JP2008511873A - 複屈折及び大モードフィールド径をもつ光ファイバ - Google Patents
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Abstract
発明にしたがえば、光ファイバは、第1の屈折率(n1)を有し、屈折率がn0の最内コア領域を含むコア、及び、コアを囲む、第3の屈折率(n3)を有するクラッドを有し、n1>n3及びn0<n1である。実施形態のいくつかにしたがえば、光ファイバは、コアを囲んでコアに接し、コアとクラッドの間にあるモートも有することができ、モートは第2の屈折率(n2)を有し、n3>n2である。コア、最内コア領域及び/またはモートの内の少なくとも1つは非円形状を有することが好ましい。
Description
本発明は全般的には光導波路ファイバに関し、さらに詳しくは、偏波維持特性または単一偏波特性を示す光ファイバに関する。
単一偏波光ファイバは超高速伝送システムのためあるいは、光コンポーネント(レーザ、EDFA(エルビウムドープファイバ増幅器)、光計器、干渉センサ、ジャイロスコープ等)とともに使用するため及びこれらの光コンポーネントとの接続のためのカップラファイバとして用いるために有用である。偏波特性(単一偏波)は、単一偏波帯域内で、2つの直交偏極偏波の内の一方、しかもその一方だけを伝搬させ、他方の偏波はその伝送損失を劇的に高めることによって抑制する。
(偏波保存ファイバと称されることもある)偏波維持ファイバは2つの概ね直交する軸上で入力偏波を維持することができる。一般の偏波維持ファイバは応力複屈折部材を有し、図1に示されるように、内層クラッド領域11で囲まれた中心コア10を有する。コア10及びクラッド領域11は光導波路の形成に用いられる通常の材料で形成される。コア材料の屈折率はクラッド材料の屈折率より高い。単なる例として、コア10は、酸化ゲルマニウムなどの、シリカの屈折率を高める1つまたはそれより多くのドーパントを含有するシリカからなることができる。クラッド領域11は純シリカ、コア10より含有ドーパント量が少ないシリカまたは、そのうちの少なくとも1つはシリカの屈折率を低めるホウ素またはフッ素などの元素の酸化物である、1つまたはそれより多くの屈折率下げドーパントを含有するシリカからなることができる。
図1においては、クラッド材料11の熱膨張係数(TCE)とは異なるTCEを有するガラス材料で形成された2つの応力誘起領域12がコア10を挟んで直径方向に対向している。そのようなファイバが線引きされる場合、軸方向に延びる領域12及び領域12に直交方向に配されたクラッド領域は、相異なる大きさの収縮を受け、よって領域12は伸張歪または圧縮歪をもつ状態になるであろう。(応力誘起複屈折とも称される)歪誘起複屈折がファイバに与えられ、よって2つの直交偏極基本モード間の結合を弱める。その屈折率は内層クラッド領域11の屈折率以下であることが好ましい、外層クラッド領域13が領域12を囲む。領域13は、例えば、クラッド領域11としての使用について上に挙げた材料のいずれかからなることができる。そのような、これらの応力誘起領域12を有するファイバが単一偏波特性を提供しないことは認められるはずである。
相異なる偏波の減結合手段として、ファイバコアの形状を細長くするかまたは歪めることによって、単一モード光ファイバの偏波性能における若干の改善が達成された。そのような細長形コアを有する光ファイバ導波路の例は特許文献1,2及び3に開示されている。従来技術の図2は、屈折率がn1のコア4,及び屈折率がn2のクラッド5を有し、細長形コア4が長軸a及び短軸bを有する、導波路1を示す。しかし、一般に、非円形状だけでは所望の単一偏波特性を得るに十分ではない。このタイプの光ファイバの複屈折は比較的低い(すなわち10−5以下)ことにも注意されたい。
したがって、偏波維持性能または単一偏波性能を提供するであろう、製造も容易な、光ファイバを得ることが進行中の開発領域であった。
米国特許第4184859号明細書
米国特許第4274854号明細書
米国特許第4307938号明細書
本発明の課題は、優れた偏波維持性能または単一偏波性能を有し、製造が容易な、光ファイバを提供することである。
定義
以下の定義及び用語は技術上普通に用いられている。
以下の定義及び用語は技術上普通に用いられている。
屈折率プロファイル−屈折率プロファイルは、ファイバの選択された部分にわたる屈折率(Δ%)と(光ファイバの中心線から測定される)光ファイバ半径の間の関係である。
複屈折−複屈折は2つの偏波モードの実効屈折率の間の差である。
半径−ファイバのセグメントの半径は一般に、用いられる材料の屈折率が異なる組成についてとる点に関して定められる。例えば、セグメントの第1の点は中心線上にあるから、中心コアの内半径はゼロである。中心コアセグメントの外半径は導波路の中心線から正のデルタを有する中心コアの屈折率の最終点まで引かれた半径である。第1の点が中心線から外れているセグメントについては、導波路の中心線から第1の屈折率点の位置までの半径がそのセグメントの内半径である。同様に、導波路の中心線からセグメントの最終屈折率点の位置までの半径がそのセグメントの外半径である。例えば、中心コアを囲む屈折率下げドープされた環状セグメントは環状セグメントとクラッドの間の界面にある外半径を有することになろう。
によって定められる屈折率の相対尺度を表し、niはiとして表される屈折率プロファイルセグメントの最高屈折率であり、基準屈折率ncはクラッド層の屈折率にとられる。セグメントのいかなる点もクラッドに対して測られた対応相対屈折率を有する。
本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、偏波維持(保存)特性を示す、光ファイバが提供される。本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、単一偏波帯域(SPB)内で単一偏波特性を示す、光ファイバが提供される。ファイバパラメータはSPBが動作波長帯域に一致するように選ばれることが好ましい。
