JP7294433B2

JP7294433B2 - 光増幅器

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Publication number: JP7294433B2
Application number: JP2021548085A
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: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: US20220337016A1; JPWO2021059440A1; WO2021059440A1

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コア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、光増幅用光ファイバの前段に光ファイバ型の励起光変換器を配置し、励起光変換器で光ファイバのクラッドへ入射されたマルチモードの励起光をコアに吸収させ、光増幅用光ファイバの励起光に変換することとした。

具体的には、本発明に係る光増幅器は、
クラッドを伝搬する第１波長の第１励起光を取り込み、第２波長の自然放出光をコア内に放出する励起光変換ファイバと、
２つの反射器で前記自然放出光を反射して前記励起光変換ファイバのコア内を往復させ、第2波長の第２励起光をレーザ発振させる発振器と、
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コア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、
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、コア内の励起光に変換している。このため、本光増幅器は、光電変換効率の高いマルチモードＬＤを光源としながらコア励起構成とすることができ、一般的なクラッド励起構成に比べ増幅効率が向上する。また、本光増幅器は、励起光の変換部が増幅器内部にあり、外部での信号光や励起光の接続などによる過剰損失を抑制できる。

従って、本発明は、増幅効率を向上させるコア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には、次のようなバリエーションがある。

本発明に係る光増幅器の前記増幅用ファイバは、前記発振器の前記２つの反射器の間に配置されていることとしてもよい。

本発明に係る光増幅器は、前記信号光の伝搬方向に、１つの前記増幅用ファイバが２つの前記励起光変換ファイバに挟まれるように直列に接続されており、
２つの前記励起光変換ファイバ毎に前記発振器が配置され、前記発振器の前記２つの反射器がそれぞれの前記励起光変換ファイバの両端に配置されていることとしてもよい。

本発明に係る光増幅器の前記増幅用ファイバは、前記発振器の前記２つの反射器の外側に２つ配置されていることとしてもよい。

本発明に係る光増幅器の前記励起光変換ファイバと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コア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励起光変換ファイバの構造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Ｙｂ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を取り込み、第２波長の自然放出光をコア内に放出する励起光変換ファイバ１１と、
２つの反射器１５で前記自然放出光を反射して励起光変換ファイバ１１のコア内を往復させ、第2波長の第２励起光Ｌ２をレーザ発振させる発振器１２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からコアに供給された第２励起光Ｌ２で信号光を光増幅する増幅用ファイバ１３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を発生する励起光変換ファイバ１１、励起光Ｌ２を共振するために励起光変換ファイバ１１の前後に配置された２つの反射器１５、及び第２励起光Ｌ２の供給により信号光Ｌｓを増幅する増幅用ファイバ１３から構成される。励起光変換ファイバ１１とその前後に配置された２つの反射器１５を含む構成を励起光変換部１０とする。

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）添加マルチコアファイバである。図５（Ａ）は励起光変換ファイバ１１の断面を説明する図である。１１ａはクラッド、１１ｂはコアである。図５（Ｂ）は励起光変換ファイバ１１のＹｂ濃度分布を説明する図である。縦軸は半径方向の位置、横軸はＹｂ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。

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。

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。また、合波器２０は、光源から出力された第１励起光Ｌ１と信号光Ｌｓとを合波して励起光変換ファイバ１１に入射する。第１励起光Ｌ１は励起光変換ファイバ１１のクラッドへ、信号光Ｌｓは励起光変換ファイバ１１のそれぞれのコアへ入射される。励起光変換ファイバ１１は、第１励起光Ｌ１をコアに吸収するときに１μｍ帯の自然放出光を各コア内に放出する。

光増幅器３０１は、反射器１５を励起光変換ファイバ１１の前後に配置して励起光変換ファイバ１１のコアに放出された自然放出光を反射させ、波長０．９８μｍの光をレーザ発振する。反射器１５は光ファイバのコア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。また、後段（増幅用ファイバ１３側）の反射器１５の反射率を前段（合波器２０側）の反射器１５に比べ下げておく。このように設定することで、コア内でレーザ発振された波長０．９８μｍの光は後段の増幅用ファイバ１３を励起する第２励起光Ｌ２として増幅用ファイバ１３の各コアに出力される。このとき、信号光Ｌｓも励起光変換ファイバ１１の各コアから増幅用ファイバ１３の各コアに出力される。

