JP2004083411A - 増幅用光ファイバ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】コア直径を8μmに維持して接続損失を最小化すると同時に、光信号を単一モードに伝送させることのできる増幅用光ファイバを提供する。
【解決手段】本発明による増幅用光ファイバは、光ファイバの中心に位置し、MX、GaS3/2及びREを含む内部コアと、内部コアを取り囲み、SiOを含む外部コアと、外部コアを取り囲み、SiOを含むクラッドと、から構成され、MXを構成するMがNa、K、Rb及びCsからなる群から選択された一つの成分であり、MXを構成するXがF、Cl、Br及びIからなる群から選択された一つの成分であり、REがCe、Pr、Pm、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Ho、Dy、Er、Tm及びYbからなる群から選択された一つの成分であることを特徴とする。
【選択図】図4

Description

 本発明は光ファイバに関し、特に、増幅用光ファイバ及びその製造方法に関する。
 希土類元素(Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb)は、3価イオン状態において4f−4f電子遷移により蛍光を放出する。また、その希土類元素を含有した光ファイバは、誘導放出(stimulated emission)効果により、入力された光信号を増幅する機能を有する。そして、光ファイバ両端の反射率を適切に調節すると、その光ファイバは誘導放出を連続的に発生する光ファイバレーザの機能を有することになる。一般的に、光通信用帯域において、1.3〜1.4μm波長ではPr3+とNd3+とDy3+が蛍光を放出し、1.4〜1.5μm波長ではTm3+が蛍光を放出し、1.5〜1.6μm波長ではEr3+が蛍光を放出する。そのため、現在1.5〜1.6μm波長の光通信帯域ではEr3+添加光ファイバ増幅器(Er3+ doped fiber amplifier:EDFA)が広く使用されている。
 このように、1.5〜1.6μm波長の光通信帯域では、一般的に使用されている石英ガラス光ファイバにEr3+を添加したEr3+添加光ファイバ増幅器が広く使用されている。しかし、1.3〜1.4μm波長や1.4〜1.5μm波長の光通信帯域では、Pr3+とDy3+とTm3+の石英ガラス内での蛍光放出効率があまりにも低いため、その光通信帯域における光ファイバ増幅器は実用化されなかった。このような問題点を解決するために、例えば、特許文献1、2の技術が提案されている。
米国特許第5071460号明細書 米国特許第5567219号明細書
 特許文献1、2には、フッ化物(fluoride)系ガラス光ファイバに希土類元素を添加して、蛍光放出効率を高める増幅用光ファイバを製造する方法が開示されている。
 しかし、フッ化物系ガラスを用いると、化学気相蒸着法(chemical vapor deposition)によって、既存のシリカガラスのような高純度のガラス母材を製造することができず、コア(core)とクラッド(cladding)の屈折率差を0.1%以内に調節することが難しくなるという問題を引き起こす。このような問題を解決するためにオーバジャケッティング(over-jacketing)方法を利用した、フッ化物系増幅用光ファイバの製造方法が開示されている。
 図1及び図2に、従来技術によるオーバジャケッティング方法を利用したフッ化物系増幅用光ファイバの製造方法を示す。図1及び図2を参照すると、増幅用光ファイバのコアに該当する部分をロッド(rod)110形態に形成し、クラッドに該当する部分をチューブ(tube)120形態に形成する。チューブ120のホール125内にロッド110を挿入して一つのロッド形状の母材を形成する。その後、光ファイバ線引き設備を使用してフッ化物系増幅用光ファイバを線引きする。
 一方、製造工程を改善するために、石英系ガラス成分を石英チューブ内でフッ素処理(fluorinate)する方法、即ち、コア部分の成分を石英系からフッ化物系に置き換える方法がある(例えば、特許文献3、特許文献4参照)。
米国特許第6128430号明細書 米国特許第6374641号明細書
