(57)【要約】【課題】特定の利得構成における利得媒体効率を最大化することができる、希土類元素でドープされた増幅光ファイバを提供すること。【解決手段】本発明は、中心コアと、中心コアを取り巻く光クラッドとを有する増幅光ファイバに関し、中心コアは、少なくとも１種類の希土類元素のドーピングイオンを含むマトリックス材料から成るナノ粒子を含むシリカマトリックスをベースとする。ナノ粒子のマトリックスは、希土類の溶解と分散を助けるように、また増幅プロセスを助けるように選択される。さらに、本発明は、本願の光ファイバを含む光増幅器および光レーザに関する。さらに、本発明は、ナノ粒子を調製する方法および本願の光ファイバを製造する方法、ならびに前記光ファイバの使用に関する。【選択図】図２ａ
2010118663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心コアと、中心コアを取り巻く光クラッドとを有し、中心コアが、少なくとも１種類の希土類元素のドーピングイオンを含むマトリックス材料から成るナノ粒子を含むシリカマトリックスをベースとする、増幅光ファイバであって、ドーピングイオンの濃度が、中心コアの全重量の約０．０１重量％と約１重量％の間、好ましくは約０．０１重量％と０．２重量％の間であり、ナノ粒子の中のドーピングイオン間の平均距離が、少なくとも０．４ナノメートルであり、平均距離が、ナノ粒子内部の各組の２つのドーピングイオンの間の距離の平均であることを特徴とする、増幅光ファイバ。
【請求項２】
ナノ粒子の中のドーピングイオンの濃度が、ナノ粒子の全重量の０．１から２０重量％の間、好ましくは０．５から１５重量％の間である、請求項１に記載の増幅光ファイバ。
【請求項３】
ナノ粒子のマトリックス材料が、ポンピング中の希土類元素の、増幅準位と基底状態準位の間のエネルギーギャップの２０％未満、より好ましくはエネルギーギャップの１５％未満であるフォノンエネルギーを有する、請求項１または２に記載の増幅光ファイバ。
【請求項４】
ナノ粒子のマトリックス材料が、ポンピング中の希土類元素の、ポンプ準位と増幅準位の間のエネルギーギャップの少なくとも２５％、ポンピング中の希土類元素の、増幅準位と基底状態準位の間のエネルギーギャップの、最大限で２２％、好ましくは１８．５％のフォノンエネルギーを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の増幅光ファイバ。
【請求項５】
ナノ粒子のマトリックス材料が非晶質である、請求項１から４のいずれか一項に記載の増幅光ファイバ。
【請求項６】
ナノ粒子のマトリックス材料が、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化リン（Ｐ２Ｏ５）、またはそれらの組合せである、請求項１から５のいずれか一項に記載の増幅光ファイバ。
【請求項７】
中心コアのシリカベースのマトリックスが、ゲルマニウム、リン、フッ化物、ホウ素、およびそれらの１つまたは複数の組合せから成る群から選択される少なくとも１種類の元素でドープされる、請求項１から６のいずれか一項に記載の増幅光ファイバ。
【請求項８】
中心コアの中の酸化アルミニウムの全濃度が、中心コアの全重量を基準として４重量％以下、好ましくは３．５重量％以下である、請求項１から７のいずれか一項に記載の増幅光ファイバ。
【請求項９】
希土類元素が、エルビウム、イッテルビウム、ツリウム、およびこれらの元素の組合せ、好ましくはエルビウムとイッテルビウムとの組合せから成る群から選択される、請求項１から８のいずれか一項に記載の増幅光ファイバ。
【請求項１０】
光ファイバが、１２００ｎｍにおいて４ｄＢ／ｋｍ以下、好ましくは１２００ｎｍにおいて２ｄＢ／ｋｍ以下のバックグランド減衰損失を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の増幅光ファイバ。
【請求項１１】
ナノ粒子のサイズが、１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の増幅光ファイバ。
【請求項１２】
光増幅器または光レーザにおける、請求項１から１１のいずれか一項に記載の増幅光ファイバの使用。
【請求項１３】
特定の利得形状の中でファイバの効率を改善するための、請求項１から１２のいずれか一項に記載の増幅光ファイバの使用。
【請求項１４】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の増幅光ファイバの少なくとも１本を含む、光増幅器。
【請求項１５】
請求項１から１１のいずれか一項に記載のファイバの少なくとも一部を含む、光レーザ。
【請求項１６】
少なくとも１種類の希土類元素のドーピングイオンを含むマトリックス材料から成るナノ粒子の懸濁液を調製する方法であって、
ａ）少なくとも１種類の希土類元素のイオンを含む少なくとも１種類の化合物を供給するステップと、
ｂ）ナノ粒子のマトリックス材料を形成するための少なくとも１種類のイオンを含む少なくとも１種類の化合物を供給するステップと、
ｃ）ナノ粒子の懸濁液を得るために、ステップａ）およびステップｂ）で得られた化合物を、３−１２の範囲内、好ましくは６−１０の範囲内のｐＨを有する水溶液に攪拌しながら加えるステップとを含む、方法。
【請求項１７】
ステップａ）の中の少なくとも１種類の化合物が、エルビウム塩、好ましくは酢酸エルビウム、硝酸エルビウム、エルビウムアセチルアセトナート、塩化エルビウム、およびそれらの１つまたは複数の組合せから成る群から選択される、請求項１６に記載のナノ粒子の懸濁液を調製する方法。
【請求項１８】
ステップｂ）の中の少なくとも１種類の化合物が、アルミニウム塩およびリン塩、またはそれらの組合せから成る群から、好ましくは硝酸アルミニウムおよび燐トリクロライドオキシド、ならびにそれらの組合せから成る群から選択される、請求項１６または１７に記載のナノ粒子の懸濁液を調製する方法。
【請求項１９】
ステップｃ）が、１０℃と５０℃の間、好ましくは２０℃と４０℃の間の温度で実施される、請求項１６から１８のいずれか一項に記載のナノ粒子の懸濁液を調製する方法。
【請求項２０】
１）少なくとも１種類の希土類元素のドーピングイオンを含むマトリックス材料から成るナノ粒子の懸濁液を調製するステップと、
２）化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスにより調製された多孔質の内層を有するシリカベースの中空チューブを供給するステップと、
３）ステップ２）で得られた中空チューブの多孔質の内層を、ステップ１）で得られた懸濁液で含浸するステップと、
４）残留水分を除去し、ナノ粒子を強化するために、ステップ３）で得られたドープされた多孔質の内層に熱を加えるステップと、
５）光プリフォームを得るために、ステップ４）で得られた中空チューブをガラス化し、壊すステップと、
６）修正された、光クラッド径に対する中心コア径の比を有する光プリフォームを得るために、ステップ５）で得られた光プリフォームを、任意選択でスリービングまたはオーバークラッディングするステップと、
７）中心コアと、中心コアを取り巻く光クラッドとを有する光ファイバを得るために、ステップ５）またはステップ６）で得られた光プリフォームを引き抜くステップであって、セントラルコアが、少なくとも１種類の希土類元素のドーピングイオンを含むマトリックス材料から成るナノ粒子を含むシリカマトリックスをベースとし、イオンの濃度が、中心コアの全重量の約０．０１重量％と約１重量％の間、好ましくは約０．０１重量％と約０．２重量％の間であり、イオン間の平均距離が、少なくとも０．４ナノメートルとなるべきである、ステップと
