JP6298893B2 - 損失低下を示す、台形コアを有するシングルモードファイバ - Google Patents

損失低下を示す、台形コアを有するシングルモードファイバ

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Description

本発明は、光伝送システムで使用されるシングルモード光ファイバ、そのようなシングルモードファイバを備える光伝送システム、およびその製造方法に関する。
さらに具体的には、本発明は、分散損失の低減されたシングルモード光ファイバに関する。
通信システムは、劣化せずに長距離の信号伝送を行うことのできる光ファイバを必要とする。このような光ファイバ伝送システムは、例えば所謂「標準」シングルモードファイバ(SSMF)などのシングルモード光ファイバ(SMF)を頻繁に使用する。標準シングルモードファイバは、地上伝送システムで用いられる。
異なる製造業者からの光学システム間の互換性を促進するために、国際電気通信連合(ITU)は、標準光伝送ファイバが従うべきいくつかの標準規格を規定している。これらの標準規格の中で、ITU−T G.652勧告(2009年11月)は、ステップインデックスプロファイルを備えるシングルモード光ファイバのファイバ属性を規定するいくつかの属性(すなわち、A,B,CおよびD)を有している。ITU−T G.657勧告は、もっと正確に言えば低曲げ損失シングルモードファイバに焦点を合わせている。
容易に理解されるように、損失は、このようなシングルモードファイバの性能を評価するための主要パラメータである。他の技術的属性およびファイバの製造コストがおおよそ同じに維持される限り、1550nmの波長で0.001dB/kmの損失を低減することが可能な解決策は、このようなシングルモードファイバを著しく改善する。実際、標準ステップインデックスシングルモードファイバにおいて1550nmの波長での標準的な損失は、0.19dB/kmであり、0.001dB/kmの損失低減は、−0.5%の損失改善を生じさせる。
このようなシングルモードファイバにおいては、損失の約90%が1550nmでのレイリー散乱に起因することが知られている。残りの10%は、一方では、吸収メカニズム(OHピーク、赤外線損失、紫外線損失)により引き起こされる損失をカバーしており、他方では、米国特許第7,171,090号に記載されたSAS(小角散乱:Small Angle Scattering)などの余分な散乱メカニズムにより引き起こされる損失をカバーしている。
シャープなインデックスプロファイル遷移(トランジション)がこのような余分な散乱損失を引き起こすこともよく知られている。一例として、約5×10−3のコアインデックスステップを提示するG.652ステップインデックスプロファイルは、1550nmの波長でほぼ千分の数dB/km程度(およそ0.005dB/km)の余分な散乱を引き起こす。
実際、光ファイバは通常、光信号を伝送する光学コアと、光学コア内に光信号を閉じ込める光学クラッドとから構成されることが思い出されなければならない。そのためには、コアの屈折率nは、クラッドの屈折率nclより大きい。光ファイバは、通常、屈折率(n)と光ファイバの半径(r)を関連づける屈折率プロファイルにより特徴付けられる。
光ファイバの中心に対する距離rは、x軸に示され、半径rにおける屈折率n(r)と光学クラッドの屈折率nclとの差Δnは、y軸に示される。ステップインデックスシングルモードファイバは、コアとクラッドの間でシャープなインデックスプロファイル遷移を示す。
従って、平滑化したインデックス遷移を有するコアプロファイルを設計することは、これまでに、必要以上の損失を限定しようとして研究されてきた。
米国特許第7,171,090号は、従って、コアからクラッドへのインデックスプロファイルのソフトな遷移(トランジション)を考慮して設計された光導波路ファイバについて記載している。これは、少なくとも一部分において低アルファプロファイル(すなわち2.5未満のアルファ)に起因して、低減衰および低小角散乱(SAS)を有する。実際に、低アルファプロファイルは、屈折率の段階的な遷移を作り出し、これは小角散乱(SAS)に起因して損失減少に貢献する。
米国特許第6,625,360号も、コアとクラッドの間に適切なインデックス遷移を伴う界面領域を有するシングルモード光ファイバについて記載している。これは、低損失光伝送の達成を可能とする。
アルファ形状のコアプロファイルを有するG.652シングルモードファイバは、欧州特許2,369,379383号および米国特許第7,876,990号にも記載されている。このようなアルファプロファイルは、コアからクラッドへの屈折率のソフトな遷移を可能とするが、例えば約10μmのコア直径(よくアルファグレーデッドインデックスプロファイルを使用する、マルチモードファイバのコア直径(50μmまたは62.5μm)よりずっと小さい)を有するG.652SMFなどのシングルモードファイバの製造プロセスを制御することは容易ではない。
従って、従来技術を上回る改善を示すシングルモード光ファイバを設計することが望ましい。
もっと正確に言えば、製造が容易で、且つ、レイリー散乱を悪化させること無くインデックス遷移に起因する分散損失が低減された、シングルモード光ファイバを設計することが望ましい。
本発明の一つの特定の実施形態では、コアおよびクラッドを有し、コアの屈折率プロファイルが台形状であるシングルモード光ファイバが提案される。台形状のコアの屈折率プロファイルの遷移部分は、コアの中心部分の濃度からコアに隣接したクラッド部分の濃度まで、少なくとも2つのドーパントの濃度を徐々に変えることにより得られる。
