JP2010108999A - 光ファイバ及び光ファイバ増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造が容易であり、コア部を伝播する信号光を十分に増幅することができる光ファイバ、及び、光ファイバ増幅器を提供する。
【解決手段】 光ファイバ１０は、少なくとも１種類の希土類元素が添加されたコア部１１と、コア部１１を被覆し、断面の外周が円形である第１クラッド部１３と、第１クラッド部１３を被覆し、第１クラッド部１３よりも屈折率が低い第２クラッド部１４とを備え、コア部１１の屈折率は、第１クラッド部１３の屈折率よりも高く、第１クラッド部１３において、屈折率は、コア部１１側から第２クラッド部１４側に向かって低くなり、かつ、屈折率の勾配は、コア部１１側から第２クラッド部１４側に向かって大きくなることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光ファイバ及び光ファイバ増幅器に関し、より詳細には、励起光により信号光が増幅される増幅用光ファイバ及びそれを用いた光ファイバ増幅器に関する。

光通信システムは、光ファイバ伝送路により信号光を伝送することで大容量の情報を高速に送受信することができる。このような光通信システムでは、信号光を長距離に亘って伝送する為に、信号光を光増幅する光ファイバ増幅器が信号光伝送経路の途中に配置される。光ファイバ増幅器に用いられる光増幅用の光ファイバとして、信号光を伝送するコア部と、コア部を被覆する第１クラッド部と、第１クラッド部を被覆する第２クラッド部とを備えるダブルクラッドファイバが用いられる場合がある。

このダブルクラッドファイバにおいては、第１クラッド部に入射された励起光が、第１クラッド部と第２クラッド部との界面で反射を繰り返して、第１クラッド部内を伝播する。そして、励起光がコア部を通過する際にコア部に添加された希土類元素を励起して、コア部を伝播する信号光が増幅されるというものである。

しかし、第１クラッド部と第２クラッド部との界面が、コア部と同心の円形である場合、形状が単純なため、光ファイバの製造は容易であるが、第１クラッド部を伝播する励起光が、コア部の周りを周回してしまい殆どコア部を通過することがない、いわゆるスキューモードの発生が起こる場合がある。スキューモードが発生すると、コア部に添加された希土類元素を十分に励起できず、コア部を伝播する信号光を十分に増幅することができないという問題がある。

そこで、下記特許文献では、光ファイバの第１クラッド部と第２クラッド部との界面の一部を平坦な形状として、この平坦な界面で励起光を反射させることで、励起光がコア部の周りを周回し続けないようにして、スキューモードの発生を抑制することとしている。
特表平１０−５１０１０４号公報

しかし、上記特許文献の光ファイバでは、スキューモードは抑制できるものの、第１クラッド部と第２クラッド部との界面が、一部において平坦な形状となっているため、第１クラッド部の外周面の一部を平坦にしなければならず、光ファイバを製造することが容易ではない。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたもので、製造が容易であり、コア部を伝播する信号光を十分に増幅することができる光ファイバ、及び、光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。

本発明の光ファイバは、少なくとも１種類の希土類元素が添加されたコア部と、前記コア部を被覆し、断面の外周の形状が円形である第１クラッド部と、前記第１クラッド部を被覆し、前記第１クラッド部よりも屈折率が低い第２クラッド部とを備え、前記コア部の屈折率は、前記第１クラッド部の屈折率よりも高く、前記第１クラッド部において、屈折率は、前記コア部側から前記第２クラッド部側に向かって低くなり、かつ、屈折率の勾配は、前記コア部側から前記第２クラッド部側に向かって大きくなる、ことを特徴とするものである。

このような構成の光ファイバは、コア部の屈折率が第１クラッド部の屈折率よりも高いため、信号光がコア部を伝播する。そして、第１クラッド部に入射される励起光が、第１クラッド部と第２クラッド部との界面で反射を繰り返しながら第２クラッド部で囲まれた領域を伝播する。この際、第１クラッド部においては、屈折率が、コア部側から第２クラッド部側に向かって低くなり、かつ、屈折率の勾配が、コア部側から第２クラッド部側に向かって大きくなる。このため、外周部付近から入射された励起光も、内側から入射された励起光と同程度の距離でコア部周辺に到達する。また、一度コア部周辺まで到達した励起光は、外周部へは進行し難くなり、外周部へ進行した光もコア部側に戻りやすくなっている。このためコア部を励起光が通過しやすくなり、コア部に添加された希土類元素が効率よく励起され、コア部により伝播される信号光を十分に増幅することができる。また、コア部周辺の屈折率の勾配は小さいため、コアを伝播する信号光は、シングルモード、あるいは２〜３モード程度の良好なビーム品質となる。さらに、第１クラッド部の断面外周の形状は円形であるため、光ファイバを容易に製造することができる。

