JP5468075B2 - 少なくとも２つのクラッドを有するマルチモードファイバ - Google Patents

Description

発明の背景

［関連出願のクロスリファレンス］
本出願は、「少なくとも２つのクラッドを有するマルチモードファイバ」という発明の名称の２００８年８月１３日に出願された米国特許仮出願第６１／０８８，４９０号の利益及び優先権を主張し、その内容の全体が本明細書において参考として組み入れられている。

本発明は、光ファイバに関し、特に、グレーデッドインデックスマルチモードファイバに関する。

マルチモードファイバ（ＭＭＦ：ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）のバンド幅は、インターモーダルな色分散によって制限されている。インターモーダルな色分散を最小化するために、ＭＭＦはグレーデッドインデックスα分布により設計される。最適バンド幅においては、パラメータαは約２である。しかしながら、実用的ＭＭＦは、理想的なアルファ分布をその先端を切り取ったものとするクラッドを有する。実効屈折率がクラッドの実効屈折率に近いカットオフ周波数付近における高次モードに対して、時間遅延は無限のアルファ分布のものから逸脱してしまう。これまで、これらモードは特に問題とはなっていなかった。これらモードは、ベンディング及びクラッドの吸収等の摂動の結果として、高損失を有するからである。

しかしながら、ファイバガラス及びコーティング技術が改善するにつれ、マイクロベンディング及びクラッドの吸収による損失は大幅に低減した。その結果、高次モードのうちいくつかのモードが実用上のアプリケーションの長さに亘って残存してしまい、これにより、マルチモードファイバのバンド幅が制限されてしまう。

本発明の一つの特徴は、グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバである。光ファイバは、コア領域を含む。そのコア領域は、中心線から半径Ｒ_１まで放射状に且つ外側に延在し且つ正の相対屈折率パーセント分布Δ_１（ｒ）を有する。コア領域は、最大相対屈折率Δ_１ＭＡＸを有する。また、光ファイバは、第１環状クラッド領域を含む。第１環状クラッド領域は、前記コア領域を囲み且つ前記コア領域に直接隣接し、半径Ｒ_２まで延在し、Ｒ_２−Ｒ_１の幅Ｗ_２を有する。第１環状クラッド領域は、最小相対屈折率パーセントΔ_２ＭＩＮを有する相対屈折率パーセント分布Δ_２（ｒ）を有する。さらに、光ファイバは、第１環状クラッド領域を囲む第２環状クラッド領域を含む。第２環状クラッド領域は、最大相対屈折率パーセントΔ_３ＭＡＸを有する相対屈折率パーセント分布Δ_３（ｒ）を有し、Δ_３ＭＡＸ≧０．０５％である。

別の特徴において、本発明は、グレーテッドインデックスマルチモード光ファイバを含む。光ファイバは、コア領域を含む。コア領域は、中心線から半径Ｒ_１まで放射状に且つ外側に延在し、正の相対屈折率パーセント分布Δ_１（ｒ）を有する。コア領域は、最大相対屈折率Δ_１ＭＡＸを有する。光ファイバは、第１環状クラッド領域をも含む。第１環状クラッド領域は、コア領域を囲み且つ前記コア領域に直接隣接し、半径Ｒ_２まで延在し、Ｒ_２−Ｒ_１の幅Ｗ_２を有する。Ｗ_２は５μｍより大である。第１環状クラッド領域は、最小相対屈折率パーセントΔ_２ＭＩＮを有する相対屈折率パーセント分布Δ_２（ｒ）を有する。さらに、光ファイバは、第２環状クラッド領域を含む。第２環状クラッド領域は、第１環状クラッド領域を囲み、最大相対屈折率パーセントΔ_３ＭＡＸを有する相対屈折率パーセント分布Δ_３（ｒ）を有し、（Δ_３ＭＡＸ−Δ_２ＭＩＮ）≧０．０５％である。

上述した特徴において、コア領域は、１．８と２．５の間のアルファ（α）を好ましくは有する。上述した特徴において、光ファイバは、８５０ｎｍの波長において少なくとも２つのモード群を望ましくは導波することができ、８５０ｎｍの波長における最高速モード群と最低速モード群の間の最大遅延差は、５ｎｓ／ｋｍ未満である。

本開示のさらなる特徴及び利点は、発明の詳細な説明において説明されるであろうし、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、及び添付図面を含む説明から当業者には容易に十分理解できるであろうし、本発明を実施することによって認識される。

上述の概略的説明および以下の簡単な説明の双方は、本発明の実施例を表しており、特許請求の範囲に記載された発明の本質と性質を理解するための概略又は骨組みを与えることを目的としていると理解されるべきである。添付図面が、本発明の更なる理解を与えるよう含まれており、本明細書の一部に組み込まれており、本明細書の一部を構成している。添付図面は、本発明の様々な実施例を例示しており、明細書の記述とともに本発明の原理及び作用を説明するために役立つであろう。

