特表 2023-552624 光増幅装置および光増幅装置を含むモード分割多重システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-12-18

(54)【発明の名称】光増幅装置および光増幅装置を含むモード分割多重システム

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20231211BHJP

   H04B 10/291 20130101ALI20231211BHJP

   H04B 10/2581 20130101ALI20231211BHJP

   H04J 14/04 20060101ALI20231211BHJP

【ＦＩ】

H01S3/10 D

H04B10/291

H04B10/2581

H04J14/04

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023535591

(86)(22)【出願日】2021-12-10

(85)【翻訳文提出日】2023-07-12

(86)【国際出願番号】 CN2021137097

(87)【国際公開番号】W WO2022122016

(87)【国際公開日】2022-06-16

(31)【優先権主張番号】202011442785.X

(32)【優先日】2020-12-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】503433420

【氏名又は名称】華為技術有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＨＵＡＷＥＩ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】Ｈｕａｗｅｉ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ， Ｂａｎｔｉａｎ， Ｌｏｎｇｇａｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ， Ｓｈｅｎｚｈｅｎ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１８１２９， Ｐ．Ｒ． Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133569

【弁理士】

【氏名又は名称】野村 進

(72)【発明者】

【氏名】郭 ▲強▼

(72)【発明者】

【氏名】周 ▲鋭▼

(72)【発明者】

【氏名】▲楊▼ 志群

(72)【発明者】

【氏名】▲許▼ 涛

(72)【発明者】

【氏名】▲劉▼ ▲亞▼平

(72)【発明者】

【氏名】▲張▼ 林

【テーマコード（参考）】

5F172

5K102

【Ｆターム（参考）】

5F172AE13

5F172AF03

5F172AM01

5F172AM08

5F172BB02

5F172BB13

5F172BB18

5K102AA55

5K102AD01

5K102PA11

5K102PH13

5K102PH48

(57)【要約】

本出願の実施形態は、光増幅装置および光増幅装置を含むモード分割多重システムを開示し、光通信分野に関し、モード分割多重光伝送システムに適用される。光増幅装置は、第１の光増幅器と、第２の光増幅器と、モード交換器とを含む。第１の光増幅器はモード交換器の入力ポートに接続され、第２の光増幅器はモード交換器の出力ポートに接続される。第１の光増幅器は、フューモードファイバの複数の伝送モードで搬送される光信号を増幅するように構成され、フューモードファイバの複数の伝送モードはＮ個のグループにグループ化されてもよく、各グループは２つの伝送モードを含み、Ｎは１以上の正の整数である。モード交換器は、各グループにおいて光信号を搬送する２つの伝送モードを交換するように構成される。第２の光増幅器は、各グループ内の２つの伝送モードで搬送され、モードが交換された光信号を増幅するように構成される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光増幅装置であって、前記光増幅装置は、第１の光増幅器と、第２の光増幅器と、モード交換器と、を備え、
前記第１の光増幅器は前記モード交換器の入力ポートに接続され、前記第２の光増幅器は前記モード交換器の出力ポートに接続され、
前記第１の光増幅器は、フューモードファイバの複数の伝送モードで搬送される光信号を増幅するように構成され、前記フューモードファイバの前記複数の伝送モードは、Ｎ個のグループにグループ化され得、各グループは２つの伝送モードを含み、Ｎは１以上の正の整数であり、
前記モード交換器は、各グループにおいて光信号を搬送する前記２つの伝送モードを交換するように構成され、
前記第２の光増幅器は、各グループ内の前記２つの伝送モードで搬送され、モードが交換された前記光信号を増幅するように構成される、光増幅装置。

【請求項2】

各グループ内の前記２つの伝送モードで搬送された前記光信号が前記第１の光増幅器および前記第２の光増幅器によって増幅された後、各光信号の利得値と利得閾値との間の偏差が５％以内に入る、請求項１に記載の光増幅装置。

【請求項3】

各グループ内の前記２つの伝送モードで搬送された前記光信号が前記第１の光増幅器によって増幅された後、目標利得値に対する前記光信号の利得の合計の比は、予め設定された精度を超えない、請求項１に記載の光増幅装置。

【請求項4】

各グループ内の前記２つの伝送モードで搬送された前記光信号が前記第１の光増幅器によって増幅された後、前記光信号の前記利得の前記合計は前記目標利得値に等しい、請求項３に記載の光増幅装置。

【請求項5】

伝送モードで搬送された光信号が前記第１の光増幅器によって増幅された後に得られる利得値が、同じ伝送モードで搬送された前記光信号が前記第２の光増幅器によって増幅された後に得られる利得値と同じである、請求項３または４に記載の光増幅装置。

【請求項6】

前記第１の光増幅器および前記第２の光増幅器がそれぞれ、フューモードエルビウムドープファイバを備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の光増幅装置。

【請求項7】

Ｎが１に等しいとき、前記第１の光増幅器および前記第２の光増幅器のそれぞれのエルビウムイオンドーピング方式は均一ドーピングである、請求項６に記載の光増幅装置。

【請求項8】

Ｎが１より大きいとき、前記第１の光増幅器および前記第２の光増幅器の少なくとも一方のエルビウムイオンドーピング方式は層状ドーピングである、請求項６に記載の光増幅装置。

【請求項9】

前記第１の光増幅器および前記第２の光増幅器がそれぞれ、少なくとも１つの励起レーザを備える、請求項８に記載の光増幅装置。

【請求項10】

前記第１の光増幅器が第１の励起レーザおよび第２の励起レーザを備え、前記第２の光増幅器が第３の励起レーザおよび第４の励起レーザを備え、
前記第１の励起レーザは、前記第１の光増幅器における前記フューモードエルビウムドープファイバの信号入力ポートに接続され、前記第２の励起レーザは、前記第１の光増幅器における前記フューモードエルビウムドープファイバの信号出力ポートに接続され、
前記第３の励起レーザは、前記第２の光増幅器における前記フューモードエルビウムドープファイバの信号入力ポートに接続され、前記第４の励起レーザは、前記第２の光増幅器における前記フューモードエルビウムドープファイバの信号出力ポートに接続される、請求項９に記載の光増幅装置。

【請求項11】

モード分割多重システムであって、前記モード分割多重システムは、シングルモード送信機モジュールと、シングルモード受信機モジュールと、モードマルチプレクサと、モードデマルチプレクサと、少なくとも１つのフューモードファイバと、少なくとも１つの光増幅装置と、を備え、
前記シングルモード送信機モジュールは前記モードマルチプレクサの入力ポートに接続され、前記モードマルチプレクサの出力ポートは前記フューモードファイバを介して前記モードデマルチプレクサの入力ポートに接続され、前記モードデマルチプレクサの出力ポートは前記シングルモード受信機モジュールに接続され、前記光増幅装置はフューモードファイバ間に接続され、
前記シングルモード送信機モジュールは、波長分割多重信号の複数のパスを生成し、前記波長分割多重信号の複数のパスを前記モードマルチプレクサに送信するように構成され、
前記モードマルチプレクサは、前記波長分割多重信号の複数のパスを処理し、前記波長分割多重信号の複数のパスに基づいて１つの信号のパスを生成するように構成され、前記信号のパスは、複数の伝送モードで搬送される複数の光信号を含み、
前記光増幅装置は、第１の光増幅器と、第２の光増幅器と、モード交換器と、を備え、
前記第１の光増幅器は前記モード交換器の入力ポートに接続され、前記第２の光増幅器は前記モード交換器の出力ポートに接続され、
前記第１の光増幅器は、前記フューモードファイバの複数の伝送モードで搬送される光信号を増幅するように構成され、前記フューモードファイバの前記複数の伝送モードは、Ｎ個のグループにグループ化され得、各グループは２つの伝送モードを含み、Ｎは１以上の正の整数であり、
前記モード交換器は、各グループにおいて光信号を搬送する前記２つの伝送モードを交換するように構成され、
前記第２の光増幅器は、各グループ内の前記２つの伝送モードで搬送され、モードが交換された前記光信号を増幅するように構成され、
前記モードデマルチプレクサは、受信対象信号の複数のパスを取得するために、前記フューモードファイバ上の１つの信号のパスに対応する複数の伝送モードを分離するように構成され、
前記シングルモード受信機モジュールは、前記受信対象信号の複数のパスを受信し、前記受信対象信号の複数のパスを復調するように構成される、モード分割多重システム。

