JP5410750B2 - アルミニウムドーパントを含む高ｓｂｓ閾値光ファイバ - Google Patents

Description

クロスリファレンス

本出願は、米国特許法１１９（ｅ）条に規定に基づいて、２００５年６月１５日出願の米国仮出願Ｎｏ．６０／６９１１８０の優先権の利益を享受することを請求する。

発明の背景

本発明は、ＤＡＲＰＡによって与えられたＮｏ． ＭＤＡ９７２−０２−３−００４の規約の下で、政府援助によりなされた。本発明の請求項のいくつかにおいて一定の権利が、政府にあり得る。

発明の分野

本発明は高ＳＢＳ閾値光ファイバに関する。

技術背景

多くの光伝送系において、誘導ブリルアン散乱 （ＳＢＳ：Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、主に非線形効果を生じさせ、不利な条件となっている。多くのシステムで、高ＳＮ比（ＳＮ比）を維持したまま、光ファイバ内を伝達する光の出力が強いのが好ましい。しかしながら、光ファイバに照射された入射光信号の強度が強くなると、ある閾値強度（ＳＢＳ閾値）を超え、ＳＢＳに起因して、信号強度の一部が後方反射されてしまう。このように、ＳＢＳに起因して、多くの信号強度が送信機側に向かう後方反射のため失われる場合がある。さらに、その散乱過程において、信号波長における騒音レベルが増大してしまう。信号強度が低減した状態とノイズの増大した状態が組み合わさった場合、ＳＮ比が低下し、性能劣化につながってしまう。

有限温度では、ガラスの熱励起は、結晶のフォノンによる熱励起と同様に生じ、低強度光信号を用いた場合のこれらの振動モードの相互作用によって、ブリュアン散乱を自然発生してしまう。連続して入射光を照射し、反射光が自発的に生ずると、光学フィールドが強くなると、電気ひずみによる圧力波又は音波が生じ、圧力波又は音波が生ずる。圧力変化によって物質密度は変化すると、屈折率が変動してしまう。最終的には、光波の電場成分が強くなると、物質密度の変動によって圧力波又は音（音響）波が生ずる。音波が生ずると、屈折率が変化し、ブラッグ回折により反射光の振幅が強まる。光ファイバのＳＢＳ閾値を超えると、励起された光子数が、大きく増大し、その結果、強い反射場が生じ、透過光の強度が制限され、ＳＮ比を低下させてしまう。

米国特許６，８５６，７４０及び６，６８７，４４０には、ＳＢＳを低くするために、音波を導波しない導波路を使用することを開示している。光ファイバのコアにドープすることによって、ファイバのコアにおける縦音波速度はクラッドのものより速くなるよう設定されている （すなわち、音波の「有効屈折率」はクラッドのものより低い）。しかしながら、我々の分析によれば、この手法が実用性を制限してしまう。クラッドにおける音響モードがコアモードにない場合に、優勢になるからである。クラッドにおける音響モードがコアのモードと結合し、ＳＢＳを生成し、ＳＢＳ閾値を確定させる。その上、ファイバコア中で音波非導波を得るための１つの手法として、特別なコーティングを利用している。そのようなコーティングの低損傷閾値は高い光電力用途におけるファイバの使用を排除する。

また、米国特許出願Ｎｏ．２００４／００９６１７及び米国特許６，５８７，６２３には、ＳＢＳ低減する同様の技術が開示されている。これらの引例は、音響コアモードを減少させることによって、ＳＢＳを減少させようとしているおり、音響モードがファイバのクラッドで伝播してもよい。また、一方で、この手法は、ファイバコアと結合してコア内に閉じ込められるクラッドの音響モードを考慮していない。ファイバコアにいては、クラッドの音響モードは光学モードと結合して、ＳＢＳ閾値で主要な役割を担っている。その上、これらの引例においては、縦音波速度がＳＢＳにおいて優位なパラメータであると分かっている場合の速度勾配に焦点が合わせられている。

米国特許 Ｎｏ．６，５４２，６８３には、ＳＢＳ効果は、不均一な粘性と不均一なＣＴＥを放射状に有するコアを備えた光ファイバによって緩和されることが開示されている。リンやフッ素といったドーパントを変えることによって形成された異なるガラス層を交互にすることによって、そのコアは形成されている。本特許においては、その交互層の膜厚は０．５μｍ未満であり、２つの隣接層の間の共ドーパントは少なくとも１つの構成で異なることを教示している。

“Ｙ． Ｋｏｙａｍａｄａ ｅｔ ａｌ． （Ｊ． ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖｏｌ． ２２， ｐｐ．６３１−６３９， ２００４”の論文には、ファイバコア内を伝播する音響モードを抑制する手法が開示されている。音響モードの抑制は、コアの縦音波速度をクラッドより大きくすることによってなされている。これは、ファイバのクラッド層にフッ素をドーピングすることによって達成され、クラッド層内の音波速度を低減しつつ、クラッド層の屈折率を低減している。コア層のゲルマニウムの量が低減され、クラッド層に対して適切なデルタが与えられている。その論文においては、非常に高い屈折率デルタ（クラッドに対する３．７％のデルタ）を有し１μｍの半径を有する（ゲルマニウムドープされた）コア層とフッ素ドープされたクラッド層と含むファイバにおいて、コア層とクラッド層との間の縦音波速度差が０．０３であるときに、ＳＢＳ（高いＳＢＳ閾値）が最小になることが開示されている。

“Ｐ．Ｄ． Ｄｒａｇｉｃ ｅｔ ａｌ． （ＣＬＥＯ’２００５， ｐａｐｅｒ ＣＴｈＺ３， Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ， Ｍａｒｙｌａｎｄ， Ｍａｙ ２２−２７， ２００５）”の論文においては、コアを囲むリング形状の音響フィールド導波層を有するファイバ設計を開示している。しかしながら、この設計では、コア領域に結合したクラッド層の音響モードに関する説明はなされていない。また、その音響モードは、ＳＢＳを生じさせ、ＳＢＳ閾値を確立させてしまう。その論文において報告されている実験結果によれば、ファイバの減衰は標準シングル光ファイバよりもはるかに大きく、それ故、レーザーファイバの用途には好適ではない。

発明の概要

本明細書に開示されているのは、誘導ブリルアン散乱に対して高閾値を有する光導波ファイバである。本発明の実施例に係る光ファイバは、屈折率分布と中心線を有するコアと、前記コアを囲み且つこれに直接に隣接するクラッド層と、を含み、前記コアは、アップドーピング材料を含み、前記コアの少なくとも１つの領域においてアルミニウムがドープされることにより（ａ）前記コア内の縦音波速度が前記クラッド層内の縦音波速度の０．０５％の範囲内にある又は（ｂ）前記コア内の縦音波速度は少なくとも０．２％変化することを特徴とする。

実施例にかかる光ファイバは、音響デルタΔ１を有する第１領域と前記第１領域と直接隣接し且つ音響デルタΔ２を有する第２領域を含み、屈折率分布と中心線を有するアルミニウムドープされたコアと、前記コアを囲み且つ前記コアに直接隣接するクラッド層と、を含み、前記音響デルタΔ１と前記音響デルタΔ２とは非同一であり、前記第１及び前記第２コア領域は実質的に等しい光学屈折率を有し、前記光ファイバは１５５０ｎｍで減衰し、コアの屈折率が１５５０ｎｍで０．８未満の重なり積分を与えるように選択されることを特徴とする。

実施例かかる光ファイバは、音響デルタΔ１を有する第１領域と前記第１領域と直接隣接し且つ音響デルタΔ２を有する第２領域を含み、屈折率分布と中心線を有するアルミニウムドープされたコアと、前記コアを囲み且つ前記コアに直接隣接するクラッド層と、を含み、前記音響デルタΔ１と前記音響デルタΔ２とは非同一であり、前記第１及び前記第２コア領域は実質的に等しい光学屈折率を有し、前記第１領域は０．１モル％以上のアルミニウムを含み、前記第２領域には、０．１モル％未満のアルミニウムを含み、前記領域のうち少なくとも一つはゲルマニウム及びアルミニウムが共にドープされていることを特徴とする。

