JP5242245B2 - 波長変換光デバイスおよび波長変換光デバイスに用いる光ファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバモジュールおよび光デバイスに関するものである。

近年、光通信システム等において、光ファイバ、特には高い光学非線形性を有する高非線形光ファイバ中で発生する非線形光学効果を利用した信号処理が行われている。例えば、四光波混合（ＦＷＭ）を利用した波長変換を行う場合は、ポンプ光の波長において光ファイバの波長分散値が極めて小さく、好ましくはゼロであることによって、高効率で広帯域の波長変換が実現できる（特許文献１参照）。一般に、非線形光学効果は、光ファイバの長さが長くなるにつれて、より顕著に発生する。

一方、光ファイバに光を入射すると、光ファイバ中に発生している音響波により入射光の一部が散乱されて散乱光が発生する。この散乱光はブリルアン散乱光と呼ばれ、入射光の光周波数よりも音響波の周波数だけ低い光周波数にピークを有し、入射光の伝搬方向に対して後方に伝搬する。入射光の光周波数に対するピークの光周波数の差は、ブリルアン周波数シフトと呼ばれ、通常は光ファイバの種類に応じた固有の値である。

ここで、入射光の強度がある閾値よりも高くなると、ブリルアン散乱光が誘導散乱を起こして誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）光が発生する。このＳＢＳ閾値は、通常光ファイバの長さが長くなるにつれて低下する。このＳＢＳ光が発生すると、入射光の強度をさらに高くしても、そのエネルギーがＳＢＳ光によって消費されてしまう。したがって、たとえば波長変換を行なう場合は、入射光の強度を高くしてもＦＷＭの発生に寄与する光の強度が増加しないため、波長変換の効率が低下し、好ましくない。

従来、ＳＢＳ閾値を高くする方法として、光ファイバの長手方向でコア径やコアに添加するドーパントの添加量を変化させることにより、波長分散や伝送損失といった光ファイバの特性を長手方向で変化させる方法が提案されている（特許文献２〜４参照）。これらの方法によれば、ブリルアン周波数シフトが光ファイバの長手方向で変化するため、ＳＢＳ光が発生しにくくなり、ＳＢＳ閾値が高くなる。

特開２００５−３０１００９号公報 特許第２５８４１５１号公報 特許第２７５３４２６号公報 特許第３５８０６４０号公報

しかしながら、上記の長手方向で特性を変化させた光ファイバは、ＳＢＳ閾値が高くなってＳＢＳ光の発生を抑制できるとしても、光ファイバの長手方向で安定した特性を持たない。光ファイバにおいては非線形光学効果の発生効率は光ファイバの局所的な波長分散特性に影響されるので、長手方向で光ファイバの特性が変化していると非線形光学効果の発生効率が低下するという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、非線形光学効果の発生効率が高い光ファイバモジュールおよび光デバイスを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバモジュールは、長手方向に対して変化する波長分散特性を有する光ファイバと、前記光ファイバに前記長手方向に対して変化する応力を加えて長さを伸ばし、前記波長分散特性を前記長手方向にわたって略一定にした状態で前記光ファイバを保持する保持手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバモジュールは、上記発明において、前記保持手段は、前記光ファイバを巻きつける胴部を有するボビンと、前記ボビンに前記光ファイバを固着する固着手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバモジュールは、上記発明において、前記光ファイバは、前記ボビンの胴部に一層巻きにされていることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバモジュールは、上記発明において、前記光ファイバは、石英系ガラスからなるものであり、コア部の周囲に前記コア部よりも屈折率が低く外径が３０μｍ以上８０μｍ以下のクラッド部を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバモジュールは、上記発明において、前記光ファイバは、前記クラッド部の周囲に外径が７０μｍ以上１００μｍ以下の被覆部を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバモジュールは、上記発明において、前記光ファイバは、直径２０ｍｍで１６回巻いたときに発生する波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．０１ｄＢ以下のものであることを特徴とする。

また、本発明に係る光デバイスは、上記のいずれかの発明に係る光ファイバモジュールを備えることを特徴とする。

本発明によれば、光ファイバのブリルアン周波数シフトが長手方向に対して変化するためＳＢＳ光が発生しにくくなり、ＳＢＳ閾値が高くなるとともに、波長分散特性が長手方向にわたって略一定になるので、非線形光学効果の発生効率が高い光ファイバモジュールおよび光デバイスが実現できるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバモジュールおよび光デバイスの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、本明細書中におけるカットオフ波長λｃとは、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０で定義するカットオフ波長λｃをいう。その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０における定義及び測定方法に従うものとする。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバモジュールを模式的に表した平面概略図である。また、図２は、図１に示す光ファイバモジュールに備えられたボビンを模式的に表した側面概略図である。図１、２に示すように、この光ファイバモジュール１０は、コア部の周囲にクラッド部を備える光ファイバ１１と、光ファイバ１１を巻きつける胴部１２ａを有するボビン１２とを備える。

ボビン１２は、胴部１２ａと、鍔部１２ｂと、引き出し穴１２ｃとを有する。光ファイバ１１は胴部１２ａに巻きつけられ、一端が引き出し穴１２ｃから引き出される。光ファイバ１１の両端部は光ファイバモジュール１０の内壁に沿って取り回された後、接続部１３、１３において他の光ファイバ１４ａ、１４ｂの一端と接続される。光ファイバ１４ａ、１４ｂのもう一端はそれぞれ穴部１５ａ、１５ｂから光ファイバモジュール１０の外部に引き出される。光ファイバ１４ａ、１４ｂは例えば汎用のシングルモード光ファイバである。なお、以下では、特に言及しない限り、この光ファイバモジュール１０に光が入射する場合は、穴部１５ａ側から入射するものとする。

