JP4132581B2

JP4132581B2 - マルチモード光ファイバを含む装置

Info

Publication number: JP4132581B2
Application number: JP2000171035A
Authority: JP
Inventors: ユージーンゴロウィッチスティーブン; アルフレッドリードウィリアム; ジョンリットジャーアルバート
Original assignee: ルーセントテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 2000-06-07
Filing date: 2000-06-07
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2020-06-07
Also published as: JP2002006165A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屈折率プロファイルを改善したマルチモード光ファイバと、この光ファイバを用いた通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバは、伝送用レーザデバイスと増幅器を含む多くのアプリケーションで用いられている。基本的に光ファイバは、ある屈折率を有する誘電体材料から形成されたコアと、そのコアを包囲するクラッド層とを有する。クラッド層は、コアの屈折率よりも低い屈折率を有する材料から構成される。コアの屈折率が、クラッド層の屈折率以上である限り、コアを伝搬する光ビームは、内部で全反射を示し、コアの長さ方向に沿って導波される。多くの実際的なアプリケーションにおいては、コアとクラッド層の屈折率は、互いに数％以下しか異ならない。
【０００３】
アプリケーションに依存する光ファイバの設計においては、光ビーム伝送の所望のモードあるいは材料が使用される。光ファイバは、シングルモード、またはマルチモードで光を伝搬するよう構成され、複数のガイドモードをサポートする光ファイバは、マルチモードファイバと称する。マルチモードファイバは、シングルモードファイバよりも大きなコア直径を有し、多数のモードが光ファイバ内を伝搬できるようになっている。さらに別の設計上の制約が、マルチモードのアプリケーションにより課される。このような制約は例えば、コアとクラッド層の製造に用いられる材料の選択、および光ファイバの屈折率プロファイル（例えば、光ファイバの中心から、クラッド層の外側に向かって、屈折率が半径方向に変化するようなプロファイル）である。様々な種類の屈折率プロファイルが知られており、例えば、ステップインデックス、傾斜インデックス、抑制されたクラッド層あるいはＷ型の変形例が知られている。
【０００４】
高いバンド幅に対しては、マルチモードファイバ中で様々なモードの速度群は、できるだけ等しくなければならない。グループ速度の差は、コアを含む材料の屈折率を傾斜させること（grading）により、すなわち、屈折率の関数形態を、光ファイバの半径方向の関数として指定することにより制御される。従来のマルチモードファイバにおいては、設計の目標は、次式で定義されるαプロファイルを達成することであった。
【数１】

ここでｒは光ファイバの半径であり、ｒ_coreはコアの半径であり、ｎ_cladはクラッド層の屈折率であり、αとΔは自由パラメータである。このパラメータの最適の選択は、光ファイバを含む材料の特定と意図したアプリケーションに依存する。
【０００５】
しかし、αクラスのプロファイルには、固有の制約があり、製造過程での変動が、理論的に最適なαプロファイルを達成することが、実際には困難となってしまう。例えば、αクラスプロファイルに関連する、固有の制限は、高次モードは、適切には補償されないことである。高次モードは、高次の主モードグループ（principle mode groups）に依存し、この主モードグループはほぼ等しい相速度でもって伝搬するモードのグループであり、高次モードグループは、カットオフ波長に最も近いものである。さらにまた、製造時の変動は、プロファイルのいかなる場所でも起こりうる。最も頻繁に用いられる２つの製造技術である、ＯＶＤとＭＣＶＤにおいては、異常性は光ファイバの中心近傍で特に問題となり、異常性は、中心部では、他の領域よりも大きく、かつ頻繁に発生する。ＭＣＶＤプロセスの共通の副作用は、光ファイバの中心における明白な屈折率の低下（すなわち屈折率ジップ、あるいは屈折率凹み）であり、これは、補償が十分に行われていない低次のモードを発生させる（すなわち、主モード数が少ない）。言い換えると、センタージップ（中心部の凹み）が存在すると、光ファイバの中心軸近傍に閉じこめられたフィールドを有するモードは、大部分のモードとは異なる群速度を有する。補償が完全ではない低次モードは、ある種のアプリケーション、例えば半導体レーザからの放射（under launch）に対しては、光ファイバの性能に、劇的な影響を及ぼす。
