JP2006317948A - 増幅された自然放射光の抑制用光ファイバフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】より一層の波長選択性をもつ、好ましくは光通信システムにおいて個別の装置を含まなければならない必要性を解消するインライン分布型の全ファイバ配列を用いる光学フィルタリングを可能にする方法を提供する。
【解決手段】インライン分布型光ファイバフィルタが所望の伝送波長の全内部反射（ＴＩＲ）を可能にするよう（周囲を取り囲むクラッド材に対して）高い屈折率をもつコア領域から成る。１つ以上の高い屈折率の特徴部がクラッド領域の中に形成され、フィルタによって除去されるべき所定の波長においてクラッドモードとコアモードとの間でモード混合をもたらすように構成される。適切なコア規格、およびクラッド規格を決定するためのパラメータは不要な信号のフィルタリング、および所望の通信信号の伝播の観点からよりいっそうの性能をもたらすためにそれぞれ個別に決定できる。
【選択図】図１

Description

本発明は全ファイバ型光学フィルタに関するものであり、より詳しくは増幅された自然放射光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を低減するために有用な波長選択フィルタリングのために選択的に配列されたコア、およびクラッド材からなる全ファイバ型光学フィルタに関する。

光ファイバシステムは、システム性能を損なう結果をもたらす異なる発生源からの「光学的雑音」（所望の波長と異なる波長の余計な信号）に敏感であることが知られている。この問題に対処するために、長年にわたり種々の形式のフィルタリング配列が提案されてきている。ある選択された波長がファイバを伝播することを排除するために（多重薄膜層を組み込んだ）個々のフィルタリング要素が使われてきている。そのような個々のフィルタは蓄積されたノイズの強度を減ずることはできるが、ノイズ増幅にともなう強度損失などの他のシステム障害を十分には低減できない。将来は、分布型のインラインファイバ型フィルタが、特に接合損失、ノイズ増幅で失われる強度などが全体的な増幅器性能に影響する増幅器用途において、個々の装置の利用よりもより望ましい解決手段であると考えられている。

選択された波長を「反射」させ、望ましくない信号要素の更なる伝播を防止するために、そのようなインラインファイバ型フィルタのひとつの形式としてブラッググレーティング（回折格子）が通信用ファイバのコア領域に形成されてもよい。例えば、フィルタ特性を改善するためにグレーティングがチャープ（chirp）、アポダイズ（apodize）されるよう特別に構成されているブラッググレーティングの使用について述べている、A. Robinsonの米国特許第5,717,799号（１９９８年２月１０日）を参照のこと。あるフィルタリング効果を与えるためには種々のインライン型配列が有効であったが、反射が好ましくない振動、あるいはノイズ波長での発振につながる可能性があるので、反射グレーティングは増幅器中でのインライン型フィルタリングのためには問題がある。反射型グレーティングは個々のフィルタとして使えるが、それは本発明において重要な分布型フィルタリングの長所を与えるものではない。Ｒ．Ｐ．Ｅｓｐｉｎｄｏｌａ他の米国特許第6,141,142号（２０００年１０月３１日）では分布型フィルタを採用したファイバ増幅器について議論している。この場合、フィルタリングは反射型ブラッググレーティングの代わりに傾斜型（Blazed（ブレーズ型））グレーティングによってもたらされる。いくつかの分布型フィルタの実施例は効果的なフィルタリングをもたらすが、この方法はファイバ製造において追加的な処理工程を要し、ファイバのドーパント（微量添加物）プロファイルを適当な感光性をもつプロファイルに限定する。
米国特許第5,717,799号（１９９８年２月１０日） 米国特許第6,141,142号（２０００年１０月３１日）

したがって、より一層の波長選択性をもつ、好ましくは光通信システムにおいて個別の装置を含まなければならない必要性を解消するインライン、分布型の全ファイバ配列を用いる光学フィルタリングを提供する配列に対する要求がこれまでの技術にはある。

