光纤、非线性光纤、使用其的光放大器、波长变换器以及光纤的制造方法

专利名称：光纤、非线性光纤、使用其的光放大器、波长变换器以及光纤的制造方法
技术领域：
本发明涉及光纤、非线性光纤、使用其的光放大器、波长变换器以及光纤的制造方法。
背景技术：
一般地，已知在媒质中传输高强度(高光密度)的光时，媒质中产生诱发喇曼效应、四光波混合等各种非线性光学现象。这些非线性光学现象也产生在光在光纤中传输时，这种光纤中的非线性光学现象用于光放大、波长变换等(例如参考公开号为WO99/10770的国际申请)。
光纤的非线性由下式的非线性系数γ表示γ＝(2π/λ)×(N2/Aeff)。
这里，λ是光波长，N2是波长λ在光纤中的非线性折射率，Aeff是波长λ在光纤中的有效截面面积。通过该式，为增大非线性系数γ，在提高向光纤的芯部内添加的GeO2的添加浓度来提高非线性折射率N2的同时，还可增大芯部与包层的比折射率差而减小有效截面面积Aeff。
但是，使用上述构成条件来增大非线性系数γ时，出现光纤的截止波长λc加长的问题。尤其，使用光纤中产生的四光波混合进行波长变换时，有必要使激励光的波长处在光纤的零色散波长附近。与此相反，上述结构中截止波长λc比零色散波长长，由于不是单模式，波长变换效率降低。
近年来，为扩大光传输系总体用的信号光的波带，研究了通常用作光放大器的EDFA放大带域，还研究了利用作为短波长侧的波长的1.45μm～1.53μm的S波带。对于该S波带，从放大波带偏离而难以使用EDFA，因此几乎没有有效的光放大器。使用喇曼放大器时，高非线性的光纤中，截止波长λc比波长1.3μm～1.5μm的激励光波长长，降低喇曼放大效率。

发明内容
本发明为解决以上问题而作出的，其目的是提供一种具有充分的非线性的同时缩短截止波长的光纤、非线性光纤、使用其的光放大器、波长变换器以及光纤的制造方法。
为达到这种目的，本发明的光纤的特征在于，(1)、至少具有折射率最大值为n1的芯部区域、在所述芯部区域的外周上设置的折射率的最小值为n2(其中n2＜n1)的第一包层区域、在所述第一包层区域的外周上设置的、折射率的最大值为n3(其中n2＜n3＜n1)的第二包层区域，同时(2)、作为相对波长1.55μm的光的各种特性，具有11μm2以下的有效截面面积；2m的光纤长度中0.7μm以上1.6μm以下的截止波长λc；18/W/km以上的非线性系数。
在光纤中，不使用单包层结构，而使用在芯部区域的外周上设置第一和第二包层区域的双包层结构。由此，即使在为了增大非线性系数γ，提高在芯部中添加的GeO2的添加浓度从而提高非线性折射率，另外增大芯部与包层的比折射率差从而减小有效截面面积Aeff时，可充分缩短截止波长λc。该结构中，使色散斜率为负。
对于包层结构，在上述第一包层区域和第二包层区域中间还可设置具有规定折射率和宽度的1层或多层另外的包层区域。
根据本发明的非线性光纤的特征在于，在上述光纤中利用通过输入规定波长的光而显现的非线性光学现象。通过积极利用该光纤的高非线性，得到可用于各种用途并且具有良好特性的非线性光纤。
本发明的光放大器的特征在于，具有(a)、截止波长为λc的上述非线性光纤；以及(b)、对输入到非线性光纤的波长λs的信号光，将规定波长λp(其中λc＜λp)的激励光供给非线性光纤的激励光源，同时(c)、利用非线性光纤中显现的非线性光学现象光学放大信号光。
如此构成的光放大器可用作利用非线性光纤中产生的诱发喇曼效应的喇曼放大器。另外，根据上述结构的非线性光纤，可使截止波长λc比激励光(泵浦光)的波长λp短，以单模式进行高效的光放大。
本发明的波长变换器的特征在于，具有(a)、截止波长为λc的上述非线性光纤；以及(b)、对输入到非线性光纤的波长λs(其中λc＜λs)的信号光，将规定波长λp(其中λc＜λp)的激励光供给非线性光纤的激励光源，同时(c)、利用非线性光纤中发现的非线性光学现象对信号光进行波长变换，输出波长λs’(其中λc＜λs’)的变换光。
这样构成的波长变换器可用作使用非线性光纤中产生的四光波混合的波长变换器。根据上述结构的非线性光纤，使截止波长λc比信号光、变换光以及激励光的波长短，在单模式下可高效地进行波长变换。信号光也不受到模式色散的影响，保持良好的传输特性。
根据本发明的光纤制造方法，其特征在于包括(1)用VAD法或OVD法合成由添加规定量的GeO2的SiO2构成且成为芯部区域的芯部用玻璃棒的同时，将其延伸制作以形成规定的外径的第一工序；(2)用VAD法或OVD法合成由添加规定量的F的SiO2构成且成为第一包层区域的第一包层用玻璃管的同时，将其延伸制作以形成规定的内径和外径的第二工序；(3)在第一包层用玻璃管的内面上流过规定的气体的同时加热，进行以使该内周表面平滑的蚀刻的第三工序；(4)将芯部用玻璃棒插入第一包层用玻璃管内，并在1300℃以上的规定温度下空烧后，加热一体化而产生中间玻璃棒的第四工序；(5)在中间玻璃棒中调整芯部区域和第一包层区域的外径比后，在中间玻璃棒的外周上形成成为第二包层区域的玻璃体并制作光纤预成形件的第五工序；(6)加热光纤预成形件并拉丝，制作至少包括折射率最大值为n1的芯部区域、在芯部区域的外周上设置的折射率的最小值为n2(其中n2＜n1)的第一包层区域、在第一包层区域的外周上设置的折射率的最大值为n3(其中n2＜n3＜n1)的第二包层区域的光纤的第六工序，(7)第四工序中的芯部用玻璃棒和第一包层用玻璃管的加热一体化是在其加热温度在1800℃以下、芯部用玻璃棒的外周表面的粗糙度为5μm以下、第一包层用玻璃管的内周表面的粗糙度为5μm以下、从芯部用玻璃棒的外周表面开始厚度为2μm以内的GeO2的浓度的最大值为5mol％以下的条件下进行，同时，(8)第六工序中制作的光纤，作为对波长1.55μm的光的各种特性，包括11μm2以下的有效截面面积；2m的光纤长度中0.7μm以上1.6μm以下的截止波长λc；18/W/km以上的非线性系数。
根据这样的光纤制造方法，通过传输损失被降低等良好传输特性可制作具有高非线性的双包层结构的光纤。


图1是模式地表示光纤的第一实施例的剖面结构和折射率轮廓的图；图2是表示气泡的产生个数对加热温度的依赖性的表；图3是表示气泡的产生个数对空烧温度的依赖性的表；图4是表示气泡的产生个数对第一包层用玻璃管的表面粗糙度的依赖性的表；图5是表示气泡的产生个数对芯部用玻璃棒的表面粗糙度的依赖性的表；图6是表示气泡的产生个数对从芯部用玻璃棒的外周表面的厚度为2μm以内的区域的GeO2浓度的依赖性的表；图7是模式地表示光纤的第二实施例的剖面结构和折射率轮廓的图；图8A和8B是表示光纤A1、A2的折射率轮廓的图；
图9是表示图8A和8B所示的光纤在波长为1550nm下的各种特性的表；图10A和10B是表示光纤B1、B2、C1、C2的折射率轮廓的图；图11是表示光纤D1～D5的折射率轮廓的图；图12是表示图10A和10B所示的光纤在波长为1550nm下的各种特性的表；图13是表示图11所示的光纤在波长为1550nm下的各种特性的表；图14是表示光纤E1～E8在波长为1550nm下的各种特性的表；图15是表示光纤的其他实施例的剖面结构的图；图16是表示光纤F1～F3在波长为1550nm下的各种特性的表；图17是表示光纤的传输损失对波长的依赖性的曲线；图18是模式地表示光纤线圈结构的图；图19是表示光纤的传输损失对波长的依赖性的曲线；图20是表示喇曼放大器的一个实施例的结构图；图21是表示喇曼放大器的另一个实施例的结构图；图22是表示光纤的有效截面面积对波长的依赖性的曲线；图23是表示波长变换器的一个实施例的结构图；图24A～24C是模式地表示图23所示的波长变换器的波长变换的图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明的光纤、非线性光纤、使用其的光放大器、波长变换器以及光纤的制造方法的最佳实施例。图中相同部件附加相同标号，省略重复说明。附图的尺寸比例未必与说明的一致。
图1是模式地表示本发明的光纤的第一实施例的剖面结构以及光纤径向(图中的线L所示的方向)的折射率轮廓的图。图1所示的折射率轮廓的横轴虽然分度不同，但都相当于沿着图中的剖面结构中所示的线L的、与光纤中心轴垂直的剖面上的各位置。为了作比较，折射率轮廓的纵轴以虚线表示纯SiO2的折射率。对于折射率轮廓的各区域，附加与光纤的剖面结构的各区域相同的标号。
该光纤是以SiO2(石英玻璃)为主成分的光导波路，具有包含光纤的中心轴的芯部区域10和芯部区域10的外周上设置的第一包层区域20以及在第一包层区域20的外周上设置的第二包层区域30。
