(57)【要約】信号増幅用光ファイバは少なくとも１５重量％のリン及び光信号の増幅を与えるに十分な希土類イオンがドープされたコアを有する。ファイバは、コアを囲む、内周部と外周部を有するクラッド層も有する。クラッド層の内周部の屈折率はコア領域の外半径における屈折率より小さい。この陥没内部クラッド領域が、選択される波長範囲内の電磁波を実質的にコアだけに閉じ込めるに役立つ。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号増幅用光ファイバにおいて、
中心軸及び外周縁を有するコアであって、少なくとも１５重量％のリンがドープされており、少なくとも１種の希土類イオンが光信号増幅を与えるに十分なレベルまでドープされているコアと、
前記中心軸と同一直線上の軸、内周部及び外周部を有する、前記コアを囲むクラッド層であって、
前記内周部が前記コアの前記外周縁に隣接し、
前記内周部の屈折率が前記コアの前記外周縁における屈折率より小さく、前記コアの前記外周縁と前記クラッド層の間の屈折率差が、選ばれる波長範囲内の電磁波を実質的にコアだけに閉じ込めるに十分である、
クラッド層と、
を有することを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記コア内の前記リンドーパントが少なくとも２０重量％であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記少なくとも１種の希土類イオンがエルビウム及びイッテルビウムからなる群から選ばれていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記コア内に０.２重量％から０.４重量％のＥｒ２Ｏ３を含有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記クラッド層の前記外周部が前記内周部の屈折率より大きい屈折率を有していることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記選ばれる波長範囲が約１５６０ｎｍから約１６４０ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記クラッド層の前記内周部が内半径ｒ１及び外半径ｒ２を有し、その差ｒ２−ｒ１が２ｒ１から５ｒ１の範囲にあることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記コアが２μｍから６μｍの範囲にある外半径ｒ１を有していることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光ファイバ。
【請求項９】
前記クラッド層の前記内周部の屈折率が１.４３０から１.４４４未満の範囲にあることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光ファイバ。
【請求項１０】
前記クラッド層が少なくとも１つのドーパントを含み、前記少なくとも１つのドーパントがホウ素及びフッ素からなる群から選ばれる少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の光ファイバ。
【請求項１１】
前記コアの屈折率が前記中心軸に沿って最も小さく、前記中心軸の近傍では前記中心軸からの径方向距離とともに大きくなり、前記コア内のリン濃度が前記中心軸に沿って最も低く、前記中心軸の近傍では前記中心軸からの径方向距離とともに高くなることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１２】
前記光ファイバが少なくとも２０ｄＢ/ｍの吸収を有していることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には光ファイバの分野に関し、さらに詳しくは、リン及び希土類ドープファイバの屈折率プロファイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
