JP2005518564A - ブロードバンドアクセス用ファイバ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

コア及びクラッドを含む光ファイバがここに開示される。コアは、約２から約８の範囲内にあるアルファパラメータ、約０．３％から約０．５％の範囲内にあるコア及びクラッド間の最大屈折率パーセント差、約６．０から約１６．０μｍの範囲内にあるコア直径を有する。該光ファイバは、少なくとも８５０ｎｍで約０．６ＧＨｚ−ｋｍの帯域幅を有しており、１３００ｎｍ未満の波長でマルチモード動作をなし、且つ、少なくとも約１３００ｎｍの波長でシングルモード動作をなす。また、該ファイバのインターモダルノイズは大きく減じられている。更に、かかるファイバの設計方法、及びかかるファイバによって与えられるファイバ光学システム、このファイバ光学システムの動作方法が開示される。

Description

本発明は、データ通信用光ファイバに関し、より詳細には、約１３００ｎｍよりも短い波長でマルチモード動作をなし、約１３００ｎｍよりも長い波長でシングルモード動作をなすことが可能な、減じられたインターモダルノイズを有する光ファイバに関する。

一般家庭や小オフィス向けの配線として用いられている光ファイバの帯域幅は狭く、好まくない。現在、８５０ｎｍマルチモードファイバが家庭用や小オフィス向け配線に用いられている。この理由は、このファイバとともに使用されるさまざまなシステム構成部品（例えば、レーザ、受信機）が安価だからである。しかしながら、通常の８５０ｎｍマルチモードファイバは、比較的低いビットレートを支持できるに過ぎない。

より高い帯域幅のシステムにグレードアップするためには、典型的には、既設のファイバの交換が必要とされる。通常の８５０ｎｍマルチモードファイバは、より高いビットレートの構成部品（例えば、１３００ｎｍシングルモードレーザ及び受信機など）とは互換性を有しない。したがって、通常の８５０ｎｍマルチモードシステムを、構成部品を全く交換することなく、特にファイバを交換することなく、より高いビットレートシステムにアップグレードすることは不可能なのである。典型的には、通常の８５０ｎｍマルチモードシステムをより高いビットレートシステムにアップグレードするためには、通常の８５０ｎｍマルチモードファイバを、コーニング社製ＳＭＦ−２８^TMシングルモード光ファイバの如き、１３００ｎｍシングルモードファイバと取り替えることが行われる。

既設のファイバの交換は高価である。例えば、８５０ｎｍマルチモードファイバを交換するためには、旧ファイバを掘り起こして、その場所に新規なファイバを敷設しなければならない。その上、ファイバの交換は、家庭若しくはオフィスへのインストールのための大規模な再構築を必要とするのである。このように、ファイバ交換はしばしば高価且つ時間のかかるプロセスとなる。

旧ファイバを交換して新規なファイバを敷設するよりはむしろ、まず最初に８５０ｎｍでマルチモード動作し、且つ、１３００ｎｍでシングルモード動作し得るファイバを最初から敷設してしまうことが好ましかった。すなわち、この種のファイバを有するシステムをアップグレードするためには、システムコンポーネントを交換するだけで済むのである。８５０ｎｍでマルチモード動作をなし、且つ、１３００ｎｍでシングルモード動作可能な実験的なファイバが文献において報告されているが、それらのファイバはステップインデックス型であって、８５０ｎｍで非常に低い帯域幅を有する傾向があった。したがって、８５０ｎｍでのマルチモード動作をなし、且つ、１３００ｎｍでシングルモード動作することが可能な、大なる帯域幅を有するファイバが望まれた。

マルチモードファイバに関する更なる課題は、インターモダルノイズである。インターモダルノイズは、異なる相のモード間での光学干渉を原因として、光ファイバ出力位置において光強度を変化させる。このインターモダルノイズを生じさせ得る相変化は、多くの因子が単独若しくは組み合わせられて生じているのである。これらの因子の例として、光源波長の変化とともに、温度変化、（移動若しくは振動を含む）機械的な歪みなどが含まれる。

インターモダルノイズは、例えばレーザの如き、高度な干渉性光源に使用されるマルチモードファイバにおいても共通した課題となる。これは、モード間の相対的な干渉性から、モードの互いの干渉によって光の強度に影響を与えるものである。例えば、ＬＥＤのような、より低度なコヒーレント光源は、短い干渉長さを有し、故に、ファイバの非常に短い長さでのみインターモダルノイズの問題を生じる。しかしながら、ＬＥＤ光源は多色性であって、これによってファイバに顕著なパルスの拡幅を生じる。パルスが拡がると帯域幅が減少するので、これは問題である。したがって、インターモダルノイズを起こさないコヒーレント光源での動作のために設計されたファイバが好ましい。

光ファイバがここに開示される。当該光ファイバは、コア及びクラッドを含む。コアは、約２から約８の範囲内のアルファパラメータを有するアルファ分布を含み、約０．２６％から約０．５％の範囲内にあるコア及びクラッド間の最大屈折率パーセント差、及び、約６．０から約１６．０μｍの範囲内にあるコア径を有する屈折率分布を有する。当該光ファイバは、少なくとも８５０ｎｍで約０．６ＧＨｚ−ｋｍの帯域幅を有し、１３００ｎｍ未満の波長でマルチモード動作をなすように構成されている。少なくとも約１３００ｎｍの波長でシングルモード動作するように、光ファイバのカットオフ波長は約１０５０ｎｍから１３００ｎｍまでの範囲内にある。

