JP5193398B2 - 光ファイバおよび光伝送システム - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバおよび光伝送システムに関するものである。
近年のインターネットトラヒックの劇的な増大に伴い、将来的な伝送容量の不足が予想されている。これを解決する方法として、従来用いられていた光ファイバの基底伝搬モードに加え、より高次の伝搬モードを光伝送に用いるモード多重伝送技術が開示されている（非特許文献１、２参照）。また、より高品質な光伝送のために、光ファイバの有効コア断面積（Ａeff）を拡大して、光ファイバ中での非線形光学現象の発生を抑制することも重要である（非特許文献３、４参照）。非特許文献５では、トレンチ構造を用いて屈折率分布を最適化することによって、Ａeffを１５５μｍ２まで拡大した光ファイバが提案されている。
C.Koebele, M.Salsi, G.Charlet, S.Bigo "Nonlinear Effects in Long-Haul Transmission over Bimodal Optical Fiber," ECOC2010、Mo.2.C.6 Bernd Franz, Detlef Suikat, Roman Dischler, Fred Buchali, Henning Buelow "High Speed OFDM Data Transmission Over 5 km GI-Multimode Fiber Using Spatial Multiplexing With 2x4 MIMO Processing," ECOC2010、Tu.3.C.4 Marianne Bigot-Astruc, Frans Gooijer, Nelly Montaigne, Pierre Sillard, "Trench-Assisted Profiles for Large-Effective-Area Single-Mode Fibers," ECOC2008、Mo.4.B.1 Yoshinori Yamamoto, Masaaki Hirano, Kazuya Kuwahara, Takashi Sasaki "OSNR-Enhancing Pure-Silica-Core Fiber with Large Effective Area and Low Attenuation," OFC/NFOEC2010、OTuI2 Marianne Bigot-Astruc, et al., "125μm glass diameter single-mode fiber with Aeff of 155μm2" OFC/NFOEC2011，OTuJ2(2011) 岡本勝就著「光導波路の基礎」コロナ社、１９９２年１０月２０日
しかしながら、光ファイバの有効コア断面積を拡大すると、曲げ損失が大きくなってしまうという問題がある。特に、光ファイバを基底および高次の伝搬モードを光伝送に用いる場合においては、使用する各伝搬モードに対して曲げ損失の問題が生じることになる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光ファイバを基底および高次の伝搬モードを光伝送に用いる場合においても、使用する各伝搬モードにおいて有効コア断面積が大きくかつ曲げ損失が小さい光ファイバおよび光伝送システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバは、コア部と、前記コア部の外周に形成され該コア部の最大屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド部とを備え、波長１５５０ｎｍにおける特性は、基底伝搬モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上であり、第１高次伝搬モードの有効コア断面積が１７０μｍ２以上であり、かつ該第１高次伝搬モードの実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．０００５以上大きいことを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．００１０以上大きいことを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記第１高次伝搬モードの実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．００１６以上大きいことを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記基底伝搬モードおよび前記第１高次伝搬モードの２モードのみが伝搬することを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記第１高次伝搬モードはＬＰ１１モードであることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記コア部は、前記最大屈折率を有する中心コア部と、前記中心コア部の外周に形成され前記クラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する外周コア部とからなることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記クラッド部に対する前記中心コア部の比屈折率差Δ１が０．２０％〜０．５０％であり、前記クラッド部に対する前記外周コア部の比屈折率差Δ２が−０．５０％以上で０％より小さく、前記中心コア部の直径が１４．００μｍ〜１９．００μｍであり、前記中心コア部の直径に対する前記外周コア部の外径の比が１．０より大きく４．０以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記クラッド部に対する前記中心コア部の比屈折率差Δ１が０．２２％以上であり、前記中心コア部の直径が１４．１０μｍ〜１８．３０μｍであり、前記中心コア部の直径に対する前記外周コア部の外径の比が２．０以上であることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記比屈折率差Δ１が０．３０％以上であることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記比屈折率差Δ１が０．４２％より小さいことを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記コア部は、前記最大屈折率を有する中心コア部と、前記中心コア部の外周に形成され前記クラッド部の屈折率と略等しい屈折率を有する内周コア層と、前記内周コア層の外周に形成され前記クラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する外周コア層とからなることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記クラッド部に対する前記中心コア部の比屈折率差Δ１が０．２０％以上０．３５％未満であり、前記クラッド部に対する前記外周コア層の比屈折率差Δ３が−０．５％以上で０％より小さく、前記中心コア部の直径が１２．０μｍ以上１８．０μｍ以下であり、前記中心コア部の直径に対する前記内周コア層の外径の比が１より大きく４以下であり、前記中心コア部の直径に対する前記外周コア層の外径の比が２以上５以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、波長１５５０ｎｍにおいて、直径２０ｍｍで曲げたときの前記第１高次伝搬モードの曲げ損失１００ｄＢ／ｍ以下であり、前記第２高次伝搬モードのリーケージ損失が０．１ｄＢ／ｍ以上であることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、ＬＰ２１モードの実効屈折率が、石英ガラスの屈折率よりも小さいことを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバは、上記の発明において、前記クラッド部の外径が１２５μｍより大きいことを特徴とする。
また、本発明に係る光伝送システムは、上記の発明の光ファイバを備えることを特徴とする。
