JP4101429B2 - Multimode optical fiber with higher-order mode rejection - Google Patents

Description

【０００５】
で表し、光の波長をλとすると、正規化周波数Ｖが以下の式（２）で表される。
【０００６】
【数２】

【０００７】
そして、この正規化周波数Ｖが、ある一定値以下の値であれば、唯一のＬＰモードが伝搬可能な単一モード条件が保証される。
ここで、ＬＰモード（直線偏波モード：Linearly Polarized Mode）について説明する。
光ファイバのコアを伝搬するモードを伝搬モード、クラッドを伝搬するモードをクラッドモードという。クラッドモードは所定距離伝搬すると、クラッド外に放射され、減衰する。
伝搬モードは、厳密には、ＴＥ、ＴＭ、ＨＥ、ＥＨなど、電磁界のベクトルの方向として、様々な方向成分を持つモードからなる。しかし、ある近似のもと、具体的には、コア−クラッド間の非屈折率差が小さいという条件のもとでは、ファイバ断面内に直交二軸をとるとき、どちらか一方の方向の電界ベクトルしか持たないところのＬＰモードによって、光の伝搬状態を近似することができる。一般には、前記コア−クラッド間の相対屈折率差が１％以下と言われているが、若干の誤差を許せば、屈折率差３％程度までは近似が成立すると考えられる。
ＬＰｍｎモードと厳密界のモードとの対応は、以下のようになる。
ＬＰ０１モード＝ＨＥ１１モード
ＬＰ１１モード＝ＴＥ０１モード、ＴＭ０１モード、ＨＥ２１モード
ＬＰ２１モード＝ＥＨ１１モード、ＨＥ３１モード
ＬＰ０２モード＝ＨＥ１２モード
・・・
【０００８】
ステップ型の単一モードファイバにおいては、Ｖ＜＝２．４０５となるときが、いわゆる最低次モード（基本モード、すなわちＬＰ０１モード）のみがコアを伝搬する単一モード条件であること知られている。
【０００９】
このステップ型の単一モードファイバの欠点は、前記式（２）からわかるように、ある波長λに対して、単一モード条件を満たすためには、コア半径ａ（コア径でいえば２ａ）と比屈折率差の平方根Δ^1/2の積を大きくすることが出来ず、いわゆる、モードの存在領域を示すモードフィールド径（ＭＦＤ：Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）が原理的に小さくなる傾向があることである。ＭＦＤが小さいと、光ファイバどうしを低損失で接続しようとする場合に、条件を満足できないことがある。
【００１０】
一方、Ｖ＜＝２．４０５を保ちながらＭＦＤを大きくしようとすると、コア径２ａを拡大し、対して比屈折率差Δを小さくすることが必要となる。
しかしながら、このような設計を行うと、屈折率差が小さく、また、モードが大きくコア中心から広がっているため、ファイバに僅かな曲がり（マイクロベンド）を与えるだけで伝搬モードのエネルギーがクラッドを経て外部に放射され、損失を生じやすくなる。
【００１１】
そこで、一つの方策として、厳密に式（２）に示したＶ＜＝２．４０５を遵守するのではなく、理論的には二次モードであるＬＰ１１モードが存在しうるようなＶを設定することが行われている。
すなわち、Ｖが３．０程度の値になることを許した設計を行うと、比較的大きなＬＰ０１モードのＭＦＤを設定しても、コア内への電磁界の閉じ込めは強い。そのため、ファイバに僅かな曲がりが加わっても曲げ損失があまり大きくならず、伝送可能となる。
【００１２】
このとき、ＬＰ１１モードはコア内に僅かしか閉じ込められていないので、長距離伝搬することはなく、数ｍ〜数十ｍ伝搬すると実使用状態で受ける曲がりによって大きな放射損失を受けて速やかに減衰する。そのため、伝送に影響を与えることはない。
しかしながら、このように２つ以上のモードが伝搬する構造において、もし高次モードが速やかに減衰しない場合には、以下のような問題がある。
一般に、光ファイバに複数のモードが伝搬するとき、個々のモードの伝搬速度が一致することはない。そのため、光ファイバ通信システムにおいて、複数のモードに光信号エネルギーを分配して同時に伝搬させると、長距離伝搬した後には個々のモードの到着時刻が異なり、復調後の信号波形は歪んでしまう。したがって、結果的に高速伝送が行えないことになる。近年の光通信の伝送速度は、搬送波長１波に対して、数Ｇｂ／ｓ以上の伝送が一般的に行われており、実用レベルで１０Ｇｂ／ｓ、実験的には数十〜１００Ｇｂ／ｓが報告されている。
【００１３】
ところで、光ファイバの波長分散（単に分散ともいう）は、以下の二つの要素の和で決定されている。一つは、ファイバの材質で決定されているところの材料分散で、他の一つは、光ファイバの屈折率分布構造で決定される導波路分散（構造分散）である。光ファイバ通信にとって重要な１．３〜１．６μｍの波長域では、石英系光ファイバの材料分散は波長が長くなるにしたがって大きくなる傾向がある。上述の通常のステップ型の単一モードファイバにおいては、導波路分散の寄与は小さく、材料分散が支配的であるので、全分散、すなわち材料分散と導波路分散との和が１．３μｍ付近でゼロとなる。
光ファイバ、特に石英系ガラスを主成分とする光ファイバの最低損失波長は１．５５μｍ付近にある。石英系光ファイバの損失は主にレイリー散乱によるもので、１．５５μｍ帯で最小になる。よって、この波長帯ではＶが２．４〜３．０のステップ型シングルモードファイバは、分散が大きく、あまり高速の伝送には向いていない。
【００１４】
分散シフトファイバは、石英系ガラスからなる単一モードファイバにおいて、分散がゼロとなる波長帯を１．５５μｍ帯にシフトさせたものである。すなわち、その屈折率分布構造を変化させることにより、構造に大きく依存する導波路分散の絶対値を大きくし、材料分散と導波路分散の和である全分散がゼロになる波長帯を１．３μｍ帯からシフトさせたものである。材料分散は材料自体によって決定されるもので、導波路構造にはほとんど依存しない。
このように１．５５μｍ帯における分散をゼロにすることによって、１．３μｍ帯よりもさらに低損失の伝送が可能となる。
【００１５】
具体的な数値としては、例えば以下のようになる。
通常の石英系ガラスの材料分散は、波長１．５５μｍ帯において、およそ１７ｐｓ／ｋｍ／ｎｍである。よって、導波路分散が約−１７ｐｓ／ｋｍ／ｎｍであれば、材料分散をキャンセルして、分散をゼロにすることができる。
このように導波路分散の絶対値を大きくするためには、以下のような条件を満たす必要がある。
（Ａ）比較的大きな比屈折率差を持つこと。
（Ｂ）比較的小さなコア径を持ち、コアの主要部分に対して電磁界分布の相対的な広がりが大きいこと。
【００１６】
前記（Ａ）については、コア−クラッド間の比屈折率差を大きく設計することによって対応することができる。
前記（Ｂ）は、光のコア内への閉じ込めが弱いということとほとんど同義である。分散シフトファイバにおいては、例えばλ→λ＋Δλの波長変化に対して、Δ（ＭＦＤ）／Δλが大きな値を持つような領域において、導波路分散が大きくなる傾向があることが知られている。よって、分散シフトファイバにおいては、前記（Ｂ）の条件にしたがって、導波路分散を大きくするために、コアの主要な部分から電磁界が大きくしみ出すような構造設計を行うことが多い。
【００１７】
しかしながら、このように電磁界が大きい、すなわち、いわゆる大きなＭＦＤを有するものにおいては、上述のようにモードが大きくコアの中心から広がっているため、ファイバに僅かな曲がりを与えるだけで伝搬モードのエネルギーが外部に放射し、損失を生じやすくなる。
よって、１．５５μｍ帯への分散のシフトと、この曲がり損失の感受性とを同時に満たす分散シフトファイバを設計することはかなり困難であることが知られている。
【００１８】
ところで、近年、光通信技術の発達により、光増幅器によって光信号を直接的に増幅しながら長距離伝送する技術が実現されている。前記光増幅器としては、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium Doped Fiber Amplfier）が用いられ、増幅された光信号のパワーは数十ｍＷ以上になることも多い。
【００１９】
また、分散シフトファイバの低損失領域である１．５５μｍ帯は、ある程度の波長幅を有する。また、ＥＤＦＡの増幅帯域幅は数十ｎｍの波長幅を有する。そこで、１．５５μｍ帯内に複数の異なる数十波長の光信号を設定し、これらの光信号をＥＤＦＡにて同時に増幅しながらひとつの分散シフトファイバにて伝送する波長多重伝送方式が実現されている。
このような技術の進歩の結果、いわゆる光ファイバ中の光の存在領域（実効コア断面積）、すなわちＭＦＤを広げて設計するということは、単にファイバ同士を簡単に低損失で接続する、分散シフトファイバの導波路分散の絶対値を大きくするなどの目的以外に、別の意義が出てきた。すなわち、非線形効果の問題である。
【００２０】
長距離伝送においては、波長多重伝送の有無に関わらず、十分に増幅した大きなパワーの光信号を長距離にわたって伝送する間に、非線形効果の影響によって光信号の信号波形が歪んでしまうという問題がある。
具体的な非線形効果の例としては、自己位相変調、四波混合（ＦＷＭ）などが挙げられる。
【００２１】
自己位相変調は、光強度に依存した物質の屈折率変化を引き起こす３次の非線形現象のひとつであって、物質内を伝搬する光パルス自信の位相が短時間に急激に変化する現象をいう。
長距離伝送においては、例えば１波の伝送であっても光信号のピークパワーが強いと、最もパワーが強い山の部位と最もパワーが弱い谷の部位とでガラスの屈折率が異なる現象が発生し、光の瞬時周波数の局所的な変化が生じる。
そして、高速変調になるほど瞬時周波数の変化は大きくなるので、それが光ファイバの分散と結びついて大きな波形ひずみとなる。よって、長距離多重伝送における自己位相変調は、分散シフトファイバの分散と自己位相変調との相互作用と呼ぶべき効果である。
【００２２】
ＦＷＭも３次の非線形現象のひとつであって、３つの入射光によって不要な第４の光が発生し、４つの周波数の波が相互作用をして波長多重通信に影響を与えるものである。波長多重数が増加すると非常に多くの４波の組合わせが考えられるので、互いに多くの相互作用をして通信品質の低下を招くことになる。
ＦＷＭによる不要な光（波）の発生効率は、近似的には、以下の式（３）で与えられる。
【００２３】
【数３】

【００２４】
式中、αは光ファイバの損失係数（単位は例えば、ｄＢ／ｋｍである）、ｎ₂は光ファイバガラスの非線形屈折率、Ｄは光ファイバの分散、Ａｅｆｆは光ファイバの実効コア断面積である。
【００２５】
式（３）中のＡｅｆｆは、コアを伝搬するモードの電磁界分布がガウス型の場合は、以下の式（４）で与えられる。
【００２６】
【数４】

【００２７】
しかしながら、実際は以下の式（５）に示すように、コア内の光の電磁界分布を積分して計算する。
【００２８】
【数５】

【００２９】
前記式（３）からわかるように、光ファイバの分散がゼロに近づくと発生効率が非常に大きくなる。よって、高速伝送の観点からは分散はできるだけ小さい値であることが望ましいが、非線形効果の観点からはあまりに小さいと不都合である。
また、Ａｅｆｆは大きい方が好ましい。よって、上述のようにＭＦＤを大きく設計することは、非線形効果の低減に対して意義がある。
【００３０】
以上のような背景により、最近の分散シフトファイバには以下のような条件を満足することが求められている。
（Ａ）使用波長帯において、分散の絶対値が小さく、かつ完全に零ではなく、ある程度はずれた値を有していること（NON-ZERODISPERSION SHIFTED FIBERと呼ぶことがある。）。
（Ｂ）Ａｅｆｆが大きいこと。
（Ｃ）低損失であること。これは、石英系光ファイバであればある程度満たされるが、具体的には、１．５５μｍ帯での損失が０．２３ｄＢ／ｋｍ程度以下であることが望ましい。
（Ｄ）曲げ損失感受性が小さいこと。これは、しばしば、前記（２）のＡｅｆｆが大きいことと矛盾する。
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、（Ａ）比較的大きなＡｅｆｆを持ち、（Ｂ）低損失で、（Ｃ）分散値の絶対値は１．５５μｍ帯で数ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ程度であり、（Ｄ）光ファイバの使用環境で、比較的小さな曲がり損失感受性を有する光ファイバを提供することを課題とする。
さらに波長多重伝送用としては、（Ｅ）数ｋｍ以上の長距離伝送において、広帯域伝送が可能であると好ましい。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために以下のような手段を用いる。
第１の発明は光信号入射時には少なくとも３以上の直線偏波モードが伝搬モードとして存在可能な多モード光ファイバであって、
該伝搬モードが最低次モードと二次モード以上の高次モードを含み、
該最低次モードと該二次モードとの伝搬定数差が、二次モード以上の高次モードにおいて、隣接するモード間の伝搬定数差の２倍以上であり、
コアと、その外周上に設けられたクラッドとを有し、
該コアが、同心円状に設けられた二層以上からなり、かつ当該コアの中心付近に設けられた最も高い屈折率の最大屈折率層と、該最大屈折率層の外周上に設けられた、該最大屈折率層よりも低い屈折率の中間層とを備え、
前記中間層のクラッドを基準にした相対屈折率の最大値が、最大屈折率層のクラッドを基準にした相対屈折率の５〜９０％であり、
入射した光信号が、最大４ｋｍを伝搬する間に、最低次モード以外のモードは減衰し、実質的に情報伝送に寄与しなくなることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第２の発明は光信号入射時には少なくとも３以上の直線偏波モードが伝搬モードとして存在可能な多モード光ファイバであって、
該伝搬モードが最低次モードと二次モード以上の高次モードを含み、
該最低次モードと該二次モードとの伝搬定数差が、二次モード以上の高次モードにおいて、隣接するモード間の伝搬定数差の２倍以上であり、
コアと、その外周上に設けられたクラッドとを有し、
該コアが、同心円状に設けられた二層以上からなり、かつ当該コアの中心付近に設けられた最も高い屈折率の最大屈折率層と、該最大屈折率層の外周上に設けられた、該最大屈折率層よりも低い屈折率の中間層とを備え、
前記中間層が１層あるいは屈折率が異なる２層以上からなり、当該中間層を構成する層の屈折率を中心側からｎｌ１、ｎｌ２、…、ｎｌｉ（ｉ＝２、３、・・・）としたとき、ｎｌ１＞ｎｌｉであり、かつクラッドがｎｌ１よりも低い屈折率を備え、
入射した光信号が、最大４ｋｍを伝搬する間に、最低次モード以外のモードは減衰し、実質的に情報伝送に寄与しなくなることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第３の発明は光信号入射時には少なくとも３以上の直線偏波モードが伝搬モードとして存在可能な多モード光ファイバであって、
該伝搬モードが最低次モードと二次モード以上の高次モードを含み、
該最低次モードと該二次モードとの伝搬定数差が、二次モード以上の高次モードにおいて、隣接するモード間の伝搬定数差の２倍以上であり、
コアと、その外周上に設けられたクラッドとを有し、
該コアが、同心円状に設けられた二層以上からなり、かつ当該コアの中心付近に設けられた最も高い屈折率の最大屈折率層と、該最大屈折率層の外周上に設けられた、該最大屈折率層よりも低い屈折率の中間層とを備え、
前記中間層が屈折率が異なる２層以上からなり、当該中間層を構成する層のうち、最大屈折率層に隣接する層の屈折率をｎｌ１、これらの層の最大の屈折率をｎｌｍａｘとしたとき、ｎｌｍａｘ＞ｎｌ１であり、かつクラッドがｎｌｍａｘよりも低い屈折率を備え、
入射した光信号が、最大４ｋｍを伝搬する間に、最低次モード以外のモードは減衰し、実質的に情報伝送に寄与しなくなることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第４の発明は、第１の発明の高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、高次モードとクラッドモードにおいて、隣接するモード間の正規化伝搬定数差が０．２５以下であることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第５の発明は、第１の発明の高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、クラッドの屈折率を基準としたときの最大屈折率層の相対屈折率差が０．６５〜１．５％であることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第６の発明は、第５の発明の高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、コアの外径が前記最大屈折率層の外径の３〜８倍であることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第７の発明は、第６の発明の高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、コアの外径が最大屈折率層の外径の３〜５．５倍であることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第８の発明は、第２の発明の高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、中間層のクラッドを基準にした相対屈折率の最大値が、最大屈折率層のクラッドを基準にした相対屈折率の５〜５０％であることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第９の発明は、第３の発明の高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、中間層のクラッドを基準にした相対屈折率の最大値が、最大屈折率層のクラッドを基準にした相対屈折率の１５〜９０％であることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第１０の発明は、第１〜３の発明のいずれかひとつの高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、１．５５μｍ帯における実効コア断面積が５０μｍ^２ 以上であり、１．５５μｍ帯における分散の絶対値が１０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ以下であり、かつ石英ガラスを主成分とすることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第１１の発明は、第１０の発明の高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、１．５５μｍ帯における実効コア断面積が７０μｍ^２ 以上であることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第１２の発明は、第１１の発明の高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、１．５５μｍ帯における分散の絶対値が５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ以下であることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第１３の発明は、第１〜３の発明のいずれかひとつの高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、伝搬モードの数が３〜６であることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第１４の発明は、第１〜３の発明のいずれかひとつの高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、使用波長帯において、最低次モードの分散が波長１．５μｍよりも長い波長でゼロとなることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第１５の発明は、第１〜３の発明のいずれかひとつの高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、使用波長帯における直径２０ｍｍの一様曲げ損失が３０ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第１６の発明は、第１〜３の発明のいずれかひとつの高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、使用波長帯における直径２０ｍｍの一様曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
第１７の発明は、第１〜３の発明のいずれかひとつの高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいて、使用波長帯において、最低次モードの分散が波長１．５μｍよりも短い波長でゼロとなることを特徴とする高次モード除去機能を有する多モード光ファイバである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
上述のように、従来の技術において、例えばステップ型の単一モードファイバでは、せいぜいＶを３．０程度として単一モード条件をやや緩和することにより、ＬＰ０１モードの閉じこめを強くし、比較的閉じ込めの弱いＬＰ１１モードを速やかに減衰させるという手段が取られてきた。
このような光ファイバをしばしば「準単一モードファイバ」とよぶこともある。
【００３４】
本発明の多モード光ファイバにおいては、準単一モードファイバよりも多くのモードが伝搬可能な条件を設定し、かつ光ファイバの屈折率分布とモード間の伝搬定数差の関係を適切に設定することにより、実質的に単一モード伝送が可能な設計を行うものである。
【００３５】
本発明の多モード光ファイバの基本的な考え方は、光ファイバの使用環境において生じる曲がりがもたらすモード変換を利用するものである。
理想的な光ファイバの場合、その長さ方向において外径変動、コア径変動、また、屈折率の揺らぎもないと仮定している。
したがって、仮に複数のモードが光ファイバを伝搬しても、相互にモードのエネルギーを交換することはない。
【００３６】
しかし、実際の光ファイバの敷設環境においては、光ファイバには以下のような擾乱が加わる。
（Ａ）光ファイバ自身に、その長さ方向において、外径変動、コア径変動、屈折率の揺らぎなどが内在する。
（Ｂ）光ファイバは、外面保護のために、その外周上に合成樹脂からなる被覆層が設けられた光ファイバ素線などとして取り扱われるのが通常である。この被覆層は、通常軟らかい内層と硬い外層からなる二重構造とされる。そして、この被覆層においても、その長さ方向において、径変動や樹脂の硬度の変化があり、これらが光ファイバに影響する。
（Ｃ）光ファイバのケーブル化においては、光ファイバはテープ化されたり、ファイバ同士撚り合わせられたりしている。そして、これに伴って光ファイバは、曲がり、引っ張り、圧縮力などを受ける。
これらの擾乱が光ファイバに加わった結果、光ファイバを伝搬するモードは、相互のモード間でエネルギーを交換をする。これをモード変換と呼んでいる。
【００３７】
その程度は、結合に関与する二つのモードの伝搬定数βｉ、βｊの伝搬定数差Δβによって表される。Δβは、以下の式（６）で表される。
【００３８】
【数６】

