JP2015012152A - マルチコアファイバ接続部品 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、構成部品点数を削減し光増幅器サイズ低減を可能にし、高い励起光の吸収率を有するマルチコアファイバ接続部品を提供することにある。
【解決手段】本発明は、信号光を出力するシングルクラッドマルチコアファイバと、第１クラッド内に第１クラッドより屈折率の大きい複数のコアを有し、前記第１クラッドの外側に前記第１クラッドより屈折率の小さい材質からなる第２クラッドを有するダブルクラッドマルチコアファイバとを光学的に結合するマルチコアファイバ接続部品であって、励起光を出力するシングルコアマルチモードファイバと、複数の信号光の各々をダブルクラッドマルチコアファイバの複数のコアの各々に結合し、励起光をダブルクラッドマルチコアファイバの第１クラッドに結合する光学系を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、マルチコア光伝送で用いられる光ファイバ増幅器に関する。

長距離伝送用のマルチコア光伝送システムでは、従来のシングルコアファイバを伝送路とする光伝送システムと同様に伝送中に強度が小さくなった信号光を増幅するため、マルチコアファイバ増幅器は必要不可欠である。従来のマルチコアファイバ増幅器は、複数の希土類元素の一つであるＥｒイオンを添加した各々のコアを有する増幅用マルチコアファイバへ、ファンイン／ファンアウトを使用して信号光及び励起光をコア毎に入力することにより、７つのコアにそれぞれ独立に入力する信号光を同時に増幅している（例えば非特許文献１参照）。

また、これとは異なるマルチコアファイバ増幅器構成として、ダブルクラッド希土類添加ファイバと高出力マルチモード励起光源１台とを用いたマルチコア光増幅も報告されている（例えば非特許文献２参照）。ダブルクラッド希土類添加ファイバは、希土類イオンを添加した複数のコアと、内側の第１クラッド及び外側の第２クラッドからなる二重クラッド構造とを有し、第１クラッド材屈折率がコアガラス屈折率より小さく第２クラッド材屈折率より大きい。

H. Takahashi 他, "First demonstration of MC-EDFA-repeatered SDM transmission of 40×128-Gbit/s PDM-QPSK signals per core over 6,160-km 7-core MCF," ECOC2012, ECOC Postdeadline papers, ２０１２年 Y. Mimura 他， "Batch multicore amplification with cladding-pumped multicore EDF," ECOC2012, ECOC Technical Digest, ２０１２年

しかしながら、非特許文献１に記載のような、信号光及び励起光をコア毎に入力する従来のマルチコアファイバ増幅器は、励起光源と、励起光及び信号光を合波する合波器とをコア毎に有し、伝送用マルチコアファイバと同数のコアを有する増幅用ファイバ（エルビウム添加マルチコアファイバ）を用いているため、構成部品点数が多くなるという課題がある。

一方で、非特許文献２に記載のような、ダブルクラッド希土類添加ファイバと高出力マルチモード励起光源とを用いたマルチコアファイバ増幅器は、各コアへの励起光の吸収率が低いという課題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、構成部品点数を削減し光増幅器サイズ低減を可能にし、高い励起光の吸収率を有する、すなわち高い励起効率のマルチコアファイバ接続部品を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載のマルチコアファイバ接続部品は、複数のコアの各々から信号光を出力するシングルクラッドマルチコアファイバと、第１クラッド内に前記第１クラッドより屈折率の大きい複数のコアを有し、前記第１クラッドの外側に前記第１クラッドより屈折率の小さい材質からなる第２クラッドを有するダブルクラッドマルチコアファイバとを光学的に結合するマルチコアファイバ接続部品であって、コアから励起光を出力するシングルコアマルチモードファイバと、前記シングルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアの各々から出力された前記複数の信号光の各々を前記ダブルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアの各々に結合し、前記シングルコアマルチモードファイバの前記コアから出力された前記励起光を前記ダブルクラッドマルチコアファイバの前記第１クラッドに結合する光学系を備えることを特徴とする。

