(57)【要約】【課題】従来にない新規な手法によってブリルアン散乱の抑制を図ることのできる増幅用光ファイバおよび光増幅器を提供する。【解決手段】単一偏波保持の光伝搬を避けた状態の所要の偏波モード分散を有するエルビウム添加光ファイバを備えることを特徴とする増幅用光ファイバ１である。この増幅用光ファイバ１は、単一偏波保持の光伝搬を避けた状態の所要の偏波モード分散が１００ｆｓ／ｍ以上に設定されていることが好ましい。【選択図】  図１
2005236122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一偏波保持の光伝搬を避けた状態の所要の偏波モード分散を有する希土類添加光ファイバを備えることを特徴とする増幅用光ファイバ。
【請求項２】
請求項１に記載の増幅用光ファイバにおいて、
エルビウム添加光ファイバであることを特徴とする増幅用光ファイバ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の増幅用光ファイバにおいて、
光伝搬を行うコアの縦断面形状が非円形であり、その非円率が０．２％〜１０％の範囲に設定されていることを特徴とする増幅用光ファイバ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の増幅用光ファイバにおいて、
単一偏波保持の光伝搬を避けた状態の所要の偏波モード分散が１００ｆｓ／ｍ以上に設定されている増幅用光ファイバ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の増幅用光ファイバを備える光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に高出力光増幅やショートパルス増幅等、誘導ブリルアン散乱が生じ易い箇所に適用される増幅用光ファイバおよび光増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ中に高出力密度光を伝搬させる場合、誘導ブリルアン散乱等の非線形現象が発生し、それによって増幅効率や信号光の品質低下を招くため問題となっている。
【０００３】
誘導ブリルアン散乱とは以下に説明する現象である。ある閾値パワーを超える高出力密度光が光ファイバを伝搬すると、その高出力密度光自身によって発生する高電界により導波路中のガラス構成分子を激しく振動させることになる。そして、その振動により音響フォノンがファイバ内に出現する。ファイバ内に出現した音響フォノンと透過光との相互干渉により、音響フォノンの周波数分だけ長波長側にシフトした光（ストークス光）が発生する。したがって、誘導ブリルアン散乱は、このストークス光が発生する現象である。観測されるストークス光は運動量保存の法則により、つまり音響フォノンにより干渉し反射された後方散乱光のみが現れる。ここで、このストークス光と同じ波長の光が、エネルギーを吸収して励起状態にある分子の近傍に存在すると、誘導放出が生じ、結果的に音響フォノンが発生し易くなる。エネルギーバランスに基づいて考えると、誘導ブリルアン散乱が生ずるということは、高出力密度光の一部がガラス構成分子により吸収され、パルス増幅に寄与しない不必要な後方散乱光となってしまうためである。したがって、このように後方散乱光が発生すると、パルス増幅効率を著しく低下させてしまう。
【０００４】
前述した閾値パワーは、次式で表される（参考文献：大木他、前方励起ラマン増幅用励起光源の開発、古河電工時報、１１２（２００３），ｐ５〜１０）。
【０００５】
【数１】
2005236122.tif 000003
【０００６】
ここで、Ａｅｆｆはファイバの有効コア断面積、Ｌｅｆｆはファイバロスαとファイバ長により（３）式で決定されるファイバの有効長、Ｇはブリルアン利得係数、Ｆｐは伝搬光の線幅、Ｆｂは誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅である。ｂは伝搬光と後方散乱光との偏波状態によって決まるパラメータであり、１〜２で表される。また、ηは定数、κは波数（＝２π／λ）、ρはファイバの密度である。
【０００７】
上式より、誘導ブリルアン散乱を抑制するには、極力パワー閾値が大きいことが望ましい。そして、パワー閾値を大きくするため、下記の手法が考えられてきた。
（ａ）有効コア断面積を大きくする（例えば非特許文献１参照）。
