(57)【要約】【課題】  ＳＢＳを効果的に抑圧することができる光ファイバを提供する。【解決手段】  本発明の光ファイバは、中心軸を含むコア領域と、このコア領域を囲むクラッド領域とを有している。クラッド領域の屈折率は、コア領域の屈折率より低い。クラッド領域の音速は、コア領域の音速より速い。少なくとも１つの光波長λにおいて実効コア断面積は５λ２以下である。また、本発明の光ファイバは、音響比屈折率差ΔＡと光学比屈折率差ΔＯとの比（ΔＡ／ΔＯ）の値が１０以上である。或いは、ケーブルカットオフ波長が前記光波長λより小さく、前記光波長λでの光の基底導波モードと位相整合する音響波の導波モードの数が１０以上である。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸を含むコア領域と、
このコア領域を囲み、前記コア領域の屈折率より低い屈折率と前記コア領域の音速より速い音速を有し、音響比屈折率差ΔＡと光学比屈折率差ΔＯとの比（ΔＡ／ΔＯ）の値が２５以上となるクラッド領域とを有し、
少なくとも１つの光波長λにおいて実効コア断面積が５λ２以下である
ことを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
中心軸を含むコア領域と、このコア領域を囲むクラッド領域とを有し、
前記クラッド領域の屈折率が前記コア領域の屈折率より低く、
前記クラッド領域の音速が前記コア領域の音速より速く、
少なくとも１つの光波長λにおいて実効コア断面積が５λ２以下であり、
ケーブルカットオフ波長が前記光波長λより小さく、
前記光波長λでの光の基底導波モードと位相整合する音響波の導波モードの数が１０以上である、
ことを特徴とする光ファイバ。
【請求項３】
Ｇｅ元素およびＰ元素の少なくとも一方とＦ元素とが前記コア領域に含有されてい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】
請求項１または２に記載の光ファイバと、
波長λ１の光を出力する光源と、
前記光源から出力された波長λ１の光を入力するとともに、波長λ２の光をも入力し、これら波長λ１の光と波長λ２の光とを合波して前記光ファイバへ入射させる光合波器と、
を備えることを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
前記光ファイバの波長分散が前記波長λ１において実質的に零であることを特徴とする請求項４記載の光モジュール。
【請求項６】
前記波長λ１と前記波長λ２との間の差周波数において前記光ファイバのラマンゲインが実質的にピークとなることを特徴とする請求項４記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号もしくは光パワーの伝送または光増幅等に用いるのに好適な光ファイバ、および、この光ファイバを用いた光モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高非線形光ファイバは、光通信において光信号を伝送する光伝送路として用いられる光ファイバと比べて非線形光学係数が高められたものであり、例えば、光スイッチ、光増幅器または光発生器などに用いられる（非特許文献１を参照）。その際、高非線形光ファイバの性能は誘導ブリルアン散乱（StimulatedBrillouin Scattering、以下「ＳＢＳ」という。）の発生により制限されることが知られている。
【０００３】
この問題を解消することを意図した方法として、高非線形光ファイバの長手方向に温度勾配を形成してブリルアンゲインスペクトルを長手方向に不均一化してＳＢＳを抑制する方法が開示されている（非特許文献２を参照）。また、音響波の導波モードの数を０としてアンチガイドとする光ファイバ構造とすることによってＳＢＳを抑圧することが提案されている（特許文献１を参照）。
【特許文献１】米国特許第５１７０４５７号明細書
