JP4531941B2

JP4531941B2 - 光増幅用光ファイバ

Info

Publication number: JP4531941B2
Application number: JP2000214683A
Authority: JP
Inventors: 邦男小倉
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2020-07-14
Also published as: JP2002033536A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば波長分割多重光伝送等に用いられ、信号光を増幅する光増幅用光ファイバに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、波長分割多重光伝送（ＷＤＭ伝送）が通信分野に広く受け入れられ、今や波長多重伝送の時代を迎えている。波長分割多重光伝送は、複数の波長の光を１本の光ファイバで伝送できるため、大容量高速通信に適した光伝送方式であり、現在、光増幅用光ファイバを光増幅器として適用し、この光増幅器の利得帯域である波長での波長分割多重光伝送が行われている。
【０００３】
このような波長分割多重光伝送用として、例えば中継間隔を長くする目的で、超高出力の信号光を得られるようにすることが求められており、信号光を増幅して超高出力で出力する光増幅用光ファイバが提案されている。
【０００４】
図５には、この種の光増幅用光ファイバの提案例が示されている。なお、同図の（ａ）には光増幅用光ファイバの光軸Ｚに直交するＸＹ断面で切断したときの断面図が示されており、同図の（ｂ）には光増幅用光ファイバの屈折率プロファイルが示されている。
【０００５】
これらの図に示されるように、この提案の光増幅用光ファイバは、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類金属を含むコア１の外周側に、該コア１より屈折率が低い第１クラッド層２を設け、該第１クラッド層２の外周側に該第１クラッド層２より屈折率が低い第２クラッド層３を設けて形成されている。前記第１クラッド層２は、光ファイバの光軸Ｚに直交するＸＹ断面で切断したときの断面外周形状（ＸＹ断面外周形状）を正方形状と成している。また、第２クラッド層３の外周側には被覆６を施している。
【０００６】
前記第１クラッド層２は純石英により形成されており、第２クラッド層３はシリコーン樹脂により形成されており、被覆６はＵＶ樹脂（紫外線硬化樹脂）等により形成されている。
【０００７】
この提案の光増幅用光ファイバにおいては、第１クラッド層２に高パワーの励起光を入力すると、励起光は第１クラッド層２を伝搬する。ここで、第１クラッド層２のＸＹ断面外周形状を真円ではない形状としているので、励起光の伝搬モードのうち、ヘリカル・ビームと呼ばれる、コアに入射せずにほぼ円周に沿って螺旋状に伝搬する伝搬モードの形成が抑制され、入射した励起光が第１クラッド層２と第２クラッド層３との界面で無秩序に反射し、コア１を繰り返し通過する。
【０００８】
そのため、第１クラッド層２のＸＹ断面外周形状を非真円形状とした場合は、第１クラッド層２のＸＹ断面外周形状を真円形状とした場合に比べ、コア１に入射される信号光が励起光によって効率的に増幅され、超高出力の光を得ることができる。また、励起光は前記反射によって側面入射に近い状態でコア１に入射するので、この点でもコア１の希土類金属を十分に励起することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記提案の光増幅用光ファイバに高パワーの励起光を入射すると、第１クラッド層２と第２クラッド層３との界面での反射により散乱が生じて発熱が生じる。そして、第２クラッド層３に上記発熱による熱的なダメージが生じるといった問題があった。そのため、上記提案の光増幅用光ファイバは、短時間の使用であっても上記熱的ダメージによって励起光入力側で第２クラッド層３が劣化して変色や剥離などが生じ、機能を果たすことができず、長期信頼性が非常に悪かった。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、信号光を増幅して超高出力で出力することができ、しかも長期信頼性の高い光増幅用光ファイバを提供することにある。
【００１１】
