光ファイバ
【課題】光ファイバの長手方向で安定した特性を有し、かつＳＢＳの発生を抑制できる光ファイバを提供すること。
【解決手段】コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、前記コアは、屈折率を上げて音響速度を下げるドーパントであるＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）の値がＷ１＞４．７４（質量％）を満たすように添加するとともに、屈折率を上げて音響速度を下げるドーパントであるＡｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）の値が（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１）≦Ｗ２≦(５４．１０＋０．２１８×Ｗ１)且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１を満たすように添加し、非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上である。
【解決手段】コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、前記コアは、屈折率を上げて音響速度を下げるドーパントであるＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）の値がＷ１＞４．７４（質量％）を満たすように添加するとともに、屈折率を上げて音響速度を下げるドーパントであるＡｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）の値が（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１）≦Ｗ２≦(５４．１０＋０．２１８×Ｗ１)且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１を満たすように添加し、非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導ブリユアン散乱の発生を抑制できる光ファイバに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大容量の光通信を実現するために、波長分割多重（ＷＤＭ）方式や時分割多重（ＴＤＭ）方式などの通信方式が採用されている。このような通信方式においては、伝送路である光ファイバに入力される光強度が増大し、光ファイバ中での非線形光学現象の発生が顕著になる。非線形光学現象の一つである誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）は、光ファイバに入力した光の一部が後方に散乱され、この散乱された光すなわちブリユアン散乱光が誘導散乱を起こす現象であり、光ファイバ中を伝搬する光と音響波との相互作用で発生する。ＳＢＳが発生すると光ファイバ中の光伝搬の障害となる。ＳＢＳは入力する光の強度が閾値（ＳＢＳ閾値）以上になると発生するので、伝送路に用いられる光ファイバは、ＳＢＳ閾値が高いものが望まれる。
【０００３】
一方、光ファイバ中の非線形光学現象を利用した光信号制御用などに用いられる光ファイバデバイスにおいても、ＳＢＳが問題となる。この種の光ファイバデバイスに使用される光ファイバは、通常の伝送路用の光ファイバよりも約５倍以上光学非線形性が高い光ファイバであり、高非線形光ファイバと呼ばれる。このような高非線形光ファイバは、石英系光ファイバのコアにＧｅＯ２を大量に添加し、有効断面積Ａｅｆｆを小さくし、光のコアへの閉じ込めを強くすることで実現されている。
【０００４】
高非線形光ファイバにおいて利用される非線形光学現象は、主に自己位変調（ＳＰＭ）、相互位相変調（ＸＰＭ）、四光波混合（ＦＷＭ）であるが、これらの非線形光学現象を利用しようとすると、不必要なＳＢＳが発生する場合がある。ＳＢＳは条件によっては上記の利用しようとする非線形光学現象よりも低い光強度で発生してしまうため、光信号制御を行う前の段階で悪影響が起こる場合がある。したがって、高非線形光ファイバも、ＳＢＳ閾値が高いものが望まれる。
【０００５】
従来、ＳＢＳ閾値を高くする方法として、光ファイバの長手方向でコア径やコアに添加するドーパントの添加量を変化させることにより、波長分散や伝送損失といった光ファイバの特性を長手方向で変化させる方法が提案されている（特許文献１〜３参照）。これらの方法によれば、光の周波数スペクトル上での入力光に対するブリユアン散乱光のシフト量（ブリユアンシフト量）が光ファイバの長手方向で変化するため、ＳＢＳが発生しにくくなり、ＳＢＳ閾値が高くなる。
【０００６】
【特許文献１】特許第２５８４１５１号公報
【特許文献２】特許第２７５３４２６号公報
【特許文献３】特許第３５８０６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の長手方向で特性を変化させた光ファイバは、ＳＢＳ閾値が高くなってＳＢＳの発生を抑制できるとしても、光ファイバの長手方向で安定した特性を持たないという課題があった。その結果、光ファイバ中に光パルスを伝搬させると、特性が局所的に変化している部分を光パルスが通過するときにパルス形状が歪むなどの光パルスの劣化が起こる可能性がある。また、信号伝送速度が高速化されるに伴い波長分散などの特性もより精密に調整する必要があるが、長手方向で光ファイバの特性が変化していると上記光パルスと同様に伝送する光信号が劣化する可能性がある。さらに、高非線形光ファイバデバイスにおいては非線形光学現象の発生効率は光ファイバの局所的な波長分散特性に影響されるので、長手方向で光ファイバの特性が変化していると非線形光学現象の発生効率が低下する可能性がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光ファイバの長手方向で安定した特性を有し、かつＳＢＳの発生を抑制できる光ファイバ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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバは、コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、前記コアは、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントであるＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）の値がＷ１＞４．７４（質量％）を満たすように添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントであるＡｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）の値が（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１）≦Ｗ２≦(５４．１０＋０．２１８×Ｗ１)且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１を満たすように添加し、非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る光ファイバは、コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、前記クラッドは、前記コアの外周部に形成されフッ素が添加された内層部と、前記内層部の外周部に形成された外層部と、を有し、前記内層部のフッ素の添加量をＷ３（質量％）とした場合に、前記コアは、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントであるＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）の値がＷ１＞４．７４＋０．６４×Ｗ３（質量％）を満たすように添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントであるＡｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）の値が０≦（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１−０．３８×Ｗ３）≦Ｗ２≦（５４．１０＋０．２１８×Ｗ１−０．