JP2005303101A - 光増幅用ファイバ、光ファイバ増幅器及び光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】信号光波長帯の吸収係数を大きな値に保ちつつ、雑音指数の低減を図ること。
【解決手段】光増幅用ファイバ１１、１２、１３は、中心に位置し、希土類元素（例えば、エルビウム；Erbium、であるが、他の希土類元素であってもよい）が均一に添加されたコア（希土類元素の添加密度が一様なコア）と、このコアを取り囲む第１クラッドと、この第１クラッドを取り囲む第２クラッドから成るＷ−ｓｅｇ型の屈折率プロファイルを有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、主に光通信システムに利用される光増幅器に関し、具体的には光増幅器に用いられる光増幅用ファイバと、該光増幅用ファイバを用いた光ファイバ増幅器及び光通信システムに関するものである。

近年の光通信システム分野では、通信システムの大容量化に不可欠なＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）伝送および、それを用いた光通信網の構築を目指した研究開発が進められている。

石英系光ファイバのコアに、希土類元素であるエルビウム（Ｅｒ;Erbium）を添加したエルビウムドープファイバ（ＥＤＦ;Erbium-Doped Fiber）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ち、また伝送用光ファイバとほぼ同一の材料および同一の構造とすることができるため、伝送用光ファイバとの接続において、低い接続損失が実現できる。このため、ＥＤＦは光増幅用ファイバとして広く用いられている。

更にこのＥＤＦを用いたエルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ;EDF Amplifier）は、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で維持できる高効率・高利得な進行波形増幅器であり、ＷＤＭ伝送システムのキーとなるデバイスとして大きな役割を担っている。

近年のＷＤＭ伝送技術の確立により、海底ケーブルや、光加入者系などの長距離・大容量光通信システムに対するＷＤＭ伝送方式の導入が活発になり、その伝送容量は増大の一途を辿っている。このようなＷＤＭ伝送において、伝送速度がテラビットを越える実験結果が報告されている。この長距離・高速・大容量通信ネットワークにＥＤＦＡなどの光増幅用ファイバを適用する場合は、高品質な光増幅用ファイバが必要となる。

光増幅用ファイバにおける光増幅に関する品質を表す重要なパラメータとして雑音特性がある。この雑音特性は雑音指数（ＮＦ：Noise Figure）に基づいて評価される。

ＮＦを低減する手法としては、特許文献１に記載のように、励起光波長帯における吸収係数αｐと信号光波長帯における吸収係数αｓとの比率αｐ／αｓを大きくする方法がある。この手法は、αｐ／αｓを大きくすることにより反転分布率を増加させてＮＦの低減を図るというものである。

ここで、一般的な光増幅用ファイバの屈折率プロファイルとしては、図３、図４に示すステップインデックス型があげられる。また、希土類元素を添加する領域に関しても図３に示す、コア１全体に希土類元素を添加するステップインデックス型構造（以降、ステップインデックス型と呼ぶ。）と図４に示すコア１の中心部（希土類元素添加領域５）のみに希土類元素を添加するセンタードープ型構造（以降、センタードープ型と呼ぶ。）とが知られている。なお、図３、図４における斜線部は希土類元素添加領域を示している。なお、図３、図４及び下記説明する図５にはクラッド４（図５においては特に第３クラッド４という）の外周部の記載が省略されている。特許文献１に記載の方法では、主にセンタードープ型が用いられている。
特開２００２−１５１７７２号公報

しかし、上記従来技術には、次のような問題点がある。
上記特許文献１に開示された方法では、αｐ／αｓ値を大きくするために、センタードープ型において、希土類添加領域を狭くする必要があるとされている。
しかし、希土類添加領域が狭くなると、光増幅用ファイバの吸収係数（単位条長当りの吸収係数）が小さくなるため、使用する光増幅用ファイバ長を長くしなければならないという問題が生じる。
更に、センタードープ型では、コアにおける希土類添加部と無添加部との屈折率の整合を取ることが困難であり、製造が難しいという問題も生じる。
本発明の課題は、光増幅用ファイバの信号光波長帯の吸収係数を大きな値に保ちつつ、ＮＦの低減を図ることである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
一又は複数種類の希土類元素が添加されたコア（例えば、図５に示すコア１）と、
前記コアを取り囲み、該コアの屈折率よりも小さな屈折率を有する第１クラッド（例えば、図５に示す第１クラッド２）と、前記第１クラッドを取り囲み、該第１クラッドの屈折率よりも大きく且つ前記第１の光伝送路の屈折率よりも小さな屈折率を有する第２クラッド（例えば、図５に示す第２クラッド３）と、前記第２クラッドを取り囲み、該第２クラッドの屈折率よりも小さな屈折率を有する第３クラッド（例えば、図５に示す第３クラッド４）とが形成されたいわゆるＷ−ｓｅｇ型屈折率プロファイルを有することを特徴とする。
なお、図５における斜線部は希土類元素添加領域を示している。

