(57)【要約】【課題】本発明は光ファイバに関し、特に誘導ブリュアン散乱（Ｓtimulated Ｂrillouin Ｓcattering：ＳＢＳ）発生を安価に抑えることができる光ファイバを提供する。【解決手段】本願発明は、クラッドと複数のコアとからなる光ファイバにおいて、コアの周辺の屈折率を下げずにコア中心付近の屈折率のみを下げ、かつ屈折率分布を最適化することによりＳＢＳの発生を抑える。本願発明の光ファイバは、１５５０ｎｍでの伝送損失が０．３ｄＢ/ｋｍ以下で線幅５ＭＨｚ以下の光源を使用した場合の条長２０ｋｍでの１５５０ｎｍにおけるＳＢＳしきい値（THＳＢＳ）が５ｍＷ以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手の屈折率分布がほぼ均一であり、波長１５５０ｎｍでの伝送損失が０．３ｄＢ/ｋｍ以下で線幅５ＭＨｚ以下の光源を使用した場合の条長２０ｋｍでの波長１５５０ｎｍにおけるＳＢＳしきい値（THＳＢＳ）が５ｍＷ以上である光ファイバ。
【請求項２】
波長１５５０ｎｍでのＡｅｆｆと、波長１５５０ｎｍでの伝送損失が０．３ｄＢ/ｋｍ以下で線幅５ＭＨｚ以下の光源を使用した場合の条長２０ｋｍでの波長１５５０ｎｍにおけるＳＢＳしきい値（THＳＢＳ）との比Ａｅｆｆ／THＳＢＳが１５μｍ２／ｍＷ以下である光ファイバ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光ファイバであって、非線形パラメータγとＡｅｆｆと非線形屈折率ｎ２との関係が、γ／ｎ２×Ａｅｆｆ＜３．６５×１０9である光ファイバ。
【請求項４】
請求項１または２に記載の光ファイバであって、波長１４５０ｎｍ±５０ｎｍの励起光によるラマン利得効率が０．３５（１／Ｗ／ｋｍ）以下である光ファイバ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光ファイバであって、ケーブルカットオフ波長が１５２０ｎｍ以下である光ファイバ。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光ファイバであって、ケーブルカットオフ波長が１２６０ｎｍ以下である光ファイバ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光ファイバであって、２層以上のコアを持ち、光ファイバの中心に位置する第一コア層の比屈折率Δ１が第一コア層の外周にある第二コア層の比屈折率Δ２よりも低く、
Δ１≦０．３４％、０．３４％≦Δ２、Δ２−Δ１＞０．２、 かつ第２コア層の屈折率分布パラメータα２がα２＞６である光ファイバ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光ファイバであって、中心からΔ０、Δ１、Δ２の屈折率を有する３層以上のコアを含み、Δ２−Δ１＞０．２かつΔ０−Δ２＜０．１であることを特徴とする光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形現象の発生を抑える光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信容量の拡大に伴い１本の光ファイバで伝送する信号量が増大している。信号容量を増大するためには使用帯域を広げるか波長間隔を狭くすることが必要である。既に１００ｎｍを超える広い帯域での高密度伝送も報告されており、当該高密度伝送は実用化へと向かっている。
【０００３】
光ファイバに入力する信号量が増大すると光ファイバに入力される光パワーが増大し、これにより非線形現象の発生が顕著になる。非線形現象のなかでも誘導ラマン増幅は、１５００ｎｍ付近における信号エネルギーを約１００ｎｍ長波長側へ遷移する。従って、広い波長域を伝送すると短波長側の伝送が困難となる。
【０００４】
また、短波長側は伝送損失も比較的大きいことから、ＳＮＲ（Ｓignal-to-Ｎoise Ｒatio）を確保するためにはより大きなパワーを入力する必要がある。しかしながら、誘導ブリュアン散乱（Ｓtimulated Ｂrillouin Ｓcattering：ＳＢＳ）によりパワーの増加にも限界がある。