【０００６】
マルチモードファイバの高次のモードを等しくすること、およびセンタージップを補償するために、新たな屈折率プロファイルを開発する努力が行われている。これに関しては、Okamoto et al., 著の“cComputer-Aided Synthesis of the Optimum Refractive for a Multi-Mode Fiber,”IEEE TRANS. MICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES, Vol. MTT-25, No. 3(March 1977), at p. 213(incorporatedherein)(hereinafter“Okamoto”)を参照のこと。岡本の論文によれば、コンピュータ補助の合成を適用して、最適のプロファイルを開発し、これにより平滑なＷ型のプロファイルが形成されたと報告されている（岡本の論文の図１を参照のこと）。
【０００７】
本質的には、このプロファイルは、クラッド層の下（例えば、コア／クラッド層の境界領域の外側）にα形状の拡張部を有し、そしてそこには、負のクラッド層のジャンプがあり、その後さらに、プロファイルの形状を、数値的に規定している。これに関しては、Okamoto et al., 著の“Analysis of Wave Propagation in Optical Fibers Having Core with α-power Refractive-Index Distribution and Uniform Cladding, ”IEEE TRANS. MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, Vol. MTT-24, No. 7(July 1976), at p. 416(incorporated herein)を参照のこと。この文献は、類似のプロファイルを提供するために、数値解析の使用を議論している。このようなプロファイルは、バンド幅になるには利点を有するが、このプロファイルは製造が困難であり、漏れモードになりやすいと考えられている。Geshiro et al., 著の“Truncated Parabolic-Index Fiber with Minimum Mode Dispersion,”IEEE TRANS. MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, Vol. MTT-26, No. 2(Feb. 1978), at p. 115(incorporated herein)においては、パラボラ形状のインデックスプロファイルが、クラッド層ジャンプと組み合わされ、これにより、クラッド層ジャンプがないパラボラ形状のインデックスファイルよりも、より高いバンド幅が得られることを報告している。パラボラ形状のインデックスプロファイルにおいては、コアは、パラボラ形状の分布を有する屈折率プロファイルを有し、そしてこのコアが、一定の屈折率を有するクラッド層により包囲されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
新たな構成要素と、新たな光ファイバのデザインを含む設計が、光通信システムの開発のためには求められている。光通信システムが、より高度に進歩すると、マルチモードファイバへの興味、および光ファイバの性能の向上に、より大きな興味が注がれる。本発明の目的は、製造が容易で、かつ光ファイバが伝搬する、高次モードの挙動を改善し、センタージップの存在を補償し、これにより低次モードの挙動を改善する屈折率プロファイルを有するマルチモードファイバを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、従来のαプロファイルを修正することにより、性能を向上させたマルチモードファイバが得られることを見いだした。これは、（ｉ）αプロファイルの高次モードに関連する、高次モードの挙動を改善するために、コア−クラッド層の境界近傍の屈折率プロファイルを変更することにより、そして、（ｉｉ）センタージップの存在を補償するために、光ファイバの中心近傍に、屈折率リッジ（隆起部）を付加することにより行われる。これにより、低次モードの挙動も改善される。