特開 2024-147955 光増幅器および希土類添加ファイバ

(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】P2024147955

(43)【公開日】2024-10-17

(54)【発明の名称】光増幅器および希土類添加ファイバ

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20241009BHJP

   H01S 3/067 20060101ALI20241009BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20241009BHJP

   G02B 6/036 20060101ALI20241009BHJP

【ＦＩ】

H01S3/10 D

H01S3/067

G02B6/02 376

G02B6/036

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023060738

(22)【出願日】2023-04-04

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】505419464

【氏名又は名称】学校法人日通学園

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100129230

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 理恵

(72)【発明者】

【氏名】和田 雅樹

(72)【発明者】

【氏名】中島 和秀

(72)【発明者】

【氏名】青笹 真一

【テーマコード（参考）】

2H250

5F172

【Ｆターム（参考）】

2H250AD18

2H250AD29

2H250AD32

2H250AE74

2H250AH33

5F172AM04

5F172AM08

5F172BB23

5F172ZZ11

(57)【要約】

【課題】モード多重伝送用の光増幅器におけるモード間利得差を抑制する。
【解決手段】光増幅器１は、中心コア１１とサイドコア１２に希土類イオンが添加されたセグメント型の屈折率分布を有する希土類添加ファイバ１０と、希土類イオンを励起させる励起光を出射する励起光源２０と、信号光と励起光とを合波する光合波器３０と、を備える。中心コア１１およびサイドコア１２の大きさと希土類イオンの添加量を制御することで基本モードと高次モードの利得差を抑制する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

コアの中心部分と中心部分を囲う円環形状部分に希土類イオンが添加されたセグメント型の屈折率分布を有する希土類添加ファイバと、
前記希土類添加ファイバに添加された希土類イオンを励起させる励起光を出射する励起光源と、
信号光と前記励起光とを合波する光合波器と、を備え、
前記希土類添加ファイバは、前記中心部分および前記円環形状部分の大きさと前記希土類イオンの添加量を制御することで基本モードと高次モードの利得差を抑制した
光増幅器。

【請求項2】

コアの中心部分と中心部分を囲う円環形状部分に希土類イオンが添加されたセグメント型の屈折率分布を有する希土類添加ファイバであって、
前記中心部分と前記円環形状部分の大きさおよび前記希土類イオンの添加量を制御することで基本モードと高次モードの利得差を抑制した
希土類添加ファイバ。

【請求項3】

請求項２に記載の希土類添加ファイバであって、
前記中心部分の面積をＡ１、前記円環形状部分の面積をＡ２、前記中心部分の希土類イオン添加量をｎ１、前記円環形状部分の希土類イオン添加量をｎ２、
基本モードの前記中心部分の局在率をＲ_C01、基本モードの前記円環形状部分の局在率をＲ_S01、
高次モードの前記中心部分の局在率をＲ_C11、高次モードの前記円環形状部分の局在率をＲ_S11としたときに次式
ｎ１・Ａ１・Ｒ_C01＋ｎ２・Ａ２・Ｒ_S01≦ｎ２・Ａ２・Ｒ_S11＋ｎ１・Ａ１・Ｒ_C11
を満たす
希土類添加ファイバ。

【請求項4】

請求項２に記載の希土類添加ファイバであって、
同一クラッド内に前記円環形状部分を２つ以上有する
希土類添加ファイバ。

【請求項5】

請求項２～４のいずれか一項に記載の希土類添加ファイバであって、
前記希土類イオンが前記円環形状部分内の全域に添加された
希土類添加ファイバ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光増幅器および希土類添加ファイバに関する。

【背景技術】

【0002】

光ファイバを伝搬する複数のモードを利用することで通信容量を増大するモード多重技術の研究が知られている。モード多重技術においても長距離伝送を行うために光増幅器は必要不可欠である。非特許文献１，２には、マルチモード用のエルビウム添加ファイバ光増幅器が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Y. Yung et al., “First demonstration of multimode amplifier for spatial division multiplexed transmission systems,” 37th European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC 2011), Th.13.K.4

