JP2005513562A - 微細構造ファイバを使用するラマン増幅 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】微細構造ファイバと該微細構造ファイバの一端に光学的に接続された少なくとも１つの励起レーザ装置とを備えるラマン増幅器である。励起レーザ装置は、波長λ_ｐの励起放射線を放出し得るようにされており、微細構造ファイバは、ファイバの軸方向に伸びる複数の毛管空隙によって取り巻かれたシリカ系コアを備えている。微細構造ファイバのコアは、シリカに添加された少なくとも１つのドーパントを更に備えており、該ドーパントは、ラマン効果を増大させるのに適している。

Description

本発明は、微細構造ファイバを使用するファイバラマン増幅器、及びラマン増幅に適した微細構造ファイバに関する。特に、本発明は、集合型（ｌｕｍｐｅｄ）ファイバラマン増幅器及び集合型ファイバラマン増幅器に適した微細構造ファイバに関する。

ファイバラマン増幅器は、その伝送能力を増すことのできる機能のため、非常な関心を呼んでいる。ラマン増幅器は、低ノイズ、信号波長を選ぶときの大きい自由さ、平坦で且つ、広い利得帯域幅のような幾つかの有利な効果を提供する。信号波長を選ぶときの大きい自由さは、主として、信号の増幅のために利用される材料のラマンピークが、実際上、例えば、信号波長の選択がエルビウムの刺激した放出断面により制限されるエルビウムドープファイバ増幅器にて生ずるものと異なり、励起波長にのみ依存することに起因する。ラマン増幅器の広い利得帯域幅は、例えば、多数の励起源を使用することにより遥かに拡大させることができる。かかる広い利得帯域幅は、使用可能な光帯域幅を従来のＣ帯域及びエルビウムドープファイバ増幅器の長いＬ帯域外に伸ばす方法を表わすことができる。集合型ラマン増幅器は、また、ファイバの減衰のみならず、コネクタ、スイッチ、スプリッタ等のようなその他の光学構成要素の損失を補償するという重要な役割も果たす。

今日迄、分散補償型ファイバ（ＤＣＦ）又は、より一般的には、大きい非線形性を有するファイバは、ファイバラマン増幅器を具体化するために提案されている。例えば、テー・ツザキ（Ｔ．Ｔｓｕｚａｋｉ）等は、ＯＦＣ２００１ ＭＡ３−１の「１．６５μｍ帯域以上で作用する差分利得の大きい広帯域離散ファイバラマン増幅器（Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｉｂｅｒ Ｒａｍａｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｇａｉｎ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｏｖｅｒ １．６５μｍ−ｂａｎｄ）」にて、低損失の大きい非線形性ファイバ（ＨＮＬＦ）及び拡大した励起光源を採用する、１．６５μｍ幅以上にて作用する、差分利得が大きく（０．０８ｄＢ／ｍＷ）、低ノイズ（＜５．０ｄＢ）、広帯域（３０ｎｍ）且つ、平坦な利得（＜±１ｄＢ）ファイバラマン増幅器について記述している。ファイバは、１．５５μｍにて０．４９ｄＢ／ｋｍ及び１．６５μｍにて０．４７ｄＢ／ｋｍの伝送損失、１．５５μｍにて１０．１０μｍ^２の有効面積、１．５５μｍにて１．７９ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの分散量、３．１０％のΔｎ、及び６．５０・１０^３１／Ｗｍの比ｇ_ｒ／Ａ_ｅｆｆを有する。論文の図１には、１４５０ｎｍの波長における約０．７ｄＢ／ｋｍの減衰量が示してある。

ファイバの長さの影響を受けないラマン増幅特性を評価するため、論文の筆者は、次の性能指数を使用する。
ＦＯＭ＝（ｇＲ／Ａｅｆｆ）／αＰ ［１］
ここで、（ｇ_Ｒ／Ａ_ｅｆｆ）、及びα_ｐは、励起波長におけるラマン利得係数、及びファイバ減衰量である。１４５０ｎｍの励起時、ＦＯＭは、９．３１／Ｗ／ｄＢであると推定される。励起波長が、１５５０ｎｍに設定されたならば、ＦＯＭは、１３．２ １／Ｗ／ｄＢのように増大する。

最近、中実なシリカコアを取り巻く多数の空気穴を有するファイバ構造が非常に注目されている。より初期の単一材料の光ファイバの場合と同様に、これらの空気−シリカの微細構造ファイバは、シリカコアと空気−シリカクラディングとの間の屈折率の差の結果として、光をコア内で誘導する。また、微小構造ファイバは、当該技術にて、「フォトニック結晶ファイバ」又は「ホーリー（ｈｏｌｅｙ）ファイバ」としても知られている。

例えば、ジェイ・エー・ウエスト（Ｊ．Ａ．Ｗｅｓｔ）らは、ＥＣＯＣ ２００１、Ｔｈ Ａ ２．２の「フォトニック結晶ファイバ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒｓ）」にて、有効屈折率フォトニック結晶ファイバ（ＥＩ−ＰＣＦ）、空気−クラッドコアファイバ、及びフォトニック帯域ギャップファイバ（ＰＢＧＦ）のような各種型式の空気−シリカ微小構造ファイバについて検討している。ＥＩ−ＰＣＦｓは、典型的に、周期性が比較的均一である、円形の空気コラムの六角形ラティスで出来ている。筆者は、この型式のファイバの損失は、２．６ｄＢ／ｋｍほどに小さいと報告している。空気−クラッドファイバは、単一の穴リングのみを保持する。穴の外層を除去する結果、波長が穴間の距離Λと比較して大きい限界値において、ファイバは、等価的なステップ屈折率を有するファイバと極めて類似した振舞いをすることになる。空気穴が極めて大きいとき、このファイバは、本質的に、空気中でシリカロッドとなり、また、その目的がコアを支持するだけである薄いシリカ支柱は、周期的な空気穴ラティスと置換することができる。筆者は、この型式のファイバの典型的な損失は、５から１０ｄＢ／ｋｍであると報告している。ＰＢＧＦは、導波（ｗａｖｅｇｕｉｄｉｎｇ）のためのフォトニック帯域ギャップの物理的性質に完全に依存し、低屈折率コア内で確実に誘導（ｇｕｉｄｅ）することを許容する。

微小構造ファイバは、従来の光ファイバと顕著に相違しており、標準型のファイバでは実現不可能な性質を許容する。
例えば、ジェイ・ケー・ランカ（Ｊ・Ｋ・Ｒａｎｋａ）らは、オプティックス・レターズ（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、Ｖｏｌ．２５ＮＯ．１、２５−２７頁（２０００年）の「８００ｎｍにおける変則的分散量を有する空気−シリカ微細構造光ファイバにおける可視連続体の発生（Ｖｉｓｉｂｌｅ ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａｉｒ−ｓｉｌｉｃａ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ ｗｉｔｈ ａｎｏｍａｌｏｕｓ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｔ ８００ｎｍ）」は、空気−シリカ光ファイバが可視波長にて変則的分散量を示す可能性があることを開示している。彼等は、この特徴を利用して微小構造ファイバを通じて零分散波長近傍にて１００−ｆｓ持続時間及びキロワットピークパワーのパルスを伝搬させることにより、紫外線から赤外線に亙る幅５５０ＴＨｚの光連続体を発生させる。

ドープしたコアを有する微小構造ファイバが提案されている。例えば、ルーセント・テクノロジーズ・インコーポレーテッド（Ｌｕｃｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．）に対する米国特許第５，８０２，２３６号には、内側クラッド領域及び外側クラッド領域により取り巻かれた中実なシリカコア領域を有するファイバが開示されている。これらのクラッド領域は、ファイバの軸方向に伸びる毛管空隙（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｖｏｉｄｓ）を有し、内側クラッド領域の空隙（ｖｏｉｄｓ）は、外側クラッド領域の空隙よりも大きい直径を有する。微細構造ファイバの米国特許第５，８０２，２３６号に開示された適用例は、ブラッグ格子すなわち長期間格子を使用して、感光性コアを有するファイバ内で全光非線形のカール（Ｋｅｒｒ）スイッチング機能を備えている。かかるファイバは、一例として、Ｇｅ、Ｂ又はＳｎをドープしたコアを有している。