【非特許文献１】T. Okuno, et al., IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron., Vol. 5, p. 1385(1999)
【非特許文献２】J. Hansryd, et al., J. Lightwave Technol., Vol. 19, pp.1691-1697,(2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献２に記載された方法では、温度勾配を保持するためのエネルギー消費が大きいことが問題である。また、特許文献１に開示された光ファイバは、光を狭い範囲に閉じ込めて伝搬させると同時にＳＢＳを効果的に抑圧することはできない。
【０００５】
本発明者は、鋭意研究を行った結果、特許文献１の提案とは逆に、音響波の導波モード数を増やすことによってＳＢＳを抑圧することができることを見出した。すなわち、本発明者は、光の導波モードが複数の周波数の異なる音響波導波モードに分散して重なるように導波路構造を調整することによってブリルアンゲインを周波数軸上で分散させ、ブリルアンゲインの最大値で支配されるＳＢＳしきい値を低減することができることを見出した。
【０００６】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、ＳＢＳを効果的に抑圧することができる光ファイバ、および、この光ファイバを用いた光モジュール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】
【０００７】
本発明に係る光ファイバは、中心軸を含むコア領域と、このコア領域を囲み、コア領域の屈折率より低い屈折率とコア領域の音速より速い音速を有し、音響比屈折率差ΔＡと光学比屈折率差ΔＯとの比（ΔＡ／ΔＯ）の値が２５以上となるクラッド領域とを有し、少なくとも１つの光波長λにおいて実効コア断面積が５λ２以下であることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、比（ΔＡ／ΔＯ）の値を増大させることによって、音響導波モードのモード数を増大させ、個々の音響モードと光の基底導波（ＬＰ０１）モードとの重なりを低減し、個々の音響モードが誘起する光学ゲインを低減することによって、ＳＢＳを抑圧することができる。また、光の導波モードの数を増大させることなく音響導波モードの数を増大させることができるため、光の基底モードと高次モードとのモード結合による光学特性の不安定化を避けることができる。
【０００９】
ここで、コア領域およびクラッド領域のような領域において、屈折率および音速のような物理量は、必ずしも空間的に厳密に一様である必要性はない。そのような物理量が空間的に非一様である場合は、物理量に体積で重み付けして領域内で平均した値をもって、その領域の物理量とする。
【００１０】
或いは、本発明に係る光ファイバは、中心軸を含むコア領域と、このコア領域を囲むクラッド領域とを有し、クラッド領域の屈折率がコア領域の屈折率より低く、クラッド領域の音速がコア領域の音速より速く、少なくとも１つの光波長λにおいて実効コア断面積が５λ２以下であり、ケーブルカットオフ波長が光波長λより小さく、光波長λでの光の基底導波モードと位相整合する音響波の導波モードの数が１０以上であることを特徴とする。本発明では、音響導波モードのモード数を増大させ、個々の音響モードと光の基底導波（ＬＰ０１）モードとの重なりを低減し、個々の音響モードが誘起する光学ゲインを低減することによって、ＳＢＳを抑圧することができる。また、光のシングルモード性が実質的に保持されるため、光の基底モードと高次モードとのモード結合による光学特性の不安定化を避けることができる。
【００１１】
上記の本発明に係る光ファイバにおいて、光波長λは、光発生や検出に関する既存技術の可用性が高い１５３０ｎｍ〜１６２０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る光ファイバは、Ｇｅ元素およびＰ元素の少なくとも一方とＦ元素とがコア領域に含有されているのが好適である。この場合には、既存の光ファイバ製造技術を利用してＳＢＳの抑圧を実現することができる。
