WO2018020629A1 - 光伝送システム、光増幅器及びその励起光制御方法 - Google Patents

光伝送システム、光増幅器及びその励起光制御方法 Download PDF

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多賀　秀徳
五十嵐　浩司
釣谷　剛宏
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Kddi株式会社
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/29—Repeaters
    • H04B10/291—Repeaters in which processing or amplification is carried out without conversion of the main signal from optical form

Definitions

  • the present invention relates to an optical transmission system using an optical fiber, and more particularly to an optical amplifier used in a transmission line and a pumping light control method thereof.
  • An optical fiber forms a single core part having a refractive index higher than the refractive index of the clad in the clad, and the optical signal propagates through the core part while repeating total reflection, thereby performing long-distance transmission. Attenuation caused by loss of an optical fiber during transmission of an optical signal can be compensated by an optical amplifier (for example, refer to Patent Document 1) interposed at constant distances, so that transmission over a longer distance can be performed.
  • an optical amplifier for example, refer to Patent Document 1
  • the optical amplifier is configured to use, for example, a rare earth-doped optical fiber to supply energy to the rare earth element using excitation light and cause the amplification action to occur in the rare earth element.
  • the pumping method of the optical amplifier includes forward pumping in which signal light and pumping light propagate in the same direction by supplying pumping light to the optical fiber 1 from the propagation source side of the optical signal. There are backward pumping in which signal light and pumping light propagate in opposite directions by supplying pumping light from the propagation destination side of the optical signal, and bidirectional pumping in which pumping light is supplied from both.
  • the pumping light may propagate in the core of the optical fiber to which rare earth is added together with the signal light, or may propagate in the cladding outside the core separately from the signal light. In either case, as shown in FIG. 16, the power is exponentially attenuated as the distance from the position where the pumping light is supplied in the long axis direction of the optical fiber.
  • a core to which a rare earth element is added is used as an optical signal amplification medium, and pumping light for bringing the rare earth element into an excited state is supplied via a cladding outside the core.
  • the amplifier includes coupling means for coupling the pumping light supplied to the clad and propagating in the clad mode with the core mode of the core, and a plurality of coupling means are provided in the major axis direction of the optical amplifier. It is done.
  • FIG. 5 is a cross-sectional explanatory view of the optical amplifier of FIG. 4.
  • 1 is a configuration explanatory diagram of an optical amplifier according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of a configuration of an optical amplifier that collectively amplifies a C band band and an L band band.
  • FIG. 1 is a model diagram of an optical transmission system that collectively amplifies a C band band and an L band band.
  • FIG. It is a model figure of the optical transmission system which amplifies C band and L band collectively by a prior art.
  • 1 is a conceptual diagram of a configuration of a multimode optical amplifier according to an embodiment. It is a model diagram of a multimode optical transmission system using a multimode optical amplifier. It is perspective explanatory drawing which shows the structure of a multi-core fiber. It is a model figure which shows the excitation method of an optical amplifier. It is a graph which shows the attenuation
  • the optical amplifier is composed of an optical fiber 10 composed of a long cylindrical clad 11 and a core 13 disposed at the center and doped with a rare earth element.
  • the core 13 is used as an optical signal amplification medium, and excitation light from an excitation light source (not shown) is supplied from one end (not shown) of the cladding 11, thereby exciting the inside of the cladding 11.
  • Light propagates.
  • a coupling region 20 is formed in the core 13 at an appropriate position in the long axis direction.
  • the coupling region 20 has an action of coupling the excitation light propagating in the clad 11 in the clad mode to the core mode of the core 13, and has, for example, an inversely coupled long period fiber grating structure.
  • the reverse-coupled long-period fiber grating structure 20 causes a radiation loss at a specific wavelength by coupling with a specific mode from the core mode to the clad mode. It is used to reversely couple from the clad mode to the core mode.
  • a long-period fiber grating is fabricated in the core of an optical fiber, the signal light propagating through the core is radiated by converting a specific wavelength satisfying the phase matching condition from the core mode to the cladding mode as shown in FIG. appear.
  • the light that is incident on the clad 11 and propagates in a plurality of clad modes is transmitted from the specific wavelength of the specific clad mode in the core 13 in the reverse coupled long-period fiber grating structure 20.
  • the reverse characteristics of the long-period fiber grating can be obtained. That is, in the reverse-coupled long-period fiber grating structure 20 of the core 13, light having a specific wavelength (resonance wavelength component) of pumping light propagating as a cladding mode is reversely coupled to the core mode.
  • the cladding mode of the excitation light propagating in the cladding 11 is a multimode, and there are a plurality of propagation modes, and the reverse coupling long period grating is a specific cladding mode satisfying the phase matching condition among these cladding modes. Will be coupled to the core mode only.
  • the specific wavelength of the pumping light is actively transmitted from the clad 11 into the core 13, it is possible to efficiently couple from the clad mode to the core mode.
  • the wavelength of light transmitted from the clad 11 into the core 13 and the clad mode depend on the optical characteristics due to the periodic refractive index modulation formed in the reverse coupling long period fiber grating structure 20.
  • the coupling efficiency from the clad mode to the core mode and the coupling mode from which clad mode to which core mode by the reverse coupled long-period fiber grating structure 20 are variables that can be changed by the design of the long-period grating.
  • the position in the major axis direction where the grating is provided can be freely selected as a variable. Therefore, by providing a plurality of reverse coupling long-period fiber grating structures 20 in the core 13 and combining their optical characteristics and installation positions, the distribution of the pumping light power in the core 13 of the optical fiber 10 can be arbitrarily determined. It is possible to control the profile.
