JP4142422B2

JP4142422B2 - 光ファイバ

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Publication number: JP4142422B2
Application number: JP2002362240A
Authority: JP
Inventors: 景一相曽
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: JP2003318473A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等に用いられ、主に光増幅器に適用される光増幅用の光ファイバに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
情報社会の発展により、通信情報量が飛躍的に増大する傾向にあり、このような情報の増大化に伴い、伝送容量を増大させる技術の検討が盛んに行われている。それに伴い、波長分割多重伝送（ＷＤＭ）システムにおける大容量化（チャンネル数の増大、伝送帯域の拡大）が進行している。
【０００３】
波長分割多重伝送は、複数の波長の光を１本の光ファイバで伝送する方式であり、波長分割多重伝送路における大容量化のためには、信号光を増幅する光ファイバアンプの広帯域化の実現が不可欠である。
【０００４】
光増幅用光ファイバとして、エルビウム（Ｅｒ）添加光ファイバが適用され、波長分割多重伝送システムにおけるキーデバイスとして大きな役割を担っている。
【０００５】
従来のＥｒ添加光ファイバは、図９に示すように、コア部１の外周側をコア部１より屈折率が小さいクラッド部５により覆って形成されている。コア部１の屈折率プロファイルはステップインデックス型であり、コア部１には希土類元素であるＥｒが添加されている。なお、同図に示すように、本明細書の図面において、コア部１の直径はａで示しており、ステップインデックス型の光ファイバにおけるコア部１の直径ａは、コア部１においてΔ１／１０となる位置を結ぶ線の長さと定義している。
【０００６】
Ｅｒ添加光ファイバの利得帯域は、伝送媒体である石英系光ファイバの最低損失帯（波長１５５０ｎｍを中心とした帯域）と一致する。また、Ｅｒ添加光ファイバの利得帯域は、Ｅｒを添加するホストガラスが石英系のホストガラスであっても、高い増幅効率を有する。なお、Ｅｒ添加光ファイバの利得帯域の中心は、Ｃ−ＢＡＮＤと呼ばれる波長１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍである。
【０００７】
ところで、近年の波長分割多重伝送における帯域拡大の要求の高まりに呼応して、伝送光の波長帯域が、前記Ｃ−ＢＡＮＤに加え、Ｌ−ＢＡＮＤと呼ばれる波長１５７０ｎｍ〜１６００ｎｍの波長帯まで拡大している。
【０００８】
従来のＣ−ＢＡＮＤ用に開発されてきたＥｒ添加光ファイバは、Ｌ−ＢＡＮＤ用に適用できるが、Ｃ−ＢＡＮＤ用Ｅｒ添加光ファイバは、Ｌ−ＢＡＮＤにおける単位長さあたりの利得がＣ−ＢＡＮＤにおける利得よりも小さい。そのため、Ｃ−ＢＡＮＤ用Ｅｒ添加光ファイバによって、Ｃ−ＢＡＮＤにおける利得と同等の利得をＬ−ＢＡＮＤで得るためには、数倍から１０倍程度の長さのＥｒ添加光ファイバが必要となる。（例えば、後述の文献１参照）
【０００９】
また、波長分割多重伝送の大容量化に伴うチャンネル数の増加は、Ｅｒ添加光ファイバに入力する信号光強度の増大をもたらす。そのため、Ｅｒ添加光ファイバには、より高い飽和出力が求められるようになってきている。（例えば、後述の文献２参照）
【００１０】
このようなＥｒ添加光ファイバの長尺化とＥｒ添加光ファイバ中での信号光強度の増大は、これまでは無視できるレベルであった４光波混合（ＦＷＭ）や相互位相変調（ＸＰＭ）といった、Ｅｒ添加光ファイバ型光増幅器中での非線形現象を発現させるに至っている。（例えば、後述の文献３，４参照）
【００１１】
このような非線形現象を抑制するためには、Ｅｒ添加光ファイバの利得係数（単位長さあたりの利得）を増加させることが有効である。利得係数は、次式（１）で表すことができる。
【００１２】
Ｇ(λ)＝α(λ)・[ｎ_２・｛σ_ｅ(λ)／σ_ａ(λ)＋１｝−１］ …（１）
【００１３】
ここで、λは波長である。Ｇ（λ）は利得係数であり、単位はｄＢ／ｍ、α（λ）は吸収係数（光増幅のための希土類元素添加光ファイバの吸収係数のことであり、ここではＥｒ添加光ファイバの吸収係数）である。この吸収係数の単位はｄＢ／ｍである。
【００１４】
また、σ_ａ（λ）は吸収断面積、σ_ｅ（λ）は誘導放出断面積、ｎ_２はＥｒ密度に対するレーザ上準位密度の割合である。利得係数、吸収係数、吸収断面積、誘導放出断面積は、それぞれ波長依存性を有しており、それぞれの値は、波長λに応じて異なる。
【００１５】
式（１）における誘導放出断面積、吸収断面積の比は、ホストガラスに依存し、ｎ_２は励起条件（反転分布度）によって決定される。したがって、利得係数を向上させるためには、吸収係数α（λ）を増加させればよい。
【００１６】
この吸収係数は、Ｅｒ添加濃度と、Ｅｒ分布領域と伝搬光のモード分布との重なり積分とに比例する。このため、Ｅｒ添加光ファイバにおける利得係数増大のため、Ｅｒ添加濃度と上記重なり積分を増大させる手法がとられている。（例えば、後述の文献５参照）
