JP2004013163A - シングルモード光ファイバ並びに光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】１５５０ｎｍ付近及び１３００ｎｍ付近の波長範囲におけるマルチチャンネル伝送に適した高伝送レートのシングルモード光ファイバを提供する。
【解決手段】本発明は、半径ｒ１及び最大屈折率ｎ１を有する１番目の中心領域、及び少なくとも１つの、この１番目の中心領域を包囲する２番目のリングを具えたシングルモード光ファイバに関するものであり、この２番目のリングは、半径ｒ２及び最小屈折率ｎ２を有し、ここにｎ２＜ｎ１である。本発明はさらに、マルチチャンネル伝送用の光通信システムに関するものである。前記１番目の中心領域内では屈折率ｎ１がほぼ一定であり、前記２番目のリング内では、半径方向の距離の増加と共に、屈折率がｎ１からｎ２まで直線的に減少する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半径ｒ１、最大屈折率ｎ１を有する一重目の中心領域、及び少なくとも１つの、この一重目の中心領域を包囲する二重目のリング（環）を具えたシングルモード光ファイバに関するものであり、この二重目リングは半径ｒ２及び最小屈折率ｎ２を有し、ここにｎ２＜ｎ１である。
【０００２】
【従来の技術】
こうしたシングルモード光ファイバ自体は、米国特許第５，９０５，８３８号より既知であり、特にこの特許の図４には、４領域のファイバについて、正規化した屈折率差を半径上の位置の関数として示してある。従って、ゲルマニウムでドーピングしたシリカのコアを、屈折率を低減した環状領域によって包囲し、この例では、この環状領域がフッ素でドーピングしたシリカで構成される。この環状領域をさらに、ゲルマノ−シリカのリングによって包囲し、このリングはさらに、例えば非ドーピングのシリカの外環クラッド領域内にある。前記コア領域は、ＭＣＶＤで生産したファイバの、屈折率が低下した窪み（ディップ）の特性を示す。こうしたファイバは、いわゆる「二重窓ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ：波長分割多重）ファイバ」としても規定され、このファイバはいわゆるメトロ・ネットワークあるいは長距離ネットワークに使用される。こうしたネットワークは、二、三百キロメートルまでの中距離伝送、及び非常に多数のノードによって特徴付けられ、ここではブランチ（支線）及び／または他のネットワーク（の一部）への接続が存在する。こうしたネットワークにおける信号伝送を行う光ファイバは、非常に多数の波長による高い伝送レート（速度）に適している。
【０００３】
”Ｍａｘｉｍｕｍ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｒｅａ　ｆｏｒ　ｎｏｎ−ｚｅｒｏ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｓｈｉｆｔｅｄ　ｆｉｂｅｒ”という文献は、この種のファイバが、１５５０ｎｍの波長で０．０８ｐｓ／ｎｍ^２・ｋｍの分散勾配を有するという屈折率特性を開示している。波長１５５０ｎｍにおける有効面積は４５〜１１０μｍ^２の範囲にある。特に分散勾配、マクロベンド、及び有効面積についての特性を満足に平衡させるための、勾配に関するさらなる詳細は、この文献から知ることはできない。
【０００４】
米国特許第６，３９６，９８７号は、ＷＤＭ伝送システムに使用する光ファイバに関するものであり、ここでは有効面積が６０μｍ^２に等しいかそれより大きく、分散値が６〜１０ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）の範囲にある。
【０００５】
欧州特許出願第０　２４９　２３０は、プリフォーム（母材）の製造方法に関するものである。前記文献はプリフォームに関するものに過ぎないので、こうしたプリフォームから引き出した光ファイバに関する詳細、例えば分散勾配の値、有効面積の分散値は、特に提供していない。
