JP7338780B2

JP7338780B2 - 希土類添加ファイバ及び光ファイバ増幅器

Info

Publication number: JP7338780B2
Application number: JP2022501467A
Authority: JP
Inventors: 陽子山下; 和秀中島; 隆松井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2023-09-05
Anticipated expiration: 2040-02-19
Also published as: JPWO2021166107A1; US20230042437A1; CN115066812A; WO2021166107A1

Description

本開示は、モード多重中継伝送路において複数のモードの信号光を増幅する希土類添加ファイバ及び光ファイバ増幅器に関する。

モード多重中継伝送においては光ファイバ増幅器内のモード間利得差が大きな問題となる。これを補償する技術として、励起光のモードを高次モードに変換する技術、及び、屈折率分布や希土類添加領域を最適設計する技術が提案されている（例えば、非特許文献１から３参照。）。

しかしながら、前者についてはモード変換用の新たなデバイスが必要となり過剰損失による増幅特性劣化や大型化が生じてしまい、後者については複雑な設計・作製が求められるため歩留まりの劣化や作製コストが増大するという問題があった。

Ｍ．Ｗａｄａｅｔａｌ．， "ＭｏｄａｌＧａｉｎＣｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ２－ＬＰ－ＭｏｄｅＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒＵｓｉｎｇＰＬＣＴｙｐｅＣｏｕｐｌｅｒａｎｄＬｏｎｇ－ＰｅｒｉｏｄＧｒａｔｉｎｇ，" ＪＬＴ，ｖｏｌ．３２，ｎｏ．２４，ｐｐ．４６９４－４７００，２０１４．Ｍ．Ｗａｄａｅｔａｌ．， "Ｌ－ｂａｎｄ２－ＬＰｍｏｄｅＥＤＦＡｗｉｔｈｌｏｗｍｏｄａｌｄｅｐｅｎｄｅｎｔｇａｉｎ，" ＯＦＣ２０１５，Ｔｕ３Ｃ．３，２０１５．Ｅ．Ｉｐｅｔａｌ．， "Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆａｒｉｎｇ－ｐｒｏｆｉｌｅｆｅｗ－ｍｏｄｅＥｒｂｉｕｍ－ｄｏｐｅｄｆｉｂｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｅｎａｂｌｉｎｇｇａｉｎｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，" ＯＦＣ２０１３，ＪＴｈ２Ａ．１８，２０１３．

そこで、本開示は、新たなデバイスを外部に追加することなく、簡易な構成での利得補償を可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示は、希土類添加ファイバのコア内に空洞領域を設定することで、モード間の利得偏差を低減する。空洞領域で発生する損失がモードによって異なることからモード間の利得偏差が発生する。これにより、本開示は、新たなデバイスを外部に追加することなく、簡易な構成での利得補償を可能とする。

具体的には、本開示に係る希土類添加ファイバは、
希土類を添加したコアおよび前記コアの周囲にクラッドを有する希土類添加ファイバであって、
前記コアの内部に空洞部を有し、
前記希土類添加ファイバの長手方向に沿って少なくとも１つ以上の前記空洞部を有することを特徴とする。

具体的には、本開示に係る光ファイバ増幅器は、
本開示に係る希土類添加ファイバと、
前記希土類添加ファイバにおいて信号光を増幅させるポンプ光を出力するポンプ光入力部と、
前記ポンプ光入力部からのポンプ光を信号光と結合させ、前記希土類添加ファイバに入力する光結合部と、
を備えることを特徴とする。

本開示によれば、新たなデバイスを外部に追加することなく、簡易な構成での利得補償を可能にすることができる。

本開示の希土類添加ファイバの側面図の一例を示す。本開示の希土類添加ファイバの断面図の一例を示す。光ファイバ増幅器のシステム構成の一例を示す。Ｃ帯で２ＬＰモード伝送が可能となるコア半径及びコアの比屈折率差の領域の一例を示す。 Δ_１及びａ_１を変化させた場合のＬＰ_０１モード及びＬＰ_１１モードの損失の一例を示す。モード間損失差Δ_Ｌｏｓｓとａ_２／ａ_１の関係の一例を示す。空洞部の偏心量ｘの定義を示す。 Δ_Ｌｏｓｓとｘ／ａ_１の関係の一例を示す。モード間損失差Δ_Ｌｏｓｓが０ｄＢ以下となるａ_２／ａ_１とｘ／ａ_１の関係の一例を示す。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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。

