JP3223474B2 - 単一モード光導波路ファイバ - Google Patents

単一モード光導波路ファイバ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、有効面積Ａeff が
広い、通信用途の単一モード光導波路ファイバに関する
ものである。本発明は特に、1300ｎｍおよび1550ｎｍの
両方の作用窓（operating window）で有効面積が広い単
一モード光導波路ファイバに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】有効面積が広い単一モード光導波路で
は、自己位相変調、四波混光、交差位相変調（cross ph
ase modulation）、および非線形散乱工程を含む非線形
光効果が低減する。四波混光の場合には、ゼロ分散波長
を置き換えることも重要である。これらの効果の各々に
より、高出力システムにおいて信号が劣化する。
【０００３】散乱工程は一般的に、項ｅｘｐ（ｃＰ／Ａ
eff ）を含む方程式により表される（ここで、ｃは定数
であり、Ｐは信号パワーである）。この散乱工程は信号
を劣化させる。他の非線形効果は、乗数として比率Ｐ／
Ａeff を含む方程式により表される。このように、Ａ
eff が増加すると、光信号の劣化に対する非線形効果の
寄与が減少する。
【０００４】再生器を必要とせずに、長距離に亘る情報
量を増加させるという通信業界における要求によって、
単一モードファイバの屈折率分布を再評価することにな
った。
【０００５】この再評価の焦点は、上述したような非線
形効果を減少させ、光増幅器に匹敵し、低減衰、高強
度、疲れ抵抗、および曲げ抵抗のような光導波路の望ま
しい特性を維持する光導波路を提供することにあった。
この作業は、1550ｎｍでの作用窓を含む波長範囲に焦点
が当てられた。しかしながら、レーザ、光増幅器、受信
機、送信機および再生器を含む多くの信頼性のある装置
を1300ｎｍ付近で使用するために作られているので、こ
の短い操作波長での非線形効果をさらに減少させる必要
がある。
【０００６】したがって、それぞれ、1300ｎｍおよび15
50ｎｍ付近の操作波長窓で有効面積が広い単一モード光
導波路ファイバが必要とされている。
【０００７】米国特許出願第08/378,780号に記載されて
いるもののような以前の研究には、Bhagavatula の米国
特許第4,715,679 号に最初に導入されたセグメントに分
かれたコア設計の基本的な概念のいくつかが含まれてい
る。上述した米国特許出願第08/378,780号に開示された
部類のコア設計の有効面積（effective area）が広い光
導波路が発見された。クラッドの屈折率よりも小さい最
小屈折率を有する少なくとも１つのコア領域を含む特定
の形がこの出願に開示されている。
【０００８】さらに、米国特許出願第08/287,262号に
は、光導波路ファイバの中心線から間隔のおかれた最大
屈折率を有する屈折率分布の一群の特有の性質が開示さ
れている。
【０００９】ここに開示し、記載した新しい屈折率分布
は、Bhagavatula の米国特許第4,715,679 号の別の変種
である。基本的なセグメントに分かれたコアの概念が、
この用途の新しいコア構造を提供するのに十分に適応性
があることが証明された。この構造は、1300ｎｍおよび
1550ｎｍの作用窓の両方で非線形効果を制限するように
作成されている。
【００１０】定 義 有効面積は下記の方程式により表される：
【００１１】
【数１】
【００１２】ここで、積分範囲は０から∞までであり、
Ｅは伝搬光に関連する電界である。
【００１３】有効直径Ｄeff はＤeff ＝２（Ａeff ／
Π）1/2 として定義してもよい。
【００１４】モード面積（mode field area ）ＡmfはΠ
（Ｄmf／２）2 であり、ここで、Ｄmfは、２ｗ＝Ｄmf、
ｗ2 ＝（２∫Ｅ2 ｒｄｒ／∫［ｄＥ／ｄｒ］2 ｒｄ
ｒ）、積分範囲が０が無限大までである、ピーターマン
II（Peterman II ）の方法を用いて測定したモード径
（mode field diameter ）である。
【００１５】屈折率分布セグメントの幅は、屈折率分布
のそれぞれ始点および終点から、半径に対する屈折率の
グラフの横軸まで引いた２本の垂線の間の距離である。
【００１６】％屈折率デルタは下記の方程式により表さ
れる：
【００１７】
【数２】
【００１８】ここで、ｎ1 はコアの屈折率であり、ｎc
はクラッドの屈折率である。別記しない限り、ｎ1 は％
△により特徴付けられるコア領域の最大屈折率である。