【０００６】
欧州特許第０　７７５　９２４は、３セグメントの屈折率特性を有するシングルモード光ファイバに関するものである。ゼロ分散の波長は１５２０〜１６００ｎｍの範囲であるが、全分散勾配は０．０９５ｐｓ／μｍ^２・ｋｍ以下にすることができる。分散勾配、マクロベンド、及び有効面積についての特性を満足に平衡させるために必要な勾配についての詳細は提供していない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
非常に長距離（１０００ｋｍ以上の距離）の場合には、高伝送レート用の光ファイバを１５５０ｎｍ付近の波長範囲で使用するために最適化しており、この波長範囲では、光減衰は小さい（約０．２ｄＢ／ｋｍ）ものと考えることができる。ＮＺＤＦ（Ｎｏｎ−ｚｅｒｏ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　Ｆｉｂｅｒｓ：非ゼロ分散のファイバ）も、分散がシフト（移動）しており、その結果として、波長１５５０ｎｍにおける分散は標準的なシングルモード光ファイバの分散よりも小さい。しかし、分散値はゼロから十分偏在し、非線形特性の効果を最小にして、このことは、最大許容伝送容量に対する重大な逆効果を有し得る。
【０００８】
前述したネットワークの距離が比較的小さいので、光減衰について課せられる要求は比較的軽く、その結果、約０．３ｄＢ／ｋｍの減衰特性を有する１３００ｎｍ付近の波長範囲も原則的に、こうした応用に適している。上記の、光ファイバを１５５０ｎｍの波長範囲で最適化した結果として、長距離伝送に使用するファイバは、１３００ｎｍ付近の波長範囲での使用にはより適さなくなっている。
【０００９】
本発明の目的は、１５５０ｎｍ付近の波長範囲、即ち１４４０ｎｍ〜１６２５ｎｍ、及び１３００ｎｍ付近の波長範囲、即ち１２５０ｎｍ〜１３６０ｎｍにおけるマルチチャンネル（多チャンネル）伝送に適した、高い伝送レートを使用するシングルモード光ファイバを提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、応力変化を防止するような特性に設計したシングルモード光ファイバを提供することにあり、応力変化によって光ファイバの特性が不所望なものになり得る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による光ファイバの基本的なものは、半径ｒ１を有する前記一重目の中心領域内では屈折率ｎ１がほぼ一定であり、半径ｒ２を有する前記二重目のリング内では、半径方向の距離がｒ１からｒ２まで増加すると共に、屈折率がｎ１からｎ２まで減少し、この減少はほぼ直線的であり、次式に従う。
勾配＝（Ｄ１−Ｄ２）／（ｒ２−ｒ１）、ここに、
０．１１＜勾配＜０．２２、そして、
Ｄ_ｉ＝｛（ｎ_ｉ ^２−ｎ_ｃｌ ^２）／（２・ｎ_ｉ ^２）｝・１００％、かつｎ_ｉ＞ｎ_ｃｌ、ここに、
Ｄ_ｉ＝位置ｉの屈折率コントラスト（対比）、
ｎ_ｉ＝位置ｉの屈折率、
ｎ_ｃｌ＝外環のファイバ・クラッドの屈折率
【００１２】
ほぼ一定の屈折率を有する前記中心領域の特に好適な例は、前記半径ｒ１が０．２５μｍの最大値を有する。半径ｒ１が前記の値よりも大きい場合には、十分大きい有効面積及び十分小さい分散勾配を有するファイバを得ることができない。
【００１３】
本発明はさらに、半径ｒ１及び最大屈折率ｎ１を有する一重目の中心領域、及び少なくとも１つの、この一重目の中心領域を包囲する二重目のリングを具えたシングルモード光ファイバに関するものであり、この二重目のリングは半径ｒ２及び最小屈折率ｎ２を有し、ここにｎ２＜ｎ１であり、このファイバは、前記二重目のリング内では屈折率がほぼ一定であり、前記一重目の中心領域内では、半径方向の距離が前記中心領域の対称の中心軸から距離ｒ１まで増加すると共に、屈折率がｎ１からｎ２まで減少し、この減少はぼほ直線的であり、次式に従う。
