本発明は、モード多重伝送用の光増幅器及びモード多重伝送を行う伝送システムに関する技術である。

近年、サービスの多様化によりインターネットトラヒックは未だ増加し続けており、伝送速度の高速化や波長分割多重(Wavelength Division Multiplexing:WDM)技術による波長多重数の増加により飛躍的に伝送容量を伸ばしてきた。また近年、検討が盛んに行われているデジタルコヒーレント技術によって更なる伝送容量の拡大が予想されている。デジタルコヒーレント伝送システムでは多値位相変調信号を用いることにより周波数利用効率を向上させてきたが、より高い信号雑音比が必要となってくる。しかし従来のシングルモードファイバ(SMF:Single mode fiber)を用いた伝送システムでは、理論的な限界に加え非線形効果に起因する入力パワー制限のため伝送容量は100Tbit/secを境に飽和することが予想されており、更なる大容量化は困難となってきている。

今後さらに伝送容量を増やしていくためには革新的な伝送容量拡大を実現する媒体が必要とされている。そこで、光ファイバ中の複数の伝搬モードをチャネルとして用いることで信号雑音比と空間利用効率の向上が期待できるマルチモードファイバ(MMF:Multi mode fiber)を用いたモード多重伝送が注目を集めている。これまでファイバ中を伝搬する高次のモードは信号劣化の要因であったが、デジタル信号処理や合分波技術などの発展で積極的な利用が検討されている。

またモード多重伝送の長距離化に向けた検討も行われており、Er³⁺添加型光増幅器を用いた基本モードのLP01モードと第四高次LPモードであるLP02モードの増幅に関する報告がなされている。

モード多重伝送の長距離化を行う上で、すべてのモードの伝送品質を保つためには光増幅器において伝搬モード依存利得(MDG:Mode dependent Gain)を小さくする必要性がある。しかしながらEr³⁺添加光ファイバ(EDF:Erbium Doped optical Fiber)中を伝搬する光はモード毎に異なる電界分布を有するため一般的に異なる利得を得ることとなる。

各モードの利得は、EDF等の増幅用光ファイバに入射する励起光の電界分布、希土類元素添加分布により決まる励起元素数分布、及び信号光の電界分布の重なりによって決定される。

現在、シングルモード伝送における増幅用ファイバの希土類元素添加領域はコア全体に希土類元素を添加するステップインデックス型構造とコアの中心部のみに希土類元素を添加するセンタードープ型構造等が知られている。さらに高次モードの利得を考慮に入れる必要がある多モード伝送用の増幅用光ファイバでは希土類添加分布をファイバコアのエッジに多くドープするような構造も提案されている。

そして、伝搬モード毎の利得調整をする励起光電界分布からのアプローチとして次の2つが知られている。1つは、励起光を光増幅用ファイバへ入射する際に空間光学素子を用いて軸ずれ励振する方法(例えば、非特許文献1を参照。)である。もう一つは、位相フィルタを用いて励起光を任意のモードへ変換し光増幅用ファイバへ入射する方法である(例えば、非特許文献2を参照。)。

一方、モード多重伝送の伝送帯域の拡大に向けたL帯(1565−1625nm)光増幅技術の検討も近年行われ始めている(例えば、非特許文献3を参照。)。従来のシングルモード伝送においてはC帯(1530−1565nm)にて用いられるEDFと比べ長尺なものを利用することでL帯光増幅を実現してきた。一般的に、長尺なEDFを用いたL帯光増幅は次のような増幅の過程がなされる。励起光を吸収した前半のEDFはC帯のASEを発生する。そして後半のEDFがこのC帯のASEを吸収しL帯の光増幅を行う。そして、非特許文献3に記載されるように、MDGの低減がL帯の中でも長波長側になるほど困難となることが予想される。

Y.Yung et al.“First demonstration of multimode amplifier for spatial division multiplexed transmission systems” ECOC2011 paper Th.13.K.4

Y.Jung et al.“Few−mode EDFA Supporting 5 Spatial Modes with Reconfigurable Differential Modal Gain Control” ECOC2013 paper We.4.A.2.

和田他、信学技法、OCS2014−40 (2014).

