JP2008310328A - シングルモード光ファイバの曲げ不感性 - Google Patents

Abstract

【課題】曲げに対する敏感性を低減しつつ、標準のＳＭＦに適合するＡｅｆｆを持ち、かつ／あるいは高次横断モードを効果的に遮断するアクセスファイバの設計方法を提供する。
【解決手段】曲げ損失に比較的不感性である光ファイバは、基底横断モードでの光の伝播を保持し、導くように構成されるコア領域とクラッド領域とからなり、クラッド領域はコア領域よりも小さい屈折率を有する外側クラッド領域、コア領域と同等の屈折率を有する環状の台座領域、コア領域と台座領域との間に配され、外側クラッド領域よりも小さい屈折率を有する環状の内側溝領域、台座領域と外側クラッド領域との間に配され、外側クラッド領域よりも小さい屈折率を有する環状の外側溝領域を含む。さらに、ＨＯＭ抑制のために、台座領域がコア領域の少なくとも一つの異なる横断モードと台座領域の少なくとも一つの非基底横断モードとを共鳴的に結合するように構成される。本設計のファイバはアクセスファイバ、その他センサなどに好適に使用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、シングルモード光ファイバに関し、特にそのようなファイバの曲げに対する敏感性を低減することに関する。さらに、曲げに対する不感性に関してだけではなく、標準のシングルモードファイバへの効果的なモード適合、また／あるいは高次横断モードを効果的に遮断するファイバ設計に関する。

例えば、地上、海底およびメトロシステムに使われる標準のシングルモード光ファイバと違い、一般にユーザに近いところに位置しているアクセスファイバは、ファイバ ツー ザ ホーム（ＦＴＴＨ）、ジャンパケーブル、およびＦＴＴｘファイバ（例えば、ファイバツーザカーブ（ｆｉｂｅｒ-ｔｏ-ｔｈｅ-ｃｕｒｂ）、屋内配線）を含む。アクセスファイバは、アクセスされる場所（例えば、家庭、職場、あるいは他の施設）へ光信号を搬送する標準のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）と低損失で信頼性のある方法で中継するだけでなく、アクセスファイバアプリケーションの多くに特有の曲げの影響に比較的不感性がなければならない。

さらに具体的に言うと、標準のステップインデックス型ＳＭＦはコア径が約８μｍから約１１μｍのものが多い。実際、このタイプのＳＭＦは、国際電気通信連合の電気通信セクター勧告Ｇ．６５２に適合している。ＳＭＦ２８として知られるこのタイプの代表的なファイバは、ニューヨーク州コーニングにあるコーニング社（社名、商標）から商業的に入手可能である。この範囲の直径と約０．００５−０．００７のコア−クラッド屈折率差では、そのようなＳＭＦは一般に波長約１３００ｎｍで約６０−７０μｍ^２、波長約１５５０ｎｍで約８０−９０μｍ^２の有効基準横断モードフィールド断面積（Ａ_ｅｆｆ）を有する。そのようなＳＭＦとアクセスファイバを効率よく結合（接合）するために、アクセスファイバのＡ_ｅｆｆは現実的に可能な限りＳＭＦのそれに近くなければならない。

しかし、さらにアクセスファイバは、例えば壁の角付近、および配管あるいはダクト中で曲げられなければならない。ある種の用途においては、アクセスファイバに要求される曲げ半径は約５−１５ｍｍである。しかし、ファイバがそれほど厳しく曲げられると、光損失が許容できないレベルまで増加する可能性がある。特に、同じファイバが過度に曲げられると、ファイバがまっすぐな（あるいはわずかに曲げられた）場合はシステムの規格内にある標準ＳＭＦの基底横断モードの光損失が高くなり、規格から外れることがしばしばある。さらに、光信号がさらに高次の横断モード（ＨＯＭ）を含んでいると、そのようなＨＯＭによってもたらされる曲げ損失は基底横断モードによるものよりもより高くなる。

しかし、自然の成り行きとして、標準のＳＭＦのＡ_ｅｆｆに適合するＡ_ｅｆｆ有し、かつ／あるいはＨＯＭを効果的に遮断するアクセスファイバの設計は、一般的なアクセス環境での低い曲げ損失を達成する設計と矛盾する。

したがって、半径約５−１５ｍｍに曲げられるときに曲げ損失が比較的低く、同時に標準ＳＭＦのＡ_ｅｆｆに適合するＡ_ｅｆｆを有し、かつ／あるいはＨＯＭを効果的に遮断するアクセスファイバの設計技術に対するニーズがいまだにある。
これ以降、「モード（ｍｏｄｅ）」という用語は「横断モード」を意味し、「インデックス（ｉｎｄｅｘ）」および「インダイシス（ｉｎｄｉｃｅｓ）」という用語は屈折率を意味する。

