JP7420265B2

JP7420265B2 - 希土類添加ファイバ及び光ファイバ増幅器

Info

Publication number: JP7420265B2
Application number: JP2022544908A
Authority: JP
Inventors: 陽子山下; 和秀中島; 隆松井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2020-08-24
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2040-08-24
Also published as: JPWO2022044088A1; WO2022044088A1

Description

本開示は、モード多重中継伝送路において複数のモードの信号光を増幅する希土類添加ファイバ及び光ファイバ増幅器に関する。

モード多重中継伝送においては光ファイバ増幅器内のモード間利得差が大きな問題となる。これを補償する技術として、励起光のモードを高次モードに変換する技術、及び、屈折率分布や希土類添加領域を最適設計する技術が提案されている（例えば、非特許文献１から３参照。）。

しかしながら、前者についてはモード変換用の新たなデバイスが必要となり過剰損失による増幅特性劣化や大型化が生じてしまい、後者については複雑な設計・作製が求められるため歩留まりの劣化や作製コストが増大するという問題があった。

Ｍ．Ｗａｄａｅｔａｌ．， "ＭｏｄａｌＧａｉｎＣｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ２－ＬＰ－ＭｏｄｅＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒＵｓｉｎｇＰＬＣＴｙｐｅＣｏｕｐｌｅｒａｎｄＬｏｎｇ－ＰｅｒｉｏｄＧｒａｔｉｎｇ，" ＪＬＴ，ｖｏｌ．３２，ｎｏ．２４，ｐｐ．４６９４－４７００，２０１４．Ｍ．Ｗａｄａｅｔａｌ．， "Ｌ－ｂａｎｄ２－ＬＰｍｏｄｅＥＤＦＡｗｉｔｈｌｏｗｍｏｄａｌｄｅｐｅｎｄｅｎｔｇａｉｎ，" ＯＦＣ２０１５，Ｔｕ３Ｃ．３，２０１５．Ｅ．Ｉｐｅｔａｌ．， "Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆａｒｉｎｇ－ｐｒｏｆｉｌｅｆｅｗ－ｍｏｄｅＥｒｂｉｕｍ－ｄｏｐｅｄｆｉｂｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｅｎａｂｌｉｎｇｇａｉｎｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，" ＯＦＣ２０１３，ＪＴｈ２Ａ．１８，２０１３．

そこで、本開示は、新たなデバイスを外部に追加することなく、簡易な構成での利得補償を可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示は、希土類添加ファイバのコア内に空洞領域を設定することで、モード間の利得偏差を低減する。空洞領域で発生する損失がモードによって異なることからモード間の利得偏差が発生する。これにより、本開示は、新たなデバイスを外部に追加することなく、簡易な構成での利得補償を可能とする。

具体的には、本開示に係る希土類添加ファイバは、
希土類を添加したコアおよび前記コアの周囲にクラッドを有する希土類添加ファイバであって、
前記コアの内部に、複数の空洞部を有し、
前記複数の空洞部のうちの少なくともいずれかは、複数の楕円体が結合した形状を有する。

具体的には、本開示に係る光ファイバ増幅器は、
光増幅用のポンプ光源と、
光信号と前記ポンプ光源の出射光を前記光ファイバに入射する光結合部と、
本開示に係る希土類添加ファイバと、
を有する。

本開示によれば、新たなデバイスを外部に追加することなく、簡易な構成での利得補償を可能にすることができる。

本開示の希土類添加ファイバの側面図を示す。コアの断面における構成の一例を示す。光増幅器のシステム構成図を示す。空洞部が単一の楕円体を有する場合の楕円率ａ／ｂとＬＰ_０１、ＬＰ_１１モードの損失を示す。空洞部が２つの直交した楕円体を有する場合の楕円率ａ／ｂとＬＰ_０１、ＬＰ_１１モードの損失を示す。空洞部が単一の楕円体を有する構造の一例を示す。空洞部が２つの直交した楕円を有する構造の一例を示す。２つの楕円の交わる角度θとＬＰ_１１モードの損失偏差の関係を示す。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態例１）

