JP2004004772A

JP2004004772A - 光ファイバ

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Publication number: JP2004004772A
Application number: JP2003113008A
Authority: JP
Inventors: Yoko Moriai; 森合　陽子; Keiichi Aiso; 相曽　景一
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: JP4532079B2

Abstract

【課題】吸収係数が大きい広波長帯域の光増幅に適した光増幅用の光ファイバを提供する。
【解決手段】第１コア部１１と、該第１コア部１１の外周側に設けられて該第１コア部１１より屈折率が小さい第２コア部１２と、該第２コア部１２の外周側に設けられて該第２コア部１２より屈折率が小さいクラッド部５とを設けて、ＤＳＣ型屈折率プロファイルとする。第１コア部１１の屈折率分布をα分布型プロファイルとする。第１コア部１１と第２コア部１２に例えばエルビウム等の少なくとも一種類の希土類元素を添加する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等に用いられ、主に光増幅器に適用される光増幅用の光ファイバに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
近年の光通信システム分野では、光通信の大容量化に不可欠な波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送および、それを用いた機能的な光通信網であるフォトニクスネットワークの構築を目指した研究開発が進められている。上記波長分割多重伝送は、複数の波長の光を１本の光ファイバで伝送する方式である。
【０００３】
上記のような光通信システムの実現および高機能化を図るためには、光ファイバ増幅器の増幅帯特性（広帯域・利得平坦性）および出力特性に関しての特性改善が必要とされる。
【０００４】
光増幅用光ファイバとして、希土類元素であるエルビウム（Ｅｒ）を添加したエルビウムドープ光ファイバ（ＥＤＦ）が適用されたエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が、波長分割多重伝送システムにおけるキーデバイスとして大きな役割を担っている。そしてこのＥＤＦＡの増幅帯域特性は、利用できる伝送帯を決定付け、上記のようなＷＤＭ光通信システムにおいては利得帯域の帯域幅と平坦性は、その伝送システムで利用できる光通信多重信号数を決定する重要なパラメータとなっている。
【０００５】
エルビウムドープ光ファイバ（ＥＤＦ）は、石英系光ファイバの最低損失波長帯と同じ１．５５μｍ波長帯に増幅帯域を持つ。つまり、エルビウムドープ光ファイバの利得帯域の中心は、Ｃ−ＢＡＮＤと呼ばれる波長１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍである。
【０００６】
また、エルビウムドープ光ファイバは、伝送用光ファイバとほとんど同一材料・構造とすることができるので、伝送用光ファイバと低接続損失で接続できる。さらに、エルビウムドープ光ファイバは、Ｅｒの添加されたコア部と高い励起光密度の励起光と信号光とをオーバーラップしたまま長距離を維持できるため、高効率・高利得な進行波形増幅器が実現できる。
【０００７】
従来のエルビウムドープ光ファイバは、図８の（ａ）、（ｂ）に示すように、コア部１の外周側をコア部１より屈折率が小さいクラッド部５により覆って形成されている。コア部１の屈折率プロファイルはステップインデックス型であり、コア部１には希土類元素であるＥｒが添加されている。以下、図８の（ａ）に示すような屈折率プロファイルをステップインデックス型屈折率プロファイルと呼ぶ。
【０００８】
ところで、近年の波長分割多重伝送における帯域拡大の要求の高まりに呼応して、伝送光の波長帯域が、前記Ｃ−ＢＡＮＤに加え、Ｌ−ＢＡＮＤと呼ばれる波長１５７０ｎｍ〜１６００ｎｍの波長帯まで拡大している。
【０００９】
従来のＣ−ＢＡＮＤ用に開発されてきたエルビウムドープ光ファイバは、Ｌ−ＢＡＮＤ用に適用できるが、Ｃ−ＢＡＮＤ用エルビウムドープ光ファイバは、Ｌ−ＢＡＮＤにおける単位長さあたりの利得がＣ−ＢＡＮＤにおける利得よりも小さい。そのため、Ｃ−ＢＡＮＤ用エルビウムドープ光ファイバによって、Ｃ−ＢＡＮＤにおける利得と同等の利得をＬ−ＢＡＮＤで得るためには、数倍から１０倍程度の長さのエルビウムドープ光ファイバが必要となる。
【００１０】
また、使用するチャンネル数の増加に伴い、一括増幅できる光信号数を増加させるためにＥＤＦＡの高出力特性が要求される。このような要求から、ＥＤＦの長尺化とＥＤＦ中での信号光強度の増大のためこれまでは無視できるレベルであった雑音指数の増加や、４光波混合（ＦＷＭ）や相互位相変調（ＸＰＭ）といったＥＤＦＡでの非線形現象が問題となってきた。
【００１１】