実施例において、 前記コア領域のうち一方はゲルマニウムドープされたシリカを含み、隣接する前記コア領域はゲルマニウム及びアルミニウムドープされたシリカを含んでもよい。前記中央コア領域はゲルマニウムドープされたシリカを含み、前記中心コア領域を囲む隣接したコア領域はゲルマニウム及びアルミニウムドープされたシリカを含んでもよい。別の実施例においては、前記中心コア領域はゲルマニウム及びアルミニウムが伴にドープされたシリカを含み、前記中心コア領域を囲む隣接している前記コア領域は、ゲルマニウムドープされたシリカを含み且つアルミニウムドープされたシリカを含んでいなくてもよい。さらに別の実施例においては、前記一つのコア領域と前記隣接したコア領域はゲルマニウムとアルミニウムの両方によってドープされ、ゲルマニウムとアルミニウムの量は前記２つの領域において異なっていてもよい。前記クラッド層はアルミニウムドープされたシリカクラッドであり、前記のクラッド層は純シリカ層であることが好ましい。

好ましくは、説明され及び本明細書に開示された光ファイバの実施例は、８００から１，６５０ｎｍの間において、複数の動作波長帯域において動作をなす。例えば、説明及び本明細書に開示された光ファイバの実施例のいくつかは、１２６０から１，６５０ｎｍの間において、複数の動作波長帯域において動作をなす。このタイプの光ファイバの実施例においては、説明及び本明細書に開示された光ファイバは、少なくとも１３１０ｎｍを中心とした波長帯域及び１５５０ｎｍを中心とした波長帯域において動作をなす。レーザファイバの実施例は望ましくは、９００ｎｍと１６００ｎｍの範囲、例えば、約１０８０ｎｍで動作をなす。

添付図面に示された本発明の実施例について詳細に説明する。

発明の詳細な説明

本発明の付加的な特徴および効果は、請求項および添付の図面と共に以下の説明にて説明するように、当業者にとって明確であるか、本発明を実施することによって認識されるであろう。

「屈折率分布（プロファイル）」とは、屈折率又は相対屈折率と導波ファイバの半径との関係を意味する。

「相対屈折率パーセント」又は「光学屈折率デルタ」を、Δ％＝１００ｘ（ｎｉ^２ −ｎｃ^２）／２ｎｉ^２として定義する。ここで、特に記載していない限り、ｎｉが領域ｉでの最大屈折率であり、ｎ_ｃがクラッド領域の平均屈折率である。本明細書において用いられるように、特に記載していない限り、相対屈折率は「％」の単位で表され、その数値も「％」の単位で与えられる。ある領域の屈折率がクラッド領域の平均屈折率以下である場合、特に記載していない限り、相対屈折率パーセントは負であり、相対屈折率パーセントは凹領域又は凹屈折率を有すると称し、相対屈折率パーセントは相対屈折率が最も負であるポイントにおいて計算される。ある領域の屈折率がクラッド領域の平均屈折率より大である場合、相対屈折率パーセントは正であり、相対屈折率パーセントは上昇されている又は正の屈折率を有すると称する。本明細書において、「アップドーパント」とは、純粋な無ドープＳｉＯ_２に対して屈折率を上げる傾向のあるドーパントであるとみなす。本明細書において、「アップドーパント」とは、純粋な無ドープＳｉＯ_２に対して屈折率を下げる傾向のあるドーパントであるとみなす。アップドーパントとアップドーパントでない１以上の他のドーパントが伴に存在する場合、アップドーパントは、負の相対屈折率を有する光ファイバの一つの領域中に存在してもよい。同様に、アップドーパントでない１以上の他のドーパントが、正の相対屈折率を有する光ファイバの一つの領域中に存在してもよい。ダウンドーパントとダウンドーパントでない１以上の他のドーパントが伴に存在する場合、ダウンドーパントは、正の相対屈折率を有する光ファイバの一つの領域中に存在してもよい。同様に、ダウンドーパントでない１以上の他のドーパントが、負の相対屈折率を有する光ファイバの一つの領域中に存在してもよい。

導波ファイバにおける「色分散」（本明細書においては、特に注意のない限り、「分散」と称する）とは、物質の分散、導波分散、及びモード（ｉｎｔｅｒ−ｍｏｄａｌ）分散の和である。シングルモード導波ファイバの場合では、モード分散はゼロである。ゼロ分散波長は、分散がゼロの値である時の波長である。分散の勾配は波長に関する分散の変化率である。

「有効面積」は以下ように定義される。

ここで、積分範囲は０から∞であり、ｆ（ｒ）は、導波路内を伝播する光の電場の横成分である。本明細書においては、特に注意しない限り、「有効面積」又は「Ａ_ｅｆｆ」とは、１５５０ｎｍの波長での光学有効面積をいう。

「α分布（プロファイル）」 という用語は、相対屈折率分布をいう。「α分布」は、ｒを半径とし、「％」単位のΔ（ｒ）によって表され、Δ（ｒ）は以下の式に従う。

ここで、ｒ_０は、Δ（ｒ）が最大値での点であり、ｒ_１は、Δ（ｒ）％が０である点であり、ｒはｒ_ｉ≦ｒ≦ｒ_ｆの範囲内である。ｒ_ｉはα分布の始点であり、ｒ_ｆはα分布の終点であり、αは実数である指数である。

モードフィールド直径（ＭＦＤ：Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）は、ＰｅｔｅｒｍａｎＩＩ手法を使用して以下のように計算される。２ｗ ＝ ＭＦＤ であり、

となる。ここで、積分範囲は、０から８までである。

所定の試験条件下で生じた減衰によって、導波ファイバの曲げ抵抗を測ることができる。曲げ試験の一つの態様として、横荷重マイクロベンド試験がある。このいわゆる「横荷重」試験では、所定の長さの導波ファイバは平坦な２枚のプレートの間に置かれる。＃７０ワイヤメッシュはそのプレートの１つに取り付けられる。既知の長さの導波ファイバがプレート間に挟まれ、プレートを３０ニュートンの力で加圧した状態で参照減衰が測定される。
プレートを７０ニュートンの力で加圧して、ｄＢ／ｍでの減衰の増加が測定される。その減衰の増加は導波路の横荷重減衰である。

「ピン配列」曲げテストは、導波ファイバの相対抵抗を曲げ抵抗に比較するのに用いられる。この試験を実行するために、曲げ損失が誘起されていない状態での導波ファイバに対して、減衰損失が測定される。そして、導波ファイバがピン配列の周囲に織り込まれ、減衰が再測定される。曲げによって生じた損失は、その２つの測定減衰の差である。ピン配列は、一列に配置され且つ平坦な表面上において垂直に固定された一組の１０本の円筒ピンである。ピンの中心間の間隔は５ｍｍである。ピン直径は０．６７ｍｍである。試験中、十分な張力を加え、導波ファイバがピンの表面部分に一致するようになされる。

所定のモードにおける、理論ファイバカットオフ波長、若しくは「理論ファイバカットオフ」若しくは「理論カットオフ」とは、導波光が当該モードにおいて伝播できない波長よりも大である波長である。数学的定義は、“Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｊｅｕｎｈｏｍｍｅ，ｐｐ．３９−４４，Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９９０”になされている。そこで説明されている理論上のファイバカットオフとは、モード伝搬定数が外側のクラッド層における平面波伝搬定数と等しくなる波長をいう。この理論上の波長は、無限に長く、完全に直線であり、直径に変動がないファイバには適切である。

