特開 2024-136144 光ファイバ増幅器及び希土類元素添加マルチコア光ファイバ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024136144

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】光ファイバ増幅器及び希土類元素添加マルチコア光ファイバ

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20240927BHJP

   G02B 6/036 20060101ALI20240927BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

H01S3/10 D

G02B6/036

G02B6/02 376B

G02B6/02 461

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023047138

(22)【出願日】2023-03-23

(71)【出願人】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】大塚 節文

【テーマコード（参考）】

2H250

5F172

【Ｆターム（参考）】

2H250AB05

2H250AB07

2H250AB10

2H250AB20

2H250AC64

2H250AC66

2H250AC83

2H250AC93

2H250AC94

2H250AC95

2H250AC96

2H250AD08

2H250AD15

2H250AD29

2H250AD32

2H250AH33

5F172AF03

5F172AM01

5F172AM04

5F172AM08

5F172BB18

5F172BB19

5F172BB27

(57)【要約】

【課題】本開示は、電力効率が高く、雑音指数の低い光ファイバ増幅器を提供する。
【解決手段】信号光を導波するコアの中心を含む第１領域と、前記第１領域を囲む第２領域と、前記第２領域を囲む第３領域と、で構成され、前記第２領域に希土類元素が添加される第１希土類元素添加光ファイバと、前記第１希土類元素添加光ファイバの信号出力側に設けられ、信号光を導波するコアの中心を含む第４領域と、前記第４領域を囲む第６領域と、前記第６領域を囲む第６領域と、で構成され、前記第４領域に希土類元素が添加される第２希土類元素添加光ファイバと、を備える光ファイバ増幅器。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

信号光を導波するコアの中心を含む第１領域と、
前記第１領域を囲む第２領域と、
前記第２領域を囲む第３領域と、で構成され、
前記第２領域に希土類元素が添加される第１希土類元素添加光ファイバと、
前記第１希土類元素添加光ファイバの信号出力側に設けられ、
信号光を導波するコアの中心を含む第４領域と、
前記第４領域を囲む第５領域と、
前記第５領域を囲む第６領域と、で構成され、
前記第４領域に希土類元素が添加される第２希土類元素添加光ファイバと、
を備える、
光ファイバ増幅器。

【請求項2】

前記第１希土類元素添加光ファイバの前記第１領域における希土類元素の濃度は、前記第２領域における希土類元素の濃度以下である、
請求項１に記載の光ファイバ増幅器。

【請求項3】

前記第１希土類元素添加光ファイバの前記第１領域における希土類元素の濃度が、前記第２領域における希土類元素の濃度の１０％以下である、
請求項２に記載の光ファイバ増幅器。

【請求項4】

前記第２希土類元素添加光ファイバの前記第５領域における希土類元素の濃度は、前記第４領域における希土類元素の濃度以下である、
請求項１に記載の光ファイバ増幅器。

【請求項5】

前記第２希土類元素添加光ファイバの前記第５領域における希土類元素の濃度が、前記第４領域における希土類元素の濃度の１０％以下である、
請求項４に記載の光ファイバ増幅器。

【請求項6】

前記第１希土類元素添加光ファイバの前記第１領域が、前記第１領域に含まれるコアの中心を中心とする円形領域であり、
前記第２希土類元素添加光ファイバの前記第４領域が、前記第４領域に含まれるコアの中心を中心とする円形領域であり、
前記第１領域の直径が、前記第４領域の直径より大きい、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ファイバ増幅器。

【請求項7】

前記第１希土類元素添加光ファイバ及び前記第２希土類元素添加光ファイバのそれぞれは、動作波長においてシングルモード条件を満たす、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ファイバ増幅器。

【請求項8】

前記第１希土類元素添加光ファイバの動作波長におけるモードフィールド径と、
前記第２希土類元素添加光ファイバの動作波長におけるモードフィールド径が、
相対誤差１５％以下で一致する、
請求項７に記載の光ファイバ増幅器。

【請求項9】

前記第１希土類元素添加光ファイバ及び前記第２希土類元素添加光ファイバのそれぞれがマルチコア光ファイバである、
請求項１から請求項５にいずれか一項に記載の光ファイバ増幅器。

【請求項10】

信号光を導波する複数のコアを含み、
前記複数のコアのそれぞれは、前記コアの中心を含む第１領域と、前記第１領域を囲む第２領域を、有し、
すべての前記第２領域を囲む第３領域を更に有し、
前記第１領域における希土類元素の濃度は、前記第２領域における希土類元素の濃度より低い、
希土類元素添加マルチコア光ファイバ。

【請求項11】

前記希土類元素添加マルチコア光ファイバの前記第１領域における希土類元素の濃度が、前記第２領域における希土類元素の濃度の２０％以下である、
請求項１０に記載の希土類元素添加マルチコア光ファイバ。

【請求項12】

前記第１希土類元素添加光ファイバが請求項１１に記載の希土類元素添加マルチコア光ファイバである、
請求項９に記載の光ファイバ増幅器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光ファイバ増幅器及び希土類元素添加マルチコア光ファイバに関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１及び非特許文献２のそれぞれには、クラッド励起方式のマルチコア光ファイバ増幅器においてコアあたりの励起光パワーを低減する方法として、励起光を閉じ込める第１クラッドにおけるコア密度を高くする方法が記載されている。

【0003】

特許文献１及び非特許文献３のそれぞれには、希土類添加光ファイバにおいて、希土類をリング状に添加する希土類添加マルチコア光ファイバ増幅器が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許第６２８８８３５号明細書

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】S. Takasaka et al., "EDF Length Dependence of Amplification Characteristics of Cladding Pumped 19-Core EDFA", 2018 Optical Fiber Communications Conference and Exposition (OFC), San Diego, CA, USA, 2018, pp. 1-3.

【非特許文献2】M. Wada, T. Sakamoto, S. Aozasa, R. Imada, T. Yamamoto and K. Nakajima, "Full C-Band and Power Efficient Coupled-Multi-Core Fiber Amplifier", 2020 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), San Diego, CA, USA, 2020, pp. 1-3.

【非特許文献3】S. LaRochelle, C. Matte-Breton, C. Kelly and R. J. Essiambre, "Cladding-pumped multicore amplifiers with ring doping", 2021 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), San Francisco, CA, USA, 2021, pp. 1-3.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

光ファイバ増幅器において、電力効率を高めるとともに、雑音指数を低減することが求められている。

【0007】

本開示は、電力効率が高く、雑音指数の低い光ファイバ増幅器を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示は、信号光を導波するコアの中心を含む第１領域と、前記第１領域を囲む第２領域と、前記第２領域を囲む第３領域と、で構成され、前記第２領域に希土類元素が添加される第１希土類元素添加光ファイバと、前記第１希土類元素添加光ファイバの信号出力側に設けられ、信号光を導波するコアの中心を含む第４領域と、前記第４領域を囲む第５領域と、前記第５領域を囲む第６領域と、で構成され、前記第４領域に希土類元素が添加される第２希土類元素添加光ファイバと、を備える光ファイバ増幅器である。

【発明の効果】

【0009】

本開示の光ファイバ増幅器によれば、電力効率を高くするとともに、雑音指数を低下させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、第１実施形態に係る光ファイバ増幅器の概略を示す図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る光ファイバ増幅器における第１希土類元素添加光ファイバの概略構造を示す断面図である。

【図3】図３は、第１実施形態に係る光ファイバ増幅器における第２希土類元素添加光ファイバの概略構造を示す断面図である。

【図4】図４は、第１実施形態に係る光ファイバ増幅器の動作結果について説明する図である。

【図5】図５は、第１実施形態に係る光ファイバ増幅器の動作結果について説明する図である。

【図6】図６は、第２実施形態に係る光ファイバ増幅器の概略を示す図である。

【図7】図７は、第２実施形態に係る光ファイバ増幅器における第１希土類元素添加光ファイバの概略構造を示す断面図である。

【図8】図８は、第２実施形態に係る光ファイバ増幅器における第２希土類元素添加光ファイバの概略構造を示す断面図である。

【図9】図９は、第２実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例における第１希土類元素添加光ファイバの概略構造を示す断面図である。

