(57)【要約】【課題】  装置構造の複雑化を避けつつ効率的な励起光利用を可能にするための構造を備えた光増幅器等を提供する。【解決手段】  当該光増幅器では、それぞれに希土類元素が含有された増幅用ＭＣＦの複数のコアのうち隣接するコア同士が増幅波長において結合型コアを構成し、結合用ＭＣＦが該増幅用ＭＣＦに接続され、励起光源が該結合用ＭＣＦに接続され、励起光源が結合用ＭＣＦを介して増幅用ＭＣＦの希土類元素を励起する。これにより、結合型コアが構成される増幅用ＭＣＦと結合用ＭＣＦの間において、光学的に接続されたコア間での励起光結合が可能になる。【選択図】  図３
2019075450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが第１中心軸に沿って延びるとともに希土類元素が添加された、シリカガラスからなる複数の第１コアと、前記複数の第１コアそれぞれを取り囲み、前記第１コアの何れよりも低い屈折率を有するシリカガラスからなる第１クラッドと、を有する増幅用マルチコア光ファイバであって、前記希土類元素が励起される励起波長において１［ｄＢ／ｍ］以上の吸収係数と、前記希土類元素が光を増幅する増幅波長において−１７［ｄＢ］以上のコア間クロストークと、を有する増幅用マルチコア光ファイバと、
それぞれが第２中心軸に沿って延びるとともに前記複数の第１コアの何れかと光学的に接続された、シリカガラスからなる複数の第２コアと、前記複数の第２コアそれぞれを取り囲み、前記第２コアの何れよりも低い屈折率を有するシリカガラスからなる第２クラッドと、を有する結合用マルチコア光ファイバと、
前記結合用マルチコア光ファイバを介して前記複数の第１コアにおける前記希土類元素に、前記励起波長の励起光を供給する励起光源と、
を備えることを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
前記結合用マルチコア光ファイバは、前記励起波長において−１７［ｄＢ］以上のコア間クロストークを有し、
前記励起光源が供給する前記励起光は、前記複数の第２コアの少なくとも１つに結合され、前記複数の第２コアの間で結合され、更に前記複数の第２コアそれぞれから前記複数の第１コアのうち光学的に接続された第１コアへ結合されることにより、前記希土類元素を励起することを特徴とする請求項１に記載された光増幅器。
【請求項３】
前記増幅用マルチコア光ファイバは、前記第１クラッドを取り囲み、前記第１クラッドよりも低い屈折率を有する第１樹脂層を更に有し、
前記結合用マルチコア光ファイバは、前記第２クラッドを取り囲み、前記第２クラッドよりも低い屈折率を有する第２樹脂層を更に有するとともに、前記第２クラッドは前記第１クラッドに光学的に接続され、
前記励起光源が供給する前記励起光は、前記第２クラッドへ結合され、更に前記第２クラッドから前記第１クラッドへ結合されることにより、前記第１クラッドに取り囲まれた前記複数の第１コアにおける前記希土類元素を励起することを特徴とする、請求項１に記載された光増幅器。
【請求項４】
前記希土類元素はエルビウムを含み、前記励起波長は９８０ｎｍであり、かつ、前記増幅波長は１５５０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載された光増幅器。
【請求項５】
前記第１中心軸に直交する、前記増幅用マルチコア光ファイバの断面において、前記複数の第１コアのうち１つの第１コアは、前記第１中心軸上に位置し、
前記第２中心軸に直交する、前記結合用マルチコア光ファイバの断面において、前記複数の第２コアのうち１つの第２コアは、前記第２中心軸上に位置し、
前記励起光源は、第３中心軸を含んだ状態で前記第３中心軸に沿って延びる単一コアと、前記単一コアを取り囲む第３クラッドと、を有するシングルモード光ファイバを含み、
前記シングルモード光ファイバと前記結合用マルチコア光ファイバは、前記単一コアと前記第２中心軸上に位置する第２コアとが光学的に接続されるよう配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光増幅器。
【請求項６】
それぞれが所定の中心軸に沿って延びるとともに希土類元素が添加された、シリカガラスからなる複数のコアと、前記複数のコアそれぞれを取り囲み、前記複数のコアの何れよりも低い屈折率を有するシリカガラスからなるクラッドと、前記クラッドの外周面上を取り囲む樹脂被覆と、を有するとともに、
前記複数のコアのうち隣接するコア間の結合状態を示す指標として、波長１５５０ｎｍにおいて−１７［ｄＢ］以上のコア間クロストークを有することを特徴とするマルチコア光ファイバ。
【請求項７】
前記複数のコアは、前記中心軸を含んだ状態で前記中心軸に沿って延びる１つのコアを含むことを特徴とする請求項６に記載のマルチコア光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅器およびそれに適用されるマルチコア光ファイバに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
単一のクラッド内に複数のコアを有するマルチコア光ファイバ（以下、「ＭＣＦ：Multi-Core Optical fiber」と記す）は、情報伝送量の空間密度を高め、地中管路や海底ケーブルなど通信路の限られた断面積を効率良く利用する技術として期待される。ＭＣＦの中でも、複数のコアの間で導波モードが結合した結合コア型マルチコア光ファイバ（以下、「ＣＣ−ＭＣＦ：Coupled-Core Multi-Core Optical Fiber」と記す）は、隣接するコア間の距離が短いため、情報伝送量の空間密度を高める効果が高い。このＣＣ−ＭＣＦにおいては、結合したコアを伝搬した複数の導波モードの信号を区別するためにＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）信号処理の技術が必要となる。ＭＩＭＯ信号処理のコストは、導波モード間の遅延時間差（以下、「ＤＭＤ：Differential Mode Delay」と記す)の増大とともに増大する。ＤＭＤの増大を抑制する技術としては、例えば、コア間の結合の強さの適切な設定により導波モード間の群速度の差を小さくできることが知られている。加えて、光ファイバの実用時に生じる曲がりや捻れによってモード結合を生じさせることでＤＭＤの蓄積をランダム化することで、該ＤＭＤの蓄積の速度をファイバ長の１乗から１／２乗に低減できることが知られている。このようなＭＣＦは、結合モード結合コア型マルチコア光ファイバ（以下、「ＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦ：Coupled-Mode Coupled-Core Multi Core Optical Fiber」と記す）と呼ばれ、非特許文献１に開示されている。
【０００３】
このようなＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦは、典型的には１[１／ｍ]以上のコア間モード結合係数、または、１０[１／ｍ]以上のコア間パワー結合係数を有する。ここで、モード結合係数とは、ある導波モードが単位長さを伝搬する際に別の導波モードに結合する成分の複素振幅の比率である。より詳細には、非特許文献２に記載されているように、モード結合方程式の係数として定義される。本明細書では記述を簡潔にするために、隣り合うコアの組合せごとに定義される基底モード間のモード結合係数のうちの最小値を、「コア間モード結合係数」と呼ぶ。また、パワー結合係数とは、ある導波モードが単位長さを伝搬する際に別の導モードに結合する成分のパワーの比率である。より詳細には、非特許文献２に記載されているように、パワー結合方程式の係数として定義される。本明細書では記述を簡潔にするために、隣り合うコアの組合せごとに定義される基底モード間のパワー結合係数のうちの最小値を、「コア間パワー結合係数」と呼ぶ。モード結合係数またはパワー結合係数が大きいほど、伝搬長に対してＤＭＤが蓄積する速さを遅くする効果が大きい。また、所定の伝搬長において有意なモード結合が生じたかどうかはクロストークで評価することができる。クロストークは、あるコアに入力された光パワーのうち別のコアから出力される光パワーの比率を表す。本明細書では記載を簡潔にするために、隣り合うコアの組合せごとに定義されるクロストークのうち最大値を、「コア間クロストーク」と呼ぶ。一般にはコア間クロストークが−２０ｄＢ以下であればモード結合が小さく、−２０ｄＢ以上、より好ましくは−１７ｄＢ以上であれば有意なモード結合が生じていると見なすことができる。