２９×Ｗ３）且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１を満たすように添加し、非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る光ファイバは、コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上であり、前記コアは、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントを添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントを添加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光ファイバのコアが、屈折率を上げてかつ音響速度を下げるドーパントを添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響速度を上げるドーパントを添加することによって、コアとクラッドでの音響波速度の差が極めて小さくなり、光ファイバ中を音響波がクラッドまで広がって伝搬するので、光ファイバ中を伝搬する光と音響波との空間的な重なりを小さくできる。その結果、ファイバの長手方向で特性を変化させなくてもＳＢＳの発生を抑制できる光ファイバを実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバの断面図である。本実施の形態１に係る光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の周囲に形成されたクラッド１２とを有する石英系シングルモード光ファイバである。
【００１５】
コア１１は、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントであるＧｅＯ２を２２質量％だけ添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントであるＡｌ２Ｏ３を１２．６６質量％だけ添加している。コア径は７μｍである。クラッド１２は屈折率または音響波速度を変化させる添加物を含まない純シリカガラスからなる。コア１１のＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）は上記の値であるからＷ１＞４．７４（質量％）を満たしており、Ａｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）は上記の値であるから（−２．８１４＋０．５９４×２２）≦Ｗ２≦（５４．１０＋０．２１８×２２)且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×２２を満たしている。
【００１６】
図２は、本実施の形態１に係る光ファイバ１０と、ＧｅＯ２を添加するがＡｌ２Ｏ３を添加しない従来の光ファイバとについて、光ファイバの径方向の屈折率プロファイルおよび音響波速度のプロファイルを模式的に表した図である。図２（ａ）は本実施の形態１に係る光ファイバ、図２（ｂ）は従来の光ファイバである。本実施の形態１に係る光ファイバ１０のコア１１の屈折率プロファイル１３はいわゆる単峰型であり、クラッド１２の屈折率プロファイル１４は径方向で平坦である。コア１１の屈折率の最大値とクラッド１２の屈折率との比屈折率差１５をΔとすると、Δ＝２．８０％である。光ファイバ１０がこのような屈折率プロファイルを有する結果、光は光ファイバ１０中をコア１１に閉じ込められて伝搬する。また、従来の光ファイバにおいても、コアの屈折率プロファイル１３´、クラッドの屈折率プロファイル１４´、比屈折率差１５´は光ファイバ１０と同様であり、光は光ファイバ中をコアに閉じ込められて伝搬する。
【００１７】
一方、音響波速度のプロファイルについては、従来の光ファイバでは、コアの音響波速度のプロファイル１８´とクラッドの音響波速度のプロファイル１９´とはいずれも径方向で平坦であるが、コアに音響波速度を下げるＧｅＯ２を添加するので、コアの音響波速度はクラッドの音響波速度より低い値を有する。その結果、音響波は光ファイバ中をコアに閉じ込められて伝搬する。しかし、本実施の形態１に係る光ファイバ１０では、コア１１に音響波速度を下げるＧｅＯ２と音響波速度を上げるＡｌ２Ｏ３とを上記の量だけ添加するので、コア１１の音響波速度とクラッド１２の音響波速度とはほぼ等しい値をとる。光ファイバ１０がこのような音響波速度のプロファイルを有する結果、音響波は光ファイバ１０中をコア１１およびクラッド１２の全体にわたって広がって伝搬する。その結果、光ファイバ１０中を伝搬する光と音響波との空間的な重なりを小さくできるので、ＳＢＳの発生を抑制できる。なお、このときのブリユアンシフト量は１１．３９ＧＨｚである。
【００１８】
また、非線形定数は非線形屈折率ｎ２を有効コア断面積Ａｅｆｆで除したｎ２／Ａｅｆｆで表されるが、本実施の形態１に係る光ファイバはｎ２／Ａｅｆｆが２．６４×１０−９Ｗ−１であり、高い光学非線形性を有する。
【００１９】
なお、このときＳＢＳの発生を抑制しつつ好適なｎ２／Ａｅｆｆも実現できる最適なＧｅＯ２濃度とＡｌ２Ｏ３濃度は、Ferdinand A.Oguama et al. “Measurement of the nonlinear coefficient of telecommunication fibers as a function of Er, Al, and Ge doping profiles by using the photorefractive beam-coupling technique” J. Opt. Soc. Am. B vol.22, No.8, August 2005, pp. 1600-1604、に開示されている下記の式（１）を用いて算出した。
【００２０】
ｎ２／Ａｅｆｆ＝（ｎ２／Ａｅｆｆ）（ＳｉＯ２）＋Ｋ（Ａｌ２Ｏ３）Ｘ（Ａｌ２Ｏ３）＋Ｋ（Ｅｒ２Ｏ３）Ｘ（Ｅｒ２Ｏ３）＋Ｋ（ＧｅＯ２）Ｘ（ＧｅＯ２） ・・・ （１）
ただし、Ｋ：各添加物に対する係数（Ｗ−１ｍｏｌ％−１）、Ｘ：濃度（ｍｏｌ％）、（ｎ２／Ａｅｆｆ）（ＳｉＯ２）＝４．２６×１０−１０Ｗ−１である。なお、各添加物に対する係数Ｋとして図７に示す値を用いた。なお、本実施の形態１ではＸ（Ｅｒ２Ｏ３）＝０であるから、Ｅｒ２Ｏ３がｎ２／Ａｅｆｆに与える影響については考慮しなくてよい。
【００２１】
以上説明したように、本実施の形態１に係る光ファイバにおいては、非線形定数を高くするためにコアにＧｅＯ２を大量に添加しているので、光は光ファイバ中をコアに強く閉じ込められて伝搬する。一方、コアに屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるＡｌ２Ｏ３を上記の量だけ添加しているので、非線形定数を高く維持しつつ、音響波は光ファイバ中をコアおよびクラッドの内層部の全体にわたって広がって伝搬する。その結果、光ファイバ中を伝搬する光と音響波との空間的な重なりを小さくできるので、ＳＢＳの発生を抑制できる。また、高い光学非線形性を有するので、非線形光学現象を利用する高非線形光ファイバとして好適なものとなる。
【００２２】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。図３は、本実施の形態２に係る光ファイバの断面図である。本実施の形態２に係る光ファイバ２０は、コア２１と、コア２１の外周部に形成されフッ素が添加された内層部２２ａと内層部２２ａの外周部に形成された外層部２２ｂとを有するクラッド２２と、を有する石英系シングルモード光ファイバである。
【００２３】
コア２１は、ＧｅＯ２を２２．５質量％だけ添加するとともに、Ａｌ２Ｏ３を１１．８２質量％だけ添加している。コア径は７μｍである。クラッド２２の内層部２２ａは屈折率を下げてかつ音響波速度を下げるドーパントであるフッ素を３．５質量％だけ添加しており、クラッド２２の外層部２２ｂは屈折率または音響波速度を変化させる添加物を含まない純シリカガラスである。内層部２２ａの径は２３μｍである。コア２１のＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）は上記の値であるからＷ１＞４．７４＋０．６４×３．５（質量％）を満たしており、クラッド２２の内層部２２ａのフッ素の添加量Ｗ３（質量％）が上記の値である場合に、Ａｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）は上記の値であるから（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１−０．３８×Ｗ３）≦Ｗ２≦（５４．１０＋０．２１８×Ｗ１−０．２９×Ｗ３） 且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１を満たしている。
【００２４】
また、本実施の形態２に係る光ファイバの非線形定数はｎ２／Ａｅｆｆが２．６５×１０−９Ｗ−１であり、高い光学非線形性を有する。
【００２５】
