JP2015507361A - Ｅｒドープト増幅器のためのフューモード光ファイバ、およびそれを使用した増幅器 - Google Patents
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Abstract
いくつかの実施の形態によれば、光ファイバは、（ｉ）３００ｐｐｍ超のＥｒ2Ｏ3および少なくとも０．５質量％のＡｌ2Ｏ3がドープされたガラスコアであって、約３μｍから約１５μｍの半径Ｒ1を有し、ガラスクラッドに対して約０．３％と２％の間の相対屈折率差分Δ1MAXを有し、１５５０ｎｍで１０μｍ2と１００μｍ2の間のＬＰ０１モードの有効面積を有し、コアが、１５５０ｎｍの波長でＸ数のＬＰモードを有する光信号の伝搬および伝送を支持できるように、ガラスコアの半径Ｒ1および屈折率が選択され、Ｘは、１より大きく２０以下である、ガラスコア；および（ｉｉ）このガラスコアを取り囲み、直接隣接したガラスクラッドを備えている。別の実施の形態によれば、光ファイバは、（ｉ）７００ｐｐｍ超のＥｒ2Ｏ3、少なくとも０．５質量％のＡｌ2Ｏ3および０から２５質量％のＧｅＯ2がドープされたガラスコアであって、３μｍ≰半径Ｒ1≰１５μｍを有し、ガラスクラッドに対して０．７％と１．５％の間の最大相対屈折率差分Δ1MAXを有し、１５５０ｎｍで５０μｍ2と１５０μｍ2の間のＬＰ０１モードの有効面積を有し、１５５０ｎｍの波長でＸ数のＬＰモードを有する光信号の伝搬および伝送を支持し、Ｘは、１より大きく２０以下である、ガラスコア；および（ｉｉ）このガラスコアを取り囲み、直接隣接したガラスクラッドを備えている。
Description
本出願は、その内容が依拠され、ここに全てが引用される、２０１２年１月１２日に出願された米国仮特許出願第６１／５８５８９６号の優先権を主張するものである。
本明細書は、概して、光ファイバに関し、より詳しくは、光増幅器に使用される、Ｅｒがドープされたフューモードの(few moded)光ファイバに関する。
典型的な光通信システムでは、光信号の伝送のためのシングルモード（ＳＭ）光ファイバ、および伝送される信号を増幅するためのシングルモードの希土類ドープトファイバを利用した光増幅器が使用される。しかしながら、マルチメディア通信用途の量と種類の爆発的な成長が、インターネットのトラフィックの速度要求を駆りたて、また基幹となる光ファイバ通信リンクの研究を刺激し続けている。モード分割多重化（ＭＤＭ）は、光ファイバの伝送容量を増加させるための魅力的な手法である。ＭＤＭにおいて、各モードが独立した情報チャンネルを搬送するフューモードを備えたる光ファイバが使用される。このようにして、情報容量は、ファイバのモード数であるＮ倍だけ増加させられる。しかしながら、長距離に亘りＭＤＭを実施するために、インラインエルビウムドープトファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が必要である。現行のＥＤＦＡは、シングルモードファイバ伝送のために設計されている。ＭＤＭシステムにシングルモードＥＤＦＡが使用される場合、入力用のフューモードの伝送ファイバからのモードは、最初に分離される必要がある。次いで、各モードは信号モードに変換され、シングルモードＥＤＦＡによって別々に増幅される。増幅後、増幅器からの出力シングルモード信号は、出力用フューモード伝送ファイバにおけるモードに戻るように変換される必要がある。このプロセスは複雑であり、費用効果的ではない。
いくつかの実施の形態によれば、光ファイバは、
（ｉ）３００ｐｐｍ超のＥｒ2Ｏ3および少なくとも０．５質量％のＡｌ2Ｏ3がドープされたガラスコアであって、約３μｍから約１５μｍの半径Ｒ1、ガラスクラッドに対して約０．３％から２％の相対屈折率差分Δ1、および１５５０ｎｍで２０μｍ2と２５０μｍ2の間のＬＰ０１モードの有効面積を有し、コアが、１５５０ｎｍの波長でＸ数のＬＰモードを有する光信号の伝搬および伝送を支持できるように、ガラスコアの半径Ｒ1および屈折率が選択され、Ｘは、１より大きく２０以下の整数である、ガラスコア；および
（ｉｉ）このガラスコアを取り囲み、直接隣接したガラスクラッド；
を備えている。
（ｉ）３００ｐｐｍ超のＥｒ2Ｏ3および少なくとも０．５質量％のＡｌ2Ｏ3がドープされたガラスコアであって、約３μｍから約１５μｍの半径Ｒ1、ガラスクラッドに対して約０．３％から２％の相対屈折率差分Δ1、および１５５０ｎｍで２０μｍ2と２５０μｍ2の間のＬＰ０１モードの有効面積を有し、コアが、１５５０ｎｍの波長でＸ数のＬＰモードを有する光信号の伝搬および伝送を支持できるように、ガラスコアの半径Ｒ1および屈折率が選択され、Ｘは、１より大きく２０以下の整数である、ガラスコア；および
（ｉｉ）このガラスコアを取り囲み、直接隣接したガラスクラッド；
を備えている。
１＜Ｘ＜２０であることが好ましい。いくつかの実施の形態によれば、前記光ファイバのコアはＧｅＯ2をさらに含んでいる。
