JP2004260104A

JP2004260104A - 光増幅用ファイバ

Info

Publication number: JP2004260104A
Application number: JP2003051613A
Authority: JP
Inventors: Jialei He; ホージャレイ; Yoshihiro Terada; 佳弘寺田; Kazuhiko Aikawa; 和彦愛川; Kuniharu Himeno; 邦治姫野
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】モードフィールド径が大きく、他の光ファイバとの接続損失が許容値以下で、かつ曲げ損失が小さく、光増幅器の小型化が可能な細径の光増幅用ファイバを得ることにある。
【解決手段】裸線１の外径が６０〜１００μｍであり、コア・クラッド間の比屈折率差が１．６〜２．７％であり、コア２あるいはコア２とクラッド３の一部にエルビウムなどの希土類元素が添加され、１層または２層の被覆層を有し、直径２０ｍｍで曲げられたときに、波長１６２０ｎｍでの曲げ損失が０．２ｄＢ／ｍ以下である光増幅用ファイバ。また、２層の被覆層を有するものでは、一次被覆層４の外径が９０〜１６０μｍであり、二次被覆層５の外径が１１０〜２１０μｍであることが好ましい。１層の被覆層を設けた場合には、被覆層の外径を９０〜１６０μｍにすることが好ましい。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光増幅用ファイバおよびこの光増幅用ファイバを用いた光増幅器に関し、小型の光増幅器が得られるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅用ファイバは、コアあるいはコアとクラッドの一部にエルビウムなどの希土類元素を添加した光ファイバで、光増幅作用を有し、光増幅器などに広く使用されている。また、従来よりエルビウムの濃度消光に起因する増幅効率の低下を防止するため、エルビウム以外のイットリビウム、ランタン、ネオジムなどの他の希土類元素を共添加することも知られている。さらに、増幅帯域の広帯域化、信号利得の平坦化のためにアルミニウムを高濃度で共添加することも知られている。
【０００３】
ところで、光増幅器にあっては、光増幅用ファイバをボビン等に巻き回してコイルとして使用されている。光増幅器を小型化することにより、伝送システム中の多様な光部品や光モジュールを小型化、集積化でき、収容スペースやコストなどの面で大きく改善できる。
【０００４】
光増幅器を小型化するには、光増幅用ファイバを巻き回したコイルの径を小さくすることが考えられる。しかし、光ファイバの機械的強度の長期信頼性の観点から光ファイバの許容曲げ半径は制限されている。光ファイバ裸線の許容曲げ半径は次式（１）で求められる。
【０００５】
Ｄｂ＝Ｄｆ／ε ・・・（１）
ここで、Ｄｂ：許容曲げ半径
Ｄｆ：光ファイバ裸線の半径
ε ：一定の曲げ歪み
【０００６】
例えば、εを０．２％とすれば、従来の外径１２５μｍの光ファイバ裸線では許容曲げ半径を３１．２５ｍｍ以上とする必要がある。
（１）式から、細径の光増幅用ファイバ裸線を用いれば、許容曲げ半径を小さくでき、結果的に光増幅器を小型化できる。
【０００７】
ところで、細径の光増幅用ファイバを巻き回したコイルでは、そのコイル径を小さくすることができるが、光増幅用ファイバの曲げ半径が小さくなるため、曲げ損失が大きくなり、光の損失が増加する。
一般に、光ファイバの曲げ損失を小さくするには、光ファイバのコア・クラッド間の比屈折率差を大きくし、光パワーをコア内に強く閉じ込めるようにすればよい。
【０００８】
しかし、その比屈折率差が大きくなると、光ファイバのモードフィールド径が小さくなる。光増幅用ファイバを用いて光増幅器を構成する際には、異種ファイバとの接続が不可欠となるが、この際、両者のファイバ間でモードフィールド径の差が大きくなると接続損失が大きくなり、結合効率が低下する。このため、光増幅用ファイバのモードフィールド径には下限があり、比屈折率差には上限が存在する。