【０００４】
一般に、光信号を長い距離に亘って伝送するためには光増幅器が必要である。光増幅器の光増幅媒体としては、増幅されるべき光信号が伝搬するコア内に希土類元素、特にエルビウムが添加された希土類添加コア−光ファイバの利用が効率的であることが知られている。ただし、希土類元素に光増幅特性を発揮させるためには励起光が必要であり、ＭＣＦにおいては、複数の希土類添加コアに励起光を効率良く結合させることが課題となる。
【０００５】
例えば、下記特許文献１には、中心軸上に励起光が伝搬するポンプコアが配置されるとともに、該ポンプコアの周辺に希土類元素が添加された複数のコア（以下、「増幅器コア」と記す）が配置された増幅用ＭＣＦが開示されており、ＭＣＦ伝送路の複数のコアから複数の増幅器コアに信号光をそれぞれ結合させることで信号光が増幅される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】：ＷＯ２０１１−１１６０７５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Tetsuya Hayashi,et al., “Coupled-Core Multi-Core Fibers: High-Spatial-Density OpticalTransmission Fibers with Low Differential Modal Properties,” Proc. ECOC 2015,We.1.4.1 (2015)
【非特許文献２】Masanori Koshiba et al., “Multi-core fiberdesign and analysis: coupled mode theory and coupled-power theory,”, Optics Express Vol. 19, No. 26, pp. B102-B111 (2011).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発明者らは、光増幅器に適用可能な従来の増幅用ＭＣＦ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、ＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦ（結合モード結合コア型ＭＣＦ）からなる伝送路を伝搬する光信号を従来技術の増幅用ＭＣＦによって増幅する際、コア間でのゲインのバラツキが大きく、モード間で等しいパワーを前提としているＭＩＭＯ信号処理の効果が損なわれることがあった。また、励起光の利用効率が低く、また、ＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦの各コアへの励起光の結合も困難であった。特許文献１に記載の増幅用ＭＣＦでは、従来的な非結合型のＭＣＦからなる伝送路を伝搬する光信号が対象として想定されていたため、増幅器でのコア間クロストークは低く抑えられ、製造バラツキによるコアの特性バラツキが直接的にゲインのバラツキに影響していたためである。また、ポンプコアに結合される励起光のうち、増幅器コアに結合して増幅に寄与するのは一部であり、残りの励起光は増幅に寄与しないため励起光の利用効率が低い。一般に、励起光が局在するポンプコアと、希土類元素が添加されている増幅器コアと、が空間的に一致していないと、励起光の利用効率が低くなる。これは、励起光と希土類元素の重なりが小さくなり、その結果、励起光のパワーの大きな割合が希土類元素に吸収されずに散逸するためである。励起光の利用効率の観点では、複数の増幅器コアそれぞれに励起光を結合することが有利であるが、従来技術では複数の増幅器コアに励起光を結合する光学系は部品点数が多くなるため、高いコストや低い信頼性の原因となっていた。
【０００９】
本発明は、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、装置構造の複雑化を避けつつコア間でのゲインの均一性を高め、効率的な励起光利用を可能にするための構造を備えた光増幅器、該光増幅器の増幅用ＭＣＦとして適用可能なＭＣＦを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施形態は、複数のコア間で光がパワー結合しながら伝搬するＣＣ−ＭＣＦ（結合コア型マルチコア光ファイバ）を用いたシステムにおける光増幅に適した光増幅器およびそれに適用されるＭＣＦに関する。具体的に、本実施形態に係る光増幅器は、増幅用ＭＣＦと、結合用ＭＣＦと、励起光源と、を備え、結合用ＭＣＦが、増幅用ＭＣＦの各コアへ励起光を供給する光学部品として機能する。増幅用ＭＣＦは、それぞれが第１中心軸に沿って延びる複数の第１コアと、複数の第１コアそれぞれを取り囲む第１クラッドと、を有する。複数の第１コアそれぞれは、希土類元素が添加されたシリカガラスからなる。一方、第１クラッドは、複数の第１コアそれぞれよりも低い屈折率を有するシリカガラスからなる。結合用ＭＣＦは、それぞれが第２中心軸に沿って延びる複数の第２コアと、複数の第２コアそれぞれを取り囲む第２クラッドと、を有する。複数の第２コアそれぞれは、シリカガラスからなり、複数の第１コアの何れかと光学的に接続される。一方、第２クラッドは、複数の第２コアよりも低い屈折率を有するシリカガラスからなる。また、増幅用ＭＣＦは、複数の第１コアのうち隣接する第１コア間の結合状態を示す指標として、波長１５５０ｎｍ（増幅波長）において−１７［ｄＢ］以上のコア間クロストークを有する。励起光源は、結合用ＭＣＦを介して複数の第１コアにおける希土類元素に、波長９８０ｎｍ（励起波長）の励起光を供給する。なお、希土類元素が励起される励起波長において、増幅用ＭＣＦは１［ｄＢ／ｍ］以上の吸収係数を有する。さらに好ましくは、結合用ＭＣＦは、複数の第２コアのうち隣接する第２コア間の結合状態を示す指標として、波長９８０ｎｍにおいて−１７［ｄＢ］以上のコア間クロストークを有する。また、励起光源は、一例として、複数の第２コアのうち少なくとも１つの第２コアに光学的に接続され、該少なくとも１つの第２コアに結合された、励起光源からの励起光は、複数の第２コアの間で結合された後、更に複数の第２コアそれぞれから複数の第１コアのうち光学的に接続された第１コアへ結合される。
【発明の効果】
【００１１】
本実施形態によれば、増幅用ＭＣＦにおけるコア間の結合を利用してコア間のゲインのバラツキを低く抑えることができる。さらには、結合用ＭＣＦにおけるコア間の結合を利用して増幅用ＭＣＦの各コア（増幅用コア）に励起光源からの励起光を結合させることで、励起光を増幅用ＭＣＦの各コアに結合させるための構造をシンプル化し、低いコストと高い信頼性を有する光増幅器の実現が可能になる。また、各コア（増幅用コア）に希土類が添加されたＣＣ―ＭＣＦを増幅用ファイバとして利用することで励起光と希土類元素の高い重なりを実現し、結果、励起光の利用効率を高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る光増幅器が適用可能な光通信システムの概略構成の一例を示す図である。
【図２】本実施形態に係るマルチコア光ファイバの断面構造（中心軸に直交する断面）の一例を示す図である。
【図３】本実施形態に係るマルチコア光ファイバの断面構造（中心軸を含む断面）の一例を示す図である。
【図４】第１実施形態に係る光増幅器の構成の一例を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る光増幅器の構成の一例を示す図である。
【図６】第３実施形態に係る光増幅器の構成の一例を示す図である。
【図７】第４実施形態に係る光増幅器の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。
【００１４】
（１）本実施形態に係る光増幅器の一態様として、当該光増幅器は、増幅用ＭＣＦと、結合用ＭＣＦと、励起光源と、を備え、結合用ＭＣＦが、増幅用ＭＣＦの各コアへ励起光を供給する光学部品として機能する。増幅用ＭＣＦは、それぞれが第１中心軸に沿って延びる複数の第１コアと、複数の第１コアそれぞれを取り囲む第１クラッドと、を有する。複数の第１コアそれぞれは、例えばエルビウム（Ｅｒ）などの希土類元素が添加されたシリカガラスからなる。一方、第１クラッドは、複数の第１コアそれぞれよりも低い屈折率を有するシリカガラスからなる。結合用ＭＣＦは、それぞれが第２中心軸に沿って延びる複数の第２コアと、複数の第２コアそれぞれを取り囲む第２クラッドと、を有する。複数の第２コアそれぞれは、シリカガラスからなり、複数の第１コアの何れかと光学的に接続される。一方、第２クラッドは、複数の第２コアよりも低い屈折率を有するシリカガラスからなる。また、増幅用ＭＣＦは、複数の第１コアのうち隣接する第１コア間の結合状態を示す指標として、波長１５５０ｎｍ（増幅波長）において−１７［ｄＢ］以上のコア間クロストークを有する。また、励起光源は、結合用ＭＣＦを介して複数の第１コアにおける希土類元素に、波長９８０ｎｍ（励起波長）の励起光を供給する。なお、希土類元素が励起される励起波長において、増幅用ＭＣＦは１［ｄＢ／ｍ］以上の吸収係数を有する。
