JP3720063B2 - 波長分割多重のための光ファイバ - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、波長分割多重（wavelength division multiplex ）動作に対して適当な光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在据え付けられている或は据え付けが予定されている多くの進歩した光ファイバ通信システムは、非常に高度化された商品である分散シフトファイバ（dispersion shifted fiber、ＤＳＦ）に基づく。このファイバは高い信号容量及び低い挿入損失の両方を提供する。長年に渡る研究は２０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃの実験的に実証されたパルス容量、及び０．２２から０．２５ｄＢ／ｋｍレンジ内の減衰を持つファイバにまで到達している。
【０００３】
以下の仕様シートは現水準のＤＳＦを代表するものである。
【０００４】
ＤＳＦ設計は、λ＝１５５０ｎｍに於ける動作の提供に当って、水の吸収ピークの外側のこの最も低損失のウインドウ（window）を活用する。帯域幅は、結果として、ゼロ分散波長（zero-dispersion wavelength）λ0 をその組成によって要求される１３１０ｎｍの値から１５５０ｎｍにシフトさせる導波路分散（waveguide dispersion）の値を与えるファイバ設計によって最大化される。
【０００５】
最近の進歩はこのタイプのファイバ設計を活用する。かなりの程度まで、新たな光ファイバシステムは、初期のシステムにおいて使用されていた（複数の中継器の）信号再生にではなく、直接の光増幅に依存する。今日の最も進歩した光増幅器であるエルビニウムにてドープされたファイバ増幅器（erbium doped fiber amplifier、ＥＤＦＡ）は、最も少ない挿入損失に対する波長と同一の波長レンジ、つまり、λ≒１．５５μｍを通じて最も効果的に動作する。
【０００６】
これより高い信号容量は、波長分割多重（wavelength division multiplexing、ＷＤＭ）による実現に頼らなければならないが、この方法においては、多重キャリア波長に対して複数のチャネルが提供される。全てのチャネルを同時に増幅する能力を持つ直接光増幅技術により、ＷＤＭがより現実的な可能性を持つものとして受け入れられるようになってきた。
【０００７】
既に据え付けられている非シフトファイバ（non-shifted fiber ）を使用して、約２ｎｍのチャネル間間隔、及び１．５５μｍ波長レンジ内で動作した場合、４チャネルの使用によって容量が単一チャネル動作の４倍、つまり、４ｘ２．５Ｇｂ＝１０Ｇｂまで増加できることが実証されている。
最近据え付けられたＷＤＭシステム及び現在据え付け中のこれらシステムは、初期の動作においてアンシフトファイバ（unshifted fiber ）に対する容量の少なくとも２倍にて動作し、考慮される（計画される）グレードアップの後には、少なくとも４ｘ５Ｇｂ＝２０Ｇｂにて動作することが期待されている。この期待される容量の向上はＤＳファイバの使用による。
【０００８】
用語
ファイバ特性
製造仕様公差は、全体としてのシステム内においては許容できない公称値からの局所的な偏差を許す。ファイバ特性はシステム要件を満足させる平均値である。これらは、市販される形式での製品ファイバ、つまり、少なくとも２．２ｋｍのリール長のファイバに関して測定される。長い連続したスパン長に強調が置かれ、６Ｋｍ或はそれ以上のリールが一般的になりつつあるため、ファイバ特性は、好ましくは、このリール長を通じて測定される。
【０００９】
公称値
これらは、例えば、“従来の技術（Description of Prior Art）”の所でテーブルにて示されるような仕様値である。
【００１０】
（公称値からの）公差
例えば、同じテーブルに表わされるように、公称値からの局所的な偏差を許す。公称値より大きかったり小さかったり（±）することが考慮に入れられる。これはファイバの任意の部分に対する許容偏差である。仕様公差は、“ファイバ特性”のレンジよりも広い。
【００１１】
ＤＳＦ
色分散ゼロポトントλ0 が１．５５μｍの公称値の所にあるファイバに対して使用される用語。仕様公差は、典型的には、０．０１μｍである。分散及び分散スロープに関しての仕様要件は等価であり、１５２５−１５７５ｎｍを通じてのテーブルに挙げられた分散値≦３．５ps/nm-kmは、分散ゼロポイントλ0 ＝１．５５±０．０１μｍ（つまり、λ＝１．５５μｍに於ける色分散が≦１ps/nm-km）であることを要求する。
【００１２】
ＷＤＭ
波長分割多重（Wavelength Division Multiplex ）は、特に断りがない限り、互いに１．５ｎｍ或はこれ以上分離された少なくとも４つのチャネルを持つ動作を意味する。考慮される（構想の）ＷＤＭシステムは、３６０ｋｍの最小無中継器スパン長にて（つまり、信号再生器無しのスパンを通じて）、チャネル当り少なくとも５Ｇｂｉｔ／ｓｅｃにて動作する能力を持つ。考慮されるＷＭＤシステムは、かなり広い間隔、つまり、約１００ｋｍ或は１２０ｋｍ或はそれ以上の間隔にて増幅器を持つ光増幅を使用することが期待される。
【００１３】
分散
別に断りがない限り、この用語は、色或は“線形”分散を意味する。ＤＳＦによって対処されるのはこの量である。本発明によると、分散の符号は、短波長放射が増加した速度を持つようなケースに対しては正である。（λ0 ＝１．３１μｍのアンシフトシリカファイバ（unshifted silica fiber）は、１．５５μｍのキャリア波長において約＋１７ps/nm-kmの分散を持つ）。
