JP2003522337A - 長距離通信用シングルモード光導波路 - Google Patents

長距離通信用シングルモード光導波路

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JP2003522337A JP2000562782A JP2000562782A JP2003522337A JP 2003522337 A JP2003522337 A JP 2003522337A JP 2000562782 A JP2000562782 A JP 2000562782A JP 2000562782 A JP2000562782 A JP 2000562782A JP 2003522337 A JP2003522337 A JP 2003522337A
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Abstract

(57)【要約】 分割コアを有するシングルモード光導波路ファイバを開示する。各セグメントの相対屈折率、相対屈折率分布及び半径は、海底ケーブルの如き過酷な環境下での使用に適した導波路を与えるように選択される。分割コアファイバは、約1530nmから1570nmの動作窓に亘って正の全分散を有してソリトン形成を防止する。零分散、カットオフ波長、減衰及び曲げ抵抗の特性は望ましい範囲内にある。かかる導波路は、低偏向モード分散をも示す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、長い中継器間隔且つ高いデータ信号速度の長距離通信システム用に
設計されたシングルモード光導波路ファイバに関する。特に、かかるシングルモ
ード導波路は、優れた曲がり抵抗、低分散勾配及び大なる有効断面積（Ａeff）
を兼備し、海底での使用に望ましい特徴を有する。
【０００２】 大なる有効断面積を有する導波路は、自己位相変調、四光波混合、クロス位相
変調及び非線形散乱作用の如き高出力システムにおける信号のデグラデーション
を生じさせ得る非線形光学効果を減じる。一般的にこれらの非線形効果について
の数学的な記述では、Ｐ/Ａeffなる比で表される項を含んでいる。ここで、Ｐは
光出力である。例えば、非線形光学効果は、exp［Ｐ×Ｌeff/Ａeff］なる項を含
む方程式に従う。ここで、Ｌeffは有効長さである。したがって、Ａeffの増加は
、光信号のデグラデーションに対する非線形性の寄与を減じるのである。
【０００３】 電子信号再生器（regenerator）を使用せずに長距離に亘ってより大きな情報
容量の伝達を行おうとの通信業界の要求によって、シングルモードファイバの屈
折率分布の設計の再評価が導き出された。かかる分布設計（本明細書中では分割
コア設計と称する。）の種類は、バガバチュラ（Bhagavatula）氏の米国特許第4
,715,679号において詳細に開示されている。
【０００４】 この再評価の観点において提供される光導波路は、 − 上述の如き非線形効果を減じること、 − 1550nm近傍の波長レンジで低減衰動作をなすように最適化されていること、
− 光増幅器と互換性を有していること、 − 光導波路の特性として好ましい、例えば高強度で、疲労耐性及び曲がり耐性
に優れるといった特性を維持していること、を具備する。
【０００５】 高出力及び長距離の定義は、特定の長距離通信システムの環境だけにおいて意
味があって、これによってビットレート、ビットエラーレート、多重化スキーム
及び光増幅器が特定される。高出力及び長距離を意味すると、即座に影響を有す
るが如き、当業者において公知の追加因子がある。しかしながら、大部分の目的
の場合において、高出力は約10mＷを超える光学パワーのことである。１mＷ以下
の信号のパワーレベルは、非線形効果に一層敏感となる。故に、Ａeffは、低パ
ワーであるほどシステムにおいて重く考慮される。 長距離とは、電気的な再生器間距離が100km以上となり得ることである。再生
器は、光増幅器を使用した中継器とは区別される。特に、高データ密度のシステ
ムにおいて、中継器間隔は、半分の再生器間隔未満となり得る。
【０００６】 多重化伝送のための適切な導波路を提供するためには、全分散は零であっては
ならないが、低くなければならず、動作波長窓に亘って低い勾配を有しなければ
ならない。潜在的なソリトン形成の抑制が重要なシステムにおいては、導波路フ
ァイバの全分散は負でなければならない。その結果、線形分散は、高出力信号に
