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KR100823462B1 - 광 파이버, 비선형성 광 파이버, 그것을 사용한 광 증폭기, 파장 변환기, 및 광 파이버 제조 방법 - Google Patents

광 파이버, 비선형성 광 파이버, 그것을 사용한 광 증폭기, 파장 변환기, 및 광 파이버 제조 방법 Download PDF

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KR100823462B1
KR100823462B1 KR1020010070468A KR20010070468A KR100823462B1 KR 100823462 B1 KR100823462 B1 KR 100823462B1 KR 1020010070468 A KR1020010070468 A KR 1020010070468A KR 20010070468 A KR20010070468 A KR 20010070468A KR 100823462 B1 KR100823462 B1 KR 100823462B1
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wavelength
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clad
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히라노마사아키
오니시마사시
오쿠노토시아키
Original Assignee
스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

고 비선형성을 갖는 광 파이버(비선형성 광 파이버) 구조로서, 코어 영역(10)의 외주에 제 1 클래드 영역(20) 및 제 2 클래드 영역(30)을 설치한 더블 클래드 구조를 사용한다. 더블 클래드 구조를 채용함으로써, 비선형 계수(γ)를 크게 하기 위해, 코어 내에 첨가되는 GeO2의 첨가 농도를 높게 하고 비선형 굴절률을 높게 하며, 또한, 코어와 클래드와의 비굴절률차를 크게 하고 유효 단면적(Aeff)을 작게 한 경우라도, 컷오프 파장(λc)을 충분히 짧게 하는 것이 가능해진다. 이로써, 충분한 비선형성을 가짐과 동시에, 컷오프 파장이 짧아지는 광 파이버, 비선형성 광 파이버, 그것을 사용한 광 증폭기, 파장 변환기 및 광 파이버 제조 방법이 실현된다.
광 증폭기, 파장 변환기, 광 파이버, 파장 변환기, 컷오프 파장

Description

광 파이버, 비선형성 광 파이버, 그것을 사용한 광 증폭기, 파장 변환기, 및 광 파이버 제조 방법{Optical fiber, nonlinear optical fiber, optical amplifier using it, wavelength converter, and manufacture method of optical fiber}
도 1은 광 파이버의 제 1 실시예의 단면 구성 및 굴절률 분포(refractive index profile)를 모식적으로 도시하는 도면.
도 2는 기포 발생 개수의 가열 온도에의 의존성을 나타내는 표.
도 3은 기포 발생 개수의 베이킹 온도에의 의존성을 나타내는 표.
도 4는 기포 발생 개수의 제 1 클래드용 유리 파이프의 표면 거칠기에의 의존성을 나타내는 표.
도 5는 기포 발생 개수의 코어용 유리 로드의 표면 거칠기에의 의존성을 나타내는 표.
도 6은 기포 발생 개수의 코어용 유리 로드에 있어서의 외주 표면으로부터 두께 2μm 이내 영역에서의 GeO2 농도에의 의존성을 나타내는 표.
도 7은 광 파이버의 제 2 실시예의 단면 구조 및 굴절률 분포를 모식적으로 도시하는 도면.
도 8a 및 도 8b는 광 파이버(A1, A2)의 굴절률 분포를 도시하는 도면.
도 9는 도 8a 및 도 8b에 도시한 광 파이버의 파장 1550nm에서의 제특성(諸特性)을 나타내는 표.
도 10a 및 도 10b는 광 파이버(B1, B2, C1, C2)의 굴절률 분포를 도시하는 도면.
도 11은 광 파이버(D1 내지 D5)의 굴절률 분포를 도시하는 도면.
도 12는 도 10a 및 도 10b에 도시한 광 파이버의 파장 1550nm 에서의 제특성을 나타내는 표.
도 13은 도 11에 도시한 광 파이버의 파장 1550nm에서의 제특성을 나타내는 표.
도 14는 광 파이버(E1 내지 E8)의 파장 155Onm에서의 제특성을 나타내는 표.
도 15는 광 파이버의 다른 실시예의 단면 구조를 모식적으로 도시하는 도면.
도 16은 광 파이버(F1 내지 F3)의 파장 1550nm에서의 제특성을 나타내는 표.
도 17은 광 파이버의 전송 손실의 파장 의존성을 도시하는 그래프.
도 18은 광 파이버 코일 구성을 모식적으로 도시하는 도면.
도 19는 광 파이버의 전송 손실의 파장 의존성을 도시하는 그래프.
도 20은 라만 증폭기의 일 실시예를 도시하는 구성도.
도 21은 라만 증폭기의 다른 실시예를 도시하는 구성도.
도 22는 광 파이버의 유효 단면적의 파장 의존성을 도시하는 그래프.
도 23은 파장 변환기의 일 실시예를 도시하는 구성도.
도 24a 내지 도 24c는 도 23에 도시한 파장 변환기에 의한 파장 변환을 모식적으로 도시하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 코어 영역 15 : 중간 영역
20 : 제 1 클래드 영역 30 : 제 2 클래드 영역
본 발명은 광 파이버, 비선형성 광 파이버, 그것을 사용한 광 증폭기, 파장 변환기 및 광 파이버 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고강도(고광밀도) 광이 매질 속을 전파하면, 매질 속에 있어서, 유도 라만 효과나 4광파 혼합 등의 각종 비선형 광학 현상이 생기는 것이 알려져 있다. 이들 비선형 광학 현상은 광 파이버 중에 있어서의 광 전송 시에도 생기는 것으로, 이러한 광 파이버 중에서의 비선형 광학 현상은 광 증폭이나 파장 변환 등에 사용할 수 있다(예를 들면, 국제 공개 WO 99/10770호 참조).
광 파이버의 비선형성은 다음 식의 비선형 계수(γ)
γ=(2π/λ)×(Ｎ₂/Aeff)
에 의해 나타난다. 여기서, λ는 광 파장, Ｎ₂는 λ에서의 광 파이버 중에서의 비선형 굴절률, Aeff는 λ에서의 광 파이버의 유효 단면적이다. 이 식으로부터, 비선형 계수(γ)를 크게 하기 위해서는 광 파이버의 코어 내에 첨가되는 GeO2의 첨가 농도를 높게 하고 비선형 굴절률(Ｎ₂)을 높게 함과 동시에, 코어와 클래드와의 비굴절률차를 크게 하고 유효 단면적(Aeff)을 작게 하면 된다.
그렇지만, 상기와 같은 구성 조건을 적용하여 비선형 계수(γ)를 크게 한 경우, 광 파이버의 컷오프 파장(λc)이 길어지게 된다는 문제를 초래한다. 특히, 광 파이버 중에서 발생하는 4광파 혼합을 사용하여 파장 변환을 행하고자 하면, 여기광 파장을 광 파이버의 영 분산 파장 부근으로 할 필요가 있다. 이에 대해, 상기 구성에서는 컷오프 파장(λc)이 영 분산 파장보다도 길어져, 싱글 모드가 아닌 것이 되기 때문에, 파장 변환 효율이 저하해버린다.
또한, 최근, 광 전송 시스템에 사용되는 신호광의 파장 대역을 확대하기 위해, 광 증폭기로서 통상 사용되고 있는 EDFA의 증폭 대역뿐만 아니라, 더욱이 단파장 측인 파장 1.45μm 내지 1.53μm인 S밴드 파장 대역 이용이 검토되고 있다. 이 S밴드 파장 대역에 대해서는 증폭 파장 대역으로부터 벗어나 있어 EDFA를 사용하는 것이 어렵기 때문에, 유효한 광 증폭기가 거의 없다. 또한, 라만 증폭기를 사용하고자 하면, 고 비선형성 광 파이버에서는 컷오프 파장(λc)이 파장 1.3μm 내지 1.5μm 정도의 여기광 파장보다도 길어져 라만 증폭 효율이 저하해버린다.
본 발명은 이상의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 충분한 비선형성을 가짐과 동시에, 컷오프 파장이 짧아지는 광 파이버, 비선형성 광 파이버, 그것을 사용한 광 증폭기, 파장 변환기 및 광 파이버 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 광 파이버는 (1) 굴절률의 최대치가 ｎ₁인 코어 영역과, 코어 영역 외주에 설치되며 굴절률의 최소치가 ｎ₂(단 ｎ₂<ｎ₁)인 제 1 클래드 영역과, 제 1 클래드 영역 외주에 설치되며 굴절률의 최대치가 ｎ₃(단 ｎ₂<ｎ₃<ｎ₁)인 제 2 클래드 영역을 적어도 구비함과 동시에, (2) 파장 1.55μm인 광에 대한 제특성으로서, 11μm2 이하인 유효 단면적과, 2m인 파이버 길이에 있어서 0.7μm 이상 1.6μm 이하인 컷오프 파장(λc)과, 18/W/km 이상인 비선형 계수를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 광 파이버에서는 싱글 클래드 구조가 아니라, 코어 영역 외주에 제 1 및 제 2 클래드 영역을 설치한 더블 클래드 구조를 사용하고 있다. 이로써, 비선형 계수(γ)를 크게 하기 위해, 코어 내에 첨가되는 GeO2의 첨가 농도를 높게 하고 비선형 굴절률을 높게 하며, 또한, 코어와 클래드와의 비굴절률차를 크게 하고 유효 단면적(Aeff)을 작게 한 경우라도, 컷오프 파장(λc)을 충분히 짧게 하는 것이 가능해진다. 또한, 이 구성에서는 분산 슬로프를 음으로 할 수 있다.
또한, 클래드 구조에 대해서는 상기한 제 1 클래드 영역과 제 2 클래드 영역과의 중간에 소정의 굴절률 및 폭을 갖는 1층 또는 복수층의 다른 클래드 영역을 부가로 설치한 구성으로 해도 된다.
본 발명에 의한 비선형성 광 파이버는 상기한 광 파이버로, 소정 파장의 광을 입력함으로써 발현되는 비선형 광학 현상을 이용하는 것을 특징으로 한다. 본 광 파이버에 있어서의 높은 비선형성을 적극적으로 이용함으로써, 각종 용도에 적용하는 것이 가능함과 동시에 양호한 특성을 갖는 비선형성 광 파이버가 얻어진다.
본 발명에 의한 광 증폭기는 (a) 컷오프 파장이 λc인 상기한 비선형성 광 파이버와, (b) 비선형성 광 파이버에 입력되는 파장(λs)의 신호광에 대해, 소정 파장(λp)(단 λc<λp)의 여기광을 비선형성 광 파이버에 공급하는 여기 광원을 구비함과 동시에, (c) 비선형성 광 파이버에 있어서 발현되는 비선형 광학 현상을 이용하여 신호광을 광 증폭하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성으로 이루어지는 광 증폭기는 비선형성 광 파이버 중에서 생기는 유도 라만 효과를 사용한 라만 증폭기로서 이용 가능하다. 또한, 상기한 구성의 비선형성 광 파이버에 의하면, 컷오프 파장(λc)을 여기광(펌프 광)의 파장(λp)보다도 짧게 할 수 있어, 싱글 모드에서 고효율로 광 증폭을 행할 수 있다.
본 발명에 의한 파장 변환기는 (a) 컷오프 파장이 λc인 상기한 비선형성 광 파이버와, (b) 비선형성 광 파이버에 입력되는 파장(λs)(단 λc<λs)의 신호광에 대해, 소정 파장(λp)(단 λc<λp)의 여기광을 비선형성 광 파이버에 공급하는 여기 광원을 구비함과 동시에, (c) 비선형성 광 파이버에 있어서 발현되는 비선형 광학 현상을 이용하여, 신호광을 파장 변환하여, 파장(λs')(단 λc<λs')의 변환광을 출력하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성으로 이루어지는 파장 변환기는 비선형성 광 파이버 중에서 생기는 4광파 혼합을 사용한 파장 변환기로서 이용 가능하다. 또한, 상기한 구성의 비선형성 광 파이버에 의하면, 신호광, 변환광 및 여기광 파장보다도 컷오프 파장(λc)을 짧게 할 수 있어, 싱글 모드에서 고효율로 파장 변환을 행할 수 있다. 또한, 신호광도 모드 분산 영향을 받지 않고 양호한 전송 특성을 유지할 수 있다.
본 발명에 의한 광 파이버 제조 방법은 (1) GeO2가 소정량 첨가된 Si02로 이루어지며, 코어 영역이 되는 코어용 유리 로드를 VAD(vapor phase axial deposition:기상축증착)법 또는 OVD(outside vapor deposition:외부증착)법으로 합성함과 동시에 소정의 외경이 되도록 연신하여 작성하는 제 1 공정과, (2) F가 소정량 첨가된 SiO2로 이루어지며, 제 1 클래드 영역이 되는 제 1 클래드용 유리 파이프를 VAD법 또는 OVD법으로 합성함과 동시에 소정의 내경 및 외경이 되도록 연신하여 작성하는 제 2 공정과, (3) 제 1 클래드용 유리 파이프 내면에 소정의 가스를 흘림과 동시에 가열하여, 그 내주 표면을 평활하게 하기 위한 에칭을 행하는 제 3 공정과, (4) 제 1 클래드용 유리 파이프 내에 코어용 유리 로드를 삽입하여, 1300℃ 이상의 소정 온도로 베이킹한 후, 가열 일체화하여 중간 유리 로드로 하는 제 4 공정과, (5) 중간 유리 로드에 있어서 코어 영역 및 제 1 클래드 영역의 외경 비를 조정한 후, 중간 유리 로드의 외주 상에 제 2 클래드 영역이 되는 유리체를 형성하여, 광 파이버 모재(optical fiber preform)를 작성하는 제 5 공정과, (6) 광 파이버 모재를 가열 인출(drawing)하여, 굴절률의 최대치가 ｎ₁인 코어 영역과, 코어 영역 외주에 설치되며 굴절률의 최소치가 ｎ₂(단 ｎ₂<ｎ₁)인 제 1 클래드 영역과, 제 1 클래드 영역 외주에 설치되며 굴절률의 최대치가 ｎ₃(단 ｎ₂<ｎ₃<ｎ₁)인 제 2 클래드 영역을 적어도 구비하는 광 파이버를 작성하는 제 6 공정을 구비하며, (7) 제 4 공정에 있어서의 코어용 유리 로드 및 제 1 클래드용 유리 파이프의 가열 일체화를 그 가열 온도를 1800℃ 이하로 하고, 코어용 유리 로드의 외주 표면 거칠기를 5μm 이하로 하며, 제 1 클래드용 유리 파이프의 내주 표면 거칠기를 5μm 이하로 하며, 코어용 유리 로드에 있어서의 외주 표면으로부터 두께 2μm 이내에서의 GeO2 농도의 최대치를 5mol% 이하로 한 조건으로 행함과 동시에, (8) 제 6 공정에 있어서, 파장 1.55μm인 광에 대한 제특성으로서 11μm2 이하인 유효 단면적과, 2m인 파이버 길이에 있어서 0.7μm 이상 1.6μm 이하인 컷오프 파장(λc)과, 18/W/km 이상인 비선형 계수를 갖는 광 파이버를 작성하는 것을 특징으로 한다.