【請求項12】

前記光増幅装置において、各グループ内の前記２つの伝送モードで搬送された前記光信号が前記第１の光増幅器および前記第２の光増幅器によって増幅された後、各光信号の利得値と利得閾値との間の偏差が５％以内に入る、請求項１１に記載のモード分割多重システム。

【請求項13】

前記光増幅装置において、各グループ内の前記２つの伝送モードで搬送された前記光信号が前記第１の光増幅器によって増幅された後、目標利得値に対する前記光信号の利得の合計の比は、予め設定された精度を超えない、請求項１１に記載のモード分割多重システム。

【請求項14】

前記光増幅装置において、各グループ内の前記２つの伝送モードで搬送された前記光信号が前記第１の光増幅器によって増幅された後、前記光信号の前記利得の前記合計は前記目標利得値に等しい、請求項１３に記載のモード分割多重システム。

【請求項15】

前記光増幅装置において、伝送モードで搬送された光信号が前記第１の光増幅器によって増幅された後に得られる利得値が、同じ伝送モードで搬送された前記光信号が前記第２の光増幅器によって増幅された後に得られる利得値と同じである、請求項１３または１４に記載のモード分割多重システム。

【請求項16】

前記光増幅装置において、前記第１の光増幅器および前記第２の光増幅器がそれぞれ、フューモードエルビウムドープファイバを備える、請求項１１から１５のいずれか一項に記載のモード分割多重システム。

【請求項17】

前記光増幅装置において、Ｎが１に等しいとき、前記第１の光増幅器および前記第２の光増幅器のそれぞれのエルビウムイオンドーピング方式は均一ドーピングである、請求項１６に記載のモード分割多重システム。

【請求項18】

前記光増幅装置において、Ｎが１より大きいとき、前記第１の光増幅器および前記第２の光増幅器の少なくとも一方のエルビウムイオンドーピング方式は層状ドーピングである、請求項１６に記載のモード分割多重システム。

【請求項19】

前記光増幅装置において、前記第１の光増幅器および前記第２の光増幅器がそれぞれ、少なくとも１つの励起レーザを備える、請求項１８に記載のモード分割多重システム。

【請求項20】

前記光増幅装置において、前記第１の光増幅器が第１の励起レーザおよび第２の励起レーザを備え、前記第２の光増幅器が第３の励起レーザおよび第４の励起レーザを備え、
前記第１の励起レーザは、前記第１の光増幅器における前記フューモードエルビウムドープファイバの信号入力ポートに接続され、前記第２の励起レーザは、前記第１の光増幅器における前記フューモードエルビウムドープファイバの信号出力ポートに接続され、
前記第３の励起レーザは、前記第２の光増幅器における前記フューモードエルビウムドープファイバの信号入力ポートに接続され、前記第４の励起レーザは、前記第２の光増幅器における前記フューモードエルビウムドープファイバの信号出力ポートに接続される、請求項１９に記載のモード分割多重システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる、２０２０年１２月１１日付で中国国家知識産権局に出願された、「ＯＰＴＩＣＡＬ ＡＭＰＬＩＦＩＣＡＴＩＯＮ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ，ＡＮＤ ＭＯＤＥ ＤＩＶＩＳＩＯＮ ＭＵＬＴＩＰＬＥＸＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ ＩＮＣＬＵＤＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬ ＡＭＰＬＩＦＩＣＡＴＩＯＮ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ」という名称の中国特許出願第２０２０１１４４２７８５．Ｘ号の優先権を主張するものである。

【0002】

本出願は光通信分野に関し、モード分割多重光伝送システムに適用され、特に光増幅装置および光増幅装置を含むモード分割多重システムに関する。

【背景技術】

【0003】

光ネットワークでは、光信号が十分なパワーおよび性能を有し、したがって受信機によって受信され得るように、光信号は通常、光パワー損失のために増幅される必要がある。例えば、光信号を増幅するために、エルビウムドープファイバ増幅器（ｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、ＥＤＦＡ）が通常使用され得る。

【0004】

実際の応用では、エルビウムドープファイバ増幅器のエルビウムイオンドーピング方式と励起モードでの光照射野分布の両方が光信号の増幅に影響を及ぼす。フューモードファイバでは、フューモードエルビウムドープファイバ増幅器に入力される複数の光信号は、異なる伝送モードを有し、異なる伝送モードに対応する光照射野、励起モードの光照射野、およびエルビウムイオンの重複度が異なる。したがって、異なる伝送モードで搬送された光信号がエルビウムドープファイバ増幅器によって増幅された後、光信号は異なる利得を有し、差動モード利得が増加する。異なる伝送モードで搬送される光信号の出力電力間の偏差を低減し、同様の信号対雑音比を維持するために差動モード利得をどのように低減するかは、解決される必要がある緊急の問題である。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

本出願の実施形態は、フューモードエルビウムドープファイバ増幅器の差動モード利得を低減し、モード分割多重システムの伝送性能を改善するために、光増幅装置、および光増幅装置を含むモード分割多重システムを提供する。

【0006】

本出願の実施形態の第１の態様は光増幅装置を提供し、光増幅装置は、以下を含む。

【0007】

光増幅装置は、フューモードファイバで伝送される光信号を増幅するように構成される。具体的には、光増幅装置は、第１の光増幅器と、第２の光増幅器と、モード交換器とを含んでもよい。モード交換器は、第１の光増幅器と第２の光増幅器との間に位置し、一方のポートは第１の光増幅器の出力ポートに接続され、他方のポートは第２の光増幅器の入力ポートに接続されて直列構造を形成する。フューモードファイバにおいて光信号が伝送されるとき、第１光増幅器は、複数の光信号を受信して増幅する。複数の光信号は、複数の伝送モードで搬送される。複数の伝送モードはＮ個のグループにグループ化され、各グループは２つの伝送モードを含む。次いで、増幅された複数の光信号がモード交換器に入力される。モード交換器は、各グループにおいて光信号を搬送する２つの伝送モードを交換する。次いで、第２の光増幅器は、モードが交換された光信号を受信し、複数の光信号を再び増幅して、最終的に複数の光信号の利得等化を達成する。

【0008】

フューモードファイバの複数の伝送モードにおけるモードフィールド分布は異なるため、異なる伝送モードで搬送された光信号が光増幅器によって増幅された後、光信号の利得は異なる。本実施形態で提供される光増幅装置によれば、モード交換器を使用して異なる伝送モードが交換され得、その結果、２回増幅されるときに同じ光信号が２つの伝送モードで搬送される。このようにして、利得は互いに相補的である。具体的には、光信号について、第１の増幅器における光信号に対応する利得が大きい場合、光信号がモード交換器を通過した後、第２の増幅器における光信号を増幅する利得が減少する。第１の増幅器における光信号に対応する利得が小さい場合、光信号がモード交換器を通過した後、第２の増幅器における光信号を増幅する利得が増加する。このようにして、複数の光信号の相対利得等化が達成されることができ、光増幅装置の差動モード利得を低減し、モード分割多重システム全体の伝送性能を向上させることができる。

【0009】

任意選択の一実装形態では、モード交換器は、複数の伝送モードのうちの２つおきに交換する必要がある。具体的には、同じ光信号が、第１の光増幅器における伝送モードのグループ内の一方の伝送モードで搬送され、第２の光増幅器における伝送モードのグループ内の他方の伝送モードで搬送される。このように、各光信号の利得等化を実施するためには、光信号が光増幅装置によって２回増幅された後、各光信号の利得値が基本的に同じである必要がある。理想的な実装形態では、各光信号が２回増幅された後、光信号の利得の合計は利得閾値に等しい。各光信号の利得の合計は、誤差精度範囲内で変動し得ることが理解されることができる。具体的には、偏差は５％であってもよい。