いくつかの実施の形態によれば、光ファイバは、ガラスクラッドにより取り囲まれたガラスコアを備えている。このガラスコアは、７００ｐｐｍ超のＥｒ2Ｏ3、少なくとも０．５質量％のＡｌ2Ｏ3および好ましくは５から２５質量％のＧｅＯ2がドープされており、３μｍ≦半径Ｒ1≦１５μｍ、ガラスクラッドに対して０．７％から１．５％の最大相対屈折率差分Δ1MAX、５０μｍ2と１５０μｍ2の間のＬＰ０１モードの有効面積を有する。このガラスコアは、１５５０ｎｍの波長でＸ数のＬＰモードを有する光信号の伝搬および伝送を支持し、Ｘは、１５５０ｎｍの波長で、１より大きく２０以下（好ましくは１０以下）の整数である。このガラスクラッドは、ガラスコアを取り囲み、直接隣接しており、最大屈折率Δ4MAXを有し、ここで、ガラスコアは、Δ1MAX＞Δ4MAXとなるような最大相対屈折率Δ1MAXを有する。
先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方とも、様々な実施の形態を記載しており、請求項の主題の性質および特徴を理解するための概要または骨子を提供することが意図されているのが理解されよう。添付図面は、様々な実施の形態のさらなる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。その図面は、ここに記載された様々な実施の形態を図解しており、説明と共に、請求項の主題の原理および作動を説明する働きをする。
ここで、その実施例が添付図面に図解されている、長距離伝送ファイバとして使用するための光ファイバの実施の形態を詳しく参照する。可能ならいつでも、同じまたは類似の部品を参照するために、図面に亘り同じ参照番号が使用される。
用語法
以下の用語法は、光ファイバを説明するためにここに用いられており、様々な例示の実施の形態に関して、パラメータのいくつかが下記に導入され、定義されている。
以下の用語法は、光ファイバを説明するためにここに用いられており、様々な例示の実施の形態に関して、パラメータのいくつかが下記に導入され、定義されている。
ここに用いた「屈折率プロファイル」という用語は、ファイバの屈折率または相対屈折率と半径との関係である。
ここに用いた「相対屈折率」という用語は、
と定義され、式中、ｎ（ｒ）は、別記しない限り、半径ｒでの屈折率である。相対屈折率は、別記しない限り、１５５０ｎｍで定義されている。１つの態様において、基準屈折率ｎREFはシリカガラスの屈折率である。別の態様において、ｎREFはクラッドの最大屈折率である。ここに用いたように、相対屈折率はΔにより表され、その値は、別記しない限り、「％」の単位で与えられる。ある領域の屈折率が基準屈折率ｎREFより小さい場合、その相対屈折率パーセントは負であり、低下領域または低下屈折率を有すると称され、最小相対屈折率は、別記しない限り、相対屈折率が最も負の方向に大きい地点で計算される。ある領域の屈折率が基準屈折率ｎREFより大きい場合、その相対屈折率パーセントは正であり、その領域は、上昇している、または正の屈折率を有すると言うことができる。
ここに用いた「アップドーパント」という用語は、純粋なドープされていないＳｉＯ2に対してガラスの屈折率を上昇させるドーパントを称する。ここに用いた「ダウンドーパント」という用語は、純粋なドープされていないＳｉＯ2に対してガラスの屈折率を低下させる傾向を有するドーパントである。アップドーパントは、アップドーパントではない他のドーパント１種類以上を伴う場合、負の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在してもよい。同様に、アップドーパントではない他のドーパント１種類以上が、正の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在してもよい。ダウンドーパントは、ダウンドーパントではない他のドーパント１種類以上を伴う場合、正の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在してもよい。同様に、ダウンドーパントではない他のドーパント１種類以上が、負の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在してもよい。
ここに用いたように、光ファイバの「有効面積」Ａeffは、光がその中を伝搬する光ファイバの面積であり、
と定義され、式中、Ｅは、ファイバ中を伝搬する光に関連する電場であり、ｒはファイバの半径である。この有効面積は、別記しない限り、１５５０ｎｍの波長で決定される。
モードフィールド径（ＭＦＤ）は、シングルモードファイバ中を伝搬する光のスポットサイズまたはビーム幅の尺度である。モードフィールド径は、光源波長、ファイバのコア径およびファイバの屈折率プロファイルの関数である。ＭＦＤは、ピーターマンＩＩ法を使用して決定され、
式中、Ｅはファイバの電場分布であり、ｒはファイバの半径である。
