(57)【要約】  改善された誘導ブリルアン散乱閾値を有する高非線形光ファイバが提供される。ファイバは、アルミニウムでドープされたシリカから実質的に製作された中心コア領域と、中心コア領域を囲むトレンチ領域と、トレンチ領域を囲むシリカ・クラッドとを含む。ファイバの屈折率プロファイルが最適化される。クラッドに対する中心コア領域の屈折率差（Δｎ＋）は、２６×１０−３未満、より好ましくは２１×１０−３またはその近くである。クラッドに対するトレンチ領域の第２の屈折率差（Δｎ−）は−５×１０−３未満である。トレンチ領域は、好ましくは、フッ素でドープされる。中心コア領域のアルミニウム・ドーピング・レベルは、好ましくは、１４重量％Ａｌ未満である。この屈折率プロファイルを有する、アルミニウムでドープされたファイバは、従来のゲルマニウム・ドープ・ファイバよりも著しく高い性能指数（ＰｔｈγＬｅｆｆ）を示す。
2015512063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムでドープされたシリカから実質的に製作された中心コア領域と、
前記中心コア領域を囲むトレンチ領域と、
前記トレンチ領域を囲むシリカ・クラッドと
を含む高非線形光ファイバであって、
前記クラッドに対する前記中心コア領域の第１の屈折率差（Δｎ＋）が２６×１０−３未満であり、
前記クラッドに対する前記トレンチ領域の第２の屈折率差（Δｎ−）が−５×１０−３未満である、高非線形光ファイバ。
【請求項２】
前記ファイバが単一モード・ファイバである、請求項１に記載の高非線形光ファイバ。
【請求項３】
前記Δｎ＋が１６×１０−３を超える、請求項１に記載の高非線形光ファイバ。
【請求項４】
前記Δｎ＋が約２１×１０−３である、請求項１に記載の高非線形光ファイバ。
【請求項５】
前記トレンチ領域がフッ素でドープされる、請求項１に記載の高非線形光ファイバ。
【請求項６】
前記中心コア領域のアルミニウム・ドーピング・レベルが１４重量％Ａｌ未満である、請求項１に記載の高非線形光ファイバ。
【請求項７】
前記トレンチ領域の外径が、前記中心コア領域の直径の約３．８倍である、請求項１に記載の高非線形光ファイバ。
【請求項８】
高非線形光ファイバを備える光デバイスであって、
前記高非線形光ファイバは、
アルミニウムでドープされたシリカから実質的に製作された中心コア領域と、
前記中心コア領域を実質的に囲むトレンチ領域と、
前記トレンチ領域を実質的に囲むシリカ・クラッドと
を具備し、
前記クラッドに対する前記中心コア領域の第１の屈折率差（Δｎ＋）が２６×１０−３未満であり、
前記クラッドに対する前記トレンチ領域の第２の屈折率差（Δｎ−）が−５×１０−３未満である、光デバイス。
【請求項９】
前記ファイバは、単一モード・ファイバである、請求項８に記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記Δｎ＋は、１６×１０−３を超える、請求項８に記載の光デバイス。
【請求項１１】
前記Δｎ＋は、約２１×１０−３である、請求項８に記載の光デバイス。
【請求項１２】
前記トレンチ領域は、フッ素でドープされる、請求項８に記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記中心コア領域のアルミニウム・ドーピング・レベルは、１４重量％Ａｌ未満である、請求項８に記載の光デバイス。
【請求項１４】
前記トレンチ領域の外径は、前記中心コア領域の直径の約３．８倍である、請求項８に記載の光デバイス。
【請求項１５】
前記デバイスは、位相判別増幅器を含む、請求項８に記載の光デバイス。
【請求項１６】
連続波モードで動作する第１の波長を有する第１のレーザと、
ビート信号を形成するように前記第１の波長に十分に近い第２の波長を有する第２のレーザであり、前記ビート信号が圧縮される、第２のレーザと
をさらに備える、請求項８に記載の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
２０１２年３月２日に出願された「Highly Nonlinear Fiber with Improved SBS Threshold and Moderate Attenuation」という名称の米国仮特許出願第61/605,968号の優先権が主張され、その教示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は光ファイバに関する。より具体的には、本発明は、高非線形光ファイバ（ＨＮＬＦ）と、ＨＮＬＦの誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）の閾値を低減させる方法とに関する。
【背景技術】
