JP6954294B2 - 光増幅器およびマルチコア光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、光増幅器およびそれに適用されるマルチコア光ファイバに関するものである。

単一のクラッド内に複数のコアを有するマルチコア光ファイバ（以下、「ＭＣＦ：Multi-Core Optical fiber」と記す）は、情報伝送量の空間密度を高め、地中管路や海底ケーブルなど通信路の限られた断面積を効率良く利用する技術として期待される。ＭＣＦの中でも、複数のコアの間で導波モードが結合した結合コア型マルチコア光ファイバ（以下、「ＣＣ−ＭＣＦ： Coupled-Core Multi-Core Optical Fiber」と記す）は、隣接するコア間の距離が短いため、情報伝送量の空間密度を高める効果が高い。このＣＣ−ＭＣＦにおいては、結合したコアを伝搬した複数の導波モードの信号を区別するためにＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）信号処理の技術が必要となる。ＭＩＭＯ信号処理のコストは、導波モード間の遅延時間差（以下、「ＤＭＤ：Differential Mode Delay」と記す)の増大とともに増大する。ＤＭＤの増大を抑制する技術としては、例えば、コア間の結合の強さの適切な設定により導波モード間の群速度の差を小さくできることが知られている。加えて、光ファイバの実用時に生じる曲がりや捻れによってモード結合を生じさせることでＤＭＤの蓄積をランダム化することで、該ＤＭＤの蓄積の速度をファイバ長の１乗から１／２乗に低減できることが知られている。このようなＭＣＦは、結合モード結合コア型マルチコア光ファイバ（以下、「ＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦ：Coupled-Mode Coupled-Core Multi Core Optical Fiber」と記す）と呼ばれ、非特許文献１に開示されている。

このようなＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦは、典型的には１[１／ｍ]以上のコア間モード結合係数、または、１０[１／ｋｍ]以上のコア間パワー結合係数を有する。ここで、モード結合係数とは、ある導波モードが単位長さを伝搬する際に別の導波モードに結合する成分の複素振幅の比率である。より詳細には、非特許文献２に記載されているように、モード結合方程式の係数として定義される。本明細書では記述を簡潔にするために、隣り合うコアそれぞれにおいて定義される基底モード間のモード結合係数を、コア間のモード結合係数と呼ぶ。また、パワー結合係数とは、ある導波モードが単位長さを伝搬する際に別の導モードに結合する成分のパワーの比率である。より詳細には、非特許文献２に記載されているように、パワー結合方程式の係数として定義される。本明細書では記述を簡潔にするために、隣り合うコアそれぞれにおいて定義される基底モードの間のパワー結合係数を、コア間のパワー結合係数と呼ぶ。

一般に、光信号を長い距離に亘って伝送するためには光増幅器が必要である。光増幅器の光増幅媒体としては、増幅されるべき光信号が伝搬するコア内に希土類元素、特にエルビウム（Ｅｒ）が添加された希土類添加コア−光ファイバの利用が効率的であることが知られている。ただし、希土類元素に光増幅特性を発揮させるためには励起光が必要であり、ＭＣＦにおいては、複数の希土類添加コアに励起光を効率良く結合させることが課題となる。

例えば、上記特許文献１には、中心軸上に励起光が伝搬するポンプコアが配置されるとともに、該ポンプコアの周辺に希土類元素が添加された複数のコア（以下、「増幅器コア」と記す）が配置された増幅用ＭＣＦが開示されており、ＭＣＦ伝送路の複数のコアから複数の増幅器コアに信号光をそれぞれ結合させることで信号光が増幅される。

特表２０１３−５２２９１４号公報

Tetsuya Hayashi, et al., "Coupled-Core Multi-Core Fibers: High-Spatial-Density Optical Transmission Fibers with Low Differential Modal Properties," Proc. ECOC 2015, We.1.4.1 (2015) Masanori Koshiba et al., "Multi-core fiber design and analysis: coupledmode theory and coupled-power theory,", Optics Express Vol. 19, No. 26, pp. B102-B111 (2011).

