WO2022054287A1 - 希土類添加光ファイバ及び光ファイバ増幅器 - Google Patents

希土類添加光ファイバ及び光ファイバ増幅器 Download PDF

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和秀 中島
陽子 山下
隆 松井
真一 青笹
悠途 寒河江
信智 半澤
諒太 今田
泰志 坂本
則幸 荒木
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日本電信電話株式会社
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/024—Optical fibres with cladding with or without a coating with polarisation maintaining properties
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers

Definitions

  • the present disclosure relates to rare earth-added optical fibers and optical fiber amplifiers.
  • a polarization-retaining optical fiber in which a hollow region extending in the longitudinal direction is formed in a region straddling the core and clad of the optical fiber has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1). Further, a single polarization optical amplifier using a stress application (PANDA) type polarization holding optical fiber has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 2).
  • PANDA stress application
  • one or more refractive index modulation points arranged symmetrically with respect to the core of a general-purpose non-polarizing type rare earth-added optical fiber are formed in the longitudinal direction.
  • the rare earth-added optical fiber of the present disclosure is within an arbitrary cross section of the rare earth-added optical fiber, the distance is ⁇ from the core center of the rare earth-added optical fiber, and the diameter is d and the refractive index is n 3 at a position to be the center of the core center.
  • a pair of refractive index modulation points One or more sets of the pair of refractive index modulation points are formed in the propagation direction of the rare earth-added optical fiber.
  • the optical fiber amplifier of the present disclosure is A pump light source for optical amplification and A combiner in which an optical signal and the emitted light of the pump light source are incident on a rare earth-added optical fiber having a built-in refractive index modulation point, The rare earth-added optical fiber of the present disclosure and To prepare for.
  • a single polarization state can be realized by using an ordinary rare earth-added optical fiber without producing a special optical fiber base material.
  • Image of rare earth-added optical fiber with built-in refractive index modulation point in the present disclosure An example of the cross-sectional structure of the rare earth-added optical fiber of the present disclosure is shown. An example of the change in the normalized propagation constant difference between the optical fiber orthogonal axes with respect to the structural parameter of the refractive index modulation point is shown. An example of a block diagram of an optical amplifier using a rare earth-added optical fiber having a built-in refractive index modulation point of the present disclosure is shown.
  • FIG. 1 shows a diagram of a rare earth-added optical fiber having a built-in refractive index modulation point in the present disclosure.
  • the rare earth-added optical fiber 14 of the present disclosure includes a core 21 to which a rare earth element is added, and a clad 22 that covers the periphery of the core 21.
  • Rare earths are uniformly added to the core 21 in the longitudinal direction of the rare earth-added optical fiber 14.
  • Rare earths are, for example, at least one of erbium, thulium, ittribium, praseodymium, and neodymium.
  • the rare earth-added optical fiber 14 of the present disclosure has one or more pairs of refractive index modulation points 31 in the longitudinal direction.
  • the interval and the number of refractive index modulation points are arbitrary, and the effect of the present disclosure can be obtained by providing a pair of refractive index modulation points at at least one place of the rare earth-added optical fiber 14.
  • FIG. 2 shows an example of the cross-sectional structure of the rare earth-added optical fiber of the present disclosure.
  • the pair of refractive index modulation points 31 have refractive index modulation points 31A and 31B arranged point-symmetrically with respect to the center point of the core 21 at a position at a distance ⁇ from the center of the core 21.
