WO2018084048A1 - 光増幅器 - Google Patents

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Abstract

本開示の光増幅器は、１以上の伝搬モードを含む信号光を増幅可能な増幅用ファイバを有し、前記増幅用ファイバにより増幅された信号光に含まれる少なくとも１つの伝搬モードを共振させる光共振器と、前記増幅用ファイバを励起する励起光を出力する励起光源と、前記信号光と前記励起光を合波する合波器と、を備え、前記光共振器は、前記光共振器内で共振する複数の伝搬モードのうち少なくとも１つの前記伝搬モードに対し利得クランプを設定する利得クランプ設定部を有する。

Description

光増幅器
本開示は、モード多重伝送における光増幅器に関する。
　本願は、２０１６年１１月０１日に、日本に出願された特願２０１６－２１４５３２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　近年、サービスの多様化によりインターネットトラヒックは未だ増加し続けており、伝送速度の高速化や波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）技術による波長多重数の増加により飛躍的に伝送容量を伸ばしてきた。また近年、検討が盛んに行われているデジタルコヒーレント技術によって更なる伝送容量の拡大が予想されている。デジタルコヒーレント伝送システムでは多値位相変調信号を用いることにより周波数利用効率を向上させてきたが、より高い信号雑音比が必要となる。しかし従来のシングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｆｉｂ ｅｒ， ＳＭＦ）を用いた伝送システムでは、理論的な限界に加え非線形効果に起因する入力パワー制限のため伝送容量は１００ Ｔｂｉｔ／ｓｅｃを境に飽和することが予想されており、更なる大容量化は困難となる。
　今後さらに伝送容量を増やしていくためには革新的な伝送容量拡大を実現する媒体が必要とされている。そこで、光ファイバ中の複数の伝搬モードをチャネルとして用いることで信号雑音比と空間利用効率の向上が期待できるマルチモードファイバ（Ｍｕｌｔｉ ｍ ｏｄｅ ｆｉｂｅｒ， ＭＭＦ）を用いたモード多重伝送が注目を集めている。これまでファイバ中を伝搬する高次のモードは信号劣化の要因であったが、デジタル信号処理や合分波技術などの発展で積極的な利用が検討されている。
　またモード多重伝送の長距離化に向けた検討も行われており、Ｅｒ３＋添加型光増幅器を用いた基本モードのＬＰ０１モードと第四高次ＬＰモードであるＬＰ０２モードの増幅に関する報告がなされている。
　モード多重伝送の長距離化を行う上で、すべてのモードの伝送品質を保つためには光増幅器において伝搬モード間利得差（Ｄｅｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄａｌ Ｇａｉｎ，ＤＭＧ）を小さくする必要性がある。しかしながら、ＥＤＦ（Ｅｒ－ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ）中を伝搬する光はモード毎に異なる電界分布を有するため、一般的に異なる利得を得る。
　各モードの利得は、増幅用ファイバに入射する励起光の電界分布・希土類元素添加分布により決まる励起元素数分布と信号光の電界分布の重なりによって決定する。基本モードであるＬＰ０１モードのみを増幅する従来の光増幅器においては、増幅用ファイバの希土類元素添加領域はコア全体に希土類元素を添加するステップインデックス型構造とコアの中心部のみに希土類元素を添加するセンタードープ型構造等が主な構造である。しかし高次モードの利得を考慮に入れる必要がある多モード伝送用の増幅用ファイバでは希土類添加分布をファイバコアのエッジに多くドープするような構造も提案されている。
　また、動的にモード間利得差を制御するために、増幅用ファイバへ入射する励起光の伝搬モードに高次モードを用いる手法が提案されている。励起光のモードを基本モードから高次モードへ変換する手法としては励起光を光増幅用ファイバへ入射する際に軸ずれ励振する方法（例えば非特許文献１）や位相フィルタを用いて励起光を任意のモードへ変換し光増幅用ファイバへ入射することで伝搬モード毎の利得調整をする方法が提案されている（例えば非特許文献２）。
Ｙ．Ｙｕｎｇ ｅｔ ａｌ． "Ｆｉｒｓｔ ｄｅｍｏｎｓｔｒａ ｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ｓｐａｔｉａ ｌ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙ ｓｔｅｍｓ" ＥＣＯＣ２０１１ ｐａｐｅｒ Ｔｈ．１３．Ｋ．４． Ｙ． Ｊｕｎｇ ｅｔ ａｌ． "Ｆｅｗ－ｍｏｄｅ ＥＤＦＡ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ５ Ｓｐａｔｉａｌ Ｍｏｄｅｓ ｗｉｔｈ Ｒｅｃｏｎｆ ｉｇｕｒａｂｌｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄａｌ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒ ｏｌ" ＥＣＯＣ２０１１ ｐａｐｅｒ Ｗｅ．４．Ａ．２． 須藤著「エルビウム添加光ファイバ増幅器」、第２部２章１節、オプトロニクス社 鈴木他、「光増幅器を用いたＰＯＮシステムの伝送距離拡大法 利得クランプＰＤＦＡを用いた１．３μｍ帯バースト光増幅器の検討」、信学技報，ｖｏｌ．１０４，ｎｏ．７２１，ＣＳ２００４－２５２，２００５． Ｋ． Ｓｈｉｂａｈａｒａ ｅｔ ａｌ． "Ｄｅｎｓｅ ＳＤＭ（１２－Ｃｏｒｅ × ３－Ｍｏｄｅ） Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｏｖｅｒ ５２７ ｋｍ Ｗｉｔｈ ３３．２－ｎｓ Ｍｏｄｅ－Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｅｍ ｐｌｏｙｉｎｇ Ｌｏｗ－Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ Ｐａｒａｌｌｅｌ ＭＩＭＯ Ｆ ｒｅｑｕｅｎｃｙ－Ｄｏｍａｉｎ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，" Ｊ． Ｌｉｇｈ ｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ．３４， ｎｏ． １ （２０１６）．
　モード間利得差を動的に制御する際、入射する励起光のモード比率の微細な制御を不要とすることを目的とする。

