(57)【要約】【課題】高い通信用信頼性が確保された状態で、光ファイバ増幅器における利得効率や雑音特性の劣化を抑制できるようにする。【解決手段】励起光源１０１より生成される基本モードの励起光を、変換部１０２により増幅用光ファイバ１０４で伝送可能な直線偏波のモードＬＰlmのｍが最大となるモードＬＰ0mの高次モードに変換し、合波部１０３で信号光に合波する。増幅用光ファイバ１０４は、合波部１０３が合波した合波光を入射して光増幅し、光増幅した合波光を出力する。分波部１０５は、増幅用光ファイバ１０４より出射された出射光を高次モードの励起光と増幅された信号光とに分波する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本モードの励起光を生成する励起光源と、
前記励起光源より生成される励起光のモードを基本モードから高次モードに変換する変換部と、
前記変換部が変換した高次モードの励起光と入力される信号光とを合波する合波部と、
前記合波部が合波した合波光を入射して光増幅する、エルビウムがドープされた増幅用光ファイバと、
前記増幅用光ファイバより出射された出射光を高次モードの励起光と増幅された前記信号光とに分波する分波部と
を備え、
前記増幅用光ファイバは、伝送可能な直線偏波のモードが前記信号光のモードと同じとされ、
前記変換部は、前記増幅用光ファイバが伝送可能なモードＬＰlmのｍが最大となるモードＬＰ0mの高次モードに基本モードの励起光を変換する
ことを特徴とする増幅用光ファイバ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モード分割多重光伝送で用いられる光ファイバ増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信サービスの高速化・大容量化に起因する幹線系光伝送システムで伝送されるトラフィックの爆発的な増大に対して、光伝送システムの伝送容量を飛躍的に増大する技術の１つとしてモード分割多重光伝送技術の研究が近年急速に進んでいる。長距離モード多重光伝送システムでは、各々異なる直線偏波（ＬＰ：Linearly Polarized）モードの複数の信号光を多重しまた変調し、出力端ではモード毎に分離している。このため、長距離モード多重光伝送システムでは、複数の異なるモードの信号光を１本の増幅用ファイバで増幅するマルチモード光ファイバ増幅器が必要となり、この研究開発が進められている（非特許文献１）。
【０００３】
マルチモード光ファイバ増幅器においてモード間利得差があると、光ファイバ増幅器を多中継光ファイバ伝送へ適用した光伝送システムでは、光中継の度にモード間の光パワー差が生じてこれが累積する結果、受信端でモード間に光信号対雑音比（光ＳＮＲ）の差が発生し、モード間で伝送特性が異なってしまう。このため、マルチモード光ファイバ増幅器ではモード間利得差の低減が重要となる。
【０００４】
マルチモード光ファイバ増幅器の利得は、励起された増幅用イオン（例えばエルビウムイオン）の分布と信号光強度の分布との重なりに関係する。重なりが大きい程、利得が大きくなりやすい。上述したモード間利得差を低減するためには、この励起されたエルビウムイオン分布と信号光強度分布との重なりを、信号光モード間で小さくすることが必要となる。
【０００５】
例えば、非特許文献２では、コア直径をやや大きくして導波路の伝搬モード数を必要モード数より大きくする一方で、全信号光モード（伝搬モード数より少ない）の光強度分布が、エルビウムイオンが添加されたコア内に十分閉じこめられるように設計したダブルクラッドエルビウム添加マルチモードファイバを用いている。このエルビウム添加マルチモードファイバにおいて、クラッド励起を用いてコア内エルビウムイオンを均一に励起することで、信号光強度分布の異なる各モードの信号光が励起エルビウムイオン分布とほぼ等しく重なる。この結果、非特許文献２の技術によれば、各信号光モードの利得をほぼ等しくすることができ、モード間利得差を低減できることが示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】E. Ip et al., "88×3×112-Gb/s WDM Transmission over 50 km of Three-Mode Fiber with Inline Few-Mode Fiber Amplifier", in The 37th European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC 2011) Technical Digest, PDP, Th.13.C.2.