【非特許文献2】Y. Yung et al., “Few-mode EDFA Supporting 5 Spatial Modes with Reconfigurable Differential Modal Gain Control,” 39th European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC 2013), We.4.A.2.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

マルチモードファイバ光増幅器においては、同一コア内を導波する複数のモードを増幅する際に、モード間利得差が発生するという問題があった。

【0005】

本開示は、上記に鑑みてなされたものであり、モード多重伝送用の光増幅器におけるモード間利得差を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様の光増幅器は、コアの中心部分と中心部分を囲う円環形状部分に希土類イオンが添加されたセグメント型の屈折率分布を有する希土類添加ファイバと、前記希土類添加ファイバに添加された希土類イオンを励起させる励起光を出射する励起光源と、信号光と前記励起光とを合波する光合波器と、を備え、前記希土類添加ファイバは、前記中心部分および前記円環形状部分の大きさと前記希土類イオンの添加量を制御することで基本モードと高次モードの利得差を抑制した。

【0007】

本開示の一態様の希土類添加ファイバは、コアの中心部分と中心部分を囲う円環形状部分に希土類イオンが添加されたセグメント型の屈折率分布を有する希土類添加ファイバであって、前記中心部分と前記円環形状部分の大きさおよび前記希土類イオンの添加量を制御することで基本モードと高次モードの利得差を抑制した。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、モード多重伝送用の光増幅器におけるモード間利得差を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本実施形態の光増幅器の構成の一例を示す図である。

【図2】図２は、本実施形態の希土類添加ファイバにおけるエルビウムの添加域の一例を示す図である。

【図3】図３は、コアの中心からの距離に対する比屈折率差を示す図である。

【図4】図４は、ＬＰ０１モードの中心コアとサイドコアへの局在率を示すグラフである。

【図5】図５は、ＬＰ１１モードの中心コアとサイドコアへの局在率を示すグラフである。

【図6】図６は、ＬＰ０１モードの中心コアとサイドコアへの局在率を示すグラフである。

【図7】図７は、ＬＰ１１モードの中心コアとサイドコアへの局在率を示すグラフである。

【図8】図８は、コアの中心からの距離に対する比屈折率差を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

［光増幅器］
以下、本開示の実施の形態について図面を用いて説明する。

【0011】

図１は、本実施形態の光増幅器１の構成の一例を示す図である。同図に示す光増幅器１は、希土類添加ファイバ１０、励起光源２０、光合波器３０、およびアイソレータ４０を備え、マルチモードの信号光を希土類添加ファイバ１０で増幅する。

【0012】

励起光源２０は励起光を出射する。励起光は希土類添加ファイバ１０に添加された希土類イオンを励起する光である。

【0013】

光合波器３０は信号光と励起光を合波して合波光を出力する。合波光は希土類添加ファイバ１０に入射される。

【0014】

希土類添加ファイバ１０は励起光を用いて信号光を増幅する。図２に示すように、希土類添加ファイバ１０は、コアの中心（中心コア１１）と中心を囲う円環形状（サイドコア１２）にエルビウムが添加され、中心コア１１とサイドコア１２に高屈折領域を有するセグメント型の屈折率プロファイルを有する。希土類添加ファイバ１０は、中心コア１１を中心に基本モード（ＬＰ０１モード）を増幅し、サイドコア１２で高次モード（ＬＰ１１モード）を中心に増幅する。図２では、縦軸にクラッド領域に対する比屈折率差をとり、横軸に径方向の位置をとった。縦軸をエルビウム添加量と捉えてもよい。

