JP2002009376A - 光増幅用光ファイバ - Google Patents

光増幅用光ファイバ

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JP2002009376A JP2000189341A JP2000189341A JP2002009376A JP 2002009376 A JP2002009376 A JP 2002009376A JP 2000189341 A JP2000189341 A JP 2000189341A JP 2000189341 A JP2000189341 A JP 2000189341A JP 2002009376 A JP2002009376 A JP 2002009376A
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景一 相曽
Norio Tashiro
至男 田代
Takeshi Yagi
健 八木
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Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 濃度消光による増幅効率低下および非線形性
を抑制することが可能な光増幅用光ファイバを提供す
る。 【解決手段】 エルビウムイオンを添加した光増幅用光
ファイバのコア部分に、少なくともエルビウムのイオン
半径と比較し７０％以上１３０％以下のイオン半径を有
するエルビウムイオン以外の希土類元素の内から少なく
とも一つ、例えばＹｂを添加する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】本発明は、主に光通信システムに
利用される光増幅器に関し、具体的には光増幅器に用い
られる光増幅用光ファイバに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、インターネット等による通信需要
の急激な増大により、光ファイバ伝送路における伝送容
量拡大の検討が活発に行われている。それに伴い波長多
重（ＷＤＭ）光伝送システムにおける大容量化、すなわ
ちチャンネル数の増大や伝送帯域の拡大が進行してい
る。ＷＤＭ光伝送路での大容量化のためには、信号光を
増幅する光増幅器の高出力化、広帯域化の実現が不可欠
であり、光増幅器が益々重要なキーデバイスとして着目
されている。
【０００３】ＷＤＭ信号のチャンネル数増加に従い、ト
ータルの信号光入力パワーが増大し、それらを一括増幅
する光増幅器に対して、より高い飽和出力が要求される
ようになってきている。そのため光増幅用光ファイバの
高効率化や励起光源の高出力化により、光増幅器出力の
増大がはかられている。
【０００４】また伝送帯域の拡大のため、光増幅器の利
得帯域拡大の検討も進められており、光増幅用光ファイ
バの長尺使用により、従来の増幅波長域よりも長波長域
での利得を有した光増幅器も実現されている。
【０００５】しかし以上のような光増幅用光ファイバの
高出力化と長尺化は、従来では現れていなかった光増幅
用光ファイバ中での非線形現象の発現という新たな問題
を引き起こすに至っている。非線形現象の主なものとし
ては４光波混合や相互位相変調などがあげられる。これ
らの非線形効果により信号光の伝送品質が劣化するた
め、非線形性の抑制が必要不可欠な状況となっている。
【０００６】非線形現象による波形歪みは下記の数式に
よって見積もることができる。
【０００７】
【数１】
【０００８】なお、数１において、Ｌeff は有効ファイ
バ長、Ａeff は有効コア断面積、ｎ 2 は非線形屈折率、
Ｐは入力光強度である。
【０００９】波形歪みを抑制するためには、有効ファ
イバ長を短くする、非線形定数（ｎ2 ／Ａeff ）を小
さくする、とよいことが数１からわかる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】ところで、使用するフ
ァイバ長を短くするためには、希土類元素の添加量を増
やして、単位長さあたりの利得係数を高める必要があ
る。しかし１．５５μｍ帯の光増幅器として実用化され
ているエルビウム添加光ファイバでは、エルビウム濃度
を高めていくと、濃度消光による増幅効率低下を引き起
こす。
【００１１】一般的に濃度消光が起こる限界のエルビウ
ム濃度としては純石英（ＳｉＯ2）ホストの場合、数百
ｗｔｐｐｍ、濃度消光の抑制効果のあるアルミニウムを
共添加したＡｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2ホストの場合でも１００
０ｗｔｐｐｍ程度と言われており（例えば、R.I.LAMIN