【非特許文献２】N. Fontaine et al., "Multi-mode Optical Fiber Amplifier Supporting over 10 Spatial Modes", in Optical Fiber Communication Conference (OFC), 2016, PDP, Th5A.4.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献２では次の２つの課題がある。第１に、コアの伝搬モード数が信号光モード数より大きいことから、エルビウム添加マルチモードファイバを信号光が伝搬するうちにモード結合によって必要以上の高次モードが励振されることが問題となる。励振された必要以上の高次モード光は不要な光のため、必要以上の高次モード光が増幅される分、信号光の増幅利得を減少させる結果、光増幅器の利得効率を劣化させ、且つ必要以上の高次モード光が信号光と結合することにより、雑音として悪影響も及ぼす。第２に、励起光源の信頼性が問題となる。エルビウム添加マルチモードファイバをクラッド励起する際に使用する励起光源はマルチモード半導体レーザであるが、主にファイバレーザ用途に開発されたものであるため、通信用信頼性の確保に課題がある。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、高い通信用信頼性が確保された状態で、光ファイバ増幅器における利得効率や雑音特性の劣化を抑制できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る光ファイバ増幅器は、基本モードの励起光を生成する励起光源と、励起光源より生成される励起光のモードを基本モードから高次モードに変換する変換部と、変換部が変換した高次モードの励起光と入力される信号光とを合波する合波部と、合波部が合波した合波光を入射して光増幅するエルビウムがドープされた増幅用光ファイバと、増幅用光ファイバより出射された出射光を高次モードの励起光と増幅された信号光とに分波する分波部とを備え、増幅用光ファイバは、伝送可能な直線偏波のモードが信号光のモードと同じとされ、変換部は、増幅用光ファイバが伝送可能なモードＬＰlmのｍが最大となるモードＬＰ0mの高次モードに基本モードの励起光を変換する。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、励起光源より生成される基本モードの励起光を、増幅用光ファイバで伝送可能な直線偏波のモードＬＰlmのｍが最大となるモードＬＰ0mの高次モードに変換部で変換するようにしたので、高い通信用信頼性が確保された状態で、光ファイバ増幅器における利得効率や雑音特性の劣化を抑制できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における光ファイバ増幅器の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、増幅用光ファイバ１０４の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、信号光許容モードが６−ＬＰモードである増幅用光ファイバ１０４を伝搬する各信号光モードの光強度分布を示す分布図である。
【図４】図４は、ＬＰ11、ＬＰ21、ＬＰ31、ＬＰ12の各モードについて直交する奇モードと偶モードにおける光強度分布を説明するための説明図である。
【図５】図５は、リングコアエルビウム添加マルチモードファイバより増幅用光ファイバ１０４を構成した実施の形態における光ファイバ増幅器の利得スペクトルを示す特性図である。
【図６】図６は、リングコアエルビウム添加マルチモードファイバより増幅用光ファイバ１０４を構成した光ファイバ増幅器において、励起光のモードをＬＰ01とした場合の利得スペクトルを示す特性図である。
【図７】図７は、円形コアのエルビウム添加マルチモードファイバより増幅用光ファイバ１０４を構成した実施の形態における光ファイバ増幅器の利得スペクトルを示す特性図である。