好適な実施例において、コア径は約６．０から１４．０μｍの範囲内にある。好適には、最大屈折率パーセント差は約０．３％から０．４％の範囲内にある。また、アルファパラメータの好ましき範囲は、約２から約４までである。ここに開示される光ファイバの実効面積は、好ましくは、１５５０ｎｍで７０μｍ²よりも大であって、より好ましくは、９０μｍ²よりも大である。ピン配列曲げ損失は、好ましくは１５５０ｎｍで４ｄＢ未満、より好ましくは２ｄＢ未満である。好適な実施例において、モードフィールド直径は、１５５０ｎｍで１０μｍ以上である。

好適な実施例において、この光ファイバは、コア及びクラッドを含み、動作波長でマルチモードファイバであって、所与の動作波長、所望の帯域幅及びファイバの長さに構成される。好ましくは、ファイバのピークモダル帯域幅波長は、モダルノイズを減じるのに十分な量だけ動作波長からオフセットされている。オフセットの好ましい量は、ファイバ長、所望の帯域幅及び動作波長に依存して変化する。

さらに他の好適な実施例において、アルファパラメータは、約２であって、コア及びクラッド間の最大屈折率パーセント差は約０．３５％から０．４０％までの範囲内にあって、コア径は約１４．０から１６．０μｍまでの範囲内にある。本実施例は、９０μｍ²を超える１５５０ｎｍでの実効面積、及び、１１μｍよりも大なる１５５０ｎｍでのモードフィールド直径を有する光ファイバを与える。ピン配列曲げ損失は、１５５０ｎｍで２ｄＢ未満である。

更なる好適な実施例において、１５５０ｎｍで８５μｍ²よりも大なる実効面積と、１５５０ｎｍで１０．５μｍよりも大なるモードフィールド直径とを有する導波路ファイバを与えるように、アルファパラメータは、約３であって、コア及びクラッドの間の最大屈折率パーセント差は、約０．３５％から約０．４％までの範囲内にあって、コア径は約１２．０から約１５．０μｍの範囲内にある。ピン配列曲げ損失は、１５５０ｎｍで４ｄＢ未満である。

更なる好適な実施例において、１５５０ｎｍで８５μｍ²よりも大なる実効面積と、１０．５μｍよりも大なるモードフィールド直径とを有する導波路ファイバを与えるように、アルファパラメータは約４であって、コア及びクラッドの間の最大屈折率パーセント差は約０．３％から約０．４％の範囲内にあって、コア径は約１２．０から約１６．０μｍの範囲内にある。１５５０ｎｍでのピン配列曲げ損失は、３．５ｄＢ未満である。

更なる好適な実施例において、ピークの帯域幅波長及び動作波長間のオフセットは、全て正若しくは全て負のいずれかのモードでそれぞれ群時間遅延を与えるように選択される。遅延の符号は、最低次モード（ＬＰ₀₁モード）の到着時間に関して決定される。正の群時間遅延はＬＰ₀₁モードよりも先に到着するモードに付され、負の到着時間はその逆である。

他の好適な実施例において、それぞれの群時間遅延の合計の絶対値は、０よりも大きい。

他の好適な実施例において、マルチモード動作において８５０ｎｍで少なくとも０．６ＧＨｚ−ｋｍの帯域幅を有し、少なくとも約１３００ｎｍ波長でシングルモード動作となる光ファイバの設計方法がここに開示される。マルチモード動作の各モードの光学距離差がファイバの少なくとも１つのコヒーレンス長よりも大となるように、光ファイバの所与の長さに対して動作波長及びピークモダル帯域幅波長の間の最小差を決定するステップと、この最小差に従って光ファイバについての屈折率分布を決定するステップとを含む。ここで、コヒーレンス長は光ファイバ内に動作波長の光を発するために利用される光源と関連付けられる。

本発明の第２の特徴による方法の実施例において、ピーク帯域幅波長及び動作波長の間のオフセットの最小差を決定するステップは、スペックル定数γを算出するステップを含む。スペックル定数は、帯域幅、光源の線幅、光源の強度及び光ファイバの長さの関数として、算出される。

他の好適な実施例において、最小差を決定するステップはモードの各群遅延時間を全て負又は全て正とするステップを含む。他の好適な実施例において、屈折率分布を決定するステップは、動作の間、動作波長、所望の帯域幅、若しくは、光ファイバの長さを決定するステップのうちの少なくとも１つを含む。

光ファイバと、この光ファイバに光学的に接続される光源とを含む光ファイバシステムがここに開示される。当該光ファイバは、約２から約８までのアルファパラメータを有するアルファ分布と、約０．３％から約０．５％のコア及びクラッドの間の最大屈折率パーセント差と、約６．０から約１６．０μｍのコア径と、を有する。アルファパラメータ、最大パーセント屈折率差及びコア径は、動作波長でインターモダルノイズを減じるのに十分なピークの帯域幅波長及び動作波長間のオフセットを提供するように選択される。

また、光ファイバを提供するステップと、動作波長で光源を操作するステップとを含む光ファイバシステムを操作する方法がここに開示される。ここで、光ファイバは、動作波長でマルチモードファイバであって、且つ、動作波長からオフセットされたピークモダル帯域幅波長を有する。

発明を実施するための形態

前述した又は他の特徴、態様、及び、本発明の効果は以下の発明の詳細な説明、ここに添付された特許請求の範囲、及び、図面に示された典型的な実施例から明らかになるだろう。これらは以下に簡潔に記述される。一方、明記されない限り、類似の構成部分は、同じ参照番号を有する点に留意する必要がある。