図４は、本実施の形態２に係る光ファイバ２０について、径方向の屈折率プロファイルおよび音響波速度のプロファイルを模式的に表した図である。本実施の形態２に係る光ファイバ２０のコア２１の屈折率プロファイル２３はいわゆる単峰型であり、クラッド２２の内層部２２ａの屈折率プロファイル２４ａおよび外層部２２ｂの屈折率プロファイル２４ｂはいずれも径方向で平坦である。コア２１の屈折率の最大値と外層部２２ｂの屈折率との比屈折率差２５をΔ１とすると、Δ１＝２．７５％である。また、内層部２２ａの屈折率と外層部２２ｂの屈折率との比屈折率差２６をΔ２とすると、Δ２＝−０．９８％である。したがって、コア２１の屈折率の最大値と内層部２２ａの屈折率との比屈折率差２７をΔとすると、Δ＝３．７３％である。光ファイバ２０がこのような屈折率プロファイルを有する結果、光は光ファイバ２０中をコア２１に閉じ込められて伝搬する。
【００２６】
一方、クラッド２２において、内層部２２ａの音響波速度のプロファイル２９ａと外層部２２ｂの音響波速度のプロファイル２９ｂとはいずれも径方向で平坦であるが、内層部２２ａに音響波速度を下げるフッ素を添加するので、内層部２２ａの音響波速度は外層部２２ｂの音響波速度より低い値を有する。しかし、コア２１に音響波速度を下げるＧｅＯ２と音響波速度を上げるＡｌ２Ｏ３とを上記の量だけ添加するので、コア２１の音響波速度と内層部２２ａの音響波速度とはほぼ等しい値をとる。光ファイバ２０がこのような音響波速度のプロファイルを有する結果、音響波は光ファイバ２０中をコア２１およびクラッド２２の内層部２２ａの全体にわたって広がって伝搬する。その結果、光ファイバ２０中を伝搬する光と音響波との空間的な重なりを小さくできるので、ＳＢＳの発生を抑制できる。なお、このときのブリユアンシフト量は１１．２７ＧＨｚである。
【００２７】
ところで、上記実施の形態の説明でも述べたように、光ファイバはコアに光を閉じ込めて伝搬させるためにコアの屈折率が最も高い屈折率分布になっている。コアの屈折率をクラッドより高くするために、一般的にはコアにドーパントとしてＧｅＯ２を添加する。
【００２８】
また光ファイバ中の音響波の伝搬についても、光における屈折率と同様に、ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘという値が高い領域に音響波が閉じ込められて伝搬することが知られている（Peter D.Dragic et al., “Optical fiber with an acoustic guiding layer for Stimulated Brillouin Scattering suppression”, CLEO 2005 CThz3）。ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘは屈折率と同様に材質の特性で決定される。また、ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘは音響波の伝搬速度すなわち音響波速度と反比例の関係にある。
【００２９】
図５は、石英系光ファイバに使用されるおもな添加物と各添加物を石英系光ファイバに添加した際の屈折率、ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘ、ならびに音響波速度の変化を示す図である（C.K. Jen et al., “Role of guided acoustic wave properties in single-mode optical fiber design”, Electron. Lett., 1988, 24, pp. 1419-1420）。図中上向きの矢印はその特性が増加することを示し、下向きの矢印はその特性が減少することを意味する。図５に示すように、ＧｅＯ２は屈折率を上げるとともにａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘを上げ、音響波速度を下げる。そのためＧｅＯ２をコアに添加した場合、コアに光が閉じ込められるとともに音響波も閉じ込められる。そこでコアに光を閉じ込めながら音響波を閉じ込めないためには、コアの屈折率を高く維持しつつ、コアのａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘをクラッドに対して相対的に下げて音響波速度を上げる添加物をコアに添加すればよい。
【００３０】
図５に示すように、Ａｌ２Ｏ３は屈折率を上げるとともにａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘを下げ音響波速度を上げる。すなわち、コアにＡｌ２Ｏ３を添加することにより、コアに光が閉じ込められるが音響波はコアに閉じ込められず、光ファイバ中での光と音響波の空間的な重なり合いが小さくなり、ブリユアン散乱光の強度が小さくなってＳＢＳが抑制される。
【００３１】
つぎに、Ａｌ２Ｏ３の具体的な添加量と音響波速度との関係について説明する。Y. Koyamada et al., “Simulating and designing Brillouin gain spectrum in single-mode fibers”, J.Lightwave Technol., vol.22, pp. 631-639, 2004及びY.Y.Huang, A.Sarkar, P.C.Shultz “Relationship between composition, density and refractive index for germania silica glasses” J.Non-Cryst. Solids 27, pp.29-37 (1978)の開示によれば、ＧｅＯ２とＦとに関する添加量と音響波速度との関係は、以下の式（２）、（３）で表される。
【００３２】
ＶＬ＝５９４４（１−７．２×１０−３Ｍ１−２．７×１０−３Ｗ３） ・・・ （２）
ＶＳ＝３７４９（１−６．４×１０−３Ｍ１−２．７×１０−３Ｗ３） ・・・ （３）
ただし、ＶＬ:縦モード音響波速度（ｍ／ｓ）、ＶＳ：横モード音響波速度（ｍ／ｓ）、Ｍ１：ＧｅＯ２添加量（ｍｏｌ％）、Ｗ３：Ｆ添加量（質量％）、である。なお、縦モード音響波とは光ファイバの長手方向に伝搬する音響波であり、横モード音響波とは光ファイバの径方向に伝搬する音響波である。ブリユアン散乱は主に光と縦モード音響波との相互作用により発生する。
【００３３】
しかし、従来Ａｌ２Ｏ３については添加量と音響波速度との関係は知られていなかった。そこで本発明者は、Ａｌ２Ｏ３を添加した光ファイバのブリユアン散乱の特性について精査し、Ａｌ２Ｏ３に関して添加量と音響波速度との関係を求めた。
【００３４】
以下に、その手順を説明する。まず図６に示すような特性を有する光ファイバ（以下サンプルファイバという）を用意した。このサンプルファイバはコアにＧｅＯ２とＡｌ２Ｏ３とが添加され、クラッド全体にフッ素が添加されたものである。Δ１はコアの屈折率の最大値の純シリカガラスに対する比屈折率差であり、Δ２はクラッドの純シリカガラスに対する比屈折率差である。つぎに、ＧｅＯ２添加量およびＡｌ２Ｏ３添加量と屈折率との関係を示す式（４）より、波長１．５５μｍμmの光に対するサンプルファイバのコアの屈折率ｎを求めた。
【００３５】
ｎ＝１．４４４（１＋１．０１×１０−３Ｍ１＋１.５×１０−３Ｍ２） ・・・ （４）
ただし、Ｍ２：Ａｌ２Ｏ３添加量（ｍｏｌ％）である。
【００３６】
つぎに、サンプルファイバに波長λ（ｍ）が１．５５×１０−６ｍで強度が１３．２５ｄＢｍの光を入力してＳＢＳを発生させ、ブリユアン散乱光スペクトルを測定することにより、ブリユアンシフト量νＢを求めた。
【００３７】
そして、上記で求めたサンプルファイバのコアの屈折率ｎおよびブリユアンシフト量νＢから、下記の式（５）を用いて、サンプルファイバのコア中の縦モード音響波速度ＶＬ（ｍ／ｓ）を求めた。
【００３８】
νＢ＝２ｎＶＬ／λ ・・・ （５）
【００３９】
求めた縦モード音響波速度ＶＬは、ＧｅＯ２とＡｌ２Ｏ３の双方の効果を含むものであるから、縦モード音響波速度ＶＬに対して下記の式（６）が成り立つと仮定する。βは縦モード音響波速度に対するＡｌ２Ｏ３添加量の寄与を示す比例係数である。
【００４０】
ＶＬ＝５９４４（１−７．２×１０−３Ｍ１＋βＭ２） ・・・ （６）
【００４１】
式（６）にＶＬ、ＧｅＯ２添加量、Ａｌ２Ｏ３添加量の値を代入すると、β＝１．２２×１０−２と求められた。その結果、ＧｅＯ２とＡｌ２Ｏ３とを添加したコアにおける縦モード音響波速度は、下記の式（７）で表されることを、本発明者は見出した。
【００４２】
ＶＬ＝５９４４（1−７．２×１０−３Ｍ１＋１．２２×１０−２Ｍ２） ・・・ （７）
【００４３】
つぎに、ＳＢＳ閾値が高く、高い強度の光を入力してもＳＢＳが発生しにくい、つまりＳＢＳの発生が抑制された光ファイバにおけるコアおよびクラッドの縦モード音響波速度の関係を説明する。一般に光ファイバのＳＢＳの特性はブリユアン散乱光スペクトルにより説明される。光ファイバ中に複数の縦モード音響波が存在する場合は、ブリユアン散乱光スペクトルには各音響波の縦モード周波数に対応するピークが現われる。このうち、最もスペクトルの強度が大きいピークの周波数におけるブリユアンゲインが、ＳＢＳ発生の挙動を支配している。なお、ブリユアンゲインとはブリユアン散乱光が誘導散乱を起こす際に受ける利得である。
