JP5728474B2 - 向上した性能のための多モードファイバーの選択及び設計のための設計方法及び計量 - Google Patents

Description

多モードファイバー（ＭＭＦ，ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）の性能はパルスがファイバー中を伝播するにつれて分散する量に大いに影響を受ける。分散はビットが媒体中を伝播するにつれた離散データビット又は「記号」の広がりである。分散は隣り合うデータビット間の重なりを生じビットが論理０又は１として解釈される不確実性の増加をもたらす。論理状態のこの不確実性はビット誤り率（ＢＥＲ，ｂｉｔ ｅｒｒｏｒ ｒａｔｅ）において定量化されうるが、ＢＥＲはビット誤りの数を所定の時間内に送られたビットの総数で割ったものとして定義される。高速イーサーネットにおいて、ＢＥＲは送られる各１兆ビットにおいて１誤りビットを超えてはならない（ＢＥＲ＜１０^−１２）。モード分散は光ファイバーを通る様々なモードの間の伝播速度の差から生じる。光パワーは離散モードの和によって運ばれるので、モードが時間内に広がるにつれてパルスの光パワーが分散する。モード分散はファイバーを伝わる最も速いモードと最も遅いモードとの間のパルス遅延（ｐｓ／ｍ）の差の量である、異モード遅延（ＤＭＤ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｏｄｅ ｄｅｌａｙ）において表される。

物質の屈折率は、真空中を進む光の速度に比べた、物質内で光の速度が減少される量を表す。通常略字「ｎ」で表される物質の屈折率は波長に依存する（すなわち、屈折率は波長の関数で、「ｎ（λ）」と表されうるので、物質内の光の速度は又波長に依存し、波長の関数としての速度は次の屈折率の波長依存に関連する：
ν（λ）＝ｃ／ｎ（λ）
ここでｃは真空中の光の速度（２９９，７９２，４５８メートル／秒）である。

したがって、有限スペクトル幅を有する光パルスは又物質中を伝播するにつれて波長分散をする。これは色分散と呼ばれる。多モードファイバーにおいて、モード分散は一般的に色分散よりはるかに大きい、しかしながら、高帯域幅ＭＭＦ（＞８０００ＭＨｚ・ｋｍ）において、色分散が優位になり始める。つまり、ＭＭＦ内の分散を減少することでファイバーの性能が向上するということになる。

ＢＥＲ試験台を用いて、現在の業界標準ファイバー性能測定はファイバーのシステム性能を正確に予測しないことが明らかになっている。図１において、ＢＥＲチャンネル性能は８１３００ｍ高帯域幅のＭＭＦの計算有効モード帯域幅（ＥＭＢｃ，ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｏｄａｌ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）の関数として示される。ビット誤り率を比較するために、我々はＢＥＲを−１１．０ｄＢｍの参照光パワーレベルで測定した。こうした試験に用いられるＢＥＲ試験台は１０ＧＢＡＳＥ−ＳＲイーサーネットリンクの最悪の場合をシミュレートすることに留意することが重要である。計算有効モード帯域幅（ＥＭＢｃ）値はＤＭＤ測定から特定され、１．１３の係数によって有効モード帯域幅（ＥＭＢ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｏｄａｌ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）に関連がある（すなわち、ＥＭＢ＝１．１３×ＥＭＢｃ）。

米国特許出願第１２／６２７７５２号

データはＥＭＢｃ（又はＥＭＢ）とＢＥＲとの弱い相関を示す。２０００ＭＨｚ・ｋｍの公称ＥＭＢｃにおいて、ＭＭＦのＢＥＲ性能は４桁を超えて異なりうることを我々は突き止めた。参照光パワーレベルで、２Ｅ−０８を超えるＢＥＲはチャンネル障害と考えられる。データは多くのファイバーが３００ｍの規定最高チャンネル長さへの１０Ｇｂ／ｓイーサーネット送信をサポートしないことを示す。データセンター内のほとんどのチャンネルリンクが最大リーチ限度に達しないため、システム障害は広く観測されていない。しかしながら、いくつかのファイバー関連チャンネル障害が報告されている。

新しい計測「ＤＭＤシフト」はＤＭＤ測定から得られる。ＤＭＤシフトは多モードファイバーのビット誤り率（ＢＥＲ）チャンネルリンク性能のより正確な予測を得るために業界標準ＥＭＢ及びＤＭＤ計測のための換算係数として使用可能である。計量はＭＭＦの屈折率プロフィールに関連可能で、それゆえ改良された性能を達成するためにＭＭＦの設計を最適化するために使用可能である。生産の試験アルゴリズムとして使用されると、ファイバーの選択、ファイバーの選別、又はファイバー性能の検証に使用可能である。この新しい計量に対応したＭＭＦは所定のケーブル長さにより高いＢＥＲシステム性能をもたらす、又は所定のＢＥＲシステム性能でより長いケーブルを可能にする。

