JP7276476B2

JP7276476B2 - 光増幅器

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Publication number: JP7276476B2
Application number: JP2021548086A
Authority: JP
Inventors: 真一青笹; 泰志坂本; 和秀中島; 雅樹和田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2023-05-18
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: US20220337020A1; WO2021059441A1; JPWO2021059441A1

Description

本開示は、空間多重（マルチコア又はマルチモード）光ファイバを用いた光通信システムに配置される光増幅器に関する。

シングルモード光ファイバの光通信システムでは光信号を電気に変換することなく、光信号のまま増幅を行う光増幅器が実用化されている。空間多重光ファイバを用いた光通信システムにおいても、同様に空間多重型の光増幅器が期待されている（例えば、非特許文献１を参照。）。

空間多重用の光増幅器として励起光を増幅用のコアに個別に供給する構成（コア励起構成）と、クラッドに供給する構成（クラッド励起構成）が知られている。クラッド励起構成は、クラッド内を伝搬する複数の空間チャネルを同時に増幅することができ、コア励起構成に比べ構成を簡易にすることができる。さらに、クラッド励起構成は、コア励起用の光増幅器を空間チャネル数分用いる構成に比べ消費電力の抑制も期待されている（例えば、非特許文献２を参照。）。また、クラッド励起構成は、光源としてマルチモードＬＤを使用することができ、光源としてシングルモードレーザダイオード（ＬＤ）を採用しなければならないコア励起構成より光電変換効率を高めることができる。

Ｍ．Ｗａｄａｅｔａｌ．， "ＲｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎＳＤＭａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，" Ｗｅ１Ｅ．３，Ｐｒｏｃ．ＥＣＯＣ，（２０１８）．Ｓ．Ｊａｉｎｅｔａｌ．， "３２－ｃｏｒｅｅｒｂｉｕｍ／ｙｔｔｅｒｂｉｕｍｄｏｐｅｄｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅｆｉｂｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｆｏｒｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｐａｃｅ－ｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，" Ｏｐｔｉｃｓｅｘｐｒｅｓｓ，２５（２６），（２０１７）．Ｋ．Ｓ．Ａｂｅｄｉｎｅｔａｌ．， "Ｃｌａｄｄｉｎｇ－ｐｕｍｐｅｄｅｒｂｉｕｍ－ｄｏｐｅｄｍｕｌｔｉｃｏｒｅｆｉｂｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ，" Ｏｐｔｉｃｓｅｘｐｒｅｓｓ，２０（１８），（２０１２）．

しかしながら、クラッド励起構成は、クラッドに入射した励起光のうちコアに結合しなかった光については光信号の増幅に用いられず、コア励起構成に比べ増幅効率が劣るという課題があった。例えば、非特許文献３の６コアＥＤＦＡでは、励起光１０．６Ｗに対し、信号光出力強度が１コア当たり３２ｍＷであることから、光変換効率は２％程度にすぎない。

そこで、本発明は、前記課題を解決するために、増幅効率を向上させるクラッド励起構成の光増幅器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光増幅器は、クラッドに結合された光源からの励起光の波長を変換させるとともに、当該励起光をレーザ発振させることとした。

具体的には、本発明に係る第１の光増幅器は、
クラッドを伝搬する第１波長の第１励起光を第２波長の第２励起光に変換する励起光変換ファイバと、
前記励起光変換ファイバと接続され、前記励起光変換ファイバからクラッドに供給された前記第２励起光で信号光を光増幅する増幅用ファイバと、
２つの反射器で前記第２励起光を反射して前記励起光変換ファイバ及び前記増幅用ファイバのクラッド内を往復させ、前記第２励起光をレーザ発振させる発振器と、
を備える。

本光増幅器は、マルチモード伝搬するクラッド内の励起光を波長変換し、増幅用ファイバを含む区間で励起光をレーザ発振させ、励起光の光強度を増強している。このため、本光増幅器は、光強度が強くなった励起光で信号光を増幅することができ、一般的なクラッド励起構成に比べ増幅効率が向上する。

従って、本発明は、増幅効率を向上させるクラッド励起構成の光増幅器を提供することができる。

また、本発明に係る第２の光増幅器は、
クラッドを伝搬する第１波長の第１励起光を第２波長の第２励起光に変換し、前記クラッド内の前記第２励起光で信号光を光増幅する増幅用ファイバと、
２つの反射器で前記第２励起光を反射して前記増幅用ファイバのクラッド内を往復させ、前記第２励起光をレーザ発振させる発振器と、
を備える。

本光増幅器は、増幅用ファイバ内でマルチモード伝搬するクラッド内の励起光を波長変換するとともに、増幅用ファイバ内で励起光をレーザ発振させ、励起光の光強度を増強している。このため、本光増幅器は、光強度が強くなった励起光で信号光を増幅することができ、一般的なクラッド励起構成に比べ増幅効率が向上する。さらに、本光増幅器は、第１の光増幅器より構造が簡易になる。