【図10】図１０は、第２実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例における第２希土類元素添加光ファイバの概略構造を示す断面図である。

【図11】図１１は、第３実施形態に係る光ファイバ増幅器の概略を示す図である。

【図12】図１２は、第３実施形態に係る光ファイバ増幅器における第１希土類元素添加光ファイバの概略構造を示す断面図である。

【図13】図１３は、第３実施形態に係る光ファイバ増幅器における第２希土類元素添加光ファイバの概略構造を示す断面図である。

【図14】図１４は、第３実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例における第１希土類元素添加光ファイバの概略構造を示す断面図である。

【図15】図１５は、第３実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例における第２希土類元素添加光ファイバの概略構造を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。

【0012】

（１）本開示の光ファイバ増幅器は、第１希土類元素添加光ファイバと、第２希土類元素添加光ファイバと、を備える。第１希土類元素添加光ファイバは、信号光を導波するコアの中心を含む第１領域と、第１領域を囲む第２領域と、第２領域を囲む第３領域と、で構成され、第２領域に希土類元素が添加される。第２希土類元素添加光ファイバは、第１希土類元素添加光ファイバの信号出力側に設けられる。第２希土類元素添加光ファイバは、信号光を導波するコアの中心を含む第４領域と、第４領域を囲む第５領域と、第５領域を囲む第６領域と、で構成され、第４領域に希土類元素が添加される。

【0013】

本開示の光ファイバ増幅器によれば、最初に第１希土類元素添加光ファイバにより信号光を増幅した後に、第２希土類元素添加光ファイバにより更に信号光を増幅することにより、電力効率を向上させ、雑音指数を低下させることができる。

【0014】

（２）上記（１）において、第１希土類元素添加光ファイバの第１領域における希土類元素の濃度は、第２領域における希土類元素の濃度以下であってもよい。光ファイバ増幅器が信号光を増幅する際に、第１領域における影響を抑制できるからである。

【0015】

（３）上記（１）または上記（２）において、第１希土類元素添加光ファイバの第１領域における希土類元素の濃度が、第２領域における希土類元素の濃度の１０％以下であってもよい。光ファイバ増幅器が信号光を増幅する際に、第１領域における影響を抑制できるからである。

【0016】

（４）上記（１）から上記（３）のいずれかにおいて、第２希土類元素添加光ファイバの第５領域における希土類元素の濃度は、第４領域における希土類元素の濃度以下であってもよい。光ファイバ増幅器が信号光を増幅する際に、第５領域における影響を抑制できるからである。

【0017】

（５）上記（１）から上記（４）のいずれかにおいて、第２希土類元素添加光ファイバの第４領域における希土類元素の濃度が、第５領域における希土類元素の濃度の１０％以下であってもよい。光ファイバ増幅器が信号光を増幅する際に、第５領域における影響を抑制できるからである。

【0018】

（６）上記（１）から上記（５）のいずれかにおいて、第１希土類元素添加光ファイバの第１領域が、第１領域に含まれるコアの中心を中心とする円形領域であってもよい。また、第２希土類元素添加光ファイバの第４領域が、第４領域に含まれるコアの中心を中心とする円形領域であってもよい。そして、第１領域の直径が、第４領域の直径より大きくてもよい。光ファイバ増幅器が信号光を増幅する際に、第１希土類元素添加光ファイバと第２希土類元素添加光ファイバとにおいて異なる領域において、光を増幅できるからである。

【0019】

（７）上記（１）から上記（６）のいずれかにおいて、第１希土類元素添加光ファイバ及び第２希土類元素添加光ファイバのそれぞれは、動作波長においてシングルモード条件を満たすようにしてもよい。動作波長においてシングルモード条件を満たすことにより、光ファイバ増幅器を長距離光通信に使用できるからである。

【0020】

（８）上記（１）から上記（７）のいずれかにおいて、第１希土類元素添加光ファイバの動作波長におけるモードフィールド径と、第２希土類元素添加光ファイバの動作波長におけるモードフィールド径が、相対誤差１５％以下で一致するようにしてもよい。第１希土類元素添加光ファイバの動作波長におけるモードフィールド径と、第２希土類元素添加光ファイバの動作波長におけるモードフィールド径が、相対誤差１５％以下で一致することにより、接続損失を低減できるからである。

【0021】

（９）上記（１）から上記（８）のいずれかにおいて、第１希土類元素添加光ファイバ及び第２希土類元素添加光ファイバのそれぞれがマルチコア光ファイバであってもよい。第１希土類元素添加光ファイバ及び第２希土類元素添加光ファイバのそれぞれがマルチコア光ファイバであることにより、光ファイバ増幅器が、マルチコア光ファイバから入力される光を増幅できるからである。

【0022】

（１０）本開示の希土類元素添加マルチコア光ファイバは、信号光を導波する複数のコアを含み、複数のコアのそれぞれは、コアの中心を含む第１領域と、第１領域を囲む第２領域を、有する。また、本開示の希土類元素添加マルチコア光ファイバは、すべての第２領域を囲む第３領域を更に有する。そして、本開示の希土類元素添加マルチコア光ファイバは、第１領域における希土類元素の濃度は、第２領域における希土類元素の濃度より低い。

【0023】

本開示の希土類元素添加マルチコア光ファイバによれば、電力効率を向上させ、雑音指数を低下させることができる。

【0024】

（１１）上記（１０）において、希土類元素添加マルチコア光ファイバの第１領域における希土類元素の濃度が、第２領域における希土類元素の濃度の２０％以下であってもよい。希土類元素添加マルチコア光ファイバの第１領域における希土類元素の濃度を、第２領域における希土類元素の濃度の２０％以下にすることにより、第１領域の影響を抑制できるからである。

【0025】

（１２）上記（９）において、第１希土類元素添加光ファイバが上記（１０）または上記（１１）のいずれかに記載の希土類元素添加マルチコア光ファイバであってもよい。

【0026】

上記（１２）に開示の光ファイバ増幅器によれば、電力効率を向上させ、雑音指数を低下させることができる。

【0027】

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の光ファイバ増幅器の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの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、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0028】

各実施形態に係る明細書および図面の記載に関して、実質的に同一のまたは対応する機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する場合がある。また、理解を容易にするために、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。

【0029】

以下に実施形態について説明するが、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

【0030】

≪第１実施形態≫
第１実施形態に係る光ファイバ増幅器について説明する。第１実施形態に係る光ファイバ増幅器は、第１希土類元素添加光ファイバと、第１希土類元素添加光ファイバの信号出力側に設けられる第２希土類元素添加光ファイバと、を備える。第１実施形態に係る光ファイバ増幅器において、第２希土類元素添加光ファイバの長手方向に直交する断面における希土類元素の濃度分布が、第１希土類元素添加光ファイバの長手方向に直交する断面における希土類元素の濃度分布と異なる。第１実施形態に係る光ファイバ増幅器は、第１希土類元素添加光ファイバおよび第２希土類元素添加光ファイバのそれぞれに、シングルコアの光ファイバを用いる。例えば、光ファイバ増幅器を長距離光通信用に用いる場合、第１希土類元素添加光ファイバおよび第２希土類元素添加光ファイバのそれぞれは、動作波長においてシングルモード条件を満たすようにしてもよい。

【0031】

第１実施形態に係る光ファイバ増幅器について、具体的な例を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る光ファイバ増幅器の一例である光ファイバ増幅器１の概略を示す図である。光ファイバ増幅器１において、第１希土類元素添加光ファイバ及び第２希土類元素添加光ファイバのそれぞれとして、エルビウム（Ｅｒ）を添加したエルビウム添加光ファイバ（Erbium-Doped optical Fiber：ＥＤＦ）を用いる。

【0032】

光ファイバ増幅器１は、信号光Ｌｓを増幅して信号光Ｌａとして出力する。光ファイバ増幅器１は、励起光源１０と、光合波器２０と、光アイソレータ３０と、ＥＤＦ５０と、ＥＤＦ６０と、を備える。ＥＤＦ５０及びＥＤＦ６０は、光合波器２０と光アイソレータ３０との間に設けられる。ＥＤＦ６０は、ＥＤＦ５０における出力に設けられる。