이러한 광 파이버 제조 방법에 의하면, 높은 비선형성을 갖는 더블 클래드 구조의 광 파이버를 전송 손실이 저감되는 등의 양호한 전송 특성에 의해 작성할 수 있다.
이하, 도면과 함께 본 발명에 의한 광 파이버, 비선형성 광 파이버, 그것을 사용한 광 증폭기, 파장 변환기 및 광 파이버 제조 방법의 적합한 실시예에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 설명에 있어서는 동일 요소에는 동일 부호를 붙여 중복하는 설명을 생략한다. 또한, 도면의 치수 비율은 설명의 것과 반드시 일치하지는 않는다.
도 1은 본 발명에 의한 광 파이버의 제 1 실시예의 단면 구조 및 파이버 직경 방향(도면 중의 선(L)으로 도시된 방향)의 굴절률 분포를 모식적으로 도시하는 도면이다. 또한, 도 1에 도시된 굴절률 분포의 가로 축은 스케일은 다르지만, 도면 중의 단면 구조에 도시된 선(L)을 따른 광 파이버의 중심 축에 대해 수직인 단면 상의 각 위치에 상당하고 있다. 또한, 굴절률 분포의 세로 축에 대해서, 비교를 위해, 순 SiO2에서의 굴절률을 점선에 의해 도시하고 있다. 또한, 굴절률 분포에 있어서의 각 영역에 대해서는 광 파이버의 단면 구조에 있어서의 각 영역과 동일 부호를 붙이고 있다.
상기 광 파이버는 SiO2(석영 유리)를 주성분으로 하는 광 도파로로, 광 파이버의 중심 축을 포함하는 코어 영역(10)과, 코어 영역(10) 외주에 설치된 제 1 클래드 영역(20)과, 제 1 클래드 영역(20) 외주에 설치된 제 2 클래드 영역(30)을 가지고 구성되어 있다.
코어 영역(10)은 그 외경(직경)을 2r1으로 함과 동시에, 순 SiO2 유리에 굴절률을 올리는 첨가물로서 GeO2가 소정량 첨가되며, 굴절률의 최대치가 ｎ₁(단 ｎ₁>n0, n0는 순 SiO2의 굴절률)이 되도록 형성되어 있다. 또한, 본 실시예의 코어 영역(10)은 도 1에 도시하는 바와 같이, 광 파이버의 중심 축 근방에서 GeO2의 첨가량 및 굴절률이 최대가 되는 그레디드형 굴절률 분포(graded refractive index profile)로 되어 있다.
한편, 제 1 클래드 영역(20)은 그 외경을 2r2로 함과 동시에, 순 SiO2 유리에 굴절률을 내리는 첨가물로서 F가 소정량 첨가되어, 굴절률의 최소치가 ｎ₂(단 ｎ₂<n0, ｎ₂<ｎ₁)가 되도록 형성되어 있다. 또한, 제 2 클래드 영역(30)은 그 외경을 2r3으로 함과 동시에, 순 SiO2 유리 또는 순 SiO2 유리에 굴절률을 내리는 첨가물로서 F가 소정량 첨가되어, 굴절률의 최대치가 ｎ₃(단 ｎ₃≤n0, ｎ₂<ｎ₃<ｎ₁)이 되도록 형성되어 있다.
여기서, 각 부에 있어서의 비굴절률차를 제 2 클래드 영역(30)에서의 굴절률(ｎ₃)을 기준으로 하여 정의하는 것으로 한다. 이 때, 도 1에 도시하는 바와 같이, 코어 영역(10)에서의 굴절률(ｎ₁)에 대응하는 비굴절률차는 △+ = (ｎ₁-ｎ₃)/ｎ₃ × 100 (%), 또한, 제 1 클래드 영역(20)에서의 굴절률(Ｎ₂)에 대응하는 비굴절률차는 △- = (ｎ₂-ｎ₃)/ｎ₃ × 100 (%)이라 정의된다.
본 실시예에 의한 광 파이버에 있어서는 싱글 클래드 구조가 아니라, 코어 영역(10) 외주에 제 1 클래드 영역(20) 및 제 2 클래드 영역(30)을 설치한 더블 클래드 구조를 사용하고 있다. 싱글 클래드 구조를 갖는 광 파이버에서는 비선형 계수(γ)를 크게 하면, 컷오프 파장(λc)가 길어진다는 문제를 초래한다.
이에 대해, 상기한 바와 같이 더블 클래드 구조를 채용함으로써, 비선형 계수(γ)를 크게 하기 위해, 코어 내에 첨가되는 GeO2의 첨가 농도를 높게 하고 비선형 굴절률을 높게 하며, 또한, 코어와 클래드와의 비굴절률차를 크게 하고 유효 단면적(Aeff)을 작게 한 경우라도, 컷오프 파장(λc)을 충분히 짧게 하는 것이 가능해진다. 또한, 이 구성에서는 분산 슬로프를 음으로 할 수 있다.
또한, 클래드 구조에 대해서는 상기한 제 1 클래드 영역과 제 2 클래드 영역과의 중간에 소정의 굴절률 및 폭을 갖는 1층 또는 복수층의 다른 클래드 영역을 부가로 설치한 구성으로 해도 된다.
본 실시예의 광 파이버는 소정 파장(소정의 파장 대역 내)의 광을 입력함으로써 발현되는 비선형 광학 현상을 이용함으로써, 각종 용도에 적용하는 것이 가능함과 동시에 양호한 특성을 갖는 비선형성 광 파이버로서 사용할 수 있다. 특히, 비선형 계수(γ)를 크게 함과 동시에 컷오프 파장(λc)이 충분히 짧아지기 때문에, 비선형 광학 현상을 이용하는 고효율 광 디바이스가 실현 가능해진다. 또한, 광 파이버의 구체적인 제특성에 대해서는 더욱 상세하게 후술한다.
도 1에 도시한 구성으로 이루어지는 광 파이버(비선형성 광 파이버)를 작성하기 위한 광 파이버 제조 방법에 대해서 그 일례를 설명한다. 본 제조 방법에 있어서는 코어 영역(10) 및 제 1 클래드 영역(20)을 VAD법이나 OVD법으로의 그을음 부착에 의해 일괄 합성하는 것이 아니라, 따로따로 코어용 유리 로드 및 제 1 클래드용 유리 파이프를 작성한 후, 그것들을 가열 일체화하는 방법을 사용하고 있다.
우선, 상기한 광 파이버의 코어 영역(10)이 되는 코어용 유리 로드를 작성하다(제 1 공정). 여기서는 SiO2를 주성분으로 하여 굴절률을 높게 하는 첨가물로 하여 Ge02가 소정량 첨가된 유리 로드를 VAD법 또는 OVD법에 의해 합성한 후, 소정의 외경이 되도록 연신하여 코어용 유리 로드로 한다.
또한, 광 파이버의 제 1 클래드 영역(20)이 되는 제 1 클래드용 유리 파이프를 작성한다(제 2 공정). 여기서는 SiO2를 주성분으로 하여 굴절률을 낮게 하는 첨가물로 하여 F가 소정량 첨가된 유리 파이프를 VAD법 또는 OVD법에 의해 합성한 후, 소정의 내경 및 외경이 되도록 연신하여 제 1 클래드용 유리 파이프로 한다.
또한, 얻어진 제 1 클래드용 유리 파이프에 대해, 유리 파이프의 내주 표면을 평활하게 하기 위한 기상 에칭을 행한다(제 3 공정). 여기서는 SF6 등의 소정의 가스를 제 1 클래드용 유리 파이프 내면에 흘림과(예를 들면, SF6+Cl2 분위기로 한다) 동시에 가열하여 파이프 내면을 에칭한다.
다음으로, 얻어진 코어용 유리 로드 및 제 1 클래드용 유리 파이프를 가열 일체화한다(제 4 공정). 제 1 클래드용 유리 파이프 내에 코어용 유리 로드를 삽입하고, 후술하는 수순 및 조건에 의해 가열 일체화하여, 중간 유리 로드를 작성한다.
계속해서, 중간 유리 로드에서의 코어 영역 및 제 1 클래드 영역의 외경 비를 소정의 비가 되도록 조정한 후, 중간 유리 로드의 외주 상에 제 2 클래드 영역(30)이 되는 유리체를 형성하여, 광 파이버 모재를 작성한다(제 5 공정).
여기서, 중간 유리 로드에 있어서의 외경 비 조정에 대해서는 예를 들면, 그 외주부를 HF 용액 등에 의해 연삭함으로써 행한다. 이 연삭은 가열 일체화 또는 그 연신 공정에 있어서 열원으로서 산수소화염 등의 화염을 사용하여, 그 화염이 유리 표면에 접촉하고 있을 경우에는 유리 표면에 부착한 OH기나 금속 등의 화염 중의 불순물을 제거하기 위해 필요하다.
또한, 제 2 클래드 영역(30)이 되는 유리체 합성에 대해서는 예를 들면, VAD법 또는 OVD법에 의해 합성해도 된다. 혹은, 로드 인 컬랩스(rod in collapse)에 의해 형성하든지, 로드 인 컬랩스 후에 더욱이 VAD법 또는 OVD법에서의 합성을 행해도 된다.
그리고, 얻어진 광 파이버 모재를 가열 인출하여, 광 파이버를 작성한다(제 6 공정). 이상의 공정에 의해, 도 1에 도시한 더블 클래드 구조를 갖는 광 파이버가 얻어진다.
코어용 유리 로드 및 제 1 클래드용 유리 파이프를 가열 일체화하는 제 4 공정에 대해서, 그 수단 및 조건을 부가로 설명한다.
더블 클래드 구조를 갖는 광 파이버 제조 방법에 있어서, 코어 영역 및 제 1 클래드 영역을 일괄 합성하면, 코어 영역의 GeO2 첨가 농도가 높은 가운데, 제 1 클래드 영역의 F첨가 농도도 높기 때문에, 첨가물이 확산하기 쉬운 유리 미립자체(그을림) 내에서 각각이 상호 확산해버린다. 이 때, GeF4나 GeO 등의 결함이 생겨, 전송 손실이 열화하게 된다. 또한, MCVD(modified chemical vapor deposition)법에서 고농도의 GeO2 첨가 SiO2 유리를 합성하고자 하면, 전송 손실이 크게 열화한다는 문제도 있다.
이에 대해, 상기한 제조 방법에서는 코어 영역(10) 및 제 1 클래드 영역(20)을 따로따로 합성(제 1, 제 2 공정)한 후에, 가열 일체화(제 4 공정)하고 있다. 단, 이 경우라도, 가열 일체화 시에 GeO2와 F가 반응하여 GeO 등의 기체가 되어, 코어 영역(10) 및 제 1 클래드 영역(20)의 계면에 기포로서 잔류하는 것이 있다. 이 때, 잔류한 기포에 의해 광 파이버의 전송 손실이나 기계적 강도 등의 특성이 열화해버린다.
이러한 기포 발생을 억제하기 위해, 본 제조 방법에서는 가열 일체화를 행하는 제 4 공정에 있어서, 이하의 5개 조건 중 어느 하나 또는 그들 조합에 의해 가열 일체화를 행한다. 즉, (1) 1800℃ 이하인 가열 온도로 일체화를 행한다. (2) 가열 일체화 전에 Cl2 분위기에 있어서 1300℃ 이상의 소정 온도로 베이킹한다. (3) 제 1 클래드용 유리 파이프의 내주 표면 거칠기를 5μm 이하로 한다. (4) 코어용 유리 로드의 외주 표면 거칠기를 5μm 이하로 한다. (5) 코어용 유리 로드에 있어서의 외주 표면으로부터 두께 2μm 이내 영역에서의 GeO2 농도의 최대치를 5mol% 이하로 한다. 이상의 조건 중 어느 하나 또는 그들 조합을 적용하여 가열 일체화를 행함으로써, 기포 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
상기 제조 조건 효과에 대해서, 조건을 바꾸어 가열 일체화를 실시함으로써 확인을 행했다. 여기서는 코어용 유리 로드에 대해서는 코어 내의 굴절률 분포 형상을 거의 포물선 형상으로 하고, GeO2 첨가 농도를 최대로 30mol%로 했다. 또한, 가열 일체화 시의 코어용 유리 로드 외경(이하, 외경 및 내경은 모두 직경을 도시한다)는 6mm였다. 한편, 제 1 클래드용 유리 파이프에 대해서는 제 1 클래드 내의 굴절률 분포 형상을 거의 스텝 형상으로 하고, F첨가 농도를 최대 1.5mol%로 했다.
또한, 가열 일체화 시의 제 1 클래드용 유리 파이프 외경은 32mm, 내경은 9mm였다. 얻어진 제 1 클래드용 유리 파이프는 SF6을 300cm3/min, Cl2를 200cm3/min, 가열 온도 1500℃(파이로스코프로 측정한 유리 표면의 최고 온도)로 에칭하여 표면을 평활하게 했다. 또한, 가열 일체화 시의 파이프 내의 분위기 가스는 염소 200cm3/min, 산소 300cm3/min로 하여, 파이프 내의 감압도는 1kPa로 했다.
우선, (1) 1800℃ 이하의 가열 온도로 일체화를 행한다는 조건에 대해서, 기포 발생 억제 효과를 확인했다. 여기서는 가열 일체화를 위한 가열 온도를 1950℃ 내지 1800℃ 범위에서 변화시켜, 코어용 유리 로드 및 제 1 클래드용 유리 파이프의 가열 일체화를 행했다. 그 이외의 조건에 대해서는 13O0℃에서 베이킹을 행함과 동시에, 제 1 클래드용 유리 파이프의 내주 표면 거칠기를 5μm, 코어용 유리 로드의 외주 표면 거칠기를 5μm, 코어용 유리 로드에 있어서의 외주 표면으로부터 두께 2μm 이내 영역에서의 GeO2 농도의 최대치를 5mol%로 했다.