光学システムにおいてファイバー分散は一般的にリンクの符号間干渉（ＩＳＩ，ｉｎｔｅｒ−ｓｙｍｂｏｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）の要素として含まれる。それゆえ、モード分散ペナルティの減少はＩＳＩペナルティの減少をもたらす。適当なＤＭＤシフト計量のファイバーを選択することで、ＩＳＩの減少が実現可能で、リンクマージンの向上が達成可能である。このマージンの増加が更なる操作距離、更なる接続性、又は単により高い信頼性をもたらす更なるマージンを伴うリンクに適用可能で、これら全ては設計上の柔軟性をもたらす。ＤＭＤシフト計量は又ファイバーの屈折率プロフィールに関連しており、それゆえＭＭＦの設計を最適化するために使用可能である。

ＢＥＲチャンネル性能を示す。 ＤＭＤ波形を示す。 ＢＥＲシステム試験結果を示す。 アイダイアグラムを示す。 ＤＭＤシフト計量を示す。 ＢＥＲ性能を示す。 ＢＥＲ性能を示す ＢＥＲ性能を示す。 ＢＥＲ性能を示す。 ＢＥＲ性能を示す。 ＢＥＲデータ点を示す。 ＢＥＲ係数を示す。

図２において、ＴＩＡ−４５５−２２０Ａに規定される業界標準試験方法を用いた２つのＯＭ３ ＭＭＦのためのＤＭＤ波形を我々はプロットする。この方法において、単一モードの励振ファイバーの端から発せられる光学的参照パルスは試験中のＭＭＦのコアにわたりステップされる。コアの各横方向オフセット（０から２４ミクロン）にわたり、結果として生じる出力パルスの伝播遅延が記録される。各出力パルスは所定の入力半径位置で励起されるこれらのモードのみを包含する。各半径オフセットの出力波形は垂直軸に沿ってプロットされ１ミクロン刻みで動かされる。各波形の相対的なパルス遅延がピコセカンド毎メートル（ｐｓ／ｍ）の単位で水平軸に沿ってプロットされる。ＤＭＤは最初に最速のパルスの前縁及び最も遅いパルスの後縁を用いてパルス遅延の差を測定することにより特定される。この差から我々はファイバーのモード分散を生じる発射パルスの時間的幅を減算する。ＴＩＡ−４５５−２２０Ａに示されるようにコア内の２つの特定範囲、５〜１８ミクロン（インナーマスク）及び０〜２３ミクロン（アウターマスク）のＤＭＤ測定結果を表１に示す。時間領域内の入力及び出力時間波形を分かっていることで、周波数領域内のＭＨｚ・ｋｍの単位の有効モード帯域幅（ＥＭＢｃ）を計算可能である。

水平軸上に沿ったより小さい値（ｐｓ／ｍ）はより速い速度に対応します。それゆえ、左にシフトする波形ピークはより高いモードモード速度に相当する。より高次のモードがより速く進むために、屈折率は先に想定した（すべての波形が時間で揃う）理想指数プロフィールから外れなければならない。

「青」及び「茶」として識別される、これらの２つのサンプルファイバーは同一の光ケーブル内で輸送され、標準試験方法によると、実質同じＤＭＤ及びＥＭＢ値を有する。表１に２つのファイバーが事実上同一であることを示す試験結果を示す。最大の差がアウターマスクＤＭＤ内に見られ、これは茶色のファイバーがより低いモード分散を有することを示す。

こうしたＤＭＤ及びＥＭＢ測定に基づき、これら２つのファイバーは等しく良好に機能するはずである。青色及び茶色ファイバーのＢＥＲシステム試験結果が図３に示される。測定された性能データは、−９．９ｄＢｍの受けた光パワー（１０Ｇｂ／ｓイーサーネットのための最低受信光パワー）において、茶色のファイバーのＢＥＲは青色のファイバーより２桁を超える大きさでより悪いことを示す。

これら２つのファイバーのアイダイアグラムが図４に示される。アイダイアグラムは擬似ランダム２進法シーケンスの論理０及び１の様々な組み合わせの重畳を示し、オシロスコープを用いて捕捉される。アイのオープニングは信号の信号対雑音比の評価基準である。茶色のファイバーは青いファイバーより著しく多いアイの閉じを示し、これはより高いＢＥＲとなるより低い信号対雑音比を茶色のファイバーが有することを示す。これら２つのファイバーの帯域幅が同一であるのに茶色のファイバーはより大きいＩＳＩペナルティをもたらすことを結論付けうる。