本発明者は、８５０ｎｍで高いモダル帯域幅を有するマルチモード動作を可能であって、且つ、少なくとも約１３００ｎｍの波長でシングルモード動作を可能なファイバを設計し得ることを見いだした。これは、約２から８までのアルファパラメータ、約０．２６％から０．５％までのコアとクラッドとの間の最大屈折率パーセント差、及び、約６．０から１６．０μｍまでにあるコア径を有するアルファ分布を有するファイバを形成することによって達成し得る。マルチモード及びシングルモード動作可能なことに加えて、これらのファイバは、例えばＳＭＦ−２８^TMの如きコーニング社から入手可能な従来のシングルモード光導波路ファイバよりも高い実効面積及びより低いピン配列曲げ損失を有する。

アルファ分布は、以下のパワー則方程式によって記載されたグレーデッド屈折率分布である。

ここで、ｎ₀は光ファイバのコアの最大屈折率、Δは光ファイバのコアの屈折率及びクラッドの屈折率ｎ_cの間の屈折率差、ａはコアの半径、ｒはクラッドの方向へコアの中心から計測された半径方向位置（０＜ｒ＜ａ）、及び、アルファはパラメータである。最大相対屈折率差Δは、以下の如く厳密に定義され得る。

ここで、屈折率差Δ及び相対屈折率差Δはここでは互換して使用されると理解されるであろう。また、Δは、相対屈折率として従来技術においても参照される。最大屈折率差Δは、

として近似され得る。通常、最大屈折率差は、１００倍されて％単位で示される。近似は、正確な値Δの１％以内の精度である。実際的な目的において、２つの方程式が互換して使用され得る。

マルチモード動作において８５０ｎｍで高いモダル帯域幅を有し、且つ、１３００ｎｍでシングルモード動作を可能とするファイバを形成するためには、ファイバは、好ましくは約２から８の範囲内、より好ましくは約２から約４の範囲内のアルファパラメータを有する。より好ましくは、アルファパラメータは、約２から約３．３までの範囲内である。より好ましくは、アルファパラメータは、約２．５から約３．３までの範囲内である。非常に大、若しくは、小なるアルファパラメータは、モダル等化の許容できない減少を生じ得る（各モードの全てが同じ速度で進行するときに、モダル等化は生じる）。帯域幅はモダル等化で最大となる故に、モダル速度の差の増加は帯域幅の減少を結果として生じさせる。

コア及びクラッド間の最大屈折率差Δは、好ましくは約０．２６％から約０．５％の範囲内である。より好ましくは、最大屈折率差Δは、０．３％から０．５％の範囲内であって、より好ましくは、０．３％から０．４％の範囲内にある。非常に低い最大屈折率差Δは、容認不可能な高い曲げ損失を生じさせる。また、非常に高い最大屈折率差Δは、容認不可能に小さいコア径を要求し得る。

ファイバコアの直径は約６．０から約１６．０μｍの範囲内にあることが好ましい。より好ましくは、コア径は約８．０から約１４．０の範囲内である。更により好ましくは、コア径は約１２．０μｍである。コアの直径が非常に小さい場合、ファイバセグメントを接続することが困難になり得る。なぜなら、接続部でのファイバセグメントの小なる絶対値のミスアライメントでさえも、ファイバコアの大なるパーセンテージのミスアラインメントを生じるからである。コア径が非常に大きい場合、非常に多くのモードがファイバを伝播して、インターモダルノイズの増加を引き起こし得る。

上記した範囲に加えて、本発明者はアルファパラメータ、最大屈折率パーセント差及びコア径の特定の組合せが特に有益であることを見いだした。これらは、約２のアルファパラメータ、Δ＝０．３５〜０．４％及び１４．０〜１６．０μｍのコア径；約３のアルファパラメータ、Δ＝０．３５〜０．４％及び１２．０〜１５．０μｍのコア径；及び約４のアルファパラメータ、Δ＝０．３０〜０．４％及び１２．０〜１６．０μｍのコア径を含むが、これに限定されるものではない。

本発明により設計された典型的なファイバの特性は、コーニング社によって製造された標準ファイバであるＳＭＦ−２８^TM光ファイバの特性とともに表１にリストされている。この表において、ピン配列曲げ損失及び実効面積（Ａ_eff）は、１５５０ｎｍの波長で決定された。

各々のファイバについて、分散は１５２５ｎｍ及び１５７５ｎｍで測定された。また、分散スロープもこれらの点で算出された。分散スロープを使用して、この分散曲線を外挿してゼロ分散波長λ₀（分散がゼロとなる波長）を決定した。ファイバのカットオフ波長が測定された。表１から分かるように、本発明によって製造されるファイバは、１２２０ｎｍから１２５０ｎｍの間のカットオフ波長を有する。ファイバカットオフ波長λ_cで、このファイバはマルチモードからシングルモードへ移行する。実際の用途においては、ファイバは光ファイバケーブルとして一般的に実装される。ケーブル化することによりカットオフ波長は変化する。通常、ファイバのタイプによって、ケーブル化は、５０ｎｍから４００ｎｍの間でカットオフ波長を低下させる。表１に開示されるファイバのタイプにおいて、ケーブル化によって５０ｎｍから１００ｎｍの間でカットオフ波長が低下する。表１に示すように、本発明によって製造されるファイバのケーブル化カットオフ波長は、１１２５ｎｍから１１５０ｎｍの間にある。このように、これらのファイバの全ては、ケーブル化されていない若しくはケーブル化されたいずれの構成であっても、８５０ｎｍでマルチモード動作し、１３００ｎｍでシングルモード動作し得る。

