(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長の入力光に対して非線形現象を生じる非線形性光ファイバであって、コア領域と該コア領域の外周に設けられたクラッド領域とを備えるとともに、該入力光に対する諸特性として、
５μｍ以下のモードフィールド径と、
１ｐｓ／ｋｍ1/2以下の偏波分散又は一定の偏波面と、
１．５μｍ以上１．６μｍ以下の零分散波長と、
２ｍのファイバ長において１．４μｍ以上１．７μｍ以下のカットオフ波長と、
３ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失と、
０．０３２ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2以上の分散スロープと、
１０／Ｗ／ｋｍ以上の非線形係数とを有する非線形性光ファイバ。
【請求項２】
ＳｉＯ2を主成分とし、前記コア領域は、平均１５ｍｏｌ％以上３５ｍｏｌ％以下のＧｅＯ2を含むことを特徴とする請求項１記載の非線形性光ファイバ。
【請求項３】
前記コア領域は、当該非線形性光ファイバの長手方向に沿って、ＧｅＯ2の添加量が連続的に変化している領域を含むことを特徴とする請求項２記載の非線形性光ファイバ。
【請求項４】
前記クラッド領域は、Ｆ元素が添加された領域を含むことを特徴とする請求項２記載の非線形性光ファイバ。
【請求項５】
当該非線形性光ファイバに対し応力を付与するための応力付与構造を備えることを特徴とする請求項２記載の非線形性光ファイバ。
【請求項６】
前記所定波長の入力光に対し、０．０５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2以上の分散スロープを有することを特徴とする請求項１記載の非線形性光ファイバ。
【請求項７】
前記コア領域は、その外径が当該非線形性光ファイバの長手方向に沿って連続的に変化している領域を含むことを特徴とする請求項１記載の非線形性光ファイバ。
【請求項８】
前記クラッド領域の外径は、当該非線形性光ファイバの長手方向に沿った前記コア領域の外径変化に伴って変化していることを特徴とする請求項７記載の非線形性光ファイバ。
【請求項９】
前記クラッド領域の外周に設けられたハーメチックコートを備えることを特徴とする請求項１記載の非線形性光ファイバ。
【請求項１０】
所定の直径で巻かれ、所定波長の入力光に対して非線形現象を生じる非線形性光ファイバを備える光ファイバコイルであって
前記非線形性光ファイバは、前記入力光に対する諸特性として
５μｍ以下のモードフィールド径と、
１ｐｓ／ｋｍ1/2以下の偏波分散又は一定の偏波面と、
１．５μｍ以上１．６μｍ以下の零分散波長と、
２ｍのファイバ長において１．４μｍ以上１．７μｍ以下のカットオフ波長と、
３ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失と、
０．０３２ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2以上の分散スロープと、
１０／Ｗ／ｋｍ以上の非線形係数とを有する光ファイバコイル。
【請求項１１】
前記非線形性光ファイバは、最小直径が６０ｍｍ以下になるように巻かれており、前記所定波長の入力光に対する諸特性として、
０．１ｄＢ／ｋｍ以下の曲げ損失と、
１ｐｓ／ｋｍ1/2以下の偏波分散とを有することを特徴とする請求項１０記載の光ファイバコイル。
【請求項１２】
前記非線形性光ファイバは、最小直径が２０ｍｍ以下になるように巻かれており、前記所定波長の入力光に対する諸特性として、
１ｄＢ／ｋｍ以下の曲げ損失と、
２ｐｓ／ｋｍ1/2以下の偏波分散とを有することを特徴とする請求項１０記載の光ファイバコイル。
【請求項１３】
前記非線形性光ファイバは、１ｋｍ以下の長さを有することを特徴とする請求項１０記載の光ファイバコイル。
【請求項１４】
前記非線形性光ファイバは、クラッド領域の外周に設けられたハーメチックコートを備えることを特徴とする請求項１０記載の光ファイバコイル。
【請求項１５】
所定波長の励起光を出力する励起光源と、
前記励起光と信号光とを合波して出力する合波部と、
前記合波部から出力された前記励起光及び前記信号光が入力され、該励起光に対し非線形現象を生じる非線形性光ファイバであって、該励起光に対する諸特性として、
５μｍ以下のモードフィールド径と、
１ｐｓ／ｋｍ1/2以下の偏波分散又は一定の偏波面と、
１．５μｍ以上１．６μｍ以下の零分散波長と、
２ｍのファイバ長において１．４μｍ以上１．７μｍ以下のカットオフ波長と、
３ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失と、
０．０３２ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2以上の分散スロープと、
１０／Ｗ／ｋｍ以上の非線形係数とを有する非線形性光ファイバと、
出力されるべき光の波長を選択し、前記非線形性光ファイバで発生した変換光であって、該選択された波長の変換光を出力する波長選択部とを備える波長変換器。
【請求項１６】
前記非線形性光ファイバは、当該非線形性光ファイバの長手方向に沿った何れかの地点において、前記励起光の所定波長成分に対し、実質的に０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍの分散値を有することを特徴とする請求項１５記載の波長変換器。
【請求項１７】
前記励起光源は、出力されるべき前記励起光の波長を変えることを可能にする構造を有することを特徴とする請求項１５記載の波長変換器。
【請求項１８】
前記励起光源は、１０ｄＢｍ以上のパワーを有する前記励起光を出力することを特徴とする請求項１５記載の波長変換器。
【請求項１９】
前記非線性光ファイバの入力端は、前記信号光の進行経路に沿ってモードフィールド径が順次小さくなる光ファイバを介して前記合波部の出力端に接続されることを特徴とする請求項１５記載の波長変換器。
【請求項２０】
前記非線形性光ファイバの出力端は、前記信号光の進行経路に沿ってモードフィールド径が順次大きくなる光ファイバを介して前記波長選択部の入力端に接続されることを特徴とする請求項１５記載の波長変換器。
【請求項２１】
前記変換光を光増幅する変換光増幅部を備えることを特徴とする請求項１５記載の波長変換器。
【請求項２２】
前記励起光を光増幅する励起光増幅部を備えることを特徴とする請求項１５記載の波長変換器。
【請求項２３】
前記変換光の最大スペクトル強度に対する前記変換光のスペクトル強度の低下分が３ｄＢ以下となる前記信号光の波長帯域の幅が、１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１５記載の波長変換器。
【請求項２４】
前記非線形性光ファイバは、１ｋｍ以下の長さを有することを特徴とする請求項１５記載の波長変換器。
【請求項２５】
前記非線形性光ファイバは、入力された前記信号光のパワーの０．１％以上のパワーを有する前記変換光を出力することを特徴とする請求項１５記載の波長変換器。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、入力光に対し非線形光学現象を生じる非線形性光ファイバ、該非線形性光ファイバからなる光ファイバコイル、及び該非線形性光ファイバ又は該光ファイバコイルを部品として備える波長変換器に関するものである。
背景技術
一般に高強度（高光密度）の光が媒質中を伝搬すると、その媒質における非線形分極に起因して種々の非線形光学現象が生じることが知られている。この非線形光学現象のうち、例えば、第２高調波発生は、２次の非線形性効果により生じるものであり、互いに同一のエネルギーを有する２つの光子が媒質に入力すると、その２倍のエネルギを有する新たな１つの光子が生じる現象である。また、四光波混合は、３次の非線形性効果により生じるものであり、３つの光子が媒質に入力すると、これらから新たな１つの光子が生ずる現象である。これら非線形光学現象に関与する複数個の光子の間にエネルギー保存則及び運動量保存則が共に成立するときに、最も高い効率で非線形光学現象が生じる。
また、このような光ファイバ中で発生する非線形光学現象を利用した波長変換等への応用に関する報告もなされている。例えば、第１文献M.J.Holmes, et al., IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.7 (1995) No.9, pp.1045-1047には、分散シフト光ファイバにＧｅ（ゲルマニウム）元素を添加して得られる非線形性光ファイバについて報告されている。第２文献K.Inoue, et al., IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.4 (1992) No.1, pp.69-72や第３文献K.Inoue, Opt. Lett., Vol.19 (1994) No.16, pp.1189-1191には、分散シフト光ファイバ中で生じる四光波混合を利用した波長変換の試みについて報告されている。
また、上記第１〜第３文献に加えて、第４文献D.A.Pastel et al., OFC’97 Technical Digest WL6b (1997)には、非線形性光ファイバ及び光スイッチへの応用について報告されている。
