JP2002033536A

JP2002033536A - 光増幅用光ファイバ

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Publication number: JP2002033536A
Application number: JP2000214683A
Authority: JP
Inventors: Kunio Ogura; 邦男小倉
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2002-01-31
Anticipated expiration: 2020-07-14
Also published as: JP4531941B2

Abstract

(57)【要約】【課題】信号光を増幅して超高出力で出力することが
でき、長期信頼性の高い光増幅用光ファイバを提供す
る。【解決手段】希土類金属を含むコア１の外周側に、第
１クラッド層２、第２クラッド層３、第３クラッド層４
を順に設け、その屈折率をコア１>第１クラッド層２>第
２クラッド層３>第３クラッド層４とする。第２クラッ
ド層３を石英系ガラスにより、第３クラッド層４をシリ
コーン樹脂により形成する。励起光は主に第１クラッド
層２に入射するが、その一部を第２クラッド層３に入射
することにより、第１クラッド層２と第２クラッド層３
の界面における励起光の反射による発熱を抑制する。第
１クラッド層２と第２クラッド層３のＸＹ断面外周形状
を非真円形状とすることで前記励起光を効率的に反射さ
せ、コア１を伝搬する信号光を効率的に増幅する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば波長分割多
重光伝送等に用いられ、信号光を増幅する光増幅用光フ
ァイバに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】情報社会の発展により、通信情報量が飛
躍的に増大する傾向にあり、このような情報の増大化に
伴い、波長分割多重光伝送（ＷＤＭ伝送）が通信分野に
広く受け入れられ、今や波長多重伝送の時代を迎えてい
る。波長分割多重光伝送は、複数の波長の光を１本の光
ファイバで伝送できるため、大容量高速通信に適した光
伝送方式であり、現在、光増幅用光ファイバを光増幅器
として適用し、この光増幅器の利得帯域である波長での
波長分割多重光伝送が行われている。

【０００３】このような波長分割多重光伝送用として、
例えば中継間隔を長くする目的で、超高出力の信号光を
得られるようにすることが求められており、信号光を増
幅して超高出力で出力する光増幅用光ファイバが提案さ
れている。

【０００４】図５には、この種の光増幅用光ファイバの
提案例が示されている。なお、同図の（ａ）には光増幅
用光ファイバの光軸Ｚに直交するＸＹ断面で切断したと
きの断面図が示されており、同図の（ｂ）には光増幅用
光ファイバの屈折率プロファイルが示されている。

【０００５】これらの図に示されるように、この提案の
光増幅用光ファイバは、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類
金属を含むコア１の外周側に、該コア１より屈折率が低
い第１クラッド層２を設け、該第１クラッド層２の外周
側に該第１クラッド層２より屈折率が低い第２クラッド
層３を設けて形成されている。前記第１クラッド層２
は、光ファイバの光軸Ｚに直交するＸＹ断面で切断した
ときの断面外周形状（ＸＹ断面外周形状）を正方形状と
成している。また、第２クラッド層３の外周側には被覆
６を施している。

【０００６】前記第１クラッド層２は純石英により形成
されており、第２クラッド層３はシリコーン樹脂により
形成されており、被覆６はＵＶ樹脂（紫外線硬化樹脂）
等により形成されている。

【０００７】この提案の光増幅用光ファイバにおいて
は、第１クラッド層２に高パワーの励起光を入力する
と、励起光は第１クラッド層２を伝搬する。ここで、第
１クラッド層２のＸＹ断面外周形状を真円ではない形状
としているので、励起光の伝搬モードのうち、ヘリカル
・ビームと呼ばれる、コアに入射せずにほぼ円周に沿っ
て螺旋状に伝搬する伝搬モードの形成が抑制され、入射
した励起光が第１クラッド層２と第２クラッド層３との
界面で無秩序に反射し、コア１を繰り返し通過する。

【０００８】そのため、第１クラッド層２のＸＹ断面外
周形状を非真円形状とした場合は、第１クラッド層２の
ＸＹ断面外周形状を真円形状とした場合に比べ、コア１
に入射される信号光が励起光によって効率的に増幅さ
れ、超高出力の光を得ることができる。また、励起光は
前記反射によって側面入射に近い状態でコア１に入射す
るので、この点でもコア１の希土類金属を十分に励起す
ることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記提案の
光増幅用光ファイバに高パワーの励起光を入射すると、
第１クラッド層２と第２クラッド層３との界面での反射
により散乱が生じて発熱が生じる。そして、第２クラッ
ド層３に上記発熱による熱的なダメージが生じるといっ
た問題があった。そのため、上記提案の光増幅用光ファ
イバは、短時間の使用であっても上記熱的ダメージによ
って励起光入力側で第２クラッド層３が劣化して変色や
剥離などが生じ、機能を果たすことができず、長期信頼
性が非常に悪かった。