通常、光増幅用ファイバと一般のシングルモードファイバとの間の接続損失は１ｄＢ以下でないと、実用上不都合を来す。
【０００９】
また、光ファイバの伝送信号波長での曲げ損失の測定は、ファイバ特性を認識するために、重要な測定項目であるが、エルビウム添加光増幅用ファイバの場合には信号光波長１５５０ｎｍ帯に吸収があるので、直接測定することが不可能である。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−９３７６号公報
【特許文献２】
特開平１０−５９７３６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明における課題は、モードフィールド径が大きく、他の光ファイバとの接続損失が許容値以下で、かつ曲げ損失が小さく、光増幅器の小型化が可能な細径の光増幅用ファイバを得ることにある。また、エルビウム添加光増幅用ファイバの波長１５５０ｎｍでの曲げ損失を推定できるようにすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、
請求項１にかかる発明は、裸線外径が６０〜１００μｍであり、コア・クラッド間の比屈折率差が１．６〜２．７％であり、コアあるいはコアとクラッドの一部に希土類元素が添加され、被覆層を有し、直径２０ｍｍで曲げられたときに、波長１６２０ｎｍでの曲げ損失が０．２ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする光増幅用ファイバである。
【００１３】
請求項２にかかる発明は、希土類元素がエルビウムであることを特徴とする請求項１記載の光増幅用ファイバである。
請求項３にかかる発明は、希土類元素がエルビウムとエルビウム以外の希土類元素であることを特徴とする請求項１または２記載の光増幅用ファイバである。
【００１４】
請求項４にかかる発明は、被覆層が２層からなり、一次被覆層の厚さが１５〜３０μｍで、外径が９０〜１６０μｍであり、二次被覆層の厚さが１０〜２５μｍで、外径が１１０〜２１０μｍであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光増幅用ファイバである。
【００１５】
請求項５にかかる発明は、被覆層が１層からなり、その被覆層の厚さが１５〜３０μｍで、外径が９０〜１６０μｍであることを特徴とする請求項１ないし３にいずれかに記載の光増幅用ファイバである。
請求項６にかかる発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の光増幅用ファイバを用いたことを特徴とする光増幅器である。
【００１６】
請求項７にかかる発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の光増幅用ファイバの波長１６２０ｎｍでの曲げ損失の実測値から波長１５５０ｎｍでの曲げ損失値を推定することを特徴とする光増幅用ファイバの曲げ損失の推定法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、この発明の光増幅用ファイバの一例を示すもので、図中符号１は、光増幅用ファイバ裸線を示す。この光増幅用ファイバ裸線１は、コア２とクラッド３とからなり、コア２には屈折率を高めるためのゲルマニウムが添加され、さらに光増幅作用を呈するエルビウムなどの希土類元素が添加されている。
【００１８】
この希土類元素は、コア２のみならずコア２の外側のクラッド３の一部にも添加されていてもよい。また、希土類元素がエルビウムの場合には、エルビウムの濃度消光に起因する増幅効率の低下を防止するため、エルビウム以外のイットリビウム、ランタン、ネオジムなどの他の希土類元素を共添加してもよい。さらに、増幅帯域の広帯域化、信号利得の平坦化のためにアルミニウムを高濃度で共添加してもよい。
