JP2008058967A - 多波長、多モード光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】動作波長全体にわたって本質的に波長依存性が無く、より多くの中心波長を伝送することが可能な多波長、多モードファイバを実現する。
【解決手段】著しいモード間分散を起こすことなく多モード、多波長動作が可能である独自の組成のアルミニウム酸化物、リン酸化物、ゲルマニウム酸化物、およびフッ素が共添加され、緩やかに変化する屈折率を有するケイ酸塩コア１２．１よりなるケイ酸塩光ファイバ。コア１２．１は屈折率がコア１２．１の中心、あるいはその近傍での最大値からクラッド１２．３との界面での最小値まで緩やかに変化する多様な組成からなっている。それぞれのコア１２．１の組成は最適コアプロファイル形状がファイバの動作波長全体にわたって基本的に一定である５次元位相空間のサブボリュームの中にある。
【選択図】図１

Description

本発明は光ファイバに関連し、特に多波長、多モードシリカ光ファイバに関する。

多横断モード光ファイバ（以後、簡単に多モードファイバと呼ぶ）の製造は非常に高度な開発レベルに達している。しかし、ある場合には多モードファイバの規格が非常に厳しいので、必要な規格を満足させられる材料およびプロセスを開発することが困難である。たとえば多くの広帯域ファイバの特性、特にその分散特性はファイバコアの直径およびその屈折率プロファイルの変化にきわめて敏感である。事実、いくつかの商業ベースの多モードファイバについての計算ではコアプロファイルの１％程の変化が最高１０％もの分散変化をもたらすことを示している。この分散の影響のために、そのようなファイバの規格は一般に単一の動作中心波長にのみ適用可能である。その制約により、顧客の規格に適合する適切な帯域幅を達成することがしばしば困難となる。もし多モードファイバが顕著な分散をもたらすことなくもっと多くの中心波長を伝送することが可能になる、つまり多モードファイバが同時に多波長ファイバであるならば、この帯域幅の制限は緩和されるであろう。その際、伝送波長はそれらが顕著に重なることの無い周波数領域に互いに十分分離されている必要があり、別の言い方をすればそれらは中心波長の線幅以上に分離されるということを意味する。

多モードファイバ設計に関する初期の研究者たちは、コアの放物線形屈折率プロファイルがファイバのモード間分散を実質的に低減することを認めていた。しかし、彼らはこの放物線形プロファイルが最適であり、それはすべての伝送波長およびファイバ組成に対して同様であると仮定した。このアプローチはファイバの材料組成が異なる場合の屈折率分散の変化を考慮に入れなかった。１９７５年頃、ＫｅｃｋとＯｌｓｈａｎｓｋｙは多モードファイバのコア及びクラッドの材料の分散特性の変化が正にどのような動作波長においても最適なプロファイル形状に影響することを認識した。彼らは、１９７５年９月９日登録の米国特許第３，９０４，２６８号明細書において、光ファイバの最適屈折率プロファイル形状を計算するために使われた現在の標準的表記について述べており、ここに参照のため引用する。この表記の中で、コア半径ａより小さい任意の半径ｒにおけるコアの屈折率ｎ_ｃ（ｒ）は式（１）により与えられる。

ここで

ｎ_ｃ１およびｎ_ｃ２はそれぞれｒ＝０およびｒ＝ａにおけるコアの屈折率であり、λは伝送媒体として光ファイバを採用するシステムの動作波長である。式（４）のｙ−パラメータによる屈折率分散の影響が認識される前は_、最適プロファイル形状パラメータα_ｏｐｔがすべてのファイバ伝送波長に対して２に等しいことが予想された。

しかし、ＫｅｃｋおよびＯｌｓｈａｎｓｋｙの研究によれば、最適なプロファイル形状は多モード光ファイバの成分ガラスの分散の顕著な変化に基づく伝送波長の関数として顕著に変化するということが認識されていた。従来技術の研究者たちは、ｙ−パラメータを低減し、それによってほぼ波長依存性の無いプロファイル形状の多モードファイバを得るためのいくつかの方法を提案した。別の言葉で言えば、彼らの目的はｄα_opt／ｄλ＝０である多モード組成構造を設計することであった。例えば、参照のためここに引用する１９７８年８月８日登録の米国特許第４，１０５，２８３号明細書の中で、Ｄ．Ｃ．Ｇｌｏｇｅ他は、ファイバコアとクラッド材の分散の間の必然的な関係を観察することによりｙ−パラメータを修正するプロセスの概要を理論的に説明した。しかし、彼らはこれらの分散特性を持ち、理論的なプロファイル形状を実現するために使用可能である具体的な材料を実際に特定することはしなかった。同じく参照のためここに引用する１９７７年５月２４日登録の米国特許４，０２５，１５６号明細書の中で、Ｇｌｏｇｅ他は、多モードファイバについて広い波長範囲でｄα_ｏｐｔ／ｄλ〜０の特性を示す具体的な組成系、ＧｅＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２ガラス系について述べた。彼らの試料は、現状の多モードファイバの標準を満たせない０．２よりはるかに低いＮＡ（開口数）を有する多モードファイバであった。さらにＪ．Ｗ．ＦｌｅｍｉｎｇはＰ_２Ｏ_５−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２ガラス系で同様の概念を発見した（参照のためここに引用する１９７７年７月５日登録の米国特許第４，０３３，６６７号明細書を参照のこと）。彼は、このガラス系が５００ｎｍ波長範囲でｄα_ｏｐｔ／ｄλ〜０であることを発見した。この系では、ファイバのＮＡを容易に０．２を超えさせることが出来る。