【0010】

前述の実装形態では、各光信号が光増幅装置によって増幅されるとき、光信号は２回の増幅のために２つの伝送モードで連続的に搬送される。このようにして、第１の光増幅器および第２の光増幅器は、同じ利得で異なる光信号を増幅するために光増幅器のうちの１つを必要とすることなく、互いに協働し得る。代わりに、すべての光信号がほぼ等しい利得の合計を最終的に有するという条件で、２つの光増幅器はすべての光信号を２回増幅する。このようにして、各光増幅器の設計難易度が低減され、利得等化の精度が向上する。

【0011】

任意選択の一実装形態では、第１の光増幅器は、第２の光増幅器と同じであってもよい。言い換えれば、同じ伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器または第２の光増幅器によって増幅された後、同じ利得がある。この場合、各グループ内の２つの伝送モードに対応する利得値の和が目標利得値にほぼ等しくなるように、第１の光増幅器のエルビウムイオン濃度分布が設計される必要がある。誤差は依然として許容されることが理解されることができる。各グループ内の２つの伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器によって増幅された後、目標利得値に対する光信号の利得の合計の比は、予め設定された精度範囲を超えない。

【0012】

フューモードファイバの複数の伝送モードはＮ個のグループにグループ化され得、各グループは２つの伝送モードを含み、各グループ内の２つの伝送モードに対応する利得値の合計は目標利得値にほぼ等しいことが理解されることができる。この場合、モード交換器は、各２つのグループ内の２つの光信号の伝送モードを交換し得、その結果、各光信号が２回増幅された後、利得の合計は目標利得値にほぼ等しくなる。このようにして、複数の光信号の利得等化が実施されることができる。

【0013】

任意選択の一実装形態では、第１の光増幅器では、すべての伝送モードに対応する利得値が中心対称に分布される。このようにして、最大利得および最小利得に対応する２つの伝送モードが１つのグループを形成し、２番目に大きい利得および２番目に小さい利得に対応する２つの伝送モードが１つのグループを形成する、などである。このようにして、モード交換器は、最大利得および最小利得に対応する２つの伝送モードを交換する必要があり、その結果、各光信号の２回の増幅に対応する利得値は互いに相補的になり、最終的に、すべての光信号の利得等化が実施される。

【0014】

任意選択の一実装形態では、第１の光増幅器は、第２の光増幅器と同じである。このようにして、設計難易度がさらに低減されることができ、コストが低減されることができる。

【0015】

任意選択の一実装形態では、第１の光増幅器および第２の光増幅器はそれぞれ、光信号が通過するときに放射の誘導放出が起こるように、エルビウムイオンをフューモードファイバにドープし、同時に励起光を注入してエルビウムイオンに反転分布を行うことによって光信号を増幅する能動光デバイスであってもよい。したがって、第１の光増幅器および第２の光増幅器は、それぞれフューモードエルビウムドープファイバを含む。

【0016】

任意選択の一実装形態では、フューモードファイバが２モードファイバである場合、言い換えれば、フューモードファイバが２つの伝送モードをサポートする場合、２つの伝送モードで搬送される光信号は、光増幅器によって増幅された後に対称であり、２つの伝送モードのみが交換される必要がある。したがって、第１の光増幅器および第２の光増幅器のそれぞれのエルビウムイオンドーピング方式は均一ドーピングである。

【0017】

任意選択の一実装形態では、フューモードファイバが複数の伝送モードをサポートする場合、複数の伝送モードに対応する利得値がほぼ中心対称になるように、エルビウムイオン濃度分布が設計される必要がある。このようにして、第１の光増幅器および第２の光増幅器の少なくとも一方のエルビウムイオンドーピング方式は、層状ドーピングである必要がある。

【0018】

任意選択の一実装形態では、光信号を増幅するとき、エルビウムイオンが必要とされるだけでなく、励起光がエルビウムイオンの反転を刺激するために必要とされる。したがって、第１の光増幅器および第２の光増幅器は、それぞれ少なくとも１つの励起レーザを含む必要がある。

【0019】

任意選択の一実装形態では、第１の光増幅器および第２の光増幅器はそれぞれ２つの励起レーザを含み、１つの励起レーザは光増幅器のフロントエンドに位置し、第２の励起レーザは光増幅器のバックエンドに位置する。言い換えれば、第１の光増幅器および第２の光増幅器は、双方向励起をサポートし、光増幅器の増幅性能を向上させる。

【0020】

本出願の第２の態様は、モード分割多重システムを提供する。モード分割多重システムは、
シングルモード送信機モジュール、シングルモード受信機モジュール、モードマルチプレクサ、モードデマルチプレクサ、複数のフューモードファイバ、および光増幅装置
を含む。

【0021】

シングルモード送信機モジュールはモードマルチプレクサの入力ポートに接続され、モードマルチプレクサの出力ポートは複数のフューモードファイバを介してモードデマルチプレクサの入力ポートに接続され、モードデマルチプレクサの出力ポートはシングルモード受信機モジュールに接続され、光増幅装置は複数のフューモードファイバの間に接続される。

【0022】

シングルモード送信機モジュールは、波長分割多重信号の複数のパスを生成し、波長分割多重信号の複数のパスをモード分割マルチプレクサに伝送するように構成される。

【0023】

モード分割マルチプレクサは、波長分割多重信号の複数のパスを処理し、波長分割多重信号の複数のパスに基づいて１つの信号のパスを生成するように構成される。信号のパスは、複数の伝送モードで搬送される複数の光信号を含む。

【0024】

光増幅装置は、第１の光増幅器と、第２の光増幅器と、モード交換器とを含む。

【0025】

第１の光増幅器はモード交換器の入力ポートに接続され、第２の光増幅器はモード交換器の出力ポートに接続される。

【0026】

第１の光増幅器は、フューモードファイバの複数の伝送モードで搬送される光信号を増幅するように構成され、フューモードファイバの複数の伝送モードはＮ個のグループにグループ化されてもよく、各グループは２つの伝送モードを含み、Ｎは１以上の正の整数である。

【0027】

モード交換器は、各グループにおいて光信号を搬送する２つの伝送モードを交換するように構成される。

【0028】

第２の光増幅器は、各グループ内の２つの伝送モードで搬送され、モードが交換された光信号を増幅するように構成される。

【0029】

モードデマルチプレクサは、受信対象信号の複数のパスを得るために、フューモードファイバ上の１つの信号のパスに対応する複数の伝送モードを分離するように構成される。

【0030】

シングルモード受信機モジュールは、受信対象信号の複数のパスを受信し、受信対象信号の複数のパスを復調するように構成される。

【0031】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置において、各グループ内の２つの伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器および第２の光増幅器によって増幅された後、各光信号の利得値と利得閾値との間の偏差は５％以内に入る。

【0032】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置において、各グループ内の２つの伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器によって増幅された後、目標利得値に対する光信号の利得の合計の比は、予め設定された精度を超えない。

【0033】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置において、各グループ内の２つの伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器によって増幅された後、光信号の利得の合計は目標利得値に等しい。

【0034】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置において、伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器によって増幅された後に得られる利得値は、同じ伝送モードで搬送された光信号が第２の光増幅器によって増幅された後に得られる利得値と同じである。

【0035】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置において、第１の光増幅器および第２の光増幅器はそれぞれ、フューモードエルビウムドープファイバを含む。

【0036】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置において、Ｎが１に等しいとき、第１の光増幅器および第２の光増幅器のそれぞれのエルビウムイオンドーピング方式は均一ドーピングである。

【0037】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置において、Ｎが１より大きいとき、第１の光増幅器および第２の光増幅器の少なくとも一方のエルビウムイオンドーピング方式は層状ドーピングである。

【0038】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置において、第１の光増幅器および第２の光増幅器はそれぞれ、少なくとも１つの励起レーザを含む。

