(57)【要約】【課題】本発明は、マルチモード伝送用光増幅器において、増幅用光ファイバへの信号光及び励起光の入射及び出射に空間光学系を用いずに信号光の各モードにおける利得の調整を行うことを目的とする。【解決手段】本発明のマルチモード伝送用光増幅器は、伝送用光ファイバ１４と、増幅用光ファイバ１１と、励起光源２１を備え、さらに、励起光を信号光に合波するとともに励起光を任意のモードへ変換するモード合波用光カプラ１２、或いは、伝送用光ファイバ１４に入射前又は入射後の励起光を任意のモードに変換するモード変換器３４を備える。【選択図】図１
2014170850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数モードの信号光を伝送する伝送用光ファイバと、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記伝送用光ファイバを伝搬する複数モードの信号光を増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記励起光源からの前記励起光を予め定められたモードに変換して前記信号光に合波するモード合波用光カプラと、
を備えるマルチモード伝送用光増幅器。
【請求項２】
複数の前記モード合波用光カプラを備え、
各モード合波用光カプラは、前記伝送用光ファイバに縦続に接続され、
各モード合波用光カプラの変換する前記予め定められたモードが、モード合波用光カプラごとに異なる
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチモード伝送用光増幅器。
【請求項３】
前記複数のモード合波用光カプラは、
前記信号光が入力される第１のポートと、
前記励起光が入力される第３のポートと、
前記第１のポートから入力された信号光と前記第３のポートから入力された励起光の一部を合波した光を出力する第２のポートと、
前記第３のポートから入力された励起光のうちの前記信号光に合波されなかった光を出力する第４のポートと、を備え、
前記複数のモード合波用光カプラのうちの前記増幅用光ファイバから最も遠い位置に挿入されている第１のモード合波用光カプラは、前記第３のポートが前記励起光源に接続され、
前記第１のモード合波用光カプラに隣接して挿入されている第２のモード合波用光カプラは、前記第３のポートが前記第１のモード合波用光カプラの前記第４のポートに接続されており、
前記第１のモード合波用光カプラの前記第４のポートと前記第２のモード合波用光カプラの前記第３のポートとを結ぶ光ファイバに、前記信号光を遮断するバンドパスフィルタが挿入されている
ことを特徴とする請求項２に記載のマルチモード伝送用光増幅器。
【請求項４】
前記励起光源からの励起光を各モード合波用光カプラへ分岐するパワーカプラと、
前記パワーカプラによって分岐された各励起光の強度を調整する光アテネータと、
を備えることを特徴とする請求項２に記載のマルチモード伝送用光増幅器。
【請求項５】
複数モードの信号光を伝送する伝送用光ファイバと、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記伝送用光ファイバを伝搬する複数モードの信号光を増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記励起光源からの前記励起光を前記信号光に合波する光カプラと、
前記励起光源から前記光カプラへの前記励起光の伝搬経路又は前記光カプラから前記増幅用光ファイバへの前記励起光の伝搬経路に挿入され、前記励起光を予め定められたモードに変換するモード変換器と、
を備えるマルチモード伝送用光増幅器。
【請求項６】
複数の前記モード変換器を備え、
各モード変換器は、前記励起光源から前記光カプラへの前記励起光の伝搬経路又は前記光カプラから前記増幅用光ファイバへの前記励起光の伝搬経路に縦続に接続され、
各モード変換器の変換する前記予め定められたモードが、モード変換器ごとに異なる
ことを特徴とする請求項５に記載のマルチモード伝送用光増幅器。
【請求項７】
複数モードの信号光を伝送する伝送用光ファイバと、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記伝送用光ファイバを伝搬する複数モードの信号光を増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、
を備えるマルチモード伝送用光増幅器の作製方法であって、
