JP4986956B2 - デュアルモード光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、デュアルモード光ファイバに関し、より詳細には、シングルモード（例えば、長波長帯シングルモード）光信号と、マルチモード（例えば、短波長帯マルチモード）光信号とを同時に伝送可能なデュアルモード光ファイバに関する。

それぞれ異なる波長のシングルモード伝搬光とマルチモード伝搬光とを同一の光ファイバで伝搬させる公知の技術として、「ダブルクラッド光ファイバ」がある。光信号振幅を増幅させるための希土類が添加されたコアの外側に、ポンプレーザからの出力光を同時に導波させるための一番目のクラッドを配置する。上記コア外周に配置された、一番目のクラッドの外周に二番目のクラッドを配置した構造となっている。ポンプレーザからの出力光は一番目のクラッドに結合し、該コアと交差しながらマルチモードとして伝搬する。交差する際は、コアに添加されている希土類に吸収されることにより、コアを伝搬する光信号振幅を増幅させる効果がある。

それぞれのクラッドの屈折率は、コアの屈折率に対して一番目のクラッドの屈折率を低くし、さらに、二番目のクラッドの屈折率を一番目のクラッドの屈折率に対して高くなるように設計をしている。二番目のクラッドとしては、高分子樹脂を用いており、一番目のクラッドを被覆するように設計がなされている。これは、光信号振幅を増幅する過程で生じる散乱光を高分子樹脂による被覆で吸収させ除去するためである。この基本的なアプローチは、光ファイバ増幅器のゲインファイバとして適用される高屈折率光ファイバにおけるクラッドモード除去を目的として特許文献１に記載されており、すでに公知の技術となっている。

特開平１１−２７４６１３号公報 田野辺博正、小林勝、長瀬亮、界義久、「ＳＭ／ＭＭ共用ダブルコア光ファイバ」、２００７年電子情報通信学会予稿集

しかしながら、「ダブルクラッド光ファイバ」の基本構造を、長波長帯光信号のシングルモードおよび短波長帯マルチモード光信号の伝送路として用いた場合、「ダブルクラッド光ファイバ」に小さな曲げ半径を持つ箇所が多数生じた際においては、曲げが付与されている「ダブルクラッド光ファイバ」の内周方向（曲げの内側）にある一番目のクラッドの有効屈折率が低下すると同時に、外周方向（曲げの外側）にある一番目のクラッドはその反対に有効屈折率が上昇し、コアの屈折率より高い有効屈折率を持つ領域が一番目のクラッド外周に生じることがある。

この場合、導波された長波長帯シングルモード光信号がコアから一番目のクラッドに放射されると同時に一番目のクラッド内をマルチモード伝搬してしまう。「ダブルクラッド光ファイバ」が曲がった状態から直線状態に戻った際に、一番目のクラッド内でマルチモード伝搬した光信号はコアに再度結合し、コアに本来導波していた光信号と干渉し、この結果としてビットエラーレートの増加をもたらしてしまう。さらに、公知の「ダブルクラッド光ファイバ」では、ポンプレーザからの光出力をできるだけ多く結合させるために、一番目のクラッドは大きな開口率を備えるように設計している。従って、ダブルクラッド光ファイバでは、軸合わせを必要とせず、できるだけ開口率を大きくすることが望ましい、ポンプレーザとの光結合は良好ではあるものの、短波長帯マルチモード光ファイバとの接続では光損失が生じてしまう。

ここで、例を挙げて説明する。図１（ａ）は、光増幅器に用いられる、特許文献１に記載の「ダブルクラッド光ファイバ」の屈折率プロファイルであり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した屈折率プロファイルを有するダブルクラッド光ファイバの断面構造図である。

図１（ｂ）において、光信号が導波するコア１１の外側にポンプレーザからの出力光を同時に導波させるための第１クラッド（一番目のクラッド）２１が備えられ、さらにその外側に高分子樹脂で構成された、被覆のための第２クラッド（二番目のクラッド）３１が備えられている。図１（ａ）において、符号１２はコア１１の屈折率であり、符号２２は第１クラッド２１の屈折率であり、符号３２は第２クラッド３１の屈折率である。

「ダブルクラッド光ファイバ」を図２に示すような形状で、曲率半径をＲとしてある一点を中心に曲げた場合、図３に示すように外周側（図３では紙面右側）の屈折率プロファイルが持ち上がる。図２において、符号７１は曲率中心であり、符号７２は曲率半径であり、符号７３は光ファイバを曲げた場合の光ファイバの外周側であり、符号７４は光ファイバを曲げた場合の光ファイバの内周側である。また、図３において、符号７５は曲率半径Ｒのときのコアの屈折率の最大値である。

このとき、第１クラッド２１の屈折率２２において外周側がコア１１の屈折率１２の最大値７５よりも高くなる領域（図３の斜線領域）が生じることがある。このため、コア１１を導波していた光信号の一部が曲げにより放射モードとなり第１クラッド２１へと伝搬した際、上記斜線領域に結合しマルチモードで伝搬してしまう。「ダブルクラッド光ファイバ」が再び直線形状に戻ると、屈折率プロファイルも図１に戻るため、マルチモード伝搬していた一部の光信号が再度コア１１と結合し、コア１１を導波している光信号と光学的な干渉をもたらす。この現象は、光信号受信端における復調時においてエラーを引き起こす原因をもたらすため、好ましくはない。

一方、ビル内に敷設されている光ファイバは、設置される機器インタフェース毎に短波長帯シングルモード用ファイバ、長波長帯マルチモードファイバと種別化して適用されており、それぞれが混在利用されている。機器の新設や機器の移設の度に生じるファイバ敷設工事では上記インタフェース毎に異なる光ファイバを用意しなければならない。一方、長波長帯シングルモードファイバでは Coarse Wavelength Division Multiplexing（ＣＷＤＭ）技術により、安価に波長多重化することによってビル内での新たな光ファイバ敷設を避けることが可能になったが、シングルモードとマルチモードとを一本の光ファイバで多重化して伝送可能な光ファイバが存在しないため、異なる伝搬モードを有する光インタフェースを備えた光通信機器の設置が、あるいは移設の際にはファイバ敷設工事が必要となるのが一般であった。