【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、本第１の発明は、希土類金属を含むコアの外周側に、該コアより屈折率が低い第１クラッド層を設け、該第１クラッド層の外周側に該第１クラッド層より屈折率が低い第２クラッド層を設け、該第２クラッド層の外周側に該第２クラッド層より屈折率が低い第３クラッド層を設け、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層とは光ファイバの光軸Ｚに直交するＸＹ断面で切断したときの断面外周形状を多角形状と成し、前記第１クラッド層の多角形の各頂点と前記第２クラッド層の多角形の各頂点とは前記光ファイバの光軸方向の中心軸を中心とする回転角が異なっており、石英系ガラスで形成された構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１２】
また、本第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記第１クラッド層の径の最小値を信号光の波長帯におけるコアのモードフィールド径より大きくした構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１３】
さらに、本第３の発明は、上記第１又は第２の発明の構成に加え、前記第２クラッド層を石英系ガラスにより形成し、第３クラッド層を樹脂により形成した構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１４】
上記構成の本発明において、コアの外周側には、第１、第２、第３クラッド層が順に設けられており、屈折率が高い順に、コア、第１クラッド層、第２クラッド層、第３クラッド層となっているので、高パワーの励起光を入力した場合には、第１クラッド層の励起光のパワー密度を第２クラッド層の励起光のパワー密度より高くすることができる。また、この場合、第２クラッド層を石英系ガラスにより形成すると好ましい。
【００１５】
そして、第１クラッド層のＸＹ断面外周形状を多角形状とすると、励起光の伝搬モードのうち、ヘリカル・ビームと呼ばれる螺旋状の伝搬モードの形成が抑制され、入射した励起光が第１クラッド層と第２クラッド層との界面で無秩序に反射し、コアを繰り返し通過するため、コアに入射される信号光が励起光によって効率的に増幅され、超高出力の光を得ることが可能となる。また、励起光は前記反射によって側面入射に近い状態でコアに入射するので、この点でもコアの希土類金属を十分に励起することが可能となる。
【００１６】
また、本発明において、励起光の一部は第２クラッド層を伝搬するが、第２クラッド層のＸＹ断面外周形状を多角形状とすると、上記と同様に、ヘリカル・ビームの形成が抑制され、入射した励起光が第２クラッド層と第３クラッド層との界面で無秩序に反射し、第１クラッド層の励起光と結合しながらコアを繰り返し通過するため、コアに入射される信号光が励起光によってより一層効率的に増幅され、超高出力の光を得ることが可能となる。
【００１７】
また、本発明においては、クラッドを３層構造にすることで、第１クラッド層の励起光のパワー密度を第２クラッド層の励起光のパワー密度より高くすることを可能としており、励起光の大部分は第１クラッド層と第２クラッド層との界面で反射しながら伝搬するので、従来例のような２層構造のクラッドを有する構成に比べ、石英系クラッド層と樹脂クラッド層との界面を反射しながら通過する光パワーを減少させることが可能となる。したがって、第２クラッド層と第３クラッド層との界面での反射による散乱によって生じる発熱が抑制可能となり、この発熱による光ファイバ劣化を抑制可能となる。
【００１８】
【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する。
【００１９】
図１、２には、それぞれ、本発明に係る光増幅用光ファイバの第１実施形態例と第２実施形態例が示されている。なお、これらの図において、（ａ）には各実施形態例の光増幅用光ファイバの光軸Ｚに直交するＸＹ断面で切断したときの断面図が示されており、（ｂ）には各光増幅用光ファイバの屈折率プロファイルが示されている。
【００２０】
