(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５０から９２ｗｔ％の濃度範囲のＳｉＯ２と、０．０１から２ｗｔ％の濃度範囲のＥｒ２Ｏ３と、少なくとも１４ｗｔ％の濃度のＰ２Ｏ５と、０．０から０．３ｗｔ％の濃度範囲のＡｌ２Ｏ３と、０．１から２０ｗｔ％の濃度範囲の屈折率を上昇させる１以上の元素と、が含まれ、Ｙｂを含まない光学活性リン珪酸塩ガラスであって、
前記元素はＧｅ、Ｙ、Ｇａ、Ｔａから選択され、
前記光学活性ガラスは、Ｅｒイオンを直接励起するようにポンプされた場合に、１５６５ｎｍから１６２０ｎｍの範囲で利得を提供する、ことを特徴とする光学活性ガラス。
【請求項２】
請求項１に記載の光学活性ガラスを含む光ファイバ。
【請求項３】
請求項２に記載の光ファイバからなることを特徴とする光増幅器。
【請求項４】
Ａｌ２Ｏ３の濃度が、０．１ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１記載の光学活性ガラス。
【請求項５】
Ａｌ２Ｏ３の濃度が、０から０．０５ｗｔ％の範囲にあることを特徴とする請求項４記載の光学活性ガラス。
【請求項６】
Ｐ２Ｏ５の濃度は、２０ｗｔ％よりも大であることを特徴とする請求項５記載の光学活性ガラス。
【請求項７】
請求項１に記載の前記光学活性ガラスには０．５から２０ｗｔ％の濃度範囲でＥｒイオン分散剤が更に含まれ、前記分散剤はＹ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇａ、Ｇｄ及びＬｕからなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の光学活性ガラス。
【請求項８】
前記光学活性ガラスには０．５から２０ｗｔ％の濃度範囲で利得平坦化剤が更に含まれ、前記利得平坦化剤はＧａ及びＳｂからなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の光学活性ガラス。
【請求項９】
０．５から２０ｗｔ％の濃度範囲で利得平坦化剤が更に含まれ、前記利得平坦化剤は、Ｇａ及びＳｂからなる群から選択されることを特徴とする請求項３記載の光増幅器。
【請求項１０】
Ｅｒ２Ｏ３の濃度が、０．２から０．４ｗｔ％の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の光学活性ガラス。
【請求項１１】
コア及び前記コアを囲繞する少なくとも１つのクラッディングを含む光ファイバであって、
前記コアが請求項１に記載の光学活性ガラスによって形成され、
前記クラッディングがＰ、Ｆ及びＧｅのうち少なくとも１つの元素を含む、ことを特徴とする光ファイバ。
【請求項１２】
前記コアがＧｅを含むことを特徴とする請求項１１記載の光ファイバ。
【請求項１３】
前記コア内のＧｅの濃度が、０．５ｗｔ％より小であることを特徴とする請求項１２記載の光ファイバ。
【請求項１４】
屈折率Ｎｃｏｒｅを有し且つ請求項１に記載の光学活性ガラスからなるコアと、前記コアを囲繞し且つ屈折率Ｎｃｌａｄを有する少なくとも１つのクラッドと、を含む光ファイバであって、
ΔＮ＝（Ｎｃｏｒｅ−Ｎｃｌａｄ）／Ｎｃｌａｄであり、０．００７≦ΔＮ≦０．０１５であることを特徴とする光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ増幅器に使用される光ファイバに関し、特にリン−珪酸塩ファイバに関する。
【０００２】
【技術背景】
現在のエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡｓ）の多くが、略１５２５ｎｍから略１５６５ｎｍの範囲に近似する従来の帯域（Ｃ−バンド）で動作する。インターネット、メトロ（Metro）及びＬＡN装置の急速な成長（普及）によって、ＥＤＦＡｓを使用した波長分割多重（ＷＤＭ）光通信システムは、より大なる容量に対する要求に対処しなければならない。従って、平坦な利得形状を提供するだけでなく可能な限り広い帯域幅をも有する新規なＥＤＦＡを開発する必要がある。