さらに、上記第２及び第３文献の他、第５文献K.Inoue, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.6 (1994) No.12, pp.1451-1453にも、分散シフト光ファイバ中における四光波混合を利用する技術であって、その光ファイバに互いに異なる２波長の励起光を入射させ、その一方の励起光の波長を変化させることによる広い波長帯域での波長変換技術について報告されている。また、第６文献R.Ludwig, et al., Fiber and Integrated Optics, Vol.15 (1996) pp.211-223には、半導体増幅器中で生じる四光波混合を利用した波長変換の試みについて報告されている。
発明の開示
発明者らは、上述の従来技術を検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、一般に非線形光学現象の発生は弱く、また、２次の非線形光学現象よりも３次の非線形光学現象の方が弱く、上記従来例の何れの場合も、充分な強度の非線形光（非線形光学現象の結果として出力される新たな光成分）を得るには光ファイバを長尺にする必要がある。特に、光ファイバ中で生じる四光波混合を利用した波長変換器を実現するには、非線形光学現象を生じさせる光ファイバを数ｋｍ以上もの長尺にする必要がある。
一方、係る光ファイバ中で生じる非線形光学現象を利用した波長変換器や光スイッチを実現する場合、その光ファイバからなるコイル（以下、光ファイバコイルという）の小型化が重要な技術的課題となる。しかしながら、上述のように光ファイバが長尺であり、また曲げ損失も大きいことから、係る光ファイバコイルの小型化は難しかった。
加えて、上記６文献に記載された波長変換技術は、四光波混合を半導体増幅器中で生じさせるので装置自体の小型化が容易で、かつ波長変換可能な帯域が広い等の利点もある。ところが、雑音が大きくＳ／Ｎ比が悪いという課題があった。一方、第２文献、第３文献や第５文献それぞれに記載された波長変換技術は、四光波混合を光ファイバ中で生じさせるものであり、Ｓ／Ｎ比の点では優れている。ただし、このような構成であっても、充分なパワーの変換光（四光波混合を利用した波長変換により発生する新たな光成分）を得るには、光ファイバを数ｋｍ以上もの長尺にする必要があり、光ファイバコイルの小型化は難しい。
また、四光波混合を利用した波長変換の原理上、光ファイバの零分散波長に励起光波長を一致させたときに波長変換効率が最大となり、両者の波長の差が大きくなるに従って急激に変換光のパワーは低下する。したがって、上記第２文献に記載された技術では、励起光の波長は固定されており、信号光波長に応じて変換光波長が一意に決まる。また、上記第５文献に記載された技術では、励起光の波長を可変としているが、その波長が零分散波長からずれるに従って出力されるべき変換光のパワーは低下してしまう。すなわち、光ファイバを用いた従来の波長変換器では、波長変換の広帯域化が極めて難しかった。
この発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、高効率で非線形光学現象を生じ得る非線形性光ファイバ、該非線形性光ファイバからなる小型化可能な光ファイバコイル、及び該光ファイバコイルや非線形性光ファイバを備え、かつ、広帯域に渡って高効率に所望波長の変換光の出力を可能にするとともにコンパクトな構造を備える波長変換器を提供することを目的とする。
この発明に係る非線形性光ファイバは、所定波長の入力光、例えば波長１．５５μｍ帯（１５００ｎｍ〜１６００ｎｍ）の１又は２以上の信号光成分に対して非線形現象を生じる光ファイバであって、コア領域と該コア領域の外周に設けられたクラッド領域とを備えた、ＳｉＯ2を主成分とする光ファイバである。そして、当該非線形性光ファイバは、上述のような課題を解決する波長変換技術を実現するため、該入力光に対する諸特性として、５μｍ以下のモードフィールド径（以下、ＭＦＤという）と、１ｐｓ／ｋｍ1/2以下の偏波分散と、１．５μｍ以上１．６μｍ以下の零分散波長と、２ｍのファイバ長において１．４μｍ以上１．７μｍ以下のカットオフ波長と、３ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失と、１０／Ｗ／ｋｍ以上の非線形係数とを有している。
また、この発明に係る非線形性光ファイバにおいて、少なくとも上記コア領域には、平均１５ｍｏｌ％以上３５ｍｏｌ以下のＧｅＯ2が添加され、所望の屈折率プロファイルが実現されている。このように、当該非線形性光ファイバによれば、所望波長帯（最近は波長１．５５μｍ帯の光がよく利用される）の信号光に対し、非線形現象を高効率に生じさせるだけでなく、良好な信号光の伝送特性を確保することができる等の効果が得られる。換言すれば、当該非線形性光ファイバにより、より短い長さで実用上充分なパワーの変換光が得られる。
より具体的には、当該非線形性光ファイバは、５μｍ以下のＭＦＤを有する。一般に、ＭＦＤが小さいほど光ファイバの非線形性は改善される。少なくともコア領域にＧｅＯ2が添加された石英ガラス系光ファイバでは、ＭＦＤに関する上記条件を満たすことで、非線形係数を１０／Ｗ／ｋｍ以上にすることが可能となる。
また、この発明に係る非線形性光ファイバの非線形係数は、１０／Ｗ／ｋｍ以上である。波長変換に利用される四光波混合による波長変換効率は、該非線形係数の２乗に比例することが知られている。このことからも分かるように、非線形係数に関する上記条件の範囲内であれば従来の非線形性光ファイバと比較して１０倍以上の波長変換効率が実現される。
この発明に係る非線形性光ファイバの偏波分散は、１ｐｓ／ｋｍ1/2以下である。現在実現されようとしている伝送速度は１０Ｇｂ／ｓ以上であり、この場合のパルス幅は数１０ｐｓ未満である。このような伝送システムでは、光伝送媒体である光ファイバのパルス広がりを実用上無視できる程度に制限する必要があり、偏波分散に関する上記条件を満たすことがより好ましい。
この発明に係る非線形性光ファイバの零分散波長は、１．５μｍ以上１．６μｍ以下である。四光波混合では、係る零分散波長と励起光を一致させることが重要であり、また、零分散波長がこの範囲内であれば、該励起光による励起は波長変換帯域の中央部分で行うことが可能となる。
この発明に係る非線形性光ファイバの伝送損失は、３ｄＢ／ｋｍ以下である。光ファイバ内での伝送損失が該３ｄＢ／ｋｍを超えると、非線形係数を大きくする効果が有効に利用できなくなる。換言すれば、伝送損失に関する上記条件が満たされなければ、励起光の減衰による波長変換効率の劣化、変換光の減衰による変換光パワーの低下が引き起こされる。
さらに、この発明に係る非線形性光ファイバの、長さ２ｍの光ファイバで測定されたカットオフ波長は、１．４μｍ以上１．７μｍ以下である。このカットオフ波長に関する条件は、ＩＴＵ−Ｔの国際規格に基づいた２ｍのファイバ長で測定された条件であり、１０００ｍ以上の光ファイバについて、そのカットオフ波長を１．５５μｍ以下にするためには、２ｍのファイバ長におけるカットオフ波長は１．７μｍ以下でなければならない。一方、零分散波長に関する上記条件を満たすためには、２ｍのファイバ長におけるカットオフ波長は、１．４μｍ以上である必要がある。
一方、この発明に係る非線形性光ファイバは、一定の偏波面を有する偏波面保存ファイバであってもよい。このような偏波面保存ファイバは、当該光ファイバの光軸に対し略垂直な方向に応力を付与する応力付与構造を備える。具体的に、該応力付与構造は、上記クラッド領域中であって、上記コア領域に対して互いに略対称な部位に位置し、例えばＢ2Ｏ3が添加されたＳｉＯ2領域を設けることにより実現される。この構造は、入力光の偏波面を一定方向に保持することができ、かつ高効率に非線形光学現象を生じさせるのにさらに好適である。
なお、入力光と出力光との間でさらに生じる非線形光学現象をの発生を回避するため、この発明に係る非線形性光ファイバの分散スロープは、入力光（例えば、波長１５００ｎｍ〜１６００ｎｍの１又は２以上の光成分）に対して０．０１ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2以上であることが好ましく、さらに好ましくは、０．０５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2以上である。上述のように、四光波混合を利用する波長変換では入力光の波長を当該非線形性光ファイバの零分散波長に一致させた時に最も広い波長帯域で高効率の波長変換が実現できる。しかしながら、非線形光学現象を生じさせる光ファイバの分散スロープが小さいと、波長分割多重（ＷＤＭ）の信号光間や、新たに生成される変換光間等でも効率よく波長変換が起こり、非常に多くの変換光が発生してしまう。すなわち、入射される励起光からの波長変換によって発生する光成分以外の光成分は、すべて雑音光であり伝送品質の劣化を引き起こしてしまう。そこで、係る不具合を避けるため、非線形光学効果を生じさせる光ファイバの分散スロープはある程度大きく設定する必要がある。具体的には、ＩＴＵ−Ｔの国際規格に則った信号チャネル間隔１００ＧＨｚを想定した１６波ＷＤＭ伝送システムには、０．０１ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍ以上の分散スロープを有する非線形性光ファイバが必要であり、３２波程度のＷＤＭ伝送システムには、０．０５ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍ以上の分散スロープを有する非線形性光ファイバが必要となる。