【0015】

希土類添加ファイバ１０は、中心コア１１にＬＰ０１モードを閉じ込め、サイドコア１２にＬＰ１１モードを閉じ込めて、ＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、およびＬＰ１１ｂの３モードを伝搬、増幅できる。図２では、ＬＰ０１モードの電界強度分布を破線で示し、ＬＰ１１モードの電界強度分布を一点鎖線で示している。ＬＰ０１モードがサイドコア１２に染み出してもよいし、ＬＰ１１モードが中心コア１１に染み出してもよい。

【0016】

各セグメント（中心コア１１やサイドコア１２）の大きさや形状、並びにセグメント内に添加する希土類添加量はセグメントごとに設定できるため、モード間利得差を抑制できる。エルビウム添加分布は屈折率分布に準じる形状である。伝搬モードに応じて各セグメントの利得を数値的に解析することで、所望の比屈折率差を得るための希土類の添加分布を求めることができる。円環内部全域にエルビウムを添加してもよい。

【0017】

アイソレータ４０は、信号光を１方向のみに通過させる。

【0018】

［希土類添加ファイバの設計］
次に、希土類添加ファイバ１０の設計例について説明する。

【0019】

図３に、コアの中心からの距離に対する比屈折率差を示す。図３では、縦軸にクラッド領域に対する比屈折率差をとり、横軸にコアの中心からの距離をとった。同図では、中心コアの半径ａ１、サイドコアの内縁部の半径ａ２、サイドコアの外縁部の半径ａ３、並びに、中心コアの比屈折率差Δ１、サイドコアの比屈折率差Δ２を図示している。

【0020】

中心コアの希土類添加量をｎ１、中心コアの断面の面積をＡ１、ＬＰ０１モードの強度分布の局在率をＲ_C01とし、サイドコアの希土類添加量をｎ２、サイドコアの断面の面積をＡ２、ＬＰ１１モードの強度分布の局在率をＲ_S11とすると、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの利得比は、ｎ１・Ａ１・Ｒ_C01：ｎ２・Ａ２・Ｒ_S11と表すことができる。なお、添加された希土類イオンの反転強度は一定とする。希土類添加量ｎ１、ｎ２は重量％とする。

【0021】

ＬＰ０１モードがサイドコアに染み出し、ＬＰ１１モードが中心コアに染み出す場合、サイドコアに染み出すＬＰ０１モードの強度分布の局在率をＲ_S01、中心コアに染み出すＬＰ１１モードの強度分布の局在率をＲ_C11とすると、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの利得比は、ｎ１・Ａ１・Ｒ_C01＋ｎ２・Ａ２・Ｒ_S01：ｎ２・Ａ２・Ｒ_S11＋ｎ１・Ａ１・Ｒ_C11と表すことができる。

【0022】

希土類添加量ｎ１、ｎ２（比屈折率差Δ１、Δ２）や面積Ａ１、Ａ２（中心からの距離ａ１，ａ２，ａ３）を適切に決めることで、モード間利得差を抑制できる。

【0023】

一般に、高次モードのほうが損失が高くなることが多いため、ｎ１・Ａ１・Ｒ_C01＋ｎ２・Ａ２・Ｒ_S01≦ｎ２・Ａ２・Ｒ_S11＋ｎ１・Ａ１・Ｒ_C11となるように、希土類添加ファイバ１０を設計することが望ましい。

【0024】

（設計例１）
中心コアの半径ａ１＝１．５μｍ、サイドコアの内縁部の半径ａ２＝１５μｍ、サイドコアの外縁部の半径ａ３＝１８μｍ、中心コアの比屈折率差Δ１＝１％、サイドコアの比屈折率差Δ２を変数としたときの、波長１５６５ｎｍにおけるＬＰ０１モードとＬＰ１１モードのそれぞれについて、中心コアとサイドコアへの局在率を計算した。図４に、ＬＰ０１モードの中心コアへの局在率Ｒ_C01とサイドコアへの局在率Ｒ_S01を示し、図５に、ＬＰ１１モードの中心コアへの局在率Ｒ_C11とサイドコアへの局在率Ｒ_S11を示す。