あるモードのカットオフ波長は、あるモードが光ファイバ内を伝搬するのをそれを超えると止める最小波長である。シングルモードファイバのカットオフ波長は、光ファイバがただ１つの伝搬モードを支持する最小波長である。シングルモードファイバのカットオフ波長は、より高次のモードの中で最高のカットオフ波長に相当する。典型的に、最高のカットオフ波長は、ＬＰ１１モードのカットオフ波長に相当する。理論的カットオフ波長の数学的定義が、Single Mode Fiber Optics, Jeunhomme, pp. 39 44, Marcel Dekker, New York, 1990に与えられており、ここでは、理論的ファイバのカットオフは、モード伝搬定数が、外側クラッドにおける平面波伝搬定数と等しくなる波長と記載されている。
ここに用いたように、「フューモード(few moded)ファイバ」という用語は、シングルモードファイバよりも多いモードであるが、通常のマルチモードファイバより少ないモード（すなわち、２０以下のＬＰモード）の伝搬を支持するファイバを称する。任意の屈折率プロファイルを有する円筒対称的光ファイバにおける伝搬モードの数およびその特徴が、スカラー波動方程式（例えば、T.A. Lenahan, “Calculation of modes in an optical fiber using a finite element method and EISPACK,” Bell Syst. Tech. J., vol. 62,no. 1, p. 2663, Feb. 1983を参照のこと）を解くことによって得られる。光ファイバまたは他の誘電体導波路内を移動する光はハイブリッド型モードを形成し、これは、簡単にするために、ＬＰ（直線偏光）と通常称される。ＬＰ０ｐモードは、２つの偏光自由度を有し、２倍縮退であり、ＬＰ１ｐモードは、２つの空間自由度と２つの偏光自由度を有する４倍縮退であり、ｍ＞１のＬＰｍｐモードも４倍縮退である。ファイバ内を伝搬するＬＰモードの数を指定する場合、これらの縮退は数えない。例えば、ＬＰ０１モードのみが伝搬する光ファイバは、ＬＰ０１モードが２つの潜在的な偏光を有していても、シングルモードファイバである。ＬＰ０１およびＬＰ１１モードが伝搬するフューモード光ファイバは、ＬＰ１１モードは２倍縮退であるので、３つの空間モードを支持し、各モードも２つの潜在的な偏光を有し、合計で６つのモードを与える。それゆえ、ファイバが、２つのＬＰモードを有すると言われる場合、そのファイバは、ＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの全ての伝搬を支持することを意味する。
ここに用いた「αプロファイル」または「アルファプロファイル」という用語は、「％」の単位のΔに関して表された相対屈折率プロファイルを称し、ここで、ｒは半径であり、式
にしたがい、式中、Δ1maxはコアの最大相対屈折率であり、Ｒ1はコアの半径であり、ｒは範囲ｒi≦ｒ≦ｒf内にあり、Δは先のように定義され、ｒiはαプロファイルの開始点であり、ｒfはαプロファイルの最終点であり、αは、実数の指数である。ステップ型プロファイルについて、アルファ値は１０以上である。グレーデッド・インデックス・プロファイルについては、アルファ値は１０未満である。ここに用いた「放物型」という用語は、α＝２±０．１を有する実質的に放物形の屈折率プロファイル、並びにコアの曲率が０．１*Ｒ1から０．９５*Ｒ1の範囲に亘りα＝２±０．１により特徴付けられるプロファイルを含む。
ここに別記しない限り、ここに開示され、下記に論じられる光ファイバの上述した特性は、１５５０ｎｍで測定されるか、またはモデル化される。
図１は、本開示によるフューモード光ファイバ（「ファイバ」）１０の１つの実施の形態の断面図である。ここで、ファイバ１０の様々な例示の実施の形態が、ファイバの断面図および対応する屈折率プロファイルに関して下記に記載される。図２は、ファイバ１０の例示の実施の形態の例示の屈折率プロファイルを示している。
光ファイバ１０は、フューモードコア２０およびクラッド５０を備えている。このクラッドは、１つ以上の被覆（図示せず）により取り囲まれていてもよい。すなわち、コア２０は、１より大きく１０以下の光モードで伝搬する。すなわち、コア２０は、１５５０ｎｍの波長で、Ｘ数のＬＰモードを有する光信号の伝搬および伝送を支持し、ここで、Ｘは、１より大きく２０以下の整数であり、例えば、Ｘ＝１９、Ｘ＝１６、Ｘ＝１２、Ｘ＝１０、Ｘ＝９、Ｘ＝６、Ｘ＝４、Ｘ＝３またはＸ＝２である。開示されたフューモードのＥｒドープトファイバは、各モードが１つ以上の独立した信号チャンネルを搬送する、モード分割多重化伝送システムにおいて信号を増幅するのに適している。原則的に、モード数が大きいほど、情報容量が大きくなる。しかし、モード数が大きすぎると、モードを分離するためのモード分割多重化／逆多重化コンポーネントを設計することが難しくなる。その上、モードの間でのモード結合が問題となる。２と２０の間のモード数が、最適な選択である。モード数が２から１０であることが好ましい。コア２０の外径はＲ1であり、クラッド５０の外径はＲ4である。