光増幅器３０１は、上述のようにクラッド励起構成に用いられる光源の光電変換効率の良いマルチモードＬＤからの光を増幅効率の高いコア励起構成の励起光として使用できる。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。

図２は、光増幅器３０１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１３は、発振器１２の２つの反射器１５の間に配置されている。図２の光増幅器３０１は、後段の反射器１５の位置が増幅用ファイバ１３の後に配置されている点が図１の光増幅器３０１との相違点である。図２のような構成の光増幅器３０１でも上述のような効果を得ることができる。

光増幅器３０１は、空間多重光ファイバにおける増幅効率を高める構造を有しており、従来の空間多重光ファイバ用の光増幅器に比べて低消費電力で長距離且つ大容量な伝送を実現することができる。例えば、光増幅器３０１の光光変換効率は、励起光変換ファイバ１１における第１励起光Ｌ１（９１５ｎｍ）から第２励起光Ｌ２（９８０ｎｍ）への変換効率を６０％、増幅用ファイバ１３における変換効率を５０％と仮定すると３０％となる。つまり、光増幅器３０１の光光変換効率は、従来のクラッド励起構成の光増幅器の光光変換効率（２％）よりはるかに高い。

（実施形態２）
図３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、次の点が図１の光増幅器３０１と異なる部分である。光増幅器３０２は、信号光Ｌｓの伝搬方向に、１つの増幅用ファイバ１３が２つの励起光変換ファイバ１１に挟まれるように直列に接続されており、２つの励起光変換ファイバ１１毎に発振器１２が配置され、発振器１２の２つの反射器１５がそれぞれの励起光変換ファイバ１１の両端に配置されている。

光増幅器３０２は、信号光Ｌｓの伝搬方向に、順に、合波器２０、前段の励起光変換部１０－１、増幅用ファイバ１３－１、及び後段の励起光変換部１０－２を接続する。合波器２０、励起光変換部１０－１、および増幅用ファイバ１３－１の部分は図１の光増幅器３０１と同じである。励起光変換部１０－２は、２つの反射器１５の間に合波器２０を有している。励起光変換部１０－２は、２つの反射器１５の反射率を調整することで、クラッドを伝搬する第１励起光Ｌ１を第２励起光Ｌ２に変換して増幅用ファイバ１３－１の各コアに入射する。つまり、光増幅器３０２は、２つの励起光変換部（１０－１、１０－２）それぞれから第２励起光Ｌ２を増幅用ファイバ１３－１の各コアに供給し、信号光Ｌｓを増幅することができる。

また、光増幅器３０２は、励起光変換部１０－２の後段に増幅用ファイバ１３－２をさらに接続してもよい。励起光変換部１０－２は、２つの反射器１５の反射率を調整することで、第２励起光Ｌ２を増幅用ファイバ１３－１の各コアだけでなく、増幅用ファイバ１３－２の各コアにも入射できる。この構成では、光増幅器３０２は、２つの増幅用ファイバ（１３－１、１３－２）で信号光Ｌｓを増幅することができる。励起光変換部１０－２は、２つの反射器１５の反射率を任意に変えることによって、増幅用ファイバ１３－１側へ出力される第２励起光Ｌ２と増幅用ファイバ１３－２へ出力される第２励起光Ｌ２との強度比率を調整することができる。

（実施形態３）
図４は、本実施形態の光増幅器３０３を説明する図である。光増幅器３０３は、次の点が図１の光増幅器３０１と異なる部分である。光増幅器３０３は、増幅用ファイバ１３が、発振器１２の２つの反射器１５の外側に２つ配置されている。つまり、光増幅器３０３は、励起光変換部１０が両側にある増幅用ファイバ（１３－１、１３－２）の双方に第２励起光Ｌ２を供給し、増幅用ファイバ（１３－１、１３－２）を同時に励起することができる。