【００１３】
本発明に係る光モジュールは、(1) 上記の本発明に係る光ファイバと、(2) 波長λ１の光を発生させる光源と、(3) 光源により発生させられた波長λ１の光を入力するとともに、波長λ２の光をも入力し、これら波長λ１の光と波長λ２の光とを合波して光ファイバへ入射させる光合波器と、を備えることを特徴とする。光ファイバの波長分散が波長λ１において実質的に零であるのが好適であり、或いは、波長λ１と波長λ２との間の差周波数において光ファイバのラマンゲインが実質的にピークとなるのが好適である。この光モジュールでは、光ファイバ中のＳＢＳが抑圧されているため、高パワーのレーザ光や長い相互作用長を利用することができる。そのため、非線形光学効果を用いて波長λ２の光を波長λ１の光で増幅・制御する際、より大きな非線形光学効果を発現して、より大きな増幅ゲインやより高機能な制御を行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る光ファイバはＳＢＳを効果的に抑圧することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。本実施形態に係る光ファイバは、中心軸を含むコア領域と、このコア領域を囲むクラッド領域とを有している。クラッド領域の屈折率は、コア領域の屈折率より低い。クラッド領域の音速は、コア領域の音速より速い。少なくとも１つの光波長λにおいて実効コア断面積は５λ２以下である。
【００１７】
また、本実施形態に係る光ファイバは、音響比屈折率差ΔＡと光学比屈折率差ΔＯとの比（ΔＡ／ΔＯ）の値が１０以上である。或いは、本実施形態に係る光ファイバは、ケーブルカットオフ波長が前記光波長λより小さく、前記光波長λでの光の基底導波モードと位相整合する音響波の導波モードの数が２５以上である。なお、光学比屈折率差ΔＯは下記(1)式で表される。また、音響比屈折率差ΔＡは下記(2)式で表される。音速は、特に特に断らない限り縦モード音速である。
【００１８】
【数１】
2007121432.tif 000003
【００１９】
【数２】
2007121432.tif 000004
【００２０】
図１に示される屈折率プロファイルでは、コア領域における屈折率はα乗プロファイルを有しており、そのα値は３である。コア半径は２.２９μｍである。また、クラッド領域に対するコア領域の光学比屈折率差ΔＯのピーク値は３％であり、コア領域内での平均値は１.８％である。
【００２１】
図１に示される屈折率プロファイルを有する光ファイバは、コア領域をＧｅＯ２-ＳｉＯ２とし、クラッド領域をＳｉＯ２とすることで、実現され得る。この場合の光ファイバのブリルアンゲインスペクトルを図２に示し、音響屈折率プロファイルを図３に示す。図２の縦軸は、ブリルアンゲインのピーク値の符号を反転した値がファイバ実効長２２ｋｍのときの波長１.５５μｍでのＳＢＳしきい値を表すように規格化されている。規格化は、数種類の光ファイバの実測値と計算値との比較結果に基づいて行われる。このような比較結果に関しては、文献「長谷川ら、2005年電子情報通信学会総合大会,C-3-26」に開示されている。本明細書中で言及されるブリルアンゲインの値は、特に断らない限り同じように規格化した値である。
【００２２】
図２に示されるように、本光ファイバは、ブリルアンゲインのピーク値が−０.７４ｄＢであるので、ＳＢＳしきい値が０.７４ｄＢである。また、波長１.５５μｍでの光の基底導波モードと位相整合する音響波の導波モードの数は５である。
【００２３】
