JP2001521204A - 有効面積を大きくする導波路分布 - Google Patents

有効面積を大きくする導波路分布

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リュウ，ヤンミン
イー バーキー，ジョージ
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Abstract

(57)【要約】 区分化コアデザインを有する単一モード光導波路ファイバが開示される。コアの屈折率が最も高い領域（４）は導波路ファイバの中心線から離して設けられる。コアの第１の、すなわち中心区分（２）の比屈折率差は負であり、ここで基準屈折率にはクラッドの最小屈折率がとられている。このコア分布群は、１５５０ｎｍまわりの動作窓領域において１１０μｍ２から１５０μｍ２の範囲の有効面積を与える。破線（６）は（領域２及び４の）屈折率分布についての別の形状を示す。破線（５）で示される比屈折率が負の環状領域は、基準屈折率としてクラッドの最小屈折率を用いた比屈折率差が負の、任意に付加される第３のコア領域を示す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の背景 本発明は有効面積が大きな単位一モード光導波路ファイバに向けられる。大有
効面積は比較的高屈折率の環状領域に囲まれた低屈折率のコア中心領域を用いて
達成される。
【０００２】 近年、非常に高性能の導波路ファイバ、すなわちデータレートが非常に大きく
光中継器間隔が大きい遠距離通信システムに適する導波路を得るための努力は、
複合屈折率分布を有する導波路コアに集中してきた。そのような複合コアが、バ
ーガバチュラ(Bhagavatula)の米国特許第５,６１３,０２７号（'０２７特許）に
見られる。
【０００３】 '０２７特許では、 最大相対屈折率差Δ％が導波路ファイバの中心線から間隔
をおいた位置にあることを特徴とするコア屈折率分布群が開示された。この分布
群により高性能遠距離通信システムに十分適する優れた特性が得られた。さらに
、前記コア分布群の内のある分布はデザインが簡単であり、よって製造がより容
易であり費用効果がより高いことが注目された。 '０２７特許の実施の形態は、
屈折率が導波路ファイバのクラッド層の屈折率より低いコア中心領域を有するコ
アを含む。
【０００４】 ノウチ（Nouchi）等による最近のある研究発表、オスロでのＥＣＯＣ１９９６
及びＩＷＣＳ発表論文集，９３９〜９４５ページ（１９９６年）では、低屈折率
中央領域をもつ上記の実施の形態が調べられて、ほぼ６０μｍ２から１００μｍ ２ の範囲の有効面積と良好な曲げ耐性が報告されている。しかしこの研究発表は
、ゼロ分散波長及び遮断波長の最適配置の問題に触れていない。
【０００５】 本明細書に開示され説明される発明は、導波路ファイバ特性をさらに広い範囲
で考察して、１００μｍ２を優にこえる有効面積及び標準的な階段型屈折率分布
の単一モードファイバと同等の曲げ耐性を提供する。
【０００６】 定義 −有効面積Ａ有効は： Ａ有効=２π(∫Ｅ２ｒｄｒ)２/(∫Ｅ４ｒｄｒ) であり、ここで積分範囲は０から８までであって、Ｅは伝搬光にともなう電場で
ある。有効直径Ｄ有効は： Ａ有効=π(Ｄ有効/２)２ として定義される。
【０００７】 −用語‘Δ％’は式： Δ％=１００×(ｎ１ ２-ｎ２ ２)/２ｎ１ ２ で定義される屈折率の相対尺度を表わし、ここでｎ１は第１の領域の最大屈折率
であり、ｎ２は通常クラッド領域にとられる基準領域の屈折率である。
【０００８】 −用語‘屈折率分布’あるいは単に‘分布’は、Δ％または屈折率とコアの選択
された部分にわたる半径との間の関係である。選択された区分の始点及び終点は
幅により、あるいは導波路ファイバの中心線を基準にした複数の半径により表わ
すことができる。
【０００９】 −用語‘アルファ分布’は、式: n(ｒ)=ｎ０(１-Δ[ｒ/ａ]α) に従う屈折率分布を称し、ここでｒは半径であり、Δは上で定義され、ａは分布
の終点であって、ｒは分布の始点でゼロであるように選ばれ、αは分布形状を定
める指数である。その他の屈折率分布には、階段型、台形及び丸みのついた階段
型のような形状が含まれる。前記丸みはおそらくは屈折率が急激に変化する領域
におけるドーパントの拡散による。
