JP7444677B2 - マルチコア光増幅ファイバ、マルチコア光ファイバ増幅器および光通信システム - Google Patents
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Description
本発明は、マルチコア光増幅ファイバ、マルチコア光ファイバ増幅器および光通信システムに関するものである。
例えば、海底光通信等の用途において、光増幅器としてマルチコアＥＤＦＡ（Erbium-Doped optical Fiber Amplifier）を用いることによって、光増幅器の消費電力が削減されることが期待されている。
マルチコアＥＤＦＡについては、マルチコア光増幅ファイバとしてダブルクラッド型のマルチコアＥＤＦを用いて、クラッド励起方式によってコア部に含まれる希土類元素であるエルビウム（Ｅｒ）を光励起する構成が知られている（非特許文献１、２参照）。なお、マルチコアＥＤＦＡでは、使用されるマルチコアＥＤＦの長さは１００ｍ程度以下の場合が一般的である。
Kazi S Abedin et al, "Multimode Erbium Doped Fiber Amplifiers for Space Division Multiplexing Systems", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.32,NO.16,AUGUST 15,2014 pp.2800-2808.
Kazi S Abedin et al, "Cladding-pumped erbium-doped multicore fiber amplifier", OPTICS EXPRESS Vol.20,No.18 27 August 2012 pp.20191-20200.
通信トラフィックは常に増加しているので、通信容量の増量のためにも、マルチコア光増幅ファイバの特性にはさらに好適なものが求められている。
特に、マルチコア光増幅ファイバの励起効率を改善できれば、マルチコア光ファイバ増幅器の消費電力の削減の観点から好ましい。ここで、励起効率とは、たとえば、マルチコア光増幅ファイバに入力された励起光のエネルギーに対する、光増幅に使用された励起光のエネルギーの比率で表される。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、励起効率が改善されたマルチコア光増幅ファイバ、ならびにこれを用いたマルチコア光ファイバ増幅器および光通信システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様は、希土類元素を添加した複数のコア部と、前記複数のコア部を取り囲み、各コア部の最大屈折率よりも低い屈折率を有する内側クラッド部と、前記内側クラッド部を取り囲み、前記内側クラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する外側クラッド部と、を備え、前記希土類元素が光増幅する波長における、前記複数のコア部のそれぞれのモードフィールド径は５μｍ以上１１μｍ以下であり、前記内側クラッド部に対する前記複数のコア部のそれぞれの最大屈折率の比屈折率差が０．３５％以上２％以下であり、長手方向に垂直な断面における前記複数のコア部のそれぞれの中心間の離間距離であるコア間距離が、前記光増幅波長帯において総コア間クロストークが－４０ｄＢ／１００ｍ以下となるように設定されており、前記複数のコア部のうち前記内側クラッド部の外縁に最も近いコア部の中心から該外縁までの距離であるクラッド厚が、前記コア間距離の最小値に前記モードフィールド径を加算した値よりも小さいマルチコア光増幅ファイバである。
前記コア間距離の最小値が２７μｍ以上であるものでもよい。
前記コア間距離が、前記光増幅波長帯において総コア間クロストークが－５０ｄＢ／１００ｍ以下となるように設定されているものでもよい。
前記コア間距離の最小値が２９μｍ以上であるものでもよい。
前記コア間距離が、前記光増幅波長帯において総コア間クロストークが－６０ｄＢ／１００ｍ以下となるように設定されているものでもよい。
前記コア間距離の最小値が３１μｍ以上であるものでもよい。
前記クラッド厚が１０μｍ以上であるものでもよい。
本発明の一態様は、前記マルチコア光増幅ファイバと、前記マルチコア光増幅ファイバの前記希土類元素を光励起する励起光を出力する励起光源と、前記励起光を前記内側クラッド部に光学結合させる光結合器と、を備えるマルチコア光ファイバ増幅器である。
本発明の一態様は、前記マルチコア光ファイバ増幅器を備える光通信システムである。