이 때, 코어용 유리 로드 및 제 1 클래드용 유리 파이프 계면에서 생긴 기포 발생 개수를 도 2에 도시한다. 여기서, 기포 발생 개수는 컬랩스(collapse) 후(유리 로드)의 길이 10mm당에 발생하는 기포 개수에 의해 평가했다. 도 2의 표에 도시하는 바와 같이, 기포 발생 개수는 가열 온도를 저감함으로써 감소하여, 가열 온도 1800℃에서 기포가 거의 발생하지 않게 되었다. 이것은 가열 일체화를 위한 가열 온도를 저온으로 함으로써, 화학 반응 진행이 억제되기 때문이다.
다음으로, (2) 가열 일체화 전에 Cl2 분위기에 있어서 1300℃ 이상의 소정 온도로 베이킹한다는 조건에 대해서, 기포 발생 억제 효과를 확인했다. 여기서는 베이킹을 위한 베이킹 온도를 1000℃ 내지 1300℃ 범위에서 변화시켜, 가열 일체화를 행했다. 그 이외의 조건에 대해서는 가열 온도를 1800℃, 제 1 클래드용 유리 파이프의 내주 표면 거칠기를 5μm, 코어용 유리 로드의 외주 표면 거칠기를 5μm, 코어용 유리 로드에 있어서의 외주 표면으로부터 두께 2μm 이내 영역에서의 GeO2 농도의 최대치를 5mol%로 했다.
이 때, 코어용 유리 로드 및 제 1 클래드용 유리 파이프 계면에서 생긴 기포 발생 개수를 도 3에 도시한다. 도 3의 표에 도시하는 바와 같이, 기포 발생 개수는 베이킹 온도를 상승함으로써 감소하여, 베이킹 온도 1300℃에서 기포가 거의 발생하지 않게 되었다. 이것은 충분한 온도로 베이킹을 행함으로써 표층의 불안정한 Ge화합물이나 F화합물이 제거됨과 동시에, 그 표면 상태가 매끄러워지기 때문이다.
다음으로, (3) 제 1 클래드용 유리 파이프의 내주 표면 거칠기를 5μm 이하로 한다는 조건에 대해서, 기포 발생 억제 효과를 확인했다. 여기서는 유리 파이프의 내주 표면 거칠기를 10μm 내지 5μm 범위에서 변화시켜, 가열 일체화를 행한다. 그 이외의 조건에 대해서는 1300℃에서 베이킹을 행함과 동시에, 가열 온도를 1800℃, 코어용 유리 로드의 외주 표면 거칠기를 5μm, 코어용 유리 로드에 있어서의 외주 표면으로부터 두께 2μm 이내 영역에서의 GeO2 농도의 최대치를 5mol%로 했다.
이 때, 코어용 유리 로드 및 제 1 클래드용 유리 파이프 계면에서 생긴 기포 발생 개수를 도 4에 도시한다. 도 4의 표에 도시하는 바와 같이, 기포 발생 개수는 제 1 클래드용 유리 파이프의 내주 표면 거칠기를 저감함으로써 감소하여, 표면 거칠기 5μm에서 거의 기포가 발생하지 않게 되었다. 이것은 표면 거칠기를 충분히 매끄럽게 함으로써, 거친 표면 부분이 기포 발생의 핵이 되는 것이 방지되기 때문이다.
다음으로, (4) 코어용 유리 로드의 외주 표면 거칠기를 5μm 이하로 한다는 조건에 대해서, 기포 발생 억제 효과를 확인했다. 여기서는 유리 로드의 외주 표면 거칠기를 10μm 내지 5μm 범위에서 변화시켜 가열 일체화를 행했다. 그 이외의 조건에 대해서는 1300℃에서 베이킹을 행함과 동시에, 가열 온도를 1800℃, 제 1 클래드용 유리 파이프의 내주 표면 거칠기를 5μm, 코어용 유리 로드에 있어서의 외주 표면에서 두께 2μm 이내 영역에서의 GeO2 농도의 최대치를 5mol%로 했다.
이 때, 코어용 유리 로드 및 제 1 클래드용 유리 파이프 계면에서 생긴 기포 발생 개수를 도 5에 도시한다. 도 5의 표에 도시하는 바와 같이, 기포 발생 개수는 코어용 유리 로드의 외주 표면 거칠기를 저감함으로써 감소하여, 표면 거칠기 5μm에서 거의 기포가 발생하지 않게 되었다. 이것은 유리 파이프의 경우와 마찬가지로, 표면 거칠기를 충분히 매끄럽게 함으로써, 거친 표면 부분이 기포 발생의 핵이 되는 것이 방지되기 때문이다.
다음으로, (5) 코어용 유리 로드에 있어서의 외주 표면으로부터 두께 2μm 이내 영역에서의 GeO2 농도의 최대치를 5mol% 이하로 한다는 조건에 대해서, 기포 발생 억제 효과를 확인했다. 여기서는 상기 영역에서의 GeO2 농도의 최대치를 10mol% 내지 5mol% 범위에서 변화시켜 가열 일체화를 행했다. 그 이외의 조건에 대해서는 13O0℃에서 베이킹을 행함과 동시에, 가열 온도를 1800℃, 제 1 클래드용 유리 파이프의 내주 표면 거칠기를 5μm, 코어용 유리 로드의 외주 표면 거칠기를 5μm으로 했다.
이 때, 코어용 유리 로드 및 제 1 클래드용 유리 파이프 계면에서 생긴 기포 발생 개수를 도 6에 도시한다. 도 6의 표에 도시하는 바와 같이, 기포 발생 개수는 GeO2 농도의 최대치를 저감함으로써 감소하여, GeO2 농도의 최대치 5mol%로 거의 기포가 발생하지 않게 되었다. 이것은 표층에서의 GeO2 농도가 저감되어, 기포가 발생하기 어려워지기 때문이다.
이상의 조건, 즉, 1300℃에서 베이킹을 행함과 동시에, 가열 온도를 1800℃, 제 1 클래드용 유리 파이프의 내주 표면 거칠기를 5μm, 코어용 유리 로드의 외주 표면 거칠기를 5μm, 코어용 유리 로드에 있어서의 외주 표면으로부터 두께 2μm 이내 영역에서의 GeO2 농도의 최대치를 5mol%로 하는 조건을 적용하여 가열 일체화를 행하여, 기포가 없는 외경 30mm의 중간 유리 로드(제 1 중간 유리 로드)를 얻었다.
그리고, 그 제 1 중간 유리 로드를 외경 8mm까지 연신한 후, 그 외주부를 외경 5.4mm까지 HF 용액에 의해 연삭하고, (코어 직경)/(제 1 클래드 직경)=0.30으로 조정했다. 또한, 이 제 1 중간 유리 로드와는 별도로, 제 2 클래드 영역(3O)의 내주 측 부분이 되는 제 2 클래드용 유리 파이프를 작성했다. 이 제 2 클래드용 유리 파이프는 F첨가 농도가 0.7mol%로 외경 32mm, 내경 8mm인 SiO2 유리 파이프로 했다. 그리고, 제 2 클래드용 유리 파이프 내에 제 1 중간 유리 로드를 삽입하고, 가열 일체화하여, 외경 30mm의 제 2 중간 유리 로드를 얻었다.
다음으로, 얻어진 제 2 중간 유리 로드의 외주 상에 제 2 클래드 영역(30)의 외주 측 부분이 되는 유리체를 제 2 클래드용 유리 파이프와 동일한 F첨가 농도가 0.7mol%인 SiO2 유리로서, VAD법 또는 OVD법에 의해 합성하여, 광 파이버 모재를 작성했다. 여기서, (제 2 클래드 직경)/(제 1 클래드 직경)=7.8로 했다.
또한, 상기 제 2 클래드 영역(30)의 합성 방법에서는 그 내주 측 부분을 유리 파이프의 가열 일체화에 의해 형성하고 있다. 이것은 광 파이버로 했을 때의 OH기의 혼입량을 저감하기 위함이다. 또한, VAD법 또는 OVD법의 수트법(soot process)에 의해, 그 외주 측 부분을 형성하고 있다. 이것은 광 파이버 모재를 대형화하기 위한 것이다.
이러한 제 2 클래드 영역(30)의 합성 방법에 대해서는 개개의 조건에 따라서 각종 방법을 사용해도 된다. 예를 들면, 광의 파워 필드 분포가 그렇게 넓어지지 않으며, 수트법에 의한 제 2 클래드 합성으로 혼입되는 OH기의 영향을 무시할 수 있는 경우에는 유리 파이프의 가열 일체화를 행하지 않아도 된다. 또는, 수트법에 의한 합성을 행하지 않고, 유리 파이프의 가열 일체화만에 의해 제 2 클래드를 합성해도 된다.
이상의 제조 방법 및 제조 조건에 의해 작성된 광 파이버 모재를 가열 인출하여, 도 1에 도시한 더블 클래드 구조의 광 파이버를 얻었다. 그 구성은 코어 영역(10)의 외경 2r1 = 4.8μm, 비굴절률차 △+ = 3.3%, 제 1 클래드 영역(20)의 외경 2r2 = 16μm, 비굴절률차 △- = -0.25%, 제 2 클래드 영역(30)의 외경 2r3 = 125μm였다.
또한, 파장 1.55μm인 광에 대한 제특성은
분산 = +0.22ps/km/nm,
분산 슬로프 = +0.045ps/km/nm2,
유효 단면적 Aeff = 10.4μm2,
컷오프 파장 λc = 1510nm,
영 분산 파장 = 1545nm,
전송 손실 = 0.46dB/km,
모드 필드 직경 = 3.69μm,
비선형 계수 γ = 20.8/W/km,
편파 모드 분산 PMD = O.05ps/√km
으로, 양호한 특성의 광 파이버(비선형성 광 파이버)가 얻어졌다.
상기 광 파이버의 제특성은 파장 1.55μm인 광에 대한 이하의 특성 조건
11μm2 이하인 유효 단면적(Aeff),
2m의 파이버 길이로 0.7μm 이상 1.6μm 이하의 컷오프 파장(λc),
18/W/km 이상의 비선형 계수(γ),
를 만족하고 있다. 또한, 파장 1.55μm인 광에 대한 전송 손실은 3.0dB/km 이하, 혹은 더욱이 1.0dB/km 이하인 특성 조건을 만족하고 있다.
이렇게, 더블 클래드 구조를 채용함으로써, 코어의 GeO2 농도를 높게 함과 동시에 유효 단면적(Aeff)을 작게 하고, 비선형 계수(γ)를 크게 한 경우라도, 적합한 컷오프 파장(λc)을 갖는 고 비선형성 광 파이버를 얻을 수 있다.
또한, 코어 영역(10)과, 제 2 클래드 영역(30)과의 비굴절률차(△+)에 대해서는 유효 단면적(Aeff)을 충분히 작게 하기 위해, △+를 2.7% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이렇게 큰 비굴절률차로 한 경우, 싱글 클래드 구조에서는 컷오프 파장(λc)이 길어지지만, 더블 클래드 구조에 의하면, 상기한 바와 같이 컷오프 파장(λc)을 충분히 짧게 할 수 있다.
도 7은 본 발명에 의한 광 파이버의 제 2 실시예의 단면 구조 및 파이버 직경 방향(도면 중의 선(L)으로 도시된 방향)의 굴절률 분포를 모식적으로 도시하는 도면이다.
이 광 파이버는 SiO2(석영 유리)를 주성분으로 하는 광 도파로로, 광 파이버의 중심 축을 포함하는 코어 영역(10)과, 코어 영역(10) 외주에 설치된 제 1 클래드 영역(20)과, 제 1 클래드 영역(2O) 외주에 설치된 제 2 클래드 영역(3O)을 가지고 구성되어 있다. 여기서, 제 1 클래드 영역(20) 및 제 2 클래드 영역(30)의 구성은 제 1 실시예와 동일하다.
한편, 코어 영역(1O)은 그 외경(직경)을 2r1로 함과 동시에, 순 SiO2 유리에 굴절률을 올리는 첨가물로서 GeO2가 소정량 첨가되어, 굴절률의 최대치가 ｎ₁(단 ｎ₁>n0)이 되도록 형성되어 있다. 또한, 본 실시예의 코어 영역(10)은 도 7에 도시하는 바와 같이, 광 파이버의 중심 축 근방에서 GeO2 첨가량 및 굴절률이 최대가 되는 그레이디드형 굴절률 분포로 되어 있다.
더욱이, 코어 영역(10) 내의 외주 측 소정 범위에는 코어 영역(10) 및 제 1 클래드 영역(20)에 삽입되는 위치에 중간 영역(15)이 설치되어 있다. 이 중간 영역(15)에는 도 7에 도시하는 바와 같이 각(뿔) 형상으로 돌출한 굴절률 분포(첨가 농도 분포)가 되도록 약간 고농도로 GeO2가 첨가되어 있다. 여기서, 중간 영역(15)의 굴절률의 최대치를 n5(단 n5>n0), 그 비굴절률차를 △5=(n5-ｎ₃)/ｎ₃으로 한다.
본 실시예에 의한 광 파이버는 제 1 실시예에 의한 광 파이버와 마찬가지로, 싱글 클래드 구조가 아니라, 코어 영역(10) 외주에 제 1 클래드 영역(20) 및 제 2 클래드 영역(30)을 설치한 더블 클래드 구조를 사용하고 있다. 이로써, 비선형 계수(γ)를 크게 하기 위해, 코어 내에 첨가되는 GeO2의 첨가 농도를 높게 하고 비선형 굴절률을 높게 하며, 또한, 코어와 클래드와의 비굴절률차를 크게 하고 유효 단면적(Aeff)을 작게 한 경우라도, 컷오프 파장(λc)을 충분히 짧게 하는 것이 가능해진다. 또한, 이 구성에서는 분산 슬로프를 음으로 할 수 있다. 또한, 중간 영역(15)의 효과에 대해서는 광 파이버 제조 방법과 함께 후술한다.
본 실시예의 광 파이버도 소정 파장(소정의 파장 대역 내)의 광을 입력함으로써 발현되는 비선형 광학 현상을 이용함으로써, 각종 용도에 적용하는 것이 가능함과 동시에 양호한 특성을 갖는 비선형성 광 파이버로서 사용할 수 있다.
도 7에 도시한 구성으로 이루어지는 광 파이버(비선형성 광 파이버)를 작성하기 위한 광 파이버 제조 방법에 대해서 그 일례를 설명한다.
