(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
最大屈折率Ｎ１および外径２ａを有する中心コア部と、この中心コア部を取り囲み最小屈折率Ｎ２および外径２ｂを有するディプレスト部と、このディプレスト部を取り囲み最大屈折率Ｎ３を有するクラッド部と、を順に備え、
「Ｎ１＞Ｎ３＞Ｎ２」なる関係を満たし、
前記クラッド部の屈折率Ｎ３を基準として、前記中心コア部の比屈折率差Δ＋が３.５％以下であり、前記ディプレスト部の比屈折率差Δ−が−０.１％〜−１.１％であり、差「Δ＋−Δ−」が２.２％以上であり、
前記中心コア部および前記ディプレスト部それぞれの外径の比Ｒａ（＝２ａ／２ｂ）が０.２〜０.７の範囲にあり、前記中心コア部の外径が３.７８μｍ〜４.７μｍであり、
全長での平均零分散波長λ０における分散スロープが＋０.０１８ps/nm2/km〜＋０.０３０ps/nm2/kmの範囲にあり、
前記平均零分散波長λ０における分散スロープの波長微分値が−０.０００１２ps/nm3/km〜−０.００００８ps/nm3/kmの範囲にあり、
前記平均零分散波長λ０において周波数ωによる伝搬定数βの４階微分値β４の絶対値が５×１０−５６ｓ４／ｍ以下であり、長手方向に沿った零分散波長の変動が全長で±０.６ｎｍ以下である
ことを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記平均零分散波長λ０が１４４０ｎｍ〜１６４０ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記平均零分散波長λ０における実効断面積が１５μｍ２以下であ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】
全長における偏波モード分散が０.２ｐｓ以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項５】
導波する基底モード光の直交偏波間のクロストークが全長で−１５ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記差「Δ＋−Δ−」が３.１％以上であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項７】
ファイバ長が５００ｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載の光ファイバと、波長λＰのポンプ光を発生するポンプ光源と、波長λＳのプローブ光を発生するプローブ光源と、を備え、
前記ポンプ光および前記プローブ光を前記光ファイバに導波させ、非線形光学現象によって新たな波長λＩのアイドラ光を前記光ファイバから発生させる、
ことを特徴とする光デバイス。
【請求項９】
前記光ファイバに入射する前記ポンプ光のパワーをＰＰ-inとし、前記光ファイバに入射する前記プローブ光のパワーをＰＳ-inとし、前記光ファイバから出射される前記アイドラ光のパワーをＰＩ-outとしたとき、
前記ポンプ光の波長λＰおよびパワーＰＰ-inそれぞれを一定に保ち、
前記プローブ光の波長λＳを変化させた際の前記アイドラ光および前記プローブ光それぞれのパワーの比ｒ（＝ＰＩ-out／ＰＳ-in）の変動率が３ｄＢ以下である前記プローブ光の波長λＳの範囲が１００ｎｍ以上である、
ことを特徴とする請求項８記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記光ファイバに入射する前記ポンプ光のパワーをＰＰ-inとし、前記光ファイバに入射する前記プローブ光のパワーをＰＳ-inとし、前記光ファイバから出射される前記アイドラ光のパワーをＰＩ-outとしたとき、
前記ポンプ光の波長λＰおよびパワーＰＰ-inそれぞれを一定に保ち、
前記ポンプ光および前記プローブ光それぞれの波長の差「λＰ−λＳ」の絶対値が５ｎｍであるときの前記アイドラ光および前記プローブ光それぞれのパワーの比ｒ（＝ＰＩ-out／ＰＳ-in）の値に対して、前記差「λＰ−λＳ」の絶対値が５０ｎｍ以上であるときの前記比ｒの変化率が３ｄＢ以下である、
ことを特徴とする請求項８または９に記載の光デバイス。
【請求項１１】
前記光ファイバから出射される前記プローブ光のパワーＰＳ-outが、前記光ファイバに入射する前記プローブ光のパワーＰＳ-inより大きい、ことを特徴とする請求項８〜１０の何れか１項に記載の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高非線形性の光ファイバ、および、この光ファイバを用いた光デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非線形光学現象を用いた波長変換等において、分散シフト光ファイバ等の高非線形性光ファイバは、非線形光学現象を発現させる媒体として用いられる（例えば特許文献１を参照）。このような用途の光ファイバの開発は、これまでは、非線形性の向上や分散スロープの低減に主眼が置かれている。しかし、分散スロープが低減すると、零分散波長の変動が大きくなってしまう。したがって、零分散波長の変動の低減が重要である。また、波長変換帯域の向上にとって重要な伝搬定数βの４階微分値β４には注意が払われていなかった。
【０００３】
光ファイバの伝搬定数βの４階微分値β４を低減した方が帯域が拡がることは、例えば非特許文献１に記載されている。また、例えば、非特許文献２には、伝搬定数βの４階微分値β４が−５.８×１０−５６ｓ４／ｍである光ファイバを用いた広帯域ＯＰＡ（光パラメトリック増幅）が報告されている。しかし、この非特許文献２の第９７８頁の「B.Experimental Setup for OPA Gain Measurement」欄には「分散の変動が大きい」との記述があり、また、４階微分値β４の低減も充分ではない。非特許文献３には、４階微分値β４他のファイバパラメータの最適化を実施しているが、零分散波長の変動や直交偏波のカップリングなど実ファイバで大きな問題になる現象が考慮されていない。
【０００４】
このように、光ファイバを利用する側から見たファイバパラメータの提案はあるが、光ファイバを製造する視点からは検討されておらず、提案されるようなパラメータを有する光ファイバを製造するのは困難であった。例えば、非特許文献４等には、ファイバ長１００ｍで変換帯域９１.３ｎｍを有する光ファイバや、ファイバ長１００ｍで変換帯域１１０ｎｍを有する光ファイバが知られているが、光ファイバを単純に短くしたのみで分散パラメータの最適化はなされていない。
【０００５】
非特許文献５には、中心コア部，ディプレスト部およびクラッド部を含む所謂Ｗ型の屈折率プロファイルを有する光ファイバについて、典型的な４階微分値β４の値として１.０×１０−４ｐｓ４／ｋｍ（＝１.０×１０−５５ｓ４／ｍ）が示されている。実際には、Ｗ型の屈折率プロファイルであっても、４階微分値β４の値を調整可能であるが、４階微分値β４の重要性は考慮されていない。また、分散スロープが＋０.０１３ps/nm2/kmと小さくすることで広帯域化を図っているが、実際には零分散波長の変動が大きいためか、四光波混合による波長変換の帯域が４０ｎｍ以下に制限されている。
【特許文献１】特開平８−９５１０６号公報
【非特許文献１】M. E. Marhic, et al.,Optics & Photonics News (September 2004) pp.21-25 (2004)
【非特許文献２】M-C. Ho, et al., J. of Lightwave Technol. Vol.19, No.7,pp.977-981 (2001)
【非特許文献３】M. Gao, et al., Optics Express, Vol.12, No.23,pp.5603-5613 (2004)
【非特許文献４】T. Okuno, et al.,OFC 2004, MF21
