JP4837914B2 - デュアルバンド耐曲げ性光導波路 - Google Patents

Description

本発明は、１３００〜１６２０ｎｍの波長帯において動作する低下井戸光導波路に関する。特に、本発明は、一般的な長距離電気通信ファイバーなどの大きなモードフィールド径ファイバーを整合させるモードフィールド径（ＭＦＤ）を有したまま、最小の曲げ損失を有する、強い曲げ環境において動作することが可能な単一モードファイバーのデュアル波長帯設計に関する。

光ファイバーは、電気通信データが全世界で接続されている主要回線の一部を形成する。光ファイバーは典型的には、クラッディングによって同心円状に囲まれたコア領域を備える。「ダブルクラッド」設計として周知のいくつかのファイバー設計は、内側クラッディングを有し、次に外側クラッディングによって囲まれたコア領域を囲む。外側クラッディングは同様に外部媒体によって囲まれる。

このようなダブルクラッド導波路設計のパラメータは通常、以下の通りである。

従属パラメータ
ＭＦＤ 動作モードフィールド径
λ 動作波長
λ_c 第２モードカットオフ波長

独立パラメータ
ｒ_co コア領域の単一有効（屈折率）ステップ近似から形成されたコア半径
ｒ_ic 内側クラッディング半径
Ｗ 内側クラッディング領域の単一有効ステップ近似から形成された内側クラッディング幅（ｒ_ic−ｒ_co）
ｒ_oc 外側クラッディング半径
ｎ_co コア領域の単一有効ステップ近似から形成されたコア屈折率
ｎ_ic 内側クラッディング領域の単一のステップ近似から形成された内側クラッディング屈折率
ｎ_oc 外側クラッディング屈折率
ｎ_ext 外部媒体屈折率
＋Δ＝（ｎ_co−ｎ_oc）／ｎ_oc
−Δ＝（ｎ_ic−ｎ_oc）／ｎ_oc
Δ_Tot＝｜（＋Δ）｜＋｜（−Δ）｜

光信号が光ファイバー中を移動するとき、信号は、材料の効果と導波路の効果との両方のために、減衰される。導波路の効果は、光学曲げ損失、マイクロベンド損失およびマクロベンド損失の２つのカテゴリーを包含する。

光ファイバー電気通信産業の初期に、最初の大規模商用システムは、１３００ｎｍの動作波長λにおいて動作するように設計されたが、その理由は、それがシリカファイバーの比較的低い光学吸収損失および非常に低い色分散の領域であるからである。その１３００ｎｍの波長範囲で動作する光検知器および半導体レーザー光源を製造するための技術が開発された。１３００ｎｍにおいて動作するように設計された光ファイバーを含有する何千マイルもの埋設および海中ケーブルが設置された。

しかしながら、シリカファイバーの本質的光学吸収損失は１５５０ｎｍにおいてさらにより低いことが周知であった。このより低い損失は、光路に沿って信号を増幅および増強するために必要とされた遠隔から電力供給される埋設または海中中継局の数を低減するので、長距離の電気通信回線において大きな利点である。最終的に、１５５０ｎｍにおいて動作する光源および検知器が開発され、この動作波長に基づいたファイバーシステムが設置され始めた。

一般に、光ファイバーシステムを確立する時の最も大きな経費の１つは、ケーブルを埋設または設置することである。１５５０ｎｍのシステムへの今後の切り替えを予想して、ファイバー供給元は、コーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）ＳＭＦ−２８^TM単一モードファイバーなど、１３００ｎｍまたは１５５０ｎｍの両方において動作することができる電気通信光ファイバーを製造し始めた。このファイバーは、１３００ｎｍ〜１５５０ｎｍのデュアルバンド帯において８．２マイクロメータの代表的なコア直径および９〜１０ミクロンのＭＦＤを有する。このファイバーは、０．００３５の外側クラッディングよりも大きな（正規化または相対的）コア屈折率（＋Δ＝（ｎ_co−ｎ_oc）／ｎ_oc）を有する有効ステップインデックスコアによる「整合クラッド」設計として周知である。

最初の光ファイバー電気通信システムは、電話会社の１つの電話局から別の電話局までの「長距離の」適用に限定されていた。最近の傾向は、電話局から外へ光ファイバー（ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃｓ）を延ばし、商業ビルの「構内まで光ファイバーで接続」および「デスクトップまで光ファイバーで接続」、および住宅地域の「近所まで光ファイバーで接続」、そして最終的に「家庭まで光ファイバーで接続」を提供することである。この傾向の実施の１つの例は、米国特許第５，７５７，９９７号明細書など、いくつかの特許に示されるように、ミネソタ州、セントポールの３Ｍカンパニー（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ））によって製造された、ボリション（Ｖｏｌｉｔｉｏｎ）^TMＶＦ−４５光ファイバーコネクタと構内「配線」システムである。このシステムのコネクタ設計は、２つの光ファイバー間の接合力および確実なアラインメントを提供する曲がった無被覆光ファイバー端のスプリング力に依存する。