また、近年では、装置内に配置されるボード間を光接続した光バックプレーンの研究開発が種々の研究期間で進められており、一部商品化されているが、ここに導入される伝送路は短波長帯マルチモードファイバが一般である。長距離接続可能な光の性質を積極的に利用した光バックプレーンの延伸化を考慮した場合、上記光バックプレーンの一部にシングルモードファイバを導入することが望ましく、この場合光バックプレーンに導入される光ファイバなどの光伝送路は短波長帯マルチモード伝送および長波長帯シングルモード伝送の両方に対応可能な光伝送路が望ましい。

特許文献１に記載の「ダブルクラッド光ファイバ」では、第１クラッド２１は、ポンプレーザからの出力光を導波させるために設計されており、より効率良く増幅を行うために、すなわち、より多くのポンプレーザからの出力光を第１クラッド２１に入力するために、第１クラッド２１の直径をより大きくしている。よって、「ダブルクラッド光ファイバ」において、ＬＡＮ（Local Area Network）に導入されている光信号波長８５０ｎｍのマルチモード光ファイバと低ロスで接続し、低ロスでマルチモード光信号を伝送することは口径が大きくことなるため困難である。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、所望の波長におけるシングルモード光信号およびマルチモード光信号のいずれもが伝送可能であり、光ファイバに曲げを付与した際においても、シングルモードコアのみに伝搬していたシングルモード光信号のクラッドへの漏洩が軽減可能であり、安定にいずれの光信号の伝送が可能なデュアルモード光ファイバを提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、シングルモード光信号およびマルチモード光信号を伝送可能なデュアルモード光ファイバであって、前記デュアルモード光ファイバの軸中心に配置された、第１の屈折率を有する第１の材料と、前記第１の材料の外周に配置された、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する第２の材料と、前記第２の材料の外周に配置された、前記軸中心から外側に向かって、線形、２次関数的または階段状に屈折率が減少している第３の材料と、前記第３の材料の外周に配置された、前記第２の屈折率よりも小さい第３の屈折率を有する第４の材料と、前記第４の材料の外周に配置された、前記第２の材料との比屈折率差が略０％である第５の材料とを備え、前記第１の材料が前記シングルモード光信号を伝送するための第１のコアであり、前記第１の材料、第２の材料および第３の材料が前記マルチモード光信号を伝送するための第２のコアであり、前記第２の材料が前記第１のコアに対する第１のクラッドであり、前記第４の材料が前記第２のコアに対する第２のクラッドであり、前記第１の材料は、所定の波長帯で前記第１のコアを励振した際に基本モードのみ励振される物理的な外径（２×ａ０）と、前記第２の材料との比屈折率差Δ１を有しており、前記第４の材料は、前記第２の材料との比屈折率差Δ２を有しており、前記外径（２×ａ０）は、３．８μｍ≦２×ａ０＜１０μｍを満たしており、前記軸中心から前記第２の材料の最も外側までの距離ａ１は、５．０μｍ≦ａ１＜３１．２５μｍを満たしており、前記軸中心から前記第３の材料の最も外側までの距離ａ２は、１５．０μｍ≦ａ２≦３１．２５μｍを満たしており、ａ０＜ａ１＜ａ２の大小関係を満たしており、前記比屈折率差Δ１は、０．１％≦Δ１≦０．４％であり、前記比屈折率差Δ２は、−１．０％≦Δ２≦−０．２％であり、前記第３の材料の、前記第２の材料の境界面での屈折率は、前記第２の屈折率よりも小さく、前記第３の屈折率よりも大きい第４の屈折率であり、前記第２の屈折率に対する前記第４の屈折率の比屈折率差Δ３は、−０．９％≦Δ３≦−０．１％であり、前記軸中心から前記第５の材料の最も外側までの距離は、４０μｍまたは６２．５μｍであり、前記第４の材料の幅であるｄは、前記距離が４０μｍの場合、（入力されるシングルモード光信号の波長の２倍の長さ）≦ｄ＜２２．５μｍであり、前記距離が６２．５μｍの場合、（入力されるシングルモード光信号の波長の２倍の長さ）≦ｄ＜４５μｍであることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、シングルモード光信号およびマルチモード光信号を伝送可能なデュアルモード光ファイバであって、前記デュアルモード光ファイバの軸中心に配置された、第１の屈折率を有する第１の材料と、前記第１の材料の外周に配置された、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する第２の材料と、前記第２の材料の外周に配置された、前記軸中心から外側に向かって、線形、２次関数的または階段状に屈折率が減少している第３の材料と、前記第３の材料の外周に配置された、前記第２の屈折率よりも小さい第３の屈折率を有する第４の材料と、前記第４の材料の外周に配置された、前記第２の材料との比屈折率差が略０％である第５の材料とを備え、前記第１の材料が前記シングルモード光信号を伝送するための第１のコアであり、前記第１の材料、第２の材料および第３の材料が前記マルチモード光信号を伝送するための第２のコアであり、前記第２の材料が前記第１のコアに対する第１のクラッドであり、前記第４の材料が前記第２のコアに対する第２のクラッドであり、前記第１の材料は、所定の波長帯で前記第１のコアを励振した際に基本モードのみ励振される物理的な外径（２×ａ０）と、前記第２の材料との比屈折率差Δ１を有しており、前記第４の材料は、前記第２の材料との比屈折率差Δ２を有しており、前記外径（２×ａ０）は、３．８μｍ≦２×ａ０＜１０μｍを満たしており、前記軸中心から前記第２の材料の最も外側までの距離ａ１は、５．０μｍ≦ａ１＜３１．２５μｍを満たしており、前記軸中心から前記第３の材料の最も外側までの距離ａ２は、１５．０μｍ≦ａ２≦３１．２５μｍを満たしており、ａ０＜ａ１＜ａ２の大小関係を満たしており、前記比屈折率差Δ１は、０．１％≦Δ１≦０．４％であり、前記比屈折率差Δ２は、−１．０％≦Δ２≦−０．２％であり、前記第３の材料は、前記第２の材料との比屈折率差Δ３を有しており、前記比屈折率差Δ３は、−０．９％≦Δ３≦−０．１％であり、前記軸中心から前記第５の材料の最も外側までの距離は、４０μｍまたは６２．５μｍであり、前記第４の材料の幅であるｄは、前記距離が４０μｍの場合、（入力されるシングルモード光信号の波長の２倍の長さ）≦ｄ＜２２．５μｍであり、前記距離が６２．５μｍの場合、（入力されるシングルモード光信号の波長の２倍の長さ）≦ｄ＜４５μｍであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記第５の材料は、前記第４の材料よりも機械的強度が強いことを特徴とする。