自己位相変調（ Self-Phase Modulation 、ＳＰＭ）
【００１４】
この非線形効果は増加する（線形）分散と共に増加する規模のスペクトルの広がりを起こす。新たな波長の生成は時間においてランダムであるために、これは、単純な色補償によっては完全に補償することはできない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
今日においては、考慮される（目標とされる）ＷＤＭ（４−チャネル）動作が本質的にＤＦＳの使用によっは不可能であることが発見されている。既に設置されているＤＳＦは、単一チャネル動作、或はチャネルのスパン長或は数が制約されたＷＤＭシステム内での使用に限定されることが発見されている。
【００１６】
【発明を解決するための手段】
本発明においては、考慮される（目標とされる）ＷＤＭ動作が新たなファイバ構造、つまり、ここで、“ＷＤＭファイバ（ＷＤＭＦ）”と呼ばれる製品をＤＳＦの替わりに使用することによって達成可能である。
【００１７】
簡単に述べると、本発明による進歩は、ＤＳＦを使用しての動作は、考慮される（目標とされる）ＷＤＭ動作の足枷になるという観察に基づく。４ホトン混合（four photon mixing）によるチャネル間の相互作用はシステム設計並びに動作特性を大きく制約する。小さなクリティカルな程度の線形分散の導入は、非線形効果を回避するのに十分な位相ミスマッチ（phase mismatch）を生成する。規定される範囲内に線形分散を維持することによって、考慮されるフルＷＤＭ動作が許される。
【００１８】
【実施例】
概要
今日においては、ＤＳＦによって達成されるべき終極的な目的が色分散（chromatic dispersion）の排除の完全さ自体によって限界に達していることが知られている。ＤＳＦ仕様テーブルの波長レンジλ＝１５２５−１５７５ｎｍを通じての＜３．５ps/nm-kmの許容分散公差（permitted dispersion tolerance）は、これ自身が、ＷＤＭ動作に困難さを与えるのに十分な非線形分散（non-linear dispersion ）の確証である。非線形分散の制約を与える形式（limiting form ）、つまり、４フォトン混合（4-photon mixing 、４ＰＭ）が文献において説明されているが、これに関しては、D.Marcuse 、A.R.Chraplyvy 及びR.W.Tkach によって、Journal of Lightwave Technology 、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．１、１９９１年１月号、ページ１２１−１２８に掲載の『長距離伝送へのファイバ非線形性の影響（Effect of Fiber Nonlinearity on Long-Distance Transmission）』という標題の論文を参照すること。大部分の目的に対して、４ＰＭは単なる学術的な関心の或にある。引用の論文は、７５００ｋｍのスパン長（span lengths）の試験システム（examining systems ）を適当に代表するものである。（これよりかなり短いＤＳファイバの通常のスパン長に基づく）現場システム（In-place systems）、並びに特にＷＤＭ動作のためのＤＳＦの継続された販売及び据え付けもこの見解と一致するものである。
【００１９】
４ＰＭによって課される制約を高度化された回路設計によって小さくすることが可能である。チャネル間隔及び変調フォーマットに対する注意によって、ＷＤＭシステムに対して、大きく低減された能力、つまり、制約された数のチャネル及び制約された距離のを持つＤＳＦを継続して使用することが許される。但し、ここで、議論される（目標とされる）単純で率直な設計を使用するＷＤＭシステムは、ＤＳＦに代ってＷＤＭＦを使用することによって可能とされる。ＷＤＭＦの使用は、捜し求められてきた能力、例えば、４チャネル動作、少なくとも５Ｇｂ／ｓｅｃのチャネル当り容量、３６０ｋｍ或はそれ以上の無中継器スパン長、１．０ｎｍから２．０ｎｍのチャネル間隔の実現を許す。システム設計者はこの教示を容易に理解し、実現できるものである。
【００２０】
この教示は幾分単純化されており、熟練した読者の背景知識に依存するものである。厳格には、４ＰＭは、異なるチャネルの信号を必然的に伴う建設的及び破壊的干渉に起因するパワー罰則（power penalty ）としての変動する利得或は損失として出現する。４ＰＭはノイズ源ではない。この効果は、振幅のある部分が増加されある部分が減少された信号歪であるために、この効果は矯正できない。４ＰＭの規模はパワーに依存するために、この効果は発射パワー（launch power）を低減させることによって小さくできる。ある与えられたファイバスパン長に対しては、この効果は、発射パワーの低減を許すために増幅器の数を増加することによって減らすことができる。“用語（Terminology ）”の所で定義されたように、ＷＤＭＦは、ここで考慮されるＷＤＭに対して、ＤＳＦによっては不可能なパワーレベルにて各々が動作する増幅器の使用を許す。これらの目的に対して、本発明の進歩は、８ｄＢｍの発射パワーにて動作する一つ或はそれ以上の増幅器を持つ１２０ｋｍの増幅間隔（amplified spacings）を許すファイバの設計という観点で定義される。（これらの全ては、この増幅器間間隔に対するスプライス損失、エーシング効果、その他を含む期待される３３ｄＢの損失予算（loss budget ）の観点から議論される）。
【００２１】
