JP2005516255A - 高次モード除去光ファイバ、モジュール及びこれらを用いたシステム - Google Patents
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Abstract
高次モード実効屈折率よりも高い屈折率を有するカップリングコーティング(126)によって包囲されたクラッド層(124)によって包囲されたコア(122)を有する高次モード除去ファイバであって、クラッド及びカップリングコーティングの間のクラッド−コーティング界面は、55ミクロンよりも小さい半径位置にある。ファイバの測定されたカットオフ波長は、好ましくは1500nmよりも長波長である。この種のファイバは、不必要な高次モードを減じる効果が特にあって、分散補償モジュール(DCM)に有用である。高次モード除去ファイバを利用したモジュール及びシステムも併せて開示される。
Description
本願は、2001年1月31日出願の米国特許出願第10/061,549号の利益及び優先権を主張する。
本発明は、光通信システムでの使用に適した光導波ファイバに関し、より詳細には単一モード動作での使用に特に適した光ファイバに関する。
非ゼロ分散シフトファイバ(NZDSF)では分散管理が非常に重要である。特に、全ての伝送バンド全体に亘って伝送システムに小なる残余分散を有することを要求される。NZDSFの分散は波長の関数として変化する故に分散補償が要求される。非常に短い分散補償(DC)ファイバによってNZDSFファイバの分散スロープを補償するためには、大なる負のスロープを有するDCファイバが要求される。しかしながら、高いスロープのDCファイバを設計する際にいくつかの課題に遭遇する。これらは、マルチパス干渉(MPI)、挿入損失(IL)、波長の関数としての分散線形性である。シングルモード化されたファイバによる解決はMPIの制御においては最も好ましい。しかしながら、典型的なシングルモードファイバ設計でのILは、それらを一般的に魅力のないものにする。分散線形性もシングルモードファイバ設計において達成することが困難である。以上のように、少数モード化設計はIL及び分散線形性の要件を満たす所望される解決案であった。しかしながら、これらのファイバは、一般的に容認できないMPIを有する。従って、例えばLP02及びLP11のような高次モードをフィルタリングするとともに、測定可能な減衰のない基本モードLP01において伝播する光ファイバを得ることが望ましい。この種のファイバは、単一モード化動作を呈する。
本発明の実施例によれば、光ファイバは、コア、クラッド及びカップリングコーティングを有して提供される。クラッド−コーティング界面は、ファイバの中央線から55ミクロン未満の半径(Ri)に位置し、より好ましくは50ミクロン未満、最も好ましくは45ミクロン未満に位置する。この実施例では、好適にも、光ファイバを十分に曲げても、高次モード(HOM)(例えば、LP11、LP02光伝搬モード)を効率的にフィルタリングできるのである。例えば、動作中において、ファイバの充分な長さが分散補償(DC)モジュールの非常に小さい直径のスプールの上に巻かれてもHOMがフィルタリングされる。特に、クラッド厚さは、62.5ミクロンの通常の厚さから、55ミクロン未満にまで減少する。好適なことに、ファイバのコーティングの外径をより小さくすることができるのである。これにより、ファイバの全体の外径を小さくすることができて、製造のためのクラッドガラス及びコーティングの材料の量をより少なくできる。加えて、光ファイバのより長い長さを標準規格のスプールに巻き取ることが出来て、このようなファイバの同じ長さをより小さい体積で実装できるのである。これは、特にDCモジュールの全体的な寸法を減じることに役立つ。例えば、ファイバに使用されるガラス量は、20%から75%まで減少し得る。更に、使用されるコーティングの量は、30%も減少し得る。故に、本発明は、例えば、より少ないコストで且つ非常に小さいパッケージにDCモジュールを製造することを可能とする。
本発明による好ましい光ファイバは、コアと、クラッド層と、クラッド−コーティング界面でクラッド層に当接するカップリングコーティングとを有する。カップリングコーティングは、クラッド層よりも高い屈折率を有する。クラッド−コーティング界面は、光ファイバの中央線から55ミクロン未満の半径位置にあって、高次モード減衰が基本モード減衰と比べて高められて光ファイバの測定されたカットオフ波長(λc)が1500nmよりも大となる。
