WO2021199193A1 - 光ファイバ増幅器及び希土類添加光ファイバ - Google Patents

光ファイバ増幅器及び希土類添加光ファイバ Download PDF

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山下　陽子
松井　隆
中島　和秀
泰志 坂本
信智 半澤
則幸 荒木
諒太 今田
悠途 寒河江
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Definitions

  • the present disclosure relates to a rare earth-added optical fiber and an optical fiber amplifier using the same.
  • Non-Patent Document 1 In an optical fiber amplifier using a rare earth-added optical fiber, a core excitation method and a cladding excitation method have been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • the clad excitation method has higher efficiency of photoelectric conversion in the excitation light source than the core excitation method.
  • the light light conversion efficiency conversion efficiency from excitation light to signal light
  • the light-light conversion efficiency tends to increase monotonically with the increase in the excitation light power density.
  • An object of the present disclosure is to realize a clad-excited rare earth-added optical fiber amplifier having high photo-light conversion efficiency.
  • the optical fiber and the optical fiber amplifier of the present disclosure have a refractive index distribution structure capable of condensing excitation light propagating in the clad portion on the core portion at least in a part of the longitudinal direction of the rare earth-added optical fiber. ..
  • a configuration example of the optical fiber amplifier according to the first embodiment is shown.
  • a configuration example of the optical fiber amplifier according to the second embodiment is shown.
  • a configuration example of the optical fiber amplifier according to the third embodiment is shown.
  • a configuration example of the optical fiber amplifier according to the fourth embodiment is shown.
  • the excitation light power density in the rare earth-added optical fiber is increased by imparting a structure that generates a condensing action in the rare earth-added optical fiber in which the excitation light power density is low, and the light-light conversion efficiency is improved. ..
  • the present disclosure is characterized in that a desired structure can be formed later by a laser or the like after the rare earth-added optical fiber is produced.
  • FIG. 1 shows an example of an optical fiber amplifier according to the present embodiment.
  • the optical fiber amplifier according to the present embodiment is a clad excitation type optical fiber amplifier that amplifies the signal light propagating in the core portion 81 by using the excitation light propagating in the clad portion 82.
  • Erbium is added to the core portion 81 as a rare earth ion to be added.
  • the present embodiment includes a light collecting portion 10 capable of collecting light in the longitudinal direction of the fiber in the rare earth-added optical fiber 91 in which the core portion 81 is covered with the clad portion 82.
  • the light collected by the hemispherical lens 12 propagates in space instead of propagating through the waveguide.
  • the spatially propagating region 11 may be hollow or may be made of a material having a lower refractive index than the glass in the peripheral portion of the region 11.
  • the spatially propagating region 11 can have a cavity formed by using a femtosecond laser, and the refractive index can be reduced by stress relaxation associated with glass remelting.
  • the lens 12 can be formed by changing the refractive index of the core portion 81 and the clad portion 82 when forming the hollow portion or the low refractive index portion.
  • the core portion 81 is arranged to face each other in the spatially propagating region 11.
  • a lens 12 is formed on one of the core portions 81 arranged to face each other.
  • the lens 12 is formed by changing the refractive index of the core portion 81 and the clad portion 82.
  • the focal length of the lens 12 is set to the other of the core portions 81 arranged so as to face each other.
  • EDFA erbium-added optical fiber amplifier
  • the specifications of the optical fiber amplifier used were: Er added concentration: 1000 ppm, rare earth added optical fiber 91 fiber length: 10 m, core 81 diameter: 4 ⁇ m, specific refractive index difference: 2%, excitation light wavelength: 980 nm, The excitation light power: 3 W, the input signal light power: -10 dBm, and the wavelength of the signal light: 1550 nm. Further, the light collecting unit 10 was installed every 1 mm in the longitudinal direction over the entire length of the fiber. As for the size of the condensing unit 10, the outer diameter of the lens 12 was 80 ⁇ m and the focal length was 100 ⁇ m.