別の例において、シー・イー・カールバーグ（Ｃ．Ｅ．Ｋｅｒｂａｇｅ）らは、オプティックス・エキスプレス（Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ）、Ｖｏｌ．７ＮＯ．３、１１３−１２１頁（２０００年）の「空気−シリカの微小構造ファイバの実験的分析及びスカラービーム伝搬分析（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ｓｃａｌａｒ ｂｅａｍ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎ ａｉｒ−ｓｉｌｉｃａ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｉｂｅｒ）」において、ゲルマニウムドープコアを取り巻く６つの大きい空気穴のリングを備える、空気−シリカ微細構造ファイバにおける高順位の誘導モード（ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｄｅ）を研究している。彼等は、コア間のブラッグ格子を使用してモードの特徴を実験によって確認している。

微小構造ファイバは、大きい光非線形性に達することができる。シリカと空気との間の大きい屈折率の差は、光の波長程度の寸法にて横断モードに光を封込めることが可能であることを意味し、また、かかるファイバは、単位長さ当たりの有効非線形性が従来のシリカファイバよりも１０から１００倍大きいことを意味する。この特徴は、また、非線形性の効果を利用する装置に必要とされる長さ／パワーレベルを減少させるべく有益に利用することができる。

微細構造ファイバにおけるラマン増幅は、ジェイ・エッチ・リー（Ｊ．Ｈ．Ｌｅｅ）らによって、ＥＣＯＣ ２００１年、Ｔｈ Ａ４．１の「ホーリーファイバラマン増幅器及び全光変調器（Ａ ｈｏｌｅｙ ｆｉｂｅｒ Ｒａｍａｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｎｄ ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）」にて提案されており、リーらは、強力なＬ帯域ラマン増幅を得るため、長さが短い高非線形性のホーリーファイバを使用することを実証している。有効面積２．８５μｍ^２を有する長さ７５ｍのホーリーファイバを使用して、彼等は、４２ｄＢ以上の内部利得、１６４０ｎｍにて約６ｄＢのノイズ値を得ている。ファイバの損失は４０ｄＢ／ｋｍである。得られた利得効率は６ｄＢ／Ｗである。更に、著者は、ラマン利得係数ｇ_Ｒの値は、７．６・１０^−１４ｍ／Ｗの値になると推定している。

当該出願人は、６ｄＢ／Ｗの利得効率であることは２０−２５ｄＢの内部利得を有する増幅器を実現するために、３−４Ｗ以上の励起パワーを使用する必要があることを意味すると考える。このため、リーらの論文に記述されたファイバは電気通信システム内に実際に設置するのに極めて実際的ではないものとなる。

当該出願人は、小さい励起パワー必要量にて高利得に達することのできる微細構造ファイバを使用してラマン増幅器を実現するという課題に立ち向かった。増幅器は低ノイズ値であることが好ましい。当該出願人は、高いラマン利得効率、すなわち低励起パワーにて高利得を得るためには、微細構造ファイバは、等式［１］に従ってラマン増幅に対する大きい性能指数を有する必要があることを知見した。

当該出願人は、上述の論文にてリーらが記述したファイバのラマン増幅のためＦＯＭを計算する上述の等式［１］を使用することにより、極めて小さい値である、０．６７ １／Ｗ／ｄＢの値を得ることができることが分かった。当該出願人によれば、これは、主として、微細構造ファイバの高減衰量（４０ｄＢ）によるものである。しかし、当該出願人は、微細構造の空気−シリカファイバの減衰量がより少ない場合でさえ、空気−シリカファイバのラマン増幅の性能指数は、従来の分散補償型ファイバ又は従来の高非線形性ファイバのラマン増幅の性能指数と精々、同程度であることが分かった。上記の等式［１］を適用することにより、励起波長２．６ｄＢ／ｋｍ及び有効面積２．８５μｍ^２の微細構造ファイバの極めて少ない減衰量である、７．６・１０^−１４ｍ／Ｗのｇ_Ｒであることを考えることにより、約１０ １／Ｗ／ｄＢという「最良」の値が得られるであろう。すなわち、空気−シリカ微細構造ファイバの極めて小さい減衰量を考慮する場合でさえ、かかるファイバは、従来の分散補償型又は高い非線形性のファイバにて得られる性能指数と精々、等しいラマン増幅の性能指数を有することになろう。当該出願人によれば、これは、微細構造ファイバの減衰量が大きいためであり、これは、最良の場合、従来のファイバにおける０．５ｄＢ／ｋｍよりも小さい値に比して約２．６ｄＢ／ｋｍの値に達する可能性がある。極めて低減衰量の空気−シリカファイバの製造は、従来のファイバの製造よりもかなり複雑であるから、上述した空気−シリカ微細構造ファイバの性能指数の「最良」の結果は、極めて満足し得るものであると考えることはできない。更に、かかる結果は、極めて小さい有効面積（例えば、リーらの論文にて報告された例において、２．８５μｍ^２）を有するファイバを使用することにより得られるであろうが、増幅のため、微細構造ファイバにて励起光源と光信号とを結合するときに問題が生ずる。

当該出願人は、極端に少ない減衰量又は極端に小さい有効面積といることを必要とせずに、大きいラマン増幅の性能指数を有する微細構造ファイバを得るためには、ラマン効果を向上させることのできるドーパントを微細構造ファイバのコア内のシリカにドープし、該微細構造のコアがラマン増幅器に適したものとなるようにする必要があることが分かった。ラマン効果を向上させることのできるドーパントは、純シリカのラマン利得係数よりもラマン利得係数ｇ_Ｒの値を向上させるドーパントである。

その第一の側面において、本発明は、少なくとも１つの微細構造ファイバと、該微細構造ファイバの一端に光学的に結合された少なくとも１つの励起レーザとを備え、該励起レーザが、波長λ_Ｐの励起放射線を放出し得るようにされ、該微細構造ファイバが、該ファイバの軸方向に伸びる複数の毛管空隙により取り巻かれたシリカ系コアを備える、ラマン増幅器に関する。微細構造ファイバのコアは、シリカにドープされた、ラマン効果を向上させるのに適した少なくとも１つのドーパントを有している。

好ましくは、上記微細構造ファイバは、１４６０ｎｍから１６５０ｎｍの波長領域内で最大のラマン利得係数ｇ_Ｒ、上記波長λ_Ｐにおける減衰量α_Ｐ及び上記波長λ_Ｐにおける有効面積Ａ_ｅｆｆを有し、（ｇＲ／Ａｅｆｆ）／αＰが５ １／Ｗ／ｄＢ以上であり、より好ましくは、１０ １／Ｗ／ｄＢ以上であるようにする。

ラマン効果を向上させるのに適した１つの好ましいドーパントは、ゲルマニウムである。
好ましくは、微細構造ファイバのコア内のゲルマニウムの濃度は、８％モル以上とし、より好ましくは、１０％モル以上、更により好ましくは、２０％モル以上とすることができる。

好ましくは、上記微細構造ファイバの有効面積Ａ_ｅｆｆは、上記波長λ_Ｐにて１０μｍ^２以下、より好ましくは、上記波長λ_Ｐにて７μｍ^２以下であるようにする。
結合を促進するため、上記微細構造ファイバの有効面積Ａ_ｅｆｆは、上記波長λ_Ｐにて３μｍ^２以上とすることができる。

好ましくは、微細構造ファイバの減衰量α_Ｐは、上記波長λ_Ｐにて１０ｄＢ／ｋｍ以下、好ましくは、上記波長λ_Ｐにて５ｄＢ／ｋｍ以下であるようにする。
ＷＤＭシステム内で４つの波の混交が開始するのを軽減するため、上記微細構造ファイバの分散量を１５５０ｎｍの波長にて絶対値で４０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上、より好ましくは、１５５０ｎｍの波長にて絶対値で７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であるようにことができる。

好ましくは、上記微細構造ファイバは、１４３０ｎｍ以上の波長に対しシングルモードであるようにする。
好ましい実施の形態において、空隙の直径は０．３から４．０μｍの範囲にある。更に、該空隙の間の距離は、４．０μｍ以下であることが好ましい。上記空隙の直径ｄと上記空隙の間の距離Λとの比は、０．３５以上であることが好ましい。

好ましくは、上記微細構造ファイバの長さは、２０００ｍ以下、好ましくは、１０００ｍ以下であるようにする。
その第二の側面において、本発明は、１４６０から１６５０ｎｍの範囲の波長帯域に位置する波長を有する光信号を誘導するのに適した微細構造ファイバであって、ファイバの軸方向に伸びる複数の毛管空隙により取り巻かれたコアを備える微細構造ファイバに関する。該コアは、シリカと、ラマン効果を向上させるのに適したドーパントとを備えている。該ファイバは、上記コアのラマンシフトに従ってより低い波長領域内で上記波長帯域の少なくとも１つの波長に対してシフトした波長λ_Ｐを有する励起放射線を誘導するのに更に適している。該ファイバは、上記波長帯域内で最大のラマン利得係数ｇ_Ｒと、減衰量α_Ｐと、上記波長λ_Ｐにおける有効面積Ａ_ｅｆｆを有し、（ｇ_Ｒ／Ａ_ｅｆｆ）／α_Ｐが５ １／Ｗ／ｄＢ以上、好ましくは、１０ １／Ｗ／ｄＢ以上であるようにする。