よって生じる非線形自己位相変調に反して作用することができない。
【０００７】 この種の導波路ファイバは、経済的に実行可能である故に、典型的には海中シ
ステムで使用されており、再生器を有さない長距離に亘って且つ波長の拡大され
た窓に亘って高い情報密度を搬送しなければならない。本発明は、このような厳
しい必要条件を満たすのに非常に適した新規な分布を記載する。当該システムに
対する導波路の望ましい特性は、後述する。
【０００８】 定義 以下の定義は、従来技術における一般的な用法と一致している。 − コアのセグメントの半径は、屈折率に関して定義される。個々の領域は、始
点及び終点の屈折率位置を有する。導波路の中心線からその始点の屈折率位置ま
での半径がコア領域又はセグメントの内側半径である。同様に、導波路の中心線
から終点の屈折率位置までの半径がコアセグメントの外側半径である。 セグメント半径は、以下の図１及び２の説明で示す如き、いくつかの方法で簡
便的に定義されても良い。表１及び２から導出される図２の場合、屈折率分布セ
グメントの半径は、以下の如く定義される。参照例は、Δ％対導波路半径のチャ
ート図である。
【０００９】 * 中央コアセグメントの半径ｒ1は、導波路の中心軸から、ｘ軸、すなわちΔ
％=0の位置へ中央屈折率分布を外挿した交差位置までを計測したものである。 * 第１環状セグメントの外側半径ｒ2は、導波路の中心軸から、第１及び第２
環状セグメント分布のΔ％差の半値Δ％位置から垂線を引き、第１環状セグメン
ト分布の交差位置までを計測したものである。
【００１０】 * 第２環状セグメントの外側半径ｒ3は、導波路の中心軸から、第２及び第３
環状セグメント分布のΔ％差の半値Δ％位置から垂線を引き、第２環状セグメン
ト分布の交差位置までを計測したものである。 * すべての追加環状セグメントの外側の半径は、第１及び第２環状セグメント
の外側半径と同様にして計測される。
【００１１】 * 最後の環状セグメントの半径は、導波路の中心軸から、セグメントの中心点
まで計測される。 セグメントの幅Ｗは、セグメントの内外半径間距離とする。セグメントの外側
半径は、次のセグメントの内側半径と一致すると理解される。 屈折率分布の幾何形状の特定の定義は、特定の意味を含まない。当然ながら、
モデル算出を実施する際には、本願明細書において使用されている定義が絶えず
使用されなければならない。 − 有効断面積は、 Ａeff ＝ ２π（∫Ｅ2ｒdr）2／（∫Ｅ4ｒdr） であって、ここで積分範囲は0から∞、Ｅは伝搬光と関連する電場である。有効
断面積は、波長依存性を有する。有効断面積の算出される波長は、導波路ファイ
バが設計された動作窓の中心若しくはその近傍の波長である。複数のＡeffが、
数百ナノメートルオーダーの範囲に亘って動作する導波路ファイバに割り当てら
れ得る。
【００１２】 − 有効半径Ｄeffは、以下の如く、定義される。 Ａeff ＝ π（Ｄeff ／２）2 − 相対屈折率Δ％は、以下の方程式によって定義される、 Δ％ ＝ 100×（ｎ1 2−ｎ2 2）／２ｎ1 2 ここで、ｎ1は屈折率分布セグメント１の最大屈折率、ｎ2は参照屈折率であっ
て、本出願においてはクラッド層の屈折率である。 − 屈折率分布若しくは単に屈折率分布の術語は、Δ％若しくは屈折率と、コア
の選択された部分に亘っての半径との関係である。
【００１３】 − アルファ分布の術語は、ｂを半径として、Δ(b)％の項で表現される以下の方
程式の屈折率分布で参照される。 Δ(b)％ ＝ Δ(b0)（１−[｜b−b0｜／(b1−b0)］α） ここでb0は、屈折率が最大値を有する半径方向位置、b1は、Δ(b)％が零の位
置、ｂは、bi≦ｂ≦bfの範囲であって、デルタは上記定義であって、biはα分布
の最初の位置、bfはα分布の最後の位置、αは実数の指数である。 他の屈折率分布としては、ステップ屈折率、台形屈折率及び丸めステップ屈折
率を含む。ここで、「丸め」は、一般的に急激な屈折率変化領域にドーパントを
拡散させたものである。 − 全分散は、導波路分散及び材料分散の代数和として定義される。全分散は、 従来技術では波長分散とも呼ばれている。全分散の単位は、ps/nm-kmである。 − 導波路ファイバの曲がり抵抗は、定められたテスト条件の下に誘発される減
衰として表現される。標準試験条件は、75mmの直径のマンドレルの周りに導波路
ファイバを100回巻き、さらに32mmの直径のマンドレルの周りに導波路ファイバ
を１回巻くことを含む。各々のテスト条件において、減衰を誘発する曲がりは、
