光であってもよく、また、１．４８μｍ帯の波長を有する光であってもよい。
光ファイバ２０では、コア２０ａ～２０ｇは、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂのコア１０ａ～１０ｇの配置に相似するように配置されている。即ち、中央コア１０ａに対応するように中央コア２０ａは光ファイバ２０の中心軸上に配置され、外周コア１０ｂ～１０ｇそれぞれに対応するように外周コア２０ｂ～２０ｇは、外周コア１０ｂ～１０ｇの配置角度と同じ角度で配置される。一例として、外周コア１０ｂ～１０ｇ及び２０ｂ～２０ｇは、隣接する２つのコアと中心軸とを結ぶ角度がそれぞれ均等となるように配置される。一方、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂと光ファイバ２０とでは、ファイバピッチ「Ｐ１」とファイバピッチ「Ｐ２」とが異なり、例えば、ファイバピッチ「Ｐ２」のほうがファイバピッチ「Ｐ１」よりも小さくなるように構成されている。なお、光ファイバ２０に含まれるコアの数は複数であればよく、中央コア２０ａを有しなくてもよく、また、コアの数は上記に限定されず、他の数であってもよいが、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂのコア１０ａ～１０ｇ（又は１０ｂ～１０ｇ）に対応した数のコアであることが好ましい。
コリメートレンズ２２は、光ファイバ２０の入射面２０ｈに対向して配置され、光ファイバ１０Ａから出射されてＷＤＭフィルタ４０で集光された信号光ｓを光ファイバ２０に向かってコリメートする。コリメートレンズ２４は、光ファイバ２０の出射面２０ｉに対向した配置され、光ファイバ２０で増幅されて出射される光をフィルタ４２に向かって集光する。コリメートレンズ２２，２４は、信号光ｓを透過させる際の焦点距離として「ｆ２ｓ」を有し、励起光ｐを透過させる際の焦点距離として「ｆ２ｐ」を有している。
光ファイバ３０は、光ファイバ２０での信号増幅に用いられる励起光ｐを伝送する光ファイバであり、中央コア３０ａと、中央コア３０ａを取り巻くように配置される外周コア３０ｂ～３０ｇと、コア３０ａ～３０ｇを覆うクラッド３１と、を有している。光ファイバ３０では、コア３０ａ～３０ｇの屈折率がクラッド３１の屈折率より高く構成されており、これにより、コア３０ａ～３０ｇ内を励起光ｐが伝搬する。光ファイバ３０では、各コア３０ａ～３０ｇが同一設計により作成されており、各コア３０ａ～３０ｇは、励起光ｐをその中に伝搬する際のモードフィールド径として共通の「ＭＦＤ３ｐ」を有している。また、各コア３０ａ～３０ｇは、その中心間の距離であるコアピッチ「Ｐ３」が均等になるように配置されている。
光ファイバ３０では、コア３０ａ～３０ｇは、光ファイバ２０のコア２０ａ～２０ｇの配置に相似するように配置されている。即ち、中央コア２０ａに対応するように中央コア３０ａは光ファイバ３０の中心軸上に配置され、外周コア２０ｂ～２０ｇそれぞれに対応するように外周コア３０ｂ～３０ｇは、六角格子形状（多角格子形状）で且つ外周コア２０ｂ～２０ｇの配置角度と同じ角度で配置される。一例として、外周コア２０ｂ～２０ｇ及び３０ｂ～３０ｇは、隣接する２つのコアと中心軸とを結ぶ角度がそれぞれ均等となるように配置される。一方、光ファイバ３０と光ファイバ２０とでは、ファイバピッチ「Ｐ３」とファイバピッチ「Ｐ２」とが異なり、例えば、ファイバピッチ「Ｐ２」のほうがファイバピッチ「Ｐ３」よりも小さくなるように構成されている。このように、光ファイバ２０の各コア２０ａ～２０ｇの配置は、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂの各コア１０ａ～１０ｇの配置及び光ファイバ３０の各コア３０ａ～３０ｇの配置の両方に相似している。