  • the diameters d of the refractive index modulation points 31A and 31B are equal.
  • the specific refractive index difference ⁇ 1 of the core 21 is defined by the following equation ( 1 ) (unit:%). (Number 1) ⁇ 1 ⁇ (n 1 2 ⁇ n 2 2 ) / (2n 1 2 ) ⁇ 100 (1)
  • the refractive index modulation points 31A and 31B are realized by irradiating the rare earth-added optical fiber with a single pulse laser , and have a refractive index of n3. It should be noted that n 3 can be reduced to a minimum of 1. Further, in FIG. 1, as an example, the case where the pair of refractive index modulation points 31 are arranged in the region of the clad 22 is shown, but the pair of refractive index modulation points 31 may be arranged in the core 21. , May be arranged in a region straddling the core 21 and the clad 22.
  • the refractive index of the pair of refractive index modulation points 31 is n 3
  • the difference in the specific refractive index with respect to the region of the clad 22 is ⁇ 3 .
  • ⁇ 3 is obtained by substituting n 1 with n 2 and n 2 with n 3 in the above equation (1).
  • FIG. 3 shows the results calculated for the change in the propagation constant difference with respect to ⁇ 3 at a wavelength of 1550 nm.
  • Rdel on the horizontal axis represents the ratio of the differential index of refraction, and is defined as ⁇ 3 / ⁇ 1.
  • the radius a of the core 21 and the specific refractive index difference ⁇ 1 of the core 21 are constant at 4.5 ⁇ m and 0.35%, respectively .
  • the normalized propagation constant b is defined by the following equation (2) using the effective refractive index n eff of the propagation mode. (Number 2) b ⁇ (n eff 2 -n 2 2 ) / (n 1 2 -n 2 2 ) (2)
  • the three solid lines in FIG. 3 show the results when the above ( ⁇ , d) are set to (5.5 ⁇ m, 1 ⁇ m), (6.0 ⁇ m, 2 ⁇ m) and (6.5 ⁇ m, 1 ⁇ m), respectively. .. From FIG. 3, it can be seen that Delta-b can be controlled to non-zero by changing the refractive index of Rdel, that is, a pair of refractive index modulation points. It can also be seen that Delta-b can be controlled by ⁇ and d. When the pair of refractive index modulation points 31 are hollow, the internal refractive index can be reduced to 1 and Delta-b can be maximized.
  • FIG. 4 shows a configuration diagram of an optical amplifier using a rare earth-added optical fiber 14 having a pair of refractive index modulation points 31 of the present disclosure.
  • the optical fiber amplifier of the present disclosure includes a signal optical input unit 11, a pump optical input unit 12 for inputting pump light for optical amplification, a combiner 13 for incident an optical signal and pump light on the rare earth-added optical fiber 14, and the present invention.
  • the disclosed rare earth-added optical fiber 14 is provided.
  • the pump light input unit 12 may be a pump light source that generates and emits pump light.
  • the above-mentioned unipolar optical structure is applied to the rare earth-added optical fiber, and at the same time, a light coupling system matched in the polarization direction of the rare earth-added unipolar optical fiber is constructed. It is necessary, and the configuration of the optical amplifier becomes complicated. On the other hand, in the present disclosure, since a single polarization state can be realized by using an ordinary rare earth-added optical fiber, the configuration of the optical amplifier can be simplified.
  • -A single polarization state can be realized by using a normal rare earth-added optical fiber without manufacturing a special optical fiber base material.
  • the coupling between orthogonal polarization modes can be controlled by the refractive index, position, and diameter of the refractive index modulation point.
  • -Since a single polarization state is realized in the rare earth-added optical fiber, it is not necessary to control the incident polarization.
  • This disclosure can be applied to the information and communication industry.
  • Signal light input unit 12 Pump light input unit 13: Combiner 14: Rare earth-added optical fiber 21: Core 22: Clad 31, 31-1, 31-1, 31-2, 31-3, 31-4, 31 -5: Refractive index modulation points 31A, 31B: Refractive index modulation points

