JP2006139304A - 光ファイバ、非線型性光ファイバ、及びそれを用いた光増幅器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 充分な非線型性を有するとともに、カットオフ波長が短くなる光ファイバ、非線型性光ファイバ、及びそれを用いた光増幅器を提供する。
【解決手段】 高非線型性を有する光ファイバ(非線型性光ファイバ)の構造として、コア領域10の外周に第1クラッド領域20及び第2クラッド領域30を設けたダブルクラッド構造を用いる。ダブルクラッド構造を採用することにより、非線型係数γを大きくするために、コア内に添加されるGeO2の添加濃度を高くして非線型屈折率を高くし、また、コアとクラッドとの比屈折率差を大きくして有効断面積Aeffを小さくした場合でも、カットオフ波長λcを充分に短くすることが可能となる。
【選択図】 図1
【解決手段】 高非線型性を有する光ファイバ(非線型性光ファイバ)の構造として、コア領域10の外周に第1クラッド領域20及び第2クラッド領域30を設けたダブルクラッド構造を用いる。ダブルクラッド構造を採用することにより、非線型係数γを大きくするために、コア内に添加されるGeO2の添加濃度を高くして非線型屈折率を高くし、また、コアとクラッドとの比屈折率差を大きくして有効断面積Aeffを小さくした場合でも、カットオフ波長λcを充分に短くすることが可能となる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、光ファイバ、非線型性光ファイバ、及びそれを用いた光増幅器に関するものである。
一般に、高強度(高光密度)の光が媒質中を伝搬すると、媒質中において、誘導ラマン効果や四光波混合などの様々な非線型光学現象が生じることが知られている。これらの非線型光学現象は、光ファイバ中における光伝送時にも生じるものであり、このような光ファイバ中での非線型光学現象は、光増幅や波長変換などに用いることができる(例えば、特許文献1:国際公開WO99/10770号参照)。
国際公開WO99/10770号
光ファイバの非線型性は、次式の非線型係数γ
γ=(2π/λ)×(n2/Aeff)
によって表される。ここで、λは光の波長、n2は光ファイバ中での非線型屈折率、Aeffは光ファイバの有効断面積である。この式より、非線型係数γを大きくするためには、光ファイバのコア内に添加されるGeO2の添加濃度を高くして非線型屈折率n2を高くするとともに、コアとクラッドとの比屈折率差を大きくして有効断面積Aeffを小さくすれば良い。
γ=(2π/λ)×(n2/Aeff)
によって表される。ここで、λは光の波長、n2は光ファイバ中での非線型屈折率、Aeffは光ファイバの有効断面積である。この式より、非線型係数γを大きくするためには、光ファイバのコア内に添加されるGeO2の添加濃度を高くして非線型屈折率n2を高くするとともに、コアとクラッドとの比屈折率差を大きくして有効断面積Aeffを小さくすれば良い。
しかしながら、上記のような構成条件を適用して非線型係数γを大きくした場合、光ファイバのカットオフ波長λcが長くなってしまうという問題を生じる。特に、光ファイバ中で発生する四光波混合を用いて波長変換を行おうとすると、励起光の波長を光ファイバの零分散波長付近とする必要がある。これに対して、上記の構成ではカットオフ波長λcが零分散波長よりも長くなり、シングルモードでなくなることから、波長変換の効率が低下してしまう。
また、近年、光伝送システムに用いられる信号光の波長帯域を拡大するため、光増幅器として通常用いられているEDFAの増幅帯域だけでなく、さらに短波長側である波長1.45μm〜1.53μmのSバンド波長帯域の利用が検討されている。このSバンド波長帯域に対しては、増幅波長帯域から外れていてEDFAを用いることができないため、有効な光増幅器がない。また、ラマン増幅器を用いようとすると、高非線型性の光ファイバでは、カットオフ波長λcが波長1.3μm〜1.5μm程度の励起光波長よりも長くなり、ラマン増幅の効率が低下してしまう。
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、充分な非線型性を有するとともに、カットオフ波長が短くなる光ファイバ、非線型性光ファイバ、それを用いた光増幅器、波長変換器、及び光ファイバの製造方法を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明による光ファイバは、(1)屈折率の最大値がn1であるコア領域と、コア領域の外周に設けられ、屈折率の最小値がn2(ただしn2<n1)である第1クラッド領域と、第1クラッド領域の外周に設けられ、屈折率の最大値がn3(ただしn2<n3<n1)である第2クラッド領域とを少なくとも備えるとともに、(2)波長1.55μmの光に対する諸特性として、11μm2以下の有効断面積と、2mのファイバ長において0.7μm以上1.6μm以下のカットオフ波長λcと、18/W/km以上の非線型係数と、を有し、波長λsの信号光に対する分散値が+2ps/km/nm以上、または−2ps/km/nm以下であることを特徴とする。
この光ファイバでは、シングルクラッド構造ではなく、コア領域の外周に第1及び第2クラッド領域を設けたダブルクラッド構造を用いている。これにより、非線型係数γを大きくするために、コア内に添加されるGeO2の添加濃度を高くして非線型屈折率を高くし、また、コアとクラッドとの比屈折率差を大きくして有効断面積Aeffを小さくした場合でも、カットオフ波長λcを充分に短くすることが可能となる。また、この構成では、分散スロープを負にすることができる。
なお、クラッドの構造については、上記した第1クラッド領域と第2クラッド領域との中間に、所定の屈折率及び幅を有する1層または複数層の他のクラッド領域をさらに設けた構成としても良い。
また、光ファイバは、波長1.55μmの光に対する諸特性として、3.0dB/km以下の伝送損失と、−15dB以下の偏波間のクロストークと、をさらに有することが好ましい。これにより、高非線型性の偏波面保持ファイバが得られる。
あるいは、光ファイバは、波長1.55μmの光に対する諸特性として、1.0dB/km以下の伝送損失と、0.3ps/√km以下の偏波モード分散と、をさらに有することが好ましい。これにより、偏波モード分散が小さいとともに、伝送損失が低い高非線型性の光ファイバが得られる。
また、コア領域と、第2クラッド領域との比屈折率差Δ+が、第2クラッド領域を基準として2.7%以上であることを特徴とする。このように大きい比屈折率差とした場合、シングルクラッド構造ではカットオフ波長λcが長くなるが、ダブルクラッド構造を有する上記の光ファイバの構成によれば、カットオフ波長λcを充分に短くすることができる。
また、第2クラッド領域の外周上に、ハーメチックコートが設けられていることを特徴とする。上記した光ファイバでは、コアでのGeO2濃度が高いために水素特性が劣化しやすいが、ハーメチックコートを設けることによって、水素特性を良好に保持することができる。
また、波長1.38μmの光に対するOH基による過剰吸収損失が、0.2dB/km以下であることを特徴とする。このようにOH基による吸収損失を低減することで、ラマン増幅の励起光波長での伝送損失を低減することができ、また、Sバンド波長帯域で伝送される光に対する伝送損失を低減することができる。
また、第2クラッド領域は、フッ素が添加されていることを特徴とする。クラッドにフッ素を添加することでコアとクラッドとの比屈折率差を大きくして、有効断面積Aeffを小さくすることができる。また、フッ素の添加によってクラッドの粘性が下がるので、線引温度を低くすることが可能であり、ガラス欠陥の形成が抑制される。したがって、光ファイバでの伝送損失が低減され、また、耐水素特性も良好となる。
また、光ファイバは、コア領域、第1クラッド領域、及び第2クラッド領域を含むガラス部の外径が100μm以下であることを特徴とする。あるいは、ガラス部の外径がさらに90μm以下であることを特徴とする。
このように、ガラス部の外径を細径とすることにより、ガラス部の外周に設けられる被覆部を細径とした場合においても、充分な強度の光ファイバとすることができる。また、光ファイバの曲げに対する強度が向上される。
また、コア領域、第1クラッド領域、及び第2クラッド領域を含むガラス部の外周に設けられた被覆部の外径が150μm以下であることを特徴とする。あるいは、被覆部の外径がさらに120μm以下であることを特徴とする。
このように、被覆部の外径を細径とすることにより、光ファイバをコイル化し光増幅器モジュールあるいは波長変換器モジュールなどとして用いる場合に、モジュールを小型化することができる。また、同一サイズのモジュールであれば、より長い光ファイバを収容できる。
また、波長1.00μmの光に対する特性において、伝送損失が5.0dB/km以下であることを特徴とする。あるいは、波長1.00μmの光に対する特性において、伝送損失がさらに3.0dB/km以下であることを特徴とする。
このように、短波長側での伝送損失を低くすることにより、ラマン増幅での励起光波長における伝送損失が低減されるなど、良好な特性を有する光ファイバとして用いることができる。
本発明による非線型性光ファイバは、上記した光ファイバであって、所定波長の光を入力することによって発現される非線型光学現象を利用することを特徴とする。本光ファイバにおける高い非線型性を積極的に利用することによって、様々な用途に適用することが可能であるとともに良好な特性を有する非線型性光ファイバが得られる。
本発明による光増幅器は、(a)カットオフ波長がλcである上記した非線型性光ファイバと、(b)非線型性光ファイバに入力される波長λsの信号光に対して、所定波長λp(ただしλc<λp)の励起光を非線型性光ファイバに供給する励起光源とを備えるとともに、(c)非線型性光ファイバにおいて発現される非線型光学現象を利用して、信号光を光増幅することを特徴とする。
このような構成からなる光増幅器は、非線型性光ファイバ中で生じる誘導ラマン効果を用いたラマン増幅器として利用可能である。また、上記した構成の非線型性光ファイバによれば、カットオフ波長λcを励起光(ポンプ光)の波長λpよりも短くすることができ、シングルモードで高効率に光増幅を行うことができる。
また、非線型性光ファイバの波長λsの信号光に対する分散値が+2ps/km/nm以上、または−2ps/km/nm以下であることを特徴とする。このように、分散値に零でない適当な値を持たせることで、波長多重(WDM)信号光の増幅時における四光波混合の発生を防止することができる。
あるいは、非線型性光ファイバの波長λsの信号光に対する分散値が−10ps/km/nm以下であるとともに、その有効断面積が10μm2以下であることを特徴とする。このような光増幅器は、分散が正であるような伝送路の分散補償器としても用いることができる。
この場合、非線型性光ファイバの波長λsの信号光に対する分散スロープ値が0ps/km/nm2よりも小さいことが好ましい。ダブルクラッド構造の光ファイバでは、このように分散スロープを負とすることができ、これによって、分散及び分散スロープが正であるような伝送路の分散と同時に分散スロープをも補償することが可能となる。
また、信号光の波長λsは、1.45μm以上1.53μm以下であることを特徴とする。このような信号光の波長範囲を増幅波長帯域とすることによって、Sバンド波長帯域の信号光に対する光増幅器として利用することができる。また、カットオフ波長λcを上記のように短波長にできるので、シングルモードで高効率に光増幅を行うことができる。
また、非線型性光ファイバは、励起光の波長λpにおける有効断面積Aeff,pと、波長λp+0.1μmにおける有効断面積Aeff,sとが、関係式
(Aeff,s−Aeff,p)
/Aeff,p×100≧10%
を満たすことを特徴とする。
(Aeff,s−Aeff,p)
/Aeff,p×100≧10%
を満たすことを特徴とする。
ここで、励起光の波長λpに0.1μmを加えた波長λp+0.1μmは、ほぼ光増幅される信号光の波長λsに相当する。したがって、上記した関係式によれば、有効断面積Aeff,pを小さくすることによって、励起光に対応する波長λpの光に対する非線型性を高めて、光増幅の効率を向上することができる。また、有効断面積Aeff,sを大きくすることによって、信号光にほぼ対応する波長λp+0.1μmの光に対する非線型性を低くして、信号光の伝送品質の劣化を抑制することができる。