を含む、請求項１から１１のいずれかに記載の増幅光ファイバを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中心コアと、中心コアを取り巻く光クラッドとを有し、中心コアが、少なくとも１種類の希土類元素のドーピングイオンを含むマトリックス材料から成るナノ粒子を含むシリカマトリックスをベースとする、増幅光ファイバに関する。増幅光ファイバは、例えば、高ビットレート光送信リンク用の光増幅器において使用されうる。
【０００２】
本発明はさらに、本願の増幅光ファイバを備える光増幅器および光レーザに関する。さらに、本発明は、少なくとも１種類の希土類元素のドーピングイオンを含むマトリックス材料から成るナノ粒子の懸濁液を調製する方法に関する。さらに、本発明は、本願の増幅光ファイバを製造する方法に関する。さらに、本発明は、本願の光ファイバの使用に関する。
【０００３】
本願発明者らのＵＳ２００３／０１７５００３は、中心コアのマトリックスの中にナノ粒子を含む増幅光ファイバに関する。この刊行物は、マトリックスの中にナノ粒子が存在することによって、使用可能な（ａｃｃｅｓｓｉｂｌｅ）光増幅器の利得形状を改善することに関し、説明されるナノ粒子のそれぞれの種類は、特定の希土類元素／マトリックスの組合せを有する。
【０００４】
ＵＳ２００３／００３７７４２は、非晶質マトリックスの中に埋め込まれた結晶質のナノ粒子のクラスターを有するセラミックの利得媒体に関していた。
【０００５】
本発明は、特定の利得形状の範囲内にある光ファイバにより、例えば必要なポンピング電力消費を低減することにより、増幅効率を改善することに関する。
【背景技術】
【０００６】
光増幅器は、光信号を最初に電気信号に変換する必要なしに、光信号を直接増幅する機器である。増幅光ファイバ、中でもいわゆるドープファイバ増幅器（ＤＦＡ）は、光信号を増幅する利得媒体として、ドープ光ファイバを使用する。増幅される光信号およびポンプレーザは、ドープ光ファイバの中に多重化され、信号は、後ほどより詳細に説明するように、ドーピングイオンとの相互作用により増幅される。これらのＤＦＡは、数多くの光の用途で必要とされる。
【０００７】
光ファイバに希土類元素エルビウム（Ｅｒ）をドープすることで、いわゆるエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が得られる。これらのＥＤＦＡは、１５５０ｎｍでの長距離および超長距離光通信ネットワークにおいて、送信された光信号を増幅するために使用される。これらのＥＤＦＡは、波長９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍにてポンプレーザにより効率的にポンピングされ、１５５０ｎｍ領域において利得を示す。
【０００８】
利得は、出力信号パワーを入力信号パワーで除した比として定義される。入力信号パワーは、増幅光ファイバの入口における光信号のパワーに相当する。出力信号パワーは、増幅ファイバの出口における光信号パワー、すなわち、増幅された信号に相当する。出力信号パワーは、入力信号パワーと、信号パワーに変換されるポンプエネルギーとの和であり、このポンプエネルギーは、ポンピングパワーとポンプ効率の積に等しい。したがって、利得は、光信号のパワーを増加させる増幅器の、能力の尺度となる。
【０００９】
イッテルビウム（Ｙｂ）とＥｒの間のエネルギー移動によりエルビウムポンプの信号吸収効率を改善するために、ＥＤＦＡ用の光ファイバにおいて、イッテルビウム（Ｙｂ）ドーピングがしばしば使用される。さらに、Ｙｂイオンはまた、高出力レーザの用途において、単独で使用されうる。
【００１０】
一般に、ＥＤＦＡ用の光ファイバは、２５０ｐｐｍ（０．０２５重量％）と１０００ｐｐｍ（０．１重量％）の間のエルビウムイオン濃度におけるエルビウムイオンでのドーピングを含むシリカベースのマトリックスから成る中心コアを提供する。エルビウムイオンは、光利得の源であり、その利得は、それまでポンプ源により格納されていた高エネルギー状態から低エネルギー状態への電子の遷移である誘導放射に起因する。
【００１１】
これらのＥＤＦＡ用光ファイバは、増幅を改善するため、例えば、増幅器が使用可能な利得を得る光波長の範囲である増幅バンドまたは増幅窓を拡大し、かつ／または平坦にするために、他の元素との共ドーピングを含むことが多い。一例として、１５２０−１５７０ｎｍの波長分割多重方式（ＷＤＭ）Ｃバンドにおける増幅を可能にする、エルビウムとアルミニウムで共ドープされた光ファイバが挙げられる。他の用途および他のバンド位置は、希土類元素を単体、またはそれらの２種類以上の組合せで適切に選択することにより、獲得されうる。
【００１２】
希土類をドープされた光ファイバにおける光増幅は、光ファイバの中に、希土類イオン（例えば、ＥＤＦＡの中のＥｒ３＋イオン）を励起するポンプ信号を導入することにより得られることはよく知られている。光信号が光ファイバのこの部分を通過するとき、入射光子と類似の光子が、励起状態にあるイオンから放出可能であり、その後にそのイオンは基底状態に戻る。これは、後で説明される図１において、詳細に説明される。次いで、入射光信号は組み合わされ、希土類イオンは、別の励起と脱励起のサイクルの準備が整う。このプロセスは、誘導放射と呼ばれる。仮に、ファイバのそのような部分が２つのミラーまたはブラッグ格子から成る共振空洞と組み合わされると、レーザ光ファイバが得られる。前記のレーザ光ファイバの波長およびパワーは、ドーパントとして使用される希土類元素の性質および量に依存する。
【００１３】
より良くより速いシステムに対する市場の増加を引き起こすであろうＷＤＭシステムにおいて、右肩上がりの需用が存在する。そのような新世代システムは、高出力用途に準拠した、より効率的な増幅器およびレーザを含む必要がある。
【００１４】
より効率の良い光ファイバ増幅器の開発における１つのキーポイントは、利得限界または飽和を克服する可能性である。出力信号パワーは、限られた数の希土類イオンとポンピングパワーによって制限される。そのため、入力パワーが低いときは、希土類イオンおよびポンピングパワーは飽和しないので、高利得を得ることができる。入力信号が増加すると、ポンピングパワーを同時に増加させることにより、出力パワーを同様に増加させることができ、それにより利得レベルは維持されうる。ポンピングパワーおよび希土類濃度の限界に到達すると、出力パワーはその限界に達し、それにより利得は維持されえない。入力信号パワーがポンピングパワーの限界を超えて増加すると、利得は減少する。利得の飽和に達している。それはなぜ、低い入力パワー信号において、出力パワーの増加、および高利得を得ることができるかを説明している。また、それはなぜ、高い入力信号パワーにおいて、出力信号パワーは最大となり、利得は最小になるまで減少するかを説明している。そのような利得の限界は、現在使用しているポンピングスキームにより課せられる。現在のポンピングスキームの出力（ｐｏｗｅｒ）は、市販の７５０ｍＷレーザポンプに限定されている。さらに、熱放散および電力消費など、コスト上および技術上の理由から、現在のポンピングスキームは、多くの場合、合計のポンピングパワーを１．５Ｗ（２×７５０ｍＷ）に制限する、２個のみのポンプの組合せに限定される。この２ポンプスキームは、増幅器利得および出力パワーにおいて制限を課しており、それらは、新世代増幅器の要請に、現在のところ適合しない。利得飽和のこの問題は、入力信号パワーが増加するにつれて、ますます重要になっている。
