JP5751833B2 - Ｓバンド内の信号の放出または増幅のための希土類ドープ光ファイバ・デバイス - Google Patents

Description

本発明は、約１５３０ｎｍ未満の波長に相当することを意味する、「Ｓ」バンド（「ショート・バンド」）として知られる波長の範囲内に位置する信号、または増幅された信号、を放出するために、希土類をドーピング剤として含むシリカ・ベースの光ファイバを備えるデバイスに関する。

本発明は、光信号を放出または増幅するために、希土類ドープの光ファイバを使用するデバイスに関する。光ファイバ増幅器は、誘導放出として知られる原理により動作する増幅ファイバを備え、誘導放出により、材料は、波長がファイバ内で伝送される信号の波長より小さいポンプ・レーザなど、高エネルギー光源を介して前記材料を励起することにより、伝送される光波と同じ波長および同じ位相の光波を放出することができる。使用される主な増幅元素は、通常、例えば、エルビウムまたはイッテルビウムなどの希土類であり、一般に、ドーピング剤として、ファイバの、シングル・モード・コア内またはそのシングル・モード・コアの近傍に融合される。ポンプ信号は、反転分布を生成し、それにより、これらのイオンがアクティブになることを可能にする。増幅ファイバが、光キャビティの中に挿入されると、レーザが、光信号を放出するために、生成されうる。

知られている方法で、エルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器の性能を向上させることが考えられる。「ＥＤＦＡ」（「エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器」）として知られるこれらの増幅器は、波長分割多重信号を増幅するために、一般に、長距離光リンクに沿って使用される。

これらのＥＤＦＡ増幅器は、そのコアまたはそのコア近傍領域がエルビウム・ドープされ、１５５０ｎｍの波長において増幅遷移をもたらす、光ファイバを備える。ファイバは、１５３０ｎｍと１５６５ｎｍの間の波長に相当する「Ｃ」バンド（「コンベンショナル・バンド」）、および１５６５ｎｍと１６２５ｎｍの間に位置する波長に相当する「Ｌ」バンド（「ラージ・バンド」）として知られる波長領域内で、最も効率的で可能な増幅を得るように設計される。

この状況において、その波長がこれらの値より小さく、１４５０ｎｍと１５３０ｎｍの間に入る、いわゆるＳバンドに相当する信号を増幅することについて問題が生じる。このバンド内の波長の増幅は、光システムの伝送能力を増大することを可能にさせるという大きな利点を提示する。

Ｓバンド内で増幅することが可能な、ツリウム・ドープＴＤＦＡ増幅器を生成することが可能である。しかし、これらの増幅器は、フッ素ベースのファイバを用いてのみ使用可能であるという欠点を提示する。これらのファイバは、従来のシリカ・ベースのファイバに接続されえない。

１５３０ｎｍより下で利得を助長するために、１５３０ｎｍ前後に位置する波長に対して損失を取り入れると同時に、シリカ・ベースのファイバを用いるＥＤＦＡ増幅器を生成することも可能である。これらの損失は、２つの異なる方法で得られうる。

第１に、エルビウム・ドープのファイバを切り離すことができ、その結果の２つの部分の間にブラッグ格子が挿入されうる。しかし、損失は、増幅ファイバの全波長にわたって分散せざるを得ず、そのことが、いくつかのブラッグ格子を使用することを必要とさせ、それゆえ、ファイバを複数回切断することを必要とさせる。この解法は、Ｈ．Ｏｎｏら、「Ｓ−Ｂａｎｄ ｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ｗｉｔｈ ａ ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ−ｄｅｓｉｇｎ、ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ、ａｎｄ ｇａｉｎ ｔｉｌｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ」（ＩＥＥＥ、Ｊｎｌ．ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎ．２００３、２１（１０）、２２４０〜２２４６頁）の記事の中に記載されている。この解法はコストが高く、複雑で、非効率である。

第２に、米国特許第６，９７０，６３１号の文献が、１５３０ｎｍより上で大きな損失を発生させるために、エルビウム・ドープ・ファイバの屈折率を適合させることを提案している。この解法は、特に、Ｗ形のプロフィールを有するファイバの屈折率を採択することから成る。この解法は、Ｓバンド内での増幅をもたらすが、得られる利得は平坦ではない。代わりに、この特定の屈折率プロフィールは、バンドの中央で損失を引き起こす、クラッド・モード共鳴を可能にする。このクラッド・モード共鳴を避けるために、光クラッドを吸収元素でドープすることができるが、これが行われると、Ｓバンド内の利得帯域幅は非常に限定されたものとなる。