【0039】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置において、第１の光増幅器は第１の励起レーザおよび第２の励起レーザを含み、第２の光増幅器は第３の励起レーザおよび第４の励起レーザを含み、
第１の励起レーザは、第１の光増幅器におけるフューモードエルビウムドープファイバの信号入力ポートに接続され、第２の励起レーザは、第１の光増幅器におけるフューモードエルビウムドープファイバの信号出力ポートに接続され、
第３の励起レーザは、第２の光増幅器におけるフューモードエルビウムドープファイバの信号入力ポートに接続され、第４の励起レーザは、第２の光増幅器におけるフューモードエルビウムドープファイバの信号出力ポートに接続される。

【0040】

本出願の第３の態様は、光増幅装置を使用して信号を増幅するための方法を提供し、本方法は、以下を含む。

【0041】

光増幅装置は、フューモードファイバで伝送される複数の光信号を受信する。複数の光信号は、複数の伝送モードでそれぞれ搬送される。複数の伝送モードはＮ個のグループにグループ化され得、各グループは２つの伝送モードを含む。光増幅装置内の第１の光増幅器は、複数の伝送モードで搬送された光信号を増幅し、増幅された複数の光信号を光増幅装置内のモード交換器に伝送する。モード交換器は、各グループの光信号を搬送する２つの伝送モードを交換し、モードが交換されたすべての光信号を増幅用の光増幅装置内の第２の光増幅器に伝送する。第２の光増幅器は、モードが交換された複数の光信号を受信し、複数の光信号を２回目に増幅して、最終的に利得等化を実施する。

【0042】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置がフューモードファイバで伝送された複数の光信号を２回目に増幅した後、各光信号を２回増幅する利得の合計は利得閾値にほぼ等しく、誤差範囲は利得閾値の５％を超えない。

【0043】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置内の第１の光増幅器は、フューモードファイバ内の複数の光信号を受信し、複数の光信号を増幅する。各グループ内の２つの伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器によって増幅された後、目標利得値に対する光信号の利得の合計の比は、予め設定された精度を超えない。

【0044】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置内の第１の光増幅器の最適な増幅解決策では、各グループ内の２つの伝送モードで搬送される光信号に対応する利得の合計は目標利得値に等しい。

【0045】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置内の第１の光増幅器および第２の光増幅器は同じである。言い換えれば、伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器によって増幅された後に得られる利得値は、同じ伝送モードで搬送された光信号が第２の光増幅器によって増幅された後に得られる利得値と同じである。

【0046】

前述の技術的解決策から、本出願の実施形態が以下の利点を有することが分かる。

【0047】

本出願で提供される光増幅装置によれば、第１の光増幅器、モード交換器、および第２の光増幅器の構造は、フューモードファイバで伝送される複数の光信号を２回増幅するために使用され得、モード交換器を使用して異なる伝送モードが交換され、その結果、２回増幅されるときに同じ光信号が２つの伝送モードで搬送される。このようにして、利得は互いに相補的である。具体的には、光信号について、第１の増幅器における光信号に対応する利得が大きい場合、光信号がモード交換器を通過した後、第２の増幅器における光信号を増幅する利得が減少する。第１の増幅器における光信号に対応する利得が小さい場合、光信号がモード交換器を通過した後、第２の増幅器における光信号を増幅する利得が増加する。このようにして、複数の光信号の相対利得等化が達成されることができ、光増幅装置の差動モード利得を低減し、モード分割多重システム全体の伝送性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0048】

【図1】本出願の一実施形態による光増幅装置の構造の概略図である。

【図2A】本出願の一実施形態による別の光増幅装置の構造の概略図である。

【図2B】本出願の一実施形態による別の光増幅装置の構造の概略図である。

【図2C】本出願の一実施形態による別の光増幅装置の構造の概略図である。

【図2D】本出願の一実施形態による別の光増幅装置の構造の概略図である。

【図3】本出願の一実施形態による２モードエルビウムドープファイバの断面構造の図である。

【図4】本出願の一実施形態による光増幅装置によって出力される２つのモードのＣ帯域広帯域スペクトルの図である。

【図5】本出願の一実施形態による光増幅装置によって出力される４つのモードのＣ帯域広帯域スペクトルの図である。

【図6】本出願の一実施形態によるモード分割多重システムのシステムアーキテクチャの図である。

【図7】本出願の一実施形態による光増幅装置を使用して信号を増幅する方法の例示的なフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0049】

本出願の実施形態は、現在のフィードバックチャネル構造を簡素化し、システム設計の複雑さおよびコストを低減するために、無線周波数チップおよび無線周波数チップを使用して信号をフィードバックするための方法を提供する。

【0050】

本出願の実施形態は、フューモードエルビウムドープファイバ増幅器の差動モード利得を低減し、モード分割多重システムの伝送性能を改善するために、光増幅装置、および光増幅装置を含むモード分割多重システムを提供する。

【0051】

本出願の明細書、特許請求の範囲、および添付図面において、用語「第１の」、「第２の」、「第３の」、「第４の」など（もしあれば）は、同様の対象を区別することを意図されており、必ずしも特定の順序または順番を示すものではない。このような方法で使用されているデータは、適切な場合に交換可能であり、このため、ここで説明されている実施形態は、ここで例示または説明されている順序とは異なる順序で実施され得ることを理解されたい。加えて、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎ）」、およびその他の変形は、非排他的な包含を網羅することを意味し、例えば、一連のステップまたはユニットを含むプロセス、方法、システム、製品、またはデバイスは、明示的にリストされているステップまたはユニットに必ずしも限定されず、そのようなプロセス、方法、製品、またはデバイスに明示的にリストされていない、または固有ではない他のステップまたはユニットを含み得る。

【0052】

ネットワークトラフィックの急速な成長に伴い、従来のシングルモードファイバ通信システムの容量は、ネットワークトラフィックの伝送要件を満たすことができない。空間分割に基づく多重化（空間分割多重化は、複数のファイバを結合してビームを形成することによって実現されるか、または空間分割多重化は、同じファイバ内で実現される）を実現する方法として、フューモードファイバ（ｆｅｗ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ、ＦＭＦ）またはマルチコアファイバ（ｍｕｌｔｉ ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ、ＭＣＦ）を伝送媒体として使用する空間分割多重（ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ、ＳＤＭ）システムは、ファイバ通信システムの容量を大幅に改善することができ、将来的には主に展開されることになる。通常、空間分割多重システムは、フューモードファイバを伝送媒体として使用するモード分割多重システムと、マルチコアファイバを伝送媒体として使用するコア分割多重システムとを含む。

【0053】

フューモードファイバはシングルコアファイバであり、フューモードファイバのファイバコアのエリアは、いくつかの独立した空間モードを使用して並列信号フローを伝送するのに十分な大きさである。具体的には、モード分割多重化を実施するために、フューモードファイバは複数の伝送モードを提供し得、各伝送モードは光信号を搬送し得る。フューモードファイバが光信号を長距離伝送するために使用されるとき、フューモードエルビウムドープファイバ増幅器（ｆｅｗ ｍｏｄｅ ｅｒｂｉｕｍ－ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、ＦＭ－ＥＤＦＡ）は必須の中継増幅器であり、フューモードファイバで伝送される光信号を増幅して、伝送プロセスにおける光信号の損失を補償し、伝送性能を向上させるように構成される。

【0054】

フューモードエルビウムドープファイバ増幅器は、フューモードファイバにエルビウムイオンをドープし、同時に励起光を注入してエルビウムイオンを反転分布させることで光信号を増幅する能動光デバイスであり、その結果、光信号が通過する際に放射線の誘導放出が起こる。光信号を搬送する伝送モードの光照射野、励起光の光照射野、およびエルビウムイオンの重複度は、光信号の利得に直接影響する。伝送モードの光照射野と、励起光の光照射野と、エルビウムイオンとの重複度が大きいほど、伝送モードで搬送される光信号の利得が大きいことを示す。したがって、励起光の光照射野が決定されると、フューモードエルビウムドープファイバ内のエルビウムイオン濃度分布は、異なる伝送モードで搬送される光信号に対応する利得値に直接影響を及ぼし、異なる伝送モードに対応する利得値は完全に異なり得る。