更に、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の発明において、
前記コアには、前記希土類元素として、少なくともエルビウム（Erbium）が添加されているのが好ましい。

更に、請求項３に記載の発明のように、請求項１又は２に記載の発明において、
前記コアの直径（例えば、図５に示すコア径ａ３）と、該第１クラッドの直径（例えば、図５に示す第１クラッド径ｂ）との比率が0.5以上であるのが好ましい。

更に、請求項４に記載の発明のように、請求項１〜３のうち何れか一項に記載の発明において、前記コアの直径と、前記第２クラッドの直径（例えば、図５に示す第２クラッド径ｃ）との比率が0.2以上であるのが好ましい。

更に、請求項５に記載の発明のように、請求項１〜４のうち何れか一項に記載の発明において、励起光波長帯における吸収係数をαｐ（例えば、波長980ｎｍにおける吸収係数α₉₈₀）とし、信号光波長帯における吸収係数をαｓ（例えば、波長1530ｎｍにおける吸収係数α₁₅₃₀）とすると、当該二つの吸収係数αｐ、αｓが、下記条件式を満たすのが好ましい。
ここで、たとえばα₁₅₃₀は、実測の際には、1530ｎｍ付近の吸収係数αの値がピークとなる波長における当該吸収係数αの実際の値に相当する。以下、本明細書においては、これに準ずるものとする。
αｓ≧2
αｐ／αｓ≧−0.0697×αｓ＋1.30

更に、請求項６に記載の発明のように、請求項１〜５のうち何れか一項に記載の発明において、ファイバカットオフ波長λｃが1100ｎｍ以下であるのが好ましい。

また、上記課題を解決するため、請求項７に記載の発明は、励起光波長帯における吸収係数をαｐ（例えば、波長980ｎｍにおける吸収係数α₉₈₀）とし、信号光波長帯における吸収係数をαｓ（例えば、波長1530ｎｍにおける吸収係数α₁₅₃₀）とすると、当該二つの吸収係数αｐ、αｓが、下記条件式を満たし、更にファイバカットオフ波長λｃが1100ｎｍ以下であることを特徴とする。
αｓ≧2
αｐ／αｓ≧−0.0697×αｓ＋1.30

また、上記課題を解決するため、請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のうち何れか一項に記載の光増幅用ファイバを光増幅媒体として用いたことを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、請求項９に記載の発明は、信号光を出力する送信器（例えば、図２に示す送信器２１ａ）と、前記出力された信号光を伝送する光ファイバ（例えば、図２に示す光ファイバ伝送路２２）と、前記伝送される信号光を光増幅する請求項８に記載の光ファイバ増幅器（例えば、図２に示す光ファイバ増幅器１０）とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、励起光波長帯における吸収係数の大幅な低下を伴うことなく反転分布率を増加させることが可能となり、これにより、ＮＦの大幅な低減が可能となる。
すなわち、従来用いられているステップインデックス型や、センタードープ型の場合に適用されている希土類元素添加濃度やカットオフ波長を適用しても、励起光波長帯（例えば、980ｎｍ付近をピークとする波長帯域）における吸収係数αｐと信号光波長帯（例えば、1530ｎｍ付近をピークとする波長帯域）における吸収係数αｓとの比率αｐ／αｓを大きくすることが可能となり、それに伴ってＮＦの低減が可能となるため、結果として雑音特性が大幅に改善された光増幅用ファイバが実現できる。
また、信号光波長帯における吸収係数αｓの値を低下させることなくαｐ／αｓを大きくすることが可能となるため、従来のステップインデックス型やセンタードープ型を用いた場合よりも、光増幅用ファイバ長を短くすることができるので、光ファイバ増幅器のコストダウンとコンパクト化が可能となる。
また、コアに希土類元素が均一に添加されるため、希土類添加領域と無添加領域との屈折率を整合化する必要がなく、製造が容易となる。
また、ＮＦが大幅に改善された本発明の光増幅用ファイバを用いた光通信システムでは、受信側のエラーが低減され高品質な信号光の長距離伝送が可能となる。