本発明の他の実施例によれば、クラッド−コーティング界面は、光ファイバの中央線から50ミクロン未満の位置に配置されて、より好ましくは、光ファイバの中央線から45ミクロン未満の位置に配置される。好ましい範囲によると、クラッド−コーティング界面は、光ファイバの中央線から30ミクロンよりも大きく且つ50ミクロンよりも小さい位置に配置され、より好ましくは中央線から35ミクロンよりも大きく且つ50ミクロンよりも小さい位置、最も好ましくは、中央線から40ミクロンよりも大きく且つ50ミクロンよりも小さい位置に配置される。
1つの好適な実施例において、ファイバは分散補償(DC)ファイバであって、コアは正のデルタ(Δ1)を有する中央コアセグメントと及び負のデルタ(Δ2)を有する中央コアセグメントを包囲するモートセグメントとを有する屈折率分布を有する。DCファイバは好ましくは正のデルタ(Δ3)を有するモートセグメントを包囲するリングセグメントも含む。
本発明の他の実施例によれば、分散補償モジュールが提供される。この分散補償モジュールは、巻き取りスプール及び当該スプール上に巻かれた分散補償ファイバを含む。この分散補償ファイバは、コア、クラッド層、クラッド層よりも高い屈折率を有するカップリングコーティング、及び、クラッド層及びカップリングコーティングの間の界面位置にあるクラッド−コーティング界面を含む。クラッド−コーティング界面は、分散補償ファイバの中央線から35ミクロンから50ミクロンの範囲内にある半径位置にある。分散補償ファイバは、1500nmを超えるカットオフ波長(λc)を呈する。
光伝送システムが本発明の他の実施例に従って提供される。当該システムは、送信機と、受信機に光学的に連結された10kmよりも大なる長さを有する一定長さの光伝送ファイバと、伝送ファイバに光学的に連結された分散補償ファイバと、分散補償ファイバに光学的に連結した受信機と、を含む。分散補償ファイバは、コア、クラッド層、クラッド−コーティング界面でクラッド層に当接しクラッド層よりも高い屈折率を有するカップリングコーティングを含む。クラッド−コーティング界面は、光ファイバの中央線から55ミクロン未満の半径位置にある。これにより高次モード減衰が基本モード減衰と比べて高められる。
本発明の更なる特徴及び効果は以下の発明の詳細な説明の欄に記載される。部分的には、その記載から当業者であれば直ちに明らかになるであろうが、添付図面と共に以下の発明の詳細な説明の記載及び特許請求の範囲を含む本明細書に記載された本発明を実行することによっても認識されるであろう。
前述の概要及び以下の発明の詳細な説明の記載は単に本発明の典型例にすぎず、特許請求の範囲に請求された本発明の性質及び特徴を理解するための概要またはフレームワークを提供することを目的とすると理解すべきである。添付の図面は、本発明の更なる理解を提供するために含まれており、本明細書中に取り入れられて本明細書の一部を構成する。図面は、本発明のさまざまな実施例を示し、本明細書の記載と共に本発明の原理及び動作を説明を与える。
添付図面において図示された実施例によって、本発明の現在の好適な実施例を詳細に説明する。可能な限り、同じ参照番号が同じ若しくは類似の部分を参照するために図面の全体に亘って使用される。
本発明による典型的な光ファイバ20の断面端部が図1に示される。光ファイバ20は、コア22、クラッド24及びカップリングコーティング26を含む。本発明によるクラッド−コーティング界面23は、選択的にファイバの中央線(CL)から測定された半径Riに位置する。Riは、中央線から55ミクロン未満の位置にあって、より好ましくは50ミクロン未満であって、最も好ましくは45ミクロン未満の位置にある。好ましくは、大きさRiは、光ファイバ20の中央線から、30ミクロンから50ミクロンの間で変動することができて、より好ましくは中央線から35ミクロンから50ミクロンの間であって、最も好ましくは中央線から40ミクロンから50ミクロンの間である。ファイバ20は、また、ウレタンアクリレートコーティングの如きカップリングコーティング26を含む。これは、一次コーティング27及び二次コーティング28からなり得る。ファイバ20の1つの好ましいセグメントコア構造が図2に示される。ファイバ20は、好ましくは正のデルタの中央コアセグメント30及び負のデルタのモートセグメント32を有する物理的なコア22を有する屈折率分布を有する分散補償ファイバである。コア22は、また好ましくは正のデルタのリングセグメント34を含む。
