JP3715104B2 - 光ファイバ - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバに関し、特に、波分割多重化(WDM)システムに適した光ファイバに関する。
【0002】
【従来の技術】
光伝送は光ファイバ上に莫大なバンド幅を利用できるので通信技術において魅力的である。このようなバンド幅は、数千の電話通話および数百のテレビジョンのチャンネルを一般に高品質のガラス材料から作られている髪の毛ほど細い光ファイバ上で同時に伝送することを可能にする。光ファイバ上の伝送容量は、いくつものチャネルが1つのファイバに多重化され各チャネルが異なる波長において動作するようなWDMシステムにおいて増加した。しかし、WDMシステムにおいては、4フォトン混合のようなチャネル間の非線形相互作用がシステム能力を厳しく減らしてしまう。この問題は、動作波長において少量の色分散を導入することによりこれらの非線形相互作用を減少させる光ファイバを記載する米国特許5327516(516特許)により大部分解決された。ここで、1つのファイバ上で伝送されるWDMチャネルの数が増えると、光ファイバが搬送する光パワーも増えることに留意されたい。パワーが増加すると非線形の影響も増える。従って、光ファイバがWDMチャネルそれぞれに対して少量の色分散を与えることが望ましい。
【0003】
光ファイバの製造時に用いるガラスファイバの品質(ほぼ純粋なシリカ−SiO2)において重大な進歩が見られた。1970年にはガラスファイバの許容できる品質は20dB/kmの範囲であったが、今日では、損失は一般に0.25dB/kmより下である。実際に、ガラスファイバの理論的な最小損失は、約0.16dB/kmであり、それは約1550nmの波長で起こる。この波長領域でエルビウムドープファイバアンプが動作し、エルビウムドープファイバアンプが利用可能な最も実用的な光アンプであるので、この波長領域が最も有用となっている。このようなアンプにおいてガラスファイバがドープされるエルビウムイオンは第1波長領域(例えば、980nm)においてエネルギーによって「ポンピング」され、エルビウムイオンが送信光信号によって励起されるような第2波長領域(例えば、1530〜1560nm)へとエネルギーを放つ。このようなアンプは、光信号のブロードスペクトルを増幅する必要があるWDMシステムにおいて基本的な構成部分である。毎秒1テラビット(1Tb/s=1000Gb/s)の伝送が25の隣接チャネル、チャネルごとの2つの偏光モードそれぞれの独立な変調などの技術を用いて既に実証されている。1530〜1565nm波長領域(エルビウムアンプ領域)においてWDMシステムを動作させることが望ましいが、今日のファイバデザインはエルビウムアンプ領域にわたっての色分散において望まない大きな差を発生させてしまう。
【0004】
1310nmと1550nmの両方の伝送をさせるために、広い波長領域にわたったフラット分散特性を有する光ファイバの設計に大きな努力が注がれた。しかし、このような「分散フラット化(dispersion flattened)」ファイバは曲げ損失が大きいことと製造時の許容範囲が厳しいことにより、あまり商業的な成功はしていない。
【0005】
エルビウムアンプ領域をまたがって低分散勾配を与える光ファイバの1つとして、ドーナッツに似ている屈折率プロファイルを有し、文献、OFC'95 Technical Digest "Dispersion-shifted single-mode fiber for high-bit-rate and multiwavelength systems", page 259-260、に示されている。この設計は、低屈折率材料のコアを包囲する高屈折材料のリングからなる。しかし、このようなプロファイルに対応する伝送損失は、1550nmにおいて0.22dB/kmのオーダーであり、これは所望のものより少なくとも10%高い。