従って、本発明は、コアからクラッドへのインデックスプロファイルのソフトな遷移を備えるシングルモードファイバを設計する新規的および進歩的なアプローチに依存している。実際に、本発明のある実施形態に係るシングルモード光ファイバは、通常のステップ形状の代わりに、台形形状を示す屈折率プロファイルを備えるコアを有する。このような台形形状により、レイリー散乱を悪化させることなく、シングルモード光ファイバにおける余分な分散損失を低減することが可能となる。さらに、このような台形形状は、従来技術からのアルファ形屈折率プロファイルと比較して、製造が容易である。アルファ形屈折率プロファイルは、シングルモード光ファイバの小さいコア径に適切ではない。
このような台形形状は、コアの中心部分からクラッドへの遷移部分における二つ以上のドーパントの濃度の段階的変化を通じて達成される。このようなコアの慎重な設計により、同等なステップインデックス型シングルモード光ファイバと同じ光学特性(例えばモードフィールド径、ケーブルカットオフ波長および色分散など)を獲得することが可能となる。
本発明の第1実施形態では、クラッドは、トレンチ(溝)と呼ばれる、少なくとも1つの押し下げられた屈折率の領域を備える。
本発明の別の実施形態では、シングルモード光ファイバは、
コアの中心部分が半径rおよび屈折率nを有し、
遷移部分が半径rから半径r>rに及んでおり、
クラッドが、
半径rから半径r>rに及び且つ屈折率nを有する中間クラッドと、
半径rから半径r>rに及び且つ屈折率nを有するトレンチと、
半径rから及び且つ屈折率nを有する外側クラッドと、
を備える。
本発明のさらに別の実施形態では、遷移部分の半径rに対するコア中心部分の半径rの比r/rは、約0.25から0.75の間である。
本発明のさらに別の実施形態では、コアが約19.10−3μmと25.10−3μmの間の面積分V01を有し、該面積分は以下の数式に従って規定される。
Figure 0006298893
ここで、Δn=n−nは、外側クラッドに対するコア中心部分の屈折率差であり、Δn=n−nは、外側クラッドに対する中間クラッドの屈折率差である。
本発明のさらに別の実施形態では、トレンチが約−55.10−3μmと0の間の面積分V03を有し、面積分V03は以下の数式に従って規定される。
Figure 0006298893
ここで、Δn=n−nは、外側クラッドに対するトレンチの屈折率差である。
本発明のさらに別の実施形態では、コアが約88.10−3μmと105.10−3μmの間の体積分V11を有し、体積分V11は以下の数式に従って規定される。
Figure 0006298893
ここで、Δn=n−nは、外側クラッドに対するコアの中心部分の屈折率差であり、Δn=n−nは、外側クラッドに対する中間クラッドの屈折率差である。
本発明のさらに別の実施形態では、トレンチが約−1200.10−3μmと0の間の体積分V13を有し、体積分V13は以下の数式に従って規定される。
Figure 0006298893
ここで、Δn=n−nは、外側クラッドに対するトレンチの屈折率差である。
本発明のさらに別の実施形態では、少なくとも二つのドーパントは、
酸化ゲルマニウム、
フッ素、
酸化リン、
酸化ホウ素
から成るグループに属している。
本発明のさらに別の実施形態では、クラッドは、シリカよりも低い屈折率を生じさせるドーパントを含み、該ドーパントは、−0.20×10−3以下の屈折率の減少を生じさせる。
本発明のさらに別の実施形態では、コアの中心部分は、シリカよりも高い屈折率を生じさせるドーパントを含み、該ドーパントは、0.6×10−3以上の屈折率の増加を生じさせる。
本発明のさらに別の実施形態では、光ファイバは、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と、1260nmの最大ケーブルカットオフ波長とを有する。
さらに、本発明は、コアおよびクラッドを有するシングルモード光ファイバの製造方法に関する。コアの屈折率プロファイルは台形形状を有する。本方法は、化学気相成長法でコアロッドを形成する第1ステップと、それに続く、コアロッドをクラッドで覆ってプリフォームを得る第2ステップと、それに続く、プリフォームから光ファイバを線引きする第3ステップとを備える。第1ステップの化学気相成長法は、コアの中心部分の濃度からコアに隣接するクラッド部分の濃度までの遷移部分において、少なくとも2つのドーパントの濃度を徐々に変化させるステップを備える。
本発明のある実施形態では、濃度を徐々に変化させるステップを含む第1ステップの化学気相成長法は、FCVD(炉式化学気相成長法)プロセスまたはPCVD(プラズマ化学気相成長法)プロセスによりコアロッド中にドーパントを導入することにより実行される。
本発明は、また、本発明に係る少なくとも1つのシングルモードファイバを備える光ファイバ伝送システムに関する。
本発明の実施形態の他の特徴および利点は、指示的且つ包括的でない実施例により与えられる以下の記載および添付の図面から明らかとなるであろう。
本発明に係る典型的な光ファイバのための屈折率プロファイルを示す図である。この屈折率プロファイルは設計プロファイルであり、光ファイバの理論的なプロファイルを表すものである。 本発明に係る別の典型的な光ファイバのための屈折率プロファイルを示す図である。この屈折率プロファイルも設計プロファイルであり、光ファイバの理論的なプロファイルを表すものである。 図1の屈折率プロファイルを得ることを可能とする共添加シナリオの第1ケースを示す図である。 図1の屈折率プロファイルを得ることを可能とする共添加シナリオの第2ケースを示す図である。 図1の屈折率プロファイルを得ることを可能とする共添加シナリオの第3ケースを示す図である。 図1の屈折率プロファイルを得ることを可能とする共添加シナリオの第4ケースを示す図である。 図1の屈折率プロファイルを得ることを可能とする共添加シナリオの第5ケースを示す図である。 図1の屈折率プロファイルを得ることを可能とする共添加シナリオの第6ケースを示す図である。 本発明に係るシングルモードファイバの製造方法の実施形態を説明するための図である。
