專利名稱：光放大用光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可以在光放大器或光纖激光振蕩器等中使用的光放大用光纖及其制造方法。
背景技術(shù)：
光放大用光纖是向纖芯區(qū)域內(nèi)添加進(jìn)Er等的稀土族元素的光波導(dǎo)。大家知道，若向已添加進(jìn)稀土族元素的光纖內(nèi)供給可以激勵(lì)該稀土族元素的波長(zhǎng)的激勵(lì)光，由于可以形成反轉(zhuǎn)分布，故將產(chǎn)生與該激勵(lì)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的感應(yīng)發(fā)射。為此，光放大用光纖被廣泛地利用于放大與該感應(yīng)發(fā)射光的波長(zhǎng)一致的信號(hào)光的光纖放大器或輸出與該感應(yīng)發(fā)射光的波長(zhǎng)一致的波長(zhǎng)的激光振蕩光的光纖激光振蕩器。對(duì)于光纖放大器或光纖激光振蕩器來說，希望在更寬的波段中具有高而平坦的增益特性或振蕩特性。因此，從這樣的觀點(diǎn)來看，人們也一直在研究適合于在這些光纖放大器或光纖激光振蕩器等中使用的光放大用光纖。
例如，在日本專利雜志特開平1-145881號(hào)公報(bào)中，就公開了向包括光軸中心在內(nèi)的纖芯區(qū)域的一部分內(nèi)添加進(jìn)Er元素的光放大用光纖。該現(xiàn)有例1的光放大用光纖，采用使信號(hào)光或激光振蕩光的強(qiáng)度分布與添加進(jìn)去的Er元素的分布相互近似的辦法來實(shí)現(xiàn)高增益化。此外，在特開平5-283789號(hào)公報(bào)中，公開了向整個(gè)纖芯區(qū)域內(nèi)添加Er元素的同時(shí)，向該纖芯區(qū)域內(nèi)添加Al2O3的光放大用光纖。借助于象這樣地向同一區(qū)域內(nèi)添加Er元素和Al2O3的構(gòu)造，現(xiàn)有例2的光放大用光纖也實(shí)現(xiàn)了放大波段的寬波段化和平坦化。
發(fā)明的公開發(fā)明人等對(duì)上述那樣的現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行探討的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了以下那樣的課題。就是說，通過采用向包括光軸中心在內(nèi)的纖芯區(qū)域內(nèi)的至少一部分內(nèi)添加進(jìn)Er元素和Al2O3這雙方的光纖的辦法，就可以期待光纖放大器等的高增益化、放大波段的寬波段化和增益平坦化。但是，在制造適用于光纖放大器等的光纖的過程中，由于起因于光纖母材的加熱和軟化的Er元素或Al2O3將進(jìn)行擴(kuò)散，故實(shí)際上難于把添加進(jìn)來的Er元素或Al2O3僅僅遏制在光纖的纖芯區(qū)域的一部分內(nèi)。此外，借助于該擴(kuò)散，結(jié)果就變成為如果一直到Al2O3的含有量少的區(qū)域?yàn)橹苟即嬖谥鳨r元素，則存在著結(jié)合到本身為主材料的SiO2上的Er元素而不會(huì)結(jié)合到Al2O3上。其結(jié)果是，不可能充分地實(shí)現(xiàn)在上述那樣的適合于現(xiàn)有的光放大用光纖的光纖放大器等中的放大波段的寬波段化和增益平坦化。
另一方面，若為了解決上述那樣的起因于Er元素的擴(kuò)散的問題，增加Al2O3的添加量，則易于形成Al2O3的結(jié)晶。為此，在Al2O3的添加量中也存在著一個(gè)界限，因而光纖放大器等的放大波段寬波段化或增益平坦化也必然地存在著一個(gè)界限。
另外，由于在遍及光纖的整個(gè)纖芯區(qū)域地添加進(jìn)Er元素和Al2O3的光放大用光纖中，與僅僅在纖芯區(qū)域的一部分內(nèi)添加進(jìn)Er元素和Al2O3的光纖不同，可以把整個(gè)纖芯區(qū)域用做添加區(qū)域，故增大該纖芯區(qū)域中的Al2O3的添加量是容易的，與上述的向纖芯區(qū)域的一部分內(nèi)添加進(jìn)Er元素等的光放大用光纖比較起來，易于實(shí)現(xiàn)光纖放大器等的放大波段的寬波段化和增益平坦化。但是，即便是在這種情況下，也不能避免制造過程中的光纖母材的加熱和軟化時(shí)的Er元素等的擴(kuò)散，也不能否定存在著與本身為纖芯區(qū)域的外部(包層區(qū)域)的主材料的SiO2進(jìn)行結(jié)合而不與Al2O3進(jìn)行結(jié)合的Er元素的可能性。因此，即便是使用在整個(gè)纖芯區(qū)域上同時(shí)添加進(jìn)Er元素和Al2O3的光纖的光纖放大器等中，仍然存在著放大波段的寬波段化或增益平坦化的界限。
本發(fā)明就是為解決上述的課題而發(fā)明的，目的是提供具有在更寬的波段中可以得到高而平坦的增益特性或振蕩特性的構(gòu)造的光放大用光纖及其制造方法。
本發(fā)明的光放大用光纖，是可以在光纖放大器或光纖激光振蕩器等中使用的光學(xué)部件，具備沿規(guī)定軸延伸的纖芯區(qū)域和在該纖芯區(qū)域的外周設(shè)置的具有比該纖芯區(qū)域還小的折射率的包層區(qū)域。