【００３９】
そして、これらのモードの結合係数Ｃijは、以下の式（７）
【００４０】
【数７】

【００４１】
に示したようにΔβ^-2pに比例すると言われている。ここで、ｐはゆらぎの長さ方向のスペクトルに関係した量で、２〜４程度の値をとると言われている。
図１は伝搬モードの存在範囲をβダイアグラムで示したものであって、横軸は伝搬定数を示している。そして、βが正の領域のモードは光信号の進行方向のモード、βが負の領域のモードは反対の反射モードである。
定性的に説明する場合においては、図１に示したようにＬＰ０１モードの伝搬定数をβ０、それ以降の高次モードの伝搬定数を順次β１、β２・・とする。
例えば、上記において、ｐ＝４とすると、モード間の結合係数はΔβの８乗に逆比例する。ここで、３つの伝搬モード（ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ０２モード）が存在しているとする。それぞれの伝搬定数は上述のようにβ０，β１，β２である。そして、以下の式（８）、式（９）
【００４２】
【数８】

【数９】

【００４３】
に示したような条件を満足するように設計したとする。式（９）中、ｋｏは以下の式（１０）
【００４４】
【数１０】

【００４５】
で示される真空中の光の伝搬定数であるｎ_cladはクラッドの屈折率である。
前記式（７）により、これらのモード間の結合係数の関係は、以下の式（１１）、式（１２）に示したようになる。
【００４６】
【数１１】

【数１２】

【００４７】
これらの式（１１）、式（１２）からわかるように、モード間の結合は、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの間ではほとんど生じず、高次モード間（ＬＰ１１モードとＬＰ０２モードとの間）および、最高次モード（ＬＰ０２モード）とクラッドモードとの間で生じる。
したがって、ＬＰ１１モードはＬＰ０２モードと強く結合し、さらにクラッドモードと結合し、クラッドを伝搬し、所定距離進行したところで速やかに減衰することになる。
よって複数のモードがコア内を伝搬可能な状態にありながらも、各モードが持つ伝搬定数を適切に制御するとともに、上述のような擾乱の影響によって、積極的にＬＰ１１モード以上の高次モードを除去し、適切な距離を伝搬した後は、ＬＰ０１モードのみが実質的に伝搬するようなモードの配置が可能となる。
【００４８】
モード間の結合係数は、厳密には単にΔβだけで決定されるのでなく、結合に関与する二つのモードの電磁界分布や光ファイバに摂動として与えられる擾乱の形および周期性などに大きく依存する。
光ファイバをケーブル化する当業者間においては、伝送損失増加の観点からΔβが非常に大きな意味を持つと認識されている。伝搬定数差と伝送損失増加との関係は、前記式（８）、式（９）に示したように、ｐの値によっては−４乗〜−８乗に比例するという極めて強い依存性を持ち、他の因子と比べて影響力が大きいからである。
【００４９】
しかしながら、本発明においては、複数のモードがコア内を伝搬可能な多モード光ファイバにおいて、複数のＬＰモードを励振して光ファイバ中を伝搬させ、これらを伝搬するうちに、積極的にＬＰ１１モード以上の高次モードを除去することを目的とするため、Δβのみならず、多モード光ファイバに付与される擾乱の形および周期性なども特性に大きく影響する因子となる。このような擾乱の形や擾乱の周期性などは個々の光ファイバによって異なるため、一概に述べることはできないが、通常の光ファイバの取り扱いにおいては、光ファイバ自身に内在する要因や敷設時の外的要因などによって、本発明に適した擾乱が付与され、本発明の効果が得られる。
【００５０】
例えば擾乱の形においては、軸対称性が重要である。以下、定性的に、前記式（８）、（９）、（１１）、（１２）に示したように設計した多モード光ファイバに生じるいくつかの擾乱の形と、そのときのモード結合関係について例示する。
例えば、図２に示したようなマイクロベンドが光ファイバに生じると、もともとまっすぐだった光ファイバの軸が曲がるため、いわゆる「軸対称でない摂動」が光ファイバに与えられる。ＬＰ０１モードは軸対称モードであるため、マイクロベンドが生じていない光ファイバにおいては、光ファイバのコア径変動のような軸対称な摂動だけが存在すると、同じ軸対称モードであるＬＰ０２モードと結合する。
しかしながら、マイクロベンドのような軸対称でない摂動がある程度強く付与されることによって、ＬＰ０１モードとＬＰ０２モードとの結合よりも、非軸対称モードであるＬＰ１１モードとの結合が支配的となる。ＬＰ１１モードは、ＬＰ０１モードだけでなく、ＬＰ０２モードとも結合する。
【００５１】
上述のように図３に示したファイバ径が長さ方向に変動しているような、いわゆる「軸対称な摂動」のみが多モード光ファイバに加わっている場合、前述のマイクロベンドとは異なり、対称性が同じであるモードどうしの結合が生じると考えられる。
すなわち、ＬＰ０１モードとＬＰ０２モード、ＬＰ１１モードとＬＰ１２モードなどの結合の組み合わせが考えられる。
【００５２】
特に本発明の多モード光ファイバにおいて、好ましい擾乱を与えるためには、多モード光ファイバの表面上に内層と外層からなる合成樹脂製の被覆層を設けるにあたって、前記内層の材料のヤング率を０．５ｋｇ／ｍｍ²以下、好ましくは０．０５〜０．３ｋｇ／ｍｍ²とし、外層の材料がヤング率３０ｋｇ／ｍｍ²以上、好ましくは６０〜７０ｋｇ／ｍｍ²とすると好ましい。これらの範囲を満足することによって、内層と外層の硬度差や、おそらくは光ファイバの製造時の樹脂硬化に起因して光ファイバに適度な擾乱が与えられ、高次モードを除去する効果が向上する。
【００５３】
ここで、本発明の多モード光ファイバの設計については、以下のように整理することができる。
（Ａ）光信号入射時（励振時）には、少なくとも３以上の直線偏波モードが伝搬モードとして存在可能であるように屈折率分布構造を設計する。これにより、ファイバの設計の自由度が大きくなる。
【００５４】
（Ｂ）そのとき、これらの伝搬モードにおいて、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの伝搬定数差が、ＬＰ１１モード以上の高次モードと隣接する高次モードとの伝搬定数差の２倍以上、好ましくは３倍以上になるように設定する。その結果、ＬＰ１１モード以上の高次モードのみがクラッドモードに結合し、適切な距離を伝搬した後はＬＰ０１モードのみが実質的に伝搬するようなモード配置が可能となる。２倍未満の場合は高次モードのみを適切に減衰させることができず、単一モード伝送とならない場合がある。
（Ｃ）また、ＬＰ１１モード以上の高次モードおよびクラッドモードにおいては、隣接するモード間の伝搬定数差は正規化伝搬定数において、０．２５以下、好ましくは０．１以下、さらに好ましくは０．０５以下になるように設定する。このように設定することにより、高次モードはクラッドモードと速やかに結合し、システム上問題とならない距離を伝搬後には消滅する。
【００５５】
この適切な距離は、光ファイバの種類にもよるが、４ｋｍ程度伝搬した後に高次モードが消滅すれば、十分に実用になる伝送システムを構成することができる。
このとき、４ｋｍ以上伝搬したときに、ＬＰ０１モード以外のモードが、好ましくは２０ｄＢ以上の減衰を受ければ、これらのモードは実質的に情報伝送に寄与しなくなる。
例えば海底伝送システムにおいては、必要に応じて複数の光ファイバを順次接続して構成され、１本の光ファイバの連続長は最低３〜４ｋｍとされる。したがって、不要な高次モードが１本の多モード光ファイバを伝搬する間に十分に減衰すれば、次の接続点に到達する間に実質的なシングルモード伝搬状態が実現される。
しかし、前記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示した条件は、全ての光ファイバの屈折率分布構造で自由に取りうるわけではない。
【００５６】
図４は、ステップ型の屈折率分布を有する光ファイバにおける正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係を示したグラフである。
ｂｍｎは、ＬＰｍｎモードの伝搬定数βｍｎを正規化した値であって、以下の式（１３）で近似されるものである。
【００５７】
【数１３】

【００５８】
ここで、βｍｎはＬＰｍｎモードの伝搬定数（ｍとｎは整数）である。
βｍｎとｂｍｎにおいては、伝搬定数または正規化伝搬定数どうしの相対的な大きさを比較するには、いずれにおいてもほぼ同じ結果が得られる。
ここで、コアのピーク屈折率とクラッドの屈折率との相対的な差である比屈折率差Δは、以下の式（１４）で表される。
【００５９】
【数１４】

【００６０】
これを考慮すると、βｍｎとｂｍｎとの関係は、近似的に、以下の式（１５）のように表すこともできる。
【００６１】
【数１５】

【００６２】
さらに、二つの伝搬定数の差をΔβｍｎ，ｍ'ｎ'とすると、この伝搬定数の差は以下の式（１６）のように表すことができる。
【００６３】
【数１６】

【００６４】
図４に示したグラフにおいて、正規化周波数Ｖが２．４０５よりも大きくなると、二つ目のＬＰモード（ＬＰ１１モード）が発生する。したがってＬＰ１１モードの伝搬を除去できる範囲の正規化周波数の上限値ＶC11は２．４０５である。 さらに、Ｖが３．８をこえると次のＬＰモードが発生する。このとき発生するのは、実際はＬＰ２１モードおよびＬＰ０２モードである。
これら三つ目および四つ目のＬＰモードが発生する範囲においては、既に、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードのそれぞれのｂ０１，ｂ１１は、いずれもかなり大きな値を示している。したがって、ｂｍｎの定義式から、それぞれのβ０１，β１１の値もかなり大きな値となっていることがわかる。
表１は、ＬＰ２１モードとＬＰ０２モードが発生するぎりぎりのＶに対応する、ＬＰ０１とＬＰ１１モードのｂｍｎの値を示したものである。
【００６５】
【表１】