本発明にしたがえば、光ファイバは、第1の屈折率(n1)を有するコアであって、屈折率がn0の最内コア領域を含むコア及びコアを囲むクラッドを有し、クラッドは第3の屈折率(n3)を有し、n1>n3及びn0<n1である。本光ファイバはX-X軸またはY-Y軸の少なくとも一方において偏波維持特性を示す。いくつかの実施形態にしたがえば、光ファイバは、コアを囲んでコアに接してコアとクラッドの間にあるモートも有することができ、モートは第2の屈折率(n2)を有し、n3>n2である。コア、最内コア領域及び/またはモートの内の少なくとも1つは非円形状を有することが好ましい。
本発明の一実施形態にしたがえば、光ファイバは:
(i) 第1の屈折率n1を有し、X-X軸に沿う第1の寸法a1及びY-Y軸に沿う第2の寸法a2を有するコア。軸X-Xは軸Y-Yに直交する。コアは、中心の周りの、屈折率がn0の最内コア領域を有し、n0<n1である。最内コア領域は互いに直交して測られる外寸b1及びb2を有する;
(ii) コアを囲んでコアに接し、第2の屈折率n2,第1の寸法a1と同じく軸X-Xに沿う外寸c1及び第2の寸法a2と同じく軸Y-Yに沿う外寸c2を有する、モート;及び
(iii)モートを囲む、第3の屈折率(n3)を有する、クラッド;
を有し、
コア、最内コア領域またはモートの内の少なくとも1つは、比a2/a1,b2/b1,c2/c1の内の少なくとも1つが1:1ではないように横に細長くされ;
n1>n3>n2であり;
比a2/a1は1と3.0の間であり;
比c1/a1は1.0と4.0の間であって;
光ファイバはX-X軸またはY-Y軸の内の少なくとも一方において偏波維持特性を示す。最内コア領域は、例えば、ファイバコアの軸長に沿って延びる空気孔または屈折率下げドープされたロッドとすることができる。
(i) 第1の屈折率n1を有し、X-X軸に沿う第1の寸法a1及びY-Y軸に沿う第2の寸法a2を有するコア。軸X-Xは軸Y-Yに直交する。コアは、中心の周りの、屈折率がn0の最内コア領域を有し、n0<n1である。最内コア領域は互いに直交して測られる外寸b1及びb2を有する;
(ii) コアを囲んでコアに接し、第2の屈折率n2,第1の寸法a1と同じく軸X-Xに沿う外寸c1及び第2の寸法a2と同じく軸Y-Yに沿う外寸c2を有する、モート;及び
(iii)モートを囲む、第3の屈折率(n3)を有する、クラッド;
を有し、
コア、最内コア領域またはモートの内の少なくとも1つは、比a2/a1,b2/b1,c2/c1の内の少なくとも1つが1:1ではないように横に細長くされ;
n1>n3>n2であり;
比a2/a1は1と3.0の間であり;
比c1/a1は1.0と4.0の間であって;
光ファイバはX-X軸またはY-Y軸の内の少なくとも一方において偏波維持特性を示す。最内コア領域は、例えば、ファイバコアの軸長に沿って延びる空気孔または屈折率下げドープされたロッドとすることができる。
いくつかの実施形態にしたがえば、光ファイバ構造により、少なくとも5nmであることが好ましく、10nmより広いことがさらに好ましく、50nmより広いことがさらに一層好ましい、SPB幅を示す性能が得られる。本発明にしたがう光ファイバのいくつかの実施形態において、SPB幅は70〜240nmである。
さらに詳しくは、これらの実施形態において、一方の偏波の実効屈折率値はその偏波がSPB内で伝搬できないような値であり、他方の直交偏波にはその偏波がSPB内でまだ伝搬できるような異なる実効屈折率がともなう。したがって、SPB内の単一偏波伝搬が比較的単純な構造をもつファイバによって得られる。
好ましくは、コアは酸化ゲルマニウムドープシリカを含有し、モートはフッ素またはホウ素がドープされたシリカを含有する。最内コア領域は、空気孔または屈折率下げドープされたガラス、例えばフッ素またはホウ素がドープされたシリカである。最内コア領域の相対屈折率Δ1%は、−0.15%より負で大きいことが好ましく、−0.5%より負で大きいことがさらに好ましい。コアについての最大相対屈折率Δ2%は、0.2%より大きいことが好ましく、0.5%と2.5%の間であることがさらに好ましい。同様に、モートの相対屈折率Δ3%は、−0.15%より負で大きいことが好ましく、−0.15%と−0.8%の間であることがさらに好ましい。本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を添付図面とともに含む本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。
本明細書における説明の目的のため、本発明が様々な別の構成を、そうではないことが明示されている場合を除いて、とり得ることは当然である。添付図面に示され、本明細書で以下に説明される特定のファイバは、添付される特許請求の範囲で定められる本発明の概念の例示的な実施形態であることも当然である。したがって、本明細書に開示される実施形態に関する特定の諸元及びその他の物理的性質は、限定であることが特許請求項に明白に述べられていない限り、限定と見なされるべきではない。本明細書で用いられるように、本明細書に与えられる光学測定値は全て、そうではないことが明示されていない限り、基本偏波モードにおける値である。
本発明の実施形態にしたがえば、光ファイバ20(図3A,3B参照)は第1の屈折率n1及び外寸a1,a2をもつコア30並びにコア30を囲むクラッド50を有し、コアは屈折率がn0で外寸がb1,b2の最内コア領域32を有し、クラッド50は第3の屈折率n3を有し、n1>n3及びn0<n1である。実施形態のいくつかにおいて、光ファイバ20は、コア30を囲んでコア30に接し、コア30とクラッド50の間にあるモート40をさらに有し、モート40は第2の屈折率n2及び外寸c1,c2を有し、n3>n2である。クラッド50の外寸は約70μmと140μmの間であることが好ましく、約80〜125μmであることがさらに好ましいが、いくつかの実施形態においては、外寸が例えば150μmより大きいクラッド外寸を有することができる。ファイバ20は次いで(明解さのために図示されていない)通常の2弾性率コーティングで被覆されて、外寸が約250μmになることが好ましい。