本発明によれば、励起効率が改善されたマルチコア光増幅ファイバを実現できる。
以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、本明細書においては、カットオフ波長とは、ＩＴＵ－Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１で定義するケーブルカットオフ波長を意味する。また、その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＧ．６５０．１およびＧ．６５０．２における定義、測定方法に従うものとする。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るマルチコア光増幅ファイバの模式的な断面図であり、マルチコア光増幅ファイバの長手方向に垂直な断面を示している。マルチコア光増幅ファイバ１は、７個のコア部１ａａ、１ａｂと、コア部１ａａ、１ａｂを取り囲む内側クラッド部１ｂと、内側クラッド部１ｂを取り囲む外側クラッド部１ｃと、を備えているダブルクラッド型かつ７コア型のマルチコア光ファイバである。
図１は、実施形態１に係るマルチコア光増幅ファイバの模式的な断面図であり、マルチコア光増幅ファイバの長手方向に垂直な断面を示している。マルチコア光増幅ファイバ１は、７個のコア部１ａａ、１ａｂと、コア部１ａａ、１ａｂを取り囲む内側クラッド部１ｂと、内側クラッド部１ｂを取り囲む外側クラッド部１ｃと、を備えているダブルクラッド型かつ７コア型のマルチコア光ファイバである。
コア部１ａａ、１ａｂは、最密充填状態を実現する三角格子状に配置されている。コア部１ａａは、内側クラッド部１ｂの中心または中心近傍に配置されている。６個のコア部１ａｂは、コア部１ａａの周囲に正六角形の角の位置となるように配置されている。コア部１ａａ、１ａｂは、屈折率を高める屈折率調整用ドーパントとして、たとえばゲルマニウム（Ｇｅ）やアルミニウム（Ａｌ）を含む。また、コア部１ａａ、１ａｂは、増幅媒体である希土類元素として、Ｅｒを含む。Ｅｒは、たとえば波長１５３０ｎｍ付近の吸収係数のピークが２．５ｄＢ／ｍ～１１ｄＢ／ｍとなる濃度で添加されている。また、たとえば、添加濃度は２５０ｐｐｍ～２０００ｐｐｍである。ただし、吸収係数や添加濃度は特に限定されない。なお、ＡｌはＥｒの濃度消光を抑制する機能も有する。
内側クラッド部１ｂは、各コア部１ａａ、１ａｂの最大屈折率よりも低い屈折率を有する。内側クラッド部１ｂは、たとえば屈折率調整用のドーパントを含まない純石英ガラスからなる。これにより各コア部１ａａ、１ａｂと内側クラッド部１ｂとの屈折率プロファイルはステップインデックス型となる。なお、内側クラッド部１ｂが、各コア部１ａａ、１ａｂの外周に位置するトレンチ部を有していてもよい。この場合、トレンチ部はフッ素（Ｆ）などの屈折率を低める屈折率調整用ドーパントが添加された石英ガラスからなり、トレンチ部の屈折率は、純石英ガラスからなる内側クラッド部１ｂの他の部分の屈折率よりも低い屈折率を有する。この場合、各コア部１ａａ、１ａｂと内側クラッド部１ｂとの屈折率プロファイルはトレンチ型となる。
内側クラッド部１ｂに対する各コア部１ａａ、１ａｂの最大屈折率の比屈折率差をコアΔとする。本実施形態では各コア部１ａａ、１ａｂのコアΔは略等しく、たとえば波長１５５０ｎｍにて０．３５％～２％である。各コア部１ａａ、１ａｂのコア径は、コアΔとの関係で、希土類元素が光増幅可能な光増幅波長帯よりも短いカットオフ波長を実現するように設定されることが好ましい。希土類元素が光増幅可能な光増幅波長帯は、Ｅｒの場合、Ｃバンドと呼ばれるたとえば１５３０ｎｍ～１５６５ｎｍや、Ｌバンドと呼ばれるたとえば１５６５ｎｍ～１６２５ｎｍである。Ｅｒが光増幅する波長、たとえば１５５０ｎｍにおける各コア部１ａａ、１ａｂのモードフィールド径は、たとえば５μｍ以上１１μｍ以下である。
外側クラッド部１ｃは、内側クラッド部１ｂの屈折率よりも低い屈折率を有しており、たとえば樹脂からなる。なお、内側クラッド部１ｂがトレンチ部を有している場合、外側クラッド部１ｃの屈折率はトレンチ部の屈折率よりも高くてもよいが、内側クラッド部１ｂの他の部分の屈折率および内側クラッド部１ｂの平均屈折率よりも低い。
図１の断面におけるコア部１ａａ、１ａｂのそれぞれの中心間の離間距離をコア間距離Ｐ１とする。コア間距離Ｐ１は三角格子の１辺の長さに相当する。また、内側クラッド部１ｂの外径（クラッド径）をクラッド径Ｄｃ１とする。また、コア部１ａａ、１ａｂのうち、内側クラッド部１ｂの外縁に最も近いコア部は、６個のコア部１ａｂのいずれかであるが、本実施形態では、６個のコア部１ａｂのいずれもが内側クラッド部１ｂの外縁から等距離にあるとする。６個のコア部１ａｂのいずれかの中心から内側クラッド部１ｂの外縁までの最短距離をクラッド厚Ｔｃ１とする。
