WO2021199969A1 - 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

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 Download PDF

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繁弘 高坂
幸一 前田
杉崎　隆一
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古河電気工業株式会社
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    • H01S2301/02—ASE (amplified spontaneous emission), noise; Reduction thereof

Definitions

  • the present invention relates to a multi-core optical fiber amplifier, a multi-core optical fiber amplifier, and an optical communication system.
  • the power consumption of the optical amplifier will be reduced by using the multi-core EDFA (Erbium-Doped optical Fiber Amplifier) as the optical amplifier.
  • EDFA Erbium-Doped optical Fiber Amplifier
  • the multi-core EDFA a configuration is known in which a double-clad type multi-core EDF is used as a multi-core optical amplification fiber and erbium (Er), which is a rare earth element contained in the core portion, is photoexcited by a clad excitation method (non-patent documents). See 1 and 2).
  • the length of the multi-core EDF used is generally about 100 m or less.
  • 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.
  • the excitation efficiency of the multi-core optical fiber amplifier can be improved, it is preferable from the viewpoint of reducing the power consumption of the multi-core optical fiber amplifier.
  • the excitation efficiency is represented by, for example, the ratio of the energy of the excitation light used for optical amplification to the energy of the excitation light input to the multi-core optical amplification fiber.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a multi-core optical fiber with improved excitation efficiency, and a multi-core optical fiber amplifier and an optical communication system using the same.
  • one aspect of the present invention surrounds a plurality of core portions to which a rare earth element is added and the plurality of core portions, and is lower than the maximum refractive index of each core portion.
  • the plurality of inner clad portions having a refractive index and an outer clad portion surrounding the inner clad portion and having a refractive index lower than the refractive index of the inner clad portion at a wavelength at which the rare earth element photoamplifies.
  • the mode field diameter of each of the core portions is 5 ⁇ m or more and 11 ⁇ m or less, and the specific refractive index difference of the maximum refractive index of each of the plurality of core portions with respect to the inner clad portion is 0.35% or more and 2% or less.
  • the inter-core distance which is the separation distance between the centers of the plurality of core portions in the cross section perpendicular to the longitudinal direction, has a total inter-core crosstalk of -40 dB / 100 m in the optical amplification wavelength band, which is the optical amplification wavelength band.
  • the clad thickness which is the distance from the center of the core portion closest to the outer edge of the inner clad portion to the outer edge of the plurality of core portions, is set to the minimum value of the inter-core distance. It is a multi-core optical amplification fiber smaller than the value obtained by adding the mode field diameters.
  • the minimum value of the inter-core distance may be 27 ⁇ m or more.
  • the inter-core distance may be set so that the total inter-core crosstalk is -50 dB / 100 m or less in the optical amplification wavelength band.
  • the minimum value of the inter-core distance may be 29 ⁇ m or more.
  • the inter-core distance may be set so that the total inter-core crosstalk is -60 dB / 100 m or less in the optical amplification wavelength band.
  • the minimum value of the inter-core distance may be 31 ⁇ m or more.
  • the clad thickness may be 10 ⁇ m or more.
  • One aspect of the present invention is an excitation light source that outputs excitation light that photoexcites the rare earth element of the multi-core optical amplification fiber, the multi-core optical amplification fiber, and an optical coupler that optically couples the excitation light to the inner clad portion. It is a multi-core optical fiber amplifier including.
  • One aspect of the present invention is an optical communication system including the multi-core optical fiber amplifier.
  • a multi-core optical fiber with improved excitation efficiency and a multi-core optical fiber amplifier and optical communication system using the same can be realized.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the multi-core optical amplifier fiber according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a diagram showing an example of the relationship between the inter-core distance and the total crosstalk (Total XT).
  • FIG. 2B is a diagram showing another example of the relationship between the inter-core distance and the total crosstalk (Total XT).
