WO2023195155A1 - 光ファイバ増幅器 - Google Patents

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WO2023195155A1
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core
cladding
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excitation light
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泰志 坂本
和秀 中島
諒太 今田
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日本電信電話株式会社
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    • 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
    • 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
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical fiber amplifier.
  • the loss of light propagating through an optical fiber is amplified by an optical amplifier at fixed distance intervals and relayed for long-distance transmission.
  • Amplification in an optical amplifier involves transmitting signal light to an amplification optical fiber whose core region is doped with a rare earth element (erbium-doped optical fiber (EDF) using mainly erbium) and excitation light (EDF) to excite the rare earth element.
  • EDF rare earth element
  • EDF excitation light
  • SMF single-mode optical fibers
  • core-pumped optical amplifiers are used to amplify signal light propagating through the core by guiding pump light through the core.
  • multi-core fibers which have multiple cores within the cross-section of the optical fiber, or multi-mode fibers, in which two or more modes propagate within the core, have been studied to expand the transmission capacity of optical fibers.
  • Optical fibers used for space division multiplexing (SDM) have been studied, and amplifiers for optical fibers in which multiple spatial modes propagate in one optical fiber have been studied (for example, see Non-Patent Document 1). .
  • an SDM optical fiber amplifier for simultaneously amplifying multiple spatial modes has been studied.
  • a cladding pumped optical fiber amplifier that amplifies multiple modes at once is being considered (see, for example, Non-Patent Document 2).
  • a multimode light source can be used for the pumping light, and the power efficiency is superior to the single mode light source generally used in the core pumping method, and the Peltier light source required for a single mode light source is superior. Temperature control by elements is not necessarily required, and clad-pumped optical fiber amplifiers are expected to exhibit excellent amplification efficiency.
  • clad pumped optical fiber amplifiers Compared to the core pumping method, clad pumped optical fiber amplifiers have a lower overlap between the region where the pumping light propagates and the core region doped with rare earth elements, and the amount of pumping light absorbed within the amplification optical fiber.
  • Rcc which is the ratio of the total area of the core in the optical fiber to the area of the cladding including the core region, the excitation absorbed in the optical fiber can be reduced.
  • Studies have been made to increase the amount of light, and high amplification efficiency has been demonstrated (see, for example, Non-Patent Document 3).
  • the cladding diameter is smaller.
  • the optical fiber connected to the excitation light source is typically a multimode fiber with a core diameter of 105 ⁇ m.
  • the spot size of the multimode fiber and the cladding diameter of the amplification optical fiber do not match in the pumping light combiner, resulting in loss of pumping light and amplification. Efficiency is reduced.
  • Non-Patent Document 3 an erbium-doped optical fiber with a cladding diameter of 90 ⁇ m is used as an amplification optical fiber, but there is a loss due to mismatch in the cladding area at the connection point with the optical fiber output from the pump light combiner. Disclose what happens.
  • the spot size of the pumping light from the pumping light source does not match the cladding diameter of the amplification optical fiber in the pumping light combiner, and it is difficult to increase the amplification efficiency due to loss of pumping light.
  • a core size converter is placed in front of the pump light combiner to reduce the core diameter of the optical fiber that propagates the pump light from the pump light source. It was decided to match the cladding diameter of the optical fiber.
  • the optical fiber amplifier includes: an amplification optical fiber having a plurality of cores doped with rare earth elements in its cladding; an excitation light source that outputs excitation light that excites the rare earth element to a multimode optical fiber; a core size converter that reduces the diameter of the core of the multimode optical fiber to the diameter of the cladding of the amplification optical fiber; The signal light propagated in each core of the multi-core optical fiber is input to each core of the amplification optical fiber, and the pump light output from the pump light source and passed through the core size converter is input to the amplification optical fiber.
  • an excitation light combiner incident on the cladding including the core Equipped with
  • the spot size of the pumping light and the cladding diameter of the amplification optical fiber can be made to match in the pumping light combiner, so that the loss of the pumping light can be reduced. Furthermore, since the spot size of the excitation light can be made compatible with an amplification fiber having a small cladding diameter, the amplification efficiency can also be improved in terms of increasing Rcc. Therefore, the present invention can provide an optical fiber amplifier in which loss of pump light in a pump light combiner is reduced and amplification efficiency is increased.
  • the amplifying optical fiber of the optical fiber amplifier according to the present invention has a resin on the outer periphery of the cladding, and the relationship among the refractive index n1 of the core, the refractive index n2 of the cladding, and the refractive index n3 of the resin is characterized in that n1>n2>n3.