上述のように、現在伝送容量を増加させるため、モード多重や伝送帯域拡大が検討されている。そして、長距離伝送のためには光増幅を行う必要があるが、希土類元素添加光ファイバによる光増幅にはMDGによるモード間の伝送品質に差が生ずるという課題があった。さらに、L帯への伝送帯域の拡大を図れば、L帯の長波長側でMDGの影響が顕著になるという課題もあった。 そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、L帯でのマルチモード伝送においてMDGを低減できる光増幅器及び伝送システムを提供することを目的とする。

そこで本発明は、コアの希土類元素添加分布が互いに異なる増幅用光ファイバを光の伝搬方向に直接に接続することとした。

具体的には、本発明に係る光増幅器は、 コアに添加された希土類元素の断面における濃度分布が互いに異なり、光の伝搬方向に直列に接続されたN個(Nは2以上の整数)の増幅用光ファイバと、 それぞれの前記増幅用光ファイバに励起光を供給するN個の励起光源と、 を備える。

また、本発明に係る伝送システムは、 伝搬する波長帯域においてマルチモードで光を伝搬するマルチモードファイバと、 前記マルチモードファイバへ伝搬モードを違えた複数の光信号を結合する送信機と、 光の伝搬方向に前記マルチモードファイバと直列に接続され、コアに添加された希土類元素の断面における濃度分布が互いに異なるN個の増幅用光ファイバと、 それぞれの前記増幅用光ファイバに励起光を供給するN個の励起光源と、 を備える。

本光増幅器及び本伝送システムの1つの増幅用光ファイバでの利得は伝搬モード毎に異なっている。そして、全ての増幅用光ファイバを通過したときに各伝搬モードの光が受けるトータルの利得が等しくなるように各増幅用光ファイバのコアの希土類元素添加分布を設定する。特に、L帯の光でトータルの利得が等しくなるようにコアの希土類元素添加分布を設定することで、L帯でのマルチモード伝送においてMDGを低減できる光増幅器及び伝送システムを提供することができる。

例えば、本発明に係る光増幅器及び伝送システムの前記増幅用光ファイバは、伝搬モード毎の利得のうち最大利得の伝搬モードが互いに異なることを特徴とする。1番目の増幅用光ファイバで最大利得を得られるモードがLP01、2番目の増幅用光ファイバで最大利得を得られるモードがLP11、3番目の増幅用光ファイバで最大利得を得られるモードがLP12、・・・のように各増幅用光ファイバで最大利得を得られるモードを違えておき、全ての増幅用光ファイバを通過したときにトータルの利得が伝搬モード間で等しくなるように設定してもよい。

例えば、本発明に係る光増幅器及び伝送システムは、前記励起光源からの励起光の伝搬モードを変換するモード変換器をさらに備える。励起光の伝搬モードを変更することで増幅用光ファイバでの利得を調整することができ、コアの希土類元素添加分布設定後にMDG調整が可能となる。

例えば、本発明に係る光増幅器及び伝送システムの前記励起光源は、それぞれの励起光の光強度が所定比となるように出力する励起光の光強度を調整することを特徴とする。励起光の光強度を変更することで増幅用光ファイバでの利得を調整することができ、コアの希土類元素添加分布設定後にMDG調整が可能となる。

本発明は、L帯でのマルチモード伝送においてMDGを低減できる光増幅器及び伝送システムを提供することができる。

本発明に係る光増幅器の構成を説明する図である。

本発明に係る光増幅器の構成を説明する図である。

EDF1のエルビウム添加分布を説明する図である。

EDF2のエルビウム添加分布を説明する図である。

EDF1の励起光強度依存性を説明する図である。

EDF2の励起光強度依存性を説明する図である。

励起光強度比と利得(波長1580nm)の関係を説明する図である。

励起光強度比2.40における利得の波長依存性を説明する図である。

励起光強度比0.85における利得の波長依存性を説明する図である。

励起光強度比0.85、励起光1をLP01モード、励起光2をLP11モードとしたときの利得の波長依存性を説明する図である。

本発明に係る伝送システムを説明する図である。

添付の図面を参照して本願発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本願発明の実施の例であり、本願発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。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。

まず、各モードの利得を決める要素について説明する。ここで添加される希土類元素はエルビウム(Er)とし以下進める。

Erを3準位系と考えた際のレート方程式を解き、EDFの伝搬方程式を求めると下記数式1の様に表せる。

ここでp_s,iはi番目のモード(モードi)の信号光および自然放出光の強度、zはEDFにおける光の伝搬方向、νは光の波長である。

モードiの信号光利得係数γ_e,i(z,ν)と吸収係数γ_a,i(z,ν)は、各モードの規格化電界分布ψ_s,i(ν,r,θ)と信号光、励起光に対する放出断面積σ^S_es,i、吸収断面積σ^S_as,iを用いてそれぞれ以下のように表せる。

ここで、N₂(r、θ、z)、N₁(r、θ、z)はぞれぞれ位置zにおけるファイバ断面の1点を動径rと偏角をθで表した時のEr³⁺励起準位と基底準位のイオン密度を表し、これらはEDF作製時のEr添加分布により決まる。

各伝搬モードにおいて数式1の伝搬方程式を解くことにより、信号光の利得が求められる。上記より信号光の利得は、励起光の伝搬モード、EDFのEr添加分布により決まることが分かる。