【非特許文献５】J. Hiroishi, et al., ECOC2002 Post Deadline Papers, PD1(2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、実際の光ファイバで伝搬定数βの４階微分値β４の調整が可能であることを見出し、実際に４階微分値β４を低減することに加え、光ファイバの長さ方向の零分散波長の変動を抑制することで、波長変換やＯＰＡ等の広帯域化が可能であることを見出して、本発明を想到するに到った。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、波長変換やＯＰＡ等の広帯域化が可能な光ファイバ、および、このような光ファイバを用いた光デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光ファイバは、最大屈折率Ｎ１および外径２ａを有する中心コア部と、この中心コア部を取り囲み最小屈折率Ｎ２および外径２ｂを有するディプレスト部と、このディプレスト部を取り囲み最大屈折率Ｎ３を有するクラッド部と、を順に備え、「Ｎ１＞Ｎ３＞Ｎ２」なる関係を満たし、クラッド部の屈折率Ｎ３を基準として、中心コア部の比屈折率差Δ＋が３.５％以下であり、ディプレスト部の比屈折率差Δ−が−０.１％〜−１.１％であり、差「Δ＋−Δ−」が２.２％以上であり、中心コア部およびディプレスト部それぞれの外径の比Ｒａ（＝２ａ／２ｂ）が０.２〜０.７の範囲にあり、中心コア部の外径が３.７８μｍ〜４.７μｍであり、全長での平均零分散波長λ０における分散スロープが＋０.０１８ps/nm2/km〜＋０.０３０ps/nm2/kmの範囲にあり、平均零分散波長λ０における分散スロープの波長微分値が−０.０００１２ps/nm3/km〜−０.００００８ps/nm3/kmの範囲にあり、平均零分散波長λ０において周波数ωによる伝搬定数βの４階微分値β４の絶対値が５×１０−５６ｓ４／ｍ以下であり、長手方向に沿った零分散波長の変動が全長で±０.６ｎｍ以下であることを特徴とする。このような光ファイバを用いることにより、四光波混合による波長変換やＯＰＡ等の広帯域化が可能となり、例えば波長変換帯域幅を２００ｎｍとすることも可能である。なお、光ファイバの長手方向に沿った零分散波長の測定の方法は、例えば文献「L. F.Mollenauer, et al., Optics Lett., Vol.21, No.21, pp.1724-1726 (1996)」に記載されている。長手方向に沿って空孔が設けられたホーリー光ファイバであってもよいが、本発明の光ファイバは、中実のものとすることができることから、製造が容易であり、他の光ファイバとの融着接続が容易であり、さらに、長手方向に沿った零分散波長の抑制が容易である。なお、４階微分値β４の絶対値は、好ましくは１×１０−５６ｓ４／ｍ以下であり、更に好ましくは５×１０−５７ｓ４／ｍ以下である。
【０００９】
本発明に係る光ファイバは、平均零分散波長λ０が１４４０ｎｍ〜１６４０ｎｍの範囲にあるのが好適である。この波長帯域は、一般に光通信で用いられる帯域であるＳバンド（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ），Ｃバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）およびＬバンド（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）を含み、安価な高出力レーザ光源の入手が容易である。
【００１０】
本発明に係る光ファイバは、平均零分散波長λ０における実効断面積が１５μｍ２以下であるのが好適である。この場合には、非線形性が大きくなるため、効率的な波長変換が可能である。
【００１３】
本発明に係る光ファイバは、全長における偏波モード分散が０.２ｐｓ以下であるのが好適である。この場合には、偏波モード分散の影響を比較的小さくすることが可能であり、非線形光学現象が長時間に亘って安定して発現することが可能である。非偏波保持ファイバの場合には、偏波モード分散が小さい方が望ましく、好ましくは０.１ｐｓ以下であり、さらに好ましくは０.０５ｐｓ以下である。
【００１４】
本発明に係る光ファイバは、導波する基底モード光の直交偏波間のクロストークが全長で−１５ｄＢ以下であるのが好適である。この場合には、偏波保持光ファイバとすることで、偏波モード分散の影響をほぼ無視することができ、非線形光学現象が長時間に亘って極めて安定して発現することが可能である。
【００１５】
本発明に係る光ファイバは、差「Δ＋−Δ−」が３.１％以上であるのが好適であり、この場合には、非線形係数を２０／Ｗ-ｋｍ以上に大きくできる。
【００１６】
本発明に係る光ファイバは、ファイバ長が５００ｍ以下であるのが好適である。このようにすることにより、波長変換帯域幅を拡大することが容易となる。
【００１８】
本発明に係る光デバイスは、光ファイバと、波長λＰのポンプ光を発生するポンプ光源と、波長λＳのプローブ光を発生するプローブ光源と、を備え、ポンプ光およびプローブ光を光ファイバに導波させ、非線形光学現象によって新たな波長λＩのアイドラ光を光ファイバから発生させることを特徴とする。この光デバイスに含まれる光ファイバは、上記の本発明に係る光ファイバであるのが好適である。この光デバイスでは、光ファイバにおける四光波混合を用いた波長変換により、ポンプ光波長λＰおよびプローブ光波長λＳの何れとも相違する新たな波長λＩのアイドラ光が発生する。ポンプ光波長λＰとプローブ光波長λＳとの間の波長間隔が広くても、効率的に波長変換が可能である。なお、ポンプ光は１波長であってもよいが、２波長以上の複数光であってもよい。プローブ光も１波長であってもよいが、２波長以上の複数光であってもよい。ポンプ光としてコントロールパルスを光ファイバに入射することで、波長変換を応用した光スイッチにしたり、光分波器にしたりすることも可能である。また、ある光と同じ情報をもち、違う波長の新しい光子を発生させることもできるので、量子暗号通信用の光子ペアを生成したりすることも可能である。さらに、良い光源がない波長の光を容易に作ることもできるので、光通信分野だけでなく他の分野でも応用が可能である。
【００１９】
本発明に係る光デバイスは、光ファイバに入射するポンプ光のパワーをＰＰ-inとし、光ファイバに入射するプローブ光のパワーをＰＳ-inとし、光ファイバから出射されるアイドラ光のパワーをＰＩ-outとしたとき、ポンプ光の波長λＰおよびパワーＰＰ-inそれぞれを一定に保ち、プローブ光の波長λＳを変化させた際のアイドラ光およびプローブ光それぞれのパワーの比ｒ（＝ＰＩ-out／ＰＳ-in）の変動率が３ｄＢ以下であるプローブ光の波長λＳの範囲が１００ｎｍ以上であるのが好適である。この場合には、極めて広帯域の波長変換が可能である。ポンプ光は複数波長であってもよいが、その場合でもポンプ光の条件は変化させなくてもよい。例えば、ＣバンドおよびＬバンドを含む帯域の多波長信号光を、Ｅバンド（１３６０ｎｍ〜１４６０ｎｍ）およびＳバンドを含む帯域の光に一括変換したりすることが可能である。比ｒの変動率が３ｄＢ以下であるプローブ光の波長λＳの範囲は、好ましくは１６０ｎｍ以上であり、より好ましくは２００ｎｍ以上であり、さらに好ましくは３００ｎｍ以上である。
【００２０】
本発明に係る光デバイスは、光ファイバに入射するポンプ光のパワーをＰＰ-inとし、光ファイバに入射するプローブ光のパワーをＰＳ-inとし、光ファイバから出射されるアイドラ光のパワーをＰＩ-outとしたとき、ポンプ光の波長λＰおよびパワーＰＰ-inそれぞれを一定に保ち、ポンプ光およびプローブ光それぞれの波長の差「λＰ−λＳ」の絶対値が５ｎｍであるときのアイドラ光およびプローブ光それぞれのパワーの比ｒ（＝ＰＩ-out／ＰＳ-in）の値に対して、差「λＰ−λＳ」の絶対値が５０ｎｍ以上であるときの比ｒの変化率が３ｄＢ以下であるのが好適である。ポンプ光波長λＰと光ファイバの零分散波長とは互いにほぼ等しいため、プローブ光として複数波長の光を入射し、プローブ光波長がポンプ光波長に近い場合には、プローブ光間での四光波混合が問題となる。しかし、プローブ光波長が零分散波長（≒ポンプ光波長）から５０ｎｍ以上も離れていれば、分散の絶対値が１ps/nm/km程度以上となるので、プローブ光間の四光波混合はかなり抑制される。
【００２１】