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the multi-core optical amplifier fiber according to the second embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of the multi-core optical fiber amplifier according to the third embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the optical communication system according to the fourth embodiment.
  • the cutoff wavelength is referred to as ITU-T (International Telecommunication Union) G.I. It means the cable cutoff wavelength defined in 650.1. In addition, for other terms not specifically defined in this specification, G.I. 650.1 and G.M. The definition and measurement method in 650.2 shall be followed.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the multi-core optical amplifier fiber according to the first embodiment, showing a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the multi-core optical amplifier fiber.
  • the multi-core optical amplification fiber 1 is a double clad type having seven core portions 1aa and 1ab, an inner clad portion 1b surrounding the core portions 1aa and 1ab, and an outer clad portion 1c surrounding the inner clad portion 1b. It is a 7-core type multi-core optical fiber.
  • the core portions 1aa and 1ab are arranged in a triangular lattice pattern to realize a close-packed state.
  • the core portion 1aa is arranged at or near the center of the inner clad portion 1b.
  • the six core portions 1ab are arranged around the core portion 1aa so as to be at the corners of a regular hexagon.
  • the core portions 1aa and 1ab contain, for example, germanium (Ge) or aluminum (Al) as a refractive index adjusting dopant for increasing the refractive index. Further, the core portions 1aa and 1ab contain Er as a rare earth element which is an amplification medium.
  • Er is added at a concentration such that the peak of the absorption coefficient near the wavelength of 1530 nm is 2.5 dB / m to 11 dB / m. Further, for example, the addition concentration is 250 ppm to 2000 ppm. However, the absorption coefficient and the addition concentration are not particularly limited. Al also has a function of suppressing the concentration quenching of Er.
  • the inner clad portion 1b has a refractive index lower than the maximum refractive index of each core portion 1aa and 1ab.
  • the inner clad portion 1b is made of, for example, pure quartz glass containing no dopant for adjusting the refractive index. As a result, the refractive index profile of each core portion 1aa and 1ab and the inner clad portion 1b becomes a step index type.
  • the inner clad portion 1b may have a trench portion located on the outer periphery of each core portion 1aa and 1ab.
  • the trench portion is made of quartz glass to which a refractive index adjusting dopant such as fluorine (F) is added, and the refractive index of the trench portion is the other portion of the inner clad portion 1b made of pure quartz glass. It has a refractive index lower than that of.
  • the refractive index profile of each core portion 1aa and 1ab and the inner clad portion 1b is a trench type.
  • the difference in the specific refractive index of the maximum refractive index of each core portion 1aa and 1ab with respect to the inner clad portion 1b is defined as the core ⁇ .
  • the core ⁇ s of the core portions 1aa and 1ab are substantially equal, for example, 0.35% to 2% at a wavelength of 1550 nm.
  • the core diameters of the core portions 1aa and 1ab are preferably set so as to realize a cutoff wavelength shorter than the optical amplification wavelength band in which the rare earth element can be photoamplified in relation to the core ⁇ .
  • the optical amplification wavelength band in which the rare earth element can be photoamplified is, for example, 1530 nm to 1565 nm, which is called the C band, or 1565 nm to 1625 nm, which is called the L band.
  • the mode field diameter of each core portion 1aa and 1ab at a wavelength at which Er photoamplifies, for example, 1550 nm, is, for example, 5 ⁇ m or more and 11 ⁇ m or less.
  • the outer clad portion 1c has a refractive index lower than that of the inner clad portion 1b, and is made of, for example, a resin.
  • the refractive index of the outer clad portion 1c may be higher than the refractive index of the trench portion, but the refractive index of other portions of the inner clad portion 1b and the inner side. It is lower than the average refractive index of the clad portion 1b.
  • the distance between the centers of the core portions 1aa and 1ab in the cross section of FIG. 1 is defined as the core-to-core distance P1.
  • the inter-core distance P1 corresponds to the length of one side of the triangular lattice.