曲げによってファイバに生じる減衰は、ピン配列曲げ損失として測定され得る。ピン配列曲げ損失を決定するためには、まず、減衰は、実質的に曲げ損失を有さないように構成されたファイバで測定される。このファイバをピン配列の間を蛇行して縫うようにした経路に合わせて配置する。ピン配列は、一直線に一列に配置された一組の１０本の円筒ピンであって、平坦な表面上に垂直に固定されている。ピン間隔は中心と中心で５ｍｍであって、ピン直径は０．６７ｍｍである。この試験の間において、ピンの間を蛇行して織りこまれたファイバを、ファイバとピンとを接触させてピン表面上の一部分に沿って位置するように充分な張力を与える。ピン配列のファイバの減衰は、その後、測定される。

ピン配列曲げ損失は、ｄＢ単位で表されたこの２つの測定された減衰値間の差である。本発明により設計された表１に示されるファイバの全ては、コーニング社によって製造される標準ファイバであるＳＭＦ−２８^TM光ファイバよりも低いピン配列曲げ損失を有する。実際、ピン配列曲げ損失は、標準ファイバであるＳＭＦ−２８^TM光ファイバのピン配列曲げ損失の１／２０程度に低い。

実効面積Δ_effは、一般的に以下の如く定義される：

ここで、Ｅは伝播する光と関連する電界、ｒはファイバの中心軸からの半径方向への距離である。大なる実効面積は、ファイバ全体に亘ってより低い出力密度を与えて、ファイバ性能を向上させる故に有益である。性能の向上は、減じられた非線形効果及びより低いスプライシング及び接続損失を含む。

本明細書において開示された設計による表１に示されるファイバの全ては、例えばコーニングのＳＭＦ−２８^TMファイバの如き、１３００ｎｍ近傍の波長用に設計された市販の標準のシングルモードファイバよりも大なる実効面積を有する。例えば、最初に挙げられたファイバは、標準のＳＭＦ−２８^TMファイバよりも約３３％高い（８１．５μｍ²に対して１０８．５μｍ²）実効面積（Δ_eff）を有する。

表１のデータに加えて、これらのファイバの帯域幅がコンピューターシミュレーションにより算出された。全てのファイバは、マルチモード動作において少なくとも８５０ｎｍで約０．６ＧＨｚ−ｋｍの帯域幅を有し、いくつかは１．０ＧＨｚ−ｋｍよりも大きい８５０ｎｍの帯域幅を有することが見いだされた。

更に、発明者は、所望の動作波長λ_opからオフセットされたλ_pを有するファイバを設計することで、インターモダルノイズを減じ得ることを発見した。この構成において、マルチモード動作のモードの群時間遅延の間の平均差は、減じられたインターモダルノイズを与えるために十分にゼロよりも大きい。充分な差を構成することが以下に議論される。

動作波長λ_opは、ファイバの使用目的の波長である。ピーク帯域幅波長λ_pは、群時間遅延の等化が生じる、すなわち、多モードファイバを伝播する全てのモードの群時間遅延差の合計がほぼゼロに等しい波長である。理想的な場合において、モードの群時間遅延差は、範囲なしに大なる帯域幅に対応するλ_pでゼロである。実際問題として、波長に対する帯域幅は、波長λ_pで大であるが、有限の値を呈する。等化されるとファイバは最も高い帯域幅を有する。しかしながら、動作波長λ_opがピーク帯域幅波長λ_pであるとき、インターモダルノイズは非常に大きくなるのである。すなわち、ピーク波長での動作は雑音の多い信号を生じる一方で、他の波長での動作は帯域幅の減少を生じるのである。動作波長及びピーク波長の間で十分に大きな差λ_op−λ_pを有するファイバを設計することによって、マルチモード動作の各モードの群時間遅延の間の平均差は、十分にゼロよりも大きくなり、インターモダルノイズが制限されるので帯域幅ができるだけ高くなる最適の構成を提供する。帯域幅は、λ_opからλ_pを遠ざける方向に動かす屈折率分布パラメータを選ぶことによって効果的に最適化される。λ_pから離れた動作による帯域幅の減少は、帯域幅の増加によって構成されるより、よりインターモダルノイズの減少による。

インターモダルノイズを克服するための設計パラメータ、すなわち、所望量だけλ_opからλ_pをオフセットせしめるパラメータは、計算によって決定され得て、これをファイバに実装することができる。２モードファイバの場合が以下に議論される。類似のものが後述する一般的なＮモードファイバについても開発された。

２モードファイバにおいて、最も低いオーダーモード（ＬＰ₁₁及びＬＰ₀₁）の間の光位相差が光学干渉を引き起こし得る。上記したように、例えば温度及び機械的な歪みの変化からなる外部摂動は、光学干渉を引き起こし得る位相差を生じさせ得る。故に、時間の関数として、ファイバの出力端部上の所与のトランスバース位置での出力光強度を変化させる。この時間と共に変化するモダル干渉条件は、モダルパターン、すなわちモダルノイズの強度偏差を生成する。

外部摂動は、群時間遅延（τ）に影響を及ぼす。Δτ＝τ（０１）−τ（１１）＝０のときに、ＬＰ₁₁及びＬＰ₀₁導波路モードの群時間遅延の等化が生じる。換言すれば、両方のモードに対してファイバ長を伝播するのに要する時間が同じである。ここに開示されるように、光ファイバの好適な実施例はモード群伝搬時間をほぼ等価するように選択されたアルファパラメータを有する。モード群時間遅延の充分な差は、インターモダルノイズを制限するために維持される。ファイバの屈折率摂動を含む多くの要因が等化のための最適のアルファパラメータを修正することができる。このように、最適のアルファパラメータは、範囲で定義される。これらの実施例に従って設計されるファイバは、約２から約８の範囲内のアルファパラメータを有する。より好ましくは、アルファパラメータは、約２から約４の範囲内にある。より好ましくは、アルファパラメータは、約２から３．３の範囲内にあって、より好ましくはより狭い２．５から３．０の範囲内である。