また、本発明の光ファイバは、前記コア部と前記第１クラッド部との間に第２コア部を更に備え、前記第２コア部の屈折率は、前記コア部の屈折率よりも低く、前記第１クラッド部の前記コア部側の屈折率よりも高ければ好適である。コア部と第１クラッド部の間に第２コア部を更に備え、第２コア部の屈折率が、コア部の屈折率よりも低くければ、モードフィールド径がコア部の直径よりも大きな信号光を、コア部と第２コア部とで、伝播することができる。

また、本発明の光ファイバ増幅器は、励起光が供給されることにより信号光を増幅する光ファイバ増幅器であって、前記の光ファイバと、前記光ファイバに添加された希土類元素を励起する励起光を出力する励起光源と、前記励起光および前記信号光を前記光ファイバに供給するコンバイナとを備えることを特徴とするものである。

このような構成の光ファイバ増幅器は、信号光と励起光とがコンバイナによって、光ファイバに供給される。このとき、光ファイバでは、上述の通り、励起光のスキューモードが防止される。このため、信号光の増幅を十分に増幅することができる。

本発明によれば、製造が容易で、コア部を伝播する信号光を十分に増幅することができる光ファイバ、及び、光ファイバ増幅器を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の光ファイバ増幅器について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る光ファイバ増幅器を示す図である。

図１に示すように、光ファイバ増幅器１は、信号光の入力端２に入力された信号光を光増幅して出力端３から出力するものである。光ファイバ増幅器１は、増幅用の光ファイバ１０、励起光源５、コンバイナ４を備える。

励起光源５は、光ファイバ１０により伝播される信号光を増幅するための励起光を出力するものである。

コンバイナ４は、入力端２に入力されて到達した信号光を光ファイバ１０へ出力するとともに、励起光源５から出力されて、励起光の伝播を行う光ファイバを介して到達した励起光をも光ファイバ１０へ出力する。

光ファイバ１０では、コンバイナ４から出力された信号光が、励起光により増幅される。そして、増幅された信号光は、出力端３から外部へ出力される。

次に、この増幅用の光ファイバ１０について、さらに詳しく説明する。

図２は、光ファイバ１０の断面図、及び、光ファイバ１０の屈折率分布を示す図である。

図２の（Ａ）に示すように、光ファイバ１０は、光ファイバ１０の中心に設けられた断面形状が円形のコア部１１と、コア部１１を被覆し、外周の断面の形状が円形の第１クラッド部１３と、第１クラッド部１３を被覆する第２クラッド部１４と、第２クラッド部１４を被覆する保護層１５とを有する。

図２の（Ｂ）に示すように、コア部１１の屈折率は、第１クラッド部１３のコア部１１側の屈折率よりも高くなっている。ここで、コア部１１と第１クラッド部１３のコア部１１側の屈折率差は、０．０５％以上、０．６％以下であることが、信号光のビーム品質及び光ファイバの曲げによる損失の観点から好ましい。

また、第１クラッド部１３において、屈折率が、コア部１１側から第２クラッド部１４側に向かって低くなっており、かつ、屈折率の勾配が、コア部１１側から第２クラッド部１４側に向かって大きくなっている。つまり、第１クラッド部１３の屈折率分布は、凸状態となっている。なお、第１クラッド部１３のコア部側と第２クラッド部１４側との屈折率差は、１．５％以上であることが励起光の閉じ込め、スキューモードの抑制の観点から好ましく、さらに２．０％以上であることが、励起光の閉じ込め、スキューモードの抑制及び励起光の光ファイバの曲げによる損失の観点から好ましい。

また、第２クラッド１４の屈折率は、第１クラッド部１３の第２クラッド１４側の屈折率よりも、大幅に低くされている。

この光ファイバ増幅器１では、励起光源５から出力された励起光は、コンバイナ４を経て光ファイバ１０に導入され、この光ファイバ１０において励起光により増幅される。この光ファイバ１０において光増幅された信号光は、出力端３から外部へ出力される。