これらのようなコネクタの光学損失を最小にするために、両方のファイバーが同じ波長において動作し且つその波長においてほぼ同じモードフィールド径（ＭＦＤ）を有するように設計されることは重要である。このようなコネクタについては、長距離ケーブルのために２つの光ファイバーを溶融接合する時に実施できるようにコアドーパントの高温拡散によって２つのファイバー端のＭＦＤを調節することは実用的ではない（例えば、ＥＰ１０９４３４６ Ａ１号明細書を参照のこと）。

長距離電気通信のファイバーは典型的には、大きな多ファイバケーブル中で比較的真っ直ぐに維持され、従って、ファイバー設計の臨界曲げ半径（典型的には２５ｍｍ〜１２．５ｍｍの範囲）を超えることによる光のマクロベンド損失から保護される。小さな単一または二重光ファイバー・ケーブルを備えることがある商業ビルまたは住宅用ビル中に設置された光ファイバーシステムについては、壁内の引き回しと光ファイバーの壁引出しをコンピュータまたは他の装置に接続することができるジャンパケーブルとの両方のために、より小さな半径の曲げに（光学的および機械的に）ファイバーが耐えることが非常に望ましい。又、ボリション^TMＶＦ−４５光ファイバーコネクタにおいて用いられた光ファイバー端に生じた曲がりは、標準単一モード電気通信ファイバーが用いられる時に光学損失の原因になる場合がある。

上に記載したように、光学曲げ損失の２つのカテゴリーは、マイクロベンド損失およびマクロベンド損失である。ファイバーの長さが曲線に曲げられる時にマクロベンド損失が生じ、一部の光がファイバーのクラッディング中にコアから放射されて減損される。マイクロベンド損失は、ファイバーの表面に加えられた集中的な圧力または応力の結果として生じる。ファイバーに局部的圧力および応力点がかかる時、例えば、ファイバーが（研摩紙など）粗いテクスチャー化表面に対して押し付けられる場合、マイクロベンド損失が生じる。ファイバーの外面が隆起点に対して押し付けられるとき、非常に硬質であるコーティングは、これらの応力をコアに伝達し、散乱損失をもたらす場合がある。マイクロベンド損失は通常、ファイバーの長さが短いためにごくわずかである。

ガラスファイバーの表面に比較的軟質の低弾性率内側コーティングを提供することによって、かかる応力を低減させてもよい。しかしながら、単一モードファイバーをコネクタ内の別のファイバーと正確に整列するために、通常、このようなコーティングをファイバー端から除去する。次いで、剥離されたファイバー端は、摩耗および湿分のため、折損する可能性がある。

この問題に対する１つの解決は、米国再発行特許第３６，１４６号明細書に記載されているように、ガラスコア、ガラスクラッディング、ポリマークラッディング（ＧＧＰファイバー）構造を有するファイバーである。本出願において、共通の発明者の米国特許第５，３８１，５０４号明細書または同再発行第３６，１４６号明細書、および米国特許出願第０９／９７３，６３５号明細書（「小径の強力光ファイバー（“Ｓｍａｌｌ Ｄｉａｍｅｔｅｒ， Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ”）」）、米国特許出願第０９／７２１，３９７号明細書、「高湿度／高温環境における改良された強度を有する光ファイバー（“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ／Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ”）」、１９９９年１１月２３日に出願された米国仮出願６０／１６７，３５９号明細書、東レ社（Ｔｏｒａｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．）の米国特許第５，６４４，６７０号明細書、または昭和電線電纜株式会社（Ｓｈｏｗａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｉｒｅ ＆ Ｃａｂｌｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）の米国特許第６，２６９，２１０ Ｂ１号明細書において特許請求されたコーティング材料の何れかとして「ＧＧＰ」コーティングを定義する。

これらのコーティング材料は典型的には、５５以上のショアーＤ硬度、または室温において５０ｋｇ／ｍｍ²〜２５０ｋｇ／ｍｍ²のヤング弾性率を有し、それらは光ファイバーの最外側ガラス表面に強固に付着する。それらは典型的には、それらの外面が光ファイバーのコアと十分に同心状であるように適用され、ＧＧＰ被覆ファイバーが代表的な光ファイバー機械コネクタ中に配置されて第２のファイバーに光学的に接続されるとき、光学損失は、ＧＧＰ被覆光ファイバーと同じ外径を有する無被覆ファイバーを使用する似た接続についてほど著しく大きくない。「ＧＧＰ３」コーティングは、１９９９年１１月２３日に出願された米国仮出願６０／１６７，３５９号明細書に基づいた、共通の発明者の米国特許出願第０９／７２１，３９７号明細書、「高湿度／高温環境において改良された強度を有する光ファイバー」に開示されたＧＧＰ３．１およびＧＧＰ３．２を包含するように定義される。これらの材料は概して、加水分解してＨＦまたはフッ化物イオンを放出しないヨードニウムメチド塩などの光開始剤で硬化された紫外線硬化性組成物である上記の定義によるＧＧＰコーティングである。ＧＧＰ３．２Ｍコーティングは、ヨードニウムメチド光開始剤を更に含有する、米国特許出願第０９／７２１，３９７号明細書に開示されるような調合物ＧＧＰ３．２によるＧＧＰ３コーティングとして定義される。

