曲げ不感性マルチモードファイバにおける高次モードのモード遅延の均等化
【課題】高次モードのモード遅延の差が曲げ不感性ＭＭＦについて低減されるマルチモード光ファイバを提供する。
【解決手段】本願発明によって、低い微分モード遅延と高帯域幅の保持を達成すると同時に低曲げ損失を達成する。本願発明の設計は、コアプロファイル、およびコアプロファイルに関連する半径位置に配される負の溝を有するクラッド構造の組合せを選択することに基づく。好ましい実施例の特徴は、混成屈折率プロファイルを有するコアである。混成屈折率プロファイルは、基本的に標準のアルファプロファイルとアルファプロファイルの外側エッジにおける段状のプロファイルとの組合せである。
【解決手段】本願発明によって、低い微分モード遅延と高帯域幅の保持を達成すると同時に低曲げ損失を達成する。本願発明の設計は、コアプロファイル、およびコアプロファイルに関連する半径位置に配される負の溝を有するクラッド構造の組合せを選択することに基づく。好ましい実施例の特徴は、混成屈折率プロファイルを有するコアである。混成屈折率プロファイルは、基本的に標準のアルファプロファイルとアルファプロファイルの外側エッジにおける段状のプロファイルとの組合せである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は優れた曲げ損失特性を持つように設計されたマルチモード光ファイバに関連する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバが曲げられたとき光エネルギーを漏出する傾向は、技術の揺籃期以来知られていることである。光は真っ直ぐな経路に沿って進むが、低屈折率の物質によって囲まれた高屈折率の物質の経路を与えられると、それが曲がった経路であってもある程度までそれに沿って導かれるということがよく知られている。しかし、現実にはその原理は限定されていて、光ファイバは導波路が光を保持する可能性を越える曲率でしばしば曲げられる。
【０００３】
曲げられた時の伝送特性を制御することはほぼすべての実用的な光ファイバ設計における問題点である。最初の取組みであり、いまだに一般的である取組みは光ファイバの物理的な曲げを妨げる、あるいは最小にすることである。このことは長距離伝送においては頑丈なケーブル設計することにより、あるいは短距離においては光ファイバを小さなダクトに納めることにより大部分達成されているが、すべての場合において光ファイバはそれぞれの端部において終端されねばならない。したがって、もっとも好ましい条件のもとでも、曲げ、しばしば厳しい曲げが光ファイバの終端部に出現する。
【０００４】
曲げ損失を制御することは光ファイバそれ自体の物理的な設計によっても対処が可能である。したがって、曲げ損失を制御するために、リング特性、あるいは溝特性、あるいはそれらの組合せが光ファイバの屈折率プロファイルの外側に一般的に見られる。例えば、参照のため、すべてここに引用される米国特許第４，６９１，９９０号明細書および同４，８５２，９６８号明細書、並びに２００９年８月１７日に出願された米国特許出願第１２／５８３，２１２号を参照のこと。
【０００５】
曲げ損失はシングルモード、およびマルチモード光ファイバの両方に生じる。マルチモード光ファイバはデータセンター、企業内ＬＡＮ、ＳＡＮなどのような短距離の通信において一般的に使われる。マルチモードファイバの利点は主としてこのファイバを簡単でコスト的により有利な光源と結合可能なことにある。過去においては、これらの光源は主として波長が８５０ｎｍ付近のＬＥＤであった。最近は、レーザダイオードと光ファイバとの間で効果的な結合を可能にする垂直共振器を持った低価格な垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が市場に現れている。これらのレーザダイオードは、例えば１０．３１２５Ｇｂｐｓまでの高い変調率も達成している。高性能コンピュータ、データセンター、およびＳＡＮ用途における４０Ｇ／１００Ｇのために、ＩＥＥＥｐ８０２．３ｂａは、個々のチャンネルが１０．３１２５Ｇｂｐｓ、かつ／あるいは２５Ｇｂｐｓまでの高速、および／あるいはＷＤＭの並行型ＶＣＳＥＬアレイのための標準を提案している。
【０００６】
曲げ条件下での光ファイバの性能問題は、通常、曲げ部分における光ファイバからの光の漏れによる一般的な光パワーの損失を含むと考えられてきている。シングルモード光ファイバにおいては、すべての漏れは光ファイバの基底モードの光を含むので、一般的なパワー損失が主たる考慮の対象である。しかし、マルチモード光ファイバにおいては、モード構造が損失に影響し、低次モードより高次モードの方が損失が大きくなる。マルチモード光ファイバにおいては高次、および低次モードの組合せが光ファイバの帯域幅、したがって信号伝送容量を決定する。
【０００７】
高帯域幅のためには、マルチモードファイバのいろいろなモードの群速度を可能なかぎり等しくなるように接近するべきである。微分群速度はコアを構成する物質の屈折率を等級分けすることによって制御可能であり、それは屈折率の関数形式をファイバ半径の関数として規定することを意味する。従来のマルチモードファイバにおいては、設計の目安はα形を達成することであって、α形は以下の式で規定されている。
【数１】
ここでｒはファイバの半径、ｒｃｏｒｅはコアの半径、ｎｃｌａｄはクラッドの屈折率、かつαおよびΔは任意のパラメータである。これがいわゆるα形プロファイルである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第４，６９１，９９０号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８５２，９６８号明細書
【特許文献３】米国出願出願第１２／５８３，２１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
α形プロファイル設計に固有の制約は、コアのエッジにおけるクラッドモードへの結合に起因して高次モードが適切に補償されないということである。したがって高次モードのモード遅延は低次、および中次モードからずれる。ＯＭ３、およびＯＭ４など従来のα形ＭＭＦに対して高次モードの微分モード減衰は大きく、それが微分モード遅延、およびその結果としての帯域幅への高次モードの影響を最小にする。ＯＭ３、およびＯＭ４は通信工業協会（ＴＩＡ）のよく知られたＭＭＦ性能標準である。低曲げ損失用に設計されるＭＭＦにおいては、同じ高次モードであっても微分モード減衰がより少ない。その結果として、帯域幅への微分モード遅延の影響は無視できない。したがって、高次モードのモード遅延を均等にする方法が高速度デジタル伝送で使われる曲げ不感性ＭＭＦ（ＢＩＭＭＦ）のために必要とされる。現時点の技術においては、光データシステムのための高速度伝送は一般に１０Ｇｂｐｓあるいはそれ以上であると考えられる。
【００１０】
スーパーコンピュータ用途において予想される高い実装密度を支えるために、帯域幅の最適化、ＶＣＳＥＬ結合の緩い公差、および曲げ損失の低減のための新しい設計概念が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
われわれは高次モードのモード遅延における微分が曲げ不感性ＭＭＦ用に低減されているマルチモード光ファイバを設計した。その結果、低い微分モード遅延と高い帯域幅が保持されながら、低い曲げ損失が達成されている。設計は、コアプロファイル、およびコアプロファイルに関連する半径位置に配される負の溝を有するクラッド構造の組合せを選択することに基づいている。好ましい実施例の特徴は複合型の屈折率プロファイルを有するコアである。複合型の屈折率プロファイルは基本的に標準のアルファプロファイルとアルファプロファイルの外側のエッジにおける段階状プロファイルとの組合せである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ｄＢ／ｍで表した代表的な溝付きＢＩＭＭＦ光ファイバの微分モード減衰（ＤＭＡ）を示し、また溝無しのアルファプロファイルを有する標準的な光ファイバとの比較を示すプロットである。