このとき、第１クラッド部１３に入射される励起光が、第１クラッド部１３と第２クラッド部１４との界面で反射を繰り返しながら第２クラッド部１４で囲まれた領域を伝播する。この際、第１クラッド部は、屈折率が、コア部側から第２クラッド部側に向かって低くなり、かつ、屈折率の勾配が、コア部側から第２クラッド部側に向かって大きくなる。つまり、第１クラッド部１３は、光ファイバ１０の中心から外周方向にかけて、光ファイバの中心からの距離に応じて、屈折率の変化率が大きくなりながら、屈折率が低くなる。このため、外周部の光ほど内側に進行しやすくなるので、励起光は、外周部から入射されても内側から入射されても同程度の距離でコア部１１側に集まるようにして伝播される。また、屈折率は円周方向には等しいので、励起光が旋回方向に進行している場合でも、励起光は中心方向へと進行する。従って、励起光がコア部１１に導入され易くなり、スキューモードを防止することができる。よって、コア部１１を励起光が通過しやすくなり、コア部１１に添加された希土類元素が十分に励起される。従って、コア部１１を伝播する信号光を効率よく増幅することができる。つまり、エネルギーの小さな励起光により、コア部１１を伝播する信号光を十分に増幅することができるのである。また、第１クラッド部１３の断面の外周の形状は、円形であるため、光ファイバ１０を容易に製造することができる。

次に、光ファイバ１０の各構成要素の材料について説明をする。

コア部１１の材料としては、石英（ＳｉＯ_２）に、屈折率を高める材料として、アルミニウム（Ａｌ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等の屈折率を上げる金属元素が添加され、さらに、信号光を増幅するための希土類元素（ネオジウム：Ｎｄ、エルビウム：Ｅｒ等）が添加されているものが挙げられる。

また、第１クラッド部１３の材料としては、石英にフッ素（Ｆ）が添加されているものが挙げられる。フッ素は、コア部１１側よりも第２クラッド部１４側に多く添加され、さらに、コア部１１側から第２クラッド部１４側にかけて添加量の変化率が大きくなるようになされている。ここで、フッ素の添加量と屈折率は、略一次関数として表すことができるので、所望の屈折率が得られるようにフッ素の添加量を制御しつつ、公知のＭＣＶＤ法、ＯＣＶＤ法等により光ファイバ母材を作製することができる。このようにフッ素の添加量を変化させることで、図２（Ｂ）に示した第１クラッド部１３の屈折率の分布を得ることができる。

第２クラッド部１４の材料としては、一般的に、低屈折率のポリマー樹脂が使用される。

保護層１５の材料としては、紫外線硬化性樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂が挙げられる。

次に、本発明の光ファイバ１０の製造工程について説明する。

まず、光ファイバ用母材を次のようにして製造する。

本発明の光ファイバは、屈折率が径方向になだらかに変化するので、ＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）法、ＰＣＶＤ（Plasma Chemical
Vapor Deposition）法による製造が適している。

具体的には、出発石英管の内部に、図２の（Ｂ）に示した屈折率分布、及び所望の吸収量が得られるよう、アルミニウム、ゲルマニウム、フッ素等の適切なドーパント、エルビウムやイッテルビウム等の希土類元素を適宜添加した石英を堆積させ母材を製造する。

ここで、必要があれば堆積終了後、出発石英管を火炎研磨、フッ酸研磨などしても良い。

次に、この光ファイバ用母材を加熱線引きする。光ファイバ用母材が加熱線引きされ、コア部１１がクラッド部１３により被覆された光ファイバ１０の半製品が得られる。その後、この光ファイバ１０の半製品を第２クラッド部１４となる光硬化型樹脂が入ったコーティングダイスに通し、紫外線を照射する。こうして、光硬化型樹脂が硬化して、第１クラッド部１３を被覆した第２クラッド部１４が形成される。第２クラッド部１４が形成されたのち、保護層１５となる光硬化型樹脂が入ったコーティングダイスを通し、紫外線を照射する。こうして光硬化型樹脂が硬化して、第２クラッド部１４を被覆した保護層１５が形成され、光ファイバ１０が製造される。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明をする。なお、本実施形態を説明するに当たり、第１の実施形態と同一又は同等の構成については、同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図３は、第２の実施形態の光ファイバ増幅器７を示す図である。本実施形態の光ファイバ増幅器は、光ファイバ２０が用いられている点で第１の実施形態と異なる。