【０００５】
許容されるＳＢＳ値、即ちＳＢＳしきい値の定義がいくつか提唱されている。図６は、ＳＢＳしきい値の定義を説明する。本願発明においては、ＳＢＳが発生していない低パワー入射時の入射強度に対する後方散乱光強度（レイリー散乱光強度）の線形依存性を示す直線（図６の直線１）とＳＢＳ発生後の後方散乱光強度（誘導ブリユアン散乱光強度）の線形依存性を示す直線（図６の直線２）の交点での入射光強度をＳＢＳしきい値と定義する。図６を参照すると明らかなように、入力光強度が低い状態ではＳＢＳ光強度は小さく、従って後方散乱光強度は入力光からのレイリー散乱光強度により支配される。一方、入力光強度が増加するとＳＢＳの発生が増加し、ＳＢＳ光強度がレイリー散乱光強度よりも大きくなる。従って、後方散乱光強度全体としてはＳＢＳが支配的となる。
【０００６】
ＳＢＳしきい値はファイバの条長に依存し、条長が長いほどＳＢＳしきい値は小さくなる。また、ＳＢＳしきい値は光源の線幅にも依存し、線幅の太い光源を使うほどＳＢＳしきい値は下がる。通常、単一モードファイバ（Ｓingle Ｍode Ｆiber：ＳＭＦ）のＳＢＳしきい値は、ファイバの条長２０ｋｍにおいて、波長１５５０ｎｍで線幅５ＭＨｚの光源を使用したときには約５ｍＷ(＋７ｄＢｍ)程度である。さらに、ＳＢＳしきい値を改善できたとしても、高パワー入力により非線形歪を増大させてしまう。
【０００７】
さらにＳＢＳは、非線形屈折率やラマン利得と異なり、ファイバ内の音響波モードに起因する。音響波はファイバの長手方向での変動や側圧による応力により影響を受け、この音響波の変化がＳＢＳしきい値に影響を与える。通常の光波と同様に、音響波も屈折率プロファイルで特性が定まり、この結果発生するストークス光のゲインピークを抑えることによりＳＢＳしきい値は高くなる。
【０００８】
光ファイバの長手方向で屈折率分布を変化させることでＳＢＳの発生を抑制する方法は非特許文献１等で知られている。しかしながら、長手方向で屈折率分布を変化させる方法はＳＢＳの発生を大きく抑制できるが、その製造が難しく、コストが上昇する。
【非特許文献１】K. Shiraki外の「SBS Threshold of a Fiber With a Brillouin Frequency Shift Distribution」 (IEEE Journal of Lightwave Technologies, Vol. 14, No.1, January 1996, pp. 50-57)
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、通常の光ファイバ内における光パワーはその中央で最も強いことに着目し、この分布を変更することにより非線形現象を抑圧する。より詳細には、通常、光ファイバ内の光パワーはその中心で最も強く、光ファイバの屈折率は一般的に中心で最も高い。コアの屈折率をクラッドの屈折率より高くするために、通常の光ファイバのドーパントとしてＧｅＯ２が用いられており、ＧｅＯ２の濃度が高ければ高いほど非線形屈折率が大きくなり非線形現象が発生し易くなる。従って、コアの周辺の屈折率を下げずにコア中心付近の屈折率のみを下げることにより、光パワー分布内の平均非線形屈折率を下げることができる。さらに、コア中心付近のパワー分布を平均化することも、非線形現象の回避に対してより効果的である。ラマン利得も、非線形屈折率と同様、コアのＧｅＯ２濃度の増加と実効断面積の縮小とにより増大する。また、上記手法により、コア自体のラマン利得係数が下がり、かつ、実効断面積も拡大するので、ラマン利得効率も低減するになる。さらに本発明では、屈折率分布を最適化することにより光ファイバ内の音響波のモードを分離しピークパワーを下げ、これによりＳＢＳしきい値を抑圧する。さらに、ストークス光のゲインピークの数が多くなるほどピーク値は小さくなりＳＢＳしきい値の抑制効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１乃至図３は、本願発明の光ファイバの屈折率分布を示す。図１に示される屈折率分布を有する光ファイバは、直径ａの第１コア１１と、外側直径ｂの第２コア１２と、内側直径ｂのクラッドからなる。図２に示される屈折率分布を有する光ファイバは、直径ａの第１コア２１と、外側直径ｂを有する第２コア２２と、外側直径ｃを有する第３コア２３と、内側直径ｃを有するクラッドからなる。さらに、図３に示される屈折率分布を有する光ファイバは、外側直径ａ０を有する中心コア３３と、外側直径ａを有する第１コア３１と、外側直径ｂを有する第２のコア３２と、内側直径ｃを有するクラッドからなる。
