高帯域幅で放射線耐性のマルチモード光ファイバ
【課題】高放射線用途の広帯域幅マルチモード光ファイバを提供する。
【解決手段】マルチモード光ファイバは、中心コアと外側クラッドを有する。光ファイバの中心コアは、アルファ屈折率分布を有し、外半径r1、及び外側クラッドとの最大屈折率差Δn1を有する陥没中心コアである。中心コアのアルファ屈折率分布は、中心コアの外半径r1において、外側クラッドとの屈折率差Δnendに対応する最小屈折率を有する。光ファイバは、外半径r2、幅w2、及び外側クラッドとの屈折率差Δn2を有する内側クラッドを有してもよい。また、光ファイバは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する埋め込みトレンチを有してもよい。更に、光ファイバは、外半径r4、幅w4、及び外側クラッドとの屈折率差Δn4を有する中間クラッドを有してもよい。
【解決手段】マルチモード光ファイバは、中心コアと外側クラッドを有する。光ファイバの中心コアは、アルファ屈折率分布を有し、外半径r1、及び外側クラッドとの最大屈折率差Δn1を有する陥没中心コアである。中心コアのアルファ屈折率分布は、中心コアの外半径r1において、外側クラッドとの屈折率差Δnendに対応する最小屈折率を有する。光ファイバは、外半径r2、幅w2、及び外側クラッドとの屈折率差Δn2を有する内側クラッドを有してもよい。また、光ファイバは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する埋め込みトレンチを有してもよい。更に、光ファイバは、外半径r4、幅w4、及び外側クラッドとの屈折率差Δn4を有する中間クラッドを有してもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光ファイバ、より具体的には高放射線用途の高帯域幅マルチモード光ファイバに関する。
【背景技術】
【0002】
光ファイバ(即ち、典型的には1つ又は複数の被覆層で取り囲まれたガラス繊維)は、従来から、光信号を送信しかつ/又は増幅する光ファイバ・コアと、光信号をコア内に閉じ込める光クラッドとを有する。したがって、コアの屈折率ncは、典型的には、光クラッドの屈折率ngより大きい(即ち、nc>ng)。
【0003】
光ファイバの場合、屈折率分布は、一般に、屈折率を光ファイバの半径と関連付ける関数の図形的様相にしたがって分類される。従来、光ファイバの中心までの距離rは、X軸上に示され、その屈折率(半径rにおける)と光ファイバの外側クラッド(例えば、外側光クラッド)の屈折率との差がY軸上に示される。屈折率分布は、グラフが階段状、台形、アルファ又は三角形のそれぞれの形状を有する場合に、「階段状」分布、「台形」分布、「アルファ」分布又は「三角形」分布と呼ばれる。これらの曲線は、一般に、光ファイバの理論的又は規定分布を表す。しかしながら、光ファイバの製造上の制約によって、実際の分布は僅かに異なることがある。
【0004】
一般的に言って、光ファイバには、マルチモード・ファイバとシングルモード・ファイバの2つの大きな分類がある。マルチモード光ファイバでは、所定の波長の場合、幾つかの光モードが光ファイバに沿って同時に伝播される。シングルモード光ファイバでは、信号は、ファイバ・コア内でガイドされる基本的なLP01モードで伝播し、高次モード(例えば、LP11モード)ほど強く減衰される。シングルモード又はマルチモード・ガラスファイバの典型的な直径は、125ミクロンである。マルチモード光ファイバのコアは、典型的には、約50ミクロン〜62.5ミクロンの直径を有し、それに対してシングルモード光ファイバのコアは、典型的には、約6ミクロン〜9ミクロンの直径を有する。マルチモード・システムは、マルチモード光源、コネクタ及び保守がより低コストでできるので、一般に、シングルモード・システムより安価である。
【0005】
マルチモード光ファイバは、一般に、ローカルネットワークやLAN(ローカルエリアネットワーク)などの広い帯域幅を必要とする短距離用途に使用される。マルチモード光ファイバは、ITU−T G.651.1推奨による国際標準化の対象となっており、この推奨は、特に、光ファイバ互換性の要件に関する基準(例えば、帯域幅、開口数、及びコア径)を定義している。
【0006】
更に、OM3規格は、長距離(即ち、300メートルを超える距離)にわたる高帯域幅用途(即ち、データ転送速度が1GbEより高い)の要求を満たすように採用された。高帯域幅用途の発展により、マルチモード光ファイバの平均コア径は、62.5ミクロンから50ミクロンに減少した。
【0007】
原子力発電所及び粒子加速実験室や衛星などの他の放射線の多い環境での光ファイバの使用に関心が高まってきた。例えば、光ファイバは、光データ通信リンク、分布センサ、プラズマ診断、及び計測システムで使用される。そのような用途では、光ファイバは、典型的には、雑音の多い電磁環境、高γ線量及び/又は線量率、並びに高中性子線量の中で信号を伝送する。
【0008】
光ファイバによって伝送される信号は、典型的には、光学損失(即ち、減衰)を受け、これは、移動する距離にわたって累積する。そのような透過損は、光ファイバが、β線、α線、γ線、X線などの電離放射線にさらされたときに実質的に高まる。
【0009】
一般的に言うと、放射線は、光ファイバの光学特性に2つの点で影響を及ぼす。
【0010】
第1の点は、「放射線誘導減衰」(RIA)と呼ばれ、これは、放射線によって光ファイバのシリカ内が欠陥できるときに起こる。そのような欠陥は、伝送される電磁信号を吸収する。したがって、放射線誘導吸収が、光信号が光ファイバの長さに沿って伝達されるときに光信号が受ける減衰を増大させる。
【0011】
第2の点は、放射線誘導屈折率変化と呼ばれ、これは、放射線が光ファイバの一部分の屈折率変化を引き起こすときに生じる。そのような屈折率変化は、光ファイバの帯域幅を損なう可能性があり、また光伝送システムの信頼性が損なわれる。したがって、放射線の多い環境で使用される光ファイバは、優れた放射線耐性を示さなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