ＧＧＰファイバーにおいて、光ファイバーのガラス部分は標準１２５マイクロメータ外径より小さく、粘着性で非常に同心状、比較的硬質のポリマー層を付加して、結線作業（ｃｏｎｎｅｃｔｏｒｉｚａｔｉｏｎ）のために同心性を維持したまま標準１２５マイクロメータの直径までファイバーの直径をもたらす。前記構造体を低弾性率コーティング中でケーブル接続してマイクロベンド損失を最小にするが、低弾性率コーティングを結線作業のために剥離除去するとき、ファイバーの外側ガラス表面は露出または損傷されない。

又、ＧＧＰコーティングは、引掻きや、湿分による機械的強度の低下からのガラス表面の保護を提供する。「ボリション^TM」単一モード製品において用いられた現在のファイバーは、コーニングのＳＭＦ−２８製品と相互接続するように設計され、すなわち、それは同じ第２モードカットオフ特性（＜１２６０ｎｍ）、同じモードフィールド径（１３００ｎｍにおいて９．２ミクロンおよび１５５０ｎｍにおいて１０．４ミクロン）および似た減衰（＜０．５５ｄＢ／ｋｍ）を有する。主な相違は、この「ボリション^TM」ファイバーが１００ミクロンのガラス径と、標準コネクタフェルールに適合させて標準ファイバーに結合するための、１２５ミクロンの剥離ファイバー直径をもたらす「永久」一次コーティングを含めた３つのコーティングとを有することである。ＳＭＦ−２８ファイバーは、１２５ミクロンのガラス径の上に２つの可剥性コーティングを有する。ＳＭＦ−２８ファイバー上のこれらの非永久コーティングが除去されると、外側ガラスファイバーの表面は水および機械的摩耗の分解作用を受けやすいが、「ボリション^TM」ファイバーはその「永久」一次コーティングによって保護されたままである。しかしながら、ＳＭＦ−２８ファイバーは、超低減衰のために設計され、長距離電気通信ネットワークにおいて中継器／増幅器の必要を最小にするように設計された。ＳＭＦ−２８に整合させることによって加えられた制限条件は、整合クラッドＳＭＦ−２８設計の高いＭＦＤに本質的な、得られた好ましくない曲げ性能である。

低減衰が基本的な駆動機構ではない比較的短距離の適用についても、ＳＭＦ２８設計は、より長い波長においてファイバーの耐曲げ性に望ましくない下限−１インチの最小直径、をもうける。ＳＭＦ−２８にモード整合される整合クラッド屈折率ファイバーがＶＦ４５コネクタによって提供されるような強い曲げの適用においてかなり低い損失をもたらす場合があるが、それは、単一波長−１３００ｎｍまたは１５５０ｎｍのどちらか−に限定されており、好ましくは、非常に注意深く制御された第２モードカットオフ波長を有し、必要な強いモード閉じ込めを提供する。ＳＭＦ−２８と、上記のボリション^TMファイバーとは、１３００ｎｍにおいて十分な耐曲げ性を提供するが、１５５０ｎｍにおいては提供しない。

良好な曲げ損失を有する１５５０ｎｍの帯域においてだけＳＭＦ−２８にモード整合される別の整合クラッドファイバー設計が可能であるが、それは製造の見地からそれほど望ましくなく、将来の交換／アップグレードに対する融通性を小さくする。

最も厳しい曲げ損失の要求条件を有する光ファイバーには、光ファイバー誘導ミサイル（ＦＯＧ−Ｍ）、軍用テザード武器（ｔｅｔｈｅｒｅｄ ｗｅａｐｏｎｓ）の適用がある。ここでは、画像化データをオペレータに戻し、又、誘導信号をミサイルに搬送する光ファイバーが、小さなスプールまたはボビンに保管される。スプールに保管されたファイバーの多くの湾曲部の曲がりに加えて、ミサイルが発射される時にミサイルに取付けられたファイバーがスプールを出る決定的な地点において極端な曲がりがある。テザード武器の適用において用いられたファイバーの設計は、小さなＭＦＤ（１５５０ｎｍにおいて〜４−７マイクロメータ）を有するファイバーを設計することによって、光信号をファイバーコア中に非常に強く閉じ込めたままにすることに力を注いでいる。いくつかの設計は、より広い範囲の動作波長を提供するコアの周りの低下屈折率井戸を備える（いわゆる「Ｗ」ファイバー）。高整合クラッド屈折率設計はまた、単一波長において動作するように設計される場合、適度な耐曲げ性を提供することができる。低下井戸、小さなＭＦＤファイバーの例が、米国特許第４，８３８，６４３号明細書および同５，０３２，００１号明細書に記載されている。

これらのファイバーは、低い曲げ損失の要求条件を満たすが、それらの小さなＭＦＤのために、低コストの、大きな（＞８．０ミクロン）ＭＦＤ電気通信ファイバーへの結線作業に不適当である。これらのファイバーのデュアル波長型は、最も小さいＭＦＤ、従って、最も大きいＭＦＤ不整合を有し、関連コネクタ損失のため、本発明のファイバーの所期の適用に不適当である。これらのファイバーは、多数のプラグ接続式／取り外しの適用の選択項目ではない、ＭＦＤの不整合を除くために溶融接合または熱処理され得るにすぎない。