（実施形態例１）
図１、図２に本開示の希土類添加ファイバの側面図、および断面図を示す。本開示の希土類添加ファイバ１４は、図１に示すように、長手方向に断続的に１つ以上の球形の空洞部８３を有することを特徴とする。ここで、コア８１の半径、空洞部８３の半径、コア８１の屈折率、クラッド８２の屈折率をそれぞれａ_１、ａ_２、ｎ_１、ｎ_２とする。またコア８１の比屈折率差Δ_１を
（数１）
Δ_１＝（ｎ_１ ^２－ｎ_２ ^２）／２ｎ_１ ^２
とする。また、ここでは２ＬＰモードとしたときの実施形態を示すが、モード数が増加した場合も同様に考えることができる。

一般的に基本モードをポンプ光に用いる場合の２ＬＰモード希土類添加ファイバ１４の利得は、ポンプ光との重なりが大きい基本モードのほうが高い。このモード間の利得差はシステム全体のモード依存損失に直結するため、システム全体の伝送特性を劣化させてしまう。

本技術は、希土類添加ファイバ１４の中心部に球形の空洞部８３を作製することで、端面において基本モードのＬＰ_０１モードには損失が付与され、ＬＰ_１１モードには損失が付与されないため、基本モードにのみ損失を付与し、モード間の利得を平坦化することができる。例えば、フェムト秒レーザを用い、ファイバの端面又は側面から空洞部８３を作製することで、コア８１の中心に空洞部８３を付与することができる。

図３に、光ファイバ増幅器のシステム構成図を示す。光ファイバ増幅器は、信号入力部１１、ポンプ光入力部１２、光結合部１３、希土類添加ファイバ１４、を備える。信号入力部１１に信号光が入力される。ポンプ光入力部１２は、希土類添加ファイバ１４において信号光を増幅させるポンプ光を入力する。光結合部１３は、信号入力部１１からの信号光とポンプ光入力部１２からのポンプ光を結合させる。光結合部１３で結合された信号光とポンプ光は、希土類添加ファイバ１４に入力される。

なお、図３では希土類添加ファイバ１４の片方向からポンプ光を入力する例を示すが、希土類添加ファイバ１４の両方向からポンプ光を入力する双方向励起の光ファイバ増幅器にも本技術は有効である。

また、希土類添加ファイバ１４の前段に空洞部８３を付与すると、信号光が増幅される前に空洞部８３による損失を受け、信号光の劣化、及び、ＮｏｉｓｅＦｉｇｕｒｅ（ＮＦ）の劣化を引き起こすため、希土類添加ファイバ１４の長手方向の中段又は後段に空洞部８３を有することが望ましい。

また、図１では、８３－１～８３－５の５つの空洞部８３を備える例を示したが、空洞部８３－１～８３－５のうちの少なくとも１つの空洞部を備えることで、本開示の効果を得ることができる。また、空洞部８３－１～８３－５の半径は任意である。

（実施形態例２）
Ｃ帯（波長１５３０ｎｍ－１５６５ｎｍ）での利用を想定し、図４に、Ｃ帯で２ＬＰモード伝送が可能となるコア半径ａ_１、コア８１の比屈折率差Δ_１の領域の一例を示す。図中の線Ｌ４１は、波長１５３０ｎｍのＬＰ_２１モードの光をカットオフ可能な理論上の境界を示す。線Ｌ４２は、曲げ半径Ｒが３０ｍｍのときに、波長１５６５ｎｍのＬＰ_１１モードの光を曲げ損失が０．５ｄＢ／１００ｔｕｒｎ以下になる境界を示す。線Ｌ４３は、ＬＰ０１モードの実効コア断面積Ａ_ｅｆｆが８０μｍになる境界を示す。線Ｌ４１、Ｌ４２及びＬ４３に囲まれる領域において２ＬＰモード伝送が可能となる。

