(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類がドープされたシリカベースのコア及び前記シリカベースのコアを囲みかつ前記シリカベースのコアに接しているクラッド層を有する光ファイバであって、
前記希土類がドープされたシリカベースのコアは、互いに隣接しておりかつ異なった量の希土類アップドーパントを有する第１のコア領域及び第２のコア領域を含み、前記第１のコア領域が前記第２のコア領域に比べて小なる量のアップドーパントを有し、
前記第１のコア領域は、前記コアの中心線から少なくとも約２μｍまでの距離の間に延在し、かつ前記コアの中心線から約０．１ｒ〜約０．５ｒまでの距離の間に延在し、ここでｒはコア半径であり、
前記光ファイバは、動作波長範囲に亘って１２μｍよりも大きいＭＦＤを有し、
前記光ファイバは、前記光ファイバの動作波長範囲内の１つ以上の波長において、光学的にシングルモードでありかつ音響的にマルチモードであり、従って前記光ファイバは複数の音響モードを有し、
第１のコア領域及び第２のコア領域内のアップドーパントの量は、純粋なシリカガラスに対して少なくとも０．４５％のピークコア光屈折率Δ％をもたらし、かつ前記クラッドに対して０．３％未満のピークコア光屈折率Δ％をもたらすのに十分な量であり、
前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間のアップドーパントの量の差は、前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間の光屈折率Δ％を約０．０３％から約０．０７％の間に限定するのに十分に小さいが、前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間の縦方向音響フィールドの音響挙動に対応する０．２％よりも大きい音響Δ％をもたらすのに十分に多く、
前記光ファイバの光プロファイル及び音響プロファイルが、以下の関係を有し得
【数１】
0005643855.tif 000031
ここで、ｎoは前記コアの光屈折率であり、ｎocは前記クラッドの光屈折率であり、ｎaは前記コアの音響屈折率であり、ｎacは前記クラッドの音響屈折率であることを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
請求項１に記載の光ファイバであって、前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間のアップドーパントの量の差は、前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間の光屈折率Δ％を約０．０３％から約０．０７％の間に限定するのに十分小さく、前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間の光屈折率Δ％の約７倍の前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間の音響Δ％における変化をもたらすのに十分大きいことを特徴とする光ファイバ。
【請求項３】
請求項１に記載の光ファイバであって、前記光ファイバはＧｅがドープされたシリカベースのコアを有し、
前記Ｇｅがドープされたシリカベースのコアのアップドーパントプロファイルは、ドーパント濃度に応じた前記コアの光屈折率が
【数２】
0005643855.tif 000032
の関係を有し、
ドーパント濃度に応じたコアの前記縦方向音響速度が
【数３】
0005643855.tif 000033
の関係を有し、
前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間の音響Δ％が、前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間の光屈折率Δ％の約７倍であることを特徴とする光ファイバ。
【請求項４】
請求項１に記載の光ファイバであって、前記クラッドに対する前記ピークコア光屈折率Δ％が０．２％未満であることを特徴とする光ファイバ。
【請求項５】
請求項１に記載の光ファイバであって、前記クラッドに対する前記ピークコア光屈折率Δ％が０．１２％未満であることを特徴とする光ファイバ。
【請求項６】
請求項１に記載の光ファイバであって、前記第１のコア領域及び前記第２のコア領域内のアップドーパントの量の差が、少なくとも準ガウス光場LP01を維持する前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間の光屈折率Δ％をもたらすのに十分小さく、前記コアの中心線から縦音響場を遠ざけて、０．８未満の基本光学モ−ドおよび低次音響モード間の公称のオーバーラップがもたらされるのに十分大きいことを特徴とする光ファイバ。
【請求項７】
請求項１に記載の光ファイバであって、前記コアの光屈折率プロファイルにおけるディップは、縦方向音響場を前記コアの中心線から１μｍから３μｍの範囲内に限定するのに十分であることを特徴とする光ファイバ。
【請求項８】
請求項７に記載の光ファイバであって、前記コアの光屈折率プロファイルにおける前記ディップが、前記光デルタプロファイル内に対してよりも縦方向音響導波路内に対して著しく大きい効果を有していることを特徴とする光ファイバ。
【請求項９】
請求項１に記載の光ファイバであって、前記光ファイバの前記動作波長範囲は、１２６０ｎｍから１６７５ｎｍであることを特徴とする光ファイバ。
【請求項１０】
Ｇｅがドープされたシリカベースのコア及び前記シリカベースのコアを囲みかつ前記シリカベースのコアに接しているクラッド層を有する光ファイバであって、
前記Ｇｅがドープされたシリカベースのコアは、互いに隣接しておりかつ異なった量の希土類アップドーパントを有する第１のコア領域及び第２のコア領域を含み、前記第１のコア領域が前記第２のコア領域に比べて小なる量のアップドーパントを有し、
前記第１のコア領域は、前記コアの中心線から少なくとも約２μｍ伸張し、かつ前記コアの中心線から約０．１ｒから約０．５ｒ伸張し、ここでｒはコア半径であり、
前記光ファイバは、動作波長範囲に亘って１２μｍよりも大きいＭＦＤを有し、
前記光ファイバは、前記光ファイバの１２６０ｎｍから１６７５ｎｍの動作波長範囲内の１つ以上の波長において、光学的にシングルモードでありかつ音響的にマルチモードであり、従って前記光ファイバは複数の音響モードを有し、
