WO2020004224A1 - 光源装置、及び光増幅器 - Google Patents

光源装置、及び光増幅器 Download PDF

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Abstract

複数の光増幅部を含む光増幅器に好適で、複数の光増幅部にそれぞれ最適な強度の励起光を入射することができる光源装置と、この光源装置を用いた光増幅器を提供する。光源装置は、励起光を出力する第1光源及び第2光源と、第1入力ポート、第2入力ポート、第1出力ポート及び第2出力ポートを含み、上記第1光源及び上記第2光源からの上記励起光が上記第1入力ポート及び上記第2入力ポートに入力されて合波分波する偏波ビームコンバイナーと、を含む。

Description

光源装置、及び光増幅器
 本発明は、光源装置、及び光増幅器に関し、特に励起光を出力する光源装置と、これを用いた光増幅器に関する。
 光通信システムにおいて、減衰した光信号を増幅するために、ファイバー型光増幅器が用いられる。この減衰した光信号を増幅するファイバー型光増幅器としては、光信号が入力される希土類添加ファイバーに、励起光源から出力される励起光を入力することで、光信号の信号強度を増幅するものがある。このようなファイバー型増幅器は、高効率・高利得であり、光ファイバー通信システムの光信号中継用の増幅器として用いられる。
 特許文献1乃至特許文献4では、このような光増幅器や、光増幅器に用いられる励起光を出力する励起光源が提案されている。
特開2014-6298号公報 特開2013-4667号公報 特開2004-104473号公報 特開平8-304860号公報
 しかしながら、上述した光源装置、及び光増幅器には次のような課題がある。
 すなわち複数の光増幅部を含む光増幅器の構成において、複数の光増幅部が必要とする励起光の強度が異なる場合に、それぞれの光増幅部に最適な強度の励起光を入射することができない点である。
 特許文献1乃至特許文献4では、複数の光増幅器からなる光アンプ構成について言及はなく、またこのような光アンプ構成で複数の光増幅器が必要とする励起光の強度が異なる場合に、それぞれの光増幅器に最適な強度の励起光を入射することについて関知していない。
 本発明の目的は、複数の光増幅部を含む光増幅器に好適で、複数の光増幅部にそれぞれ最適な強度の励起光を入射することができる光源装置と、この光源装置を用いた光増幅器を提供することにある。
 前記目的を達成するため、本発明に係る光源装置は、励起光を出力する第1光源及び第2光源と、第1入力ポート、第2入力ポート、第1出力ポート及び第2出力ポートを含み、上記第1光源及び上記第2光源からの上記励起光が上記第1入力ポート及び第2入力ポートに入力されて合波分波する偏波ビームコンバイナーと、を含む。
 本発明に係る光増幅器は、上記光源装置と、上記偏波ビームコンバイナーの上記第1出力ポート及び上記第2出力ポートからの上記励起光を用いてそれぞれ光信号を増幅する第1光増幅部及び第2光増幅部と、を含む。
 本発明によれば、光増幅器の複数の光増幅部に、それぞれ最適な強度の励起光を入射する光源装置を実現することができる。
実施形態による光源装置を説明するための構成図である。 第1実施形態による光増幅器を説明するための構成図である。 第1実施形態の光源装置の動作を説明するための説明図である。 第1実施形態の光源装置の動作を説明するための説明図である。 第1実施形態の光源装置の動作を説明するための説明図である。 第2実施形態による光源装置、及び光増幅器を説明するための構成図である。 第2実施形態の光源装置の動作を説明するための説明図である。 第2実施形態の光源装置の動作を説明するための説明図である。 第2実施形態の光源装置の動作を説明するための説明図である。
 本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
 〔第1実施形態〕
 初めに、第1実施形態による光源装置、及び光増幅器について、説明する。図1Aは、第1実施形態による光源装置を説明するための構成図である。図1Bは、第1実施形態による光増幅器を説明するための構成図である。図1C乃至図1Eは、第1実施形態による光源装置の動作を説明するための説明図である。
 (実施形態の構成)