우선, 중간 영역(15)을 포함하는 코어 영역(10)이 되는 영역 및 제 1 클래드 영역(20)이 되는 전구 영역으로 이루어지는 유리 미립자체(그을림)를 합성한다. 여기서, 코어 영역(10)이 되는 영역은 GeO2가 최대 30mol% 첨가된 SiO2 유리로 하고, 그 외주 부분으로 중간 영역(15)에 상당하는 영역은 GeO2가 상술한 바와 같이 뿔 형상으로 피크치에서의 첨가 농도가 5mol%가 되도록 첨가된 Si02 유리로 했다. 또한, 제 1 클래드 영역(20)의 전구 영역은 그 외주 상에 순 SiO2 유리로서 합성했다.
얻어진 유리 미립자체(유리 다공질체)를 소결로에 넣고, 염소 및 헬륨의 혼합 분위기 속에서 1300℃의 가열 온도로 가열하고 탈수 처리한 후, 헬륨 분위기 속에서 1400℃의 가열 온도로 가열하여, 코어 영역(1O) 및 중간 영역(15)이 되는 영역을 선택적으로 고밀도화(투명화)했다.
이때, 이 코어 영역(10) 및 중간 영역(15)이 되는 영역은 고농도로 GeO2가 첨가되어 고밀도화 온도가 낮게 되어 있기 때문에, 가열에 의한 고밀도화 효과가 충분히 얻어진다. 한편, 제 1 클래드 영역(20)의 전구 영역은 순 SiO2 유리이기 때문에 고밀도화 온도가 높으며, 1400℃에서의 가열에서는 고밀도화되지 않고 유리 미립자체대로가 된다.
이 상태에서, 140O℃의 가열 온도에서 헬륨 및 F를 첨가하는 C2F6, SiF4, CF4 등의 가스의 혼합 분위기 중에 있어서 유리체를 가열하여, 고밀도화되어 있지 않은 제 1 클래드 영역(20)의 전구 영역에 1mol%의 첨가 농도로 F를 첨가하여 제 1 클래드 영역(20)을 형성한다.
여기서, 이렇게 유리 미립자체의 가열 소결 시에 F를 첨가할 경우, 통상의 방법에서는 클래드에 첨가되는 F가 코어 영역 내에도 침입해버린다. 이 때, 코어 영역의 굴절률이 저하함과 동시에, GeO나 Ge-F 화합물 등의 불순물이 발생하여 전송 손실이 열화한다는 문제를 초래한다. 이에 대해, 본 제조 방법에서는 코어 영역(10)의 외주 부분에 GeO2가 고농도로 첨가된 중간 영역(15)을 형성해 두고, 약간 저온에서의 가열에 의해 그들 영역을 선택적으로 고밀도화한다. 그 후에 F첨가를 행함으로써, F를 제 1 클래드 영역(2O)의 전구 영역에만 선택적으로 첨가할 수 있다.
얻어진 유리체의 외주 상에, 제 2 클래드 영역(30)이 되는 유리체를 형성하여, 광 파이버 모재를 작성했다. 여기서, 제 2 클래드 영역(30)에 대해서는 F가 0.3mol%의 첨가 농도로 첨가된 SiO2 유리로 했다. 또한, 각 영역의 외경 비는 (코어 직경)/(제 1 클래드 직경)=0.40, (제 2 클래드 직경)/(제 1 클래드 직경)=11.6으로 했다.
이상의 제조 방법 및 제조 조건에 의해 작성된 광 파이버 모재를 가열 인출하여, 도 7에 도시한 더블 클래드 구조의 광 파이버를 얻었다. 그 구성은 코어 영역(10)의 외경 2r1 = 4.3μm, 비굴절률차 △+ = 3.1%, 중간 영역(15)의 비굴절률차 △5 = 1.0%, 제 1 클래드 영역(20)의 외경 2r2 = 10.8μm, 비굴절률차 △- = -0.26%, 제 2 클래드 영역(30)의 외경 2r3 = 125μm이었다. 또한, 코어 영역(10)의 굴절률 분포(GeO2의 첨가 농도 분포)는 근사적으로 α 내지 3.0승의 분포였다.
또한, 파장 1.55μm인 광에 대한 제특성은
분산 = +0.98ps/km/nm,
분산 슬로프 = +0.035ps/km/nm2,
유효 단면적 Aeff = 10.2μm2,
컷오프 파장 λc = 1465nm,
영 분산 파장 = 1520nm,
전송 손실 = 0.49dB/km,
모드 필드 직경 = 3.64μm,
비선형 계수 γ = 21.5/W/km,
으로, 양호한 특성의 광 파이버(비선형성 광 파이버)가 얻어졌다.
상기한 광 파이버의 제특성은 파장 1.55μm인 광에 대한 이하의 특성 조건
11μm2 이하의 유효 단면적(Aeff),
2m의 파이버 길이로 0.7μm 이상 1.6μm 이하의 컷오프 파장(λc),
18/W/km 이상의 비선형 계수(γ)
를 만족하고 있다. 또한, 파장 1.55μm인 광에 대한 전송 손실은 3.0dB/km 이하 혹은 더욱이 1.0dB/km 이하의 특성 조건을 만족하고 있다.
이렇게, 더블 클래드 구조를 채용함으로써, 코어의 GeO2 농도를 높게 함과 동시에 유효 단면적(Aeff)을 작게 하고, 비선형 계수(γ)를 크게 한 경우라도, 적합한 컷오프 파장(λc)을 갖는 고 비선형성 광 파이버를 얻을 수 있다.
또한, 코어 영역(10)과, 제 2 클래드 영역(30)과의 비굴절률차(△+)에 대해서는 유효 단면적(Aeff)을 충분히 작게 하기 위해, △+를 2.7% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이렇게 큰 비굴절률차로 한 경우, 싱글 클래드 구조에서는 컷오프 파장(λc)이 길어지지만, 더블 클래드 구조에 의하면, 상기한 바와 같이 컷오프 파장(λc)을 충분히 짧게 할 수 있다.
본 발명에 의한 광 파이버(비선형성 광 파이버)가 적합한 구성 조건 및 그 제특성에 대해서 더욱 검토한다. 또한, 이하에 도시하는 광 파이버에서의 제특성중, 파장에 의존하는 것에 대해서는 특별히 거절하지 않는 한, 파장 1.55μm인 광에 대한 특성을 도시하고 있다.
우선, 상기한 구성의 광 파이버에 있어서의 전송 손실에 대해서 검토한다. 높은 비선형성을 갖는 광 파이버에서는 비선형 굴절률을 크게 하고 비선형성을 높이기 위해, 코어 중에 고농도로 GeO2가 첨가된다. 이때, 인출 시의 가열에 의해 전송 손실 열화를 초래하기 쉽다. 이러한 전송 손실 열화는 인출 시의 가열 온도를 저온으로 함으로써 억제할 수 있지만, 저온에서의 인출에서는 광 파이버의 인출 중에 과대한 장력이 인가되어버리기 때문에, 광 파이버가 파탄해버린다는 문제가 있다.
이에 대해, 도 1 및 도 7에 도시한 더블 클래드 구조의 광 파이버에 있어서는 광 파이버의 체적 대부분을 차지하는 제 2 클래드 영역(30)에 F(불소)를 첨가하는 것이 바람직하다. 이로써, 제 2 클래드 영역(30) 내의 연화 온도를 저하시킬 수 있기 때문에, 인출 온도를 낮게 하는 것이 가능해져, 전송 손실 열화가 억제된다.
이 전송 손실 저감에 대해서, 도 8a 및 도 8b의 굴절률 분포에 도시하는 구조를 갖는 2 종류의 광 파이버(A1, A2)를 시작했다.
광 파이버(A1)는 도 8a에 도시한 굴절률 분포를 사용하여, 코어 영역(10)을 포물선 형상의 분포 형상인 GeO2 첨가 SiO2(분포 형상 농도 30mol%), 제 1 클래드 영역(20)을 F첨가 SiO2(첨가 농도 1.6mol%), 제 2 클래드 영역(30)을 F첨가 SiO2(첨가 농도 0.9mol%)로서 작성했다.
또한, 광 파이버(A2)는 도 8b에 도시한 굴절률 분포를 사용하여, 코어 영역(10)을 포물선 형상의 분포 형상인 GeO2 첨가 SiO2(분포 형상 농도 30mol%), 제 1 클래드 영역(20)을 F첨가 SiO2(첨가 농도 1.6mol%), 제 2 클래드 영역(30)을 순 SiO2로서 작성했다.
또한, 광 파이버(A1, A2) 모두 인출 시의 선속을 300m/min로 하여, 장력 4N(4O0gw)으로 인출했다. 여기서, 광 파이버(A1)의 유리 표면에서의 최고 온도는 1900℃, 광 파이버(A2)의 유리 표면에서의 최고 온도는 2000℃로, 광 파이버(A1) 쪽이 저온에서의 인출이 가능했다.
얻어진 광 파이버(A1, A2)의 제특성을 도 9에 도시한다. 도 9의 표로부터 제 2 클래드 영역(30)에 F를 첨가한 광 파이버(A1) 쪽이 광 파이버(A2)보다도 전송 손실이 작고, 또한, 비선형 계수(γ)도 크게 되어 있는 것을 알 수 있다.
다음으로, 광 파이버에 있어서의 컷오프 파장(λc), 유효 단면적(Aeff) 및 비선형 계수(γ)에 대해서 검토한다. 높은 비선형성을 갖는 광 파이버에서는 상술한 바와 같이, 코어 중에 고농도로 GeO2를 첨가하여 비선형 굴절률을 크게 함과 동시에 유효 단면적(Aeff)을 작게 하는 것이 바람직하다. 이 때, 비선형 계수(γ)가 커지는 한편, 컷오프 파장(λc)이 길어져버린다. 이에 대해, 더블 클래드 구조의 광 파이버를 사용하면, 비선형 계수(γ)를 크게 함과 동시에, 컷오프 파장(λc)을 충분히 짧게 하는 것이 가능해진다.
또한, 4광파 혼합을 사용한 파장 변환에 비선형성 광 파이버를 적용할 경우에는 위상이 정합해야 하기 때문에, 파장 변환의 여기광 파장(λp)에 있어서의 분산치가 거의 영일 필요가 있다. 따라서, λp는 영 분산 파장 근방에 있는 것이 바람직하다. 파장(λs)의 신호광에 대해, 파장 변환된 변환광의 파장(λs')은
λs'=λp-(λs-λp)
가 된다. 예를 들면, 파장 1530nm 내지 1565nm인 WDM 신호광을 파장 1525nm인 여기광에 의해 일괄 파장 변환하면, 변환광 파장은 파장 1520nm 내지 1490nm인 범위가 된다. 컷오프 파장(λc)은 이들 신호광, 변환광 혹은 여기광, 증폭광 등의 파장을 고려하여 적합한 값으로 할 필요가 있다.
이 컷오프 파장(λc), 유효 단면적(Aeff) 및 비선형 계수(γ)에 대해서, 도 10a 및 도 10b의 굴절률 분포에 도시하는 구조를 갖는 4종류의 광 파이버(B1, B2, C1, C2)를 시작했다.
광 파이버(B1, B2)는 각각 도 10a에 도시한 굴절률 분포를 사용하여, 코어 영역(10)을 스텝 형상의 분포 형상인 GeO2 첨가 SiO2, 제 1 클래드 영역(20)을 F첨가 SiO2(첨가 농도 2.1mol%), 제 2 클래드 영역(3O)을 F첨가 SiO2(첨가 농도 0.9mol%)로 하여 작성했다. 코어 영역(10)에서의 GeO2 첨가 농도는 각각 다른 값으로 했다.
또한, 광 파이버(C1, C2)는 각각 도 10b에 도시한 굴절률 분포를 사용하여, 코어 영역(10)을 스텝 형상의 분포 형상인 GeO2 첨가 SiO2, 제 1 클래드 영역(20)을 F첨가 SiO2(첨가 농도 2.1mol%), 제 2 클래드 영역(30)을 순 SiO2로서 작성했다. 코어 영역(10)에서의 GeO2 첨가 농도는 각각 다른 값으로 했다.
더욱이, 비교를 위해, 싱글 클래드 구조의 광 파이버(D1 내지 D5)를 작성했다. 이들 광 파이버(D1 내지 D5)는 각각 도 11에 도시한 굴절률 분포에 의해 작성했다. 여기서, 부호(60)는 코어 영역을 또한, 부호(70)는 싱글 클래드 구조에 의한 클래드 영역을 도시하고 있다.
광 파이버(D1 내지 D5)는 각각 도 11에 도시한 굴절률 분포를 사용하여, 코어 영역(60)을 스텝 형상의 분포 형상인 GeO2 첨가 SiO2, 클래드 영역(70)을 F첨가 SiO2(첨가 농도 0.9mol%)로서 작성했다. 코어 영역(60)에서의 GeO2 첨가 농도는 각각 다른 값으로 했다. 또한, 코어 영역(60)의 비굴절률차(△+)는 클래드 영역(70)을 기준으로 하고 있다.
얻어진 광 파이버(B1, B2, C1, C2)의 비굴절률차(△+, △-) 및 파장 1550nm에서의 제특성을 도 12에, 또한, 비교용 광 파이버(D1 내지 D5)의 비굴절률차(△+) 및 제특성을 도 13에 각각 도시한다. 도 13의 표로부터 싱글 클래드 구조의 광 파이버(D1 내지 D5)에서는 코어 중의 GeO2 첨가 농도가 낮고 △+가 작을 때에는 유효 단면적(Aeff)가 크고, 비선형 계수(γ) 값도 작게 되어 있다. 또한, △+이 2.7% 이상이 되면, 컷오프 파장이 파장 1530nm 내지 1565nm인 WDM 신호광의 파장 1525nm인 여기광에 의한 일괄 파장 변환에서의 변환광 파장보다도 길어져 있다.
이에 대해, 도 12의 표로부터 더블 클래드 구조의 광 파이버(B1, B2, C1, C2)에서는 유효 단면적(Aeff)이 작고, 또한, 큰 비선형 계수(γ)가 얻어져 있다. 또한, 예를 들면 △+이 4.5%라도 컷오프 파장이 1469nm인(광 파이버(C2)) 등, 유효 단면적(Aeff)이 11μm2 이하로 작으며, 또한, 비선형 계수(γ) 값이 18/W/km 이상으로 클 때라도, 충분히 짧은 컷오프 파장이 실현되고 있다.
다음으로, 광 파이버에 있어서의 내 수소 특성에 대해서 검토한다. 코어 중의 GeO2가 고농도이면, 그 내 수소 특성이 열화하기 쉽다. 이에 대해, 광 파이버의 최외층이 되는 제 2 클래드 영역(3O) 외주부에 비정질 카본이나 실리콘 카바이드 등의 수분자나 수소 분자에 대한 차폐성을 갖는 물질을 주성분으로 하는 패치 코팅(도 1 및 도 7에 도시하는 패치 코팅(50)를 참조)를 설치하는 것이 바람직하다.