米国特許第７，０７９，３０９号の文献は、利得プロフィールを制御するためにフォトニック結晶が使用される、光増幅器に関する。結晶は、光学的バンド・ギャップ（すなわち、ＰＢＧ）を有する交互周期構造を含む。三次元構造が、エルビウム・イオンでドープされたシリコン・ベースのバーで構成される。交互周期構造は、複数のマイクロ・キャビティ欠陥を含む。

しかし、この文献による光学的バンド・ギャップは、空洞共振が、Ｃバンドの中の利得の自然偏位を減少させることを可能にさせるほどのものである。

米国特許第６，９７０，６３１号 米国特許第７，０７９，３０９号

Ｈ．Ｏｎｏら、「Ｓ−Ｂａｎｄ ｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ｗｉｔｈ ａ ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ−ｄｅｓｉｇｎ、ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ、ａｎｄ ｇａｉｎ ｔｉｌｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ」（ＩＥＥＥ、Ｊｎｌ．ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎ．２００３、２１（１０）、２２４０〜２２４６頁）

本発明の目的は、従来技術の欠点を取り除くことにあり、特に、Ｓバンドの少なくとも大半にわたって信号を発生または増幅するためのデバイスを開示することにある。

本発明の他の目的は、作製が容易で、効率的で、安価なデバイスを提案することにある。

本発明の他の目的は、比較的平坦な利得を示すＳバンド内の増幅を発生させることにある。

本発明の目的物は、屈折率がｎ_ｃである希土類ドープのシリカ・ガラスで構成される固体コアを備え、コアの周りをＮ対のシリカ層を備える光クラッドで取り囲まれる固体コアを備える、光学的バンド・ギャップを有する光ファイバを備え、Ｎが２より大きい整数であり、各対が、厚さｄ_ｉと、コアの屈折率ｎ_ｃより大きい屈折率ｎ_ｉとを有し、厚さｄ_ｅと屈折率ｎ_ｅを有する第２の外層で覆われる第１の内層から成り、外層の屈折率ｎ_ｅが同じ対の内層の屈折率ｎ_ｉより小さい、デバイスである。

本発明の一般的な原理は、希土類であるドーピング剤を含む、固体コアの光学的バンド・ギャップを有するファイバを使用して、ある一定の波長において損失を生成することから成る。ファイバは、優先的に、希土類ドープのシリカ・ガラス・コアを用いるシングル・モードである。希土類ドーピング剤は、エルビウム、イッテルビウム、およびネオジムの中から選択されることが好ましい。このことは、エルビウム・イオンに対して１５２５ｎｍの周辺など、ドーピング・イオンの利得が高い波長における信号伝播損失を、ファイバの全長にわたって生成させることを可能にする。これらの損失は、エルビウム・イオンに対して約１４９０ｎｍと１５２０ｎｍの間など、希土類イオンによりもたらされる利得が低いスペクトル領域を、助長することを可能にする。ネオジム・イオンに対して、１０２０ｎｍから１０７０ｎｍまでのスペクトル・ゾーンにおいて、損失が生成される。イッテルビウム・イオンに対して、１０５０ｎｍ〜１１００ｎｍまでのスペクトル・ゾーンにおいて、損失が生成される。

有利な一実施形態によれば、外層の厚さｄ_ｅは、単一の対に対する内層の厚さｄ_ｉより大きい。

本発明の一実施形態によれば、内層の厚さは等しい。

本発明の他の実施形態によれば、外層の厚さは等しい。

優先的には、外層の厚さは、内層の厚さの少なくとも２倍に等しい。

特定の一実施形態によれば、希土類ドーピング剤は、イオンの形で、またはコアの少なくとも一部分の中のナノ粒子の形で分散され、希土類ドーピング剤が、シングル・モード・コアの全体に、または一部分の中だけに分散されうることを意味する。通常、シリカ・ファイバ内に分散される活性空間は、三価イオンの形である。ドーピング剤のナノ粒子は、容認された損失、希土類の所望の濃度、およびナノ粒子の組成によって決まるサイズを有する。このサイズは、典型的には、２ｎｍと２０ｎｍの間である。