  • the amplifying optical fiber of the optical fiber amplifier according to the present invention has an outer cladding on the outer periphery of the cladding, and a coating on the outer periphery of the outer cladding, and the core has a refractive index n1 and the cladding has a refractive index n2.
  • the refractive index nc of the outer cladding may be n1>n2>nc.
  • the reduction rate of the core reduced by the core size converter is larger than 0.19 and smaller than 0.76.
  • the present invention can provide an optical fiber amplifier in which loss of pump light in a pump light combiner is reduced and amplification efficiency is increased.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of an optical fiber amplifier.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of an optical fiber amplifier according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a core size conversion section of an optical fiber amplifier according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an experimental system.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the core diameter and the transmittance of excitation light.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a pump light combiner of an optical fiber amplifier according to the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view illustrating an amplification optical fiber of an optical fiber amplifier according to the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view illustrating an amplification optical fiber of an optical fiber amplifier according to the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a clad pumped optical fiber amplifier (300a, 300b).
  • a pumping light combiner 12 that combines pumping light Le is connected to one end of a pumping optical fiber 13 doped with a rare earth element, and amplifies the signal light Ls guided through the core.
  • the amplified signal light is indicated as "Lsa”. Although it is typical to connect an isolator to the other end of the excitation optical fiber 13 in accordance with the propagation direction of the signal light Ls, it is omitted in this figure. Further, a residual pumping light remover may be installed to emit the pumping light Le not absorbed by the amplification optical fiber 13 to the outside of the pumping optical fiber 13.
  • the excitation light Le output from the excitation light source 11 is propagated to the excitation light combiner 12 through a multimode optical fiber 16 having a core diameter of 105 ⁇ m.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the optical fiber amplifier (301a, 301b) of this embodiment.
  • the optical fiber amplifier (301a, 301b) is an amplifying optical fiber 13 having a plurality of cores doped with rare earth elements in its cladding; an excitation light source 11 that outputs excitation light that excites the rare earth element to a multimode optical fiber 16-1; a core size converter 14 that reduces the diameter of the core of the multimode optical fiber 16-1 to the diameter of the cladding of the amplification optical fiber 13;
  • the signal light Ls propagated through each core of the multi-core optical fiber 15 is input to each core of the amplification optical fiber 13, and the excitation light Le output from the excitation light source 11 and passed through the core size converter 14 is converted into amplification light.
  • the optical fiber amplifier 301a is a forward pumping type
  • the optical fiber amplifier 301b is
  • the optical fiber amplifiers (301a, 301b) differ from the optical fiber amplifiers (300a, 300b) in FIG. 1 in that a core size converter 14 is provided between the pumping light source 11 and the pumping light combiner 12. Core size converter 14 and excitation light source 11 are connected by multimode optical fiber 16-1. The core size converter 14 and the excitation light combiner 12 are connected by a multimode optical fiber 16-2.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the configuration of the core size converter 14.
  • the core size converter 14 consists of a large core section 31, a down taper section 32, and a small core section 33.
  • the large core section 31 is connected to the multimode optical fiber 16-1
  • the small core section 33 is connected to the multimode optical fiber. Connect to 16-2.
  • the cladding diameter of the multimode optical fiber 16-1 and the large core portion 31 is Dd0
  • the core diameter is Dc0
  • Dd0 125 ⁇ m
  • Dc0 105 ⁇ m.
  • Dd1 the cladding diameter of the multimode optical fiber 16-2 and the small core portion 33
  • the down taper section 32 connects the large core section 31 and the small core section 33, and reduces the cladding diameter from Dd0 to Dd1 and the core diameter from Dc0 to Dc1.
  • FIG. 3 shows an example of the configuration, and the core size converter 14 outputs the excitation light Le from the multimode optical fiber 16-1 into space, controls the spot size with a lens, etc., and converts the excitation light Le into the multimode optical fiber.
  • a configuration in which the light is incident on 16-2 may also be used.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a taper experimental system using a typical multimode optical fiber 140 with a core diameter of 105 ⁇ m and an NA of 0.22 connected to an excitation light source.
  • NA is a numerical aperture and is defined below, where n core is the refractive index of the core and n clad is the refractive index of the cladding.
  • the multimode optical fiber 140 is covered with a coating 42 having a higher refractive index than the core 35 and the cladding 36, and the light coupled from the core 35 to the cladding 36 is immediately absorbed by the coating 42 and becomes a loss.
  • the coating on the middle part of the multimode optical fiber 140 is removed, and the tapered part 43 is created by heating and stretching with a ceramic heater.