特別是本發(fā)明的光放大用光纖具備沿上述規(guī)定軸延伸的外徑a的第1摻雜區(qū)和含有該第1摻雜區(qū)的外徑b(b＞a)的第2摻雜區(qū)。該第1摻雜區(qū)，是至少已摻進(jìn)了稀土族元素，例如，Er、Nd、Tm、Yb和Pr之內(nèi)的任何一種元素的該光放大用光纖內(nèi)的玻璃區(qū)域。此外，第2區(qū)域，是含有至少已摻進(jìn)了具有與構(gòu)成該光放大用光纖的主材料SiO2的陽離子的價(jià)數(shù)不同的價(jià)數(shù)的元素的氧化物(以下，叫做子基質(zhì))，例如，Al2O3、P2O5、Y2O3和B2O3之內(nèi)的任何一種氧化物的上述第1摻雜區(qū)的玻璃區(qū)域。
在這種情況下，在制造該光放大用光纖的過程中，在光纖母材的加熱、軟化時(shí)即便是假定稀土族元素或Al2O3等的子基質(zhì)擴(kuò)散，從第1摻雜區(qū)擴(kuò)散出來的稀土族元素，也可以與位于第1摻雜區(qū)的外側(cè)的第1摻雜區(qū)的一部分內(nèi)存在的子基質(zhì)進(jìn)行結(jié)合，對(duì)放大波段的寬波段化作出貢獻(xiàn)。這樣一來，由于具備易于和進(jìn)行擴(kuò)散的稀土族元素和Al2O3等的子基質(zhì)進(jìn)行結(jié)合的構(gòu)造，故本發(fā)明的光放大用光纖，在更寬的波段中具有高而平坦的增益特性或振蕩特性。
另外，添加到上述第2摻雜區(qū)中的Al2O3等的子基質(zhì)的添加量，理想的是沿與光軸垂直的該光放大用光纖的直徑方向大體上是均一的。
在本發(fā)明的光放大用光纖中，雖然上述第2摻雜區(qū)形成為把上述第1摻雜區(qū)的周圍圍起來，但這些第1和第2摻雜區(qū)與纖芯區(qū)域之間的關(guān)系有種種的形態(tài)。
例如，可以作成為這樣的構(gòu)成把第1摻雜區(qū)形成為纖芯區(qū)域的一部分，并使第2摻雜區(qū)與纖芯區(qū)域一致(實(shí)施例1)。在該實(shí)施例1中，雖然第1摻雜區(qū)的外徑比纖芯區(qū)域的外徑小，但第2摻雜區(qū)的外徑與纖芯區(qū)域的外徑一致。此外，也可以使第1和第2摻雜區(qū)都構(gòu)成纖芯區(qū)域的一部分(實(shí)施例2)。在該實(shí)施例2中第1和第2摻雜區(qū)的外徑都比纖芯區(qū)域的外徑小。在實(shí)施例3中，第1摻雜區(qū)構(gòu)成纖芯區(qū)域，第2摻雜區(qū)構(gòu)成包層區(qū)域的一部分或者全體。在該實(shí)施例3的情況下，第1摻雜區(qū)的外徑與纖芯區(qū)域的外徑一致。此外，實(shí)施例4中的第1和第2摻雜區(qū)的構(gòu)造上的關(guān)系雖然與上述實(shí)施例1是一樣的，但是該光放大用光纖中的纖芯區(qū)域本身的構(gòu)造卻不同。就是說，構(gòu)成第1和第2摻雜區(qū)的纖芯區(qū)域中的各部分的折射率并不一定非一致不可。
此外，還可以向本發(fā)明的光放大用光纖中的纖芯區(qū)域內(nèi)添加GeO2和鹵族元素中的至少一種。采用添加GeO2或本身為鹵族元素的Cl元素的辦法，就可以使纖芯區(qū)域的折射率上升。另一方面，本身為鹵族元素的F元素也可以在包層區(qū)域中作為折射率降低劑使用。這樣一來，采用除去GeO2之外再添加上鹵族元素的辦法，來增加折射率分布設(shè)計(jì)的自由度。此外即便是在要得到同一形狀的折射率分布的情況下，也可以相對(duì)地減少GeO2添加量，在減小傳送損耗方面是合宜的。
此外，在本發(fā)明的光放大用光纖中，上述第1摻雜區(qū)的外徑a對(duì)上述第2摻雜區(qū)的外徑b的比(a／b)理想的在0．1以上0．9以下。這樣，采用預(yù)先把第2摻雜區(qū)的外徑設(shè)定得比第1摻雜區(qū)的外徑大的辦法，就可以抑制稀土族元素與該光放大用光纖的主材料SiO2之間的結(jié)合，可以得到充分的增益。
在本發(fā)明的光放大用光纖的制造方法中，首先，在玻璃管道的內(nèi)壁上，形成含有具有與構(gòu)成該玻璃管道的主材料的陽離子的價(jià)數(shù)不同價(jià)數(shù)的元素的子基質(zhì)的第1區(qū)域(相當(dāng)于第2摻雜區(qū)的外側(cè)區(qū)域)(第1工序)。此外，用第1工序形成的第1區(qū)域的內(nèi)壁上，形成已添加進(jìn)稀土族元素和上述子基質(zhì)的第2區(qū)域(相當(dāng)于第1摻雜區(qū)和第2摻雜區(qū)的內(nèi)側(cè))(第2工序)。采用使以上那樣地形成的玻璃管道致密化的辦法(第3工序)，就可以得到光纖母材。采用把該光纖母材拉成絲的辦法(第4工序)，就可以得到構(gòu)成為使得把至少已添加進(jìn)稀土族元素的第1摻雜區(qū)包含到已添加進(jìn)Al2O3等的子基質(zhì)的第2摻雜區(qū)內(nèi)的該光放大用光纖。但是，在上述第1和第2工序中分別形成的第1和第2區(qū)域，不論哪一個(gè)都將構(gòu)成用來形成該光放大用光纖的纖芯區(qū)域的玻璃區(qū)域。
另外，本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，借助于以下的詳細(xì)的說明和附圖會(huì)理解得更為充分。這些實(shí)施例僅僅是為了進(jìn)行例示的實(shí)施例，不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限定。
此外，本發(fā)明的更為廣泛的應(yīng)用范圍，從以下的詳細(xì)的發(fā)明說明中會(huì)弄清楚。但是，詳細(xì)的說明和特定的事例，盡管示出了本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例，但是也僅僅是為了例示而已，在本發(fā)明的思想和范圍中的各種各樣的變形和改良，從本詳細(xì)說明中，理所當(dāng)然地是不言自明的。