勾配＝（Ｄ１−Ｄ２）／（ｒ１）、ここに、
０．１１＜勾配＜０．２２、そして、
Ｄ_ｉ＝｛（ｎ_ｉ ^２−ｎ_ｃｌ ^２）／（２・ｎ_ｉ ^２）｝・１００％、かつｎ_ｉ＞ｎ_ｃｌ、
Ｄ_ｉ、ｎ_ｉ、及びｎ_ｃｌは前の式と同様である。
【００１４】
本発明はさらに、半径ｒ１及び最大屈折率ｎ１を有する一重目の中心領域、及び少なくとも１つの、この一重目の中心領域を包囲する二重目のリングを具えたシングルモード光ファイバに関するものであり、この二重目のリングは半径ｒ２及び最小屈折率ｎ２を有し、ここにｎ２＜ｎ１であり、このシングルモードファイバは、前記二重目のリング内では屈折率がほぼ一定であり、前記二重目の中心領域内では、半径方向の距離が前記中心領域の対称の中心軸から距離ｒ１まで増加すると共に、屈折率がｎ１からｎ１”まで減少し、この減少はほぼ直線的であり、次式に従う。
勾配＝（Ｄ１−Ｄ１”）／（ｒ１）、ここに、
０．１１＜勾配＜０．２２、そして、
Ｄ_ｉ＝｛（ｎ_ｉ ^２−ｎ_ｃｌ ^２）／（２・ｎ_ｉ ^２）｝・１００％、かつｎ_ｉ＞ｎ_ｃｌ、そして、
ｎ１＞ｎ１”＞ｎ２、
Ｄ_ｉ、ｎ_ｉ、及びｎ_ｃｌは前の式と同様である。
【００１５】
本願の発明者は、光ファイバの特性を、不所望な応力変化を防止するように設計するという知見にもとづいて、本発明を達成している。これにより、ＰＭＤ（あるいは水素誘導の減衰損失に対する感応性）の増加のような不所望な特性を最小に低減している。
【００１６】
特定の好適例では、半径ｒ２を有する前記二重目のリングを、半径ｒ３及び屈折率ｎ３を有する三重目のリングによって包囲することが好ましく、ここにｎ３＜ｎ２、及びｒ３＞ｒ２である。これに加えて、半径ｒ３を有する前記三重目のリングを、半径ｒ４及び屈折率ｎ４を有する四重目のリングによって包囲し、ここにｎ４＜ｎ３及びｒ４＞ｒ３である。
【００１７】
本発明の光ファイバの分散値は、波長１５５０ｎｍでは８ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以上であり、これに対し波長１３３０では−８ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以下でなければならない。こうした分散値を用いれば、いくつかのチャンネル、即ち異なる波長を有する信号を、前述した２つの波長範囲で同時に、１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高い伝送レートで使用することが可能になり、そして関係する効果を制限する非線形の特性をなくすことができる。
【００１８】
本願の発明者はさらに、屈折率特性における勾配が、最終的な光ファイバの特性の適正な組合わせを達成するための重要な設計パラメータである、ということを発見している。結果的に、この勾配は、０．１１から０．２２までの範囲、特に０．１３から０．１９までの範囲であることが好ましい。上記の範囲の値よりも大きい値を有する勾配を用いると、マクロベンド損失及び分散勾配が過大になり、このことは実際上不所望である。他方では、上記の範囲の値よりも小さい値を有する勾配を用いると、有効面積が過小になり、このことも実際上不所望である。
【００１９】
波長が異なる非常に多数の信号を、パワー（電力）密度を大幅に制限することなしに同時に伝送することを可能にするために、本発明の光ファイバは、１５５０ｎｍの波長範囲において、６０μｍ^２以上の有効範囲を有することが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明の光ファイバについての分散勾配は、波長１５５０ｎｍにおいて、０．０７から０．０９５ｐｓ／ｎｍ・ｋｍの範囲にあることが好ましい。
【００２１】