【図２】溝付き、および溝無しの修正コアプロファイルにおけるＬＰ（０、１０）、およびＬＰ（１８、１）のＥ場分布をクラッドに溝のないアルファプロファイルのそれとの比較を示す。
【図３】は、溝無し（円印）のα形プロファイルのファイバ、および５μｍ（星印）、１．５μｍ（四角印）、および０μｍ（ダイヤモンド印）の位置に溝を有する３つのＢＩＭＭＦに対するすべての導波モードのモード遅延対有効屈折率のプロットである。
【図４】図３に四角印で示されるＢＩＭＭＦに対するモード遅延対有効屈折率を示す。星印はそれぞれの主モード群（ＰＭＧ）に対する平均モード遅延である。
【図５】有効屈折率差（１Ｅ−６）対ＰＭＧ＃１９の５０μｍＭＭＦに対するモードを示し、いろいろな異なるファイバ構造を比較している。
【図６】１．０５％のデルタ、および溝を有する５０μｍＭＭＦのモード遅延を図解している。黒印はＤＮｔｒ（溝の屈折率差）、および溝の位置が（−０．００３／０．６８μｍ）、（−０．００５／１．０５μｍ）、（−０．００７／１．２５μｍ）、および（−０．０１１／１．５μｍ）である設計に該当する。線はそれぞれの主モード群の平均モード遅延である。
【図７】溝のＤＮ対高次モードのモード遅延を等しくするべく最適化された溝の半径方向の開始位置のプロットである。
【図８】従来のα形ＭＭＦの有効屈折率差と比較するために、溝付き、および溝無しの変形コアを有する二つのＭＭＦについてＰＭＧ１９のＬＰ（１８、１）の有効屈折率差をゼロとしたすべてのモードの有効屈折率差のプロットである。
【図９】ファイバのステップＦ１（オープンブラックダイヤモンド印）、およびステップＢＩＭＭＦ１（黒星印）についてすべてのモードのモード遅延を示す。線はそれぞれのＰＭＧに対する平均のモード遅延を示す。
【図１０】ファイバのステップＦ２（オープンブラックダイヤモンド印）、およびステップＢＩＭＭＦ１（黒星印）についてすべてのモードのモード遅延を示す。線はそれぞれのＰＭＧに対する平均のモード遅延を示す。
【図１１】本発明の第二の実施例によるコアエッジの変形の説明である。
【図１２】式５における二つの例のすべての主モード群の平均モード遅延を示す。
【図１３】高速度伝送リンク配置の図解である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１において、溝無しのα形プロファイル設計の高次モードに対する微分モード減衰（ＤＭＡ）がＢＩＭＭＦ光ファイバのＤＭＡと比較され、α形プロファイルの高次モードがますます減衰することを示している。従来のα形ＭＭＦについては、高次モードの微分モード減衰が大きく、それは微分モード遅延、したがって帯域幅への高次モードの影響を最小にする。低曲げ損失（溝付き設計）用に設計されたＭＭＦにおいては、同じ高次モードの微分モード減衰がより小さい。したがって微分モード遅延、および帯域幅により影響する。微分モード遅延は溝を正しく配置すること、およびコアプロファイル、特にコアエッジの変形によって低減することが出来る。
【００１４】
知見を得るために、図２に示されるようにクラッド内の溝、およびコアエッジの変形の存在による高次モードのＥ場への影響が検証される。コア軸のコア径が５０μｍでデルタが１．０５％の勾配型屈折率のＭＭＦにおいては、もっとも高い主モード群（ＰＭＧ）は１９である。ＰＭＧ１９には１０個の異なる（Ｌ、Ｐ）モードがあり、それはＬＰ（０、１０）、ＬＰ（２、９）、ＬＰ（４、８）、ＬＰ（６、７）、ＬＰ（８、６）、ＬＰ（１０、５）、ＬＰ（１２、４）、ＬＰ（１４、３）、ＬＰ（１６、２）、およびＬＰ（１８、１）である。これら１０個のモードの内で、ＬＰ（０、１０）はクラッドの中に広がるもっとも長いエバネセントな尾を有し、それに対してＬＰ（１８、１）はクラッドとの結合がもっとも少ない。クラッドに結合しているモードはより早く移動する。コアエッジが変形されると、ＬＰ（０、１０）のエバネセントな尾はコアの方向に向けて収縮する。負の屈折率を有する溝が付加されると、ＬＰ（０、１０）のエバネセントな尾はさらに溝領域内に収縮し、それはクラッドへの結合がより小さくなり、モードの伝播がゆっくりになることを示す。既に）コアの内部にあるＬＰ（１８、１）のＲ（ｒ）のエバネセントな尾は溝によってそれほど影響されない。
【００１５】
本発明の第一の実施例において、光ファイバは４つの領域からなる：（ａ）シリカのクラッドに比較して正の屈折率を有するα形コア、（ｂ）コアに隣接する環状領域、（ｃ）環状領域に隣接する負の屈折率を有する溝、（ｄ）溝に隣接するシリカのクラッド。４つの領域は（２）式のように表される。
【数２】
ここで、ｎ（ｒ）は半径位置ｒにおける絶対屈折率、ｎｃｌａｄはクラッドの絶対屈折率、Δ、Δ１、Δ２は相対屈折率、ｒは半径位置、ｒｃｏｒｅはコア半径、ｒ０はｒｃｏｒｅより短い、あるいは等しい位置であり、かつαは好ましくは１．９から２．２の値を有する。Δ２・ｎｃｌａｄもまた溝ＤＮ、あるいはＤＮｔｒとして表される。
【００１６】
負の屈折率を有する溝の内壁は高次モードのモード遅延を最適化するために正確に形成される必要があるという考え方とは逆に、正しい深さで正しい位置に配される段のある溝が高次モードのモード遅延を形作るために使われてもよい。実際に、ｒ０＝ｒｃｏｒｅであるいくつかの場合について以下に示されるように、高次モードのモード遅延を等しく出来る。
【００１７】
図３は溝がない標準的なＭＭＦ、および３つのＢＩＭＭＦに対するすべての導波モードのモード遅延対有効屈折率を図解している。白丸は標準的なＭＭＦを表す。星印はコアエッジから５μｍ離れたところに位置するＤＮ＝−０．０１１の溝を有するＢＩＭＭＦを表す。白ダイヤモンドはコアに接するＤＮ＝−０．０１１の溝を有するＢＩＭＭＦを表す。白四角はコアエッジから１．５μｍ離れたところに位置するＤＮ＝−０．０１１の溝を有するＢＩＭＭＦを表す。溝がコアの近くに移動するとき、低次の主モード群（より大きなｎｅｆｆ−ｎｃｌａｄ）は明らかな変化を示さない。しかし、高次の主モード群のモード遅延は負から正に変化する。すべてのモードのモード遅延は、溝がコアエッジから１．５μｍ離れたところに配される時、ほぼ等しくなる。図４に示されるように、１．０５％のデルタ、５０μｍのコア、および１．５μｍに配される溝（ＤＮｔｒ＝−０．０１１）からなるＢＩＭＭＦのすべての主モード群の平均のモード遅延の変化量は０．１ｐｓ／ｍ（最大０．０２５ｐｓ／ｍ、最小−０．０５３ｐｓ／ｍ）より小さい。異なる溝の深さに対しては最適な溝位置がある。図７に示されるように、すべての主モード群の平均的なモード遅延は、溝のＤＮ／位置が−０．００３／０．６８μｍ、−０．００５／１．０５μｍ、−０．００７／１．２５μｍ、および−０．０１１／１．５μｍであるＢＩＭＭＦに対してほぼ等しい（０．１ｐｓ／ｍより小さい）。
【００１８】
図５は、いろいろな溝パラメータに対する主モード群における１０モードの有効屈折率差を示す。（有効屈折率差は）ＬＰ（１８、１）の有効屈折率差をゼロとする。モードが図の上部に示される。ＰＭＧ１９の１０モード（ＬＰ（１８、１）からＬＰ（０、１０））の有効屈折率差が０から−１３１±−３（×１ｅ−６）（白三角印、白丸印、星印、および白四角印）の範囲で単調に減少する時、平均的なモード遅延は図６に示されるようにほぼ等しくなる。負のモード遅延（早い）高次モードのＭＭＦ（例えば、溝無しＭＭＦを表す黒丸印、およびコアから５μｍ離れた溝ＤＮｔｒ＝−０．０１１を有するＢＩＭＭＦを表す黒星印）に対しては、ＰＭＧ１９の１０モードの有効屈折率差は最適化された曲線の上方にある。最適化された曲線（例えば、コアエッジに隣接する溝ＤＮｔｒ＝−０．０１１を表す黒ダイヤモンド印）の下方にあるＰＭＧ１９の１０モードの有効屈折率を有するＭＭＦに対しては、高次の主モード群は正のモード遅延を有する、あるいは低い主モード群よりもゆっくりと移動する。
【００１９】
１．０５％デルタ、および５０μｍ直径のコアプロファイルを有する例と同様に、高次モードのモード遅延は異なる直径、およびデルタを有するプロファイルに対して低減することが出来る。異なるデルタ、および直径のコアを有する光ファイバのための設計情報が以下の表に与えられている。
【表１】
【００２０】