【００６６】
この表１からは、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの正規化伝搬定数差は０．３４であるのに対して、ＬＰ１１モードとＬＰ０２モードとの正規化伝搬定数差は０．４２であり、２．５倍であるどころか、大小関係が逆転している。
したがって、上述のようにＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの伝搬定数差を、二番目以降のモード相互間の伝搬定数差よりも２．５倍以上となるように設定することは困難である。よって、ステップ型の屈折率分布を有するものでは３つ以上のＬＰモードが伝搬可能な状態を作り出しても、目的とするような伝搬定数差の関係を作り出すことが不可能である。
このようなモード間の伝搬定数差の関係では、光ファイバにモード変換を助長するようなマイクロベンドを与えても、まず真っ先に伝搬定数差が小さいＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの間で結合が強く生じてしまうので、最終的に、不要なモードを除去してＬＰ０１モードを優先的に残すことはできない。
【００６７】
そこで、本発明者らは、他の幾つかの屈折率分布について検討を加えた。その結果、コアと、その外周上に設けられたクラッドとを有し、このコアが、同心円状に設けられた二層以上からなり、かつこのコアの中心付近に設けられた最も高い屈折率の最大屈折率層と、この最大屈折率層の外周上に設けられた、この最大屈折率層よりも低い屈折率の中間層とを備えている屈折率分布を有する多モード光ファイバにおいて、前記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の条件を満足し得ることがわかった。
また、このような屈折率分布において、さらに以下のような屈折率分布を備えていると好ましい。
（１）中間層が１層あるいは屈折率が異なる２層以上からなり、この中間層を構成する層の屈折率を中心側からｎｌ１、ｎｌ２、…、ｎｌｉ（ｉ＝２、３、・・・）としたとき、ｎｌ１＞ｎｌｉであり、かつクラッドがｎｌ１よりも低い屈折率を備えているもの。
この屈折率分布においては、中間層のクラッドを基準にした相対屈折率の最大値が、最大屈折率層のクラッドを基準にした相対屈折率の５〜５０％であると好ましい。
（２）中間層が屈折率が異なる２層以上からなり、当該中間層を構成する層のうち、最大屈折率層に隣接する層の屈折率をｎｌ１、これらの層の最大の屈折率をｎｌｍａｘとしたとき、ｎｌｍａｘ＞ｎ１ｌであり、かつクラッドがｎｌｍａｘよりも低い屈折率を備えているもの。
この屈折率分布においては、中間層のクラッドを基準にした相対屈折率の最大値が、最大屈折率層のクラッドを基準にした相対屈折率の１５〜９０％であると好ましい。
【００６８】
図５（ａ）〜図５（ｈ）は、このような屈折率分布の具体例を示したものである。この屈折率分布において、横軸はコアの中心からの位置を示し、縦軸は屈折率を示している。
図５（ａ）に示した屈折率分布は、中心部１ａと、その周囲のこの中心部１ａよりも低屈折率の階段部１ｂとからなるコア１０を有し、この階段部１ｂの周囲に、この階段部１ｂよりも低屈折率のクラッド１１が設けられているものである。
図５（ｂ）に示した屈折率分布は、中心部２ａの周囲に、順次この中心部２ａよりも低屈折率の中間部２ｂと、この中間部２ｂよりも高屈折率で、前記中心部２ａよりも低屈折率のリング部２ｃとが設けられてなるコア１０を有し、このリング部２ｃの周囲に、前記中間部２ｂとほぼ等しい屈折率を有するクラッド１１が設けられて構成されている。
【００６９】
図５（ｃ）に示した屈折率分布は、中心部３ａの周囲に、順次、この中心部３ａよりも高屈折率の第１のリング部３ｂと、前記中心部３ａとほぼ同じ屈折率の中間部３ｃと、この中間部３ｃよりも高屈折率で、かつ前記第１のリング部３ｂよりも低屈折率の第２のリング部３ｄが設けられてなるコア１０を有し、この第２のリング部３ｄの周囲に、前記中間部３ｃとほぼ同じ屈折率を有するクラッド１１が設けられて構成されている。
図５（ｄ）に示した屈折率分布は、中心部４ａの外周上に、順次、この中心部４ａよりも高屈折率の第１のリング部４ｂと、この第１のリング部４ｂよりも低屈折率で、かつ前記中心部４ａよりも高屈折率の階段部４ｃとが設けられてなるコア１０を有し、この階段部４ｃの周囲に、前記中心部４ａとほぼ等しい屈折率を有するクラッド１１が設けられて構成されている。
また、図５（ｃ’）図５（ｄ’）に示した屈折率分布は、それぞれ図５（ｃ）、図５（ｄ）に示したものにおいて、中心部３ａ，４ａの屈折率をクラッド１１の屈折率よりも−Δだけ低く設定した変形例を示したものである。
【００７０】
図５（ｅ）に示した屈折率分布は、中心部５ａの周囲に、順次、この中心部５ａよりも低屈折率の中間部５ｂと、この中間部５ｂよりも高屈折率で、かつ前記中心部５ａよりも低屈折率のリング部５ｃが設けられてなるコア１０を有し、このリング部５ｃの周囲に、前記中間部５ｂよりも低屈折率のクラッド１１が設けられて構成されている。
図５（ｆ）に示した屈折率分布は、中心部６ａの周囲に、順次、この中心部６ａよりも低屈折率の中間部６ｂと、この中間部６ｂよりも高屈折率で、かつ前記中心部６ａよりも低屈折率のリング部６ｃが設けられてなるコア１０を有し、このリング部６ｃの周囲に、前記中間部６ｂよりも高屈折率で、かつ前記リング部６ｃよりも低屈折率のクラッド１１が設けられて構成されている。
【００７１】
図５（ｇ）に示した屈折率分布は、中心部７ａの周囲に、順次、この中心部７ａよりも低屈折率の階段部７ｂと、この階段部７ｂよりも低屈折率の低屈折率部７ｃが設けられてなるコア１０を有し、この低屈折率部７ｃの周囲に、この低屈折率部７ｃよりも高屈折率で、かつ前記階段部７ｂよりも低屈折率のクラッド１１が設けられて構成されている。
図５（ｈ）に示した屈折率分布は、コア１０とクラッド１１とからなり、このコア１０は中心部８ａの周囲に、順次、この中心部８ａよりも低屈折率の中間部８ｂと、この中間部８ｂよりも高屈折率で、かつ前記中心部８ａよりも低屈折率のリング部８ｃと、クラッド１１よりも低屈折率の低屈折率部８ｄが設けられて構成されている。
【００７２】
図５（ａ）〜図５（ｈ）に示した屈折率分布の各構成部分は石英ガラスを主成分とし、純石英ガラス、または屈折率を上昇させる作用を有するゲルマニウムを添加した石英ガラス、あるいは屈折率を低下させる作用を有するフッ素を添加した石英ガラスから構成されている。
【００７３】
ここで、図５（ａ）〜図５（ｈ）に示した屈折率分布においては、コア１０の外周上にクラッド１１が設けられてなり、コア１０が、中心付近に配置された、この屈折率分布において最も屈折率の高い部分（最大屈折率層）と、その周囲に設けられた、この最大屈折率層よりも低い屈折率であり、この最大屈折率層とクラッド１１とに挟まれた中間層とを有している点で共通する。
また、図５（ａ）、図５（ｄ）、図５（ｇ）に示した屈折率分布は、図５（ｄ）に示した低屈折率の中心部４ａ、あるいは図５（ｇ）に示した階段部７ｂの外周上の低屈折率部７ｃを設けることが任意であるとすると、実質的に３層構造である点で共通する。
すなわちこれらの屈折率分布は、中心付近に最も高屈折率の中心部１ａ，７ａ、第１のリング部４ｂ，が設けられ（第１層：最大屈折率層）、その外周上にこれらよりも低屈折率の階段部１ｂ，４ｃ，７ｂが設けられ（第２層：中間層）、さらにこれらの周囲に、これらよりも低屈折率のクラッド１１（クラッド層）が設けられて構成されている。コア１０の中心に低屈折率の中心部４ａ、あるいはクラッド１１と接触するコア１０の外周付近に低屈折率部７ｃを設けるかどうかは、要求される特性によって設計され、任意である。
これらの屈折率分布においては、クラッド層を基準にしたときの第１層、第２層の相対屈折率の最大値をΔ１、Δ２としたときに、Δ２はΔ１の５〜５０％、さらに５〜１５％であることが望ましい。
【００７４】
また、図５（ｂ），図５（ｃ），図５（ｅ），図５（ｆ），図５（ｈ）に示した屈折率分布においては、図５（ｃ）に示した中心の低屈折率の中心部３ａと、図５（ｈ）に示した低屈折率部８ｄを設けることが任意であるとすると、実質的に４層構造である点で共通する。
すなわちこれらの屈折率分布は、中心に最も高屈折率の中心部２ａ，第１のリング部３ｂ，中心部５ａ，６ａ，８ａが設けられ（第１層：最大屈折率層）、その外周上にこれらよりも低屈折率の中間部２ｂ，３ｃ，５ｂ，６ｂ，８ｂが設けられ（第２層：中間層）、さらにその外周上にこれらよりも高屈折率のリング部２ｃ，第２のリング部３ｄ，リング部５ｃ，６ｃ，８ｃが設けられ（第３層：中間層）、さらにその周囲にクラッド１１が設けられている（クラッド層）。
前記中心部３ａと低屈折率部８ｄを設けるかどうかは要求される特性によって設計され、任意である。クラッド１１の屈折率を基準としたとき、低屈折率部８ｄの相対屈折率は、コア１０の中心付近の屈折率の最大値（Δ１）に対して相対的に−５〜−１５％程度とされる。
同様に第３層の相対屈折率はΔ１に対して１５〜９０％程度とされる。
同様に中間部５ｂの相対屈折率はΔ１に対して０〜１５％とされる。
同様に中間部６ｂの相対屈折率はΔ１に対して０〜−１０％とされる。
なお、図５（ｃ’）、図５（ｄ’）に示した屈折率分布においては、中心部３ａ、４ａの屈折率は、クラッド１１に対する相対屈折率で−０．０５〜０．３％程度の値が製造性の観点から好ましい。
【００７５】
そして、図５（ａ）〜図５（ｈ）に示した屈折率分布において共通するのは、上述のように、コア１０が二層以上からなり、コア１０の中心付近に最も高屈折率の最大屈折率層が配され、その外周上に、これよりも低屈折率の中間層が配されている点である。このように、コア１０内において、その中心の高屈折率の部分に、一層ＬＰ０１モードを集中させることによって、上述の条件を満足させることができる。
【００７６】
図５（ａ）〜図５（ｈ）に示した屈折率分布を有する単一モードファイバは、従来から存在している。しかしながら、その正規化周波数Ｖは、ＬＰ１１モードの発生を抑えるため、小さめに設定されている。実際、従来のものはかなり厳密な単一モード条件を守ってきた。
本発明においては、上述のように、このような制限を敢えて取り払い、より多くのモードが伝搬しつつも、モード変換の作用により、ＬＰ１１モード以降のモードが適当な距離伝搬後には放射モードに散逸して消滅するようなモード配置を行うものであって、従来のものとは屈折率分布が同じであっても、設計条件が異なる。
【００７７】
定性的には、本発明においては、コアにおいて最大屈折率層（第１層）の屈折率（コアのピーク屈折率）をｎ１とするとき、例えばその外周上の中間層の最大屈折率をｎ２とする。そしてこれらｎ１、ｎ２において、クラッド１１の屈折率を基準としたときの相対屈折率をそれぞれΔ１、Δ２としたとき、Δ２をΔ１の５〜９０％、さらに好ましくは３０％程度の値に設定することによって、本発明の条件を満足することができる。ｎ１は０．５〜１．５％とされる。
この程度の屈折率差で実現できるのは、多モード光ファイバを伝搬するＬＰモードの中で、ＬＰ０１モードを除くと、そのエネルギー分布は、中心部の最大屈折率層の領域にはほとんど存在せず、ＬＰ０１以外のモードの伝搬定数は、あまり中心の最大屈折率層の屈折率に依存しないためである。
また、このコアにおいて、最大屈折層の外径に対してコアの外径は３〜８倍、好ましくは３〜５．５倍とされる。
【００７８】
ただし、一般の多モードファイバのように、数十個のＬＰモードが存在する場合、Ｖが大きくなるとこのような条件は成立しなくなる。したがって、本発明において、伝搬モード数の上限値は、上述のように伝搬定数がコアの中心の最も高い屈折率の部分の屈折率に依存しないような条件を満足する値が設定される。すなわち、本発明の多モード光ファイバのような振る舞いを実現するためには、図５（ａ）〜図５（ｈ）に示した屈折率分布を有し、かつ伝搬モードのＬＰモード数が３〜６個程度、場合によっては３〜５個程度とすると好ましい。
【００７９】
このように本発明の多モード光ファイバにおいては、従来の単一モード条件を緩和することによって、伝送システムにおいて要求される光ファイバとしての光学特性に対して、より柔軟に対応することが可能となる。また、これらの特性値は屈折率分布などの設計条件によって調節することが可能である。
例えば近年盛んに開発が進められている波長多重伝送システムにおいては、使用波長帯における分散の絶対値を１０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ以下、好ましくは５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ以下に設定すること要求される。ただし、ＦＷＭ（４光子混合）の影響を低減するため、分散が完全にゼロではないことが望ましい。ただし、分散値は伝送距離と伝送速度を考慮して決定されるため、これらの数値は絶対的なものではない。
本発明の多モード光ファイバにおいては、ＬＰ０１モードの分散が使用波長帯よりも長い波長でゼロになり、かつ使用波長帯における分散値を上述の範囲に抑えた設計が可能であり、海底ケーブルに代表される長距離伝送システムに対して有効である。また、ＬＰ０１モードの分散が使用波長帯よりも短い波長でゼロになり、かつ使用波長帯における分散値を上述の範囲に抑えた設計も可能であり、伝送システムに応じた柔軟な設計をすることができる。
【００８０】
また、Ａｅｆｆが大きいと好ましい。例えば本発明を適用することによって、５０μｍ²以上のＡｅｆｆ、好ましくは７０μｍ²以上のＡｅｆｆを有する光ファイバが得られる。
さらに、曲げ損失感受性が小さいと好ましい。曲げ損失は、例えば２０ｍｍφの径に一様に巻いた被測定光ファイバについて測定した値（「一様曲げ損失」という。）が、好ましくは３０ｄＢ／ｍ以下、さらに好ましくは１０ｄＢ／ｍ以下であると、様々にケーブル構造に対して安定なケーブル化が可能であると考えられる。
【００８１】
さらに、分散スロープと呼ばれる波長に対する分散の傾きは、特に波長多重伝送に適用するファイバにおいては、小さい方が広帯域の伝搬が実現できるため、望ましい。分散スロープが小さいと、使用波長帯において複数の波長の光信号を伝送するにおいて、それらの伝送状態が均一になりやすいためである。本発明においては、上述のように設計パラメータの自由度の増大により、波長多重伝送用ファイバに適した低分散スロープを有する光ファイバの設計にあたってもファイバパラメータ設定の自由度が増大する。
【００８２】
【実施例】
以下、実施例を示してさらに具体的に説明する。
本実施例において、正規化周波数の定義は前記式（２）で示される。ここで、ｎ1は、コアの中心部付近の最大屈折率ｎAとする。また、コア半径ａは、半径方向の屈折率分布において、クラッドの屈折率と同じ値になる位置までの長さで定義されている。
【００８３】
（実施例１）
図６は、図５（ａ）に示した階段型屈折率分布を有する多モード光ファイバの実施例の正規化周波数と正規化伝搬定数との関係のシミュレーション結果を示したグラフである。この多モード光ファイバにおいて、中心部１ａの屈折率と階段部１ｂの屈折率の相対値（単位％）は０．８０と０．０６とした。また、中心部１ａの半径を１としたとき、階段部１ｂの半径は５とした。
ＬＰモードの伝搬を除去できる範囲の正規化周波数の上限値ＶC11は８付近であり、従来のようにＬＰ１１モードの伝搬を極力許さない設計をする場合、Ｖはこの値よりも小さい範囲とする必要がある。よって、設計自由度は非常に狭い。これに対して本発明を適用すると、３番目のモードであるＬＰ０２モードが発生する８から１５付近の範囲で設計可能であり、設計の自由度が増大することがわかる。
【００８４】
例えばＶが１５付近の場合、ＬＰ０１モード以外に、ＬＰ１１、ＬＰ０２、ＬＰ２１、およびＬＰ３１モードなどが伝搬可能である。
そして、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの間の正規化伝搬定数差は非常に大きいが、ＬＰ１１モード以上の高次のモード間の正規化伝搬定数差は非常に小さい。
また、クラッドモードは理論的にｂｍｎ＝０の位置に存在すると考えられるが、クラッドモードと高次モードとの間の正規化伝搬定数差も小さくなっている。したがって、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの間ではエネルギー交換が生じにくく、高次モード間および高次モードとクラッドモード間ではエネルギー交換が発生しやすいく、高次モードがコア外に放射されやすいことがわかる。
【００８５】
そこで、Ｖの値を１５、ｂ01を０．６５程度とし、ＶＡＤ法によって実際に多モード光ファイバを作製した。そして、この多モード光ファイバの屈折率分布を測定した結果を図７に示した。この図からわかるように、屈折率分布は完全な階段型ではなく、中心部１ａ，階段部１ｂ，クラッド１１の各部分の境界は丸みを帯びた形状であった。
この多モード光ファイバは、例えばファイバ長２ｍにおけるカットオフ波長を測定する通常の測定方法では１．７５μｍという結果が得られ、この結果からは、１．５〜１．６μｍの伝送を行うにおいては明らかに多モードファイバであり、シングルモード伝送には適さないという結論となった。
【００８６】
一方、この多モード光ファイバのファイバ長とカットオフ波長との関係について、図８（ａ），図８（ｂ）に示した方法で測定した。
まず、図８（ａ）に示したように、可変波長光源２２からレンズ２３を介してまっすぐな状態の測定長の光ファイバ２１に、測定波長の光を全モード励振し、光ファイバ２１を透過した光を光検出器２４にて検出する。その結果を出力Ａとする。ついで、この光ファイバ２１に図８（ｂ）に示したように光ファイバ２１の出射端付近に曲がり２１ａを加え、同様にして光検出器２４にて光ファイバ２１の透過光を検出する。その結果を出力Ｂとする。
【００８７】
そして、これらの出力Ａと出力Ｂとを比較して、損失波長特性の差を観測する。
まっすぐな状態で測定長の光ファイバ２１を高次モードが伝搬する場合は、曲がり２１ａを与えると過剰な損失が生じる。よって、出力Ｂが出力Ａと比較して過剰な損失を生じている場合は、高次モードの存在を確認することが出来る。
逆に、その測定長で既に光ファイバ２１から高次モードが放射されている場合、出力Ａにおいては、ＬＰ０１モードのみが検出される。よって光ファイバ２１に曲がり２１ａを与えても、出力Ｂにおいて損失増加を生じることはない。したがって、出力Ａと出力Ｂの強度が等しい範囲がシングルモード伝送が可能な範囲である。
そして、図８（ｃ）に示したグラフから、ファイバ長毎のカットオフ波長を求めることができる。このグラフの横軸は波長であり、縦軸に示したＡ、Ｂは、それぞれ出力Ａの光の強度と出力Ｂの光の強度である。
【００８８】
図９はこの測定結果を示したものである。この結果より、カットオフ波長がファイバ長に大きく依存していることがわかる。また、今回の例では３ｋｍ程度で１．５μｍ以下となることが確認できる。
【００８９】
なお、この多モード光ファイバにおいて、十分に長尺伝搬後（４ｋｍ以上伝搬後）の零分散波長は１．５８μｍ、１．５５μｍ帯における実効コア断面積は約７０μｍ²、分散スロープは約０．１５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ²であった。これらの値は、いわゆる高密度波長多重伝送に十分耐えるものであり、例えば数千ｋｍの距離を１５３０〜１５６０ｎｍ帯を中心に数波〜数十波の波長多重信号を光ファイバ増幅器で中継増幅しながら伝送することができる特性を有することがわかった。
【００９０】
また、上述のようにモード間のエネルギー交換は光ファイバの被覆層やケーブル化の状態などに依存する。そこで、以下のようにして被覆層およびケーブル化の状態とカットオフ波長との関係について実験を行った。