 図3に従来技術によるフッ化物系増幅用光ファイバを示す。このフッ化物系増幅用光ファイバ200は、その中心に位置するコア210と、コア210を取り囲むクラッド220と、からなる。屈折率分布(refractive index)曲線230から分かるように、コア210とクラッド220間の屈折率差が大きいため、マルチモード(multi-mode)240、250で光信号が伝送する問題が発生する。光信号をシングルモード(single-mode)で伝送するためにフッ化物系増幅用光ファイバ200のコア直径Aを4μm以下に減らすと、一般的にコア直径が8μmである石英系増幅用光ファイバと接続した場合、接続損失が大幅に増加する問題が発生する。
 上述した従来技術による増幅用光ファイバは、下記のような問題点を有する。
 第一に、コアとクラッドの屈折率差が大きな増幅用光ファイバ内ではマルチモードで光波が伝搬するという問題が発生する。
 第二に、光波をシングルモードで伝搬させるためにフッ化物系増幅用光ファイバのコア直径を4μm以下に減らすと、コア直径が8μmである石英系光伝送用光ファイバと接続した場合、接続損失が大幅に増加するという問題が発生する。
 第三に、フッ化物系ガラスを湿気にさらすとガラス内OH化学結合が増加するので、光波の損失が増大し、光ファイバの機械的強度が大幅に減少する。その結果、増幅用光ファイバの信頼性を減少させるという問題が発生する。
 第四に、石英系ガラスをフッ化物系ガラスに置き換えた場合、酸素含有フッ化物系(oxy-fluoride)コア組成による光分散損失が非常に増加するという問題が発生する。
 従って、前述の問題点を解決するための本発明の目的は、コア直径を8μmに維持して接続損失を最小化すると同時に、光信号をシングルモードに伝送させることのできる増幅用光ファイバを提供することにある。
 本発明の他の目的は、水分に露出しても光波の損失が増加せず、機械的強度を維持することのできる増幅用光ファイバを提供することにある。
 本発明のさらに他の目的は、蛍光放出効率及び光増幅効率が向上した増幅用光ファイバを提供することにある。
 本発明のさらに他の目的は、光散乱損失を減少させた増幅用光ファイバを提供することにある。
 本発明のさらに他の目的は、前述の目的を実現するための増幅用光ファイバの製造方法を提供することにある。
 このような目的を達成するために本発明による増幅用光ファイバは、その中心に位置し、成分にMX、GaS3/2及びREを含む内部コアと、内部コアを取り囲んで位置し、成分にSiOを含む外部コアと、外部コアを取り囲んで位置し、成分にSiOを含むクラッドと、から構成されることを特徴とする。また、MXを構成するMはNa、K、Rb及びCsからなる群から選択された一つの成分であり、MXを構成するXはF、Cl、Br及びIからなる群から選択された一つの成分であり、REはCe、Pr、Pm、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Ho、Dy、Er、Tm及びYbからなる群から選択された一つの成分であることを特徴とする。
 この増幅用光ファイバにおける内部コアは、更にGe、As及びSを含むことができる。また、更にLaS3/2を含むことができ、その直径は、0.1〜8μmの範囲であっても良い。また、MXの含量は5〜67モル%、GaS3/2の含量は5〜50モル%であっても良い。また、REの含量は0.001〜5モル%であっても良い。また、更に、0より大きく33モル%以下であるGe、0より大きく40モル%以下であるAs、0より大きく67モル%以下であるS、及び0より大きく50モル%以下であるLaS3/2の中から一つ以上の成分を含むことが可能である。
 また、この増幅用光ファイバにおける外部コア及びクラッドのそれぞれがSiFを含むことができ、外部コアがAl及びGeOを、クラッドがB及びPを含むことも可能である。また、外部コアの直径は2〜10μmの範囲であっても良く、クラッドの直径は100〜250μmの範囲であっても良い。
 さらにこの増幅用光ファイバにおける外部コアの直径は、2〜10μmの範囲であっても良く、その成分に30〜100モル%の範囲のSiOを含むことができる。またこの外部コアが更に、0より大きく30モル%以下であるB、0より大きく10モル%以下であるP、0より大きく10モル%以下であるAl、0より大きく30モル%以下であるGeO、0より大きく40モル%以下であるPbO及び0より大きく10モル%以下であるSiFの中から一つ以上の成分を含むことができる。また、この増幅用光ファイバにおけるクラッドの直径は、100〜250μmの範囲であっても良く、その成分に30〜100モル%の範囲のSiOを含むことができる。また、このクラッドが更に、0より大きく30モル%以下であるB、0より大きく10モル%以下であるP、0より大きく10モル%以下であるAl、0より大きく30モル%以下であるGeO、0より大きく40モル%以下であるPbO及び0より大きく10モル%以下であるSiFの中から一つ以上の成分を含むこともできる。
