(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光である励起光が順方向に供給されることによりパルス光である信号光をラマン増幅し得る光増幅用光ファイバであって、
前記信号光の波長より短く前記励起光の波長より長いカットオフ波長を有し、
前記信号光の基底モードの群速度が、前記励起光の基底モードの群速度以下であり、前記励起光の２次モードの群速度以上である、
ことを特徴とする光増幅用光ファイバ。
【請求項２】
ラマン利得係数を増大させる物質が屈折率が最大となる領域に添加されていることを特徴とする請求項１記載の光増幅用光ファイバ。
【請求項３】
請求項１記載の光増幅用光ファイバと、前記光増幅用光ファイバのカットオフ波長より短い波長の励起光を前記光増幅用光ファイバに供給する励起光供給手段とを備えることを特徴とする光ファイバ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅用光ファイバおよび光ファイバ増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ増幅器は、光通信システムにおいて信号光が光伝送路を伝搬する際の損失を補償すべく信号光を光増幅するものであり、光増幅用光ファイバおよび励起光供給手段を備えている。すなわち、励起光供給手段により光増幅用光ファイバに所定波長の励起光が供給され、この光増幅用光ファイバに信号光が入力すると、この入力した信号光は光増幅用光ファイバにおいて光増幅されて出力される。また、このような光ファイバ増幅器として、希土類元素が光導波領域に添加された光ファイバを光増幅用光ファイバとして用いるもの（以下「希土類元素添加光ファイバ増幅器」という。）と、ラマン増幅を利用するもの（以下「ラマン増幅器」という。）とがある。
【０００３】
ラマン増幅器は、例えば、文献１「S.Hamidi, et al., Electronics Letters, Vol.28, No.18, pp.1768-1770 (1992)」、文献２「E.Desurvire, et al., Electronics Letters, Vol.19, No.19, pp.752-753 (1983)」、および、文献３「Y.Aoki, et al., Electronics Letters, Vol.19, No.16, pp.620-622 (1983)」等に記載されている。また、光増幅用光ファイバの屈折率プロファイルの最適化について、例えば、文献４「M.J.Holmes, et al., Electronics Letters, Vol.26, No.22, pp.1873-1874 (1990)」等に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光ファイバ増幅器は以下のような問題点を有していることを本願発明者は見出した。すなわち、従来の光ファイバ増幅器で用いられる光増幅用光ファイバは、信号光の波長（例えば１．５５μｍ）および励起光の波長（例えば１．４８μｍ）の何れにおいても、シングルモードであり、基底モード（ＬＰ01モード）のみを伝搬させる。しかし、光増幅用光ファイバの励起光波長での実効断面積（励起光の基底モードのパワー分布に応じたもの）は、信号光波長での実効断面積（信号光の基底モードのパワー分布に応じたもの）と比較して小さい。
【０００５】
したがって、従来の光ファイバ増幅器は、光増幅用光ファイバの２波長間での実効断面積の相違に因り、光増幅の利得が充分ではない。特に、光増幅に寄与する領域のうち中心から離れたところでは、励起が充分ではないことから、信号光が光増幅されないか或いは逆に吸収されてしまうことも起こり得る。また、光増幅用光ファイバのコア中心付近で光増幅の効率が高く信号光パワーが増加するので、非線形光学現象が生じ易く、この点からも光増幅の利得を高めるにも限界がある。さらに、基底モードの励起光のみを出力する半導体レーザ光源（励起光源）は高出力化が困難であり、この点からも光増幅の利得を高めるにも限界がある。なお、複数の半導体レーザ光源を使用することにより、光増幅用光ファイバに供給する励起光のパワーを高めることも考えられるが、この場合には、光ファイバ増幅器が高価となる。