【０００３】
ＥｒがドープされたＡｌ−Ｇｅ石英ファイバ（Ｅｒ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｓｉ）が、１５６５ｎｍから１６０５ｎｍの長波長帯域（Ｌバンド）でＥＤＦＡの動作に使用されるように選択される。しかしながら、商業的に利用可能な伝送ファイバによって提供されている１５６５ｎｍから１６２０ｎｍの能力を使用するためには、ＥＤＦＡの信号帯域能力を１６２０ｎｍ及びそれより大の波長（拡張されたＬバンドとして公知の範囲）へ更に拡大させる必要がある。
【０００４】
１９９８年の光増幅器とその応用に関する会議の技術要約集に掲載されている「リン／アルミナを共にドーパントとして含むシリカベースのエルビウムドープファイバの１．５８μｍ近辺の光増幅特性」という表題の論文（"Optical Amplification Characteristics around 1.58 μm of Silica-Based Erbium-Doped Fibers Containing Phosphorous/Alumina as Codopants" published in the Technical Digest, Optical amplifiers and their Applications Conference, 1998）において、アルミナ−リン−珪酸塩ファイバが記載されている。当該論文は、上記ファイバがＬバンド領域で利用され得ることを示している。当該論文の表１は、アルミナ及びリンの濃度を変化させた３種類のファイバＡ，Ｂ及びＣのコアの組成について示している。タイプＡのファイバは、略７．８重量パーセント（ｗｔ％）のアルミナを含み、リンを含まない。タイプＢのファイバは、略２ｗｔ％のアルミナ及び略５ｗｔ％のリン酸化物を含む。タイプＣのファイバは、０．３ｗｔ％のアルミニウム濃度を有し且つ略８ｗｔ％のリン酸化物を含む。当該論文の図３は、上記ファイバの各々の利得曲線を示す。タイプＢのファイバに対する利得曲線は、タイプＡのファイバよりも小であり、主にＥｒ濃度が低いことに起因する。しかし、タイプＡ及びタイプＣのファイバにおいてＥｒの量が同一であっても、タイプＣのファイバの場合、タイプＡのファイバと比較して長波長側へＬバンド利得が拡張する。しかしながら、タイプＣのファイバは、小なる利得量を提供し、より大なる利得リップルを有する。当該ファイバのコア／クラッド組成に起因して、最終的に、タイプＣのファイバにおいて、コアとクラッディングとの間の屈折率デルタが相対的に低くなる（ΔN＜０．００４）。その結果、ポンプ効率が低く且つ曲げ感度が高くなる。上記のことは、次に、全パワーが高く且つコイル径が大であることに起因して、モジュールが非常に大なる大きさとなり、当該増幅器は、商業的には実用的ではない。
【０００５】
タイプＢ及びタイプＣの如きシリカベースのＡｌ−Ｐ−Ｓｉファイバを作成する際に強く現れるＡｌＰＯ4が、問題を有することを示している。ＡｌＰＯ4ユニットは、シリカベースの網状構造から離れて集団化し且つ微結晶（一般的に１００μｍより小の粒子サイズを有する）を形成する傾向がある。当該微結晶によって、形成されたファイバにおいて高散乱損失が生じる。更に、ＡｌＰＯ4ユニットは、Ｐ2Ｏ5及びＡｌ2Ｏ3を有する上記ファイバよりも低い屈折率を有する。ＥＤＦＡ装置に使用されるファイバに対して、相対的に高いΔN（略１％）が一般に所望されている。アルミナ及びリンを高濃度にすることによって、クラッドに対してコアの屈折率が上昇し、ＥＤＦＡの出力において最適な利得形状が得られるように期待される。しかしながら、Ａｌ及びＰ濃度が上昇することにより、ガラス中で高濃度のＡｌＰＯ4ユニットが形成される。その結果、ΔＮが低くなり、集団化及び散乱の問題が更に悪化する。