光ファイバの性能の向上は、コア／クラッド層の境界に隣接して、リップルを有するプロファイルを変更することにより達成できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、製造が容易で、光ファイバにより伝搬される高次モードの挙動を改善し、センタージップの存在を補償し、これにより、低次モードの挙動を改善するマルチモードファイバを提供する。光ファイバの性能を改善するために、従来のαプロファイルは、３つの方法のうちの少なくとも１つの方法により修正される。すなわち、（ｉ）コアとクラッド層との間の境界に、屈折率プロファイル内にステップを形成し、線形修正と組み合わせる方法、（ｉｉ）コアとクラッド層の境界近傍にリップルを付加し、インデックスステップのあるなしにかからわず、線形修正と組み合わせる方法、（ｉｉｉ）中心リップルの欠点を具備した、αプロファイルの屈折率プロファイル内に、環状リッジを形成する方法である。これらの方法は、それぞれ別々に行うことも、あるいは組み合わせて行うことも可能である。例えば、環状リッジ（ｉｉｉ）は、屈折率プロファイル（ｉ）のステップとともに組み合わせて適用すること、および／またはリップル（ｉｉ）と組み合わせてすることも可能である。ステップ（ｉ）は、リップルなしに形成することもでき、またリップル（ｉｉ）は、ステップなしに形成することもできる。
【００１１】
図１のＡは、従来の最適αプロファイル（点線）修正プロファイル（実線）とを示す。ここで修正プロファイルは、上記した３つのオプションのうちの、第１のオプションにより形成される、すなわち、コアとクラッド層との境界に、屈折率にステップを付加し、そして線形修正を、ステップを有する屈折率プロファイルに適用する。図１Ｂは、図１Ａの最適αプロファイルと、修正プロファイルの間のプロファイルの差を示す。約２１μｍ以下の半径に対する屈折率のに徐々の変更は、修正プロファイルを生成するために使用される、αプロファイルの特定の決定に対し付加したものである（artifact）。大幅にαを変更することなく、Δの小さな変化に対応する屈折率の徐々の変更は、光ファイバの伝送特性にあまり影響を及ぼさないことは知られている。図３Ａは、従来の最適αプロファイル（点線）と、上記の第１と第２のオプションの両方で形成された修正プロファイル（実線）を示す。言い換えると、図３Ａにおいては、実線は、コアとクラッド層の間の境界の屈折率にステップを付加し、線形の修正が加えられ、小さなリップルがプロファイル内に導入された光ファイバを表す。図３Ｂは、最適プロファイルと、図３Ａの修正プロファイルの間のプロファイル差を表し、これは、プロファイル内に導入されたリップルを示す。
【００１２】
高次モードの挙動を改善するために、プロファイルを修正するアプローチは公知である。例えば、前掲の岡本の論文に開示されたように、所定のバンド幅の測定値を最適化するようなプロファイルを見いだすために、コンピュータを使用することができる。しかし岡本の文献が開示した、Ｗ型のプロファイルは、製造が困難で、多数の好ましくないリークモードを引き起こす。これに対し、本発明においては、Ｗ型のプロファイルの利点の多くを与えながら、αプロファイルに対し変動を起こさせ、かつ製造が容易で、過剰なリークモードを回避できる。
【００１３】
本発明のプロファイルの形状のクラスは、数学的に記述できる。屈折率プロファイルのクラスは次式で表される。
【数２】

ここで、Δ（１−（ｒ／ｒ_core）^α）は、従来のαプロファイルであり、Ｊ＞０は、コア−クラッド層境界の屈折率のステップを表し、ｆ_ripple（ｒ）は、下記に定義したもので、ｆ_linear（ｒ，ｒ₀）は、次式で定義される。
【数３】

【００１４】
式（１）は、高次モードの挙動を最適化するような、複数のプロファイルを達成するために適用される。言い換えると、最適な設計に対し、ある自由度があることになる。あるアプリケーションに対し、好ましい設計に達する１つの方法は以下のステップを含む。パラメータｒ_coreと、修正すべきαプロファイルのΔと、光ファイバが動作する波長λを選択し、インデックスステップＪの値（これは０〜０．５％の範囲内が好ましい）を選択し、その後、コンピュータを用いて、式（２）のパラメータｒ₀と、ｍの値を得る。コンピュータのソフトウェアは、T. A. Lenahan, 著のCalculation of Modes in an Optical Fiber Using the Finite Element Method and Eispack, THE BELL SYSTEM TECHNICAL JOURNAL, 62(9):2663-2694(1983)(hereinafter “Lenahan”)に開示されている。ファクタｆ_lippleは、０、あるいは光ファイバの性能を最適化するのに用いられる、ある値を有する。