【０００３】
非線形係数（γ）を増加させ、分散をゼロの近くに巧みに処理したファイバとして定義される高非線形光ファイバ（ＨＮＬＦ）は、パラメトリック増幅、位相判別増幅器、光再生器、スイッチング、および波長変換を含む多数の用途で使用されている。従来のＨＮＬＦを制限するものの１つは誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）である。ＳＢＳは、ある閾値を超えるパワーを有する光が光ファイバに送り込まれると、光の一部が反射され、それ故に、光が高い強度でファイバを伝搬できない現象である。その結果、伝送される光の強度は制限され（光デバイスの効率は制限され）、それにより、ＨＮＬＦに送り込むことができるパワーの量に上限が定められる。ＳＢＳ閾値パワー（Ｐｔｈ）は、入手可能な最大非線形位相シフトを決定し、
γＬｅｆｆＰｔｈ  （１）
として与えられ、ここで、ＰｔｈはＳＢＳの開始の閾値パワーであり、γは
γ＝２πｎ２／λＡｅｆｆ  （２）
で与えられる非線形係数であり、Ｌｅｆｆは
Ｌｅｆｆ＝｛１−ｅｘｐ(−αＬ)｝／α  （３）
で与えられる有効長であり、ここで、ｎ２は非線形屈折率であり、λは波長であり、Ａｅｆｆは実効面積であり、αは［ｍ−１］の単位の損失係数であり、Ｌはファイバ長である。式（１）は、多くの場合、ＳＢＳ制約型ＨＮＬＦ（ＳＢＳ−ｌｉｍｉｔｅｄ  ＨＮＬＦ）の「性能指数（figure of merit）」と呼ばれる。ゲルマニウム・ドープ・シリカ・コアを有する従来のＨＮＬＦでは、性能指数は約０．２１であり、それは、位相判別増幅器、および波長が密に配置され、連続波モードで動作する２つのレーザからのビート信号の圧縮などのいくつかの用途には低すぎる。ＨＮＬＦのＳＢＳ閾値を上げることが望ましいことになる。
【０００４】
性能指数ＰｔｈγＬｅｆｆを増加させる別の方法は、シリカではなくビスマス・シリケートまたは鉛シリケートなどの軟質ガラス材料からＨＮＬＦを製作することによって、非線形係数γを増加させることである。極めて高い性能指数、すなわち、１を超えるＦＯＭが、軟質ガラス系ＨＮＬＦで実証されている。そのようなファイバの欠点は、標準の単一モード・ファイバと比較して極めて高い損失（約１ｄＢ／ｍ）および高い結合損失である。
【０００５】
ＳＢＳ閾値を増加させるための若干類似した２つの技法は、ファイバに沿って直線的なもしくは段階的な温度勾配または直線的なもしくは段階的な歪み勾配を適用することを含む。両方の技法の原理は、温度または歪みがＳＢＳ周波数シフトを変化させることである。ファイバに沿って温度／歪み勾配を適用することによって、ブリルアン線幅が広げられ、その結果として、ブリルアン利得係数ｇＢが下げられる。約８ｄＢの閾値の増加が、温度技法を使用してＨＮＬＦで実証されている。ＨＮＬＦに歪み負荷技法を使用して、６〜７ｄＢの閾値増加が実証されている。両方の技法の欠点は、歪みおよび温度が両方とも分散を変えることもあることである。両方の技法には、実用的観点からの欠点がある。大きい歪みはファイバ寿命を減少させることになる。非常に大きい直径のスプールが使用されない限り、歪み負荷は、さらに、ＨＮＬＦの偏光モード分散（ＰＭＤ）を増加させることになる。
【０００６】
ＨＮＬＦのＳＢＳを低減する別の方法は、ゲルマニウムの代わりにアルミニウムでＨＮＬＦのコアをドープすることである。しかし、この方法は減衰の問題に対処しておらず、１５μｍ２以下の実効面積を有するファイバは、高い減衰に由来する追加の望ましくないパワー要件を必要とする。そのような方法は、コアのアルミニウムおよびトレンチ領域のフッ素の重量％ドーピング・レベルにもっぱら焦点を当てる傾向がある。しかし、使用されるアルミニウムまたはフッ素の量と、このようにドープされた成分に関する屈折率に対してドーピングが作り出すそれぞれの変化との間の関係に関して科学文献では意見の一致がない。一例として、理論的には、ドープされた材料の重量％量と、シリカの屈折率の変化との間に線形関係があるが、フッ素比例係数の文献値は−４×１０−３／％から−８×１０−３／％に及び、アルミニウム比例係数の値は１．７３１×１０−３／％から２．７６×１０−３／％に及ぶ。報告されている比例係数のそのような大きいばらつきにはいくつかのありうる理由があり、それは、ありうる理由の中でも特に、測定不確実性、ガラスの熱履歴への依存性、およびガラスの応力の量への依存性を含む。したがって、屈折率プロファイル測定値から推定される重量％レベルを完全には信頼することができない。
【０００７】
ゲルマニウムの代わりにアルミニウムでＨＮＬＦのコアをドープする付加的な試みは、これまで極めて高い減衰をもたらしており、その極めて高い減衰は、使用可能な長さを制限し、その結果、必要とされるポンプ・パワーを増加させることになる。