  • the outer diameter (clad diameter) of the inner clad portion 1b is defined as the clad diameter Dc1.
  • the core portion closest to the outer edge of the inner clad portion 1b is any of the six core portions 1ab, but in the present embodiment, any of the six core portions 1ab Is equidistant from the outer edge of the inner clad portion 1b.
  • the shortest distance from the center of any of the six core portions 1ab to the outer edge of the inner clad portion 1b is defined as the clad thickness Tc1.
  • excitation light having a wavelength capable of photoexciting Er for example, excitation light in a wavelength band of 900 nm such as 976 nm is input to the inner clad portion 1b
  • the excitation light propagates inside the inner clad portion 1b while propagating the core portions 1aa and 1ab. Er added to is photoexcited.
  • each of the core portions 1aa and 1ab can photoamplify the signal light input to each of the core portions 1aa and 1ab.
  • the multi-core optical amplifier fiber 1 is configured so that the clad excitation method can be applied.
  • the inter-core distance P1 is set so that the total inter-core crosstalk is -40 dB / 100 m or less in the optical amplification wavelength band.
  • the total inter-core crosstalk is when a signal light of a predetermined power is input to the core parts 1aa and 1ab and propagated, and a part of the power of the signal light leaks to another core part, for example, the following. It is defined as the equation (1).
  • the core l is all adjacent cores surrounding the core k.
  • the core k is the central core in the case of a 7-core fiber having a hexagonal fine structure, and is one of the center and 6 adjacent cores surrounding the center in the case of a 19-core fiber having a hexagonal fine structure. In the case of a structure other than the hexagonal fine structure, the core k selects the core having the largest number of adjacent cores.
  • the clad thickness Tc1 is smaller than the value obtained by adding the mode field diameter to the minimum value of the inter-core distance P1.
  • the clad thickness Tc1 is smaller than the value obtained by adding the mode field diameter to the inter-core distance P1.
  • the multi-core optical amplification fiber 1 configured in this way, since the total inter-core crosstalk is -40 dB / 100 m or less in the optical amplification wavelength band, for example, the multi-core optical used in an optical communication system having a transmission distance of about 100 km or less. Crosstalk between cores is suppressed to the extent that it can be suitably used for a fiber amplifier.
  • An example of such an optical communication system is a metro network system.
  • the multi-core optical amplification fiber 1 if the total inter-core crosstalk in the optical amplification wavelength band is -50 dB / 100 m or less, it is suitable for a multi-core optical fiber amplifier used in an optical communication system having a transmission distance of about 1000 km or less, for example. Crosstalk between cores is suppressed to the extent that it can be used for.
  • An example of such an optical communication system is a land-based long-distance communication system.
  • the multi-core optical amplification fiber 1 if the total inter-core crosstalk in the optical amplification wavelength band is -60 dB / 100 m or less, it is suitable for a multi-core optical fiber amplifier used for an optical communication system having a transmission distance of about 6000 km or more, for example. Crosstalk between cores is suppressed to the extent that it can be used for. Examples of such an optical communication system include a long-distance communication system on land or on the seabed.
  • the optical fiber transmission line is long and the number of repeaters also increases according to the transmission distance. Therefore, crosstalk in each of the optical elements inserted in the middle of the optical fiber transmission line is accumulated and the communication quality is improved. Affects. Therefore, even as the multi-core optical amplification fiber 1 for a multi-core optical fiber amplifier used in an optical communication system, it is preferable that the total inter-core crosstalk is small in the optical amplification wavelength band.
  • the clad thickness Tc1 is smaller than the value obtained by adding the mode field diameter to the minimum value of the inter-core distance P1.
  • the cross-sectional area of the inner clad portion 1b can be made relatively small, so that when the excitation light is input to the inner clad portion 1b, the light intensity density of the excitation light in the inner clad portion 1b becomes relatively high.