本発明を適用した光増幅用ファイバ１１、１２、１３について説明する。光増幅用ファイバ１１、１２、１３は、図１に示す光ファイバ増幅器１０に設けられ、更に、この光ファイバ増幅器１０は、図２に示す光通信システム２０に設けられる。

光ファイバ増幅器１０は、入力した信号光を光増幅して出力するためのものであり、図１に示すように、信号光を入力する入力端１６ａと、光増幅後の信号光を出力する出力端１６ｂと、信号光の進行方向を揃えるための光アイソレータ１７ａ、１７ｂと、励起光を供給する励起光源１９ａ、１９ｂと、信号光に励起光源１９ａ、１９ｂから供給される励起光を合波するためのＷＤＭカプラ１８ａ、１８ｂと、光増幅用ファイバ１１（又は光ファイバ１２、１３）とを備える。また、光通信システム２０は、信号光を長距離伝送するためのものであり、図２に示すように、信号光を発信する送信器２１ａと、伝送後の信号光を受信する受信器２１ｂと、信号光を伝送する光ファイバ伝送路２２と、伝送中の信号光を光増幅するための光ファイバ増幅器１０とを備える。

以下、数値シミュレーションに基づく光増幅用ファイバ１１、１２、１３の屈折率プロファイルの特定についてまず説明し、次に、当該屈折率プロファイルに基づいて作製した光増幅用ファイバ１１、１２、１３に対する性能評価について説明する。

＜数値シミュレーションに基づく光増幅用ファイバの屈折率プロファイルの特定＞
光増幅用ファイバ１１、１２、１３に対する屈折率プロファイルは、以下に説明する数値シミュレーション１〜６の結果に基づいて特定される。

まず、光増幅用ファイバ１１の屈折率プロファイルを特定するために、下記数式１から吸収係数α（λ）を求める。

ここで、ρ_０はＥｒ密度、ρ(ｒ)は希土類元素密度分布、σ_ａ(λ)は吸収断面積、ωはモードパワー半径、Ψ(ｒ)はモード分布である。また、希土類元素密度分布がコア内に均一に添加されていると仮定して、モード分布をガウシアンで近似すると、上式は以下のように簡略化できる。

ａは図３〜図５に示す各コア径（コアの直径、以下同様）ａ１〜ａ３のうちの何れかの値である（以下、コア径ａ１〜ａ３を、コア径ａと総称する）。ここで、図３には、従来のステップインデックス型を表す模式図が示され、図４には、従来のセンタードープ型のを表す模式図が示されている。図５には、光増幅用ファイバ１１、１２、１３に用いられるＷ−ｓｅｇ型の屈折率プロファイルを表す模式図が示されている。以降、Ｗ−ｓｅｇ型の屈折率プロファイルを有する光増幅用ファイバをＷ−ｓｅｇ型と呼ぶ。

ここで、添加される希土類元素はＥｒとし、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、当該モードパワー半径ωを数式２に適用して、λ＝980ｎｍ、1530ｎｍにおける各吸収係数α₉₈₀、α₁₅₃₀を算出する。以下、励起光波長を980ｎｍ、信号光波長を1530ｎｍとする。ＥＤＦの励起光波長帯としては980ｎｍ帯、1480ｎｍ帯が一般的に使われるが、雑音特性は励起光波長帯に大きく依存しており980ｎｍ帯励起の方が低雑音であることが知られている。従って、数値シミュレーション１〜６では励起光波長を980ｎｍとした。

数値シミュレーション１：
まず、従来のステップインデックス型（図３参照）、センタードープ型(図４参照)の光増幅用ファイバに対し、コア径ａを変化させて、励起光波長帯における吸収係数α₉₈₀と信号光波長帯における吸収係数α₁₅₃₀との比率α₉₈₀／α₁₅₃₀のカットオフ波長λｃ依存性を数値シミュレーションする。この場合、添加する希土類元素はＥｒとし、Ｅｒ添加濃度は1000ｐｐｍとした。また、コア径ａのクラッドに対する比屈折率差△１を1.0％とし、センタードープ型におけるＥｒ添加領域径ｄとコア径ａとの比率ｄ／ａは0.2、0.4、0.6、0.8の４水準とした。また、クラッドは実質的にＳｉＯ_２から成るものとした。ここで実質的にＳｉＯ_２から成るとは、ＦやＧｅなどの屈折率を大きく変化させるドーパントを含まないことを意味する。（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で定義するファイバカットオフ波長λｃを意味する。その他、下記記載の用語についてはＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０における定義、測定方法に従うものとする）。数値シミュレーション１による結果を図６に示す。