（ｂ）伝搬光のスペクトル線幅を大きくする。（例えば特許文献１参照）。
（ｃ）有効長を短くする。例えばファイバの長手方向に屈折率分布をつける方法（例えば特許文献２参照）、コア径（モードフィールド径）を長手方向に変化させる方法（例えば特許文献３参照）が提案されている。この手法は、ファイバの長手方向で同一の屈折率の状態が長く続くほど誘導ブリルアン散乱の影響が大きくなることを考慮したものである。
【非特許文献１】三菱電線工業株式会社時報  ９９号（２００２年）ｐ１９
【特許文献１】特開平１１−００８５９０号公報
【特許文献２】特開平１０−２２８０４０号公報
【特許文献３】特開平１０−０９６８２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記（ａ）の手法については、モードフィールド（ＭＦＤ）径の大きなファイバを使用することにより実現可能である。しかしながら、エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）を用いる場合、ＭＦＤを広げると励起光に対する変換効率が低下するため、繰り返しの速いパルスの増幅などにおいては、所望のパワーが得られなくなるなどの問題がある。
【０００９】
上記（ｂ）の手法については、スペクトル線幅の広い光源を使用できる場合は有効である。しかしながら、例えば、ドップラーレーザなどの干渉光を用いた高精度計測を行う場合のように、非常に狭いスペクトル線幅の光源が必要とされる場合があり、こうした場合、所望の狭いスペクトル線幅のものでないと高精度計測が行えないという問題があり、上記（ｂ）の手法は常用できる手段ではない。また、基準となる種パルス信号を大出力となるように増幅しなければならない場合、そのスペクトル線幅を変更調整できないという問題もある。
【００１０】
上記（ｃ）の手法については、例えば光ファイバの長手方向で屈折率が変化するように構成するものであり、そのように長手方向での屈折率の変化を与えることは、その光ファイバの製造工程において、半溶融した光ファイバ母材をダイスを通して線引きするため、長手方向で設計通りの屈折率やコア径変化を施すことが技術的に非常に困難である。また、この（ｃ）の手法に関して、光ファイバに長手方向に変化する歪を与えることによって、誘導ブリルアン散乱を抑制する方法が提案されているが、この場合、屈折率を変化させるほどの歪を光ファイバに与えると伝送路損失も増大するので、このような光ファイバを使用して増幅器を構成すると、増幅効率が著しく低いものとなってしまうという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであって、特に高出力光増幅やショートパルス増幅等を行う場合に、従来にない新規な手法によってブリルアン散乱の抑制を図ることのできる増幅用光ファイバおよび光増幅器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る増幅用光ファイバは、単一偏波保持の光伝搬を避けた状態の所要の偏波モード分散を有する希土類添加光ファイバを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る増幅用光ファイバによれば、単一偏波保持の光伝搬を行うものでなく、かつ、所要の偏波モード分散を有するものであるから、この偏波モード分散の状態ではその偏波モード分散に応じて光ファイバ内での光速に揺らぎが生じて、音響フォノンによる光軸方向での屈折率揺らぎと光の波長とが整合しなくなるため、誘導ブリルアン散乱が生じにくくなり、その閾値が高くなる。これにより、光ファイバ中に高出力密度光を伝搬させる場合でも、誘導ブリルアン散乱によるパワー低下を回避できるものとなり、したがって、ピーク出力の大きな増幅出力を得ることができる。繰り返しの速いパルスの増幅などにおいても、励起光に対する変換効率が高く保持されるので、効率良く増幅できる。
【００１４】
また、本発明に係る増幅用光ファイバは、エルビウム添加光ファイバであることが好ましい。ただし、本発明に係る増幅用光ファイバは、エルビウム添加光ファイバに限定されるものではなく、例えばネオジウムなどの他の希土類添加光ファイバも含む。
【００１５】