光ファイバ３０は、その軸方向に沿って、励起光ｐが入射される入射部３２と、入射部３２よりも細径化された細径部３３と、細径部３３よりも拡径され入射部３２と略同一外径であり励起光ｐを光ファイバ２０に向けて出射する出射部３４とを、順に有している。細径部３３では、各コア３０ａ～３０ｇ間の距離が入射部３２又は出射部３４での各コア３０ａ～３０ｇ間の距離よりも短くなるように構成されている。このため、光ファイバ３０では、例えば励起光源５０（例えばレーザーダイオード（ＬＤ））から中央コア３０ａに励起光が入射されると、細径部３３において、中央コア３０ａが外周コア３０ｂ～３０ｇにモード結合して励起光ｐが外周コア３０ｂ～３０ｇへと分配される。コア３０ａ～３０ｇの各コア間の距離及び各コアのＭＦＤが等しいことから、励起光ｐの光パワーが全コア３０ａ～３０ｇに均等に分配される。励起光源５０から入射される励起光ｐは、中央コア３０ａではなく、他の外周コア３０ｂ～３０ｇの内の何れかのコアに入射されてもよい。この場合でも、励起光ｐが入射されたコアから他のコアへと励起光ｐを分配することが可能である。但し、中央コア３０ａに入射したほうが、細径部３３の長さを短くするといったことが可能となる。なお、上述したコアピッチ「Ｐ３」は、出射部３４（又は入射部３２）での各コア３０ａ～３０ｇ間のピッチを意味し、細径部３３でのコアピッチは「Ｐ３」よりも短くなっている。
コリメートレンズ３５は、光ファイバ３０の出射面３０ｈに対向して配置され、光ファイバ３０の出射部３４から入射された励起光ｐをＷＤＭフィルタ４０に向かって集光する。コリメートレンズ３５は、励起光ｐを透過させる際の焦点距離として「ｆ３ｐ」を有している。
ＷＤＭフィルタ４０は、光ファイバ１０Ａと光ファイバ２０との光路上に配置され、光ファイバ１０Ａから出射される信号光ｓを透過により光ファイバ２０に入射させる。この際、ＷＤＭフィルタ４０は、信号光ｓ以外の波長の光は透過させない。また、ＷＤＭフィルタ４０は、光ファイバ３０と光ファイバ２０との光路上に配置され、光ファイバ３０から出射される励起光ｐを反射により光ファイバ２０に入射させる。ＷＤＭフィルタ４０は、光ファイバ１０Ａから出射される信号光ｓを反射により光ファイバ２０に入射させ、光ファイバ３０から出射される励起光ｐを透過により光ファイバ２０に入射させるフィルタであってもよい。
フィルタ４２は、光ファイバ２０と光ファイバ１０Ｂとの光路上に配置され、光ファイバ２０で増幅された信号光ｓを透過させると共に、光ファイバ２０での増幅に使用された励起光ｐ等を反射して戻す利得等価フィルタである。
このような光ファイバ増幅器１では、信号光ｓを光結合するための空間光学系として、光ファイバ１０Ａから出射される信号光ｓをコリメートレンズ１２によって集光し、ＷＤＭフィルタ４０によって信号光ｓの波長の光のみを透過し、コリメートレンズ２２によって透過信号光ｓをコリメートして光ファイバ２０に入射するように、光ファイバ１０Ａ、コリメートレンズ１２、ＷＤＭフィルタ４０、コリメートレンズ２２、及び、光ファイバ２０を配置する。また、励起光ｐを光結合するための空間光学系として、光ファイバ３０から出射される励起光ｐをコリメートレンズ３５によって集光し、ＷＤＭフィルタ４０によって励起光ｐを反射し、コリメートレンズ２２によって反射励起光ｐをコリメートして光ファイバ２０に入射するように、光ファイバ３０、コリメートレンズ３５、ＷＤＭフィルタ４０、コリメートレンズ２２、及び、光ファイバ２０を配置する。