【００４４】
そこで、コア径４μｍでコアとクラッドの比屈折率差が３％の光ファイバについて、光ファイバ中のコアとクラッドでの縦モード音響波速度の差をパラメータとして変化させたときの、ブリユアンゲインの最大ピーク値を計算した。その結果、ブリユアンゲインの最大ピーク値が極小となる音響波速度の差の値が存在した。したがって、この音響波速度の差の値の近傍であれば、縦モード音響波がクラッドまで十分に広がって伝搬することによりブリユアンゲインの最大ピーク値が極小値の近傍の値となり、効果的にＳＢＳの発生が抑制される。具体的には、下記の式（８）が成立すれば、効果的にＳＢＳの発生が抑制される。
【００４５】
−０．０２≦ΔＶＬ＝（ＶＬコア−ＶＬクラッド）／ＶＬ０≦０．５ ・・・ （８）
ただし、ＶＬコア：コアの縦モード音響波速度、ＶＬクラッド：クラッドの縦モード音響波速度、ＶＬ０：５９４４（ｍ／ｓ）である。
【００４６】
式（８）のように、ΔＶＬが０．５以下であれば、縦モード音響波がクラッドまで十分に広がり、ブリユアンゲインが十分に小さくなる。一方、ΔＶＬが−０．０２以上であれば、縦モード音響波がクラッドまで十分に広がるとともに、横モード音響波が発生して伝搬光に悪影響を与えるということもない。
【００４７】
つぎに、式（８）を満たす条件を、コアにＧｅＯ２とＡｌ２Ｏ３とを添加した光ファイバで実現する場合について説明する。クラッドが音響波速度を変化させる添加物を添加していない純シリカガラスからなる場合はＶＬクラッド＝５９４４（ｍ／ｓ）である。
【００４８】
ここで、ＳｉＯ２ガラス中のＧｅＯ２とＡｌ２Ｏ３の添加量をｍｏｌ％から質量％に変換すると，次の関係式が成り立つ。
Ｍ１＝（Ｗ１／１０４．６）／｛（１００−Ｗ１−Ｗ２）／６０．１＋Ｗ１／１０４．６＋Ｗ２／１０２｝×１００ ・・・ （９）
Ｍ２＝（Ｗ２／１０２）／｛（１００−Ｗ１−Ｗ２）／６０．１＋Ｗ１／１０４．６＋Ｗ２／１０２｝×１００ ・・・ （１０）
したがって、前記した式（７）を式（８）に代入し，式（９）、（１０）の関係を用いると、下記の式（１１）が成り立つ。
【００４９】
（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１）≦Ｗ２≦(５４．１０＋０．２１８×Ｗ１) ・・・ （１１）
【００５０】
また、０＜Ｗ２であるから、０＜（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１）である。したがって、Ｗ１は４．７４質量％より大きい値である。
【００５１】
なお、コアにＧｅＯ２とＡｌ２Ｏ３とを添加し、クラッドにフッ素を添加した光ファイバの場合には、フッ素によりクラッドの縦モード音響波速度が遅くなるため、式（２）を考慮すると、式（８）を満たす条件は下記の式（１２）で表される。
【００５２】
（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１−０．３８×Ｗ３）≦Ｗ２≦（５４．１０＋０．２１８×Ｗ１−０．２９×Ｗ３） ・・・ （１２）
【００５３】
このとき、０＜Ｗ２であるから、０＜−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１−０．３８×Ｗ３）である。したがって、Ｗ１は４．７４＋０．６４×Ｗ３質量％より大きい値である。
【００５４】
また非線形定数ｎ２／Ａｅｆｆが２．６×１０−９Ｗ−１以上である場合，式（１）及び式（９）、（１０）式の関係から，次式の条件を得る。
Ｗ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１ ・・・ （１３）
さらにファイバ製造上の添加量の限界を考慮し、
Ｗ１＋Ｗ２≧６０（質量％） ・・・ （１４）
の条件を定めた。
【００５５】
以上の条件を満たす場合のコアに添加するＧｅＯ２及びＡｌ２Ｏ３の添加量であるＷ１、Ｗ２の領域を図８、９に示す。図８はクラッドが純シリカガラスからなる場合であって、式（１１）、（１３）、（１４）を満たす領域を示しており，図９はＷ３=４（質量％）において、Ｗ１≧７．３０（質量％）及び式（１２）、（１３）、（１４）を満たす領域を示している。
【００５６】
また、式（１）に示されるように、式（１１）においてＷ２＝(５４．１０＋０．２１８×Ｗ１)の条件を満たす光ファイバは、ＧｅＯ２添加量が同等でＡｌ２Ｏ３を添加しない光ファイバに比べて非線形定数が増加する。たとえば、Ｗ２＝(５４．１０＋０．２１８×Ｗ１)の条件を満たす高非線形光ファイバにおいてＧｅＯ２添加量をＷ１＝２０質量％とした場合は、Ａｌ２Ｏ３を添加しない高非線形光ファイバに比べて２．０３倍だけ非線形定数が増加するから、より効率的に非線形光学現象が利用できる高非線形光ファイバが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光ファイバの断面図である。
【図２】実施の形態１に係る光ファイバと従来の光ファイバとについて、径方向の屈折率プロファイルおよび音響波速度のプロファイルを模式的に表した図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る光ファイバの断面図である。
【図４】実施の形態２に係る光ファイバについて、径方向の屈折率プロファイルおよび音響波速度のプロファイルを模式的に表した図である。
【図５】各添加物を石英系光ファイバに添加した際の屈折率、ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘ、ならびに音響波速度の変化を示す図である。
【図６】光ファイバの特性を示す図である。
【図７】添加物に対する係数Ｋを示す図である。
【図８】Ｗ１、Ｗ２が、式（１１）、（１３）、（１４）を満たす領域を示す図である。
【図９】Ｗ３=４（質量％）において、Ｗ１、Ｗ２が、Ｗ１≧７．３０（質量％）及び式（１２）、（１３）、（１４）を満たす領域を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０、２０ 光ファイバ
１１、２１ コア
１２、２２ クラッド
２２ａ 内層部
２２ｂ 外層部
１３、２３ コアの屈折率プロファイル
１４ クラッドの屈折率プロファイル
２４ａ 内層部の屈折率プロファイル
２４ｂ 外層部の屈折率プロファイル
１５、２５〜２７ 比屈折率
１８、２８ コアの音響波速度のプロファイル
１９ クラッドの音響波速度のプロファイル
２９ａ 内層部の音響波速度のプロファイル
２９ｂ 外層部の音響波速度のプロファイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導ブリユアン散乱の発生を抑制できる光ファイバに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大容量の光通信を実現するために、波長分割多重（ＷＤＭ）方式や時分割多重（ＴＤＭ）方式などの通信方式が採用されている。このような通信方式においては、伝送路である光ファイバに入力される光強度が増大し、光ファイバ中での非線形光学現象の発生が顕著になる。非線形光学現象の一つである誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）は、光ファイバに入力した光の一部が後方に散乱され、この散乱された光すなわちブリユアン散乱光が誘導散乱を起こす現象であり、光ファイバ中を伝搬する光と音響波との相互作用で発生する。ＳＢＳが発生すると光ファイバ中の光伝搬の障害となる。ＳＢＳは入力する光の強度が閾値（ＳＢＳ閾値）以上になると発生するので、伝送路に用いられる光ファイバは、ＳＢＳ閾値が高いものが望まれる。
【０００３】
一方、光ファイバ中の非線形光学現象を利用した光信号制御用などに用いられる光ファイバデバイスにおいても、ＳＢＳが問題となる。この種の光ファイバデバイスに使用される光ファイバは、通常の伝送路用の光ファイバよりも約５倍以上光学非線形性が高い光ファイバであり、高非線形光ファイバと呼ばれる。このような高非線形光ファイバは、石英系光ファイバのコアにＧｅＯ２を大量に添加し、有効断面積Ａｅｆｆを小さくし、光のコアへの閉じ込めを強くすることで実現されている。
【０００４】
高非線形光ファイバにおいて利用される非線形光学現象は、主に自己位変調（ＳＰＭ）、相互位相変調（ＸＰＭ）、四光波混合（ＦＷＭ）であるが、これらの非線形光学現象を利用しようとすると、不必要なＳＢＳが発生する場合がある。ＳＢＳは条件によっては上記の利用しようとする非線形光学現象よりも低い光強度で発生してしまうため、光信号制御を行う前の段階で悪影響が起こる場合がある。したがって、高非線形光ファイバも、ＳＢＳ閾値が高いものが望まれる。
【０００５】