請求項２に記載のマルチコアファイバ接続部品は、請求項１に記載のマルチコアファイバ接続部品であって、前記光学系は、前記シングルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアの各々から出力された前記複数の信号光をコリメートする第１のレンズと、当該コリメートされた信号光及び前記励起光が入射され、当該入射した前記コリメートされた信号光及び前記励起光を合波するダイクロイックミラーと、当該合波光が入射され、前記合波光のうちの前記複数の信号光の各々を前記ダブルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアの各々に結合し、前記ダブルクラッドマルチコアファイバの端面におけるコア配置の中心を通るコア間の対角線のうちの長さが最小である対角線の長さを直径とする円の内側に、前記合波光のうちの前記励起光を集光させるように構成された第２のレンズとを備えることを特徴とする。

請求項３に記載のマルチコアファイバ接続部品は、請求項２に記載のマルチコアファイバ接続部品であって、前記光学系は、前記第１のレンズと前記ダイクロイックミラーとの間に、光アイソレータアレイをさらに備え、前記光アイソレータアレイは、偏波分離素子と、ファラデー回転素子と、偏波合成素子とを前記シングルクラッドマルチコアファイバ及びダブルクラッドマルチコアファイバのコア数分備えることを特徴とする。

請求項４に記載のマルチコアファイバ接続部品は、請求項１乃至３のいずれかに記載のマルチコアファイバ接続部品であって、前記シングルクラッドマルチコアファイバ及び前記ダブルクラッドマルチコアファイバのコア配置は、円環状配置又は多角形環状配置であることを特徴とする。

請求項５に記載のマルチコアファイバ接続部品は、請求項１乃至４のいずれかに記載のマルチコアファイバ接続部品であって、前記ダブルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアに希土類イオンが添加されていることを特徴とする。

本発明のマルチコアファイバ接続部品によると、マルチコア光増幅器の構成部品点数を削減して光増幅器サイズ低減を可能にするという利点を有する。また、励起光の吸収率が大きいという利点を有する。

本発明の第１の実施形態に係るマルチコアファイバ接続部品の構成を例示する図である。 本発明に係るマルチコアファイバ接続部品のマルチコアファイバのコア配置を例示する図である。 本発明に係るマルチコアファイバ接続部品のマルチコアファイバのコア配置を例示する図である。 本発明の第２の実施形態に係るマルチコアファイバ接続部品の構成を例示する図である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るマルチコアファイバ接続部品の構成を例示する。図１には、シングルクラッドマルチコアファイバ１と、ダブルクラッドマルチコアファイバ２と、シングルコアマルチモードファイバ７とを光学的に結合するためのマルチコアファイバ接続部品１０が示されている。マルチコアファイバ接続部品１０は、ダイクロイックミラー３と、第１乃至第３のレンズ４乃至６と、ミラー８とを備えている。

シングルクラッドマルチコアファイバ１の各コアから出力された各信号光は、第１のレンズ４を介してコリメートされてダイクロイックミラー３に入射する。シングルコアマルチモードファイバ７の単一のコアから出力された励起光は、第３のレンズ６を介して９８０ｎｍ帯の励起光を反射するミラー８によって反射されてダイクロイックミラー３に入射する。ダイクロイックミラー３に入射した９８０ｎｍ帯の励起光及び１５５０ｎｍ帯の信号光は、ダイクロイックミラー３によって合波される。当該合波光は、第２のレンズ５を介してダブルクラッドマルチコアファイバ２の複数のコアに結合する。

シングルクラッドマルチコアファイバ１は、ガラスクラッド内にガラスクラッドより屈折率の大きい複数のコアを有し、ガラスクラッドがＵＶ硬化樹脂により被覆されているマルチコアファイバとすることができる。ダブルクラッドマルチコアファイバ２は、ガラスクラッド内にガラスクラッドより屈折率の大きい複数のコアを有し、ガラスクラッドの外側にガラスクラッドより屈折率の小さいポリマークラッドを有し、ポリマークラッドがＵＶ硬化樹脂により被覆されているマルチコアファイバとすることができる。シングルクラッドマルチコアファイバ１及びダブルクラッドマルチコアファイバ２は共に１２個のコアを有し、これらのコアは図２に例示されるように円環状に等間隔で配置することができる。