発明者らは、光増幅器に適用可能な従来の増幅用ＭＣＦについて検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、従来技術の増幅用ＭＣＦでは、励起光の利用効率が低く、また、ＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦ（結合モード結合コア型ＭＣＦ）の各コアへの励起光の結合も困難であった。特許文献１に記載の増幅用ＭＣＦでは、ポンプコアに結合される励起光のうち、増幅器コアに結合して増幅に寄与するのは一部であり、残りの励起光は増幅に寄与しないため励起光の利用効率が低い。一般に、励起光が局在するポンプコアと、希土類元素が添加されている増幅器コアと、が空間的に一致していないと、励起光の利用効率が低くなる。これは、励起光と希土類元素の重なりが小さくなり、その結果、励起光のパワーの大きな割合が希土類元素に吸収されずに散逸するためである。励起光の利用効率の観点では、複数の増幅器コアそれぞれに励起光を結合することが有利であるが、従来技術では複数の増幅器コアに励起光を結合する光学系は部品点数が多くなるため、高いコストや低い信頼性の原因となっていた。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、装置構造の複雑化を避けつつ効率的な励起光利用を可能にするための構造を備えた光増幅器、該光増幅器の増幅用ＭＣＦとして適用可能なＭＣＦを提供することを目的としている。

本実施形態は、複数のコア間で光がパワー結合しながら伝搬するＣＣ−ＭＣＦ（結合コア型マルチコア光ファイバ）を用いたシステムにおける光増幅に適した光増幅器およびそれに適用されるＭＣＦに関する。具体的に、本実施形態に係る光増幅器は、増幅用ＭＣＦと、結合用ＭＣＦと、励起光源と、を備え、結合用ＭＣＦが、増幅用ＭＣＦの各コアへ励起光を供給する光学部品として機能する。増幅用ＭＣＦは、それぞれが第１中心軸に沿って延びる複数の第１コアと、複数の第１コアそれぞれを取り囲む第１クラッドと、を有する。複数の第１コアそれぞれは、希土類元素が添加されたシリカガラスからなる。一方、第１クラッドは、複数の第１コアそれぞれよりも低い屈折率を有するシリカガラスからなる。結合用ＭＣＦは、それぞれが第２中心軸に沿って延びる複数の第２コアと、複数の第２コアそれぞれを取り囲む第２クラッドと、を有する。複数の第２コアそれぞれは、シリカガラスからなり、複数の第１コアの何れかと光学的に接続される。一方、第２クラッドは、複数の第２コアよりも低い屈折率を有するシリカガラスからなる。また、結合用ＭＣＦは、複数の第２コアのうち隣接する第２コア間の結合状態を示す指標として、波長９８０ｎｍにおいて１［１／ｍ］以上のモード結合係数を有する。励起光源は、複数の第２コアのうち少なくとも１つの第２コアに光学的に接続される。また、励起光源は、結合用ＭＣＦを介して複数の第１コアそれぞれに、波長９８０ｎｍの励起光を供給する。このような構成において、当該光増幅器では、少なとも１つの第２コアへ結合された、励起光源からの励起光は、該少なくとも１つの第２コアから該少なくとも１つの第２コアを除く残りの第２コアそれぞれへ結合された後、複数の第２コアそれぞれから複数の第１コアのうち光学的に接続された第１コアへ結合される。

本実施形態によれば、結合用ＭＣＦにおけるコア間の結合を利用して増幅用ＭＣＦの各コア（増幅用コア）に励起光源からの励起光を結合させることで、励起光を増幅用ＭＣＦの各コアに結合させるための構造をシンプル化し、低いコストと高い信頼性を有する光増幅器の実現が可能になる。また、各コア（増幅用コア）に希土類が添加されたＣＣ―ＭＣＦを増幅用ファイバとして利用することで励起光と希土類元素の高い重なりを実現し、結果、励起光の利用効率を高めることが可能になる。

は、本実施形態に係る光増幅器が適用可能な光通信システムの概略構成の一例を示す図である。 は、本実施形態に係るマルチコア光ファイバの断面構造を示す図である。 は、第１実施形態に係る光増幅器の構成の一例を示す図である。 は、第２実施形態に係る光増幅器の構成の一例を示す図である。