【００１０】本発明は、上記従来の課題を解決するため
になされたものであり、その目的は、信号光を増幅して
超高出力で出力することができ、しかも長期信頼性の高
い光増幅用光ファイバを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は次のような構成をもって課題を解決するた
めの手段としている。すなわち、本第１の発明は、希土
類金属を含むコアの外周側に、該コアより屈折率が低い
第１クラッド層を設け、該第１クラッド層の外周側に該
第１クラッド層より屈折率が低い第２クラッド層を設
け、該第２クラッド層の外周側に該第２クラッド層より
屈折率が低い第３クラッド層を設け、前記第１クラッド
層と前記第２クラッド層の少なくとも一方は光ファイバ
の光軸Ｚに直交するＸＹ断面で切断したときの断面外周
形状を非真円形状と成した構成をもって課題を解決する
手段としている。

【００１２】また、本第２の発明は、上記第１の発明の
構成に加え、前記第１クラッド層の径の最小値を信号光
の波長帯におけるコアのモードフィールド径より大きく
した構成をもって課題を解決する手段としている。

【００１３】さらに、本第３の発明は、上記第１又は第
２の発明の構成に加え、前記第２クラッド層を石英系ガ
ラスにより形成し、第３クラッド層を樹脂により形成し
た構成をもって課題を解決する手段としている。

【００１４】上記構成の本発明において、コアの外周側
には、第１、第２、第３クラッド層が順に設けられてお
り、屈折率が高い順に、コア、第１クラッド層、第２ク
ラッド層、第３クラッド層となっているので、高パワー
の励起光を入力した場合には、第１クラッド層の励起光
のパワー密度を第２クラッド層の励起光のパワー密度よ
り高くすることができる。また、この場合、第２クラッ
ド層を石英系ガラスにより形成すると好ましい。

【００１５】そして、第１クラッド層のＸＹ断面外周形
状を非真円形状とすると、励起光の伝搬モードのうち、
ヘリカル・ビームと呼ばれる螺旋状の伝搬モードの形成
が抑制され、入射した励起光が第１クラッド層と第２ク
ラッド層との界面で無秩序に反射し、コアを繰り返し通
過するため、コアに入射される信号光が励起光によって
効率的に増幅され、超高出力の光を得ることが可能とな
る。また、励起光は前記反射によって側面入射に近い状
態でコアに入射するので、この点でもコアの希土類金属
を十分に励起することが可能となる。

【００１６】また、本発明において、励起光の一部は第
２クラッド層を伝搬するが、第２クラッド層のＸＹ断面
外周形状を非真円形状とすると、上記と同様に、ヘリカ
ル・ビームの形成が抑制され、入射した励起光が第２ク
ラッド層と第３クラッド層との界面で無秩序に反射し、
第１クラッド層の励起光と結合しながらコアを繰り返し
通過するため、コアに入射される信号光が励起光によっ
てより一層効率的に増幅され、超高出力の光を得ること
が可能となる。

【００１７】また、本発明においては、クラッドを３層
構造にすることで、第１クラッド層の励起光のパワー密
度を第２クラッド層の励起光のパワー密度より高くする
ことを可能としており、励起光の大部分は第１クラッド
層と第２クラッド層との界面で反射しながら伝搬するの
で、従来例のような２層構造のクラッドを有する構成に
比べ、石英系クラッド層と樹脂クラッド層との界面を反
射しながら通過する光パワーを減少させることが可能と
なる。したがって、第２クラッド層と第３クラッド層と
の界面での反射による散乱によって生じる発熱が抑制可
能となり、この発熱による光ファイバ劣化を抑制可能と
なる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。なお、本実施形態例の説明におい
て、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重
複説明は省略する。

【００１９】図１、２には、それぞれ、本発明に係る光
増幅用光ファイバの第１実施形態例と第２実施形態例が
示されている。なお、これらの図において、（ａ）には
各実施形態例の光増幅用光ファイバの光軸Ｚに直交する
ＸＹ断面で切断したときの断面図が示されており、
（ｂ）には各光増幅用光ファイバの屈折率プロファイル
が示されている。