従来技術に存在する要求が本願発明により取り扱われ、本願発明は、全ファイバ光フィルタ、より詳細には、増幅された自然放射光（ＡＳＥ）を低減する波長選択的フィルタリングをもたらす、コアとクラッド材の選択的な配列からなる全ファイバ分布型光学フィルタである。

本発明によれば、通信用ファイバのコア領域は「高い屈折率」の値を持つように構成され（つまり、コア領域が隣接するクラッド領域の屈折率よりも大きな屈折率を示すように形成される）、一方、周囲のクラッド領域のうちの選択された領域が（残りのクラッド材の大部分に対して）同じく高い屈折率を示す「特徴部」を持つように構成される。選択された（所望の）波長がコア領域内に閉じ込められたままになるよう、コアの屈折率はクラッドとコアの間で屈折率の差を生じるように高められる。さらに、屈折率の値、および高い屈折率のクラッドの特徴部の物理的特性を注意深く選ぶことにより、選択的な波長フィルタリングが得られる。不要な（フィルタされた）波長はコアから「漏れ出て」、クラッド内に導かれ、信号伝播経路から離れていく。

コア、およびクラッドのパラメータが所望の波長感受性をもたらすために独立して調整される（つまり、コアのパラメータをクラッドのパラメータと切り離している）ことが本発明の特徴である。これは、コアの直径と屈折率の値が所望の波長で最適な伝播をするように決定されるということである。クラッドの高い屈折率の特徴部は所望のフィルタ特性を得るために物理的設計、位置、透過帯域の値、阻止帯域の値などについて別々に決定される。

クラッドの高い屈折率の特徴部は１つ、あるいは複数のリング、「穴」など、所望の幾何学的形状から構成されてもよく、光ファイバプリフォームの形成に関わるいずれか好ましい技術を用いて形成される。ある場合においては、微小構造の光ファイバが使われてもよい。あるいは、より高い屈折率を示すクラッド材からなる１つ、あるいは複数の同心の「リング」を形成するためにＭＣＶＤ技術が利用できる。

本発明のよりよい理解のために、添付の図、および添付の請求の範囲とにより以下に説明する。なお、これらの図面中の構成要素は必ずしも寸法通りではない。

前記のように、システム光ファイバに沿って伝播する信号に波長選択フィルタリングを適用することにより、性能が改善される多くの異なる光システムがある。特に、ファイバに沿う伝播から特定の波長の信号を選択的に除去することにより「光ノイズ」が低減できる。本発明にしたがい重要な透過帯域で分離したクラッドモードとコアモードを示し、阻止帯域では混合したコア−クラッドモードだけを示す全ファイバ光学フィルタが開発されている。モード混合は利得の低減、および／あるいはクラッド領域内への信号の結合の結果としてコア領域内での損失の増加により全体としての伝送効率の低減につながる。本発明による全ファイバ型フィルタは以下の設計原理に基づいている。（１）第１に全内部反射（Total Internal Reflection：ＴＩＲ）によって（所望の波長で伝播する）光を導く高い屈折率を持つコア領域、および（２）選択されたクラッドモードを「導く」よう特別に構成されるクラッド内に高い屈折率の特徴部を含む。クラッドモードとコアモードが十分に屈折率が適合する波長においてモードが混じりあい、光がコア内に十分に保持されることなくクラッド内に「溢れて」いく。クラッド内に入ると、この光は放射、吸収、あるいは他の過程を経てさらにシステムから失われていく。こうしてこれらの波長はフィルタ設計の阻止帯域として決定され、（これに限られるものではないが）選択された屈折率の値、含まれる特徴部の数、個々の特徴部のサイズ、特徴部の位置など、高い屈折率のクラッドの特徴部のいろいろな特性値を操作することにより制御可能である。