通常dB／(単位長）の単位で計測される。本出願において使用された曲げテスト
は、現在の導波路ファイバにおける更なる厳しい操作環境に必要とされるテスト
であって、20mmの直径のマンドレルの周りに導波路ファイバを１回巻くものであ
る。
【００１４】
【発明の概要】
本出願の新規なシングルモード導波路ファイバは、本願明細書において記載さ
れる高性能な長距離通信システムの必要条件を満たす。 本発明の第１の特徴は、少なくとも２つのセグメントからなるセグメント（分
割）コアを有し、クラッドガラス層によって包囲されたシングルモード光導波路
ファイバである。かかる導波路ファイバは、約1530nmから1570nmまでの波長範囲
に亘って、60μm2、好ましくは65μm2よりも大きい有効断面積を有し、1550nmで
0.25dB/km未満、好ましくは0.22dB/km未満の減衰、約1565nmから1600nmまでの範
囲の零分散波長、1560nmで約-0.5ps/nm-km、好ましくは1560nmで約-２ps/nm-km
よりも負の分散を与える分散勾配である。典型的には、勾配は、約0.10から0.14
ps/nm2-kmの範囲である。導波路ファイバの全分散は、1530nmで約-7.2から-3.9p
s/nm-kmの範囲である。モードフィールド直径は、1530nmから1570nmの波長範囲
に亘って約7.9から9.75μmの範囲である。
【００１５】 これらの特性は、良好な曲げ抵抗を維持すると共に達成される。すなわち、約
20mmマンドレルに５回巻きして誘起された曲げ損失は、約５dB/m以下である。ま
た、ケーブル化した場合におけるファイバのカットオフ波長は、約1285nmから15
00nmの範囲に維持される。更なる利点は、約0.076ps/(km)1/2、及び典型的には
約0.04ps/(km)1/2未満の偏光モード分散である。
【００１６】 それぞれのセグメントの屈折率分布は、α分布、ステップ屈折率分布若しくは
台形の分布を含む上記定義のいずれかであり得る。特別なステップが工程中に挿
入されて、屈折率が急激に変化する位置において、屈折率分布が丸められる。「
丸め」は、ベースガラスの屈折率を変化させるために使用されるドーパント材料
を拡散させることによる。したがって、上記屈折率分布のいずれであっても、特
定の位置において「丸め」を行うことができる。例えば、正のΔ％を有するステ
ップ屈折率分布の場合、典型的にはその上下の角が丸められる。
【００１７】 本発明の一実施例において、コアセグメントのすべては、正のΔ％を有する。
他の実施例において、コアは３つのセグメントからなり、第１番目はα分布、第
２番目はステップ分布及び第３番目は丸めステップ分布である。この実施例は、
後述する表１に記載される。 本発明の他の実施例において、コアは３つのセグメントからなり、中央がドー
パント拡散によって補償されており、導波路ファイバ中心線上若しくは近傍の屈
折率は、中央分布以外の部分と比較して減じられていない。ドーパントをゲルマ
ニウムとしたこの種の中心線補償の実施例を図３に示す。拡散補償の実施例は、
比較可能な非補償型導波路ファイバに対して約５倍の偏光モード分散の平均改善
を示す。新規な導波路ファイバの偏光モード分散は、0.08ps/(km)1/2未満であっ
て、典型的には約0.04ps/(km)1/2未満である。
【００１８】 ３セグメントの実施例において、導波路の中心を１としてセグメントに番号を
つけて、分割コアをパラメータによって記載すると、 − 約0.75から1.25の範囲内のΔ1％、 − 約1.5から4.0μmの範囲内のｒ1、 − 約0.00から0.15%の範囲内のΔ2％、 − 約0.2から0.7の範囲内のΔ3％、 − 約４から８μmの範囲内の中間位置半径ｒ3、 − 約0.5から3μmの範囲内の第３セグメントの幅、である。
【００１９】 好適な範囲は、 − 約0.85から1.20の範囲内のΔ1％、 − 約2.0から3.5μmの範囲内のｒ1、 − 約0.00から0.08%の範囲内のΔ2％、 − 約0.3から0.7の範囲内のΔ3％、 − 約5から7.5μmの範囲内の中間位置半径ｒ3、 − 約0.8から2.0μmの範囲内の第３セグメントの幅、である。
【００２０】 更に好適な実施例は、 − 約0.95から1.15の範囲内のΔ1％、 − 約2.5から3.0の範囲内のｒ1、 − 約0.00から0.04%の範囲内のΔ2％、 − 約0.3から0.7の範囲内のΔ3％、 − 約5から7.5μmの範囲内の中間位置半径ｒ3、 − 約0.8から1.5μmの範囲内の第３セグメントの幅、である。