表１に示されるように、コア直径が３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、およびデルタが１．０５％、および０．８％であるいろいろな設計について、溝ＤＮ、および位置が最適化された設計は、モード遅延がほぼ等しくなっている（それぞれの設計におけるすべてのモードの中で最小のモード遅延、および最大のモード遅延によって示される）。最も高い主モード群のモードの有効屈折率差は、アルファ形、かつデルタが１．０５％でコア直径が４０μｍ、および３０μｍのＢＩＭＭＦについて１２６（×１ｅ−６）および１２０（×１ｅ−６）である。コアのデルタが０．８％に低減されたＢＩＭＭＦに対する有効屈折率差は、コアの直径３０μｍ、４０μｍ、５０μｍのそれぞれについて９６（×１ｅ−６）と１０６（×１ｅ−６）との間にある。溝対溝ＤＮの最適化された半径の関係が図７に示されている。コア直径、およびデルタについて五つのケースが示される：（５０μｍ、１．０５％）、（４０μｍ、１．０５％）、（３０μｍ、１．０５％）、（５０μｍ、０．９％）、（５０μｍ、０．８％）。高次モードの最も最適化されたモード遅延についての溝ＤＮｔｒ、およびｒｔｒ１位置は多項式でおおよそ当てはめることが出来る。
【数３】
ここで、ａ２は−０．０１０から−０．０４０の範囲、ａ１は−０．００２から−０．０２の範囲、ａ０は−０．００４５から−０．００６６の範囲であり、ｘ０は以下の表の値をとる。
【表２】
【００２１】
溝の半径方向の位置、および深さをあらかじめ決めることにより、いかにして高次モードのモード遅延が等しくなるかが上に示されている。例えば、これらのモードの相対有効屈折率が、コアのデルタが１．０５％である５０μｍＭＭＦについて−１３４（×１ｅ−６）から−１２６（×１ｅ−６）の間のスパンで単調に減少するように調節されてよい。本発明の第二の実施例によって、溝のパラメータを制御することに加えて、コアプロファイル、特にエッジの微妙な変形が高次モードの等化をもたらす可能性がある。
【００２２】
この別の実施例において、ファイバは４つの領域からなる：（ａ’）変形されたα形コア、（ｂ’）コアに隣接する環状領域、（ｃ’）環状領域に隣接する負の屈折率を有する溝、（ｄ’）溝に隣接するシリカのクラッド。この実施例に対する屈折率プロファイルの式は以下のように記述できる。
【数４】
ここでｎ（ｒ）は半径位置ｒにおける絶対屈折率、ｎｃｌａｄはクラッドの絶対屈折率、ｒは半径位置；ｒｃｏｒｅはコア半径、αは好ましくは１．９から２．２の値を有し、Ｊは値が０から０．００２の間のステップ屈折率の補正項；ｍは値が０から０．０００２５（表３では、０．０００１から０．０００２）の間の線形屈折率補正項の傾斜係数であり、ｒ０は値が≧０．８０ｒｃｏｒｅである線形補正項の半径方向の開始位置である。Δ２・ｎｃｌａｄもまた溝ＤＮあるいはＤＮｔｒとして表される。
【００２３】
式４に示されるように、コアエッジを変形したコアプロファイルは基本的にアルファ屈折率コアとステップ屈折率コアとの混成である。表３は式４のように変形されたコアプロファイルを有するＢＩＭＭＦの３つの例を示す。２つは比較のための溝無し設計である。ステップＢＩＭＭＦ Ｆ１として記されたＢＩＭＭＦ設計は、ステップ屈折率パラメータがＪ＝０．００１５５、リニア補正パラメータがｍ＝０．０００１である。平均的なモード遅延の最大／最小は、溝無し形について０．０８１／−０．９０９ｐｓ／ｍである。平均的なモード遅延の最大／最小は、コアエッジから３．５μｍ離れたところにあるＤＮ＝−０．０１１の溝あり形について０．１４６／−０．０１２ｐｓ／ｍである。ステップＢＩＭＭＦ Ｆ２として表されるＢＩＭＭＦ設計はステップ屈折率パラメータがＪ＝０．００１８５、リニア補正パラメータがｍ＝０．０００２である。平均的なモード遅延の最大／最小は、溝無し形について０．２４９／−０．２６５ｐｓ／ｍ、コアエッジから６μｍ離れたところにＤＮ＝−０．０１１の溝がある形について０．２７７／−０．１１ｐｓ／ｍである。ステップＢＩＭＭＦ Ｆ３として表されるＢＩＭＭＦ設計はステップ屈折率パラメータがＪ＝０．００１３、リニア補正パラメータがｍ＝０．０００１である。平均的なモード遅延の最大／最小は、０．０４９／−０．２０６ｐｓ／ｍである。図８は、２つの変形された溝あり、溝無し設計の主モード群１９における１０モードの有効屈折率差を示す。有効屈折率差は単調に減少する。（溝無しについてステップＦ１、溝付きについてステップＢＩＭＭＦ Ｆ１として表される）例１、および（溝無しについてステップＦ２、溝付きについてステップＢＩＭＭＦ Ｆ２として表される）例２についてＬＰ（１８、１）、およびＬＰ（０、１０）の有効屈折率の間の差は−１２３（×１ｅ−６）、−１３３（×１ｅ−６）、−１４５（×１ｅ−６）、−１３６（×１ｅ−６）である。以下の表は図８−１０の光ファイバ設計に対するパラメータを与える。
【表３】
【００２４】
図９は光ファイバステップＦ１、およびステップＢＩＭＭＦ Ｆ１のモード遅延を示す。図１０は光ファイバステップＦ２、およびステップＢＩＭＭＦ Ｆ２のモード遅延を示す。前記の例における溝の位置はコアエッジから３．５μｍ（ステップＢＩＭＭＦ１）、および６μｍ（ステップＢＩＭＭＦ２）離れたところにある。このことは、コアエッジの特徴の変形は急速に溝を半径方向の外方に動かし、一方、高次モード群についてモード遅延の広がりを小さく維持することを可能にする。溝の深さ対その半径位置の関係は表２と同じような関係にあり、かつｘ０を除いて式（４）は大きくなる。
【００２５】
図１１の屈折率プロファイルは本発明によるコアプロファイルの変形の模式図であって、プロファイルの点線の曲線部はほぼアルファプロファイルを示し、コアプロファイルのエッジ、ｒｓの位置における垂直の段がステップを表す。ｒｎｏｍに続く点線はアルファプロファイルコアのこの領域での名目上の屈折率プロファイルである。本発明のこの実施例の良さを実現するために薦めることのひとつは、コアエッジの変形を形成するステップは、コア中心部の最大の屈折率高さが０．０５から０．１５５（表３で０．１から０．１５５）であり、位置ｒｓはｒｎｏｍが０．９２から０．９８の間であるべきということである。
【００２６】
高次モードのモード遅延は、以下の式に示されるように、コア領域を低い位置に下げることによりすべてのモード、あるいは二つの最も高い次数の主モード群のいくつかのモードの漏洩損失を増加させることによってさらに最適化できる。
【数５】
ここで、ここでｎ（ｒ）は半径位置ｒにおける絶対屈折率、ｎｃｌａｄはクラッドの絶対屈折率、ｒは半径位置、ｒ０はコアのエッジ、ｒｃｏｒｅは名目上のα形プロファイルの半径であって、αは好ましくは値が１．９から２．２であり、ＤＮ１は押しつぶされた肩部の屈折率、ＤＮｔｒは溝の屈折率、ｒｔｒ１は溝の内側半径であり、ｒｔｒ２は溝の外側半径である。ｒ０はμｍ単位でｒｃｏｒｅ−０．５からｒｃｏｒｅ−２．０（あるいは０．９２から０．９８ｒｃｏｒｅ）である。ＤＮ１はクラッドの屈折率より低く、好ましくは０から−０．００２の範囲である。ｒｔｒ１はｒｃｏｒｅ＋２μｍより大きく、ｒｔｒ２はｒｔｒ１＋２μｍより大きい。
【００２７】
ｒｔｒ１が十分に大きいとき、モード遅延の構造は主としてコアパラメータのアルファ、ＤＮｃｏｒｅ、ｒ０、およびｒｃｏｒｅによって決定され、導かれるＰＭＧの数はＤＮ１によって仲介される。例として、図１２は式５の２つの設計の平均モード遅延を示す。２つの設計はＤＮｃｏｒｅ＝０．０１４０７、ｒｃｏｒｅ＝２７μｍ、、ｒ０＝２６μｍ、ＤＮｔｒ＝−０．００６、ｒｔｒ１＝３４μｍ、ｒｔｒ２＝３８μｍである。第一の設計例はＤＮ１＝０、第二の設計例はＤＮ１＝−０．０００９８である。第二の設計は基本的にコア、およびＤＮ１だけ低い方にずれた第一のクラッド屈折率を有する第一の設計である。１から１８までのＰＭＧのモード遅延はＤＮ＝０、かつＤＮ１＝−０．０００９８である設計に対して同じであり、それはモード遅延構造はコア、および肩部の設計の特長によって決定されるということを明らかに示している。ＰＭＧ＃１９、およびＰＭＧ＃２０はＤＮ１＝０である設計の最適条件からずれたモード遅延を有する２つの高次主モード群である。ＰＭＧ＃２０はもはやＤＮ１＝−０．０００９８によって導かれない。低い方位角のモード数のモードもまた漏れやすいモードとなる。高い方位角のモード数である半数のモードだけが導かれ、それはＰＭＧ＃１９の平均モード遅延を変化させる。結果として第二の設計により導かれたモードの平均モード遅延の広がりは大きく低減され、最大−最小＜０．１ｐｓ／ｍである。表４はシミュレートされたＤＭＤ（微分モード遅延）、主たるモード遅延、平均モード遅延、および表１、表３、および図１２のＤＮ１＝−０．０００９８のいくつかのＢＩＭＭＦの例に対する３ｄＢ有効モード帯域幅を示す。