内側クラッド部１ｂに、Ｅｒを光励起できる波長の励起光、たとえば９７６ｎｍなどの９００ｎｍ波長帯の励起光が入力されると、励起光は内側クラッド部１ｂの内部を伝搬しながら、コア部１ａａ、１ａｂに添加されたＥｒを光励起する。これにより、各コア部１ａａ、１ａｂは、各コア部１ａａ、１ａｂに入力された信号光を光増幅可能となる。このようにマルチコア光増幅ファイバ１は、クラッド励起方式を適用可能に構成されている。
ここで、マルチコア光増幅ファイバ１では、コア間距離Ｐ１が、光増幅波長帯において総コア間クロストークが－４０ｄＢ／１００ｍ以下となるように設定されている。総コア間クロストークとは、コア部１ａａ、１ａｂに所定のパワーの信号光を入力し、伝搬させたときに、信号光のパワーの一部が他のコア部に漏洩する場合、たとえば以下の式（１）のように規定される。
ここで、コアｌは、コアｋを取り囲むすべての隣接コアである。コアｋは、六方細密構造の７コアファイバの場合は中心コアであり、六方細密構造の１９コアファイバの場合、中心とそれを取り囲む隣接６つのコアのいずれかである。六方細密構造以外の構造の場合、コアｋは、最も隣接コア数が多いコアを選択する。
さらに、マルチコア光増幅ファイバ１では、クラッド厚Ｔｃ１が、コア間距離Ｐ１の最小値にモードフィールド径を加算した値よりも小さい。なお、マルチコア光増幅ファイバ１ではコア間距離Ｐ１はいずれもコア部に対しても等しい値なので、クラッド厚Ｔｃ１は、コア間距離Ｐ１にモードフィールド径を加算した値よりも小さい。
このように構成されたマルチコア光増幅ファイバ１では、光増幅波長帯において総コア間クロストークが－４０ｄＢ／１００ｍ以下であるので、たとえば伝送距離が１００ｋｍ程度以下の光通信システムに使用されるマルチコア光ファイバ増幅器に好適に用いることができる程度に、コア間クロストークが抑制される。このような光通信システムとしては、メトロネットワークシステムが例示される。
さらに、マルチコア光増幅ファイバ１において、光増幅波長帯において総コア間クロストークが－５０ｄＢ／１００ｍ以下であれば、たとえば伝送距離が１０００ｋｍ程度以下の光通信システムに使用されるマルチコア光ファイバ増幅器に好適に用いることができる程度に、コア間クロストークが抑制される。このような光通信システムとしては、陸上長距離通信システムが例示される。
さらに、マルチコア光増幅ファイバ１において、光増幅波長帯において総コア間クロストークが－６０ｄＢ／１００ｍ以下であれば、たとえば伝送距離が６０００ｋｍ程度以上の光通信システムに使用されるマルチコア光ファイバ増幅器に好適に用いることができる程度に、コア間クロストークが抑制される。このような光通信システムとしては、陸上または海底での長距離通信システムが例示される。
通信システムでは、光ファイバ伝送路が長く、また中継器の数もその伝送距離に応じて増加するので、光ファイバ伝送路の途中に挿入される光学要素のそれぞれにおけるクロストークが累積して通信品質に影響する。したがって、光通信システムに使用されるマルチコア光ファイバ増幅器用のマルチコア光増幅ファイバ１としても、光増幅波長帯において総コア間クロストークが小さいことが好ましい。
さらに、マルチコア光増幅ファイバ１では、クラッド厚Ｔｃ１が、コア間距離Ｐ１の最小値にモードフィールド径を加算した値よりも小さい。これにより、内側クラッド部１ｂの断面積を比較的小さくできるので、内側クラッド部１ｂに励起光が入力された場合の、内側クラッド部１ｂにおける励起光の光強度密度が比較的高くなる。その結果、マルチコア光増幅ファイバ１では、励起効率が改善される。また、たとえばマルチコア光増幅ファイバ１で得られる飽和出力パワーも増加する。
クラッド厚Ｔｃは、モードフィールド径以上であれば、コア部１ａｂを伝搬する信号光の強度分布における強度の９９％以上が、内側クラッド部１ｂと外側クラッド部１ｃとの界面に掛からない。その結果、界面による信号光伝搬への影響を抑制することができる。また、クラッド厚Ｔｃ１が、コア間距離Ｐ１の最小値にモードフィールド径を加算した値よりも小さいことによって、コア間距離Ｐ１を確保できる最多のコア部の数としながらも、励起光の光強度密度を高めることができる。なお、クラッド厚Ｔｃ１が、コア間距離Ｐ１の最小値にモードフィールド径を加算した値以上の場合、コア部１ａｂよりもさらに外側クラッド部１ｃ側に、コア間距離Ｐ１を確保しながらコア部を増設すればよい。これにより、増設されたコア部に対して規定されるクラッド厚は、コア間距離Ｐ１にモードフィールド径を加算した値よりも小さくなる。