  • each inversely coupled long-period fiber is converted into a single mode in which light of one cladding mode propagating in the cladding propagates through the core 13. It can be combined with a grating structure.
  • a single grating is formed by repeating periodically at regular intervals. This makes it easy to adjust the gain in the vicinity of the reverse coupling long-period fiber grating outlet (easy to obtain a uniform gain) for the C-band signal light that is repeatedly amplified and attenuated by the excitation light coupled to the core 13. .
  • the reverse coupling long period fiber grating structure provided in the core 13 may be a grating group (for example, grating A, grating B, grating C) composed of a plurality of gratings having different optical characteristics. Even in this case, the gain is adjusted for the C-band signal light that is repeatedly amplified and attenuated by the excitation light coupled to the core 13 by periodically forming the grating group (for example, in the order of ABC and ABC). Can be made easier.
  • grating group for example, grating A, grating B, grating C
  • the gain is adjusted for the C-band signal light that is repeatedly amplified and attenuated by the excitation light coupled to the core 13 by periodically forming the grating group (for example, in the order of ABC and ABC). Can be made easier.
  • the reverse coupled long-period fiber grating structure 20 can be formed by irradiating the core 13 of the optical fiber 10 with interference fringes generated by the interference of laser light. That is, the refractive index of the core is configured to periodically change based on the interference fringes.
  • the interference fringes can be obtained by interference after splitting the optical path of the short-wavelength laser light into two parts (two-beam interference method) or by interference of the irradiation light from the short-wavelength laser light through the phase mask (phase mask method). .
  • phase mask method phase mask method
  • a coupling region formed by processing the clad 11 as shown in FIGS. 4 and 5 may be used.
  • This coupling region is formed by forming a V-groove 15 that is V-shaped in the cladding 11 of the optical fiber 10 in the vicinity of the core 13 in the propagation direction of the excitation light. Since the clad 11 has the V-groove 15 that is inclined with respect to the propagation direction of the excitation light, the electromagnetic field distribution in the clad mode changes in the vicinity of the V-groove 15 and overlaps the electromagnetic field distribution in the core mode. The range becomes larger.
  • FIG. 4 schematically shows the coupling from the clad mode to the core mode, and the arrows schematically show the coupling state.
  • the optical amplifier includes an optical fiber 10 including a core 13 to which a rare earth element is added, an inner clad 11 formed outside the core 13, and an outer clad 12 formed outside the inner clad 11. .
  • the core 13 is used as an optical signal amplification medium, and pump light is propagated through the inner clad 11 by supplying pump light to one part of the end of the inner clad 11.
  • the optical signal propagating through the core 13 is in a single mode.
  • the clad formed outside the core 13 has a two-layer structure (dual clad structure) of the inner clad 11 and the outer clad 12 because the pumping light is confined by the pumping light propagating through the inner clad 11. Is to increase
  • the rare earth element is excited by the LP 01 mode excitation light, and the LP 01 mode signal light is amplified.
  • the LP 01 mode signal light can also be amplified by the pumping of the pumping light propagating through the inner cladding 11 to the core 13, but the pumping light power due to the pumping of the inner cladding 11 to the core 13 is small. The gain becomes small, and only inefficient amplification is possible.
  • the optical characteristics distributed at intervals in the major axis direction of the optical amplifier as a coupling region for coupling the excitation light propagating in the inner cladding 11 in the cladding mode to the core mode of the core 13.
  • a plurality of (three) reverse-coupled long-period fiber grating structures 21 to 23 having different cores are fabricated on the core 13.
  • the cladding LP 01 mode is coupled to the core LP 01 mode.
  • the cladding LP 02 mode is coupled to the core LP 01 mode.
  • the cladding LP 02 mode is coupled to the core LP 01 mode.
  • the cladding LP 03 mode is coupled to the core LP 01 mode.
  • the combination of mode numbers mentioned above is an example, and the combination of other mode numbers may be sufficient.
  • the grating is written in the core 13 to which the rare earth element is added.
  • the rare earth element is not added to the portion to which the grating is written, and the core 13 immediately before and after that is added with the rare earth element. May be added.
  • a dual clad structure having two clads is used, but a simple single-layer clad may be used.
  • FIG. 7 schematically shows changes in the major axis direction of pumping light power in the core LP 01 mode obtained by the optical amplifier described above.
  • the pumping light power in the case of normal forward pumping and the pumping light power in the case of normal clad pumping are also shown.
  • this optical amplifier by providing three reverse-coupled long-period fiber grating structures having different optical characteristics, the pumping light power increases at each grating insertion position, and then attenuates.
  • the peak value of the excitation light power can be freely set according to the grating insertion position. In this example, each peak value at each grating insertion position is made different, but it is also possible to make the peak values equal at all grating insertion positions.
  • the pumping light power of the core LP 01 mode obtained by the optical amplifier increases at the grating insertion position, so it is a large value compared to the pumping light power that oozes out to the core in the case of normal cladding pumping. can do.
  • the pumping light power of the core LP 01 mode obtained by the optical amplifier increases the pumping light power freely at the grating insertion position, while the pumping light power in the case of normal forward pumping decays exponentially. Therefore, it is possible to obtain a high pumping light power and a profile of pumping light power change other than a simple exponential decrease that cannot be obtained by the conventional method.
  • the optical amplifier of FIG. 8 performs amplification of optical signals in the C band (1530 to 1565 nm) and the L band (1565 to 1625 nm) with a single unit. Parts having the same configuration as in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals.
  • a normal L-band amplifier a relatively long rare earth doped fiber is used.
