JP5606742B2 - シングルモード光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は光ファイバ伝送の分野に関し、より詳細には拡大された実効断面積を有するラインファイバ（ｌｉｎｅ ｆｉｂｒｅ）に関する。

光ファイバに関して、屈折率プロファイル（ｉｎｄｅｘ ｐｒｏｆｉｌｅ）は、一般に、屈折率をファイバ半径と関連づける関数のグラフの外観により分類される。標準的には、ファイバの中心までの距離ｒは、ｘ軸上に示される。ｙ軸上には、（半径ｒにおける）屈折率とファイバクラッドの屈折率の間の差が示される。したがって、用語「ステップ」、「不等辺四辺形」、「アルファ」、または「三角形」の屈折率プロファイルは、ステップ、不等辺四辺形、アルファ、または三角形の形状の曲線を有するグラフを記述するために使用される。これらの曲線は、全体的に、ファイバの理論的な、または設定されたプロファイルを表しているが、ファイバの製造上の制約が、わずかに異なるプロファイルを結果としてもたらす可能性がある。

標準的には、光ファイバは、光信号を伝送し、任意選択で増幅する機能の光コアと、光信号をコア内に閉じ込める機能の光クラッドとから構成される。この目的のために、コアの屈折率ｎ_ｃおよびクラッドの屈折率ｎ_ｇは、ｎ_ｃ＞ｎ_ｇのようになる。よく知られているように、シングルモード光ファイバの中の光信号の伝播は、コアの中で誘導される基本モードと、コア−クラッドアッセンブリの中をある距離にわたって誘導される、クラッドモード（ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍｏｄｅｓ）と呼ばれる２次モードとに分類されうる。

標準的には、ＳＭＦ（「シングルモードファイバ」）とも呼ばれるステップインデックスファイバは、光ファイバ伝送システム用のラインファイバとして使用される。これらのファイバは、特定の通信規格ならびに規格化されたカットオフ波長および実効断面積の値に適合する波長分散および波長分散勾配を有する。

異なる製造会社からの光システム間の互換性に対するニーズに応えて、国際電気通信連合（ＩＴＵ）は、ＳＳＭＦ（標準シングルモードファイバ）と呼ばれる標準光伝送ファイバが適合しなければならない、参考資料（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２という規格を制定した。

中でも、Ｇ．６５２規格は、伝送ファイバに対して、波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径（ＭＦＤ）に対して８．６−９．５μｍ［８．６；９．５μｍ］の範囲、ケーブルカットオフ波長の値に対して１２６０ｎｍの最大値、ゼロ分散波長（λ_０で表示）の値に対して１３００−１３２４ｎｍ［１３００；１３２４ｎｍ］の範囲、波長分散勾配の値に対して０．０９２ｐｓ／ｎｍ^２−ｋｍの最大値を推奨する。標準的には、ケーブルカットオフ波長は、国際電気標準会議の分科委員会８６ＡによりＩＥＣ ６０７９３−１−４４規格の中で制定されたとおり、光信号が、ファイバを２２メートルに亘って伝播した後、もはやシングルモードでない波長として測定される。

それ自体が知られているとおり、伝送ファイバの実効断面積の増加は、ファイバ内の非線形効果の減少に寄与する。拡大された実効断面積を有する伝送ファイバは、より長い距離にわたる伝送および／または伝送システムの動作マージンの増加を可能にする。典型的には、ＳＳＭＦは、８０μｍ^２程度の実効断面積Ａ_ｅｆｆを有する。

伝送ファイバの実効断面積を増加させるために、ＳＳＭＦと比較して拡大され平らにされたコアを有するファイバ形状（ｐｒｏｆｉｌｅ）を作成することが提案された。しかし、ファイバのコアの形状におけるそのような変更は、マイクロベンディング損の増加につながり、また、ファイバにわたって、実効ケーブルカットオフ波長の増加につながる。標準的には、実効カットオフ波長は、ＩＥＣの分科委員会８６ＡによりＩＥＣ ６０７９３−１−４４規格の中で制定されるとおり、光信号がファイバを２メートルにわたって伝播した後、その波長からシングルモードになる波長として測定される。