最適なプロファイル形状の波長依存性が無いことに対する重要性はよく知られていたが、適当な分散を与えるファイバコア組成はきわめてわずかであった。さらに、その数少ない適当な組成は環境に対する敏感性、あるいは製造の困難さなど他の問題を示すことがわかった。結果として、Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２ガラス系は多モードファイバ製造の標準とはならず、ＧｅＯ_２−ＳｉＯ_２が標準となった。
米国特許第３，９０４，２６８号明細書 米国特許第４，１０５，２８３号明細書 米国特許第４，０２５，１５６号明細書 米国特許第４，０３３，６６７号明細書 米国特許第５，２４０，４８８号明細書 米国特許第４，７７５，４０１号明細書 米国特許第５，５９６，６６８号明細書

しかし、ＧｅＯ_２で屈折率プロファイルを形成したコアは波長依存性の無い最適プロファイル形状を示さず、単一の伝送波長に対してのみ最適化される。しかしＧｅＯ_２−ＳｉＯ_２系のガラスは、ＭＣＶＤ、ＰＣＶＤ、およびＯＶＤのような現行の気相方式を用いて光ファイバコアを製造することがより容易である。今日まで、波長依存性の無い最適プロファイル形状は、商業ベースでは０．７８から１．５５μｍ範囲において（あるいはより狭い０．８５から１．３μｍ範囲でも）、いずれの多モードファイバ製造者によっても到達されていない。

こうして、ファイバの所定範囲の動作波長全体にわたって本質的に波長非依存性である基本的に最適コアプロファイル形状を有する多モードファイバに対する技術上のニーズが残っている。

本発明は、９０モル％以上のシリカを含む多成分ケイ酸塩ガラス組成の範囲における分散測定に基づいている。この研究においてもっとも重要なことは、何も添加されていないシリカクラッドとともに使われるとき、約６モル％より少ないＡｌ_２Ｏ_３が添加されたＳｉＯ_２ガラスが低いｄα_ｏｐｔ／ｄλを示し、多モードコアに非常に適する屈折率分散を有するという観察である。分散特性の測定および計算によって、発明者は少量の共添加物（ｃｏ−ｄｏｐａｎｔｓ）であるＰ_２Ｏ_５、ＧｅＯ_２およびＦがＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２およびお互いと結合して安定なガラスを生成し、顕著にｄα_ｏｐｔ／ｄλを変化させることなく屈折率、ｎ、を変化させるということを発見した。たとえば、これらの共添加物は、わずか数モル％濃度だけ意図的に混合されると、ｄα_ｏｐｔ／ｄλの変化を比較的小さく維持しながら、０．２ＮＡあるいはそれ以上の多モードファイバとして望ましい屈折率の増加をもたらす。これは、即ちα_optの変化が約０．７８から約１．５５μｍの波長範囲にわたって約０．０１より小さいということである。

本願発明の一面によれば、ケイ酸塩多モード光ファイバは、発明者が発見した著しいモード間分散を起こすことなく多モード、多波長動作が可能である独自の組成において、アルミニウム酸化物、リン酸化物、ゲルマニウム酸化物、および／あるいはフッ素が共添加（ｃｏ−ｄｏｐｅ）された多層ケイ酸塩コア領域よりなる。例として、コアは屈折率がコアの中心、あるいはその近傍での最大値からクラッド領域との界面での最小値までゆるやかに変化している多様な組成を含む。好ましくは屈折率の変化はほぼ放物線プロファイルに従う。

本願発明の他の一面によれば、コア、およびクラッドのそれぞれの組成は、所望の最適コアプロファイルパラメータ（α_ｏｐｔ）がファイバの動作波長全体にわたって基本的に一定である５次元位相空間のサブボリュームの中にある。約０．７８μｍから約１．５５μｍの波長範囲でＮＡが約０．２である多モードファイバの運用のためには、それぞれの組成は好ましくは約６モル％より少ないＡｌ_２Ｏ_３と、約９モル％より少ないＰ_２Ｏ_５と、約６モル％より少ないＧｅＯ_２と、約６モル％より少ないＦ、および９０−１００モル％のＳｉＯ_２からなる。

一実施例において、（よく知られている重水素充填のような、水素欠陥形成に対するなんらかの形の防御もなしに）コア領域は約２モル％より少ないＰ_２Ｏ_５を含む。

これまでの好ましい実施例において、コア領域はクラッド領域に隣接する外側コア領域に囲まれた内側コア領域を含み、外側コア領域は基本的にＰ_２Ｏ_５を含まず、内側コア領域は基本的にＦを含まない。他のこれまでの好ましい実施例では、外側コア領域は約２モル％より少ないＦ、および約２モル％より少ないＧｅＯ_２を含み、クラッド領域は何も添加されていないシリカからなる。