記載された設計は、エルビルムアンプ領域における低勾配を有する負の色分散を提供することには有用であるように思えるが、エルビウムアンプ領域においてこのような低い勾配を有する正の色分散を提供するようには思えない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従って、(1)1550nmにおいて0.22dB/kmよりも小さい伝送損失、(2)少ない色分散の量(すなわち、少なくとも0.8ps/(nm−km)の絶対値)、(3)低い勾配を有する色分散特性(すなわち、0.05ps/(nm2−km)よりも小さい)、を有するエルビウムアンプ領域における動作に適した光ファイバを提供することが望ましく、このような光ファイバは従来技術にはない。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明により、波長領域1530〜1565nm内のすべての波長に対して約0.8ps/(nm−km)の絶対値である色分散を有する光ファイバを提供する。この光ファイバは、最大屈折率n1を有する透過材料のコアを有し、そのコアの外側表面上の透過クラッド材料の層は、屈折率n2を有する。コアは、最小屈折率がn2と比べて抑えられている透過材料の環状領域を有する。これらの屈折率は、波長領域1530〜1565nmにおいて低分散勾配を有する光ファイバを提供するために以下の式によって制約される。
0.50<(n1−n2)/n2<0.70、かつ
−0.30<(n3−n2)/n2<−0.05
【0008】
本発明の一実施例において、正の色分散を有する光ファイバを開示する。これは波長領域1530〜1565nmにわたって約+0.043ps/(nm2−km)の分散勾配を有し、その屈折率プロファイルは、ゲルマニウムドープ中央コア領域と純粋シリカクラッドの間のフッ素ドープ材料の単一の環状リングからなる。この単一のリングは、クラッド層の屈折率よりも低い屈折率を有する。
【0009】
別の実施例において、負の色分散を有する光ファイバを開示する。その分散勾配もまた、波長領域1530〜1565nmにわたって約+0.043ps/(nm2−km)であり、その屈折率プロファイルは、ゲルマニウムドープ中央コア領域と純粋シリカクラッドの間の制御された屈折率の材料の2つの環状リングからなる。第1の環状リングは、クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有するフッ素ドープ材料からなる中央コアに隣接する。第2の環状リングは、クラッドに隣接し、クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有するゲルマニウムドープ材料からなる。第2の環状リングは、ファイバの有効面積を増加させるために用いる。
【0010】
本発明の光ファイバは、0.20dB/km以下の1550nmにおける平均伝送損失を有し、曲げ損失に対して比較的非感受性とすることができる。また、本発明の光ファイバは、50μm2よりも大きい有効面積を有する。
【0011】
【発明の実施の形態】
多くの機構がファイバのバンド幅を制限する。マルチモードファイバにおいて、例えば、モーダル分散(modal dispersion)があり、モーダル分散においては、ファイバの一端に入る光のパルスがファイバの他端から出ていく際に散乱する。これは、マルチモードファイバが特定の波長の数百の異なるモード(パス)をサポートすることから発生する。異なるモードがファイバの他端で結合すると、結果としてパルス散乱(分散)が発生し、これは好ましくない。特に言及しない限り、分散とは、色分散(線形分散)を意味する。従来から、分散の符号は短い波長の放射が長い波長の放射よりも大きな速度を有するような状況において正と考えられている。
【0012】
ファイバは、特定の波長の基本モード(LP01)のみをサポートするようにも設計することができる。このようなファイバは、「シングルモードファイバ」と呼ばれる。これはマルチモードファイバよりも相当に大きなバンド幅を有し、これに比例して大きな速度において光信号を送信することができる。しかし、シングルモードファイバは、LP11カットオフ波長よりも短い波長においてマルチモードファイバであるようにふるまう。このLP11カットオフ波長は、コア半径a、屈折率n、およびコアの屈折率/クラッドの屈折率の比の差(fractional difference)Δにより決められる。実際に、Δおよびaが減少すると、ただ1つのモードがLP11カットオフ波長よりも長い波長において伝搬するまで、伝搬するモードは少なくなっていく。従って、LP11カットオフ波長は、適切な量の分伝送される波長よりも短い必要がある。