  • the gain of the rare earth doped fiber per unit length is smaller than that in the C band band.
  • a large gain is finally obtained by accumulating over a long length.
  • the C band band a sufficiently large gain has already been obtained in the first half of the rare earth-doped fiber, and the signal light power becomes larger than the pump light power.
  • the optical power is absorbed by the rare earth element, and eventually a gain in the C band cannot be obtained.
  • a plurality of inversely coupled long-period fiber grating groups 21 to 24 are connected to the core 13.
  • the signal light in the C band remains without being lost by absorption. Therefore, collective amplification of signal light in the C band and L band is possible.
  • FIG. 9 schematically shows a change in pumping light power in the core, a change in signal light power in the C band, and a change in signal light power in the L band as shown as a function of the long axis direction of the optical fiber. It is a graph.
  • the pumping light from the grad 11 is coupled at the insertion positions of the reverse coupling long-period fiber grating structures 21 to 24 of the optical fiber 10 to increase the pumping light power in the core 13.
  • the signal light power in the C band is repeatedly increased and attenuated after receiving the coupled pump light power in the core 13. Therefore, by periodically disposing the reverse coupling long-period fiber grating structures 21 to 24, it is possible to periodically increase the pumping light power and adjust the gain of the signal light power at the same rate.
  • the signal light power in the L band band is finally increased by a long gain accumulated by the pumping light power (cladding pumping) that leaks from the inner cladding 11 to the core 13 in the core 13. Can be obtained.
  • FIG. 10 shows an optical transmission system that uses an optical amplifier 10 that collectively amplifies optical signals in the C-band and L-band in FIG.
  • the optical fiber 1 connected to the input side of the optical amplifier 10 includes a plurality of C-band optical transmission terminal devices 3 and a plurality of L-band bandwidths via a C-band and L-band wavelength multiplexer 2.
  • An optical transmission terminal device 3 is connected.
  • An optical fiber 1 connected to the output side of the optical amplifier 10 includes a plurality of C-band optical receiving terminal devices 6 and a plurality of L-band light components via a C-band and L-band wavelength separation device 5.
  • a receiving terminal device 6 is connected.
  • an optical signal multiplexed by the C-band and L-band wavelength multiplexer 2 and propagated through the optical fiber 1 is transmitted.
  • the optical amplifier 10 can amplify all at once.
  • guard band a gap for suppressing interference between bands at the boundary between the C band and the L band.
  • the wavelength band included in the guard band cannot be used.
  • the present embodiment does not require a guard band, and there is an effect that it is not necessary to waste a wavelength band for the guard band.
  • FIG. 12 shows a multimode optical amplifier 30 that performs multimode amplification when the optical signal is multimode.
  • a plurality of inversely coupled long-period grating structures 31 to 31 having different optical characteristics coupled from a plurality of cladding modes to a plurality of core modes, respectively. 34 is provided in the core 13.
  • Each of the reverse coupled long period grating groups 31 to 34 is formed with pitches L1, L2, and L3 separated, and each pitch is provided with a wider pitch than the wider one of the periods of adjacent gratings, thereby preventing interference between the gratings.
  • Each grating structure is configured to couple excitation light from a specific cladding mode to a specific core mode.
  • the cladding LP 01 mode is the core LP 01 mode in the first reverse coupling long period grating structure 31
  • the cladding LP 11 mode is the core LP 11 mode in the second inverse coupling long period grating structure 32.
  • the cladding LP 22 mode are coupled to core LP 22 mode at fourth antijoin long period grating structure 34.
  • the order in which the grating structures corresponding to each of the core modes are arranged is arbitrary, and the arrangement in the order shown in FIG. 12 is merely an example.
  • the number of clad modes coupled to a specific core mode is also one of the variables.
  • the core LP 01 mode is coupled with three modes: a clad LP 01 mode, a clad LP 11 mode, and a clad LP 21 mode.
  • a configuration such as this is also possible.
  • the coupling strength can be adjusted by supplying the necessary amount of pumping light power independently from any cladding mode for each of the arbitrary core modes that are multimode amplified.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of an optical transmission system using the multimode optical amplifier 30 shown in FIG. 12 that collectively multimode amplifies multimode optical signals propagating in the core 13.
  • a plurality of optical transmission terminal devices 3 are connected to the optical fiber 1 connected to the input side of the multimode optical amplifier 30 via the wavelength multiplexing device 2 and the mode multiplexing device 8.
  • a plurality of optical receiving terminal devices 6 are connected to the optical fiber 1 connected to the output side of the multimode optical amplifier 30 via a wavelength separation device 5 and a mode separation device 9.
  • the multi-mode optical amplifier 30 by using the multi-mode optical amplifier 30, a necessary amount of pumping light power is supplied independently from an arbitrary cladding mode for each of arbitrary core modes to be multi-mode amplified. can do. Therefore, it is possible to realize a multimode optical transmission system that equalizes gain deviation between modes, which has been difficult to realize until now.
  • the core portion in the clad is a single case, but a so-called multi-core fiber in which a plurality of cores 13 are present in the clad 11 as shown in FIG. Even in the case of 40, the same effect can be obtained for each core 13 by providing the inversely coupled long-period grating structures 20 distributed in each core 13.
  • the multi-core optical fiber 40 has a plurality of cores 13 along the axial direction in a clad 11 formed in a cylindrical shape.
  • the plurality of cores 13 included in the multi-core optical fiber 40 are formed with a refractive index higher than that of the clad 11 and are arranged concentrically with respect to the central axis of the multi-core optical fiber 40.
  • six cores 13 are concentrically arranged at equal intervals around the central axis.
