WO2023210404A1 - 光増幅用伝送路 - Google Patents

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WO2023210404A1
WO2023210404A1 PCT/JP2023/015136 JP2023015136W WO2023210404A1 WO 2023210404 A1 WO2023210404 A1 WO 2023210404A1 JP 2023015136 W JP2023015136 W JP 2023015136W WO 2023210404 A1 WO2023210404 A1 WO 2023210404A1
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WO
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edf
mfd
face
smf
core
Prior art date
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PCT/JP2023/015136
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English (en)
French (fr)
Inventor
重博 長能
健美 長谷川
貴博 菅沼
洋宇 佐久間
淳 衣笠
Original Assignee
住友電気工業株式会社
住友電工オプティフロンティア株式会社
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Publication date
Application filed by 住友電気工業株式会社, 住友電工オプティフロンティア株式会社 filed Critical 住友電気工業株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • 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
    • 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
    • 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 a transmission line for optical amplification.
  • This application claims priority from Japanese Patent Application No. 2022-072525 filed on April 26, 2022, relies on the contents thereof, and is incorporated herein by reference in its entirety.
  • Patent Document 1 describes Er-doped optical fibers (EDF: Er-Doped optical fibers, hereinafter referred to as "EDF”) for optical amplification whose cores are doped with Er (erbium) in order along the propagation direction of signal light.
  • EDF Er-doped optical fibers
  • EDFA Er-doped optical fiber amplifier
  • SMF single mode optical fiber
  • Patent Document 2 discloses an EDF having a core diameter of 3.5 ⁇ m or less and an MFD of less than 5.0 ⁇ m at the excitation light wavelength. Furthermore, Non-Patent Document 1 discloses an EDF in which the amplification efficiency is increased by adding Al (aluminum) to the core and increasing the relative refractive index difference between the core and the cladding.
  • the optical amplification transmission line of the present disclosure includes an EDF as an amplification optical fiber and an SMF as a transmission optical fiber that are fusion-spliced to each other.
  • the EDF includes a first end surface, a second end surface, a first core extending from the first end surface toward the second end surface and doped with Er, and surrounding the first core and containing F( a first cladding to which fluorine) is added.
  • the SMF has a third end face fusion-spliced to the first end face, a fourth end face, and a second core extending from the third end face toward the fourth end face without adding Er. , and a second cladding surrounding the second core, and propagates only single mode light.
  • the EDF has a first MFD
  • the EDF further includes a transition portion including a first end surface and the first MFD decreasing from the first end surface to the second end surface. and a first steady-state part.
  • the first steady part is a part that connects the transition part and the second end face, and the composition of the EDF and the first MFD 1 in the first steady part move toward the second end face from the transition part. is constant.
  • the composition of the SMF and the second MFD 2 which is the second MFD in the second steady portion, are constant from the third end face to the fourth end face.
  • the ratio (MFD2/MFD1) of MFD2 in the second steady-state region to MFD1 in the first steady-state region is within the range of 1.9 or more and 2.2 or less.
  • FIG. 1 is a diagram showing an optical amplification transmission line and an optical fiber amplifier including the same according to the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram showing various fiber characteristics of EDF, which is an Er-doped optical fiber.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between MFD and the square value ⁇ 2 (/W 2 /km 2 ) of the nonlinear coefficient.
  • FIG. 4 is a diagram showing changes in the MFD as optical characteristics at each fusion point in the optical amplification transmission line.
  • FIG. 5 is a diagram showing the fusion loss as an optical characteristic at each fusion point in the optical amplification transmission line.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 as a method for reducing the connection loss of two optical fibers constituting an optical amplification transmission line, the V value, which is the normalized frequency of two optical fibers including EDF, is proposed. (2 ⁇ / ⁇ a ⁇ n1 ⁇ (2 ⁇ ) 1/2 ) By matching the ⁇ value (V ⁇ ) obtained from Methods to suppress this have been proposed.
  • the ⁇ values may become a factor in increasing loss.
  • the conditions shown in Patent Document 1 strongly restrict the core diameter and relative refractive index difference of the EDF, which may become an obstacle in increasing the amplification efficiency of the EDF.
  • Patent Document 1 discloses that a dopant, preferably added to the core of the EDF, is added to the core of the EDF in order to match the MFD of the two optical fibers at the joint between the EDF and another optical fiber disposed downstream. discloses diffusing Ge (see paragraphs "0006" and “0007") and diffusing F (fluorine) added to the optical cladding (see paragraph "0021"). Furthermore, Non-Patent Document 1 discloses an EDF in which the amplification efficiency is increased by adding Al to the core and increasing the relative refractive index difference. However, in the Al-doped EDF, since Al is easily diffused, the MFD tends to expand more easily than other optical fibers.
  • Patent Document 2 states that the relative refractive index difference ⁇ is 2% or more (that is, the refractive index difference ⁇ n is 0.03 or more), the core diameter is 3.5 ⁇ m or less, and the MFD at the excitation wavelength is less than 5.0 ⁇ m.
  • An EDF is disclosed.
  • Patent Document 2 and Patent Document 3 disclose the use of a tapered splicer to couple this EDF with an SMF that is a transmission optical fiber.
  • the core diameter of the EDF increases as it approaches the fused portion, and the taper length of the EDF is approximately 0.5 ⁇ m. It is 5 mm or more and about 5 mm or less.
  • Non-Patent Document 1 points out that the non-linearity in the EDF increases due to the downsizing of the MFD. Specifically, when the MFD becomes approximately 4.8 ⁇ m or less, signal deterioration due to nonlinearity is considered to be non-negligible.
  • the present disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and the connection loss between the EDF placed on the upstream side of the signal optical path and the SMF placed on the downstream side can be reduced by reducing the connection loss between the EDF placed on the upstream side and the SMF placed on the downstream side It is an object of the present invention to provide a transmission line for optical amplification having a structure for reducing the amount of damage compared to a transmission line.
  • the optical amplification transmission line of the present disclosure includes: (1) An EDF as an amplification optical fiber and an SMF as a transmission optical fiber are arranged in order along the propagation direction of signal light, and the EDF and SMF are arranged so that the signal light amplified in the EDF propagates through the SMF. are fusion spliced.
  • the EDF includes a first end surface, a second end surface, a first core extending from the first end surface toward the second end surface and doped with Er, and surrounding the first core and containing F. and a first cladding added thereto.
  • the SMF has a third end face fusion-spliced to the first end face, a fourth end face, and a second core extending from the third end face toward the fourth end face without adding Er. , and a second cladding surrounding the second core, and propagates only single mode light.
  • the EDF has a first MFD, and the EDF further includes a transition portion including a first end surface and the first MFD decreasing from the first end surface to the second end surface. and a first steady-state part.
  • the first steady part is a part that connects the transition part and the second end face, and the composition of the EDF and the first MFD 1 in the first steady part move toward the second end face from the transition part. is constant.
  • the composition of the SMF and the second MFD, MFD2 are constant from the third end face to the fourth end face.
  • the ratio of MFD2 of the second steady-state region to MFD1 of the first steady-state region is in the range of 1.9 or more and 2.2 or less.
  • a state in which the MFD is constant means that the variation in the MDF along the longitudinal direction of the optical fiber is equal to or greater than (design value - 0.1) ⁇ m (design value - 0.1) based on the design value of the MFD for a specific wavelength. This means that the design value is within the range of +0.1) ⁇ m or less.
  • the optical amplification transmission line of the present disclosure at the fusion point of the EDF and the SMF, there is a significant step difference (hereinafter referred to as "MFD step difference") between the mode field diameters of the EDF and the SMF even due to the expansion of the MFD on the EDF side. ) is formed.
  • MFD step difference a significant step difference between the mode field diameters of the EDF and the SMF even due to the expansion of the MFD on the EDF side.
  • Ge and Al may be added to the core of the EDF. In this case, a structure that can suppress the increase in nonlinearity in the EDF can be realized.
  • MFD1 may be 5.3 ⁇ m or less in the wavelength band of 1.55 ⁇ m.
  • the concentration of Ge in the first core, the concentration of Ge may be at a mass fraction of 3.8% or less, and the concentration of Al may be at a mass fraction of at least 4.0%. Good too. Further, the upper limit of the Al concentration may be 5.0% or less in mass fraction. In this way, by setting the Ge concentration in the first core to a mass fraction of 3.8% or less, good polarization mode dispersion (PMD) can be achieved. Furthermore, since the nonlinear coefficient of Ge is higher than that of Al, suppressing the Ge concentration is effective for suppressing nonlinearity. Note that since the MFD in the steady portion of the EDF is set to 5.3 ⁇ m or less, nonlinearity in the EDF tends to increase. However, by employing the F-doped cladding, the Ge concentration can be suppressed. That is, it becomes possible to ensure a sufficient relative refractive index difference between the core and the cladding.
