JP2005010777A

JP2005010777A - 光ファイバ、光ファイバモジュールおよびラマン増幅器

Info

Publication number: JP2005010777A
Application number: JP2004164886A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Sugizaki; 隆一杉崎; Tomonori Taniguchi; 友規谷口; Takeshi Yagi; 健八木
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2005-01-13
Also published as: US20050024711A1; US7126748B2

Abstract

【課題】非線形位相シフトを抑えつつ十分なラマン利得を得ること。
【解決手段】増幅用ファイバ２ａは、波長１４５０ｎｍ励起におけるラマン利得効率（GR/Aeff）が４（ｍ/Ｗ）以上であり、波長１４５０ｎｍ励起におけるラマン利得効率（GR/Aeff）に対する波長１５５０ｎｍにおける非線形パラメータγの比が３以下としている。
【選択図】図１

Description

この発明は、高速光通信に好適な光ファイバ、光ファイバモジュールおよびラマン増幅器に関するものである。

近年、ラマン増幅器は所望の波長帯での増幅が可能であり、さらに１００ｎｍもの広帯域で利得を実現できる増幅器として注目をあつめている。このラマン増幅器の増幅媒体に用いる光ファイバは、石英ベースのどの光ファイバでも適用できるが、集中型ラマン増幅器としてはラマン利得効率（GR/Aeff＝ラマン利得係数/有効コア断面積）が６．５以上の光ファイバが一般的に用いられており、５００ｍＷ程度の励起光で２０ｄＢ以上の利得を得ている。

特開２００２−２０７１３６号公報

しかしながら、この従来の光ファイバは、５００ｍＷ程度の励起光で２０ｄＢ以上の利得を得ているものの、同時に大きな非線形位相シフトが発生し、信号光の波形劣化によって通信品質が低下するという問題点があり、高速光通信を阻害する一要因であった。

ここで、長さLの光ファイバ中における信号光の非線形位相シフトは、次式

で表される。なお、Ｐsは信号光パワー、λsは信号光波長、ｎ2は光ファイバの非線形屈折率、Aeffは光ファイバの有効コア断面積であり、（２π/λｓ）・（ｎ2/Aeff）は光ファイバの非線形パラメータγである。上式にしたがって光ファイバの非線形パラメータγが大きくなるほど非線形位相シフトは大きくなり、非線形光学現象である自己位相変調や相互位相変調などが発生しやすくなる。非線形パラメータγ（（２π/λｓ）・（ｎ2/Aeff））はラマン利得効率（GR/Aeff）に比例して大きくなるので、ラマン増幅器の効率を大きくするために高非線形性光ファイバのラマン利得効率を増大させると、非線形パラメータγも増大し、大きな非線形位相シフトが発生する。

換言すれば、非線形位相シフトは、Aeff、すなわちモードフィールド径（ＭＦＤ）が小さいほどを発生しやすく、また光ファイバのセンタコアのゲルマニウム濃度が高いほど発生しやすくなるが、ラマン利得の大きい光ファイバは、一般的に非線形屈折率ｎ2が大きいため、大きなラマン利得を得ると同時に大きな非線形位相シフトも発生させてしまうことになる。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、非線形位相シフトを抑えつつ十分なラマン利得を得ることができる光ファイバ、光ファイバモジュールおよびラマン増幅器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる光ファイバは、波長１４５０ｎｍ励起におけるラマン利得効率が４（ｍ／Ｗ）以上であり、前記波長１４５０ｎｍ励起におけるラマン利得効率に対する波長１５５０ｎｍにおける非線形パラメータの比が３以下であることを特徴とする。

また、請求項２にかかる光ファイバは、上記の発明において、波長１４５０ｎｍの有効コア断面積に対する波長１５５０ｎｍの有効コア断面積の比が１．２以上であることを特徴とする。

また、請求項３にかかる光ファイバは、上記の発明において、波長１４５０ｎｍの有効コア断面積が９．０μｍ²以下であり、かつ１５５０ｎｍの有効コア断面積が１１．０μｍ²以上であることを特徴とする。

また、請求項４にかかる光ファイバは、上記の発明において、モードフィールド径が略１０μｍ以上であって当該光ファイバに接続されるシングルモードファイバと当該光ファイバの入力端および／または出力端との間に設けられ、モードフィールド径の変換を行う接続手段を備えたことを特徴とする。