【０００６】
１９９８年１１月の光波技術ジャーナルに掲載されている「レーザ用のＹｂ3+：Ｅｒ3+リン珪酸塩ファイバの製造と特性」という表題の論文（"Fabrication and Characterization of Yb3+:Er3+ Phosphosilicate Fibers for Lasers" published in Journal of Lightwave technology, Vol. 16, No 11, Nov. 1998）にも、光学的に活性なガラスを用いた光ファイバが開示されている。しかしながら、当該論文は、１．５μｍで動作する高パワーファイバレーザ（詳細には、Ｙｂ及びＥｒが共にドープされたファイバレーザ）を対象にしている。当該論文は、高出力パワーを得るように、１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザが、Ｙｂを活性させ、その結果、Ｅｒイオンを間接的にポンピングするように使用されるということを教示している。励起されたＹｂは、エネルギーをＥｒイオンへ移動させ、当該Ｅｒイオンから光信号増幅が可能になる。より詳細には、当該論文は、高パワー（８００mW）のＮｄ：ＹＡＧレーザが光ファイバから高出力パワーを得るように使用されたことを開示している。商業的に、上記の如きＮｄ：ＹＡＧポンプレーザが使用出来る増幅器は、非常に大きい。従って、Ｎｄ：ＹＡＧレーザは、素子の小型化及び間隔（空間）の維持が極めて重要な一般的な光増幅器には使用出来ない。更に、上記レーザーは、効率良くＥｒイオンを直接ポンプすることが出来ない。
【０００７】
【発明の概要】
本発明のある実施例において、光学的に活性なリン−珪酸塩ガラスは、Ｅｒイオンが直接励起された場合に、１５６５ｎｍから１６２０ｎｍの範囲で利得を提供し、５０から９２ｗｔ％の濃度範囲にあるＳｉＯ2と、０．０１から２ｗｔ％の濃度範囲にあるＥｒ2Ｏ3と、５ｗｔ％より大なる濃度のＰ2Ｏ5と、０．０から０．３ｗｔ％の濃度範囲にあるＡｌ2Ｏ3と、を含む。
【０００８】
本発明の実施例によれば、上記ガラスは、６５から９２ｗｔ％の濃度範囲にあるＳｉＯ2と、０．０１から１ｗｔ％の濃度範囲にあるＥｒ2Ｏ3と、５ｗｔ％より大なる濃度Ｐ2Ｏ5と、０から０．３ｗｔ％の濃度範囲にあるＡｌ2Ｏ3と、０．１から２０ｗｔ％の濃度範囲にある１以上の元素（Ｇｅ、Ｙｂ、Ｙ、Ｇａ、Ｔａ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｌａ及びＳｃ）と、を含む。
【０００９】
本発明のガラスの利点は、当該ガラスが、Ｌバンド光増幅器の光利得媒体ファイバに使用可能であるということである。当該Ｌバンドは、１６０５ｎｍから１６２０ｎｍ又はそれより大なる範囲に拡張される。
前述の概要及び以下に記載する詳細な説明は、単に本発明の例であり、特許が請求される発明の本質及び性質を理解するための概要及び枠組を提供することを企図したものである。添付図面は、本発明の更なる理解を提供するように含まれ、本明細書に組み込まれ且つその１部を構成する。図面は、本発明の様々な特徴と実施例を示し、詳細な説明の記載と共に本発明の原理及び動作を説明するのに役立つ。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施例は、Ｅｒがドープされ且つＡｌ2Ｏ3が含まれていないリン−珪酸塩ガラス（構成体）であり、当該ガラスは、拡張されたＬバンドに適している光増幅器の利得媒体として、光ファイバに使用するのに適している。Ａｌ2Ｏ3が含まれていないコアガラスを有するファイバは、アルミナの濃度が充分に低いファイバに比べて大なる波長で、より大なる利得を提供する。当該ファイバの利点は、受動損失が低く、屈折率デルタが相対的に高いことである。例えば、受動損失（バックグラウンド損失とも称される）は、散乱中心（例えば微結晶及び不連続性の屈折率）からの散乱に起因する損失及び疑似吸収（例えば水又は鉄若しくは他の金属吸収）に起因する損失を含む。屈折率デルタは、コアの屈折率からクラッディングの屈折率を引いた差分をクラッディングの屈折率で割ったものとして定義される。つまり、