  • the MFD of a conventional EDF (hereinafter referred to as "MFD_EDF”) in the 1.55 ⁇ m band is 5.7 ⁇ m
  • the MFD of a general SMF, which is different from the above-mentioned transmission optical fiber is 1.55 ⁇ m.
  • MFD_SMF MFD in the band
  • MFD_EDF/MFD_EDF MFD_EDF/MFD_EDF
  • the fusion loss of the optical amplification transmission line constituted by the fusion-spliced high-concentration Al-doped EDF and SMF of the present disclosure is different from the fusion loss of the optical amplification transmission line constituted by the conventional EDF and SMF. This is improved by 0.02 dB or more and 0.05 dB or less.
  • the fusion loss means the connection loss at the fusion point. This shows that the EDF applied to the optical amplification transmission line of the present disclosure can sufficiently contribute to increasing the efficiency of optical amplification.
  • Ge and Al are added to the core and F is added to the first cladding, so that the MFD is easier to expand than in the SMF containing Ge in the core.
  • the optical amplification transmission line of the present disclosure by making the MFD of the EDF small in advance, it is possible to check whether the MFD of the EDF after being expanded by fusion matches the MFD of the SMF, or whether there is a gap between the EDF and the SMF. MFD steps are actively formed.
  • MFD1 may be 5.3 ⁇ m or less in the wavelength band of 1.55 ⁇ m.
  • MFD1 may be 5.3 ⁇ m or less in the wavelength band of 1.55 ⁇ m.
  • the relative refractive index difference between the first core and the first cladding may be 1% or more and 2% or less. In this case as well, by strengthening the light confinement within the first core, it is possible to increase the amplification efficiency. Furthermore, increases in nonlinearity and PMD due to a high relative refractive index difference are effectively suppressed.
  • FIG. 1 is a diagram showing an optical amplification transmission line and an optical fiber amplifier including the same according to the present disclosure (referred to as "optical amplification transmission line” in FIG. 1).
  • the upper part of FIG. 1 shows the structure of an Er-doped fiber amplifier to which the optical amplification transmission line of the present disclosure is applied.
  • the lower part of FIG. 1 (denoted as "near the fusion point (enlarged view)" in FIG. 1), the cross-sectional structures of the EDF 100 and the SMF 200 in the vicinity of the fusion point C1 are shown.
  • the EDFA shown in the upper part of FIG. 1 has the optical amplification transmission line of the present disclosure.
  • the EDF 100 and the SMF 200 are arranged in order along the propagation direction of the signal light S.
  • the EDF 100 and the SMF 200 are fusion-spliced at a fusion point C1, which is a position indicated by C1.
  • a wavelength division multiplexing filter (WDMF) 300 that functions as a coupler and is configured with an SMF is arranged.
  • the optical output end face of the WDMF 300 is connected to the optical input end face 100b of the EDF 100, and the light input from the optical input end face of the WDMF 300, that is, output from the excitation light source 500, is connected to the optical input end face 100b of the EDF 100.
  • the pump light P and signal light S thus generated are output to the EDF 100.
  • the optical amplification transmission line of the present disclosure shown in the lower part of FIG. 1 includes an EDF 100 placed on the upstream side of the propagation path, and an SMF 200 placed on the downstream side.
  • the EDF 100 includes a light output end face 100a that is a first end face, a light input end face 100b that is a second end face, a core 110, and a cladding 120.
  • the SMF 200 includes a light output end face 200a that is a fourth end face, a light input end face 200b that is a third end face, a core 210, and a cladding 220.
  • the light output end face 100a of the EDF 100 and the light input end face 200b of the SMF 200 are fusion-spliced at a fusion point C1, and a transition portion R1 and a steady portion R2 are formed in the EDF 100 by this fusion splicing.
  • the transition portion R1 of the EDF 100 includes the light output end surface 100a, and is a portion where the MFD is reduced from the light output end surface 100a toward the light input end surface 100b.
  • the constant portion R2 of the EDF 100 is a portion connecting the transition portion R1 and the light input end face 100b, and the composition of the EDF 100 and the MFD1 are constant.
  • the composition and MFD2 of the SMF 200 are constant from the light input end face 200b to the light output end face 200a.
  • the ratio of MFD2 in the steady-state region of the SMF to MFD1 in the steady-state region of the EDF falls within the range of 1.9 or more and 2.2 or less. Therefore, in the optical amplification transmission line of the present disclosure, an MFD step is formed at the fusion point C1.
  • the state in which the MFD is constant includes almost constant conditions with measurement errors and differences within the allowable range, and specifically, (design value - 0.1) ⁇ m or more based on the design value of the MFD. (Design value + 0.1) means a state within the range of .mu.m or less.
  • FIG. 2 is a diagram showing various fiber characteristics of EDF (denoted as “fiber characteristics (EDF)” in FIG. 2).
  • EDF fiber characteristics
  • MFD-core diameter the core diameter dependence of MFD for various EDFs with different relative refractive index differences ⁇ .
  • ⁇ value - core diameter the core diameter dependence of the ⁇ value for various EDFs with different relative refractive index differences ⁇ .
  • graph G210A shows the calculation results of MFD in the 1.55 ⁇ m band with respect to the core diameter for an EDF in which the relative refractive index difference ⁇ of the core with respect to the optical cladding is 1.25%. show.
  • Graph G220A shows the calculation result of MFD in the 1.55 ⁇ m band with respect to the core diameter for an EDF with a relative refractive index difference ⁇ of 1.41%.
  • Graph G230A shows the calculation result of MFD in the 1.55 ⁇ m band with respect to the core diameter for an EDF with a relative refractive index difference ⁇ of 1.55%. Note that point A shown in the upper part of FIG.
  • FIG. 2 is the calculation result of the conventional EDF
  • point B is the calculation result of the EDF applied to the optical amplification transmission line of the present disclosure, that is, the core is doped with Ge and Al.
  • the upper part of FIG. 2 also shows that the MFD of the SMF is 9.9 ⁇ m or more and 10.9 ⁇ m or less at a wavelength of 1.55 ⁇ m.
  • graph G210B shows the light intensity distribution of the LP01 mode, which is the prescribed mode of excitation light in the 0.98 ⁇ m band, for an EDF in which the relative refractive index difference ⁇ of the core with respect to the optical cladding is 1.25%.
  • the calculation results of the ⁇ value which is the overlap integral with the Er-doped core region, are shown.
  • Graph G220B shows the calculation results of the ⁇ value between the light intensity distribution of the LP01 mode of the excitation light in the 0.98 ⁇ m band and the Er-doped core region for an EDF with a relative refractive index difference ⁇ of 1.41%. It is shown.
  • Graph G230B shows the calculation results of the ⁇ value between the light intensity distribution of the LP01 mode of the excitation light in the 0.98 ⁇ m band and the Er-doped core region for an EDF with a relative refractive index difference ⁇ of 1.55%. It is shown.
  • the ⁇ value is a value normalized by the total light intensity of the LP01 mode of the excitation light in the 0.98 ⁇ m band.
  • An index for increasing the efficiency of an EDFA is power conversion efficiency (PCE), and improving the ⁇ value is effective.
  • PCE power conversion efficiency
  • Increasing the core diameter is effective for this purpose, but on the other hand, the noise factor (NF) increases, so it is necessary to optimize the core diameter.
  • P1 is the amount of signal light output from the EDF
  • P2 is the amount of signal light input to the EDF
  • P3 is the amount of excitation light input to the EDF.
  • the noise figure is expressed as a ratio between SN1, which is the signal-to-noise ratio of the input signal light, and SN2, which is the signal-to-noise ratio of the output signal light.
  • the noise figure would worsen due to the increase in the ⁇ value, but it was confirmed that the increase was only 0.2% compared to the conventional one, and was at a negligible level. From the above, since it is effective for the ⁇ value, that is, the overlap rate, to be 85% or more, it is effective for the MFD of the EDF to be 5.3 ⁇ m or less. Considering the deterioration of the noise figure, the upper limit is less than 90%.