なお、本発明に関係する先行技術として、非特許文献１および非特許文献２に記載されたエルビウムドープＤＳＣ型ファイバがある。
【００１２】
【非特許文献１】
１９９０年電子情報通信学会春季全国大会予稿集Ｃ−３５０「ＥｒドープＤＳＣ型ファイバの増幅特性」発表者　三菱電線工業株式会社
【非特許文献２】
１９９０年電子情報通信学会春季全国大会予稿集Ｃ−２６４「長尺ＥｒドープＤＳＣ型分散シフトファイバ」発表者　三菱電線工業株式会社
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
非線形現象を抑制するためには、エルビウムドープ光ファイバの利得係数（単位長さあたりの利得）を増加させることおよびファイバの特性の一つである波長分散の絶対値を大きくすることが有効である。
【００１４】
まず利得係数について説明する。
【００１５】
利得係数は、次式（１）で表すことができる。
【００１６】
Ｇ（λ）＝α（λ）［｛σ_ｅ（λ）／σ_ａ（λ）＋１｝ｎ_２−１］・・・・・（１）
【００１７】
ここで、λは波長である。Ｇ（λ）は利得係数であり、単位はｄＢ／ｍ、α（λ）は吸収係数である。吸収係数α（λ）は、光増幅のために添加される希土類元素の吸収係数のことであり、エルビウムドープ光ファイバの場合はエルビウムの吸収係数のことである。吸収係数の単位はｄＢ／ｍである。
【００１８】
また、σ_ａ（λ）は吸収断面積、σ_ｅ（λ）は誘導放出断面積、ｎ_２はエルビウム密度に対するレーザ上準位密度の割合である。利得係数、吸収係数、吸収断面積、誘導放出断面積は、それぞれ波長依存性を有しており、それぞれの値は、波長λに応じて異なる。
【００１９】
式（１）における誘導放出断面積、吸収断面積の比は、ホストガラスに依存し、ｎ_２は励起条件（反転分布度）によって決定される。したがって、利得係数を向上させるためには、吸収係数α（λ）を増加させればよい。
【００２０】
この吸収係数は、エルビウム添加濃度と、エルビウム分布領域と伝搬光のモード分布との重なり積分とに比例する。このため、エルビウムドープ光ファイバにおける利得係数向上のため、エルビウム添加濃度と上記重なり積分を増大させる手法がとられている。
【００２１】
しかしながら、エルビウム添加濃度を増加させると、近接するＥｒイオン間でエネルギー交換が起こり、濃度消光が生じ、利得効率および出力特性の劣化を生じてしまう。Ｅｒイオン濃度はゲルマニウム添加石英系光ファイバではエルビウムの添加濃度が１００ｐｐｍを越えると濃度消光が起きる。また、濃度消光を抑制するアルミニウムを光ファイバに共添加してもＥｒ濃度は１０００ｐｐｍ程度以下に制限させられてしまう。
【００２２】
また、Ｅｒ分布領域と伝搬光のモード分布との重なり積分を大きくするには、Ｅｒをコア全体に添加すると共にコア径を大きくする手法がとられるが、コア径を大きくするとカットオフ波長が長波長側へとシフトしてしまう。
【００２３】
カットオフ波長は、励起光や信号光のシングルモード条件を満足させるために、励起光や信号光の波長以下に設定しなければならないので、コア径の大きさは制限されてしまう。したがって、コア径を大きくすることで重なり積分を増大する手法は、光ファイバの設計上、限界があり、Ｅｒ分布領域と伝搬光のモード分布との重なり積分を大きくするにも限界があった。
【００２４】
次に、波長分散について説明する。
【００２５】
非線形現象のなかで、４光波混合（ＦＷＭ）は信号光波長域にゼロ分散波長が存在すると位相整合によって急激に発生しやすくなる。このため、ＦＷＭを抑制するためには信号光波長における波長分散の絶対値をゼロから大きく遠ざける（絶対値を大きくする）よう設計し、位相不整合を大きくすることが有効となる。
【００２６】
しかし、一般的なステップインデックス型屈折率プロファイルのエルビウムドープ光ファイバ（ＥＤＦ）ではＣ−ＢＡＮＤにおける波長分散値が、信号光波長でマイナス数１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度であるのに対し、吸収値を増大させるためにカットオフ波長を長波長側にシフトさせた、Ｌ−ＢＡＮＤ用ＥＤＦの波長分散値は信号光波長でゼロ分散に近づき、Ｌ−ＢＡＮＤにゼロ分散波長が存在する可能性も高くなってしまう。これは、ステップインデックス型ＥＤＦの波長分散値が比屈折率差Δとコア径（カットオフ波長）によって一義的に決まるためであり、そのため波長分散の絶対値を大きくすることによる非線形現象の抑制には制限が生じてしまう。
【００２７】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、非線形現象を抑制するため、従来のエルビウムドープ光ファイバに比べて、特性の劣化無く、エルビウムの吸収係数を向上させ、あるいは分散波長の絶対値を大きくしたものである。
【００２８】
すなわち、本発明の目的は、光ファイバの諸々の特性を犠牲にせず、非線形現象を抑制した広波長帯域の光増幅用として適した光ファイバを提供することにある。
【００２９】