 この増幅用光ファイバの製造方法には、石英チューブ内へ原料ガスを注入しながらこの石英チューブを加熱する外部コア形成過程と、石英チューブ内へ固体状態の原料物質を供給する原料物質供給過程と、石英チューブを回転させながらこの石英チューブを加熱する内部コア形成過程と、石英チューブをその軟化点以上に加熱することにより、この石英チューブ内の空き空間を除去するチューブ収縮過程と、を含むことができる。また外部コアを形成する過程においては、クラッドのための石英チューブの内壁上に外部コアを化学気相蒸着法を利用して形成する過程を含むことができる。
 この増幅用光ファイバを用いてネットワークを作っても良い。
 この増幅用光ファイバを用いて光ファイバ増幅器を作っても良い。
 本発明による増幅用光ファイバは、外部コアとクラッドの屈折率差を従来より減少させることにより、光信号をシングルモードで伝送することができる利点がある。
 また、本発明による増幅用光ファイバは、化学的に安定した石英系クラッドと外部コアによって内部コアが保護されるので、水分浸透による光損失が最小化される利点がある。
 以下、本発明に従う好適な一実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。
 図4は本発明の一実施形態による増幅用光ファイバを示す図である。増幅用光ファイバ300は、増幅用光ファイバ300の中心に位置する内部コア310と、内部コア310を取り囲む外部コア320と、外部コア320を取り囲むクラッド330と、から構成される。
 内部コア310は、その直径Cが0.1〜8μmであり、5〜67モル%であるMX、5〜50モル%のGaS3/2及び0.001〜5モル%以下のREを含ませて組成される。また更にその成分に、0より大きく33モル%以下のGe、0より大きく40モル%以下のAs、0より大きく67モル%以下のS及び0より大きく50モル%以下のLaS3/2のうち、一つ以上の成分を含むことができる。MXを構成するMは、Na、K、Rb及びCsからなる群から一つが選択され、MXを構成するXはF、Cl、Br及びIからなる群から一つが選択される。また、REはCe、Pr、Pm、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Ho、Dy、Er、Tm及びYbからなる希土類元素群から一つが選択される。
 外部コア320は、その直径Dが2〜10μmであり、30〜100モル%のSiOを含ませて組成される。また更にその成分に、0より大きく30モル%以下のB、0より大きく10モル%以下のP、0より大きく10モル%以下のAl、0より大きく30モル%以下のGeO、0より大きく40モル%以下のPbO及び0より大きく10モル%以下のSiFのうち、一つ以上の成分を含ませることができる。
 クラッド330は、その直径Eが100〜250μmであり、30〜100モル%のSiOを含ませて組成される。また更にその成分に、0より大きく30モル%以下のB、0より大きく10モル%以下のP、0より大きく10モル%以下のAl、0より大きく30モル%以下のGeO、0より大きく40モル%以下のPbO及び0より大きく10モル%以下のSiFのうち、一つ以上の成分を含ませることができる。外部コア320とクラッド330間の屈折率差△nは0.001〜10%に設定され、2%以下であると好ましい。選択的に、内部コア310と外部コア320間の屈折率差△nを2%以下に設定することができ、この場合、内部コア310の直径Cは1〜8μmに設定される。
 図5〜図9は本発明の一実施形態による増幅用光ファイバ母材の製造方法を示す図である。増幅用光ファイバ母材の製造方法は、外部コア形成過程と、原料物質供給過程と、内部コア形成過程と、チューブ収縮過程と、から構成される。
