(57)【要約】【課題】高い非線形定数と低い伝送損失を併せ有する光ファイバを提供すること。【解決手段】石英ガラスを主成分とするコアと、前記コアの外周に設けられ、屈折率が前記コアより低く、かつ軟化温度が前記コアより高い、石英ガラスを主成分とするクラッドとを具備する光ファイバにおいて、非線形定数ｎ２／Ａｅｆｆが２０×１０−１０Ｗ−１以上であり、波長１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であり、前記クラッドの外径が７０〜１１０μｍであることを特徴とする。【選択図】　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラスを主成分とするコアと、前記コアの外周に設けられ、屈折率が前記コアより低く、かつ軟化温度が前記コアより高い、石英ガラスを主成分とするクラッドとを具備する光ファイバにおいて、非線形定数ｎ２／Ａｅｆｆが２０×１０−１０Ｗ−１以上であり、波長１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であり、前記クラッドの外径が７０〜１１０μｍであることを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
カットオフ波長が１３５０ｎｍ以下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】
波長１５５０ｎｍおける波長分散スロープが０．０１９ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
波長１５５０ｎｍにおける光ファイア長手方向の波長分散の変動幅が３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記コアは酸化ゲルマニウムを含む石英ガラスからなり、前記クラッドに対する前記コアの比屈折率差が１．５％以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記クラッドに対する前記コアの比屈折率差が２．５％以上であることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記コアと前記クラッドの間に内層クラッドを設け、前記クラッドは純シリカガラス若しくは純シリカに近い屈折率を有するシリカ系ガラスからなり、前記クラッドの外径が７０〜１１０μｍであり、前記クラッドに対する前記内層クラッドの比屈折率差が−１．２〜−０．４％であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記内層クラッドに対する前記コアの比屈折率差が３％以上であることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ。
【請求項９】
前記コアの外径をＤ１とし、前記内層クラッドの外径をＤ２としたとき、Ｄ１／Ｄ２が０．３〜０．７であることを特徴とする請求項７または８に記載の光ファイバ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の光ファイバの一端または両端に、クラッド外径１２０〜１３０μｍのシングルモードファイバ、クラッド外径１２０〜１３０μｍの分散シフトファイバ、またはＡｅｆｆが２０μｍ２以上の石英系光フィアバが、前記請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバの中心と、前記シングルモードファイバ若しくは前記分散シフトファイバの中心とが一致するように融着され、かつ当該融着部に加熱処理が施されていることを特徴とする光ファイバ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のファイバが最大径２０ｃｍ以下に巻かれて収容されていることを特徴とする光信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバに係り、特に石英ガラスを主成分とし、非線形定数が大きく、かつ１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が小さな高非線形性光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号の波長変換等の信号処理は、従来、光信号を電気信号に変換し、この電気信号を処理した後、再び光信号に変換する方式により行われている。近年、光信号処理の高速化が望まれているが、光信号処理の高速化には光信号を電気信号に変換せずに処理する全光信号処理が有効である。なかでも近年、全光信号処理として、光ファイバ中での非線形現象を利用した波長変換やパルス圧縮、波形整形等の光信号処理が報告されている。
【０００３】