【００１７】
また、非線形現象を抑制する別の手法として、波長分散の絶対値を大きくする方法がある。４光波混合の発生効率は、信号光波長域にゼロ分散波長が存在すると位相整合によって急激に増大することが知られている。そのため、４光波混合の発生効率を低減させるために、信号波長における波長分散の絶対値を大きく設定し、位相整合させないようにすることが一般的に行われている。（例えば、後述の文献６参照）
【００１８】
［文献１］
K.P.Hansen, et al.,”Design optimisation of erbium-doped fibres for use in L-band amplifiers”,Electronics Letters, 2000, Vol.36, p.1685-1686
［文献２］
Y. Tashiro, et al.:”1.5 W Erbium Doped Fiber Amplifier Pumped by the Wavelength Division-Multiplexed 1480 nm Laser Diodes with Fiber Bragg Grating”, Technical Digest, Optics Amplifiers and their Applications, 1998, WC-2
［文献３］
S. Radic et al., ”Signal Impairment due to Four-Wave Mixing in L- Band EDFAs ”, European Conference on Optical Communication, 1999, PD1-11
［文献４］
M. Eiselt et al., ”Cross-Phase Modulation in an L-Band EDFA ”, Photonics Technology Letters, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1999, vol. 11, pp. 1575-1577
［文献５］
S. Ishikawa, et al., ”High Gain Per Unit Length Silica-Based Erbium Doped Fiber for 1580nm Band Amplification”, Optics Amplifiers and their Applications, 1998, TuC4
［文献６］
N. Shibata, et al., ”Experimental verification of efficiency of wave generation through four-wave mixing in low-loss dispersion-shifted single-mode optical fibre”, Electronics Letters, 1988, Vol. 24, pp. 1528-1529
［文献７］
R.I.LAMING, .N.PAYNE .MELI,G.GRASSO E.J.TARBOX,”SATURATED ERBIUM-DOPED FIBRE AMPLIFIERS”, Technical Digest, Optics Amplifiers and their Applications,1990,MB3
［文献８］
K.Aiso et al., ”Erbium Lanthanum co-doped fiber for L-band amplifier with high efficiency, low non-linearity and low NF”, Optical Fiber Communication Conference and Exhibit,2001,TuA6
［特許文献１］
米国特許第６４６３２０１号明細書
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＥｒ添加光ファイバにおいては、濃度消光に起因して、添加可能なＥｒ濃度の上限が存在している。なお、濃度消光とは添加元素（ここではＥｒ）の濃度増加に伴い、Ｅｒイオン間の距離が縮まり、イオン間相互作用が発生することでエネルギーロスが生じる現象である。
【００２０】
濃度消光抑制効果があるＡｌを添加したＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２ホストの場合、Ｅｒ添加濃度が、１０００ｗｔｐｐｍ程度を越えると、濃度消光により励起光から信号光への変換効率低下が発生し始めると言われている。従って、この交換効率の低下と吸収係数の増加等の全体的バランスからＥｒ濃度は選ばれるが、１０００ｗｔｐｐｍを大幅に越えることはできない。
【００２１】
一方、Ｅｒ分布領域と励起光のモード分布との重なり積分は、Ｅｒをコア部全域に添加すると共に、カットオフ波長を長波長側にシフトさせることによって増加させることができる。カットオフ波長を長波長側にシフトさせるには、コア部径を大きくすることが有効である。
【００２２】
しかしながら、カットオフ波長は、励起光や信号光のシングルモード条件を満足させるために、励起光や信号光の波長以下に設定しなければならない。したがって、カットオフ波長の長波長化による上記重なり積分の増大にも上限がある。