 外部コア形成過程では、化学気相蒸着法を用いて、クラッド用石英チューブ420の内壁に外部コア430を形成する。図5を参照すると、石英チューブ420内に外部コア用原料ガス(material gas)を注入しながら、酸素/水素バーナーなどの熱源410を利用して石英チューブ420の外壁を加熱する。この時、石英チューブ420を回転させ、熱源410を石英チューブ420の長手方向に沿って移動させる。石英チューブ420が加熱されるに従って、石英チューブ420の内部には高温領域が形成される。この高温領域を通過する原料ガスは反応物を生成し、この反応物が石英チューブ420の内壁に蒸着することによって外部コア430を形成するようになる。この化学気相蒸着法はMCVD(modified chemical vapor deposition)工程、PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)工程、OVD(outside vapor deposition)工程又はNAD(vertical axillary deposition)工程からなる。その他の方法として、クラッド及び外部コアに該当する石英チューブを予め押出(extrusion)工程、または線引き(elongation)工程により形成しておきクラッド用石英チューブの内部に外部コア用石英チューブを挿入した後、クラッド用石英チューブの外壁を加熱して、二つのチューブを融着させることにより、一つの石英チューブを形成する方法を用いても良い。図6はここで述べた外部コア形成過程によって石英チューブ420の内壁に外部コア430が形成された状態を示している。
 原料物質供給過程は、石英チューブ420内に内部コア用原料物質(raw material)440を供給する過程である。原料物質440は、Oとの接触を避けるため、別に用意した石英材質の容器内でMX、GaS3/2、REなどの原料成分を溶融し、これを急冷却する工程を経て生成される。図7は、原料物質440が0.001〜10mm直径の粉末(powder)、グレイン(grain)又はロッド(rod)形態で、石英チューブ420内に供給されることを示している。
 内部コア形成過程は、石英チューブ420内の原料物質440を溶融させて内部コアを形成する過程である。図8を参照すると、石英チューブ420をその軸周囲に回転させながら、その外周面を設定された温度まで加熱する。加熱温度は石英チューブ420の軟化点(softening point)より低く、原料物質440の溶融点(melting point)より高い。石英チューブ420が加熱されるにつれて、溶融された原料物質440は回転遠心力により外部コア430の内壁表面上に一定厚さで固着する。同時に、石英チューブ420内部に雰囲気ガス(atmosphere gas)が供給される。この雰囲気ガスはHe、Ne、Ar、Xe、N、F、Cl、Br及びIのうち、少なくとも1種類以上で構成される。
 チューブ収縮過程は、石英チューブ420を収縮させることにより内部の空き空間を除去する過程である。図9を参照すると、石英チューブ420をその軟化点以上に加熱し、内部の空き空間を低圧に維持することにより、外部との圧力差を発生させる。すると、石英チューブ420がその軸方向に沿って収縮(collapsing)され、内部の空き空間が除去されることによってロッド形状の増幅用光ファイバ母材が生成される。
 次に、増幅用光ファイバの線引き過程に移る。前述した過程を経て製造された増幅用光ファイバ母材を光ファイバ線引き設備に搭載し、光ファイバ母材の一端を溶融し、線引きする。線引きされた光ファイバは紫外線硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂でコーティングされ、紫外線や熱により樹脂を硬化させて外皮が形成される。その外皮は増幅用光ファイバの機械的強度を増加させ、外部環境から保護する。
 本発明の一実施形態による増幅用光ファイバは、その組成成分に従って多様に具現することができ、このような多様な実施形態を下記表1及び表2に示す。
Figure 2004083411
 表1は各実施形態で内部コアの組成成分を示している。各実施形態に共通して適用する外部コア及びクラッドの組成成分を下記表2に示す。
Figure 2004083411

 以下、代表実施形態として表1の実施形態(4)を測定結果に基づいて詳細に説明する。
 代表実施形態