【００１１】
【外１】
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として定義される。上記ファイバは、０．００５より大である屈折率デルタ（ΔN）を有することが好ましい。より好ましくは、０．００７≦ΔN≦０．０１５であり、さらに好ましくは０．００８≦ΔN≦０．０１３である。ある実施例において、ファイバは、０．００９≦ΔN≦０.０１１の範囲のΔN値を有する。上記したΔN値において、ファイバ曲げ損失が最小になり、より良いポンプパワー変換効率が得られる。
【００１２】
更に拡張されたＬバンド利得スペクトルを変更するために、１以上の利得変更剤又は利得平坦化剤が使用される。例えば、Ｇａ及びＳｂが、前述した利得変更剤又は利得平坦化剤とされ得る。上記の物質が、ガラスに０．５から２０ｗｔ％の濃度範囲で含まれていることが好ましい。前述の元素は、略１５７５ｎｍ（図２参照）における利得曲線の落ち込みを克服し、且つ利得を改善する。
【００１３】
リン濃度の増加によって、ガラスの屈折率が増加し、それに対応して、リン濃度が低くなると、屈折率が低くなる。Ｇｅ、Ｔａ、Ｙｂ、Ｌａ、Ｙ又は屈折率を増加させる元素（原子番号が１５よりも大である光学的に不活性な元素等）を添加することによって、ガラスの屈折率が増加し、低いリン濃度が補償される。光学的に不活性な元素は、８００ｎｍから１７００ｎｍの波長範囲で吸収又は放出をほとんど示さない元素である。従って、ファイバコアのリンの濃度が１０パーセントより小である場合、上記の元素がコアのガラスに０．１ｗｔ％から２０ｗｔ％の範囲で含まれることが、好ましい。上記コアが、上記元素を全ガラスの１ｗｔ％から１５ｗｔ％の範囲で含むことが好ましく、１から１０ｗｔ％の範囲がより好ましく、１から５ｗｔ％の範囲が更に好ましい。
【００１４】
１以上の元素（以下に記載）がＥｒイオン分散剤として使用されることが好ましい。当該元素は、Ｙｂ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇａ、Ｇｄ及びＬｕである。Ｅｒ濃度が高い（例えば、０．１ｗｔ％）場合に、上記分散剤が、ガラスに０．５から２０ｗｔ％の範囲で含まれることが好ましい。上記元素の群は、利得形状に有害な影響を与えない。これまでの知識によれば、上記元素は、Ｐ2Ｏ5と複雑なユニットを形成しないが、希土類元素がドープされた石英ガラスに組み込まれるときに、幾らかの所望された拡大とＥｒイオンを分散する効果を提供することが判っている。
【００１５】
図１は、４種類の希土類元素がドープされたリン珪酸塩ファイバからの放出（蛍光）スペクトルを示す。より詳細には、図１は、４種類の光学活性ファイバコアガラスＡ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’に各々対応する４つの曲線を示す。光学活性ガラスは、希土類元素を含み、且つ略８００から略１７００ｎｍの範囲で利得を提供する。例えば、Ｅｒがドープされた光学活性ガラスが、１５００ｎｍから１６５０ｎｍの範囲で利得を提供する。第１リン珪酸塩ガラスＡ’は、略２０ｗｔ％のリン酸化物（例えばＰ2Ｏ5）、略１０ｗｔ％のＹｂ酸化物（Ｙｂ2Ｏ3）及び、略０．２５ｗｔ％のエルビウム酸化物（例えばＥｒ2Ｏ3）及び略４．５ｗｔ％のＡｌ酸化物（例えばＡｌ2Ｏ3）を含む。
【００１６】