図５に、図４の範囲内のＰ０１～Ｐ１０での、ａ_２／ａ_１とＬＰ_０１モード及びＬＰ_１１モードの損失の一例を示す。Ｐ０１はΔ_１＝０．５１％かつａ_１＝５．５μｍ、Ｐ０２はΔ_１＝０．６０％かつａ_１＝５．５μｍ、Ｐ０３はΔ_１＝０．４５％かつａ_１＝６．０μｍ、Ｐ０４はΔ_１＝０．５１％かつａ_１＝６．０μｍ、Ｐ０５はΔ_１＝０．５７％かつａ_１＝６．０μｍ、Ｐ０６はΔ_１＝０．４１％かつａ_１＝６．５μｍ、Ｐ０７はΔ_１＝０．４５％かつａ_１＝６．５μｍ、Ｐ０８はΔ_１＝０．４８％かつａ_１＝６．５μｍ、Ｐ０９はΔ_１＝０．３８％かつａ_１＝７．０μｍ、Ｐ１０はΔ_１＝０．４８％かつａ_１＝７．０μｍを示す。図より、２ＬＰモード伝送の可能な条件においては各伝搬モードの損失のａ_１及びΔ_１に対する依存性は小さいことが分かる。従って、これ以降は代表してΔ_１＝０．４５％、ａ_１＝６μｍの構造を用いて計算を行う。

図６に、ＬＰ_０１モードとＬＰ_１１モードのモード間損失差Δ_Ｌｏｓｓとａ_２／ａ_１の関係の一例を示す。モード間損失差Δ_Ｌｏｓｓは、ＬＰ_０１モードの損失とＬＰ_１１モードの損失の差（ＬＰ_０１－ＬＰ_１１）である。ａ_２／ａ_１を変化させることでモード間損失差Δ_Ｌｏｓｓを制御できることがわかる。図５に示すように各伝搬モードの損失のａ_１に対する依存性は小さいことから、空洞部８３の半径ａ_２を大きくすることで、ＬＰ_０１モードの損失をＬＰ_１１モードよりも大きくすることができる。

なお、ａ_２／ａ_１が０．４８以上の範囲では、空洞部８３の半径ａ_２の肥大化により各伝搬モードの損失が過剰となると同時に、モード間損失差Δ_Ｌｏｓｓの制御性が著しく低下する。このため、ａ_２／ａ_１は０．４以下の条件で設定することが好ましい。

また、１つの空洞部８３でのモード間損失差Δ_Ｌｏｓｓの最大値は２ｄＢとなっている。そのため、モード間損失差Δ_Ｌｏｓｓを２ｄＢ以上にすることが必要となる場合、長手方向に複数個の空洞部８３を設けることで、空洞部８３の数に比例してモード間損失差Δ_Ｌｏｓｓを増大させることができる。例えば、希土類添加ファイバ１４が図１に示す空洞部８３－１及び８３－２を備え、空洞部８３－１のａ_２／ａ_１を０．４、空洞部８３－２のａ_２／ａ_１を０．２にすることで、モード間損失差Δ_Ｌｏｓｓを３ｄＢにすることができる。

（実施形態例３）
ＬＰ_１１モードの過剰損失を抑え、モード間損失差を制御していくためには、空洞部８３は希土類添加ファイバ１４の中心にあることが望ましい。そこでコア１１の中心８４に対する空洞部８３の中心の偏心量について検討する。図７に、空洞部８３の偏心量ｘの定義を示す。偏心量ｘは、コア１１の中心８４から空洞部８３の中心までの距離である。空洞部８３の中心の偏心量ｘが増大すると、ＬＰ_１１モードの電界が強い部分に空洞部８３が重なってくるため、ＬＰ_１１モードの損失増大が顕著になり、ＬＰ_０１モードの損失より大きくなる。