本発明によれば、第１の材料とその外周に備えられた第２および第３の材料によって、第１の波長帯（例えば、長波長帯）シングルモード伝送用光ファイバの開口率と、第２の波長帯（例えば、短波長帯）マルチモード伝送用光ファイバの開口率との異なる二つの開口率を一本の光ファイバで持たせ、２つの異なる波長帯域および異なる伝搬モードの光信号を一本の光ファイバで共用可能である。

さらに、マルチモード用のコアとなる領域の最外領域となる第３の材料の屈折率を、該領域の他の領域である第２の材料の屈折率よりも小さくしているので、マルチモード用のコアの領域を削り、高次モードの数を減少させることができ、マルチモード光信号の伝搬特性を改善することができる。具体的には、１Ｇｂｐｓの信号を１００ｍ以上伝送できることが可能となった。

さらに、第２の材料と第５の材料との比屈折率差が略０％であるので、第２の材料と第５の材料とを同じ材料にすることができる。このように同じ材料にすることにより、デュアルモード光ファイバの製造を容易にすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
本発明の一実施形態に係る光ファイバは、同一の光ファイバにおいてシングルモード光信号とマルチモード光信号の双方を伝送可能なデュアルモード光ファイバ（ダブルコア光ファイバ）である。
ここで、デュアルモード光ファイバとは、シングルモード伝送用のコアと、マルチモード伝送用のコアとを同時に１つの光ファイバに備え、シングルモード光信号とマルチモード光信号とを、同一の光ファイバで伝送することを可能にする光ファイバを意味する。

本発明の一実施形態は、シングルモード光信号とマルチモード光信号とを、同一の光ファイバで伝送可能にする光ファイバ、すなわちデュアルモード光ファイバを提供するものである。さらに、光ファイバを曲げた場合であっても、光ファイバに、コアよりも有効屈折率が高くなる領域が発生することを無くす、ないしは減少させるものである。
特許文献１に記載された従来のダブルクラッド光ファイバは、シングルモード伝送用のコア１１と、２つのクラッド（第１クラッド２１と第２クラッド３１）とを備えるものである。そして、第１クラッド２１にポンプレーザからの出力光が入力され、該入力された光が、コア１１と第１クラッド２１とをマルチモードで伝搬していくが、この光はあくまで、コア１１を増幅するための光であって、何らかの情報を伝達する光信号ではない。従って、伝送される光信号は、コア１１を伝送するシングルモード光信号の１つのみである。また、ダブルクラッド光ファイバにおいてマルチモードで伝搬していくのは増幅のための光であるので、第１クラッド２１の直径はより大きく設計される。また、第１クラッドでは光信号を伝搬するわけではないので、中心軸を合わせる必要はなく、より大きいことが望まれるクラッド２１の直径としてより大きな直径が実現できるのである。

これに対して本発明の一実施形態では、シングルモード光信号の伝送用のコアと、マルチモード光信号の伝送用のコアとを同時に１つの光ファイバに備えるものである。
本発明の一実施形態に係る、シングルモード伝送用のコアは、光ファイバの最も内側にある、屈折率ｎ_１を有するコア材料であって、長波長帯域の光信号を用いて上記コアのみ選択的に励振した際に、伝搬モードが規定モードのみとなるシングルモード特性を備え、且つ該規定モードのモードフィールド径は、上記長波長帯域でシングルモード伝送可能なシングルモード光ファイバのモードフィールド径と同じ値、または略同じ値である。すなわち、本発明の一実施形態に係るシングルモード伝送用のコアは、通常用いられる長波長帯シングルモード伝送用光ファイバの開口率を有しているのである。

また、本発明の一実施形態に係る、マルチモード伝送用のコアは、シングルモード伝送用のコアであるコア材料と、該コア材料を覆うように形成された、屈折率ｎ_１よりも小さな屈折率ｎ_２を有する材料との組み合わせによって形成されるコアであって、そのコアの直径は、短波長帯域の光信号の伝送路として用いられるグレーデッドインデックス型マルチモードファイバ、あるいはステップインデックス型マルチモードファイバのコア直径と同じ値、または略同じ値である。すなわち、本発明の一実施形態に係るマルチモード伝送用のコアは、通常用いられる短波長帯マルチモード伝送用光ファイバの開口率を有しているのである。
従って、本発明の一実施形態に係る、デュアルモード光ファイバを用いると、シングルモード光ファイバおよびマルチモード光ファイバ共に低ロスで接続することが可能になる。

なお、上記屈折率ｎ_２を有する材料は、シングルモード光信号伝送用のコアに対してはクラッドとして機能し、マルチモード光信号伝送用のコアに対しては、上記コア材料と共に、上記マルチモード光信号伝送用のコアとして機能する。

このようなマルチモード光信号伝送用のコアを覆うように、マルチモード光信号伝送用のコアに対するクラッドとしてのクラッド材料が形成されている。このクラッド材料の屈折率ｎ_３は、上記屈折率ｎ_２よりも小さい。すなわち、クラッド材料は、上記コア材料および屈折率ｎ_２を有する材料からなるマルチモード伝送用のコアに対してクラッドとして機能するので、良好なマルチモード光信号伝送を実現できる。