【００９１】
外径１２５μｍの実施例１の多モード光ファイバに、内層のヤング率が１ｋｇ／ｍｍ²よりも小さく、外層のヤング率が４０ｋｇ／ｍｍ²よりも大きい被覆層を設けて光ファイバ素線とし、これを用いて常法にしたがってケーブル化した。
ケーブル化の構造は、テープ型構造とルーズチューブ型構造とした。そして、これらのケーブルについて、上述の方法と同様にしてカットオフ波長とファイバ長の関係を測定した。
カットオフ波長のファイバ長依存性については、ファイバ長１ｋｍ以下の領域において、ファイバ長が一桁増加するごとに、カットオフ波長が、８０〜１２０ｎｍ程度ずつ短くなってゆくことが観測され、カットオフ波長のファイバ長依存性は被覆層を設けない前と大きな差はなかった。
したがって、実施例１の多モード光ファイバは、ケーブル化した場合にも、その特性を維持しており、問題なく使用可能であることがわかった。
【００９２】
（実施例２、３）
図１０、図１１は、それぞれ実施例２、３の多モード光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係のシミュレーション結果を示したグラフである。
実施例２、３は、これらのグラフ中にそれぞれ示されているように、図５（ａ）に示した階段状の屈折率分布を備えたものとした。
実施例２において、クラッドの屈折率を基準にしたときの中心部１ａと階段部１ｂの相対屈折率は、それぞれ０．８０％、０．０８％とした。また、実施例３においては０．８０％、０．１２％とした。また、実施例２、３のいずれにおいても、中心部１ａの半径を１としたとき階段部１ｂの半径は５とした。
【００９３】
（実施例４）
図１２は、実施例４の多モード光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係のシミュレーション結果を示したグラフである。
実施例４の多モード光ファイバは、このグラフ中に示されているように、図５（ｅ）に示した屈折率分布を備えたものであった。このグラフ中の図は、中心から一方の半径方向の屈折率分布を示したものである。そして、中間部５ｂの屈折率を基準としたときの中心部５ａ、リング部５ｃおよびクラッド１１の相対屈折率は、それぞれ０．６１、０．３１、−０．０２％とした。また、中心部５ａの半径を１としたときの中間部５ｂの半径は２．８、リング部５ｃの半径は３．９とした。
【００９４】
（実施例５）
図１３は、実施例５の多モード光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係のシミュレーション結果を示したグラフである。
実施例５の多モード光ファイバは、このグラフ中に示されているように、図５（ｈ）に示した屈折率分布を備えたものであった。そして、中間部８ｂとクラッド１１の屈折率を基準としたときの中心部８ａ、リング部８ｃおよび低屈折率部８ｄの相対屈折率は、それぞれ０．６１、０．２１、−０．０５％とした。また、中心部８ａの半径を１としたときの中間部８ｂの半径は２．８、リング部８ｃの半径は３．９、低屈折率部８ｄの半径は８とした。
【００９５】
（実施例６）
図１４は、実施例６の多モード光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係のシミュレーション結果を示したグラフである。
実施例６の多モード光ファイバは、このグラフ中に示されているように、図５（ｂ）に示した屈折率分布を備えたものであった。そして、中間部２ｂとクラッド１１の屈折率を基準としたときの中心部２ａとリング部２ｃの相対屈折率は、それぞれ０．６４、０．３３％とした。また、中心部２ａの半径を１としたときの中間部２ｂの半径は２．８、リング部２ｃの半径は３．９とした。
【００９６】
図１０〜図１４に示したグラフからわかるように、いずれにおいても正規化周波数Ｖを、ＬＰ０２モードが発生する下限値よりも大きな値に設定することによって、ＬＰ０１モード以外にＬＰ１１、ＬＰ０２、ＬＰ２１、およびＬＰ３１モードなどが伝搬可能であり、かつＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの間の正規化伝搬定数差は非常に大きいが、ＬＰ１１モード以上の高次のモード間の正規化伝搬定数差は非常に小さいという、実施例１と同様の結果が得られた。よって、Ｖの値を適切な範囲として多モード光ファイバを作製すれば、実施例１と同様に、伝送距離が長くなることにより、実質的にシングルモード条件での伝送が可能となるものが得られることが明らかとなった。
【００９７】
（実施例７）
実施例７の多モード光ファイバは、図１５に示したように、図５（ｅ）に示した屈折率分布を備えたものであった。中間部５ｂの屈折率を基準としたときの中心部５ａ、リング部５ｃおよびクラッド１１の相対屈折率は、それぞれ０．７、０．３、−０．１％とした。また、中心部５ａの半径を１としたときの中間部５ｂの半径は４、リング部５ｃの半径は５とした。
図１６は、実施例７の多モード光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係のシミュレーション結果を示したグラフである。
【００９８】
ついで、図１６に示したようにＶの値を６．１に設定して、ＭＣＶＤ法と呼ばれる内付け法を用いてこの多モード光ファイバを実際に作製した。そして、屈折率分布を実際に測定したところ、若千変形したものであったが、図１５に示した理想的な形状に近い屈折率分布が得られた。
【００９９】
この多モード光ファイバの特性の実測値を以下に示した。理論値と実測値は数％以内の誤差で一致した。
コア径（リング部５ｃの外径） １６．３μｍ
正規化周波数 Ｖ＝６．１
正規化伝搬定数 ｂ01＝０．２２
コア中心の相対屈折率差 ０．８％
零分散波長 １５５０ｎｍ
分散値（λ：１５５０ｎｍ） ２．０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ
高次モードのカットオフ波長（ファイバ長２ｍ） 約１．８１μｍ
ＭＦＤ １０．２μｍ
Ａｅｆｆ ８９．５μｍ²
ＬＰ０１モードの曲げ損失 約２３ｄＢ／ｍ（曲げ径２０ｍｍ）
波長分散スロープ（λ：１５５０ｎｍ） 約０．１３３ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ²
【０１００】
この外径１２５μｍの多モード光ファイバを、図１７に示したように、多モード光ファイバ３１の外周上に軟らかいヤング率０．１０ｋｇ／ｍｍ²の内層３２（厚さ約３５μｍ）とヤング率６０ｋｇ／ｍｍ^{2 、}硬い外層３３（厚さ約２７μｍ）からなる紫外線硬化型樹脂からなる被覆層を設けて光ファイバ素線３４とし、この光ファイバ素線３４を、６本、鋼線３５の上にポリエチレンからなる被覆層３６が設けられたテンションメンバ３７の外周上に撚り合わせてた集合体の上に、ポリエチレンからなる一括被覆層３８が設けて６心のユニット構造とした。そして、このユニットの高次モードのカットオフ波長を測定したところ、ユニット長約２ｋｍの位置の、各多モード光ファイバ３１…のカットオフ波長は、１．５０μｍまで短くなっていた。
【０１０１】
したがって、ファイバ長が２ｍのときのカットオフ波長は約１．８１μｍであり、この値のみから判断すると実用には向かないと考えられるが、所定のファイバ長を確保することによってシングルモード伝搬が可能となることが確認できた。 しかもこの多モード光ファイバのＡｅｆｆはほぼ９０μｍ²と大きく、多モード光ファイバ中の光信号のパワー密度を下げることができ、非線形効果の抑制を図ることができることがわかった。
【０１０２】
（実施例８）
実施例８の多モード光ファイバは、図１８に示されているように、図５（ｂ）に示した屈折率分布を備えたものであった。そして、中間部２ｂとクラッド１１の屈折率を基準としたときの中心部２ａとリング部２ｃの相対屈折率は、それぞれ０．８、０．５％とした。また、中心部２ａの半径を１としたときの中間部２ｂの半径は３、リング部２ｃの半径は４とした。
図１９は、実施例８の多モード光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係のシミュレーション結果を示したグラフである。
【０１０３】
ついで、Ｖの値を５．４に設定して、実施例７と同様にＭＣＶＤ法と呼ばれる内付け法を用いてこの多モード光ファイバを実際に作製した。
この多モード光ファイバの特性の実測値を以下に示した。理論値と実測値は数％以内の誤差で一致した。
【０１０４】
コア径（リング部２ｃの外径） １４．６μｍ
正規化周波数 Ｖ＝５．４
正規化伝搬定数 ｂ01＝０．２３
コア中心の相対屈折率差 ０．８％
零分散波長 １５６４ｎｍ
分散値（λ：１５５０ｎｍ） ２．０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ
高次モードのカットオフ波長（ファイバ長２ｍ） 約１．８７μｍ
ＭＦＤ ９．７μｍ
Ａｅｆｆ ９３．９μｍ²
ＬＰ０１モードの曲げ損失 約１５ｄＢ／ｍ（曲げ径２０ｍｍ）
波長分散スロープ（λ：１５５０ｎｍ） 約０．１３３ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ²
【０１０５】
この多モード光ファイバを実施例７と同様にして図１７に示したようにユニットとし、このユニットの高次モードのカットオフ波長を測定したところ、４ｋｍ伝送したところで１５００ｎｍを下回る値が得られ、シングルモード伝送が可能であることが確認できた。また、上記のようにＡｅｆｆも大きく、非線形抑制の効果にも優れていることがわかった。
【０１０６】
（実施例９）
上述の図８（ａ）、図８（ｂ）に示した方法の他、多モード光ファイバの伝搬モードが複数存在していること確認する方法として、反射型のファイバグレーティングを利用した方法が例示できる。
ファイバグレーティングとは、多モード光ファイバの長さ方向に、コアの屈折率やコア径の周期的な変化などの摂動を形成したものである。そして、この周期的な変化の作用によって、特定波長帯の光を反射する特性が得られる。
【０１０７】
図２０（ａ）はファイバグレーティングの製造方法の一例を示した説明図であって、この製造方法は、ゲルマニウム添加石英ガラスに特定波長の紫外光を照射すると屈折率が上昇する特性（いわゆるフォトリフラクティブ効果）を利用したものである。
光ファイバ４１は、そのコア４１ａの少なくとも中心付近の高屈折率の部分がゲルマニウム添加石英ガラスからなるものである。コア４１ａの他の部分は、純石英ガラスまたはフッ素添加石英ガラスから形成されている。クラッド４１ｂは純石英ガラスまたはフッ素添加石英ガラスからなるものである。
一方、符号５２は位相マスクである。この位相マスク５２は石英ガラスなどからなり、その片面には所定の周期で複数の格子５２ａ…が形成されている。
【０１０８】
そして、光ファイバ４１の側面に格子５２ａ…の形成面が対峙するように位相マスク５２を配置し、この光ファイバ４１の側面に位相マスク５２を介して紫外光を照射する。
すると、格子５２ａ…によって＋１次回折光と−１次回折光とが回折して干渉縞が生じ、紫外光の強度パターンが形成される。その結果、前記干渉縞が生じた部分のコア４１ａの屈折率が変化し、この紫外光の強度パターンが半永久的なコア４１ａの屈折率変化としてコア４１ａに転写される。このようにして光ファイバ４１の長さ方向にコア４１ａの屈折率の周期的な変化が形成されたグレーティング部４３が得られる。
【０１０９】
そして、図２０（ｂ）に示したように、光ファイバ４１に光を入射すると、グレーティング部４３において特定波長の光が反射し、この特定波長の光が損失した透過光が得られる。
反射光の波長は、屈折率変化の周期（屈折率摂動）に依存する。すなわち、光ファイバ４１中のモードのファイバ内波長とこの屈折率摂動の１／２の周期とが一致すると、非常に強い反射が生じる。したがって、この反射波長の測定によって光ファイバ４１を伝搬するモードを、かなり正確に知ることができる。
【０１１０】
図２１は、実施例６に類似する屈折率分布を有する多モード光ファイバに、紫外線レーザ（エキシマレーザ）を用いて、約０．５μｍの短い周期のグレーティング部を形成したファイバグレーティングの反射波長特性を測定した反射スペクトルである。伝搬モードがひとつしかなければ、反射スペクトルは１本しか観測されないが、この実施例においてはＬＰ０１モード以外に複数のモードの反射スペクトルが観測され、複数のモードが伝搬しているものであることが確認できた。
【０１１１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高次モード除去機能を有する多モード光ファイバにおいては、所定距離伝搬した後には単一モード伝搬が可能となるため、従来の単一モード条件を緩和して、ファイバパラメータを比較的自由に設定することができる。
その結果、使用波長帯において分散を小さくすることができる。また、実効コア断面積を大きくすることができる。そして、接続損失、曲げ損失および非線形効果の低減を図ることができる。
さらに、このような設計パラメータの自由度の増大により、長距離伝送に適した光ファイバや、長距離伝送に適し、かつ波長多重伝送用に適した光ファイバなどの設計に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光ファイバの伝搬モードの存在範囲をβダイアグラムで示したグラフである。
【図２】 マイクロベンドが生じている光ファイバを示した斜視図である。
【図３】 ファイバ径が長さ方向に変動している光ファイバを示した斜視図である。
【図４】 ステップ型の屈折率分布を有する光ファイバにおける正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係を示したグラフである。
【図５】 図５（ａ）〜図５（ｈ）は本発明の光ファイバの屈折率分布の例を示したグラフである。
【図６】 実施例１の光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係を示したグラフである。
【図７】 実施例１において、実際に作製した光ファイバの屈折率分布を測定した結果を示したグラフである。
【図８】 図８（ａ），図８（ｂ）は光ファイバのファイバ長とカットオフ波長との関係を測定する方法を示した説明図、図８（ｃ）は、カットオフ波長を求めるためのグラフの一例を示した図である。
【図９】 実施例１の光ファイバのファイバ長とカットオフ波長の関係の測定結果を示したグラフである。
【図１０】 実施例２の光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係を示したグラフである。
【図１１】 実施例３の光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係を示したグラフである。
【図１２】 実施例４の光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係を示したグラフである。
【図１３】 実施例５の光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係を示したグラフである。
【図１４】 実施例６の光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係を示したグラフである。
【図１５】 実施例７の光ファイバの屈折率分布を示したグラフである。
【図１６】 実施例７の光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係を示したグラフである。
【図１７】 実施例７の光ファイバを用いて作製したユニットの断面図である。
【図１８】 実施例８の光ファイバの屈折率分布を示したグラフである。
【図１９】 実施例８の光ファイバの正規化周波数Ｖと正規化伝搬定数ｂｍｎとの関係を示したグラフである。
【図２０】 図２０（ａ）はファイバグレーティングの製造方法の一例を示した説明図、図２０（ｂ）はファイバグレーティングの作用を示した説明図である。
【図２１】 実施例９において、ファイバグレーティングの反射スペクトルの測定結果を示したグラフである。
【符号の説明】
１ａ…中心部、１ｂ…階段部、２ａ…中心部、２ｂ…中間部、
３ｂ…第１のリング部、３ｃ…中間部、
４ｂ…第１のリング部、４ｃ…階段部、
５ａ…中心部、５ｂ…中間部、６ａ…中心部、６ｂ…中間部、
７ａ…中心部、７ｂ…階段部、８ａ…中心部、８ｂ…中間部、
１０…コア、１１…クラッド。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical fiber for relatively long-distance transmission, and mainly relates to an optical fiber suitable for ultrahigh-speed transmission and high-density wavelength division multiplexing transmission.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a single mode fiber is known as an optical fiber for high-speed transmission. Single-mode fibers for high-speed transmission are usually made of silica glass. Here, the silica-based glass is glass mainly composed of silicon dioxide. Further, in this specification, it is assumed that at least 50% by weight or more of the silica-based glass forming the core of the optical fiber is silicon dioxide.
The simplest single-mode fiber has a step-type refractive index profile. The step type single mode fiber has a structure in which a clad having a refractive index lower than that of a core is provided around a core having a uniform refractive index.
[0003]
The electromagnetic field of the step type single mode fiber can be obtained by solving the Maxwell equation.
In the cross section of the optical fiber, the core radius is a, the core refractive index (peak refractive index) is n1, the clad refractive index is nclad, and the relative refractive index difference (relative refractive index difference) Δ between the core and the clad is Formula (1)
[0004]
[Expression 1]