ＵＳ６６５８１９０は、１１０μｍ^２を超える拡大された実効断面積を有する伝送ファイバを記載している。このファイバは、ＳＳＭＦのコアの１．５から２倍の非常に幅広いコア、および一定のクラッド、または浅いディプレストクラッドを持つ形態を有する。実効断面積の増加により引き起こされるマイクロベンディング損の増加を補償するために、この文献は、ファイバの直径を増加させることを提案する（図２９）。しかし、そのようなファイバの直径の増加は、コスト増を引き起こし、また他のファイバとの互換性がないためケーブル敷設上の問題をもたらす。さらに、この文献は、カットオフ波長が、検討中のファイバの長さと共に減少すること（図５）、および特に、このファイバが１ｋｍ伝送後にシングルモード特性を得ることを指摘している。しかし、そのようなカットオフ波長の測定値は、上述の規格化された測定値に適合しない。この文献で記載されるファイバは、１２６０ｎｍを超えるケーブルカットオフ波長および１３００ｎｍ未満のゼロ波長分散波長λ_０を有する。それ故、この文献のファイバは、Ｇ．６５２規格の推奨に適合しない。

ＵＳ６６１４９７６は、ＮＺ−ＤＳＦファイバ（非ゼロ−分散シフトファイバ）の負の波長分散を補償するために波長１５５０ｎｍにおいて高い波長分散を有する伝送ファイバを記載している。この文献のファイバは、９０μｍ^２以上の実効断面積を有する。しかし、所望の高い分散は、１２６０ｎｍ超のケーブルカットオフ波長および１３００ｎｍ未満の波長のゼロ分散波長λ_０を結果としてもたらす。これらの特徴は、このファイバが規格Ｇ．６５２の推奨に適合しないことを意味する。

ＵＳ７１８７８３３は、８０μｍ^２超の実効断面積を有する伝送ファイバを記載している。この文献のファイバは、中心コアと、中間クラッドと、ディプレストクラッドとを有する。そのようなプロファイルは、カットオフ波長を制御することを困難にする、ファイバ内の漏洩モードの出現を結果としてもたらす可能性がある。

知られている従来技術の文献はいずれも、Ｇ．６５２規格に完全に適合しながら、ＳＳＭＦと比較して拡大された実効断面積を有する光ファイバを記載していない。

米国特許第６６５８１９０号明細書 米国特許第６６１４９７６号明細書 米国特許第７１８７８３３号明細書 欧州特許出願公開第１０７６２５０号明細書 欧州特許出願公開第１２５５１３８号明細書

ＩＴＵ：「ＵＩＴ−Ｔ Ｇ．６５２ ＳＩＲＩＥ Ｇ：ＳＹＳＴＥＭＥＳ ＥＴ ＳＵＰＰＯＲＴＳ ＤＥ ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ，ＳＹＳＴＥＭＥＳ ＥＴ ＲＥＳＥＡＵＸ ＮＵＭＥＲＩＱＵＥＳ」１ ｊｕｉｎ ２００５，ＸＰ００７９０９７８３，ｐａｇｅ８−１１

それ故、Ｇ．６５２規格の推奨から逸脱することなく、９０μｍ^２を超える拡大された実効断面積を有する伝送ファイバの必要性が存在する。

この目的のために、本発明は、Ｇ．６５２規格により課せられる他の伝送パラメータに悪影響を与えることなく、ファイバの実効断面積を拡大するために同時に最適化される、中心コア、中間クラッド、およびリングを備えるファイバ形状を提案する。

より詳細には、本発明は、中心コア、中間クラッド、リング、および外側クラッドを備え、
− １２６０ｎｍ未満のケーブルカットオフ波長、
− １３１０ｎｍの波長において８．６μｍと９．５μｍの間に含まれるモードフィールド径、
− １３００ｎｍと１３２４ｎｍの間に含まれるゼロ波長分散波長、
− ゼロ波長分散波長において０．０９２ｐｓ／ｎｍ^２−ｋｍ未満の分散勾配
のもとで、１５５０ｎｍの波長において９０μｍ^２以上の実効断面積を有する、シングルモード光ファイバを提案する。