  • the shape of the lens 12 is not limited to a hemispherical shape, and any shape capable of coupling excitation light to the other side of the core portion 81 can be adopted.
  • rare earth ion to be added not only erbium but also praseodymium, ytterbium, thulium, neodymium, etc. can be used, and the same effect can be obtained.
  • the present embodiment has a graded index (GI) clad portion 83 in the rare earth-added optical fiber 92 so that light can be collected in the longitudinal direction of the fiber.
  • the refractive index distribution shape is shown in FIG. 2 (b).
  • the excitation light excited by the clad portion 83 is focused toward the core portion 81 as it propagates in the longitudinal direction of the fiber, and becomes a state close to the substantial core excitation.
  • the GI structure is generally given by adjusting the distribution of added ions at the time of manufacturing the fiber base material, but it is also possible to induce and form a change in the refractive index by using a femtosecond laser or the like.
  • EDFA erbium-added optical fiber amplifier
  • the specifications of the optical fiber amplifier used were: Er added concentration: 500 ppm, rare earth added optical fiber 92 fiber length: 15 m, core 81 diameter: 4 ⁇ m, specific refraction rate difference: 2.1%, excitation light wavelength: The excitation light power was 980 nm, the excitation light power was 4 W, the input signal light power was ⁇ 8 dBm, and the wavelength of the signal light was 1540 nm.
  • the clad portion 83 having a GI structure may be provided in the entire rare earth-added optical fiber, or may be provided in a part of the rare earth-added optical fiber. The same effect can be obtained by providing the clad portion 83 having a GI structure in at least a part of the rare earth-added optical fiber in the longitudinal direction.
  • rare earth ion to be added not only erbium but also praseodymium, ytterbium, thulium, neodymium, etc. can be used, and the same effect can be obtained.
  • Example 3 In this embodiment, as shown in FIG. 3, the excitation light incident from the side surface of the rare earth-added optical fiber 91 is coupled to the core portion 81 and simultaneously collected in the rare earth-added optical fiber 91 by using the excitation light introduction portion 32.
  • a shining grating coupler 31 is provided in the rare earth-added optical fiber 91.
  • the grating structure can be formed by inducing a change in the refractive index by using a femtosecond laser or the like.
  • EDFA erbium-added optical fiber amplifier
  • the specifications of the optical fiber amplifier used were: Er addition concentration: 500 ppm, fiber length of rare earth added optical fiber 91: 10 m, core portion 81 diameter: 6 ⁇ m, specific refractive index difference: 0.8%, excitation light wavelength: The excitation light power was 980 nm, the excitation light power was 6 W, the input signal light power was ⁇ 8 dBm, the wavelength of the signal light was 1550 nm, and the refraction pitch was 1.3 ⁇ m.
  • rare earth ion to be added not only erbium but also praseodymium, ytterbium, thulium, neodymium, etc. can be used, and the same effect can be obtained.
  • Example 4 Fresnel that equalizes the power density of the excitation light in the clad portion 82 in the multi-core optical fiber 93 to which the rare earth having a plurality of core portions 81A, 81B, 81C is added.
  • a lens 41 and a hemispherical lens 12 capable of condensing light in the longitudinal direction of the fiber are provided.
  • the spatially propagating region 11 may be hollow or may be formed of a material having a lower refractive index than the glass in the peripheral portion of the region 11.
  • the intensity of the excitation light on the outer edge side of the fiber tends to be lower than the intensity of the excitation light on the center side of the fiber. .. Therefore, in the amplification multi-core optical fiber 93, there is a concern that the intensity of the excitation light of the core portions 81A and 81C outside the core portion 81B on the central side is lowered and the gain is lowered.
  • the Fresnel lens 41 converts the excitation light on the outside of the clad portion 82 into parallel light, it has a function of suppressing the influence of total reflection by the outer interface of the clad portion 82 and keeping the excitation light intensity on the outside of the clad portion 82 high. .. As a result, in this embodiment, it is possible to eliminate the localization of the excitation light in the clad portion 82 and improve the gain difference between the cores. Further, the Fresnel lens 41 can be formed by inducing a change in the refractive index using a femtosecond laser or the like.