  • the excitation efficiency of the multi-core optical amplifier fiber 1 is improved.
  • the saturated output power obtained by the multi-core optical amplifier fiber 1 also increases.
  • the clad thickness Tc is equal to or larger than the mode field diameter, 99% or more of the intensity in the intensity distribution of the signal light propagating in the core portion 1ab does not cover the interface between the inner clad portion 1b and the outer clad portion 1c. As a result, the influence of the interface on the signal light propagation can be suppressed. Further, since the clad thickness Tc1 is smaller than the value obtained by adding the mode field diameter to the minimum value of the inter-core distance P1, the light intensity of the excitation light is set to the maximum number of core portions that can secure the inter-core distance P1. The density can be increased.
  • the core portion is provided on the outer clad portion 1c side of the core portion 1ab while ensuring the inter-core distance P1. You can add more. As a result, the clad thickness defined for the added core portion becomes smaller than the value obtained by adding the mode field diameter to the inter-core distance P1.
  • FIG. 2A is a diagram showing an example of the relationship between the inter-core distance P1 and the total crosstalk (Total XT).
  • FIG. 2A is obtained by simulation calculation using the finite element method in the multi-core optical amplifier fiber having the 7-core type configuration shown in FIG. Regarding the calculation conditions, the refractive index profile of each core portion was an index type, the core ⁇ was 1.1%, and the mode field diameter was 5.8 ⁇ m.
  • the black points are the data points obtained by calculation, and the dotted lines are straight lines that linearly approximate the data points.
  • a total XT of ⁇ 40 dB / 100 m or less was obtained when the inter-core distance P1 was 27 ⁇ m or more. Further, when the inter-core distance P1 was 29 ⁇ m or more, Total XT of ⁇ 50 dB / 100 m or less was obtained. Further, when the inter-core distance P1 was 31 ⁇ m or more, Total XT of ⁇ 60 dB / 100 m or less was obtained.
  • FIG. 2B is a diagram showing another example of the relationship between the inter-core distance P1 and the total crosstalk (Total XT).
  • FIG. 2B is obtained by simulation calculation using the finite element method in the multi-core optical amplifier fiber having the 7-core type configuration shown in FIG. Regarding the calculation conditions, the refractive index profile of each core portion was an index type, the core ⁇ was 0.8%, and the mode field diameter was 6.7 ⁇ m.
  • the black points are the data points obtained by calculation, and the dotted lines are straight lines that linearly approximate the data points.
  • a total XT of ⁇ 40 dB / 100 m or less was obtained when the inter-core distance P1 was 34 ⁇ m or more. Further, when the inter-core distance P1 was 37 ⁇ m or more, Total XT of ⁇ 50 dB / 100 m or less was obtained. Further, when the inter-core distance P1 was 40 ⁇ m or more, Total XT of ⁇ 60 dB / 100 m or less was obtained.
  • the value of the clad thickness Tc1 satisfying the condition that it is smaller than the value obtained by adding the mode field diameter of 5.8 ⁇ m to the minimum value of the inter-core distance P1 is larger than 32.8 ⁇ m when the inter-core distance P1 is 27 ⁇ m. Small, for example 32 ⁇ m or less, smaller than 34.8 ⁇ m when the inter-core distance P1 is 29 ⁇ m, for example 34 ⁇ m or less, and less than 36.8 ⁇ m when the inter-core distance P1 is 31 ⁇ m, for example 36 ⁇ m or less. ..
  • the clad thickness Tc1 is not limited to this, and if it is, for example, 50 ⁇ m or less, the effect of improving the excitation efficiency can be obtained.
  • the core portion and the core portion of the multi-core optical amplifier fiber of Comparative Form 1 having a core-to-core distance of 38.5 ⁇ m, a clad thickness of 29 ⁇ m, and a clad diameter of 135 ⁇ m.
  • the total area (clad area) of the inner clad portion was calculated.