【００１０】 −導波路ファイバの曲げ耐性は規定の試験条件の下で生じる減衰として表わされ
る。本明細書で引用される曲げ試験は、曲げに対する導波路ファイバの相対耐性
の比較に用いられるピンアレイ曲げ試験である。この試験を実施するためには、
実質的に曲げ損失が生じていない導波路ファイバの減衰損失が測定される。次い
でこの導波路ファイバがピンアレイに編み込まれて、減衰が再度測定される。曲
げにより生じた損失は測定された２つの減衰の間の差である。ピンアレイは一列
に配置され平坦面に固定された直立状態で保持される１０本一組の円筒形のピン
である。ピンの中心間隔は５ｍｍである。ピンの直径は０.６７ｍｍである。試 験中は、ピン表面の一部に沿わせるに十分な張力が導波路ファイバにかけられる
。
【００１１】 発明の概要 バーガバチュラの米国特許第５,６１３,０２７号の分布についての集中検討の
結果、高性能遠距離通信システムに十分適する優れた特性を示す、 '０２７特許
の分布のサブセットが識別された。本出願の主題であるこのサブセットの分布は
、 '０２７特許の分布の内の最も簡単な分布の中にあるので、特に有益である。
【００１２】 本発明の新規な単一モード導波路屈折率分布の第１の態様は、クラッド層で囲
まれたコア領域を含む。このコアは２つの区分を有し、第１の円形区分は導波路
の長軸を中心とし、環状区分に接している。各区分は屈折率分布、比屈折率差Δ
％，及び半径または幅により識別される。本明細書を通して、比屈折率差はクラ
ッド層の最小屈折率である基準屈折率ｎｃを用いて定められる。第１の区分の比
屈折率差Δ１％はほぼ−０.００５％から−０.６０％の範囲にあり、半径はほぼ
１μｍから５μｍの範囲にある。 第２の区分の比屈折率差はほぼ０.５％から１
.６％の範囲にあり、幅はほぼ１μｍから２０μｍの範囲にある。この幅はｒ１ から第２の区分の終点までの寸法である。
【００１３】 第１または第２の区分の屈折率分布は階段型、丸みのついた階段型、α分布、
台形、または三角型のような様々な形状をとることができる。一般に、所要のフ
ァイバ特性を得るために、分布、Δ％及び半径のどのような組合せでも見いだす
ことができる。第１の区分の屈折率はクラッド層の最小屈折率である基準屈折率
ｎｃに相対的に負であるから、第１の区分の分布は第２の区分の分布に対して反
転している。
【００１４】 階段型、三角型及び台形の第２区分分布を含む上記第１の態様の実施の形態が
以下で詳細に提示される。
【００１５】 本発明の新規な屈折率分布で得られる導波路特性は、１００μｍ２をこえる有
効面積Ａ有効、ほぼ０.０７から０.０１ピコ秒/ｎｍ２-ｋｍの範囲の総合分散傾
き、ほぼ８μｍから１０μｍの範囲のモードフィールド径、及び１５００ｎｍか
ら２０００ｎｍの範囲の遮断波長である。この遮断波長はケーブルにつくられて
いない状態の導波路ファイバで測定される。ケーブルにつくる工程により遮断波
長は一般にほぼ４００ｎｍから４５０ｎｍ短波長側にシフトし、よって本発明の
新規な導波路は１０００ｎｍから１６００ｎｍの波長範囲で単一モードである。
異なる遮断波長を有するように導波路を調整できることは当然である。
【００１６】 波長分割マルチプレックスを行う用途に関し、特に光増幅器を用いるシステム
においては、ほぼ１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲の動作窓領域の外側にゼ
ロ分散波長を配することが有益である。本発明の屈折率分布は、以下のデータ表
からわかるように、そのようなゼロ分散波長を与える。
【００１７】 本発明の第２の態様においては、上述した機能的要件を満たすための屈折率分
布の能力に影響を与えずに導波路の曲げ及びマイクロベンディング性能を改善す
るために、さらに第３の区分が分布に付加される。この第３の区分は、ほぼ−０
.０５％から−０.６％の範囲にある負の比屈折率差−Δ３％、及び、第２の区分
の終点から第３の区分の終点までで測られる、ほぼ１μｍから２０μｍの範囲の
幅ｗ３を有する。第１及び第２の区分のパラメータ範囲は上述した通りのままで
ある。前述の態様と同様に、第１または第２の区分は、階段型、丸みのついた階
段型、α分布、台形、または三角型のような様々な分布形状をとることができる
。
【００１８】 この第２の態様の別の実施の形態には、第２の環状区分と同様の正の比屈折率
