JP2017510840A - 拡張された波長範囲にわたって高帯域幅を有するマルチモード光ファイバ、および対応するマルチモード光学システム - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域アプリケーションに適合するとともに従来技術に対して改善を示すマルチモード光ファイバを設計する。【解決手段】本発明は、少なくともフッ素ＦとゲルマニウムＧｅＯ２で共添加されたグレーデッドインデックスコアおよび少なくとも２つのα値を含む屈折率プロファイルを有するマルチモード光ファイバに関する。本発明によれば、コア中心でのフッ素Ｆの濃度（［Ｆ］ｒ＝０）は０乃至３ｗｔ％であり、コア外半径でのフッ素Ｆの濃度（［Ｆ］ｒ＝ａ）は０．５ｗｔ％乃至５．５ｗｔ％であり、［Ｆ］ｒ＝ａ−［Ｆ］ｒ＝０＞０．４ｗｔ％である。８５０ｎｍ乃至１１００ｎｍから成る波長に対し、マルチモード光ファイバは、１５０ｎｍよりも大きい連続的な動作波長範囲にわたり、３５００ＭＨｚ．ｋｍより大きい全モード励振帯域幅（ＯＦＬ−ＢＷ）および４７００ＭＨｚ．ｋｍよりも大きい計算有効モード帯域幅（ＥＭＢｃ）を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバ伝送の分野に関し、特に、比較的長距離且つ高ビットレートシステムに用いられるマルチモードファイバに関する。特に、本発明は、次世代４００ＧｂＥシステムの高ビットレート要求を満たすよう設計されたマルチモード光ファイバに関する。

マルチモードファイバは、横方向マルチモード面発光レーザ、より簡単には「ＶＣＳＥＬ」と称される、を一般的に用いる高速光源とともに、高速データネットワークで好適に使用される。８５０ｎｍおよび１３００ｎｍで動作するマルチモードファイバはよく知られている。

マルチモードファイバは、多モード分散の影響を受ける。多モード分散は、マルチモードファイバにおいては、特定の波長に対して、いくつかの光モードがファイバに沿って同時に伝搬し、これらの光モードは同じ情報を運ぶが、異なる伝播速度で進行するという事実に起因する。モード分散は、これは、ファイバを進行する最速モードと最遅モード間のパルス遅延（ｐｓ／ｍ）の差を測定したものであるディファレンシャル・モード遅延（ＤＭＤ）で表される。

モード分散を最小限にするために、データ通信で用いられるマルチモード光ファイバは、一般的に、通常はゲルマニウムがドープされ、ファイバの中心からクラッドとの接合部分まで徐々に減少する屈折率を示すコアを備える。一般的に、屈折率プロファイルは、以下のような「アルファプロファイル」として知られる関係により与えられる。
ここで、
ｎ_０はファイバの光軸上の屈折率、
ｒは光軸からの距離、
ａはファイバのコアの半径、
Δはファイバのコアとクラッドの屈折率差を示す無次元パラメータ、
αは屈折率プロファイルの形状を示す無次元パラメータ、
である。

光信号がグレーデッドインデックスを有するようなコア中を伝搬するとき、異なるモードは、異なる伝播媒質を通過し、これがそれらの伝播速度に異なる影響を及ぼす。パラメータαの値を調整することにより、理論的に群速度を得ることができる。群速度は、全てのモードに対して実質的に等しく、従って、特定の波長に対して低減された多モード分散である。しかしながら、パラメータαの最適値は、特定の波長のみに対して有効である。

マルチモードファイバのグレーデッドインデックス・アルファ型プロファイルおよびコア−クラッド界面は、８５０ｎｍで１０Ｇｂｐｓおよび２５Ｇｂｐｓシステムをサポートするよう直接に電流変調することが可能なＧａＡｓのＶＣＳＥＬとともに動作するよう最適化される。ＬＥＤ光源とともに１３００ｎｍで使用するための下位互換性も、現在使用中の５０μｍおよび６２．５μｍのマルチモードファイバの大部分に対して保証されている。このようなレーザ最適化された、ＯＭ４ファイバとも称される、高帯域幅５０μｍマルチモードファイバの性能は、国際標準化機構により、ＴＩＡ／ＥＩＡ４９２ＡＡＡＤ標準規格と同様に、ＩＳＯ／ＩＥＣ１１８０１に標準化されている。

しかしながら、企業ネットワークにおける回線容量に対する需要の激増により、より高いイーサネット（登録商標）ネットワーク速度が緊急に必要とされている。次世代の４００ＧｂＥシステム用のデータビットレートをさらに増大するために、波長分割多重と組み合わせて約８５０ｎｍと１２００ｎｍの間で４０−５６Ｇｂ／ｓで動作するＩｎＧａＡｓのＶＣＳＥＬの使用が、高速と高信頼性の両方を達成することを可能とするために、前途有望な解決策として現れている。このような構成では、従って、８５０ｎｍで最適化された市販のＯＭ４のＭＭＦと比較して、ＯＭ４性能が拡張された伝送帯域幅にわたって必要とされる。

アルファの最適値は波長に依存するので、伝送帯域幅は、通常、最適波長以外の波長では、最適波長よりも非常に狭くなる。当業者であれば、シリカＳｉＯ_２の屈折率を変更するためにリン（Ｐ）やフッ素（Ｆ）のようなドーパントを用いることができ、従って最適なアルファの波長依存性を低下させることができることをよく知っている。

ドラカ・コムテツク・ベー・ベーの出願である米国特許ＵＳ７，４２１，１７２号は、ＧｅＯ_２およびＦをドーパントとしてＳｉＯ_２内に用いることによりグレーデッドインデックスコアが形成されたマルチモード光ファイバを開示している。コア半径にわたってドーパントの濃度を変化させることにより、マルチモード光ファイバの多モード分散特性を帯域幅の波長依存性が低下するように適合することができる。