第１のコア領域及び第２のコア領域内のアップドーパントの量は、純粋なシリカガラスに対して少なくとも０．４５％のピークコア光屈折率Δ％をもたらし、かつ前記クラッドに対して０．３％未満のピークコア光屈折率Δ％をもたらすのに十分な量であり、
前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間のアップドーパントの量の差は、少なくとも準ガウス光場LP01を維持する前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間の光屈折率Δ％をもたらすのに十分小さく、前記コアの中心線から縦音響場を遠ざけて、０．８未満の基本光学モ−ドおよび低次音響モード間の公称のオーバーラップがもたらされるのに十分大きく、
前記Ｇｅがドープされたシリカベースのコアのアップドーパントプロファイルは、ドーパント濃度に応じた前記コアの光屈折率が
【数４】
0005643855.tif 000034
の関係を有し、
ドーパント濃度に応じたコアの前記縦方向音響速度が
【数５】
0005643855.tif 000035
の関係を有し、
前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間の音響Δ％が、前記第１のコア領域と前記第２のコア領域との間の光屈折率Δ％の７倍となることを特徴とする光ファイバ。
【請求項１１】
請求項１または１０に記載の光ファイバ内に光信号を出射する方法であって、前記光ファイバから出射された入射信号の信号パワーは、前記光ファイバの前記複数の音響モードの１つが支配的になりその他の音響モードはモード競合によって存続できないようになされることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
本発明の一部は、DARPAによって定められる契約第MDA972-02-3-004号の下、政府の支持によってなされたものである。政府は、本願の請求の範囲の一部について権利を有している。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、高ＳＢＳ閾値の光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００３】
誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）は、多くの光伝送システムにおいて支配的な非線形のペナルティである。多くのシステムにおいて、高ＳＮ比（SNR）を維持しつつ、光ファイバによって大きな光パワーを伝送することは望ましい。しかしながら、光ファイバに入射される信号の入射パワー（電力）が増加されるに従い、入射パワーが一定の閾値パワーを超えると、信号パワーの一部はＳＢＳによって後方伝搬信号として反射される。このように、望ましくない大きな信号パワーは、ＳＢＳによって送信機へ反射される。これに加えて、散乱プロセスが信号波長において雑音レベルを増加させる。信号パワーの減少及び雑音の増加の組合せは、ＳＮＲを低下させ、性能の低下につながる。
【０００４】
有限の温度で、結晶のフォノンと同様にガラスにおいて熱励起が生じる、そして、これらの振動モードと低強度の信号光との相互作用は自発ブリルアン散乱を生成する。強い光学場は、強い入射光及び自発反射光によるうなり（ビーティング）のために圧力波又は音波を生成し、圧力または音響フィールドを引き起こす。この圧力の変化は材料密度変化を引き起こし、それによって屈折率変動が生じる。最終的な結果として、光フィールドの強い電界成分が、材料密度変動を引き起こす圧力又は音（音響）フィールドを生成する。音響フィールドは屈折率を変化させ、ブラッグ回折により反射光の振幅を高める。光ファイバのＳＢＳ閾値より上の、非常に多数の励起フォトンは、伝送される光パワーを制限し、ＳＮＲを低減する強い反射フィールドを引き起こす
米国特許第6,856,740号及び第US 6,687,440号は、ＳＢＳを低減するためにanti-guidingしている音響フィールドの反導波（アンチガイディング）の使用を開示する。これは、ファイバ・コアの縦方向の音響速度がクラッドのそれより高いように光ファイバ・コアをドープすることによって得られる。（すなわち、音響フィールドのための「実効屈折率」は、クラッディングのそれ未満である。）しかしながら、我々の解析では、音響クラッディング・モードがコア・モードの非存在下では優勢になるので、この技術の有用性が制限的である。音響クラッディング・モードはコアに結合し、ＳＢＳを生成して、ＳＢＳ閾値を確立する。さらに、ファイバ・コア内で音響フィールド反導波を得るための1つの技術は、特別のコーティングを利用することである。このコーティングの損傷閾値が低いことは、かかるファイバを極めて高い光パワー応用に使用することは妨げられる。
【０００５】
米国特許出願第2004/009617号および米国特許第6,587,623号も、同様のＳＢＳ低減技術を開示する。これらの文献は、音響モードがファイバ・クラッディングを伝搬するようにし、音響コア・モードの低減によってＳＢＳ低減を行うこと向けられている。同様に、この方法は、ファイバ・コアに結合し、コア内に閉じ込められ、光学モ−ドとオーバーラップしてＳＢＳ閾値に主要な役割を演ずる音響クラッディング・モードの検討がなされていない。さらに、これらの文献は、縦音響速度がＳＢＳの支配的なパラメータであるときの剪断速度に注目している。
【０００６】
米国特許第6,542,683号は、燐やフッ素などのドーパントを変更して異なるガラス層を交互に重ね、半径方向に不均一な粘性および不均一なＣＴＥを有するコアを有する光ファイバによってＳＢＳ効果が軽減されることを開示している。この特許は、当該交互に重ねた層の厚さが０．５マイクロメートル未満でなければならないことを教示する。
【０００７】
Ｙ．コヤマダ（Y. Koyamada）他による論文（ジャーナル・オブ・ライトウェーブ・テクノロジ（J. of Lightwave Technology）誌、第22巻、631-639頁、2004年）は、コア内の縦音響速度をクラッドのそれよりも高くすることによってファイバ・コアを伝搬する音響モードを抑制する方法を開示する。これはファイバ・クラッドにフッ素をドープし、クラッド内の音速を低減するとともにクラッドの屈折率を低減することによって得られる。コアのGe（ゲルマニウム）の量は、クラッドに対して適切なデルタ（差分）を提供するように低減された。この論文は、非常に高屈折率デルタ（クラッドに対して3.7%の光学的デルタ）を有する半径が1マイクロメートルのコア（Geドープ）及びフッ素ドープのクラッドを有するファイバについて、コア及びクラッド間の縦音響速度差が0.03であるときに、最小のＳＢＳ（高ＳＢＳ閾値）が生じることを教示している。