これらの図に示されるように、本第１、第２実施形態例の光増幅用光ファイバは、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類金属を含むコア１の外周側に、該コア１より屈折率が低い第１クラッド層２を設け、該第１クラッド層２の外周側に該第１クラッド層２より屈折率が低い第２クラッド層３を設け、さらに、第２クラッド層３の外周側に該第２クラッド層３より屈折率が低い第３クラッド層４を設けて形成されている。なお、第３クラッド層４の外周側には被覆６を施しており、被覆６の屈折率は各クラッド層２，３，４よりも高く形成されている。
【００２１】
また、本第１、第２実施形態例では、前記第１クラッド層２と第２クラッド層３の両方の、光ファイバの光軸Ｚに直交するＸＹ断面で切断したときの断面外周形状（ＸＹ断面外周形状）を、非真円形状である正方形状となるようにしている。なお、例えば第１クラッド層２の断面外周の一辺（上記正方形状の一辺）は６０μｍとし、第２クラッド層３の断面外周の一辺は１８０μｍとした。また、コア１の直径は８．５μｍ、第３クラッド層４の直径（外径）は３５０μｍ、被覆６の直径（外径）は４００μｍとした。
【００２２】
さらに、第１、第２実施形態例において、第１クラッド層２の径を、（径が最小のところにおいても）コア１のモードフィールド径より大きくしている。
【００２３】
第１実施形態例において、コア１は、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｇｅをそれぞれドープした石英系ガラスにより形成されており、第１クラッド層２は純石英により形成されている。第２クラッド層３はＦをドープした石英系ガラスにより形成されており、第３クラッド層４はシリコーン樹脂により形成されている。被覆６はＵＶ樹脂により形成されている。
【００２４】
また、第１実施形態例において、コア１の純石英に対する比屈折率差Δ１は０．４％、第２クラッド層３の純石英に対する比屈折率差Δ３は−０．７％、第３クラッド層４の純石英に対する比屈折率差Δ４は−３．０％と成している。
【００２５】
なお、本明細書において、各比屈折率差Δ１〜Δ４は、真空の屈折率を１としたときのコア１の比屈折率をｎ１、第１クラッド層２の比屈折率をｎ２、第２クラッド層３の比屈折率をｎ３、第３クラッド層４の比屈折率をｎ４、純石英の比屈折率をｎｃとして、以下の式（１）〜（４）により定義している。また、その単位は％である。
【００２６】
Δ１＝［｛（ｎ１）^２−（ｎｃ）^２｝／２（ｎ１）^２］×１００・・・・（１）
【００２７】
Δ２＝［｛（ｎ２）^２−（ｎｃ）^２｝／２（ｎ２）^２］×１００・・・・（２）
【００２８】
Δ３＝［｛（ｎ３）^２−（ｎｃ）^２｝／２（ｎ３）^２］×１００・・・・（３）
【００２９】
Δ４＝［｛（ｎ４）^２−（ｎｃ）^２｝／２（ｎ４）^２］×１００・・・・（４）
【００３０】
また、第２実施形態例において、第２クラッド層３、第３クラッド層４、被覆６は、いずれも第１実施形態例と同様に形成されているが、第２実施形態例では、第１クラッド層２がＧｅをドープした石英系ガラスにより形成されており、第１クラッド層２の純石英に対する比屈折率差Δ２は０．６％と成している。また、コア１の比屈折率差Δ１と第１クラッド層２の比屈折率差Δ２との差を、上記第１実施形態例と同様に０．４％とするために、コア１は、コア１の純石英に対する比屈折率差Δ１が１．０％となるように、石英系ガラスにＥｒ、Ｙｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｇｅをそれぞれドープして形成している。
【００３１】
第１、第２実施形態例は以上のように構成されており、各実施形態例の光増幅用光ファイバは、第１、第２、第３クラッド層を有する３層構造と成しており、第２クラッド層３は石英系ガラスにより形成されているので、各実施形態例において、第１クラッド層２に高パワーの励起光の一部を入力し、該励起光の残りの部分を第２クラッド層３に入力することができる。なお、第１クラッド層２に入力する励起光の割合を第２クラッド層３に入力する励起光の割合よりも大きくする。
【００３２】
そうすると、入力された励起光は第１クラッド層２と第２クラッド層３を伝搬するが、第１、第２実施形態例において、第１クラッド層２と第２クラッド層３のＸＹ断面外周形状は共に正方形状であるために、励起光の伝搬モードのうち、前記ヘリカル・ビームの形成が抑制される。そのため、第１クラッド層２に入射した励起光が第１クラッド層２と第２クラッド層３との界面で無秩序に反射し、コア１を繰り返し通過し、また、第２クラッド層３に入射した励起光が第２クラッド層３と第３クラッド層４との界面で無秩序に反射するので、コア１に入射される信号光が励起光によって効率的に増幅され、超高出力の光を得ることができる。