【表４】
【００２８】
図１３は先に述べられた光ファイバ設計を用いる伝送リンクの模式図である。ビットエラー率（ＢＥＲ）の急増曲線が、曲げ無し、および直径５ｍｍ、１０ｍｍ、および１５ｍｍの小さな曲げで１０回ループにした５５０ｍのファイバを例として市場で入手可能な１０Ｇｂｐｓ−ＳＲトランシーバを用いて測定される。１０Ｇｂｐｓ−ＳＲトランシーバは８５０ｎｍＶＣＳＥＬで作られる１０．３１２５Ｇｂｐｓトランスミッタで構成される。分散のパワーのペナルティー（連続リンクと、ＢＥＲ＝１Ｅ−１２のテストリンク下にあるファイバとの間の応力をかけた受信機の感度の差として定義される）はすべてのケースについて２ｄＢより少ない。伝送リンクの１０回のループ曲げに対する曲げ損失は、曲げ直径５ｍｍ、１０ｍｍ、および１５ｍｍのそれぞれについて０．２６ｄＢ、０．０１ｄＢ、および０．０１ｄＢである。エラーフリー（ＢＥＲ＜１Ｅ−１２として定義される）伝送も商用の１０Ｇｂｐｓ−ＳＲトランシーバでサンプルファイバ７７１ｍにわたって達成される。１０．３１２５ＧｂｐｓＶＣＳＥＬに結合されるＤＮ＝−０．０１１、および厚さ（ｏｒ 深さ）１０μｍの溝を有する他のサンプルファイバの曲げ損失は、曲げ直径５ｍｍの１０回ループについてわずか０．０６８ｄＢである。
【００２９】
外側クラッド領域の屈折率、つまりシリカの屈折率よりも大きな有効屈折率を持つすべての導波モードについて等しいモード遅延という目的は、現実には正確には実現できないかもしれないが、いずれの実際的な光ファイバ設計においても、モード遅延を等しくするというゴールは明らかであって、その特性はそのように解釈されるべきである。
【００３０】
詳細な記述の締めくくりとして、本発明の本質から実質的に離れることなく多くの変形、および修正が好ましい実施例になされてもよいことが当業者には明らかであろうということが注目されるべきである。以下の請求の範囲に説明されるように、そのようなすべての変形、修正、および同等のことは本発明の範囲内に含まれるべく意図されるものである。
【技術分野】
【０００１】
この発明は優れた曲げ損失特性を持つように設計されたマルチモード光ファイバに関連する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバが曲げられたとき光エネルギーを漏出する傾向は、技術の揺籃期以来知られていることである。光は真っ直ぐな経路に沿って進むが、低屈折率の物質によって囲まれた高屈折率の物質の経路を与えられると、それが曲がった経路であってもある程度までそれに沿って導かれるということがよく知られている。しかし、現実にはその原理は限定されていて、光ファイバは導波路が光を保持する可能性を越える曲率でしばしば曲げられる。
【０００３】
曲げられた時の伝送特性を制御することはほぼすべての実用的な光ファイバ設計における問題点である。最初の取組みであり、いまだに一般的である取組みは光ファイバの物理的な曲げを妨げる、あるいは最小にすることである。このことは長距離伝送においては頑丈なケーブル設計することにより、あるいは短距離においては光ファイバを小さなダクトに納めることにより大部分達成されているが、すべての場合において光ファイバはそれぞれの端部において終端されねばならない。したがって、もっとも好ましい条件のもとでも、曲げ、しばしば厳しい曲げが光ファイバの終端部に出現する。
【０００４】
曲げ損失を制御することは光ファイバそれ自体の物理的な設計によっても対処が可能である。したがって、曲げ損失を制御するために、リング特性、あるいは溝特性、あるいはそれらの組合せが光ファイバの屈折率プロファイルの外側に一般的に見られる。例えば、参照のため、すべてここに引用される米国特許第４，６９１，９９０号明細書および同４，８５２，９６８号明細書、並びに２００９年８月１７日に出願された米国特許出願第１２／５８３，２１２号を参照のこと。
【０００５】
曲げ損失はシングルモード、およびマルチモード光ファイバの両方に生じる。マルチモード光ファイバはデータセンター、企業内ＬＡＮ、ＳＡＮなどのような短距離の通信において一般的に使われる。マルチモードファイバの利点は主としてこのファイバを簡単でコスト的により有利な光源と結合可能なことにある。過去においては、これらの光源は主として波長が８５０ｎｍ付近のＬＥＤであった。最近は、レーザダイオードと光ファイバとの間で効果的な結合を可能にする垂直共振器を持った低価格な垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が市場に現れている。これらのレーザダイオードは、例えば１０．３１２５Ｇｂｐｓまでの高い変調率も達成している。高性能コンピュータ、データセンター、およびＳＡＮ用途における４０Ｇ／１００Ｇのために、ＩＥＥＥｐ８０２．３ｂａは、個々のチャンネルが１０．３１２５Ｇｂｐｓ、かつ／あるいは２５Ｇｂｐｓまでの高速、および／あるいはＷＤＭの並行型ＶＣＳＥＬアレイのための標準を提案している。
【０００６】
曲げ条件下での光ファイバの性能問題は、通常、曲げ部分における光ファイバからの光の漏れによる一般的な光パワーの損失を含むと考えられてきている。シングルモード光ファイバにおいては、すべての漏れは光ファイバの基底モードの光を含むので、一般的なパワー損失が主たる考慮の対象である。しかし、マルチモード光ファイバにおいては、モード構造が損失に影響し、低次モードより高次モードの方が損失が大きくなる。マルチモード光ファイバにおいては高次、および低次モードの組合せが光ファイバの帯域幅、したがって信号伝送容量を決定する。
【０００７】
高帯域幅のためには、マルチモードファイバのいろいろなモードの群速度を可能なかぎり等しくなるように接近するべきである。微分群速度はコアを構成する物質の屈折率を等級分けすることによって制御可能であり、それは屈折率の関数形式をファイバ半径の関数として規定することを意味する。従来のマルチモードファイバにおいては、設計の目安はα形を達成することであって、α形は以下の式で規定されている。
【数１】
ここでｒはファイバの半径、ｒｃｏｒｅはコアの半径、ｎｃｌａｄはクラッドの屈折率、かつαおよびΔは任意のパラメータである。これがいわゆるα形プロファイルである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第４，６９１，９９０号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８５２，９６８号明細書
【特許文献３】米国出願出願第１２／５８３，２１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
α形プロファイル設計に固有の制約は、コアのエッジにおけるクラッドモードへの結合に起因して高次モードが適切に補償されないということである。したがって高次モードのモード遅延は低次、および中次モードからずれる。ＯＭ３、およびＯＭ４など従来のα形ＭＭＦに対して高次モードの微分モード減衰は大きく、それが微分モード遅延、およびその結果としての帯域幅への高次モードの影響を最小にする。ＯＭ３、およびＯＭ４は通信工業協会（ＴＩＡ）のよく知られたＭＭＦ性能標準である。低曲げ損失用に設計されるＭＭＦにおいては、同じ高次モードであっても微分モード減衰がより少ない。その結果として、帯域幅への微分モード遅延の影響は無視できない。したがって、高次モードのモード遅延を均等にする方法が高速度デジタル伝送で使われる曲げ不感性ＭＭＦ（ＢＩＭＭＦ）のために必要とされる。現時点の技術においては、光データシステムのための高速度伝送は一般に１０Ｇｂｐｓあるいはそれ以上であると考えられる。
【００１０】