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Abstract

単一偏波の希土類添加光ファイバを作製するには、光ファイバの母材自身に応力分布制御を施す必要があったため、製造性や経済性の向上が困難となるという課題があった。　本開示は、希土類添加光ファイバの任意の断面内において、前記希土類添加光ファイバのコア中心から距離Λであり、かつ前記コア中心に対し中心対象となる位置に、直径がｄでありかつ屈折率がｎ３である一対の屈折率変調点を備え、前記一対の屈折率変調点が前記希土類添加光ファイバの伝搬方向に１組以上形成されている、希土類添加光ファイバである。

Description

希土類添加光ファイバ及び光ファイバ増幅器
　本開示は、希土類添加光ファイバ及び光ファイバ増幅器に関する。
　光ファイバのコアおよびクラッドに跨る領域に、長手方向に伸びる中空領域を形成した偏波保持光ファイバが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。また応力付与（ＰＡＮＤＡ）型偏波保持光ファイバを用いた単一偏波光増幅器が提案されている（例えば、非特許文献２参照。）
吉川，　日向，　細野，　鷹野，　"コアとクラッドにまたがる中空の円形ピットを持つ偏波面保存単一モード光ファイバの解析，"　ＩＥＩＣＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｂ，　ｖｏｌ．　Ｊ６７－Ｂ，　ｎｏ．　１，　ｐｐ．　７０－７７，　１９８４． 酒井，　姫野，　和田，　山内，　"偏波面保存エルビウム添加光ファイバの増幅特性，"　レーザー研究，　ｖｏｌ．　２３，　ｎｏ．　１２，　ｐｐ．　７２－７８，　１９９５．
　単一偏波の希土類添加光ファイバを作製するには、光ファイバの母材自身に応力分布制御を施す必要があったため、製造性や経済性の向上が困難となるという課題があった。
　本開示は、汎用の非偏波保持型の希土類添加光ファイバのコアに対して左右対称に配置された屈折率変調点が、長手方向で１か所以上形成される。
　本開示の希土類添加光ファイバは、
　希土類添加光ファイバの任意の断面内において、前記希土類添加光ファイバのコア中心から距離Λであり、かつ前記コア中心に対し中心対象となる位置に、直径がｄでありかつ屈折率がｎ３である一対の屈折率変調点を備え、
　前記一対の屈折率変調点が前記希土類添加光ファイバの伝搬方向に１組以上形成されている。
　本開示の光ファイバ増幅器は、
　光増幅用のポンプ光源と、
　光信号と前記ポンプ光源の出射光を、前記屈折率変調点を内蔵する希土類添加光ファイバに入射するコンバイナーと、
　本開示の希土類添加光ファイバと、
　を備える。
　本開示によれば、特殊な光ファイバ母材を作製せず、通常の希土類添加光ファイバを利用して単一偏波状態を実現できる。
本開示における屈折率変調点を内蔵した希土類添加光ファイバのイメージ図 本開示の希土類添加光ファイバの断面構造の一例を示す。 屈折率変調点の構造パラメータに対する光ファイバ直交軸間における規格化伝搬定数差の変化の一例を示す。 本開示の屈折率変調点を内蔵した希土類添加光ファイバを用いた光増幅器の構成図の一例を示す。
　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。
（実施形態例１）
　図１に本開示における屈折率変調点を内蔵した希土類添加光ファイバの図を示す。本開示の希土類添加光ファイバ１４は、希土類が添加されたコア２１と、コア２１の周囲を覆うクラッド２２と、を備える。コア２１には、希土類添加光ファイバ１４の長手方向に均一に希土類が添加されている。希土類は、例えば、エルビウム、ツリウム、イットリビウム、プラセオジウム、ネオジウムの少なくともいずれかである。本開示の希土類添加光ファイバ１４は、長手方向に、１対の屈折率変調点３１を１カ所以上有する。屈折率変調点の間隔及び数は任意であり、希土類添加光ファイバ１４の少なくとも一か所に１対の屈折率変調点を備えることで、本開示の効果を得ることができる。
　図２に、本開示の希土類添加光ファイバの断面構造の一例を示す。１対の屈折率変調点３１は、コア２１の中心から距離Λの位置に、コア２１の中心点に対して点対称に配置されている屈折率変調点３１Ａ及び３１Ｂを有する。屈折率変調点３１Ａ及び３１Ｂの直径ｄは等しい。
　ここで、コア２１の最大屈折率をｎ１、クラッドの屈折率をｎ２とすると、コア２１の比屈折率差Δ１は次式（１）で定義される（単位は％）。
（数１）
　Δ１≡（ｎ１ ２－ｎ２ ２）／（２ｎ１ ２）×１００
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
　屈折率変調点３１Ａ及び３１Ｂは、希土類添加光ファイバに単パルスレーザを照射することにより実現され、ｎ３の屈折率を有する。尚、ｎ３は最小で１まで低減することが可能である。また、図１では１例として、一対の屈折率変調点３１がクラッド２２の領域に配置される場合を示したが、一対の屈折率変調点３１は、コア２１に配置されていてもよいし、コア２１とクラッド２２に跨る領域に配置されていても良い。