【0033】

ＥＤＦ５０の動作波長におけるモードフィールド径と、ＥＤＦ６０の動作波長におけるモードフィールド径とは、相対誤差１５％以下で一致する。ＥＤＦ５０の動作波長におけるモードフィールド径と、ＥＤＦ６０の動作波長におけるモードフィールド径とを、相対誤差１５％以下で一致させることにより、接続損失を０．１ｄＢ以下に抑制できる。

【0034】

光ファイバ増幅器１により増幅される信号光Ｌｓは、光合波器２０に入力される。励起光源１０は、ポンプ・デリバリー・ファイバ４０を介して光合波器２０に接続される。励起光源１０から出力された励起光Ｌｅは、光合波器２０において信号光Ｌｓと合波される。光合波器２０は、信号光Ｌｓと励起光Ｌｅとを合波した合波光Ｌｃ１を、ＥＤＦ５０に出力する。ＥＤＦ５０は、入力された合波光Ｌｃ１に含まれる信号光Ｌｓを増幅する。そして、ＥＤＦ５０は、ＥＤＦ６０に合波光Ｌｃ２を出力する。また、ＥＤＦ６０は、入力された合波光Ｌｃ２に含まれる信号光Ｌｓを増幅する。そして、ＥＤＦ６０は、光アイソレータ３０に合波光Ｌｃ３を出力する。光アイソレータ３０を通った合波光Ｌｃ３は、信号光Ｌａとして出力される。

【0035】

第１実施形態に係る光ファイバ増幅器における第１希土類元素添加光ファイバについて説明する。第１希土類元素添加光ファイバは、信号光を導波するコアの中心を含む第１領域と、第１領域を囲む第２領域と、第２領域を囲む第３領域と、で構成される。そして、第１希土類元素添加光ファイバは、第２領域に希土類元素が添加される。第１領域及び第２領域の両方に希土類元素が添加されてもよい。

【0036】

第１実施形態に係る光ファイバ増幅器における第１希土類元素添加光ファイバについて、具体的な例を用いて説明する。図２は、第１実施形態に係る光ファイバ増幅器の一例である光ファイバ増幅器１におけるＥＤＦ５０の概略構造を示す図であり、ＥＤＦ５０の長手方向に直交する平面での断面図である。

【0037】

ＥＤＦ５０は、コア５１と、クラッド５２と、を有する。また、クラッド５２は、第１クラッド５２ａと、第２クラッド５２ｂと、を有する。ＥＤＦ５０は、コア５１と第１クラッド５２ａからなる信号光Ｌｓの導波構造と、第１クラッド５２ａと第２クラッド５２ｂからなる励起光Ｌｅの導波構造により構成される。ＥＤＦ５０は、第１クラッド５２ａにおいて、コア５１と中心が一致する２つの同心円で区切られた環状領域にエルビウムが添加されている。図２において、エルビウムが添加されているエルビウム添加領域５３を、ドット模様を付して示す。

【0038】

ＥＤＦ５０のように、環状にエルビウムが添加された領域を含むＥＤＦを、エルビウム環状添加光ファイバという場合がある。

【0039】

コア５１は、ゲルマニウム及びアルミニウムが共添加された石英ガラスにより形成される。コア５１は、石英ガラスにゲルマニウム及びアルミニウムが共添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．９％高くなっている。コア５１の直径Ｄ１は、例えば、８．９μｍである。

【0040】

第１クラッド５２ａは、アルミニウムが添加された石英ガラスにより形成される。第１クラッド５２ａは、石英ガラスにアルミニウムが添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．５％高くなっている。第１クラッド５２ａの直径Ｄ２ａは、例えば、５０μｍである。

【0041】

第２クラッド５２ｂは、フッ素が添加された石英ガラスにより形成される。第２クラッド５２ｂは、石英ガラスにフッ素が添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．７％低くなっている。第２クラッド５２ｂの直径Ｄ２ｂは、例えば、１２５μｍである。

【0042】

エルビウムが添加されるエルビウム添加領域５３の内径Ｄ３ａは、例えば、１４．２μｍである。エルビウム添加領域５３の外径Ｄ３ｂは、例えば、１７．７μｍである。また、エルビウムが添加されるエルビウム添加領域５３には、エルビウムが原子数濃度で５×１０^２４ｍ^－３程度添加される。

【0043】

添加されるエルビウム添加領域５３の内径Ｄ３ａは、コア５１の直径Ｄ１を基準にすると、０．４×Ｄ１以上１．８×Ｄ１以下であり、好ましくは、０．８×Ｄ１以上１．４×Ｄ１以下である。また、添加されるエルビウム添加領域５３の外径Ｄ３ｂは、コア５１の直径Ｄ１を基準にすると、０．８×Ｄ１以上３．０×Ｄ１以下であり、好ましくは、１．０×Ｄ１以上２．０×Ｄ１以下である。

【0044】

ＥＤＦ５０において、環状であるエルビウム添加領域５３の内径より内側の領域を第１領域Ｒ１という。また、エルビウム添加領域５３を第２領域Ｒ２という。さらに、環状であるエルビウム添加領域５３の外周より外側の領域を第３領域Ｒ３という。

【0045】

上記の例においては、第２領域Ｒ２に希土類元素が添加されているが、第２領域Ｒ２と共に第１領域Ｒ１にも希土類元素が添加されていてもよい。例えば、第１領域Ｒ１における希土類元素であるエルビウムの濃度は、第２領域における希土類元素であるエルビウムの濃度以下であってもよい。第１領域Ｒ１における希土類元素であるエルビウムの濃度を、第２領域における希土類元素であるエルビウムの濃度以下とすることにより、第１領域Ｒ１において信号が増幅されることによって最終的な出力において雑音指数が高くなることを抑制できる。

【0046】

さらに、第１領域Ｒ１における希土類元素であるエルビウムの濃度は、第２領域における希土類元素であるエルビウムの濃度の１０％以下としてもよい。第１領域Ｒ１における希土類元素であるエルビウムの濃度を第２領域における希土類元素であるエルビウムの濃度の２０％以下、より好ましくは１０％以下にすることにより、第１領域Ｒ１における影響を抑制できる。

【0047】

第１実施形態に係る光ファイバ増幅器における第２希土類元素添加光ファイバについて説明する。第２希土類元素添加光ファイバは、信号光を導波するコアの中心を含む第４領域と、第４領域を囲む第５領域と、第５領域を囲む第６領域と、で構成される。そして、第２希土類元素添加光ファイバは、第４領域に希土類元素が添加される。第４領域及び第５領域の両方に希土類元素が添加されてもよい。

【0048】

第１実施形態に係る光ファイバ増幅器における第２希土類元素添加光ファイバについて、具体的な例を用いて説明する。図３は、第１実施形態に係る光ファイバ増幅器の一例である光ファイバ増幅器１におけるＥＤＦ６０の概略構造を示す図であり、ＥＤＦ６０の長手方向に直交する平面での断面図である。

【0049】

ＥＤＦ６０は、コア６１と、クラッド６２と、を有する。また、クラッド６２は、第１クラッド６２ａと、第２クラッド６２ｂと、を有する。ＥＤＦ６０は、コア６１と第１クラッド６２ａからなる信号光Ｌｓの導波構造と、第１クラッド６２ａと第２クラッド６２ｂからなる励起光Ｌｅの導波構造により構成される。ＥＤＦ６０は、コア６１において、コア６１の中心と中心が一致する円形領域にエルビウムが添加されている。図３において、エルビウムが添加されているエルビウム添加領域６３を、ドット模様を付して示す。

【0050】

ＥＤＦ６０のように、円形にエルビウムが添加された領域を含むＥＤＦを、エルビウム円形添加光ファイバという場合がある。

【0051】

コア６１は、ゲルマニウム及びアルミニウムが共添加された石英ガラスにより形成される。コア６１は、石英ガラスにゲルマニウム及びアルミニウムが共添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．９％高くなっている。コア６１の直径Ｄ１は、例えば、８．９μｍである。

【0052】

第１クラッド６２ａは、アルミニウムが添加された石英ガラスにより形成される。第１クラッド６２ａは、石英ガラスにアルミニウムが添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．５％高くなっている。第１クラッド６２ａの直径Ｄ２ａは、例えば、５０μｍである。