【００２３】
以上のように、従来のＥｒ添加光ファイバにおいては、Ｅｒ添加濃度にも、Ｅｒ分布領域と励起光のモード分布との重なり積分にも上限があるため、吸収係数増大による利得係数の向上には限界が存在していた。
【００２４】
また、Ｅｒ添加光ファイバにおけるコア部のクラッド部に対する比屈折率差、カットオフ波長は増幅特性の向上の観点から決定される。そして、波長分散は、上記比屈折率差およびカットオフ波長によって一義的に決まるので、その調整の自由度は低い。したがって、従来のＥｒ添加光ファイバは、波長分散の絶対値を大きくすることにも限界があった。
【００２５】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、従来のＥｒ添加光ファイバに比べてＥｒ添加光ファイバの吸収係数が大きく、非線形現象を抑制可能な、広波長帯域の光増幅用として適した光ファイバを提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、本発明の１つの側面は、少なくとも一種類の希土類元素が添加されたコア部と、該コア部の外周側に設けられて該コア部より屈折率が小さい第１クラッド部と、該第１クラッド部の外周側に設けられて該第１クラッド部より屈折率が大きく、かつ、前記コア部より屈折率が小さい第２クラッド部とを有する構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２７】
一実施例では、前記コア部の屈折率分布をα分布型プロファイルとしている。
【００２８】
本発明の他の側面では、少なくとも一種類の希土類元素が添加されたコア部と、該コア部の外周側に設けられて該コア部より屈折率が小さいクラッド部とを有し、前記コア部の屈折率分布をα分布型プロファイルとしている。
【００２９】
一実施例では、前記コア部に添加した希土類元素の一つはＥｒとしている。
【００３０】
一実施例では、波長１５３０ｎｍにおけるＥｒ添加光ファイバの吸収係数を１２ｄＢ／ｍ以上とした構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３１】
一実施例では、Ｅｒと共にＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうち少なくとも一つの希土類元素をコア部に添加している。
【００３２】
一実施例では、少なくとも一種類の希土類元素が添加されたコア部と、該コア部の外周側に設けられて該コア部より屈折率が小さいクラッド部とを有して前記コア部の屈折率プロファイルをステップインデックス型としたステップインデックス型屈折率プロファイルの光ファイバに比べ、信号光波長における波長分散の絶対値を大きく形成している。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。図１の（ａ）には、本発明に係る光ファイバの第１実施形態例の屈折率プロファイルが示されており、同図の（ｂ）には、本実施形態例の光ファイバの断面構成が模式的に示されている。
【００３４】
これらの図に示すように、本実施形態例の光ファイバは、コア部１と、該コア部１の外周側に設けられて該コア部１より屈折率が小さい第１クラッド部２と、該第１クラッド部２の外周側に設けられて該第１クラッド部２より屈折率が大きく、かつ、前記コア部１より屈折率が小さい第２クラッド部５とを有するＷ型屈折率プロファイルの光ファイバである。
【００３５】
なお、本実施形態例における第２クラッド部５は、図９に示したステップインデックス型屈折率プロファイルの光ファイバにおけるクラッド部５と同様に、光ファイバの最外周側に設けられており、屈折率の基準となる領域であるので、同じ符号５を付している。
【００３６】
また、図１の（ａ）に示すように、コア部１の直径はａであり、第１クラッド部２の直径はｂである。本明細書において、Ｗ型屈折率プロファイルの光ファイバにおけるコア部１の直径ａは、コア部１において第２クラッド部５と等しい屈折率となる位置を結ぶ線の長さと定義している。また、第１クラッド部２の直径ｂは、第１クラッド部２と第２クラッド部５との境界領域において、Δ２／１０の屈折率となる位置を結ぶ線の長さとしている。
【００３７】
本実施形態例において、コア部１には、少なくとも一種類の希土類元素が添加されており、ここでは、コア部１に添加した希土類元素はＥｒとしている。また、コア部１の屈折率分布はα分布型プロファイルとしている。
【００３８】
本発明者は、上記屈折率プロファイルを決定するに当たり、以下の検討を行った。つまり、希土類添加光ファイバの屈折率プロファイルが、希土類添加光ファイバにおける希土類元素の添加濃度分布と希土類添加光ファイバを伝搬する光のモードプロファイルとの重なり積分に対する影響を詳細に検討した。
【００３９】
その結果、上記重なり積分を大きくするために有効な屈折率プロファイルがあることを初めて見出した。
【００４０】
なお、希土類添加光ファイバにおける吸収係数α（λ）は次式（２）により表すことができる。
【００４１】
α(λ)＝ρ_０・σ_ａ(λ)・(２／ω^２)・∫｛ρ(ｒ)／ρ_０｝・Ψ(ｒ)・ｒｄｒ…（２）