したがって、高帯域幅と優れた放射線耐性を有するマルチモード光ファイバが必要とされている。より詳細には、低い放射線誘導減衰を示す高帯域幅マルチモード光ファイバが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明は、一実施形態において、マルチモード光ファイバに関し、このマルチモード光ファイバは、外側クラッドで取り囲まれた中心コアであって、(i)外半径r1、(ii)アルファ屈折率分布、(iii)前記外側クラッドに対してゼロ以下の最大屈折率差Δn1、及び(iv)前記外半径r1において、前記外側クラッドとの最小屈折率差Δnendを有する中心コアと、前記中心コアと前記外側クラッドとの間に位置決めされた内部クラッド層であって、前記外側クラッドに対して負の屈折率差を有する内部クラッド層とを有し、前記中心コアは、0.1重量パーセント以下の最大ゲルマニウム濃度を有し、前記中心コアは、0.1重量パーセント以下の平均塩素濃度を有し、前記外半径r1において、前記中心コアは、3重量パーセント以上の最小フッ素濃度を有する。
【0014】
別の実施形態では、前記内部クラッド層は、前記中心コアを直接取り囲む内側クラッドであり、前記内側クラッドは、(i)外半径r2、(ii)幅w2、及び(iii)前記外側クラッドとの負屈折率差Δn2を有する。
【0015】
更に別の実施形態では、埋め込みトレンチが、前記中心コアと前記外側クラッドとの間に位置決めされ、前記埋め込みトレンチは、(i)外半径r3、(ii)幅w3、及び(iii)Δn3<Δnendとなるような前記外側クラッドとの負屈折率差Δn3を有し、また中間クラッドは、前記埋め込みトレンチと前記外側クラッドとの間に位置決めされ、前記中間クラッドが、(i)外半径r4、(ii)幅w4、及び(iii)前記外側クラッドとの負屈折率差Δn4を有する。
【0016】
更に別の実施形態では、埋め込みトレンチは、前記中心コアと前記外側クラッドとの間に位置決めされており、前記埋め込みトレンチが、(i)外半径r3、(ii)幅w3、及び(iii)Δn3<Δnendとなるような前記外側クラッドとの負屈折率差Δn3を有し、前記内部クラッド層は、前記埋め込みトレンチと前記外側クラッドとの間に位置決めされた中間クラッドであり、前記中間クラッドが、(i)外半径r4、(ii)幅w4、及び(iii)前記外側クラッドとの負屈折率差Δn4を有する。
【0017】
更に別の実施形態では、前記中心コアは、前記中心コアのゲルマニウム濃度が0.005重量パーセント未満になるように実質的にゲルマニウム・ドーパントがない。
【0018】
更に別の実施形態では、光ファイバは、20以上、好ましくは25以上、より好ましくは48以上、最も好ましくは60以上のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。
【0019】
更に別の実施形態では、光ファイバは、中心コアの外半径r1において50〜500のハロゲン比率を有する。
【0020】
更に別の実施形態では、光ファイバは、20以上、好ましくは30〜170のコア平均ハロゲン比率を有する。
【0021】
更に別の実施形態では、前記中心コアは、0.08重量パーセント以下、好ましくは0.07重量パーセント以下、より好ましくは0.06重量パーセント以下、最も好ましくは0.05重量パーセント以下の平均塩素濃度を有する。
【0022】
更に別の実施形態では、前記中心コアの幅全体にわたって、前記中心コアの塩素濃度は、0.07重量パーセント未満、好ましくは0.08重量パーセント未満、より好ましくは0.07重量パーセント未満、最も好ましくは0.05重量パーセント未満である。
【0023】
更に別の実施形態では、前記外半径r1において、前記中心コアは、3.5重量パーセント以上、好ましくは4.0重量パーセント以上、最も好ましくは4.5重量パーセント以上の最低フッ素濃度を有する。
【0024】
更に別の実施形態では、前記中心コアの最小屈折率差Δnendは、−21x10−3以上、好ましくは−14x10−3〜−20x10−3、より好ましくは−15x10−3〜−16x10−3である。
【0025】
更に別の実施形態では、前記中心コアの最大屈折率差Δn1は、0〜−5x10−3、好ましくは−0.05x10−3〜−2x10−3である。
【0026】
更に別の実施形態では、前記埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と前記中心コアの最小屈折率Δnendとの差は、−1x10−3〜−15x10−3、好ましくは−3x10−3〜−13x10−3、より好ましくは−5x10−3〜−11x10−3、最も好ましくは−6x10−3〜−10x10−3である。
【0027】
更に別の実施形態では、前記埋め込みトレンチの体積v3は、260%・μm2以上、好ましくは280%・μm2〜450%・μm2、より好ましくは300%μm2〜425%・μm2、最も好ましくは350%・μm2〜400%・μm2である。
【0028】
したがって、一態様では、本発明は、中心コア、内部クラッド層(例えば、内側クラッド)、及び外側クラッド(例えば、外側光クラッド)を含む光ファイバを含む。典型的には、光ファイバの中心コアは、アルファ屈折率分布(即ち、グレーデッド屈折率分布)と外半径r1を有するガラスを主成分とする中心コアである。
【0029】
中心コアのアルファ屈折率分布は、中心コアの外半径r1において、外側クラッドとの最小屈折率差Δnendに対応する最小屈折率値を有する。より具体的には、中心コアは、外半径r1、アルファ屈折率分布、及び中心コアの外半径r1において、外側クラッド(例えば、外側クラッドの最も内側の部分)との屈折率差Δnendを有する。
【0030】