【００１９】一般的な屈折率分布には、異なる形状の関
連実効屈折率分布がある。実効屈折率分布を、光導波路
の性能を変えることなく、関連屈折率分布の代わりに用
いてもよい。参照文献の「Single Mode Fiber Optics」
Marcel Dekker 社、Lus B. Jeunhomme、1990、32頁、セ
クション1.3.2 参照。
【００２０】曲げ性能は、マンドレルの周りに光導波路
ファイバを巻き付けることにより誘発される減衰を測定
する、標準的な試験方法により定義する。標準試験に
は、32ｍｍのマンドレルの周りに１巻、75ｍｍのマンド
レルの周りに100 巻した光導波路ファイバの性能が必要
である。許容される最大曲げ誘発減衰は通常、1300ｎｍ
および1550ｎｍの付近の作用窓内に特定される。
【００２１】別の曲げ試験としては、曲げに対する光導
波路ファイバの相対的な抵抗を比較するのに用いられる
ピンアレイ曲げ試験がある。この試験を行なうために
は、実質的に曲げ損失が誘発されていない光導波路ファ
イバについて減衰損失を測定する。次いで、ピンアレイ
の周りに光導波路ファイバを編んで、再度減衰を測定す
る。曲げにより誘発された損失は、測定した２つの減衰
の差である。ピンアレイは、１列に配列された10本１組
の円柱状ピンであり、平らな表面に垂直に固定されてい
る。ピンの間隔は中心から中心までが５ｍｍである。ピ
ンの直径は0.67ｍｍである。試験中、十分な張力を施し
て、光導波路ファイバをピンの表面の一部に適合させ
る。
【００２２】最小点は、屈折率分布の一部を示す。これ
はＶ型かまたは狭いＵ型をしている。最小点は、屈折率
分布の部分の最低屈折率値である。
【００２３】延長最小は、広いＵまたはＬ型の屈折率分
布の一部を示す。この延長最小は、屈折率分布の部分の
最小値を通過する線である。
【００２４】
【発明の概要】本発明の第１の形態は、その最大屈折率
が光導波路の縦軸中心線から離れているコア屈折率分布
を有する単一モード光導波路ファイバである。屈折率分
布は、光導波路の中心線の近くに最小点を有し、この中
心線の周りに対称的である。クラッド層がコアを囲ん
で、光導波路構造を完成している。コア屈折率分布の少
なくとも一部が、最大クラッド屈折率よりも大きくなっ
ており、この構造が光信号を適切に案内することを確実
にしている。
【００２５】この第１の形態のある実施例において、最
小点と最大の屈折率との間の屈折率分布部分は連続的な
曲線である。好ましい実施例において、連続曲線は単調
である。堆積工程におけるドーピングレベルの調節また
は固結工程における煤状ブランク雰囲気のコントロール
のような、プレフォームからドーパントが中心から拡散
することを補う技術が知られている。
【００２６】この第１の形態に定義した一群の光導波路
のパラメータは：約４ミクロンから約７ミクロンまでの
範囲にあるコア半径；約0.35％から約0.55％までの範囲
にある最大△％；および約0.20％未満の最小点△％であ
る。
【００２７】この一群の光導波路は下記の特性を有して
いる：1300ｎｍ近くのλ0 ；1300ｎｍでのＡeff ＞90平
方ミクロン；および約1530ｎｍから約1565ｎｍまでの波
長範囲に亘るＤeff ＞ＭＦＤ。
【００２８】本発明の第２の形態は、光導波路の中心線
の周りに第１および第２のセグメントが対称的に配置さ
れた単一モード光導波路ファイバである。各々のセグメ
ントの範囲は、中心線から最後のセグメントの点までの
半径により定義されている。△％が各々のセグメントに
関連している。クラッド層がコアを囲み、最大屈折率ｎ
c を有している。一方のセグメントの屈折率分布の少な
くとも一部は、ｎc よりも大きい。セグメントの少なく
とも一方は、延長最小を有している。この新しい屈折率
分布の一群により、Ａeff が1300ｎｍで約90平方ミクロ
ンよりも大きく、1550ｎｍで約110 平方ミクロンより大
きい光導波路ファイバが得られる。λ0は1300ｎｍに近
い。
【００２９】この新しい第２の形態の屈折率分布の好ま
しい実施例は、第１のコアセグメントが実質的に一定で
屈折率ｎ1 を有するものである。第２のセグメントは最
大屈折率ｎ2 を有しており、ｎ2 ＞ｎ1 である。
【００３０】本発明のこの第２の形態の最も好ましい実
施例において、第２のセグメントの屈折率分布は台形で
ある。実質的に一定の屈折率を有する第１のセグメント
の外径は、約1.5 ミクロンから約1.9 ミクロンまでの範
囲にあり、ｎ1 は実質的にｎc と等しい。第２のコアセ
グメントの外径は3.8 ミクロンから5 ミクロンまでの範
囲にある。この第２のセグメントは、約0.25％から約0.