また、この発明に係る非線形性光ファイバは、入力光により生じ得る誘導ブルリアン散乱による後方散乱を抑制する構造をさらに備えてもよい。具体的に、この散乱光抑制構造は、上記コア領域におけるＧｅＯ2の添加量を、当該非線形性光ファイバの長手方向に沿って、連続的にあるいは階段状に変化するよう制御することにより実現できる。また、この散乱光抑制構造は、ＧｅＯ2の添加量を制御する他、上記コア領域の外径を、当該非線形性光ファイバの長手方向に沿って続的に変化させることによっても実現できる。この場合、上記クラッド領域の外径は、コア領域の外径変化とは無関係に一定であっても、該コア領域の外径変化に伴って変化してもよい。なお、該クラッド領域の外径に対する該コア領域の外径の比は一定である必要はない。
上記クラッド領域は、Ｆ元素が添加された領域を含んでもよい。この構造により、ディプレスト・クラッド構造の屈折率プロファイルも実現できる。また、同様に上記コア領域の屈折率プロファイルも種々の構造が適用できる。
この発明に係る非線形性光ファイバは、上記クラッド領域の外周に設けられたハーメチックコートを備えるのがより好ましい。このように、クラッド領域の外周にハーメチックコートが施されることにより、当該非線形性光ファイバが水中や高湿度の環境下に長期間晒されても、疲労の進行が抑制されるとともに、また水素の侵入も効果的に遮断されるので、より長期間の信頼性が得られる。
この発明に係る非線形性光ファイバは、波長変換技術を利用する波長変換器や光スイッチ等の部品に好適な光ファイバコイルに適用可能である。この光ファイバコイルは、上述のような所定の偏波分散の他上記諸特性を有する非線形性光ファイバや、該所定の偏波分散を除き上記諸特性を有する偏波面保存ファイバ（この発明に係る非線形性光ファイバに含まれる）を所定の直径で巻くことにより得られる。この場合、均一な品質を維持するため、これら光ファイバは、所定の直径の胴体部を有するボビンに巻き付けることにより製造可能である。
特に、この発明に係る光ファイバコイルでは、上述の非線形性光ファイバが最小直径が６０ｍｍ以下になるように巻かれたとき、当該非線形性光ファイバは、所定波長の入力光に対する諸特性として、０．１ｄＢ／ｋｍ以下の曲げ損失と、１ｐｓ／ｋｍ1/2以下の偏波分散を有するのが好ましい。また、さらに小型化を可能にする構成として、この発明に係る光ファイバコイルでは、上述の非線形性光ファイバが最小直径が２０ｍｍ以下になるように巻かれたとき、当該非線形性光ファイバは、所定波長の入力光に対する諸特性として、１ｄＢ／ｋｍ以下の曲げ損失と、２ｐｓ／ｋｍ1/2以下の偏波分散を有するのが好ましい。
なお、伝送特性を劣化させないためには、曲げ損失はできる限り小さい方が好ましい。実用的な光部品の場合、曲げ損失の許容最大値は１ｄＢ／ｋｍであり、曲げ損失がこれ以上大きいと波長間で出力パワーに差を生じてしまい、伝送特性が著しく劣化する。また、周波数１０ＧＨｚ以上の光伝送では、曲げ損失が１ｄＢ／ｋｍでも好ましくない場合があり、この場合には、コイル径（上記ボビンの胴径によって規定可能な、上記非線形性光ファイバを巻いたときの最小直径）を大きくして、曲げ損失を０．１ｄＢ／ｋｍ以下に抑える必要がある。
この発明に係る光ファイバコイルは、長さ１ｋｍ以下の上記非線形性光ファイバにより実現することが可能である。なお、当該光ファイバコイルを構成する非線形性光ファイバ（高効率で非線形光学現象を生じる、この発明に係る非線形性光ファイバ）も、クラッド領域の外周にハーメチックコートを備えてもよい。
さらに、この発明に係る波長変換器は、上述のような所定の偏波分散の他上記諸特性を有する非線形性光ファイバや、該所定の偏波分散を除き上記諸特性を有する偏波面保存ファイバ（この発明に係る非線形性光ファイバに含まれる）を備える。なお、当該波長変換器は、上記光ファイバコイルを部品として備えることにより、より小型化できる。
具体的に、この発明に係る波長変換器は、励起光を出力する励起光源と、この励起光と信号光とを合波して出力する合波部と、合波部から出力された励起光及び信号光が入力され、該励起光に対して非線形現象を生じる１ｋｍ以下の非線形性光ファイバと、出力されるべき光の波長を選択し、該非線形性光ファイバで発生した変換光であって、該選択された波長の変換光を出力する波長変換部とを備えている。
なお、この発明に係る波長変換器に適用可能な非線形性光ファイバ（偏波面保存ファイバを含む）は、上述のように、上記励起光に対する諸特性として、５μｍ以下のモードフィールド径と、１ｐｓ／ｋｍ1/2以下の偏波分散又は一定の偏波面と、１．５μｍ以上１．６μｍ以下の零分散波長と、２ｍのファイバ長において１．４μｍ以上１．７μｍ以下のカットオフ波長と、３ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失と、１０／Ｗ／ｋｍ以上の非線形係数とを有している。
この発明に係る波長変換器に適用可能な非線形性光ファイバは、上記励起光の偏波面を一定方向に保持する偏波面保存ファイバでもよく、当該非線形性光ファイバは、その長手方向に沿った何れかの地点において、該励起光の所定波長成分に対し、略０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの分散値を有するのが、高効率に非線形光学現象を生じさせる上で好ましい。
上記励起光源は、励起光の波長を変える構造を有するのが好ましい。この場合、当該波長変換器から出力されべき変換光の波長も可変となるが、上述のような非線形性光ファイバは、高効率に非線形光学現象を生じさせるとともに、短いファイバ長を有するので、広い波長範囲に渡って強いパワーの変換光が得られる。また、上記励起光源は、希土類元素が添加された光ファイバを用いた光ファイバレーザ光源であることが、装置全体の小型化の観点から好ましい。なお、十分なパワーの変換光を得るため、上記励起光源は、１０ｄＢｍ以上のパワーを有する励起光を出力するのが好ましい。これは、上記非線形性光ファイバから出力される変換光のパワーが−２５ｄＢｍ以下であると、たとえ増幅されたとしても雑音光の影響を受けて著しく伝送特性が劣化してしまうためである。すなわち、−２５ｄＢｍ以上のパワーを有する変換光を得るためには、当該励起光源は、−１０ｄＢｍ以上のパワーを有する励起光を出力する必要がある。
この発明に係る波長変換器において、上記非線形性光ファイバの入力端は、接続損失が１ｄＢ以下となる光ファイバを介して上記合波部の出力端に接続される。一方、上記非線形性光ファイバの出力端は、接続損失が１ｄＢ以下となる光ファイバを介して上記波長選択部の入力端に接続される。非線形性光ファイバ内に入射される励起光及び信号光が接続部分で減衰すると、実際に該非線形性光ファイバ内に入力光のパワーが小さくなるため、得られる変換光のパワーも相対的に小さくなる。一方、該非線形性光ファイバの出射端側では、発生した変換光がやはり上記波長選択部との接続部分でも出力光のパワーが減衰してしまう。そこで、−２５ｄＢｍ以上のパワーを有する変換光を得るためには、上記各接続部分における接続損失を１ｄＢ以下に抑える必要がある。
なお、この発明に係る波長変換器において、上記非線形性光ファイバの入力端は、信号光の進行経路に沿ってモードフィールド径が順次大きくなる光ファイバを介して上記合波部の出力端に接続される一方、上記非線形性光ファイバの出力端は、信号光の進行経路に沿ってモードフィールド径が順次小さくなる光ファイバを介して上記波長選択部の入力端に接続されるのが好ましい。このとき、この光ファイバは、互いにモードフィールド径が異なる複数の光ファイバから構成することも可能である。この構成によっても、上記信号光、励起光、及び変換光の伝送損失が抑えられ、十分なパワーの変換光が得られる。
さらに、好ましい態様として、この発明に係る波長変換器は、上記変換光を光増幅する変換光増幅部を備えてもよく、また、上記励起光を光増幅する励起光増幅部を備えてもよい。この構成によっても各光の伝送損失による弊害を除去することができる。
以上の構成を備える当該波長変換器では、上記変換光の最大スペクトル強度に対する上記変換光のスペクトル強度の低下分が３ｄＢ以下となる信号光の波長帯域の幅は、１０ｎｍ以上である。すなわち、ＩＴＵ−Ｔの国際規格に則った信号チャネル間隔１００ＧＨｚを想定した１６波以上のＷＤＭ伝送システムでは、信号波長の帯域幅として１０ｎｍ以上が必要となる。また、得られる変換光の許容パワーの偏差は最大でも３ｄＢ程度と考えられるため、適用された非線形性光ファイバの波長変換効率が３ｄＢ低下するまでの波長帯域幅が１０ｎｍ以上である必要がある。
また、この発明に係る波長変換器では、上記非線形性光ファイバは、入力された信号光に対して０．１％以上の変換効率で変換光を出力する。すなわち、上述のように変換光のパワーは−２５ｄＢｍ以上必要である。したがって、このような変換光を得るためには、当該波長変換器における波長変換効率が−３０ｄＢ（＝０．１％）以上必要となるからである。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは、この発明に係る非線形性光ファイバの代表的な断面構造を示す図であり、図１Ｂは図１Ａに示された非線形性光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。
図２は、コア領域におけるＧｅＯ2添加量と波長１．５５μｍにおけるＭＦＤとの関係を示すグラフである。
図３は、この発明に係る非線形性光ファイバの適用例として、偏波面保存ファイバの断面構造を示す図である。
図４Ａ〜図４Ｃは、ぞれぞれ、散乱光抑制構造の具体例を示す図である。
図５は、各パラメータを変えてそれぞれ試作された、この発明に係る非線形性光ファイバを評価した結果を示す表である。