【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、第１の発明は、第１コア部と、該第１コア部の外周側に設けられて該第１コア部より屈折率が小さい第２コア部と、該第２コア部の外周側に設けられて該第２コア部より屈折率が小さいクラッド部とを有し、前記第１コア部と前記第２コア部にはそれぞれ少なくとも一種類の希土類元素が添加されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３０】
第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記第１コア部の屈折率分布をα分布型プロファイルとした構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３１】
第３の発明は、上記第１または第２の発明の構成に加え、前記第１コア部と第２コア部に添加した希土類元素の一つはエルビウムとした構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３２】
第４の発明は、上記第３の発明の構成に加え、波長１５３０ｎｍにおけるエルビウムの吸収係数を１２ｄＢ／ｍ以上とした構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３３】
第５の発明は、上記第１乃至第４のいずれか一つの発明の構成に加え、カットオフ波長を８５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下とし、信号光波長帯にゼロ分散波長を有していない構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３４】
なお、信号光波長帯とは例えば前記Ｃ−ＢＡＮＤから前記Ｌ−ＢＡＮＤまでの範囲内に設定される任意の波長帯である。
【００３５】
第６の発明は、上記第１乃至第５のいずれか一つの発明の構成に加え、第１コア部の比屈折率差を１％以上２％以下とし、第１コア部の径を第２コア部の径で割った値を０．５以内とした構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３６】
第７の発明は、上記第１乃至第４のいずれか一つの発明の構成に加え、第２コア部の比屈折率差を第１コア部の比屈折率差で割った値を０．５以内とした構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。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又は簡略化する。図１の（ａ）には、本発明に係る光ファイバの第１実施形態例の屈折率プロファイルが示されており、図１の（ｂ）には、本実施形態例の光ファイバの断面構成が模式的に示されている。
【００３８】
これらの図に示すように、本実施形態例の光ファイバは、第１コア部１１と、該第１コア部１１の外周側に設けられて該第１コア部１１より屈折率が小さい第２コア部１２と、該第２コア部１２の外周側に設けられて該第２コア部１２より屈折率が小さいクラッド部５とを有するデュアルシェープ（ＤＳＣ）型屈折率プロファイルの光ファイバである。また、第１コア部１１の屈折率分布はα分布型プロファイルとしており、以下、必要に応じ、図１の（ａ）に示すような屈折率プロファイルをＤＳＣα型屈折率プロファイルといい、この屈折率プロファイルを有する光ファイバをＤＳＣα分布型光ファイバという。
【００３９】
また、図１の（ａ）に示すように、第１コア部１１の直径はＤｂであり、第２コア部１２の直径はＤａである。第１コア部１１と第２コア部１２には、それぞれ、少なくとも一種類の希土類元素が添加されており、ここでは、第１コア部１１、第２コア部１２に添加した希土類元素はエルビウムとしている。
【００４０】
ところで、本発明者は、本実施形態例の光ファイバの屈折率プロファイルを決定するに当たり、まず、図８の（ａ）に示したような、ステップインデックス型屈折率プロファイルを有する光ファイバと、図２に示すようなＤＳＣ型屈折率プロファイルを有する光ファイバについて、以下の検討を行った。つまり、これらの屈折率プロファイルの光ファイバについて、エルビウムの吸収係数α（λ）を以下のようにして計算した。
【００４１】
希土類添加光ファイバにおける吸収係数α（λ）は次式（２）により表すことができる。
【００４２】
α（λ）＝ρ_０・σ_ａ（λ）・（２／ω^２）・∫｛ρ（ｒ）／ρ_０｝・Ψ（ｒ）・ｒｄｒ・・・・・（２）
【００４３】
ここで、ρ_０はエルビウム密度、ρ（ｒ）は光ファイバの径方向のエルビウム密度分布、σ_ａ（λ）は吸収断面積、ωはモードパワー半径、Ψ（ｒ）は光ファイバの径方向のモード分布、ｒが光ファイバ径方向の長さである。
【００４４】
また、エルビウム密度分布ρ（ｒ）がコア部の径方向に均一であると仮定し、モード分布Ψ（ｒ）をガウシアンで近似すると、式（２）は式（３）のように簡略化できる。なお、式（３）において、Ｒはコア半径である。
【００４５】
α（λ）＝ρ_０・σ_ａ（λ）［１−ｅｘｐ（−Ｒ^２／ω^２）］・・・・・（３）
【００４６】