同様に、中心コアのアルファ屈折率分布は、(例えば、中心コアの中心において)外側クラッドとの最大屈折率差Δn1に対応する最大屈折率値を有する。典型的には、中心コアの最大屈折率差Δn1は、約0以下である。別の言い方をすると、中心コアの最大屈折率値は、典型的には、外側クラッドの屈折率値以下である。
【0031】
光ファイバの内側クラッドは、中心コアと外側クラッドとの間に位置決めされる。内側クラッドは、外半径r2、幅w2、及び外側クラッドとの屈折率差Δn2を有する。
【0032】
例示的な実施形態では、光ファイバの中心コアは、0〜−5x10−3(例えば、−0.05x10−3〜−2x10−3)の最大屈折率差Δn1を有する。
【0033】
別の例示的な実施形態では、中心コアの外半径r1は、22.5ミクロン〜27.5ミクロン(即ち、25±2.5ミクロン)である。
【0034】
更に別の例示的な実施形態では、中心コアの最小屈折率Δnendは、−14x10−3〜−21x10−3(例えば、−15x10−3〜−17x10−3)である。
【0035】
更に別の例示的な実施形態では、中心コアのアルファ屈折率分布は、1.90〜2.15のαパラメータを有する。
【0036】
更に別の例示的な実施形態では、内側クラッドの屈折率差Δn2は、−14x10−3〜−21x10−3(例えば、−15x10−3〜−16x10−3)である。
【0037】
更に別の例示的な実施形態では、内側クラッドの幅w2は、5ミクロン〜37.5ミクロン(例えば、10ミクロン〜25ミクロン)である。
【0038】
更に別の例示的な実施形態では、内側クラッドの幅w2は、20ミクロン以上である。
【0039】
更に別の例示的な実施形態では、内側クラッドの外半径r2は、30ミクロン〜62.5ミクロン(例えば、35ミクロン〜50ミクロン)である。
【0040】
更に別の例示的な実施形態では、内側クラッドの外半径r2は、45ミクロン以上(例えば、50ミクロン〜62.5ミクロン)である。
【0041】
更に別の例示的な実施形態では、内側クラッドの屈折率差Δn2は、中心コアの最小屈折率差Δnendとほぼ等しい。
【0042】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバは、0.200±0.015(即ち、0.185〜0.215)の開口数を有する。
【0043】
更に別の例示的な実施形態では、中心コアの幅全体にわたって、光ファイバの塩素濃度は、0.10重量パーセント未満である。
【0044】
更に別の例示的な実施形態では、中心コアの幅の95パーセントにわたって、光ファイバの塩素濃度は、0.08重量パーセント未満(例えば、0.07重量パーセント未満)である。
【0045】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバの平均塩素濃度は、0.06重量パーセント以下(例えば、約0.05重量パーセント未満)である。
【0046】
更に別の例示的な実施形態では、856ナノメートルの波長、約24℃の温度、及び0.15Gy/sの放射線量率で、光ファイバは、650グレイの放射線照射後に約26.7dB/km以下の放射線誘導減衰を示す。
【0047】
更に別の例示的な実施形態では、856ナノメートルの波長、約24℃の温度、及び0.15Gy/sの放射線量率で、光ファイバは、650グレイ〜10,000グレイの放射線量から約5.6パーセント以下だけ増えた放射線誘導減衰を示す。
【0048】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバは、中心コアの外半径において30を超える(例えば、50〜500)のハロゲン比率を有する。
【0049】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバは、20を超える(例えば、22〜300)のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。
【0050】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバは、25〜269(例えば、48〜240)のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。
【0051】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバは、53〜200(例えば、60〜140)のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。
【0052】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバは、20を超える(例えば、30〜170)のコア平均ハロゲン比率を有する。
【0053】
別の態様では、本発明は、中心コアと内部クラッド層(例えば、内側クラッド)とを有する光ファイバを含む。典型的には、光ファイバの中心コアは、アルファ屈折率分布(即ち、グレーデッド屈折率分布)と外半径r1とを有するガラスが主成分の中心コアである。
【0054】
中心コアのアルファ屈折率分布は、中心コアの外半径r1において、純粋シリカとの最小屈折率差Δnendに対応する最小屈折率値を有する。より具体的には、中心コアは、外半径r1、及びアルファ屈折率分布を有し、また中心コアの外半径r1において、純粋シリカとの屈折率差Δnendを有する。
【0055】
同様に、中心コアのアルファ屈折率分布は、(例えば、中心コアの中心で)純粋シリカとの最大屈折率差Δn1に対応する最大屈折率値を有する。典型的には、中心コアの最大屈折率差Δn1は、約0以下である。別の言い方をすると、中心コアの最大屈折率値は、典型的には、純粋シリカの屈折率値以下である。光ファイバの内側クラッドは、中心コアのまわりに位置決めされる。内側クラッドは、外半径r2、幅w2、及び純粋シリカとの屈折率差Δn2を有する。
【0056】