本発明の一実施例により、曲げ損失に比較的不感性である光ファイバは、基底横断モードでの光の伝播を保持しかつ導くように構成されるコア領域とクラッド領域とからなり、クラッド領域は、（ｉ）コア領域の屈折率よりも小さい屈折率を有する外側クラッド領域と、（ｉｉ）外側クラッド領域の屈折率よりも高く、コア領域の屈折率と同等の屈折率を有する環状のクラッド台座領域と、（ｉｉｉ）コア領域と台座領域との間に配され、外側クラッド領域の屈折率よりも小さい屈折率を有する環状のクラッド内側溝領域と、（ｉｖ）台座領域と外側クラッド領域との間に配され、外側クラッド領域の屈折率よりも小さい屈折率を有する環状のクラッド外側溝領域とを含む。さらに、ＨＯＭを抑制するために、台座領域が、コア領域の少なくとも一つの異なる横断モードと台座領域の少なくとも一つの非基底横断モードとを共鳴的に結合するように構成される。

本発明に従って設計されたファイバは、比較的低い曲げ敏感性を有し、アクセスファイバとして好適に使用されるが、センサあるいは乗り物に使われるファイバなど、その他に使われてもよい。
添付の図を参照した以下の議論により、本発明の特徴や実施例を明らにする。なお、これらの図面中の構成要素は必ずしも寸法通りではない。

一般的に実用化される光アクセスファイバの設計は、３つの互いに関連する項目、即ち（ｉ）所定の範囲（例えば、５−１５ｍｍ）内での曲げ半径に対する相対的に低い曲げ損失（つまり、低い曲げ敏感性）、（ｉｉ）ＨＯＭの抑制（つまり、抑制されるべきＨＯＭの比較的低いカットオフ波長）および（ｉｉｉ）標準ＳＭＦに適合するモード断面積（例えば、上記コーニングから商業的に入手可能なＳＭＦ２８のような標準ファイバとの良好なコネクタ接続および／あるいは接合）に対する考慮を伴う。

光ファイバ設計 − 曲げ不感性の考察
図１Ａおよび１Ｂにおいて、本発明の一つの特性として光ファイバ１０は、比較的低い曲げ損失を有し、いろいろなアクセスあるいはセンサファイバとしての応用に適している。ファイバ１０は、クラッド領域１４に囲まれたコア領域１２を含み、コアおよびクラッド領域は、基本的にコア領域１２の中心に位置する長さ方向の軸１６に沿う軸方向への光（放射）の伝播を保持し導くように構成される。

コア領域１２は円形の断面を持つように図示されているが、それは多くの場合好ましい形状であって、楕円形のような他の断面形状であってもよい。一般にモードサイズはＡ_ｅｆｆによって特徴づけられるが、円形のコア断面を持つ一般的なＳＭＦについてはモードフィールド径（ＭＦＤ）が使われてもよい。

このタイプのファイバは、一般にガラス（例えば、シリカ）で作られ、コア領域およびクラッド領域の屈折率はファイバの製造中に添加されるドーパントの量およびタイプ（例えば、Ｐ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｆ）によってコントロールされ、それは技術的によく知られていることである。これらの屈折率は、コア／クラッド領域の厚さ／直径と同様、以下に議論されるようにファイバの重要なオペレーションパラメータを決定する。

本発明の一実施例により、クラッド領域１４は、環状の外側クラッド領域１４．４、環状で屈折率の高い台座領域１４．１、コア領域１２．１と台座領域１４．１の間に配される環状で屈折率の低い内側溝領域１４．２、および台座領域１４．１と外側クラッド領域１４．４の間に配される環状で屈折率の低い外側溝領域を含む。台座領域１４．１の屈折率（ｎ_ｐｅｄ）は、外側クラッド領域１４．４の屈折率（ｎ_ｏｕｔ）よりも高い。さらに、内側および外側溝領域の屈折率（ｎ_ｔｒｉ、ｎ_ｔｒｏ）は、外側クラッド領域１４．４の屈折率よりも低く、即ち、ｎ_ｐｅｄ＞ｎ_ｏｕｔ、ｎ_ｔｒｉ＜ｎ_ｏｕｔであり、かつｎ_ｔｒｏ＜ｎ_ｏｕｔである。以下に議論されるように、一般にファイバ１０、および特に台座領域１４．１はあらかじめ選択されたＨＯＭを抑制するように構成される。

一実施例において、コア領域１２は、環状の外側コア領域（あるいは棚領域）１２．２により半径方向に囲まれた内側コア領域１２．１を含む。内側コア領域１２．１の屈折率は、外側コア領域１２．２の屈折率よりも大きく、即ち、ｎ_ｃｏｒｅ＞ｎ_ｓｈｌｆである。棚領域１２．２は任意選択であるが、ある場合には好ましいものである。棚領域が省略される設計においては、コア領域１２は単に内側コア領域のみを含み、内側溝領域１４．２の厚さは省略された棚領域の幅だけ増やされる。以下に議論されるように、どちらの場合でもコア領域１２は、標準ＳＭＦの基底モードに適合する基底モードＡ_ｅｆｆを形成するように構成される。