一般的に基本モードをポンプ光に用いる場合の２ＬＰモード希土類添加ファイバの利得は、ポンプ光との重なりが大きい基本モードのほうが高い。このモード間の利得差はシステム全体のモード依存損失に直結するため、システム全体の伝送特性を劣化させてしまう。

本技術は、希土類添加ファイバ１４の中心部に空洞部８３を作製することで、端面において基本モードのＬＰ_０１モードには損失が付与され、ＬＰ_１１モードには損失が付与されないため、基本モードにのみ損失を付与し、モード間の利得を平坦化することができる。

図１に本開示の希土類添加ファイバの側面図を示す。本開示の希土類添加ファイバ１４は、希土類を添加したコア８１及びコア８１の周囲にクラッド８２を有する希土類添加ファイバであって、図１に示すように、長手方向に断続的に１つ以上の空洞部８３を有する。

ここで、コア８１の半径、空洞部８３の半径、コア８１の屈折率、クラッド８２の屈折率をそれぞれａ_１、ａ_２、ｎ_１、ｎ_２とする。またコア８１の比屈折率差Δ_１を
（数１）
Δ_１＝（ｎ_１ ^２－ｎ_２ ^２）／２ｎ_１ ^２
とする。また、ここでは２ＬＰモードとしたときの実施形態例を示すが、モード数が増加した場合も同様に考えることができる。

図２に、コアの断面における構成の一例を示す。本開示の空洞部８３は、コア８１の中心に配置され、２つの楕円体８３Ｈ及び８３Ｌが結合した形状を有する。楕円体８３Ｈ及び８３Ｌの中心はコア８１の中心軸上に配置され、楕円体８３Ｈ及び８３Ｌの長軸及び短軸はコア８１の中心軸に垂直に配置されている。楕円体８３Ｈ及び８３Ｌの長軸の交わる角度θは任意であるが、後述するように、直角であることが好ましい。

空洞部８３の作製方法は任意であるが、例えばフェムト秒レーザを用い、光ファイバの端面又は側面から空洞部８３を作製することができる。焦点収差の発生メカニズムより、フェムト秒レーザで加工する場合、レーザの光軸方向と楕円体８３Ｈ及び８３Ｌの長軸が一致していると考えられる。また、光ファイバへの照射角度に楕円率は依存しないため、直交した２つの楕円体８３Ｈ及び８３Ｌの楕円率は等しいと考えることができる。

なお、図２の例では２つの楕円体８３Ｈ及び８３Ｌが結合した形状の例を示すが、楕円体の数は２以上の任意の数でありうる。本開示では、希土類添加ファイバ１４に備わるいずれかの空洞部８３が図２に示す形状を有していればよく、希土類添加ファイバ１４に備わる全ての空洞部８３が図２に示す形状を有していてもよい。また、空洞部８３－１～８３－５の半径、長軸半径ａ及び短軸半径ｂは任意である。また、楕円体８３Ｈ及び８３Ｌは楕円に限らず長円であっても楕円と同様の効果を得ることができる。

図３に、光増幅器のシステム構成図を示す。本システムは、信号入力部１１、ポンプ光入力部１２、光結合部１３、希土類添加ファイバ１４、を備える。信号入力部１１に信号光が入力される。ポンプ光入力部１２は、希土類添加ファイバ１４において信号光を増幅させるポンプ光を入力する。光結合部１３は、信号入力部１１からの信号光とポンプ光入力部１２からのポンプ光を結合させる。光結合部１３で結合された信号光とポンプ光は、希土類添加ファイバ１４に入力される。

なお、図３では希土類添加ファイバ１４の片方向からポンプ光を入力する例を示すが、希土類添加ファイバ１４の両方向からポンプ光を入力する双方向励起の光ファイバ増幅器にも本技術は有効である。