更に別の態様では、本発明は、中心コア、埋め込みトレンチ、内部クラッド層(例えば、中間クラッド)、及び外側クラッド(例えば、外側光クラッド)を有する光ファイバを含む。典型的には、埋め込みトレンチは、中心コアと外側クラッド(例えば、中心コアを直接取り囲む)との間に位置決めされる。埋め込みトレンチは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する。中間クラッドは、典型的には、埋め込みトレンチと外側クラッド(例えば、埋め込みトレンチを直接取り囲む)との間に位置決めされる。中間クラッドは、外半径r4、幅w4、及び外側クラッドとの屈折率差Δn4を有する。
【0057】
更に別の態様では、本発明は、中心コア、内側クラッド、埋め込みトレンチ、中間クラッド及び外側クラッド(例えば、外側光クラッド)を有する光ファイバを含む。典型的には、内側クラッドは、中心コアと外側クラッド(例えば、中心コアを直接取り囲む)との間に位置決めされる。内側クラッドは、外半径r2、幅w2、及び外側クラッドとの屈折率差Δn2を有する。埋め込みトレンチは、典型的には、内側クラッドと外側クラッド(例えば、内側クラッドを直接取り囲む)との間に位置決めされる。埋め込みトレンチは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する。更に、中間クラッドは、典型的には、埋め込みトレンチと外側クラッド(例えば、埋め込みトレンチを直接取り囲む)との間に位置決めされる。中間クラッドは、外半径r4、幅w4、及び外側クラッドとの屈折率差Δn4を有する。
【0058】
更に別の態様では、本発明は、優れた水素耐性を示す光ファイバを含む。
【0059】
別の態様では、本発明は、前述の内容に従う光ファイバの少なくとも一部分を含む光伝送システムを含む。例示的な実施形態では、光学システムは、少なくとも100メートル(例えば、300メートル)にわたって少なくとも10Gb/sのデータ転送速度を有する。
【0060】
更に別の態様では、本発明は、光ファイバを作成する方法を含む。典型的には、この方法は、基材管の一側面に反応性ガスを供給することを含む。基材管の内部は、典型的には、従来の化学蒸着技術の約1.8倍の流量で酸素が供給される。この方法は、また、ガラス層の形成を促進するために基材管に沿った反対の2点の間でエネルギー源を往復運動させることを含む。
【0061】
例示的な実施形態では、この方法は、基材管に沿った反対の2点の間でプラズマ発生器を往復運動させることを含む。
【0062】
以上の説明のための要約並びに本発明の他の例示的な目的及び/又は利点、及びこれらを達成する方法は、以下の詳細な説明とその添付図面内で更に詳しく説明される。
【図面の簡単な説明】
【0063】
【図1】例示的なDMD測定方法及びグラフを概略的に示す図である。
【図2】本発明による例示的な光ファイバの規定屈折率分布を示すグラフである。
【図3】500キログレイの放射線にさらされる前と後の長さ300メートルの光ファイバの計算オーバーフィルド・モード帯域幅(OMBc)を示すグラフである。
【図4】500キログレイの放射線にさらされる前と後の長さ300メートルの光ファイバの計算有効モード帯域幅(EMBc)を示すグラフである。
【図5】半径方向オフセットの関数として比較の光ファイバのフッ素濃度(F)と塩素濃度(Cl)を示すグラフである。
【図6】半径方向オフセットの関数として例示的な光ファイバのフッ素濃度(F)と塩素濃度(Cl)を示すグラフである。
【図7】比較の光ファイバと例示的な光ファイバの放射線誘導減衰を放射線量の関数として示すグラフである。
【図8】比較の光ファイバの放射線誘導減衰を放射線量の関数として示すグラフである。
【図9】例示的な光ファイバの放射線誘導減衰を放射線量の関数として示すグラフである。
【図10】半径方向オフセットの関数として別の例示的な光ファイバのフッ素濃度(F)と塩素濃度(Cl)を示すグラフである。
【図11】更に別の例示的な光ファイバのフッ素濃度(F)と塩素濃度(Cl)を半径方向オフセットの関数として示すグラフである。
【図12】本発明による別の例示的な光ファイバの規定屈折率分布を示すグラフである。
【図13】本発明による更に別の例示的な光ファイバの規定屈折率分布を示すグラフである。
【図14】850ナノメートルの波長における、2つの例示的な光ファイバの所定の曲げ半径の2巻の微小曲げ損失を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0064】
本発明は、高帯域幅と低放射線誘導減衰を有するマルチモード光ファイバを含む。典型的には、光ファイバは、中心コア、内側クラッド及び外側クラッドを有する。
【0065】
光ファイバは、高帯域幅用途で適切に動作するのに十分な帯域幅を備えていなければならない。所定の波長では、光ファイバの帯域幅は、幾つかの異なる点で特徴付けられることがある。典型的には、いわゆる「オーバーフィルド・モード帯域幅」(OMB)と、いわゆる「有効モード帯域幅」(EMB)は区別される。0MB帯域幅の取得は、光ファイバの半径方向面全体にわたって均一な励振を示す光源(即ち、例えばレーザ・ダイオードや発光ダイオード(LED)を使用する全モード励振(overfilled launch)状態)を使用すると仮定する。
【0066】
VCSEL(面発光レーザ)など、高帯域幅用途で使用される最近開発された光源は、光ファイバの半径方向面にわたって不均一な励振を示す。この種の光源では、0MB帯域幅は、あまり適切な測定値ではなく、したがって、有効モード帯域幅(EMB)を使用することが望ましい。計算された有効モード帯域幅(EMBc)から、使用されるVCSELの種類と関係なくマルチモード光ファイバの最小EMBが推定される。EMBcは、異モード遅延(differential-mode-delay)(DMD)測定(例えば、FOTP−220規格に示されたような)から得られる。
【0067】