図４は、光ファイバ２０の断面図、及び、光ファイバ２０の屈折率分布を示す図である。

本実施形態の光ファイバ２０は、コア部１１と第１クラッド部１３との間に第２コア部１２を有する点で第１の実施形態と異なる。第２コア部１２は、コア部１１の４〜６倍の直径を有している。さらに、第２コア部１２の屈折率は、一定であり、かつ、コア部１１よりも低く、第１クラッド部１３の最もコア部１１側での屈折率よりも高くされている。なお、第２コア部１２の屈折率は、第１クラッド部１３の最もコア部１１側での屈折率よりも０．５％以上高くされていることが、コア部に励起光を集中させる観点から好ましい。このような第２コア１２は、石英にアルミニウムやゲルマニウムが添加されて屈折率が調整される。また、アルミニウムやゲルマニウム等の屈折率を上げる金属元素と共にフッ素等の屈折率を下げる元素が添加されてもよい。

このような、光ファイバ２０の光ファイバ母材は、ロッドインチューブ法により、第２コア部１２となる管状の第２コア用母材の中に、コア部１１となるコア用母材を挿入する。その後、加熱により、コア用母材と第２コア用母材を一体として、この周りに前記の説明と同様にして第１クラッド用母材を形成する。こうして得られた光ファイバ用母材を第１の実施形態と同様にして線引し、光ファイバ２０を製造する。

このように本実施形態では、コア部１１と第１クラッド部１３との間に、屈折率が、コア部１１よりも低く、第１クラッド部１３の最もコア部１１側での屈折率よりも高い、第２コア部１２を有している。このため、モードフィールド径がコア部１１の直径よりも大きな信号光をコア部１１と第２コア部１２とで、伝播することができる。よって、信号をより長距離伝播することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これら実施形態に限定されるものではない。例えば、光ファイバ１０の第２クラッド部１４は、保護層１５で被覆されていたが、必ずしも保護層は必要ではない。また、コア部１１、第２コア部１２や第１クラッド部１３に添加される金属や希土類元素は、他の種類の金属や希土類元素でもよい。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものでは無い。

（実施例１）
図４に示す光ファイバを作製し、光ファイバ増幅器に１０ｍ使用した。光ファイバのコア部は、直径が３０μｍで、イッテルビウムを２００００ｐｐｍ、及び、アルミニウムを０．４７ｍｏｌ％、ゲルマニウムを３．４ｍｏｌ％添加して、石英に対する比屈折率差（以下、単に屈折率）を０．４％とした。第２コア部は、外径が１２０μｍで、ゲルマニウムを３．４ｍｏｌ％添加して、屈折率を０．３４％とした。第１クラッド部は、外径が４００μｍで、屈折率が図４の（Ｂ）の分布となるように、フッ素を第２コア部側には添加せず、屈折率を０％とし、第２クラッド部側に５．５ｍｏｌ％添加して、屈折率を−１．７％とした。第２クラッド部は、低屈折率ポリマーを用いて、外径が５５０μｍとした。また、第２クラッド部を保護樹脂で被覆した。

なお、この光ファイバは、ＭＣＶＤ法で光ファイバ母材を作製し、それを線引することで作製した。

（比較例１）
直径３０μｍ、屈折率０．４％の第１コア部、直径１２０μｍ、屈折率０．３４％の第２コア部、直径４００μｍ、屈折率０％の第１クラッド部、低屈折率ポリマーからなる直径５５０μｍの光ファイバを作製した。コア部には、イッテルビウムを２００００ｐｐｍ、アルミニウムを０．４７ｍｏｌ％添加し、第１クラッド部は断面の形状がＤ型となるようにした。

なお、この光ファイバは、ＭＣＶＤ法で光ファイバ母材を作製した後、第１クラッド部となる部分の断面の外周の形状がＤ型となるように光ファイバ母材を加工し、その形状が変化しないように制御しながら線引することで作製した。

（比較例２）
直径が３０μｍ、屈折率０．０６％のコア部、外径４００μｍ、屈折率０％の第１クラッド部、低屈折率ポリマーから成る直径５５０μｍの光ファイバを作製した。コア部には、イッテルビウムを２０００ｐｐｍ、アルミニウムを０．４７ｍｏｌ％添加した。光ファイバの第１クラッド部にはドーパントを添加せず、屈折率が０％となる様にした。この際、第１クラッド部の屈折率は、光ファイバの径方向で一定になる様にした。また、第１クラッド部の形状は円形とした。