また、マルチモード光信号伝送用のコアに含まれる屈折率ｎ_２を有する材料の周囲に、該屈折率ｎ_２を有する材料よりも屈折率が小さなクラッド材料を設けることによって、図２に示すようにデュアルモード光ファイバを曲げたとしても、外周側に発生する、シングルモード光信号が導波するコア材料よりも高い実効屈折率を有する領域の発生を軽減することができる。すなわち、図３に示した斜線領域を少なくとも含む領域、または上記斜線領域の一部に、屈折率ｎ_２を有する材料よりも屈折率が低いクラッド材料を設けるようにしているので、斜線領域を無くす、または減少させることができる。よって、コア材料を導波していた光信号のマルチモードへの結合を軽減できる。

図４の記載の第１クラッド１１２の半径を減少させて、マルチモード光信号伝送用のコアの体積を減らすことも考えられるが、マルチモードファイバとの接続時のモード整合を考慮すると単純に半径を減少させることは好ましくない。

さらに、屈折率ｎ_２を有する材料よりも屈折率が小さなクラッド材料を設けることによって、屈折率ｎ_２を有する材料からクラッド材料への光の染み出しは抑制される。

図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係るデュアルモード光ファイバの屈折率プロファイルであり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の屈折率プロファイルを有するデュアルモード光ファイバの断面構造図である。
図４（ｂ）において、中心にシングルモード伝送用の、上記コアとしてのコア１１１が備えられ、コア１１１の外側に順次、上記屈折率ｎ_２を有する材料としての第１クラッド１１２、クラッド材料としての第２クラッド１１３、最外クラッド１１４が備えられる。なお、コア１１１、第１クラッド１１２、第２クラッド１１３、最外クラッド１１４は、例えば石英系ガラスや、ポリマー、アクリルなどの有機物など、通常、光ファイバに用いられる材料を用いることができる。

本実施形態において、コア１１１は、Ｇｅ、Ｐ、Ｓｎ、Ｂ元素の一つが添加された石英である。また、第１クラッド１１２および最外クラッド１１４は純粋石英である。さらに、第２クラッド１１３は、屈折率を下げるためにそれぞれ異なる量のＦ元素、Ｂ元素、あるいはその両方が添加された石英である。

図４（ａ）において、符号１１５はコア１１１の屈折率であり、符号１１６は第１クラッド１１２の屈折率であり、符号１１７は第２クラッド１１３の屈折率であり、符号１１８は最外クラッド１１４の屈折率である。図４（ａ）から分かるように、第１クラッド１１２の屈折率１１６はコア１１１の屈折率１１５よりも小さく、第２クラッド１１３の屈折率１１７は第１クラッド１１２の屈折率１１６よりも小さく、最外クラッド１１４の屈折率１１８は第１クラッド１１２の屈折率１１６と等しい。

なお、本発明の一実施形態では、同一のファイバでシングルモード光信号とマルチモード光信号とを伝送可能にすることが重要であるので、最外クラッド１１４の屈折率は、第１クラッド１１２と同一であることが本質ではない。よって、最外クラッド１１４の屈折率は、いずれの値であっても良いのである。

このような構成によれば、コア１１１とその外周に備えられた第１および第２クラッド１１２、１１３によって、第１の波長帯（例えば、長波長帯）シングルモード光信号伝送用光ファイバの開口率と、第２の波長帯（例えば、短波長帯）マルチモード光信号伝送用光ファイバの開口率との異なる二つの開口率を一本の光ファイバで持たせ、２つの異なる波長帯域および異なる伝搬モードの光信号を一本の光ファイバで共用可能である。さらに、第２クラッド１１３の屈折率１１７を第１クラッド１１２の屈折率１１６よりも小さくすることにより、ある一定の曲率半径Ｒにおいて、コア伝送中の長波長帯光信号のマルチモードの伝搬モードへの結合が軽減され、安定なシングルモード光信号の伝送が可能となる。よって、上記デュアルモード光ファイバは、非常に有用な構成である。

このように非常に有用なデュアルモード光ファイバは、マルチモード光信号の伝送特性を向上させることによって、さらに有用なものとなる。
特に、マルチモード伝送用のコア（コア１１１および第１クラッド１１２）の体積が大きい場合、高次モードの数が増大し、各高次モードが光ファイバ中を伝播する遅延時間が異なることにより、遅延時間幅の拡大をもたらす。シングルモード用のコアであるコア１１１の半径を４．６μｍとし、マルチモード用のコアの半径である第クラッド１１２の半径を２２．５μｍとした場合の、遅延時間に対する高次モード出現頻度を図５に示す。このように、計算においても高次モード出現頻度が遅延時間領域に渡って均等に現れる広い分布（頻度が均等に現れる広い分布）が得られている。

したがって、図５に示すような遅延時間の幅広い分布（頻度が均等に現れる広い分布）を抑制可能であれば、伝送帯域の拡大が得られ、高速光信号を伝送する際において、マルチモード伝送特性の劣化を抑えることができる。

（第１の実施形態）
本実施形態に係る光ファイバは、図４を用いて説明したなデュアルモード光ファイバ（ダブルコア光ファイバ）について、マルチモード光信号の伝送特性の向上を図った光ファイバである。
図６は、本実施形態に係るデュアルモード光ファイバの断面構造図である。
図６において、デュアルモード光ファイバの軸中心にシングルモード伝送用の、コア１２１が備えられ、コア１２１の外側に順次、第１クラッド１２２、第２クラッド１２３、第３クラッド１２４、および最外クラッド１２５が設けられている。

本実施形態では、コア１２１がシングルモード光信号伝送用のコアとなり、第１クラッド１２２がシングルモード光信号伝送用のクラッドとなる。また、コア１２１、第１クラッド１２２および第２クラッド１２３がマルチモード光信号伝送用のコアとなり、最低屈折率のクラッドとなる第３クラッド１２４がマルチモード光信号伝送用のクラッドとなる。

なお、コア１２１、第１クラッド１２２〜第３クラッド１２４、および最外クラッド１２５は、例えば石英系ガラスや、ポリマー、アクリルなどの有機物など、通常、光ファイバに用いられる材料を用いることができる。

本実施形態において、コア１２１は、Ｇｅ、Ｐ、Ｓｎ、Ｂ元素の一つが添加された石英である。また、第１クラッド１２２および最外クラッド１２５は純粋石英である。第３クラッド１２４は、屈折率を下げるためにそれぞれ異なる量のＦ元素、あるいはＢ元素、あるいはその両方が添加された石英である。