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。

（１） 本実施形態に係る光増幅器の一態様として、当該光増幅器は、増幅用ＭＣＦと、結合用ＭＣＦと、励起光源と、を備え、結合用ＭＣＦが、増幅用ＭＣＦの各コアへ励起光を供給する光学部品として機能する。増幅用ＭＣＦは、それぞれが第１中心軸に沿って延びる複数の第１コアと、複数の第１コアそれぞれを取り囲む第１クラッドと、を有する。複数の第１コアそれぞれは、希土類元素が添加されたシリカガラスからなる。一方、第１クラッドは、複数の第１コアそれぞれよりも低い屈折率を有するシリカガラスからなる。結合用ＭＣＦは、それぞれが第２中心軸に沿って延びる複数の第２コアと、複数の第２コアそれぞれを取り囲む第２クラッドと、を有する。複数の第２コアそれぞれは、シリカガラスからなり、複数の第１コアの何れかと光学的に接続される。一方、第２クラッドは、複数の第２コアよりも低い屈折率を有するシリカガラスからなる。また、結合用ＭＣＦは、複数の第２コアのうち隣接する第２コア間の結合状態を示す指標として、波長９８０ｎｍにおいて１［１／ｍ］以上のモード結合係数を有する。励起光源は、複数の第２コアのうち少なくとも１つの第２コアに光学的に接続される。また、励起光源は、結合用ＭＣＦを介して複数の第１コアそれぞれに、波長９８０ｎｍの励起光を供給する。このような構成において、当該光増幅器では、少なとも１つの第２コアへ結合された、励起光源からの励起光は、該少なくとも１つの第２コアから該少なくとも１つの第２コアを除く残りの第２コアそれぞれへ結合された後、複数の第２コアそれぞれから複数の第１コアのうち光学的に接続された第１コアへ結合される。

この態様によれば、増幅用ＭＣＦの複数のコアに励起光がそれぞれ供給される前に、それぞれが増幅用ＭＣＦの複数のコアの何れかに光学的に接続された複数のコアを有する結合用ＭＣＦにおいて、予め、励起光源から少なくとも１つの第２コア（特定コア）に結合された励起光が、特定コアから該特定コアを除く残りの第２コアに結合され、当該結合用ＭＣＦの複数の第２コアと増幅用ＭＣＦの複数の第１コアとの間で（互いに光学的に接続されたコア同士の間で）、励起光の結合が可能になる。これにより、結合コア型ＭＣＦ（伝送用ＭＣＦ）で構成された伝送路により伝送される信号光を増幅する当該光増幅器のサイズおよび消費電力が効果的に低減され得る。

（２） 本実施形態に係る光増幅器の一態様として、第１中心軸に直交する、増幅用マルチコア光ファイバの断面において、複数の第１コアのうち１つの第１コアは、第１中心軸上に位置するのが好ましい。また、第２中心軸に直交する、結合用マルチコア光ファイバの断面において、複数の第２コアのうち１つの第２コアは、第２中心軸上に位置するのが好ましい。励起光源は、第３中心軸を含んだ状態で第３中心軸に沿って延びる単一コアと、単一コアを取り囲むとともに該単一コアよりも低い屈折率を有する第３クラッドと、を有するシングルモード光ファイバ（以下、「ＳＭＦ」と記す）を含み、ＳＭＦの単一コアから励起光が出力される。このような構成において、ＳＭＦと結合用ＭＣＦは、単一コアと第２中心軸上に位置する第２コアとが光学的に接続されるよう配置される。この態様によれば、ＣＣ−ＭＣＦで構成された伝送路により伝送される信号光を増幅する光増幅器の更なる小型化が可能になる。なお、本実施形態に係る光増幅器の一態様として、希土類元素はＥｒ（エルビウム）を含んでもよく、その場合、励起波長は９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍであるのが好ましい。

（３） 本実施形態に係るＭＣＦは、上述のような構造を有する光増幅器の増幅用ＭＣＦに適用可能であり、複数のコアと、クラッドと、樹脂被覆と、を有する。複数のコアは、それぞれが所定の中心軸に沿って延びるとともに希土類元素が添加されたシリカガラスからなる。クラッドは、複数のコアそれぞれを取り囲むとともに複数のコアそれぞれよりも低い屈折率を有するシリカガラスからなる。樹脂被覆は、クラッドの外周面上を取り囲む樹脂からなる。また、上記増幅用ＭＣＦに適用可能な当該ＭＣＦは、複数のコアのうち隣接するコア間の結合状態を示す指標として、波長１５５０ｎｍにおいて１［１／ｍ］以上のモード結合係数を有する。この態様によれば、ＣＣ−ＭＣＦで構成された伝送路により伝送される信号光を省スペースかつ低消費電力で増幅する光増幅器の実現が可能になる。

（４） 本実施形態に係るＭＣＦの一態様として、複数のコアは、中心軸を含んだ状態で該中心軸に沿って延びる１つのコアを含むのが好ましい。この態様によれば、ＣＣ−ＭＣＦで構成された伝送路により伝送される信号光をさらに省スペースで増幅する光増幅器の実現が可能になる。