一般に、マクロベンドまたは他の外的影響によってそれほど影響されない、より強く閉じ込められた光学モードを両方が示すので、比較的小さいＭＦＤを有するファイバー設計は、所定の波長において比較的高いＮＡを有する。ＭＦＤ、マクロベンド損失、および第２モードカットオフ波長の間の関係が、米国特許第５，６０８，８３２号明細書、同５，２７８，９３１号明細書、およびそれらの中の文献に記載されている。

従って、１３００ｎｍまたは１５５０ｎｍのどちらかにおいて動作可能であり、コーニングＳＭＦ−２８^TM単一モードファイバーなどの電気通信ファイバーのモードフィールド径とほぼ整合するモードフィールド径を有することができ、２分の１インチ（または１２ｍｍ）より小さい曲げ半径を有する長い曲げに機械的および光学的に耐えることができる、構内配線用および前記構内配線に装置を接続するために用いられるパッチケーブル用の光ファイバーが必要とされている。パッチコードファイバーは１３００ｎｍまたは１５５０ｎｍのどちらかで作動するのが好ましい。それらが接続される特定場所の通信システムは、特に、これらがコーニングＳＭＦ−２８^TMなどのファイバーをベースとしている場合、いずれかの（または両方の）波長において動作することができる。又、新しい光ファイバーを配設せずに１３００ｎｍのコーニングＳＭＦ−２８^TMシステムを１５５０ｎｍのシステムにアップグレードすることができ、アップグレードの一部としてすべての新しいパッチコードを購入することは望ましくない。

本発明によるファイバーは、大きいＭＦＤ（１５５０ｎｍにおいて＞９マイクロメータ）設計において強い耐曲げ性を提供し、それは、最小の接続損失を有する他の大きいＭＦＤのファイバーにそれらを溶融接続するかまたは機械的に接続することを可能にする。

本発明による光導波路は、屈折率ｎ_coおよび半径ｒ_coを有するコアと、屈折率ｎ_icおよび外半径ｒ_icを有する、前記コアを横方向に囲む内側クラッディングと、屈折率ｎ_ocを有する、前記内側クラッディングを横方向に囲む外側クラッディングと、狭い低下井戸と、を含み、ｎ_co＞ｎ_oc＞ｎ_icである。低下井戸内側クラッド半径ｒ_icの、コア半径ｒ_coに対する比の範囲が２．４〜３．０である。前記導波路は、０．００１４〜０．００２１の＋Δ、−０．００２１〜−０．００３４の−Δ、０．００４３〜０．００４９のΔ_Totを有する。

典型的な実施態様の１つにおいて、光導波路が、２．７の低下井戸の、コア直径に対する比、０．００１９の＋Δ、−０．００２８の−Δ、０．００４７のΔ_Totを有する。本発明による導波路の典型的なコア直径は１０〜１２マイクロメータである。典型的な動作波長範囲が１３００〜１５５０ｎｍであり、第２モードカットオフ波長が１３００ｎｍより小さい。典型的なＭＦＤは、１３００ｎｍにおいて測定した時に８．８〜９．６ミクロン、１５５０ｎｍにおいて測定した時に９．６〜１１．２ミクロンである。

本発明による典型的なファイバーの曲げ損失が１３００ｎｍにおいて０．６３５ｃｍの９０度曲げで測定した時に０．０５ｄＢ以下であり、１５５０ｎｍにおいて０．６３５ｃｍの−９０度曲げで測定した時に０．２ｄＢ以下である。別の典型的な実施態様が、１５５０ｎｍにおいて０．６３５ｃｍの９０度曲げで測定した時に０．２ｄＢ以下の曲げ損失を示す。さらに別の典型的な実施態様が、１６２０ｎｍにおいて０．６３５ｃｍの９０度曲げで測定した時に０．３ｄＢ以下の曲げ損失を有する。

特定の典型的な実施態様において、光導波路は、ガラスコアおよびクラッディングを有し、導波路がさらに、ガラス導波路の外面に永久接着された硬質ポリマーを含有する。このような硬質ポリマーの別の組成物が、ＧＧＰ、ＧＧＰ３、およびＧＧＰ ３．２Ｍを含有する。前記導波路が硬質ポリマーをコートする軟質ポリマー材料をさらに含有してもよく、そこにおいて、軟質ポリマー材料が、デソライト（Ｄｅｓｏｌｉｔｅ）３４７１−３−１４、デソライト３４７１−１−１５２Ａ、およびシンエツ（Ｓｈｉｎ−Ｅｔｓｕ）ＯＦ−２０６から選択されたコーティングを含んでもよい。

典型的な実施態様の内側クラッディングはフルオロケイ酸塩、ホウケイ酸塩、フルオロケイ酸リン、ホウケイ酸リン、フルオロケイ酸ゲルマニウムまたはホウケイ酸ゲルマニウム組成物を含有してもよい。

光導波路は、単一モードデュアルバンド光ファイバーなどの光ファイバーであってもよい。本発明による導波路を備える光デバイスもまた考察される。

上に記載したように、ＳＭＦ−２８ファイバーの低減衰設計は、強い曲げの適用において大きな曲げ損失をもたらす。本発明は、１３００および１５５０ｎｍ帯域の両方においてＳＭＦ−２８にモード整合され、１３００および１５５０ｎｍの両方において良好な曲げ損失を有する、光ファイバーなどの光導波路に関する。