前記伝送用光ファイバに、前記励起光源からの前記励起光を予め定められたモードに変換して前記信号光に合波するモード合波用光カプラを挿入することを特徴とするマルチモード伝送用光増幅器の作製方法。
【請求項８】
複数モードの信号光を伝送する伝送用光ファイバと、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記伝送用光ファイバを伝搬する複数モードの信号光を増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記励起光源からの前記励起光を前記信号光に合波する光カプラと、
を備えるマルチモード伝送用光増幅器の作製方法であって、
前記励起光源から前記光カプラへの前記励起光の伝搬経路又は前記光カプラから前記増幅用光ファイバへの前記励起光の伝搬経路に、前記励起光を予め定められたモードに変換するモード変換器を挿入することを特徴とするマルチモード伝送用光増幅器の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチモード伝送における光増幅器に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
近年、サービスの多様化によりインターネットトラヒックは未だ増加し続けており、伝送速度の高速化や波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）技術による波長多重数の増加により飛躍的に伝送容量を伸ばしてきた。また近年、検討が盛んに行われているデジタルコヒーレント技術によって更なる伝送容量の拡大が予想されている。デジタルコヒーレント伝送システムでは多値位相変調信号を用いることにより周波数利用効率を向上させてきたが、より高い信号雑音比が必要となってくる。しかし従来のシングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ  ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒ，ＳＭＦ）を用いた伝送システムでは、理論的な限界に加え非線形効果に起因する入力パワー制限のため伝送容量は１００Ｔｂｉｔ／ｓｅｃを境に飽和することが予想されており、更なる大容量化は困難となってきている。
【０００３】
今後さらに伝送容量を増やしていくためには革新的な伝送容量拡大を実現する媒体が必要とされている。そこで、光ファイバ中の複数の伝搬モードをチャネルとして用いることで信号雑音比と空間利用効率の向上が期待できるマルチモードファイバ（Ｍｕｌｔｉ  ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒ，ＭＭＦ）を用いたモード多重伝送が注目を集めている。これまで光ファイバ中を伝搬する高次のモードは信号劣化の要因であったが、デジタル信号処理や合分波技術などの発展で積極的な利用が検討されている（例えば、非特許文献１，２参照。）。
【０００４】
ＭＭＦを用いた伝送容量の拡大はここ数年で目覚ましく、３モードファイバを用いたＤＰ−ＱＰＳＫ方式で２６．４Ｔｂｐｓまで達している（例えば、非特許文献３参照。）。またマルチモード伝送の長距離化に向けた検討も行われており、Ｅｒ３＋添加型光増幅器を用いた基本モードのＬＰ０１モードと第四高次モードであるＬＰ０２モードの増幅に関する報告がなされている（例えば、非特許文献４参照。）。
【０００５】
マルチモード伝送の長距離化を行う上で、すべてのモードの伝送品質を保つためには光増幅器において各モードの利得の調整が必須となる。各モードの利得は、増幅用光ファイバに入射する励起光の電界分布及び希土類元素添加分布により決まる励起元素数分布と信号光の電界分布の重なりによって決定する。現在、増幅用光ファイバの希土類元素添加領域はコア全体に希土類元素を添加するステップインデックス型構造とコアの中心部のみに希土類元素を添加するセンタードープ型構造の２つが主な構造である。しかし高次モードの利得を考慮に入れる必要があるマルチモード伝送用の増幅用光ファイバでは、利得の調整のため異なる２本のＥＤＦを直列に接続し伝搬モード毎の利得調整を行う方法や、希土類添加分布をファイバコアのエッジに多くドープするような構造が提案されている（例えば、非特許文献４及び５参照。）。
【０００６】
関連するマルチモード伝送用光増幅器は、図１４に示すような信号光及び励起光の増幅用光ファイバ１１への入射及び出射に空間光学素子を用いた系であり、励起光を増幅用光ファイバ１１へ入射する際に軸ずれ励振する方法（例えば、非特許文献６）や、位相マスクを用いて励起光を任意のモードへ変換し増幅用光ファイバ１１へ入射することで伝搬モード毎の利得調整をする方法が提案されている（例えば、非特許文献７参照。）。