  • An excitation light source was connected to one end of the multimode optical fiber 140, and the excitation light was input and the excitation light output from the other end was received by a power meter to measure the transmittance.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the core diameter at the tapered waist portion where the cladding diameter is the smallest in the tapered portion 43 and the transmittance of excitation light. From FIG. 5, when the core diameter is 20 ⁇ m or more, the transmittance hardly changes and a value close to 100% is obtained. Since the transmittance rapidly decreases when the core diameter becomes smaller than 20 ⁇ m, it can be seen that the lower limit of the core diameter Dc1 reduced by the taper is 0.19 times the core diameter Dc0 of the multimode optical fiber 16-1. That is, when an optical fiber whose core diameter Dc0 is typically 105 ⁇ m is used as the multimode optical fiber 16-1, the core diameter Dc1 of the multimode optical fiber 16-2 needs to be 20 ⁇ m or more.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the structure of the excitation light combiner 12.
  • the pump light combiner 12 has a port 63a into which the signal light Ls is input and a port 63b into which the pump light Le is input.
  • the wavelengths of these signals are multiplexed using a dichroic mirror 61, a lens 62, etc., and outputted to one output port 63c.
  • the signal light Ls is guided through each core of the multi-core optical fiber 15 and is input into each core of the amplification optical fiber 13.
  • the excitation light Le multimode propagated in the core of the multimode optical fiber 16-2 is incident on the entire cladding region including the core of the amplification optical fiber 13.
  • the spot size of the excitation light Le can be changed by adjusting the lens 62 included in the excitation light combiner 12, and the excitation light combiner 12 can also take on the function of the core size converter 14.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of a rare earth-doped optical fiber that is the amplification optical fiber 13.
  • the amplifying optical fiber 13 of this configuration includes a core 71 having a refractive index of n1, a cladding 72 surrounding the core 71 having a refractive index of n2, and a resin 73 surrounding the cladding 72 having a refractive index of n3.
  • the relationship between these refractive indices is n1>n2>n3 It is.
  • “ ⁇ ” represents the distance between the centers of the cores 71 (inter-core distance).
  • the amplification optical fiber 13 having two cores 71 is illustrated in this figure, the number of cores of the amplification optical fiber 13 may be three or more.
  • the optical fiber 13 when the amplification optical fiber 13 is connected to the output side of the pumping light combiner 12 via an optical fiber, the optical fiber also has the structure shown in FIG. 7. Similarly, in the optical fiber, the coating made of resin 73 is set to have a refractive index lower than that of the cladding 72 . In this optical fiber, the pumping light that is input from the pumping light combiner 12 into the cladding region (a region including both the core 71 and the cladding 72) is input into the cladding region of the amplification optical fiber 13.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of a rare earth-doped optical fiber that is another example of the amplification optical fiber 13.
  • the amplifying optical fiber 13 of this configuration includes a core 71 having a refractive index of n1, a cladding 72 surrounding it having a refractive index of n2, an outer cladding 72a surrounding the cladding 72 and having a refractive index of nc, and surrounding the outer cladding 72a. It is composed of a coating 74 having a refractive index of n4. The relationship between these refractive indices is n1>n2>nc It is.
  • the amplification optical fiber 13 having two cores 71 is illustrated in this figure, the number of cores of the amplification optical fiber 13 may be three or more.
  • the diameter of the cladding 72 of the amplification optical fiber 13 of this structure matches Dc1 (the core diameter of the small core portion 33 of the core size converter 14 and the multimode optical fiber 16-2). Therefore, the excitation light combiner 12 can input the excitation light having the spot size Dc1 from the multimode optical fiber 16-2 into the cladding 72.
  • n4 may be any refractive index.
  • the core diameter of the multimode optical fiber 16-1 is 105 ⁇ m
  • the core diameter Dc1 of the multimode optical fiber 16-2 needs to be 20 ⁇ m or more (the core size converter The lower limit of the core reduction ratio of 14 is 0.19). Therefore, the diameter of the cladding 72 of the amplification optical fiber 13, which is Dc1, is also 20 ⁇ m or more.
  • the diameter of the optical fiber core specified in the IEC optical fiber standard document IEC60793-2-60 is set to be at least 80 ⁇ m, and if the diameter is smaller than that, problems will arise in terms of handling and reliability.
  • the diameter of the cladding 72 is 80 ⁇ m or more, there is no problem in handling or reliability, and the amplification fiber 13 may have the structure described in FIG. 7.
  • the diameter of the cladding 72 is less than 80 ⁇ m in order to improve Rcc, the amplification fiber 13 has a double clad structure as explained in FIG. 8, and the outer cladding 72a The diameter is set to 80 ⁇ m or more.