また、本発明に係る増幅用光ファイバは、光伝搬を行うコアの縦断面形状が非円形であり、その非円率が０．２％〜１０％の範囲に設定されていることが好ましい。ここで、非円率は、（最大径−最小径）／（最大径＋最小径）／２×１００（％）で求められる。この場合、非円率が０．２％よりも小さいと、誘導ブリルアン散乱を十分抑制するほどの光速の揺らぎを生じさせることができなくなり、一方、非円率が１０％よりも大きいと、偏波依存性損失（ＰＤＬ）が顕著に現れるようになり、このため、増幅出力光の品質を著しく劣化させる問題が生じる。非円率が０．２％〜１０％の範囲に設定されていることにより、誘導ブリルアン散乱の影響を受けることなく、ピーク出力の大きな増幅を行うことができる。なお、この非円率が１％〜７％の範囲に設定されていることがさらに好ましく、この非円率が２％〜５％の範囲に設定されていることがより一層好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る増幅用光ファイバは、単一偏波保持の光伝搬を避けた状態の所要の偏波モード分散が１００ｆｓ／ｍ以上に設定されていることが好ましい。この場合、偏波モード分散が１００ｆｓ／ｍよりも小さいと、誘導ブリルアン散乱を十分抑制するほどの光速の揺らぎを生じさせることができなくなるのに対して、本発明では、偏波モード分散が１００ｆｓ／ｍ以上であるので、誘導ブリルアン散乱の影響を受けることなく、ピーク出力の大きな増幅を行うことができる。なお、偏波モード分散の上限値は、偏波依存性損失（ＰＤＬ）が顕著に現れるものに対応しており、具体的な数値はファイバの種類などによって異なる。
【００１７】
本発明に係る増幅器は、本発明に係る増幅用光ファイバを備えている。これにより、増幅器として、高出力密度光（光パワーが１Ｗ以上）や、非常に高速のパルス信号を光伝搬する場合でも、誘導ブリルアン散乱の影響を受けることなく高出力の増幅を良好に行うことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、単一偏波保持の光伝搬を行うものでなく、かつ、所要の偏波モード分散を有するものであるから、この偏波モード分散の状態ではその偏波モード分散に応じて光ファイバ内での光速に揺らぎが生じて、音響フォノンによる光軸方向での屈折率揺らぎと光の波長とが整合しなくなるため、誘導ブリルアン散乱が生じにくくなり、その閾値が高くなる。これにより、光ファイバ中に高出力密度光を伝搬させる場合でも、誘導ブリルアン散乱によるパワー低下を回避できるものとなり、したがって、ピーク出力の大きな増幅出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る増幅用光ファイバの実施形態を、図１および図２を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の増幅用光ファイバの一例を示す軸方向に直交する方向での断面図であり、図２は、図１の増幅用光ファイバを用いた増幅器の一例を示す説明図である。
【００２０】
図１を参照して、本発明に係る増幅用光ファイバが示されている。この増幅用光ファイバ１は、断面形状が楕円形であるコア２と、このコア２の周囲にコア２の屈折率よりも小さい屈折率のクラッド３とが配置され、そのクラッド３の周囲にはＵＶ樹脂のコーティング材４が被覆形成されている。
【００２１】
コア２には増幅媒質であるエルビウムが添加されている。この添加量については、限定されるものではないが、一般的に５００〜２０００ｐｐｍ／ｍの範囲に設定されている。
【００２２】
この増幅用光ファイバ１では、偏波モード分散（ＰＭＤ）が１００ｆｓ／ｍ以上のものが使用されている。そして、偏波モード分散（ＰＭＤ）が１００ｆｓ／ｍ以上のものとするために、コア２の断面形状の非円率が０．２％〜１０％の範囲となるようにコア２の形状を設定している。
【００２３】
なお、本発明に係る増幅用光ファイバを光ファイバ増幅器内のエルビウムドープドファイバに適用する場合、通常、ファイバは１０ｍ程度であることから、用途にもよるが、ほとんどの場合、その偏波モード分散の影響はさほど問題にならない。
【００２４】
なお、エルビウムドープなしの高ＰＭＤファイバについて、本発明と同様の偏波モード分散となっている分散補償ファイバが用いられた分散補償線路や高非線形ファイバを使用した分布ラマン増幅線路等にも適用できないことはないが、これらの線路では条長が１ｋｍを超えるため、高ＰＭＤファイバであるが故に光信号が線路通過後には元の信号波形を崩してしまうおそれがあることから、注意が必要である。