本発明に係る第２の光増幅器の前記増幅用ファイバのクラッドは、コアの周囲の第１クラッド領域、及び前記第１クラッド領域を覆う第２クラッド領域を有し、前記第１クラッド領域が前記第１励起光を前記第２励起光に変換するとしてもよい。増幅用ファイバ内において第２励起光の伝搬モードを限定し、信号光の光増幅を安定化することができる。

本発明に係る第２の光増幅器の前記増幅用ファイバは、マルチコアファイバ又はマルチモードファイバであるとしてもよい。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明は、増幅効率を向上させるクラッド励起構成の光増幅器を提供することができる。

本発明に係る光増幅器を説明する図である。本発明に係る光増幅器を説明する図である。本発明に係る光増幅器の増幅用ファイバを説明する図である。（Ａ）は励起光変換ファイバの断面構造、（Ｂ）は屈折率又は希土類濃度分布を説明する図である。本発明に係る光増幅器の増幅用ファイバを説明する図である。（Ａ）は励起光変換ファイバの断面構造、（Ｂ）は屈折率又は希土類濃度分布を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、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符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図１は、本実施形態の光増幅器３０１を説明する図である。光増幅器３０１は、
クラッドを伝搬する第１波長の第１励起光Ｌ１を第２波長の第２励起光Ｌ２に変換する励起光変換ファイバ１１と、
励起光変換ファイバ１１と接続され、励起光変換ファイバ１１からクラッドに供給された第２励起光Ｌ２で信号光Ｌｓを光増幅する増幅用ファイバ１３と、
２つの反射器１５で第２励起光Ｌ２を反射して励起光変換ファイバ１１及び増幅用ファイバ１３のクラッド内を往復させ、第２励起光Ｌ２をレーザ発振させる発振器１２と、
を備える。

光増幅器３０１は、第１励起光Ｌ１を発生する光源（不図示）、信号光Ｌｓと第１励起光Ｌ１を合波する合波器２０、第１励起光Ｌ１を吸収し異なる波長の第２励起光Ｌ２を発生する励起光変換ファイバ１１、合波器２０の後段に配置された信号光Ｌｓを光増幅する増幅用ファイバ、及び第２励起光Ｌ２を共振するために励起光変換ファイバ１１の前段と増幅用ファイバ１３の後段に配置された２つの反射器１５からなる発振器１２から構成される。

増幅用ファイバ１３は、例えば、エルビウム添加マルチコアファイバ（ＥＤＦ）である。励起光変換ファイバ１１は、例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）添加マルチモードファイバである。なお、本実施形態では、増幅用ファイバ１３がマルチコア光ファイバで説明するが、マルチモード光ファイバでも同様である。

なお、本発明に係る光増幅器の光ファイバは、添加されるイオンの種類に限定されない。また、励起光変換ファイバ１１、増幅用ファイバ１３、及びこれらを接続する光ファイバは充実型構造であってもフォトニック結晶ファイババンドギャップファイバなどの空孔型構造であっても構わない。なお、励起光変換ファイバ１１はクラッド内を第１励起光Ｌ１が伝搬できるように２段クラッド構造である。さらに、励起光変換ファイバ１１は、接続損失の観点から光源から第１励起光Ｌ１を励起光変換ファイバ１１まで伝搬するマルチモードファイバと同種であることが望ましい。

光源は、第１励起光Ｌ１（例えば波長０．９２μｍ）をマルチモードで出力するマルチモードＬＤである。励起光変換ファイバ１１は、第１励起光Ｌ１を吸収して異なる波長（例えば波長０．９８μｍ）へ変換する。合波器２０は、励起光変換ファイバ１１で波長変換された光（第２励起光Ｌ２）と信号光Ｌｓとを合波して増幅用ファイバ１３に入射する。励起光変換ファイバ１１で波長変換された光（第２励起光Ｌ２）は増幅用ファイバ１３のクラッドへ、信号光Ｌｓは増幅用ファイバ１３のそれぞれのコアへ入射される。

光増幅器３０１は、反射器１５を励起光変換ファイバ１１の前段と増幅用ファイバ１３の後段に配置しており、励起光変換ファイバ１１で波長変換された光を励起光変換ファイバ１１と増幅用ファイバ１３のクラッド内でレーザ発振させて第２励起光Ｌ２とする。反射器１５は光ファイバのクラッド内にブラッググレーティングや特定の波長の光のみを反射する空間フィルタを形成することによって実現する。なお、信号光Ｌｓは増幅用ファイバ１３のコアを伝搬するため、反射器１５を透過して出力される。