G,D.N.PAYNE,F.MELI,G.GRASSO,E.J.TARBOX , "SATURATE
D ERBIUM-DOPED FIBRE AMPLIFIERS",OAA'90.Tech.Diges
t MB3.を参照）、そのためエルビウム添加光ファイバの
短尺化には限界がある。
【００１２】もう一つの非線形性抑制手段として、有効
コア断面積Ａeff の拡大があげられるが、一般的にエル
ビウム添加光ファイバにおける有効コア断面積は通常の
単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）に比べ、一桁小さい値
である。これはエルビウム添加光ファイバにおける利得
特性を高効率化するために、コア部のクラッド部に対す
る比屈折率差Δを上げることで励起光密度を高めてコア
全体にわたって良好な反転分布を形成させるためであ
る。
【００１３】さらに光増幅用光ファイバは通常の伝送用
光ファイバに比べ、コア部に多種多量のドーパントを含
んでいるが、そのことが有効コア断面積の制御をより困
難なものとしている。
【００１４】例えば、活性物質である希土類元素以外に
も、希土類元素のホストガラスへの溶解度を上げる元
素、ホストガラスの屈折率を上げる元素、利得波長特性
を変化させる元素、増幅特性を改善させる元素、ガラス
の粘度調整のために添加する元素等多くの元素を含有す
る。これらコア部に添加される希土類元素以外の元素
は、コドーパントと称される。
【００１５】これらのコドーパントの添加濃度は光増幅
器における増幅特性の最適化の観点から決定され、この
ことがコドーパントの多様性と相まって屈折率の制御を
極めて困難にしている。
【００１６】これまでは屈折率を上げるコドーパントと
してゲルマニウムが使われてきた。ゲルマニウムは屈折
率を上げるためだけでなくコア部の粘度調整のためにも
有効である。また、上記のような光増幅用光ファイバに
添加するコドーパントもゲルマニウムと同様に全て屈折
率を上げる物質である。
【００１７】しかし、上記コドーパントの添加により比
屈折率差Δが高くなってしまうので、非線形性を抑制す
ることが困難になっている。また先に述べたように使用
長を短くする、つまり作用長を短くすることも非線形性
を抑制するために必要だが、このためには希土類元素、
及びコドーパントの添加量を増加させる必要があり、こ
のことがさらに比屈折率差Δを上げる要因になってしま
っている。
【００１８】以上のような問題を鑑みて、非線形現象を
抑制した増幅器用光ファイバを実現するために、エルビ
ウムの添加濃度限界を向上させる手法や希土類元素やそ
の他のコドーパントの添加濃度に依らずに所望の有効コ
ア断面積Ａeff を実現するための新たな手法が求められ
ている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、以上の
ような問題点に鑑み、以下に記載の手段によって、非線
形現象を抑制した光増幅用光ファイバを提供することに
ある。
【００２０】本発明の第１の解決手段は、コア部とクラ
ッド部とからなり、前記コア部に少なくともエルビウム
イオンを添加した光増幅用光ファイバであって、前記コ
ア部にはさらに、エルビウムのイオン半径と比較し７０
％以上１３０％以下のイオン半径を有するエルビウムイ
オン以外の希土類元素イオンが少なくとも一種類添加さ
れていることを特徴とする。
【００２１】また、本発明の第２の解決手段は、第１の
解決手段において、前記コア部にアルミニウムが添加さ
れていることを特徴とする。
【００２２】また、本発明の第３の解決手段は、第２の
解決手段において、前記コア部に添加されたアルミニウ
ムのイオン個数が希土類元素の総イオン個数の６倍以上
であることを特徴とする。
【００２３】また、本発明の第４の解決手段は、第１の
解決手段において、前記コア部にリンが添加されている
ことを特徴とする。
【００２４】また、本発明の第５の解決手段は、第１な
いし第４のいずれかの解決手段において、前記コア部に
純石英の屈折率を低下させる物質が添加されていること
を特徴とする。
【００２５】また、本発明の第６の解決手段は、第５の
解決手段において、前記純石英の屈折率を低下させる物
質は、フッ素であることを特徴とする。
【００２６】また、本発明の第７の解決手段は、第１な
いし第６のいずれかの解決手段において、前記コア部に
はゲルマニウムが実質的に添加されていないことを特徴
とする。
【００２７】また、本発明の第８の解決手段は、第１な
いし第７のいずれかの解決手段において、前記クラッド
部の少なくとも一部に、純石英の屈折率を増大させる物
質が添加されていることを特徴とする。