本発明による波長変換器は、(a)カットオフ波長がλcである上記した非線型性光ファイバと、(b)非線型性光ファイバに入力される波長λs(ただしλc<λs)の信号光に対して、所定波長λp(ただしλc<λp)の励起光を非線型性光ファイバに供給する励起光源とを備えるとともに、(c)非線型性光ファイバにおいて発現される非線型光学現象を利用して、信号光を波長変換し、波長λs’(ただしλc<λs’)の変換光を出力することを特徴とする。
このような構成からなる波長変換器は、非線形性光ファイバ中で生じる四光波混合を用いた波長変換器として利用可能である。また、上記した構成の非線形性光ファイバによれば、信号光、変換光、及び励起光の波長よりもカットオフ波長λcを短くすることができ、シングルモードで高効率に波長変換を行うことができる。また、信号光も、モード分散の影響を受けずに良好な伝送特性を保持することができる。
また、出力される変換光の光パワーが、入力される信号光の光パワーよりも大きいことを特徴とする。このような波長変換器は、パラメトリック増幅を用いた光増幅器としても用いることができる。
また、非線型性光ファイバの波長λpの励起光に対する分散値が−0.2ps/km/nm以上+0.2ps/km/nm以下であることを特徴とする。このように、非線型性光ファイバの励起光波長での分散値を零分散近傍とすることによって、信号光、励起光、変換光の位相が整合する条件を実現して、高効率で四光波混合を生じさせることができる。
また、変換光の波長λs’は、1.45μm以上1.53μm以下であることを特徴とする。このような変換光の波長範囲を変換波長帯域とすることによって、Sバンド波長帯域の変換光が得られる波長変換器として利用することができる。また、カットオフ波長λcを上記のように短波長にできるので、シングルモードで高効率に波長変換を行うことができる。
本発明による光ファイバの製造方法は、(1)GeO2が所定量添加されたSiO2からなり、コア領域となるコア用ガラスロッドを、VAD法またはOVD法で合成するとともに所定の外径となるように延伸して作成する第1の工程と、(2)Fが所定量添加されたSiO2からなり、第1クラッド領域となる第1クラッド用ガラスパイプを、VAD法またはOVD法で合成するとともに所定の内径及び外径となるように延伸して作成する第2の工程と、(3)第1クラッド用ガラスパイプの内面に所定のガスを流すとともに加熱して、その内周表面を平滑にするためのエッチングを行う第3の工程と、(4)第1クラッド用ガラスパイプ内にコア用ガラスロッドを挿入し、1300℃以上の所定温度で空焼きした後、加熱一体化して中間ガラスロッドとする第4の工程と、(5)中間ガラスロッドにおいてコア領域及び第1クラッド領域の外径の比を調整した後、中間ガラスロッドの外周上に第2クラッド領域となるガラス体を形成して、光ファイバプリフォームを作成する第5の工程と、(6)光ファイバプリフォームを加熱線引して、屈折率の最大値がn1であるコア領域と、コア領域の外周に設けられ、屈折率の最小値がn2(ただしn2<n1)である第1クラッド領域と、第1クラッド領域の外周に設けられ、屈折率の最大値がn3(ただしn2<n3<n1)である第2クラッド領域とを少なくとも備える光ファイバを作成する第6の工程と、を備え、(7)第4の工程におけるコア用ガラスロッド及び第1クラッド用ガラスパイプの加熱一体化を、その加熱温度を1800℃以下とし、コア用ガラスロッドの外周表面の粗さを5μm以下とし、第1クラッド用ガラスパイプの内周表面の粗さを5μm以下とし、コア用ガラスロッドにおける外周表面から厚さ2μm以内でのGeO2濃度の最大値を5mol%以下とした条件で行うとともに、(8)第6の工程において、波長1.55μmの光に対する諸特性として、11μm2以下の有効断面積と、2mのファイバ長において0.7μm以上1.6μm以下のカットオフ波長λcと、18/W/km以上の非線型係数と、を有する光ファイバを作成することを特徴とする。
このような光ファイバの製造方法によれば、高い非線型性を有するダブルクラッド構造の光ファイバを、伝送損失が低減されるなどの良好な伝送特性によって作成することができる。
また、光ファイバの製造方法は、第6の工程において、波長1.55μmの光に対する諸特性として、1.0dB/km以下の伝送損失と、0.3ps/√km以下の偏波モード分散と、をさらに有する上記光ファイバを作成することを特徴とする。これにより、偏波モード分散が小さいとともに、伝送損失が低い高非線型性の光ファイバが得られる。
あるいは、光ファイバの製造方法は、第5の工程と、第6の工程との間に、第5の工程で得られた光ファイバプリフォームを第3中間ガラス体とし、第3中間ガラス体の第1クラッド領域または第2クラッド領域に開孔部を形成した後、開孔部内に応力付与部となるガラスロッドを挿入して、光ファイバプリフォームを作成する第7の工程をさらに備え、第6の工程において、第7の工程で作成された光ファイバプリフォームを加熱線引して、コア領域と、第1クラッド領域と、第2クラッド領域と、コア領域に応力を付与する応力付与部とを少なくとも備えるとともに、波長1.55μmの光に対する諸特性として、3.0dB/km以下の伝送損失と、−15dB以下の偏波間のクロストークと、をさらに有する上記光ファイバを作成することを特徴とする。これにより、高非線型性の偏波面保持ファイバが得られる。
本発明による光ファイバでは、シングルクラッド構造ではなく、コア領域の外周に第1及び第2クラッド領域を設けたダブルクラッド構造を用いている。これにより、非線型係数γを大きくするために、コア内に添加されるGeO2の添加濃度を高くして非線型屈折率を高くし、また、コアとクラッドとの比屈折率差を大きくして有効断面積Aeffを小さくした場合でも、カットオフ波長λcを充分に短くすることが可能となる。また、この構成では、分散スロープを負にすることができる。
以下、図面とともに本発明による光ファイバ、非線型性光ファイバ、それを用いた光増幅器、波長変換器、及び光ファイバの製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
図1は、本発明による光ファイバの第1の実施形態の断面構造、及びファイバ径方向(図中の線Lで示された方向)の屈折率プロファイルを模式的に示す図である。なお、図1に示された屈折率プロファイルの横軸は、スケールは異なるが、図中の断面構造に示された線Lに沿った、光ファイバの中心軸に対して垂直な断面上の各位置に相当している。また、屈折率プロファイルの縦軸について、比較のため、純SiO2での屈折率を点線によって示している。また、屈折率プロファイルにおける各領域については、光ファイバの断面構造における各領域と同一の符号を付している。
この光ファイバは、SiO2(石英ガラス)を主成分とする光導波路であり、光ファイバの中心軸を含むコア領域10と、コア領域10の外周に設けられた第1クラッド領域20と、第1クラッド領域20の外周に設けられた第2クラッド領域30とを有して構成されている。
コア領域10は、その外径(直径)を2r1とするとともに、純SiO2ガラスに屈折率を上げる添加物としてGeO2が所定量添加されて、屈折率の最大値がn1(ただしn1>n0、n0は純SiO2の屈折率)となるように形成されている。また、本実施形態のコア領域10は、図1に示すように、光ファイバの中心軸近傍でGeO2の添加量及び屈折率が最大となるグレーデッド型の屈折率分布とされている。
一方、第1クラッド領域20は、その外径を2r2とするとともに、純SiO2ガラスに屈折率を下げる添加物としてFが所定量添加されて、屈折率の最小値がn2(ただしn2<n0、n2<n1)となるように形成されている。また、第2クラッド領域30は、その外径を2r3とするとともに、純SiO2ガラス、または純SiO2ガラスに屈折率を下げる添加物としてFが所定量添加されて、屈折率の最大値がn3(ただしn3≦n0、n2<n3<n1)となるように形成されている。
ここで、各部における比屈折率差を、第2クラッド領域30での屈折率n3を基準として定義することとする。このとき、図1に示すように、コア領域10での屈折率n1に対応する比屈折率差はΔ+=(n1−n3)/n3×100(%)、また、第1クラッド領域20での屈折率n2に対応する比屈折率差はΔ−=(n2−n3)/n3×100(%)と定義される。
本実施形態による光ファイバにおいては、シングルクラッド構造ではなく、コア領域10の外周に第1クラッド領域20及び第2クラッド領域30を設けたダブルクラッド構造を用いている。シングルクラッド構造を有する光ファイバでは、非線型係数γを大きくすると、カットオフ波長λcが長くなってしまうという問題を生じる。
これに対して、上記のようにダブルクラッド構造を採用することにより、非線型係数γを大きくするために、コア内に添加されるGeO2の添加濃度を高くして非線型屈折率を高くし、また、コアとクラッドとの比屈折率差を大きくして有効断面積Aeffを小さくした場合でも、カットオフ波長λcを充分に短くすることが可能となる。また、この構成では、分散スロープを負にすることができる。
なお、クラッドの構造については、上記した第1クラッド領域と第2クラッド領域との中間に、所定の屈折率及び幅を有する1層または複数層の他のクラッド領域をさらに設けた構成としても良い。
本実施形態の光ファイバは、所定波長(所定の波長帯域内)の光を入力することによって発現される非線型光学現象を利用することによって、様々な用途に適用することが可能であるとともに良好な特性を有する非線型性光ファイバとして用いることができる。特に、非線型係数γを大きくすると同時にカットオフ波長λcが充分に短くされるので、非線型光学現象を利用する高効率な光デバイスが実現可能となる。なお、光ファイバの具体的な諸特性については、さらに詳しく後述する。
図1に示した構成からなる光ファイバ(非線型性光ファイバ)を作成するための光ファイバの製造方法について、その一例を説明する。本製造方法においては、コア領域10及び第1クラッド領域20を、VAD法やOVD法でのスス付けによって一括合成するのではなく、別々にコア用ガラスロッド及び第1クラッド用ガラスパイプを作成した後、それらを加熱一体化する方法を用いている。
まず、上記した光ファイバのコア領域10となるコア用ガラスロッドを作成する(第1の工程)。ここでは、SiO2を主成分とし屈折率を高くする添加物としてGeO2が所定量添加されたガラスロッドを、VAD法またはOVD法によって合成した後、所定の外径となるように延伸してコア用ガラスロッドとする。
また、光ファイバの第1クラッド領域20となる第1クラッド用ガラスパイプを作成する(第2の工程)。ここでは、SiO2を主成分とし屈折率を低くする添加物としてFが所定量添加されたガラスパイプを、VAD法またはOVD法によって合成した後、所定の内径及び外径となるように延伸して第1クラッド用ガラスパイプとする。
また、得られた第1クラッド用ガラスパイプに対して、ガラスパイプの内周表面を平滑にするための気相エッチングを行う(第3の工程)。ここでは、SF6などの所定のガスを第1クラッド用ガラスパイプの内面に流す(例えば、SF6+Cl2雰囲気とする)とともに加熱して、パイプ内面をエッチングする。
次に、得られたコア用ガラスロッド及び第1クラッド用ガラスパイプを加熱一体化する(第4の工程)。第1クラッド用ガラスパイプ内にコア用ガラスロッドを挿入し、後述する手順及び条件によって加熱一体化して、中間ガラスロッドを作成する。
続いて、中間ガラスロッドでのコア領域及び第1クラッド領域の外径の比を、所定の比となるように調整した後、中間ガラスロッドの外周上に第2クラッド領域30となるガラス体を形成して、光ファイバプリフォームを作成する(第5の工程)。
ここで、中間ガラスロッドにおける外径の比の調整については、例えば、その外周部をHF溶液等により研削することによって行う。この研削は、加熱一体化またはその延伸の工程において熱源として酸水素火炎等の火炎を用い、その火炎がガラス表面に接触しているような場合には、ガラス表面に付着したOH基や金属等の火炎中の不純物を除去するために必要である。
また、第2クラッド領域30となるガラス体の合成については、例えば、VAD法またはOVD法によって合成しても良い。あるいは、ロッドインコラプスによって形成するか、ロッドインコラプスの後にさらにVAD法またはOVD法での合成を行っても良い。
そして、得られた光ファイバプリフォームを加熱線引して、光ファイバを作成する(第6の工程)。以上の工程により、図1に示したダブルクラッド構造を有する光ファイバが得られる。
コア用ガラスロッド及び第1クラッド用ガラスパイプを加熱一体化する第4の工程について、その手順及び条件をさらに説明する。