ここで、ステップインデックス型屈折率プロファイルを有する光ファイバと、ＤＳＣ型屈折率プロファイルを有する光ファイバについて、モードパワー半径ωを屈折率プロファイルから実際に数値計算で求め、上記式（３）からエルビウムの吸収係数α（λ）を計算した。この計算結果は、図３の特性線３ａ、３ｂに示されている。
【００４７】
なお、この吸収係数α（λ）の計算は、シグナル光（信号光）の波長を１５３０ｎｍ、エルビウム密度ρ_０を８．５×１０^２４（ｍ^−３）、波長１５３０ｎｍにおける吸収断面積σ_ａを４．０×１０⁻ ^２５（ｍ^２）として行った計算である。図２に示すＤＳＣ型屈折率プロファイルを有する光ファイバにおける計算は、Ｅｒイオンが第１コア部１１と第２コア部１２のどちらにも均一に添加されていると仮定して行った。
【００４８】
図３の特性線３ａは、図２に示すＤＳＣ型屈折率プロファイルを有し、第１コア部１１と第２コア部１２にエルビウムを添加した光ファイバにおけるエルビウムの吸収係数である。なお、図２に示すＤＳＣ型屈折率プロファイルは、第１コア部１１の屈折率分布をステップインデックス型としており、図２の屈折率プロファイルと図１の（ａ）に示した本実施形態例の光ファイバの屈折率プロファイルとは異なる。
【００４９】
図３の特性線３ｂは、図８の（ａ）に示した従来のステップインデックス型屈折率プロファイルの光ファイバにおけるエルビウムの吸収係数である。この光ファイバもコア部１にエルビウムを添加している。
【００５０】
図３の特性線３ａと特性線３ｂに示すように、図２に示すＤＳＣ型屈折率プロファイルを有するエルビウムドープ光ファイバは、従来のステップインデックス型屈折率プロファイルのエルビウムドープ光ファイバに比べてエルビウムの吸収係数が大きい。
【００５１】
例えば、一般に、カットオフ波長を９００ｎｍ前後に設計すると増幅効率が最も高くなるといわれているが、図３の特性線３ｂに示すステップインデックス型屈折率プロファイルの光ファイバの吸収係数は、カットオフ波長９００ｎｍ付近において７ｄＢ／ｍ前後である。
【００５２】
それに対し、図３の特性線３ａに示すＤＳＣ型屈折率プロファイルの光ファイバの吸収係数は、カットオフ波長９００ｎｍ付近において１１ｄＢ／ｍ前後とかなり大きな値となっている。この値は、図３の特性線３ｂに示すステップインデックス型屈折率プロファイルの光ファイバの最大吸収係数値とほぼ一致する。
【００５３】
また、一般的なＬ−ＢＡＮＤ用ＥＤＦのカットオフ波長の設計値である１２５０ｎｍにおいても、図３の特性線３ｂに示すステップインデックス型屈折率プロファイルの光ファイバの吸収係数は１０ｄＢ／ｍ程度であるのに対し、図３の特性線３ａに示すＤＳＣ型屈折率プロファイルの光ファイバの吸収係数は１４ｄＢ／ｍであり、非常に大きい事がわかる。
【００５４】
したがって、光ファイバの屈折率プロファイルを図２に示すようなＤＳＣ型屈折率プロファイルにすることによって、ステップインデックス型屈折率プロファイルの光ファイバに比べてエルビウムの吸収係数を大きくできることが分かった。
【００５５】
また、本発明者は、ＤＳＣ型屈折率プロファイルを有する光ファイバについて、第１コア部１１のみにＥｒを添加したものと、コア全域、つまり、第１コア部１１と第２コア部１２にＥｒを添加したものの両方について、エルビウムの吸収係数を求めた。この検討は、ＤＳＣ型屈折率プロファイルの光ファイバについて、Ｅｒ添加領域のみが異なり、その他の各パラメータは同じである光ファイバについてカットオフ波長に対する１５３０ｎｍの吸収係数の依存性を調べたものである。
【００５６】
この検討結果は図４に示されている。図４の特性線４ａは、ＤＳＣ型屈折率プロファイルを有して第１コア部１１と第２コア部１２にＥｒを添加した光ファイバの特性を示し、図４の特性線４ｃは、ＤＳＣ型屈折率プロファイルを有して第１コア部１１のみにＥｒを添加した光ファイバの特性を示す。なお、図４の特性線４ｂには、ステップインデックス型屈折率プロファイルを有する光ファイバの特性を示している。
【００５７】
図４の特性線４ａと特性線４ｃを比較すると明らかなように、コア全域（第１コア部１１と第２コア部１２）にＥｒを添加したＤＳＣ型屈折率プロファイルの光ファイバのＥｒ吸収係数は、第１コア部１１のみＥｒを添加したＤＳＣ型屈折率プロファイルの光ファイバのＥｒ吸収係数に比べて非常に大きい。
【００５８】
例えばカットオフ波長を９００ｎｍとした場合、コア全域（第１コア部１１と第２コア部１２）にＥｒを添加したＤＳＣ型屈折率プロファイルの光ファイバのＥｒ吸収係数は１２ｄＢ／ｍである。それに対し、第１コア部１１のみＥｒを添加したもののＥｒ吸収係数は５ｄＢ／ｍであり、コア全域にＥｒを添加したＤＳＣ型屈折率プロファイルの光ファイバの吸収係数の半分以下の値である。
【００５９】
また、一般的なＬ−ＢＡＮＤ用ＥＤＦのカットオフ波長設計値である１２５０ｎｍにおいても、コア全域にＥｒを添加したＤＳＣ型屈折率プロファイルの光ファイバは吸収係数が１４ｄＢ／ｍ強であるのに対し、第１コア部１１のみにＥｒを添加したＤＳＣ型屈折率プロファイルの光ファイバの吸収係数は９ｄＢ／ｍ程度である。
【００６０】
以上のことから、ＤＳＣ型屈折率プロファイルを有する光ファイバのＥｒの添加領域をコア全体とすることにより、吸収係数を大きくすることが可能であることがわかる。