その第三の側面において、本発明は、ファイバの軸方向に伸びる複数の毛管空隙により取り巻かれ、シリカ及びゲルマニウムを有するコアを備える微細構造ファイバであって、上記コア内におけるゲルマニウムの濃度が８％以上であることを特徴とする微細構造ファイバに関する。

本発明の更なる特徴及び有利な効果は、添付図面に関して記載した以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。
[実施例]

図１には、本発明によるラマン増幅器１の１つの実施の形態が図示されている。該ラマン増幅器１は、微細構造ファイバ２と、例えば、ＷＤＭカプラー４を通じて微細構造ファイバ２の一端に光学的に接続された少なくとも１つの励起レーザ装置３ａとを備えている。

図１に示した一例としての好ましい実施の形態において、波長λ_Ｐ及び実質的に同一のパワー放出を有する偏光した励起放射線を放出し得るようにされた２つの励起レーザ装置３ａ、３ｂが提供される。該２つの励起放射線は、偏光ビームスプリッタ５を通じて互いに結合され、直交する偏光状態が偏光ビームスプリッタ５の下流に送られるようにする。偏光ビームスプリッタ５はＷＤＭカプラー４の一端に接続される。ＷＤＭカプラー４の他端は、増幅すべき波長λ_Ｓにて光信号を受け取り得るようにされている。ＷＤＭカプラー４の第三の端部は微細構造ファイバ２に接続されている。ＷＤＭカプラー４を微細構造ファイバ２に光学的に接続する部分は、収束レンズ、より一般的には、補正光学素子を備え、ファイバ２内で光学放射線の結合を最適化し得るようにすることができる。図１に示した形態において、光信号及び励起放射線は、微細構造ファイバ２内で同時に伝搬する。１つの代替的な実施の形態は、光信号と励起放射線との間に反対方向への伝搬状態を提供することができる。更なる代替的な実施の形態は、光信号に対して同一方向に及び反対方向に伝搬する２つの励起放射線を提供することができる。図示しないその他の実施の形態において、異なる放出波長を有する複数の励起源を提供することができる。本発明によるラマン増幅器は、単一段増幅器又は多段増幅器とし或いは、多段増幅器の一部とすることができる。更に、本発明によるラマン増幅器は、例えば、エルビウムドープファイバ増幅器又は半導体増幅器のようなその他の型式の増幅器と組み合わせることができる。

光信号は、約１４６０ｎｍから１６５０ｎｍの範囲、好ましくは、１５２５ｎｍから１６２５ｎｍの範囲の波長λ_Ｓを有することができる。励起レーザ装置３ａ、３ｂにより放出された放射線は信号の放射線波長に関係付けられている。ラマン増幅効果を得るためには、励起レーザの波長は、スペクトルの下方の波長領域内で信号放射線波長に対しシフトさせる必要があり、該シフトは、少なくとも１つの信号の放射線波長に対し微細構造ファイバ２のコア内を構成する材料のラマンシフトに等しくする必要がある（ジー．ピー．アグラワル（Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ）のアカデミック・プレス・インコーポレーテッド（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ Ｉｎｃ．）（１９９５）、３１７−３１９頁の「非線形性光ファイバ（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ）」を参照）。

本発明によるラマン増幅器は、伝送ステーションと、受信ステーションと、該伝送ステーション及び該受信ステーションを接続する光学ラインとを備える、光伝送システム、好ましくは、ＷＤＭ伝送システムの一部とすることができる。伝送ステーションは、１つの情報を運ぶ光信号を放出し得るようにされた少なくとも１つの送信機を備えている。ＷＤＭ伝送のためには、伝送ステーションは、その各々がそれぞれの波長を有するそれぞれの複数の光学チャネルを放出し得るようにされた複数の送信機を備えている。この場合、光信号は、異なる光学チャネルを備えるＷＤＭ光信号である。受信ステーションは、上記光信号を受信し且つ、上記情報を判別し得るようにされた少なくとも１つの受信機を備えている。ＷＤＭ伝送のためには、受信ステーションは、ＷＤＭ光信号を受信し且つ、受信した各々の光学チャネルによって運ばれた情報を判別し得るようにされた複数の受信機を備えている。光学ラインは、少なくとも１つの伝送光ファイバを備えている。本発明による少なくとも１つのラマン増幅器を備える少なくとも１つの増幅器が光学ラインに沿って配置され、上記１つ又は２つ以上の光ファイバによって光信号に導入される減衰に反作用する。その他の減衰源は、光学ラインに沿って配置された、例えば、変調器、スイッチ、アドドロップマルチプレクサ等のような、コネクタ、カプラー／スプリッタ及び色々な装置となる可能性がある。本発明による少なくとも１つのラマン増幅器を備える光伝送システムは、例えば、地上伝送システム又は海底伝送システムのような、任意の型式の光伝送システムとすることができる。伝送システムは、また、本発明による少なくとも１つのラマン増幅器と組み合わせて、例えば、エルビウムドープファイバ増幅器又は半導体増幅器のような、その他の型式の増幅器を備えることもできる。

図１を再度参照すると、ラマン増幅器１内に含まれた微細構造ファイバ２は、ファイバの軸方向に伸びる複数の毛管空隙によって取り巻かれたシリカ系コアを備えている。
好ましくは、微細構造ファイバ２のコアを取り巻く空隙は、励起波長λ_ｐにて測定したとき、１０μｍ^２以下、より好ましくは、７μｍ^２以下の有効面積Ａ_ｅｆｆを提供し得るように配置されるものとする。有効面積Ａ_ｅｆｆを測定する目的のため、複数の波長放出物を有する複数の励起源を使用する場合、励起波長の平均値を使用することができる。小さい有効面積は、非線形性、特に、ラマン効果を都合良いように向上させる。本発明の目的上、有効面積Ａ_ｅｆｆとは、次式により計算することのできる１つの係数を意味するものとする。

ここで、Ｅ（ｘ，ｙ）は、ｚ伝搬方向に対し直交するｘ−ｙ平面内で微細構造ファイバ内を伝搬する波長λ_ｐを有する放射線の電気場である。

好ましくは、微細構造ファイバ２の励起波長における減衰量α_ｐは、１０ｄＢ／ｋｍ以下、好ましくは、５ｄＢ／ｋｍ以下である。減衰量α_ｐを測定する目的のため、複数の波長放出物を有する複数の励起源を使用する場合、励起波長の平均値を使用することができる。

ＷＤＭ伝送の場合に微細構造ファイバ２の小さい有効面積のため、生ずる可能性のある４つの波の混交を阻止するため、微細構造ファイバのコアを取り巻く空隙は、１５５０ｎｍの波長にて絶対値で４０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上、より好ましくは、７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上の色分散量（又は単に分散量）を有するように配置されることが好ましい。当該技術分野の当業者が容易に利用可能な技術を使用してかかる色分散値を得ることができる。かかる技術は、例えば、空隙間の距離Λ、又は空隙直径ｄ又は関連する比ｄ／Λ、或いはこれらパラメータの任意の組み合わせを適宜に選ぶステップを備えている。上記に引用したウェストらの論文には、Λ＝１０００ｎｍの値にて、比ｄ／Λを０．０４０の値から０．９０の値まで修正することにより、フォトニック結晶ファイバの有効屈折率の分散曲線が変化する様子が示されている。本明細書の以下の説明にて好ましい実施の形態を示す。

空隙は、六角形ラティスに実質的に従って配置することが好ましく、これは、微細構造ファイバの誘導モードのほぼ最適な対称性及び小さい複屈折率を得ることを可能にする。
好ましくは、微細構造ファイバ２は、増幅すべき光信号を備える少なくとも波長帯域内でシングルモードであるようにする。ファイバの単一モードを測定する目的のため、２ｍの遮断波長を使用することができる。約１５５０ｎｍ以上の波長にて伝送するためには、微細構造ファイバ２は、１４３０ｎｍ以上の波長に対しシングルモードであることが好ましい。