ここで、当該数値シミュレーション１に用いる希土類元素添加領域径ｄおよびコア径ａは、実測の際には、図３において比屈折率差△１の1/2の屈折率となる位置での径に相当する。

更に、比屈折率差△１は、下記数式３により定義される。

ここで、ｎ_ｃ１はコアの最大屈折率であり、ｎ_ｃはクラッドの屈折率である。

図６に示す結果から、ステップインデックス型よりもセンタードープ型のほうがのα₉₈₀／α₁₅₃₀が大きいことがわかる。また、ｄ／ａが小さい、すなわち、Ｅｒ添加領域が相対的に狭い方が、より大きなα₉₈₀／α₁₅₃₀が得られることがわかる。更に、カットオフ波長λｃが短波長側にある場合、α₉₈₀／α₁₅₃₀が大きくなり、特にカットオフ波長λｃが1100ｎｍ以下になると、α₉₈₀／α₁₅₃₀が急激に大きくなることもわかる。

数値シミュレーション２：
次に、図５に示すＷ−ｓｅｇ型におけるα₉₈₀／α₁₅₃₀値のカットオフ波長λｃ依存性をシミュレーションにより調べる。

まず、コア径ａと第１クラッド径ｂとの比率Ｒａ（＝ａ／ｂ)、コア径ａと第２クラッド径ｃとの比率Ｒｃ（＝ａ／ｃ）を共に一定とし（Ｒａ＝0.80、Ｒｃ＝0.48）、コアの第３クラッドに対する比屈折率差△１と第１クラッドの第３クラッドに対する比屈折率差△２との比率△ｂ（＝△２／△１）と、コアの第３クラッドに対する比屈折率差△１と第２クラッドの第３クラッドに対する比屈折率差△３との比率△ｃ（＝△３／△１）とを変化させ、α₉₈₀／α₁₅₃₀とカットオフ波長λｃとの関係を調べた。

この場合、コアの第３クラッドに対する比屈折率差△１は1.0％に設定し、更に、Ｅｒ添加濃度を1000ｐｐｍとしてコア内に均一に添加したものとして設定した。また、第３クラッドは実質的にＳｉＯ_２から成るものとした。

ここで、比屈折率差△１、比屈折率差△３は、実測の際には、最大比屈折率差に相当し、比屈折率差△２は、実測の際には、最小比屈折率差に相当する。

また、図５に示すＷ−ｓｅｇ型の屈折率プロファイルにおいて、実測の際には、コア径ａは、コアと第１クラッドの境界において△１の1/2の屈折率となる位置を結ぶ線の長さに相当し、第１クラッド径ｂは、第１クラッドと第２クラッドの境界において△２の1/2の屈折率となる位置を結ぶ線の長さに相当し、第２クラッド径ｃは、第２クラッドと第３クラッドの境界領域において△３の1/10の屈折率となる位置を結ぶ線の長さに相当する。

更に、各比屈折率差△２、△３は下記数式４、５により定義される。△１は前述した数式３に従う。ただし、この場合ｎ_ｃは第３クラッドの屈折率である。

ここで、ｎ_ｃ２は第１クラッドの最小屈折率、ｎ_ｃ３は第２クラッドの最大屈折率、ｎ_ｃは第３クラッドの屈折率である。

各比屈折率差△１、△２、△３によるα₉₈₀／α₁₅₃₀のカットオフ波長λｃ依存性を、数値シミュレーション２の結果として図７に示す。

図７に示す結果から、図６に示す結果と同様にカットオフ波長λｃが短波長側にある場合には、α₉₈₀／α₁₅₃₀が大きくなり、特にカットオフ波長λｃが1100ｎｍ以下になると、α₉₈₀／α₁₅₃₀が急激に大きくなることが読み取れる。ここで、α₉₈₀／α₁₅₃₀を大きくするためにはカットオフ波長λｃを短波長側に設計することが有効である。

しかし、カットオフ波長λｃが極度に短波長側に設定されると、コアの実効屈折率が小さくなるため、コア内に光が閉じ込められなくなり、光ファイバとして機能できなくなるという問題がある。このため、カットオフ波長λｃを短波長側に設定することによってα₉₈₀／α₁₅₃₀を大きくするには限界がある。