ダブルクラッド構造を有する光ファイバの製造方法において、コア領域及び第1クラッド領域を一括合成すると、コア領域のGeO2添加濃度が高い上に、第1クラッド領域のF添加濃度も高いので、添加物が拡散しやすいガラス微粒子体(スス体)内でそれぞれが相互拡散してしまう。このとき、GeF4やGeOなどの欠陥が生じて、伝送損失が劣化することとなる。また、MCVD法で高濃度のGeO2添加SiO2ガラスを合成しようとすると、伝送損失が大きく劣化するという問題もある。
これに対して、上記した製造方法では、コア領域10及び第1クラッド領域20を別々に合成(第1、第2の工程)した後に、加熱一体化(第4の工程)している。ただし、この場合でも、加熱一体化の際にGeO2とFとが反応してGeO等の気体となり、コア領域10及び第1クラッド領域20の界面に気泡として残留することがある。このとき、残留した気泡によって光ファイバの特性が劣化してしまう。
このような気泡の発生を抑制するため、本製造方法では、加熱一体化を行う第4の工程において、以下の5つの条件のいずれか、またはそれらの組合せによって加熱一体化を行う。すなわち、(1)1800℃以下の加熱温度で一体化を行う。(2)加熱一体化前にCl2雰囲気において1300℃以上の所定温度で空焼きする。(3)第1クラッド用ガラスパイプの内周表面の粗さを5μm以下とする。(4)コア用ガラスロッドの外周表面の粗さを5μm以下とする。(5)コア用ガラスロッドにおける外周表面から厚さ2μm以内の領域でのGeO2濃度の最大値を5mol%以下とする。以上の条件のいずれか、またはそれらの組合せを適用して加熱一体化を行うことによって、気泡の発生を抑制することが可能となる。
上記の製造条件の効果について、条件を変えて加熱一体化を実施することによって確認を行った。ここでは、コア用ガラスロッドについては、コア内の屈折率分布形状をほぼ放物線状とし、GeO2添加濃度を最大で30mol%とした。また、加熱一体化時のコア用ガラスロッドの外径(以下、外径及び内径はすべて直径を示す)は6mmであった。一方、第1クラッド用ガラスパイプについては、第1クラッド内の屈折率分布形状をほぼステップ状とし、F添加濃度を最大で1.5mol%とした。
また、加熱一体化時の第1クラッド用ガラスパイプの外径は32mm、内径は9mmであった。得られた第1クラッド用ガラスパイプは、SF6を300cm3/min、Cl2を200cm3/min、加熱温度1500℃(パイロスコープで測定したガラス表面の最高温度)でエッチングして、表面を平滑にした。また、加熱一体化時のパイプ内の雰囲気ガスは、塩素200cm3/min、酸素300cm3/minとし、パイプ内の減圧度は1kPaとした。
まず、(1)1800℃以下の加熱温度で一体化を行う、との条件について、気泡発生の抑制効果を確認した。ここでは、加熱一体化のための加熱温度を1950℃〜1800℃の範囲で変化させて、コア用ガラスロッド及び第1クラッド用ガラスパイプの加熱一体化を行った。それ以外の条件については、1300℃で空焼きを行うとともに、第1クラッド用ガラスパイプの内周表面の粗さを5μm、コア用ガラスロッドの外周表面の粗さを5μm、コア用ガラスロッドにおける外周表面から厚さ2μm以内の領域でのGeO2濃度の最大値を5mol%とした。
このとき、コア用ガラスロッド及び第1クラッド用ガラスパイプの界面で生じた気泡の発生個数を、図2に示す。ここで、気泡の発生個数は、コラプス後(ガラスロッド)の長さ10mm当たりに発生する気泡の個数によって評価した。図2の表に示すように、気泡の発生個数は、加熱温度を低減することによって減少し、加熱温度1800℃で気泡がほぼ発生しなくなった。これは、加熱一体化のための加熱温度を低温とすることによって、化学反応の進行が抑制されるためである。
次に、(2)加熱一体化前にCl2雰囲気において1300℃以上の所定温度で空焼きする、との条件について、気泡発生の抑制効果を確認した。ここでは、空焼きのための空焼き温度を1000℃〜1300℃の範囲で変化させて、加熱一体化を行った。それ以外の条件については、加熱温度を1800℃、第1クラッド用ガラスパイプの内周表面の粗さを5μm、コア用ガラスロッドの外周表面の粗さを5μm、コア用ガラスロッドにおける外周表面から厚さ2μm以内の領域でのGeO2濃度の最大値を5mol%とした。
このとき、コア用ガラスロッド及び第1クラッド用ガラスパイプの界面で生じた気泡の発生個数を、図3に示す。図3の表に示すように、気泡の発生個数は、空焼き温度を上昇することによって減少し、空焼き温度1300℃で気泡がほぼ発生しなくなった。これは、充分な温度で空焼きを行うことによって、表層の不安定なGe化合物やF化合物が除去されるとともに、その表面状態が滑らかになるためである。
次に、(3)第1クラッド用ガラスパイプの内周表面の粗さを5μm以下とする、との条件について、気泡発生の抑制効果を確認した。ここでは、ガラスパイプの内周表面の粗さを10μm〜5μmの範囲で変化させて、加熱一体化を行った。それ以外の条件については、1300℃で空焼きを行うとともに、加熱温度を1800℃、コア用ガラスロッドの外周表面の粗さを5μm、コア用ガラスロッドにおける外周表面から厚さ2μm以内の領域でのGeO2濃度の最大値を5mol%とした。
このとき、コア用ガラスロッド及び第1クラッド用ガラスパイプの界面で生じた気泡の発生個数を、図4に示す。図4の表に示すように、気泡の発生個数は、第1クラッド用ガラスパイプの内周表面の粗さを低減することによって減少し、表面粗さ5μmでほぼ気泡が発生しなくなった。これは、表面粗さを充分に滑らかにすることによって、粗い表面部分が気泡発生の核となることが防止されるためである。
次に、(4)コア用ガラスロッドの外周表面の粗さを5μm以下とする、との条件について、気泡発生の抑制効果を確認した。ここでは、ガラスロッドの外周表面の粗さを10μm〜5μmの範囲で変化させて、加熱一体化を行った。それ以外の条件については、1300℃で空焼きを行うとともに、加熱温度を1800℃、第1クラッド用ガラスパイプの内周表面の粗さを5μm、コア用ガラスロッドにおける外周表面から厚さ2μm以内の領域でのGeO2濃度の最大値を5mol%とした。
このとき、コア用ガラスロッド及び第1クラッド用ガラスパイプの界面で生じた気泡の発生個数を、図5に示す。図5の表に示すように、気泡の発生個数は、コア用ガラスロッドの外周表面の粗さを低減することによって減少し、表面粗さ5μmでほぼ気泡が発生しなくなった。これは、ガラスパイプの場合と同様に、表面粗さを充分に滑らかにすることによって、粗い表面部分が気泡発生の核となることが防止されるためである。
次に、(5)コア用ガラスロッドにおける外周表面から厚さ2μm以内の領域でのGeO2濃度の最大値を5mol%以下とする、との条件について、気泡発生の抑制効果を確認した。ここでは、上記領域でのGeO2濃度の最大値を10mol%〜5mol%の範囲で変化させて、加熱一体化を行った。それ以外の条件については、1300℃で空焼きを行うとともに、加熱温度を1800℃、第1クラッド用ガラスパイプの内周表面の粗さを5μm、コア用ガラスロッドの外周表面の粗さを5μmとした。
このとき、コア用ガラスロッド及び第1クラッド用ガラスパイプの界面で生じた気泡の発生個数を、図6に示す。図6の表に示すように、気泡の発生個数は、GeO2濃度の最大値を低減することによって減少し、GeO2濃度の最大値5mol%でほぼ気泡が発生しなくなった。これは、表層でのGeO2濃度が低減されて、気泡が発生しにくくなるためである。
以上の条件、すなわち、1300℃で空焼きを行うとともに、加熱温度を1800℃、第1クラッド用ガラスパイプの内周表面の粗さを5μm、コア用ガラスロッドの外周表面の粗さを5μm、コア用ガラスロッドにおける外周表面から厚さ2μm以内の領域でのGeO2濃度の最大値を5mol%とする条件を適用して加熱一体化を行い、気泡のない外径30mmの中間ガラスロッド(第1中間ガラスロッド)を得た。
そして、その第1中間ガラスロッドを外径8mmまで延伸した後、その外周部を外径5.4mmまでHF溶液により研削して、(コア径)/(第1クラッド径)=0.30に調整した。また、この第1中間ガラスロッドとは別に、第2クラッド領域30の内周側部分となる第2クラッド用ガラスパイプを作成した。この第2クラッド用ガラスパイプは、F添加濃度が0.7mol%で外径32mm、内径8mmのSiO2ガラスパイプとした。そして、第2クラッド用ガラスパイプ内に第1中間ガラスロッドを挿入し、加熱一体化して、外径30mmの第2中間ガラスロッドを得た。
次に、得られた第2中間ガラスロッドの外周上に、第2クラッド領域30の外周側部分となるガラス体を、第2クラッド用ガラスパイプと同様のF添加濃度が0.7mol%のSiO2ガラスとして、VAD法またはOVD法によって合成して、光ファイバプリフォームを作成した。ここで、(第2クラッド径)/(第1クラッド径)=7.8とした。
なお、上記した第2クラッド領域30の合成方法では、その内周側部分を、ガラスパイプの加熱一体化によって形成している。これは、光ファイバとしたときのOH基の混入量を低減するためである。また、VAD法またはOVD法のスート法によって、その外周側部分を形成している。これは、光ファイバプリフォームを大型化するためのものである。
このような第2クラッド領域30の合成方法については、個々の条件に応じて様々な方法を用いて良い。例えば、光のパワーフィールド分布がそれほど広がらず、スート法による第2クラッド合成で混入されるOH基の影響が無視できる場合には、ガラスパイプの加熱一体化を行わなくても良い。あるいは、スート法による合成を行わずに、ガラスパイプの加熱一体化のみによって第2クラッドを合成しても良い。
以上の製造方法及び製造条件によって作成された光ファイバプリフォームを加熱線引して、図1に示したダブルクラッド構造の光ファイバを得た。その構成は、コア領域10の外径2r1=4.8μm、比屈折率差Δ+=3.3%、第1クラッド領域20の外径2r2=16μm、比屈折率差Δ−=−0.25%、第2クラッド領域30の外径2r3=125μmであった。
また、波長1.55μmの光に対する諸特性は、
分散=+0.22ps/km/nm、
分散スロープ=+0.045ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=10.4μm2、
カットオフ波長λc=1510nm、
零分散波長=1545nm、
伝送損失=0.46dB/km、
モードフィールド径=3.69μm、
非線型係数γ=20.8/W/km、
偏波モード分散PMD=0.05ps/√km
で、良好な特性の光ファイバ(非線型性光ファイバ)が得られた。
分散=+0.22ps/km/nm、
分散スロープ=+0.045ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=10.4μm2、
カットオフ波長λc=1510nm、
零分散波長=1545nm、
伝送損失=0.46dB/km、
モードフィールド径=3.69μm、
非線型係数γ=20.8/W/km、
偏波モード分散PMD=0.05ps/√km
で、良好な特性の光ファイバ(非線型性光ファイバ)が得られた。
上記した光ファイバの諸特性は、波長1.55μmの光に対する以下の特性条件
11μm2以下の有効断面積Aeff、
2mのファイバ長で0.7μm以上1.6μm以下のカットオフ波長λc、
18/W/km以上の非線型係数γ、
を満たしている。また、波長1.55μmの光に対する伝送損失は、3.0dB/km以下、あるいはさらに1.0dB/km以下の特性条件を満たしている。
11μm2以下の有効断面積Aeff、
2mのファイバ長で0.7μm以上1.6μm以下のカットオフ波長λc、
18/W/km以上の非線型係数γ、
を満たしている。また、波長1.55μmの光に対する伝送損失は、3.0dB/km以下、あるいはさらに1.0dB/km以下の特性条件を満たしている。
このように、ダブルクラッド構造を採用することにより、コアのGeO2濃度を高くするとともに有効断面積Aeffを小さくして、非線型係数γを大きくした場合でも、好適なカットオフ波長λcを有する高非線型性の光ファイバを得ることができる。
なお、コア領域10と、第2クラッド領域30との比屈折率差Δ+については、有効断面積Aeffを充分に小さくするため、Δ+を2.7%以上とすることが好ましい。このように大きい比屈折率差とした場合、シングルクラッド構造ではカットオフ波長λcが長くなるが、ダブルクラッド構造によれば、上記のようにカットオフ波長λcを充分に短くすることができる。
図7は、本発明による光ファイバの第2の実施形態の断面構造、及びファイバ径方向(図中の線Lで示された方向)の屈折率プロファイルを模式的に示す図である。