 図1Aの光源装置は、励起光を出力する第1光源及び第2光源の一例としてのレーザーダイオード(LD)2a及びレーザーダイオード(LD)2bと、入力ポート1、入力ポート2、出力ポート1及び出力ポート2を含み、上記LD2a及びLD2bからの上記励起光が入力ポート1及び入力ポート2に入力されて合波分波する偏波ビームコンバイナー(PBC)1と、を含む。PBC1は、LD2aから出射された励起光とLD2bから出射された励起光との合波や分波を行った後、後述するファイバー型光増幅器の複数の希土類添加ファイバーへ励起光を分配する。
 図1Bの光増幅器は、図1Aの光源装置を用いて、より具体的に構成した場合を示している。図1Bの光増幅器は、図1Aの光源装置と、光源装置のPBC1の上記出力ポート1及び上記出力ポート2からの上記励起光を用いてそれぞれ光信号を増幅する第1光増幅部及び第2光増幅部の一例としての、エルビウムドープファイバー型光増幅部(EDFA)3a及びエルビウムドープファイバー型光増幅部(EDFA)3bと、を含む。
 なお図1Bの光増幅器は、図1AのPBC1の入力ポート1をTE(Transverse Electric wave)入力ポートとし、図1AのPBC1の入力ポート2をTM(Transverse Magnetic wave)入力ポートとしている。なおここで、LD2a及びLD2bの出力ファイバーと、PBC1のTE入力ポート及びTM入力ポートのファイバーとが、ともに偏波保存ファイバーである。
 さらに図1Bの光増幅器では、LD2aとPBC1のTE入力ポートとの融着点1でのファイバー融着角度を0度、LD2bとPBC1のTM入力ポートとの融着点2でのファイバー融着角度を90度としている。言い換えると、LD2aの出力ファイバーとPBC1のTE入力ポートのファイバーとが融着点1で融着され、融着接続されたファイバーのスロー軸のなす角度が0度である。さらにLD2bの出力ファイバーとPBC1のTM入力ポートのファイバーとが融着点2で融着され、融着接続されたファイバーのスロー軸のなす角度が90度である。
 PBC1は、図1Cや図1Dに示される、二つのファイバーのコア同士を近接させた構造の結合部1aを有しており、これによりTE入力ポート及びTM入力ポートへ入力される励起光を合波や分波を行う。PBC1の二つの出力ポートから出射される励起光強度の割合は、結合部1aの設計により変化させることができる。具体的には、結合部1aで近接するコア同士の距離、結合部1aで近接する区間の長さ、結合部1aのコアの屈折率と断面サイズ、や結合部1aのクラッドの屈折率などを設計パラメータとして設計を行う。
 EDFA3a、EDFA3bは、光源装置からそれぞれ励起光入力ポートへ励起光が入射され、信号光入力ポートへの信号光を増幅して、信号光出力ポートから増幅された信号光を出力する。
 (実施形態の動作)
 図1Bの光増幅器、光源装置の動作について、図1C、図1D及び図1Eを参照して説明する。LD2a、LD2bから出射された励起光は、PBC1の入力ポート1及び入力ポート2に入力され、合波、分波されたのち、EDFA3a、EDFA3bのそれぞれの励起光入力ポートに入力される。一方、EDFA3a、EDFA3bのそれぞれの信号光入力ポートに入力された光信号は、EDFA3a、EDFA3bの内部において励起光のパワーにより増幅されて、信号光出力ポートからそれぞれ出力される。
 図1Cに示すように、LD2aからPBC1のTE入力ポートへ入力された励起光については、0.6:0.4の割合で分配され、PBC1の出力ポート1、出力ポート2から出射される。すなわち、PBC1のTE入力ポートへの光強度Pin1=1に対し、PBC1の出力ポート1からの光強度Pout=0.6、出力ポート2からの光強度Pout=0.4のように分配される。
 図1Dに示すように、LD2bからPBC1のTM入力ポートへ入力された励起光については、0.6:0.4の割合で分配され、PBC1の出力ポート1、出力ポート2から出射される。すなわち、PBC1のTM入力ポートへの光強度Pin2=1に対し、PBC1の出力ポート1からの光強度Pout=0.6、出力ポート2からの光強度Pout=0.4のように分配される。
 (実施形態の効果)
 こうして本実施形態の光源装置では、図1Bの光増幅器のEDFA3a、EDFA3bにお互いに異なる光強度の励起光を入射することができる。このように図1Bの光増幅器のEDFA3a、EDFA3bにお互いに異なる光強度の励起光を入射することができるので、複数のEDFAを含む構成の光増幅器において、それぞれ最適な強度の励起光を入射することができる。