  • the focal plane due to interference fringes (the range in which high contrast can be obtained) is about 10 microns in the irradiation direction, and simultaneously interferes with all the cores 13 of the multi-core optical fiber 40. It is impossible to locate the fringe focal plane. Therefore, in order to produce a grating structure in each core 13, it is necessary to irradiate laser light while relatively changing the spatial position of each core 13 and the position of the interference fringe focal plane. .
  • the multi-core optical fiber 40 is rotated around the central axis.
  • the reverse coupling long period fiber grating structures can be sequentially formed on all the cores 13 so that the interference fringe focal planes are positioned on the respective cores 13 arranged concentrically with respect to the central axis.
  • the coupling region 20 for example, an inversely coupled long-period fiber grating structure for coupling pumping light from the cladding mode to the core mode is provided in the optical fiber core 13 to which rare earth is added.
  • the pump light can be efficiently coupled from the clad mode to the core mode, and the pump light power can be controlled with respect to the long axis direction without attenuation.

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Abstract

希土類元素が添加されたコアを光信号の増幅媒体とし、前記希土類元素を励起状態にするための励起光が前記コアの外側のクラッドを経由して供給される光増幅器は、前記クラッドに供給されクラッドモードで該クラッド内を伝搬している励起光を前記コアのコアモードに結合させる結合手段を備え、前記結合手段は、前記光増幅器の長軸方向において複数設けられる。

Description

光伝送システム、光増幅器及びその励起光制御方法
　本発明は、光ファイバを使用した光伝送システムに関し、特に、伝送路に使用される光増幅器及びその励起光制御方法に関する。
　光ファイバは、クラッド中にクラッドの屈折率より高い屈折率を有する単一のコア部分を形成し、コア部分を光信号が全反射を繰り返しながら伝搬することで長距離の伝送を行う。光信号の伝送に際して光ファイバの損失によって生じる減衰は、一定距離ごとに介在する光増幅器（例えば、特許文献１参照）によって補償することで、更なる長距離の伝送を行うことが可能となる。
　光増幅器には、例えば、希土類添加光ファイバを使用することで、励起光を用いて希土類元素へのエネルギ供給を行い、増幅作用を希土類元素に起させるように構成されている。光増幅器の励起方法には、図１５に示すように、光ファイバ１に対して、光信号の伝搬元側から励起光を供給することで信号光と励起光が同じ方向に伝搬する前方励起、光信号の伝搬先側から励起光を供給することで信号光と励起光が逆方向に伝搬する後方励起、両方から励起光を供給する双方向励起がある。また、励起光は、信号光と一緒に希土類が添加された光ファイバのコア内を伝搬する場合もあれば、信号光とは別にコア外部のクラッド内を伝搬する場合もある。いずれの場合においても、図１６に示すように、励起光が供給される位置から光ファイバの長軸方向に離れるにしたがって、そのパワーは指数的に減衰するという性質がある。
特開２０００－７７７５８号公報
　これまで、励起光のパワーを光ファイバの長軸方向に対して自由に制御するためには、励起光が供給される位置を光ファイバの長軸方向に複数設けるように構成する必要があった。この場合、光増幅器としての機構が非常に複雑化してしまう。
　本発明の一側面によると、希土類元素が添加されたコアを光信号の増幅媒体とし、前記希土類元素を励起状態にするための励起光が前記コアの外側のクラッドを経由して供給される光増幅器は、前記クラッドに供給されクラッドモードで該クラッド内を伝搬している励起光を前記コアのコアモードに結合させる結合手段を備え、前記結合手段は、前記光増幅器の長軸方向において複数設けられる。
　本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