[0005]
When the wavelength of light is λ, the normalized frequency V is expressed by the following equation (2).
[0006]
[Expression 2]

[0007]
If this normalized frequency V is a value equal to or smaller than a certain value, a single mode condition in which only one LP mode can propagate is guaranteed.
Here, the LP mode (Linearly Polarized Mode) will be described.
A mode that propagates through the core of the optical fiber is called a propagation mode, and a mode that propagates through the cladding is called a cladding mode. When the clad mode propagates a predetermined distance, it radiates out of the clad and attenuates.
Strictly speaking, the propagation mode includes modes having various directional components such as TE, TM, HE, EH and the like as directions of electromagnetic field vectors. However, under a certain approximation, specifically, under the condition that the non-refractive index difference between the core and the clad is small, the electric field vector in either direction when taking two orthogonal axes in the fiber cross section. The propagation mode of light can be approximated by the LP mode that has only it. In general, it is said that the relative refractive index difference between the core and the clad is 1% or less, but if a slight error is allowed, it is considered that the approximation is established up to about 3% of the refractive index difference.
The correspondence between the LPmn mode and the strict field mode is as follows.
LP01 mode = HE11 mode
LP11 mode = TE01 mode, TM01 mode, HE21 mode
LP21 mode = EH11 mode, HE31 mode
LP02 mode = HE12 mode
...
[0008]
In a step type single mode fiber, when V <= 2.405, it is known that only the so-called lowest order mode (fundamental mode, ie LP01 mode) is a single mode condition that propagates through the core. .
[0009]
As can be seen from the equation (2), the disadvantage of the step type single mode fiber is that the core radius a (2a in terms of core diameter) is satisfied in order to satisfy the single mode condition for a certain wavelength λ. And the square root of the relative refractive index difference Δ^1/2In other words, the mode field diameter (MFD) indicating the mode existence region tends to decrease in principle. If the MFD is small, the condition may not be satisfied when connecting the optical fibers with low loss.
[0010]
On the other hand, in order to increase the MFD while maintaining V <= 2.405, it is necessary to increase the core diameter 2a and to decrease the relative refractive index difference Δ.
However, with such a design, the refractive index difference is small, and the mode is large and spreads from the center of the core, so that the propagation mode energy passes through the cladding simply by giving a slight bend (microbend) to the fiber. It is radiated to the outside and easily causes loss.
[0011]
Therefore, as one measure, rather than strictly complying with V <= 2.405 shown in Equation (2), V is set such that the LP11 mode that is the second-order mode theoretically exists. Things have been done.
That is, when a design that allows V to be a value of about 3.0 is performed, even if a relatively large LP01 mode MFD is set, the confinement of the electromagnetic field in the core is strong. Therefore, even if a slight bend is applied to the fiber, the bending loss does not increase so much that transmission is possible.
[0012]
At this time, since the LP11 mode is only confined in the core, it does not propagate over a long distance, and when it propagates for several meters to several tens of meters, it rapidly attenuates due to a large radiation loss due to bending received in actual use. . Therefore, transmission is not affected.
However, in the structure in which two or more modes propagate in this way, if the higher-order mode does not attenuate quickly, there are the following problems.
In general, when a plurality of modes propagate in an optical fiber, the propagation speeds of the individual modes do not match. Therefore, in an optical fiber communication system, when optical signal energy is distributed and propagated simultaneously in a plurality of modes, the arrival time of each mode differs after propagation over a long distance, and the demodulated signal waveform is distorted. As a result, high-speed transmission cannot be performed. In recent years, the transmission speed of optical communication is generally several Gb / s or more for one carrier wavelength, and is practically 10 Gb / s, experimentally several tens to 100 Gb / s. Has been reported.
[0013]
By the way, chromatic dispersion (also simply referred to as dispersion) of an optical fiber is determined by the sum of the following two elements. One is the material dispersion determined by the material of the fiber, and the other is the waveguide dispersion (structure dispersion) determined by the refractive index distribution structure of the optical fiber. In the wavelength range of 1.3 to 1.6 μm that is important for optical fiber communication, the material dispersion of the silica-based optical fiber tends to increase as the wavelength increases. In the above-mentioned normal step type single mode fiber, the contribution of the waveguide dispersion is small and the material dispersion is dominant. Therefore, the total dispersion, that is, the sum of the material dispersion and the waveguide dispersion is around 1.3 μm. It becomes zero.
The minimum loss wavelength of an optical fiber, particularly an optical fiber mainly composed of silica glass, is in the vicinity of 1.55 μm. The loss of the silica-based optical fiber is mainly due to Rayleigh scattering and is minimized in the 1.55 μm band. Therefore, a step type single mode fiber having V of 2.4 to 3.0 in this wavelength band has a large dispersion and is not suitable for high-speed transmission.
[0014]
The dispersion-shifted fiber is a single-mode fiber made of silica-based glass, in which the wavelength band where the dispersion is zero is shifted to the 1.55 μm band. That is, by changing the refractive index distribution structure, the absolute value of the waveguide dispersion, which greatly depends on the structure, is increased, and the wavelength band where the total dispersion, which is the sum of the material dispersion and the waveguide dispersion, becomes zero is 1.3 μm. It is shifted from the belt. The material dispersion is determined by the material itself and hardly depends on the waveguide structure.
Thus, by setting the dispersion in the 1.55 μm band to zero, it is possible to perform transmission with lower loss than in the 1.3 μm band.
[0015]
Specific numerical values are as follows, for example.
The material dispersion of ordinary quartz glass is approximately 17 ps / km / nm in the wavelength 1.55 μm band. Therefore, if the waveguide dispersion is about −17 ps / km / nm, the material dispersion can be canceled and the dispersion can be made zero.
Thus, in order to increase the absolute value of the waveguide dispersion, the following conditions must be satisfied.
(A) Having a relatively large relative refractive index difference.
(B) It has a relatively small core diameter and a large relative spread of the electromagnetic field distribution with respect to the main part of the core.
[0016]
(A) can be dealt with by designing the relative refractive index difference between the core and the clad to be large.
Said (B) is almost synonymous with the fact that light is not confined in the core. In a dispersion shifted fiber, for example, it is known that waveguide dispersion tends to increase in a region where Δ (MFD) / Δλ has a large value with respect to a wavelength change of λ → λ + Δλ. Therefore, in the dispersion shifted fiber, in order to increase the waveguide dispersion in accordance with the condition (B), a structural design is often performed such that the electromagnetic field oozes out from the main part of the core.
[0017]
However, in such a large electromagnetic field, that is, a so-called large MFD, since the mode is large and spreads from the center of the core as described above, the energy of the propagation mode can be obtained only by giving a slight bending to the fiber. Radiates to the outside and easily causes loss.
Therefore, it is known that it is quite difficult to design a dispersion-shifted fiber that simultaneously satisfies the dispersion shift to the 1.55 μm band and the sensitivity of this bending loss.
[0018]
By the way, in recent years, with the development of optical communication technology, a technology for long-distance transmission while directly amplifying an optical signal by an optical amplifier has been realized. As the optical amplifier, an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) is used, and the power of the amplified optical signal is often several tens of mW or more.
[0019]
The 1.55 μm band, which is a low loss region of the dispersion shifted fiber, has a certain wavelength width. Further, the amplification bandwidth of the EDFA has a wavelength width of several tens of nm. Therefore, a wavelength multiplex transmission system has been realized in which a plurality of optical signals of several tens of wavelengths are set in the 1.55 μm band, and these optical signals are simultaneously amplified by an EDFA and transmitted through one dispersion-shifted fiber. Yes.
As a result of this technological advancement, the design of the so-called optical existence area (effective core cross-sectional area) in an optical fiber, that is, the expansion of the MFD, is simply a dispersion shift that connects the fibers with low loss. Other than the purpose of increasing the absolute value of the waveguide dispersion of the fiber, another significance has come out. That is, it is a problem of nonlinear effects.
[0020]
In long-distance transmission, there is a problem that the signal waveform of the optical signal is distorted due to the influence of the nonlinear effect while transmitting a sufficiently amplified large-power optical signal over a long distance regardless of whether there is wavelength division multiplexing transmission. is there.
Specific examples of nonlinear effects include self-phase modulation, four-wave mixing (FWM), and the like.
[0021]
Self-phase modulation is one of the third-order nonlinear phenomena that cause a change in the refractive index of a substance depending on the light intensity, and is a phenomenon in which the phase of the light pulse propagating through the substance changes rapidly in a short time.
In long-distance transmission, for example, if the peak power of an optical signal is strong even in the case of single-wave transmission, a phenomenon occurs in which the refractive index of the glass differs between the strongest peak portion and the weakest valley portion. However, a local change in the instantaneous frequency of light occurs.
And, the faster the modulation, the larger the instantaneous frequency change, which is combined with the dispersion of the optical fiber, resulting in a large waveform distortion. Therefore, self-phase modulation in long-distance multiplex transmission is an effect that should be called an interaction between dispersion of the dispersion-shifted fiber and self-phase modulation.
[0022]
FWM is also one of the third-order nonlinear phenomena, and unnecessary fourth light is generated by three incident lights, and waves of four frequencies interact to influence wavelength multiplexing communication. When the number of wavelength multiplexing increases, a very large number of combinations of four waves can be considered. Therefore, many interactions with each other cause a reduction in communication quality.
The generation efficiency of unnecessary light (wave) by the FWM is approximately given by the following formula (3).
[0023]
[Equation 3]

[0024]
Where α is the loss factor of the optical fiber (unit is, for example, dB / km), n₂Is the nonlinear refractive index of the optical fiber glass, D is the dispersion of the optical fiber, and Aeff is the effective core area of the optical fiber.
[0025]
Aeff in the equation (3) is given by the following equation (4) when the electromagnetic field distribution of the mode propagating through the core is a Gaussian type.
[0026]
[Expression 4]

[0027]
However, in practice, as shown in the following formula (5), the calculation is performed by integrating the electromagnetic field distribution of the light in the core.
[0028]
[Equation 5]

[0029]
As can be seen from the equation (3), the generation efficiency becomes very large when the dispersion of the optical fiber approaches zero. Therefore, the dispersion is desirably as small as possible from the viewpoint of high-speed transmission, but it is inconvenient if it is too small from the viewpoint of the nonlinear effect.
A larger Aeff is preferable. Therefore, designing a large MFD as described above is meaningful for reducing the nonlinear effect.
[0030]
Due to the above background, recent dispersion-shifted fibers are required to satisfy the following conditions.
(A) In the used wavelength band, the absolute value of dispersion is small, and it is not completely zero, but has a value deviated to some extent (sometimes referred to as NON-ZERODISPERSION SHIFTED FIBER).
(B) Aeff is large.
(C) Low loss. This is satisfied to some extent if it is a silica-based optical fiber. Specifically, it is desirable that the loss in the 1.55 μm band is about 0.23 dB / km or less.
(D) The bending loss sensitivity is small. This often contradicts the large Aeff in (2) above.
[0031]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and (A) has a relatively large Aeff, (B) has low loss, and (C) has an absolute value of dispersion value of several ps / km / nm in a 1.55 μm band. (D) It is an object to provide an optical fiber having a relatively small bending loss sensitivity in an environment where the optical fiber is used.
Further, for wavelength multiplexing transmission, (E) it is preferable that wide-band transmission is possible in long-distance transmission of several kilometers or more.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention uses the following means in order to solve the above problems.
  The first invention is a multimode optical fiber in which at least three linear polarization modes can exist as propagation modes when an optical signal is incident,
  The propagation mode includes a lowest order mode and a higher order mode higher than the second order mode,
  The difference in propagation constant between the lowest order mode and the second order mode is at least twice the difference in propagation constant between adjacent modes in a higher order mode higher than the second order mode.The
Having a core and a cladding provided on the outer periphery thereof;
The core is composed of two or more layers provided concentrically, and the highest refractive index layer having the highest refractive index provided near the center of the core, and provided on the outer periphery of the maximum refractive index layer, An intermediate layer having a lower refractive index than the maximum refractive index layer,
The maximum value of the relative refractive index based on the cladding of the intermediate layer is 5 to 90% of the relative refractive index based on the cladding of the maximum refractive index layer,
  While the incident optical signal propagates up to 4 km, the modes other than the lowest mode are attenuated and substantially do not contribute to information transmission.This is a multimode optical fiber having a higher-order mode removal function.
  The second invention isA multimode optical fiber in which at least three linear polarization modes can exist as propagation modes when an optical signal is incident;
The propagation mode includes a lowest order mode and a higher order mode higher than the second order mode,
The difference in propagation constant between the lowest order mode and the second order mode is at least twice the difference in propagation constant between adjacent modes in a higher order mode higher than the second order mode,
Having a core and a cladding provided on the outer periphery thereof;
The core is composed of two or more layers provided concentrically, and the highest refractive index layer having the highest refractive index provided near the center of the core, and provided on the outer periphery of the maximum refractive index layer, An intermediate layer having a lower refractive index than the maximum refractive index layer,
  The intermediate layer is composed of one layer or two or more layers having different refractive indexes, and the refractive indexes of the layers constituting the intermediate layer are defined as nl1, nl2,..., Nli (i = 2, 3,...) From the center side. Nl1> nli and the cladding has a lower refractive index than nl1,
  While the incident optical signal propagates up to 4 km, the modes other than the lowest mode are attenuated and substantially do not contribute to information transmission.This is a multimode optical fiber having a higher-order mode removal function.
  The third invention isA multimode optical fiber in which at least three linear polarization modes can exist as propagation modes when an optical signal is incident;
The propagation mode includes a lowest order mode and a higher order mode higher than the second order mode,
The difference in propagation constant between the lowest order mode and the second order mode is at least twice the difference in propagation constant between adjacent modes in a higher order mode higher than the second order mode,
Having a core and a cladding provided on the outer periphery thereof;
The core is composed of two or more layers provided concentrically, and the highest refractive index layer having the highest refractive index provided near the center of the core, and provided on the outer periphery of the maximum refractive index layer, An intermediate layer having a lower refractive index than the maximum refractive index layer,
  The intermediate layer is composed of two or more layers having different refractive indexes. Among the layers constituting the intermediate layer, the refractive index of the layer adjacent to the maximum refractive index layer is nl1, and the maximum refractive index of these layers is nlmax. When nlmax> nl1 and the cladding has a refractive index lower than nlmax,
  While the incident optical signal propagates up to 4 km, the modes other than the lowest mode are attenuated and substantially do not contribute to information transmission.This is a multimode optical fiber having a higher-order mode removal function.
  The fourth invention is the first invention.In a multimode optical fiber having a high-order mode removal function, the high-order mode removal function is characterized in that the normalized propagation constant difference between adjacent modes is 0.25 or less in the high-order mode and the cladding mode. Multimode optical fiber.
  5th invention of 1st inventionIn a multimode optical fiber having a high-order mode removal function, the relative refractive index difference of the maximum refractive index layer based on the refractive index of the clad is 0.65 to 1.5%. This is a multimode optical fiber having a mode removal function.
  The sixth aspect of the invention is the fifth aspect of the invention.A multimode optical fiber having a high-order mode removal function, wherein the outer diameter of the core is 3 to 8 times the outer diameter of the maximum refractive index layer. is there.
  The seventh aspect of the invention is the sixth aspect of the invention.A multimode optical fiber having a high-order mode removal function, wherein the outer diameter of the core is 3 to 5.5 times the outer diameter of the maximum refractive index layer. It is.
  The eighth aspect of the invention is the second aspect of the invention.In a multimode optical fiber having a higher-order mode rejection function, the maximum relative refractive index based on the cladding of the intermediate layer is 5 to 50% of the relative refractive index based on the cladding of the maximum refractive index layer. Is a multimode optical fiber having a higher-order mode removal function.
  The ninth aspect of the invention is the third aspect of the invention.In a multimode optical fiber having a high-order mode rejection function, the maximum relative refractive index based on the cladding of the intermediate layer is 15 to 90% of the relative refractive index based on the cladding of the maximum refractive index layer. Is a multimode optical fiber having a higher-order mode removal function.
  The tenth invention is any one of the first to third inventions.In a multimode optical fiber having a higher-order mode rejection function, the effective core area in the 1.55 μm band is 50 μm.² This is a multimode optical fiber having a higher-order mode removal function characterized in that the absolute value of dispersion in the 1.55 μm band is 10 ps / km / nm or less, and quartz glass is the main component.
  The eleventh aspect of the invention is the tenth aspect of the invention.In a multimode optical fiber having a higher-order mode rejection function, the effective core area in the 1.55 μm band is 70 μm.² A multimode optical fiber having a higher-order mode removal function characterized by the above.
  The twelfth invention of the eleventh inventionA multimode optical fiber having a high-order mode removal function, characterized in that, in a multimode optical fiber having a high-order mode removal function, the absolute value of dispersion in the 1.55 μm band is 5 ps / km / nm or less.
  The thirteenth invention is any one of the first to third inventions.A multimode optical fiber having a high-order mode removal function, wherein the number of propagation modes is 3 to 6 in the multimode optical fiber having a high-order mode removal function.
  The fourteenth invention is any one of the first to third inventions.In a multimode optical fiber having a high-order mode removal function, a multimode having a high-order mode removal function, wherein dispersion in the lowest-order mode becomes zero at a wavelength longer than 1.5 μm in the used wavelength band It is an optical fiber.
  The fifteenth invention is any one of the first to third inventions.A multimode optical fiber having a high-order mode removal function, wherein a uniform bending loss of a diameter of 20 mm in a used wavelength band is 30 dB / m or less in a multimode optical fiber having a high-order mode removal function.
  The sixteenth invention is any one of the first to third inventions.A multimode optical fiber having a high-order mode removal function, wherein a uniform bending loss of a diameter of 20 mm in a used wavelength band is 10 dB / m or less in a multimode optical fiber having a high-order mode removal function.
  The seventeenth invention is any one of the first to third inventions.In a multimode optical fiber having a high-order mode removal function, a multimode having a high-order mode removal function, wherein dispersion in the lowest-order mode becomes zero at a wavelength shorter than 1.5 μm in the used wavelength band It is an optical fiber.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As described above, in the conventional technology, for example, in a step-type single mode fiber, the confinement of the LP01 mode is strengthened and relatively confined by slightly relaxing the single mode condition by setting V to about 3.0 at most. Measures have been taken to quickly attenuate the weak LP11 mode.
Such an optical fiber is often referred to as a “quasi-single mode fiber”.
[0034]
In the multimode optical fiber of the present invention, conditions for allowing more modes to propagate than the quasi-single mode fiber are set, and the relationship between the refractive index distribution of the optical fiber and the propagation constant difference between the modes is set appropriately. Thus, a design capable of substantially single mode transmission is performed.
[0035]
The basic idea of the multimode optical fiber of the present invention is to use mode conversion caused by bending that occurs in the environment where the optical fiber is used.
In the case of an ideal optical fiber, it is assumed that there are no outer diameter fluctuation, core diameter fluctuation, and refractive index fluctuation in the length direction.
Therefore, even if a plurality of modes propagates through the optical fiber, the mode energy is not exchanged with each other.
[0036]
However, in an actual optical fiber installation environment, the following disturbance is applied to the optical fiber.
(A) In the optical fiber itself, the outer diameter fluctuation, the core diameter fluctuation, the refractive index fluctuation, etc. are inherent in the length direction.
(B) In order to protect the outer surface, the optical fiber is usually handled as an optical fiber having a coating layer made of a synthetic resin on its outer periphery. This coating layer usually has a double structure consisting of a soft inner layer and a hard outer layer. This coating layer also has a variation in diameter and a change in resin hardness in the length direction, which affect the optical fiber.
(C) In forming an optical fiber into a cable, the optical fiber is taped or twisted together. Along with this, the optical fiber is bent, pulled, and compressed.
As a result of these disturbances being applied to the optical fiber, the modes propagating through the optical fiber exchange energy between the modes. This is called mode conversion.
[0037]
The degree is expressed by the propagation constant difference Δβ between the propagation constants βi and βj of the two modes involved in the coupling. Δβ is expressed by the following equation (6).
[0038]
[Formula 6]