差を持つ第４の環状区分、及び第１の円形区分または第３の環状区分と同様の負
の比屈折率差を有するする第５の環状区分が含まれる。
【００１９】 発明の詳細な説明 本明細書で説明される単一モード導波路ファイバ分布は簡単な形状と有益な動
作特性を兼ね備える。本発明で達成されたものは、製造が容易であるが大有効面
積が得られることで非線型効果が抑えられる導波路ファイバ分布である。大有効
面積は曲げ及びマイクロベンディング性能を実質的に劣化させずに達成される。
【００２０】 ファイバ製造の簡易化における重要な要因は、基準屈折率をクラッド層の最小
屈折率とする％比屈折率差が負の中心分布を有する導波路ファイバの製造のため
に特に開発されたプロセスである。スートプリフォームへのフッ素ドープガラス
ロッドの挿入を含む上記プロセスは、本出願と同日に出願された同時係属仮特許
出願第６０/０６３,４４１号に開示される。上記出願の関連部分が本明細書に参
照として含まれる。
【００２１】 本発明の階段型屈折率分布の実施の形態が、図１の％比屈折率差Δ％対半径の
グラフに示される。このグラフの主な特徴は、比屈折率差が正の階段型分布をも
つ環状領域４で囲まれた、導波路中心線を中心とする比屈折率差が負の階段型分
布領域２である。破線６は領域２及び４の屈折率分布に関する別の形状を示す。
破線５で示される比屈折率差が負の環状領域は、クラッド層の最小屈折率を基準
に用いた比屈折率差が負の、任意に付加される第３のコア領域を示す。
【００２２】 本発明の別の実施の形態が図２及び３に示される。図２では、負の比屈折率差
領域２が三角型分布をもつ環状区分８に囲まれている。図３に示される比屈折率
差対半径のグラフは比屈折率差が負の第１の台形分布区分２，比屈折率差が正の
第２の台形分布区分１０及び、任意に付加される、比屈折率差が負の第３の台形
分布区分１２を示す。前述したように、任意に付加される第３の区分は一般に高
いマイクロベンディング及び曲げ耐性が必要とされる導波路ファイバに含まれる
。
【００２３】 開示される本発明に従う導波路ファイバを製造した。製造したファイバの１つ
の分布が図４に曲線１４として示される。図４の分布の第１の区分すなわち中心
領域１８は平坦性がかなり失われている。これは本発明に包含される形状の相違
を表わしている。同様に第２の区分２０は、丸みのついた階段型形状が本発明の
実施に適切であることを表わす、丸みのついた頂部及び底部を有することがわか
る。第２の区分２０の幅２４は、破線２２で示されるように、丸みのついた形状
の側縁を横軸まで外挿することにより得られる。
【００２４】 コア中心領域の低屈折率の効果は、導波路で搬送される光エネルギーを中心か
ら外方にシフトさせることである。このエネルギーシフトが光強度曲線１６で示
される。
【００２５】 実施例：階段型分布
【表１】 表１の、本明細書でまだ定義されていなかった記号は： −λ０：ｎｍで表わされる、ゼロ分散波長； −ＭＦＤ：μｍで表わされる、ピーターマン（Petermann）II定義を用いたモー ドフィールド径； −λｃ；ｎｍで表わした、ＬＰ１１モードの遮断波長の計算値；及び −ＰＡ：ｄＢで表わした、ピンアレイ減衰； である。
【００２６】 表１に示される値は、本発明の新規な分布の多くの実施の形態の特性の計算値
である。大有効面積、大ＭＦＤ及び比較的小さなピンアレイ曲げ減衰に注目され
たい。デザイン変更がλ０の値をシフトさせることも表１から明らかである。こ
のような表を用いて所望の特性を与える導波路パラメータを選択することができ
る。
【００２７】 図４に示される実分布に関する、導波路の測定された特性と予測された特性を
表２に示す。
【００２８】
【表２】 予測された特性と測定された特性は、特に導波路製造プロセスには多くのプロ
セス工程が含まれることから見れば、よい一致を示す。
【００２９】 実施例：三角型分布
【表３】 表３に示される値は、高性能遠距離通信システム用の光導波路ファイバを提供
する上での本発明の新規な区分化コアデザインの有効性を示す。
【００３０】 本発明の特定の実施の形態を本明細書で開示し説明したが、それにもかかわら
ず、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 階段型分布及びその変型を示す、％比屈折率差対半径のグラフである
【図２】 三角型屈折率分布を示す、％比屈折率差対半径のグラフである
