JPWO2006035722A1 - 非線形ファイバ、波長変換方法および波長変換器 - Google Patents

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Abstract

3次非線形係数が30W−1km−1以上であり、クラッドのコアとの界面から3μm以下の部分にErまたはTmを含有する非線形ファイバ。波長がλS、強度がISである信号光と、波長λPが2λSよりも小さく、強度がISよりも大きいポンプ光とを非線形ファイバ1に入射して四光波混合により波長λCがλSλP/(2λS−λP)、強度がICである変換光を発生させる波長変換方法であって、非線形ファイバ1における直径がモードフィールド径以下のクラッド部分にErまたはTmが存在し、当該ErまたはTmを励起光によって励起しながら四光波混合により変換光を発生させる波長変換方法。

Description

本発明は四光波混合による波長変換方法、波長変換器およびそれらに好適な非線形ファイバに関する。

3次非線形係数(γ)が大きな非線形ファイバを用いた種々の光信号処理技術が開発されているが、そのような技術の一つとして四光波混合による波長変換(以下、FWM波長変換という。)が挙げられる。

FWM波長変換は、波長がλ、強度がIである信号光と、波長がλ(ここでλ<2λ)、強度がI(ここでI>I)であるポンプ光とを長さがL、吸収係数がαである非線形ファイバに入射し、波長λがλλ/(2λ−λ)、強度がIである変換光を発生させるものであり、その波長変換効率(η)すなわちI/Iは〈γ×I×{1−exp(−α×L)}÷α〉に比例する。
FWM波長変換には通常、非線形ファイバとしては石英系非線形ファイバが使用され、たとえばI=5mW、L=4.43kmにおけるηとして−28dBが報告されている(Kimiya Kawanami、外3名,Fiber Nonlinear Coefficient Measurement Based on FWM Method with Depolarized Pump Light,29th European Conference on Optical Communication Proceedings,2003年9月,第3巻,p.552−553、を参照)。

石英系非線形ファイバの波長1550nmの光に対するγ(以下、γは波長1550nmの光に対する3次非線形係数を表すものとする。)は典型的には10〜25W−1km−1であるが、ηをより大きくするためにはγがより大きな非線形ファイバを使用すればよいと考えられる。そのような非線形ファイバとして酸化ビスマス系ガラスからなるものが知られている(たとえば特開2001−213640号公報を参照)。

前記ηとしては通常−40dB以上であることが必要とされており、先に述べたように石英系非線形ファイバを使用したFWM波長変換でこの条件を満たすものは知られている。しかしこのFWM波長変換を用いると石英系非線形ファイバのLが大きいために、ファイバ断線箇所の発見が容易でない、波長変換器をコンパクトなものにしにくい等の問題があった。
一方、石英系非線形ファイバの替わりに前記酸化ビスマス系ガラスからなる非線形ファイバを使用してLを小さくしようとすると、同非線形ファイバの伝播損失が典型的には1dB/m以上という大きなものであるために信号光、ポンプ光または波長変換された光(変換光)、特にポンプ光が非線形ファイバ中を伝播する間に減衰してしまい所望のηが得られない問題があった。
本発明はこのような問題を解決できる非線形ファイバ、波長変換方法および波長変換器の提供を目的とする。

本発明は、コアとクラッドを有し、波長1550nmの光に対する3次非線形係数が30W−1km−1以上である非線形ファイバであって、クラッドのコアとの界面から3μm以下の部分にErまたはTmを含有する非線形ファイバを提供する。
また、波長がλ、強度がIである信号光と、波長λが2λよりも小さく、強度がIよりも大きいポンプ光とを、コアとクラッドを有する非線形ファイバに入射して四光波混合により波長λがλλ/(2λ−λ)、強度がIである変換光を発生させる波長変換方法であって、非線形ファイバにおける直径がモードフィールド径以下のクラッド部分にErまたはTmが存在し、当該ErまたはTmを励起光によって励起しながら四光波混合により変換光を発生させる波長変換方法を提供する。