コア２０は、光増幅のためにＥｒ2Ｏ3がドープされている。出願人は、フューモードのエルビウムドープトファイバ１０を設計するために、好ましくは考慮すべき組成のパラメータがいくつかあることを発見した。モード結合の可能性を減少させるために、ファイバ１０の長さを減少させることが都合よい。長さが減少した光ファイバ１０は、ガラスに適切に高いレベル、例えば、７００ｐｐｍ以上のエルビウムをドープすることによって達成することができる。純粋なシリカまたはＧｅＯ2ドープトシリカ中のエルビウムの溶解度は低く、適切に高いレベルのエルビウムが取り込まれる場合、Ｅｒイオンは、ガラスを通って均一に拡散されず、Ｅｒ−Ｅｒ相互作用およびより低いポンピング効率がもたらされる。コア２０におけるＥｒの溶解度を増加させる、それゆえ、ファイバのコアの要求される区域内のＥｒ分布の均一性を増加させるために、融剤としてＡｌ2Ｏ3がガラス中に取り込まれて、より均一なＥｒイオン分布を得ることが好ましい。１〜３質量％の比較的低レベルのＡｌ2Ｏ3がこの目的を果たすことができるが、１）より幅広い利得スペクトルをもたらすＥｒイオン環境に影響を与えるために、７質量％超のＡｌ2Ｏ3、および２）より高いＡｌ2Ｏ3レベルの取込みに関する溶解度の問題のために、１０質量％未満のＡｌ2Ｏ3を有することが好ましい。シリカ系ファイバ１０において、屈折率変更ドーパントの取込みにより所望のデルタ対半径を有するフューモードファイバのプロファイルを得るために、組成配分の好ましい優先度がある。第一に、適切なレベルのＥｒ2Ｏ3は、その屈折率の寄与が割り当てられることが好ましく、第二に、目標のレベルのＡｌ2Ｏ3は、屈折率の寄与が割り当てられることが好ましい。目標のプロファイルの形状に応じて、残りのデルタ寄与は、適切な屈折率変更ドーパント、例えば、Ｇｅ（デルタを上昇させる必要がある場合には）、またはコアデルタを減少させる必要がある場合には、ダウンドーパントにより満たされるべきである。より詳しくは、ダウンドーパントとしての使用について、エルビウム発光波長範囲におけるホウ素形成吸収のために、フッ素が好ましいドーパントである。アップドーパントについて、Ｅｒ発光スペクトルへの影響が最小であり、ほとんどのシリカ製造施設において容易に入手できるので、ＧｅＯ2の使用が好ましい。ファイバ製造の当業者には、希土類発光への影響が設計に対して考慮されている限り、他のアップドーパント（Ｐ、Ｔｉ、Ｃｌ、Ｇａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａなど）を同様に取り込んでも差し支えないことが認識されるであろう。Ｅｒ2Ｏ3のドーピング濃度は、好ましくは３００ｐｐｍ超、より好ましくは５００ｐｐｍ超、さらにより好ましくは７００ｐｐｍ超であり、かつ５０００ｐｐｍ未満（例えば、１０００ｐｐｍから３０００ｐｐｍ、または１０００から１５００ｐｐｍ）である。Ｅｒイオン間の潜在的に有害な相互作用を最小にするために、および／または増幅帯域幅を増加させるために、Ａｌ2Ｏ3をコア２０に加える、および／またはコア全体に亘りＥｒを均一に分散させることが好ましい。Ａｌ2Ｏ3の濃度は、好ましくは０．５質量％超、より好ましくは２％超、さらにより好ましくは６％と１０％の間である。コアの屈折率プロファイルが図２Ａに示されている。このプロファイルの形状は、αプロフと記述することができる。コアの屈折率プロファイルは、ステップ型プロファイル（α＞１０）であっても、またはグレーデッド・インデックス型プロファイル（α＜１０）であっても差し支えない。例えば、グレーデッド・インデックス型コアの実施の形態において、アルファ値は、１５５０ｎｍの波長で、約１．８以上かつ約２．２以下であってよい。コアにおいて所望の相対屈折率の増加を達成するために、コア２０にＧｅＯ2を加えても差し支えない。ＧｅＯ2が利用される場合、コア２０へのＧｅＯ2の濃度は、好ましくは５から２５質量％、より好ましくは１０から２５質量％である。コアの差分は、ガラスクラッドに対して、０．３から２％、より好ましくは０．４から１．５％（例えば、０．６％、０．７％、０．８％、１％、１．２５％、またはそれらの間）である。コアの半径Ｒ1は、３μｍ≦Ｒ1≦１５μｍの範囲にある。コアの半径Ｒ1は、１５５０ｎｍの波長で少なくとも２つのモードを支持するために、コアの差分にしたがって選択される。ＬＰ１１モードのカットオフが２０００ｎｍ超であることが好ましく、２５００ｎｍ超がより好ましい。ファイバの開口数ＮＡは、０．１５超かつ０．３未満、例えば、０．１５と０．２５の間、または０．１８と０．２２の間、もしくは０．１５と０．２の間である。ＬＰ０１モードの有効面積は、より高いコア差分のための２０μｍ2（例えば、２０μｍ2、３０μｍ2、４０μｍ2またはそれらの間の任意の数）と、２００μｍ2（より低いコア差分のため）との間、例えば、２０μｍ2と７０μｍ2との間、または２５μｍ2と６０μｍ2との間、もしくは２５μｍ2と５０μｍ2との間であってよい。