ここで、光ファイバ１１は、長手方向に対して連続的に変化するように引っ張り応力を加えて長さを伸ばした状態でボビン１２に巻きつけられ、樹脂などの接合剤１６によってボビン１２に固着している。また、光ファイバ１１は、ボビン１２の径方向において重なり合わないように、一層巻きにされている。すなわち、ボビン１２と接合剤１６とは、光ファイバ１１に長手方向に対して連続的に変化する応力を加えて長さを伸ばした状態で保持している。これによって、この光ファイバ１１は、ブリルアン周波数シフトが長手方向に対して連続的に変化しており、ＳＢＳ閾値がきわめて高くなる。

以下、具体的に説明する。図３は、図１に示す光ファイバ１１がボビン１２に巻きつけられた状態での長手方向の長さと引っ張り応力との関係を示した図である。また、図４は、図３に示す状態における、長手方向の長さとブリルアン周波数シフトとの関係を示した図である。なお、図３、４において、光ファイバ１１のうち長さが伸ばされた状態でボビン１２に巻きつけられている部分の長さをｌとする。また、光ファイバ１１の長さは穴部１５ａ側を基準位置としている。また、線Ｌ１は光ファイバ１１に加えられている引っ張り応力を示し、線Ｌ２は光ファイバ１１の長さが伸びない程度の引っ張り応力を示している。また、線Ｌ３、Ｌ４は、それぞれ線Ｌ１、Ｌ２が示す引っ張り応力に対応したブリルアン周波数シフトを示している。

図３に示すように、光ファイバ１１に加えられている引っ張り応力は長手方向に対して変化している。その結果、光ファイバ１１の局所的な長さ、屈折率、密度等が変化する。光ファイバ１１の長さが伸びると、光ファイバ１１のクラッド部の外径は長さの変化の割合を示す伸び率に応じて小さくなるため、結果として光ファイバのコア部の直径が小さくなる。光ファイバの伸び率に対するクラッド部の外径またはコア部の直径の変化の割合は、数式（１）によって示される。

Ａ＝１−（１＋ａ／１００）^-0.5×１００ （％） ・・・ （１）
ただし、Ａ：クラッド部外径またはコア部直径の変化率（％）、ａ：光ファイバの伸び率（％）、である。

そして、コア部の直径の変化および屈折率自身の変化により光ファイバ１１のガラス密度やポアソン比等も変化することから、音響波の周波数も変化する。その結果、図４に示すように、ブリルアン周波数シフトも長手方向に対して変化することとなる。具体的には、光ファイバ１１の長さが伸びていない場合のブリルアン周波数シフトν_Ｂに対して、引っ張り応力が大きい、すなわち光ファイバ１１の伸びが大きいほど、ブリルアン周波数シフトは大きくなる。

図５は、図４において各線Ｌ３、Ｌ４が示す各状態の光ファイバ１１において、同一の強度の光を入射した場合のブリルアン散乱光の周波数スペクトルを概念的に示した図である。なお、線Ｌ５、Ｌ６は、それぞれ線Ｌ３、Ｌ４が示す状態における周波数スペクトルを示している。図５に示すように、ブリルアン周波数シフトが長手方向に対して変化することによって、その周波数スペクトルも、線Ｌ５に示すような、ν_Ｂを中心とした帯域が狭く光強度が高い形状から、線Ｌ６に示すような、より広帯域であり、かつ光強度が低い形状となる。これによって、光ファイバ１１のＳＢＳ閾値が高くなり、ＳＢＳ光が抑制される。

さらに、この光ファイバ１１は、長さが伸びていない状態において、長手方向に対して、コア部の直径が連続的に変化している。その結果、この光ファイバ１１は、長さが伸びていない状態において、長手方向に対して連続的に変化する波長分散特性を有している。そして、長さが伸ばされてボビン１２に巻きつけられて保持された状態においては、伸びに応じてコア径が小さくなる。このように光ファイバに与える伸びを連続的に変化させてボビン１２に巻きつけることにより、光ファイバ長手方向に対しコア径を連続的に変化させることができる。また、伸びによるコア径の変化が光ファイバ１１のコア径変動分と等しくなるように設定することで、連続的に変化する伸びを与えた状態で光ファイバ１１のコア径が一定となり、その結果、波長分散特性は長手方向にわたって略一定になっている。図６は、図３に示す状態における、長手方向の長さと所定波長における波長分散値との関係を示した図である。なお、所定波長とは、光ファイバ１１の零分散波長近傍の波長である。上述したように、光ファイバ１１は、長手方向における局所的な長さの変化によって、コア部の直径および屈折率自身が変化するので、図６に示すように、波長分散値も、長手方向に対して変化し、線Ｌ７に示す特性から線Ｌ８に示す特性となり、波長分散値が長手方向にわたって略一定となる。

以上説明したように、この光ファイバモジュールにおいては、光ファイバ１１が、長手方向にわたって波長分散特性が一定でありながら、ブリルアン周波数シフトが長手方向に対して連続的に変化しているので、ＳＢＳ光の発生を効果的に抑圧できる。