イッテルビウム（Ｙｂ）またはエルビウム（Ｅｒ）がドープされたファイバなどの希土類ドープファイバは、光増幅器用の利得媒体として広く用いられている。例えば、通信波長帯の大部分はＥｒ利得波長によって決まる。指数関数的に高まる帯域幅拡張への要求により、帯域幅拡張を求める強い要求を満たすためには、全Ｅｒ帯の使用が、費用効果の高い急務のアプローチであると見なされてきた。
【０００３】
リンドープＥｒ（Ｐ-Ｓｉ Ｅｒ）ファイバによるファイバの増幅帯域の１６２０ｎｍまでの拡張が実証されている。これは、例えば非特許文献１に示されている。５価のリン（Ｐ）イオンが、ＥｒのＦ殻電子と相互作用し、Ｅｒの励起状態吸収確率を減少させ、その結果として利得帯域を１６２０ｎｍのような長波長に広げる局所結晶場をつくる。Ｐ-Ｓｉ Ｅｒファイバにおいて、Ｐ２Ｏ５は長波長での利得に寄与するだけでなく、コアの屈折率に影響することにより、ファイバに必要な導波路特性も与える。しかし、Ｐ２Ｏ５の高蒸気圧は、Ｐ-Ｓｉプロファイルに、低屈折率（＜１％）及び中心線バーンアウトという２つの制限を課す。
【０００４】
標準の修正化学気相成長（ＭＣＶＤ）プロセスを用いて作成されたＰ-Ｓｉ Ｅｒファイバは当業界で周知である。このプロセスでは、気相形態のドーパントがシリカチューブの一端に流し込まれる。次いで、チューブを加熱して、この化学物質を高温にし、“スート”として知られる小ガラス粒子を形成する反応を生じさせ、スートをチューブの内表面上に堆積させる。粒子を焼結してファイバのコア及びクラッドに対応するガラス層を形成するために、チューブが加熱される。このスート堆積及び焼結のプロセスは所望のガラス材料が形成されるまで反復される。次いで、減熱条件の下でチューブが収縮状態となり、光ファイバを線引きすることができるガラスロッドが形成される。
【０００５】
残念なことに、ＭＣＶＤの収縮段階の間に、クラッド層への過剰なリンの拡散及びチューブの内表面からのリンのかなりの蒸発がおこる。この結果、コアの中心に沿うリン濃度のかなり大きなディップ（“中心線ディップ”）が生じる。コア中心のリン濃度が低くなると、コアの中心線に沿う屈折率にかなりのディップが生じる。この中心線ディップにより、コアにおけるモード閉じ込めが弱くなり、したがってＥｒイオンとポンピング光パワーの間のオーバーラップが小さくなり得る。
【０００６】
上記の問題を解決しようとして開発された方法の１つが、ＭＣＶＤプロセスにおける部分収縮工程である。非特許文献２を参照されたい。しかし、これは完全な解決策ではなく、中心線ディップの激しさがわずかに弱められているに過ぎないファイバが得られるだけである。
【非特許文献１】カクイ（Kakui）等，「共ドーパントとしてリン／アルミナを含有するシリカベースエルビウムドープファイバの１.５８μｍ周りの光増幅特性（Optical Amplification Characteristics around 1.58 μm of Silica-Based Erbium-Doped Fibers Containing Phosphorous/Alumina as Codopants）」
【非特許文献２】アール・エイ・ベッツ（R. A. Betts）等，「リンが共ドープされた希土類ドープ光ファイバに基づく光増幅器（Optical Amplifiers Based On Phosphorous Co-doped Rae-earth-doped Optical Fibers）」，International Journal of Optoelectronics，第６巻，第１/２号，ｐ.４７-６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、光増幅に用いられるリン及び希土類ドープファイバに対して、屈折率の中心線ディップを補償できるファイバ構造を提供することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
光増幅のための従来のリン及び希土類ドープファイバの上記及びその他の欠点及び限界は、陥没内部クラッドをもつファイバが提供される例示的実施形態にしたがって克服される。中心線ディップを取り除く代わりに、陥没内部クラッドが中心線ディップを補償する。
【０００９】