  • the clad area was calculated when the clad thickness Tc1 was 23 ⁇ m and the inter-core distance P1 was 29 ⁇ m.
  • the clad area of the first embodiment was significantly smaller than the clad area of the comparative embodiment 1 at 59.3%. This means that the clad area of the first embodiment is reduced by 2.2 dB with respect to the clad area of the comparative embodiment 1, and the excitation light coefficient is improved.
  • the ratio of the total cross-sectional area of the core portions 1aa and 1ab to the cross-sectional area of the inner clad portion 1b in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the multi-core optical amplifier fiber 1 (hereinafter, may be referred to as a core / clad area ratio). ) was 1.9%.
  • the core / clad area ratio is relatively large as described above, the ratio of the power of the excitation light that contributes to the optical amplification in the core portions 1aa and 1ab becomes large, and the excitation light coefficient is improved.
  • the crosstalk between the total cores of the comparative form 1 was calculated, it was -86 dB / 100 m.
  • the total inter-core crosstalk of the first embodiment was ⁇ 50 dB / 100 m. In the first embodiment, both practical crosstalk between cores and improvement of excitation light rate can be achieved at the same time.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the multi-core optical amplifier fiber according to the second embodiment, showing a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the multi-core optical amplifier fiber.
  • the multi-core optical amplification fiber 2 includes 19 core portions 2aa, 2ab, 2ac, an inner clad portion 2b surrounding the core portions 2aa, 2ab, and 2ac, and an outer clad portion 2c surrounding the inner clad portion 2b. It is a double-clad type and 19-core type multi-core optical fiber.
  • the core portions 2aa, 2ab, and 2ac are arranged in a triangular lattice pattern that realizes a close-packed state.
  • the core portion 2aa is arranged at or near the center of the inner clad portion 2b.
  • the six core portions 2ab are arranged around the core portion 2aa so as to be at the corners of a regular hexagon.
  • the twelve core portions 2ac are arranged around the core portion 2ab so as to be located at the corners of regular hexagons or at the center of the sides. Since the composition and refractive index of the core portions 2aa, 2ab and 2ac are the same as those of the core portions 1aa and 1ab of the multi-core optical amplifier fiber 1, the description thereof will be omitted.
  • the composition and refractive index of the inner clad portion 2b are the same as those of the inner clad portion 1b, so the description thereof will be omitted.
  • the refractive index profile of each core portion 2aa, 2ab, 2ac and the inner clad portion 2b is a step index type, but may be a trench type. Further, since the composition and the refractive index of the outer clad portion 2c are the same as those of the outer clad portion 1c, the description thereof will be omitted.
  • the inter-core distance of each of the core portions 2aa, 2ab, and 2ac in the cross section of FIG. 3 is defined as the inter-core distance P2.
  • the clad diameter of the inner clad portion 2b is defined as the clad diameter Dc2.
  • the core portion closest to the outer edge of the inner clad portion 2b is any of the six core portions 2ac located at the corners of the equidistant hexagon among the 12 core portions 2ac.
  • the shortest distance from the center of any of the six core portions 2ac to the outer edge of the inner clad portion 2b is defined as the clad thickness Tc2.
  • each core portion 2aa, 2ab, 2ac can photoamplify the signal light input to each core portion 2aa, 2ab, 2ac.
  • the multi-core optical amplifier fiber 2 is configured so that the clad excitation method can be applied.
  • the inter-core distance P2 is set so that the total inter-core crosstalk is -40 dB / 100 m or less in the optical amplification wavelength band.
  • the clad thickness Tc2 is smaller than the value obtained by adding the mode field diameter to the minimum value of the inter-core distance P2.
  • the clad thickness Tc2 is smaller than the value obtained by adding the mode field diameter to the inter-core distance P2.
  • the multi-core optical amplification fiber 2 configured in this way, crosstalk between cores is suppressed to some extent according to the transmission distance of the optical communication system, and the excitation efficiency is improved. Further, for example, the saturated output power obtained by the multi-core optical amplifier fiber 2 also increases.