図１３を参照して、実施例は、２モードファイバの場合における波長に対する最適のアルファ（α）パラメータの依存性を示す。パラメータを最適化することよって、最大帯域幅を提供するコア屈折率分布の値が定められる。すなわち、図１３の曲線１０２の試験は、Δ％の値及び選択されたコアの直径（下記参照）について、２．５のαが０．７５μｍのλ_p、例えば、０．８５μｍの動作波長λ_pを有するシステムにおいて所望され得る波長を与えることを示している。約０．７５μｍから１．０μｍの動作波長範囲内において、曲線１０２は約２．５から４までの範囲内の対応する最適化値を示す。約８５０ｎｍの波長に対して、最適化されたアルファパラメータは、２．５から３．５の範囲内にあると見積もられる。曲線１０２は、Δ％が約０．３％、コアが約１２μｍのコアの構成を示している。比較目的のために、曲線１０４が図１３に含まれている。屈折率分布がファイバの中央線上において凹みを呈することを除いては、曲線１０４は曲線１０２の屈折率分布と同じコア構成を示す。凹みのルート平均平方幅は、約０．１μｍであって、約０の最小相対屈折率値パーセントを有する。特により長い波長では、中央線の凹みの存在は、最適のアルファパラメータを小さくする。

ここに開示されるファイバは、好ましくは、Δτが動作波長λ_opで０でないように設計される。換言すれば、時間遅延等化のためのピーク帯域幅波長λ_pは、故意に動作波長λ_opから一定波長だけオフセットされている。帯域幅の二次的な減少は大きくなく、インターモダルノイズの本質的な減少を許容する。この減少は、光源スペクトル幅及びファイバ伝播特性に依存するコヒーレンス減衰による。

実際の試験及び数学的なシミュレーションが行われた。実際の試験は、図１において図示された装置２を使用して行われる。装置２は、白色光源１０、接続領域２５を有する長さ２０ｍのＳＭＦ−２８^TM光ファイバ２０（約１３００ｎｍを超える波長でシングルモード）、本明細書の開示の如く製造された接続領域４５有する２モードファイバ４０、及び、光アナライザ５０を含む。シングルモードファイバ２０の接続領域２５及び２モードファイバ４０の接続領域４５を保持するのは、ＸＹＺマイクロポジショナ３５である。

図２Ａ及び２Ｂは、本明細書で開示されたところにより作成された２モードファイバを試験するために使用される交互ファイバ列を示している。マイクロポジショナ３５とともに、シングルモードファイバ２０の接続領域２５及び２モードファイバ４０の接続領域４５が図２Ａのように整列されて、若しくは、図２Ｂのようにオフセットされて配置され得る。図２Ａのようにファイバが整列配置された場合、ＬＰ₀₁モードだけが２モードファイバ４０に存在する。しかしながら、図２Ｂのようにファイバがオフセットされている場合、ＬＰ₀₁及びＬＰ₁₁モードが２モードファイバ４０に存在する。

ファイバ設計及びシミュレーションは、スペックル定数γ（多モードファイバのモード中の光学干渉によって生じる光強度位相変動の標準偏差）についての以下の一般的な方程式に基づいて形成される：

ここで、σは光強度Ｉの偏差に対する標準偏差、＜Ｉ＞は光強度の平均値である。２モードの場合では、この方程式は、単純に、

と表される。ここで、Ａ及びＢは調整パラメータ、ν₀は光周波数、σ_sは光源スペクトル幅の計測値、Ｉ₀は光源強度振幅、及び、Δτは（キロメートルあたりに正規化された）モードの間の正規化群伝搬時間差である。

以下の関係式を使用して一般的なＮモードのスペックル定数を表すことができる：

ここで、Ｃ_p（ν）は光源スペクトル強度、

はインパルスレスポンス関数である。スペックル定数の満足のいくような評価は、フーリエ級数のＣ_p（ν）及びエキスパンディング

に対してガウス近似を作ることでなしえるが、これら双方の技術とも公知技術である。２モードの場合の議論は、Ｎモードの場合であっても同様である。

実際の動作条件の下では、２モード方程式の２項が支配的である。この項は変動（コサイン）項を含み、より重要なことには、指数的減衰項である。本発明者は、指数項の変数の大きさが増加するにつれてインターモダルノイズが減少し得ることを見出した。好ましくは、変数は少なくとも約−１である。より好ましくは、この変数は約−１から約−３の間にある。このように変数を増やすことによって、インターモダルノイズは大きく減少し得る。すなわち、このノイズは商用用途を満たすレベルになり得る。特に、インターモダルノイズは、０．５ｄＢ未満となるようになされる。好ましくは、インターモダルノイズは、０．２５ｄＢ未満になるようになされる。

Ｎモードファイバでは、Δτは全てのＮモードに亘って合計される。この計算は、群屈折率Ｎ₁、ファイバ長Ｌ、光速ｃ、相対屈折率Δ、及び特定のアルファ分布に対応するモードの数Ｎ（ ）を含む式に最適化されたアルファパラメータを含む表現を与えている。Ｎモードの場合の方程式は、