一実施形態による光増幅器の増幅原理を示す構成説明図である。 長周期ファイバグレーティングの透過特性を示すグラフである。 逆結合長周期ファイバグレーティングの透過特性を示すグラフである。 一実施形態による光増幅器の増幅原理を示す構成説明図である。 図４の光増幅器の断面説明図である。 一実施形態による光増幅器の構成説明図である。 励起光パワーの長軸方向依存性を示すグラフである。 Ｃバンド帯域及びＬバンド帯域を一括して増幅する光増幅器の構成概念図である。 Ｃバンド帯域及びＬバンド帯域の信号光パワーの長軸方向における変化、及び、コア内の励起光パワーの変化を示すグラフである。 Ｃバンド帯域及びＬバンド帯域を一括して増幅する光伝送システムのモデル図である。 従来技術によるＣ帯域及びＬ帯域を一括して増幅する光伝送システムのモデル図である。 一実施形態によるマルチモード光増幅器の構成概念図である。 マルチモード光増幅器を使用したマルチモード光伝送システムのモデル図である。 マルチコアファイバの構造を示す斜視説明図である。 光増幅器の励起方法を示すモデル図である。 光ファイバに供給された励起光の減衰状態を示すグラフである。
　＜第一実施形態＞
　本実施形態による光増幅器の増幅原理について、図１を参照しながら説明する。光増幅器は、長尺円柱状のクラッド１１と、その中心に配置され希土類元素が添加されたコア１３とから成る光ファイバ１０で構成される。コア１３を光信号の増幅媒体とするとともに、励起光源（図示せず）からの励起光がクラッド１１の端部の一か所（図示せず）から供給されることで、クラッド１１内を励起光が伝搬するようになっている。コア１３には、長軸方向の適宜位置に結合領域２０が形成されている。結合領域２０は、クラッドモードでクラッド１１内を伝搬している励起光をコア１３のコアモードに結合させる作用を備え、例えば逆結合長周期ファイバグレーティング構造で構成されている。
　逆結合長周期ファイバグレーティング構造２０は、コアモードからクラッドモードの特定モードと結合することにより特定波長で放射損失を生じさせ、これにより帯域阻止光フィルタとなる長周期ファイバグレーティングについて、逆に特定のクラッドモードからコアモードへ逆結合するように使用するものである。光ファイバのコアに長周期ファイバグレーティングを作製した場合、コアを伝搬する信号光は、図２に示すように、位相整合条件を満たした特定の波長がコアモードからクラッドモードへ変換放射され損失が発生する。
　上述したコア１３の構造によれば、クラッド１１に入射し複数のクラッドモードで伝搬する光は、逆結合長周期ファイバグレーティング構造２０において特定のクラッドモードの特定波長の光がコア１３内のコアモードに逆結合し、図３に示すように、長周期ファイバグレーティングとは逆の特性が得られる。すなわち、コア１３の逆結合長周期ファイバグレーティング構造２０において、クラッドモードとして伝搬する励起光の特定波長（共振波長成分）の光がコアモードに逆結合する。
　なお、クラッド１１内を伝搬する励起光のクラッドモードはマルチモードであり、複数の伝搬モードが存在し、逆結合長周期グレーティングはそれらのクラッドモードのうち、位相整合条件を満足する特定のクラッドモードのみをコアモードに結合させることになる。励起光の特定波長がクラッド１１からコア１３内に積極的に透過する構成とすることで、クラッドモードからコアモードに効率的に結合できるようにしている。クラッド１１からコア１３内に透過する光の波長およびクラッドモードは、逆結合長周期ファイバグレーティング構造２０に形成される周期的な屈折率変調による光学特性に依存する。
　すなわち、逆結合長周期ファイバグレーティング構造２０によるクラッドモードからコアモードへの結合効率、並びに、どのクラッドモードからどのコアモードへ結合させるかは、長周期グレーティングの設計によって変えることが可能な変数であり、グレーティングを設ける長軸方向の位置も変数として自由に選択することが可能である。したがって、複数の逆結合長周期ファイバグレーティング構造２０をコア１３内に設け、それらの光学特性や設置位置を組み合わせることによって、光ファイバ１０のコア１３内の励起光パワーの長軸方向の分布を任意のプロファイルに制御することが可能となる。
　例えば、同一の光学特性を備えた単一のグレーティングをコア１３に分布させて複数設けることで、クラッドを伝搬する一つのクラッドモードの光がコア１３を伝搬するシングルモードに各逆結合長周期ファイバグレーティング構造で結合させることができる。この場合、一定間隔で周期的に繰り返して単一のグレーティングを形成する。これにより、コア１３に結合する励起光により増幅減衰を繰り返すＣバンド帯域の信号光について、逆結合長周期ファイバグレーティング出口付近での利得を調整し易く（均一な利得を得易く）することができる。
　また、コア１３に設けられた逆結合長周期ファイバグレーティング構造は、異なる光学特性を備えた複数のグレーティングから成るグレーティング群（例えば、グレーティングＡ、グレーティングＢ、グレーティングＣ）であってもよい。この場合においても、グレーティング群を周期的に繰り返して（例えば、ＡＢＣ、ＡＢＣの順に）形成することで、コア１３に結合する励起光により増幅減衰を繰り返すＣバンド帯域の信号光について利得を調整し易くすることができる。
　逆結合長周期ファイバグレーティング構造２０は、光ファイバ１０のコア１３に対して、レーザ光の干渉によって生じる干渉縞を照射することで形成され得る。つまり、干渉縞に基づいてコアの屈折率が周期的に変化するように構成されている。干渉縞は、短波長レーザ光の光路を二分割させた後の干渉（二光束干渉法）や、短波長レーザ光からの照射光が位相マスクを介する干渉（位相マスク法）で得ることができる。例えば、光ファイバの長軸方向に複数の逆結合長周期ファイバグレーティング構造２０を作製する場合は、長軸方向に位相マスクをずらしながら製作する。同じ光学特性のグレーティングを作製する場合は同じ位相マスクを使用し、異なる光学特性のグレーティングを作製する場合は異なる位相マスクを使用する。