本発明によれば、使用する各伝搬モードにおいて有効コア断面積が大きくかつ曲げ損失が小さい光ファイバを実現できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る光ファイバの模式的な断面図である。 図２は、図１に示す光ファイバの屈折率分布を示す図である。 図３は、図１に示す光ファイバの基底モード（ＬＰ０１モード）のフィールド分布を示す図である。 図４は、図１に示す光ファイバの第１高次モード（ＬＰ１１モード）のフィールド分布を示す図である。 図５は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１３０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図６は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１５０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図７は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１７０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図８は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１３０μｍ２近傍に設定し、かつΔ２の値を変化させた場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図９は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１５０μｍ２近傍に設定し、かつΔ２の値を変化させた場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図１０は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１７０μｍ２近傍に設定し、かつΔ２の値を変化させた場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図１１は、比屈折率差Δ１と実効屈折率ｎeffとの関係を示す図である。 図１２は、比屈折率差Δ２と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。 図１３は、Ｒａと曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。 図１４は、比屈折率差Δ２を変化させた場合の、比屈折率差Δ１と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。 図１５は、比屈折率差Δ２を変化させた場合の、比屈折率差Δ１と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。 図１６は、比屈折率差Δ２を変化させた場合の、比屈折率差Δ１と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。 図１７は、Ｒａを変化させた場合の、比屈折率差Δ１と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。 図１８は、図１７に示すＲａが２．０の場合において、比屈折率差Δ１を０．３３％、比屈折率差Δ２を−０．１％、中心コア部直径２ａを１７．２μｍとした場合の光ファイバの光学特性の計算結果を示す図である。 図１９は、製造した実施例１、２の光ファイバの屈折率プロファイルの測定結果を示す図である。 図２０は、図１９に示した実施例２の屈折率プロファイルの測定結果をもとに、波長１５５０ｎｍにおける光学特性を計算した結果を示す図である。 図２１は、被測定光ファイバと測定用光ファイバとをバットジョイント接続した場合のオフセットと光結合効率との関係を計算した結果を示す図である。 図２２は、オフセットを０μｍとした場合の、実施例１の光ファイバから出力された光のフィールド分布を示す図である。 図２３は、オフセットを８μｍとした場合の、実施例１の光ファイバから出力された光のフィールド分布を示す図である。 図２４は、測定した実施例１、２の光ファイバの光学特性を示す図である。 図２５は、測定した実施例１、２の光ファイバのマイクロベンド損失の波長依存性を示す図である。 図２６は、実施の形態２に係る光ファイバの模式的な断面図である。 図２７は、図２６に示す光ファイバの屈折率分布を示す図である。 図２８は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１３０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図２９は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１５０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図３０は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１７０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図３１は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１７０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図３２は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１７０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。 図３３は、Ｒａ３を変化させた場合の、比屈折率差Δ３と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。 図３４は、実施の形態３に係る光伝送システムの模式的な構成図である。
以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバおよび光伝送システムの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、曲げ損失とは、直径２０ｍｍで曲げたときのマクロの曲げ損失を意味する。また、本明細書において特に定義しない用語については、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバの模式的な断面図である。図１に示すように、この光ファイバ１０は、中心に位置するコア部１１と、コア部１１の外周に形成されたクラッド部１２とを備える。
コア部１１は、中心コア部１１１と、中心コア部１１１の外周に形成された外周コア部１１２とからなる。中心コア部１１１は、ゲルマニウム（Ｇｅ）等の屈折率を高めるドーパントを含む石英ガラスからなる。外周コア部１１２は、フッ素（Ｆ）等の屈折率を低めるドーパントを含む石英ガラスからなる。クラッド部１２は、屈折率を調整するドーパントを含まない純石英ガラスからなる。その結果、中心コア部１１１はコア部１１における最大屈折率を有し、かつクラッド部１２よりも屈折率が高くなっている。また、外周コア部１１２はクラッド部１２よりも屈折率が低くなっている。
図２は、図１に示す光ファイバ１０の屈折率分布を示す図である。図２において、領域Ｐ１は中心コア部１１１の屈折率分布を示している。領域Ｐ２は外周コア部１１２の屈折率分布を示している。領域Ｐ３はクラッド部１２の屈折率分布を示している。このように、この光ファイバ１０は、外周コア部１１２の屈折率がクラッド部１２の屈折率よりも低い、いわゆるＷ型の屈折率分布を有している。
ここで、図２に示すように、クラッド部１２に対する中心コア部１１１の比屈折率差をΔ１とし、クラッド部１２に対する外周コア部１１２の比屈折率差をΔ２とする。比屈折率差Δ１、Δ２は、以下の式（１）、（２）によって定義する。
Δ１＝｛（ｎ１−ｎｃ）／ｎｃ｝×１００ ［％］ ・・・ （１）
Δ２＝｛（ｎ２−ｎｃ）／ｎｃ｝×１００ ［％］ ・・・ （２）
ただし、ｎ１は中心コア部１１１の最大屈折率を示し、ｎ２は外周コア部１１２の屈折率を示し、ｎｃはクラッド部１２の屈折率を示す。なお、本実施の形態１では、クラッド部１２は純石英ガラスからなるので、ｎｃは石英ガラスの屈折率ｎｓ（波長１５５０ｎｍで１．４４４３９）に等しい。
また、図２に示すように、中心コア部１１１の直径を２ａ、外周コア部１１２の外径を２ｂとする。また、外周コア部外径２ｂと中心コア部直径２ａとの比であるｂ／ａをＲａ２とする。なお、中心コア部直径２ａは、中心コア部１１１と外周コア部１１２との境界において比屈折率差Δ１が０％となる位置での径とする。また、外周コア部外径２ｂは、外周コア部１１２とクラッド部１２との境界において、比屈折率差が比屈折率差Δ２の１／２の値となる位置での径とする。