本発明に係る光デバイスは、光ファイバから出射されるプローブ光のパワーＰＳ-outが、光ファイバに入射するプローブ光のパワーＰＳ-inより大きいのが好適である。ＯＰＡによって、帯域の広い増幅が実現可能である。増幅器だけでなく、ポンプ光としてコントロールパルスを入射することで、スイッチにしたり光分波器にしたりすることも可能である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、波長変換やＯＰＡ等の広帯域化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２４】
先ず、本発明を想到するに際して行った理論検討の内容について説明する。光ファイバにポンプ光（波長λＰ１，λＰ２）およびプローブ光（波長λＳ）が入射して、該光ファイバにおいて非線形光学現象（例えばパラメトリック過程の１種である四光波混合）が発現し、これに因り該光ファイバにおいて新たな波長のアイドラ光（波長λＩ）が発生する場合を考える。なお、波長λＰ１と波長λＰ２とは互いに等しくてもよく、その場合、これらの波長をλＰで表す。
【００２５】
光ファイバに入射するポンプ光λＰ１のパワーをＰＰ１-inとし、光ファイバに入射するポンプ光λＰ２のパワーをＰＰ２-inとし、光ファイバに入射するプローブ光λＳのパワーをＰＳ-inとする。このとき、光ファイバから出射されるアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outは、下記（１）式および（２）式で表される。Δβは、位相不整合量であって、下記（３）式で表される。γは、光ファイバの非線形係数であって、下記（４）式で表される。Ｌeffは、光ファイバの実効長であって、下記（５）式で表される。また、４つの波長λＰ１，λＰ２，λＳ，λＩは互いに近い値であるとして、これらの波長λを下記（６）式で近似する。なお、これらの式については、文献「K. Inoue et. al., J. of Lightwave Technol., Vol.10, No.11,pp.1553-1561, (1992)」に詳述されている。
【００２６】
【数１】
0004492498.tif 000002
【００２７】
【数２】
0004492498.tif 000003
【００２８】
【数３】
0004492498.tif 000004
【００２９】
【数４】
0004492498.tif 000005
【００３０】
【数５】
0004492498.tif 000006
【００３１】
【数６】
0004492498.tif 000007
【００３２】
Ｌは光ファイバ長である。ｎ２は波長λでの光ファイバの３次の非線形屈折率である。Ａeffは波長λでの光ファイバの実効断面積である。αは波長λでの光ファイバの伝送損失である。βＰ１は波長λＰ１での光ファイバの伝搬定数であり、βＰ２は波長λＰ２での光ファイバの伝搬定数であり、βＳは波長λＳでの光ファイバの伝搬定数であり、βＩは波長λＩでの光ファイバの伝搬定数である。Ｄは縮退因子である。波長λＰ１と波長λＰ２とが互いに等しい場合には縮退因子は値１であり、波長λＰ１と波長λＰ２とが互いに異なる場合には縮退因子は値４である。
【００３３】
特に、波長λでの光ファイバの伝送損失αが無視し得るほど小さい場合には、上記（１）式は下記（７）式で近似される。この式から判るように、位相不整合量Δβが値０に近いほど、光ファイバから出射されるアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outは大きくなる。光ファイバ長Ｌが短いほど、「ＬΔβ／２」の値が小さくなり、光ファイバから出射されるアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outは、位相不整合量Δβの影響が小さくなる。
【００３４】
【数７】
0004492498.tif 000008
【００３５】
また、周波数整合条件から、下記（８）式が成り立つ。したがって、上記（６）式は、下記（９）式に変換され得る。光ファイバにおいて広いプローブ光波長範囲で高効率な波長変換を実現するためには、上記（３）式で示される位相不整合量Δβは広い波長範囲でほぼ０になることが望ましい。上記（６）式または（９）式で表される波長λを周波数ωに変換すると、下記（１０）式で表される。ここで、ｃは光速である。
【００３６】
【数８】
0004492498.tif 000009
【００３７】
【数９】
0004492498.tif 000010
【００３８】
【数１０】
0004492498.tif 000011
【００３９】
伝搬定数βは、(10)式で記述される周波数ωを中心にテーラー展開すると、下記（１１）式で表される。また、周波数ωによる伝搬定数βのｎ階微分値は下記（１２）式で表される。また、伝搬定数βの２階微分値β２，３階微分値β３および４階微分値β４は、波長分散Ｄ，分散スロープＳおよび分散スロープの波長微分値（ｄＳ／ｄλ）との間に、下記（１３）式〜下記（１５）式で表される関係がある。
【００４０】
【数１１】
0004492498.tif 000012
【００４１】
【数１２】
0004492498.tif 000013
【００４２】
【数１３】
0004492498.tif 000014
【００４３】
【数１４】
0004492498.tif 000015
【００４４】
【数１５】
0004492498.tif 000016
【００４５】
ここで、波長λＰ１と波長λＰ２とが互いに等しい波長λＰであるとすると、上記（９）式および（１０）式から「λ＝λＰ」および「ω＝ωＰ」なる関係式が成立する。したがって、上記（８）式および（１１）式を用いると、上記（３）式は下記（１６）式となる。
【００４６】
【数１６】
0004492498.tif 000017
【００４７】
この（１６）式から、ポンプ光波長λＰにおける２階微分値β２および４階微分値β４それぞれの絶対値が小さいほど、位相不整合量Δβの絶対値が小さくなることが判る。また、２階微分値β２が零になるようにポンプ光波長λＰを光ファイバの零分散波長と一致させるのが必ずしも好ましいわけではなく、４階微分値β４の影響を考慮したうえでポンプλＰ光波長を選ぶべきである。つまり、４階微分値β４が負の場合には、２階微分値β２が正となるように零分散波長よりも短波長となるようにポンプ光波長λＰを選択するべきである。また、逆に４階微分値β４が正の場合には、２階微分値β２が負となるように零分散波長よりも長波長となるようにポンプ光波長λＰを選択するべきである。
【００４８】
次に、以上までの解析の結果に基づいて更に具体的に解析を行った結果について説明する。図１は、光ファイバから出射されるアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。横軸は、プローブ光波長λＳであり、縦軸は、規格化したアイドラ光の強度をｄＢ単位で記入したものである。ここでは、光ファイバに入射するポンプ光を１波長とし、光ファイバの零分散波長λ０を１５７０ｎｍとし、零分散波長λ０における光ファイバの分散スロープＳを＋０.０２４ps/nm2/kmとし、光ファイバのファイバ長Ｌを１００ｍとし、光ファイバの伝送損失αを０.２０／ｋｍとした。また、ポンプ光波長λＰと光ファイバの零分散波長λ０とは互いに一致させた。そして、上記（１）式〜（６）式および（１６）式を用いて、アイドラ光λＩのパワーＰＩ-outが相対的にどのように変化するのかを調査した。
【００４９】
図１では、伝搬定数βの４階微分値β４について、一般的な値である１×１０−５５ｓ／ｍ、及び、２桁小さくした１×１０−５７ｓ／ｍの、２つの場合について示した。図１中に示されるように、アイドラ光のパワーがピーク値に対して−３ｄＢ以上である（つまり、ピーク値に対して１／２以上である）プローブ光の波長幅（半値全幅）を「波長変換帯域幅」と定義する。ポンプ光波長λＰと光ファイバの零分散波長λ０とが互いに等しいとき、伝搬定数βの２階微分値β２は０であるから、上記（１６）式から判るように、伝搬定数βの４階微分値β４が小さいほど波長変換帯域幅は広くなる。
【００５０】