本発明は、システム設計者の高レベルの期待、つまり、ＷＤＭと関連する期待を満足させる能力を持つＷＤＭＦの観点から説明され、ここでは、ＤＳＦは除外して示されるものである。ここでの議論は、能力、つまり、通常の設計基準に従うＤＦＳの能力を超える動作要件の能力に関してなされる。このファイバの能力が個々の全ての据え付けにおいて完全に活用されるべきであるという要件は存在しない。本発明は、ファイバの能力に関するものであり、このファイバが初期の或は考慮される（計画される）アップグレードされた動作において使用されるかどうか別の次元である。
【００２２】
ＷＤＭファイバの仕様
本発明のファイバに対する仕様テーブルが示される。これは、“従来の技術の説明（Description of the Prior Art）”の所に含まれるＤＳＦ仕様と同一の観点から示されており、項目毎に比較できるものである。このセットの仕様は、考慮される（想定される）ＷＤＭシステムのファイバに対して十分であることが発見されている。（本発明と同時に申請の合衆国特許出願ＳＮ０８／０６９９５２号を参照すること。）これは、これら考慮されるシステム、或はより小さな或はより大きな要求を持つ他のシステムに対して許容されるＷＤＭＦ特性の全レンジを定義することを意図するものではない。
【００２３】
【００２４】
ここでの解説の目的に対しては、分散の値のみが“従来の技術の説明”の所に示される解説のためのテーブル内のＤＳＦに対して指定される値と異なる。この値は、４ＰＭを回避するためにＤＳＦに対して指定されるそれと十分に異なることが要求される。２．２ｋｍの最小リール長、或は、好ましくは、≧６ｋｍのリールに対する平均値に対して定義される対応するファイバ特性は、１から４ps/nm-kmの範囲内であると規定される。
設計のバリエーション、例えば、分散の他の許容される値を満足させるバリエーションは当業者の知識の範囲内にあるものと見なされる。
【００２５】
ファイバの設計
ＤＳＦの設計において使用されるのと同一の一般原理がＷＤＭＦの設計においても適用される。この新たなファイバはＤＳＦ波長とは異なる仮想上のキャリア波長（imaginary carrier wavelength）に分散がシフトされるものと見なすことができる。２ps/nm-kmの仕様要件は、信号波長λs ＝１５５０ｎｍ＋２５ｎｍのそれに対応するものと見なすことができる。分散の任意の要求される値はある指定されたノンキャリア波長（non-carrier wavelength）の所に分散ゼロポイント（null point）を持つファイバ設計のそれと対応する。
【００２６】
指定される分散に対して要求されるデルタ値（delt values ）を保証するためのコア直径並びにコア及びクラッドドーピングレベルの指定を必然的に伴う設計は周知である。ＷＤＭに対するこれら要件は、正或は負のいずれかの分散によって満足される。実用上の理由から、今日までの研究は、正の値の分散に集中している。これは、負の分散は、ある与えられたファイバ設計に対して、より減少されたコア直径及び増加されたドーパントレベルを要求し、両者とも減衰を増加させる傾向を持つためである。加えて、将来的には、全体としての線形分散をさらに低減、或はさらには排除するために、ある長さの高分散補償ファイバを加えることが必要になると考えられる。これに関しては、例えば、１９９３年１１月１８日付けで申請された合衆国特許出願ＳＮ０７／９７８，００２号を参照すること。現時点においては、便利な短い長さの補償ファイバを許す（補償ファイバの）高分散値は負とされる。
【００２７】
設計上の考慮事項は、ＤＳＦとの主要な差異である小さいがクリティカルな分散に関してである。とりわけ、マクロベンディング損失（macrobending loss ）、モードフィールドの直径等を含む他の設計基準は、従来の技術によるファイバ（例えば、ＤＳＦ）の設計と概して一致し、また、進歩とともに変更されることも考えられる。AT&T Technical Journal、ｖｏｌ．６５、５版、（１９８６年）、ページ１０５−１２１は代表的である。ファイバは、シリカをベースとし、ゲルマニウムにてドープされたコア、並びに、シリカであるか、或はフッ素にてダウンドープされたシリカの一つ或は複数のクラディング層を含む。全体としての１２５μｍ構造は、約６μｍの直径のコアを持つ。屈折率ピークは未ドープシリカに対して０．１３から０．１５のΔｎを持つ。通常の形状（プロフィル）は、三角形或は台形であり、恐らくは、Δｎ≒０．００２の２０μｍの直径のプラットホーム上に置かれる。
【００２８】
設計例
＋２ps/nm-kmの分散を与える一例としてのＷＤＭＦ構造は、未ドープシリカのそれに等しいか近い屈折率のクラッド内にゲルマニウムにてドープされたコアを持つ。一般に実施されている方法は、ステップインデックスクラッド（stepped-index clad）を使用するが、このクラッドは、モードフィールドを拡大するために幾分増加された屈折率の“台座（pedestal）”を持つ。この構造は、約０．７％のΔ値に対応する６．７モル％のドーピングレベルを達成するグレーディッドインデックスコア（graded index core ）を持つ。コアのベースは、約０．０５モル％のレベルにゲルマニウムドープされた１８μｍ直径の台座を中心として約６．１μｍの直径を持つ。クラッドファイバの外径は約１２５μｍである。
【００２９】
製造のための適当な手順の詳細な記述は容易に入手できる。プラットホームはモノリシックであっても、複合材料であってもよい。コア領域は、修正気相成長法（Modified Chemical Vapor Deposition、ＭＣＶＤ）によって、或はスス化学（soot chemistry）を使用するプロセスの一つ、外部蒸着法（Outside Vapor Deposition、ＯＶＤ）或は軸方向蒸着法（Vapor Axial Deposition、ＶＡＤ）によって製造することができる。クラディングのため；オーバクラディングのため；コーティングのため；ケーブリングのための周知の手順は本発明のファイバ設計によって影響を受けることはない。図２は二重コートされたファイバを示し；図４は平坦なファイバアレイを示し；図３及び５は一例としてのケーブル設計を示す。全てが実現のために適当である。