【0053】

第２クラッド６２ｂは、フッ素が添加された石英ガラスにより形成される。第２クラッド６２ｂは、石英ガラスにフッ素が添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．７％低くなっている。第２クラッド６２ｂの直径Ｄ２ｂは、例えば、１２５μｍである。

【0054】

エルビウムが添加されるエルビウム添加領域６３の直径Ｄ３ｃは、例えば、３．４μｍである。また、エルビウムが添加されるエルビウム添加領域６３には、エルビウムが原子数濃度で５×１０^２４ｍ^－３程度添加される。

【0055】

添加されるエルビウム添加領域６３の直径Ｄ３ｃは、コア６１の直径Ｄ１を基準にすると、例えば、０．２×Ｄ１以上１．０×Ｄ１以下であり、好ましくは、０．４×Ｄ１以上０．６×Ｄ１以下である。

【0056】

ＥＤＦ６０において、エルビウム添加領域６３を第４領域Ｒ４という。また、エルビウム添加領域６３の外側であって、第２クラッド６２ｂの内側を第５領域Ｒ５という。さらに、第２クラッド６２ｂの領域を第６領域Ｒ６という。

【0057】

光ファイバ増幅器１において、第１領域Ｒ１は、コア５１の中心Ｃを中心とする円形領域である。なお、コアの中心を中心とする円形領域という場合、円形領域の中心が、コアの中心に厳密に一致する場合に限らない。例えば、円形領域中心の位置と、コア中心の位置が一致していなくても、標準的な製造公差内にある場合も、コアの中心を中心とする円形領域、という場合に含まれる。言い換えると、円形領域の中心が、コアの中心近傍にある場合も、コアの中心を中心とする円形領域、という場合に含まれる。また、光ファイバ増幅器１において、第４領域Ｒ４は、コア６１の中心Ｃを中心とする円形領域である。

【0058】

第１領域Ｒ１と第４領域Ｒ４とがコア５１又はコア６１に対して同心円状になっている。第１領域Ｒ１と第４領域Ｒ４とがコア５１又はコア６１に対して同心円状になることにより、均一に光を増幅できる。

【0059】

さらに、第１領域Ｒ１の半径（内径Ｄ３ａ／２）は、第４領域Ｒ４の半径（直径Ｄ３ｃ／２）より大きい。第１領域Ｒ１の半径（内径Ｄ３ａ／２）を第４領域Ｒ４の半径（直径Ｄ３ｃ／２）より大きくすることにより、第１希土類元素添加光ファイバにおいて光を増幅させる領域と、第２希土類元素添加光ファイバとにおいて増幅させる領域とを異ならせることができる。

【0060】

上記の例においては、第４領域Ｒ４に希土類元素が添加されているが、第４領域Ｒ４と共に第５領域Ｒ５にも希土類元素が添加されていてもよい。例えば、第５領域Ｒ５における希土類元素であるエルビウムの濃度は、第４領域における希土類元素であるエルビウムの濃度以下であってもよい。第５領域Ｒ５における希土類元素であるエルビウムの濃度を第４領域Ｒ４における希土類元素であるエルビウムの濃度以下にすることにより、エルビウムが添加されている領域に対する増幅率を高くできる。

【0061】

さらに、第５領域Ｒ５における希土類元素であるエルビウムの濃度は、第４領域Ｒ４における希土類元素であるエルビウムの２０％以下、好ましくは１０％以下としてもよい。第５領域Ｒ５における希土類元素であるエルビウムの濃度を第４領域Ｒ４における希土類元素であるエルビウムの１０％以下にすることにより、第５領域Ｒ５における影響を抑制できる。

【0062】

＜評価結果＞
エルビウム添加領域の形状を変えたＥＤＦとその組み合わせにおける雑音指数と励起光パワーの関係について、シミュレーションにより算出した結果を、図４に示す。図４の横軸は雑音指数、縦軸は励起光パワーを示す。エルビウムをコア中心から円形に添加し、添加径をコア径の０．４倍から３．０倍まで変化した場合の雑音指数と励起光パワーの関係を黒丸（「●」）により示す。エルビウムをコア中心から環状に添加し、添加外径をコア径の３．０倍に固定し、添加内径を０．４倍から１．６倍まで変化した場合の雑音指数と励起光パワーの関係を白丸（「○」）により示す。

【0063】

入力側にエルビウム環状添加光ファイバ（内径１．６倍、外径３．０倍）の出力側にエルビウム円形添加光ファイバ（添加径０．４倍）を接続し、後者を２ｍから３０ｍまで変化し、前者の長さを最適化した場合の雑音指数と励起光パワーの関係を二重丸（「◎」）により示す。また、入力側にエルビウム円形添加光ファイバ（添加径０．４倍）の出力側にエルビウム環状添加光ファイバ（内径１．６倍、外径３．０倍）を接続し、後者を２ｍから３０ｍまで変化し、前者の長さを最適化した場合の雑音指数と励起光パワーの関係を三角形（「△」）により示す。

【0064】

図４に示す結果より、エルビウム円形添加光ファイバ単独の場合（「●」）及び環状添加光ファイバ単独の場合（「○」）には雑音指数と励起光パワーがトレードオフ関係にあることがわかる。これに対し、入力側を環状添加光ファイバ、出力側を円形添加光ファイバとして接続した場合（「◎」）にも雑音指数と励起光パワーのトレードオフ関係は存在するが、単独の場合に対し、雑音指数と励起光パワーの両方が改善する条件が存在する。なお、入力側を円形添加光ファイバ、出力側を環状添加ファイバとすると励起光パワーは改善するが、雑音指数は大幅に劣化する。

【0065】

長手方向と直交する断面内でのエルビウム添加領域の形状を変えたＥＤＦとその組み合わせにおける雑音指数と励起光パワーの関係について、シミュレーションにより算出した結果を、図５に示す。図５の横軸は雑音指数、縦軸は励起光パワーを示す。エルビウムをコア中心から円形に添加し、添加径をコア径の０．４倍から３．０倍まで変化した場合の雑音指数と励起光パワーの関係を黒丸（「●」）により示す。エルビウムをコア中心から環状に添加し、添加外径をコア径の３．０倍に固定し、添加内径を０．４倍から１．６倍まで変化した場合の雑音指数と励起光パワーの関係を白丸（「○」）により示す。入力側にエルビウム環状添加光ファイバ（内径１．０倍、外径１．２倍）の出力側にエルビウム円形添加光ファイバ（添加径０．４倍）を接続し、後者を２ｍから３０ｍまで変化し、前者の長さを最適化した場合の雑音指数と励起光パワーの関係を二重丸（「◎」）により示す。入力側にエルビウム円形添加光ファイバ（添加径０．４倍）の出力側にエルビウム環状添加光ファイバ（内径１．０倍、外径１．２倍）を接続し、後者を２ｍから２６ｍまで変化し、前者の長さを最適化した場合の雑音指数と励起光パワーの関係を三角形（「△」）により示す。

【0066】

図５に示す結果より、入力側を環状添加光ファイバ、出力側を円形添加光ファイバとして接続した場合（「◎」）にも雑音指数と励起光パワーのトレードオフ関係は存在するが、単独の場合に対し、雑音指数と励起光パワーの両方が改善する条件が存在する。

【0067】

第１実施形態に係る光ファイバ増幅器によれば、先に、環状添加光ファイバにより増幅して、その後に円形添加光ファイバにより増幅することにより、電力効率を高くするとともに、雑音指数を低下させることができる。

【0068】

第１実施形態に係る光ファイバ増幅器の一例である光ファイバ増幅器１は、希土類元素としてエルビウムが添加された希土類元素添加光ファイバを備えるが、添加される希土類元素はエルビウムに限らない。希土類元素添加光ファイバに添加される希土類元素は、例えば、イッテルビウム（Ｙｂ）、ネオジム（Ｎｄ）又はツリウム（Ｔｍ）でもよい。以下の実施形態においても同様である。