図６Ａ及び図６Ｂは、ぞれぞれ、この発明に係る非線形性光ファイバに適用可能な屈折率プロファイルを示す図である。
図７は、この発明に係る光ファイバコイルの概略構造を示す図である。
図８は、この発明に係る光ファイバコイルの具体的な構成を示す図である。
図９は、この発明に係る光ファイバコイルの各実施例及び参考例について、それぞれ所定の条件下で測定された曲げ損失及び偏波分散の測定結果を示す表である。
図１０は、この発明に係る波長変換器の概略構造を示す図である。
図１１は、励起光光源（波長可変ファイバレーザ光源）の概略構成を示す図である。
図１２は、この発明に係る波長変換器の作用を説明するための図である。
図１３は、この発明に係る波長変換器により得られる変換光について、そのスペクトル強度の信号光（入力光）に対する波長依存性を示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態
以下、この発明に係る非線形性光ファイバの実施例を、図１Ａ〜図６Ｃを用いて説明する。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。
図１Ａは、この発明に係る非線形性光ファイバの代表的な断面構造を示す図である。また、図１Ｂは図１Ａに示された非線形性光ファイバ１００の屈折率プロファイルを示す図であり、この屈折率プロファイル１５０は該非線形性光ファイバ１００の光軸に直交する線Ｌ１に沿った各部位の屈折率に相当する。この実施例に係る非線形性光ファイバ１００は、コア領域１０１の周囲にクラッド領域１０２を有するマッチドクラッド型屈折率プロファイル１５０を有する裸ファイバ９０とその外周に設けられたハーメティックコート９１を備えている。この裸ファイバ９０において、コア領域１０１の屈折率はクラッド領域１０２の屈折率よりも高い。また、図１Ａでは、コア領域１０１の径を２ａで表し、クラッド領域１０２の外径（すなわち、裸ファイバ９０の外径）を２ｂで表している。さらに、図１Ｂの屈折率プロファイル１５０において、領域１５１は上記コア領域１０１における線Ｌ１上の各部位の屈折率を示し、領域１５２は上記クラッド領域１０２における線Ｌ１上の各部位の屈折率を示している。なお、図１Ａ中、Ｏ1は当該非線形性光ファイバ１００の光軸と線Ｌ１との交点を示す。また、図１Ｂの屈折率プロファイル１５０において、純石英（ＳｉＯ2）に対するコア領域１０１の比屈折率差は以下のように定義されたΔ+で表され、ＳｉＯ2に対するクラッド領域１０２の比屈折率差は以下のように定義されたΔ-で表されている。
Δ+＝｜ｎcore−ｎ0｜／ｎ0
Δ-＝｜ｎclad−ｎ0｜／ｎ0
ここで、ｎcoreはコア領域１０１の屈折率、ｎcladはクラッド領域１０２の屈折率、そしてｎ0は純石英の屈折率である。また、この明細書では、これら非屈折率差Δ+、Δ-はそれぞれ百分率表示される。
このような屈折率プロファイル１５０を有する光ファイバは、ＳｉＯ2を主成分とする光ファイバのコア領域１０１に、屈折率を上昇させる添加物が添加されることにより得られる。この実施例に係る非線形性光ファイバ１００では、後述するように大きな比屈折率差を得る必要があるので、高濃度（例えば、１５ｍｏｌ％以上３５ｍｏｌ％以下）のＧｅＯ2（酸化ゲルマニウム）がコア領域１０１に添加されるのが好ましい。図１Ａでは、このようなコア領域１０１をＧｅＯ2−ＳｉＯ2と表されている。
このＧｅＯ2の添加量の数値範囲では、見かけ上、レイリー散乱の寄与割合が小さく、誘導ブリルアン散乱が支配的となり、また、この誘導ブリルアン散乱の利得や帯域は、ＧｅＯ2添加量、コア領域１０１の径２ａ及び材料等に依存する。したがって、当該非線形性光ファイバ１００は、光軸に沿った所定範囲においてＧｅＯ2の添加量やコア径が連続的に変化することで、誘導ブリルアン散乱の発生を抑制しつつ、光の伝搬方向に依らずに同程度の非線形光学現象を発生し得る（図４Ａ〜図４Ｃ参照）。
また、この実施例に係る非線形性光ファイバ１００では、クラッド領域１０２にＦ（フッ素）元素が添加されるのが好ましい。図１Ａでは、このようなクラッド領域１０２をＦ−ＳｉＯ2で表している。この場合、クラッド領域１０２の屈折率が純石英よりも低下することにより、コア領域１０１の屈折率とクラッド領域１０２の屈折率の差がさらに大きくなる。また、一般に、ＧｅＯ2が添加された母材を高温で線引して得られた光ファイバの伝送損失は増加してしまうが、母材の外周部分（線引された光ファイバのクラッド領域となるべき部分）にＦ元素が添加されると、当該母材が柔らかくなって線引が容易になり、得られる光ファイバの伝送損失の増加が抑制される。なお、Ｆ元素の添加量は、例えば、０．２ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下が好ましい。
そして、この非線形性光ファイバ１００は、信号光波長１．５５μｍ帯の１又は２以上の信号光成分に対して、５μｍ以下のモードフィールド系（ＭＦＤ）と、１ｐｓ／ｋｍ1/2以下の偏波分散（ＰＭＤ）、１．５μｍ以上１．６μｍ以下の零分散波長、２ｍ長において１．４μｍ以上１．７μｍ以下のカットオフ波長、３ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失、そして、１０／Ｗ／ｋｍ以上の非線形係数γを有する。なお、２ｍ長でのカットオフ波長が上記範囲内であれば、実用上使用されるファイバ長（１００ｍ以上）では、波長１．５５μｍ帯の信号光に対してシングルモードが保障される。
ここで、非線形係数γは、光強度に対する実効屈折率の非線形屈折率ｎ2、実効断面積Ａeff、及び光の波長λに対して、
γ＝２π・ｎ2／λ／Ａeff    …(1)
なる式で定義される。ここで、非線形屈折率ｎ2は、非線形性光ファイバの実効屈折率ｎを光の強度（光の電場振幅の２乗）Ｉの１次式として、
ｎ＝ｎ0＋ｎ2・Ｉ    …(2)
で表されたときの光の強度Ｉの項の係数であり、３次非線形感受率の実部に比例する値である。また、実効断面積Ａeffの値が小さいほど、コア領域１０１における伝搬光のエネルギー密度は大きい。したがって、上記(1)式で定義される非線形係数γは、光ファイバの単位長さ及び単位光強度当たりの非線形光学現象の発生効率を示す指標であり、この値が大きいほど高い効率で非線形光学現象が発生する。なお、従来の光ファイバの非線形係数γの値は３／Ｗ／ｋｍ程度である。
また、上記実効断面積Ａeffは、特開平８−２４８２５１号公報に示されたように、以下の(3)式で与えられる。
0004109323.tif 000002
ただし、Ｅは伝搬光に伴う電界、ｒはコア中心からの径方向の距離である。
また、分散スロープは所定の波長帯域における分散スペクトルを示すグラフの傾きで定義される。
上記条件のうち、ＭＦＤ及び非線形係数γそれぞれに関する条件は、高効率に非線形光学現象を生じさせるための条件である。ＰＭＤ及び零分散波長それぞれに関する条件は、信号光波長１．５５μｍ帯において良好な信号光の伝送特性を確保するための条件であり、カットオフ波長に関する条件は、所定の波長帯においてシングルモードを保障するための条件であり、伝送損失に関する条件は、非線形光学現象に関与する光のロスを小さくするための条件である。なお、ＧｅＯ2の添加量を上述された数値範囲に設定することにより、ＭＦＤ及びカットオフ波長それぞれの上記条件が満たされる。
図２は、コア領域１０１におけるＧｅＯ2添加量と波長１．５５μｍにおけるＭＦＤとの関係を示すグラフである。このグラフには、ＧｅＯ2添加量に依らず零分散波長を１．５５μｍとするためコア領域１０１の径を４．２μｍ〜５．５μｍの範囲で調整し、クラッド領域１０２にＦ元素が添加されていないサンプル（図中の黒丸印）と、１．０ｗｔ％のＦ元素が添加されたサンプル（図中の白丸印）のそれぞれについて求められた値が示されている。
このグラフから分かるように、クラッド領域１０２にＦ元素が添加されたサンプルは、Ｆ元素が添加されていないサンプルと比較して、より小さなＭＦＤを有する。また、ＧｅＯ2添加量が１５ｍｏｌ％以上であるときにＭＦＤは５μｍ以下となる。ＧｅＯ2添加量が多いほどＭＦＤは小さくなる一方、ＭＦＤが小さいほど非線形係数γは大きくなるので、非線形光学現象を高効率に生じさせるには、クラッド領域１０２にはＦ元素が添加されるのが好ましい。ただし、ＧｅＯ2添加量が３５ｍｏｌ％を越えると、非屈折率差Δ+が３．５％を越え、かつカットオフ波長が１．７μｍを越えるため、所定の波長帯においてシングルモードが保障されなくなり好ましくない。したがって、コア領域１０１におけるＧｅＯ2添加量は、１５ｍｏｌ％以上３５ｍｏｌ％以下の範囲であるのが好ましい。
この発明に係る非線形性光ファイバは、その光軸に対し略垂直な方向に応力を付与する応力付与構造を備え、伝搬する光の偏波面を保存することができる偏波面保存光ファイバであってもよい。応力付与構造により応力が与えられた非線形性光ファイバは、非線形光学現象の際の入力光の偏波面を一定方向に保持することができ、さらに高効率の非線形光学現象を生じさせることができる。具体的に、当該非線形性光ファイバに適用可能な偏波面保存ファイバ２００は、図３に示されたような構造を備えている。なお、この偏波面保存ファイバ２００は、光軸ＡＸに沿って伸びたコア領域２０１と該コア領域２０１よりも低い屈折率のクラッド領域２０２とを有する裸ファイバ１９０と、その外周に設けられたハーメティックコート１９１を備えており、上述された非線形性光ファイバ１００と同様に、信号光波長１．５５μｍ帯の１又は２以上の信号光成分に対して、５μｍ以下のＭＦＤと、１．５μｍ以上１．６μｍ以下の零分散波長、２ｍ長において１．４μｍ以上１．７μｍ以下のカットオフ波長、３ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失、そして、１０／Ｗ／ｋｍ以上の非線形係数γを、少なくとも有する。