第２のレンズ５は、第１のレンズ４でコリメートされ、ダイクロイックミラー３によって合波された合波光のうちの信号光の各々をダブルクラッドマルチコアファイバ２の各コアへ集光すると共に、合波光のうちの励起光の複数のモードが重なり合ったパワーモード分布のうちの大部分（５０％以上）を、ダブルクラッドマルチコアファイバ２のガラスクラッド断面における円環状のコア配置の直径をその直径とした円の内側に集光させるように構成されている。

このように、励起光のパワーモード分布の一定割合以上を円環状のコア配置の直径をその直径とした円の内側に集光することにより、励起光線がダブルクラッドマルチコアファイバ２を伝搬している間に、ダブルクラッドマルチコアファイバ２のコアを通過する割合が増大する。従って、ダブルクラッドマルチコアファイバ２と同じファイバ構造であって複数のコアにエルビウムイオンを添加したダブルクラッドエルビウム添加ファイバをダブルクラッドマルチコアファイバ２の励起光入射端の他端に接続した場合、コアに添加されたエルビウムイオンへの励起光の吸収率が大きくなる。

表１に、従来技術に係るマルチコア光増幅器と第１の実施形態に係るマルチコアファイバ接続部品を用いたマルチコア光増幅器との構成部品数の比較を示す。以下の表１に示されるように、本実施形態では、構成部品数が従来のマルチコア光増幅器より大幅に低減できており、本実施形態のマルチコア光増幅器が光増幅器サイズ低減に有効であることがわかる。

本実施形態では、光アイソレータは内蔵していないため、光アイソレータは外付けとなる。マルチコアファイバを入出力端に有する光アイソレータを用いることにより、従来構成のマルチコア光増幅器ではコア毎に備えていた光アイソレータの数量も大幅に減らすことができる。

本実施形態では、シングルクラッドマルチコアファイバ１及びダブルクラッドマルチコアファイバ２のコア配置は図２に示されるような円環状配置に限らず、図３に例示されるような多角形（図３では六角形の場合を例示）環状配置でもよい。多角形環状配置の場合は、対向する二辺の間隔を直径とする円の内側に集光するように第２のレンズ５を構成すれば、円環状配置の場合と同等の効果が得られる。また、第２のレンズ５を、ダブルクラッドマルチコアファイバ２の端面におけるコア配置の中心を通るコア間の対角線のうち、長さが最小である対角線の長さを直径とする円の内側に集光するように構成してもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係るマルチコアファイバ接続部品では、第１の実施形態におけるダブルクラッドマルチコアファイバ２に代えて、コアガラスにエルビウムイオンが添加されたファイバとすることができる。本実施形態では、ダブルクラッドエルビウム添加マルチコアファイバのエルビウムイオンによる１５３０ｎｍにおける吸収損失は１．５ｄＢ／ｍであり、ファイバ長は８０ｍとすることができる。

使用するダブルクラッドエルビウム添加マルチコアファイバの長さが予めわかっている場合は、本実施形態のようにダブルクラッド希土類添加マルチコアファイバとすることにより、ダブルクラッド希土類添加マルチコアファイバを融着接続する必要がなくなるため、マルチコアファイバ増幅器の製造工程を減らすことができる。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係るマルチコアファイバ接続部品の構成を例示する。図４には、シングルクラッドマルチコアファイバ１０１と、ダブルクラッドマルチコアファイバ１０２と、シングルコアマルチモードファイバ１０７とを光学的に結合するマルチコアファイバ接続部品１００が示されている。マルチコアファイバ接続部品１００は、ダイクロイックミラー１０３と、第１乃至第３のレンズ１０４乃至１０６と、ミラー１０８と、光アイソレータアレイ１０９とを備えている。光アイソレータアレイ１０９は、偏波分離素子と、ファラデー回転素子と、偏波合成素子とを、シングルクラッドマルチコアファイバ１０１又はダブルクラッドマルチコアファイバ１０２のコア数分それぞれ備えている。

