JP7420265B2 - 希土類添加ファイバ及び光ファイバ増幅器 - Google Patents

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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。
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、複数の空洞部を有し、
前記複数の空洞部のうちの少なくともいずれかは、複数の楕円体が結合した形状を有する。
具体的には、本開示に係る光ファイバ増幅器は、
光増幅用のポンプ光源と、
光信号と前記ポンプ光源の出射光を前記光ファイバに入射する光結合部と、
本開示に係る希土類添加ファイバと、
を有する。
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を示す。 コアの断面における構成の一例を示す。 光増幅器のシステム構成図を示す。 空洞部が単一の楕円体を有する場合の楕円率a/bとLP01、LP11モードの損失を示す。 空洞部が2つの直交した楕円体を有する場合の楕円率a/bとLP01、LP11モードの損失を示す。 空洞部が単一の楕円体を有する構造の一例を示す。 空洞部が2つの直交した楕円を有する構造の一例を示す。 2つの楕円の交わる角度θとLP11モードの損失偏差の関係を示す。
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)
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の中心部に空洞部83を作製することで、端面において基本モードのLP01モードには損失が付与され、LP11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。
図1に本開示の希土類添加ファイバの側面図を示す。本開示の希土類添加ファイバ14は、希土類を添加したコア81及びコア81の周囲にクラッド82を有する希土類添加ファイバであって、図1に示すように、長手方向に断続的に1つ以上の空洞部83を有する。
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、a、n、nとする。またコア81の比屈折率差Δ
(数1)
Δ=(n -n )/2n
とする。また、ここでは2LPモードとしたときの実施形態例を示すが、モード数が増加した場合も同様に考えることができる。
図2に、コアの断面における構成の一例を示す。本開示の空洞部83は、コア81の中心に配置され、2つの楕円体83H及び83Lが結合した形状を有する。楕円体83H及び83Lの中心はコア81の中心軸上に配置され、楕円体83H及び83Lの長軸及び短軸はコア81の中心軸に垂直に配置されている。楕円体83H及び83Lの長軸の交わる角度θは任意であるが、後述するように、直角であることが好ましい。
空洞部83の作製方法は任意であるが、例えばフェムト秒レーザを用い、光ファイバの端面又は側面から空洞部83を作製することができる。焦点収差の発生メカニズムより、フェムト秒レーザで加工する場合、レーザの光軸方向と楕円体83H及び83Lの長軸が一致していると考えられる。また、光ファイバへの照射角度に楕円率は依存しないため、直交した2つの楕円体83H及び83Lの楕円率は等しいと考えることができる。
なお、図2の例では2つの楕円体83H及び83Lが結合した形状の例を示すが、楕円体の数は2以上の任意の数でありうる。本開示では、希土類添加ファイバ14に備わるいずれかの空洞部83が図2に示す形状を有していればよく、希土類添加ファイバ14に備わる全ての空洞部83が図2に示す形状を有していてもよい。また、空洞部83-1~83-5の半径、長軸半径a及び短軸半径bは任意である。また、楕円体83H及び83Lは楕円に限らず長円であっても楕円と同様の効果を得ることができる。
図3に、光増幅器のシステム構成図を示す。本システムは、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、信号光が劣化してしまいNoise Figure(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。
(実施形態例2)
図4A及び図4Bに、楕円率a/bとLP01、LP11モードの損失を示す。図4Aは、図5Aに示すような、空洞部83が単一の楕円体を有する構造である。図4Bは、図5Bに示すような、空洞部83が2つの直交した楕円体を有する構造である。このとき、コア81の半径a=6.0μm、Δ=0.45%、短軸半径b=2μmとした。
単一の楕円体を有する構造では、図4Aに示すように、楕円率の増大に伴ってLP11モードの縮退モード依存性が増大していく。一方、楕円体を直交させることで、図4Bに示すように、偏波、縮退モード依存性が低減されることがわかる。
図6に、2つの楕円体の交わる角度θとLP11モードの損失偏差の関係を示す。このとき、コア81の半径a=6.0μm、Δ=0.45%、a/b=2、b=2μmとした。θ=π/2のとき楕円体が直交している状態、θ=0のとき楕円体が重なっている状態を示す。θがπ/2に近づくにつれて、LP11モードの内の損失偏差が低減されていく様子が確認できる。
(本開示のポイント)
以上説明したように、希土類添加ファイバ14の長手方向の中心に空洞部83を作製することで、低損失、低NFなモード間利得偏差補償を実現できる。
(本開示の効果)
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、
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、低NFな利得補償を実現できる。
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、イットリビウム、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、83-1、83-2、83-3、83-4、83-5:空洞部
83L、83H:楕円体

Claims (4)

  1. 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、複数の空洞部を有し、
    前記複数の空洞部のうちの少なくともいずれかは、2つの楕円体の長軸が互いに直交するように結合した形状であり
    前記2つの楕円体の中心が前記コアの中心軸上に配置されている、
    希土類添加ファイバ。
  2. 前記2つの楕円体の長軸及び短軸は、前記コアの中心軸に垂直である、
    請求項に記載の希土類添加ファイバ。
  3. 前記コアに添加される希土類が、エルビウム、ツリウム、イットリビウム、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、
    請求項に記載の希土類添加ファイバ。
  4. 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と、
    光増幅用のポンプ光源と、
    光信号と前記ポンプ光源の出射光を前記希土類添加ファイバに入射する光結合部と
    有することを特徴とする、光ファイバ増幅器。
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