本発明の光ファイバが、最大の波長範囲にわたってシングルモード光ファイバであると考えることができる、ということを保証するためには、２ｍの長さを有する光ファイバについて測定したカットオフ波長が１２００ｎｍ未満であることが好ましい。
【００２２】
本発明の光ファイバは、前述した好適例の特徴を有することに加えて、光ファイバの屈曲（ベンド）によって生じる損失が低い、という特徴を示すべきである。光ファイバで構成される前述したネットワーク内では多数の接続を行い、これらの接続については、ファイバ内のこれらの接続の位置に通常ループを設ける、ということがある。従って、こうしたループによって生じる減衰損失を可能な限り制限することが望ましく、このことは、波長１６２５ｎｍ、及び屈曲の直径６０ｎｍを有する１００回巻きで測定したマクロベンド損失が０．０５ｄＢ未満であることが好ましい、ということを暗に意味する。
【００２３】
本発明はさらに、マルチチャンネル（多チャンネル）の信号伝送用の光通信システムに関するものであり、このシステムは、本発明の光ファイバを、１５５０ｎｍまたは１３００ｎｍのいずれの波長範囲内にもあり得るいくつかのチャンネル用の伝送媒体として使用することを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２５】
図１に、本発明による光ファイバにありうる屈折率特性を示す。この特性上の参照番号１で示す位置は、ほぼ対称軸上の最大屈折率の位置であり、この位置は、屈折率ｎ１及び屈折率差Ｄ１を有する。参照番号２で示す位置は、対称軸から距離ｒ１だけ離れた位置であり、参照番号１で示す位置よりも明らかに低い屈折率ｎ２及び屈折率差Ｄ２を有する。この屈折率は実際には、位置１から位置２までの間で直線的に単調減少し、その勾配ｈは次式に従う。
ｈ＝（Ｄ１−Ｄ２）／（ｒ１）
３で示す位置は、対称軸から距離ｒ２だけ離れている。最後に、参照番号４は、位置３とほぼ同じ距離だけ対称軸から離れた位置を示し、位置４はクラッドの屈折率を示し、このクラッドは、対称軸からの距離ｒ２から始まり、位置３よりも低い屈折率を有する。
【００２６】
図２に、本発明によるファイバの屈折率特性を示す。距離ｒ１を有する回転対称の特性が対称軸の回りに形成されて、この特性の参照番号１で示す位置は、一定の屈折率ｎ１を有することが要求される。参照番号２で示す位置は、対称軸から距離ｒ２だけ離れて、参照番号１で示す位置よりも明らかに低い屈折率ｎ２、及び屈折率差Ｄ２を有する。この屈折率は実際には、位置１から位置２までの間で直線的に単調減少し、その勾配はｈ＝（Ｄ１−Ｄ２）／（ｒ１）である。参照番号４で示す位置はクラッドの屈折率を示し、このクラッドは、対称軸からの距離ｒ２から始まる。図２では、ｎ１＞ｎ２＞ｎｃｌである。
【００２７】
図３に、本発明による光ファイバの屈折率特性を示す。この特性上に参照番号１で示す位置は、ほぼ対称軸上の最大屈折率の位置であり、この位置は屈折率ｎ１及び屈折率差Ｄ１を有する。１”で示す位置は対称軸から距離ｒ１だけ離れて、１で示す位置よりも明らかに低い屈折率ｎ１”を有する。この屈折率は実際には、位置１から位置１”までの間で直線的に単調減少する。２で示す位置も、対称軸からｒ２だけ離れて、屈折率ｎ２及び屈折率差Ｄ２を有する。最後に、参照番号４は、位置３とほぼ同じ距離だけ対称軸から離れた位置を示し、クラッドは位置４から始まり、このクラッドは位置３の屈折率よりも低い屈折率を有する。
【００２８】
既に前に説明したように、勾配ｈは、光ファイバの特性の適正な組合わせを得るために重要な設計パラメータである。例えば位置２の屈折率差を適応させることによって、この勾配ｈに影響を与えることができる。特に図１および図２では、位置２の屈折率を減少させることによって、この勾配を増加させることができる。このことに加えて、位置１”（図３参照）及び位置２（図１及び図２参照）を半径方向に変化させることによって、勾配の適応を行うことができる。既に前述したように、本願の発明者は、前記勾配が０．１１から０．２２までの範囲、特に０．１３から０．１９までの範囲にあることが好ましい、ということを発見している。上記の範囲の値よりも大きい値を有する勾配の場合には、マクロベンド損失が不所望に増加し、上記の範囲の値よりも小さい値を有する勾配では、期待される有効面積が小さ過ぎるという結果になる。