従来、ＳＢＳ閾値を高くする方法として、光ファイバの長手方向でコア径やコアに添加するドーパントの添加量を変化させることにより、波長分散や伝送損失といった光ファイバの特性を長手方向で変化させる方法が提案されている（特許文献１〜３参照）。これらの方法によれば、光の周波数スペクトル上での入力光に対するブリユアン散乱光のシフト量（ブリユアンシフト量）が光ファイバの長手方向で変化するため、ＳＢＳが発生しにくくなり、ＳＢＳ閾値が高くなる。
【０００６】
【特許文献１】特許第２５８４１５１号公報
【特許文献２】特許第２７５３４２６号公報
【特許文献３】特許第３５８０６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の長手方向で特性を変化させた光ファイバは、ＳＢＳ閾値が高くなってＳＢＳの発生を抑制できるとしても、光ファイバの長手方向で安定した特性を持たないという課題があった。その結果、光ファイバ中に光パルスを伝搬させると、特性が局所的に変化している部分を光パルスが通過するときにパルス形状が歪むなどの光パルスの劣化が起こる可能性がある。また、信号伝送速度が高速化されるに伴い波長分散などの特性もより精密に調整する必要があるが、長手方向で光ファイバの特性が変化していると上記光パルスと同様に伝送する光信号が劣化する可能性がある。さらに、高非線形光ファイバデバイスにおいては非線形光学現象の発生効率は光ファイバの局所的な波長分散特性に影響されるので、長手方向で光ファイバの特性が変化していると非線形光学現象の発生効率が低下する可能性がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光ファイバの長手方向で安定した特性を有し、かつＳＢＳの発生を抑制できる光ファイバ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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバは、コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、前記コアは、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントであるＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）の値がＷ１＞４．７４（質量％）を満たすように添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントであるＡｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）の値が（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１）≦Ｗ２≦(５４．１０＋０．２１８×Ｗ１)且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１を満たすように添加し、非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る光ファイバは、コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、前記クラッドは、前記コアの外周部に形成されフッ素が添加された内層部と、前記内層部の外周部に形成された外層部と、を有し、前記内層部のフッ素の添加量をＷ３（質量％）とした場合に、前記コアは、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントであるＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）の値がＷ１＞４．７４＋０．６４×Ｗ３（質量％）を満たすように添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントであるＡｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）の値が０≦（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１−０．３８×Ｗ３）≦Ｗ２≦（５４．１０＋０．２１８×Ｗ１−０．２９×Ｗ３）且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１を満たすように添加し、非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る光ファイバは、コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上であり、前記コアは、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントを添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントを添加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光ファイバのコアが、屈折率を上げてかつ音響速度を下げるドーパントを添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響速度を上げるドーパントを添加することによって、コアとクラッドでの音響波速度の差が極めて小さくなり、光ファイバ中を音響波がクラッドまで広がって伝搬するので、光ファイバ中を伝搬する光と音響波との空間的な重なりを小さくできる。その結果、ファイバの長手方向で特性を変化させなくてもＳＢＳの発生を抑制できる光ファイバを実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバの断面図である。本実施の形態１に係る光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の周囲に形成されたクラッド１２とを有する石英系シングルモード光ファイバである。
【００１５】
コア１１は、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントであるＧｅＯ２を２２質量％だけ添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントであるＡｌ２Ｏ３を１２．６６質量％だけ添加している。コア径は７μｍである。クラッド１２は屈折率または音響波速度を変化させる添加物を含まない純シリカガラスからなる。コア１１のＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）は上記の値であるからＷ１＞４．７４（質量％）を満たしており、Ａｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）は上記の値であるから（−２．８１４＋０．５９４×２２）≦Ｗ２≦（５４．１０＋０．２１８×２２)且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×２２を満たしている。
【００１６】
図２は、本実施の形態１に係る光ファイバ１０と、ＧｅＯ２を添加するがＡｌ２Ｏ３を添加しない従来の光ファイバとについて、光ファイバの径方向の屈折率プロファイルおよび音響波速度のプロファイルを模式的に表した図である。図２（ａ）は本実施の形態１に係る光ファイバ、図２（ｂ）は従来の光ファイバである。本実施の形態１に係る光ファイバ１０のコア１１の屈折率プロファイル１３はいわゆる単峰型であり、クラッド１２の屈折率プロファイル１４は径方向で平坦である。コア１１の屈折率の最大値とクラッド１２の屈折率との比屈折率差１５をΔとすると、Δ＝２．８０％である。光ファイバ１０がこのような屈折率プロファイルを有する結果、光は光ファイバ１０中をコア１１に閉じ込められて伝搬する。また、従来の光ファイバにおいても、コアの屈折率プロファイル１３´、クラッドの屈折率プロファイル１４´、比屈折率差１５´は光ファイバ１０と同様であり、光は光ファイバ中をコアに閉じ込められて伝搬する。
【００１７】
一方、音響波速度のプロファイルについては、従来の光ファイバでは、コアの音響波速度のプロファイル１８´とクラッドの音響波速度のプロファイル１９´とはいずれも径方向で平坦であるが、コアに音響波速度を下げるＧｅＯ２を添加するので、コアの音響波速度はクラッドの音響波速度より低い値を有する。その結果、音響波は光ファイバ中をコアに閉じ込められて伝搬する。しかし、本実施の形態１に係る光ファイバ１０では、コア１１に音響波速度を下げるＧｅＯ２と音響波速度を上げるＡｌ２Ｏ３とを上記の量だけ添加するので、コア１１の音響波速度とクラッド１２の音響波速度とはほぼ等しい値をとる。光ファイバ１０がこのような音響波速度のプロファイルを有する結果、音響波は光ファイバ１０中をコア１１およびクラッド１２の全体にわたって広がって伝搬する。その結果、光ファイバ１０中を伝搬する光と音響波との空間的な重なりを小さくできるので、ＳＢＳの発生を抑制できる。なお、このときのブリユアンシフト量は１１．３９ＧＨｚである。