【0069】

≪第２実施形態≫
第２実施形態に係る光ファイバ増幅器について説明する。第２実施形態に係る光ファイバ増幅器は、第１希土類元素添加光ファイバおよび第２希土類元素添加光ファイバのそれぞれに、マルチコア光ファイバを用いる。

【0070】

第２実施形態に係る光ファイバ増幅器について、具体的な例を用いて説明する。図６は、第２実施形態に係る光ファイバ増幅器の一例である光ファイバ増幅器２の概略を示す図である。光ファイバ増幅器２は、４コア光ファイバ増幅器である。光ファイバ増幅器２において、第１希土類元素添加光ファイバ及び第２希土類元素添加光ファイバのそれぞれとして、エルビウム（Ｅｒ）を添加したＥＤＦを用いる。

【0071】

光ファイバ増幅器２は、信号光Ｌｓを増幅して信号光Ｌａとして出力する。光ファイバ増幅器２は、励起光源１０と、光合波器１２０と、光アイソレータ１３０と、ＥＤＦ１５０と、ＥＤＦ１６０と、を備える。ＥＤＦ１５０及びＥＤＦ１６０は、光合波器１２０と光アイソレータ１３０との間に設けられる。ＥＤＦ１６０は、ＥＤＦ１５０における出力に設けられる。

【0072】

光ファイバ増幅器２により増幅される信号光Ｌｓは、光合波器１２０に入力される。励起光源１０は、ポンプ・デリバリー・ファイバ１４０を介して光合波器１２０に接続される。励起光源１０から出力された励起光Ｌｅは、光合波器１２０において信号光Ｌｓと合波される。光合波器１２０は、信号光Ｌｓと励起光Ｌｅとを合波した合波光Ｌｃ１を、ＥＤＦ１５０に出力する。ＥＤＦ１５０は、入力された合波光Ｌｃ１に含まれる信号光Ｌｓを増幅する。そして、ＥＤＦ１５０は、ＥＤＦ１６０に合波光Ｌｃ２を出力する。また、ＥＤＦ１６０は、入力された合波光Ｌｃ２に含まれる信号光Ｌｓを増幅する。そして、ＥＤＦ１６０は、光アイソレータ１３０に合波光Ｌｃ３を出力する。光アイソレータ１３０を通った合波光Ｌｃ３は、信号光Ｌａとして出力される。

【0073】

第２実施形態に係る光ファイバ増幅器における第１希土類元素添加光ファイバについて説明する。第１希土類元素添加光ファイバは、信号光を導波するコアの中心を含む第１領域と、第１領域を囲む第２領域と、第２領域を囲む第３領域と、で構成される。そして、第１希土類元素添加光ファイバは、第２領域に希土類元素が添加される。第１領域及び第２領域の両方に希土類元素が添加されてもよい。

【0074】

第２実施形態に係る光ファイバ増幅器における第１希土類元素添加光ファイバについて、具体的な例を用いて説明する。図７は、第２実施形態に係る光ファイバ増幅器の一例である光ファイバ増幅器２におけるＥＤＦ１５０の概略構造を示す図であり、ＥＤＦ１５０の長手方向に直交する平面での断面図である。

【0075】

ＥＤＦ１５０は、コア１５１ａ、コア１５１ｂ、コア１５１ｃ及びコア１５１ｄと、クラッド１５２と、を有する。また、クラッド１５２は、第１クラッド１５２ａと、第２クラッド１５２ｂと、を有する。ＥＤＦ１５０は、コア１５１ａ、コア１５１ｂ、コア１５１ｃ及びコア１５１ｄのそれぞれと第１クラッド１５２ａからなる信号光Ｌｓの導波構造と、第１クラッド１５２ａと第２クラッド１５２ｂからなる励起光Ｌｅの導波構造により構成される。ＥＤＦ１５０は、第１クラッド１５２ａにおいて、コア１５１ａ、コア１５１ｂ、コア１５１ｃ及びコア１５１ｄの近傍を除いてエルビウムが添加されている。図７において、エルビウムが添加されているエルビウム添加領域１５３を、ドット模様を付して示す。

【0076】

コア１５１ａ、コア１５１ｂ、コア１５１ｃ及びコア１５１ｄのそれぞれは、ゲルマニウム及びアルミニウムが共添加された石英ガラスにより形成される。コア１５１ａ、コア１５１ｂ、コア１５１ｃ及びコア１５１ｄのそれぞれは、石英ガラスにゲルマニウム及びアルミニウムが共添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．９％高くなっている。コア１５１ａ、コア１５１ｂ、コア１５１ｃ及びコア１５１ｄのそれぞれの直径Ｄ１１は、例えば、８．９μｍである。

【0077】

コア１５１ａ、コア１５１ｂ、コア１５１ｃ及びコア１５１ｄのそれぞれは、例えば、２５μｍ間隔の正方格子状に配置する。

【0078】

第１クラッド１５２ａは、アルミニウムが添加された石英ガラスにより形成される。第１クラッド１５２ａは、石英ガラスにアルミニウムが添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．５％高くなっている。第１クラッド１５２ａの直径Ｄ１２ａは、例えば、５０μｍである。

【0079】

第２クラッド１５２ｂは、フッ素が添加された石英ガラスにより形成される。第２クラッド１５２ｂは、石英ガラスにフッ素が添加されることにより、屈折率が純石英ガラスに対し０．７％低くなっている。第２クラッド１５２ｂの直径Ｄ１２ｂは、例えば、１２５μｍである。

【0080】

エルビウムが添加されるエルビウム添加領域１５３は、コア１５１ａ、コア１５１ｂ、コア１５１ｃ及びコア１５１ｄのそれぞれの外側の一部を除く第１クラッド１５２ａに形成される。エルビウム添加領域１５３は、コア１５１ａ、コア１５１ｂ、コア１５１ｃ及びコア１５１ｄのそれぞれの中心Ｃから内径Ｄ１３ａ離れた外側に設けられる。エルビウム添加領域１５３の外径Ｄ１３ｂは、第１クラッド１５２ａの直径Ｄ１２ａと等しい。エルビウム添加領域１５３の外径Ｄ１３ｂは、例えば、５０μｍである。また、エルビウムが添加されるエルビウム添加領域１５３には、エルビウムが原子数濃度で５×１０^２４ｍ^－３程度添加される。

【0081】

添加されるエルビウム添加領域１５３の内径Ｄ１３ａは、コア１５１ａ等の直径Ｄ１１を基準にすると、０．４×Ｄ１１以上１．８×Ｄ１１以下であり、好ましくは、０．８×Ｄ１１以上１．４×Ｄ１１以下である。また、添加されるエルビウム添加領域１５３の外径Ｄ１３ｂは、コア１５１ａ等の直径Ｄ１１を基準にすると、０．８×Ｄ１１以上５．０×Ｄ１１以下であり、好ましくは、１．０×Ｄ１１以上２．０×Ｄ１１以下である。なお、コア１５１ａ等の中心から半径（直径Ｄ１１の半分）の３倍以上離れると、信号光の光電場が非常に弱くなる。したがって、コア１５１ａ等の中心から半径（直径Ｄ１１の半分）の３倍以下の範囲に、エルビウムを添加するようにしてもよい。

【0082】

ＥＤＦ１５０において、環状であるエルビウム添加領域１５３より内側の領域を第１領域Ｒ１という。また、エルビウム添加領域１５３を第２領域Ｒ２という。さらに、エルビウム添加領域５３の外側の領域を第３領域Ｒ３という。

【0083】

第２実施形態に係る光ファイバ増幅器における第２希土類元素添加光ファイバについて説明する。第２希土類元素添加光ファイバは、信号光を導波するコアの中心を含む第４領域と、第４領域を囲む第５領域と、第５領域を囲む第６領域と、で構成される。そして、第２希土類元素添加光ファイバは、第４領域に希土類元素が添加される。第４領域及び第５領域の両方に希土類元素が添加されてもよい。

【0084】

第２実施形態に係る光ファイバ増幅器における第２希土類元素添加光ファイバについて、具体的な例を用いて説明する。図８は、第２実施形態に係る光ファイバ増幅器の一例である光ファイバ増幅器２におけるＥＤＦ１６０の概略構造を示す図であり、ＥＤＦ１６０の長手方向に直交する平面での断面図である。