図2に示す本発明によるファイバ20の典型的な実施例において、屈折率分布は、最大の正のデルタ(Δ1)を有するアップドープされた中央コアセグメント30を有する。これは、最大の負の(最も負の)デルタ(Δ2)を有するダウンドープされたモートセグメント32によって包囲される。更にこれは、最大の正のデルタ(Δ3)を有するアップドープされたリングセグメント34によって包囲される。これら全ては環状クラッド層24によって包囲されている。リングセグメント34の内側端部は、好ましくはモートセグメント32の端部から間隔を置いて位置する。好ましくは、セグメント30及び34は、ゲルマニア添加SiO2を使用して形成されるが、他の屈折率上昇ドーパントが、同じ一般的な屈折率分布を達成し得る限り、本明細書に開示されたファイバを達成するために使用され得る。これに反して、モートセグメント32は、好ましくは、フッ素添加されたSiO2を使用して形成されるが、他の屈折率低下ドーパントとしてフッ素の如きを使用し得る。クラッド層24は、好ましくは、純シリカで形成される。しかしながら、カップリングコーティングの屈折率がクラッド24の屈折率よりも高い限り、クラッド層24は、また屈折率上昇若しくは低下ドーパントを含んでいてもよい。
カップリングコーティング26が配置されて、いかなる大きなファイバ曲げであってもファイバ20を伝播するすべての高次モードが取り除かれる(減衰する)ように機能する。特に、DCモジュールでは、曲げは直径約254mmよりも小さいスプール上にファイバを巻くことによって導入される(図7参照)。特に、カップリングコーティング26は、好ましくはクラッド層24の屈折率よりも大なる屈折率デルタ(Δ4)を有し且つ好ましくは正である一次コーティング27を含む。好ましくは、カップリングコーティング26は、例えばウレタンアクリレートの如き吸光性ポリマー材料である。クラッド24に隣接する一次コーティング27の好ましい性質は、1.0%よりも大なる屈折率Δ%を有し、より好ましくは、1550nmで2.0%よりも大である。理論的には、カップリングコーティングの屈折率Δ%は、取り除かれるHOMの実効屈折率よりも高いことだけが必要とされる。ASTM882−97を使用した室温試験では、一次コーティング27は好ましくは5MPa未満の弾性係数を有する。ASTM882−97を使用した室温試験では、二次コーティング28は典型的には一次コーティング27を覆って与えられ、約650Mpaを超えるより高い弾性係数を有する。二次コーティング28の屈折率Δ%は、典型的には1550nmで約3%よりも大きく、より好ましくは約5%よりも大である。カップリングコーティング26は、典型的には一次コーティングだけからなり得る。しかしながら、ファイバ分布のパワー場、クラッドの厚さ及び一次コーティングの厚さに依存して、組合せられたカップリングコーティングが任意に、一次及び二次コーティングからなり得る。好ましきカップリングコーティング26はポリマー材料であるが、他の適当なコーティングも同様に使用することができる。例えば、コーティングは金属コーティング(例えばチタン又はタンタル)や、炭素コーティングであってもよい。コーティング厚さは、約5ミクロンから20ミクロンの厚さである。
本発明による分散補償光ファイバ120の好適な実施例が図3に示される。ファイバのこの実施例において、Δ1は、1.0%から3.0%の間で変化して、約1から3ミクロンの外側半径R1(R1は、図1と同様にコアセグメント130がx軸125を横切る点まで引いた長さ)を含む。コアセグメント130は、アルファが約2.0のアルファ分布を有する。Δ2は、好ましくは約−0.3%未満であって、より好ましくは−0.4%未満であって、最も好ましくは−0.5%未満であり、且つ約3.5から8ミクロンの間で変化する外側半径R2(x軸125とモートセグメント132の最外部分が交差する位置で計測される)を有する。Δ3は、約0.2%から1.2%までの間にあって、約5から12ミクロンの中心半径R3(中央線(CL)からリングセグメント134の中心まで引いた長さ)を有する。本明細書において使用されるように、Riは、光ファイバ120の中央線(CL)から、カップリングコーティング126とガラスクラッド層124の最外部との間の界面、すなわちクラッド−コーティング界面123まで計測した距離を意味する。