また、波長がλ、強度がIである信号光と、波長λが2λよりも小さく、強度がIよりも大きいポンプ光とを非線形ファイバに入射して四光波混合により波長λがλλ/(2λ−λ)である変換光を発生させる波長変換器であって、非線形ファイバが前記非線形ファイバであり、当該非線形ファイバのクラッドのコアとの界面から3μm以下の部分に存在するErまたはTmを励起するための励起光の入力端子を有する波長変換器(第1の波長変換器)を提供する。
また、波長がλ、強度がIである信号光と、波長λが2λよりも小さく、強度がIよりも大きいポンプ光とを非線形ファイバに入力して四光波混合により波長λがλλ/(2λ−λ)である変換光を発生させる波長変換器であって、ポンプ光強度が20mW以下であっても変換光の強度を(I×10−4)以上とすることができ、非線形ファイバの長さが10m以下である波長変換器(第2の波長変換器)を提供する。

本発明者は、酸化ビスマス系ガラスからなる非線形ファイバのクラッドのコア近傍部分に存在する信号光、ポンプ光または変換光を、当該部分に含有させたErまたはTmを励起光によって励起しその誘導放出によって増幅すれば、その増幅された光がコアを伝播して信号光、ポンプ光または変換光の前記減衰を補い、所望のηが得られるようになると考え、本発明に至った。

本発明によれば、短い非線形ファイバによって高効率のFWM波長変換を行うことができる。
また、高効率のFWM波長変換を行うことができる波長変換器をコンパクトにすることが可能になる。
また、非線形ファイバが短い場合その断線箇所の発見が容易になる。
信号処理に必要な時間(レイテンシ)を短くすることができ、より高速の信号処理が可能になる。

本発明の波長変換器の構成の一例を示すための概略図である。

符号の説明

1:非線形ファイバ
11、12、13:入力端子
21:出力端子
31、32:光合波器
41:波長可変フィルタ
in:信号光

本発明の非線形ファイバ(以下、本発明のファイバという。)の波長1550nmの光に対する非線形係数(γ)は30W−1km−1以上であるので、これをFWM波長変換に用いた場合ηを大きくできる。γは好ましくは50W−1km−1以上、より好ましくは70W−1km−1以上である。

本発明のファイバは、そのクラッドのコア近傍部分すなわちコアとの界面から3μm以下の部分(以下、この部分をコア近傍部分という。)にErまたはTmを含有し、当該部分に存在するErまたはTmと、当該部分以外のクラッドにErまたはTmが存在する場合にはそのErまたはTmとを励起光によって励起し、その誘導放出によってErまたはTmが存在する部分の信号光、ポンプ光または変換光を増幅し、当該増幅された光の一部がコアに戻ることにより前記減衰が補われる。その結果、前記励起が行われない場合に比べてηが大きくなる。

本発明のファイバは、コアがモル%表示で、Bi 35〜50%、B+SiO 30〜40%、Al+Ga 15〜25%、CeO 0〜1%、から本質的になるガラスであり、クラッドのコアとの界面から3μm以下の部分がモル%表示で、Bi 35〜50%、B+SiO 30〜40%、Al+Ga 15〜25%、CeO 0〜1%、から本質的になる母ガラスがErまたはTmを含有するガラスであることが好ましい。

本発明のファイバのγをより大きくしたい等の場合には、コアがモル%表示で、Bi 45〜70%、B 12〜30%、Ga 7〜20%、In 2〜15%、ZnO 0〜15%、CeO 0〜3%、から本質的になるガラスであり、クラッドのコアとの界面から3μm以下の部分がモル%表示で、Bi 45〜60%、B 12〜30%、Ga 7〜20%、In 2〜15%、ZnO 0〜15%、CeO 0〜3%、から本質的になる母ガラスがErまたはTmを含有するガラスであることが好ましい。

ここで、たとえば前記コアを構成する好ましいガラスが上記成分から本質的になるガラスであるとは、本発明の目的を損なわないで上記成分(本質的成分)以外の成分を含有してもよいという意であり、また、CeOが0〜3%であるとは、CeOは必須ではないが3%まで含有してもよいという意である。なお、本質的成分以外の成分を含有する場合そのような成分の含有量の合計は8モル%以下であることが好ましい。

クラッドのコア近傍部分がErを含有する本発明のファイバは、信号光の波長(λ)が1530〜1620nmである場合のFWM波長変換に好適である。
クラッドのコア近傍がTmを含有する本発明のファイバは、λが1450〜1520nmである場合のFWM波長変換に好適である。