図１が、本発明によって構成された光ファイバー１０を示す。光ファイバー１０が、保護コーティング２０およびバッファ３０を備える。光ファイバー１０がコア１２、内側クラッディング１４、および外側クラッディング１６をさらに備える。コア１２、内側クラッディング１４、および外側クラッディング１６は、典型的にはガラスで構成されるが、又、どんな適した材料で構成されてもよい。クラッディング１４および１６が、フルオロポリマー、フルオロエラストマー、およびシリコーンなど、ガラス以外の材料から構成されてもよい。１つの付加的なガラス層１８が、ガラスコアおよびクラッディングを同心円状に囲む。層１８は、一般に石英ガラスを含む、初期プリフォーム管から圧潰された原支持材料である。

保護コーティング２０は以下に記載したＧＧＰコーティングであり、層１８を囲む。

バッファ３０が、例示した特定の実施態様において内側弾性層２２および外側硬質層２４を備える光ファイバー１０を長手方向に密封する。内側弾性層２２が光ファイバー１０にマイクロベンド損失に対する保護を提供するが、外側硬質層２４が、下にある層を摩耗および機械的損傷から保護する。

図２が、本発明による光ファイバー１０の実施態様の直径に沿う屈折率プロファイルをグラフで示す。図３が、同じファイバーの曲げ半径の関数としての減衰対波長のグラフである。光ファイバー１０は、円筒状断面を有する単一モード非被覆光ファイバーである。本発明の他の実施態様が、マルチモードファイバー、コーティングを有するファイバー、および本技術分野において周知の異なった断面の幾何学的形状を有するファイバーを含めてもよいことは理解されるはずである。

光ファイバー１０が、屈折率ｎ_coを有する材料で構成されている、第１の横断寸法または直径２ｒ_coを有するコア１２を備える。幅Ｗ、（ｒ_ic−ｒ_co）、内側クラッディングまたはバリア半径ｒ_icおよび屈折率ｎ_icを有する内側クラッディング１４が、コア１２を横方向に囲む。屈折率ｎ_ocを有する外側クラッディング１６が、内側クラッディング１４を横方向に囲む。

光ファイバーを囲む空気または他の外部媒体またはクラッディングの屈折率がｎ_extとして示される。

代表的な整合クラッドファイバーと異なり、光ファイバー１０は低下内側クラッディング構成を有する。図２から理解できるように、ファイバー１０についてはコアｎ_coの屈折率は、外側クラッディングｎ_ocの屈折率より大きい絶対値を有する。そして次に、外側クラッディングの屈折率は内側クラッディングの屈折率ｎ_icより大きい絶対値を有する。したがって、ｎ_co＞ｎ_oc＞ｎ_ic

ｎ_coとｎ_icとｎ_ocとｎ_icとの間の差が幅Ｗおよび深さΔｎ−の屈折率プロファイル低下井戸をもたらし、Δｎ−＝ｎ_oc−ｎ_icである。ｎ_coとｎ_ocとの間の差がΔｎ＋として定義され、Δｎ＋＝ｎ_co−ｎ_ocである。コア屈折率プロファイル、Δｎの全高は、ｎ_co−ｎ_ic＝Δｎ−＋Δｎ＋に等しい。正規化された屈折率デルタの式は、
＋Δ＝（ｎ_co−ｎ_oc）／ｎ_oc
−Δ＝（ｎ_ic−ｎ_oc）／ｎ_ocおよびΔ_Tot＝｜（＋Δ）｜＋｜（−Δ）｜
であり、上式中、ｎ_coがコアの有効ステップインデックスであり、ｎ_icが内側クラッディング（低下井戸または堀）の屈折率であり、ｎ_ocが外側クラッディングの屈折率である。

実験データ
実施例１
本発明による光ファイバーの典型的な実施態様の１つは、以下の材料の組成を有する。
コア 低濃度にドープされたケイ酸ゲルマニウムガラス（２．５モル％のＧｅＯ₂）
内側クラッディング フルオロケイ酸リン（約０．１モル％のＰ₂Ｏ₅および３．４モル％のＦ）
外側クラッディング 溶融シリカ（１００モル％）

上に記載した材料の組成を有するプリフォームを、１９×２５ｍｍの溶融シリカ管を使用して改良化学蒸着（ＭＣＶＤ）法を用いて製造するために、最初に、ＳｉＣｌ₄、ＰＯＣｌ₃、およびＳｉＦ₄をそれぞれ、７００、１００および１１０の標準ｃｃ／分のフローで１８のクラッディング層を蒸着した。この後に、ＳｉＣｌ₄およびＧｅＣｌ₄のそれぞれ、１６４および９２標準ｃｃ／分からなる１０のコア層を蒸着し、その後、２回の圧潰工程および１回のシール工程を実施し、１６．２ｍｍのプリフォーム径をもたらした。２５．４ｍｍの最終プリフォーム径を得るために２２×２５および２４×３０ｍｍの溶融シリカ管を用いて２回の過圧潰が必要とされた。次に、このプリフォームを２４．９ｍｍの最終径にミル加工した。過圧潰およびミル加工前のこのプリフォームの屈折率プロファイルを図２に示す。プリフォームを圧伸する前に過圧潰し、光ファイバーとして圧伸した。