モート40が存在しなければ、光ファイバは一般に偏波維持(PM)ファイバとして機能するであろう。光ファイバがモートを有していれば、光ファイバは単一偏波(SP)ファイバとして機能するであろう。コア30,最内コア領域32及び/またはモート40の内の少なくとも1つは非円形状(例えば、細長形状)を有することが好ましい。
本発明の実施形態のいくつかにしたがえば、図3Cに示されるように、光ファイバ20は:
第1の屈折率n1を有し、X-X軸に沿う第1の寸法a1及びY-Y軸に沿う第2の寸法a2を有する、コア30。軸X-Xは軸Y-Yに概ね直交し、コア30は、中心の周りの、屈折率がn0の最内コア領域32を有し、n0<n1であって、最内コア領域32は互いに直交する外寸b1及びb2を有する;
コア30を囲む、第3の屈折率n3を有する、クラッド50;
を有し、
コア30または最内コア領域32の内の少なくとも1つは、比a2/a1及びb2/b1の内の少なくとも1つが1:1ではないような細長形にされ;
n1>n3であり;
比a2/a1は1と3.0の間であって;
光ファイバはX-X軸またはY-Y軸の内の少なくとも一方において偏波維持特性を示す。最内コア領域は32、例えば、ファイバコアの軸長に沿って延びる空気孔または屈折率下げドープされたシリカのロッドとすることができる。偏波維持光ファイバ20は高い偏波維持性能を示す。光ファイバ20の複屈折の大きさは少なくとも5×10−5,好ましくは1×10−4,最も好ましくは5×10−4である。
第1の屈折率n1を有し、X-X軸に沿う第1の寸法a1及びY-Y軸に沿う第2の寸法a2を有する、コア30。軸X-Xは軸Y-Yに概ね直交し、コア30は、中心の周りの、屈折率がn0の最内コア領域32を有し、n0<n1であって、最内コア領域32は互いに直交する外寸b1及びb2を有する;
コア30を囲む、第3の屈折率n3を有する、クラッド50;
を有し、
コア30または最内コア領域32の内の少なくとも1つは、比a2/a1及びb2/b1の内の少なくとも1つが1:1ではないような細長形にされ;
n1>n3であり;
比a2/a1は1と3.0の間であって;
光ファイバはX-X軸またはY-Y軸の内の少なくとも一方において偏波維持特性を示す。最内コア領域は32、例えば、ファイバコアの軸長に沿って延びる空気孔または屈折率下げドープされたシリカのロッドとすることができる。偏波維持光ファイバ20は高い偏波維持性能を示す。光ファイバ20の複屈折の大きさは少なくとも5×10−5,好ましくは1×10−4,最も好ましくは5×10−4である。
さらに詳しくは、表1は本発明にしたがう光ファイバ20の4つの例についてのパラメータを与える。表1の例示的光ファイバ20はモートを有しておらず、偏波維持ファイバである。例1〜3の光ファイバはそれぞれの最内コア領域32として細長形空気充満孔25を有する。例4の光ファイバは屈折率下げドープされたシリカの細長形最内コア領域32を有する。すなわち、例4の光ファイバの最内コア領域32の屈折率は純シリカの屈折率より低い。最内コア領域32は、約−0.15%より負で大きいことが好ましく、−0.3%より負で大きいことがさらに好ましく、−0.5%と-35%の間であることがさらに一層好ましい、負の(クラッド50より小さい)、相対屈折率Δ1%を示すことが好ましい。
表1の4つの例示的光ファイバの最内コア領域32の特徴は寸法b1,b2で表される。例1,3及び4の光ファイバ20は、寸法a1,a2で表される、断面が楕円形のコア30を有するが、例4の光ファイバ20のコア30の断面は円形(すなわちa1=a2)である。例1,2及び4の光ファイバは1の相対コア屈折率Δ2%を有するが、例3では光ファイバの相対コア屈折率Δ2%は2である。表1は、相対コア屈折率Δ2%が大きくなるとともに複屈折が大きくなることを示す(最内コア領域32が空気で満足されている光ファイバの例1〜3を見よ)。相対コア屈折率が同じであれば、最内コア領域が空気で満たされている光ファイバは、最大コア領域が屈折率下げドープされたガラスである光ファイバより大きな複屈折を示す。表1は、様々なパラメータを調節して所望のファイバ複屈折を達成できることを示す。
本発明の実施形態のいくつかにしたがえば、図3C〜5に示されるように、光ファイバ20は:
第1の屈折率n1を有し、X-X軸に沿う第1の寸法a1及びY-Y軸に沿う第2の寸法a2を有する、コア30。軸X-Xは軸Y-Yに概ね直交し、コア30は屈折率がn0の最内コア領域32を有し、n0<n1であって、最内コア領域32は互いに直交する外寸b1及びb2を有する;
コア30を囲んでコア30に接し、第2の屈折率n2、第1の寸法a1と同じく軸X-Xに沿う外寸c1及び第2の寸法a2と同じく軸Y-Yに沿う外寸c2を有する、モート40;及び
モート40を囲む、第3の屈折率n3を有する、クラッド50;
を有し、
コア30,最内コア領域32またはモート40の内の少なくとも1つは、比a2/a1,及びb2/b1及びc2/c1の内の少なくとも1つが1:1ではないような細長形にされ;
n1>n3>n2であり;
比a2/a1は1と3.0の間であり;
比c1/a1は1.0と4.0の間であって;
光ファイバはX-X軸またはY-Y軸の内の少なくとも一方において偏波維持特性を示す。最内コア領域は32、例えば、ファイバコアの軸長に沿って延びる空気孔または屈折率下げドープされたシリカのロッドとすることができる。最内コア領域の寸法b1,b2はそれぞれX-X軸及びY-Y軸に沿ってとることができることに注意されたい。したがって、寸法b1,b2はそれぞれ、a1,c1及びa2,c2に合せてとることができる。
第1の屈折率n1を有し、X-X軸に沿う第1の寸法a1及びY-Y軸に沿う第2の寸法a2を有する、コア30。軸X-Xは軸Y-Yに概ね直交し、コア30は屈折率がn0の最内コア領域32を有し、n0<n1であって、最内コア領域32は互いに直交する外寸b1及びb2を有する;
コア30を囲んでコア30に接し、第2の屈折率n2、第1の寸法a1と同じく軸X-Xに沿う外寸c1及び第2の寸法a2と同じく軸Y-Yに沿う外寸c2を有する、モート40;及び
モート40を囲む、第3の屈折率n3を有する、クラッド50;
を有し、
コア30,最内コア領域32またはモート40の内の少なくとも1つは、比a2/a1,及びb2/b1及びc2/c1の内の少なくとも1つが1:1ではないような細長形にされ;