ここで、音響波の導波モードは以下のように定義される。すなわち、図１の屈折率プロファイルから波長λ＝１.５５μｍでの光の基底導波モードを求め、その基底導波モード光の伝播定数をβoptとし、「βaco＝２βopt」なる伝搬定数βacoを持つ音響波のモードをファイバ断面内で音響波動方程式を解いて求め、その結果、モードの周波数facoが「faco＜fclad ＝Ｖcladβaco／２π」を満たせば、そのモードは音響波の導波モードであるとする。ここで、Ｖcladは、クラッドの音速である。クラッドがＳｉＯ２である本例では、Ｖcladが５.９４４ｋｍ／ｓとなる。また、βoptが５.９５／μｍであるため、fcladは１１.３ＧＨｚとなる。
【００２４】
図２に示されるように、本光ファイバは、ブリルアンゲインのピークの個数が６であるが、周波数がfcald（１１.３ＧＨｚ）より小さい５本のピークそれぞれが導波モードに対応し、周波数がfcald（１１.３ＧＨｚ）以上である１本のピークがクラッドに局在した放射モード（クラッドモード）に対応する。また、図３に示されるように、本光ファイバの音響比屈折率差ΔＡのピーク値は２７.６％であり、コア領域内での平均値は１５.３％である。すなわち、本光ファイバの比（ΔＡ／ΔＯ）の値は８.７である。
【００２５】
なお、組成と音響比屈折率差ΔＡとの関係については、文献「Y. Koyamada, et al., J.Lightwave Technol., Vol. 22, pp. 631-639 (2004)」の式(6)〜(9)や、文献「C. A. S. de Oliveira, etal., J. Opt. Soc. Am. B, Vol.10, pp.969-972 (1993)」のTable１に記載されている。
【００２６】
或いは、図１に示される屈折率プロファイルを有する光ファイバは、コア領域をＧｅＯ２-ＳｉＯ２-Ｆ（ＧｅＯ２およびＦが共添加されたＳｉＯ２）とし、クラッド領域をＳｉＯ２とすることでも、実現され得る。この場合の光ファイバのブリルアンゲインスペクトルを図４に示し、音響屈折率プロファイルを図５に示す。この図４の縦軸も、ブリルアンゲインのピーク値の符号を反転した値がファイバ実効長２２ｋｍのときの波長１.５５μｍでのＳＢＳしきい値を表すように規格化されている。
【００２７】
図５に示されるように、音響比屈折率差ΔＡのピークが８２.７％で、平均値が４６.０％となり、比（ΔＡ／ΔＯ）が２６.１と高くなった結果、図４に示されるように、音響波の導波モード数が１０に増大し、ゲインスペクトルのピーク本数は１１本に増大し、ピークゲインは−４.４０ｄＢに低下する（すなわち、ＳＢＳしきい値は４.４ｄＢである）。このように、光学的なコア領域の少なくとも一部に振幅を持つ音響波の導波モードの数を増やすことにより、光の基底導波モードと相互作用する音響波のモード数を増やし、さらに、それら音響波の導波モードの周波数が互いに異なることにより、図２から図４への変化が示すようにブリルアンゲインスペクトルが持つピークの数が増え、個々のピークの高さが低下する。その結果、ゲインスペクトルのピーク高さで支配されるＳＢＳ閾値が改善（上昇）される。
【００２８】
図６は、光ファイバの比（ΔＡ／ΔＯ）の値とＳＢＳしきい値変化量との関係を示す図である。ここでは、光ファイバの光学比屈折率差ΔＯは３％で一定であるとした。ＳＢＳしきい値変化量は、比（ΔＡ／ΔＯ）の値が８.７であるとき（図２，図３）のＳＢＳしきい値を基準値として、この基準値に対する変化量とした。
【００２９】
この図６に示されるように、比（ΔＡ／ΔＯ）の値を８.７（図２，図３）から増大させていくと、比（ΔＡ／ΔＯ）の値が２５を超えて増大したときに、ＳＢＳしきい値の変化量が３ｄＢ以上となり、ＳＢＳしきい値が有意に増大する（ＳＢＳが抑圧される）。このとき、光学比屈折率差ΔＯのプロファイルは一定であり、音響比屈折率差ΔＡのプロファイルが変化させられている。
【００３０】