附圖的簡(jiǎn)單說明

圖1A～圖1E示出了本發(fā)明的光放大用光纖的實(shí)施例1的構(gòu)造，圖1A示出了該實(shí)施例1的光放大用光纖的折射率分布，圖1B示出了該實(shí)施例1的光放大用光纖的剖面構(gòu)造，圖1C示出了該實(shí)施例1的第1摻雜區(qū)中的稀土族元素的添加量，圖1D示出了該實(shí)施例1的第2摻雜區(qū)中的氧化物的添加量，圖1E示出了該實(shí)施例1的光放大用光纖的纖芯區(qū)域的詳細(xì)的剖面構(gòu)造。
圖2A～圖2E示出了本發(fā)明的光放大用光纖的實(shí)施例2的構(gòu)造，圖2A示出了該實(shí)施例2的光放大用光纖的折射率分布，圖2B示出了該實(shí)施例2的光放大用光纖的剖面構(gòu)造，圖2C示出了該實(shí)施例2的第1摻雜區(qū)中的稀土族元素的添加量，圖2D示出了該實(shí)施例2的第2摻雜區(qū)中的氧化物的添加量，圖2E示出了該實(shí)施例2的光放大用光纖的纖芯區(qū)域的詳細(xì)的剖面構(gòu)造。
圖3A～圖3E示出了本發(fā)明的光放大用光纖的實(shí)施例3的構(gòu)造，圖3A示出了該實(shí)施例3的光放大用光纖的折射率分布，圖3B示出了該實(shí)施例3的光放大用光纖的剖面構(gòu)造，圖3C示出了該實(shí)施例3的第1摻雜區(qū)中的稀土族元素的添加量，圖3D示出了該實(shí)施例3的第2摻雜區(qū)中的氧化物的添加量，圖3E示出了該實(shí)施例3的光放大用光纖的纖芯區(qū)域的詳細(xì)的剖面構(gòu)造。
圖4A～圖4E示出了本發(fā)明的光放大用光纖的實(shí)施例4的構(gòu)造，圖4A示出了該實(shí)施例4的光放大用光纖的折射率分布，圖4B示出了該實(shí)施例4的光放大用光纖的剖面構(gòu)造，圖4C示出了該實(shí)施例4的第1摻雜區(qū)中的稀土族元素的添加量，圖4D示出了該實(shí)施例4的第2摻雜區(qū)中的氧化物的添加量，圖4E示出了該實(shí)施例4的光放大用光纖的纖芯區(qū)域的詳細(xì)的剖面構(gòu)造。
圖5A～圖5E是用來說明本發(fā)明的光放大用光纖的制造方法的工序圖。
圖6的曲線圖，對(duì)本發(fā)明的光放大用光纖的樣品(具有實(shí)施例1的構(gòu)造)和本身為比較例的光放大用光纖，示出了向第2摻雜區(qū)內(nèi)添加的Al2O3的濃度(wt％)和在1．55微米波段中的帶寬之間的關(guān)系。
圖7和圖8的曲線圖，對(duì)本發(fā)明的光放大用光纖的樣品(具有實(shí)施例2的構(gòu)造)和本身為比較例的光放大用光纖，示出了在1．55微米波段中的增益對(duì)波長(zhǎng)的依賴性。
優(yōu)選實(shí)施例以下，用圖1A～圖5E和圖6～圖9，說明本發(fā)明的光放大用光纖的各個(gè)實(shí)施例。另外，在附圖的說明中，對(duì)于同一要素賦予同一標(biāo)號(hào)而省略重復(fù)的說明。
實(shí)施例1圖1A～圖1E示出了本發(fā)明的光放大用光纖的實(shí)施例1的構(gòu)造，特別是，圖1A示出了該實(shí)施例1的光放大用光纖的折射率分布，圖1B示出了該實(shí)施例1的光放大用光纖的剖面構(gòu)造，圖1C示出了該實(shí)施例1的第1摻雜區(qū)中的稀土族元素的添加量，圖1D示出了該實(shí)施例1的第2摻雜區(qū)中的氧化物的添加量，圖1E示出了該實(shí)施例1的光放大用光纖的纖芯區(qū)域的詳細(xì)剖面構(gòu)造。
實(shí)施例1的光放大用光纖10以SiO2為主材料，如圖1B所示，具備沿規(guī)定軸延伸的折射率為n1的纖芯區(qū)域11和在該纖芯區(qū)域11的外周設(shè)置且具有比該纖芯區(qū)域11還低的折射率n2的包層區(qū)域12。纖芯區(qū)域11，如圖1E所示，具備至少已添加進(jìn)稀土族元素和Al2O3等的氧化物(子基質(zhì))的構(gòu)成第1摻雜區(qū)的內(nèi)側(cè)纖芯11a、和設(shè)置在該內(nèi)側(cè)纖芯11a的外周且構(gòu)成與該內(nèi)側(cè)纖芯11a一起都添加進(jìn)子基質(zhì)的第2摻雜區(qū)的外側(cè)纖芯11b。借助于這樣的構(gòu)成，如圖1C所示，向纖芯區(qū)域11的一部分內(nèi)集中地?fù)饺胂⊥磷逶兀鐖D1D所示，得到向整個(gè)纖芯區(qū)域11內(nèi)進(jìn)行了摻雜子基質(zhì)的構(gòu)造。
另外，該實(shí)施例1的光放大用光纖10，如圖1A所示，具有對(duì)稱(matched)型的折射率分布15。此外，構(gòu)成纖芯區(qū)域11的內(nèi)側(cè)纖芯11a的折射率和外側(cè)纖芯11b的折射率被設(shè)定為相同。可以向該纖芯區(qū)域11內(nèi)，添加GeO2、Cl等的折射率增加劑。但是，向包層區(qū)域12內(nèi)則可以添加進(jìn)作為折射率降低劑的F元素。采用向包層區(qū)域12內(nèi)添加F元素的辦法，由于可以實(shí)現(xiàn)GeO2等的添加量的降低而無須變更折射率分布15的形狀，所以在降低傳送損耗方面是理想的。
圖1A的折射率分布15，示出了圖1B中的線L上邊的各個(gè)部位處的折射率，區(qū)域151示出了纖芯區(qū)域11(包括內(nèi)側(cè)纖芯11a和外側(cè)纖芯11b)中的各個(gè)部位的折射率，區(qū)域152示出了包層區(qū)域12中的各個(gè)部位的折射率。