スーパーコンピュータ用途において予想される高い実装密度を支えるために、帯域幅の最適化、ＶＣＳＥＬ結合の緩い公差、および曲げ損失の低減のための新しい設計概念が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
われわれは高次モードのモード遅延における微分が曲げ不感性ＭＭＦ用に低減されているマルチモード光ファイバを設計した。その結果、低い微分モード遅延と高い帯域幅が保持されながら、低い曲げ損失が達成されている。設計は、コアプロファイル、およびコアプロファイルに関連する半径位置に配される負の溝を有するクラッド構造の組合せを選択することに基づいている。好ましい実施例の特徴は複合型の屈折率プロファイルを有するコアである。複合型の屈折率プロファイルは基本的に標準のアルファプロファイルとアルファプロファイルの外側のエッジにおける段階状プロファイルとの組合せである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ｄＢ／ｍで表した代表的な溝付きＢＩＭＭＦ光ファイバの微分モード減衰（ＤＭＡ）を示し、また溝無しのアルファプロファイルを有する標準的な光ファイバとの比較を示すプロットである。
【図２】溝付き、および溝無しの修正コアプロファイルにおけるＬＰ（０、１０）、およびＬＰ（１８、１）のＥ場分布をクラッドに溝のないアルファプロファイルのそれとの比較を示す。
【図３】は、溝無し（円印）のα形プロファイルのファイバ、および５μｍ（星印）、１．５μｍ（四角印）、および０μｍ（ダイヤモンド印）の位置に溝を有する３つのＢＩＭＭＦに対するすべての導波モードのモード遅延対有効屈折率のプロットである。
【図４】図３に四角印で示されるＢＩＭＭＦに対するモード遅延対有効屈折率を示す。星印はそれぞれの主モード群（ＰＭＧ）に対する平均モード遅延である。
【図５】有効屈折率差（１Ｅ−６）対ＰＭＧ＃１９の５０μｍＭＭＦに対するモードを示し、いろいろな異なるファイバ構造を比較している。
【図６】１．０５％のデルタ、および溝を有する５０μｍＭＭＦのモード遅延を図解している。黒印はＤＮｔｒ（溝の屈折率差）、および溝の位置が（−０．００３／０．６８μｍ）、（−０．００５／１．０５μｍ）、（−０．００７／１．２５μｍ）、および（−０．０１１／１．５μｍ）である設計に該当する。線はそれぞれの主モード群の平均モード遅延である。
【図７】溝のＤＮ対高次モードのモード遅延を等しくするべく最適化された溝の半径方向の開始位置のプロットである。
【図８】従来のα形ＭＭＦの有効屈折率差と比較するために、溝付き、および溝無しの変形コアを有する二つのＭＭＦについてＰＭＧ１９のＬＰ（１８、１）の有効屈折率差をゼロとしたすべてのモードの有効屈折率差のプロットである。
【図９】ファイバのステップＦ１（オープンブラックダイヤモンド印）、およびステップＢＩＭＭＦ１（黒星印）についてすべてのモードのモード遅延を示す。線はそれぞれのＰＭＧに対する平均のモード遅延を示す。
【図１０】ファイバのステップＦ２（オープンブラックダイヤモンド印）、およびステップＢＩＭＭＦ１（黒星印）についてすべてのモードのモード遅延を示す。線はそれぞれのＰＭＧに対する平均のモード遅延を示す。
【図１１】本発明の第二の実施例によるコアエッジの変形の説明である。
【図１２】式５における二つの例のすべての主モード群の平均モード遅延を示す。
【図１３】高速度伝送リンク配置の図解である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１において、溝無しのα形プロファイル設計の高次モードに対する微分モード減衰（ＤＭＡ）がＢＩＭＭＦ光ファイバのＤＭＡと比較され、α形プロファイルの高次モードがますます減衰することを示している。従来のα形ＭＭＦについては、高次モードの微分モード減衰が大きく、それは微分モード遅延、したがって帯域幅への高次モードの影響を最小にする。低曲げ損失（溝付き設計）用に設計されたＭＭＦにおいては、同じ高次モードの微分モード減衰がより小さい。したがって微分モード遅延、および帯域幅により影響する。微分モード遅延は溝を正しく配置すること、およびコアプロファイル、特にコアエッジの変形によって低減することが出来る。
【００１４】
知見を得るために、図２に示されるようにクラッド内の溝、およびコアエッジの変形の存在による高次モードのＥ場への影響が検証される。コア軸のコア径が５０μｍでデルタが１．０５％の勾配型屈折率のＭＭＦにおいては、もっとも高い主モード群（ＰＭＧ）は１９である。ＰＭＧ１９には１０個の異なる（Ｌ、Ｐ）モードがあり、それはＬＰ（０、１０）、ＬＰ（２、９）、ＬＰ（４、８）、ＬＰ（６、７）、ＬＰ（８、６）、ＬＰ（１０、５）、ＬＰ（１２、４）、ＬＰ（１４、３）、ＬＰ（１６、２）、およびＬＰ（１８、１）である。これら１０個のモードの内で、ＬＰ（０、１０）はクラッドの中に広がるもっとも長いエバネセントな尾を有し、それに対してＬＰ（１８、１）はクラッドとの結合がもっとも少ない。クラッドに結合しているモードはより早く移動する。コアエッジが変形されると、ＬＰ（０、１０）のエバネセントな尾はコアの方向に向けて収縮する。負の屈折率を有する溝が付加されると、ＬＰ（０、１０）のエバネセントな尾はさらに溝領域内に収縮し、それはクラッドへの結合がより小さくなり、モードの伝播がゆっくりになることを示す。既に）コアの内部にあるＬＰ（１８、１）のＲ（ｒ）のエバネセントな尾は溝によってそれほど影響されない。
【００１５】
本発明の第一の実施例において、光ファイバは４つの領域からなる：（ａ）シリカのクラッドに比較して正の屈折率を有するα形コア、（ｂ）コアに隣接する環状領域、（ｃ）環状領域に隣接する負の屈折率を有する溝、（ｄ）溝に隣接するシリカのクラッド。４つの領域は（２）式のように表される。
【数２】
ここで、ｎ（ｒ）は半径位置ｒにおける絶対屈折率、ｎｃｌａｄはクラッドの絶対屈折率、Δ、Δ１、Δ２は相対屈折率、ｒは半径位置、ｒｃｏｒｅはコア半径、ｒ０はｒｃｏｒｅより短い、あるいは等しい位置であり、かつαは好ましくは１．９から２．２の値を有する。Δ２・ｎｃｌａｄもまた溝ＤＮ、あるいはＤＮｔｒとして表される。
【００１６】
負の屈折率を有する溝の内壁は高次モードのモード遅延を最適化するために正確に形成される必要があるという考え方とは逆に、正しい深さで正しい位置に配される段のある溝が高次モードのモード遅延を形作るために使われてもよい。実際に、ｒ０＝ｒｃｏｒｅであるいくつかの場合について以下に示されるように、高次モードのモード遅延を等しく出来る。
【００１７】
図３は溝がない標準的なＭＭＦ、および３つのＢＩＭＭＦに対するすべての導波モードのモード遅延対有効屈折率を図解している。白丸は標準的なＭＭＦを表す。星印はコアエッジから５μｍ離れたところに位置するＤＮ＝−０．０１１の溝を有するＢＩＭＭＦを表す。白ダイヤモンドはコアに接するＤＮ＝−０．０１１の溝を有するＢＩＭＭＦを表す。白四角はコアエッジから１．５μｍ離れたところに位置するＤＮ＝−０．０１１の溝を有するＢＩＭＭＦを表す。溝がコアの近くに移動するとき、低次の主モード群（より大きなｎｅｆｆ−ｎｃｌａｄ）は明らかな変化を示さない。しかし、高次の主モード群のモード遅延は負から正に変化する。すべてのモードのモード遅延は、溝がコアエッジから１．５μｍ離れたところに配される時、ほぼ等しくなる。図４に示されるように、１．０５％のデルタ、５０μｍのコア、および１．５μｍに配される溝（ＤＮｔｒ＝−０．０１１）からなるＢＩＭＭＦのすべての主モード群の平均のモード遅延の変化量は０．１ｐｓ／ｍ（最大０．０２５ｐｓ／ｍ、最小−０．０５３ｐｓ／ｍ）より小さい。異なる溝の深さに対しては最適な溝位置がある。図７に示されるように、すべての主モード群の平均的なモード遅延は、溝のＤＮ／位置が−０．００３／０．６８μｍ、−０．００５／１．０５μｍ、−０．００７／１．２５μｍ、および−０．０１１／１．５μｍであるＢＩＭＭＦに対してほぼ等しい（０．１ｐｓ／ｍより小さい）。
【００１８】