本発明を更によく理解するために、添付の図、および添付の請求の範囲を参照しつつ以下に説明する。なお、これらの図面中の構成要素は必ずしも寸法通りではない。

一般的な光ファイバの製造
光ファイバは、コアおよびクラッドとなる適切に添加された領域を含むガラスプリフォームから作られる。一般にプリフォームはその一部が炉領域の中に下ろされるように線引き塔に垂直に配置される。炉領域の中に置かれたプリフォーム部分は軟化し始め、プリフォームの下端部はネックダウン領域として知られる領域を形成し、そこではガラスはプリフォームの元の断面積からファイバの所望の断面積へと流動する。このネックダウン領域の下端から光ファイバが引かれる。

通常、光ファイバはゲルマニウムのような屈折率を高める成分が必要に応じて添加された高純度ケイ酸塩ガラスコアと、フッ素のような屈折率を下げる成分が必要に応じて添加された高純度シリカガラスの随意的な内側クラッド、および何も添加されていないシリカガラスの外側クラッドとを含む。ある製造プロセスでは、そのようなファイバを作るプリフォームは外側クラッド用のオーバークラッド管を形成し、それとは別にコア材料および内側クラッド材料を含むコアロッドを形成することによって作られる。オーバークラッド管は、例えば参照のためここに引用する１９９３年８月３１日にＥ．Ａ．Ｃｈａｎｄｒｏｓｓ他に対して登録された米国特許第５，２４０，４８８号明細書で議論されているようにゾル−ゲル製法によって形成することが出来る。あるいは、オーバークラッド管はシリカのビレット（から引かれてもよく、そのような管は商業ベースで入手可能である。コアロッドは気相軸堆積法（ＶＡＤ）、外側気相堆積法（ＯＶＤ）、プラズマ化学気相堆積法（ＰＣＶＤ）、および修正化学気相堆積法（ＭＣＶＤ）を含む当業者にはよく知られているいろいろな気相堆積法のいずれかによって作られる。例えばＭＣＶＤは横移動する酸水素トーチで管の外側を加熱しながら（基材管として知られる）シリカ管の内部に高純度ガス（例えば、シリコンとゲルマニウムを含む混合ガス）を通すことを含む。管の加熱域では粒子を管壁に堆積する気相反応が生じる。トーチの前方に形成するこの堆積は、トーチがその上を通過するときに焼結される。このプロセスは、必要量のシリカおよび／あるいはゲルマニウムが添加されたシリカが堆積されるまで連続して繰り返される。堆積が完了すると、堆積体は、基材管を縮径して、基材管が内側クラッド材の外側部分を構成する内部空間の無いロッドを得るために、加熱される。プリフォーム完成品を得るために、一般的にはコアロッドを覆うようにオーバークラッド管が配され、参照のためここに引用する１９８８年１０月４日にＤ．Ａ．Ｆｌｅｍｉｎｇ他に対して登録された米国特許第４，７７５，４０１号明細書で議論されているように、構成材は加熱され、中実で内部空間の無いプリフォームに縮径される。

上に説明したプロセスのいずれか、あるいは光ファイバ技術の当業者にはよく知られているプロセスのいずれかを用いて、発明者は以下に説明する特徴を有する光ファイバプリフォーム、およびそれから線引きされるファイバを作ることに進む。

一般的な光ファイバの構造
図１Ａ−１Ｂに示すように、本願発明の一面によれば、多モード、多波長シリカ光ファイバ１２は、環状で屈折率が低い（ｎ_ｃｌａｄ）多層クラッド領域１２．３に囲まれた比較的高い屈折率（ｎ_ｃ）の多層ケイ酸塩コア領域１２．１から成る。一実施例において、クラッド領域１２．３は多層の外側クラッド領域１２．３ｏ、およびコア領域１２．１と外側クラッド領域１２．３ｏの間に必要に応じて配される屈折率を下げるように添加された低い屈折率（ｎ_ｉｃ）の多層の内側クラッド領域１２．３ｉを含む。外側のクラッド領域１２．３ｏはｎ_ｃとｎ_ｉｃとの間の屈折率（ｎ_ｏｃ）、即ちｎ_ｉｃ＜ｎ_ｏｃ＜ｎ_ｃを有する。さらに、コア領域１２．１の屈折率はその中心、あるいはその近くにおける最大値（ｎ_ｃ）から内側クラッド領域１２．３ｉとの界面における最小値（ｎ_ｉｃ）まで緩やかに変化している。一般にその変化のプロファイルはほぼ放物線状である。

代替的に、クラッド領域１２．３は何も添加されていないシリカであってもよい。つまり、屈折率を下げるように添加された内側クラッド領域は絶対に必要なものではなく、したがって省略されてもよい。この場合、ｎ_ｃｌａｄ＝ｎ_ｏｃである。例えば、本願発明の一実施例による多モードファイバはλ＝０．８５μｍ用として何も添加されていないシリカクラッド領域１２．３に囲まれたコア領域１２．１を含む。図２Ｂに示すようにコア領域のプロファイルはｒ＝０におけるｎ〜１．４６６５からｒ＝ａにおけるｎ〜１．４５３までほぼ放物線形（α＝２．０３）に減少し、それは何も添加されていないシリカクラッド領域１２．３の屈折率ｎ_ｏｃ＝ｎ_ｃｌａｄに相当する。