このような共添加のグレーデッドインデックス型マルチモードファイバは、従来知られているマルチモードファイバよりも広い波長範囲にわたって高帯域幅を実現することを可能とするが、このような帯域幅は、次世代システムに対する高ビットレートの需要を満たすのに十分なほど高くはない。

ドラカ・コムテツク・ベー・ベーの出願である米国特許ＵＳ８，３９１，６６１号は、従来のマルチモードファイバよりも高いモード帯域幅および大きな開口数を有するマルチモードファイバを開示している。この目的のために、このようなマルチモード光ファイバは、光ファイバないでの半径位置に依存する指数アルファ（例えばアルファパラメータ）を伴う修正されたべき乗則式に従う中心コアを含む。アルファパラメータは、中心コアの半径に沿って少なくとも２つの異なる値を有する。第１のアルファパラメータ値α_１は、中心コアの内部ゾーンのグレーデッドインデックスコアの形状を制御し、第２のアルファパラメータ値α_２は、中心コアの外部ゾーンのグレーデッドインデックスコアの形状を制御する。グレーデッドインデックスコアプロファイルおよびその一次導関数は、通常、グレーデッドインデックスコアの幅にわたって実質的に連続的である。中心コアのグレーデッドインデックスプロファイルは、１．９パーセント以上のデルタΔ値を有する。

この米国特許ＵＳ８，３９１，６６１号では、２つ以上のアルファ値を有するグレーデッドインデックスプロファイルの使用は、大きな開口数ＮＡを有するマルチモード光ファイバを設計することを目指している。しかしながら、このような高いＮＡのマルチモード光ファイバは、単一の波長（通常８５０ｎｍ）に対して最適化された帯域幅を有する。そのため、拡張された伝送帯域幅にわたってＯＭ４の性能に到達することができない。

米国特許ＵＳ７，３１５，６７７号は、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）およびフッ素がファイバのコア中に共添加されたマルチモード光ファイバを開示している。ドーパント濃度プロファイルは、一組のアルファパラメータ、α_１およびα_２により規定される。動作窓（operating window）または帯域幅窓（bandwidth window）は拡大し、減衰または損失は低下する。ある実施形態では、２つの動作窓が伝送に使用可能である。

米国特許ＵＳ７，３１５，６７７号は、従って、各ドーパントプロファイルが両方の化合物に用いられる同じα_１およびα_２を含む２つのアルファプロファイルの合計である、共添加に基づく「ダブルアルファプロファイル」を教示している。アルファの定義は、通常使用されるアルファの定義と異なっている。このようなプロファイルは、プロセスの観点から製造することが難しい。実際、ＧｅおよびＦの濃度状態は、制御が難しい。

より一般的には、完全フッ素または低Ｇｅドープのコンセプトを用いることから成るいくつかの解決法が文献および特許において提案されている。これらの解決法の一部は、各ドーパントプロファイルがそれぞれのアルファを用いるダブルアルファプロファイルも教示している。しかしながら、このような解決法は、ＳｉＯ_２の屈折率よりもさらに低い屈折率の外側クラッドを有することを必要とする。従って、異なるドープ層を基材チューブ内で蒸着する必要のあるＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition：修正化学気相成長法）およびＰＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition：プラズマ化学気相成長法）のような蒸着プロセスにおいて、このような解決法は極めて複雑である。漏れ損失をうまく取り扱うこと、および／または、外側の押し下げられたクラッドを追加することが必要である。もっと言えば、フッ素ドープ外側クラッドのために、さらなるＦドープクラッドを必要とする「トレンチアシスト（trench-assisted）」のコンセプトを検討することが難しくなっている。それは、既存の蒸着プロセスでは到達できないＦ濃度レベルを必要とするであろう。

従って、広帯域アプリケーションに適合するとともに従来技術に対して改善を示すマルチモード光ファイバを設計することが望ましい。

もっと正確に言えば、複数の波長に対し、または１５０ｎｍよりも大きい波長動作窓（wavelength operating window）に対し、向上したＯＭ４性能を示すマルチモード光ファイバを設計することが望ましい。

また、特にＭＣＶＤおよびＰＣＶＤのような蒸着プロセスを用いて製造が容易なマルチモード光ファイバを設計することが望ましい。

本発明の一つの特定の実施形態では、マルチモード光ファイバが提案される。このマルチモード光ファイバは、外側光学クラッドで取り囲まれた中心コアであって、（ｉ）外半径ａ、（ｉｉ）外半径ａよりも小さい遷移半径（transition radius）ｒ_ｔ、（ｉｉｉ）最大屈折率ｎ_０、（ｉｖ）最小屈折率ｎ_ｃｌ、および（ｖ）中心コアの中心からの半径距離ｒの関数であるグレーデッドインデックスプロファイルｎ（ｒ）を有する中心コアを備える。中心コアは、少なくともフッ素ＦおよびゲルマニウムＧｅＯ_２で共添加されている。中心コアのグレーデッドインデックスプロファイルｎ（ｒ）は、以下の式により規定される。
ここで、アルファパラメータα（ｒ）は、中心コアの中心からの半径距離ｒの関数であり、アルファパラメータα（ｒ）は、中心コアの中心から中心コアの外半径ａまでの半径位置に沿って、２つ以上の異なる値を有し、
コア中心でのフッ素Ｆのウェイト・レシオ（［Ｆ］_ｒ＝０）は、０乃至３ｗｔ％であり、コア外半径でのフッ素Ｆのウェイト・レシオ（［Ｆ］_ｒ＝ａ）は、０．５ｗｔ％乃至５．５ｗｔ％であり、［Ｆ］_ｒ＝ａ−［Ｆ］_ｒ＝０＞０．４ｗｔ％である。