このように本実施形態では、第３クラッド１２４をマルチモード用のクラッドとして機能させるために石英にＦ元素等を添加して屈折率を下げているが、Ｆ元素等を添加することによりクラッド１２４の強度は下がってしまう。しかしながら、本実施形態のように、最外クラッド１２５のように、マルチモード用のクラッドとして機能させるためにＦ元素等の添加による屈折率低下が必要な第３クラッド１２４の外周に純粋石英等を配置することにより、一般的に使用されている光ファイバと同様の強度を確保することができる。
なお、本実施形態では、光ファイバの強度補強のための最外クラッド１２５としては、上述のように純粋石英等、第３クラッド１２４の材料よりも強度（機械的強度）が強いものであればいずれの材料を用いても良い。

また、第２クラッド１２３は、光ファイバの中心から外側に向けて徐々に屈折率が傾斜しており、第１クラッド１２２の屈折率１３２から第３クラッド１２４の屈折率１３４まで線形に減少する屈折率１３３を有する。よって、第２クラッド１２３は、このような傾斜型の屈折率を有するように、屈折率を下げるための元素が添加された石英である。第２クラッド１２３は、光ファイバの中心から外側に向けてＦ元素の添加濃度を濃くするようにしてＦ元素を添加することで形成することができる。

図６に示すデュアルモード光ファイバの屈折率プロファイルを図７に示す。
図７において、符号１３１はコア１２１の屈折率であり、符号１３２は第１クラッド１２２の屈折率であり、符号１３３は第２クラッド１２３の屈折率であり、符号１３４は第３クラッド１２４の屈折率であり、符号１３５は最外クラッド１２５の屈折率である。図７から分かるように、第１クラッド１２２の屈折率１３２はコア１２１の屈折率１３１よりも小さく、その比屈折率差がΔ１である。また、第３クラッド１２４の屈折率１３４は第１クラッド１２２の屈折率１３２よりも小さく、その比屈折率差がΔ２である。最外クラッド１２５の屈折率１３５は第１クラッド１２２の屈折率１３２と等しい。また、第２クラッド１２３の屈折率１３３は、光ファイバの中心側から外側に向けて屈折率１３２から屈折率１３４になるように線形に傾斜して減少している。

このように、本実施形態では、デュアルモード光ファイバの強度を確保するために設ける最外クラッド１２５と第１クラッド１２２との比屈折率差を略０％にしているので、例えば、最外クラッド１２５と第１クラッド１２２とを同じ材料（石英等）にすることにより、デュアルモード光ファイバの製造を容易にすることができる。すなわち、第１クラッド１２２との比屈折率差が略０％の最外クラッド１２５を用いることによって、ファイバの機械的強度を確保しつつ、該強度を向上するために材料を容易に形成することができる。

図７において、ａ０は、コア１１１の半径を示す。従って、コア１１１は、所定の波長帯で上記シングルモード光信号伝送用のコアを励振した際に基本モードのみ励振される物理的な外径（２×ａ０）を有することになる。
また、ａ１は、第１クラッド１２２の半径であって、コア１１１の中心（光ファイバの中心）から第１クラッド１２２の最も外側までの距離であり、ａ２は、第２クラッド１２３の半径であって、コア１１１の中心から第２クラッド１２３の最も外側までの距離である。また、ｄは、最低屈折率のクラッドである第３クラッド１２４の幅であり、第２クラッド１２３の最も外側から最外クラッド１２５の最も内側までの距離である。さらに、ａ＿ｏｕｔｅｒは、最外クラッド１２５の半径であって、コア１１１の中心から最外クラッド１２５の最も外側までの距離である。

本実施形態では、図７に示されるように、第２クラッド１２３の屈折率１３３を第１クラッド１２２から第４クラッド１２４に向って線形に減少させるようにしているので、マルチモード光信号伝送用のコアとして機能する領域において、高次モード数の減少と同時に、より高次のモード遅延時間を補正することができる。本実施形態では、マルチモード光信号伝送用のコアは、コア１２１、第１クラッド１２２、および第２クラッド１２３であるので、図７中の範囲１３６がマルチモード光信号伝送用のコアとなる。斜線領域１３７が存在する屈折率プロファイルを備える光ファイバと比較して、本実施形態に基づくデュアルモード光ファイバにおいては高次モード励振の抑制が行われると同時に高次モード遅延時間が補正される。

このように、マルチモード光信号用のコアの最外領域を担う第２クラッド１２３の一部を屈折率を徐々に減少させることによって、高次モードの数を減少させることができ、これと同時に該モード数の減少に伴った各高次モード毎の出現頻度を特定の遅延時間領域に集中させ、その出現頻度分布を狭くすることができる。従って、マルチモード光信号の伝送特性を改善することができる。

なお、本実施形態に係るデュアルモード光ファイバは、マルチモード光信号の伝送のみならず、シングルモード光信号の伝送も可能なファイバである。従って、上述のようなマルチモード光信号の伝送特性の改善を実現するに際しては、シングルモード光信号の伝送に影響の無い範囲で行うことが好ましい。このように、シングルモード光信号の伝送を良好に行うためには、３．８μｍ≦２×ａ０＜１０μｍ、および５．０μｍ≦ａ１＜３１．２５μｍ、ａ０＜ａ１を満たすことが好ましい。

図８に、図７に示す屈折率プロファイルを有するデュアルモード光ファイバにおける遅延時間分布を示す。なお、図７において、ａ０は、４．４μｍであり、ａ１は８．０μｍであり、ａ２は２２．５μｍである。また、ｄは、５．０μｍである。

図８に示される通り、本実施形態のデュアルモード光ファイバのように、シングルモードでの伝播に影響の無い範囲で、マルチモード用のコアの領域を削ること（減少させること）によって、該コア領域の減少に伴って高次モード数を減少させると同時に、上記遅延時間分布において、高次モードの出現頻度を特定の遅延時間に集中させた分布を実現することができる。よって、遅延時間の狭い分布を実現することができる。