本発明の分布型全ファイバフィルタは特にファイバ増幅器用途に適切であると考えられる。従来のファイバ増幅器においては、接合損失、およびノイズ増幅にともなって失われるパワーが増幅器性能に影響することがわかっている。既知の「ノイズ」波長で伝播する信号を選択的にフィルタ（利得を低減／損失を増やす）する能力を持つことにより、より低いノイズ出力、改善されたノイズ量、あるいはポンプ出力を所望の信号出力へ変換する場合のよりよい出力効率によって証明されるように、全体として増幅性能が改善される。よいフィルタ性能の１つの指標は消光比−所望の信号波長における損失に対するノイズ波長における損失の比である。実際に、所望の信号波長における損失よりも少なくとも５倍大きいノイズ波長における損失をもたらすことが可能である（ノイズと信号波長の間での差が２０％よりも少ない）。コアに導かれるモードは屈折率の交差点付近の波長においてファイバの適切な設計により制御された分散をもつ大きな正の利得、あるいは負の分散が得られる。

図１（ａ）−（ｂ）は本発明による波長選択的フィルタリングをもたらす４つの典型的な構成の断面図であり、屈折率プロファイルのグラフは現在の議論の目的のために図１（ａ）の配列について示されている。この実施例において、図１（ａ）の配列は内側のクラッド領域１４に囲まれる高い屈折率のコア領域１２を含む典型的な光ファイバ１０を図示する。高い屈折率のクラッドの特徴部１６（この場合はリング）はクラッドのリング１６の周囲に配された外側クラッド領域１８とともに内側クラッド領域１４を包み込むように図示される。特に図１（ａ）の屈折率プロファイルに図示されるように、コア領域１２は周囲のクラッドの屈折率（ｎ_ｃｌａｄで示す）に対してｎ_ｃｏｒｅで示す「高い」屈折率の値を示すとして図示される。同じく図示するように、クラッドリング１６は図１（ａ）の屈折率プロファイルにおいてｎ_ｈｉで示されるかなり高い屈折率の値を持つ高屈折率特徴部として形成される。本発明によるこの実施例の典型的な構成において、ｎ_ｃｏｒｅ−ｎ_ｃｌａｄ≒０．００１６であり、ｎ_ｈｉ−ｎ_ｃｌａｄ≒０．０２６である。

図１（ｂ）は異なる幾何学的形状を図示していて、複数の充填された「穴」２０が中央部コア２６を含む光ファイバ２４のクラッド領域２２の中に形成される。図１（ｂ）の実施例においてファイバ２４の「穴」２０はかなり高い屈折率の材料で満たされ、所望のフィルタリング特性を達成するようにコア領域２６に対してサイズが決められ、配設される。以下に詳細に議論されるように、充填材料の特定の屈折率、穴の直径、それらの位置等が本発明によるフィルタリングによって除去される波長を決定する。１つの「穴」２８が光コア３４を含む光ファイバ３２のクラッド領域３０に形成されているわずかに異なる実施例が図１（ｃ）に図示される。この実施例において、穴２８は（第１の）中央部コア領域３４の値と本質的に異なる屈折率、サイズ、および／あるいは形状を有する第２の「コア」であるように機能する。この場合、種々の選択された波長は一時的にこの「第２のコア」の中に結合され、光コア領域３４に沿う所望のフィルタリングをもたらす。

図１（ｄ）は、コア領域４２を含む光ファイバ４０のクラッド領域３８内に１組の縦方向に伸びるクラッドの特徴部３６が形成されている他の実施例を図示する。この特別の実施例においては、特徴部３６が光モードの複屈折を生じる偏波選択性ももたらされる。図１（ａ）−（ｄ）に示される典型的な配列は単に本発明のフィルタリングの概念を図示すると考えられ、特徴部のサイズ、位置、屈折率などクラッドの特徴部の種々の他の配列がすべて所望の波長選択性を与える本発明によって変化させられ得ると理解されるべきである。