一方、△ｃが大きいほどα₉₈₀／α₁₅₃₀が大きくなり、△ｂを変えるよりも△ｃを変えるほうがα₉₈₀／α₁₅₃₀が大きく変化することが読み取れる。このように、Ｗ−ｓｅｇ型の屈折率プロファイルでは、各比屈折率差△１、△２、△３の調整が可能であり、従って、各比屈折率差△１、△２、△３を好適に調整すれば（例えば、△ｃを0.36以上に調整すれば）、同一のカットオフ波長λｃであってもセンタードープ型よりα₉₈₀／α₁₅₃₀を大きくできることが読み取れる。

数値シミュレーション３：
次に、図５に示すＷ−ｓｅｇ型におけるコア径ａと第１クラッド径ｂとの比率Ｒａ（＝ａ／ｂ)と、コア径ａと第２クラッド径ｃとの比率Ｒｃ（＝ａ／ｃ）とに応じたα₉₈₀／α₁₅₃₀の変化を数値シミュレーションする。

まず、各比屈折率差△１、△２、△３とＲｃとを一定値（△ｂ＝0.4、△ｃ＝0.36、△１＝1、△２＝−0.4、△３＝0.36、Ｒｃ＝0.36）として、Ｒａによるα₉₈₀／α₁₅₃₀の変化を調べた。この場合、Ｅｒ添加濃度を1000ｐｐｍとしてコア内に均一に添加されているとした。また、第３クラッドは実質的にＳｉＯ_２から成るものとした。

図８に、Ｒａを変化させた際のカットオフ波長λｃとα₉₈₀／α₁₅₃₀との関係を示す。図８に示すように、Ｒａが何れの値であっても、カットオフ波長λｃが短波長側にあるとα₉₈₀／α₁₅₃₀が大きくなるが、当該カットオフ波長依存性はＲａの変化に応じて大きく変化する。

そこで次に、カットオフ波長λｃを900ｎｍとした場合のＲａ値の変化に応じたα₉₈₀／α₁₅₃₀の挙動につき、更に数値シミュレーションし、その結果を図９に示す。

ここで、各サンプルにつき、比屈折率差△１、△２、△３およびＲｃを一定としてＲａの値を0.4〜0.9の範囲内で変化させた。また、Ｅｒ添加濃度は1000ｐｐｍとしてコア内に均一に添加されているとした。この際、比屈折率差△１、△２、△３およびＲｃは、表１に示す値に設定した。

図９に示す結果から、Ｒａが0.6の時をピークにα₉₈₀／α₁₅₃₀が大きくなっている様子が読み取れる。従来のステップインデックス型（図３）の場合、カットオフ波長λｃが900ｎｍの際のα₉₈₀／α₁₅₃₀は0.87である（図９の図中符号Ｌ１に示す点線部を参照）。従って、Ｒａを、0.5以上、好ましくは0.5以上0.8以下に設定すれば、α₉₈₀／α₁₅₃₀を、ステップインデックス型よりも大きな値にすることが可能となる。

数値シミュレーション４：
次に、各比屈折率差△１、△２、△３とＲａとを一定（△ｂ＝0.4、△ｃ＝0.36、△１＝１、△２＝−0.4、△３＝0.36、Ｒａ＝0.9）として、Ｒｃを変化させた際のα₉₈₀／α₁₅₃₀の変化の様子を数値シミュレーションする。図１０は、数値シミュレーション４による結果を示すものであり、Ｒｃを変化させた際のカットオフ波長λｃとα₉₈₀／α₁₅₃₀との関係を示すグラフである。

図１０に示すように、Ｒｃが何れの値であっても、カットオフ波長λｃが短波長側にあるとα₉₈₀／α₁₅₃₀が大きくなるが、α₉₈₀／α₁₅₃₀は、Ｒｃを小さくすれば（すなわち、第２クラッド径ｃをコアａに対して相対的に大きくすれば）大きな値となる。また、図６に示すセンタードープ型の場合と比較すると、Ｒｃ値を好適な値（例えば、Ｒｃを0.48よりも小さな値）に設定することにより、Ｗ−ｓｅｇ型のほうが、センタードープ型よりもα₉₈₀／α₁₅₃₀を大きくできることがわかる。

数値シミュレーション５：
数値シミュレーション４の結果に基づき、更に、カットオフ波長λｃを900ｎｍとした場合のＲｃ値の変化に応じたα₉₈₀／α₁₅₃₀の挙動を数値シミュレーションする。ここで、各比屈折率差△１、△２、△３とＲａとを一定とし（△ｂ=0.11、△ｃ＝0.07、△１＝1.8、△２＝−0.2、△３＝0.12、Ｒａ＝0.70）、Ｒｃの値を0.14〜0.5の範囲内で変えた。Ｅｒ添加濃度は1000ｐｐｍとしてコア内に均一に添加されているとした。この数値シミュレーション５の結果を図１１に示す。