  • the core diameter Dc1 of the multimode optical fiber 16-2 will necessarily be less than 80 ⁇ m, and the diameter of the cladding 72 of the amplification optical fiber 13 will be less than 80 ⁇ m. is also less than 80 ⁇ m.
  • the diameter of the cladding 72 of the amplification optical fiber 13 in FIG. 8 is 20 ⁇ m ⁇ Dc1 ⁇ 80 ⁇ m It is preferable that The above numerical value is for the case where the core diameter of the multimode optical fiber 16-1 is 105 ⁇ m, and expressed as a ratio, it is larger than 0.19 and 0.76 to the core diameter of the multimode optical fiber 16-1. It becomes smaller.
  • the handling and reliability of the amplifying optical fiber 13 can be made equivalent to that of conventional optical fibers.
  • the core diameter (Dc1) of the multimode optical fiber 16-2 is 80 ⁇ m to 105 ⁇ m
  • the amplification optical fiber 13 shown in FIG. 7 may be used and the diameter of the cladding 72 may be designed to match Dc1. good.

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Abstract

励起光コンバイナにおける励起光の損失を低減して増幅効率を高めた光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。　本発明に係る光ファイバ増幅器は、希土類元素が添加された複数のコアをクラッド内に有する増幅用光ファイバ１３と、前記希土類元素を励起する励起光をマルチモード光ファイバ１６－１に出力する励起光源１１と、マルチモード光ファイバ１６－１のコアの直径を増幅用光ファイバ１３の前記クラッドの直径に縮小するコアサイズ変換部１４と、マルチコア光ファイバ１５の各コアで伝搬されてきた信号光Ｌｓを増幅用光ファイバ１３の各コアに入射し、励起光源１１から出力されてコアサイズ変換部１４を経由した励起光Ｌｅを増幅用光ファイバ１３の前記コアを含む前記クラッドに入射する励起光コンバイナ１２と、を備える。

Description

光ファイバ増幅器
　本開示は、光ファイバ増幅器に関する。
　光ファイバ通信システムにおいては、光ファイバを伝搬する光の損失を、一定距離毎に光増幅器で増幅し、中継して長距離伝送を行う。光増幅器内の増幅は、希土類元素をコア領域に添加した増幅用光ファイバ（主にエルビウムを用いたエルビウム添加光ファイバ：ＥＤＦ）に信号光と、希土類元素を励起するための励起光（ＥＤＦの場合主に９８０ｎｍあるいは１４８０ｎｍの光）を入射し、光を電気に変換することなく増幅する。
　現在のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）を用いた通信においては、コアを伝搬する信号光に対して、同様にコアに励起光を導波させることで増幅させるコア励起型光増幅器が用いられている。一方で、近年、光ファイバの伝送容量の拡大のために検討されている、光ファイバの断面内に複数のコアを有するマルチコアファイバ、あるいはコア内を伝搬するモードが２以上である数モードファイバを用いた空間分割多重（ＳＤＭ）用光ファイバが検討され、これら１本の光ファイバに複数の空間モードが伝搬する光ファイバ用の増幅器が検討されている（例えば、非特許文献１を参照。）。