  • the ⁇ value was 76%. Although it is necessary to increase the ⁇ value to improve the efficiency of the EDF, there is a concern that the noise figure will increase, so it is necessary to set an appropriate ⁇ value. Therefore, as a highly concentrated Al-doped EDF applied to the optical amplification transmission line of the present disclosure, at point B shown in the upper part of FIG. 2, the relative refractive index difference ⁇ of the core with respect to the optical cladding is the same as that of the conventional EDF.
  • fusion loss splice loss at the fusion point
  • Patent Document 1 discloses that the MFD with the SMF is matched by thermal diffusion of a dopant in the core.
  • MFD_SMF and MFD_EDF are the same, that is, MFD_SMF/MFD_EDF is 1.
  • MFD_SMF/MFD_EDF is 1.
  • EDF100 which is a high concentration Al-doped EDF that can be applied to the optical amplification transmission line of the present disclosure, uses SiO 2 doped with F throughout the cladding to suppress the viscosity difference between the core and the cladding. This can be reduced compared to the conventional example of Document 2. Therefore, although it is suitable for reducing splicing loss, it was predicted that an increase in the difference between the MFD of EDF and the MFD of SMF would lead to an increase in splicing loss.
  • the MFD_EDF of a conventional EDF does not become larger than the MFD_SMF of an SMF, but in order to make this MFD_EDF closer to the MFD_SMF, F is added to the optical cladding, and the core is made of more than Ge.
  • Adding Al is effective. It is effective that the Al concentration has a mass fraction of 4.0% or more and 5.0% or less. As a side effect, the nonlinear coefficient of Al is halved compared to the nonlinear coefficient of Ge, so increasing the concentration of Al can suppress unnecessary nonlinearity.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between MFD and the square value ⁇ 2 (/W 2 /km 2 ) of the nonlinear coefficient.
  • one guideline for the square value ⁇ 2 of the nonlinear coefficient is 30.0 or less.
  • the lower limit of the MFD is 5.0 ⁇ m.
  • the SMF falls within the range of -0.5 ⁇ m or more +0.5 ⁇ m or less based on the MFD of 10.4 in the 1.55 ⁇ m band, and -0.7 ⁇ m or more +0.7 ⁇ m based on the outer diameter of 125.0 ⁇ m. It is defined by falling within the following range and having a core eccentricity of 0.5 ⁇ m or less.
  • FIG. 4 is a diagram showing changes in the MFD as optical characteristics at each fusion point in the optical amplification transmission line (denoted as "optical characteristics at the fusion point” in FIG. 4).
  • the upper part of FIG. 4 (indicated as “MFD fluctuation (transmission path)” in FIG. 4) shows an outline of changes in MFD in each transmission path near the fusion point C1 and near the fusion point C2. ing.
  • the middle part of FIG. 4 (denoted as “MFD fluctuation (near fusion point C1)” in FIG. 4) shows MFD changes in the vicinity of fusion point C1.
  • the lower part of FIG. 4 (denoted as “MFD fluctuation (near fusion point C2)" in FIG.
  • FIG. 5 shows the fusion loss between the EDF 100 and the WDMF 300 at the fusion point C2, and the fusion loss between the EDF 100 and the SMF 200 at the fusion point C1.
  • SMF200 with an MFD of 10.5 ⁇ m in the 1.55 ⁇ m band, EDF100 which is a high concentration Al-doped EDF, and WDMF300 are fusion-spliced at the welding point C1 and the welding point C2.
  • a transmission line for optical amplification is shown.
  • the light input end face 200b of the SMF 200 and the light output end face 100a of the EDF 100 are fusion spliced.
  • the optical input end face 100b of the EDF 100 and the optical output end face of the WDMF 300 are fusion spliced.
  • the signal light S passes through the WDMF 300, the EDF 100, and the SMF 200 in this order.
  • MFD2 is the MFD in the steady-state part of the SMF 200
  • MFD1 is the MFD in the steady-state part R2 of the EDF 100.
  • the MFD is reduced from the light output end face 100a toward the light input end face 100b, and an MFD step is formed at the fusion point C1.
  • the diagram shown in the middle part of FIG. 4 shows the difference between -1500 ⁇ m and +1500 ⁇ m in the above-mentioned optical amplification transmission line, with the fusion point corresponding to the fusion point C1 shown in the upper part of FIG. 4 being 0 ⁇ m as a reference.
  • the results of measuring the refractive index distribution of each optical fiber in the range and calculating the MFD in the 1.55 ⁇ m wavelength band from the refractive index distribution are shown.
  • the positive region on the horizontal axis indicates the side from 0 ⁇ m of the fusion point toward the EDF 100, and the negative region on the horizontal axis indicates the side from the fusion point 0 ⁇ m toward the SMF 200.
  • the fluctuation of the MFD1 of 5.0 ⁇ m increases by about +0.1 ⁇ m from +1000 ⁇ m to +500 ⁇ m. It can be seen that in the transition region R1 from around +500 ⁇ m to 0 ⁇ m, it expands to about 10.5 ⁇ m toward the fusion point C1, and becomes equivalent to MFD2 in the steady region of SMF200. On the other hand, it was found that the MFD2 in the steady state part of SMF200 was 10.5 ⁇ m, which was almost unchanged at the melting point C1.
  • MFD_EDF2 of the EDF which corresponds to point B shown in the upper part of FIG. 2 and has a relative refractive index difference ⁇ of 1.41% and a core diameter of 3.5 ⁇ m, is 5.0 ⁇ m and MFD_SMF is 9.9 ⁇ m.
  • the ratio of MFD_SMF to MFD_EDF2 is 1.98 or more and 2.18 or less. Therefore, the range of the ratio (MFD_SMF/MFD_EDF2) related to the high concentration Al-doped EDF applicable to the optical amplification transmission line of the present disclosure tends to be higher than the range of the ratio (MFD_SMF/MFD_EDF1) related to the conventional EDF. I understand.
  • the diagram shown in the lower part of FIG. 4 shows the difference between ⁇ 1500 ⁇ m and +1500 ⁇ m in the optical amplification transmission line described above, with the fusion point corresponding to the fusion point C2 shown in the upper part of FIG.
  • the results of measuring the refractive index distribution of each optical fiber in the following range and calculating the MFD from the refractive index distribution are shown below.
  • graph G410 shows the calculated value of MFD in the wavelength band of 1.55 ⁇ m
  • graph G420 shows the calculated value of MFD in the wavelength band of 0.98 ⁇ m.
  • the plus sign on the horizontal axis indicates the side from the fusion point 0 ⁇ m toward the EDF 100
  • the minus sign indicates the side from the fusion point 0 ⁇ m toward the WDMF 300.
  • the conventional EDF prepared has an MFD of 5.7 ⁇ m, which corresponds to point A shown in the top row of FIG.
  • the prepared EDF 100 which is a high-concentration Al-doped EDF, has an MFD of 5.0 ⁇ m, which corresponds to point B shown in the upper part of FIG.
  • the MFD of the conventional EDF when used as a reference value, the MFD of the EDF100 applicable to the optical amplification transmission line of the present disclosure is -1.27%, which is a high concentration compared to the conventional EDF. Since the fusion loss of Al-added EDF was reduced, it can be seen that high-concentration Al-added EDF is effective for PCE of EDFA.
  • the fusion point C2 between EDF100 and WDMF300 was also investigated.
  • the prepared WDMF 300 has an MFD of 7.0 ⁇ m.
  • the fusion loss at the signal light wavelength of 1.55 ⁇ m and the excitation light wavelength of 0.98 ⁇ m is based on the fusion loss at point A.
  • the fusion loss at point B is based on the fusion loss at the excitation light wavelength in the 0.98 ⁇ m band.
  • the loss increased by 0.1%, an improvement of 0.12% was confirmed for the signal light wavelength in the 1.55 ⁇ m band. This is indicated as "-0.12%" in the table of FIG. From the sum of the fusion loss between EDF 100 and WDMF 300 and the fusion loss between EDF 100 and SMF 200, it can be seen that the decrease in PCE due to fusion loss in the conventional optical amplification transmission line using EDF is suppressed.
  • the high concentration Al-doped EDF that can be applied to the optical amplification transmission line of the present disclosure is likely to form a tapered core due to thermal diffusion, there is a difference between the MFD of the high-concentration Al-doped EDF and the MFD of the SMF. Even if the fusion loss is large, the fusion loss can be appropriately controlled.