図１１に示す結果から、Ｒｃを小さくするとα₉₈₀／α₁₅₃₀は大きくなるが、逆に、α₁₅₃₀は非常に小さい値となる。
ステップインデックス型の場合、カットオフ波長λｃを900ｎｍとしたときの吸収係数α₁₅₃₀は、5〜6程度であるが、Ｒｃを0.2以下とすると、当該ステップインデックス型の吸収係数α₁₅₃₀（5〜6程度の値）の半分以下の値となってしまう。この場合、使用するＥＤＦが長くなるため好ましくない。ＥＤＦを光ファイバ増幅器における増幅媒体として好適に用いるためには、吸収係数α₁₅₃₀は少なくとも２以上であることが好ましい。屈折率プロファイルの設計にはα₉₈₀／α₁₅₃₀と吸収係数α₁₅₃₀の双方の値を考慮しなければならないことを考慮すると、Ｒｃは0.2以上が好ましく、0.3以上がより好ましい。

数値シミュレーション６：
従来のセンタードープ型の場合、α₉₈₀／α₁₅₃₀を大きくするためには、Ｅｒ添加領域を狭くする必要がある。しかし、Ｅｒ添加領域が狭くなると信号光波長での吸収係数α₁₅₃₀は小さくなってしまう。

そこで、次に、Ｗ−ｓｅｇ型における、α₉₈₀／α₁₅₃₀と吸収係数α₁₅₃₀の挙動を数値シミュレーションする。この際、比較のために、従来のセンタードープ型、ステップインデックス型の各光増幅用ファイバにおける、α₉₈₀／α₁₅₃₀と吸収係数α₁₅₃₀の挙動も数値シミュレーションする。

ここで、ステップインデックス型、センタードープ型、Ｗ−ｓｅｇ型の各光増幅用ファイバにおいては、カットオフ波長λｃを共通の値900ｎｍとし、Ｅｒ添加濃度も共通の値1000ｐｐｍとした。また、コアの比屈折率差△１も、当該三つの各光増幅用ファイバにおいて共通の値とした（△１＝1.0）。また、センタードープ型の場合には、Ｅｒ添加領域を0.2、0.4、0.6、0.8の４水準とした。また、Ｗ−ｓｅｇ型の場合には、△ｂを0.2〜0.6、△ｃを0.12〜0.48、Ｒａを0.6〜0.9、Ｒｃを0.35〜0.54の各範囲内に設定した。また、クラッドおよび第３クラッドは実質的にＳｉＯ_２から成るものとした。

そこで、数値シミュレーション６の結果に基づき、各屈折率プロファイルの各パラメータ値（△ｂ、△ｃ、Ｒａ、Ｒｃ）における吸収係数α₁₅₃₀と、その際のα₉₈₀／α₁₅₃₀とをそれぞれプロットしたグラフを図１２に示す。

図１２に示す結果から、上記各パラメータの範囲内では、Ｗ−ｓｅｇ型の場合には、同じ吸収係数α₁₅₃₀に対するα₉₈₀／α₁₅₃₀が、ステップインデックス型、およびセンタードープ型の場合よりも、大きくなっている様子が読み取れる。

また、センタードープ型の場合における、α₉₈₀／α₁₅₃₀と吸収係数α₁₅₃₀との関係式が、α₉₈₀／α₁₅₃₀＝−0.0697×α₁₅₃₀＋1.25（図１２の図中符号Ｌ２に示す点線部）と求められる。従って、α₉₈₀／α₁₅₃₀と吸収係数α₁₅₃₀とは、α₉₈₀／α₁₅₃₀＞−0.0697×α₁₅₃₀＋1.30且つα_1530nm≧2を満たすものが好ましい。