したがって、ある光学特性を実現する際、その光学特性を実現するように光学比屈折率差ΔＯのプロファイルを調整することは公知技術で達成されるが、それに加えて、音響比屈折率差ΔＡをできる限り高くすることによって、ＳＢＳしきい値を増大することができる。ＳＢＳは、通信用伝送路、分散補償ファイバ（特にラマン増幅と組み合わせた場合）、ファイバ増幅器（特にラマン増幅や光パラメトリック増幅を用いたもの）、高パワー光伝送路などにおいて利用可能な光パワーの上限を制限する場合があるので、本実施形態のように音響比屈折率差ΔＡを高めることによってＳＢＳしきい値を増大させることが好ましい。
【００３１】
比（ΔＡ／ΔＯ）の値を高める手段としては、光ファイバのコア領域およびクラッド領域それぞれの組成を適切に選択することが有効である。図７は、ＳｉＯ２に単位添加量の各不純物が添加されたときの光学比屈折率差ΔＯ，ΔVSSCW および比（ΔＯ／ΔVSSCW）を纏めた図表である。この図表は、特許文献１の第３カラムの表に基づいて作成されたものである。ここで、ΔVSSCWは、縦モードの音速に相当するものである。上記(2)式に示される音響比屈折率差ΔＡの定義から、音響比屈折率差ΔＡが小さい場合は、「ΔVSSCW＝−ΔＡ」と近似でき、比（−ΔVSSCW／ΔＯ）は比（ΔＡ／ΔＯ）に相当する。
【００３２】
この図表から、音響Δ／光学Δを高めるためには以下の手段が好ましいことが判る。すなわち、コア領域の屈折率を上げるためには、ＧｅＯ２を添加するのが好ましく、より好ましくはＰ２Ｏ５を添加するのがよい。コア領域にＦ元素を共添加して音響比屈折率差ΔＡを上げるとともに、それに伴って下がる光学比屈折率差ΔＯをＧｅＯ２（より好ましくはＰ２Ｏ５）の添加によって補う。クラッド領域にＡｌ２Ｏ３を添加して音響比屈折率差ΔＡを下げる。これに伴ってコア領域とクラッド領域との間の光学比屈折率差ΔＯの差が減少するが、コア領域にＧｅＯ２（より好ましくはＰ２Ｏ５）を添加することによって補う。なお、上記の方法はコア領域とクラッド領域とが１層からなる光ファイバのみならず、公知のＷ型プロファイルや３重クラッド型プロファイルのような多層構造にも適用できる。
【００３３】
図８および図９それぞれは、光ファイバのブリルアンゲインスペクトルを示す図である。図８は、比（ΔＡ／ΔＯ）の値が０.１である場合を示し、また、図９は、比（ΔＡ／ΔＯ）の値が８７.０である場合を示す。比（ΔＡ／ΔＯ）の値が０.１と小さい場合（図８）、光ファイバは、音響特性に関しては実質的に均一媒質と見なすことができるため、均一媒質（ここではＳｉＯ２と仮定）のブリルアン周波数シフトにおいてただ１本のゲインピークを有し、ゲインの大きさも＋０.５２ｄＢと高い。比（ΔＡ／ΔＯ）の値が８.７である場合（図２，図３）、ゲインピークの本数は６に増大し、ゲインの大きさは−０.７４ｄＢと僅かに低減される。比（ΔＡ／ΔＯ）の値が２６.１である場合（図４，図５）、ゲインピークの本数は１０に増大し、ゲインの大きさは−４.４０ｄＢとなって３ｄＢ以上の有意な低下を示す。また、比（ΔＡ／ΔＯ）の値が８７.０である場合（図９）、ゲインピークの本数は２５に増大してスペクトルはさらに広がり、ゲインのピークも−１１.２ｄＢまで低下する。
【００３４】
図１０は、光ファイバの音響波の導波モードの数とＳＢＳしきい値変化量との関係を示す図である。この図１０は、前に示した図６と同等のものであって、波長１.５５μｍの光の基底導波モードと位相整合する音響波の導波モードの数を横軸としたものである。音響導波モードの定義は図１の説明において述べたとおりである。
【００３５】
図１０に示されるように、音響導波モード数が１０を超えると、ＳＢＳしきい値が３ｄＢ以上に増大し、有意な増大効果が得られる。なお、光学屈折率の分布は図１に示したとおりであり、この屈折率分布から計算されるケーブルカットオフ波長は１.５４μｍである。このように、音響導波モードの数を増やすことによって、ＳＢＳしきい値を増大させ、ＳＢＳを生じさせることなく、より多くの光パワーを光ファイバに入射させることができる。また、本実施形態では、比（ΔＡ／ΔＯ）を増大させるため、光の導波モードの増大（カットオフ波長の長波長化）を伴うことなく、音響導波モードの数を増大させることが可能である。
【００３６】