上述したファイバ組の有効面積及び（又は）分散量及び及び（又は）単一モードに対する好ましい仕様値に適合するためには、コアの周りの空隙の幾何学的特徴及び配置は、当該技術分野の当業者に容易に利用可能な技術により見出すことができる。典型的に、かかる技術は、シミュレーションソフトウェア技術を使用することを含む。空隙は、実質的に同一直径とし又は同一直径でなくてもよい。例えば、空隙は、上述した米国特許第５，８０２，２３６号におけるように、外側クラッド層に比して大きい直径を有する空隙を備える内側クラッドを画成し得るようにコアの周りに配置することができる。

好ましくは、ラマン増幅器内でのＤＧＤに関係した問題点の発生を少なくするため、微細構造ファイバ２の複屈折率を小さくすることができる。好ましくは、ラマン増幅器１のＤＧＤは、システムのビット速度に対して設定されたタイムスロットの１／６以下にできる。例えば、２．５Ｇビット／秒のビット速度に対する最大ＤＧＤの適宜な値は、約７０ｐｓである。別の例として、１０Ｇビット／秒のビット速度に対する最大ＤＧＤの適宜な値は約２０ｐｓである。

ラマン増幅器１のノイズ値を小さく保つためには、微細構造ファイバ２の長さは、２０００ｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、１０００ｍ以下、更により好ましくは、５００ｍ以下とする。

好ましくは、ラマン増幅器１のノイズ値は、約１０ｄＢ以下、より好ましくは、約６ｄＢ以下とする。
シリカ系コアは、シリカと、全シリカコアを有する微細構造ファイバよりも微細構造ファイバのコア内のラマン効果を向上させるのに適した少なくとも１つのドーパントとを備えている。１つの好ましい適宜なドーパントは、典型的に、その酸化物ＧｅＯ_２にて具体化されるゲルマニウムである。その他の適宜なドーパントは、典型的に、その酸化物Ｐ_２Ｏ_５及びＢ_２Ｏ_３としてそれぞれ具体化されたリン又はホウ素とすることができる。本明細書の残りの部分にて、ゲルマニウムのドープを特別に参照する。当該技術分野の当業者は、別のドーパントを使用する場合、本明細書に含めた教示内容を適応させることができる。

「ラマン効果を向上させるのに適したドーパント」という表現は、純シリカのラマン利得係数の値よりも微細構造ファイバのコア内で構成された材料のラマン利得係数ｇ_Ｒの値を増大させることのできるドーパントを意味する。本発明の目的のため、あるドーパントがラマン効果を向上させるのに適しているかどうかを知るためには、純シリカのラマン係数の全体値に比して微細構造ファイバのコア内で構成された材料のラマン利得係数の全体値を参照する必要がある。

光ファイバに関する文献において、「ラマン利得係数」とは、ｇ_Ｒ係数又は比ｇ_Ｒ／Ａ_ｅｆｆの何れかを意味するものであることを認識すべきである。本明細書において、ラマン利得係数とは、ｇ_Ｒ係数を意味するものとする。

ゲルマニウムを更に備えるシリカ系コアを有する微細構造ファイバのラマン利得係数の推定値は、次の近似的な等式［３］に従って、コア内のゲルマニウムの濃度Ｃにより求めることができる。

ここで、ｇ_{ＲＳｉＯ２}は、純バルクシリカのラマン利得係数、ｇ_{ＲＧｅＯ２}は、純バルクゲルマニウムのラマン利得係数である。１．５５μｍの波長におけるｇ_{ＲＳｉＯ２}について文献に報告された値は、約７．７４ １０^−１４ｍ／Ｗである。波長１．５５μｍにおけるｇ_{ＲＧｅＯ２}について文献に報告された値は、約５９．３５ １０^−１４ｍ／Ｗである（例えば、ラインズ（Ｌｉｎｅｓ）のＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６２（１１）、４３６３−４３７０頁（１９８７年）における「高利得光ファイバに対するラマン利得推定値（Ｒａｍａｎ−ｇａｉｎ ｅｓｔｉｍａｔｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｇａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒｓ）」を参照）。等式［３］は、ラマン利得係数ｇ_Ｒの理論的な全体値を与える。ファイバのコア内のラマン利得係数ｇ_Ｒの実際の値をより正確に推定するためには、等式［３］にて推定された値は、ファイバのクラッド内の信号放射線の部分的な損失に起因して、ファイバ内を伝搬する信号と励起放射線との間のラマン結合が完全でないことを考慮することで、小さくすることができる。等式［３］により推定されたｇ_Ｒの値に補正係数（Ｒ_コア／Ｒ_モード）^２を掛けることにより、この効果を考慮に入れることができ、Ｒ_コアは、ファイバコアの半径、Ｒ_モードは、ファイバ内に伝搬する信号放射線のモードの半径である。この点に関して、軸方向に伸びる空隙が存在するから、コアとクラッドとの間の屈折率の差が大きい結果、微細構造ファイバのコア内でのモード封込めが極めて効果的である結果、当該出願人は、微細構造ファイバに対し、かかる補正係数は、無視可能であると考える。優れたｇ_Ｒの推定値を得るために等式［３］により得られた値に適用可能な別の補正係数は、ファイバ内に伝搬する間の信号放射線及び励起放射線の偏光状態間の整合が完全でないことに起因するものである。これは、ファイバ内のラマン増幅効果を低下させる。しかし、図１に関して説明したように、偏光ビームスプリッタを介して２つの励起源を結合することにより、偏光の実質的な独立性を得ることができる。

一例として、微細構造ファイバのコア内でのゲルマニウム濃度が２０％モルのとき、等式［３］は、約１８．０６・１０^−１４ｍ／Ｗのｇ_Ｒの値を与えるであろう。
ファイバのラマン利得係数ｇ_Ｒの実際の値をより正確に測定するため、図２に示したような実験装置を使用することができる。図２において、波長及び放出されるパワー双方の点にて同調可能であるレーザ源２０が第一の１×２パワースプリッタ２１に接続されている。レーザ源２０は、例えば、波長同調可能なレーザ装置２０ａと、エルビウムドープファイバ増幅器２０ｂと、可変減衰器２０ｃとを備えることができる。第一のパワーメータ２２がパワースプリッタ２１の２つの出力ポートの一方に接続されている。励起システム２３がＷＤＭカプラー２４の１つの入力ポートに接続されている。励起システム２３は、実質的に同一の波長放出物及び実質的に同一のパワー放出物を有して、直交する偏光状態がＷＤＭカプラー２４に向けられるような仕方にて偏光ビームスプリッタ２３ｃに結合された、２つの励起レーザ装置２３ａ、２３ｂを備えている。パワースプリッタ２１の第二の出力ポートは、ＷＤＭカプラー２４の第二の入力ポートに接続されている。ＷＤＭカプラー２４の出力ポートは、第二のパワースプリッタ２５の入力ポートに接続されている。第二のパワーメータ２６がパワースプリッタ２５の１つの出力ポートに接続されている。第一のコネクタ２７にて終端とされた光ファイバ片は、パワースプリッタ２５の第二の出力に接続される。第一及び第二のパワースプリッタ２１、２５は、例えば、９０／１０パワースプリッタとすることができる。パワースプリッタの「１０％」出力ポートは、パワーメータ２２、２６に接続する必要がある。図２に参照番号２８で示した、試験すべきファイバは、測定中、第一のコネクタ２７と第二のコネクタ２９との間で光学的に接続される。試験すべきファイバ２８及びコネクタ２７、２９の光学的接続部は、収束レンズ、より一般的には、補正光学素子を備えて、ファイバ２８内での光学放射線の結合を最適化することができる。最後に、光スペクトル分析器３０が第二のコネクタ２９に接続される。

図２の試験装置によって、ファイバ２８のｇ_Ｒ対信号放射線の波長の曲線を決定することができる。レーザ源２０は、信号放射線の放出を刺激し、従って、対象とする波長範囲から成る波長の放射線を放出するのに適したものでなければならない。１つの好ましい波長範囲は、１４６０ｎｍから１６５０ｎｍの範囲にある。励起レーザ装置２３ａ、２３ｂは、予想されるラマンシフトに従って測定のために使用されるレーザ源２０の波長範囲に関係した放出波長を有する。シリカ−ゲルマニウムファイバの場合、励起レーザ装置２３ａ、２３ｂにより放出される放射線の周波数は、レーザ源２０により放出される放射線の周波数よりも１３．２ＴＨｚだけ低くなければならない。例えば、対象とする波長範囲は、１５２５ｎｍから１５７５ｎｍの範囲とすることができる。かかる波長範囲の場合、使用される適宜な励起レーザは、約１４２５から１４７５ｎｍの範囲の波長を有しなければならない。このように、ｇ_Ｒ対対象とする波長範囲の曲線を選んだ励起波長（対象とする全波長範囲について同一の励起波長）を描くことができる。ｇ_Ｒを測定する目的のため、対象とする波長範囲内のｇ_Ｒの平均値が使用される。使用可能な励起波長範囲から成る励起波長の各々に対し異なる曲線を決定することができる。かかる場合、最大ｇ_Ｒの内、最良の値が使用される。