図１は、本明細書に開示された実施例に係る光導波ファイバの断面図を概略的に図示している。 図２は、一定屈折率のクラッドを有する光導波ファイバに対応する屈折率分布について概略的に図示している。 図３は、図２の光ファイバの屈折率分布に対するモード間遅延時間差とモード数との関係を示している。 図４は、理想的なアルファ分布と一定の屈折率を有するクラッドからの変形を有する光導波ファイバに対応する屈折率分布について概略的に図示している。 図５は、図４の光ファイバの屈折率分布に対するモード間遅延時間差とモード数との関係を示している。 図６は、本明細書に開示された光導波ファイバに対応する屈折率分布について概略的に図示している。 図７は、図６の光ファイバの屈折率分布に対するモード間遅延時間差とモード数との関係を示している。 図８は、本明細書に開示された光導波ファイバに対応する屈折率分布を概略的に図示している。 図９は、図８の光ファイバの屈折率分布に対するモード間遅延時間差とモード数との関係を示している。 図１０は、本明細書に開示された光導波ファイバに対応する屈折率分布について概略的に図示している。 図１１は、図１０の光ファイバの屈折率分布に対するモード間遅延時間差とモード数との関係を示している。 図１２は、本明細書に開示された光導波ファイバに対応する屈折率分布を概略的に図示している。 図１３は、図１２の光ファイバの屈折率分布に対するモード間遅延時間差とモード数との関係を示している。 図１４は、本明細書に開示された光導波ファイバに対応する屈折率分布について概略的に図示している。 図１５は、図１４の光ファイバの屈折率分布に対するモード間遅延時間差とモード数との関係を示している。 図１６は、本明細書に開示された光導波ファイバに対応する屈折率分布について概略的に図示している。 図１７は、図１６の光ファイバの屈折率分布に対するモード間遅延時間差とモード数との関係を示している。 図１８は、図２の光ファイバの屈折率分布と図１２の光ファイバの屈折率分布のバンド幅と波長との関係を示している。 図１９は、図１２の光ファイバの屈折率分布と図６の光ファイバの屈折率分布の変形例に対するバンド幅と波長との関係を示している。

本発明の好ましい実施例について詳細にこれから説明する。その実施例が添付図面に図示されている。可能な限り、同一または類似する部分を参照すべく図面を通して同一の参照番号が使用されるであろう。

ここで、「屈折率分布」とは、屈折率又は相対屈折率と導波ファイバの半径との間の関係を示している。

「相対屈折率パーセント」又は「デルタ」は、Δ％＝１００ｘ（ｎ_ｉ ^２−ｎ_ｓ ^２）／２ｎ_ｉ ^２として定義され、特に指定しない限り、ｎ_ｉは領域ｉにおける最大屈折率であり、ｎ_ｓは、無ドープの純粋シリカガラスの平均屈折率である。本明細書に使用されるように、相対屈折率はΔによって表され、特に記載がない限り、その値は「％」単位で与えられる。特に記載がない限り、相対屈折率パーセントは８００ｎｍにて測定される。ある領域の屈折率が無ドープの純粋シリカガラスの平均屈折率未満である場合、相対屈折率パーセントは、負であり、陥没領域若しくは陥没インデックスを有するものとみなされ、特に記載していない限り、相対屈折率は最も負となるポイントで計算される。ある領域の屈折率が無ドープの純粋シリカガラスの平均屈折率より大である場合、相対屈折率パーセントは正であり、その領域は増大された屈折率又は正の屈折率を有すると称することができる。「アップドーパント」とは、本明細書において、純粋な無ドープＳｉＯ_２に対して屈折率を高める傾向があるドーパントであることが考慮されている。「ダウンドーパント」とは、本明細書において、純粋な無ドープＳｉＯ_２に対して屈折率を下げる傾向があるドーパントであることが考慮されている。アップドーパントでない１つ以上の他のドーパントが添加されたとき、アップドーパントは、負の相対屈折率を有する光ファイバのある領域に存在し得る。同様に、アップドーパントでない１つ以上の他のドーパントが、正の相対屈折率を有する光ファイバのある領域に存在し得る。ダウンドーパントでない１つ以上の他のドーパントが添加されたとき、ダウンドーパントは、正の相対屈折率を有する光ファイバのある領域に存在し得る。同様に、ダウンドーパントでない１つ以上の他のドーパントが、負の相対屈折率を有する光ファイバのある領域に存在し得る。

したがって、所定領域の特定のドーパントに起因する相対屈折率パーセント又はデルタの寄与が、特定され得る。例えば、相対屈折率パーセントに対するＧｅＯ_２の寄与は数式１のように特定され得る。

同様に、相対屈折率パーセントに対するフッ素の寄与は、以下のように特定され得る。

相対屈折率パーセント又はデルタ値は、所定の波長において通常特定される。本出願において行われたモデリングに対しては、波長は８００ｎｍである。ドープされたガラスの屈折率及び分散を決定するセルマイヤの式等の材料データは、「J. W. Fleming“Material dispersion in Lightguide glasses”, Electronics Letters Vol. 14, No. 11, 326-328 (1978)」という文献に従う。

「α‐分布」という用語は、「％」の単位であるΔ（ｒ）に関して表される相対屈折率分布を意味する。ここで、ｒは半径であり、相対屈折率分布は、数式３に従う。

ここで、ｒ_０はΔ（ｒ）が最大である点であり、ｒ_１はΔ（ｒ）％が零である点であり、ｒはｒ_ｉ≦ｒ≦ｒ_ｆの範囲内にあり、Δは上記のように定義され、ｒｉはα分布の始点であり、ｒ_ｆはα分布の終点であり、αは実数の指数である。