特に、応力付与構造は、図３に示されたように、例えばＳｉＯ2を主成分とするクラッド領域２０２中であって光軸に関して互いに略対称な所定部位にＢ2Ｏ3（酸化ボロン）が添加された領域２０３を設けることにより実現可能である。この場合、Ｂ2Ｏ3が添加された領域２０３（図中、Ｂ2Ｏ3−ＳｉＯ2と表されている）と添加されていない領域とでは熱膨張係数に差異があるので、線引後の冷却時に、Ｂ2Ｏ3が添加されている領域２０３との間に応力が生じ、これにより偏波面が保存される。
また、エネルギー保存則及び運動量保存則が共に成立するときに高効率の非線形光学現象が生じるので、非線形光学現象に関与する光（入力光および出力光）の波長において、波長分散が零であるのが理想的である。しかし、現実には、これらの光の波長において完全に零分散となることはあり得ない。そこで、実際には、入力光の何れかひとつの波長において零分散とし、その波長の近傍に他の入力光および出力光それぞれの波長が設定される。ただし、零分散である波長の範囲が入出力光の波長の上限を超えるか、あるいは下限を下回る場合には、入力光と出力光との間でさらに非線形光学現象が生じることから、好ましくない。そこで、これを回避する目的で、波長分散スロープを適度に有するのが好ましい。例えば、入力光の波長が１．４８μｍ及び１．５５μｍであるときには、波長分散スロープは、波長帯域１．５μｍ以上１．６μｍ以下の範囲において、０．０１ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2以上であるのが好適であり、０．０５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2以上であればさらに好ましい。なお、波長分散スロープの好適値は、非線形光学現象の入出力光の波長帯域幅に依存する。
また、非線形性光ファイバに入射する光の強度が大きくなると、誘導ブリルアン散乱により後方散乱光が急激に増加し、光ファイバ中を伝搬する光の強度が飽和する。これは非線形光学現象を生じさせる非線形性光ファイバにとっては不都合となる。そこで、このような散乱抑制構造として、この発明に係る非線形性光ファイバ１００（２００）は、図４Ａに示されたような、コア領域の外径を連続的に変化させた第１構造、図４Ｂに示されたよな、コア領域の外径変化に伴ってクラッド領域の外径も変化させた第２構造、あるいは図４Ｃに示されたような、光軸に沿った所定範囲において、ＧｅＯ2の添加量を連続的に変化させた第３構造が適用可能である。なお、第２構造では、クラッド領域の外径を一定に保持した状態でコア領域の外径を変化させてもよく、また第３構造において、コア領域の外径に対するクラッド領域の外径比は一定である必要はない。
上述のような散乱光抑制構造（図４Ａ〜図４Ｃ）を当該非線形性光ファイバ１００（２００）に設けることにより、誘導ブリルアン散乱の発生を抑制することができる。
また、この発明に係る非線形性光ファイバ１００（２００）のクラッド領域１０２（２０２）の外周には、図１Ａ及び図３に示されたように、アモルファスカーボンやシリコンカーバイトなどの遮水性を有する物質を主成分とするハーメチックコート９１（１９１）が施されているのが好ましい。通常の光ファイバでは、疲労係数は２０程度であるのに対して、ハーメチックコート９１（１９１）が施された光ファイバ１００（２００）では、疲労係数は１００以上になり、当該非線形性光ファイバ１００（２００）が水中や高湿度の中に長期間さらされても疲労の進行を抑制することができ、また、水素の光ファイバへの拡散も遮断することができるので、長期信頼性が得られる。
図５は、この実施例に係る非線形性光ファイバ１００について、各パラメータそれぞれの値を変えたサンプルを用意し評価した結果を示す表である。ここでは、１２種類のサンプル（非線形性光ファイバ）Ａ〜Ｌそれぞれを試作した。この表の各列は、最左列から順に、(1)非線形性光ファイバの種類、(2)ＳｉＯ2に対するコア領域１０１の比屈折率差Δ+（単位％）、(3)ＳｉＯ2に対するクラッド領域１０２の比屈折率差Δ-（単位％）、(4)コア領域１０１の径２ａ（単位μｍ）、(5)ＭＦＤ（単位μｍ）、(6)非線形係数γ（単位１／Ｗ／ｋｍ）、(7)零分散波長（単位ｎｍ）、(8)波長１．５５μｍの光に対する伝送損失（単位ｄＢ／ｋｍ）、(9)２ｍ長でのカットオフ波長（単位ｎｍ）、(10)ＰＭＤ（単位ｐｓ／ｋｍ1/2）、(11)クラッド領域１０２の径２ｂ（単位μｍ）、及び(12)疲労係数、それぞれを示している。
この表に示されたように、試作条件は、コア領域１０１の径２ａは４．１μｍ〜４．９μｍ、クラッド領域１０２の外径２ｂは１２４μｍ〜１２６μｍ、ＳｉＯ2に対するコア領域１０１の比屈折率差Δ+は１．５％〜４％、ＳｉＯ2に対するクラッド領域１０２の比屈折率差Δ-は０％あるいは０．３５％である。この試作条件の下、用意されたサンプルＡ〜Ｌの何れも、波長１．５５μｍ帯の信号光に対し、ＭＦＤは５μｍ以下（実際には、３．４〜４．７μｍ）、ＰＭＤは１ｐｓ／ｋｍ1/2以下（実際には、０．０３〜０．１１ｐｓ／ｋｍ1/2）、零分散波長は１．５μｍ以上１．６μｍ以下の範囲（実際には、１５４５〜１５６０ｎｍ）、伝送損失は３ｄＢ／ｋｍ以下（実際には、０．２８〜１．５ｄＢ／ｋｍ）、非線形係数は１０／Ｗ／ｋｍ以上（実際には、１０．５〜２４．２／Ｗ／ｋｍ）であった。
サンプルＡ〜Ｌのうち、サンプルＤ〜Ｆは、クラッド領域１０２にＦ元素が添加されておらずＳｉＯ2に対する比屈折率差Δ-が０％であるのに対して、サンプルＡ〜Ｃ及びＧ〜Ｌは、クラッド領域１０２にＦ元素が添加されＳｉＯ2に対する比屈折率差Δ-が０．３５％である。Ｆ元素が添加されていないサンプルと比較して、Ｆ元素が添加されているサンプルの方が、伝送損失が小さく、ＭＦＤが小さく、かつ非線形係数が大きいので、クラッド領域１０２にはＦ元素を添加するのが好ましい。
また、サンプルＡ〜Ｉには、ハーメチックコートが施されていないのに対して、サンプルＪ〜Ｌは、ハーメチックコートが施されている。ハーメチックコートが施されていないサンプルでは、疲労係数が２０〜２２であるのに対して、ハーメチックコートが施されているサンプルでは、疲労係数が１１０〜１５０であり、よい長期間の信頼性が得られることが分かる。
サンプルＧは、比屈折率差Δ+が１．５％と充分ではなく、非線形係数γが１０／Ｗ／ｋｍ未満であり、カットオフ波長も１．４μｍ未満である。一方、サンプルＨ及びＩの何れも、比屈折率差Δ+が３．５％以上と大きく、２ｍ長におけるカットオフ波長が１．７μｍを越えている。したがって、サンプルＧは、非線形光学現象の発生効率が十分ではなく、サンプルＨ及びＩは、何れも波長１．５５μｍ帯の光に対してシングルモード条件を満たさない。なお、他のサンプルＡ〜Ｆ及びＪ〜Ｌは、比屈折率差Δ+が２％以上３％以下の範囲にあり、カットオフ波長が１．４μｍ以上１．７μｍ以下の範囲にあり、この発明に係る非線形性光ファイバとして好適である。
また、上記各サンプルは比屈折率差Δ+が大きいほど、また、コア領域１０１の径２ａが小さいほど、ＭＦＤが小さく、かつ非線形係数γが大きいため、これらの点に関しては好ましいが、その一方で、カットオフ波長が長くなるので、この点に関しては不都合が生じ得る。なお、上記サンプルＡ〜Ｌのうち、サンプルＣは、ＭＦＤが最も小さく、非線形係数が最も大きく、かつカットオフ波長が１．４μｍ以上１．７μｍ以下の範囲にあるので、最もこの発明に係る非線形性光ファイバとして好適である。
このサンプルＣをベースに、その光軸に関して互いに対称なクラッド領域１０２中の所定の領域にＢ2Ｏ3が添加された偏波面保存光ファイバ（図３参照）を用意し、このサンプルについても評価した。その結果、この偏波面保存光ファイバは、モードフィールド径、非線形係数および零分散波長については非線形性光ファイバＣと同程度であったが、伝送損失が０．６１ｄＢ／ｋｍであり、また、長さ１ｋｍで偏波クロストークが２５ｄＢであった。これらの特性値は何れも良好な値である。
以上のように、この実施例に係る非線形性光ファイバは、ＭＦＤが５μｍ以下であって、非線形係数γが１０／Ｗ／ｋｍ〜２０／Ｗ／ｋｍ程度あり、従来の光ファイバの非線形係数γの値である３／Ｗ／ｋｍと比較して３倍〜７倍程度大きい値の非線形係数γを有する。したがって、この実施例に係る非線形性光ファイバを従来と同程度の長さで用いれば、高効率の非線形光学現象を生じさせることができ、あるいは従来の光ファイバより短尺（例えば、１ｋｍ以下）であっても充分なパワーを有する、非線形光学現象に起因した出力光を発生させることができる。
また、この実施例に係る非線形性光ファイバにおいて、ＰＭＤが１ｐｓ／ｋｍ1/2以下であり、零分散波長が１．５μｍ以上１．６μｍ以下の範囲にあるので、波長１．５５μｍ帯の信号光に対し良好な伝送特性が得られる。また、カットオフ波長が１．４μｍ以上１．７μｍ以下の範囲にあるので、波長１．５５μｍ帯の信号光に対して、この実施例に係る非線形性光ファイバではシングルモードが保障される。また、当該非線形性光ファイバは伝送損失が３ｄＢ／ｋｍ以下であるので、非線形光学現象に関与する光のロスが小さい。
以上のことからも分かるように、この実施例に係る非線形性光ファイバ１００（又は偏波面保存ファイバ２００）は、例えば、波長変換器、光スイッチに好適に用いることが可能である。この場合、信号光（波長１．５５μｍ帯）と励起光（信号光と異なる波長であって１．５５μｍ帯にある波長、例えば、波長１．４８μｍ）とを合波して当該非線形性光ファイバに入力させ、信号光の１光子と励起光の２光子とから非線形性光ファイバにおいて四光波混合に依り変換光の１光子を生じさせ、その変換光を光フィルタ等を介して選択的に出力する。この変換光は、信号光の強度に応じた強度のものであって、信号光が担う情報と同一の情報を担い、変換光の波長λcは、信号光の波長λsおよび励起光の波長λeに対して、