本発明の一実施形態にしたがえば、信号増幅のための光ファイバは、中心軸を有する、少なくとも１５重量％のリン及び、光信号を増幅させるに十分な、少なくとも１種の希土類イオンがドープされたコアを有する。本光ファイバは、コアの中心軸と同一直線上にある軸を有する、コアを囲むクラッド層も有する。本クラッド層はコアの外周縁に隣接する内周部と、外周部とを有する。内周部は、好ましくは２μｍから６μｍの範囲にある内半径ｒ１と、外半径ｒ２とを有し、外半径ｒ２と内半径ｒ１の差は２ｒ１から５ｒ１の範囲にあることが好ましい。内周部の屈折率は、コアの外周縁における屈折率とクラッド層の屈折率の差が選択される波長範囲内の電磁場を実質的にコアだけに閉じ込めるに十分であるように、コアの外周縁における屈折率より小さい。外周部は内周部の屈折率より大きい屈折率を有することが好ましい。コア内のリンドーパントは少なくとも２０重量％であることも好ましい。
【００１０】
本実施形態の好ましい態様において、クラッド層の内周部の１５５０ｎｍにおける屈折率は１.４３０から１.４４４未満までの範囲にある。内周部の屈折率は１.４４０と１.４４２の間にあることがさらに好ましい。内周部の屈折率は約１.４４１であることが最も好ましい。
【００１１】
本実施形態の別の好ましい態様において、少なくとも１種の希土類イオンにはエルビウムがあり、コア内に０.２から０.４重量％のＥｒ２Ｏ３を含有することが好ましい。少なくとも１種の希土類イオンにはイッテルビウムもあり得る。コアの屈折率が中心軸に沿って最も小さく、中心軸近傍では中心軸からの径方向距離とともに大きくなることも好ましい。コア内のリン濃度が中心軸に沿って最も低く、中心軸近傍では中心軸からの径方向距離とともに高くなることも好ましい。
【００１２】
本実施形態の別の好ましい態様において、選択される波長範囲は約１５６０ｎｍから約１６４０ｎｍとすることができる。
【００１３】
本発明の別の実施形態にしたがえば、光ファイバは中心軸を有し、屈折率が中心軸に沿って最も小さく、中心軸近傍では中心軸からの径方向距離とともに大きくなる、希土類イオンドープコアを有する。本光ファイバは、また、中心軸と同一直線上の軸を有するクラッド層も有し、クラッド層は、コアの外周縁に隣接し、コアの外周縁における屈折率より小さい屈折率を有する内周部を有し、ここでコアの外周縁とクラッド層の屈折率の差は、選択される波長範囲内の電磁場を実質的にコアだけに閉じ込めるに十分である。クラッド層は少なくとも１つの外周部も有する。クラッド層の外周部はクラッド層の内周部の屈折率より大きい屈折率を有することが好ましい。本光ファイバは波長１５５０ｎｍにおいて７μｍより小さいモードフィールド径も有する。選択される波長範囲は１５６０ｎｍから１６４０ｎｍであることが好ましい。
【００１４】
本発明の別の実施形態にしたがえば、光ファイバは、中心軸をもつ、光増幅を与えるに十分なレベルまでリン及びエルビウムがドープされたコアを有し、コアの屈折率は中心軸に沿って最も小さく、中心軸近傍では中心軸からの径方向距離とともに大きくなり、コア内のリン濃度は中心軸近傍では中心軸からの径方向距離とともに高くなる。コアは２μｍから６μｍの範囲にある外半径を有する。本光ファイバは、中心軸と同一直線上の軸を有し、コアの外周縁に隣接する内周部及び少なくとも１つの外周部を有するクラッド層を有し、クラッド層の内周部の屈折率はコアの外周縁における屈折率より小さく、クラッド層の内周部は１５６０ｎｍから１６４０ｎｍの波長範囲内の電磁場を実質的にコアだけに閉じ込めるに十分である。内周部は内半径ｒ１及び外半径ｒ２を有し、その差ｒ２−ｒ１は２ｒ１から５ｒ１の範囲にあり、クラッド層はホウ素及びフッ素からなる群から選ばれる少なくとも１つのドーパントを含む。本光ファイバは少なくとも２０ｄＢ/ｍの吸収を有することが好ましい。本光ファイバは波長１５５０ｎｍにおいて７μｍ以下のモードフィールド径を有することも好ましい。
【００１５】
本発明のその他の利点及び新規性は、当業者には以下の詳細な説明及び添付図面から明らかになるであろう。さらに、上記の概要及び以下の説明は特許請求される本発明の例証に過ぎず、本発明を限定するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本明細書に組み入れられる添付図面は本明細書の一部をなし、既述とともに本発明の実施形態を示し、さらに本発明の原理を説明し、及び当業者による本発明を作製して使用できるようにする役割を担うものである。
【００１７】