【００６１】
次に、図１の（ａ）に示すような、第１コア部１１をα分布型にしたＤＳＣα型屈折率プロファイルの光ファイバについて、カットオフ波長に対する波長１５３０ｎｍにおける吸収係数の依存性を調べた。この光ファイバが、本実施形態例の屈折率プロファイルを有する光ファイバであり、この光ファイバの特性は図６の特性線６ａに示す特性となった。
【００６２】
また、比較のため、図５に示すような、α分布型屈折率プロファイルの光ファイバのカットオフ波長依存性も同様に調べた。なお、この光ファイバは、コア部１とクラッド部５を有する光ファイバであり、第２コア部を有していない。つまり、この光ファイバは、光ファイバ全体の屈折率プロファイルがステップインデックス型であり、かつ、コアの屈折率プロファイルがα型の光ファイバである。この光ファイバの特性は図６の特性線６ｂに示す結果となった。
【００６３】
図６の特性線６ａと特性線６ｂを比較すると明らかなように、ＤＳＣ型の第１コア部１１をα分布型屈折率プロファイルにした光ファイバ（ＤＳＣα分布型光ファイバ）は、α分布型屈折率プロファイルの光ファイバよりも吸収係数が大きくなっていることがわかる。
【００６４】
例えば増幅効率が最も高いといわれるカットオフ波長９００ｎｍ付近では、α分布型屈折率プロファイルの光ファイバの吸収係数は８ｄＢ／ｍ弱であるのに対し、ＤＳＣα分布型光ファイバの吸収係数は１２ｄＢ／ｍ強である。また、一般的なＬ−ＢＡＮＤ用ＥＤＦのカットオフ波長の設計値である１２５０ｎｍでは、α分布型屈折率プロファイルの光ファイバは、吸収係数が１１ｄＢ／ｍ程度であるのに対し、ＤＳＣα分布型光ファイバの吸収係数は１５ｄＢ／ｍ弱と非常に高い結果となっている。
【００６５】
図７の特性線７ａ〜７ｄに、図１の（ａ）、図２、図５、図８の（ａ）にそれぞれ示した４種の屈折率プロファイルの光ファイバについて、上記のように、それぞれ、カットオフ波長に対する波長１５３０ｎｍにおける吸収係数の依存性を検討した結果をまとめて示す。
【００６６】
図７の特性線７ａは、図１の（ａ）に示すような、ＤＳＣα分布型光ファイバの検討結果を示す。図７の特性線７ｂは、図２に示すような、ＤＳＣ型屈折率プロファイルを有して第１コア部１１の屈折率プロファイルをステップインデックス型にした光ファイバの検討結果を示す。図７の特性線７ｃは、α分布型屈折率プロファイルの光ファイバの検討結果、図７の特性線７ｄは、ステップインデックス型屈折率プロファイルの光ファイバの検討結果である。
【００６７】
図７の特性線７ａと特性線７ｂとの比較および特性線７ｃと特性線７ｄとの比較から明らかなように、コア部１または第１コア部１１をα分布型にすることで、ステップインデックス型、ＤＳＣ型のどちらの屈折率プロファイルも吸収係数の値が大きくなっていることがわかる。
【００６８】
なお、本発明者は、第２コア部１２のプロファイルをα分布型にした場合も検討したが、大きな効果は見られなかった。
【００６９】
これらの結果から、本発明者は、図１の（ａ）に示したように、ＤＳＣ型の第１コア部１１の屈折率プロファイルをα分布型にすることで、光ファイバの吸収係数を上記４種の屈折率プロファイルの光ファイバのうち最も大きくできると考え、本実施形態例の屈折率プロファイルを決定した。
【００７０】
本実施形態例の光ファイバは、上記検討に基づき、図１の（ａ）に示したように屈折率プロファイルを有したものであり、エルビウムの吸収係数を、従来のステップインデックス屈折率プロファイルの光ファイバより格段に大きくできる。したがって、本実施形態例の光ファイバは、非線形現象を効率良く抑制でき、広波長帯域の光増幅用として適した光ファイバを実現できる。
【００７１】
次に、本発明に係る光ファイバの第２実施形態例について説明する。第２実施形態例の光ファイバは、図２に示したようなＤＳＣ型の屈折率プロファイルを有する光ファイバである。つまり、第２実施形態例の光ファイバは、上記第１実施形態例とほぼ同様の構成を有し、第１コア部１１の屈折率プロファイルをステップインデックス型とした光ファイバある。
【００７２】
上記第１実施形態例における検討から明らかなように、第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様に、エルビウムの吸収係数を、従来のステップインデックス屈折率プロファイルの光ファイバより大きくでき、同様の効果を奏することができる。
【００７３】
また、本発明者は、信号光波長を１５８０ｎｍとして、ＤＳＣ型屈折率プロファイルのパラメータをいくつか変え、波長分散値のカットオフ波長依存性を検討した。また、この検討に際し、ステップインデックス型屈折率プロファイルの波長分散特性と比較を行った。結果を図９に示す。図９中、特性線９ａは図８（ａ）に示したステップインデックス型ＥＤＦの特性を示し、特性線９ｂ、９ｃは共に、第２実施形態例、つまり、図２に示すＤＳＣ型ＥＤＦ（ＤＳＣ型屈折率プロファイルのＥＤＦ）の特性を示す。
【００７４】