導波ファイバの曲げ抵抗は、規定された試験条件の下で誘起された減衰によって測定され得る。例えば、ＦＯＴＰ−６２（ＩＥＣ−６０７９３−１−４７）に応じて、１０ｍｍ直径マンドレル又は２０ｍｍ直径マンドレルに１回転を巻きつけることによって（「１×１０ｍｍ直径マクロベンド損失」又は「１×２０ｍｍ直径マクロベンド損失」）、マクロベンド性能が決定され得るし、または、オーバーフィールド出射条件を使用してベンディングに帰属する減衰の増加を測定することによって、マクロベンド性能が決定され得る。低マクロベンド損失を呈するファイバに対して、測定は、精度を高めるためにマンドレルに複数回転巻きつけることによって、行われた。マクロベンド損失は、全損失をマンドレルの巻きつけ数で割ることによって、１回転／ｍに規格化されている。

バンド幅は、ＴＩＡ／ＥＩＡ−４５５−２０４「マルチモードファイバにおけるバンド幅の測定」又は「ＦＯＴＰ−２０４」に記載されているＴＩＡ／ＥＩＡスタンダードを用いることによって、測定され得るし、または、必要に応じて、ＴＩＡ／ＥＩＡ−４５５−２２０「時間領域におけるマルチモードファイバのモード間遅延時間差測定」又は「ＦＯＴＰ−２２０」に記載されているＴＩＡ／ＥＩＡスタンダードを用いることによって、測定され得る。

本明細書に開示されたマルチモード光ファイバにおいては、コアはグレーディットインデクスコアであり、望ましくは、コアの屈折率分布は放物状の（実質的に放物状の）形状を有する。例えば、いくつかの実施例では、コアの屈折率分布は、８５０ｎｍで測定された場合に、約２の値を有し、望ましくは１．８と２．３の間にあるα形状を有する。いくつかの実施例では、コアの屈折率は、中心線ディップを有し得る。コアの最大屈折率及びファイバ全体の最大屈折率は、中心線から短距離間、離間されて配置されているが、他の実施例において、コアの屈折率は中心線ディップを全く有していなく、コアの最大屈折率及び光ファイバ全体の最大屈折率は中心線に位置している。本明細書において用いられているように、「放物線状の」という用語は、実質的に放物線状に形成された屈折率分布を含み、その屈折率分布は、コアにおける１つ以上のポイントにおいて２．００の値から僅かに変動し得るし、小なる変動を有する分布及び／又は中心線ディップを含む。

図１に示されているように、本明細書に開示された光導波ファイバ１００は、好ましくは、コア領域２０を含む。コア領域２０は、中心線から半径Ｒ_１まで放射状に且つ外側に延在し、最大相対屈折率パーセントΔ_１ＭＡＸを有する相対屈折率パーセント分布Δ_１（ｒ）を有する。本明細書に開示された光導波ファイバ１００は、好ましくは、第１環状クラッド領域３０を含む。第１環状クラッド領域３０は、コア領域２０を囲み且つコア領域２０に直接隣接し、半径Ｒ_２まで延在し、最小相対屈折率パーセントΔ_２ＭＩＮを有する相対屈折率パーセント分布Δ_２（ｒ）を有する。本明細書に開示された光導波ファイバ１００は、好ましくは、第２環状クラッド領域４０を含む。第２環状クラッド領域４０は、第１環状クラッド領域３０を囲み、最大相対屈折率パーセントΔ_３ＭＡＸを有する相対屈折率パーセント分布Δ_３（ｒ）を有し、（Δ_３ＭＡＸ−Δ_２ＭＩＮ）≧０．０５％である。第２環状クラッド領域４０は、１次コーティングＰ及び２次コーティングＳによって囲まれている。Ｒ_１は、Δ_１ＭＡＸから放射状に外側に行くにつれて、Δ_１（ｒ）がΔ_３ＭＡＸ−０．０５％の下方に最初に落ちるポイントで生ずるように画定される。Ｒ_２は、Δ_２ＭＩＮから放射状に外側に行くにつれて、Δ_２（ｒ）がΔ_３ＭＡＸ−０．０５％の上方へ最初に増加するポイントで生ずるように画定される。第１環状クラッド領域３０はＲ_１において始まり、Ｒ_２において終端する。第１環状クラッド領域３０の幅Ｗ_２は、Ｒ_２−Ｒ_１である。望ましくは、Ｗ_２は５μｍより大であり且つΔ_１ＭＡＸは０．５０％より大である。望ましくは（Δ_３ＭＡＸ−Δ_２ＭＩＮ）≧０．１％であり、より好ましくは（Δ_３ＭＡＸ−Δ_２ＭＩＮ）≧０．１５％であり、さらにより好ましくは（Δ_３ＭＡＸ−Δ_２ＭＩＮ）≧０．２％である。