以上、この[本願発明の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。

[本願発明の実施形態の詳細]
本願発明に係る光増幅器およびＭＣＦ（マルチコア光ファイバ）の具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、これら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、また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る光増幅器が適用可能な光通信システム１００の概略構成の一例を示す図である。図１の光通信システム１００は、複数の基地局１００Ａ〜１００Ｃと、基地局１００Ａと基地局１００Ｂの間、および、基地局１００Ｂと基地局１００Ｃの間にそれぞれ敷設された伝送路を備える。基地局間に敷設された各伝送路は、ＣＣ−ＭＣＦ（伝送用ＭＣＦ）で構成され、この伝送路上に本実施形態に係る光増幅器２が配置されている。具体的に、基地局１００Ａと基地局１００Ｂとの間に敷設された伝送路は、本実施形態に係る光増幅器２と、基地局１００Ａと光増幅器２との間に配置された第１伝送用ＭＣＦ（入力側ＣＣ−ＭＣＦ）７と、光増幅器２と基地局１００Ｂとの間に配置された第２伝送用ＭＣＦ（出力側ＣＣ−ＭＣＦ）８と、により構成されている。なお、図１の例では、基地局１００Ｂと基地局１００Ｃの間に敷設された伝送路の構成も、基地局１００Ａと基地局１００Ｂとの間に敷設された伝送路と同じ構造を有する。また、図１の例では、基地局間の各伝送路は１系統のみで構成されているが、信頼性向上のために２系統以上で構成されてもよい。

図２は、図１の光増幅器２に適用可能な増幅用ＭＣＦ１（本実施形態に係るＭＣＦ）の断面構造を示す図である。この図２には、中心軸１０に直交する増幅用ＭＣＦ１の断面が示されている。図２（断面図）に示されたように、増幅用ＭＣＦ１は、中心軸１０およびその周囲に略対称的に配置された７個のコア（第１コア）１１と、これらコア１１それぞれを取り囲むクラッド（第１クラッド）１２と、クラッド１２の外周面上に設けられた被覆１３を備える。また、クラッド１２および被覆１３は、略同心円状に配置されている。コア１１およびクラッド１２は、それぞれシリカガラスを主成分として構成され、コア１１には、光増幅のための希土類元素として、Ｅｒが添加されている。コア１１には、更に、増幅特性および屈折率を最適化するためにＧｅやＡｌなどの元素が添加されることが好ましい。被覆は、紫外線硬化樹脂で構成される。また、図には示されていないが、被覆（樹脂被覆）１３は、複数の層から構成されてもよく、特に、被覆１３が複数の層で構成される場合、当該増幅用ＭＣＦ１の外周面側から作用するランダムな外力のうちガラスに作用してマイクロベンドを生じさせる成分を減衰させるため、クラッド１２に隣接する内側の層が、当該被覆１３の外周面を含む外側の層よりも低いヤング率を有するのが好ましい。

増幅用ＭＣＦ１は、Ｅｒを励起する波長９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍの励起光を伝搬させ、光通信に典型的に用いられる１５３０〜１６１０ｎｍの波長の信号光を伝搬させながら増幅する。コア１１それぞれの直径は、好ましくは４〜１６μｍである。これにより、個別のコアで定義される基底モードを適切な強さで該コア内に閉じ込めるとともに（規定モードのコア内伝搬の保障）、当該増幅用ＭＣＦ１を曲げることにより高次モードを減衰させ（高次モードの伝搬の防止）、ＤＭＤの増大を防ぐことが可能になる。クラッド１２の直径は、１２４〜１２６μｍである。これにより、広く用いられているコネクタへの当該増幅用ＭＣＦ１の接続が容易になる。被覆１３は、２４０〜２６０μｍの外径を有し、これにより、当該増幅用ＭＣＦ１の実使用時に生じる断続的な微小な曲げ（マイクロベンド）による損失を低く抑えることが可能になる。なお、本明細書では、１つのコアに着目し、他のコアが存在しないと仮定した場合に生じる光学特性を、個別のコアで定義される光学特性と呼ぶ。

また、増幅用ＭＣＦ１において、隣接するコア間の間隔は、好ましくはコア直径以上かつ３０μｍ以下であり、波長１５５０ｎｍにおいて、コア間モード結合係数が１［１／ｍ］以上、または、コア間パワー結合係数が１０［１／ｍ］以上であるのが好ましい。さらに、ＣＭ−ＣＣ−ＭＣＦのコアは軸を中心として軸に沿って螺旋状に伸び、螺旋の周期が０．５［ｍ］以下であり、それによってモード結合を生じさせ、ＤＭＤがファイバ長の０．５〜０．７乗に比例して蓄積されるのが好ましい。