有効ファイバカットオフは理論上のカットオフより低いが、これは、屈曲及び／又は機械的圧力によって生ずる損失のためである。このような関係においては、カットオフは光学ＬＰ_１１とＬＰ_０２モードのより高いものをいう。一般に、ＬＰ_１１とＬＰ_０２は測定において識別されないが、スペクトル計測において階段上のスペクトルが、すなわち、強度のないスペクトルが、測定されたカットオフよりも長い波長におけるモードにおいて観測されていることからも、両モードは明らかである。実際のファイバカットオフは、標準２ｍファイバ光カットオフ試験、ＦＯＴＰ−８０（ＥＩＡ−ＴＩＡ−４５５−８０）、を用いて測定され、「２ｍのファイバカットオフ」又は「測定カットオフ」として知られる「ファイバカットオフ波長」をもたらす。ＦＯＴＰ−８０標準試験は、屈曲量を使用することによって高次モードを取り除くか、若しくは、多モードファイバに対するファイバのスペクトル反応を規格化するために、行われる。

ケーブル環境においては曲げ及び機械的圧力が大きいので、ケーブル化カットオフ波長又は“ケーブル化カットオフ”は、測定されたファイバカットオフよりもさらに低い。実際のケーブル化条件を、ＥＩＡ−４４５ファイバ光学試験方法（Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｔｅｓｔ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ：ＦＯＴＰ）において記述されているケーブル化カットオフによって見積もることができる。ＥＩＡ−４４５ファイバ光学試験方法は、ＥＩＡ−ＴＩＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｌｌｉａｎｃｅ−Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）ファイバ光学スタンダードの一部であり、ＦＯＴＰ’ｓとして知られている。そのＥＩＡ−４４５ ＦＯＴＰは、ＥＩＡ−ＴＩＡファイバ光学スタンダードの一部であり、電気通信産業連盟Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓスタンダードであって、ＦＯＴＰのものとして一般的により知られている。ケーブル化カットオフ測定は、送信強度によるシングルモードファイバーのケーブルカットオフＥＩＡ−４５５−１７０又は “ＦＯＴＰ−１７０”において説明されている。

カッパとは、特定の波長において、分散勾配によって割られた分散の比である。本明細書において特に記述しない限り、カッパは波長１５５０ｎｍにおけるものをいう。

本明細書に特に注意しない限り、光学的性質（分散、分散勾配など）はＬＰ_０１モードのことをいう。

導波ファイバ電気通信リンク又は単にリンクは、以下により構成されている。すなわち、光信号の送信器、光信号の受信機と、１本の導波ファイバ、又は送信器と受信機との間において光信号を伝達すべく光学的に各々結合された端部を有するファイバによって、構成されている。１本の導波ファイバは、複数のより短い長さの導波ファイバによって構成されており、短い長さの導波ファイバがつなぎ合わせられているか、又は端部が直列に接続されている。リンクは、光増幅器、光減衰器、光アイソレータ、光式スイッチ、光学フィルター、多重化又は逆多重化装置などの、付加的な光学構成部品を含むことができる。情報通信システムとして相互接続されたリンクの一群であってもよい。

本明細書において用いられている光ファイバの範囲は、１本の光ファイバ、又は直列に融合された複数の光ファイバを含む。１本の光ファイバ、又は直列に融合された複数の光ファイバは、光学装置間、例えば、２つ光増幅器の間、又は多重化装置と光増幅器の間において、伸びている。本明細書において用いられている光ファイバの長さは、例えば、端部の残留分散といった好ましいシステム性能やパラメータが得られるように、光ファイバの１以上の区域を有してもよいし、さらには、他の光ファイバの１以上の区域を有してもよい。

様々な波長帯、動作波長範囲、又は波長窓は、以下に示すように定義される。「１３１０ｎｍバンド」とは１２６０から１３６０ｎｍであり、「Ｅバンド」とは１３６０から１４６０ｎｍであり、「Ｓバンド」は１４６０から１５３０ｎｍであり、 「Ｃバンド」は１５３０から１５６５ｎｍであり、 「Ｌバンド」は１５６５から１６２５ｎｍで、そして、「Ｕバンド」は１６２５から１６７５ｎｍである。

音響モードが存在する光学導波路内を、光波が伝播する場合、光波は音波によって散乱を受ける。ＳＢＳを現す電場は、次の非線形波動方程式を満たす。

ここで、ε＝ε_ｒ−ｉε_ｉは複素誘電率であり、ＰＮＬは電場と音響フィールドとの間の相互作用による非線形分極であり、ρ_０は物質密度である。

は音波によって生ずる密度のゆらぎであり次式の非線形音波方程式を満たす。

ここで、γは電わい定数、Γは減衰係数、Ｖ_Ｌは、縦音波速度である。
電場は次式によって与えられる。

ここで、Ｅ_ｊ（ｊ＝ｐ，ｓ）は、次式のモード方程式を満たす横電場分布である。

ここで、ω_ｊ（ｊ＝ｐ，ｓ）は光学周波数、β_ｊ（ｊ＝ｐ，ｓ）は光学伝搬定数であり、ｐはポンプ信号を示し、ｓはブリルアン散乱信号を示している。電場がなければ、音波方程式には、１組のモード解ρ_μがある。電場が式（４）によって与えられる場合、次式の解を想定する。

ここで、Ωは音響周波数であり、Ｂは音響モードの伝播定数である。減衰係数を無視すると、モードρ_μは次式を満たす。

上記方程式から、ポンプ及び信号にたいする光学出力の変化を表す式を導き出すことができ、その式は、次式によって与えられる。

ここで、ｇ_ｕは音響モードナンバーｕのＳＢＳ利得係数であり、次式によって与えられる。

ここで、ｇ０は物質によって定まる定数であり、α_ｕは音響モードの損失であり、Δｂｕは、音響モードと光学モードとの間の位相ずれである。Ａ_ｅｆｆは光学有効面積であり、次式で与えられる。

そして、電場と音響フィールドとの間の正規化された重なり積分

は、

となる。

方程式（１０）から、ＳＢＳ利得係数をファイバの設計に関連する２つのパラメータに依存していることが分かる。その２つのパラメータのうち一方は、光学有効面積Ａ_ｅｆｆである、他方は重なり積分である。ＳＢＳ効果を減少させるためには、光学有効面積を低減する（その結果、光学出力密度が低減する）か、又は重なり積分を減少させる必要がある。

光学有効面積と重なり積分の両方の効果を解決するために、重なり積分と光学有効面積との比をとることによって、性能指数（ＦＯＭ：ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｍｅｒｉｔ）を定義する。

性能指数（ＦＯＭ）は、ある一つの光学ファイバ（参照ファイバ）から別の光学ファイバへ改良した場合、ＳＢＳのレベルアップを測るのに利用することができる。

ＳＢＳ強度はファイバ長と伴に指数関数的に増大する。
ファイバに沿った一定のブリルアン周波数偏移において、ピークＳＢＳ強度しきい値は、利得係数及びファイバの有効長に逆比例している。

ここで、Ｌｅｆｆ はファイバの有効長であり、次式によって与えられる。

ここで、α_０は光学減衰係数であり、Ｌはファイバの長さである。

光ファイバのＳＢＳ性能を向上させるためには、ＳＢＳにおいて性能を最適化させないで、性能定数Ｆが従来のファイバよりも大きな値となるように設計しなければならない。参考ファイバのＦに対して、設計されるファイバのＦの比は、ＳＢＳ閾値のレベルアップを見る因子である。本発明の開示において説明されるように、それは、ｄＢの単位に変換される。

式（５）と（７）から分かるように、光学フィールドと縦音響フィールドは、同様のスカラー波動方程式によって規定されている。その２つの式は、基本光学モード及び音響モードに対して、同じ形式で記述されており、ＳＢＳに含まれる方位角の変動は伴っていない。

ここで、添字ｏが光学フィールドを表し、添字ａが音響フィールドを表している。光学モードに対して、ｆ_０は光学フィールド分布であり、ｎ_０（ｒ）は半径の位置の関数とした屈折率を表している。ｋ_０は光波ナンバーであり、光学波長２π／λと関連している。