【０００７】
しかしながら、上記非特許文献におけるマルチモード伝送用光増幅器の構成はすべて空間光学系となっているため、レンズ１５、ミラー２２、励起光を高次モードへ変換させるための位相マスク２４などの素子に起因する損失が発生してしまう。また、非特許文献５のように各モードを一括で増幅する構成においては、空間に出た光を光ファイバへ結合させる際に発生するモード間クロストーク量は大きくなる。信号光のモード間クロストークはモード多重伝送を行う際には非常に大きな問題となってくる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｎ．Ｈａｎｚａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｏｄｅ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｏｖｅｒ  １０  ｋｍ  Ｔｗｏ−ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｍｏｄｅ  Ｃｏｕｐｌｅｒ”  ＯＦＣ２０１１，  ｐａｐｅｒ  ＯＷＡ４
【非特許文献２】Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｍｏｄａｌ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｆｏｒ  Ｌｏｎｇ−ｈａｕｌ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｖｅｒ  Ｆｅｗ−ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ  ｗｉｔｈ  ＳＩＭＯ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ”  ＥＣＯＣ２０１１，  Ｗｅ．１０．Ｐ１．８２
【非特許文献３】Ｅ．Ｉｐ  ｅｔ  ａｌ．，  “８８ｘ３ｘ１１２−Ｇｂ／ｓ  ＷＤＭ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｖｅｒ  ５０  ｋｍ  ｏｆ  Ｔｈｒｅｅ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｉｎｌｉｎｅ  Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ”  ＥＣＯＣ２０１１，  ｐａｐｅｒ  Ｔｈ．１３．Ｃ．２
【非特許文献４】Ｍ．Ｓａｌｓｉ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ａ  Ｓｉｘ−Ｍｏｄｅ  Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ”  ＥＣＯＣ  ２０１２    ｐａｐｅｒ  Ｔｈ．３．Ａ．６
【非特許文献５】Ｍ．Ｓａｌｓｉ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｉｎ−ｌｉｎｅ  Ｆｅｗ−Ｍｏｄｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｅｒｂｉｕｍ  Ｐｒｏｆｉｌｅ  Ｔｕｎｅｄ  ｔｏ  Ｓｕｐｐｏｒｔ  ＬＰ０１，  ＬＰ１１  ａｎｄ  ＬＰ２１  Ｍｏｄｅ  Ｇｒｏｕｐｓ”  ＥＣＯＣ  ２０１２  Ｔｕ．３．Ｆ．１
【非特許文献６】Ｙ．Ｙｕｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｆｉｒｓｔ  ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｆｏｒ  ｓｐａｔｉａｌ  ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ”  ＥＣＯＣ  ２０１１  ｐａｐｅｒ  Ｔｈ．１３．Ｋ．４
【非特許文献７】Ｎｅｎｇ  Ｂａｉ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｗｉｔｈ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｍｏｄａｌ  ｇａｉｎ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  ｐｕｍｐ”  ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ  Ｖｏｌ．１９，  Ｎｏ．  １７，  ２０１１