  • the inter-core crosstalk in the multi-core optical amplifier fiber 2 can be set to be -50 dB / 100 m or less or -60 dB / 100 m or less.
  • the clad thickness Tc2 is also smaller than 32.8 ⁇ m when the inter-core distance P2 is 27 ⁇ m, for example 32 ⁇ m or less, and smaller than 34.8 ⁇ m when the inter-core distance P2 is 29 ⁇ m, for example 34 ⁇ m or less.
  • the inter-core distance P2 is 31 ⁇ m, it can be set to a value smaller than 36.8 ⁇ m, for example, 36 ⁇ m or less.
  • the clad thickness Tc2 may be 50 ⁇ m or less.
  • the clad area of the multi-core optical amplifier fiber of Comparative Form 2 having a core-to-core distance of 38.5 ⁇ m, a clad thickness of 23 ⁇ m, and a clad diameter of 200 ⁇ m is obtained.
  • the clad area was calculated when the clad thickness Tc2 was 23 ⁇ m and the inter-core distance P2 was 29 ⁇ m.
  • the clad area of the second embodiment was significantly smaller than the clad area of the second embodiment, which was 65.6%. This means that the clad area of the second embodiment is reduced by 1.8 dB with respect to the clad area of the comparative embodiment 2, and the excitation light coefficient is improved.
  • the core / clad area ratio is relatively large at 2.4%, so that the excitation efficiency is improved.
  • both practical crosstalk between total cores and improvement of the excitation light rate can be achieved at the same time.
  • FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of the multi-core optical fiber amplifier according to the third embodiment.
  • the multi-core optical fiber amplifier may be simply referred to as an optical amplifier.
  • the optical amplifier 100 includes seven optical isolators 10, an optical fiber fan-in (FAN IN) 20, a semiconductor laser 30, an optical coupler 40, a multi-core optical amplifier fiber 1 according to the first embodiment, a pump stripper 50, and an optical fiber fan-out. It includes (FAN OUT) 60 and seven optical isolators 70.
  • the symbol "x" in the figure indicates the fusion splicing point of the optical fiber.
  • the optical fiber fan-in 20 includes seven bundled single-mode optical fibers and one multi-core fiber having seven core portions, and each core of the seven single-mode optical fibers at the coupling portion. The portions are configured to be optically coupled to each core portion of the multi-core fiber.
  • the seven single-mode optical fibers are, for example, ITU-TG. It is a standard single-mode optical fiber defined in 652, each of which is provided with an optical isolator 10.
  • the optical isolators 10 and 70 allow light to pass in the direction indicated by the arrow and block the passage of light in the opposite direction.
  • the multi-core fiber of the optical fiber fan-in 20 is connected to the optical coupler 40.
  • the end faces of the seven bundled single-mode optical fibers and multi-core fibers that are optically coupled are processed diagonally with respect to the optical axis to suppress reflection, but may be perpendicular to the optical axis. ..
  • an optical isolator having a configuration in which a plurality of (7 in this embodiment) single-mode optical fibers are integrated may be used.
  • the multi-core fiber of the optical fiber fan-in 20 is located on the outer periphery of each core portion and seven core portions arranged in a triangular lattice pattern, and is based on the maximum refractive index of each core portion. Also has a clad portion with a low refractive index.
  • each optical isolator 10 passes each signal light, and each core portion of the multi-core fiber propagates each signal light.
  • the semiconductor laser 30 which is an excitation light source is a horizontal multimode semiconductor laser and outputs excitation light.
  • the wavelength of the excitation light is 976 nm, which is substantially the same as the wavelength of the absorption peak in the 900 nm wavelength band of Er. As a result, the excitation light can photoexcitate the erbium ion.
  • the semiconductor laser 30 outputs excitation light from a multimode optical fiber.