図面内の構成要素は必ずしも寸法どおりではないが、その代わりに本発明の原理を例示することに重点が置かれている。
図1および図2は、本発明の第1実施形態(Ex1として参照)および第2実施形態(Ex2として参照)を構成するファイバのインデックスプロファイルを示す図である。これらの実施形態では、インデックスプロファイルは、リングを含む台形型インデックスプロファイルであり、それは、ファイバの中心から順に、
クラッドの屈折率よりも大きい実質的に一定な屈折率を有するコアの中心部分と、
コアの中心部分のインデックスから中間クラッドのインデックスまで、実質的に直線的にインデックスが減少するコアの第1環状部分(このようなコアの環状部分は、本明細書を通して、コアの台形状インデックスプロファイルの「遷移部分(トランジション部分)」とも呼ばれる)と、
中間クラッドと、
トレンチ(例えば押し下げられたクラッド)と、
外側クラッドと、
を提示する。
このように、ファイバは全体として、いわゆる「台形状」プロファイルを有するファイバを構成する。
コアの中心部分は、半径rと、外側クラッドに対する屈折率差Δnとを有する。コアの遷移部分では、屈折率差は実質的に直線的に減少する。コアの屈折率は、典型的に、台形形状を有する。従って、中心コアと外側クラッドとの間の屈折率差Δn(r)は、光ファイバの中心からの距離rに依存する(例えば、光ファイバの中心からの距離が増加するにつれて減少する)。本明細書で使用される場合、「屈折率差」という用語は、ゼロの屈折率差を除外しない。
中間クラッドは、半径rと、通常一定である外側クラッドに対する屈折率差Δnとを有する。埋込トレンチは、半径rと、通常一定である外側クラッドに対する屈折率差Δnとを有する。本明細書で使用される場合、「埋込トレンチ」という用語は、外側クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有する光ファイバの半径方向の一部を指すために用いられる。そのようなトレンチは、第1中間クラッドの屈折率以下の屈折率を有する。
外側クラッドは、半径rからシングルモードファイバのガラス部分の端部まで及ぶ。
図1および図2は、主に埋込トレンチの屈折率差Δnが互いに異なっており、これは、図2の典型的な実施形態Ex2においてはるかに重要である。
図1および図2の両方において、屈折率n(r)は、波長633nm(すなわち、プロファイルが市販装置のおかげで測定される波長)において、外側クラッドの屈折率nに相対して与えられる。これらのインデックスは、従って、「インデックスデルタ」とも呼ばれる。より一般的には、本明細書を通して、全ての屈折率は波長λ=633nmで与えられる。
図1および図2の各典型的実施形態は、ステップコアインデックスプロファイルを有し、且つ同等な光学特性(例えばモードフィールド径、カットオフ(ファイバカットオフ、FCOおよびケーブルカットオフ、CCO)およびゼロ分散波長(ZDW)など)を示すシングルモード光ファイバと比較される。これらのステップインデックス型屈折率プロファイルは、それぞれ、図1においてComp Ex1および図2においてComp Ex2として参照され、破線で図示されている。
ファイバカットオフ波長(FCO)は、例えばIEC60793−1−44標準規格において国際電気標準会議の小委員会86Aにより規定される、有効カットオフ波長λCeffに相当する。ケーブルカットオフ波長(CCO)は、例えばIEC60793−1−44標準規格において国際電気標準会議の小委員会86Aにより規定される、ケーブルのカットオフ波長λccに相当する。
下記の表1は、図1および図2の典型的実施形態の屈折率設計と、それらの同等のステップインデックス型シングルモードファイバComp Ex1およびComp Ex2との比較と、その他に本発明の第3の典型的実施形態Ex3と、それと同等のステップインデックス型シングルモードファイバComp Ex3との比較である。表1の値は、理論的な屈折率プロファイルに相当する。
Figure 0006298893
表1の第1列は、典型的光ファイバおよび比較の光ファイバを記載している。以下の列は、第1列に記載された各シングルモードファイバに対し、
遷移部分のコア外半径に対する中心部分のコア径の比r/r
μmで表される、コアの中心部分の半径r
μmで表される、コアの遷移部分の外半径r
μmで表される、中間クラッドの外半径r
μmで表される、トレンチの外半径r
コアの中心部分のインデックスデルタΔn
中間クラッドのインデックスデルタΔn
トレンチのインデックスデルタΔn
を提供する。
表1(本明細書を通して他の全ての表でも同様)の屈折率差は、図1および図2の縦座標の値と同じように、1000倍されている(例えば、本発明の第1典型的実施形態においては、コアの中心部分のインデックスデルタは5.51×10−3である)。屈折率の値は、波長633nmで測定されたものである。
表2(下記)は、表1に示す屈折率プロファイルを有する光学シングルモードファイバに対する光伝送特性を示す。第1列は、典型的光ファイバおよび比較の光ファイバを特定する。以下の列は、各シングルモードファイバに対し、
μmで表される、1310nmでのモードフィールド径(MFD1310)、
μmで表される、1550nmでのモードフィールド径(MFD1550)、
nmで表される、ファイバカットオフ波長(FCO)、
nmで表される、ケーブルカットオフ波長(CCO)、
nmで表される、ゼロ色分散波長(ZDW)、
ps/nm−kmで表される、ゼロ分散スロープ(ZDS)、
を提供する。
Figure 0006298893
表3(下記)は、表1に示す屈折率プロファイルを有する光ファイバに対する曲げ損失を示す。15mm、10mm、7.5mmおよび5mmなどの曲率半径に対し、1550nmおよび1625nmの波長における曲げ損失であり、例えば、