【００３０】
図面
図１は、本発明のファイバを使用する（ＷＤＭＦを使用する）４チャネル、３６０ｋｍスパン（再生器を必要としない距離）のＷＤＭシステムに対する４ＰＭによって制約されたシステム容量と色分散との関係を示す。３つの曲線が示されるが：曲線１０は１ｎｍ（約２５０ＧＨｚ）のチャネル分離と対応し；曲線１１は１．５ｎｍの間隔（約２００ＧＨｚ）と対応し；そして曲線１２は２μｍ間隔（約１２５ＧＨｚ）に対応する。曲線１１の１．５ｎｍ間隔に対しては、２．５Ｇｂ／ｓｅｃのチャネル容量は、１１ｄＢｍ（約１２．６ｍｗ）のチャネル当り増幅器発射パワー（per channel amplifier launch power）を要求する。ここで考慮される（想定される）条件下においては、４ＰＭは、最高約７５Ｇｂｉｔ／ｓｅｃの４チャネル容量まで現実的なシステム制約であり、提供されるデータは少なくともこの値までは集合的なシステム容量（aggregate system capacity ）であると見なされる。チャネル分離を増加させると、４ＰＭは減少し、結果として、示されるように容量が増加する。
【００３１】
曲線の原点を中心とする分散を持つ分散シフトファイバ（dispersion shifted fiber、ＤＳＦ）の使用は、これらの条件下においては、容量を１Ｇｂｉｔ／ｓｅｃという小さなレベルに制約する。ＷＤＭＦに対して１．５ps/nm-kmという少量の分散を導入した場合は、これら光増幅器に対する発射パワーのフレキシビリティとともに、２０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃの４−チャネル容量が許される。この容量は、初期のＷＤＭシステムに対しては十分である考えられる。予期される（計画される）将来の目標である４０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ、４−チャネル容量；及び８０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ、８−チャネル容量は、ＷＤＭ仕様テーブル内に要求されるように、１５５０ｎｍに於ての２ps/nm-km分散によって可能となる。
【００３２】
図２は、主コーティング２１及び副コーティング２２を持つ二重コートされたＷＤＭＦ２０を示す。ファイバ２０は、コア領域２３及び適当な値のΔを与えるドーピングレベルのクラッド領域２４を含むが、これはコア２３のサイズと共に本発明の要件を満足する導波路分散（waveguide dispersion）を決定する。
【００３３】
図３は、（１９９０年１２月９日発行のAT&T Lightguide Cable に説明される）商用ケーブルの一つの形態を示す。これは、包囲織り糸によって互いに保持された各々が１２個のカラーコートされたファイバ３１を含む二つの束３０を含むように示される。個々のファイバ３１は、図２のファイバの一般設計を持つが、但し、このケースにおいては、カラー識別子を提供された三層コーティング（tertiary coating）を含む。この構造は、ケーブル充填化合物３４、コアチューブ３３、水阻止テープ３５、スチールワイア３７によって強化されたポリエチレンジャケット３６、第二の水阻止テープ３５、そして、最後に、スチールワイア３７によって強化された外側ポリエチレンジャケット３６によって完結される。
【００３４】
図４はAccuRibbonＲとして知られている市販の並列ファイバアレイを示す。この構造は、１２個のファイバ４０及びマトリックス材料４１を提供する。
【００３５】
図５は、ここでは、平坦アレイ５０の形式で一群にまとめられたファイバを含むケーブルを示す。クロス・プレイ鞘（Cross-ply sheath）５１はケーブル充填化合物５２によって満たされる。ここに示される特定の構造の海底外装ケーブル（underwater armored cable）は、順番に導電性シールド５３、コートされたステンレス鋼保護層４３、及び結合されたジャケット５５から構成される覆いを含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】縦座標上のＧｂｉｔ／ｓｅｃの単位での信号容量と横座標上のps/nm-kmの単位での線形分散の座標は、４−チャネルＷＤＭシステムの３つの異なるチャネル分離に対する特性を示す図である。
【図２】従来の方法に従って二重コートされたＷＤＭファイバの斜視図である。
【図３】グループ化されたＷＤＭファイバを含むケーブル構造の一つの形式の斜視図である。
【図４】１２個のＷＤＭファイバを含むアレイ、つまり、AccuRibbonＲパラレルアレイの斜視図である。
【図５】複数のアレイのＷＤＭファイバを含むケーブルの斜視図である。
【符号の説明】
２０ ファイバ
２１ 主コーティング
２２ 副コーティング
２３ コア領域
２４ クラッド領域
【産業上の利用分野】
本発明は、波長分割多重（wavelength division multiplex ）動作に対して適当な光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在据え付けられている或は据え付けが予定されている多くの進歩した光ファイバ通信システムは、非常に高度化された商品である分散シフトファイバ（dispersion shifted fiber、ＤＳＦ）に基づく。このファイバは高い信号容量及び低い挿入損失の両方を提供する。長年に渡る研究は２０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃの実験的に実証されたパルス容量、及び０．２２から０．２５ｄＢ／ｋｍレンジ内の減衰を持つファイバにまで到達している。