  • Appropriate ranges for the fiber composition include an Al concentration in the core with a mass fraction of 4.0% to 5.0%, a Ge concentration of the same level or less as the SMF concentration, that is, a mass fraction of less than 3.5%, and an optical It is effective for the F concentration in the cladding to be -0.30% or more and -0.50%, preferably -0.30% or more and -0.40% or less in terms of relative refractive index difference ⁇ . It is effective that the MFD of the high concentration Al-added EDF is 5.0 ⁇ m or more and 5.3 ⁇ m or less.

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Abstract

本開示の光増幅用伝送路は、信号光経路の上流側に配置されたＥＤＦと下流側に配置されたＳＭＦとの接続損失を、従来の光増幅用伝送路よりも低減する。当該光増幅用伝送路は、融着接続されたＥＤＦとＳＭＦを含む。ＥＤＦは、Ｅｒ添加コアとＦ添加クラッドを有する。ＳＭＦのコアには、Ｅｒが添加されていない。ＥＤＦの定常部のＭＦＤ１に対するＳＭＦの定常部におけるＭＦＤ２の比（ＭＦＤ２／ＭＦＤ１）は、１．９以上２．２以下の範囲に収まっている。

Description

光増幅用伝送路
　本開示は、光増幅用伝送路に関するものである。
  本願は、２０２２年４月２６日に出願された日本特許出願第２０２２－０７２５２５号による優先権を主張するものであり、その内容に依拠すると共に、その全体を参照して本明細書に組み込む。
　特許文献１には、信号光の伝搬方向に沿って順に、コアにＥｒ（エルビウム）が添加された光増幅用のＥｒ添加光ファイバ（ＥＤＦ：Er-Doped optical Fiber、以下、「ＥＤＦ」と記す）、伝送用光ファイバ（ＳＭＦ：Single Mode optical Fiber、以下「ＳＭＦ」と記す）が配置されたＥｒ添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Er-Doped optical Fiber Amplifier、以下、「ＥＤＦＡ」と記す）が開示されている。ＥＤＦとＳＭＦの接続部では、コア内に含まれるドーパント、好ましくはＧｅ（ゲルマニウム）の拡散によりコアが拡径されることで双方のコア径が一致し、これらＥＤＦおよびＳＭＦの、励起光波長におけるモードフィールド径（以下、「ＭＦＤ」と記す）および信号光波長におけるＭＦＤがいずれも整合している。
　なお、特許文献２には、３．５μｍ以下のコア径と、励起光波長において５．０μｍ未満のＭＦＤを有するＥＤＦが開示されている。また、非特許文献１には、コアにＡｌ（アルミニウム）を添加するとともに、クラッドに対するコアの比屈折率差を増大させることで増幅効率を高めたＥＤＦが開示されている。
特開平８－２０４２５７号公報 特開平４－２７３１８７号公報 特開平４－２５３００３号公報
Pierluigi Poggiolini, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 30, NO. 24, DECEMBER  15, 2012 p.3857
　本開示の光増幅用伝送路は、互いに融着接続された増幅用光ファイバとしてのＥＤＦおよび伝送用光ファイバとしてのＳＭＦを備える。ＥＤＦは、第一の端面と、第二の端面と、第一の端面から第二の端面に向かって伸びるとともにＥｒが添加された第一のコアと、該第一のコアを取り囲むとともにＦ（フッ素）が添加された第一のクラッドと、を有する。ＳＭＦは、第一の端面と融着接続された第三の端面と、第四の端面と、Ｅｒが添加されることなく第三の端面から第四の端面に向かって伸びる第二のコアと、該第二のコアを取り囲む第二のクラッドと、を有し、シングルモード光のみを伝搬する。また、ＥＤＦは、第一のＭＦＤを有し、更に、ＥＤＦは、第一の端面を含むとともに該第一の端面から第二の端面に向かって該第一のＭＦＤが縮小している遷移部と、第一の定常部と、を有する。第一の定常部は、遷移部と第二の端面とを連絡する部分であって、ＥＤＦの組成および第一の定常部における第一のＭＦＤであるＭＦＤ１が遷移部から第二の端面に向かって一定である。一方、ＳＭＦの第二の定常部は、第三の端面から第四の端面に向かってＳＭＦの組成および第二の定常部における第二のＭＦＤであるＭＦＤ２が一定である。特に、第一の定常部のＭＦＤ１に対する第二の定常部のＭＦＤ２の比（ＭＦＤ２／ＭＦＤ１）は、１．９以上２．２以下の範囲に収まっている。
図１は、本開示の光増幅用伝送路およびそれを含む光ファイバ増幅器を示す図である。 図２は、Ｅｒ添加光ファイバであるＥＤＦの種々のファイバ特性を示す図である。 図３は、ＭＦＤと非線形係数の二乗値γ２（／Ｗ２／ｋｍ２）の関係を示すグラフである。 図４は、光増幅用伝送路における各融着点における光学特性として、ＭＦＤの変化状態を示す図である。 図５は、光増幅用伝送路における各融着点における光学特性として、融着損失を示す図である。
　［本開示が解決しようとする課題］
  発明者らは、上述の従来技術について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、特許文献１および特許文献２に開示された光増幅用伝送路では、ＥＤＦと他の光ファイバとの接続において、コア径の差、励起波長０．９８μｍでのＭＦＤと通信波長１．５５μｍでのＭＦＤの差（以下、「波長間ＭＦＤ差」と記す）が接続損失の要因になる。そこで、これら特許文献１および特許文献２では、光増幅用伝送路を構成する２本の光ファイバの接続損失を低減する方法として、ＥＤＦを含む２本の光ファイバの正規化周波数であるＶ値（２π/λ・ａ・ｎ１・（２Δ）１／２）から得られるα値（Ｖ・λ）を一致させることで、コア内のドーパントの熱拡散に起因したファイバ端面における波長間ＭＦＤ差を抑制する方法が提案されている。しかしながら、光増幅用伝送路を構成する２本の光ファイバの間における接続損失の抑制に関しては、α値の一致は損失増加の要因になることがある。また、特許文献1に示された条件は、ＥＤＦのコア径と比屈折率差を強く制約するため、ＥＤＦの増幅効率を高める上では障害となることがある。
　ＭＦＤの拡大に関しては、特許文献１に、ＥＤＦとその下流に配置された他の光ファイバの接続部でこれら２本の光ファイバのＭＦＤを一致させるため、ＥＤＦのコアに添加されたドーパント、好ましくはＧｅを拡散させること（段落「０００６」および段落「０００７」参照）、および、光学クラッドに添加されたＦ（フッ素）を拡散させること（段落「００２１」参照）が開示されている。また、非特許文献１には、コアにＡｌを添加するとともに比屈折率差を増大させることで増幅効率が高められたＥＤＦが開示されている。しかしながら、Ａｌ添加ＥＤＦでは、Ａｌが拡散し易いため、他の光ファイバに比べてＭＦＤが容易に拡大し易い特徴がある。更に、クラッドにＦを添加することでクラッドの屈折率を下げる一方で相対的にコアに添加するＧｅの添加量を低減することは、残留応力に起因する偏波モード分散（以下、「ＰＭＤ」と記す）やＧｅ添加に起因する水素ロスの増加を低減する上で効果的である。しかしながら、クラッドに添加されたＦはＭＦＤを更に拡大し易くする。そのため、コアにＥｒおよびＡｌが添加されるとともにクラッドにＦが添加されたＥＤＦと他の光ファイバとを接続する際には、特許文献１に開示された技術を用いると、むしろ接続損失の増加要因になることがあった。