図６，８，及び１０は、第１セットの好適実施例における例示的屈折率分布を表している。第１セットの好適実施例において、Δ_３ＭＡＸ≧０．０５％であり、より好ましくはΔ_３ＭＡＸ≧０．１％であり、さらにより好ましくはΔ_３ＭＡＸ≧０．１５％であり、例えば、０．１５％≦Δ_３ＭＡＸ≦０．５％である。図６において、Δ_３（ｒ）は、第２環状クラッド領域４０において比較的一定であるものとして表されている。「比較的一定である」とは、およそＲ_２から第２環状クラッド領域４０の最外の端部までにおいて、Δ_３（ｒ）が少なくとも約０．９×Δ_３ＭＡＸの相対屈折率を有することを意味している。図８において、Δ_３（ｒ）は、高相対屈折率４０Ａと低相対屈折率４０Ｂの間を交互するものとして示されている。図１０において、Δ_３（ｒ）は、高相対屈折率４０Ａと低相対屈折率４０Ｂの２つの領域間を交互するものとして示されている。高相対屈折率の少なくとも１つの領域において、Δ_３（ｒ）は、最大相対屈折率パーセントΔ_３ＭＡＸを有する。低相対屈折率の少なくとも１つの領域において、Δ_３（ｒ）は、約０の最小相対屈折率パーセントΔ_３ＭＩＮを有する。図１０は、より高い４０Ａの２つの領域と下部の４０Ｂ相対屈折の指数の２つの領域を有する実施例を示しているが、好適実施例は、かかる領域をより多数有するし又はより少なく有する。好適実施例は、例えば、低相対屈折率の少なくとも１つの領域によって囲まれた１つの高相対屈折率の領域、又は、低相対屈折率のもう３つの領域によって囲まれた高相対屈折率の３つ以上の領域を含む。好ましい実施例において、高相対屈折率の領域及び低相対屈折率の領域の各々が、独自に、少なくとも５μｍの半径幅を有し、例えば、少なくとも７．５μｍの半径幅を有し、さらに、例えば、少なくとも１０μｍの半径幅を有する。

図６，８及び１０で表された実施例において、Δ_２ＭＩＮは、好ましくは少なくとも０％であり、約０％であり、例えば、０％と０．０１％の間にあり得る。好ましい実施例において、第１環状クラッド領域３０は、フッ素等の屈折率低減ドーパントを全く含んでいない。好ましい実施例において、光ファイバは、フッ素等の屈折率低減ドーパントを全く含んでいない。好ましい実施例において、Ｗ_２は、５μｍより大であり、例えば、７．５μｍ以上であり、さらに、例えば、１０μｍ以上である。特に好ましい実施例において、７μｍ≦Ｗ_２≦１０μｍである。好ましい実施例において、コア領域２０及び第２環状クラッド領域４０は、少なくとも一つのドーパントによってドープされる。少なくとも一つのドーパントは、ゲルマニウム、アルミニウム、チタニウム、及びリンから成るアップドーパントグループ、又は、フッ素及びホウ素から成るダウンドーパントグループから選択される。特に好ましいドーパントは、ゲルマニウム、アルミニウム、及びフッ素である。

図６，８，及び１０は、Δ_１ＭＡＸが１．００％より大であり且つＲ_１が２０μｍより大である典型的な実施例を表している。例えば、１セットの好ましい実施例において、１．００％≦Δ_１ＭＡＸ≦２．００％であり且つ２０μｍ≦Ｒ_１≦３０μｍであり、例えば、１．２０％≦Δ_１ＭＡＸ≦２．００％であり且つ２５μｍ≦Ｒ_１≦３０μｍである。他の好ましい実施例において、Δ_３ＭＡＸ≧０．０５％であり、Δ_１ＭＡＸは１．００％未満であり、且つ、Ｒ_１は２０μｍ未満である（図６，８，及び１０に図示せず）。例えば、１セットの好ましい実施例において、０．５０％≦Δ_１ＭＡＸ≦１．００％であり且つ１０μｍ≦Ｒ１≦２０μｍであり、例えば、０．５０％≦Δ_１ＭＡＸ≦０．８０％であり且つ１０μｍ≦Ｒ_１≦１５μｍである。これら実施例の各々において、屈折率分布は理想的なアルファ分布から逸脱し得ることが理解されるべきであり、これらの実施例の各々において、コア領域２０は１．８と２．５の間のアルファ（α）を有し、好ましくは１．９と２．３の間のαを有し、そして、さらに好ましくは２．０と２．１の間のαを有する。特に好ましい実施例において、コア領域２０は、約２．０６のアルファ（α）を有する。

例えば、第１セットの好適実施例は、１．００％≦Δ_１ＭＡＸ≦２．００％、０％≦Δ_２ＭＩＮ≦０．０２％、０．１％≦Δ_３ＭＡＸ≦０．５％、２０μｍ≦Ｒ_１≦３０μｍ、５μｍ≦Ｗ_２≦１０μｍであり、且つ、コア領域２０が１．８と２．５の間のアルファ（α）を有する実施例を含む。また、第１セットの好適実施例は、０．５０％≦Δ_１ＭＡＸ≦１．００％、０％≦Δ_２ＭＩＮ≦０．０２％、０．１％≦Δ_３ＭＡＸ≦０．５％、１０μｍ≦Ｒ_１≦２０μｍ、５μｍ≦Ｗ_２≦１０μｍであり、且つ、コア領域２０が１．８と２．５の間のアルファ（α）を有する実施例を含む。さらに、第１セットの好適実施例は、１．００％≦Δ_１ＭＡＸ≦２．００％、０％≦Δ_２ＭＩＮ≦０．０２％、０．１５％≦Δ_３ＭＡＸ≦０．２５％、２０μｍ≦Ｒ１≦３０μｍ、７μｍ≦Ｗ２≦１０μｍであり、且つ、コア領域２０が１．９と２．２の間のアルファ（α）を有する実施例を含む。また、第１セットの好適実施例は、０．５０％≦Δ_１ＭＡＸ≦１．００％、０％≦Δ_２ＭＩＮ≦０．０２％、０．１５％≦Δ_３ＭＡＸ≦０．２５％、１０μｍ≦Ｒ_１≦２０μｍ、７μｍ≦Ｗ_２≦１０μｍであり、且つ、コア領域２０が１．９と２．２の間のアルファ（α）を有する実施例を含む。