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光増幅の利得が高い光ファイバ増幅器、および、この光ファイバ増幅器に好適に用いられる光増幅用光ファイバを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光増幅用光ファイバは、パルス光である励起光が順方向に供給されることによりパルス光である信号光をラマン増幅し得る光増幅用光ファイバであって、信号光の波長より短く励起光の波長より長いカットオフ波長を有し、信号光の基底モードの群速度が、励起光の基底モードの群速度以下であり、励起光の２次モードの群速度以上であることを特徴とする。この光増幅用光ファイバは、信号光については基底モードのみを伝搬させ、励起光については基底モードだけでなく少なくとも２次モードをも伝搬させ得る。励起光の基底モードのパワー分布に励起光の高次モードのパワー分布を加えることで、信号光の基底モードのパワー分布に近いものとすることができ、信号光に対する実効断面積と励起光に対する実効断面積との相違が実効的に小さくなるので、光増幅の利得を高めることができる。また、光増幅用光ファイバのコアの中心付近だけでなく光増幅に寄与するコアの周囲も励起することが可能となり、この点からも光増幅の利得を高めるのに好適である。
【０００８】
また、本発明に係る光増幅用光ファイバは、信号光の基底モードの群速度が、励起光の基底モードの群速度以下であり、励起光の２次モードの群速度以上であることを特徴とする。この場合には、信号光の基底モードと励起光の基底モードとの間で群速度の差があったとしても、信号光の基底モードと励起光の高次モードとの間で群速度の差が小さければ、励起光の高次モードによる励起により、光増幅の利得を高めることができる。
【００１２】
また、本発明に係る光増幅用光ファイバは、ラマン利得係数を増大させる物質が屈折率が最大となる領域に添加されていることを特徴とする。この場合には、光増幅の利得を更に高めることができる。
【００１３】
本発明に係る光ファイバ増幅器は、上記の本発明に係る光増幅用光ファイバと、この光増幅用光ファイバのカットオフ波長より短い波長の励起光を光増幅用光ファイバに供給する励起光供給手段とを備えることを特徴とする。この光ファイバ増幅器によれば、励起光供給手段により光増幅用光ファイバに供給される励起光は基底モードだけでなく少なくとも２次モードも含まれる。そして、光増幅用光ファイバは、信号光については基底モードのみを伝搬させ、励起光については基底モードだけでなく少なくとも２次モードをも伝搬させ得る。したがって、光増幅用光ファイバにおいては、励起光の基底モードのパワー分布に励起光の高次モードのパワー分布を加えることで、信号光の基底モードのパワー分布に近いものとすることができ、信号光に対する実効断面積と励起光に対する実効断面積との相違が実効的に小さくなるので、光ファイバ増幅器の利得が高くなる。また、光増幅用光ファイバのコアの中心付近だけでなく光増幅に寄与するコアの周囲も励起することが可能となることから、この点からも光増幅の利得を高めるのに好適である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る光ファイバ増幅器１の概略構成図である。この光ファイバ増幅器１は、光増幅用光ファイバ１０、励起光源２１および２２、励起光供給用光ファイバ３１および３２、ならびに、光カプラ４１および４２を備える。
【００１６】
光増幅用光ファイバ１０は、励起光が供給されることにより信号光を光増幅し得るものである。光増幅用光ファイバ１０のカットオフ波長λcは、信号光の波長λsより短く、励起光の波長λpより長い。すなわち、これらの３つの波長の間で、
λp＜λc＜λs    …(1)
なる関係が成り立つ。したがって、信号光波長λsでは、光増幅用光ファイバ１０内を基底モード（ＬＰ01モード）のみが伝搬し、励起光波長λpでは、光増幅用光ファイバ１０内を少なくとも基底モード（ＬＰ01モード）および２次モード（ＬＰ11モード）が伝搬する。
【００１７】