従って、本発明は、マルチモード光ファイバの新規且つ進歩的なアプローチに依存している。実際、それは、フッ素とゲルマニウムの両方の高い共添加レベルを用いた広帯域アプリケーションに適合したマルチモード光ファイバを提案しており、従って、グレーデッドインデックスコアの外側部分の屈折率が純シリカ（ＳｉＯ_２）の屈折率に近い屈折率プロファイルを設計することが可能となる。半径に応じた構成の大きな変化は、コア半径に応じて変化するアルファパラメータを用いることを必要とする。

従って、このような発明は、最適な動作波長を中心として１５０ｎｍよりも大きい動作窓にわたってＯＭ４性能を備えるマルチモードファイバを設計することを可能とする。

実際、本発明の態様によれば、８５０ｎｍ乃至１１００ｎｍから成る波長に対し、マルチモード光ファイバは、１５０ｎｍよりも大きい連続的な動作波長範囲にわたり、３５００ＭＨｚ．ｋｍより大きい全モード励振帯域幅（ＯＦＬ−ＢＷ）を有する。

本発明の別の態様によれば、８５０ｎｍ乃至１１００ｎｍから成る波長に対し、マルチモード光ファイバは、１５０ｎｍよりも大きい連続的な動作波長範囲にわたり、４７００ＭＨｚ．ｋｍよりも大きい計算有効モード帯域幅（ＥＭＢｃ：calculated effective modal bandwidth ）を有する。

本発明のある態様によれば、Δは、０．７％乃至１．５％である。

本発明の別の態様によれば、コア外半径でのＧｅＯ_２のモル分率（［Ｇｅ］_ｒ＝ａ）は、１．５ｍｏｌ％乃至１７．５ｍｏｌ％である。

本発明の別の態様によれば、コア中心でのＧｅＯ_２のモル分率（［Ｇｅ］_ｒ＝０）は、９．５ｍｏｌ％乃至３０ｍｏｌ％である。

さらに別の態様によれば、中心コアの遷移半径ｒ_ｔより小さい半径位置に対し、アルファパラメータα（ｒ）は第１の値α_１を有し、中心コアの遷移半径ｒ_ｔより大きい半径位置に対し、アルファパラメータα（ｒ）は第２の異なる値α_２を有する。

別の態様によれば、中心コアのグレーデッドインデックスプロファイルは、以下の電力方程式（power equation）により規定される。

別の態様によれば、第１のアルファ値α_１は、約１．９４５乃至２．０７である。

さらに別の態様によれば、第２のアルファ値α_２は、約１．９４５乃至２．０７であり、０．００１≦｜α_１−α_２｜≦０．１である。

さらに別の態様によれば、遷移半径のパラメータｒ_ｔは、約０．２乃至０．９である。

さらに別の態様によれば、中心コアの外半径ａは、約２０μｍ乃至４０μｍである。

さらに別の態様によれば、フッ素のウェイト・レシオＦ［Ｆ］（ｒ）は、以下のように表される中心コアの中心からの半径距離ｒの関数である。
ここで、ｐは実質的に２に等しい定数である。

さらに別の態様によれば、このようなマルチモードファイバは、以下のような法則に従う。

別の態様によれば、このようなマルチモードファイバはまた、以下のような法則に従う。

別の実施形態によれば、コア外半径でのフッ素Ｆのウェイト・レシオ（［Ｆ］_ｒ＝ａ）は、０．８５ｗｔ％乃至５．５ｗｔ％であり、［Ｆ］_ｒ＝ａ−［Ｆ］_ｒ＝０＞０．８５ｗｔ％である。

さらに、本発明の態様によれば、８００ｎｍ乃至１２００ｎｍから成る波長に対し、マルチモード光ファイバは、１７５ｎｍよりも大きい連続的な動作波長範囲にわたり、３５００ＭＨｚ．ｋｍより大きい全モード励振帯域幅（ＯＦＬ−ＢＷ）を有する。

さらに、８００ｎｍ乃至１２００ｎｍから成る波長に対し、マルチモード光ファイバは、１７５ｎｍよりも大きい連続的な動作波長範囲にわたり、４７００ＭＨｚ．ｋｍよりも大きい計算有効モード帯域幅（ＥＭＢｃ）を有する。

さらに別の実施形態によれば、コア外半径でのフッ素Ｆのウェイト・レシオ（［Ｆ］_ｒ＝ａ）は、２．０ｗｔ％乃至５．５ｗｔ％であり、［Ｆ］_ｒ＝ａ−［Ｆ］_ｒ＝０＞１．８ｗｔ％である。

さらに、本発明の態様によれば、７５０ｎｍ乃至１３００ｎｍから成る波長に対し、マルチモード光ファイバは、２００ｎｍよりも大きい連続的な動作波長範囲にわたり、３５００ＭＨｚ．ｋｍより大きい全モード励振帯域幅（ＯＦＬ−ＢＷ）を有する。

さらに、７５０ｎｍ乃至１３００ｎｍから成る波長に対し、マルチモード光ファイバは、２００ｎｍよりも大きい連続的な動作波長範囲にわたり、４７００ＭＨｚ．ｋｍよりも大きい計算有効モード帯域幅（ＥＭＢｃ）を有する。

本発明に係るマルチモード光ファイバの特別な実施形態では、光学クラッドは、光学コアを取り囲む、トレンチと呼ばれる押し下げられた屈折率ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}の領域を備える。トレンチは幅ｗ_２を有する。好ましくは、トレンチ幅ｗ_２は、約０．４μｍ乃至２．５μｍであり、トレンチとクラッドの屈折率差Δｎ_２＝ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}−ｎ_ｃｌは、約−２．０×１０^−３乃至０である。