【００４２】
ここで、ρ_０はＥｒ密度、ρ（ｒ）は光ファイバの径方向のＥｒ密度分布、σ_ａ（λ）は吸収断面積、ωはモードパワー半径、Ψ（ｒ）は光ファイバの径方向のモード分布、ｒが光ファイバ径方向の位置で光ファイバの中心でｒ＝０ある。
【００４３】
また、Ｅｒ密度分布ρ（ｒ）がコア部の径方向に均一であると仮定し、モード分布Ψ（ｒ）をガウシアンで近似すると、式（２）は式（３）のように簡略化できる。
【００４４】
α(λ)＝ρ_０・σ_ａ(λ)・［１−ｅｘｐ｛−ａ^２／(４ω^２)｝］ ……（３）
【００４５】
ここで、ａはコア直径である。屈折率プロファイルごとに、モードパワー半径ωを屈折率プロファイルから実際に数値計算で求め、上記式（３）からカットオフ波長λ_ｃに対するＥｒ添加光ファイバの吸収係数α（λ）を計算し、図２の特性線２Ａ〜２Ｄに示した。
【００４６】
なお、この図２の吸収係数α（λ）の計算は、シグナル光（信号光）の波長を１５３０ｎｍ、Ｅｒ密度ρ_０を８．５Ｅ＋２４（ｍ^−３）（重量パーセントで１０００ｗｔｐｐｍに相当）、波長１５３０ｎｍにおける吸収断面積σ_ａを４．０Ｅ＋２５（ｍ^２）として行った計算である。
【００４７】
図２の特性線２Ａは、Δ２／Δ１＝−０．５５及びａ／ｂ＝０．５の仕様の図３に示すＷ型屈折率プロファイルの光ファイバにおけるＥｒ添加光ファイバの吸収係数、図２の特性線２Ｂは、α＝４の仕様の図４に示すα分布型屈折率プロファイルの光ファイバにおけるＥｒ添加光ファイバの吸収係数である。図３、４に示す屈折率プロファイルの光ファイバには、コア部１にＥｒを添加している。比屈折率差Δ１とΔ２及びα分布の定義は後述されている。
【００４８】
また、図３に示すＷ型屈折率プロファイルにおいて、コア部１の屈折率分布はステップインデックス型としており、図３の屈折率プロファイルと図１に示した本実施形態例の光ファイバの屈折率プロファイルとは異なる。
【００４９】
なお、図３において、コア部１の直径をａ、第１クラッド部２の直径をｂで示しており、図４において、コア部１の直径をａで示している。図３における直径ａ、ｂは、図１における直径ａ、ｂと同様に定義しており、図４における直径ａは、図９における直径ａと同様に定義している。
【００５０】
図２の特性線２Ｃは、図９に示した従来のステップインデックス型屈折率プロファイルの光ファイバにおけるＥｒ添加光ファイバの吸収係数である。この光ファイバもコア部１にＥｒを添加している。
【００５１】
図２の特性線２Ｄは、Δ２／Δ１＝＋０．１５及びａ／ｂ＝０．５の仕様の図１０に示すデュアルシェープ型（ＤＳＣ）屈折率プロファイルの光ファイバにおけるＥｒ添加光ファイバの吸収係数である。図１０に示すように、ＤＳＣ屈折率プロファイルの光ファイバは、コア部１の外周側に、コア部１より屈折率が小さい第１クラッド部２を設け、その外周側にさらに屈折率が小さい第２クラッド部５を設けている。この光ファイバもコア部１にＥｒを添加しており、第１クラッド部２の直径はｂである。
【００５２】
図２の特性線２Ａと特性線２Ｂに示すように、図３、図４に示す屈折率プロファイルを有するＥｒ添加光ファイバは、従来のステップインデックス型屈折率プロファイルのＥｒ添加光ファイバに比べてＥｒ添加光ファイバの吸収係数が大きい。逆に、図１０に示した屈折率プロファイルを有するＥｒ添加光ファイバは、従来のステップインデックス型のＥｒ添加光ファイバに比べて吸収係数が小さい。
【００５３】
したがって、光ファイバの屈折率プロファイルを図３に示すようなＷ型にしたり、図４に示すようなα分布型にしたりすることにより、Ｅｒ添加光ファイバの吸収係数を大きくできることが分かった。
【００５４】
なお、上述の計算の際に設定したＥｒ密度ρ_０の値８．５Ｅ＋２４（ｍ^−３）を重量パーセント濃度に換算すると、およそ１０００ｗｔｐｐｍ又は０．１ｗｔ％に相当する。Ａｌを共添加したＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２ホストの場合、Ｅｒ濃度が０．１ｗｔ％を越えると濃度消光による効率低下が発生し始めると言われている。なお、この現象は、例えば、文献７等に示されている。
【００５５】
ステップインデックス型屈折率プロファイルの光ファイバは、図２の特性線２Ｃから明らかなように、カットオフ波長を信号光波長直近まで長波長化したとしても、波長１５３０ｎｍにおけるＥｒ添加光ファイバの吸収係数として１２ｄＢ／mが上限となる。
【００５６】
一方、図２の特性線２Ａから明らかなように、Ｗ型屈折率プロファイルの光ファイバは、上記Ｅｒ濃度設定においてカットオフ波長を１０５０ｎｍ以上に設定すれば、波長１５３０ｎｍにおけるＥｒ添加光ファイバの吸収係数は１２ｄＢ／ｍを越える。また、同図の特性線２Ｂから明らかなように、α分布型屈折率プロファイル光ファイバは、上記Ｅｒ濃度設定においてカットオフ波長を１２００ｎｍ以上に設定すれば、波長１５３０ｎｍにおけるＥｒ添加光ファイバの吸収係数を１２ｄＢ／ｍ以上にできる。
【００５７】
実際のカットオフ波長の設計においては励起光のシングルモード伝搬を保証するため、カットオフ波長は励起光波長より短波長であることが望ましい。ＥＤＦＡに用いられる励起光波長は、一般に９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍであり、１４８０ｎｍ励起を用いる場合は９８０ｎｍ励起を用いる場合に比べてカットオフ波長を長波長側にシフトできるため、重なり積分拡大の観点からは有利となる。