試験は、次のような仕方にて行う必要がある。試験ファイバ２８がコネクタ２７、２９の間に接続されない状態で、レーザ源２０及び励起システム２３の放出されたパワーの較正が行われる。パワーメータ２２の較正のため、レーザ装置２３ａ、２３ｂは不作動とされ、このため、レーザ源２０から来る放射線のみがパワーメータ２２及び第一のコネクタ２７に接続された更なるパワーメータに向けられる。第一のパワーメータ２２で測定されたパワーとコネクタ２７に接続された更なるパワーメータにて測定されたパワーとを等しくすることにより、較正が行われる。レーザ源２０を不作動にし且つ、励起システム２３を使用することにより、パワーメータ２６に対し同様の較正が行われる。測定のため、試験すべきファイバ２８をコネクタ２７、２９の間に接続し、レーザ源２０、励起システム２３の双方を作動させ、その双方が連続波の放射線を放出するようにする。エルビウムドープファイバ増幅器２０ｂ及び可変減衰器２０ｃを使用して信号放射線の放出されたパワーを変化させることができる。対象とする範囲内の信号波長の各々に対し、光スペクトル分析器３０は、試験中のファイバ２８によりパワーＰ_ｏｕｔ出力を与える。一方、上述した較正が為されたならば、ファイバ２８内への信号放射線パワーＰ_ｉｎを第一のパワーメータ２２にて測定することができる。比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎは利得Ｇを与える。利得Ｇを正確に計算するためには、試験中のファイバ２８をコネクタ２７、２９に光学的に接続することに起因する光学的損失をスペクトル分析器３０にて測定された出力パワーＰ_ｏｕｔの値に追加する必要がある。

このようにして決定された利得Ｇは、次式［４］によりラマン利得係数ｇ_Ｒに関係付ける。

ここで、Ｐ_ｐｕｍｐは、励起レーザ装置２３ａ、２３ｂの１つのみの励起パワーであり、Ａ_ｅｆｆは、励起波長におけるファイバ２８の有効面積であり、Ｌ_ｅｆｆは、次式［５］によりファイバ２８の長さ及び励起波長におけるファイバの減衰量α_ｐに関係した有効長さである。

等式［４］は、「オン−オフ利得」として知られる利得を与える。ファイバ２８の減衰特性及び有効面積が分かったならば、任意の信号波長に対するｇ_Ｒの値を決定することができる。励起波長におけるファイバ２８の有効面積が十分正確に知られていないならば、比ｇ_Ｒ／Ａ_ｅｆｆの値を決定することができる。等式［４］を使用するためには、いわゆる「狭い信号範囲」内ですなわち、信号放射線パワー及び励起放射線パワーがファイバ２８内で飽和を生じさせないことを保証することにより、測定しなければならない。かかる場合を確認するためには、入力信号パワーの僅かな増大（例えば、１ｄＢ）が試験中のファイバ２８からの出力パワーの等しく僅かな増大に対応しなければならない。他方、入力パワーの増加に対して出力パワーが僅かに増加することは、ファイバが飽和領域にあることを示す。

微小構造ファイバのコア内のゲルマニウム濃度Ｃ及び微小構造ファイバの励起波長における減衰量α_ｐ、励起波長における有効面積Ａ_ｅｆｆは、上記の等式［１］によって与えられるラマン増幅の性能指数に対し、少なくとも５ １／Ｗ／ｄＢ、好ましくは、少なくとも１０ １／ｄｂ／Ｗの値が得られるように選ばれることが好ましい。性能指数に対する少なくとも５ １／Ｗ／ｄＢの値は、ラマン増幅器１に対し高利得効率を得ることを許容する、すなわち、必要な低励起パワー量にてラマン増幅器の高利得を得ることができる。かかる性能指数の値により、本発明によるラマン増幅器の単一の段は、微小構造ファイバの長さが約５００から２０００ｍの範囲にあるとき、励起レーザ当たり２００ｍＷの励起放射線パワー以下にて１５ｄＢの利得を得ることができる。本発明による微小構造ファイバによって大きいラマン増幅の性能指数の値、例えば、１５ １／Ｗ／ｄＢを得て、これによりより高いラマン効率を許容することができる。

微小構造ファイバにおいて、ファイバのクラッド内に提供された空隙は、有効屈折率をコアの屈折率以下に低下させる機能を果たす。光の閉込め特性、例えば、ファイバの有効面積は、コアの周りにおける空隙の配置にのみ依存し、コアの実際の屈折率とクラッドの実際の屈折率との差には依存しない。このことは、コア内にゲルマニウム又はラマン効果を増大させるのに適した別のドーパントを備える微小構造ファイバ２において、光の閉込め特性は、実際上、ゲルマニウムの濃度に依存しないことを意味する。このことは、微小構造ファイバ２のコア内で極めて高濃度のゲルマニウムを使用することを可能にし、極めて大きいｇ_Ｒの値に達することを可能にする。実際には、微小構造ファイバ２のコア内のゲルマニウム濃度を制限する可能性のある唯一の制約は、ゲルマニウム−シリカコアの製造過程中の技術的制限によるものであろう。典型的に、ゲルマニウム濃度が３０％以上の場合、具体化する上で問題となる。好ましくは、微小構造ファイバ２のコア内のゲルマニウム濃度は、８％モル以上、より好ましくは、１０％モル以上、更により好ましくは、２０％以上とすることができる。

これに反して、ゲルマニウム−シリカコアと、シリカクラッディングとを有する従来のゲルマニウム−シリカ光ファイバにおいて、光の閉込めは、コア中にゲルマニウムが存在することで決定されるコアとクラッドとの間の屈折率の差に依存する。この場合、ゲルマニウム濃度は、制限なく増大させることができず、それは、コアの屈折率はかかる濃度に依存し、コア内でゲルマニウム濃度を制限せずに増大させるならば、例えば、ファイバの単一モード、有効面積、減衰量等々のようなファイバの基本的な光学的特性に影響を与えるからである。特に、有効面積及びゲルマニウム濃度は、互いに相関すべき結果を生ずる。他方、かかる相関は、微小構造ファイバにて、回避することができる。

ラマン増幅ファイバの有効面積とそのコア内のゲルマニウム濃度とが相関しないならば、２つのパラメータｇ_Ｒ、Ａ_ｅｆｆを別個に制御することが可能である点にて上記の特徴は極めて重要である。上述したように、ｇ_Ｒは、コア内のゲルマニウム濃度を高くすることにより増大させることができる。このことは一方、微小構造ファイバの有効面積（空隙の配置により制御される）を大きい値に保ち、許容可能なラマン増幅の性能指数の値を依然として維持することを許容する。好ましくは、微小構造ファイバの有効面積は３μｍ以上とする。より好ましくは、４から６μｍ^２の範囲にある有効面積の値を使用することができる。このことは、微小構造ファイバ２内での光信号及び励起放射線の結合を容易にするために重要である。この点に関して、従来のファイバにおいて、基本的なファイバの光学的特性に影響を与えずに、１０から１５μｍ^２の範囲の最小有効面積、すなわち、微小構造ファイバにて得られるものと比してより大きい値となることを認識すべきである。

更に、微細構造ファイバの減衰量は、今日まで、依然として従来のファイバの減衰量よりも極めて多い（前者の最良の場合、２．６ｄＢ／ｋｍであり、後者に対するものよりも０．５ｄＢ／ｋｍだけ低い）ため、より大きいラマン利得係数ｇ_Ｒの値は、比較的高減衰量の場合でさえ、より大きいラマン増幅の性能指数を保つことを許容する。この点に関して、より高いゲルマニウム濃度のときでも製造方法により導入される減衰量と比べて微細構造ファイバ内に顕著な減衰量を導入することはないことを認識すべきである。このことは、遥かに低い減衰量の従来のファイバでは見られないことである。かかる場合、等式［１］による許容可能な性能指数の値に達するためには、従来のファイバに対する更に僅かな減衰量の増加（例えば、０．２ｄＢ）の負担でも、微細構造ファイバが経験するものと同一の減衰量の増大に対して遥かに問題となる。