また、請求項５にかかる光ファイバモジュールは、請求項１〜４のいずれか一つに記載の光ファイバを備えたことを特徴とする。

また、請求項６にかかるラマン増幅器は、請求項５に記載の光ファイバモジュールを備えたことを特徴とする。

この発明にかかる光ファイバ、光ファイバモジュールおよびラマン増幅器は、波長１４５０ｎｍにおける有効コア断面積に対するラマン利得係数の比であるラマン利得効率が４（ｍ／Ｗ）以上であり、前記波長１４５０ｎｍにおけるラマン利得効率に対する波長１５５０ｎｍにおける非線形パラメータの比が３以下である光ファイバをラマン増幅用の光ファイバと用いることによって、非線形位相シフトを抑えつつ十分なラマン利得を得ることができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。図１は、この発明の実施の形態にかかるラマン増幅器の構成を示すブロック図である。このラマン増幅器１は、集中型のラマン増幅器であり、光ファイバモジュール２を有している。信号光が入力される端子Ｔinは、光カプラ３ａおよびアイソレータ４ａを介して光ファイバモジュール２に接続される。さらに、光ファイバモジュール２は、アイソレータ４ｂおよび光カプラ３ｂを介して増幅された信号光を出力する端子Ｔoutに接続される。光カプラ３ｂは、励起レーザ５に接続され、この励起レーザ５からの励起光を光ファイバモジュール２側に出力する。

光ファイバモジュール２は、ボビンに巻かれた後述する増幅用ファイバ２ａを有するとともに、各アイソレータ４ａ，４ｂ側のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）の光ファイバ２ｂと増幅用ファイバ２ａとの間のモードフィールド径変換を行う変換部２ｃを有する。なお、シングルモード光ファイバのモードフィールド径は約１０μｍ程度であり、増幅用ファイバ２ａのモードフィールド径は約４μｍ程度である。

端子Ｔinから入力された信号光は、光カプラ３ａおよびアイソレータ４ａを介して光ファイバモジュール２内の増幅用ファイバ２ａに入力される。増幅用ファイバ２ａは、励起レーザ５から入力された励起光によって増幅用ファイバ２ａ内を増幅可能状態にし、入力された信号光を増幅し、アイソレータ４ｂおよび光カプラ３ｂを介し、端子Ｔoutから出力する。

図２は、増幅用ファイバ２ａの屈折率プロファイルを示している。この増幅用ファイバ２ａは、いわゆるＷ型プロファイルを有し、中心部にα型の屈折率分布を有し、クラッドよりも屈折率の高い第１コア領域をもち、その外周にクラッドよりも屈折率の低い第２コア領域を持つ。第１コア領域の径は「ａ」であり、第２コア領域の径は「ｂ」である。また、第１コア領域のクラッドに対する比屈折率差は「Δ１」であり、第２コア領域のクラッドに対する比屈折率差は「Δ２」である。クラッドは一般的には実質的に純石英から成るが、フッ素がドープされていてもよい。

図３は、種々の増幅用ファイバ２ａの特性を示す図であり、「Ａ」〜「Ｄ」の増幅用ファイバがこの実施の形態のファイバであり、「Ｅ」および「Ｆ」の増幅用ファイバが比較のための従来のファイバである。これらの光ファイバは全てクラッドが実質的に純石英から成るものである。図３には、各増幅用ファイバ「Ａ」〜「Ｆ」に対する屈折率差Δ１，Δ２，第２コア径ｂに対する第１コア径ａの比ａ／ｂ，波長１５５０ｎｍにおける伝送損失、カットオフ波長λc，ラマン増幅効率（GR/Aeff），非線形パラメータγ（＝（２π/λｓ）・（ｎ2/Aeff）），１５５０ｎｍ（信号光）および１４５０ｎｍ（励起光）における有効コア断面積Aeff、１４５０ｎｍの有効コア断面積Aeffに対する波長１５５０ｎｍの有効コア断面積Aeffの比、およびラマン利得効率（GR/Aeff）に対する非線形パラメータγの各値が示されている。

ここでカットオフ波長λｃとは、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１で定義するファイバカットオフ波長λｃをいう。その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＩＴＵ−ＴＧ．６５０．１またはＧ．６５０．２における定義及び測定方法に従うものとする。