実施形態によれば、本発明のファイバはまた、以下の特性：
− コアが、４．５μｍと６μｍの間に含まれる半径と、４．２×１０^−３と５．２×１０^−３の間に含まれる外側クラッドに対する屈折率差とを有すること、
− 中間クラッドが、６．５μｍと９．５μｍの間に含まれる半径を有すること、
− リングが、９．５μｍと１２．５μｍの間に含まれる半径を有すること、
− リングが、１×１０^−３と５．０×１０^−３の間に含まれる、外側クラッドに対する屈折率差を有すること、
− 中間クラッドが、−３．０×１０^−３と１．０×１０^−３の間に含まれる、外側クラッドに対する屈折率差を有すること、
− ファイバが、リングの外側にディプレストクラッドを選択的に有すること、
− ディプレストクラッドが、１４μｍと１７μｍの間に含まれる半径と、−１０×１０^−３と−１×１０^−３の間に含まれる屈折率差とを有すること、
− ファイバが、実効断面積とモードフィールド径との間に、１．２７０以上の規格化された比を有すること、
− ファイバが、正確に９０μｍ^２を超える実効断面積を有すること、
− ファイバが、１００μｍ^２未満の実効断面積を有すること、
− １６２５ｎｍの波長に対して、ファイバが、３０ｍｍの曲率半径において０．０５ｄＢ／１００_{ｔｕｒｎｓ}以下のベンディング損を有すること、
− １５５０ｎｍの波長に対して、ファイバが、同等の制約条件を受ける標準シングルモードファイバのマイクロベンディング損に対するファイバのマイクロベンディング損の比が１．５以下であるようなマイクロベンディング損を有すること、
のうちの１つまたは複数を含むことができる。

本発明の他の特性および利点は、例で与えられた本発明の実施形態の以下の説明を、添付の図面を参照して読めば、明らかになるであろう。

本発明の第１の実施形態による、設定されたファイバのプロファイルを示す図表である。 本発明の第２の実施形態による、設定されたファイバのプロファイルを示す図表である。

本発明のファイバは、設定されたプロファイル、すなわちファイバの理論的プロファイルを表す図１および図２を参照して説明されるが、ファイバは、実際には、プリフォームのファイバ引き抜きの後に得られ、わずかに異なるプロファイルを有する可能性がある。

第１の実施形態（図１）によれば、本発明による伝送ファイバは、外側クラッド（光クラッドとして働く）に対して屈折率差Δｎ_１を有する中心コアと、外側クラッドに対して屈折率差Δｎ_２を有する中間内部クラッドと、外側クラッドに対して正の屈折率差Δｎ_３を有するリングとを備える。中心コアの中、中間クラッドの中、およびディプレストクラッドの中の屈折率は、それらの幅全体にわたって実質的に一定である。コアの幅はその半径ｒ_１により確定され、中間クラッドの幅はｒ_２−ｒ_１（ｒ_２マイナスｒ_１）により確定され、リングの幅はｒ_３−ｒ_２（ｒ_３マイナスｒ_２）により確定される。中間クラッド（ｒ_２、Δｎ_２）は中心コア（ｒ_１、Δｎ_１）を直接取り囲み、リング（ｒ_３、Δｎ_３）は中間クラッド（ｒ_２、Δｎ_２）を直接取り囲む。一般に、中心コア、中間クラッド、およびリングはシリカチューブの中でＣＶＤタイプの蒸着により得られ、外側クラッドは天然シリカまたはドープシリカを一般に使用するチューブをリフィリングすることにより構成されるが、任意の他の蒸着技術（ＶＡＤまたはＯＶＤ）によっても得られうる。