DMDを測定し有効モード帯域幅を計算する例示的な方法は、FOTP−220規格に見ることができる。この技法の更なる詳細は、P.F.KolesarとD.J.Mazzareseによる「Understanding Multimode Bandwidth and Differential Mode Delay Measurements and Their Applications」Proceedings of the 51st Int’l Wire and Cable Symposium, 2002, pp.453-460、並びにDoug ColemanとPhillip Bellによる「Calculated EMB Enhances 10GbE Performance Reliability for Laser-Optimized 50/125 μm Multimode Fiber」Corning Cable Systems Whitepaper (March 2005)の出版物に記載されている。
【0068】
図1は、TIA SCFO−6.6版(2002年11月22日)に公開されたFOTP−220規格の基準によるDMD測定の概略図を示す。図1は、光ファイバの一部(即ち、外側クラッドで取り囲まれた光学コア)を概略的に表わす。DMDグラフは、所定波長λ0の光パルスを、各連続パルス間で半径方向にオフセットされた状態で、マルチモード光ファイバに連続的に入射することによって得られる。このとき、各パルスの遅延が、ファイバの所定長Lの後で測定される。複数の同一光パルス(即ち、同じ振幅、波長及び周波数を有する光パルス)が、マルチモード光ファイバのコアの中心に対して異なる半径方向オフセットで入射される。入射光パルスは、図1では、光ファイバの光学コア上の点として示される。直径50ミクロンの光ファイバの特徴を調べるために、FOTP−220規格は、個々の測定を約2ミクロン以下の半径方向オフセット間隔で行うことを推奨している。これらの測定値から、モード分散と計算有効モード帯域幅(EMBc)を決定することができる。
【0069】
TIA−492AAAC−A規格は、イーサネット(登録商標)高帯域幅伝送ネットワーク用途で長距離に使用される直径50ミクロンのマルチモード光ファイバの性能要件を指定している。OM3規格は、850ナノメートルの波長で、少なくとも2,000MHz・kmのEMBを必要とする。OM3規格は、最大300メートルの距離まで、10Gb/s(10GbE)のデータ転送速度でのエラーなし伝送を保証する。OM4規格は、850ナノメートルの波長で、最大550メートルの距離まで10Gb/s(10GbE)のデータ転送速度でエラーなし伝送を達成するために、少なくとも4.700MHz・kmのEMBを必要とする。
【0070】
マルチモード光ファイバでは、光ファイバに沿った幾つかのモードの伝播時間(即ち、群遅延時間)の差が、光ファイバの帯域幅を決定する。詳細には、同じ伝播媒体の場合(即ち、階段状屈折率のマルチモード光ファイバでは)、様々なモードが、異なる群遅延時間を有する。群遅延時間のこの差によって、光ファイバの異なる半径方向オフセットに沿って伝播するパルス間に時間のずれが生じる。
【0071】
例えば、図1の右側のグラフに示されたように、個々のパルス間に時間のずれが見られる。この図1のグラフは、パルスが所定の長さの光ファイバを通るときに、それぞれ個々のパルスの半径方向オフセットをミクロン単位(Y軸)で、時間をナノ秒単位で(X軸)示す。
【0072】
図1に示されたように、X軸方向のピークの位置が変化し、この位置は、個々のパルス間の時間のずれ(即ち、遅延)を示す。この遅延によって、光パルスの幅が広がることになる。光パルスが広がると、パルスが後続パルスと重なる可能性が高まり、光ファイバが対応できる帯域幅(即ち、データ転送速度)が減少する。したがって、帯域幅は、光ファイバのマルチモード・コア内で伝播する光モードの群遅延時間に直接関連付けられる。これにより、広い帯域幅を保証するためには、全てのモードの群遅延時間が同一であることが望ましい。別の言い方をすると、多モード分散は、所定の波長においてゼロか又は少なくとも最小でなければならない。
【0073】
多モード分散を少なくするために、本発明の例示的なマルチモード光ファイバは、屈折率が光ファイバの中心からクラッドとの界面まで徐々に減少する(即ち、「アルファ」コア分布)を有するコアを備える。
【0074】
屈折率値nと光ファイバの中心からの距離rの関係によって、グレーデッド屈折率分布(即ち、アルファ屈折率分布)を次のように表すことができる。
【0075】
【数1】
【0076】
ここで、α≧1であり、αは、屈折率分布の形状を示す無次元パラメータであり、
n1は、光ファイバのコアの最大屈折率であり、
r1は、光ファイバのコアの半径であり、
【0077】
【数2】
【0078】
ここで、n0は、マルチモード・コアの最小屈折率である。
【0079】
したがって、グレーデッド屈折率(即ち、アルファ分布)を有する例示的なマルチモード光ファイバは、回転対称を有するコア分布を有し、その結果、屈折率の値は、光ファイバの半径方向に沿って、光ファイバのコアの中心からその周囲まで連続的に減少する。マルチモード光信号が、そのようなグレーデッド屈折率コア内を伝播するとき、様々な光モードが、異なる伝播媒体を経験する(即ち、屈折率が異なるので)。これは、各光モードの伝播速度に異なる影響を及ぼす。したがって、パラメータαの値を調整することによって、全モードで実質的に等しい群遅延時間を得ることができる。別の言い方をすると、屈折率分布を修正して多モード分散を減少させるか、更にはなくすことができる。
【0080】
図2は、本発明による例示的な光ファイバの屈折率分布をグラフで示す。光ファイバは、外側クラッド(例えば、外側光クラッド)で取り囲まれた中心コアを有する。コストの理由で、外側クラッドは、典型的には、天然シリカで作成されるが、ドープト・シリカで作成されてもよい。図示されたように、光ファイバの中心コアは、アルファ屈折率分布(即ち、グレーデッド屈折率分布)と外半径r1とを有するガラスを主成分とする中心コアである。中心コアは、典型的には、シリカの屈折率を下げるためにフッ素(F)がドープされる。
【0081】