ここで、光ファイバ１０Ａと光ファイバ２０との光結合、及び、光ファイバ３０と光ファイバ２０との光結合について、図１を参照して、より詳細に説明する。図１に示すように、光を出射する側の光ファイバ１０Ａと光が入射される光ファイバ２０とは、例えば２つのコリメートレンズ１２，２２といった空間光学系により光結合される。図１に示す例では、光ファイバ１０Ａのコアピッチ「Ｐ１」及びモードフィールド径「ＭＦＤ１ｓ」は光ファイバ２０のコアピッチ「Ｐ２」及びモードフィールド径「ＭＦＤ２ｓ」よりも大きくなっており、また、コリメートレンズ１２の信号光Ｓでの焦点距離「ｆ１ｓ」は、コリメートレンズ２２の信号光Ｓでの焦点距離「ｆ２ｓ」よりも大きくなっている。つまり、光ファイバ１０Ａのコア１０ａ～１０ｇと光ファイバ２０のコア２０ａ～２０ｇとは、互いにその配置が相似形ではあるものの、コアピッチやモードフィールド径が異なっている。このため、光ファイバ１０Ａと光ファイバ２０とを理想的に（接続損失なく）結合するには、以下の式（１）及び式（２）を満たす必要がある。
レンズ倍率Ｍ１２＝ｆ２ｓ／ｆ１ｓ・・・（１）
レンズ倍率Ｍ１２＝Ｐ２／Ｐ１＝ＭＦＤ２ｓ／ＭＦＤ１ｓ・・・（２）
なお、ここで用いる「Ｍ１２」は、コリメートレンズ１２，２２によるレンズ倍率を示す。また、「ｆ１ｓ」は、信号光ｓ波長でのコリメートレンズ１２の焦点距離であり、「ｆ２ｓ」は、信号光ｓ波長でのコリメートレンズ２２の焦点距離である。「Ｐ１」は、光ファイバ１０のコアピッチであり、「ＭＦＤ１ｓ」は、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂの信号光ｓ波長での各コアのモードフィールド径である。「Ｐ２」は、光ファイバ２０のコアピッチであり、「ＭＦＤ２ｓ」は、光ファイバ２０の信号光ｓ波長での各コアのモードフィールド径である。
同様に、光ファイバ３０と光ファイバ２０との光結合についても、光ファイバ３０のコア３０ａ～３０ｇと光ファイバ２０のコア２０ａ～２０ｇとは、互いにその配置が相似形ではあるものの、コアピッチやモードフィールド径が異なっている。このため、光ファイバ３０と光ファイバ２０とを理想的に（接続損失なく）結合するには、以下の式（３）及び式（４）を満たす必要がある。
レンズ倍率Ｍ３２（ｐ）＝ｆ２ｐ／ｆ３ｐ・・・（３）
レンズ倍率Ｍ３２（ｐ）＝Ｐ２／Ｐ３＝ＭＦＤ２ｐ／ＭＦＤ３ｐ・・・（４）
なお、ここで用いる「Ｍ３２」は、コリメートレンズ３５，２２によるレンズ倍率を示す。また、「ｆ２ｐ」は、励起光ｐ波長でのコリメートレンズ２２の焦点距離であり、「ｆ３ｐ」は、励起光ｐ波長でのコリメートレンズ３５の焦点距離である。「ＭＦＤ２ｐ」は、光ファイバ２０の励起光ｐ波長での各コアのモードフィールド径である。「Ｐ３」は、光ファイバ３０の出射部３４（又は入射部３２）でのコアピッチであり、「ＭＦＤ３ｐ」は、光ファイバ３０の出射部３４（又は入射部３２）での励起光ｐ波長での各コアのモードフィールド径である。
光ファイバ１０Ａ及び光ファイバ３０と光ファイバ２０との空間光学系による光結合は、理想的には、上述した式（１）（２）（３）（４）の全てを満たすものが好ましいが、本実施形態では、上記関係を満たすものに加え、光ファイバ２０のＭＦＤ２ｓ及びＭＦＤ２ｐに対して、光ファイバ１０Ａ，１０ＢのＭＦＤ１ｓ及び光ファイバ３０のＭＦＤ３ｐの理想値からのズレが±２５％以下のものも含むようにしている。より好適には、光ファイバ２０のＭＦＤ２ｓ及びＭＦＤ２ｐに対して、光ファイバ１０Ａ，１０ＢのＭＦＤ１ｓ及び光ファイバ３０のＭＦＤ３ｐのズレが±２５％以下のものが含まれる。これは、この範囲のズレであれば、ＭＣＦである光ファイバを接続した際の接続損失が許容出来る範囲内であることによる。