【非特許文献８】須藤昭一著、「エルビウム添加光ファイバ増幅器」、オプトロニクス社発行、ＩＳＢＮ４−９００４７４−８０−０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、マルチモード伝送用光増幅器において、増幅用光ファイバへの信号光及び励起光の入射及び出射に空間光学系を用いずに信号光の各モードにおける利得の調整を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のマルチモード伝送用光増幅器は、
複数モードの信号光を伝送する伝送用光ファイバと、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記伝送用光ファイバを伝搬する複数モードの信号光を増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記励起光源からの前記励起光を予め定められたモードに変換して前記信号光に合波するモード合波用光カプラと、
を備える。
【００１１】
本発明のマルチモード伝送用光増幅器では、
複数の前記モード合波用光カプラを備え、
各モード合波用光カプラは、前記伝送用光ファイバに縦続に接続され、
各モード合波用光カプラの変換する前記予め定められたモードが、モード合波用光カプラごとに異なってもよい。
【００１２】
本発明のマルチモード伝送用光増幅器では、
前記複数のモード合波用光カプラは、
前記信号光が入力される第１のポートと、
前記励起光が入力される第３のポートと、
前記第１のポートから入力された信号光と前記第３のポートから入力された励起光の一部を合波した光を出力する第２のポートと、
前記第３のポートから入力された励起光のうちの前記信号光に合波されなかった光を出力する第４のポートと、を備え、
前記複数のモード合波用光カプラのうちの前記増幅用光ファイバから最も遠い位置に挿入されている第１のモード合波用光カプラは、前記第３のポートが前記励起光源に接続され、
前記第１のモード合波用光カプラに隣接して挿入されている第２のモード合波用光カプラは、前記第３のポートが前記第１のモード合波用光カプラの前記第４のポートに接続されており、
前記第１のモード合波用光カプラの前記第４のポートと前記第２のモード合波用光カプラの前記第３のポートとを結ぶ光ファイバに、前記信号光を遮断するバンドパスフィルタが挿入されていてもよい。
【００１３】
本発明のマルチモード伝送用光増幅器では、
前記励起光源からの励起光を各モード合波用光カプラへ分岐するパワーカプラと、
前記パワーカプラによって分岐された各励起光の強度を調整する光アテネータと、
を備えていてもよい。
【００１４】
本発明のマルチモード伝送用光増幅器は、
複数モードの信号光を伝送する伝送用光ファイバと、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記伝送用光ファイバを伝搬する複数モードの信号光を増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記励起光源からの前記励起光を前記信号光に合波する光カプラと、
前記励起光源から前記光カプラへの前記励起光の伝搬経路又は前記光カプラから前記増幅用光ファイバへの前記励起光の伝搬経路に挿入され、前記励起光を予め定められたモードに変換するモード変換器と、
を備える。
【００１５】
本発明のマルチモード伝送用光増幅器では、
複数の前記モード変換器を備え、
各モード変換器は、前記励起光源から前記光カプラへの前記励起光の伝搬経路又は前記光カプラから前記増幅用光ファイバへの前記励起光の伝搬経路に縦続に接続され、
各モード変換器の変換する前記予め定められたモードが、モード変換器ごとに異なっていてもよい。
【００１６】
本発明のマルチモード伝送用光増幅器の作製方法は、
複数モードの信号光を伝送する伝送用光ファイバと、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記伝送用光ファイバを伝搬する複数モードの信号光を増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、
を備えるマルチモード伝送用光増幅器の作製方法であって、
前記伝送用光ファイバに、前記励起光源からの前記励起光を予め定められたモードに変換して前記信号光に合波するモード合波用光カプラを挿入することを特徴とする。
【００１７】
本発明のマルチモード伝送用光増幅器の作製方法は、