【０００３】
以下の仕様シートは現水準のＤＳＦを代表するものである。
ＤＳＦ設計は、λ＝１５５０ｎｍに於ける動作の提供に当って、水の吸収ピークの外側のこの最も低損失のウインドウ（window）を活用する。帯域幅は、結果として、ゼロ分散波長（zero-dispersion wavelength）λ0 をその組成によって要求される１３１０ｎｍの値から１５５０ｎｍにシフトさせる導波路分散（waveguide dispersion）の値を与えるファイバ設計によって最大化される。
【０００５】
最近の進歩はこのタイプのファイバ設計を活用する。かなりの程度まで、新たな光ファイバシステムは、初期のシステムにおいて使用されていた（複数の中継器の）信号再生にではなく、直接の光増幅に依存する。今日の最も進歩した光増幅器であるエルビニウムにてドープされたファイバ増幅器（erbium doped fiber amplifier、ＥＤＦＡ）は、最も少ない挿入損失に対する波長と同一の波長レンジ、つまり、λ≒１．５５μｍを通じて最も効果的に動作する。
【０００６】
これより高い信号容量は、波長分割多重（wavelength division multiplexing、ＷＤＭ）による実現に頼らなければならないが、この方法においては、多重キャリア波長に対して複数のチャネルが提供される。全てのチャネルを同時に増幅する能力を持つ直接光増幅技術により、ＷＤＭがより現実的な可能性を持つものとして受け入れられるようになってきた。
【０００７】
既に据え付けられている非シフトファイバ（non-shifted fiber ）を使用して、約２ｎｍのチャネル間間隔、及び１．５５μｍ波長レンジ内で動作した場合、４チャネルの使用によって容量が単一チャネル動作の４倍、つまり、４ｘ２．５Ｇｂ＝１０Ｇｂまで増加できることが実証されている。
最近据え付けられたＷＤＭシステム及び現在据え付け中のこれらシステムは、初期の動作においてアンシフトファイバ（unshifted fiber ）に対する容量の少なくとも２倍にて動作し、考慮される（計画される）グレードアップの後には、少なくとも４ｘ５Ｇｂ＝２０Ｇｂにて動作することが期待されている。この期待される容量の向上はＤＳファイバの使用による。
【０００８】
用語
ファイバ特性
製造仕様公差は、全体としてのシステム内においては許容できない公称値からの局所的な偏差を許す。ファイバ特性はシステム要件を満足させる平均値である。これらは、市販される形式での製品ファイバ、つまり、少なくとも２．２ｋｍのリール長のファイバに関して測定される。長い連続したスパン長に強調が置かれ、６Ｋｍ或はそれ以上のリールが一般的になりつつあるため、ファイバ特性は、好ましくは、このリール長を通じて測定される。
【０００９】
公称値
これらは、例えば、“従来の技術（Description of Prior Art）”の所でテーブルにて示されるような仕様値である。
【００１０】
（公称値からの）公差
例えば、同じテーブルに表わされるように、公称値からの局所的な偏差を許す。公称値より大きかったり小さかったり（±）することが考慮に入れられる。これはファイバの任意の部分に対する許容偏差である。仕様公差は、“ファイバ特性”のレンジよりも広い。
【００１１】
ＤＳＦ
色分散ゼロポトントλ0 が１．５５μｍの公称値の所にあるファイバに対して使用される用語。仕様公差は、典型的には、０．０１μｍである。分散及び分散スロープに関しての仕様要件は等価であり、１５２５−１５７５ｎｍを通じてのテーブルに挙げられた分散値≦３．５ps/nm-kmは、分散ゼロポイントλ0 ＝１．５５±０．０１μｍ（つまり、λ＝１．５５μｍに於ける色分散が≦１ps/nm-km）であることを要求する。
【００１２】
ＷＤＭ
波長分割多重（Wavelength Division Multiplex ）は、特に断りがない限り、互いに１．５ｎｍ或はこれ以上分離された少なくとも４つのチャネルを持つ動作を意味する。考慮される（構想の）ＷＤＭシステムは、３６０ｋｍの最小無中継器スパン長にて（つまり、信号再生器無しのスパンを通じて）、チャネル当り少なくとも５Ｇｂｉｔ／ｓｅｃにて動作する能力を持つ。考慮されるＷＭＤシステムは、かなり広い間隔、つまり、約１００ｋｍ或は１２０ｋｍ或はそれ以上の間隔にて増幅器を持つ光増幅を使用することが期待される。
【００１３】
分散
別に断りがない限り、この用語は、色或は“線形”分散を意味する。ＤＳＦによって対処されるのはこの量である。本発明によると、分散の符号は、短波長放射が増加した速度を持つようなケースに対しては正である。（λ0 ＝１．３１μｍのアンシフトシリカファイバ（unshifted silica fiber）は、１．５５μｍのキャリア波長において約＋１７ps/nm-kmの分散を持つ）。
自己位相変調（ Self-Phase Modulation 、ＳＰＭ）
【００１４】
この非線形効果は増加する（線形）分散と共に増加する規模のスペクトルの広がりを起こす。新たな波長の生成は時間においてランダムであるために、これは、単純な色補償によっては完全に補償することはできない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
今日においては、考慮される（目標とされる）ＷＤＭ（４−チャネル）動作が本質的にＤＦＳの使用によっは不可能であることが発見されている。既に設置されているＤＳＦは、単一チャネル動作、或はチャネルのスパン長或は数が制約されたＷＤＭシステム内での使用に限定されることが発見されている。
【００１６】
【発明を解決するための手段】
本発明においては、考慮される（目標とされる）ＷＤＭ動作が新たなファイバ構造、つまり、ここで、“ＷＤＭファイバ（ＷＤＭＦ）”と呼ばれる製品をＤＳＦの替わりに使用することによって達成可能である。