より具体的には、光ファイバ増幅器１は、以下の条件（１）～（４）を満たすように構成されている。
＜光ファイバ１０Ａと光ファイバ２０との光結合＞
条件（１）：光ファイバ１０Ａの各コア１０ａ～１０ｇの信号光ｓでのＭＦＤ１ｓのそれぞれは、光ファイバ２０において対応するコア２０ａ～２０ｇの信号光ｓでのＭＦＤ２ｓ×（Ｐ１／Ｐ２）の±２５％以内の値である。
条件（２）：光ファイバ１０Ａの各コア１０ａ～１０ｇの信号光ｓでのＭＦＤ１ｓのそれぞれは、光ファイバ２０において対応するコア２０ａ～２０ｇの信号光ｓでのＭＦＤ２ｓ×（ｆ１ｓ／ｆ２ｓ）の±２５％以内の値である。
＜光ファイバ３０と光ファイバ２０との光結合＞
条件（３）：光ファイバ３０の各コア３０ａ～３０ｇの励起光ｐでのＭＦＤ３ｐのそれぞれは、光ファイバ２０において対応するコア２０ａ～２０ｇの励起光ｐでのＭＦＤ２ｐ×（Ｐ３／Ｐ２）の±２５％以内の値である。
条件（４）：光ファイバ３０の各コア３０ａ～３０ｇの励起光ｐでのＭＦＤ３ｐのそれぞれは、光ファイバ２０において対応するコア２０ａ～２０ｇの励起光ｐでのＭＦＤ２ｐ×（ｆ３ｐ／ｆ２ｐ）の±２５％以内の値である。
なお、光ファイバ２０と光ファイバ１０Ｂとの間での光結合は、光ファイバ１０Ａと光ファイバ２０との結合の場合と同様である。
このように、光ファイバ増幅器１では、信号光ｓを伝送する光ファイバ１０Ａ，１０Ｂと信号光ｓを増幅する光ファイバ２０とがコリメートレンズ１２，２２及びＷＤＭフィルタ４０等の空間光学系によって光結合されており、しかも、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂのコア１０ａ～１０ｇと光ファイバ２０のコア２０ａ～２０ｇとの配置が互いに相似している。そして、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂの各コア１０ａ～１０ｇのＭＦＤ１ｓのそれぞれは、光ファイバ２０において対応するコア２０ａ～２０ｇのＭＦＤ２ｓ×（Ｐ１／Ｐ２）の±２５％以内の値であり、且つ、光ファイバ２０において対応するコア２０ａ～２０ｇのＭＦＤ２ｓ×（ｆ１ｓ／ｆ２ｓ）の±２５％以内の値になっている。このような構成によれば、信号光ｓを伝送する光ファイバ１０Ａ，１０ＢがＭＣＦであっても、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂと光ファイバ２０との各コア間を好適に光結合して、ファイバ間での光増幅の際の接続損失を低減することができる。即ち、ＭＣＦ用の光増幅器において、ＭＦＤが異なる各光ファイバ間でも光結合効率を高くすることができる。また、空間光学系により光ファイバ１０Ａ，１０Ｂと光ファイバ２０とを結合するため、複数のコアを一括して結合でき、構成や作業をシンプルなものとすることができる。
また、光ファイバ増幅器１では、光ファイバ３０の出射部３４の各コア３０ａ～３０ｇと光ファイバ２０の各コア２０ａ～２０ｇとは、各コアの配置が互いに相似している。そして、光ファイバ３０の出射部３４の各コア３０ａ～３０ｇのＭＦＤ３ｐのそれぞれは、光ファイバ２０において対応するコア２０ａ～２０ｇのＭＦＤ２ｐ×（Ｐ３／Ｐ２）の±２５％以内の値であり、且つ、光ファイバ２０において対応するコア２０ａ～２０ｇのＭＦＤ２ｐ×（ｆ３ｐ／ｆ２ｐ）の±２５％以内の値である。この構成によれば、励起光ｐを伝送する光ファイバ３０がＭＣＦであっても、光ファイバ２０，３０の各コア間を好適に光結合して、ファイバ間での光増幅の際の接続損失を低減することができる。即ち、ＭＣＦ用の光増幅器において、ＭＦＤが異なる各光ファイバ２０，３０間でも光結合効率を高くすることができる。また、空間光学系により光ファイバ２０，３０を結合するため、複数のコアを一括して結合でき、構成や作業をシンプルなものとすることができる。