　また、特許文献２には、比屈折率差Δが２％以上（すなわち、屈折率差Δｎが０．０３以上）であり、コア径が３．５μｍ以下、励起波長におけるＭＦＤが５．０μｍ未満であるＥＤＦが開示されている。また、特許文献２および特許文献３には、このＥＤＦを伝送用光ファイバであるＳＭＦと結合するためにテーパー状スプライサーを用いることが示されている。なお、ＥＤＦのＭＦＤが約４μｍ以下のＥＤＦとＭＦＤが約６μｍ以上のＳＭＦを結合するテーパー状スプライサーでは、融着部分に近づく程ＥＤＦのコア直径は増大し、該ＥＤＦのテーパー長は約０．５ｍｍ以上約５ｍｍ以下である。しかしながら、実際には接続損失を０．０５ｄＢ以下に低減することは難しかった。
　更に、非特許文献１には、ＭＦＤの縮小化によりＥＤＦにおける非線形性が増大することが指摘されている。具体的には、ＭＦＤが４．８μｍ程度以下になると、非線形による信号劣化は無視できないと考えられる。
　本開示は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、信号光経路の上流側に配置されたＥＤＦと下流側に配置されたＳＭＦとの接続損失を、従来の光増幅用伝送路よりも低減するための構造を備えた光増幅用伝送路を提供することを目的としている。
　［本開示の効果］
  本開示の光増幅用伝送路によれば、ＥＤＦとＳＭＦの接続損失を、従来の光増幅用伝送路よりも低減することを可能にする。
　[本開示の実施形態の説明]
  最初に本開示の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。
　本開示の光増幅用伝送路は、
  （１）信号光の伝搬方向に沿って順に、増幅用光ファイバとしてのＥＤＦ、伝送用光ファイバとしてのＳＭＦが配置され、ＥＤＦにおいて増幅された信号光がＳＭＦを伝搬するように、ＥＤＦとＳＭＦは、融着接続されている。ＥＤＦは、第一の端面と、第二の端面と、第一の端面から第二の端面に向かって伸びるとともにＥｒが添加された第一のコアと、該第一のコアを取り囲むとともにＦが添加された第一のクラッドと、を有する。ＳＭＦは、第一の端面と融着接続された第三の端面と、第四の端面と、Ｅｒが添加されることなく第三の端面から第四の端面に向かって伸びる第二のコアと、該第二のコアを取り囲む第二のクラッドと、を有し、シングルモード光のみを伝搬する。また、ＥＤＦは、第一のＭＦＤを有し、更に、ＥＤＦは、第一の端面を含むとともに該第一の端面から第二の端面に向かって該第一のＭＦＤが縮小している遷移部と、第一の定常部と、を有する。第一の定常部は、遷移部と第二の端面とを連絡する部分であって、ＥＤＦの組成および第一の定常部における第一のＭＦＤであるＭＦＤ１が遷移部から第二の端面に向かって一定である。一方、ＳＭＦにおける第二の定常部は、第三の端面から第四の端面に向かってＳＭＦの組成および第二のＭＦＤであるＭＦＤ２が一定である。特に、第一の定常部のＭＦＤ１に対する第二の定常部のＭＦＤ２の比（ＭＦＤ２／ＭＦＤ１）は、１．９以上２．２以下の範囲である。なお、本明細書において「ＭＦＤが一定の状態」とは、光ファイバの長手方向に沿ったＭＤＦの変動が、特定波長に対するＭＦＤの設計値を基準として（設計値－０．１）μｍ以上（設計値＋０．１）μｍ以下の範囲に収まっている状態を意味する。
　本開示の光増幅用伝送路によれば、ＥＤＦとＳＭＦの融着点では、ＥＤＦ側のＭＦＤの拡大によってもＥＤＦとＳＭＦのモードフィールド径の間に有意な段差（以下、「ＭＦＤ段差」と記す）が形成される。このような伝送路構造により、ＥＤＦ側からＳＭＦ側への信号光の伝搬において、接続損失を効果的に低減することが可能になる。
　（２）上記（１）において、ＥＤＦのコアには、ＧｅおよびＡｌが添加されてもよい。この場合、ＥＤＦにおける非線形性の増大を抑制可能にする構造が実現可能になる。
　（３）上記（２）において、波長１．５５μｍ帯において、ＭＦＤ１は、５．３μｍ以下であってもよい。第一のコア内への光閉じ込めを強めることにより、増幅効率を高めることが可能になる。更に、高い比屈折率差に伴う非線形性の増大やＰＭＤの増大が効果的に抑制され得る。
　（４）上記（２）において、第一のコアにおいて、Ｇｅの濃度は、質量分率３．８％以下であってもよく、Ａｌの濃度は、質量分率４．０％以上であってもよい。また、Ａｌの濃度上限は、質量分率５．０％以下であればよい。このように、第一のコアにおけるＧｅ濃度を質量分率３．８％以下とすることで、良好な偏波モード分散（ＰＭＤ：Polarization Mode Dispersion）が実現できる。また、Ｇｅの非線形係数は、Ａｌの非線形係数よりも高いため、Ｇｅ濃度を抑制することは非線形抑制のために有効である。なお、ＥＤＦの定常部におけるＭＦＤは５．３μｍ以下とするため、ＥＤＦにおける非線形性が増大する傾向にある。しかしながら、Ｆ添加クラッドの採用によりＧｅ濃度が抑制可能になる。すなわち、クラッドに対するコアの比屈折率差を十分に確保可能となる。
　より具体的には、１．５５μｍ帯での従来のＥＤＦのＭＦＤ（以下、「ＭＦＤ_ＥＤＦ」と記す）が５．７μｍであり、上述の伝送用光ファイバとは異なる一般的なＳＭＦの１．５５μｍ帯でのＭＦＤ（以下、「ＭＦＤ_ＳＭＦ」と記す）が１０．５μｍであった場合、ＭＦＤ_ＥＤＦに対するＭＦＤ_ＳＭＦの比（ＭＦＤ_ＳＭＦ／ＭＦＤ_ＥＤＦ）は、１．８４である。これに対し、本開示の光増幅用伝送路に適用される高濃度Ａｌ添加ＥＤＦ（heavily Al-doped EDF）では、１．５５μｍ帯でのＭＦＤ（以下、「ＭＦＤ_Ａｌ,ＥＤＦ」と記す）は、５．０μｍであり、ＭＦＤ_ＳＭＦとの差は、従来のＥＤＦと比べむしろ大きくなっている（ＭＦＤ＿ＳＭＦ／ＭＦＤ_Ａｌ,ＥＤＦ＝２．１８）。これは、一見、融着点における接続損失を抑制するためには不利と考えられた。しかしながら、本開示の融着接続された高濃度Ａｌ添加ＥＤＦおよびＳＭＦにより構成された光増幅用伝送路の融着損失は、従来のＥＤＦおよびＳＭＦにより構成された光増幅用伝送路の融着損失に比べ、０．０２ｄＢ以上０．０５ｄＢ以下に改善する。ここで、融着損失とは、融着点における接続損失を意味する。このことから、本開示の光増幅用伝送路に適用されるＥＤＦは、光増幅の高効率化に十分寄与し得ることがわかる。高濃度Ａｌ添加ＥＤＦは、コアにＧｅおよびＡｌが添加されるとともに第一のクラッドにＦが添加されることで、コアにＧｅを含有するＳＭＦに比べてＭＦＤが拡大し易くなる。そこで、本開示の光増幅用伝送路では、ＥＤＦのＭＦＤを予め小さくしておくことで、融着によって拡大した後のＥＤＦのＭＦＤがＳＭＦのＭＦＤに一致するか、または、ＥＤＦとＳＭＦの間に積極的にＭＦＤ段差が形成される。
　（５）上記（２）において、波長１．５５μｍ帯において、ＭＦＤ１は、５．３μｍ以下であってもよい。この場合、第一のコア内への光閉じ込めを強めることにより、増幅効率を高めることが可能になる。更に、高い比屈折率差に伴う非線形性の増大やＰＭＤの増大が効果的に抑制される。