芯部区域10形成为外径(直径)为2r1，并且纯SiO2玻璃中添加规定量的作为提高折射率的添加物的GeO2，而且折射率的最大值为n1(其中n1＞n0，n0是纯SiO2的折射率)。本实施例的芯部区域10，如图1所示，具有在光纤中心轴附近GeO2的添加量和折射率都为最大的缓变型折射率分布。
另一方面，第一包层区域20形成为其外径为2r2，并且纯SiO2玻璃中添加规定量的作为降低折射率的添加物的F，而且折射率的最小值为n2(其中n2＜n0，n2＜n1)。第二包层区域30形成为其外径为2r3，并且纯SiO2玻璃或纯SiO2玻璃中添规定量的作为降低折射率的添加物的F，而且折射率的最小值为n3(其中n3≤n0，n2＜n3＜n1)。
这里，各部分中的比折射率差以第二包层区域30中的折射率n3为基准来定义。此时，如图1所示，与芯部区域10的折射率n1对应的比折射率差定义为Δ+＝(n1-n3)/n3×100(％)，另外与第一包层区域20中的折射率n2对应的比折射率差定义为Δ-＝(n2-n3)/n3×100(％)。
本实施例的光纤中，并非单包层结构，使用在芯部区域10的外周上设置第一包层区域20和第二包层区域30的双包层结构。具有双包层结构的光纤中，非线性系数γ增大时，出现截止波长λc加长的问题。
针对此，如上所述，通过采用双包层结构，即使在为了使非线性系数γ增大，提高向芯部内添加的GeO2的添加浓度从而提高非线性折射率，另外增大芯部与包层的比折射率差从而减小有效截面面积Aeff的情况下，可充分缩短截止波长λc。该结构中，色散斜率为负。
包层结构中，在上述第一包层区域和第二包层区域的中间还可设置具有规定折射率和宽度的1层或多层另外的包层区域。
本实施例的光纤通过利用输入规定波长(规定的波带内)的光而显现的非线性光学现像，可用于各种用途，同时可用作具有良好特性的非线性光纤。尤其，增大非线性系数γ的同时充分缩短截止波长λc，因此，可实现利用非线性光学显像的高效率的光纤。对于光纤的具体的各种特性，后面详细说明。
对用于制作具有图1所示的结构的光纤(非线性光纤)的光纤制造方法，说明其一个例子。本制造方法中，芯部区域10和第一包层区域20并非通过VAD法或OVD法中的附加斯斯(スス)而进行总体合成，而是使用在分别制作芯部用玻璃棒和第一包层用玻璃管后，将其加热一体化的方法。
首先，制作构成上述光纤的芯部区域10的芯部用玻璃棒(第一工序)。这里，通过VAD法或OVD法合成以SiO2为主成分并添加规定量的作为提高折射率的添加物的GeO2的玻璃棒后，将其延伸到规定外径，作为芯部用玻璃棒。
制作成为光纤的第一包层区域20的第一包层用玻璃管(第二工序)。这里，通过VAD法或OVD法合成以SiO2为主成分并添加规定量的作为降低折射率的添加物的F的玻璃管后，将其延伸到规定内径和外径，作为第一包层用玻璃管。
对所得到的第一包层用玻璃管进行气相蚀刻，使得玻璃管的内周表面平滑(第三工序)。这里，使SF6等规定气体流过第一包层用玻璃管的内面(例如SF6+Cl2的环境气氛)的同时加热，蚀刻管内表面。
接着，将所得到的芯部用玻璃棒和第一包层用玻璃管加热一体化(第四工序)。第一包层用玻璃管内插入芯部用玻璃棒，根据后述的程序和条件加热一体化，制作中间玻璃棒。
接着，在中间玻璃棒的芯部区域和第一包层区域的外径比调整到规定比后，在中间玻璃棒的外周上形成成为第二包层区域30的玻璃体，制作光纤预成形件(第五工序)。
这里，关于中间玻璃体的外径比的调整，例如通过HF溶液等磨削其外周部进行。该磨削的目的是在加热一体化或其延伸工序中将氢氧焰等火焰用作热源，在玻璃表面不与该氢氧焰接触的情况下，需要除去在玻璃表面附着的OH基和金属等的火焰中的杂质。
对于成为第二包层区域30的玻璃体的合成，例如可通过VAD法或OVD法合成。或者通过棒内破裂(ロッドィンコラプス)形成或棒内破裂后再用VAD法或OVD法合成。
之后，加热得到的光纤预成形件并拉丝，制作光纤(第六工序)。通过以上工序，得到具有图1所示双包层结构的光纤。
对于加热一体化芯部用玻璃棒和第一包层用玻璃管的第四工序，说明其程序和条件。
在具有双包层结构的光纤的制造方法中，芯部区域和第一包层区域总体合成时，除芯部区域的GeO2添加浓度高外，第一包层区域的F添加浓度也高，因此在添加物容易扩散的玻璃微粒体(斯斯体(スス体))内相互扩散。此时，GeF4、GeO等缺陷产生，传输损失恶化。MCVD法合成添加高浓度GeO2的SiO2玻璃时，有传输损失大大恶化的问题。
针对此，在上述制造方法中，芯部区域10和第一包层区域20分别合成(第一、第二工序)后，加热一体化(第四工序)。但是，即使这种情况下，加热一体化时，GeO2和F反应产生GeO等气体，芯部区域10和第一包层区域20的界面上残留气泡。此时，由残留的气泡恶化光纤的传输损失、机械强度等特性。
为抑制这种气泡产生，本制造方法中，进行加热一体化的第四工序中，根据下面的5个条件之一或其组合来进行加热一体化，即(1)在1800℃以下的加热温度下进行一体化。(2)加热一体化前，在Cl2环境气中在1300℃以上的规定温度下空烧。(3)第一包层用玻璃管的内周表面的粗糙度为5μm以下。(4)芯部用玻璃棒的外周表面的粗糙度为5μm以下。(5)从芯部用玻璃棒的外周表面开始厚度为2μm以内的区域的GeO2的浓度的最大值为5mol％以下。通过采用以上条件之一或其组合进行加热一体化，可抑制气泡产生。
关于上述制造条件的效果，通过改变条件实施加热一体化来进行确认。这里，对于芯部用玻璃棒，将芯部内的折射率分布形状设置成大致抛物线状，将GeO2添加浓度设置为最大30mol％。加热一体化时的芯部用玻璃棒的外径(下面将外径和内径全部表示为直径)为6mm。另一方面，对于第一包层用玻璃管，将第一包层内的折射率分布形状设置成大致台阶状，将F添加浓度设置为最大1.5mol％。
加热一体化时的第一包层用玻璃管的外径为32mm、内径为9mm。得到的第一包层用玻璃管在300cm3/min的SF6、200cm3/min的Cl2、1500℃(用测高温计测定的玻璃表面的最高温度)的加热温度下进行蚀刻，平滑表面。加热一体化时的管内的环境气体是卤素200cm3/min、氧300cm3/min、管内的减压度为1kPa。
首先，(1)对于在1800℃以下的加热温度下进行一体化的条件，确认气泡产生的抑制效果。这里，使加热一体化的加热温度在1950℃～1800℃的范围内变化，进行芯部用玻璃棒和第一包层用玻璃管的加热一体化。对于除此以外的条件，在1300℃进行空烧的同时，将第一包层用玻璃管的内周表面的粗糙度设为5μm，将芯部用玻璃棒的外周表面的粗糙度设为5μm，将从芯部用玻璃棒的外周表面开始厚度为2μm以内的区域的GeO2的浓度的最大值设为5mol％。
此时，芯部用玻璃棒和第一包层用玻璃管20的界面上产生的气泡的个数如图2所示。这里，气泡的产生个数通过破裂后每10mm(玻璃棒)的长度上产生的气泡个数来评价。如图2的表所示，气泡的产生个数通过降低加热温度而减少，加热温度在1800℃下气泡几乎不产生。这是由于通过降低加热一体化的温度，抑制化学反应的进行。
接着(2)对加热一体化前在Cl2环境气中在1300℃以上的规定温度下空烧的条件，确认气泡产生的抑制效果。这里，使空烧的温度在1000℃～1300℃的范围内变化，进行加热一体化。对于除此以外的条件，设加热温度在1800℃，将第一包层用玻璃管的内周表面的粗糙度设为5μm，将芯部用玻璃棒的外周表面的粗糙度设为5μm，将从芯部用玻璃棒的外周表面开始厚度为2μm以内的区域的GeO2的浓度的最大值设为5mol％。
此时，芯部用玻璃棒和第一包层用玻璃管的界面上产生的气泡的个数如图3所示。这里，气泡的产生个数通过升高空烧温度而减少，空烧温度在1300℃下气泡几乎不产生。这是由于通过在充分的温度下空烧，表层的不稳定的Ge化合物和F化合物被除去的同时，其表面状态变得平滑的原故。
接着(3)对第一包层用玻璃管的内周表面的粗糙度为5μm以下的条件，确认气泡产生的抑制效果。这里，使玻璃管的内周表面的粗糙度在10μm～5μm的范围内变化，进行加热一体化。对于除此以外的条件，在1300℃进行空烧的同时，设加热温度在1800℃，将芯部用玻璃棒的外周表面的粗糙度设为5μm，将从芯部用玻璃棒的外周表面开始厚度为2μm以内的区域的GeO2的浓度的最大值设为5mol％。