【００１５】
目的は、より高い出力パワーを得ること、またはより低いポンプエネルギーで所与の出力パワーを得ることである。これは、増幅媒体（希土類をドープされたファイバ）の効率を向上させることにより達成可能であり、それは、本発明の、解決すべき技術的問題に相当する。
【００１６】
より効率的な増幅器の開発における第２のキーポイントは、所与の出力パワーおよび所与の増幅バンドまたは増幅窓に対するいくつかの構成要素のコストを下げる可能性である。これは、必要なポンピングパワーを縮小することにより達成可能である。なぜなら、増幅器の中のポンプのエネルギー消費は、使用予算の主要な部分を表し、したがって、ポンピングパワーのかなりの節約が、望ましいコスト低減を結果としてもたらすからである。
【００１７】
上述の２つのキーポイントに到達するために、希土類ドープ光ファイバの効率は改善されなければならず、それが本発明の目的である。
【００１８】
Ｂ．Ｓ．Ｗａｎｇら、「Ｎｏｖｅｌ  ｅｒｂｉｕｍ  ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ｉｎ  Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｆｉｂｅｒ−ｂａｓｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ、ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＳＰＩＦ、５６２３巻、４１１−４１７頁、（２００５）の刊行物は、高出力用途では、光ファイバ導波路の設計とドーピング組成の設計の両方の最適化が必要であると報告している。この刊行物は、ポンプモード領域とエルビウムイオンとの間の重なり部分を最適化することにより、光ファイバの光幾何学的パラメータの最適化が、ポンピングパワー変換効率（ＰＣＥ）を改善しうることを開示している。光ファイバの開口数を減少させることにより、またカットオフ波長を増加させることにより得られるこの最適化は、光ファイバの開口数を減少させることによる、またカットオフ波長を増加させることによる、光ファイバの曲げ損失に対する検出可能な影響を与えない。さらに、この刊行物は、ドーピングの改善が、エルビウムイオン濃度、およびファイバの長さに沿ったエルビウムイオンの等質性を高めることにより得られうることを開示している。後者（等質性）の改善は、あるスペクトル形状特性とエルビウムイオンのクラスター化の制限を同時に確保した状態で、光ファイバのコアの中の高いアルミニウムイオン濃度により達成されうる。
【００１９】
しかし、この刊行物の中で開示される解法は、３５０ｍＷを超えるポンピングパワーに対して十分ではない。さらに、アルミニウムイオンは光ファイバコアの屈折率を大幅に増加させることが知られているので、高いアルミニウムイオン濃度は、所望の低い開口数とはうまく両立しない。最後に、高いアルミニウムイオン濃度は、光ファイバのバックグランド損失の増加を引き起こし、利得媒体の効率に大きく影響する可能性があることが知られている。
【００２０】
Ｓ．Ｔａｍｍｅｌａら、「Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｏｆ  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  ｎｅｘｔ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｅｒｓ」、ＯＦＣ’０４、ＯＦＣ２００４  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｄｉｇｅｓｔ、ＦＢ５（２００４）の刊行物は、高い、希土類イオンのドーピング組み込み、および光ファイバコア内の希土類イオンの、より等質な分散により、利得媒体の効率を向上させる方法を開示している。これは、いわゆる直接ナノ粒子蒸着（ＤＮＤ）プロセスを伴う光ファイバ製造方法を使用することにより得られる。このＤＮＤ−プロセスは、光ファイバコアをドープするために頻繁に使用され、知られている内付け化学蒸着法（ＭＣＶＤ）プロセスに対する代替技術的解法である。この刊行物は、シリカベースのマトリックスおよびドーピングが同時に実施できる外部蒸着（ＯＶＤ）技術に基づく製造プロセスの使用を開示している。希土類をドープされ、場合により他の元素を共ドープされたシリカ粉末から成るナノ粒子は、元素の前駆体反応物が特別に設計されたトーチの炎の中に同時に導入されるときに形成される。作り出されるナノ粒子は、次に、回転ロッドの上に直接射出され、ガラス化されるか、または焼結されて、光ファイバのコアを構成することになるドープされたシリカ層をもたらす。この刊行物は、ＤＮＤプロセスが、ナノ粒子とシリカ材料の両者がガラス化される間にナノ粒子がシリカ材料と融合することによる高い希土類イオン濃度において、光ファイバのコア内部での希土類イオンの等質な分散をもたらすことを開示している。
【００２１】
しかし、そのような製造プロセスは、増幅光ファイバの中心コア内部でのナノ粒子の構造を保存することができず、これらのナノ粒子は、気相蒸着プロセスにより得られるようなドープされたシリカ粒子であり、初期の光プリフォームを生じさせるガラス層を形成するために、高温で焼結される。それにより、ナノ粒子のマトリックスは、光ファイバ製造中に中心コアのマトリックスと融合するので、結果として得られる光ファイバの中にナノ粒子は存在しない。その結果、その環境がドーピングイオンの蛍光特性により主たる利得特性を支配する、希土類元素のドーピングイオンの厳密な化学的環境は、この技術を用いて高精度に制御され得ず、これは不利な点である。次いで、これは、ドーピング特性とは関係なく、可能な光幾何学的パラメータの最適化を制限する。したがって、特定の利得形状に対して利得媒体の効率を高めることは制限される。
【００２２】
内付け化学蒸着（ＭＣＶＤ）プロセスを使用して希土類元素をドープされたナノ粒子を組み込むことにより、ファイバコア内部に希土類ドーパントを挿入することは知られている。例えば、ＥＰ１９１７７０２およびＷＯ２００７／０２０３６２の文献は、増幅光ファイバの中心コアの中にナノ粒子を含む光ファイバを開示している。これらの文献の中で開示されるナノ粒子は、希土類元素のドーピングイオンに加えて、アルミニウム、ランタン、アンチモン、ビスマス、他など、信号増幅を改善する少なくとも１種類の元素のドーピングイオンを含む。しかし、これらのナノ粒子の設計、化学的組成、サイズ、および／または濃度により、中心コアの中にドーパントイオンを含むためのプロセスの特性、または光幾何学的特性は、高いポンピングパワーレジームにおける利得媒体効率の最大化を保証しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０１７５００３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／００３７７４２号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第１９１７７０２号明細書
【特許文献４】国際公開第２００７／０２０３６２号パンフレット
【特許文献５】米国特許出願公開第２００３／０１１１６４４号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００７／０１０８４１３号明細書
【特許文献７】仏国特許第２８８９８７６号明細書