さらに他の実施例において、外側クラッド領域１２．３は何も添加されていないシリカの代わりに添加されたシリカであってもよい。

好ましくは、図１Ｃに示すようにコア領域１２．１は多層の環状外側コア領域１２．１ｏに囲まれた多層の内側コア領域１２．１ｉからなる。

本願発明の一面によれば、内側と外側のコア領域１２．１ｉおよび１２．１ｏとは以下に示す一種類以上の添加物を適量共添加したシリカである。Ｐ（例えばＰ_２Ｏ_５のようなリン酸化物）、Ｇｅ（例えばＧｅＯ_２のようなゲルマニウム酸化物）、Ａｌ（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３のようなアルミニウム酸化物）、およびＦ。一般にＰ_２Ｏ_５、ＧｅＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３はシリカの屈折率を高くするために使われ、それに対してＦはそれを低くするために使われる。しかし重要なことは、共添加物の構成比およびコア領域内でのそれらの分布は、最適プロファイル形状パラメータ（α_ｏｐｔ）は約０．７８μｍから約１．５５μｍ、好ましくは少なくとも０．８５μｍから１．３μｍの範囲にわたって基本的に波長に依存しないように、ＮＡが約０．２になるように選ばれる。

これまでの多モード、多波長ファイバの好ましい実施例において、コア領域１２．１の組成はほぼ以下に述べる濃度を超えない程度の共添加物を含む。コア領域のＳｉＯ_２の濃度が約９０−約１００モル％の範囲になるように、約６モル％より少ないＡｌ_２Ｏ_３、約９モル％より少ないＰ_２Ｏ_５（他の実施例では２モル％）、約６モル％より少ないＧｅＯ_２、及び約６モル％より少ないＦ。さらに、外側のクラッド領域１２．３が何も添加されていないシリカであるファイバについて共添加物の空間的な分布は好ましくは内側コア領域１２．１ｉは基本的にＦを含まず、それに対して外側コア領域１２．１ｏは基本的にＰ_２Ｏ_５を含まないように構成される。さらに外側クラッド領域１２．３が何も添加されていないシリカであるとき、外側コア領域１２．１ｏは好ましくは約６モル％より少ないＦを含み、好ましくは少量のＧｅＯ_２を含む（それは以下に議論するように、内側コア領域のＧｅＯ_２の量に依存する）。

他の好ましい空間的分布の観点で、共添加物の濃度はそれぞれ内側および外側コア領域１２．１ｉおよび１２．１ｏの範囲内で緩やかに変化している。適当な変化はコア領域内に所望の屈折率プロファイルを生成し、さらに外側コア領域１２．１ｏの分散をクラッド領域１２．３の分散と適合させることが可能となる。

一般に、モード間の分散の最小化のためには外側コア領域１２．１ｏの屈折率分散がそれを囲む材料、つまり外側コア領域１２．１ｏに直接隣接するクラッド領域部分の材料の分散と適合することが重要である。例えば、ＰＣＶＤあるいはＭＣＶＤがファイバの製造に使われるとき、クラッド領域１２．３は一般に何も添加されていない溶融シリカであり、したがって外側コア領域１２．１ｏはそのような何も添加されていないシリカの分散と適合するべきなのである。

あるコア領域層において濃度ゼロモル％は許容され、屈折率プロファイルが緩やかに変化するという事実認識が、４つの添加物のいずれかひとつあるいはそれ以上がコア領域のひとつあるいはそれ以上の層の中で省かれることを許容する（例えばコア領域は使われる製造技術によって１００から１０００の層を含む。）。一方、上限は、これらの制限を越える濃度はプロファイルの形状パラメータを波長に依存するようにする傾向があるという発明者の発見に基本的に関係している。ある場合には、上限は例えば環境条件によって逆に影響される他のファイバ特性にも関連しているかもしれない。

ファイバ中でコア領域のＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２と結合すると、Ｆはα_ｏｐｔの望ましい波長に依存しない振る舞いを維持しながらＮＡを増加させるために非常に有用であるということを発明者は見出している。

