(57)【要約】      （修正有）【課題】光ネットワークにおける光ファイバ増幅器アレイの機器サイズおよびコストを低減する。【解決手段】コストを削減し、増幅器モジュールのサイズを小さくするシステム及び方法が開示される。１つのシステムは、リボン化されたファイバー１００を使用するアレイ光ファイバー増幅器を含み、リボン化されたファイバー１００は、他の現在市販されているシステムでは容易に達成することができない、増幅器モジュールサイズの縮小を可能にし、製造コストの削減も可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号入力と、
信号出力と、
リボンと、
を備えるシステムであって、前記リボンは、
リボンマトリックス材料と、
前記リボンマトリックス材料内に位置する利得ドープファイバーと、
を備え、各々の前記利得ドープファイバーは対応する信号入力に光学的に結合され、前記各々の利得ドープファイバーは対応する信号出力に更に光学的に結合され、前記各々の利得ドープファイバーは、
利得ドープコアと、
前記利得ドープコアを包囲するクラッディングと、
前記クラッディングを包囲するコーティング層と、
を備える、システム。
【請求項２】
前記クラッディングは約８０μｍ〜約１２５μｍの外径を有し、
前記コーティング層は約１６０μｍ〜約２５０μｍの外径を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記利得ドープファイバーは、
目標ＲＡｌの約±０．０５％以内のＲＡｌと、
目標吸収の約±３％以内のαと、
を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記リボンは可剥性リボンである、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記信号入力に光学的に結合されるポンプ源を更に備え、該ポンプ源はＷＤＭ結合器を通してポンプ電力を与える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記利得ドープファイバーは色分けされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記利得ドープファイバーは前記リボン内で直線状に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記リボンは、直線状に配置される８つの色分けされたエルビウムドープファイバー（ＥＤＦ）を含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記利得ドープファイバーは実質的に隙間なく束ねた構成において配置されるエルビウムドープファイバー（ＥＤＦ）である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記信号出力に光学的に結合される出力モニターを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は包括的には光ファイバーに関し、より詳細には、光ファイバー増幅器に関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本出願は「Arrayed Optical Fiber Amplifiers Using Ribbonized Er-doped Fiber」と題する、２０１４年４月１１日に出願されたZhuによる米国仮特許出願第６１/９７８，５０３号の恩典を主張し、その仮特許出願は引用することによりその全体が本明細書の一部をなす。
【背景技術】
【０００３】
インターネット関連サービス及びアプリケーションは、消費者及び企業からの増え続けるデータ要求に対応するために発展し続けている。データに対する需要が高まるにつれて、これらの更なる需要に対応するために、ネットワークが発達し続けている。具体的には、より大きなデータ容量（データ量）への要求及びより高いデータ速度（データが転送される速度）への要求を満たすために、光ファイバーネットワークが発展し続けている。