n1>n3>n2であり;
比a2/a1は1と3.0の間であり;
比c1/a1は1.0と4.0の間であって;
光ファイバはX-X軸またはY-Y軸の内の少なくとも一方において偏波維持特性を示す。最内コア領域は32、例えば、ファイバコアの軸長に沿って延びる空気孔または屈折率下げドープされたシリカのロッドとすることができる。最内コア領域の寸法b1,b2はそれぞれX-X軸及びY-Y軸に沿ってとることができることに注意されたい。したがって、寸法b1,b2はそれぞれ、a1,c1及びa2,c2に合せてとることができる。
本明細書に説明され、開示される、本発明にしたがう光導波路ファイバ20の例示的実施形態のいくつかは、図3C〜5,7及び10に最善に示されるような、概略断面構造を有する。図示される実施形態において、光導波路ファイバ20はファイバ20の軸線に沿って延びるコア30を有する。コア30は、コアの屈折率より低い屈折率を有する、中心の周りの、最内コア領域32を有する。図3C,8及び9の実施形態において、最内コア領域32は円形の断面を有する。これらの実施形態において、最内領域32は、ファイバコア30の内側にあって、ファイバコアの長さに沿う空気孔25である。本例の細長形コア30は、ファイバの軸線に対して直交方向に、ファイバにわたって測定される、長寸すなわち最大寸法a2及び短寸すなわち最小寸法a1を有し、寸法a1及びa2は互いに概ね直交して測定される。本実施形態のコア30の断面形状は細長形として最善に説明される。「細長形」は、概ね長円形、卵形、楕円形、菱形等のようなコア形状を含む。そのようなコアの細長化が少なくともいくらかのレベルの形状(または幾何)複屈折をファイバ20に与えると考えられる。細長化の度合いは、線引きされた光ファイバ20の細長形コア30が所望の、本明細書ではa2/a1と定義される、アスペクト比ARを示すように、ファイバプロセス(例えば再線引き)中に制御されることが好ましい。ファイバコア30が細長形である場合、コア30のARは1.5より大きいことが好ましく、1.5と5.0の間であることがさらに好ましく、1.8と3.5の間であることがさらに一層好ましく、実施形態の多くにおいては1.9〜3.0の範囲にある。しかし、所望の複屈折を達成するために円形断面を有するコア30を細長形(例えば楕円形)の最内コア領域32とともに用いることができる。最内コア領域32の寸法b1及びb2も、ファイバの軸線に対して直交方向に、ファイバにわたって測定され、互いに直交する。最内コア領域32が非円形断面を有していれば、b2/b1≠1である。最内コア領域32が細長形断面を有している場合、比b2/b1(またはb1/b2)は1.5と6の間であることが好ましく、2と3の間であることがさらに好ましい。この例示的実施形態において、(空気孔25に相当する)最内コア領域32は円形断面を有し、したがってb1=b2である。さらに、最内コア領域32は空気孔である必要はなく、n0<n1であるような、屈折率下げドープされたシリカ、例えばフッ素及び/またはホウ素がドープされたシリカでつくることができる。
本例示的実施形態のコア30は、ファイバ20の中心線CLから外側に、最内コア領域32(この例では空気孔)から径方向に延び、図示されるように、好ましくはステップ型屈折率プロファイル形状を有する、屈折率上げドープされたシリカでつくられる。必要に応じて、ファイバ20のコア30は図4〜5,7及び10に破線31で示されるように、分布屈折率プロファイル形状を有することができる。
コア30は酸化ゲルマニウムドープシリカでつくられることが好ましく、酸化ゲルマニウムは、図4及び5に最善に示されるように、ファイバのクラッド50の屈折率n3より高い、第1の屈折率n1をコアが示すに十分な量で与えられる。酸化ゲルマニウムは、0.2%より大きいことが好ましく、1.0%より大きいことがさらに好ましく、約0.2%と2.5%の間であることが最も好ましく、約0.5%と2.5%の間であることがなおも最も好ましい、最大相対屈折率Δ1%(図7,10)をもつコア30を与えるに十分な量で添加される。本例において、コアは細長形であり、細長形コア30の横寸法a1及びa2はそれぞれ、好ましくは1.0〜6.0μm(さらに好ましくは1.0〜4.0μm)の範囲及び好ましくは3.0〜10.0μm(さらに好ましくは3.0〜8.0μm)の範囲にあるように、設計される。さらに、コア30の平均直径(Dコア-平均={a1+a2}/2)は、約2.0μmと8.0μmの間であることが好ましく、2.0μmと6.0μmの間であることがさらに好ましい。最内コア領域32の平均寸法(D内コア-平均={b1+b2}/2)は、0.01μmと2μmの間であることが好ましく、0.15μmと2μmの間であることがさらに好ましい。最大コア領域32は、負の相対屈折率Δ%(すなわち純シリカの屈折率より低い屈折率)を有する。
本発明にしたがう光ファイバ20は少なくとも一方の軸(例えば、X-X軸またはY-Y軸の内の一方)に沿う偏波維持特性を示すことが好ましい。ファイバがX-X軸及びY-Y軸のいずれにおいても偏波維持特性を示せば、ファイバは偏波維持ファイバである。光ファイバが一方の軸に沿う偏波維持特性しか示さず、他方の、直交する軸に沿う偏波伝搬は消滅させていれば、このファイバは単一偏波(SP)ファイバである。
単一偏波(SP)特性を示す光ファイバ20の7つの例が、表2に与えられている。これらの例示的ファイバのそれぞれは、コア30とクラッド50の間にあるモート40を有する。表2において、Δ1%は最内コア領域32の相対屈折率%であり、Δ2%はコア30の相対屈折率%であり、Δ3%はモート40の相対屈折率%である。最内コア領域32が空気充満孔25であれば、孔の大きい方の寸法は1より小さい。孔25は、Δ1%が小さいファイバについては小さく、Δ1%が大きいファイバについては大きくつくられるべきである。
それぞれのSP帯域の中心波長は2つの遮断波長の平均として定義される(すなわち、λ中心=(λ遮断1+λ遮断2)/2である)ことに注意されたい。