ここで、図２に示すように、本実施の形態１に係る光ファイバ１０の基底伝搬モードであるＬＰ０１モードの実効屈折率をｎｅｆｆ（ＬＰ０１）とし、第１高次伝搬モードであるＬＰ１１モードの実効屈折率をｎｅｆｆ（ＬＰ１１）とする。この光ファイバ１０では、ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）とクラッド部１２の屈折率ｎｃとの差をΔｎとすると、Δｎを０．０００５以上となるようにしている。
このように、この光ファイバ１０では、第１高次伝搬モードであるＬＰ１１モードの実効屈折率ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）を、クラッド部１２の屈折率ｎｃよりも０．０００５以上大きくしている。これによって、この光ファイバ１０は、波長１５５０ｎｍの特性として、ＬＰ０１モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上、かつＬＰ１１モードの有効コア断面積が１７０μｍ２以上、さらには１８０μｍ２以上と大きくなり、かつＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの両方の曲げ損失が小さくなる。
なお、ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）をｎｃよりも０．０００５以上大きくするには、たとえばΔ１を０．３７％、Δ２を−０．１０％、２ａ、２ｂをそれぞれ１６．１０μｍ、３２．２０μｍ（すなわちＲａ２を２．０）にすればよい。このように光ファイバ１０の構造パラメータを設定すると、ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）は１．４４６６０となり、ｎｃよりも０．０００５以上大きくなる。このとき、波長１５５０ｎｍの特性として、ＬＰ０１モードの有効コア断面積が１５０．１μｍ２、曲げ損失が３．１４×１０−8ｄＢ／ｍ、ＬＰ１１モードの有効コア断面積が２１９．６μｍ２、曲げ損失が２．４２×１０−2ｄＢ／ｍとなり、所望の特性が得られる。
また、光ファイバ１０の構造パラメータを上記のように設定した場合には、第２高次伝搬モードであるＬＰ２１の波長１５５０ｎｍにおける実効屈折率ｎｅｆｆ（ＬＰ２１）は、１．４４４３１と石英ガラスの屈折率(１．４４４３９)よりも小さくなる。その結果、光ファイバ１０では、波長１５５０ｎｍにおいてＬＰ２１モードは漏洩モードとなり、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの２モードのみが伝搬モードとなる。
このように、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの２モードのみが伝搬モードの場合は、２つの伝搬モード間の干渉が少ないので、より好ましい。図３、図４は、上記構造パラメータに設定した光ファイバ１０のＬＰ０１モード、ＬＰ１１モードのフィールド分布を示す図である。なお、図３（ａ）、図４（ａ）は各伝搬モードのフィールドを示している。なお、矢印の向き、大きさはそれぞれフィールドの向き、大きさを示している。また、図３（ｂ）、図４（ｂ）は各伝搬モードのフィールド分布（強度分布）を示している。
図３に示すように、ＬＰ０１モードは中心にフィールドを有するガウシアン形状になっている。一方、図４に示すように、ＬＰ１１モードは中心にフィールド分布を有さないドーナツ型となっている。このため、各伝搬モードのフィールドは互いの干渉が抑制される。したがって、光ファイバ１０に２つの信号光を入射する際に、２つの信号が２つの伝搬モードのそれぞれで伝搬するように入射して伝搬させれば、互いに干渉が少ない２モード光伝送が可能になる。なお、非特許文献６に示される方向性結合器のパラメータＣ１２（突合せ結合の結合定数）を光ファイバ１０の２つの伝搬モードに当てはめて計算を行ったところ、Ｃ１２は１０−９〜１０−１０のオーダーのきわめて小さい値になった。したがって、２つのモード間の干渉はほとんど無いと考えられる。これに対して、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの他に、ＬＰ２１モードが伝搬モードである場合は、ＬＰ２１モードは中心にフィールドを有するリング形状であるため、ＬＰ１１モードと干渉するおそれがある。
以上説明したように、本実施の形態１に係る光ファイバ１０は、使用するＬＰ０１モードとＬＰ１１モードについて、有効コア断面積が大きくかつ曲げ損失が小さく、かつ各伝搬モード間の干渉がきわめて少ないものとなる。
つぎに、有限要素法によるシミュレーションを用いた計算結果を参照して、本実施の形態１に係る光ファイバの好ましい設計についてより具体的に説明する。
図５は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１３０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。なお、図５において、「分散」は波長分散を意味し、「スロープ」は分散スロープを意味し、「ＭＦＤ」はモードフィールド径を意味し、「ｎｅｆｆ」は実効屈折率を意味し、「Δｎ」はＬＰ１１モードのｎｅｆｆとクラッド部の屈折率であるｎｃとの差を意味し、「Ａeff」は有効コア断面積を意味し、「Ｌｅａｋａｇｅ損」はＬＰ２１モードの光の漏洩による伝送損失（Ｌｅａｋａｇｅ（リーケージ）損失）を意味する。また、曲げ損失の値において、「Ｅ」は１０のべき乗を表す記号であり、たとえば「２．３Ｅ−０６」は「２．３×１０−６」を意味する。また、光学特性については、波長１５５０ｎｍでの値である。
また、図６は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１５０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。図７は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１７０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。図８は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１３０μｍ２近傍に設定し、かつΔ２の値を変化させた場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。図９は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１５０μｍ２近傍に設定し、かつΔ２の値を変化させた場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。図１０は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１７０μｍ２近傍に設定し、かつΔ２の値を変化させた場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。
図５〜図１０に示すように、比屈折率差Δ１が０．２２％以上であり、比屈折率差Δ２が０％より小さく、中心コア部直径２ａが１４．１０μｍ〜１８．３０μｍであり、比Ｒａ２が２．０以上であれば、ＬＰ０１モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上であり、ＬＰ１１モードの有効コア断面積が１７０μｍ２以上であり、かつ各伝搬モードでの曲げ損失が小さい光ファイバを実現できる。なお、曲げ損失については、ＬＰ０１モードの曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以下であり、および／またはＬＰ１１モードの曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下であるような構造パラメータの組み合わせを選択することがより好ましい。