【００２５】
高ＰＭＤファイバを用いた光増幅器の実施形態の一例としてのパルス増幅器５を図３に示す。高ＰＭＤ−ＥＤＦの濃度条長積（単位長さ当たりのエルビウム添加量と長さの積）は、使用波長や励起光出力によって異なるため限定できないが、１２〜２０ｋｐｐｍのものが良く使用される。前方から励起光を供給する励起光源６及び後方から励起光を供給する励起光源７はＥｒ３＋イオンを励起することのできる１００ｍＷ以上の出力を有する０．９８または１．４８μｍの半導体レーザが使用される。なお、必要な出力特性に応じて励起光源６，７がそれぞれ単独で使用される場合もある（例えば、後述の実施例参照）。これらの励起光はダイクロイックミラーを使用した波長合成フィルタモジュール８，９を使用して高ＰＭＤ−ＥＤＦに導入される。これらの波長合成フィルタモジュール８，９の前後には、戻り光を防止してファイバ増幅器を安定動作させる役割を有するアイソレータモジュール１０，１１が取り付けられている。
【００２６】
このような構成において、例えば１Ｗ以上の強い光パワーの高出力密度光に増幅する場合でも、コアの断面形状を非円率が０．２％〜１０％の範囲にあるものとしていることで、単一偏波保持でなく、比較的大きな偏波モード分散を有するものとなっているから、光ファイバ内での光速に揺らぎが生じて、音響フォノンによる光軸方向での屈折率揺らぎと光の波長とが整合しなくなるため、誘導ブリルアン散乱が生じにくくなり、その閾値が高くなる。したがって、誘導ブリルアン散乱を生じさせる光パワーの閾値が高められる分、より一層光パワーの大きな入力光についても誘導ブリルアン散乱の影響を受けることなく増幅できるようになっている。
【実施例】
【００２７】
次に、本発明に係る増幅用光ファイバと比較例とした増幅用光ファイバとのそれぞれに高出力密度光の入力したときのそれぞれの出力を測定した実施例と比較例とについて説明する。
【００２８】
本発明に係る増幅用光ファイバ１として、コア径５μｍφ、非円率２％、クラッド径１２５μｍφ、コア／クラッド屈折率差２％、エルビウム添加量２０００ｐｐｍ／ｍ、偏波モード分散（ＰＭＤ）が３２５０ｆｓ／ｍのエルビウム添加高ＰＭＤファイバ７ｍを用いて、図３のような光増幅器としてのパルス増幅器５を構成した。
【００２９】
このパルス増幅器５は、入口（図３における左端）・出口（図３における右端）側にはそれぞれアイソレータモジュール１０，１１が取り付けられている。１．４８μｍ帯７５０ｍＷのシングルモード半導体レーザダイオードを励起光源７として用い、フィルタモジュール９により増幅用光ファイバ（高ＰＭＤ−ＥＤＦ）１に後方から励起光を導入する。
【００３０】
この構成で入口側から波長１５５６ｎｍ、ピーク出力２０ｍＷ、パルス半値幅２０ｎｓ、１０ｋＨｚのパルスを入射し、出口側の出力を光オシロスコープで観測したところ、図４に示すように、ピーク出力１０Ｗが得られていることがわかった。またその出力波形を観測する（図４参照）と誘導ブリルアン散乱の影響は殆ど生じていないことがわかった。
【００３１】
次に、比較例について説明する。上記実施例で高ＰＭＤ−ＥＤＦに代えて通常の通信用ＥＤＦ（ＰＭＤ＜５０ｆｓ／ｍ）を用いて、パルス増幅出力を光オシロスコープで確認したところ、ピーク出力が３Ｗしか得られず、かつ誘導ブリルアン散乱の影響を受け、出力パルス波形が乱調していることがわかった（図５参照）。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る増幅用光ファイバの一例を示す縦断面図
【図２】図１の増幅用光ファイバを用いた増幅器の一例を示す説明図
【図３】本発明に係る実施例における光増幅器を示す説明図
【図４】本発明に係る実施例の増幅用光ファイバで増幅した出力結果を示す図（横軸は時間軸、縦軸は光パワー）
【図５】比較例の増幅用光ファイバで増幅した出力結果を示す図（横軸は時間軸、縦軸は光パワー）
【符号の説明】
【００３３】
１    増幅用光ファイバ
【図１】
2005236122.tif 000004
【図２】
2005236122.tif 000005
【図３】
2005236122.tif 000006
【図４】
2005236122.tif 000007
【図５】
2005236122.tif 000008