【0013】
光ファイバの製造において、ガラスプレフォームロッドが垂直につらされ、制御された速度で炉の中に移動される。プレフォームは、炉の中で軟化し、ガラスファイバは、ドロータワー(draw tower)の底に位置するキャプスタンによりプレフォームロッドの溶融端から自由に引かれる。(引かれるファイバがプレフォームロッドよりも数千倍も小さな直径を有するにも関わらず、同じ屈折率プロファイルを有することは驚きである。)ガラスファイバの表面がアブレージョンによって起こる損傷を受けやすいので、ファイバが引かれた後でいずれかの表面に接触する前にファイバを被覆することが必要である。被覆材料の適用がガラス表面を損傷してはならないので、被覆材料は液体状態において適用される。適用されると被覆材料は、ガラスファイバがキャプスタンに到達する前に固化しなければならない。これは通常、光固化によりある程度の時間間隔を空けて行われる。このプロセスは、液体被覆材料が電磁放射により露出されることにより固体へ変換されるプロセスである。図1は、本発明で用いるのみ適した構造の二重被覆光ファイバである。図示するように、被覆材料の二層は、引かれたガラスファイバ10に適用され、このガラスファイバ10は、光を搬送するコア11とクラッド14からなる。クラッドファイバ11は、約125μmの直径を有する。プライマリ被覆材料と呼ぶ内側層111は、ガラスファイバ10に適用される。セカンダリ被覆材料と呼ぶ外側層112は、プライマリ被覆材料111に適用される。セカンダリ被覆材料は一般に、取り扱いに耐えるために比較的高い弾性(モジュラス:例えば、109Pa)を有するが、プライマリ被覆材料は、マイクロ曲げ損失を減らすクッションとして機能するように比較的低い弾性(例えば、106Pa)を有する。セカンダリ被覆材料は、プライマリ被覆がまだウェット状態の間に適用することができ、次に、両方の被覆は電磁スペクトルの紫外線領域にある放射により同時に固化することができる。
【0014】
図2は、従来技術の光ファイバの色分散を示し、特に、全体のフラット化特性23がどのように材料および導波路分散成分の付加的な組み合わせによって作られるかを示す。(分散フラット化ファイバは一般に2つの波長、例えば、1400nmと1700nm、においてゼロ分散を有する。)材料分散が光ファイバの製造に用いる実際の材料と固有に関連づけられることを思い出されたい。ここで、材料分散21はシリカガラスに対応する。他方、導波路分散22は、屈折率プロファイルの姿の関数である。材料分散と異なり、導波路分散は設計エンジニアによりある範囲内に限度を設けるように形成することができる。この特定の屈折率プロファイルは、色分散が1400〜1700nmに広がる広い波長領域にわたって減るように分散フラット化ファイバの設計において用いられる。分散フラット化ファイバの例としては、米国特許4372647、米国特許4435040がある。
【0015】
図3Aを参照すると、これは複数の層31〜34を示す非被覆ガラスファイバ30の断面積を概して示している。各層は、ファイバの導波路分散特性を変更するために異なる屈折率を有する。図3Aは、屈折率における変化が層の間で急であることを示す(これは必要ではない)。段階的な屈折率な変化はより一般的であり、グレーデッドインデックスファイバと呼ばれる。しかし、本発明の理解を容易にするために急な変化を示した。本発明は、グレーデッドインデックスファイバにも適用できる。
【0016】
光ファイバ30は、公称屈折率がn1である中央コア領域31からなる。中央コア領域31は、公称屈折率がn3である第1中間領域32により包囲され、第1中間領域32は、公称屈折率がn4である第2中間領域により包囲される。公称屈折率n2のクラッド層34は第2中間領域を包囲する。図3Aは、クラッド層34の直径が約125nmであるが中央コア31の直径は7μmよりも小さいのでスケールどおりではない。また、図3Aは、4つの別々のガラス層を記載し、そのうちの3つのみが図3Bの本発明の第1実施例に従って屈折率プロファイルを製造することに用いられる。
【0017】
図3Bは、本発明に従って正分散ファイバの屈折率プロファイルを記載し、その屈折率プロファイルを下の式で定義される正規化された屈折率差Δ1とΔ2の関数として示している。
Δ1≒((n1−n2)/n2)×100%