たとえば、図７から判るように、Δ１を０．２２％以上にすることで、ＬＰ１１モードのｎｅｆｆが１．４４５００程度になる。この場合ＬＰ１１モードのｎｅｆｆはクラッド部の屈折率であるｎｃ（＝１．４４４３９）よりも０．０００５以上大きくなる。このときの曲げ損失は、ＬＰ０１モードについては１．２１×１０−３ｄＢ／ｍ、ＬＰ１１モードについては５．６８×１０−１ｄＢ／ｍと小さくなる。また、ＬＰ１１モードのｎｅｆｆをさらに大きくし、好ましくはｎｃよりも０．００１０以上大きく（すなわちｎｅｆｆ（ＬＰ１１）＝１．４４５３９以上）、さらに好ましくは０．００１６以上大きく（すなわちｎｅｆｆ（ＬＰ１１）＝１．４４５９９以上）にするのが良い。このようなｎｅｆｆは、たとえばΔ１を０．３０％以上とすれば実現できる。以上のように、少なくとも、Δ１を０．２２％以上にしてＬＰ１１モードのｎｅｆｆを大きくすることが、十分な光閉じ込めを実現する観点から望ましい。
一方、Δ１を０．４２％以下にすることで、ＬＰ２１モードのｎｅｆｆを石英ガラスの屈折率(１５５０ｎｍでは１．４４４３９)よりも小さくすることが可能となる。Δ１を０．４２％以下に設定する事で、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの２モードでの光伝送が可能である。
さらに、本実施の形態１に係る光ファイバの好ましい構造パラメータの数値範囲は、上記に限られない。以下では、特定の構造パラメータを変化させた場合の光ファイバの特性の変化についてより具体的に説明する。
図１１は、図１に示す構成の光ファイバ１０において、比屈折率差Δ２を変化させた場合の、比屈折率差Δ１と波長１５５０ｎｍでの実効屈折率ｎeffとの関係を示す図である。なお、実効屈折率ｎeffはＬＰ１１モードとＬＰ２１モードとについて示している。また、Ｒａの値は３．０に固定した。また、中心コア部直径２ａは、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２になるように調整した。
図１１に示す領域Ａのように、ＬＰ２１モードのｎeffが１．４４４３９（石英ガラスの屈折率）以下であり、かつＬＰ１１モードのｎeffが１．４４６０以上となるΔ１の範囲が存在する。この範囲では、ＬＰ２１モードが漏洩モードとなるため、２モードでの伝搬が可能となる。また、この領域Ａの範囲は、Δ２にはあまり依存しないことが分かる。図１１では、Δ１が０．３％近傍の値の場合に、好ましいｎeffとなることが分かる。また、あらゆるプロファイルパラメータ（構造パラメータ）の組み合わせについて計算を行ったところ、Δ１が０．２０％〜０．５０％の場合に、２モードでの伝搬が可能となるプロファイルパラメータの組み合わせが存在することが確認された。
図１２は、比屈折率差Δ２と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失（漏れ損失）との関係を示す図である。なお、図１２において、Δ１は０．３０％に固定し、Ｒａは３．０に固定した。また、中心コア部直径２ａは、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２になるように調整した。
図１２に示すように、Δ２が大きくなるにつれて、ＬＰ１１モードの曲げ損失が大きくなる。図１２の場合は、Δ２が−０．０２％よりも小さい場合はＬＰ１１モードの曲げ損失が５０ｄＢ／ｍ以下となるので好ましい。また、Δ２が−０．０５％よりも小さい場合はＬＰ１１モードの曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下となるのでより好ましい。また、あらゆるプロファイルパラメータの組み合わせについて計算を行ったところ、Δ２が０％より小さい場合に、ＬＰ１１モードの曲げ損失が５０ｄＢ／ｍ以下となるプロファイルパラメータの組み合わせが存在することが確認された。
一方、Δ２を小さくすると、ＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が小さくなるので、ＬＰ２１モードが伝搬する場合がある。図１２の場合は、Δ２が−０．１４％以上の場合はＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が１ｄＢ／ｍ以上となるので好ましい。また、Δ２が−０．１２％以上の場合はＬｅａｋａｇｅ損失が１０ｄＢ／ｍ以上となるのでより好ましい。また、あらゆるプロファイルパラメータの組み合わせについて計算を行ったところ、Δ２が−０．５０％以上の場合に、ＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が好ましい１ｄＢ／ｍ以上となるプロファイルパラメータの組み合わせが存在することが確認された。
図１３は、Ｒａと曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。なお、図１３において、Δ１は０．３０％に固定し、Δ２は−０．１０％に固定した。また、中心コア部直径２ａは、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２になるように調整した。
図１３に示すように、Ｒａが小さくなるにつれて、ＬＰ１１モードの曲げ損失が大きくなる。図１３の場合は、Ｒａが１．２より大きい場合はＬＰ１１モードの曲げ損失が５０ｄＢ／ｍ以下となるので好ましい。また、Ｒａが２．０以上の場合はＬＰ１１モードの曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下となるのでより好ましい。また、あらゆるプロファイルパラメータの組み合わせについて計算を行ったところ、Ｒａが１．０より大きい場合に、ＬＰ１１モードの曲げ損失が５０ｄＢ／ｍ以下となるプロファイルパラメータの組み合わせが存在することが確認された。
一方、Ｒａを大きくすると、ＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が小さくなるので、ＬＰ２１モードが伝搬する場合がある。図１３の場合は、Ｒａが３．０以下の場合はＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が１ｄＢ／ｍ以上となるので好ましい。また、Ｒａが２．２以下の場合はＬｅａｋａｇｅ損失が１０ｄＢ／ｍ以上となるのでより好ましい。また、あらゆるプロファイルパラメータの組み合わせについて計算を行ったところ、Ｒａが４．０以下の場合に、ＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が１ｄＢ／ｍ以上となるプロファイルパラメータの組み合わせが存在することが確認された。
なお、図１１〜図１３において、中心コア部直径２ａは、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２になるように調整した。このとき、中心コア部直径２ａが１５．００μｍ〜１９．００μｍの場合に、Ａeffを１７０μｍ２以上にすることができた。また、外周コア部外径２ｂが１５．００μｍより大きければＬＰ１１モードの曲げ損失を５０ｄＢ／ｍ以下にすることができ、７６．００μｍ以下であればＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失を１ｄＢ／ｍ以上にすることができるので好ましい。また、中心コア部直径２ａが１４．００μｍ以上であれば、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffを１２０μｍ２にすることができる。
また、Ａeffについては、１２０μｍ２以上、より好ましくは１３０μｍ２以上であれば非線形性が低いので良い。また、１７０μｍ２以下であればマイクロベンド損失が小さくなり、かつ他の光ファイバとの接続性も良好になるので好ましい。
以上説明したように、Δ１が０．２０％〜０．５０％であり、Δ２が−０．５０％以上で０％より小さく、中心コア部直径２ａが１４．００μｍ〜１９．００μｍであり、Ｒａが１．０より大きく４．０以下であれば、Ａeff、曲げ損失、Ｌｅａｋａｇｅ損失の観点から良好な特性の光ファイバを実現できることが確認された。
つぎに、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２、１５０μｍ２、または１３０μｍ２、になるように中心コア部直径２ａを調整した場合において、比屈折率差Δ２を変化させた場合の、波長１５５０ｎｍでの比屈折率差Δ１と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係について説明する。