音響モードに対しては、ｆ_ａは光学フィールド分布であり、音響屈折率は、次式で与えられる。

ここで、λ´は音波波長である。

実際には、 （光学）屈折率分布は、しばしば、光学デルタ分布か光屈折率デルタ分布によって説明される。音響屈折率に対しても、同様に、デルタを定義でき、それは、各々の光学屈折率分布と対応する音波デルタ分布とが関連するようになされる。対応する音波デルタ分布は、縦音響フィールドの（縦）音波の挙動について記述する。光波及び音波に対してその屈折率の定義を用いることによって、以下の式を使用することで光波及び音波デルタ分布について説明できる。

ここで、添字“ｏ”が光波に表し、“ａ”が音波を表し、そして、“ｃ”はクラッドの屈折率を示している。

ゲルマニウムドーピング濃度の関数としたコアの光学屈折率は、以下の方程式により記述される。

ここで、ｗ_ＧｅＯ２はゲルマニウムドーパントのモルパーセントであり、ｗ_{Ａｌ２Ｏ３}はゲルマニウムドーパントのモルパーセントである。ゲルマニウムとアルミニウムの両方のドープが、純粋シリカの屈折率からの屈折率増大に寄与することは、明確である。縦音波速度におけるゲルマニウムとアルミニウムドープの役割は、以下の式とる。

ここで、縦音波速度の単位はｍ／ｓである。

光学的に特定の波長でシングルモード化される光導波ファイバは、同じ光波長（λ＝１．５５μｍであると仮定する）において、音波的に、多重モード化されるかもしれない。なぜならば、ブリルアン周波数に対応する音波の波長が０．５５ミクロンのオーダーであり、典型的な光導波ファイバの寸法と比べて、かなり小さいからである（式（１６）及び（１７）を参照）。入射光の強度が比較的低い場合、ブリュアン散乱が自発的に生ずる場合、入射光の光学フィールドは、音響モードの各々によってブリルアン散乱され、ブリルアン利得スペクトルは、音響モードの各々と相互作用した光フィールドに対応する複数のピークを示す。入射光の強度が比較的高い場合、ＳＢＳ閾値を越え、音響モードのうちの一つよって、支配的になり、他の音響モードは競合せずに存在せず、ブリルアン散乱が励起され始める。

光学フィールドと音響モードフィールドとの間の結合が増大するにつれ、光学出力は、信号の伝達方向とは逆の方向に反射される。本明細書に説明するように、望ましくは、光学モードと音響モードとの間の結合は、本明細書に開示された光ファイバの屈折 （すなわち、光学の） 分布及び音響屈折率分布によって、低減することができる。いくつかの実施例では、光学モードフィールドは広がっているままであるが、光学モードフィールドと音響フィールドとの重複を低減するために、音響フィールドはコアの１領域により緊密に閉じ込められている。いくつかの実施例では、音波強度の閉じ込めは、音響場を広げることによって低減されるが、コア及びクラッド内の音波速度を一致させることによって（すなわち、コア及びクラッド内の音波速度を同じ又は基本的に同じにすることによって）、音波強度を閉じ込めることができる。

このようにして、本発明の実施例のいくつかにおいて、本明細書（図１を参照）に開示された光ファイバ１０は、（ａ）光ファイバの中心線に向かって、又は、（ｂ）コア１２の端部に向かって、支配的な音響モードフィールド（例えば、Ｌ_０１）のモードフィールドを引きつける傾向がある。その結果、音響フィールド及び光学フィールドの間の結合が弱まる。望ましくは、また、光ファイバ１０は、（ａ）光ファイバの中心線に向かって、又は、（ｂ）コア１２の端部に向かって、次に支配的な音響モードフィールド（通常Ｌ_０２）のモードフィールドを引きつける傾向がある。その結果、その次に支配的な音響フィールド及び光学フィールドの間の結合が弱まる。他の実施例では、コア及びクラッドの音波速度はほぼ同じであり、音響フィールドは、クラッドに広がり、コアにおける音響エネルギーは遥かに小さくなっており、かさねて、光学フィールドと音響フィールドとの間の重なり積分を最小にする。

１５５０ｎｍの波長（より短い波長で測定した場合は、より高く）における、本明細書に開示された光ファイバのブリルアン周波数は、好ましくは、約９．５から１２ＧＨｚまでの間にある。

我々は、材料のドープ濃度（例えば、ゲルマニウム）を高くすると、音響モードがよりコアの中心領域（コア領域１２ａ）においてより緊密に閉じ込めされることを見出した。ドープ濃度が高いと、音波フィールド速度が低減される。また、特に、光ファイバのコアの中心部において、中心から離れ、よりアルミニウムを含む領域よりも、より高ドープ濃度とすることによって、より、音響モードがよりコアの中心領域（コア領域１２ａ）においてより緊密に閉じ込めされることを見出した。中央コア付近のアルミニウムドーパントの濃度がより高くなると、その領域で縦音波速度が大きくなり、コア（領域１２ｂ）の端部に向かって音響モードがシフトする。

好ましくは、コアにおいて、光学指数（屈折率）をあげるドーパント、例えば、ゲルマニウム、によってドープされたシリカ、すなはち、ゲルマニウムドープされたシリカが含まれる。少なくとも１つのセクションは、アルミニウムが共ドープされている、すなわち、そのセクションはゲルマニウムとアルミニウムの両方を含む。ゲルマニウムは光学屈折率を大きくするものの、音波面の縦音波速度を低減させる（その結果、音波の「有効屈折率」が増大する）。アルミニウムは光学屈折率を大きくするものの、音波面の縦音波速度を増大させる（その結果、音波の「有効屈折率」が減少する）。コアの縦音波速度を変えながら、ゲルマニウムとアルミニウムの両方が共ドープされたコアの少なくとも１つのセクションによって、所望の光学屈折率（または、屈折率デルタ）が得られる。その結果、音波（フィールド）と光波（又はフィールド）との間の重複が抑えられ、ＳＢＳが減少する。この手法によって、同時に、音波速度を変え若しくは制御しながら、又はＳＢＳを最小化若しくは排除しながら、光学的性質を変えることなく、所望の光学分布を維持することができる。コアは、中心線から半径約２μｍまで広がる第一部分（コア領域１２ａ）を含んでもよい。あるいはまた、コアは、中心線から約０．２ｒ−０．５ｒの距離まで広がる第一部分（コア領域１２ａ）を含んでもよい。ここで、ｒはコアの半径である。

光学伝送ファイバにおいては、以下の条件が好ましい。すなわち、（光学）屈折率デルタのピーク又は最大値が、０．３％＜Δ_ＭＡＸ＜１．４％であること、１５５０ｎｍにおける光学有効面積が５０と１４０μｍ^２の間にあることが好ましい。さらに、その光学有効面積は、８０μｍ^２より大であることがより好ましい。さらに、その光学有効面積は、８０と１２０μｍ^２の間にあることがより好ましい。さらに、その光学有効面積は、８０と１１０μｍ^２の間にあることがより好ましい。光学レーザーファイバにおいては、以下の条件が好ましい。すなわち、（光学）屈折率デルタのピーク又は最大値が、０．０５％＜Δ_ＭＡＸ＜０．３％であること、１５５０ｎｍにおける光学有効面積が１４０μｍ^２より大であることが好ましい。さらに、その光学有効面積は、１５０μｍ^２より大であることがより好ましい。さらに、その光学有効面積は、１５９と２０００μｍ^２の間にあることがより好ましい。光学ＤＣ（分散補償型）ファイバにおいては、以下の条件が好ましい。すなわち、（光学）屈折率デルタのピーク又は最大値が、１％＜Δ_ＭＡＸ＜３％であること、１５５０ｎｍにおける光学有効面積が２０μｍ^２以上であることが好ましい。さらに、その光学有効面積は、３０μｍ^２より大であることが、より好ましく、さらにまた、その光学有効面積は、３０と４０μｍ^２の間にあることが、より好ましい。非線形光ファイバにおいては、以下の条件が好ましい。すなわち、（光学）屈折率デルタのピーク又は最大値が、１％＜Δ_ＭＡＸ＜３％であること、１５５０ｎｍにおける光学有効面積が４０μｍ^２より小であることが好ましい。