である。

ファイバの屈折率分布及び動作波長を与えると、動作波長での伝播に対して、群時間遅延の一部は、正であってもよく、他は基準時間遅延（基準時間遅延は、ファイバの特定の長さに亘ってλ_pで伝播する光の走時である）と関連して負であり得る。群遅延差の全てが全て負若しくは全て正である場合、好ましい条件としては、合計の絶対値は常にゼロより大きいことに注意されたい。

２モードファイバが設計され、シミュレーションが上記した２モード方程式に基づいて処理された。実際のデータ（曲線５４）とシミュレーション（曲線５２）との比較が図３に図示される。実際のデータは、約７７０ｎｍのピークモダル帯域幅波長λ_p及び８５０ｎｍの動作波長λ_opを有するファイバから収集された。曲線５３の減少した強度部分は、第３モードのカットオフ波長、すなわちファイバが２モードを支持するよりも上の波長を表す。２モードファイバの長さは、約５ｍであって、８５０ｎｍで１．３ＧＨｚ−ｋｍの測定帯域幅を有していた。図３において、シミュレーションされたデータは、わかりやすくするために実際のデータからオフセットされている。シミュレーションは、０．５ｎｍの波長データ点間隔、７７０ｎｍのλ_p及び２ｎｍの全幅半値最大値（ＦＷＨＭ）スペクトル幅を使用して実行された。曲線５２及び５４の比較によってわかるように、シミュレーションは実際のファイバデータに非常に良い一致を示している。更に、実際のデータ及びシミュレーションの双方は、本発明の特徴に従って形成されたファイバのそれを図示している。モード間の光干渉の検知によって生じる波長による強度変調は、直接的にインターモダルノイズ４７に関する。このインターモダルノイズ４７は、ピーク波長のまわりで中心に位置し、８５０ｎｍの動作波長で劇的に減衰する。

スペクトル変調の減衰、又は、「コヒーレンス減衰」は、光源の線幅による。モノクロマチックな光であるほど、よりゆっくりと減衰する。故に、より長いファイバは、ファイバ端部で確実にインターモダルノイズを充分に減衰させることを必要とされる。これは図４に図示される。この図において、３ｍのファイバでシミュレーションされた干渉性減衰曲線が比較される。減衰曲線５５、５６及び５７は、１．０ｎｍの波長データ点間隔を使用して算出された。減衰曲線は、０．０２ｎｍの光源スペクトル幅での減衰を図示する曲線５５を曲線５６及び５７に対して比較してわかるように、ＦＷＨＭ光源スペクトル幅に依存する。図４から理解されるように、高いコヒーレント性を有する狭いスペクトル幅の光源は、短い長さのファイバにおいてほとんど減衰を示さない。

図５乃至１２は、１０ｍから５ｋｍまで長さを変えたファイバについてのシミュレーションされたスペクトルを図示する。これらのスペクトルの全ては、７７０ｎｍのピーク波長、０．５ｎｍのデータ点間隔、及び、０．４０ｎｍのスペクトル幅を有するＦＷＨＭ光源によって生成された。より長いファイバであればあるほど、波長の関数としてより急速にインターモダルノイズが減少する。このように、長いファイバでは、実際の動作波長により近いピーク波長を有するファイバを設計して動作させることが可能である。図において、λ_opは８５０ｎｍであるとみることができる。１０ｍの長さのファイバについて算出された図５の曲線５８は、動作波長５９で、約０．５ｄＢまでのモダルノイズレベルを示す。この例では、帯域幅は約０．６ＧＨｚ−ｋｍを超える。２０ｍの長さのファイバで算出される図６の曲線６０は、動作波長６１でゼロ近傍のモダルノイズを示す。帯域幅は、０．６ＧＨｚ−ｋｍよりも大であるが、１．３ＧＨｚ−ｋｍ未満である。同様に、５０ｍの長さのファイバについて算出された図７の曲線６２は、動作波長６１でゼロのモダルノイズを示す。同じことが、１００ｍの長さのファイバについて算出された図８の曲線６３、５００ｍの長さのファイバについて算出された図９の曲線６４、１０００ｍの長さのファイバについて算出された図１０の曲線６５、２０００ｍの長さのファイバについて算出された図１１の曲線６６、５０００ｍの長さのファイバについて算出された図１２の曲線６７についてもあてはまる。ファイバ長が増加するにつれて、干渉性減衰（コヒーレンスダンピング）は増加する。故に、インターモダルノイズの幅が狭くなる。図１２の曲線６７は、実質的にインターモダルノイズを示さない。

更に、本発明者は、本明細書に開示されたより長いファイバがピーク波長λ_pにより近い動作波長λ_opを使用できるように決定した。このように、より長いファイバを用いて、ほとんどインターモダルノイズを有さない非常に高い帯域幅を達成することができるのである。発明者が特に有利であるとわかったファイバの長さ及びピーク離隔距離の組合せは、約８０ｎｍから約１５０ｎｍのλ_op及びλ_p間の差の絶対値（０．６〜１．２ＧＨｚ−ｋｍ帯域幅）を有する１０から２０ｍの長さ； 約１２から約８０ｎｍのλ_op及びλ_p間の差の絶対値（０．６〜１．２ＧＨｚ−ｋｍ帯域幅）を有する１０から２０ｍの長さ； 約２ｎｍから約１２ｎｍのλ_op及びλ_p間の差の絶対値（２〜１３ＧＨｚ−ｋｍの帯域幅）を有する１００から１０００ｍの長さ； 約０ｎｍから約２ｎｍのλ_op及びλ_p間の差の絶対値（少なくとも３ＧＨｚ−ｋｍ、好ましくは１３ＧＨｚ−ｋｍよりも大の帯域幅）を有する１０００ｍよりも大なる長さ、を含む。これらの結果は、上記したように、８５０ｎｍでの動作用に設計されたファイバについて表２に要約される。屈折率分布パラメータは、表１に記載されたいずれであっても対応することができる。