【発明の開示】
【０００８】
高い誘導ブリルアン散乱閾値を有する光導波ファイバが、ここに開示される。本発明のいくつかの実施例によれば、当該光ファイバは、（ａ）屈折率プロファイルおよび中心線を有し、２つのコア領域の縦音速が少なくとも０．２％異なるように異なる量のアップドーパントを含む少なくとも２つの隣接するコア領域を有する希土類ドープのコアと、（ｂ）当該コアに直接隣接して当該コアを囲むクラッド層と、を有する。当該ファイバは、１２μｍを超えるＭＦＤと、０．３％未満のピーク・コア・デルタ及びクラッド間のデルタ％差と、を有する。本発明のいくつかの実施例によれば、当該２つのコア領域内の当該縦音響フィールドの速度が少なくとも０．２％異なる。
【０００９】
本発明のいくつかの実施例によれば、当該コアの当該光学デルタ・プロファイルは当該中心線を直接囲む窪んだ領域を有し、当該窪んだ領域は０．５μｍより広い、さらに好ましくは０．７μｍより広い、最も好ましくは２μｍ以上の半径を有する。いくつかの実施例によれば、当該ファイバは２５μｍないし５０μｍのＭＦＤを有する。
【００１０】
本発明のいくつかの実施例によれば、当該ピーク・コア・デルタ及び当該クラッド間のデルタ％差が０．２％未満であり、好ましくは０．１２％未満である。当該クラッドはＦドープされたシリカ又は純粋なシリカである。
【００１１】
本発明のいくつかの実施例によれば、当該光ファイバは、屈折率プロファイルおよび中心線を有し、音響Δ1を有する第１領域と当該Δ1とは異なる音響Δ2を有して当該第１領域に直接隣接する第２領域とを有し、当該コアの屈折率は０．８未満の重なり積分を与えるように選択されている。当該重なり積分は０．６５未満であることが好ましい。当該重なり積分が０．５未満であることがさらに好ましい。本発明のいくつかの実施例によれば、当該第１領域は３−４μｍを超えない外半径を有し、当該第２領域は４μｍを超える外半径を有する。当該第１領域がファイバ・コア半径の１／３を超えない外半径を有し、当該第２領域がファイバ・コア半径の１／３を超える外半径を有することが好ましい。
【００１２】
本発明の好適な実施例について以下に詳述する。その例が添付の図面に図示される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の光ファイバの一実施例の模式的な断面図である。
【図２ａ】標準レーザー・ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。
【図２ｂ】図２ａの標準単一モード光ファイバの縦の音響デルタ・プロファイルを示す図である。
【図２ｃ】図２ａの光学デルタ・プロファイルおよび図２ｂの音響デルタ・プロファイルに対応する光ファイバの光学及び縦音響フィールドをプロットした図である。
【図３ａ】狭い中心線ディップを有するレーザー・ファイバの屈折率プロファイルを模式的に示す図である。
【図３ｂ】図３ａに対応する光ファイバの断面図である。
【図３ｃ】図３ｂの光ファイバの実際の屈折率プロファイルを示す図である。
【図４ａ】本発明の一実施例による、ＳＢＳ低減レーザー・ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。
【図４ｂ】図４ａに示される屈折率プロファイルを有する本発明の光ファイバの縦音響デルタ・プロファイルを示す図である。
【図４ｃ】図４ａに示される屈折率プロファイル及び図４ｂに示される縦音響デルタ・プロファイルを有する本発明の光ファイバの光学及び縦音響フィールドのプロットを示す図である。
【図５ａ−５ｂ】本発明の光ファイバの２つの実施例の光学デルタ・プロファイルを示す図である。
【図５ｃ】図５ｂに対応する光ファイバの縦音響デルタ・プロファイルを示す図である。
【図５ｄ】図５ｂの光学プロファイル及び図５ｃの音響デルタ・プロファイルに対応する光ファイバの光学及び縦音響フィールドのプロットを示す図である。
【図６ａ】比較目的のために用いられる光ファイバの光学デルタ・プロファイルを示す図である。
【図６ｂ】図６ａに対応する光ファイバの縦音響デルタ・プロファイルを示す図である。
【図６ｃ】図５ａ及び図５ｂのプロファイルに対応する光ファイバの光学及び縦音響フィールドのプロットを示す図である。
【図７ａ】本発明の光ファイバの他の実施例の光学デルタ・プロファイルを示す図である。
【図７ｂ】図７ａに対応する光ファイバの縦音響デルタ・プロファイルを示す図である。
【図７ｃ】図７ａ及び図７ｂのプロファイルに対応する光ファイバの光学及び縦音響フィールドのプロットを示す図である。
【図８ａ】さらに本発明の光ファイバの他の実施例の光学デルタ・プロファイルを示す図である。
【図８ｂ】図８ａの光学デルタ・プロファイルに対応する光ファイバの光学及び縦音響フィールドのプロットを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の更なる特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載されており、当該説明によって当業者にとって明らかであり、又は請求項および添付の図面と共に当該詳細な説明に記載された本発明を実施することによって認識される。
【００１５】
ここで、「屈折率プロファイル」は、屈折率または相対屈折率と導波路ファイバ半径との間の関係である。
【００１６】
「相対屈折率パーセント」または光学デルタは、デルタ・パーセント（Δ％）として規定されている。ここで、Δ％＝100 x（ｎｉ２−ｎｃ２）／２ｎｉ２であり、ｎｉは、特に明記しない限り、領域ｉの最大屈折率であり、ｎｃはクラッド領域の平均屈折率である。
【００１７】
当該相対的屈折率はΔで表され、その値は、特に明記しない限り、「％」を単位にして与えられる。ある領域の屈折率がクラッド領域の平均屈折率未満である場合、相対屈折率パーセントは負であり、窪んだ領域又は窪んだ屈折率を有すると称され、特に明記しない限り、相対屈折率が最も負であるポイントで算出される。ある領域の屈折率がクラッド領域の平均屈折率より大きい場合、相対屈折率は正であり、当該領域は増加している又は正の屈折率を有すると称される。「アップドーパント」は、純粋なドープされていないＳｉＯ２に対して屈折率を増加させる傾向を有するドーパントとみなされる。「ダウンドーパント」は、純粋なドープされていないＳｉＯ２に対して屈折率を低下させる傾向を有するドーパントとみなされる。