此时，芯部用玻璃棒和第一包层用玻璃管的界面上产生的气泡的个数如图4所示。如图4的表所示，气泡的产生个数通过降低第一包层用玻璃管的内周表面的粗糙度而减少，表面的粗糙度为5μm时气泡几乎不产生。这是由于通过充分平滑表面粗糙度，防止了粗糙的表面部分成为气泡产生的核。
接着(4)对芯部用玻璃棒的外周表面的粗糙度为5μm以下的条件，确认气泡产生的抑制效果。这里，使玻璃棒的外周表面的粗糙度在10μm～5μm的范围内变化，进行加热一体化。对于除此以外的条件，在1300℃进行空烧的同时，设加热温度在1800℃，将第一包层用玻璃管的内周表面的粗糙度设为5μm，将从芯部用玻璃棒的外周表面开始厚度为2μm以内的区域的GeO2的浓度的最大值设为5mol％。
此时，芯部区域和第一包层区域的界面上产生的气泡的个数如图5所示。如图5的表所示，气泡的产生个数通过降低芯部用玻璃管的外周表面的粗糙度而减少，表面的粗糙度为5μm时气泡几乎不产生。这与玻璃管的情况下一样，是由于通过充分平滑表面粗糙度，防止了粗糙的表面部分成为气泡产生的核。
接着(5)对从芯部用玻璃棒的外周表面开始厚度为2μm以内的区域的GeO2的浓度的最大值为5mol％以下的条件，确认气泡产生的抑制效果。这里，使上述区域的GeO2的浓度的最大值在10mol％～5mol％的范围内变化，进行加热一体化。对于除此以外的条件，在1300℃进行空烧的同时，设加热温度在1800℃，将第一包层用玻璃管的内周表面的粗糙度设为5μm，将将芯部用玻璃棒的外周表面的粗糙度设为5μm。
此时，芯部区域和第一包层区域的界面上产生的气泡的个数如图6所示。如图6的表所示，气泡的产生个数通过降低GeO2的浓度的最大值而减少，GeO2的浓度的最大值为5mol％时气泡几乎不产生。这是由于表层的GeO2的浓度降低，难以产生气泡。
采用以上条件，即在1300℃进行空烧的同时，设加热温度在1800℃，将第一包层用玻璃管的内周表面的粗糙度设为5μm，将将芯部用玻璃棒的外周表面的粗糙度设为5μm，将从芯部用玻璃棒的外周表面开始厚度为2μm以内的区域的GeO2的浓度的最大值设为5mol％的条件下进行加热一体化，得到没有气泡的外径为30mm的中间玻璃棒(第一中间玻璃棒)。
之后，将该第一中间玻璃棒延伸至外径为8mm后，通过HF溶液磨削其外周部至外径5.4mm，调整成(芯部直径)/(第一包层直径)＝0.30。在将该第一中间玻璃棒之外，制作成为第二包层区域30的内周侧部分的第二包层用玻璃管。该第二包层用玻璃管是F添加浓度为0.7mol％、外径为32mm、内径为8mm的SiO2玻璃管。之后，将第一中间玻璃棒插入第二包层用玻璃管，进行加热一体化，得到外径30mm的第二中间玻璃棒。
接着，在所得到的第二中间玻璃棒的外周上通过VAD法或OVD法合成成为第二包层区域30的外周侧部分的玻璃体，其为与第二包层用玻璃管一样的F添加浓度为0.7mol％的SiO2玻璃管，从而制作光纤预成形件。这里，(第二包层直径)/(第一包层直径)＝7.8。
上述的第二包层区域30的合成方法中，其内周侧部分通过加热一体化玻璃管而形成。这是为了降低形成光纤时的OH基的混入量。通过VAD法或OVD法，形成其外周侧部分。这是为了大型化光纤预成形件。
对于这样的第二包层区域30的合成方法，根据各个条件可使用各种方法。例如，光功率区分布不那么宽而忽视根据熏黑(ス一ト)法的第二包层合成中混入的OH基的影响时，不进行玻璃管的加热一体化也可以。或者不进行ス一ト法的合成，仅通过加热一体化玻璃管来合成第二包层。
拉丝根据以上制造方法和制造条件制作的光纤预成形件，得到图1所示的双包层结构的光纤。其结构是芯部区域10的外径2r1＝4.8μm、比折射率差Δ+＝3.3％，第一包层区域20的外径2r2＝16μm、比折射率差Δ-＝-0.25％，第二包层区域30的外径2r3＝125μm。
对于波长1.55μm的光的各种特性为色散＝+0.22ps/km/nm色散斜率＝+0.045ps/km/nm2有效截面面积Aeff＝10.4μm2截止波长λc＝1510nm零色散波长＝1545nm传输损失＝0.46dB/km模场直径＝3.69μm非线性系数γ＝20.8/W/km偏振模式色散PMD=0.05pskm]]>从而得到良好特性的光纤(非线性光纤)。
上述的光纤的各种特性对波长1.55μm的光满足以下特性条件11μm2以下的有效截面面积Aeff；2m的光纤长度中0.7μm以上1.6μm以下的截止波长λc；18/W/km以上的非线性系数。
还满足对波长1.55μm的光的传输损失为3.0dB/km以下或者1.0dB/km以下的特性条件。
这样，通过采用双包层结构，即使在提高芯部的GeO2浓度的同时减小有效截面面积Aeff从而增大非线性系数γ场合，也可得到具有适当的截止波长λc的高非线性光纤。
对于芯部区域10、第二包层区域30的比折射率差Δ+，为充分减小有效截面面积Aeff，Δ+最好为2.7％以上。这样大的比折射率差的情况下，单包层结构中截止波长λc加长，但根据双包层结构，如上所述，可充分缩短截止波长λc。
图7是模式地表示本发明的光纤的第二实施例的剖面结构以及光纤径向(图中的线路L所示的方向)的折射率轮廓的图。
该光纤是以SiO2(石英玻璃)为主成分的光导波路，具有包含光纤的中心轴的芯部区域10和芯部区域10的外周上设置的第一包层区域20以及在第一包层区域20的外周上设置的第二包层区域30。这里第一包层区域20和第二包层区域30的结构与第一实施例相同。
另一方面，芯部区域10形成为外径(直径)为2r1，并且纯SiO2玻璃中添加规定量的作为提高折射率的添加物的GeO2，而且折射率的最大值为n1(其中n1＞n0)。本实施例的芯部区域10，如图7所示，具有在光纤中心轴附近GeO2的添加量和折射率都为最大的缓变型折射率分布。
另外，芯部区域10的外周侧的规定范围内在芯部区域10和第一包层区域20夹持的位置上设置中间区域15。该中间区域15上如图7所示稍稍添加高浓度的GeO2来形成角状突出的折射率分布(添加浓度分布)。这里，中间区域15的折射率的最大值为n5(其中n5＞n0)，其比折射率差为Δ5＝(n5-n3)/n3。
本实施例的光纤与第一实施例的光纤一样，不是单包层结构，使用在芯部区域10的外周上设置第一包层区域20和第二包层区域30的双包层结构。由此，即使在为了增大非线性系数γ，提高在芯部内添加的GeO2的添加浓度来增大非线性折射率，另外增大芯部和包层的比折射率差来减小有效截面面积Aeff的场合，也可充分缩短截止波长λc。在该结构中，可使色散斜率为负。对于中间区域15的效果以及光纤的制造方法在后面说明。
本实施例的光纤也通过利用输入规定波长(规定的波带内)的光显现的非线性光学现象，用于各种用途，同时用作具有良好特性的非线性光纤。
对于制作具有图7所示结构的光纤(非线性光纤)的光纤制造方法，举出一例说明。
首先，合成由成为包含中间区域15的芯部区域10的区域、以及成为第一包层区域20的前驱区域组成的玻璃微粒体(斯斯体(スス体))。这里，成为芯部区域10的区域是添加了最大为30mol％的GeO2的SiO2玻璃，是其周围部分且相当于中间区域15的区域是添加了GeO2以成为如上所述的角状并在峰值下的添加浓度为5mol％的SiO2玻璃。第一包层区域20的前驱区域在其外周上，作为纯SiO2玻璃合成。
得到的玻璃微粒体(玻璃多孔体)放入烧结炉中，在卤素和氦气的混合环境气体中在1300℃的加热温度下进行加热脱水处理后，在氦气的环境气体中在1400℃的加热温度下加热，有选择地高密度化(透明化)由中间区域15和芯部区域10构成的区域。
此时，由该中间区域15和芯部区域10构成的区域添加了高浓度的GeO2而降低高密度化温度，因此可充分得到加热产生的高密度化效果。另一方面，第一包层区域20的前驱区域由于是纯SiO2玻璃而使高密度化温度增高，在1400℃加热中也不进行高密度化，而仍为玻璃微粒体。
这种状态下，在1400℃的加热温度下在添加了氦气和F的C2F6、SiF4、CF4等的气体的混合环境气体中加热玻璃体，在未高密度化的第一包层区域20的前驱区域中添加1mol％的添加浓度的F而形成第一包层区域20。
这里，加热烧结这样的玻璃微粒体时添加F的情况下，在通常的方法中，添加到包层的F也浸入到芯部区域中。此时，芯部区域的折射率降低，同时产生GeO，Ge-F化合物等杂质，出现恶化传输损失的问题。针对此，本制造方法中，在芯部区域10的外周部分上形成高浓度添加GeO2的中间区域15，通过低温下的加热所选择地高密度化这些区域。之后，通过添加F，可仅将F有选择地添加在第一包层区域20的前驱区域中。