  • the specifications of the optical fiber amplifier used were as follows: Er added concentration: 500 ppm, rare earth added optical fiber 91 fiber length: 10 m, core 81 diameter: 5 ⁇ m, specific refractive index difference: 1.2%, excitation light wavelength: The excitation light power was 980 nm, the excitation light power was 8 W, the input signal light power was ⁇ 8 dBm, and the wavelength of the signal light was 1550 nm. Further, the Fresnel lens 41 and the lens 12 are installed at intervals of 2 mm in the longitudinal direction over the entire length of the fiber.
  • the Fresnel lens 41 may be formed on the entire cross section of the clad portion 82 of the multi-core optical fiber 93, but may be formed only on the clad portion 82 near the outer edge of the multi-core optical fiber 93. good.
  • the Fresnel lens 41 may be formed only on the outer edge side of the core portions 81A and 81C arranged on the outside of the multi-core optical fiber 93.
  • rare earth ion to be added not only erbium but also praseodymium, ytterbium, thulium, neodymium, etc. can be used, and the same effect can be obtained.
  • This disclosure can be applied to the information and communication industry.

Abstract

本開示は、光光変換効率の高いクラッド励起型希土類添加光ファイバ増幅器を実現することを目的とする。　本開示は、希土類添加光ファイバの長手方向において、クラッド部を伝搬する励起光をコア部に集光する集光構造を有する光ファイバ増幅器である。

Description

光ファイバ増幅器及び希土類添加光ファイバ
　本開示は、希土類添加光ファイバ及びこれを用いた光ファイバ増幅器に関する。
　希土類添加光ファイバを用いた光ファイバ増幅器において、コア励起法とクラッド励起による方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
Ｋａｚｉ　Ｓ．　Ａｂｅｄｉｎ，　"Ｃｌａｄｄｉｎｇ－Ｐｕｍｐｅｄ　Ｍｕｌｔｉｃｏｒｅ　Ｆｉｂｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｆｏｒ　Ｓｐａｃｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ"，　Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒｓ，　Ｓｐｒｉｎｇｅｒ　Ｎａｔｕｒｅ　Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ　Ｐｔｅ　Ｌｔｄ．　２０１８．
　クラッド励起法は、コア励起法と比較して、励起光源内における光電変換の効率が高い。その一方で、希土類添加光ファイバ内における励起光パワー密度が低くなるため、光光変換効率（励起光から信号光への変換効率）が十分でない場合があった。なお一般的に励起光パワー密度の増加に対して、光光変換効率が単調増加する傾向にある。