【００１８】
アップドーパントは、アップドーパントではない一つ以上の他のドーパントとともに、負の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在していてもよい。同様に、アップドーパントではない一つ以上の他のドーパントは正の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在していてもよい。ダウンドーパントは、ダウンドーパントではない一つ以上の他のドーパントとともに、正の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在していてもよい。同様に、ダウンドーパントではない一つ以上の他のドーパントは、負の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在していてもよい。
【００１９】
導波路ファイバの「色(chromatic)分散」は、特に明記しない限り、ここで「分散」と称され、材料分散、導波路分散およびモード間分散の和である。単一モード導波路ファイバの場合、モード間分散はゼロである。ゼロ分散波長は、分散がゼロの値を有する波長である。分散傾斜は、波長に対する分散の変化率である。
【００２０】
「実効面積」は、次のように定められる。
【００２１】
【数１】
0005643855.tif 000002
【００２２】
ここで、積分限界は０から∞であり、ｆは導波路を伝搬する光に関連する電界の横成分である。ここで使用しているように、「実効面積」または「Aeff」は、特に明記しない限り波長1550ｎｍでの光実効面積である。
【００２３】
用語「α-プロファイル」は、相対屈折率プロファイルをいい、「％」を単位するΔ(r)によって表される。ｒは下記式で表される半径である。
【００２４】
【数２】
0005643855.tif 000003
【００２５】
ここで、ｒ０はΔ（ｒ）が最大である点、ｒ１はΔ（ｒ）％がゼロである点、ｒはｒｉ≦ｒ≦ｒｆの範囲であり、Δは上記で規定され、ｒｉはα−プロファイルの始点、ｒｆはα−プロファイルの終点であり、αは実数の指数部である。
【００２６】
モードフィールド径（ＭＦＤ：mode field diameter）は、ピーターマンII（Peterman II）法を用いて測定される。ここで、２ｗ＝ＭＦＤであり、
【００２７】
【数３】
0005643855.tif 000004
【００２８】
であり、積分限界は０から∞である。
【００２９】
導波路ファイバの曲げ耐性は、定められたテスト条件の下で誘起された減衰によって測定することができる。あるモードについての理論上のファイバ遮断波長、又は「理論上のファイバ・カットオフ」又は「理論的カットオフ」は、導波された光が当該モードにおいて伝搬することができない波長である。その数学的な定義は、「単一モードファイバ光学」（ジュノーム、39-44頁、マーセル・デッカ、ニューヨーク、１９９０年（Jeunhomme、pp.39-44、Marcel Dekker、New York, 1990））にあり、理論上のファイバ・カットオフは、モード伝搬定数が外側のクラッドの平面波伝搬定数に等しくなる波長と記載されている。この理論的波長は、無限に長く、直径の変化の無い、完全に真っ直ぐなファイバに適切である。
【００３０】
カッパ（kappa）は、特定の波長における分散を分散傾斜によって除算したときの比である。特に明記しない限り、ここで、カッパ（κ）は波長1550ｎｍにおけるものである。
【００３１】
特に明記しない限り、ここでは、光学的性質（例えば分散、分散傾斜、など）はLP01モードについてのものである。
【００３２】
導波路ファイバ通信リンクまたは単にリンクは、光信号送信機と、光信号の受信機と、一片の導波路ファイバ、または送信機及び受信機にそれぞれの端部が光学的に結合されてその間で光信号を伝搬するファイバと、からなる。当該一片の導波路ファイバは、両端がスプライス又は結合されて直列構成に接続された複数の短いファイバからなっていてもよい。リンクは、さらに光構成要素（例えば、光増幅器、光減衰器、光アイソレ−タ、光スイッチ、光学フィルタまたは多重化または多重分離装置）を含んでいてもよい。相互接続されたリンクの一群を通信システムとして示してもよい。
【００３３】
ここで用いられる光ファイバのスパンは、光装置の間、例えば２つの光増幅器間、多重化装置及び光増幅器間に延びる、一片又は直列に融着された複数の光ファイバを含む。スパンは、ここで開示される一つ以上のセクションからなっていてもよく、さらに、例えば、スパンの終端における残留分散のような所望のシステム性能またはパラメータ得るように選択された他の光ファイバの一つ以上のセクションを有していてもよい。
【００３４】
種々の波長帯または動作波長範囲あるいは波長窓は、次のように定められる。すなわち、「1310ｎｍバンド」は1260〜1360ｎｍであり、「Ｅバンド」は、1360〜1460ｎｍであり、「Ｓバンド」は、1460〜1530ｎｍであり、「Ｃバンド」は、1530〜1565ｎｍであり、「Ｌバンド」は、1565〜1625ｎｍであり、「Ｕ-バンド」は、1625〜1675ｎｍである。
【００３５】
音響モードが存在する場合に、光フィールドが光導波路を伝搬するとき、光フィールドは当該音響フィールドによって散乱される。ＳＢＳを記述する電界は、次の非線形波動方程式を満たす。
【００３６】
【数４】
0005643855.tif 000005
【００３７】
【数５】
0005643855.tif 000006
【００３８】
ここで、ε＝εｒ−ｉεｉは複素誘電率であり、ＰＮＬは電界および音響フィールド間の相互作用による非線形分極であり、ρ０は材料密度であり、
【００３９】
【数６】
0005643855.tif 000007
【００４０】
は音響フィールドによって引き起こされる密度変動であり、下記の非線形音響波動方程式を満たす。
【００４１】
【数７】
0005643855.tif 000008
【００４２】
ここで、γは電歪係数、Γは減衰係数、ＶＬは縦音響速度である。電界は、下記の式に書くことができる。
【００４３】
【数８】
0005643855.tif 000009
【００４４】
ここで、Ｅｊ（j＝p,s）は次モード方程式を満たす横電界分布である。
【００４５】
【数９】