図２Ａは、コア間距離Ｐ１と総クロストーク（Ｔｏｔａｌ ＸＴ）との関係の一例を示す図である。図２Ａは、図１に示す７コア型の構成のマルチコア光増幅ファイバにおいて、有限要素法を用いてシミュレーション計算して得られたものである。なお、計算条件については、各コア部の屈折率プロファイルをインデックス型とし、コアΔを１．１％として、モードフィールド径を５．８μｍとした。
図２Ａにおいて、黒点が計算によって得られたデータ点であり、点線はデータ点を線形近似した直線である。図２Ａに示すように、上記計算条件のもとでは、コア間距離Ｐ１が２７μｍ以上の場合に－４０ｄＢ／１００ｍ以下のＴｏｔａｌ ＸＴが得られた。また、コア間距離Ｐ１が２９μｍ以上の場合に－５０ｄＢ／１００ｍ以下のＴｏｔａｌ ＸＴが得られた。また、コア間距離Ｐ１が３１μｍ以上の場合に－６０ｄＢ／１００ｍ以下のＴｏｔａｌ ＸＴが得られた。
図２Ｂは、コア間距離Ｐ１と総クロストーク（Ｔｏｔａｌ ＸＴ）との関係の別の一例を示す図である。図２Ｂは、図１に示す７コア型の構成のマルチコア光増幅ファイバにおいて、有限要素法を用いてシミュレーション計算して得られたものである。なお、計算条件については、各コア部の屈折率プロファイルをインデックス型とし、コアΔを０．８％として、モードフィールド径を６．７μｍとした。
図２Ｂにおいて、黒点が計算によって得られたデータ点であり、点線はデータ点を線形近似した直線である。図２Ｂに示すように、上記計算条件のもとでは、コア間距離Ｐ１が３４μｍ以上の場合に－４０ｄＢ／１００ｍ以下のＴｏｔａｌ ＸＴが得られた。また、コア間距離Ｐ１が３７μｍ以上の場合に－５０ｄＢ／１００ｍ以下のＴｏｔａｌ ＸＴが得られた。また、コア間距離Ｐ１が４０μｍ以上の場合に－６０ｄＢ／１００ｍ以下のＴｏｔａｌ ＸＴが得られた。
なお、コア間距離Ｐ１の最小値にモードフィールド径としての５．８μｍを加算した値よりも小さいという条件を満たすクラッド厚Ｔｃ１の値は、コア間距離Ｐ１が２７μｍの場合は３２．８μｍよりも小さいたとえば３２μｍ以下であり、コア間距離Ｐ１が２９μｍの場合は３４．８μｍよりも小さいたとえば３４μｍ以下であり、コア間距離Ｐ１が３１μｍの場合は３６．８μｍよりも小さい値、たとえば３６μｍ以下である。
ただし、クラッド厚Ｔｃ１はこれに限らず、たとえば５０μｍ以下であれば、励起効率の改善の効果を得ることができる。
ここで、図１のような７コア型であるが、コア間距離が３８．５μｍであり、クラッド厚が２９μｍであり、クラッド径が１３５μｍである比較形態１のマルチコア光増幅ファイバのコア部および内側クラッド部の総面積（クラッド面積）を計算した。一方、本実施形態１のマルチコア光増幅ファイバ１において、クラッド厚Ｔｃ１が２３μｍであり、コア間距離Ｐ１が２９μｍの場合のクラッド面積を計算した。これらの計算結果を比較したところ、実施形態１のクラッド面積は、比較形態１のクラッド面積の５９．３％と大幅に小さくなっていた。このことは、実施形態１のクラッド面積が比較形態１のクラッド面積に対して２．２ｄＢだけ減少したこととなり、励起光率が改善される。
また、マルチコア光増幅ファイバ１の長手方向に垂直な断面における、内側クラッド部１ｂの断面積に対する、コア部１ａａ、１ａｂの合計断面積の比（以下、コア／クラッド面積比と記載する場合がある）は、１．９％であった。このようにコア／クラッド面積比が比較的大きいと、励起光のパワーのうちコア部１ａａ、１ａｂにおいて光増幅に寄与する割合が大きくなり、励起光率が改善される。
また、比較形態１の総コア間クロストークを計算したところ、－８６ｄＢ／１００ｍであった。これに対して、実施形態１の総コア間クロストークは－５０ｄＢ／１００ｍであった。実施形態１では、実用的な総コア間クロストークと励起光率の改善とを両立することができる。
（実施形態２）
図３は、実施形態２に係るマルチコア光増幅ファイバの模式的な断面図であり、マルチコア光増幅ファイバの長手方向に垂直な断面を示している。マルチコア光増幅ファイバ２は、１９個のコア部２ａａ、２ａｂ、２ａｃと、コア部２ａａ、２ａｂ、２ａｃを取り囲む内側クラッド部２ｂと、内側クラッド部２ｂを取り囲む外側クラッド部２ｃと、を備えているダブルクラッド型かつ１９コア型のマルチコア光ファイバである。
図３は、実施形態２に係るマルチコア光増幅ファイバの模式的な断面図であり、マルチコア光増幅ファイバの長手方向に垂直な断面を示している。マルチコア光増幅ファイバ２は、１９個のコア部２ａａ、２ａｂ、２ａｃと、コア部２ａａ、２ａｂ、２ａｃを取り囲む内側クラッド部２ｂと、内側クラッド部２ｂを取り囲む外側クラッド部２ｃと、を備えているダブルクラッド型かつ１９コア型のマルチコア光ファイバである。