【発明の概要】
【０００４】
本開示は、リボン化（ribbonize）されたエルビウム（Ｅｒ）ドープファイバー（ＥＤＦ）を用いるアレイ光ファイバー増幅器を提供する。他のシステム、デバイス、方法、特徴及び利点は、当業者には明らかであるか、又は添付の図面及び詳細な説明を検討すれば明らかになるであろう。全てのそのような更なるシステム、方法、特徴及び利点は本明細書の範囲に含まれ、本開示の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されることを意図している。
【０００５】
添付の図面を参照することにより、本開示の数多くの態様を更に深く理解することができる。図面内の構成要素は必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに、本開示の原理を明確に例示することに重点が置かれている。さらに、図面において、類似の参照符号は、幾つかの図を通して対応する部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】リボン化されたエルビウム（Ｅｒ）ドープファイバー（ＥＤＦ）の一実施形態の断面図である。
【図２】リボン化ＥＤＦの別の実施形態の断面図である。
【図３】リボン化ＥＤＦを用いるアレイ増幅器（リボン化ＥＤＦＡ）の一実施形態を示すブロック図である。
【図４】光スプリッターを用いる共用ポンプを有するリボン化ＥＤＦＡの一実施形態を示すブロック図である。
【図５】コポンピング（co-pumping）構成及びカウンターポンピング（counter-pumping）構成の両方を有するリボン化ＥＤＦＡの一実施形態を示すブロック図である。
【図６】電力モニターを有するリボン化ＥＤＦＡの一実施形態を示すブロック図である。
【図７Ａ】１×８アレイＥＤＦＡ内の８個のＥＤＦＡの測定利得を示すグラフである。
【図７Ｂ】１×８アレイ増幅器内の個々のＥＤＦＡの測定平均利得と利得偏差とを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
インターネットサービスが急速に普及しており、その結果として、データトラフィックが増加している。それに応じて、より高い柔軟性及びより速いデータ速度に対する需要に、クラウドコンピューティングのような新たな用途が加わった。波長パスルーティング（wavelength path routing）、交換及び割当ての柔軟性を高めつつ、これらのネットワーク需要を満たすために、現在、光ネットワークが発達しつつある。
【０００８】
このタイプの環境では、波長無依存（colorless）、方向無依存（directionless）、無競合（contentionless）（ＣＤＣ）機能を有する複数次の再構成可能光アド／ドロップマルチプレクサー（ＲＯＡＤＭ）が、動的に容量を割り当てるための重要な役割を果たすと期待される。しかしながら、高次ＲＯＡＤＭノードに関連付けられる挿入損失は一般的に、基本的な２次ノードの場合より高い。結果として、Ｍ×１個の波長選択スイッチ（ＷＳＳ）及び１×Ｎ個の光結合器における挿入損失を補償するために、１×８又は１×１６の光増幅器アレイが利用される場合が多い。
【０００９】
現在、複数の別個の別々にポンピングされるエルビウムドープファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）モジュールが、光増幅器アレイとして用いられる。しかしながら、ＲＯＡＤＭの次数が高くなるにつれて、ＥＤＦＡモジュールの数が増えることに起因して、ＲＯＡＤＭは大きくなり、コストがかかり、非効率的になる。例えば、従来のＥＤＦＡモジュールが、ＣＤＣ  ＲＯＡＤＭノード内の１×４ＷＳＳと４×１光結合器との間に設置される場合には、単一のノード内に数百個の別個のＥＤＦＡモジュールが必要とされることになり、それにより、機器サイズ及びコストが望ましくないほどになる。
【００１０】