  • This multimode optical fiber is a step index type having a core diameter / clad diameter of, for example, 105 ⁇ m / 125 ⁇ m, and has an NA of, for example, 0.16 or 0.22.
  • the optical coupler 40 includes a main optical fiber and an optical fiber for supplying excitation light.
  • the main optical fiber is located on the outer periphery of each core portion and seven core portions arranged in a triangular lattice like the core portion of the multi-core fiber of the optical fiber fan-in 20, and is based on the maximum refractive index of each core portion.
  • the core portion and the inner clad portion are made of quartz glass, and the outer clad portion is made of resin.
  • the excitation light supply optical fiber is a multimode optical fiber of the same type in which another end is connected to the multimode optical fiber of the semiconductor laser 30, and is a step index type having a core diameter / clad diameter of, for example, 105 ⁇ m / 125 ⁇ m.
  • the NA is, for example, 0.16 or 0.22.
  • the excitation light is input from the semiconductor laser 30, and the excitation light is supplied to the main optical fiber.
  • the inner clad portion propagates the excitation light.
  • One end of the main optical fiber of the optical coupler 40 is connected to the multi-core fiber of the optical fiber fan-in 20.
  • Each core portion of the multi-core fiber is connected to each core portion of the main optical fiber. Therefore, each signal light propagating in each core portion of the multi-core fiber is optically coupled to each core portion when input to the main optical fiber.
  • Each core portion propagates each signal light. The excitation light and the signal light are output from the main optical fiber to the multi-core optical amplification fiber 1.
  • One end of the multi-core optical amplification fiber 1 is connected to the main optical fiber of the optical coupler 40.
  • Each core portion 1a of the multi-core optical amplification fiber 1 is connected to each core portion of the main optical fiber.
  • the inner clad portion 1b of the multi-core optical amplification fiber 1 is connected to the inner clad portion of the main optical fiber. Therefore, when the signal light and the excitation light propagating in the main optical fiber are input to the multi-core optical amplification fiber 1, they propagate in the same direction in each core portion 1a and the inner clad portion 1b, respectively.
  • the excitation light photoexcites Er in each core portion 1a while propagating through the inner clad portion 1b.
  • Each signal light propagating in each core portion 1a is photoamplified by the action of stimulated emission of Er.
  • the multi-core optical amplification fiber 1 outputs each light-amplified signal light and excitation light that does not contribute to optical amplification.
  • the pump stripper 50 is a known device that eliminates excitation light that did not contribute to optical amplification.
  • the pump stripper 50 for example, a part of the outer clad of the double clad type multi-core fiber having seven cores is removed, and excitation light is taken out from the surface of the inner clad part of the removed part and used as a heat radiating plate or the like. It has a configuration in which it is irradiated, absorbed, and the energy of the excitation light is converted into heat energy to dissipate heat.
  • the pump stripper 50 propagates each signal light by the multi-core fiber, and reduces the excitation light to a power that does not cause any problem even if it is output from the optical amplifier 100.
  • the optical fiber fan-out 60 includes seven bundled single-mode optical fibers and one multi-core fiber having seven core portions, and has seven at the coupling portion. Each core portion of the single-mode optical fiber of the book is configured to be optically coupled to each core portion of the multi-core fiber.
  • An optical isolator 70 is provided in each single-mode optical fiber.
  • the multi-core fiber is connected to the pump stripper 50. The end faces of the seven bundled single-mode optical fibers and multi-core fibers that are optically coupled are processed diagonally with respect to the optical axis to suppress reflection, but may be perpendicular to the optical axis. ..
  • each signal light When signal light is input from each core portion of the multi-core fiber of the pump stripper 50 to each core portion of the optical fiber fan-out 60, each signal light propagates through each core portion of each single-mode optical fiber and passes through the optical isolator 70. Output.
