Optical amplification technology for radio-over-fiber transmission with optical power supply

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K22419
• Research Institution: Shonan Institute of Technology
• Principal Investigator: 小野 浩孝 湘南工科大学, 工学部, 准教授 (00522343)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2022-03-31
• Keywords: 光ファイバ給電 / 無線伝送 / 光中継 / エルビウム添加ファイバ増幅器

Outline of Annual Research Achievements

R2年度は、クラッド励起エルビウム添加ファイバ増幅器（EDFA）の計算モデルを使用したシミュレーションにより、信号光、励起光、給電光波長の最適化を実施した。まず、シミュレーションを行うにあたって、従来のクラッド励起EDFA計算モデルを拡張し、信号光の励起状態吸収（ESA）を含むモデルとすることにより、Ｌ帯の信号波長帯においてより正確な計算を可能とした。シミュレーションでは、信号光波長と励起光波長の組み合わせに対し、EDFAの増幅媒体であるエルビウム添加ファイバ（EDF）における励起光の減衰量とEDFの増幅特性を、励起光波長として800帯、980帯、1480 nm帯、信号光波長としてC帯およびＬ帯について計算した。その結果、信号波長帯C帯およびＬ帯の両波長帯において、EDFA増幅による励起光の減衰は1480 nm帯が最も小さく、励起光波長帯としては1480 nm帯が最良であることを明らかにした。さらに、1480nm帯における励起光波長依存性を1440-1490 nmの範囲で計算し、EDFA増幅による励起光の減衰が短波長光ほど小さくなることもわかった。一方、伝送ファイバによる給電光の減衰は上記励起光波長帯の中では1480 nm帯の減衰が最も小さい。以上の結果から、信号対波長がC帯、Ｌ帯に関わらず、給電光と励起光波長を1480 nm帯に一致させ、さらに給電光（=励起光)波長を同波長帯において可能な限り短波長に設定することが最適であることを明らかにした。
これらの研究結果は、特に給電光と励起光波長を1480 nm帯に一致されられることを明らかにしたことが重要である。また、R3年度に実施するクラッド励起EDFAの増幅用ファイバであるダブルクラッド構造の最適化を励起光波長1480 nm帯で実施すればよいことを示した点で、次年度につながる成果といえる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

R2年度は、クラッド励起EDFAにおける励起光の減衰量とEDFの増幅特性を、励起光波長として800帯、980帯、1480 nm帯、信号光波長としてC帯およびＬ帯について計算することにより、信号対波長がC帯、Ｌ帯に関わらず、給電光と励起光波長を1480 nm帯に一致させ、さらに給電光（=励起光)波長を同波長帯において可能な限り短波長に設定することが最適であることを示した。このことにより、給電光の減衰を最大限抑制して光増幅と給電光の電力効率を最大化する信号光、励起光、給電光の各波長を明らかにする、というR2年度当初計画は達成できている。
なお、R2年度は雑誌論文、学会発表等の創出を実施していないが、この点も当初計画どおりであり、R3年度にまとめてこれらの研究成果創出を行う。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究については、(1) 増幅用のダブルクラッドファイバ構造の最適化と(2) 実験による最適パラメータの実証を計画している。
(1)の増幅用ダブルクラッドファイバ構造の最適化に関して、EDFAの増幅用ファイバにおいて、信号光が伝搬するコア半径は信号光の増幅特性に影響する。また、クラッド励起EDFAでは、増幅用のダブルクラッドEDFの内側クラッド半径は伝送できる給電光パワーに影響するだけでなく、その大きさにより励起光パワー密度が変化するため信号光の増幅特性にも影響を与える。R2年度の研究結果により給電光と励起光波長を1480 nm帯に一致されられることがわかったため、R3年度では、給電光および励起光波長を1480 nm帯とし、信号波長C帯およびＬ帯のそれぞれについて、EDFAの増幅特性をシミュレーションにより計算することにより、所望の給電光パワーを伝送できる、すなわち、給電光（=励起光）の減衰が少なく、且つ所望の増幅特性が得られるようにコア半径およびクラッド半径を最適化する。ここで、所望の増幅特性はシステム依存がある。これは、光中継点までの伝送ファイバ損失により入力信号光パワーが変化するため、その伝送ファイバ損失を補償すべき利得が入力信号光パワーに依存するからである。そのため、入力信号光パワーを25 dB程度の範囲のさまざまな値を設定して、その入力信号光パワーに対して必要な利得が得られる増幅条件でコア半径およびクラッド半径の組み合わせを探索し、最適なコア半径およびクラッド半径の値を得る。
(2)の実験による最適パラメータの実証は、クラッド励起EDFAの増幅用ファイバおよび各種構成部品を調達して光増幅器を作製し、給電光と励起光波長を1480 nm帯に一致させることができるというR2年度の計算結果を電力効率の観点で実験的に解析を行う。