【００１８】
また、非線形定数は非線形屈折率ｎ２を有効コア断面積Ａｅｆｆで除したｎ２／Ａｅｆｆで表されるが、本実施の形態１に係る光ファイバはｎ２／Ａｅｆｆが２．６４×１０−９Ｗ−１であり、高い光学非線形性を有する。
【００１９】
なお、このときＳＢＳの発生を抑制しつつ好適なｎ２／Ａｅｆｆも実現できる最適なＧｅＯ２濃度とＡｌ２Ｏ３濃度は、Ferdinand A.Oguama et al. “Measurement of the nonlinear coefficient of telecommunication fibers as a function of Er, Al, and Ge doping profiles by using the photorefractive beam-coupling technique” J. Opt. Soc. Am. B vol.22, No.8, August 2005, pp. 1600-1604、に開示されている下記の式（１）を用いて算出した。
【００２０】
ｎ２／Ａｅｆｆ＝（ｎ２／Ａｅｆｆ）（ＳｉＯ２）＋Ｋ（Ａｌ２Ｏ３）Ｘ（Ａｌ２Ｏ３）＋Ｋ（Ｅｒ２Ｏ３）Ｘ（Ｅｒ２Ｏ３）＋Ｋ（ＧｅＯ２）Ｘ（ＧｅＯ２） ・・・ （１）
ただし、Ｋ：各添加物に対する係数（Ｗ−１ｍｏｌ％−１）、Ｘ：濃度（ｍｏｌ％）、（ｎ２／Ａｅｆｆ）（ＳｉＯ２）＝４．２６×１０−１０Ｗ−１である。なお、各添加物に対する係数Ｋとして図７に示す値を用いた。なお、本実施の形態１ではＸ（Ｅｒ２Ｏ３）＝０であるから、Ｅｒ２Ｏ３がｎ２／Ａｅｆｆに与える影響については考慮しなくてよい。
【００２１】
以上説明したように、本実施の形態１に係る光ファイバにおいては、非線形定数を高くするためにコアにＧｅＯ２を大量に添加しているので、光は光ファイバ中をコアに強く閉じ込められて伝搬する。一方、コアに屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるＡｌ２Ｏ３を上記の量だけ添加しているので、非線形定数を高く維持しつつ、音響波は光ファイバ中をコアおよびクラッドの内層部の全体にわたって広がって伝搬する。その結果、光ファイバ中を伝搬する光と音響波との空間的な重なりを小さくできるので、ＳＢＳの発生を抑制できる。また、高い光学非線形性を有するので、非線形光学現象を利用する高非線形光ファイバとして好適なものとなる。
【００２２】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。図３は、本実施の形態２に係る光ファイバの断面図である。本実施の形態２に係る光ファイバ２０は、コア２１と、コア２１の外周部に形成されフッ素が添加された内層部２２ａと内層部２２ａの外周部に形成された外層部２２ｂとを有するクラッド２２と、を有する石英系シングルモード光ファイバである。
【００２３】
コア２１は、ＧｅＯ２を２２．５質量％だけ添加するとともに、Ａｌ２Ｏ３を１１．８２質量％だけ添加している。コア径は７μｍである。クラッド２２の内層部２２ａは屈折率を下げてかつ音響波速度を下げるドーパントであるフッ素を３．５質量％だけ添加しており、クラッド２２の外層部２２ｂは屈折率または音響波速度を変化させる添加物を含まない純シリカガラスである。内層部２２ａの径は２３μｍである。コア２１のＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）は上記の値であるからＷ１＞４．７４＋０．６４×３．５（質量％）を満たしており、クラッド２２の内層部２２ａのフッ素の添加量Ｗ３（質量％）が上記の値である場合に、Ａｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）は上記の値であるから（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１−０．３８×Ｗ３）≦Ｗ２≦（５４．１０＋０．２１８×Ｗ１−０．２９×Ｗ３） 且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１を満たしている。
【００２４】
また、本実施の形態２に係る光ファイバの非線形定数はｎ２／Ａｅｆｆが２．６５×１０−９Ｗ−１であり、高い光学非線形性を有する。
【００２５】
図４は、本実施の形態２に係る光ファイバ２０について、径方向の屈折率プロファイルおよび音響波速度のプロファイルを模式的に表した図である。本実施の形態２に係る光ファイバ２０のコア２１の屈折率プロファイル２３はいわゆる単峰型であり、クラッド２２の内層部２２ａの屈折率プロファイル２４ａおよび外層部２２ｂの屈折率プロファイル２４ｂはいずれも径方向で平坦である。コア２１の屈折率の最大値と外層部２２ｂの屈折率との比屈折率差２５をΔ１とすると、Δ１＝２．７５％である。また、内層部２２ａの屈折率と外層部２２ｂの屈折率との比屈折率差２６をΔ２とすると、Δ２＝−０．９８％である。したがって、コア２１の屈折率の最大値と内層部２２ａの屈折率との比屈折率差２７をΔとすると、Δ＝３．７３％である。光ファイバ２０がこのような屈折率プロファイルを有する結果、光は光ファイバ２０中をコア２１に閉じ込められて伝搬する。
【００２６】
一方、クラッド２２において、内層部２２ａの音響波速度のプロファイル２９ａと外層部２２ｂの音響波速度のプロファイル２９ｂとはいずれも径方向で平坦であるが、内層部２２ａに音響波速度を下げるフッ素を添加するので、内層部２２ａの音響波速度は外層部２２ｂの音響波速度より低い値を有する。しかし、コア２１に音響波速度を下げるＧｅＯ２と音響波速度を上げるＡｌ２Ｏ３とを上記の量だけ添加するので、コア２１の音響波速度と内層部２２ａの音響波速度とはほぼ等しい値をとる。光ファイバ２０がこのような音響波速度のプロファイルを有する結果、音響波は光ファイバ２０中をコア２１およびクラッド２２の内層部２２ａの全体にわたって広がって伝搬する。その結果、光ファイバ２０中を伝搬する光と音響波との空間的な重なりを小さくできるので、ＳＢＳの発生を抑制できる。なお、このときのブリユアンシフト量は１１．２７ＧＨｚである。
【００２７】
ところで、上記実施の形態の説明でも述べたように、光ファイバはコアに光を閉じ込めて伝搬させるためにコアの屈折率が最も高い屈折率分布になっている。コアの屈折率をクラッドより高くするために、一般的にはコアにドーパントとしてＧｅＯ２を添加する。
【００２８】
また光ファイバ中の音響波の伝搬についても、光における屈折率と同様に、ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘという値が高い領域に音響波が閉じ込められて伝搬することが知られている（Peter D.Dragic et al., “Optical fiber with an acoustic guiding layer for Stimulated Brillouin Scattering suppression”, CLEO 2005 CThz3）。ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘは屈折率と同様に材質の特性で決定される。また、ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘは音響波の伝搬速度すなわち音響波速度と反比例の関係にある。
【００２９】
図５は、石英系光ファイバに使用されるおもな添加物と各添加物を石英系光ファイバに添加した際の屈折率、ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘ、ならびに音響波速度の変化を示す図である（C.K. Jen et al., “Role of guided acoustic wave properties in single-mode optical fiber design”, Electron. Lett., 1988, 24, pp. 1419-1420）。図中上向きの矢印はその特性が増加することを示し、下向きの矢印はその特性が減少することを意味する。図５に示すように、ＧｅＯ２は屈折率を上げるとともにａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘを上げ、音響波速度を下げる。そのためＧｅＯ２をコアに添加した場合、コアに光が閉じ込められるとともに音響波も閉じ込められる。そこでコアに光を閉じ込めながら音響波を閉じ込めないためには、コアの屈折率を高く維持しつつ、コアのａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘをクラッドに対して相対的に下げて音響波速度を上げる添加物をコアに添加すればよい。
【００３０】