【００２０】これらの図に示されるように、本第１、第
２実施形態例の光増幅用光ファイバは、エルビウム（Ｅ
ｒ）等の希土類金属を含むコア１の外周側に、該コア１
より屈折率が低い第１クラッド層２を設け、該第１クラ
ッド層２の外周側に該第１クラッド層２より屈折率が低
い第２クラッド層３を設け、さらに、第２クラッド層３
の外周側に該第２クラッド層３より屈折率が低い第３ク
ラッド層４を設けて形成されている。なお、第３クラッ
ド層４の外周側には被覆６を施しており、被覆６の屈折
率は各クラッド層２，３，４よりも高く形成されてい
る。

【００２１】また、本第１、第２実施形態例では、前記
第１クラッド層２と第２クラッド層３の両方の、光ファ
イバの光軸Ｚに直交するＸＹ断面で切断したときの断面
外周形状（ＸＹ断面外周形状）を、非真円形状である正
方形状となるようにしている。なお、例えば第１クラッ
ド層２の断面外周の一辺（上記正方形状の一辺）は６０
μｍとし、第２クラッド層３の断面外周の一辺は１８０
μｍとした。また、コア１の直径は８．５μｍ、第３ク
ラッド層４の直径（外径）は３５０μｍ、被覆６の直径
（外径）は４００μｍとした。

【００２２】さらに、第１、第２実施形態例において、
第１クラッド層２の径を、（径が最小のところにおいて
も）コア１のモードフィールド径より大きくしている。

【００２３】第１実施形態例において、コア１は、Ｅ
ｒ、Ｙｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｇｅをそれぞれドープした石英系
ガラスにより形成されており、第１クラッド層２は純石
英により形成されている。第２クラッド層３はＦをドー
プした石英系ガラスにより形成されており、第３クラッ
ド層４はシリコーン樹脂により形成されている。被覆６
はＵＶ樹脂により形成されている。

【００２４】また、第１実施形態例において、コア１の
純石英に対する比屈折率差Δ１は０．４％、第２クラッ
ド層３の純石英に対する比屈折率差Δ３は−０．７％、
第３クラッド層４の純石英に対する比屈折率差Δ４は−
３．０％と成している。

【００２５】なお、本明細書において、各比屈折率差Δ
１〜Δ４は、真空の屈折率を１としたときのコア１の比
屈折率をｎ１、第１クラッド層２の比屈折率をｎ２、第
２クラッド層３の比屈折率をｎ３、第３クラッド層４の
比屈折率をｎ４、純石英の比屈折率をｎｃとして、以下
の式（１）〜（４）により定義している。また、その単
位は％である。

【００２６】 Δ１＝［｛（ｎ１）^２−（ｎｃ）^２｝／２（ｎ１）^２］×１００・・・・（１）

【００２７】 Δ２＝［｛（ｎ２）^２−（ｎｃ）^２｝／２（ｎ２）^２］×１００・・・・（２）

【００２８】 Δ３＝［｛（ｎ３）^２−（ｎｃ）^２｝／２（ｎ３）^２］×１００・・・・（３）

【００２９】 Δ４＝［｛（ｎ４）^２−（ｎｃ）^２｝／２（ｎ４）^２］×１００・・・・（４）

【００３０】また、第２実施形態例において、第２クラ
ッド層３、第３クラッド層４、被覆６は、いずれも第１
実施形態例と同様に形成されているが、第２実施形態例
では、第１クラッド層２がＧｅをドープした石英系ガラ
スにより形成されており、第１クラッド層２の純石英に
対する比屈折率差Δ２は０．６％と成している。また、
コア１の比屈折率差Δ１と第１クラッド層２の比屈折率
差Δ２との差を、上記第１実施形態例と同様に０．４％
とするために、コア１は、コア１の純石英に対する比屈
折率差Δ１が１．０％となるように、石英系ガラスにＥ
ｒ、Ｙｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｇｅをそれぞれドープして形成し
ている。

【００３１】第１、第２実施形態例は以上のように構成
されており、各実施形態例の光増幅用光ファイバは、第
１、第２、第３クラッド層を有する３層構造と成してお
り、第２クラッド層３は石英系ガラスにより形成されて
いるので、各実施形態例において、第１クラッド層２に
高パワーの励起光の一部を入力し、該励起光の残りの部
分を第２クラッド層３に入力することができる。なお、
第１クラッド層２に入力する励起光の割合を第２クラッ
ド層３に入力する励起光の割合よりも大きくする。

【００３２】そうすると、入力された励起光は第１クラ
ッド層２と第２クラッド層３を伝搬するが、第１、第２
実施形態例において、第１クラッド層２と第２クラッド
層３のＸＹ断面外周形状は共に正方形状であるために、
励起光の伝搬モードのうち、前記ヘリカル・ビームの形
成が抑制される。そのため、第１クラッド層２に入射し
た励起光が第１クラッド層２と第２クラッド層３との界
面で無秩序に反射し、コア１を繰り返し通過し、また、
第２クラッド層３に入射した励起光が第２クラッド層３
と第３クラッド層４との界面で無秩序に反射するので、
コア１に入射される信号光が励起光によって効率的に増
幅され、超高出力の光を得ることができる。