本身為纖芯區(qū)域11的一部分的內(nèi)側(cè)纖芯11a，作為第1摻雜區(qū)，添加進(jìn)了稀土族元素和子基質(zhì)(參看圖1C)。被添加的稀土族元素是Er、Nd、Tm、Yb和Pr中的任何一種元素，當(dāng)照射規(guī)定波長(zhǎng)的激勵(lì)光時(shí)，就發(fā)生紅外區(qū)域的波長(zhǎng)的熒光。特別是在作為稀土族元素添加進(jìn)Er元素的情況下，一般說理想的是發(fā)生本身為光纖的傳送損耗最小的波段的1．55微米波段的熒光。所添加的子基質(zhì)是具有與構(gòu)成該光放大用光纖10的主材料SiO2的陽離子的價(jià)數(shù)4不同價(jià)數(shù)的元素的氧化物，例如，Al2O3、P2O5、Y2O3和B2O3。
構(gòu)成纖芯區(qū)域11的一部分的外側(cè)纖芯11b，僅僅添加進(jìn)子基質(zhì)。此外，子基質(zhì)的添加量，如圖1D所示，理想的是在與該光放大用光纖10的光軸垂直的直徑方向上大體上是均一的。
如上所述，該實(shí)施例1的光放大用光纖10，向包括光軸中心在內(nèi)的第1摻雜區(qū)(相當(dāng)于內(nèi)側(cè)纖芯11a)內(nèi)添加進(jìn)稀土族元素和子基質(zhì)，向包括該第1摻雜區(qū)在內(nèi)，具有比該第1摻雜區(qū)還大的外徑的第2摻雜區(qū)(相當(dāng)于由內(nèi)側(cè)纖芯11a和外側(cè)纖芯11b規(guī)定的玻璃區(qū)域)內(nèi)添加進(jìn)子基質(zhì)。因此在制造光放大用光纖10的過程中，在光纖母材的加熱、軟化時(shí)，即便是假定第1摻雜區(qū)的子基質(zhì)擴(kuò)散，該稀土族元素也將與第2摻雜區(qū)內(nèi)的子基質(zhì)進(jìn)行結(jié)合。其結(jié)果是，該實(shí)施例1的光放大用光纖10，在更為寬的波段中具有高而平坦的增益特性或振蕩特性。
另外，為了充分得到以上的效果，在設(shè)上述第1摻雜區(qū)的外徑為a，設(shè)第2摻雜區(qū)的外徑為b時(shí)，理想的是0．1≤a／b≤0．9。就是說，為了得到充分的增益，必須是0．1≤a／b，另一方面為了防止稀土族元素與主材料SiO2之間的結(jié)合，必須是a／b≤0．9。
實(shí)施例2圖2A～圖2E示出了本發(fā)明的光放大用光纖的實(shí)施例2的構(gòu)造，特別是，圖2A示出了該實(shí)施例2的光放大用光纖的折射率分布，圖2B示出了該實(shí)施例2的光放大用光纖的剖面構(gòu)造，圖2C示出了該實(shí)施例2的第1摻雜區(qū)中的稀土族元素的添加量，圖2D示出了該實(shí)施例2的第2摻雜區(qū)中的氧化物的添加量，圖2E示出了該實(shí)施例2的光放大用光纖的纖芯區(qū)域的詳細(xì)的剖面構(gòu)造。
實(shí)施例2的光放大用光纖20以SiO2為主材料，如圖2B所示，具備沿規(guī)定軸延伸的折射率為n1的纖芯區(qū)域21、和在該纖芯區(qū)域21的外周設(shè)置且具有比該纖芯區(qū)域21還低的折射率n2的包層區(qū)域22。纖芯區(qū)域21，如圖2E所示，具備構(gòu)成至少已添加進(jìn)稀土族元素和Al2O3等的氧化物(子基質(zhì))的第1摻雜區(qū)的內(nèi)側(cè)纖芯21a、和設(shè)置在該內(nèi)側(cè)纖芯21a的外周且構(gòu)成與該內(nèi)側(cè)一起都添加進(jìn)子基質(zhì)的第2摻雜區(qū)的外側(cè)纖芯21b。借助于這樣的構(gòu)成，作為纖芯區(qū)域21的一部分，如圖2C所示，向纖芯區(qū)域21的一部分內(nèi)集中地?fù)饺胂⊥磷逶?，如圖2D所示，得到向纖芯區(qū)域21的一部分內(nèi)也集中地添加進(jìn)了子基質(zhì)的構(gòu)造。
另外，該實(shí)施例2的光放大用光纖20，如圖2A所示，具有對(duì)稱型的折射率分布25。此外，構(gòu)成纖芯區(qū)域21的內(nèi)側(cè)纖芯21a的折射率和中間纖芯21b和外側(cè)纖芯21c的折射率被設(shè)定為相同?？梢韵蛟摾w芯區(qū)域21內(nèi)，添加GeO2、Cl等的折射率增加劑。但是，向包層區(qū)域22內(nèi)則可以添加進(jìn)作為折射率降低劑的F元素。采用向包層區(qū)域22內(nèi)添加F元素的辦法，由于可以實(shí)現(xiàn)GeO2等的添加量的降低而無須變更折射率分布25的形狀，所以在降低傳送損耗方面是理想的。
圖2A的折射率分布25，示出了圖2B中的線L上邊的各個(gè)部位處的折射率，區(qū)域251示出了纖芯區(qū)域21(包括內(nèi)側(cè)纖芯21a和中間纖芯21b和外側(cè)纖芯21c)中的各個(gè)部位的折射率，區(qū)域252示出了包層區(qū)域22中的各個(gè)部位的折射率。
本身為纖芯區(qū)域21的一部分的內(nèi)側(cè)纖芯21a，作為第1摻雜區(qū)，添加進(jìn)了稀土族元素和子基質(zhì)(參看圖2C)。被添加的稀土族元素是Er、Nd、Tm、Yb和Pr中的任何一種元素，當(dāng)照射規(guī)定波長(zhǎng)的激勵(lì)光時(shí)，就發(fā)生紅外區(qū)域的波長(zhǎng)的熒光。特別是在作為稀土族元素添加進(jìn)Er元素的情況下，一般說理想的是發(fā)生本身為光纖的傳送損耗最小的波段的1．55微米波段的熒光。所添加的子基質(zhì)是具有與構(gòu)成該光放大用光纖20的主材料SiO2的陽離子的價(jià)數(shù)4不同價(jià)數(shù)的元素的氧化物，例如，Al2O3、P2O5、Y2O3和B2O3。