本発明に係るマルチモード光ファイバの別の特別な実施形態では、光学クラッドは、コアを直接取り囲む、幅ｗ_２および屈折率差Δｎ_２を有する内側クラッド層と、内側クラッド層を取り囲む、トレンチと呼ばれる押し下げられた屈折率ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}の領域とを備える。トレンチは、幅ｗ_３および屈折率差Δｎ_３＝ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}−ｎ_ｃｌを有する。好ましくは、内側クラッド層の幅ｗ_２は、約０．４μｍ乃至２．５μｍであり、屈折率差Δｎ_２は、約−１．５×１０^−３乃至１．５×１０^−３であり、トレンチの幅ｗ_３は、約１．５μｍ乃至５．０μｍであり、屈折率差Δｎ_３は、約−７．５×１０^−３乃至−１．５×１０^−３である。

本発明はさらに、上述のマルチモード光ファイバの少なくとも一部を備えるマルチモード光学システムに関する。

本発明は、以下の説明および図面を参照してより良く理解することができる。これらは、実施例として与えられ、保護の範囲を限定するものではない。
フッ素ドープシリカの６３３ｎｍでの屈折率差を示す図である。 本発明に係る光ファイバの実施例に関する屈折率プロファイルを示す図である。 本発明に係る光ファイバの実施例（実施例１）に関する屈折率プロファイルおよびフッ素濃度プロファイルを示す図である。 本発明の実施形態に対応するまたは対応しないいくつかのマルチモードファイバに関する計算有効モード帯域幅（ＥＭＢｃ）を示す図である。 本発明に係る光ファイバの別の実施例に関する屈折率プロファイルを示す図である。 本発明に係る光ファイバのいくつかの実施例（実施例７，８および９）に関する屈折率プロファイルおよびフッ素濃度プロファイルを示す図である。 本発明に係る光ファイバの実施例（実施例１３）および本発明の範囲外の比較例に関する屈折率プロファイルおよびフッ素濃度プロファイルを示す図である。 本発明に係る光ファイバの実施例（実施例１３）および本発明の範囲外の比較例に関する全モード励振帯域幅（ＯＦＬ−ＢＷ）を示す図である。 本発明に係る典型的な波長分割多重システムの概略図である。

図の構成要素は、必ずしも縮尺通りではなく、それよりむしろ、本発明の原理を説明することに重点が置かれている。

本明細書を通して、ゲルマニウム、ＧｅおよびＧｅＯ_２なる用語は、等しくドーパントＧｅＯ_２を参照するために用いられる。

本明細書を通して、動作窓なる用語は、マルチモード光ファイバがＯＭ４規格に規定される値よりも大きい帯域幅を示す波長の範囲を示している。使用される光源に応じて、以下の実施例はいずれも、計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃ＞４７００ＭＨｚ．ｋｍまたは全モード励振帯域幅ＯＦＬ−ＢＷ＞３５００ＭＨｚ．ｋｍを考慮している。どんな波長が用いられても（同じ加重関数）、ＤＭＤ（ディファレンシャル・モード遅延）測定から計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃを計算するために、ＦＯＴＰ−２２０標準規格およびＩＥＣ６０７９３−１−４９標準規格に規定された方法が用いられる。

本発明の実施形態に係るマルチモードファイバは、外側光学クラッドで取り囲まれた中心コアを備える。中心コアは、（ｉ）外半径ａ、（ｉｉ）外半径ａよりも小さい遷移半径ｒ_ｔ、（ｉｉｉ）最大屈折率ｎ_０、（ｉｖ）最小屈折率ｎ_ｃｌ、および（ｖ）中心コアの中心からの半径距離ｒの関数であるグレーデッドインデックスプロファイルｎ（ｒ）を有する。

コアおよびクラッドは、光ファイバのガラス部分を形成する。ある実施形態では、クラッドは、例えばアクリレートポリマーなどの１つ以上のコーティングで被覆されている。

屈折率を純シリカの屈折率と実質的に等しく維持しつつ１５０ｎｍ以上にわたって動作窓を拡張するために、フッ素とゲルマニウムの両方の高濃度がグレーデッドインデックス中心コアに必要とされる。フッ素と中心コアのドープマトリクスの全ての構成物質との間のウェイト・レシオ［Ｆ］（ｒ）は、ファイバの中心からの半径距離ｒの関数として以下のように表されてよい。
［Ｆ］（０）はコアの中心におけるフッ素のウェイト・レシオであり、Ｆ（ａ）は半径ａのアルファプロファイルの端部におけるフッ素のウェイト・レシオであり、ｐは実質的に２に等しい定数である。

図１は、ｗｔ％で表されるウェイト・レシオ［Ｆ］（図１でＣＦと記載）と、ＳｉＯ_２に対する屈折率差への貢献を示す。例えば、１ｗｔ％のガラスマトリクス中のフッ素濃度は、純シリカ屈折率を−３．５×１０^−３減少させることが可能である。

本発明の実施形態によれば、コア中心でのフッ素濃度［Ｆ］（０）（［Ｆ］_ｒ＝０とも記載される）は、０ｗｔ％乃至３ｗｔ％であり、コア外半径でのフッ素濃度［Ｆ］（ａ）（［Ｆ］_ｒ＝ａとも記載される）は０．５ｗｔ％乃至５．５ｗｔ％であり、［Ｆ］_ｒ＝ａ−［Ｆ］_ｒ＝０＞０．４ｗｔ％である。コア外半径でのゲルマニウム濃度［Ｇｅ］（ａ）（［Ｇｅ］_ｒ＝ａとも記載される）は、１．５ｍｏｌ％乃至１７．５ｍｏｌ％である。

このような半径に応じた構成の大きな変化のために、モード分散は、通常、アルファ値をチューニングすることでは完全に補償することができない。実際、アルファの値が何であっても、遅延はコア半径を通して一定ではなく、半径に応じた波長分散の変化のために、時間遅延は波長に応じて一様に変化しない。帯域幅をさらに改善するために、コア半径に応じて変化するアルファパラメータを用いることが必要である。中心コアのグレーデッドインデックスプロファイルｎ（ｒ）は、以下の式により規定される。