図１２，１４，及び１６は、第２セットの好適実施例における例示的屈折率分布を表している。第２セットの好適実施例において、（Δ_３ＭＡＸ−Δ_２ＭＩＮ）≧０．０５％であり、より好ましくは（Δ_３ＭＡＸ−Δ_２ＭＩＮ）≧０．１％であり、さらにより好ましくは（Δ_３ＭＡＸ−Δ_２ＭＩＮ）≧０．１５％であり、例えば、０．１５％≦（Δ_３ＭＡＸ−Δ_２ＭＩＮ）≦０．５％であり、Δ_２ＭＩＮは０％未満であり、例えば、−０．０５％≧Δ_２ＭＩＮ≧−０．５％であり、Ｗ_２は５μｍより大である。かかる実施例において、Δ_３ＭＡＸは、好ましくは約０％であり、例えば、０％と０．０２％の間にある。好ましい実施例において、Ｗ_２は、７．５μｍ以上であり、例えば、１０μｍ以上である。特に好ましい実施例において、７μｍ≦Ｗ_２≦１０μｍである。好ましい実施例において、コア領域２０は、少なくとも一つのドーパントによってドープされている。少なくとも一つのドーパントは、ゲルマニウム、アルミニウム、チタニウム、及びリンから成るアップドーパントグループ、又は、フッ素及びホウ素から成るダウンドーパントグループから選択される。特に好ましいアップドーパントは、ゲルマニウム及びアルミニウムであり、アップドープされたコア領域は、さらに、フッ素によりドーピングされている。好ましい実施例において、第１環状クラッド領域３０は、フッ素等の少なくとも１つのダウンドーパントによりドープされている。さらなる好ましい実施例において、コア領域２０とクラッド領域３０は、フッ素等の同一のダウンドーパントによりダウンドープされているものの、コア領域２０は、ゲルマニウム等の少なくとも１つのアップドーパントにより付加的にドープされる。

図１２，１４，及び１６は、Δ_１ＭＡＸが約１．００％であり且つＲ_１が２０μｍより大である例示的実施例を表している。例えば、１セットの好ましい実施例において、１．００％≦Δ_１ＭＡＸ≦２．００％且つ２０μｍ≦Ｒ_１≦３０μｍであり、例えば、１．２０％≦Δ_１ＭＡＸ≦２．００％且つ２５μｍ≦Ｒ_１≦３０μｍである。他の好ましい実施例において、（Δ_３ＭＡＸ−Δ_２ＭＩＮ）≧０．０５％であり、Δ_１ＭＡＸが１．００％未満であり、Ｒ_１は２０μｍ未満である（図１２，１４，及び１６に図示せず）。例えば、１セットの好ましい実施例において、０．５０％≦Δ_１ＭＡＸ≦１．００％、１０μｍ≦Ｒ_１≦２０μｍ、例えば０．５０％≦Δ_１ＭＡＸ≦０．８０％であり、且つ、１０μｍ≦Ｒ_１≦２５μｍである。これらの実施例の各々において、屈折率分布は理想的なアルファ分布から逸脱し得ることが理解されるべきであるものの、これらの実施例の各々において、コア領域２０は１．８と２．５の間のアルファ（α）を有し、好ましくは１．９と２．３の間のαを有し、さらに好ましくは２．０と２．１の間のαを有する。特に好ましい実施例において、コア領域２０は、約２．０６のアルファ（α）を有する。

例えば、第２セットの好適実施例は、１．００％≦Δ_１ＭＡＸ≦２．００％、−０．５％≦Δ_２ＭＩＮ≦−０．１％、０％≦Δ_３ＭＡＸ≦０．０２％、２０μｍ≦Ｒ_１≦３０μｍ、５μｍ≦Ｗ_２≦１０μｍであり、且つ、コア領域２０が１．８と２．５の間のアルファ（α）を有する実施例を含む。また、第２セットの好適実施例は、０．５０％≦Δ_１ＭＡＸ≦１．００％、−０．５％≦Δ_２ＭＩＮ≦−０．１％、０％≦Δ_３ＭＡＸ≦０．０２％、１０μｍ≦Ｒ_１≦２０μｍ、５μｍ≦Ｗ_２≦１０μｍであり、且つ、コア領域２０が１．８と２．５の間のアルファ（α）を有する実施例を含む。さらに、第２セットの好適実施例は、１．００％≦Δ_１ＭＡＸ≦２．００％、−０．２％≦Δ_２ＭＩＮ≦−０．１％、０％≦Δ_３ＭＡＸ≦０．０２％、２０μｍ≦Ｒ_１≦３０μｍ、７μｍ≦Ｗ_２≦１０μｍであり、且つ、コア領域２０が１．９と２．２の間のアルファ（α）を有する実施例を含む。また、第２セットの好適実施例は、０．５０％≦Δ_１ＭＡＸ≦１．００％、−０．２％≦Δ_２ＭＩＮ≦−０．１％、０％≦Δ_３ＭＡＸ≦０．０２％、１０μｍ≦Ｒ_１≦２０μｍ、７μｍ≦Ｗ_２≦１０μｍ、且つ、コア領域２０が１．９と２．２の間のアルファ（α）を有する実施例を含む。