図１４は、比屈折率差Δ２を変化させた場合の、比屈折率差Δ１と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。なお、図１４において、Ｒａは３．０に固定した。また、中心コア部直径２ａは、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２になるように調整した。また、図１４の凡例において、たとえば「ＬＰ１１ Ｍ Ｌｏｓｓ（−０．１５％）」とは、Δ２が−０．１５％のときのＬＰ１１モードの曲げ損失（Ｍａｃｒｏ−ｂｅｎｄｉｎｇ Ｌｏｓｓ）を示し、「ＬＰ２１ Ｌ Ｌｏｓｓ（−０．１５％）」とは、Δ２が−０．１５％のときのＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失を示す。
図１４に示すように、Δ２が−０．０５％、−０．１０％、および−０．１５％のいずれの場合も、ＬＰ１１モードの曲げ損失が５ｄＢ／ｍ以下、かつＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が１ｄＢ／ｍ以上となるΔ１の範囲が存在する。また、このようなΔ１の範囲は、Δ２が大きいほど広くなる。
図１５は、比屈折率差Δ２を変化させた場合の、比屈折率差Δ１と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。なお、図１５において、Ｒａは３．０に固定した。また、中心コア部直径２ａは、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１５０μｍ２になるように調整した。図１５の凡例は図１４と同様の意味である。
図１５に示すように、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１５０μｍ２の場合も、Δ２が−０．０５％、−０．１０％、および−０．１５％のいずれの場合も、ＬＰ１１モードの曲げ損失が５ｄＢ／ｍ以下、かつＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が１ｄＢ／ｍ以上となるΔ１の範囲が存在する。また、このようなΔ１の範囲は、Δ２が大きいほど広くなる。さらに、このようなΔ１の範囲は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２の場合よりも広い。
図１６は、比屈折率差Δ２を変化させた場合の、比屈折率差Δ１と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。なお、図１６において、Ｒａは３．０に固定した。また、中心コア部直径２ａは、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１３０μｍ２になるように調整した。図１６の凡例は図１４と同様の意味である。
図１６に示すように、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１３０μｍ２の場合も、Δ２が−０．０５％、−０．１０％、および−０．１５％のいずれの場合も、ＬＰ１１モードの曲げ損失が５ｄＢ／ｍ以下、かつＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が１ｄＢ／ｍ以上となるΔ１の範囲が存在する。また、このようなΔ１の範囲は、Δ２が大きいほど広くなる。さらに、このようなΔ１の範囲は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１５０μｍ２の場合よりもさらに広い。
図１４〜図１６の結果が示すように、好ましい曲げ損失およびＬｅａｋａｇｅ損失を実現するΔ１の範囲は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが小さいほど広い。したがって、図１１〜図１３は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffを１７０μｍ２に固定しているが、この図１１〜図１３に基づいて示された好ましい構造パラメータの範囲は、より有効コア断面積が小さいたとえば１３０μｍ２の場合にも適用できる。
つぎに、Ｒａを変化させた場合の、波長１５５０ｎｍでの比屈折率差Δ１と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係について説明する。
図１７は、Ｒａを変化させた場合の、比屈折率差Δ１と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。なお、図１７において、比屈折率差Δ２は−０．１０％に固定した。また、中心コア部直径２ａは、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２になるように調整した。また、図１７の凡例において、たとえば「ＬＰ１１ Ｍ Ｌｏｓｓ（Ｒａ：２）」とは、Ｒａが２．０のときのＬＰ１１モードの曲げ損失を示す。
図１７に示すように、Ｒａが２．０、３．０、および４．０のいずれの場合も、ＬＰ１１モードの曲げ損失が５ｄＢ／ｍ以下、かつＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が１ｄＢ／ｍ以上となるΔ１の範囲が存在する。また、このようなΔ１の範囲は、Ｒａが小さいほど値が大きい側にシフトする。したがって、Δ１を大きい値に設定したい場合にはＲａを小さい値に設定すればよい。
図１８は、図１７に示すＲａが２．０の場合において、比屈折率差Δ１を０．３３％、中心コア部直径２ａを１７．２μｍとした場合の光ファイバの光学特性の計算結果を示す図である。なお、各光学特性は波長１５５０ｎｍにおける値である。図１８に示すように、好ましい構造パラメータの設定によって、ＬＰ０１モードについて有効コア断面積が約１７０μｍ２、曲げ損失が０．０００００２５４ｄＢ／ｍ以下であり、ＬＰ１１モードの有効コア断面積が約２４７μｍ２であり、ＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が４．８８ｄＢ／ｍという好ましい特性が実現される。
なお、本実施の形態１に係る光ファイバ１０において、クラッド部１２の外径を１２５μｍより大きくすることによって、マイクロベンド損失を低減することも可能である。ここで、マイクロベンド損失とは、光ファイバに側圧が加えられたときに、光ファイバに微小な曲げが加えられることによる伝送損失の増加量として定義される。クラッド部１２の外径を通常の光ファイバのクラッド部の外径である１２５μｍより大きくすることで、側圧の影響が光の閉じ込めに与える影響が小さくなるので、マイクロベンド損失を低減することができる。なお、有効コア断面積を拡大した場合に、曲げ損失とともにマイクロベンド損失も大きくなってくる。したがって、曲げ損失が小さい光ファイバ１０において、このようにマイクロベンド損失を低減することによって、マイクロベンド損失による有効コア断面積の制限が緩和されるので、有効コア断面積をさらに拡大することができる。
ここで、本発明の実施例として、図１８に示した構造パラメータを設計値として光ファイバを製造した。なお、クラッド部の外径は１２５μｍ（実施例１）または１８０μｍ（実施例２）に設定した。
図１９は、製造した実施例１、２の光ファイバの屈折率プロファイルの測定結果を示す図である。図１９の横軸はコア部の中心からの位置を示している。図２０は、図１９に示した実施例２の屈折率プロファイルの測定結果をもとに、波長１５５０ｎｍにおける光学特性を計算した結果を示す図である。図２０に示すように、測定した屈折率プロファイルから予測される実施例２の光ファイバは、ＬＰ１１モードの曲げ損失が十分小さく、ＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が十分大きく、かつＬＰ０１モード、ＬＰ１１モードの実効屈折率ｎｅｆｆおよび有効コア断面積が図１８に示す結果と殆ど一致していた。このように、略設計どおりの構造パラメータを有する光ファイバを製造することができた。
つぎに、実施例１、２の光ファイバに光を入力して伝搬させ、伝搬後に出力された光の特性を測定した。
本測定方法では、被測定光ファイバである実施例１、２の光ファイバの一方の端部に、測定光をシングルモードで伝送する測定用光ファイバをバットジョイント（butt-joint）接続する。接続の際は、被測定光ファイバのコア部の中心軸と測定用光ファイバのコア部の中心軸とが所定のオフセットだけずれた状態になるように接続する。つぎに、測定用光ファイバの他の端部に光源を接続する。また、被測定光ファイバの他の端部に所望の光学特性を測定するための測定装置を接続する。この状態で、測定用光ファイバ側から被測定光ファイバに、光源から出力された測定光を入力する。そして、被測定光ファイバを伝搬して出力された測定光を測定装置にて測定する。なお、測定光の波長は１５５０ｎｍとした。