【００１１】
図１乃至図３における各比屈折率差Δ１、Δ２、Δ３、Δ０は以下の式（１）乃至（４）により求められる。
Δ１＝｛（ｎ１−ｎＣ）／ｎＣ｝×１００  ［％］  （１）
Δ２＝｛（ｎ２−ｎＣ）／ｎＣ｝×１００  ［％］  （２）
Δ３＝｛（ｎ３−ｎＣ）／ｎＣ｝×１００  ［％］  （３）
Δ０＝｛（ｎ０−ｎＣ）／ｎＣ｝×１００  ［％］  （４）
ここで、ｎ１は第１コアの最小屈折率を表し、ｎ２は第２コアの最大屈折率を表し、ｎ３は、クラッドよりも屈折率が低い場合には第３コアの最小屈折率を、クラッドよりも屈折率が高い場合には第３コアの最大屈折率を表す。さらに、ｎ０は中心コアの最大屈折率を表し、ｎＣはクラッドの屈折率を表す。
【００１２】
尚、第１コアの直径ａは、第１コアと第２コアの境界においてΔ２の１／２の比屈折率差を有する位置での径とする。第２コアの直径ｂは、第２コアと第３コアの境界においてΔ２の１／１０の比屈折率差を有する位置での径とする。第３コアの直径ｃは第３コアとクラッドの境界においてΔ３の１／２の比屈折率差を有する位置での径とする。中心コアの直径ａ０は中心コアと第１コアの境界においてΔ０の１／１０の比屈折率差を有する位置での径とする。
【００１３】
屈折率分布形状α２は以下の式（５）で定義する。
ｎ２（ｒ）＝ｎ３２｛１−２（Δ１／１００）×（２ｒ／ｃ）α２｝      （５）
（但し、ｂｍａｘ＜ｒ＜ｂ／２）
ここで、ｒは光ファイバの中心からの半径方向の位置を示し、ｎ（ｒ）は位置ｒにおける屈折率を表している。また、ｂｍａｘは第２コアの屈折率の最も高い部分の光ファイバの中心からの半径方向の位置を示し、最も高い部分が１点ではなく、ある領域に及んでいる場合はその最も内側の位置とする。
【００１４】
また、カットオフ波長はＩＴＵ−Ｔ  Ｇ．６５０．１に規定されたケーブルカットオフ波長λｃｃとする。その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＩＴＵ−Ｔ  Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。
【００１５】
中心部に位置する第１コアの屈折率をその外周に位置する第２コアよりも低減した凹ガイド型屈折率プロファイルを有する光ファイバを試作した。表１は、当該光ファイバのパラメータを示す。
【表１】
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表１のＮｏ．０は通常のＳＭＦのパラメータを示し、Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．１３は、図１に示すプロファイルを有する本発明の光ファイバのパラメータを示す。Ｎｏ．１４及びＮｏ．１５のように第２コアの外周に第３コアを設けてもよい（図２参照）。
【００１６】
ＳＭＦと比較してすべてのファイバでＳＢＳしきい値が大きくなっている。これらファイバのうち、通常のＳＭＦとＮｏ．２のファイバのストークス光スペクトルをそれぞれ図４及び図５に示す。ＳＭＦは強いピークが一つ存在し、入射パワーをあげていくと最も強いピーク１つが増大し、ＳＢＳしきい値に至る。これに対して、図５ではいくつかのピークがあり、入射パワーをあげていくと、反射光パワーは分散され同時に増大していく。従って、ＳＢＳしきい値の増大が抑えられているといえる。図５のスペクトルはファイバＮｏ．２のものであるが、他のファイバでも同様の現象が観測されている。
【００１７】
光ファイバの非線形性の度合いを示す値として一般に非線形係数γが用いられる。γは以下の式（７）で定められる値である。
【数１】