第２のガラスＢ’は、略２３ｗｔ％のリン酸化物、略２．５ｗｔ％のＹｂ酸化物及び略０．１９ｗｔ％のエルビウム酸化物を含む。当該第２のガラス成分は、アルミニウムを含まない。第３のガラスＣ’は、略２０ｗｔ％のリン酸化物、略０．２５ｗｔ％のエルビウム酸化物を含み、Ｙｂ酸化物及びアルミナは含まない。第４のガラスＤ’は、略２２ｗｔ％のリン酸化物、略２ｗｔ％のイットリウム酸化物及び略０．２ｗｔ％のエルビウム酸化物を含む。当該第４の成分は、アルミナを含まない。
【００１７】
Ａｌ2Ｏ3の組成に関する上述した問題を考慮して、当該問題を解決するように、アルミニウム酸化物が少ない（より好ましくはＡｌ2Ｏ3がない）リン珪酸塩ガラスを使用することは、非常に有効である。
図２は、当該ファイバに対する利得スペクトルを示しており、当該利得スペクトルが、１６２０ｎｍの範囲及びそれを超える範囲に拡張することを示す。
【００１８】
故に、アルミニウム濃度が低い（例えば０．３ｗｔ％より小、及び好ましくは０．２ｗｔ％より小）Ｅｒがドープされたリン珪酸塩ベースのガラス（Ｐ2Ｏ5が２から４５ｗｔ％の範囲）を使用することによって、拡張されたＬバンド増幅器装置で使用される有利な酸化物が多くなる。アルミナの量が０．１ｗｔ％より小であることが好ましく、０．０５ｗｔ％より小であることがより好ましい。上記酸化物が含まれたリン珪酸塩をベースにしたガラスは、実質上アルミニウムが含まれていないことが最も好ましい。図３を参照すると、本発明による実施例の光ファイバ１０は、低濃度のアルミナ（０．３％より小であり、好ましくは０％）を含むコア１２及び当該コアを囲繞する少なくとも１つのクラッディング１４を有する。より詳細には、コア１２は、重量パーセントで６５％≦ＳｉＯ2≦９２％、０．０１％≦ＲＥxＯ≦２％、Ｐ2Ｏ5＞８％及び０．０％≦A１2Ｏ3≦０．３％で構成される。ここでＲＥは、Ｙｂとは別の希土類元素であり、ｘ、ｙは、０より大の整数（例えばＥｒ2Ｏ3）である。前記希土類元素はエルビウムであることが、好ましい。Ｅｒ2Ｏ3の濃度が０．１から１．０ｗｔ％であることが好ましく、Ｅｒ2Ｏ3の濃度が０．２から０．４ｗｔ％であることがより好ましい。前述のＥｒ2Ｏ3の濃度は、非常に多くのクラスターを発生させることなく良好な利得特性を提供する。上記の如く、０．００５より大なる屈折率デルタ（ΔN）を得るように、コア１２は、更に屈折率を上昇させる共に含まれるドーパントを含み得る。コア１２は、更に、以下に示す組成（重量パーセントで表示）を有し得る。つまり、コア１２は、５０％≦ＳｉＯ2≦９２％、０．０１％≦Ｅｒ2Ｏ3≦１％、Ｐ2Ｏ5＞５％、０．０％≦Ａｌ2Ｏ3≦０．３％及び上述した１以上の屈折率を上昇させる元素を０．１ｗｔ％から２０ｗｔ％の濃度範囲で、形成され得る。本実施例において、光ファイバ１０のクラッディング１４は、Ｓｉを含み、Ｐ、Ｆ及び（又は）Ｇｅを含み得る。より詳細には、クラッディング１４は、５ｗｔ％より小のＰ2Ｏ5と、１ｗｔ％より小のＦ及び略２ｗｔ％のＧｅを含む。
【００１９】
表１及び２は、実施例の化学組成及び当該組成で形成された様々な実施例のリン珪酸塩ファイバの重要なパラメータを示す。より詳細には、表１は、ファイバ組成データ及び当該ファイバのうちの幾つかから測定されたデータを示す。当該測定データには、各々の光ファイバに対して、１５００ｎｍにおけるモードフィールド径（ＭＦＤ）、カットオフ波長（ｎｍ）及び１２５０ｎｍ、１３００ｎｍ及び１６１９ｎｍで測定される全バックグラウンドノイズ（ＴＢＮ）が含まれる。
【００２０】
【表１】
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表２において、光ファイバのＥｒイオンを励起するように使用されたポンプパワーと、チューナブルレーザ（ＴＬＳ  ｐｗｒ）を用いて供給される信号パワーと、表１のファイバ２及び３に対する特定の波長範囲（ｎｍ単位、波長カラムで示される）と、が指定される。表２は、当該ファイバが指定された波長範囲で非常に低い偏光モード分散（ＰＭＤ）を有することを示す。（通信システムにおける信号波長が一般的に略１５５０ｎｍであることを注記する。）