Δ2≒((n3−n2)/n2)×100%
【0018】
所望のファイバの品質として、低損失、低分散勾配、および適切に大きな有効面積がある。これらのファイバ品質は、
0.50%<Δ1<0.60%
−0.15%<Δ2<−0.05%
であるΔ1とΔ2の値の範囲にわたっての正の分散ファイバにおいて得られる。
【0019】
本発明の特定の実施例においては、Δ1=0.55%、Δ2=−0.10%であり、多層の半径は、a1=3.2μm、a2=4.7μmである。図3Bのファイバプロファイルは、ゲルマニウムドープシリカコア、フッ素ドープ中間層、および純粋シリカ外側クラッドからなる。しかし、コアおよびクラッド層は、本発明の利益を与えるのは屈折率の相対的な差であるので、上のような方法で作らなくてもよい。例えば、コアは純粋シリカから作り、中間層およびクラッドはフッ素ドープの異なるレベルであってもよい。
【0020】
本発明に用いるのに適した正分散ファイバの仕様表を下のように作った。しかし、これはすべての許容範囲のファイバを示したのではなく、例示的にすぎない。
Figure 0003715104
【0021】
図3Cは、本発明に従う負分散ファイバの屈折率プロファイルを示す。
0.60%<Δ1<0.70%
−0.30%<Δ2<−0.10%
0.05%<Δ3<0.25%
であるΔ1、Δ2、Δ3の値の範囲にわたって負の分散ファイバが所望のファイバ品質を得られることがわかった。
【0022】
本発明の特定の実施例において、Δ1=0.65、Δ2=−0.25、Δ3=0.10である。また、多層の半径は、b1=3.4μm、b2=5.2μm、b3=7.2μmである。図3Cのファイバプロファイルは、ゲルマニウムドープシリカコア、フッ素ドープ第1中間層、ゲルマニウムドープ第2中間層、純粋シリカ外側クラッドからなる。しかし、コアとクラッド層はこの方法により作る必要はない。なぜなら、本発明の利益を与えるのは屈折率における相対的な差であるからである。例えば、コアは純粋シリカから作り、中間層とクラッドはフッ素ドープの異なるレベルを有するようにできる。
【0023】
本発明に用いるのに適した負分散ファイバの仕様表を下のように作った。しかし、これはすべての許容範囲のファイバを示したのではなく、例示的にすぎない。
Figure 0003715104
【0024】
製造における適切な手順の詳細な説明は容易に得ることができる。プリフォームはモノリシックあるいはコンポジットでよい。コア領域は、改良化学気相蒸着法(modified chemical vapor deposition)あるいはスート化学である外部気相蒸着(outside vapor deposition)、気相軸蒸着(vapor axial deposition)を用いるプロセスの1つによって形成するのが好ましい。公知の手順(例えば、クラッディング、オーバークラッディング、被覆、ケーブリング等)はファイバ設計には影響を与えない。
【0025】
図4は、本発明に従う光ファイバの色分散特性43を示す。詳細には、材料分散成分41および導波路分散成分42の付加的な組み合わせによっていかに低分散勾配が作られるかを示す。図2における分散フラット化ファイバに対する導波路分散曲線22も負の勾配を示すのにもかかわらず、導波路分散は、第2分散をゼロにして(1700nmに示してある)フラットな全体の分散曲線23とするために、長い波長において急に増加する。しかし、このようなフラット化は、基本モードが有効にカットオフし始めることに従って実際に発生し、これは望まない高い曲げ損失を招いてしまう。
【0026】
図5は、図3Bに示した屈折率プロファイルを有する正分散ファイバ43−1、および図3Cに示した屈折率プロファイルを有する負分散ファイバ43−2の色分散のグラフである。これらファイバのそれぞれは、1550nmにおいて0.20dB/km以下である損失、50μm2よりも大きい有効面積を有し、これらファイバのそれぞれは、エルビウムドープファイバアンプが動作する波長領域(1530〜1565nm)において0.8ps(nm−km)よりも大きい絶対値である分散を有する。さらに重大なことは、これらファイバそれぞれは、1550nmにおいて約0.043dB/(nm2−km)の分散勾配を有することである。これらの特性により、低損失およびエルビウムアンプ領域にわたっての分散量が小さいことが望ましいWDM信号の伝送においてファイバ43−1、43−2を理想的にする。(逆に、非シフトシリカファイバは、約1310nmにおいて分散ヌル点λ0、1550nmにおいて+17ps/(nm−km)の分散、1550nmにおいて約0.095ps/(nm2−km)の分散勾配を有するものである。)