 図1Cに示すような、LD2aからPBC1のTE入力ポートへ入力された励起光の分配と、図1Dに示すような、LD2bからPBC1のTE入力ポートへ入力された励起光の分配とを総合すると、図1Eのようになる。LD2aからPBC1のTE入力ポートへの入力光強度Pin1=1、及びLD2bからPBC1のTM入力ポートへの入力光強度Pin2=1に対し、PBC1の出力ポート1からの出力光強度Pout1=1.2、PBC1の出力ポート2からの出力光強度Pout2=0.8となる。このようにPBC1では、出力ポート1、出力ポート2から出射される励起光に、LD2a、LD2bからの光強度がそれぞれ等しく含まれている。これにより、仮にLD2a、LD2bのどちらの励起レーザーが故障した場合でも、図1BのEDFA3a、EDFA3bに入射される励起光の減衰割合は等しい。これにより、光アンプ構成を含む光通信システムの設計において、励起レーザーの故障や経時劣化を想定したシステム設計が容易になる。
 〔第2実施形態〕
 次に、第2実施形態による光源装置、及び光増幅器について、説明する。図2Aは、第2実施形態による光源装置、及び光増幅器を説明するための構成図である。図2B乃至図2Dは、第2実施形態による光源装置の動作を説明するための説明図である。第2実施形態は、第1実施形態の変形例であり、図1Aに示される光源装置を基礎とするものとする。第1実施形態と同様な要素に対しては同じ参照番号を付して、その詳細な説明を省略することとする。
 (実施形態の構成)
 図2Aの光増幅器は、図1Aの光源装置と同様な光源装置を含む。すなわち図2Aの光源装置は、励起光を出力する第1光源及び第2光源の一例としてのレーザーダイオード(LD)2a及びレーザーダイオード(LD)2bと、TE入力ポート、TM入力ポート、出力ポート1及び出力ポート2を含み、上記LD2a及びLD2bからの上記励起光がTE力ポート及びTM入力ポートに入力されて合波分波する偏波ビームコンバイナー(PBC)1と、を含む。PBC1は、LD2aから出射された励起光とLD2bから出射された励起光との合波や分波を行った後、ファイバー型光増幅器の複数の希土類添加ファイバーへ励起光を分配する。
 図2Aの光増幅器はさらに、図1Bの光増幅器と同様な光源装置のPBC1の出力ポート1及び出力ポート2からの励起光を用いてそれぞれ光信号を増幅する第1光増幅部及び第2光増幅部の一例としての、エルビウムドープファイバー型光増幅部(EDFA)3a及びエルビウムドープファイバー型光増幅部(EDFA)3bと、を含む。なおここで、LD2a及びLD2bの出力ファイバーと、PBC1のTE入力ポート及びTM入力ポートのファイバーとが、ともに偏波保存ファイバーである。
 さらに図2Bの光増幅器では、LD2aとPBC1のTE入力ポートとの融着点1でのファイバー融着角度を0度、90度とは異なるθ1(度)としており、LD2bとPBC1のTM入力ポートとの融着点2でのファイバー融着角度を0度、90度とは異なるθ2(度)としている。言い換えると、LD2aの出力ファイバーとPBC1のTE入力ポートのファイバーとが融着点1で融着され、融着接続されたファイバーのスロー軸のなす角度がθ1(度)である。さらにLD2bの出力ファイバーとPBC1のTM入力ポートのファイバーとが融着点2で融着され、融着接続されたファイバーのスロー軸のなす角度がθ2(度)である。なお、LD2aとPBC1のTE入力ポートとの融着点1でのファイバー融着角度θ1と、LD2bとPBC1のTM入力ポートとの融着点2でのファイバー融着角度θ2とはお互いに異なる。
 PBC1は、図2Bや図2Cに示される、二つのファイバーのコア同士を近接させた構造の結合部1aを有しており、これによりTE入力ポート及びTM入力ポートへ入力される励起光を合波や分波を行う。PBC1の二つの出力ポートから出射される励起光強度の割合は、結合部1aの設計により変化させることができる。具体的には、結合部1aで近接するコア同士の距離、結合部1aで近接する区間の長さ、結合部1aのコアの屈折率と断面サイズ、や結合部1aのクラッドの屈折率などを設計パラメータとして設計を行う。
 EDFA3a、EDFA3bは、光源装置からそれぞれ励起光入力ポートへ励起光が入射され、信号光入力ポートへの信号光を増幅して、信号光出力ポートから増幅された信号光を出力する。
 (実施形態の動作)
 図2Aの光増幅器、光源装置の動作について、図2B、図2C及び図2Dを参照して説明する。LD2a、LD2bから出射された励起光は、PBC1の入力ポート1及び入力ポート2に入力され、合波、分波されたのち、EDFA3a、EDFA3bのそれぞれの励起光入力ポートに入力される。一方、EDFA3a、EDFA3bのそれぞれの信号光入力ポートに入力された光信号は、EDFA3a、EDFA3bの内部において励起光のパワーにより増幅されて、信号光出力ポートからそれぞれ出力される。