より好ましくは、セグメント12のΔ1は、1.6%から2.4%の間にあって、約1から3ミクロンまでの間の外側半径R1からなる。セグメント14のΔ2は約−0.4から−1.0パーセントであって、約4から7ミクロンの間の外側半径R2を有する。リングセグメント134は、好ましくは約0.2%から1.0%までの間のΔ3と、約5から12ミクロンの間の中心半径R3とを有する。分散補償光ファイバは、1550nmで−20ps/nm−km未満の全分散を有する。図2に示されたファイバ20と類似するように、図3のファイバも、好ましくは一次コーティング127及び二次コーティング128を含む。
図4は、図3に示される屈折率分布を有する光ファイバの外側クラッド半径対基本モード損失のプロット図である。また、外側クラッド半径に対する高次(H.O.)モード損失がプロットされる。このプロットから直ちに分かるように、クラッド−コーティング界面123は、プロット上で右方向に大きく遠ざかった位置にあるとき(ファイバにおける放射状に外側方向へ遠ざかった位置にあるとき)、高次モード、特にLP02モードの減衰(損失)は十分に高くなく、故に、LP02モードは除去されずにファイバの本質的な長さだけ伝播し得る。よって信号が受信機に到達すると(図6参照)、望ましからざる高い複数のパス干渉(MPI)に結果としてなってしまう。故に、一般的に、MPIが1550mnで40デシベル未満となるように界面を配置することを要求される。
クラッド−コーティング界面123を放射方向内側に62.5ミクロンの半径の基準位置から移動させることは、高次モード(HOM)のdB/km損失を増加させ、これによりLP11及びLP02 HOMの除去(減衰)をより容易にすることが見出された。界面123の最適な位置は、光ファイバの強度フィールドスペクトルに依存する。界面123の位置の目標は、1550nmで基本LP01モード伝搬に大きな影響を及ぼさないと同時に、適切にHOMを除去することである。254mm未満の直径のスプール上に図3において教示されるタイプのDCファイバを巻き付けた典型的なDCモジュールのHOMを減じるのに十分であるためには、HOMの損失は、数kmよりも短い長さの範囲内で(但し、スプール上のDCファイバの長さ未満の長さの場合において)HOMを減じるのに十分でなければならない。一般的に、1550nmでのHOM損失(LP11又はLP02モード、若しくは双方)は約10dB/kmよりも大きくなるように界面123が配置されなければならない。特に、HOMはあるHOMの減衰が実質的に他のHOMをも減じるように接続され得る。好ましくは、また、クラッドコーティング界面が放射状に外側方向へ十分に遠く離れた位置に配置されなければならない。つまり、基本モード(LP01)の減衰がHOMの減衰と比較して非常に小さいからである。基本モードの減衰は、1550mnで好ましくは0.5dB/kmで未満あり、より好ましくは0.1dB/km未満である。本発明者は、放射方向内側に大きく界面を移動させることでマイクロ曲げ感受性を悪化させ得ることを見出した。図4のプロットにおいて、直線136は1550nmで外側クラッド半径の関数としてのファイバ120の基本モード(LP01)損失を表す。プロット137及び138は、1550nmでの外側クラッド半径の関数としてそれぞれLP11及びLP02モードのHOM損失を表す。プロット上の直線123は、上記した基準が満たされるある界面の位置を図示する。
図5は、グラフィカルにHOM除去ファイバの動作方法を図示する。実際には、クラッド−コーティング界面223は、基本(LP01)モード減衰がわずかに影響を受ける放射状の位置(Ri)にある(上記参照)。LP01プロット260において、界面223の外側で基本モード強度が最小となる。対照的に、LP11及びLP02モード(それぞれ262及び264の参照符を付されている)の強度分野のテール262a及び264aはカップリングコーティング226内まで達する。故に、HOM光信号のこの部分は高屈折率コーティング226に入射して、光信号がそのモードで大きく減じられる。ファイバ屈折率分布220をこのプロット上に重ね書きすると、屈折率分布のさまざまな特徴の位置(コア、モート、リング等)に対して近似の強度関係を示す。認識されなければならないように、界面223が放射状内側方向に十分に離れて配置されるとカップリングコーティング226内でのHOMのうちの少なくとも1つの強度が十分に高くなり(上記した実施例参照)そのモードを実質的に減衰し、一方、放射状外側方向に十分に遠ざかる位置にあると基本モード減衰がわずかに影響を受ける(上記参照)のである。モードのクラッド及びコーティングの実際の強度は明快さ及び作図上の目的で大きく誇張されていると認識されなければならない。