希土類イオンは、波長のある一定の範囲内の４レベル・システム、およびより小さい波長に対する３レベル・システムとして見られうる。大きな利得（または放出係数）を可能にするために、３レベル・システム内で十分な反転を得る方法が知られている。しかし、この反転はまた、より高い波長に対して４レベル・システム内で、十分に大きい利得（または放出係数）を可能にし、それにより、３レベル・システムに対する利得を妨げる。本発明は、４レベル・システム内で損失を選択的に生成することにより、３レベル・システム内での増幅器またはレーザを生成することを可能にする。

イッテルビウム・ドープ・ファイバを用いて、本発明は、１１００ｎｍ周辺で損失を生成し、９８０ｎｍ周辺で利得を助長し、それにより、９８０ｎｍ周辺で（レーザなどの）放出、または（増幅器などの）増幅のためのデバイスを生成することを可能にする。ネオジム・ドープ・ファイバを用いて、１０５０ｎｍ周辺で損失を生成し、９１５ｎｍ周辺で利得を助長して、それにより、９１５ｎｍ周辺で動作する増幅器またはレーザを生成することさえ、可能にする。

さらに、コアは、クラッドの屈折率に関連してコアの屈折率を調節するために、アルミニウムＡｌ、ゲルマニウムＧｅ、燐Ｐ、および／またはフッ素Ｆなど、他のドーピング剤で構築されうる。ドーピング剤は、イオンまたはナノ粒子の形で、シリカ・マトリックスに添加されうる。低屈折率の外層は、非ドープ・シリカ、またはＧｅドープ、Ｐドープ、および／またはＦドープのシリカで作製されうる。高屈折率の内層は、Ｇｅドープおよび／またはＰドープのシリカで作製されうる。

本発明の一実施形態によれば、内層の屈折率は等しい。

他の実施形態によれば、外層の屈折率は等しい。

他の実施形態によれば、外層の屈折率は、コアの屈折率に等しい。

周期的に高低のある屈折率を有するクラッドは、コアから来る何らかの特定の波長の放射に対して、分散された反射を生じる。これらの特定の波長は、クラッドの光学的バンド・ギャップに属する。そのバンド・ギャップに属さない波長における放射は、ファイバ・コア内で誘導されず、むしろ、クラッドを通して漏れる。バンド・ギャップの中心波長は、

の関係により、クラッドを構成する層の厚さによって直接決まり、そこにおいて、ｄは厚さ、ｎは問題の層の屈折率、ｎ_ｅｆはコア内の誘導モードの有効屈折率、およびλは中心波長である。

本発明によれば、光ファイバは、Ｎ対の層を備え、各対は、１つの内層と１つの外層を備える。本発明によるファイバ内の対の数Ｎは、少なくとも２である。好ましい変形実施形態によれば、層の対の数Ｎは、少なくとも５に等しい。

他の変形実施形態によれば、ファイバの半径ｒは、コアの半径Ｒの少なくとも２倍に等しい。

本発明による光ファイバは、Ｓバンドとして知られる短波長バンド内での増幅を可能にするために、Ｃバンドとして知られる伝統的な増幅バンド内で希土類利得を相殺するように設計された、光学的バンド・ギャップ誘導特性を保有する。当然ながら、光学的バンド・ギャップ（ＰＢＧ）構造を用いて得られる望ましくない波長における減衰のレベルは、これらの波長における増幅利得を減衰させることを可能にするのに十分なオーダーでなければならない。本発明は、Ｓバンド内で、以前の解法より十分に平坦な利得を得ることを可能にする。

本発明の他の利点は、ファイバが、工業用プロセスにより、特に、「ＭＣＶＤ」プロセス（「修正化学蒸着」）により、容易に製造されうることである。

本発明の他の特徴および利点は、当然ながら限定されない例として、添付の図面の中に与えられる、一実施形態の以下の説明を読めば、明らかとなろう。

本発明の一実施形態によるファイバの断面図である。 ファイバの一半径による屈折率のプロフィールを示すグラフである。 ｘ軸に沿う、単位がμｍの波長λに従属する、単位がｄＢ／ｋｍのファイバ内伝播損失Ｐにおける変動を示すグラフである。 エルビウムの吸収係数αおよび放出係数ｇ^＊と比較した伝播損失Ｐのプロフィールを示すグラフであり、ｙ軸上に単位ｄＢ／ｋｍで損失Ｐ、吸収係数ａおよび放出係数ｇ^＊のプロフィールが与えられ、ｘ軸上に単位ｎｍで波長λが与えられる。 図２のファイバを用いて得られる利得を示すグラフであり、ｙ軸上に単位ｄＢで利得Ｇが与えられ、ｘ軸上に単位ｎｍで波長λが与えられる。