45％までの範囲にある屈折率差△2 ％を有している。
【００３１】新しい分布の第３の形態は、屈折率ｎ0 、
屈折率差△1 ％、および半径ｒ1 のステップ型屈折率分
布を有する単一モード光導波路ファイバである。周りの
クラッド層の最大屈折率はｎc であり、ｎ0 ＞ｎc であ
る。屈折率差△1 ％は約5.5ミクロンから約6 ミクロン
までの範囲にある。Ａeff は、1300ｎｍおよび1550ｎｍ
において、それぞれ、90平方ミクロンおよび110 平方ミ
クロンである。λ0 は1300ｎｍに近い。
【００３２】２つの作用窓、すなわち、数百ナノメート
ル離れた２つの信号波長範囲を有する利点は：レートの
要求により第２の作用窓内で使用する必要があるまで、
１つの窓のみでシステムを操作できること；実質的に失
敗のない操作が必要とされる遠距離通信リンクの冗長シ
ステム（redundant system）とて第２の窓が機能できる
こと；およびピーク需要と平均需要との間のデータ伝送
速度差が大きいシステムにおいて、第２の窓が第１の窓
からのオーバーフローを取り扱うことができることであ
る。
【００３３】本発明は、高パワー密度システム、波長分
割多重伝送システム、または光増幅器を組み込んだシス
テムにおいて生じ得る、非線形効果を最小にする特別な
特性を有する二重窓光導波路ファイバを提供する。本出
願の新規な光導波路ファイバは、1300ｎｍおよび1550ｎ
ｍの両方の窓において広い有効面積を有している。
【００３４】
【実施例】以下、図面に示す実施例を参照して本発明を
詳細に説明する。
【００３５】新しい光導波路コア分布の第１の実施例が
図１に示されている。中心線近くの屈折率差１は小さ
く、典型的に約0.20％未満である。ドーパントレベル
は、最大△％に到達するまで、曲線２に示されるよう
に、半径とともに増大する。屈折率分布の最終部分４
は、△％がゼロまで急激に降下することを示している。
光導波路ファイバの特性に著しく影響を与えることな
く、曲線４を変更できるいくつかの同等な屈折率分布が
ある。例えば、曲線４を外側に傾けて、約１ミクロンだ
け半径を増加させたり、あるいは、曲線４および２の接
合点を円くしてもよい。また、光導波路ファイバの特性
に著しく影響を与えずに、曲線６により示したような、
屈折率分布に小さな付属部を設けてもよい。このよう
に、図１および図２は、1300ｎｍでの有効面積が広い屈
折率分布の一群を示している。図２の曲線８は、新しい
屈折率分布の一群のいくつかを示している。ここでも曲
線10は、必要とされる光導波路ファイバの特性を提供す
る屈折率分布の変種を示している。
【００３６】図１および２の屈折率分布の利点は、ドー
パントの総和が標準的なステップ型屈折率分布と比較し
て少ないことである。したがって、ドーパントの量に依
存する減衰は、新しい光導波路ファイバにおいてはより
少なくなる。
【００３７】実施例１ 最小点光導波路の特性 図１の実線で示した屈折率分布に関して、以下の特性が
コンピュータモデルから計算される：λ0 は1298ｎｍ；
モード径は10.91 ミクロン；Ｄeff は11.22 ミクロン；
Ａeff は98.9平方ミクロン；遮断波長は1480ｎｍ；およ
び総和ＧｅＯ2 は2.58。
【００３８】Ｄeff はモード径よりも大きく、Ａeff は
標準的なステップ型屈折率ファイバのものよりも約25％
大きい。
【００３９】比較のために、図１に示した半径、および
0.36％の△％を有するステップ型屈折率ファイバは以下
の特性を有している：λ0 は1309ｎｍ；モード径は10.1
ミクロン；Ｄeff は9.97ミクロン；Ａeff は78平方ミク
ロン；遮断波長は1324ｎｍ；および総和ＧｅＯ2 は2.8
。有効面積はより小さく、ゼロ分散λ0 は作用窓内に
ある。これは、波長分割多重伝送システムにおいては望
ましくない特徴である。標準的なステップ型屈折率分布
において総和ＧｅＯ2 が９％増加したことにより、レイ
リー散乱による光導波路減衰が大きくなる。新しい光導
波路ファイバの屈折率分布の有効面積が大きいことと、
減衰が小さいことの両方が、不利な非線形効果を減少さ
せるように機能する。
【００４０】標準的なステップ型屈折率分布を単純な方
法で変更して、有効面積を広くすることができる。この
分布を、図４に示したステップの△％18、および半径20
により特徴付けてもよい。表１は、有効面積およびピン
アレイ曲げ抵抗への、△％の変化および半径の変化の効
果を示している。
【００４１】
【表１】
【００４２】有効面積が大きくなると、曲げ抵抗も大き
くなることが明らかである。△％を減少させて、半径を
増大させることにより、明らかに有効面積が広くなる。
0.3％に近い△％および5.6 ミクロンに近い半径を有す
るステップ型設計は、許容できる曲げ抵抗を有し、Ａ
eff が著しく改良されている。
【００４３】光導波路の中心線から間隔のおかれた台形
屈折率分布により、屈折率分布の設計がさらに融通性が
でき、両方の波長窓で有効面積が広くなるとともに、曲
げ性能が許容される。
【００４４】新しい光導波路ファイバのこの実施例の一
般的な形状を図３に示す。台形12が光導波路の中心線か