[0039]
The coupling coefficient Cij of these modes is expressed by the following equation (7)
[0040]
[Expression 7]

[0041]
Δβ as shown in^-2pIt is said to be proportional to Here, p is an amount related to the spectrum in the length direction of fluctuation, and is said to take a value of about 2 to 4.
FIG. 1 is a β diagram showing the existence range of propagation modes, and the horizontal axis represents the propagation constant. A mode in which β is positive is a mode in the traveling direction of the optical signal, and a mode in which β is negative is an opposite reflection mode.
In the case of qualitative explanation, as shown in FIG. 1, the propagation constant of the LP01 mode is β0, and the propagation constants of higher order modes thereafter are β1, β2,.
For example, in the above, if p = 4, the coupling coefficient between modes is inversely proportional to the eighth power of Δβ. Here, it is assumed that there are three propagation modes (LP01, LP11, and LP02 modes). The propagation constants are β0, β1, and β2 as described above. Then, the following equations (8) and (9)
[0042]
[Equation 8]

[Equation 9]

[0043]
Suppose that it is designed to satisfy the conditions as shown in. In formula (9), ko is the following formula (10)
[0044]
[Expression 10]

[0045]
N is a propagation constant of light in vacuum indicated by_cladIs the refractive index of the cladding.
According to the equation (7), the relationship of the coupling coefficient between these modes is as shown in the following equations (11) and (12).
[0046]
## EQU11 ##

[Expression 12]

[0047]
As can be seen from these equations (11) and (12), the coupling between the modes hardly occurs between the LP01 mode and the LP11 mode, and between the higher order modes (between the LP11 mode and the LP02 mode) and Occurs between the highest order mode (LP02 mode) and the cladding mode.
Therefore, the LP11 mode is strongly coupled with the LP02 mode, further coupled with the clad mode, propagates through the clad, and quickly attenuates after traveling a predetermined distance.
Therefore, while a plurality of modes are in a state capable of propagating in the core, the propagation constant of each mode is appropriately controlled, and a higher-order mode higher than the LP11 mode is positively influenced by the above disturbance. After removing and propagating an appropriate distance, it is possible to arrange the modes so that only the LP01 mode substantially propagates.
[0048]
Strictly speaking, the coupling coefficient between modes is not simply determined by Δβ, but greatly depends on the electromagnetic field distribution of the two modes involved in coupling and the form and periodicity of disturbances given as perturbations to the optical fiber. .
It is recognized by those skilled in the art that optical fibers are cabled that Δβ has a very large meaning from the viewpoint of increasing transmission loss. The relationship between the propagation constant difference and the increase in transmission loss has a very strong dependence that it is proportional to the −4th power to the −8th power depending on the value of p, as shown in the equations (8) and (9). This is because it has a greater influence than other factors.
[0049]
However, in the present invention, in a multimode optical fiber in which a plurality of modes can propagate in the core, a plurality of LP modes are excited and propagated through the optical fiber, and while propagating these, the LP11 mode is positively Since the purpose is to eliminate the above higher-order modes, not only Δβ but also the shape and periodicity of the disturbance imparted to the multimode optical fiber are factors that greatly affect the characteristics. Since the shape of the disturbance and the periodicity of the disturbance vary depending on the individual optical fiber, it cannot be described in general. However, in the normal handling of optical fiber, the factors inherent in the optical fiber itself and the factors that are The disturbance suitable for the present invention is given depending on the factors, and the effects of the present invention are obtained.
[0050]
For example, axial symmetry is important in the form of disturbances. Hereinafter, qualitatively, some forms of disturbances generated in the multimode optical fiber designed as shown in the above formulas (8), (9), (11), and (12), and the mode coupling relationship at that time It illustrates about.
For example, when a microbend as shown in FIG. 2 is generated in an optical fiber, the axis of the optical fiber that was originally straight is bent, so that a so-called “non-axisymmetric perturbation” is given to the optical fiber. Since the LP01 mode is an axially symmetric mode, in an optical fiber in which microbending has not occurred, if there is only an axially symmetric perturbation such as a core diameter variation of the optical fiber, the LP01 mode is coupled to the LP02 mode that is the same axially symmetric mode. .
However, when a perturbation that is not axially symmetric, such as microbend, is given to some extent, the coupling between the LP11 mode, which is a non-axisymmetric mode, is dominant over the coupling between the LP01 mode and the LP02 mode. The LP11 mode is coupled with the LP02 mode as well as the LP01 mode.
[0051]
In the case where only the so-called “axisymmetric perturbation” in which the fiber diameter shown in FIG. 3 fluctuates in the length direction as described above is added to the multimode optical fiber, unlike the above-described microbend, It is considered that coupling occurs between modes having the same symmetry.
That is, combinations of couplings such as the LP01 mode and the LP02 mode, the LP11 mode and the LP12 mode are conceivable.
[0052]
Particularly in the multimode optical fiber of the present invention, in order to give a preferable disturbance, the Young's modulus of the material of the inner layer is set to 0 when the synthetic resin coating layer composed of the inner layer and the outer layer is provided on the surface of the multimode optical fiber. .5kg / mm²Below, preferably 0.05 to 0.3 kg / mm²And the outer layer material has a Young's modulus of 30 kg / mm²Or more, preferably 60 to 70 kg / mm²This is preferable. By satisfying these ranges, the optical fiber is moderately disturbed due to the difference in hardness between the inner layer and the outer layer, and possibly due to resin curing during the production of the optical fiber, and the effect of removing higher-order modes is improved. .
[0053]
Here, the design of the multimode optical fiber of the present invention can be organized as follows.
(A) When the optical signal is incident (excitation), the refractive index distribution structure is designed so that at least three linear polarization modes can exist as propagation modes. This increases the degree of freedom in fiber design.
[0054]
(B) At that time, in these propagation modes, the difference in propagation constant between the LP01 mode and the LP11 mode is at least twice the difference in propagation constant between the higher order mode higher than the LP11 mode and the adjacent higher order mode, preferably 3 Set to be more than double. As a result, a mode arrangement is possible in which only higher-order modes higher than the LP11 mode are coupled to the cladding mode, and only the LP01 mode substantially propagates after propagating an appropriate distance. If it is less than twice, only the higher-order mode cannot be attenuated appropriately, and single-mode transmission may not be achieved.
(C) In the higher-order mode and the cladding mode higher than the LP11 mode, the difference in propagation constant between adjacent modes is 0.25 or less, preferably 0.1 or less, more preferably 0. Set to 05 or less. By setting in this way, the higher-order mode quickly couples with the clad mode and disappears after propagation over a distance that does not cause a problem in the system.
[0055]
Although this appropriate distance depends on the type of optical fiber, a transmission system that is sufficiently practical can be configured if the higher-order mode disappears after propagation of about 4 km.
At this time, if a mode other than the LP01 mode receives attenuation of 20 dB or more when propagating for 4 km or more, these modes substantially do not contribute to information transmission.
For example, in a submarine transmission system, a plurality of optical fibers are sequentially connected as necessary, and the continuous length of one optical fiber is at least 3 to 4 km. Therefore, if unnecessary higher-order modes are sufficiently attenuated while propagating through one multimode optical fiber, a substantially single-mode propagation state is realized while reaching the next connection point.
However, the conditions shown in the above (A), (B), and (C) cannot be freely adopted in the refractive index distribution structures of all optical fibers.
[0056]
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn in an optical fiber having a step-type refractive index distribution.
bmn is a value obtained by normalizing the propagation constant βmn of the LPmn mode, and is approximated by the following equation (13).
[0057]
[Formula 13]

[0058]
Here, βmn is an LPmn mode propagation constant (m and n are integers).
In βmn and bmn, in order to compare the relative magnitudes of the propagation constants or normalized propagation constants, almost the same result is obtained in both cases.
Here, the relative refractive index difference Δ, which is a relative difference between the peak refractive index of the core and the refractive index of the cladding, is expressed by the following formula (14).
[0059]
[Expression 14]

[0060]
Considering this, the relationship between βmn and bmn can also be approximately expressed as the following equation (15).
[0061]
[Expression 15]

[0062]
Further, if the difference between the two propagation constants is Δβmn, m′n ′, the difference between the propagation constants can be expressed as the following equation (16).
[0063]
[Expression 16]

[0064]
In the graph shown in FIG. 4, when the normalized frequency V becomes higher than 2.405, the second LP mode (LP11 mode) is generated. Accordingly, the upper limit value VC11 of the normalized frequency within a range in which the propagation of the LP11 mode can be removed is 2.405. Further, when V exceeds 3.8, the next LP mode is generated. What actually occurs at this time is the LP21 mode and the LP02 mode.
In the range in which the third and fourth LP modes occur, the b01 and b11 of the LP01 mode and the LP11 mode have already been considerably large. Therefore, it can be seen from the definition of bmn that the values of β01 and β11 are also considerably large.
Table 1 shows the bmn values in the LP01 and LP11 modes corresponding to the last V that occurs in the LP21 mode and the LP02 mode.
[0065]
[Table 1]