本明細書において説明されるシステム及び方法は、これらの短所に対処しようと試みる。包括的には、開示されるシステム及び方法は、エルビウム（Ｅｒ）ドープファイバー（ＥＤＦ）のような、リボン化された利得ドープファイバーを用いるアレイ光ファイバー増幅器を含む。リボン化ファイバーを使用することによって、増幅器アレイのモジュールサイズが小さくなり、製造コストも削減される。
【００１１】
この点を考慮に入れて、ここで、図面において示されるような実施形態の説明が詳細に参照される。これらの図面との関連で幾つかの実施形態が説明されるが、本開示を本明細書において開示される１つ又は複数の実施形態に限定することは意図していない。それどころか、全ての代替形態、変更形態及び均等形態を含むことを意図している。
【００１２】
図１は、リボン化された利得ドープファイバーアレイの一実施形態の断面を示す図である。図１に示されるように、リボン化利得ドープファイバーアレイは、８つの色分けされた利得ドープファイバーを備えるリボン１００として、具体的には、２５０μｍＥＤＦとして示される。コーティングに関して２５０μｍの外径が説明されるが、本実施形態のためのコーティング径は約１６０μｍ〜約２５０μｍに及ぶことができることは理解されたい。各利得ドープファイバー１２０ａは利得ドープコア（例えば、エルビウムをドープされる）１０５ａと、利得ドープコア１０５ａを包囲する相対的に（コアに比べて）低い屈折率のクラッディング層１１０ａと、クラッディング１１０ａに塗布されるコーティング層１１５ａとを備える。識別するのを容易にするために、各個々のＥＤＦコーティング上に着色インク層を塗布することができる。リボン１００は、モノリシック構造内に利得ドープファイバーを収容するためのマトリックス材料を更に備えることができる。図１は、色分けされた利得ドープファイバー１２０を包囲する軟質内側層１２５と、軟質内側層１２５を包囲する硬質外側層１３０とからなるマトリックス材料を示す。図１の特定の実施形態では、利得ドープファイバー１２０は、実質的に隙間なく束ねられた構成に配置される（例えば、中央ＥＤＦが７つの塗色されたＥＤＦによって包囲される）。それゆえ、リボンＥＤＦはコンパクトにすることができる。例えば、図１において、リボンは、１２５／２５０μｍクラッディング／コーティング径を有する８つの個々にコーティングされたＥＤＦによって形成され、結果として、リボン径は１．２５ｍｍになる。リボンＥＤＦは、ファイバーに近づくのを容易にするために可剥性（peelable）である。リボン径は、１２５／２００μｍクラッディング／コーティング径ＥＤＦ、又は８０／１６５μｍクラッディング／コーティング径ＥＤＦを用いることによって、それぞれ約１．０ｍｍ及び０．８２５ｍｍまで縮径することができる。
【００１３】
幾つかの実施形態では、ＥＤＦリボンは個々にコーティングされたＥＤＦを含み、識別するのを容易にするために各ＥＤＦ上に着色インクが塗布されている。好ましくは、内側層１２５は、利得ドープファイバーをクッションで覆う軟質の紫外線（ＵＶ）硬化層であり、一方、外側層１３０は、利得ドープファイバーを保護する硬質のＵＶ硬化層である。他の既知のリボン構造、例えば、別々の軟質コーティング及び硬質コーティングとは対照的に、単一のポリマーマトリックス材料を用いることができる。リボンは、利得ドープファイバーを直線状に配置して平坦にすることができるか、又は利得ドープファイバーを隙間なく束ねた構造に配置して円筒形にすることができる。平坦なリボンは、円筒形構造に形を変えることができるように丸めることができる。さらに、同等の増幅性能を達成するために、各利得ドープファイバーは、同じ、又は実質的に類似の光学特性（例えば、開口数（ＮＡ）、モードフィールド径（ＭＦＤ）、遮断波長、背景損失等）を示す。
【００１４】
図２は、リボン化された利得ドープファイバーアレイの別の実施形態の断面を示す図である。図２に示されるように、利得ドープファイバーアレイはリボン２００を備える。図１とは異なり、図２のリボン２００は、直線状に配置された８つの色分けされた利得ドープファイバー２２０ａ（例えば、２５０μｍＥＤＦ）を備える。図１と同じように、各利得ドープファイバー２２０ａは、利得ドープコア２０５ａと、クラッディング２１０ａと、コーティング層２１５ａとを備える。利得ドープファイバーの直線配置は軟質内側層２２５によって包囲され、軟質内側層は硬質外側層２３０によって更に包囲される。