【００２１】
【表２】
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上記ファイバが、拡張されたLバンド増幅器に使用され得る。典型的な増幅器１００の概略図が、図４に示される。増幅器１００は、１５６５から１６２０ｎｍの帯域で動作し、図に示される如く、アルミニウム濃度が低い（好ましくはアルミニウムが含まれていない）リン珪酸塩ファイバ１０の２つのコイルが含まれる。当該コイルは、同一又は異なるガラスを含み得る。当業者は、増幅器が本発明によるファイバの単一コイルによって又は２より多いコイルによっても設計され得ると認識される。更に、当該増幅器は、次に記載する素子、つまりアイソレータ、利用可能な光減衰器、フィルタ又は格子のうち、１以上含み得る。ファイバコイル１１０及び１２０は、拡張されたＬバンド範囲で利得を信号に提供するように利用される。
【００２２】
増幅器１００は、光アイソレータ１３０、１４０及び１５０をも含む。上記アイソレータは、利得ステージ（ファイバコイル１１０及び１２０に対応する）と他の光学素子との間の不必要な反射を防止する。
光ポンプ１６０、１６５及び１７０は、誘導放出を開始し利得を得るように、Ｅｒイオンを上部準位へと直接励起するように使用される。ポンプ１６０、１６５及び１７０は、１４８０ｎｍ又は９８０ｎｍの何れかの波長でポンプする。Ｙｂが共に含まれるドーパント（必要に応じて、Ｙが分散剤として使用され得る）として使用されない場合、９８０ｎｍ及び１４８０ｎｍの両方の波長を出射するポンプは、Ｅｒイオンを直接励起するように利用され得る。Ｙｂがファイバ中に存在する場合には、１４８０ｎｍのポンプのみが使用される。故に、Ｙｂイオンを励起する１０６０ｎｍ波長のポンプが利用されることはなく、従って、ＹｂイオンからＥｒイオンへエネルギー移動することによってＥｒへエネルギーを間接的に移動することもない。
【００２３】
波長分割多重装置（ＷＤＭｓ）１７５、１８０及び１８５又は他のポンプ／信号コンバイナーは、ポンプ光及び信号光を所定のファイバに案内する。故に、信号光及びポンプエネルギーの両方が第１利得ステージに提供される。利得平坦化フィルタ（ＧＦＦ）１９０は、利得形状を受容出来る量に平坦にする。可変光減衰器（ＶＯＡ）１９５は、信号レベルを制御するようにも使用され得る。他の光学素子は、以下のものが含まれる。つまり、ポンプ又は信号タップ（モニタリング用）、サーキュレータ（信号ルーチング用）、光学フィルタ、ファイバ格子、信号マルチプレクサ及びデマルチプレクサ、信号アド／ドロップ又は分散補償モジュールが含まれる。当業者は、本発明による増幅器が、所望の出力特性及び動作特性を得るように選択された異なる配列で上記した光学素子を又は他の光学素子を含むことが可能であると認められる。
【００２４】
従って、様々な変形と変更が本発明の範囲から離れることなく、本発明に対して実施できることは、当業者にとって明白である。本発明が、特許請求の範囲及びそれと均等なものによって規定された発明の変形及び変更を含むことを企図する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ０．０３ｗｔ％より小なるＡｌ2Ｏ3を含む３種類のＥｒ+がドープされたリン珪酸塩ガラスファイバと、相対的に大なる量のＡｌ2Ｏ3を含むリン珪酸塩ガラスファイバと、の蛍光スペクトルのグラフである。
【図２】  図１に示されたファイバに対する波長と計算された利得のプロットである。
【図３】  改良されたＥｒ+がドープされたリン珪酸塩ガラスファイバの模式的な断面図である。
【図４】  図３の光ファイバを利用した光増幅器の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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