【００１９】
この光増幅用ファイバ裸線１は、その外径が６０〜１００μｍ、好ましくは７０〜９０μｍと、通常の光増幅用ファイバ裸線の外径１２５μｍよりも細径となっている。外径が６０μｍ未満では張力１ｋｇｆでも破断することが生じ、取扱上不都合を起こしやすくなってしまい、１００μｍを越えると、巻回時の許容曲げ半径が大きくなり小型化の効果が得られない。
【００２０】
この光増幅用ファイバ裸線１上には、一次被覆層４および二次被覆層５が被覆されて光増幅用ファイバ素線となっている。これら被覆層４、５は、紫外線硬化型樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂からなるもので、一次被覆層４は比較的軟質の樹脂から、二次被覆層５は比較的硬質の樹脂から構成されている。
【００２１】
そして、上記一次被覆層４の厚さは１５〜３０μｍであり、外径は、９０〜１６０μｍ、好ましくは１００〜１５０μｍとされ、二次被覆層５の厚さは１０〜２５μｍであり、外径は、１１０〜２１０μｍ、好ましくは１３０〜１９０μｍとなっている。
一次被覆層４の厚さが１５μｍ未満、すなわちその外径が９０μｍ未満ではファイバ化の紡糸工程中にファイバ裸線が樹脂ダイスに当たりやすく、結果的にファイバ裸線に傷を付けてしまい、二次被覆層５の厚さが１０μｍ未満、すなわちその外径が１１０μｍ未満では光ファイバが外力の影響を受けやすく、強度の劣化が生じやすくなる。
また、一次被覆層４の厚さが３０μｍ、すなわち外径が１６０μｍを越える、あるいは二次被覆層５の厚さが２５μｍ、すなわち外径が２１０μｍを越えると、従来の光増幅用ファイバの外径１２５μｍの時に比べて体積の減少効果が少なく、望ましくない。
【００２２】
また、この光増幅用ファイバ裸線１のコア２とクラッド３との間の比屈折率差が１．６〜２．７％、好ましくは１．７〜２．６％となっている。この比屈折率差が１．６％未満では曲げ損失が大きくなりすぎ、２．７％を越えるとモードフィールド径が小さくなりすぎて、他のファイバとの接続損失が１ｄＢを越えることになる。
さらに、この光増幅用ファイバは、直径２０ｍｍで曲げられたときに波長１６２０ｎｍでの曲げ損失が０．２ｄＢ／ｍ以下となっている。
【００２３】
図２は、図１に示した光増幅用ファイバに関して、その比屈折率差とモードフィールド径と曲げ損失との関係を示したもので、縦軸は波長１５５０ｎｍでの曲げ損失を、横軸は１５５０ｎｍでのモードフィールド径を示す。曲げ損失における「１Ｅ−０６」等の表示は、「１×１０^−６」等を意味する。図２ないし図８においても同様である。
【００２４】
エルビウム添加光増幅用ファイバを中心波長１５５０ｎｍの光増幅器に使用する場合には、数十〜百メータの長さとして使用される。１個の光増幅器を使用するときに曲げによる損失が１ｄＢ以上になると、効率が悪く使用できない。したがって、光増幅用ファイバの曲げ損失は少なくとも０．０５ｄＢ／ｍ以下であることが必要となる。
【００２５】
図２に示しように、比屈折率差が大きくなると曲げ損失は急激に小さくなる。比屈折率差が２％以上では曲げ損失はほとんど０．０５ｄＢ／ｍ以下となっている（但し、ここでの曲げ損失は１５５０ｎｍにおける曲げ半径２０ｍｍでの計算値である。）。
【００２６】
しかし、比屈折率差が大きくなるとモードフィールド径が小さくなる。一般の光増幅用ファイバのモードフィールド径は５．５μｍであり、一般のシングルモードファイバのモードフィールド径は１０μｍであって、これらの間の接続損失は０．５ｄＢ以下に抑えられている。実験によれば、ファイバ間のモードフィールド径の差が６μｍ以上となると、接続損失が１ｄＢ以上となり実用できない。したがって、光増幅用ファイバのモードフィールド径の下限は４μｍとなる。
【００２７】