なお、本実施形態では、上述のように、コア１２１、第１クラッド１２２、および第２クラッド１２３がマルチモード光信号伝送用のコアを形成することになる。よって、こられがマルチモード光信号伝送用のコアとして機能するためには、１５．０μｍ≦ａ２≦３１．２５μｍを満たすことが好ましい。ただし、ａ０、ａ１、ａ２はそれぞれ、ａ０＜ａ１＜ａ２の関係を満たしている。

また、それぞれの屈折率関係は、比屈折率差Δ１は、０．１％以上、０．４％以下が好ましく、比屈折率差Δ２は、−１．０％以上であり−０．２％以下の値が好ましい。これにより、Δ１によってシングルモード条件が整い、負の値を有するΔ２によって、曲げた際にも光信号をガイドすることが可能となる。

さらに、本実施形態のデュアルモード光ファイバの直径を８０μｍ、あるいは１２５μｍにする場合は、マルチモード用のクラッドとして機能する第３クラッド１２４の幅ｄを、マルチモード光信号の閉じ込め効果、および最外クラッド１２５を用いて十分な強度を確保することを考慮して設定することは好ましい。上記光の閉じ込め効果は、入力されるシングルモード光信号波長の長さの２倍程度であれば良好に確保できる。また、デュアルモード光ファイバの外径が８０μｍあるいは１２５μｍに収まり、かつ最外クラッド１２５の導入によって得られる所望の機械的強度を低減させないようにｄの最大値を設定すれば良い。これらを考慮すると、幅ｄは、ａ＿ｏｕｔｅｒが４０μｍの場合、（入力されるシングルモード光信号波長の２倍の長さ）≦ｄ＜２２．５μｍであることが好ましく、ａ＿ｏｕｔｅｒが６２．５μｍの場合、（入力されるシングルモード光信号波長の２倍の長さ）≦ｄ＜４５μｍであることが好ましい。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、シングルモード光信号およびマルチモード光信号の双方を伝送可能なデュアルモード光ファイバのマルチモード光信号伝送特性の向上のために、マルチモード光信号伝送用のコアとして機能する領域（コア１２１、第１クラッド１２２、および第２クラッド１２３）の最外部（第２クラッド１２３）の屈折率を、デュアルモード光ファイバの中心から外側に向けて線形に減少させている。

これに対して、本実施形態では、上記最外部の屈折率を、デュアルモード光ファイバの中心から外側に向けて非線形に減少させている。例えば、本実施形態では、図９に示すように、第２クラッド１２３の屈折率１３３を、ファイバの中心から外側に向かって屈折率１３２から屈折率１３４になるように２次関数的に屈折率が減少するようにしても良い。このときの遅延時間の分布を図１０に示す。

このように、本実施形態では、マルチモード光信号伝送用のコアの最外部となる第２クラッド１２３の屈折率を線形で落とすだけでなく、非線形（例えば２次関数）で落とした場合であっても、マルチモード光信号伝送用のコアの領域は削られることになり、高次モード数を減少させると同時に、上記遅延時間分布において、高次モードの出現頻度を特定の遅延時間に集中させた分布を実現することができる。よって、遅延時間の狭い分布の実現により、マルチモード光信号の伝送特性の改善が得られる。

（第３の実施形態）
第１および第２の実施形態では、第２クラッド１２３の、第１クラッド１２２との境界面での屈折率が第１クラッド１２２の屈折率１３２と等しく、第３クラッド１２４との境界面での屈折率が第３クラッド１２４の屈折率１３４と等しくなるように、第２クラッド１２３の屈折率１３３が設定されている。これに対して、本実施形態では、第２クラッド１２３の両界面での屈折率の値は、その接する他の材料の屈折率と異なっていても良い。

図１１は、第２クラッド１２３の、第１クラッド１２２との界面の屈折率が屈折率１３２と異なる場合の屈折率プロファイルである。図１１において、ｎ_ａは第２クラッド１２３の第１クラッド１２２との界面の屈折率であり、ｎ_ｂは第２クラッド１２３の第３クラッド１２４との界面の屈折率である。

本実施形態では、屈折率ｎ_ｂは屈折率１３４に等しいが、屈折率ｎ_ａは屈折率１３２とは異なる値である。なお、本実施形態では、第２クラッド１２３の屈折率１３３は、第１クラッド１２２から第３クラッド１２４に向けて屈折率が減少するので、屈折率ｎａは屈折率ｎ_ｂよりも大きい。また、第２クラッド１２３はマルチモード光信号伝送用のコアの一領域であり、かつ第３クラッド１２４が該マルチモード光信号伝送用のコアに対するクラッドとして機能するので、屈折率ｎ_ａは屈折率１３４よりも大きい。

本実施形態では、第１および第２の実施形態と同様に、屈折率１３３をデュアルモード光ファイバの外側ほど屈折率が低くなるように傾斜させているので、マルチモード数を低減することができる。

さて、本実施形態では、第１クラッド１２２はシングルモード光信号の伝送の観点からするとクラッドとして機能する。よって、第１クラッド１２２の屈折率１３２に対する屈折率ｎ_ａの比屈折率差Δ３が大きいほど、光ファイバを曲げた際の曲げ損失を小さくすることができる。すなわち、比屈折率差Δ３を大きくするほど、曲げ損失を低減することができる。このように曲げ損失の低減のために、−０．９％≦Δ３≦−０．１％とするのが好ましい。

図１２に、図１１に示す屈折率プロファイルを有するデュアルモード光ファイバにおける遅延時間分布を示す。なお、図１１において、ａ０は、４．３μｍであり、ａ１は１６．３μｍであり、ａ２は２２．８μｍである。また、ｄは、５．０μｍである。さらに、Δ３は−０．７５％である。

図１２に示される通り、本実施形態においても、第２クラッド１２３の屈折率をデュアルモード光ファイバの外側に向うほど減少させるようにしているので、マルチモード光信号伝送用のコアの領域が削られることになり、高次モード数を減少させると同時に、上記遅延時間分布において、高次モードの出現頻度を特定の遅延時間に集中させた分布を実現することができる。よって、遅延時間の狭い分布の実現により、マルチモード光信号の伝送特性の改善が得られる。