【図３】 付加された第３の分布区分とともに台形の屈折率分布を示す、％比屈折率差対
半径のグラフである
【図４】 本発明に従ってつくられた単一モード導波路に関する％比屈折率差及び伝搬光
強度対半径の測定結果である
【符号の説明】
２ 比屈折率差が負のコア中心領域 ４ 比屈折率差が正の階段型屈折分布をもつ環状領域 ５ 比屈折率差が負の環状領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，Ａ Ｔ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ， ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 バーキー，ジョージ イー アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14871 パイン シティー リリー ヒル ロー ド 11551 Ｆターム(参考） 2H050 AB03Z AC16 AC27 AD01

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 中心線を有する単一モード光導波路ファイバにおいて： 前記導波路の前記中心線上にある中心を有する第１の円形区分及び前記第１の
    区分を囲んで接する第２の環状区分を有するコア領域であって、前記第１の区分
    は屈折率分布、％比屈折率差Δ１％、及び半径ｒ１を有し、前記第２の区分は屈
    折率分布、％比屈折率差Δ２％及び、前記ｒ１から外方に前記第２の区分の前記
    屈折率分布または前記屈折率分布の外挿と前記半径との交点あるいは前記屈折率
    分布の外挿と前記半径との交点までで測られた、幅ｗ２を有するコア領域；及び
    、 前記第２の区分を囲んで接するクラッド層であって、前記クラッド層は屈折率
    分布、及び最小屈折率ｎｃを有し、前記コア領域の少なくとも一部は前記ｎｃよ
    り大きい屈折率を有するクラッド層； を含み、 前記Δ１％がほぼ−０.０５％から−０.６０％の範囲にあり、前記Δ２％がほ
    ぼ０.５％から１.６％の範囲にあり、前記％比屈折率差の基準屈折率が前記ｎｃ であり、前記ｒ１が１.０μｍから５μｍの範囲にあって、前記ｗ２がほぼ１μ ｍから２０μｍの範囲にあることを特徴とする単一モード光導波路。
  2. 【請求項２】 前記第２の区分の前記屈折率分布が階段型屈折率分布または
    丸みのついた階段型屈折率分布であり、前記Δ２％がほぼ０.６％から１.６％の
    範囲にあって、前記ｗ２がほぼ１μｍから４μｍの範囲に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。
  3. 【請求項３】 前記Δ２％が０.７５％から０.９％の範囲にあって、前記ｗ ２ が１.３μｍから２μｍの範囲に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。
  4. 【請求項４】 前記Δ２％が０.９％から１.１％の範囲にあって、前記ｗ２ が１.０μｍから１.８μｍの範囲に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。
  5. 【請求項５】 前記第２の区分の前記屈折率分布が三角型屈折率分布であり
    、前記Δ２％がほぼ０.５％から１.６％の範囲にあって、前記ｗ２がほぼ１μｍ
    から２０μｍの範囲に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
    。
  6. 【請求項６】 １.１％から１.４％の範囲にある前記Δ２％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。
  7. 【請求項７】 前記第２の区分の前記屈折率分布が台形であることを特徴と
    する請求項１記載の単一モード導波路。
  8. 【請求項８】 前記第２の区分の前記屈折率分布がα分布であることを特徴
    とする請求項１記載の単一モード導波路。
  9. 【請求項９】 前記第１の円形区分の前記屈折率分布が、逆階段型、丸みの
    ついた逆階段型、逆三角型、逆台形、及び逆α分布からなる群から選ばれること