なお、この光ファイバ１１の場合は、基準位置から長手方向に向かってコア部の直径およびクラッド部の外径が減少しているため、波長分散値も減少するような特性を有しているので、これに応じて引っ張り応力も減少するように加えている。しかしながら、光ファイバのコア部直径およびクラッド部外径が増加している場合は、これに応じて引っ張り応力も増加するように加える。これによって、光ファイバの波長分散特性は長手方向にわたって略一定となる。

次に、本発明における好ましい光ファイバの構造の一例について具体的に説明する。図７は、図１に示す光ファイバ１１の断面と屈折率プロファイルを模式的に表した概略図である。

図７に示すように、この光ファイバ１１は、石英系ガラスからなり、中心コア部１１ａと、中心コア部１１ａの周囲に設けられ中心コア部１１ａよりも屈折率が低い低屈折率コア部１１ｂとを有するコア部と、低屈折率コア部１１ｂの周囲に設けられ低屈折率コア部１１ｂよりも屈折率が高く中心コア部１１ａよりも屈折率が低いクラッド部１１ｃと、被覆部１１ｄとを備える。中心コア部１１ａは屈折率プロファイルＡ１を有し、低屈折率コア部１１ｂは屈折率プロファイルＡ２を有し、クラッド部１１ｃは屈折率プロファイルＡ３を有する。すなわち、光ファイバ１１は、いわゆるＷ型の屈折率プロファイルを有する。Ｗ型の屈折率プロファイルを有する光ファイバであれば、たとえばコア部の直径を１％変化させた場合に波長分散値が１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度変化するように屈折率プロファイルを設計することが容易となる。したがって、たとえば光ファイバの長さを０．６％伸ばせば、数式（１）に従ってコア部の直径は０．３％だけ変化するので、波長分散値を０．３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度変化させることが可能となる。

また、光ファイバ１１の長手方向にわたって、中心コア部１１ａの直径Ｄ１と低屈折率コア部１１ｂの外径Ｄ２との比であるＤ１／Ｄ２が０．３以上０．８５以下であれば、波長１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が小さいことと、１５５０ｎｍにおける波長分散スロープが小さいことが特によく両立するので好ましい。Ｄ１／Ｄ２はさらに好ましくは０．３以上０．７以下である。

次に、中心コア部１１ａとクラッド部１１ｃとの比屈折率差Δ１および低屈折率コア部１１ｂとクラッド部１１ｃとの比屈折率差Δ２の好ましい値について説明する。Δ１、Δ２は、数式（２）、（３）により定義される。

Δ１＝｛（ｎｆ−ｎ０）／ｎｆ｝×１００ （％） ・・・ （２）
Δ２＝｛（ｎｓ−ｎ０）／ｎｓ｝×１００ （％） ・・・ （３）
ただし、ｎｆは中心コア部１１ａの屈折率最大部の屈折率、ｎｓは低屈折率コア部１１ｂの屈折率最小部の屈折率、ｎ０はクラッド部１１ｃの屈折率である。

比屈折率差Δ１は１．６％以上であれば、有効コア断面積を小さくでき、光学非線形性を高くできるので好ましい。また、比屈折率差Δ１は３．０％以下であれば、カットオフ波長を１５００ｎｍ以下に実現しやすいため、製造性が高くなるので好ましい。また、比屈折率差Δ１は１．８％以上２．９％以下であれば、高い光学非線形性と高い製造性とが高度に両立するので特に好ましい。

一方、比屈折率差Δ２は−０．２％以下であれば、１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値を小さくし、かつ波長分散スロープも低く設計することが容易になるので好ましい。また、比屈折率差Δ２は−１．２％以上であれば、低屈折率コア部１１ｂの屈折率を低くするために例えばフッ素を多量にドープしなくてもよく、製造性が高くなるので好ましい。また、比屈折率差Δ２は−１％以上−０．５％以下であれば、低い波長分散スロープと高い製造性とが高度に両立するので特に好ましい。

つぎに、クラッド部１１ｃの好ましい外径について説明する。石英系ガラスの場合、数式（１）における伸び率０．６％を達成するために必要な張力は、クラッド部１１ｃの外径が１２５μｍの場合は５．３４Ｎであるのに対して、外径が８０μｍの場合は２．５０Ｎである。また、クラッド部１１ｃの外径が小さいほうが、同じ胴径のボビンに巻きつけた場合でも光ファイバにかかる曲げ応力が小さいため、信頼性の点でも有利である。したがって、光ファイバ１１としては、クラッド部１１ｃの外径が８０μｍ以下のものであることが好ましい。

また、光ファイバに長さが変わるほどの応力を印加すると、伝送損失が発生する場合がある。そのため、光ファイバ１１は、直径２０ｍｍで１６回巻いたときに発生する使用波長（例えば１５５０ｎｍ）における曲げ損失が、０．０１ｄＢ以下のものであることが好ましい。このように曲げ損失が小さい光ファイバであれば、応力や側圧が印加されても損失が発生しない。具体的には、たとえば、光ファイバ１１としてモードフィールド径（ＭＦＤ）が６μｍ以下のものを用いれば、上記の低い曲げ損失が実現できる。

また、前述のようにクラッド部の外径が小さいほうが所定の伸び率を達成するために必要な張力は小さいが、クラッド部の外径が小さすぎるとコア部への光の閉じ込めが不十分になり、光が光ファイバの外部に漏れ出して大きな伝送損失が発生する。このような伝送損失を発生させないために必要なクラッド部の外径はコア部の設計により異なるが、一般的にはコア部とクラッド部との比屈折率差が大きく、ＭＦＤが小さいほどクラッドの外径を小さくできる。例えば、ＭＦＤが６μｍ以下の光ファイバではクラッド部の外径が３０μｍ以上であることが好ましい。