構(gòu)成纖芯區(qū)域21的一部分的中間纖芯21b，作為第2摻雜區(qū)的一部分，僅僅添加進(jìn)子基質(zhì)。此外，子基質(zhì)的添加量，如圖2D所示，理想的是在與該光放大用光纖20的光軸垂直的直徑方向上大體上是均一的。
如上所述，該實(shí)施例2的光放大用光纖20，向包括光軸中心在內(nèi)的第1摻雜區(qū)(相當(dāng)于內(nèi)側(cè)纖芯21a)內(nèi)添加進(jìn)稀土族元素和子基質(zhì)，向該第2摻雜區(qū)(相當(dāng)于由中間纖芯21b規(guī)定的玻璃區(qū)域)內(nèi)僅僅添加進(jìn)子基質(zhì)。因此在制造光放大用光纖20的過程中，在光纖母材的加熱、軟化時(shí)，即便是假定稀土族元素或子基質(zhì)擴(kuò)散，該稀土族元素也將與第2摻雜區(qū)內(nèi)的子基質(zhì)進(jìn)行結(jié)合。其結(jié)果是，該實(shí)施例2的光放大用光纖20，在更為寬的波段中具有高而平坦的增益特性或振蕩特性。
另外，為了充分得到以上的效果，在設(shè)上述第1摻雜區(qū)的外徑為a，設(shè)從中心開始第2摻雜區(qū)的外徑為b時(shí)，理想的是0．1≤a／b≤0．9。就是說，為了得到充分的增益，必須是0．1≤a／b，另一方面為了防止稀土族元素與主材料SiO2之間的結(jié)合，必須是a／b≤0．9。
實(shí)施例3圖3A～圖3E示出了本發(fā)明的光放大用光纖的實(shí)施例3的構(gòu)造，特別是，圖3A示出了該實(shí)施例3的光放大用光纖的折射率分布，圖3B示出了該實(shí)施例3的光放大用光纖的剖面構(gòu)造，圖3C示出了該實(shí)施例3的第1摻雜區(qū)中的稀土族元素的添加量，圖3D示出了該實(shí)施例3的第2摻雜區(qū)中的氧化物的添加量，圖3E示出了該實(shí)施例3的光放大用光纖的纖芯區(qū)域的詳細(xì)的剖面構(gòu)造。
實(shí)施例3的光放大用光纖30以SiO2為主材料，如圖3B所示，具備沿規(guī)定軸延伸的折射率為n1的纖芯區(qū)域31、和在該纖芯區(qū)域31的外周設(shè)置且具有比該纖芯區(qū)域31還低的折射率n2的包層區(qū)域32。纖芯區(qū)域31，如圖3E所示，構(gòu)成至少已添加進(jìn)稀土族元素和Al2O3等的氧化物(子基質(zhì))的第1摻雜區(qū)。此外，向由纖芯區(qū)域31和包層區(qū)域32的整個(gè)區(qū)域(也可以是與纖芯區(qū)域31毗鄰的該包層區(qū)域32的一部分)規(guī)定的整個(gè)區(qū)域內(nèi)添加進(jìn)子基質(zhì)，構(gòu)成第2摻雜區(qū)。
另外，該實(shí)施例3的光放大用光纖30，如圖3A所示，也具有對(duì)稱型的折射率分布35?？梢韵蛟摾w芯區(qū)域31內(nèi)，添加GeO2、Cl等的折射率增加劑。但是，向包層區(qū)域32內(nèi)則可以添加進(jìn)作為折射率降低劑的F元素。采用向包層區(qū)域32內(nèi)添加F元素的辦法，由于可以實(shí)現(xiàn)GeO2等的添加量的降低而無須變更折射率分布35的形狀，所以在降低傳送損耗方面是理想的。
圖3A的折射率分布35，示出了圖3B中的線L上邊的各個(gè)部位處的折射率，區(qū)域351示出了纖芯區(qū)域31中的各個(gè)部位的折射率，區(qū)域352示出了包層區(qū)域32中的各個(gè)部位的折射率。
纖芯區(qū)域31，作為第1摻雜區(qū)添加進(jìn)了稀土族元素和子基質(zhì)(參看圖3C)。被添加的稀土族元素是Er、Nd、Tm、Yb和Pr中的任何一種元素，當(dāng)照射規(guī)定波長(zhǎng)的激勵(lì)光時(shí)，就發(fā)生紅外區(qū)域的波長(zhǎng)的熒光。特別是在作為稀土族元素添加進(jìn)Er元素的情況下，一般說理想的是發(fā)生本身為光纖的傳送損耗最小的波段的1．55微米波段的熒光。所添加的子基質(zhì)是具有與構(gòu)成該光放大用光纖30的主材料SiO2的陽離子的價(jià)數(shù)4不同價(jià)數(shù)的元素的氧化物，例如，Al2O3、P2O5、Y2O3和B2O3。
向包層區(qū)域32中，添加進(jìn)子基質(zhì)。此外，子基質(zhì)的添加量，如圖3D所示，理想的是在與該光放大用光纖30的光軸垂直的直徑方向上大體上是均一的。
如上所述，該實(shí)施例3的光放大用光纖30，向包括光軸中心在內(nèi)的第1摻雜區(qū)(相當(dāng)于纖芯區(qū)域31的整個(gè)區(qū)域)內(nèi)添加進(jìn)稀土族元素和子基質(zhì)，包括該第1摻雜區(qū)在內(nèi)向具有比該第1摻雜區(qū)還大的外徑的第2摻雜區(qū)(相當(dāng)于由包層區(qū)域32規(guī)定的玻璃區(qū)域)內(nèi)添加進(jìn)子基質(zhì)。因此，在制造光放大用光纖30的過程中，在光纖母材的加熱、軟化時(shí)，即便是假定稀土族元素或子基質(zhì)擴(kuò)散，該稀土族元素也將與存在子基質(zhì)的第2摻雜區(qū)內(nèi)的子基質(zhì)進(jìn)行結(jié)合。其結(jié)果是，該實(shí)施例3的光放大用光纖30，在更為寬的波段中具有高而平坦的增益特性或振蕩特性。
另外，為了充分得到以上的效果，在設(shè)上述第1摻雜區(qū)的外徑為a，設(shè)第2摻雜區(qū)的外徑為b時(shí)，理想的是0．1≤a／b≤0．9。就是說，為了得到充分的增益，必須是0．1≤a／b，另一方面為了防止稀土族元素與主材料SiO2之間的結(jié)合，必須是a／b≤O．9。