【００１５】
この態様によれば、波長１５５０ｎｍ信号光は、クロストークが生じる増幅用ＭＣＦの複数のコア間を遷移しながら伝搬する。それにより、製造バラツキによって生じるコア間の特性差があっても、それぞれのコアを伝搬する信号光の特性差はその影響を受けにくくなり、コア間でのゲインのバラツキが低減される。クロストークは、伝搬中の信号においては見かけ上は雑音になるが、信号をコヒーレント検出した後にＭＩＭＯ信号処理などの処理を行なうことで影響を除去できる。ただし、ＭＩＭＯ信号処理が効果を有するためにはコア間のゲインのバラツキが低減されている必要がある。
【００１６】
（２）本実施形態に係るＭＣＦの一態様として、結合用ＭＣＦは、複数の第２コアのうち隣接する第２コア間の結合状態を示す指標として、波長９８０ｎｍ（励起波長）において−１７［ｄＢ］以上のコア間クロストークを有する。励起光源は、複数の第２コアのうち少なくとも１つの第２コアに光学的に接続される。また、励起光源は、結合用ＭＣＦを介して複数の第１コアそれぞれに、波長９８０ｎｍの励起光を供給する。このような構成において、当該光増幅器では、複数の第２コアのうち少なくとも１つの第２コアに結合された、励起光源からの励起光は、複数の第２コアの間で結合された後、複数の第２コアそれぞれから複数の第１コアのうち光学的に接続された第１コアへ結合される。
【００１７】
この態様によれば、増幅用ＭＣＦの複数の第１コアに励起光がそれぞれ供給される前に、それぞれが増幅用ＭＣＦの複数の第１コアの何れかに光学的に接続された複数の第２コアを有する結合用ＭＣＦにおいて、予め、励起光源から少なくとも１つの第２コア（特定コア）に結合された励起光が、特定コアから該特定コアを除く残りの第２コアに結合され、当該結合用ＭＣＦの複数の第２コアと増幅用ＭＣＦの複数の第１コアとの間（互いに光学的に接続されたコア同士の間）で、励起光の結合が可能になる。これにより、結合コア型ＭＣＦ（伝送用ＭＣＦ）で構成された伝送路により伝送される信号光を増幅する当該光増幅器のサイズおよび消費電力が効果的に低減され得る。
【００１８】
（３）本実施形態に係るＭＣＦの一態様として、増幅用ＭＣＦは、第１クラッドを取り囲み、第１クラッドよりも低い屈折率を有する第１樹脂層を更に有するのが好ましい。また、結合用ＭＣＦは、第２クラッドを取り囲み、第２クラッドよりも低い屈折率を有する第２樹脂層を更に有するのが好ましい。なお、第２クラッドは第１クラッドに光学的に接続される。このような構成において、励起光源が供給する励起光は、第２クラッドへ結合され、更に第２クラッドから第１クラッドへ結合されることにより、第１クラッドに取り囲まれた複数の第１コアにおける希土類元素を励起する。
【００１９】
この態様によれば、第２クラッドに励起光を結合する励起光源として、空間多モード型のレーザを使用することが可能になる。空間多モード型のレーザは、空間単一モードのレーザに比べて空間パワー密度が低く抑えられる。そのため、空間多モード型のレーザは、高い出力パワーの励起光を発生させることができ、光増幅器の出力パワーを高めることができる。
【００２０】
（４）本実施形態に係る光増幅器の一態様として、第１中心軸に直交する、増幅用マルチコア光ファイバの断面において、複数の第１コアのうち１つの第１コアは、第１中心軸上に位置するのが好ましい。また、第２中心軸に直交する、結合用マルチコア光ファイバの断面において、複数の第２コアのうち１つの第２コアは、第２中心軸上に位置するのが好ましい。また、励起光源は、第３中心軸を含んだ状態で第３中心軸に沿って延びる単一コアと、単一コアを取り囲むとともに該単一コアよりも低い屈折率を有する第３クラッドと、を有するシングルモード光ファイバ（以下、「ＳＭＦ」と記す）を含み、ＳＭＦの単一コアから励起光が出力される。このような構成において、ＳＭＦと結合用ＭＣＦは、単一コアと第２中心軸上に位置する第２コアとが光学的に接続されるよう配置される。この態様によれば、ＣＣ−ＭＣＦで構成された伝送路により伝送される信号光を増幅する光増幅器の更なる小型化が可能になる。
【００２１】
（５）本実施形態に係るＭＣＦは、上述のような構造を有する光増幅器の増幅用ＭＣＦに適用可能であり、複数のコアと、クラッドと、樹脂被覆と、を有する。複数のコアは、それぞれが所定の中心軸に沿って延びるとともに希土類元素が添加されたシリカガラスからなる。クラッドは、複数のコアそれぞれを取り囲むとともに複数のコアそれぞれよりも低い屈折率を有するシリカガラスからなる。樹脂被覆は、クラッドの外周面上を取り囲む樹脂からなる。また、上記増幅用ＭＣＦに適用可能な当該ＭＣＦは、複数のコアのうち隣接するコア間の結合状態を示す指標として、波長１５５０ｎｍにおいて−１７［ｄＢ］以上のコア間クロストークを有する。この態様によれば、ＣＣ−ＭＣＦで構成された伝送路により伝送される信号光を小さなゲインばらつきかつ省スペースかつ低消費電力で増幅する光増幅器の実現が可能になる。
【００２２】
（６）本実施形態に係るＭＣＦの一態様として、複数のコアは、中心軸を含んだ状態で該中心軸に沿って延びる１つのコアを含むのが好ましい。この態様によれば、ＣＣ−ＭＣＦで構成された伝送路により伝送される信号光をさらに省スペースで増幅する光増幅器の実現が可能になる。
【００２３】
以上、この[本願発明の実施形態の説明]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。
【００２４】
[本願発明の実施形態の詳細]
本願発明に係る光増幅器およびＭＣＦ（マルチコア光ファイバ）の具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、これら例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、また、特許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ている。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。
【００２５】
図１は、本実施形態に係る光増幅器が適用可能な光通信システム１００の概略構成の一例を示す図である。図１の光通信システム１００は、複数の基地局１００Ａ〜１００Ｃと、基地局１００Ａと基地局１００Ｂの間、および、基地局１００Ｂと基地局１００Ｃの間にそれぞれ敷設された伝送路を備える。基地局間に敷設された各伝送路は、ＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦ（伝送用ＭＣＦ）で構成され、この伝送路上に本実施形態に係る光増幅器２が配置されている。伝送路であるＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦではモード結合が生じるが、伝送された信号を受信する基地局においてＭＩＭＯ信号処理を行なうことでモード結合に係わらず正しい信号が復元される。ただし、ＭＩＭＯ信号処理が上記の効果を発揮するためには、ＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦのコア間での挿入損失の差が無視できる程度に小さいことが必要である。具体的に、基地局１００Ａと基地局１００Ｂとの間に敷設された伝送路は、本実施形態に係る光増幅器２と、基地局１００Ａと光増幅器２との間に配置された第１伝送用ＭＣＦ（入力側ＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦ）７と、光増幅器２と基地局１００Ｂとの間に配置された第２伝送用ＭＣＦ（出力側ＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦ）８と、により構成されている。なお、図１の例では、基地局１００Ｂと基地局１００Ｃの間に敷設された伝送路の構成も、基地局１００Ａと基地局１００Ｂとの間に敷設された伝送路と同じ構造を有する。また、図１の例では、基地局間の各伝送路は１系統のみで構成されているが、信頼性向上のために２系統以上で構成されてもよい。