【００２８】また、本発明の第９の解決手段は、第８の
解決手段において、前記純石英の屈折率を増大させる物
質は、ゲルマニウム、リン、アルミニウムの少なくとも
一つであることを特徴とする。
【００２９】第１ないし第４の解決手段を用いることに
より、濃度消光による効率低下なくエルビウムの高濃度
化が達成され、使用ファイバ長を短くできる。これはエ
ルビウム以外の希土類元素を共添加することで、これら
のイオンがエルビウムイオンを取り囲むことにより、エ
ルビウムイオン間の距離が大きくなり、エルビウムイオ
ン相互作用が抑制されるためである。
【００３０】また第５ないし第９の解決手段を用いるこ
とにより、非線形定数を低減した光増幅用光ファイバが
実現可能となる。これは第５ないし第９の解決手段によ
り、希土類元素、アルミニウム、リンなどのドーパント
の種類、濃度に依らず、コア、クラッド間の屈折率差に
おける調整の自由度が増すことで、任意に有効コア断面
積（Ａeff ）を拡大でき、結果として非線形定数（ｎ2
／Ａeff ）を拡大できるためである。
【００３１】非線形現象による波形歪みの量は有効作用
長Ｌeff と非線形定数（ｎ2 ／Ａef f ）の積に比例す
る。本発明の手段を用いることで、有効作用長と非線形
定数をそれぞれ低減でき、結果として光増幅用光ファイ
バ中における非線形現象の発現が抑制でき、光信号の伝
送品質劣化のない光増幅器が実現可能となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。本発明の実施形態は、図１に示すような
屈折率分布構造を有する光増幅用光ファイバである。こ
こで、図１において、１はコア部、２はクラッド部であ
り、コア部１はクラッド部２に対する比屈折率差Δを有
する。
【００３３】まず、第１の実施形態は、光増幅用光ファ
イバのコア部１に、エルビウムの他にエルビウム以外の
希土類元素を共添加したものである。
【００３４】第１の実施形態の具体例としての第１実施
例は、光増幅用光ファイバのコア部１にエルビウム（Ｅ
ｒ）の他にイッテルビウム（Ｙｂ）を共添加し、エルビ
ウム−イッテルビウム添加光ファイバとしたものであ
る。
【００３５】また、第１の実施形態の具体例としての第
２実施例は、光増幅用光ファイバのコア部１にエルビウ
ム（Ｅｒ）の他にランタン（Ｌａ）を共添加し、エルビ
ウム−ランタン添加光ファイバとしたものである。
【００３６】一方、本発明の従来技術に相当する光増幅
用光ファイバを従来例として図６に示す。図６におい
て、１はコア部、２はクラッド部であり、コア部１はク
ラッド部２に対する比屈折率差Δを有する点で図１と共
通しているが、クラッド部２の屈折率がシリカレベルよ
り低くなっている。
【００３７】すなわち、従来例１、２ではＥＤＦにおけ
るコア部１に屈折率を上げるドーパントとしてゲルマニ
ウムを添加し、さらにクラッド部２にフッ素を添加して
比屈折率差Δを大きくしている。このことにより励起光
密度を高め、良好な励起効率を実現させようとしている
が、非線形現象を抑制することは考慮されていない。
【００３８】ここで、本発明の実施形態における実施例
１および実施例２のパラメータと、比較例としての光増
幅用光ファイバのパラメータと、これらの光ファイバに
おいてエルビウム濃度と励起光強度に対して最適な長さ
と、その時のエネルギー効率を比較した結果とを、あわ
せて表１に示す。なお、このときの励起光波長は１４８
０ｎｍ、信号光波長は１５６０ｎｍとした。
【００３９】
【表１】
【００４０】表１のとおり、光増幅用光ファイバのコア
部にイッテルビウムまたはランタンを添加することで高
エルビウム濃度、短尺で、高いエネルギー効率を示し、
本発明の効果が確認された。
【００４１】以上の結果から、イッテルビウムやランタ
ンがエルビウム濃度消光抑制の効果を有することが確認
できた。コア部にアルミニウムまたはリンを添加して
も、ある程度濃度消光抑制効果が得られることが知られ
ているが、エルビウム添加濃度が１０００ｗｔｐｐｍを
越える濃度では濃度消光が起こってしまう。これは従来
例１におけるエネルギー効率測定の結果からも明らかで
ある。
【００４２】本発明における実施例のようにイッテルビ
ウムやランタンを共添加することでエルビウム濃度が２
０００ｗｔｐｐｍを越えても濃度消光による顕著な効率
低下が起こらないことが確認された。
【００４３】これは共添加された複数のイッテルビウム
イオン、あるいはランタンイオンがエルビウムイオンを
取り囲みクラスターを形成することで、エルビウムイオ
ン間の距離が拡がり、エルビウムイオン相互作用が抑制
されたためである。異なる種類のイオン間でのクラスタ
リング形成の度合いは、それぞれのイオン形状、電子配
置等が微妙に関係してくる。