この光ファイバは、SiO2(石英ガラス)を主成分とする光導波路であり、光ファイバの中心軸を含むコア領域10と、コア領域10の外周に設けられた第1クラッド領域20と、第1クラッド領域20の外周に設けられた第2クラッド領域30とを有して構成されている。ここで、第1クラッド領域20及び第2クラッド領域30の構成は、第1の実施形態と同様である。
一方、コア領域10は、その外径(直径)を2r1とするとともに、純SiO2ガラスに屈折率を上げる添加物としてGeO2が所定量添加されて、屈折率の最大値がn1(ただしn1>n0)となるように形成されている。また、本実施形態のコア領域10は、図7に示すように、光ファイバの中心軸近傍でGeO2の添加量及び屈折率が最大となるグレーデッド型の屈折率分布とされている。
さらに、コア領域10内の外周側の所定範囲には、コア領域10及び第1クラッド領域20に挟まれるような位置に、中間領域15が設けられている。この中間領域15には、図7に示すように角(つの)状に突出した屈折率分布(添加濃度分布)となるように、やや高濃度でGeO2が添加されている。ここで、中間領域15の屈折率の最大値をn5(ただしn5>n0)、その比屈折率差をΔ5=(n5−n3)/n3とする。
本実施形態による光ファイバは、第1の実施形態による光ファイバと同様に、シングルクラッド構造ではなく、コア領域10の外周に第1クラッド領域20及び第2クラッド領域30を設けたダブルクラッド構造を用いている。これにより、非線型係数γを大きくするために、コア内に添加されるGeO2の添加濃度を高くして非線型屈折率を高くし、また、コアとクラッドとの比屈折率差を大きくして有効断面積Aeffを小さくした場合でも、カットオフ波長λcを充分に短くすることが可能となる。また、この構成では、分散スロープを負にすることができる。なお、中間領域15の効果については、光ファイバの製造方法とともに後述する。
本実施形態の光ファイバも、所定波長(所定の波長帯域内)の光を入力することによって発現される非線型光学現象を利用することによって、様々な用途に適用することが可能であるとともに良好な特性を有する非線型性光ファイバとして用いることができる。
図7に示した構成からなる光ファイバ(非線型性光ファイバ)を作成するための光ファイバの製造方法について、その一例を説明する。
まず、中間領域15を含むコア領域10となる領域、及び第1クラッド領域20となる前駆領域からなるガラス微粒子体(スス体)を合成する。ここで、コア領域10となる領域は、GeO2が最大で30mol%添加されたSiO2ガラスとし、その外周部分であって中間領域15に相当する領域は、GeO2が上述のように角状に、ピーク値での添加濃度が5mol%となるように添加されたSiO2ガラスとした。また、第1クラッド領域20の前駆領域は、その外周上に、純SiO2ガラスとして合成した。
得られたガラス微粒子体(ガラス多孔質体)を焼結炉に入れ、塩素及びヘリウムの混合雰囲気中で1300℃の加熱温度で加熱して脱水処理した後、ヘリウム雰囲気中で1400℃の加熱温度で加熱して、コア領域10及び中間領域15となる領域を選択的に高密度化(透明化)した。
このとき、このコア領域10及び中間領域15となる領域は、高濃度でGeO2が添加されて高密度化温度が低くされているため、加熱による高密度化の効果が充分に得られる。一方、第1クラッド領域20の前駆領域は、純SiO2ガラスであるために高密度化温度が高く、1400℃での加熱では高密度化されずにガラス微粒子体のままとなる。
この状態で、1400℃の加熱温度で、ヘリウム及びFを添加するC2F6、SiF4、CF4などのガスの混合雰囲気中においてガラス体を加熱し、高密度化されていない第1クラッド領域20の前駆領域に1mol%の添加濃度でFを添加して、第1クラッド領域20を形成する。
ここで、このようにガラス微粒子体の加熱焼結時にFを添加する場合、通常の方法では、クラッドに添加されるFがコア領域内にも浸入してしまう。このとき、コア領域の屈折率が低下するとともに、GeOやGe−F化合物などの不純物が発生して伝送損失が劣化するという問題を生じる。これに対して、本製造方法では、コア領域10の外周部分に、GeO2が高濃度で添加された中間領域15を形成しておき、やや低温での加熱によってそれらの領域を選択的に高密度化する。その後にFの添加を行うことによって、Fを第1クラッド領域20の前駆領域のみに選択的に添加することができる。
得られたガラス体の外周上に、第2クラッド領域30となるガラス体を形成し、光ファイバプリフォームを作成した。ここで、第2クラッド領域30については、Fが0.3mol%の添加濃度で添加されたSiO2ガラスとした。また、各領域の外径の比は、(コア径)/(第1クラッド径)=0.40、(第2クラッド径)/(第1クラッド径)=11.6とした。
以上の製造方法及び製造条件によって作成された光ファイバプリフォームを加熱線引して、図7に示したダブルクラッド構造の光ファイバを得た。その構成は、コア領域10の外径2r1=4.3μm、比屈折率差Δ+=3.1%、中間領域15の比屈折率差Δ5=1.0%、第1クラッド領域20の外径2r2=10.8μm、比屈折率差Δ−=−0.26%、第2クラッド領域30の外径2r3=125μmであった。また、コア領域10の屈折率分布(GeO2の添加濃度分布)は、近似的にα〜3.0乗の分布であった。
また、波長1.55μmの光に対する諸特性は、
分散=+0.98ps/km/nm、
分散スロープ=+0.035ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=10.2μm2、
カットオフ波長λc=1465nm、
零分散波長=1520nm、
伝送損失=0.49dB/km、
モードフィールド径=3.64μm、
非線型係数γ=21.5/W/km、
で、良好な特性の光ファイバ(非線型性光ファイバ)が得られた。
分散=+0.98ps/km/nm、
分散スロープ=+0.035ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=10.2μm2、
カットオフ波長λc=1465nm、
零分散波長=1520nm、
伝送損失=0.49dB/km、
モードフィールド径=3.64μm、
非線型係数γ=21.5/W/km、
で、良好な特性の光ファイバ(非線型性光ファイバ)が得られた。
上記した光ファイバの諸特性は、波長1.55μmの光に対する以下の特性条件
11μm2以下の有効断面積Aeff、
2mのファイバ長で0.7μm以上1.6μm以下のカットオフ波長λc、
18/W/km以上の非線型係数γ、
を満たしている。また、波長1.55μmの光に対する伝送損失は、3.0dB/km以下、あるいはさらに1.0dB/km以下の特性条件を満たしている。
11μm2以下の有効断面積Aeff、
2mのファイバ長で0.7μm以上1.6μm以下のカットオフ波長λc、
18/W/km以上の非線型係数γ、
を満たしている。また、波長1.55μmの光に対する伝送損失は、3.0dB/km以下、あるいはさらに1.0dB/km以下の特性条件を満たしている。
このように、ダブルクラッド構造を採用することにより、コアのGeO2濃度を高くするとともに有効断面積Aeffを小さくして、非線型係数γを大きくした場合でも、好適なカットオフ波長λcを有する高非線型性の光ファイバを得ることができる。
なお、コア領域10と、第2クラッド領域30との比屈折率差Δ+については、有効断面積Aeffを充分に小さくするため、Δ+を2.7%以上とすることが好ましい。このように大きい比屈折率差とした場合、シングルクラッド構造ではカットオフ波長λcが長くなるが、ダブルクラッド構造によれば、上記のようにカットオフ波長λcを充分に短くすることができる。
本発明による光ファイバ(非線型性光ファイバ)の好適な構成条件及びその諸特性について、さらに検討する。なお、以下に示す光ファイバでの諸特性のうち、波長に依存するものについては、特にことわらない限り、波長1.55μmの光に対する特性を示している。
まず、上記した構成の光ファイバにおける伝送損失について検討する。高い非線型性を有する光ファイバでは、非線型屈折率を大きくして非線型性を高めるため、コア中に高濃度でGeO2が添加される。このとき、線引時の加熱によって伝送損失の劣化を生じやすい。このような伝送損失の劣化は、線引時の加熱温度を低温とすることによって抑制することができるが、低温での線引では、光ファイバの線引中に過大な張力が印加されてしまうため、光ファイバが破断してしまうという問題がある。
これに対して、図1及び図7に示したダブルクラッド構造の光ファイバにおいては、光ファイバの体積の大部分を占める第2クラッド領域30にF(フッ素)を添加することが好ましい。これによって、第2クラッド領域30内の粘度を低下させることができるので、線引温度を低くすることが可能となり、伝送損失の劣化が抑制される。
この伝送損失の低減について、図8の屈折率プロファイルに示す構造を有する2種類の光ファイバA1、A2を試作した。
光ファイバA1は、図8(a)に示した屈折率プロファイルを用い、コア領域10を放物線状の分布形状のGeO2添加SiO2(最大添加濃度30mol%)、第1クラッド領域20をF添加SiO2(添加濃度1.6mol%)、第2クラッド領域30をF添加SiO2(添加濃度0.9mol%)として作成した。
また、光ファイバA2は、図8(b)に示した屈折率プロファイルを用い、コア領域10を放物線状の分布形状のGeO2添加SiO2(最大添加濃度30mol%)、第1クラッド領域20をF添加SiO2(添加濃度1.6mol%)、第2クラッド領域30を純SiO2として作成した。
また、光ファイバA1、A2ともに、線引時の線速を300m/minとし、張力4N(400gw)で線引した。ここで、光ファイバA1のガラス表面での最高温度は1900℃、光ファイバA2のガラス表面での最高温度は2000℃と、光ファイバA1の方が低温での線引が可能であった。
得られた光ファイバA1、A2の諸特性を図9に示す。図9の表より、第2クラッド領域30にFを添加した光ファイバA1の方が、光ファイバA2よりも伝送損失が小さく、また、非線型係数γも大きくなっていることがわかる。
次に、光ファイバにおけるカットオフ波長λc、有効断面積Aeff、及び非線型係数γについて検討する。高い非線型性を有する光ファイバでは、上述したように、コア中に高濃度でGeO2を添加して非線型屈折率を大きくするとともに、有効断面積Aeffを小さくすることが好ましい。このとき、非線型係数γが大きくなる一方で、カットオフ波長λcが長くなってしまう。これに対して、ダブルクラッド構造の光ファイバを用いれば、非線型係数γを大きくすると同時に、カットオフ波長λcを充分に短くすることが可能となる。
また、四光波混合を用いた波長変換に非線型性光ファイバを適用する場合には、位相が整合しなくてはならないので、波長変換の励起光の波長λpにおける分散値がほぼ零である必要がある。したがって、λpは零分散波長の近傍にあることが望ましい。波長λsの信号光に対して、波長変換された変換光の波長λs’は、
λs’=λp−(λs−λp)
となる。例えば、波長1530nm〜1565nmのWDM信号光を、波長1525nmの励起光によって一括波長変換すると、変換光の波長は、波長1520nm〜1490nmの範囲となる。カットオフ波長λcは、これらの信号光、変換光、あるいは励起光、増幅光などの波長を考慮して、好適な値とする必要がある。
λs’=λp−(λs−λp)
となる。例えば、波長1530nm〜1565nmのWDM信号光を、波長1525nmの励起光によって一括波長変換すると、変換光の波長は、波長1520nm〜1490nmの範囲となる。カットオフ波長λcは、これらの信号光、変換光、あるいは励起光、増幅光などの波長を考慮して、好適な値とする必要がある。
このカットオフ波長λc、有効断面積Aeff、及び非線型係数γについて、図10の屈折率プロファイルに示す構造を有する4種類の光ファイバB1、B2、C1、C2を試作した。
光ファイバB1、B2は、それぞれ図10(a)に示した屈折率プロファイルを用い、コア領域10をステップ状の分布形状のGeO2添加SiO2、第1クラッド領域20をF添加SiO2(添加濃度2.1mol%)、第2クラッド領域30をF添加SiO2(添加濃度0.9mol%)として作成した。コア領域10でのGeO2添加濃度は、それぞれ異なる値とした。
また、光ファイバC1、C2は、それぞれ図10(b)に示した屈折率プロファイルを用い、コア領域10をステップ状の分布形状のGeO2添加SiO2、第1クラッド領域20をF添加SiO2(添加濃度2.1mol%)、第2クラッド領域30を純SiO2として作成した。コア領域10でのGeO2添加濃度は、それぞれ異なる値とした。