　また、上述した逆結合長周期ファイバグレーティング構造２０に代えて、図４及び図５に示すように、クラッド１１を加工することで形成した結合領域を使用しても良い。この結合領域は、光ファイバ１０のクラッド１１に励起光の伝搬方向に対してＶ字となるＶ溝１５をコア１３近傍位置まで作製することで形成される。クラッド１１に励起光の伝搬方向に対して傾斜面となるＶ溝１５が存在することで、Ｖ溝１５の近傍においてクラッドモードの電磁界分布が変化し、コアモードの電磁界分布と重なる部分の範囲が大きくなる。その重なりを通じてクラッドモードからコアモード（シングルモード）への結合が生じ、クラッドモードを伝搬している励起光がコア１３のコアモードを伝搬するようになる。図４は、クラッドモードからコアモードへの結合を模式的に示したものであり、矢印は結合の様子を幾何学的に模式的に示したものである。
　続いて、光増幅器の具体的な構成例について、図６を参照して説明する。光増幅器は、希土類元素が添加されたコア１３と、コア１３の外側に形成されたインナークラッド１１と、インナークラッド１１の外側に形成されたアウタークラッド１２とを備えた光ファイバ１０で構成される。コア１３を光信号の増幅媒体とするとともに、インナークラッド１１の端部の一か所に励起光が供給されることで、インナークラッド１１内を励起光が伝搬するように構成されている。尚、この例では、コア１３を伝搬する光信号はシングルモードとなっている。コア１３の外側に形成されたクラッドについて、インナークラッド１１とアウタークラッド１２との二層構造（デュアルクラッド構造）としたのは、インナークラッド１１内を励起光が伝搬することによる励起光の閉じ込め効率を高めるためである。
　コア１３では、LP01モードの励起光によって希土類元素が励起され、LP01モードの信号光が増幅される。LP01モードの信号光は、インナークラッド１１を伝搬する励起光のコア１３への染み出しによっても増幅され得るが、インナークラッド１１からコア１３への染み出しによる励起光パワーは小さいため、それによる利得も小さいものとなってしまい、効率の悪い増幅しかできない。
　そこで、本実施形態においては、クラッドモードでインナークラッド１１内を伝搬している励起光をコア１３のコアモードに結合させる結合領域として、光増幅器の長軸方向に間隔をおいて分布する光学特性の異なる複数（３個）の逆結合長周期ファイバグレーティング構造２１～２３をコア１３に作製している。一番目（左側位置）の逆結合長周期ファイバグレーティング構造２１では、クラッドLP01モードがコアLP01モードに結合されるようになっている。二番目（中央位置）の逆結合長周期ファイバグレーティング構造２２では、クラッドLP02モードがコアLP01モードに結合されるようになっている。三番目（右側位置）の逆結合長周期ファイバグレーティング構造２３では、クラッドLP03モードがコアLP01モードに結合されるようになっている。上述したモード番号の組み合わせは一例であり、他のモード番号同士の組み合わせであってもよい。
　また、本実施形態では、希土類元素が添加されたコア１３にグレーティングが書き込まれているが、グレーティングが書き込まれる部分には希土類元素が添加されておらず、その直前後のコア１３には希土類元素が添加されている構成であってもよい。
　また、本実施例では、インナークラッド１１への励起光の閉じ込め効率を高めるため、クラッドを二層としたデュアルクラッド構造としているが、単純な一層クラッドで構成してもよい。
　図７は、上述した光増幅器で得られるコアLP01モードの励起光パワーの長軸方向の変化を模式的に示したものである。参考のため、通常の前方励起の場合の励起光パワー、及び、通常のクラッド励起の場合の励起光パワーも示す。この光増幅器では、光学特性の異なる３個の逆結合長周期ファイバグレーティング構造を設けることで、各グレーティング挿入位置で励起光パワーが上昇し、その後に減衰するようになる。励起光パワーのピーク値は、グレーティング挿入位置によって自由に設定することができる。この例では、各グレーティング挿入位置における各ピーク値が異なるようにしているが、全てのグレーティング挿入位置でピーク値を等しくすることも可能である。
　光増幅器で得られるコアLP01モードの励起光パワーは、グレーティング挿入位置で励起光パワーが上昇するので、通常のクラッド励起の場合にコアへ染み出してくる励起光パワーに比較して大きな値とすることができる。また、光増幅器で得られるコアLP01モードの励起光パワーは、通常の前方励起の場合の励起光パワーが指数的に減衰するのに対して、グレーティング挿入位置で自由に励起光パワーを上昇させることができるので、高い励起光パワーを得るとともに、従前方法では得られない単純な指数的減少以外の励起光パワー変化のプロファイルとすることができる。
　＜第二実施形態＞
　図８の光増幅器は、Ｃバンド帯域（１５３０～１５６５ｎｍ）とＬバンド帯域（１５６５～１６２５ｎｍ）の光信号の増幅を１台で行う。図６と同じ構成をとる部分については同一符号を付している。通常のＬバンド増幅器では、比較的長尺の希土類添加ファイバを使用する。Ｌバンド帯域では、Ｃバンド帯域に比べて、単位長あたりの希土類添加ファイバの利得が小さい。しかしながら、長尺にわたって累積していくことで最終的には大きな利得が得られるように構成される。この時、Ｃバンド帯域では、希土類添加ファイバの前半の短い部分で既に十分に大きな利得が得られてしまい、信号光のパワーが励起光のパワーよりも大きくなってしまう現象が生じ、後半では信号光パワーが希土類元素に吸収されてしまい、最終的にはＣバンド帯域での利得が得られなくなる。
　本実施形態では、Ｃバンド帯域の増幅において、信号光が吸収されてしまってＣバンド帯域の利得がなくなるのを防ぐため、コア１３に複数の逆結合長周期ファイバグレーティング群２１～２４（結合領域）を長軸方向に周期的に分布して作製することで、周期的に大きなパワーの励起光をコア１３内に導入するように構成した。その結果、Ｌバンド帯域の信号光の利得を得るために長尺の希土類添加ファイバを用いた場合であっても、Ｃバンド帯域の信号光が吸収によって消えずに最後まで残るようになる。よって、Ｃバンド帯域及びＬバンド帯域の信号光の一括増幅が可能になる。
