NTT技術ジャーナル　2017.3 23

特集

空間分割多重光増幅技術の分類

マルチコアファイバ（MCF）やフューモードファイバ（FMF）を用いる光伝送システムを長距離化するためには，従来のシングルコア・シングルモードファイバを用いた光伝送システムと同様に，光増幅器を用いた光中継が必要となります．光増幅器としては，シングルモード光伝送システムと同様に増幅媒体としてエルビウム添加ファイバ（EDF: Erbium-Doped Fiber）＊を用いた光増幅器となりますが，複数の空間チャネルを一括して増幅する光増幅技術の実現が求められ，ここ数年活発に研究開発が行われています．空間分割多重光増幅技術には大きく ２ つに分類され， １ つは １本の光ファイバに複数のエルビウム添加コアを有するMCF型の増幅媒体を利用するマルチコア・エルビウム添加ファイバ増幅器（MC-EDFA: Multi-Core Erbium-Doped Fiber Ampli-fier）であり，もう一方は，マルチモードファイバの一種で励振される高次モードを制限したFMF型の増幅媒体を利用するフューモード・エルビウム添 加 フ ァ イ バ 増 幅 器（FM-EDFA:

Few-Mode Erbium-Doped Fiber Am-pli fier）です．

MC-EDFA

MC-EDFAについて，励起方式およびEDF構造から分類したものを表に示します．励起方式は，励起光と信号光を合波してコアに入力するコア励起と，クラッド励起に分類されます．コア励起は，従来EDFAの光部品の適用が可能であって，かつ高い励起効率で増幅ができます．また，既存技術で実用システム適用にあたって不可欠の高速利得制御が実現可能であるという利点があります．しかし，従来EDFAの並列化に近い形態となるためサイズ・消費電力の低減が課題となります．

一方のクラッド励起は，ファイバレーザで使用される高出力の非電子冷却マルチモード半導体レーザ（LD: Laser Diode）を励起光源として用いることができるため，励起光源数の低減による小型化および消費電力低減が期待されています．しかしクラッド励起では，励起光パワー密度低下に起因する低い励起効率の改善と同励起に特化した部品開発が必要となるとともに，高速利得制御実現技術が課題とな

ります．マルチコア用EDFとしては，シン

グルコアEDFを基本としたバンドルEDFやマルチエレメントEDFと，同一クラッドに複数コアを有するMC-EDFとに分類されます．バンドル・マルチエレメントEDFはシングルコアEDFをベースとしているため既存製造技術が適用でき，さらにはバンドルEDFではEDF間の利得調整も容易となります．一方のMC-EDFは複数増幅コアの一括作製によるコスト削減・サイズ低減が期待できます．これらのEDFで共通する課題はファイバの細径化とコア間クロストークになります．また，バンドルEDFでは複数本のシングルコアEDFを束ねる技術開発，それ以外のEDFではコア間の特性均一化が課題となります．■コア励起MC-EDFA

典型的なコア励起MC-EDFA構成を図 １（a）に示します．ファンイン/ファンアウト（FI/FO）を用いて，MC-EDFのコアごとにシングルコアファ

マルチコア光ファイバ増幅器 フューモード光ファイバ増幅器 エルビウム添加ファイバ

＊エルビウム添加ファイバ：コアにエルビウムイオンを添加したファイバで，励起光を吸収して励起状態にあるエルビウムの誘導放出を利用して信号光を増幅します．

将来の大容量光ネットワークを支える空間多重光通信技術の最先端

空間分割多重光増幅基盤技術

本稿では，空間分割多重光伝送システムにおける複数の空間チャネルを一括して増幅するための光増幅技術として研究開発を進めている，マルチコアファイバ技術やフューモードファイバ技術を応用したマルチコア・エルビウム添加ファイバ増幅器，およびフューモード・エルビウム添加ファイバ増幅器について紹介します．

