JP5568569B2 - 改良された屈折率プロファイルを有する多重モード光ファイバー - Google Patents

Description

本発明は、概して通信で使用される光ファイバーを対象とし、より具体的には、改良された屈折率プロファイルを有する多重モード光ファイバーを目的とする。

現代の光ファイバー通信システムにおいては、光信号は、細いファイバーの形態を取る円筒形の導波管に沿って導かれる。光ファイバーは、外側のクラッド領域により包囲される内側のコア領域から成り、そこで、屈折率ｎ_１に関して測定されるコアの光学密度は、クラッドの屈折率ｎ_２より高い（図１）。製造工程中に不純物（つまりドーパント）を導入することにより、光媒体の屈折率を調整することができる。ガラス光ファイバーに関しては、コアの屈折率を向上させるため、典型的にゲルマニウムが使用されるが、その他の不純物を使用または添加してもよい。

この屈折率の差によって、ファイバーのコア内を移動する光パルスは、コア‐クラッド間の接触面に衝突するたびに全内部反射を経て、その結果、光信号はコア内部に閉じこめられるか、またはコア内において導波される。均一なコアの屈折率を有するこの種類の光ファイバーは、ステップ・インデックス・ファイバー（ＳＩファイバー）と呼ばれる。高速データ通信を容易にするため、ＳＩファイバーのコアの直径は典型的に小さく（約９ミクロン）、伝達される光の波長のわずか数倍の大きさであり、その結果、光信号はファイバーの軸に沿う単一の経路内を移動するように制約される。この種類のファイバーは、単一モードファイバーと呼ばれる。

あるいは、光ファイバーのコアの直径は、光の波長に比べて大きくてもよく、この場合、光は、多くの離散した光学経路に沿ってコアを横断することができ、各光学経路はモードと呼ばれる。この種類のファイバーは、多重モードファイバー（ＭＭＦ）と呼ばれ、５０ミクロンまたは６２．５ミクロンというわずかなコアの直径を有する。典型的には、ＭＭＦにおいては、ファイバーの入力端に衝突する光のパルスは、光パルスが多くの離散した光モードの総体として光パルスが伝播するように、コアの比較的大きい空間領域を照らす。モード間の経路の長さの差異により、光パルスエネルギーの一部がファイバーの出力端に異なる時間に到達することになる。その結果、パルス幅がブロードとなり、これはインターモーダル分散と呼ばれる。これによって、信号の質が劣化する。インターモーダル分散を減らすため、下式に従って、コアの軸から半径方向距離ｒと共に、屈折率が連続的に減少するよう、ＭＭＦのコアおよびクラッドの屈折率は段階化される。式中、Δ_０は、下式のように定義される。

ファイバーのパラメータαは、α＝２の場合の図２で示されるように、２に近い（典型的には１．９−２．１）値を有し、屈折率プロファイルの形状を定義する。理想的な放物線状（またはべき乗法則）の屈折率プロファイルは、グレーデッドインデックスＭＭＦを横断するモードのそれぞれに、同じ時間にファイバーの出力端に到達させることになる。ファイバーの軸近くを移動する低次モードは、高屈折率の、つまり、より光学的に密な媒体に遭遇し、そのために減少した速度で伝播することになる。コアの外側の領域内を伝播するより高次のモードは、より低い屈折率（より低密度の媒体）に遭遇することになり、より速く伝播することになる。

図３は、理想的な放物線状の屈折率プロファイルを有するＭＭＦ内を伝播するモードを例解する。そのモードのそれぞれは正弦経路を横断し、すべてのモードは同じ時間にファイバーの出力端に到達する。そのモードのそれぞれのノードが同相であることが分かる。

ＴＩＡ−４５５−２２０−Ａで規定される標準試験手順を用いることで、ＭＭＦの屈折率プロファイルの質を特性化することができる。この標準では、インターモーダル分散を定量化する差動モード遅延（ＤＭＤ）を測定するための試験方法を規定している。この方法においては、単一モードローンチファイバーがＭＭＦのコアの全域で段階化され、ファイバーを横断する、各励起された組のモードの伝播遅延が記録される。高性能ＭＭＦに対するＤＭＤの図が図４に示されている。

その図は、縦軸におけるミクロン単位での半径方向のローンチ位置の関数として、ピコ秒毎メートル（ｐｓ／ｍ）でファイバーの出力端における励起された組のモードのそれぞれに対して記録された光波形を示す。この代表的なＭＭＦに対して、励起された組のモードのそれぞれが、光ローンチ半径方向位置に関係なく、ほぼ同じ時間にファイバーの出力に到達し、従って、このファイバーは、インターモーダル分散をほとんど導入しないことが分かる。ＤＭＤの図から、このファイバーの屈折率プロファイルが、理想的な放物線状のプロファイルに近いことを推測することができる。

しかし、実際には、製造工程中の低いドーパント濃度を制御する際の困難により、ほとんどのＭＭＦは、理想的な放物線状の屈折率プロファイルを示さない。具体的には、ドーパント濃度が最も小さい、コアの外側領域におけるドーパント濃度が最も制御するのが難しい。その結果、より高次のモードは、コアの内側領域に沿って伝播するそうしたモードと比べると、モード遅延の変動を度々示す。そのため、ドーパントの低レベルの流動制御の変動により引き起こされる悪影響を減らすような様式で、屈折率プロファイルを修正することが望ましい。