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】Ｂ．Ｓ．Ｗａｎｇら、「Ｎｏｖｅｌ  ｅｒｂｉｕｍ  ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ｉｎ  Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｆｉｂｅｒ−ｂａｓｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ、ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＳＰＩＦ、５６２３巻、４１１−４１７頁  （２００５）
【非特許文献２】Ｓ．Ｔａｍｍｅｌａら、「Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｏｆ  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  ｎｅｘｔ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｅｒｓ」、ＯＦＣ’０４、ＯＦＣ２００４  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｄｉｇｅｓｔ、ＦＢ５（２００４）
【非特許文献３】Ｐａｔｒａ  Ａ、「Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｅｒ<３＋>  ｉｏｎｓ  ｉｎ  ＳｉＯ２−ＧｅＯ２  ａｎｄ  Ａｌ２０３  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ」、Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｏｍｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ、ｖｏｌ．１３２、ｎｏ．５、１  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  ２００４、ｐａｇｅｓ  ２９９−３０３
【非特許文献４】Ｏｎｄｒｅｇ  Ｐｏｄｒａｚｋｙら、「Ｕｓｅ  ｏｆ  ａｌｕｍｉｎａ  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｆｏｒ  ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｅｒｓ」、Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ２００７、ｔｈｅ  ２０ｔｈ  Ａｎｎｕａｌ  Ｍｅｅｔｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ、１  Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２００７、ｐａｇｅｓ  ２４６−２４７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
そのため、特定の利得構成における利得媒体効率を最大化することができる、希土類元素でドープされた増幅光ファイバの必要性は、依然として存在し、そのような増幅光ファイバが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
前述の目的のうちの１つまたは複数は、ドーピングイオンの濃度が、中心コアの全重量の約０．０１重量％と約１重量％の間、好ましくは０．０１重量％と０．５重量％の間、より好ましくは０．０１重量％と０．２重量％の間であり、ドーピングイオン間の平均距離が、少なくとも０．４ナノメートルであるべきである、前文による増幅光ファイバにより達成される。
【００２７】
それゆえ、本願の光ファイバの中には、光ファイバの中心コアの周囲のマトリックスとは識別可能な、異なるナノ粒子が存在する。希土類ドーピングイオンの濃度は、そのような濃度が良好な利得を生じるので、またナノ粒子内部の希土類ドーピングイオンの分散状態が、希土類イオン間の最小距離が、２つの希土類ドーピングイオンがペアまたはクラスターとして同化されうる最小距離未満であるので、最適な結果を生み出す。この同化は、いわゆる濃度減少現象につながり、結果として増幅効率の低下をもたらす。２つの希土類イオン間の距離は、本願発明者によると、２つの希土類ドーピングイオン間の４原子、６原子および８原子の最小距離に相当する０．４ｎｍ以上、好ましくは０．６ｎｍ以上、より好ましくは０．８ｎｍであるべきである。
【００２８】
「平均距離」と言う語句は、各組の２つのドーピングイオンの距離の平均を意味する。それゆえ、たとえ大多数の希土類ドーピングイオンの距離は、０．４ｎｍ以上であるべきであるとしても、ナノ粒子の中には、０．４ｎｍより近いドーピングイオンがいくつか存在することがありうる。ナノ粒子内で、いくつかのドーピングイオンが存在する（すなわち、Ａ、Ｂ、Ｃなどと呼ばれる）。各組のドーピングイオン間の距離（すなわち、ＡからＢ、ＡからＣ、ＢからＣ）が測られ、その平均（すなわち、（（ＡからＢ）＋（ＡからＣ）＋（ＢからＣ））／３）が求められる。この平均は、少なくとも０．４ｎｍであるべきである。ナノ粒子の中の希土類ドーピングイオンの、少なくとも８０％、より好ましくは少なくとも９０％、最も好ましくはすべての距離が、少なくとも０．４ｎｍであることが好ましい。
【００２９】
本発明を、下記の図面に関連して以下により詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１ａ】ポンプレーザを用いた、エルビウムに対する増幅スキームを示すもので、１４８０ｎｍレーザでポンピングするための２準位励起スキームを示す図である。
【図１ｂ】別のポンプレーザを用いた、エルビウムに対する増幅スキームを示すもので、９８０ｎｍレーザでポンピングするための３準位励起スキームを示す図である。
【図２ａ】本発明による光ファイバの概略側面図である。
【図２ｂ】希土類元素イオンを含む単一ナノ粒子の断面図である。
【図３ａ】本発明による、ナノ粒子を調製する方法を示す図である。
【図３ｂ】本発明による、増幅光ファイバを製造する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は、エルビウムドープ増幅光ファイバに対する２つの可能性のある増幅スキームを開示する。図１ａは、１４８０ｎｍのポンプレーザを使用するエルビウムに対する増幅スキームを開示する。下の水平線は、エルビウム電子の基底状態のエネルギー準位（ＧＳＬ）を表す。ポンプレーザでポンピングすると、電子はレーザエネルギー吸収により励起され、左の吸収（励起）の矢印すなわちＡ（Ｅ）に従って、より高いエネルギー準位の方に移動する。電子は、増幅準位（ＡＬ）と同じポンプ準位（ＰＬ）まで移動させられる。左の１本の波線の矢印（光入力信号すなわちＯＩＳ）で表される光信号が光ファイバの中に入るときに、増幅準位にある電子は、基底状態準位まで反落し、それと同時に、放射線放出すなわち脱励起（ＲＥ（Ｄ））が、右の矢印に従って発生する。このフェーズの間、光信号は、右の２本の波線の矢印（光出力信号すなわちＯＵＳ）で読み取れるとおり、２倍になる。
【００３２】