【００１５】
例として、上記の方法を、純粋なシリカを含むクラッド層により包囲された、ゲルマニウムをドープしたシリカを含むコアを有する光ファイバに対する、好ましい設計に到達するために適用する。第１に、パラメータｒ_coreと、Δは、ｒ_core＝２５μｍで、Δが１％となるよう選択し、波長は、λが１．３μｍを選択した。次に、インデックスステップは、Ｊが０．１２％となるよう選択した。この実施例においては、ｒ₀＝０．８５ｒ_coreで、ｍ＝０．００１１の最適パラメータを得るために、レナハムに開示されたようなコンピュータソフトウェアを適用した。ｆ_rippleの値は、０に設定した。この手順の結果は、図１Ａ、Ｂに示された修正プロファイルに示される。バンド幅のさらなるゲインは、追加の孔ｆ_ripple（ｒ）と、コンピュータにより決定された、最適値を付加することにより達成される。ｍとｒ₀の値は、この最適化の一部として、再度決定される。
【００１６】
追加の孔ｆ_ripple（ｒ）が追加される手順の結果を、図３Ａ−Ｂに示す。Ｊに対する値が０に選択された手順の結果を、図５Ａ−Ｂに示す。図５Ａ−Ｂに示すように、リップルは、コアとクラッド層の境界近傍に線形修正に加えて、かつ屈折率ステップなしに追加された。図５Ａは、従来に最適αプロファイル（点線）と、クラッド層に隣接して、線形修正でもって、また小さなリップルをプロファイルに導入し、かつ、クラッド層のジャンプが存在しない状態で形成された修正プロファイル（実線）を表す。図５Ｂは、最適プロファイルと修正プロファイルの間のプロファイルの差を示し、プロファイルに導入された修正を示す。
【００１７】
本発明の修正インデックスプロファイルの利点を、図２、４、６に示す。この図は、図１Ａ−Ｂ、図３Ａ−Ｂ、図５Ａ−Ｂにそれぞれ示した、光ファイバの予測遅延を示す。モード遅延は、修正プロファイルを有する光ファイバの主モード数（＋で表す）と、従来のαプロファイルを有する主モード数の関数（０で表す）として、ｋｍあたりで測定されている（すなわち、様々なモードのグループ速度の逆数）。理想的には、すべてのモードが等しい遅延を有する光ファイバを得るのが望ましい。図２、４、６に示すように、修正プロファイル（＋）を有する光ファイバの遅延は、従来のαプロファイル（０）を有する光ファイバのそれよりも等しいか、大きい。
【００１８】
修正プロファイルでもって達成されたモード遅延における、拡散を減少することは、様々な理由で利点がある。例えば、１つの利点は、オーバフィルドバンド幅（overfilled bandwidths）（プロット上に含む）が、より高くなるからである。本発明の光ファイバが、光ファイバ間のコネクタを有する、レーザ発振器を含むシステムで用いられた場合には、レーザ発振の条件とコネクタの許容度は、従来のプロファイルを有する光ファイバがシステムに組み込まれた場合よりも、より寛大である。例えば、ある種のアプリケーションにおいては、従来の光ファイバの仕様は、高次モードには光は結合されないが、本発明の光ファイバでは、このような結合が存在する。
【００１９】
本発明の実施例を、図７Ｂに示し、従来のαプロファイルのセンタージップ近傍に屈折率リッジを有する修正プロファイルを示す。このプロファイルは、低次モードの挙動を改善する。ここで、屈折率リッジは、従来のαプロファイル（比較のために図７Ａに示す）のセンタージップ近傍に付加される。リッジとセンタージップが、コアの半径の小さな割合（例、約５％）内に閉じこめられた場合には、光ファイバのモードのグループ速度は、中心近傍の屈折率の積分値によってのみ決定され、中心近傍の詳細な形状には依存しない。かくして、中心近傍形状は、あまり意味がなくなり、センタージップの存在は、光ファイバの性能に大きな影響を及ぼさない。リッジが閉じこめられなければならない半径は、光ファイバにより送信される波長λと、光ファイバの設計（コアとクラッド層を含む材料と、コアとクラッド層の直径と、他のパラメータ）に依存する。例えば、図７Ｂのプロファイルは、約８５０ｎｍの波長λを送信する、純粋シリカを含むクラッド層により包囲されるゲルマニウムをドープしたシリカを含む、コアを有するファイバを示す。ここで、リッジは、中心から離れた位置に配置され、すなわち、コアの半径の４％以内にある。
【００２０】