図２は、本発明の実施形態に係るマルチモードファイバのの屈折率プロファイル形状を示す。これは、半径の関数としての屈折率差Δｎとして表される。図２から分かるように、外半径ａの中心コアは、第１の値α_１を有するグレーデッドインデックスプロファイルを示す第１の内側コアを備える。このような内側コアは、コアの中心から遷移半径Ｒ_ｔ＝ｒ_ｔ・ａまで伸びている。中心コアはまた、第１の値α_２を有するグレーデッドインデックスプロファイルを示す外側コアを備える。このような外側コアは、遷移半径Ｒ_ｔ＝ｒ_ｔ・ａから外側コア半径ａまで伸びている。

コアは、光学クラッドにより取り囲まれている。光学クラッドは、幅ｗ_２で、屈折率差Δｎ_２を示す、コアを直接取り囲む押し下げられた屈折率の内側層を備える。

下記の表１は、本発明の実施形態に係るマルチモード光ファイバのいくつかの実施例を開示している。これらは、図２に従うプロファイル形状を示し、２５μｍのコア半径を有する。

表１の全ての実施例は、最適波長に中心とした１５０ｎｍよりも大きい動作波長範囲にわたり、計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃ＞４７００ＭＨｚ．ｋｍおよび全モード励振帯域幅ＯＦＬ−ＢＷ＞３５００ＭＨｚ．ｋｍを有する。この広帯域の結果は、最適波長でＥＭＢｃを最大化するよう選択されたパラメータα_１，α_２およびｒ_ｔを有する「ダブルアルファ」形状と組み合わされて、高レベルのフッ素濃度をマルチモードファイバのコア中に追加することにより達成される。

図３は、上記の表１で言及した、Ｅｘ．１と称される本発明の実施形態の第１実施例の屈折率プロファイル（ＲＩプロファイルと記載）およびフッ素濃度プロファイル（ＣＦと記載）を示す。

下記の表２は、いくつかの比較例を提示する。これらは、上記の表１の実施例とは反対に、全て本発明の範囲から外れている。

表２の比較例Ｅｘ．１ｃは、表１の実施例Ｅｘ．２と同じ屈折率を有するが、比較例Ｅｘ．１ｃのマルチモードファイバのコアは、ゲルマニウムが添加（ドープ）されているだけである。グレーデッドインデックスコア中にフッ素は存在しない。さらに、９５０ｎｍで計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃを最大化するために、単一のアルファ（すなわちα_１＝α_２）が選択されている。この最適値は、実施例Ｅｘ．２のＥＭＢｃの最適値に非常に近い。しかしながら、それは、ファイバが９５０ｎｍとは別の波長で用いられるとき、大幅に減少する。従って、コア中心で１．３７ｗｔ％およびコアの外半径で４．２９ｗｔ％のフッ素濃度を有する実施例Ｅｘ．２においては動作窓の幅が２４０ｎｍを超えて拡張されているが、比較例Ｅｘ．１ｃのマルチモードファイバが４７００ＭＨｚ．ｋｍよりも大きいＥＭＢｃを有する動作窓の幅はわずか１２５ｎｍ である。

表２の比較例Ｅｘ．３ｃのマルチモード光ファイバも、コア中にゲルマニウムが添加されているだけである。これは、表１の実施例Ｅｘ．２および表２の比較例Ｅｘ．１ｃと同じ屈折率を有するが、ダブルアルファ形状を有する。しかしながら、表２に示す帯域幅の結果から分かるように、コアがゲルマニウムでドープされ、フッ素がドープされていないとき、ダブルアルファプロファイルを用いることの利益はない。最適な計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃは、実施例Ｅｘ．２およびＥｘ．１ｃと同様に約９５０ｎｍであるが、最大値は、実施例Ｅｘ．２およびＥｘ．１ｃで得られるものよりも小さい。ここでも再び、ＥＭＢｃ＞４７００ＭＨｚ．ｋｍに対する動作窓の幅は、実施例Ｅｘ．２の場合よりも非常に狭い。

図４は、表１に示す、本発明の実施形態に対応する実施例Ｅｘ．２と、表２に示す、本発明の範囲から外れた比較例Ｅｘ．１ｃおよびＥｘ．３ｃとに関する、波長（ｎｍ）に応じた計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃの変化（ＭＨｚ．ｋｍ）を示す。４７００ＭＨｚ．ｋｍのＥＭＢｃの下限も比較のために追加されている。図４から分かるように、実施例Ｅｘ．２のマルチモードファイバは、断然、計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃが４７００ＭＨｚ．ｋｍよりも大きい、広い連続的な動作波長範囲を達成している。

表２の比較例Ｅｘ．４ｃのマルチモード光ファイバは、ＧｅおよびＦが高度に共添加されたコアを有し、パラメータα_１，α_２およびｒ_ｔは、９５０ｎｍで計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃを最大化するよう調整されている。しかしながら、比較例Ｅｘ．４ｃのマルチモードファイバは、表１の実施例Ｅｘ．５と同じ屈折率プロファイルであり、コアの中心において同レベルの共添加を示すが、フッ素濃度は、グレーデッドインデックスコア内で半径に沿って一定である。その結果、ＥＭＢｃ＞４７００ＭＨｚ．ｋｍとなるＥｘ．４の動作窓の幅は、（例えば表１の実施例Ｅｘ．５においては２００ｎｍであるのに代えて）わずかに１３０ｎｍである。