所得到的玻璃体外周上形成成为第二包层区域30的玻璃体，制作光纤预成形件。这里，对于第二包层区域30，是以0.3mol％的添加浓度添加F的SiO2玻璃。各区域的外径比为(芯部直径)/(第一包层直径)＝0.40、(第二包层直径)/(第一包层直径)＝11.6。
对根据以上制造方法和制造条件制作的光纤预成形件拉丝，得到图7所示的双包层结构的光纤。该结构是芯部区域10的外径2r1＝4.3μm、比折射率差Δ+＝3.1％，中间区域15的比折射率差Δ5＝1.0％，第一包层区域20的外径2r2＝10.8μm、比折射率差Δ-＝-0.26％，第二包层区域30的外径2r3＝125μm。芯部区域10的折射率分布(GeO2的添加浓度分布)是近似乘以α～3.0的分布。
对于波长1.55μm的光的各种特性为色散＝+0.98ps/km/nm色散斜率＝+0.035ps/km/nm2有效截面面积Aeff＝10.2μm2截止波长λc＝1465nm零色散波长＝1520nm传输损失＝0.49dB/km模式场直径＝3.64μm非线性系数γ＝21.5/W/km从而得到良好特性的光纤(非线性光纤)。
上述的光纤的各种特性对波长1.55μm的光满足以下特性条件11μm2以下的有效截面面积Aeff；2m的光纤长度中0.7μm以上1.6μm以下的截止波长λc；
18/W/km以上的非线性系数γ。
还满足对波长1.55μm的光的传输损失为3.0dB/km以下或1.0dB/km以下的特性条件。
这样，通过采用双包层结构，即使在提高芯部的GeO2浓度的同时减小有效截面面积Aeff从而增大非线性系数γ的场合，也可得到具有适当的截止波长λc的高非线性光纤。
对于芯部区域10、第二包层区域30的比折射率差Δ+，为充分减小有效截面面积Aeff，Δ+最好为2.7％以上。这样大的比折射率差的情况下，单包层结构中截止波长λc加长，但根据双包层结构，如上所述，可充分缩短截止波长λc。
进一步研究本发明的光纤(非线性光纤)的最佳构成条件及各种特性。下面表示的光纤的各种特性中，对于依赖于波长者，只要是没有预先说明，就表示对波长1.55μm的光的特性。
首先，讨论上述结构的光纤的传输损失。具有高的非线性的光纤中，为了增大非线性折射率而提高非线性，向芯部中添加高浓度GeO2。此时，拉丝时的加热容易产生传输损失的恶化。这种传输损失恶化通过降低拉丝时的加热温度来抑制，但在低温下的拉丝中，光纤的拉丝中需施加过大的张力，因此出现光纤断裂的问题。
针对此，在图1和图7所示的双包层结构的光纤中，占据光纤的大部分体积的第二包层区域30中最好添加F(氟)。由此，可降低第二包层区域30中的软化温度，可降低拉丝温度，抑制传输损失的恶化。
对于这种传输损失的降低，试制作具有图8A和8B所示的折射率轮廓所示的结构的2种光纤A1和A2。
光纤A1使用图8A所示的折射率轮廓，把芯部区域10用添加具有抛物线形状分布的GeO2的SiO2(最大添加浓度为30mol％)、将第一包层区域20用添加F的SiO2(最大添加浓度为1.6mol％)、将第二包层区域30用添加F的SiO2(最大添加浓度为0.9mol％)来制作。
光纤A2使用图8B所示的折射率轮廓，把芯部区域10用添加具有抛物线形状分布的GeO2的SiO2(最大添加浓度为30mol％)、将第一包层区域20用添加F的SiO2(最大添加浓度为1.6mol％)、将第二包层区域30用纯SiO2来制作。
光纤A1，A2都是在拉丝时的线速度为300m/min、张力为4N(400gw)下拉丝。这里，光纤A1的玻璃表面的最高温度为1900℃、光纤A2的玻璃表面的最高温度为2000℃时，光纤A1可在低温拉丝。
所得到的光纤A1，A2的各种特性如图9所示，从图9的表中可知，在第二包层区域30中添加F的光纤A1比光纤A2的传输损失小，非线性系数γ大。
接着，讨论光纤的截止波长λc、有效截面面积Aeff以及非线性系数γ。具有高非线性的光纤中，如上所述，最好在芯部中添加高浓度GeO2从而增大非线性折射率的同时，减小有效截面面积Aeff。此时，非线性系数γ增大，但截止波长λc加长了。针对此，使用双包层结构的光纤，在非线性系数γ增大同时可充分缩短截止波长λc。
使用四光波混合的波长变换中采用非线性光纤的情况下，必须整合相位，因此需要波长变换的激励光在波长λp的色散值基本为0。因此，希望λp在零色散波长附近。对于波长λs的信号光，，波长变换了的变换光的波长λs’为λs’＝λp-(λs-λp)例如，将波长1530nm～1565nm的WDM信号光，通过波长1525nm的激励光总体作波长变换时，变换光的波长为波长1520nm～1490nm的范围。截止波长λc需要考虑这些信号光、变换光或激励光、放大光等的波长并取适当值。
对于该截止波长λc、有效截面面积Aeff以及非线性系数γ，试制作具有图10A和10B所示的折射率轮廓所示的结构的4种光纤B1，B2，C1和C2。
光纤B1，B2使用图10A所示的折射率轮廓，把芯部区域10用添加台阶状分布的GeO2的SiO2、将第一包层区域20用添加F的SiO2(添加浓度为2.1mol％)、将第二包层区域30用添加F的SiO2(添加浓度为0.9mol％)来制作。芯部区域10的GeO2添加浓度分别取不同的值。
光纤C1，C2使用图10B所示的折射率轮廓，把芯部区域10用添加具有台阶形状分布的GeO2的SiO2、将第一包层区域20用添加F的SiO2(添加浓度为2.1mol％)、将第二包层区域30用纯SiO2来制作。芯部区域10的GeO2添加浓度分别取不同的值。
为比较起见，制作单包层结构的光纤D1～D5。这些光纤D1～D5根据图11所示的折射率轮廓制作。这里标号60表示芯部区域。标号70表示单包层结构的包层区域。
光纤D1～D5使用图11所示的折射率轮廓，把芯部区域60用添加具有台阶形状分布的GeO2的SiO2、将包层区域70用添加F的SiO2(添加浓度为0.9mol％)来制作。芯部区域60的GeO2添加浓度分别取不同的值。芯部区域60的比折射率差Δ+以包层区域70为基准。
所得到的光纤B1，B2，C1，C2的比折射率差Δ+、Δ-和波长1550nm下的各种特性如图12所示，比较用的光纤D1～D5的比折射率差Δ+和各种特性如图13所示。从图13的表中可知，在单包层结构的光纤D1～D5中，芯部中的GeO2的添加浓度低、Δ+小的时候，有效截面面积Aeff增大从而非线性系数γ的值减小。Δ+为2.7％以上时，截止波长λc比波长1530nm～1565nm的WDM信号光的、在根据波长1525nm的激励光的总体变换下的波长的变换光的波长更长。
针对此，从图12的表可知，在双包层光纤B1，B2，C1，C2中，可得到有效面积Aeff减小，非线性系数γ增大者。例如，即使Δ+为4.5％，截止波长为1469nm(光纤C2)等，有效截面面积Aeff减小到11μm2以下，并且即使非线性系数γ的值大至18w/W/km以上时，也可实现短的截止波长。
接着讨论光纤的耐氧化性。芯部中的GeO2为高浓度时，其耐氧化性容易降低。针对此，在成为光纤的最外层的第二包层区域30的外周部上设置以不定形碳、碳化硅等对水分子和氧分子有屏蔽性的物质为主成分的气密涂层(参考图1和图7所示的气密涂层50)。
此时，可阻断氧气向光纤的芯部区域和包层区域内的扩散。静疲劳系数为100～160，断裂概率极低。这样，可提高光纤的长期可靠性。
基于以上讨论的光纤(非线性光纤)的结构、制造方法以及适当的制造条件试制作本发明的光纤的光纤E1～E8共8种光纤。
这些光纤E1～E8将芯部区域10用添加具有近似乘以α～3.0的折射率分布的GeO2的SiO2、将第一包层区域20用添加F的SiO2、将第二包层区域30用添加F的SiO2或纯SiO2来制作。所得到的光纤E1～E8的比折射率差Δ+、Δ-和第二包层区域30的F添加浓度、芯部区域10和第一包层区域20的外径2r1、2r2以及其各种特性表示在图14的表中。所示的特性中OH吸收传输损失表示因OH基吸收导致的在波长1.38μm下的传输损失的增加部分(过剩吸收损失)。
图14的表所示的光纤E1～E8的各种特性都满足对波长1.55μm的光的下述特性条件11μm2以下的有效截面面积Aeff；2m的光纤长度中0.7μm以上1.6μm以下的截止波长λc；1.0dB/km以下的传输损失； 以下的偏振模式色散PMD；18/W/km以上的非线性系数γ。
这样，通过采样双包层结构，即使在提高芯部的GeO2浓度的同时减小有效截面面积Aeff从而增大非线性系数γ的场合，也可得到具有适当的截止波长λc的高非线性光纤。可得到偏振模式色散小并且传输损失低的高非线性光纤。