　本開示は、光光変換効率の高いクラッド励起型希土類添加光ファイバ増幅器を実現することを目的とする。
　具体的には、本開示の光ファイバ及び光ファイバ増幅器は、希土類添加光ファイバの長手方向の少なくとも一部に、クラッド部を伝搬する励起光をコア部に集光可能な屈折率分布構造を有する。
　本開示によれば、光光変換効率の高いクラッド励起型希土類添加光ファイバ増幅器を実現することができる。
実施形態例１に係る光ファイバ増幅器の構成例を示す。 実施形態例２に係る光ファイバ増幅器の構成例を示す。 実施形態例３に係る光ファイバ増幅器の構成例を示す。 実施形態例４に係る光ファイバ増幅器の構成例を示す。
　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。
（本開示の概要）
　本開示は、励起光パワー密度が低くなる希土類添加光ファイバ内において、集光作用を発生する構造を付与することで希土類添加光ファイバ内の励起光パワー密度を高め、光光変換効率を改善する。特に本開示は、希土類添加光ファイバを作製後に、レーザー等により後から所望の構造を形成可能なことを特徴とする。
（実施形態例１）
　図１に、本実施形態例に係る光ファイバ増幅器の一例を示す。本実施形態例に係る光ファイバ増幅器は、クラッド部８２を伝搬する励起光を用いて、コア部８１を伝搬する信号光を増幅するクラッド励起型の光ファイバ増幅器である。コア部８１には、添加する希土類イオンとしてエルビウムが添加されている。
　本実施形態例は、図１に示すようにコア部８１がクラッド部８２で覆われた希土類添加光ファイバ９１内に、ファイバ長手方向に集光可能とする集光部１０を具備する。集光部１０では半球状のレンズ１２により集光された光が導波路伝搬ではなく、空間伝搬する。この空間伝搬する領域１１は、空洞であったり、又は領域１１の周辺部のガラスよりも低屈折率の材料で形成されていたりする。
　この空間伝搬する領域１１は、フェムト秒レーザーを用いることで空洞を形成したり、ガラス再溶融に伴う応力緩和により屈折率の低下を図ることができる。レンズ１２は、空洞部又は低屈折率部を形成する際に、コア部８１及びクラッド部８２の屈折率を変化させて形成することができる。
　空間伝搬する領域１１には、コア部８１が対向して配置されている。対向して配置されているコア部８１の一方にはレンズ１２が形成されている。レンズ１２は、コア部８１及びクラッド部８２の屈折率を変化させて形成されたものである。レンズ１２の焦点距離は、対向して配置されているコア部８１の他方に設定されている。これにより、レンズ１２から放射された励起光及び信号光が領域１１を伝搬後、コア部８１の他方に結合する。
　希土類イオンとしてエルビウムイオンを添加したエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）において、コア部８１に信号光を入射し、クラッド部８２に励起光を入射した場合の、光光変換効率のシミュレーションを行った。空洞加工により領域１１及びレンズ１２を形成した結果、レンズ構造形成前と比較して、励起光パワー密度が２．１倍になり、光光変換効率が１．８倍になった。屈折率変化による領域１１及びレンズ１２の形成では、励起光パワー密度が１．３倍、光光変換効率が１．２倍であった。
　なお使用した光ファイバ増幅器の仕様は、Ｅｒ添加濃度：１０００ｐｐｍ，希土類添加光ファイバ９１のファイバ長：１０ｍ，コア部８１の直径：４μｍ，比屈折率差：２％，励起光の波長：９８０ｎｍ，励起光パワー：３Ｗ，入力信号光パワー：－１０ｄＢｍ，信号光の波長：１５５０ｎｍであった。また集光部１０はファイバ全長に亘り長手方向に１ｍｍごとに設置した。集光部１０のサイズはレンズ１２の外径が８０μｍで焦点距離は１００μｍであった。
　レンズ１２の形状は、半球状に限らず、コア部８１の他方に励起光を結合可能な任意の形状を採用することができる。
　また添加する希土類イオンとしては、エルビウムに限らず、プラセオジウム、イッテルビウム、ツリウム、ネオジウム等が使用可能で同等の効果が得られる。
（実施形態例２）