本発明の上述の説明は、図示及び説明のために与えられた。これは、本発明を開示された正確な形式に完全に一致させる、若しくは、制限することを意図しているものではない。モディフィケーション及びバリエーションは、上記した教示を考慮して可能であるだろうし、若しくは、本発明の実行からも得られるであろう。図面及び詳細な説明は、本発明及び実施例の原理を説明するために選択された。本発明の範囲は、本明細書に添付された各請求項及びそれらの均等物によって定義されることを意図している。

実験装置の図である。 位置合わせされた図１のファイバ接続部の拡大図である。 オフセットされたファイバを示す図１のファイバ接続部の拡大図である。 シミュレーションデータを実際のデータと比較したプロット図である。 各光源の線幅に対するコヒーレンス減衰を示すプロット図である。 １０メートルの長さのファイバについてのシミュレーションされたスペクトルの図である。 ２０メートルの長さのファイバについてのシミュレーションされたスペクトルの図である。 ５０メートルの長さのファイバについてのシミュレーションされたスペクトルの図である。 １００メートルの長さのファイバについてのシミュレーションされたスペクトルの図である。 ５００メートルの長さのファイバについてのシミュレーションされたスペクトルの図である。 １０００メートルの長さのファイバについてのシミュレーションされたスペクトルの図である。 ２０００メートルの長さのファイバについてのシミュレーションされたスペクトルの図である。 ５０００メートルの長さのファイバについてのシミュレーションされたスペクトルの図である。 波長に対する分布パラメータの最適値のチャート図である。 本明細書に開示された光ファイバの屈折率分布の図である。

Claims (36)