この差はＭｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ Ｈａｖｉｎｇ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｉｎｄｅｘ Ｐｒｏｆｉｌｅと言う題名の特許文献１に記される屈折率プロフィールのシフトに起因されうる。屈折率プロフィールのシフトは図２の青色と茶色のファイバーの２つのＤＭＤプロットの半径方向ＤＭＤ計測に示される。ＤＭＤプロット及びＢＥＲシステム試験結果の詳しい分析はＤＭＤプロット及びＢＥＲ性能の波形シフトの間の良い相関を示す。しかしながら、このシフトを定量化するために計量が必要である。

多くのＤＭＤプロットの複雑さのために、精密で信頼できるＤＭＤシフト計量は特定困難である。しかしながら、１９ミクロンと５ミクロンにおける横方向オフセット波形の最大ピークパルス遅延間の差を取ることで十分である。オフセットは計量の符号がＤＭＤプロットのシフトの方向（左が負で右が正）に相応するように選ばれる。これらの２つのプロットは又垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の光パワー分布、すなわち光源の環状フラックスに関連する。明らかに、他の同様の計量もシフトを等しく予測可能なことが確認されているが、以下の単純な計量は驚くほどうまく機能する。
ＤＭＤシフト＝（１９μｍでのピーク遅延）−（５μｍでのピーク遅延）

ファイバーの性能を予測するためのこの計量の性能を示すために、表２に挙げるいくつかの高性能ＭＭＦを考察する。ＯＭ４として適格なファイバーのための最低ＥＭＢは４７００ＭＨｚ・ｋｍと我々は指摘する。緑色のファイバーを除いて、これらのファイバーはＯＭ４であると特定された。それゆえ、これらは（５年を超えて得られた統計データに基づき）−１１．０ｄＢｍの受信光パワーで最高５５０ｍまで低い誤り率送信（＜２Ｅ−０８）をサポートするはずである。

１２のファイバーの各々のＤＭＤシフト計量は図５に図示される。

正のＤＭＤシフト計量を有する全てのファイバーはＤＭＤプロットで右にシフトするパルス遅延波形に相当する。正のＤＭＤシフトの観測されたケースでは、予期されたＢＥＲ性能より低いものが測定され、多くの場合で、ＥＭＢ及びＤＭＤ計量が合格すると示しているにもかかわらずファイバーはシステム性能レベルを満たさなかった。測定されたＥＭＢ及び我々が提案したＤＭＤシフト計量を用いて我々は次の予測を成しうる：図６及び図７を参照いただきたい。
１．黒色のファイバーは４８３１ＭＨｚ・ｋｍのＥＭＢと測定され、それゆえＯＭ４として認定される。しかしながら、ＥＭＢがほんの僅か４７００ＭＨｚ・ｋｍより高いため、正のＤＭＤシフトがＢＥＲ性能を低下させ、ファイバーはシステムレベル試験に不合格となる。単一の赤で塗ったデータ点はイーサーネット・トラフィック・アナライザーを用いて得られた、またシステム不具合を実証する。
２．緑色のファイバーは４２８６ＭＨｚ・ｋｍのＥＭＢを有し、その結果ＯＭ３として分類される。しかし、大きな負のＤＭＤシフトを示すので、ファイバーはＢＥＲシステム試験に合格する。
３．赤色及びバラ色のファイバーは共にＯＭ４で同様のＥＭＢ値を有するが、赤色のファイバーは正のＤＭＤシフトを有するのに対して、バラ色のファイバーは負のＤＭＤシフトを有する。その結果、赤色のファイバーはＢＥＲシステム試験に不合格の一方、バラ色のファイバーは合格する。

この種の分析は正と負のＤＭＤシフトの４１のファイバーに対して行われた。その結果、ファイバーシステム性能が十分な制度で予測可能である。

図８において、−１１．０ｄＢｍの参照光パワーレベルの、表２に挙げられた１２のファイバーのＢＥＲ性能がプロットされる。緑色で塗ったデータ記号は負のＤＭＤシフト計量を有するファイバーを表す。赤色で塗ったデータ記号は正のＤＭＤシフト計量を有するファイバーである。負のＤＭＤシフトファイバーはより低いＢＥＲの全体を示し正のＤＭＤシフトファイバーをはるかに凌ぐ。