中心コアのアルファ屈折率分布は、中心コアの外半径r1において、外側クラッドとの屈折率差Δnendに対応する最小屈折率を有する。別の言い方をすると、中心コアは、アルファ屈折率分布を有し、中心コアの外半径r1で、外側クラッド(例えば、外側クラッドの最も内側部分)との屈折率差Δnendを有する。
【0082】
中心コアのアルファ屈折率分布は、また、(例えば、中心コアの中心において)外側クラッドとの最大屈折率差Δn1を有する。中心コアのアルファ屈折率分布は、高帯域幅の達成を促進する。
【0083】
典型的には、光ファイバの中心コアは、約0〜−5x10−3(例えば、約−0.05x10−3〜−4x10−3)の最大屈折率差Δn1を有する。より典型的には、中心コアの最大屈折率差Δn1は、約0〜−2x10−3である。中心コアの外半径r1は、典型的には、約22.5ミクロン〜27.5ミクロン(即ち、25±2.5ミクロン)である。中心コアの最小屈折率Δnendは、典型的には、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、−17x10−3〜−19x10−3)である。より典型的には、中心コアの最小屈折率差Δnendは、約−20x10−3より大きい(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)。更に、中心コアのアルファ屈折率分布は、典型的には、約1.90〜2.15のαパラメータを有する。
【0084】
予備成形製造中に、典型的には、中心コアのアルファ屈折率分布は、約1000〜2000層(例えば、1400〜1700層)のガラス層を付着させることによって作成される。この点に関して、中心コアのアルファ屈折率分布は、典型的には、個別の層(例えば、屈折率が階段状に低下する約3〜200層)を使用する階段状近似よりも真のグレーデッド屈折率分布に類似している。真のグレーデッド・アルファ屈折率分布の中心コアと類似の規定アルファ屈折率分布を有する光ファイバは、典型的には、中心コアがアルファ屈折率分布の階段状近似を有する光ファイバより高い帯域幅を示す。
【0085】
図2に示されたように、例示的な光ファイバは、また、内側クラッドを含む。光ファイバの内側クラッドは、中心コアと外側クラッドとの間に位置決めされる。内側クラッドは、外半径r2、幅w2、及び外側クラッドとの屈折率差Δn2を有する。内側クラッドは、典型的に、シリカの屈折率を小さくするためにフッ素(F)がドープされる。光ファイバの内側クラッドは、一般に、中心コア内に光信号を閉じ込める。
【0086】
内側クラッドの屈折率差Δn2は、典型的には、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)である。内側クラッドの幅w2は、典型的には、約5ミクロン〜37.5ミクロン(例えば、約10ミクロン〜25ミクロン)である。例示的な実施形態では、内側クラッドの幅w2は、約20ミクロン以上である。内側クラッドの外半径r2は、典型的には、約30ミクロン〜62.5ミクロン(例えば、35ミクロン〜50ミクロン)である。
【0087】
例示的な実施形態では、内側クラッドの外半径r2は、約45ミクロン以上(例えば、約50ミクロン〜62.5ミクロン)である。本発明者は、約45ミクロンを超える内側クラッド外半径r2を有する例示的な光ファイバが、45ミクロン未満の内側クラッド外半径を有する光ファイバと比較して閉じ込め損失が小さいので、ファイバ長の影響をあまり受けない帯域幅を示すことを発見した。
【0088】
例示的な実施形態では、内側クラッドの屈折率差Δn2は、中心コアの最小屈折率差Δnendとほぼ等しい。しかしながら、内側クラッドの屈折率差Δn2は、中心コアの最小屈折率差Δnendより大きくても小さくてもよい。
【0089】
図2は、外側クラッドに対して一定の屈折率差を有する内側クラッド層を示す。しかしながら、本発明による例示的な光ファイバは、半径方向位置の関数(例えば、台形、三角形、又はアルファ分布)として変化する1つ又は複数の屈折率差を有してもよい。一定でない屈折率を有するクラッド層の場合、それぞれの屈折率差(例えば、内側クラッドの屈折率差Δn2)は、絶対値で表したクラッド層と外側クラッド層との最大屈折率差を指す。
【0090】
更に、当業者は、典型的には外側クラッドが一定の屈折率を有することを理解するであろう。しかしながら、外側クラッドが一定でない屈折率を有する場合、屈折率差は、典型的には、外側クラッドの最も内側の部分(即ち、外側クラッドの、中心コアに最も近く光ファイバ内の光信号の伝播に影響を及ぼすことがある部分)に対して測定される。
【0091】
したがって、例示的な製造されたマルチモード光ファイバは、クラッド層で取り囲まれたグレーデッド屈折率中心コアを有する。コアとクラッドの境界面は、コアのアルファ屈折率分布を中断する。したがって、マルチモード光ファイバのコアは、理論的に完全なアルファ分布(即ち、アルファ規定分布)に対応しない。外側クラッドは、より低次のモードに対してより高次のモードを加速する。この現象は、「クラッド効果(cladding effect)」として知られる。DMD測定では、最も高い半径方向位置(即ち、外側クラッドに最も近い)の得られた応答は、複数のパルスを示し、その結果、応答信号が自覚的に拡大する。したがって、このクラッド効果によって帯域幅が縮小する。
【0092】
光ファイバのクラッド効果は、外側マスクにより取得された異モード遅延測定値を使用して評価されてもよい。例えば、50ミクロンの中心コアの場合(即ち、中心コア径が50±3ミクロンで、半径が25±1.5ミクロン)、FOTP−220規格の方法を使用することによって、外側マスク0〜23ミクロンでの異モード遅延値を得ることができる。この関連で、中心コアの中心(即ち、0ミクロン)から23ミクロンまでの半径方向オフセットにわたって、DMD法を使用して、外側マスク0〜23ミクロンでの異モード遅延値(即ち、DMDout、外側DMD(0〜23ミクロン))が測定される。換言すると、光ファイバの外側DMD値を計算するとき、23ミクロンを超える半径方向オフセット値の信号は考慮されない。