【００２１】 他の実施例において、1560nmでの全分散は、約-１ps/nm-kmよりも負である。 また、他の実施例において、中心線拡散は、補償されないか若しくは部分的に
補償されており、故に、Δ1％の約0.20程度の最小Δ％を有する中心線上の屈折
率へこみ（凹部）を有する。凹部は、一般的に逆円錐型、すなわち円錐の頂点を
下方へ向けた形であって、円錐の最も広い部分の半径は、約0.4μm以下である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
上記した非凡な組合せの特性を与える分割コア設計によって、新規なシングル
モード光導波路は特徴づけられている。これらの特性は、各々のセグメントの適
当な屈折率分布形を選択し、セグメントの相対屈折率デルタΔｉ％及び半径方向
範囲ｒｉを適当に選択することで達成される。分布パラメータは、相互作用する
を有することが公知である。例えば、約１のαを有する中央領域α分布は、実質
的に同一の特性を有するファイバを与える台形屈折率を有する中央領域とは異な
る半径を有する。
【００２３】 本願明細書において使用される半径の定義は、図２に示される。中央セグメン
トの半径は、コア中心線から、水平軸に外挿された線14の交差点まで引かれた線
ｒ1によって示される。セグメントの外側半径は、中心線から、相対屈折率がセ
グメント16の相対屈折率Δ2％及びセグメント20の相対屈折率Δ3％の差の半値を
示す位置18から降ろした垂線まで引いた線ｒ2である。最後の環状セグメント20
の半径ｒ3は、セグメントの中心位置26まで引かれる。最後のセグメントの幅Ｗ
が選択されると幾何形状が完全に特定される。この幅は、位置18及び22間、すな
わち、セグメント16及び20間及びセグメント20及びクラッド24間のそれぞれの屈
折率差の半値位置間を引いた線Ｗとして示される。中心線凹部の半径は、逆円錐
状の凹部の最も広い位置において水平に中心線から引かれた線30として示される
。
【００２４】 コンピュータによって図１Ａに示された３つの分布２、４、６が求められた。
中央セグメント及び関連する外側環状セグメントは、わかりやすいように対応す
る番号を有する。各々の分布は、中心線上に逆円錐状の凹部を有する。分割コア
屈折率分布の全体的な形が与えられると、その分割コアの形を有する導波路ファ
イバの特性が算出できる。図１Ａの場合において、分布４は、望ましいファイバ
特性を与える。図１Ｂは、３つの追加分割コア分布８、10及び12を示す。この図
において、分布10は望ましいファイバ特性を生じる。
【００２５】 図３に示される分布は、本発明による屈折率分布を有する導波路ファイバの測
定された分布である。表１は、本実施例のコア屈折率分布のパラメータを与える
。中心線拡散は、かかる設計において補償されている。
【００２６】
【表１】
【００２７】 表１のパラメータを使用して製造された多数の導波路ファイバの目標とした平
均特性は、 − 1550nmで0.204dB/kmの減衰、 − 9.29μmモードフィールド直径、 − 1550nmで70.9μm2の有効断面積、 − 1576nmの零分散波長、 − 1530nmで-5.565ps/nm-kmの全分散、 − 1560nmで-1.892ps/nm-kmの全分散、 − ケーブル化した場合における1429.6nmのカットオフ波長、 − 0.037ps/(km)1/2の偏光モード分散、であった。
【００２８】 このように、製造結果は、海底長距離通信ケーブルの如き厳しい環境での使用
におけるあらゆる観点に対して適切な導波路ファイバを提供する。本製造結果は
、コンピューターモデルを実証するのにも役立つ。 本発明の特定の実施例が本願明細書において開示、記載されてきたが、本発明
は特許請求の範囲のみに制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明による屈折率分布と同様のモデル化された屈折率分布の半径に
対するΔ％のチャート図である。
【図１Ｂ】本発明による屈折率分布と同様のモデル化された屈折率分布の半径に
対するΔ％のチャート図である。
【図２】本出願において使用される半径及び幅の定義を示す半径に対するΔ％の
チャート図である。
【図３】本発明による実施例を示す半径に対するΔ％のチャート図である。
【符号の説明】
２、４、６ 屈折率分布 ８、10、12 追加分割コア分布