これらの光ファイア中の非線形現象を利用した光信号処理は、光信号のままで信号処理することが可能であるため、従来の電気信号にいったん変換する方式に比較して高速な処理が可能となる。この光ファイバ中の非線形現象を利用した光信号処理を効率良く行うには、光ファイバとして非線形現象を大きく起こしうる光ファイバが必要となる。
【０００４】
非線形現象を大きく起こしうる光ファイバは、光ファイバの非線形定数を大きくすることにより得られる。非線形定数を大きくすることは、光ファイバ構成材料として非線形屈折率の高い材料を使用すること、あるいは光ファイバのモードフィールドを小さくすることにより可能である。
【０００５】
石英ガラスを主成分とする光ファイバの基本的な構造は、ゲルマニウムのドープにより屈折率の高められたシリカガラスからなるコアと、コアの外周に設けられた、コアより屈折率の低いシリカガラスからなるクラッドとから構成される。
【０００６】
シリカガラスにドープするゲルマニウムの量を多くするほど、シリカガラスの非線形屈折率が高くなるとともに、屈折率も高くなる。また、コアとクラッドの屈折率差を大きくすることにより、モードフィールド径を小さくすることができる。従って、コアにゲルマニウムを高ドープすることにより、コアの非線形屈折率が高まるとともにに、モードフィード径を小さくすることができるので、高い非線形定数を有する光ファイバが得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コアにゲルマニウムを高ドープしてその非線形屈折率を高め、かつモードフィード径を小さくすることにより、非線形定数の高い光ファイバを得ようとすると、光ファイバの伝送損失が顕著に高くなるという問題が生じる。一般に、ガラスにゲルマニウムをドープすると、波長１５５０ｎｍ帯でのガラスの伝送損失は大きくなるが、ガラスをファイバとしたときの伝送損失の増加は、それより顕著である。
【０００８】
光ファイバの伝送損失が高くなると、非線形定数が高くても、大きい伝送損失のために、非線形現象の発現効率が悪くなる。このことは次式（１）、（２）により説明される。
【０００９】
非線形性を示すパラメータである自己位相変調における非線形性位相ずれΦＮＬは下記式（１）により示される。
【００１０】
ΦＮＬ＝（２π／λ）・（ｎ２／Ａｅｆｆ）・Ｉ・Ｌｅｆｆ　　　　　　（１）
式中、ｎ２は光ファイバの非線形屈折率、Ａｅｆｆは光ファイバの実効断面積、Ｉは光の強度、Ｌｅｆｆは光ファイバの実効長である。
上記式において、ｎ２／Ａｅｆｆが非線形定数である。
【００１１】
また、実効長Ｌｅｆｆは、次式（２）により示される。
【００１２】
Ｌｅｆｆ＝［１−ｅｘｐ（−αＬ）］／α　　　　　　　　　　　　　（２）
式中、Ｌはファイバ長、αは光ファイバの伝送損失である。
【００１３】
上記式（１），（２）より、光ファイバの伝送損失が大きくなると、光ファイバの実効長が短くなり、非線形性位相ずれも小さくなることがわかる。
【００１４】
従って、光ファイバ中での非線形現象を利用した光信号処理に使用される光ファイバとしては、高い非線形定数を有するとともに、伝送損失が低いことが必要である。しかし、このように、高い非線形定数を有するとともに、伝送損失が低い光ファイバは、未だ見出されていない。
【００１５】
本発明は、上記事情の下になされ、高い非線形定数と低い伝送損失を併せ有する光ファイバを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、石英ガラスを主成分とするコアと、前記コアの外周に設けられ、屈折率が前記コアより低く、かつ軟化温度が前記コアより高い、石英ガラスを主成分とするクラッドとを具備する光ファイバにおいて、非線形定数ｎ２／Ａｅｆｆが２０×１０−１０Ｗ−１以上であり、波長１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であり、前記クラッドの外径が７０〜１１０μｍであることを特徴とする光ファイバを提供する。
【００１７】
以上のように構成される本発明の光ファイバでは、非線形定数ｎ２／Ａｅｆｆが２０×１０−１０Ｗ−１以上であることにより、高い非線形性が得られ、効率の良い非線形現象を利用した光信号処理が可能となる。好ましくは、非線形定数ｎ２／Ａｅｆｆは、４０×１０−１０Ｗ−１以上であることがよい。
【００１８】
また、１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることにより、非線形現象を利用した波長変換、及び光２Ｒ、光３Ｒ等の波形整形に好適に使用することができる。好ましくは、１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値は、２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であるのがよい。