このように、本発明によれば、ラマン効果を向上させるのに適したドーパントを備える微細構造ファイバにおいて、許容可能なラマン増幅の性能指数の値に達するために、３つのパラメータ、ｇ_Ｒ、Ａ_ｅｆｆ及びα_Ｐを別個に制御することができる。好ましくは、有効面積に実際上、影響を与えずに、又はファイバの減衰量に実質的に影響を与えずに、ラマン係数を大きくすることができる。好ましくは、従来のファイバに比して微細構造ファイバのより多い減衰量は、有効面積を減少させることにより且つ（又は）ラマン利得係数を増大させることにより補償することができる。好ましくは、実際のファイバの有効面積値は、微細構造ファイバとラマン増幅器のその他の構成要素との結合のみを実際に考慮することにより選ぶことができる。

他方、コア内に純シリカを有する微細構造ファイバに比して、本発明による微細構造ファイバは、都合良く、大きいラマン利得係数ｇ_Ｒの値を有する。このことは、有効面積の値が相対的に大きい場合でさえ、より大きいラマン増幅の性能指数を保つことを許容する。このことは、微細構造ファイバをラマン増幅器のその他の構成要素に結合することを容易にする。

次に、１５５０ｎｍ付近の波長範囲にて増幅するのに適したラマン増幅器に対し、本発明による微細構造ファイバの好ましい仕様値の概略を示す。
ラマン増大ドーパント：ＧｅＯ_２；
ＧｅＯ_２濃度：２０−２５％モル；
１５５０ｎｍ（励起波長）における減衰量：５ｄＢ／ｋｍ以下；
１４５０ｎｍ（信号波長）における減衰量：５ｄＢ／ｋｍ以下；
１４５０ｎｍにおける有効面積：４−６μｍ^２；
ファイバ長さ：４００−２０００ｍ；
１５５０ｎｍにおける分散量：絶対値にて４０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上；
遮断波長：１４３０ｎｍ以下；
空隙直径（ｄ）：０．３−０．４μｍ；
空隙間距離（Λ）：４μｍ以下；
比ｄ／Λ：０．３５以上；
クラッド直径：１００μｍ以上、典型的に、１２５μｍ（標準的ファイバとの適合可能であるようにするため）

図３には、等式［１］によるラマン効果の性能指数対２０％モルのゲルマニウムをドープしたシリカコアを有する微細構造ファイバに対する励起波長における減衰量を表わす幾つかの曲線が示されている。曲線を描くため、微細構造ファイバに対して１５５０ｎｍにおけるｇ_Ｒ値は１８・１０^−１４ｍ／Ｗであると仮定した。異なる曲線は、図３に掲げた凡例に従ってファイバの有効面積の異なる値に相応する。

理解し得るように、減衰量（３−４ｄＢ／ｋｍ）及び有効面積（４−６μｍ^２）の双方が比較的大きい値のとき、約１０ １／ｄＢ／Ｗの性能指数が得られる。相対的に大きい有効面積の値は、結合を容易にする一方にて、相対的に大きい減衰量の値は、より容易な製造方法を使用することを許容するため、このことは有益である。

減衰量及び（又は）有効面積の値がより小さいならば、特別に大きい性能指数の値（＞１５ １／ｄＢ／Ｗ）を得ることができる。このことは、減衰量を２ｄＢ／ｋｍ以下の値まで減少させるため、主として、将来の微細構造ファイバの製造方法に対する改良を考慮するとき、重要である。

当該出願人は、図１に従ってラマン増幅器の１つの形態に対して一連のシミュレーションを行った。１５５０ｎｍの波長を有する信号及び１４５０ｎｍの波長を有する励起放射線について検討した。励起レーザの各々により放出されるパワーは、２００ｍＷであると想定した。図４には、ラマン増幅器に対して、本発明による微細構造ファイバ（曲線４０ａ）、純シリカコアを有する微細構造ファイバ（曲線４０ｂ）、ツザキらの論文による高非線形性ファイバ（曲線４０ｃ）を使用することにより得ることのできるオン−オフ利得対ファイバ長さを表わす３つの曲線が示してある。オン−オフ利得は、等式［４］、［５］を使用して計算した。曲線４０ａを描くため、１５５０ｎｍにおける１８・１０^−１４ｍ／Ｗのラマン利得係数、５μｍ^２の有効面積、１４５０ｎｍの波長における４ｄＢ／ｋｍの減衰量の値であると想定した。曲線４０ｂを描くため、１５５０ｎｍにおける７．７４・１０^−１４ｍ／Ｗのラマン利得係数、５μｍ^２の有効面積、１４５０ｎｍの励起波長における４ｄＢ／ｋｍの減衰量の値であると想定した。ツザキらの論文に従い、曲線４０ｃを描くため、６．５０・１０^３の比ｇ_Ｒ／Ａ_ｅｆｆ及び１４５０ｎｍの励起波長における０．７ｄＢ／ｋｍの減衰量の値であると想定した。図４から理解し得るように、曲線４０ａは、最上方の曲線であり、５００から１０００ｎｍの範囲の比較的短い長さのファイバにて大きいオン−オフ利得（１５−２０ｄＢ）に達することを許容する。好ましくは、かかる短い長さは、ラマン増幅器のノイズ値を小さくし且つ、集合型増幅器に対して極めて小型のパッケージ体を提供することを可能にする。これと異なり、純シリカコアを有する微細構造ファイバにて得られるオン−オフ利得を表わす曲線４０ｂは、曲線４０ａに比してより小さい利得に達する。このファイバに対し、最大の獲得可能な利得を増大させるため、有効面積を小さくする必要があり、これに伴って結合上の問題が生ずる。曲線４０ｃは、より長いファイバ（約２．５ｋｍ）にて更に小さいオン−オフ利得に達する。

図５には、本発明による微細構造ファイバが到達可能であるラマン利得ピークの一連のＣ曲線が示してある。ラマン利得ピークは、Ｇ＝Ｇ_{オン−オフ}ｅ^−αＬと評価し、ここで、Ｇ_{オン−オフ}は、［４］の等式を使用して計算し、αは、信号波長におけるファイバの減衰量であり、Ｌは、ファイバ長さである。図５のＣ曲線を描くため、Ｇ対長さの最大値を考えた。有効面積５μｍ^２のとき、励起波長における４．０ｄＢ／ｋｍの減衰量及び信号波長における４．０ｄＢ／ｋｍの減衰量であると想定した。Ｃ曲線は、偏光ビームスプリッタを介して結合された２つの励起レーザ装置を有するラマン増幅器の形態において、各レーザ源に対するｘ軸に励起パワーをｘ軸に示し、また、ゲルマニウム濃度をｙ軸に示すプロットにて表わした。等式［３］に従って、各ゲルマニウム濃度に対するラマン利得係数ｇ_Ｒを評価した。計算したラマンピークを、Ｃ曲線に相応するものとして示した。理解し得るように、３００ｍＷ以下のパワー及び１０％以上のゲルマニウム濃度にて２０ｄＢ以上のラマンピーク値を得ることができる。

上述した仕様値を有する微細構造ファイバを設計するため、当該出願人は、マックスウェルの等式に対し完全なベクトル伝搬解法（ｖｅｃｔｏｒｉａｌ ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を与えるアール−ソフト（Ｒ−Ｓｏｆｔ）、オシニング（Ｏｓｓｉｎｉｎｇ）（米国、ニューヨーク）が販売する商業的ソフトウェア、ビーム・プロップ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐ）を使用することにより一連のシミュレーションを行った。微細構造ファイバに対し評価すべき典型的なパラメータは、空隙直径ｄ、及び空隙間距離Λである。空隙は、理想的に、同一の直径を有し且つ、理想的な正六角形のラティスに従ってコアの周りの配置されるものと想定する。図６には、コア６０と、該コア６０の周りに配置された複数の空隙６１とを備える、この理想的な微細構造ファイバの断面の一部分が図示されている。

シリカ及び２０％モルのマグネシウムを備えるコアであると想定する。コアの屈折率及び材料の分散程度は、セルメイヤー（Ｓｅｌｌｍａｉｒｅ）等式によって与える。また、コア直径Ｄは０．９Λに等しいと想定する。かかる値は、空隙内でゲルマニウムドーパントが拡散し、その結果、該ドーパントが失われるのを回避することができる。