 図2Bに示すように、LD2aからPBC1のTE入力ポートへ入力された励起光については、0.6:0.4の割合で分配され、PBC1の出力ポート1、出力ポート2から出射される。すなわち、PBC1のTE入力ポートへの光強度Pin1=1に対し、PBC1の出力ポート1からの光強度Pout=0.6、出力ポート2からの光強度Pout=0.4のように分配される。
 図2Cに示すように、LD2bからPBC1のTM入力ポートへ入力された励起光については、0.6:0.4の割合で分配され、PBC1の出力ポート1、出力ポート2から出射される。すなわち、PBC1のTM入力ポートへの光強度Pin2=1に対し、PBC1の出力ポート1からの光強度Pout=0.6、出力ポート2からの光強度Pout=0.4のように分配される。
 こうして本実施形態の光源装置では、図2Aの光増幅器のEDFA3a、EDFA3bにお互いに異なる光強度の励起光を入射することができる。このように図2Aの光増幅器のEDFA3a、EDFA3bにお互いに異なる光強度の励起光を入射することができるので、複数のEDFAを含む構成の光増幅器において、それぞれ最適な強度の励起光を入射することができる。
 図2Bに示すような、LD2aからPBC1のTE入力ポートへ入力された励起光の分配と、図2Cに示すような、LD2bからPBC1のTE入力ポートへ入力された励起光の分配とを総合すると、図2Dのようになる。LD2aからPBC1のTE入力ポートへの入力光強度Pin1=1、及びLD2bからPBC1のTM入力ポートへの入力光強度Pin2=1に対し、PBC1の出力ポート1からの出力光強度Pout1=1.2、PBC1の出力ポート2からの出力光強度Pout2=0.8となる。このようにPBC1では、出力ポート1、出力ポート2から出射される励起光に、LD2a、LD2bからの光強度がそれぞれ等しく含まれている。これにより、仮にLD2a、LD2bのどちらの励起レーザーが故障した場合でも、図2AのEDFA3a、EDFA3bに入射される励起光の減衰割合は等しい。これにより、光アンプ構成を含む光通信システムの設計において、励起レーザーの故障を想定したシステム設計が容易になる。
 PBC1の二つの出力ポートから出射される励起光パワーの割合は、第1実施形態で説明したようにPBC1の結合部1aの設計により変化させることができるが、それだけではなく、PBC1のTEポート、TMポートそれぞれに対するファイバー融着角度によっても変化させることができる。すなわち、LD2aとPBC1のTE入力ポートとの融着点1でのファイバー融着角度θ1、LD2bとPBC1のTM入力ポートとの融着点2でのファイバー融着角度θ2を最適に設計することで、例えば第1実施形態と同じ動作を実現することができる。
 (実施形態の効果)
 こうして本実施形態の光源装置では第1実施形態と同様に、図2Aの光増幅器のEDFA3a、EDFA3bにお互いに異なる光強度の励起光を入射することができる。このように図2Aの光増幅器のEDFA3a、EDFA3bにお互いに異なる光強度の励起光を入射することができるので、複数のEDFAを含む構成の光増幅器において、それぞれ最適な強度の励起光を入射することができる。
 図2Bに示すような、LD2aからPBC1のTE入力ポートへ入力された励起光の分配と、図2Cに示すような、LD2bからPBC1のTE入力ポートへ入力された励起光の分配とを総合すると、図2Dのようになる。LD2aからPBC1のTE入力ポートへの入力光強度Pin1=1、及びLD2bからPBC1のTM入力ポートへの入力光強度Pin2=1に対し、PBC1の出力ポート1からの出力光強度Pout1=1.2、PBC1の出力ポート2からの出力光強度Pout2=0.8となる。このようにPBC1では、出力ポート1、出力ポート2から出射される励起光に、LD2a、LD2bからの光強度がそれぞれ等しく含まれている。これにより、仮にLD2a、LD2bのどちらの励起レーザーが故障した場合でも、図2AのEDFA3a、EDFA3bに入射される励起光の減衰割合は等しい。これにより、光アンプ構成を含む光通信システムの設計において、励起レーザーの故障や経時劣化を想定したシステム設計が容易になる。