[0066]
From Table 1, the normalized propagation constant difference between the LP01 mode and the LP11 mode is 0.34, whereas the normalized propagation constant difference between the LP11 mode and the LP02 mode is 0.42. Rather than being five times larger, the magnitude relationship is reversed.
Therefore, as described above, it is difficult to set the propagation constant difference between the LP01 mode and the LP11 mode to be 2.5 times or more than the propagation constant difference between the second and subsequent modes. Therefore, in the case of having a step-type refractive index profile, it is impossible to create a propagation constant difference relationship as intended even if three or more LP modes can be propagated.
In such a relationship between the propagation constant differences between the modes, even if a microbend that promotes mode conversion is given to the optical fiber, the coupling between the LP01 mode and the LP11 mode having the smallest propagation constant difference is first strong. As a result, an unnecessary mode cannot be removed and the LP01 mode cannot be left preferentially.
[0067]
Therefore, the present inventors have examined some other refractive index distributions. As a result, it has a core and a clad provided on the outer periphery thereof, and this core is composed of two or more layers provided concentrically and has the highest refractive index provided near the center of the core. In a multimode optical fiber having a refractive index distribution, comprising: a maximum refractive index layer; and an intermediate layer having a lower refractive index than the maximum refractive index layer provided on the outer periphery of the maximum refractive index layer. It was found that the conditions A), (B), and (C) can be satisfied.
In addition, in such a refractive index distribution, it is preferable that the following refractive index distribution is further provided.
(1) The intermediate layer is composed of one layer or two or more layers having different refractive indexes, and the refractive indexes of the layers constituting the intermediate layer are defined as nl1, nl2,..., Nli (i = 2, 3,. ) Where nl1> nli and the cladding has a lower refractive index than nl1.
In this refractive index distribution, it is preferable that the maximum value of the relative refractive index based on the cladding of the intermediate layer is 5 to 50% of the relative refractive index based on the cladding of the maximum refractive index layer.
(2) The intermediate layer is composed of two or more layers having different refractive indexes. Among the layers constituting the intermediate layer, the refractive index of the layer adjacent to the maximum refractive index layer is nl1, and the maximum refractive index of these layers is nlmax. Where nlmax> n1l and the cladding has a lower refractive index than nlmax.
In this refractive index distribution, it is preferable that the maximum value of the relative refractive index based on the cladding of the intermediate layer is 15 to 90% of the relative refractive index based on the cladding of the maximum refractive index layer.
[0068]
FIG. 5A to FIG. 5H show specific examples of such a refractive index distribution. In this refractive index distribution, the horizontal axis indicates the position from the center of the core, and the vertical axis indicates the refractive index.
The refractive index distribution shown in FIG. 5 (a) has a core 10 composed of a central portion 1a and a step portion 1b having a lower refractive index than the central portion 1a around the center portion 1a. The clad 11 having a refractive index lower than that of the stepped portion 1b is provided.
The refractive index distribution shown in FIG. 5 (b) has a central portion 2b having a refractive index lower than that of the central portion 2a and a refractive index higher than that of the intermediate portion 2b. And a core 10 provided with a ring portion 2c having a lower refractive index than 2a, and a clad 11 having a refractive index substantially equal to that of the intermediate portion 2b is provided around the ring portion 2c. Yes.
[0069]
The refractive index distribution shown in FIG. 5 (c) has a first ring portion 3b having a refractive index higher than that of the central portion 3a and a refractive index substantially the same as that of the central portion 3a. An intermediate portion 3c; and a core 10 provided with a second ring portion 3d having a higher refractive index than the intermediate portion 3c and a lower refractive index than the first ring portion 3b. A clad 11 having substantially the same refractive index as that of the intermediate portion 3c is provided around the ring portion 3d.
The refractive index distribution shown in FIG. 5 (d) is, on the outer periphery of the central portion 4a, sequentially, the first ring portion 4b having a higher refractive index than the central portion 4a, and the first ring portion 4b. A core 10 having a low refractive index and a step portion 4c having a higher refractive index than the central portion 4a is provided, and has a refractive index substantially equal to that of the central portion 4a around the step portion 4c. A clad 11 is provided.
Further, the refractive index distributions shown in FIGS. 5 (c ′) and 5 (d ′) are the same as those shown in FIGS. 5 (c) and 5 (d), and the refractive indexes of the central portions 3a and 4a are clad. 11 shows a modification in which the refractive index is set lower by −Δ than the refractive index of 11. FIG.
[0070]
The refractive index distribution shown in FIG. 5 (e) is, in sequence, around the central portion 5a, an intermediate portion 5b having a lower refractive index than the central portion 5a, and a higher refractive index than the intermediate portion 5b. It has a core 10 in which a ring part 5c having a lower refractive index than that of the central part 5a is provided, and a clad 11 having a lower refractive index than that of the intermediate part 5b is provided around the ring part 5c. Yes.
The refractive index distribution shown in FIG. 5 (f) has an intermediate portion 6b having a refractive index lower than that of the central portion 6a, a refractive index higher than that of the intermediate portion 6b, and the refractive index distribution around the central portion 6a. It has a core 10 provided with a ring part 6c having a refractive index lower than that of the center part 6a. Around the ring part 6c, the refractive index is higher than that of the intermediate part 6b and lower than that of the ring part 6c. A clad 11 having a refractive index is provided.
[0071]
The refractive index distribution shown in FIG. 5 (g) is a stepped portion 7b having a refractive index lower than that of the central portion 7a and a low refractive index having a refractive index lower than that of the stepped portion 7b. A clad 11 having a core 10 provided with a portion 7c and having a refractive index higher than that of the low refractive index portion 7c and lower than that of the stepped portion 7b is provided around the low refractive index portion 7c. It is provided and configured.
The refractive index distribution shown in FIG. 5 (h) is composed of a core 10 and a clad 11, and the core 10 is sequentially provided around the central portion 8a, an intermediate portion 8b having a lower refractive index than the central portion 8a, and A ring portion 8c having a refractive index higher than that of the intermediate portion 8b and lower than that of the central portion 8a and a low refractive index portion 8d having a refractive index lower than that of the cladding 11 are provided.
[0072]
Each component of the refractive index distribution shown in FIGS. 5A to 5H is composed mainly of quartz glass, pure quartz glass, or quartz glass to which germanium having an action of increasing the refractive index is added, or It is made of quartz glass to which fluorine having an action of reducing the refractive index is added.
[0073]
Here, in the refractive index distribution shown in FIGS. 5A to 5H, the clad 11 is provided on the outer periphery of the core 10, and the core 10 is disposed near the center. The refractive index has the highest refractive index portion (maximum refractive index layer) and a lower refractive index than the maximum refractive index layer provided around the portion, and is sandwiched between the maximum refractive index layer and the clad 11. Common in that it has an intermediate layer.
Further, the refractive index distributions shown in FIGS. 5A, 5D, and 5G are shown in the center part 4a of the low refractive index shown in FIG. 5D or in FIG. 5G. If it is optional to provide the low refractive index portion 7c on the outer periphery of the stepped portion 7b shown, it is common in that it has a substantially three-layer structure.
That is, in these refractive index distributions, the center portions 1a and 7a having the highest refractive index and the first ring portion 4b are provided in the vicinity of the center (first layer: maximum refractive index layer), and on the outer periphery thereof, than these Step portions 1b, 4c, and 7b having a low refractive index are provided (second layer: intermediate layer), and a clad 11 (cladding layer) having a lower refractive index is provided around these steps. . Whether the low refractive index center 4a is provided in the center of the core 10 or the low refractive index portion 7c in the vicinity of the outer periphery of the core 10 in contact with the clad 11 is designed according to required characteristics and is arbitrary.
In these refractive index distributions, Δ2 is 5 to 50% of Δ1, and further 5 if the maximum relative refractive index of the first layer and the second layer with respect to the cladding layer is Δ1 and Δ2. It is desirable that it is ˜15%.
[0074]
Further, in the refractive index distributions shown in FIGS. 5B, 5C, 5E, 5F, and 5H, the center shown in FIG. If it is optional to provide the low refractive index central portion 3a and the low refractive index portion 8d shown in FIG. 5 (h), it is common in that it has a substantially four-layer structure.
That is, these refractive index distributions are provided with a center portion 2a having the highest refractive index, a first ring portion 3b, and center portions 5a, 6a, and 8a at the center (first layer: maximum refractive index layer) on the outer periphery thereof. Are provided with intermediate portions 2b, 3c, 5b, 6b and 8b having a lower refractive index than these (second layer: intermediate layer), and on the outer periphery thereof, ring portions 2c and second layers having a higher refractive index than these are provided. A ring portion 3d and ring portions 5c, 6c, and 8c are provided (third layer: intermediate layer), and a cladding 11 is provided around the ring portion (cladding layer).
Whether to provide the central portion 3a and the low refractive index portion 8d is designed according to required characteristics and is arbitrary. When the refractive index of the clad 11 is used as a reference, the relative refractive index of the low refractive index portion 8d is about −5 to −15% relative to the maximum value (Δ1) of the refractive index near the center of the core 10. Is done.
Similarly, the relative refractive index of the third layer is about 15 to 90% with respect to Δ1.
Similarly, the relative refractive index of the intermediate portion 5b is set to 0 to 15% with respect to Δ1.
Similarly, the relative refractive index of the intermediate portion 6b is 0 to −10% with respect to Δ1.
In the refractive index distributions shown in FIGS. 5C ′ and 5D ′, the refractive indexes of the central portions 3a and 4a are −0.05 to 0.3% relative to the cladding 11. A value of about is preferable from the viewpoint of manufacturability.
[0075]
The common refractive index distributions shown in FIGS. 5A to 5H are that the core 10 is composed of two or more layers as described above, and has the highest refractive index in the vicinity of the center of the core 10. The maximum refractive index layer is disposed, and an intermediate layer having a lower refractive index is disposed on the outer periphery thereof. Thus, the above-mentioned conditions can be satisfied by further concentrating the LP01 mode in the high refractive index portion in the center of the core 10.
[0076]
Conventionally, single-mode fibers having the refractive index profiles shown in FIGS. 5A to 5H have existed. However, the normalized frequency V is set to be small in order to suppress the occurrence of the LP11 mode. In fact, the prior art has kept fairly strict single mode conditions.
In the present invention, as described above, such a limitation is intentionally removed, and more modes are propagated. However, the mode after the LP11 mode is dissipated into a radiation mode after an appropriate distance propagation due to mode conversion. Therefore, even if the refractive index distribution is the same as the conventional one, the design conditions are different.
[0077]
Qualitatively, in the present invention, when the refractive index (peak refractive index of the core) of the maximum refractive index layer (first layer) in the core is n1, for example, the maximum refractive index of the intermediate layer on the outer periphery thereof is set to n2. And In these n1 and n2, when the relative refractive index with respect to the refractive index of the clad 11 is Δ1 and Δ2, respectively, Δ2 is set to a value of 5 to 90% of Δ1, more preferably about 30%. Therefore, the conditions of the present invention can be satisfied. n1 is set to 0.5 to 1.5%.
This difference in refractive index can be realized with the LP mode propagating through the multimode optical fiber, except for the LP01 mode, the energy distribution hardly exists in the region of the maximum refractive index layer at the center. This is because the propagation constants of modes other than LP01 do not depend much on the refractive index of the central maximum refractive index layer.
In this core, the outer diameter of the core is 3 to 8 times, preferably 3 to 5.5 times the outer diameter of the maximum refractive layer.
[0078]
However, in the case where there are several tens of LP modes as in a general multimode fiber, such a condition is not satisfied when V increases. Therefore, in the present invention, the upper limit value of the number of propagation modes is set to satisfy the condition that the propagation constant does not depend on the refractive index of the highest refractive index portion at the center of the core as described above. That is, in order to realize the behavior like the multimode optical fiber of the present invention, it has the refractive index distribution shown in FIGS. 5A to 5H, and the number of LP modes in the propagation mode is 3. It is preferable that the number is about -6, and in some cases, about 3-5.
[0079]
As described above, in the multimode optical fiber of the present invention, by relaxing the conventional single mode condition, it is possible to more flexibly cope with optical characteristics as an optical fiber required in a transmission system. Become. These characteristic values can be adjusted by design conditions such as a refractive index distribution.
For example, in a wavelength division multiplexing transmission system that has been actively developed in recent years, it is required to set the absolute value of dispersion in the used wavelength band to 10 ps / km / nm or less, preferably 5 ps / km / nm or less. However, in order to reduce the influence of FWM (4-photon mixing), it is desirable that the dispersion is not completely zero. However, since the dispersion value is determined in consideration of the transmission distance and the transmission speed, these numerical values are not absolute.
In the multimode optical fiber of the present invention, it is possible to design the dispersion of the LP01 mode to be zero at a wavelength longer than the used wavelength band, and to suppress the dispersion value in the used wavelength band within the above-mentioned range. This is effective for the representative long-distance transmission system. In addition, it is possible to design in which the dispersion of the LP01 mode becomes zero at a wavelength shorter than the used wavelength band, and the dispersion value in the used wavelength band is suppressed to the above range, and the design is flexible according to the transmission system. Can do.
[0080]
Moreover, it is preferable that Aeff is large. For example, by applying the present invention, 50 μm²Aeff above, preferably 70 μm²An optical fiber having the above Aeff can be obtained.
Furthermore, it is preferable that the bending loss sensitivity is small. The bending loss is, for example, a value (referred to as “uniform bending loss”) measured with respect to the optical fiber to be measured uniformly wound around a diameter of 20 mmφ, preferably 30 dB / m or less, more preferably 10 dB / m or less. It is considered that stable cable formation is possible for various cable structures.
[0081]
Furthermore, the dispersion slope with respect to the wavelength, called the dispersion slope, is particularly desirable in a fiber that is applied to wavelength division multiplex transmission because a broader band propagation can be realized. This is because if the dispersion slope is small, the transmission state of the optical signals having a plurality of wavelengths in the used wavelength band is likely to be uniform. In the present invention, as described above, the increase in the freedom of design parameters increases the freedom in setting fiber parameters even when designing an optical fiber having a low dispersion slope suitable for a wavelength division multiplexing fiber.
[0082]
【Example】
Hereinafter, an example is shown and it demonstrates more concretely.
In the present embodiment, the definition of the normalized frequency is expressed by the above equation (2). Here, n1 is the maximum refractive index nA near the center of the core. The core radius a is defined by the length to the position where the refractive index distribution in the radial direction has the same value as the refractive index of the cladding.
[0083]
Example 1
FIG. 6 is a graph showing a simulation result of the relationship between the normalized frequency and the normalized propagation constant of the embodiment of the multimode optical fiber having the staircase type refractive index profile shown in FIG. In this multimode optical fiber, the relative values (unit%) of the refractive index of the central portion 1a and the refractive index of the staircase portion 1b were 0.80 and 0.06. Further, when the radius of the central portion 1a is 1, the radius of the staircase portion 1b is 5.
The upper limit value VC11 of the normalized frequency within a range in which the LP mode propagation can be removed is around 8, and when designing to allow the LP11 mode propagation as much as possible as in the prior art, V needs to be in a range smaller than this value. There is. Therefore, the design freedom is very narrow. On the other hand, when the present invention is applied, it is possible to design in the range of 8 to 15 where the LP02 mode which is the third mode is generated, and it is understood that the degree of freedom of design increases.
[0084]
For example, when V is near 15, LP11, LP02, LP21, and LP31 modes can be propagated in addition to the LP01 mode.
The normalized propagation constant difference between the LP01 mode and the LP11 mode is very large, but the normalized propagation constant difference between higher-order modes higher than the LP11 mode is very small.
The clad mode is theoretically considered to exist at the position of bmn = 0, but the normalized propagation constant difference between the clad mode and the higher order mode is also small. Therefore, energy exchange is unlikely to occur between the LP01 mode and the LP11 mode, energy exchange is likely to occur between higher order modes and between higher order modes and cladding modes, and higher order modes are likely to be emitted outside the core. Recognize.
[0085]
Therefore, the value of V was set to 15, b01 was set to about 0.65, and a multimode optical fiber was actually manufactured by the VAD method. And the result of having measured the refractive index distribution of this multimode optical fiber was shown in FIG. As can be seen from this figure, the refractive index distribution is not a perfect step type, and the boundaries of the central portion 1a, the step portion 1b, and the clad 11 are rounded.
For this multimode optical fiber, for example, a normal measurement method for measuring a cutoff wavelength at a fiber length of 2 m gives a result of 1.75 μm. From this result, transmission of 1.5 to 1.6 μm is performed. The conclusion was that it was clearly a multimode fiber and not suitable for single mode transmission.
[0086]
On the other hand, the relationship between the fiber length of this multimode optical fiber and the cutoff wavelength was measured by the method shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b).
First, as shown in FIG. 8A, all modes of light having a measurement wavelength are excited from a variable wavelength light source 22 through a lens 23 to a measurement length optical fiber 21 in a straight state and transmitted through the optical fiber 21. The detected light is detected by the photodetector 24. The result is output A. Next, a bend 21a is added to the optical fiber 21 in the vicinity of the exit end of the optical fiber 21 as shown in FIG. 8B, and the light transmitted through the optical fiber 21 is detected by the photodetector 24 in the same manner. The result is output B.
[0087]
Then, the output A and the output B are compared, and a difference in loss wavelength characteristics is observed.
When the higher-order mode propagates through the optical fiber 21 having a measurement length in a straight state, an excessive loss occurs when the bending 21a is given. Therefore, when the output B causes an excessive loss as compared with the output A, it is possible to confirm the presence of the higher order mode.
On the contrary, when the higher-order mode is already radiated from the optical fiber 21 at the measurement length, only the LP01 mode is detected at the output A. Therefore, even if the optical fiber 21 is bent 21a, there is no increase in loss at the output B. Therefore, a range in which the intensity of the output A and the output B is equal is a range in which single mode transmission is possible.
And the cutoff wavelength for every fiber length can be calculated | required from the graph shown in FIG.8 (c). The horizontal axis of this graph is the wavelength, and A and B shown on the vertical axis are the light intensity of output A and the light intensity of output B, respectively.
[0088]
FIG. 9 shows the measurement results. From this result, it can be seen that the cutoff wavelength greatly depends on the fiber length. In addition, in this example, it can be confirmed that the value is about 3 km and 1.5 μm or less.
[0089]
In this multimode optical fiber, the zero dispersion wavelength after sufficiently long propagation (after propagation of 4 km or more) is 1.58 μm, and the effective core area in the 1.55 μm band is about 70 μm.²The dispersion slope is about 0.15 ps / km / nm²Met. These values are sufficient to withstand so-called high-density wavelength division multiplexing transmission. For example, wavelength-division signals of several to several tens of waves centering on the 1530 to 1560 nm band are relayed and amplified by an optical fiber amplifier at a distance of several thousand km. However, it has been found that it has characteristics that can be transmitted.
[0090]
In addition, as described above, the energy exchange between modes depends on the coating layer of the optical fiber, the state of cable formation, and the like. Therefore, an experiment was conducted on the relationship between the coating layer and the state of cable formation and the cutoff wavelength as follows.
[0091]
In the multimode optical fiber of Example 1 having an outer diameter of 125 μm, the Young's modulus of the inner layer is 1 kg / mm.²The Young's modulus of the outer layer is 40 kg / mm²A larger coating layer was provided to form an optical fiber, and this was used to form a cable according to a conventional method.
The cable structure was a tape type structure and a loose tube type structure. And about these cables, the relationship between a cutoff wavelength and fiber length was measured like the above-mentioned method.
Regarding the fiber length dependence of the cut-off wavelength, it is observed that the cut-off wavelength is shortened by about 80 to 120 nm every time the fiber length increases by an order of magnitude in the fiber length of 1 km or less. The dependence of the wavelength on the fiber length was not significantly different from that before the coating layer was not provided.
Therefore, it was found that the multimode optical fiber of Example 1 maintains its characteristics even when it is cabled, and can be used without any problem.
[0092]
(Examples 2 and 3)
FIGS. 10 and 11 are graphs showing the simulation results of the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn of the multimode optical fibers of Examples 2 and 3, respectively.
In Examples 2 and 3, as shown in these graphs, the stepwise refractive index distribution shown in FIG. 5A was provided.
In Example 2, the relative refractive indexes of the central portion 1a and the staircase portion 1b with respect to the refractive index of the cladding were set to 0.80% and 0.08%, respectively. Moreover, in Example 3, it was set to 0.80% and 0.12%. In both Examples 2 and 3, when the radius of the central portion 1a is 1, the radius of the staircase portion 1b is 5.
[0093]
Example 4
FIG. 12 is a graph showing a simulation result of the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn of the multimode optical fiber of Example 4.
As shown in this graph, the multimode optical fiber of Example 4 was provided with the refractive index profile shown in FIG. The figure in this graph shows the refractive index distribution in one radial direction from the center. Then, the relative refractive indexes of the center portion 5a, the ring portion 5c, and the clad 11 with respect to the refractive index of the intermediate portion 5b were set to 0.61, 0.31, and -0.02%, respectively. Further, when the radius of the central portion 5a is 1, the radius of the intermediate portion 5b is 2.8, and the radius of the ring portion 5c is 3.9.
[0094]
(Example 5)
FIG. 13 is a graph showing a simulation result of the relationship between the normalized frequency V of the multimode optical fiber of Example 5 and the normalized propagation constant bmn.
As shown in this graph, the multimode optical fiber of Example 5 had the refractive index profile shown in FIG. 5 (h). The relative refractive indexes of the central portion 8a, the ring portion 8c, and the low refractive index portion 8d with respect to the refractive indexes of the intermediate portion 8b and the clad 11 are 0.61, 0.21, and -0.05%, respectively. It was. Further, when the radius of the central portion 8a is 1, the radius of the intermediate portion 8b is 2.8, the radius of the ring portion 8c is 3.9, and the radius of the low refractive index portion 8d is 8.
[0095]
(Example 6)
FIG. 14 is a graph showing a simulation result of the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn of the multimode optical fiber of Example 6.
As shown in this graph, the multimode optical fiber of Example 6 had the refractive index profile shown in FIG. The relative refractive indexes of the central portion 2a and the ring portion 2c when the refractive indexes of the intermediate portion 2b and the clad 11 are used as references are 0.64 and 0.33%, respectively. Further, when the radius of the central portion 2a is 1, the radius of the intermediate portion 2b is 2.8, and the radius of the ring portion 2c is 3.9.
[0096]
As can be seen from the graphs shown in FIGS. 10 to 14, in any case, by setting the normalized frequency V to a value larger than the lower limit value in which the LP02 mode is generated, LP11, LP02, LP21, The LP31 mode can propagate, and the normalized propagation constant difference between the LP01 mode and the LP11 mode is very large, but the normalized propagation constant difference between higher-order modes higher than the LP11 mode is very small. The same results as in Example 1 were obtained. Therefore, if a multimode optical fiber is manufactured with the value of V in an appropriate range, the transmission distance becomes longer as in the first embodiment, so that transmission under substantially single mode conditions can be obtained. It became clear that
[0097]
(Example 7)
As shown in FIG. 15, the multimode optical fiber of Example 7 was provided with the refractive index distribution shown in FIG. 5 (e). The relative refractive indexes of the central portion 5a, the ring portion 5c, and the clad 11 with respect to the refractive index of the intermediate portion 5b were set to 0.7, 0.3, and -0.1%, respectively. Further, when the radius of the central portion 5a is 1, the radius of the intermediate portion 5b is 4, and the radius of the ring portion 5c is 5.
FIG. 16 is a graph showing a simulation result of the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn of the multimode optical fiber of Example 7.
[0098]
Next, as shown in FIG. 16, the value of V was set to 6.1, and this multimode optical fiber was actually manufactured using an internal method called an MCVD method. Then, when the refractive index distribution was actually measured, it was deformed by a few thousand but a refractive index distribution close to the ideal shape shown in FIG. 15 was obtained.
[0099]
The measured values of the characteristics of this multimode optical fiber are shown below. The theoretical value and the measured value agreed with an error within several percent.
Core diameter (outer diameter of ring portion 5c) 16.3 μm
Normalized frequency V = 6.1
Normalized propagation constant b01 = 0.22
Relative refractive index difference at core center 0.8%
Zero dispersion wavelength 1550nm
Dispersion value (λ: 1550 nm) 2.0 ps / km / nm
Cut-off wavelength of higher order mode (fiber length 2m) approx. 1.81μm
MFD 10.2μm
Aeff 89.5 μm²
LP01 mode bending loss approx. 23 dB / m (bending diameter 20 mm)
Chromatic dispersion slope (λ: 1550 nm) About 0.133 ps / km / nm²
[0100]
As shown in FIG. 17, this multimode optical fiber having an outer diameter of 125 μm has a soft Young's modulus of 0.10 kg / mm on the outer periphery of the multimode optical fiber 31.²Inner layer 32 (thickness of about 35 μm) and Young's modulus 60 kg / mm^{2 ,}A coating layer made of an ultraviolet curable resin made of a hard outer layer 33 (thickness of about 27 μm) is provided to form an optical fiber wire 34, and six of the optical fiber wires 34 are coated on a steel wire 35 and made of polyethylene. A collective coating layer 38 made of polyethylene was provided on the aggregate twisted on the outer periphery of the tension member 37 provided with the layer 36 to form a six-core unit structure. When the cut-off wavelength of the higher-order mode of this unit was measured, the cut-off wavelength of each multimode optical fiber 31 at the unit length of about 2 km was as short as 1.50 μm.
[0101]
Therefore, the cut-off wavelength when the fiber length is 2 m is about 1.81 μm, and judging from this value alone may not be suitable for practical use, but single mode propagation is possible by securing a predetermined fiber length. It was confirmed that Moreover, the Aeff of this multimode optical fiber is approximately 90 μm.²It was found that the power density of the optical signal in the multimode optical fiber can be lowered and the nonlinear effect can be suppressed.
[0102]
(Example 8)
As shown in FIG. 18, the multimode optical fiber of Example 8 had the refractive index distribution shown in FIG. 5B. The relative refractive indexes of the central portion 2a and the ring portion 2c when the refractive indexes of the intermediate portion 2b and the clad 11 are used as references are 0.8 and 0.5%, respectively. Further, when the radius of the central portion 2a is 1, the radius of the intermediate portion 2b is 3, and the radius of the ring portion 2c is 4.
FIG. 19 is a graph showing a simulation result of the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn of the multimode optical fiber of Example 8.
[0103]
Next, the value of V was set to 5.4, and this multimode optical fiber was actually manufactured using an internal method called MCVD method as in Example 7.
The measured values of the characteristics of this multimode optical fiber are shown below. The theoretical value and the measured value agreed with an error within several percent.
[0104]
Core diameter (outer diameter of ring portion 2c) 14.6 μm
Normalized frequency V = 5.4
Normalized propagation constant b01 = 0.23
Relative refractive index difference at core center 0.8%
Zero dispersion wavelength 1564nm
Dispersion value (λ: 1550 nm) 2.0 ps / km / nm
Cut-off wavelength of higher order mode (fiber length 2m) approx. 1.87μm
MFD 9.7μm
Aeff 93.9 μm²
LP01 mode bending loss approx. 15 dB / m (bending diameter 20 mm)
Chromatic dispersion slope (λ: 1550 nm) About 0.133 ps / km / nm²
[0105]
This multimode optical fiber was made into a unit as shown in FIG. 17 in the same manner as in Example 7, and when the cut-off wavelength of the higher-order mode of this unit was measured, a value of less than 1500 nm was obtained after 4 km transmission, It was confirmed that single mode transmission was possible. In addition, as described above, Aeff was large, and it was found that the effect of nonlinear suppression was also excellent.
[0106]
Example 9
In addition to the method shown in FIGS. 8A and 8B described above, as a method for confirming that there are a plurality of propagation modes of a multimode optical fiber, a method using a reflective fiber grating is exemplified. it can.
The fiber grating is one in which perturbations such as a refractive index of the core and a periodic change of the core diameter are formed in the length direction of the multimode optical fiber. And the characteristic which reflects the light of a specific wavelength band is acquired by the effect | action of this periodic change.
[0107]
FIG. 20A is an explanatory view showing an example of a method for manufacturing a fiber grating. This manufacturing method has a characteristic that a refractive index increases when ultraviolet light having a specific wavelength is irradiated on germanium-doped quartz glass (so-called photorefractive). Effect).
The optical fiber 41 is made of germanium-added quartz glass at least in the vicinity of the center of the core 41a. The other part of the core 41a is made of pure quartz glass or fluorine-added quartz glass. The clad 41b is made of pure quartz glass or fluorine-added quartz glass.
On the other hand, reference numeral 52 is a phase mask. The phase mask 52 is made of quartz glass or the like, and a plurality of gratings 52a... Are formed on one side thereof with a predetermined period.
[0108]
Then, the phase mask 52 is disposed on the side surface of the optical fiber 41 so that the formation surfaces of the gratings 52 a are opposed to each other, and the side surface of the optical fiber 41 is irradiated with ultraviolet light through the phase mask 52.
Then, + 1st order diffracted light and −1st order diffracted light are diffracted by the gratings 52a, and interference fringes are generated, and an intensity pattern of ultraviolet light is formed. As a result, the refractive index of the core 41a where the interference fringes are generated changes, and this ultraviolet light intensity pattern is transferred to the core 41a as a semi-permanent refractive index change of the core 41a. In this way, the grating portion 43 in which the periodic change of the refractive index of the core 41a is formed in the length direction of the optical fiber 41 is obtained.
[0109]
Then, as shown in FIG. 20B, when light is incident on the optical fiber 41, light having a specific wavelength is reflected by the grating portion 43, and transmitted light in which the light having the specific wavelength is lost is obtained.
The wavelength of the reflected light depends on the period of refractive index change (refractive index perturbation). That is, when the in-fiber wavelength of the mode in the optical fiber 41 coincides with a half period of this refractive index perturbation, very strong reflection occurs. Therefore, the mode propagating through the optical fiber 41 can be known fairly accurately by measuring the reflection wavelength.
[0110]
FIG. 21 shows a reflection wavelength characteristic of a fiber grating in which a grating portion having a short period of about 0.5 μm is formed on a multimode optical fiber having a refractive index distribution similar to that of Example 6 by using an ultraviolet laser (excimer laser). Is a reflection spectrum measured. If there is only one propagation mode, only one reflection spectrum is observed. However, in this embodiment, reflection spectra of a plurality of modes other than the LP01 mode are observed, and a plurality of modes are propagated. It could be confirmed.
[0111]
【The invention's effect】
As described above, in the multimode optical fiber having the higher-order mode removal function of the present invention, since single mode propagation is possible after propagating a predetermined distance, the conventional single mode condition is relaxed, Fiber parameters can be set relatively freely.
As a result, the dispersion can be reduced in the used wavelength band. In addition, the effective core area can be increased. And connection loss, bending loss, and a nonlinear effect can be reduced.
Furthermore, such an increase in the degree of freedom of design parameters is effective in designing an optical fiber suitable for long-distance transmission, an optical fiber suitable for long-distance transmission, and suitable for wavelength multiplexing transmission.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing an existence range of propagation modes of an optical fiber in a β diagram.
FIG. 2 is a perspective view showing an optical fiber in which microbending occurs.
FIG. 3 is a perspective view showing an optical fiber in which the fiber diameter varies in the length direction.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a normalized frequency V and a normalized propagation constant bmn in an optical fiber having a step-type refractive index distribution.
FIGS. 5A to 5H are graphs showing examples of refractive index distribution of the optical fiber of the present invention.
6 is a graph showing the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn of the optical fiber of Example 1. FIG.
7 is a graph showing a result of measuring a refractive index distribution of an optical fiber actually manufactured in Example 1. FIG.
FIGS. 8A and 8B are explanatory diagrams showing a method for measuring the relationship between the fiber length of an optical fiber and the cutoff wavelength, and FIG. 8C shows the cutoff wavelength. It is the figure which showed an example of the graph for.
9 is a graph showing the measurement results of the relationship between the fiber length and the cutoff wavelength of the optical fiber of Example 1. FIG.
10 is a graph showing the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn of the optical fiber of Example 2. FIG.
11 is a graph showing the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn of the optical fiber of Example 3. FIG.
12 is a graph showing the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn of the optical fiber of Example 4. FIG.
13 is a graph showing the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn of the optical fiber of Example 5. FIG.
14 is a graph showing the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn of the optical fiber of Example 6. FIG.
15 is a graph showing the refractive index distribution of the optical fiber of Example 7. FIG.
16 is a graph showing the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn of the optical fiber of Example 7. FIG.
17 is a cross-sectional view of a unit manufactured using the optical fiber of Example 7. FIG.
18 is a graph showing the refractive index distribution of the optical fiber of Example 8. FIG.
FIG. 19 is a graph showing the relationship between the normalized frequency V and the normalized propagation constant bmn of the optical fiber of Example 8.
20A is an explanatory view showing an example of a method for manufacturing a fiber grating, and FIG. 20B is an explanatory view showing an action of the fiber grating.
FIG. 21 is a graph showing measurement results of reflection spectra of fiber gratings in Example 9.
[Explanation of symbols]
1a ... center part, 1b ... staircase part, 2a ... center part, 2b ... middle part,
3b ... 1st ring part, 3c ... middle part,
4b ... 1st ring part, 4c ... Stair part,
5a ... center part, 5b ... middle part, 6a ... center part, 6b ... middle part,
7a ... center part, 7b ... staircase part, 8a ... center part, 8b ... middle part,
10 ... core, 11 ... cladding.