上述したように、ＳＢＳは光波と音波との間の相互作用から生ずる。シングル光ファイバにおいては、ＳＢＳの利得は、ＳＢＳスペクトル及び光学モードと音響モードとの間の重複に依存する。したがって、ファイバ分布を設計することによって、光学モードと音響モードとの間の重複を減少させる１つの方法として、ファイバの音波デルタ分布を変えながら、光学屈折率分布（光学デルタ分布）同じ状態に維持する方法がある。

ファイバのコア内部の音響導波路を形成するためには、ファイバのコア内の縦音波速度及び剪断音波速度を、クラッド内のものよりも遅くなるようにしなければならない。通常、その場合においては、他の共ドーパントを含まない典型的なゲルマニウムアップドープされたコアを有する光ファイバの場合に適用される。シングルモードファイバにおいては、通常、光学デルタ分布は図２Ａに示されているようにステップ関数となる。ファイバのコアは、約４．２ｍｏｌ％ゲルマニウムでドープされており、その結果、無ドープのクラッド層に対して０．３５％のデルタ％の相対（すなわち、光学）屈折率を有する（図２ａ）。この正の相対屈折率デルタは光学導波コアに対応している。この標準シングルモードファイバにおいては、１５５０ｎｍの波長において、ＭＦＤ は１０．２２μｍであり、有効面積は８０．１３μｍ^２であり、色分散は１６．７１ｐｓ／（ｎｍ．ｋｍ）である。コアのデルタはゲルマニウムのみに起因する。コアは他のドーパントを全く含んでいない。音波と光波の間との相互作用は縦音波によって支配されるので、以下のパラグラフにおいて、縦音波のみ議論する。音波に関し、この標準シングルモードファイバの相対縦音響デルタ分布は図２Ｂに示されている。図２Ａ及び２Ｂが示しているのは、縦音波は光導波コア（すなわち、半径４．０μｍ内）のサイズと同じサイズの領域内で導波され、それ故、基本光学モードと低次の音響モードとの間の重複が大きくなる（約０．９７の重なり積分）。したがって、このタイプのファイバには、比較的多くのＳＢＳが生ずる。このファイバにおいて、ＬＰ_０１光学フィールド及びいくつかの最低次の縦音響フィールドが図２Ｃに示されている。

本発明のいくつかの実施例にかかる光ファイバ１０は、ＳＢＳを低減させるために、シリカベースのコア１２からなる少なくとも一つの領域を含む。そのシリカベースのコア１２は、ゲルマニウムと音波速度を増大させる他のアップドーパント、例えば、アルミニウムの両方を含んでいる（式１９−２０を参照）。例えば、コア領域の一つは０．１ｍｏｌｅ％以上のアルミニウムを含み、隣接するコア領域はアルミニウムを全く含まないか又は０．１ｍｏｌｅ％以下のアルミニウムを含む。上述したように、ゲルマニウムとアルミニウムの両方がガラスの光学屈折率を増大させるが、アルミニウムは縦音波速度を増大させ且つゲルマニウムは縦音波速度を減少させる。このように、ゲルマニウムとアルミニウムとの配合を利用することによって、典型的な伝送ファイバ（例えば、標準シングルモードファイバ）として、異なる音響デルタ分布を有するものの、同じ光学屈折率分布を有するファイバを設計することができる。もちろん、同じ光学デルタ分布を与える同じ手法を利用することによって、他のタイプのファイバを設計することもできる。また、その他のタイプのファイバは異なる音響デルタ分布を有し、それによって、ＳＢＳが改善される。これらの光ファイバはＤＣファイバ、レーザファイバ、および非線型光ファイバを含む。尚、シリカガラスに対して、縦音波速度を増大するドーパントであれば、アルミニウム以外のドーパントも用いることができる。

図１は、本発明の１つの実施例に係る光ファイバ１０を示す。ファイバ１０の光学デルタ分布（プロファイル）は、図２Ａにおける標準シングルモードファイバのものと同じである。ただし、ゲルマニウムとアルミニウムの両方が、コア領域１２ａを囲む領域１２ｂで使用されていることを除く。この実施例では、ゲルマニウムとアルミニウムのドーパント濃度は以下のように選択される。すなわち、屈折率が、アルミニウムを含まない（ゲルマニウムのみドープされた）コア（領域１２ａ）の残りの部分と同じとなるように、選択される。このファイバ１０の光学デルタ分布は標準シングルモードファイバのものと同じであので（図３ａを参照）、この光ファイバ１０の光学的性質は標準シングルモードファイバの光学的性質と本質的には同じままである。

図３ｂに、そのファイバ１０の縦音響デルタ分布を示す。ファイバ１０（図３ｂに対応する）の縦音響デルタ分布は、ゲルマニウムのみドープされた標準シングルモードファイバの分布（図２ｂ）とはかなり異なる。アルミニウムによって音波速度が増大するので、音響デルタ分布が中心にピークを有するようにアルミニウムドープされた場合の領域では、縦音響デルタが減少する。そのため、その領域においては、低位音響モードがその領域内で導波される。その結果、基本光学モードと低次の音響モードとの間の重複は減少し、ＳＢＳ閾値を増大させることができる。 （図１及び図３Ａ、３Ｂに対応する）ファイバ１０のＳＢＳ閾値は、標準シングルモードファイバのものよりも増大される。ＳＢＳを低減する方法は、他のより複雑化・セグメント化されたコア、例えば、ＮＺＤＳＦ アプリケーションの設計にも適用できる。

このように、本発明のこの実施例に係る光ファイバ１０はシリカのドープされたコアを利用しており、そのコアは、アルミニウム及びゲルマニウムなどの他の共ドーパント（屈折率を増大するドーパント）を含んでいる。したがって、光学フィールドのためというよりも縦音響フィールドのために、より細い導波路を形成しているので、縦音響フィールドは、コアのセンターの中心近傍に、よりいっそう閉じ込められる（アルミニウムを含まないコア又は共ドーパントと同様な材料を含まないコアを有するファイバと比較して）。光学フィールドは影響を受けないものの、光学フィールドと縦音響フィールドとの間の重複は減少するので、その結果、ＳＢＳ閾値を増大させ、且つＳＢＳ効果を抑制することができる。光ファイバのＳＢＳ閾値は、ファイバ中を伝達することができる光の最高総光出力である。

実施例１．縦音響フィールドの閉じ込め
実施例の光ファイバ１０の性能を、標準シングルモード伝送ファイバ（ファイバ１）、すなわち、Ｆを含まないファイバの性能と比較してみる。そこで、光ファイバ１０のコア領域１２ｂ （ｒ＝２−４．２μｍ）に異なるレベルのアルミニウムをドープした。また、全体のデルタが、ゲルマニウムのみをドープした光ファイバのものと同一となるようにした。よって、ＭＦＤ、有効面積、及び分散を含む光ファイバの光学的性質は、本質的には変化していない。そのモデル結果を、表１にまとめている。コア領域１２ｂのアルミニウムのドープ濃度が増大するのに従って、典型的なファイバ１（図２Ａと２Ｂに対応する標準シングルモードファイバ）と比べて、ＳＢＳ閾値は単調に増大しているのが分かる。その特徴は、図４においても示されている。