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（但し、λは光波長、ｎ2は非線形屈折率、そしてＡeffは有効コア断面積を示す。）
【００１８】
式（７）から理解できるように、γは一般的にコア部の最も屈折率が高い部分の非線形屈折率ｎ２と実効コア断面積Ａｅｆｆに依存している。また、γ／ｎ２×Ａｅｆｆ＝２π／λとなり、ほぼ一定の値となる。したがって、Ｎｏ．０のような単峰型プロファイルを持つファイバではコアの屈折率を変化させてもγ/ｎ２×Ａｅｆｆはほぼ一定の値となる。すなわち、非線形性の低減に有効とされるγの低減とＡｅｆｆの拡大はトレードオフの関係があり、いずれかを改善しても非線形性の低減はできない。
【００１９】
しかし、Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．９ファイバでは、Ａｅｆｆの拡大以上にγが小さく抑えられているためγ／ｎ２×Ａｅｆｆの値がすべて単峰型プロファイルを持つファイバよりも小さい値となり、従ってγ／ｎ２×Ａｅｆｆ＜３．６５×１０９を満たしている。γ／ｎ２×Ａｅｆｆ＜３．６５×１０９を満たす光ファイバはＮｏ．０のＳＭＦと比較してγの低減とＡｅｆｆの拡大のトレードオフを解消し、大幅に非線形性の低減ができているといえる。これはコアの中心部の屈折率を周辺部より低減させた凹ガイド型屈折率プロファイルとしたことにより、パワーの集中が回避できたことに起因しているといえる。Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．９ではＳＢＳしきい値の抑圧とγの低減の両方が実現されている。
【００２０】
Ｎｏ．１０乃至Ｎｏ．１３はΔ２、α２を大きくする、あるいはｂを小さくすることでＮｏ．１乃至Ｎｏ．９のファイバと比較してＡｅｆｆが小さくなっている。しかし、ＳＭＦと比較するとＡｅｆｆが小さいにもかかわらず、γ自体の値は通常ＳＭＦと変わらない。これにより、γ／ｎ２×Ａｅｆｆは、Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．９のファイバと同様に低減されている。
【００２１】
一般的にγはファイバへの入力光強度に対する出力光の非線形効果（自己位相変調や相互位相変調）の度合いで調べることができる。このときのγはファイバの持つ屈折率プロファイルと光の電界分布の重なり合わせの平均値と考えることができる。
【００２２】
ところで、屈折率と同様に非線形屈折率（ｎ２）も径方向に分布を持っていることが推定される。これは非線形屈折率も屈折率と同様にドーパントであるＧｅＯ２のドープ量に依存して変化するためである。ここで径方向での非線形屈折率の分布（ｎ２(r)）を考える。ｎ２(r)を実測することは困難であるため、屈折率プロファイルから得られる径方向でのＧｅＯ２のドープ量分布からｎ２(r)を計算した。なおＧｅＯ２のドープ量とｎ２の関係は実験的に知られている。そして計算により得られるコア中心部での値（ｎ２(r=0)）とγおよびＡｅｆｆの実測値から求めたｎ２ａｖを比較した。ここで、実測値から求められるｎ２ａｖは、径方向に平均化された値である。
【００２３】
ｎ２(r=0)＝ｎ２ａｖの関係が成り立つ場合は、式（７）より光ファイバの中心では、
【数２】
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の関係が成り立ち、波長１５５０ｎｍにおいてはγ／ｎ２(r=0)×Ａｅｆｆ＝４．０５×１０９(ｋｍ−１）となる。各ファイバでのγ／ｎ２ａｖ×Ａｅｆｆの実測値を見ると、通常ＳＭＦでは、４．１３×１０９（ｋｍ−１）であることから、ｎ２(r=0)＞ｎ２ａｖである。しかし、Ｎｏ．１からＮｏ．１５においてはｎ２(r=0)＜ｎ２ａｖの関係がある。これらはコアの中心部の屈折率を周辺部より低減させたことで、コア中心部での非線形屈折率が低減されたことに起因しているといえる。
【００２４】
Ｎｏ．１からＮｏ．１５において、ＡｅｆｆとＳＢＳしきい値（THＳＢＳ）との比Ａｅｆｆ／THＳＢＳが１５μｍ２／ｍＷ以下であり、ＳＭＦよりも小さい。これは、Ａｅｆｆの拡大による非線形性の低減効果以上にＳＢＳしきい値の抑圧効果が得られていることを示している。