　本実施形態例は、図２（ａ）に示すように希土類添加光ファイバ９２内に、ファイバ長手方向に集光可能とするグレーデッドインデックス（ＧＩ）のクラッド部８３を有する。屈折率分布形状を図２（ｂ）に示す。クラッド部８３に励振された励起光は、ファイバ長手方向に伝搬するに従って、コア部８１の方へ集光され実質的なコア励起に近い状態になる。またＧＩ構造については、ファイバ母材製造時に添加イオンの分布を調整することで付与するのが一般的だが、フェムト秒レーザー等を用いて屈折率変化を誘起し形成することも可能である。
　希土類イオンとしてエルビウムイオンを添加したエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）において、コア部８１に信号光を入射し、クラッド部８２に励起光を入射した場合の、光光変換効率のシミュレーションを行った。その結果、ＧＩ構造を有しない屈折率が一定のクラッド部の場合と比較して、励起光パワー密度が３．２倍になり、光光変換効率が２．１倍になった。
　なお使用した光ファイバ増幅器の仕様は、Ｅｒ添加濃度：５００ｐｐｍ，希土類添加光ファイバ９２のファイバ長：１５ｍ，コア部８１の直径：４μｍ，比屈折率差：２．１％，励起光の波長：９８０ｎｍ，励起光パワー：４Ｗ，入力信号光パワー：－８ｄＢｍ，信号光の波長：１５４０ｎｍであった。
　ＧＩ構造を有するクラッド部８３は、希土類添加光ファイバの全体に備わっていてもよいし、希土類添加光ファイバの一部に備わっていてもよい。希土類添加光ファイバの長手方向の少なくとも一部にＧＩ構造を有するクラッド部８３を備えることで、同等の効果が得られる。
　また添加する希土類イオンとしては、エルビウムに限らず、プラセオジウム、イッテルビウム、ツリウム、ネオジウム等が使用可能で同等の効果が得られる。
（実施形態例３）
　本実施形態例は、図３に示すように希土類添加光ファイバ９１内に、励起光導入部３２を用いて希土類添加光ファイバ９１の側面から入射された励起光をコア部８１に結合すると同時に集光するグレーティングカプラ３１を希土類添加光ファイバ９１内に具備する。またグレーティング構造については、フェムト秒レーザー等を用いて屈折率変化を誘起し形成することが可能である。
　希土類イオンとしてエルビウムイオンを添加したエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）において、コア部８１に信号光を入射し、励起光導入部３２から励起光を入射した場合の、光光変換効率のシミュレーションを行った。その結果、従来のクラッド励起型ＥＤＦＡと比較して、励起光パワー密度が１．８倍となり、光光変換効率は１．５倍となった。
　また使用した光ファイバ増幅器の仕様は、Ｅｒ添加濃度：５００ｐｐｍ，希土類添加光ファイバ９１のファイバ長：１０ｍ，コア部８１の直径：６μｍ，比屈折率差：０．８％，励起光の波長：９８０ｎｍ，励起光パワー：６Ｗ，入力信号光パワー：－８ｄＢｍ，信号光の波長：１５５０ｎｍ，グレーティングピッチ：１．３μｍであった。
　また添加する希土類イオンとしては、エルビウムに限らず、プラセオジウム、イッテルビウム、ツリウム、ネオジウム等が使用可能で同等の効果が得られる。
（実施形態例４）
　本実施形態例は、図４に示すように複数のコア部８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃを有する希土類の添加されたマルチコア光ファイバ９３内に、クラッド部８２内の励起光のパワー密度を均一化するフレネルレンズ４１とファイバ長手方向に集光可能とする半球状のレンズ１２を具備する。実施形態例１と同様に、空間伝搬する領域１１は、空洞であったり、又は領域１１の周辺部のガラスよりも低屈折率の材料で形成されていたりする。
　クラッド部８２内の励起光はクラッド部８２外側界面の全反射によりクラッド部８２内へ閉じ込められるため、ファイバ外縁側の励起光の強度がファイバ中心側の励起光の強度よりも低くなる傾向がある。そのため増幅用マルチコア光ファイバ９３において中心側のコア部８１Ｂよりも外側にあるコア部８１Ａ，８１Ｃの励起光の強度が下がり、利得が低くなることが懸念される。
　フレネルレンズ４１はクラッド部８２の外側の励起光を並行光に変換するため、クラッド部８２の外側界面による全反射の影響を抑制し、クラッド部８２の外側に励起光強度を高く保つ機能を有する。この結果、本実施形態は、クラッド部８２内の励起光の局在化を解消し、コア間の利得差を改善することが可能である。またフレネルレンズ４１は、フェムト秒レーザー等を用いて屈折率変化を誘起し形成することが可能である。