図２は、波長変換帯域幅とポンプ光波長λＰとの関係を示す図である。横軸は、「零分散波長λ０−ポンプ光波長λＰ」であり、縦軸は、波長変換帯域幅である。この図から、伝搬定数βの４階微分値β４の絶対値が小さいほど、波長変換帯域幅の最大値が大きくなり、好ましいことがわかる。また、４階微分値β４が負の場合には、２階微分値β２が正となるように、ポンプ光波長λＰは零分散波長λ０より小さくなり、４階微分値β４が正の場合には、２階微分値β２が負となるように、ポンプ光波長λＰは零分散波長λ０より大きくなるが、これは（１６）式で示されるとおりである。図２（ａ）と同図（ｂ）との比較から、４階微分値β４の絶対値が等しければ、波長変換帯域幅もほぼ等しいことがわかる。
【００５１】
この図２から、ファイバ長Ｌが１００ｍである場合に、波長変換帯域幅が１００ｎｍ以上と広くなり、「零分散波長λ０−ポンプ光波長λＰ」のトレランスは±０.６ｎｍ程度である。４階微分値β４が−１０−５５ｓ４／ｍである場合は、波長変換帯域幅が１００ｎｍ以上と広くなり、「零分散波長λ０−ポンプ光波長λＰ」のトレランスはやはり±０.６ｎｍとなる。通常はポンプ光波長λＰを一定に保つので、光ファイバの零分散波長λ０の変動を±０.６ｎｍ以下の範囲に抑制することが広帯域の波長変換には必要であるといえる。なお、このような零分散波長λ０の変動が抑制された光ファイバは、例えば、光ファイバ母材の長手方向の各位置で屈折率プロファイルを測定し、その測定結果に基づいて所望の特性を有する光ファイバが得られるように光ファイバ母材の外形を研削し、その研削した光ファイバ母材を線引することで、実現可能である。
【００５２】
実際には、長手方向では光ファイバの零分散波長λ０が或る程度は変動してしまうので、波長変換帯域幅は小さくなってしまう。「零分散波長λ０−ポンプ光波長λＰ」が或る幅を持った際に波長変換帯域幅の最小値がどうなるのかを調査することによって、零分散波長λ０が変動したとき波長変換帯域幅がどの程度になるのかを検討した。図３は、波長変換帯域幅とポンプ光波長λＰとの関係を示す図において波長変換帯域幅の最小値を説明する図である。図４および図５それぞれは、光ファイバの零分散波長λ０の変動幅の各値について、４階微分値β４の絶対値および光ファイバ長Ｌの各値における波長変換帯域幅を纏めた図表である。
【００５３】
図４（ａ）は、零分散波長λ０の変動がない場合の波長変換帯域幅を示す。図４（ｂ）は、零分散波長λ０の変動が±０.０５ｎｍである場合の波長変換帯域幅を示す。図４（ｃ）は、零分散波長λ０の変動が±０.１０ｎｍである場合の波長変換帯域幅を示す。図５（ａ）は、零分散波長λ０の変動が±０.２０ｎｍである場合の波長変換帯域幅を示す。図５（ｂ）は、零分散波長λ０の変動が±０.６０ｎｍである場合の波長変換帯域幅を示す。また、図５（ｃ）は、零分散波長λ０の変動が±１.０ｎｍである場合の波長変換帯域幅を示す。
【００５４】
図４（ａ）に示されるように、零分散波長λ０の変動がない場合には、４階微分値β４が小さいほど波長変換帯域幅が大きくなることがわかる。例えば、ファイバ長Ｌが１００ｍであるときには、図６に示されるとおりである。図６は、零分散波長λ０の変動がないファイバ長１００ｍの光ファイバにおける波長変換帯域幅と４階微分値β４との関係を示す図である。この図に示されるように、４階微分値β４の絶対値が従来と同等の１×１０−５５ｓ４／ｍであるときには、波長変換帯域幅は２００ｎｍ以上とはなりえない。４階微分値β４の絶対値が５×１０−５６ｓ４／ｍ以下である場合には、波長変換帯域幅は２００nmを超え、好適である。また、４階微分値β４の絶対値が１×１０−５６ｓ４／ｍ以下である場合には、波長変換帯域幅は特徴的に大きくなり、３００nm以上となる。なお、この波長変換帯域幅が２００ｎｍであれば、一般に光通信において信号光波長として用いられるＳバンド，ＣバンドおよびＬバンドが含まれるので好ましい。
【００５５】
実際には、零分散波長λ０は±０.０５ｎｍ〜±０.１０ｎｍ程度は変動してしまう場合が多い。例えばファイバ長１００ｍのときは、図７，図８に示されるとおりである。図７は、零分散波長λ０の変動が±０.０５ｎｍであるファイバ長１００ｍの光ファイバにおける波長変換帯域幅と４階微分値β４との関係を示す図である。この図に示されるように、４階微分値β４の絶対値が５×１０−５６ｓ４／ｍ以下である場合には、波長変換帯域幅は特徴的に大きくなり２００ｎｍ程度以上となり、また、４階微分値β４の絶対値が１×１０−５７ｓ４／ｍ以下である場合には、波長変換帯域幅は３００ｎｍ程度以上と極めて広くなることがわかる。図８は、零分散波長λ０の変動が±０.１０ｎｍであるファイバ長１００ｍの光ファイバにおける波長変換帯域幅と４階微分値β４との関係を示す図である。この図に示されるように、４階微分値β４の絶対値が３×１０−５６ｓ４／ｍ以下であれば、波長変換帯域幅は２００ｎｍ程度以上と拡大可能であり、好ましい。また、更に好ましくは、４階微分値β４の絶対値が２×１０−５６ｓ４／ｍ以下である。
【００５６】
上記（７）式から判るように、光ファイバの長さＬが長い方が、光ファイバから出射されるアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outのパワーが強く、効率が高い。これは、やはり、（７）式から、光ファイバに入射するポンプ光λＰのパワーＰＰを大きくすれば解決できることが判る。図４および図５から、光ファイバの長さＬが短いほど波長変換帯域幅が拡大することが明らかである。例えば、零分散波長λ０が±０.１０ｎｍ程度変動している場合、図９に示されるようになる。図９は、零分散波長λ０の変動が±０.１０ｎｍである光ファイバにおける波長変換帯域幅とファイバ長Ｌとの関係を示す図である。この図から判るように、４階微分値β４を低減する効果が明確になるのは、ファイバ長Ｌが５００ｍ以下の場合である。図１０は、波長変換帯域幅と零分散波長λ０の変動量との関係を示す図である。この図から判るように、零分散波長λ０の変動が大きいほど波長変換帯域幅が狭くなる。零分散波長λ０の変動が±０.６ｎｍ以上であれば、４階微分値β４を低減する効果が明確とならなくなる。
【００５７】
このように、零分散波長λ０の変動を±０.６ｎｍ以下に抑制すれば、１００ｎｍ以上という広帯域の波長変換が実現可能である。また、図４，図５および図１０から、零分散波長λ０の変動が±０.６ｎｍ以上では、４階微分値β４の低減の効果はあまり大きくないが、零分散波長λ０の変動が±０.２ｎｍ以下であると、４階微分値β４を小さくする効果が現れて帯域幅が拡大するので、さらに好適である。
【００５８】
次に、上記のような伝搬定数βの４階微分値β４の絶対値を低減し得るような光ファイバの具体的な構成例について説明する。４階微分値β４の絶対値を低減し得るような光ファイバについての検討は、従来では為されてはおらず、本発明者により初めて為されたものである。上記（７）式から判るように、光ファイバの非線形係数γは、高い方が望ましく、特に１０／Ｗ-ｋｍ以上であるとよい。そのため、光ファイバの実効断面積Ａeffは１５μm２以下である方が望ましい。
【００５９】
図１１は、本実施形態の光ファイバ１０の断面構造および屈折率プロファイルの好適例を示す図である。同図（ａ）は、光ファイバ１０の長手方向に垂直な断面を示し、同図（ｂ）は、光ファイバ１０の径方向の屈折率プロファイルを示す。光ファイバ１０は、最大屈折率Ｎ１および外径２ａを有する中心コア部１１と、この中心コア部１１を取り囲み最小屈折率Ｎ２および外径２ｂを有するディプレスト部１２と、このディプレスト部１２を取り囲み最大屈折率Ｎ３を有するクラッド部１３と、を少なくとも備える。
【００６０】
中心コア部１１，ディプレスト部１２およびクラッド部１３それぞれの屈折率は、「Ｎ１＞Ｎ３＞Ｎ２」なる関係を満たす。ここで、クラッド部１３の屈折率Ｎ３を基準として、中心コア部１１の比屈折率差をΔ＋とし、ディプレスト部１２の比屈折率差をΔ−とする。また、中心コア部１１およびディプレスト部１２それぞれの外径の比をＲａ（＝２ａ／２ｂ）とする。
【００６１】
図１２は、分散スロープＳ，分散スロープの波長微分値（ｄＳ／ｄλ），伝搬定数βの４階微分値β４を、比Ｒａの各値について纏めた図表である。ここでは、図１１に示されるような構造の光ファイバ１０において、中心コア部１１の屈折率のα乗プロファイルにおけるα値を３とし、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋を３.２％とし、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−を−０.３％とし、零分散波長λ０を１５５０ｎｍとした。