図３に示すように、この実施の形態の増幅用ファイバ「Ａ」〜「Ｄ」は、それぞれラマン利得効率（GR/Aeff）が４（ｍ／Ｗ）以上であり、ラマン利得効率（GR/Aeff）に対する非線形パラメータγの比が３以下となるようにしている。さらに、波長１４５０ｎｍの有効コア断面積Aeffに対する波長１５５０ｎｍの有効コア断面積Aeffの比が１．２以上としている。また、波長１４５０ｎｍの有効コア断面積Aeffが９．０μｍ²以下であり、かつ１５５０ｎｍの有効コア断面積Aeffが１１．０μｍ²以上としている。

従来の増幅用ファイバ「Ｅ」のラマン利得効率（GR/Aeff）は、増幅用ファイバ「Ａ」〜「Ｄ」のラマン増幅効率（GR/Aeff）に比して大きいが、その分、増幅用ファイバ「Ｅ」の非線形パラメータγの値も大きくなっており、非線形位相シフトが発生しやすい状態となっている。これに対し、増幅用ファイバ「Ａ」〜「Ｄ」は、ラマン利得効率（GR/Aeff）を抑制しているが、非線形パラメータγが小さくなっており、非線形位相シフトの発生を抑えている。

実際に増幅用ファイバ「Ｄ」を増幅用ファイバ２ａとして用い、図１に示すラマン増幅器を構成した。５００ｍＷの１４５０ｎｍ励起光を入射すると、約２０ｄＢのネットゲインが得られるラマン増幅器を実現できた。なお、変換部２ｃによる接続損失を０．１ｄＢに抑えることによって、ラマン増幅器１全体の特性を向上させることができた。

ここで、増幅用ファイバ「Ｄ」を用いたラマン増幅器１による２０ｄＢのネットゲインは、一般的な８０ｋｍ伝送路の損失を補うには十分な利得である。これに対し、従来の増幅用ファイバ「Ｅ」を用いたラマン増幅器の場合、４４０ｍＷの励起光で十分な利得を確認できたが、信号光の非線形歪が大きい。増幅用ファイバ「Ｄ」を用いたときの非線形歪みは、増幅用ファイバ「Ｅ」を用いたときの非線形歪みに比して１５％低減されている。これは、十分なラマン利得効率（GR/Aeff）を持ちつつも、非線形パラメータγを低減できた効果によるものである。非線形パラメータγは信号帯の有効コア断面積Aeffに依存するのに対して、ラマン利得効率（GR/Aeff）は、信号帯の有効コア断面積Aeffと励起帯の有効コア断面積Aeffとの相互作用によるものである。つまり、上記のような効果が得られたのは、励起帯の有効コア断面積Aeffに対する信号帯の有効コア断面積Aeffの比を１．２倍以上に設定したからにほかならない。

なお、増幅用ファイバ「Ａ」〜「Ｃ」は、ラマン利得効率（GR/Aeff）が６．５にいたらず、２０ｄＢのネットゲインを得るためには、７００ｍＷのハイパワー励起が必要となる。しかし、非線形位相シフト量は増幅用ファイバ「Ｄ」と同等であり、安価なハイパワーレーザが実現できれば、十分現実的となるものである。これに対して、従来の増幅用ファイバ「Ｆ」はもともとの非線形パラメータγが大きいため、ハイパワー励起を行っても非線形位相シフトが大きく、使用困難である。

ここで、上述したこの実施の形態の考え方についてまとめる。まず、非線形位相シフトは、信号帯の非線形屈折率ｎ2および有効コア断面積Aeffにより決まるが、ラマン利得は、ラマン利得効率（GR/Aeff）により決まる。励起光出力は励起レーザの向上によって大きくすることはできる。しかし、１Ｗを超えるものは、安全性の問題があり分布ラマン増幅の用途としては使用できない。集中ラマン増幅では、励起光が、ラマン増幅器１のモジュール外部には漏れないのであまり問題にならないと考えられる。しかし、分布ラマン増幅で使用しないほどのハイパワー励起レーザは特殊用途と考えられ、現時点でコストダウンが見込まれない。このため、集中ラマン増幅器１の増幅用ファイバ２ａとしては、８００ｍＷ程度の励起光で十分な利得が得られるほどのラマン利得効率があることが望まれる。２０ｄＢの利得を得る集中ラマン増幅器を構成するためには４（ｍ／Ｗ）のラマン利得効率は必須である。