　本開示に係る光増幅器は、１以上の伝搬モードを含む信号光を増幅可能な増幅用ファイバを有し、前記増幅用ファイバにより増幅された信号光に含まれる少なくとも１つの伝搬モードを共振させる光共振器と、前記増幅用ファイバを励起する励起光を出力する励起光源と、前記信号光と前記励起光を合波する合波器と、を備え、前記光共振器は、前記光共振器内で共振する複数の伝搬モードのうち少なくとも１つの前記伝搬モードに対し利得クランプを設定する利得クランプ設定部を有する。　

　前記利得クランプ設定部は、前記光共振器で共振する前記伝搬モードの中から前記利得クランプを設定する前記伝搬モードを選択的に伝搬するモード選択器と、前記モード選択器で選択された前記伝搬モードの光強度を減衰させる光減衰器と、を備えていてもよい。　ここで、前記モード選択器は、シングルモードファイバであってもよい。

　前記利得クランプ設定部は、前記光共振器で共振する前記伝搬モードをモードごとに分離するモード分波器と、前記モード分波器でモード分波された各ポートの光強度を調整可能な光減衰器と、前記光減衰器を通過後の各光を合波するモード合波器と、を備えていてもよい。　
　本開示は、前記光共振器は、信号光とは異なる波長の光を生成する光源と、前記光源からの光を前記光共振器に合波するための光カプラと、を備えていてもよい。

　ここで、本開示は、前記利得クランプ設定部は、前記光源からの光を、前記利得クランプを設定する前記伝搬モードに変換するモード変換器を有し、前記モード変換器は、前記光源と前記光カプラの間に設けられていてもよい。　