図５に示すように、Ａｌ２Ｏ３は屈折率を上げるとともにａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘを下げ音響波速度を上げる。すなわち、コアにＡｌ２Ｏ３を添加することにより、コアに光が閉じ込められるが音響波はコアに閉じ込められず、光ファイバ中での光と音響波の空間的な重なり合いが小さくなり、ブリユアン散乱光の強度が小さくなってＳＢＳが抑制される。
【００３１】
つぎに、Ａｌ２Ｏ３の具体的な添加量と音響波速度との関係について説明する。Y. Koyamada et al., “Simulating and designing Brillouin gain spectrum in single-mode fibers”, J.Lightwave Technol., vol.22, pp. 631-639, 2004及びY.Y.Huang, A.Sarkar, P.C.Shultz “Relationship between composition, density and refractive index for germania silica glasses” J.Non-Cryst. Solids 27, pp.29-37 (1978)の開示によれば、ＧｅＯ２とＦとに関する添加量と音響波速度との関係は、以下の式（２）、（３）で表される。
【００３２】
ＶＬ＝５９４４（１−７．２×１０−３Ｍ１−２．７×１０−３Ｗ３） ・・・ （２）
ＶＳ＝３７４９（１−６．４×１０−３Ｍ１−２．７×１０−３Ｗ３） ・・・ （３）
ただし、ＶＬ:縦モード音響波速度（ｍ／ｓ）、ＶＳ：横モード音響波速度（ｍ／ｓ）、Ｍ１：ＧｅＯ２添加量（ｍｏｌ％）、Ｗ３：Ｆ添加量（質量％）、である。なお、縦モード音響波とは光ファイバの長手方向に伝搬する音響波であり、横モード音響波とは光ファイバの径方向に伝搬する音響波である。ブリユアン散乱は主に光と縦モード音響波との相互作用により発生する。
【００３３】
しかし、従来Ａｌ２Ｏ３については添加量と音響波速度との関係は知られていなかった。そこで本発明者は、Ａｌ２Ｏ３を添加した光ファイバのブリユアン散乱の特性について精査し、Ａｌ２Ｏ３に関して添加量と音響波速度との関係を求めた。
【００３４】
以下に、その手順を説明する。まず図６に示すような特性を有する光ファイバ（以下サンプルファイバという）を用意した。このサンプルファイバはコアにＧｅＯ２とＡｌ２Ｏ３とが添加され、クラッド全体にフッ素が添加されたものである。Δ１はコアの屈折率の最大値の純シリカガラスに対する比屈折率差であり、Δ２はクラッドの純シリカガラスに対する比屈折率差である。つぎに、ＧｅＯ２添加量およびＡｌ２Ｏ３添加量と屈折率との関係を示す式（４）より、波長１．５５μｍμmの光に対するサンプルファイバのコアの屈折率ｎを求めた。
【００３５】
ｎ＝１．４４４（１＋１．０１×１０−３Ｍ１＋１.５×１０−３Ｍ２） ・・・ （４）
ただし、Ｍ２：Ａｌ２Ｏ３添加量（ｍｏｌ％）である。
【００３６】
つぎに、サンプルファイバに波長λ（ｍ）が１．５５×１０−６ｍで強度が１３．２５ｄＢｍの光を入力してＳＢＳを発生させ、ブリユアン散乱光スペクトルを測定することにより、ブリユアンシフト量νＢを求めた。
【００３７】
そして、上記で求めたサンプルファイバのコアの屈折率ｎおよびブリユアンシフト量νＢから、下記の式（５）を用いて、サンプルファイバのコア中の縦モード音響波速度ＶＬ（ｍ／ｓ）を求めた。
【００３８】
νＢ＝２ｎＶＬ／λ ・・・ （５）
【００３９】
求めた縦モード音響波速度ＶＬは、ＧｅＯ２とＡｌ２Ｏ３の双方の効果を含むものであるから、縦モード音響波速度ＶＬに対して下記の式（６）が成り立つと仮定する。βは縦モード音響波速度に対するＡｌ２Ｏ３添加量の寄与を示す比例係数である。
【００４０】
ＶＬ＝５９４４（１−７．２×１０−３Ｍ１＋βＭ２） ・・・ （６）
【００４１】
式（６）にＶＬ、ＧｅＯ２添加量、Ａｌ２Ｏ３添加量の値を代入すると、β＝１．２２×１０−２と求められた。その結果、ＧｅＯ２とＡｌ２Ｏ３とを添加したコアにおける縦モード音響波速度は、下記の式（７）で表されることを、本発明者は見出した。
【００４２】
ＶＬ＝５９４４（1−７．２×１０−３Ｍ１＋１．２２×１０−２Ｍ２） ・・・ （７）
【００４３】
つぎに、ＳＢＳ閾値が高く、高い強度の光を入力してもＳＢＳが発生しにくい、つまりＳＢＳの発生が抑制された光ファイバにおけるコアおよびクラッドの縦モード音響波速度の関係を説明する。一般に光ファイバのＳＢＳの特性はブリユアン散乱光スペクトルにより説明される。光ファイバ中に複数の縦モード音響波が存在する場合は、ブリユアン散乱光スペクトルには各音響波の縦モード周波数に対応するピークが現われる。このうち、最もスペクトルの強度が大きいピークの周波数におけるブリユアンゲインが、ＳＢＳ発生の挙動を支配している。なお、ブリユアンゲインとはブリユアン散乱光が誘導散乱を起こす際に受ける利得である。
【００４４】
そこで、コア径４μｍでコアとクラッドの比屈折率差が３％の光ファイバについて、光ファイバ中のコアとクラッドでの縦モード音響波速度の差をパラメータとして変化させたときの、ブリユアンゲインの最大ピーク値を計算した。その結果、ブリユアンゲインの最大ピーク値が極小となる音響波速度の差の値が存在した。したがって、この音響波速度の差の値の近傍であれば、縦モード音響波がクラッドまで十分に広がって伝搬することによりブリユアンゲインの最大ピーク値が極小値の近傍の値となり、効果的にＳＢＳの発生が抑制される。具体的には、下記の式（８）が成立すれば、効果的にＳＢＳの発生が抑制される。
【００４５】
−０．０２≦ΔＶＬ＝（ＶＬコア−ＶＬクラッド）／ＶＬ０≦０．５ ・・・ （８）
ただし、ＶＬコア：コアの縦モード音響波速度、ＶＬクラッド：クラッドの縦モード音響波速度、ＶＬ０：５９４４（ｍ／ｓ）である。
【００４６】
式（８）のように、ΔＶＬが０．５以下であれば、縦モード音響波がクラッドまで十分に広がり、ブリユアンゲインが十分に小さくなる。一方、ΔＶＬが−０．０２以上であれば、縦モード音響波がクラッドまで十分に広がるとともに、横モード音響波が発生して伝搬光に悪影響を与えるということもない。
【００４７】
つぎに、式（８）を満たす条件を、コアにＧｅＯ２とＡｌ２Ｏ３とを添加した光ファイバで実現する場合について説明する。クラッドが音響波速度を変化させる添加物を添加していない純シリカガラスからなる場合はＶＬクラッド＝５９４４（ｍ／ｓ）である。
【００４８】
ここで、ＳｉＯ２ガラス中のＧｅＯ２とＡｌ２Ｏ３の添加量をｍｏｌ％から質量％に変換すると，次の関係式が成り立つ。
Ｍ１＝（Ｗ１／１０４．６）／｛（１００−Ｗ１−Ｗ２）／６０．１＋Ｗ１／１０４．６＋Ｗ２／１０２｝×１００ ・・・ （９）
Ｍ２＝（Ｗ２／１０２）／｛（１００−Ｗ１−Ｗ２）／６０．１＋Ｗ１／１０４．６＋Ｗ２／１０２｝×１００ ・・・ （１０）
したがって、前記した式（７）を式（８）に代入し，式（９）、（１０）の関係を用いると、下記の式（１１）が成り立つ。
【００４９】
（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１）≦Ｗ２≦(５４．１０＋０．２１８×Ｗ１) ・・・ （１１）
【００５０】
また、０＜Ｗ２であるから、０＜（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１）である。したがって、Ｗ１は４．７４質量％より大きい値である。
【００５１】
なお、コアにＧｅＯ２とＡｌ２Ｏ３とを添加し、クラッドにフッ素を添加した光ファイバの場合には、フッ素によりクラッドの縦モード音響波速度が遅くなるため、式（２）を考慮すると、式（８）を満たす条件は下記の式（１２）で表される。
【００５２】
（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１−０．３８×Ｗ３）≦Ｗ２≦（５４．１０＋０．２１８×Ｗ１−０．２９×Ｗ３） ・・・ （１２）
【００５３】
このとき、０＜Ｗ２であるから、０＜−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１−０．３８×Ｗ３）である。したがって、Ｗ１は４．７４＋０．６４×Ｗ３質量％より大きい値である。
【００５４】
また非線形定数ｎ２／Ａｅｆｆが２．６×１０−９Ｗ−１以上である場合，式（１）及び式（９）、（１０）式の関係から，次式の条件を得る。
Ｗ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１ ・・・ （１３）
さらにファイバ製造上の添加量の限界を考慮し、
Ｗ１＋Ｗ２≧６０（質量％） ・・・ （１４）
の条件を定めた。
【００５５】
以上の条件を満たす場合のコアに添加するＧｅＯ２及びＡｌ２Ｏ３の添加量であるＷ１、Ｗ２の領域を図８、９に示す。図８はクラッドが純シリカガラスからなる場合であって、式（１１）、（１３）、（１４）を満たす領域を示しており，図９はＷ３=４（質量％）において、Ｗ１≧７．３０（質量％）及び式（１２）、（１３）、（１４）を満たす領域を示している。
【００５６】