このとき、オフセットをゼロとした場合は、被測定光ファイバにおいては、中心軸上にフィールド分布を有するＬＰ０１モードを主に励起することができる。オフセットを所定の値にすると、被測定光ファイバにおいては、中心軸の周辺にフィールド分布を有するＬＰ１１モードを主に励起することができる。このように、オフセットを適当に設定することによって、被測定光ファイバの所望の伝搬モードを励起して光をその伝搬モードで伝搬させることができる。その結果、所望の伝搬モードの光学特性を測定することができる。
図２１は、被測定光ファイバと測定用光ファイバとをバットジョイント接続した場合のオフセットと光結合効率との関係を計算した結果を示す図である。なお、被測定光ファイバとして、図１８に示した構造パラメータを有する光ファイバを計算に用いた。また、測定用光ファイバとして、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２に準拠する通信用の標準シングルモード光ファイバ（Single Mode optical Fiber：ＳＭＦ）、分散シフト光ファイバ（Dispersion Shifted optical Fiber：ＤＳＦ）、および高非線形光ファイバ（High NonLinearity optical Fiber：ＨＮＬＦ）を用いた。各測定用光ファイバの有効コア断面積については、８０μｍ２（ＳＭＦ）、４５μｍ２（ＤＳＦ）、１３μｍ２（ＨＮＬＦ）に設定した。また、図２１の凡例において、たとえば「ＳＭＦ ＴＯ ＬＰ１１」とは、測定用光ファイバがＳＭＦである場合の、被測定光ファイバのＬＰ１１モードへの結合効率を意味する。
図２１に示すように、いずれの測定用光ファイバの場合も、オフセットが０μｍの場合にＬＰ０１モードへの結合効率が高くなり、オフセットが約６μｍの場合にＬＰ１１モードへの結合効率が高くなった。そこで、ＬＰ０１モードの測定については測定用光ファイバとしてＤＳＦを用い、オフセットを０μｍに設定した。また、ＬＰ１１モードの測定については、ＬＰ１１モードと効率よく結合させ、かつＬＰ０１モードとの結合を抑制するために、測定用光ファイバとしてＨＮＬＦを用い、オフセットを８μｍに設定した。
図２２は、オフセットを０μｍとした場合の、実施例１の光ファイバから出力された光のフィールド分布を示す図である。図２３は、オフセットを８μｍとした場合の、実施例１の光ファイバから出力された光のフィールド分布を示す図である。図２２、２３において、横軸はコア部の中心軸からの位置を示し、縦軸は任意単位の光強度を示している。また、Ｘ−Ｓｃａｎ、Ｙ−Ｓｃａｎとは、それぞれ直交するＸＹ軸に沿った測定結果を示している。また、本測定において実施例１の光ファイバの長さは２ｍとした。
図２２、２３のフィールド分布の形状が示すように、オフセットが０μｍの場合は、コア部の中心軸付近に高強度のフィールドを有するＬＰ０１モードが主に励起された。また、オフセットが８μｍの場合は、Ｘ軸方向においてコア部の中心軸の周囲に高強度のフィールドを有するＬＰ１１モードが主に励起された。このように、オフセットの大きさを適切に設定することで、所望の伝搬モードを主に励起させることができた。
つぎに、本測定方法によって測定した実施例１、２の光ファイバの光学特性を説明する。図２４は、測定した実施例１、２の光ファイバの光学特性を示す図である。図２４に示すように、実施例１、２のいずれの光ファイバとも、ＬＰ０１モードについて有効コア断面積が１７０μｍ２に近い値であり、ＬＰ１１モードについて有効コア断面積が２４７μｍ２に近い値であり、図１８に示す値に近い値であった。また、実施例１、２のいずれの光ファイバとも、ＬＰ０１モードについて曲げ損失が１ｄＢ／ｍ以下であり、ＬＰ１１モードについて曲げ損失が５ｄＢ／ｍ以下であり、良好な値であった。また、実施例１、２のいずれの光ファイバのＬＰ０１モード、ＬＰ１１モードとも、伝送損失が０．５ｄＢ／ｋｍ以下の良好な値であった。
ところで、実施例１、２の伝送損失を比較すると、クラッド部の外径（クラッド径）が大きい実施例２の光ファイバの方が、伝送損失が小さくなっている。この伝送損失の相違は、クラッド径が大きい光ファイバの方が、マイクロベンド損失の影響による不要なモード間干渉が起こりにくいため、伝送損失の増大が抑制されるためであると考えられる。ここで、マイクロベンド損失とは、光ファイバに側圧が加えられたときに、光ファイバに微小な曲げが加えられることによる伝送損失の増加量として定義される。
図２５は、本測定方法によって測定した実施例１、２の光ファイバのマイクロベンド損失の波長依存性を示す図である。図２５に示すように、マイクロベンド損失については、クラッド径が小さい実施例１よりも、クラッド径が大きい実施例２の方が小さくなっている。このように、クラッド径を大きくすることで、マイクロベンド損失に起因する伝送損失の増大を抑制することができる。また、同一の光ファイバでは、ＬＰ１１モードの方がＬＰ０１モードよりもマイクロベンド損失が大きい。したがって、ＬＰ１１モードを光伝送に使用する場合には、マイクロベンド損失の影響を抑制することがより好ましい。
なお、本実施の形態１に係る光ファイバ１０において、ＬＰ０１モードは２つの偏波モードが縮退しており、ＬＰ０１モードは４つの偏波モードが縮退している。上記の計算は、２つまたは４つの縮退したモードからそれぞれ偏波モードを１つずつ選択して計算を行ったものである。ただし、縮退した偏波モードの光学特性はほぼ同じである。したがって、上記の計算結果は、他の縮退した偏波モードに対しても適用できるので、この計算結果を利用すれば、モード多重だけでなく偏波モード多重をも利用した伝送方式に適した光ファイバを実現することが可能である。
また、上記実施の形態１では、コア部１１近傍の屈折率分布がＷ型であるが、本発明に係る光ファイバの屈折率分布はこれに限定されず、単峰型プロファイル、階段型プロファイル、セグメントコア型プロファイル、トレンチ型プロファイル、Ｗ＋サイドコア型プロファイル、リング型プロファイルなどのあらゆる屈折率分布を利用できる。以下、本発明の実施の形態２として、トレンチ型プロファイルを利用した光ファイバについて説明する。
（実施の形態２）
図２６は、本発明の実施の形態２に係る光ファイバの模式的な断面図である。図２６に示すように、この光ファイバ２０は、中心に位置するコア部２１と、コア部１１の外周に形成されたクラッド部２２とを備える。
コア部２１は、中心コア部２１１と、中心コア部２１１の外周に形成された内周コア層２１２と、内周コア層２１２の外周に形成された外周コア層２１３とからなる。中心コア部２１１は、屈折率を高めるドーパントを含む石英ガラスからなる。内周コア層２１２は、純石英ガラスからなる。外周コア層２１３は、屈折率を低めるドーパントを含む石英ガラスからなる。クラッド部２２は、純石英ガラスからなる。その結果、中心コア部２１１はコア部２１における最大屈折率を有し、かつクラッド部２２よりも屈折率が高くなっている。また、内周コア層２１２はクラッド部２２と略等しい屈折率となっている。外周コア層２１３はクラッド部２２よりも屈折率が低くなっている。
図２７は、図２６に示す光ファイバ２０の屈折率分布を示す図である。図２７において、領域Ｐ４は中心コア部２１１の屈折率分布を示している。領域Ｐ５は内周コア層２１２の屈折率分布を示している。領域Ｐ６は外周コア層２１３の屈折率分布を示している。領域Ｐ７はクラッド部２２の屈折率分布を示している。図２７に示すように、この光ファイバ２０は、トレンチ型の屈折率分布を有している。
ここで、図２７に示すように、クラッド部２２に対する中心コア部２１１の比屈折率差をΔ１とし、クラッド部２２に対する内周コア層２１２の比屈折率差をΔ２とし、クラッド部２２に対する外周コア層２１３の比屈折率差をΔ３とする。比屈折率差Δ１、Δ２、Δ３は、以下の式（４）、（５）、（６）によって定義する。
Δ１＝｛（ｎ１−ｎｃ）／ｎｃ｝×１００ ［％］ ・・・ （４）
Δ２＝｛（ｎ２−ｎｃ）／ｎｃ｝×１００ ［％］ ・・・ （５）
Δ３＝｛（ｎ３−ｎｃ）／ｎｃ｝×１００ ［％］ ・・・ （６）
ただし、ｎ１は中心コア部２１１の最大屈折率を示し、ｎ２は内周コア層２１２の屈折率を示し、ｎ３は外周コア層２１３の屈折率を示し、ｎｃはクラッド部２２の屈折率を示す。上述したように、略ｎ２＝ｎｃであるから、Δ２は略０％である。なお、略０％とは、Ａｅｆｆ等の光学特性に大きな影響を与えない−０．０５％〜０．０５％を意味する。本実施の形態２でも、ｎｃは石英ガラスの屈折率ｎｓ（波長１５５０ｎｍで１．４４４３９）に等しい。