また、希土類添加ファイバ１４の前段に空洞部８３を付与すると、信号光が増幅される前に空洞部８３による損失を受け、信号光が劣化してしまいＮｏｉｓｅＦｉｇｕｒｅ（ＮＦ）の劣化を引き起こすため、希土類添加ファイバ１４の長手方向の中段又は後段に空洞部８３を有することが望ましい。

（実施形態例２）
図４Ａ及び図４Ｂに、楕円率ａ／ｂとＬＰ_０１、ＬＰ_１１モードの損失を示す。図４Ａは、図５Ａに示すような、空洞部８３が単一の楕円体を有する構造である。図４Ｂは、図５Ｂに示すような、空洞部８３が２つの直交した楕円体を有する構造である。このとき、コア８１の半径ａ_１＝６．０μｍ、Δ_１＝０．４５％、短軸半径ｂ＝２μｍとした。

単一の楕円体を有する構造では、図４Ａに示すように、楕円率の増大に伴ってＬＰ_１１モードの縮退モード依存性が増大していく。一方、楕円体を直交させることで、図４Ｂに示すように、偏波、縮退モード依存性が低減されることがわかる。

図６に、２つの楕円体の交わる角度θとＬＰ_１１モードの損失偏差の関係を示す。このとき、コア８１の半径ａ_１＝６．０μｍ、Δ_１＝０．４５％、ａ／ｂ＝２、ｂ＝２μｍとした。θ＝π／２のとき楕円体が直交している状態、θ＝０のとき楕円体が重なっている状態を示す。θがπ／２に近づくにつれて、ＬＰ_１１モードの内の損失偏差が低減されていく様子が確認できる。

（本開示のポイント）
以上説明したように、希土類添加ファイバ１４の長手方向の中心に空洞部８３を作製することで、低損失、低ＮＦなモード間利得偏差補償を実現できる。

（本開示の効果）
希土類添加ファイバ１４の内部にフェムト秒レーザを用いた外部加工で空洞領域を設定することで、ＮＦ特性を劣化させることなく、モード間の利得偏差を任意に低減することを可能とする。
希土類添加ファイバのみという簡易な構成で利得補償を行い、かつ、
増幅器内部の中心で補償を行うことで、利得とＮＦどちらの劣化も抑えることができるため、低損失、低ＮＦな利得補償を実現できる。

なお、本技術は屈折率分布や希土類添加分布に依存せず、階段型やリング型等、複雑な屈折率分布、希土類添加分布に適用することができる。

また、信号光の波長に応じてエルビウム、ツリウム、イットリビウム、プラセオジウム、ネオジウム等の異なる種類の希土類を添加した希土類添加ファイバ１４を用いて同様の効果を得ることができる。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

１１：信号入力部
１２：ポンプ光入力部
１３：光結合部
１４：希土類添加ファイバ
８１：コア
８２：クラッド
８３、８３－１、８３－２、８３－３、８３－４、８３－５：空洞部
８３Ｌ、８３Ｈ：楕円体

Claims

希土類を添加したコアおよび前記コアの周囲にクラッドを有する希土類添加ファイバであって、
前記コアの内部に、複数の空洞部を有し、
前記複数の空洞部のうちの少なくともいずれかは、２つの楕円体の長軸が互いに直交するように結合した形状であり、
前記２つの楕円体の中心が前記コアの中心軸上に配置されている、
希土類添加ファイバ。
前記２つの楕円体の長軸及び短軸は、前記コアの中心軸に垂直である、
請求項１に記載の希土類添加ファイバ。
前記コアに添加される希土類が、エルビウム、ツリウム、イットリビウム、プラセオジウム、ネオジウムのいずれかであることを特徴とする、
請求項１に記載の希土類添加ファイバ。
請求項１から３のいずれかに記載の希土類添加ファイバと、
光増幅用のポンプ光源と、
光信号と前記ポンプ光源の出射光を前記希土類添加ファイバに入射する光結合部と、
を有することを特徴とする、光ファイバ増幅器。