这里对由波长1.38μm的光的OH基带来的过剩吸收损失，最好在0.2dB/km以下。图14所示的光纤E1～E8都满足该特性条件。
例如在光纤内的规定位置设置应力提供部时，可得到偏振面保持光纤。图15表示作为这种偏振面保持光纤的光纤的其他实施例的剖面结构。该光纤中，夹持芯部区域10的左右两侧分别形成由添加B2O3的SiO2构成的应力提供部40。这种结构的偏振面保持光纤中，有应力提供部40成为损失要素而恶化传输损失的情况，但可抑制正交偏振间的随机耦合。这样，可良好地保持传输的信号光的品质。
这样结构的光纤的制造方法与图1所示结构的光纤的上述制造方法几乎相同。在第五工序中，将在中间玻璃棒的外周上形成的成为第二包层区域30的玻璃体，并没有按原样作为光纤预成形件，而将其作为第三中间玻璃体进行进一步的加工。
即，所得到的第三中间玻璃体的第一包层区域或第二包层区域中开孔，形成开孔部。之后，在该开孔部内插入成为应力提供部40的玻璃棒，形成光纤预成形件。对该光纤预成形件进行加热拉丝，得到具有应力提供部40的结构的光纤。
对上述制造方法，说明一个例子。这里，芯部用玻璃棒中，将芯部内的折射率分布形状设为大致抛物线状，将GeO2添加浓度最大设为30mol％。在加热一体化时的芯部用玻璃棒的外径为8mm。另一方面，对于第一包层用玻璃管，将第一包层内的折射率分布形状设为大致台阶状，将F添加浓度最大设为1.5mol％。
另外，在加热一体化时的第一包层用玻璃管的外径为32mm、内径为9mm。所得到的第一包层用玻璃管在300cm3/min的SF6、200cm3/min的Cl2、1500℃(用测高温计测定的玻璃表面的最高温度)的加热温度下进行蚀刻，平滑表面。
对于加热一体化前的空烧，在500cm3/min的Cl2、1500℃的加热温度下进行。在加热一体化时的管内的环境气体是卤素200cm3/min、氧300cm3/min、管内的减压度为1kPa。
对于加热一体化，是采用加热温度在1700℃、第一包层用玻璃管的内周表面的粗糙度为3μm以下、芯部用玻璃棒的外周表面的粗糙度为2μm以下、从芯部用玻璃棒的外周表面开始厚度为2μm以内的GeO2的浓度的最大值为3mol％以下的条件下进行加热一体化，得到没有气泡的外径30mm的中间玻璃棒(第一中间玻璃棒)。
之后，将该第一中间玻璃棒延伸至外径为9mm后，由HF溶液磨削其外周部至外径6mm，调整成(芯部直径)/(第一包层直径)＝0.40。另外，在将该第一中间玻璃棒之外，制作成为第二包层区域30的内周侧部分的第二包层用玻璃管。该第二包层用玻璃管是外径为32mm、内径为9mm的、基本上是纯SiO2的SiO2玻璃管。之后，将第一中间玻璃棒插入第二包层用玻璃管，进行加热一体化，得到外径30mm的第二中间玻璃棒。
接着，在得到的第二中间玻璃棒的外周上通过VAD法或OVD法合成成为第二包层区域30的外周侧部分的玻璃体，而其是与第二包层用玻璃管一样的纯SiO2的SiO2玻璃管，制作第三中间玻璃体。这里，(第二包层直径)/(第一包层直径)＝10.8。
进而，将该第三中间玻璃体延伸至外径为36mm。此时，延伸后的第四中间玻璃体的芯部区域10部分的外径为1.3mm、第一包层区域20部分的外径为3.3mm。该第三中间玻璃体的第二包层区域30部分中形成成为图15所示的应力提供部40的2个开孔部。这些开孔部使两个开孔部的中心彼此之间的距离为15.2mm、使各个开孔部的外径为 10mm。使2个开孔部的各个中心、芯部区域10和第一包层区域20的中心大致在一条直线上。
所形成的开孔部的内周表面的粗糙度研磨到2μm以下，用水、乙醇、王水洗涤以除去研磨材料、研磨屑等异物。之后，作为成为应力提供部40的玻璃棒，在开孔部中插入封装外径9mm的添加B2O3的SiO2玻璃棒，制作光纤预成形件。
对根据以上制造方法和制造条件制作的光纤预成形件进行加热并拉丝，得到图15所示结构的光纤。这里，开孔部中插入的玻璃棒通过拉丝时的加热与包层区域一体化，成为应力提供部40。得到的光纤结构为芯部区域10的外径2r1＝4.6μm、比折射率差Δ+＝3.0％，第一包层区域20的外径2r2＝1.6μm、比折射率差Δ-＝-0.5％，第二包层区域30的外径2r3＝125μm。
对于波长1.55μm的光的各种特性为色散＝+0.01ps/km/nm色散斜率＝+0.042ps/km/nm2有效截面面积Aeff＝10.6μm2
截止波长λc＝1349nm零色散波长＝1550nm传输损失＝1.5dB/km模式场直径＝3.75μm非线性系数γ＝20.2/W/km偏振间的干扰＝-20dB(光纤长1km)从而得到良好特性的光纤(非线性光纤)。
作为具有上述结构的光纤，试制作本发明的光纤的光纤F1～F3的3种光纤。
这些光纤F1～F3与光纤E1～E8一样，将芯部区域10用添加具有具有近似乘以α～3.0的折射率分布的GeO2的SiO2、将第一包层区域20用添加F的SiO2、将第二包层区域30用添加F的SiO2或纯SiO2来制作。得到的光纤F1～F3的比折射率差Δ+、Δ-和第二包层区域30的F添加浓度、芯部区域10和第一包层区域20的外径2r1、2r2以及其各种特性表示在图16的表中。所示的特性中OH吸收传输损失表示因OH基吸收导致的在波长1.38μm下的传输损失的增加部分(过剩吸收损失)。
图16的表所示的光纤F1～F3的各种特性对波长1.55μm的光都满足以下条件11μm2以下的有效截面面积Aeff；2m的光纤长度中0.7μm以上1.6μm以下的截止波长λc；3.0dB/km以下的传输损失；-15dB以下的偏振件的干扰；18/W/km以上的非线性系数γ。
这样，通过采用双包层结构，即使在提高芯部的GeO2浓度的同时减小有效截面面积Aeff从而增大非线性系数γ的场合，也可得到具有适当的截止波长λc的高非线性光纤。得到高非线性的偏振面保持光纤。
这里，对波长1.38μm的光的、由OH基带来的过剩吸收损失最好在0.2dB/km以下。图16所示的光纤F1～F3都满足该特性条件。
具有上述结构和各种特性的光纤中，通过利用通过输入规定波长的光而显现的非线性光学现象，可积极利用该光纤的高非线性，并且可得到对截止波长λc等具有良好特性的非线性光纤。这种非线性光纤可用于利用非线性光学现象的各种光纤。
这里，在将上述结构的光纤作为非线性光纤而使用的光放大器、波长变换器等光设备中，有时通过把光纤制作线圈来容纳，可使用将光元件模块化的光模块(例如光放大器模块、波长变换模块)的结构。这种情况下，对于包含光纤抗弯曲强度、弯曲损失的变化的弯曲特性等的各种特性，需要保持光纤特性，以适合于模块化。
针对此，光纤结构中，将光纤的玻璃部的外径设置在100μm以下较好。或者，玻璃部的外径更好是在90μm以下。这样，通过使玻璃部的外径成为细径，即使玻璃部外周上设置的覆盖部制作为细径的情况下，包含抗弯曲强度，作出有充分强度的光纤。
例如，若考虑光纤抗弯曲强度，为通过线圈化而容纳在光模块中而弯曲光纤时，在光纤的玻璃部内的各部上产生弯曲应力。该弯曲应力由于光纤的抗弯曲强度而成为光纤断裂等的原因。
具体说，将光纤弯曲成线圈状时，光纤的玻璃部的中心部位(中心轴附近)产生的弯曲应力几乎为0。针对此，在光纤线圈径向上成为内侧的部位上，与中心部位相比，由于直径变小而在玻璃部内产生压缩应力。另一方面，在光纤线圈径向上成为外侧的部位上，与中心部位相比，由于直径变大而在玻璃部内产生拉伸应力。并且，这些压缩应力和拉伸应力大小都根据离开玻璃部中心部位的距离增大而增大。
针对此，根据使玻璃部的外径变细的上述结构的光纤，在线圈径向上位于最内侧或最外侧的玻璃部的部位离开中心部位的距离减小，降低光纤的玻璃部内产生的应力大小。由此，提高光纤的抗弯曲强度，防止在进行线圈化时因光纤的应力而产生断裂。
具有上述高非线性的双包层结构的光纤中，通过减小其有效截面面积Aeff等，减小经过玻璃部的光的电磁场分布宽度。这样的光纤中，一般地，数值孔径NA大。因此，上述光纤中，弯曲损失小，而且使玻璃部的外径成为细径而对传输损失的影响小。因此，具有充分的抗弯曲强度，并且弯曲损失小，得到具有良好弯曲特性的光纤。
光纤的玻璃部是指除了光纤的外周上设置的树脂制的覆盖部等之外的、包含芯部区域、第一包层区域和第二包层区域的部分。例如，图1和图7所示的光纤中，由芯部区域10、第一包层区域20和第二包层区域30构成的部分为玻璃部。第二包层区域的外周上还设置玻璃制的其他包层区域时，还包含该包层区域的部分成为玻璃部。
玻璃部的外周上设置的覆盖部最好是覆盖部的外径为150μm以下。或者，覆盖部的外径为120μm以下。这样，通过使覆盖部的外径为细径，如上所述，对光纤进行线圈化并容纳在光模块中时，可使光模块小型化。若是同一尺寸的光模块，则可对更长的光纤进行线圈化并容纳在光模块中。