【0055】

フューモードエルビウムドープファイバ増幅器の重要な指標は差動モード利得（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｏｄｅ ｇａｉｎ、ＤＭＧ）であり、フューモードファイバのすべての伝送モードで搬送され、フューモードエルビウムドープファイバ増幅器によって増幅される光信号の利得間の差を測定するために使用される。ＤＭＧが大きいほど、異なる伝送モードの光信号の出力電力の偏差が大きく、信号対雑音比の差が大きいことを示す。これは、線形容量制限に影響を及ぼし、モード分割多重光通信システム全体の伝送性能を低下させる。したがって、フューモードエルビウムドープファイバ増幅器のＤＭＧを低減し、フューモードファイバの異なる伝送モードで利得等化を実施する方法は、解決すべき緊急の問題となる。

【0056】

上記の問題に基づいて、本出願の一実施形態は光増幅装置を提供する。光増幅装置のコア構成要素は、異なる伝送モードで光信号を２回増幅するために、２つのフューモードエルビウムドープファイバおよびモード交換器を含み、フューモードファイバ内の複数の光信号の相対利得等化を最終的に保証し、光増幅装置の利得の広帯域平坦性性能を保証し、モード分割多重システム全体における異なるモード間の電力差を大幅に低減し、伝送性能を改善するようにする。

【0057】

図１は、本出願の一実施形態による光増幅装置の構造の概略図である。図１に示すように、光増幅装置１００は、フューモードエルビウムドープファイバ１０と、モード交換器２０と、フューモードエルビウムドープファイバ３０とを含む。モード交換器２０は、フューモードエルビウムドープファイバ１０とフューモードエルビウムドープファイバ３０との間に位置し、フューモードエルビウムドープファイバ１０の一方のポートおよびフューモードエルビウムドープファイバ３０の一方のポートは、直列構造を形成するようにモード交換器２０に接続され、他方のポートは、光信号を伝送するためのフューモードファイバに接続される。具体的には、信号伝送中、複数の光信号は、フューモードファイバを介してフューモードエルビウムドープファイバ１０に伝送され、フューモードエルビウムドープファイバ１０によって増幅された後、モード変換のためにモード交換器２０に伝送される。最後に、フューモードエルビウムドープファイバ３０は、モードが交換された複数の光信号を２回目に増幅し、次いで光信号はフューモードファイバを通って前方に伝送され続ける。

【0058】

光信号を増幅するためには、フューモードエルビウムドープファイバ内のエルビウムイオンが必要であるだけでなく、フューモードエルビウムドープファイバ内に励起光を注入する必要があることが理解されることができる。このようにしてのみ、光信号がフューモードエルビウムドープファイバを通過する際に放射の誘導放出が起こり得る。励起光は複数の方式で入射してもよく、異なる励起方式が光増幅装置全体の構造に影響を及ぼす。例えば、光増幅装置は、一方向ジョイント励起を行ってもよい。具体的には、フューモードエルビウムドープファイバ１０およびフューモードエルビウムドープファイバ３０は、１つの一方向励起を共有する。図２Ａに示すように、波長分割マルチプレクサ５０の一方のポートはフューモードファイバに接続され、他方のポートはフューモードエルビウムドープファイバ１０に接続されている。励起レーザ４０は、波長分割マルチプレクサ５０に接続されている。光信号は、フューモードファイバに沿って波長分割マルチプレクサ５０に伝送される。波長分割マルチプレクサ５０は、光信号と励起レーザ４０が出射した励起光とを合波した後、合波により得られた光信号をフューモードエルビウムドープファイバ１０に伝送し、フューモードエルビウムドープファイバ１０内のエルビウムイオンと相互作用させて光信号を増幅させる。前方励起方式が励起レーザ４０に使用され、フューモードエルビウムドープファイバ１０およびフューモードエルビウムドープファイバ３０への励起光の入射方向は光信号の伝送方向と同じである。

【0059】

例えば、図２Ｂに示すように、光増幅装置では、２つのフューモードエルビウムドープファイバが一方向励起を行ってもよい。波長分割マルチプレクサ６０の一方のポートはフューモードエルビウムドープファイバ１０に接続され、他方のポートはモード交換器２０の入力ポートに接続されている。励起レーザ７０は、波長分割マルチプレクサ６０に接続されている。波長分割マルチプレクサ８０の一方のポートはモード交換器２０の出力ポートに接続され、他方のポートはフューモードエルビウムドープファイバ３０に接続されている。励起レーザ９０は、波長分割マルチプレクサ８０に接続されている。光信号伝送プロセスでは、光信号は、フューモードエルビウムドープファイバ１０に沿ってモード交換器２０に伝送され、次いでフューモードエルビウムドープファイバ３０に伝送されることが理解されることができる。励起レーザ７０は、フューモードエルビウムドープファイバ１０を後方励起方式で励起光を出射する。言い換えれば、励起レーザ７０における励起光の入射方向は、光信号の伝送方向と逆方向となっている。励起レーザ９０は、励起光を前方励起方式でフューモードエルビウムドープファイバ３０に伝送する。励起レーザ９０における励起光の入射方向は、光信号の伝送方向と同じである。

【0060】

例えば、図２Ｃに示すように、光増幅装置において、フューモードエルビウムドープファイバの一方の区間が双方向励起を代替的に行ってもよく、他方の区間が一方向励起を行ってもよい。例えば、フューモードエルビウムドープファイバ１０のフロントエンドおよびバックエンドは、それぞれ波長分割マルチプレクサ１１０および波長分割マルチプレクサ１２０に接続され、励起レーザ１３０は波長分割マルチプレクサ１１０に接続され、励起レーザ１４０は波長分割マルチプレクサ１２０に接続されている。フューモードエルビウムドープファイバ３０のフロントエンドは波長分割マルチプレクサ１５０に接続され、励起レーザ１６０は波長分割マルチプレクサ１５０に接続されている。励起レーザ１３０における励起光がフューモードエルビウムドープファイバ１０に入射する方向は、光信号の伝送方向と同じである。励起レーザ１４０における励起光がフューモードエルビウムドープファイバ１０に入射する方向は、光信号の伝送方向と同じである。励起レーザ１６０における励起光がフューモードエルビウムドープファイバ３０に入射する方向は、光信号の伝送方向と同じである。

【0061】

例えば、図２Ｄに示すように、光増幅装置では、２つのフューモードエルビウムドープファイバは、代替的に両方とも双方向励起を行ってもよい。例えば、フューモードエルビウムドープファイバ１０のフロントエンドおよびバックエンドは、それぞれ波長分割マルチプレクサ１７０および波長分割マルチプレクサ１８０に接続され、励起レーザ１９０は波長分割マルチプレクサ１７０に接続され、励起レーザ２００は波長分割マルチプレクサ１８０に接続されている。フューモードエルビウムドープファイバ３０のフロントエンドおよびバックエンドは、それぞれ波長分割マルチプレクサ２１０および波長分割マルチプレクサ２２０に接続され、励起レーザ２３０は波長分割マルチプレクサ２１０に接続され、励起レーザ２４０は波長分割マルチプレクサ２２０に接続されている。励起レーザ１９０における励起光がフューモードエルビウムドープファイバ１０に入射する方向は光信号伝送方向と同じであり、励起レーザ２００における励起光がフューモードエルビウムドープファイバ１０に入射する方向は光信号伝送方向と反対であり、励起レーザ２３０における励起光がフューモードエルビウムドープファイバ３０に入射する方向は光信号伝送方向と同じであり、励起レーザ２４０における励起光がフューモードエルビウムドープファイバ３０に入射する方向は光信号伝送方向と反対であることが理解されることができる。励起レーザの励起方式は、本出願では特に限定されないことが理解されることができる。