次に、光ファイバの被覆部について説明する。光ファイバをボビンに巻く際の巻きピッチは被覆部の外径に依存する。被覆部外径が小さければ細かいピッチで光ファイバを巻くことができるため、同じボビンを使用してより長い光ファイバを収納することが可能である。

ところで、光ファイバに被覆を施す目的は、（１）光ファイバの外表面に傷がついて強度が劣化するのを防止する、（２）光ファイバに外側から応力が加わり、その応力により生じる歪みにより光ファイバの伝送特性が劣化するのを防止する、の２点である。

（１）の目的を果たすためには、被覆には光ファイバの外表面に異物が接触するのを防ぐ程度の厚さが求められる。一方、（２）の目的を果たすためには通常は被覆部を２層構造とし、内層の樹脂のヤング率を低くし、外層の樹脂のヤング率を高くする事によりいわゆるシェル効果で外側からの応力が光ファイバ内部に伝搬するのを防ぐ構造になっている。しかし、本実施の形態１に係る光ファイバ１１において、使用波長におけるＭＦＤを６μｍ以下、直径２０ｍｍで１６回巻いたときに発生する曲げ損失が０．０１ｄＢ以下とすれば、光の閉じ込めを非常に強くすることができる。したがって被覆部を２層構造としなくても伝送特性の劣化が起こらないため、被覆部を（１）の目的で施される１層のみの構造とすることができる。その結果、従来の光ファイバと比較して被覆部の厚さを薄くすることが可能であり、例えば厚さを３０〜４０μｍ程度にできる。つまり、光ファイバ１１は、クラッド部１１ｃの外径を３０〜８０μｍとした場合、被覆部１１ｄの外径を７０〜１００μｍとすることができる。

（実施例１、２、比較例１、２）
本発明の実施例１、２として、図１に示すような構造の光ファイバモジュールを作製した。図８は、各実施においてボビンに巻きつける光ファイバの特性を示した図である。実施例１、２においては、それぞれ図８における「ファイバＡ」、「ファイバＢ」の光ファイバを使用した。なお、図８においては、クラッド部外径については、光を入射させる側のクラッド部外径を「クラッド部外径（ＩＮ）」で示し、光が出射する側のクラッド部外径を「クラッド部外径（ＯＵＴ）」で示している。「ファイバＡ」、「ファイバＢ」のいずれも、光を入射させる側から光が出射する側に向かってクラッド部外径が連続的に減少している。なお、中心コア部直径Ｄ１、低屈折率コア部外径Ｄ２も長手方向に対してクラッド部外径と同じ割合で変化している。また、「クラッド部外径」以外の各項目は長手方向での平均の特性、または両端（ＩＮとＯＵＴ）の平均の特性を示している。

なお、各実施例１、２において、各光ファイバはそれぞれボビンに一層巻きにされている。また、各光ファイバは、光を入射させる側に最大の引っ張り応力が伸び率１％となるように加えられるとともに、長手方向に対して引っ張り応力が連続的に減少するように、ボビンに巻かれ、樹脂接着剤により固着している。

一方、比較例１、２としてそれぞれ光ファイバモジュールを作製した。なお、比較例１、２の光ファイバモジュールは、各光ファイバをボビンに巻きつける際に、光ファイバに、その長さが変化せず、巻き崩れない程度の引っ張り応力を加えた状態でボビンに一層巻きにした点が異なり、その他の点はそれぞれ実施例１、２の光ファイバモジュールと同様である。

図９は、実施例１、比較例１の光ファイバモジュールにおける、光ファイバの長さに対する波長１５５０ｎｍにおける波長分散値を示した図である。図９において、線Ｌ１０は比較例１の特性を示し、線Ｌ１１は実施例１の特性を示している。図９に示すように、比較例１の光ファイバモジュールにおいては、光ファイバの波長分散値は長手方向に対して約０．５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ〜約−０．１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍまで変化している。一方、実施例１の光ファイバモジュールにおいては、光ファイバの波長分散値は長手方向にわたって略一定の約−０．１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散値を有するものとなった。さらに、実施例１の光ファイバモジュールでは、光ファイバの零分散波長が長手方向にわたって一定の約１５５９ｎｍとなった。

一方、図１０は、実施例２、比較例２の光ファイバモジュールにおける、光ファイバの長さに対する波長１５５０ｎｍにおける波長分散値を示した図である。図１０において、線Ｌ１２は比較例２の特性を示し、線Ｌ１３は実施例２の特性を示している。図１０に示すように、比較例２の光ファイバモジュールにおいては、光ファイバの波長分散値は長手方向に対して約０．８８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ〜約０．２５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍまで変化している。一方、実施例２の光ファイバモジュールにおいては、光ファイバの波長分散値は長手方向にわたって略一定の約０．２５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散値を有するものとなった。さらに、実施例２の光ファイバモジュールでは、光ファイバの零分散波長が長手方向にわたって一定の約１５３３ｎｍとなった。