光増幅用光ファイバ１０の屈折率プロファイルは、上記(1)式が成り立つ限り任意である。例えば、単純なコアとクラッドとを有するステップ型、中心から順に第１コア（屈折率ｎ1）と第２コア（屈折率ｎ2）とクラッド（屈折率ｎ3）とを有し屈折率の大小関係が ｎ1＞ｎ2＞ｎ3 であるデュアルシェイプ型、中心から順に第１コア（屈折率ｎ1）と第２コア（屈折率ｎ2）と第３コア（屈折率ｎ3）とクラッド（屈折率ｎ4）とを有し屈折率の大小関係が ｎ1＞ｎ3＞ｎ2≧ｎ4 であるセグメント型、中心から順に第１コア（屈折率ｎ1）と第２コア（屈折率ｎ2）と第３コア（屈折率ｎ3）とクラッド（屈折率ｎ4）とを有し屈折率の大小関係が ｎ1＞ｎ3＞ｎ4＞ｎ2 であるディプレストセグメント型、中心から順に第１コア（屈折率ｎ1）と第２コア（屈折率ｎ2）とクラッド（屈折率ｎ3）とを有し屈折率の大小関係が ｎ2＞ｎ3＞ｎ1 または ｎ2＞ｎ1≧ｎ3 であるリング型、等である。
【００１８】
また、光ファイバ増幅器１が希土類元素添加光ファイバ増幅器である場合には、光増幅用光ファイバ１０は、光導波領域に希土類元素（例えば、Ｅｒ，Ｔｍ，Ｐｒ，Ｎｄ等）が添加されている。また、光ファイバ増幅器１がラマン増幅器である場合には、光増幅用光ファイバ１０は、ラマン利得係数を増大させる物質（例えば、Ｇｅ，Ａｌ，Ｐ等）が、屈折率が最大となる領域に添加されているのが好適である。この場合には、光増幅の利得を更に高めることができる。光増幅用光ファイバ１０で屈折率が最大となる領域とは、基底モードのパワー分布のピーク位置を含む一定領域であって、ステップ型の場合にはコアの中心部分であり、デュアルシェイプ型、セグメント型およびディプレストセグメント型それぞれの場合には第１コア領域であり、リング型の場合には第２コア領域である。
【００１９】
ここで、信号光波長λsは、一般に石英系の光ファイバにおいて伝送損失が最も小さい１．５５μｍ付近であるのが好適である。このとき、光ファイバ増幅器１が希土類元素添加光ファイバ増幅器である場合には、励起光波長λpは、１．４８μｍまたは０．９８μｍである。光ファイバ増幅器１がラマン増幅器である場合には、励起光波長λpは、１．４０μｍ〜１．５０μｍの範囲の波長である。
【００２０】
光増幅用光ファイバ１０のカットオフ波長λcは、一般には、長さ２ｍの光増幅用光ファイバ１０を半径１４０ｍｍでゆるく１回巻き付けた状態での２次（ＬＰ11）モードのカットオフ波長として定義される（ＩＴＵ-Ｇ.６５０）。光ファイバ増幅器１が希土類元素添加光ファイバ増幅器であり、光増幅用光ファイバ１０の長さが数ｍ〜数百ｍである場合には、この定義のカットオフ波長λcが用いられるのが好適である。
【００２１】
一方、光ファイバ増幅器１がラマン増幅器であり、光増幅用光ファイバ１０の長さが数十ｋｍ〜数百ｋｍである場合には、光増幅用光ファイバ１０のカットオフ波長λcは、
Ｌeff＝（１−exp(−αＬ)）／Ｌ    …(2)
なる式で表される光増幅用光ファイバ１０の実効長Ｌeffに対して定義されるのが好適である。ここで、αは光増幅用光ファイバ１０の励起光波長におけるの伝送損失であり、Ｌは光増幅用光ファイバ１０の全長である。また、光増幅用光ファイバ１０の実効長Ｌeffは、励起光が光増幅に寄与することができる実効的な長さである。
【００２２】
励起光源２１および２２それぞれは、光増幅用光ファイバ１０に供給すべき励起光を出力するものであって、例えば半導体レーザ光源が好適に用いられる。また、励起光源２１および２２それぞれは、励起光の基底モードだけでなく少なくとも２次モードをも出力する。励起光供給用光ファイバ３１は、励起光源２１から出力された励起光（基底モードおよび２モードを含む）を光カプラ４１へ導く。励起光供給用光ファイバ３２は、励起光源２２から出力された励起光（基底モードおよび２モードを含む）を光カプラ４２へ導く。
【００２３】
光カプラ４１は、入力端１ａに入力した信号光を光増幅用光ファイバ１０へ入力させるとともに、励起光源２１から励起光供給用光ファイバ３１を経て到達した励起光をも光増幅用光ファイバ１０へ入力させる。光カプラ４２は、光増幅用光ファイバ１０から出力された信号光を出力端１ｂへ出力するとともに、励起光源２２から励起光供給用光ファイバ３２を経て到達した励起光を光増幅用光ファイバ１０へ入力させる。
【００２４】
なお、光ファイバ増幅器１において、順方向にのみ光を伝搬させる光アイソレータを設けるのも好適である。光アイソレータは、入射端１ａと光カプラ４１との間や、光カプラ４２と出力端１ｂとの間に設けられる。
【００２５】