以上、本実施形態に係る光ファイバ増幅器１では、信号光ｓではなく励起光ｐを伝送する光ファイバ３０が細径部３３を含み、この細径部３３において、コア３０ａ～３０ｇ間の距離が入射部３２及び出射部３４での各コア間の距離よりも短くなるように構成されている。そして、光ファイバ３０の中央コア３０ａに励起光源５０から入射された励起光ｐが外周コア３０ｂ～３０ｇにモード結合して励起光ｐを分配するように構成されている。この実施形態によれば、信号光ｓが入射されて信号増幅を行う光ファイバ２０ではなく、励起光ｐを伝送する光ファイバ３０において、中央コア３０ａに入射された励起光ｐを外周コア３０ｂ～３０ｇにモード結合させているため、光ファイバ２０を伝搬する信号光ｓにおけるモード結合を抑制することができる。その結果、この光ファイバ増幅器１によれば、ＭＣＦによって伝送される信号光ｓを効率よく増幅することができる。また、光ファイバ増幅器１では、光ファイバ３０の中央コア３０ａに入射された励起光ｐを外周コア３０ｂ～３０ｇにモード結合するようになっているため、励起光源５０であるレーザダイオード（ＬＤ）を１つに抑えるといったことが可能となる。更に、光ファイバ３０において予め他のコアにモード結合によって励起光を分配しているため、光ファイバ２０の各コア２０ａ～２０ｇに対して、より均一な励起光を入射させることができる。
光ファイバ増幅器１では、光ファイバ３０の各コア３０ａ～３０ｇ間の距離が等しくなっている。このため、励起光源５０から１のコアに入射された励起光ｐを他のコアにモード結合によって分配する際、各コアに分配される励起光ｐの光パワーを均一なものにすることができる。
光ファイバ増幅器１では、光ファイバ３０の各コア３０ａ～３０ｇの設計が同一である。このため、励起光源５０から中央コア３０ａに入射された励起光ｐを外周コア３０ｂ～３０ｇにモード結合によって分配する際、各コアに分配される励起光ｐの光パワーを均一なものにすることができる。
光ファイバ増幅器１では、中央コア３０ａに励起光源５０からの励起光が入射されている。この場合、励起光源５０と光ファイバ３０の中央コア３０ａとの光結合を容易に行うことができる。また、励起光ｐが入射されるコアが中央コア３０ａであることから、その外周に位置する外周コア３０ｂ～３０ｇへの光分配を均一化するのが容易である。
光ファイバ増幅器１では、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂの各コア１０ａ～１０ｇと光ファイバ２０の各コア２０ａ～２０ｇと光ファイバ３０の各コア３０ａ～３０ｇとは、少なくとも周方向に沿った外周コアの配置が互いに相似している。このため、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂと光ファイバ２０との結合、及び、光ファイバ３０と光ファイバ２０との結合を空間結合系によって容易に実現することができる。
光ファイバ増幅器１では、各光ファイバ１０Ａ，１０Ｂ，２０，３０は、断面視した際に周方向に沿った外周コアの隣接コア間距離が等しい多角格子形状となるように構成されている。光ファイバ増幅器１では、この点によっても、すべてのコアへの光分配における均一化を容易に実現することができる。