複数モードの信号光を伝送する伝送用光ファイバと、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記伝送用光ファイバを伝搬する複数モードの信号光を増幅する増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、
前記伝送用光ファイバに挿入され、前記励起光源からの前記励起光を前記信号光に合波する光カプラと、
を備えるマルチモード伝送用光増幅器の作製方法であって、
前記励起光源から前記光カプラへの前記励起光の伝搬経路又は前記光カプラから前記増幅用光ファイバへの前記励起光の伝搬経路に、前記励起光を予め定められたモードに変換するモード変換器を挿入することを特徴とする。
【００１８】
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、マルチモード伝送用光増幅器において、増幅用光ファイバへの信号光及び励起光の入射及び出射に空間光学系を用いずに信号光の各モードにおける利得の調整を行うことができる。これにより、信号光及び励起光の損失を防ぐとともにモード間クロストークを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態１に係るマルチモード伝送用光増幅器の構成の一例を示す。
【図２】４モードファイバの設計の一例を示す。
【図３】励起光の伝搬モードの違いによる信号光の伝搬モードの利得依存性の一例を示す。
【図４】光カプラの詳細の一例を示す。
【図５】励起光と信号光の増幅用光ファイバ及びマルチモード伝送用光ファイバにおけるＬＰ０１とＬＰ１１の実効屈折率の一例を示す。
【図６】信号光と励起光における結合効率の相互作用長依存性の一例を示す。
【図７】Ｘ個の光カプラとＸ個の励起光源を用い伝搬モードの利得を調整するためのマルチモード伝送用光増幅器の構成の一例を示す。
【図８】Ｙ個の光カプラと１個の励起光源を用いて各伝搬モードの利得を調整するためのマルチモード伝送用光増幅器の構成の一例を示す。
【図９】Ｙ個の光カプラ、１個の励起光源、パワーカプラ、アテネータを用いて各伝搬モードの利得を調整するためのマルチモード伝送用光増幅器の構成の一例を示す。
【図１０】実施形態２に係る光カプラ合波前にモード変換器を置くマルチモード伝送用光増幅器の構成の第１例を示す。
【図１１】実施形態２に係る光カプラ合波後にモード変換器を置くマルチモード伝送用光増幅器の構成の第１例を示す。
【図１２】実施形態２に係る光カプラ合波前にモード変換器を置くマルチモード伝送用光増幅器の構成の第２例を示す。
【図１３】実施形態２に係る光カプラ合波後にモード変換器を置くマルチモード伝送用光増幅器の構成の第２例を示す。
【図１４】空間光学系を用いたマルチモード伝送用光増幅器の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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の例であり、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。
【００２２】
本発明に係るマルチモード伝送用光増幅器は、非特許文献８に記載されているとおり、伝送用光ファイバ１４と、増幅用光ファイバ１１と、励起光源２１を備える。伝送用光ファイバ１４は、複数モードの信号光を伝送する。増幅用光ファイバ１１は、複数モードの信号光を増幅するためのものであり、例えば希土類元素の添加されたものである。励起光源２１は、増幅用光ファイバ１１の励起光を出力する。
【００２３】
しかしながらマルチモード伝送用光増幅器においては、励起光と信号光を合波するだけではなく、信号光において所望の利得を得るために１つまたは複数の励起光を増幅用光ファイバ１１へ入射することが必要となる。
【００２４】
そこで本発明では、モード合波用光カプラ１２又はモード変換器３４を備える。モード合波用光カプラ１２は、励起光を信号光に合波するとともに、励起光を任意のモードへ変換する。モード合波用光カプラ１２は、ファイバ型であってもよいし、光導波路型であってもよい。モード変換器３４は、伝送用光ファイバ１４に入射前又は入射後の励起光を任意のモードに変換する。これにより、本発明のマルチモード伝送用光増幅器は、増幅用光ファイバへの信号光及び励起光の入射及び出射に空間光学系を用いずに信号光の各モードにおける利得の調整を行うことができる。これにより、信号光及び励起光の損失を防ぐとともにモード間クロストークを低減することができる。