図6は、本発明の他の実施例によるDCファイバを含む光通信システムを示す。システム40は、スプライス(×として示されている。)によって光学的に接続された一定長の伝送ファイバ42に光信号(s)を発する送信機(T)41、又は他の適切なカップリング装置を有する。DCモジュール44もシステム40に含まれる(図7の分解図も参照のこと)。モジュール44は、例えば図2及び3に記載された本発明による分散補償ファイバ20又は120をその内部に収容する。DCファイバは、光学的に伝送ファイバ42及び受信機(R)46に接続される。上記したファイバの実施例において、モジュール44に含まれる分散補償ファイバ20、120は、コア、シリカ含有クラッド層及びクラッド−コーティング界面でクラッド層に当接しているポリマーカップリングコーティングを含む。上記した如く、ポリマーカップリングコーティングは、クラッド層よりも高い屈折率を有し、クラッド−コーティング界面は、光ファイバの中央線から55ミクロン未満の半径位置に選択的に配置される。このように、このシステムにおいて、モジュール44のDCファイバのHOM減衰は、基本モード減衰と比べて強化される。システム40は、一方向性信号による送信機41及び受信機46に関して記載されるが、システム40が同様に双方向に信号を伝送し得ると認識されなければならない。システム40は、例えばプリアンプ48やパワーアンプ50の如き増幅器も含むことができる。他の通常のシステム部品も含まれ得る。
システムの分散補償光ファイバ20、120は、好ましくは1500nmよりも大なる測定されたカットオフ波長(λc)を有する。例えば、全てのカットオフ測定は、FOTP80法の如きフォトン動態ベンチテストでファイバの2メートル長で実行された。先に述べた実施例の如く、モジュール44のDCファイバのクラッド−コーティング界面は、光ファイバの中央線から30ミクロンよりも大且つ50ミクロン未満の半径位置に配置される。
より好ましくは、クラッド−コーティング界面は、光ファイバの中央線から50ミクロン未満の半径位置に配置され、最も好ましくは光ファイバの中央線から45ミクロン未満の半径位置に配置される。好ましくはモジュール44内に収納されるDCファイバは、100ミクロン未満の最外半径(外径127)を有し、これは、より好ましくは90ミクロン未満である。もちろん、DCファイバは、点線129で図示されるように、125ミクロンの半径まで延在するコーティングを有することで250ミクロンの通常の外径を有することもできる。
図7は、本発明の実施例によるDCモジュール44の好ましき構造を図示する。DCモジュール44は、好ましくは254mm未満の直径の円筒中心52aと、端部フランジ52b及び52cとを有するスプール52を含む。DCファイバ20は、中心52aの周囲に巻きつけられて、フランジ52b及び52cの内面に当接している。典型的には、1kmから約5kmのDCファイバ20がスプール52上に巻かれて、システム40(図6)の約100kmの伝送ファイバ42(例えばNZDSF)を補償するために使用される。スプール52がパッケージ化されて、中心54及び頂部プレート56a及び底部プレート56bを含むハウジングアセンブリ内に収納される。スプール52は、フランジ52b及び52cの外表面に環状に外周に沿ってわずかに凹んで形成された凹部を含む。これらの凹部がプレート56a及び56bの穴65a及び65bに嵌合せしめられて、スプールが中心に配置されて位置する。穴67を通してタブ68が嵌入されて留め金具(図示せず)によってプレート56a及び56bが中央部材54に固着される。好ましくはSMファイバのピグテールケーブル70a及び70bがDCファイバ20のいずれかの端部に固着されて、コネクタ72a及び72bによってシステム部品に取り付けられることを容易にする。