一方、図２からカットオフ波長（λｃ）が長いほど、曲げ損失は急激に小さくなる。しかし、光増幅用ファイバのカットオフ波長は、光増幅用ファイバの励起光波長よりも小さくする必要がある。エルビウム添加光増幅用ファイバでは０．９８μｍの励起光を使用するため、カットオフ波長は０．９８μｍ以下でなければならない。
以上の結果から、図２において破線で囲んだ範囲が適正な比屈折率差の範囲を示すことになり、これから適正な比屈折率差の範囲は、１．６〜２．７％、好ましくは１．７〜２．６％となる。
【００２８】
図３は、この発明の光増幅用ファイバの他の例を示すもので、図１に示したものと同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
この例の光増幅用ファイバは１層の被覆層６を有している点が先の例のものと異なるところである。この被覆層６の厚さは１５〜３０μｍとなっており、その外径は９０〜１６０μｍとなっている。
【００２９】
この被覆層６の厚さが１５μｍ未満、すなわち外径が９０μｍ未満では光ファイバが外力の影響を受けやすく、強度の劣化が生じやすくなる。また、その厚さが３０μｍ、すなわち外径が１６０μｍを越えると、従来の光増幅用ファイバの外径１２５μｍの時に比べて体積の減少効果が少なく、望ましくない。
【００３０】
次に、本発明の光増幅用ファイバの波長１５５０ｎｍでの曲げ損失を推定する方法について説明する。
図４ないし図９は、比屈折率差の範囲を固定した各種光増幅用ファイバについて、波長１５５０ｎｍ、１６００ｎｍ、１６２０ｎｍでの曲げ半径２０ｍｍでの曲げ損失の計算値を、カットオフ波長を変化させてプロットしたものである。
【００３１】
これらのグラフから、３つの波長での曲げ損失は１本の直線上に乗ることがわかる。したがって、波長１６２０ｎｍでの曲げ損失を実測し、この実測値からこれらグラフに示された関係を利用して１５５０ｎｍでの曲げ損失を推定することができる。
また、１５５０ｎｍでの曲げ損失を直接示す代わりに、１６２０ｎｍでの曲げ損失値を光増幅用ファイバの曲げ特性として示すこともできる。
【００３２】
以下、具体例を示すが、これに限定されるものではない。
（例１）
ＭＣＶＤ法により、高純度石英管内にコアとなる嵩密度が均一な多孔質ガラススートを形成した。この際、アルミニウムあるいはゲルマニウムの添加量をコア・クラッド間の比屈折率が２％となるようにした。次いで、このものを常法の液浸法によりエルビウムを添加し、乾燥、脱水、中実化等の工程を経て、エルビウム添加ガラス母材とした。
【００３３】
このエルビウム添加ガラス母材上に外付け法によってクラッドとなるガラススートを堆積したのち、脱水、中実化してエルビウム添加ファイバ母材とした。このエルビウム添加ファイバ母材を種々の紡糸条件で溶融紡糸し、所望の外径の裸線とし、このうえに紫外線硬化型樹脂からなる一次および二次被覆層を、各被覆層の外径を変化させて被覆し、光増幅用ファイバ素線とした。
【００３４】
この得られた光増幅用ファイバ素線は、０．９８μｍ励起、中心波長１５５０ｎｍのＣ−バンド光増幅用ファイバである。
得られた光増幅用ファイバの裸線外径、一次被覆層外径、二次被覆層外径、許容曲げ半径を表１に示す。表１中、テスト番号Ｈは従来の裸線外径１２５μｍのものである。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１の結果から、光増幅用ファイバ裸線の外径が小さいほど許容曲げ半径が小さく、細径のボビンに巻き回することができ、高密度の収容できることが分かる。
【００３７】
（例２）
例１と同様にして光増幅用ファイバ素線を作製した。この際、アルミニウムあるいはゲルマニウムの添加量を変化させて、コア・クラッド間の比屈折率差が１．５５〜２．７５％となるようにした。
【００３８】