ら離れている。台形のコア屈折率分布セグメントの内側
と外側の半径は、それぞれ24および22である。光導波路
の中心線に隣接するコアセグメントの屈折率分布は実質
的に平らであっても、曲線14で示したような形状を有し
ていてもよい。曲線16により示されるように、台形をわ
ずかに変更することにより、あるいは、同等の屈折率分
布を見付けることにより、新しい光導波路に要求される
特性を得てもよい。
【００４５】表２は、新しい光導波路ファイバの台形の
実施例のモデル化した値を示している。「半径」の項目
において、最初の数字は台形の内側半径であり、２番目
の数字はその外側半径である。
【００４６】
【表２】
【００４７】１列と４列の分布の設計により、優れた特
性が示される。これらの実施例は、必要な曲げ抵抗を維
持しながら、非線形効果を制限する光導波路ファイバの
必要条件を満たしている。
【００４８】表１および２は、性能に関する所定の組の
必要条件を満たす屈折率分布を効率的に同定するのにコ
ンピュータモデルが必須であることを示している。表の
行に示したように、個別の屈折率分布を比較することに
より、屈折率パラメータがわずかに変動すると、光導波
路の特性に大きな影響を与え得ることが分かる。したが
って、試みなければならない多数の組合せと置換には、
光導波路ファイバの製造よりもコンピュータのモデル化
が先行する手法が適している。
【００４９】本発明の特定の実施例を開示してきたが、
本発明は、以下の請求の範囲のみにより限定されるもの
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】最小点を有する屈折率分布を示すグラフ
【図２】最小点を有する別の屈折率分布を示すグラフ
【図３】台形の屈折率分布を示すグラフ
【図４】新しい屈折率分布のステップ型屈折率の実施例
を示すグラフ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−121003（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−134137（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−297808（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−298043（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−235839（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−230015（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−248251（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−304655（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−33744（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−274118（ＪＰ，Ａ) 国際公開96／7942（ＷＯ，Ａ１) ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷ ＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯ Ｌ．11，ＮＯ．11（1993），ｐｐ．1717 −1720 ＯＦＣ’95 Ｔｅｃｈｎｉｃ ａｌ Ｄｉｇｅｓｔ（1995），ｐｐ. 259−261 木村康郎ほか「１．55μｍ帯海底光方 式用単一モードファイバの構造設計」、 昭和57年度電子通信学会通信部門全国大 会（1982）、338 立田光広ほか「単一モード光ファイバ パラメータの設計法」、電子通信学会論 文誌、’82／３，Ｖｏｌ．Ｊ65−Ｂ，Ｎ ｏ．３（1982），ｐｐ．324−331 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/00 - 6/54

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 単一モード光導波路ファイバであって、 該光導波路ファイバの縦軸に沿った中心線および半径を
    有し、屈折率分布および最大屈折率を有するコア領域、
    および該コア領域を囲い、屈折率分布および最大屈折率
    ｎｃ を有するクラッド層からなり、 前記コア領域の屈折率分布の少なくとも一部がｎｃ よ
    りも大きい屈折率を有し、 該コア領域は、前記最大屈折率が前記中心線から離れて
    おり、前記屈折率分布の最小点が前記中心線付近に位置
    し、該中心線が前記屈折率分布の対称軸であり、 前記コア領域の半径が４ミクロンから７ミクロンまでの
    範囲にあり、該コア領域の最大△％が0.35％から0.55％
    までの範囲にあり、前記中心線付近の最小点の△％が0.