【００２５】
（実施形態１）
以下に、合波部をファイバもしくはＰＬＣとすることで空間系光増幅器と比較し低損失、低クロストーク、構成素子数の簡易化を図る構成を示す。
【００２６】
図１は本実施形態に係るマルチモード伝送用光増幅器の概略図である。本マルチモード伝送用光増幅器は、多モード伝送用光ファイバ１４中を伝搬されてきたＮモードを有する信号光はマルチモード伝送用光増幅器に入射される。励起光はモード合波用光カプラ１２にて設計により同一もしくは異なる所望の伝搬モードに結合され増幅用光ファイバ１１に入射される。入射された信号光は励起光により反転分布状態になった希土類元素を媒体に誘導放出を起こし光増幅後出射される。また必要に応じてマルチモード伝送用増幅器での発振を防ぐためアイソレータ１３を挿入する。
【００２７】
これより各モードの利得の調整に向けて増幅についての基本理論を説明したのち、それに基づいた増幅用光ファイバ１１に入射する励起光の違いによって信号光における各モードの利得の違いをシミュレーションにより示す。ここで添加される希土類元素はエルビウム（Ｅｒ）とし以下進める。
【００２８】
Ｅｒを３準位系と考えた際のレート方程式を解き、ＥＤＦの伝搬方程式を求めると式（１）の様に表せる。
【数１】
2014170850.tif 000003
【００２９】
ここでＰｓ，ｉはｉモード目の信号光および自然放出光の強度、ｚはＥＤＦにおける光の伝搬方向、νは光の波長である。ｉモード目の信号光利得係数γｅ，ｉ（ｚ，ν）と吸収係数γａ，ｉ（ｚ，ν）は各モードの規格化電界分布ψｓ，ｉ（ν，ｒ、θ）と信号光、励起光に対する放出断面積σｅｓ，ｉＳ、吸収断面積σａｓ，ｉＳを用いてそれぞれ以下の式（２）及び式（３）のように表せる。
【数２】
2014170850.tif 000004
【数３】
2014170850.tif 000005
【００３０】
Ｎ２（ｒ，θ，ｚ）、Ｎ１（ｒ，θ，ｚ）はぞれぞれ位置ｚにおけるファイバ断面の１点を動径ｒと偏角をθで表した時のＥｒ３＋励起準位と基底準位のイオン密度を表す。各伝搬モードにおいて式（１）の伝搬方程式を解くことにより励起光のモードの違いによる信号光の利得がわかる。
【００３１】
Ｅｒ添加光ファイバ（ＥＤＦ）の励起光源２１は９８０ｎｍ帯、１４８０ｎｍ帯が一般的に用いられている。光源の違いによりモードの形状は大きく変わらず同様の傾向がみられる。本シミュレーションでは９８０ｎｍの励起光源２１で入力パワーは２００ｍＷ、添加するＥｒ濃度は３００ｐｐｍ、用いるＥＤＦの長さは２０ｍとしている。また信号光は１５５０ｎｍで入力パワーを−１０ｄＢｍとしている。
【００３２】
モード多重伝送においてはすべてのモードが、所望の曲げ損失の実現が求められる。ＩＴＵ−Ｔ  Ｇ６５２で推奨される曲げ損失は、曲げ半径３０ｍｍにおいて０．５ｄＢ／１００ｔｕｒｎ以下である。本シミュレーションで用いた増幅用光ファイバ１１はコア半径（以下、コア径と略記）がａであり、コアとクラッドの比屈折率差をΔとしたステップ型を仮定し、使用波長をＣ帯の１５３０から１５６５ｎｍ、曲げ損失を０．１ｄＢ／１００ｔｕｒｎ以下、伝搬モードがＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モード、ＬＰ０２モードとなる設計範囲を計算したものを図２に示す。斜線で示されている領域はＬＰ０２モードが所望の曲げ損失を満たし、ＬＰ３１モードを伝搬しない領域である。
【００３３】
ここで比屈折率差Δは以下の式（４）であらわされる。
【数４】
2014170850.tif 000006
ａ＝７．５μｍ、Δ＝０．６５％とした際にＣ帯の波長域で基本モードであるＬＰ０１モードから第三高次モードであるＬＰ０２モードが伝搬する構造である。また９８０ｎｍの励起光においては増幅用光ファイバ１１中ではＬＰ０１、ＬＰ０２、ＬＰ０３、ＬＰ１１、ＬＰ１２、ＬＰ２１、ＬＰ２２、ＬＰ３１、ＬＰ４１、ＬＰ５１の１０モードが存在し得る。
【００３４】
図３に増幅用光ファイバ１１に入射する励起光（９８０ｎｍ）におけるモードの違いによる、信号光の各モードＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２における利得の違いを示す。図３はＬＰ０１モードを基準とした利得比（ｄＢ）として示している。このように励起光の伝搬モードにより信号光のモード毎の利得は異なる。
【００３５】
本発明では増幅用光ファイバ１１に所望する励起光のモードを入射するために、励起光を伝送用光ファイバ１４へ結合させるためにモード合波用光カプラ１２の設計を行う必要がある。以下にモード合波用光カプラ１２の設計方法について述べる。