　（６）上記（２）から上記（５）のいずれかにおいて、ＥＤＦにおいて、第一のクラッドに対する第一のコアの比屈折率差は、１％以上２％以下であってもよい。この場合も、第一のコア内への光閉じ込めを強めることにより、増幅効率を高めることが可能になる。更に、高い比屈折率差に伴う非線形性の増大やＰＭＤの増大が効果的に抑制される。
　以上、この[本開示の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。
　［本開示の実施形態の詳細］
  以下、本開示の光増幅用伝送路の具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、これらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
　図１は、本開示の光増幅用伝送路およびそれを含む光ファイバ増幅器を示す図である（図１中、「光増幅用伝送路」と記す）。図１の上段（図１中、「ＥＤＦＡ」と記す）には、本開示の光増幅用伝送路が適用されたＥｒ添加ファイバ増幅器（Er-doped Fiber Amplifier）の構造が示されている。図１の下段（図１中、「融着点近傍（拡大図）」と記す）には、融着点Ｃ１近傍のＥＤＦ１００およびＳＭＦ２００の断面構造が示されている。
　図１の上段に示されたＥＤＦＡは、本開示の光増幅用伝送路を有する。具体的に、信号光Ｓの伝搬方向に沿って順にＥＤＦ１００、ＳＭＦ２００が配置されている。ＥＤＦ１００とＳＭＦ２００は、Ｃ１で示された位置である融着点Ｃ１で融着接続されている。また、ＥＤＦ１００の上流には、ＳＭＦで構成されたカプラとして機能する波長分割多重フィルタ（ＷＤＭＦ：Wavelength Division Multiplexing Filter）３００が配置されている。Ｃ２で示された位置である融着点Ｃ２で、ＷＤＭＦ３００の光出力端面は、ＥＤＦ１００の光入力端面１００ｂに接続されており、ＷＤＭＦ３００の光入力端面から入力された光、すなわち励起光源５００から出力された励起光Ｐと信号光Ｓを、ＥＤＦ１００へ出力している。
　図１の下段に示された本開示の光増幅用伝送路は、伝搬経路の上流側に配置されたＥＤＦ１００と、下流側に配置されたＳＭＦ２００とを備える。ＥＤＦ１００は、第一の端面である光出力端面１００ａと、第二の端面である光入力端面１００ｂと、コア１１０と、クラッド１２０と、を備える。ＳＭＦ２００は、第四の端面である光出力端面２００ａと、第三の端面である光入力端面２００ｂと、コア２１０と、クラッド２２０と、を備える。ＥＤＦ１００の光出力端面１００ａとＳＭＦ２００の光入力端面２００ｂは、融着点Ｃ１で融着接続されており、この融着接続により、ＥＤＦ１００には、遷移部Ｒ１と定常部Ｒ２が形成されている。ＥＤＦ１００の遷移部Ｒ１は、光出力端面１００ａを含み、光出力端面１００ａから光入力端面１００ｂに向かってＭＦＤが縮小している部分である。ＥＤＦ１００の定常部Ｒ２は、遷移部Ｒ１と光入力端面１００ｂを連絡する部分であって、ＥＤＦ１００の組成およびＭＦＤ１が一定である。一方、ＳＭＦ２００の定常部は、光入力端面２００ｂから光出力端面２００ａに向かってＳＭＦ２００の組成およびＭＦＤ２が一定である。特に、ＥＤＦの定常部におけるＭＦＤ１に対するＳＭＦの定常部におけるＭＦＤ２の比（ＭＦＤ２／ＭＦＤ１）は、１．９以上２．２以下の範囲に収まっている。そのため、本開示の光増幅用伝送路では、融着点Ｃ１において、ＭＦＤ段差が形成されている。なお、「ＭＦＤが一定の状態」には、測定誤差や許容範囲内の差異がある略一定が含まれ、具体的には、ＭＦＤの設計値を基準として（設計値－０．１）μｍ以上（設計値＋０．１）μｍ以下の範囲に収まっている状態を意味する。
　図２は、ＥＤＦの種々のファイバ特性を示す図である（図２中、「ファイバ特性（ＥＤＦ）」と記す）。図２の上段（図２中、「ＭＦＤ－コア径」と記す）には、比屈折率差Δの異なる種々のＥＤＦについて、ＭＦＤのコア径依存性を示すグラフが示されている。図２の下段（図２中、「Γ値－コア径」と記す）には、比屈折率差Δの異なる種々のＥＤＦについて、Γ値のコア径依存性を示すグラフが示されている。
　より具体的には、図２の上段において、グラフＧ２１０Ａは、光学クラッドに対するコアの比屈折率差Δが１．２５％であるＥＤＦについて、コア径に対する１．５５μｍ帯でのＭＦＤの計算結果を示す。グラフＧ２２０Ａは、比屈折率差Δが１．４１％であるＥＤＦについて、コア径に対する１．５５μｍ帯でのＭＦＤの計算結果を示す。グラフＧ２３０Ａは、比屈折率差Δが１．５５％であるＥＤＦについて、コア径に対する１．５５μｍ帯でのＭＦＤの計算結果を示す。なお、図２の上段に示された点Ａは、従来のＥＤＦの計算結果であり、点Ｂは、本開示の光増幅用伝送路に適用されるＥＤＦ、すなわちコアにＧｅ、Ａｌが添加され、クラッドにＦが添加されたＥＤＦの計算結果である。また、図２の上段には、参考として、ＳＭＦのＭＦＤが波長１．５５μｍで９．９μｍ以上１０．９μｍ以下であることも併せて示されている。
　図２の下段において、グラフＧ２１０Ｂは、光学クラッドに対するコアの比屈折率差Δが１．２５％であるＥＤＦについて、０．９８μｍ帯での励起光の規定モードであるＬＰ０１モードの光強度分布とＥｒ添加されたコア領域内との重なり積分であるΓ値の計算結果が示されている。グラフＧ２２０Ｂは、比屈折率差Δが１．４１％であるＥＤＦについて、０．９８μｍ帯での励起光のＬＰ０１モードの光強度分布とＥｒ添加されたコア領域内とのΓ値の計算結果が示されている。グラフＧ２３０Ｂは、比屈折率差Δが１．５５％であるＥＤＦについて、０．９８μｍ帯での励起光のＬＰ０１モードの光強度分布とＥｒ添加されたコア領域内とのΓ値の計算結果が示されている。
　なお、Γ値は、０．９８μｍ帯での励起光のＬＰ０１モードの光強度の総量で規格化された値である。ＥＤＦＡの高効率化の指標は、電力変換効率（ＰＣＥ：Power Conversion Efficiency）であり、Γ値の向上が有効である。これには、コア径の増大が効果的であるが、一方で雑音指数（ＮＦ：Noise Factor）が増大するため、コア径の適切化が必要である。なお、電力変換効率は、励起光の光量とＥＤＦから得られる信号光の光量の比であり、以下の式：
ＰＣＥ＝（Ｐ１－Ｐ２)／Ｐ３×１００［％］
で与えられる。ここで、Ｐ１は、ＥＤＦから出力された信号光の光量、Ｐ２は、ＥＤＦへ入力される信号光の光量、Ｐ３は、ＥＤＦに入力される励起光の光量である。また、雑音指数は、入力信号光の信号対雑音比であるＳＮ１と出力信号光の信号対雑音比であるＳＮ２の比で表される。
　Γ値の増大により雑音指数の悪化が懸念されたが、従来対比で０．２％増に留まり、無視できるレベルであることが確認された。以上のことから、Γ値すなわちオーバーラップ率は、８５％以上が有効であることから、ＥＤＦのＭＦＤは、５．３μｍ以下が有効である。雑音指数の悪化を踏まえると、上限は９０％未満である。
　従来のＥＤＦのファイバ構造の一例として図２の上段に示された点ＡのＥＤＦにおいて、Γ値は７６％であった。ＥＤＦの高効率化には、Γ値の増大は必要だが、雑音指数の増大が懸念されることから、適切なΓ値の設定が必要である。そこで、本開示の光増幅用伝送路に適用される高濃度Ａｌ添加ＥＤＦとして、図２の上段に示された点Ｂにおいて、光学クラッドに対するコアの比屈折率差Δが、従来のＥＤＦと同じ１．４１％、Γ値が８６％、コア径が３．５μｍのＥＤＦサンプルを試作し、点ＡでのＰＣＥおよび雑音指数を基準として、高濃度Ａｌ添加ＥＤＦのＰＣＦおよび雑音指数の相対的な変化量を評価した。点ＢでのＰＣＥは、従来のＥＤＦとの対比で４％増大し、高濃度Ａｌ添加ＥＤＦは有効であることが分かった。一方、点Ｂでの雑音指数の大幅な増大が懸念されたが、実際には従来のＥＤＦとの対比で０．２％の増大に留まり、ほぼ無視できるレベルであることが分かった。