　これらのＳＤＭ光ファイバに対し、複数の空間モードを同時に増幅するためのＳＤＭ用光ファイバ増幅器が検討され、コア励起方式と異なり、光ファイバのクラッド領域に励起光を導波させ、複数のコア、あるいは複数のモードを一括して増幅するクラッド励起型光ファイバ増幅器が検討されている（例えば、非特許文献２を参照。）。クラッド励起方式の光ファイバ増幅器の場合、励起光にマルチモード光源を用いることができ、一般にコア励起方式で用いられるシングルモード光源より電力効率が優れており、かつシングルモード光源で必要とされるペルチェ素子による温度制御も必ずしも必要でなく、クラッド励起型光ファイバ増幅器が優れた増幅効率を示すことが期待されている。クラッド励起型光ファイバ増幅器は、コア励起方式と比較し、励起光が伝搬する領域と希土類元素が添加されたコア領域とのオーバーラップが低く、増幅用光ファイバ内で吸収される励起光の量が少なくなることが課題であったが、光ファイバ内のコアの面積の総和と、コア領域を含むクラッド面積との比であるコアクラッド比Ｒｃｃを増加させることで光ファイバ内で吸収される励起光量を増加させる検討がなされ、高い増幅効率が実証されている（例えば、非特許文献３を参照。）。
Ｙ．　Ｔｓｕｃｈｉｄａ　ｅｔ　ａｌ．，　"Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａ　ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ　ｅｒｂｉｕｍ－ｄｏｐｅｄ　ｆｉｂｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，"　ｉｎ　Ｐｒｏｃ．　ｏｆ　ＯＦＣ２０１２，　ｐａｐｅｒ　ＯＭ３Ｃ．３　（２０１２） Ｋ．　Ｓ．　Ａｂｅｄｉｎ　ｅｔ　ａｌ．，　"Ｃｌａｄｄｉｎｇ－ｐｕｍｐｅｄ　ｅｒｂｉｕｍ－ｄｏｐｅｄ　ｍｕｌｔｉｃｏｒｅ　ｆｉｂｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，　"　Ｏｐｔ．　Ｅｘｐｒｅｓｓ，　ｖｏｌ．２０，　Ｎｏ．　１８，　ｐｐ．２０１９１－２０２００　（２０１２） Ｔ．　Ｓａｋａｍｏｔｏ　ｅｔ　ａｌ．，　"Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｒａｎｄｏｍｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　１２－ｃｏｒｅ　Ｅｒｂｉｕｍ－Ｄｏｐｅｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，"　Ｊ．　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，　ｖｏｌ．　３９，　ｎｏ．　４，　ｐｐ．　１１８６－１１９３　（２０２１）
　Ｒｃｃを増加させるためにはクラッド径が小さいほうが好ましい。しかし、光ファイバ増幅器の構成では励起光源に接続される光ファイバはコア径が直径１０５μｍのマルチモードファイバが典型的である。このようなマルチモードファイバと１０５μｍ以下のクラッド径の励起用光ファイバとでは、励起光コンバイナにおいてマルチモードファイバのスポットサイズと増幅用光ファイバのクラッド径とが一致せず、励起光の損失により増幅効率が低下を招く。
　例えば、非特許文献３は、増幅用光ファイバとしてクラッド径が９０μｍのエルビウム添加光ファイバが用いられているが、励起光コンバイナから出力される光ファイバとの接続点でクラッド領域の不一致により損失が発生することを開示する。
　つまり、ＳＤＭ用光ファイバ増幅器には、励起光コンバイナにおいて励起光源からの励起光のスポットサイズと増幅用光ファイバのクラッド径とが一致せず、励起光の損失により増幅効率を高めることが困難という課題があった。
　そこで、本発明は、上記課題を解決するために、励起光コンバイナにおける励起光の損失を低減して増幅効率を高めた光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、励起光コンバイナの前段に励起光源からの励起光を伝搬する光ファイバのコア径を絞るコアサイズ変換部を配置し、励起光コンバイナにおいて励起光のスポットサイズと増幅用光ファイバのクラッド径とを一致させることとした。
　具体的には、本発明に係る光ファイバ増幅器は、
　希土類元素が添加された複数のコアをクラッド内に有する増幅用光ファイバと、
　前記希土類元素を励起する励起光をマルチモード光ファイバに出力する励起光源と、
　前記マルチモード光ファイバのコアの直径を前記増幅用光ファイバの前記クラッドの直径に縮小するコアサイズ変換部と、
　マルチコア光ファイバの各コアで伝搬されてきた信号光を前記増幅用光ファイバの各コアに入射し、前記励起光源から出力されて前記コアサイズ変換部を経由した前記励起光を前記増幅用光ファイバの前記コアを含む前記クラッドに入射する励起光コンバイナと、
を備える。