さらに、比較のため、シングルクラッド構造の光ファイバD1〜D5を作成した。これらの光ファイバD1〜D5は、それぞれ図11に示した屈折率プロファイルによって作成した。ここで、符号60はコア領域を、また、符号70はシングルクラッド構造によるクラッド領域を示している。
光ファイバD1〜D5は、それぞれ図11に示した屈折率プロファイルを用い、コア領域60をステップ状の分布形状のGeO2添加SiO2、クラッド領域70をF添加SiO2(添加濃度0.9mol%)として作成した。コア領域60でのGeO2添加濃度は、それぞれ異なる値とした。なお、コア領域60の比屈折率差Δ+は、クラッド領域70を基準としている。
得られた光ファイバB1、B2、C1、C2の比屈折率差Δ+、Δ−、及び諸特性を図12に、また、比較用の光ファイバD1〜D5の比屈折率差Δ+、及び諸特性を図13にそれぞれ示す。図13の表より、シングルクラッド構造の光ファイバD1〜D5では、コア中のGeO2添加濃度が低くΔ+が小さいときには、有効断面積Aeffが大きく、非線型係数γの値も小さくなっている。また、Δ+が2.7%以上となると、カットオフ波長が波長1530nm〜1565nmのWDM信号光の、波長1525nmの励起光による一括波長変換での変換光の波長よりも長くなってしまっている。
これに対して、図12の表より、ダブルクラッド構造の光ファイバB1、B2、C1、C2では、有効断面積Aeffが小さく、また、大きい非線型係数γが得られている。また、例えばΔ+が4.5%でもカットオフ波長が1469nmである(光ファイバC2)など、有効断面積Aeffが11μm2以下で小さく、かつ、非線型係数γの値が18/W/km以上で大きいときでも、充分に短いカットオフ波長が実現されている。
次に、光ファイバにおける耐水素特性について検討する。コア中のGeO2が高濃度であると、その耐水素特性が劣化しやすい。これに対して、光ファイバの最外層となる第2クラッド領域30の外周部に、アモルファスカーボンや、シリコンカーバイドなどの水分子や水素分子に対する遮蔽性を有する物質を主成分とするハーメチックコート(図1及び図7に示すハーメチックコート50を参照)を設けることが好ましい。
このとき、光ファイバのコア領域及びクラッド領域内への水素の拡散を遮断することができる。また、静疲労係数が100〜160となり、破断確率が極めて小さくされる。これにより、光ファイバの長期的な信頼性を向上することが可能となる。
以上、検討した光ファイバ(非線型性光ファイバ)の構成、製造方法、及び好適な製造条件に基づいて、本発明の光ファイバに係る光ファイバE1〜E8の8種類の光ファイバを試作した。
これらの光ファイバE1〜E8は、コア領域10を近似的にα〜3.0乗の屈折率分布を有するGeO2添加SiO2、第1クラッド領域20をF添加SiO2、第2クラッド領域30をF添加SiO2または純SiO2として作成した。得られた光ファイバE1〜E8の比屈折率差Δ+、Δ−、第2クラッド領域30のF添加濃度、コア領域10及び第1クラッド領域20の外径2r1、2r2、及びそれによる諸特性を図14の表に示す。なお、示した特性のうち、OH吸収伝送損失は、OH基吸収による波長1.38μmでの伝送損失の増加分(過剰吸収損失)を示している。
図14の表に示す光ファイバE1〜E8の諸特性は、いずれも、波長1.55μmの光に対する以下の特性条件
11μm2以下の有効断面積Aeff、
2mのファイバ長で0.7μm以上1.6μm以下のカットオフ波長λc、
1.0dB/km以下の伝送損失、
0.3ps/√km以下の偏波モード分散PMD、
18/W/km以上の非線型係数γ、
を満たしている。このように、ダブルクラッド構造を採用することにより、コアのGeO2濃度を高くするとともに有効断面積Aeffを小さくして、非線型係数γを大きくした場合でも、好適なカットオフ波長λcを有する高非線型性の光ファイバを得ることができる。また、偏波モード分散が小さく、かつ伝送損失が低い高非線型性の光ファイバが得られる。
11μm2以下の有効断面積Aeff、
2mのファイバ長で0.7μm以上1.6μm以下のカットオフ波長λc、
1.0dB/km以下の伝送損失、
0.3ps/√km以下の偏波モード分散PMD、
18/W/km以上の非線型係数γ、
を満たしている。このように、ダブルクラッド構造を採用することにより、コアのGeO2濃度を高くするとともに有効断面積Aeffを小さくして、非線型係数γを大きくした場合でも、好適なカットオフ波長λcを有する高非線型性の光ファイバを得ることができる。また、偏波モード分散が小さく、かつ伝送損失が低い高非線型性の光ファイバが得られる。
ここで、波長1.38μmの光に対する、OH基による過剰吸収損失については、0.2dB/km以下であることが好ましい。図14に示した光ファイバE1〜E8は、いずれもこの特性条件を満たしている。
光ファイバ内の所定部位に応力付与部を設けると、偏波面保持光ファイバが得られる。図15に、そのような偏波面保持光ファイバである光ファイバの他の実施形態の断面構造を示す。この光ファイバにおいては、コア領域10を挟む左右両側に、B2O3添加SiO2からなる応力付与部40がそれぞれ形成されている。このような構成の偏波面保持光ファイバでは、応力付与部40が損失要因となって伝送損失が劣化する場合があるが、直交偏波間のランダムなカップリングを抑制することができる。これにより、伝送される信号光の品質を良好に保持することが可能となる。
このような構成からなる光ファイバの製造方法は、図1に示した構成からなる光ファイバについて上述した製造方法とほぼ同様であるが、第5の工程において中間ガラスロッドの外周上に第2クラッド領域30となるガラス体を形成したものを、そのまま光ファイバプリフォームとせず、これを第3中間ガラス体として、さらに加工を行う。
すなわち、得られた第3中間ガラス体の第1クラッド領域または第2クラッド領域に開孔して、開孔部を形成する。そして、その開孔部内に、応力付与部40となるガラスロッドを挿入して、光ファイバプリフォームを作成する。この光ファイバプリフォームを加熱線引することによって、応力付与部40を有する構成からなる光ファイバが得られる。
上記した製造方法について、その一例を説明する。ここでは、コア用ガラスロッドについては、コア内の屈折率分布形状をほぼ放物線状とし、GeO2添加濃度を最大で30mol%とした。また、加熱一体化時のコア用ガラスロッドの外径は8mmであった。一方、第1クラッド用ガラスパイプについては、第1クラッド内の屈折率分布形状をほぼステップ状とし、F添加濃度を最大で1.5mol%とした。
また、加熱一体化時の第1クラッド用ガラスパイプの外径は32mm、内径は9mmであった。得られた第1クラッド用ガラスパイプは、SF6を300cm3/min、Cl2を200cm3/min、加熱温度1500℃(パイロスコープで測定したガラス表面の最高温度)でエッチングして、表面を平滑にした。
加熱一体化前の空焼きについては、Cl2を500cm3/min、加熱温度1500℃で空焼きを行った。加熱一体化時のパイプ内の雰囲気ガスは、塩素200cm3/min、酸素300cm3/minとし、パイプ内の減圧度は1kPaとした。
また、加熱一体化については、加熱温度を1700℃、第1クラッド用ガラスパイプの内周表面の粗さを3μm以下、コア用ガラスロッドの外周表面の粗さを2μm以下、コア用ガラスロッドにおける外周表面から厚さ2μm以内の領域でのGeO2濃度の最大値を3mol%とする条件を適用して加熱一体化を行い、気泡のない外径30mmの中間ガラスロッド(第1中間ガラスロッド)を得た。
そして、その第1中間ガラスロッドを外径9mmまで延伸した後、その外周部を外径6mmまでHF溶液により研削して、(コア径)/(第1クラッド径)=0.40に調整した。また、この第1中間ガラスロッドとは別に、第2クラッド領域30の内周側部分となる第2クラッド用ガラスパイプを作成した。この第2クラッド用ガラスパイプは、ほぼ純SiO2で外径32mm、内径9mmのSiO2ガラスパイプとした。そして、第2クラッド用ガラスパイプ内に第1中間ガラスロッドを挿入し、加熱一体化して、外径30mmの第2中間ガラスロッドを得た。
次に、得られた第2中間ガラスロッドの外周上に、第2クラッド領域30の外周側部分となるガラス体を、第2クラッド用ガラスパイプと同様のほぼ純SiO2のSiO2ガラスとして、VAD法またはOVD法によって合成して、第3中間ガラス体を作成した。ここで、(第2クラッド径)/(第1クラッド径)=10.8とした。
さらに、この第3中間ガラス体を外径36mmまで延伸した。このとき、延伸後の第3中間ガラス体のコア領域10部分の外径は1.3mm、第1クラッド領域20部分の外径は3.3mmであった。この第3中間ガラス体の第2クラッド領域30部分に、図15に示す応力付与部40となる2つの開孔部を形成した。これらの開孔部は、2つの開孔部の中心同士の距離を15.2mm、それぞれの開孔部の外径を10mmとした。また、2つの開孔部それぞれの中心、コア領域10及び第1クラッド領域20の中心は、ほぼ一直線上になるようにした。
形成された開孔部の内周表面の粗さが2μm以下になるまで研摩し、研摩材や研削くず等の異物を除去するように、水、アルコール、王水で洗浄した。そして、応力付与部40となるガラスロッドとして、外径9mmのB2O3添加SiO2ガラスロッドを開孔部に挿入し封止して、光ファイバプリフォームを作成した。
以上の製造方法及び製造条件によって作成された光ファイバプリフォームを加熱線引して、図15に示した構造の光ファイバを得た。ここで、開孔部に挿入されたガラスロッドは、線引時の加熱によってクラッド領域と一体化されて、応力付与部40となる。得られた光ファイバの構成は、コア領域10の外径2r1=4.6μm、比屈折率差Δ+=3.0%、第1クラッド領域20の外径2r2=11.6μm、比屈折率差Δ−=−0.5%、第2クラッド領域30の外径2r3=125μmであった。
また、波長1.55μmの光に対する諸特性は、
分散=+0.01ps/km/nm、
分散スロープ=+0.042ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=10.6μm2、
カットオフ波長λc=1349nm、
零分散波長=1550nm、
伝送損失=1.5dB/km、
モードフィールド径=3.75μm、
非線型係数γ=20.2/W/km、
偏波間のクロストーク=−20dB(ファイバ長1km)
で、良好な特性の光ファイバ(非線型性光ファイバ)が得られた。
分散=+0.01ps/km/nm、
分散スロープ=+0.042ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=10.6μm2、
カットオフ波長λc=1349nm、
零分散波長=1550nm、
伝送損失=1.5dB/km、
モードフィールド径=3.75μm、
非線型係数γ=20.2/W/km、
偏波間のクロストーク=−20dB(ファイバ長1km)
で、良好な特性の光ファイバ(非線型性光ファイバ)が得られた。
このような構成を有する光ファイバとして、本発明の光ファイバに係る光ファイバF1〜F3の3種類の光ファイバをさらに試作した。
これらの光ファイバF1〜F3は、光ファイバE1〜E8と同様に、コア領域10を近似的にα〜3.0乗の屈折率分布を有するGeO2添加SiO2、第1クラッド領域20をF添加SiO2、第2クラッド領域30をF添加SiO2または純SiO2として作成した。得られた光ファイバF1〜F3の比屈折率差Δ+、Δ−、第2クラッド領域30のF添加濃度、コア領域10及び第1クラッド領域20の外径2r1、2r2、及びそれによる諸特性を図16の表に示す。なお、示した特性のうち、OH吸収伝送損失は、OH基吸収による波長1.38μmでの伝送損失の増加分(過剰吸収損失)を示している。
図16の表に示す光ファイバF1〜F3の諸特性は、いずれも、波長1.55μmの光に対する以下の特性条件
11μm2以下の有効断面積Aeff、
2mのファイバ長で0.7μm以上1.6μm以下のカットオフ波長λc、
3.0dB/km以下の伝送損失、
−15dB以下の偏波間のクロストーク、
18/W/km以上の非線型係数γ、
を満たしている。このように、ダブルクラッド構造を採用することにより、コアのGeO2濃度を高くするとともに有効断面積Aeffを小さくして、非線型係数γを大きくした場合でも、好適なカットオフ波長λcを有する高非線型性の光ファイバを得ることができる。また、高非線型性の偏波面保持光ファイバが得られる。