小お の

野 浩ひろたか

孝

NTT先端集積デバイス研究所

NTT技術ジャーナル　2017.324

イバに分離し，波長多重用カプラを使用して励起光と信号光を合波してコアごとに独立に入力して信号光を増幅しま す． ま た，FI/FOを 用 い たMC-EDFAでは各コア信号光伝搬の向きは任意に設定することができるため，隣接コア間で信号光伝搬の向きを互いに反対にすることにより低クロストーク化を図ることができます（１）（図 １（b））．このクロストーク低減構成を用いた，１２コアファイバ伝送用のMC-EDFAも作製され，容量距離積 １ Ebit/s·kmの長距離MCF伝送実験でその有効性が確認されています（２）．この伝送実験で使用されたMC-EDFAでは， ７ コアEDF２本のそれぞれ外周 ６ コアを使用し，隣接コア間で信号光伝搬の向きを互いに反対に設定した構成を採り，１２コアすべてで波長域１5２６〜１5６６ nmにおいて，利得１１.4 dB以上，雑音指数６.5 dB以下の特性（図 １（c））とともにコア間クロストーク−53 dB以下を実現しています．このクロストーク値

は，仮に全コアを同一方向に信号を伝搬させたときと比較して 9 dB低い値となっています．なお，コア励起では，増幅用ファイバとしてはMC-EDFのほか，クラッド細径化したEDFをバンドルした細径EDFバンドルを用いても同様の構成で実現できます（3）．■クラッド励起MC-EDFA

クラッド励起MC-EDFAの増幅器構成を図 ２（a）に示します．増幅用ファイバとしては，ダブルクラッド・マルチコア・イッテリビウム共添加EDFを用いています．これは，クラッド励起では前述したように第 １ クラッド中の励起光パワー密度が小さいことによる励起効率低下の課題を解消するために，EDFに励起光の増感作用のあるイッテリビウムイオンを共添加することによってクラッド励起の高効率化が検討されています．ダブルクラッド・マルチコアで使用される増幅用ファイバの断面構造は図 ２（a）に示したように，ガラスクラッドである第 １ クラッ

ド内に六角形環状配置の１２コアを有し，第 １ クラッドの外側にポリマークラッドの第 ２ クラッドと被覆がある，ダブルクラッド構造となっています．励起光源にはコア直径１05 μm，クラッド直径１２5 μmマルチモードファイバ出力の9７６ nmのマルチモードLDを使用しています．励起光の結合部は，励起光源のマルチモードファイバとダブルクラッド・イッテリビウム共添加EDFと同じ断面構造のダブルクラッドファイバから構成され，マルチモードファイバの一部をテーパー加工し，そのテーパー加工部を被覆および低屈折率の第 ２ クラッドを除去したダブルクラッドファイバへ巻き付けることにより作製しています．励起光結合部のダブルクラッドファイバとダブルクラッド・イッテリビウム共添加EDFとは融着接続し，励起光結合部でダブルクラッドファイバの第 １ クラッドへ結合・伝搬した励起光をダブルクラッド・イッテリビウム共添加EDFの第

表　MC-EDFA における励起方式およびEDF の分類

コア励起 クラッド励起

励起方式

コアごとに励起光と信号光を合波して入力 クラッド伝搬励起光で全コア一括励起

利点従来増幅器の光部品の適用可高励起効率高速利得制御可能

励起光源数の低減・コンパクト化・消費電力低減の可能性

課題 サイズ・消費電力の低減励起効率の向上励起用部品開発高速利得制御の実現

ファイバ シングルコアEDF マルチコアEDF マルチコアEDF シングルコアEDF

構造バンドル シングルクラッド ダブルクラッド マルチエレメント

利点 既存製造技術適用EDFごとの利得調整可 複数増幅コアの一括作製によるコスト削減・サイズ低減 既存製造技術の適用可

課題ファイバ細径化，クロストーク抑制

バンドル化技術開発 コアごとの特性均一化

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NTT技術ジャーナル　2017.3 25

特集

１ クラッド端面から入力させ， EDF入力部が非励起とならないようにしています．増幅器の入出力端には１２コア光アイソレータを融着接続してレーザ

発振を抑制しています．この１２コアクラッド励起MC-EDFA

で 8 チャネル波長多重信号を増幅したときの利得および雑音指数を図 ２（b）

に示します．信号光パワーは−１4 dBm/ch （総信号光パワー− 5 dBm），入力励起光パワーは3.4 Wのとき，全１２コアで１534 nmより長波長において１0 dB以上の利得および8.７ dB以下の雑音指数を確認できました．このときの励起LD駆動に要した消費電力は約１0 Wあり，同様な増幅を従来EDFA １２台で行ったときの消費電力約２0 W