表２の比較例Ｅｘ．２ｃのマルチモード光ファイバは、グレーデッドインデックスコアがフッ素でドープされただけのマルチモード光ファイバである。グレーデッドインデックスコア中にゲルマニウムは存在しない。さらに、９５０ｎｍで計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃを最大化するために、単一のアルファ（すなわちα_１＝α_２）と、コア−クラッド界面における押し下げられたクラッド層のパラメータｗ_２およびΔｎ_２とが選択されている。この実施形態は、２００ｎｍ幅で、全モード励振帯域幅ＯＦＬ−ＢＷが３５００ＭＨｚ．ｋｍより大きい波長動作窓を達成することを可能とするが、このような完全フッ素のマルチモード光ファイバは、６９５０ＭＨｚ．ｋｍより大きい計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃを達成することができない。４７００ＭＨｚ．ｋｍより大きい計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃに対する波長動作窓は、１５５ｎｍより大きくならない。このような波長動作範囲は、半径に応じて変化するアルファ形状の屈折率を有し、グレーデッドインデックスコア中に高レベルのゲルマニウムとフッ素の両方を組み合わせて使用したおかげで、本発明の実施形態で達成可能な波長動作範囲よりも非常に狭い。

さらに、フッ素だけがドープされたグレーデッドインデックスコアを有するマルチモード光ファイバである比較例Ｅｘ．２ｃでは、コアの外側部分は、例えば以下のように、シリカの屈折率ｎ_{ｓｉｌｉｃａ}よりも非常に低い屈折率ｎ_{ｏｕｔｅｒ ｃｏｒｅ}を有する。

結果として、そしてクラッドの屈折率をコアの外側部分のレベルに位置するためには、外側クラッドをフッ素で高度にドープすることが必要である。特に基材チューブ内で異なるドープ層を蒸着する必要のあるＭＣＶＤやＰＣＶＤなどの蒸着プロセスにおいては、このような屈折率プロファイルは実現するのが非常に複雑である。それ故に、漏れ損失をうまく取り扱うこと、および／または、外側の押し下げられたクラッドを追加することが必要である。

さらに、フッ素ドープの外側クラッドのために、さらなるＦドープクラッドを必要とする「トレンチアシスト（trench-assisted）」のコンセプトを検討することが難しくなる。それは、既存の蒸着プロセスでは到達することが困難なフッ素濃度レベルを必要とするであろう。ほんの一例として、比較例Ｅｘ．２ｃのマルチモード光ファイバは、−１×１０^−３より小さい屈折率差Δｎ_３を示すトレンチを追加するために、およそ５ｗｔ％より大きいフッ素ウェイト・レシオを必要とするであろう。

図５は、本発明の第２実施形態に係るマルチモード光ファイバの屈折率プロファイルを示す。

この第２実施形態では、マルチモード光ファイバの曲げ損失性能を向上するために、光学コアを直接取り囲む屈折率差Δｎ_２および幅ｗ_２の内側クラッド層の後ろに、屈折率差Δｎ_３および幅ｗ_３のトレンチが追加される。

下記の表３は、本発明の実施形態に係る４つのマルチモード光ファイバ（実施例Ｅｘ．７〜Ｅｘ．１０）を開示している。全て、図５に従うトレンチアシスト型屈折率プロファイルを示している。表３もまた、本発明の範囲から外れる比較例Ｅｘ．５ｃを開示している。この比較例Ｅｘ．５ｃもまた、図５に従う屈折率プロファイルを示す。表３に記載された全てのマルチモード光ファイバは、２５μｍのコア半径を有する。

表３から分かるように、実施例Ｅｘ．７，Ｅｘ．８およびＥｘ．９は、３つの異なるフッ素濃度プロファイルを有する。これらは、図６に示されている。図６は、ミクロンで表される半径の関数として、ｗｔ％で表されるフッ素のウェイト・レシオＣＦを示す。より正確には、実施例Ｅｘ．７，Ｅｘ．８およびＥｘ．９のマルチモード光ファイバは、同じ屈折率プロファイル（図６に示される）を有するが、異なるα_１，α_２およびｒ_ｔの値を示す。これらは、それらのフッ素濃度に従って、最適波長で計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃを最大化するよう選択される。

表３に記載された本発明の実施形態に係るマルチモードファイバの全ての実施例は、２００ｎｍより大きい連続的な動作波長範囲を有する。その動作波長範囲にわたって、計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃは４７００ＭＨｚ．ｋｍより大きい。

表１および表３の典型的実施形態の性能を比較することにより、フッ素およびＧｅ濃度レベルが十分に高いとき、外側クラッドにトレンチ寸法に応じて調整された幅ｗ_２および高さΔｎ_２のトレンチを追加することは、動作窓の幅を制限しないことが分かる。

表３の実施例Ｅｘ．１０のマルチモード光ファイバは、実施例Ｅｘ．７，Ｅｘ．８およびＥｘ．９のマルチモード光ファイバと異なる屈折率プロファイルを有する。しかしながら、それは、別のフッ素濃度プロファイルを有する以外は、実施例９と似た帯域幅性能を示す。実施例Ｅｘ．１０のマルチモード光ファイバもまた、本発明の典型的実施形態に対応する。

反対に、比較例Ｅｘ．５ｃは、本発明の範囲から外れている。このようなマルチモード光ファイバは、コアの外側で０．８５ｗｔ％のフッ素を含有するシングルアルファ型グレーデッドインデックスコア（α_１＝α_２）と、９５０ｎｍで計算有効モード帯域幅ＥＭＢｃを最大化するよう調整されたパラメータΔｎ_２およびｗ_２を有する、コアを直接取り囲む内側クラッド層とを有する。しかしながら、表３の結果から分かるように、このような特徴は、ＥＭＢｃが４７００ＭＨｚ．ｋｍよりも大きく、１１０ｎｍよりも大きい動作窓
に達することを可能としない。全モード励振帯域幅が３．５ＧＨｚ．ｋｍより大きい動作波長範囲に関しては、それは７５ｎｍより大きくならない。