つぎに、各実施例、比較例の光ファイバモジュールに波長１５５０ｎｍ、スペクトル幅２００ｋＨｚのレーザ光を入射し、これによって発生したブリルアン散乱光を測定するとともに、ＳＢＳ閾値を測定した。図１１は、実施例１、比較例１の光ファイバモジュールのブリルアン散乱光の周波数スペクトルを示した図である。図１１に示すように、比較例１の光ファイバモジュールでは、ブリルアン散乱光の周波数スペクトルは複数のブリルアン周波数シフトを示す複数の鋭いピークを有する形状であったが、実施例１の光ファイバモジュールでは、ブリルアン散乱光の周波数スペクトルは広帯域であり、その光強度が実施例１よりも最大で２０ｄＢ近く低いような形状となった。

一方、図１２は、実施例２、比較例２の光ファイバモジュールのブリルアン散乱光の周波数スペクトルを示した図である。図１２に示すように、比較例２の光ファイバモジュールでは、比較例１と同様にブリルアン散乱光の周波数スペクトルは複数のブリルアン周波数シフトを示す複数の鋭いピークを有する形状であったが、実施例２の光ファイバモジュールでは、実施例１と同様にブリルアン散乱光の周波数スペクトルは広帯域であり、その光強度が実施例１よりも最大で２０ｄＢ以上低いような形状となった。

また、ＳＢＳ閾値については、比較例１の光ファイバモジュールでは２０．８ｄＢｍであったが、実施例１の光ファイバモジュールでは２８．４ｄＢｍであり、同一の光ファイバを用いながら値が７．６ｄＢも向上した。一方、比較例２の光ファイバモジュールでは、ＳＢＳ閾値は１８．１ｄＢｍであったが、実施例２の光ファイバモジュールでは２６．７ｄＢｍであり、同一の光ファイバを用いながら値が８．６ｄＢも向上した。

なお、実施例１、２の光ファイバモジュールを、常温の環境下に６ヶ月放置した後に再びブリルアン散乱光の周波数スペクトルとＳＢＳ閾値とを測定したところ、放置前とほとんど同じスペクトル形状およびＳＢＳ閾値となっており、光ファイバに加えられている応力が維持されていることが確認された。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る光デバイスについて説明する。本実施の形態２に係る光デバイスは、信号光とポンプ光とが入力されると、非線形光学効果であるＦＷＭにより発生した波長変換光を出力する波長変換光デバイスである。

図１３は、本実施の形態２に係る波長変換光デバイスを模式的に表した概略図である。この波長変換光デバイス１００は、実施の形態１に係る光ファイバモジュール１０と、信号光Ｓｉｎとポンプ光Ｓｐとを合波する光合波器２０とを備えるものである。光合波器２０は、入力された信号光Ｓｉｎとポンプ光Ｓｐとを合波して光ファイバモジュール１０に出力する。光ファイバモジュール１０は、穴部１５ａ側から合波された信号光Ｓｉｎとポンプ光Ｓｐとを受けつけ、この信号光Ｓｉｎとポンプ光ＳｐとからＦＷＭにより波長変換光Ｓｃを発生させて、穴部１５ｂ側から波長変換光デバイス１００の外部へ出力する。

この光ファイバモジュール１０においては、光ファイバの波長分散値は長手方向にわたって略一定であり、ポンプ光Ｓｐの波長においてたとえば絶対値が１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下、好ましくは０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとなっている。その結果、この波長変換光デバイス１００は広帯域で高効率の波長変換特性を有するものとなる。

（実施例３、比較例３）
本発明の実施例３、比較例３として、それぞれ実施例１、比較例１の光ファイバモジュールを用いた波長変換光デバイスを作製した。そして、各光ファイバモジュールに、信号光として波長１５６４ｎｍで強度０ｄＢｍの光を入力し、それと同時にポンプ光として実施例１の光ファイバモジュールの零分散波長と同一の波長１５５９ｎｍの光を、その強度を変えながら入力し、波長変換光デバイスの変換効率を測定した。なお、変換効率とは、波長変換光デバイスに入射時の信号光の強度に対する出射時の波長変換光の強度の比で示されるものである。

図１４は、実施例３、比較例３の波長変換光デバイスにおけるポンプ光強度と変換効率との関係を示した図である。なお、閾値Ｐth１は、比較例３において用いている比較例１の光ファイバモジュールのＳＢＳ閾値である２０．８ｄＢｍを示す。図１４に示すように、ポンプ光強度が約１８．６ｄＢｍの場合、実施例３、比較例３の波長変換光デバイスの変換効率は約−２１ｄＢで同じ値である。しかしながら、ポンプ光強度を増加させていくと、比較例３の波長変換光デバイスでは、閾値Ｐth１以上のポンプ光を入力してもＳＢＳの影響で変換効率は約−２０ｄＢで略一定である。これに対して、実施例３の波長変換光デバイスでは、閾値Ｐth１以上でポンプ光の強度を増加した場合に変換効率は比例的に増大し、最大で−２ｄＢと極めて大きい値となり、比較例３よりも約１８ｄＢも向上した。

（実施例４、比較例４）
本発明の実施例４、比較例４として、それぞれ実施例２、比較例２の光ファイバモジュールを用いた波長変換光デバイスを作製した。そして、各光ファイバモジュールに、信号光として波長１５６４ｎｍで強度０ｄＢｍの光を入力し、それと同時にポンプ光として実施例２の光ファイバモジュールの零分散波長と同一の波長１５３３ｎｍの光を、その強度を変えながら入力し、波長変換光デバイスの変換効率を測定した。