【0027】
図6は、本発明に従う実用的なケーブルの構築に関する詳細を与える。光ファイバは、2束の光ファイバを有し、これらはヤーンバインダ606によってルース状に巻かれ、同一のユニットを形成している。束の1つは、米国特許5611016において議論しているように、正分散ファイバ30−1を有し、他方の束は負分散ファイバ30−2を有することが好ましい。正および負の分散ファイバを別々のグループ(ユニット)へと分離することが好ましいが、本発明において必要なことではない。これらの束は、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンのような誘電体材料から作られる。管状メンバ605をシースシステムが囲い、これは、吸水性テープ603、ポリエチレン材料などでできているプラスチックジャケット601、綱やエポキシ浸透ガラスファイバなどからなる強度メンバ602−602を有する。強度メンバは、取り扱い時や通常のサービス時において光ファイバへとかかってしまう応力を減らすために用いられ、公知の方法によってケーブル600内に設けることができる。Kevlar(登録商標)でできた引裂ひも604は、全体のシースシステム601〜603の除去を容易にする。埋め材料が通常、内部に含むファイバのクッション材として機能する管状メンバ605内に配置され、マイクロ曲げ損失からそれらを守る。
【0028】
図7は、本発明に従うWDMシステム700を示す。これは4つの送信器71〜74からなり、これらは4つの異なるベースバンド信号で1530〜1565nm領域における所定の4つの波長を変調する。変調された波長は次に、受動4:1カプラ75によりコンバイニングされ、光アンプ710(エルビウムドープファイバアンプが好ましい)を有するファイバ伝送線30−1、30−2へと導入される。図7の実施例において、ファイバ伝送線30−1は所定長の正分散ファイバからなり、ファイバ伝送線30−2は所定長の負分散ファイバからなる。受信端において、4つのチャネルはそれらの波長に従ってデマルチプレキサ85により分割され、個々のベースバンド信号を抽出するように受信器81〜84により処理される。
【0029】
隣接する層の間を段階的にテーパ状となる屈折率プロファイル(例えば、グレーデッドインデックスプロファイル)、層の幅における変更、同じ一般的なプロファイルの形を得るために異なるドーピング物質の利用、光ファイバの製造においてガラスではなくプラスチック材料の利用のような多くの変形例がある。多くの実用的な光ファイバにおいて、ファイバの製造時に用いる製造プロセスのおかげでファイバの中央において屈折率の低い部分が存在することは留意すべきである。図3B、Cが理想化したプロファイルを示すが、本発明はこのような中央部分の屈折率の低い部分にかかるものも包含する。
【0030】
特許請求の範囲に記載した参照符号は、発明の容易な説明のためのみに記載したものであり、これにより本発明を限定的に解釈すべきではない。
【0031】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、小さい伝送損失、少ない色分散、低い勾配を有する色分散特性を有するエルビウムアンプ領域における動作に適した光ファイバを提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】2つの保護被覆層を有する従来技術の光ファイバの斜視図である。
【図2】波長の関数としての分散フラット化ファイバの全体の色分散のグラフ図であり、その材料分散および導波路分散成分を示す。
【図3】(A)異なる屈折率材料のいくつかの層を示す非被覆光ファイバの断面図である。(B)本発明に従う正分散ファイバの屈折率プロファイルを示すグラフ図である。(C)本発明に従う負分散ファイバの屈折率プロファイルを示すグラフ図である。
【図4】波長の関数として本発明に従うファイバの色分散のグラフ図であり、その材料分散および導波路分散成分を示す。