【００１９】
更に、曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であることにより、コンパクトに巻くことが可能である。好ましくは、曲げ損失は０．０５ｄＢ／ｍ以下であるのがよい。
【００２０】
そして、クラッド外径が７０〜１１０μｍであることにより、低伝送損失化を図ることが出来る。
【００２１】
クラッド外径が１１０μｍを超えると、伝送損失が大きくなり、一方、７０μｍを下まわると、光ファイバの強度が低下し、信頼性が低下するとともに、伝送損失も再び大きくなり、好ましくない。
【００２２】
なお、クラッド外径１２５μｍの光ファイバが広く使用されているが、ゲルマニウムをコアに高濃度にドープして非線形定数を２０×１０−１０Ｗ−１以上とするとともに、１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値を２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下としたときに、クラッド外径が１２５μｍの光ファイバでは、伝送損失が高くなってしまう。これに対し、例えばクラッド外径を９０μｍ程度に小さくすると、非線形定数の大きさを損うことなく、伝送送損失を小さくすることが可能であることがわかった。本発明は、このような知見の下になされたものである。
【００２３】
このように、コアにゲルマニウムを高濃度にドープし、かつ１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値を２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下とし、クラッド径を１２５μｍから９０μｍに小さくすることにより、伝送損失が下がるメカニズムは、明確には理解されていないが、恐らく、次のような現象が生じているためと推測される。
【００２４】
即ち、シリカガラスにゲルマニウムをドープすればするるほど屈折率が高くなるとともに、シリカガラスの軟化温度は低下する。このため、ゲルマニウムを高濃度にドープしてコアの屈折率を非常に高くした高非線形性光ファイバでは、通常の伝送路用ファイバの場合に比較して、コアの軟化温度が純シリカガラスからなるクラッドの軟化温度よりもかなり低くなる。
【００２５】
ところで、光ファイバは、目的のファイバと同じ断面屈折率分布構造を有する大口径のガラス母材を合成し、これを加熱溶融して線引きし、所定の外径に引き落とすことにより製造される。この線引きの工程において、まずガラス母材の軟化、次いでガラス母材外径のフイバ径までの縮径、そしてファイバ径での冷却固化の各工程をたどる。
【００２６】
ガラス母材を軟化させる際、クラッドを軟化させる程の高温度とするため、ゲルマニウムが高濃度にドープされて軟化温度が低くされたコアは、必要以上に高い温度に曝されることになり、この高温と線引き時の張力とにより、コアに欠陥が生じ、これが伝送損失を高くするものと考えられる。これに対し、クラッド外径を小さくすることにより、クラッドの厚さが薄くなってコアが早く冷却されるようになり、コアが高温に曝される時間が短くなるため、欠陥が減少し、伝送損失が低減するものと考えられる。
【００２７】
また、冷却固化工程を考えると、ゲルマニウムが高濃度にドープされて軟化温度が低くされたコアより先に軟化温度の高いシリカガラスからなるクラッドがまず固化し、次いでコアが固化することになる。そのため、コアとクラッドの両者の間に大きな歪が生じ、これが伝送損失の増加の原因となることが推察される。
【００２８】
特に、高非線形性を得るため、コアにゲルマニウムを高濃度にドープしたときは、この作用により伝送損失が大きくなるものと考えられる。ここで、クラッドの外径を小さくすると、クラッドの厚さが薄くなって、クラッドに対するコアの冷却が、クラッド径が大きいときに比べて相対的に早くなり、コアとクラッドの固化する時間差が小さくなるものと考えられる。また、クラッドの体積を少なくしたことにより、冷却時のクラッドの総体積変化が小さくなるものと考えられる。このため、コアとクラッド間の歪量が減少し、伝送損失が低減されるものと考えられる。
【００２９】
なお、コアの屈折率を高くし、かつ１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値を２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下とし、更に曲げ損失を０．１ｄＢ／ｍ以下とした本発明の光ファイバは、コアの屈折率を高くし、かつ１５５０ｎｍにおける波長分散を−６０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下と負に大きくした分散補償ファイバ（ＤＣＦ）と比較して、光強度の分布がコア内に集中するという特徴を有する。このため、本発明の対象とする高非線形性光ファイバでは、分散補償フィアバに比較して、ゲルマニウムがドープされたコアに生ずる欠陥等のコアの影響が大きく、その低減により伝送損失の向上が大きいものと考えられる。