【0085】

ＥＤＦ１６０は、コア１６１ａ、コア１６１ｂ、コア１６１ｃ及びコア１６１ｄと、クラッド１６２と、を有する。また、クラッド１６２は、第１クラッド１６２ａと、第２クラッド１６２ｂと、を有する。ＥＤＦ１６０は、コア１６１ａ、コア１６１ｂ、コア１６１ｃ及びコア１６１ｄのそれぞれと第１クラッド１６２ａからなる信号光Ｌｓの導波構造と、第１クラッド１６２ａと第２クラッド１６２ｂからなる励起光Ｌｅの導波構造により構成される。ＥＤＦ１６０は、コア１６１ａ、コア１６１ｂ、コア１６１ｃ及びコア１６１ｄのそれぞれにおいて、コア１６１ａ、コア１６１ｂ、コア１６１ｃ及びコア１６１ｄのそれぞれと中心が一致する円形にエルビウムが添加されている。図８において、エルビウムが添加されているエルビウム添加領域１６３ａ、エルビウム添加領域１６３ｂ、エルビウム添加領域１６３ｃ及びエルビウム添加領域１６３ｄを、ドット模様を付して示す。

【0086】

コア１６１ａ、コア１６１ｂ、コア１６１ｃ及びコア１６１ｄのそれぞれは、ゲルマニウム及びアルミニウムが共添加された石英ガラスにより形成される。コア１６１ａ、コア１６１ｂ、コア１６１ｃ及びコア１６１ｄのそれぞれは、石英ガラスにゲルマニウム及びアルミニウムが共添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．９％高くなっている。コア１６１ａ、コア１６１ｂ、コア１６１ｃ及びコア１６１ｄのそれぞれの直径Ｄ１１は、例えば、８．９μｍである。

【0087】

コア１６１ａ、コア１６１ｂ、コア１６１ｃ及びコア１６１ｄのそれぞれは、例えば、２５μｍ間隔の正方格子状に配置する。

【0088】

第１クラッド１６２ａは、アルミニウムが添加された石英ガラスにより形成される。第１クラッド１６２ａは、石英ガラスにアルミニウムが添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．５％高くなっている。第１クラッド６２ａの直径Ｄ１２ａは、例えば、５０μｍである。

【0089】

第２クラッド１６２ｂは、フッ素が添加された石英ガラスにより形成される。第２クラッド１６２ｂは、石英ガラスにフッ素が添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．７％低くなっている。第２クラッド１６２ｂの直径Ｄ１２ｂは、例えば、１２５μｍである。

【0090】

エルビウムが添加されるエルビウム添加領域１６３ａ、エルビウム添加領域１６３ｂ、エルビウム添加領域１６３ｃ及びエルビウム添加領域１６３ｄのそれぞれの直径Ｄ１３ｃは、例えば、３．４μｍである。また、エルビウム添加領域１６３ａ、エルビウム添加領域１６３ｂ、エルビウム添加領域１６３ｃ及びエルビウム添加領域１６３ｄのそれぞれには、エルビウムが原子数濃度で５×１０^２４ｍ^－３程度添加される。

【0091】

添加されるエルビウム添加領域１６３ａ等の直径Ｄ１３ｃは、コア１６１ａ等の直径Ｄ１１を基準にすると、０．２×Ｄ１１以上１．０×Ｄ１１以下であり、好ましくは、０．４×Ｄ１１以上０．６×Ｄ１１以下である。

【0092】

ＥＤＦ１６０において、エルビウム添加領域１６３ａ、エルビウム添加領域１６３ｂ、エルビウム添加領域１６３ｃ及びエルビウム添加領域１６３ｄのそれぞれを第４領域Ｒ４という。また、エルビウム添加領域１６３ａ、エルビウム添加領域１６３ｂ、エルビウム添加領域１６３ｃ及びエルビウム添加領域１６３ｄのそれぞれの外側であって、第２クラッド１６２ｂの内側を第５領域Ｒ５という。さらに、第２クラッド１６２ｂの領域を第６領域Ｒ６という。

【0093】

＜変形例＞
第２実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例について、光ファイバ増幅器２の変形例を用いて説明する。

【0094】

光ファイバ増幅器２の変形例は、光ファイバ増幅器２におけるＥＤＦ１５０に換えて、ＥＤＦ３５０を備える。また、光ファイバ増幅器２の変形例は、光ファイバ増幅器２におけるＥＤＦ１６０に換えて、ＥＤＦ３６０を備える。

【0095】

第２実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例における第１希土類元素添加光ファイバについて、具体的な例を用いて説明する。図９は、第２実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例におけるＥＤＦ３５０の概略構造を示す図であり、ＥＤＦ３５０の長手方向に直交する平面での断面図である。

【0096】

ＥＤＦ３５０は、コア１５１ａ、コア１５１ｂ、コア１５１ｃ及びコア１５１ｄと、クラッド３５２と、を有する。また、クラッド３５２は、第１クラッド３５２ａと、第２クラッド３５２ｂと、を有する。ＥＤＦ３５０は、コア１５１ａ、コア１５１ｂ、コア１５１ｃ及びコア１５１ｄのそれぞれと第１クラッド３５２ａからなる信号光Ｌｓの導波構造と、第１クラッド３５２ａと第２クラッド３５２ｂからなる励起光Ｌｅの導波構造により構成される。

【0097】

ＥＤＦ３５０は、第１クラッド３５２ａにおいて、コア１５１ａ、コア１５１ｂ、コア１５１ｃ及びコア１５１ｄの近傍を除いてエルビウムが添加されている。図９において、エルビウムが添加されているエルビウム添加領域３５３を、ドット模様を付して示す。第１クラッド３５２ａは、正方形状の形状を有する。第１クラッド３５２ａの一辺の長さは、例えば、４０μｍである。

【0098】

第２実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例における第２希土類元素添加光ファイバについて、具体的な例を用いて説明する。図１０は、第２実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例におけるＥＤＦ３６０の概略構造を示す図であり、ＥＤＦ３６０の長手方向に直交する平面での断面図である。

【0099】

ＥＤＦ３６０は、コア１６１ａ、コア１６１ｂ、コア１６１ｃ及びコア１６１ｄと、クラッド３６２と、を有する。また、クラッド３６２は、第１クラッド３６２ａと、第２クラッド３６２ｂと、を有する。ＥＤＦ３６０は、コア１６１ａ、コア１６１ｂ、コア１６１ｃ及びコア１６１ｄのそれぞれと第１クラッド３６２ａからなる信号光Ｌｓの導波構造と、第１クラッド３６２ａと第２クラッド３６２ｂからなる励起光Ｌｅの導波構造により構成される。

【0100】

第１クラッド３６２ａは、正方形状の形状を有する。第１クラッド３６２ａの一辺の長さは、例えば、４０μｍである。

【0101】

≪第３実施形態≫
第３実施形態に係る光ファイバ増幅器について説明する。第３実施形態に係る光ファイバ増幅器は、第１希土類元素添加光ファイバおよび第２希土類元素添加光ファイバのそれぞれに、マルチコア光ファイバを用いる。

【0102】

第３実施形態に係る光ファイバ増幅器について、具体的な例を用いて説明する。図１１は、第３実施形態に係る光ファイバ増幅器の一例である光ファイバ増幅器３の概略を示す図である。光ファイバ増幅器３は、７コア光ファイバ増幅器である。光ファイバ増幅器３において、第１希土類元素添加光ファイバ及び第２希土類元素添加光ファイバのそれぞれとして、エルビウム（Ｅｒ）を添加したＥＤＦを用いる。

【0103】

光ファイバ増幅器３は、信号光Ｌｓを増幅して信号光Ｌａとして出力する。光ファイバ増幅器３は、励起光源１０と、光合波器２２０と、光アイソレータ２３０と、ＥＤＦ２５０と、ＥＤＦ２６０と、を備える。ＥＤＦ２５０及びＥＤＦ２６０は、光合波器２２０と光アイソレータ２３０との間に設けられる。ＥＤＦ２６０は、ＥＤＦ２５０における出力に設けられる。