図１ｂは、９８０ｎｍのポンプレーザを使用する、エルビウムに対する増幅スキームを開示する。このスキームは、少しだけより複雑であり、追加の第３のエネルギー準位を有する。下の水平線は、エルビウム電子の基底状態のエネルギー準位（ＧＳＬ）を表す。レーザでポンピングすると、電子はレーザエネルギー吸収により励起され、左の吸収（励起）の矢印すなわちＡ（Ｅ）に従って、より高いエネルギー準位の方に移動する。電子は、増幅準位（ＡＬ）と同じではなく、より高いポンプ準位（ＰＬ）まで移動させられる。追加のステップである非放射脱励起（ＮＲＤ）が発生し、そこでは、ポンプ準位と増幅準位の間のエネルギー差がナノ粒子のマトリックス材料により取り上げられ、電子は、それによりポンプ準位から増幅準位まで移動させられる。左の１本の波線の矢印（光入力信号すなわちＯＩＳ）で表される光信号が光ファイバの中に入るときに、増幅準位にある電子は、基底状態準位まで反落し、それと同時に、放射線放出すなわち脱励起（ＲＥ（Ｄ））が、右の矢印に従って発生する。このフェーズの間、光信号は、右の２本の波線の矢印（光出力信号すなわちＯＵＳ）で読み取れるとおり、２倍になる。
【００３３】
図２ａは、本発明によるファイバを概略的に示す。中心コアは破線で表され、黒点は希土類イオンを含むナノ粒子を表し、中心コアは光クラッドで取り巻かれている。図２ｂは単一ナノ粒子の断面を示し、黒点は、ナノ粒子のマトリックス材料の中に埋め込まれた、分離した希土類イオンである。
【００３４】
本願発明者らによれば、各希土類イオンがポンプ信号を吸収し、これを励起状態まで移動させ、基底状態準位に反落する間の入射光信号に類似して光子を放出するプロセスの、本質的な効率を改善することが必要である。
【００３５】
本発明によれば、ファイバの単位長さ当たりの全利得を最大化するために、光ファイバの中心コアの光幾何学的パラメータ、ならびにそのドーピング特性が、光誘導媒体の特性であるように適合させることもまた必要である。所与の利得値に対して利得の最大化およびポンピング電力消費の最小化による効率改善は、パラメータのうちのいくつかが相互依存関係にあることにより制限される。それゆえ、たとえ、効率に影響するキーパラメータ、例えば、希土類イオン濃度、希土類イオン分散、および希土類イオンの厳密な化学的環境、が知られたとしても、パラメータは互いにリンクしているため、パラメータのうちのそれぞれ１つの最大の効果を得ることは不可能である。それゆえ、本発明の解法は、請求項１の特徴部の中で開示するように、これらのパラメータの間の最適バランスの中に見いだされうる。
【００３６】
ナノ粒子のマトリックス材料の中のドーピングイオンの溶解度および分散状態が、ドーピングイオンの濃度と距離のそれぞれによって厳密に制御される状態において、希土類元素のドーピングイオンをナノ粒子のマトリックス材料の中に組み込むことが、必要な特性を生じさせる。
【００３７】
本願の増幅光ファイバの中心コアの中のドーピングイオン濃度は、０．０１重量％以上、好ましくは０．１重量％以上で１重量％以下、好ましくは０．２重量％以下である。
【００３８】
希土類元素のドーピングイオンは、ナノ粒子の中にだけ配置され、光ファイバの中心コアのマトリックスの中には配置されない。これは、中心コアの中のドーピングイオン濃度は、用途に応じて、中心コア内部のナノ粒子の数を増加させることにより、ナノ粒子のそれぞれの内部のドーピングイオン濃度を高めることにより、ナノ粒子のサイズを大きくすることにより、あるいはそれらの組合せにより、適合させることができることを意味する。
【００３９】
当然のことながら、独立に選択されたドーピングイオンの濃度、マトリックス構成、およびサイズをそれぞれ有する、いくつかのタイプのナノ粒子を使用することができる。好適には、ナノ粒子の中のドーピングイオン濃度は、０．１重量％と２０重量％の間、より好ましくは０．５重量％と１５重量％の間である。これにより、本発明による増幅光ファイバの中心コアの中で、必要な濃度のドーピングイオンを得ることができる。
【００４０】
ドーピングイオン濃度およびドーピングイオンの距離（分散とも呼ばれる）の２つの特徴は、あるマトリックス、例えば、要件に応じて、あるレベルのアルミニウム、リン、またはカルシウムを有するマトリックスの中で、最も容易に獲得されうる。
【００４１】
それに加えて、ナノ粒子のマトリックスは、希土類ドーピングイオンに対するある利得特性を確保するように選択される。所望の利得特性は用途により決まり、各用途は増幅利得形状に関して特定の必要性を有する。
【００４２】
例えば、ＷＤＭ用途は、広い増幅バンドを必要とする一方で、単一チャネル増幅すなわちレーザ用途は、集中した鋭いバンドを必要とする。希土類イオンの利得形状特性は、光ファイバの中心コア内部の厳密な化学的環境により支配されるので、希土類ドーピングイオンの隣接する要素を制御することが、正しい利得形状に適合させるために重要である。フッ化物、アルミニウム、ジルコニウム、およびテルルなど、いくつかの元素は、特定の希土類に対して、関連する利得バンドを広げることが知られている。ナトリウムまたはリンなど、他の元素は、高い希土類溶解特性を保ちながら、ナローバンドを生じることが知られている。さらに、希土類の、似たような化学的環境構造もまた、バンド幅に強い影響を及ぼす。例えば、非晶質の無秩序構造がバンドを広げるのを助ける一方で、結晶相または弱い無秩序の非晶構造が鋭く集中したバンドを援助する。特定のナノ粒子を用いて光ファイバの中に希土類を組み込むことを利用すれば、ランダムなドーピングプロセスに比べて、より良好に調整された希土類環境が得られる。
【００４３】
所望の特性に応じて、ナノ粒子に対する最適なマトリックスを選択することは、当業者には可能であろう。ナノ粒子は光ファイバの中心コアの中に組み込まれる前に合成されるので、本発明による、ナノ粒子を調製する本願の方法を使用により、用途に適合するマトリックスを有するナノ粒子を構築することが可能になる。
【００４４】
さらに、ナノ粒子のマトリックスは、誘導放射により希土類の脱励起を助けるフォノンエネルギーを有するように選択されることが好ましい。
【００４５】
本発明の一実施形態において、図１ａに示すような２準位増幅スキームに関して、ナノ粒子のマトリックス材料は、ポンピング中の希土類元素の、増幅準位と基底状態準位の間のエネルギーギャップの２０％未満、より好ましくは１５％未満であるフォノンエネルギーを有する。ドーピングイオンの脱励起のより良い効率のために、ナノ粒子のマトリックスは、ある窓に制限または限定されるフォノンエネルギーを持つべきである。この窓の外では、エネルギーは増幅準位からマトリックスネットワークへのエネルギー移動のために失われるので、効率は低下する。励起された電子は、それゆえ信号増幅に対して失われ、それゆえ効率は低下する。
【００４６】
本発明の他の実施形態において、図１ｂに示すような３準位増幅スキームに関して、ナノ粒子のマトリックス材料は、ポンピング中の希土類元素のポンプ準位と増幅準位の間のエネルギーギャップの少なくとも２５％、またポンピング中の希土類元素の増幅準位と基底状態準位の間のエネルギーギャップの最大限でも２２％、好ましくは１８．５％のフォノンエネルギーを有する。この実施形態において、ナノ粒子のマトリックス材料に対して、要求される最低準位のフォノンエネルギーが存在する。ポンプ準位と増幅準位は同じではないので、電子がポンプ準位から増幅準位に移るためには、一定のエネルギー遷移がマトリックス材料に対して要求される。なぜなら、増幅準位にある一電子だけが、脱励起および信号増幅を生じることができるからである。
【００４７】
図１に示すプロセスに加えて、他の放射および非放射の蛍光消滅プロセスの可能性を制限することが望ましい。
【００４８】