この実施例において、硬質永久ポリマーコーティングを１２５．０ミクロンの径にガラス部分の外面に配置する。第２の比較的軟質のコーティングを、紫外線硬化性の一次コーティングの上におよそ１８０ミクロンの径に適用する。この比較的軟質のコーティング層のために用いられる代表的な材料には、６０１２０、イリノイ州、エルギンのセントチャールズ通り１１２２のＤＳＭデソテック社（ＤＳＭ Ｄｅｓｏｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．（１１２２ Ｓｔ．Ｃｈａｒｌｅｓ Ｓｔ．，Ｅｌｇｉｎ， ＩＬ））から入手可能なデソライト３４７１−３−１５２Ａまたはデソライト３４７１−３−１４、または日本、１００−０００４、東京都千代田区大手町２丁目、６−１の信越化学工業株式社から入手可能なシン−エツＯＦ−２０６などを挙げることができる。第３の比較的硬質のコーティングが第２のコーティングの上に適用されて耐久的な外側コーティングを提供する。この比較的硬質のコーティングとして使用するための代表的な材料には、ＤＳＭデソテック社から入手可能なデソライト３４７１−２−１３６、デソライト３４７１−３−１４などを挙げることができる。（デソライト３４７１−３−１４は、単一コートの適用のために用いることができる中硬度の材料として記載されている。）本願と同一の譲受人に譲渡された米国再発行特許第３６，１４６号明細書および米国特許出願第０９／７２１，３９７号明細書および同０９／９７３，６３５号明細書には、様々な可能なコーティング組成物が記載されている。比較的軟質の第２のコーティングが、光を搬送するコアにミクロ応力を伝えるのではなくミクロ応力点に緩衝をもたらすことによって、マイクロベンド損失を低減させるのを助ける。

外側の２つのコーティングは、永久接着された一次コーティングから容易に剥離され、１２５．０ミクロンの被覆径を有する保護されたファイバー端をもたらす。剥離されたファイバー端が標準１２５ミクロンコネクタフェルールに適合するようにこの径が制御される。

前記ファイバーは次の特性を有した。
ａ．）クラッド／コア径比が２．６である。
ｂ．）０．００１９の＋Δ
ｃ．）−０．００２８の−Δ
ｄ．）０．００４７のΔ_Tot

曲げ損失を測定する手順は、ＥＩＡ／ＴＩＡ−４５５−６２−Ａ（ＦＯＴＰ ６２）工業標準試験方法に示された指針に従った。基本的に、ファイバーの曲げ損失を測定するために、特定の半径、予め決めた数の湾曲部を有するマンドレルの周りにファイバーを巻き付け、次いで、直線構造と曲がった構造との同じファイバーの間の伝送における差を測定した。

この設計により、次の性質を有するファイバーが得られた。
カットオフ波長＝１２２０ｎｍ
ＭＦＤ＠１３００ｎｍ＝８．９ミクロン
ＭＦＤ＠１５５０ｎｍ＝９．８ミクロン
曲げ損失（０．６３５ｃｍ ９０°）＜０．０５ｄＢ＠１３００ｎｍ
曲げ損失（０．６３５ｃｍ ９０°）＝０．１３ｄＢ＠１５５０ｎｍ
曲げ損失（０．６３５ｃｍ −９０°）＝０．２１ｄＢ＠１６００ｎｍ。

実施例２
本発明による似た設計を有する光ファイバーの第２の試料を圧伸し、測定した。
ａ．）クラッド／コア径比が２．４である。
ｂ．）０．００１４の＋Δ
ｃ．）−０．００２８の−Δ
ｄ．）０．００４２のΔ_Tot

この設計により、次の性質を有するファイバーが得られた。
カットオフ波長＝１２２５ｎｍ
ＭＦＤ＠１３００ｎｍ＝９．４ミクロン
ＭＦＤ＠１５５０ｎｍ＝１０．４ミクロン
曲げ損失（０．６３５ｃｍ ９０°）＜０．０５ｄＢ＠１３００ｎｍ
曲げ損失（０．６３５ｃｍ ９０°）＝０．２０ｄＢ＠１５５０ｎｍ
曲げ損失（０．６３５ｃｍ ９０°）＝０．２５ｄＢ＠１６００ｎｍ。

ファイバーを圧伸する前にファイバープリフォームのついて実施された測定から屈折率デルタ値をとった。６３３ｎｍにおいてＨｅ−Ｎｅレーザーによって測定を実施した。これらのファイバーの外側クラッディングの屈折率は高純度のシリカと本質的に同じであり、それは計算のために６３３ｎｍにおいて１．４５８であるとされた。

実施例３
本発明による光ファイバーの曲げ性能を、２つの単純な、単一波長整合クラッド、整合モードフィールド径設計と比較した。

しかしながら、上記の表に見られるように、ミネソタ州、セントポールの３Ｍカンパニー（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ））から入手可能なボリション^TMタイプの単一モードファイバーが、１３００ｎｍにおいて動作するとき、０．９５ｃｍ（３／８インチ）の曲げ半径の９０度曲げ（これからは０．９５ｃｍ（３／８インチ）の９０度曲げと称される）において十分な性能をもたらすことがわかったが、しかしながら、曲げ損失が１５５０ｎｍにおいて０．７ｄＢに増加した。０．６３５ｃｍ（１／４インチ）の９０度曲げの状態において、１５５０ｎｍでの曲げ損失が３ｄＢに増加したが、それは光の強度の半分を失うことに等しい。