考虑作为非线性光纤用于光元件中的情况下的光纤的特性，则对于波长1.00μm的光的特性最好是传输损失在5.0dB/km以下。或者传输损失在3.0dB/km以下。
通过降低这样的短波长侧的传输损失，可制作具有喇曼放大时的在激励波长中的传输损失降低等，作为非线性光纤用在光设备上时良好特性的光纤。
例如，用MCVD法合成添加高浓度的GeO2的SiO2玻璃、制作比折射率差Δn大的光纤时，由于玻璃缺陷多，传输损失恶化。这种倾向尤其在短波长侧更显著。针对此，根据上述的光纤结构及其制造方法，得到短波长侧的传输损失充分降低的光纤。这种光纤中，由于瑞利(レィリ一)散射系数降低，可抑制喇曼放大时产生的二重瑞利(レィリ一)散射带来的信号的噪声。
考虑以上条件，制作具有图1所示的双包层结构的光纤。该结构是芯部区域10的外径2r1＝4.6μm、比折射率差Δ+＝3.2％，第一包层区域20的外径2r2＝13.1μm、比折射率差Δ-＝-0.50％，第二包层区域30的外径(光纤的玻璃部的外径)2r3＝110μm。这里，向第二包层区域30的F的添加浓度为0.6mol％。从外周覆盖光纤的覆盖部的外径是150μm。
对于波长1.55μm的光的各种特性为色散＝-0.64ps/km/nm色散斜率＝+0.042ps/km/nm2有效截面面积Aeff＝10.0μm2截止波长λc＝1396nm零色散波长＝1565nm传输损失＝0.70dB/km非线性系数γ＝22.2/W/km偏振模式色散PMD=0.05ps/km]]>从而得到良好特性的光纤(非线性光纤)。
将长为1.0km的本实施例的光纤卷绕在直径φ60mm的线圈架上而线圈化、模块化。这种光纤的传输损失对波长的依赖性表示于图17中。这里，图17的曲线中，横轴表示在光纤中传输的光的波长λ(nm)，纵轴表示各波长下的传输损失(dB/km)。
如该曲线所示，通过使用该光纤，即使在长波长区域中也可制作传输损失不恶化的良好的光模块。这种光纤例如供给波长1565nm的激励光，在将波带为C带的信号光波长变换为L带或将波带为L带的信号光波长变换为C带的波长变换器模块中使用。或者，在通过供给比信号光波长短的激励光来光放大信号光的喇曼放大器模块中使用。
该光纤基于相对图1所示的光纤的制造方法制成，但对波长1.00μm的光的传输损失为3.4dB/km。这是满足5.0dB/km以下的条件的低值。这样，根据短波长侧的传输损失低的光纤，降低比信号光还靠短波长侧的、喇曼放大时的激励波长的传输损失。这种光纤中，由于瑞利(レィリ一)散射系数降低，可抑制二重瑞利(レィリ一)散射产生的噪声。
作为其他光纤，制作具有图1所示的双包层结构的光纤。该结构是芯部区域10的外径2r1＝2.5μm、比折射率差Δ+＝2.9％，第一包层区域20的外径2r2＝10.0μm、比折射率差Δ-＝-0.50％，第二包层区域30的外径(光纤的玻璃部的外径)2r3＝89μm。这里，向第二包层区域30的F的添加浓度为0.6mol％。从外周覆盖光纤的覆盖部的外径是115μm。
对于波长1.55μm的光的各种特性为色散＝-110.6ps/km/nm色散斜率＝-0.408ps/km/nm2有效截面面积Aeff＝10.6μm2截止波长λc＝729nm传输损失＝0.52dB/km非线性系数γ＝20.0/W/km偏振模式色散PMD=0.03pskm]]>从而得到良好特性的光纤(非线性光纤)。
该光纤具有负的色散和色散斜率。由此，该光纤成为在1.55μm带中可补偿1.3μm带中有零色散波长的单模式光纤的色散和色散斜率二者的高非线性光纤。
该光纤中，玻璃部的外径设置成满足100μm以下或进一步90μm以下的条件的、细径的外径值89μm。覆盖部的外径设置成满足150μm或进一步120μm以下的条件的、细径的外径值115μm。由此，成为在线圈化时的弯曲特性良好的光纤。
将长为7.7km的本实施例的光纤线圈化、模块化。其中在光纤的线圈化中，不把光纤卷绕在线圈架上，而是如图18所示的光纤线圈结构那样，使用不将光纤F卷绕在线圈架上而制作成为线圈状，其线圈形状的光纤束用覆盖树脂R覆盖的结构。
根据这种结构，没有卷绕光纤的线圈架，故不产生卷张力，光纤束整体用树脂覆盖，没有光纤自重产生的变形问题。因此，可大幅度抑制微带中的传输损失。
这种光纤的传输损失对波长的依赖性表示于图19中。这里，图19的曲线中，横轴表示在光纤中传输的光的波长λ(nm)，纵轴表示各波长下的传输损失(dB/km)。
如该曲线所示，通过使用该光纤和上述的光纤线圈结构，可制作即使在长波长区域中传输损失也不恶化的良好的光模块。关于光纤的温度特性，可得到对于传输特性最受到温度变动影响的波长1620nm的光而言，在-40℃到+80℃的温度范围中，传输损失的变动在±0.01dB/km以下的良好温度特性。另一方面，在原来的卷绕在线圈架上的形状中，由于因线圈架热膨胀施加给光纤的卷张力变化，容易在长波长侧的温度特性中产生不良。
该光纤是基于相对图1所述的光纤的制造方法制作的，但对波长1.00μm的光的传输损失为2.1dB/km。这是满足5.0dB/km以下或者3.0dB/km以下的条件的低值。这样，根据短波长侧的传输损失低的光纤，降低比信号光还靠短波长侧的喇曼放大的激励光波长的传输损失。这种光纤中，由于瑞利(レィリ一)散射系数降低，可抑制因二重瑞利(レィリ一)散射而产生的噪声。
根据实施例，在1.55μm带中可补偿1.3μm带中有零色散波长的、光纤长为5.0km的单模式光纤的色散和色散斜率。
作为其他光纤，制作具有图1所示的双包层结构的光纤。该结构是芯部区域10的外径2r1＝2.2μm、比折射率差Δ+＝3.2％，第一包层区域20的外径2r2＝8.8μm、比折射率差Δ-＝-0.60％。这里，向第二包层区域30的F的添加浓度为0.6mol％。
对于波长1.55μm的光的各种特性为色散＝-205.7ps/km/nm色散斜率＝-1.35ps/km/nm2有效截面面积Aeff＝10.1μm2截止波长λc＝707nm传输损失＝0.51dB/km非线性系数γ＝21.7/W/km
偏振模式色散PMD=0.01pskm]]>从而可得到良好特性的光纤(非线性光纤)。
该光纤对于波长1.50μm的光的各种特性为色散＝-147.4ps/km/nm色散斜率＝-0.696s/km/nm2有效截面面积Aeff＝8.6μm2传输损失＝0.58dB/km非线性系数γ＝24.0/W/km偏振模式色散PMD=0.01ps/km]]>该光纤具有负的色散和色散斜率。由此，该光纤成为在1.55μm带中可补偿1.3μm带中有零色散波长的单模式光纤的色散和色散斜率二者的高非线性光纤。因此，例如供给1.40μm带的波长的激励光，可用作喇曼放大用光纤。
接着作为将具有上述结构和各种特性的光纤用作非线性光纤的光设备(或将其模块化的光模块)的例子，说明作为光放大器的喇曼放大器和波长变换器。
图20是表示根据本发明的喇曼放大器的一实施例的结构图。该喇曼放大器100对输入的波长λs的信号光进行光放大，并包括将上述光纤用作非线性光纤的喇曼放大用光纤110(截止波长λc)和将规定波长λp的激励光供给喇曼放大用光纤110的激励光源150。
激励光源150经安装在喇曼放大用光纤110的下游侧的光合成部160连接于喇曼放大器100内的光传输路径。由此，喇曼放大器100构成为后面激励(反向激励)的光放大器。这样，输入的信号光利用作为在喇曼放大用光纤110中显现的非线性光学现象的诱发喇曼效应而光放大，并作为放大光输出。
这样的喇曼放大器与EDFA等光放大器不同，不选择放大的波带，若是SiO2系光纤，放大波带可宽100nm左右，因此适合于宽带的WDM传输中的光放大。作为激励光的波长λp，使用比信号光波在λs的波长短的波长。例如，光放大波长1.55μm带的信号光，使用波长1.45μm的激励光。
适用于喇曼放大器100的喇曼放大用光纤110中，总体光放大WDM信号时，为了不产生四光波混合，最好是将对波长λs的信号光的色散值设置在+2ps/km/nm以s上或-2ps/km/nm以下。例如，对于波长1.55μm带的信号光，使用图14的光纤E1，E2等。
色散值为正的情况下，需要芯部区域10的外径2r1增大，因此截止波长λc稍稍加长。针对此，在双包层结构的上述光纤中，使截止波长λc比1.45μm左右的激励光波长λp短(λc＜λp)。这样，通过使λc＜λp，可在单模式下高效进行光放大。