【0062】

以下、本出願の一実施形態で提供される光増幅装置の増幅原理を具体的に説明する。

【0063】

第１に、フューモードエルビウムドープファイバは、Ｍ個の伝送モードをサポートする。具体的には、各伝送モードにおけるモードフィールド分布はファイバ内で異なる空間を占有し、伝送モードはＣ１～ＣＭと表され得る。異なるモードフィールド分布が異なる伝送モードで存在し、フューモードエルビウムドープファイバ内のエルビウムイオンとの異なる重複度を有するため、異なる伝送モードで搬送された光信号は、同じフューモードエルビウムドープファイバによって増幅された後、完全に異なる利得を有し得る。エルビウムイオン濃度分布と励起光の光照射野分布を調整することにより、各モードにおけるエルビウムイオンと励起光との重複エリアが変化し、各伝送モードに対応する利得値を変化させることが理解されることができる。したがって、フューモードエルビウムドープファイバにおけるエルビウムイオン分布を設計することにより、各伝送モードに対応する利得値は調整されることができる。利得等化を実施するために、１つのフューモードエルビウムドープファイバが複数の光信号を増幅するために使用されるとき、すべての伝送モードにおけるモードフィールド分布を考慮する必要があり、設計は複雑である。したがって、より単純な設計解決策が使用され得る。具体的には、２つのフューモードエルビウムドープファイバが複数の光信号を２回増幅するために使用され、その結果、各光信号の２回の増幅に対応する利得値が互いに相補的になり、利得等化を実施する。このようにして、各フューモードエルビウムドープファイバのエルビウムイオン濃度分布が設計されるとき、各伝送モードにおける光信号に対応する利得値の規則的な分布が保証されるならば、最終的な利得等化が実施されることができる。

【0064】

（１）任意選択の一実装形態では、フューモードエルビウムドープファイバ１０およびフューモードエルビウムドープファイバ３０は、それぞれＭ個の伝送モードをサポートする。Ｍ個の伝送モードの光信号がフューモードエルビウムドープファイバ１０によって増幅された後、Ｍ個の伝送モードの光信号の利得はそれぞれＧ１、Ｇ２、…、およびＧＭである。Ｍ個の伝送モードの光信号がフューモードエルビウムドープファイバ３０によって増幅された後、光信号の利得はそれぞれＨ１、Ｈ２、…、およびＨＭである。Ｍ個の光信号がＭ個の伝送モードでそれぞれ搬送される場合、これらの光信号は、フューモードファイバを介してフューモードエルビウムドープファイバ１０に最初に伝送される。フューモードエルビウムドープファイバ１０によって光信号が増幅された後、第１の光信号の利得値はＧ１であり、第２の光信号の利得値はＧ２であり、…、第Ｍの光信号の利得値はＧＭである。Ｇ１＞Ｇ２＞…＞ＧＭと仮定する。モード交換器２０は、第１の光信号の伝送モードをＣＭに変換し、第Ｍの光信号の伝送モードをＣ１に変換し、第２の光信号の伝送モードをＣ（Ｍ－１）に変換し、第（Ｍ－１）の光信号の伝送モードをＣ２に変換するなどして、その後、モードが交換された光信号を増幅用のフューモードエルビウムドープファイバ３０に伝送するように設計されてもよい。この場合、フューモードエルビウムドープファイバ３０によって光信号が増幅された後、第１の光信号の利得はＨＭであり、第２の光信号の利得はＨ（Ｍ－１）であり、…、第Ｍの光信号の利得はＨ１である。したがって、第１の光信号の利得はＧ１＋ＨＭであり、第２の光信号の利得はＧ２＋Ｈ（Ｍ－１）であり、…、第Ｍの光信号の利得はＧＭ＋Ｈ１である。この場合、各光信号の利得等化を実施するためには、Ｇ１＋ＨＭ、Ｇ２＋Ｈ（Ｍ－１）、…、およびＧＭ＋Ｈ１が利得閾値と同じになるように、フューモードエルビウムドープファイバ１０およびフューモードエルビウムドープファイバ３０におけるエルビウムイオン濃度分布のみを調整すればよい。

【0065】

光増幅装置の利得閾値をＳと仮定すると、その値は、光増幅装置に入力された光信号が２回増幅された後の理想利得値を表していることを理解されたい。任意の解決策では、許容偏差を５％以内に制御する必要がある。言い換えれば、Ｇ１＋ＨＭ、Ｇ２＋ＨＭ－１、…、ＧＭ＋Ｈ１の値は、０．９５Ｓ以上１．０５Ｓ以下である必要がある。光増幅装置の誤差変動範囲は、実際の要件に基づいて決定され得ることが理解されることができる。これは特に限定されない。

【0066】

（２）別の任意選択の実装形態では、光増幅装置１００において、フューモードエルビウムドープファイバ１０およびフューモードエルビウムドープファイバ３０は、代替的に、完全に等しい光増幅器に対応してもよい。具体的には、フューモードエルビウムドープファイバ１０およびフューモードエルビウムドープファイバ３０は、それぞれＭ個の伝送モードをサポートする。Ｍ個の伝送モードの光信号がフューモードエルビウムドープファイバ１０およびフューモードエルビウムドープファイバ３０によって増幅された後、Ｍ個の伝送モードの光信号の利得はＧ１、Ｇ２、…、およびＧＭである。

【0067】

１つのフューモードエルビウムドープファイバについて、フューモードエルビウムドープファイバ内のエルビウムイオン濃度分布は、すべての伝送モードに対応する利得値がほぼ対称に分布するように設計されてもよい。言い換えれば、伝送モードＣ１～ＣＭは、Ｎ個のグループにグループ化されてもよく、各グループは２つの伝送モードを含む。例えば、Ｃ１およびＣＭがグループであり、Ｃ２およびＣ（Ｍ－１）がグループである、などである。次いで、エルビウムイオン濃度分布は、各グループの２つの伝送モードに対応する利得値の合計がほぼ同じ値となるように設計される。すなわち、
Ｇ１＋ＧＭ＝Ｇ２＋Ｇ（Ｍ－１）＝Ｇ（１＋ｉ）＋Ｇ（Ｍ－ｉ）である。

【0068】

前述の解決策では、適切な誤差範囲の変動が許容され得ることが理解されることができる。具体的には、第１の光増幅器によって増幅が実行された後、各グループ内の２つの伝送モードに対応する利得の合計が目標利得値に予め設定されてもよい。各グループ内の２つの伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器（フューモードエルビウムドープファイバ１０）によって増幅された後、目標利得値に対する光信号の利得の合計の比は予め設定された精度を超えない。例えば、予め設定された精度は１０％であってもよく、目標利得値はＱである。具体的には、Ｇ１＋ＧＭは、Ｇ（１＋ｉ）＋Ｇ（Ｍ－ｉ）と完全に同じでなくてもよく、ただし、Ｇ１＋ＧＭは０．９Ｑ以上１．１Ｑ以下であるか、またはＧ（１＋ｉ）＋Ｇ（Ｍ－ｉ）に対するＧ１＋ＧＭの比が０．９から１．１の間である。

【0069】

前述の設計では、モード交換器の交換ポリシーは、各グループ内の２つの伝送モードが交換されることであり得る。例えば、第１の光信号に最初に対応する伝送モードはＣ１であり、第１の光信号がフューモードエルビウムドープファイバ１０によって増幅された後、第１の光信号の利得値はＧ１である。このようにして、モード交換器は、第１の増幅された光信号の伝送モードを伝送モードＣＭに変換し得る。フューモードエルビウムドープファイバ３０はフューモードエルビウムドープファイバ１０と同じであるため、第１の光信号がフューモードエルビウムドープファイバ３０によって再び増幅された後、第１の光信号に対応する利得値はＣＭに対応する利得値ＧＭとなる。このようにして、第１の光信号が２回増幅された後、第１の光信号に対応する利得値はＧ１＋ＧＭとなる。同様に、第２の光信号の利得値はＧ２＋Ｇ（Ｍ－１）であり、…、第Ｍの光信号の利得値はＧ１＋ＧＭである。このようにして、すべての光信号の利得値が基本的に同じであることが保証され、最終的に、フューモードファイバ内の複数の光信号の相対利得等化が保証される。