図３は、第１実施形態に係る光増幅器２の構成の一例を示す図であり、当該光増幅器２は、図１のシステムにおいて、各基地局の間に敷設された伝送路の一部を構成している。なお、図２には、光学構成を示すため、各光ファイバの被覆は省略されているが、各光ファイバは適宜被覆され、機械強度やクラッドモードの除去性を改善させることが望ましい。図３に示されたように、第１実施形態に係る光増幅器２は、第１伝送用ＭＣＦ７と第２伝送用ＭＣＦ８の間に配置され、合分波器４、励起光源５、結合用ＭＣＦ、上述の構造を有する増幅用ＭＣＦ１、光フィルタ６を備える。増幅用ＭＣＦ１は、合分波器４と光フィルタ６の間に配置される。結合用ＭＣＦは、合分波器４と増幅用ＭＣＦ１の間に配置された第１結合用ＭＣＦ３ａと、合分波器４と励起光源５の間に配置された第２結合用ＭＣＦ３ｂにより構成される。また、励起光源５は、発光部５１と、発光部５１と第２結合用ＭＣＦ３ｂの間に配置された、単一コアを有するＳＭＦ（励起用ファイバ）５２により構成される。

図２に示された増幅用ＭＣＦ１の入力端面には、第１結合用ＭＣＦ３ａの出力端面が接続される。第１結合用ＭＣＦ３ａは、増幅用ＭＣＦ１（図２）と実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有し、複数のコア（第２コア）３１ａと、コア３１ａそれぞれを取り囲むクラッド（第２クラッド）３２ａを備える。また、第１結合用ＭＣＦ３ａは、増幅用ＭＣＦ１と同様に主材料としてシリカガラスから構成されたＭＣＦであって、モード結合した複数のコアを有する。なお、第１結合用ＭＣＦ３ａの各コアには、Ｅｒなどの希土類元素は添加されておらず、信号光および増幅用の励起光をモード結合させながら伝搬させる。また、第１結合用ＭＣＦ３ａが純粋シリカガラスからなるコアと、Ｆが添加されたクラッドで構成されるとコア−クラッドの境界が明瞭になる。そのため、アライメントを容易にするためには、このような構成が好ましい。他の好ましい構成としては、Ｇｅが添加された複数のコアと純粋シリカガラスからなるクラッドで構成されていてもよく、このような構造を有する光ファイバは、より低コストでの製造が可能になる。

第１結合用ＭＣＦ３ａの入力端面は、合分波器４の出力ポート４ｃに結合される。なお、合分波器４は、合分波素子４ｄを有するとともに、第１伝送用ＭＣＦ７の出力端面が結合された信号光入力ポート４ａ、第２結合用ＭＣＦ３ｂの出力端面が結合された励起光入力ポート４ｂ、第１結合用ＭＣＦ３ａの入力端面が結合された出力ポート４ｃを有する。第１伝送用ＭＣＦ７を介して信号光入力ポート４ａに結合された信号光と、第２結合用ＭＣＦ３ｂを介して励起光入力ポート４ｂに結合された励起光は合分波素子４ｄにより合波され、この合波光が出力ポート４ｃから出力される。合分波素子４ｄは、誘電体多層膜フィルタとレンズ等の光学素子からなる光学系によって構成される。

第１伝送用ＭＣＦ７は、増幅用ＭＣＦ１（図２）と実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有する。第１伝送用ＭＣＦ７（実質的に伝送区間７１に相当）は、複数のコア７１１と、コア７１１それぞれを取り囲むクラッド７１２を備える。また、第１伝送用ＭＣＦ７は、第１および第２結合用ＭＣＦ３ａ、３ｂと同様に、モード結合した複数のコアには希土類元素は添加されていないシリカガラスからなるＭＣＦであり、純粋シリカガラスからなるコアとＦ添加されたクラッド、または、Ｇｅが添加されたコアと純粋シリカガラスからなるクラッドを備える。

第１伝送用ＭＣＦ７は、上記非特許文献１に記載されているように、波長１５３０〜１６１０ｎｍの光通信用信号光に対して、最も効果的にモード結合を生じさせ、小さなモード間の遅延時間差ＤＭＤで伝搬させるように設計される。さらに、第１伝送用ＭＣＦ７は、図３の例に示されたように、合分波器４に結合される端部において、コア径が拡大されたコア拡大区間７２を有することが望ましい。この構成により、軸ズレによる結合損失の低減が可能になる。一方で、端部に属さない伝送区間７１ではコア径が大きすぎると伝搬モード間の伝搬定数の差が大きくなってモード結合が生じにくくなり、モード間の遅延時間差ＤＭＤが大きくなるため、伝送区間７１では非線形性が問題とならない程度にコア径が小さいことが望ましい。さらに、コア径の異なる伝送区間７１とコア拡大区間７２の間には、コア径が連続的に変化する遷移区間７３があることが望ましく、それによってモード不整合による光損失を低減することができる。なお、コア拡大区間７２は、複数のコア７２１と、コア７２１それぞれを取り囲むクラッド７２２を備える。遷移区間７３は、複数のコア７３１と、コア７３１それぞれを取り囲むクラッド７３２を備える。何れの区間もコア径は異なるが、コア配列自体は図２に示されたコア配列と同じである。