【００２６】
図２は、図１の光増幅器２に適用可能な増幅用ＭＣＦ１（本実施形態に係るＭＣＦ）の断面構造を示す図である。この図２には、中心軸１０に直交する増幅用ＭＣＦ１の断面が示されている。図２（断面図）に示されたように、増幅用ＭＣＦ１は、中心軸１０およびその周囲に略対称的に配置された７個のコア１１と、これらコア１１それぞれを取り囲むクラッド１２と、クラッド１２の外周面上に設けられた被覆（樹脂被覆）１３を備える。また、クラッド１２および被覆１３は、略同心円状に配置されている。コア１１およびクラッド１２は、それぞれシリカガラスを主成分として構成され、コア１１には、光増幅のための希土類元素として、エルビウム（Ｅｒ）が添加されている。コア１１には、更に、増幅特性および屈折率を最適化するためにＧｅやＡｌなどの元素が添加されることが好ましい。また、クラッド１２には、更に、Ｆが添加されることが好ましく、それによってコアとクラッドの屈折率差が高まり、小径に曲げた時の光損失を抑えられるので、光増幅器を小型化できる。コア１１は、クラッド１２よりも比屈折率差で０．３％〜１．５％高い屈折率差を有し、光をコアに閉じ込める。被覆１３は、紫外線硬化樹脂で構成される。より好ましい形態の１つにおいては、被覆１３が、クラッドよりも比屈折率差で１％〜５％低い屈折率を有し、それによりクラッドを伝搬する励起光によってコアの希土類元素を励起でき、増幅器の出力パワーを高めることができる。また、図には示されていないが、被覆１３は、複数の層（樹脂層）から構成されてもよく、特に、被覆１３が複数の樹脂層で構成される場合、当該増幅用ＭＣＦ１の外周面側から作用するランダムな外力のうちガラスに作用してマイクロベンドを生じさせる成分を減衰させるため、クラッド１２に隣接する内側の層が、当該被覆１３の外周面を含む外側の層よりも低いヤング率を有するのが好ましい。
【００２７】
増幅用ＭＣＦ１は、Ｅｒを励起する波長９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍの励起光を伝搬させ、光通信に典型的に用いられる１５３０〜１６１０ｎｍの波長の信号光を伝搬させながら増幅する。コア１１それぞれの直径は、好ましくは２〜１６μｍ、より好ましくは３〜８μｍである。これにより、個別のコアで定義される基底モードを適切な強さで該コア内に閉じ込めるとともに（規定モードのコア内伝搬の保障）、当該増幅用ＭＣＦ１を曲げることにより高次モードを減衰させ（高次モードの伝搬の防止）、高次モードによる雑音の増大を防ぐことが可能になる。クラッド１２の直径は、１２４〜１２６μｍである。これにより、従来用いられている増幅器の組立ラインを利用して低コストで製造することができる。被覆１３は、２４０〜２６０μｍの外径を有し、これにより、当該増幅用ＭＣＦ１の実使用時に生じる断続的な微小な曲げ（マイクロベンド）による損失を低く抑えることが可能になる。なお、本明細書では、１つのコアに着目し、他のコアが存在しないと仮定した場合に生じる光学特性を、個別のコアで定義される光学特性と呼ぶ。
【００２８】
また、増幅用ＭＣＦ１において、隣接するコアの中心の間の間隔は、好ましくはコア直径の１．１倍以上かつ３０μｍ以下であり、波長１５５０ｎｍにおいて、コア間クロストークが−１７［ｄＢ］以上であるのが好ましい。さらには、伝送路を構成するＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦと同様に、コア間モード結合係数が１［１／ｍ］以上、または、コア間パワー結合係数が１０［１／ｍ］以上であるのが好ましい。さらに、図３（中心軸を含む断面）に示されたように、ＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦのコアはファイバ軸（中心軸）を中心として該ファイバ軸に沿って螺旋状に伸び、螺旋の周期が０．５［ｍ］以下であり、それによってモード結合を生じさせるのが好ましい。それにより、増幅器のコア間の挿入損失の差が抑えられ、コア間の挿入損失の差によってＭＩＭＯ信号処理の効果が低下することを防止でき、増幅用ＭＣＦの製造バラツキに対する要求が緩和されるため、製造コストが低減される。なお、増幅器においてはゲインと損失の両者が存在するが、ゲインは負の損失と見なせるので、両者を総称して挿入損失と呼ぶ。
【００２９】
図４は、第１実施形態に係る光増幅器２ａの構成の一例を示す図であり、当該光増幅器２ａは、図１のシステムにおいて、各基地局の間に敷設された伝送路の一部を構成している。なお、図４には、光学構成を示すため、各光ファイバの被覆は省略されているが、各光ファイバは適宜被覆され、機械強度やクラッドモードの除去性を改善させることが望ましい。図４に示されたように、第１実施形態に係る光増幅器２ａは、第１伝送用ＭＣＦ７と第２伝送用ＭＣＦ８の間に配置され、合分波器４、励起光源５ａ、第１および第２結合用ＭＣＦ３ａ、３ｂ、増幅用ＭＣＦ１ａ、光フィルタ６を備える。増幅用ＭＣＦ１ａは、複数のコア（第１コア）１１ａと、コア１１ａそれぞれを取り囲むクラッド（第１クラッド）１２ａを備え、合分波器４と光フィルタ６の間に配置される。増幅用ＭＣＦ１ａは、図２および図３に示された増幅用ＭＣＦ１と実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有し、波長１５５０ｎｍの信号光をモード結合させながら伝搬させる。結合用ＭＣＦは、合分波器４と増幅用ＭＣＦ１ａの間に配置された第１結合用ＭＣＦ３ａと、合分波器４と励起光源５ａの間に配置された第２結合用ＭＣＦ３ｂとにより構成される。合分波器４と第１伝送用ＭＣＦ７の間には第１連結用ＭＣＦ３ｃが配置され、光フィルタ６と第２伝送用ＭＣＦ８の間には第２連結用ＭＣＦ３ｄが配置されている。また、励起光源５ａは、発光部５１ａと、発光部５１ａと第２結合用ＭＣＦ３ｂの間に配置された、単一コアを有するＳＭＦが束ねられたＳＭＦバンドル５２ａにより構成される。
【００３０】
増幅用ＭＣＦ１ａの入力端面には、第１結合用ＭＣＦ３ａの出力端面が接続される。第１結合用ＭＣＦ３ａは、図２に示された増幅用ＭＣＦ１と実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有し、複数のコア（第２コア）３１ａと、コア３１ａそれぞれを取り囲むクラッド（第２クラッド）３２ａを備える。また、第１結合用ＭＣＦ３ａは、増幅用ＭＣＦ１と同様に主材料としてシリカガラスから構成されるが、増幅用ＭＣＦ１と異なり、Ｅｒなどの希土類元素は添加されていない。また、第１結合用ＭＣＦ３ａが純粋シリカガラスからなるコアと、Ｆが添加されたクラッドで構成されるとコア−クラッドの境界が明瞭になる。そのため、アライメントを容易にするためには、このような構成が好ましい。他の好ましい構成としては、増幅用ＭＣＦ１ａ      と同じ濃度でＧｅが添加された複数のコアと増幅用ＭＣＦ１ａと同じ濃度でＦが添加されたまたは純粋なシリカガラスからなるクラッドで構成されていてもよく、このような構造を有する光ファイバは、低損失で増幅用ＭＣＦ１ａと融着接続することができる。さらに、第１結合用ＭＣＦ３ａと増幅用ＭＣＦ１ａは実質的に等しいコア径を有することが好ましく、それによってさらに低損失で増幅用ＭＣＦ１ａと融着接続することができる。
【００３１】
第１結合用ＭＣＦ３ａの入力端面は、合分波器４の出力ポート４ｃに結合される。なお、合分波器４は、合分波素子４ｄを有するとともに、第１連結用ＭＣＦ３ｃの出力端面が結合された信号光入力ポート４ａ、第２結合用ＭＣＦ３ｂの出力端面が結合された励起光入力ポート４ｂ、第１結合用ＭＣＦ３ａの入力端面が結合された出力ポート４ｃを有する。第１連結用ＭＣＦ３ｃを介して信号光入力ポート４ａに結合された信号光と、第２結合用ＭＣＦ３ｂを介して励起光入力ポート４ｂに結合された励起光は合分波素子４ｄにより合波され、この合波光が出力ポート４ｃから出力される。合分波素子４ｄは、誘電体多層膜フィルタとレンズ等の光学素子からなる光学系によって構成される。第１結合用ＭＣＦ３ａ、第２結合用ＭＣＦ３ｂ、第１連結用ＭＣＦ３ｃは、互いに実質的に等しいモードフィールド径を有することが好ましく、それにより合分波器４における挿入損失を低減される。
【００３２】
第１伝送用ＭＣＦ７は、図２に示された増幅用ＭＣＦ１と実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有する。第１伝送用ＭＣＦ７は、複数のコア７１と、コア７１それぞれを取り囲むクラッド７２を備える。また、第１伝送用ＭＣＦ７は、モード結合した複数のコアには希土類元素は添加されていないシリカガラスからなるＭＣＦであり、純粋シリカガラスからなるコアとＦ添加されたクラッド、または、Ｇｅが添加されたコアと純粋シリカガラスからなるクラッドを備える。