實(shí)施例4圖4A～圖4E示出了本發(fā)明的光放大用光纖的實(shí)施例4的構(gòu)造，特別是，圖4A示出了該實(shí)施例4的光放大用光纖的折射率分布，圖4B示出了該實(shí)施例4的光放大用光纖的剖面構(gòu)造，圖4C示出了該實(shí)施例4的第1摻雜區(qū)中的稀土族元素的添加量，圖4D示出了該實(shí)施例4的第2摻雜區(qū)中的氧化物的添加量，圖4E示出了該實(shí)施例4的光放大用光纖的纖芯區(qū)域的詳細(xì)的剖面構(gòu)造。
實(shí)施例4的光放大用光纖40以SiO2為主材料，如圖4B所示，具備沿規(guī)定軸延伸的纖芯區(qū)域41、和在該纖芯區(qū)域41的外周設(shè)置且具有比該纖芯區(qū)域41還低的折射率n2的包層區(qū)域42。另外，纖芯區(qū)域41具備折射率為n1的內(nèi)側(cè)纖芯41a和在該內(nèi)側(cè)纖芯41a的外周設(shè)置的且具有比內(nèi)側(cè)纖芯41a還低的折射率n3的外側(cè)纖芯41b。纖芯區(qū)域41的內(nèi)側(cè)纖芯41a，如圖4E所示，構(gòu)成至少已添加進(jìn)稀土族元素和Al2O3等的氧化物(子基質(zhì))的第1摻雜區(qū)。向外側(cè)纖芯41b內(nèi)添加子基質(zhì)，構(gòu)成第2摻雜區(qū)。
另外，該實(shí)施例4的光放大用光纖40，如圖4A所示，也具有對(duì)稱型的折射率分布45。雖然可以向該纖芯區(qū)域41內(nèi)，添加GeO2、Cl等的折射率增加劑，但構(gòu)成內(nèi)側(cè)纖芯41a的折射率n1被設(shè)定為比外側(cè)纖芯41b的折射率n3還高。但是，向包層區(qū)域42內(nèi)則可以添加進(jìn)作為折射率降低劑的F元素。采用向包層區(qū)域42內(nèi)添加F元素的辦法，由于可以實(shí)現(xiàn)GeO2等的添加量的降低而無須變更折射率分布45的形狀，所以在降低傳送損耗方面是理想的。
圖4A的折射率分布45，示出了圖4B中的線L上邊的各個(gè)部位處的折射率，區(qū)域451示出了纖芯區(qū)域41的內(nèi)側(cè)纖芯41a中的各個(gè)部位的折射率，區(qū)域452示出了纖芯區(qū)域41的外側(cè)纖芯41b中的各個(gè)部位的折射率，區(qū)域453示出了包層區(qū)域42中的各個(gè)部位的折射率。
纖芯區(qū)域41中內(nèi)側(cè)纖芯41a，作為第1摻雜區(qū)添加進(jìn)了稀土族元素和子基質(zhì)(參看圖4C)。被添加的稀土族元素是Er、Nd、Tm、Yb和Pr中的任何一種元素，當(dāng)照射規(guī)定波長(zhǎng)的激勵(lì)光時(shí)，就發(fā)生紅外區(qū)域的波長(zhǎng)的熒光。特別是在作為稀土族元素添加進(jìn)Er元素的情況下，一般說理想的是發(fā)生本身為光纖的傳送損耗最小的波段的1．55微米波段的熒光。所添加的子基質(zhì)是具有與構(gòu)成該光放大用光纖40的主材料SiO2的陽離子的價(jià)數(shù)4不同價(jià)數(shù)的元素的氧化物，例如，Al2O3、P2O5、Y2O3和B2O3。
向纖芯區(qū)域41中的外側(cè)纖芯41b中，添加進(jìn)子基質(zhì)。此外，子基質(zhì)的添加量，如圖4D所示，理想的是在與該光放大用光纖40的光軸垂直的直徑方向上大體上是均一的。
如上所述，該實(shí)施例4的光放大用光纖40，向包括光軸中心在內(nèi)的第1摻雜區(qū)(相當(dāng)于內(nèi)側(cè)纖芯41a)內(nèi)添加進(jìn)稀土族元素，向包括該第1摻雜區(qū)在內(nèi)具有比該第1摻雜區(qū)還大的外徑的第2摻雜區(qū)(相當(dāng)于由內(nèi)側(cè)纖芯41a和外側(cè)纖芯41b構(gòu)成的整個(gè)纖芯區(qū)域41)內(nèi)添加進(jìn)子基質(zhì)。因此，在制造光放大用光纖40的過程中，在光纖母材的加熱、軟化時(shí)，即便是假定稀土族元素或子基質(zhì)擴(kuò)散，由于該稀土族元素存在于存在子基質(zhì)的第2摻雜區(qū)內(nèi)，故得以大幅度地改善與子基質(zhì)進(jìn)行結(jié)合的概率。其結(jié)果是，該實(shí)施例4的光放大用光纖40，也在更為寬的波段中具有高而平坦的增益特性或振蕩特性。
另外，為了充分得到以上的效果，在設(shè)上述第1摻雜區(qū)的外徑為a，設(shè)第2摻雜區(qū)的外徑為b時(shí)，理想的是0．1≤a／b≤0．9。就是說，為了得到充分的增益，必須是0．1≤a／b，另一方面為了防止稀土族元素與主材料SiO2之間的結(jié)合，必須是a／b≤0．9。
其次，對(duì)本發(fā)明的光放大用光纖的各個(gè)實(shí)施例，對(duì)與現(xiàn)有的光放大用光纖進(jìn)行比較的結(jié)果，進(jìn)行說明。
首先，準(zhǔn)備好的樣品是具備圖1A～圖1E所示構(gòu)造的實(shí)施例1的光放大用光纖10。在該光放大用光纖10中，以SiO2為主材料，向纖芯區(qū)域11內(nèi)添加進(jìn)了GeO2。此外，在纖芯區(qū)域11內(nèi)，向構(gòu)成第1摻雜區(qū)的內(nèi)側(cè)纖芯11a內(nèi)添加進(jìn)稀土族元素(Er元素)，向構(gòu)成第2摻雜區(qū)的內(nèi)側(cè)纖芯11a和外側(cè)纖芯11b內(nèi)添加進(jìn)子基質(zhì)(Al2O3)。