その結果、本発明にしたがい、注意深い設計、およびクラッドの特徴部の幾何学的形状、屈折率の値、位置などの選択によりフィルタリングで除去される波長は明確な値に微調整が可能である。実際に、明確な「ノイズ」波長のいずれかの側の波長でファイバのコアに沿って伝播することができる「ノッチ」型のフィルタを形成することが可能である。コアモードの実効屈折率がクラッドモードの屈折率に近くなると、屈折率合致モード混合が生じ、光がコア内にしっかり閉じ込められることなくクラッド内に溢れ出てくるであろう。図２はこのモード混合を示すプロットを含み、波長の関数として実効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）を図示する。クラッドモードのプロット、ラベル「Ａ」、は波長の関数として図示される。コアモードのプロットはラベル「Ｂ」で示され、図示するように２つのプロットは図２の点Ｃとして図示される屈折率が合致する点で交差する。したがって、この屈折率が合致する波長、λ_{ｆｉｌｔｅｒ}、は信号がコアからクラッドに結合し、この信号がコアを伝播する所望の信号から選択的に除去（ろ過）される波長である。

独創的なファイバのクラッド内に高い屈折率の材料を選択的に包含することによるフィルタリング特性は、ファイバに吸収、あるいは散乱材料を包含することと同様に、ファイバを大きく曲げる、微小曲げ（マイクロベンド）、ファイバを捻る、ファイバにグレーティングを組み込む形での機械的な変形（これに限定するものではないが）などのよく知られた技術を使用することによってさらに強化されるということが理解されるべきである。

図３は本発明により形成されたさらに別の全ファイバ型光フィルタ５０の断面図である。この実施例において、光フィルタ５０は比較的低い屈折率のクラッド領域５４に囲まれた高い屈折率のコア領域５２からなる。コア５２（ｎ_ｃｏｒｅ）の屈折率と周囲のクラッド５４（ｎ_ｃｌａｄ）の間の差Δは所望の波長を全内部反射（ＴＩＲ）にわたってコア領域５２の中に閉じ込めたままにすることが可能となる。本発明にしたがって、複数の高い屈折率のクラッドの特徴部５６はクラッド領域５４全体にわたって配され、高い屈折率のクラッドの特徴部５６の種々のパラメータは所望の波長選択フィルタリングをもたらすように選択される。特に、これらの特徴部の屈折率の値は、それらのサイズ、数量、および位置によってクラッド内に溢れ出て結合することによりコア領域から除去される（フィルタをかけられる）波長を決定する。これは、クラッドの特徴部５６の屈折率ｎ_ｈｉ、および直径ｄ_ｈｉがクラッドモードとコアモードの間の重なり／交差を決定するということである。主としてコア領域５２と最も近いクラッドの特徴部５６の間のこの距離Ｄがコアークラッド結合（Κ_{ｃｏｒｅ−ｃｌａｄ}）を決定し、そのコア−クラッド結合はモード間の実質的な混合が生じるためにコアとクラッドモードの実効屈折率がどの程度密接に適合する必要があるかを決定する。フィルタの帯域幅は、フィルタスペクトルの特徴部サイズと同様に所望の信号とフィルタで除去される最も近いノイズ成分との間の波長の差に関係する。一般にこの特徴部のサイズは結合長さL_Ｃとは逆に変化し、距離Ｄが増加するにしたがい減少する。本発明の好ましい実施例はノイズと所望の信号の間での識別が可能なように十分に小さな特徴部サイズを達成し、所望のフィルタ特性を可能にするために結合長さＬ_Ｃを十分小さく保持している。また、クラッドの中に結合されるフィルタされた信号の出力を最大にするために、コア−クラッド結合（Κ_{ｃｏｒｅ−ｃｌａｄ}）とクラッド−クラッド結合（Κ_{ｃｌａｄ−ｃｌａｄ}）の間が適合しているべきであることが提案されていて、これら２つの値が図３に図示されている。これら２つの値が極端に異なってくると、反射とコアの中への逆結合が生じ、フィルタ特性を阻害する。