组合色散值为正和负的非线性光纤，可构成整体上色散为零的喇曼放大器。这样的喇曼放大器的结构如图21所示。
该喇曼放大器200具有图20所示的喇曼放大器100同样的结构，但使喇曼放大用光纤110成为色散值为负(例如-2ps/km/nm以下)的非线性光纤，同时在喇曼放大用光纤110和光波合成部160之间串联连接色散值为正(例如+2ps/km/nm以上)的喇曼放大用光纤120。根据这种结构，输出的放大光的色散基本为零。
叫作S带的波长1.45μm～1.53μm带的信号光不能用EDFA光放大，但若是不选择激励的波带的喇曼放大器，则可对波长λs在1.45μm以上1.53μm以下的信号光进行光放大。如上所述，在双包层结构中，例如，图14所示的光纤E5，由于可缩短截止波长λc，可适用于S带的信号光的光放大。光纤E5在波长1.40μm下的色散值在与-6.1ps/km/nm相适的范围中。
光传输路径的色散值在使用的信号光波带中为正的情况下，若喇曼放大器中使用的喇曼放大用光纤的色散值为负，则可与光放大器同时用作具有正色散值的传输路径的色散补偿器。此时，对于波长λs的信号光的色散值为-10ps/km/nm以下，则色散补偿量大，也特别适合于用作色散补偿器。此时，有效截面面积Aeff最好为10μm2以下。
具有双包层结构的非线性光纤中，例如图14的光纤E3，E4和图16的光纤F1，可使信号光的波长中色散斜率为负值(小于0ps/km/nm的值)。此时，与具有正色散和正色散斜率的传输路径的色散同时，也可补偿色散斜率。因此，适用于WDM传输。
这里，为高效的实现喇曼放大，在喇曼放大器中使用的非线性光纤中，激励光的波长λp的非线性高者较好。为防止非线性效果产生的传输品质恶化，信号光的波长λs的非线性低较好。
为实现非线性的这种特性条件，在喇曼放大器中使用的非线性光纤中激励光在波长λp的有效截面面积Aeff，p和在波长λp+0.1μm的有效截面面积Aeff，s满足下面的关系式(Aeff，s-Aeff，p)/Aeff，p×100≥10％为Aeff，s比Aeff，p大10％的结构较好。
对激励光的波长λp加上0.1μm的波长λp+0.1μm与喇曼放大器中光放大的信号光的波长λs相当。因此，根据满足上述关系式的特性条件，通过减小Aeff，p，提高波长λp对激励光的非线性，提高光放大的效率。通过增大Aeff，s提高对信号光的波长λp+0.1μm下的非线性，抑制信号光的传输品质恶化。
例如，根据自身相位调制的相移量与有效截面面积的倒数成比例。因此，信号光在波长λs～λp+0.1μm下的有效截面面积Aeff，s比激励光在波长λp的有效截面面积Aeff，p大10％时，使相移量低10％。
考虑该有效截面面积Aeff的特性条件，制作具有图1所示的双包层结构的光纤。该结构是芯部区域10的外径2r1＝3.1μm、比折射率差Δ+＝3.4％，第一包层区域20的外径2r2＝8.8μm、比折射率差Δ-＝-0.15％。这里，向第二包层区域30添加F的浓度为1.1mol％。
对于波长1.55μm的光的各种特性为色散＝-49.0ps/km/nm色散斜率＝+0.005ps/km/nm2有效截面面积Aeff＝8.4μm2截止波长λc＝1060nm传输损失＝0.54dB/km非线性系数γ＝23.4/W/km
偏振模式色散PMD=0.02ps/km]]>图22表示本实施例的光纤的有效截面面积Aeff对波长的依赖性。这里，在图22的曲线中，横轴表示在光纤中传输的光的波长λ(nm)、纵轴表示各波长下的有效截面面积Aeff(μm2)。如该曲线所示，该光纤中，在波长λ加长时有效截面面积Aeff增大。
例如，对于信号光的波长λs＝1.50μm，使用波长λp＝1.40μm的激励光时，对信号光和激励光的有效截面面积分别为信号光Aeff，s＝7.85μm2激励光Aeff，p＝6.93μm2此时波长λs、λp下的有效截面面积之差为(Aeff，s-Aeff，p)/Aeff，p×100＝13.3％对于信号光的波长λs＝1.55μm，使用波长λp＝1.45μm的激励光时，对信号光和激励光的有效截面面积分别为信号光Aeff，s＝8.37μm2激励光Aeff，p＝7.37μm2此时波长λs、λp下的有效截面面积之差为(Aeff，s-Aeff，p)/Aeff，p×100＝13.6％。
对于信号光的波长λs＝1.60μm，使用波长λp＝1.50μm的激励光时，对信号光和激励光的有效截面面积分别为信号光Aeff，s＝8.93μm2激励光Aeff，p＝7.85μm2此时波长λs、λp下的有效截面面积之差为(Aeff，s-Aeff，p)/Aeff，p×100＝13.8％。
这样，在该光纤中，对于波长λs＝1.50μm、1.55μm、1.60μm的信号光的任何一个，最佳特性条件满足(Aeff，s-Aeff，p)/Aeff，p×100≥10％。因此对于包含这些波长的波长范围的光，可实现提高光放大效率的同时，还抑制信号光的传输品质恶化的非线性光纤和光纤放大器。
图23是表示根据本发明的波长变换器的一实施例的结构图。该波长变换器300对输入的波长λs的信号光进行波长变换，并包括将上述光纤用作非线性光纤的波长变换用光纤310(截止波长λc)和将规定波长λp的激励光供给波长变换用光纤310的激励光源350。
激励光源350经安装在波长变换用光纤310的上游侧的光合成部360连接于波长变换器300内的光传输路径。由此，输入的波长λs的信号光利用作为波长变换用光纤310中显现的非线性光学现象的四光波混合而进行波长变换，经波长选择部370作为波长λs’的变换光而输出(参考图24A)，这里λs’＝λp-(λs-λp)。
作为输入波长变换器300的信号光，也可同时输入波长彼此不同的多个信号光。此时，对于多个信号光的每一个都可得到对应于其波长的变换光。
这种波长变换器可独立或总体波长变换每信道的传输速度高的WDM信号。具有双包层结构的非线性光纤中，例如图14的光纤E6，E8和图16的光纤F3，保持截止波长λc短的情况下，充分增大非线性系数γ，可高效地进行波长变换。尤其，若使截止波长λc比信号光、变换光以及激励光的波长λs、λs’、λp短(λc＜λs、λs’、λp)，则单模式下可高效进行波长变换。
这里，在信号光、激励光、变换光的相位整合时容易产生四光波混合，因此需要将波长为λp的激励光的色散值在-0.2ps/km/nm以上到+0.2ps/km/nm以下的范围中。特别是激励波长λp和零色散波长大致一致更好。若提高激励光的功率，可使输出的变换光的光功率比输入的信号光的光功率大，此时，可将波长变换器用作参数放大器。
从C带向S带的波长变换中，最好零色散波长为1.53μm附近，并且截止波长λc比变换光的波长λs’短，但具有双包层结构的非线性光纤中，例如图14的光纤E7，可实现这种特性条件。
将激励光源350作为波长可变的光源，变化激励光的波长λp时，可得到任意波长变换。例如图24B的例子中，相对波长λs的信号光，设激励光波长为λp1，得到波长λs1’的变换光λs1’＝λp1-(λs-λp1)。针对此，如图24C所示，将激励光波长变化为λp2，则得到与波长λs1’不同的波长λs2’的变换光λs2’＝λp2-(λs-λp2)。此时，为整合相位，对激励光波长的色散值最好在-0.2ps/km/nm以上到+0.2ps/km/nm以下的范围中。
进行C带的喇曼放大时，激励光在波长1.45μm附近，进行S带的喇曼放大时，激励光在波长1.3～1.4μm附近，信号光为1.45～1.53μm。进行到S带的波长变换或从S带向C、L带的波长变换时，信号光、变换光波长为1.45～1.53μm。这些情况下，容易受到由OH基产生的在波长1.38μm的吸收损失影响。针对此，图14的光纤E1～E8和图16的光纤F1～F3如上所述，在波长1.38μm下由OH基吸收产生的传输损失的增加部分(过剩吸收损失)全部在0.2dB/km以下，这种情况下也适用。
本发明的光纤、非线性光纤、使用其的光放大器、波长变换器及光纤制造方法如以上详细说明所示，得到下面的效果。即，根据不使用单包层结构而使用双包层结构的上述结构的光纤、及非线性光纤，即使在为了提高非线性系数γ，提高在向芯部内添加的GeO2的添加浓度从而提高非线性折射率，另外增大芯部和包层的比折射率差从而减小有效截面面积Aeff的情况下，也可充分缩短截止波长λc。该结构中，可使色散斜率为负。另外，减小高非线性的偏振面保持光纤、偏振模式色散的同时，得到传输损失低的高非线性光纤。光纤的玻璃部或覆盖部的外径为细径，则得到适合于光纤的模块化的光纤。