0005643855.tif 000010
【００４６】
ここで、ωｊ（j＝p,s）は光周波数、βｊ（j＝p,s）は光伝搬定数であり、ｐはファイバ・コア中を伝搬する光信号のパワーを示し、ｓはブリルアン散乱信号を示す。電界が無い場合、音響フィールド方程式は１セットのモード解ρμを有する。式（４）の電界が有る場合、以下の解を仮定する。
【００４７】
【数１０】
0005643855.tif 000011
【００４８】
ここで、Ωは音響周波数、Ｂは音響モードの伝搬定数である。減衰係数を無視すると、モードρμは以下の式を満たす。
【００４９】
【数１１】
0005643855.tif 000012
【００５０】
上記の方程式から、励起及び信号光の光パワー変化の方程式を得ることができる。すなわち、
【００５１】
【数１２】
0005643855.tif 000013
【００５２】
【数１３】
0005643855.tif 000014
【００５３】
ここで、ｇｕは音響モード数uによるＳＢＳ利得係数、すなわち、
【００５４】
【数１４】
0005643855.tif 000015
【００５５】
ここで、ｇ０は材料によって確定されるパラメータ、αuは音響モードの損失、Δβｕは音響及び光モード間の位相不整合、Ａｅｆｆは光実効面積である。
【００５６】
【数１５】
0005643855.tif 000016
【００５７】
そして、
【００５８】
【数１６】
0005643855.tif 000017
【００５９】
は、電界及び音響フィールド間の正規化重なり積分である。
【００６０】
【数１７】
0005643855.tif 000018
【００６１】
式（１０）は、ＳＢＳ利得係数がファイバ設計に関する２つのパラメータに依存することを示している。すなわち、１つは光実効面積Ａｅｆｆであり、もう１つは重なり積分、
【００６２】
【数１８】
0005643855.tif 000019
【００６３】
である。ＳＢＳ効果を低減するためには、光実効面積を増加（従って、光強度密度を低減）してもよく、及び／又は重なり積分を低減してもよい。
【００６４】
光実効面積および重なり積分の両者から効果を捉えるために、重なり積分に対する光実効面積の比をとることによって性能指数（ＦＯＭ）を定める。
【００６５】
【数１９】
0005643855.tif 000020
【００６６】
この性能指数は１つの光ファイバ（リファレンス・ファイバ）から、他の光ファイバへのＳＢＳ改善を評価するために用いることができる。
【００６７】
ＳＢＳパワーは、ファイバ長に応じて指数関数的に増大する。ファイバに沿った均一なブリルアン周波数偏移については、ピークのＳＢＳパワー閾値は、利得係数およびファイバ実効長に反比例する。
【００６８】
【数２０】
0005643855.tif 000021
【００６９】
ここで、Ｌｅｆｆは次式で定められるファイバの実効長である。
【００７０】
【数２１】
0005643855.tif 000022
【００７１】
ここで、αｏは光減衰係数、Ｌはファイバ長である。
【００７２】
光ファイバのＳＢＳ性能を改良するために、性能指数ＦＯＭは、ＳＢＳ性能の最適化がなされていない従来のファイバより大きい値をとるように設計されていなければならない。設計されるファイバのＦのリファレンス・ファイバのそれに対する比は、ＳＢＳ閾値の改善を示すファクタである。それは本発明の開示において説明するように、デシベル単位に変換することもできる。
【００７３】
式（５）及び（７）から、光フィールド及び縦音響フィールドが同様のタイプのスカラ―波動方程式によって支配されることがわかる。この２つの方程式は、ＳＢＳに含まれる方位変化の無い基本光学モ−ドおよび音響モードについて同一の形式に書くことができる
【００７４】
【数２２】
0005643855.tif 000023
【００７５】
【数２３】
0005643855.tif 000024
【００７６】
ここで、添字oは光フィールドを、添字aは音響フィールドを表している。光学モ−ドに関して、ｆｏは光フィールド分布を、ｎｏ(r)は半径方向の位置の関数としての屈折率を、ｋｏは２π／λによって光の波長に関連づけられる光の波数を表している。
【００７７】
音響フィールドに関して、ｆａは音響フィールド分布を表し、音響屈折率は、
【００７８】
【数２４】
0005643855.tif 000025
【００７９】
と定義され、
【００８０】
【数２５】
0005643855.tif 000026
【００８１】
である。ここで、λ’は音響波長である。
【００８２】
実際上、（光）屈折率プロファイルは、しばしば光学デルタ・プロファイルまたは光屈折率デルタ・プロファイルによって記述される。同様に、音響屈折率についてもデルタを定めることができ、光屈折率プロファイルの各々もまた縦音響フィールドの振舞いを記述する音響デルタ・プロファイルと関連付けられる。光及び音響フィールドについての屈折率の定義を用いることによって、光及び音響デルタ・プロファイルを次式を用いて記述することができる。
【００８３】
【数２６】
0005643855.tif 000027
【００８４】
ここで、下付き添字「o」は光フィールドを示し、「a」は音響フィールドを示し、「c」はクラッドについての屈折率を示している。
【００８５】
Ge（ゲルマニウム）ドーピング濃度の関数としてのコアの光屈折率は、次式によって表される。
【００８６】
【数２７】
0005643855.tif 000028
【００８７】
ここで、ｗＧｅＯ２は、のモルパーセントである。Geドーピングは、屈折率を純粋なシリカのそれから増加させることに寄与する。縦音響速度についてのGeドーピングの役割は、次式によって表される。
【００８８】
【数２８】
0005643855.tif 000029
【００８９】
ここで、縦方向の音速はm/sである。
【００９０】
特定の波長（λ＝1.55マイクロメートル(μｍ)を仮定）で光学的に単一モードである光導波ファイバは、音響的にマルチモードであり得る。なぜなら、ブリルアン周波数に対応する音響波長は0.55μｍのオーダーであり、それは、典型的な光導波ファイバの大きさと比較すると極めて小さいからである。（ 式(16)および(17)を参照。）
比較的低い入射パワーにおける自発ブリルアン散乱の場合、入射光フィールドは各音響モード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光フィールドと各音響モードとの相互作用に対応するピークを示す。比較的高い入射パワーにおいては、ＳＢＳ閾値は超えられ、通常、音響モードうちの1つが支配的になり、他の音響モードはモード競合によって存続できず、誘導ブリルアン散乱の開始に至る。