下記の表４は、本発明の実施形態に係る他の実施例（Ｅｘ．１１，Ｅｘ．１２およびＥｘ．１３）を開示している。これらは、比較例Ｅｘ．６ｃと同様に、コア半径ａ＝４０μｍを有するマルチモード光ファイバに対応する。

表４から分かるように、実施例Ｅｘ．１１は、９２５ｎｍの波長で全モード励振帯域幅を最大化するよう選択されたパラメータα_１，α_２，ｒ_ｔ，Δｎ_２およびｗ_２を有するグレーデッドインデックスマルチモード光ファイバである。コアの中心で［Ｆ］（０）＝０．４３ｗｔ％およびコア半径の外側で［Ｆ］（ａ）＝０．８５ｗｔ％のようにフッ素のウェイト・レシオを正確に調整することで、８５５ｎｍから１０２０ｎｍまで伸びる連続的な波長範囲にわたって、全モード励振帯域幅ＯＦＬ−ＢＷを３５００ＭＨｚ．ｋｍより大きく維持することが可能となる。

実施例Ｅｘ．１２は、実施例Ｅｘ．１１と同じ屈折率プロファイルおよび同じコア中心におけるフッ素濃度を示す。パラメータα_１，α_２およびｒ_ｔはまた、９２５ｎｍの波長で全モード励振帯域幅を最大化するよう選択される。しかしながら、実施例Ｅｘ．１２のマルチモードファイバは、コアの外側において高いフッ素濃度：［Ｆ］（ａ）＝３．６３ｗｔ％を有する。その結果、動作窓の幅は、７８０ｎｍから１０８０ｎｍまで３００ｎｍを超えて拡張されている。

図７は、表４に記載されたマルチモード光ファイバの実施例Ｅｘ．１３およびＥｘ．６ｃに関する、屈折率プロファイル（ＲＩプロファイル）およびフッ素濃度（ＣＦ）を半径の関数として示す。実施例Ｅｘ．１３およびＥｘ．６のマルチモード光ファイバは、従って、図７および表４の両方から推定されるように、同じ屈折率プロファイルを示すが、それらは半径に沿って異なるフッ素濃度を示す。

再度分かるように、グレーデッドインデックスマルチモードファイバ（実施例Ｅｘ．１３に対応）の曲げ性能を改善するために外側クラッドにトレンチを追加することは、ゲルマニウムとフッ素の両方の濃度が十分に高いときには、３００ｎｍ付近の動作窓を拡張することを妨げない。

図８は、実施例Ｅｘ．１３および比較例Ｅｘ．６ｃのマルチモードファイバの全モード励振帯域幅を示す。これは、波長（ｎｍ）の関数としてＭＨｚ．ｋｍで表される、ＯＦＬ−ＢＷの下限である３５００ＭＨｚ．ｋｍも比較のために追加されている。

比較例Ｅｘ．６ｃのグレーデッドインデックスマルチモードファイバは、実施例Ｅｘ．１３のファイバと同じ屈折率を有するが、低フッ素濃度およびシングルアルファ型（α_１＝α_２）グレーデッドインデックスコアを有する。アルファパラメータは、９００ｎｍ付近に帯域幅ピークを最適化するよう調整される。図５に見られるように、このような特徴により、全モード励振帯域幅ＯＦＬ−ＢＷが３５００ＭＨｚ．ｋｍより大きくなる、１５０ｎｍの連続的な動作波長範囲を超えることができない。

図９は、本発明の実施形態に係る波長分割多重システムを示す概略図である。波長分割多重システム１は、上述した本発明の実施形態のいずれかに係るマルチモード光ファイバ２を介して結合されるマルチプレクサ（ＭＵＸ）４およびデマルチプレクサ（ＤＥＭＵＸ）４を含む。波長分割多重システム１においては、様々な波長λ１，λ２，．．．，λｎを有する光信号がマルチプレクサ３で多重化された後、多重信号は、マルチモード光ファイバ２を通って伝送され、デマルチプレクサ４で逆多重化される。

Claims (30)