試験用ファイバー４５（ＴＦ４５ファイバーと呼ばれる）は、ボリションおよびＳＭＦ−２８ファイバーより長い第２モードカットオフを有すると共に、従って、より長い１５５０ｎｍの波長において単一モード化されるにすぎない本発明によるモード整合された、整合クラッドファイバーである。この１２５ミクロン径のガラスファイバーは、０．９５ｃｍの９０°での曲げ損失０．０５ｄＢを示すことができたが、もう少し強く０．６３５ｃｍ（１／４インチ）の９０°曲げでは、曲げ損失は、第２モードカットオフの正確な値に応じて０．０６〜０．５０ｄＢに変化した。より低い損失０．０６ｄＢの場合、カットオフは１５００ｎｍであったが、より高い０．５ｄＢの損失の場合、カットオフは１４００ｎｍであった。この実施例は、より強い曲げの適用については、これらの整合クラッド設計のカットオフ波長が０．２ｄＢより小さい損失を維持するようによく制御される必要があることを示す。

実施例４
本発明による典型的な低下井戸設計を９８ミクロンのガラス径に圧伸した。図４は、得られたファイバーの屈折率プロファイルを示す。前記ファイバーは、１２５ミクロンの外径の永久硬質ポリマー（１．０ミクロンのコア／クラッド同心性の誤差）と全径２５０ミクロンとなる２つの可剥性コーティングとを有した。内側可剥性コーティング層のために用いた代表的な材料には、シリコーンまたはデソライト３４７１−３−１５２Ａ、デソライト３４７１−３−１４、またはシン−エツＯＦ−２０６などのアクリレート材料がある。外側可剥性コーティングとして使用するための代表的な材料には、デソライト３４７１−２−１３６などのアクリレートまたはウレタン−アクリレート光ファイバーコーティング材料がある。

前記ファイバーは次の特性を有した。
ａ．）クラッド／コア径比が２．４である。
ｂ．）０．００１６の＋Δ
ｃ．）−０．００２９の−Δ
ｄ．）０．００４５のΔ_Tot

前記ファイバーは次の特性を有した。

このファイバーは、デュアルバンドの、強い曲げの適用のために必要とされた全ての望ましい特性を示した。デュアルバンドは、１３００〜１６２０ｎｍの波長としてここでは定義される。この考察の目的のために、強い曲げは、１／４インチ（０．６３５ｃｍ）の半径での９０度曲げとして定義される。

導波路の仕様は相互依存的であることがわかったので、デュアル波長動作のための許容範囲の設計を可能にする広範囲の許容範囲の深さ、幅、コアおよび内側クラッド屈折率がある。一連の実施態様において、低下井戸クラッド対コア径比は２．４〜３．０の範囲であり、＋Δが０．００１４〜０．００２１の範囲であり、−Δが−０．００２１〜−０．００３４の範囲である。しかしながら、Δ_Totが０．００４３〜０．００４９の範囲である。

１つの特定の実施態様において、低下井戸クラッド対コア径比は２．７であり、＋Δが０．００１９であり、−Δが０．００２８であり、Δ_Totが０．００４７である。

さらに別の特定の実施態様において、＋Δが０．００１４であり、−Δが０．００３３であり、Δ_Totがまた０．００４７であるが、前記ファイバーが２．４の低下井戸クラッド径対コア径比を有した。

光導波路製造の当業者は、本発明において開示された屈折率プロファイルを達成するいろいろな化学組成物を容易に確認することができる。本発明による改良された化学蒸着プリフォームを製造するために用いられた組成物は、フルオロケイ酸リン低下井戸内側クラッディングおよびケイ酸ゲルマニウムコアを含有した。図２に示した実施態様において、コアの等価ステップインデックスはシリカよりも０．００２７高く、低下井戸はシリカよりも０．００４０低かった。他の設計は、コアにリンを使用してガラスを軟化させて圧潰をより容易にする。

別の実施態様において、コアは、リン、ゲルマニウム、アルミニウム、ランタンまたはそれらの組合せなどのいろいろな屈折率増加ドーパント酸化物を含有してもよい。同様に、コアに用いられた組成物などの屈折率促進剤とともにフッ素および／またはホウ素またはこれらの組合せを用いることによって、低下クラッドを得ることができた。この多成分ガラスが、より大きな損失をもたらすことがあるが、（ブラッググレーティング（Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ）を作製するための）感光性またはシフトされた分散特性などの他の望ましいファイバーの性質を得るのに有用であることがある。

全性能を変化させることなく、シリカの屈折率とほとんど整合する外側クラッディングを付加することができる。他の可能性としては、基本カットオフ対波長の特性を「柔らげる」結果をもたらすことができる部分低下外側クラッディングがある。