任意の他のプロセスが、光信号の増幅を著しく妨げる。これらのプロセスの非制限的な例には、多フォノン緩和、マトリックス材料中の欠陥または不純物への転移、イオンからイオンへの転移（いわゆる交差緩和）、ＥＴＵすなわちエネルギー移動上位変換、励起状態吸収がある。増幅光ファイバにおいて、測定された望ましくない、増幅準位からの蛍光減衰は、異なる事象の確率の和として観測される。Ｗｍｅａｓ＝Ｗｒａｄ＋ＷＭＰ＋ＷＣＲ＋ＷＥＴ、ここにＷｍｅａｓは測定された蛍光減衰、Ｗｒａｄは放射脱励起の確率、ＷＭＰ、ＷＣＲ、およびＷＥＴは非放射脱励起プロセスであり、それぞれ多フォトン緩和の確率、交差緩和の確率、および隣接する不純物および欠陥へのエネルギー移動の確率である。
【００４９】
増幅プロセス効率の低下は、主に、エネルギー量子またはフォノンとして定量化される、ナノ粒子のマトリックスの振動エネルギーの影響を強く受ける、これらのタイプの非放射現象に起因する。マトリックスのフォノンエネルギーが高いほどこれらのプロセスが発生する確率は高い。したがって、増幅の枠の中で、正しいマトリックスのフォノン準位を見いださなければならない。この観点において、増幅に利するために、マトリックスのフォノンエネルギーが制限されるべき窓を確定することができる。
【００５０】
例えば、９８０ｎｍポンピングでのエルビウム増幅を考える場合、希土類のポンプ準位と増幅準位の間のエネルギーギャップは約４０００ｃｍ−１であり、希土類の増幅準位と基底状態準位の間のエネルギーギャップは約６５００ｃｍ−１であり、それゆえ、ＮＰマトリックスのフォノンエネルギーは、１０００ｃｍ−１と１４００ｃｍ−１の間、より好ましくは１０００ｃｍ−１と１２００ｃｍ−１の間に含まれるべきである。熱力学的に安定な組成の中の、ケイ酸塩、リン酸塩、アルミン酸塩、またはＳｉ、Ｐ、およびＡｌの酸化物を含む多成分マトリックスは、必要なフォノンエネルギー準位に適合する。
【００５１】
さらに、励起された希土類イオンと、ナノ粒子の欠陥または不純物（主にＯＨ）との間のエネルギー移動を伴うすべての脱励起プロセスは、ナノ粒子の製造プロセス、ならびに光ファイバの中心コア内の、それらの組み込みプロセスにより、避けることができるかまたは厳密に制限することができる。
【００５２】
上述のとおり、ナノ粒子のナノ構造は、本発明による増幅光ファイバの中にナノ粒子を組み込む間に維持されることが、本発明の重要な態様である。これは、ナノ粒子の構造が、崩壊プロセスおよびファイバ引き抜きプロセスと関連する高温に耐えなければならないことを意味する。例えば、ナノ粒子は、１８００℃超の温度、あるいは２０００℃超の温度にさえ耐えることができるべきである。そのような温度への依存は、ナノ粒子に対してマトリックス材料を正しく選択することにより獲得することができる。したがって、ナノ粒子は、少なくとも１８００℃、好ましくは少なくとも２０００℃の温度に対して抵抗力がある（溶けたり蒸発したりしない）マトリックス材料を持つべきである。ナノ粒子マトリックス材料に適するであろう材料の非制限的な例は、酸化アルミニウムであるが、高温に対して同様の抵抗力を有するであろう他の材料もまた、存在しうる。
【００５３】
他のナノ粒子設計、例えば、高抵抗性のマトリックス材料から成るシェルにより取り囲まれ、コアマトリックス材料から成るコアからナノ粒子が作られる、コアシェル構造を構想することもできる。この二重構造により、ナノ粒子のコアマトリックス材料に関係なく、高抵抗性ナノ粒子を得ることができる。そのため、ナノ粒子マトリックスは、たとえ、このナノ粒子のコアマトリックス材料が高温に耐えることができなくても、正しい増幅特性に適合するように選択されうる。ナノ粒子の高温への抵抗力は、ナノ粒子のシェルの性質によりもたらされる。
【００５４】
好ましい一実施形態において、ナノ粒子のマトリックス材料は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化リン（Ｐ２Ｏ５）、またはそれらの組合せである。
【００５５】
好ましい一実施形態において、ナノ粒子のマトリックス材料は非晶質である。重要なパラメータであるファイバの光学的コア透明度を最適化するために、中心コアの中にナノ粒子が存在することによる光の散乱が少ないことを確実にすべきである。ナノ粒子が中心コアとは異なる屈折率を持つ場合は、光の散乱が生じる。この観点から、結晶性ナノ粒子はより多く光を散乱させるので、ナノ粒子の構造は、好ましくは、非晶質であるべきである。結晶性ナノ粒子が設計される場合は、それらの屈折率およびドーピングイオン濃度を考慮に入れて、それらの最適なサイズを精密に確定することが重要である。
【００５６】
光ファイバの中心コアの中の希土類の含有量はまた、ｄＢ／ｍで表される吸収ピークにおける希土類イオンの減衰と結びつくことができる。このピークは、２ｄＢ／ｍと２０ｄＢ／ｍの間であるべきである。
【００５７】
本発明の一実施形態において、中心コアのシリカベースのマトリックスは、ゲルマニウム、リン、フッ化物、ホウ素、および１つないし複数のそれらの組合せから成る群から選択された少なくとも１種類の元素でドープされる。これらのドーピング元素は、中心コアの屈折率を所望のレベルまで増加させるかまたは減少させるために使用されうる。
【００５８】
好ましくは、中心コアの中の酸化アルミニウムの全濃度は、中心コアの全重量を基準として、４重量％以下、好ましくは３．５重量％以下である。この限界は、ナノ粒子からの酸化アルミニウムが、外側のクラッドに対して大きな屈折率の差を生じる可能性があると言う事実に関係がある。酸化アルミニウム濃度が高すぎる場合は、光の散乱は増加し、望ましくない。
【００５９】
好ましい一実施形態において、希土類元素は、エルビウム、イッテルビウム、ツリウム、またはこれらの元素の組合せから成る群から選択され、好ましくはエルビウム、またはエルビウムとイッテルビウムの組合せである。
【００６０】
いくつかのマトリックス特性、例えば、希土類ドーピングイオンの溶解度などを改善するために、追加の元素がナノ粒子のマトリックスの中に存在することが可能である。そのような追加の元素の例として、カルシウム、アルミニウム、ナトリウム、またはリンが挙げられる。
【００６１】
特に、酸化アルミニウムが、ナノ粒子のマトリックス材料の主要部分として使用される場合は、希土類の溶解度は良好である。
【００６２】
ナノ粒子当たりの希土類イオンの数は制御できるので、所与のナノ粒子サイズに対して、光ファイバの中心コア内部の、最終的な希土類濃度は、ファイバコアの中のナノ粒子の濃度、すなわちドーピングステップ中に組み込まれたナノ粒子の数によって左右される。光ファイバの中心コア内部の全希土類濃度は、当業者によって、用途に従って判断され、中心コアの中のナノ粒子濃度（＝［ＮＰ］ｃｏｒｅ）またはナノ粒子のそれぞれの中の希土類ドーピングイオン濃度（［ＲＥ］ＮＰ）のいずれかを調整することにより達成可能である。定数パラメータはコアの中の全希土類濃度であり、［ＮＰ］ｃｏｒｅ×［ＲＥ］ＮＰの積で与えられる。例として、高入力信号パワーの場合、［ＮＰ］ｃｏｒｅと［ＲＥ］ＮＰの関係は、所与の出力パワー信号に到達するために、１００％の希土類反転および最小のポンピング電力消費を確保するように調整される。この観点から、光ファイバの中心コア内部の、所望の希土類濃度は、高［ＮＰ］ｃｏｒｅと低［ＲＥ］ＮＰ、あるいは低［ＮＰ］ｃｏｒｅと高［ＲＥ］ＮＰのいずれかを選択することにより達成されうる。
【００６３】
好ましくは、光ファイバは、１２００ｎｍにおいて４ｄＢ／ｋｍ以下、好ましくは１２００ｎｍにおいて２ｄＢ／ｋｍ以下のバックグランド減衰損失を有する。
【００６４】