　コアサイズ変換部の配置により、励起光コンバイナにおいて励起光のスポットサイズと増幅用光ファイバのクラッド径とが一致させることができるため、励起光の損失を低減することができる。さらに、励起光のスポットサイズをクラッド径の小さな増幅用ファイバに対応させることもできるので、Ｒｃｃの増大という点からも増幅効率を高めることができる。従って、本発明は、励起光コンバイナにおける励起光の損失を低減して増幅効率を高めた光ファイバ増幅器を提供することができる。
　本発明に係る光ファイバ増幅器の前記増幅用光ファイバは、前記クラッドの外周に樹脂を有しており、前記コアの屈折率ｎ１、前記クラッドの屈折率ｎ２、及び前記樹脂の屈折率ｎ３の関係が、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３であることを特徴とする。
　本発明に係る光ファイバ増幅器の前記増幅用光ファイバは、前記クラッドの外周に外側クラッド、及び前記外側クラッドの外周に被覆を有しており、前記コアの屈折率ｎ１、前記クラッドの屈折率ｎ２、及び前記外側クラッドの屈折率ｎｃの関係が、ｎ１＞ｎ２＞ｎｃであってもよい。
　本発明に係る光ファイバ増幅器において、前記コアサイズ変換部が縮小する前記コアの縮小率は、０．１９より大きく、０．７６より小さいことが好ましい。
　本発明は、励起光コンバイナにおける励起光の損失を低減して増幅効率を高めた光ファイバ増幅器を提供することができる。
光ファイバ増幅器の構成を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ増幅器の構成を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ増幅器のコアサイズ変換部を説明する図である。 実験系を説明する図である。 コア径と励起光の透過率との関係を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ増幅器の励起光コンバイナを説明する図である。 本発明に係る光ファイバ増幅器の増幅用光ファイバを説明する断面図である。 本発明に係る光ファイバ増幅器の増幅用光ファイバを説明する断面図である。
　添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。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。
（関連技術）
　図１は、クラッド励起型光ファイバ増幅器（３００ａ、３００ｂ）の構成を説明する図である。希土類元素が添加された励起用光ファイバ１３の一端に励起光Ｌｅを合波する励起光コンバイナ１２が接続され、コアを導波する信号光Ｌｓを増幅する。増幅された信号光を“Ｌｓａ”と表示している。なお、信号光Ｌｓの伝搬方向に合わせて、励起用光ファイバ１３の他端にアイソレータを接続することが典型的であるが、本図では省略している。また、増幅用光ファイバ１３で吸収されなかった励起光Ｌｅを励起用光ファイバ１３の外に放出するための残留励起光除去器を設置することもある。図１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ信号光Ｌｓの入射側から励起光Ｌｅを入射する前方励起型、増幅された信号光Ｌｓａの出射側から励起光Ｌｅを入射する後方励起型を示している。一般に、励起光源１１が出力する励起光Ｌｅはコア径が１０５μｍであるマルチモード光ファイバ１６で励起光コンバイナ１２に伝搬される。
（実施形態１）
　図２は、本実施形態の光ファイバ増幅器（３０１ａ、３０１ｂ）の構成を説明する図である。光ファイバ増幅器（３０１ａ、３０１ｂ）は、
　希土類元素が添加された複数のコアをクラッド内に有する増幅用光ファイバ１３と、
　前記希土類元素を励起する励起光をマルチモード光ファイバ１６－１に出力する励起光源１１と、
　マルチモード光ファイバ１６－１のコアの直径を増幅用光ファイバ１３の前記クラッドの直径に縮小するコアサイズ変換部１４と、
　マルチコア光ファイバ１５の各コアで伝搬されてきた信号光Ｌｓを増幅用光ファイバ１３の各コアに入射し、励起光源１１から出力されてコアサイズ変換部１４を経由した励起光Ｌｅを増幅用光ファイバ１３の前記コアを含む前記クラッドに入射する励起光コンバイナ１２と、
を備える。
　光ファイバ増幅器３０１ａは前方励起型、光ファイバ増幅器３０１ｂは後方励起型である。
　光ファイバ増幅器（３０１ａ、３０１ｂ）は、図１の光ファイバ増幅器（３００ａ、３００ｂ）に対して励起光源１１と励起光コンバイナ１２の間にコアサイズ変換器１４を備えることが相違する。コアサイズ変換器１４と励起光源１１とはマルチモード光ファイバ１６－１で接続される。コアサイズ変換器１４と励起光コンバイナ１２とはマルチモード光ファイバ１６－２で接続される。