もちろん、曲げ損失は可能な限り低くあるべきである。特に、約５−１５ｍｍの範囲のいかなる曲げに対しても、曲げ損失は、重要なオペレーション波長（例えば、１３００ｎｍ、１５５０ｎｍ、および１６５０ｎｍ）において標準ＳＭＦの曲げ損失よりも低くあるべきである。このために、少なくとも一つの溝領域１４．２、１４．３（好ましくは両方）は、標準ＳＭＦの屈折率差よりも合計で大きな屈折率差を備えるべきである。例えば、ＳＭＦ２８は合計屈折率差が約０．００５である。本発明の一実施例によれば、ファイバ１０の合計屈折率差は式（１）、（２）により与えられる。

及び／または、

さらに、外側クラッド領域１４．４と外側溝領域１４．３との間の境界１４．５は５−１５ｍｍの曲げ半径に対して半径が約１７−２３μｍの範囲にあるべきであり、コアと台座領域の屈折率は同程度であり、それは式（２ａ）で与えられる。

光ファイバ設計−モード整合に関する考察
アクセスファイバを使う際、多くの場合アクセスファイバを標準のシングルモードファイバに接合する、あるいは別の方法により連結する必要があるので、アクセスファイバのＡ_ｅｆｆが標準のＳＭＦ（例えば、上記コーニングから入手可能な標準ＳＭＦ２８）のＡ_ｅｆｆと整合が取れていることが重要である。実際問題として、この必要条件は、アクセスファイバは事実上シングルモードであるべきであり、約１５５０ｎｍの信号波長でＡ_ｅｆｆが約８０−９０μｍ^２であり、約１３００ｎｍの信号波長でＡ_ｅｆｆが約６０−７０μｍ^２であるべきということを意味する。同様に、円形の断面を有するアクセスファイバのコア領域に対しては、アクセスファイバはコア直径が約８−１１μｍであるべきである。

ファイバ１０のＡ_ｅｆｆは主として２つのパラメータ、即ちコア領域１２．１と内側溝領域１４．２との屈折率差Δｎ、つまりΔｎ＝（ｎ_ｃｏｒｅ−ｎ_ｔｒｉ）と、コア領域１２の半径方向の幅あるいはコア面積、つまり円形断面の場合にはコア領域の直径Ｄ、しかし例えば楕円形断面の場合にはコア面積、によりコントロールされる。より具体的には、図２に示されるように、与えられたＤに対して屈折率差がΔｎ_２からΔｎ_１まで減少するとき、基底モードフィールドの制限は減少、つまり、Ａ_ｅｆｆが増加するということを意味する。しかし、モード制限の減少は、特にファイバが著しく曲げられる（例えば、曲げ半径が５−１５ｍｍ）時にファイバがより低品質の導波路となってしまい、光損失が増加することを意味する。一方、図３に示されるように、与えられたΔｎに対して、コア領域１２の直径がＤ_１からＤ_２まで増加するとき、Ａ_ｅｆｆは（ほぼ比例して）増加するが、サポートされるＨＯＭの数もまた増加する。一般にＨＯＭ中に大きなエネルギーが存在することは好ましいことではなく、例えば、ファイバが曲げられると光損失が増加する。

外側コア領域（あるいは棚）１２．２が省略されている図１の実施例において、合計屈折率差（つまり、ｎ_ｃｏｒｅ−ｎ_ｔｒｉ、あるいはｎ_ｃｏｒｅ−ｎ_ｔｒｏ、あるいはその両方）は依然として不等式（１）および／あるいは（２）を満たすべきであり、コア幅（例えば、直径Ｄ）はおおよそ式（３）の範囲にあるべきであり、

外側クラッド領域１４．４の屈折率はおおよそ式（４）を満たすべきである。

この差分があまりにも大きいと、ＨＯＭがコア領域内に生じる傾向にある。しかし、それは以下の節に述べられる設計を用いて抑制される。

曲げ損失の低減と標準ＳＭＦのＡ_ｅｆｆへのＡ_ｅｆｆの整合という対立する要求に対処する他のファイバ設計が、同じく図１に示される。より具体的には、コア領域１２は、図１に示されるように、内側コア領域１２．１を取り囲む薄くてより屈折率が低い環状の棚領域１２．２を含む。棚領域１２．２は、Ａ_ｅｆｆが標準ＳＭＦのＡ_ｅｆｆと整合するように増加することを可能にする。棚領域１２．２は、内側コア領域１２．１の直径Ｄよりも少ない厚さｔ_ｓｈｌｆを有する。つまり、Ｄ＞＞ｔ_ｓｈｌｆでありＤ＝８−１１μｍであるとき、おおよそ式（５）である。

さらに、棚領域１２．２の屈折率ｎ_ｓｈｌｆは内側コア領域１２．１の屈折率よりも小さく、即ちｎ_ｃｏｒｅ＜ｎ_ｓｈｌｆである。一般に、おおよそ（ｎ_ｃｏｒｅ−ｎ_ｓｈｌｆ）＜０．００７であり、標準ＳＭＦの屈折率差（０．００５）と同等である。好ましくは、ｎ_ｓｈｌｆは以下の不等式（６）、および（６ａ）をおおよそ満足し、Ｄは約９−１０μｍの範囲にある。