【0070】

任意選択の解決策では、フューモードエルビウムドープファイバ１０およびフューモードエルビウムドープファイバ３０において、すべての伝送モードに対応する利得値が中心対称に分布される。例えば、フューモードエルビウムドープファイバ１０およびフューモードエルビウムドープファイバ３０はそれぞれ６つの伝送モードを含み、Ｃ１で搬送された光信号がフューモードエルビウムドープファイバ１０によって増幅された後の光信号の利得値は１０ｄＢであり、Ｃ１～Ｃ６に対応する利得値はそれぞれ１２ｄＢ、１０ｄＢ、８ｄＢ、６ｄＢ、４ｄＢ、および２ｄＢである。したがって、モード交換器の交換方針は、すべてのモードを中心対称に交換すること、すなわち、最大利得が得られるモードと最小利得が得られるモードとを交換することであり、最大利得が得られるモードと最小利得が得られるモードとを交換するようにする（Ｃ２およびＣ（Ｍ－１））などである、すなわち、Ｃ１およびＣ６を交換する、Ｃ２およびＣ５を交換する、ならびに交換Ｃ３およびＣ４を交換する。このようにして、各光信号が２回増幅された後、利得値は１４ｄＢである。

【0071】

以下、フューモードエルビウムドープファイバのエルビウムイオン濃度分布の設計について具体的に説明する。

【0072】

（１）フューモードファイバが２つの伝送モード（ＬＰ０１およびＬＰ１１）のみをサポートする場合、フューモードエルビウムドープファイバのエルビウムイオンに均一ドーピング方式が使用され、その結果、２つのモードに対応する利得値は対称である。例えば、伝送モードＬＰ０１およびＬＰ１１で搬送された光信号が２モードエルビウムドープファイバによって増幅された後、対応する利得値はＧ１およびＧ２となる。次いで、増幅された光信号は、モード交換のためにモード交換器に入力される。この場合、ＬＰ０１で最初に搬送された光信号がＬＰ１１で搬送され、ＬＰ１１で最初に搬送された光信号がＬＰ０１で搬送される。次いで、相補的な利得を得るために、第２のフューモードエルビウムドープファイバによって光信号が増幅され、利得等化が実施され、光増幅装置のＤＭＧが低減される。

【0073】

具体的には、図３は、本出願の一実施形態による２モードエルビウムドープファイバの断面構造の図である。２モードエルビウムドープファイバは、ファイバコアとクラッドとを含む。エルビウムイオンはファイバコア内に均一にドープされ、ファイバコア半径はｒｃｏ＝８μｍ、クラッド半径はｒｃｌ＝６２．５μｍ、開口数はＮＡ＝０．１である。実際の応用では、エルビウムイオンドーピング濃度の許容範囲は２×１０^２４から８×１０^２４であり、ファイバコア半径の許容誤差範囲は６μｍから１０μｍであり、クラッド半径の許容誤差範囲は６２．５μｍから１００μｍであり、開口数の許容範囲は０．０８μｍから０．１５μｍである。

【0074】

光増幅装置における２つの２モードエルビウムドープファイバの長さは、それぞれ１１ｍおよび１３ｍであってもよい。励起光を２モードエルビウムドープファイバに伝送する励起レーザには９８ｎｍの基本モードの前方励起方式が使用され得、対応する励起パワーはそれぞれＰ１＝０．５ＷおよびＰ２＝０．４Ｗであり得る。２つのエルビウムドープファイバ間の受動部品は２モードのモード交換器を含んでもよく、可変光減衰器がさらに追加されてもよい。シミュレーション後、光増幅装置に入る前に、２つのモードＬＰ０１およびＬＰ１１で搬送される光信号の入力電力が０．１ｍＷである場合、光増幅装置によって出力される２つのモードのＣ帯域広帯域スペクトルが図４に示され、光増幅装置のＣ帯域ＤＭＧは０．２ｄＢ未満であり、スペクトル平坦度は０．５ｄＢ未満である。

【0075】

（２）フューモードファイバが複数の伝送モード、例えば４つの伝送モード（ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２）をサポートする場合、均一ドーピングは、すべてのモードに対応する利得値が中心対称であることを保証することはできない。この場合、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、およびＬＰ０２に対応する利得値Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、およびＧ４が中心対称分布条件を満たすように、層状ドーピング方式を使用する必要がある。Ｇ１＞Ｇ２＞Ｇ３＞Ｇ４の場合、モード交換器は、ＬＰＯ１で搬送される光信号とＬＰ０２で搬送される光信号のモードを交換し、ＬＰ１１で搬送される光信号とＬＰ２１で搬送される光信号のモードを交換するように設計される必要がある。

【0076】

本出願は、１５３０ｎｍの４モードエルビウムドープファイバおよび１５６５ｎｍの４モードエルビウムドープファイバの設計を提供する。１５３０ｎｍの４モード光信号の設計については、１５３０ｎｍの４モード光信号の構造パラメータは、ファイバコア半径がｒｃｏ＝８μｍ、ファイバコア半径の許容誤差範囲が８μｍ～２０μｍ、クラッド半径がｒｃｌ＝６２．５μｍ、クラッド半径の許容誤差範囲が６２．５μｍ～１００μｍ、開口数がＮＡ＝０．１５、開口数の許容誤差範囲が０．１～０．２であってもよい。ファイバコアにおいて、エルビウムイオンには層状ドーピング方式が使用され、層状ドーピングが使用される２つの４モードエルビウムドープファイバのそれぞれのエルビウムイオン濃度は、以下の通りであってもよい。

【数1】

【0077】

エルビウムイオンドーピング濃度の許容範囲は、２×１０^２４から８×１０^２４である。２つの４モードエルビウムドープファイバのそれぞれの長さは１５ｍであってもよく、励起光のパワーは０．５Ｗまたは１．１Ｗであってもよい。上記の設計に基づいて、ＬＰ０１、ＬＰ０２、ＬＰ１１、およびＬＰ２１で搬送された光信号が４モードエルビウムドープファイバの１つのセクションによって増幅された後、光信号の利得はそれぞれＧ１＝２８．１９ｄＢ、Ｇ２＝２７．８０ｄＢ、Ｇ３＝２７．０８ｄＢ、およびＧ４＝２６．７４ｄＢであり、これはモード利得が中心対称に分布するという要件を満たす。このようにして、モード交換器は、モード利得が中心対称に分布するという要件に基づいて設計され得る。具体的には、ＬＰ０１とＬＰ２１とが交換され、ＬＰ１１とＬＰ０２とが交換される。交換された４つのモードについて、４モードエルビウムドープファイバ３０によって増幅が行われた後の出力スペクトルが図５に示されている。ＤＭＧは０．５６ｄＢ未満であり、Ｃ帯域スペクトル平坦度は０．４７ｄＢ未満である。

【0078】

本出願の実施形態で提供される光増幅装置では、２つの光増幅器およびモード交換器は、フューモードファイバで同時に伝送される複数の光信号の利得等化を実施して、光増幅装置のＤＭＧを大幅に低減し、良好なスペクトル平坦度を実現し、モード分割多重システム全体の伝送性能を改善するように設計される。

【0079】

図６は、本出願の一実施形態によるモード分割多重システムのシステムアーキテクチャの図である。図６に示すように、モード分割多重システムは、シングルモード送信機モジュール６０１と、モード分割マルチプレクサ６０２と、複数のフューモードファイバ６０３と、光増幅装置６０４と、モードデマルチプレクサ６０５と、シングルモード受信機モジュール６０６とを含む。

【0080】

シングルモード送信機モジュール６０１は、波長分割多重信号の複数のパスを生成し、波長分割多重信号の複数のパスをモード分割マルチプレクサに伝送するように構成される。例えば、シングルモード送信機モジュールは、複数の波長分割多重信号を送信または受信するように構成されたシングルモードトランシーバ（レーザ）であってもよい。

【0081】

モード分割マルチプレクサ６０２は、波長分割多重信号の複数のパスを処理し、波長分割多重信号の複数のパスに基づいて１つの信号のパスを生成するように構成される。信号のパスは、複数の伝送モードで搬送される複数の光信号を含む。

【0082】

フューモードファイバは、光信号を伝送するように構成され、複数の伝送モードをサポートし得、光信号の複数のパスを同時に伝送し得る。光信号の伝送過程で信号損失が発生するため、光信号の伝送品質を保証し、伝送距離を延ばすために、光増幅装置６０４は、信号伝送損失を補償するために、間隔をおいて伝送された光信号の複数のパスを増幅する必要がある。