第２の実施形態（図２）によれば、本発明による伝送ファイバはまた、リング（ｒ_３、Δｎ_３）のすぐ外に、外側クラッドに対して負の屈折率差Δｎ_４を有し、外側半径ｒ_４を有するディプレストクラッドを備える。ディプレストクラッドの幅は、ｒ_４−ｒ_３（ｒ_４マイナスｒ_３）により確定される。

本発明によるファイバにおいて、中心コアは、４．５μｍと６μｍの間に含まれる半径ｒ_１と、（例えば、シリカで作られる）外側光クラッドと比べて好ましくは４．２×１０^−３と５．２×１０^−３の間に含まれる屈折率差Δｎ_１とを有する。本発明によるファイバのコアは、それ故、ＳＳＭＦにおけるものよりわずかに大きく、より平坦である。これらの特性は、１５５０ｎｍの波長に対して、実効断面積の値を、９０μｍ^２を超えて増加させることを可能にする。本発明によるファイバの中間クラッドは、６．５μｍと９．５μｍの間に含まれる幅ｒ_２を有する。このクラッドはまた、−３×１０^−３と１．０×１０^−３の間に含まれる、外側クラッドに対する屈折率差Δｎ_２を有する。本発明によるファイバはまた、９．５μｍと１２．５μｍの間に含まれる半径ｒ_３のリングを備える。このリングは、１．０×１０^−３と５．０×１０^−３の間に含まれる、外側クラッドに対する屈折率差Δｎ_３を有する。コアおよび中間クラッドの寸法と共に最適化されたリングの寸法は、１５５０ｎｍにおいて９０μｍ^２超の実効断面積を確保し、かつ分散特性およびカットオフ特性をＧ６５２規格により課せられる間隔の中に保持しながら、ファイバの光学的特性を制御すること、ならびに特に、１３１０ｎｍの波長に対して、モードフィールド径を８．６μｍと９．５μｍの間に含まれる値に保持することを可能にする。

本発明によるファイバは、さらに、１４μｍと１７μｍの間に含まれる半径ｒ_４と、−１０×１０^−３と−１×１０^−３の間に含まれる屈折率差Δｎ_４とを持つディプレストクラッドを有することができる。ディプレストクラッドの存在は、殆どの信号をファイバのコア内に閉じ込めることを可能にする。１７μｍに制限される外側半径ｒ_４は、ファイバの生産コストを制限するために選択される。

下の表Ｉは、「ステップ」インデックスプロファイルを有する標準ＳＳＭＦファイバと比較した、本発明による伝送ファイバに対する可能な屈折率プロファイルの６つの例を与える。第１列は、各プロファイルに対する参照記号を与える。それに続く列は、各部分（ｒ_１からｒ_４）の半径の値を与え、その次の列は、外側クラッドに対する各部分の屈折率差の値（Δｎ_１からΔｎ_４）を示す。屈折率の値は、６３３ｎｍの波長において測定される。表Ｉからの例のファイバは、１２５μｍの外径を有する。表Ｉにおける値は、設定されたファイバのプロファイルに相当する。

下の表ＩＩは、表Ｉの屈折率プロファイルに対応する伝送ファイバに対してシミュレーションされた光学的特性を示す。表ＩＩにおいて、第１列は、表Ｉの参照記号を反復する。それに続く列は、各ファイバプロファイルに対して、ケーブルカットオフ波長（λ_ｃｃ）、１３１０ｎｍの波長に対するモードフィールド径（２Ｗ０_２）、１５５０ｎｍの波長における実効断面積（Ａ_ｅｆｆ）、１５５０ｎｍにおける実効断面積と１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径の間の正規化された関係、１５５０ｎｍの波長における波長分散（Ｄ）、および１５５０ｎｍの波長における波長分散の勾配（Ｐ）の値を提供する。それに続く列は、各ファイバプロファイルに対して、ゼロ波長分散波長（ＺＤＷ）、この波長における波長分散勾配（Ｐ_ＺＤＷ）、および曲率半径３０ｎｍに対する１６２５ｎｍの波長におけるベンディング損（ＰＣ）の値を提供する。