上記のコア領域の詳細な設計はモード整合だけでなくＨＯＭの抑制をも容易にするが、それは以下の節で議論される。

光ファイバ設計−ＨＯＭに関する考察
ＨＯＭを抑制するために、ファイバ１０のクラッド領域１４はクラッド領域の残りの部分よりも高い屈折率ｎ_ｐｅｄを持つ台座領域１４．１を含み、即ち、台座領域１４．１は、より屈折率の低い（ｎ_ｔｒｉ）内側溝領域１４．２と、より屈折率の低い（ｎ_ｔｒｏ）外側溝領域１４．３によって半径方向に囲まれている。さらに、それは外側クラッド領域１４．４の屈折率（ｎ_ｏｕｔ）よりも高い屈折率を有する。

台座領域１４．１は、その非基底（リング）モードの少なくとも一つがコア領域１２の少なくとも一つのＨＯＭと共鳴的に結合するように構成される。図４Ａの簡単化した屈折率プロファイルに示されるように、（具体的に１^ｓｔ高次モードとして描かれている）コア領域１２のＨＯＭ１８は、好ましくは台座領域１４．１の非基底モード２０と共鳴的であり、それに対してコア領域の基底モード２２は、台座領域のどのようなモードとも共鳴的ではない。非基底モード２０は、一般に台座領域１４．１の最低次非基底リングモードである。

「共鳴的」あるいは「共鳴的に結合」という用語により、コア領域のモードの有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）が台座領域の非基底モードの屈折率と本質的に等しいということを意味する。したがって、コア領域１２の１^ｓｔ高次モード１８のｎ_ｅｆｆ１８．１が台座領域１４．１の非基底モード２０のｎ_ｅｆｆ２０．１と本質的に等しく、それはＨＯＭ１８のエネルギーがコア領域から台座領域の非基底モード２０に移動あるいは結合し（矢印２４）、そこから外側クラッド領域１４．４の中に放射することを可能にする（矢印２６は漏れやすいクラッドモードを経るそのような放射を示していて、それは通常存在する）。ファイバに沿って適当な距離を伝播した後、この共鳴的な移動と放射の過程がコア領域のＨＯＭ１８を有効に抑制する。それに対して、コア領域の基底モード２２のｎ_ｅｆｆ２２．１は台座領域のどのようなモードのｎ_ｅｆｆにも対応しない。結果として、基底モード２２はコア領域を効果的に伝播し、そのエネルギーが台座領域へ共鳴的に伝播するということは生じない（×矢印２８）。

コア領域モードと非基底台座領域モードとが本質的に等しい屈折率を有する条件は、例えばコア領域のＨＯＭの屈折率１８．１と台座領域の非基底モードの屈折率２０．１とがこれらのモード間での光の結合が著しく妨げられるほどには違っていないということを意味する。本発明の好ましい実施例において、屈折率１８．１と２０．１との間の差は、コアの基底モードの屈折率２２．１と台座の非基底モードの屈折率２０．１との差よりもより少ない。

抑制されるべきコア領域モードと共鳴的な台座領域モードとの間の適切な結合は、後者の台座モードが前者のコアモードへ結合することを低減する必要性もまた考慮されるべきである。

さらに、ファイバ１０は、不要なコアモードが台座モードを通して効果的に漏れることを可能にするように構成されるべきである。より具体的には、環状クラッド領域１４．１の漏れの割合はコア領域１２から外側クラッド領域１４．４の放射への直接的な漏れの割合よりも多くあるべきである。そのために、外側溝領域１４．３の幅あるいは厚さｔ_ｔｒｏは好ましくは内側溝領域１４．２のｔ_ｔｒｉにおおよそ等しく、それは式（７）で表される。

さらに、コア領域と台座領域との間の結合は、望むコアモードが乱されるほどに大きくてはいけない。その一方で、コア領域と台座領域との間の結合は、不要なコアモードが抑制されるべき台座の非基底モードと十分に結合しないほど小さくてはいけない。次に、台座モードの漏れの割合は、コアと台座領域との間の結合が妨げられるほど（つまり、不十分）に大きくてはいけない。最後に、不要なコアモードの損失があまりにも小さ過ぎ効率よく抑制されないほど台座モードの漏れの割合が小さくてはいけない。

これらの設計理論を堅持すると、例えばコア領域１２において基底モード２２が効率よく伝播されることが保障され、それに対してＨＯＭ１８は効果的に抑制される。ＨＯＭが抑制される（あるいは遮断される）ために必要な程度は、個々の用途に依存する。すべての、あるいは完全な抑制は多くの用途において要求されておらず、それは比較的低い強度のＨＯＭが引き続き存在することが許されることを意味する。どのような場合でも、ＨＯＭを抑制することは、例えば全挿入損失を低減すること、信号モードのノイズを低減すること、および微小曲げ損失を低減することによってシステムの性能を改善する。