【００３３】
また、励起光は前記反射によって側面入射に近い状態でコアに入射するので、この点でもコアの希土類金属を十分に励起することが可能となる。
【００３４】
そして、本第１、第２実施形態例においては、クラッドを３層構造にして、励起光を第１クラッド層２と第２クラッド層３に分配して入射する構成としており、励起光の一部は第２クラッド層３と第３クラッド層４との界面で反射しながら伝搬するので、従来例のような２層構造のクラッドを有する構成に比べ、第１クラッド層２と第２クラッド層３との界面を反射しながら通過する光パワーを減少させることができる。したがって、本第１、第２実施形態例によれば、第１クラッド層２と第２クラッド層３との界面での反射による散乱により生じる発熱を抑制でき、この発熱による光ファイバ劣化を抑制できる。
【００３５】
本発明者は、実際に、図３に示す実験装置を用いて高温高湿試験を行ない、上記第１、第２実施形態例の光増幅用光ファイバから出力する出力光パワーを求め、比較例としての図５に示した従来例の光増幅用光ファイバと比較した。
【００３６】
なお、比較例の光増幅用光ファイバにおけるコア１の直径および被覆６の外径は上記各実施形態例と同様とし、第１クラッド層２の正方形の一辺は約１８０μｍ、第２クラッド層３の外径は３５０μｍとし、さらに、コア１の比屈折率差Δ１と第１クラッド層２の比屈折率差Δ２との差を、上記各実施形態例と同様に０．４％とした。
【００３７】
また、上記高温高湿試験は、図３に示すように、光増幅用光ファイバ（同図では符号８で示す）の中央を６００ｍｍφのＳＵＳボビン１０に巻き付けて高温高湿槽１１内に収容し、８５℃、９５ＲＨ％の雰囲気下として表１に示す経過時間（Ｈ；時間）だけ経過させて各光増幅用光ファイバから出力する励起光パワーを求めた。
【００３８】
【表１】

【００３９】
上記出力励起光パワーの測定は、出力２Ｗの５個の９８０ｍｍレーザダイオード１２からの励起光を、各レーザダイオード１２に接続しているマルチモード光ファイバ１５を束ねた状態で、図のＡに示す部分で空間結合させ、コリメーターレンズ１３を介して、出力検出用の光増幅用光ファイバに入射し、この光増幅用光ファイバからの出力光を受光器１４により受光して検出して行なった。
【００４０】
その結果、表１に示す結果が得られ、上記第１、第２の実施形態例の光増幅用光ファイバは高温高湿試験２０００時間経過後も試験前の励起光出力約６Ｗ（入射光率６０％）を維持することができた。
【００４１】
そして、比較例の光増幅用光ファイバは、上記高温高湿試験後、第１クラッド層２と第２クラッド層３との界面の発熱による変色と第２クラッド層３を形成するシリコーン樹脂の剥離が見られ、シリコーン樹脂が部分的に消失しているのが確認されたが、上記各実施形態例の光増幅用光ファイバの劣化は全く見られず、この結果および表１から、上記各実施形態例の長期信頼性の高いことが確認できた。
【００４２】
また、上記各実施形態例によれば、第１クラッド層２の径の最小値をコア１のモードフィールド径より大きくしているので、信号光が第１クラッド層２より外周側にはみ出して伝搬することを抑制でき、信号光を適切に増幅して伝搬させることができる。
【００４３】
なお、本発明者は、上記各実施形態例において、励起光を第１クラッド層２と第２クラッド層３に分配して入射した場合に、励起光による信号光の増幅特性が劣化しないことを確認するために、図４に示すように、光増幅用光ファイバ（同図では符号８で示す）の入射側に信号光の光源２０を、出射側に出力２Ｗの５個の９８０ｍｍレーザダイオード１２をそれぞれ接続して、信号光を後方励起し、受光器１４で信号光を受光して信号光出力を測定した。同図においても符号１３はコリメーターレンズを示し、符号１７はダイクロックミラーを示している。
【００４４】
その結果、上記第１実施形態例の信号光出力と比較例の信号光出力は１．６Ｗ、第２実施形態例の信号光出力は１．５Ｗとなり、ほぼ同じ値を示しており、増幅特性はほぼ同様であることを確認できた。
【００４５】
なお、本発明は上記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。例えば上記各実施形態例において、第３クラッド層４はシリコーン樹脂により形成したが、第３クラッド層４を例えばフッ素系樹脂等の他の樹脂により形成してもよい。