固体の希土類ドープ・コアを有し、光学的バンド・ギャップ誘導特性を保有する、本発明の一実施形態によるシングル・モードの光ファイバが、図１に断面図で示される。半径ｒのファイバ１は、半径Ｒおよび屈折率ｎ_ｃを有し、エルビウムのイオンまたはナノ粒子でドープされたシリカで構成される、固体コア２を備える。コア２は、やはりシリカで作製され、ｎ_１＞ｎ_ｃのようにコアの屈折率より厳密に大きい屈折率ｎ_１を有する第１の層３と、ドープ・シリカで作製され、ｎ_２＜ｎ_１のように第１の層の屈折率より小さい屈折率ｎ_２を有する第２の層４とから成る第１の１対の層を備える光クラッドにより取り囲まれる。クラッドは、第１の対を取り囲み、第１の対に類似し、ｎ_３＞ｎ_ｃのような屈折率ｎ_３を有する第１の層５と、ｎ_４＜ｎ_３のような屈折率ｎ_４を有する第２の層６とから構成される、同じ性質の第２の１対の層をさらに備える。ここに与えられる例において、クラッドは、第２の対を取り囲み、第１および第２の対に類似し、ｎ_５＞ｎ_ｃのような屈折率ｎ_５を有する第１の層７と、ｎ_６＜ｎ_５のような屈折率ｎ_６を有する第２の層８とから構成される、第３の１対の層をさらに備える。さらに、ファイバは、図示されていないポリマー材料で作製される、防護被膜で覆われうる。低屈折率ポリマーが、優先的に選択される。

図２に示す本発明の実施形態において、半径ｒを有する光ファイバは、類似した７対の層で構成される複数の光クラッドを備える。コアは、半径Ｒ＝１２．７μｍおよびｎ_ｃの屈折率を有する。コアは、厚さがａ＝２．５μｍであり、屈折率が、ｎ_１−ｎ_ｃ＝Δｎ、ここではΔｎ＝０．０３、のようなｎ_１である第１の層により取り囲まれる。第１の層は、厚さがｂ＝８．５μｍであり、屈折率が、ここではｎ_２＝ｎ_ｃのようなｎ_２である第２の層により追従される。後続の層が、高屈折率および低屈折率の層、ならびに、それらのそれぞれの厚さを交互に入れ替えながら、同じように継続される。

本発明の一実施形態による光ファイバは、層の総数、それらの屈折率、およびそれらの厚さによって決まる、特定の伝播挙動を有する。パラメータａ、ｂ、ＮおよびΔｎの値は、プリフォームが引き伸ばされるときに、光ファイバの外径ＯＤが調節されるならば、修正されうる。

下表は、パラメータａ、ｂ、ＮおよびΔｎのうちの１つの値に関する変動のいくつかの例に対して、初期伝播条件を達成するために必要な、外径ＯＤの相対的変動δＯＤを示す。

例えば、層の数が、１：ｄＮ＝−１と１つ減らされると、その結果が無変化を維持するように、外径ＯＤは、ｄＯＤ＝＋２％と２％増加しなければならない。

前述のような、ファイバ内での、波長λに基づく信号の伝播損失Ｐの一例が、図３に与えられる。伝播損失のスペクトル変動は、低い値のポンプ・レーザ（λ＝９８０ｎｍ）の放出波長損失（ゾーン３０）、およびλ＝１５３０ｎｍより大きい波長における高い値の損失（ゾーン３１）を示す。対象とされる、１４５０ｎｍと１５３０ｎｍの間を意味するＳバンドに属する波長において、伝播損失の値は、比較的低い（ゾーン３２）ことが観察される。