【0025】

図４、５から、比屈折率差Δ２≦０．３５％の領域（Δ１／Δ２≧２．８６）では、ＬＰ０１モードを中心コアに、ＬＰ１１モードをサイドコアに局在させることができるとわかる。

【0026】

比屈折率差Δ２≦０．３５％の領域でも、ＬＰ１１モードは局在率Ｒ_S11を０．２５以上０．５５以下の範囲で制御できるので、比屈折率差Δ２（希土類添加量ｎ２）で利得制御して、モード間利得差を抑制できる。

【0027】

（設計例２）
中心コアの半径ａ１＝１．５μｍ、サイドコアの幅ａ３－ａ２＝３μｍ、中心コアの比屈折率差Δ１＝１％、サイドコアの比屈折率差Δ２＝０．３％、サイドコアの内縁部の半径ａ２を変数としたときの、波長１５６５ｎｍにおけるＬＰ０１モードとＬＰ１１モードのそれぞれについて、中心コアとサイドコアへの局在率を計算した。図６に、ＬＰ０１モードの中心コアへの局在率Ｒ_C01とサイドコアへの局在率Ｒ_S01を示し、図７に、ＬＰ１１モードの中心コアへの局在率Ｒ_C11とサイドコアへの局在率Ｒ_S11を示す。

【0028】

図６、７から、ａ２が大きくなるほどＬＰ０１モードの中心コアにおける局在率は上がるが、ＬＰ１１モードの各局在率の変動は小さいことがわかる。

【0029】

サイドコアの内縁部の半径ａ２を適切に設計することでモード間利得差を抑制できる。

【0030】

［変形例］
次に、希土類添加ファイバ１０の変形例について説明する。

【0031】

希土類添加ファイバ１０は４以上のモードを伝搬、増幅してもよい。異なるモードを同一セグメント内で導波させてもよいし、セグメントを増やしてもよい。

【0032】

図８に示すように、希土類添加ファイバ１０は、セグメント構造を同一クラッド内に３つ以上、つまりサイドコアを２つ以上有してもよい。３つ以上のセグメントを有することで、伝送路もしくは伝送システム内のモード依存損失に応じて複数水準の利得を付与したい場合に用いることができる。希土類添加ファイバ１０が３つ以上のセグメントを有する場合も、中心コアの半径ａ１、第１のサイドコアの内縁部の半径ａ２と外縁部の半径ａ３、第２のサイドコアの内縁部の半径ａ４と外縁部の半径ａ５、中心コアの比屈折率差Δ１、第１のサイドコアの比屈折率差Δ２、および第２のサイドコアの比屈折率差Δ３をそれぞれ設計することで、モード間利得差を抑制できる。

【0033】

希土類添加ファイバ１０に添加される希土類イオンとしては、Er³⁺, Pr³⁺, Tm³⁺, Yb³⁺, Nd³⁺, Dy³⁺などがあるがこれらに限らない。増幅したい信号光の帯域に応じて希土類イオンを選択する。複数種類の希土類イオンを添加してもよい。

【0034】

以上説明したように、本実施形態の光増幅器１は、中心コア１１とサイドコア１２に希土類イオンが添加されたセグメント型の屈折率分布を有する希土類添加ファイバ１０と、希土類イオンを励起させる励起光を出射する励起光源２０と、信号光と励起光とを合波する光合波器３０と、を備える。中心コア１１およびサイドコア１２の大きさと希土類イオンの添加量を制御することで基本モードと高次モードの利得差を抑制する。これにより、中心コア１１およびサイドコア１２での利得を個別に制御でき、中心コア１１を中心に基本モードを増幅し、サイドコア１２を用いて高次モードを増幅するので、モード間利得差を抑制できる。

【符号の説明】

【0035】

１ 光増幅器
１０ 希土類添加ファイバ
１１ 中心コア
１２ サイドコア
２０ 励起光源
３０ 光合波器
４０ アイソレータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】