【００３３】
第１伝送用ＭＣＦ７は、上記非特許文献１に記載されているように、波長１５３０〜１６１０ｎｍの光通信用信号光に対して、最も効果的にモード結合を生じさせ、小さなモード間の遅延時間差ＤＭＤで伝搬させるように設計される。第１連結用ＭＣＦ３ｃは、定常区間３１ｃを有し、定常区間３１ｃは合分波器４に接続され、さらに、第１伝送用ＭＣＦ７と定常区間３１ｃの間には、遷移区間３２ｃがあることが望ましく、遷移区間３２ｃではコア径が連続的に変化することによって、第１伝送用ＭＣＦ７から定常区間３１ｃまでの間でコア径の連続的な変化を実現する。これにより、第１伝送用ＭＣＦ７と第１連結用ＭＣＦ３ｃのモードフィールド径が異なる場合においてもモード不整合による光損失を低減することができる。なお、定常区間３１ｃは、複数のコア（第２コア）３３ｃと、コア３３ｃそれぞれを取り囲むクラッド（第２クラッド）３４ｃを備える。遷移区間３２ｃは、複数のコア（第２コア）３５ｃと、コア３５ｃそれぞれを取り囲むクラッド（第２クラッド）３６ｃを備える。何れの区間もコア径は異なるが、図２に示されたコア配列と同じコア配列を有する。特に、定常区間３１ｃにおける第１連結用ＭＣＦ３ｃは、第１結合用ＭＣＦ３ａと実質的に同じ構造を有し、それによって合分波器４における光損失を低減し、光増幅器全体の雑音が低減される。
【００３４】
第１伝送用ＭＣＦ７と第１連結用ＭＣＦ３ｃの定常区間３１ｃとの間に形成される遷移区間３２ｃは、例えば、定常区間３１ｃの端部をアーク放電または火炎によって加熱することで得られ、コア３３ｃおよびクラッド３４ｃに添加されているＧｅまたはＦを拡散させることでコア３５ｃ、クラッド３６ｃが形成される。このとき、加熱量を一定限度以内に抑えることでクラッド３６ｃの外径を一定に保つことが望ましく、それにより機械強度の低下を避けることができる。
【００３５】
第２結合用ＭＣＦ３ｂは、第１結合用ＭＣＦ３ａと実質的に同じ構造を有し、それによって合分波器４における励起光の光損失を低減し、光増幅器全体の電力利用効率が高められる。すなわち、第２結合用ＭＣＦ３ｂは、図２に示された増幅用ＭＣＦ１と実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有し、複数のコア（第２コア）３１ｂと、コア３１ｂそれぞれを取り囲むクラッド（第２クラッド）３２ｂを備える。
【００３６】
第２結合用ＭＣＦ３ｂのもう一方の端面には励起光源５ａが結合される。励起光源５は、励起光を発生させる半導体レーザダイオードの集合からなる発光部５１ａと、発生した励起光を伝送する励起用ファイババンドル５２ａからなる。なお、励起用ファイババンドル５２ａは、コア５３ａ（単一コア）とクラッド５４ａを有する一般的なＳＭＦが束ねられたものである。
【００３７】
本実施形態において、増幅用ＭＣＦ１ａの他、第１結合用ＭＣＦ３ａは、図３に示されたようにコアが螺旋状に延びた構造を有し、信号光をモード結合させながら伝搬させる。特に、光通信波長である波長１５５０ｎｍにおいて、コア間クロストークが−１７［ｄＢ］以上である。さらには、伝送路を構成するＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦと同様に、コア間モード結合係数が１［１／ｍ］以上、または、コア間パワー結合係数が１０［１／ｍ］以上であることが好ましい。それにより、光増幅器の各コアを伝搬する信号光の間でモード結合が生じ、光増幅器のコア間での挿入損失の差がモード結合によって平均化されて低減される。また、第１結合用ＭＣＦ３ａおよび第２結合用ＭＣＦ３ｂの少なくとも一方は、励起波長において−１７［ｄＢ］以上のコア間クロストークを有するのが好適である。
【００３８】
光増幅器のコア間での挿入損失の差は、図１に示されたような光通信システムにおいてＭＩＭＯ信号処理の効果を低減させる問題を生じうるが、本実施形態の光増幅器では、コア間での挿入損失の差が低減されるのでＭＩＭＯ信号処理の効果を発揮させることができる。
【００３９】
なお、他の先行技術と比較すると、上記特許文献１が開示するポンプコアを有する増幅用ＭＣＦでは、コア間のクロストークが−２０ｄＢ以下と低いため、コア間での挿入損失の差を抑えるためには増幅用ＭＣＦの製造バラツキを抑える必要があり、増幅器のコストが高くなる問題がある。これに対し、本実施形態に係る光増幅器ではそのような問題は解消される。
【００４０】
図４の例に戻って、増幅用ＭＣＦ１ａの出力端面は光フィルタ６の入力ポート６ａに結合される。なお、光フィルタ６は、増幅用ＭＣＦ１ａの出力端面に結合された入力ポート６ａと、第２連結用ＭＣＦ３ｄの入力端面に結合された出力ポート６ｂを有する。また、光フィルタ６は、その内部に、光アイソレータ６ｃとバンドパスフィルタ６ｄを有し、図示されていないがレンズなどの光学素子も含む。光アイソレータ６ｃは、第２連結用ＭＣＦ３ｄから増幅用ＭＣＦ１ａに向かって逆方向に伝搬するレイリー散乱光やフレネル反射光などの雑音光を遮断し、光増幅器の雑音を低減する。バンドパスフィルタ６ｄは、増幅用ＭＣＦ１ａから入力される自然放出光（ＡＳＥ光）や残留励起光を遮断し、光増幅器の雑音を低減する。さらに、増幅用ＭＣＦ１ａと第２連結用ＭＣＦ３ｄは実質的に等しいモードフィールド径を有することが好ましく、それにより光フィルタ６における挿入損失を低減することができる。
【００４１】
第２連結用ＭＣＦ３ｄは第２伝送用ＭＣＦ８と接続され、第２連結用ＭＣＦ３ｄおよび第２伝送用ＭＣＦ８は、図２に示されたような増幅用ＭＣＦ１ａと実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有する。また、第２連結用ＭＣＦ３ｄは、第１連結用ＭＣＦ３ｃと同様に、定常区間３１ｄを有し、定常区間３１ｄは光フィルタ６の出力ポート６ｂに接続され、さらに、第２伝送用ＭＣＦ８と定常区間３１ｄの間には、遷移区間３２ｄがあることが望ましく、遷移区間３２ｄではコア径が連続的に変化することによって、第２伝送用ＭＣＦ８から定常区間３１ｄまでの間でコア径の連続的な変化を実現し、それによってモード不整合による光損失を低減することができる。なお、定常区間３１ｄは、複数のコア（第２コア）３３ｄと、コア３３ｄそれぞれを取り囲むクラッド（第２クラッド）３４ｄを備える。遷移区間３２ｄは、複数のコア（第２コア）３５ｄと、コア３５ｄそれぞれを取り囲むクラッド（第２クラッド）３６ｄを備える。第２伝送用ＭＣＦ８は、モード結合した複数のコア８１と、コア８１それぞれを取り囲むクラッド８２を有する。この第２伝送用ＭＣＦ８は、当該光増幅器２ａによって増幅された信号光（出力光）を、受信機または次の光増幅器まで伝搬させる。なお、第２伝送用ＭＣＦ８も、第１伝送用ＭＣＦ７と実質的に同じ構造を有する。
【００４２】
図５は、第２実施形態に係る光増幅器２ｂの構成の一例を示す図である。第１実施形態と重複する特徴については記述を適宜省略する。第２実施形態に係る光増幅器２ｂは、第１伝送用ＭＣＦ７と第２伝送用ＭＣＦ８の間に配置され、合分波器４、励起光源５ｂ、第１および第２結合用ＭＣＦ３ｅ、３ｆ、増幅用ＭＣＦ１ｂ、光フィルタ６を備える。増幅用ＭＣＦ１ｂは、複数のコア（第１コア）１１ｂと、コア１１ｂそれぞれを取り囲むクラッド（第１クラッド）１２ｂを備え、合分波器４と光フィルタ６の間に配置される。増幅用ＭＣＦ１ｂは、図２および図３に示された増幅用ＭＣＦ１と実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有し、波長１５５０ｎｍの信号光をモード結合させながら伝搬させる。結合用ＭＣＦは、合分波器４と増幅用ＭＣＦ１ｂの間に配置された第１結合用ＭＣＦ３ｅと、合分波器４と励起光源５ｂの間に配置された第２結合用ＭＣＦ３ｆ、により構成される。また、励起光源５ｂは、発光部５１ｂと、発光部５１ｂと第２結合用ＭＣＦ３ｆの間に配置された、単一コアを有するＳＭＦ５２ｂにより構成される。
【００４３】