ここで、特性線９ｂの特性はＤＳＣ型ＥＤＦ▲１▼の特性、特性線９ｃはＤＳＣ型ＥＤＦ▲２▼の特性を示しており、ＤＳＣ型ＥＤＦ▲１▼は第１コア部１１の比屈折率差Δ１を１．５％、第２コア部１２の比屈折率差Δ２を０．７％、第１コア部１１の径を第２コア部１２の径で割った値（Ｒａ＝第１コア部の径／第２コア部の径）を０．２と設計したものである。ＤＳＣ型ＥＤＦ▲２▼は第１コア部１１の比屈折率差Δ１を２％、第２コア部１２の比屈折率差Δ２を０．３％、Ｒａを０．４と設計したものである。ステップインデックス型ＥＦＤのコアの比屈折率差は１．５％とした。
【００７５】
図９に示すように、ステップインデックス型屈折率プロファイルをもつ光ファイバはカットオフ波長とコアの屈折率で一義的に波長分散値が決まってしまうが、本発明のＤＳＣ型屈折率プロファイルは、プロファイルのパラメータを変えることにより、自由に波長分散値の設計が可能である。すなわち、吸収値を拡大するためにカットオフ波長を長波長側に設計するＬ−ＢＡＮＤ用ＥＤＦの場合、ステップインデックス型屈折率プロファイルでは波長分散値がゼロに近づくため４光波混合（ＦＷＭ）が発生しやすいが、本発明のＤＳＣ型屈折率プロファイルでは、プロファイルのパラメータを最適化することで、波長分散値の絶対値を大きく設計することが可能であり、ＦＷＭの発生を抑制することができる。
【００７６】
また、上記ＤＳＣ型ＥＤＦ▲２▼のように、カットオフ波長を８５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲内としたときに信号光波長の分散が零分散とならないプロファイルパラメータが存在する。
【００７７】
さらに、図１０には、第１コア部１１の比屈折率差Δ１に対してそれぞれ、上記Ｒａと、第２コア部１２の比屈折率差Δ２を第１コア部１１の比屈折率差Δ１で割った値（ＲΔ＝第２のコア部の比屈折率差Δ２／第１のコア部の比屈折率差Δ１）をいくつか変え、カットオフ波長を８５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲内としたときに、信号光波長の分散が零分散とならないようにできるＲａ、ＲΔのパラメータ値の最大値をプロットしたものが示されている。このとき信号光波長は１５８０ｎｍとし、第１コア部１１の比屈折率差Δは１〜２％の範囲とした。図１０において、●がＲａの値、▲がＲΔの値であり、特性線ａがＲａの特性、特性線ｂがＲｂの特性を示す。
【００７８】
このように、Ｒａ、ＲΔ値を図１０に示すプロット値以下、例えばＲａ、ＲΔ値をそれぞれ０．５以下の範囲とすればカットオフ波長を８５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲内としたときに信号光波長の分散が零分散とならない（信号光波長にゼロ分散波長が存在しない）。
【００７９】
このように、カットオフ波長を８５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲内としたときに信号光波長の分散が零分散とならないようにできれば、各パラメータの決定に対する波長分散値の制限が小さくなり、カットオフ波長の設計自由度はステップインデックス型屈折率プロファイルよりも大きくなる。また、本発明のＤＳＣ型ＥＤＦにおいて、第１コア部１１のプロファイルをα分布型にしたときも同様の結果が得られた。
【００８０】
すなわち、本発明であるＤＳＣ型プロファイルは、ステップインデックス型プロファイルに比べて波長分散値の設計自由度が大きく、ステップインデックス型プロファイルでは困難であった波長分散の絶対値を大きくすることが可能であるので、本発明は、ＤＳＣ型プロファイルとすることにより、非線形現象を抑制することが可能となる。
【００８１】
（実施例）
以下、上記第１実施形態例の実施例について述べる。本発明者は、上記第１実施形態例の実施例として、表１に示す実施例１、２の光ファイバを試作した。また、これらの実施例の比較例として、表１に示す比較例１、２の光ファイバを試作した。比較例の光ファイバは、図８の（ａ）に示したような屈折率プロファイルを有する従来例の光ファイバである。
【００８２】
【表１】

【００８３】
なお、表１において、Δ１、Δ２は、前記各比屈折率差であり、その単位は％である。また、本明細書において、上記各比屈折率差Δ１、Δ２は、以下の各式（４）、（５）により定義している。式（４）、（５）は、第１コア部１１の屈折率最大部の屈折率またはコア部１の屈折率最大部の屈折率をｎ_ｃ１、第２コア部１２の屈折率最大部の屈折率をｎ_ｃ２、クラッド部５の屈折率をｎ_Ｓとして比屈折率差Δ１、Δ２を定義した式である。
【００８４】
Δ１＝｛（ｎ_ｃ１−ｎ_Ｓ）／ｎ_ｃ１　｝×１００・・・・・（４）
【００８５】
Δ２＝｛（ｎ_ｃ２−ｎ_Ｓ）／ｎ_ｃ２｝×１００・・・・・（５）
【００８６】
実施例１と比較例１は比屈折率差Δ１とカットオフ波長を互いにほぼ同じ値になるように調整し、実施例２と比較例２は比屈折率差Δ１とカットオフ波長を互いにほぼ同じ値になるように調整して形成されている。表１において、Ｅｒ吸収ピーク値は波長１５３０ｎｍにおける値を示す。
【００８７】