コアプロファイル設計の別の実施の形態が、図２Ｂに示されている。この図面に示されているように、この実施の形態においては、ガラスクラッドは、低屈折率環層５３およびフューモードガラスコア２０を取り囲み、直接接触した随意的な内側クラッド層５２を備えている。内側クラッド層５２は、Δ1MAX≧Δ2となるような相対屈折率Δ2を有してよく、ここで、Δ1MAXはコア２０の最大屈折率差分（外側クラッドに対して）であり、Δ2は内側クラッド層５２の屈折率差分である。ここに定義されるように、狭い中心線の急な山形を有する実施の形態において、Δ1MAXは、この急な山形の外側で、すなわち、中心線から約０．５μｍの距離で測定される。低屈折率環５３が、内側クラッド層を取り囲み、直接接触しても、あるいは、コア２０を取り囲み、直接接触してもよい。低屈折率環５３が、−０．２％未満、例えば、−０．２５％未満、−０．３％または−０．６％未満、もしくは−０．６％＜Δ環MIN＜−０．２％の最小相対屈折率差分Δ環MINを有することが好ましい。外側クラッド層５４が、低屈折率環を取り囲み、直接接触してもよい。Δ1MAX＞Δ4MAX＞Δ3MINとなるように、低屈折率環５３は外側クラッド層に対して最小相対屈折率Δ3MINを有し、外側クラッド層５４は純粋なシリカガラスに対して最大相対屈折率Δ4MAXを有する。この実施の形態において、低屈折率環５３は、中心コア２０とクラッド層５４との間に配置されている。コアは、図２Ａにおいて先に記載されたコア設計と似ている。上述したように、環５３は、中央コア２０と隣接していても差し支えなく（図示せず）または図２Ｂに示されるように、中央コアからずれた空間を有している。ずれＲ2−Ｒ1（内側クラッド層５２の幅）は、０から１５μｍである。環層５３の相対屈折率差分Δ3は、−０．１５％から０％である。図２Ｂに示された実施の形態において、低屈折率環５３は、Ｒ2の出発半径と、終わりの半径Ｒ3を有する。低屈折率環は、Δ3MINの屈折率変化、およびＲ3−Ｒ2の環幅Ｗを有する。この環は、ＦまたはＢなどの屈折率低減ドーパントがドープされたガラスから製造することができる。Δ3MINが−０．１％と−０．７％の間であることが好ましく、−０．３％と−０．５％の間がより好ましい。環幅Ｗが２から８μｍであることが好ましく、４から６μｍであることがより好ましい。この実施の形態において、低屈折率環５３の屈折率プロファイルの断面は矩形であるが、低屈折率環の相対屈折率プロファイルは、ファイバの設計における追加のモードフィールド制御のために、三角形または放物形のような他の形状のものであって差し支えない。
表１および２は、光ファイバ１０の１４のモデルのプロファイル例のパラメータを提供する。実施例１〜１０は、図２Ａに示されたような単純なコア設計を有し、実施例１１〜１４は、コアと低屈折率環を持つプロファイルを有している。実施例１〜７はステップ型屈折率コアを有しているのに対し、実施例８〜１４はグレーデッド・インデックス型コアを有している。
図３は、ＯＶＤプロセスを使用して製造したＥｒドープトフューモードファイバの２つの例示の実施の形態のプロファイルを示している。両方のファイバについて、コア中のＥｒ2Ｏ3のドーピング濃度は約１３００ｐｐｍであり、コア中のＧｅＯ2のドーピング濃度は約１３％であり、コア中のＡｌ2Ｏ3のドーピング濃度は約７．９％である。得られた最大コア屈折率差分は約１．３８％である。ファイバの光学パラメータはコアの半径に依存する。図３の例示の実施の形態１（実線の曲線参照）について、コア半径は３．４μｍであり、図３の例示の実施の形態２（点線の曲線）について、コア半径は４．２μｍである。図３に示された両方のファイバの実施の形態は、Ｅｒおよび少なくとも０．５質量％のＡｌ2Ｏ3がドープされたフューモードコア２０、およびそのコアを取り囲み、直接隣接した内側クラッド層５２を備えている。いくつかの実施の形態において、内側クラッドは、比較的平らな相対屈折率プロファイル（図２Ｂに示されるような）を有しているが、図３は、内側クラッド領域５２の相対屈折率が、半径の増加と共に減少してもよいことを示している。これらの２つの実施の形態において、領域５２の外径Ｒ２は約２０μｍである。図３の実施の形態では、低屈折率環が利用されていないが、２０μｍから６２．５μｍの半径まで延在する外側クラッド５４（図示せず）が利用されている。上述したように、ここに定義されるように、狭い中心線の急な山形（図３に示されるような）を有するファイバの実施の形態において、Δ1MAXは、この急な山形の外側で、すなわち、中心線から約０．５μｍの距離で測定される。それゆえ、図３の２つの実施の形態について、Δ1MAXは１．４％である。プリフォームにおいて測定された屈折率プロファイルに基づく計算された光学的性質が、下記の表３に纏められている。
光ファイバ１０の実施の形態は、フューモード伝送ファイバにより提供される各モードの光信号を増幅することができ、ＭＤＭシステムのためのフューモード光増幅器を製造するのに適している。
いくつかの実施の形態によれば、光増幅器は、Ｅｒドープトフューモード光ファイバ１０、このＥｒドープトフューモード光ファイバに光学的に結合された少なくとも１つのポンプ光源、および光信号をＥｒドープトフューモード光ファイバに提供するためにその光ファイバに結合された少なくとも１つの光カプラーを備えている。それゆえ、この光カプラーは、フューモード伝送ファイバから、この実施の形態においてはＥｒドープトフューモード光ファイバである増幅ファイバに光を結合することができる。別の光カプラーは、増幅された光（いくつかの増幅モード）を、この実施の形態においてはＥｒドープトフューモード光ファイバであるフューモード伝送ファイバに結合することができる。それゆえ、増幅後、増幅する必要のある多数のモードは、１つの光増幅器によって増幅できることが都合よい。また、シングルモード（ＳＭ）増幅ファイバを利用する増幅器により行われたように、増幅器からの入力シングルモード信号は、出力フューモード伝送ファイバにおけるモードに変換して戻す必要がないことも都合よい。