第２励起光Ｌ２が反射器１５の間を往復することによって何度も増幅用ファイバ１３の増幅に再利用されることから、増幅用ファイバ１３での増幅効率が向上する。光増幅器３０１は、上述のように光源の光電変換効率の良いマルチモードＬＤからの光を何度も増幅に利用することで増幅効率を高めることができる。従って、光増幅器３０１は、クラッド励起構成でありながら増幅効率を向上させることができる。

（実施形態２）
図２は、本実施形態の光増幅器３０２を説明する図である。光増幅器３０２は、
クラッドを伝搬する第１波長の第１励起光Ｌ１を第２波長の第２励起光Ｌ２に変換し、前記クラッド内の第２励起光Ｌ２で信号光を光増幅する増幅用ファイバ１４と、
２つの反射器１５で第２励起光Ｌ２を反射して増幅用ファイバ１４のクラッド内を往復させ、第２励起光Ｌ２をレーザ発振させる発振器１２と、
を備える。

光増幅器３０１は、信号光Ｌｓと第１励起光Ｌ１を合波する合波器２０、第１励起光Ｌ１を発生する光源（不図示）、第１励起光Ｌ１を吸収し異なる波長の励起光Ｌ２を発生するとともに第２励起光Ｌ２で信号光Ｌｓを増幅する増幅用ファイバ１４、及び励起光Ｌ２を共振するために信号用ファイバ１４の前後に配置された２つの反射器１５から構成される。

増幅用ファイバ１４は、希土類イオンを添加されたマルチコアファイバである。希土類は、例えば、エルビウム（Ｅｒ）とイッテルビウム（Ｙｂ）である。本発明に係る光増幅器の光ファイバは、添加されるイオンの種類に限定されない。図３（Ａ）は増幅用ファイバ１４の断面を説明する図である。１４ａはクラッド、１４ｂはコア、１４ｃは被覆（第２クラッド）である。増幅用ファイバ１４はクラッド内を第２励起光Ｌ２が伝搬できるように２段クラッド構造である。図３（Ｂ）は増幅用ファイバ１４の希土類イオンの濃度分布を説明する図である。横軸は半径方向の位置、縦軸は各イオンの濃度を示している。Ａｒ１はＹｂイオンが添加されている領域とその濃度、Ａｒ２はＥｒイオン濃度又はＥｒとＹｂのイオンが添加されている領域とその濃度を示している。

なお、本実施形態では、マルチコア光ファイバで説明するが、マルチモード光ファイバでも同様である。また、増幅用ファイバ１４、及びこれらを接続する光ファイバは充実型構造であってもフォトニック結晶ファイババンドギャップファイバなどの空孔型構造であっても構わない。さらに、光源から増幅用ファイバ１４までの光ファイバは、マルチモードファイバである。

光源は、実施形態１で説明した光増幅器３０１の光源と同じである。合波器２０は、光源からの光（第１励起光Ｌ１）と信号光Ｌｓとを合波して増幅用ファイバ１４に入射する。光源からの光（第１励起光Ｌ１）は増幅用ファイバ１４のクラッドへ、信号光Ｌｓは増幅用ファイバ１４のそれぞれのコアへ入射される。増幅用ファイバ１４は、第１励起光Ｌ１を吸収して異なる波長（例えば波長０．９８μｍ）へ変換する。

光増幅器３０２は、反射器１５を増幅用ファイバ１４の両端に配置しており、第１励起光Ｌ１を波長変換した光を増幅用ファイバ１４のクラッド内でレーザ発振させて第２励起光Ｌ２とする。反射器１５は、実施形態１で説明した光増幅器３０１の反射器と同じである。

第２励起光Ｌ２が反射器１５の間を往復することによって何度も増幅用ファイバ１３の増幅に再利用され、増幅用ファイバ１３での増幅効率が向上することは、実施形態１で説明した光増幅器３０１の説明と同じである。従って、光増幅器３０２も、クラッド励起構成でありながら増幅効率を向上させることができる。また、光増幅器３０２は、増幅用ファイバ１４が光増幅器３０１の励起光変換ファイバ１１と増幅用ファイバ１３の機能を備えるため、増幅器の構成を簡易化できる。

図４は、増幅用ファイバ１４の他の形態を説明する図である。本形態の増幅用ファイバ１４は、クラッドが、コア１４ｂの周囲の第１クラッド領域１４ａ－１、及び第１クラッド領域１４ａ－１を覆う第２クラッド領域１４ａ－２を有し、第１クラッド領域１４ａ－１が第１励起光Ｌ１を第２励起光Ｌ２に変換することを特徴とする。