音響導波路とそれに関連する音響フィールド分布に着目すると、ＳＢＳ閾値のレベルアップメカニズムを理解できる。例えば、表１のファイバ６の光ファイバ１０の音響デルタ分布が、図５に示されている。アルミニウム共ドープによって、音波デルタがかなり減少するのが分かる。したがって、光学フィールドが同じ光学導波コア１２中を伝播しながら、コア領域１２ａ（この実施例においては、ｒ＜２μｍ）は、より狭い導波路を音響フィールドに対して形成している。図６は、ファイバ６に関する、ファイバ半径の関数とした光学フィールド及び音響フィールドを表している。光学フィールは変化しないものの、Ｌ_０１音響フィールドが、２ミクロン未満の半径のコア１２ａの領域に、本質的に閉じ込められている事が分かる。したがって、ＳＢＳ性能を表す性能指数ＦＯＭを増大させることができる。高次の音響フィールドは、事実上、振動している。光学フィールド（例えば、ＬＰ_０１）のようなフィールドの重複は非常に小さい。なぜなら、フィールドの正の寄与がフィールドの負の寄与によって、打ち消されるからである。表１の光ファイバ６においては、重なり積分は０．５１である。この実施例の光ファイバ１０のピンアレイ曲げ損失及び横荷重曲げ損失は、波長１５５０ｎｍにおいて、それぞれ、７．９ｄＢと０．４５ｄＢ／ｋｍである。このファイバのカットオフ波長は、１．３μｍ、又は１．３μｍ未満である。

実施例２．中心から音響フィールドを押し離す。
この実施例では、ＳＢＳ効果を低減させるために別のメカニズムを探る。また、参照ファイバとしてゲルマニウムドープされた標準シングルモードファイバ（図２Ａ及び２Ｂ）を用いる。しかし、これらの実施例では、中央のコア領域１２ａ（ｒ＝０−２．５ミクロン）にアルミニウムを共ドープしている。一方で、周囲のコア領域１２ｂ（２．５ミクロンから４．２ミクロンまでの半径のコア領域）は変化させないままにしてある。表２に示されているように、領域１２ａのアルミニウムのドーピング濃度が増大するのに従って、図７に示されているように、ＳＢＳ閾値は単調に増大するのが分かる。

表２に示した光ファイバ例の音響導波路及びそれに関連するフィールド分布に着目すると、真ん中のコア領域であるコア領域に共ドープすることによってレベルアップされたＳＢＳ閾値のメカニズムを理解することができる。例えば、表１における実施例のファイバ＃１２の光ファイバ１０の音波デルタ分布を図８に示している。コア領域１２ａにアルミニウムを共ドープすることによって、音波デルタがかなり減少することが見出されている。したがって、コア領域１２ａ（ｒ＝０−２．５ミクロン）の音波デルタは領域１２ｂ（ｒ＝２．５−４．２ミクロン）の音波デルタに対して低くなるが、それにもかかわらず、光学フィールドは光導波コア１２幅を伝播する。この音響デルタ分布は、基本音響フィールドがファイバコア１２の中心から引き離される結果になり得る。図９に、ファイバ半径の関数として、光学フィールド及び音響フィールドを示す。光学フィールドには変化はないが、Ｌ_０１音響フィールドがコアの中心からコア１２の端部に向かって押されていることが見出された。光学フィールドがファイバ（すなわち、コア領域１２ａ）のほぼ中心付近にあるので、基本音響フィールドをファイバのコアの中心から遠くに移行させることによって、ＬＰ_０１とＬ_０１フィールドとの間の重複を低減させ、ＳＢＳ性能を測るＦＯＭを増大させている。高次の音響フィールドは事実上振動している。光学フィールド（例えば、ＬＰ_０１）のようなフィールドの重複は非常に小さい。なぜなら、フィールドの正の寄与がフィールドの負の寄与によって大きく打ち消されるからである。表２の実施例＃１２の光ファイバに関しては、重なり積分は０．４４である。この実施例の光ファイバ１０のピンアレイ曲げ損失及び横荷重曲げ損失は、１５５０ｎｍの波長において、それぞれ、１７．９ｄＢと０．４５ｄＢ／ｋｍである。表２の光ファイバの実施例のカットオフ波長は、１．３μｍ、又は１．３μｍ未満である。

上の実施例では、一つのコア領域に、単一のアップドーパント（例えば、ゲルマニウム）をドープし、少なくとも１つのコア領域に少なくとも２つのドーパントをドープすると、光ファイバ１０のＳＢＳ閾値がレベルアップされることを示すために、多段階の音波デルタ分布を用いた。好ましくは、２つの領域１２ａ、１２ｂがお互いに隣接しているのが好ましい。また、音波デルタ分布が多段階分布であるので、好ましくは、２つのコア１２ａ、１２ｂ領域内の縦音波速度は少なくとも０．２％異なる。

例えば、中央のコア領域１２ａが、ゲルマニウム及びアルミニウムが共ドープされたシリカを含んでもよいし、中心コア領域１２を囲む隣接するコア領域１２ｂが、ゲルマニウムのみドープされたシリカを含んでもよい。代わりに、中央のコア領域１２ａはゲルマニウムドープされたシリカのみを含んでもよいし、そして、中央コア領域を囲む隣接するコア領域１２ｂが、ゲルマニウム及びアルミニウムが共ドープされたシリカを含み、アルミニウムドープされたシリカは含まない。代わりに、光ファイバは、ゲルマニウムとアルミニウムの両方がドープされた少なくとも２つの隣接する領域１２ａと１２ｂを有してもよい。しかし、この場合、その２つのコア領域１２ａと１２ｂ内の縦音波速度が、好ましくは０．２％異なるように、ゲルマニウムとアルミニウムの量はこれらの２つの領域において異なっているべきである。そのようなファイバ１０においては、１５５０ｎｍの波長において、重なり積分は、減少し、０．８未満である。より好ましくは、重なり積分は０．６５未満である。さらに、より望ましくは、重なり積分は０．５未満である。

実際の製造されたファイバにおいては、異なった領域１２ａ及び１２ｂの間の境界は、上記実施例に示されているほど、明確ではない。しかしながら、それでも、ＳＢＳを最小化するためのその手法は機能するであろう。当業者であれば、この状況にあう調整を簡単な方法なすことができるであろう。また、コア領域のうち少なくとも１つに、ゲルマニウム及びアルミニウム又は同様の他のドーパントを共ドープする限りにおいて、さらなるファイバコア領域１２ｉを追加してもよい。

実施例３−大有効面積を有するＮＺＤＳＦファイバ
典型的な大有効面積ＮＺＤＳＦファイバの光学デルタ分布と音波デルタ分布を、図１０と１１にそれぞれ示している。このファイバにおいて、１５５０ｎｍの波長における分散は４．１ ｐｓ ／ｎｍ／ｋｍであり、１５５０ｎｍの波長におけるカッパは４８ｎｍであり、１３１０ｎｍの波長における分散は−１５．７３ ｐｓ ／ｎｍ／ｋｍであり、約１５００ｎｍの波長で零分散となり、１５５０ｎｍの波長におけるＭＦＤは、９．８２ μｍであり、１３１０ｎｍの波長におけるＭＦＤは、７．６１μｍであり、１５５０ｎｍの波長における有効面積は７２．５２μｍ^２である。このファイバにおいて、音響ＦＯＭは１１４．２５μｍ^２である。このファイバの光学フィールドと縦音響フィールドが、図１２に示されている。