    を特徴とする請求項１記載の単一モード導波路。
  10. 【請求項１０】 中心線を有する単一モード光導波路ファイバにおいて： 前記導波路の前記中心線上にある中心を有する第１の円形区分及び前記第１の
    区分を囲んで接する第２の環状区分を有するコア領域であって、前記第１の区分
    は屈折率分布、負の％比屈折率差，−Δ１％、及び半径ｒ１を有し、前記第２の
    区分は、屈折率分布、％比屈折率差Δ２％及び、前記ｒ１から外方に前記第２の
    区分の前記屈折率分布または前記屈折率分布の外挿と前記半径との交点あるいは
    前記屈折率分布の外挿と前記半径との交点までで測られた、幅ｗ２を有するコア
    領域；及び、 前記第２の区分を囲んで接するクラッド層であって、前記クラッド層は屈折率
    分布、及び最小屈折率ｎｃを有し、前記コア領域の少なくとも一部は前記ｎｃよ
    り大きい屈折率を有するクラッド層； を含み、 前記第１及び第２の区分のそれぞれの前記Δ１％，ｒ１，Δ２％，ｗ２及び屈
    折率分布が、１００μｍ２より大きい有効面積、ほぼ０.０７ピコ秒/ｎｍ２-ｋ ｍから０.１０ピコ秒/ｎｍ２-ｋｍの範囲にある総合分散傾き、ほぼ８μｍから ９μｍの範囲にあるモードフィールド径及びほぼ１８００ｎｍから２０００ｎｍ
    の範囲にあるケーブルにつくられていない状態でのＬＰ１１モードの遮断波長の
    計算値を与えるように選択されることを特徴とする単一モード導波路。
  11. 【請求項１１】 ゼロ分散波長が１４８０ｎｍから１５３０ｎｍの範囲にあ
    ることを特徴とする請求項１０記載の単一モード導波路。
  12. 【請求項１２】 ゼロ分散波長が１５６０ｎｍから１６００ｎｍの範囲にあ
    ることを特徴とする請求項１０記載の単一モード導波路。
  13. 【請求項１３】 前記中心区分の前記屈折率分布が、逆階段型、丸みのつい
    た逆階段型、逆三角型、逆台形、及び逆α分布からなる群から選ばれることを特
    徴とする請求項１０記載の単一モード導波路。
  14. 【請求項１４】 前記第２の区分の前記屈折率分布が、階段型、丸みのつい
    た階段型、三角型、台形及びα分布からなる群から選ばれることを特徴とする請
    求項１０記載の単一モード導波路。
  15. 【請求項１５】 中心線を有する単一モード光導波路ファイバにおいて： 前記導波路の前記中心線上にある中心を有する第１の円形区分、前記第１の区
    分を囲んで接する第２の環状区分及び第３の環状区分を有するコア領域であって
    、前記第１の区分は屈折率分布、％比屈折率差Δ１％、及び半径ｒ１を有し、前
    記第２の区分は屈折率分布、％比屈折率差Δ２％及び、前記ｒ１から外方に前記
    第２の区分の前記屈折率分布または前記屈折率分布の外挿と前記半径との交点あ
    るいは前記屈折率分布の外挿と前記半径との交点までで測られた、幅ｗ２を有し
    、前記第３の区分は屈折率分布、％比屈折率差Δ３％、及び幅ｗ３を有するコア
    領域；及び、 前記第３の区分を囲んで接するクラッド層であって、前記クラッド層は屈折率
    分布、及び最小屈折率ｎｃを有し、前記コア領域の少なくとも一部は前記ｎｃよ
    り大きい屈折率を有するクラッド層； を含み、 前記Δ１％がほぼ−０.０５％から−０.６０％の範囲にあり、前記Δ２％がほ
    ぼ０.５％から１.６％の範囲にあり、前記Δ３％がほぼ−０.０５％から−０.６
    ０％の範囲にあり、前記％比屈折率差の基準屈折率が前記ｎｃであり、前記ｒ１ が１.０μｍから５μｍの範囲にあり、前記ｗ２がほぼ１μｍから６μｍの範囲 にあって、前記ｗ３がほぼ１μｍから２０μｍの範囲にあることを特徴とする単
    一モード導波路。
  16. 【請求項１６】 前記第２の区分の前記屈折率分布が、階段型、丸みのつい
    た階段型、三角型、台形及びα分布からなる群から選ばれることを特徴とする請
    求項１５記載の単一モード導波路。
  17. 【請求項１７】 前記第２の環状区分と同様の第４の環状区分及び前記第３
    の環状区分と同様の第５の環状区分をさらに含むことを特徴とする請求項１５記
    載の単一モード導波路。
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