発明者の分散研究における他の新事実は、クラッド領域の組成が何も添加されていないシリカの屈折率分散に似た屈折率分散を有するとき、コア領域で使うことが出来るＧｅＯ_２の量に制約があるということである。ＧｅＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２ガラス系について以前に見出されたように、ＧｅＯ_２は低いｄα_ｏｐｔ／ｄλを示す多モード導波路の屈折率を高める添加物として使われる。しかしながら、屈折率分散がＳｉＯ_２のそれに比較してあまりにも大きく変化し始め、かつｄα_ｏｐｔ／ｄλが多波長動作のためにはあまりにも大きくなる前に、約６モル％より少ないＧｅＯ_２がコア領域で使用可能である。例えば、従来技術による多モードファイバにおけるｄα_ｏｐｔ／ｄλの一般的な変化は、０．８５μｍから１．３μｍの波長の間で（受け入れがたいものであるが）０．１くらい高くなり得る。多モードファイバにおけるＧｅＯ_２添加についての既存知識とは逆に、外側コア領域１２．１ｏにおいて適当量の少量のＧｅＯ_２が実際にｄα_ｏｐｔ／ｄλを下げることが出来るというのが発明者の観察である。例えば、何も添加されていないシリカクラッドを有する多モードファイバについて二つの例示的な場合を考える。内側コア領域が最大で約５モル％のＧｅＯ_２を有するとき、外側コアは例えば最大で約２モル％のＧｅＯ_２を有する。一方、内側コア領域が最大で約６モル％のＧｅＯ_２を有するとき、外側コアは、例えば約４モル％より少ないＧｅＯ_２を有する。

Ｐ_２Ｏ_５は低いｄα_ｏｐｔ／ｄλのための良好な屈折率増加添加物であるが、有害な水素敏感性を有し、重水素充填のような水素欠陥形成に対する何らかの防御（例えばファイバの製造に使われる基材管内の水素吸着部）なしに約２モル％以上を使うことが出来ない。この水素損失不動態化の方法は他のファイバ設計ではよく知られていて、本願発明による多モードファイバに有効であろう（例えば、参照のためここに引用するＤ．Ｊ．Ｇｉｏｖａｎｎｉ他の米国特許第５，５９６，６６８号明細書を参照のこと）。そのような修正によって、本願発明の少なくともいくつかの実施例においてＰ_２Ｏ_５は９モル％まで有用である。

多モード光ファイバ設計の例
本願発明の一実施例による多モードファイバのコア領域内の添加物濃度プロファイルの例が、図２Ａに示されている。内側コア領域１２．１ｉはｒ＝０からｒ＝ｉ（例えば、ｉ＝０．７５ａ、ここでｄ_ｃ＝２ａ）まで伸び、それに対して外側コア領域はｒ＝ｉからｒ＝ａまで伸びている。クラッド領域１２．３は例えば波長０．８５μｍにおける屈折率ｎ_ｃｌａｄ＝ｎ_ｏｃ〜１．４５３である何も添加されていないシリカである。

一般に、ｒ＝ｉにおける内側および外側のコア領域の界面は、内側コア領域に対するモードグループの具体的な数を閉じ込めたいという要望によって決定される。例えば、最初の１７モードグループを内側コア領域に閉じ込めるためには、外側コア領域との界面は概ねｒ＝ｉ＝０．７５ａに位置しなければならない。「モードグループ」は基本的に同じ伝播定数をもつ導波モードの集まりである。

対応するコア領域のほぼ放物線状（α＝２．０３）の屈折率の変化が図２Ｂに示される。この場合、Ａｌ酸化物、Ｐ酸化物、およびＧｅ酸化物の添加物の濃度は以下のように層から層へと変化する。（１）Ａｌ_２Ｏ_３濃度はｒ＝０からｒ＝０．４ａまで約６モル％で基本的に一定であり、それから基本的にｒ〜ａで０モル％まで直線的に減少する。（２）Ｐ_２Ｏ_５濃度はｒ＝０において約３モル％の最大値からｒ＝ｉ〜０．７５ａにおける０モル％まで基本的に直線的に減少する。（３）ＧｅＯ_２濃度はｒ＝０における約１モル％からｒ＝ａにおける約２モル％の最大値まで基本的に直線的に増加する。そして、（４）Ｆ濃度はｒ＝ｉ〜０．７５ａにおける０モル％からｒ＝ａにおける約２モル％（例えば１．９モル％）の最大値まで基本的に直線的に増加する。注目すべきことは、内側コア領域１２．１ｉはＦを含まず、それに対して外側コア領域１２．１ｏはＰ_２Ｏ_５を含まず、外側コア領域１２．１oは内側コア領域１２．１ｉよりも高いＧｅＯ_２濃度を有していることである。

外側コア領域１２．１ｏのために選択された特定の組成、特にｒ＝ａ、あるいはその近傍の層の分散がこの形式の多モードファイバのクラッド領域１２．３として使われる何も添加されていない溶融シリカの伝送波長領域での分散と適合することに注目することも重要である。変化するコア領域のいろいろな組成が決定される方法が以下の節で説明される。

多モード動作の場合には、コア１２．１の直径（ｄ_ｃ）は通常約３０から約１００μｍの範囲にある。コア領域の直径が約３０と約６５μｍの間にあるときには外側クラッド領域の直径（ｄ_ｏｃ）は約１２５μｍであるが、コア領域がもっと大きく、約６５と約１００μｍの間にあるときにはｄ_ｏｃは約１４０μｍである。それに対して、内側クラッド領域１２．３ｉ（もしそれが使われるならば）の厚さ（ｔ_ｉｃ）はファイバの最長動作波長に比例して大きくなければならない（例えば約１．６μｍまでの動作に対して数μｍ厚）。