이 때, 광 파이버의 코어 영역 및 클래드 영역 내로의 수소 확산을 차단할 수 있다. 또한, 정피로 계수(static fatigue parameter)가 100 내지 160이 되어, 파탄 확률이 극히 작아진다. 이로써, 광 파이버의 장기적인 신뢰성을 향상하는 것이 가능해진다.
이상, 검토한 광 파이버(비선형성 광 파이버) 구성, 제조 방법 및 적합한 제조 조건에 근거하여, 본 발명의 광 파이버에 관련되는 광 파이버, E1 내지 E8 8종류의 광 파이버를 시작했다.
이들 광 파이버(E1 내지 E8)는 코어 영역(10)을 근사적으로 α 내지 3.0승의 굴절률 분포를 갖는 GeO2 첨가 SiO2, 제 1 클래드 영역(20)을 F첨가 SiO2, 제 2 클래드 영역(30)을 F첨가 SiO2 또는 순 SiO2로서 작성했다. 얻어진 광 파이버(E1 내지 E8)의 비굴절률차(△+, △-), 제 2 클래드 영역(30)의 F첨가 농도, 코어 영역(10) 및 제 1 클래드 영역(20)의 외경(2r1, 2r2) 및 그것에 의한 제특성을 도 14의 표에 도시한다. 또한, 도시한 특성 중, OH 흡수 전송 손실은 OH기 흡수에 의한 파장 1.38μm에서의 전송 손실 증가분(과잉 흡수 손실)을 도시하고 있다.
도 14의 표에 도시하는 광 파이버(E1 내지 E8)의 제특성은 어느 것도 파장 1.55μm인 광에 대한 이하의 특성 조건
11μm2 이하의 유효 단면적(Aeff),
2m의 파이버 길이로 0.7μm 이상 1.6μm 이하의 컷오프 파장(λc),
1.0dB/km 이하의 전송 손실,
0.3ps/√km 이하의 편파 모드 분산(PMD),
18/W/km 이상의 비선형 계수(γ),
를 만족하고 있다. 이렇게, 더블 클래드 구조를 채용함으로써, 코어의 GeO2 농도를 높게 함과 동시에 유효 단면적(Aeff)을 작게 하여, 비선형 계수(γ)를 크게 한 경우라도, 적합한 컷오프 파장(λc)을 갖는 고 비선형성 광 파이버를 얻을 수 있다. 또한, 편파 모드 분산이 작고, 또한 전송 손실이 낮은 고 비선형성 광 파이버가 얻어진다.
여기서, 파장 1.38μm인 광에 대한 OH기에 의한 과잉 흡수 손실에 대해서는 0.2dB/km 이하인 것이 바람직하다. 도 14에 도시한 광 파이버(E1 내지 E8)는 어느 것도 이 특성 조건을 만족하고 있다.
예를 들면 광 파이버 내의 소정 부위에 응력 부여부를 설치하면, 편파면 유지 광 파이버가 얻어진다. 도 15에, 그러한 편파면 유지 광 파이버인 광 파이버의 다른 실시예의 단면 구조를 도시한다. 이 광 파이버에 있어서는 코어 영역(10)을 삽입하는 좌우 양측에 B203 첨가 SiO2로 이루어지는 응력 부여부(40)가 각각 형성되어 있다. 이러한 구성의 편파면 유지 광 파이버에서는 응력 부여부(40)가 손실 요인이 되어 전송 손실이 열화하는 경우가 있지만, 직교 편파간 렌덤 커플링을 억제할 수 있다. 이로써, 전송되는 신호광 품질을 양호하게 유지하는 것이 가능해진다.
이러한 구성으로 이루어지는 광 파이버 제조 방법은 도 1에 도시한 구성으로 이루어지는 광 파이버에 대해서 상술한 제조 방법과 거의 동일하지만, 제 5 공정에 있어서 중간 유리 로드의 외주 상에 제 2 클래드 영역(30)이 되는 유리체를 형성한 것을 그대로 광 파이버 모재으로 하지 않고, 이것을 제 3 중간 유리체로 하여, 더욱 가공을 행한다.
즉, 얻어진 제 3 중간 유리체의 제 1 클래드 영역 또는 제 2 클래드 영역에 개공하여 개공부를 형성한다. 그리고, 그 개공부 내에 응력 부여부(40)가 되는 유리 로드를 삽입하여 광 파이버 모재를 작성한다. 이 광 파이버 모재를 가열 인출함으로써, 응력 부여부(40)를 갖는 구성으로 이루어지는 광 파이버가 얻어진다.
상기한 제조 방법에 대해서, 그 일례를 설명한다. 여기서는 코어용 유리 로드에 대해서는 코어 내의 굴절률 분포 형상을 거의 포물선 형상으로 하고, GeO2 첨가 농도를 최대 3Omol%로 했다. 또한, 가열 일체화 시의 코어용 유리 로드의 외경은 8mm였다. 한편, 제 1 클래드용 유리 파이프에 대해서는 제 1 클래드 내의 굴절률 분포 형상을 거의 스텝 형상으로 하고, F첨가 농도를 최대 1.5mol%로 했다.
또한, 가열 일체화 시의 제 1 클래드용 유리 파이프 외경은 32mm, 내경은 9mm였다. 얻어진 제 1 클래드용 유리 파이프는 SF6을 300cm3/min, Cl2를 2O0cm3/min, 가열 온도 1500℃(파이로스코프로 측정한 유리 표면의 최고 온도)에서 에칭하여 표면을 평활하게 했다.
가열 일체화 전의 베이킹에 대해서는 Cl2를 500cm3/min, 가열 온도 1500℃에서 베이킹을 행했다. 가열 일체화 시의 파이프 내의 분위기 가스는 염소 2O0cm3/min, 산소 30Ocm3/min로 하여, 파이프 내의 감압도는 1kPa로 했다.
또한, 가열 일체화에 대해서는 가열 온도를 1700℃, 제 1 클래드용 유리 파이프의 내주 표면 거칠기를 3μm 이하, 코어용 유리 로드의 외주 표면 거칠기를 2μm 이하, 코어용 유리 로드에 있어서의 외주 표면으로부터 두께 2μm 이내 영역에서의 GeO2 농도의 최대치를 3mol%로 하는 조건을 적용하여 가열 일체화를 행하여, 기포 없는 외경 30mm인 중간 유리 로드(제 1 중간 유리 로드)를 얻었다.
그리고, 그 제 1 중간 유리 로드를 외경 9mm까지 연신한 후, 그 외주부를 외경 6mm까지 HF 용액에 의해 연삭하여, (코어 직경)/(제 1 클래드 직경)=0.40으로 조정했다. 또한, 이 제 1 중간 유리 로드와는 별도로 제 2 클래드 영역(30)의 내주 측 부분이 되는 제 2 클래드용 유리 파이프를 작성했다. 이 제 2 클래드용 유리 파이프는 거의 순 SiO2로 외경 32mm, 내경 9mm의 SiO2 유리 파이프로 했다. 그리고, 제 2 클래드용 유리 파이프 내에 제 1 중간 유리 로드를 삽입하고, 가열 일체화하여, 외경 30mm의 제 2 중간 유리 로드를 얻었다.
다음으로, 얻어진 제 2 중간 유리 로드의 외주 상에, 제 2 클래드 영역(30)의 외주 측 부분이 되는 유리체를 제 2 클래드용 유리 파이프와 동일한 거의 순 SiO2의 SiO2 유리로서, VAD법 또는 OVD법에 의해 합성하여, 제 3 중간 유리체를 작성했다. 여기서, (제 2 클래드 직경)/(제 1 클래드 직경) = 1O.8로 했다.
더욱이, 이 제 3 중간 유리체를 외경 36mm까지 연신했다. 이 때, 연신 후의 제 3 중간 유리체의 코어 영역(10) 부분의 외경은 1.3mm, 제 1 클래드 영역(20) 부분의 외경은 3.3mm였다. 이 제 3 중간 유리체의 제 2 클래드 영역(30) 부분에 도 15에 도시하는 응력 부여부(40)가 되는 2개의 개공부를 형성했다. 이들 개공부는 2개 개공부의 중심원끼리의 거리를 15.2mm, 각각의 개공부 외경을 10mm로 했다. 또한, 2개의 개공부 각각의 중심, 코어 영역(10) 및 제 1 클래드 영역(2O)의 중심은 거의 일직선 상이 되도록 했다.
형성된 개공부의 내주 표면 거칠기가 2μm 이하가 되기까지 연마하여, 연마재나 연삭 찌꺼기 등의 이물을 제거하도록, 물, 알코올, 왕수로 세정했다. 그리고, 응력 부여부(40)가 되는 유리 로드로서, 외경 9mm인 B203 첨가 SiO2 유리 로드를 개공부에 삽입하고 봉지하여 광 파이버 모재를 작성했다.
이상의 제조 방법 및 제조 조건에 의해 작성된 광 파이버 모재를 가열 인출하여, 도 15에 도시한 구조의 광 파이버를 얻었다. 여기서, 개공부에 삽입된 유리 로드는 인출 시의 가열에 의해 클래드 영역과 일체화되어, 응력 부여부(40)가 된다. 얻어진 광 파이버 구성은 코어 영역(10)의 외경 2r1 = 4.6μm, 비굴절률차 △+ = 3.0%, 제 1 클래드 영역(20)의 외경 2r2 = 11.6μm, 비굴절률차 △- = -0.5%, 제 2 클래드 영역(30)의 외경 2r3 = 125μm이었다.
또한, 파장 1.55μm인 광에 대한 제특성은
분산 = +0.01ps/km/nm,
분산 슬로프 = +0.O42ps/km/nm2,
유효 단면적 Aeff = 10.6μm2,
컷오프 파장 λc = 1349nm,
영 분산 파장 = 1550nm,
전송 손실 = 1.5dB/km,
모드 필드 직경 = 3.75μm,
비선형 계수 γ = 20.2/W/km,
편파간 크로스토크 = -20dB(파이버 길이 1km)
로, 양호한 특성의 광 파이버(비선형성 광 파이버)가 얻어졌다.
이러한 구성을 갖는 광 파이버로서, 본 발명의 광 파이버에 관련되는 광 파이버(F1 내지 F3)의 3종류의 광 파이버를 더욱 시작했다.
이들 광 파이버(F1 내지 F3)는 광 파이버(E1 내지 E8)와 마찬가지로, 코어 영역(10)을 근사적으로 α 내지 3.0승의 굴절률 분포를 갖는 GeO2 첨가 SiO2, 제 1 클래드 영역(20)을 F첨가 SiO2, 제 2 클래드 영역(30)을 F첨가 SiO2 또는 순 SiO2로서 작성했다. 얻어진 광 파이버(F1 내지 F3)의 비굴절률차(△+, △-), 제 2 클래드 영역(30)의 F첨가 농도, 코어 영역(10) 및 제 1 클래드 영역(20)의 외경(2r1, 2r2) 및 그것에 의한 제특성을 도 16의 표에 도시한다. 또한, 도시한 특성 중, OH 흡수 전송 손실은 OH기 흡수에 의한 파장 1.38μm에서의 전송 손실 증가분(과잉 흡수 손실)을 도시하고 있다.
도 16의 표에 도시하는 광 파이버(F1 내지 F3)의 제특성은 어느 것도 파장 1.55μm인 광에 대한 이하의 특성 조건
11μm2 이하의 유효 단면적(Aeff),
2m인 파이버 길이로 O.7μm 이상 1.6μm 이하인 컷오프 파장(λc),
3.0dB/km 이하의 전송 손실,
-15dB 이하의 편파간 크로스토크,
18/W/km 이상의 비선형 계수(γ),
를 만족하고 있다. 이렇게, 더블 클래드 구조를 채용함으로써, 코어의 GeO2 농도를 높게 함과 동시에 유효 단면적(Aeff)을 작게 하고, 비선형 계수(γ)를 크게 한 경우라도, 적합한 컷오프 파장(λc)을 갖는 고 비선형성 광 파이버를 얻을 수 있다. 또한, 고 비선형성 편파면 유지 광 파이버가 얻어진다.
여기서, 파장 1.38μm인 광에 대한 OH기에 의한 과잉 흡수 손실에 대해서는 0.2dB/km 이하인 것이 바람직하다. 도 16에 도시한 광 파이버(F1 내지 F3)는 어느 것도 이 특성 조건을 만족하고 있다.
상기한 구성 및 제특성을 갖는 광 파이버에 있어서, 소정 파장의 광을 입력함으로써 발현되는 비선형 광학 현상을 이용함으로써, 높은 비선형성이 적극적으로 이용됨과 동시에, 컷오프 파장(λc) 등에 대해서 양호한 특성을 갖는 비선형성 광 파이버가 얻어진다. 이러한 비선형성 광 파이버는 비선형 광학 현상을 이용하는 각종 광 디바이스에 대해 적용하는 것이 가능하다.
여기서, 상기 구성의 광 파이버를 비선형성 광 파이버로서 사용하는 광 증폭기나 파장 변환기 등의 광 디바이스에서는 광 파이버를 코일화하여 수용함으로써 광 디바이스를 모듈화한 광 모듈(예를 들면 광 증폭기 모듈이나 파장 변환기 모듈) 구성이 사용되는 경우가 있다. 이러한 경우에는 광 파이버의 굴곡에 대한 강도나 굴곡 손실 변화를 포함하는 굴곡 특성 등의 제특성에 대해서, 모듈화에 적합하도록 광 파이버 특성을 유지할 필요가 있다.
이에 대해, 광 파이버 구성으로서는 광 파이버의 유리부 외경을 100μm 이하로 하는 것이 바람직하다. 또는, 유리부 외경을 더욱이 90μm 이하로 하는 것이 바람직하다. 이렇게, 유리부 외경을 가는 직경으로 함으로써, 유리부 외주에 설치되는 피복부를 가는 직경으로 한 경우에 있어서도, 굴곡에 대한 강도도 포함시켜 충분한 강도의 광 파이버로 할 수 있다.
예를 들면, 광 파이버의 굴곡에 대한 강도에 대해서 생각하면, 코일화하여 광 모듈 내에 수용하기 위해 광 파이버를 굴곡한 경우, 광 파이버의 유리부 내의 각 부에 굴곡 응력이 발생한다. 이 굴곡 응력은 광 파이버의 굴곡에 대한 강도에 의해, 광 파이버의 파탄 등의 원인이 된다.