本発明による光ファイバーは、コーニングのＳＭＦ−２８などの標準的な、大きなＭＦＤのファイバーに接続された時に必要以上の機械的応力、曲げによる光学損失、または機械的接続損失をもたらすことなく強い曲げに耐える能力（例えば、０．２５インチまたは０．６３５ｃｍの半径）を有する。最適化設計は、１３００ｎｍおよび１５５０ｎｍの一般的な電気通信動作波長帯の両方においてこの性能を提供することができる。特殊ファイバー構造は、ファイバーに機械的に過度に応力をかけることなくもっと強い曲げを可能にすると共に３Ｍの特殊精密永久コーティング技術と組み合わせることができる比較的小さいガラス径を備え（いわゆる「ＧＧＰ」ファイバー）、８０〜１００ミクロンから１２５ミクロンまでのガラス径を形成する。これは、１２５ミクロン径のガラスファイバー用に設計された一般に入手可能な機械コネクタを用いてファイバーを接続することが可能である。

本発明のファイバー設計は、１つのファイバーを最小の曲げ損失で１３００ｎｍ〜１５５０ｎｍで動作させ、さらに、両方の電気通信伝送波長においてＳＭＦ−２８にモード整合させる広いスペクトル範囲にわたり良好なモード閉じ込めを提供し、低損失の機械的相互接続をもたらす。特殊低下井戸設計は明らかに、整合クラッド設計より耐曲げ性があり、標準ファイバーにモード整合させるための最新技術の進歩を提供し、いわゆる「ファイバー配線ボード（ｆｉｂｅｒ−ｏｎ−ｔｈｅ−ｂｏａｒｄ）」などの多くの適用に有用である。用語「ファイバー配線ボード」は、本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第５，９０２，４３５号明細書および同６，３９０，６９０号明細書に開示されているように、電子回路ボードおよびバックプレーン上で引き回された光ファイバーに関する。

前記ガラス設計のデュアル波長帯の性質を「永久」精密塗布一次コーティング技術と組み合わせることにより、ファイバー配線ボードと１３００〜１５５０ｎｍでの適用（０．８インチ（２．０３ｃｍ）径の曲げが必要とされるＶＦ−４５^TMパッチコードコネクタなど）との両方に使用可能なファイバーが得られる。本発明の別の可能性のある適用は、家庭まで光ファイバーで接続することであり、そこにおいて、簡易機械的接続および相互接続の利点が重要である。

当業者は、本発明がいろいろな光学設計において用いられてもよく、本発明によるファイバーがいろいろな光デバイスにおいて用いられてもよいことを理解するであろう。本発明は、典型的な好ましい実施態様に対して記載されたが、本発明は、本発明の範囲から逸脱せずに他の特定の形で具体化されてもよい。したがって、本願明細書中に記載および示された実施態様は例示的であるにすぎず、本発明の範囲を限定すると考えられるべきではないことは理解されるはずである。他の変型ならびに改良が、本発明の範囲に従って実施されてもよい。

本発明による導波路の断面の等角投影図である。 本発明による光ファイバーの第２の実施態様の直径に沿う実屈折率プロファイルを示すグラフである。 図２に示したプロファイルを有するファイバーの曲げ半径の関数としての減衰対波長のグラフである。 本発明による光ファイバーのプリフォームの別の実施態様の直径に沿う実屈折率プロファイルを示すグラフである。

Claims (8)

1. ａ）屈折率ｎ_coおよび半径ｒ_coを有するコアと、
   ｂ）屈折率ｎ_icおよび外半径ｒ_icを有する、前記コアを横方向に囲む内側クラッディングと、
   ｃ）屈折率ｎ_ocを有する、前記内側クラッディングを横方向に囲む外側クラッディングと、
   ｄ）狭い低下井戸と、を含み、ｎ_co＞ｎ_oc＞ｎ_icであり、
   ｅ）低下井戸内側クラッド半径ｒ_icの、コア半径ｒ_coに対する比の範囲が２．４〜３．０であり、
   ｆ）０．００１４〜０．００１９の＋Δ〔尚、＋Δ＝（ｎ_co−ｎ_oc）／ｎ_ocである。〕、
   ｇ）−０．００２８〜−０．００２９の−Δ〔尚、−Δ＝（ｎ_ic−ｎ_oc）／ｎ_ocである。〕、および
   ｈ）０．００４２〜０．００４８のΔ_Tot〔尚、Δ_Tot＝｜（＋Δ）｜＋｜（−Δ）｜である。〕を含む、光導波路。
2. 単一モードデュアルバンド光ファイバーである、請求項１に記載の光導波路。
3. 前記コアが１０〜１２マイクロメータの直径を有する、請求項１に記載の光導波路。
4. １３００〜１５５０ｎｍの動作波長範囲および１３００ｎｍより小さい第２モードカットオフ波長を有する、請求項１に記載の光導波路。
5. １３００ｎｍにおいて測定した時に８．８〜９．６ミクロンのＭＦＤを有する、請求項１に記載の光導波路。
6. １５５０ｎｍにおいて測定した時に９．６〜１１．２ミクロンのＭＦＤを有する、請求項１に記載の光導波路。
7. １３００ｎｍにおいて半径０．６３５ｃｍの９０度曲げで測定した時に０．０５ｄＢ以下の曲げ損失を有し、１５５０ｎｍにおいて半径０．６３５ｃｍの−９０度曲げで測定した時に０．２ｄＢ以下の曲げ損失を有する、請求項１に記載の光導波路。
8. 請求項１に記載の光導波路を備える光デバイス。

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