図４はフィルタ５０の設計、および実験による屈折率プロファイルを含み、２つの異なる波長：１０６０ｎｍ、および１１７０ｎｍに対応する具体的な配列の特性を図示する。典型的なファイバ増幅器の実施例においてはまた、一般に波長１１７０ｎｍに存在するノイズ信号を抑制し、波長１０６０ｎｍでの増幅、および信号伝送ができることが望まれる。また、図４にはコア５２、および１組のクラッドの特徴部５６−１、および５６−２が図示され、屈折率プロファイルはこの特徴部の具体的な配置と関連している。この場合、所望の伝送波長１０６０ｎｍにおいてコアに導かれるモードとクラッドモードの間にほとんどモードの適合はなく、あるとしてもほんのわずかである。したがって、本質的にすべての信号がほとんど、あるいはまったくクラッド領域に漏れることなくコア領域５２の内部に閉じ込められたままになる。逆に、１１７０ｎｍの波長に対してはコア領域５２に沿った伝播からこの信号成分を除去することが望まれる。この場合、コア領域５２とクラッドの特徴部５６−１、および５６−２の間で適合している。したがって、モード混合が生じ、１１７０ｎｍで伝播する信号がクラッドの特徴部の中に結合され、コア領域５２から外側へ導き出される。

図５は図１（ａ）に図示される形式の光ファイバフィルタ５０のファイバ屈折率プロファイルを図示したもので、この場合、実際のファイバフィルタの測定された屈折率の値を示している。図示のように、測定値は設計値からほんのわずかにずれているが、想定値に非常によく適合している。図６は本発明により形成された光ファイバフィルタから得られた実際の結果のプロットを含む。この具体的な配列の設計により、屈折率の適合が６００ｎｍ、および１１００ｎｍの近傍で生じることが計算された。損失プロットを参照すると、少なくとも３ｄＢのオーダーでこの範囲の両方のスペクトルに明確な損失のピークがある。比較のためにプロットには理論値が含まれている。これにより、光ファイバのクラッド部分に高い屈折率の特徴部を含むことにより、顕著な光フィルタリング効果が得られることが示される。この特別の例では、所望の損失スペクトルを達成するためにファイバが曲げられた。上に述べたように、フィルタファイバの損失特性は曲げ、捻り、グレーティング、追加の材料などをフィルタに含むことによって改善（あるいは修正）が可能である。

図７は図５に関わる具体的な光ファイバフィルタの配列に対する波長の関数としての信号損失のグラフを含む。図７の種々の差し込み図はこれらの曲線に沿ういろいろな場所における強度のプロットを示す。実際、点Ｘ、Ｙ、およびＺにおける低損失波長（つまり、「望ましい」波長）に対応する３つの強度プロットはコア領域内にしっかり閉じ込められている光の強度を図示している。反対に、高損失波長（点Ｉ、およびＩＩ）に対応する強度プロットはコアとクラッド領域との間でのかなりの量の光の混合を示している。したがって、本発明によって点Ｉ、およびＩＩに関わる波長に対して光フィルタリングが生じる。

上記の実施例は発明の理論の適用を明示できる多くの可能な具体的実施例のいくつかを示しているだけであることが理解されるべきである。多くの他の異なる配列が本発明の精神と範囲から逸脱することなく当業者においては考案可能なものである。