 次に、第1実施形態では得られない、第2実施形態に特有の効果について説明する。前述のように、PBC1の二つの出力ポートから出射される励起光強度の割合は、PBC1の結合部1aの設計だけでなく、TE入力ポート、TM入力ポートそれぞれに対するファイバー融着角度の設計によっても、その割合を変化させることができる。このTE入力ポート、TM入力ポートそれぞれに対するファイバー融着角度の設計によって、図2Bの光増幅器のEDFA3a、EDFA3bにお互いに異なる光強度の励起光を入射することができるので、複数のEDFAを含む構成の光増幅器において、それぞれ最適な強度の励起光を入射することができる。
 本実施形態によれば、既存で市販されているPBC1を用いつつ、TE入力ポート、TM入力ポートそれぞれに対するファイバー融着角度の設計によって励起光強度の割合を変化させて、図2Aの光増幅器のEDFA3a、EDFA3bにお互いに異なる光強度の励起光を入射することもできる。
 〔その他の実施形態〕
 以上好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。第1実施形態及び第2実施形態においては、偏波ビームコンバイナー(PBC)の出力ポートが、エルビウムドープファイバー型光増幅部(EDFA)の励起光入力ポートに直接接続されていたが、本発明はこの構成に限られない。直接接続されている場合に限らず、例えば、PBCの出力ポートが分岐カップラーに接続され、その分岐カップラーの出力が複数のEDFAに接続されている場合でも、同様の効果が得られる。
 また、上述した第1実施形態及び第2実施形態では、希土類添加ファイバー型光増幅器として、エルビウムドープファイバー型光増幅器を用いた例を示したが、希土類の他の元素が添加、例えば、プラセオジム(Pr)、ツリウム(Tm)、或いはイッテルビウム(Yb)が添加、された他の種類のファイバー型光アンプであっても同様の効果が期待される。
 以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。
 本発明の活用例として、長距離光通信システムにおける中継用光アンプが挙げられる。
 以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。
 この出願は、2018年6月28日に出願された日本出願特願2018-122973号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
 1  偏波ビームコンバイナー
 1a  結合部
 2a、2b  レーザーダイオード
 3a、3b  エルビウムドープファイバー型光増幅部

Claims (6)

  1.  励起光を出力する第1光源及び第2光源と、第1入力ポート、第2入力ポート、第1出力ポート及び第2出力ポートを含み、前記第1光源及び前記第2光源からの前記励起光が前記第1入力ポート及び前記第2入力ポートに入力されて合波分波する偏波ビームコンバイナーと、を含む光源装置。
  2.  前記偏波ビームコンバイナーの前記第1入力ポートはTE入力ポートであり、前記第2入力ポートはTM入力ポートである、請求項1に記載の光源装置。
  3.  前記第1光源の出力ファイバーと、前記偏波ビームコンバイナーの前記TE入力ポートとが融着接続されており、融着接続されたファイバーのスロー軸のなす角度が略0度であり、
     前記第2光源の出力ファイバーと、前記偏波ビームコンバイナーの前記TM入力ポートとが融着接続されており、融着接続されたファイバーのスロー軸のなす角度が略90度である、請求項2に記載の光源装置。
  4.  前記第1光源の出力ファイバーと、前記偏波ビームコンバイナーの前記TE入力ポートとが融着接続されており、融着接続されたファイバーのスロー軸のなす角度がθ1度であり、
     前記第2光源の出力ファイバーと、前記偏波ビームコンバイナーの前記TM入力ポートとが融着接続されており、融着接続されたファイバーのスロー軸のなす角度がθ2度である、請求項2に記載の光源装置。
  5.  前記θ1度は0度とは異なる角度であり、前記θ2度は90度とは異なる角度である、請求項4に記載の光源装置。
  6.  請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の光源装置と、前記偏波ビームコンバイナーの前記第1出力ポート及び前記第2出力ポートからの前記励起光を用いて光信号を増幅する第1光増幅部及び第2光増幅部と、を含む光増幅器。
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