図４は、フューモード光増幅器１００を示している。この光増幅器１００は、複数のポンプ光源１１０（例えば、レーザダイオードＬＤ1、ＬＤ2、・・・ＬＤn）、光カプラー１２０、およびＥｒドープトフューモードファイバ１０を備えている。Ｅｒドープトファイバ１０の長さは、光ファイバ１０の利得係数に応じて、数メートル（例えば、１から２ｍ）から数百メートル（例えば、３００ｍ）である。ポンプレーザダイオードＬＤ1からＬＤnは、光カプラー１１１を通じてファイバ１０３に光学的に結合されており、次いで、フューモードファイバ１０におけるモードの全てを励起するために、光カプラー１１２を通じてフューモードのＥｒドープト光ファイバ１０に結合されて、ポンプ光を提供している。ポンプ光およびフューモード伝送ファイバ１２０からの光信号は、組み合わされ、光カプラー１１２を通じてＥｒドープトフューモードファイバ１０に結合される。Ｅｒドープトフューモードファイバ１０は、ポンプ光を吸収し、エネルギーを光信号に伝達して、それらを増幅する。各モードの光学利得は、ポンプ波長で各モードのポンプ出力を調節することによって、調節することができる。１５３０から１６１０ｎｍの波長の波長域において平らな利得スペクトルを達成するために、随意的な光学フィルタを光ファイバ１０の出力に配置しても差し支えない。
図示され、ここに記載された実施の形態において、コア２０は、純粋なシリカガラス（ＳｉＯ2）、または純粋な未ドープのシリカガラスに対してガラスコアの屈折率を上昇させるドーパントを１種類以上有するシリカガラスから構成されている。コアの屈折率を上昇させるのに適したドーパントとしては、制限するものではなく、ＧｅＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、および／またはそれらの組合せが挙げられる。
クラッド５０は、純粋なシリカガラス（ＳｉＯ2）、または１種類以上のドーパントを有するシリカガラスから構成されていてもよい。クラッドは、１つ以上の領域、例えば、内側クラッドおよび外側クラッドを有してもよい。コア２０の最大相対屈折率［Δ1MAX］がクラッド５０の最大相対屈折率［Δ4MAX］よりも大きい限り、クラッドは、クラッドが「アップドープされている」場合などの、屈折率を上昇させるドーパント（例えば、ＧｅＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、および／またはＴａ2Ｏ5）、またはクラッドのある領域（例えば、内側クラッド）が「ダウンドープされている」場合などの、フッ素などの、屈折率を低減させるドーパントを含んでもよい。例えば、１つの実施の形態において、クラッド５０は純粋なシリカガラスである。
光ファイバ１０は、外側環状クラッド領域を取り囲み接触した一次被覆６２、および二次被覆６４を備えてもよい。例示の一次被覆６２は、０．３５ＭＰａ未満の、好ましくは０．３ＭＰａ未満の、より好ましくは０．２５ＭＰａ未満の、好ましい実施の形態において、０．２ＭＰａ以下のその場(in situ)弾性率を有する。例示の一次被覆６２は、−３５℃未満の、好ましくは−４０℃未満の、より好ましくは−４５℃未満の、好ましい実施の形態においては、−５０℃以下のその場(in situ)ガラス転移温度を有する。その場弾性率が低い一次被覆は、ファイバ内を伝搬するモード間の結合機構であるマイクロベンドを減少させる。光ファイバ１０は、可能な最小の設置面積でファイバ増幅器を提供するために、きつく曲げられた状態でパッケージされるかもしれないので、光ファイバ１０におけるマクロベンド損失を減少させることが好ましい。二次被覆６４は、一次被覆６２を取り囲み、接触している。二次被覆６４は、１２００ＭＰａ超の、好ましくは１３００ＭＰａ超の、より好ましくは１４００ＭＰａ超の、好ましい実施の形態において、１５００ＭＰａ超のその場弾性率を有する。その場弾性率が高い二次被覆は、ファイバ内を伝搬するモード間の結合機構であるマイクロベンドを減少させる。
一次被覆６２は、好ましくは約４０μｍ未満の、より好ましくは約２０μｍから約４０μｍの、最も好ましくは約２０μｍから約３０μｍの厚さを有する。一次被覆６２は、典型的に、以下により詳しく記載されるように、ガラスファイバに施され、その後、硬化される。上述したタイプの酸化防止剤、接着促進剤、ＰＡＧ化合物、光増感剤、担体界面活性剤、粘着付与剤、触媒、安定剤、表面剤、および光学的光沢剤を含む、一次被覆の１つ以上の性質を向上させる様々な添加剤が存在してもよい。
数多くの適切な一次被覆組成物が、例えば、Chien等の米国特許第６３２６４１６号、Winningham等の米国特許第６５３１５２２号、Fewkes等の米国特許第６５３９１５２号、Winninghamの米国特許第６５６３９９６号、Fewkes等の米国特許第６８６９９８１号、Baker等の米国特許第７０１０２０６号および同第７２２１８４２号、並びにWinninghamの米国特許第７４２３１０５号の各明細書に開示されており、それらの各々が全てここに引用される。