【０００８】
それ故に、減衰問題を明白に示すことなく、以前に示されたＳＢＳ閾値よりも高いＳＢＳ閾値を示すＨＮＬＦを提供することが長い間必要とされてきた。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、改善されたＳＢＳの性質を示す高非線形光ファイバ（ＨＮＬＦ）である。１つの実施形態では、ＨＮＬＦは、アルミニウムでドープされたシリカから実質的に製作された中心コア領域と、中心コア領域を囲むトレンチ領域と、トレンチ領域を囲むシリカ・クラッドとを含む。ＨＮＬＦの屈折率プロファイルは、ＳＢＳの閾値を上げるように最適化される。クラッドに対する中心コア領域の第１の屈折率差（Δｎ＋）は２６×１０−３未満であり、クラッドに対するトレンチ領域の第２の屈折率差（Δｎ−）は−５×１０−３未満である。好ましくは、Δｎ＋は、２６×１０−３未満および１６×１０−３以上であり、より好ましくは、Δｎ＋は約２１×１０−３である。トレンチ領域は、好ましくは、フッ素でドープされる。加えて、トレンチ領域の外径は、好ましくは、中心コア領域の直径の約３．８倍である。ファイバは、好ましくは、単一モード・ファイバである。本発明は、上述の光ファイバを組み込んだ光デバイスをさらに含む。そのようなデバイスは、位相判別増幅器と、連続波モードで動作する２つのレーザを有し、密に配置されているそれらの波長に起因するビート信号の圧縮を有するデバイスと、位相ディザリングまたは他の従来のＳＢＳ抑制技法が利用できないかまたは不十分である他の用途とを含むことができる。
【００１０】
ＨＮＬＦは、比較的高い非線形係数γを有することによって特徴づけられる。本発明により、これは、Ａｅｆｆを最小化するように屈折率プロファイルを最適化することによって達成される。追加として、動作波長においてでゼロに近い分散（Ｄ）を有することが望ましい。Ｄの最適値は用途によって決まる。大部分の用途では、Ｄは−５から＋５ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）の範囲内にあるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明によるＨＮＬＦの断面概略図である。
【図２】本発明によるＨＮＬＦの屈折率プロファイルの概略図である。
【図３】ファイバ長の関数としての有効長Ｌｅｆｆを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、添付した図１〜３を参照して説明が行われる。これらの図は本質的に例示であり、以下に記載される特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定する役を決して果たすものではないことを理解されたい。
【００１３】
図１は本発明の一実施形態による光ファイバ１０の断面図であり、図２は光ファイバ１０の屈折率プロファイルを示す概略図である。光ファイバ１０は、中心コア１１と、中心コア１１を囲むトレンチ領域１２と、トレンチ領域１２を囲むクラッド１３とを含む。クラッド１３の屈折率は、中心コア１１の屈折率よりも低く、トレンチ領域１２の屈折率よりも大きい。コア１１は、直径ａと、Δｎ＋の外側クラッドに対する屈折率差とを有する。コア１１は、好ましくは、屈折率を増加させるために好ましい量のアルミニウムでドープされたシリカから製作される。トレンチ領域１２は、直径ｂと、Δｎ−の外側クラッドに対する屈折率差とを有する。トレンチ領域１２は、好ましくは、フッ素でドープされたシリカから製作される。クラッド１３は、好ましくは、やはり、シリカから製作される。
【００１４】
トレンチ領域１２の目的は、２つの面があると考えることができる。第１に、ほぼゼロの分散Ｄを有する設計のために、トレンチ領域はＡｅｆｆを減少させ、Δｎ−の値が低いほどまたは負側で大きいほど、Ａｅｆｆは減少する。第２に、ｂ／ａの直径比を最適化することによって、分散勾配を最小にすることができ、Ｄはほぼゼロとなる。低い分散勾配は、利得帯域幅を増加させるので、パラメトリック増幅器用途に適している。なお、低い分散勾配はまた分散の変動を増加させ、それは、パラメトリック増幅器の利得帯域幅を減少させる。それ故に、好ましい実施形態では、大きい直径比ｂ／ａが選択され、それは、さらに、Ａｅｆｆを最小にすることになる。この例では、Δｎ−は、約−１０×１０−３であり、それは、変形化学気相堆積（ＭＣＶＤ）技法で得ることができる最も低いものである。ｂ／ａの比は、約３．８となるように選択されており、それを超えると、Ａｅｆｆの最小化に関して追加の利益は非常に少なくなる。コアに関して、Δｎ＋、Δｎ−、およびｂ／ａの固定値に対して、直径ａは、Ｄを近似的に０にするように最適化される。したがって、Δｎ＋が高いほど、実効面積Ａｅｆｆは低くなる。プラズマ化学気相堆積（ＰＣＶＤ）などの他の技法を使用してより大きいΔｎ−を達成することが可能である。