【0104】

光ファイバ増幅器３により増幅される信号光Ｌｓは、光合波器２２０に入力される。励起光源１０は、ポンプ・デリバリー・ファイバ２４０を介して光合波器２２０に接続される。励起光源１０から出力された励起光Ｌｅは、光合波器２２０において信号光Ｌｓと合波される。光合波器２２０は、信号光Ｌｓと励起光Ｌｅとを合波した合波光Ｌｃ１を、ＥＤＦ２５０に出力する。ＥＤＦ２５０は、入力された合波光Ｌｃ１に含まれる信号光Ｌｓを増幅する。そして、ＥＤＦ２５０は、ＥＤＦ２６０に合波光Ｌｃ２を出力する。また、ＥＤＦ２６０は、入力された合波光Ｌｃ２に含まれる信号光Ｌｓを増幅する。そして、ＥＤＦ２６０は、光アイソレータ２３０に合波光Ｌｃ３を出力する。光アイソレータ２３０を通った合波光Ｌｃ３は、信号光Ｌａとして出力される。

【0105】

第３実施形態に係る光ファイバ増幅器における第１希土類元素添加光ファイバについて説明する。第１希土類元素添加光ファイバは、信号光を導波するコアの中心を含む第１領域と、第１領域を囲む第２領域と、第２領域を囲む第３領域と、で構成される。そして、第１希土類元素添加光ファイバは、第２領域に希土類元素が添加される。第１領域及び第２領域の両方に希土類元素が添加されてもよい。また、第１希土類元素添加光ファイバにおける複数のコアのそれぞれは、コアの中心を含む第１領域と、第１領域を囲む第２領域を、有する。また、第１希土類元素添加光ファイバは、すべての第２領域を囲む第３領域を更に有する。そして、第１希土類元素添加光ファイバにおける複数のコアのそれぞれは、第２領域に希土類元素が添加される。第１領域及び第２領域の両方に希土類元素が添加されてもよい。

【0106】

第３実施形態に係る光ファイバ増幅器における第１希土類元素添加光ファイバについて、具体的な例を用いて説明する。図１２は、第３実施形態に係る光ファイバ増幅器の一例である光ファイバ増幅器３におけるＥＤＦ２５０の概略構造を示す図であり、ＥＤＦ２５０の長手方向に直交する平面での断面図である。

【0107】

ＥＤＦ２５０は、コア２５１ａ、コア２５１ｂ、コア２５１ｃ、コア２５１ｄ、コア２５１ｅ、コア２５１ｆ及びコア２５１ｇと、クラッド２５２と、を有する。以下、コア２５１ａ、コア２５１ｂ、コア２５１ｃ、コア２５１ｄ、コア２５１ｅ、コア２５１ｆ及びコア２５１ｇをコア２５１ａ等という。また、クラッド２５２は、第１クラッド２５２ａと、第２クラッド２５２ｂと、を有する。ＥＤＦ２５０は、コア２５１ａ等のそれぞれと第１クラッド２５２ａからなる信号光Ｌｓの導波構造と、第１クラッド２５２ａと第２クラッド２５２ｂからなる励起光Ｌｅの導波構造により構成される。

【0108】

コア２５１ａ等のそれぞれは、例えば、２５μｍ間隔の六方最密格子状に配置する。

【0109】

ＥＤＦ２５０は、コア２５１ａにおいて、環状にエルビウムが添加されている。コア２５１ａは、エルビウム添加領域２５３ａを有する。同様に、コア２５１ｂ、コア２５１ｃ、コア２５１ｄ、コア２５１ｅ、コア２５１ｆ、コア２５１ｇは、それぞれエルビウム添加領域２５３ｂ、エルビウム添加領域２５３ｃ、エルビウム添加領域２５３ｄ、エルビウム添加領域２５３ｅ、エルビウム添加領域２５３ｆ、エルビウム添加領域２５３ｇを有する。図１２において、エルビウムが添加されているエルビウム添加領域２５３ａ等を、ドット模様を付して示す。

【0110】

コア２５１ａ等のそれぞれは、ゲルマニウム及びアルミニウムが共添加された石英ガラスにより形成される。コア２５１ａ等のそれぞれは、石英ガラスにゲルマニウム及びアルミニウムが共添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．９％高くなっている。コア２５１ａ等のそれぞれの直径Ｄ２１は、例えば、８．９μｍである。

【0111】

第１クラッド２５２ａは、アルミニウムが添加された石英ガラスにより形成される。第１クラッド２５２ａは、石英ガラスにアルミニウムが添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．５％高くなっている。第１クラッド２５２ａの直径Ｄ２２ａは、例えば、８０μｍである。

【0112】

第２クラッド２５２ｂは、フッ素が添加された石英ガラスにより形成される。第２クラッド２５２ｂは、石英ガラスにフッ素が添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．７％低くなっている。第２クラッド２５２ｂの直径Ｄ２２ｂは、例えば、１２５μｍである。

【0113】

コア２５１ａにおけるエルビウム添加領域２５３ａの内径Ｄ２３ａは、例えば、７．０μｍである。また、コア２５１ａにおけるエルビウム添加領域２５３ａの外径Ｄ２３ｂは、コア２５１ａにおける直径Ｄ２１等しい。コア２５１ａにおけるエルビウム添加領域２５３ａの外径Ｄ２３ｂは、例えば、８．９μｍである。エルビウムが添加されるエルビウム添加領域２５３ａには、エルビウムが原子数濃度で４×１０^２４ｍ^－３程度添加される。エルビウム添加領域２５３ｂ等においても同様である。

【0114】

添加されるエルビウム添加領域２５３ａ等の内径Ｄ２３ａは、コア２５１ａ等の直径Ｄ２１を基準にすると、０．４×Ｄ２１以上１．８×Ｄ２１以下であり、好ましくは、０．８×Ｄ２１以上１．４×Ｄ２１以下である。また、添加されるエルビウム添加領域２５３ａ等の外径Ｄ２３ｂは、コア２５１ａ等の直径Ｄ２１を基準にすると、０．８×Ｄ２１以上５．０×Ｄ２１以下であり、好ましくは、１．０×Ｄ２１以上２．０×Ｄ２１以下である。

【0115】

ＥＤＦ２５０において、環状であるエルビウム添加領域２５３ａ等より内側の領域を第１領域Ｒ１という。また、エルビウム添加領域２５３ａ等を第２領域Ｒ２という。さらに、エルビウム添加領域２５３ａ等の外側の領域を第３領域Ｒ３という。

【0116】

第３実施形態に係る光ファイバ増幅器における第２希土類元素添加光ファイバについて説明する。第２希土類元素添加光ファイバは、信号光を導波するコアの中心を含む第４領域と、第４領域を囲む第５領域と、第５領域を囲む第６領域と、で構成される。そして、第２希土類元素添加光ファイバは、第４領域に希土類元素が添加される。第４領域及び第５領域の両方に希土類元素が添加されてもよい。

【0117】

第３実施形態に係る光ファイバ増幅器における第２希土類元素添加光ファイバについて、具体的な例を用いて説明する。図１３は、第３実施形態に係る光ファイバ増幅器の一例である光ファイバ増幅器３におけるＥＤＦ２６０の概略構造を示す図であり、ＥＤＦ２６０の長手方向に直交する平面での断面図である。

【0118】

ＥＤＦ２６０は、コア２６１ａ、コア２６１ｂ、コア２６１ｃ、コア２６１ｄ、コア２６１ｅ、コア２６１ｆ及びコア２６１ｇと、クラッド２６２と、を有する。以下、コア２６１ａ、コア２６１ｂ、コア２６１ｃ、コア２６１ｄ、コア２６１ｅ、コア２６１ｆ及びコア２６１ｇをコア２６１ａ等という。また、クラッド２６２は、第１クラッド２６２ａと、第２クラッド２６２ｂと、を有する。ＥＤＦ２６０は、コア２６１ａ等のそれぞれと第１クラッド２６２ａからなる信号光Ｌｓの導波構造と、第１クラッド２６２ａと第２クラッド２６２ｂからなる励起光Ｌｅの導波構造により構成される。