10巻きを表すdB/10Tで表される、1550nmにおけるR15mmのマクロ曲げ損失(R15BL at 1550)、
1巻きを表すdB/1Tで表される、1550nmにおけるR10mmのマクロ曲げ損失(R10BL at 1550)、
1巻きを表すdB/1Tで表される、1550nmにおけるR7.5mmのマクロ曲げ損失(R7.5BL at 1550)、
1巻きを表すdB/1Tで表される、1550nmにおけるR5mmのマクロ曲げ損失(R5BL at 1550)、
10巻きを表すdB/10Tで表される、1625nmにおけるR15mmのマクロ曲げ損失(R15BL at 1625)、
1巻きを表すdB/1Tで表される、1625nmにおけるR10mmのマクロ曲げ損失(R10BL at 1625)、
1巻きを表すdB/1Tで表される、1625nmにおけるR7.5mmのマクロ曲げ損失(R7.5BL at 1625)、
1巻きを表すdB/1Tで表される、1625nmにおけるR5mmのマクロ曲げ損失(R5BL at 1625)である。
Figure 0006298893
表2および表3(上記)に従って、本発明の実施形態に係る光ファイバは、ステップインデックス型プロファイルを有する比較の光ファイバよりも小さい曲げ損失を示す。さらに、本光ファイバは、概して、比較の光ファイバと実質的に同じ(i)ケーブルカットオフ波長、(ii)ゼロ色分散波長(ZDW)、(iii)ゼロ分散スロープ(ZDS)、および(iv)モードフィールド径(MFD)を有する。
図1および図2だけでなく、表1から表3にも記載されている本発明の実施形態に係る3つの屈折率プロファイル例Ex1、Ex2およびEx3は、ITU−T G.652勧告に適合している。
確認しておくと、ITU−T G.652勧告は、1310nm付近でゼロ分散波長を有する、シングルモード光ファイバおよびケーブルの幾何学的、機械的および伝送特性を記載している。ITU−T G.652ファイバは、元々は波長1310nmでの使用向けに最適化されたが、1550nm領域でも使用することができる。下記の表4は、G.652.Dとして参照されるG.652ファイバの最良のカテゴリーに対するファイバ特性をまとめたものである(ソースは2009年11月のITU−T G.652勧告)。この表においては、屈折率プロファイル設計が以下のパラメータに影響を与えている:1310nmにおけるモードフィールド径(MFD1310)、ケーブルカットオフ(CCO)、1625nmにおけるR30mmのマクロ曲げ損失(R30BL1625)、ゼロ分散波長(λまたはZDW)およびゼロ分散スロープ(SまたはZDS)。
Figure 0006298893
本発明の第2典型的実施形態Ex2および第3典型的実施形態Ex3はまた、ITU−T Rec G.657.A2曲げ不感ファイバカテゴリにも適合している。本発明の第3典型的実施形態Ex3はまた、ITU−T Rec G.657.B3曲げ不感ファイバカテゴリにも適合している。
本発明の概要で既に述べたように、表1から表3だけでなく図1および図2に詳述された屈折率プロファイルは、台形状コアの遷移部分における複数のドーパントの濃度の慎重且つ段階的な変化によって達成される。
多くのドーパントが本発明との関連で用いられる可能性がある。例えばゲルマニウムおよびリンは両方とも屈折率を増大させることを可能とし、ホウ素およびフッ素は両方とも屈折率を減少さえることが可能とする。
当業者であれば、これらのドーパントが、フッ素を除けば、酸化物の形でシリカ(SiO)マトリックス中に存在していることを容易に理解するであろう。従って、本明細書を通して、ドーパントとしてのゲルマニウムの使用は、例えば、酸化ゲルマニウム(GeO)の使用を意味する。
以下の実施例は、本発明の実施形態に係るシングルモードファイバにおいて、ドーパントとしてゲルマニウムおよびフッ素の使用に焦点を合わせている。
表5(下記)は、本発明に係る12個の典型的な台形状コアのファイバプロファイルにおける、1550nmにおけるレイリー散乱損失を示す。これらの12個の典型的なコアのファイバプロファイルは、異なるドーパントケース、すなわち異なる共添加( co-doping)シナリオを考慮したとき、上記の3つの典型的な実施形態Ex1からEx3に対応している。
表5に与えられる値は、文献"Rayleigh Scattering Reduction Method for Silica-Based Optical Fiber", Journal of Lightwave Technology, Vol. 18, No. 11, November 2000 by Kyozo Tsujikawa et al. における式(1)に基づいて計算したレイリー散乱損失に相当する。この文献では、GeOおよびフッ素の共添加シリカガラスAGeO2−Fのレイリー散乱係数が、
GeO2−F=ASiO2(1+0.62[GeO]+0.6[F]+0.44[GeO][F])
と報告されている。ここで、ASiO2は、純粋シリカガラスのレイリー散乱係数であり、[GeO]および[F]は、ドーパント濃度の一つの指標として、GeOおよびフッ素それぞれにより誘発されるサンプルと純粋シリカガラスとの比屈折率差に相当する。
表5では、純粋シリカガラスASiO2のレイリー散乱係数の値は、0.81dB/km−μmであり、我々は線引きにおいてインデックスが+0.4×10−3で増大すると見なす。第1列は、典型的および比較の光ファイバを特定する。第3から第14列は、12個の共添加シナリオのそれぞれに対応しており、それらは、調査され、ケース1からケース12として参照される。表5の上部、すなわち2行目から8行目は、光ファイバの異なる部分中のドーパントの存在を明らかにしている。従って、
2行目は、インデックスデルタで表される、コアの中心部分におけるフッ素濃度を示し、