【図８】図８は、円形コアのエルビウム添加マルチモードファイバより増幅用光ファイバ１０４を構成した光ファイバ増幅器において励起光のモードをＬＰ01とした場合の利得スペクトルを示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光ファイバ増幅器の構成を示す構成図である。この光ファイバ増幅器は、励起光源１０１、変換部１０２、合波部１０３、増幅用光ファイバ１０４、分波部１０５を備える。
【００１３】
励起光源１０１は、基本モードの励起光を生成する。変換部１０２は、励起光源１０１より生成される励起光のモードを基本モードから高次モードに変換する。合波部１０３は、変換部１０２が変換した高次モードの励起光と入力される信号光とを合波する。合波部１０３は、光アイソレータ１０６を経由して入力された信号光と励起光とを合波する。
【００１４】
増幅用光ファイバ１０４は、合波部１０３が合波した合波光を入射して光増幅し、光増幅した合波光を出力する。増幅用光ファイバ１０４は、エルビウムがドープされている。増幅用光ファイバ１０４は、リングコアエルビウム添加マルチモードファイバである。
【００１５】
増幅用光ファイバ１０４は、図２の断面図に示すように、リングコア２０１と、リングコア２０１の外側に形成されたクラッド２０２と、リングコア２０１の内側に形成された内側コア２０３とを備える。例えば、クラッドガラス屈折率と内側コアガラス屈折率は等しく且つリングコアより小さく、リングコア２０１の内半径は２．５μｍ、外半径は７μｍ、比屈折率差は１％である。この構成とした増幅用光ファイバ１０４は、信号光波長（１５５０ｎｍ帯）ではＬＰ01、ＬＰ11、ＬＰ21、ＬＰ02、ＬＰ31、ＬＰ12の６−ＬＰモードが許容モード（伝送可能なモード）となる。
【００１６】
増幅用光ファイバ１０４は、伝送可能な直線偏波のモードＬＰlmが信号光のモードと同じとされているものである。実施の形態では、信号光が、ＬＰ01、ＬＰ11、ＬＰ21、ＬＰ02、ＬＰ31、ＬＰ12を多重したものである。なお、ＬＰlmにおいて、よく知られているように、ｌは、増幅用光ファイバ１０４の断面方向で形成される光強度分布を分ける節の数の１／２の数（整数）である。また、ｍは、増幅用光ファイバ１０４断面方向における光強度分布の極大値の数（整数）である。
【００１７】
言い換えると、実施の形態では、６−ＬＰモード信号光が増幅対象となり、この信号光のモードと増幅用光ファイバ１０４の許容信号光モードＬＰlmは同一とされている。また、増幅用光ファイバ１０４における許容モードＬＰlmのｍが最大となるモードは、ＬＰ02またはＬＰ12である。この場合、増幅用光ファイバ１０４においては、ＬＰ12モードより高次の信号光モードは励振されず、励起効率や雑音特性の劣化が抑制される。
【００１８】
分波部１０５は、増幅用光ファイバ１０４より出射された出射光を高次モードの励起光と増幅された信号光とに分波する。分波部１０５により分波された信号光は、光アイソレータ１０７を経由して出力される。光アイソレータ１０６、光アイソレータ１０７は、例えば、磁気光学素子と、この磁気光学素子を挾んで配置した２つの複屈折素子とから構成され、一方向のみに光を透過させる。
【００１９】
上述した構成において、変換部１０２は、励起光源１０１が生成する基本モードの励起光（ＬＰ01）を、多重されている信号光のいずれかのモードＬＰlmのｍが最大となるモードＬＰ0mの高次モードに変換する。上述の場合、ｍが最大となるモードは、ＬＰ02またはＬＰ12であり、これらの中でｌ＝０となるＬＰ02が、変換部１０２において採用される高次モードとなる。
【００２０】
ここで、信号光許容モードが６−ＬＰモードである増幅用光ファイバ１０４を伝搬する各信号光モードの光強度分布を図３に示す。ＬＰ11、ＬＰ21、ＬＰ31、ＬＰ12の各モードについては、直交する奇モードと偶モードを重ね合わせて表示している。図３に示した光強度分布は黒色が濃い程強度が小さく、白くなるにしたがって強度が大きくなることを示している。
【００２１】