【００１５】
本発明者等によって作り出されたＨＮＬＦの一実施形態は、１５ｄＢ／ｋｍの減衰をもつＡｌドープＨＮＬＦを含んでいた。そのファイバは、１４重量％のＡｌドーピング・レベルに相当する約２６×１０−３のΔｎ＋を有していた。本発明のファイバでは、より低い損失を達成するために、新規のＡｌドープＨＮＬＦのＡｌの濃度が１４重量％からおよそ１１重量％（約２１×１０−３のΔｎ＋）まで減らされた。これは、非線形係数γを多少減少させるが、ＳＢＳ制約型ＨＮＬＦの性能指数を著しく減少させることはない。本明細書では、１．８４×１０−３／％のアルミニウム・ドーピングの比例係数が比較目的のために仮定されている。そのために、本発明の好ましい実施形態では、中心コア領域のアルミニウム・ドーピング・レベルは、好ましくは、１４重量％Ａｌ未満、より好ましくは、約１１重量％Ａｌである。
【００１６】
表１は、新規の本発明のＡｌドープ・ファイバの測定した属性を、先行のＡｌドープＨＮＬＦおよび従来のＧｅドープＨＮＬＦと比較して以下に示す。
【表１】
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【００１７】
従来のＧｅドープ・ファイバでは、減衰は、都合よく、非常に低いが、性能指数ＰｔｈγＬｅｆｆは、位相判別増幅器、または波長が密に配置され、連続波モードで動作する２つのレーザからのビート信号の圧縮を有する用途などのいくつかの用途には低すぎる。以前のＡｌドープ・ファイバでは、性能指数ＰｔｈγＬｅｆｆは、Ｇｅドープ・ファイバよりも著しく高い（３倍）が、しかし減衰は極端に高い。新規のＡｌドープＨＮＬＦは、以前のＡｌドープＨＮＬＦよりも高いＡｅｆｆ、およびその結果として低いγを有しているにもかかわらず、全体的な性能指数ＰｔｈγＬｅｆｆはあまり低くない。しかし、重要なことには、減衰は、本発明のＡｌドープＨＮＬＦにより１５ｄＢ／ｋｍから６．２ｄＢ／ｋｍまで著しく減少している。より低い損失により、本発明のファイバの有効長は著しく増加することができる。これが図３に示され、ＬｅｆｆはＬの関数として示されている。
【００１８】
実使用では、Ｌｅｆｆは、ファイバ長Ｌよりも過度に低くなるべきでない。図３から、Ｌｅｆｆが０．７５×Ｌ以上という基準が使用される場合、最大Ｌｅｆｆは、先行技術のＡｌ−ＨＮＬＦでは１３０ｍであったが、発明のＡｌ−ＨＮＬＦでは３２０ｍであることが分かる。これが意味するところは、同じ非線形性へのポンプ・パワー要件は、古いＡｌ−ＨＮＬＦと比較して新規のＡｌ−ＨＮＬＦでは、（３２０×６．９）／（１３０×７．４）＝２．３分の１の低さとなることになる。
【００１９】
本発明の実施形態は、Δｎ＋が約１×１０−３となるように６重量％以上の重量濃度でＡｌによりドープされた主成分としてのＳｉＯ２で製作された中心コアを含み、１５５０ｎｍにおいて５ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）以下の分散の絶対値を有し、１５５０ｎｍにおいて１５から２０μｍ２の範囲の実効面積を有する単一モード光ファイバを含む。これらの実施形態のさらなる態様は、ＳＢＳ制約型ＨＮＬＦのＰｔｈγＬｅｆｆに対して１５５０ｎｍで０．３を超える非線形性能指数と、１５ｄＢ／ｋｍ未満の１５５０ｎｍでの減衰と、ファイバの長さに沿った直線的階段状の温度勾配、または直線的階段状の歪み勾配を与えることによる増加したＳＢＳ閾値とを含む。他の実施形態は、本発明のファイバを使用する光ファイバ・デバイスと、そのようなデバイスを動作させる方法とを含む。
【００２０】
前に記したように、本発明は、位相判別増幅器、または波長が密に配置され、連続波モードで動作する２つのレーザからのビート信号の圧縮を有する用途に好適である。より一般的には、本発明は、位相符号化信号に使用されるパラメトリック増幅器の用途、および／または位相ディザリングまたは他の代替のＳＢＳ抑制技法が利用できないかまたはさもなければ不十分であるすべての用途に好適である。
【００２１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明は上述の説明または添付の例示的な図面に限定されないことを理解されたい。むしろ、本発明の範囲は、以下に記載される特許請求の範囲によって定義され、当業者によって理解されるような特許請求の範囲のいかなる均等物も含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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