増幅用ＭＣＦ１ｂの入力端面には、第１結合用ＭＣＦ３ｅの出力端面が接続される。第１結合用ＭＣＦ３ｅは、図２に示された増幅用ＭＣＦ１と実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有し、複数のコア（第２コア）３１ｅと、コア３１ｅそれぞれを取り囲むクラッド（第２クラッド）３２ｅを備え、波長１５５０ｎｍの信号光および波長９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍの励起光をモード結合させながら伝搬させる。また、第１結合用ＭＣＦ３ｅは、増幅用ＭＣＦ１ｂと同様に主材料としてシリカガラスから構成されるが、増幅用ＭＣＦ１と異なり、Ｅｒなどの希土類元素は添加されていない。また、第１結合用ＭＣＦ３ｅが純粋シリカガラスからなるコアと、Ｆが添加されたクラッドで構成されるとコア−クラッドの境界が明瞭になる。そのため、アライメントを容易にするためには、このような構成が好ましい。他の好ましい構成としては、増幅用ＭＣＦ１ｂと同じ濃度でＧｅが添加された複数のコアと増幅用ＭＣＦ１ｂと同じ濃度でＦが添加されたまたは純粋なシリカガラスからなるクラッドで構成されていてもよく、このような構造を有する光ファイバは、低損失で増幅用ＭＣＦ１ｂと融着接続することができる。さらに、第１結合用ＭＣＦ３ｅと増幅用ＭＣＦ１ｂは実質的に等しいコア径を有することが好ましく、それによってさらに低損失で増幅用ＭＣＦ１ｂと融着接続することができる。
【００４４】
第１結合用ＭＣＦ３ｅの入力端面は、合分波器４の出力ポート４ｃに結合される。なお、合分波器４は、合分波素子４ｄを有するとともに、第１伝送用ＭＣＦ７の出力端面が結合された信号光入力ポート４ａ、第２結合用ＭＣＦ３ｆの出力端面が結合された励起光入力ポート４ｂ、第１結合用ＭＣＦ３ｅの入力端面が結合された出力ポート４ｃを有する。なお、図５の例において、第１伝送用ＭＣＦ７の、出力端面を含む先端部分は、定常区間７ａと、コア径拡大区間７ｂと、遷移区間７ｃにより構成されている。定常区間７ａは、図４の第１伝送用ＭＣＦ７と同じ構造（コア径）を有し、複数のコア７１ａと、コア７１ａそれぞれを取り囲むクラッド７２ａを備えた区間である。コア径拡大区間７ｂは、当該第１伝送用ＭＣＦ７の出力端面を含み、複数のコア７１ｂそれぞれの径が拡大された区間である。遷移区間７ｃは、定常区間７ａとコア径拡大区間７ｂとの間に設けられ、複数のコア７１ｃのコア径が定常区間７ａからコア径拡大区間７ｂ向かって拡大されている区間である。コア径拡大区間７ｂを介して信号光入力ポート４ａに結合された信号光と、第２結合用ＭＣＦ３ｆを介して励起光入力ポート４ｂに結合された励起光は合分波素子４ｄにより合波され、この合波光が出力ポート４ｃから出力される。合分波素子４ｄは、誘電体多層膜フィルタとレンズ等の光学素子からなる光学系によって構成される。第１および第２結合用ＭＣＦ３ｅ、３ｆとコア径拡大区間７ｂは、互いに実質的に等しいモードフィールド径を有することが好ましく、それにより合分波器４における挿入損失を低減される。
【００４５】
第１伝送用ＭＣＦ７は、図５の例に示されたように、合分波器４に結合される端部において、コア径拡大区間７ｂを有する。この構成により、合分波器４における軸ズレによる結合損失の低減が可能になる。一方で、端部に属さない第１伝送用ＭＣＦ７の定常区間７ａではコア径が大きすぎると伝搬モード間の伝搬定数の差が大きくなってモード結合が生じにくくなり、モード間の遅延時間差ＤＭＤが大きくなる。そのため、定常区間７ａでは非線形性が問題とならない程度にコア径が小さいことが望ましい。さらに、定常区間７ａとコア径拡大区間７ｂの間には、コア径が連続的に変化する遷移区間７ｃが設けられるのが望ましく、それによってモード不整合による光損失を低減することができる。なお、コア径拡大区間７ｂは、複数のコア７１ｂと、コア７１ｂそれぞれを取り囲むクラッド７２ｂを備える。遷移区間７ｃは、複数のコア７１ｃと、コア７１ｃそれぞれを取り囲むクラッド７２ｃを備える。何れの区間もコア径は異なるが、コア配列自体は図２に示されたコア配列と同じである。
【００４６】
コア径拡大区間７ｂおよび遷移区間７ｃは、例えば、第１伝送用ＭＣＦ７の、出力端面を含む先端部分をアーク放電または火炎によって加熱することで得られ、コア７１ａおよびクラッド７２ａに添加されているＧｅまたはＦを拡散させることでコア７１ｂ、７１ｃが形成される。このとき、加熱量を一定限度以内に抑えることでクラッド７２ｂ、７２ｃの外径を一定に保つことが望ましく、それにより機械強度の低下を避けることができる。
【００４７】
第２結合用ＭＣＦ３ｆは、第１結合用ＭＣＦ３ｅと実質的に同じ構造を有し、それによって合分波器４における励起光の光損失を低減し、光増幅器全体の電力利用効率が高められる。すなわち、第２結合用ＭＣＦ３ｆは、図２に示された増幅用ＭＣＦ１と実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有し、複数のコア（第２コア）３１ｆと、コア３１ｆそれぞれを取り囲むクラッド（第２クラッド）３２ｆを備える。また、第２結合用ＭＣＦ３ｆは、Ｅｒを励起して信号光を増幅するための、波長９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍの励起光をモード結合させながら伝搬させる。特に、波長９８０ｎｍでは、信号光の波長１５３０〜１６１０ｎｍに比べてコア３１ｆの光の閉じ込めが強いためにモード結合が生じにくくなる。そこで、第１伝送用ＭＣＦ７に比べて第２結合用ＭＣＦ３ｆのコア−クラッド間の屈折率差を小さくすることで、コア３１ｆにおける光の閉じ込めを弱めることで、波長９８０ｎｍにおいてモード結合が生じるように構成される。なお、この構造は、第１結合用ＭＣＦ３ｅについても同様である。
【００４８】
第２結合用ＭＣＦ３ｆのもう一方の端面には励起光源５ｂが結合される。励起光源５ｂは、励起光を発生させる半導体レーザダイオードからなる発光部５１ｂと、発生した励起光を伝送する励起用ファイバ５２ｂからなる。なお、励起用ファイバ５２ｂは、単一コア５３ｂとクラッド５４ｂを有する一般的なＳＭＦである。この励起用ファイバ５２ｂの断面構造は、図２の例を参照すれば、中心軸１０上に位置するコア１１が単一コア５３ｂに相当し、図２のクラッド１２が当該励起用ファイバ５２ｂのクラッド５４ｂに相当する。
【００４９】
特に、第１および第２結合用ＭＣＦ３ｅ、３ｆそれぞれは、複数のコア３１ｅ、３１ｆの１つが中心軸上に配置されたコア配列を有することが望ましい。これにより、ＳＭＦを同軸的に接続することで、励起用ファイバ（ＳＭＦ）５２ｂのコア５３ｂから、第２結合用ＭＣＦ３ｆの複数のコア３１ｆのうち中心軸上に配置された１つのコア（特定コア）に励起光が結合され、さらに、これら第１および第２結合用ＭＣＦ３ｅ、３ｆを伝搬する途中、特定コアを除く残りのコアにも励起光が結合される。この接続形態により、励起光源５ｂから増幅用ＭＣＦ１ｂの各コアへの励起光の結合が、従来のＳＭＦ間の接続と同じような小さな占有スペースで実現できる。また、この望ましい形態においては、増幅用ＭＣＦ１ｂ、第１伝送用ＭＣＦ７、第２伝送用ＭＣＦ８の何れも複数のコアの１つが中心軸上に位置するコア配列を有する。この場合、ＭＣＦそれぞれの間で高効率な励起光結合が可能になる。
【００５０】
本実施形態では、１つのレーザダイオード（発光部５１ｂ）において発生した光が、結合用ＭＣＦ（第１および第２結合用ＭＣＦ３ｅ、３ｆ）におけるモード結合を利用することで複数のコアに均等に分配される。その後、第１結合用ＭＣＦ３ｅと増幅用ＭＣＦ１ｂを接続することで（複数のコア３１ｅと複数のコア１１ｂをそれぞれ光学的に接続する）、増幅用ＭＣＦ１ｂの複数のコア１１ｂそれぞれへ励起光が供給される。このような励起光供給構造が採用されることにより、増幅用ＭＣＦ１ｂを含めて伝送路を構成するＭＣＦそれぞれのコア数が増えた場合であっても、レーザダイオード（発光部５１ｂ）の数を増やすことなく励起光を効率的に増幅用ＭＣＦ１ｂの各コア１１ｂに供給することが可能になる。その結果、光増幅器の製造コスト、装置サイズ、および消費電力を低減することが可能になる。なお、光増幅器の装置サイズおよび消費電力を抑えることは、伝送路上に配置される中継器のサイズや電力供給に対する制約が大きい海底ケーブルシステムにおいて特に有益である。
【００５１】
また、本実施形態において、増幅用ＭＣＦ１ｂおよび第１結合用ＭＣＦ３ｅは、図３に示されたようにコアが螺旋状に延びた構造を有し、信号光をモード結合させながら伝搬させる。特に、光通信波長である波長１５５０ｎｍにおいて、コア間クロストークが−１７［ｄＢ］以上である。さらには、伝送路を構成するＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦと同様に、コア間モード結合係数が１［１／ｍ］以上、または、コア間パワー結合係数が１０［１／ｍ］以上であることが好ましい。それにより、光増幅器の各コアを伝搬する信号光の間でモード結合が生じ、光増幅器のコア間での挿入損失の差がモード結合によって平均化されて低減される。