　図３は、コアサイズ変換器１４の構成の一例を説明する図である。コアサイズ変換器１４は、大コア部３１、ダウンテーパ部３２、及び小コア部３３から成り、大コア部３１はマルチモード光ファイバ１６－１に接続し、小コア部３３はマルチモード光ファイバ１６－２に接続する。マルチモード光ファイバ１６－１及び大コア部３１のクラッド径をＤｄ０、コア径をＤｃ０とすると、一般的にＤｄ０＝１２５μｍ、Ｄｃ０＝１０５μｍである。マルチモード光ファイバ１６－２及び小コア部３３のクラッド径をＤｄ１、コア径をＤｃ１とする。ダウンテーパ部３２は、大コア部３１と小コア部３３とを接続しており、クラッド径をＤｄ０からＤｄ１へ、コア径をＤｃ０からＤｃ１へ縮小する。
　なお、図３は構成の一例であって、コアサイズ変換器１４は、マルチモード光ファイバ１６－１からの励起光Ｌｅを空間に出力し、レンズなどによりスポットサイズを制御してマルチモード光ファイバ１６－２に入射する構成でもよい。
　コアサイズ変換器１４が縮小可能なコア径Ｄｃ１を説明する。図４は、励起光源と接続される典型的な１０５μｍのコア直径、ＮＡが０．２２のマルチモード光ファイバ１４０を用いたテーパ実験系を説明する図である。ＮＡは開口数で、コアの屈折率をｎｃｏｒｅ、クラッドの屈折率をｎｃｌａｄとすると以下で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　マルチモード光ファイバ１４０は、コア３５やクラッド３６より屈折率の高い被覆４２で覆われており、コア３５からクラッド３６に結合された光は直ちに被覆４２に吸収され損失となる。
　マルチモード光ファイバ１４０の中間部分の被覆を除去し、セラミックヒーターによって加熱及び延伸してテーパ部４３を作成する。マルチモード光ファイバ１４０の一端に励起光源を接続し、励起光を入力、他端から出力された励起光をパワーメーターで受光して透過率を測定した。
　図５は、テーパ部４３のうち最もクラッド径が小さくなるテーパウェスト部におけるコア径と、励起光の透過率との関係を説明する図である。図５より、コア径が２０μｍ以上では透過率はほとんど変わらず、１００％に近い値が得られている。２０μｍよりコア径が小さくなると透過率が急速に低下してしまうため、テーパにより縮小するコア径Ｄｃ１はマルチモード光ファイバ１６－１のコア径Ｄｃ０の０．１９倍が下限であることがわかる。つまり、コア径Ｄｃ０が典型的な１０５μｍである光ファイバをマルチモード光ファイバ１６－１として用いた場合は、マルチモード光ファイバ１６－２のコア径Ｄｃ１は２０μｍ以上とする必要がある。
　図６は、励起光コンバイナ１２の構造を説明する図である。励起光コンバイナ１２は、信号光Ｌｓが入力されるポート６３ａと励起光Ｌｅが入力されるポート６３ｂを有する。しており、それらをダイクロイックミラー６１やレンズ６２などにより波長合波させ、１つの出力ポート６３ｃに出力する。信号光Ｌｓはマルチコア光ファイバ１５の各コアを導波しており、増幅用光ファイバ１３のそれぞれのコアに入射される。マルチモード光ファイバ１６－２のコアでマルチモード伝搬された励起光Ｌｅは、増幅用光ファイバ１３のコアを含むクラッド領域全体に入射される。
　なお、励起光コンバイナ１２が有するレンズ６２を調整することで励起光Ｌｅのスポットサイズを変更でき、コアサイズ変換部１４の機能を励起光コンバイナ１２が担うこともできる。
　図７は、増幅用光ファイバ１３である希土類添加光ファイバの断面の構成を説明する図である。本構成の増幅用光ファイバ１３は、屈折率がｎ１であるコア７１、それを取り囲む屈折率がｎ２であるクラッド７２、及びクラッド７２を取り囲む屈折率がｎ３の樹脂７３で構成される。これらの屈折率の関係は
　ｎ１＞ｎ２＞ｎ３
である。
　“Λ”は、コア７１の中心間距離（コア間距離）を表わす。
　本図ではコア７１が２つの増幅用光ファイバ１３を説明しているが、増幅用光ファイバ１３のコア数は３以上であってもよい。
　なお、励起光コンバイナ１２の出力側に光ファイバを介して増幅用光ファイバ１３を接続する場合、当該光ファイバも図７の構造である。当該光ファイバも同様に樹脂７３である被覆がクラッド７２の屈折率より低く設定される。当該光ファイバは、励起光コンバイナ１２からクラッド領域（コア７１とクラッド７２の双方を含む領域）に入射された励起光を増幅用光ファイバ１３のクラッド領域に入射する。
　図８は、他の例の増幅用光ファイバ１３である希土類添加光ファイバの断面の構成を説明する図である。本構成の増幅用光ファイバ１３は、屈折率がｎ１であるコア７１、それを取り囲む屈折率がｎ２であるクラッド７２、クラッド７２を取り囲む屈折率がｎｃの外側クラッド７２ａ、及び外側クラッド７２ａを取り囲む屈折率がｎ４である被覆７４で構成される。これらの屈折率の関係は
　ｎ１＞ｎ２＞ｎｃ
である。
　本図ではコア７１が２つの増幅用光ファイバ１３を説明しているが、増幅用光ファイバ１３のコア数は３以上であってもよい。
　本構造の増幅用光ファイバ１３のクラッド７２の直径はＤｃ１（コアサイズ変換器１４の小コア部３３及びマルチモード光ファイバ１６－２のコア径）と一致している。このため、励起光コンバイナ１２は、マルチモード光ファイバ１６－２から入射された、スポットサイズがＤｃ１である励起光をクラッド７２に入射することができる。