表１の比較例１、実施例１は共にＣ−ＢＡＮＤ用ＥＤＦとして設計したものであり、比較例２、実施例２、は共にＬ−ＢＡＮＤ用ＥＤＦとして設計したものである。Ｅｒはどの光ファイバも、コア全域に添加され、また添加されたＥｒ密度はほぼ同一であり、さらに、実施例１、２では、第１、第２コア部１１，１２に添加されているＥｒは均一になるように添加した。
【００８８】
表１の結果から、第１実施形態例のＤＳＣα分布型光ファイバは、従来例（比較例）の光ファイバと、同じＥｒ密度、同じカットオフ波長としたときに、Ｃ‐ＢＡＮＤ用設計、Ｌ‐ＢＡＮＤ用設計のどちらにおいても、１５３０ｎｍの吸収係数が従来例（比較例）よりも大きくできることが確認できた。また、波長分散値に関しては比較例１と実施例１を比較すると比較例１の方が波長分散値の絶対値は大きくなっているが、実施例１の波長分散値の絶対値も十分大きく、また吸収値が従来例よりも十分大きいため、ＦＷＭの発生は比較例１よりも実施例１の方が抑制できる。比較例２と実施例２の波長分散値を比較すると、本発明品である実施例２が十分大きくなっていることが確認された。
【００８９】
次に、上記第２実施形態例の実施例について述べる。本発明者は、上記第２実施形態例の実施例として、表２に示す実施例３、４の光ファイバを試作した。また、これらの実施例の比較例として、表２に示す比較例３、４の光ファイバを試作した。比較例３、４の光ファイバは、図８の（ａ）に示したような屈折率を有する従来例の光ファイバである。
【００９０】
【表２】

【００９１】
実施例３と比較例３は比屈折率差Δ１とカットオフ波長を互いにほぼ同じ値になるように調整し、実施例４と比較例４は比屈折率差Δ１とカットオフ波長を互いにほぼ同じ値になるように調整して形成されている。表２において、Ｅｒ吸収ピーク値は波長１５３０ｎｍにおける値を示す。
【００９２】
表２の比較例３、実施例３は共にＣ−ＢＡＮＤ用ＥＤＦとして設計したものであり、比較例４、実施例４、は共にＬ−ＢＡＮＤ用ＥＤＦとして設計したものである。Ｅｒはどの光ファイバも、コア全域に添加され、また添加されたＥｒ密度はほぼ同一であり、さらに、実施例３、４では、第１、第２コア部１１，１２に添加されているＥｒは均一になるように添加した。
【００９３】
表２の結果から、第２実施形態例のＤＳＣ型の屈折率プロファイルを有する光ファイバは、従来例（比較例）の光ファイバと、同じＥｒ密度、同じカットオフ波長としたときに、Ｃ‐ＢＡＮＤ用設計、Ｌ‐ＢＡＮＤ用設計のどちらにおいても、１５３０ｎｍの吸収係数が従来例よりも大きくできることが確認できた。また、波長分散値に関しても、比較例３、４の光ファイバよりも実施例３、４の光ファイバの方が波長分散値の絶対値が十分大きくなっていることが確認された。
【００９４】
なお、表１の実施例１と表２の実施例３を比較してみると、ＤＳＣ型の光ファイバにおいて、第１コア部１１をα分布型とした光ファイバは、第１コア部１１をステップインデックス型にした光ファイバに比べ、１５３０ｎｍにおける吸収係数が大きくなっている。つまり、同じＥｒ密度で、同じカットオフ波長における１５３０ｎｍの吸収係数を大きくするために、ＤＳＣα分布型光ファイバが最適な屈折率プロファイルの光ファイバであることが確認できた。
【００９５】
また、屈折率プロファイルを最適化することで、添加された希土類元素の濃度分布と、希土類添加光ファイバを伝搬する光モードの重なり積分を増加させることで、吸収係数を増加することが可能であることが明らかとなった。さらに、ＤＳＣ型屈折率プロファイルのパラメータを最適化することで、ステップインデックス型屈折率プロファイルにおいて、カットオフ波長をＬ−ＢＡＮＤ設計にすると波長分散値がゼロに近づくという問題を回避でき、波長分散値の絶対値を大きくできることが明らかになった。
【００９６】
なお、本発明は上記各実施形態例および実施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ける第１コア部１１のクラッド部５に対する比屈折率差Δ１や第２コア部１２のクラッド部に対する比屈折率差Δ２の値は特に限定されるものでなく適宜設定されるものである。
【００９７】
また、上記各実施形態例における第１コア部１１の径や第２コア部１２の径の値は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものである。
【００９８】
さらに、上記各実施形態例は、第１コア部１１に希土類元素であるエルビウム１種類を添加としたが、本発明の光ファイバは、第１コア部１１に２種類以上の希土類元素を添加して形成してもよい。
【００９９】
さらに、本発明の光ファイバは、例えばＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうち少なくとも一つの希土類元素をコア部に添加して形成してもよい。
【０１００】
【発明の効果】
本発明によれば、本発明者の検討に基づき、屈折率の最適化を図ることにより、希土類元素の吸収係数を大きくでき、さらに、本発明であるＤＳＣ型屈折率プロファイルはステップインデックス型屈折率プロファイルに比べて波長分散値の設計自由度が大きく、ステップインデックス型屈折率プロファイルでは困難であった波長分散の絶対値を大きくすることで非線形現象を抑制することが可能となる。その結果、利得係数の向上により使用するＥＤＦのファイバ長を短尺化が可能となり、また波長分散値の絶対値を大きくすることができるのでＦＷＭ現象の発生を抑制することが可能となる。さらに、ＥＤＦコイルの容量を減少することができ、ＥＤＦＡのコストダウンやコンパクト化も可能となる。