図７Ｂの修正屈折率プロファイルで達成された利点は、リッジプロファイルの高さと幅に依存する、好ましくは、リッジの高さと幅は、中心近傍の屈折率の、全積分値が、純粋αプロファイルのそれに等しくなるような意味で、センタージップをキャンセルするよう選択される。この光ファイバは、純粋αプロファイルを有する光ファイバと、同一の特性を示す。一般的に利点は、リッジが閉じこめられる半径が小さくなるにつれて大きくなる。すなわち、リッジはできる限り中心近傍に閉じこめられるのがよい。しかり利点は、幅広いリッジ、例えばリッジがコアの半径の１０〜２０％に閉じこめられても（これは通常のマルチモードファイバである）得られる。中心近傍の全積分値は、製造する際に、光ファイバの中心の正確な形状よりも、より制御が容易である。かくして、性能を向上させた本発明の修正プロファイルを有する光ファイバは、製造プロセスの間、正確さ、および制御がより容易となる。
【００２１】
図８は、図７Ａ−Ｂに示した２つのプロファイルのモード遅延を示す。同図から分かるように、リッジを有する光ファイバの低次モードの遅延は、センタージップのみを有する光ファイバのそれよりも、はるかに拡散が小さい。かくして、低次モードのみを励起する放射条件のもとでは、リッジを有する光ファイバのバンド幅は、リッジを有さない光ファイバのそれよりもはるかに高い。バンド幅は、最初の４つの励起された、主モードグループの放射条件のもとで予測された。
【００２２】
センターピークの存在は、センタージップがリッジでもって補償されたのと同様に、トラフでもって補償することができるのは、当業者に明らかである。
【００２３】
図９においては、本発明の光ファイバは、送信器１００、受信器１０４を接続する光学パス１０２に沿って配置された１つ、あるいは複数の増幅器１０６とを有する光ファイバ通信システムの一部を含む。本発明の光ファイバは、光学パス、例えばセクション１１０の選択された領域に、あるいは光学パス全体にわたって用いることもでき、かつ、従来の光ファイバ、あるいはデバイスと結合することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ：従来の最適のαプロファイル（点線）と、変更したプロファイル（実線）とを示し、集積したプロファイルは、（ｉ）コアとクラッド層との境界に、屈折率のジャンプを付加し、（ｉｉ）このジャンプでもって、屈折率プロファイルへの線形修正を付加したものである。
Ｂ：最適のαプロファイルと、修正したＡのプロファイルとの間の屈折率差を表すグラフ。
【図２】図１Ａに示した２つのプロファイルの予測モード遅延を表す図。
【図３】Ａ：従来の最適αプロファイル（点線）と、修正されたプロファイル（実線）で、小さなリップルをプロファイル内に導入したグラフ。
Ｂ：プロファイル内に導入したリップルを示す、図３Ａの最適のプロファイルと、修正プロファイルの差を表すグラフ。
【図４】図３の２つのプロファイルの予測モード遅延を表し、プロファイルをリップルでもって修正することに得られた性能のゲインを表すグラフ。
【図５】Ａ：従来の最適αのプロファイル（点線）と、クラッド層に隣接して線形修正を行い、クラッド層のジャンプがなく、小さなリップルをプロファイルに導入して形成した、修正プロファイル（実線）を表すグラフ。
Ｂ：リップルを、プロファイル内に導入し、最適プロファイルと修正プロファイルの間のプロファイル差を表すグラフ。
【図６】図５に示す２つのプロファイルの予測モード遅延を表し、リップルでもって性能のゲインが得られている。
【図７】Ａ：センタージップを有する従来のαプロファイルを表すグラフ。
Ｂ：屈折率リッジを付加して修正したαプロファイルを表すグラフ。
【図８】ＡとＢは、図７のＡとＢのそれぞれに示された、２つのプロファイルのモード遅延を表し、センタージップの存在により引き起こされる低次モードが、中心の近傍に屈折率リッジを付加することにより、大幅に修正される状態を示す。
【図９】本発明の光ファイバを有する光通信システムを表す図。
【符号の説明】
１００送信器
１０２光学パス
１０４受信器
１０６増幅器
１１０セクション

Claims

マルチモード光ファイバを含む装置において、前記光ファイバは、
所定の屈折率を有する材料で形成され、コアの半径を有するコアと、
前記コアの屈折率とは異なる屈折率を有し、コアを包囲するクラッド層と、
を有し、
前記コアの屈折率リッジあるいは屈折率トラフは、前記コアの中心近傍の屈折率の全積分値が純粋αプロファイルにおけるコアの中心近傍の屈折率の全積分値に等しくなるように、センタージップ、あるいはピークのそれぞれの存在を補償するために、コアの半径の２０％以内に配置されることを特徴とするマルチモード光ファイバを含む装置。
前記屈折率リッジまたはトラフは、光ファイバのコアの半径の５％以内に配置されることを特徴とする請求項１記載の装置。