コア部２ａａ、２ａｂ、２ａｃは、最密充填状態を実現する三角格子状に配置されている。コア部２ａａは、内側クラッド部２ｂの中心または中心近傍に配置されている。６個のコア部２ａｂは、コア部２ａａの周囲に正六角形の角の位置となるように配置されている。１２個のコア部２ａｃは、コア部２ａｂの周囲に正六角形の角または辺の中央の位置となるように配置されている。コア部２ａａ、２ａｂ、２ａｃの組成や屈折率はマルチコア光増幅ファイバ１のコア部１ａａ、１ａｂと同様なので説明を省略する。
内側クラッド部２ｂの組成や屈折率は、内側クラッド部１ｂと同様なので説明を省略する。各コア部２ａａ、２ａｂ、２ａｃと内側クラッド部２ｂとの屈折率プロファイルはステップインデックス型であるが、トレンチ型でもよい。また、外側クラッド部２ｃの組成や屈折率も、外側クラッド部１ｃと同様なので説明を省略する。
図３の断面におけるコア部２ａａ、２ａｂ、２ａｃのそれぞれのコア間距離をコア間距離Ｐ２とする。また、内側クラッド部２ｂのクラッド径をクラッド径Ｄｃ２とする。また、コア部２ａａ、２ａｂ、２ａｃのうち、内側クラッド部２ｂの外縁に最も近いコア部は、１２個のコア部２ａｃのうち正六角形の角に位置する６個のコア部２ａｃのいずれかであるが、本実施形態では、６個のコア部２ａｃのいずれもが内側クラッド部２ｂの外縁から等距離にあるとする。６個のコア部２ａｃのいずれかの中心から内側クラッド部２ｂの外縁までの最短距離をクラッド厚Ｔｃ２とする。
内側クラッド部２ｂに、Ｅｒを光励起できる波長の励起光が入力されると、励起光は内側クラッド部１ｂの内部を伝搬しながら、コア部２ａａ、２ａｂ、２ａｃに添加されたＥｒを光励起する。これにより、各コア部コア部２ａａ、２ａｂ、２ａｃは、各コア部２ａａ、２ａｂ、２ａｃに入力された信号光を光増幅可能となる。このようにマルチコア光増幅ファイバ２は、クラッド励起方式を適用可能に構成されている。
ここで、マルチコア光増幅ファイバ２では、マルチコア光増幅ファイバ１と同様に、コア間距離Ｐ２が、光増幅波長帯において総コア間クロストークが－４０ｄＢ／１００ｍ以下となるように設定されている。さらに、マルチコア光増幅ファイバ２では、クラッド厚Ｔｃ２が、コア間距離Ｐ２の最小値にモードフィールド径を加算した値よりも小さい。なお、マルチコア光増幅ファイバ２ではコア間距離Ｐ２はいずれもコア部に対しても等しい値なので、クラッド厚Ｔｃ２は、コア間距離Ｐ２にモードフィールド径を加算した値よりも小さい。
このように構成されたマルチコア光増幅ファイバ２では、光通信システムの伝送距離に応じて程度にコア間クロストークが抑制されるとともに、励起効率が改善される。また、たとえばマルチコア光増幅ファイバ２で得られる飽和出力パワーも増加する。
たとえば、マルチコア光増幅ファイバ２におけるコア間クロストークは、－５０ｄＢ／１００ｍ以下や－６０ｄＢ／１００ｍ以下となるように設定できる。また、クラッド厚Ｔｃ２についても、たとえば、コア間距離Ｐ２が２７μｍの場合は３２．８μｍよりも小さいたとえば３２μｍ以下であり、コア間距離Ｐ２が２９μｍの場合は３４．８μｍよりも小さいたとえば３４μｍ以下であり、コア間距離Ｐ２が３１μｍの場合は３６．８μｍよりも小さい値、たとえば３６μｍ以下であるように設定できる。また、クラッド厚Ｔｃ２は５０μｍ以下でもよい。
ここで、図３のような１９コア型であるが、コア間距離が３８．５μｍであり、クラッド厚が２３μｍであり、クラッド径が２００μｍである比較形態２のマルチコア光増幅ファイバのクラッド面積を計算した。一方、本実施形態２のマルチコア光増幅ファイバ２において、クラッド厚Ｔｃ２が２３μｍであり、コア間距離Ｐ２が２９μｍの場合のクラッド面積を計算した。これらの計算結果を比較したところ、実施形態２のクラッド面積は、比較形態２のクラッド面積の６５．６％と大幅に小さくなっていた。このことは、実施形態２のクラッド面積が比較形態２のクラッド面積に対して１．８ｄＢだけ減少したこととなり、励起光率が改善される。
また、マルチコア光増幅ファイバ２では、コア／クラッド面積比は２．４％と比較的大きいので、励起効率が改善される。
また、実施形態２では、実施形態１と同様に、実用的な総コア間クロストークと励起光率の改善とを両立することができる。
（実施形態３）
図４は、実施形態３に係るマルチコア光ファイバ増幅器の構成を示す模式図である。以下、マルチコア光ファイバ増幅器を単に光増幅器と記載する場合がある。光増幅器１００は、７個の光アイソレータ１０、光ファイバファンイン（FAN IN）２０、半導体レーザ３０、光結合器４０、実施形態１に係るマルチコア光増幅ファイバ１、ポンプストリッパ５０、光ファイバファンアウト（FAN OUT）６０、および７個の光アイソレータ７０、を備えている。なお、図中「×」の記号は光ファイバの融着接続点を示している。