外側（または二次）被覆材料に使用するたの他の適切な材料、並びにこれらの材料の選択に関連する検討事項が、当該技術分野においてよく知られており、Chapinの米国特許第４９６２９９２号および同第５１０４４３３号の各明細書に記載されており、それらの各々が全てここに引用される。
本発明の光ファイバは、ガラスファイバおよびその被覆の調製のための従来の線引き塔技術を使用して調製できる。手短に言えば、本発明による被覆光ファイバを製造するプロセスは、所望の構造を有するコアとクラッドを備えたガラスファイバを製造する工程、そのガラスファイバを一次被覆組成物（６２）、外側被覆組成物（６４）で被覆する工程、次いで、全ての被覆を同時に硬化させる工程を含む。これは、ウェット・オン・ウェットプロセスとして知られている。必要に応じて、その後に施される被覆組成物の各々は、被覆ファイバに、下にある被覆を重合させる前または後のいずれに施しても差し支えない。その後に施される被覆を施す前に、下にある被覆を重合させることは、ウェット・オン・ドライプロセスとして知られている。ウェット・オン・ドライプロセスを使用する場合、追加の重合工程を利用しなければならない。
局所的にかつ対照的に、例えば、約２０００℃の温度に加熱された特別に調整された円柱状プリフォームからガラスファイバを線引きすることがよく知られている。プリフォームを炉に供給して通すことなどによって、プリフォームが加熱されながら、溶融材料からガラスファイバが線引きされる。プリフォームからガラスファイバが線引きされた後に、好ましくは冷却の直後に、ガラスファイバに一次、中間、および二次被覆組成物が施される。次いで、これらの被覆組成物は硬化されて、被覆光ファイバが製造される。硬化方法は、ガラスファイバ上の未硬化被覆組成物を紫外線または電子ビームに曝露することによって行われることが好ましい。線引きプロセス後にいくつかの被覆組成物を連続して施すことがしばしば都合よい。移動しているガラスファイバに被覆組成物の二重層を施す方法が、Taylorの米国特許第４４７４８３０号およびRennell等の米国特許第４８５１１６５号の各明細書に開示されており、それらの各々をここに全て引用する。
この実施の形態において、ファイバ被覆６０は、クラッド５０に隣接し、取り囲んでおり、クラッド５０と接触し、取り囲む一次被覆６２および二次被覆６４の少なくとも２つの層を備えている。１つの例示の実施の形態において、一次被覆６２は、約０．３５ＭＰａ未満のその場弾性率、約−３５℃未満のその場ガラス転移温度を有し、二次被覆６４は、一次被覆６２を取り囲み、１２００ＭＰａ超のその場弾性率を有する。
この実施の形態において、コア２０は、約３μｍから約１５μｍ（例えば、４μｍから１２μｍ）の半径Ｒ1を有し、ガラスクラッド５０（またはその外側クラッド層５４）に対して約０．２％から約０．５５％の最大相対屈折率Δ1MAXを有することが好ましい。例えば、Δ1MAXは、例えば、０．４５％であってよく、Ｒ1は約１０μｍであってよい。また、例えば、Δ1MAXは０．３５％であってよく、Ｒ1は約１１μｍであってよく、もしくはΔ1MAXは０．５５％であってよく、Ｒ1は約９μｍであってよい。コア２０は、１５５０ｎｍの波長で、１．８超かつ約２．７未満のアルファ値を有するグレーデッド・インデックスを備え、Δ3MIN＜−０．１％であることが好ましい。いくつかの実施例において、コア２０は、１５５０ｎｍの波長で、２．３超かつ約２．７未満のアルファ値を有するグレーデッド・インデックスを備え、Δ2MIN＜−０．１％である。低屈折率環５３とコア２０との間の間隔（クラッド領域５３の厚さ）、Ｒ2−Ｒ1は、２ｍｍ超であることが好ましく、例えば、Ｒ2−Ｒ1＞３μｍ、Ｒ2−Ｒ1＞４μｍ、またはＲ2−Ｒ1＞５μｍである。低屈折率環５３が最小相対屈折率差分Δ3MIN＜−０．２％を有することが好ましく、例えば、Δ3MIN＜−０．２５％、Δ3MIN＜−０．３％、もしくは−０．６％＜Δ3MIN＜−０．２％である。これらの実施の形態において、低屈折率環５３は、純粋なシリカガラスのものより低い相対屈折率差分を有する（純粋なシリカに対してダウンドープされている）。光ファイバ１０のいくつかの実施の形態では、内側クラッド５２および外側クラッド５４が利用されているが、低屈折率環５３は有していないことにも留意されたい。少なくともいくつかの実施の形態において、外側クラッド５４は純粋な（未ドープの）シリカである。
ＬＰ０１有効面積Ａeffは、１５５０ｎｍで、約２０μｍ2超かつ約２５０μｍ2未満であり、ＬＰ１１の理論的カットオフ波長は約２０００ｎｍ超であることが好ましい。ＬＰ０１有効面積Ａeffが、１５５０ｎｍで、約２０μｍ2超かつ約２００μｍ2未満であることがより好ましい。ＬＰ０１有効面積Ａeffが、１５５０ｎｍで、約２５μｍ2超かつ約１５０μｍ2未満であることが最も好ましい。ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの間の相対遅延は、１５５０ｎｍの波長で約０．５ｎｓ／ｋｍ未満であることが好ましい。いくつかの例示の実施の形態において、ＬＰ１１モードの相対遅延（ＬＰ０１モードに対する）は、０．２５ｎｓ／ｋｍ未満であり、いくつかの実施例において、０．１ｎｓ／ｋｍ未満である。これらの例示の実施の形態において、ＬＰ０１モードの減衰は０．２ｄＢ／ｋｍ未満である。