　本開示は、前記光共振器は、前記信号光とは異なる波長の光を生成する複数の光源と、前記複数の光源からの光を前記光共振器に合波するための光カプラと、をさらに備え、前記利得クランプ設定部は、前記複数の光源の少なくともいずれかと前記光カプラの間に挿入され、前記複数の光源からの光を、利得クランプを設定する伝搬モードに変換するモード変換器と、前記光共振器内に挿入され、前記モード変換器で変換された少なくとも１つ伝搬モードの光強度を減衰させる光減衰器と、を備えていてもよい。　
　前記光共振器は、前記信号光に含まれる各前記伝搬モードが光伝搬路上で周回可能なリング共振器であってもよい。
なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。
　本開示によれば、入射する励起光のモード比率の微細な制御を行うことなく、マルチモード光増幅器におけるモード間利得差の制御を実現することができる。
開示に係るリング型共振器を有するマルチモード光増幅器の概略図である。 光共振器内にシングルモードファイバを有する第１実施形態に係る光増幅器の概略図である。 励起強度と利得及びＤＭＧの関係の一例である。 光共振器内にモード合分波器および光減衰器を有する第２実施形態に係る光増幅器の概略図である。 光共振器内にモード選択器を有する第３実施形態に係る光増幅器の概略図である。 外部光源を用いたリング型共振器を有する第４実施形態に係る光増幅器の概略図である。 外部光源およびモード変換器を用いたリング型共振器を有する第５実施形態に係る光増幅器の概略図である。 第５実施形態に係る光増幅器の別形態を示す概略図である。
　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ない。これらの実施形態は例示に過ぎず、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、相互に同一の構成要素を示す。
　本開示では、モード間利得差を制御するため、新たな手法として利得のクランプを用いる方法を示す。この手法は光共振器の中に増幅用ファイバ１１を設置して任意の波長をレーザ発振させる。所望の共振波長において、レーザ閾値以上になると励起強度に関わらず利得は光共振器内の損失と等化になる。このとき増幅用ファイバ１１の反転分布状態はロックされ、利得が一定となることからこの現象は利得クランプと呼ばれている。これは、増幅器において励起強度の増大により反転分布が大きくなり、共振光の誘導放出により利得が損失と同じになるまで反転分布を小さくすることで生じる。シングルモードにおけるクランプ型光増幅器の構成例としては、非特許文献３、非特許文献４などの報告がある。
　光増幅器における利得クランプは、非特許文献３に示すような増幅用ファイバ１１から発生する自然放出光を利用する自励式、もしくは非特許文献４に示すような外部光源から光を供給する外部供給型が知られている。これらの方法では励起光と信号光を合波する光カプラ以外に、任意の波長域を合分波するための光カプラや発振閾値を変化させるための光減衰器などが必要となる。
　これまでの検討は全てシングルモードファイバにおける検討であり共振される波長は１波長、及び共振モードは基本モードであるＬＰ０１モードだけである。しかしながら、マルチモード光増幅器においてはＬＰ０１モードだけでなく、さらに高次モードが伝搬、増幅される。そのため光増幅器内で共振モードに依る反転分布状態のロックが発生しても、共振モード以外のモードにおいてはロックされた反転分布状態との重なりの大きさが異なるためクランプのされ方が異なることが予想される。そのことから、本開示においては、利得クランプするモードを任意に設定することにより、モード毎の利得およびモード間利得差を制御する。
　図１は開示に係る光増幅器１００の形態の概略図である。図１はクランプされた利得を生成するための光共振器を含むマルチモード光増幅器１００である。光共振器は増幅用ファイバ１１と、バンドパスフィルタ１２と、光共振器の発振閾値を調整するための光減衰器１３と、クランプ光を共振させるための光カプラ１４Ａ，１４Ｂとを備える。増幅用ファイバ１１は励起光源１５により生成された励起光により励起される。信号光の帯域は、例えば、１５３０～１５６５ｎｍのＣ帯又は１５６５～１６２０ｎｍのＬ帯である。また、励起光は、増幅用ファイバ１１がエルビウムを添加したファイバであるとき、９８０ｎｍ帯又は１４８０ｎｍ帯が好ましい。光カプラ１６は、信号光ＬＳと励起光ＬＥを合波するための合波器として機能する。