【００４４】従って同様な電子配置を有し、イオン半径
がエルビウムイオンと同程度の物質であれば、イッテル
ビウムとランタンと同様なエルビウムイオン相互作用抑
制効果が達成される。これらの物質を表２に示す。
【００４５】
【表２】
【００４６】表２に示した希土類元素は、エルビウムイ
オンと同様な電子配置を有し、さらにイオン半径もエル
ビウムイオンの半径と比較して７０％以上１３０％以下
のイオン半径を有する。これらの元素は、４ｆ殻電子の
電子数が異なるが、４ｆ殻電子は５ｓ２、５ｐ６の８個
の電子によって遮蔽されているので、その化学的性質は
相互に非常に似通っている。
【００４７】このことから、これら元素に関してもイッ
テルビウムとランタンと同様なエルビウムイオン相互作
用抑制効果が実現できる。ここでは比較のためエルビウ
ムの値も示した。また、これらの元素は全てその塩化物
が安定に存在し、実際に光ファイバのコアに添加が可能
な希土類元素である。
【００４８】この実施例１、２ではアルミニウムを希土
類元素の溶解度改善のため添加している。もともと希土
類元素はシリカホストへの溶解度が低いため、本発明の
ように希土類元素を大量に添加しようとした場合、希土
類元素のクラスタリングに起因するコア白濁によって伝
送損失増を引き起こす。これを抑制するためにアルミニ
ウムを添加するのが有効である。
【００４９】しかしアルミニウムは純石英の屈折率を上
げる物質であり、コア部１に添加されることにより有効
コア断面積が減少するため、非線形現象の抑制を鑑みた
場合、添加量は最低限で抑えるのが望ましい。
【００５０】そこで希土類元素の総添加量とアルミニウ
ム添加量の比を変えて試作して、クラスタリングの有無
を調査した。その結果、添加されたアルミニウムのイオ
ン個数が希土類元素の総イオン個数の６倍以上であれ
ば、コア白濁は発生しないことが確認された。また同様
にリンを添加することでも希土類元素のクラスタリング
抑制の効果があることが確認された。
【００５１】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。第２の実施形態としての実施例３は、コア部１
にイッテルビウムを共添加したエルビウム−イッテルビ
ウム添加光ファイバのコア部１にさらにフッ素を添加し
たものである。またコア部１にはゲルマニウムを添加し
ていない。
【００５２】すなわち、第２の実施形態は、第１の実施
形態において、ゲルマニウムによるコア部１の過剰な屈
折率上昇を抑え、さらにフッ素添加によりコア部１の屈
折率を低下させたものであるといえる。実施例３におけ
るエルビウム−イッテルビウム共添加光ファイバの諸元
を表３に示す。
【００５３】
【表３】
【００５４】また、実施例１、実施例３、従来例２の光
ファイバにおいて、非線形現象による波形歪みの量を見
積もるため、波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積
Ａef f を測定した。その結果を表４に示す。
【００５５】
【表４】
【００５６】以上の結果から、実施例３において、有効
コア断面積が拡大でき、本発明の効果が確認された。
【００５７】先に述べたエネルギー効率の測定で実施例
１の光ファイバにおいてイッテルビウムを添加すること
で、高エルビウム濃度の光ファイバが得られ、短尺でも
高いエネルギー効率を示すことが明らかになったが、実
施例３の光ファイバでも同程度の長さで同等の高い変換
効率を得た。
【００５８】すなわち、この実施例３のようにコアにフ
ッ素を添加することで有効コア断面積を拡大でき、実施
例１に比較して、さらなる非線形性による波形歪み低減
が可能となった。なぜなら非線形現象による波形歪みの
量は（Ｌeff ／Ａeff ）に比例するためである。
【００５９】実施例３ではコア部１にフッ素を添加し、
ゲルマニウムを添加しないことにより有効コア断面積を
拡大したが、クラッド部２の少なくとも一部に屈折率を
上昇させるドーパントを添加しても同様に有効コア断面
積が拡大される。この場合、屈折率を上昇させるドーパ
ントとしては、ゲルマニウム、リン、アルミニウムのう
ち、少なくとも１つであることが光ファイバの各特性を
損ねない観点から望ましい。
【００６０】また、本発明の実施形態の光増幅用光ファ
イバにおける屈折率分布構造については、図１のような
単純なステップ型のものに限られない。例えば、コア部
１をアルファプロファイルなどにしてもよい。
【００６１】また、図２および図３のように、内側から
コア部１、第１クラッド部３、第２クラッド部４から構
成される２重クラッド型の屈折率分布構造を有するもの
としてもよい。この場合、比屈折率差Δはコア部１と第
１クラッド部３との間で規定される。