また、式（１）に示されるように、式（１１）においてＷ２＝(５４．１０＋０．２１８×Ｗ１)の条件を満たす光ファイバは、ＧｅＯ２添加量が同等でＡｌ２Ｏ３を添加しない光ファイバに比べて非線形定数が増加する。たとえば、Ｗ２＝(５４．１０＋０．２１８×Ｗ１)の条件を満たす高非線形光ファイバにおいてＧｅＯ２添加量をＷ１＝２０質量％とした場合は、Ａｌ２Ｏ３を添加しない高非線形光ファイバに比べて２．０３倍だけ非線形定数が増加するから、より効率的に非線形光学現象が利用できる高非線形光ファイバが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光ファイバの断面図である。
【図２】実施の形態１に係る光ファイバと従来の光ファイバとについて、径方向の屈折率プロファイルおよび音響波速度のプロファイルを模式的に表した図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る光ファイバの断面図である。
【図４】実施の形態２に係る光ファイバについて、径方向の屈折率プロファイルおよび音響波速度のプロファイルを模式的に表した図である。
【図５】各添加物を石英系光ファイバに添加した際の屈折率、ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘ、ならびに音響波速度の変化を示す図である。
【図６】光ファイバの特性を示す図である。
【図７】添加物に対する係数Ｋを示す図である。
【図８】Ｗ１、Ｗ２が、式（１１）、（１３）、（１４）を満たす領域を示す図である。
【図９】Ｗ３=４（質量％）において、Ｗ１、Ｗ２が、Ｗ１≧７．３０（質量％）及び式（１２）、（１３）、（１４）を満たす領域を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０、２０ 光ファイバ
１１、２１ コア
１２、２２ クラッド
２２ａ 内層部
２２ｂ 外層部
１３、２３ コアの屈折率プロファイル
１４ クラッドの屈折率プロファイル
２４ａ 内層部の屈折率プロファイル
２４ｂ 外層部の屈折率プロファイル
１５、２５〜２７ 比屈折率
１８、２８ コアの音響波速度のプロファイル
１９ クラッドの音響波速度のプロファイル
２９ａ 内層部の音響波速度のプロファイル
２９ｂ 外層部の音響波速度のプロファイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、
前記コアは、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントであるＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）の値がＷ１＞４．７４（質量％）を満たすように添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントであるＡｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）の値が（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１）≦Ｗ２≦(５４．１０＋０．２１８×Ｗ１)且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１を満たすように添加し、非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上であることを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、
前記クラッドは、前記コアの外周部に形成されフッ素が添加された内層部と、前記内層部の外周部に形成された外層部と、を有し、前記内層部のフッ素の添加量をＷ３（質量％）とした場合に、
前記コアは、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントであるＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）の値がＷ１＞４．７４＋０．６４×Ｗ３（質量％）を満たすように添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントであるＡｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）の値が０≦（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１−０．３８×Ｗ３）≦Ｗ２≦（５４．１０＋０．２１８×Ｗ１−０．２９×Ｗ３）且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１を満たすように添加し、非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上であることを特徴とする光ファイバ。
【請求項３】
コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、
非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上であり、
前記コアは、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントを添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントを添加することを特徴とする光ファイバ。
【請求項１】
コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、
前記コアは、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントであるＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）の値がＷ１＞４．７４（質量％）を満たすように添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントであるＡｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）の値が（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１）≦Ｗ２≦(５４．１０＋０．２１８×Ｗ１)且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１を満たすように添加し、非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上であることを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、
前記クラッドは、前記コアの外周部に形成されフッ素が添加された内層部と、前記内層部の外周部に形成された外層部と、を有し、前記内層部のフッ素の添加量をＷ３（質量％）とした場合に、
前記コアは、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントであるＧｅＯ２の添加量Ｗ１（質量％）の値がＷ１＞４．７４＋０．６４×Ｗ３（質量％）を満たすように添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントであるＡｌ２Ｏ３の添加量Ｗ２（質量％）の値が０≦（−２．８１４＋０．５９４×Ｗ１−０．３８×Ｗ３）≦Ｗ２≦（５４．１０＋０．２１８×Ｗ１−０．２９×Ｗ３）且つＷ１＋Ｗ２≦６０且つＷ２≧５６．６３−２．０４×Ｗ１を満たすように添加し、非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上であることを特徴とする光ファイバ。
【請求項３】
コアと、前記コアの周囲に形成されたクラッドと、を有する石英系光ファイバであって、
非線形定数が２．６×１０−９Ｗ−１以上であり、
前記コアは、屈折率を上げてかつ音響波速度を下げるドーパントを添加するとともに、屈折率を上げてかつ音響波速度を上げるドーパントを添加することを特徴とする光ファイバ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−５８８７６（Ｐ２００９−５８８７６Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２７６３０（Ｐ２００７−２２７６３０）
【出願日】平成１９年９月３日（２００７．９．３）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月３日（２００７．９．３）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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