【００３６】
図４に図１に示したモード合波用光カプラの詳細を示す。モード合波用光カプラ１２における励起光の入射はファイバ型もしくは導波路型を想定している。ファイバ型の作製においては多モードの信号光を伝搬する伝送用光ファイバ１４と励起光を入射する光ファイバ２５を溶融延伸もしくはファイバの側面研磨などの方法を用いてファイバのコア間距離を近づける、もしくは結合部１２１を光導波路型とし、導波路幅や導波路間隔ＤＣを設定することで作製する。
【００３７】
簡単のため、伝送用光ファイバ１４をＣ帯にて基本モードと第一高次モードのみを伝搬する２モードファイバ、光ファイバ２５を１５５０ｎｍでシングルモード動作するファイバとしたときの例を示す。本例では伝送用光ファイバ１４に入射する１５５０ｎｍの信号光ＬＰ０１、ＬＰ１１モードはポート４へ結合することなくポート２から出射され、ポート３よりＬＰ０１モードとして入射する波長９８０ｎｍの励起光をモード合波用光カプラ１２の結合部１２１にてポート２へＬＰ１１モードとして結合し出射することが求められる。ポート３より入射した励起光を所望のモードとしてポート２へ結合させるには、伝送用光ファイバ１４の実効屈折率と光ファイバ２５の所望の伝搬モードの実効屈折率が等しくなることが求められる。また信号光においては増幅用光ファイバ１１を伝搬する第一高次モードの実効屈折率が光ファイバ２５の基本モードの実効屈折率と異なることが望ましい。各々の実効屈折率は導波する光ファイバのコア径ａと比屈折率差Δによって決まる。
【００３８】
図５に９８０ｎｍにおける伝送用光ファイバ１４でのＬＰ１１モードと光ファイバ２５でのＬＰ０１モードのΔを共に０．４％としたときの実効屈折率のコア径依存性を示す。図５から伝送用光ファイバ１４のコア径が７μｍで光ファイバ２５のコア径が３．９μｍのとき、よい結合効率が得られることがわかる。しかし信号光の増幅用光ファイバ１１でのＬＰ１１モードの実効屈折率と光ファイバ２５中での実効屈折率の値も近いため結合する恐れがある。そこで伝送用光ファイバ１４と光ファイバ２５における相互作用長ＬＣを調整することで任意の特性を得ていくことを目指す。
【００３９】
図６に信号光ＬＰ１１モードのポート１からポート４への結合効率と励起光ＬＰ０１モードのポート３からポート２への結合効率の相互作用長による違いをそれぞれ示す。図６より相互作用長を８９５０μｍとしたときＣ帯で信号光のポート１からポート２への結合効率は０．９３であり励起光のポート３からポート２への結合効率は０．９７を得ることが出来る。さらに高次のモードに関しても同様に設計を行うことで所望のモード合波用光カプラ１２を得ることが出来る。また信号光の各モードにおいて所望の利得を得るためには励起光を複数の伝搬モードとし増幅用光ファイバ１１を励起することが有効となる。
【００４０】
そこで、モード合波用光カプラ１２を複数個縦続に接続することで複数のモードを増幅用光ファイバ１１へ入射する構成の例を以下に示す。ここで用いる複数個のモード合波用光カプラ１２はそれぞれポート３へ入射した励起光を異なる伝搬モードとしてポート２へ結合する構造とする。例えば、モード合波用光カプラ１２−１はポート３に入力されたＬＰ０１モードをＬＰ１１モードとしてポート２へ結合し、モード合波用光カプラ１２−Ｘはポート３に入力されたＬＰ０１モードをＬＰ２１モードとしてポート２へ結合する。なお、それぞれのモード合波用光カプラ１２において結合する伝搬モードはファイバ（光導波路）のコア径（導波路幅）や比屈折率差を調整することにより決定する。
【００４１】
図７のように励起光をポート２へ所望の伝搬モードとして結合し、かつ結合する伝搬モードはすべて異なるモード合波用光カプラ１２を複数個縦続に接続することにより複数のモードとして励起光を入射することができる。本構成ではＸ（Ｘは１以上の整数）個の各々のモード合波用光カプラ１２に１つずつ励起光源２１がついて、Ｘ個のモード合波用光カプラ１２はそれぞれ励起光を異なる伝搬モードとしてポート２へ結合する構成となっている。
【００４２】
図８はＹ（Ｙは１より大きい整数）個の励起光をポート３より入射しポート２に結合する伝搬モードがすべて異なるモード合波用光カプラ１２と、Ｙ個のモード合波用光カプラ１２に１つの励起光源２１を有しており、これらのモード合波用光カプラ１２は図７と同様に縦続接続することにより励起光を複数の伝搬モードにして増幅用光ファイバ１１へ入射することができる。本構成においてモード合波用光カプラ１２のポート３からポート２への結合効率は１００％未満の任意の値であり、各モード合波用光カプラ１２のポート４から結合しなかった励起光が出力される。ポート４より出力される励起光は隣接するモード合波用光カプラ１２のポート３より入射されポート２へ任意の結合効率で再度結合される。接続したＹ個のモード合波用光カプラ１２を前記と同様の構成とすることで複数のモードとして励起光を入射することができる。図８に示す構成では、励起光源２１を少なくすることができるため、マルチモード伝送用光増幅器の構成を簡略化することができるとともに、モード合波用光カプラ１２の設計の自由度を向上することができる。