図４Ａのファイバの曲げの影響が図４Ｂに示される。曲げる前の屈折率プロファイル４Ａはプロファイル４Ｂで示されるように歪み、その結果、台座領域１４．１の非基底モード２０のｎ_ｅｆｆ２０．１ｂの増加をもたらす。もし曲げ半径が十分に小さいと、非基底クラッドモード２０は矢印３０で示されるようにコア領域１２の基底モード２２と共鳴的になる。そのような共鳴は不都合なことに基底コアモード２２の光損失を増加させる。したがって、台座領域１４．１は、基底コアモード２２が何らかのクラッドモード、特に非基底クラッドモード２０と共鳴的になることなく、期待する曲げ半径に対応するように構成される必要がある。

上記の共鳴的結合（屈折率適合）の理論は、不要な多重コアモードを台座領域のシングル非基底モードと共鳴的に結合させる、あるいはそれぞれのコアモードが離れた台座モードと共鳴的である一つあるいは複数の台座領域の異なる非基底モードと共鳴的に結合させることにより抑制することにも適用できる。

ファイバ設計理論
ファイバ１０の設計において重要なパラメータは、内側コア領域１２．１の屈折率（ｎ_ｃｏｒｅ）と半径（ｒ_ｃｏｒｅ＝Ｄ／２）、（もし存在すれば）環状コア（棚）領域１２．２の屈折率（ｎ_ｓｈｌｆ）と厚さ（ｔ_ｓｈｌｆ）、台座領域１４．１の屈折率（ｎ_ｐｅｄ）、半径（ｒ_ｐｅｄ）と厚さ（ｔ_ｐｅｄ）、外側溝領域１４．３の屈折率（ｎ_ｔｏｒ）と厚さ（ｔ_ｔｒｏ）、および内側溝領域１４．２の屈折率（ｎ_ｔｒｉ）と厚さ（ｔ_ｔｒｉ）である。

一般的な低い曲げ損失と高いＡ_ｅｆｆ要求を満足することはトレードオフの関係にある。低い曲げ損失は高い屈折率差を意味するのに対し、高い屈折率差は低いＡ_ｅｆｆを意味する。一つの妥協点は（棚領域と比較して）低い屈折率差のコア領域を持つことである。先に述べたように、この条件は不等式（６）を満たす（ｎ_ｃｏｒｅ−ｎ_ｓｈｌｆ）に帰結する。具体的には、（ｎ_ｃｏｒｅ−ｎ_ｓｈｌｆ）〜０．００５である。さらに、内側溝領域１４．２はＡ_ｅｆｆにそれほど影響を与えず、それは（もし存在するならば）棚領域１２．２はそれほど薄くないことを意味し、不等式（５）を満足する。

それに対して、曲げ損失の観点からは内側溝領域１４．２の厚さと屈折率は非常に重要である。内側溝領域の幅（あるいは厚さ）を増すことは曲げ損失を減少させるが、また不要なＨＯＭの存在を増加させる傾向がある。

ＨＯＭの存在は、例えば多重経路の干渉により性能を著しく損なう可能性がある。したがって、ＨＯＭ抑制に関わる本ファイバ設計の観点は、同時に他の電気通信システムの要求を満足する低曲げ損失ファイバを達成するための重要な要素でもある。先に議論されたように、一般にＨＯＭは抑制されるべき高次（例えば１次）コアモードと非基底台座リングモードとの間の共鳴条件を満足することによって抑制され、それはこれら二つのモードの有効屈折率が互いにほぼ等しいということである。この点について、内側コア領域の半径に対する台座領域の厚さの比ｔ_ｐｅｄ／ｒ_ｃｏｒｅと同様、内側コア領域１２．１と台座領域１４．１との間の屈折率の差（ｎ_ｃｏｒｅ−ｎ_ｐｅｄ）に特に注意が払われるべきである。ｎ_ｃｏｒｅ〜ｎ_ｐｅｄに対して、この屈折率適合条件は約２−４μｍの範囲のｔ_ｐｅｄによって満足される。屈折率適合は、一般にｎ_ｃｏｒｅ＜ｎ_ｐｅｄであればより小さな厚さｔ_ｐｅｄ、ｎ_ｃｏｒｅ＞ｎ_ｐｅｄであればより大きなｔ_ｐｅｄを必要とする。

曲げ損失は曲げ半径にも関係していて、つまり一般に曲げがきついほど（より小さな曲げ半径）光損失が高くなる。しかし、先に議論されたように、基底コアモードが基底台座モードと共鳴的になる臨界曲げ半径（ｒ_ｃｒｉｔ）が存在する。台座（リング）モードのリングモード屈折率は式（８）で与えられる量だけずれる。

ここでｃはおおよそ式（９）で与えられる定数である。

臨界半径（ｒ_ｃｒｉｔ）は、Δｎ_ｐｅｄが基底コアモード２２．１（図４Ａ）と高次コアモード１８．１（図４Ａ）との間のモード間隔Δｎ_ｍｓに等しい半径ｒ_ｂｅｎｄとほほ同じである。