本発明は全般的には光ファイバの分野に関し、特に、リン及び（エルビウムまたはイッテルビウムのような）希土類がドープされたファイバの屈折率プロファイルに関する。本発明の光ファイバはコア及びクラッド層を有する。クラッド層は内周部及び外周部を備える。クラッドの内周部は陥没している。すなわち、内周部は、ファイバのコアの実効屈折率を高める、外周部に対して低められた屈折率を有する。高められた実効屈折率は光学モードを実質的にコアに閉じ込めるように作用する。すなわち、陥没クラッドにより中心線ディップを補償できる。
【００１８】
図１は本発明の一実施形態にしたがう光ファイバ１００の断面を示す。ファイバ１００はコア１０及びクラッド層５０を有する。クラッド層は内半径がｒ１の内周部３０及び内半径がｒ２の外周部４０からなる。内周部３０の内半径は当然、コア１０の外半径である。コア１０は標準のシリカベースコアとすることができる。
【００１９】
コア１０にはイッテルビウムまたはエルビウムのような希土類イオンまたはイオンの組み合せ及びリンがドープされる。コア内の１種または複数種の希土類イオンの濃度は、ファイバを増幅器用の利得媒体として作用できるように、十分な濃度であるべきである。例えば、コア１０は０.２から０.４重量％のＥｒ２Ｏ３及び少なくとも２０重量％のＰ２Ｏ５を含有し得る。クラッド層５０において、外周部４０の屈折率は内周部３０の屈折率より大きく、このことは図２から分かる。クラッド層５０の所望の屈折率プロファイルは、本開示を読めば当業者に明らかとなるように、フッ素及びホウ素のドーピングによって実現できる。
【００２０】
ファイバは屈折率に中心線ディップを有するファイバコアを生じるプロセスを用いて作成される。例えば、ファイバはＭＣＶＤプロセスを用いて作成することもできる。代表的なＭＣＶＤプロセスの詳細は、その全体が本明細書に参照として含まれる、米国特許第４２５７７９７号明細書に概説されている。ＭＣＶＤ製造プロセスによれば、リンの濃度が中心線に沿って低く、中心線近傍では中心線からの径方向距離とともに高くなる。すなわち、中心線ディップがある。屈折率はリン濃度に依存するから、コア１０の屈折率は中心線２０において小さく、中心線近傍では、中心線からの径方向距離とともに大きくなる。中心線ディップ現象はファイバ製造プロセスのアーティファクトである。
【００２１】
図２は、半径の関数としての、光ファイバ１００の屈折率の一例を示す。言い換えれば、図２は屈折率プロファイルを示す。図２に示されるプロファイルは、中心線ディップ及びクラッド層５０の陥没内周部３０のいずれをも有する。
【００２２】
中心線ディップは図２に非常にはっきりと示されており、中心線に沿う相対屈折率はほぼ１.４４４であり、径方向距離約３μｍにおいてほぼ１.４５まで急上昇している。当然、プロファイルはこれらの特定のパラメータに限定されず、中心線ディップを与える別のパラメータを有することができる。図２の実施形態におけるコア１０の最小相対屈折率は約１.４４２であり、クラッド層５０の内周部３０と一致する。
【００２３】
陥没内周部３０は中心線ディップを補償する点で有益である。内周部３０の屈折率の陥没はコア１０の実効屈折率を高めるようにはたらき、したがって所望の波長範囲内の伝搬電磁場のコア領域への閉じ込めを強める。すなわち、光学モードを実質的にコアだけに閉じ込めることができ、コアの寸法をより広い波長範囲にわたる高いＥｒ吸収及び光利得を可能にするに十分に小さくすることができる。例えば、十分な利得を達成できる、所望の波長範囲を約１５６０ｎｍから約１６２５ｎｍとすることができる。
【００２４】
この例示的実施形態において、内周部３０は約５μｍから約２５μｍの範囲にあり、外周部４０が続く。コア１０の外半径ｒ１は２μｍから６μｍの範囲に入ることができる。内周部３０及び外周部４０のそれぞれの内半径ｒ１及びｒ２、ならびに領域の特定の屈折率は、ファイバの特定の用途によって異なる。例えば、ｒ１とｒ２の間の差は２ｒ１から５ｒ１の範囲内であってもよい。
【００２５】
クラッド層５０の内周部３０の屈折率は１.４３０から１.４４４の範囲内にあることが好ましい。例えば、内周部３０の屈折率は約１.４４１であってもよい。
【００２６】