好ましい実施例において、８５０ｎｍの波長において、少なくとも２つのモード群を誘導し、好ましくは少なくとも５つのモード群を誘導し、例えば少なくとも１０つのモード群を誘導し、少なくとも１５つのモード群を導波し、さらに少なくとも２０のモード群を導波するマルチモード光ファイバが提供され得る。かかるマルチモード光ファイバにおいて、８５０ｎｍの波長における最高速モード群と最低速モード群の間の最大遅延差は、好ましくは５ｎｓ／ｋｍ未満であり、より好ましくは１ｎｓ／ｋｍ未満であり、さらにより好ましくは０．５ｎｓ／ｋｍ未満であり、さらにより好ましくは０．２ｎｓ／ｋｍ未満であり、さらにより好ましくは０．１ｎｓ／ｋｍ未満である。

望ましくは、本明細書に開示されたファイバは、気相成長処理によって製造される。さらに望ましくは、本明細書に開示されたファイバは、外部気相成長（ＯＶＤ：ｏｕｔｓｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理によって製造される。したがって、例えば、本明細書に開示された光導波ファイバを製造するために既知のＯＶＤレイダウン技術、結合技術、及び線引き技術が有利に使用され得る。改良型化学気相堆積法（ＭＣＶＤ：ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、気相軸付け堆積法（ＶＡＤ：ｖａｐｏｒ ａｘｉａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）又はプラズマ気相堆積法（ＰＣＶＤ：ｐｌａｓｍａ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の他の処理過程が用いられ得る。したがって、本明細書に開示された光導波ファイバの屈折率分布及び断面分布は、ＯＶＤ、ＶＡＤ及びＭＣＶＤを含むがこれに限定されない当業者に知られた技術を使用して達成され得る。

望ましくは、本明細書に開示された光ファイバは、シリカベースのコアとクラッドを有する。好ましい実施例において、クラッドは約１２５μｍの２倍のＲｍａｘを有する。望ましくは、クラッドの外径は、光ファイバの長軸に沿って一定の直径を有する。好ましい実施例において、光ファイバの屈折率は半径方向で対照的である。望ましくは、コアの外径は、光ファイバの長軸に沿って一定の直径を有する。望ましくは、１つ以上のコーティングがクラッドを包囲し且つクラッドに接触している。コーティングは、望ましくはアクリラート等のポリマコーティングであり得る。望ましくは、コーティングは、ファイバの長軸に沿って半径方向に一定の直径を有する。

本発明を、以下の実施例によってさらに説明する。マルチモードファイバの性能が数値的モデリングを介して評価された。これら実施例において、「T. A. Lenahan, “Calculation of modes in an optical fiber using the finite element method and EISPACK”, The Bell System Technical Journal Vol. 62, (No. 9) 2663-2694 (1983)」という文献において開発された体系に従う。実施例において、ファイバの性能は、数式４のスカラー波動方程式により表された。

ここで、ｒは半径であり、ｆ（ｒ）は径方向における固有フィールドであり、ｋ＝２πｎ（ｒ）／λであり、ｎ（ｒ）は屈折率分布であり、λは波長である。ｍは、モードに付する角度パラメータであり、βは伝搬定数である。各ｍに対して、２つの固有モードμがあり、モード数は、数式５により定義される。

比較例１

図２は、一定屈折率のクラッドを有する光導波ファイバに対応する屈折率分布を概略的に図示している。図２の分布は、１．０％のピークデルタ値、２５μｍの半径、及び２．０６のアルファ値を示している。図２の光ファイバの屈折率分布に対するモード間遅延時間差とモード数との関係が図３に示されている。図３に示されているように、モード間遅延時間差は、１４までのモード数に対して０．１ｎｓ／ｋｍ未満である。しかしながら、１４より上のモード数において、遅延時間は広がるので、最高次モード（例えば、１６〜１９までのモード数を有する最高次モード）は、約１ｎｓ／ｋｍのモード間遅延時間差を示しており、これにより、ファイバのバンド幅性能が低減されてしまう。

比較例２

図４は、一定屈折率のクラッドを有する光導波ファイバに対応する屈折率分布を概略的に図示している。かかる光導波ファイバは、図２で表された屈折率分布と同じであるものの、実際のファイバで多くの場合観測される分布に類似せしめるために、ファイバコアの端部付近において理想的なアルファ分布からずれている点で異なる。図４の光ファイバの屈折率分布に対するモード間遅延時間差とモード数との関係が図５に示されている。アルファ分布からずれていることの結果として、図５に示されているように、最高次モード（例えば、１６〜１９までのモードナンバーを有する最高次モード）は、約１０ナノ秒／ｋｍの最大差を有し、図３のものより実質的に１桁広い範囲にまで広がっている。かかるは広がりによって、ファイバのバンド幅特性が低減されてしまう。

図６は、本発明の実施例に対応する屈折率分布について概略的に示している。クラッド領域は、３５μｍの半径からクラッドの最外側端までＧｅＯ_２によりアップドーピングされており、Δ_３ＭＡＸは０．２％であり、Δ_２ＭＩＮは０％であり、光ファイバは、フッ素等のダウンドーパントを全く含んでいない。図６の光ファイバの屈折率分布に対するモード間遅延時間差とモード数との関係が図７に示されている。最高次モード（例えば、１６〜１９までのモードナンバーを有する最高次モード）の各々は、約０．１２ｎｓ／ｋｍ内に制限されたモード間遅延時間差を示している。