11μm2以下の有効断面積Aeff、
2mのファイバ長で0.7μm以上1.6μm以下のカットオフ波長λc、
3.0dB/km以下の伝送損失、
−15dB以下の偏波間のクロストーク、
18/W/km以上の非線型係数γ、
を満たしている。このように、ダブルクラッド構造を採用することにより、コアのGeO2濃度を高くするとともに有効断面積Aeffを小さくして、非線型係数γを大きくした場合でも、好適なカットオフ波長λcを有する高非線型性の光ファイバを得ることができる。また、高非線型性の偏波面保持光ファイバが得られる。
ここで、波長1.38μmの光に対する、OH基による過剰吸収損失については、0.2dB/km以下であることが好ましい。図16に示した光ファイバF1〜F3は、いずれもこの特性条件を満たしている。
上記した構成及び諸特性を有する光ファイバにおいて、所定波長の光を入力することによって発現される非線型光学現象を利用することによって、高い非線型性が積極的に利用されるとともに、カットオフ波長λcなどについて良好な特性を有する非線型性光ファイバが得られる。このような非線型性光ファイバは、非線型光学現象を利用する様々な光デバイスに対して適用することが可能である。
ここで、上記した構成の光ファイバを非線型性光ファイバとして用いる光増幅器や波長変換器などの光デバイスでは、光ファイバをコイル化して収容することによって光デバイスをモジュール化した光モジュール(例えば光増幅器モジュールや波長変換器モジュール)の構成が用いられる場合がある。このような場合には、光ファイバの曲げに対する強度や曲げ損失の変化を含む曲げ特性などの諸特性について、モジュール化に好適なように光ファイバの特性を保持する必要がある。
これに対して、光ファイバの構成としては、光ファイバのガラス部の外径を100μm以下とすることが好ましい。あるいは、ガラス部の外径をさらに90μm以下とすることが好ましい。このように、ガラス部の外径を細径とすることにより、ガラス部の外周に設けられる被覆部を細径とした場合においても、曲げに対する強度も含めて、充分な強度の光ファイバとすることができる。
例えば、光ファイバの曲げに対する強度について考えると、コイル化して光モジュール内に収容するために光ファイバを曲げた場合、光ファイバのガラス部内の各部に曲げ応力が発生する。この曲げ応力は、光ファイバの曲げに対する強度により、光ファイバの破断などの原因となる。
具体的には、光ファイバを曲げてコイル状に巻いた場合、光ファイバのガラス部の中心部位(中心軸近傍)では、発生する曲げ応力はほぼ零である。これに対して、光ファイバコイルの径方向について内側となる部位では、中心部位に比べて曲げ直径が小さくなるためにガラス部内に圧縮応力が生じる。一方、光ファイバコイルの径方向について外側となる部位では、中心部位に比べて曲げ直径が大きくなるためにガラス部内に引張り応力が生じる。そして、これらの圧縮応力及び引張り応力の大きさは、いずれもガラス部の中心部位からの距離が大きくなるにしたがって大きくなる。
これに対して、ガラス部の外径を細径とした上記構成の光ファイバによれば、コイルの径方向について最も内側または外側に位置するガラス部の部位の中心部位からの距離が小さくなり、光ファイバのガラス部内に発生する応力の大きさが低減される。これにより、光ファイバの曲げに対する強度が向上されて、コイル化したときの光ファイバの応力による破断が防止される。
また、上述した高非線型性を有するダブルクラッド構造の光ファイバでは、その有効断面積Aeffを小さくしていることなどにより、ガラス部を伝送する光の電磁界分布の広がりが小さい。また、このような光ファイバでは、一般的に開口数NAが大きい。このため、上記した光ファイバでは、その曲げ損失は小さく、また、ガラス部の外径を細径にすることによる伝送損失への影響も小さい。したがって、曲げに対して充分な強度を有するとともに、曲げ損失が低減されて、良好な曲げ特性を有する光ファイバが得られる。
なお、光ファイバのガラス部とは、光ファイバの外周に設けられる樹脂製の被覆部等を除いた、コア領域、第1クラッド領域、及び第2クラッド領域を含む部分をいう。例えば、図1及び図7に示した光ファイバでは、コア領域10、第1クラッド領域20、及び第2クラッド領域30からなる部分がガラス部となっている。また、第2クラッド領域の外周にさらにガラス製の他のクラッド領域を設けた場合には、そのクラッド領域をも含む部分がガラス部となる。
また、ガラス部の外周に設けられる被覆部については、被覆部の外径を150μm以下とすることが好ましい。あるいは、被覆部の外径をさらに120μm以下とすることが好ましい。このように、被覆部の外径を細径とすることにより、上述したように光ファイバをコイル化して光モジュール内に収容する場合に、光モジュールを小型化することができる。また、同一サイズの光モジュールであれば、より長い光ファイバをコイル化して光モジュール内に収容できる。
また、非線型性光ファイバとして光デバイスに適用した場合の光ファイバの特性について考えると、波長1.00μmの光に対する特性において、伝送損失が5.0dB/km以下であることが好ましい。あるいは、伝送損失がさらに3.0dB/km以下であることが好ましい。
このように短波長側での伝送損失を低くすることにより、ラマン増幅での励起光波長における伝送損失が低減されるなど、非線型性光ファイバとして光デバイスに適用する上で良好な特性を有する光ファイバとすることができる。
例えば、MCVD法で高濃度のGeO2添加SiO2ガラスを合成して、比屈折率差Δnが大きい光ファイバを作成しようとすると、ガラス欠陥が多いために伝送損失が劣化する。このような傾向は、特に短波長側において顕著となる。これに対して、上述した光ファイバの構成及びその製造方法によれば、短波長側での伝送損失が充分に低減された光ファイバを得ることができる。また、このような光ファイバでは、レイリー散乱係数が低くなるので、ラマン増幅の際に発生する二重レイリー散乱による信号のノイズを抑制することができる。
以上の条件を考慮して、図1に示したダブルクラッド構造を有する光ファイバを作成した。その構成は、コア領域10の外径2r1=4.6μm、比屈折率差Δ+=3.2%、第1クラッド領域20の外径2r2=13.1μm、比屈折率差Δ−=−0.50%、第2クラッド領域30の外径(光ファイバのガラス部の外径)2r3=110μmであった。ここで、第2クラッド領域30へのFの添加濃度は0.6mol%であった。また、光ファイバを外周から被覆する被覆部の外径は、150μmであった。
また、波長1.55μmの光に対する諸特性は、
分散=−0.64ps/km/nm、
分散スロープ=+0.042ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=10.0μm2、
カットオフ波長λc=1396nm、
零分散波長=1565nm、
伝送損失=0.70dB/km、
非線型係数γ=22.2/W/km、
偏波モード分散PMD=0.05ps/√km
で、良好な特性の光ファイバ(非線型性光ファイバ)が得られた。
分散=−0.64ps/km/nm、
分散スロープ=+0.042ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=10.0μm2、
カットオフ波長λc=1396nm、
零分散波長=1565nm、
伝送損失=0.70dB/km、
非線型係数γ=22.2/W/km、
偏波モード分散PMD=0.05ps/√km
で、良好な特性の光ファイバ(非線型性光ファイバ)が得られた。
本実施例の光ファイバをファイバ長1.0kmで、直径φ60mmのボビンに巻き付けることによってコイル化し、モジュール化した。このような光ファイバにおける伝送損失の波長依存性を図17に示す。ここで、図17のグラフにおいて、横軸は光ファイバを伝送される光の波長λ(nm)、縦軸は各波長での伝送損失(dB/km)を示している。
このグラフに示されているように、本光ファイバを用いることにより、長波長領域でも伝送損失が劣化しない良好な光モジュールを作成することができる。このような光ファイバは、例えば、波長1565nmの励起光を供給して、波長帯域がCバンドの信号光をLバンドに、または、波長帯域がLバンドの信号光をCバンドに波長変換する波長変換器モジュールにおいて用いることができる。あるいは、信号光よりも短波長の励起光を供給することによって信号光を光増幅するラマン増幅器モジュールにおいて用いることができる。
また、この光ファイバは、図1に関して上述した光ファイバの製造方法に基づいて作成したものであるが、波長1.00μmの光に対する伝送損失が3.4dB/kmとなっている。これは、5.0dB/km以下の条件を満たす低い値である。このように短波長側での伝送損失が低い光ファイバによれば、信号光よりも短波長側にあるラマン増幅での励起光波長における伝送損失が低減される。また、このような光ファイバでは、レイリー散乱係数が低くなるので、2重レイリー散乱によって発生するノイズを抑制することができる。
また、他の光ファイバとして、図1に示したダブルクラッド構造を有する光ファイバを作成した。その構成は、コア領域10の外径2r1=2.5μm、比屈折率差Δ+=2.9%、第1クラッド領域20の外径2r2=10.0μm、比屈折率差Δ−=−0.50%、第2クラッド領域30の外径(光ファイバのガラス部の外径)2r3=89μmであった。ここで、第2クラッド領域30へのFの添加濃度は0.6mol%であった。また、光ファイバを外周から被覆する被覆部の外径は、115μmであった。
また、波長1.55μmの光に対する諸特性は、
分散=−110.6ps/km/nm、
分散スロープ=−0.408ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=10.6μm2、
カットオフ波長λc=729nm、
伝送損失=0.52dB/km、
非線型係数γ=20.0/W/km、
偏波モード分散PMD=0.03ps/√km
で、良好な特性の光ファイバ(非線型性光ファイバ)が得られた。
分散=−110.6ps/km/nm、
分散スロープ=−0.408ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=10.6μm2、
カットオフ波長λc=729nm、
伝送損失=0.52dB/km、
非線型係数γ=20.0/W/km、
偏波モード分散PMD=0.03ps/√km
で、良好な特性の光ファイバ(非線型性光ファイバ)が得られた。
この光ファイバは、負の分散及び分散スロープを有している。これにより、本光ファイバは、1.3μm帯に零分散波長があるシングルモード光ファイバの分散及び分散スロープの両者を、1.55μm帯において補償することが可能な高非線形性光ファイバとなっている。
また、この光ファイバでは、そのガラス部の外径が、100μm以下、あるいはさらに90μm以下の条件を満たす細径の外径値89μmとされている。また、被覆部の外径が、150μm以下、あるいはさらに120μm以下の条件を満たす細径の外径値115μmとされている。これにより、コイル化する際の曲げ特性が良好な光ファイバとなっている。
本実施例の光ファイバをファイバ長7.7kmでコイル化してモジュール化した。ただし、光ファイバのコイル化においては、光ファイバをボビンに巻き付けるのではなく、図18に光ファイバコイルの構成を示すように、光ファイバFをボビンに巻き付けずにコイル状にし、そのコイル状のファイバ束を被覆樹脂Rで覆った構成を用いた。
このような構成によれば、光ファイバを巻くためのボビンがないために巻張力が発生せず、また、ファイバ束の全体を樹脂で覆っているために光ファイバの自重による歪みの問題もない。したがって、マイクロベンドによる伝送損失の劣化を大幅に抑制することが可能である。
このような光ファイバにおける伝送損失の波長依存性を図19に示す。ここで、図19のグラフにおいて、横軸は光ファイバを伝送される光の波長λ(nm)、縦軸は各波長での伝送損失(dB/km)を示している。
このグラフに示されているように、本光ファイバ及び上記した光ファイバコイルの構成を用いることにより、長波長領域でも伝送損失が劣化しない良好な光モジュールを作成することができる。また、光ファイバの温度特性については、伝送特性が最も温度変動の影響を受ける波長1620nmの光に対して、−40℃〜+80℃の温度範囲で、伝送損失の変動が±0.01dB/km以下となり、良好な温度特性が得られた。一方、従来のボビンに巻き付ける形状では、ボビンの熱膨張によって光ファイバに加わる巻張力が変化してしまうため、長波長側の温度特性に不良が発生しやすかった。