なお、本実施形態では、屈折率ｎ_ｂについても、第３クラッド１２４の屈折率１３４と異なる値に設定しても良い。ただし、第２クラッド１２３をマルチモード光信号伝送用のコアの一領域として機能させ、かつ第３クラッド１２４をマルチモード光信号伝送用のクラッドとして機能させることを考慮すると、屈折率ｎ_ｂは屈折率１３４以上であることが必要である。

このように、本発明では、第２クラッド１２３の屈折率は、第１クラッド１２２から第３クラッド１２４に向って減少する形態であり、最大屈折率（第１クラッド１２２との界面での屈折率）が第１クラッド１２２の屈折率１３３以下であり、最小屈折率（第３クラッド１２４との界面での屈折率）が第３クラッド１２４の屈折率１３４以上であれば良い。

（第４の実施形態）
第１〜第３の実施形態では、第２クラッド１２３の屈折率１３３が、ファイバの中心側（第１クラッド１２２）から外側（第３クラッド１２４）に向って減少しているが、第２クラッド１２３の屈折率プロファイルはこの形態に限らない。本発明で重要なことは、第２クラッド１２３の屈折率の状態によって、実効的なマルチモード光信号伝送用のコアの体積を減少させることにより、高次モードの数を減少させることである。よって、第１〜第３の実施形態のように、マルチモード光信号伝送用のコア（コア１２１、第１クラッド１２２、第２クラッド１２３）の最外部（第２クラッド１２３）の屈折率を連続的に減少させる形態に限らず、本実施形態のように、上記最外部の屈折率をステップ状に減少させるようにしても良い。

図１３は、本実施形態に係るデュアルモード光ファイバの屈折率プロファイルである。
本実施形態では、図１３に示す通り、第２クラッド１２３の屈折率１３３はデュアルモード光ファイバの中心から外側に向けて傾斜していない。すなわち、第２クラッド１２３の屈折率１３３は、第１クラッド１２２の屈折率１３２よりも小さく、かつ第３クラッド１２４の屈折率１３４よりも大きい。

本実施形態では、第１クラッド１２２が純粋石英であるので、屈折率１３４よりも屈折率が大きくなるように純粋石英にＦ元素等を添加することによって、第２クラッド１２３を形成することができる。

上述のように、第２クラッド１２３の屈折率１３３を、屈折率１３２よりも小さくかつ屈折率１３４よりも大きな屈折率とすることで、マルチモード光信号伝送用のコアとして機能する領域を減少させることができる。本実施形態においても、マルチモード光信号伝送用のコアは、コア１２１、第１クラッド１２２、および第２クラッド１２３であるので、図１３中の範囲１３６がマルチモード光信号伝送用のコアとなるが、第２クラッドの屈折率１３３は、第１クラッド１２２の屈折率１３２よりも小さいので、図１３中の斜線領域１３８はコアとして機能しなくなる。よって、高次モードの数を減少させることができ、遅延時間の分布幅を小さくすることができる。

また、本実施形態によれば、第１〜第３の実施形態のように、第２クラッド１２３の屈折率１３３は傾斜した屈折率プロファイルを有するものではない。よって、第２クラッド１２３の製造を簡便にすることができ、低コスト化を図ることができる。

また、本実施形態においても、第１クラッド１２２はシングルモード光信号伝送の観点からするとクラッドとして機能する。よって、第１クラッド１２２の屈折率１３２に対する屈折率１３３の比屈折率差Δ３が大きいほど、光ファイバを曲げた際の曲げ損失を小さくすることができる。すなわち、比屈折率差Δ３を大きくするほど、曲げ損失を低減することができる。このように曲げ損失の低減のために、−０．９％≦Δ３≦−０．１％とするのが好ましい。

図１４に、図１３に示す屈折率プロファイルを有するデュアルモード光ファイバにおける遅延時間分布を示す。なお、図１３において、ａ０は、４．３μｍであり、ａ１は１６．５μｍであり、ａ２は２７．５μｍである。また、ｄは、５．０μｍである。さらに、Δ３は−０．７５％である。

図１４に示される通り、本実施形態では、第２クラッド１２３の屈折率１３３を第１クラッド１２３の屈折率１３２より小さくすることにより、マルチモード光信号伝送用のコアの領域が削られることになり、高次モード数を減少させることができる。従って、各モード毎の遅延時間の分布幅を小さくすることができ、マルチモード光信号伝送での伝送特性の改善が実現できる。すなわち、上記遅延時間分布において、高次モードの出現頻度を特定の遅延時間に集中させた分布を実現することができる。よって、遅延時間の狭い分布を実現により、マルチモード光信号の伝送特性の改善が得られる。

（ａ）は、従来のダブルクラッド光ファイバの屈折率プロファイルであり、（ｂ）は、（ａ）の屈折率プロファイルを有するダブルクラッド光ファイバの断面構造図である。 曲率半径Ｒである一点を中心に光ファイバを曲げる場合の説明図である。 図１（ａ）および（ｂ）に示したダブルクラッド光ファイバを曲率半径Ｒで曲げた際に変化した屈折率プロファイルである。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係るデュアルモード光ファイバの屈折率プロファイルであり、（ｂ）は、（ａ）の屈折率プロファイルを有するデュアルモード光ファイバの断面構造図である。 本発明の一実施形態に係るデュアルモード光ファイバ中をマルチモード光信号が伝送する際の遅延時間の分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係るデュアルモード光ファイバの断面構造図である。 図６に示すデュアルモード光ファイバの屈折率プロファイルである。 本発明の一実施形態に係るデュアルモード光ファイバ中をマルチモード光信号が伝送する際の遅延時間の分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係るデュアルモード光ファイバの屈折率プロファイルである。 本発明の一実施形態に係るデュアルモード光ファイバ中をマルチモード光信号が伝送する際の遅延時間の分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係るデュアルモード光ファイバの屈折率プロファイルである。 本発明の一実施形態に係るデュアルモード光ファイバ中をマルチモード光信号が伝送する際の遅延時間の分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係るデュアルモード光ファイバの屈折率プロファイルである。 本発明の一実施形態に係るデュアルモード光ファイバ中をマルチモード光信号が伝送する際の遅延時間の分布を示す図である。