図１５は、実施例４、比較例４の波長変換光デバイスにおけるポンプ光強度と変換効率との関係を示した図である。なお、閾値Ｐth２は、比較例４において用いている比較例２の光ファイバモジュールのＳＢＳ閾値である１８．１ｄＢｍを示す。図１５に示すように、ポンプ光強度が約１７．９ｄＢｍの場合、実施例４、比較例４の波長変換光デバイスの変換効率は約−１９ｄＢで同じ値である。しかしながら、ポンプ光強度を増加させていくと、比較例４の波長変換光デバイスでは閾値Ｐth２以上のポンプ光を入力しても変換効率は約−１７ｄＢで略一定である。これに対して、実施例４の波長変換光デバイスでは、閾値Ｐth２以上でポンプ光の強度を増加した場合に変換効率は比例的に増大し、最大で０．７ｄＢと極めて大きい値となり、比較例４よりも２０ｄＢ近くも向上した。

なお、実施例３、４の波長変換光デバイスを、常温の環境下に６ヶ月放置した後に再び変換効率を測定したところ、放置前とほとんど同じ値であった。

つぎに、本発明に係る光ファイバモジュールの製造方法について具体的に説明する。はじめに、光ファイバ１１を、長手方向に対して連続的に変化するように引っ張り応力を加えて長さを伸ばした状態でボビン１２に巻きつける方法の一例について説明する。

図１６は、図１に示す光ファイバ１１をボビン１２に巻きつける巻きつけ装置の構成の一例を示した模式図である。図１６に示すように、この巻きつけ装置２００は、ボビン２０１と、ガイドロール２０２、２０４、２０５と、引っ張り応力印加機構２０３とを備える。引っ張り応力印加機構２０３は、軸２０３ａと、ダンサロール２０３ｂと、ダンサロール２０３ｂの軸２０３ｃと、軸２０３ａと軸２０３ｃとを接続する接続アーム２０３ｄとを備える。なお、軸２０３ａはモータの回転軸に接続している。なお、ダンサロール２０３ｂは、その軸２０３ｃを中心として自由に回転するとともに、モータにより軸２０３ａの回りを回転するようになっている。

つぎに、この巻きつけ装置２００を使用した巻きつけ方法について説明する。はじめに、ボビン２０１に巻きつけておいた光ファイバ１１を引き出し、ガイドロール２０２、ダンサロール２０３ｂ、ガイドロール２０４、２０５の表面を順次通過させてボビン１２に巻きつける。そして、ボビン１２を回転させて光ファイバ１１を巻きつける。この際に、軸２０３ａに接続されたモータを所定の回転トルクで紙面上で時計回りに回転する方向に起動すると、これによって軸２０３ａ、接続アーム２０３ｄ、軸２０３ｃを順次介してダンサロール２０３ｂに紙面下方向に動く力が働く。この際、ダンサロール２０３ｂには光ファイバ１１が配置されているため、ダンサロール２０３ｂが紙面下方向に回転するかわりに光ファイバ１１に紙面下方向に加重が掛かる。その結果、ダンサロール２０３ｂの表面を通過する光ファイバ１１には所定の引っ張り応力が加えられ、長さが伸ばされた状態でボビン１２に巻きつけられる。このモータの回転トルクを連続的に変化させることによって、光ファイバ１１は、長手方向に対して連続的に変化するように引っ張り応力が加えられて長さが伸ばされた状態でボビン１２に巻きつけられる。

その後、光ファイバ１１を所望の長さだけボビン１２に巻きつけたら、樹脂などの接合剤を用いて光ファイバ１１をボビン１２に固着する。なお、この固着は粘着テープなどを用いて行なってもよい。

なお、上記実施形態では、光ファイバ１１は、長手方向に対して連続的に変化するように引っ張り応力を加えてボビン１２に巻きつけられていたが、引っ張り応力は長手方向に対して階段状に変化するようにしてもよい。この場合、その階段状のステップは、光ファイバ１１の長さに対してたとえば１／５０〜１／１００程度の十分に短い区間にすることが好ましい。このように引っ張り応力を階段状に変化するように光ファイバ１１に加えるには、巻きつけ装置２００においてモータの回転トルクを階段状に変化させたり、またはモータを利用せず、ダンサロール２０３ｂに重りを取り付け、その重りの質量を段階的に変化させたりすればよい。

つぎに、光ファイバ１１の製造方法の例について説明する。前述したように、光ファイバ１１は、長手方向に対して、コア部直径およびクラッド部外径が連続的に変化しており、これによって長手方向に対して連続的に変化する波長分散特性を実現している。このような光ファイバ１１は、外径およびコア母材の直径が長手方向にわたって一様に形成された通常の光ファイバ母材を、クラッド部外径が連続的に変化するように線引きすることによって得られる。

たとえば、光ファイバのクラッド部外径を７０μｍとし、光ファイバの伸び率の最大値が１％となるように引っ張り応力を加える場合を考える。光ファイバの伸び率が１％の場合、数式（１）より、光ファイバの伸びによるクラッド部外径の変化は０．３５μｍとなる。したがって、たとえば光ファイバの使用長さを１００ｍとする場合は、光ファイバのクラッド部外径が１００ｍあたり０．３５μｍだけ変化するように、すなわち変化率が０．３５μｍ／１００ｍとなるように線引きを行なえばよい。また、光ファイバの使用長さを５０ｍとするときは、変化率が０．３５μｍ／５０ｍとなるように線引きを行なえばよい。