このように構成される光ファイバ増幅器１では、励起光源２１から出力された励起光（基底モードおよび２モードを含む）は、励起光供給用光ファイバ３１および光カプラ４１を経て、順方向から光増幅用光ファイバ１０に供給される。励起光源２２から出力された励起光（基底モードおよび２モードを含む）は、励起光供給用光ファイバ３２および光カプラ４２を経て、逆方向から光増幅用光ファイバ１０に供給される。入力端１ａに入力した信号光は、光カプラ４１を経て光増幅用光ファイバ１０に入力し、光増幅用光ファイバ１０で光増幅されて、光カプラ４２を経て出力端１ｂへ出力される。
【００２６】
光増幅用光ファイバ１０においては、カットオフ波長λc、信号光波長λsおよび励起光波長λpの間に上記(1)式の関係が成り立つので、信号光については、光増幅用光ファイバ１０内を基底モード（ＬＰ01モード）のみが伝搬する。一方、励起光については、光増幅用光ファイバ１０内を少なくとも基底モード（ＬＰ01モード）および２次モード（ＬＰ11モード）が伝搬する。
【００２７】
図２は、光増幅用光ファイバにおける光のパワー分布を説明する図である。同図（ａ）は、本実施形態に係る光増幅用光ファイバ１０における信号光の基底モード（実線）、励起光の基底モード（破線）および励起光の２次モード（一点鎖線）それぞれのパワー分布を示す。同図（ｂ）は、従来の光増幅用光ファイバにおける信号光の基底モード（実線）および励起光の基底モード（破線）それぞれのパワー分布を示す。これらは、光ファイバの光軸と直交する直線上での光のパワー分布を示す。
【００２８】
従来の光増幅用光ファイバでは、カットオフ波長λcが信号光波長λsおよび励起光波長λpの何れよりも小さいので、信号光については基底モードのみが伝搬可能であり、励起光についても基底モードのみが伝搬可能である。また、一般に、基底モードであっても、波長が短いほど、光のパワー分布の幅が小さく、実効断面積が小さい。すなわち、図２（ｂ）に示すように、信号光の基底モードに対する実効断面積より、この信号光より短波長である励起光の基底モードに対する実効断面積の方が小さい。したがって、既に述べたように、このような従来の光増幅用光ファイバを用いた光ファイバ増幅器は、光増幅用光ファイバの２波長間での実効断面積の相違に因り、光増幅の利得が充分ではない。また、光増幅用光ファイバのコア中心付近で光増幅の効率が高く信号光パワーが増加するので、非線形光学現象が生じ易く、この点からも光増幅の利得を高めるにも限界がある。
【００２９】
これに対して、本実施形態に係る光増幅用光ファイバ１０では、信号光については基底モード（ＬＰ01モード）のみが伝搬し、励起光については少なくとも基底モード（ＬＰ01モード）および２次モード（ＬＰ11モード）が伝搬する。この場合も、信号光の基底モードに対する実効断面積より、励起光の基底モードに対する実効断面積の方が小さい。しかし、本実施形態では、励起光の２次モードも光増幅用光ファイバ１０を伝搬し得る。そして、励起光の基底モードのパワー分布に励起光の２次モードのパワー分布を加えることで、信号光の基底モードのパワー分布に近いものとすることができる（図２（ａ））。このことから、本実施形態に係る光ファイバ増幅器１は、信号光に対する実効断面積と励起光（基底モードおよび２モードを含む）に対する実効断面積との相違が実効的に小さくなるので、光増幅の利得を高めることができる。また、光増幅用光ファイバ１０のコアの中心付近だけでなく、光増幅に寄与するコアの周囲も励起することが可能となることから、この点からも光増幅の利得を高めるのに好適である。
【００３０】
光ファイバ光増幅器１がラマン増幅器であって、励起光が順方向に供給される場合には、信号光および励起光それぞれの群速度の差が大きいと、ラマン増幅の利得が小さくなる。また、同一波長であっても基底モードと高次モードとでは群速度が異なり、モード分散に因り通常は次数が高いほど群速度が遅くなる。したがって、信号光の基底モードと励起光の基底モードとの間で群速度の差があったとしても、信号光の基底モードと励起光の高次モードとの間で群速度の差が小さければ、励起光の高次モードによる励起により、光増幅の利得を高めることができる。そこで、信号光の基底モードの群速度をＶsとし、励起光の基底モードの群速度をＶp1とし、励起光の２次モードの群速度をＶp2としたときに、
Ｖp2≦Ｖs≦Ｖp1    …(3)
なる関係式が成り立つのが好適である。
【００３１】