光チャンネルリンクの性能に影響する重要な要因は、ファイバー内の全体の分散の量である。ＭＭＦの性能を改善するために、屈折率プロファイルを、従来的に理想的な放物線状のα値と共に恐らく通常見られることになる屈折率未満の値に変更するという、製造工程に対する修正が提案されている。測定されたシステム性能を改善することが示されている屈折率プロファイルに対する修正について記載する。

光ファイバーの切欠き斜視図である。 グレーデッドインデックス多重モードファイバーのコアおよびクラッドにおける屈折率対半径を示すグラフである。 グレーデッドインデックス多重モードファイバーにおけるモードの動作を示す図である。 多重モードファイバーにおける半径オフセットと比較した、パルス到達の相対時間を示す差動モード遅延の図である。 先行技術による多重モードファイバーのコアにおける屈折率対半径（α_０）、および本発明による多重モードファイバーのコアにおける屈折率対半径（α）を示すグラフである。 本発明により修正された屈折率プロファイルを有する多重モードファイバーの差動モード遅延特性を示す差動モード遅延の図である。

ＭＭＦによって対応される、モード数Ｎは下式によって求められる。

式中、ｋ_０＝２π／λ_０は、自由空間内で波長λ_０を有する光に対する波数である。屈折率プロファイルの目標値を変更し、それによって、コア内の増加する半径方向距離で理想的な放物線値よりも低く減少させることにより、屈折率プロファイルを放物線状の目標に整合させるように試みる通常の製造方法によって製造された光ファイバーと比較して、改良されたファイバー性能が実現される。１つの実施形態によれば、屈折率プロファイルの値は、理想的な放物線状の屈折率プロファイルより下に減少される。好適な一実施形態によれば、屈折率プロファイルは、連続的かつ単調に減少される。いくつかの実施形態においては、目標の屈折率プロファイルは、特定のコア半径を超えて変更される。例えば、１つの実施形態においては、（図５に示されるように）目標の屈折率プロファイルは、その屈折率プロファイルがべき乗法則関数に従うプロファイルよりも小さいように、５μｍよりも大きいコア半径に対して変更される。別の実施形態では、目標の屈折率プロファイルは、１μｍよりも大きいコア半径に対して変更される。

本発明の１つの実施形態によれば、ドーパント濃度を制御し、従来的に標準の放物線型の分布に恐らく起因することになるものより下に減少された屈折率プロファイルを結果的にもたらすことによって、屈折率プロファイルの「目標」値を減少させるための技術が用いられる。従来的な理想的な放物線が目標である場合において、結果として生じるファイバーの一定の比較的少ない量が目標の付近で下がり、図４に示すような望ましいＤＭＤ図を生成することになることが判明している。

しかし、低ドーパント濃度を制御する困難により、一定量の製造されたファイバーの屈折率プロファイルは、目標のプロファイルを下回ることになり、そのファイバーの一部は、目標のプロファイルを上回る屈折率プロファイルを有することになる。（図６の図における増加する半径と共に、「右へのシフト」によって恐らく特性化されることになる）目標の放物線状の屈折率プロファイルよりも高い領域における屈折率プロファイルを有するファイバーは、乏しいシステムのビット誤り率（ＢＥＲ）性能を有する。

提案されているような、修正された屈折率プロファイルを有するファイバーは、図６に示されるものと本質的に同様のＤＭＤの痕跡を示すことになる。図６において半径が８ミクロンを越える際に、グラフの左側に向かって、連続的かつ単調にシフトする波形のピークの横変位がある。この場合、左へのシフトがｐｓ／ｍの単位にあるより小さい値に対応するため、より高次のモードはより速く移動している。

図５において、２つの屈折率プロファイルα_０＝２、および破線で示される提案された修正プロファイルを描画する。ここで、α_０＝２を一例として用いるが、明らかにこの修正は２以外のαの値にも同等に当てはまる。実線の曲線は、上述のｎ_０（ｒ）という式に従う屈折率の変動を表す。提案されている修正屈折率プロファイル（破線）は、その式には従わない。その公式によって説明されるｎ_０（ｒ）に従うファイバーは、図４に示されるものと同様のＤＭＤの痕跡を有することになる。

屈折率に対するこのような修正は、支持されているモード数Ｎに影響することになる。ファイバーがべき乗法則に従う場合、下式のようになる。

式中、Δ_０は、下式のように定義される。

支持されているモード数は下式のとおりである。

ｎ_１が弱い半径依存性を有すると仮定すると、ｎ_１を次のように書くことができるだろう。

この場合、Δは次のようになる。

分母におけるε（ｒ）を無視すると、ΔはΔ（ｒ）＝Δ_０＋ε（ｒ）となる。
Ｎについて式中のΔ（ｒ）およびｎ_１（ｒ）を置き換えると、下記の結果を得る。

これは結果として４つの項をもたらす。ε^２（ｒ）に比例する項を無視することができる。ε（ｒ）およびΔ_０はｎより遥かに小さいため、ε（ｒ）・Δ_０に比例する項についても同じである。
２つの残った項により、以下の結果が得られる。