本発明によって形成される種々の光ファイバフィルタの断面図であって、図１（ａ）−１（ｄ）は４つの典型的な実施例を示す。 実効的な屈折率の関数としての波長のグラフであってコアモードとクラッドモードの両方をプロットし、光学的フィルタリングが生じる屈折率適合条件を示している。 所望の光学的フィルタリングをもたらすために複数の高い屈折率のクラッドの特徴部を用いる本発明の他の実施例の断面図である。 図３のファイバの模式的屈折率プロファイルであって、（通信波長において）モードが分離され、かつ（フィルタされた波長において）モードが適合している条件をコア、およびクラッド領域に導かれた光のモード毎の有効屈折率を示す水平の点線で示している。 図１（ａ）のファイバに関するプロットであって、屈折率の測定値を半径の関数として示している。 図５の光ファイバのフィルタ損失を波長の関数としてプロットしたもので、本発明によって光学的フィルタリング作用をもたらす、予測された屈折率の適合点近傍における高い損失を示す。 図５の光ファイバフィルタの想定損失と光強度のプロットを示す。

符号の説明

１０、２４、３２、４０ 光ファイバ
１２、２６、３４、４２ コア
１４ 内側のクラッド領域
１６ リング
１８ 外側のクラッド領域
２０、２８、３６、５６ クラッドの特徴部
２２、３０、３８ クラッド領域
５０ 全ファイバ型光フィルタ
５２ 高い屈折率のコア領域
５４ 低い屈折率のクラッド領域
Ｉ、ＩＩ 高損失の波長の点
Ｘ、Ｙ、Ｚ 低損失の波長の点

Claims (10)

1. ファイバコアから少なくとも１つのあらかじめ定められたノイズ波長の光を除去するための光ファイバフィルタであって、前記ファイバフィルタが：
   ｎ_ｃｏｒｅで表される第１の屈折率の値を有するコア領域から成る１本の光ファイバと；
   前記コア領域を取り囲み、ｎ_ｃｌａｄ＜ｎ_ｃｏｒｅであるｎ_ｃｌａｄで表される第２の屈折率の値を有するクラッド領域と；
   ｎ_ｈｉ＞ｎ_ｃｌａｄであるｎ_ｈｉで表される第３の屈折率の値を有するクラッド領域内に配される少なくとも１つの高い屈折率を有するクラッド特徴部、およびコアモードの実効屈折率がクラッドモードの実効屈折率と実質的に適合するときにコアモードとクラッドモードのモード混合が生じるファイバコアからろ過（フィルタ）されるべき少なくとも１つのあらかじめ定められたノイズ波長を決定する種々の屈折率の値、サイズ、および位置とを含むことを特徴とする光ファイバフィルタ。
2. 前記少なくとも１つの高い屈折率を有するクラッド特徴部が前記コア領域を取り囲むように配された少なくとも１つの高い屈折率のリングから成ることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバフィルタ。
3. 前記少なくとも１つの高い屈折率を有するリングが前記コア領域を取り囲むように配された複数の同心のリングから成ることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバフィルタ。
4. 前記少なくとも１つの高い屈折率を有する特徴部が前記コア領域に対してあらかじめ定められた位置に配された複数の高い屈折率の特徴部から成ることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバフィルタ。
5. 前記コア領域と最も近くにある前記高い屈折率のクラッドの特徴部との間の結合長と、最も近くにある前記高い屈折率のクラッドの特徴部の間の結合長が基本的に同じであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバフィルタ。
6. 前記少なくとも１つの高い屈折率のクラッドの特徴部が複屈折を生成し、伝播する光信号の偏光制御をもたらすように形成され、前記コア領域に対して配されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバフィルタ。
7. 前記１本の光ファイバが前記クラッド領域に沿って配された複数の円筒状の開口を含む微細構造のファイバから成ることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバフィルタ。
8. 前記フィルタの特性が前記ファイバに機械的な変形を含むことによって修正されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバフィルタ。
9. 前記フィルタがさらにフィルタ特性を修正するために前記クラッド領域が吸収／散乱性の材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバフィルタ。
10. 前記フィルタ特性があらかじめ定められたノイズ波長を除去し、前記ノイズ波長よりも短い、および長い所望の信号波長を残すように決定されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバフィルタ。
    

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