＜光増幅用ファイバ１１、１２、１３を用いた実測結果＞
次に、上記数値シミュレーション１〜６による結果を、実測により、Ｗ−ｓｅｇ型の光増幅用ファイバ１１、１２、１３を用いて検証する。この際の実測結果を表２に示す。この際、比較のため、従来のステップインデックス型の光増幅用ファイバ１４と、センタードープ型の光増幅用ファイバ１５とに対する実測結果も併せて記載する。
実際にＷｓｅｇ型の屈折率プロファイルを有する光ファイバの製造は、第３クラッドより屈折率の高いコアおよび第２クラッドにＧｅなどの屈折率をあげるドーパントを添加し、第３クラッドより屈折率の低い第１クラッドにＦなどの屈折率を下げるドーパントを添加することにより可能である。
また、ＧｅやＦをドープする量を変化させることにより、その屈折率を調整することができる。一般的にはクラッドおよび第３クラッドはＧｅやＦなどの大きく屈折率を変化させるドーパントを含まず、実質的にＳｉＯ_２から成る。本実施例においてもクラッドおよび第３クラッドは実質的にＳｉＯ_２から成るものとした。ただし、本発明は、これに限定されるものではない。

光増幅用ファイバ１４、１５及び光増幅用ファイバ１１、１２、１３は、それぞれカットオフ波長λｃがおよそ900ｎｍになるように製造されたものである。Ｅｒは、ステップインデックス型の光増幅用ファイバ１４および、Ｗ−ｓｅｇ型の光増幅用ファイバ１１、１２、１３の場合には、コア全域に添加されている。また、光増幅用ファイバ１４、１５及び光増幅用ファイバ１１、１２、１３の各Ｅｒ添加密度は略同一であり均一である。

また、光増幅用ファイバ１４、１５及び光増幅用ファイバ１１、１２、１３に対し実際にＮＦ（雑音指数）を測定したが、この場合のＮＦの測定条件としては、ＬＤ（Laser Diode）から出力される波長980ｎｍの前方励起光を用い、且つ、測定ファイバ長は一定の吸収条長積（1530ｎｍにおける吸収係数×条長）を有するとした。

表２に示す結果から、Ｗ−ｓｅｇ型の光増幅用ファイバ１１、１２、１３のほうが、従来の屈折率プロファイルを有する光増幅用ファイバ１４、１５よりもα₉₈₀／α₁₅₃₀が大きいことがわかる。更に、Ｗ−ｓｅｇ型の光増幅用ファイバ１１、１２、１３では、吸収係数α₁₅₃₀の低下を伴うことなく、α₉₈₀／α₁₅₃₀の増大化が可能となる。また、これに伴ってＮＦが大きく改善可能となる。

以上説明したように、本実施の形態における光増幅用ファイバ１１、１２、１３は、図５に示すような、Ｅｒが均一に添加されたコアと、このコアを取り囲んで形成された第１クラッドと、更に、この第１クラッドを取り囲んで形成された第２クラッドから成るＷ−ｓｅｇ型の屈折率プロファイルを有する。このため、励起光波長帯における吸収係数α₁₅₃₀の大幅な低下を伴うことなく反転分布率を増加させることが可能となり、これにより、ＮＦの大幅な低減が可能となる。

すなわち、Ｗ−ｓｅｇ型とすることにより、ステップインデックス型、センタードープ型の場合に適用される従来の希土類元素添加濃度やカットオフ波長λｃに対してもα₉₈₀／α₁₅₃₀を大きくすることが可能となり、それに伴ってＮＦの低減が可能となるため、結果として雑音特性が大幅に改善されたＥＤＦＡが実現できる。
また、信号光波長帯における吸収係数α₁₅₃₀の値を低下させることなくα₉₈₀／α₁₅₃₀を大きくすることが可能となるため、従来のステップインデックス型やセンタードープ型を用いた場合よりも、ＥＤＦの長さを短くすることができるので、ＥＤＦＡのコストダウンとコンパクト化が可能となる。

また、光増幅用ファイバ１１、１２、１３のようなＷ−ｓｅｇ型の屈折率プロファイルの場合には、コアに希土類元素が均一に添加されるため、希土類元素添加領域と無添加領域との屈折率を整合させる必要がなく、製造が容易となる。
また、ＮＦが大幅に改善された光増幅用ファイバ１１、１２、１３を用いた光通信システム２０では、受信側のエラーが低減され高品質な信号光の長距離伝送が可能となる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る光増幅用ファイバ、光ファイバ増幅器、光通信システムの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における光増幅用ファイバ１１、１２、１３、光ファイバ増幅器１０、光通信システム２０の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、希土類添加物として、Ｅｒを想定して説明したが、これに限らず、他の希土類を添加物として用いてもよいし、Ｅｒと併用して用いてもよい。