得られた光増幅用ファイバの比屈折率差、モードフィールド径、カットオフ波長、曲げ損失を表２に示す。比屈折率差、モードフィールド径、カットオフ波長、１６２０ｎｍでの曲げ損失は実測値であり、１５５０ｎｍでの曲げ損失は上述の推定法から得られた計算値である。また、いずれの曲げ損失も直径２０ｍｍで曲げられたときの値である。表２中のテスト番号Ｉは、従来の裸線外径１２５μｍのものである。
【００３９】
【表２】

【００４０】
表２の結果から、コア・クラッド間の比屈折率差を大きくすることにより、曲げの影響が小さくなっていることがわかる。また、カットオフ波長の中心値を０．９μｍとし、比屈折率差を１．６〜２．７％とすることで、１５５０ｎｍでの曲げ損失を０．０５ｄＢ／ｍ以下に保証するためには、１６２０ｎｍでの曲げ損失が０．２ｄＢ／ｍ以下にすればよいことがわかる。ただし、安全の面から実際には、比屈折率差を１．７〜２．６％とすることが望ましい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光増幅用ファイバにあっては、細径で、かつ曲げ損失が低く、モードフィールド径が十分に大きく、許容曲げ半径が小さいものとなる。このため、この光増幅用ファイバを巻き回したコイルなどの光モジュールを小型化でき、小型の光増幅器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光増幅用ファイバの一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の光増幅用ファイバの比屈折率差とモードフィールド径と曲げ損失との関係を示す図表である。
【図３】本発明の光増幅用ファイバの他の例を示す概略断面図である。
【図４】光増幅用ファイバの波長１６２０ｎｍでの曲げ損失と波長１５５０ｎｍでの曲げ損失の関係を示す図表である。
【図５】光増幅用ファイバの波長１６２０ｎｍでの曲げ損失と波長１５５０ｎｍでの曲げ損失の関係を示す図表である。
【図６】光増幅用ファイバの波長１６２０ｎｍでの曲げ損失と波長１５５０ｎｍでの曲げ損失の関係を示す図表である。
【図７】光増幅用ファイバの波長１６２０ｎｍでの曲げ損失と波長１５５０ｎｍでの曲げ損失の関係を示す図表である。
【図８】光増幅用ファイバの波長１６２０ｎｍでの曲げ損失と波長１５５０ｎｍでの曲げ損失の関係を示す図表である。
【図９】光増幅用ファイバの波長１６２０ｎｍでの曲げ損失と波長１５５０ｎｍでの曲げ損失の関係を示す図表である。
【符号の説明】
１・・・光増幅用ファイバ裸線、２・・・コア、３・・・クラッド、４・・・一次被覆層、５・・・二次被覆層、６・・・被覆層

Claims

裸線外径が６０〜１００μｍであり、コア・クラッド間の比屈折率差が１．６〜２．７％であり、コアあるいはコアとクラッドの一部に希土類元素が添加され、被覆層を有し、直径２０ｍｍで曲げられたときに、波長１６２０ｎｍでの曲げ損失が０．２ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする光増幅用ファイバ。
希土類元素がエルビウムであることを特徴とする請求項１記載の光増幅用ファイバ。
希土類元素がエルビウムとエルビウム以外の希土類元素であることを特徴とする請求項１または２記載の光増幅用ファイバ。
被覆層が２層からなり、一次被覆層の厚さが１５〜３０μｍで、外径が９０〜１６０μｍであり、二次被覆層の厚さが１０〜２５μｍで、外径が１１０〜２１０μｍであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光増幅用ファイバ。
被覆層が１層からなり、その被覆層の厚さが１５〜３０μｍで、外径が９０〜１６０μｍであることを特徴とする請求項１ないし３にいずれかに記載の光増幅用ファイバ。
請求項１ないし５のいずれかに記載の光増幅用ファイバを用いたことを特徴とする光増幅器。
請求項１ないし４のいずれかに記載の光増幅用ファイバの波長１６２０ｎｍでの曲げ損失の実測値から波長１５５０ｎｍでの曲げ損失値を推定することを特徴とする光増幅用ファイバの曲げ損失の推定法。