根据将芯部用玻璃棒和第一包层用玻璃管在规定条件下加热一体化的上述光纤的制造方法，可根据低传输损失等良好的特性来制作具有高非线性的双包层结构的光纤。
这种光纤为高非线性光纤，并且作为在截止波长λc等方面具有适当的特性的非线性光纤，可适用于光放大器、波长变换器等利用非线性光学现象的光元件中。尤其，通过使截止波长λc为短波长，可以单模式高效地进行光放大和波长变换。
权利要求
1.一种光纤，其特征在于至少具有折射率最大值为n1的芯部区域、在所述芯部区域的外周上设置的、折射率的最小值为n2的第一包层区域、在所述第一包层区域的外周上设置的、折射率的最大值为n3的第二包层区域，其中n2＜n1、n2＜n3＜n1，同时作为相对波长1.55μm的光的各种特性，具有11μm2以下的有效截面面积；2m的光纤长度中0.7μm以上、1.6μm以下的截止波长λc；18/W/km以上的非线性系数。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于作为相对波长1.55μm的光的各种特性，还具有3.0dB/km以下的传输损失和-15dB以下的偏振波之间的串扰。
3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于作为相对波长1.55μm的光的各种特性，还具有1.0dB/km以下的传输损失和 以下的偏振模式色散。
4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于所述芯部区域和所述第二包层区域的比折射率差Δ+以所述第二包层区域为基准时为2.7％以上。
5.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于所述第二包层区域的外周上设置密封涂层。
6.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于由OH基对波长1.38μm的光的过剩吸收损失为0.2dB/km以下。
7.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于所述第二包层区域被添加氟。
8.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于包含所述芯部区域、所述第一包层区域和所述第二包层区域的玻璃部的外径为100μm以下。
9.根据权利要求8所述的光纤，其特征在于所述玻璃部的外径进一步为90μm以下。
10.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于包含所述芯部区域、所述第一包层区域和所述第二包层区域的玻璃部的外周上设置的覆盖部的外径为150μm以下。
11.根据权利要求10所述的光纤，其特征在于所述覆盖部的外径进一步为120μm以下。
12.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于在对波长1.00μm的光的特性中，传输损失为5.0dB/km以下。
13.根据权利要求12所述的光纤，其特征在于在对波长1.00μm的光的特性中，所述传输损失进一步为3.0dB/km以下。
14.一种非线性光纤，其特征在于在权利要求1所述的光纤中，利用通过输入规定波长的光而显现的非线性光学现象。
15.一种光放大器，其特征在于具有截止波长为λc的权利要求14所述的非线性光纤；对输入到所述非线性光纤的波长λs的信号光，将规定波长λp的激励光供给所述非线性光纤的激励光源，其中λc＜λp，同时利用所述非线性光纤中显现的非线性光学现象光学放大所述信号光。
16.根据权利要求15所述的光放大器，其特征在于所述非线性光纤对波长λs的所述信号光的色散值为+2ps/km/nm以上、或-2ps/km/nm以下。
17.根据权利要求15所述的光放大器，其特征在于所述非线性光纤对波长λs的所述信号光的色散值为-10ps/km/nm以下，并且其有效截面积为10μm2以下。
18.根据权利要求17所述的光放大器，其特征在于所述非线性光纤对所述信号光的色散斜率值小于0ps/km/nm2。
19.根据权利要求15所述的光放大器，其特征在于所述信号光的波长λs为1.45μm以上、1.53μm以下。
20.根据权利要求15所述的光放大器，其特征在于所述非线性光纤的所述激励光的波长λp处的有效截面积Aeff，p与波长λp+0.1μm处的有效截面积Aeff，s满足关系式(Aeff，s-Aeff，p)/Aeff，p×100≥10％。
21.一种波长变换器，其特征在于具有截止波长为λc的权利要求14所述的非线性光纤；对输入到所述非线性光纤的波长λs的信号光，将规定波长λp的激励光供给所述非线性光纤的激励光源，其中λc＜λs、λc＜λp，同时利用所述非线性光纤中显现的非线性光学现象对所述信号光进行波长变换，输出波长λs’的变换光，其中λc＜λs’。
22.根据权利要求21所述的波长变换器，其特征在于输出的所述变换光的光功率大于输入的所述信号光的光功率。
23.根据权利要求21所述的波长变换器，其特征在于所述非线性光纤对波长λp的所述激励光的色散值为-0.2ps/km/nm以上、+0.2ps/km/nm以下。
24.根据权利要求21所述的波长变换器，其特征在于所述变换光的波长λs’为1.45μm以上、1.53μm以下。
25.一种光纤制造方法，其特征在于包括用VAD法或OVD法合成由添加规定量的GeO2的SiO2构成的、成为芯部区域的芯部用玻璃棒的同时，将其延伸制作以形成规定的外径的第一工序；用VAD法或OVD法合成由添加规定量的F的SiO2构成的、成为第一包层区域的第一包层用玻璃管的同时，将其延伸制作以形成规定的内径和外径的第二工序；在所述第一包层用玻璃管的内面上流过规定的气体的同时加热，进行以使该内周表面平滑的蚀刻的第三工序；将所述芯部用玻璃棒插入所述第一包层用玻璃管内，在1300℃以上的规定温度下空烧后加热一体化从而产生中间玻璃棒的第四工序；在所述中间玻璃棒中调整所述芯部区域和所述第一包层区域的外径之比后，在所述中间玻璃棒的外周上形成成为第二包层区域的玻璃体并制作光纤预成形件的第五工序；加热所述光纤预成形件并拉丝，制作至少包括折射率最大值为n1的所述芯部区域、在所述芯部区域的外周上设置的、折射率的最小值为n2的所述第一包层区域、在所述第一包层区域的外周上设置的、折射率的最大值为n3的所述第二包层区域的光纤的第六工序，其中n2＜n1、n2＜n3＜n1，所述第四工序中的所述芯部用玻璃棒和所述第一包层用玻璃管的加热一体化是在其加热温度在1800℃以下、所述芯部用玻璃棒的外周表面的粗糙度为5μm以下、所述第一包层用玻璃管的内周表面的粗糙度为5μm以下、从所述芯部用玻璃棒的外周表面开始厚度为2μm以内的GeO2的浓度的最大值为5mol％以下的条件下进行，同时，所述第六工序中制作的光纤，作为对波长1.55μm的光的各种特性，包括11μm2以下的有效截面面积；2m的光纤长度中0.7μm以上、1.6μm以下的截止波长λc；18/W/km以上的非线性系数。
26.根据权利要求25所述的光纤制造方法，其特征在于所述第六工序中制作的所述光纤，作为对波长1.55μm的光的各种特性，还包括1.0dB/km以下的传输损失和 以下的偏振模式色散。
27.根据权利要求25所述的光纤制造方法，其特征在于所述第五工序和所述第六工序之间还备有第七工序，即将所述第五工序中得到的光纤预成形件作为第三中间玻璃体，在所述第三中间玻璃体的所述第一包层区域或所述第二包层区域中形成开孔部后，在所述开孔部中插入成为应力提供部的玻璃棒，制作光纤预成形件，在所述第六工序中，加热所述第七工序中制作的所述光纤预成形件并拉丝，制作所述光纤，该光纤至少具有所述芯部区域、所述第一包层区域、所述第二包层区域和向所述芯部区域施加应力的所述应力提供部，同时作为对波长1.55μm的光的各种特性，包括3.0dB/km以下的传输损失、以及-15dB以下的偏振波间的串扰。
全文摘要
作为具有高非线性的光纤(非线性光纤)结构，使用在芯部区域(10)的外周上设置第一包层区域(20)和第二包层区域(30)的双包层结构。通过采用双包层结构，即使在为了增大非线性系数γ，提高芯部内添加的GeO
文档编号G02F1/35GK1651945SQ20051000794
公开日2005年8月10日 申请日期2001年11月13日 优先权日2000年11月13日
发明者平野正晃, 大西正志, 奥野俊明 申请人:住友电气工业株式会社