【００１７】
簡単に述べると、本発明による進歩は、ＤＳＦを使用しての動作は、考慮される（目標とされる）ＷＤＭ動作の足枷になるという観察に基づく。４ホトン混合（four photon mixing）によるチャネル間の相互作用はシステム設計並びに動作特性を大きく制約する。小さなクリティカルな程度の線形分散の導入は、非線形効果を回避するのに十分な位相ミスマッチ（phase mismatch）を生成する。規定される範囲内に線形分散を維持することによって、考慮されるフルＷＤＭ動作が許される。
【００１８】
【実施例】
概要
今日においては、ＤＳＦによって達成されるべき終極的な目的が色分散（chromatic dispersion）の排除の完全さ自体によって限界に達していることが知られている。ＤＳＦ仕様テーブルの波長レンジλ＝１５２５−１５７５ｎｍを通じての＜３．５ps/nm-kmの許容分散公差（permitted dispersion tolerance）は、これ自身が、ＷＤＭ動作に困難さを与えるのに十分な非線形分散（non-linear dispersion ）の確証である。非線形分散の制約を与える形式（limiting form ）、つまり、４フォトン混合（4-photon mixing 、４ＰＭ）が文献において説明されているが、これに関しては、D.Marcuse 、A.R.Chraplyvy 及びR.W.Tkach によって、Journal of Lightwave Technology 、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．１、１９９１年１月号、ページ１２１−１２８に掲載の『長距離伝送へのファイバ非線形性の影響（Effect of Fiber Nonlinearity on Long-Distance Transmission）』という標題の論文を参照すること。大部分の目的に対して、４ＰＭは単なる学術的な関心の或にある。引用の論文は、７５００ｋｍのスパン長（span lengths）の試験システム（examining systems ）を適当に代表するものである。（これよりかなり短いＤＳファイバの通常のスパン長に基づく）現場システム（In-place systems）、並びに特にＷＤＭ動作のためのＤＳＦの継続された販売及び据え付けもこの見解と一致するものである。
【００１９】
４ＰＭによって課される制約を高度化された回路設計によって小さくすることが可能である。チャネル間隔及び変調フォーマットに対する注意によって、ＷＤＭシステムに対して、大きく低減された能力、つまり、制約された数のチャネル及び制約された距離のを持つＤＳＦを継続して使用することが許される。但し、ここで、議論される（目標とされる）単純で率直な設計を使用するＷＤＭシステムは、ＤＳＦに代ってＷＤＭＦを使用することによって可能とされる。ＷＤＭＦの使用は、捜し求められてきた能力、例えば、４チャネル動作、少なくとも５Ｇｂ／ｓｅｃのチャネル当り容量、３６０ｋｍ或はそれ以上の無中継器スパン長、１．０ｎｍから２．０ｎｍのチャネル間隔の実現を許す。システム設計者はこの教示を容易に理解し、実現できるものである。
【００２０】
この教示は幾分単純化されており、熟練した読者の背景知識に依存するものである。厳格には、４ＰＭは、異なるチャネルの信号を必然的に伴う建設的及び破壊的干渉に起因するパワー罰則（power penalty ）としての変動する利得或は損失として出現する。４ＰＭはノイズ源ではない。この効果は、振幅のある部分が増加されある部分が減少された信号歪であるために、この効果は矯正できない。４ＰＭの規模はパワーに依存するために、この効果は発射パワー（launch power）を低減させることによって小さくできる。ある与えられたファイバスパン長に対しては、この効果は、発射パワーの低減を許すために増幅器の数を増加することによって減らすことができる。“用語（Terminology ）”の所で定義されたように、ＷＤＭＦは、ここで考慮されるＷＤＭに対して、ＤＳＦによっては不可能なパワーレベルにて各々が動作する増幅器の使用を許す。これらの目的に対して、本発明の進歩は、８ｄＢｍの発射パワーにて動作する一つ或はそれ以上の増幅器を持つ１２０ｋｍの増幅間隔（amplified spacings）を許すファイバの設計という観点で定義される。（これらの全ては、この増幅器間間隔に対するスプライス損失、エーシング効果、その他を含む期待される３３ｄＢの損失予算（loss budget ）の観点から議論される）。
【００２１】
本発明は、システム設計者の高レベルの期待、つまり、ＷＤＭと関連する期待を満足させる能力を持つＷＤＭＦの観点から説明され、ここでは、ＤＳＦは除外して示されるものである。ここでの議論は、能力、つまり、通常の設計基準に従うＤＦＳの能力を超える動作要件の能力に関してなされる。このファイバの能力が個々の全ての据え付けにおいて完全に活用されるべきであるという要件は存在しない。本発明は、ファイバの能力に関するものであり、このファイバが初期の或は考慮される（計画される）アップグレードされた動作において使用されるかどうか別の次元である。
【００２２】
ＷＤＭファイバの仕様
本発明のファイバに対する仕様テーブルが示される。これは、“従来の技術の説明（Description of the Prior Art）”の所に含まれるＤＳＦ仕様と同一の観点から示されており、項目毎に比較できるものである。このセットの仕様は、考慮される（想定される）ＷＤＭシステムのファイバに対して十分であることが発見されている。（本発明と同時に申請の合衆国特許出願ＳＮ０８／０６９９５２号を参照すること。）これは、これら考慮されるシステム、或はより小さな或はより大きな要求を持つ他のシステムに対して許容されるＷＤＭＦ特性の全レンジを定義することを意図するものではない。