【0119】

ＥＤＦ２６０は、コア２６１ａにおいて、円状にエルビウムが添加されている。コア２６１ａは、エルビウム添加領域２６３ａを有する。同様に、コア２６１ｂ、コア２６１ｃ、コア２６１ｄ、コア２６１ｅ、コア２６１ｆ、コア２６１ｇは、それぞれエルビウム添加領域２６３ｂ、エルビウム添加領域２６３ｃ、エルビウム添加領域２６３ｄ、エルビウム添加領域２６３ｅ、エルビウム添加領域２６３ｆ、エルビウム添加領域２６３ｇを有する。図１３において、エルビウムが添加されているエルビウム添加領域２６３ａ等を、ドット模様を付して示す。

【0120】

コア２６１ａ等のそれぞれは、ゲルマニウム及びアルミニウムが共添加された石英ガラスにより形成される。コア２６１ａ等のそれぞれは、石英ガラスにゲルマニウム及びアルミニウムが共添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．９％高くなっている。コア２６１ａ等のそれぞれの直径Ｄ２１は、例えば、８．９μｍである。

【0121】

コア２６１ａ等のそれぞれは、例えば、２５μｍ間隔の六方最密格子状に配置する。

【0122】

第１クラッド２６２ａは、アルミニウムが添加された石英ガラスにより形成される。第１クラッド２６２ａは、石英ガラスにアルミニウムが添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．５％高くなっている。第１クラッド２６２ａの直径Ｄ２２ａは、例えば、８０μｍである。

【0123】

第２クラッド２６２ｂは、フッ素が添加された石英ガラスにより形成される。第２クラッド２６２ｂは、石英ガラスにフッ素が添加されることにより、純石英ガラスに対し屈折率が０．７％低くなっている。第２クラッド２６２ｂの直径Ｄ２２ｂは、例えば、１２５μｍである。

【0124】

エルビウムが添加されるエルビウム添加領域２６３ａの直径Ｄ２３ｃは、例えば、３．４μｍである。また、エルビウム添加領域２６３ａには、エルビウムが原子数濃度で４×１０^２４ｍ^－３程度添加される。エルビウム添加領域２６３ｂ等においても同様である。

【0125】

添加されるエルビウム添加領域２６３ａ等の直径Ｄ２３ｃは、コア２６１ａ等の直径Ｄ２１を基準にすると、０．２×Ｄ２１以上１．０×Ｄ２１以下であり、好ましくは、０．４×Ｄ２１以上０．６×Ｄ２１以下である。

【0126】

ＥＤＦ２６０において、エルビウム添加領域２６３ａ等を第４領域Ｒ４という。また、エルビウム添加領域２６３ａ等の外側であって、第２クラッド６２ｂの内側を第５領域Ｒ５という。さらに、第２クラッド６２ｂの領域を第６領域Ｒ６という。

【0127】

＜変形例＞
第３実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例について、光ファイバ増幅器３の変形例を用いて説明する。

【0128】

光ファイバ増幅器３の変形例は、光ファイバ増幅器３におけるＥＤＦ２５０に換えて、ＥＤＦ４５０を備える。また、光ファイバ増幅器３の変形例は、光ファイバ増幅器３におけるＥＤＦ２６０に換えて、ＥＤＦ４６０を備える。

【0129】

第３実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例における第１希土類元素添加光ファイバについて、具体的な例を用いて説明する。図１４は、第２実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例におけるＥＤＦ４５０の概略構造を示す図であり、ＥＤＦ４５０の長手方向に直交する平面での断面図である。

【0130】

ＥＤＦ４５０は、コア２５１ａ、コア２５１ｂ、コア２５１ｃ、コア２５１ｄ、コア２５１ｅ、コア２５１ｆ及びコア２５１ｇと、クラッド４５２と、を有する。また、クラッド４５２は、第１クラッド４５２ａと、第２クラッド４５２ｂと、を有する。ＥＤＦ４５０は、コア２５１ａ等のそれぞれと第１クラッド４５２ａからなる信号光Ｌｓの導波構造と、第１クラッド４５２ａと第２クラッド４５２ｂからなる励起光Ｌｅの導波構造により構成される。

【0131】

第１クラッド４５２ａは、中心角が１８０度より大きい弧（優弧）４５２ａ１と弦４５２ａ２に囲まれる断面形状を有する。弧４５２ａ１の直径は、例えば、８０μｍである。弦４５２ａ２の長さは、例えば、４０μｍである。

【0132】

第３実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例における第２希土類元素添加光ファイバについて、具体的な例を用いて説明する。図１５は、第３実施形態に係る光ファイバ増幅器の変形例におけるＥＤＦ４６０の概略構造を示す図であり、ＥＤＦ４６０の長手方向に直交する平面での断面図である。

【0133】

ＥＤＦ４６０は、コア２６１ａ、コア２６１ｂ、コア２６１ｃ、コア２６１ｄ、コア２６１ｅ、コア２６１ｆ及びコア２６１ｇと、クラッド４６２と、を有する。また、クラッド４６２は、第１クラッド４６２ａと、第２クラッド４６２ｂと、を有する。ＥＤＦ４６０は、コア２６１ａ等のそれぞれと第１クラッド４６２ａからなる信号光Ｌｓの導波構造と、第１クラッド４６２ａと第２クラッド４６２ｂからなる励起光Ｌｅの導波構造により構成される。

【0134】

第１クラッド４６２ａは、中心角が１８０度より大きい弧（優弧）４６２ａ１と弦４６２ａ２に囲まれる断面形状を有する。弧４６２ａ１の直径は、例えば、８０μｍである。弦４６２ａ２の長さは、例えば、４０μｍである。

【0135】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0136】

１、２、３ 光ファイバ増幅器
１０ 励起光源
２０、１２０、２２０ 光合波器
３０、１３０、２３０ 光アイソレータ
４０、１４０、２４０ ポンプ・デリバリー・ファイバ
５０、１５０、２５０、３５０、４５０ ＥＤＦ
５１、１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ、１５１ｄ コア
５２、１５２、２５２、３５２、４５２ クラッド
５２ａ、１５２ａ、２５２ａ、３５２ａ、４５２ａ 第１クラッド
５２ｂ、１５２ｂ、２５２ｂ、３５２ｂ、４５２ｂ 第２クラッド
５３、１５３、２５３ａ、２５３ｂ、２５３ｃ、２５３ｄ、２５３ｅ、２５３ｆ、２５３ｇ エルビウム添加領域
５０、１６０、２６０、３６０、４６０ ＥＤＦ
６１、１６１ａ、１６１ｂ、１６１ｃ、１６１ｄ、２６１ａ、２６１ｂ、２６１ｃ、２６１ｄ、２６１ｅ、２６１ｆ、２６１ｇ コア
６２、１６２、２６２、３６２、４６２ クラッド
６２ａ、１６２ａ、２６２ａ、３６２ａ、４６２ａ 第１クラッド
６２ｂ、１６２ｂ、２６２ｂ、３６２ｂ、４６２ｂ 第２クラッド
６３、１６３ａ、１６３ｂ、１６３ｃ、１６３ｄ、２６３ａ、２６３ｂ、２６３ｃ、２６３ｄ、２６３ｅ、２６３ｆ、２６３ｇ、３６３ エルビウム添加領域
４５２ａ１、４６２ａ１ 弧
４５２ａ２、４６２ａ２ 弦
Ｄ１、Ｄ２ａ、Ｄ２ｂ、Ｄ１１、Ｄ１２ａ、Ｄ１２ｂ、Ｄ２１、Ｄ２２ａ、Ｄ２２ｂ 直径
Ｄ３ａ、Ｄ１３ａ、Ｄ２３ａ 内径
Ｄ３ｂ、Ｄ１３ｂ、Ｄ２３ｂ 外径
Ｄ３ｃ、Ｄ２３ｃ 直径
Ｌａ 信号光
Ｌｃ１ 合波光
Ｌｃ２ 合波光
Ｌｃ３ 合波光
Ｌｅ 励起光
Ｌｓ 信号光
Ｒ１ 第１領域
Ｒ２ 第２領域
Ｒ３ 第３領域
Ｒ４ 第４領域
Ｒ５ 第５領域
Ｒ６ 第６領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】