６つのＬＰモードのうち、ＬＰ01、ＬＰ11、ＬＰ21、ＬＰ31の４モードについては、半径方向の光強度極大値が１つであり、ファイバ断面における光強度分布は１つのリング状となる。また、ｌが大きくなる程このリング状の光強度分布の広がりは大きくなる。一方、ＬＰ02，ＬＰ12の２つのモードについては、半径方向の極大値が２つあり、ファイバ断面における光強度分布は２つのリング状となる。
【００２２】
このように信号光の各モード光強度分布のリング数が異なる場合は、励起光モードの光強度分布はリング数の多いモードの方が有利となる。これは、各信号光モードの利得は、リングコア内に添加されたエルビウムが励起光によって励起されることにより生じる励起エルビウムイオン分布、および信号光の光強度分布の重なりに依存する（重なりが大きいほど利得は大きくなる）が、光強度分布のリング数の多い励起光モードほど各信号光モードの光強度分布に対してより均一にリングコア内のエルビウムイオンを励起できるためである。
【００２３】
なお、ＬＰ11、ＬＰ21、ＬＰ31、ＬＰ12の各モードについて、直交する奇モードと偶モードにおける光強度分布は、図４に示す状態となる。図４の（ａ）に示すように、モードＬＰ11は、増幅用光ファイバ１０４の断面方向で形成される光強度分布を分ける節の数が２である。従って、この場合、ｌ＝２×（１／２）＝１となる。また、図４の（ｂ）に示すように、モードＬＰ21は、増幅用光ファイバ１０４の断面方向で形成される光強度分布を分ける節の数が４である。従って、この場合、ｌ＝４×（１／２）＝２となる。また、図４の（ｃ）に示すように、モードＬＰ31は、増幅用光ファイバ１０４の断面方向で形成される光強度分布を分ける節の数が６である。従って、この場合、ｌ＝６×（１／２）＝３となる。
【００２４】
また、図４の（ｄ）に示すように、モードＬＰ12は、増幅用光ファイバ１０４の断面方向で形成される光強度分布を分ける節の数が２であり、増幅用光ファイバ１０４の断面方向に光強度分布が極大値をとる数が２つある。従って、この場合、ｌ＝２×（１／２）＝１となり、ｍ＝２となる。
【００２５】
ここで、曲げなどにより光強度分布は回転が生じるため、励起光モードは方位角依存性のないｌ＝０となるモードの方がよいことになる。また、一般的に励起光波長は信号光波長より短波長となるため、励起光モード数は信号光モード数より多くなるが、信号光モードのうちｌ＝０となる最も高次のモードがＬＰ0μモードのときに、励起光モードとしてＬＰ0μ+1モードが必ずしも許容となる訳ではないため、励起光モードとしてはＬＰ0μモードが最も適していることになる。
【００２６】
以上により、６−ＬＰモードのエルビウム添加ファイバを増幅用光ファイバ１０４に用いた実施の形態における光ファイバ増幅器では、励起光モードとしてＬＰ02が最も適していることになる。
【００２７】
ここで、励起光源１０１は、例えば、９８０ｎｍ帯の基本モード(ＬＰ01モード)の光を発生する半導体レーザである。例えば、基本モード（ＬＰ01モード）のみを増幅するエルビウム添加ファイバ増幅器で一般に使用されている、半導体レーザが適している。この半導体レーザは、通信用信頼性が確保されており、この半導体レーザを用いることで高信頼なマルチモード光増幅器を提供することができるようになる。
【００２８】
合波部１０３は、９８０ｎｍ帯の励起光と１５５０ｎｍ帯の信号光とを合波するダイクロイックミラーから構成されている。変換部１０２は、ＬＰ01モード９８０ｎｍ帯の励起光をＬＰ02モードへ変換する位相板から構成されている。この位相板を合波部１０３に組み込んで、合波部１０３と変換部１０２とを一体構造としてもよい。分波部１０５は、増幅用光ファイバ１０４より出射した増幅光を、９８０ｎｍ帯の励起光と１５５０ｎｍ帯の信号光とに分波する。
【００２９】