3行目は、インデックスデルタで表される、コアの中心部分におけるゲルマニウム濃度を示し、
4行目は、インデックスデルタで表される、中間クラッドにおけるゲルマニウム濃度を示し、
5行目は、インデックスデルタで表される、中間クラッドにおけるフッ素濃度を示し、
6行目は、インデックスデルタで表される、トレンチにおけるゲルマニウム濃度を示し、
7行目は、外側クラッドにおけるフッ素濃度を示し、
8行目は、コアの遷移部分における屈折率の変化がダブルのゲルマニウムとフッ素のランピング(ramping)によって、単一のフッ素ランピング(Fのみ)によって、または単一のゲルマニウムランピング(Geのみ)によって、達成されるかどうかを示す。
Figure 0006298893
ケース1は、コアの中心部分にフッ素を含まず、中間クラッドまたはトレンチのどちらにもゲルマニウムを含まず、外側クラッドにフッ素を含まないシングルモードファイバに相当する。コアの中心部分は、濃度Δn−0.4のゲルマニウムを含み、中間クラッドは、濃度Δn−0.4のフッ素を含む。コアの中心部分から中間クラッドまで直線的に変化するダブルのゲルマニウムとフッ素の共添加は、コアの遷移部分の屈折率の変化を生じさせる。図3は、本発明の第1の典型的実施形態に対するケース1の共添加プロファイルを例示しており、ファイバの全体的な屈折率プロファイルの他に、屈折率単位で与えられるゲルマニウム組成(Geプロファイル)およびフッ素組成(Fプロファイル)を示す。言い換えると、+1×10−3のゲルマニウム濃度が指し示されるとき、これは、ゲルマニウム濃度が+1×10−3の屈折率増加を生じさせることを意味する。ファイバの一部のドーパント濃度とそれが引き起こす屈折率変化との関連は、"Refractive Index of Doped and Undoped PCVD Bulk Silica", Mat. Res. Bull., Vol. 24, pp. 1083-1097, 1989, by W. Hermann and D. U. Wiechert.を読むことにより理解することができる。
ケース2は、コアの中心部分に−2×10−3の屈折率減少を生じさせるフッ素濃度を含み、中間クラッドとトレンチのどちらにもゲルマニウムを含ず、外側クラッドにフッ素を含まないシングルモードファイバに相当する。コアの中心部分は、Δn+2−0.4の濃度のゲルマニウムを含み、中間クラッドは、Δn−0.4の濃度のフッ素を含む。コアの中心部分から中間クラッドまで直線的に変化するダブルのゲルマニウムとフッ素の共添加は、コアの遷移部分の屈折率の変化を生じさせる。図4は、本発明の第1の典型的実施形態に対するケース2の共添加プロファイルを例示しており、ファイバの全体的な屈折率プロファイルの他に、屈折率単位で与えられるゲルマニウム組成(Geプロファイル)およびフッ素組成(Fプロファイル)を示す。
ケース3は、コアの中心部分にフッ素を含まず、中間クラッドに+2×10−3の屈折率増加を生じさせるゲルマニウム濃度を含み、トレンチにゲルマニウムを含まず、外側クラッドにフッ素を含まないシングルモードファイバに相当する。コアの中心部分は、Δn−0.4の濃度のゲルマニウムを含み、中間クラッドは、Δn−2−0.4の濃度のフッ素を含む。コアの中心部分から中間クラッドまで直線的に変化するダブルのゲルマニウムとフッ素の共添加は、コアの遷移部分の屈折率の変化を生じさせる。図5は、本発明の第1の典型的実施形態に対するケース3の共添加プロファイルを例示しており、ファイバの全体的な屈折率プロファイルの他に、屈折率単位で与えられるゲルマニウム組成(Geプロファイル)およびフッ素組成(Fプロファイル)を示す。
ケース4は、コアの中心部分にフッ素を含まず、中間クラッドにゲルマニウムを含まず、トレンチに+2×10−3の屈折率増加を生じさせるゲルマニウム濃度を含み、外側クラッドにフッ素を含まないシングルモードファイバに相当する。コアの中心部分は、Δn−0.4の濃度のゲルマニウムを含み、中間クラッドは、Δn−0.4の濃度のフッ素を含む。コアの中心部分から中間クラッドまで直線的に変化するダブルのゲルマニウムとフッ素の共添加は、コアの遷移部分の屈折率の変化を生じさせる。図6は、本発明の第1の典型的実施形態に対するケース3の共添加プロファイルを例示しており、ファイバの全体的な屈折率プロファイルの他に、屈折率単位で与えられるゲルマニウム組成(Geプロファイル)およびフッ素組成(Fプロファイル)を示す。
ケース5は、コアの中心部分にフッ素を含まず、中間クラッドとトレンチのどちらにもゲルマニウムを含まず、外側クラッドにフッ素を含まないシングルモードファイバに相当する。コアの遷移部分のゲルマニウム濃度は、コアの中心部分と同じレベルに固定される。コアの中心部分は、Δn−0.4の濃度のゲルマニウムを含み、中間クラッドは、Δn−0.4の濃度のフッ素を含む。コアの中心部分から中間クラッドまで直線的に変化する単一のフッ素の添加は、コアの遷移部分の屈折率の変化を生じさせる。図7は、本発明の第1の典型的実施形態に対するケース1の共添加プロファイルを例示しており、ファイバの全体的な屈折率プロファイルの他に、屈折率単位で与えられるゲルマニウム組成(Geプロファイル)およびフッ素組成(Fプロファイル)を示す。
ケース6は、中間クラッドとトレンチのどちらにもゲルマニウムを含まず、外側クラッドにフッ素を含まないシングルモードファイバに相当する。コアのフッ素濃度は、中間クラッドと同じレベル、すなわちΔn−0.4に固定される。コアの中心部分から中間クラッドまで直線的に変化する単一のゲルマニウムの添加は、コアの遷移部分の屈折率の変化を生じさせる。図8は、本発明の第1の典型的実施形態に対するケース1の共添加プロファイルを例示しており、ファイバの全体的な屈折率プロファイルの他に、屈折率単位で与えられるゲルマニウム組成(Geプロファイル)およびフッ素組成(Fプロファイル)を示す。