第１伝送用ＭＣＦ７の端部における遷移区間７３およびコア拡大区間７２は、例えば、伝送区間７１の端部をアーク放電または火炎によって加熱することで得られ、コア７１１に添加されているＧｅまたはＦを拡散させることでコア７３１、７２１が形成される。このとき、加熱量を一定限度以内に抑えることでクラッド７３２、７２２の外径を一定に保つことが望ましく、それにより機械強度の低下を避けることができる。

第２結合用ＭＣＦ３ｂは、第１結合用ＭＣＦ３ａと実質的に同じ構造を有する。すなわち、第２結合用ＭＣＦ３ｂは、増幅用ＭＣＦ１（図２）と実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有し、複数のコア（第２コア）３１ｂと、コア３１ｂそれぞれを取り囲むクラッド（第２クラッド）３２ｂを備える。また、第２結合用ＭＣＦ３ｂは、Ｅｒを励起して信号光を増幅するための、波長９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍの励起光をモード結合させながら伝搬させる。特に、波長９８０ｎｍでは、信号光の波長１５３０〜１６１０ｎｍに比べてコア３１ｂの光の閉じ込めが強いためにモード結合が生じにくくなる。そこで、第１伝送用ＭＣＦ７に比べて第２結合用ＭＣＦ３ｂのコア−クラッド間の屈折率差を小さくしてコア３１ｂにおける光の閉じ込めを弱めることで、波長９８０ｎｍにおいてモード結合が生じるように構成される。なお、この構造は、第１結合用ＭＣＦ３ａについても同様である。第１および第２結合用ＭＣＦ３ａ、３ｂそれぞれにおいて、比屈折率差、コア間隔、ファイバ長は、少なくとも一つのコア（第２コア）へ入力された励起光が残りのコア（第２コア）それぞれへ結合するように選択されている。

第２結合用ＭＣＦ３ｂのもう一方の端面には励起光源５が結合される。励起光源５は、励起光を発生させる半導体レーザダイオードからなる発光部５１と、発生した励起光を伝送する励起用ファイバ５２からなる。なお、励起用ファイバ５２は、単一コア５３とクラッド５４を有する一般的なＳＭＦである。この励起用ファイバ５２の断面構造は、図２の例を参照すれば、中心軸１０上に位置するコア１１が単一コア５３に相当し、図２のクラッド１２が当該励起用ファイバ５２のクラッド５４に相当する。

特に、第１および第２結合用ＭＣＦ３ａ、３ｂそれぞれは、複数のコア３１ａ、３１ｂの１つが中心軸上に配置されたコア配列を有することが望ましい。これにより、ＳＭＦを同軸的に接続することで、励起用ファイバ（ＳＭＦ）５２のコア５３から第２結合用ＭＣＦ３ｂの中心軸上に位置するコア（特定コア）１１に励起光が結合され、さらに、これら第１および第２結合用ＭＣＦ３ａ、３ｂを伝搬する途中、特定コアを除く残りのコアにも励起光が結合される。この接続形態により、励起光源５から増幅用ＭＣＦ１の各コアへの励起光の結合が、従来のＳＭＦ間の接続と同じような小さな占有スペースで実現できる。また、この望ましい形態においては、増幅用ＭＣＦ１、第１伝送用ＭＣＦ７、第２伝送用ＭＣＦ８の何れも複数のコアの１つが中心軸上に位置するコア配列を有するのが望ましい。この場合、ＭＣＦそれぞれの間で高効率な励起光結合が可能になる。