図８に、ａ_２／ａ_１＝０．１，０．２，０．３，０．４とした場合のΔ_Ｌｏｓｓとｘ／ａ_１の関係の一例を示す。これまでと同様に、ａ_１＝６μｍ、Δ_１＝０．４５％として計算を行い、ＬＰ_０１モードとＬＰ_１１モードのモード間損失差Δ_Ｌｏｓｓを求めた。ここで、ＬＰ_１１モードの損失は、縮退、偏波を含めた４モードの平均損失を用いた。各ａ_２／ａ_１に対し、ｘ／ａ_１が一定の値以上の領域ではモード間損失差Δ_Ｌｏｓｓがマイナスになってしまっており、ＬＰ_０１モードに対して損失を付与できない。Δ_Ｌｏｓｓが０ｄＢ以下となる点、（ａ_２／ａ_１，ｘ／ａ_１）＝（０．１，０．４６），（０．２，０．３８），（０．３，０．３），（０．４，０．１８）、に着目する。

図９に、モード間損失差Δ_Ｌｏｓｓが０ｄＢ以下となるａ_２／ａ_１とｘ／ａ_１の関係の一例を示す。図９よりモード間損失差Δ_Ｌｏｓｓが０ｄＢ以下となる境界は以下の関係式で近似できることが分かる。
（数２）
ｘ／ａ_１＝－０．９２ａ_２／ａ_１＋０．６（２）
そのため、ａ_２／ａ_１及びｘ／ａ_１は、式（２）未満となる、図９の塗りつぶされた領域の範囲内で設定されることが好ましい。

なお、本技術は屈折率分布や希土類添加分布に依存せず、階段型やリング型等、複雑な屈折率分布、希土類添加分布に適用することができる。

また、信号光の波長に応じてエルビウム、ツリウム、イッテルビウム、プラセオジウム、ネオジウム等の異なる種類の希土類を添加した希土類添加ファイバ１４を用いて同様の効果を得ることができる。

（本開示の効果）
新たなデバイスを挿入せずに、希土類添加ファイバ１４の内部にフェムト秒レーザを用いた外部加工で空洞領域を設定することで、ＮＦ特性を劣化させることなく、モード間の利得偏差を任意に低減することを可能とする。

希土類添加ファイバのみという簡易な構成で利得補償を行い、かつ、光ファイバ増幅器内部の中心で補償を行うことで、利得とＮＦどちらの劣化も抑えることができるため、低損失かつ低ＮＦでの利得補償を実現できる。

（本開示のポイント）
ファイバの長手方向の中心に空洞を作製することで、低損失、低ＮＦのモード間利得偏差補償を実現できる。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

１１：信号入力部
１２：ポンプ光入力部
１３：光結合部
１４：希土類添加ファイバ
８１：コア
８２：クラッド
８３：空洞部

Claims

希土類を添加したコアおよび前記コアの周囲にクラッドを有する希土類添加ファイバであって、
前記コアの内部に空洞部を有し、
前記希土類添加ファイバの長手方向に沿って少なくとも１つ以上の前記空洞部を有し、
前記空洞部の中心位置が、基本モードの損失が高次モードの損失以下となるような、前記コアの中心から予め定められた距離の範囲内に配置されていることを特徴とする、
希土類添加ファイバ。
前記空洞部の半径に応じたモード間損失差を有する、
請求項１に記載の希土類添加ファイバ。
前記空洞部の半径ａ_２と前記コアの半径ａ_１との比ａ_２／ａ_１が０．４以下である、
請求項１又は２に記載の希土類添加ファイバ。
前記コアの中心からの前記空洞部の偏心量ｘと前記コアの半径ａ_１との比ｘ／ａ_１が、以下の式を満たすことを特徴する、
請求項１から３のいずれかに記載の希土類添加ファイバ。
（数Ｃ１）
ｘ／ａ_１＝－０．９２ａ_２／ａ_１＋０．６
ただし、ａ_２は前記空洞部の半径である。
前記空洞部が、前記希土類添加ファイバの長手方向の中段に設けられていることを特徴とする、
請求項１から４のいずれかに記載の希土類添加ファイバ。
前記希土類が、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、プラセオジウム、ネオジウムのいずれかであることを特徴とする、
請求項１から５のいずれかに記載の希土類添加ファイバ。
請求項１から６のいずれかに記載の希土類添加ファイバと、
前記希土類添加ファイバにおいて信号光を増幅させるポンプ光を出力するポンプ光入力部と、
前記ポンプ光入力部からのポンプ光を信号光と結合させ、前記希土類添加ファイバに入力する光結合部と、
を備えることを特徴とする光ファイバ増幅器。