また、図２７に示すように、中心コア部２１１の直径を２ａ、内周コア層２１２の外径を２ｂ、外周コア層２１３の外径を２ｃとする。また、内周コア層外径２ｂと中心コア部直径２ａとの比であるｂ／ａをＲａ２とする。外周コア層外径２ｃと中心コア部直径２ａとの比であるｃ／ａをＲａ３とする。中心コア部直径２ａは、中心コア部２１１と内周コア層２１２との境界において比屈折率差Δ１が０％となる位置での径とする。また、内周コア層外径２ｂは、内周コア層２１２と外周コア層２１３との境界において、比屈折率差が０％となる位置での径とする。また、外周コア層外径２ｃは、外周コア層２１３とクラッド部２２との境界において、比屈折率差が比屈折率差Δ３の１／２の値となる位置での径とする。
ここで、図２７に示すように、本実施の形態２に係る光ファイバ２０の基底伝搬モードであるＬＰ０１モードの実効屈折率をｎｅｆｆ（ＬＰ０１）とし、第１高次伝搬モードであるＬＰ１１モードの実効屈折率をｎｅｆｆ（ＬＰ１１）とする。この光ファイバ２０では、ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）とクラッド部１２の屈折率ｎｃとの差をΔｎとすると、Δｎを０．０００５以上となるようにしている。
このように、この光ファイバ２０では、第１高次伝搬モードであるＬＰ１１モードの実効屈折率ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）を、クラッド部１２の屈折率ｎｃよりも０．０００５以上大きくしている。これによって、この光ファイバ２０は、波長１５５０ｎｍの特性として、ＬＰ０１モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上、かつＬＰ１１モードの有効コア断面積が１７０μｍ２以上と大きくなり、かつＬＰ０１モードおよびＬＰ１１モードの両方の曲げ損失が小さくなる。
なお、ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）をｎｃよりも０．０００５以上大きくするには、たとえばΔ１を０．２５％、Δ３を−０．３％、２ａ、２ｂ、２ｃをそれぞれ１５．５μｍ、３１．０μｍ、４６．５μｍ（すなわちＲａ２を２、Ｒａ３を３）にすればよい。このように光ファイバ２０の構造パラメータを設定すると、ｎｅｆｆ（ＬＰ１１）は１．４４６８３３となり、ｎｃ（１．４４４３９）よりも０．０００５以上大きくなる。このとき、波長１５５０ｎｍの特性として、ＬＰ０１モードの有効コア断面積が１７０．４９μｍ２、曲げ損失が１．７４×１０−３ｄＢ／ｍ、ＬＰ１１モードの有効コア断面積が２８９．３μｍ２、曲げ損失が４．７４×１０−１ｄＢ／ｍとなり、所望の特性が得られる。
また、光ファイバ２０の構造パラメータを上記のように設定した場合には、第２高次伝搬モードであるＬＰ２１の波長１５５０ｎｍにおける実効屈折率ｎｅｆｆ（ＬＰ２１）は、１．４４３４９８と石英ガラスの屈折率(１．４４４３９)よりも小さくなる。その結果、光ファイバ２０では、波長１５５０ｎｍにおいてＬＰ２１モードは漏洩モードとなり、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの、干渉が少ない２モードのみが伝搬モードとなる。
以上説明したように、本実施の形態２に係る光ファイバ２０は、使用するＬＰ０１モードとＬＰ１１モードについて、有効コア断面積が大きくかつ曲げ損失が小さく、かつ各伝搬モード間の干渉がきわめて少ないものとなる。
つぎに、有限要素法によるシミュレーションを用いた計算結果を参照して、本実施の形態２に係る光ファイバの好ましい設計についてより具体的に説明する。
図２８は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１３０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。図２９は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１５０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。図３０〜図３２は、ＬＰ０１モードの有効コア断面積を１７０μｍ２近傍に設定する場合の構造パラメータおよび光学特性を示す図である。各図において、光学特性については、波長１５５０ｎｍでの値である。
図２８〜図３２に示すように、比屈折率差Δ１が０．２０％以上であり、比屈折率差Δ３が−０．５％以上で０％より小さく、中心コア部直径２ａが１２．０μｍ以上１８．０μｍ以下であり、比Ｒａ２が１より大きく４以下であり、比Ｒａ３が２以上５以下であれば、ＬＰ０１モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上であり、ＬＰ１１モードの有効コア断面積が１７０μｍ２以上であり、かつ各伝搬モードでの曲げ損失が小さい光ファイバを実現できる。なお、曲げ損失については、ＬＰ１１モードの曲げ損失が１００ｄＢ／ｍ以下であるような構造パラメータの組み合わせを選択することができる。
また、ＬＰ１１モードのｎｅｆｆをさらに大きくし、好ましくはｎｃよりも０．００１０以上大きく（すなわちｎｅｆｆ（ＬＰ１１）＝１．４４５３９以上）、さらに好ましくは０．００１６以上大きく（すなわちｎｅｆｆ（ＬＰ１１）＝１．４４５９９以上）にするのが良い。このようなｎｅｆｆは、たとえばΔ１を０．２５％以上、より好ましくは０．３％以上とすれば実現できる。
一方、Δ１を０．３５％未満にすることで、ＬＰ２１モードのｎｅｆｆを石英ガラスの屈折率(１５５０ｎｍでは１．４４４３９)よりも小さくすることが可能となる。Δ１を０．３５％未満に設定することで、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの２モードでの光伝送が可能である。一方、図３１のＮｏ．１７０−３１〜１７０−３５では、Δ１は０．３５％であるが、ＬＰ２１モードのｎｅｆｆが、１．４４４７１３〜１．４４４７２６と、１．４４４３９より大きくなっている。
さらに、本実施の形態２に係る光ファイバの好ましい構造パラメータの数値範囲は、上記に限られない。以下では、Ｒａ３を変化させた場合の、波長１５５０ｎｍでの比屈折率差Δ３と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係について説明する。
図３３は、Ｒａ３を変化させた場合の、比屈折率差Δ３と曲げ損失またはＬｅａｋａｇｅ損失との関係を示す図である。なお、図３３において、比屈折率差Δ１は０．２５％に固定し、Ｒａ２は２に固定した。また、中心コア部直径２ａは、ＬＰ０１モードの有効コア断面積Ａeffが１７０μｍ２になるように調整した。また、図３３の凡例において、たとえば「ＬＰ１１ Ｍ Ｌｏｓｓ（Ｒａ３：３）」とは、Ｒａ３が３ときのＬＰ１１モードの曲げ損失を示す。「ＬＰ２１ Ｌ Ｌｏｓｓ（Ｒａ３：３）」とは、Ｒａ３が３ときのＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失を示す。
図３３に示すように、Ｒａ３が３、４、および５のいずれの場合も、ＬＰ１１モードの曲げ損失が１００ｄＢ／ｍ以下、かつＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が０．１ｄＢ／ｍ以上となるΔ３の範囲が存在する。このようなΔ３の範囲は、Ｒａ３が大きいほど値が大きい側にシフトする。したがって、Δ３を大きい値に設定したい場合にはＲａ３を大きい値に設定すればよい。たとえば、Ｒａ３が３、Δ３が−０．３％の場合は、ＬＰ１１モードの曲げ損失が０．４７ｄＢ／ｍ、ＬＰ２１モードのＬｅａｋａｇｅ損失が１０．２ｄＢ／ｍとなるので、ＬＰ１１モードの光は十分に閉じ込められつつ、ＬＰ２１モードの光は十分に漏洩されるという好ましい特性が実現される。Ｌｅａｋａｇｅ損失が０．１ｄＢ／ｍ以上であれば、光が光ファイバ内を１００ｍ伝搬した場合の漏洩による光損失が１０ｄＢ以上と好適である。
なお、本実施の形態２に係る光ファイバ２０においても、クラッド部２２の外径を１２５μｍより大きくすることによって、マイクロベンド損失を低減することが可能である。
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３である光伝送システムについて説明する。図３４は、実施の形態３に係る光伝送システムの模式的な構成図である。図３４に示すように、この光伝送システム１００は、光ファイバ１０１と、光送信装置１０２と、光増幅器１０３と、光受信装置１０４とを備えている。
光ファイバ１０１は、光送信装置１０２と光受信装置１０４とを接続する光伝送路である。光ファイバ１０１は、たとえば上記実施の形態１または実施の形態２に係る光ファイバであり、所定の使用波長帯域の光を複数の伝搬モードで伝搬するものである。