図５は、いろいろな溝パラメータに対する主モード群における１０モードの有効屈折率差を示す。（有効屈折率差は）ＬＰ（１８、１）の有効屈折率差をゼロとする。モードが図の上部に示される。ＰＭＧ１９の１０モード（ＬＰ（１８、１）からＬＰ（０、１０））の有効屈折率差が０から−１３１±−３（×１ｅ−６）（白三角印、白丸印、星印、および白四角印）の範囲で単調に減少する時、平均的なモード遅延は図６に示されるようにほぼ等しくなる。負のモード遅延（早い）高次モードのＭＭＦ（例えば、溝無しＭＭＦを表す黒丸印、およびコアから５μｍ離れた溝ＤＮｔｒ＝−０．０１１を有するＢＩＭＭＦを表す黒星印）に対しては、ＰＭＧ１９の１０モードの有効屈折率差は最適化された曲線の上方にある。最適化された曲線（例えば、コアエッジに隣接する溝ＤＮｔｒ＝−０．０１１を表す黒ダイヤモンド印）の下方にあるＰＭＧ１９の１０モードの有効屈折率を有するＭＭＦに対しては、高次の主モード群は正のモード遅延を有する、あるいは低い主モード群よりもゆっくりと移動する。
【００１９】
１．０５％デルタ、および５０μｍ直径のコアプロファイルを有する例と同様に、高次モードのモード遅延は異なる直径、およびデルタを有するプロファイルに対して低減することが出来る。異なるデルタ、および直径のコアを有する光ファイバのための設計情報が以下の表に与えられている。
【表１】
【００２０】
表１に示されるように、コア直径が３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、およびデルタが１．０５％、および０．８％であるいろいろな設計について、溝ＤＮ、および位置が最適化された設計は、モード遅延がほぼ等しくなっている（それぞれの設計におけるすべてのモードの中で最小のモード遅延、および最大のモード遅延によって示される）。最も高い主モード群のモードの有効屈折率差は、アルファ形、かつデルタが１．０５％でコア直径が４０μｍ、および３０μｍのＢＩＭＭＦについて１２６（×１ｅ−６）および１２０（×１ｅ−６）である。コアのデルタが０．８％に低減されたＢＩＭＭＦに対する有効屈折率差は、コアの直径３０μｍ、４０μｍ、５０μｍのそれぞれについて９６（×１ｅ−６）と１０６（×１ｅ−６）との間にある。溝対溝ＤＮの最適化された半径の関係が図７に示されている。コア直径、およびデルタについて五つのケースが示される：（５０μｍ、１．０５％）、（４０μｍ、１．０５％）、（３０μｍ、１．０５％）、（５０μｍ、０．９％）、（５０μｍ、０．８％）。高次モードの最も最適化されたモード遅延についての溝ＤＮｔｒ、およびｒｔｒ１位置は多項式でおおよそ当てはめることが出来る。
【数３】
ここで、ａ２は−０．０１０から−０．０４０の範囲、ａ１は−０．００２から−０．０２の範囲、ａ０は−０．００４５から−０．００６６の範囲であり、ｘ０は以下の表の値をとる。
【表２】
【００２１】
溝の半径方向の位置、および深さをあらかじめ決めることにより、いかにして高次モードのモード遅延が等しくなるかが上に示されている。例えば、これらのモードの相対有効屈折率が、コアのデルタが１．０５％である５０μｍＭＭＦについて−１３４（×１ｅ−６）から−１２６（×１ｅ−６）の間のスパンで単調に減少するように調節されてよい。本発明の第二の実施例によって、溝のパラメータを制御することに加えて、コアプロファイル、特にエッジの微妙な変形が高次モードの等化をもたらす可能性がある。
【００２２】
この別の実施例において、ファイバは４つの領域からなる：（ａ’）変形されたα形コア、（ｂ’）コアに隣接する環状領域、（ｃ’）環状領域に隣接する負の屈折率を有する溝、（ｄ’）溝に隣接するシリカのクラッド。この実施例に対する屈折率プロファイルの式は以下のように記述できる。
【数４】
ここでｎ（ｒ）は半径位置ｒにおける絶対屈折率、ｎｃｌａｄはクラッドの絶対屈折率、ｒは半径位置；ｒｃｏｒｅはコア半径、αは好ましくは１．９から２．２の値を有し、Ｊは値が０から０．００２の間のステップ屈折率の補正項；ｍは値が０から０．０００２５（表３では、０．０００１から０．０００２）の間の線形屈折率補正項の傾斜係数であり、ｒ０は値が≧０．８０ｒｃｏｒｅである線形補正項の半径方向の開始位置である。Δ２・ｎｃｌａｄもまた溝ＤＮあるいはＤＮｔｒとして表される。
【００２３】
式４に示されるように、コアエッジを変形したコアプロファイルは基本的にアルファ屈折率コアとステップ屈折率コアとの混成である。表３は式４のように変形されたコアプロファイルを有するＢＩＭＭＦの３つの例を示す。２つは比較のための溝無し設計である。ステップＢＩＭＭＦ Ｆ１として記されたＢＩＭＭＦ設計は、ステップ屈折率パラメータがＪ＝０．００１５５、リニア補正パラメータがｍ＝０．０００１である。平均的なモード遅延の最大／最小は、溝無し形について０．０８１／−０．９０９ｐｓ／ｍである。平均的なモード遅延の最大／最小は、コアエッジから３．５μｍ離れたところにあるＤＮ＝−０．０１１の溝あり形について０．１４６／−０．０１２ｐｓ／ｍである。ステップＢＩＭＭＦ Ｆ２として表されるＢＩＭＭＦ設計はステップ屈折率パラメータがＪ＝０．００１８５、リニア補正パラメータがｍ＝０．０００２である。平均的なモード遅延の最大／最小は、溝無し形について０．２４９／−０．２６５ｐｓ／ｍ、コアエッジから６μｍ離れたところにＤＮ＝−０．０１１の溝がある形について０．２７７／−０．１１ｐｓ／ｍである。ステップＢＩＭＭＦ Ｆ３として表されるＢＩＭＭＦ設計はステップ屈折率パラメータがＪ＝０．００１３、リニア補正パラメータがｍ＝０．０００１である。平均的なモード遅延の最大／最小は、０．０４９／−０．２０６ｐｓ／ｍである。図８は、２つの変形された溝あり、溝無し設計の主モード群１９における１０モードの有効屈折率差を示す。有効屈折率差は単調に減少する。（溝無しについてステップＦ１、溝付きについてステップＢＩＭＭＦ Ｆ１として表される）例１、および（溝無しについてステップＦ２、溝付きについてステップＢＩＭＭＦ Ｆ２として表される）例２についてＬＰ（１８、１）、およびＬＰ（０、１０）の有効屈折率の間の差は−１２３（×１ｅ−６）、−１３３（×１ｅ−６）、−１４５（×１ｅ−６）、−１３６（×１ｅ−６）である。以下の表は図８−１０の光ファイバ設計に対するパラメータを与える。
【表３】
【００２４】
図９は光ファイバステップＦ１、およびステップＢＩＭＭＦ Ｆ１のモード遅延を示す。図１０は光ファイバステップＦ２、およびステップＢＩＭＭＦ Ｆ２のモード遅延を示す。前記の例における溝の位置はコアエッジから３．５μｍ（ステップＢＩＭＭＦ１）、および６μｍ（ステップＢＩＭＭＦ２）離れたところにある。このことは、コアエッジの特徴の変形は急速に溝を半径方向の外方に動かし、一方、高次モード群についてモード遅延の広がりを小さく維持することを可能にする。溝の深さ対その半径位置の関係は表２と同じような関係にあり、かつｘ０を除いて式（４）は大きくなる。
【００２５】
図１１の屈折率プロファイルは本発明によるコアプロファイルの変形の模式図であって、プロファイルの点線の曲線部はほぼアルファプロファイルを示し、コアプロファイルのエッジ、ｒｓの位置における垂直の段がステップを表す。ｒｎｏｍに続く点線はアルファプロファイルコアのこの領域での名目上の屈折率プロファイルである。本発明のこの実施例の良さを実現するために薦めることのひとつは、コアエッジの変形を形成するステップは、コア中心部の最大の屈折率高さが０．０５から０．１５５（表３で０．１から０．１５５）であり、位置ｒｓはｒｎｏｍが０．９２から０．９８の間であるべきということである。
【００２６】
高次モードのモード遅延は、以下の式に示されるように、コア領域を低い位置に下げることによりすべてのモード、あるいは二つの最も高い次数の主モード群のいくつかのモードの漏洩損失を増加させることによってさらに最適化できる。
【数５】
ここで、ここでｎ（ｒ）は半径位置ｒにおける絶対屈折率、ｎｃｌａｄはクラッドの絶対屈折率、ｒは半径位置、ｒ０はコアのエッジ、ｒｃｏｒｅは名目上のα形プロファイルの半径であって、αは好ましくは値が１．９から２．２であり、ＤＮ１は押しつぶされた肩部の屈折率、ＤＮｔｒは溝の屈折率、ｒｔｒ１は溝の内側半径であり、ｒｔｒ２は溝の外側半径である。ｒ０はμｍ単位でｒｃｏｒｅ−０．５からｒｃｏｒｅ−２．０（あるいは０．９２から０．９８ｒｃｏｒｅ）である。ＤＮ１はクラッドの屈折率より低く、好ましくは０から−０．００２の範囲である。ｒｔｒ１はｒｃｏｒｅ＋２μｍより大きく、ｒｔｒ２はｒｔｒ１＋２μｍより大きい。