【0093】
当業者は、より大きいか又は小さいコア径を有する光ファイバのために外側マスクの寸法が修正されてもよいことを理解されよう。例えば、より大きい寸法(例えば、より大きい内半径及び外半径)を有するマスクは、直径62.5ミクロンのコアを有するマルチモード光ファイバに対して使用されてもよい。同様に、50ミクロン未満のコアを有するマルチモード光ファイバに対しては、もっと小さい寸法(例えば、より小さい内半径と外半径)を有するマスクが使用されてもよい。
【0094】
外側DMDは、光ファイバの長さ(例えば、750メートルの光ファイバ)にわたって測定されたDMDのプロットから生じる。使用される光源は、850ナノメートルで放射するチタン・サファイア・パルス・レーザでよい。光源は、4分の1の高さで40ピコ秒未満のパルスを放射し、RMS(二乗平均)のスペクトル幅は、0.1ナノメートル未満である。
【0095】
内側マスクによって得られた異モード遅延測定値を使用して、光ファイバの異モード遅延の他の態様を評価することができる。FOTP−220規格の方法を使用することにより、内側マスク5〜18ミクロン上の異モード遅延値を得ることができる。これに関連して、中心コアの中心から5ミクロン乃至中心コアの中心から18ミクロンの半径方向オフセット範囲にわたって、DMD法を使用することにより、内側5〜18マスク・ミクロン(即ち、DMDin、内側DMD(5〜18ミクロン))の異モード遅延値が測定される。
【0096】
FOTP−220規格の方法によるスライド・マスクにより得られた異モード遅延測定値を使用することにより、光ファイバの異モード遅延の更に他の態様を評価することができる。7ミクロン〜19ミクロン(即ち、DMDslid又はスライドDMD(7〜19ミクロン))の半径方向オフセット位置の任意の6ミクロン期間にわたる最大DMDマスク幅を決定するために、スライド・マスクDMD測定が行なわれる。
【0097】
前述のように、典型的な光ファイバに対して、コアncの屈折率は、典型的には、光クラッドngの屈折率より大きい(即ち、nc>ng)。しかしながら、図2の例示的な光ファイバは、陥没中心コア(例えば、フッ素がドープされたシリカ・コア)を有する。これに関して、中心コアの最大屈折率差Δn1は、約0以下である。別の言い方をすると、中心コアの最大屈折率値は、外側クラッドの屈折率値以下である。
【0098】
例示的な実施形態では、中心コアの最大屈折率差Δn1は負である。当業者は、全体コアが、外側クラッドに対して負の屈折率を有する光ファイバの実施形態の場合、中心コアと外側クラッドとの最大屈折率差が、中心コアの最も外側の部分で生じることを理解するであろう。換言すると、絶対値で表した中心コアと外側クラッドの最大屈折率差は、中心コアのアルファ屈折率分布の端で生じる。これと反対に、絶対値で表した中心コアと外側クラッドの最小屈折率差は、中心コアのアルファ屈折率分布の中心で生じる。
【0099】
前に述べたように、外側クラッドは、典型的には、純粋シリカで作成される。しかしながら、幾つかの例示的な実施形態では、光ファイバは、純粋シリカの外側クラッドを含まない。例えば、光ファイバは、光ファイバの最も外側の半径まで延在するフッ素ドープト・クラッド(例えば、内側クラッド)で取り囲まれた中心コアを有してもよい。そのような実施形態では、屈折率差は、典型的には、約1.456の屈折率値を有する純粋シリカに対して測定される。フッ素ドープト・クラッドで取り囲まれた中心コアを有する例示的な光ファイバは、フッ素をドープした基材管を使用するPCVD蒸着により製造されてもよい。あるいは、例示的な光ファイバは、蒸着後に機械的技法又はエッチング技法によって除去される純粋シリカ蒸着管を使用して製造されてもよい。
【0100】
ゲルマニウム及び/又はリンの存在は、放射線誘導減衰を促進する傾向がある。それにもかかわらず、同一出願人による米国特許出願公報第2012/0039361号は、ゲルマニウム・ドーピングが光ファイバの水素誘導減衰を減少させることができることを示している。したがって、この光ファイバは、多少のゲルマニウム・ドーピングによって製造される陥没中心コア(及び/又は内部クラッド層)を有してもよい。幾つかの例示的なマルチモード光ファイバは、0.1重量パーセント以下の最大ゲルマニウム濃度(例えば、約0.01〜0.05重量パーセントのゲルマニウム)を有するゲルマニウム・ドープト中心コアを有してもよい。換言すると、中心コアの幅全体にわたって、ゲルマニウム濃度は、0.1重量パーセントを超えない。
【0101】
水素が豊富な環境では、約200℃を超える温度(例えば、250℃)で、光ファイバの中心コア内のゲルマニウムの存在が、水素誘導減衰を促進できることが確認された。したがって、陥没中心コア(例えば、フッ素ドープト・シリカのアルファ屈折率コア)を得るために、光ファイバの規定分布は、典型的には、ゲルマニウム・ドーピング又はリン・ドーピングなしに製造される。代わりに、中心コアのアルファ屈折率分布は、フッ素ドーピングを使用して中心コアの屈折率を外側クラッドの屈折率より小さくすることによって達成される。
【0102】
例示的なマルチモード光ファイバは、通常、中心コア内のゲルマニウムの濃度が0.005重量パーセント未満(即ち、50ppm未満)となるように実質的にゲルマニウム・ドーパントがない中心コアを有する。換言すると、そのような光ファイバは、意図的にドープされず、極微量のゲルマニウムは不純物と見なされる。
【0103】
例示的な光ファイバの中心コア内にゲルマニウムとリンがないと、光ファイバの性能特性の2つの態様が改善される。中心コアにゲルマニウムとリンを含まなくすることによって、光ファイバ全体の減衰が減少する。更に、前述したように、中心コア内にゲルマニウム又はリンがないと、光ファイバの放射線に対する耐性が改善される。
【0104】