図４は、実施形態３に係るマルチコア光ファイバ増幅器の構成を示す模式図である。以下、マルチコア光ファイバ増幅器を単に光増幅器と記載する場合がある。光増幅器１００は、７個の光アイソレータ１０、光ファイバファンイン（FAN IN）２０、半導体レーザ３０、光結合器４０、実施形態１に係るマルチコア光増幅ファイバ１、ポンプストリッパ５０、光ファイバファンアウト（FAN OUT）６０、および７個の光アイソレータ７０、を備えている。なお、図中「×」の記号は光ファイバの融着接続点を示している。
光ファイバファンイン２０は、束ねられた７本のシングルモード光ファイバと、７個のコア部を有する１本のマルチコアファイバとを備えており、結合部において７本のシングルモード光ファイバの各コア部がマルチコアファイバの各コア部に光学結合するように構成されている。なお、７本のシングルモード光ファイバは、たとえばＩＴＵ－ＴＧ．６５２に定義される標準のシングルモード光ファイバであり、それぞれ光アイソレータ１０が設けられている。光アイソレータ１０、７０は矢印が示す方向に光を通過させ、逆方向への光の通過を遮断する。光ファイバファンイン２０のマルチコアファイバは光結合器４０に接続されている。なお、束ねられた７本のシングルモード光ファイバおよびマルチコアファイバの光学結合する端面は、反射抑制のため光軸に対して斜めに加工されているが、光軸に対して垂直であってもよい。なお、７個の光アイソレータ１０、７０に換えて、複数（本実施形態では７本）のシングルモード光ファイバが集積された構成の光アイソレータを用いてもよい。
光ファイバファンイン２０のマルチコアファイバは、マルチコア光増幅ファイバ１と同様に、三角格子状に配置された７個のコア部と、各コア部の外周に位置し、各コア部の最大屈折率よりも屈折率が低いクラッド部とを備えている。光ファイバファンイン２０の各シングルモード光ファイバに信号光を入力すると、各光アイソレータ１０は各信号光を通過させ、マルチコアファイバの各コア部は各信号光を伝搬する。
励起光源である半導体レーザ３０は、横マルチモード半導体レーザであり、励起光を出力する。励起光の波長は、Ｅｒの９００ｎｍ波長帯における吸収ピークの波長と略同一な９７６ｎｍである。これにより、励起光はエルビウムイオンを光励起できる。半導体レーザ３０は、マルチモード光ファイバから励起光を出力する。このマルチモード光ファイバは、コア径/クラッド径が例えば１０５μｍ／１２５μｍのステップインデックス型であり、ＮＡが例えば０．１６や０．２２である。
光結合器４０は、主光ファイバと、励起光供給用光ファイバとを備えている。主光ファイバは、光ファイバファンイン２０のマルチコアファイバのコア部と同様に三角格子状に配置された７個のコア部と、各コア部の外周に位置し、各コア部の最大屈折率よりも屈折率が低い内側クラッド部と、内側クラッド部の外周に位置し、内側クラッド部よりも屈折率が低い外側クラッド部とを備えるダブルクラッド型の光ファイバである。コア部と内側クラッド部とは石英系ガラスからなり、外側クラッド部は樹脂からなる。
励起光供給用光ファイバは、別の一端が半導体レーザ３０のマルチモード光ファイバと接続された同種のマルチモード光ファイバであり、コア径/クラッド径が例えば１０５μｍ／１２５μｍのステップインデックス型であり、ＮＡが例えば０．１６や０．２２である。励起光供給用光ファイバは、励起光が半導体レーザ３０から入力され、この励起光を主光ファイバに供給する。内側クラッド部は励起光を伝搬する。
光結合器４０の主光ファイバは、一端が光ファイバファンイン２０のマルチコアファイバに接続されている。マルチコアファイバの各コア部は主光ファイバの各コア部に接続されている。したがって、マルチコアファイバの各コア部を伝搬した各信号光は、主光ファイバに入力すると、各コア部に光学結合する。各コア部は各信号光を伝搬する。励起光と信号光とは、主光ファイバからマルチコア光増幅ファイバ１へと出力される。
マルチコア光増幅ファイバ１は、一端が光結合器４０の主光ファイバに接続されている。マルチコア光増幅ファイバ１の各コア部１ａは主光ファイバの各コア部に接続されている。また、マルチコア光増幅ファイバ１の内側クラッド部１ｂは主光ファイバの内側クラッド部に接続されている。したがって、主光ファイバを伝搬した各信号光および励起光は、マルチコア光増幅ファイバ１に入力すると、それぞれ各コア部１ａと内側クラッド部１ｂとを同一方向に伝搬する。励起光は内側クラッド部１ｂを伝搬しながら各コア部１ａ内のＥｒを光励起する。各コア部１ａを伝搬する各信号光はＥｒの誘導放出の作用により光増幅される。マルチコア光増幅ファイバ１は、光増幅された各信号光と、光増幅に寄与しなかった励起光とを出力する。