上述したように、表2の光ファイバ20はモート40も有し、単一偏波(SP)動作が可能であることを除き、表2の光ファイバは表1の光ファイバと同様である。例1〜6に対応する光ファイバは空気充満最内コア領域32を有する。例7の光ファイバは屈折率下げドープされたシリカでつくられた最内コア領域を有する。例1〜4はそれぞれ、1060nm,1300nm,1450nm及び1550nmを中心とする単一偏波帯域(SPB)を有する。これらの例も、コア寸法及びモートのドーピングレベルを変えることによって所望のSPBを達成できることを実証している。SP光ファイバ20は約30nmから約250nmのSPBを達成している。
本発明のこれらの例にしたがうファイバ20は、好ましく、単一偏波特性を示す。すなわち、光伝搬の2つの直交基本偏波モードのそれぞれの遮断(消滅)波長λ1,λ2の間に偏波消滅波長差がある。特に、本発明の実施形態のいくつかにしたがうそのようなファイバ20は、好ましくは幅が少なくとも10nmであり、さらに好ましくは幅が20nmより広く、さらにまた好ましくは幅が25nmより広く、さらに一層好ましくは幅が50nmより広い、単一偏波帯域(SPB)60を有する。例えば、本発明にしたがう空気充満最内コア領域を利用する光ファイバ20の実施形態のいくつかにおいて、SPB幅は約70〜250nmであり、屈折率下げドープされたシリカの最内コア領域を利用する光ファイバ20のSPB幅は約25〜40nmである。
SPB60は、本明細書で定義されるように、実効屈折率がクラッドの屈折率と等しい波長として定義される、2つの偏波遮断(消滅)波長λ1,λ2の間で測定される。図6は、2つの偏波モード、すなわち第1の偏波61及び第2の偏波62の計算された損失スペクトルを示す。
さらに詳しくは、SPB60は第1の偏波の遮断(消滅)波長61と第2の偏波の遮断(消滅)波長62の間にある波長帯域である(すなわち、SPB60は第1の偏波遮断波長λ1と第2の偏波遮断波長λ2の間隔(nm)である)。点63は、第1の偏波波長λ1が第2の偏波波長λ2から分れる(または、外れる)、逸脱点である。このSPB60内では、真の単一偏波が存在する。すなわち、与えられ、明白に伝搬する偏波が1つ、しかも1つだけ、存在する。例えば、図6からわかるように、SPB60内では第2の偏波62だけが未だに光を明白に伝搬し、第1の偏波61は大きく減衰する。この特徴は、1つの、しかも1つだけの伝搬偏波が望まれるデバイスまたはシステムでの使用に対する優れた効用を有する。
図6に示される例示的実施形態において、SPB60は波長約1500nmと波長1600nmの間に広がり(表2の例4も見よ)、よって幅が約100nmのSPBが得られている。しかし、この範囲は例示であり、別のSPB幅が設計され、与えられ得ることは当然である。例えば、SPB60の幅はコアの相対屈折率Δ2%を大きくすることによって広げることができる。同様に、コアをより細長くすれば、例えば比a2/a1をより大きくすれば、SPB幅はより広くなるであろう。同様に、モート40の屈折率を低くすることによって、SPB60を短波長側にシフトさせることができる。逆に、モート40の屈折率を高くすればSPB60は長波長側にシフトする。同様に、モートの寸法を小さくすればSPB60は長波長側にシフトする。さらに、寸法Dコア-平均を小さくすればSPB60は短波長側にシフトするであろう。すなわち、SPBは幅及び/または位置を適切に調節して、いかなる特定の用途の要求にも適合させ得ることが認められるはずである。さらに詳しくは、SPB60は、SPB60が動作波長帯域λ動作帯域と一致するように設計されることが好ましい。SPB60の中心波長は動作波長帯域λ動作帯域の中心波長と実質的に一致することがさらに好ましい。動作波長帯域λ動作帯域は、例えば、800〜2000nm,950〜1250nm,または1450〜1650nmの範囲におくことができる。
SPファイバにおいて、ファイバコア30は、コア30とは異なる組成を有し、コア30の第1の屈折率より低く、クラッド40の屈折率より低い第2の屈折率n2(すなわち、n2<n1及びn2<n3)を有することが好ましい、モート40によって全体が囲まれ、モート40と接していることが好ましい。本明細書で用いられるように、「モート」は、コア30に比較して小さい相対屈折率を有し、コアを全体的に囲み、好ましくはコアに接する、領域を意味する。モート40は純シリカに対して屈折率を下げるドープがなされ、したがって(クラッドに比較して)負の相対屈折率を有することがさらに好ましい。モート40はフッ素ドープシリカまたはホウ素ドープシリカあるいはこれらの組合せでつくられることが最も好ましい。さらに、モート40はF,B及びPのいかなる組合せも含むことができる。
モート40は、図7に最善に示されるように、(クラッド50より小さい)負であって、好ましくは約−0.15%より負で大きく、さらに好ましくは約−0.15%と−1.0%の間であり、最も好ましくは−0.3%と−0.8%の間の、相対屈折率Δ3%を示す。一般に、モート40内のガラスは所望の線引き温度において中心細長形コア30またはクラッド50より粘度が多少低くなるようにドープされる。モート40は、図3Cに示されるように円形とすることができ、あるいは寸法c1及びc2が相異なる(例えば、図11に見られるように、外寸c1が外寸c2より若干小さい)ような細長形とすることができる。本実施形態において、径方向の横断寸法c1及びc2の値は、比c2/c1が約0.7と0.95の間であるような値である。コア30が非円形で横方向に延びている場合、コア30の中心が実質的にモート40内にあることが好ましい。いくつかの実施形態において、モート40の外側部分は、(図3C,8及び9に示されるように)細長型コア30の最大寸法すなわち長寸a2の位置においてコア30に実質的に外接するように構成される。言い換えれば、これらの外接実施形態については、比c2/a2が1.0にほぼ等しい。
発明者等はここで、コア30とモート40の寸法及び形状(比)の適切な組合せによってファイバの優れた単一偏波特性が得られることを見いだした。特に、比a1/a2と比c1/a1の組合せが単一偏波能力の最適化に重要であると考えられる。動作においては、コア30及びモート40に用いられる形状寸法及び材料のために、直交偏波状態のそれぞれにともなう実効屈折率がSPB内で実質的に異なると考えられる。特に、一方の偏波状態のSPB60内での実効屈折率の値はSPB内で伝搬がおこるような値であるが、他方の偏波モードは、実効屈折率がクラッドの屈折率に非常に近い(好ましくはクラッドの屈折率以下)のでSPBの波長範囲内では実効的に伝搬しない(遮断される)ため、非常に損失が大きい。すなわち、他方の偏波モードに対してファイバは導波路ではない。