図７には、空隙間距離Λが２．３μｍのときに得られる分散量対波長（ＧＶＤ）の幾つかの曲線が示してある。異なる曲線は、図７に示した凡例に従って、比ｄ／Λの異なる値に相応する。理解し得るように、比ｄ／Λが増大すると、分散曲線は振れて、曲線はより高波長へと移動する。かかる振れは、より大きいｄ／Λの場合、全体的な分散量は材料の分散量に拘らず、波長の分散量によって強く支配されるからである。

図８には、比ｄ／Λが０．８に等しいときに得られる分散量対波長の幾つかの曲線が示してある。異なる曲線は、図８の凡例に従って、異なる空隙間距離Λの値に相応する。理解し得るように、ラティスピッチΛが増大することは、分散曲線をより高波長に移動させ且つ、振れ振幅を僅かに低減させる。

図９には、比ｄ／Λが０．５に等しいときに得られる分散量対波長の曲線が示されている。異なる曲線は、図９の凡例に従って、異なる空隙間距離Λの値に相応する。縦破線は、１５５０ｎｍの波長を強調する。ラティスピッチΛが増大する結果、分散量は僅かに増大し且つ、有効面積は、それぞれ５．００μｍ^２、５．５０μｍ^２、６．２０μｍ^２への増大する。

図１０には、比ｄ／Λが０．９に等しいときに得られる分散量対波長の幾つかの曲線が示されている。異なる曲線は、図９の凡例に従って、異なる空隙間距離Λの値に相応する。縦破線は、１５５０ｎｍの波長を強調する。ラティスピッチΛが増大する結果、分散量は僅かに増大し且つ、有効面積は、それぞれ２．９０μｍ^２、４．００μｍ^２、５．４０μｍ^２へと増大する。理解し得るように、比ｄ／Λの増大により（Λは同一の値）、小さい有効面積の値が得られ、これと共に、図９に示した場合に比して、１５５０ｎｍにおける分散量は増大する。

表１には、上述した仕様値の少なくとも幾つかを満足させる微細構造ファイバの一組みの好ましい実施の形態の概略が示してある。
表１
ｄ／Λ Λ １５５０ｎｍに １５５０ｎｍに １４３０ｎｍに
（μｍ） おける有効面積 おける分散量 おける誘導モード
（μｍ^２） （ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ） の数
０．５ １．８５ ４．５５ ＋８０ １
０．５ ２．００ ５．００ ＋７０ １
０．５ ２．１５ ５．５０ ＋５９ １
０．６ ２．００ ４．３０ ＋８６ １
０．６ ２．１５ ４．８０ ＋８３ ２
０．６ ２．３０ ５．２０ ＋８０ ２
０．７ ２．５０ ５．２０ ＋９２ ３
０．９ ３．００ ５．４０ ＋１０２ ７
図１１には、ｘ軸線にラティスピッチΛ（μｍにて）及びｙ軸線に比ｄ／Λを示すプロットにて分散量及び有効面積に対する幾つかのＣ曲線が概略図的に示してある。参照番号１１０で示すような更なる直線が、ファイバが１４３０ｎｍにてシングルモードである領域（線１１０の下方）をファイバが１４３０ｎｍにてマルチモードである領域（線１１０の上方）からほぼ分離する。微細構造ファイバがシングルモードである、１つの好ましい領域は、４．３μｍ^２から５．５μｍ^２の範囲の有効面積を有し、また、図１１にて、約６０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上の分散量を画定することができ、この場合、比ｄ／Λは、約０．４から０．６の範囲にあり、ラティスピッチΛは、約１．８５から約２．１５μｍの範囲にある。約０．５から０．５５の範囲の比ｄ／Λ及び約１．９５から２．１０μｍの範囲のラティスピッチΛに相応するより好ましい領域が強調されている。

図１２には、導波路の分散が材料の分散量を支配する微細構造ファイバに対する１つの振れを有する全体的な分散曲線が概略図的に図示されている。図１２から推測し得るように、大きい分散量の絶対値は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにより標識した領域内で得ることができる。このように、１５５０ｎｍ付近の波長領域を領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの１つに相応させるためには、ラティスピッチΛ及び比ｄ／Λを変化させる必要がある。上記の実施例４において、かかる技術は、領域Ｂに対し使用されている。しかし、当該出願人は、実際上、領域Ａ又は領域Ｄを１５５０ｎｍ付近の波長に相応させるために分散曲線を移動させることは困難であることを確認した。他方、領域Ｃに対する移動は成功した。ｄ／Λを０．７以上とし、ラティスピッチを２．０μｍ以下にすることにより、１５５０ｎｍ付近の波長領域内でマイナス分散量が多い微細構造ファイバを得ることができる。１４３０ｎｍのシングルモードファイバを依然として得ることができる。かかるファイバの有効面積は約２μｍ^２の値付近となる。

上記に従って微細構造ファイバの一組みの特徴が以下の表２に概略示してある。
表２
空隙間距離［Λ］ μｍ １．１
直径／距離［ｄ／Λ） ０．８
コア直径［Ｄ］ μｍ ０．９９
有効面積＠１５５０ｎｍ μｍ^２ １．７３
分散量＠１５５０ｎｍ Ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ −８９

本発明によるラマン増幅器の１つの実施の形態を示す概略図である。 ラマン増幅に適したファイバのラマン利得係数を測定する実験装置を示す概略図である。 本発明による微細構造ファイバにて得ることのできる、１４５０ｎｍの励起波長における等式［１］によるラマン増幅の性能指数対減衰量の幾つかの曲線図である。 本発明による微細構造構造体にて得ることのできるラマン増幅ファイバのオン−オフ利得対長さ（４０ａ）を純シリカコアを有する微細構造ファイバのもの（４０ｂ）、従来技術による高非線形性ファイバのもの（４０ｃ）と比較する図である。 ドーパントの濃度及び励起パワーの関数として本発明による微細構造ファイバにて得ることができる幾つかの利得のＣ曲線図である。 六角形ラティスに従って配置された空隙を有する理想的な微細構造ファイバ断面の一部分を示す図である。 本発明による微細構造ファイバの分散量曲線の図である。 本発明による微細構造ファイバの分散量曲線の図である。 本発明による微細構造ファイバの分散量曲線の図である。 本発明による微細構造ファイバの分散量曲線の図である。 好ましい領域を特に強調した、本発明による微細構造ファイバの空隙間距離及び空隙直径と空隙間距離との比の関数として、幾つかの色分散程度及び有効面積のＣ曲線である。 導波路の分散が材料の分散状態を支配する微細構造ファイバの全体的な分散量曲線図である。

Claims (42)