ポンプストリッパ５０は、光増幅に寄与しなかった励起光を排除する公知のデバイスである。ポンプストリッパ５０は、例えば、７個のコアを有するダブルクラッド型マルチコアファイバの外側クラッドの一部が除去されており、除去された部分の内側クラッド部の表面から励起光を取り出して放熱板などに照射し、吸収させて励起光のエネルギーを熱エネルギーに変換して放熱する構成を有する。ポンプストリッパ５０はマルチコアファイバによって各信号光を伝搬させるとともに、励起光を、光増幅器１００から出力されても問題の無い程度のパワーまで低減させる。
光ファイバファンアウト６０は、光ファイバファンイン２０と同様に、束ねられた７本のシングルモード光ファイバと、７個のコア部を有する１本のマルチコアファイバとを備えており、結合部において７本のシングルモード光ファイバの各コア部がマルチコアファイバの各コア部に光学結合するように構成されている。各シングルモード光ファイバには、それぞれ光アイソレータ７０が設けられている。マルチコアファイバはポンプストリッパ５０に接続されている。なお、束ねられた７本のシングルモード光ファイバおよびマルチコアファイバの光学結合する端面は、反射抑制のため光軸に対して斜めに加工されているが、光軸に対して垂直であってもよい。
ポンプストリッパ５０のマルチコアファイバの各コア部から光ファイバファンアウト６０の各コア部に信号光が入力すると、各信号光は各シングルモード光ファイバの各コア部を伝搬し、光アイソレータ７０を通って出力する。
この光増幅器１００は、励起効率が改善されたマルチコア光増幅ファイバ１を用いて光増幅を行うので、同一の増幅特性を得るための半導体レーザ３０の消費電力を削減できる。
（実施形態４）
図５は、実施形態４に係る光通信システムの構成を示す模式図である。光通信システム１０００は、光送信装置１０１０と、光受信装置１０２０と、実施形態７に係る光増幅器１００と、１４本のシングルコア光ファイバである光伝送ファイバ１０３１～１０３７、１０４１～１０４７と、を備えている。
図５は、実施形態４に係る光通信システムの構成を示す模式図である。光通信システム１０００は、光送信装置１０１０と、光受信装置１０２０と、実施形態７に係る光増幅器１００と、１４本のシングルコア光ファイバである光伝送ファイバ１０３１～１０３７、１０４１～１０４７と、を備えている。
光送信装置１０１０は、７個の送信器１０１１～１０１７を備えている。送信器１０１１～１０１７は、それぞれ、信号光を送信する。７本の光伝送ファイバ１０３１～１０３７は、送信器１０１１～１０１７のそれぞれから出力された信号光を伝送し、光増幅器１００に入力させる。光増幅器１００は、光伝送ファイバ１０３１～１０３７から入力された７つの信号光を一括して光増幅し、７本の光伝送ファイバ１０４１～１０４７のそれぞれに出力する。光伝送ファイバ１０４１～１０４７は、増幅された信号光を伝送し、光受信装置１０２０に入力させる。光受信装置１０２０は、７個の受信器１０２１～１０２７を備えている。受信器１０２１～１０２７は、光伝送ファイバ１０４１～１０４７が伝送した、増幅された信号光を受信し、電気信号に変換する。
光通信システム１０００は、同一の増幅特性を得るための消費電力が削減された光増幅器１００を用いているので、消費電力が削減された光通信を実現できる。なお、本実施形態では、光伝送ファイバは７本のシングルコア光ファイバであるが、１本の７コア型マルチコアファイバからなる光伝送ファイバを用いてもよい。
光通信システム１０００が長距離通信システムなどであれば、光増幅器１００をリピータアンプ、プリアンプ、またはブースターアンプとして利用できる。光通信システム１０００がＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）を用いたネットワークシステムなどであれば、光増幅器１００を損失補償に利用できる。
なお、上記実施形態では、マルチコア光増幅ファイバのコア部は希土類元素としてＥｒのみを含むが、Ｅｒ以外の希土類元素、たとえばイッテルビウム（Ｙｂ）のみを含んでいてもよいし、Ｅｒ、Ｙｂの両方を含んでいてもよい。Ｙｂのみを含んでいる場合、希土類元素が光増幅可能な光増幅波長帯は、たとえば１０６４ｎｍを含む波長帯である。Ｅｒ、Ｙｂの両方を含んでいる場合、希土類元素が光増幅可能な光増幅波長帯は、たとえばＣバンドやＬバンドである。また、コア部が希土類元素としてプラセオジム（Ｐｒ）やビスマス（Ｂｉ）を含む場合は、希土類元素が光増幅可能な光増幅波長帯は、たとえば１３１０ｎｍを含む波長帯である。また、コア部が希土類元素としてツリウム（Ｔｍ）を含む場合は、希土類元素が光増幅可能な光増幅波長帯は、たとえば１５００ｎｍを含む波長帯である。