【００４６】
また、上記各実施形態例では、第１クラッド層２と第２クラッド層３のＸＹ断面外周形状を共に正方形状の非真円形状としたが、非真円形状としては、上記各実施形態例のような正方形状等の多角形状としてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、コアの外周側に、第１、第２、第３クラッド層を順に設けたために、例えば第１クラッド層に高パワーの励起光の一部を入力し、該励起光の残りの部分を第２クラッド層に入力することができる。なお、第１クラッド層に入力する励起光の割合を第２クラッド層に入力する励起光の割合よりも大きくし、第２クラッド層を石英系ガラスにより形成すると増幅効率を向上できる。
【００４８】
また、本発明によれば、第１クラッド層と第２クラッド層の両方のＸＹ断面外周形状を多角形状としているので、ＸＹ断面外周形状を多角形状としたクラッド層に入射された励起光は、その伝搬モードのうちコアに入射しない螺旋状の伝搬モードの形成が抑制され、入射した励起光が効率的にコアを繰り返し通過するため、コアに入射される信号光を励起光によって効率的に増幅し、超高出力の光を得ることができる。
【００４９】
そして、本発明によれば、上記の如く、クラッドを３層構造にして励起光を第１クラッド層と第２クラッド層に分配して入射できるために、励起光の一部を第２クラッド層と第３クラッド層との界面で反射しながら伝搬させることができ、従来例のような２層構造のクラッドを有する構成に比べ、第１クラッド層と第２クラッド層との界面を反射しながら通過する光パワーを減少させることができる。したがって、本発明によれば、第１クラッド層と第２クラッド層との界面での反射による散乱により生じる発熱が抑制可能となり、この発熱による光ファイバ劣化を抑制でき、長期信頼性を向上させることができる。
【００５０】
また、第１クラッド層の径をコアのモードフィールド径より大きくした本発明によれば、信号光が第１クラッド層より外周側にはみ出して伝搬することを抑制でき、信号光を適切に増幅して伝搬させることができる。
【００５１】
さらに、第２クラッド層を石英系ガラスにより形成し、第３クラッド層を樹脂により形成した本発明によれば、第２クラッド層を励起光が伝搬しやすいようにすることができるし、第２クラッド層と第３クラッド層との比屈折率差を大きくして励起光を第２クラッド層と第３クラッド層の界面より内側に閉じ込める効果を非常に効果的に発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光増幅用光ファイバの第１実施形態例を示す要部構成図である。
【図２】本発明に係る光増幅用光ファイバの第２実施形態例を示す要部構成図である。
【図３】光増幅用光ファイバの高温高湿試験を行なうためのシステム構成を示す説明図である。
【図４】光増幅用光ファイバの光増幅特性を確認するためのシステム構成を示す説明図である。
【図５】従来提案されている光増幅光ファイバの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１コア
２第１クラッド層
３第２クラッド層
４第３クラッド層
６被覆

Claims

希土類金属を含むコアの外周側に、該コアより屈折率が低い第１クラッド層を設け、該第１クラッド層の外周側に該第１クラッド層より屈折率が低い第２クラッド層を設け、該第２クラッド層の外周側に該第２クラッド層より屈折率が低い第３クラッド層を設け、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層とは光ファイバの光軸Ｚに直交するＸＹ断面で切断したときの断面外周形状を多角形状と成し、前記第１クラッド層の多角形の各頂点と前記第２クラッド層の多角形の各頂点とは前記光ファイバの光軸方向の中心軸を中心とする回転角が異なっており、石英系ガラスで形成されたことを特徴とする光増幅用光ファイバ。
第１クラッド層の径の最小値を信号光の波長帯におけるコアのモードフィールド径より大きくしたことを特徴とする請求項１記載の光増幅用光ファイバ。
第２クラッド層を石英系ガラスにより形成し、第３クラッド層を樹脂により形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光増幅用光ファイバ。