구체적으로는 광 파이버를 굴곡하여 코일 형상으로 감은 경우, 광 파이버의 유리부 중심 부위(중심 축 근방)에서는 발생하는 굴곡 응력은 거의 영이다. 이에 대해, 광 파이버 코일의 직경 방향에 대해서 내측이 되는 부위에서는 중심 부위에 비해 굴곡 직경이 작아지기 때문에 유리부 내에 압축 응력이 생긴다. 한편, 광 파이버 코일의 직경 방향에 대해서 외측이 되는 부위에서는 중심 부위에 비해 굴곡 직경이 커지기 때문에 유리부 내에 인장 응력이 생긴다. 그리고, 이들 압축 응력 및 인장 응력 크기는 어느 것도 유리부의 중심 부위로부터의 거리가 커짐에 따라서 커진다.
이에 대해, 유리부 외경을 가는 직경으로 한 상기 구성의 광 파이버에 의하면, 코일의 직경 방향에 대해서 가장 내측 또는 외측에 위치하는 유리부 부위의 중심 부위로부터의 거리가 작아져, 광 파이버의 유리부 내에 발생하는 응력 크기가 저감된다. 이로써, 광 파이버의 굴곡에 대한 강도가 향상되어, 코일화했을 때의 광 파이버 응력에 의한 파탄이 방지된다.
또한, 상술한 고 비선형성을 갖는 더블 클래드 구조의 광 파이버에서는 그 유효 단면적(Aeff)을 작게 하고 있는 것 등에 의해, 유리부를 전송하는 광의 전자계 분포 확대가 작다. 또한, 이러한 광 파이버에서는 일반적으로 개구수(NA)가 크다. 이 때문에, 상기 광 파이버에서는 그 굴곡 손실은 작고, 또한, 유리부 외경을 가는 직경으로 함으로써 전송 손실에의 영향도 작다. 따라서, 굴곡에 대해 충분한 강도를 가짐과 동시에, 굴곡 손실이 저감되어, 양호한 굴곡 특성을 갖는 광 파이버가 얻어진다.
또한, 광 파이버의 유리부란 광 파이버 외주에 설치되는 수지제 피복부 등을 제외한 코어 영역, 제 1 클래드 영역 및 제 2 클래드 영역을 포함하는 부분을 말한다. 예를 들면, 도 1 및 도 7에 도시한 광 파이버에서는 코어 영역(10), 제 1 클래드 영역(20) 및 제 2 클래드 영역(3O)으로 이루어지는 부분이 유리부로 되어 있다. 또한, 제 2 클래드 영역 외주에 더욱이 유리제 다른 클래드 영역을 설치한 경우에는 그 클래드 영역도 포함하는 부분이 유리부가 된다.
또한, 유리부 외주에 설치되는 피복부에 대해서는 피복부 외경을 150μm 이하로 하는 것이 바람직하다. 또는, 피복부 외경을 더욱이 120μm 이하로 하는 것이 바람직하다. 이렇게, 피복부 외경을 가는 직경으로 함으로써, 상술한 바와 같이 광 파이버를 코일화하여 광 모듈 내에 수용할 경우에, 광 모듈을 소형화할 수 있다. 또한, 동일 사이즈의 광 모듈이면, 보다 긴 광 파이버를 코일화하여 광 모듈 내에 수용할 수 있다.
또한, 비선형성 광 파이버로서 광 디바이스에 적용한 경우의 광 파이버 특성에 대해서 생각하면, 파장 1.00μm인 광에 대한 특성에 있어서, 전송 손실이 5.0dB/km 이하인 것이 바람직하다. 또는, 전송 손실이 더욱 3.0dB/km 이하인 것이 바람직하다.
이렇게 단파장 측에서의 전송 손실을 낮게 함으로써, 라만 증폭에서의 여기 광 파장에 있어서의 전송 손실이 저감되는 등, 비선형성 광 파이버로서 광 디바이스에 적용하는 데 있어서 양호한 특성을 갖는 광 파이버로 할 수 있다.
예를 들면, MCVD법으로 고농도 GeO2 첨가 SiO2 유리를 합성하여, 비굴절률차(△n)가 큰 광 파이버를 작성하고자 하면, 유리 결함이 많기 때문에 전송 손실이 열화한다. 이러한 경향은 특히 단파장 측에서 현저해진다. 이에 대해, 상술한 광 파이버 구성 및 그 제조 방법에 의하면, 단파장 측에서의 전송 손실이 충분히 저감된 광 파이버를 얻을 수 있다. 또한, 이러한 광 파이버에서는 레일레이 산란 계수가 낮아지기 때문에, 라만 증폭 시에 발생하는 2중 레일레이 산란에 의한 신호의 노이즈를 억제할 수 있다.
이상의 조건을 고려하여, 도 1에 도시한 더블 클래드 구조를 갖는 광 파이버를 작성했다. 그 구성은 코어 영역(10) 외경 2r1 = 4.6μm, 비굴절률차 △+ = 3.2%, 제 1 클래드 영역(20)의 외경 2r2 = 13.1μm, 비굴절률차 △- = -0.50%, 제 2 클래드 영역(30)의 외경(광 파이버의 유리부 외경) 2r3 = 110μm이었다. 여기서, 제 2 클래드 영역(30)에의 F첨가 농도는 O.6mol%이었다. 또한, 광 파이버를 외주로부터 피복하는 피복부 외경은 150μm이었다.
또한, 파장 1.55μm인 광에 대한 제특성은
분산 = -0.64ps/km/nm,
분산 슬로프 = +0.O42ps/km/nm2,
유효 단면적 Aeff = 10.0μm2,
컷오프 파장 λc = 1396nm,
영 분산 파장 = 1565nm,
전송 손실 = 0.70dB/km,
비선형 계수 γ = 22.2/W/km,
편파 모드 분산 PMD = 0.05ps/√km
으로, 양호한 특성의 광 파이버(비선형성 광 파이버)가 얻어졌다.
본 실시예의 광 파이버를 파이버 길이 1.0km이고, 직경 ψ6Omm인 보빈에 감음으로써 코일화하여 모듈화했다. 이러한 광 파이버에 있어서의 전송 손실의 파장 의존성을 도 17에 도시한다. 여기서, 도 17의 그래프에 있어서, 가로 축은 광 파이버를 전송되는 광 파장(λ)(nm), 세로 축은 각 파장에서의 전송 손실(dB/km)을 도시하고 있다.
이 그래프에 도시되어 있는 바와 같이, 본 광 파이버를 사용함으로써, 장파장 영역에서도 전송 손실이 열화하지 않는 양호한 광 모듈을 작성할 수 있다. 이러한 광 파이버는 예를 들면, 파장 1565nm인 여기광을 공급하여, 파장 대역이 C밴드의 신호광을 L밴드에, 또는 파장 대역이 L밴드인 신호광을 C밴드에 파장 변환하는 파장 변환기 모듈에 있어서 사용할 수 있다. 또는, 신호광보다도 단파장인 여기광을 공급함으로써 신호광을 광 증폭하는 라만 증폭기 모듈에 있어서 사용할 수 있다.
또한, 이 광 파이버는 도 1에 관해서 상술한 광 파이버 제조 방법에 근거하여 작성한 것이지만, 파장 1.00μm인 광에 대한 전송 손실이 3.4dB/km로 되어 있다. 이것은 5.0dB/km 이하의 조건을 만족하는 낮은 값이다. 이렇게 단파장 측에서의 전송 손실이 낮은 광 파이버에 의하면, 신호광보다도 단파장 측에 있는 라만 증폭에서의 여기광 파장에 있어서의 전송 손실이 저감된다. 또한, 이러한 광 파이버에서는 레일레이 산란 계수가 낮아지기 때문에, 2중 레일레이 산란에 의해 발생하는 노이즈를 억제할 수 있다.
또한, 다른 광 파이버로서, 도 1에 도시한 더블 클래드 구조를 갖는 광 파이버를 작성했다. 그 구성은 코어 영역(10)의 외경 2r1 = 2.5μm, 비굴절률차 △+ = 2.9%, 제 1 클래드 영역(2O)의 외경 2r2 = 10.0μm, 비굴절률차 △- = -0.50%, 제 2 클래드 영역(30)의 외경(광 파이버의 유리부 외경) 2r3 = 89μm이었다. 여기서, 제 2 클래드 영역(30)에의 F첨가 농도는 0.6mol%이었다. 또한, 광 파이버를 외주로부터 피복하는 피복부 외경은 1,115μm이었다.
또한, 파장 1.55μm인 광에 대한 제특성은
분산=-110.6ps/km/nm,
분산 슬로프 = -10.408ps/km/nm2,
유효 단면적 Aeff = 10.6μm2,
컷오프 파장 λc = 729nm,
전송 손실 = 0.52dB/km,
비선형 계수 γ = 20.0/W/km,
편파 모드 분산 PMD = 0.03ps/√km
으로, 양호한 특성의 광 파이버(비선형성 광 파이버)가 얻어졌다.
이 광 파이버는 음의 분산 및 분산 슬로프를 갖고 있다. 이로써, 본 광 파이버는 1.3μm대에 영 분산 파장이 있는 싱글 모드 광 파이버 분산 및 분산 슬로프 양자를 1.55μm대에서 보상하는 것이 가능한 고 비선형성 광 파이버로 되어 있다.
또한, 이 광 파이버에서는 그 유리부 외경이 10Oμm 이하 혹은 더욱이 90μm 이하의 조건을 만족하는 가는 직경의 외경치 89μm으로 되어 있다. 또한, 피복부 외경이 150μm 이하 혹은 더욱이 120μm 이하인 조건을 만족하는 가는 직경의 외경치 115μm으로 되어 있다. 이로써, 코일화할 때의 굴곡 특성이 양호한 광 파이버로 되어 있다.
본 실시예의 광 파이버를 파이버 길이 7.7km으로 코일화하여 모듈화했다. 단, 광 파이버 코일화에 있어서는 광 파이버를 보빈에 감는 것이 아니라, 도 18에 광 파이버 코일 구성을 도시하는 바와 같이, 광 파이버(F)를 보빈에 감지 않고 코일 형상으로 하여, 그 코일 형상의 파이버 묶음을 피복 수지(R)로 덮은 구성을 사용했다.
이러한 구성에 의하면, 광 파이버를 감기 위한 보빈이 없기 때문에 권장력이 발생하지 않고, 또한, 파이버 묶음 전체를 수지로 덮고 있기 때문에 광 파이버의 자체 무게에 의한 왜곡 문제도 없다. 따라서, 마이크로 밴드에 의한 전송 손실 열화를 대폭 억제하는 것이 가능하다.
이러한 광 파이버에 있어서의 전송 손실의 파장 의존성을 도 19에 도시한다. 여기서, 도 19의 그래프에 있어서, 가로 축은 광 파이버를 전송되는 광 파장(λ)(nm), 세로 축은 각 파장에서의 전송 손실(dB/km)을 도시하고 있다.
이 그래프에 도시되어 있는 바와 같이, 본 광 파이버 및 상기한 광 파이버 코일 구성을 사용함으로써, 장파장 영역에서도 전송 손실이 열화하지 않는 양호한 광 모듈을 작성할 수 있다. 또한, 광 파이버의 온도 특성에 대해서는 전송 특성이 가장 온도 변동 영향을 받는 파장 1620nm인 광에 대해, -40℃ 내지 +80℃ 온도 범위에서, 전송 손실 변동이 ±0.01dB/km 이하가 되어, 양호한 온도 특성이 얻어졌다. 한편, 종래의 보빈에 감는 형상에서는 보빈의 열 팽창에 의해 광 파이버에 가해지는 권장력이 변화해버리기 때문에, 장파장 측 온도 특성에 불량이 발생하기 쉬웠다.
또한, 상기 광 파이버는 도 1에 관해서 상술한 광 파이버 제조 방법에 근거하여 작성한 것이지만, 파장 1.0Oμm인 광에 대한 전송 손실이 2.1dB/km로 되어 있다. 이것은 5.OdB/km 이하 혹은 더욱이 3.0dB/km 이하인 조건을 만족하는 낮은 값이다. 이렇게 단파장 측에서의 전송 손실이 낮은 광 파이버에 의하면, 신호광보다도 단파장 측에 있는 라만 증폭에서의 여기광 파장에 있어서의 전송 손실이 저감된다. 또한, 이러한 광 파이버에서는 레일레이 산란 계수가 낮아지기 때문에, 2중 레일레이 산란에 의해 발생하는 노이즈를 억제할 수 있다.
또한, 본 광 파이버에 의하면, 1.3μm대에 영 분산 파장이 있는 파이버 길이 50km의 싱글 모드 광 파이버의 분산 및 분산 슬로프를 1.55μm대에서 보상하는 것이 가능하다.
더욱이, 다른 광 파이버로서, 도 1에 도시한 더블 클래드 구조를 갖는 광 파이버를 작성했다. 그 구성은 코어 영역(10)의 외경 2r1 = 2.2μm, 비굴절률차 △+ = 3.2%, 제 1 클래드 영역(20)의 외경 2r2 = 8.8μm, 비굴절률차 △- = -0.60%였다. 여기서, 제 2 클래드 영역(30)에의 F첨가 농도는 0.6mol%였다.
또한, 파장 1.55μm인 광에 대한 제특성은
분산 = -205.7ps/km/nm,
분산 슬로프 = -1.35ps/km/nm2,
유효 단면적 Aeff = 10.1μm2,
컷오프 파장 λc = 707nm,
전송 손실 = 0.51dB/km,
비선형 계수 γ = 21.7/W/km,
편파 모드 분산 PMD = 0.01ps/√km
로, 양호한 특성의 광 파이버(비선형성 광 파이버)가 얻어졌다.
또한, 이 광 파이버는 파장 1.50μm인 광에 대해, 이하의 제특성
분산 = -147.4ps/km/nm,
분산 슬로프 = -O.696ps/km/nm2,
유효 단면적 Aeff = 8.6μm2,
전송 손실 = 0.58dB/km,
비선형 계수 γ = 24.O/W/km,
편파 모드 분산 PMD = O.01ps/√km
를 갖는다.
이 광 파이버는 음의 분산 및 분산 슬로프를 갖고 있다. 이로써, 본 광 파이버는 1.3μm대에 영 분산 파장이 있는 싱글 모드 광 파이버 분산 및 분산 슬로프 양자를 1.50μm대에서 보상하는 것이 가능한 고 비선형성 파이버로 되어 있다. 따라서, 예를 들면, 1.4Oμm대 파장의 여기광을 공급하여, 라만 증폭용 광 파이버로서 사용하는 것이 가능하다.