ｒ_ｂｅｎｄ＝ｒ_ｃｒｉｔにおいて基底コアモードの光損失はきわめて高く、それは基底コアモードが効果的に抑制され、きわめて望ましくない状況である。この問題を緩和するために、台座領域１４．１の半径（ｒ_ｐｅｄ）が低減されて、運用に必要な曲げ半径が臨界半径よりも大きくなるまで、より小さい臨界曲げ半径とすることが出来る。

実験結果
これらの例は、コア領域１２が内側コア領域１２．１と内側コア領域を半径方向に取り囲む環状のコア領域１２．２の両方を含む本発明の具体的実施例により、曲げ不感性プリフォームから線引きされるシリカ光ファイバだけでなく、そのプリフォームについても述べている。よく知られたＭＣＶＤがシリカガラスからファイバを製造するために使われ、内側コア領域１２．１にＧｅ、環状コア領域１２．２にＦ、内側溝領域１４．２にＦ、台座領域１４．１にＧｅ、および外側溝領域１４．３にＦがドープされた。外側クラッド領域１４．４はドープされなかった。線引きした状態のファイバは図５および６に示される屈折率差プロファイルを有していた。目標のプロファイルは点線Ｉ、およびＩＩＩで示され、それに対して実際のプロファイルは実線ＩＩおよびＩＶで示される。半径方向の位置軸（横座標）は、いろいろなファイバ構成要素である内側コア領域、棚領域、溝領域、および台座領域の実際の厚さ／半径を与える。

さまざまな材料、寸法、および動作条件は単に例示のために提供されており、明示的に述べられていない限り発明の範囲を限定するものではない。

例Ｉ（サンプル ＰＷ０６０２１７）
この例においては、ファイバプリフォームは直径１８．８ｍｍであり、線引きされたファイバは外径（ＯＤ）が１１９μｍあるいは１２５μｍのいずれかであった。いろいろな半径方向要素は表１の厚さ／半径および外側クラッド領域に対する屈折率差（Δｎ）を有していた。

二つのファイバはそれらのカットオフ波長、（曲げ半径５ｍｍ、および波長１６５０ｎｍにおける）曲げ損失、および（波長１５５０ｎｍにおける）ＭＦＤに関して表２のような特性であった。

このファイバは比較的高いカットオフ（カットオフ波長１５０５ｎｍ、信号波長１５５３ｎｍ）にも関わらず予備的なＣＡＴＶ試験で機能的な障害を示さなかった。

この場合、不等式（１０）により与えられる条件ｒ_ｂｅｎｄ＞ｒ_ｃｒｉｔは以下のように満足される。定数ｃ＝０．８−１．０の値によってｒ_ｃｒｉｔは４．６−５．８ｍｍの範囲にあるように計算される。よりよい評価ｃ＝０．８を用いて、ｒ_ｃｒｉｔ＝４．６ｍｍが得られ、それはｒ_ｂｅｎｄ＝５ｍｍよりも小さい。予想通り、ｒ_ｂｅｎｄが５ｍｍより小さくなるとこのファイバの性能は急速に低下した。（係数ｃ＝０．８は公知技術である応力修正を含むのでより優れている。）

例Ｉのファイバは不等式（６）により規定される条件を満足しないことに気がつく。しかし、例ＩＩはそれを満足し、一部改善された性能を示す。

例ＩＩ（サンプル ＰＷ０６１１２８）
この例ではファイバプリフォームの直径は１９ｍｍであり、線引きされたファイバの外径（ＯＤ）は１２５μｍであった。いろいろな半径方向要素は表３の厚さ／半径および外側クラッド領域に対する屈折率差（Δｎ）を有していた。

このファイバはそのカットオフ波長、（曲げ半径６．２５ｍｍ、および波長１５５０ｎｍにおける）曲げ損失１ｄＢ／ｍ、および（それぞれ波長１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍにおける）８．６μｍおよび９．２μｍのＭＦＤに関して以下のような特性であった。

このファイバは、例１のいずれのファイバよりも著しく低いＩＴＵ−２ｍ測定法によるカットオフ波長１３０４ｎｍを有していた。一部の顧客は、一般に、より大きなＭＦＤおよび／あるいはカットオフ波長＜１２６０ｎｍを要求し、それは曲げ損失を犠牲にして得られる。以下の例ＩＩＩはそのようなファイバ設計を扱う。

１３２０ｎｍにおいて、ファイバはＩＴＵ Ｇ．６５２の１３１０ｎｍにおいて＞８．６μｍというＭＦＤの必要条件に匹敵する。
このファイバはＣバンドにおいて無視できるほどのＭＰＩ（多重経路干渉）も示した。
ドーパント拡散を伴う接合：１５５０ｎｍにおいて＜０．５ｄＢ／接合。
コネクタ接続：０．０５ｄＢ＜過剰損失＜０．１ｄＢ。この過剰損失は採用されるコネクタ接続技術／設計によってもたらされる損失に起因すると考えられる。