【００３３】また、励起光は前記反射によって側面入射
に近い状態でコアに入射するので、この点でもコアの希
土類金属を十分に励起することが可能となる。

【００３４】そして、本第１、第２実施形態例において
は、クラッドを３層構造にして、励起光を第１クラッド
層２と第２クラッド層３に分配して入射する構成として
おり、励起光の一部は第２クラッド層３と第３クラッド
層４との界面で反射しながら伝搬するので、従来例のよ
うな２層構造のクラッドを有する構成に比べ、第１クラ
ッド層２と第２クラッド層３との界面を反射しながら通
過する光パワーを減少させることができる。したがっ
て、本第１、第２実施形態例によれば、第１クラッド層
２と第２クラッド層３との界面での反射による散乱によ
り生じる発熱を抑制でき、この発熱による光ファイバ劣
化を抑制できる。

【００３５】本発明者は、実際に、図３に示す実験装置
を用いて高温高湿試験を行ない、上記第１、第２実施形
態例の光増幅用光ファイバから出力する出力光パワーを
求め、比較例としての図５に示した従来例の光増幅用光
ファイバと比較した。

【００３６】なお、比較例の光増幅用光ファイバにおけ
るコア１の直径および被覆６の外径は上記各実施形態例
と同様とし、第１クラッド層２の正方形の一辺は約１８
０μｍ、第２クラッド層３の外径は３５０μｍとし、さ
らに、コア１の比屈折率差Δ１と第１クラッド層２の比
屈折率差Δ２との差を、上記各実施形態例と同様に０．
４％とした。

【００３７】また、上記高温高湿試験は、図３に示すよ
うに、光増幅用光ファイバ（同図では符号８で示す）の
中央を６００ｍｍφのＳＵＳボビン１０に巻き付けて高
温高湿槽１１内に収容し、８５℃、９５ＲＨ％の雰囲気
下として表１に示す経過時間（Ｈ；時間）だけ経過させ
て各光増幅用光ファイバから出力する励起光パワーを求
めた。

【００３８】

【表１】

【００３９】上記出力励起光パワーの測定は、出力２Ｗ
の５個の９８０ｍｍレーザダイオード１２からの励起光
を、各レーザダイオード１２に接続しているマルチモー
ド光ファイバ１５を束ねた状態で、図のＡに示す部分で
空間結合させ、コリメーターレンズ１３を介して、出力
検出用の光増幅用光ファイバに入射し、この光増幅用光
ファイバからの出力光を受光器１４により受光して検出
して行なった。

【００４０】その結果、表１に示す結果が得られ、上記
第１、第２の実施形態例の光増幅用光ファイバは高温高
湿試験２０００時間経過後も試験前の励起光出力約６Ｗ
（入射光率６０％）を維持することができた。

【００４１】そして、比較例の光増幅用光ファイバは、
上記高温高湿試験後、第１クラッド層２と第２クラッド
層３との界面の発熱による変色と第２クラッド層３を形
成するシリコーン樹脂の剥離が見られ、シリコーン樹脂
が部分的に消失しているのが確認されたが、上記各実施
形態例の光増幅用光ファイバの劣化は全く見られず、こ
の結果および表１から、上記各実施形態例の長期信頼性
の高いことが確認できた。

【００４２】また、上記各実施形態例によれば、第１ク
ラッド層２の径の最小値をコア１のモードフィールド径
より大きくしているので、信号光が第１クラッド層２よ
り外周側にはみ出して伝搬することを抑制でき、信号光
を適切に増幅して伝搬させることができる。

【００４３】なお、本発明者は、上記各実施形態例にお
いて、励起光を第１クラッド層２と第２クラッド層３に
分配して入射した場合に、励起光による信号光の増幅特
性が劣化しないことを確認するために、図４に示すよう
に、光増幅用光ファイバ（同図では符号８で示す）の入
射側に信号光の光源２０を、出射側に出力２Ｗの５個の
９８０ｍｍレーザダイオード１２をそれぞれ接続して、
信号光を後方励起し、受光器１４で信号光を受光して信
号光出力を測定した。同図においても符号１３はコリメ
ーターレンズを示し、符号１７はダイクロックミラーを
示している。

【００４４】その結果、上記第１実施形態例の信号光出
力と比較例の信号光出力は１．６Ｗ、第２実施形態例の
信号光出力は１．５Ｗとなり、ほぼ同じ値を示してお
り、増幅特性はほぼ同様であることを確認できた。