上述したように、ラマン増幅器における問題として非線形位相シフトがある。非線形位相シフトもラマン利得効率も非線形現象に関わるパラメータであり、一般的にラマン利得効率を大きくしようとすると非線形位相シフトも大きくなってしまう。従来の光ファイバでは４（ｍ／Ｗ）のラマン利得効率を得ようとすると非線形パラメータ(γ)はその3倍以上になってしまっていた。

これを回避するためには、上述したように、１４５０ｎｍと１５５０ｎｍとの有効コア断面積Aeff差を大きくすることで回避できる。従来のラマン増幅用の増幅用ファイバは、ラマンゲインを最大とするために１４５０ｎｍと１５５０ｎｍとの有効コア断面積Aeff差を小さくし、効率よく１４５０ｎｍのパワーを１５５０ｎｍに遷移させることを狙っていた。

１４５０ｎｍのパワーを１５５０ｎｍに遷移させる際に１４５０ｎｍの励起光と１５５０ｎｍの信号光の有効コア断面積Aeffの値が近いと、各波長の光のエネルギーは相互に影響を与えやすくなるためである。つまり、１４５０ｎｍと１５５０ｎｍの各有効コア断面積Aeffの値を小さく、また両者の差を小さくすることにより、ラマン利得効率の向上を目指していた。

しかし、信号帯の有効コア断面積Aeffが小さいと、ラマン利得が大きくなることと引き換えに非線形パラメータγも大きくなってしまう。このため、信号帯の有効コア断面積Aeffは大きくしたほうが有利である。そこで、信号帯の有効コア断面積Aeffを拡大しつつ、励起帯の有効コア断面積Aeffの縮小を図れば、信号帯における非線形位相シフトの回避をしつつ、少なくとも、励起帯のパワーを集中させることができるので、ラマン利得の維持が可能である。

図７は、増幅用ファイバ２ａの図２に示した屈折率プロファイルとは別の屈折率プロファイルを示している。この増幅用ファイバ２ａは、いわゆるＷセグメント型プロファイルを有し、中心部にα型の屈折率分布を有し、クラッドよりも屈折率の高い第１コア領域をもち、その外周にクラッドよりも屈折率の低い第２コア領域を持ち、さらに第２コア領域の外周に第１コア領域よりも低く、クラッドよりも高い屈折率を持つ第３コア領域を持つ。第１コア領域の径は「ａ」であり、第２コア領域の径は「ｂ」であり、第３コア領域の径は「ｃ」である。また、第１コア領域のクラッドに対するとの比屈折率差は「Δ１」であり、第２コア領域のクラッドに対する比屈折率差は「Δ２」であり、第３コア領域のクラッドに対する比屈折率差は「Δ３」である。クラッドは一般的には実質的に純石英から成るが、フッ素がドープされていてもよい。

図４は、Ｗセグメント型プロファイルをもつ増幅用ファイバにおいてΔ１＝２．８％，Δ２＝０．２５％，Δ３＝０．４％，ａ／ｂ＝０．４５，ｃ／ｂ＝１．３としたときの１４５０ｎｍに対する１５５０ｎｍの伝搬屈折率の比と１４５０ｎｍに対する１５５０ｎｍの有効コア断面積Aeffの関係を示したものである。なお、クラッドが実質的に純石英から成るものとした。図４に示すように、増幅用ファイバの１４５０ｎｍと１５５０ｎｍの各有効コア断面積Aeffの比は、１．１程度で下限を示す。この値は屈折率プロファイルの形状等により変化するが、増幅用ファイバとして好適な特性を持つ光ファイバにおいては、通常１．１程度で下限となる。

ラマンゲインに寄与する有効コア断面積Aeffは、信号帯と励起帯の両方が影響を与えるため、励起帯の有効コア断面積Aeffを小さくすることにより、信号帯の有効コア断面積Aeffをそれほど小さくさせずに有効な利得を得ることができる。つまり、ラマン利得効率を４以上に保ちつつ、この有効コア断面積Aeffの比を１．２以上とすることにより、非線形効果の低減を果たしつつ、十分なラマンゲインが得られる集中ラマン増幅器を構成することができる。