なお、長手方向にわたって一様な通常の光ファイバ母材を、クラッド部外径が周期的に変化するように線引きすることによって、一つの光ファイバ母材から、本発明に係る光ファイバモジュールに用いる所望の光ファイバを複数本得ることができる。

図１７は、通常の光ファイバ母材を線引きして製造した光ファイバの長手方向に対するクラッド部外径（クラッド径）の変化の一例を示した図である。図１７に示すように、光ファイバ３０は、その長手方向に対して、クラッド径が一定のピッチで周期的に変化している。したがって、この光ファイバ３０を光ファイバ３１〜３６に分割した場合、各光ファイバ３１〜３６は、クラッド径が、長手方向に対して同じ変化率で減少または増加する光ファイバとなる。

一方、図１８は、通常の光ファイバ母材を線引きして製造した光ファイバの長手方向に対するクラッド径の変化の別の一例を示した図である。図１８に示すように、光ファイバ４０は、その長手方向に対して、クラッド径が異なるピッチで周期的に変化している。したがって、この光ファイバ４０を光ファイバ４１〜４６に分割した場合、各光ファイバ４１〜４６は、クラッド径が、長手方向に対して異なる変化率で減少または増加する光ファイバとなる。したがって、各光ファイバ４１〜４６は、異なる使用長さで使用することができる。

つぎに、本発明に係る光ファイバモジュールに用いる光ファイバの製造方法の別の例について説明する。図１９は、本発明に係る光ファイバモジュールに用いる光ファイバの製造方法の別の例について説明する説明図である。図１９に示すように、この光ファイバの製造方法においては、はじめにコア部を形成するためのコア母材５１を準備する。つぎにコア母材５１にＯＶＤ（Outside Vapor Deposition）法によりクラッド形成部を追加し、クラッド形成部の外形が太くなったら細く延伸し、再度クラッド形成部を追加するという工程を繰り返し、光ファイバ母材５０を形成する。この光ファイバ母材５０は、コア母材５１とクラッド形成部５２とを備えている。ここで、ＯＶＤ法により作製したことにより、光ファイバ母材５０は、その中央部では長手方向にわたって一定の外径であるが、その両端部では端部に向かって外径が減少している。つぎに、この光ファイバ母材５０から、外径が減少している端部母材５０ａ、５０ｂを切断する。つぎに、端部母材５０ａまたは５０ｂを、その外径が長手方向にわたって一定になるように延伸して、光ファイバ母材６０を形成する。この光ファイバ母材６０は、クラッド形成部６２の外径は長手方向にわたって一定であるが、コア母材６１の直径は長手方向に対して変化している。

つぎに、図２０は、図１９に示す光ファイバ母材６０を用いて線引きされる光ファイバの長手方向に対する所定波長における波長分散値について説明する説明図である。たとえば、この光ファイバ母材６０を、クラッド径が長手方向にわたって一定になるように線引きした光ファイバの波長分散値は、線Ｌ１４に示すように、長手方向に対して連続的に変化するものとなる。一方、この光ファイバ母材６０をクラッド径が長手方向に対して一定のピッチで周期的に変化するように線引きした光ファイバの波長分散値は、線Ｌ１５に示すように、長手方向に対して一定のピッチで周期的に変化するが、その変化率の絶対値が長手方向に向かって徐々に大きくなるものとなる。したがって、この光ファイバから、線分Ｌ１５ａ〜Ｌ１５ｆに対応する部分を切り出した各光ファイバは、それぞれ異なる使用長で使用できるものとなる。すなわち、線分Ｌ１５ａ〜Ｌ１５ｆに対応する各光ファイバは、ある同一の引っ張り応力を加える場合に、異なる使用長において、線分Ｌ１６ａ〜Ｌ１６ｆに示すような長手方向において一定の波長分散値を実現するものとなる。したがって、光ファイバ母材６０をクラッド径が長手方向に対して一定のピッチで周期的に変化するように線引きすれば、異なる使用長で使用できる光ファイバを複数本同時に製造できるので、その中から所望の使用長の光ファイバをより確実に選別、使用することができる。

なお、図１９において、光ファイバ母材５０からその端部母材５０ａおよび５０ｂを切断した残余の部分、すなわち光ファイバ母材５０の中央部は、その外径が長手方向にわたって一定であるから、長手方向にわたって一定の特性を有する光ファイバの製造に好適に用いることができる。

本発明の実施の形態１に係る光ファイバモジュールを模式的に表した平面概略図である。 図１に示す光ファイバモジュールに備えられたボビンを模式的に表した側面概略図である。 図１に示す光ファイバがボビンに巻きつけられた状態での長手方向の長さと引っ張り応力との関係を示した図である。 図３に示す状態における、長手方向の長さとブリルアン周波数シフトとの関係を示した図である。 図４において各線が示す各状態の光ファイバにおいて、同一の強度の光を入射した場合のブリルアン散乱光の周波数スペクトルを概念的に示した図である。 図３に示す状態における、長手方向の長さと所定波長における波長分散値との関係を示した図である。 図１に示す光ファイバの断面と屈折率プロファイルを模式的に表した概略図である。 各実施においてボビンに巻きつける光ファイバの特性を示した図である。 実施例１、比較例１の光ファイバモジュールにおける、光ファイバの長さに対する波長１５５０ｎｍにおける波長分散値を示した図である。 実施例２、比較例２の光ファイバモジュールにおける、光ファイバの長さに対する波長１５５０ｎｍにおける波長分散値を示した図である。 実施例１、比較例１の光ファイバモジュールのブリルアン散乱光の周波数スペクトルを示した図である。 実施例２、比較例２の光ファイバモジュールのブリルアン散乱光の周波数スペクトルを示した図である。 本発明の実施の形態２に係る波長変換光デバイスを模式的に表した概略図である。 実施例３、比較例３の波長変換光デバイスにおけるポンプ光強度と変換効率との関係を示した図である。 実施例４、比較例４の波長変換光デバイスにおけるポンプ光強度と変換効率との関係を示した図である。 図１に示す光ファイバをボビンに巻きつける巻きつけ装置の構成の一例を示した模式図である。 通常の光ファイバ母材を線引きして製造した光ファイバの長手方向に対するクラッド径の変化の一例を示した図である。 通常の光ファイバ母材を線引きして製造した光ファイバの長手方向に対するクラッド径の変化の別の一例を示した図である。 本発明に係る光ファイバモジュールに用いる光ファイバの製造方法の別の例について説明する説明図である。 図１９に示す光ファイバ母材を用いて線引きされる光ファイバの長手方向に対する所定波長における波長分散値について説明する説明図である。