本発明による６つの例に対して、実効断面積Ａ_ｅｆｆとモードフィールド径２Ｗ_０２（式Ｉ参照）の間の正規化された比が、１．２７０以上であることが、表ＩＩから分かる。

このことは、８．６μｍと９．５μｍの間に含まれるモードフィールド径を保持しながら、９０μｍ^２を超える実効断面積を得ることを可能にする。例１から例７が、Ｇ．６５２規格に適合することが、表ＩＩから分かる。ケーブルカットオフ波長λ_ｃｃは１２６０ｎｍ未満であり、ゼロ波長分散波長ＺＤＷは１３００ｎｍと１３２４ｎｍの間に含まれ、波長分散勾配は０．０９２ｐｓ／ｎｍ^２−ｋｍ未満である。一方、ベンディング損は、０．０５ｄＢ／１００_{ｔｕｒｎｓ}以下であることが分かる。これらのベンディング損の値は、標準ステップインデックスプロファイルのＧ．６５２ファイバのベンディング損と同等である。それ故、本発明による伝送ファイバは、Ｇ．６５２規格の推奨に適合しながら大きな実効断面積を有する。

さらに、本発明によるファイバは、同等の制約条件を受けるＳＳＭＦにおけるマイクロベンディング損に対する本発明によるファイバのマイクロベンディング損の比が１．５以下であるようなマイクロベンディング損を有する。マイクロベンディング損は、例えば、固定直径ドラム法と名付けられた方法により測定されうる。この方法は、参考資料ＩＥＣ ＴＲ−６２２２１のもとでＩＥＣ分科委員会の技術勧告の中に記載されている。

本発明によるファイバは、ＳＳＭＦと比較して増加された実効断面積値を有する。しかし、実効断面積は、１００μｍ^２未満にとどまる。この制限は、Ｇ．６５２規格の一連の基準への適合を確保する。

本発明によるファイバのプロファイルは、大きな実効断面積のこれらの制約条件ならびにＧ．６５２規格に準拠する光パラメータに適合するために最適化される。表Ｉおよび表ＩＩは、大きい実効断面積およびＧ．６５２規格の制約条件への適合を確実にするための、上記の半径および屈折率の制限値を示す。特に、コアの半径ｒ_１が４．５μｍ未満に小さくなり、Δｎ_１が５．５を超えて大きくなれば、実効断面積は９０μｍ^２未満になるであろう。ｒ_１が６μｍを超えて大きくなれば、モードフィールド径２Ｗ_０２、ケーブルカットオフ波長λ_ｃｃ、およびゼロ波長分散波長ＺＤＷは、Ｇ．６５２規格を外れる値を有する。同様に、ｒ_２があまりに小さいと、モードフィールド径２Ｗ_０２は、Ｇ．６５２規格により課せられる最大値９．５μｍより大きくなり、また、ｒ_２があまりに大きくなると、実効断面積は９０μｍ^２より小さくなるであろう。さらに、ｒ_３があまりに小さくなると、実効断面積は９０μｍ^２より小さくなり、また、ｒ_３があまりに大きくなると、モードフィールド径２Ｗ_０２ならびにケーブルカットオフ波長λ_ｃｃの値は、Ｇ．６５２規格により課せられる最大値９．５μｍより大きくなる。

本発明による伝送ファイバは、特に、Ｃバンド長距離伝送システムに適する。ファイバの他の光パラメータに顕著な劣化を与えることなく実効断面積を増加させることは、非線形効果を増加させることなく伝送された光信号の出力を増加させることを可能にし、それにより伝送ラインの信号対雑音比が改善され、このことは、陸上または水中の長距離光伝送システムにおいて特に求められている。

さらに、本発明によるファイバは、規格ＩＴＵ Ｇ．６５２の推奨に適合する。本発明によるファイバは、したがって、システムの他のファイバと良好な互換性を有する多くの伝送システムにおいて設置されうる。