【００６２】
この図から判るように、４階微分値β４にはＲａ依存性があり、Ｒａが０.４以上であるときに４階微分値β４の絶対値が５×１０−５６ｓ４／ｍ以下となり、特にＲａが０.６付近であるときに４階微分値β４の絶対値が１×１０−５６ｓ４／ｍ以下となる。この光ファイバ１０のその他の特性として、波長１５５０ｎｍにおいて、実効断面積Ａeffは９.８μｍ２であり、非線形係数γは２４／Ｗ-ｋｍ（ＸＰＭ法での測定）であり、ファイバカットオフ波長は１４００ｎｍであり、伝送損失は０.６ｄＢ／ｋｍであり、モードフィールド径は３.６μｍであり、偏波モード分散は０.０１〜０.１ｐｓ／ｋｍ１／２である。なお、ＣＷ-ＳＰＭ法による非線形係数γの測定値は、ＸＰＭ法による非線形係数γの測定値の７０％程度に小さくなることが知られている。
【００６３】
また、この光ファイバ１０は、曲げに非常に強く、３０φの径に巻いても０.０１ｄＢ／ｋｍ以下の損失増である。また、この光ファイバ１０は、通常のシングルモード光ファイバとの接続も可能であり、一般的な融着器を用いれば接続ロスを０.５ｄＢ程度とすることができ、モードフィールド径を拡大する方法を用いれば接続ロスを０.２ｄＢ以下とすることができる。
【００６４】
図１３も、分散スロープＳ，分散スロープの波長微分値（ｄＳ／ｄλ），伝搬定数βの４階微分値β４を、比Ｒａの各値について纏めた図表である。ここでは、図１１に示されるような構造の光ファイバ１０において、中心コア部１１の屈折率のα乗プロファイルにおけるα値を３とし、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋を３.５％とし、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−を−０.３５％とし、零分散波長λ０を１５４０ｎｍとした。
【００６５】
この図から判るように、この光ファイバ１０は、全般的に４階微分値β４が小さいが、比Ｒａが０.４５付近および０.７５付近それぞれで符号が変わっている。つまり、この付近の比Ｒａで光ファイバ１０を製造すれば、４階微分値β４が５×１０−５７ｓ４／ｍ以下であるような極めて小さな光ファイバ１０を実現することが可能である。この光ファイバ１０のその他の特性は、波長１５５０nmにおいて、実効断面積Ａeffは９.１μｍ２であり、非線形係数γは２６／Ｗ-ｋｍ（ＸＰＭ法での測定）であり、ファイバカットオフ波長は１４５０ｎｍであり、伝送損失は０.９ｄＢ／ｋｍであり、モードフィールド径は３.４μｍであり、偏波モード分散は０.０１〜０.１ｐｓ／ｋｍ１／２である。
【００６６】
また、この光ファイバ１０も、曲げに非常に強く、３０φの径に巻いても０.０１ｄＢ／ｋｍ以下の損失増である。また、この光ファイバ１０は、通常のシングルモード光ファイバとの接続も可能であり、一般的な融着器を用いれば接続ロスを０.５ｄＢ程度とすることができ、モードフィールド径を拡大する方法を用いれば接続ロスを０.２ｄＢ以下とすることができる。
【００６７】
以上のように、中心コア部１１およびディプレスト部１２を有するような構造の光ファイバであれば、４階微分値β４の調整が可能である。図１４は、本実施形態の光ファイバの屈折率プロファイルの他の好適例を示す図である。同図（ａ）に示されるように、ディプレスト部１１の外側に更に他の領域１４があってもよいし、同図（ｂ）に示されるように、領域１４の外側に更に他の領域１５があってもよいし、同図（ｃ）に示されるように、中心コア部１１とディプレスト部１２との間に他の領域１６があってもよいし、また、同図（ｄ）に示されるように、中心コア部１１にディップが存在してもよい。これら何れの場合にも、４階微分値β４の調整が可能であり、４階微分値β４の絶対値を小さくすることができる。
【００６８】
偏波モード分散が低いほど波長変換帯域幅が広くなるので好ましい。光ファイバの全長で偏波モード分散は０.２ｐｓ以下であるとよい。光ファイバを偏波保持型（例えばＰＡＮＤＡ型）とすることで、その光ファイバを導波する基底モード光の直交偏波間のカップリングを抑制することが可能であり、さらに好適である。直交偏波間のカップリングは、ファイバ長１ｋｍであっても−１５ｄＢ以下にすることが可能で、実使用のファイバ長ではさらに小さくすることができる。
【００６９】
光ファイバは、例えば、最小曲げ径４０φ程度以下の小型コイルに巻かれていてもよい。このとき、光ファイバの被覆外径が１５０μｍ以下など細くなる方が、コイルをより小型にすることができる。また、光ファイバのガラス部１１の外径が１００μｍ以下など細ければ、小型に巻いたときの巻き歪が小さくなるために破断する確率が小さくなったり、曲げ誘起複屈折による偏波モード分散の劣化を抑制できたりすることが可能である。
【００７０】
以上ような特性を満たす光ファイバを実際に製造した。何れの光ファイバも、図１１に示されるような構造を有するものであった。製造した光ファイバは、中心コア部１１の屈折率のα乗プロファイルにおけるα値が３であり、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋が２.５％であり、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−が−０.５％であり、比Ｒａが０.６であり、コア径２ａが４.７μｍであった。この光ファイバは、零分散波長が１４４０ｎｍであった。また、零分散波長１４４０ｎｍにおいて、分散スロープが＋０.０４６６ps/nm2/kmであり、分散スロープの波長微分値が１.６６×１０−４ps/nm3/kmであり、４階微分値β４が−３.８×１０−５６ｓ４／ｍであり、実効断面積Ａeffが１１μｍ２であり、非線形係数γが２１／Ｗ-ｋｍであり、モードフィールド径が３.８μｍであり、カットオフ波長が１.３７μｍであり、Ｃバンドにおける偏波モード分散が０.０２ｐｓ／ｋｍ１／２であり、４階微分値β４が低減された高非線形性光ファイバであった。
【００７１】
また、製造した他の光ファイバは、中心コア部１１の屈折率のα乗プロファイルにおけるα値が１.９であり、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋が３.０％であり、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−が−０.６％であり、比Ｒａが０.６であり、コア径２ａが４.５μｍであった。この光ファイバは、零分散波長が１６４０ｎｍであった。また、零分散波長１６４０ｎｍにおいて、分散スロープが＋０.０２３１ps/nm2/kmであり、分散スロープの波長微分値が−９.６３×１０−５ps/nm3/kmであり、４階微分値β４が−３.４×１０−５６ｓ４／ｍであり、実効断面積Ａeffが１１μｍ２であり、非線形係数γが１８／Ｗ-ｋｍであり、モードフィールド径が３.９μｍであり、カットオフ波長が１.３１μｍであり、ＣバンドおよびＬバンドにおける偏波モード分散が０.０３ｐｓ／ｋｍ１／２であり、４階微分値β４が低減された高非線形性光ファイバであった。
【００７２】
次に、上記のような伝搬定数βの４階微分値β４の絶対値を低減し得るような光ファイバのより一般的な設計例について説明する。ここでも、光ファイバは、図１１に示されるような構造を有するものとし、中心コア部１１の屈折率のα乗プロファイルにおけるα値を４とし、零分散波長を１５５０ｎｍとした。
【００７３】
図１５は、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋を２.５％とし、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−を−０.１％としたときの、分散スロープＳ，分散スロープの波長微分値（ｄＳ／ｄλ），伝搬定数βの４階微分値β４を、比Ｒａの各値について纏めた図表である。このときは、４階微分値β４の絶対値は７×１０−５６ｓ４／ｍ程度までしか小さくならず、好ましい例ではない。また、コア径２ａは４μｍ程度であり、カットオフ波長は１４００ｎｍ程度であり、波長１.５５μｍにおいて実効断面積Ａeffは１２μｍ２程度であり、非線形係数γは１７／Ｗ-ｋｍ程度である。