【００５８】
ここで、９８０ｎｍ励起を用いる場合について、屈折率プロファイルの違いによる波長１５３０ｎｍにおけるＥｒ添加光ファイバの吸収係数の違いについて述べる。この場合、カットオフ波長を９８０ｎｍ以下にすることになるので、図２の特性線２Ｃから明らかなように、ステップインデックス型のＥｒ添加光ファイバは、波長１５３０ｎｍにおける吸収係数が８ｄＢ／ｍ以下になってしまう。
【００５９】
それに対し、図２の特性線２Ａ，２Ｂから明らかなように、Ｗ型屈折率プロファイルのＥｒ添加光ファイバやα分布型屈折率プロファイルのＥｒ添加光ファイバは、カットオフ波長を９８０ｎｍ以下にしても、波長１５３０ｎｍにおいて吸収係数を高い値にできる。
【００６０】
特に、Ｗ型屈折率プロファイルのＥｒ添加光ファイバは、カットオフ波長が短波長の領域で吸収係数拡大の効果が他の屈折率プロファイルの光ファイバに比べて大きく、カットオフ波長を９８０ｎｍ以下にしても吸収係数を１２ｄＢ／mに近い値にできる。
【００６１】
次に、図３に示したＷ型屈折率プロファイルにおいて、コア部１における直径ａと第１クラッド部２の直径ｂの比（径比）ａ／ｂをパラメータとして、波長１５８０ｎｍでの波長分散の値を計算により求めた。その結果を図５に示す。なお、図５に示す結果は、光ファイバのカットオフ波長を１４５０ｎｍに設定したものである。また、図５において、ａ／ｂが１となるときが図９に示したステップインデックス型の光ファイバになる。
【００６２】
また、図３に示したＷ型屈折率プロファイルにおいて、コア部１の第２クラッド部５に対する比屈折率差Δ１と第１クラッド部２の第２クラッド部５に対する比屈折率差Δ２の比Δ２／Δ１をパラメータとして、波長１５８０ｎｍでの波長分散の値を計算により求めた。その結果を図６の特性線６Ａ〜６Ｃに示す。なお、図６に示す結果も、光ファイバのカットオフ波長を１４５０ｎｍに設定したものである。
【００６３】
また、本明細書において、上記各比屈折率差Δ１、Δ２及びα分布は、以下の各式（４）、（５）、（６）により定義している。なお、式（４）、（５）、（６）でｎ_c1はコア部１の屈折率最大部の屈折率を、ｎ_c2は第１クラッド部２の屈折率最小部の屈折率を、ｎ_ｓは第２クラッド部５の屈折率を表す。
【００６４】
Δ１＝｛(ｎ_ｃ１−ｎ_ｓ)／ｎ_ｃ１｝×１００ ………………（４）
【００６５】
Δ２＝｛(ｎ_ｃ２−ｎ_ｓ)／ｎ_ｃ２｝×１００ ………………（５）
【００６６】
ｎ(ｒ)＝ｎ_ｃ１・｛１−２・Δ１・(２ｒ／ａ)^α｝^１／２ …（６）
０≦ｒ≦ａ／２
ｒは前述と同様に光ファイバ径方向の位置である。また、ｎ（ｒ）は位置ｒにおける屈折率を表す。
【００６７】
図６において、Δ２／Δ１が０となるとき（つまりΔ２が０のとき）が図９に示したステップインデックス型の光ファイバになる。また、図６の特性線６Ａは上記径比ａ／ｂが０．２のもの、特性線６Ｂは上記径比ａ／ｂが０．５のもの、特性線６Ｃは上記径比ａ／ｂが０．８のものをそれぞれ示す。
【００６８】
さらに、図７には、図６と同様に、図３に示したＷ型屈折率プロファイルにおいて、Δ２／Δ１をパラメータとして、波長１５８０ｎｍでの波長分散の値を計算により求めた結果が示されており、図７においては、カットオフ波長を９００ｎｍに設定して求めた。図７の特性線７Ａは上記径比ａ／ｂが０．２のもの、特性線７Ｂは上記径比ａ／ｂが０．５のもの、特性線７Ｃは上記径比ａ／ｂが０．８のものをそれぞれ示す。
【００６９】
図５、図６から明らかなように、カットオフ波長を１４５０ｎｍに設定した場合は、Ｗ型屈折率プロファイルの光ファイバは、ステップインデックス屈折率プロファイルの光ファイバより波長分散の絶対値を大きくできる。
【００７０】
また、図７から明らかなように、カットオフ波長を９００ｎｍに設定した場合は、径比ａ／ｂによって分散値は大きく変化するが、ａ／ｂの値を調整することで、ステップインデックス屈折率プロファイルの光ファイバよりも波長分散の絶対値を大きくできる。
【００７１】
以上の結果から、Ｗ型屈折率プロファイルのＥｒ添加光ファイバは、カットオフ波長の設定に応じて、上記径比ａ／ｂや比屈折率差Δ１、Δ２の比Δ２／Δ１を最適に設定することで、吸収係数と波長分散の絶対値の両方を、従来のステップインデックス屈折率プロファイルの光ファイバより大きくできることが分かった。
【００７２】
そこで、本発明者は、光増幅用のＥｒ添加光ファイバとしてＷ型屈折率プロファイルが好ましいと考え、さらに、図１に示したように、Ｗ型屈折率プロファイルのコア部１をα分布型プロファイルとしたＥｒ添加光ファイバについて、前記式（３）を用いて吸収係数を計算により求めた。この計算結果を図８の特性線８Ａに示す。
【００７３】
なお、図８の特性線８Ａを求める計算条件は、図２の各特性線２Ａ〜２Ｄを求めた条件と同じとしている。図８の特性線８Ｂには、図３に示したような、Ｗ型屈折率プロファイルを有し、コア部１の屈折率プロファイルをステップインデックス型とした光ファイバの特性を示している。
【００７４】