さまざまなモディフィケーション及びバリエーションが本発明の観点から逸脱することなく本発明に対して作られ得ることは、当業者にとって明らかである。故に、本発明は、添付の特許請求の範囲の記載による範囲及びその均等物によって与えられる本発明のモディフィケーション及びバリエーションをカバーすることを意図している。
Claims (12)
- コアと、クラッド層と、クラッド−コーティング界面で当接するカップリングコーティングと、を有する光ファイバであって、
前記カップリングコーティングは前記クラッド層よりも高い屈折率を有し、クラッド−コーティング界面は前記光ファイバの中央線から55ミクロン未満の半径位置にあって高次モード減衰は基本モード減衰と比べて強化され、光ファイバの測定されたカットオフ波長(λc)は1500nmよりも大であることを特徴とする光ファイバ。 - 前記クラッド−コーティング界面は前記光ファイバの前記中央線から50ミクロン未満の位置にあることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 前記クラッド−コーティング界面は前記光ファイバの前記中央線から45ミクロン未満の位置にあることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 前記クラッド−コーティング界面は前記光ファイバの前記中央線から40ミクロンより大であって50ミクロンよりも小なる位置にあることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 前記コアは、正のデルタ(Δ1)を有する中央コアセグメントと、負のデルタ(Δ2)を有する前記中央コアセグメントを包囲するモートセグメントとを有する屈折率分布を有することを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 前記コアが正のデルタ(Δ3)を有する前記モートセグメントを包囲するリングセグメントを更に含むことを特徴とする請求項5記載の光ファイバ。
- 前記ファイバの外側半径は100ミクロン以下であることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 前記ファイバの前記外側半径は90ミクロン以下であることを特徴とする請求項7記載の光ファイバ。
- 254mm未満の巻き取り径を有するスプール上に巻き取られたときに高次モードのファイバ伝播損失が10dB/kmよりも大であることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 254mm未満の巻き取り径を有するスプール上に巻き取られたときにLP01モードの前記ファイバの基本モード損失が0.5dB/km未満であることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ。
- 巻き取りスプールと、
前記巻き取りスプール上へ巻き取られた分散補償ファイバと、
前記分散補償ファイバは、コアと、
前記コアを包囲するクラッド層と、
前記クラッド層よりも高い屈折率を有するカップリングコーティングと、
前記クラッド層及び前記カップリングコーティング間の界面に位置するクラッド−コーティング界面と、を含み、
前記クラッド−コーティング界面は前記分散補償ファイバの中央線から35から50ミクロンの間の半径に位置することを特徴とする請求項1記載の分散補償モジュール。 - 送信機と、受信機に光学的に接続された10kmよりも大なる一定長の光伝送ファイバと、前記伝送ファイバに光学的に接続された分散補償ファイバと、を含む光伝送システムであって、
前記分散補償ファイバは、コアと、クラッド層と、クラッド−コーティング界面で前記クラッド層に当接するカップリングコーティングと、を含み、前記カップリングコーティングは前記クラッド層よりも高い屈折率を有し、
前記クラッド−コーティング界面は前記光ファイバの中央線から55ミクロン未満の半径位置にあって高次モード減衰が基本モード減衰と比べて強化され、受信機が光学的に前記分散補償ファイバに接続されることを特徴とする光伝送システム。
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