　本実施形態は光共振器としてリング型共振器を用いており、増幅用ファイバ１１前後にある光カプラ１４Ａ，１４Ｂを用いて増幅用ファイバ１１から放出される自然放出光の一部を取り出し共振させる自励式を用いている。また光共振器については、リング共振器でなくても、例えばファイバグレーティング型など光共振器を光増幅器内に形成できる構成であればよい。取り出す自然放出光の帯域は信号光ＬＳも影響を与えないため信号光ＬＳとして用いている帯域外を用いることが望ましい。
　図１の構成では１つ以上のモードが発振し得るためクランプ光の伝搬モードを制御することが出来ない。そこで、本実施形態に係る光増幅器は、リング共振器内に、クランプ光の伝搬モードを制御するための利得クランプ設定部を備える。利得クランプ設定部は、光共振器で共振する少なくとも１つの伝搬モードに対し、利得クランプを設定する機能を有する。
　（第１実施形態）
　図２に、ＬＰ０１モードを光共振器内でクランプする構成例を示す。本実施形態に係る光増幅器１０１は、利得クランプ設定部２０を有する光共振器１７と、励起光源１５と、光カプラ１６とを備える。本実施形態に係る利得クランプ設定部２０は、光共振器１７内で共振する少なくとも１つの伝搬モードに対し、利得クランプを設定する。利得クランプ設定部２０は、高次モードフィルタ２１と、光減衰器１３と、を備える。高次モードフィルタ２１は、高次モードの自然放出光をカットオフする。高次モードフィルタ２１は、例えば、シングルモードファイバもしくはシングルモードデバイスなどのシングルモードのみを伝搬する光部品、光アイソレータが例示できる。
　本実施形態は、高次モードの自然放出光は高次モードフィルタ２１でカットオフされるため、ＬＰ０１モードのみが共振される。つまり利得クランプされるＬＰ０１モードの利得は一定となるが、高次のモードはクランプされる程度が異なるため、励起強度もしくは光共振器内の光減衰器１３を調整することで共振モード以外のモードについて利得を制御することが可能となる。共振モード以外の伝搬モードについての利得制御の幅は増幅用ファイバ１１における反転分布状態に依って異なる。
　２ＬＰモード伝搬可能な図２の系を用いて実験的に動作の確認を行った例を示す。ここで、増幅用ファイバ１１はコアにエルビウムをステップ形状に添加したＥＤＦを用いており、励起光ＬＥはＬＰ０１モードで波長１４８０ｎｍ、リング内で共振される波長は１５７０ｎｍ、増幅される信号光ＬＳの波長は１５３０ｎｍとした。
　また、図３にＬＰ０１モード、ＬＰ１１モードの利得及びＤＭＧと励起強度との関係を示す。結果から励起強度に対してＬＰ０１モードの利得はほぼ一定であるのに対し、ＬＰ１１モードの利得は３．５ ｄＢ程度増加していることが確認できる。このことからリング共振器内でＬＰ０１モードを共振させるとＬＰ０１モードの利得スペクトルはクランプされるが、ＬＰ１１モードはＬＰ０１モードと比較しクランプの程度が弱く励起強度に依って利得値が制御可能であることがわかる。
（第２実施形態）
　第１実施形態ではＬＰ０１モードを利得クランプする実施形態について示したが、第２実施形態の光増幅器１０２では、利得クランプ設定部２０が基本モードだけでなく高次モードも利得クランプする例について示す。図４に伝搬モード毎に光共振器１７内の損失を制御するための系を示す。光共振器内に、モード分波器２２、各分波後のポートに光減衰器１３、モード合波器２３を有している。
　モード分波器２２は、光共振器で共振する伝搬モードをモードごとに分離する。具体的には、モード分波器２２は、入射した光をＬＰ０１モード、ＬＰ１１ａモード、ＬＰ１１ｂモードに分離する。光減衰器１３は、モード分波器２２でモード分波されたＬＰ０１モードの光強度を調整する光減衰器１３ａと、ＬＰ１１ａモードの光強度を調整する光減衰器１３ｂと、ＬＰ１１ｂモードの光強度を調整する光減衰器１３ｃとを備えている。また、各光減衰器１３ａ,１３ｂ,１３ｃを通過した光は、各バンドパスフィルタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃを通過し、モード合波器２３に入射する。モード合波器２３は、バンドパスフィルタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃを通過後の各光を合波する。このように、本実施形態は、モード分波後に減衰させたい伝搬モードに損失を与えることでモード毎に光共振器内の損失を調整可能となる。