【００９１】
光モードフィールド及び音響モードフィールド間の結合が増加するに従い、望ましくないことであるが、より多くの光パワーが光信号伝送の方向とは反対方向に反射される。
【００９２】
ここで開示されるように、光及び音響モード間の結合はここで開示される光ファイバの光及び音響屈折率プロファイルによって好ましく低減される。いくつかの実施例において、光モ−ドフィールドは全コア領域に拡がって存続するが、音響フィールドはコアの1つの領域にしっかり閉じ込められ、光モードフィールド及び音響フィールド間のオーバーラップは低減される。
【００９３】
従って、本発明のいくつかの実施例において、ここで開示される（図１ａを参照）光ファイバ１０は、当該支配的な音響モード・フィールドのモードフィールド（例えば、Ｌ０１）を（ａ）光ファイバ中心線の方へ、又は（ｂ）コア１２の端部に向けて外側に、の何れかに引き寄せる傾向を有し、音響及び光フィールド間の結合は低減される。好ましくは、光ファイバ１０も、次に支配的な音響モードフィールドのモードフィールド（通常、Ｌ０２）を、（ａ）光ファイバ中心線の方へ、又は（ｂ）コアの端部に向けて外側に、の何れかに引き寄せる傾向を有し、当該次に支配的な音響モードフィールド及び光フィールド間の結合は低減される。
【００９４】
ここで開示される光ファイバのブリルアン周波数のシフトは、好ましくは、波長1550ｎｍに対して約9.5〜12GHzの間（より短い波長で測定される場合は、より高い）である。
【００９５】
我々は、材料（例えばGe）のより高ドーパント濃度が音響フィールド速度を低減することがわかった。コア（領域12b）の端部の近くにより多くのGeを配することがその領域の音響フィールド速度を低減し、音響モードをコア12の端部の方へシフトさせる。コア（領域12b）の端部の方において当該アップドーパントをより高濃度にすることによってコア12の端部の屈折率デルタ%をより高くし、中心線近傍のコア領域（12a）の屈折率デルタ%を低減する。この２つのコア領域間の光屈折率差は十分に小さく、光学モ−ドは全コア領域に広がっている。このように、光学モ−ドおよび支配的な音響モード間のオーバーラップは低減され、ＳＢＳは減少する。
【００９６】
光ファイバ10のコア12は、中心線から半径0.7μｍ ないし約3μｍまでの第１部分（コア領域12a）からなっていてもよい。好ましくは、コア領域12aの半径は、少なくとも1μｍである。あるいは、コア12は、rをコア半径としたとき、中心線から約0.1r ないし0.5rの距離まで広がっている第１部分（コア領域12a）からなっていてもよい。いくつかの実施例において、コアの屈折率プロファイルの窪みはコア領域12aに対応する。
【００９７】
光レーザー・ファイバにとって、ピークまたは最大屈折率デルタΔＭＡＸは、0.055<ΔＭＡＸ<0.3% であり、1550ｎｍでの光実効面積は、140μｍ２より大きく、好ましくは150μｍ２より大きく、より好ましくは、159μｍ２より大きく、2000μｍ２との間である。
【００９８】
上記したように、ＳＢＳは光学フィールドおよび音響フィールド間の相互作用から生じる。単一モ−ド光ファイバにおいて、ＳＢＳの利得は、ＳＢＳスペクトルと、光学モ−ドおよび音響モード間のオーバーラップとに依存する。従って、ファイバ・プロファイルの設計によって光学モ−ドおよび音響モード間のオーバーラップを低減する一つの方法は、光屈折率プロファイル（デルタ%プロファイル）の変化を小さくして光学的性質が劇的に変化しないようにすることであり、対応する光ファイバ10の音響デルタ%プロファイルの変化が、音響モード・フィールドが実質的に変化するのに十分に大きいことである。
【００９９】
ファイバ・コア内に音響導波路を形成するために、ファイバ・コアにおける縦方向の剪断音速はクラッドよりも低い。これは、通常のGe がアップドープされた（かつ、共ドーパントのない）コアを有する光ファイバにとって通常である。
【０１００】
縦方向の剪断音速は、シリカガラスのGeドーピングレベルの増加に従って増加する。音響フィールドおよび光学フィールドの相互作用は縦音響フィールドによって支配されるので、下記においては、縦音響フィールドだけを検討する。
【０１０１】
通常のレーザー・ファイバは、図2aに示すように、ステップ関数である光学デルタ・プロファイルを有する。ファイバのコアは、図2aに示すように、約5.34モルパーセントのGeがドープされ、純粋なシリカガラスに対して0.55%の光学デルタ%を生じる。クラッドは、約4.37モルパーセントのGeがドープされ、純粋なシリカガラスに対して0.45%の光学デルタ%を生じる。従って、コアおよびクラッド間のデルタ%差は、約0.1%である。この正の光学デルタ%差は、信号が伝搬する光コアに対応する。この典型的なレーザー・ファイバは、21.6μｍのＭＦＤ、実効面積385.3μｍ２を有する。基本音響フィールドL01のＦＯＭは、385.4μｍ２である。コア・デルタは、Geのみによる。コアは、他のいかなるドーパントも含まない。我々のモデリングにおいて、希土類ド−ピング物質の屈折率寄与を無視した。これらの材料はファイバ・コア全体に通常一様にドープされる、従って、それらが加えられても光学的性質およびＳＢＳ特性は劇的には変化しない。加えて、Geの量は、光学デルタ差を維持し、最適な性能を得るために容易に調整することができる。
【０１０２】
音響フィールドに関し、このレーザー・ファイバの縦音響デルタ・プロファイルが図2bに示されている。図2cは、光導波コアと同一の大きさの領域内部で導波される（すなわち、半径12μｍ内で）縦音響フィールドを図示し、基本光学モ−ドおよび低次音響モード間の大きいオーバーラップ（約1.0の重なり積分）を生じる。従って、この種のファイバは、比較的大きいＳＢＳ量を有する。
【０１０３】
ＳＢＳを低減するために、本発明のいくつかの実施例において光ファイバ10は、シリカベースのコア12の少なくとも１つのエリア又は領域において、隣接するコア領域よりも大きな量のアップド−パント（例えばGe）を利用する。他のいかなる共ドーパント（co-dopant）も必要としない。Geは音速を低減すると共に光屈折率を増加させるので、コア12内でのGeの量を異ならせることによって、音響デルタ%プロファイルの窪みに対応する光学デルタ%プロファイルのディップ（窪み）を有する光ファイバ10を設計することができる。当該ディップ領域の幅は少なくとも１μｍであることが好ましい。