 図4を参照して説明すると、本発明の実施形態(4)による増幅用光ファイバ300は、内部コア310、外部コア320及びクラッド330で構成されている。その組成成分は表1及び表2に示したとおりである。内部コア310は、直径Cが0.6μmで、屈折率が1.58である。外部コア320は、直径Dが8μmで、屈折率が1.4590である。クラッド330は、直径Eが125μmで、屈折率が1.45701である。増幅用光ファイバ300の開口数(Numerical Aperture:NA)は0.076であり、1.45μm波長でのモードフィールド直径(Mode-Field Diameter:MFD)は9.25μmであり、伝送用光ファイバとの接続損失は0.9dBである。増幅用光ファイバ300のNAは、伝送用光ファイバのNA0.117より小さい値であるが、増幅用光ファイバ300と伝送用光ファイバのMFDが90%以上一致するため、1dB以下の接続損失を実現することができる。また、増幅用光ファイバ300の1.45μm波長での伝送損失は0.13dB/mである。増幅用光ファイバ300内で1.45μm波長の光信号はシングルモード350で伝送する。シングルモードにおける遮断波長(cut-off wavelength)は1.2μmであり、曲げ損失(bending loss)は1.65μm波長で0.2dB/kmである。
 増幅用光ファイバ300の伝送損失は、従来のフッ化物系光ファイバの伝送損失0.1dB/mよりもやや高いが、光ファイバ増幅器や光ファイバレーザで使用される光ファイバの長さが20〜40mであることを考慮すると、その使用目的には適切な値であると言える。また、従来のフッ化物系光ファイバには、伝送用石英ガラス光ファイバと機械的接続しかできず、その接続損失が1dB以上であり、再現性が不十分であるといった問題があったが、増幅用光ファイバ300は、伝送用石英ガラス光ファイバと融着接続(fusion splicing)が可能であり、高い再現性と低い接続損失を実現した。さらに、増幅用光ファイバ300は、接続のためにポリマーコーティング膜である外皮(図示せず)を除去しても、化学的に安定化した石英系クラッド330と外部コア320により内部コアが保護されているので、外部の湿気による内部コア310のOH化学結合が最小限に制限される。増幅用光ファイバ300は、光信号伝送の大部分が外部コア320を通じて遂行され、誘導放出現象が内部コア310でのみ発生するため、内部コア310がOH化学結合により部分的に損傷された状態になっても光損失が最小化される。
 図10は光増幅利得測定装置の構成を示す概略図であり、図11は図10に示した装置により測定した光増幅利得スペクトルを示す図である。光増幅利得測定装置は波長可変型レーザダイオード510と、第1光結合器530及び第2光結合器560と、ポンピングレーザダイオード570と、フォトダイオード540と、第1アイソレーター520及び第2アイソレーター580と、スペクトル分析器590と、から構成される。第1光結合器530と第2光結合器560の間には本発明の代表実施形態による増幅用光ファイバ300が接続されている。
 波長可変型レーザダイオード510は1.45〜1.5μm波長の光信号を出力することができ、ポンピングレーザダイオード570は増幅用光ファイバ300をポンピングするために0.8μm波長のポンピング光を400mWの出力で生成する。フォトダイオード540により測定された光信号の出力は−30dBmであり、増幅用光ファイバ300の長さは20mである。図11を参照すると、30dB以上の光増幅利得が、利得平坦化された60nmの波長帯域間において測定された。従って、増幅用光ファイバ300を使用することにより、Sバンド(1.45〜1.5μm)の光信号を増幅するTm3+添加光ファイバ増幅器(TDFA、Tm3+ doped fiber amplifier)を実現することができる。
従来技術によるオーバジャケッティング方法を利用したフッ化物系増幅用光ファイバの製造方法を説明するための図。 従来技術によるオーバジャケッティング方法を利用したフッ化物系増幅用光ファイバの製造方法を説明するための図。 従来技術によるフッ化物系増幅用光ファイバを示す図。 本発明による増幅用光ファイバを示す図。 本発明による増幅用光ファイバ母材の製造方法を説明するための図。 本発明による増幅用光ファイバ母材の製造方法を説明するための図。 本発明による増幅用光ファイバ母材の製造方法を説明するための図。 本発明による増幅用光ファイバ母材の製造方法を説明するための図。 本発明による増幅用光ファイバ母材の製造方法を説明するための図。 光増幅利得測定装置の構成を示す図。 図10に示された装置により測定された光増幅利得スペクトルを示す図。
符号の説明
300 増幅用光ファイバ
310 内部コア
320、430 外部コア
330 クラッド
410 熱源
420 石英チューブ
440 原料物質
510 波長可変型レーザダイオード
520 第1アイソレーター
530 第1光結合器
540 フォトダイオード