図９において、この分析は２つのファイバー製造者の３６のＯＭ４ファイバーに拡大され、点線はデータ点の適合である。ＤＭＤシフトを測定することにより図１０に示されるように（いくつかの異なるファイバーが図１０に含まれる）これらのファイバーを２つのグループに選別可能である。負のＤＭＤシフトファイバーは正のＤＭＤシフトファイバーに対する向上した性能を明らかに示す。

図９の各ファイバーのＢＥＲを適合線に調整することで、ファイバー性能の向上又は悪化の一次近似を得ることが可能である。各ファイバーに対して、測定されたＢＥＲを適合線に調整するのに必要な係数が特定される。データの拡がりは測定不確実性、追加のファイバー不具合及びモード雑音、モード分配雑音、及び場合によっては分極ノイズのような二次効果の結果である。図１１はシフトされたＢＥＲデータ点を示し、図１２はＤＭＤシフト計量の関数としての各ファイバーのＢＥＲ係数を示す。

負のＤＭＤシフトファイバー（ＤＭＤが左にシフトする）は大きな換算係数を有し、これはビット誤り率が小さく、拡大する必要があることを意味し、正のＤＭＤシフトファイバー（ＤＭＤが右にシフトする）は縮小する必要がある大きいＢＥＲを有することを意味する僅かな換算係数を有する。プロットを詳しく調べるとゼロのシフトの単一換算係数が明らかになる。この結果は理想の屈折率プロフィールが以前に理解されたように最高のシステム性能をもたらさないかもしれないことを暗示する。ほとんどのファイバーは完璧に満たなく、それゆえＤＭＤプロフィールの左又は右のいずれかのシフトを示すことに留意いただくことが重要である。これらの結果は負（左シフト）のＤＭＤ計量が現在の予想を超えて性能を改良するかもしれないことを暗示する。この考えは４７００ＭＨｚ・ｋｍ未満のＥＭＢ値を備える負のＤＭＤシフトＯＭ３ファイバーが非常に高いＢＥＲ性能を示す事実によって支持される。

ＢＥＲ換算係数はより大きいシフトがファイバーにより大きい影響を有するようにＤＭＤシフト計量に比例することも我々は観察した。

このデータに基づき、向上したチャンネルリンク性能の推定を得ることが可能で、これは４０Ｇ及び１００Ｇイーサーネット適用のためのＯＭ４ファイバーの伝達距離を延長するために使用可能である。この新しいＤＭＤシフト計量は非常に高い性能ＭＭＦを開発する手段を提供する。

上にＤＭＤシフトの１つの計量が記されたが、他の計量も有益なことがある。例えば、２０μｍでのピーク遅延から５μｍでのピーク遅延を引くと、同様の間隔（１４又は１５μｍのような）に分けられた多様な他のシフトのように、ＤＭＤシフトの有益な計量を提供することがある。他の実施形態において、いかなる放射点における負のシフトもケーブルの設計及び選択のための方法における計量として使用可能である。クラッディング内の光ファイバーコアの屈折率プロフィールは異モード遅延測定のための負のパルスシフト（すなわち、負に向かうＤＭＤシフト）に基づいて選択されてよい。

Claims (8)

1. 通信ネットワークに用いられる多モード光ファイバーの選択の方法において：複数の多モード光ファイバーの異なる半径を通り進むパルスのピーク遅延の測定と；各多モード光ファイバーの第１の半径でのピーク遅延を各多モードファイバーの第２のより大きい半径でのピーク遅延からの減算と；第１の半径でのピーク遅延を第２の半径でのピーク遅延から減算した結果が負の数である光ファイバーの通信ネットワークでの使用の為の選択とを備える方法。
2. 前記第１の半径が５μｍで前記第２の半径が１９μｍである請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の半径が５μｍで前記第２の半径が２０μｍである請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の半径及び前記第２の半径が１４から１５μｍ離れている請求項１に記載の方法。
5. 通信ネットワークに用いられる多モード光ファイバーの選択の方法において：複数の多モード光ファイバーの異なる半径を通り進むパルスのパルス遅延の測定と；各多モード光ファイバーの第１の半径でのパルス遅延を各多モードファイバーの第２のより大きい半径でのパルス遅延からの減算と；第１の半径でのパルス遅延を第２の半径でのパルス遅延から減算した結果が負の数である光ファイバーの通信ネットワークでの使用の為の選択とを備える方法。
6. 前記第１の半径が５μｍで前記第２の半径が１９μｍである請求項５に記載の方法。
7. 前記第１の半径が５μｍで前記第２の半径が２０μｍである請求項５に記載の方法。
8. 前記第１の半径及び前記第２の半径が１４から１５μｍ離れている請求項５に記載の方法。