第３の実施形態に係るマルチコアファイバ接続部品１００は、ダイクロイックミラー１０３と第１のレンズ１０４との間に光アイソレータアレイ１０９が設けられている点で、第１の実施形態に係るマルチコアファイバ接続部品１０と異なっている。

シングルクラッドマルチコアファイバ１０１の各コアから出力された各信号光は、第１のレンズ１０４を介してコリメートされて、光アイソレータアレイ１０９に入射する。光アイソレータアレイ１０９は、シングルクラッドマルチコアファイバ１０１の各コアに対応する偏波分離素子により、直交する２つの偏波毎に各信号光を分離し、２つの偏波毎にファラデー回転素子を通過した後、偏波合成素子により複数のコアの各々における各信号光を偏波合成して、当該合成した１５５０ｎｍ帯光をダブルクラッドマルチコアファイバ１０２側へ出力する。

光アイソレータアレイ１０９から出力された光は、ダイクロイックミラー１０３に入射する。また、シングルコアマルチモードファイバ１０７から出力された励起光は、第３のレンズ６を介して９８０ｎｍ帯の励起光を反射するミラー１０８によって反射されてダイクロイックミラー１０３に入射する。ダイクロイックミラー１０３に入射した９８０ｎｍ帯の励起光及び１５５０ｎｍ帯光は、ダイクロイックミラー１０３によって合波される。当該合波光は、第２のレンズ１０５を介してダブルクラッドマルチコアファイバ１０２の複数のコアに結合する。

第３の実施形態に係るマルチコアファイバ接続部品１００を使用することにより、第１の実施形態に係るマルチコアファイバ接続部品１０では必要とされる外付けの光アイソレータが不要となり、構成部品数の低減が可能となる。

また、上記では、シングルクラッドマルチコアファイバ１０１からダブルクラッドマルチコアファイバ１０２側に信号光を出力する例を示したが、これとは反対に、光アイソレータアレイ１０９は、ダブルクラッドマルチコアファイバ１０２の各コアから出力され、第２のレンズ１０５でコリメートされた１５５０ｎｍ帯光をそれぞれ入力し、直交する２つの偏波毎に分離し、各偏波毎にファラデー回転素子及び偏光子を通過して各コア毎の１５５０ｎｍ帯光をシングルクラッドマルチコアファイバ１０１側へ出力することもある。

シングルクラッドマルチコアファイバ １、１０１
ダブルクラッドマルチコアファイバ ２、１０２
ダイクロイックミラー ３、１０３
第１のレンズ ４、１０４
第２のレンズ ５、１０５
第３のレンズ ６、１０６
シングルコアマルチモードファイバ ７、１０７
ミラー ８、１０８
マルチコアファイバ接続部品 １０、１００
光アイソレータアレイ １０９