【図5】本発明の正分散ファイバおよび負分散ファイバの色分散のグラフ図であり、エルビウムアンプ領域において詳細にそれらの特性を示す。
【図6】本発明に従う光ファイバを含むケーブルの斜視図である。
【図7】正および負分散ファイバとともにエルビウムドープファイバアンプを含む伝送パスにわたって動作する4チャネルWDMシステムである。
【符号の説明】
10 ガラスファイバ
11 コア
14 クラッド
30 光ファイバ
31 コア領域
32 第1中間領域
33 第2中間領域
34 クラッド層
110 二重被覆光ファイバ
111 内側層
112 外側層
600 光ケーブル
601 プラスチックジャケット
602 強度メンバ
603 吸水性テープ
604 引裂ひも
605 管状メンバ
606 ヤーンバインダ
30−1 正分散ファイバ
30−2 負分散ファイバ

Claims (8)

  1. 1530〜1565nmの領域の全ての波長において+0.8ps/(nm−km)よりも大きい正の色分散を有する光ファイバであって、
    該光ファイバは、公称屈折率n1を有する透過材料からなる中央領域を含むコアと、公称屈折率n2を有する透過なクラッド材料からなる該コアの周囲の層とからなり、
    該コアは、公称屈折率n3を有する透過材料からなる該中央領域周囲の環状領域を含み、ここで
    Δ=((n1−n2)/n2)×100%、Δ=((n3−n2)/n2)×100% とすると、
    0.50%< Δ <0.60%、及び
    −0.15%< Δ <−0.05% であり、
    該光ファイバは、1530〜1565nmの領域の全ての波長において、0.05ps/(nm2−km)より小さい分散勾配を有している光ファイバ。
  2. 1530〜1565nmの領域の全ての波長において−0.8ps/(nm−km)よりも小さい負の色分散を有する光ファイバであって、
    該光ファイバは、公称屈折率n1を有する透過材料からなる中央領域を含むコアと、公称屈折率n2を有する透明なクラッド材料からなる該コアの周囲の層とからなり、
    該コアは、公称屈折率n3を有する透過材料からなる該中央領域周囲の第1の環状領域、及び公称屈折率n4を有する透過材料からなる該第1の環状領域周囲の第2の環状領域を含み、
    Δ=((n1−n2)/n2)×100%、Δ=((n3−n2)/n2)×100% 及び Δ=((n4−n2)/n2)×100% とすると、
    0.60%< Δ <0.70%、
    −0.30%< Δ <−0.10% 及び
    0.05%< Δ <0.25 %であり、
    該光ファイバは、1530〜1565nmの領域の全ての波長において、0.05ps/(nm2−km)より小さい分散勾配を有している光ファイバ。
  3. 請求項1又は2に記載の光ファイバにおいて、該光ファイバは1530〜1565nmの領域の全ての波長において0.043±0.005ps/(nm2−km)である分散勾配を有している光ファイバ。
  4. 請求項1又は2に記載の光ファイバにおいて、該光ファイバはプラスチックジャケットを有するシースシステム内に収容されて光ケーブルを構成している光ファイバ。
  5. 波長分割多重システムであって、請求項1又は2に記載の光ファイバを含む伝送路、該伝送路の一方の端に接続された多重化装置及び該伝送路の他方の端に接続された多重分離装置とからなり、
    該多重化装置は、1530〜1565nmの領域内の異なる波長で変調された複数の光信号の源を含み、該伝送路は該多重化装置と該多重分離装置とを相互接続して波長分割多重システムを形成している波長分割多重システム。
  6. 請求項5の波長分割多重システムにおいて、該伝送路は光増幅器を含む波長分割多重システム。
  7. 請求項6に記載の波長分割多重システムにおいて、該光増幅器はエルビウムドープ・ファイバ増幅器である波長分割多重システム。
  8. 請求項5に記載の波長分割多重システムにおいて、該伝送路は該光ファイバに直列接続された第2の光ファイバを含み、該第2の光ファイバは該光ファイバの分散勾配に略等しいが極性が反対の分散勾配を有しているものである波長分割多重システム。
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