다음으로, 상술한 구성 및 제특성을 갖는 광 파이버를 비선형성 광 파이버로서 적용하는 것이 가능한 광 디바이스(또는 그것을 모듈화한 광 모듈) 예로서, 광 증폭기인 라만 증폭기 및 파장 변환기에 대해서 설명한다.
도 20은 본 발명에 의한 라만 증폭기의 일 실시예를 도시하는 구성도이다. 본 라만 증폭기(1O0)는 입력되는 파장(λs)의 신호광을 광 증폭하는 것으로, 상술한 광 파이버를 비선형성 광 파이버로서 적용한 라만 증폭용 광 파이버(110)(컷오프 파장(λc))와, 소정 파장(λp)의 여기광을 라만 증폭용 광 파이버(110)로 공급하는 여기 광원(150)을 구비하고 구성되어 있다.
여기 광원(150)은 라만 증폭용 광 파이버(110) 하류 측에 있는 광 합파부(160)를 통해 라만 증폭기(100) 내의 광 전송로에 접속되어 있다. 이로써, 본 라만 증폭기(100)는 후방 여기(역방향 여기)의 광 증폭기로서 구성되어 있다. 이로써, 입력된 신호광은 라만 증폭용 광 파이버(110)에 있어서 발현되는 비선형 광학 현상인 유도 라만 효과를 이용하여 광 증폭되어, 증폭광으로서 출력된다.
이러한 라만 증폭기는 EDFA 등의 광 증폭기와는 달리, 증폭되는 파장 대역을 선택하지 않고, SiO2계 광 파이버이면 증폭 파장 대역도 100nm 정도로 넓기 때문에, 광대역의 WDM 전송에서의 광 증폭에 적합하다. 또한, 여기광 파장(λp)으로서는 신호광 파장(λs)보다도 짧은 파장이 사용된다. 예를 들면, 파장 1.55μm대의 신호광을 광 증폭하는 것이면, 파장 1.45μm 정도의 여기광이 사용된다.
라만 증폭기(1O0)에 적용한 라만 증폭용 광 파이버(110)에서는 WDM 신호를 일괄하여 광 증폭할 경우에는 4광파 혼합이 발생하지 않도록, 파장(λs)의 신호광에 대한 분산치를 +2ps/km/nm 이상 또는 -2ps/km/nm 이하로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 파장 1.55μm대의 신호광에 대해서는 도 14의 광 파이버(E1, E2) 등이 적합하다.
분산치가 양인 경우, 코어 영역(10)의 외경(2r1)을 크게 할 필요가 있기 때문에, 컷오프 파장(λc)이 약간 길어진다. 이에 대해, 더블 클래드 구조로 한 상기 광 파이버에서는 1.45μm 정도의 여기광 파장(λp)보다도 컷오프 파장(λc)을 짧게 하는(λc<λp) 것이 가능하다. 이렇게, λc<λp로 함으로써, 싱글 모드에서 고효율로 광 증폭을 행할 수 있다.
또한, 분산치가 양 및 음인 비선형성 광 파이버를 조합하면, 전체적으로 분산이 영이 되도록 라만 증폭기를 구성하는 것이 가능해진다. 그러한 라만 증폭기의 구성예를 도 21에 도시한다.
본 라만 증폭기(200)는 도 20에 도시한 라만 증폭기(100)와 동일한 구성을 갖지만, 라만 증폭용 광 파이버(110)를 분산치가 음(예를 들면 -2ps/km/nm 이하)인 비선형성 광 파이버로 함과 동시에, 라만 증폭용 광 파이버(110)와 광 합파부(160) 사이에 분산치가 양(예를 들면 +2ps/km/nm 이상)인 라만 증폭용 광 파이버(120)를 직렬 접속하고 있다. 이러한 구성에 의하면, 출력되는 증폭 광 분산을 거의 영으로 할 수 있다.
또한, S밴드라 불리는 파장 1.45μm 내지 1.53μm대의 신호광은 EDFA에서는 광 증폭할 수 없지만, 여기되는 파장 대역을 선택하지 않는 라만 증폭기이면, 파장(λs)이 1.45μm 이상 1.53μm 이하인 신호광에 대해서도 광 증폭이 가능하다. 또한, 상기한 바와 같이 더블 클래드 구조에서는 예를 들면 도 14의 광 파이버(E5)와 같이 컷오프 파장(λc)을 짧게 할 수 있기 때문에, S밴드 신호광의 광 증폭에 대해서도 적합하게 적용하는 것이 가능하다. 광 파이버(E5)의 파장 1.40μm에서의 분산치는 -6.1ps/km/nm로 적합한 범위이다.
또한, 광 전송로의 분산치가 사용되는 신호광 파장 대역 내에서 양인 경우, 라만 증폭기에 사용하는 라만 증폭용 광 파이버 분산치를 음으로 해 두면, 광 증폭기와 동시에 양의 분산치를 갖는 전송로의 분산 보상기로서도 사용할 수 있다. 이 때, 파장(λs)의 신호광에 대한 분산치가 -10ps/km/nm 이하이면 분산 보상량도 커, 분산 보상기로서도 특히 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 이 때, 유효 단면적(Aeff)을 10μm2 이하로 하는 것이 바람직하다.
더욱이, 더블 클래드 구조를 갖는 비선형성 광 파이버에서는 예를 들면 도 14의 광 파이버(E3, E4) 및 도 16의 광 파이버(F1)와 같이, 신호광 파장에 있어서 분산 슬로프를 음의 값(0ps/km/nm2보다도 작은 값)으로 할 수 있다. 이 경우, 양의 분산과 양의 분산 슬로프를 갖는 전송로 분산과 동시에 분산 슬로프도 보상하는 것이 가능해진다. 따라서, WDM 전송에 있어서 적합하다.
여기서, 고효율에서의 라만 증폭을 실현하기 위해서는 라만 증폭기에 사용되는 비선형성 광 파이버에 있어서, 여기광 파장(λp)에서의 비선형성이 높은 편이 바람직하다. 또한, 비선형 효과에 의한 전송 품질 열화를 방지하기 위해서는 신호광 파장(λs)에서의 비선형성이 낮은 편이 바람직하다.
비선형성에 대한 이러한 특성 조건을 실현하기 위해, 광 증폭기에 사용되는 비선형성 광 파이버는 여기광 파장(λp)에 있어서의 유효 단면적(Aeff, p)과, 파장(λp + 0.1μm)에 있어서의 유효 단면적(Aeff, s)이 관계식
(Aeff, s - Aeff, p)/Aeff, p × 100 ≥ 10%
를 만족하며, 유효 단면적(Aeff, s)이 유효 단면적(Aeff, p)에 비해 1O% 이상 큰 구성으로 되어 있는 것이 바람직하다.
여기광 파장(λp)에 0.1μm을 가한 파장(λp+0.1μm)은 라만 증폭기에 있어서 광 증폭되는 신호광 파장(λs)에 상당한다. 따라서, 상기한 관계식을 만족하는 특성 조건에 의하면, 유효 단면적(Aeff, p)을 작게 함으로써, 여기광에 대한 파장(λp)에서의 비선형성을 높여, 광 증폭 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 유효 단면적(Aeff, s)을 크게 함으로써, 신호광에 대한 파장(λp+0.1μm)에서의 비선형성을 낮게 하여, 신호광의 전송 품질 열화를 억제할 수 있다.
예를 들면, 자기 위상 변조에 의한 위상 시프트량(phase shift value)은 유효 단면적의 역수에 비례한다. 따라서, 신호광 파장(λs 내지 λP+0.1μm)에서의 유효 단면적(Aeff, s)이 여기광 파장(λp)에서의 유효 단면적(Aeff, p)보다도 1O% 크면, 위상 시프트량은 10% 작아진다.
이 유효 단면적(Aeff)의 특성 조건을 고려하여, 도 1에 도시한 더블 클래드 구조를 갖는 광 파이버를 작성했다. 그 구성은 코어 영역(10)의 외경 2r1 = 3.1μm, 비굴절률차 △+ = 3.4%, 제 1 클래드 영역(2O)의 외경 2r2 = 8.8μm, 비굴절률차 △- = 10.15%였다. 여기서, 제 2 클래드 영역(30)에의 F첨가 농도는 1.1mol%였다.
또한, 파장 1.55μm인 광에 대한 제특성은
분산 = -49.0ps/km/nm,
분산 슬로프 = +0.005ps/km/nm2,
유효 단면적 Aeff = 8.4μm2,
컷오프 파장 λc = 1O60nm,
전송 손실 = O.54dB/km,
비선형 계수 γ = 23.4/W/km,
편파 모드 분산 PMD = O.02ps/√km
이었다.
도 22에, 본 실시예의 광 파이버에 있어서의 유효 단면적(Aeff)의 파장 의존성을 도시한다. 여기서, 도 22의 그래프에 있어서, 가로 축은 광 파이버를 전송되는 광 파장(λ)(nm), 세로 축은 각 파장에서의 유효 단면적(Aeff)(μm2)을 도시하고 있다. 이 그래프에 도시되어 있는 바와 같이, 본 광 파이버에서는 유효 단면적(Aeff)이 파장(λ)이 길어짐과 동시에 커진다.
예를 들면, 신호광 파장 λs = 1.50μm에 대해, 파장 λp = 1.40μm인 여기광을 사용한 경우, 신호광 및 여기광에 대한 유효 단면적은 각각,
신호광 : Aeff, s = 7.85μm2
여기광 : Aeff, p = 6.93μm2
으로 되어 있다. 이 때, 파장(λs 및 λp)에서의 유효 단면적 차이는
(Aeff, s - Aeff, p)/Aeff, p ×100 = 13.3%
이다.
또한, 신호광 파장 λs = 1.55μm에 대해, 파장 λp = 1.45μm인 여기광을 사용한 경우, 신호광 및 여기광에 대한 유효 단면적은 각각,
신호광 : Aeff, s = 8.37μm2
여기광 : Aeff, p = 7.37μm2
으로 되어 있다. 이 때, 파장(λs 및 λp)에서의 유효 단면적 차이는
(Aeff, s - Aeff, p)/Aeff, p × 100 = 13.6%
이다.
또한, 신호광 파장 λs = 1.60μm에 대해, 파장 λp = 1.50μm인 여기광을 사용한 경우, 신호광 및 여기광에 대한 유효 단면적은 각각,
신호광 : Aeff, s = 8.93μm2
여기광 : Aeff, p = 7.85μm2
으로 되어 있다. 이 때, 파장(λs 및 λp)에서의 유효 단면적 차이는
(Aeff, s - Aeff, p)/Aeff, p × 100 = 13.8%
이다.
이상과 같이, 본 광 파이버에 있어서는 파장 λs = 1.50μm, 1.55μm 및 1.60μm인 신호광 중 어느 것에 대해서도, 적합한 특성 조건
(Aeff, s - Aeff, p)/Aeff, p × 100 ≥ 10%
가 만족되고 있다. 따라서, 이들 파장을 포함하는 파장 범위의 광에 대해, 광 증폭 효율이 향상됨과 동시에, 신호광의 전송 품질 열화가 억제된 비선형성 파이버 및 라만 증폭기가 실현된다.
도 23은 본 발명에 의한 파장 변환기의 일 실시예를 도시하는 구성도이다. 본 파장 변환기(300)는 입력되는 파장(λs)의 신호광을 파장 변환하는 것으로, 상술한 광 파이버를 비선형성 광 파이버로서 적용한 파장 변환용 광 파이버(310)(컷오프 파장(λc))와, 소정 파장(λp)의 여기광을 파장 변환용 광 파이버(310)로 공급하는 여기 광원(350)을 구비하고 구성되어 있다.
여기 광원(350)은 파장 변환용 광 파이버(310)의 상류 측에 있는 광 합파부(360)를 통해 파장 변환기(30O) 내의 광 전송로에 접속되어 있다. 이로써, 입력된 파장(λs)의 신호광은 파장 변환용 광 파이버(310)에 있어서 발현되는 비선형 광학 현상인 4광파 혼합을 이용하여 파장 변환되며, 파장 선택부(370)를 통해 파장(λs')
λs' = λp - (λs - λp)
의 변환광으로서 출력된다(도 24a 참조).
또한, 파장 변환기(3O0)에 입력되는 신호광으로서는 서로 파장이 다른 복수의 신호광을 동시에 입력해도 된다. 이 경우, 복수의 신호광 각각에 대해, 그 파장에 대응한 변환광이 얻어진다.
이러한 파장 변환기는 채널당 전송 속도가 높은 WDM 신호를 개별 또는 일괄하여 파장 변환하는 것이 가능하다. 또한, 더블 클래드 구조를 갖는 비선형성 광 파이버에서는 예를 들면 도 14의 광 파이버(E6, E8) 및 도 16의 광 파이버(F3)와 같이, 컷오프 파장(λc)을 짧게 한 채로, 비선형 계수(γ)를 충분히 크게 하여, 파장 변환을 고효율로 행하는 것이 가능하다. 특히, 신호광, 변환광 및 여기광 파장(λs, λs, λp)보다도 컷오프 파장(λc)을 짧게 해 두면(λc < λs, λs', λp), 싱글 모드에서 고효율로 파장 변환을 행할 수 있다.
여기서, 4광파 혼합은 신호광, 여기광, 변환광 위상이 정합하고 있을 때에 발생하기 쉽기 때문에, 파장(λp)의 여기광에 있어서의 분산치가 -0.2ps/km/nm 이상 +0.2ps/km/nm 이하의 범위인 것이 바람직하며, 특히, 여기광 파장(λp)이 영 분산 파장과 대략 일치하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 여기광 파워를 올리면, 출력되는 변환광의 광 파워를 입력되는 신호광의 광 파워보다도 크게 하는 것이 가능하며, 이 경우, 파장 변환기를 파라메트릭 증폭기로서도 이용할 수 있다.
또한, C밴드에서 S밴드에의 파장 변환에서는 영 분산 파장이 1.53μm 부근임과 동시에, 컷오프 파장(λc)이 변환광 파장(λs')보다도 짧은 것이 바람직하지만, 더블 클래드 구조를 갖는 비선형성 광 파이버에서는 예를 들면 도 14의 광 파이버(E7)와 같이, 그러한 특성 조건 실현이 가능해진다.