λc＝２・λe−λs    …(4)
なる式で表されるので、波長変換が実現されることになる。また、波長可変の光源から励起光を出力すれば、波長変換器から出力される変換光の波長をも可変にすることができる。
なお、この発明は、上述された実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、当該非線形性光ファイバ１００の屈折率プロファイルは、図１Ａに示しされたマッチドクラッド型の屈折率プロファイルに限られるものではない。図６Ａに示されたように、コア領域の周辺に低屈折率のディプレスト部が設けられたクラッド領域を有する光ファイバの屈折率プロファイル（ディプレスト・クラッド型の屈折率プロファイル）であってもよい。なお、図６Ａの屈折率プロファイル中、領域５０１は上記コア領域中の径方向の屈折率を示し、領域５５０はクラッド領域中の径方向の屈折率を示す。特に、領域５５１は上記ディプレスト部（クラッド領域の内側領域）の径方向の屈折率を示し、領域５５２は該ディプレスト領域の外側に位置するクラッド領域の外側領域の屈折率を示している。さらに、当該非線形性光ファイバ１００は、図６Ｂに示されたような屈折率プロファイルを備えてもよい。この場合、コア領域は、径方向に放物線形状の屈折率プロファイルを有する内側コア、該内側コアの外周に設けられ、該内側コアよりも低い屈折率を有する中間コア、及び該中間コアの外周に設けられ、該中間コアよりも高い屈折率を有する外側コアを備える。また、クラッド領域は外側コアの外周に設けられ、該外側コアよりも低い屈折率を有する。なお、図６Ｂの屈折率プロファイル中、領域６００は上記３層から構成されたコア領域の径方向の屈折率を示す領域であって、領域６０１は内側コアの径方向の屈折率、領域６０２は中間コアの径方向の屈折率、領域６０３は外側コアの径方向の屈折率をそれぞれ示している。また、領域６０４はクラッド領域の径方向の屈折率を示している。
何れの屈折率プロファイルの場合にも、波長１．５５μｍ帯の１又は２以上の信号光に対する諸特性として、５μｍ以下のＭＦＤと、１ｐｓ／ｋｍ1/2以下のＰＭＤ又は一定の偏波面と、１．５μｍ以上１．６μｍ以下の零分散波長と、２ｍ長において１．４μｍ以上１．７μｍ以下のカットオフは長と、３ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失と、１０／Ｗ／ｋｍ以上の非線形係数を有する。
また、上述された種々の屈折率プロファイルは、この発明に係る非線形性光ファイバに適用可能な偏波面保存ファイバ２００に適用することも可能である。
次に、この発明に係る光ファイバコイルの実施例を、図７〜図９を用いて説明する。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。
この発明に係る光ファイバコイルに適用される非線形性光ファイバとしては、図１Ａに示された非線形性光ファイバ１００や図３に示された偏波面保存ファイバ２００が好適であり、その諸特性としては、波長１．５５μｍ帯の信号光に対して、５μｍ以下のＭＦＤと、１ｐｓ／ｋｍ1/2以下のＰＭＤ又は一定の偏波面と、１．５μｍ以上１．６μｍ以下の零分散波長と、２ｍ長において１．４μｍ以上１．７μｍ以下のカットオフ波長と、３ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失と、１０／Ｗ／ｋｍ以上の非線形係数γを、少なくとも有する。
また、上述の諸特性を得るため、このような非線形性光ファイバ１００（２００）は、コア領域１０１（２０１）の径２ａが４．１μｍ〜４．９μｍ、クラッド領域１０２（２０２）の外径２ｂが１２５μｍ、ＳｉＯ2に対するコア領域１０１（２０１）の比屈折率差Δ+が２％〜３％、ＳｉＯ2に対するクラッド領域１０２（２０２）の比屈折率差Δ-が０％〜０．３５％とする。なお、この発明に係る光ファイバコイルに適用可能な非線形性光ファイバ１００（２００）は、長期の信頼性を得るため、ハーメティックコート９１、１９１がぞれぞれ裸ファイバ９０、１９０の外周面に設けられている（図１Ａ、図３参照）。
この発明に係る光ファイバコイル１０は、図７に示されたように、上述の非線形性光ファイバ１００（２００）の優れた特性を維持しつつ、該光ファイバ１００（２００）を所定径２ｃに巻くことにより得られる。なお、非線形性光ファイバ１００（２００）は、当該光ファイバコイル１０の内径２ｃを維持するため図８に示されたような胴径２ｃの胴体部を有するボビン２０に巻き付けて構成するのが好ましい。
この発明に係る光ファイバコイル１０は、胴径２ｃが６０ｍｍ以下のとき、波長１．５μｍ以上１．６μｍ以下の１又は２以上の信号光に対する諸特性（第１条件）として、０．１ｄＢ／ｋｍ以下の曲げ損失と、１ｐｓ／ｋｍ1/2以下のＰＭＤ又は一定の偏波面（直交偏波成分のクロストークが１５ｄＢ以上）を有する。また、胴径２ｃが２０ｍｍ以下であるとき、当該光ファイバコイル１０は、波長１．５μｍ以上１．６μｍ以下の１又は２以上の信号光に対する諸特性（第２条件）として、１ｄＢ／ｋｍ以下の曲げ損失と、２ｐｓ／ｋｍ1/2以下のＰＭＤ又は一定の偏波面を有する。ここで、胴径２ｃは、この光ファイバ１００（２００）がコイル状に巻かれたときの内径の最小値であり、ボビン２０に巻かれるときにはボビン２０の胴体部の直径である。
上述のように、胴径６０ｍｍで巻かれた光ファイバコイル１０は小型化され、波長１．５５μｍ帯の信号光に対して、高効率の非線形光学現象を生じさせることが可能なだけでなく、良好な伝送特性を確保することができる。また、胴径２０ｍｍで巻かれた光ファイバコイル１０は、良好な特性を維持しつつ、６０ｍｍに巻かれたコイルよりも更に小型にすることができる。したがって、このような構造を備えた光ファイバコイル１０は何れも、非線形光学現象を利用する波長変換器や光スイッチ等の部品として十分適用可能である。
加えて、何れのコイル径（６０ｍｍ又は２０ｍｍ）であっても、非線形性光ファイバ１００（２００）の長さが１ｋｍ以下であれば、小型化に際して更に好ましい。また、この発明に係る光ファイバコイル１０を構成する非線形性光ファイバ１００（２００）は、何れも裸ファイバ９０（１９０）の表面にハーメチックコート９１（１９１）が設けられているので、当該光ファイバコイル１０は長期間の信頼性に関しても優れている。
次に、この発明に係る光ファイバコイルの第１実施例について説明する。この第１実施例で用意された非線形性光ファイバは、３．７μｍのＭＦＤと、２０／Ｗ／ｋｍの非線形係数γと、０．０３ｐｓ／ｋｍ1/2のＰＭＤと、１５５２ｎｍの零分散波長と、０．５ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、２ｍ長において１６１０ｎｍのカットオフ波長と、５００ｍの長さを有する。なお、このような特性を有する非線形性光ファイバは、マッチドクラッド型の屈折率プロファイル（図１Ａ参照）を有する光ファイバのコア領域の径を３．８μｍとし、そのコア領域に２９ｍｏｌ％のＧｅＯ2を添加し、クラッド領域に１ｗｔ％のＦ元素を添加することで得られる。
この用意された非線形性光ファイバを図７又は図８に示されたように、胴径６０ｍｍで巻いたときの光ファイバコイル１０は、波長１．５μｍ以上１．６μｍ以下の信号光に対して、０ｄＢ／ｋｍの曲げ損失と、０．０５ｐｓ／ｋｍ1/2のＰＭＤを有する。また、上記非線形性光ファイバを胴径２０ｍｍで巻いたときの光ファイバコイル１０は、波長１．５μｍ以上１．６μｍ以下の信号光に対して、０ｄＢ／ｋｍの曲げ損失と、０．０７ｐｓ／ｋｍ1/2のＰＭＤを有する。何れのコイル径の場合も、良好な特性が維持される。ここで、曲げ損失が０ｄＢ／ｋｍであるとは、損失が極めて小さく、測定が困難であったことを意味しており、曲げ損失を実用上無視し得ることを意味する。
次に、この発明に係る光ファイバコイルの第２実施例ついて説明する。この第２実施例で用意された非線形性光ファイバは、４．２μｍのＭＦＤと、１３／Ｗ／ｋｍの非線形係数γと、０．０５ｐｓ／ｋｍ1/2のＰＭＤと、１５４５ｎｍの零分散波長と、０．３５ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、２ｍ長において１５００ｎｍのカットオフ波長と、５００ｍの長さを有する。なお、このような特性を有する非線形性光ファイバは、マッチドクラッド型の屈折率プロファイル（図１Ａ参照）を有する光ファイバのコア領域の径を４．２μｍとし、そのコア領域に２０ｍｏｌ％のＧｅＯ2を添加し、クラッド領域に１ｗｔ％のＦ元素を添加することで得られる。
この用意された非線形性光ファイバを図７又は図８に示されたように、胴径６０ｍｍで巻いたときの光ファイバコイル１０は、波長１．５μｍ以上１．６μｍ以下の信号光に対して、０ｄＢ／ｋｍの曲げ損失と、０．０５ｐｓ／ｋｍ1/2ＰＭＤを有する。また、上記非線形性光ファイバを胴径２０ｍｍで巻いたときの光ファイバコイル１０は、波長１．５μｍ以上１．６μｍ以下の信号光に対して、０ｄＢ／ｋｍの曲げ損失と、０．１ｐｓ／ｋｍ1/2のＰＭＤを有する。何れのコイル径の場合も、良好な特性が維持される。
発明者らは、上述の諸特性を有する非線形性光ファイバに関し種々のサンプルを用意した。そして、これら光ファイバを所定胴径に巻いて光ファイバコイルを製造し、それぞれの曲げ損失及びＰＭＤを測定したところ、胴径、曲げ損失及びＰＭＤに関し、この発明に係る光ファイバコイル１０に関する上記第１条件及び第２条件を満たす特性が得られた。