具有以上那樣構(gòu)造的樣品使用MCVD法和液浸法進(jìn)行組合的辦法制造。
首先，作為主材料，準(zhǔn)備由SiO2構(gòu)成的玻璃管道100(要成為該光放大用光纖10的包層區(qū)域12的一部分的構(gòu)件)。在該玻璃管道100上設(shè)置貫通孔101(參看圖5A)。在規(guī)定該貫通孔101的玻璃管道100的內(nèi)壁上，以SiCl4、GeCl4和O2的混合氣體為原料，借助于加熱氧化，淀積多孔質(zhì)體。然后，把Al添加到采用把該玻璃管道100浸泡到鋁離子的溶液中的辦法淀積的多孔質(zhì)體內(nèi)，通過氧化加熱使之透明化。借助于以上的工序形成的層110，是該光放大用光纖10之內(nèi)已添加進(jìn)GeO2和子基質(zhì)(Al2O3)的用來構(gòu)成外側(cè)纖芯11b的層(參看圖5B)。
接著，向借助于上述工序形成的層110的內(nèi)壁上，用與層110同樣的方法，淀積多孔質(zhì)體。然后，該玻璃管道100，也向浸泡到Er和鋁的溶液中淀積的多孔質(zhì)體添加進(jìn)Er和Al2O3，加熱使之透明化。借助于該工序形成的層120是該光放大用光纖10之內(nèi)添加進(jìn)稀土族元素(Er)和子基質(zhì)(Al2O3)的用來構(gòu)成內(nèi)側(cè)纖芯11a的層(參看圖5C)。
采用使經(jīng)過以上的工序形成了用來構(gòu)成纖芯區(qū)域11的層110、120的玻璃管道100致密化(由疏松變成為密實(shí))的辦法，得到纖芯棒200(參看圖5D)。采用再在該纖芯棒200的外周設(shè)置用來構(gòu)成套管層(相當(dāng)于包層區(qū)域12的外側(cè)部分的不參與光的傳送的區(qū)域)的層250的辦法，得到光纖母材300。然后，采用邊把該光纖母材300拉成絲邊卷繞成滾柱(roller)150的辦法就可以得到實(shí)施例1的光放大用光纖10的樣品(參看圖5E)。
圖6的曲線圖，對(duì)經(jīng)過以上的工序得到的樣品(具有實(shí)施例1的構(gòu)造)和作為比較例的光放大用光纖，示出了添加到第2摻雜區(qū)內(nèi)的Al2O3的濃度(wt％)與在1．55微米波段中的帶寬之間的關(guān)系。另外，圖6的曲線所示的比較例1具備向纖芯區(qū)域的一部分內(nèi)同時(shí)添加進(jìn)Er和Al2O3的構(gòu)造。
此外，圖7的曲線圖，對(duì)經(jīng)過以上的工序得到的樣品(具有實(shí)施例1的構(gòu)造)和作為比較例的多種光放大用光纖，示出了在1．55微米波段中的增益對(duì)波長(zhǎng)的依賴性。另外，圖7的曲線所示的比較例1具備向纖芯區(qū)域的一部分內(nèi)同時(shí)添加進(jìn)Er和Al2O3的構(gòu)造，比較例2具有向整個(gè)纖芯區(qū)域內(nèi)同時(shí)添加進(jìn)Er和Al2O3的構(gòu)造。此外，圖8的曲線圖擴(kuò)大示出了圖7所示的曲線內(nèi)波段的一部分。另外，添加到圖7和圖8所示的光放大用光纖中的Er的添加量為1000wtppm(0．01wt％)。
由圖6的曲線可知，在實(shí)施例1的樣品的情況下，增益在35dB以上，增益偏差變成為1dB以下的波段的波長(zhǎng)寬度在18nm以上。這樣一來，實(shí)施例1的樣品，與比較例1的光放大用光纖的波段寬度12nm比較起來寬，與比較例2的光放大用光纖的波段寬度14nm比較也寬。
此外，發(fā)明人等還制造了實(shí)施例2(圖2A～圖2E)的光放大用光纖20的樣品。
該實(shí)施例2的樣品，以SiO2為主材料，向內(nèi)側(cè)纖芯21a內(nèi)添加進(jìn)稀土族元素(Er元素)，向內(nèi)側(cè)纖芯21a和中間纖芯21b內(nèi)添加進(jìn)子基質(zhì)(Al2O3)，向內(nèi)側(cè)纖芯21a、中間纖芯21b和外側(cè)纖芯21c內(nèi)均一地添加進(jìn)GeO2。
該樣品也使用MCVD法和液浸法進(jìn)行組合的辦法制造(參看圖5A～圖5E)。
首先，在該樣品的情況下，也準(zhǔn)備由SiO2構(gòu)成的玻璃管道100(用來構(gòu)成該光放大用光纖20的包層區(qū)域22的一部分的構(gòu)件)。然后，在規(guī)定該貫通孔101的玻璃管道100的內(nèi)壁上，以SiCl4、GeCl4和O2的混合氣體為原料，借助于加熱氧化，淀積多孔質(zhì)體。然后，通過加熱使之透明化。借助于此，在玻璃管道100的貫通孔101內(nèi)壁上，形成用來構(gòu)成該光放大用光纖20的外側(cè)纖芯21c的層(含有GeO2)。另外以下的構(gòu)成纖芯區(qū)域21的中間纖芯21b(含有GeO2和Al2O3)、內(nèi)側(cè)纖芯21a(含有GeO2、Er元素和Al2O3)的制造工序，如在(圖5B～圖5D)中所示的那樣。此外，在該樣品的制造中，也采用在纖芯棒200的外周形成將成為該光放大用光纖20的套管層(包層區(qū)域22的不參與光的傳送的外周區(qū)域)250的辦法，得到光纖母材300，并采用把該光纖母材300拉成絲卷繞成滾柱150的辦法就可以得到實(shí)施例2的樣品(參看圖5E)。