あるいは、図8〜9に最善に示されるように、モート40は、卵形または楕円形のような別の概ね細長い形状、あるいは角が丸められた矩形形状等を有するように構成することができる。これらの実施形態において、軸Y-Yに沿う、寸法a2に合せて測定される、モート40の最小寸法c2は、好ましくは、コア30の最大寸法a2に実質的に等しく(すなわち、a2/c2=1.0に)することができる。寸法c2は、点e及びfにおいてモート40がコア30に外接する(図8を見よ)ように、コア30の最大寸法a2と同じ(Y-Yに沿う)軸に沿ってとられることが好ましい。
本明細書に説明される実施形態の全てにおいて、モート40の寸法c1の細長形コア30の最小寸法a1に対する比(c1及びa1は軸X-Xに沿って、互いに対して合せられて測定される)、すなわち比c1/a1は、好ましくは2.0〜7.0,さらに好ましくは2.5〜5.0の範囲にあり、実施形態の多くにおいては、2.5〜4.0の範囲にあることを認めることも重要である。ここでも、良好な単一偏波特性を得るには、上述した所望の比a2/a1を維持するとともにこの比c1/a1を維持することが重要な要因の1つであることが見いだされた。
ファイバクラッド50はモート40を囲み、モート40に接している。クラッド50は純シリカでつくられることが好ましく、第3の屈折率n3を示す。コア30,モート40及びクラッド30の材料は、n1>n3>n2であるように選ばれ、構成される。クラッド50は、好ましくは約80μmと140μmの間、さらに好ましくは約125μmの外径を有するが、いくつかの実施形態では、例えば150μmより大きなクラッド外径を有することができる。ファイバ20は次いで、通常の2弾性率コーティング(明解さのために図示されていない)で被覆されて、外径が約250μmにされることが好ましい。
単一偏波ファイバ20のY-Y軸及びX-X軸に沿う相対屈折率プロファイルの概略図がそれぞれ、図7及び10に示される。これらの図は、ファイバ半径(単位:μm)に対してグラフ化された相対屈折率(Δ%)を示し、それぞれの軸に沿うプロファイルの違いを明白に表す。特に、これらのグラフは、いずれもがクラッド50に対して測定された、コア30の最大相対屈折率Δ2%及びモート40の最小相対屈折率Δ3%を示す。すなわち、それぞれの軸に沿う相対屈折率プロファイルが非常に異なり、よって、ファイバ20が示す優れた単一偏波特性が生じることが容易に認められるはずである。
偏波維持ファイバを作成するためには、ファイバが形状寸法または応力の非対称性による大きな(5×10−5,好ましくは1×10−4以上の)複屈折を有する必要がある。例えば、少なくとも、コア、モートまたは最内コア領域は、非円形であることが好ましい。さらに、非対称応力は熱膨張係数が相異なる材料を利用して発生させることができ、例えば、コアはGeドープシリカでつくることができ、モートはBドープシリカでつくることができる。
さらに、単一偏波ファイバを作成するためには、光ファイバが、2つの偏波モードの間で遮断波長に差を生じさせるために、複屈折が大きく、屈折率が低い領域を有する必要がある。低屈折領域は、例えば、モート40及び/または最内コア領域32とすることができる。この構成は、大きな複屈折により、2つの偏波を2つの異なる波長に分けるであろう。
ファイバ20の別の実施形態が図11Aに断面で示される。ファイバ20は、Geドープシリカでつくられた菱形中心コア30,Fドープシリカでつくられた若干細長いモート40及び、モートを囲む、純シリカでつくられたクラッド領域50を有する。本明細書で説明される他の実施形態と同様に、ファイバの高分子材被覆は明解さのために示されていない。コア30は、コアの相対屈折率Δ1%が0.2%より大きくなるようにドープされ、コア30は中心に空気充満孔25を有し、モート40は、好ましくは約−0.15%より小さい、負の相対屈折率Δ2%を与えるに十分にフッ素ドープされている。[Δ1%の絶対値+Δ2%の絶対値]は0.4%より大きいことが好ましい。
図11Aの実施形態においては、モート40の寸法cがコア30の寸法a2とは等しくない。先に述べた実施形態とは異なり、寸法c2は寸法a2より大きい。すなわち、コア30は長寸a2に沿ってモート40に内接していない。詳しくは、比c2/a2は1.0より大きく、好ましくは約4.0より小さく、さらに好ましくは3.5より小さく、いくつかの実施形態においては、2.75より小さく、さらには1.8よりも小さい。したがって、本ファイバについては、4.0より小さい比c2/a2,1.5〜5.0の範囲の比a2/a1,2.0〜7.0の範囲の比c1/a1の、比の組合せが与えられたときに優れた単一偏波特性が得られることが明らかなはずである。本実施形態について、比c2/c1は1.0以上とすることができる。
図11B〜11Dは本発明の光ファイバ20の3つの別の実施形態を示す。図11Bに示される光ファイバ20は、Geドープシリカでつくられた円形コア30及び屈折率がシリカより低い楕円形最内コア領域32を有する。最内コア領域32は空気孔とするかあるいは、例えば、FドープシリカまたはBドープシリカとすることができる。クラッド50がコア30及び応力複屈折部材52を囲む。応力複屈折部材52は、例えばホウ素ドープシリカでつくるか、あるいは熱膨張係数(TCE)がクラッド50のTCEと異なるいずれかのガラス材料でつくることができる。あるいは、光ファイバ20は、応力複屈折部材52の代りに、2つまたはそれより多くの空気孔54を利用することができる。コア30は、円形とする代りに、細長形にし得ることにも注意すべきである。コア30が細長形である場合、最内コア領域32は円形または細長形の断面を有することができる。