ケース7から12は、コアの中心部分にフッ素を含まず、中間クラッドとトレンチのどちらにもゲルマニウムを含まないシングルモードファイバに相当する。しかしながらこれらのケースでは、外側クラッドにフッ素が添加されており、従って、外側クラッドがインデックスデルタの基準であるので、ドーパント組成を変化させることが可能となる。これは、特に、コアの中心部のゲルマニウムインデックスデルタを著しく低減することを可能とする。これは、レイリー散乱を低減するのに役立つことがよく知られている。純粋シリカ層が外側クラッドの最端部に(すなわち、30μm以上の半径に対し)用いられてもよい。表5の3行目および5行目は、これらのケース7から12のそれぞれに対し、コアの中心部分のゲルマニウム濃度(コアの中心部の屈折率デルタΔnの関数として表される)、および中間クラッドのフッ素濃度(中間クラッドの屈折率デルタΔnの関数として表される)を示す。
表6(下記)は、線引きにおけるインデックス増加を考慮することなく、同じ12個の典型的な実施形態に対するレイリー散乱損失の同様の推定を提供する。
Figure 0006298893
ケース1,2,4,5および6では、比較例において、線引きにおけるインデックス増加なしで、中間クラッドのデルタは僅かにプラスである。その結果、非常に小濃度のゲルマニウムが中間クラッド中に導入される(比較例Comp Ex1、Comp Ex2およびComp Ex4のそれぞれに対し、0.08,0.22および0.10)。これらの比較例では、中間クラッドは少しのフッ素も含まない。
実際に、表6の4行目に示されるように、中間クラッド中のゲルマニウム濃度は、ケース1,2,4,5および6に対してMax(Δn;0)に設定され、一方で、5行目は、中間クラッド中のフッ素濃度がこれらのケースに対してMin(Δn;0)に設定されることを示している。その結果、中間クラッドの屈折率デルタΔnがプラスのとき、中間クラッド中のゲルマニウム濃度は、Δn(Max(Δn;0)=Δn)に設定され、中間クラッド中のフッ素濃度は、0(Min(Δn;0)=0)に設定される。逆のケースでは、中間クラッドの屈折率デルタΔnがマイナスのとき、中間クラッド中のゲルマニウム濃度は、0(Max(Δn;0)=0)に設定され、中間クラッド中のフッ素濃度は、Δn(Min(Δn;0)=Δn)に設定される。
数値例として、図4から分かるように、コア中心部分のインデックスデルタは、5.51×10−3であり、−2.00×10−3のフッ素含有量を含んでいる。表5では、これは、+7.11×10−3のゲルマニウム、−2.00×10−3のフッ素および線引きでの0.4×10−3のインデックス増加として、なされている(実際には、5.51×10−3=+7.11×10−3−2.00×10−3+0.4×10−3)。
表6では、これは、+7.51×10−3のゲルマニウム、−2.00×10−3のフッ素および線引きでのインデックス増加なし、としてなされている(実際には、5.51×10−3=+7.51×10−3−2.00×10−3)。
表5および表6から分かるように、全てのダブルのゲルマニウムおよびフッ素のランピング(ramping)ケースでは、同等なステップインデックスのケースと比較して、本発明に係る典型的な台形状コアのシングルモードファイバおいては、1550nmでのレイリー散乱損失は、0.001dB/km未満の増加である。
表6の第2の典型的実施形態Ex2のケース6および表5のケース12を除けば、この増加は、単純なランピング(ramping)ケースにおいて0.001dB/kmよりも高い。
実際には、表5から分かるように、比較例Comp Ex1、Comp Ex2およびComp Ex3と比較すると、典型的実施形態Ex1,Ex2およびEx4対して、ケース5および6の単一のランピング例は、それらがレイリー散乱の重度の増加をもたらすので許容できない。ケース12に関しては、コアの中心部分中の低濃度(すなわち0.6×10−3未満)のゲルマニウムに対して、単一のランピングを許容できるだけであることが分かる。
表6に関しては、(全ての典型的実施形態Ex1からEx3に対する)ケース5および第1の典型的実施形態Ex1に対するケース6の単一ランピング例は、それらがレイリー散乱の重度の増加をもたらすので許容できない。ケース6の単一ランピング例に関しては、第2の典型的実施形態Ex2および第3の典型的実施形態Ex3において、中間クラッド中の低濃度(すなわち−0.20×10−3未満)のフッ素に対してレイリー散乱の観点から許容できる結果を与えるだけである。ケース12の単一のランピング例は、コアの中心部分中の低濃度(すなわち0.6×10−3未満)のゲルマニウムに対して許容できるだけである。
従って、同等のステップインデックスのケースと比較して、0.002または0.001dB/km未満のレイリー散乱の増加を保証するので、ダブルのランピングケースで得られるプロファイルが推奨される。
コアの遷移部分(半径rから半径rに及ぶ)は、従って、2つ(またはそれ以上)の存在するドーパントのソフトな遷移(トランジション)を適用することにより製造されるべきである。
さらに、クラッド中のフッ素含有量は、単一のランピングと比較してダブルのフッ素−ゲルマニウムランピングに対するレイリーゲインが−1mdB/km以下となるので、好ましくは−0.20×10−3以下にすべきである。より一般的には、本発明は、シリカよりも低い屈折率を生じさせるドーパントがクラッドに存在するときに役に立ち、−0.20×10−3以下の屈折率減少を生じさせる。
コアの中心部分中のゲルマニウム含有量もまた、単一のランピングと比較してダブルのフッ素−ゲルマニウムランピングに対するレイリーゲインが−1mdB/km以下となるので、好ましくは+0.60×10−3以下にすべきである。より一般的には、本発明は、シリカよりも高い屈折率を生じさせるドーパントがコアの中心部分に存在するときに役に立ち、+0.60×10−3以上の屈折率減少を生じさせる。