念のために、本発明の一般的原理は、希土類でドープされた固体コアを用いる光学的バンド・ギャップ・ファイバを活用して、ある一定の波長において損失を生成することから成る。この例において、ポンプ半径はファイバの中に正確に伝播され、ＣバンドおよびＬバンドの信号は大きく減衰され、そのことが、Ｓバンドの中の信号の増幅を可能にする。

次に、信号の波長λに基づく伝播損失Ｐ（曲線４０）、エルビウム吸収係数ａ（曲線４１）およびエルビウムの放出係数ｇ^＊（曲線４２）のプロフィールの変動を示す図４を、発明者らは考察する。

伝播損失Ｐ（曲線４０）が存在しない、１５３０ｎｍより十分に大きい波長において、放出係数ｇ^＊（曲線４２）は、吸収係数ａ（曲線４１）より大きい。この例において、光学的バンド・ギャップ（ＰＢＧ）により引き起こされた損失は、１５３０ｎｍより上の波長において放出係数ｇ^＊より大きく、１５２０ｎｍより下の波長に対して、損失は、放出係数ｇ^＊より小さい。

例えば、ＥＤＦＡ増幅器は、ＣバンドおよびＬバンド内の信号を、正確に、主として増幅する。１５３０ｎｍより小さい波長におけることを意味するＳバンドの信号を、正確に、主として増幅するために、伝播損失Ｐ（曲線４０）の利用が必要である。これらの損失は、１５３０ｎｍ前後の波長において非常に高く、これらの波長における増幅を防止する。従って、利得はＳバンドの中で利用可能である。

図５は、前述の、信号の波長λに基づく増幅デバイスを用いて得られた利得Ｇにおける変化を示す。曲線５０は、１５２０ｎｍより小さい波長λに対して比較的高い利得を示し、そのことが、本発明の増幅デバイスの寄与を示す。さらに、利得曲線５０は平坦であり、利得が、波長の関数として比較的一定であることを意味する。このことは、他の用途において有利に使用されうる、本発明の増幅デバイスの固有の特性である。

上に、Ｓバンドにおける増幅デバイスが、例示的な目的で説明された。当然のことながら、同じ原理および同じファイバが、その同じＳバンド内のレーザ放出などの放出デバイスを構築するために使用される。

Claims (11)

1. 屈折率ｎ_ｃを有する希土類ドープのシリカ・ガラスで構成される固体コアと、前記コアの周りを取り巻くＮ対のシリカ層からなる光クラッドとを有する、光学的バンド・ギャップ光ファイバを備えたデバイスであって、Ｎは２より大きい整数であり、各対は、内層である第１のシリカ層と外層である第２のシリカ層とで構成され、前記外層は前記内層に接触して該内層を覆っており、前記内層は厚さｄ_ｉおよび屈折率ｎ_ｉを有し、前記内層の屈折率ｎ_ｉは前記コアの屈折率ｎ_ｃより大きく、前記外層は厚さｄ_ｅおよび屈折率ｎ_ｅを有し、前記外層の屈折率ｎ_ｅは前記内層の屈折率ｎ_ｉより小さく、前記光学的バンド・ギャップ光ファイバは、その全長にわたって信号伝播損失を生成することにより、ＣバンドおよびＬバンド内の信号を減衰させ、Ｓバンド内の少なくとも１つの信号を増幅させるように構成されていることを特徴とする、デバイス。
2. 各対において、前記外層の厚さｄ_ｅが、前記内層の厚さｄ_ｉより大きい、請求項１に記載のデバイス。
3. 各対において、前記外層の厚さｄ_ｅが、前記内層の厚さｄ_ｉの２倍である、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記コアが、エルビウム、イッテルビウム、およびネオジムの中から選択される、希土類ドープのシリカ・ファイバで構成される、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記希土類が、前記コアの少なくとも一部分の中に分散される、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記Ｎ対の内層の屈折率が等しい、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記Ｎ対の外層の屈折率が等しい、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記Ｎ対の外層の屈折率が、前記コアの屈折率に等しい、請求項７に記載のデバイス。
9. 層の対の数Ｎが少なくとも５に等しい、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記ファイバの半径ｒが、前記コアの半径Ｒの少なくとも２倍である、請求項１に記載のデバイス。
11. 各対において、前記内層および前記外層の少なくとも一方はドープ・シリカで形成される、請求項１に記載のデバイス。

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