上述したリングコアエルビウム添加マルチモードファイバより増幅用光ファイバ１０４を構成した実施の形態における光ファイバ増幅器の利得スペクトルを図５に示す。図５に示すように、ＬＰ02モード励起光により励起した場合の最大のモード間利得差は１ｄＢであった。一方、図６には参照データとして、励起光のモードをＬＰ01とした場合の光ファイバ増幅器の利得スペクトルを示す。図６に示すように、ＬＰ01モード励起光により励起した場合、最大のモード間利得差は、ＬＰ02モード励起光により励起した場合より大きく、５ｄＢであった。図５と図６との比較から明らかなように、ＬＰ01モード励起光を用いるよりＬＰ02励起光を用いた方がモード間利得差を小さくすることができることがわかる。
【００３０】
同様に参照データとして、励起光のモードをＬＰ11とした場合、モード間利得差は４ｄＢとなった。励起光のモードをＬＰ21とした場合、モード間利得差は３．５ｄＢとなった。励起光のモードをＬＰ31とした場合、モード間利得差は３．４ｄＢとなった。励起光のモードをＬＰ12とした場合、モード間利得差は４．５ｄＢとなった。これらの結果より、６−ＬＰモードのエルビウム添加ファイバを増幅用光ファイバ１０４に用いた実施の形態における光ファイバ増幅器では、励起光のモードをＬＰ02とすることで、モード間利得差を最小化できることが示された。
【００３１】
以上の説明では、増幅用光ファイバ１０４を、６−ＬＰモードのリングコアエルビウム添加マルチモードファイバから構成した場合を例に説明したが、これに限るものではない。任意のモード数の光ファイバであっても同様である。また、円形コアのエルビウム添加マルチモードファイバの場合も同様である
【００３２】
以下、６−ＬＰモードの円形コアのエルビウム添加マルチモードファイバから増幅用光ファイバ１０４を構成した場合について説明する。円形コアのエルビウム添加マルチモードファイバは、コア半径は１０μｍ、比屈折率差は１％である。
【００３３】
この円形コアのエルビウム添加マルチモードファイバより増幅用光ファイバ１０４を構成した実施の形態における光ファイバ増幅器の利得スペクトルを図７に示す。図７に示すように、ＬＰ02モード励起光により励起した場合の最大のモード間利得差は２ｄＢであった。
【００３４】
一方、図８には参照データとして、励起光のモードをＬＰ01とした場合の光ファイバ増幅器の利得スペクトルを示す。図８に示すように、ＬＰ01モード励起光により励起した場合、最大のモード間利得差は、ＬＰ02モード励起光により励起した場合より大きく、７ｄＢであった。図７と図８との比較から明らかなように、円形コアの場合でも、ＬＰ01モード励起光を用いるよりＬＰ02励起光を用いた方がモード間利得差を小さくすることができることがわかる。
【００３５】
同様に、円形コアの場合の参照データとして、励起光のモードをＬＰ11とした場合、モード間利得差は６．５ｄＢとなった。励起光のモードをＬＰ21とした場合、モード間利得差は６ｄＢとなった。励起光のモードをＬＰ31とした場合、モード間利得差は３．５ｄＢとなった。励起光のモードをＬＰ12とした場合、モード間利得差は５ｄＢとなった。これらの結果より、円形コアの場合も、励起光のモードをＬＰ02とすることで、モード間利得差を最小化できることが示された。
【００３６】
以上に説明したように、本発明によれば、励起光源より生成される基本モードの励起光を、増幅用光ファイバで伝送可能な直線偏波のモードＬＰlmのｍが最大となるモードＬＰ0mの高次モードに変換部で変換するようにしたので、高い通信用信頼性が確保された状態で、光ファイバ増幅器における利得効率や雑音特性の劣化を抑制できるようになる。
【００３７】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００３８】
１０１…励起光源、１０２…変換部、１０３…合波部、１０４…増幅用光ファイバ、１０５…分波部、１０６…光アイソレータ、１０７…光アイソレータ。
【図１】
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【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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