光送信装置１０２は、たとえば半導体レーザ素子である信号光源を備え、光ファイバ１０１の複数の伝搬モード(たとえばＬＰ０１モードとＬＰ１１モード)を用いて信号伝送を行うための信号光を出力する。
光増幅器１０３は、光ファイバ１０１と光ファイバ１０１の間に介挿されている。光増幅器１０３は、光ファイバ１０１の複数の伝搬モードを伝搬する信号光を各伝搬モードごとに増幅することができるように構成されている。なお、各伝搬モードの光のフィールドパターンは、それぞれ異なる。したがって、光増幅器１０３は、信号光の各伝搬モードを個別に、あるいは同時に増幅することができる。なお、光増幅器１０３は、伝送距離（使用される光ファイバ１０１の総距離）によっては設けなくてもよい。
光受信装置１０４は、光ファイバ１０１を各伝搬モードで伝搬してきた信号光を受信し、信号光を各伝搬モードごとに電気信号に変換する複数の受光素子と、受光素子が変換した電気信号を処理する信号処理装置とを備えている。
この光伝送システム１００では、複数モードを伝搬することが可能な光ファイバ１０１を用いて、信号光をモード多重伝送する。したがって、光送信装置１０２の送信部および光受信装置１０４の受信部には、各伝搬モードに信号光を結合させるため、あるいは信号光を各伝搬モードに分離して各伝搬モードごとに信号光を受けるためのモード合分波器が備えられている。この光伝送システム１００によれば、伝送容量が大きく、かつ光伝送路を構成する光ファイバにおける非線形光学現象の発生と曲げ損失の影響とが抑制された光伝送システムを実現することができる。
なお、上記実施の形態では、クラッド部が純石英ガラスからなるが、たとえば中心コア部を純石英ガラスで構成し、外周コア部およびクラッド部を、屈折率を低めるドーパントを含む石英ガラスで構成してもよい。また、上記実施の形態では、光ファイバは石英系ガラス材料からなるが、本発明に係る光ファイバの構成材料はこれに限定されず、他のガラス材料やプラスチック材料等の光ファイバを構成することができる光学材料を適宜利用できる。
すなわち、波長１５５０ｎｍにおいて、基底伝搬モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上であり、第１高次伝搬モードの有効コア断面積が１７０μｍ２以上かつ実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．０００５以上大きい光ファイバであれば、その屈折率プロファイル、構成材料にかかわらず、本発明の効果を奏するものとなる。
また、本発明に係る光ファイバで伝送すべき信号光の波長としては、１５５０ｎｍを含む波長帯、または光ファイバ通信に使用される所望の波長帯を使用することができる。
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではなく、上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
以上のように、本発明に係る光ファイバおよび光伝送方法は、光通信の用途に利用して好適なものである。
１０、２０ 光ファイバ
１１、２１ コア部
１２、２２ クラッド部
１１１、２１１ 中心コア部
１１２ 外周コア部
２１２ 内周コア層
２１３ 外周コア層
Ａ 領域
Ｐ１〜Ｐ７ 領域

Claims (13)

  1. コア部と、前記コア部の外周に形成され該コア部の最大屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド部とを備え、
    前記コア部は、前記最大屈折率を有する中心コア部と、前記中心コア部の外周に形成され前記クラッド部の屈折率よりも低い屈折率を有する外周コア部とからなり、
    前記クラッド部に対する前記中心コア部の比屈折率差Δ１が０．２０％〜０．５０％であり、前記クラッド部に対する前記外周コア部の比屈折率差Δ２が−０．５０％以上で０％より小さく、前記中心コア部の直径が１４．００μｍ〜１９．００μｍであり、前記中心コア部の直径に対する前記外周コア部の外径の比が１．０より大きく４．０以下であり、
    波長１５５０ｎｍにおける特性は、
    基底伝搬モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上であり、第１高次伝搬モードの有効コア断面積が１７０μｍ２以上であり、かつ該第１高次伝搬モードの実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．０００５以上大きいことを特徴とする光ファイバ。
  2. コア部と、前記コア部の外周に形成され該コア部の最大屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド部とを備え、
    前記コア部は、前記最大屈折率を有する中心コア部と、前記中心コア部の外周に形成され前記中心コア部の屈折率よりも低い屈折率を有する内周コア層と、前記内周コア層の外周に形成され前記クラッド部および前記内周コア層の各屈折率よりも低い屈折率を有する外周コア層とからなり、
    前記クラッド部に対する前記中心コア部の比屈折率差Δ１が０．２０％以上０．３５％未満であり、前記クラッド部に対する前記内周コア層の比屈折率差Δ２が−０．０５％〜０．０５％であり、前記クラッド部に対する前記外周コア層の比屈折率差Δ３が−０．５％以上で０％より小さく、前記中心コア部の直径が１２．０μｍ以上１８．０μｍ以下であり、前記中心コア部の直径に対する前記内周コア層の外径の比が１より大きく４以下であり、前記中心コア部の直径に対する前記外周コア層の外径の比が２以上５以下であり、
    波長１５５０ｎｍにおける特性は、
    基底伝搬モードの有効コア断面積が１２０μｍ２以上であり、第１高次伝搬モードの有効コア断面積が１７０μｍ２以上であり、かつ該第１高次伝搬モードの実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．０００５以上大きいことを特徴とする光ファイバ。
  3. 前記実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．００１０以上大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
  4. 前記第１高次伝搬モードの実効屈折率が前記クラッド部の屈折率よりも０．００１６以上大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
  5. 前記基底伝搬モードおよび前記第１高次伝搬モードの２モードのみが伝搬することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  6. 前記第１高次伝搬モードはＬＰ１１モードであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  7. 前記クラッド部に対する前記中心コア部の比屈折率差Δ１が０．２２％以上であり、前記中心コア部の直径が１４．１０μｍ〜１８．３０μｍであり、前記中心コア部の直径に対する前記外周コア部の外径の比が２．０以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
  8. 前記比屈折率差Δ１が０．３０％以上であることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ。
  9. 前記比屈折率差Δ１が０．４２％より小さいことを特徴とする請求項７または８に記載の光ファイバ。
  10. 波長１５５０ｎｍにおいて、直径２０ｍｍで曲げたときの前記第１高次伝搬モードの曲げ損失１００ｄＢ／ｍ以下であり、第２高次伝搬モードのリーケージ損失が０．１ｄＢ／ｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ。
  11. ＬＰ２１モードの実効屈折率が、石英ガラスの屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  12. 前記クラッド部の外径が１２５μｍより大きいことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の光ファイバ。
  13. 請求項１〜１２のいずれか一つに記載の光ファイバを備えることを特徴とする光伝送システム。
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