　一方、従来のＥＤＦの設計指針として、特許文献１には、Ｖ値（=２π/λ・ａ・ｎ１・（２Δ）１／２）から得られるα値（Ｖ・λ）をＥＤＦとＳＭＦの両者で一致させることが提案されている。これは、ＥＤＦの入力端側において、それぞれ異なる励起光の波長と信号光の波長の双方における融着損失（融着点における接続損失）の抑制には有効である。しかしながら、ＥＤＦの光出力端面側において、信号光の波長におけるＥＤＦとＳＭＦとの融着損失を抑制することに関して、特許文献１には、コアのドーパントの熱拡散によってＳＭＦとのＭＦＤが整合されることのみが開示されており、詳細な規定はなかった（段落「００２２」参照）。ＥＤＦとＳＭＦのように、異なる光ファイバ間の融着損失を抑制する設計方針としては、ＭＦＤ_ＳＭＦとＭＦＤ_ＥＤＦが同一、すなわち、ＭＦＤ_ＳＭＦ／ＭＦＤ_ＥＤＦが１であることが有効である。従来のＥＤＦは、図２に示されたように、コア径が小さい程、ＳＭＦのＭＦＤ_ＳＭＦとの差異が小さくなり、その結果、融着によって添加物の熱拡散によってテーパー形状の導波路長を短尺化できるため有効であった。一方で、ＰＣＥの向上には、上述の通り、Γ値の増大が必要であり、コア径を２．５μｍから３．５μｍと増大させた場合、ＭＦＤ_ＳＭＦ／ＭＦＤ_ＥＤＦは増大し、融着損失の増大が懸案事項であった。また、特許文献２では、外側クラッドとなるＭＣＶＤのＳｉＯ２基体管の粘性がコアに比べて高く、粘性差が大きい。そのため、十分な接続強度が得られる程度に外側クラッドを軟化させると、内側のコアは粘性が下がり過ぎ、添加物の過剰な拡散によるＭＦＤの過剰な拡大やコアの変形が接続損失を増大させていた。
　これに対し、本開示の光増幅用伝送路に適用可能な高濃度Ａｌ添加ＥＤＦであるＥＤＦ１００では、クラッド全体にＦが添加されたＳｉＯ２を利用することで、コアとクラッドの粘性差を特許文献２の従来例に比べて低減できる。そのため、接続損失の低減に適しているとは言え、ＥＤＦのＭＦＤとＳＭＦのＭＦＤの差の増大は融着損失の増大に繋がることが予想された。
　なお、融着接続において、ＳＭＦのＭＦＤ_ＳＭＦに比べ、従来のＥＤＦのＭＦＤ_ＥＤＦが大きくなることは無いが、このＭＦＤ_ＥＤＦをＭＦＤ_ＳＭＦに近づけるには、光学クラッドにＦを添加するとともに、コアにはＧｅよりもＡｌを添加することが有効である。Ａｌ濃度は、質量分率４．０％以上５．０％以下であることが効果的である。副次的な効果として、Ａｌの非線形係数は、Ｇｅの非線形係数に比べ半減することから、Ａｌの高濃度化は、不要な非線形を抑制させることが可能となる。
　以上のことから、Γ値の増大、すなわち、コア径の増大に伴い、ＥＤＦはＰＣＥに対して有利に働くが、図２に示されたように、ＥＤＦのＭＦＤとＳＭＦのＭＦＤの差は増大することから、融着損失の抑制とＥＤＦにおける光増幅の効率化はトレードオフの関係にあることが予想された。なお、コア径増大はＰＣＥに有効ではあるが、ＭＦＤの下限設定には、非線形雑音の観点から注意が必要である。非線形係数γは、以下の式：
γ＝２π／λ・ｎ２／Ａeff
で与えられる。ここで、ｎ２は非線形屈折率、λは波長、Ａeffは実効断面積（Effective Area）である。高濃度Ａｌ添加ＥＤＦにおけるｎ２は２．６程度である。
　次に、光ファイバ中で発生する非線形現象の一つである四光波混合（ＦＷＭ：Four-Wave Mixing）の発生効率Ｐ_ｐｕｍｐはγ２に比例するため、波長１．５５μｍ帯におけるＭＦＤに対する非線形係数の二乗値γ２[／Ｗ２／ｋｍ２]の計算を行った。図３は、ＭＦＤと非線形係数の二乗値γ２（／Ｗ２／ｋｍ２）の関係を示すグラフである。
　光ファイバ伝送システムにおける非線形応答特性の観点から、非線形係数の二乗値γ２は３０．０以下が一つの目安となる。図３から分かるように、γ２＝３０．０におけるＭＦＤは、４．９５μｍであることから、ＭＦＤの下限は５．０μｍが適切である。なお、ＳＭＦは、１．５５μｍ帯でのＭＦＤが１０．４を基準として－０．５μｍ以上＋０．５μｍ以下の範囲に収まり、外径が１２５．０μｍを基準として－０．７μｍ以上＋０．７μｍ以下の範囲に収まり、コア偏心が０．５μｍ以下であることで定義される。
　そこで、コア径増大とＭＦＤの下限値の関係性を明らかにするために、ＥＤＦＡを構成するＥＤＦと異種ファイバとの融着接続損失について検討した。具体的には、ＥＤＦＡにおける異種ファイバとして、ＥＤＦの光出力端面に接続されるＳＭＦ、および、入力端に接続される波長分割多重フィルタ（ＷＤＭＦ：Wavelength Division Multiplexing Filter）として機能するＳＭＦについて検討し、従来のＥＤＦと本開示の光増幅用伝送路に適用可能な高濃度Ａｌ添加ＥＤＦのそれぞれにおける融着損失の評価を行った。図４は、光増幅用伝送路における各融着点における光学特性として、ＭＦＤの変化状態を示す図である（図４中、「融着点における光学特性」と記す）。図４の上段（図４中、「ＭＦＤ変動（伝送路）」と記す）には、融着点Ｃ１の近傍および融着点Ｃ２の近傍における各伝送路内におけるＭＦＤの変化の概略が示されている。図４の中段（図４中、「ＭＦＤ変動（融着点Ｃ１近傍）」と記す）には、融着点Ｃ１の近傍におけるＭＦＤ変化が示されている。図４の下段（図４中、「ＭＦＤ変動（融着点Ｃ２近傍）」と記す）には、融着点Ｃ２の近傍におけるＭＦＤ変化が示されている。また、図５には、融着点Ｃ２におけるＥＤＦ１００とＷＤＭＦ３００との融着損失、および融着点Ｃ１におけるＥＤＦ１００とＳＭＦ２００との融着損失が示されている。
　具体的に、図４の上段には、１．５５μｍ帯でＭＦＤが１０．５μｍであるＳＭＦ２００、高濃度Ａｌ添加ＥＤＦであるＥＤＦ１００、およびＷＤＭＦ３００が融着点Ｃ１および融着点Ｃ２において融着接続された光増幅用伝送路が示されている。融着点Ｃ１では、ＳＭＦ２００の光入力端面２００ｂとＥＤＦ１００の光出力端面１００ａが融着接続されている。融着点Ｃ２では、ＥＤＦ１００の光入力端面１００ｂとＷＤＭＦ３００の光出力端面が融着接続されている。信号光Ｓは、ＷＤＭＦ３００、ＥＤＦ１００、ＳＭＦ２００の順に通過する。また、図４の上段において、ＭＦＤ２はＳＭＦ２００の定常部におけるＭＦＤであり、ＭＦＤ１はＥＤＦ１００の定常部Ｒ２におけるＭＦＤである。ＥＤＦ１００の遷移部Ｒ１ではＭＦＤが光出力端面１００ａから光入力端面１００ｂに向かって縮小しており、融着点Ｃ１においてＭＦＤ段差が形成されている。
　図４の中段に示された図は、上述の光増幅伝送路において、図４の上段に示された融着点Ｃ１に相当する融着点を基準である０μｍとして、－１５００μｍ以上＋１５００μｍ以下の範囲の各光ファイバの屈折率分布を測定し、その屈折率分布から波長１．５５μｍ帯におけるＭＦＤを計算した結果を示す。横軸のプラス領域は融着点の０μｍからＥＤＦ１００に向かう側、横軸のマイナス領域は融着点０μｍからＳＭＦ２００に向かう側を示す。図４の中段に示された図から分かるように、ＥＤＦ１００の定常部Ｒ２において、５．０μｍのＭＦＤ１の変動は、＋１０００μｍから＋５００μｍにかけて＋０．１μｍ程度増大する。＋５００μｍ近傍から０μｍまでの遷移部Ｒ１では、融着点Ｃ１に向かって１０．５μｍ程度にまで拡大し、ＳＭＦ２００の定常部におけるＭＦＤ２と同等になることが分かる。一方、ＳＭＦ２００の定常部におけるＭＦＤ２は１０．５μｍと融着点Ｃ１ではほぼ変化ないことが分かった。