（環境温度６5 ℃）と比較して消費電力が約 ２ 分の １ に低減できています．また，高密度空間分割多重用光増幅器として，ダブルクラッド・イッテリビウム共添加EDFを用いた3２コア一括増幅タイプのMC-EDFAも実現されています（4）．ただし，短波長域ではエルビウムイオンの強い吸収により利得および雑音指数の劣化がみられます．このことから，イッテリビウム共添加EDFが増幅帯域の広帯域性に課題があることが分かり，今後エルビウム・イッテリビウム添加ファイバの最適化やイッテリビウム共添加を用いないEDFによる高効率増幅などの検討が必要となります．

FM-EDFA

FM-EDFAにおける課題の １ つは，モード間利得差です．モード間利得差はファイバ断面における励起されたエルビウムイオン分布と信号光強度分布の重なりがモード間で異なることが主な要因であるため，一般的にはコアへのエルビウムイオン添加分布や励起光強度分布の調整によるモード間利得差低減の検討が進められています（5），（６）．しかし，これらの方法はEDFへのエルビウム添加分布を持たせることは増幅用ファイバであるEDFの製造をより難しくしたり，励起光強度分布を調整するデバイスによる励起光パワーの

（c） 12コアファイバ伝送用の伝搬方向インターリーブ構成MC-EDFAの利得・雑音特性

1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565

波長

(nm)

(dB)

利得・雑音指数

入力信号光パワー : +6 dBm

雑音指数

利得

20

15

10

5

0

CH1CH2CH3CH4

CH5CH6CH7CH8

CH9CH10CH11CH12

図 1 　コア励起MC-EDFA

（b） 伝搬方向インターリーブ構成

励起LD

励起LD

FI/FO

FI/FO

励起LD

励起LD

断面

（a） 全コア同一方向伝搬構成7コアEDF断面

励起LD

励起LD

励起LD

励起LD

FI

FO

WDMカプラ

光アイソレータ

NTT技術ジャーナル　2017.326

損失が増加したりするなどの課題があります．そこで，NTTではこれらとは異なる断面構造を持つリングコアEDFによるモード間利得差低減方法を検討しています（図 ３（a））．リングコアでは，LP01モード信号光とLP１1

モード信号光の強度分布がともに双頭形となって類似した分布形状となるため，両モードにおいてエルビウムイオン分布と信号光との重なりの差がモード間で小さくなる結果，モード間利得差低減を改善できるようになります

（図 3（a）下）．そのため，EDFへのエルビウム添加分布を従来と同様に一様分布とすることができたり，励起光強度分布機能が不要であったりするなどのメリットがあります．

リ ン グ コ アEDFを 用 い たFM-EDFAの利得・雑音特性を図 3（b）に示します．リングコアの内半径（Ri）と外半径（Ro）を最適化した結果，従来 の 円 形 コ アEDFを 用 い たFM-EDFAよりモード間利得差が4.5 dB改善できており，リングコアEDFを用

いたFM-EDFAを光中継器として利用した長距離モード分割多重光伝送実験により，その有用性も確認できています（７）．

今後の展開

本稿では，空間分割多重用光増幅技術として研究が進められているMC-EDFAおよびFM-EDFAの研究動向を紹介しました．今後，これらの光増幅器を光ネットワークへ適用する際に必要となる制御技術について研究開発

ダブルクラッド・マルチコアファイバ（第2クラッドおよびコーティング除去）

図 2 　クラッド励起MC-EDFA

（b） 利得・雑音特性波長

利得

雑音指数

（nm）1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565

20

15

10

5

0

（dB）

利得・雑音指数

（c） 外観写真

430 × 350 × 132.5 mm

低屈折率ポリマー被覆

テーパー部マルチモードファイバ

（a） 光増幅器構成と励起光結合部構成

×：融着接続点マルチモードLD

マルチコアファイバ ダブルクラッド・マルチコアファイバ

ダブルクラッド・マルチコアEYDF

コア第1クラッド第2クラッド被覆

MCF

将来の大容量光ネットワークを支える空間多重光通信技術の最先端

NTT技術ジャーナル　2017.3 27

特集

を進めていきます．なお，今回紹介した光増幅技術は，

株式会社フジクラ，大阪府立大学，島根大学，千歳科学技術大学との共同研究によるものです．

■参考文献（1） H. Ono, M. Yamada, K. Takenaga, S. Matsuo,

Y. Abe, K. Shikama, and T. Takahashi：“Amplification method for crosstalk reduction in a multi-core fibre amplifer，” Electron. Lett.， Vol. 49， No. ２ ， pp. １38‒１40， ２0１3.