【００２５】
ラマン利得もＮｏ．１からＮｏ．９においては低減されている。これもコア中心部の屈折率を低減したことに起因した特性変化であり、これにより広い波長域で伝送したときのエネルギー遷移を防止するために有効である。ラマン利得効率（ｇＲ／Ａｅｆｆ）を０．３５（１／Ｗ／ｋｍ）以下とすることで、広帯域伝送を行った場合のＳＲＳ(誘導ラマン散乱)によるノイズ増大を小さくすることができる。これに対してＮｏ．１０乃至Ｎｏ．１３は通常のＳＭＦよりもラマン利得効率（ｇＲ／Ａｅｆｆ）が低減されていない。これはＳＭＦと比較してＡｅｆｆが縮小していることが原因である。
【００２６】
実際にこのファイバを用いたシステムを構築する場合には非線形現象とともにカットオフ波長と曲げ損失が重要な特性である。これらの特性はコアの屈折率および屈折率形状のパラメータαに密接に関連している。１．５５μｍ帯で使用するためにはカットオフ波長は１５２０ｎｍ以下にすることが必要である。カットオフ波長を短波長にシフトさせるためにはΔ２またはα２を小さくすることが有効である。α２がステップ状(α２=∞)であってもカットオフ波長を満たす場合のΔ２が許容可能な最小のΔ２である。Ｎｏ．４ではカットオフ波長が１５３０ｎｍをわずかではあるが超えてしまっているが、Ｎｏ．７は１５３０ｎｍ以下を実現している。また、曲げ損失を犠牲にすることによりΔ２を低減させながらカットオフ波長を短波長にシフトさせることも可能であるが、Ｎｏ．６によるとΔ２が０．３２％ではカットオフ波長を１５２０ｎｍ以下にできても曲げ損失の増大を招いてしまうことがわかる。この結果よりΔ２の最小値は０．３４％であると言える。また、α２を小さくしてもカットオフ波長は長波長側にシフトするが、Ｎｏ．２によるとα２が６であればカットオフ波長と曲げ損失の両方の特性を満たせるが、Ｎｏ．１及びＮｏ．９により、α２が４になるとカットオフ波長と曲げ損失を同時に満たすことはできない。
【００２７】
ＳＢＳの発生を抑制したファイバを１．３μｍ帯にて使用するにはさらにカットオフ波長を１２６０ｎｍ以下にする必要がある。Ｎｏ．１０乃至Ｎｏ．１２のファイバはカットオフ波長が１２６０ｎｍ以下になっており１．３μｍ帯より長波長の全域で使用が可能なＳＢＳ抑圧ファイバである。
【００２８】
表２はΔ１とΔ２の差の効果について調べた結果である。
【表２】
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表２におけるＮｏ．１２は、パラメータの記述が異なっているが表１のＮｏ．１２と同一のファイバである。Δ１とΔ２の差を０．２％以上とすることが効果的である。
【００２９】
さらに、ＳＢＳ抑圧効果はコア中心の屈折率が周囲より低い場合に限らない。Ｎｏ．１８、Ｎｏ．１９はΔ１の内側に屈折率の大きな中心コアを設けたものである（図３参照）。Ｎｏ．１８とＮｏ．１９からわかるようにΔ０−Δ２は０．１％以下とすることがＳＢＳ抑圧効果の点から好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１及び第２コアを有する本願発明の光ファイバのプロファイルを示す図である。
【図２】第１乃至第３コアを有する本願発明の光ファイバのプロファイルを示す図である。
【図３】中心コアと第１及び第２コアを有する本願発明の光ファイバのプロファイルを示す図である。
【図４】通常のＳＭＦのストークス光スペクトルを表す図である。
【図５】表１のＮｏ．２の光ファイバのストークス光スペクトルを表す図である。
【図６】ＳＢＳしきい値の定義（ファイバ透過光及び後方散乱光の入力光強度依存性）を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１  第１コア
１２  第２コア
２１  第１コア
２２  第２コア
２３  第３コア
３１  第１コア
３２  第２コア
３３  中心コア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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