【００２３】
ここでの解説の目的に対しては、分散の値のみが“従来の技術の説明”の所に示される解説のためのテーブル内のＤＳＦに対して指定される値と異なる。この値は、４ＰＭを回避するためにＤＳＦに対して指定されるそれと十分に異なることが要求される。２．２ｋｍの最小リール長、或は、好ましくは、≧６ｋｍのリールに対する平均値に対して定義される対応するファイバ特性は、１から４ps/nm-kmの範囲内であると規定される。
設計のバリエーション、例えば、分散の他の許容される値を満足させるバリエーションは当業者の知識の範囲内にあるものと見なされる。
【００２５】
ファイバの設計
ＤＳＦの設計において使用されるのと同一の一般原理がＷＤＭＦの設計においても適用される。この新たなファイバはＤＳＦ波長とは異なる仮想上のキャリア波長（imaginary carrier wavelength）に分散がシフトされるものと見なすことができる。２ps/nm-kmの仕様要件は、信号波長λs ＝１５５０ｎｍ＋２５ｎｍのそれに対応するものと見なすことができる。分散の任意の要求される値はある指定されたノンキャリア波長（non-carrier wavelength）の所に分散ゼロポイント（null point）を持つファイバ設計のそれと対応する。
【００２６】
指定される分散に対して要求されるデルタ値（delt values ）を保証するためのコア直径並びにコア及びクラッドドーピングレベルの指定を必然的に伴う設計は周知である。ＷＤＭに対するこれら要件は、正或は負のいずれかの分散によって満足される。実用上の理由から、今日までの研究は、正の値の分散に集中している。これは、負の分散は、ある与えられたファイバ設計に対して、より減少されたコア直径及び増加されたドーパントレベルを要求し、両者とも減衰を増加させる傾向を持つためである。加えて、将来的には、全体としての線形分散をさらに低減、或はさらには排除するために、ある長さの高分散補償ファイバを加えることが必要になると考えられる。これに関しては、例えば、１９９３年１１月１８日付けで申請された合衆国特許出願ＳＮ０７／９７８，００２号を参照すること。現時点においては、便利な短い長さの補償ファイバを許す（補償ファイバの）高分散値は負とされる。
【００２７】
設計上の考慮事項は、ＤＳＦとの主要な差異である小さいがクリティカルな分散に関してである。とりわけ、マクロベンディング損失（macrobending loss ）、モードフィールドの直径等を含む他の設計基準は、従来の技術によるファイバ（例えば、ＤＳＦ）の設計と概して一致し、また、進歩とともに変更されることも考えられる。AT&T Technical Journal、ｖｏｌ．６５、５版、（１９８６年）、ページ１０５−１２１は代表的である。ファイバは、シリカをベースとし、ゲルマニウムにてドープされたコア、並びに、シリカであるか、或はフッ素にてダウンドープされたシリカの一つ或は複数のクラディング層を含む。全体としての１２５μｍ構造は、約６μｍの直径のコアを持つ。屈折率ピークは未ドープシリカに対して０．１３から０．１５のΔｎを持つ。通常の形状（プロフィル）は、三角形或は台形であり、恐らくは、Δｎ≒０．００２の２０μｍの直径のプラットホーム上に置かれる。
【００２８】
設計例
＋２ps/nm-kmの分散を与える一例としてのＷＤＭＦ構造は、未ドープシリカのそれに等しいか近い屈折率のクラッド内にゲルマニウムにてドープされたコアを持つ。一般に実施されている方法は、ステップインデックスクラッド（stepped-index clad）を使用するが、このクラッドは、モードフィールドを拡大するために幾分増加された屈折率の“台座（pedestal）”を持つ。この構造は、約０．７％のΔ値に対応する６．７モル％のドーピングレベルを達成するグレーディッドインデックスコア（graded index core ）を持つ。コアのベースは、約０．０５モル％のレベルにゲルマニウムドープされた１８μｍ直径の台座を中心として約６．１μｍの直径を持つ。クラッドファイバの外径は約１２５μｍである。
【００２９】
製造のための適当な手順の詳細な記述は容易に入手できる。プラットホームはモノリシックであっても、複合材料であってもよい。コア領域は、修正気相成長法（Modified Chemical Vapor Deposition、ＭＣＶＤ）によって、或はスス化学（soot chemistry）を使用するプロセスの一つ、外部蒸着法（Outside Vapor Deposition、ＯＶＤ）或は軸方向蒸着法（Vapor Axial Deposition、ＶＡＤ）によって製造することができる。クラディングのため；オーバクラディングのため；コーティングのため；ケーブリングのための周知の手順は本発明のファイバ設計によって影響を受けることはない。図２は二重コートされたファイバを示し；図４は平坦なファイバアレイを示し；図３及び５は一例としてのケーブル設計を示す。全てが実現のために適当である。
【００３０】
図面
図１は、本発明のファイバを使用する（ＷＤＭＦを使用する）４チャネル、３６０ｋｍスパン（再生器を必要としない距離）のＷＤＭシステムに対する４ＰＭによって制約されたシステム容量と色分散との関係を示す。３つの曲線が示されるが：曲線１０は１ｎｍ（約２５０ＧＨｚ）のチャネル分離と対応し；曲線１１は１．５ｎｍの間隔（約２００ＧＨｚ）と対応し；そして曲線１２は２μｍ間隔（約１２５ＧＨｚ）に対応する。曲線１１の１．５ｎｍ間隔に対しては、２．５Ｇｂ／ｓｅｃのチャネル容量は、１１ｄＢｍ（約１２．６ｍｗ）のチャネル当り増幅器発射パワー（per channel amplifier launch power）を要求する。ここで考慮される（想定される）条件下においては、４ＰＭは、最高約７５Ｇｂｉｔ／ｓｅｃの４チャネル容量まで現実的なシステム制約であり、提供されるデータは少なくともこの値までは集合的なシステム容量（aggregate system capacity ）であると見なされる。チャネル分離を増加させると、４ＰＭは減少し、結果として、示されるように容量が増加する。