クラッドにおいてErまたはTmを含有する部分(以下、増幅部分という。)はコア界面から少なくとも3μmまで及んでおり、一方、コア近傍部分に存在する信号光、ポンプ光または変換光の各強度は、クラッド全体における各強度の典型的には90%以上(後述する実施例については計算したところ98%であった。)であるので、クラッドに存在する信号光、ポンプ光または変換光の大部分を増幅できる。
クラッドにおいて増幅部分はコア近傍部分以外に及んでもよく、典型的にはコア界面から8μmまで及び、通常はクラッド全体に及ぶ。

増幅部分がErを含有する場合、その質量百万分率表示含有量は40ppm以上であることが好ましい。含有量が40ppm未満では増幅効果が不充分になるおそれがあり、より好ましくは100ppm以上である。また、当該含有量は10000ppm以下であることが好ましい。含有量が10000ppm超ではアップコンバージョン効果により増幅効率が低下するおそれがあり、より好ましくは2000ppm以下である。

次に、本発明の波長変換方法および波長変換器を図1を用いて説明する。なお、本発明はこれに限定されない。
図1は、本発明の波長変換器の構成の一例と、当該一例におけるポンプ光源、信号光源および励起光源との接続の一例とを示す概略図である。

信号光源から発せられた信号光は入力端子11に入力され、光合波器31でポンプ光と合波され、さらにその後光合波器32で励起光と合波され非線形ファイバ1に至る。
信号光波長λは通常1530〜1620nmまたは1450〜1520nmである。
λが1530〜1620nmである場合非線形ファイバ1はErを含有し、λが1450〜1520nmである場合非線形ファイバ1はTmを含有することがそれぞれ典型的である。
非線形ファイバ1に入力される信号光Sinの強度Iは、連続光で1mW以上であることが好ましい。Iが1mW未満では変換光の強度が不充分になるおそれがある。Iは通常1〜100mWである。

ポンプ光源から発せられたポンプ光は入力端子12に入力され、波長可変フィルタ41を経て光合波器31で信号光と合波され、さらにその後光合波器32で励起光と合波され非線形ファイバ1に至る。
ポンプ光の波長λは2λより大きく、また、|λ−λ|は通常1〜10nmである。
非線形ファイバ1に入力されるポンプ光の強度IはIより大きく、好ましくは連続光の場合2mW以上である。Iが2mW未満では波長変換効率が低下するおそれがある。また、Iは典型的には連続光の場合20mW以下であるが、波長変換効率をより大きくしたい場合には20mW超としてもよい。

励起光源から発せられた励起光は入力端子13に入力され、光合波器32で信号光およびポンプ光と合波され、非線形ファイバ1に至り当該ファイバ中に存在するErまたはTmを励起する。
励起光の波長λは、λが1530〜1620nmである場合は後述する非線形ファイバ1中のErを励起すべく1475〜1485nmに、λが1450〜1520nmである場合は後述する非線形ファイバ1中のTmを励起すべく1060〜1070nmにすることが典型的である。
λが1530〜1620nmである場合、励起光源としては半導体レーザー(LD)が好適である。

本発明の波長変換方法においては、非線形ファイバ1は直径がモードフィールド径以下のクラッド部分にはErまたはTmが存在するものとされる。当該部分にErおよびTmのいずれも含有しないものであると前記ηを大きくできない。λが1530〜1620nmである場合はErを、λが1450〜1520nmである場合はTmが存在するものとされる。なお、本発明におけるモードフィールド径は波長が1550nmの光に対するものとし、以下MFDと記す。

また、λが1530〜1620nmである場合、非線形ファイバ1における直径がMFD以下のクラッド部分にはErが存在し、λは1475〜1485nmであることが典型的である。
また、非線形ファイバ1のコア径とMFDの差が3μm以下である場合、非線形ファイバ1は本発明のファイバであることが好ましい。

第1の波長変換器において非線形ファイバ1は本発明のファイバであるので、当該波長変換器を本発明の波長変換方法に使用できる。
非線形ファイバ1の長さは10m以下であることが好ましい。10m超では断線箇所を容易に発見できなくなる、または吸収もしくは分散のために波長変換効率が低下するおそれがある。
第2の波長変換器において非線形ファイバ1の長さは10m以下であるが、当該ファイバは典型的には本発明のファイバである。