【００１５】
図１又は図２のいずれかのリボン化利得ドープファイバーアレイを用いることによって、他の現在市販されているシステムより低コストで、コンパクトな増幅器アレイを製造できるようになる。この点を考慮に入れて、リボン化ＥＤＦを用いるアレイ増幅器システムの異なる実施形態を示す図３〜図６に注目する。
【００１６】
図３は、リボン化ＥＤＦを用いるアレイ増幅器（リボン化ＥＤＦＡ）の一実施形態を示すブロック図である。図３に示されるように、リボン化ＥＤＦＡシステムは、複数のＥＤＦ３２０が信号入力３９０及び信号出力３９５に光学的に結合されているＥＤＦリボン３００を備える。詳細には、各ＥＤＦ３２０は、対応する信号入力３９０及び対応する信号出力３９５に光学的に結合される。
【００１７】
入力３９０から出力３９５まで信号経路をトレースするとき、信号入力３９０からの信号は、対応する入力光アイソレーター３３５まで伝搬し、その後、対応する信号ポンプコンバイナー３４０（例えば、波長分割多重化（ＷＤＭ）コンバイナー）まで伝搬する。信号ポンプコンバイナー３４０は、信号にポンプ電力を与える、レーザーダイオード３４５（例えば、９７６ｎｍレーザーダイオード）のようなポンプ源に光学的に結合される。各信号ポンプコンバイナー３４０は対応する単一モードファイバー（ＳＭＦ）３５０に光学的に結合され、単一モードファイバーは、コアに整合した（core-matched）スプライス３５５を備える対応するＥＤＦ３２０に光学的に結合され、それにより、信号は信号ポンプコンバイナー３４０からその対応するＥＤＦ３２０に伝搬できるようになる。幾つの実施形態の場合に、各個々のＥＤＦ３２０は、リボンＥＤＦ３００からマトリックスを剥ぐことによって分離することができ、次に信号ポンプコンバイナーに接合することができる。増幅されると（ＥＤＦ３２０を通って伝搬することによる）、増幅された信号は出力光アイソレーター３７０（別のＳＭＦ３６５によってＥＤＦ３２０にコア整合接合（３６０）される）を通って、その後、利得平坦化フィルター（ＧＦＦ）３７５を通って進み、最終的にその対応する信号出力３９５において現れる。他の増幅器アーキテクチャも可能であり、当該技術分野においてよく知られている。図３の実施形態において示されるように、リボン化ＥＤＦ３００を用いることによって、他の現在市販されているシステムより低コストで、コンパクトな増幅器アレイを製造できるようになる。さらに、リボン内の個々のＥＤＦの長さを調整して、ＥＤＦＡの間で利得形状の均一性及び一貫性を達成できることに留意されたい。個々のＥＤＦの長さの柔軟性は、アレイＥＤＦＡの生産歩留まりを改善することもできる。
【００１８】
アレイＥＤＦＡ内の平坦な利得スペクトルと、利得形状の均一性及び一貫性は、将来のＤＷＤＭトランスポートシステムにとって重要である。アレイＥＤＦＡ内の利得形状の高い度合いの均一性を維持するために、リボン内のＥＤＦごとのファイバー導波路構造の厳密な制御に加えて、一般的に、ドーピング組成及びドーピング濃度の厳密な制御が必要とされる。これは、ＥＤＦＡの利得スペクトルが吸収、ＭＦＤ、ＮＡ、遮断波長、Ａｌ比等のＥＤＦ特性によって決まるためであり、ＥＤＦ特性はＥＤＦの製造ばらつき及び反転レベルに依存し、反転レベルはＥＤＦＡの詳細な構成及び動作条件（ＥＤＦの長さ、ポンプ及び信号電力レベル等）によって決まることになる。Ｅｒドープシリカファイバーは通常、屈折率を上げ、利得スペクトルを変更するために用いられるアルミニウム（Ａｌ）及びランタン（Ｌａ）又はゲルマニウム（Ｇｅ）を共ドープされる。Ａｌ濃度はＥＤＦの利得スペクトルに最も大きな影響を及ぼす。１４８０ｎｍにおける吸収レベルは、ＥＤＦ内のＡｌ共ドーパント濃度の変動に関する高感度の指標であり、それゆえ、Ａｌ比（ＲＡｌ）と呼ばれる、１４８０ｎｍにおける吸収とピーク吸収との間の比、ＲＡｌ＝α１４８０ｎｍ／αｐｅａｋは、異なるアルミニウムドーピングレベルを区別し、かつＥＤＦ内のスペクトル均一性／一貫性を監視するための測定可能なパラメータとして選択される。