【０１０４】
もちろん、これと同一の方法を利用し、異なる音響デルタ・プロファイルを有しつつ同一の光学的デルタ・プロファイルを有し、ＳＢＳを改善する他のタイプの光ファイバをも設計することができる。これらの光ファイバは、分散補償ファイバ、他のタイプのレーザー・ファイバおよび非線形光ファイバを含む、コア12内に光屈折率デルタのディップ又は窪みを生成するために、例えばＦのような共ド−パント(co-dopant)を用いることもできる。
【０１０５】
図3aは、センターラインに隣接するコア領（領域12a）にディップを有する光学的デルタ・プロファイルを図示している。例示的なファイバ10の光学的性質は、図2aのファイバの光学的性質と同様である。しかしながら、この例の光ファイバにおいては、センターラインのディップは通常のファイバ製造工程による通常のセンターライン・ディップより幅が広く、ＳＢＳはより良好である。図3bは、本発明の一実施例によるレーザー・ファイバの横断面図を図示している。図3aの光ファイバ10は、比較的少量のGeを含む領域12aおよび比較的多量のGeを含む領域12bからなるコア12を有する。コアは、利得又はレーザー動作のためのGe及び／又はYbを有する。他のアクティブな希土類ドーパント、例えばEr、TmまたはNdが用いられてもよい。
【０１０６】
コア12は、内側クラッド14aおよび外側クラッド14bを含むシリカ・ベースのクラッド14によって囲まれている。内側クラッド領域14aは、この例の光ファイバ10に励起光パワーを効率的に結合させ、コア12に結合する前に、励起光は内側クラッド14a内を伝搬する。
【０１０７】
例１：縦音響フィールドの閉じ込め
図4aは、例示的なレーザー・ファイバ（下記の表1のファイバA4）のコア12の光学デルタ・プロファイルを図示している。このレーザー・ファイバは、コア領域12aにおいてより広い窪みを有することを除いて、図3aのプロファイルと同様な光学デルタ・プロファイルを有する。特に、コア領域12aは、0.35%の光学デルタおよび6μｍの半径を有する。ファイバ10の縦音響デルタ・プロファイル（図4aに対応する）は、図2aに図示されるものとは非常に異なる。このレーザー・ファイバ10の縦音響デルタ・プロファイルは、図4bに図示されている。この例では、中央のコア領域12aのデルタ%は、-0.72%である。0%の中央コア・デルタを有する例示的なファイバ10は、表1のファイバA3に対応する。Geは音速を低減するので、中央コア領域12aのGeド−ピンングをより少なくすると、縦音響デルタ・プロファイルは中央部において大きく押し下げられる。これは、光フィールドおよび音響フィールドをコア12の中央部から離れさせる効果を有する。従って、光実効面積が385μｍ２から680μｍ２まで増加することによって、ＦＯＭは大きく増加する。基本光学モ−ドおよび低次音響モード間のオーバーラップの程度を表す重なり積分は0.88である。ファイバ10（図4a-4bに対応する）のＳＢＳ閾値は、広く窪んだ中央コア領域12aのないステップ・インデックス型ファイバから3dB又は2.0のファクタだけ増加している。表1に示されたファイバ A2およびA3の研究から、センターラインに隣接し、領域12aに位置する屈折率プロファイルのより広く深い窪んだ領域を導入することによって高いＳＢＳ閾値を得ることができる。コア12の屈折率プロファイルのこの窪みは、コア領域12aのGeを少なくするか、Geを用いないか、又はコア領域をダウンドープするフッ素及びGeを用いることによって得られる。
【０１０８】
【表１】
0005643855.tif 000030
【０１０９】
上記の例の1つの欠点は、中央のコア・デルタの変化（窪み）が大きくなりすぎて、光モードフィールドも元のステップ・インデックス型ファイバのものから大きく変化することである。レーザー・ファイバの応用において、基本光フィールドが、光フィールドのピーク値がファイバ・コアの中央で得られるガウス形状を維持することが好ましい。
【０１１０】
次に、光フィールドについて中央のコア・デルタの窪みがより小さいが、しかし縦音響フィールドの所望の変化を生成する程度に十分大きい２つの例（ファイバA5およびA6）を検討する。これらの２つのファイバの光学デルタ・プロファイルは、それぞれ図5aおよび図5bに示されている。説明のため、A6の音響デルタ・プロファイルが図5cに示されている。表1の光ファイバA6について、1550ｎｍにおけるＭＦＤは23.9μｍであり、1550ｎｍにおける光実効面積は516.1μｍ２であり、L01音響フィールドのＦＯＭは927.5μｍ２であり、重なり積分は0.56である。図5dは、表1の例示的なファイバA6の最低次のいくつかの光フィールドおよび音響フィールドを図示している。我々は、光フィールドLP01が準ガウス形状（quasi-Gaussian）を維持し、音響フィールドがコア12の中心から離されて、光フィールドおよび音響フィールド間のオーバーラップが低減されることが分かった（図5d）。高次音響フィールドは、その性質上、振動している。このようなフィールドと光フィールド（例えばLP01）とのオーバーラップは非常に小さい。なぜなら、それらの正の寄与はそれらの負の寄与によって大きく相殺されるからである。光フィールドが準ガウス形状を維持することができる理由は、光学デルタ・プロファイルおよび音響デルタ・プロファイル間の有意差によるものである。光学デルタの1%変化は、音響デルタの7%に対応する。加えて、光ファイバ10の例（A5およびA6）を比較すると、ＳＢＳ性能は中央のコア・デルタ領域の窪みの深さおよび幅を調整することによって最適化できることわかる。
【０１１１】
例２：音響フィールドを中央部から離すこと
以下の例示的な光ファイバ10は、３つのコア領域12a、12bおよび12cからなる光屈折率プロファイルを有し、当該光屈折率プロファイルは、ファイバ・コア12の中央領域12bにおいて窪んでいる。
【０１１２】