図８は、本発明の実施例に対応する屈折率分布を概略的に図示している。クラッド領域は、３５μｍの半径から４５μｍの半径までにおいてＧｅＯ_２によりアップドーピングされており（すなわち、単一のアップドープリングである）、Δ_３ＭＡＸは０．２５％であり、Δ_２ＭＩＮは０％であり、光ファイバはフッ素等のダウンドーパントを全く含んでいない。このファイバの屈折率分布はファイバコアにおいて拡散したテールを含み、かかるテールは、理想的なアルファ分布からのずれである。図８の光ファイバの屈折率分布に対するモード間遅延時間差とモード数との関係が図９に示されている。最高次モード（例えば、１６〜１９までのモードナンバーを有する最高次モード）の各々は、０．１０ｎｓ／ｋｍ未満であるモード間遅延時間差を示す。

図１０は、本発明の実施例に対応する屈折率分布について概略的に図示している。クラッド領域は、３５μｍの半径から４５μｍの半径においてＧｅＯ_２によりアップドーピングされており、そして、５０μｍの半径から６０μｍの半径においてＧｅＯ_２によりアップドーピングされている（すなわち、２つのアップドーピングされたリングである）。

Δ_３ＭＡＸは０．２５％であり、Δ_２ＭＩＮは０％であり、光ファイバは、フッ素等のダウンドーパントを全く含んでいない。このファイバの屈折率分布はファイバコアにおいて拡散したテールを含み、かかるテールは、理想的なアルファ分布からのずれである。図１０の光ファイバの屈折率分布に対するモード間遅延時間差とモード数との関係が図１１に示されている。最高次モード（例えば、１６〜１９までのモードナンバーを有する最高次モード）の各々は、０．１０ｎｓ／ｋｍ未満であるモード間遅延時間差を示す。

図１２は、本発明の実施例に対応する屈折率分布を概略的に図示している。コア領域と第１環状クラッド領域の双方が、０μｍの半径から３２μｍの半径までにおいてフッ素によりダウンドーピングされているので、フッ素ドーピングは、０μｍの半径から３２μｍの半径までにおいて−０．１５％のデルタに寄与している。コアは、ＧｅＯ_２によってもアップドープされており、ＧｅＯ_２によって寄付された１．１５％のピークデルタを与え（フッ素及びＧｅＯ_２の共ドーピングの正味の寄与は、１．０％のピークコアデルタを生じせしめる）、２．０５４のコアアルファを与える。３２ミクロンの半径からファイバの外側端まで、クラッド部は無ドープ（純シリカ）である。図１２の光ファイバの屈折率分布のモード間遅延時間差とモード数との関係が、図１３に示されている。最高次モード（例えば、１６〜１９までのモード数を有する最高次モード）の各々は、０．２５ｎｓ／ｋｍ未満であるモード間遅延時間差を示す。

図１４は、本発明の実施例に対応する屈折率分布について概略的に図示している。コアは、（フッ素によりドープされていないものの）ＧｅＯ_２によってアップドープされているので、１．０％のピークデルタ、２．０４の中心アルファ、および２５μｍのコア半径を与える。第１環状クラッド領域は、２５μｍの半径から３２μｍの半径までにおいてフッ素によりドーピングされており、第１環状クラッド領域において、−０．１％の最小デルタを与える。３２ミクロンの半径からファイバの外側端まで、クラッド部は無ドープ（純シリカ）である。図１４の光ファイバの屈折率分布のモード間遅延時間差とモード数との関係が、図１５に示されている。最高次モード（例えば、１６〜１９までのモードナンバーを有する最高次モード）の各々は、０．５ｎｓ／ｋｍ未満であるモード間遅延時間差を示す。

図１６は、本発明の実施例に対応する屈折率分布について概略的に図示している。コア領域と第１環状クラッド領域の双方が、０μｍの半径から３４μｍの半径までにおいてフッ素によりダウンドーピングされており、フッ素ドーピングは、０μｍの半径から３４μｍの半径までにおいて−０．４％のデルタに寄与している。コアは、ＧｅＯ_２によってもアップドープされており、１．４％のＧｅＯ_２によって寄付されたピークデルタを与え（フッ素及びＧｅＯ_２の共ドーピングの正味の寄与は、１．０％のピークコアデルタを生じせしめる）、２．０５３のコアアルファを与える。３４ミクロンの半径からファイバの外側端まで、クラッド部は無ドープ（純シリカ）である。図１６の光ファイバの屈折率分布のモード間遅延時間差とモード数との関係が、図１７に示されている。最高次モード（例えば、１６〜１９までのモードナンバーを有する最高次モード）の各々は、０．２ｎｓ／ｋｍ未満であるモード間遅延時間差を示す。

さらに、図１６に示す屈折率分布は、８５０ｎｍの波長で１０ｍｍの曲げ直径において、例えば、０．０２ｄＢ／ｔｕｒｎ未満の曲げ損失を示し得る。対照的に、１％のコアデルタと２５ｍｍのコア半径を有する標準マルチモードファイバは、８５０ｎｍの波長で１０ｍｍの曲げ直径において約１１ｄＢ／ｔｕｒｎの曲げ損失を示すことが予想され得る。

表１は、実施例１−６の屈折率分布特性を示す。

本発明の実施例に対応するファイバの改善点は、バンド幅によっても示され得る。バンド幅は、１ｋｍの距離にわたる伝達関数の半分のパワー周波数として本明細書において定義される。インターモーダル分散が無視されるとき、伝達関数は、数式６のように表される。