本実施形態では、１つのレーザダイオード（発光部５１）において発生した光を、結合用ＭＣＦ（第１および第２結合用ＭＣＦ３ａ、３ｂ）におけるモード結合を利用することで複数のコアに均等に分配する。その後、第１結合用ＭＣＦ３ａと増幅用ＭＣＦ１を接続することで（複数のコア３１ａと複数のコア１１をそれぞれ光学的に接続する）、増幅用ＭＣＦ１の複数のコア１１それぞれへ励起光が供給される。このような励起光供給構造が採用されることにより、増幅用ＭＣＦ１を含めて伝送路を構成するＭＣＦそれぞれのコア数が増えた場合であっても、レーザダイオード（発光部５１）の数を増やすことなく励起光を効率的に増幅用ＭＣＦ１の各コア１１に供給することが可能になる。その結果、光増幅器の製造コスト、装置サイズ、および消費電力を低減することが可能になる。なお、光増幅器の装置サイズおよび消費電力を抑えることは、伝送路上に配置される中継器のサイズや電力供給に対する制約が大きい海底ケーブルシステムにおいて特に有益である。

なお、他の先行技術と比較すると、上記特許文献１が開示するポンプコアを有する増幅用ＭＣＦでは、１つのポンプコアから複数の増幅用コアへのモード結合を通じて励起光が供給される一方で、増幅用コアからポンプコアへ結合した信号光がロスになってしまう問題がある。これに対し、本実施形態に係る光増幅器ではそのような問題は解消される。

図３の例に戻って、増幅用ＭＣＦ１の出力端面は光フィルタ６の入力ポート６ａに結合される。なお、光フィルタ６は、増幅用ＭＣＦ１の出力端面に結合された入力ポート６ａと、第２伝送用ＭＣＦ８の入力端面に結合された出力ポート６ｂを有する。また、光フィルタ６は、その内部に、光アイソレータ６ｃとバンドパスフィルタ６ｄを有し、図示されていないがレンズなどの光学素子も含む。光アイソレータ６ｃは、第２伝送用ＭＣＦ８からが増幅用ＭＣＦ１に向かって逆方向に伝搬するレイリー散乱光やフレネル反射光などの雑音光を遮断し、光増幅器の雑音を低減する。バンドパスフィルタ６ｄは、増幅用ＭＣＦ１から入力される自然放出光（ＡＳＥ光）や残留励起光を遮断し、光増幅器の雑音を低減する。

第２伝送用ＭＣＦ８は、増幅用ＭＣＦ１（図２）と実質的に一致したコア配列（コア数およびコア間隔）を有する。また、第２伝送用ＭＣＦ８は、第１伝送用ＭＣＦ７と同様に、伝送区間８１、コア拡大区間８２および遷移区間８３を有する。伝送区間８１は、モード結合した複数のコア８１１と、コア８１１それぞれを取り囲むクラッド８１２を有する。コア拡大区間８２は、複数のコア８２１と、コア８２１それぞれを取り囲むクラッド８２２を有する。遷移区間８３は、コア径が連続的に拡大された複数のコア８３１と、コア８３１それぞれを取り囲み、一定の外径に保たれたクラッド８３２を有する。この第２伝送用ＭＣＦ８は、当該光増幅器２によって増幅された信号光（出力光）を、伝送区間８１を介して受信機または次の光増幅器まで伝搬させる。なお、第２伝送用ＭＣＦ８も、第１伝送用ＭＣＦ７と実質的に同じ構造を有する。

図４は、第２実施形態に係る光増幅器の構成の一例を示す図である。この第２実施形態に係る光増幅器は、図１の光通信システム１００における基地局間伝送路が２系統で構成された場合に適用可能な光増幅器であり、２つの励起光源５ａ、５ｂによって励起される２つの光増幅器２ａ、２ｂで構成される。この構成により、２系統の伝送路（第１伝送用ＭＣＦ７ａから第２伝送用ＭＣＦ８ａまでの伝送路と、第１伝送用ＭＣＦ７ｂから第２伝送用ＭＣＦ８ｂまでの伝送路）をそれぞれ伝搬する信号光が増幅される。具体的には、２つの増幅系統のうち光増幅器２ａで増幅された信号光は、光フィルタ６０ａから第２伝送用ＭＣＦ８ａへ送出され、光増幅器２ｂで増幅された信号光は、光フィルタ６０ｂから第２伝送用ＭＣＦ８ｂへ送出される。また、励起光源５ａ、５ｂからそれぞれ出力された励起光は光カプラ９で合波された後、２つの合分波器４０ａ、４０ｂに結合される。なお、図４の２つの第１伝送用ＭＣＦ７ａ、７ｂはそれぞれ図３の第１伝送用ＭＣＦ７に相当し、２つの第２伝送用ＭＣＦ８ａ、８ｂはそれぞれ図３の第２伝送用ＭＣＦ８に相当する。図４の２つの励起光源５ａ、５ｂはそれぞれ図３の励起光源５に相当し、図４の２つの合分波器４０ａ、４０ｂはそれぞれ図３の合分波器４に相当し、図４の２つの光フィルタ６０ａ、６０ｂはそれぞれ図３の光フィルタ６に相当している。