符号の説明

１２１ コア
１２２ 第１クラッド
１２３ 第２クラッド
１２４ 第３クラッド
１２５ 最外クラッド
１３１ コア１２１の屈折率
１３２ 第１クラッド１２２の屈折率
１３３ 第２クラッド１２３の屈折率
１３４ 第３クラッド１２４の屈折率
１３５ 最外クラッド１２５の屈折率

Claims (3)

1. シングルモード光信号およびマルチモード光信号を伝送可能なデュアルモード光ファイバであって、
   前記デュアルモード光ファイバの軸中心に配置された、第１の屈折率を有する第１の材料と、
   前記第１の材料の外周に配置された、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する第２の材料と、
   前記第２の材料の外周に配置された、前記軸中心から外側に向かって、線形、２次関数的または階段状に屈折率が減少している第３の材料と、
   前記第３の材料の外周に配置された、前記第２の屈折率よりも小さい第３の屈折率を有する第４の材料と、
   前記第４の材料の外周に配置された、前記第２の材料との比屈折率差が略０％である第５の材料とを備え、
   前記第１の材料が前記シングルモード光信号を伝送するための第１のコアであり、
   前記第１の材料、第２の材料および第３の材料が前記マルチモード光信号を伝送するための第２のコアであり、
   前記第２の材料が前記第１のコアに対する第１のクラッドであり、
   前記第４の材料が前記第２のコアに対する第２のクラッドであり、
   前記第１の材料は、所定の波長帯で前記第１のコアを励振した際に基本モードのみ励振される物理的な外径（２×ａ０）と、前記第２の材料との比屈折率差Δ１を有しており、
   前記第４の材料は、前記第２の材料との比屈折率差Δ２を有しており、
   前記外径（２×ａ０）は、３．８μｍ≦２×ａ０＜１０μｍを満たしており、
   前記軸中心から前記第２の材料の最も外側までの距離ａ１は、５．０μｍ≦ａ１＜３１．２５μｍを満たしており、
   前記軸中心から前記第３の材料の最も外側までの距離ａ２は、１５．０μｍ≦ａ２≦３１．２５μｍを満たしており、
   ａ０＜ａ１＜ａ２の大小関係を満たしており、
   前記比屈折率差Δ１は、０．１％≦Δ１≦０．４％であり、
   前記比屈折率差Δ２は、−１．０％≦Δ２≦−０．２％であり、
   前記第３の材料の、前記第２の材料の境界面での屈折率は、前記第２の屈折率よりも小さく、前記第３の屈折率よりも大きい第４の屈折率であり、
   前記第２の屈折率に対する前記第４の屈折率の比屈折率差Δ３は、−０．９％≦Δ３≦−０．１％であり、
   前記軸中心から前記第５の材料の最も外側までの距離は、４０μｍまたは６２．５μｍであり、
   前記第４の材料の幅であるｄは、
   前記距離が４０μｍの場合、（入力されるシングルモード光信号の波長の２倍の長さ）≦ｄ＜２２．５μｍであり、
   前記距離が６２．５μｍの場合、（入力されるシングルモード光信号の波長の２倍の長さ）≦ｄ＜４５μｍであることを特徴とするデュアルモード光ファイバ。
2. シングルモード光信号およびマルチモード光信号を伝送可能なデュアルモード光ファイバであって、
   前記デュアルモード光ファイバの軸中心に配置された、第１の屈折率を有する第１の材料と、
   前記第１の材料の外周に配置された、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する第２の材料と、
   前記第２の材料の外周に配置された、前記軸中心から外側に向かって、線形、２次関数的または階段状に屈折率が減少している第３の材料と、
   前記第３の材料の外周に配置された、前記第２の屈折率よりも小さい第３の屈折率を有する第４の材料と、
   前記第４の材料の外周に配置された、前記第２の材料との比屈折率差が略０％である第５の材料とを備え、
   前記第１の材料が前記シングルモード光信号を伝送するための第１のコアであり、
   前記第１の材料、第２の材料および第３の材料が前記マルチモード光信号を伝送するための第２のコアであり、
   前記第２の材料が前記第１のコアに対する第１のクラッドであり、
   前記第４の材料が前記第２のコアに対する第２のクラッドであり、
   前記第１の材料は、所定の波長帯で前記第１のコアを励振した際に基本モードのみ励振される物理的な外径（２×ａ０）と、前記第２の材料との比屈折率差Δ１を有しており、
   前記第４の材料は、前記第２の材料との比屈折率差Δ２を有しており、
   前記外径（２×ａ０）は、３．８μｍ≦２×ａ０＜１０μｍを満たしており、
   前記軸中心から前記第２の材料の最も外側までの距離ａ１は、５．０μｍ≦ａ１＜３１．２５μｍを満たしており、
   前記軸中心から前記第３の材料の最も外側までの距離ａ２は、１５．０μｍ≦ａ２≦３１．２５μｍを満たしており、
   ａ０＜ａ１＜ａ２の大小関係を満たしており、
   前記比屈折率差Δ１は、０．１％≦Δ１≦０．４％であり、
   前記比屈折率差Δ２は、−１．０％≦Δ２≦−０．２％であり、
   前記第３の材料は、前記第２の材料との比屈折率差Δ３を有しており、
   前記比屈折率差Δ３は、−０．９％≦Δ３≦−０．１％であり、
   前記軸中心から前記第５の材料の最も外側までの距離は、４０μｍまたは６２．５μｍであり、
   前記第４の材料の幅であるｄは、
   前記距離が４０μｍの場合、（入力されるシングルモード光信号の波長の２倍の長さ）≦ｄ＜２２．５μｍであり、
   前記距離が６２．５μｍの場合、（入力されるシングルモード光信号の波長の２倍の長さ）≦ｄ＜４５μｍであることを特徴とするデュアルモード光ファイバ。
3. 前記第５の材料は、前記第４の材料よりも機械的強度が強いことを特徴とする請求項１または２に記載のデュアルモード光ファイバ。

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