次に、比較のための参考例として従来の光ファイバコイルの場合について説明する。ここで用意された光ファイバは、波長１．５μｍ〜１．６μｍの信号光に対して、１０．１μｍのＭＦＤと、０．７／Ｗ／ｋｍの非線形係数γと、０．０４ｐｓ／ｋｍ1/2のＰＭＤと、１５４２ｎｍの零分散波長と、０．１９ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、２ｍ長において１１００ｎｍのカットオフ波長と、５００ｍの長さを有する。
この光ファイバを胴径６０ｍｍで巻いたときのコイルは、波長１．５μｍ以上１．６μｍ以下の信号光に対して、０．５ｄＢ／ｋｍの曲げ損失と、０．０４ｐｓ／ｋｍ1/2のＰＭＤを有する。また、胴径２０ｍｍで巻いたときのコイルは、同じく波長１．５μｍ以上１．６μｍ以下の信号光に対して、５０００ｄＢ／ｋｍの極めて大きな曲げ損失を有する。それ故、この胴径２０ｍｍで巻いたときのコイルについてはＰＭＤを測定することはできなかった。
図９は、上述された第１実施例のコイル、第２実施例のコイル、及び参考例に関する測定結果を示している。なお、図３の表中、コイル１は第１実施例のコイル、コイル２は第２実施例のコイルを表している。
胴径６０ｍｍのコイルの場合、参考例として示された従来の光ファイバコイルは、０．５ｄＢ／ｋｍの曲げ損失を有するのに対し、この発明に係る光ファイバコイル１０では、曲げ損失の発生を確認することはできなかった。また、胴径２０ｍｍのコイルの場合、参考例として示された従来の光ファイバコイルは、５０００ｄＢ／ｋｍと極めて大きな曲げ損失を有するのに対し、この発明に係る光ファイバコイル１０では、曲げ損失の発生は確認できなかった。このように、この発明に係る光ファイバコイル１０は、胴径が小さくとも、優れた特性を維持できることが分かる。
加えて、ハーメチックコートの有無に基づく、光ファイバコイルを構成する非線形性光ファイバの破断寿命の差異について説明する。ここで、破断寿命は、１０6個の非線形性光ファイバコイルのうちの１個が破断するまでの時間を、疲労係数から推定することにより与えられる。ハーメチックコートが施されていない非線形性光ファイバの破断寿命は、胴径６０ｍｍで巻かれたときに１００年程度であり、胴径２０ｍｍで巻かれたときに５年程度である。一方、ハーメチックコートが施された非線形性光ファイバの破断寿命は、胴径６０ｍｍで巻かれたときに１０００年以上であり、胴径２０ｍｍで巻かれたときでも１０００年以上である。このように、胴径２０ｍｍの光ファイバコイルは、ハーメチックコートが施さない非線形性光ファイバで構成された場合、５年程度の破断寿命しかないのに対して、ハーメチックコートが施された非線形性光ファイバで構成された場合には、１０００年以上の破断寿命があり長期信頼性が得られる。
次に、この発明に係る波長変換器の実施例を、図１０〜図１３を用いて説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
まず、この発明に係る波長変換器に適用される非線形性光ファイバとしては、図１Ａに示された非線形性光ファイバや図３に示された偏波面保存ファイバが好ましい。
また、この非線形性光ファイバを当該波長変換器に適用する場合、図７及び図８に示されたように、この非線形性光ファイバを胴径の小さいコイル状（例えば、胴径６０ｍｍ、２０ｍｍ程度）に巻いておけば小型化の点で有利である。なお、コイル製造においてこの発明に係る非線形性光ファイバ１００（２００）を利用すれば１ｋｍ以下のファイバ長で済むので、その全長に渡ってＰＭＤは、０．５ｐｓ以下であって良好な特性が維持される。また、従来の光ファイバが巻かれたコイルでは、曲げ損失が数ｄＢ／ｋｍ以上となり使用できないが、当該非線形性光ファイバ１００（２００）が巻かれたコイルでは、胴径２０ｍｍであっても曲げ損失が殆ど０ｄＢ／ｋｍであり良好な特性を有していることが確認された。このように、この発明に係る非線形性光ファイバ１００（２００）は、短尺であっても高効率の非線形光学現象を生じ、また、良好な特性を保持しつつ胴径の小さいコイル１０を得ることができるので、図１Ａ及び図３に示されたような非線形性光ファイバ１１０（２００）や図７及び図８に示されたような光ファイバコイル１０を適用することは、高効率かつ小型な波長変換器を実現するために極めて有効である。
この発明に係る波長変換器は、このような非線形性光ファイバ１００（２００）からなる光ファイバコイル１０が適用される。図１０は、この発明に係る波長変換器の構成を示す図である。この波長変換器１は、励起光を出力する励起光源１７と、入力された励起光を光増幅して出力する励起光増幅部２５と、光増幅された励起光と入力された信号光とを合波して出力する合波部３５と、合波部３５から導かれた励起光及び信号光に起因した四光波混合により変換光を発生する光ファイバコイル１０（非線形性光ファイバ１００（２００）から構成されている）と、その変換光を選択的に出力する波長選択部５５と、波長選択部５５から出力された変換光を光増幅して出力する変換光増幅部６５と、を備えている。
励起光源１７は、所定波長の励起光を出力するので、該励起光の波長は固定されてもよい。しかしながら、上述されたように非線形性光ファイバ１００（２００）は優れた特性を有するため、励起光の波長を可変とするのがより好ましい。この励起光源１７としては、例えば、波長可変レーザダイオードや波長可変ファイバレーザ光源などが適用可能である。波長可変レーザダイオードは、小型化が可能で、かつ安定した出力が得られるという利点がある。波長可変ファイバレーザ光源は、小型化も可能で、励起光の波長変更をフィルタのみで実現することができるという利点がある。なお、波長可変ファイバレーザ光源の構成については後述する。
励起光増幅部２５は、励起光源１７から出力された励起光を光増幅して、光ファイバコイル１０の光ファイバ端に入力される該励起光に、十分なパワーを与える。すなわち、四光波混合により生じる変換光の強度は、入力される信号光のパワーと励起光のパワーの２乗との積に比例することから、当該励起光増幅器２５は、十分なパワーの変換光を発生させるため、励起光により大きなパワーを与える。この励起光増幅部２５としては、例えば、希土類元素であるＥｒ（エルビウム）元素がコア領域に添加された光ファイバ（ＥＤＦ：Er-Doped Fiber）を備えた光増幅器（ＥＤＦＡ：Er-Doped Fiber Amplifier）が適用可能である。なお、励起光源１７から十分なパワーの励起光が出力される場合には、励起光増幅部２５は不要である。
合波部３５は、この励起光増幅部２５で光増幅されて出力された励起光と、当該波長変換器１により波長変換されるべき信号光とを入力し、両者を合波して出力する。この合波部３５としては、例えば、３ｄＢカプラ、偏波無依存型カプラ、ＷＤＭカプラなどが適用可能である。３ｄＢカプラは、励起光及び信号光の何れのパワーをも大きく損なうことなく合波することができるので好ましい。ＷＤＭカプラは、励起光又は信号光の波長範囲がある程度決まっている場合には損失を３ｄＢ以下にすることもできるので好ましい。
光ファイバコイル１０を構成する非線形性光ファイバ１００（２００）は、１ｋｍ以下の長さを有し、合波部３５から出力された励起光及び信号光を入力して四光波混合により変換光を発生する。その具体的な構成及び特性については、図１Ａ〜図６の非線形光ファイバ１００（２００）及び図７〜図９の光ファイバコイル１０に関する記載で既に言及されている。
波長選択部５５は、光ファイバコイル１０の光ファイバ端から出力された励起光、信号光及び変換光を入力し、これらのうち変換光のみを選択的に出力する。この波長選択部５５としては、例えば、固定型バンドパスフィルタ、波長可変バンドパスフィルタ、波長可変ハイパスフィルタ、波長可変ローパスフィルタ、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）、ＷＤＭカプラなどが適用可能である。固定型バンドパスフィルタは、変換光の波長が固定である場合には最も安価であるので好ましい。波長可変バンドパスフィルタ、波長可変ハイパスフィルタ及び波長可変ローパスフィルタそれぞれは、変換光の波長が可変である場合に利用するのが好ましい。ＡＷＧは、複数の出力ポートを有し、変換光の波長に応じて何れかの出力ポートに変換光を出力することができるので、例えば、波長変換とともにスイッチング動作を行うことができ、あるいはスイッチング素子と組み合わせて波長制御を行うことができ、その他種々の応用が可能である。ＷＤＭカプラは、変換光の波長が信号光の波長に対し長波長側及び短波長側の何れか一方の側に予め決められている場合には、帯域幅１０ｎｍ程度の広帯域のものが実現でき、ＷＤＭ一括変換まで安価に取り扱うことができるので好ましい。
変換光増幅部６５は、波長選択部５５から出力された変換光を入力し、その変換光を光増幅して出力する。この出力された変換光（増幅された変換光）が当該波長変換器１の出力となる。すなわち、光ファイバコイル１０を構成する非線形性光ファイバ１００（２００）の非線形係数γが大きく変換光が高効率で発生する場合だけでなく十分なパワーの変換光が得られない場合もあるので、このような場合に変換光増幅部６５が変換光のパワーを大きくする。この変換光増幅部６５としては、例えばＥＤＦＡが適用可能である。なお、波長選択部５５から十分なパワーの変換光が出力される場合には、変換光増幅部６５は不要である。