アレイ内のＥＤＦＡの間で±１％未満の利得形状変動を得ることが好ましく、ＥＤＦリボン内で用いられるＥＤＦごとに、Ａｌ比がＲＡｌ＝ＲＡＬｔａｒｇｅｔ±０．０５（又はΔＲＡＬ≦０．０１）の範囲内に管理されるべきである。例えば、ＲＡＬｔａｒｇｅｔ＝０．４３２である場合には、０．４２７＜ＲＡｌ＜０．４３７であり、ＲＡＬｔａｒｇｅｔ＝０．４４４である場合には、０．４３９＜ＲＡｌ＜０．４４９である。さらに、ＥＤＦリボン用に形成される個々のＥＤＦは、利得形状の良好な均一性を得るために、同じ特性（吸収、放射、ＭＦＤ、ＮＡ、遮断波長、及び背景損失等）を有するべきである。ピーク吸収αは、目標吸収αｔａｒｇｅｔの±３％の範囲内に管理されるべきであり、例えば、αｔａｒｇｅｔ＝６．５ｄＢ／ｍである場合には、ピーク吸収は６．３ｄＢ／ｍ＜α＜６．７ｄＢ／ｍの範囲内とすることができる。
【００１９】
上記のような、１×８リボン化ＥＤＦを用いることによるアレイＥＤＦＡは、実験的に実証されてきた。１×８アレイ増幅器内の各ＥＤＦＡは、共伝搬ポンピング（co-propagating pumping）方式において９７６ｎｍＬＤによってポンピングされ、１２メートル長のリボンＥＤＦが利用された。アレイＥＤＦＡの性能が、ＷＤＭ（１００ＧＨｚチャネル間隔を有する）入力信号として４０個のＤＦＢダイオードを用いることによって評価され、それらの入力信号は、アレイ導波路回折格子ルータ（ＡＷＲ）によって合成され、アレイ増幅器内の各個々のＥＤＦＡへの信号の入力として８つに分割された。各個々のＥＤＦＡに入力する前に、可変光減衰器（ＶＯＡ）によって複合入力信号が調整された。入力／出力光アイソレーター、及び入力／出力タップ９９／１テーパー結合器が実験において使用されたが、出力においてＧＦＦは使用されなかった。各個々のＥＤＦＡの達成可能な利得及びＮＦが注意深く測定され、アレイＥＤＦＡ内の各ＥＤＦＡの利得偏差も解析された。その結果が図７Ａ及び図７Ｂに示される。
【００２０】
具体的には、図７Ａは、１×８アレイＥＤＦＡからの波長１５３０．３７３ｎｍから１５６１．４４５ｎｍに及ぶ利得曲線を示す。入力電力は８つ全てのＥＤＦＡの場合に同じ（４０チャネルの２．６ｄＢｍ全入力電力）になるように調整され、この測定において、１×８アレイＥＤＦＡ内のＥＤＦＡごとに４１５ｍＷのポンプ電力が使用されたことに留意されたい。２１．９ｄＢｍの平均出力電力で、１９．３ｄＢの平均利得が得られた。図７Ｂは、８個のＥＤＦＡの平均利得と、平均された利得曲線からの利得偏差とをプロットする。利得偏差＜±０．８％を得ることができ、アレイ内のＥＤＦＡ間の優れた利得形状均一性を示すことを確認することができる。個々のＥＤＦの長さを調整し、ポンプ電力をわずかに調整することによって、利得偏差を更に小さくすることができる。
【００２１】
図４は、光スプリッターを用いる共用ポンプを有するリボン化ＥＤＦＡの一実施形態を示すブロック図である。再度、ＥＤＦリボン４００の入力側において、信号入力４９０から信号出力４９５まで信号経路をトレースするとき、各信号は、それぞれの入力光アイソレーター４３５、信号ポンプコンバイナー４４０、ＳＭＦ４５０、ＥＤＦ４２０（スプライス４５５によってＳＭＦ４５０に結合される）を通って伝搬する。図３の実施形態とは異なり、図４の実施形態は、ポンプレーザーダイオード４４５、光スプリッター４８５及び可変光減衰器（ＶＯＡ）４８０の組み合わせを通してポンプ電力が与えられるポンプ共用方式を提供する。このタイプのポンプ共用方式によれば、ポンプ源を少なくできるようになり、レーザーダイオード４４５からのポンプ電力は光スプリッター４８５を用いて分割され、ＶＯＡ４８０を用いて制御され、その後、信号ポンプコンバイナー４４０を通して信号に与えられる。
【００２２】