以下に、マルチモードL帯光増幅におけるMDGの低減を実現するための光増幅器及び伝送システムの構成および実施例を示す。

(実施形態1) 図1は、本実施形態の光増幅器301の構成を説明する図である。光増幅器301は、コアに添加された希土類元素の断面における濃度分布が互いに異なり、光の伝搬方向に直列に接続されたN個(Nは2以上の整数)の増幅用光ファイバ(14、24)と、それぞれの前記増幅用光ファイバに励起光を供給するN個の励起光源(11、21)と、を備える。

本実施形態はN=2であり、増幅用光ファイバとして2種のEDFを縦続に接続した実施例である。モード多重(Nモード)された信号光が入力端10に入力され、モード多重のまま合波用カプラ13、増幅用光ファイバ14、アイソレータ15、合波用カプラ23、増幅用光ファイバ24の順で通過し、出力端20から出力される。信号光は合波用カプラ(13、23)により励起光(波長1480nm)と合波される。合波された信号光と励起光は、増幅用光ファイバ(14、24)へと入射する。信号光は増幅用光ファイバ(14、24)中で誘導放出を起こし、光増幅後出射される。また必要に応じて増幅用光ファイバ(14、24)での発振を防ぐため光アイソレータ15を挿入する。

増幅用光ファイバ(14、24)はEDFである。このEDFはL帯において2LPモードを伝搬する構造である。増幅用光ファイバ(14、24)のコアはそれぞれ異なるエルビウム添加分布を有しており、信号光はモード毎に異なる利得となる。図3及び図4は、本実施形態のEDFのエルビウム添加分布を示す図である。増幅用光ファイバ(14、24)のEDFはコアとクラッドの屈折率分布に関しては共にステップ形状であるが、エルビウム添加分布に関しては、増幅用光ファイバ14はコア内外側に強くドーパントが添加されるリング型、増幅用光ファイバ24はコア内に一様にドーパントが添加されるステップ型である。

増幅用光ファイバ(14、24)は、伝搬モード毎の利得のうち最大利得の伝搬モードが互いに異なる。ここでは、増幅用光ファイバ14で最大利得を与える伝搬モードはLP11であり、増幅用光ファイバ24で最大利得を与える伝搬モードはLP01である。 ここで、図5および図6に具体的な増幅用光ファイバ(14、24)の励起強度依存性を示す。信号光波長は1600nm、信号光強度は−10dBm、励起光はLP01モードである。結果より増幅用光ファイバ14においては利得LP11>LP01、増幅用光ファイバ24においては利得LP01>LP11モードという傾向であることが確認できる。これは、増幅用光ファイバ14においてはエルビウム添加分布をリング形状であることによりEDF断面における反転分布領域が信号光LP11モードと大きく重なっているためである。

励起光源は、それぞれの励起光の光強度が所定比となるように出力する励起光の光強度を調整することができる。本実施形態では、信号光励起光合波用カプラ(13、23)が各増幅用光ファイバ(14、24)に入射する励起光強度を変えることができる。励起光の光強度を調整することで各伝搬モード毎の利得を調整することができる。

励起光源11および励起光源12からの励起光の強度比を変えることによるLP01モードとLP11モードの利得の変化について評価を行った。測定は、光増幅器301の入力端10へ光強度が既知であるLP01モードの信号光とLP11モードの信号光(いずれも波長1580nm)を入力し、出力端20から出力されたLP01モードの信号光とLP11モードの信号光の強度を測定し、それおぞれの信号光が光増幅器301で得られる利得を計算した。その結果を図7に示す。図7は励起光の強度比(励起光源12からの励起光強度/励起光源11からの励起光強度)に対する各モードの利得の関係である。励起光の強度比を変化させることで各モードの信号光が得られる利得が変化することがわかる。つまり、励起光の強度比を変えることによりMDGを調整することが可能である。

次に、励起光強度比2.40及び0.85における、各モードの信号光の波長依存性(1570−1600nm)をそれぞれ図8及び図9に示す。この結果から励起光強度比を2.40から0.85に変えることによりL帯域でMDGを低減できることが確認できる。

(実施形態2) 図2は、本実施形態の光増幅器302の構成を説明する図である。光増幅器302は、図1の光増幅器301に、励起光源(11、21)からの励起光の伝搬モードを変換するモード変換器(12、24)をさらに備える構成である。モード変換器12は励起光源11からの励起光の伝搬モードを所望の伝搬モードに変換し、モード変換器22は励起光源21からの励起光の伝搬モードを所望の伝搬モードに変換する。励起光の伝搬モードを変換することで、増幅用光ファイバのコアでの励起光と信号光との重なりの大きさが変わり、信号光が得る利得の大きさが変わる。すなわち、励起光の伝搬モードを調整することでMDGを改善することができる。