τｎは、ｎ番目のモードの遅延時間を（ｓ／ｋｍの単位で）示しており、ａ_ｎ ^２は、ｎ番目のモードのパワーであり、ωは、光の角振動数であり、ｉは虚数である。ｉ^２＝−１である。各モードへ出射され得るパワーに依存する各モードのパワーを特定する多くの手法がある。近似的に、我々は、ｎ番目のモードとモード数Ｑとの相関を数式７のように想定している。

平均遅延は、以下の数式８により計算される。

遅延（τｒｍｓ）は、以下の数式９により計算される。

バンド幅は以下の数式１０により計算される。

図１８は、（曲線１とラベル付けされた）比較の実施例１のファイバと（曲線２とラベル付けされた）実施例４のファイバのバンド幅と波長との関係を示している。図１８に示されているように、実施例４のファイバは、広範囲の波長に亘ってより高いバンド幅を有する。さらに、ファイバの中心からファイバのコアから少しだけ超えた領域まで比較的一定のレベルのフッ素をフラッドドーピングすることは、ＯＶＤ処理の比較的簡単な実装である。

図１９は、実施例４のファイバ（ラベル付けされた曲線２）と実施例１の変更されたバージョン（ラベル付けされた曲線３）とのバンド幅と波長との関係を示している。実施例１の変更されたバージョンの屈折率分布は図６の分布と同一であるものの、コアのアルファが２．０５４であり且つΔ_３ＭＡＸが０．１５％である点で異なる。図１９に示されているように、フッ素フラッドドーピングを使用する実施例４のファイバは、クラッドにおいてＧｅＯ_２アップドーピングを用いるバンド幅と波長に関して図１の変更されたファイバと同様に機能する。

好ましい実施例において、８００ｎｍと９００ｎｍの間の全波長において２ＧＨｚ−ｋｍより大のバンド幅を有し、例えば、８２５ｎｍと８７５ｎｍの間の全波長において３ＧＨｚ−ｋｍより大なるバンド幅を有し、さらに、例えば、８２５ｎｍと８７５ｎｍの間の全波長において４ＧＨｚ−ｋｍより大なるバンド幅を有するマルチモード光ファイバが提供され得る。好ましい実施例において、約８５０ｎｍの波長で２ＧＨｚ−ｋｍより大なるバンド幅を有し、例えば、約８５０ｎｍの波長で４ＧＨｚ−ｋｍより大なるバンド幅を有し、さらに、例えば、約８５０ｎｍの波長で５ＧＨｚ−ｋｍより大なるバンド幅を有し、さらに、例えば、約８５０ｎｍの波長で６ＧＨｚ−ｋｍより大なるバンド幅を有し、さらに、例えば、約８５０ｎｍの波長で８ＧＨｚ−ｋｍより大なるバンド幅を有し、さらに、例えば、約８５０ｎｍの波長で１０ＧＨｚ−ｋｍより大なるバンド幅を有するマルチモード光ファイバが提供され得る。

様々な変更例や変形例が本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明に対してなされ得ることが当業者には十分理解できるであろう。したがって、本発明は、添付された特許請求の範囲及びこれの均等物の範囲内の改良及び変形を網羅することが意図されている。

Claims (2)

1. 中心線から半径Ｒ₁まで放射状に且つ外側に延在して、正の相対屈折率パーセント分布Δ₁（ｒ）を有し、最大相対屈折率パーセントΔ_1MAXを有するコア領域と、
   前記コア領域を囲み且つ前記コア領域に直接隣接し、半径Ｒ₂まで延在し、Ｒ₂−Ｒ₁の幅Ｗ₂を有し、最小相対屈折率パーセントΔ_2MINを有する相対屈折率パーセント分布Δ₂（ｒ）を有する第１環状クラッド領域と、
   前記第１環状クラッド領域を囲み、最大相対屈折率パーセントΔ_3MAXを有する相対屈折率パーセント分布Δ₃（ｒ）を有する第２環状クラッド領域と、を含み、
   １．００％≦Δ_1MAX≦２．００％、
   ０％≦Δ_2MIN≦０．０２％、
   ０．１％≦Δ_3MAX≦０．５％、
   ２０μｍ≦Ｒ₁≦３０μｍ、
   ５μｍ≦Ｗ₂≦１０μｍ、且つ、
   前記コア領域が１．８と２．５の間のアルファ（α）を有することを特徴とするグレーテッドインデックスマルチモード光ファイバ。
2. 中心線から半径Ｒ₁まで放射状に且つ外側に延在して、正の相対屈折率パーセント分布Δ₁（ｒ）を有し、最大相対屈折率パーセントΔ_1MAXを有するコア領域と、
   前記コア領域を囲み且つ前記コア領域に直接隣接し、半径Ｒ₂まで延在し、Ｒ₂−Ｒ₁の幅Ｗ₂を有し、最小相対屈折率パーセントΔ_2MINを有する相対屈折率パーセント分布Δ₂（ｒ）を有する第１環状クラッド領域と、
   前記第１環状クラッド領域を囲み、最大相対屈折率パーセントΔ_3MAXを有する相対屈折率パーセント分布Δ₃（ｒ）を有する第２環状クラッド領域と、を含み、
   ０．５０％≦Δ_1MAX≦１．００％、
   ０％≦Δ_2MIN≦０．０２％、
   ０．１％≦Δ_3MAX≦０．５％、
   １０μｍ≦Ｒ₁≦２０μｍ、
   ５μｍ≦Ｗ₂≦１０μｍ、且つ、
   前記コア領域が１．８と２．５の間のアルファ（α）を有することを特徴とするグレーテッドインデックスマルチモード光ファイバ。

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