符号の説明

１０ 光ファイバモジュール
１１、１４ａ、１４ｂ、３０〜３６、４０〜４６ 光ファイバ
１１ａ 中心コア部
１１ｂ 低屈折率コア部
１１ｃ クラッド部
１１ｄ 被覆部
１２ ボビン
１２ａ 胴部
１２ｂ 鍔部
１２ｃ 引き出し穴
１３ 接続部
１５ａ、１５ｂ 穴部
１６ 接合剤
２０ 光合波器
５０、６０ 光ファイバ母材
５０ａ、５０ｂ 端部母材
５１、６１ コア母材
５２、６２ クラッド形成部
１００ 波長変換光デバイス
２００ 巻きつけ装置
２０１ ボビン
２０２、２０４、２０５ ガイドロール
２０３ 引っ張り応力印加機構
２０３ａ、２０３ｃ 軸
２０３ｂ ダンサロール
２０３ｄ 接続アーム
Ａ１〜Ａ３ 屈折率プロファイル
Ｌ１〜Ｌ１５ 線
Ｌ１５ａ〜Ｌ１５ｆ、Ｌ１６ａ〜Ｌ１６ｆ 線分
Ｐth１、Ｐth２ 閾値
Ｓｃ 波長変換光
Ｓｉｎ 信号光
Ｓｐ ポンプ光

Claims (7)

1. 長手方向に対して連続的に変化する波長分散特性を有する連続した１本の光ファイバと、
   前記光ファイバに前記長手方向に対して連続的に変化する応力を加えて長さを伸ばし、前記波長分散特性を前記長手方向にわたって略一定にした状態で前記光ファイバを保持する保持手段と、
   を備える光ファイバモジュールと、
   入力された信号光とポンプ光とを合波して前記光ファイバモジュールに出力する光合波器と、を備え、
   前記保持手段は、前記光ファイバを巻きつける胴部を有するボビンと、前記ボビンに前記光ファイバを固着する固着手段とを有し、
   前記光ファイバは、石英系ガラスからなり、
   中心コア部と、前記中心コア部の周囲に設けられ前記中心コア部より屈折率が低い低屈折率コア部と、を有するコア部と、
   前記低屈折率コア部の周囲に設けられ前記低屈折率コア部より屈折率が高く前記中心コア部より屈折率が低いクラッド部と、
   を備え、前記中心コア部の直径と前記低屈折率コア部の外径との比は０．３以上０．８５以下であり、前記中心コア部とクラッド部との比屈折率差は１．６％以上３．０％以下であり、前記低屈折率コア部とクラッド部との比屈折率差は−１．２％以上−０．２％以下であり、
   前記クラッド部の外径が３０μｍ以上８０μｍ以下であり、
   前記クラッド部の周囲に外径が７０μｍ以上１００μｍ以下の被覆部を備え、
   前記光ファイバは、直径２０ｍｍで１６回巻いたときに発生する波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が０．０１ｄＢ以下であることを特徴とする波長変換光デバイス。
2. 前記光ファイバの伸び率の最大値は１％以下であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換光デバイス。
3. 前記光ファイバは、前記ボビンの胴部に一層巻きにされていることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換光デバイス。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の波長変換光デバイスに用いる光ファイバの製造方法であって、
   光ファイバ母材を、長手方向に対して、クラッド部の外径が連続的に変化するように線引きする工程を含むことを特徴とする波長変換光デバイスに用いる光ファイバの製造方法。
5. 前記光ファイバ母材を、長手方向に対して、クラッド部の外径が一定のピッチで周期的に変化するように線引きすることを特徴とする請求項４に記載の波長変換光デバイスに用いる光ファイバの製造方法。
6. 前記光ファイバ母材を、長手方向に対して、クラッド部の外径が異なるピッチで周期的に変化するように線引きすることを特徴とする請求項４に記載の波長変換光デバイスに用いる光ファイバの製造方法。
7. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の波長変換光デバイスに用いる光ファイバの製造方法であって、
   コア母材を形成する工程と、
   前記コア母材に対してＯＶＤ法によりクラッド部を合成し光ファイバ母材を形成する工程と、
   前記光ファイバ母材の端部を外径が長手方向にわたって略一定になるように延伸する工程と、
   前記延伸した光ファイバ母材の端部を線引きする工程と、
   を含むことを特徴とする波長変換光デバイスに用いる光ファイバの製造方法。

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