なお、光ファイバ増幅器１では、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂ，２０，３０の各コア１０ａ～１０ｇ，２０ａ～２０ｇ及び３０ａ～３０ｇは、各ファイバの中心軸を中心とした直径０．１ｍｍ以内にすべて配置されていてもよい。これは、光ファイバ１０Ａ，３０等から出射される光の光路上でのオフセットが大きいと、光ファイバ２０に光結合する際に軸ずれとなり、光結合効率が低下してしまうことを抑制する。好適には、各光ファイバ１０Ａ，１０Ｂ，２０，３０の外周コアを、各ファイバの中心軸を中心とした直径０．１ｍｍ以内にすべて配置することにより、光路のオフセットを小さくして、その影響を低減することが可能である。この構成によれば、信号光ｓ等の光がＷＤＭフィルタ４０を透過等する際に発生する光路のオフセットを抑制することができ、これにより、光路のオフセットに伴って生じる光結合効率の低下を抑制することができる。なお、フィルタ４２においても同様である。
光ファイバ増幅器１では、光ファイバ２０の外周コア２０ｂ～２０ｇは、光ファイバ１０Ａ，１０Ｂの外周コア１０ｂ～１０ｇよりも中心軸に近くなるように配置されていてもよい。増幅用の光ファイバ２０のＭＦＤは他の光ファイバのＭＦＤに比べて小さく構成することが多く、回転角度ずれによる軸ずれの影響を受けやすいが、本構成のように中央寄りに配置することで、回転角度ずれによる軸ずれ量を相対的に小さくすることができる。その結果、光ファイバ２０での接続損失を更に低減することができる。
以上、本実施形態に係る光ファイバ増幅器について説明してきたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、種々の変形を適用することができる。例えば、上記実施形態では、前方励起の光ファイバ増幅器１を例示したが、図２に示すような後方励起の光ファイバ増幅器１ａであってもよい。後方励起の光ファイバ増幅器１ａでは、図２に示すように、増幅用の光ファイバ２０の信号光ｓの入射（端面２０ｈ）側では、利得等価フィルタであるフィルタ４２を介して光ファイバ１０Ａが光結合されており、励起光用の光ファイバ３０が光ファイバ２０に光結合されていない。一方、光ファイバ２０の信号光ｓの出射（端面２０ｉ）側において、光ファイバ３０は、ＷＤＭフィルタ４０を介して光ファイバ２０に光結合されており、ＷＤＭフィルタ４０を介して励起光ｐが光ファイバ２０の端面２０ｉ側から入射されて、信号光ｓが増幅される。後方励起の光ファイバ増幅器１ａでの増幅方法については、当業者には自明であり、ここではその詳細な説明を省略するが、光ファイバ増幅器１と同様に、上述した式（１）～（４）及び条件（１）～（４）を満たす限り、ＭＣＦの接続に伴う接続損失を低減することが可能である。また、この変形例でも光ファイバ３０には細径部３３が設けられており、中央コア３０ａに入射された励起光ｐが細径部３３において外周コア３０ｂ～３０ｇへ好適に分配されて、その後、光ファイバ２０の各コア２０ａ～２０ｇに励起光ｐが入射される。
また、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１，１ａ…光ファイバ増幅器、１０Ａ，１０Ｂ，２０，３０…光ファイバ、１０ａ，２０ａ，３０ａ…中央コア、１０ｂ～１０ｇ，２０ｂ～２０ｇ，３０ｂ～３０ｇ…外周コア、１１，２１，３１…クラッド、１２，１４，２２，２４，３５…コリメートレンズ、３２…入射部、３３…細径部、３４…出射部、４０…ＷＤＭフィルタ、４２…フィルタ、５０…励起光源、ｐ…励起光、ｓ…信号光。

Claims (8)

  1. 複数のコアと当該複数のコアを覆うクラッドとを有し、信号光を伝送するように構成された第１の光ファイバと、
    前記第１の光ファイバの出射面に対向して配置される第１のレンズと、
    複数のコアと当該複数のコアを覆うクラッドとを有し、希土類元素が添加され、内部を伝搬する前記信号光を励起光により増幅する第２の光ファイバと、