我々は今、本発明に係るシングルモード光ファイバに対し、許容可能なプロファイル範囲を規定する興味深いツールおよび方法を提供する。
光ファイバプロファイルの各セクションは、面積分および体積分を用いて規定されてよい。「面積」という用語は、幾何学的に理解されるべきではなく、二次元を有する値として理解されるべきである。同様に、「体積」という用語は、幾何学的に理解されるべきではなく、三次元を有する値として理解されるべきである。
従って、中心コアの中心部分は、以下の数式により定義される面積分V01を規定してよい。トレンチは、以下の数式により定義される面積分V03を規定してよい。
Figure 0006298893
さらに、中心コアの中心部分は、以下の数式により定義される体積分V11を規定してよい。トレンチは、以下の数式により定義される体積分V13を規定してよい。
Figure 0006298893
表7(下記)は、本発明の第1典型的実施形態Ex1、第2典型的実施形態Ex2および第3典型的実施形態Ex3、その他に比較のステップインデックス型シングルモードファイバComp Ex1、Comp Ex2およびComp Ex3に対する、上述の面積分および体積分V01,V03,V11およびV13の値が付いて、表1(上記)を完成している。表7の全ての実施例は、従って、表1と同じである。表7の値は、理論的な屈折率プロファイルに相当する。
表7の第1列は、典型的および比較の光ファイバをリストアップしている。第2列は、 遷移部分のコア外半径rに対する中心部分のコア径rの比r/rの値を提供する。次の4列は、コアの中心部分の半径、コアの遷移部分の半径、中間クラッドの半径、埋込トレンチの半径を提供する。次の3列は、対応する、外側クラッドに対する屈折率差を提供する。最後の4列は、面積分および堆積分V01,V03,V11およびV13のそれぞれの値を提供する。これまでのように、表7の屈折率差および積分は、1000倍されている。屈折率値は、633nmの波長で測定されたものである。
Figure 0006298893
表8(下記)は、本発明に係る、9個の典型的な台形状コアファイバのプロファイルを示す。表8の実施例1−3は、表7と同じであることに留意されたい。表8の値は、理論的な屈折率プロファイルに相当する。表8の構成は、表7のそれと同じであるので、簡略化のため再記載しない。
表8で与えられる新しい実施例は、比r/rを弄るときに得られる。
Figure 0006298893
本発明の実施形態に係る光ファイバは、典型的に、以下の特性を有する。
遷移部分のコア半径に対する中心部分のコア半径の比r/rが好ましくは0.25と0.75の間に及ぶ。
中心コアの面積分V01が好ましくは約19.10−3μmから約25.10−3μmに及ぶ。
埋込トレンチの面積分V03が好ましくは−55.10−3μmから0に及ぶ。
中心コアの体積分V11が好ましくは80.10−3μmから105.10−3μmに及ぶ。
埋込トレンチの体積分V13が好ましくは−1200.10−3μmから0に及ぶ。
表9(下記)は、表8に記載された屈折率プロファイルを有する光ファイバに対する光伝送特性を示す。
Figure 0006298893
表10(下記)は、表8に記載された屈折率プロファイルを有する光ファイバに対する曲げ損失を示す。
Figure 0006298893
図9は、光ファイバの製造方法を図示する。この方法は、化学気相成長法でコアロッドを形成する第1ステップ10を備える。化学気相成長の間にドープまたはノンドープガラス層が蒸着される。蒸着ガラス層は、最終の光ファイバのコアの屈折率プロファイルと、随意にクラッドの内側部分の屈折率プロファイルとを形成する。第2ステップ11では、コアロッドに、その径を増大してプリフォームを形成するために、外側のオーバークラッドが設けられる。オーバークラッドは、前もって作られたシリカチューブから得られるか、またはコアロッドの外周へのガラス層の蒸着により得られる。ガラス層の蒸着によりオーバークラッドを設けるために、外付け気相成長法(OVD:Outside Vapour Deposition)や先進プラズマ及び気相成長法(APVD:Advanced Plasma and Vapour Deposition)などの様々な技術を使用することができる。第3ステップ12では、ファイバ線引きタワー内でプリフォームを線引きすることにより光ファイバが得られる。
コアロッドを製造するために、チューブまたは基材が通常水平にマウントされ、ガラス製造旋盤に押さえられる。その後、チューブまたは基材が回転され、コアロッドの組成を決定する構成材を蒸着するために局所的に加熱または電圧印加される。当業者であれば、コアロッドの組成がファイバの光学特性を決めることを理解するであろう。
この関連で、コアの中心部分と遷移部分の両方、中間クラッドおよびトレンチは、一般的に、プラズマ化学気相成長法(PCVD:plasma chemical vapour deposition)または炉式化学気相成長法(FCVD:furnace chemical vapour deposition)を用いることにより得られる。これらは、大量のフッ素およびゲルマニウムをシリカ中に取り入れることを可能とし、コアの遷移部分中のそれらの濃度を段階的に変化させることを可能とする。PCVD技術は、例えば、米国特許第Re30,635号または米国特許第4,314,833号に記載されている。
コアロッドを形成するために、例えば気相軸付け成長法(VAD:vapour axial deposition)や外付け気相成長法(OVD:Outside Vapour Deposition)などの他の技術を用いることもできる。