図３はモードフィールド径（ＭＦＤ）を、クラッド層の内周部３０の４つの異なる屈折率について、スケーリング因子の関数として示す。スケーリング因子はコアの外半径ｒ１に正比例する。プロットされている曲線は、本明細書に記載されている技術の当業者には明らかであろうように、与えられた屈折率に適するモードフィールド径を選ぶことにより最適コア半径ｒ１を求めることができることを示す。
【００２７】
図４は陥没クラッドをもつファイバの光パワー分布を示す。積分光パワーが半径の関数として示される。モードフィールド径は、光強度Ｉが少なくともＩ最大/ｅ２である、直径である。例えば、環状凹所のない屈折率プロファイルでは、光パワーの６８％がコア内に存続し、６０.２３５％の環状凹所が付加された屈折率プロファイルでは、光パワー閉じ込めが７７％まで強められる。さらに詳しくは、図４は陥没内部クラッドをもつファイバのパワープロファイルを示す。本図に示されるように、モードフィールド径ＭＦＤはほぼ７μｍである。
【００２８】
当業者には理解されるであろうように、陥没内周部をリンドープコアとともに使用すれば、ファイバのモードフィールド径をほぼ７μｍまで縮小させることができ、したがって、コア内のモードの強度を高め、拡張された利得能力、高パワー効率及び低雑音を有する増幅用光ファイバを得ることができる。
【００２９】
本明細書で説明されるように、このファイバの屈折率プロファイルはコアへのリンドープにより決定されることが好ましいが、別の実施形態では、例えばＧｅまたはＢをドーパントとして含むことができよう。
【００３０】
本発明の光ファイバは改変ＭＣＶＤプロセスを用いて作成することができる。ここで具体的な例を説明する。シリカチューブをＭＣＶＤ旋盤に取り付ける。次いで、シリカと同じ屈折率をもつガラス層を堆積及び焼結によりチューブ内部に形成する。陥没屈折率をもつガラス層を堆積及び焼結により初めのガラス層の上に形成する。
【００３１】
Ｐ-Ｓｉ層を陥没屈折率層の上に堆積し、焼結する。シリカスート層をＰ-Ｓｉ層の上に堆積し、チューブをＭＣＶＤ旋盤から取り外して、垂直に置く。所望の全てのドーパント、例えばＰ，Ｅｒ，Ｙｂ及びＡｌを含有する、前もって作成しておいた溶液を底からチューブを通して流し、スート層をほぼ１５分から３０分間溶液に浸す。溶液をチューブから流し出し、チューブをほぼ３０分間空気乾燥した後、チューブを旋盤に再び取り付ける。Ｃｌ２/ＰＯＣｌ３ガスをチューブ内部に流し、チューブを約８００℃でほぼ１時間以上乾燥する。
【００３２】
化学乾燥後、今はドープされているスート層を焼結し、チューブを収縮させてガラスロッド（プリフォーム）にする。この収縮段階は、３回の前進収縮工程及び１回の後進収縮工程を含む。収縮段階中のチューブ温度を理想的には約２２００℃と２３００℃の間に維持する。最後に、プリフォームにオーバークラッドを付け、線引きしてファイバにする。
【００３３】
上記は本発明の好ましい実施形態の十全な開示を提供するが、本発明の範囲を逸脱することなく様々な改変、別の構成及び等価物を用いることができる。したがって、上記説明及び図面は本発明の範囲を限定すると解されるべきではなく、本発明の範囲は添付される特許請求の範囲で定められる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態にしたがうファイバの断面を示す
【図２】本発明の別の実施形態にしたがうファイバの屈折率プロファイルのグラフを示す
【図３】波長１５５０ｎｍにおける内部クラッドの屈折率とファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）との関係を示す。本図は内部クラッドの屈折率が小さくなるほど最小ＭＦＤが小さくなることを示す
【図４】本発明の別の実施形態にしたがうファイバのパワープロファイルのグラフを示す
【符号の説明】
【００３５】
１０    コア
２０    中心線
３０    内周部
４０    外周部
５０    クラッド層
１００    光ファイバ
【図１】
2005516408.tif 000003
【図２】
2005516408.tif 000004
【図３】
2005516408.tif 000005
【図４】
2005516408.tif 000006
【国際調査報告】
2005516408.tif 000007
2005516408.tif 000008