    20％未満であることを特徴とする単一モード光導波路フ
    ァイバ。
  2. 【請求項２】 前記中心線付近の最小屈折率の点から始
    まり、前記コア領域の屈折率分布の最大屈折率で終わる
    半径範囲を有する、前記コア領域の屈折率分布の一部が
    連続的であることを特徴とする請求項１記載の単一モー
    ド光導波路ファイバ。
  3. 【請求項３】 前記屈折率分布の前記一部が単調である
    ことを特徴とする請求項２記載の単一モード光導波路フ
    ァイバ。
  4. 【請求項４】 ゼロ分散波長λ０ が1300ｎｍ付近にあ
    り、1300ｎｍでの有効面積Ａｅｆｆ が90平方ミクロン
    以上であり、1530ｎｍから1565ｎｍまでの波長範囲に亘
    り有効直径Ｄｅｆｆ がモード径ＭＦＤ以上であること
    を特徴とする請求項１記載の単一モード光導波路ファイ
    バ。
  5. 【請求項５】 単一モード光導波路ファイバであって、 中心線を有し、第１および第２のセグメントからなるコ
    ア領域、および該コア領域を囲み、屈折率分布および最
    大屈折率ｎｃ を有するクラッド層からなり、 ここで、前記セグメントの各々が、屈折率分布、外側半
    径、および△％を有し、前記第１のセグメントが中心線
    を含み、前記第２のセグメントが該第１のセグメントを
    囲い、該第１および第２のセグメントが対称軸として前
    記中心線を有し、 前記セグメントのうちの少なくとも一つの屈折率分布の
    少なくとも一部が、ｎｃ よりも大きい屈折率を有し、 前記コア領域は、前記第１および第２のセグメントのう
    ちの一方の屈折率分布の少なくとも一部が延長最小を有
    することにより特徴付けられ、 前記第１のセグメントの外側半径が1.5 ミクロンから1.
    9 ミクロンまでの範囲にあり、ｎ１ が実質的にｎｃ
    と等しく、第２のセグメントの外側半径が3.8ミクロン
    から５ミクロンまでの範囲にあり、該第２のセグメント
    の屈折率差△％が0.25％から0.45％までの範囲にあるこ
    とを特徴とする単一モード光導波路ファイバ。
  6. 【請求項６】 前記コア領域の第１のセグメントが実質
    的に一定の屈折率ｎ１ を有し、前記第２のセグメント
    が最大屈折率ｎ２ を有し、ｎ２ ＞ｎ１であることを
    特徴とする請求項５記載の単一モード光導波路ファイ
    バ。
  7. 【請求項７】 前記第２のセグメントの屈折率分布が台
    形であることを特徴とする請求項６記載の単一モード光
    導波路ファイバ。
  8. 【請求項８】 前記光導波路ファイバが、1300ｎｍで90
    平方ミクロンよりも大きい有効面積Ａｅｆｆ および15
    50ｎｍで110 平方ミクロンよりも大きい有効面積Ａ
    ｅｆｆ を有することを特徴とする請求項５記載の単一
    モード光導波路ファイバ。
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