【００２７】
ｒｔｒ１が十分に大きいとき、モード遅延の構造は主としてコアパラメータのアルファ、ＤＮｃｏｒｅ、ｒ０、およびｒｃｏｒｅによって決定され、導かれるＰＭＧの数はＤＮ１によって仲介される。例として、図１２は式５の２つの設計の平均モード遅延を示す。２つの設計はＤＮｃｏｒｅ＝０．０１４０７、ｒｃｏｒｅ＝２７μｍ、、ｒ０＝２６μｍ、ＤＮｔｒ＝−０．００６、ｒｔｒ１＝３４μｍ、ｒｔｒ２＝３８μｍである。第一の設計例はＤＮ１＝０、第二の設計例はＤＮ１＝−０．０００９８である。第二の設計は基本的にコア、およびＤＮ１だけ低い方にずれた第一のクラッド屈折率を有する第一の設計である。１から１８までのＰＭＧのモード遅延はＤＮ＝０、かつＤＮ１＝−０．０００９８である設計に対して同じであり、それはモード遅延構造はコア、および肩部の設計の特長によって決定されるということを明らかに示している。ＰＭＧ＃１９、およびＰＭＧ＃２０はＤＮ１＝０である設計の最適条件からずれたモード遅延を有する２つの高次主モード群である。ＰＭＧ＃２０はもはやＤＮ１＝−０．０００９８によって導かれない。低い方位角のモード数のモードもまた漏れやすいモードとなる。高い方位角のモード数である半数のモードだけが導かれ、それはＰＭＧ＃１９の平均モード遅延を変化させる。結果として第二の設計により導かれたモードの平均モード遅延の広がりは大きく低減され、最大−最小＜０．１ｐｓ／ｍである。表４はシミュレートされたＤＭＤ（微分モード遅延）、主たるモード遅延、平均モード遅延、および表１、表３、および図１２のＤＮ１＝−０．０００９８のいくつかのＢＩＭＭＦの例に対する３ｄＢ有効モード帯域幅を示す。
【表４】
【００２８】
図１３は先に述べられた光ファイバ設計を用いる伝送リンクの模式図である。ビットエラー率（ＢＥＲ）の急増曲線が、曲げ無し、および直径５ｍｍ、１０ｍｍ、および１５ｍｍの小さな曲げで１０回ループにした５５０ｍのファイバを例として市場で入手可能な１０Ｇｂｐｓ−ＳＲトランシーバを用いて測定される。１０Ｇｂｐｓ−ＳＲトランシーバは８５０ｎｍＶＣＳＥＬで作られる１０．３１２５Ｇｂｐｓトランスミッタで構成される。分散のパワーのペナルティー（連続リンクと、ＢＥＲ＝１Ｅ−１２のテストリンク下にあるファイバとの間の応力をかけた受信機の感度の差として定義される）はすべてのケースについて２ｄＢより少ない。伝送リンクの１０回のループ曲げに対する曲げ損失は、曲げ直径５ｍｍ、１０ｍｍ、および１５ｍｍのそれぞれについて０．２６ｄＢ、０．０１ｄＢ、および０．０１ｄＢである。エラーフリー（ＢＥＲ＜１Ｅ−１２として定義される）伝送も商用の１０Ｇｂｐｓ−ＳＲトランシーバでサンプルファイバ７７１ｍにわたって達成される。１０．３１２５ＧｂｐｓＶＣＳＥＬに結合されるＤＮ＝−０．０１１、および厚さ（ｏｒ 深さ）１０μｍの溝を有する他のサンプルファイバの曲げ損失は、曲げ直径５ｍｍの１０回ループについてわずか０．０６８ｄＢである。
【００２９】
外側クラッド領域の屈折率、つまりシリカの屈折率よりも大きな有効屈折率を持つすべての導波モードについて等しいモード遅延という目的は、現実には正確には実現できないかもしれないが、いずれの実際的な光ファイバ設計においても、モード遅延を等しくするというゴールは明らかであって、その特性はそのように解釈されるべきである。
【００３０】
詳細な記述の締めくくりとして、本発明の本質から実質的に離れることなく多くの変形、および修正が好ましい実施例になされてもよいことが当業者には明らかであろうということが注目されるべきである。以下の請求の範囲に説明されるように、そのようなすべての変形、修正、および同等のことは本発明の範囲内に含まれるべく意図されるものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチモード光ファイバであって、断面で、
ａ．予め定められた屈折率を有する材料によるコアと、
ｂ．前記コアを取り囲みかつ前記コアに接触する第１のクラッドとを備え、前記第１のクラッドは前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、さらに、
ｃ．前記第１のクラッドを取り囲む第２のクラッドを備え、前記第２のクラッドは前記第１のクラッドの屈折率よりも低い屈折率を有し、さらに、
ｄ．前記第２のクラッドを取り囲む第３のクラッドを備え、前記第３のクラッドはシリカの屈折率にほぼ等しい屈折率を有し、
前記光ファイバが、
前記クラッドｄの屈折率よりも高い有効屈折率ですべての導波モードに対してほぼ等しいモード遅延と、
８５０ｎｍにおいて１０Ｇｂｐｓあるいはより高いビット率のＶＣＳＥＬと結合されたときには、≦１０ｍｍの曲げ直径で曲げ損失が０．１ｄＢ／ループより小さく、かつ≦５ｍｍの曲げ直径で曲げ損失が０．３ｄＢ／ループより小さく、
前記光ファイバの屈折率プロファイルが
【数１】
ここで、ｎ（ｒ）は半径位置ｒにおける絶対屈折率であり、ｎｃｌａｄはクラッドの絶対屈折率であり、ｒは半径位置であり、Δ、Δ１、Δ２は相対屈折率差であり、かつｒｃｏｒｅはコア半径であり、かつαは好ましくは１．９から２．２の値を有する、マルチモード光ファイバ。
【請求項２】
前記コアが基本的にアルファ プロファイルである内側領域の屈折率とステッププロファイルである外側領域とを有する、請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項３】
前記第１のクラッドが半径方向の幅ｗを有し、前記第１のクラッドの幅と、前記第２のクラッドの屈折率とを組み合わせて、高次導波された主モード群のモード遅延が増加し、かつ中次および低次導波された主モード群のモード遅延と均等化される、請求項２に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項４】
マルチモード光ファイバであって、前記光ファイバは、
ａ．エッジが変形されている変形されたα形コアと、
ｂ．前記コアに隣接する環状のシリカ領域と、
ｃ．前記環状の領域に隣接する負の屈折率を有する溝と、
ｄ．前記溝に隣接するシリカクラッド、の４つの領域からなり、
前記４つの領域の屈折率プロファイルが
【数２】
で表され、ここで、ｎ（ｒ）は半径位置ｒにおける絶対屈折率であり、ｎｃｌａｄはクラッドの絶対屈折率であり、ｒは半径位置であり、Δ、Δ１、Δ２は相対屈折率差であり、かつｒｃｏｒｅはコア半径であり、かつα、Ｊおよびｍはコア形状であり、そして、
前記マルチモード光ファイバが、前記領域ｄの屈折率よりも大きな有効屈折率ですべての導波モードについてほぼ等しいモード遅延を有する、マルチモード光ファイバ。
【請求項５】
８５０ｎｍにおいて１０Ｇｂｐｓあるいはより高いビット率のＶＣＳＥＬと結合されたときには、≦１０ｍｍの曲げ直径で曲げ損失が０．０１ｄＢ／ループより小さく、かつ≦５ｍｍの曲げ直径で曲げ損失が０．３ｄＢ／ループより小さい、請求項４に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項６】
０＜Ｊ＜０．００２５である、請求項４に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項７】
０≧Δ１≧−０．０２％であり、かつ、１％≧Δ≧０．８％である、請求項４に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項８】
Δ２・ｎｃｌａｄ＝ａ２（ｒｔｒ１−ｒｃｏｒｅ−ｘ０）２＋ａ１（ｒｔｒ１−ｒｃｏｒｅ−ｘ０）＋ａ０
であり、ここでａ２は−０．０１０から−０．０４０の範囲であり、ａ１は−０．００２から−０．０２の範囲であり、ａ０は−０．００４５から−０．００６６の範囲である、請求項４に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項９】
−０．００４≧Δ２・ｎｃｌａｄ≧−０．０１１である
ことを特徴とする請求項４に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項１０】