【００４５】なお、本発明は上記実施形態例に限定され
ることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば上
記各実施形態例において、第３クラッド層４はシリコー
ン樹脂により形成したが、第３クラッド層４を例えばフ
ッ素系樹脂等の他の樹脂により形成してもよい。

【００４６】また、上記各実施形態例では、第１クラッ
ド層２と第２クラッド層３のＸＹ断面外周形状を共に正
方形状としたが、これらの形状の少なくとも一方を非真
円形状とすればよい。なお、非真円形状としては、上記
各実施形態例のような正方形状等の多角形状としてもよ
いし、楕円形状としてもよいし、円に切り欠きを形成し
たような形状でもよいし、真円以外の適宜の形状を設定
することができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、コアの外周側に、第
１、第２、第３クラッド層を順に設けたために、例えば
第１クラッド層に高パワーの励起光の一部を入力し、該
励起光の残りの部分を第２クラッド層に入力することが
できる。なお、第１クラッド層に入力する励起光の割合
を第２クラッド層に入力する励起光の割合よりも大きく
し、第２クラッド層を石英系ガラスにより形成すると増
幅効率を向上できる。

【００４８】また、本発明によれば、第１クラッド層と
第２クラッド層の少なくとも一方のＸＹ断面外周形状を
非真円形状としているので、ＸＹ断面外周形状を非真円
形状としたクラッド層に入射された励起光は、その伝搬
モードのうちコアに入射しない螺旋状の伝搬モードの形
成が抑制され、入射した励起光が効率的にコアを繰り返
し通過するため、コアに入射される信号光を励起光によ
って効率的に増幅し、超高出力の光を得ることができ
る。

【００４９】そして、本発明によれば、上記の如く、ク
ラッドを３層構造にして励起光を第１クラッド層と第２
クラッド層に分配して入射できるために、励起光の一部
を第２クラッド層と第３クラッド層との界面で反射しな
がら伝搬させることができ、従来例のような２層構造の
クラッドを有する構成に比べ、第１クラッド層と第２ク
ラッド層との界面を反射しながら通過する光パワーを減
少させることができる。したがって、本発明によれば、
第１クラッド層と第２クラッド層との界面での反射によ
る散乱により生じる発熱が抑制可能となり、この発熱に
よる光ファイバ劣化を抑制でき、長期信頼性を向上させ
ることができる。

【００５０】また、第１クラッド層の径をコアのモード
フィールド径より大きくした本発明によれば、信号光が
第１クラッド層より外周側にはみ出して伝搬することを
抑制でき、信号光を適切に増幅して伝搬させることがで
きる。

【００５１】さらに、第２クラッド層を石英系ガラスに
より形成し、第３クラッド層を樹脂により形成した本発
明によれば、第２クラッド層を励起光が伝搬しやすいよ
うにすることができるし、第２クラッド層と第３クラッ
ド層との比屈折率差を大きくして励起光を第２クラッド
層と第３クラッド層の界面より内側に閉じ込める効果を
非常に効果的に発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光増幅用光ファイバの第１実施形
態例を示す要部構成図である。

【図２】本発明に係る光増幅用光ファイバの第２実施形
態例を示す要部構成図である。

【図３】光増幅用光ファイバの高温高湿試験を行なうた
めのシステム構成を示す説明図である。

【図４】光増幅用光ファイバの光増幅特性を確認するた
めのシステム構成を示す説明図である。

【図５】従来提案されている光増幅光ファイバの一例を
示す説明図である。

【符号の説明】

１コア２第１クラッド層３第２クラッド層４第３クラッド層６被覆

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】希土類金属を含むコアの外周側に、該コ
アより屈折率が低い第１クラッド層を設け、該第１クラ
ッド層の外周側に該第１クラッド層より屈折率が低い第
２クラッド層を設け、該第２クラッド層の外周側に該第
２クラッド層より屈折率が低い第３クラッド層を設け、
前記第１クラッド層と前記第２クラッド層の少なくとも
一方は光ファイバの光軸Ｚに直交するＸＹ断面で切断し
たときの断面外周形状を非真円形状と成したことを特徴
とする光増幅用光ファイバ。
【請求項２】第１クラッド層の径の最小値を信号光の
波長帯におけるコアのモードフィールド径より大きくし
たことを特徴とする請求項１記載の光増幅用光ファイ
バ。
【請求項３】第２クラッド層を石英系ガラスにより形
成し、第３クラッド層を樹脂により形成したことを特徴
とする請求項１又は請求項２記載の光増幅用光ファイ
バ。