図10は、励起光源21からの励起光の伝搬モードをモード変換器22でLP11モードへ変換して増幅用光ファイバ24へ入射した際の信号光の利得特性を示す図である。励起光源11からの励起光はLP01モードとしている。1570nm,1580nmにおいてLP11モードの信号光の利得がLP01モードの信号光の利得を上回っており、励起光の伝搬モードに依る利得特性の変化を確認できる。この励起光のモード変換による利得調整手法は増幅用光ファイバのコアの希土類元素添加分布が決まった後も、伝搬モード毎に利得を変化させることができるため、MDG改善の有用な手法の一つである。

(実施形態3) 図11は、本実施形態の伝送システム303を説明する図である。実施形態1及び実施形態2では、増幅用光ファイバ(16、26)を備える光増幅器を説明してきたが、増幅用光ファイバ(16、26)は伝送路のマルチモードファイバの途中に配置してもよい。

すなわち、伝送システム303は、 伝搬する波長帯域においてマルチモードで光を伝搬するマルチモードファイバ(16、26)と、 前記マルチモードファイバへ伝搬モードを違えた複数の光信号を結合する送信機17と、 光の伝搬方向に前記マルチモードファイバと直列に接続され、コアに添加された希土類元素の断面における濃度分布が互いに異なるN個の増幅用光ファイバ(14、24)と、 それぞれの前記増幅用光ファイバに励起光を供給するN個の励起光源(11、21)と、 を備える。

また、伝送システム303は、前記励起光源からの励起光の伝搬モードを変換するモード変換器(12、22)をさらに備える。 伝送システム303は、光増幅器301や光増幅器302で説明した図3から図10の特徴を同様に有しており、MDGを改善することができる。

伝送システム303は、光増幅器301や光増幅器302と異なり、励起光を信号光に合波するポイントが送信機17や受信機27の近傍にある。このため、伝送システム303は、光増幅器301や光増幅器302を伝送経路の途中に設置する伝送システムに比べ、MDGを遠隔で調整することができる。 また、伝送システム303は、マルチモードファイバとしてNモード伝搬可能な光ファイバとすることで、副次的に発生するラマン増幅効果も利得改善に活用できるシステムとなる。

[付記] 以下は、本実施形態の光増幅器を説明したものである。 <課題> マルチモードL帯光増幅器におけるモード間利得差を低減し、モード多重伝送の広帯域化を図る光増幅器を提供することを目的とする。

<手段> (1):信号光波長1565から1625nmにおいて伝搬モードがN(Nは2以上の整数)以上伝送可能な2種以上の異なるエルビウム添加分布を有する増幅用光ファイバ(EDF)と、 上記増幅用ファイバを励起するための励起光源と、 信号光と励起光を合波するための合波器と、 上記信号光用の光アイソレータと、 を有することを特徴とする光増幅器。

(2): 上記励起光源の伝搬モードを任意のモードへ変換するためのモード変換器を有することを特徴とする上記(1)に記載の光増幅器。

(3): 上記EDFはそれぞれ異なるモードが最も大きな利得となることを特徴とする上記(1)に記載の光増幅器。

(4): 上記光増幅器の後段に光伝送路を有しており、 受信端側に励起光源と、伝搬モードを変換するためのモード変換器と、伝送路に励起光を合波するための信号光励起光合波器を有する伝送システム。

(5): 複数の増幅用光ファイバを経由した信号光のトータルの利得が伝搬モード間で等しくなるように各増幅用光ファイバのコアの希土類元素濃度分布を設定する光増幅器の製造方法。

(6): 上記(1)から(5)のいずれかに記載の光増幅器又は伝送システムの調整方法であって、複数の増幅用光ファイバを経由した信号光のトータルの利得が伝搬モード間で等しくなるように各励起光の光強度又は伝搬モードを調整することを特徴とする調整方法。

(7): 伝送された信号光の利得を伝搬モード毎に計測する利得測定器と、 前記利得測定器の測定結果に基づき各励起光の光強度又は伝搬モードを調整するフィードバック回路と、 をさらに備える上記(1)から(5)のいずれかに記載の光増幅器又は伝送システム。

<効果> 本発明によれば、マルチモードL帯光増幅器におけるモード間利得差低減を実現し、モード多重伝送の更なる広帯域化に貢献する。

実施形態ではN=2の場合を説明してきたが、本発明は、増幅用光ファイバの数を増やすことでN=3以上のMDG調整を可能とする。

10:入力端 11、21:励起光源 12、22:モード変換器 13、23:合波用カプラ 14、24:増幅用光ファイバ(EDF) 15:アイソレータ 16、26:マルチモードファイバ 17:送信機 20:出力端 27:受信機 301、302:光増幅器 303:伝送システム