【００７４】
図１６は、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋を２.５％とし、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−を−０.２％としたときの、分散スロープＳ，分散スロープの波長微分値（ｄＳ／ｄλ），伝搬定数βの４階微分値β４を、比Ｒａの各値について纏めた図表である。このときは、４階微分値β４の絶対値は４×１０−５６ｓ４／ｍ程度まで小さくなり、好ましい。また、コア径２ａは４μｍ程度であり、カットオフ波長は１４００ｎｍ程度であり、波長１.５５μｍにおいて実効断面積Ａeffは１２μｍ２程度であり、非線形係数γは１８／Ｗ-ｋｍ程度である。
【００７５】
図１７は、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋を２.５％とし、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−を−０.３％としたときの、分散スロープＳ，分散スロープの波長微分値（ｄＳ／ｄλ），伝搬定数βの４階微分値β４を、比Ｒａの各値について纏めた図表である。また、図１８は、このときの４階微分値β４と比Ｒａとの関係を示す図である。このときは、４階微分値β４の絶対値は値０をとり得るので、好ましい例である。また、比Ｒａが０.５程度から０.６５程度まで、４階微分値β４の絶対値が１×１０−５６ｓ４／ｍ以下となるので、ファイバ製造における構造トレランスが広く、非常に好ましい。
また、コア径２ａは４μｍ程度であり、カットオフ波長は１４００ｎｍ程度であり、波長１.５５μｍにおいて実効断面積Ａeffは１２μｍ２程度であり、非線形係数γは１８／Ｗ-ｋｍ程度である。
【００７６】
図１９は、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋を２.５％とし、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−を−０.６％としたときの、分散スロープＳ，分散スロープの波長微分値（ｄＳ／ｄλ），伝搬定数βの４階微分値β４を、比Ｒａの各値について纏めた図表である。また、図２０は、このときの４階微分値β４と比Ｒａとの関係を示す図である。このときは、４階微分値β４の絶対値は値０をとり得るので、好ましい例である。ただし、４階微分値β４が０付近で小さくなる際には、比Ｒａの小さな変動であっても４階微分値β４が大きく変動するため、ファイバ製造における構造トレランスがあまり広くない。また、コア径２ａは４μｍ程度であり、カットオフ波長は１３００ｎｍ程度であり、波長１.５５μｍにおいて実効断面積Ａeffは１１μｍ２程度であり、非線形係数γは２０／Ｗ-ｋｍ程度である。
【００７７】
次に、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−を変化させた際の４階微分値β４と比Ｒａとの関係について説明する。
【００７８】
図２１は、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋を２.５％としたときの４階微分値β４と比Ｒａとの関係を示す図である。ここでは、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−の各値について４階微分値β４と比Ｒａとの関係が示されている。Δ＋が２.５％であるとき、Δ−が−０.２％程度以下であって差「Δ＋−Δ−」が２.７％程度以上であれば、４階微分値β４の絶対値が５×１０−５６ｓ４／ｍ以下となる。比Ｒａが０.５〜０.６付近で４階微分値β４は最小値をとることがわかる。この付近で４階微分値β４の絶対値が小さい値であれば、製造トレランスが広くなり、Δ−が−０.４％〜−０.２％であると製造が容易である。また、Δ−が−０.５％〜−１.１％で比Ｒａが０.２〜０.３であっても、４階微分値β４の絶対値が常に小さく、製造が容易となる。
【００７９】
図２２は、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋を２.０％としたときの４階微分値β４と比Ｒａとの関係を示す図である。ここでも、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−の各値について４階微分値β４と比Ｒａとの関係が示されている。その他の特性として、コア径２ａが４.５μｍ程度であり、波長１.５５μｍにおいて実効断面積Ａeffが１３〜１５μｍ２程度であり、非線形係数γが１３〜１５／Ｗ-ｋｍであり、カットオフ波長が１２００〜１３００ｎｍ程度である。Δ＋が２.０％であるとき、Δ−が−０.２％程度以下であって差「Δ＋−Δ−」が２.２％程度以上であれば、４階微分値β４の絶対値が５×１０−５６ｓ４／ｍ以下となる。比Ｒａが０.４〜０.６付近で４階微分値β４は最小値をとることがわかる。この付近で４階微分値β４の絶対値が小さい値であれば、製造トレランスが広くなり、Δ−が−０.４〜−０.２５％であると製造が容易である。また、Δ−が−０.５％以下で比Ｒａが０.２〜０.３であっても、４階微分値β４の絶対値が常に小さく、製造が容易となる。
【００８０】
図２３は、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋を３.０％としたときの４階微分値β４と比Ｒａとの関係を示す図である。ここでも、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−の各値について４階微分値β４と比Ｒａとの関係が示されている。その他の特性として、コア径２ａが４.０μｍ程度であり、波長１.５５μｍにおいて実効断面積Ａeffが９〜１０μｍ２程度であり、非線形係数γが２２〜２６／Ｗ-ｋｍであり、カットオフ波長が１５００〜１３００ｎｍ程度である。Δ＋が３.０％であるのとき、Δ−が−０.１０％程度以下であって差「Δ＋−Δ−」が３.１％程度以上であれば、４階微分値β４の絶対値が５×１０−５６ｓ４／ｍ以下となる。比Ｒａが０.４〜０.６付近で４階微分値β４は最小値をとることがわかる。この付近で４階微分値β４の絶対値が小さい値であれば、製造トレランスが広くなり、Δ−が−０.４〜−０.１５％であると製造が容易である。また、Δ−が−１.０％〜−０.２％で比Ｒａが０.２〜０.３であっても、４階微分値β４の絶対値が常に小さく、製造が容易となる。
【００８１】
図２４は、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋を３.５％としたときの４階微分値β４と比Ｒａとの関係を示す図である。ここでも、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−の各値について４階微分値β４と比Ｒａとの関係が示されている。その他の特性として、コア径２ａが４.０μｍ程度であり、波長１.５５μｍにおいて実効断面積Ａeffが８〜９μｍ２程度であり、非線形係数γが２８〜３１／Ｗ-ｋｍであり、カットオフ波長が１６００〜１４００ｎｍ程度である。Δ＋が３.５％であるのとき、Δ−が−０.１０％程度以下であって差「Δ＋−Δ−」が３.６％程度以上であれば、４階微分値β４の絶対値が５×１０−５６ｓ４／ｍ以下となる。比Ｒａが０.４〜０.７付近で４階微分値β４は最小値をとることがわかる。この付近で４階微分値β４の絶対値が小さい値であれば、製造トレランスが広くなり、Δ−が−０.３〜−０.１％であると製造が容易である。また、Δ−が−０.７％〜−０.１％で比Ｒａが０.２〜０.４であっても、４階微分値β４の絶対値が常に小さく、製造が容易となる。
【００８２】