図８の特性線８Ａと特性線８Ｂを比較すると明らかなように、Ｗ型屈折率プロファイルのコア部１をα分布型屈折率プロファイルとすることにより、Ｅｒ添加光ファイバの吸収係数をさらに大きくできることが分かった。
【００７５】
本実施形態例のＥｒ添加光ファイバは、上記検討に基づき、図１に示したように屈折率プロファイルを有したものであり、吸収係数と波長分散の絶対値の両方を、従来のステップインデックス屈折率プロファイルの光ファイバより格段に大きくできる。したがって、本実施形態例の光ファイバは、非線形現象を効率良く抑制でき、広波長帯域の光増幅用として適した光ファイバを実現できる。
【００７６】
次に、本発明に係る光ファイバの第２実施形態例について説明する。第２実施形態例の光ファイバは、図３に示したようなＷ型の屈折率プロファイルを有する光ファイバである。つまり、第２実施形態例の光ファイバは、上記第１実施形態例とほぼ同様の構成を有し、コア部１の屈折率プロファイルをステップインデックス型とした光ファイバである。
【００７７】
上記第１実施形態例における検討から明らかなように、第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様に、吸収係数と波長分散の絶対値の両方を、従来のステップインデックス屈折率プロファイルの光ファイバより大きくでき、同様の効果を奏することができる。
【００７８】
次に、本発明に係る光ファイバの第３実施形態例について説明する。第３実施形態例の光ファイバは、図４に示したようなα分布型屈折率プロファイルを有する光ファイバである。
【００７９】
つまり、第３実施形態例の光ファイバは、コア部１と、該コア部１の外周側に設けられて該コア部１より屈折率が小さいクラッド部５とを有し、前記コア部１の屈折率分布をα分布型プロファイルとしている。また、コア部１には、少なくとも一種類の希土類元素が添加されており、ここでは、希土類元素としてＥｒを添加している。
【００８０】
本第３実施形態例も、上記第１実施形態例のＥｒ添加光ファイバの屈折率プロファイルを求める検討に基づいて屈折率プロファイルを決定したものであり、吸収係数を従来のステップインデックス屈折率プロファイルのＥｒ添加光ファイバより大きくでき、上記第１、第２実施形態例とほぼ同様の効果を奏することができる。
【００８１】
（実施例）
以下、上記第１，第２、第３実施形態例の実施例について説明する。本発明者は、上記第１実施形態例の実施例として、表１に示す実施例１の光ファイバを試作し、上記第２実施形態例の実施例として、表１に示す実施例２の光ファイバを試作し、上記第３実施形態例の実施例として表１に示す実施例３の光ファイバを試作した。また、これらの実施例の比較例として、表１に示す比較例の光ファイバを試作した。比較例の光ファイバは、図９に示したような屈折率を有する従来例の光ファイバである。
【００８２】
【表１】

【００８３】
なお、表１において、Δ１、Δ２は、前記各比屈折率差であり、その単位は％、Ｅｒ吸収ピーク値は波長１５３０ｎｍにおける値（前述してきた吸収係数値に相当する）、波長分散は波長１５８０ｎｍにおける値をそれぞれ示す。
【００８４】
また、実施例１、実施例２、実施例３、比較例は、コア部１におけるＥｒ添加濃度、比屈折率差Δ１、カットオフ波長を、互いにほぼ同じ値になるように調整して形成されている。尚、カットオフ波長はＩＴＵ．ＴＧ．６５０．１に規定された測定法による値である。
【００８５】
表１から明らかなように、コア部１におけるＥｒ添加濃度、比屈折率差Δ１、カットオフ波長を、互いにほぼ同じ値になるように調整しても、実施例１〜３は、波長１５３０ｎｍにおけるＥｒ吸収ピーク値が比較例に比べて大きい。また、実施例１と実施例２は、波長１５８０ｎｍにおける分散の絶対値が比較例に比べて大きい。
【００８６】
このように、上記各実施形態例の光ファイバは、比較例（従来例）と同じＥｒ密度、カットオフ波長であっても、比較例に比べて吸収係数を増加でき、特にＷ型の屈折率プロファイルにおいては波長分散の絶対値も増大できることが確認できた。
【００８７】
また、表１に示すＦＷＭクロストークは、以下の実験により求めたものである。つまり、８チャンネル（ｃｈ）のＬ−ＢＡＮＤの波長分割多重信号を１００ＧＨｚ間隔（４ｃｈと５ｃｈは２００ＧＨｚ間隔）で入射させ、４チャンネルと５チャンネルの間の波長（１６０５ｎｍ）における４光波混合クロストークを測定した。また、このときのシグナル１チャンネルあたりの出力強度は、４ｄＢｍ／ｃｈとした。
【００８８】
このＦＷＭクロストークの測定結果より、実施例１〜３は、比較例よりＦＷＭクロストークを低減できることが分かった。これは、吸収係数が大きくなった効果であるといえる。特に、実施例１と実施例２は、実施例３よりもＦＷＭクロストークを低減できている。これは、波長分散の絶対値が大きいことから、位相整合条件から遠ざかったためだと考えられる。
【００８９】
以上のように、実施例１〜３の光ファイバは、非線形現象を効率的に抑制できる光ファイバであることが実証できた。
【００９０】
次に、本発明に係る光ファイバの第４実施形態例について説明する。第４実施形態例の光ファイバは、上記第２実施形態例と同様に、図３に示したようなＷ型屈折率プロファイルを有する光ファイバであり、第４実施形態例が第２実施形態例と異なる特徴的なことは、コア部１に、Ｅｒと共に、希土類元素であるＬａを添加したことである。