アルミニウムドーパントが加えられる場合について考察する。ゲルマニウムとアルミニウムの両方がアップドーパントであるので、任意にアルミニウムを加えることはできない。デルタが既に正のある領域に、アルミニウムを加えることができるだけである。この実施例では、コア領域で全体のデルタに対して大きく寄与するよう、１．２〜３．７ミクロンの半径の間のコア領域に、アルミニウムをドープする。これに対して、全体の光学デルタ分布が図１１に示したものと同一となるように維持しながら、ゲルマニウムのドープ量について調節する。この例の光ファイバ１０の光学的性質（分散、ＭＦＤ、光学有効面積など）は、ゲルマニウムをドーピングすることによってデルタが正となるファイバと同様である。しかしながら、音波デルタ分布は変更されている。その変更されたファイバ１０の音波デルタ分布を、図１３に示す。この光ファイバ１０において、ＦＯＭ は、２１２．３７ｍｍ^２（Ｌ_０１）と２１９．９ｍｍ^２ （Ｌ_０２）である。アルミニウムドープされていないファイバに比べ、ＳＢＳ閾値は、１．８６又は２．６９ｄＢもレベルアップされている。この実施例のファイバ１０の光学フィールドＬＰ_０１と縦音響フィールドを図１４に示す。中央コアから離れた１つのコア領域にアルミニウムをドープすると、光学フィールドに変化がないのが分かる。しかし、Ｌ_０１縦音響フィールドは、ファイバの中心（すなわち、コア領域１２ａ）の付近の極狭い領域に閉じ込められているのが分かる。この実施例の光ファイバ１０のピンアレイ曲げ損失及び横荷重曲げ損失は、波長１５５０ｎｍにおいて、それぞれ、７．５ｄＢと２．４ｄＢ／ｋｍである。このファイバのカットオフ波長は、１．７μｍ、又は１．７μｍ未満であり、ケーブルカットオフは１．５μｍである。

実施例４： レーザファイバ。

コアとクラッドの間において、０．１％デルタを示すシリカベースのレーザファイバは、図１５に示した光学デルタ分布を有する。この光ファイバにおいては、コアとクラッドの両方に、ゲルマニウムをドープしている。また、振幅を増大させるために、光ファイバのコアに、例えば、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｅｒ、及び／又はＹｂ等の希土類材料を少量だけ、共ドープしている。しかしながら、他の共ドーパントは、コアに存在していない。そして、この光ファイバにおいては、１５５０ｎｍの波長におけるＭＦＤは、１９．１μｍであり、１５５０ｎｍの波長における有効面積は２７１．２μｍ^２である。ＳＢＳ性能を測るＬ_０１モードのＦＯＭは２９６．９μｍ^２である。このレーザファイバの光学フィールドと縦音響フィールドを、図１６に示している。より詳しく述べると、図１６は以下のことを示している。すなわち、光学フィールド（ＬＰ_０１）と音響フィールド（Ｌ_０１）がほぼ全体的に重複し （すなわち、重複しない領域は極めて小さい）、両方のフィールドは光ファイバコアの全幅にわたって広がっている。

コア領域１２ｂ（半径２．５から６．０μｍ）のアルミニウムにアルミニウムを共ドープすることによって、ファイバーのコアの構成を変更した。アルミニウムのドープ量は光屈折率デルタに０．３％デルタだけ寄与し、そして、コア領域１２ｂのＧｅ濃度は、光学デルタ分布の全体を維持するために、０．２５デルタ％を与えるように調整された。すなわち、得られたファイバ１０は、なおも、図１５に示した最初の光学デルタ分布を有する。得られたファイバ１０の音響デルタ分布を、図１７に示す。図１７は、コア領域１２ｂにおいて窪み部を有する音波デルタ分布を示している。すなわち、得られたレーザファイバ１０は、音響フィールドに対して、コアの中心において狭くて深い音響導波路を有するので、ＳＢＳ閾値をレベルアップすることができる。図１７の多段階音波デルタ分布は、コア領域１２ａと１２ｂとで異なる音波速度を説明する。隣接した２つのコア領域間の音波速度が１００ ｍ／ｓだけ異なるのが好ましい。さらに好ましくは、２００ｍ／ｓ以上異なるのが好ましい。この実施例の光学レーザファイバ１０のコア領域１２ａ及び１２ｂの速度は約２２８．９ ｍ／ｓだけ異なる。この場合、コア領域１２ａにおける縦音波速度が５８９９ ｍ／ｓであり、コア領域１２ｂのそれが６１４０．０ ｍ／ｓである。この実施例の光学レーザファイバ１０においては、ＦＯＭ は９５６．９μｍ^２であり、このことは、ＳＢＳ閾値が３．２２ｄＢ又は５．０８ｄＢだけ増大していることを示唆している。図１８に、（図１５及び１７に示した光学及び音波デルタ分布を有する）このレーザファイバ１０の光学フィールドと音響フィールドを示す。図１８は、光学フィールド（ＬＰ０１モード）が、コア１２の全体を占有していることを示し、一方で、図１８は、音響フィールドＬ_０１がコア領域１２ａに閉じ込められ、これにより、光学及び音響フィールド間の重複を最小となしていることを示している。

別の方法として、レーザファイバの中心コア領域におけるアルミニウムに、例えば、０から４．０μｍ^２における０．２５％デルタに寄与するアルミニウムをドープすることができる。ＦＯＭは６９７．２５μｍ^２になる。図１５に示したアルミニウムドーピングしていないファイバから、ＳＢＳ閾値を２．３５ｄＢ又は３．７ｄＢだけレベルアップすることができる。

また、レーザファイバを、コアがより大きな直径となるように変更できる。例えば、アルミニウムをドープせずに、コアの直径が２５μｍ^２に変えられた場合、光学レーザファイバは、１５５０ｎｍの波長において２２．８μｍのＭＦＤ、４３７μｍ^２の有効面積、及び４３６μｍ^２のＦＯＭを有する。次に、コア領域（半径４．０ から８．０ μｍ）中のアルミニウムにアルミニウムを共ドープすることによって、ファイバのコアの組成を変更する。アルミニウムドーパントは、光屈折率デルタに０．３％デルタだけ寄与する。そして、コア領域１２ｂのゲルマニウム濃度は、光学デルタ分布の全体を維持するために、０．２５デルタ％を与えるように調整されている。ＭＦＤと光学有効面積には変化はないが、ＦＯＭは１８６４μｍ^２に変化した。ＳＢＳ閾値が４．２７ｄＢ又は６．３ｄＢだけ増大している。

実施例５：コアとクラッドにおける音波速度が一致する光学ファイバ
本発明の別の実施例によれば、光ファイバ１０はコア１２とクラッド１４を含み、コアとクラッド内の縦音波速度が一致するようにドープされる。光ファイバ１０のコア及びクラッド中の縦音波速度が同じであるか、又はほぼ同じである場合に（すなわち、一致している）、ＳＢＳを極めて良くレベルアップすることができる。

一方、比較目的のために、図２ａに示した単純なステップインデクス光学デルタ分布を有する光ファイバについて考慮する。上述したとおり、この光ファイバにおいては、１５５０ｎｍの波長における、ＭＦＤは１０．２２μｍであり、有効面積は８０．１３μｍ^２であり、色分散は１６．７１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、ＦＯＭは８２．２μｍ^２である。そして、我々は、新たな実施例のファイバ１０を作成するために、この光ファイバの構成を変更した。その変更は、０．２９２５％デルタ（アルミニウムだけによる）を与えるために、コアにアルミニウムをドープすることによってなされ、そして、０．１％デルタの寄与を与えるために、クラッドにアルミニウムをドープすることによってなされた。この場合において、光学デルタ分布の全体が図２Ａに示したもとと同じとなるように維持しながら行われた。この実施例の光ファイバ１０において、ＦＯＭは、１９６．７μｍ^２であり、２．３９ｄＢ又は３．７９ｄＢだけ、ＳＢＳ閾値がレベルアップされた。好ましくは、このタイプのファイバ１０のコアとクラッドの間の音波速度は、０．３％以上異なるのがよく、より好ましくは、０．１％以上異なるのがよい、もっとも好ましいのは、０．０５％以上異なるのがよい。また、好ましくは、このタイプのファイバ１０のコア音波速度ｖ１とクラッド音波速度ｖ２のとの差（すなわち、｜ｖ１−ｖ２｜）は、６０ｍ／ｓであるのがよく、さらに好ましくは２５ｍ／ｓ未満であるのがよく、さらに好ましくは１０ｍ／ｓ未満であるのがよく、さらに好ましくは５ｍ／ｓ未満であるのがよく、最も好ましいのは、３ｍ／ｓ未満であるのがよい。ｖ１−ｖ２は、−５ｍ／ｓから６０ｍ／ｓの範囲内にあるのが典型である。この実施例の光ファイバ１０においては、コアとクラッドの縦速度は、お互いの２ ｍ／ｓの範囲内となるように調和されている（図１９）。また、図２０の音響デルタ分布に音波速度がよく一致していることが示されており、（クラッドに対する）コアのデルタ％が０．０２７５％であることを示している。ＳＢＳ閾値を大いにレベルアップするために、縦速度又は音波デルタに関して、コアとクラッドは密接している。例えば、クラッドにおけるアルミニウム濃度を０．２９１デルタ％に寄与するように変更する場合、ＦＯＭ は１１７．７５ μｍ^２に変化し、ＳＢＳ閾値は１．４３ｄＢ又は１．５６ｄＢだけレベルアップする。