なお、光ファイバは、ＭＣＶＤ法で光ファイバ母材を作製し、それを線引することで作製した。

次に、実施例１及び比較例１、２の光ファイバを図３に示す光ファイバ増幅器に増幅用の光ファイバとして用いた。そして、表１に示す強度の入力信号光及び励起光を入力した。このときの出力光の出力を表１に示す。

表１に示すように、実施例１は、非常に大きな出力となり、比較例１は、出力が大きい結果となった。比較例２は、出力が非常に小さい結果となった。このことから、実施例１は、励起光がコア部を非常に効率よく励起し、比較例１は、励起光がコア部を効率よく励起していることが分かった。

本発明の光ファイバと同様に円形形状の光ファイバを用いた比較例２は、励起光がコア部を励起する効率が低くなっている。

比較例１は、本発明と同程度に効率よくコア部の励起が行われている。しかし、母材の加工、線引での外形制御と、工程が複雑化する問題がある。

実施例１の結果は、本発明の光ファイバは、断面が円形形状で、特に複雑な製造技術を必要とせず、励起光がコア部を効率よく励起できることを示している。

なお、同様の光ファイバとして、クラッド部が多角形の光ファイバも開発されているが、その製造工程はさらに複雑なものとなる。

次に、実施例１、比較例１の光ファイバを図１に示す光ファイバ増幅器に増幅用の光ファイバとして用い、この光ファイバを入射側から２ｍの点で１箇所切断して、その後、切断面同士を一般的な光ファイバ融着機を用いて融着した。そして、表２に示す強度の入力信号光及び励起光を入力した。このときの出力光の出力を表２に示す。

表２に示すように、実施例１は、出力が大きく、比較例１は、出力が小さい結果となった。このことから、実施例１は、接合部において励起光が効率よく伝播された。比較例１は、励起光が効率よく伝播されていないことが分かった。この理由ついて、図５を用いて説明する。図５は、切断前後の光ファイバの断面図を示した図であり、図４と同一又は同等の構成については、同一の参照符号を付して、説明を省略する。図５において、実線で示した１３ａは、切断した位置よりもコンバイナ側の第１クラッド部を示し、波線で示した１３ｂは、切断した位置よりも出力端側の第１クラッド部を示す。図５に示すように、実線で示した接合部の前の第１クラッド部と、点線で示した接合部の後の第１クラッド部とが、接合部の前後において、回転角方向が合わずに励起光の損失が生じていると考えられる。

本発明に係る第１の実施形態の光ファイバ増幅器を示す図である。 第１の実施形態の光ファイバ増幅器に用いる光ファイバの断面図、及び、光ファイバの屈折率分布を示す図である。 本発明に係る第２の実施形態の光ファイバ増幅器を示す図である。 第２の実施形態の光ファイバ増幅器に用いる光ファイバの断面図、及び、光ファイバの屈折率分布を示す図である。 比較例１の光ファイバの断面図である。

符号の説明

１、７・・・光ファイバ増幅器
２・・・入力端
３・・・出力端
４・・・コンバイナ
５・・・励起光源
１０、２０・・・光ファイバ
１１・・・コア部
１２・・・第２コア部
１３・・・第１クラッド部
１４・・・第２クラッド部
１５・・・保護層

Claims (3)

1. 少なくとも１種類の希土類元素が添加されたコア部と、
   前記コア部を被覆し、断面の外周の形状が円形である第１クラッド部と、
   前記第１クラッド部を被覆し、前記第１クラッド部よりも屈折率が低い第２クラッド部と、
   を備え、
   前記コア部の屈折率は、前記第１クラッド部の屈折率よりも高く、
   前記第１クラッド部において、屈折率は、前記コア部側から前記第２クラッド部側に向かって低くなり、かつ、屈折率の勾配は、前記コア部側から前記第２クラッド部側に向かって大きくなる、
   ことを特徴とする光ファイバ。
2. 前記コア部と前記第１クラッド部との間に第２コア部を更に備え、前記第２コア部の屈折率は、前記コア部の屈折率よりも低く、前記第１クラッド部の前記コア部側の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
3. 励起光が供給されることにより信号光を増幅する光ファイバ増幅器であって、
   請求項１または２に記載の光ファイバと、
   前記光ファイバに添加された希土類元素を励起する励起光を出力する励起光源と、
   前記励起光および前記信号光を前記光ファイバに供給するコンバイナと、
   を備えることを特徴とする光ファイバ増幅器。

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