【００３１】
曲線の原点を中心とする分散を持つ分散シフトファイバ（dispersion shifted fiber、ＤＳＦ）の使用は、これらの条件下においては、容量を１Ｇｂｉｔ／ｓｅｃという小さなレベルに制約する。ＷＤＭＦに対して１．５ps/nm-kmという少量の分散を導入した場合は、これら光増幅器に対する発射パワーのフレキシビリティとともに、２０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃの４−チャネル容量が許される。この容量は、初期のＷＤＭシステムに対しては十分である考えられる。予期される（計画される）将来の目標である４０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ、４−チャネル容量；及び８０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ、８−チャネル容量は、ＷＤＭ仕様テーブル内に要求されるように、１５５０ｎｍに於ての２ps/nm-km分散によって可能となる。
【００３２】
図２は、主コーティング２１及び副コーティング２２を持つ二重コートされたＷＤＭＦ２０を示す。ファイバ２０は、コア領域２３及び適当な値のΔを与えるドーピングレベルのクラッド領域２４を含むが、これはコア２３のサイズと共に本発明の要件を満足する導波路分散（waveguide dispersion）を決定する。
【００３３】
図３は、（１９９０年１２月９日発行のAT&T Lightguide Cable に説明される）商用ケーブルの一つの形態を示す。これは、包囲織り糸によって互いに保持された各々が１２個のカラーコートされたファイバ３１を含む二つの束３０を含むように示される。個々のファイバ３１は、図２のファイバの一般設計を持つが、但し、このケースにおいては、カラー識別子を提供された三層コーティング（tertiary coating）を含む。この構造は、ケーブル充填化合物３４、コアチューブ３３、水阻止テープ３５、スチールワイア３７によって強化されたポリエチレンジャケット３６、第二の水阻止テープ３５、そして、最後に、スチールワイア３７によって強化された外側ポリエチレンジャケット３６によって完結される。
【００３４】
図４はAccuRibbonＲとして知られている市販の並列ファイバアレイを示す。この構造は、１２個のファイバ４０及びマトリックス材料４１を提供する。
【００３５】
図５は、ここでは、平坦アレイ５０の形式で一群にまとめられたファイバを含むケーブルを示す。クロス・プレイ鞘（Cross-ply sheath）５１はケーブル充填化合物５２によって満たされる。ここに示される特定の構造の海底外装ケーブル（underwater armored cable）は、順番に導電性シールド５３、コートされたステンレス鋼保護層４３、及び結合されたジャケット５５から構成される覆いを含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】縦座標上のＧｂｉｔ／ｓｅｃの単位での信号容量と横座標上のps/nm-kmの単位での線形分散の座標は、４−チャネルＷＤＭシステムの３つの異なるチャネル分離に対する特性を示す図である。
【図２】従来の方法に従って二重コートされたＷＤＭファイバの斜視図である。
【図３】グループ化されたＷＤＭファイバを含むケーブル構造の一つの形式の斜視図である。
【図４】１２個のＷＤＭファイバを含むアレイ、つまり、AccuRibbonＲパラレルアレイの斜視図である。
【図５】複数のアレイのＷＤＭファイバを含むケーブルの斜視図である。
【符号の説明】
２０ ファイバ
２１ 主コーティング
２２ 副コーティング
２３ コア領域
２４ クラッド領域
Claims (11)
- 少なくとも２０Ｇビットの総ファイバ速度をもつ波長分割多重システムで用いるのに適した少なくとも一つの光ファイバからなる製品であって、該光ファイバは１５５０ｎｍにおいて０．２５dB／km以下の減衰と、１．４０μｍよりも小さな遮断波長と、０．１５ps／（nm２-km）よりも小さな分散スロープを有するコアとクラッドとを有し、少なくとも２．２kmのファイバ長に対する１５５０ｎｍにおける平均色分散の絶対値は１．５から４ps／nm-kmの範囲内にあることを特徴とする製品。
- 請求項１に記載の製品において、該ファイバが、被覆に包囲される、ものである製品。
- 請求項２に記載の製品において、該ファイバが、ファイバと直接接触する主被覆と該主被覆の周りの副被覆とを含む二重被覆内に包囲されることをものである製品。
- 請求項２に記載の製品において、該製品が、被覆材料内に複数の光ファイバを含み、ケーブルを形成するようになっている製品。
- 請求項４に記載の製品において、該製品が、グループ化されたファイバを含む製品。
- 請求項５に記載の製品において、該グループが、平坦アレイの形状である製品。
- 請求項１に記載の製品において、該平均色分散の符号が、正である製品。
- 請求項１に記載の製品において、該平均色分散が、少なくとも２ps／nm-kmである請求項１の製品。
- 請求項２に記載の製品において、該製品が、リール状に巻かれている製品。
- 請求項９に記載の製品において、該製品が、被覆された光ファイバのリールから実質的に成るものである製品。
- 請求項１に記載の製品において、該分散スロープが０．０９５ps／nm2より小さい製品。
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