    前記第２の光ファイバの入出射面に対向してそれぞれが配置される第２のレンズと、
    複数のコアと当該複数のコアを覆うクラッドとを有し、前記第２の光ファイバでの信号増幅に用いられる前記励起光を伝送する第３の光ファイバと、
    前記第３の光ファイバの出射面に対向して配置される第３のレンズと、
    前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとの光路上に配置され、前記第１の光ファイバから出射される前記信号光を透過又は反射により前記第２の光ファイバに入射させる第１のフィルタと、
    前記第３の光ファイバと前記第２の光ファイバとの光路上に配置され、前記第３の光ファイバから出射される前記励起光を反射又は透過により前記第２の光ファイバに入射させる第２のフィルタと、
    前記第３の光ファイバに前記励起光を入射するように構成された励起光源と、
    を備え、
    前記第１の光ファイバ、前記第１のレンズ、前記第１のフィルタ、前記第２のレンズの一方、及び、前記第２の光ファイバは、前記第１の光ファイバから出射される前記信号光が前記第１のレンズ、前記第１のフィルタ及び前記第２のレンズの一方を介して前記第２の光ファイバに入射されるように、配置され、
    前記第３の光ファイバ、前記第３のレンズ、前記第２のフィルタ、前記第２のレンズの一方又は他方、及び、前記第２の光ファイバは、前記第３の光ファイバから出射される前記励起光が前記第３のレンズ、前記第２のフィルタ及び前記第２のレンズの一方又は他方を介して前記第２の光ファイバに入射されるように、配置され、
    前記第３の光ファイバは、前記励起光源から前記励起光が入射される入射部と、前記励起光を前記第２の光ファイバに向けて出射する出射部と、前記入射部及び前記出射部の間であって前記入射部及び前記出射部よりも細径化された細径部とを含み、当該細径部において、各コア間の距離が前記入射部及び前記出射部での各コア間の距離よりも短くなるように構成され、前記第３の光ファイバの何れかのコアに前記励起光源から入射された前記励起光が他のコアにモード結合して前記励起光を分配するように構成される、
    光ファイバ増幅器。
  2. 前記第３の光ファイバの各コア間の距離が等しい、
    請求項１に記載の光ファイバ増幅器。
  3. 前記第３の光ファイバの各コアの設計が同一である、
    請求項１又は請求項２に記載の光ファイバ増幅器。
  4. 前記第３の光ファイバの前記複数のコアには、当該光ファイバの中心軸上に配置される中央コアが含まれ、当該中央コアに前記励起光源からの前記励起光が入射される、
    請求項１～請求項３の何れか１項に記載の光ファイバ増幅器。
  5. 前記第１の光ファイバの各コアと前記第２の光ファイバの各コアと前記第３の光ファイバの各コアとは、少なくとも周方向に沿った外周コアの配置が互いに相似している、
    請求項１～請求項４の何れか１項に記載の光ファイバ増幅器。
  6. 前記第１、第２及び第３の光ファイバは、断面視した際に周方向に沿った外周コアの隣接コア間距離が等しい多角格子形状となるように構成されている、
    請求項１～請求項５の何れか１項に記載の光ファイバ増幅器。
  7. 前記第１及び第２のフィルタは、１の波長分割多重フィルタから構成される、
    請求項１～請求項６の何れか１項に記載の光ファイバ増幅器。
  8. 前記第２のフィルタは、１の波長分割多重フィルタから構成される、
    請求項１～請求項６の何れか１項に記載の光ファイバ増幅器。
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