【００２９】
本明細書に示す屈折率特性における勾配の、種々のパラメータに対する影響を、２ｍの長さを有する光ファイバで測定した値についての下記の要求に適合する光ファイバについて調査した。これらの要求は、分散の要求が、波長１５５０ｎｍで８ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以上、波長１３００で８ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以下であり、カットオフ波長の要求が１２００ｎｍ未満である。そして上記パラメータは、分散勾配、マクロベンド損失、及び有効面積であり、分散勾配は０．０９５ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ^２未満であることが好ましく、マクロベンド損失は、（波長１６２５ｎｍ、６０ｎｍの直径の屈曲（ベンド）を有する巻きついて測定した値が）０．０５ｄＢ未満であることが好ましく、有効面積は６０μｍ^２であることが好ましい。調査の結果を下表に示す。
【表１】

上記の表は明らかに、０．１１＜勾配ｈ＜０．２２の範囲の勾配で、特性が満足に平衡していることを示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の特定の実施例による多数の光ファイバの屈折率特性を半径の関数として図式的に示す図である。
【図２】本発明の特定の実施例による多数の光ファイバの屈折率特性を半径の関数として図式的に示す図である。
【図３】本発明の特定の実施例による多数の光ファイバの屈折率特性を半径の関数として図式的に示す図である。

Claims (13)

1. 半径ｒ１、最大屈折率ｎ１を有する一重目の中心領域、及び少なくとも１つの、前記一重目の中心領域を包囲する二重目のリングを具えたシングルモード光ファイバであって、前記二重目のリングが半径ｒ２及び最小屈折率ｎ２を有し、ここにｎ２＜ｎ１であるシングルモード光ファイバにおいて、
   半径ｒ１を有する前記一重目の中心領域内では、前記屈折率ｎ１がほぼ一定であり、半径ｒ２を有する前記二重目のリング内では、半径方向の距離がｒ１からｒ２まで増加すると共に、屈折率がｎ１からｎ２まで減少し、この減少がほぼ直線的であり、次式：
   勾配＝（Ｄ１−Ｄ２）／（ｒ２−ｒ１）、ここに、
   ０．１１＜勾配＜０．２２、そして、
   Ｄ_ｉ＝｛（ｎ_ｉ ^２−ｎ_ｃｌ ^２）／（２・ｎ_ｉ ^２）｝・１００％、かつｎ_ｉ＞ｎ_ｃｌ、ここに、
   Ｄ_ｉ＝位置ｉの屈折率コントラスト、
   ｎ_ｉ＝位置ｉの屈折率、
   ｎ_ｃｌ＝外環のファイバ・クラッドの屈折率
   に従うことを特徴とするシングルモード光ファイバ。
2. 半径ｒ１、最大屈折率ｎ１を有する一重目の中心領域、及び少なくとも１つの、前記一重目の中心領域を包囲する二重目のリングを具えたシングルモード光ファイバであって、前記二重目のリングが半径ｒ２及び最小屈折率ｎ２を有し、ここにｎ２＜ｎ１であるシングルモード光ファイバにおいて、
   前記二重目のリング内では屈折率がほぼ一定であり、前記一重目の中心領域内では、半径方向の距離が前記中心領域の対称の中心軸から距離ｒ１まで増加すると共に、屈折率がｎ１からｎ２まで減少し、この減少はぼほ直線的であり、次式：
   勾配＝（Ｄ１−Ｄ２）／（ｒ１）、ここに、
   ０．１１＜勾配＜０．２２、そして、
   Ｄ_ｉ＝｛（ｎ_ｉ ^２−ｎ_ｃｌ ^２）／（２・ｎ_ｉ ^２）｝・１００％、かつｎ_ｉ＞ｎ_ｃｌ、ここに、
   Ｄ_ｉ＝位置ｉの屈折率コントラスト、