さらに、これまでの標準による多モード動作に対してコア領域１２．１の開口数（ＮＡ）は通常０．２００±０．０１５である。ＮＡは（ｒ＝０における）内側コア領域とクラッド領域との間の屈折率差によって制御されるよく知られたファイバパラメータであり、逆に両方の添加物によって決定される。こうして、コア領域の約９モル％のＰ_２Ｏ_５が何も添加されていないＳｉＯ_２のクラッドと結合されると所望のＮＡ〜０．２を作り出すであろう。同じく、６モル％のＡｌ_２Ｏ_３と４モル％のＰ_２Ｏ_５のようなシリカ中の複数のドーパントと何も添加されていないＳｉＯ_２クラッドとが、同様のＮＡになるであろう。

変化のあるコアおよびクラッドの組成の決定
これから、約０．７８−約１．５５μｍの波長範囲にわたるモード分散が許容できる低いレベルにあるような方法でコアの屈折率を緩やかに変化させるための適切な組成をいかに選ぶかについて説明する。組成の屈折率ｎおよびプロファイル形状はセルマイヤ（Ｓｅｌｌｍｅｉｅｒ）の分散関係式として知られる式（６）を使って計算できる。

ここで振動強度Ａｉは式（７）で与えられ、

振動波長Ｌｉは式（８）によって与えられる。

Ｍ_ｘはそれぞれの成分ｘ＝Ａ、Ｐ、Ｇ、ＦおよびＳのモル比であって、Ａ、Ｐ、Ｇ、ＦおよびＳはそれぞれＡｌ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_５、ＧｅＯ_２、ＦおよびＳｉＯ_２の省略形である。

これらのパラメータを使うセルマイヤ関係式は波長範囲（約０．７８−約１．５５μｍ）、および本願発明の組成範囲にわたって正確である。繰り返しになるが、この範囲は、約９０から約１００モル％ＳｉＯ_２だけでなく、約６モル％よりも少ないＡｌ_２Ｏ_３と、約９モル％よりも少ないＰ_２Ｏ_５と、約６モル％よりも少ないＧｅＯ_２と、および約６モル％よりも少ないＦよって規定される。

式（６）を使い、かつそれぞれの組成に対するｎ（λ）の測定から得られた実験データを外挿することにより、以下の表ＩのＡ_ｉおよびＬ_ｉの値を決定した。

プリフォームのコア領域は、異なる屈折率ｎ_ｊ（ｊ＝１，２、３、．．．、Ｎ）に対応する異なる組成Ｃ_ｊをそれぞれ有するＮ個（例えばＮ＝１００）の層を順に基材管の上に堆積することによって形成されると仮定する。最初に、多モードファイバと所望のクラッドに必要なＮＡを決定しなければならない。次いで、以下の式（９）を用いてｎ_ｃｏｒｅを決定できる。

ここでｎ_ｃｏｒｅはｒ＝０で測定され、ｎ_ｃｌａｄはｒ＞ａで測定される。広帯域幅（例えば、ローカルエリアネットワークに使われる１０ギガビットイーサネット（登録商標））を必要とする多くの多モードファイバ用途では、選択されるファイバはＮＡが０．２±０．０１５で直径がｄ_ｃ＝５０μｍのコア領域１２．１と直径がｄ_ｏｃ＝１２５μｍの外側クラッド領域１２．３ｏとを有する（この例では内側クラッド領域は使われない）。しかし一般的にはクラッドは必ずしもシリカである必要はない。それから式（６）を用いてｒ＝０における適切なコア領域組成を決定し、その組成について伝送範囲内の任意のある波長に対する屈折率を決定することが出来る。

さらに具体的には、式（６）を用いて、ｒ＝０におけるコア組成を選択し、それぞれの堆積層に対するｎ_ｃの値がいくつであるかを計算する（通常は繰り返し処理）。最終的に、ｎ_ｃおよびＮＡの値から計算したｎ_ｏｃの必要な値を与えるｒ＝ａにおけるコア組成を決定する。正しいｎ_ｏｃの値を与えるｒ＝ａにおける必要なコア組成を決定するための繰り返し処理の中で再度式（６）を用いる。つまりｒ＝ａにおける屈折率分散はクラッドの屈折率分散に近いということを裏付けるｎ_ｏｃの値。クラッドに比較してｒ＝ａにおける屈折率にはわずかな段あるいはくぼみがあり得るが、それはクラッドの屈折率（０．８５μｍにおいて１．４５３）に比較して非常に小さな（約±０．００１）屈折率の変化のはずである。これら２つの組成がコアのそれぞれの介在層の組成を決定するために使われる組成の経路の終点を与える。

分散の計算
発明者は、Ａｌ_２Ｏ_３−Ｐ_２Ｏ_５−ＧｅＯ_２−Ｆ−ＳｉＯ_２系のガラスを製造した。バルクのガラス片の屈折率分散データを使って、種々の多モードファイバ構造の最適プロファイル形状α_ｏｐｔを計算した。その結果は、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３−Ｐ_２Ｏ_５を添加したＳｉＯ_２ガラスとの相対的な類似性のために、最適プロファイル形状α_ｏｐｔの波長依存性は従来技術によるＧｅＯ_２−ＳｉＯ_２系で観察される変化よりもかなり小さいことを示している。実際に、添加されていないＳｉＯ_２クラッド領域１２．３とα＝２．０１５を生じる２つの添加物の濃度勾配を有する６モル％Ａｌ_２Ｏ_３−４モル％Ｐ_２Ｏ_５−９２モル％ＳｉＯ_２ガラスコア領域１２．１について、この計算は０．８５μｍと１．３μｍに対する最適形状はほとんど等しく、ずれは全波長範囲にわたって０．５％α_ｏｐｔ以下であることを示している。