　この時、前記コア２１と一対の屈折率変調点３１を横断する軸方向Ｘと、前記Ｘに直交する軸方向Ｙでは、それぞれ半径方向の屈折率変化が異なるため、各軸における伝搬定数、それぞれβ１およびβ２に偏差が生じる。非特許文献１および２に記載されているように、前記β１とβ２の偏差を拡大することにより、直交する電界分布間の結合係数を低減し、単一偏波特性を実現することができる。
　ここで、前記一対の屈折率変調点３１の屈折率をｎ３、前記クラッド２２の領域に対する比屈折率差をΔ３とする。Δ３は前記式（１）でｎ１をｎ２で置換し、ｎ２をｎ３で置換することにより得られる。
　図３に、Δ３に対する伝搬定数差の変化について、波長１５５０ｎｍで計算した結果を示す。横軸のＲｄｅｌは比屈折率差の比率を表し、Δ３／Δ１として定義した。図３では、一例として、コア２１の半径ａおよびコア２１の比屈折率差Δ１は、それぞれ４．５μｍおよび０．３５％で一定とした。また、縦軸は一対の屈折率変調点の有無による規格化伝搬定数の偏差Ｄｅｌｔａ－ｂを表し、一対の屈折率変調点が無い場合およびある場合の規格化伝搬定数を、それぞれｂ１およびｂ２とすると、Ｄｅｌｔａ－ｂ＝ｂ２－ｂ１として記述される。
　尚、規格化伝搬定数ｂは、伝搬モードの実効屈折率ｎｅｆｆを用いて、次式（２）により定義される。
（数２）
　ｂ≡（ｎｅｆｆ ２－ｎ２ ２）／（ｎ１ ２－ｎ２ ２）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
　図３中の３本の実線は、それぞれ前記（Λ，ｄ）を、それぞれ（５．５μｍ，１μｍ）、（６．０μｍ，２μｍ）および（６．５μｍ，１μｍ）とした時の結果を示す。図３より、Ｒｄｅｌ、すなわち一対の屈折率変調点の屈折率を変化させることにより、Ｄｅｌｔａ－ｂを非ゼロに制御できることが分かる。また、Ｄｅｌｔａ－ｂはΛおよびｄにより制御できることが分かる。尚、一対の屈折率変調点３１が空洞となる場合、内部の屈折率を１まで低減でき、Ｄｅｌｔａ－ｂを最大化することが可能となる。
　以上の結果から、任意の希土類添加光ファイバ１４に、フェムト秒レーザで屈折率ｎ３の屈折率変調点３１Ａ及び３１Ｂを形成し、その形成位置Λと直径ｄを制御することにより、所望の伝搬定数差を実現し、希土類添加光ファイバ１４内における単一偏波状態をえることができる。
　図４に、本開示の一対の屈折率変調点３１を内蔵した希土類添加光ファイバ１４を用いた光増幅器の構成図を示す。本開示の光ファイバ増幅器は、信号光入力部１１と、光増幅用のポンプ光を入力するポンプ光入力部１２と、光信号とポンプ光を希土類添加光ファイバ１４に入射するコンバイナー１３と、本開示の希土類添加光ファイバ１４と、を備える。ポンプ光入力部１２は、ポンプ光を生成して出射するポンプ光源であってもよい。
　単一偏波光の増幅を行うためには、上述の単一偏波光構造を希土類添加光ファイバに適用すると同時に、当該希土類添加単一偏波光ファイバの偏光方向に整合した光の結合系を構築する必要があり、光増幅器の構成が煩雑化する。これに対し、本開示は、通常の希土類添加光ファイバを利用して単一偏波状態を実現できるため、光増幅器の構成を簡易化することができる。
（本開示の効果）
・特殊な光ファイバ母材を作製せず、通常の希土類添加光ファイバを利用して単一偏波状態を実現できる。
・直交偏波モード間の結合を、屈折率変調点の屈折率、位置、直径で制御できる。
・希土類添加光ファイバ内で単一偏波状態を実現するため、入射偏光を制御する必要が無い。
（本開示のポイント）
・汎用の非偏波保持型の希土類添加光ファイバを用いて、簡便かつ経済的に単一偏波光増幅器が実現できる。
　本開示は情報通信産業に適用することができる。
１１：信号光入力部
１２：ポンプ光入力部
１３：コンバイナー
１４：希土類添加光ファイバ
２１：コア
２２：クラッド
３１、３１－１、３１－１、３１－２、３１－３、３１－４、３１－５：屈折率変調点
３１Ａ、３１Ｂ：屈折率変調点

Claims (4)

  1. 　希土類添加光ファイバの任意の断面内において、前記希土類添加光ファイバのコア中心から距離Λであり、かつ前記コア中心に対し中心対象となる位置に、直径がｄでありかつ屈折率がｎ３である一対の屈折率変調点を備え、
    　前記一対の屈折率変調点が前記希土類添加光ファイバの伝搬方向に１組以上形成されている、
    　希土類添加光ファイバ。
  2. 　前記希土類がエルビウム、ツリウム、イットリビウム、プラセオジウム、ネオジウムの少なくともいずれかであることを特徴とする、
    　請求項１に記載の希土類添加光ファイバ。
  3. 　前記屈折率変調点が空洞であることを特徴とする、
    　請求項１又は２に記載の希土類添加光ファイバ。
  4. 　光増幅用のポンプ光源と、
    　光信号と前記ポンプ光源の出射光を、前記屈折率変調点を内蔵する希土類添加光ファイバに入射するコンバイナーと、
    　請求項１から３のいずれかに記載の希土類添加光ファイバと、
    　を備える光ファイバ増幅器。
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