光源からの第１励起光Ｌ１は、合波器２１から励起光変換ファイバ１１の一端に入射される。励起光変換部１０の構造は図１の光増幅器３０１が備える励起光変換部１０と同じである。励起光変換ファイバ１１に入射された第１励起光Ｌ１は、第２励起光Ｌ２に変換され、励起光変換ファイバ１１の両端から出力される。出力された第２励起光Ｌ２は、合波器２２で信号光Ｌ２と合波され、増幅用ファイバ（１３－１、１３－２）の各コアに入射される。２台の反射器１５の反射比率を任意に変えることで、増幅用ファイバ（１３－１、１３－２）への第２励起光Ｌ２の出力強度比を調整することができる。

［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、
信号光を増幅する光増幅部と励起光を発生する励起光発生部からなり、
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、
第１励起光を前記励起光発生部に入射するための励起光合波器と、励起光発生部において新たに発生する第２励起光を反射する反射部を備え、
前記反射器が前記励起光発生部の入出力側に設置されており、
前記光増幅部と前記励起光発生部が（反射器を介して）接続されている
ことを特徴とする。

（２）：上記（１）の光増幅器は、
前記光増幅部と前記励起光発生部が接続されており、これらを挟み込むように反射部が設置されていることを特徴とする。
（３）：上記（１）と（２）の光増幅器は、
前記励起光発生部及び第二の励起光源を２つ以上の信号光増幅用ファイバの中段に少なくとも１つ以上配置し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、
前記波長変換部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、
前記反射部はファイバブラッググレーティングもしくは特定の波長を反射する多層膜フィルタであることを特徴とする。
（７）：上記（１）～（６）の光増幅器は、
前記波長変換部及び信号光増幅用ファイバがマルチコアもしくはマルチモードファイバであることを特徴とする。
（８）：上記（１）～（７）の光増幅器は、
前記励起光発生部への入射波長が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。
（９）：上記（７）の光増幅器は、
前記励起光発生部への第１励起光の伝搬がクラッド領域となるよう励起光合波器が設計されており、前記励起光発生部において複数の信号が伝搬する複数の導波路において第２励起光が発生す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。
（ａ）光源からの高出力のマルチモード励起光を波長変換し、クラッドからコアへ取り込む。このため、クラッド励起用の光源を利用してコア励起構成を実現できる。
（ｂ）波長が９８０ｎｍの第２励起光を発生するための波長変換ファイバとしてＹｂ添加ファイバを用いるとすると、９００－９６０ｎｍ程度の波長の光を出力する光源を用いる。
（ｃ）波長変換ファイバでコアに吸収された光は波長９８０ｎｍの光としてコアを伝搬し、増幅用ファイバのＥＤＦを励起する。

１０、１０－１、１０－２：励起光変換部
１１：波長変換ファイバ
１１ａ：クラッド
１１ｂ：コア
１２：発振器
１３、１３－１、１３－２：増幅用ファイバ
１５：反射器
２０、２１、２２：合波器
３０１～３０３：光増幅器

Claims

クラッドを伝搬する第１波長の第１励起光を取り込み、第２波長の自然放出光をコア内に放出する励起光変換ファイバと、
２つの反射器で前記自然放出光を反射して前記励起光変換ファイバのコア内を往復させ、第２波長の第２励起光をレーザ発振させる発振器と、
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コア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、
を備える光増幅器であって、
前記増幅用ファイバは、前記発振器の前記２つの反射器の間に配置されていること、及び
前記励起光変換ファイバと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励起光を取り込み、第２波長の自然放出光をコア内に放出する励起光変換ファイバと、
２つの反射器で前記自然放出光を反射して前記励起光変換ファイバのコア内を往復させ、第２波長の第２励起光をレーザ発振させる発振器と、
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コア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、
を備える光増幅器であって、
前記信号光の伝搬方向に、１つの前記増幅用ファイバが２つの前記励起光変換ファイバに挟まれるように直列に接続されていること、
２つの前記励起光変換ファイバ毎に前記発振器が配置され、前記発振器の前記２つの反射器がそれぞれの前記励起光変換ファイバの両端に配置されていること、及び
前記励起光変換ファイバと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励起光を取り込み、第２波長の自然放出光をコア内に放出する励起光変換ファイバと、
２つの反射器で前記自然放出光を反射して前記励起光変換ファイバのコア内を往復させ、第２波長の第２励起光をレーザ発振させる発振器と、
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コア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、
を備える光増幅器であって、
前記増幅用ファイバは、前記発振器の前記２つの反射器の外側に２つ配置されていること、及び
前記励起光変換ファイバと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。