出力側では、各ＥＤＦ４２０がコア整合スプライス４６０によって対応するＳＭＦ４６５に光学的に結合される。各ＳＭＦ４６５は対応する出力光アイソレーター４７０に光学的に結合され、出力光アイソレーターは更に、対応するＧＦＦ４７５に光学的に結合され、ＧＦＦは、その対応する信号出力４９５を通して、増幅された信号を出力する。ここで、ＳＭＦ４６５及びＧＦＦ４７５が図３の対応する構成要素に類似している限り、ＳＭＦ４６５及びＧＦＦ４７５の更なる検討は省かれる。しかしながら、図４の実施形態も、リボン化利得ドープファイバーを利用することによって、図３を参照しながら説明されたのと同様の効率及び利点を達成することに留意されたい。
【００２３】
図５は、高出力電力動作のためのコポンピング構成及びカウンターポンピング構成の両方を有するリボン化ＥＤＦＡの一実施形態を示すブロック図である。図３の実施形態と同様に、図５の実施形態は、信号入力５９０と、入力光アイソレーター５３５と、ポンプレーザーダイオード５４５と、信号ポンプコンバイナー５４０と、ＳＭＦ５５０と、リボン化ＥＤＦ５００内のＥＤＦ５２０と、出力光アイソレーター５７０と、ＧＦＦ５７５と、信号出力５９５とを備える。ここで、これらの構成要素が図３及び図４を参照しながら説明された限りにおいて、これらの構成要素の更なる検討は省略される。
【００２４】
図３及び図４の実施形態とは異なり、図５の実施形態は、別の１組の信号ポンプコンバイナー５８０によって対応するＳＭＦ５６５に光学的に結合されるカウンターポンピングレーザーダイオード５８５を含むカウンターポンピング方式も含む。コポンピング方式（図３を参照しながら説明される）及びカウンターポンピング方式の両方を設けることによって、より大きなポンプ電力を導入できるようになる。
【００２５】
図６は、電力モニターを有するリボン化ＥＤＦＡの一実施形態を示すブロック図である。図３の実施形態と同様に、図６の実施形態は、信号入力６９０と、入力光アイソレーター６３５と、信号ポンプコンバイナー６４０と、ポンプレーザーダイオード６４５と、ＳＭＦ６５０と、リボン化ＥＤＦ６００内のＥＤＦ６２０と、出力光アイソレーター６７０と、ＧＦＦ６７５と、信号出力６９５とを備える。これらの構成要素は図３、図４及び図５を参照しながら論じられたので、ここで、これらの構成要素の更なる検討は省略される。しかしながら、図３からの共通の構成要素に加えて、図６の実施形態は、入力モニター６１５及び出力モニター６８５を含む。入力モニターは、入力タップ結合器６１０を用いて信号入力６９０に光学的に結合され、それにより、入力信号を測定できるようにする。同様に、出力モニター６８５は出力タップ結合器６８０を用いて信号出力６９５に光学的に結合され、それにより、出力電力を測定できるようにする。
【００２６】
図１〜図７Ｂの実施形態において示されるように、開示されるシステム及び方法は、リボン化ファイバーを使用するアレイ光ファイバー増幅器を含み、リボン化ファイバーは、他の現在市販されているシステムでは容易に達成することができない、増幅器モジュールサイズの縮小を可能にし、製造コストの削減も可能にする。
【００２７】
任意のプロセス説明又は流れ図内のブロックは、そのプロセス内の特定の論理機能又はステップを実現するための１つ又は複数の実行可能命令を含むモジュール、セグメント又はコードの一部を表すと理解されるべきであり、本開示の正当な当業者によって理解されるように、関連する機能に応じて、実質的に同時、又は逆の順序を含む、機能が図示又は検討されたのと異なる順序で実行される場合がある代替の実施態様も、本開示の好ましい実施形態の範囲に含まれる。
【００２８】
例示的な実施形態が図示及び説明されてきたが、説明されたような開示に対する複数の変形形態、変更形態又は代替形態も実施できることは当業者には明らかであろう。それゆえ、全てのそのような変形形態、変更形態及び代替形態も本開示の範囲内にあると見なされるべきである。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【外国語明細書】
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ＦＩＧ．７Ａ
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ＦＩＧ．７Ｂ