1. コア及びクラッドを含む光ファイバであって、前記コアは約２から約８の範囲内にあるアルファパラメータを有するアルファ分布を含む屈折率分布と、約０．２６％から約０．５％の範囲内にある前記コア及び前記クラッドの間の最大屈折率パーセント差と、及び、約６．０から約１６．０μｍの範囲内にあるコア径とを有し、該光ファイバは、少なくとも８５０ｎｍで少なくとも約０．６ＧＨｚ・ｋｍの帯域幅と、約１０５０ｎｍから１３００ｎｍの範囲内にあるケーブル化カットオフ波長とを有することを特徴とする光ファイバ。
2. 前記コアが約６．０から約１４．０μｍの範囲内にある直径を有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
3. 前記コア及び前記クラッドの間の最大屈折率パーセント差が約０．３％から約０．４％の範囲内にあることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
4. 前記コアが約２から約４までの範囲内にあるアルファパラメータを有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
5. 前記実効面積が１５５０ｎｍで７０μｍ²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。
6. 前記実効面積が１５５０ｎｍで９０μｍ²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。
7. 前記ピン配列曲げ損失が１５５０ｎｍで４ｄＢ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。
8. 前記ピン配列曲げ損失が１５５０ｎｍで２ｄＢ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。
9. 前記モードフィールド直径が１５５０ｎｍで１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
10. 前記コアの前記屈折率分布は、動作波長、前記動作波長での前記所望の帯域幅、及び、一定長の光ファイバによって設定されることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
11. 前記コアの前記屈折率分布は動作波長からインターモダルノイズを減少するのに十分な量だけオフセットされたピークモダル帯域幅波長を有するように構成されることを特徴とする請求項１０記載の光ファイバ。
12. アルファパラメータは、約２であって、コア及びクラッド間の最大屈折率パーセント差は、約０．３５％から約０．４％までの範囲内にあって、コア径が約１４．０から約１６．０μｍの範囲内にあって、１５５０ｎｍでの導波路ファイバは、９０μｍ²よりも大なる実効面積及び１１μｍよりも大なるモードフィールド径を与えることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
13. 前記ピン配列曲げ損失が１５５０ｎｍで２ｄＢ未満であることを特徴とする請求項１２記載の光ファイバ。
14. 前記アルファパラメータは約３であって、前記コア及び前記クラッドの間の前記最大屈折率パーセント差は約０．３５％から約０．４％の範囲内にあって、前記コア径は約１２．０から約１５．０μｍの範囲内にあって、８５μｍ²を超える実効面積及び１０．５μｍを超えるモードフィールド直径を有する導波路ファイバを与えるに１０．５を超えることを特徴とする請求項１２記載の光ファイバ。
15. 前記ピン配列曲げ損失が１５５０ｎｍで４ｄＢ未満であることを特徴とする請求項１２記載の光ファイバ。
16. 前記アルファパラメータは約４であって、前記コア及び前記クラッドの間の前記最大屈折率パーセント差は約０．３％から約０．４％までの範囲内にあって、前記コアの直径は約１２．０から約１６．０μｍの範囲内にあって、１５５０ｎｍで８５μｍ²を超える実効面積と、１０．５μｍ²を超えるモードフィールド直径とを有する導波路ファイバを与えることを特徴とする請求項１記載の導波路ファイバ。
17. 前記ピン配列曲げ損失が１５５０ｎｍで３．５ｄＢ未満であることを特徴とする請求項１６記載の光ファイバ。
18. コアとクラッドとを含む光ファイバであって、前記光ファイバは動作波長でマルチモードファイバであって、前記動作波長から、前記動作波長でインターモダルノイズを実質的に減少するのに十分な量だけオフセットされたピークモダル帯域幅波長を有することを特徴とする光ファイバ。
19. 前記動作波長で、各モードは群時間遅延を有し、前記群時間遅延の全ては正又は負のいずれかであって、各々の前記群時間遅延は、前記光ファイバと関連する最低次モード（ＬＰ₀₁モード）に関して参照されることを特徴とする請求項１８記載の光ファイバ。
20. 前記動作波長で各モードは群時間遅延を有し、前記群時間遅延差の合計の絶対値が０よりも大であることを特徴とする請求項１９記載のファイバ。
21. 前記ファイバは、１３００ｎｍ未満の波長でマルチモード動作し、少なくとも約１３００ｎｍの波長でシングルモード動作するように設定されていることを特徴とする請求項１８記載の光ファイバ。
22. 群時間遅延の差は、前記光ファイバのマルチモード動作における全てのモードに対して全て正又は全て負のいずれかであり、各々の前記群時間遅延は、前記光ファイバと関連する最低次モード（ＬＰ₀₁モード）と関連して参照されることを特徴とする請求項２１記載の光ファイバ。
23. 前記光ファイバは、８５０ｎｍで少なくとも約０．６ＧＨｚ・ｋｍの帯域幅を有するように設定されることを特徴とする請求項１８記載の光ファイバ。
24. 前記コアは、約６．０μｍから約１６．０μｍの範囲内にある直径を有し、前記コア及び前記クラッド間の最大屈折率差は約０．３％から約０．５の範囲内にあることを特徴とする請求項１８記載の光ファイバ。
25. マルチモード動作において８５０ｎｍで少なくとも０．６ＧＨｚ・ｋｍの帯域幅を有し、且つ、少なくとも約１３００ｎｍの波長でシングルモード動作する光ファイバを設計する方法であって、
    ａ）マルチモード動作のモードの光学距離の差が光ファイバに動作波長の光を発射するために利用される光源に関連する少なくとも１つのコヒーレンス長さよりも大であるように所定長さの光ファイバの動作波長及びピークの帯域幅波長間の最小差を決定するステップと、
    ｂ）前記最小差に従って光ファイバと関連する屈折率分布を決定するステップと、を含むことを特徴とする光ファイバを設計する方法。
26. 前記最小差を決定するステップは、帯域幅、光の線幅、光の強度及び光ファイバの長さの関数として、スペックル定数γを算出するステップを含むことを特徴とする請求項２５記載の方法。
27. 前記最小差を決定するステップは、前記マルチモード動作の全てのモードについての群時間遅延において全て正又は全て負の差を有することを含み、前記群時間遅延はマルチモード動作のモードのいずれかに関して参照されることを特徴とする請求項２５記載の方法。
28. 屈折率分布を決定するステップは、動作時の前記動作波長、前記所望される帯域幅、光ファイバの長さの少なくとも１つを決定するステップを含むことを特徴とする請求項２５記載の方法。
29. 前記屈折率分布を決定するステップは、約２から約８までの範囲内の前記光ファイバと関連するアルファパラメータを設定するステップを含むことを特徴とする請求項２５記載の方法。
30. 前記屈折率分布を決定するステップは、約２から約４までの範囲内の前記光ファイバと関連するアルファパラメータを設定するステップを含むことを特徴とする請求項２５記載の方法。
31. 前記屈折率分布を決定するステップは、約０．３から約０．５％の範囲内で光ファイバのコア及びクラッドの間の最大屈折率差を設定し、且つ、約６から約１６μｍの範囲内で光ファイバのコアの直径を設定するステップを含むことを特徴とする請求項２５記載の方法。
32. コア及びクラッドを含む一定長の光ファイバと、前記光ファイバに光学的に接続された光源とを含む光ファイバシステムであって、
    前記コアは約２から約８までの範囲内にあるアルファパラメータを有するアルファ分布を含む屈折率分布を有し、コア及びクラッド間の最大屈折率パーセント差は約０．３％から約０．５％の範囲内にあって、コア径は約６．０から約１６．０μｍの範囲内にあって、前記光ファイバは動作波長でマルチモードであって、アルファパラメータ、最大屈折率パーセント差及びコア径は、動作波長でインターモダルノイズを減じるのに十分な量だけ動作波長からオフセットされた前記光ファイバのピーク帯域幅波長を提供するように選択されることを特徴とする光ファイバシステム。
33. 前記光ファイバの長さは約１０ｍから約２０ｍの範囲内にあって、動作波長及びピーク帯域幅波長間の差の絶対値は約８０ｎｍから約１５０ｎｍの範囲内にあって、帯域幅は動作波長で約０．６ＧＨｚ・ｋｍよりも大であることを特徴とする請求項３２記載の光ファイバ。
34. 前記光ファイバの長さは約２０ｍから約１００ｍの範囲内であって、動作波長及びピーク帯域幅波長間の差の絶対値は約１２ｎｍから約８０ｎｍの範囲内にあって、帯域幅は動作波長で約１．２ＧＨｚ・ｋｍよりも大であることを特徴とする請求項３２記載の光ファイバ。
35. 前記光ファイバの長さは約１００ｍから約１０００ｍの範囲内にあって、動作波長及びピーク帯域幅波長間の差の絶対値は約２ｎｍから約１２ｎｍの範囲内にあって、帯域幅は動作波長で約２ＧＨｚ・ｋｍよりも大であることを特徴とする請求項３２記載の光ファイバ。
36. 前記光ファイバの長さは１０００ｍよりも大であって、動作波長及びピーク帯域幅波長の間の差の絶対値は、ゼロよりも大且つ約２ｎｍよりも小であって、帯域幅は動作波長で約３ＧＨｚ・ｋｍよりも大であることを特徴とする請求項３２記載の光ファイバ。

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