Δ_０の約１／１０のε（ｒ）の変動に対して、およびε（ｒ）が負の数である場合において、支持されているモードの数はＮ＝Ｎ_０×０．９まで減少する。もしくは、この場合、モード数Ｎは１０％まで減少する。より高次のモードはより速く移動し、インターモーダル分散を増加させるが、本発明のいくつかのの実施形態に係る屈折率プロファイルに対する修正もまた、結果的により高いシステム性能をもたらすことになる。

図６に示されるように、大きい半径オフセットでパルス波形が左にシフトするＤＭＤ図を示す屈折率プロファイルを有するファイバーに対するシステム測定は、屈折率プロファイルを放物線状の目標に整合させるように試みる既知の技術と比較して改善されたファイバー性能を示している。一定の半径の範囲内に入る、または一定数を超える半径を有するコアの一部に対するα値を減らすことにより、この目標を実現することができる。

「放物線状のものよりも大きい」屈折率プロファイルを有するファイバーと比較して、本明細書に記載されているような多重モードファイバーの製造方法を変更することにより、より望ましいＢＥＲ性能を有する製造されたファイバーが結果的にもたらされることが分かっている。いくつかの測定によれば、図５に示されるように、コアの半径範囲以内の「より低く進む」プロファイルを有する目標の屈折率プロファイルで作られた多重モードファイバーは、同じ半径範囲を有する「より高く進む」プロファイルで製造された多重モードファイバーよりも最大で１０００倍良好なＢＥＲ性能を有し得る。

Claims (5)

1. 屈折率ｎ_２を有するクラッドと、
   中心部、最大半径Ｒ、及び修正屈折率プロファイルを有するコアと、
   を有する多重モード光ファイバーを製造する方法であって、
   前記コアの理想的な屈折率プロファイルが、前記コアの前記中心部から半径距離ｒの関数で定義される下記の式（I）の屈折率ｎ_０（ｒ）の範囲によって定義され、
   

   

   （ここで、ｎ_１０は、前記コアの前記中心部の屈折率であり、αは、前記理想的な屈折率プロファイルの形状を定義するパラメータであり、
   

   

   は
   

   

   である）
   
   前記コアの製造中に前記コアに少なくとも一種のドーパントを追加するステップであって、
   前記コアの前記修正屈折率プロファイルが、前記半径距離ｒ（０＜ｒ＜Ｒ）に対する屈折率の範囲によって定義されるように前記ドーパントの濃度が調整され、
   所定の半径距離ｒ（０＜ｒ＜Ｒ）での前記修正屈折率プロファイルの屈折率が同じ値の該半径距離ｒで前記理想的な屈折率プロファイルの屈折率より小さく、
   前記理想的な屈折率プロファイルの屈折率と前記修正屈折率プロファイルの屈折率との差がそれぞれの半径距離ｒによって増加するステップと、
   前記多重モードの光ファイバーに前記コアを組み込むステップと、
   を備える、方法。
2. 屈折率ｎ_２を有するクラッドと、
   中心部、最大半径Ｒ、及び修正屈折率プロファイルを有するコアと、
   を有する多重モードの光ファイバーを製造する方法であって、
   前記コアの理想的な屈折率プロファイルが、前記コアの前記中心部から半径距離ｒの関数で定義される下記の式（II）の屈折率ｎ_０（ｒ）の範囲によって定義され、
   

   

   （ここで、ｎ_１０は、前記コアの前記中心部の屈折率であり、αは、前記理想的な屈折率プロファイルの形状を定義するパラメータであり、
   

   

   は
   

   

   である）
   前記コアの製造中に前記コアに少なくとも一種のドーパントを追加するステップであって、
   前記コアの前記修正屈折率プロファイルが、前記コアの前記中心部から前記半径距離ｒに対する屈折率の範囲によって定義されるように前記ドーパントの濃度が調整され、
   半径距離ｒ（０＜ｒ_ｉ＜ｒ＜Ｒ）での前記修正屈折率プロファイルの屈折率が同じ値の該半径距離ｒで前記理想的な屈折率プロファイルの屈折率より小さく、
   半径距離ｒ（０＜ｒ_ｉ＜ｒ＜Ｒ）で前記理想的な屈折率プロファイルの屈折率と前記修正屈折率プロファイルの屈折率との差がそれぞれの半径距離ｒによって増加するステップと、
   前記多重モードの光ファイバーに前記コアを組み込む段階と、
   を備える、方法。
3. 前記修正屈折率プロファイルが、半径距離ｒ（０＜ｒ≦ｒ_ｉ）にわたって前記理想的な屈折率プロファイルの屈折率と同じである前記修正屈折率プロファイルの屈折率によって更に定義される、請求項２に記載の方法。
4. 半径距離ｒ_ｉが５μｍである、請求項３に記載の方法。
5. 半径距離ｒ_ｉが１μｍである、請求項３に記載の方法。

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