　以上の結果をＭＦＤ_ＳＭＦ／ＭＦＤ_ＥＤＦの関係で整理してみると、５．７μｍのＭＦＤ_ＥＤＦに対するＭＦＤ_ＳＭＦの比は１．８４、５．０μｍのＭＦＤ_ＥＤＦに対するＭＦＤ_ＳＭＦの比は２．１０であった。５．７μｍのＭＦＤ_ＥＤＦに対するＭＦＤ_ＳＭＦの比が１．８４のときの融着損失を基準とした場合、５．０μｍのＭＦＤ_ＥＤＦに対するＭＦＤ_ＳＭＦの比が２．１０のときの融着損失は１．２７％改善されている。ＭＦＤ_ＳＭＦ／ＭＦＤ_ＥＤＦは小さい程、融着損失を抑制できると考えていたが、むしろ大きい方が有効であることが分かった。更に、図２の上段に示された点Ａに相当する、比屈折率差Δが１．４１％でありコア径が２．５μｍであるＥＤＦのＭＦＤ_ＥＤＦ１が６．０μｍでありＭＦＤ_ＳＭＦが９．９μｍ以上１０．９μｍ以下であるとき、ＭＦＤ_ＥＤＦ１に対するＭＦＤ_ＳＭＦの比は１．６５以上１．８２以下である。
　一方、図２の上段に示された点Ｂに相当する、比屈折率差Δが１．４１％でありコア径が３．５μｍであるＥＤＦのＭＦＤ_ＥＤＦ２が５．０μｍでありＭＦＤ_ＳＭＦが９．９μｍ以上１０．９μｍ以下であるとき、ＭＦＤ_ＥＤＦ２に対するＭＦＤ_ＳＭＦの比は１．９８以上２．１８以下である。したがって、本開示の光増幅用伝送路に適用可能な高濃度Ａｌ添加ＥＤＦに関する比（ＭＦＤ_ＳＭＦ／ＭＦＤ_ＥＤＦ２）の範囲は、従来のＥＤＦに関する比（ＭＦＤ_ＳＭＦ／ＭＦＤ_ＥＤＦ１）の範囲に比べ、高い傾向にあることが分かった。
　なお、図４の下段に示された図は、上述の光増幅伝送路において、図４の上段に示された融着点Ｃ２に相当する融着点を基準である０μｍとして、－１５００μｍ以上＋１５００μｍ以下の範囲の各光ファイバの屈折率分布を測定し、その屈折率分布からＭＦＤを計算した結果を示す。なお、図４の下段に示された図において、グラフＧ４１０は、波長１．５５μｍ帯におけるＭＦＤの計算値を示し、グラフＧ４２０は、波長０．９８μｍ帯におけるＭＦＤの計算値を示す。また、横軸のプラス符号は融着点の０μｍからＥＤＦ１００に向かう側、マイナス符号は融着点０μｍからＷＤＭＦ３００に向かう側を示す。この図４の下段に示された図から分かるように、＋５００μｍ近傍から０μｍまでのＥＤＦ１００の遷移部Ｒ１では、融着点Ｃ２に向かってＷＤＭＦ３００のＭＦＤを超える程度にまで拡大する。一方、ＷＤＭＦ３００のＭＦＤも、融着点Ｃ２に向かって拡大している。
　続いて、図５の表について説明する。なお、図５中の符号において、プラス領域は、融着損失が基準対比で増大していることを示し、マイナス領域は、融着損失が基準対比で低減していることを示す。図５に示された表を得るため、用意された従来のＥＤＦは、図２の上段に示された点Ａに相当する５．７μｍのＭＦＤを有する。用意された高濃度Ａｌ添加ＥＤＦであるＥＤＦ１００は、図２の上段に示された点Ｂに相当する５．０μｍのＭＦＤを有する。それぞれの融着損失は、従来のＥＤＦのＭＦＤを基準値とした場合、本開示の光増幅用伝送路に適用可能なＥＤＦ１００のＭＦＤは、－１．２７％と、従来のＥＤＦに比べ高濃度Ａｌ添加ＥＤＦの融着損は低減していたことから、高濃度Ａｌ添加ＥＤＦは、ＥＤＦＡのＰＣＥに有効であることが分かる。
　また、ＥＤＦ１００とＷＤＭＦ３００との融着点Ｃ２においても検討した。用意されたＷＤＭＦ３００は７．０μｍのＭＦＤを有する。１．５５μｍの信号光波長と０．９８μｍの励起光波長それぞれにおける融着損失は、点Ａでの融着損失を基準とした点Ｂでの融着損失は、０．９８μｍ帯の励起光波長では０．１％の損失増となるが、１．５５μｍ帯の信号光波長では０．１２％改善が確認された。これは、図５の表では「－０．１２％」で示されている。ＥＤＦ１００とＷＤＭＦ３００の融着損失、および、ＥＤＦ１００とＳＭＦ２００の融着損失の合計から、従来のＥＤＦを利用した光増幅用伝送路における融着損失によるＰＣＥ低下は抑制されていることが分かる。
　以上のように、本開示の光増幅用伝送路に適用可能な高濃度Ａｌ添加ＥＤＦは熱拡散によってテーパー状のコアを形成させ易いことから、高濃度Ａｌ添加ＥＤＦのＭＦＤとＳＭＦのＭＦＤの差が大きくても融着損失を適切に制御できる。ファイバ組成の適切な範囲としては、コアにおけるＡｌ濃度は質量分率４．０％以上５．０％以下、Ｇｅ濃度はＳＭＦの濃度と同程度以下、すなわち質量分率３．５％未満、光学クラッドにおけるＦ濃度は比屈折率差Δに換算して－０．３０％以上－０．５０％、好ましくは、－０．３０％以上－０．４０％以下が有効である。高濃度Ａｌ添加ＥＤＦのＭＦＤは５．０μｍ以上５．３μｍ以下が有効である。なお、この結果からも明らかなように、ＳＭＦと高濃度Ａｌ添加ＥＤＦの双方におけるＧｅ濃度は同程度であって、ＳＭＦのＭＦＤの変化幅は０．１μｍ未満とＧｅ拡散の寄与度は殆ど無いことが判明した。
１００…ＥＤＦ
１００ａ…光出力端面
１００ｂ…光入力端面
１１０…コア
１２０…クラッド
２００…ＳＭＦ
２００ａ…光出力端面
２００ｂ…光入力端面
２１０…コア
２２０…クラッド
３００…ＷＤＭＦ
５００…励起光源
Ｃ１、Ｃ２…融着点
Ｒ１…遷移部
Ｒ２…定常部
Ｐ…励起光
Ｓ…信号光

Claims (6)

  1. 　第一の端面と、第二の端面と、前記第一の端面から前記第二の端面に向かって伸びるとともにエルビウムが添加された第一のコアと、前記第一のコアを取り囲むとともにフッ素が添加された第一のクラッドと、を有する増幅用光ファイバと、
    　前記第一の端面と融着接続された第三の端面と、第四の端面と、エルビウムが添加されることなく前記第三の端面から前記第四の端面に向かって伸びる第二のコアと、前記第二のコアを取り囲む第二のクラッドと、を有する、シングルモード光のみを伝搬する伝送用光ファイバと、
    　を備え、
    　前記増幅用光ファイバは、前記第一の端面を含むとともに前記第一の端面から前記第二の端面に向かって第一のモードフィールド径が縮小している遷移部と、前記遷移部と前記第二の端面とを連絡する部分であって前記増幅用光ファイバの組成および前記第一のモードフィールド径が前記遷移部から前記第二の端面に向かって一定である第一の定常部と、を含み、
    　前記伝送用光ファイバは、前記第三の端面から前記第四の端面に向かって前記伝送用光ファイバの組成および前記第二のモードフィールド径が一定である第二の定常部を含み、
    　前記第一の定常部の前記第一のモードフィールド径であるＭＦＤ１に対する前記第二の定常部の前記第二のモードフィールド径であるＭＦＤ２の比（ＭＦＤ２／ＭＦＤ１）は、１．９以上２．２以下である、
    　光増幅用伝送路。
  2. 　前記第一のコアには、ゲルマニウムおよびアルミニウムが添加されている、
    　請求項１に記載の光増幅用伝送路。
  3. 　波長１．５５μｍ帯において、前記ＭＦＤ１は、５．３μｍ以下である、
    　請求項２に記載の光増幅用伝送路。
  4. 　前記第一のコアにおいて、前記ゲルマニウムの濃度は、質量分率３．８％以下であり、前記アルミニウムの濃度は、質量分率４．０％以上である、
    　請求項２に記載の光増幅用伝送路。
  5. 　波長１．５５μｍ帯において、前記ＭＦＤ１は、５．３μｍ以下である、
    　請求項４に記載の光増幅用伝送路。
  6. 　前記第一のクラッドに対する前記第一のコアの比屈折率差は、１％以上２％以下である、
    　請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の光増幅用伝送路。
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