次に、本実施形態に係る光ファイバを用いた光モジュールについて説明する。図１１は、本実施形態に係る光モジュール１の構成図である。この図に示される光モジュール１は、光ファイバ１１、光源１２および光合波器１３を備える。
【００３７】
光ファイバ１１は、上述した本実施形態に係るものであって、１０〜１０００ｍの長さを有し、零分散波長λ０を有する。特に、光ファイバ１１は、図１に示した屈折率分布を有することで、零分散波長λ０を１５５０ｎｍとすることができ、通信波長帯で以下に述べる機能を得ることができるため好ましい。光源１２は、波長λ０に実質的に等しい波長λ１の光を出力する。光合波器１３は、光源１２から出力された波長λ１の光を入力するとともに、入射ポート１４に入力した波長λ２の光をも入力し、これら波長λ１の光と波長λ２の光とを合波して光ファイバ１１へ入射させる。
【００３８】
入射ポート１４に波長λ０の近傍の波長λ２を有する光が入射される。光源１２から出力された波長λ１の光と波長λ２の光とは、光合波器１３により合波されて光ファイバ１１に入力する。この光ファイバ１１において、光パラメトリック効果によって、波長λ０の光から波長λ２の光へエネルギーが移動し、波長λ２の光は増幅される。そして、この光ファイバ１１において増幅された波長λ２の光は、出力ポート１５から外部へ出力される。また、光源１２の出力をオン／オフ制御することによって、出力ポート１５から出力される波長λ２の光の強度を制御することができる。さらに、「１／λ３＝２／λ０−１／λ２」なる新たな波長λ３の光を発生させることができる。
【００３９】
また、光源１２から出力される光の波長λ１を光ファイバ１１の零分散波長λ０に合わせる代わりに、周波数差（１／λ１−１／λ２）を光ファイバ１１のラマンゲインのピーク周波数（シリカガラスの場合は約１３ＴＨｚ）に合わせることにより、誘導ラマン散乱によって波長λ１の光から波長λ２の光へエネルギーが移動し、波長λ２の光は増幅される。また、光源１２の出力をオン／オフ制御することによって、出力ポート１５から出力される波長λ２の光の強度を制御することができる。
【００４０】
以上の光モジュール１において、光ファイバ１１は図５に示す音響屈折率プロファイルまたは図６に示す音響比屈折率差ΔＡを持つことが好ましく、それによって高いＳＢＳしきい値を実現して、光ファイバ１１に入射できる波長λ１およびλ２の光のパワーの上限を拡大することができる。それにより、より大きな増幅ゲインやより大きな幅での光強度の制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。
【図２】光ファイバのブリルアンゲインスペクトルを示す図である。
【図３】光ファイバの音響屈折率プロファイルを示す図である。
【図４】光ファイバのブリルアンゲインスペクトルを示す図である。
【図５】光ファイバの音響屈折率プロファイルを示す図である。
【図６】光ファイバの比（ΔＡ／ΔＯ）の値とＳＢＳしきい値変化量との関係を示す図である。
【図７】ＳｉＯ２に単位添加量の各不純物が添加されたときの光学比屈折率差ΔＯ，ΔVSSCW および比（ΔＯ／ΔVSSCW）を纏めた図表である。
【図８】光ファイバのブリルアンゲインスペクトルを示す図である。
【図９】光ファイバのブリルアンゲインスペクトルを示す図である。
【図１０】光ファイバの音響波の導波モードの数とＳＢＳしきい値変化量との関係を示す図である。
【図１１】本実施形態に係る光モジュール１の構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…光モジュール、１１…光ファイバ、１２…光源、１３…光合波器。
【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】
2007121432.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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