　図９は、光ファイバの長軸方向の関数として示したコア内の励起光パワーの変化、Ｃバンド帯域の信号光パワーの変化、Ｌバンド帯域の信号光パワーの変化をそれぞれ模式的に示したグラフである。光ファイバ１０の各逆結合長周期ファイバグレーティング構造２１～２４の挿入位置でグラッド１１からの励起光が結合してコア１３内の励起光パワーが上昇する。Ｃバンド帯域の信号光パワーは、コア１３内において、結合された励起光パワーを受けて上昇しその後に減衰することを繰り返す。したがって、逆結合長周期ファイバグレーティング構造２１～２４を周期的に配置することで、周期的に励起光パワーを上昇させて信号光パワーの利得を同じ割合で調整することができる。Ｌバンド帯域の信号光パワーは、コア１３内において、インナークラッド１１からコア１３へ染み出してくる励起光パワー（クラッド励起）による利得が長尺にわたって累積していくことで最終的には大きな利得が得られるようになる。
　＜第三実施形態＞
　図１０は、図８のＣバンド帯域及びＬバンド帯域の光信号を一括して増幅する光増幅器１０を使用して光伝送システムを構成したものである。光増幅器１０の入力側に接続された光ファイバ１には、Ｃバンド帯域及びＬバンド帯域波長多重化装置２を介して複数のＣバンド帯域の光送信端局装置３と複数のＬバンド帯域の光送信端局装置３が接続されている。光増幅器１０の出力側に接続された光ファイバ１には、Ｃバンド帯域及びＬバンド帯域波長分離装置５を介して複数のＣバンド帯域の光受信端局装置６と複数のＬバンド帯域の光受信端局装置６が接続されている。この構成の光伝送システムによれば、Ｃバンド帯域及びＬバンド帯域波長多重化装置２により多重化されて光ファイバ１を伝搬する光信号（Ｃバンド帯域及びＬバンド帯域の光信号）に対して、光増幅器１０で一括して増幅することが可能となる。
　これに対して従前技術によれば、図１１に示すように、Ｃバンド帯域及びＬバンド帯域波長多重化装置２により多重化されて光ファイバ１を伝搬する光信号に対して増幅作用を行う場合は、Ｃ／Ｌ分離器５１でＣバンド帯域とＬバンド帯域に分離した後に、それぞれの増幅器５０で増幅させ、Ｃ／Ｌ多重器５２で多重化する必要があった。図１１中、図１０と同じ構成をとる部分は同一符号を付している。本実施形態の光伝送システムによれば、図８に示したＣバンド帯域及びＬバンド帯域の光信号を一括して増幅する光増幅器１０を使用することで、Ｃ／Ｌ分離器５１及びＣ／Ｌ多重器５２が不要となるので構成を簡略化でき、伝送システムの構築にかかわるコストを削減することが可能となる。
　また、Ｃ／Ｌ分離器５１とＣ／Ｌ多重器５２においては、ＣバンドとＬバンドとの境界部分において、バンド間の干渉を抑圧するためのギャップ（いわゆるガードバンド）を設ける必要があり、ガードバンドに含まれる波長帯域を使用することはできない。これに対して、本実施形態ではガードバンドが不要であり、ガードバンドのために波長帯域を無駄にする必要がなくなるという効果がある。
　＜第四実施形態＞
　上述した実施形態では、光ファイバ１０のコア１３内を伝搬する光信号がシングルモードであった。これに対して、光信号がマルチモードの場合に多モード増幅を行うマルチモード光増幅器３０を図１２に示す。本実施形態によるマルチモード光増幅器３０では、マルチモードの各モードの利得を制御するため、複数のクラッドモードから複数のコアモードへそれぞれ結合する光学特性の異なる複数の逆結合長周期グレーティング構造３１～３４をコア１３に設けている。
　各逆結合長周期グレーティング群３１～３４はピッチL1、L2、L3を隔てて作製され、各ピッチは隣接するグレーティングの各周期の広い方より広いピッチを設けることでグレーティング間の干渉を防止する。個々のグレーティング構造は、それぞれ特定のクラッドモードから特定のコアモードへと励起光を結合させるように構成されている。図１２の例では、一番目の逆結合長周期グレーティング構造３１でクラッドLP01モードがコアLP01モードに、二番目の逆結合長周期グレーティング構造３２でクラッドLP11モードがコアLP11モードに、三番目の逆結合長周期グレーティング構造３３でクラッドLP02モードがコアLP02モードに、四番目の逆結合長周期グレーティング構造３４でクラッドLP22モードがコアLP22モードにそれぞれ結合される。なお、これはあくまで一例であり、他のモード番号の組み合わせでも構わない。また、コアモードのそれぞれに対応するグレーティング構造を配置する順番も任意であり、図１２に示す順番での配置は一例に過ぎない。
　ある特定のコアモードに結合されるクラッドモードの数も変数の一つであり、例えばコアLP01モードには、クラッドLP01モード、クラッドLP11モード、クラッドLP21モードの三種のモードが結合するという構成も可能である。このような構成をとることで、多モード増幅される任意のコアモードのそれぞれについて、必要な量の励起光パワーを、任意のクラッドモードから相互に独立に供給することで結合強度を調整できるので、多モード増幅器のモード間利得偏差の制御を容易に行うことができる。
　＜第五実施形態＞
　図１３は、図１２に示した、コア１３内を伝搬するマルチモードの光信号を一括して多モード増幅するマルチモード光増幅器３０を使用した光伝送システムの構成図である。マルチモード光増幅器３０の入力側に接続された光ファイバ１には、波長多重化装置２及びモード多重化装置８を介して複数の光送信端局装置３が接続される。マルチモード光増幅器３０の出力側に接続された光ファイバ１には、波長分離装置５及びモード分離装置９を介して複数の光受信端局装置６が接続されている。図１３中、図１０と同一の構成をとる部分は、同一符号を付している。本実施形態によれば、マルチモード光増幅器３０を使用することで、多モード増幅される任意のコアモードのそれぞれについて、必要な量の励起光パワーを、任意のクラッドモードから相互に独立に供給することができる。したがって、これまで実現が困難であったモード間の利得偏差を等化したマルチモード光伝送システムの実現が可能となる。