1. 外側光学クラッドで取り囲まれた中心コアであって、（ｉ）外半径ａ、（ｉｉ）外半径ａよりも小さい遷移半径ｒ_ｔ、（ｉｉｉ）最大屈折率ｎ_０、（ｉｖ）最小屈折率ｎ_ｃｌ、および（ｖ）前記中心コアの中心からの半径距離ｒの関数であるグレーデッドインデックスプロファイルｎ（ｒ）を有する中心コアを備え、
   前記中心コアは、少なくともフッ素ＦおよびゲルマニウムＧｅＯ_２で共添加されており、
   前記中心コアのグレーデッドインデックスプロファイルｎ（ｒ）は、以下の式：
   により規定され、
   アルファパラメータα（ｒ）は、前記中心コアの中心からの半径距離ｒの関数であり、前記アルファパラメータα（ｒ）は、前記中心コアの中心から前記中心コアの外半径ａまでの半径位置に沿って、２つ以上の異なる値を有し、
   コア中心でのフッ素Ｆのウェイト・レシオ（［Ｆ］_ｒ＝０）は、０乃至３ｗｔ％であり、コア外半径でのフッ素Ｆのウェイト・レシオ（［Ｆ］_ｒ＝ａ）は、０．５ｗｔ％乃至５．５ｗｔ％であり、［Ｆ］_ｒ＝ａ−［Ｆ］_ｒ＝０＞０．４ｗｔ％である、
   ことを特徴とするマルチモード光ファイバ。
2. ８５０ｎｍ乃至１１００ｎｍから成る波長に対し、１５０ｎｍよりも大きい連続的な動作波長範囲にわたり、３５００ＭＨｚ．ｋｍより大きい全モード励振帯域幅（ＯＦＬ−ＢＷ）を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
3. ８５０ｎｍ乃至１１００ｎｍから成る波長に対し、１５０ｎｍよりも大きい連続的な動作波長範囲にわたり、４７００ＭＨｚ．ｋｍよりも大きい計算有効モード帯域幅（ＥＭＢｃ）を有することを特徴とする請求項１または２に記載のマルチモード光ファイバ。
4. Δは、０．７％乃至１．５％であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
5. コア外半径でのＧｅＯ_２のモル分率（［Ｇｅ］_ｒ＝ａ）は、１．５ｍｏｌ％乃至１７．５ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
6. コア中心でのＧｅＯ_２のモル分率（［Ｇｅ］_ｒ＝０）は、９．５ｍｏｌ％乃至３０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
7. 前記中心コアの遷移半径Ｒ_ｔより小さい半径位置に対し、アルファパラメータα（ｒ）は第１の値α_１を有し、前記中心コアの遷移半径Ｒ_ｔより大きい半径位置に対し、アルファパラメータα（ｒ）は第２の値α_２を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
8. 前記中心コアのグレーデッドインデックスプロファイルは、以下の電力方程式：
   により規定されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
9. 第１のアルファ値α_１は、約１．９４５乃至２．０７であることを特徴とする請求項７または８に記載のマルチモード光ファイバ。
10. 第２のアルファ値α_２は、約１．９４５乃至２．０７であり、０．００１≦｜α_１−α_２｜≦０．１であることを特徴とする請求項９に記載のマルチモード光ファイバ。
11. 遷移半径の前記パラメータｒ_ｔは、約０．２乃至０．９であることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
12. 前記中心コアの外半径ａは、約２０μｍ乃至４０μｍであることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
13. フッ素のウェイト・レシオＦ［Ｆ］（ｒ）は、
    のように表される前記中心コアの中心からの半径距離ｒの関数であり、
    ｐは実質的に２に等しい定数であることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
14. であることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
15. であることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
16. コア外半径でのフッ素Ｆのウェイト・レシオ（［Ｆ］_ｒ＝ａ）は、０．８５ｗｔ％乃至５．５ｗｔ％であり、［Ｆ］_ｒ＝ａ−［Ｆ］_ｒ＝０＞０．８５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
17. ８００ｎｍ乃至１２００ｎｍから成る波長に対し、１７５ｎｍよりも大きい連続的な動作波長範囲にわたり、３５００ＭＨｚ．ｋｍより大きい全モード励振帯域幅（ＯＦＬ−ＢＷ）を有することを特徴とする請求項１６に記載のマルチモード光ファイバ。
18. ８００ｎｍ乃至１２００ｎｍから成る波長に対し、１７５ｎｍよりも大きい連続的な動作波長範囲にわたり、４７００ＭＨｚ．ｋｍよりも大きい計算有効モード帯域幅（ＥＭＢｃ）を有することを特徴とする請求項１６または１７に記載のマルチモード光ファイバ。
19. コア外半径でのフッ素Ｆのウェイト・レシオ（［Ｆ］_ｒ＝ａ）は、２．０ｗｔ％乃至５．５ｗｔ％であり、［Ｆ］_ｒ＝ａ−［Ｆ］_ｒ＝０＞１．８ｗｔ％であることを特徴とする請求項１から１８のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
20. ７５０ｎｍ乃至１３００ｎｍから成る波長に対し、２００ｎｍよりも大きい連続的な動作波長範囲にわたり、３５００ＭＨｚ．ｋｍより大きい全モード励振帯域幅（ＯＦＬ−ＢＷ）を有することを特徴とする請求項１９に記載のマルチモード光ファイバ。
21. ７５０ｎｍ乃至１３００ｎｍから成る波長に対し、２００ｎｍよりも大きい連続的な動作波長範囲にわたり、４７００ＭＨｚ．ｋｍよりも大きい計算有効モード帯域幅（ＥＭＢｃ）を有することを特徴とする請求項１９または２０に記載のマルチモード光ファイバ。
22. 前記光学クラッドは、光学コアを取り囲む、トレンチと呼ばれる押し下げられた屈折率ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}の領域を備え、前記トレンチは幅ｗ_２を有することを特徴とする請求項１から２１のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
23. 前記トレンチ幅ｗ_２は、約０．４μｍ乃至２．５μｍであることを特徴とする請求項２２に記載のマルチモード光ファイバ。
24. トレンチとクラッドの屈折率差Δｎ_２＝ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}−ｎ_ｃｌは、約−２．０×１０^−３乃至０であることを特徴とする請求項２２または２３に記載のマルチモード光ファイバ。
25. 前記光学クラッドは、前記コアを直接取り囲む、幅ｗ_２および屈折率差Δｎ_２を有する内側クラッド層と、前記内側クラッド層を取り囲む、トレンチと呼ばれる押し下げられた屈折率ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}の領域とを備え、前記トレンチは、幅ｗ_３および屈折率差Δｎ_３＝ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}−ｎ_ｃｌを有することを特徴とする請求項１から２１のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
26. 前記内側クラッド層の幅ｗ_２は、約０．４μｍ乃至２．５μｍであることを特徴とする請求項２５に記載のマルチモード光ファイバ。
27. 前記屈折率差Δｎ_２は、約−１．５×１０^−３乃至１．５×１０^−３であることを特徴とする請求項２５または２６に記載のマルチモード光ファイバ。
28. 前記トレンチの幅ｗ_３は、約１．５μｍ乃至５．０μｍであることを特徴とする請求項２５から２７のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
29. 前記屈折率差Δｎ_３は、約−７．５×１０^−３乃至−１．５×１０^−３であることを特徴とする請求項２５から２８のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
30. 請求項１から２９のいずれかに記載のマルチモード光ファイバの少なくとも一部を備えることを特徴とするマルチモード光学システム。