1. 少なくとも１つの微細構造ファイバと、該微細構造ファイバの一端に光学的に結合された少なくとも１つの励起レーザ装置とを備えるラマン増幅器（Ｒａｍａｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）であって、
   該励起レーザ装置が、波長λ_Ｐの励起放射線を放出し得るようにされ、前記微細構造ファイバが、該ファイバの軸方向に伸びる複数の毛管空隙（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｖｏｉｄｓ）により取り巻かれたシリカ系コア（ｓｉｌｉｃａ−ｂａｓｅｄ ｃｏｒｅ）を備える、前記ラマン増幅器において、
   前記コアが、シリカに添加された、ラマン効果を向上させるのに適した少なくとも１つのドーパントを有することを特徴とする、ラマン増幅器。
2. 請求項１に記載のラマン増幅器において、
   前記微細構造ファイバが、１４６０ｎｍから１６５０ｎｍの波長領域内で最大のラマン利得係数ｇ_Ｒ、前記波長λ_Ｐにおける減衰量α_Ｐ及び前記波長λ_Ｐにおける有効面積Ａ_ｅｆｆを有し、
   前記ラマン利得係数ｇ_Ｒ、減衰量α_Ｐ及び有効面積Ａ_ｅｆｆは、（ｇＲ／Ａｅｆｆ）／αＰが５ １／Ｗ／ｄＢ以上であるように設定されることを特徴とする、ラマン増幅器。
3. 請求項２に記載のラマン増幅器において、
   前記最大のラマン利得係数ｇ_Ｒ、減衰量α_Ｐ及び有効面積Ａ_ｅｆｆが、（ｇＲ／Ａｅｆｆ）／αＰが１０ １／Ｗ／ｄＢ以上であるように設定されることを特徴とする、ラマン増幅器。
4. 請求項１から３の何れか１つに記載のラマン増幅器において、
   前記ドーパントが、ゲルマニウム、リン及びホウ素の群から選ばれることを特徴とする、ラマン増幅器。
5. 請求項４に記載のラマン増幅器において、
   前記ドーパントがゲルマニウムであることを特徴とする、ラマン増幅器。
6. 請求項５に記載のラマン増幅器において、
   ゲルマニウム濃度が８％モル以上であることを特徴とする、ラマン増幅器。
7. 請求項６に記載のラマン増幅器において、
   前記濃度が２０％モル以上であることを特徴とする、ラマン増幅器。
8. 請求項１から７の何れか１つに記載のラマン増幅器において、
   前記微細構造ファイバの有効面積Ａ_ｅｆｆが、前記波長λ_Ｐにて１０μｍ^２以下であることを特徴とする、ラマン増幅器。
9. 請求項８に記載のラマン増幅器において、
   前記有効面積が、前記波長λ_Ｐにて７μｍ^２以下であることを特徴とする、ラマン増幅器。
10. 請求項１から９の何れか１つに記載のラマン増幅器において、
    前記微細構造ファイバの有効面積Ａ_ｅｆｆが、前記波長λ_Ｐにて３μｍ^２以上であることを特徴とする、ラマン増幅器。
11. 請求項１から１０の何れか１つに記載のラマン増幅器において、
    前記微細構造ファイバの減衰量α_Ｐが、前記波長λ_Ｐにて１０ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする、ラマン増幅器。
12. 請求項１１に記載のラマン増幅器において、
    前記減衰量α_Ｐが、前記波長λ_Ｐにて５ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする、ラマン増幅器。
13. 請求項１から１２の何れか１つに記載のラマン増幅器において、
    前記微細構造ファイバの分散量（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）が、１５５０ｎｍの波長にて絶対値で４０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であることを特徴とする、ラマン増幅器。
14. 請求項１３に記載のラマン増幅器において、
    前記分散量が、１５５０ｎｍの波長にて絶対値で７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であることを特徴とする、ラマン増幅器。
15. 請求項１から１４の何れか１つに記載のラマン増幅器において、
    前記微細構造ファイバが、１４３０ｎｍ以上の波長に対しシングルモードであることを特徴とする、ラマン増幅器。
16. 請求項１から１５の何れか１つに記載のラマン増幅器において、
    前記空隙の直径が０．３から４．０μｍの範囲にあることを特徴とする、ラマン増幅器。
17. 請求項１から１６の何れか１つに記載のラマン増幅器において、
    前記空隙の間の距離が、４．０μｍ以下であることを特徴とする、ラマン増幅器。
18. 請求項１から１７の何れか１つに記載のラマン増幅器において、
    前記空隙の直径ｄと前記空隙の間の距離Λとの比が、０．３５以上であることを特徴とする、ラマン増幅器。
19. 請求項１から１８の何れか１つに記載のラマン増幅器において、
    前記空隙の間の距離Λが、１．８５μｍから２．１５μｍの範囲にあり、前記空隙の直径ｄと前記距離Λとの比ｄ／Λが、０．４から０．６の範囲にあることを特徴とする、ラマン増幅器。
20. 請求項１から１８の何れか１つに記載のラマン増幅器において、
    前記空隙の間の距離Λが、２．０以下であり、前記空隙の直径ｄと前記空隙の間の距離Λとの比ｄ／Λが、０．７以上であることを特徴とする、ラマン増幅器。
21. 請求項１から２０の何れか１つに記載のラマン増幅器において、
    前記微細構造ファイバの長さが、２０００ｍ以下であることを特徴とする、ラマン増幅器。
22. 請求項１１９に記載のラマン増幅器において、
    前記微細構造ファイバの長さが、１０００ｍ以下であることを特徴とする、ラマン増幅器。
23. 請求項１９に記載のラマン増幅器において、
    前記微細構造ファイバの長さが、５００ｍ以下であることを特徴とする、ラマン増幅器。
24. １４６０から１６５０ｎｍの範囲の波長帯域に位置する波長を有する光信号を誘導（ｇｕｉｄｅ）するのに適した微細構造ファイバであって、
    ファイバの軸方向に伸びる複数の毛管空隙により取り巻かれたコアを備え、前記コアが、シリカと、ラマン効果を向上させるのに適したドーパントとを備え、
    前記ファイバが、前記コアのラマンシフトに従ってより低い波長領域内で前記波長帯域の少なくとも１つの波長に対してシフトさせた波長λ_Ｐを有する励起放射線を誘導（ｇｕｉｄｅ）するのに更に適し、
    前記ファイバが、前記波長帯域内での最大ラマン利得係数ｇ_Ｒと、減衰量α_Ｐと、前記波長λ_Ｐにおける有効面積Ａ_ｅｆｆとを有する、前記微細構造ファイバにおいて、
    前記最大ラマン利得係数ｇ_Ｒ、前記減衰量α_Ｐ及び有効面積Ａ_ｅｆｆが、（ｇＲ／Ａｅｆｆ）／αＰが５ １／Ｗ／ｄＢ以上であるように設定されることを特徴とする、微細構造ファイバ。
25. 請求項２４に記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記最大ラマン利得係数ｇ_Ｒ、前記減衰量α_Ｐ及び有効面積Ａ_ｅｆｆが、（ｇ_Ｒ／Ａ_ｅｆｆ）／α_Ｐが１０ １／Ｗ／ｄＢ以上であるように設定されることを特徴とする、微細構造ファイバ。
26. 請求項２４又は２５に記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記ドーパントが、ゲルマニウム、リン及びホウ素の群から選ばれることを特徴とする、微細構造ファイバ。
27. ファイバの軸方向に伸びる複数の毛管空隙により取り巻かれたコアを備え、該コアがシリカ及びゲルマニウムを有する微細構造ファイバにおいて、
    前記コア内におけるゲルマニウム濃度が８％以上であることを特徴とする、微細構造ファイバ。
28. 請求項２７に記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記ゲルマニウム濃度が２０％モル以上であることを特徴とする、微細構造ファイバ。
29. 請求項２４から２８の何れか１つに記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記微細構造ファイバの有効面積Ａ_ｅｆｆが、前記波長λ_Ｐにて１０μｍ^２以下であることを特徴とする、微細構造ファイバ。
30. 請求項２９に記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記有効面積が、前記波長λ_Ｐにて７μｍ^２以下であることを特徴とする、微細構造ファイバ。
31. 請求項２４から３０の何れか１つに記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記微細構造ファイバの有効面積Ａ_ｅｆｆが、前記波長λ_Ｐにて３μｍ^２以上であることを特徴とする、微細構造ファイバ。
32. 請求項２４から３１の何れか１つに記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記微細構造ファイバの減衰量α_Ｐが、前記波長λ_Ｐにて１０ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする、微細構造ファイバ。
33. 請求項３２に記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記減衰量α_Ｐが、前記波長λ_Ｐにて５ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする、微細構造ファイバ。
34. 請求項２４から３３の何れか１つに記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記微細構造ファイバの分散量が、１５５０ｎｍの波長にて絶対値で４０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であることを特徴とする、微細構造ファイバ。
35. 請求項３４に記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記分散量が、１５５０ｎｍの波長にて絶対値で７０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であることを特徴とする、微細構造ファイバ。
36. 請求項２４から３５の何れか１つに記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記微細構造ファイバが、１４３０ｎｍ以上の波長に対しシングルモードであることを特徴とする、微細構造ファイバ。
37. 請求項２４から３６の何れか１つに記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記空隙の直径が０．３から４．０μｍの範囲にあることを特徴とする、微細構造ファイバ。
38. 請求項２４から３７の何れか１つに記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記空隙の間の距離が、４．０μｍ以下であることを特徴とする、微細構造ファイバ。
39. 請求項２４から３８の何れか１つに記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記空隙の直径ｄと前記空隙の間の距離Λとの比が、０．３５以上であることを特徴とする、微細構造ファイバ。
40. 請求項２４から３９の何れか１つに記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記空隙の間の距離Λが、１．８５から２．１５μｍの範囲にあり、前記空隙の直径ｄと前記距離Λとの比ｄ／Λが、０．４から０．６の範囲にあることを特徴とする、微細構造ファイバ。
41. 請求項２４から３９の何れか１つに記載の微細構造ファイバにおいて、
    前記空隙の間の距離Λが、２．０以下であり、前記空隙の直径ｄと前記距離Λとの比ｄ／Λが、０．７以上であることを特徴とする、微細構造ファイバ。
42. 伝送ステーションと、受信ステーションと、前記伝送ステーション及び前記受信ステーションの間の光学ラインとを備える、光伝送システムにおいて、
    前記光学ラインが、請求項１から２３の何れか１つに記載の少なくとも１つのラマン増幅器を備えることを特徴とする、光伝送システム。

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