例ＩＩＩ
この例は、ある種のシステム用途におけるＭＦＤのより厳しいカットオフ要件を満足すると期待されるファイバ設計について述べる。いろいろな半径方向要素は、表４の厚さ／半径および外側クラッド領域に対する屈折率差（Δｎ）を有していた。

ファイバは、そのより厳しいカットオフ波長、（曲げ半径７．５ｍｍにおける）曲げ損失、およびより厳しいＭＦＤに関して特性化するとき、外径（ＯＤ）が１２５μｍであるファイバについてすでに行われたシミュレーションに基づいて以下の結果が期待される。それぞれ、カットオフ１２６０ｎｍ、１５５０ｎｍにおける曲げ損失＜０．４ｄＢ／ｍ、および１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍにおけるＭＦＤが８．９μｍおよび９．６μｍ。

特に、本発明はいろいろなファイバ寸法がどのように制限損失に影響を与え、したがって環状領域からコア領域に結合する光エネルギーの量を減少させるかについて述べたが、同様の結果を得るために他の方法、例えば吸収、散乱、ファイバの曲げ、モード結合、あるいは利得などの利用があることは当業者には明らかであろう。さらにこれらの技術は個々に、あるいは他と組み合わせて使われてもよい。

さらに、具体的に高度に一般化された本発明のアクセスファイバの利用が図７に示される。ここで、入力ファイバ（例えば、標準のＳＭＦ７０）は光源７２（例えば、伝送システム）から施設７４（例えば、業務あるいは家庭用の建物）に光信号を搬送する。具体的には、ＳＭＦ７０がアクセスファイバ７６に接合され、それが施設内あるいは関連する位置に配される利用機器あるいは装置７８に信号を搬送する。ＳＭＦ７０とアクセスファイバ７６は、一般に施設７４の壁７４．１に置かれる接続箱７７で互いに接合される。しかし、接続箱は施設内、あるいはその屋外の他の場所に配されてもよい。どちらの場合でも一般にアクセスファイバ７６は利用装置７８へのまっすぐな配線経路がない。むしろ、多くの場合それは一つ以上の障害物７９の周りを進まねばならず、それはしばしば少なくとも一つの曲がり部分７６．１があることを意味する。先に述べたように、そのような曲がり部分はファイバの曲げ半径が約５−１５ｍｍである過剰な曲げであるかもしれない。本発明のアクセスファイバのモード整合特性は、それらがＳＭＦに効果的に接合され、同様に過剰な曲げ損失を生じることなく障害物の周りに曲げられることを可能にする。あるいは、ＳＭＦ７０は出力ファイバ、または入力および出力ファイバの両方であってもよい。したがって、一般にＳＭＦ７０は入力／出力ファイバとして扱われてもよい。

最後に、出願人は本発明のファイバのアクセス用途への利用を強調したが、これらのファイバの低減された曲げ敏感性は、それらを例えばセンサ、あるいは乗り物（例えば、自動車、航空機、列車、ボート）での利用に魅力的であることを表している。

上に述べた構成は、本発明の理論の応用を説明するために考案され得る多くの可能性のある具体的実施例の単なる例示であり、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、これらの理論に基づく多くの改良、かつ変形された他の構成が考案され得るものであり、またそのような改良、変更は添付してある請求の範囲内に含まれるものであることを当業者は理解するべきである。

Ａは、本発明の一実施例による光ファイバの断面図であり、ＢはＡのファイバの屈折率プロファイルの図解グラフである。 Ａ_ｅｆｆがコア領域の屈折率差（Δｎ）によってどのように変化するかを示すステップインデックスファイバ（ＳＩＦ）の屈折率プロファイルの図解グラフである。 Ａ_ｅｆｆがコア領域の幅（例えば、直径、Ｄ）によってどのように変化するかを示すＳＩＦの屈折率プロファイルの図解グラフである。 高次モード（ＨＯＭ）を抑制するための環状のクラッド領域を有するＳＩＦの屈折率プロファイルの図解グラフであり、Ａはまっすぐなファイバの場合、Ｂは曲がったファイバの場合を示す。 図１Ａおよび１Ｂの設計により製造されたファイバの屈折率プロファイルのグラフである。 図１Ａおよび１Ｂの設計により製造された別のファイバの屈折率プロファイルのグラフである。 本発明によるアクセスファイバの一般的な用途を示す概略構成図である。

符号の説明

１０ 光ファイバ
１２ コア領域
１２．１ 内側コア領域
１２．２ 外側コア領域（棚領域）
１４ クラッド領域
１４．１ 台座領域
１４．２ 内側溝領域
１４．３ 外側溝領域
１４．４ 外側クラッド領域
１４．５ 境界
１８ ＨＯＭ
１８．１ ＨＯＭの屈折率
２０ 非基底モード
２０．１ 非基底モードの屈折率
２２ 基底モード
２２．１ モードの屈折率
７０ 標準ＳＭＦ
７２ 光源
７４ 施設
７６ アクセスファイバ
７６．１ ファイバの曲がり部分
７７ 接続箱
７８ 利用設備

Claims (20)