【００９１】
次に、本発明に係わる光ファイバの第５実施形態例について説明する。第５実施形態例の光ファイバは上記第１実施形態例と同様に、図１に示したようなＷ型屈折率プロファイルを有する光ファイバであり、第１実施形態例と異なる、第５実施形態例の特徴はコア部１にＥｒとともに希土類元素であるランタン（Ｌａ）を添加したことである。
【００９２】
上記第１実施形態例において説明したように、Ｗ型やα分布型の屈折率プロファイルのＥｒ添加光ファイバが、従来のステップインデックス型の屈折率プロファイルのＥｒ添加光ファイバに比べて吸収係数を増加できるのは、Ｅｒイオンの分布プロファイルと信号光のモード分布との重なり積分が拡大するためである。
【００９３】
この重なり積分を拡大させる手法の他、Ｅｒ添加光ファイバの吸収係数を拡大する方法として、濃度消光を抑制することで、従来のＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２ホストにおけるＥｒ添加濃度の上限を向上させる手法がある。Ｅｒ密度ρ_０の高濃度化の制限要因は、濃度消光による効率低下であるため、この濃度消光を抑制しつつＥｒ濃度を従来よりも上げることができれば、前記式（１）から明らかなように、Ｅｒ添加光ファイバの吸収係数のさらなる拡大が可能となる。
【００９４】
この濃度消光を抑制するため、Ｅｒイオン以外の希土類元素をＥｒと共に添加する手法が提案されている。この提案は、例えば、文献８、特許文献１等に提案されている。
【００９５】
希土類元素として例えばＬａイオンをＥｒイオンと共に添加することで、濃度消光による効率低下を抑制しながら、Ｅｒ濃度を従来のＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２ホストにおける添加濃度限界の２倍程度以上の数千ｗｔｐｐｍまで高濃度化することが可能となる。
【００９６】
したがって、この濃度消光による効率低下抑制によるＥｒ密度の高密度化と前記重なり積分の拡大との２つの手法を組み合わせることにより、さらなる高吸収係数の実現が期待できる。
【００９７】
そこで、第４実施形態例及び第５実施形態例では、上記のように、コア部１に希土類元素であるランタン（Ｌａ）をエルビウムと共に添加して形成した。そして、第４実施形態例の実施例として、表２に示す実施例４を、第５実施形態例の実施例として、表２に示す実施例５を製造した。
【００９８】
【表２】

【００９９】
この表２に示す実施例４，５の光ファイバは、表１に示した実施例１〜３の光ファイバよりもさらに吸収係数が大きくなった。このように、Ｌａをエルビウムと共に添加して光ファイバを形成すると、吸収係数のさらなる拡大が達成できることが実証できた。
【０１００】
第４実施形態例のように、消光抑制効果を有する希土類元素（ここではＬａ）をＥｒイオンと共に添加することで、Ｅｒイオン高密度化に伴う濃度消光を抑制しながら吸収係数を増大できる。
【０１０１】
このように、Ｅｒイオンと共にＬａイオンを添加してＥｒイオン高密度化に伴う濃度消光を抑制すると、増幅効率の劣化無く、Ｌａイオンを共添加していないＷ型屈折率プロファイルやα分布型屈折率プロファイルの場合に比べて吸収係数の拡大が達成される。
【０１０２】
なお、本発明は上記各実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記第１、第２、第４、第５実施形態例におけるコア部１の第２クラッド部５に対する比屈折率差Δ１や第１クラッド部２の第２クラッド部に対する比屈折率差Δ２、上記第３実施形態例におけるコア部１のクラッド部５に対する比屈折率差Δ１のそれぞれの値は特に限定されるものでなく適宜設定されるものである。
【０１０３】
また、上記第１、第２、第４、第５実施形態例におけるコア部１の径や第１クラッド部２の径、上記第３実施形態例におけるコア部１の径は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものである。
【０１０４】
さらに、上記各実施形態例は、コア部１に希土類元素であるエルビウム１種類を添加としたが、本発明の光ファイバは、コア部１に２種類以上の希土類元素を添加して形成してもよい。
【０１０５】
さらに、本発明の光ファイバは、コア部１にエルビウム以外の希土類元素を１種類添加してもよい。この場合、例えばＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうち少なくとも一つの元素をコア部に添加することにより、上記第４実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明によれば、本発明者の検討に基づき、屈折率の最適化を図ることにより、希土類元素添加光ファイバの吸収係数を大きくでき、非線形現象を抑制できるので、広波長帯域の光増幅用として適した光ファイバを実現できる。
【０１０７】
また、本発明において、コア部の外周側に設けられて該コア部より屈折率が小さい第１クラッド部と、該第１クラッド部の外周側に設けられて該第１クラッド部より屈折率が大きく、かつ、前記コア部より屈折率が小さい第２クラッド部とを有するＷ型屈折率プロファイルの構成の光ファイバは、以下の効果を奏することができる。