Claims (17)

A multimode optical fiber in which at least three linear polarization modes can exist as propagation modes when an optical signal is incident;
The propagation mode includes a lowest order mode and a higher order mode higher than the second order mode,
Propagation constant difference between the outermost lower modes and the secondary mode, the secondary mode or higher order mode state, and are more than twice the propagation constant difference between adjacent modes,
Having a core and a cladding provided on the outer periphery thereof;
The core is composed of two or more layers provided concentrically, and the highest refractive index layer having the highest refractive index provided near the center of the core, and provided on the outer periphery of the maximum refractive index layer, An intermediate layer having a lower refractive index than the maximum refractive index layer,
The maximum value of the relative refractive index based on the cladding of the intermediate layer is 5 to 90% of the relative refractive index based on the cladding of the maximum refractive index layer,
A multimode optical fiber having a high-order mode removal function characterized in that, while an incident optical signal propagates through a maximum of 4 km, modes other than the lowest-order mode are attenuated and do not substantially contribute to information transmission . A multimode optical fiber in which at least three linear polarization modes can exist as propagation modes when an optical signal is incident;
The propagation mode includes a lowest order mode and a higher order mode higher than the second order mode,
The difference in propagation constant between the lowest order mode and the second order mode is at least twice the difference in propagation constant between adjacent modes in a higher order mode higher than the second order mode,
Having a core and a cladding provided on the outer periphery thereof;
The core is composed of two or more layers provided concentrically, and the highest refractive index layer having the highest refractive index provided near the center of the core, and provided on the outer periphery of the maximum refractive index layer, An intermediate layer having a lower refractive index than the maximum refractive index layer,
The intermediate layer is composed of one layer or two or more layers having different refractive indexes, and the refractive indexes of the layers constituting the intermediate layer are defined as nl1, nl2,..., Nli (i = 2, 3,...) From the center side. Nl1> nli and the cladding has a lower refractive index than nl1,
A multimode optical fiber having a high-order mode removal function characterized in that, while an incident optical signal propagates through a maximum of 4 km, modes other than the lowest-order mode are attenuated and do not substantially contribute to information transmission . A multimode optical fiber in which at least three linear polarization modes can exist as propagation modes when an optical signal is incident;
The propagation mode includes a lowest order mode and a higher order mode higher than the second order mode,
The difference in propagation constant between the lowest order mode and the second order mode is at least twice the difference in propagation constant between adjacent modes in a higher order mode higher than the second order mode,
Having a core and a cladding provided on the outer periphery thereof;
The core is composed of two or more layers provided concentrically, and the highest refractive index layer having the highest refractive index provided near the center of the core, and provided on the outer periphery of the maximum refractive index layer, An intermediate layer having a lower refractive index than the maximum refractive index layer,
The intermediate layer is composed of two or more layers having different refractive indexes. Among the layers constituting the intermediate layer, the refractive index of the layer adjacent to the maximum refractive index layer is nl1, and the maximum refractive index of these layers is nlmax. When nlmax> nl1 and the cladding has a refractive index lower than nlmax,
A multimode optical fiber having a high-order mode removal function characterized in that, while an incident optical signal propagates through a maximum of 4 km, modes other than the lowest-order mode are attenuated and do not substantially contribute to information transmission . The multimode optical fiber having a higher-order mode removal function according to claim 1, wherein a normalized propagation constant difference between adjacent modes is 0.25 or less in the higher-order mode and the cladding mode. A multimode optical fiber having a next mode removal function. The multi-mode optical fiber having a higher-order mode removal function according to claim 1, wherein the relative refractive index difference of the maximum refractive index layer is 0.65 to 1.5% when the refractive index of the cladding is used as a reference. A multimode optical fiber having a high-order mode removal function characterized by the above. 6. The multimode optical fiber having a higher-order mode removal function according to claim 5, wherein the outer diameter of the core is 3 to 8 times the outer diameter of the maximum refractive index layer. Multimode optical fiber having. 7. A multimode optical fiber having a higher mode removal function according to claim 6, wherein the outer diameter of the core is 3 to 5.5 times the outer diameter of the maximum refractive index layer. A multimode optical fiber. 3. The multimode optical fiber having a higher-order mode removal function according to claim 2, wherein the maximum value of the relative refractive index based on the cladding of the intermediate layer is 5 of the relative refractive index based on the cladding of the maximum refractive index layer. A multimode optical fiber having a higher-order mode removal function, characterized in that it is ˜50%. 4. The multimode optical fiber having a higher-order mode removal function according to claim 3, wherein the maximum value of the relative refractive index based on the cladding of the intermediate layer is 15 relative refractive index based on the cladding of the maximum refractive index layer. A multimode optical fiber having a higher-order mode removal function, characterized in that the ratio is -90%. The multimode optical fiber having the higher-order mode removal function according to any one of claims 1 to 3 , wherein an effective core area in a 1.55 µm band is 50 µm ^2. A multimode optical fiber having a high-order mode removal function, characterized in that the absolute value of dispersion in the 1.55 μm band is 10 ps / km / nm or less and quartz glass is the main component. The multimode optical fiber having a higher-order mode removal function according to claim 10, wherein an effective core area in a 1.55 μm band is 70 μm ^2. A multimode optical fiber having a higher-order mode removal function, characterized in that it is as described above. 12. The multimode optical fiber having a higher-order mode removal function according to claim 11, wherein the absolute value of dispersion in the 1.55 μm band is 5 ps / km / nm or less. Mode optical fiber. The multimode optical fiber having the higher-order mode removal function according to any one of claims 1 to 3 , wherein the number of propagation modes is 3 to 6, and the multimode having the higher-order mode removal function Optical fiber. In the multimode optical fiber having the higher-order mode removal function according to any one of claims 1 to 3 , the lowest-order mode dispersion becomes zero at a wavelength longer than the wavelength of 1.5 µm in the used wavelength band. A multimode optical fiber having a high-order mode removal function characterized by the above. The multimode optical fiber having the higher-order mode removal function according to any one of claims 1 to 3 , wherein a uniform bending loss with a diameter of 20 mm in a used wavelength band is 30 dB / m or less. A multimode optical fiber having a next mode removal function. The multimode optical fiber having the higher-order mode removal function according to any one of claims 1 to 3 , wherein a uniform bending loss with a diameter of 20 mm in a used wavelength band is 10 dB / m or less. A multimode optical fiber having a next mode removal function. In the multimode optical fiber having the higher-order mode removal function according to any one of claims 1 to 3 , the lowest-order mode dispersion becomes zero at a wavelength shorter than 1.5 μm in the used wavelength band. A multimode optical fiber having a high-order mode removal function characterized by the above.

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