   ｎ_ｉ＝位置ｉの屈折率、
   ｎ_ｃｌ＝外環のファイバ・クラッドの屈折率
   に従うことを特徴とするシングルモード光ファイバ。
3. 半径ｒ１、最大屈折率ｎ１を有する一重目の中心領域、及び少なくとも１つの、前記一重目の中心領域を包囲する二重目のリングを具えたシングルモード光ファイバであって、前記二重目のリングが半径ｒ２及び最小屈折率ｎ２を有し、ここにｎ２＜ｎ１であるシングルモード光ファイバにおいて、
   前記二重目のリング内では屈折率がほぼ一定であり、前記一重目の中心領域内では、半径方向の距離が前記中心領域の対称の中心軸から距離ｒ１まで増加すると共に、屈折率がｎ１からｎ１”まで減少し、この減少はほぼ直線的であり、次式：
   勾配＝（Ｄ１−Ｄ１”）／（ｒ１）、ここに、
   ０．１１＜勾配＜０．２２、そして、
   Ｄ_ｉ＝｛（ｎ_ｉ ^２−ｎ_ｃｌ ^２）／（２・ｎ_ｉ ^２）｝・１００％、かつｎ_ｉ＞ｎ_ｃｌ、ここに、
   Ｄ_ｉ＝位置ｉの屈折率コントラスト、
   ｎ_ｉ＝位置ｉの屈折率、
   ｎ_ｃｌ＝外環のファイバ・クラッドの屈折率、そして、
   ｎ１＞ｎ１”＞ｎ２、
   に従うことを特徴とするシングルモード光ファイバ。
4. 次式：
   ｒ１＜０．２５μｍ
   が成り立つことを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光ファイバ。
5. 半径ｒ２を有する前記二重目のリングを、半径ｒ３及び屈折率ｎ３を有する三重目のリングによって包囲し、ここにｎ３＜ｎ２、かつｒ３＞ｒ２であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のシングルモード光ファイバ。
6. 半径ｒ３を有する前記三重目のリングを、半径ｒ４及び屈折率ｎ４を有する四重目のリングによって包囲し、ここにｎ４＜ｎ３、かつｒ４＞ｒ３であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシングルモード光ファイバ。
7. 次式：
   ０．１３＜勾配＜０．１９
   が成り立つことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つ以上に記載のシングルモード光ファイバ。
8. 波長１５５０ｎｍにおいて、分散勾配が０．０７ｐｓ／ｋｍ^２から０．０９５ｐｓ／ｋｍ^２までの範囲にあることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つ以上に記載のシングルモード光ファイバ。
9. 波長１５５０ｎｍにおいて、分散値が８ｐｓ／ｋｍ以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つ以上に記載のシングルモード光ファイバ。
10. 波長１３００ｎｍにおいて、分散値が−８ｐｓ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つ以上に記載のシングルモード光ファイバ。
11. 波長１５５０ｎｍにおいて、有効面積が６０μｍ^２以上であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つ以上に記載のシングルモード光ファイバ。
12. ２ｍの長さを有するファイバについて測定したカットオフ波長が１２００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つ以上に記載のシングルモード光ファイバ。
13. 請求項１〜１２のいずれか１つ以上に記載のファイバを、１５５０ｎｍまたは１３００ｎｍのいずれの波長範囲内にもあり得るいくつかのチャンネル用の伝送媒体として使用することを特徴とするマルチチャンネル信号伝送用の光通信システム。

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