560 第2光結合器
570 ポンピングレーザダイオード
580 第2アイソレーター
590 スペクトル分析器
C   内部コア直径
D   外部コア直径
E   クラッド直径 

Claims (20)

  1.  内部を伝達する光信号を誘導放出を利用して増幅する増幅用光ファイバにおいて、
     当該光ファイバの中心に位置し、MX、GaS3/2及びREを含む内部コアと、
     該内部コアを取り囲み、SiOを含む外部コアと、
     該外部コアを取り囲み、SiOを含むクラッドと、から構成され、
     前記MXを構成するMがNa、K、Rb及びCsからなる群から選択された一つの成分であり、前記MXを構成するXがF、Cl、Br及びIからなる群から選択された一つの成分であり、前記REがCe、Pr、Pm、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Ho、Dy、Er、Tm及びYbからなる群から選択された一つの成分であることを特徴とする増幅用光ファイバ。
  2.  前記内部コアがGe、As及びSをさらに含む請求項1記載の増幅用光ファイバ。
  3.  前記内部コアがLaS3/2をさらに含む請求項2記載の増幅用光ファイバ。
  4.  前記内部コアの直径が0.1〜8μmの範囲である請求項3記載の増幅用光ファイバ。
  5.  前記内部コアが、5〜67モル%のMX、5〜50モル%のGaS3/2、及び、0.001〜5モル%のREを含む請求項4記載の増幅用光ファイバ。
  6.  前記内部コアが、0より大きく33モル%以下のGe、0より大きく40モル%以下のAs、0より大きく67モル%以下のS及び0より大きく50モル%以下のLaS3/2からなる群から選択された一つ以上の成分をさらに含む請求項5記載の増幅用光ファイバ。
  7.  前記外部コア及びクラッドのそれぞれがSiFをさらに含む請求項3記載の増幅用光ファイバ。
  8.  前記外部コアがAl及びGeOをさらに含み、前記クラッドがB及びPをさらに含む請求項7記載の増幅用光ファイバ。
  9.  前記外部コアの直径が2〜10μmの範囲である請求項8記載の増幅用光ファイバ。
  10.  前記クラッドの直径が100〜250μmの範囲である請求項9記載の増幅用光ファイバ。
  11.  前記外部コアの直径が2〜10μmの範囲である請求項3記載の増幅用光ファイバ。
  12.  前記外部コアが、30〜100モル%の範囲のSiOを含む請求項11記載の増幅用光ファイバ。
  13.  前記外部コアが、0より大きく30モル%以下のB、0より大きく10モル%以下のP、0より大きく10モル%以下のAl、0より大きく30モル%以下のGeO、0より大きく40モル%以下のPbO及び0より大きく10モル%以下のSiFからなる群から選択された一つ以上の成分をさらに含む請求項12記載の増幅用光ファイバ。
  14.  前記クラッドの直径が100〜250μmの範囲である請求項13記載の増幅用光ファイバ。
  15.  前記クラッドが30〜100モル%の範囲のSiOを含む請求項14記載の増幅用光ファイバ。
  16.  前記クラッドが、0より大きく30モル%以下のB、0より大きく10モル%以下のP、0より大きく10モル%以下のAl、0より大きく30モル%以下のGeO、0より大きく40モル%以下のPbO及び0より大きく10モル%以下のSiFからなる群から選択された一つ以上の成分をさらに含む請求項15記載の増幅用光ファイバ。
  17.  石英チューブ内へ原料ガスを注入しながら該石英チューブを加熱する外部コア形成過程と、
     前記石英チューブ内へ固体状態の原料物質を供給する原料物質供給過程と、
     前記石英チューブを回転させながらこの石英チューブを加熱する内部コア形成過程と、
     前記石英チューブをその軟化点以上に加熱することにより、この石英チューブ内の空き空間を除去するチューブ収縮過程と、を含むことを特徴とする増幅用光ファイバの製造方法。
  18.  前記外部コアを形成する過程は、クラッド用石英チューブの内壁上に外部コアを化学気相蒸着法を利用して形成する過程をさらに含む請求項17記載の増幅用光ファイバの製造方法。
  19.  請求項1記載の増幅用光ファイバを使用したネットワーク。
  20.  請求項1記載の増幅用光ファイバを使用した光ファイバ増幅器。
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