또한, 여기 광원(350)을 파장 가변인 광원으로 하여, 여기광 파장(λp)을 변화시키면, 임의의 파장 변환이 가능해진다. 예를 들면 도 24b의 예에서는 파장(λs)의 신호광에 대해 여기광 파장을 λp1로 하여, 파장(λs1')
λs1' = λp1 - (λs - λp1)
의 변환광이 얻어지고 있다. 이에 대해, 도 24c에 도시하는 바와 같이, 여기 광 파장을 λp2로 변화시키면, 파장(λs1')과는 다른 파장(λs2')
λs 2' = λp2 - (λs - λp2)
의 변환광을 얻을 수 있다. 또한, 이 경우에도, 위상을 정합시키기 위해, 여기광 파장에 대한 분산치가 -O.2ps/km/nm 이상 +O.2ps/km/nm 이하의 범위인 것이 바람직하다.
또한, C밴드의 라만 증폭을 행할 경우에는 여기광이 파장 1.45μm 부근, S밴드의 라만 증폭을 행할 경우에는 여기광이 파장 1.3 내지 1.4μm, 신호광이 파장 1.45 내지 1.53μm이 된다. 또한, S밴드에의 파장 변환 또는 S밴드로부터 C, L밴드로의 파장 변환을 행할 경우에는 신호광이나 변환광이 파장 1.45 내지 1.53μm이 된다. 이들 경우, OH기에 의한 파장 1.38μm에서의 흡수 손실 영향을 받기 쉽다. 이에 대해, 도 14의 광 파이버(E1 내지 E8) 및 도 16의 광 파이버(F1 내지 F3)는 상술한 바와 같이, 파장 1.38μm에서의 OH기 흡수에 의한 전송 손실 증가분(과잉 흡수 손실)이 모두 0.2dB/km 이하로, 이러한 경우에도 적합하게 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 광 파이버, 비선형성 광 파이버, 그것을 사용한 광 증폭기, 파장 변환기 및 광 파이버 제조 방법은 이상 상세하게 설명한 바와 같이, 다음과 같은 효과를 얻는다. 즉, 싱글 클래드 구조가 아니라 더블 클래드 구조를 사용한 상기한 구성의 광 파이버, 비선형성 광 파이버에 의하면, 비선형 계수(γ)를 크게 하기 위해, 코어 내에 첨가되는 GeO2의 첨가 농도를 높게 하고 비선형 굴절률을 높게 하며, 또한, 코어와 클래드와의 비굴절률 차를 크게 하고 유효 단면적(Aeff)을 작게 한 경우라도, 컷오프 파장(λc)을 충분히 짧게 하는 것이 가능해진다. 또한, 이 구성에서는 분산 슬로프를 음으로 할 수 있다. 더욱이, 고 비선형성 편파면 유지 파이버나, 편파 모드 분산이 작음과 동시에, 전송 손실이 낮은 고 비선형성 광 파이버가 얻어진다. 또한, 광 파이버의 유리부 혹은 피복부 외경을 가는 직경으로 하면, 광 디바이스에서의 모듈화에 적합한 광 파이버가 얻어진다.
또한, 코어용 유리 로드 및 제 1 클래드용 유리 파이프를 소정 조건 하에서 가열 일체화하는 상기한 광 파이버 제조 방법에 의하면, 고 비선형성을 갖는 더블 클래드 구조의 광 파이버를 저전송 손실 등의 양호한 특성에 의해 작성할 수 있다.
이러한 광 파이버는 고 비선형성임과 동시에, 컷오프 파장(λc) 등에 대해서 적합한 특성을 갖는 비선형성 광 파이버로서, 광 증폭기나 파장 변환기 등의 비선형 광학 현상을 이용하는 광 디바이스에 적용하는 것이 가능하다. 특히, 컷오프 파장(λc)이 단파장이 됨으로써, 싱글 모드에서 고효율로 광 증폭이나 파장 변환을 행할 수 있다.
본 발명에 따라, 충분한 비선형성을 가짐과 동시에, 컷오프 파장이 짧아지는 광 파이버, 비선형성 광 파이버, 그것을 사용한 광 증폭기, 파장 변환기 및 광 파이버 제조 방법이 얻어진다.

Claims (27)

  1. 굴절률의 최대치가 ｎ₁인 코어 영역과, 상기 코어 영역의 외주에 설치되며 굴절률의 최소치가 ｎ₂(단, ｎ₂ < ｎ₁)인 제 1 클래드 영역과, 상기 제 1 클래드 영역의 외주에 설치되며 굴절률의 최대치가 ｎ₃(단, ｎ₂ < ｎ₃ < ｎ₁)인 제 2 클래드 영역을 포함함과 동시에, 파장 1.55μm인 광에 대한 제특성(諸特性)으로서,
    6.55μm2 이상 11μm2 이하인 유효 단면적과,
    2m인 파이버 길이에서 0.7μm 이상 1.6μm 이하인 컷오프 파장(λc)과,
    18/W/km 이상 45/W/km 이하인 비선형 계수를 갖는 것을 특징으로 하는, 광 파이버.
  2. 제 1 항에 있어서,
    파장 1.55μm인 광에 대한 제특성으로서,
    0.70dB/km 이상 3.0dB/km 이하인 전송 손실과,
    -26dB 이상 -15dB 이하인 편파간 크로스토크를 더 갖는 것을 특징으로 하는, 광 파이버.
  3. 제 1 항에 있어서,
    파장 1.55μm인 광에 대한 제특성으로서,
    0.43dB/km 이상 1.0dB/km 이하인 전송 손실과,
    O.3ps/√km 이하인 편파 모드 분산을 더 갖는 것을 특징으로 하는, 광 파이버.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 영역과, 상기 제 2 클래드 영역과의 비굴절률차 △+가 상기 제 2 클래드 영역을 기준으로 하여 2.7% 이상 4.5%이하인 것을 특징으로 하는, 광 파이버.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 클래드 영역의 외주 상에, 패치 코팅이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 광 파이버.
  6. 제 1 항에 있어서,
    파장 1.38μm인 광에 대한 OH기에 의한 과잉 흡수 손실이 0.2dB/km 이하인 것을 특징으로 하는, 광 파이버.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 클래드 영역은 불소가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는, 광 파이버.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 영역, 상기 제 1 클래드 영역 및 상기 제 2 클래드 영역을 포함하는 유리부 외경이 89μm 이상 100μm 이하인 것을 특징으로 하는, 광 파이버.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유리부 외경이 더욱이 89μm 이상 9Oμm 이하인 것을 특징으로 하는, 광 파이버.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 영역, 상기 제 1 클래드 영역 및 상기 제 2 클래드 영역을 포함하는 유리부 외주에 설치된 피복부 외경이 115μm 이상 15Oμm 이하인 것을 특징으로 하는, 광 파이버.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 피복부 외경이 더욱이 115μm 이상 120μm 이하인 것을 특징으로 하는, 광 파이버.
  12. 제 1 항에 있어서,
    파장 1.00μm인 광에 대한 특성에서, 전송 손실이 2.1dB/km 이상 5.OdB/km 이하인 것을 특징으로 하는, 광 파이버.
  13. 제 12 항에 있어서,
    파장 1.00μm인 광에 대한 특성에서, 상기 전송 손실이 더욱이 2.1dB/km 이상 3.0dB/km 이하인 것을 특징으로 하는, 광 파이버.
  14. 제 1 항에 기재된 광 파이버로, 소정 파장의 광을 입력함으로써 발현되는 비선형 광학 현상을 이용하는 것을 특징으로 하는, 비선형성 광 파이버.
  15. 컷오프 파장이 λc인 제 14 항에 기재된 비선형성 광 파이버와,
    상기 비선형성 광 파이버에 입력되는 파장(λs)의 신호광에 대해, 소정 파장(λp)(단, λc < λp)의 여기광을 상기 비선형성 광 파이버에 공급하는 여기 광원을 구비함과 동시에,
    상기 비선형성 광 파이버에서 발현되는 비선형 광학 현상을 이용하여, 상기 신호광을 광 증폭하는 것을 특징으로 하는, 광 증폭기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 비선형성 광 파이버 파장(λs)의 상기 신호광에 대한 분산치가 +2ps/km/nm 이상 또는 -2ps/km/nm 이하인 것을 특징으로 하는, 광 증폭기.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 비선형성 광 파이버 파장(λs)의 상기 신호광에 대한 분산치가 -205.7ps/km/nm 이상 -10ps/km/nm 이하임과 동시에, 그 유효 단면적이 6.55μm2 이상 1Oμm2 이하인 것을 특징으로 하는, 광 증폭기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 비선형성 광 파이버의 상기 신호광에 대한 분산 슬로프치가 -1.35ps/km/nm2 이상 0ps/km/nm2보다도 작은 것을 특징으로 하는, 광 증폭기.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 신호광의 파장λs은 1.45μm 이상 1.53μm 이하인 것을 특징으로 하는, 광 증폭기.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 비선형성 광 파이버는 상기 여기광 파장λp에서 유효 단면적 Aeff, p과, 파장 λp + 0.1μm에 있어서의 유효 단면적 Aeff, s이 관계식
    (Aeff, s - Aeff, p)/Aeff, p × 10O ≥ 10%
    를 만족하는 것을 특징으로 하는, 광 증폭기.
  21. 컷오프 파장이 λc인 제 14 항에 기재된 비선형성 광 파이버와,
    상기 비선형성 광 파이버에 입력되는 파장λs(단, λc < λs)의 신호광에 대해, 소정 파장λp(단, λc < λp)의 여기광을 상기 비선형성 광 파이버에 공급하는 여기 광원을 구비함과 동시에,
    상기 비선형성 광 파이버에 있어서 발현되는 비선형 광학 현상을 이용하여, 상기 신호광을 파장 변환하여, 파장λs'(단, λc < λs')의 변환광을 출력하는 것을 특징으로 하는, 파장 변환기.
  22. 제 21 항에 있어서,
    출력되는 상기 변환광의 광 파워가 입력되는 상기 신호광의 광 파워보다도 큰 것을 특징으로 하는, 파장 변환기.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 비선형성 광 파이버 파장λp의 상기 여기광에 대한 분산치가 -0.2ps/km/nm 이상 +O.2ps/km/nm 이하인 것을 특징으로 하는, 파장 변환기.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 변환광의 파장λs'은 1.45μm 이상 1.53μm 이하인 것을 특징으로 하는, 파장 변환기.
  25. GeO2가 소정량 첨가된 SiO2로 이루어지며, 코어 영역이 되는 코어용 유리 로드를 VAD법 또는 OVD법으로 합성함과 동시에 소정 외경이 되도록 연신(延伸)하여 작성하는 제 1 공정과,
    F가 소정량 첨가된 SiO2로 이루어지며, 제 1 클래드 영역이 되는 제 1 클래드용 유리 파이프를 VAD법 또는 OVD법으로 합성함과 동시에 소정의 내경 및 외경이 되도록 연신하여 작성하는 제 2 공정과,
    상기 제 1 클래드용 유리 파이프 내면에 소정의 가스를 흘림과 동시에 가열하여, 그 내주 표면을 평활하게 하기 위한 에칭을 행하는 제 3 공정과,
    상기 제 1 클래드용 유리 파이프 내에 상기 코어용 유리 로드를 삽입하여, 1300℃ 이상의 소정 온도에서 베이킹한 후, 가열 일체화하여 중간 유리 로드로 하는 제 4 공정과,
    상기 중간 유리 로드에 있어서 상기 코어 영역 및 상기 제 1 클래드 영역의 외경 비를 조정한 후, 상기 중간 유리 로드의 외주 상에 제 2 클래드 영역이 되는 유리체를 형성하여, 광 파이버 모재를 작성하는 제 5 공정과,
    상기 광 파이버 모재를 가열 인출하고, 굴절률의 최대치가 ｎ₁인 상기 코어 영역과, 상기 코어 영역의 외주에 설치되며 굴절률의 최소치가 ｎ₂(단, ｎ₂ < ｎ₁)인 상기 제 1 클래드 영역과, 상기 제 1 클래드 영역의 외주에 설치되며 굴절률의 최대치가 ｎ₃(단, ｎ₂ < ｎ₃ < ｎ₁)인 상기 제 2 클래드 영역을 포함하는 광 파이버를 작성하는 제 6 공정을 구비하며,
    상기 제 4 공정에서의 상기 코어용 유리 로드 및 상기 제 1 클래드용 유리 파이프의 가열 일체화를 그 가열 온도를 1800℃ 이하로 하고, 상기 코어용 유리 로드의 외주 표면 거칠기를 5μm 이하로 하며, 상기 제 1 클래드용 유리 파이프의 내주 표면 거칠기를 5μm 이하로 하며, 상기 코어용 유리 로드에서의 외주 표면으로부터 두께 2μm 이내에서의 GeO2 농도의 최대치를 5mol% 이하로 한 조건으로 행함과 동시에,
    상기 제 6 공정에서, 파장 1.55μm인 광에 대한 제특성으로서,
    6.55μm2 이상 11μm2 이하의 유효 단면적과,
    2m인 파이버 길이에서 0.7μm 이상 1.6μm 이하인 컷오프 파장 λc와,
    18/W/km 이상 45/W/km 이하인 비선형 계수를 갖는 광 파이버를 작성하는 것을 특징으로 하는, 광 파이버의 제조 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 6 공정에서, 파장 1.55μm인 광에 대한 제특성으로서,
    0.43dB/km 이상 1.0dB/km 이하의 전송 손실과,
    O.3ps/√km 이하의 편파 모드 분산을, 더 갖는 상기 광 파이버를 작성하는 것을 특징으로 하는, 광 파이버의 제조 방법.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 5 공정과 상기 제 6 공정 사이에, 상기 제 5 공정에서 얻어진 광 파이버 모재를 제 3 중간 유리체로 하고, 상기 제 3 중간 유리체의 상기 제 1 클래드 영역 또는 상기 제 2 클래드 영역에 개공부를 형성한 후, 상기 개공부 내에 응력 부여부가 되는 유리 로드를 삽입하여, 광 파이버 모재를 작성하는 제 7 공정을 부가로 구비하며,
    상기 제 6 공정에서, 상기 제 7 공정에서 작성된 상기 광 파이버 모재를 가열 인출하고, 상기 코어 영역과, 상기 제 1 클래드 영역과, 상기 제 2 클래드 영역과, 상기 코어 영역에 응력을 부여하는 상기 응력 부여부를 포함함과 동시에, 파장 1.55μm인 광에 대한 제특성으로서,
    0.70dB/km 이상 3.OdB/km 이하의 전송 손실과,
    -26dB 이상 -15dB 이하의 편파간 크로스토크를 더 갖는 상기 광 파이버를 작성하는 것을 특징으로 하는, 광 파이버의 제조 방법.
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