本実施形態の増幅用ファイバ１４は、図３の増幅用ファイバ１４に対してクラッド領域が第１クラッド領域１４ａ－１と第２クラッド領域１４ａ－２に分かれており、Ｙｂイオンが第１クラッド領域１４ａ－１のみに添加されている点である。増幅用ファイバ１４をこのような構成とすることで、増幅用ファイバ１４のクラッドに結合された第１励起光Ｌ１は、コア１４ｂの周囲（第１クラッド領域１４ａ－１）のみ波長変換され、発振器１２により第２励起光Ｌ２となる。増幅用ファイバ１４内で第２励起光Ｌ２が伝搬できる伝搬モード数が限定される。図４の増幅用ファイバ１４を備える光増幅器３０２は、第２励起光Ｌ２の伝搬モード数が限定されることで、図３の増幅用ファイバ１４を備える光増幅器３０２より光増幅の増幅率を安定化することができる。

［付記］
以下は、本実施形態の光増幅器を説明したものである。
（１）：本光増幅器は、
外部から入射される第１励起光を異なる波長の第２励起光に波長変換する機能を有する信号光増幅用ファイバと、第２励起光を反射する反射部とで構成される信号光増幅部と、
信号光を前記信号光増幅部に入射するための信号光合波器と、
信号光増幅部に入射する第１励起光を発生させる励起光源と、
を有することを特徴とする。

（２）：上記（１）の光増幅器は、
前記信号光増幅部が信号光増幅機能を有するコアと波長変換機能を有する元素を添加されたクラッド、及び両端の励起光反射部にて構成されている信号光増幅部を有することを特徴とする。
（３）：上記（２）の光増幅器は、
前記クラッドが波長変換機能を有するクラッド領域がコア周囲に制限されている第一クラッドと、励起光を伝搬するための第二クラッドで構成されていることを特徴とする。
（４）：上記（１）～（３）の光増幅器は、
前記信号光増幅用ファイバがエルビウム添加ファイバ光増幅器であることを特徴とする。
（５）：上記（１）～（４）の光増幅器は、
波長変換部もしくはクラッドに添加される波長変換機能を有する元素はイッテルビウムを添加した光ファイバであることを特徴とする。
（６）：上記（１）～（５）の光増幅器は、
前記反射器がファイバブラッググレーティングであることを特徴とする。
（７）：上記（１）～（６）の光増幅器は、
第１励起光の波長が９００～９６０ｎｍであって、第２励起光の波長が９６５～１０１０ｎｍであることを特徴とする。

本光増幅器は、次のような効果及び特徴を持つ。
本光増幅器は、マルチモード伝搬するクラッド励起光を波長変換及び反射器を用いて効率的に信号光増幅用ファイバに励起光を供給できる。また、第２励起光発生用ファイバの構成を工夫することによって増幅器の構成を簡易化できる。
本発明は、高効率な光増幅器を提供でき、従来用いられてきた光増幅技術に比べ低消費電力に長距離、大容量な伝送を実現することが可能となる。

１１：波長変換ファイバ
１２：発振器
１３、１４：増幅用ファイバ
１４ａ：クラッド
１４ａ－１：第１クラッド領域
１４ａ－２：第２クラッド領域
１４ｂ：コア
１４ｃ：被覆
１５：反射器
２０：合波器
３０１～３０２：光増幅器

Claims

クラッドを伝搬する第１波長の第１励起光を第２波長の第２励起光に変換する励起光変換ファイバと、
合波器を介して前記励起光変換ファイバと接続され、前記励起光変換ファイバからクラッドに供給された前記第２励起光で信号光を光増幅する増幅用ファイバと、
前記励起光変換ファイバ及び前記増幅用ファイバのそれぞれのクラッド内に配置された反射器で前記第２励起光を反射して前記励起光変換ファイバ及び前記増幅用ファイバのクラッド内を往復させ、前記第２励起光をレーザ発振させる発振器と、
を備える光増幅器であって、
前記合波器は、信号光を前記増幅用ファイバのコアに、前記励起光変換ファイバからの前記第２励起光を前記増幅用ファイバのクラッドに入射し、
前記増幅用ファイバは、マルチコアファイバ又はマルチモードファイバであること
を特徴とする光増幅器。
クラッドを伝搬する第１波長の第１励起光を第２波長の第２励起光に変換し、前記クラッド内の前記第２励起光で信号光を光増幅する増幅用ファイバと、
前記増幅用ファイバの両端のクラッド内に配置された２つの反射器で前記第２励起光を反射して前記増幅用ファイバのクラッド内を往復させ、前記第２励起光をレーザ発振させる発振器と、
を備える光増幅器であって、
前記増幅用ファイバは、マルチコアファイバ又はマルチモードファイバであること
を特徴とする光増幅器。
前記増幅用ファイバのクラッドは、コアの周囲の第１クラッド領域、及び前記第１クラッド領域を覆う第２クラッド領域を有し、
前記第１クラッド領域が前記第１励起光を前記第２励起光に変換する
ことを特徴とする請求項２に記載の光増幅器。