図11C及び11Dに示される光ファイバ20はコア30の両側に配置された円形空気孔54を利用する。孔54はモート40内部に形成することができ、あるいは、図11Dに示されるように、一部をモート40内部に、また一部をクラッド50内部に形成することができる。孔54はコア30のそれぞれの側に1つしか示されていないが、コア30のそれぞれの側に沿う複数の孔を利用することもできる。孔54は円形であることが好ましいが、必要に応じて他の形状をとることができ、寸法を等しくするかまたは不等とすることができ、1μmから15μmであることが好ましく、3μmから10μmであることがさらに好ましい、最大寸法すなわち直径を有することができる。
本発明の実施形態にしたがう光ファイバ20はそれぞれ、偏波維持または単一偏波(1つの、しかも1つだけの、偏波モードの透過)を所望のSPB60(例えば図6を見よ)内で可能にする、光学特性を示す。好ましくは、本発明にしたがうファイバ20のSPB60は約800nmと1700nmの間の波長におかれるように設計される。最も好ましくは、ファイバのSPB60はSPB60の中心波長が注目する動作波長帯域の中心波長と実質的に一致するように設計されるであろう。例えば、SPB60は、980nm,1060nm,1310nmまたは1550nmの波長がSPB60内に入るように、また980nm,1060nm,1310nmまたは1550nmのウインドウ/帯域において動作する光コンポーネント及び光システムとともに容易に使用できるように、設計することができる。特に、SPB60の中心波長が注目する動作波長帯域の中心波長と実質的に一致(約±20nm以内)するようにファイバパラメータが選ばれることが好ましい。
本発明にしたがうファイバ20について本明細書で説明される好ましい構造により、以下に述べられるような光学測定値が得られる。特に、単一偏波ファイバ20は、幅が少なくとも10nmであることが好ましく、幅が20nmより広いことがさらに好ましく、幅が25nmより広いことがさらに一層好ましく、幅が50nmより広いことが最も好ましい、SPB60を示す(全て1m長での測定値)。さらに、ファイバ20はSPB60の中心波長において、25dB/kmより小さいことが好ましく、5dB/kmより小さいことがさらに好ましい、減衰を示す。以下に説明されるファイバのそれぞれは図3C及び11A〜11Dに示される物理構造と同様の物理構造を有するが、コアにステップ型屈折率プロファイルを有する代りに、破線31で示されるような、αが約2の、分布屈折率プロファイルを有する。
相対屈折率パラメータΔ2%,Δ3%及びコアとモートの寸法a1,a2,c1及びc2は、SPBの幅だけでなく、結果として、複屈折、2つの偏波の遮断波長λ1,λ2の変化を生じさせるために調節する(D平均,比a1/a2,比c2/a2,及び比c1/a1を調節する)ことができる。したがって、ファイバ20に対するSPBは容易に調節することができ、よって様々な動作帯域で動作する多くのシステム及びデバイスでの使用が可能になることが認められるはずである。特に、光ファイバのパラメータは、SPBがシステムまたはデバイスについて注目する動作波長帯域と実質的に一致し得るように選び、設計することができる。
表3は3つの光ファイバに対するデータを与える。第1の光ファイバは上述したような最内コア領域32を有していない。第2の光ファイバはFドープ最内コア領域32を有する。第3の光ファイバはその最内コア領域32として空気孔を有する。本表は、光ファイバが最内コア領域32を有する場合に(ファイバの導波面積に対応する)モードフィールド径MFDがかなり増大し、低下屈折率最内コア領域32をもつ2つの光ファイバが、(最内コア領域32の面積を含む)より大きな光信号導波面積に対応する大きなMFDを有することを示す。光ファイバの導波面積は13μm2より大きいことが好ましい。好ましいことに、本発明にしたがう光ファイバは、14μm2をこえ、好ましくは15μm2と45μm2の間、さらに好ましくは16μm2と35μm2の間の(最内コア領域32を含む)導波面積に対応する大きなMFDを有する。光ファイバのモードフィールド面積(MF面積)は20μm2より大きくいことが好ましく、30μm2と75μm2の間であることがなお好ましく、30μm2と60μm2の間であることがさらに好ましい。表3は、最内コア領域32を有する光ファイバ(表3の例2及び3)の導波面積が、最内コア領域32を有していない光ファイバ(表3の例1)に比較して、それぞれ53%及び172%増大したことを示す。
表3の光ファイバはモート40を有していないことに注意されたい。モート40の付加によって光ファイバはSPファイバとして動作することになるであろう。モートの最大寸法は最大コア寸法の約1.5〜4倍であることが好ましいであろう。モート40の付加はいずれの偏波モードの実効屈折率も下げる。モートの屈折率は一方の偏波モードの実効屈折率がクラッド50の屈折より低くなるように選ばれることが好ましい。例えば、表3の例2及び3の光ファイバに付加されるモート40は、クラッド50の屈折率よりそれぞれ4.647%及び4.623%低い屈折率を有することができる。
図12は本明細書に説明される実施形態にしたがう単一偏波ファイバ20を用いる一装置38を示す。本システム装置38は、本発明にしたがうファイバ20をその中に有するか、あるいはそうではなくともファイバ20がそれに取り付けられているかまたは光結合されている、レーザ、ジャイロスコープ、センサ、変調器、ビームスプリッタ、偏波マルチプレクサ等のような、光デバイス42を備える。ファイバ20及び光コンポーネント42はハウジング44に収めることができ、装置38は副コンポーネントを有することができる。
本発明の実施形態にしたがうファイバ20が光コンポーネント42a,42bの間に取り付けられ、必要に応じてファイバ20及び光コンポーネントがハウジング44内に収められる、別の装置138が図13に示される。
同様に、図14は、本発明の実施形態にしたがうファイバ20が光コンポーネント42に取り付けられ、ファイバ20が別のタイプのファイバ47にも光結合された、システム装置238を示す。図12〜14の×は、永久接続、コネクタまたはその他の同様の光接続を示す。