実施例６：アルミニウムドーピング濃度が滑らかに変化する光ファイバ
本発明の別の実施例によれば、光ファイバ１０、アルミニウムドープ濃度が隣接領域間で急に変化せずに非常に滑らかな変化をするようにドープされたコア１２及びクラッド１４を有する。しかしながら少なくとも２つのコア領域が異なるアルミニウムドーパント量であると、その結果、異なる音波速度を示すことになる。この実施例では、図２ａの光学デルタ分布を有する光ファイバ１０であって、コアがアルミニウムドープされたものについて考察する。この実施例では、アルミニウム濃度がコア１２の中心からコアの端部に向かって、直線的に変化する。この光ファイバのアルミニウム濃度変化に起因する光学デルタ％は、図２１に示されている。このファイバの音響デルタ分布は図２２に示されている。コア１２の中心付近の音波デルタの下限値は、音響フィールドをコアの中心から押し離すのに寄与しており、その結果、ＬＰ_０１光学フィールドと音響フィールドとの間の重複を軽減することができる。変更されたこの光ファイバ１０のＦＯＭは１９１．７μｍ^２であり、ゲルマニウムドープされた光ファイバに比べて、２．３３ｄＢ又は３．６８ｄＢだけレベルアップすることができる。光学フィールドと音響フィールドは図２３に示されている。ＬＰ_０１はコアの中心に残っているが、基本音響フィールドはコアの中心において抑えられているのが分かる。

好ましくは、本明細書に開示された光ファイバは、シリカベースのコアとクラッドを有する。好適実施例では、クラッドの外径は約１２５μｍである。好ましくは、クラッドの外径は光ファイバの長さ方向に沿って一定である。好適実施例では、光ファイバの屈折率は、半径方向において対称である。

以上の説明は、単に本発明だけの実施例に関するものであり、それが請求項に定義される本発明の本来の性質と特徴を理解するための概観を与えるためのものであることを、理解すべきである。添付図面は、本発明の理解を深めるためのものであり、本明細書に組み入られ、本明細書を構成する。図面は、その説明と伴に、本発明の様々は特徴及び実施例を例示しており、本発明の原理及び動作を説明するのに役立つものである。添付された請求項によって定義された発明の精神と範囲から出発せずとも、本明細書に記載された発明の好適実施例に対する種々の変更が可能であることは、当業者には明確になるであろう。

図１は、本発明に係る光ファイバの１実施例を示す概略的な断面図を示している。 図２Ａは、標準シングルモード光ファイバの光学デルタ分布（プロファイル）を示している。 図２Ｂは、図２Ａにおける標準シングルモード光ファイバの縦音響デルタ分布（プロファイル）を示している。 図２Ｃは、図２Ａにおける光ファイバの光学フィールド及び縦音響フィールドのプロット図を示している。 図３Ａは、ＳＢＳを低減されたシングルモード光ファイバの１実施例における光学デルタ分布を概略的に示している。 図３Ｂは、本発明に係る、図３Ａに示した光学デルタ分布を有する光ファイバの縦音響デルタ分布を概略的に示している。 図４は、２μｍと４．２μｍの間の半径ｒに対応するコアにおける、アルミニウム濃度 （モルパーセント）を関数とした相対的ＳＢＳ閾値のグラフである。 図５は、本発明に係る光ファイバの１実施例の音波デルタ分布を示している。 図６は、図５の多段階音響デルタ（破線）に対応する光ファイバの光学フィールド及び縦音響フィールドのプロット図である。 図７は、０から２．５μｍの半径ｒに対応するコアにおける、アルミニウム濃度 （モルパーセント）を関数とした相対的ＳＢＳ閾値のグラフである。 図８は、標準シングルモードファイバ及び本発明に係る光ファイバの別の実施例の音響デルタ分布を示す。 図９は、図８の多段階音響デルタ分布に対応する光ファイバの光学フィールド及び縦音響フィールドのプロット図である。 図１０は、標準の非ゼロ分散シフトファイバ（ＮＺＳＤＳＦ）の光学デルタ分布を示している。 図１１は、図１０に示した光学デルタ分布を有する光ファイバの縦音響デルタ分布を示している。 図１２は、図１０及び図１１に対応する光ファイバに対応する光学フィールド及び縦音響フィールドのプロット図である。 図１３は、図１０に示した光学デルタ分布を有し、本発明に係る光ファイバの１実施例の光学フィールド及び縦音響フィールドを示している。 図１４は、図１３の多段階音響デルタ分布に対応する光ファイバの実施例の光学フィールド及び縦音響フィールドのプロット図である。 図１５は、光レーザーファイバの光学デルタ分布を示している。 図１６は、図１５の光学デルタ分布を有する光学レーザファイバに対応する光学レーザファイバの光学フィールド及び縦音響フィールドのプロット図である。 図１７は、図１５に示す光学デルタ分布を有し、本発明に係る光ファイバの縦音響デルタ分布を示している。 図１８は、図１７の音響デルタ分布に対応する光ファイバの実施例の光学フィールド及び縦音響フィールドのプロット図である。 図１９は、図２Ａの光学デルタ分布を有する本発明に係る光ファイバのコア及びクラッドにおける縦音速のプロット図である。 図２０は、図１９のプロット図に対応する光ファイバの縦音響デルタ分布を示している。 図２１は、他の実施例の光ファイバのファイバコアにおけるアルミニウムドープに起因する光学屈折デルタ％である。 図２２は、図２１に対応する光ファイバの音響デルタ分布である。 図２３は、図２１及び２２に対応する光ファイバに対応する光ファイバの光学フィールド及び縦音響フィールドのプロット図である。

符号の説明

１０ 光ファイバ
１２ コア
１２ａ コア領域
１２ｂ コア領域
１４ クラッド

Claims (4)

1. 屈折率分布と中心線を有するコアと、
   前記コアを囲み且つこれに直接に隣接するクラッド層と、を含み、
   前記コアは、ＳｉＯ₂から構成され、隣接した少なくとも２つのコア領域を含み、前記コア領域のうち少なくとも１つにおいてゲルマニウム及びアルミニウムがドープされることにより、前記２つのコア領域内の縦音波速度が少なくとも０．２％だけ互いに異なることを特徴とする光ファイバ。
2. 前記隣接した少なくとも２つのコア領域の一方が音響デルタΔ１を有し、且つ前記隣接した少なくとも２つのコア領域の他方が音響デルタΔ２を有し、
   前記音響デルタΔ１と前記音響デルタΔ２とは非同一であり、前記隣接した少なくとも２つのコア領域は実質的に等しい光学屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記隣接した少なくとも２つのコア領域の一方が０．１モル％以上のアルミニウムを含み、且つ前記隣接した少なくとも２つのコア領域の他方が０．１モル％未満のアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ。
4. 前記コアの屈折率は、波長１５５０ｎｍで電場と音響フィールドとの間の正規化された重なり積分値が０．８未満となるように、選択されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ。

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