上記課題を解決するために、請求項１に記載のマルチコアファイバ接続部品は、複数のコアの各々から信号光を出力するシングルクラッドマルチコアファイバと、第１クラッド内に前記第１クラッドより屈折率の大きい複数のコアを有し、前記第１クラッドの外側に前記第１クラッドより屈折率の小さい材質からなる第２クラッドを有するダブルクラッドマルチコアファイバとを光学的に結合するマルチコアファイバ接続部品であって、コアから励起光を出力するシングルコアマルチモードファイバと、前記シングルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアの各々から出力された前記複数の信号光の各々を前記ダブルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアの各々に結合し、前記シングルコアマルチモードファイバの前記コアから出力された前記励起光を前記ダブルクラッドマルチコアファイバの前記第１クラッドに結合する光学系を備え、前記光学系は、前記シングルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアの各々から出力された前記複数の信号光をコリメートする第１のレンズと、当該コリメートされた信号光及び前記励起光が入射され、当該入射した前記コリメートされた信号光及び前記励起光を合波するダイクロイックミラーと、当該合波光が入射され、前記合波光のうちの前記複数の信号光の各々を前記ダブルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアの各々に結合し、前記ダブルクラッドマルチコアファイバの端面におけるコア配置の中心を通るコア間の対角線のうちの長さが最小である対角線の長さを直径とする円の内側に、前記合波光のうちの前記励起光の複数のモードが重なり合ったパワーモード分布のうちの５０％以上を集光させるように構成された第２のレンズと、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載のマルチコアファイバ接続部品は、請求項１に記載のマルチコアファイバ接続部品であって、前記光学系は、前記第１のレンズと前記ダイクロイックミラーとの間に、光アイソレータアレイをさらに備え、前記光アイソレータアレイは、偏波分離素子と、ファラデー回転素子と、偏波合成素子とを前記シングルクラッドマルチコアファイバ及びダブルクラッドマルチコアファイバのコア数分備えることを特徴とする。

請求項３に記載のマルチコアファイバ接続部品は、請求項１又は２に記載のマルチコアファイバ接続部品であって、前記シングルクラッドマルチコアファイバ及び前記ダブルクラッドマルチコアファイバのコア配置は、円環状配置又は多角形環状配置であることを特徴とする。

請求項４に記載のマルチコアファイバ接続部品は、請求項１乃至３のいずれかに記載のマルチコアファイバ接続部品であって、前記ダブルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアに希土類イオンが添加されていることを特徴とする。

Claims (5)

1. 複数のコアの各々から信号光を出力するシングルクラッドマルチコアファイバと、
   第１クラッド内に前記第１クラッドより屈折率の大きい複数のコアを有し、前記第１クラッドの外側に前記第１クラッドより屈折率の小さい材質からなる第２クラッドを有するダブルクラッドマルチコアファイバと、
   コアから励起光を出力するシングルコアマルチモードファイバと
   を光学的に結合するマルチコアファイバ接続部品であって、
   前記シングルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアの各々から出力された前記複数の信号光の各々を前記ダブルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアの各々に結合し、前記シングルコアマルチモードファイバの前記コアから出力された前記励起光を前記ダブルクラッドマルチコアファイバの前記第１クラッドに結合する光学系を備えることを特徴とするマルチコアファイバ接続部品。
2. 前記光学系は、前記シングルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアの各々から出力された前記複数の信号光をコリメートする第１のレンズと、
   当該コリメートされた信号光及び前記励起光が入射され、当該入射した前記コリメートされた信号光及び前記励起光を合波するダイクロイックミラーと、
   当該合波光が入射され、前記合波光のうちの前記複数の信号光の各々を前記ダブルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアの各々に結合し、前記ダブルクラッドマルチコアファイバの端面におけるコア配置の中心を通るコア間の対角線のうちの長さが最小である対角線の長さを直径とする円の内側に、前記合波光のうちの前記励起光を集光させるように構成された第２のレンズと
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のマルチコアファイバ接続部品。
3. 前記光学系は、前記第１のレンズと前記ダイクロイックミラーとの間に、光アイソレータアレイをさらに備え、
   前記光アイソレータアレイは、偏波分離素子と、ファラデー回転素子と、偏波合成素子とを前記シングルクラッドマルチコアファイバ及びダブルクラッドマルチコアファイバのコア数分備えることを特徴とする請求項２に記載のマルチコアファイバ接続部品。
4. 前記シングルクラッドマルチコアファイバ及び前記ダブルクラッドマルチコアファイバのコア配置は、円環状配置又は多角形環状配置であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマルチコアファイバ接続部品。
5. 前記ダブルクラッドマルチコアファイバの前記複数のコアに希土類イオンが添加されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマルチコアファイバ接続部品。

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