ＧｅＯ_２の屈折率増加特性は、それを多モード光ファイバの製造に継続して使われる望ましい添加物にしているが、さらに内側コア領域１２．１ｉで減少しながらも外側コア領域１２．１ｏでそれを使用することは、最適プロファイルの伸張が増強されるように外側コア領域の分散を抑制するために役立つ。発明者は、６モル％までのＧｅＯ_２がα_ｏｐｔの波長非依存性の向上を維持しながらコア領域にＡｌ_２Ｏ_３とあわせて加えることが出来ることを見出した。上記の解析を通して、本願発明の発明者は０．７８μｍと１．５５μｍの両方とその間の全波長においてプロファイル形状α_ｏｐｔを満足させられるガラスを得られるようなＡｌ_２Ｏ_３−Ｐ_２Ｏ_５−ＧｅＯ_２−ＳｉＯ_２−Ｆガラス系の組成空間があることを見出した。

図３は、以下の表ＩＩに記載する５つのコア−クラッド領域の組成について計算した最適プロファイル形状パラメータα_ｏｐｔの挙動を示す。さらに、曲線Ｖに対応するこれまでの好ましいファイバのそれぞれの構成要素の具体的な分布が図２Ａに示されている。

計算された挙動は、プロファイル形状パラメータαが最適に近い広い波長範囲をもたらす多モードファイバのコア領域に対して上記の許容される組成（標準の多モードファイバ設計を表す曲線ＩＩを除く）から体系的に選ばれたガラスを示している。例えば、曲線Ｉのα_ｏｐｔは０．８５μｍにおける約２．０３から１．３μｍにおける約２．０２まで極わずかに変化し、それはほんの約０．５％程度の変化を表す。同様に、曲線ＩＩＩ、ＩＶ、およびＶに対するα_ｏｐｔも同じ波長範囲にわたって極めて小さな変化を示している。４つの曲線は全て、この波長範囲でα_ｏｐｔの許容される非依存性を示すが、曲線Ｖはこの波長範囲でα_ｏｐｔが最小の変化を示す。一方、典型的な従来型多モードファイバを表す曲線ＩＩα_ｏｐｔはかなり大きな変化を示し、約２．０３から約１．９２（５．４％）まで劇的に減少し、それは同じ波長範囲にわたる本願発明のファイバが示す変化の１０倍以上である。

種々の材料、寸法、および動作条件は単に例示のために提供され、他の特段の記述がなければ発明の範囲を限定するべく意図されてはいない。

上記の構成は本発明の理論の応用を表現するために考えられうる多くの可能性のある具体的な実施例の単なる例示であることが理解されるべきである。多くの、また変更した他の構成が、当業者によって本発明の精神および範囲から逸脱することなくこれらの理論に従い考案されうる。特に、本願発明は、ガラス体が光ファイバプリフォームあるいはそのようなプリフォームから線引きされるファイバそのものである２つの場合について、コア領域およびそれを取り囲むクラッド領域を有するシリカガラス体に適用が可能である。

図１Ａは、一実施例による、伝播軸方向にとった光ファイバの軸部分の断面概略図であり、図１Ｂは、図１Ａに示すファイバの屈折率プロファイルの概略図であり、そして図１Ｃは、他の実施例による、コア領域が内側コア領域および外側コア領域とを含む光ファイバのコア領域の軸部分の断面外略図である。 図２Ａは、図３の曲線Ｖおよび表ＩＩで表される実施例による、基本的に何も添加されていないシリカのクラッド領域を有するシリカ多モードファイバのコア領域内の４つの共添加物それぞれの濃度プロファイルを示すグラフであり、図２Ｂは、波長０．８５μｍにおける図２Ａのファイバのコア領域の基本的に放物線状屈折率プロファイルを示すグラフである。図示しないが、伝送帯域内の他の波長における対応するプロファイルは同じ形状をしているが、縦軸（屈折率）に沿って位置がずれる。 一実施例による、いろいろなコア領域組成に対して計算した最適プロファイル形状パラメータが波長の関数としてどのように変化するかを示すグラフである。特に、いろいろなコア領域組成が表ＩＩで与えられ、ここでクラッド領域は基本的に何も添加されていないシリカである。

符号の説明

１２ 多モード、多波長シリカ光ファイバ
１２．１ 多層ケイ酸塩
１２．１ｉ 内側コア領域
１２．１ｏ 外側コア領域
１２．３ コア領域
１２．３ｉ 内側クラッド領域
１２．３ｏ 外側クラッド領域

Claims (14)