また、上記実施形態では、マルチコア光増幅ファイバにおけるコア部は三角格子状に配置されているが、正方格子状または円環状に配置されていてもよい。マルチコア光増幅ファイバにおけるコア部の数も、複数であれば特に限定されない。
また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施形態２に係るマルチコア光増幅ファイバ２を用いて実施形態３のようなマルチコア光ファイバ増幅器を構成してもよい。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
１、２ マルチコア光増幅ファイバ
１ａａ、１ａｂ、２ａａ、２ａｂ、２ａｃ コア部
１ｂ、２ｂ 内側クラッド部
１ｃ、２ｃ 外側クラッド部
１０、７０ 光アイソレータ
２０ 光ファイバファンイン
３０ 半導体レーザ
４０、８０ 光結合器
５０ ポンプストリッパ
６０ 光ファイバファンアウト
１００ 光増幅器
１０００ 光通信システム
１０１０ 光送信装置
１０２０ 光受信装置
１０１１～１０１７ 送信器
１０２１～１０２７ 受信器
１０３１～１０３７、１０４１～１０４７ 光伝送ファイバ
１ａａ、１ａｂ、２ａａ、２ａｂ、２ａｃ コア部
１ｂ、２ｂ 内側クラッド部
１ｃ、２ｃ 外側クラッド部
１０、７０ 光アイソレータ
２０ 光ファイバファンイン
３０ 半導体レーザ
４０、８０ 光結合器
５０ ポンプストリッパ
６０ 光ファイバファンアウト
１００ 光増幅器
１０００ 光通信システム
１０１０ 光送信装置
１０２０ 光受信装置
１０１１～１０１７ 送信器
１０２１～１０２７ 受信器
１０３１～１０３７、１０４１～１０４７ 光伝送ファイバ
Claims (10)
- 希土類元素を添加した複数のコア部と、
前記複数のコア部を取り囲み、各コア部の最大屈折率よりも低い屈折率を有する内側クラッド部と、
前記内側クラッド部を取り囲み、前記内側クラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する外側クラッド部と、
を備え、
前記希土類元素が光増幅可能な光増幅波長帯における、前記複数のコア部のそれぞれのモードフィールド径は５μｍ以上１１μｍ以下であり、
前記内側クラッド部に対する前記複数のコア部のそれぞれの最大屈折率の比屈折率差が０．３５％以上２％以下であり、
長手方向に垂直な断面における前記複数のコア部のそれぞれの中心間の離間距離であるコア間距離が、前記光増幅波長帯において総コア間クロストークが－４０ｄＢ／１００ｍ以下となるように設定されており、
前記複数のコア部のうち前記内側クラッド部の外縁に最も近いコア部の中心から該外縁までの距離であるクラッド厚が、前記コア間距離の最小値に前記モードフィールド径を加算した値よりも小さく、長手方向に垂直な断面における、前記内側クラッド部の断面積に対する、前記複数のコア部の合計断面積の比は、２．４％以上で、前記内側クラッド部の屈折率が径方向に均一である
マルチコア光増幅ファイバ。 - 前記コア間距離の最小値が２７μｍ以上である
請求項１に記載のマルチコア光増幅ファイバ。 - 前記コア間距離が、前記光増幅波長帯において総コア間クロストークが－５０ｄＢ／１００ｍ以下となるように設定されている
請求項１または２に記載のマルチコア光増幅ファイバ。 - 前記コア間距離の最小値が２９μｍ以上である
請求項３に記載のマルチコア光増幅ファイバ。 - 前記コア間距離が、前記光増幅波長帯において総コア間クロストークが－６０ｄＢ／１００ｍ以下となるように設定されている
請求項１～４のいずれか一つに記載のマルチコア光増幅ファイバ。 - 前記コア間距離の最小値が３１μｍ以上である
請求項５に記載のマルチコア光増幅ファイバ。 - 前記クラッド厚が１０μｍ以上である
請求項１～６のいずれか一つに記載のマルチコア光増幅ファイバ。 - 前記長手方向に垂直な断面における、前記内側クラッド部の中心または中心近傍に前記複数のコア部のうちの一つがある
請求項１に記載のマルチコア光増幅ファイバ。 - 請求項１～８のいずれか一つに記載のマルチコア光増幅ファイバと、
前記マルチコア光増幅ファイバの前記希土類元素を光励起する励起光を出力する励起光源と、
前記励起光を前記内側クラッド部に光学結合させる光結合器と、
を備える
マルチコア光ファイバ増幅器。 - 請求項９に記載のマルチコア光ファイバ増幅器を備える光通信システム。
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