以上を纏めると、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋とディプレスト部１２の比屈折率差Δ−との差「Δ＋−Δ−」が２.２％以上であり、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−が−０.１〜−１.１％であり、比Ｒａが０.２〜０.７であると好ましい。また、差「Δ＋−Δ−」が３.１％以上であり、Δ−が−０.１〜−１.１％であり、比Ｒａが０.２〜０.７であると、実効断面積Ａeffが１１μｍ２以下と小さく、非線形係数γが２０／Ｗ-ｋｍ程度以上と大きくなるので、さらに好ましい。
【００８３】
以上の計算結果から、４階微分値β４と分散スロープＳとの関係を図示すると図２５のようになり、また、４階微分値β４と分散スロープＳの波長微分値（ｄＳ／ｄλ）との関係を図示すると図２６のようになる。図２５から判るように、分散スロープＳは＋０.０１８〜＋０.０３０ps/nm2/km程度であるのが好ましい。さらには、分散スロープＳは＋０.０２２〜＋０.０２８ps/nm2/km程度であれば、４階微分値β４の絶対値がさらに小さくなり得るため、さらに好ましい。また、図２６から判るように、分散スロープＳの波長微分値（ｄＳ／ｄλ）は−０.０００１２〜−０.００００８ps/nm3/km程度であるのが好ましい。さらには、分散スロープＳの波長微分値（ｄＳ／ｄλ）は−０.０００１１〜−０.００００９ps/nm3/km程度であれば、４階微分値β４の絶対値がさらに小さくなり得るため、さらに好ましい。
【００８４】
また、高非線形性光ファイバにおいて、分散スロープＳが小さいと零分散波長λ０の変動が大きくなる。図２７は、コア径２ａの変動が１％あったときの零分散波長λ０の変動量と分散スロープＳとの関係を示す図である。この図から判るように、零分散波長λ０の変動が大きいと、波長変換帯域幅を狭めてしまう。特に、分散スロープＳは、＋０.０１８ps/nm2/km以下では零分散波長λ０の変動が大きいので、＋０.０１８ps/nm2/km以上であるのが好ましい。
【００８５】
次に、本発明の光ファイバおよび光デバイスの実施例について説明する。図２８は、実施例の光デバイス１の構成図である。この光デバイス１は、上述した光ファイバ１０を備える他、ポンプ光源２１、光増幅器２２、バンドパスフィルタ２３、偏波コントローラ２４、プローブ光源３１、偏波コントローラ３４、光合波器４０およびスペクトラムアナライザ５０を備える。
【００８６】
ここで用いた光ファイバ１０は、図１１に示されるような構造を有し、中心コア部１１の比屈折率差Δ＋が３.４１％であり、ディプレスト部１２の比屈折率差Δ−が−０.１４％であり、比Ｒａが０.５６であり、コア径２ａが３.７８μｍであり、長さＬが１００ｍであった。また、この光ファイバ１０は、零分散波長λ０が１５６２.３ｎｍであり、波長１.５５μｍにおいて伝送損失が１ｄＢ／ｋｍであり、実効断面積Ａeffが９.４μｍ２であり、モードフィールド径が３.５１μｍであり、ＸＰＭ法で測定した非線形係数γが２５／Ｗ-ｋｍであり、偏波モード分散が０.０３ｐｓ／ｋｍ１／２であった。また、この光ファイバ１０は、零分散波長において、分散スロープＳが＋０.０２４ps/nm2/kmであり、分散スロープＳの波長微分値（ｄＳ／ｄλ）が−０.０００１０ps/nm3/kmであり、伝搬定数βの３階微分値β３が４×１０−４１ｓ３／ｍであり、伝搬定数βの４階微分値β４が＋２×１０−５６ｓ４／ｍであった。
【００８７】
ポンプ光源２１は、波長λＰのポンプ光を発生する。プローブ光源３１は、波長λＳのプローブ光を発生する。本実施例では、ポンプ光波長λＰは、光ファイバ１０の零分散波長付近とした。また、プローブ光波長λＳは、波長可変光源の出力範囲（１４４０〜１６５３ｎｍ）でスィープさせた。光増幅器２２は、ポンプ光源２１から出力されたポンプ光を光増幅して出力する。バンドパスフィルタ２３は、光増幅器２２から出力された光のうち波長λＰの光を選択的に透過させて出力する。偏波コントローラ２４は、バンドパスフィルタ２３から出力されたポンプ光λＰの偏波状態を制御して出力する。また、偏波コントローラ３４は、プローブ光源３１から出力されたプローブ光λＳの偏波状態を制御して出力する。
【００８８】
光合波器４０は、偏波コントローラ２４から出力されたポンプ光λＰを入力するとともに、偏波コントローラ３４から出力されたプローブ光λＳをも入力して、これらポンプ光λＰおよびプローブ光λＳを合波して出力する。光ファイバ１０は、光合波器４０により合波されて出力されたポンプ光λＰおよびプローブ光λＳを入力する。本実施例では、光ファイバ１０に入射するポンプ光λＰのパワーＰＰ１-inを＋３ｄＢｍとし、光ファイバ１０に入射するプローブ光λＳのパワーＰＳ-inを−５ｄＢｍとして、この光ファイバ１０において四光波混合によりアイドラ光λＩを発生させた。アイドラ光波長λＩは「λＩ＝（２／λＰ−１／λＳ）−１」なる式で表される。スペクトラムアナライザ５０は、光ファイバ１０から出力される光を受光して、その光のスペクトルを測定する。特に、本実施例では、スペクトラムアナライザ５０は、光ファイバ１０から出射されるアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outを測定した。
【００８９】
図２９は、実施例の光デバイス１の光ファイバ１０から出射されたアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。この図の縦軸は、アイドラ光λＩのパワーＰＩ-outの最大値を０ｄＢとして規格化してある。また、この図には、ポンプ光波長λＰが１５６２.０ｎｍ，１５６２.３ｎｍおよび１５６２.６ｎｍそれぞれの各値である場合について、アイドラ光パワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係が示されている。光ファイバ１０の伝搬定数βの４階微分値β４が正であるから、ポンプ光波長λＰが光ファイバ１０の零分散波長λ０より長い場合に、波長変換帯域幅が広くなると予測される。
【００９０】
実際に図２９に示されるように、ポンプ光波長λＰが１５６２.０ｎｍであるときに波長変換帯域幅が１２６ｎｍであり、ポンプ光波長λＰが１５６２.３ｎｍであるときに波長変換帯域幅が１６８ｎｍであり、ポンプ光波長λＰが１５６２.６ｎｍであるときに波長変換帯域幅が２２０ｎｍであった。すなわち、ポンプ光波長λＰが零分散波長λ０より０.３ｎｍだけ長い１５６２.６ｎｍである場合に、波長変換帯域幅が最も広くなった。
【００９１】
ただし、実施例では、プローブ光源３１として実際に用いた波長可変光源の出力波長範囲の限界で、プローブ光λＳが１６５３ｎｍよりも長波長側では評価ができていない。そこで、上記（１）式〜（６）式および（１６）式から、計算により、光ファイバ１０から出射されるアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outを求めた。
【００９２】
図３０は、ポンプ光波長λＰが１５６２.０ｎｍであるときの光デバイス１の光ファイバ１０から出射されたアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。図３１は、ポンプ光波長λＰが１５６２.３ｎｍであるときの光デバイス１の光ファイバ１０から出射されたアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。図３２は、ポンプ光波長λＰが１５６２.６ｎｍであるときの光デバイス１の光ファイバ１０から出射されたアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。これらの図には、光ファイバ１０から出射されるアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outの計算値が実線で示されている。
【００９３】
図３０および図３１から判るように、ポンプ光波長λＰが１５６２.０ｎｍ，１５６２.３ｎｍである場合には、計算値と実測値とは互いに極めてよく一致している。一方、図３２から判るように、ポンプ光波長λＰが１５６２.６ｎｍである場合には、計算値と実測値とは、互いによく一致しているものの、プローブ光λＳが短波長側での一致があまりよくない。
【００９４】