ＭＦＤ モードフィールド径
λ_０ ゼロ分散波長
Ａ_ｅｆｆ 実効断面積
Δｎ_１ 中心コアと外側クラッドとの屈折率差
Δｎ_２ 中間クラッドと外側クラッドとの屈折率差
Δｎ_３ リングと外側クラッドとの屈折率差
Δｎ_４ ディプレストクラッドと外側クラッドとの屈折率差
ｒ_１ コアの半径
ｒ_２ 中間クラッドの半径
ｒ_３ リングの半径
ｒ_４ ディプレストクラッドの半径
λ_ｃｃ ケーブルカットオフ波長
２Ｗ_０２ モードフィールド径
Ｄ 波長分散
Ｐ 波長分散の勾配
ＺＤＷ、Ｘｏ ゼロ波長分散波長
Ｐ_ＺＤＷ ゼロ波長分散波長における波長分散勾配
ＰＣ ベンディング損

Claims (12)

1. 半径（ｒ_１）および外側光クラッドに対して正の屈折率差（Δｎ_１）を有し、半径（ｒ _１ ）が４．５μｍと６μｍの間に含まれ、外側光クラッドに対する屈折率差（Δｎ _１ ）が４．２×１０ ^−３ と５．２×１０ ^−３ の間に含まれる中心コアと、
   半径（ｒ_２）および外側光クラッドに対して屈折率差（Δｎ_２）を有する中間クラッドと、
   半径（ｒ_３）および外側光クラッドに対して正の屈折率差（Δｎ_３）を有し、外側光クラッドに対する屈折率差（Δｎ _３ ）が１．０×１０ ^−３ と５．０×１０ ^−３ の間に含まれるリングと
   を備え、
   １２６０ｎｍ未満のケーブルカットオフ波長（λ_ｃｃ）と、
   １３１０ｎｍの波長において８．６μｍと９．５μｍの間に含まれるモードフィールド径（ＭＤＦ）と、
   １３００ｎｍと１３２４ｎｍの間に含まれるゼロ波長分散波長（Ｘｏ）と、
   ゼロ波長分散波長（Ｘｏ）において０．０９２ｐｓ／ｎｍ^２−ｋｍ未満の波長分散勾配と
   のもとで、１５５０ｎｍの波長において９０μｍ^２以上の実効断面積を有する、シングルモード光ファイバ。
2. 中間クラッドが６．５μｍと９．５μｍの間に含まれる半径（ｒ_２）を有する、請求項１に記載の光ファイバ。
3. リングが９．５μｍと１２．５μｍの間に含まれる半径（ｒ_３）を有する、請求項１または２に記載の光ファイバ。
4. 中間クラッドが−３．０×１０^−３と１．０×１０^−３の間に含まれる、外側光クラッドに対する屈折率差（Δｎ_２）を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の光ファイバ。
5. リングの外に、外側光クラッドに対して負の屈折率差（Δｎ_４）を有するディプレストクラッド（ｒ_４、Δｎ_４）を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の光ファイバ。
6. ディプレストクラッドが１４μｍと１７μｍの間に含まれる半径（ｒ_４）を有する、請求項５に記載の光ファイバ。
7. ディプレストクラッドが−１０×１０^−３と−１×１０^−３の間に含まれる、外側光クラッドに対する屈折率差（Δｎ_４）を有する、請求項５または６に記載の光ファイバ。
8. １．２７０以上の、モードフィールド径（ＭＦＤ）に対する実効断面積の正規化された比を有することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の光ファイバ。
9. ９０μｍ^２を超える実効断面積を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の光ファイバ。
10. １００μｍ^２未満の実効断面積を有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の光ファイバ。
11. １６２５ｎｍの波長に対して、曲率半径３０ｍｍにおいて０．０５ｄＢ／１００_{ｔｕｒｎｓ}以下のベンディング損を有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光ファイバ。
12. １５５０ｎｍの波長に対して、同等の制約条件を受ける標準シングルモードファイバ（ＳＳＭＦ）のマイクロベンディング損に対するファイバのマイクロベンディング損の比が１．５以下であるようなマイクロベンディング損を有することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光ファイバ。

Images