いくつかの実施の形態によれば、ＭＰＩは、１５５０ｎｍの波長で、−２０ｄＢ未満である。他の実施の形態によれば、ＭＰＩは、１５５０ｎｍの波長で、−２５ｄＢ未満であり；他の実施の形態によれば、ＭＰＩは、１５５０ｎｍの波長で、−３０ｄＢ未満であり；他の実施の形態によれば、ＭＰＩは、１５５０ｎｍの波長で、−３５ｄＢ未満である。いくつかの実施の形態において、ＭＰＩは、１５５０ｎｍの波長で、−２０ｄＢ未満であり、ＬＰ１１モードの理論カットオフは２．４μｍより大きい。他の実施の形態によれば、ＭＰＩは、１５５０ｎｍの波長で、−２５ｄＢ未満であり、ＬＰ１１モードの理論カットオフは２．２５μｍより大きい。他の実施の形態によれば、ＭＰＩは、１５５０ｎｍの波長で、−３０ｄＢ未満であり、ＬＰ１１モードの理論カットオフは２．１５μｍより大きい。他の実施の形態によれば、ＭＰＩは、１５５０ｎｍの波長で、−３５ｄＢ未満であり、ＬＰ１１モードの理論カットオフは２．０μｍより大きい。
請求項の主題の精神および範囲から逸脱せずに、ここに記載された実施の形態に様々な改変および変更を行えることが当業者に明白であろう。それゆえ、本明細書は、ここに記載された様々な実施の形態の改変および変更を、そのような改変および変更が添付の特許請求の範囲およびその同等物の範囲内に入るという条件で、包含することが意図されている。
１０，１０３，１２０ 光ファイバ
２０ コア
５０ クラッド
１００ 光増幅器
１１０ ポンプ光源
１１１，１１２ 光カプラー
２０ コア
５０ クラッド
１００ 光増幅器
１１０ ポンプ光源
１１１，１１２ 光カプラー
Claims (8)
- 光ファイバにおいて、
（ｉ）３００ｐｐｍ超のＥｒ2Ｏ3および少なくとも０．５質量％のＡｌ2Ｏ3がドープされたガラスコアであって、約３μｍから約１５μｍの半径Ｒ1、ガラスクラッドに対して０．３％から２％の最大相対屈折率差分Δ1MAX、および１５５０ｎｍで１０μｍ2と１００μｍ2の間のＬＰ０１モードの有効面積を有し、該ガラスコアが、１５５０ｎｍの波長でＸ数のＬＰモードを有する光信号の伝搬および伝送を支持できるように、該ガラスコアの半径Ｒ1および屈折率が選択され、Ｘは、１より大きく２０以下の整数である、ガラスコア；および
（ｉｉ）前記ガラスコアを取り囲み、直接隣接したガラスクラッド；
を備え、
前記ガラスコアが、Δ1MAX＞Δ4MAXとなるような最大相対屈折率Δ1MAXを有する、光ファイバ。 - 光ファイバにおいて、
（ｉ）７００ｐｐｍ超のＥｒ2Ｏ3、少なくとも０．５質量％のＡｌ2Ｏ3および０から２５質量％のＧｅＯ2がドープされたガラスコアであって、３μｍ≦半径Ｒ1≦１５μｍ、ガラスクラッドに対して０．７％から１．５％の最大相対屈折率差分Δ1MAX、および１５５０ｎｍの波長で５０μｍ2と１５０μｍ2の間のＬＰ０１モードの有効面積を有し、１５５０ｎｍの波長でＸ数のＬＰモードを有する光信号の伝搬および伝送を支持し、Ｘは、１５５０ｎｍの波長で、１より大きく２０以下の整数である、ガラスコア、および
（ｉｉ）前記ガラスコアを取り囲み、直接隣接したガラスクラッド、
を備え、
前記ガラスコアは、Δ1MAX＞Δ4MAXとなるような最大相対屈折率Δ1MAXを有する、光ファイバ。 - 前記コアが内側クラッドおよび外側クラッドにより取り囲まれており、該内側クラッドが純粋なシリカよりも大きい相対屈折率差分を有する、請求項２記載の光ファイバ。
- 前記コアが内側クラッドおよび外側クラッドにより取り囲まれており、該内側クラッドが該外側クラッドよりも大きい屈折率を有し、前記コア中のＡｌ2Ｏ3の濃度が６％と１０％の間であることが好ましい、請求項２または３記載の光ファイバ。
- 前記コアの屈折率プロファイルが、（ｉ）約２．０μｍ超のＬＰ１１モードの理論カットオフ波長および１５５０ｎｍで１１０μｍ2超のＬＰ０１の有効面積；および／または（ｉｉ）約２．５μｍ超のＬＰ１１モードの理論カットオフ波長を提供するように構成されている、請求項１から４いずれか１項記載の光ファイバ。
- ステップ型屈折率プロファイルを有する、請求項１から５いずれか１項記載の光ファイバ。
- 前記ファイバが一次被覆および二次被覆を備え、該一次被覆が約０．３５ＭＰａ未満のその場弾性率を有し、該二次被覆が、前記一次被覆を取り囲み、１２００ＭＰａ超のその場弾性率を有する、請求項１から６いずれか１項記載の光ファイバ。
- 光増幅器において、
（ｉ）請求項１から７いずれか１項記載の光ファイバ、および
（ｉｉ）前記光ファイバに光学的に結合された少なくとも１つのポンプ光源、および光信号を前記光ファイバに提供するための該光ファイバに結合された少なくとも１つの光カプラー、
を備えた光増幅器。
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