【００４３】
ここで、図８の構成では、各モード合波用光カプラ１２のポート４とポート３の間には信号光を遮断するバンドパスフィルタ３１を挿入することが好ましい。これにより、ポート１からポート４へわずかに漏れる信号光をカットすることができるため、モード間クロストークを抑制することができる。
【００４４】
図９はＹ（Ｙは１より大きい整数）個のモード合波用光カプラ１２に１つの励起光源２１を有しており、これらのモード合波用光カプラ１２は前記図８と同様に縦続接続することにより複数モードの励起光として増幅用光ファイバ１１へ入射することができる。励起光源２１はまずＹ分岐可能なパワーカプラ３３に入射され、パワーカプラ３３で分岐後の励起光はＹ個のモード合波用光カプラ１２のポート３に入射される。これにより、各励起光は、各々のモードとしてＹ個のモード合波用光カプラ１２のポート２へ結合する。増幅用光ファイバ１１に入射する励起光の各伝搬モードの強度を調節するために、パワーカプラ３３にて分岐後の励起光を減衰させる光アテネータ３２を設置する構成とする。このような構成にすることで、増幅用光ファイバ１１に入射する励起光の各伝搬モードの励起光強度を調節でき、励起光源２１を共用することでマルチモード伝送用光増幅器の構成が簡易となる。
【００４５】
（実施形態２）
本構成は実施形態１の図１を元にしているが、本構成はモード合波用光カプラ１２の設計による利得の調節ではなくモード変換器３４を用いた例を示す。こちらの構成ではモード合波用光カプラ１２は１つでも良いため、さらに損失の低下が可能となりマルチモード伝送用光増幅器の構成も簡易となる。
【００４６】
またモード変換器３４として、ここでは長周期ファイバブラッググレーティング（ＬＰＧ）を用いる。ＬＰＧでは特定の波長λにおいて２つのモード間の実行屈折率差に応じた屈折率揺らぎによって伝搬してきた励起光を異なる伝搬モードへ変換することが出来る。ここでは狭帯域なＬＰＧを用いることで励起光波長でのみモード変換することを実現する。しかしＬＰＧの帯域に信号光の波長が重なってしまう際には本構成を用いることは出来ない。
【００４７】
変換するためのグレーティングの間隔Λは以下の式（５）で表せる。
【数５】
2014170850.tif 000007
式（５）のｎ１とｎ２はそれぞれ波長λにおける変換する前のモードの実効屈折率と変換後のモードの実効屈折率を示している。この実効屈折率ｎ１とｎ２は光ファイバの構造パラメータ、波長、モードの次数により決定する。
【００４８】
図１０に励起光がポート３からポート２へ結合される前に所望のモードに変換する例を示す。この構成で用いられる光カプラ１７はＬＰＧ３４にて変換したモードの結合効率が高くなるよう設計することが望ましい。図１１に励起光がポート３からポート２へ合波された後に所望のモードへ変換する例を示す。こちらの構成では結合するモードに制限はなく結合効率の高いものが望ましい。
【００４９】
図１０及び図１１の構成においては共に、必要な利得を得るとき複数の励起光のモードが必要な場合は、図１２及び図１３に示すように、所望のモードの数のモード変換器３４を配置すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、マルチモード伝送用光増幅器であり、複数のモードを用いた伝送において伝搬モード毎の利得調整および伝送距離の長延化を実現する。
【符号の説明】
【００５１】
１１：増幅用光ファイバ
１２：モード合波用光カプラ
１２１：結合部
１３：アイソレータ
１４：Ｎモード伝送用光ファイバ
１５：レンズ
１６：ダイクロイックミラー
１７：光カプラ
２１：励起光源
２２：ミラー
２３：ハーフミラー
２４：位相マスク
２５：光ファイバ
３１：バンドパスフィルタ
３２：光アテネータ
３３：パワーカプラ
３４：ＬＰＧ
【図１】
2014170850.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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