非線形ファイバ1の一端に信号光、ポンプ光および励起光を同時に入射し、当該ファイバ中のErまたはTmを励起しながらFWM波長変換を行って変換光を発生させ、非線形ファイバ1の他の一端から出射させる。
変換光の波長λはλおよびλと次式で表される関係にある。
1/λ=2/λ−1/λ

非線形ファイバ1から出射された変換光の強度Iは0.1μW以上であることが好ましい。Iが0.1μW未満では雑音の影響が大きくなるおそれがある。
とIの比であるηは、10−4以上すなわち−40dB以上であることが好ましい。
変換光は出力端子21に至り出力される。

波長可変フィルタ41は必須ではないが、入力端子12に入力されるポンプ光がポンプ光源からの光を増幅したものである場合には、その増幅された自然放出光(ASE)を遮断するべく使用してもよい。

コア用ガラスからなるガラスロッドを次のようにして作製した。
モル%表示組成が、Bi 43.0%、SiO 36.0%、Al 3.5%、Ga 18.0%、CeO 0.5%、であるガラス(ガラスA)となるように原料を調合、混合して400gの調合原料を作製し、この調合原料を白金ルツボに入れ大気雰囲気中で1150℃に2時間保持して溶解した。

得られた溶融ガラスを、内径が15mm、高さが180mmであるSUS310S製の茶筒状モールド(底面を有する円筒状モールド)に流し出し、徐冷してロッド状ガラスとした。このロッド状ガラスを加熱してリドローし、直径が3mmであるガラスロッドを作製した。
なお、前記徐冷はこのガラスのガラス転移点すなわち488℃に4時間保持後常温まで毎分1℃の速度で冷却して行い、またこのガラスの波長1550nmの光に対する屈折率(n)は2.03であった。

一方、2種類のガラス管1、2を次のようにして作製した。
モル%表示組成が、Bi 43.0%、SiO 36.0%、Al 7.5%、Ga 14.0%、CeO 0.5%、である母ガラスがErを質量百万分率表示で150ppm含有するガラス(ガラスB1)となるように原料を調合、混合して400gの調合原料を作製し、この調合原料を白金ルツボに入れ大気雰囲気中で1150℃に2時間保持して溶解した。
得られた溶融ガラスを周知のローテーショナルキャスト法を用いて加工し、外径が15mm、内径が7mm、高さが150mmであるガラス管1を作製した。

また、モル%表示組成が、Bi 43.0%、SiO 36.0%、Al 7.5%、Ga 14.0%、CeO 0.5%、であるガラス(ガラスB2)となるように原料を調合、混合して400gの調合原料を作製し、この調合原料を白金ルツボに入れ大気雰囲気中で1150℃に2時間保持して溶解した。
得られた溶融ガラスを周知のローテーショナルキャスト法を用いて加工し、外径が15mm、内径が3mm、高さが150mmであるガラス管2を作製した。なお、ガラスB2のガラス転移点は494℃、nは2.02であった。

次に、ガラス管1に前記ガラスロッドを挿入し、ガラス管1とガラスロッドの隙間を真空ポンプによって減圧しながら加熱してリドローし、直径5mmの2層ガラスロッドを作製した。
この2層ガラスロッドを再度加熱してリドローし、直径1.5mmの2層ガラスロッドを作製した。

この直径1.5mmの2層ガラスロッドを、ガラス管2に挿入し、ガラス管2と2層ガラスロッドの隙間を真空ポンプによって減圧しながら加熱してリドローし、直径5mmのファイバプリフォームを作製した。なお、以上で述べた加熱リドローはいずれもチューブ型電気炉を用い520〜525℃の温度にて行った。

このようにして得られたファイバプリフォームを579℃に加熱して紡糸し、コア径が4.2μm、クラッド径が125μm、MFDが5.3μm、γが70W−1km−1、伝播損失が2dB/mである非線形ファイバを作製した。この非線形ファイバのコアはガラスAであり、同ファイバのクラッドはそのコアに近い層(クラッド第1層)はErを含有するガラスB1、コアから遠い層(クラッド第2層)はErおよびTmのいずれも含有しないガラスB2であり、クラッド第1層の直径は12.5μmである。したがって、この非線形ファイバはそのクラッドのコアとの界面から4.15μm以下の部分にErが存在するものである。