【0083】

光増幅装置６０４の内部には、第１の光増幅器、第２の光増幅器、およびモード交換器が含まれる。

【0084】

第１の光増幅器はモード交換器の入力ポートに接続され、第２の光増幅器はモード交換器の出力ポートに接続される。第１の光増幅器は、フューモードファイバの複数の伝送モードで搬送される光信号を増幅するように構成され、フューモードファイバの複数の伝送モードはＮ個のグループにグループ化されてもよく、各グループは２つの伝送モードを含み、Ｎは１以上の正の整数である。モード交換器は、各グループ内の２つの伝送モードで搬送される光信号のモードを交換するように構成される。第２の光増幅器は、各グループ内の２つの伝送モードで搬送され、モードが交換された光信号を増幅するように構成される。具体的には、光増幅装置６０４の構造および機能については、前述の実施形態における光増幅装置１００の説明を参照されたい。ここでは詳細は説明されない。

【0085】

モードデマルチプレクサ６０５は、受信対象信号の複数のパスを得るために、フューモードファイバ上の１つの信号のパスに対応する複数の伝送モードを分離するように構成される。

【0086】

シングルモード受信機モジュール６０６は、受信対象信号の複数のパスを受信し、受信対象信号の複数のパスを復調するように構成される。シングルモード送信機モジュールは、波長分割多重信号の複数のパスを送信または受信するように構成されたシングルモードトランシーバであってもよいことが理解されることができる。

【0087】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置６０４において、各グループ内の２つの伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器および第２の光増幅器によって増幅された後、各光信号の利得値と利得閾値との間の偏差は５％以内に入る。

【0088】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置６０４において、各グループ内の２つの伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器によって増幅された後、目標利得値に対する光信号の利得の合計の比は、予め設定された精度を超えない。

【0089】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置６０４において、各グループ内の２つの伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器によって増幅された後、光信号の利得の合計は目標利得値に等しい。

【0090】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置６０４において、伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器によって増幅された後に得られる利得値は、同じ伝送モードで搬送された光信号が第２の光増幅器によって増幅された後に得られる利得値と同じである。

【0091】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置６０４において、第１の光増幅器および第２の光増幅器はそれぞれ、フューモードエルビウムドープファイバを含む。

【0092】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置６０４において、Ｎが１に等しいとき、第１の光増幅器および第２の光増幅器のそれぞれのエルビウムイオンドーピング方式は均一ドーピングである。

【0093】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置６０４において、Ｎが１より大きいとき、第１の光増幅器および第２の光増幅器の少なくとも一方のエルビウムイオンドーピング方式は層状ドーピングである。

【0094】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置６０４において、第１の光増幅器および第２の光増幅器はそれぞれ、少なくとも１つの励起レーザを含む。

【0095】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置６０４において、第１の光増幅器は第１の励起レーザおよび第２の励起レーザを含み、第２の光増幅器は第３の励起レーザおよび第４の励起レーザを含む。第１の励起レーザは、第１の光増幅器におけるフューモードエルビウムドープファイバの信号入力ポートに接続され、第２の励起レーザは、第１の光増幅器におけるフューモードエルビウムドープファイバの信号出力ポートに接続される。第３の励起レーザは、第２の光増幅器内のフューモードエルビウムドープファイバの信号入力ポートに接続され、第４の励起レーザは、第２の光増幅器内のフューモードエルビウムドープファイバの信号出力ポートに接続され、増幅された複数の光信号を光増幅装置内のモード交換器に伝送する。

【0096】

図７は、本出願の一実施形態による光増幅装置を使用して信号を増幅する方法を示す。図７に示すように、方法は以下のステップを含む。

【0097】

７０１：光増幅装置が、フューモードファイバで複数の光信号を受信する。

【0098】

光増幅装置は、フューモードファイバで伝送された複数の光信号を受信し、複数の光信号は、複数の伝送モードでそれぞれ搬送されることが理解されることができる。複数の伝送モードはＮ個のグループにグループ化され得、各グループは２つの伝送モードを含む。光増幅装置がすべての伝送モードで搬送された光信号を増幅した後、光信号の利得値は異なる。

【0099】

７０２：光増幅装置内の第１の光増幅器が、複数の光信号を増幅する。

【0100】

第１の光増幅器によって増幅された複数の光信号の利得値は、規則的に分布している。例えば、第１の光増幅器の設計は、各グループ内の２つの伝送モードで搬送される光信号の利得値の合計が目標利得値にほぼ等しいことを保証する。

【0101】

７０３：光増幅装置内のモード交換器が、光信号を搬送する複数の伝送モードのうちの２つおきに交換する。

【0102】

モード交換器は、各グループの光信号を搬送する２つの伝送モードを交換し、モードが交換されたすべての光信号を増幅用の光増幅装置内の第２の光増幅器に伝送する。

【0103】

７０４：光増幅装置の第２の光増幅器が、モードが交換された複数の光信号を増幅する。

【0104】

第２の光増幅器は、モードが交換された複数の光信号を受信し、複数の光信号の利得等化を最終的に実施するために、複数の光信号を２回目に増幅する。

【0105】

７０５：光増幅装置が、増幅された複数の光信号を出力する。

【0106】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置がフューモードファイバで伝送された複数の光信号を２回目に増幅した後、各光信号を２回増幅する利得の合計は利得閾値にほぼ等しく、誤差範囲は利得閾値の５％を超えない。

【0107】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置内の第１の光増幅器は、フューモードファイバ内の複数の光信号を受信し、複数の光信号を増幅する。各グループ内の２つの伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器によって増幅された後、目標利得値に対する光信号の利得の合計の比は、予め設定された精度を超えない。

【0108】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置内の第１の光増幅器の最適な増幅解決策では、各グループ内の２つの伝送モードで搬送される光信号に対応する利得の合計は目標利得値に等しい。

【0109】

任意選択の一実装形態では、光増幅装置内の第１の光増幅器および第２の光増幅器は同じである。言い換えれば、伝送モードで搬送された光信号が第１の光増幅器によって増幅された後に得られる利得値は、同じ伝送モードで搬送された光信号が第２の光増幅器によって増幅された後に得られる利得値と同じである。

【0110】

なお、光増幅装置を使用して信号を増幅するための方法において、光増幅装置の構造については、図１～図６に示す実施形態の光増幅装置を参照されたい。詳細は再度説明されない。

【0111】

前述の実施形態は、本出願の技術的解決策を説明するために使用されているにすぎず、本出願を限定することを意図するものではないことに留意されたい。本出願は、前述の実施形態を参照して詳細に説明されているが、当業者は、本出願の実施形態の技術的解決策の趣旨および範囲から逸脱することなく、前述の実施形態に記載された技術的解決策に対して依然として修正を行うことができ、またはその一部の技術的特徴に対して同等の置換を行うことができることを理解されたい。

【符号の説明】

【0112】

１０ フューモードエルビウムドープファイバ
２０ モード交換器
３０ フューモードエルビウムドープファイバ
４０ 励起レーザ
５０ 波長分割マルチプレクサ
６０ 波長分割マルチプレクサ
７０ 励起レーザ
８０ 波長分割マルチプレクサ
９０ 励起レーザ
１００ 光増幅装置
１１０ 波長分割マルチプレクサ
１２０ 波長分割マルチプレクサ
１３０ 励起レーザ
１４０ 励起レーザ
１５０ 波長分割マルチプレクサ
１６０ 励起レーザ
１７０ 波長分割マルチプレクサ
１８０ 波長分割マルチプレクサ
１９０ 励起レーザ
２００ 励起レーザ
２１０ 波長分割マルチプレクサ
２２０ 波長分割マルチプレクサ
２３０ 励起レーザ
２４０ 励起レーザ
６０１ シングルモード送信機モジュール
６０２ モード分割マルチプレクサ
６０３ フューモードファイバ
６０４ 光増幅装置
６０５ モードデマルチプレクサ
６０６ シングルモード受信機モジュール

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【国際調査報告】