【００３０】
本発明に係る光ファイバは、屈折率を高める作用と同時に軟化温度を下げる作用を併せ有するドーパンドがコアに高濃度にドープされたシリカ系ガラスにより構成することにより、非線形定数が大きく、かつ１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値が２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の光ファイバとされている。このようなドーパンドとしては、特に、ゲルマニウムが好ましい。
【００３１】
また、本発明に係る光ファイバのカットオフ波長は、１３５０ｎｍ以下であることが好ましい。カットオフ波長が１３５０ｎｍ以下であることにより、Ｓバンド、Ｃバンドを含めた広い帯域に対して使用可能となる。
【００３２】
更に、本発明に係る光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける波長分散スロープが０．０１９ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ以下であることが好ましい。波長分散スロープが０．０１９ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ以下であることにより、波長１５５０ｎｍ帯で波長分散の値の変化の小さいファイバを提供することが可能となり、広い帯域にて良好な非線形現象を利用した光信号処理が可能となる。
【００３３】
波長１５５０ｎｍにおける光ファイア長手方向の波長分散の変動幅は３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることが好ましい。光ファイア長手方向の波長分散の変動幅が３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることにより、非線形現象を利用した光信号処理を良好に行うことが可能となる。
【００３４】
また、高い非線形性定数を得ることと、クラッド径を特定範囲として低損失化することをバランスよく達成するために、クラッドに対すコアの比屈折率差は１．５％以上であることが好ましい。更に好ましくは、クラッドに対するコアの比屈折率差は２．５％以上であるのがよい。
【００３５】
このように、クラッドに対するコアの比屈折率差を２．５％以上とすることにより、１３５０ｎｍ以下の短いカットオフ波長と、２０×１０−１０Ｗ−１以上の高い非線形定数と、０．０１９ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ以下の波長分散スロープをが同時に得ることが出来るので、特に好ましい。
【００３６】
また、本発明に係る光ファイバにおいて、クラッドは単一の屈折率からなる層であっても良いし、屈折率の異なる複数の層から構成されてもよい。ただし、最外層のクラッドの外径は７０〜１１０μｍであることが必要である。
【００３７】
特に、コアとクラッドの間に内層クラッドを設け、クラッドを純シリカガラス若しくは純シリカに近い屈折率を有するシリカ系ガラスとし、クラッドの外径を７０〜１１０μｍとし、クラッドに対する内層クラッドの比屈折率差を−０．４〜−１．２％とすることにより、非線形定数が大きく、かつ分散スロープが小さい光ファイバを得ることが出来る。
【００３８】
この場合、クラッドに対するコアの比屈折率差は、３％以上であるのが好ましい。
また、内層クラッドの外径をＤ２、コア外径をＤ１としたとき、Ｄ１／Ｄ２を０．３〜０．７とすることにより、更に分散スロープの小さな高非線形性の光ファイバを得ることが可能である。
【００３９】
以上で説明した本発明に係る高非線形性光ファイバの一端若しくは両端に、外径１２０〜１３０μｍのシングルモードファイバ若しくは分散シフトファイバを融着し、かつ当該融着部に加熱処理を施した光ファイバとしてもよい。
【００４０】
クラッド外径を７０〜１１０μｍとすると、他のファイバとの現場での接続が困難となるとともに、接続損失が大きくなるが、本発明に係る高非線形性光ファイバに、予め外径１２０〜１３０μｍのシングルモードフィアバあるいは分散シフトファイバをそれぞれの中心を合わせて融着し、融着部を加熱処理することにより、他のファイバとの現場での接続が容易な光ファイバとすることが出来る。
【００４１】
本発明に係る高非線形ファイバと、融着する外径１２０〜１３０μｍの光ファイバとは、それぞれの中心を合わせることが好ましい。それぞれのファイバの中心を合わせることにより、接続損失を低くすることが出来る。また、融着した後、融着部を加熱処理をすることが好ましい。融着後に加熱処理することにより、接続部のコアのドーパントが拡散し、モードフィールド径が拡大することにより、融着部の接続損失を小さくすることが出来る。