1. 約０．７８から約１．５５μｍの範囲の波長における広帯域動作のための屈折率プロファイル形状パラメータを有する多層ケイ酸塩ガラスコア領域と、
   前記コア領域に隣接するクラッド領域とを含み、
   前記コアおよびクラッド領域が、約０．２の開口数（ＮＡ）を有し、かつ前記波長範囲内の少なくとも２つの波長で前記コア領域内での光放射の同時伝播に対応するように構成され、そして、
   前記コア領域が、アルミニウム酸化物、リン酸化物、ゲルマニウム酸化物、およびフッ素が共添加され、そして、前記コア領域の屈折率が半径方向に緩やかに変化し、かつ前記ファイバの最適プロファイル形状パラメータが前記範囲内で基本的に波長に依存しないように、前記共添加物の濃度および分布が半径方向に変化することを特徴とする多モード光ファイバ。
2. 前記コア領域が、約６モル％より少ないＡｌ_２Ｏ_３と、約９モル％より少ないＰ_２Ｏ_５と、約６モル％より少ないＧｅＯ_２と、約６モル％より少ないフッ素とにより共添加され、かつ９０−１００モル％のＳｉＯ_２を含むことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
3. 前記コア領域が、約２モル％より少ないＰ_２Ｏ_５で共添加されていることを特徴とする請求項２に記載のファイバ。
4. 前記コア領域が内側コア領域および外側コア領域を含み、前記内側コア領域が基本的にフッ素を含まず、そして、前記外側コア領域が基本的にリン酸化物を含まないことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
5. 前記コア領域が内側コア領域および外側コア領域を含み、そして前記外側コア領域の分散が前記クラッド領域の分散と基本的に同じであることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
6. 前記クラッド領域が何も添加されていないシリカを含むことを特徴とする請求項５に記載のファイバ。
7. 前記外側コア領域が約２モル％より少ないフッ素を含むことを特徴とする請求項６に記載のファイバ。
8. 前記外側コア領域が約２モル％より少ないゲルマニウム酸化物を含むことを特徴とする請求項６に記載のファイバ。
9. 前記外側コア領域が前記内側コア領域よりも高いゲルマニウム酸化物の濃度を有することを特徴とする請求項８に記載のファイバ。
10. 前記コア領域の屈折率が前記コア領域の中心における最大値から前記コア領域の外側端付近における最小値まで緩やかに変化し、前記緩やかな変化が式（１）、即ち、
    

    

    
    で定義される基本的に放物線形プロファイルに従うことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
11. 前記屈折率プロファイル形状パラメータが前記範囲に渡って約０．０１より小さい範囲で変化することを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
12. 約０．７８から約１．５５μｍの範囲の波長における広帯域動作のための屈折率プロファイルパラメータを有する多層ケイ酸塩ガラスコア領域を含み、前記コア領域が内側コア領域と外側コア領域を含み、さらに、
    前記外側コア領域に隣接する何も添加されていないクラッド領域を含み、前記コアおよびクラッド領域が、０．２００±０．０１５のＮＡ（開口数）を有し、かつ前記波長範囲内の少なくとも２つの波長で前記コア領域内での光放射の同時伝播に対応するように構成され、
    前記コア領域層が、約６モル％より少ないＡｌ_２Ｏ_３と、約９モル％より少ないＰ_２Ｏ_５と、約６モル％より少ないＧｅＯ_２と、約６モル％より少ないフッ素とにより共添加され、かつ９０−１００モル％のＳｉＯ_２を含み、前記コア領域の屈折率が半径方向に緩やかに変化し、かつ前記ファイバの最適プロファイル形状パラメータが前記範囲内で基本的に波長に依存しないように、前記共添加物の濃度が半径方向に変化し、
    前記外側コア領域が基本的にＰ_２Ｏ_５を含まず、かつ前記内側コア領域が基本的にＦを含まず、
    前記外側コア領域は前記内側コア領域よりも高いＧｅＯ_２の濃度を有し、そして、
    前記外側コア領域の分散が前記何も添加されていないシリカクラッド領域の分散と基本的に同じであることを特徴とする多モード光ファイバ。
13. 前記屈折率プロファイル形状パラメータが前記範囲に渡って約０．０１より小さい範囲で変化することを特徴とする請求項１２に記載のファイバ。
14. 前記内側コア領域の半径ｒがｒ＝０からｒ＝ｉまで広がり、外側コア領域の半径がｒ＝ｉからｒ＝ａまで広がり、そして、（１）Ａｌ_２Ｏ_３濃度がｒ＝０からｒ＝０．４ａまで約６モル％で基本的に一定であり、それからｒ〜ａにおいて０モル％まで基本的に直線的に減少し、（２）Ｐ_２Ｏ_５濃度がｒ＝０における約３モル％の最大値からｒ＝ｉ〜０．７５ａにおける０モル％まで基本的に直線的に減少し、（３）ＧｅＯ_２濃度がｒ＝０における約１モル％からｒ＝ａにおける約２モル％の最大値まで基本的に直線的に増加し、そして、（４）Ｆ濃度がｒ＝ｉ〜０．７５ａにおける０モル％からｒ＝ａにおける約２モル％の最大値まで基本的に直線的に増加することを特徴とする請求項１３に記載のファイバ。

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