　上述した光増幅器の各実施形態は、全てクラッド中のコア部分が単一の場合であったが、図１４に示すような、クラッド１１中に複数のコア１３が存在している、いわゆるマルチコアファイバ４０においても各コア１３に逆結合長周期グレーティング構造２０を分布させて設けることで、各コア１３について同様の効果を得ることが可能である。
　マルチコア光ファイバ４０は、円柱状に形成されたクラッド１１中に、軸方向に沿った複数のコア１３を有している。マルチコア光ファイバ４０に内在する複数のコア１３は、クラッド１１の屈折率より高い屈折率で形成され、マルチコア光ファイバ４０の中心軸に対して同心円状に配置されている。この例では、中心軸の周囲に６個のコア１３が同心円状にそれぞれ等間隔に配置されている。
　マルチコア光ファイバ４０にグレーティング構造を作製するに際して、干渉縞による焦点面（高いコントラストが得られる範囲）は、照射方向に１０ミクロン程度であり、マルチコア光ファイバ４０の全てのコア１３に対して同時に干渉縞焦点面を位置させることは不可能である。そこで、各コア１３にグレーティング構造を作製するためには、各コア１３の空間的な位置と、干渉縞焦点面の位置とを相対的に変化させながらレーザ光の照射を行うことが必要となる。
例えば、マルチコア光ファイバ４０を、中心軸を中心に回転させる。これにより、中心軸に対して同心状に配置された各コア１３に干渉縞焦点面を位置させるようにして、全てのコア１３へ逆結合長周期ファイバグレーティング構造を順次形成することができる。
　上述した各光増幅器によれば、希土類が添加されている光ファイバのコア１３に、クラッドモードからコアモードへ励起光を結合するための結合領域２０（例えば、逆結合長周期ファイバグレーティング構造）を設けることで、励起光がクラッドモードからコアモードに効率的に結合できるようにし、励起光パワーが減衰することなく光ファイバの長軸方向に対して制御することができる。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。

Claims (13)

  1. 　希土類元素が添加されたコアを光信号の増幅媒体とし、前記希土類元素を励起状態にするための励起光が前記コアの外側のクラッドを経由して供給される光増幅器において、
    　前記クラッドに供給されクラッドモードで該クラッド内を伝搬している励起光を前記コアのコアモードに結合させる結合手段を備え、
    　前記結合手段は、前記光増幅器の長軸方向において複数設けられる光増幅器。
  2. 　前記結合手段は、前記コアに設けられたグレーティング構造である請求項１に記載の光増幅器。
  3. 　前記コアに設けられたグレーティング構造は、同一の光学特性を備えた単一のグレーティングである請求項２に記載の光増幅器。
  4. 　前記コアに設けられたグレーティング構造は、異なる光学特性を備えた複数のグレーティングから成るグレーティング群である請求項２に記載の光増幅器。
  5. 　前記グレーティング構造は、前記同一のグレーティングを周期的に繰り返して形成される請求項３に記載の光増幅器。
  6. 　前記グレーティング構造は、前記グレーティング群を周期的に繰り返して形成される請求項４に記載の光増幅器。
  7. 　前記結合手段は、前記クラッドに設けられ、前記励起光の伝搬方向に対して傾斜面となるＶ溝で構成されている請求項１に記載の光増幅器。
  8. 　希土類元素が添加されたコアを光信号の増幅媒体とし、前記希土類元素を励起状態にするための励起光が前記コアの外側のクラッドを経由して供給される光増幅器において、
    　前記クラッドに供給されクラッドモードでクラッド内を伝搬する励起光を、前記コアの長軸方向における任意位置でコアモードに結合させて励起効率を制御する光増幅器の励起光制御方法。
  9. 　Ｃバンド帯域の光信号については、前記クラッド内を伝搬する励起光がコアモードに結合することで励起効率を制御するとともに、
    　Ｌバンド帯域の光信号については、前記クラッド内を伝搬する励起光がコアに漏れ出すクラッド励起により励起を行うことで、
    　前記Ｃバンド帯域及びＬバンド帯域の光信号を同時に増幅可能とする請求項８に記載の光増幅器の励起光制御方法。
  10. 　コアを伝搬する光信号のコアモードが複数存在する場合に、各クラッドモードから各コアモードに結合する結合強度を、各モードペアに対応する結合によって個別に調整することで、コアモード毎の利得を制御する請求項８又は９に記載の光増幅器の励起光制御方法。
  11. 　クラッドモードの励起光のコアモードへの結合は、コアに設けられたグレーティング構造で行われる請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の光増幅器の励起光制御方法。
  12. 　希土類元素が添加されたコアを光信号の増幅媒体とし、前記希土類元素を励起状態にするための励起光が前記コアの外側のクラッドを経由して供給される光増幅器を使用して光信号を伝搬する光伝送システムにおいて、
    　Ｃバンド帯域の光信号については、前記クラッド内を伝搬する励起光がコアモードに結合することで励起効率を制御するとともに、
    　Ｌバンド帯域の光信号については、前記クラッド内を伝搬する励起光がコアに漏れ出すクラッド励起により励起を行うことで、
    　前記Ｃバンド帯域及びＬバンド帯域の光信号を同時に増幅可能とし、
    　伝送路内の光増幅点においてＣバンド帯域とＬバンド帯域の光信号を分離することなく伝送することを特徴とする光伝送システム。
  13. 　コアを伝搬する光信号のコアモードが複数存在する場合に、各クラッドモードから各コアモードに結合する結合強度を、各モードペアに対応する結合によって個別に調整することで、コアモード毎の利得を制御しモード間利得偏差の補償を行う請求項１２に記載の光伝送システム。
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