1. 長さ方向の軸を有するコア領域と、前記コア領域を取り囲むクラッド領域とを含み、前記軸方向に前記コア領域内を基底横断モードで光の伝播を保持し且つ導くように前記コアおよびクラッド領域が構成された光ファイバにおいて、
   前記クラッド領域が、
   外側クラッド領域の屈折率よりも高く且つ前記コア領域の屈折率と同等の屈折率を有する台座領域と、
   前記外側クラッド領域の屈折率よりも小さい屈折率を有する、前記コア領域と台座領域との間に配された環状の内側溝領域と、
   前記外側クラッド領域の屈折率よりも小さい屈折率を有する、前記台座領域と前記外側クラッド領域との間に配された環状の外側溝領域とを含み、
   前記台座領域が、前記コア領域の少なくとも一つの他の横断モードを前記台座領域の少なくとも一つの非基底横断モードに共鳴的に結合するように構成される、光ファイバ。
2. 前記コア領域および前記台座領域の屈折率が互いに約０．００３の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
3. 前記コア領域と前記溝領域の少なくとも一つとの間の屈折率差が約０．００７よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
4. 前記コア領域が約８μｍから約１１μｍの範囲の半径方向の幅を有し、かつ前記コア領域と前記溝領域の少なくとも一つとの間の屈折率の差が約０．００８から約０．０１２の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載のファイバ。
5. 前記台座領域の半径方向厚さが約２μｍから約４μｍであることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
6. 前記外側クラッド領域と前記外側溝領域との間の境界が半径約１７μｍから約２３μｍの位置にあることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
7. 前記コア領域と前記外側クラッド領域との間の屈折率の差が約０．００３から約０．００６の範囲にあることを特徴とする請求項１のファイバ。
8. 前記台座領域が前記コア領域と前記外側クラッド領域との間のほぼ半径方向において中間に配されることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
9. ｒ_ｏｕｔが前記外側溝領域と前記外側クラッド領域との間の境界の半径方向の距離、ｒ_ｐｏｄが前記台座領域の半径、ｒ_ｃｏｒｅが前記コア領域の幅であるときに、０．５＜（ｒ_ｏｕｔ−ｒ_ｐｅｄ）／（ｒ_ｐｅｄ−ｒ_ｃｏｒｅ）＜２．０であることを特徴とする請求項８に記載のファイバ。
10. 約１３００ｎｍの動作波長において約６０μｍ^２から約７０μｍ^２であり且つ約１５５０ｎｍの範囲の動作波長において約８０μｍ^２から約９０μｍ^２のモードフィールド断面積で前記基底モードを導くように、前記コア領域の幅および前記コア領域の屈折率が構成されることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
11. 前記コア領域の前記他の横断モードの有効屈折率と前記台座領域の当該横断モードの有効屈折率とが互いに本質的に等しいことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
12. 前記台座領域が、前記コア領域の横断高次モードを前記台座領域の非基底横断モードに共鳴的に結合するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
13. 前記コア領域と前記台座領域とが、前記台座領域から前記コア領域への光エネルギーの流れを低減するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
14. 前記コア領域と前記台座領域とが、前記台座領域から前記外側クラッド領域の中に光エネルギーを漏れ出させるように構成されることを特徴とする請求項１３に記載のファイバ。
15. 前記ファイバがある波長範囲にわたって動作するように構成され、前記コアおよび台座領域の前記共鳴的横断モードの有効屈折率が前記範囲内の多数の波長において本質的に等しいことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
16. 前記台座領域が、前記コア領域の多重横断モードを前記台座領域の少なくとも一つの非基底横断モードに共鳴的に結合するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
17. アクセスされる施設へ、またはアクセスされる施設から信号光を搬送するシングルモード光入力／出力ファイバと、
    前記施設内に配される利用機器と、
    前記入力／出力ファイバを前記利用機器に結合する請求項１に記載のアクセスファイバとを含むアクセスシステムであって、
    前記アクセスファイバが、前記入力／出力ファイバのモードフィールド断面積に本質的に等しいモードフィールド断面積を有するように構成される、アクセスシステム。
18. 前記アクセスファイバが、ｃｎ_ｐｅｄｒ_ｐｅｄ／Δｎ_ｍｏｄｅで与えられる臨界半径よりも大きな曲げ半径を有する少なくとも一つの曲がったファイバ部分を含み、ここで、ｃは約０．８から約１．０の範囲にある定数、ｎ_ｐｅｄは前記台座領域の屈折率、ｒ_ｐｅｄは前記台座領域の半径であり、かつΔｎ_ｍｏｄｅは前記コア領域の基底横断モードと一次の横断モードとの間の有効屈折率差であることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
19. 前記曲げ半径が約５ｍｍから約１５ｍｍの範囲にあることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
20. 前記コア領域が内側コア領域と前記内側コア領域を取り囲む環状の外側コア領域とを含み、前記外側コア領域の屈折率が前記内側コア領域の屈折率よりも小さく、前記外側コア領域の厚さが前記内側コア領域の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。

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