本実施の形態における光ファイバ増幅器の構成を示す図。 図１に示す光ファイバ増幅器を備えた光通信システムの構成を示す図。 ステップインデックス型の光増幅用ファイバを模式的に示す図。（ａ）は屈折率分布を示し、（ｂ）は横断面図を示す。 センタードープ型の光増幅用ファイバを模式的に示す図。（ａ）は屈折率分布を示し、（ｂ）は横断面図を示す。 Ｗ−ｓｅｇ型の光増幅用ファイバを模式的に示す図。（ａ）は屈折率分布を示し、（ｂ）は横断面図を示す。 ステップインデックス型とセンタードープ型のα₉₈₀／α₁₅₃₀のカットオフ波長λｃ依存性を示すグラフ。 Ｗ−ｓｅｇ型におけるα₉₈₀／α₁₅₃₀の△ｂ（＝△２／△１）、△ｃ（＝△３／△１）によるカットオフ波長λｃ依存性を示すグラフ。 Ｗ−ｓｅｇ型におけるＲa（＝ａ／ｂ)によるα₉₈₀／α₁₅₃₀のカットオフ波長λｃ依存性を示すグラフ。 Ｗ−ｓｅｇ型におけるα₉₈₀／α₁₅₃₀のＲａ（＝ａ／ｂ)依存性を示すグラフ。 Ｗ−ｓｅｇ型におけるＲｃ（＝ａ／ｃ)によるα₉₈₀／α₁₅₃₀のカットオフ波長λｃ依存性を示すグラフ。 Ｗ−ｓｅｇ型におけるα₉₈₀／α₁₅₃₀のＲｃ（＝ａ／ｃ)依存性を示すグラフ。 ステップインデックス型、センタードープ型、Ｗ−ｓｅｇ型の光増幅用ファイバにおける吸収係数α₁₅₃₀とα₉₈₀／α₁₅₃₀の挙動を示すグラフ。

符号の説明

１ コア
２ 第１クラッド
３ 第２クラッド
４ クラッド、第３クラッド
５ 希土類元素添加領域
１１、１２、１３ 光増幅用ファイバ
１０ 光ファイバ増幅器
２０ 光通信システム
２１ａ 送信器
２１ｂ 受信器
２２ 光ファイバ伝送路
２３ 受信器
１６ａ 入力端
１６ｂ 出力端
１７ａ、１７ｂ 光アイソレータ
１８ａ、１８ｂ ＷＤＭカプラ
１９ａ、１９ｂ 励起光源

Claims (9)

1. 一又は複数種類の希土類元素が添加されたコアと、
   前記コアを取り囲み、該コアの屈折率よりも小さな屈折率を有する第１クラッドと、
   前記第１クラッドを取り囲み、該第１クラッドの屈折率よりも大きく且つ前記コアの屈折率よりも小さな屈折率を有する第２クラッドと、
   前記第２クラッドを取り囲み、該第２クラッドの屈折率よりも小さな屈折率を有する第３クラッドと
   が形成されたことを特徴とする光増幅用ファイバ。
2. 前記コアには、前記希土類元素として、少なくともエルビウム（Erbium）が添加されていることを特徴とする請求項１に記載の光増幅用ファイバ。
3. 前記コアの直径と、該第１クラッドの直径との比率が0.5以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光増幅用ファイバ。
4. 前記コアの直径と、前記第２クラッドの直径との比率が0.2以上であることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一項に記載の光増幅用ファイバ。
5. 励起光波長帯における吸収係数をαｐとし、信号光波長帯における吸収係数をαｓとすると、当該二つの吸収係数αｐ、αｓが、下記条件式を満たすことを特徴とする請求項１〜４のうち何れか一項に記載の光増幅用ファイバ。
   αｓ≧2
   αｐ／αｓ≧−0.0697×αｓ＋1.30
6. ファイバカットオフ波長λｃが1100ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のうち何れか一項に記載の光増幅用ファイバ。
7. 励起光波長帯における吸収係数をαｐとし、信号光波長帯における吸収係数をαｓとすると、当該二つの吸収係数αｐ、αｓが、下記条件式を満たし、更にファイバカットオフ波長が1100ｎｍ以下であることを特徴とする光増幅用ファイバ。
   αｓ≧2
   αｐ／αｓ≧−0.0697×αｓ＋1.30
8. 請求項１〜７のうち何れか一項に記載の光増幅用ファイバを光増幅媒体として用いたことを特徴とする光ファイバ増幅器
9. 信号光を出力する送信器と、
   前記出力された信号光を伝送する光ファイバと、
   前記伝送される信号光を光増幅する請求項８に記載の光ファイバ増幅器と
   を備えたことを特徴とする光通信システム。
   
   

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