　なお、クラッド領域（コア７１とクラッド７２の双方を含む領域）を伝搬する励起光は外側クラッド７２ａとの屈折率差で当該クラッド領域に閉じ込められるため、ｎ４については任意の屈折率でよい。
　前述のように、増幅効率を向上させるためには、クラッド径を小さく（Ｒｃｃを大きく）することが有効である。しかし、図５の説明のように、マルチモード光ファイバ１６－１のコア径が１０５μｍである場合、マルチモード光ファイバ１６－２のコア径Ｄｃ１を２０μｍ以上とする必要がある（コアサイズ変換部１４のコア縮小率の下限が０．１９である）。このため、Ｄｃ１である増幅用光ファイバ１３のクラッド７２の直径も２０μｍ以上となる。
　次に、Ｄｃ１の上限について説明する。ＩＥＣにおける光ファイバ標準文書ＩＥＣ６０７９３－２－６０で規定される光ファイバ心線の直径は小さくても８０μｍとされおり、それ以下にすると取り扱い性や信頼性の観点で問題が生じる。
　クラッド７２の直径が８０μｍ以上の場合、取り扱い性や信頼性に問題は無く、増幅用ファイバ１３は図７で説明した構造でよい。
　一方、Ｒｃｃを改善するためにクラッド７２の直径が８０μｍ未満の場合、取り扱い性や信頼性に問題を解消するために、増幅用ファイバ１３は図８で説明したダブルクラッドの構造とし、外側クラッド７２ａの直径を８０μｍ以上としておく。つまり、マルチモード光ファイバ１６－２のクラッド外径Ｄｄ１が８０μｍ未満であれば、マルチモード光ファイバ１６－２のコア径Ｄｃ１は必然的に８０μｍ未満となり、増幅用光ファイバ１３のクラッド７２の直径も８０μｍ未満となる。
　以上のように、図８の増幅用光ファイバ１３のクラッド７２の直径は
　２０μｍ　＜　Ｄｃ１　＜　８０　μｍ
であることが好ましい。上記の数値は、マルチモード光ファイバ１６－１のコア径が１０５μｍである場合であり、比率で表現すればマルチモード光ファイバ１６－１のコア径に対し、０．１９より大きく、０．７６より小さい、となる。
　外側クラッド７２ａの直径を例えば８０μｍ～１２５μｍとすれば、増幅用光ファイバ１３の取り扱い性や信頼性が従来の光ファイバと同等とすることができる。
　一方で、マルチモード光ファイバ１６－２のコア径（Ｄｃ１）が８０μｍ～１０５μｍである場合は、図７の増幅用光ファイバ１３を用い、クラッド７２の直径をＤｃ１と一致させるよう設計してもよい。
１１：励起光源
１２：励起光コンバイナ
１３：増幅用光ファイバ
１４：コアサイズ変換部
１５：マルチコア光ファイバ
１６、１６－１、１６－２：マルチモード光ファイバ
３１：大コア部
３２：ダウンテーパ部
３３：小コア部
３５：コア
３６：クラッド
４２：被覆
４３：テーパ部
６１：ダイクロイックミラー
６２：レンズ
６３ａ、６３ｂ、６３ｃ：ポート
７１：コア
７２：クラッド
７２ａ：外側クラッド
７３：樹脂
７４：被覆
１４０：マルチモード光ファイバ
３０１ａ、３０１ｂ：光ファイバ増幅器

Claims (4)

  1. 　希土類元素が添加された複数のコアをクラッド内に有する増幅用光ファイバと、
    　前記希土類元素を励起する励起光をマルチモード光ファイバに出力する励起光源と、
    　前記マルチモード光ファイバのコアの直径を前記増幅用光ファイバの前記クラッドの直径に縮小するコアサイズ変換部と、
    　マルチコア光ファイバの各コアで伝搬されてきた信号光を前記増幅用光ファイバの各コアに入射し、前記励起光源から出力されて前記コアサイズ変換部を経由した前記励起光を前記増幅用光ファイバの前記コアを含む前記クラッドに入射する励起光コンバイナと、
    を備える光ファイバ増幅器。
  2. 　前記増幅用光ファイバは、前記クラッドの外周に樹脂を有しており、
    　前記コアの屈折率ｎ１、前記クラッドの屈折率ｎ２、及び前記樹脂の屈折率ｎ３の関係が、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅器。
  3. 　前記増幅用光ファイバは、前記クラッドの外周に外側クラッド、及び前記外側クラッドの外周に被覆を有しており、
    　前記コアの屈折率ｎ１、前記クラッドの屈折率ｎ２、及び前記外側クラッドの屈折率ｎｃの関係が、ｎ１＞ｎ２＞ｎｃであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅器。
  4. 　前記コアサイズ変換部が縮小する前記コアの縮小率は、０．１９より大きく、０．７６より小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバ増幅器。
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