  • this optical amplifier 100 performs optical amplification using the multi-core optical amplification fiber 1 having improved excitation efficiency, the power consumption of the semiconductor laser 30 for obtaining the same amplification characteristics can be reduced.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the optical communication system according to the fourth embodiment.
  • the optical communication system 1000 includes an optical transmission device 1010, an optical reception device 1020, an optical amplifier 100 according to the seventh embodiment, and optical transmission fibers 1031 to 1037 and 1041 to 1047, which are 14 single-core optical fibers. I have.
  • the optical transmitter 1010 includes seven transmitters 1011 to 1017.
  • the transmitters 1011 to 1017 each transmit signal light.
  • the seven optical transmission fibers 1031 to 1037 transmit the signal light output from each of the transmitters 1011 to 1017 and input the signal light to the optical amplifier 100.
  • the optical amplifier 100 collectively optical-amplifies the seven signal lights input from the optical transmission fibers 1031 to 1037 and outputs them to each of the seven optical transmission fibers 1041 to 1047.
  • the optical transmission fibers 1041 to 1047 transmit the amplified signal light and input the amplified signal light to the optical receiving device 1020.
  • the optical receiver 1020 includes seven receivers 1021 to 1027. The receivers 1021 to 1027 receive the amplified signal light transmitted by the optical transmission fibers 1041 to 1047 and convert it into an electric signal.
  • the optical transmission fiber is seven single-core optical fibers, but an optical transmission fiber composed of one 7-core multi-core fiber may be used.
  • the optical amplifier 100 can be used as a repeater amplifier, a preamplifier, or a booster amplifier. If the optical communication system 1000 is a network system using ROADM (Reconfigurable Optical Add / Drop Multiplexer), the optical amplifier 100 can be used for loss compensation.
  • ROADM Reconfigurable Optical Add / Drop Multiplexer
  • the core portion of the multi-core optical amplification fiber contains only Er as a rare earth element, but may contain only a rare earth element other than Er, for example, ytterbium (Yb), or both Er and Yb. It may be included.
  • the optical amplification wavelength band in which the rare earth element can be photoamplified is, for example, a wavelength band including 1064 nm.
  • the optical amplification wavelength band in which the rare earth element can be photoamplified is, for example, the C band or the L band.
  • the optical amplification wavelength band in which the rare earth element can be photoamplified is, for example, a wavelength band including 1310 nm.
  • the optical amplification wavelength band in which the rare earth element can be photoamplified is, for example, a wavelength band including 1500 nm.
  • the core portions of the multi-core optical amplifier fiber are arranged in a triangular lattice shape, but they may be arranged in a square lattice shape or an annular shape.
  • the number of cores in the multi-core optical amplifier fiber is not particularly limited as long as it is plural.
  • the present invention is not limited by the above embodiment.
  • the present invention also includes a configuration in which the above-mentioned components are appropriately combined.
  • the multi-core optical fiber amplifier 2 according to the second embodiment may be used to configure the multi-core optical fiber amplifier as in the third embodiment.
  • further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspect of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
  • the present invention can be used for multi-core optical fiber amplifiers, multi-core optical fiber amplifiers, and optical communication systems.

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Abstract

マルチコア光増幅ファイバは、希土類元素を添加した複数のコア部、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、内側クラッド部を取り囲み、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、を備え、希土類元素が光増幅する波長における、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、内側クラッド部に対する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複数のコア部のそれぞれのコア間距離が、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おり、クラッド厚が、コア間距離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。

Description

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
　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、前記光増幅する波長帯である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、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実現できる。
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る。 図２Ａは、コア間距離と総クロストーク（Ｔｏｔａｌ　ＸＴ）との関係の一例を示す図である。 図２Ｂは、コア間距離と総クロストーク（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。 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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　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。
　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。
　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。
　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。
　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、利用することができる。
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　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 (9)

  1. 　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、前記光増幅する波長帯である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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　請求項１～７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。
  9. 　請求項８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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