　なお、本実施形態では、光共振器１７は左周りに光が伝搬するリング共振器を用いて説明したが、右周りに光が伝搬するリング共振器を用いてもよい。この場合、モード分波器２２とモード合波器２３との配置は逆になり、光カプラ１４Ｂから利得クランプ設定部２０に光が入射する構成となる。
（第３実施形態）
　第３実施形態の光増幅器１０３では、図５に示すように、特定のモードのみを選択的に伝搬可能なモード選択器２４が光共振器１７内に挿入されている。この構成により、特定のモードをクランプすることができる。このようなモード選択器２４は、例えば、非特許文献５で用いられているような空間光学素子を用いることで実現される。
　例えば、２ＬＰモード光増幅器においてＬＰ１１モードを共振させることによって、図３でＬＰ０１モードが利得クランプされた例と同様にモード間利得差を調整することが可能となる。
（第４実施形態）
　前述の第１実施形態～第３実施形態では、増幅用ファイバ１１にて発生した自然放出光を共振させる自励式ではなく、外部光源（光源）を用いた光共振器であってもよい。第４実施形態の光増幅器１０４を図６に示す。光共振器１７内に外部光源（光源）２５から発生する光を結合させることによって特定のモードをクランプすることができる。
　外部光源２５は、信号光ＬＳとは異なる波長を生成する。光カプラ１４Ａ、１４Ｂは信号光波長帯ではない光を共振器内に結合させるため、外部光源２５は信号光の波長帯域とは異なる波長域が好ましい。また光共振器にて共振させる伝搬モードは、第１実施形態～第３実施形態の任意の利得クランプ設定部２０を設置することで実現することが出来る。図６では図示されていないが、本実施形態においても、光共振器１７内にバンドパスフィルタ１２が配置されていてもよい。
　（第５実施形態）
　外部光源２５を用いた光共振器の場合、任意のモードを共振させるため、第５実施形態の光増幅器１０５では、図７に示すように、外部光源２５の後段にモード変換器２７が設置されている。すなわち、本実施形態に係る光共振器１７に配置された利得クランプ設定部２０は、モード変換器２７及び光減衰器１３を備える。モード変換器２７は、外部光源２５からの光を設定された伝搬モードに変換する。これにより、所望のモードの利得値を制御することができる。モード変換器２７は、外部光源２５と光カプラ２６との間の光路に挿入されていることが好ましい。
　複数ｎ（ｎは２以上の正数）の伝搬モードを共振器内で共振させるためには、複数の外部光源２５＃ｎおよびモード変換器２７＃ｎを設けることで実現できる。この場合、光減衰器１３は、モード変換器２７でモード変換され、光共振器内に結合された光の少なくともいずれかの光強度を減衰させる。
　ただし、光減衰器１３の減衰させる伝搬モードは１つに限定されない。例えば、光減衰器１３の減衰特性を設定することで、複数のモード間利得差の制御を行ってもよい。また、図７では図示されていないが、本実施形態においても、光共振器内にバンドパスフィルタ１２が配置されていてもよい。
　本実施形態の光増幅器１０６では、光共振器１７の利得クランプ設定部２０においても、図８に示すように、第２実施形態において説明したような、伝搬モード毎に光共振器１７内の損失を制御するモード分波器２２、光減衰器１３、モード合波器２３を有する構成を備えていてもよい。この場合、モード分波器２２の分離する伝搬モードにモード変換器２７でモード変換された伝搬モードが含まれる。
　以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態及びその変形例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
　また、本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。
　本開示に係る光増幅器によれば、複数のモードを用いた伝送において伝搬モード毎の利得調整および伝送距離の長延化を実現できる。
１１：増幅用ファイバ
１２：バンドパスフィルタ
１３：光減衰器
１４Ａ、１４Ｂ、１６、２６：光カプラ
１５：励起光源
１７：光共振器
２０：利得クランプ設定部
２１：高次モードフィルタ
２２：モード分波器
２３：モード合波器
２４：モード選択器
２５：外部光源(光源)
２７：モード変換器
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６：光増幅器