　希土類イオンとしてエルビウムイオンを添加したエルビウム添加６コア光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）において、各コア部８１に信号光を入射し、クラッド部８２に励起光を入射した場合の、光光変換効率のシミュレーションを行った。その結果、従来のクラッド励起型６コアＥＤＦＡと比較して、複数のコア部８１の平均の励起光パワー密度が１．５倍となり、光光変換効率は１．３倍となった。また各コア間の最大の利得偏差は２ｄＢから０．５ｄＢに改善した。
　また使用した光ファイバ増幅器の仕様は、Ｅｒ添加濃度：５００ｐｐｍ，希土類添加光ファイバ９１のファイバ長：１０ｍ，コア部８１の直径：５μｍ，比屈折率差：１．２％，励起光の波長：９８０ｎｍ，励起光パワー：８Ｗ，入力信号光パワー：－８ｄＢｍ，信号光の波長：１５５０ｎｍであった。またフレネルレンズ４１およびレンズ１２は、ファイバ全長に亘り長手方向にそれぞれ２ｍｍ置きに設置している。
　フレネルレンズ４１は、図４に示すようにマルチコア光ファイバ９３のクラッド部８２の断面の全体に形成されていてもよいが、マルチコア光ファイバ９３における外縁に近いクラッド部８２のみに形成されていてもよい。例えば、マルチコア光ファイバ９３において外側に配置されているコア部８１Ａ，８１Ｃよりも外縁側にのみフレネルレンズ４１が形成されていてもよい。
　また添加する希土類イオンとしては、エルビウムに限らず、プラセオジウム、イッテルビウム、ツリウム、ネオジウム等が使用可能で同等の効果が得られる。
（本開示の効果）
　本開示により、クラッド励起型希土類添加光ファイバ増幅器においても、コア励起型と同等の光光変換効率を実現可能である。またマルチコア光ファイバ増幅器ではコアの利得差を減少させる効果も有する。
（本開示のポイント）
　希土類添加光ファイバの長手方向にクラッド励起光を集光する構造を有し、その結果、光光変換効率を改善できる。
　本開示は情報通信産業に適用することができる。
１０：集光部
１１：領域
１２：レンズ
３１：グレーティングカプラ
３２：励起光導入部
４１：フレネルレンズ
８１、８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃ：コア部
８２、８３：クラッド部
９１、９２：希土類添加光ファイバ
９３：マルチコア光ファイバ

Claims (6)

  1. 　希土類添加光ファイバの長手方向の少なくとも一部に、クラッド部を伝搬する励起光をコア部に集光可能な屈折率分布構造を有する、
    　光ファイバ増幅器。
  2. 　前記希土類添加光ファイバ内に形成されている空洞部又は低屈折率部と、
    　前記空洞部又は前記低屈折率部に接している一方のコア部及び当該コア部の周囲のクラッド部で形成されているレンズと、を有し、
    　前記レンズに含まれるクラッド部から放射された励起光が前記空洞部又は前記低屈折率部を伝搬後、前記空洞部又は前記低屈折率部に接している他方のコア部に結合することを特徴とする、
    　請求項１記載の光ファイバ増幅器。
  3. 　前記希土類添加光ファイバのクラッド部がグレデッドインデックスの屈折率プロファイルを有することを特徴とする、
    　請求項１記載の光ファイバ増幅器。
  4. 　前記希土類添加光ファイバのコア部の表面又は近傍に、前記希土類添加光ファイバのクラッド部の屈折率変化で形成されたグレーティングを有し、
    　前記グレーティングに向けて励起光を入力する励起光導入部が、前記希土類添加光ファイバの側面に設置されていることを特徴とする、
    　請求項１～３のいずれか記載の光ファイバ増幅器。
  5. 　前記希土類添加光ファイバが、複数のコア部を有するマルチコア光ファイバであり、
    　前記マルチコア光ファイバのクラッド部に、クラッド部の屈折率変化で形成されたフレネルレンズを有することを特徴とする
    　請求項１～４のいずれか記載の光ファイバ増幅器。
  6. 　請求項１～５のいずれか記載の光ファイバ増幅器に用いられる前記希土類添加光ファイバ。
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