圖9的曲線圖，對(duì)經(jīng)過以上的工序得到的樣品(具有實(shí)施例2的構(gòu)造)和作為比較例的光放大用光纖，示出了在1．55微米波段中的增益對(duì)波長(zhǎng)的依賴性。另外，在圖9的曲線中，比較例1是向纖芯區(qū)域的一部分內(nèi)同時(shí)添加進(jìn)Er元素和Al2O3的光放大用光纖。此外，實(shí)施例2的樣品和比較例1不論哪一個(gè)，都被設(shè)計(jì)為使Al2O3的濃度變化，并調(diào)整反轉(zhuǎn)分布使得在波長(zhǎng)范圍1．54微米到1．56微米中的增益偏差變成為最小，使得在波長(zhǎng)1．55微米下的增益變成為30dB。在這種情況下，如果求增益變成為30±0．5dB的光放大波段的波段寬度，則約為20nm左右。這與比較例1的光放大用光纖中的波段寬度比較起來要寬。
工業(yè)上利用的可能性如上所述，倘采用本發(fā)明，則可以設(shè)計(jì)為使得已添加進(jìn)具有與構(gòu)成該光放大用光纖的主材料的陽離子的價(jià)數(shù)不同價(jià)數(shù)的元素的氧化物(子基質(zhì))的第2摻雜區(qū)的外徑，比添加進(jìn)稀土族元素和子基質(zhì)的第1摻雜區(qū)的外徑大。就是說，在制造該光放大用光纖的過程中光纖母材的加熱和軟化時(shí)，即便是假定第1摻雜區(qū)內(nèi)的稀土族元素?cái)U(kuò)散，也可以與第2摻雜區(qū)內(nèi)的子基質(zhì)進(jìn)行結(jié)合。其結(jié)果是，可以得到在更寬的波段內(nèi)具有平坦的增益特性或振蕩特性的光放大用光纖。
權(quán)利要求
1．一種具備沿規(guī)定軸延伸的纖芯區(qū)域、和在該纖芯區(qū)域的外周設(shè)置且具有比該纖芯區(qū)域還低的折射率的包層區(qū)域的光放大用光纖，本身是實(shí)質(zhì)上已添加進(jìn)稀土族元素的區(qū)域且是包括上述規(guī)定軸在內(nèi)的外徑a的區(qū)域的第1摻雜區(qū)，存在于本身是已添加進(jìn)氧化物的區(qū)域且外徑為b(＞a)的第2摻雜區(qū)內(nèi)。
2．權(quán)利要求1所述的光放大用光纖，其特征是上述第1摻雜區(qū)構(gòu)成上述纖芯區(qū)域的一部分的同時(shí)，上述第2摻雜區(qū)構(gòu)成整個(gè)上述纖芯區(qū)域。
3．權(quán)利要求1所述的光放大用光纖，其特征是上述第1摻雜區(qū)構(gòu)成整個(gè)上述纖芯區(qū)域的同時(shí)，上述第2摻雜區(qū)構(gòu)成上述纖芯區(qū)域和上述包層區(qū)域的至少一部分。
4．權(quán)利要求1所述的光放大用光纖，其特征是上述纖芯區(qū)域具備構(gòu)成上述第1摻雜區(qū)的第1纖芯、和在上述第1纖芯的外周設(shè)置且具有比該第1纖芯還低的折射率的區(qū)域，并構(gòu)成上述第2摻雜區(qū)的一部分的第2纖芯。
5．權(quán)利要求1所述的光放大用光纖，其特征是上述第1摻雜區(qū)的外徑a對(duì)上述第2摻雜區(qū)的外徑b之比(a／b)在0．1以上0．9以下。
6．權(quán)利要求1所述的光放大用光纖，其特征是上述第2摻雜區(qū)中的上述氧化物的添加量，在沿與上述規(guī)定軸垂直的該第2摻雜區(qū)的直徑方向上，大體上是均一的。
7．權(quán)利要求1所述的光放大用光纖，其特征是添加到上述第1摻雜區(qū)內(nèi)的稀土族元素，含有Er、Nd、Tm、Yb和Pr中的至少一種元素。
8．權(quán)利要求1所述的光放大用光纖，其特征是具有與構(gòu)成該光放大用光纖的主材料的陽離子的價(jià)數(shù)不同價(jià)數(shù)的元素的氧化物，含有Al2O3、P2O5、Y2O3和B2O3中的至少一種氧化物。
9．權(quán)利要求1所述的光放大用光纖，其特征是向上述纖芯區(qū)域內(nèi)至少添加進(jìn)GeO2和鹵族元素中的任何一種。
10．一種用來制造權(quán)利要求1所述的光放大用光纖的制造方法，具備下述工序第1工序，在玻璃管道的內(nèi)壁一側(cè)，形成含有具有與構(gòu)成該玻璃管道的主材料的陽離子價(jià)數(shù)不同的價(jià)數(shù)的元素的氧化物的第1區(qū)域；第2工序，在用上述第1工序形成的第1區(qū)域的內(nèi)壁上，形成已添加進(jìn)稀土族元素和上述氧化物的第2區(qū)域；第3工序，采用使經(jīng)過第2工序得到的上述玻璃管道致密化的辦法形成光纖母材；第4工序，把用上述第3工序得到的上述光纖母材拉成絲。
11．權(quán)利要求10所述的光放大用光纖的制造方法，其特征是在上述第1和第2工序中分別形成的第1和第2區(qū)域都是用來構(gòu)成該光放大用光纖的纖芯區(qū)域的區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及具備用來在更寬的波段中實(shí)現(xiàn)平坦的增益特性或振蕩特性的構(gòu)造的光放大用光纖及其制造方法。本發(fā)明的光放大用光纖,具備含有光軸中心的第1摻雜區(qū),和具有比該第1摻雜區(qū)還大的外徑的第2摻雜區(qū)。作為具有與構(gòu)成該光放大用光纖的主材料的陽離子的價(jià)數(shù)不同的價(jià)數(shù)的元素的氧化物,向該第2摻雜區(qū)內(nèi),添加進(jìn)Al
文檔編號(hào)H01S3/06GK1294768SQ00800230
公開日2001年5月9日 申請(qǐng)日期2000年2月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月26日
發(fā)明者遠(yuǎn)藤信次, 石川真二, 角井素貴, 鈴木俊美 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社