また、信号光について基底モードのみを伝搬させるというシングルモード動作を確保する条件の下では、励起光の３次以上の高次モードは通常は減衰が大きいので、光増幅用光ファイバ１０は、励起光については基底モードおよび２次モードのみを伝搬させ得るものであるのが好適である。
【００３２】
さらに、ラマン増幅の利得は、信号光および励起光それぞれの偏波状態が互いに一致している場合に高い。そこで、光増幅用光ファイバ１０は、信号光および励起光それぞれの伝搬時の偏波状態を保持する偏波保持光ファイバであるのが好適である。
【００３３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る光増幅用光ファイバは、励起光が供給されることにより信号光を光増幅し得る光増幅用光ファイバであって、信号光の波長より短く励起光の波長より長いカットオフ波長を有する。この光増幅用光ファイバは、信号光については基底モードのみを伝搬させ、励起光については基底モードだけでなく少なくとも２次モードをも伝搬させ得る。励起光の基底モードのパワー分布に励起光の高次モードのパワー分布を加えることで、信号光の基底モードのパワー分布に近いものとすることができ、信号光に対する実効断面積と励起光に対する実効断面積との相違が実効的に小さくなるので、光増幅の利得を高めることができる。
【００３４】
また、本発明に係る光増幅用光ファイバは、信号光の基底モードの群速度が、励起光の基底モードの群速度以下であり、励起光の２次モードの群速度以上であるのが好適である。この場合には、信号光の基底モードと励起光の基底モードとの間で群速度の差があったとしても、信号光の基底モードと励起光の高次モードとの間で群速度の差が小さければ、励起光の高次モードによる励起により、光増幅の利得を高めることができる。
【００３５】
また、本発明に係る光増幅用光ファイバは、励起光については基底モードおよび２次モードのみを伝搬させ得るのが好適である。信号光について基底モードのみを伝搬させるというシングルモード動作を確保する条件の下では、励起光の３次以上の高次モードは通常は減衰が大きいが、励起光の３次以上の高次モードを伝搬させないことで、光増幅の利得を高めることができる。
【００３６】
また、本発明に係る光増幅用光ファイバは、信号光および励起光それぞれの伝搬時の偏波状態を保持する偏波保持光ファイバであるのが好適である、この場合には、信号光および励起光それぞれの偏波状態が互いに一致することにより、光増幅の利得を高めることができる。
【００３７】
また、本発明に係る光増幅用光ファイバはラマン増幅するものであるのが好適であり、この場合には、光増幅用光ファイバを伝搬しつつ光増幅される信号光のパワーは、非線形光学現象が発生しない程度に小さく、且つ、励起光の利用効率を高めることができる。
【００３８】
また、本発明に係る光増幅用光ファイバは、ラマン利得係数を増大させる物質が屈折率が最大となる領域に添加されているのが好適であり、この場合には、光増幅の利得を更に高めることができる。
【００３９】
本発明に係る光ファイバ増幅器は、上記の本発明に係る光増幅用光ファイバと、この光増幅用光ファイバのカットオフ波長より短い波長の励起光を光増幅用光ファイバに供給する励起光供給手段とを備える。この光ファイバ増幅器によれば、励起光供給手段により光増幅用光ファイバに供給される励起光は基底モードだけでなく少なくとも２次モードも含まれる。そして、光増幅用光ファイバは、信号光については基底モードのみを伝搬させ、励起光については基底モードだけでなく少なくとも２次モードをも伝搬させ得る。したがって、光増幅用光ファイバにおいては、励起光の基底モードのパワー分布に励起光の高次モードのパワー分布を加えることで、信号光の基底モードのパワー分布に実効的に近いものとすることができ、信号光に対する実効断面積と励起光に対する実効断面積との相違が小さくなるので、光ファイバ増幅器の利得が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る光ファイバ増幅器の概略構成図である。
【図２】光増幅用光ファイバにおける光のパワー分布を説明する図である。
【符号の説明】
１…光ファイバ増幅器、１０…光増幅用光ファイバ、２１，２２…励起光源、３１，３２…励起光供給用光ファイバ、４１，４２…光カプラ。
【図１】
0004269453.tif 000002
【図２】
0004269453.tif 000003