【００６２】さらに、図４および図５のように、内側か
らコア部１、第１クラッド部５、第２クラッド部６、第
３クラッド部７から構成される３重クラッド型の屈折率
分布構造を有するものとしてもよい。この場合、比屈折
率差Δはコア部１と第１クラッド部５との間で規定され
る。
【００６３】さらに、図１ないし図５に示したものに限
らず、その他の屈折率分布構造を有するものであっても
よいことは言うまでもない。
【００６４】
【発明の効果】上記のとおり、本発明によれば、コア部
のエルビウム濃度を高くして光ファイバの短尺化を可能
としたため、非線形現象を抑制した光増幅用光ファイバ
が好適に実現可能である。
【００６５】さらに、比屈折率差Δを小さくすること
で、さらに非線形現象を抑制した光増幅用光ファイバが
好適に実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の光増幅用光ファイバの屈折
率分布構造の一例を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態の光増幅用光ファイバの屈折
率分布構造の他の一例を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態の光増幅用光ファイバの屈折
率分布構造のさらに他の一例を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態の光増幅用光ファイバの屈折
率分布構造のさらに他の一例を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態の光増幅用光ファイバの屈折
率分布構造のさらに他の一例を示す説明図である。
【図６】従来の光増幅用光ファイバの屈折率分布構造の
一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ コア部 ２ クラッド部 ３ 第１クラッド部 ４ 第２クラッド部 ５ 第１クラッド部 ６ 第２クラッド部 ７ 第３クラッド部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H050 AB04X AB05Y AB07X AB07Y AB08Y AB10X AB18X AC03 AC13 AC38 AD16 5F072 AB09 AK06 JJ05 JJ20

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 コア部とクラッド部とからなり、前記コ
    ア部に少なくともエルビウムイオンを添加した光増幅用
    光ファイバであって、前記コア部にはさらに、エルビウ
    ムのイオン半径と比較し７０％以上１３０％以下のイオ
    ン半径を有するエルビウムイオン以外の希土類元素イオ
    ンが少なくとも一種類添加されていることを特徴とする
    光増幅用光ファイバ。
  2. 【請求項２】 前記コア部にアルミニウムが添加されて
    いることを特徴とする、請求項１記載の光増幅用光ファ
    イバ。
  3. 【請求項３】 前記コア部に添加されたアルミニウムの
    イオン個数が希土類元素の総イオン個数の６倍以上であ
    ることを特徴とする、請求項２記載の光増幅用光ファイ
    バ。
  4. 【請求項４】 前記コア部にリンが添加されていること
    を特徴とする、請求項１記載の光増幅用光ファイバ。
  5. 【請求項５】 前記コア部に純石英の屈折率を低下させ
    る物質が添加されていることを特徴とする、請求項１な
    いし請求項４のいずれかに記載の光増幅用光ファイバ。
  6. 【請求項６】 前記純石英の屈折率を低下させる物質
    は、フッ素であることを特徴とする、請求項５記載の光
    増幅用光ファイバ。
  7. 【請求項７】 前記コア部にはゲルマニウムが実質的に
    添加されていないことを特徴とする、請求項１ないし請
    求項６のいずれかに記載の光増幅用光ファイバ。
  8. 【請求項８】 前記クラッド部の少なくとも一部に、純
    石英の屈折率を増大させる物質が添加されていることを
    特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載
    の光増幅用光ファイバ。
  9. 【請求項９】 前記純石英の屈折率を増大させる物質
    は、ゲルマニウム、リン、アルミニウムの少なくとも一
    つであることを特徴とする、請求項８に記載の光増幅用
    光ファイバ。
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