【０１０８】
つまり、このＷ型屈折率プロファイルの希土類元素光ファイバは、希土類元素の吸収係数と波長分散の絶対値の両方を、従来のステップインデックス屈折率プロファイルの光ファイバより大きくでき、より一層効率的に非線形現象を抑制できるので、広波長帯域の光増幅用としてより一層適した光ファイバを実現できる。
【０１０９】
さらに、上記Ｗ型屈折率プロファイルの本発明において、コア部の屈折率分布をα分布型プロファイルとした構成によれば、吸収係数をより一層向上でき、さらにより一層効率的に非線形現象を抑制できる。
【０１１０】
さらに、本発明において、コア部に添加した希土類元素の一つはＥｒとした構成によれば、従来のＥｒ添加光ファイバの製造技術を応用して光ファイバを製造しやすい。
【０１１１】
さらに、本発明において、波長１５３０ｎｍにおけるＥｒ添加光ファイバの吸収係数を１２ｄＢ／ｍ以上とした構成によれば、高い増幅光率が得られ、且つ非線形現象を抑制できるので、広波長帯域の光増幅用として適した光ファイバを確実に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ファイバの第１実施形態例の屈折率プロファイルを示す説明図である。図１（ｂ）は図１（ａ）の屈折率プロファイルを有する光ファイバの断面構造を示す。
【図２】光ファイバの屈折率プロファイルとＥｒ添加光ファイバの吸収係数との関係を示すグラフである。
【図３】Ｗ型屈折率プロファイルの光ファイバの屈折率プロファイル構成を示す説明図である。
【図４】α分布型屈折率プロファイルの光ファイバの屈折率プロファイル構成を示す説明図である。
【図５】Ｗ型屈折率プロファイルの光ファイバにおけるコア部と第１クラッド部の径比と、波長分散との関係を示すグラフである。
【図６】カットオフ波長を１４５０ｎｍとしたときの、Ｗ型屈折率プロファイルの光ファイバにおける比屈折率差の比と、波長分散との関係を示すグラフである。
【図７】カットオフ波長を９００ｎｍとしたときの、Ｗ型屈折率プロファイルの光ファイバにおける比屈折率差の比と、波長分散との関係を示すグラフである。
【図８】Ｗ型屈折率プロファイルにおけるコア部の屈折率プロファイルの違いによる吸収係数の違いを示すグラフである。
【図９】スッテップインデックス型屈折率プロファイルの光ファイバの屈折率プロファイル構成（ａ）と断面構成（ｂ）を示す説明図である。
【図１０】ＤＳＣ型屈折率プロファイルの光ファイバの屈折率プロファイル構成を示す説明図である。
【図１１】本発明に係わる光ファイバを用いた光増幅器の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１コア部
２第１クラッド部
５第２クラッド部
１１励起光源
１２光合分波器
１３光アイソレ−タ
１４本発明に係わる光ファイバ
１５光フィルタ

Claims

Ａｌ ₂ Ｏ ₃ −ＳｉＯ ₂ ホストガラスからなり、少なくともエルビウムが添加されたコア部と、該コア部の外周側に設けられて該コア部より屈折率が小さい第１クラッド部と、該第１クラッド部の外周側に設けられて該第１クラッド部より屈折率が大きく、かつ、前記コア部より屈折率が小さい第２クラッド部とからなる屈折率プロファイルがＷ型である光ファイバであって、波長１５３０ｎｍにおける吸収係数を１２ｄＢ／ｍ以上としたことを特徴とする光ファイバ。
エルビウムと共にＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうち少なくとも一つの希土類元素をコア部に添加したことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
波長１５３０ｎｍにおける吸収係数を１４ｄＢ／ｍ以上としたことを特徴とする請求項２記載の光ファイバ。
Ａｌ ₂ Ｏ ₃ −ＳｉＯ ₂ ホストガラスからなり、少なくともエルビウムが添加されたコア部と、該コア部の外周側に設けられて該コア部より屈折率が小さい第１クラッド部と、該第１クラッド部の外周側に設けられて該第１クラッド部より屈折率が大きく、かつ、前記コア部より屈折率が小さい第２クラッド部とからなる屈折率プロファイルがＷ型である光ファイバであって、カットオフ波長を９８０ｎｍとし、波長１５３０ｎｍの波長における吸収係数を８ｄＢ／ｍ以上としたことを特徴とする光ファイバ。
エルビウムと共にＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうち少なくとも一つの希土類元素をコア部に添加したことを特徴とする請求項４記載の光ファイバ。
波長１５３０ｎｍにおける吸収係数を１２ｄＢ／ｍ以上としたことを特徴とする請求項５記載の光ファイバ。
少なくとも一種類の希土類元素が添加されたコア部と、該コア部の外周側に設けられて該コア部より屈折率が小さいクラッド部とを有して前記コア部の屈折率プロファイルをステップインデックス型としたステップインデックス型屈折率プロファイルの光ファイバに比べ、信号光波長における波長分散の絶対値を大きく形成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１に記載の光ファイバ。
請求項１〜７のいずれか１に記載の光ファイバを含む光増幅器。