好ましくは、ナノ粒子のサイズは、１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下である。ナノ粒子の屈折率が中心コアの屈折率に近い場合は、ナノ粒子のサイズは、光の散乱が少ないために、数１０ナノメートル程度まで大きくてよい。しかし、ナノ粒子と中心コアの屈折率がかなり違う場合は、ナノ粒子のサイズは、光の散乱が増えるため、２０ｎｍ未満となるべきである。
【００６５】
ナノ粒子のサイズは、少なくとも２ｎｍが好ましく、少なくとも５ｎｍがより好ましい。
【００６６】
本発明によれば、ナノ粒子のマトリックス（利得性能に関係する）は中心コアのマトリックス（光誘導構造に関係する）とは独立に適合されうるので、光誘導構造は、利得性能とは独立に最適化されうる。したがって、例えば、中心コアの、あるカットオフ波長および屈折率を選択することにより、光幾何学的パラメータを、希土類ドーピングイオンの光応答に影響を与えることなく、増幅効率を最適化するように適合させることが可能である。
【００６７】
用途の波長窓の中の光ファイバの中心コアの透明度は、増幅媒体により達成可能な全利得に対して重要なパラメータである。そのような透明度を得るために、光ファイバの減衰閾値は、できるだけ低くすべきである。ナノ粒子を使用しない従来技術によるドーピングプロセスにおいて、光学的性能と中心コアのマトリックス組成は、強く結びついており、中心コアの光学的透明度を、希土類の厳密な化学的環境とは独立に適合させることを困難にしている。例えば、ＥＤＦＡ用のＷＤＭドープファイバは、エルビウム環境の中に十分なアルミニウム原子を確保するために、高いアルミニウム濃度を必要とする。しかし、これは、透明度に損失が生じ、それにより効率に損失が生じる結果となり、望ましくない。
【００６８】
光ファイバは、従来、（１）光信号を送信し、また任意選択で増幅する機能を有する光コアと、（２）光信号をコアの中に閉じ込める機能を有する光クラッドとから成る。このために、コアの屈折率（ｎｃ）およびクラッドの屈折率（ｎｇ）は、ｎｃ＞ｎｇのようになる。当技術分野でよく知られているように、シングルモードの光ファイバにおける光信号の伝播は、コアの中で誘導される基本モード（ＬＰ０１として知られる）と、コア−クラッドアセンブリの中の、ある半径にわたって誘導される２次モードに分解される。
【００６９】
光ファイバに対して、屈折率特性は、一般に、屈折率とファイバ半径の関数のグラフ上の、２点間の屈折率値の差で説明される。外部クラッドは、光クラッドとして機能し、実質的に一定の屈折率を有し、この光クラッドは、一般に、純粋なシリカから成るが、１種類または複数の種類のドーパントを含むこともできる。光ファイバの屈折率特性は、グラフがそれぞれステップ、台形、または三角形の形状を有するため、「ステップ」特性、「台形」特性、または「三角形」特性と呼ばれる。これらの曲線は、一般に、ファイバの理論または基準インデックス特性（すなわち、設定特性）を現す。ファイバ製造上の制約は、実際のファイバにおいて、わずかに異なる特性を生じる可能性がある。本発明による増幅光ファイバは、ステップインデックスの屈折率特性を有することが好ましい。
【００７０】
本発明は、中央から周辺に向かって中心コアと外部光クラッドを含む、増幅光ファイバを提案する。中心コアは、好ましくは３から６μｍの間の半径ｒと、外部光クラッドに対して、好ましくは６×１０−３から２０×１０−３の間の正の屈折率差Δを有する。本発明によるファイバは、さらに、波長１５５０ｎｍにおいて４から７μｍの間のモードフィールド径（ＭＦＤ）と、最適なポンプ閉じ込めを得るために、好ましくは０．１６から０．２０ｎｍの間、より好ましくは０．１７から０．１９の開口数を有することが好ましい。本願の増幅光ファイバは、高いポンプ閉じ込めを得るために、１３００ｎｍ未満、好ましくは１２００ｎｍ未満のカットオフ波長（λｃ）を有することが好ましい。
【００７１】
ポンプ閉じ込め効率またはポンプ変換効率（ＰＣＥ）は、９８０ｎｍのポンピング波長において、９０％超であることが好ましい。１５５０ｎｍにおける信号閉じ込めは、少なくとも７０％であるべきであり、エルビウム放射と信号モードフィールドの間の重なりとして定義される。
【００７２】
好ましくは、光ファイバは、ａ）ドーピングイオンの化学的環境および濃度の制御による、希土類ドーピングイオン効率と、ｂ）独立に、光ファイバの光幾何学的パラメータと、ｃ）用途の波長窓の中の、光ファイバの中心コアのマトリックスの高い透明度とを考慮に入れて設計される。
【００７３】
本発明はまた、本発明による増幅光ファイバの、光増幅器または光レーザにおける使用に関する。さらに、本発明は、特定の利得形状の中でファイバの効率を改善するための、本発明による増幅光ファイバの使用に関する。
【００７４】
さらに、本発明は、少なくとも１本の本発明による増幅光ファイバを含む、光増幅器または光レーザに関する。
【００７５】
好ましくは、本発明によるファイバの一部を含む光増幅器は、５５０ｍＷ未満のポンピングパワーで２３ｄＢｍの信号出力パワー、または１０００ｍＷ未満のポンピングパワーで２５ｄＢｍの信号出力パワー、または１５００ｍＷ未満のポンピングパワーで２７ｄＢｍの信号出力パワーに達する高出力レジームにおいて使用可能である。
【００７６】
本発明はまた、少なくとも１種類の希土類元素のドーピングイオンを含むマトリックス材料から成るナノ粒子の懸濁液を調製する方法に関する。
【００７７】
本願発明者らのＵＳ２００３／０１７５００３は、レーザアブレーションプロセスか修正ゾル−ゲルプロセスのいずれかによりナノ粒子を調製する方法に言及している。しかし、これらのプロセスは、本発明により必要とされるドーピングイオンの間隔を有するナノ粒子を生み出せない。したがって、本発明は、ナノ粒子を生み出す新しい方法を提案する。本発明によるこのプロセスは、無機塩前駆体からスタートするいわゆるソフト化学を使用する。
【００７８】
ＵＳ２００３／０１１１６４４は、沈降材、例えば活性種と錯体を形成する有機酸、を使用するゲル形成に基づくプロセスに言及している。
【００７９】
本発明による方法は下記のステップを含む：
ａ）希土類元素の少なくとも１種類のイオンを含む、少なくとも１種類の化合物を提供するステップ、
ｂ）ナノ粒子のマトリックス材料を形成するための、少なくとも１種類のイオンを含む少なくとも１種類の化合物を提供するステップ、
ｃ）ナノ粒子の懸濁液を得るために、ステップａ）およびステップｂ）にて得られた化合物を、３−１２の範囲、好ましくは６から１０の間のｐＨを有する水溶液の中に、攪拌しながら加えるステップ。
【００８０】
本発明による方法は、活性種と錯体を形成する反応物、およびリガンドとして作用する反応物を用いないで、ｐＨ制御してナノ粒子を沈殿させることを含む。さらに、本発明による反応物は、無機塩基（例えば、ＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）またはＫＯＨ（水酸化カリウム）、好ましくはＮａＯＨ）である。
【００８１】
図３ａは、このプロセスをグラフで示す。ステップａ）において、希土類塩が供給される。ステップｂ）において、ナノ粒子のマトリックスを生じる化合物が供給される。好ましくは、化合物ａ）の量の、化合物ｂ）の量に対する比は、１：１０から３００である。
【００８２】
ナノ粒子の懸濁液を調製する本願の方法の、好ましい一実施形態において、ステップａ）の中の少なくとも１種類の化合物は、エルビウム塩、好ましくは酢酸エルビウム、硝酸エルビウム、エルビウムアセチルアセトナート、塩化エルビウム、およびそれらの１つまたは複数の組合せから成る群から選択される。
【００８３】