そこで、光ファイバ１０の長手方向において±０.１ｎｍの零分散波長λ０の変動があるとして再度計算すると図３３に示されるようになる。この図に示されるように、零分散波長λ０の変動を±０.１ｎｍとした場合、計算値と実測値とは互いに極めてよく一致する。したがって、この光ファイバ１０は、ポンプ光波長λＰが最適化されていない場合でも波長変換帯域幅が１００ｎｍ以上と広く、ポンプ光波長λＰが最適化された場合には波長変換帯域幅が２２０ｎｍと極めて広い。また、零分散波長λ０の変動は±０.１ｎｍ程度と推測できる。これは、従来知られている９０〜１１０ｎｍの変換帯域を２倍とするものである。
【００９５】
図３４は、ポンプ光波長λＰが１５６２.７ｎｍであるときの光デバイス１の光ファイバ１０から出射されたアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。このように、プローブ光波長λＳを更に長波長化して１５６２.７ｎｍとすると、波長変換帯域（アイドラ光パワーＰＩ-outがピーク値に対して−３ｄＢ以上であるプローブ光の波長帯域）は、連続的にはならず、２つの帯域に分割される。しかし、プローブ光波長λＳがポンプ光波長λＰから遠ざかっても高い波長変換効率が得られる。３ｄＢ内と定義した波長変換帯域幅は狭くなるが、ＯＰＡやスイッチといった光デバイスにとっては、プローブ光波長λＳがポンプ光波長λＰから遠いのでプローブ光の分散値が比較的大きく、プローブ光間での四光波混合などの問題が回避できる。
【００９６】
図３５は、実施例の光ファイバの長さを１０００ｍとしたときのアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。また、図３６は、実施例および従来例それぞれの光ファイバの波長変換帯域幅とファイバ長との関係を示す図である。上記（７）式や図９に示されるように、ファイバ長Ｌが長いほど波長変換帯域幅は狭くなる。モード間のカップリングの問題も加わり、偏波保持ファイバでない通常の光ファイバでは、従来、長さ５００ｍ以上で波長変換帯域幅が５０ｎｍ以上になることはなく、長さ１０００ｍでは波長変換帯域幅は２０ｎｍ程度であった。これに対して、試作した実施例の光ファイバでは、４階微分値β４を低減する効果が大きく、ファイバ長が１０００ｍであるときでも波長変換帯域幅は６４ｎｍと大きく広がった。
【００９７】
このように、４階微分値β４の絶対値を５×１０−５６ｓ４／ｍ以下に抑制し、零分散波長λ０の変動を±０.６ｎｍ以下に抑制することで、１００ｎｍ以上（好ましくは１５０ｎｍ以上、さらには２００ｎｍ以上）と極めて広い波長変換帯域幅を有することがわかる。非常に広い波長範囲でパラメトリック過程が効率的に発生することから、通信・非通信用途での波長変換やＯＰＡ、光スイッチ、光分波器、サンプリングオシロ、などの光ファイバ型デバイスやアプリケーションを容易に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】光ファイバから出射されるアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。
【図２】波長変換帯域幅とポンプ光波長λＰとの関係を示す図である。
【図３】波長変換帯域幅とポンプ光波長λＰとの関係を示す図において波長変換帯域幅の最小値を説明する図である。
【図４】光ファイバの零分散波長λ０の変動幅の各値について、４階微分値β４の絶対値および光ファイバ長Ｌの各値における波長変換帯域幅を纏めた図表である。
【図５】光ファイバの零分散波長λ０の変動幅の各値について、４階微分値β４の絶対値および光ファイバ長Ｌの各値における波長変換帯域幅を纏めた図表である。
【図６】零分散波長λ０の変動がないファイバ長１００ｍの光ファイバにおける波長変換帯域幅と４階微分値β４との関係を示す図である。
【図７】零分散波長λ０の変動が±０.０５ｎｍであるファイバ長１００ｍの光ファイバにおける波長変換帯域幅と４階微分値β４との関係を示す図である。
【図８】零分散波長λ０の変動が±０.１０ｎｍであるファイバ長１００ｍの光ファイバにおける波長変換帯域幅と４階微分値β４との関係を示す図である。
【図９】零分散波長λ０の変動が±０.１０ｎｍである光ファイバにおける波長変換帯域幅とファイバ長Ｌとの関係を示す図である。
【図１０】波長変換帯域幅と零分散波長λ０の変動量との関係を示す図である。
【図１１】本実施形態の光ファイバ１０の断面構造および屈折率プロファイルの好適例を示す図である。
【図１２】分散スロープＳ，分散スロープの波長微分値（ｄＳ／ｄλ），伝搬定数βの４階微分値β４を、比Ｒａの各値について纏めた図表である。
【図１３】分散スロープＳ，分散スロープの波長微分値（ｄＳ／ｄλ），伝搬定数βの４階微分値β４を、比Ｒａの各値について纏めた図表である。
【図１４】本実施形態の光ファイバの屈折率プロファイルの他の好適例を示す図である。
【図１５】分散スロープＳ，分散スロープの波長微分値（ｄＳ／ｄλ），伝搬定数βの４階微分値β４を、比Ｒａの各値について纏めた図表である。
【図１６】分散スロープＳ，分散スロープの波長微分値（ｄＳ／ｄλ），伝搬定数βの４階微分値β４を、比Ｒａの各値について纏めた図表である。
【図１７】分散スロープＳ，分散スロープの波長微分値（ｄＳ／ｄλ），伝搬定数βの４階微分値β４を、比Ｒａの各値について纏めた図表である。
【図１８】４階微分値β４と比Ｒａとの関係を示す図である。
【図１９】分散スロープＳ，分散スロープの波長微分値（ｄＳ／ｄλ），伝搬定数βの４階微分値β４を、比Ｒａの各値について纏めた図表である。
【図２０】４階微分値β４と比Ｒａとの関係を示す図である。
【図２１】４階微分値β４と比Ｒａとの関係を示す図である。
【図２２】４階微分値β４と比Ｒａとの関係を示す図である。
【図２３】４階微分値β４と比Ｒａとの関係を示す図である。
【図２４】４階微分値β４と比Ｒａとの関係を示す図である。
【図２５】４階微分値β４と分散スロープＳとの関係を示す図である。
【図２６】４階微分値β４と分散スロープＳの波長微分値（ｄＳ／ｄλ）との関係を示す図である。
【図２７】コア径２ａの変動が１％あったときの零分散波長λ０の変動量と分散スロープＳとの関係を示す図である。
【図２８】実施例の光デバイス１の構成図である。
【図２９】実施例の光デバイス１の光ファイバ１０から出射されたアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。
【図３０】実施例の光デバイス１の光ファイバ１０から出射されたアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。
【図３１】実施例の光デバイス１の光ファイバ１０から出射されたアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。
【図３２】実施例の光デバイス１の光ファイバ１０から出射されたアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。
【図３３】実施例の光デバイス１の光ファイバ１０から出射されたアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。
【図３４】実施例の光デバイス１の光ファイバ１０から出射されたアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。
【図３５】実施例の光ファイバの長さを１０００ｍとしたときのアイドラ光λＩのパワーＰＩ-outとプローブ光波長λＳとの関係を示す図である。
【図３６】実施例および従来例それぞれの光ファイバの波長変換帯域幅とファイバ長との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００９９】
１…光デバイス、１０…光ファイバ、１１…中心コア部、１２…ディプレスト部、１３…クラッド部、２１…ポンプ光源、２２…光増幅器、２３…バンドパスフィルタ、２４…偏波コントローラ、３１…プローブ光源、３４…偏波コントローラ、４０…光合波器、５０…スペクトラムアナライザ。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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