これら励起光源１７、励起光増幅部２５、合波部３５、光ファイバコイル１０、波長選択部５５及び変換光増幅部６５は、光ファイバ等により光学的に接続されている。これらのうち、光ファイバコイル１０を構成する非線形性光ファイバ１００（２００）は、通常の光ファイバと比較するとコア領域の径及びＭＦＤが小さいので、通常の光ファイバと接続した場合には接続損失は増大する。
そこで、当該光ファイバコイル１０の光ファイバ入力端は、接続損失が１ｄＢ以下となる光ファイバを介して合波部３５の出力端と接続されるのが好ましい。一方、当該光ファイバコイル１０の光ファイバ出力端は、接続損失が１ｄＢ以下となる光ファイバを介して波長選択部５５の入力端と接続されるのが好ましい。この接続損失を１ｄＢ以下に押さえるためには、非線形性光ファイバ１００（２００）における伝搬光の電磁界分布と、これに接続される光ファイバにおける伝搬光の電磁界分布との重なり積分に基づいて、接続されるべき光ファイバを選択する必要がある。この場合、信号光、励起光及び変換光それぞれの損失を抑えることができ、十分なパワーの変換光が出力される。
なお、当該光ファイバコイル１０の光ファイバ入力端は、それぞれのＭＦＤが漸増及び漸減の何れかである縦続接続された１以上の光ファイバを介して合波部３５の出力端と接続されてもよい。また、当該光ファイバコイル１０の光ファイバ出力端は、それぞれのＭＦＤが漸増及び漸減の何れかである縦続接続された１以上の光ファイバを介して波長選択部５０の入力端と接続されるてもよい。この場合も、接続損失は低減されるので、信号光、励起光及び変換光の損失を抑えることができ、十分なパワーの変換光が出力される。
次に、励起光源１７の一構成例として波長可変ファイバレーザ光源の構造を図１１を用いて説明する。図１１は、波長可変ファイバレーザ光源の構成を示す図である。この波長可変ファイバレーザ光源は１７は、ＷＤＭカプラ１１、ＥＤＦ１２、光アイソレータ１３、波長可変フィルタ１４及び３ｄＢカプラ１５が光ファイバ等によりリング状に配置されるとともに光学的に接続されている。また、ＷＤＭカプラ１１にはポンプ光源１６が光学的に接続され、リング型のレーザ発振器が構成されている。
ポンプ光源１６から出力されたポンプ光は、ＷＤＭカプラ１１を経てＥＤＦ１２に入力され、ＥＤＦ１２に含有されているＥｒ3+イオンを励起する。この励起状態のＥｒ3+イオンはやがて基底状態に戻るが、そのときに発生した光であって波長可変フィルタ１４を透過可能な所定波長の光は、光アイソレータ１３、波長可変フィルタ１４、３ｄＢカプラ１５及びＷＤＭカプラ１１を経て、ＥＤＦ１２に入力される。そして、この所定波長の光がＥＤＦ１２に入力されることにより、ＥＤＦ１２において誘導放出によるレーザ発振が起こる。このレーザ発振光の一部は３ｄＢカプラ１５より取り出され励起光となる。すなわち、波長可変フィルタ１４における透過波長を変更することにより、この波長可変ファイバレーザ光源から出力される励起光の波長を変更することができる。
上記波長可変ファイバレーザ光源は、波長選択のための回折格子を備える波長可変レーザダイオードよりも小型化可能である。したがって、このような波長可変ファイバレーザ光源を適用することにより、当該波長変換器１全体をも小型化できる。
次に、この発明に係る波長変換器の作用について説明する。図１２は、この発明に係る波長変換器の作用の説明図である。この図において、横軸は波長を示し、縦軸は各光のスペクトル強度を示す。また、光ファイバコイル１０の非線形性光ファイバに入力される励起光の波長をλe、そのスペクトル強度をＩeとし、波長変換器１に入力される信号光の波長をλs、そのスペクトル強度をＩsとし、そして、波長変換器１から出力される変換光の波長をλc、そのスペクトル強度をＩcとする。
この波長変換器１の非線形性光ファイバ（光ファイバコイル１０を構成する）において、信号光の１光子と励起光の２光子とから四光波混合により変換光の１光子が生じる。励起光のスペクトル強度Ｉeが一定であれば、変換光のスペクトル強度Ｉcは、信号光のスペクトル強度Ｉsに応じた値であるので、発生する変換光は、信号光に含まれる情報と同一の情報を含む。また、変換光の波長λcは、信号光の波長λs及び励起光の波長λeに対して、以下の式（５）で表される。
λc＝２・λe−λs    …(5)
この式から分かるように、励起光源１７から出力される励起光の波長λeが可変であれば、変換光の波長λcも可変になる。
ここで、光ファイバコイルの非線形性光ファイバに入力される励起光のスペクトル強度Ｉeが１０ｄＢｍ以上であるのが好適である。また、変換効率η（％）は以下の式（６）で定義される。
η＝１００×Ｉc／Ｉs…    (6)
この変換効率ηが０．１％以上であるのが好ましい。また、変換光の最大スペクトル強度に対して変換光のスペクトル強度の低下分が３ｄＢ以下となる信号光の波長帯域の幅は１０ｎｍ以上であるのが好ましい。さらに、この波長帯域において、入力された信号光に対して０．１％以上の変換効率で変換光が出力されるのが好ましい。また、信号光が多波長の場合には、そのうち少なくとも１波長の信号光が上述の条件を満たすのが好ましい。
次に、この発明に係る波長変換器における変換光のスペクトル強度の信号光波長依存性について説明する。図１３は、この発明に係る波長変換器について、変換光の信号光に対する波長依存性を示すグラフである。このグラフには、波長変換器１に入力される信号光の波長を１５３２ｎｍから１５７２ｎｍまでの範囲で変化させ、各信号光の波長について波長変換器１から出力された変換光のスペクトル強度がプロットされている。
この測定のために用意された非線形性光ファイバは、３．８μｍのＭＦＤと、１．５５μｍの零分散波長と、２ｍ長において１．６３μｍのカットオフ波長と、０．５１ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、２０．４／Ｗ／ｋｍの非線形係数γと、＋０．０３２ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2の分散スロープと、５００ｍの長さを有する。なお、信号光のパワーは１ｍＷであり、励起光のパワーは１０ｍＷである。励起光の波長は零分散波長に等しい１．５５μｍである。
このグラフから分かるように、信号光の波長が１５３８ｎｍから１５６５ｎｍまでの帯域幅２７ｎｍの範囲において、変換光のスペクトル強度の低下は、その最大スペクトル強度に対して３ｄＢ以下であり、広い波長帯域に渡って変換効率が平坦であることが分かる。したがって、励起光のパワーを適切に設定することにより、この帯域において変換効率を０．１％以上とすることも可能である。
なお、実際には、この発明に係る波長変換器１に適用される非線形性光ファイバの零分散波長は、その光軸に沿って一定ではなく変動しているものであるが、その場合であっても、非線形性光ファイバの光軸に沿った何れかの地点において、励起光の波長における分散値が略０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであれば、高効率に変換光を生じさせることができる。また、この発明に係る波長変換器１においては、非線形性光ファイバの零分散波長が光軸に沿って変動していても、その長さが１ｋｍ以下であり比較的短尺であるので、該非線形性光ファイバの全長に渡って見れば零分散波長の変動幅は小さい。したがって、この発明に係る波長変換器１では、最大スペクトル強度に対して変換光のスペクトル強度の低下分が３ｄＢ以下である信号光の波長帯域の幅を１０ｎｍ以上とすることができ、さらに、この波長帯域において信号光に対して０．１％以上の変換効率で変換光が得られる。
なお、波長変換器１に入力される信号光がパワー弱いあるいは十分でない場合には、当該波長変換器１は、入力された信号光を光増幅する信号光増幅部を更に備えて信号光のパワーを大きくする構成であってもよい。この場合、信号光増幅部は、波長変換器１における信号光入力端と合波部３５の入力端との間に設けられ、光ファイバコイル１０の非線形性光ファイバに入力される信号光のパワーを所定レベル以上にする。また、当該波長変換器１は、励起光増幅部２５及び上記信号光増幅部を設けるのではなく、合波部３５と光ファイバコイル１０の非線形性光ファイバとの間に光増幅部を備えて、合波部３５により合波されて出力された励起光及び信号光の双方を、この光増幅部により一括で光増幅して該非線形性光ファイバに入力する構成であってもよい。
産業上の利用可能性
以上、詳細に説明したとおり、この発明に係る非線形性光ファイバは、波長１．５５μｍ帯の１又は２以上の信号光に対し、特徴的な諸特性を有する。このため、高効率（換言すれば従来よりもより短い長さで）に非線形光学現象を生じるさせることができるので、十分なパワーの変換光を得ることができる。
また、このような非線形性光ファイバを波長変換器や光スイッチ等に適用する態様を考えると、係る非線形性光ファイバを所定の胴径に巻いて光ファイバコイルを構成すれば、係る波長変換器や光スイッチ等の小型化を実現することができる。また、このような光ファイバコイルによれば、波長１．５５μｍ帯の１又は２以上の信号光に対し、高効率の非線形光学現象を生じせしめることができるだけでなく、良好な信号光の伝送特性を確保するができ、シングルモード条件をも満たされる。
さらに、上述のようは非線形性光ファイバ、あるいは該非線形性光ファイバからなる光ファイバコイルを部品として備えた波長変換器は、該非線形性光ファイバの長さが１ｋｍ以下であるので小型化可能であり、高効率な変換光の出力を可能にする。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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