ナノ粒子の懸濁液を調製する本願の方法の、別の好ましい実施形態において、ステップｂ）の中の少なくとも１種類の化合物は、アルミニウム塩およびリン塩、またはそれらの組合せから成る群から、好ましくは硝酸アルミニウムおよび燐トリクロライドオキシド、ならびにそれらの組合せから成る群から、選択される。
【００８４】
ナノ粒子の懸濁液を調製する本願の方法の、別の好ましい実施形態において、ステップｃ）は、１０℃から５０℃の間、好ましくは２０℃から４０℃の間の温度において実施される。
【００８５】
さらに、本発明は、本発明による増幅光ファイバを製造する方法に関する。
【００８６】
本願発明者らのＵＳ２００３／０１７５００３は、増幅光ファイバを製造する方法に言及している。しかし、本発明は、ナノ粒子を含む中空チューブが焼結され壊される前に、ナノ粒子の構造を強化するための加熱ステップを含む新しいプロセスに関する。
【００８７】
本発明による方法は、図３ｂで示し、下記のステップを含む：
１）少なくとも１種類の希土類元素のドーピングイオンを含むマトリックス材料から成るナノ粒子の懸濁液を調製するステップ、
２）化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスにより調製された、多孔質の内層を有する中空のシリカベースのチューブを供給するステップ、
３）ステップ２）で得られた中空チューブの多孔性の内層に、ステップ１）で得られた懸濁液を含浸（ｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｎｇ）するステップ、
４）残留水分を除去し、ナノ粒子を強化するために、ステップｄ）で得られたドープされた多孔質の内層に熱を加えるステップ、
５）光プリフォームを得るために、ステップ４）で得られた中空チューブをガラス化し、壊すステップ、
６）修正された、光クラッド径に対する中心コア径の比を有する光プリフォームを得るために、ステップ５）で得られた光プリフォームを、任意選択でスリービングまたはオーバークラッディングするステップ、
７）中心コアと、中心コアを取り巻く光クラッドとを有する光ファイバを得るために、ステップ５）またはステップ６）で得られた光プリフォームを引き抜くステップであって、セントラルコアは、少なくとも１種類の希土類元素のドーピングイオンを含むマトリックス材料から成るナノ粒子を含むシリカマトリックスをベースとし、イオン濃度は、中心コアの全重量の約０．０１重量％と約１重量％の間、好ましくは約０．０１重量％と約０．２重量％の間であり、イオン間の平均距離は少なくとも０．４ナノメートルとなるべきである、ステップ。
【００８８】
設計されたナノ粒子が特定の光学的性能において真に効率的であるために、ナノ粒子のマトリックスは、ファイバコア内部でナノ構造として保存されなければならず、したがって、例えばＭＣＶＤプリフォーム製造プロセスおよびファイバ引き抜きの間に受ける応力と温度の条件に耐えなければならない。これは、含浸による組み込みステップの後で、かつ層を焼結しプレフォームを壊すステップの前に実施する、ステップ４）の熱処理により、得ることができる。このステップは、例えば５００℃以上、例えば８００℃以上、例えば１０００℃以上、または例えば１２００℃以上の温度で実施可能である。このステップは、この発明的方法が、２５ｎｍ未満のサイズを有する小さなナノ粒子に適用されることを可能にする。
【００８９】
ＵＳ２００７／０１０８４１３は、本願の熱処理に耐性がない、希土類をドープされたフッ化多成分ナノ粒子の製造に関する。
【００９０】
ＦＲ２８８９８７６は、希土類をドープされたナノ粒子を製造し、光ファイバの中に分散し、組み込む方法に関し、大きなナノ粒子に最も適する。
【００９１】
例えば、１０００℃以上の温度における適切な処理により、酸化アルミニウムをより耐熱性のあるフェーズに変換できることが知られている。
【００９２】
本発明は、説明の目的だけで与えられる、以下の非制限的な例によって、さらに説明される。
【００９３】
実施例
Ｃ−バンドにおける高効率増幅のためのエルビウムドープ光ファイバが、以下の方法により得られる。
【００９４】
最初に、エルビウムドーピングイオンを含むナノ粒子が調製される。硝酸アルミニウムおよび硝酸エルビウムが、水酸化ナトリウムを使用してｐＨが９に維持される水溶液の中に共沈される。
【００９５】
ナノ粒子の酸化アルミニウムマトリックスの中の、エルビウムドーピングイオンの必要な分散を保証するために、エルビウム塩濃度は３ｍｍｏｌｅｓ／ｌであり、アルミニウム塩とエルビウム塩の間のモル比は約２００である。これは、エルビウムイオンが、期待される分光特性に到達可能な化学的環境を有することにつながる。沈殿したナノ粒子のサイズは、およそ２５ｎｍである。
【００９６】
沈殿し、ナノ粒子が洗浄された後、塩酸の添加によりｐＨが６に調整される。知られているエルビウム濃度を有する、Ａｌ／Ｅｒ共ドープナノ粒子の安定な水性懸濁液が得られる。次に、この懸濁液は、ＭＣＶＤプロセスを経て得られた中空のシリカチューブの、多孔質でシリカベースの中心コア層を含浸するために使用される。このために、中空チューブは垂直な姿勢にされ、懸濁液が中空チューブの中に注入される。
【００９７】
中心コアとクラッドの間の屈折率差は、中心コアのマトリックスの中にゲルマニウムを使用することにより、１３×１０−３に調整されている。含浸後、余剰な懸濁液が中空チューブから除去され、中心コア内部のナノ粒子構造を乾燥させ、強化するために、チューブは乾燥され、およそ１１００℃の温度で１時間の間、熱処理される。その後、得られた、ドープされたコア層は焼結される。次に、ドープされたチューブは、およそ２２００℃の温度で壊されて初期のプリフォームを生じ、これは次いで、中心コア径と光クラッド径の比を適合させるために、スリーブを付けられる。最終のプリフォームは、標準的な引き抜き技術を使用して最終的に引き抜かれ、光ファイバになる。
【００９８】
全コア重量中のおよそ０．０３６重量％のエルビウムに相当する最大吸収により測定されるときに、１５２８ｎｍにて６ｄＢ／ｍのエルビウム減衰を有する、エルビウムドープファイバが得られる。光ファイバは、１１５０ｎｍのカットオフ波長、１３×１０−３の光クラッドとの屈折率差、０．１９の開口数、１５５０ｎｍにて５．６マイクロメートルのＭＦＤ、および５マイクロメートルの中心コア直径を有する。光ファイバは、１２２０ｎｍにて１．６ｄＢ／ｋｍの低損失を提供する。９８０ｎｍでのポンプ閉じ込めは９０％に等しく、信号閉じ込めは７０％である。
【００９９】
ファイバは、高入力信号パワーにおいて高い効率を提供し、ＷＤＭ  Ｃ−バンドにおいて高パワー／低利得のＥＤＦＡエクステンダとして使用することができる。ファイバは、２５ｄＢｍの出力信号パワーにおいて、ポンピングパワーの１０％までを節減することができる。ファイバはまた、２個の７５０ｍＷ、９８０ｎｍレーザポンプを伴う２ポンプ増幅スキームにおいて、先例のない２６ｄＢｍの信号出力パワーを達成するために使用することができる。
【０１００】
本発明は、添付の特許請求の範囲により、さらに特徴づけられる。
【符号の説明】
【０１０１】
ＧＳＬ  基底状態のエネルギー準位
Ａ（Ｅ）  吸収（励起）
ＰＬ  ポンプ準位
ＡＬ  増幅準位
ＯＩＳ  光入力信号
ＲＥ（Ｄ）  放射線放出すなわち脱励起
ＯＵＳ  光出力信号
ＮＲＤ  非放射脱励起
ＥＴＵ  エネルギー移動上位変換
ＰＣＥ  ポンプ閉じ込め効率またはポンプ変換効率
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【外国語明細書】
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