長さが10mの前記非線形ファイバを図1の非線形ファイバ1として用い、以下に述べるようにして励起光強度I(単位:mW)と波長変換効率η(単位:dB)の関係を調べた。なお、非線形ファイバはその両端を、波長980nmにおけるMFDが4.2μmである石英系シングルモードファイバHI980(コーニング社製)と融着接続して用い、また、その石英系シングルモードファイバHI980としてはその一端を予めTEC融着により石英系シングルモードファイバSMF28(コーニング社製)と融着接続したものを用いた。

信号光源としてLDを用い入力端子11に波長が1549nmである信号光を入力した。非線形ファイバ1に入射された信号光の強度Iは6mWであった。
ポンプ光源としてもLDを用い入力端子12に波長が1550nmであるポンプ光を入力し、波長可変フィルタとして応用光電社製TFM−NB−1560−1−S−FC(波長全幅1nm)を用いた。非線形ファイバ1に入射されたポンプ光の強度Iは56mWであった。

励起光源としてもLDを用い入力端子13に波長が1480nmである励起光を入力した。
出力端子21には図示しない分光器、検出器を接続し、波長が1551nmである変換光の強度を測定し、ηを算出した。非線形ファイバ1に入射された励起光の強度Iとηの関係を表1に示す。なお、Iが350mWにおけるηは、Iが0〜195.0mWであるときのηのデータから外挿によって求めた値である。また、Iを20mWとしたときのηの計算値をη20mWの欄に示す。
この結果から、Iが20mWであってもIを350mWとすればηを−40dB以上とすることができることがわかる。

本発明は、FWM波長変換等の光信号処理に適用できる。

なお、2004年9月29日に出願された日本特許出願2004−284466号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (8)

  1. コアとクラッドを有し、波長1550nmの光に対する3次非線形係数が30W−1km−1以上である非線形ファイバであって、クラッドのコアとの界面から3μm以下の部分にErまたはTmを含有する非線形ファイバ。
  2. コアがモル%表示で、Bi 35〜50%、B+SiO 30〜40%、Al+Ga 15〜25%、CeO 0〜1%、から本質的になるガラスであり、クラッドのコアとの界面から3μm以下の部分がモル%表示で、Bi 35〜50%、B+SiO 30〜40%、Al+Ga 15〜25%、CeO 0〜1%、から本質的になる母ガラスがErまたはTmを含有するガラスである請求項1に記載の非線形ファイバ。
  3. クラッドのコアとの界面から3μm以下の部分にErを含有し、その質量百万分率表示含有量が40ppm以上である請求項1または2に記載の非線形ファイバ。
  4. 波長がλ、強度がIである信号光と、波長λが2λよりも小さく、強度がIよりも大きいポンプ光とを、コアとクラッドを有する非線形ファイバに入射して四光波混合により波長λがλλ/(2λ−λ)、強度がIである変換光を発生させる波長変換方法であって、非線形ファイバにおける直径がモードフィールド径以下のクラッド部分にErまたはTmが存在し、当該ErまたはTmを励起光によって励起しながら四光波混合により変換光を発生させる波長変換方法。
  5. 非線形ファイバのコア径とモードフィールド径の差が3μm以下である請求項4に記載の波長変換方法であって、非線形ファイバが請求項1、2または3に記載の非線形ファイバである波長変換方法。
  6. 請求項4または5に記載の波長変換方法であって、λが1530〜1620nmであり、非線形ファイバにおける直径がモードフィールド径以下のクラッド部分にErが存在し、励起光の波長が1475〜1485nmである波長変換方法。
  7. 波長がλ、強度がIである信号光と、波長λが2λよりも小さく、強度がIよりも大きいポンプ光とを非線形ファイバに入射して四光波混合により波長λがλλ/(2λ−λ)である変換光を発生させる波長変換器であって、非線形ファイバが請求項1、2または3に記載の非線形ファイバであり、当該非線形ファイバのクラッドのコアとの界面から3μm以下の部分に存在するErまたはTmを励起するための励起光の入力端子を有する波長変換器。
  8. 波長がλ、強度がIである信号光と、波長λが2λよりも小さく、強度がIよりも大きいポンプ光とを非線形ファイバに入力して四光波混合により波長λがλλ/(2λ−λ)である変換光を発生させる波長変換器であって、ポンプ光強度が20mW以下であっても変換光の強度を(I×10−4)以上とすることができ、非線形ファイバの長さが10m以下である波長変換器。
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