本発明に係る光ファイバは、様々な光伝送システムでの使用に適している。本発明に係る光ファイバは良好なレイリー散乱特性とともに、屈折率変化によって低減された分散損失を示すので、特に有用である。本発明に係る光ファイバは、地上伝送システムおよびファイバー・トゥ・ザ・ホーム(FTTH)に特に適している。
さらに、本発明に係る光ファイバは、通常、従来の光ファイバと互換性がある。これにより、本発明に係る光ファイバは、多くの光伝送システムでの使用に適している。例えば、本発明の実施形態に係る光ファイバは、通常、モードフィールド径に関して従来の光ファイバ互換性がある。それにより、良好なファイバ間の結合が促進される。
本明細書および/または図面において、本発明の典型的な実施形態が開示された。本発明はこのような典型的な実施形態に限定されない。

Claims (13)

  1. クラッドにより取り囲まれるコアを有するシングルモード光ファイバであって、コアの屈折率プロファイルが台形形状を有し、
    台形状のコアの屈折率プロファイルの遷移部分は、コアの中心部分の濃度からコアに隣接したクラッド部分の濃度まで、少なくとも2つのドーパントの濃度を徐々に変えることにより得られ、
    コアの中心部分が半径rおよび屈折率nを有し、
    遷移部分が半径rから半径r>rに及んでおり、
    クラッドが、
    半径rから半径r>rに及び且つ屈折率nを有する中間クラッドと、
    少なくとも1つの押し下げられた屈折率の領域である、半径rから半径r>rに及び且つ屈折率nを有するトレンチと、
    半径rから及び且つ屈折率nを有する外側クラッドと、
    を備える、シングルモード光ファイバ。
  2. 遷移部分の半径rに対するコア中心部分の半径rの比r/r、0.25から0.75の間である、請求項1に記載のシングルモード光ファイバ。
  3. コアが19×10−3μmと25×10−3μmの間の面積分V01を有し、該面積分は以下の数式:
    Figure 0006298893
    に従って規定され、Δn=n−nは、外側クラッドに対するコア中心部分の屈折率差であり、Δn=n−nは、外側クラッドに対する中間クラッドの屈折率差である、請求項1または2に記載のシングルモード光ファイバ。
  4. トレンチが−55×10−3μmと0の間の面積分V03を有し、面積分V03は以下の数式:
    Figure 0006298893
    に従って規定され、Δn=n−nは、外側クラッドに対するトレンチの屈折率差である、請求項1から3のいずれかに記載のシングルモード光ファイバ。
  5. コアが88×10−3μmと105×10−3μmの間の体積分V11を有し、体積分V11は以下の数式:
    Figure 0006298893
    に従って規定され、Δn=n−nは、外側クラッドに対するコアの中心部分の屈折率差であり、Δn=n−nは、外側クラッドに対する中間クラッドの屈折率差である、請求項1から4のいずれかに記載のシングルモード光ファイバ。
  6. トレンチが−1200×10−3μmと0の間の体積分V13を有し、体積分V13は以下の数式:
    Figure 0006298893
    に従って規定され、Δn=n−nは、外側クラッドに対するトレンチの屈折率差である、請求項1から5のいずれかに記載のシングルモード光ファイバ。
  7. 少なくとも2つのドーパントは、
    酸化ゲルマニウム、
    フッ素、
    酸化リン、
    酸化ホウ素
    から成るグループに属している、請求項1から6のいずれかに記載のシングルモード光ファイバ。
  8. クラッドは、シリカよりも低い屈折率を生じさせるドーパントを含み、該ドーパントは、−0.20×10−3以下の屈折率の減少を生じさせる、請求項1から7のいずれかに記載のシングルモード光ファイバ。
  9. コアの中心部分は、シリカよりも高い屈折率を生じさせるドーパントを含み、該ドーパントは、0.6×10−3以上の屈折率の増加を生じさせる、請求項1から8のいずれかに記載のシングルモード光ファイバ。
  10. 光ファイバは、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と、1260nmの最大ケーブルカットオフ波長とを有する、請求項1から9のいずれかに記載のシングルモード光ファイバ。
  11. コアおよびクラッドを有するシングルモード光ファイバの製造方法であって、コアの屈折率プロファイルは台形形状を有し、化学気相成長法でコアロッドを形成する第1ステップと、それに続く、コアロッドをクラッドで覆ってプリフォームを得る第2ステップと、それに続く、プリフォームから光ファイバを線引きする第3ステップとを備え、
    第1ステップの化学気相成長法は、コアの中心部分の濃度からコアに隣接するクラッド部分の濃度までの遷移部分において、少なくとも2つのドーパントの濃度を徐々に変化させるステップを備え、
    コアの中心部分が半径rおよび屈折率nを有し、
    遷移部分が半径rから半径r>rに及んでおり、
    クラッドに、
    半径rから半径r>rに及び且つ屈折率nを有する中間クラッドと、
    少なくとも1つの押し下げられた屈折率の領域である、半径rから半径r>rに及び且つ屈折率nを有するトレンチと、
    半径rから及び且つ屈折率nを有する外側クラッドと、
    を形成することを備える、製造方法。
  12. 濃度を徐々に変化させるステップを含む第1ステップの化学気相成長法は、FCVD(炉式化学気相成長法)プロセスまたはPCVD(プラズマ化学気相成長法)プロセスによりコアロッド中にドーパントを導入することにより実行される、請求項11に記載の製造方法。
  13. 請求項1から10のいずれかに記載の少なくとも1つのシングルモード光ファイバを備える、光ファイバ伝送システム。
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