【００４２】
また、本発明に係る光ファイバでは、クラッド径を７０〜１１０μｍとしたため、樹脂被覆を含めた外径を小さくすることが出来、コイル状にコンパクトに巻くことが可能である。本発明に係る光ファイバを最大巻き径２０ｃｍ以下、好ましくは１８ｃｍ以下に巻き、収容した、例えば光２Ｒ用、光３Ｒ用、波長変換用のサブシステム装置は、高い非線形現象を利用した光信号処理が可能であると同時に、コンパクトであるという利点を併せ有している。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態としての種々の実施例を示す。
【００４４】
実施例１
まず、ゲルマニウムをドープして純シリカに対する比屈折率差を２．８％に調整したシリカガラスからなるコア材を用意した。このコア材の外周上に、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）ガスを酸水素火炎分解してスートを堆積させて多孔質体を形成し、次いでこれをＣｌ２を含むＨｅ中で加熱して脱水し、更にＦＳｉ４とＨｅを含む雰囲気下で加熱し、透明ガラス化することにより、フッ素をドープしたシリカガラスからなる内側クラッド層を設けた。
【００４５】
次に、この内側クラッド層の外周上に、ＳｉＣｌ４ガスを酸水素火炎分解してスートを堆積させて多孔質体を形成し、次いで、これをＣｌ２を含むＨｅ中で加熱して脱水し、更に、Ｈｅを含む雰囲気下で透明ガラス化し、純シリカからなるクラッドを形成した。
【００４６】
このようにして、純シリカに対する相対屈折率が２．８％のコアの外周に、純シリカに対する相対屈折率が−０．５５％の、フッ素をドープした内側クラッドと、さらにその外周に純シリカからなるクラッドを有する構造の光ファイバ母材を得た。
【００４７】
得られた母材を、線引き炉により線引きし、外側クラッドの外径が９０μｍの光ファイバを得た。得られた光ファイバの特性を下記表１に示す。
【００４８】
実施例２
外側クラッドの外径を８０μｍとしたことを除き、実施例１と同様にして、実施例１と同一の構造の光ファイバを作成した。
【００４９】
実施例３
外側クラッドの外径を１００μｍとしたことを除き、実施例１と同様にして、実施例１と同一の構造の光ファイバを作成した。
【００５０】
比較例１
外側クラッドの外径を１２５μｍとしたことを除き、実施例１と同様にして、実施例１と同一の構造の光ファイバを作成した。
【００５１】
比較例２
外側クラッドの外径を１２０μｍとしたことを除き、実施例１と同様にして、実施例１と同一の構造の光ファイバを作成した。
【００５２】
比較例３
外側クラッドの外径を１３０μｍとしたことを除き、実施例１と同様にして、実施例１と同一の構造の光ファイバを作成した。
【００５３】
なお、実施例２、３、比較例１〜３については、母材の外側クラッドの厚さを調整することにより、外径８０、１００、１２０、１２５、１３０μｍのファイバとしたときのコア径及び内側クラッド径が実施例１と同じになるようにした。
【００５４】
得られたファイバの特性を下記表１に示す。
【００５５】
【表１】
2004029441.tif 000002
【００５６】
実施例４
コア材に、ゲルマニウムのドープにより純シリカに対する比屈折率差が２．０％に調整されたシリカ系ガラスからなるコア材を使用した以外は、実施例１と同様にして、下記表２に示す構造の光ファイバを得た。得られた光ファイバの特性を下記表２に示す。
【００５７】
比較例４
コア材に、ゲルマニウムのドープにより純シリカに対する比屈折率差が２．０％に調整されたシリカ系ガラスからなるコア材を使用した以外は、実施例１と同様にして、下記表２に示す構造のファイバを得た。得られたファイバの特性を下記表２に示す。
【００５８】
【表２】
2004029441.tif 000003
【００５９】
上記表１、表２から明らかなように、実施例１〜４に係る光ファイバは、伝送損失が小さく、優れている。これに対し、比較例１〜４に係る光ファイバは、伝送損失が大きいことがわかる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光フィアバは、非線形定数ｎ２／Ａｅｆｆを２０×１０−１０Ｗ−１以上とし、１５５０ｎｍにおける波長分散の絶対値を２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下とし、曲げ損失を０．１ｄＢ／ｍ以下とし、クラッドの外径を７０〜１１０μｍとしたことにより、高い非線形性と低い伝送損失を同時に併せ有し、非線形現象を効率良く起こし得るとともに、コンパク化を図ることが出来るため、非線形現象を利用した光信号処理に有用である。