（2） T. Kobayashi, H. Takara, A. Sano, T. Mizuno, H. Kawakami, Y. Miyamoto, K. Hiraga, Y. Abe, H. Ono, M. Wada, Y. Sasaki, I. Ishida, K. Takenaga, S. Matsuo, K. Saitoh, M. Yamada, H. Masuda, and T. Morioka：“２×344 Tb/s pro pagation-direction interleaved trans-mission over １500-km MCF enhanced by multicarrier full electric-field digital back-propagation，” Proc. of　ECOC　２0１3，Post deadline Papers，PD3.E.4，London，U.K.，Sept. ２0１3．

（3） K. Tsujikawa, L. Ma, K. Ichii, S. Matsuo, M. Yamada, N. Hanzawa, and H. Ono：“Optical fiber amplifier employing a bundle of reduced cladding erbium-doped fibers for multi-core f iber transmiss ion，” Proc . of IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting on Space Division Multiplexing for Optical Systems and Networks，WC3.２，Seattle，U.S.A.，July ２0１２．

（4） S. Jain, T. Mizuno, Y. Jung, Q. Kang, J.R. Hayes, M.N. Petrovich, G. Bai, H. Ono, K. Shibahara, A. Sano, A. Isoda, Y. Miyamoto, Y. Sasaki, Y. Amma, K. Takenaga, K. Aikawa, C. Castro, K. Pulverer, Md Nooruzzaman, T. Morioka, S. U. Alam, and D. J. Richardson：“3２-core inline multicore fiber amplifier for dense space division multiplexed transmission system，” Proc. of ECOC ２0１６，Postdeadline Papers，Th.3.A.１，Düsseldorf，Germany，Sept. ２0１６．

（5） E. Ip, M.-J. Li, K. Bennett, A. Korolev, K. Koreshkov, W. Wood, C. Montero, and J. Liñares：“Experimental characterization of a ring-profile few-mode erbium-doped fiber amplifier enabling gain equalization，” Proc. of OFC ２0１3，JTh２A.１8，Anaheim，U.S.A.，March ２0１3．

（6） N. Bai, E. Ip, T. Wang, and G. Li：“Multimode fiber amplifier with tunable modal gain using a reconfigurable multimode pump，” Opt. Express，Vol.１9，No.１7，pp.１６６0１‒１６６１１，２0１１．

（7） K. Shibahara, T. Mizuno, H. Takara, A. Sano, H. Kawakami, D. Lee, Y. Miyamoto, H. Ono, M. Oguma, Y. Abe, T. Kobayashi, T. Matsui , R. Fukumoto, Y. Anma, T. Hosokawa, S. Matsuo, K. Saito, H. Nasu, and T. Morioka：“Dense SDM （１２-core × 3 -mode） trans-mission over 5２７ km with 33.２-ns mode-dispersion employing low-complexity parallel MIMO frequency-domain equalization，” Proc. of OFC ２0１5，Postdeadline Papers，PD.Th5C.3，Los Angeles，U.S.A.，March ２0１5．

小野 浩孝

今回紹介した技術は，将来の光ネットワークの飛躍的な大容量化を実現するための必要不可欠な技術になっていくと期待されています．今後も持続的な光ネットワークの発展に向けた，革新的な基盤技術の確立をめざします．

◆問い合わせ先NTT先端集積デバイス研究所 光電子融合研究部

TEL 046-240-4376FAX 046-240-2107E-mail　ono.hirotaka lab.ntt.co.jp

図 3 　FM-EDFA

1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565波長

(nm)

（b） リングコアEDFを用いたFM-EDFAの利得・雑音特性

雑音指数 従来型（ステップ型）屈折率分布

リング型屈折率分布 LP11LP01

LP01LP11

利得・雑音指数

25

20

15

10

5

0

(dB)

利得

1.6 dB（リングコア）

6.1 dB （円コア）

4.5 dBの改善

（a） ファイバ断面構造およびエルビウムイオン分布と光強度分布の比較

従来EDF（円コア） リングコアEDFリングコア クラッド

内側コア

コア クラッド

エルビウムイオン分布（＝屈折率分布）LP01モード信号光強度分布

LP11モード信号光強度分布

Ri Ro