Claims (8)

  1. 　１以上の伝搬モードを含む信号光を増幅可能な増幅用ファイバを有し、前記増幅用ファイバにより増幅された信号光に含まれる少なくとも１つの伝搬モードを共振させる光共振器と、
    　前記増幅用ファイバを励起する励起光を出力する励起光源と、
    　前記信号光と前記励起光を合波する合波器と、を備え、
    　前記光共振器は、前記光共振器内で共振する複数の伝搬モードのうち少なくとも１つの前記伝搬モードに対し利得クランプを設定する利得クランプ設定部を有する
    光増幅器。
  2. 　前記利得クランプ設定部は、
    　前記光共振器で共振する前記複数の伝搬モードの中から前記利得クランプを設定する前記伝搬モードを選択的に伝搬するモード選択器と、
    　前記モード選択器で選択された前記伝搬モードの光強度を減衰させる光減衰器と、を備える請求項１に記載の光増幅器。
  3. 　前記モード選択器は、シングルモードファイバである
    請求項２に記載の光増幅器。
  4. 　前記利得クランプ設定部は、
    　前記光共振器で共振する前記伝搬モードをモードごとに分離するモード分波器と、
    　前記モード分波器でモード分波された各ポートの光強度を調整可能な光減衰器と、前記光減衰器を通過後の各光を合波するモード合波器と、
    を備える請求項１に記載の光増幅器。
  5. 　前記光共振器は、
    　信号光とは異なる波長の光を生成する光源と、
    　前記光源からの光を前記光共振器に合波するための光カプラと、
    を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光増幅器。
  6. 　前記利得クランプ設定部は、
    　前記光源からの光を、前記利得クランプを設定する前記伝搬モードに変換するモード変換器を有し、
    　前記モード変換器は、前記光源と前記光カプラの間に設けられている
    請求項５に記載の光増幅器。
  7. 　前記光共振器の内部に、
    　前記信号光とは異なる波長の光を生成する複数の光源と、
    　前記複数の光源からの光を前記光共振器に合波するための光カプラと、をさらに備え、
    　前記利得クランプ設定部は、
    　前記複数の光源の少なくともいずれかと前記光カプラの間に挿入され、前記複数の光源からの光を、利得クランプを設定する伝搬モードに変換するモード変換器と、
    　前記光共振器内に挿入され、前記モード変換器で変換された少なくとも１つ伝搬モードの光強度を減衰させる光減衰器と、
    を備える請求項１に記載の光増幅器。
  8. 　前記光共振器は、前記信号光に含まれる各前記伝搬モードが光伝搬路上で周回可能なリング共振器である
    請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光増幅器。
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