まず、ＳＢＳの改善を測定するためのリファレンスを確立したい。図6aに示される光学デルタ・プロファイルを有するGeドープされたレーザー・ファイバを検討する。このファイバの対応する音響デルタ・プロファイルは、図6bに示されている。Geドープによる屈折率の１パーセントの変化は7.2%の実効音響デルタ・プロファイルのデルタ変化を誘起するので、音響導波路領域がより深いことに留意すべきである。加えて、縦音響波についての波長は光波長のそれの約1/3である。その結果、音響導波路の多モード特徴はさらに高められる。その結果、音響導波路の多モードの特徴がさらに強められる。この光ファイバ10の光実効面積は271.2μｍ2であり、ＭＦＤは19.1μｍ、性能指数ＦＯＭは296.9μｍである。光フィールドおよび音響フィールドが図6cに示されている。図6cは、光フィールドと音響フィールドLP01，L01間のほとんど完全なオーバーラップを示している。
【０１１３】
次の例示的なファイバ10においては、音響フィールドをファイバ・コア12の中央から離して光フィールドLP01および基本モード音響フィールド間のオーバーラップを低減させていることによってＳＢＳ閾値の改善がなされている。図7aに示すように、コア領域12bに対応する屈折率プロファイルの窪んだ領域（又はディップ）を有するファイバを採用する。この例では、この領域の半径は、2-5μｍである。この光ファイバ10の実効音響デルタは、図7bに示されている。この図から、レーザー・ファイバ10のコアの縦音響導波路における屈折率プロファイルのディップは、光学デルタ・プロファイルのそれより非常に大きい効果を有することは明白である。図7aの光ファイバの光フィールドおよび音響フィールドが図7cに示されている。図7cは、音響モードL01がコア12の狭い領域（センターラインのまわり）に閉じ込められ、光学モ−ドLP01および音響モードL01間のオーバーラップ領域を最小にする。特に、ファイバ・コア領域12a（外半径1-3μｍ）は音響導波路を形成し、音響モードを閉じ込める（その内部に）のに十分である。一方、コア12内の屈折率ディップは、光フィールドに軽微な効果を有するだけである。このレーザー・ファイバの実効面積は468.6μｍ２であり、性能指数は917.2μｍ２である。図6aに示されるリファレンス・ファイバと関連して、ＳＢＳ閾値は、4.9dB又は3.09のファクタだけ改善されている。
【０１１４】
例示的な他のレーザー・ファイバ10は、12μｍの非常に大きいコア半径を有する。半径が12μｍであるという点を除いて図6aと同様である単純なステップ・インデックス構造に基づく従来の設計に対してＳＢＳ性能の改善が測定される。このリファレンス・ファイバの1550ｎｍでのＦＯＭは414.5μｍ２、実効面積は415μｍ２、ＭＦＤは22.3μｍである。次に、ファイバ・コアの中央領域（領域12b）における屈折率デルタ%の窪みを採用するが、この例では半径4.5および8.0μｍに対応し、デルタの深さ0.07%を有する。このファイバの光屈折率プロファイルは、図8aに図示される。このファイバの実効面積は512.3μｍ２、ＭＦＤは24.
4μｍ、性能指数Fは1051.9μｍ２である。12ミクロンの半径を有するステップ型ファイバに対して、ＳＢＳ閾値は、4.04dB又は2.54のファクタだけ改善されている。光学フィールドLP01および縦音響フィールドL01、L02、L03が図8bに示されている。図8bは、音響モードL01がコア12の狭い領域（センターラインのまわりの）に閉じ込められ、光学モ−ドLP01および音響モードL01間のオーバーラップ領域が最小化されていることを示している。この例は、より大きいコア半径を有するファイバについて、窪んだコア領域12bがＳＢＳ性能の改善をもたらすように設計できることを示している。
【０１１５】
好ましくは、上記で示す中央から２つの隣接するコア領域間の縦音響フィールド速度は、少なくとも0.2%異なる。光レーザー・ファイバ10は、1550ｎｍにおいて低減された0.8未満の重なり積分を有する。より好ましくは、当該重なり積分は0.5未満である。上記の例において、好適な実施例を図示するように多段（multiple）ステップ・プロファイルを選択した。実際のプロセスにおいては、異なるコア領域間の遷移は平滑であってもよい。当業者にとって、実際的な状況に適応するように調整をなすことは自明である。
【０１１６】
好ましくは、ここで開示される光ファイバは、シリカベースのコアおよびクラッドを有する。好適な実施例において、レーザ応用のため、クラッドの外径は約125μｍ以上、好ましくは200-2000μｍである。好ましくは、クラッドは、光ファイバの長さ方向に沿って一定の外径を有する。クラッド14は、内側クラッド14aおよび外側クラッド14bを有していてもよい。内側クラッド14aは、コア12のより良好なポンピングを提供するために非円形の断面を有することが好ましい。
【０１１７】
前述の説明は、本発明の例示に過ぎず、請求の範囲によって定められる本発明の特徴及び性質の理解のための概要を提供することを目的とするものと理解されるべきである。添付の図面は、本発明の更なる理解を提供するために含まれ、援用されて本願発明の一部を構成する。図面は、本発明の様々な特徴および実施例を図示し、それらの説明と共に、本発明の原理および動作を説明する。当業者にとって、添付の請求項の範囲に記載の本発明の範囲及び本質から逸脱することなく、ここで記載される本発明の好適な実施例に対して種々の変形をなしうることは明白である。
【図１】
0005643855.tif 000036
【図２ａ】
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【図２ｂ】
0005643855.tif 000038
【図２ｃ】
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【図３ａ】
0005643855.tif 000040
【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
0005643855.tif 000043
【図４ｂ】
0005643855.tif 000044
【図４ｃ】
0005643855.tif 000045
【図５ａ−５ｂ】
0005643855.tif 000046
【図５ｃ】
0005643855.tif 000047
【図５ｄ】
0005643855.tif 000048
【図６ａ】
0005643855.tif 000049
【図６ｂ】
0005643855.tif 000050
【図６ｃ】
0005643855.tif 000051
【図７ａ】
0005643855.tif 000052
【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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