この第２実施形態に係る光増幅器では、上述のように、励起光源５ａ、５ｂの一方が故障した場合でも他方から励起光が供給される構成を有するため、光増幅器の少なくとも一方の伝送系統の稼働が維持することが可能である。このように、第２実施形態によれば、部品点数の少ない構造により光増幅器全体としては可動停止状態が回避できるため、少ない体積（装置収納容量）で高い信頼度を実現することが可能になる。このような構造上の特性は、特に海底ケーブルシステムにおいて重要である。

１…増幅用ＭＣＦ、２、２ａ、２ｂ…光増幅器、３ａ…第１結合用ＭＣＦ、３ｂ…第２結合用ＭＣＦ、４、４０ａ、４０ｂ…合分波器、５、５ａ、５ｂ…励起光源、６、６０ａ、６０ｂ…光フィルタ、７、７ａ、７ｂ…第１伝送用ＭＣＦ、８、８ａ、８ｂ…第２伝送用ＭＣＦ、５１…発光部、５２…励起用ファイバ（単一コアＳＭＦ）、１１、３１ａ、３１ｂ、７１１、７２１、７３１、８１１、８２１、８３１…コア、１２、３２ａ、３２ｂ、７１２、７２２、７３２、８１２、８２２、８３２…クラッド、１３…被覆、１００…光通信システム、１００Ａ〜１００Ｃ…基地局。

Claims (5)

1. それぞれが第１中心軸に沿って延びるとともに希土類元素が添加された、シリカガラスからなる複数の第１コアと、前記複数の第１コアそれぞれを取り囲む、シリカガラスからなる第１クラッドと、を有する増幅用マルチコア光ファイバと、
   それぞれが第２中心軸に沿って延びるとともに前記複数の第１コアの何れかと光学的に接続された、シリカガラスからなる複数の第２コアと、前記複数の第２コアそれぞれを取り囲む、シリカガラスからなる第２クラッドと、を有し、かつ、前記希土類元素を励起可能な所定の励起波長において１［１／ｍ］以上のモード結合係数を有する結合用マルチコア光ファイバと、
   前記複数の第２コアのうち少なくとも１つの第２コアに光学的に接続されるとともに、前記結合用マルチコア光ファイバを介して前記複数の第１コアそれぞれに、前記励起波長の励起光を供給する励起光源と、
   を備え、
   前記少なくとも１つの第２コアへ結合された、前記励起光源からの前記励起光は、前記少なくとも１つの第２コアから前記少なくとも１つの第２コアを除く残りの第２コアそれぞれへ結合された後、前記複数の第２コアそれぞれから前記複数の第１コアのうち光学的に接続された第１コアへ結合されることを特徴とする光増幅器。
2. 前記希土類元素がエルビウムを含み、前記励起波長が９８０ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載された光増幅器。
3. 前記第１中心軸に直交する、前記増幅用マルチコア光ファイバの断面において、前記複数の第１コアのうち１つの第１コアは、前記第１中心軸上に位置し、
   前記第２中心軸に直交する、前記結合用マルチコア光ファイバの断面において、前記複数の第２コアのうち１つの第２コアは、前記第２中心軸上に位置し、
   前記励起光源は、第３中心軸を含んだ状態で前記第３中心軸に沿って延びる単一コアと、前記単一コアを取り囲む第３クラッドと、を有するシングルモード光ファイバを含み、
   前記シングルモード光ファイバと前記結合用マルチコア光ファイバは、前記単一コアと前記第２中心軸上に位置する第２コアとが光学的に接続されるよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
4. それぞれが所定の中心軸に沿って延びるとともに希土類元素が添加された、シリカガラスからなる複数のコアと、前記複数のコアそれぞれを取り囲む、シリカガラスからなるクラッドと、前記クラッドの外周面上を取り囲む樹脂被覆と、を有するとともに、
   前記複数のコアのうち隣接するコア間の結合状態を示す指標として、波長１５５０ｎｍにおいて１［１／ｍ］以上のモード結合係数を有することを特徴とするマルチコア光ファイバ。
5. 前記複数のコアは、前記中心軸を含んだ状態で前記中心軸に沿って延びる１つのコアを含むことを特徴とする請求項４に記載のマルチコア光ファイバ。

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