【００５２】
光増幅器のコア間での挿入損失の差は、図１に示されたような光通信システム１００においてＭＩＭＯ信号処理の効果を低減させる問題を生じうるが、本実施形態の光増幅器では、コア間での挿入損失の差が低減されるのでＭＩＭＯ信号処理の効果を発揮させることができる。
【００５３】
なお、他の先行技術と比較すると、上記特許文献１が開示するポンプコアを有する増幅用ＭＣＦでは、１つのポンプコアから複数の増幅用コアへのモード結合を通じて励起光が供給される一方で、増幅用コアからポンプコアへ結合した信号光がロスになってしまう問題がある。これに対し、本実施形態に係る光増幅器ではそのような問題は解消される。
【００５４】
図５の例に戻って、増幅用ＭＣＦ１ｂの出力端面は光フィルタ６の入力ポート６ａに結合される。なお、光フィルタ６は、増幅用ＭＣＦ１ｂの出力端面に結合された入力ポート６ａと、第２伝送用ＭＣＦ８の入力端面に結合された出力ポート６ｂを有する。なお、図５の例において、第２伝送用ＭＣＦ８の、入力端面を含む先端部分は、定常区間８ａと、コア径拡大区間８ｂと、遷移区間８ｃにより構成されている。定常区間８ａは、図４の第２伝送用ＭＣＦ８と同じ構造（コア径）を有し、複数のコア８１ａと、コア８１ａそれぞれを取り囲むクラッド８２ａを備えた区間である。コア径拡大区間８ｂは、当該第２伝送用ＭＣＦ８の入力端面を含み、複数のコア８１ｂそれぞれの径が拡大された区間である。遷移区間８ｃは、定常区間８ａとコア径拡大区間８ｂとの間に設けられ、複数のコア８１ｃのコア径が定常区間８ａからコア径拡大区間８ｂ向かって拡大されている区間である。光フィルタ６は、その内部に、光アイソレータ６ｃとバンドパスフィルタ６ｄを有し、図示されていないがレンズなどの光学素子も含む。光アイソレータ６ｃは、コア径拡大区間８ｂから増幅用ＭＣＦ１ｂに向かって逆方向に伝搬するレイリー散乱光やフレネル反射光などの雑音光を遮断し、光増幅器の雑音を低減する。バンドパスフィルタ６ｄは、増幅用ＭＣＦ１ｂから入力される自然放出光（ＡＳＥ光）や残留励起光を遮断し、光増幅器の雑音を低減する。さらに、増幅用ＭＣＦ１ｂとコア径拡大区間８ｂは実質的に等しいモードフィールド径を有することが好ましく、それにより光フィルタ６における挿入損失を低減することができる。
【００５５】
第２伝送用ＭＣＦ８の定常区間８ａは、第１伝送用ＭＣＦ７と同様に、遷移区間８ｃおよびコア径拡大区間８ｂに隣接している。コア径拡大区間８ｂは、複数のコア８１ｂと、コア８１ｂそれぞれを取り囲むクラッド８２ｂを有する。遷移区間８ｃは、コア径が連続的に拡大された複数のコア８１ｃと、コア８１ｃそれぞれを取り囲み、一定の外径に保たれたクラッド８２ｃを有する。
【００５６】
図６は、第３実施形態に係る光増幅器２ｃの構成の一例を示す図である。第１または第２実施形態と重複する特徴については記述を適宜省略する。当該光増幅器２ｃは、図１のシステムにおいて、各基地局の間に敷設された伝送路の一部を構成している。なお、図６には、光学構成を示すため、各光ファイバの被覆（樹脂被覆）は、二重クラッド構造を構成する低屈折率被覆を除き、省略されているが、各光ファイバは適宜被覆され、機械強度やクラッドモードの除去性を改善させることが望ましい。なお、図６の例では、被覆の一部を構成する低屈折率被覆として、樹脂層１３ｃ、３３ｇ、５４ｃのみが示されている。また、第１伝送用ＭＣＦ７は、複数のコア７１と、コア７１それぞれを取り囲むクラッド７２を備え、第２伝送用ＭＣＦ８は、複数のコア８１と、コア８１それぞれを取り囲むクラッド８２を備える。
【００５７】
図６に示されたように、第３実施形態に係る光増幅器２ｃは、第１伝送用ＭＣＦ７と第２伝送用ＭＣＦ８の間に配置され、合分波器４、励起光源５ｃ、第１結合用ＭＣＦ３ｇ、増幅用ＭＣＦ１ｃ、光フィルタ６を備える。増幅用ＭＣＦ１ｃは、複数のコア（第１コア）１１ｃとコア１１ｃそれぞれを取り囲むクラッド（第１クラッド）１２ｂと、被覆を備え、合分波器４と光フィルタ６の間に配置される。増幅用ＭＣＦ１ｃは、図２および図３に示された増幅用ＭＣＦ１と実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有し、波長１５５０ｎｍの信号光をモード結合させながらコアに伝搬させる。さらに、樹脂層（第１樹脂層）１３ｃはクラッド１２ｃより比屈折率差が１％以上低い紫外線硬化樹脂からなり、それによってクラッド１２ｃに結合された光も伝送することが可能である。結合用ＭＣＦは、合分波器４と増幅用ＭＣＦ１ｃの間に配置された第１結合用ＭＣＦ３ｇにより構成される。合分波器４と第１伝送用ＭＣＦ７の間には第１連結用ＭＣＦ３ｈが配置され、光フィルタ６と第２伝送用ＭＣＦ８の間には第２連結用ＭＣＦ３ｉが配置されている。また、励起光源５ｃは、発光部５１ｃとマルチモード光ファイバ５２ｃにより構成され、マルチモード光ファイバ５２ｃは、ガラスコア５３ｃと、ガラスコア５３ｃより低い屈折率を有する樹脂層（第２樹脂層）５４ｃにより構成される。
【００５８】
図６に示された増幅用ＭＣＦ１ｃの入力端面には、第１結合用ＭＣＦ３ｇの出力端面が接続される。第１結合用ＭＣＦ３ｇは、図２に示された増幅用ＭＣＦ１と同じコア配置を有し、モード結合した複数のコア３１ｇと、コア３１ｇそれぞれを取り囲むクラッド３２ｇと、クラッド３２ｇを取り囲みクラッド３２ｇより低い屈折率を有する樹脂層（第２樹脂層）３３ｇを備え、コア３１ｇはモード結合した信号光を伝搬させ、クラッド３２ｇは励起光を伝搬させることができる。第１結合用ＭＣＦ３ｇのコアおよびクラッドはシリカガラスを主成分として構成されるが、各コアには、Ｅｒなどの希土類元素は添加されていない。また、第１結合用ＭＣＦ３ｇが純粋シリカガラスからなるコアと、Ｆが添加されたクラッドで構成されるとコア−クラッドの境界が明瞭になる。そのため、アライメントを容易にするためには、このような構成が好ましい。他の好ましい構成としては、増幅用ＭＣＦ１ｃと同じ濃度でＧｅが添加された複数のコアと増幅用ＭＣＦ１ｃと同じ濃度でＦが添加されたまたは純粋なシリカガラスからなるクラッドで構成されていてもよく、このような構造を有する光ファイバは、低損失で増幅用ＭＣＦ１ｃと融着接続することができる。さらに、第１結合用ＭＣＦ３ｇと増幅用ＭＣＦ１ｃは実質的に等しいコア径を有することが好ましく、それによってさらに低損失で増幅用ＭＣＦ１ｃと融着接続することができる。
【００５９】
第１結合用ＭＣＦ３ｇの入力端面は、合分波器４の出力ポート４ｃに結合される。なお、合分波器４は、合分波素子４ｄを有するとともに、第１連結用ＭＣＦ３ｈの出力端面が結合された信号光入力ポート４ａ、励起光源５ｃの一部であるマルチモード光ファイバ５２ｃの出力端面が結合された励起光入力ポート４ｂ、第１結合用ＭＣＦ３ｇの入力端面が結合された出力ポート４ｃを有する。第１連結用ＭＣＦ３ｈを介して信号光入力ポート４ａに結合された信号光と、マルチモード光ファイバ５２ｃを介して励起光入力ポート４ｂに結合された励起光は合分波素子４ｄにより合波され、この合波光が出力ポート４ｃから出力される。合分波素子４ｄは、誘電体多層膜フィルタとレンズ等の光学素子からなる光学系によって構成される。
【００６０】
第１連結用ＭＣＦ３ｈは、定常区間３１ｈを有し、定常区間３１ｈは合分波器４に接続され、さらに、第１伝送用ＭＣＦ７と定常区間３１ｈの間には、遷移区間３２ｈがあることが望ましく、遷移区間３２ｈではコア径が連続的に変化することによって、第１伝送用ＭＣＦ７から定常区間３１ｈまでの間でコア径の連続的な変化を実現し、それによってモード不整合による光損失を低減することができる。なお、定常区間３１ｈは、複数のコア３３ｈと、コア３３ｈそれぞれを取り囲むクラッド３４ｈを備える。遷移区間３２ｈは、複数のコア３５ｈと、コア３５ｈそれぞれを取り囲むクラッド３６ｈを備える。何れの区間もコア径は異なるが、コア配列自体は図２に示されたコア配列と同じである。特に、定常区間３１ｈにおける第１連結用ＭＣＦ３ｈは、第１結合用ＭＣＦ３ｇと実質的に同じ構造を有し、それによって合分波器４における信号光の光損失を低減し、光増幅器全体の雑音が低減される。
【００６１】
第１伝送用ＭＣＦ７と第１連結用ＭＣＦ３ｈの定常区間３１ｈとの間に形成される遷移区間３２ｈは、例えば、定常区間３１ｈの端部をアーク放電または火炎によって加熱することで得られ、コア３３ｈおよびクラッド３４ｈに添加されているＧｅまたはＦを拡散させることでコア３５ｈ、クラッド３６ｈが形成される。このとき、加熱量を一定限度以内に抑えることでクラッド３６ｈの外径を一定に保つことが望ましく、それにより機械強度の低下を避けることができる。