また、この光ファイバは、図1に関して上述した光ファイバの製造方法に基づいて作成したものであるが、波長1.00μmの光に対する伝送損失が2.1dB/kmとなっている。これは、5.0dB/km以下、あるいはさらに3.0dB/km以下の条件を満たす低い値である。このように短波長側での伝送損失が低い光ファイバによれば、信号光よりも短波長側にあるラマン増幅での励起光波長における伝送損失が低減される。また、このような光ファイバでは、レイリー散乱係数が低くなるので、2重レイリー散乱によって発生するノイズを抑制することができる。
また、本光ファイバによれば、1.3μm帯に零分散波長があるファイバ長50kmのシングルモード光ファイバの分散及び分散スロープを、1.55μm帯において補償することが可能である。
さらに、他の光ファイバとして、図1に示したダブルクラッド構造を有する光ファイバを作成した。その構成は、コア領域10の外径2r1=2.2μm、比屈折率差Δ+=3.2%、第1クラッド領域20の外径2r2=8.8μm、比屈折率差Δ−=−0.60%であった。ここで、第2クラッド領域30へのFの添加濃度は0.6mol%であった。
また、波長1.55μmの光に対する諸特性は、
分散=−205.7ps/km/nm、
分散スロープ=−1.35ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=10.1μm2、
カットオフ波長λc=707nm、
伝送損失=0.51dB/km、
非線型係数γ=21.7/W/km、
偏波モード分散PMD=0.01ps/√km
で、良好な特性の光ファイバ(非線型性光ファイバ)が得られた。
分散=−205.7ps/km/nm、
分散スロープ=−1.35ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=10.1μm2、
カットオフ波長λc=707nm、
伝送損失=0.51dB/km、
非線型係数γ=21.7/W/km、
偏波モード分散PMD=0.01ps/√km
で、良好な特性の光ファイバ(非線型性光ファイバ)が得られた。
また、この光ファイバは、波長1.50μmの光に対して、以下の諸特性
分散=−147.4ps/km/nm、
分散スロープ=−0.696ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=8.6μm2、
伝送損失=0.58dB/km、
非線型係数γ=24.0/W/km、
偏波モード分散PMD=0.01ps/√km
を有する。
分散=−147.4ps/km/nm、
分散スロープ=−0.696ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=8.6μm2、
伝送損失=0.58dB/km、
非線型係数γ=24.0/W/km、
偏波モード分散PMD=0.01ps/√km
を有する。
この光ファイバは、負の分散及び分散スロープを有している。これにより、本光ファイバは、1.3μm帯に零分散波長があるシングルモード光ファイバの分散及び分散スロープの両者を、1.50μm帯において補償することが可能な高非線形性光ファイバとなっている。したがって、例えば、1.40μm帯の波長の励起光を供給して、ラマン増幅用光ファイバとして用いることが可能である。
次に、上述した構成及び諸特性を有する光ファイバを非線型性光ファイバとして適用することが可能な光デバイス(またはそれをモジュール化した光モジュール)の例として、光増幅器であるラマン増幅器、及び波長変換器について説明する。
図20は、本発明によるラマン増幅器の一実施形態を示す構成図である。本ラマン増幅器100は、入力される波長λsの信号光を光増幅するものであり、上述した光ファイバを非線形性光ファイバとして適用したラマン増幅用光ファイバ110(カットオフ波長λc)と、所定波長λpの励起光をラマン増幅用光ファイバ110へと供給する励起光源150とを備えて構成されている。
励起光源150は、ラマン増幅用光ファイバ110の下流側にある光合波部160を介して、ラマン増幅器100内の光伝送路に接続されている。これによって、本ラマン増幅器100は、後方励起(逆方向励起)の光増幅器として構成されている。これにより、入力された信号光は、ラマン増幅用光ファイバ110において発現される非線型光学現象である誘導ラマン効果を利用して光増幅され、増幅光として出力される。
このようなラマン増幅器は、EDFAなどの光増幅器とは異なり、増幅される波長帯域を選ばず、SiO2系光ファイバであれば増幅波長帯域も100nm程度と広いので、広帯域のWDM伝送での光増幅に適している。また、励起光の波長λpとしては、信号光の波長λsよりも短い波長が用いられる。例えば、波長1.55μm帯の信号光を光増幅するのであれば、波長1.45μm程度の励起光が用いられる。
ラマン増幅器100に適用したラマン増幅用光ファイバ110では、WDM信号を一括して光増幅する場合には、四光波混合が発生しないように、波長λsの信号光に対する分散値を+2ps/km/nm以上、または−2ps/km/nm以下とすることが好ましい。例えば、波長1.55μm帯の信号光に対しては、図14の光ファイバE1、E2などが好適である。
分散値が正の場合、コア領域10の外径2r1を大きくする必要があるため、カットオフ波長λcがやや長くなる。これに対して、ダブルクラッド構造とした上記の光ファイバでは、1.45μm程度の励起光波長λpよりもカットオフ波長λcを短くする(λc<λp)ことが可能である。このように、λc<λpとすることにより、シングルモードで高効率に光増幅を行うことができる。
また、分散値が正及び負の非線型性光ファイバを組み合わせれば、全体として分散が零となるようにラマン増幅器を構成することが可能となる。そのようなラマン増幅器の構成例を、図21に示す。
本ラマン増幅器200は、図20に示したラマン増幅器100と同様の構成を有するが、ラマン増幅用光ファイバ110を分散値が負(例えば−2ps/km/nm以下)の非線型性光ファイバとするとともに、ラマン増幅用光ファイバ110と光合波部160との間に、分散値が正(例えば+2ps/km/nm以上)のラマン増幅用光ファイバ120を直列に接続している。このような構成によれば、出力される増幅光の分散をほぼ零とすることができる。
また、Sバンドと呼ばれる波長1.45μm〜1.53μm帯の信号光は、EDFAでは光増幅することができないが、励起される波長帯域を選ばないラマン増幅器であれば、波長λsが1.45μm以上1.53μm以下の信号光に対しても光増幅が可能である。また、上記したようにダブルクラッド構造では、例えば図14の光ファイバE5のようにカットオフ波長λcを短くすることができるので、Sバンドの信号光の光増幅に対しても好適に適用することが可能である。光ファイバE5の波長1.40μmでの分散値は、−6.1ps/km/nmと好適な範囲である。
また、光伝送路の分散値が使用される信号光波長帯域内で正である場合、ラマン増幅器に用いるラマン増幅用光ファイバの分散値を負としておけば、光増幅器と同時に正の分散値を有する伝送路の分散補償器としても用いることができる。このとき、波長λsの信号光に対する分散値が−10ps/km/nm以下であれば分散補償量も大きく、分散補償器としても特に好適に利用できる。また、このとき、有効断面積Aeffを10μm2以下とすることが好ましい。
さらに、ダブルクラッド構造を有する非線型性光ファイバでは、例えば図14の光ファイバE3、E4、及び図16の光ファイバF1のように、信号光の波長において分散スロープを負の値(0ps/km/nm2よりも小さい値)とすることができる。この場合、正の分散と正の分散スロープを有する伝送路の分散と同時に分散スロープをも補償することが可能となる。したがって、WDM伝送において好適である。
ここで、高効率でのラマン増幅を実現するためには、ラマン増幅器に用いられる非線型性光ファイバにおいて、励起光の波長λpでの非線型性が高い方が好ましい。また、非線型効果による伝送品質の劣化を防止するためには、信号光の波長λsでの非線型性が低い方が好ましい。
非線型性についてのこのような特性条件を実現するため、光増幅器に用いられる非線型性光ファイバは、励起光の波長λpにおける有効断面積Aeff,pと、波長λp+0.1μmにおける有効断面積Aeff,sとが、関係式
(Aeff,s−Aeff,p)
/Aeff,p×100≧10%
を満たし、有効断面積Aeff,sが有効断面積Aeff,pに比べて10%以上大きい構成となっていることが好ましい。
(Aeff,s−Aeff,p)
/Aeff,p×100≧10%
を満たし、有効断面積Aeff,sが有効断面積Aeff,pに比べて10%以上大きい構成となっていることが好ましい。
励起光の波長λpに0.1μmを加えた波長λp+0.1μmは、ラマン増幅器において光増幅される信号光の波長λsに相当する。したがって、上記した関係式を満たす特性条件によれば、有効断面積Aeff,pを小さくすることによって、励起光に対する波長λpでの非線型性を高めて、光増幅の効率を向上することができる。また、有効断面積Aeff,sを大きくすることによって、信号光に対する波長λp+0.1μmでの非線型性を低くして、信号光の伝送品質の劣化を抑制することができる。
例えば、自己位相変調による位相シフト量は、有効断面積の逆数に比例する。したがって、信号光の波長λs〜λp+0.1μmでの有効断面積Aeff,sが励起光の波長λpでの有効断面積Aeff,pよりも10%大きければ、位相シフト量は10%小さくなる。
この有効断面積Aeffの特性条件を考慮して、図1に示したダブルクラッド構造を有する光ファイバを作成した。その構成は、コア領域10の外径2r1=3.1μm、比屈折率差Δ+=3.4%、第1クラッド領域20の外径2r2=8.8μm、比屈折率差Δ−=−0.15%であった。ここで、第2クラッド領域30へのFの添加濃度は1.1mol%であった。
また、波長1.55μmの光に対する諸特性は、
分散=−49.0ps/km/nm、
分散スロープ=+0.005ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=8.4μm2、
カットオフ波長λc=1060nm、
伝送損失=0.54dB/km、
非線型係数γ=23.4/W/km、
偏波モード分散PMD=0.02ps/√km
であった。
分散=−49.0ps/km/nm、
分散スロープ=+0.005ps/km/nm2、
有効断面積Aeff=8.4μm2、
カットオフ波長λc=1060nm、
伝送損失=0.54dB/km、
非線型係数γ=23.4/W/km、
偏波モード分散PMD=0.02ps/√km
であった。
図22に、本実施例の光ファイバにおける有効断面積Aeffの波長依存性を示す。ここで、図22のグラフにおいて、横軸は光ファイバを伝送される光の波長λ(nm)、縦軸は各波長での有効断面積Aeff(μm2)を示している。このグラフに示されているように、本光ファイバでは、有効断面積Aeffが波長λが長くなるとともに大きくなる。
例えば、信号光の波長λs=1.50μmに対して、波長λp=1.40μmの励起光を用いた場合、信号光及び励起光に対する有効断面積はそれぞれ、
信号光:Aeff,s=7.85μm2
励起光:Aeff,p=6.93μm2
となっている。このとき、波長λs及びλpでの有効断面積の差は、
(Aeff,s−Aeff,p)
/Aeff,p×100=13.3%
である。
信号光:Aeff,s=7.85μm2
励起光:Aeff,p=6.93μm2
となっている。このとき、波長λs及びλpでの有効断面積の差は、
(Aeff,s−Aeff,p)
/Aeff,p×100=13.3%
である。
また、信号光の波長λs=1.55μmに対して、波長λp=1.45μmの励起光を用いた場合、信号光及び励起光に対する有効断面積はそれぞれ、
信号光:Aeff,s=8.37μm2
励起光:Aeff,p=7.37μm2
となっている。このとき、波長λs及びλpでの有効断面積の差は、
(Aeff,s−Aeff,p)
/Aeff,p×100=13.6%
である。
信号光:Aeff,s=8.37μm2
励起光:Aeff,p=7.37μm2
となっている。このとき、波長λs及びλpでの有効断面積の差は、
(Aeff,s−Aeff,p)
/Aeff,p×100=13.6%
である。
また、信号光の波長λs=1.60μmに対して、波長λp=1.50μmの励起光を用いた場合、信号光及び励起光に対する有効断面積はそれぞれ、
信号光:Aeff,s=8.93μm2
励起光:Aeff,p=7.85μm2
となっている。このとき、波長λs及びλpでの有効断面積の差は、