ファイバ20は、例えば、以下の製造方法を利用することで、形成することができる。初めに、例えば標準的なOVDプロセスによって、コアが作成される。空気孔最内コア領域をもつコアを作成するため、発明者等は、円形とすることができ、あるいは細長形断面を有することができる、ベイトロッドから始める。被着工程中にコア材料をベイトロッド上に堆積させる。被着工程後、ロッドをスートコアブランクの中心から取り去り、よってスートコアブランク内部に空気孔が残る。次いで、孔が閉じないように中心に正の空気圧をかけながら、スートコアブランクを固結させて(固体ガラスに緻密化して)コアプリフォームにする。空気圧は、固結力と平衡させるために、大気圧より高いことが好ましい。空気圧は2psi(13.8×103Pa)より低いことが好ましく、1psi(6.89×102Pa)より低いことがさらに好ましい。あるいは、屈折率下げドープされたガラスの中心領域をもつコアを作成する場合には、屈折率下げドープされたガラスのロッドを出発ベイトロッドとして利用する。このロッドは固結工程中もOVDブランク内にとどまり、屈折率下げドープされた最内コア領域になる。次いでコアプリフォームを線引きして、図15に示されるような、小径ロッド形のケーン52にする。
ケーン52は、低屈折率最内コア領域(例えば空気孔)及び、適切な酸化ゲルマニウムドープ及びフッ素ドープが施され、コア/モート比が約0.45である、コア30及びモート40に対応する、領域125,130,140を有する。コアケーン52は長さが1mで直径が約13〜15mmであることが好ましく、通常のOVD法で作成した。次いで、図16に示されるように、ケーン52の、長さに沿い、直径方向に対向する側面に、幅が約3.4mmで深さが約4.0mmの溝54を研削で形成し、よって溝付ケーン52aを形成した。溝付ケーン52aを次いで単にいかなる研削残渣も除去するために約30分間HF(フッ酸)でエッチングした。溝付ケーン52aの上部を封止し、底部は開いたままにする(これにより、以降の工程において、コア内の中心空気充満孔の維持が可能になるように、中心孔には真空を印加せずに、側孔に真空を印加することが可能になる)。上部が封止された溝付ケーン52aを次いで、図17に示されるように、シリカスート58でオーバークラッドされた長さ1mのシリカチューブ56に挿入して、集成予備プリフォーム体60を形成した。シリカオーバークラッド58は、例えばスリーブ56上に外付けCVD(OVD)法で作成することが好ましい。
図17の集成予備プリフォーム体60を次いで、図18に示されるような通常の固結プロセスにしたがい、初めに固結炉62内においてCl2雰囲気で乾燥させ、次いで、ガラスを溶化して完全に固結したプリフォーム60aをつくるために、炉内においてHe含有雰囲気で固結させることによって、固結する。次いで固結プリフォーム内の孔57,59をHFでエッチングして余分な材料を除去する。あるいはエッチング剤としてNF3を用いることができよう。次いで固結プリフォーム60aを、図19に示されるように、再線引き塔64に挿入する。加熱素子65によって固結プリフォーム60aに熱を加え、張力印加ホイール66で下に引いてほぼ8mm径のコアケーン68にする。(プリフォーム60aから小径コアケーンに線引きする)再線引きプロセスを行っている間、コア内の正空気圧は維持しながら、再線引き中に側孔57,59を完全に閉じるに十分な真空を側孔57,59に与える。側孔閉じ及び再線引き工程中に、コア30に相当する領域を横に引き延ばし、本明細書に説明されるような全体に細長いコア形状をつくる。
今では細長形中心コアをもつケーン68を、図20に示されるように、シリカスート58aでオーバークラッドされた長さ1mのシリカチューブ56aに再び挿入して、所望のコア/クラッド比を有する集成予備プリフォーム体60bを形成する。この集成予備プリフォーム体60bを図18に関して先に説明したのと同じ態様で再び固結する。集成予備プリフォーム体60bからつくった完全固結ブランク60cを次いで、図21に示されるように、線引き炉70内でハンドル71から吊り下げて、(屈折率下げドープされた最内コア領域をもつ光ファイバを作成する場合は)通常の線引き法を用い、(空気充満最内コア領域をもつコアを作成する場合は)改変された(すなわちコア内部の正空気圧を維持しながらの)線引き法を用いて、本発明の態様にしたがうファイバ20を線引きする。図11B〜11Dに示される光ファイバを作成するために、ロッド形ケーン52は、本明細書に参照として含まれる、2003年7月18日に出願された、題名を「単一偏波光ファイバ及びシステム並びにその作成方法(Single Polarization Optical Fiber and system and Method for Producing Same)」とする、米国特許出願公開第10/864732号明細書に説明される態様で、処理されることに注意されたい。
本発明の範囲を逸脱することなく本発明に変形及び改変が成され得ることが当業者には明らかであろう。例えば、ステップ型屈折率構造が示されるが、その他の分布屈折率構造を用いることができる。さらに、ファイバプロファイルに環構造を付加することもでき、それでも満足に機能するであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本発明はそれらの改変及び変形を包含するとされる。
20 光ファイバ
30 コア
32 最内コア領域
40 モート
50 クラッド
30 コア
32 最内コア領域
40 モート
50 クラッド
Claims (3)
- 光ファイバにおいて、
第1の屈折率(n1)を有するコアであって、屈折率がn0の最内コア領域を含み、n0<n1であるコア、及び
前記コアを囲むクラッドであって、第3の屈折率(n3)を有し、n1>n3であるクラッド、
を有し、
前記光ファイバがX-X軸またはY-Y軸の少なくとも一方において偏波維持特性を示すことを特徴とする光ファイバ。 - 前記最内コア領域が空気充満孔であることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ。
- 前記コア及び前記最内コア領域の内の少なくとも1つが非円形状を有することを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ。
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