【００６２】
マルチモード光ファイバ５２ｃは、シリカガラスからなるコア５３ｃとコア５３ｃより比屈折率差が１％以上低い紫外線硬化樹脂からなる樹脂層５４ｃからなる。マルチモード光ファイバ５２ｃのもう一方の端面には、励起光を発生させる半導体レーザダイオードからなる発光部５１ｃが結合される。
【００６３】
本実施形態では、１つのレーザダイオード（発光部５１ｃ）において発生した光を、第１結合用ＭＣＦ３ｇおよび増幅用ＭＣＦ１ｃのクラッドに伝搬させることにより、増幅用ＭＣＦ１ｃのクラッド内に配置された複数のコアに含まれる希土類元素が均等に励起される。このような励起光供給構造が採用されることにより、増幅用ＭＣＦ１ｃを含めて伝送路を構成するＭＣＦそれぞれのコア数が増えた場合であっても、レーザダイオード（発光部５１ｃ）の数を増やすことなく励起光を効率的に増幅用ＭＣＦ１ｃの各コア１１ｃに供給することが可能になる。その結果、光増幅器の製造コスト、装置サイズ、および消費電力を低減することが可能になる。なお、光増幅器の装置サイズおよび消費電力を抑えることは、伝送路上に配置される中継器のサイズや電力供給に対する制約が大きい海底ケーブルシステムにおいて特に有益である。
【００６４】
また、本実施形態において、増幅用ＭＣＦ１ｃおよび第１結合用ＭＣＦ３ｇは、図３に示されたようにコアが螺旋状に延びた構造を有し、信号光をモード結合させながら伝搬させる。特に、光通信波長である波長１５５０ｎｍにおいて、コア間クロストークが−１７［ｄＢ］以上である。さらには、伝送路を構成するＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦと同様に、コア間モード結合係数が１［１／ｍ］以上、または、コア間パワー結合係数が１０［１／ｍ］以上であることが好ましい。それにより、光増幅器の各コアを伝搬する信号光の間でモード結合が生じ、光増幅器のコア間での挿入損失の差がモード結合によって平均化されて低減される。また、第１結合用ＭＣＦ３ｇは、励起波長において−１７［ｄＢ］以上のコア間クロストークを有するのが好適である。
【００６５】
光増幅器のコア間での挿入損失の差は、図１に示されたような光通信システム１００においてＭＩＭＯ信号処理の効果を低減させる問題を生じうるが、本実施形態の光増幅器では、コア間での挿入損失の差が低減されるのでＭＩＭＯ信号処理の効果を発揮させることができる。
【００６６】
なお、他の先行技術と比較すると、上記特許文献１が開示するポンプコアを有する増幅用ＭＣＦでは、１つのポンプコアから複数の増幅用コアへのモード結合を通じて励起光が供給される一方で、増幅用コアからポンプコアへ結合した信号光がロスになってしまう問題がある。これに対し、本実施形態に係る光増幅器ではそのような問題は解消される。
【００６７】
図６の例に戻って、増幅用ＭＣＦ１ｃの出力端面は光フィルタ６の入力ポート６ａに結合される。なお、光フィルタ６は、増幅用ＭＣＦ１ｃの出力端面に結合された入力ポート６ａと、第２連結用ＭＣＦ３ｉの入力端面に結合された出力ポート６ｂを有する。また、光フィルタ６は、その内部に、光アイソレータ６ｃとバンドパスフィルタ６ｄを有し、図示されていないがレンズなどの光学素子も含む。光アイソレータ６ｃは、第２連結用ＭＣＦ３ｉからが増幅用ＭＣＦ１ｃに向かって逆方向に伝搬するレイリー散乱光やフレネル反射光などの雑音光を遮断し、光増幅器の雑音を低減する。バンドパスフィルタ６ｄは、増幅用ＭＣＦ１ｃから入力される自然放出光（ＡＳＥ光）や残留励起光を遮断し、光増幅器の雑音を低減する。
【００６８】
第２連結用ＭＣＦ３ｉは第２伝送用ＭＣＦ８と接続され、第２連結用ＭＣＦ３ｉおよび第２伝送用ＭＣＦ８は、図２に示された増幅用ＭＣＦ１と実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有する。また、第２連結用ＭＣＦ３ｉは、第１連結用ＭＣＦ３ｈと同様に、定常区間３１ｉを有し、定常区間３１ｉは光フィルタ６の出力ポート６ｂに接続され、さらに、第２伝送用ＭＣＦ８と定常区間３１ｉの間には、遷移区間３２ｉがあることが望ましく、遷移区間３２ｉではコア径が連続的に変化することによって、第２伝送用ＭＣＦ８から定常区間３１ｉまでの間でコア径の連続的な変化を実現し、それによってモード不整合による光損失を低減することができる。なお、定常区間３１ｉは、複数のコア（第２コア）３３ｉと、コア３３ｉそれぞれを取り囲むクラッド（第２クラッド）３４ｉを備える。遷移区間３２ｉは、複数のコア（第２コア）３５ｉと、コア３５ｉそれぞれを取り囲むクラッド（第２クラッド）３６ｉを備える。
【００６９】
図７は、第４実施形態に係る光増幅器の構成の一例を示す図である。この第４実施形態に係る光増幅器は、図１の光通信システム１００における基地局間伝送路が２系統で構成された場合に適用可能な光増幅器であり、２つの励起光源５ｄ、５ｅによって励起される２つの光増幅器２ｄ、２ｅで構成される。この構成により、２系統の伝送路（第１伝送用ＭＣＦ７Ａから第２伝送用ＭＣＦ８Ａまでの伝送路と、第１伝送用ＭＣＦ７Ｂから第２伝送用ＭＣＦ８Ｂまでの伝送路）をそれぞれ伝搬する信号光が増幅される。具体的には、２つの増幅系統のうち光増幅器２ｄで増幅された信号光は、光フィルタ６Ａから第２伝送用ＭＣＦ８Ａ送出され、光増幅器２ｅで増幅された信号光は、光フィルタ６Ｂから第２伝送用ＭＣＦ８Ｂへ送出される。また、励起光源５ｄ、５ｅからそれぞれ出力された励起光は光カプラ９で合波された後、２つの合分波器４Ａ、４Ｂに結合される。なお、図７の２つの第１伝送用ＭＣＦ７Ａ、７Ｂはそれぞれ図４〜６の第１伝送用ＭＣＦ７に相当し、２つの第２伝送用ＭＣＦ８Ａ、８Ｂはそれぞれ図４〜６の第２伝送用ＭＣＦ８に相当する。図７の２つの合分波器４Ａ、４Ｂはそれぞれ図４〜６の合分波器４に相当し、図７の２つの光フィルタ６Ａ、６Ｂはそれぞれ図４〜６の光フィルタ６に相当している。励起光源５ｄ、５ｅおよび光増幅器２ｄ、２ｅは図４〜６の何れかにおける、励起光源５ａ〜５ｃおよび光増幅器２ａ〜２ｃの一つに、それぞれ相当している。
【００７０】
この第４実施形態に係る光増幅器では、上述のように、励起光源５ｄ、５ｅの一方が故障した場合でも他方から励起光が供給される構成を有するため、何れかの光増幅器が完全に機能停止に陥ることを避けられる。このように、第４実施形態によれば、部品点数の少ない構造により光増幅器全体としては可動停止状態が回避できるため、少ない体積（装置収納容量）で高い信頼度を実現することが可能になる。このような構造上の特性は、特に海底ケーブルシステムにおいて重要である。
【符号の説明】
【００７１】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ…増幅用ＭＣＦ、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ…光増幅器、３ａ、３ｅ、３ｇ…第１結合用ＭＣＦ、３ｂ、３ｆ…第２結合用ＭＣＦ、３ｃ、３ｈ…第１連結用ＭＣＦ、３ｄ、３ｉ…第２連結用ＭＣＦ、４、４Ａ、４Ｂ…合分波器、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ…励起光源、６、６Ａ、６Ｂ…光フィルタ、７、７Ａ、７Ｂ…第１伝送用ＭＣＦ、８、８Ａ、８Ｂ…第２伝送用ＭＣＦ、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ…発光部、５２ａ、５２ｂ…励起用ファイバ（単一コアＳＭＦ）、５２ｃ…励起用ファイバ（マルチモード光ファイバ）、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、３１ａ、３１ｂ、３３ｃ、３５ｃ、３３ｄ、３５ｄ、３１ｅ、３１ｆ，３１ｇ、３３ｈ、３５ｈ、３３ｉ、３５ｉ、５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、７１、７１ｂ、７１ｃ、８１、８１ｂ、８１ｃ…コア、１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、３２ａ、３２ｂ、３４ｃ、３６ｃ、３４ｄ、３６ｄ、３２ｅ、３２ｆ，３２ｇ、３４ｈ、３６ｈ、３４ｉ、３６ｉ、５４ａ、５４ｂ、７２、７２ｂ、７２ｃ、８２、８２ｂ、８２ｃ…クラッド、１３…被覆、１３ｃ、３３ｇ、５４ｃ…樹脂層、１００…光通信システム、１００Ａ〜１００Ｃ…基地局。
【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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