また、図４に示すように、増幅用ファイバの１４５０ｎｍと１５５０ｎｍの各有効コア断面積Aeffの比は、１４５０ｎｍと１５５０ｎｍの各伝搬屈折率の比を大きくすることにより、大きくなる。このプロファイルでは、伝搬屈折率の比を０．９９８２以上にすることで、上述した有効コア断面積Aeffの比を１．２以上にすることができる。

図５に伝搬屈折率と有効コア断面積のコア径依存性を示す。ここで、コア径とは第２コア領域の径「ｂ」を指す。増幅用ファイバのコア径を小さくすると伝搬屈折率は小さくなり、伝搬屈折率がクラッドの屈折率と一致したときにコアは光を閉じ込められなくなり、光ファイバとして機能しなくなる。一般的に、伝搬屈折率が小さくなると図５のように急激に有効コア断面積Aeffが大きくなる。伝搬屈折率は、波長依存性があるので、２つの波長で有効コア断面積Aeffの差をつけることができる。なお、図６に示すように、一般的に、コア径を小さくしたほうが２波長の伝搬屈折率の差は小さくなる。

また、図８は、図７に示した屈折率プロファイルをもつ増幅用ファイバの特性を示すである。これらの光ファイバは全てクラッドが実質的に純石英から成るものである。図８に示すように、この実施の形態の増幅用ファイバ「Ｇ」〜「Ｉ」は、それぞれラマン利得効率（GR/Aeff）が４（ｍ／Ｗ）以上であり、ラマン利得効率（GR/Aeff）に対する非線形パラメータγの比が３以下となるようにしている。さらに、波長１４５０ｎｍの有効コア断面積Aeffに対する波長１５５０ｎｍの有効コア断面積Aeffの比が１．２以上としている。また、波長１４５０ｎｍの有効コア断面積Aeffが９．０μｍ²以下であり、かつ１５５０ｎｍの有効コア断面積Aeffが１１．０μｍ²以上としている。

しかたがって、図７に示した屈折率プロファイルをもつ増幅用ファイバも、図２に示した増幅用ファイバと同様に、十分なラマン増幅効率を得つつ、非線形位相シフトを低減することができる。

この発明の実施の形態であるラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図１に示したラマン増幅器に用いられる増幅用ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。図１に示したラマン増幅器に用いられる増幅用ファイバの一例と従来の増幅用ファイバの特性を示す図である。伝搬屈折率の比と有効コア断面積の比との関係を示す図である。伝搬屈折率と有効コア断面積のコア径依存性を示す図である。伝搬屈折率の比のコア径依存性を示す図である。図１に示したラマン増幅器に用いられる増幅用ファイバの他の屈折率プロファイルを示す図である。図７に示した増幅用ファイバの特性を示す図である。

符号の説明

１ラマン増幅器
２光ファイバモジュール
２ａ増幅用ファイバ
２ｂシングルモードファイバ
２ｃ変換部
３ａ，３ｂ光カプラ
４ａ，４ｂアイソレータ
５励起レーザ
Ｔin，Ｔout 端子

Claims

波長１４５０ｎｍ励起におけるラマン利得効率が４（ｍ／Ｗ）以上であり、前記波長１４５０ｎｍ励起におけるラマン利得効率に対する波長１５５０ｎｍにおける非線形パラメータの比が３以下であることを特徴とする光ファイバ。
波長１４５０ｎｍの有効コア断面積に対する波長１５５０ｎｍの有効コア断面積の比が１．２以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
波長１４５０ｎｍの有効コア断面積が９．０μｍ²以下であり、かつ１５５０ｎｍの有効コア断面積が１１．０μｍ²以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
モードフィールド径が略１０μｍ以上であって当該光ファイバに接続されるシングルモードファイバと当該光ファイバの入力端および／または出力端との間に設けられ、モードフィールド径の変換を行う接続手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光ファイバ。
請求項１〜４のいずれか一つに記載の光ファイバを備えたことを特徴とする光ファイバモジュール。
請求項５に記載の光ファイバモジュールを備えたことを特徴とするラマン増幅器。