(Aeff,s−Aeff,p)
/Aeff,p×100=13.8%
である。
信号光:Aeff,s=8.93μm2
励起光:Aeff,p=7.85μm2
となっている。このとき、波長λs及びλpでの有効断面積の差は、
(Aeff,s−Aeff,p)
/Aeff,p×100=13.8%
である。
以上のように、本光ファイバにおいては、波長λs=1.50μm、1.55μm、及び1.60μmの信号光のいずれに対しても、好適な特性条件
(Aeff,s−Aeff,p)
/Aeff,p×100≧10%
が満たされている。したがって、これらの波長を含む波長範囲の光に対して、光増幅の効率が向上されるとともに、信号光の伝送品質の劣化が抑制された非線形性光ファイバ及びラマン増幅器が実現される。
(Aeff,s−Aeff,p)
/Aeff,p×100≧10%
が満たされている。したがって、これらの波長を含む波長範囲の光に対して、光増幅の効率が向上されるとともに、信号光の伝送品質の劣化が抑制された非線形性光ファイバ及びラマン増幅器が実現される。
図23は、本発明による波長変換器の一実施形態を示す構成図である。本波長変換器300は、入力される波長λsの信号光を波長変換するものであり、上述した光ファイバを非線型性光ファイバとして適用した波長変換用光ファイバ310(カットオフ波長λc)と、所定波長λpの励起光を波長変換用光ファイバ310へと供給する励起光源350とを備えて構成されている。
励起光源350は、波長変換用光ファイバ310の上流側にある光合波部360を介して、波長変換器300内の光伝送路に接続されている。これにより、入力された波長λsの信号光は、波長変換用光ファイバ310において発現される非線型光学現象である四光波混合を利用して波長変換され、波長選択部370を介して波長λs’
λs’=λp−(λs−λp)
の変換光として出力される(図24(a)参照)。
λs’=λp−(λs−λp)
の変換光として出力される(図24(a)参照)。
このような波長変換器は、チャンネル当りの伝送速度が高いWDM信号を、個別または一括して波長変換することが可能である。また、ダブルクラッド構造を有する非線型性光ファイバでは、例えば図14の光ファイバE6、E8、及び図16の光ファイバF3のように、カットオフ波長λcを短くしたままで、非線型係数γを充分に大きくして、波長変換を高効率で行うことが可能である。特に、信号光、変換光、及び励起光の波長λs、λs’、λpよりもカットオフ波長λcを短くしておけば(λc<λs、λs’、λp)、シングルモードで高効率に波長変換を行うことができる。
ここで、四光波混合は、信号光、励起光、変換光の位相が整合しているときに発生しやすいので、波長λpの励起光における分散値が−0.2ps/km/nm以上+0.2ps/km/nm以下の範囲であることが好ましく、特に、励起光波長λpが零分散波長と略一致していることが好ましい。また、励起光のパワーを上げれば、出力される変換光の光パワーを入力される信号光の光パワーよりも大きくすることが可能であり、この場合、波長変換器をパラメトリック増幅器としても利用することができる。
また、CバンドからSバンドへの波長変換では、零分散波長が1.53μm付近であるとともに、カットオフ波長λcが変換光の波長λs’よりも短いことが望ましいが、ダブルクラッド構造を有する非線型性光ファイバでは、例えば図14の光ファイバE7のように、そのような特性条件の実現が可能となる。
また、励起光源350を波長可変な光源とし、励起光の波長λpを変化させれば、任意の波長変換が可能となる。例えば図24(b)の例では、波長λsの信号光に対して励起光波長をλp1として、波長λs1’
λs1’=λp1−(λs−λp1)
の変換光が得られている。これに対して、図24(c)に示すように、励起光波長をλp2に変化させれば、波長λs1’とは異なる波長λs2’
λs2’=λp2−(λs−λp2)
の変換光を得ることができる。なお、この場合にも、位相を整合させるために、励起光波長に対する分散値が−0.2ps/km/nm以上+0.2ps/km/nm以下の範囲であることが好ましい。
λs1’=λp1−(λs−λp1)
の変換光が得られている。これに対して、図24(c)に示すように、励起光波長をλp2に変化させれば、波長λs1’とは異なる波長λs2’
λs2’=λp2−(λs−λp2)
の変換光を得ることができる。なお、この場合にも、位相を整合させるために、励起光波長に対する分散値が−0.2ps/km/nm以上+0.2ps/km/nm以下の範囲であることが好ましい。
また、Cバンドのラマン増幅を行う場合には、励起光が波長1.45μm付近、Sバンドのラマン増幅を行う場合には、励起光が波長1.3〜1.4μm、信号光が波長1.45〜1.53μmとなる。また、Sバンドへの波長変換、または、SバンドからC、Lバンドへの波長変換を行う場合には、信号光や変換光が波長1.45〜1.53μmとなる。これらの場合、OH基による波長1.38μmでの吸収損失の影響を受けやすい。これに対して、図14の光ファイバE1〜E8、及び図16の光ファイバF1〜F3は、上述したように、波長1.38μmでのOH基吸収による伝送損失の増加分(過剰吸収損失)がすべて0.2dB/km以下であり、このような場合にも好適に用いることができる。
本発明による光ファイバ、非線型性光ファイバ、それを用いた光増幅器、波長変換器、及び光ファイバの製造方法は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、シングルクラッド構造ではなくダブルクラッド構造を用いた、上記した構成の光ファイバ、非線型性光ファイバによれば、非線型係数γを大きくするために、コア内に添加されるGeO2の添加濃度を高くして非線型屈折率を高くし、また、コアとクラッドとの比屈折率差を大きくして有効断面積Aeffを小さくした場合でも、カットオフ波長λcを充分に短くすることが可能となる。また、この構成では、分散スロープを負にすることができる。さらに、高非線型性の偏波面保持ファイバや、偏波モード分散が小さいとともに、伝送損失が低い高非線型性の光ファイバが得られる。また、光ファイバのガラス部あるいは被覆部の外径を細径とすれば、光デバイスでのモジュール化に好適な光ファイバが得られる。
また、コア用ガラスロッド及び第1クラッド用ガラスパイプを所定条件の下で加熱一体化する上記した光ファイバの製造方法によれば、高非線型性を有するダブルクラッド構造の光ファイバを、低伝送損失などの良好な特性によって作成することができる。
このような光ファイバは、高非線型性であるとともに、カットオフ波長λcなどについて好適な特性を有する非線型性光ファイバとして、光増幅器や波長変換器などの非線型光学現象を利用する光デバイスに適用することが可能である。特に、カットオフ波長λcが短波長となることによって、シングルモードで高効率に光増幅や波長変換を行うことができる。
10…コア領域、15…中間領域、20…第1クラッド領域、30…第2クラッド領域、40…応力付与部、50…ハーメチックコート、
100、200…ラマン増幅器、110、120…ラマン増幅用光ファイバ、150…励起光源、160…光合波部、
300…波長変換器、310…波長変換用光ファイバ、350…励起光源、360…光合波部、370…波長選択部。
100、200…ラマン増幅器、110、120…ラマン増幅用光ファイバ、150…励起光源、160…光合波部、
300…波長変換器、310…波長変換用光ファイバ、350…励起光源、360…光合波部、370…波長選択部。
Claims (15)
- 屈折率の最大値がn1であるコア領域と、前記コア領域の外周に設けられ、屈折率の最小値がn2(ただしn2<n1)である第1クラッド領域と、前記第1クラッド領域の外周に設けられ、屈折率の最大値がn3(ただしn2<n3<n1)である第2クラッド領域とを少なくとも備えるとともに、波長1.55μmの光に対する諸特性として、
11μm2以下の有効断面積と、
2mのファイバ長において0.7μm以上1.6μm以下のカットオフ波長λcと、
18/W/km以上の非線型係数と、
を有し、波長λsの信号光に対する分散値が+2ps/km/nm以上、または−2ps/km/nm以下であることを特徴とする光ファイバ。 - 波長1.55μmの光に対する諸特性として、
3.0dB/km以下の伝送損失と、
−15dB以下の偏波間のクロストークと、
をさらに有することを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。 - 波長1.55μmの光に対する諸特性として、
1.0dB/km以下の伝送損失と、
0.3ps/√km以下の偏波モード分散と、
をさらに有することを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。 - 前記コア領域と、前記第2クラッド領域との比屈折率差Δ+が、前記第2クラッド領域を基準として2.7%以上であることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 前記第2クラッド領域の外周上に、ハーメチックコートが設けられていることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 波長1.38μmの光に対するOH基による過剰吸収損失が、0.2dB/km以下であることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 前記第2クラッド領域は、フッ素が添加されていることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 前記コア領域、前記第1クラッド領域、及び前記第2クラッド領域を含むガラス部の外径が100μm以下であることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 前記コア領域、前記第1クラッド領域、及び前記第2クラッド領域を含むガラス部の外周に設けられた被覆部の外径が150μm以下であることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 波長1.00μmの光に対する特性において、伝送損失が5.0dB/km以下であることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 請求項1記載の光ファイバであって、所定波長の光を入力することによって発現される非線型光学現象を利用することを特徴とする非線型性光ファイバ。
- カットオフ波長がλcである請求項11記載の非線型性光ファイバと、
前記非線型性光ファイバに入力される波長λsの前記信号光に対して、所定波長λp(ただしλc<λp)の励起光を前記非線型性光ファイバに供給する励起光源とを備えるとともに、
前記非線型性光ファイバにおいて発現される非線型光学現象を利用して、前記信号光を光増幅することを特徴とする光増幅器。 - 前記非線型性光ファイバの前記信号光に対する分散スロープ値が0ps/km/nm2よりも小さいことを特徴とする請求項12記載の光増幅器。
- 前記信号光の波長λsは、1.45μm以上1.53μm以下であることを特徴とする請求項12記載の光増幅器。
- 前記非線型性光ファイバは、前記励起光の波長λpにおける有効断面積Aeff,pと、波長λp+0.1μmにおける有効断面積Aeff,sとが、関係式
(Aeff,s−Aeff,p)
/Aeff,p×100≧10%
を満たすことを特徴とする請求項12記載の光増幅器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006008027A JP2006139304A (ja) | 2000-11-13 | 2006-01-16 | 光ファイバ、非線型性光ファイバ、及びそれを用いた光増幅器 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008020796A (ja) * | 2006-07-14 | 2008-01-31 | Fujikura Ltd | イメージファイバ及びその光ファイバ母材 |
JP2008116745A (ja) * | 2006-11-06 | 2008-05-22 | Fujikura Ltd | マルチコアファイバ |
-
2006
- 2006-01-16 JP JP2006008027A patent/JP2006139304A/ja active Pending
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