───────────────────────────────────────────────────── 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，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ， ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半径ｒi、屈折率分布及び相対屈折率パーセントΔi％（i：セ
    グメント番号）を有する２つ以上のセグメントを有する分割コアと、前記コアと
    接し且つこれを包囲する屈折率ｎcを有するクラッド層と、からなるシングルモ
    ード光導波路ファイバであって、 1550nmで0.25dB/km以下の減衰、 約1565nmから1600nmの範囲内の零分散波長、 1560nmで約-3.5から-0.5ps/nm-kmの範囲内の全分散、 1550nmで有効面積＞60μm2、及び、 ケーブル化した場合における約1285nmから1500nmの範囲内のカットオフ波長
    、を有するようにｒi、Δi％及び屈折率分布が選択されていることを特徴とする
    シングルモード光導波路ファイバ。
  2. 【請求項２】 前記セグメントの各々の屈折率分布は、α分布、ステップ屈折
    率分布、丸めステップ屈折率分布及び台形屈折率分布からなるグループから選択
    されていることを特徴とする請求項１記載のシングルモード光導波路ファイバ。
  3. 【請求項３】 全てのΔi％が正であることを特徴とする請求項２記載のシン
    グルモード光導波路ファイバ。
  4. 【請求項４】 前記コアは中心線及び少なくとも３つのセグメントを有し、 第１セグメントは、略中心線で始まり且つ約１の値のα分布を有し、 第２セグメントは、前記第１セグメントに接し且つステップ屈折率分布を有
    し、 第３セグメントは、前記第２セグメントに接し且つ丸めステップ屈折率分布
    を有することを特徴とする請求項２又は３記載のシングルモード光導波路ファイ
    バ。
  5. 【請求項５】 1560nmでの全分散は、-1ps/nm-kmよりも負であることを特徴と
    する請求項１又は２記載のシングルモード光導波路ファイバ。
  6. 【請求項６】 偏光モード分散は、約0.08ps/(km)1/2以下であることを特徴と
    する請求項１又は２記載のシングルモード光導波路ファイバ。
  7. 【請求項７】 前記コアは３つのセグメントを含み、 第１セグメントは、約0.75から1.25の範囲内のΔ1％及び1.5から4.0μmの範
    囲内の半径ｒ1を有し、 第２セグメントは、約0.00から0.15％の範囲内のΔ2％を有し、 第３セグメントは、約0.2から0.7の範囲内のΔ3％、約４から８μmの範囲内
    の中間点半径ｒ3及び約0.5から３μmの範囲内の幅を有することを特徴とする請
    求項４記載のシングルモード光導波路ファイバ。
  8. 【請求項８】 前記コアは３つのセグメントを含み、 第１セグメントは、約0.85から1.20の範囲内のΔ1％及び2.0から3.5μmの範
    囲内の半径ｒ1を有し、 第２セグメントは、約0.00から0.08％の範囲内のΔ2％を有し、 第３セグメントは、約0.3から0.7の範囲内のΔ3％、約５から7.5μmの範囲
    内の中間点半径ｒ3及び約0.8から2.0μmの範囲内の幅を有することを特徴とする
    請求項４記載のシングルモード光導波路ファイバ。
  9. 【請求項９】 前記コアは３つのセグメントを含み、 第１セグメントは、約0.95から1.15の範囲内のΔ1％及び2.5から3.0μmの範
    囲内の半径ｒ1を有し、 第２セグメントは、約0.00から0.04％の範囲内のΔ2％を有し、 第３セグメントは、約0.3から0.7の範囲内のΔ3％、約５から7.5μmの範囲
    内の中間点半径ｒ3及び約0.8から1.5μmの範囲内の幅を有することを特徴とする
    請求項４記載のシングルモード光導波路ファイバ。
  10. 【請求項１０】 中心線上に相対屈折率の凹部を更に有し、前記凹部は逆円錐
    形状であって、Δ1％未満の約0.20Δ％且つ約0.4μm以下の逆円錐の底辺半径を
    有することを特徴とする請求項７乃至９のうちの１に記載のシングルモード光導
    波路ファイバ。
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