０≦ｍ≦０．０００２であり、かつ、ｒｃｏｒｅ−４≦ｒ０≦ｒｃｏｒｅ−１である、請求項４に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項１１】
マルチモード光ファイバであって、断面で、
ａ．予め定められた屈折率を有する材料によるコアと、
ｂ．前記コアを取り囲みかつ前記コアに接触する第１のクラッドとを備え、前記第１のクラッドは前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、さらに、
ｃ．前記第１のクラッドを取り囲む第２のクラッドを備え、前記第２のクラッドは前記第１のクラッドの屈折率よりも低い屈折率を有し、さらに、
ｄ．前記第２のクラッドを取り囲む第３のクラッドを備え、前記第３のクラッドはシリカの屈折率にほぼ同じ屈折率を有し、
前記コアが、名目上ｒｎｏｍまで広がるアルファ屈折率プロファイルを有する第一の部分、及び位置ｒｓにおけるコアプロファイルのエッジにステップ屈折率プロファイルを有する第２の部分を有し、前記コアの前記第１の部分が最大屈折率ｎｍａｘを有し、かつ前記コアの前記第２の部分は、０．０５ｎｍから０．１５５ｎｍの範囲に最大屈折率を有し、そして、ｒｎｏｍの０．９２から０．９８の間の位置ｒｓを有する、マルチモード光ファイバ。
【請求項１２】
ａ）高速度レーザ送信機と、
ｂ）高速度光受信機と、
ｃ）前記送信機と前記受信機との間に結合された請求項５に記載のマルチモード光ファイバとを備える、システム。
【請求項１】
マルチモード光ファイバであって、断面で、
ａ．予め定められた屈折率を有する材料によるコアと、
ｂ．前記コアを取り囲みかつ前記コアに接触する第１のクラッドとを備え、前記第１のクラッドは前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、さらに、
ｃ．前記第１のクラッドを取り囲む第２のクラッドを備え、前記第２のクラッドは前記第１のクラッドの屈折率よりも低い屈折率を有し、さらに、
ｄ．前記第２のクラッドを取り囲む第３のクラッドを備え、前記第３のクラッドはシリカの屈折率にほぼ等しい屈折率を有し、
前記光ファイバが、
前記クラッドｄの屈折率よりも高い有効屈折率ですべての導波モードに対してほぼ等しいモード遅延と、
８５０ｎｍにおいて１０Ｇｂｐｓあるいはより高いビット率のＶＣＳＥＬと結合されたときには、≦１０ｍｍの曲げ直径で曲げ損失が０．１ｄＢ／ループより小さく、かつ≦５ｍｍの曲げ直径で曲げ損失が０．３ｄＢ／ループより小さく、
前記光ファイバの屈折率プロファイルが
【数１】
ここで、ｎ（ｒ）は半径位置ｒにおける絶対屈折率であり、ｎｃｌａｄはクラッドの絶対屈折率であり、ｒは半径位置であり、Δ、Δ１、Δ２は相対屈折率差であり、かつｒｃｏｒｅはコア半径であり、かつαは好ましくは１．９から２．２の値を有する、マルチモード光ファイバ。
【請求項２】
前記コアが基本的にアルファ プロファイルである内側領域の屈折率とステッププロファイルである外側領域とを有する、請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項３】
前記第１のクラッドが半径方向の幅ｗを有し、前記第１のクラッドの幅と、前記第２のクラッドの屈折率とを組み合わせて、高次導波された主モード群のモード遅延が増加し、かつ中次および低次導波された主モード群のモード遅延と均等化される、請求項２に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項４】
マルチモード光ファイバであって、前記光ファイバは、
ａ．エッジが変形されている変形されたα形コアと、
ｂ．前記コアに隣接する環状のシリカ領域と、
ｃ．前記環状の領域に隣接する負の屈折率を有する溝と、
ｄ．前記溝に隣接するシリカクラッド、の４つの領域からなり、
前記４つの領域の屈折率プロファイルが
【数２】
で表され、ここで、ｎ（ｒ）は半径位置ｒにおける絶対屈折率であり、ｎｃｌａｄはクラッドの絶対屈折率であり、ｒは半径位置であり、Δ、Δ１、Δ２は相対屈折率差であり、かつｒｃｏｒｅはコア半径であり、かつα、Ｊおよびｍはコア形状であり、そして、
前記マルチモード光ファイバが、前記領域ｄの屈折率よりも大きな有効屈折率ですべての導波モードについてほぼ等しいモード遅延を有する、マルチモード光ファイバ。
【請求項５】
８５０ｎｍにおいて１０Ｇｂｐｓあるいはより高いビット率のＶＣＳＥＬと結合されたときには、≦１０ｍｍの曲げ直径で曲げ損失が０．０１ｄＢ／ループより小さく、かつ≦５ｍｍの曲げ直径で曲げ損失が０．３ｄＢ／ループより小さい、請求項４に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項６】
０＜Ｊ＜０．００２５である、請求項４に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項７】
０≧Δ１≧−０．０２％であり、かつ、１％≧Δ≧０．８％である、請求項４に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項８】
Δ２・ｎｃｌａｄ＝ａ２（ｒｔｒ１−ｒｃｏｒｅ−ｘ０）２＋ａ１（ｒｔｒ１−ｒｃｏｒｅ−ｘ０）＋ａ０
であり、ここでａ２は−０．０１０から−０．０４０の範囲であり、ａ１は−０．００２から−０．０２の範囲であり、ａ０は−０．００４５から−０．００６６の範囲である、請求項４に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項９】
−０．００４≧Δ２・ｎｃｌａｄ≧−０．０１１である
ことを特徴とする請求項４に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項１０】
０≦ｍ≦０．０００２であり、かつ、ｒｃｏｒｅ−４≦ｒ０≦ｒｃｏｒｅ−１である、請求項４に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項１１】
マルチモード光ファイバであって、断面で、
ａ．予め定められた屈折率を有する材料によるコアと、
ｂ．前記コアを取り囲みかつ前記コアに接触する第１のクラッドとを備え、前記第１のクラッドは前記コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、さらに、
ｃ．前記第１のクラッドを取り囲む第２のクラッドを備え、前記第２のクラッドは前記第１のクラッドの屈折率よりも低い屈折率を有し、さらに、
ｄ．前記第２のクラッドを取り囲む第３のクラッドを備え、前記第３のクラッドはシリカの屈折率にほぼ同じ屈折率を有し、
前記コアが、名目上ｒｎｏｍまで広がるアルファ屈折率プロファイルを有する第一の部分、及び位置ｒｓにおけるコアプロファイルのエッジにステップ屈折率プロファイルを有する第２の部分を有し、前記コアの前記第１の部分が最大屈折率ｎｍａｘを有し、かつ前記コアの前記第２の部分は、０．０５ｎｍから０．１５５ｎｍの範囲に最大屈折率を有し、そして、ｒｎｏｍの０．９２から０．９８の間の位置ｒｓを有する、マルチモード光ファイバ。
【請求項１２】
ａ）高速度レーザ送信機と、
ｂ）高速度光受信機と、
ｃ）前記送信機と前記受信機との間に結合された請求項５に記載のマルチモード光ファイバとを備える、システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１７０３５３（Ｐ２０１１−１７０３５３Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３０５０４（Ｐ２０１１−３０５０４）
【出願日】平成２３年２月１６日（２０１１．２．１６）
【出願人】（５０９０９４０３４）オーエフエス ファイテル，エルエルシー (44)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１６日（２０１１．２．１６）
【出願人】（５０９０９４０３４）オーエフエス ファイテル，エルエルシー (44)
【Ｆターム（参考）】
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