【０１０１】
また、本発明において、第１コア部の屈折率分布をα分布型プロファイルとした構成によれば、吸収係数をより一層向上でき、さらにより一層効率的に非線形現象を抑制できる。
【０１０２】
さらに、本発明において、コア部に添加した希土類元素の一つはエルビウムとした構成によれば、従来のエルビウムドープ光ファイバの製造技術を応用して光ファイバを製造しやすい。
【０１０３】
さらに、本発明において、波長１５３０ｎｍにおけるエルビウムの吸収係数を１２ｄＢ／ｍ以上とした構成によれば、波長１５３０ｎｍ付近におけるエルビウムの吸収係数を大きくでき、非線形現象を抑制できるので、広波長帯域の光増幅用として適した光ファイバを確実に実現できる。
【０１０４】
さらに、本発明において、カットオフ波長を８５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下とし、信号光波長帯において零分散波長を有していないものは、広い範囲のカットオフ波長設計において、信号光波長帯において零分散波長を有していないので、広い範囲のカットオフ波長設計において４光波混合の発生を抑制できる。
【０１０５】
さらに、本発明において、第１コア部の比屈折率差を１％以上２％以下とし、第１コア部の径を第２コア部の径で割った値を０．５以内としたものや、第２コア部の比屈折率差を第１コア部の比屈折率差で割った値を０．５以内としたものにおいては、カットオフ波長を８５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の範囲内としたときに信号光波長帯に零分散が存在しないようにでき、各パラメータの決定に対する波長分散値の制限が小さくなり、カットオフ波長の設計自由度を大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ファイバの第１実施形態例の屈折率プロファイルと断面構成を示す説明図である。
【図２】本発明に係る光ファイバの第２実施形態例の屈折率プロファイルを示す説明図である。
【図３】光ファイバの屈折率プロファイルとエルビウム吸収係数との関係例を示すグラフである。
【図４】光ファイバの屈折率プロファイルとエルビウム吸収係数との別の関係例を示すグラフである。
【図５】α分布型屈折率プロファイルの光ファイバの屈折率プロファイル構成を示す説明図である。
【図６】光ファイバの屈折率プロファイルとエルビウム吸収係数とのさらに別の関係例を示すグラフである。
【図７】光ファイバの屈折率プロファイルとエルビウム吸収係数との、さらにまた別の関係例を示すグラフである。
【図８】スッテップインデックス型屈折率プロファイルの光ファイバの屈折率プロファイル構成（ａ）と断面構成（ｂ）を示す説明図である。
【図９】ステップインデックス型とＤＳＣ型の各屈折率プロファイルにおける、信号光１５８０ｎｍにおける波長分散値のカットオフ波長依存性を示すグラフである。
【図１０】カットオフ波長８５０〜１５００ｎｍの範囲内にしたとき信号光１５８０ｎｍにゼロ分散波長を持たないＤＳＣ型プロファイルのパラメータ値を示すグラフである。
【符号の説明】
１　コア部
５　クラッド部
１１　第１コア部
１２　第２コア部

Claims

第１コア部と、該第１コア部の外周側に設けられて該第１コア部より屈折率が小さい第２コア部と、該第２コア部の外周側に設けられて該第２コア部より屈折率が小さいクラッド部とを有し、前記第１コア部と前記第２コア部にはそれぞれ少なくとも一種類の希土類元素が添加されていることを特徴とする光ファイバ。
第１コア部の屈折率分布をα分布型プロファイルとしたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
第１コア部と第２コア部に添加した希土類元素の一つはエルビウムとしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の光ファイバ。
波長１５３０ｎｍにおけるエルビウムの吸収係数を１２ｄＢ／ｍ以上としたことを特徴とする請求項３記載の光ファイバ。
カットオフ波長を８５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下とし、信号光波長帯にゼロ分散波長を有していないことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の光ファイバ。
第１コア部の比屈折率差を１％以上２％以下とし、第１コア部の径を第２コア部の径で割った値を０．５以内としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載の光ファイバ。
第２コア部の比屈折率差を第１コア部の比屈折率差で割った値を０．５以内としたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の光ファイバ。