陥没コア光ファイバの改善された放射線耐性の一態様を説明するために、図3と図4はそれぞれ、放射線照射前と後の300メートルの光ファイバ・サンプルの計算オーバーフィルド・モード帯域幅(OMBc)と計算有効モード帯域幅(EMBc)をグラフで示す。図3と図4のデータを生成するために使用された光ファイバは、陥没アルファ屈折率コアと、35ミクロンの外半径を有する内側クラッドとを有し、したがって図2の例示的な光ファイバと類似の屈折率分布を有する。グラフには2本のバーがある。影付きの左側バーは、照射前の光ファイバの帯域幅(即ち、OMBc又はEMBc)を示す。これに対応する影のない右側バーは、500キログレイの放射線量にさらされた後の光ファイバの帯域幅を示す。
【0105】
典型的には、ゲルマニウム・ドープト中心コアを有する標準マルチモード光ファイバに関して、計算オーバーフィルド・モード帯域幅と計算有効モード帯域幅は両方とも、放射線照射後に500キログレイの累積線量までの実質的にゼロであり、その理由は、放射線が、光ファイバの減衰を数百dB/kmまで高めるからである。
【0106】
図3と図4にそれぞれ示されたように、300メートルの陥没アルファ屈折率コア光ファイバの場合、500キログレイの放射線は、光ファイバの計算オーバーフィルド・モード帯域幅に影響を及ぼさず、光ファイバの計算有効モード帯域幅を僅かに小さくしただけである。したがって、例示的な光ファイバの中心コア内のゲルマニウムとリンの不在は、帯域幅の放射線誘導減衰に対する光ファイバの耐性を改善する。
【0107】
例示的な光ファイバの陥没アルファ屈折率コアの更なる利点は、表1(下)を参照してよりよく理解されるであろう。表1は、図3と図4の光ファイバに行なわれた測定の結果を示す。この場合も、測定は、光ファイバが500キログレイの放射線にさらされる前と後で行なわれた。
【0108】
表1の第1列は、光ファイバの長さを示す。第2列と第7列はそれぞれ、照射前と後の光ファイバの外側DMD(DMDout)値を示す。第3列と第8列はそれぞれ、照射前と後の光ファイバの内側DMD(DMDin)値を示す。第4列と第9列はそれぞれ、照射前と後の光ファイバのスライドDMD(DMDslid)値を示す。第5列と第10列はそれぞれ、照射前と後の光ファイバの計算有効モード帯域幅(EMBc)を示す。第6列と第11列はそれぞれ、照射前と後の光ファイバの計算オーバーフィルド・モード帯域幅(OMBc)を示す。各測定は、850ナノメートルの波長で行なわれた。
【0109】
【表1】
【0110】
表1に示されたように、光ファイバのDMD及び帯域幅特性は、放射線によって著しい影響を受けない。表1のEMBc及びOMBcデータは、図3と図4にグラフで示された。これにより、表1は、また、例示的な光ファイバの中心コア内のゲルマニウムとリンの不在が、光ファイバの帯域幅の放射線誘導劣化に対する耐性を改善することを示す。
【0111】
PCVDによる光ファイバの製造中、典型的には光ファイバに塩素(Cl)が添加される。例えば、図5は、典型的な塩素濃度を使用して製造された比較の陥没グレーデッド屈折率マルチモード光ファイバの化学組成をグラフで示す。比較の光ファイバは、約10ミクロンの幅を有する内側クラッドで取り囲まれた直径50ミクロンの中心コアを有する。
【0112】
それぞれの塩素濃度とフッ素(F)濃度(即ち、重量パーセント)は、光ファイバの半径の関数として示される。中心に位置決めされた縦軸と黒い菱形のプロット線は、特定の半径方向オフセットにおける光ファイバのフッ素(F)濃度を提供する。同様に、右側の縦軸と明るい正方形のプロット線は、特定の半径方向オフセットにおける光ファイバの塩素(Cl)濃度を示す。本明細書で使用されるとき、塩素濃度又はフッ素濃度の列挙はそれぞれ、元素塩素又はフッ素の重量分率を指す。
【0113】
図5に示されたように、比較の光ファイバの塩素濃度は、中心コアの幅の約95パーセントにわたって0.10重量パーセントより大きい。更に、比較の光ファイバの平均塩素濃度は、約0.15重量パーセントである。
【0114】
これと対照的に、本発明の例示的な光ファイバは、典型的には、低い塩素濃度を有する。例えば、例示的な光ファイバは、図5の比較の光ファイバの2分の1〜3分の1の平均塩素濃度を有する。図6は、本発明による陥没グレーデッド屈折率マルチモード光ファイバの例示的な実施形態の化学組成をグラフで示す。示された例示的な光ファイバは、約10ミクロンの幅を有する内側クラッドで取り囲まれた直径50ミクロンの中心コアを有する。
【0115】
この場合も、塩素濃度とフッ素濃度は、光ファイバの半径の関数として示される。中心に位置決めされた縦軸と黒い菱形のプロット線は、特定の半径方向オフセットにおける光ファイバのフッ素濃度を示す。右側の縦軸と明るい正方形のプロット線は、特定の半径方向オフセットにおける光ファイバの塩素濃度を示す。
【0116】
図6に示されたように、中心コアの幅全体にわたって、例示的な光ファイバの塩素濃度は、0.10重量パーセント未満である(即ち、中心コアは、0.10重量パーセントより小さい最大塩素濃度を有する)。更に、中心コアの幅の95パーセントにわたって、例示的な光ファイバの塩素濃度は、0.07重量パーセント未満でないにしても、0.08重量パーセント未満である。更に、示された例示的な光ファイバの平均塩素濃度は、約0.06重量パーセントである。
【0117】
より一般に、中心コアの幅の95パーセントにわたって、例示的な光ファイバは、典型的には、0.10重量パーセント未満(例えば、0.09重量パーセント未満)の塩素濃度を有する。幾つかの実施形態では、中心コアの幅全体にわたって、例示的な光ファイバの塩素濃度は、0.08重量パーセント未満(例えば、0.07重量パーセント未満)である。例えば、中心コアの幅全体にわたって、例示的な光ファイバの塩素濃度は、0.06重量パーセント未満(例えば、0.05重量パーセント未満)でよい。
【0118】
更に、例示的な実施形態では、光ファイバは、約0.10重量パーセント未満(例えば、約0.09重量パーセント未満)の平均塩素濃度を有する。例示的な光ファイバは、典型的には約0.08重量パーセント未満(例えば、0.07重量パーセント未満)の平均塩素濃度を有する。より典型的には、例示的な光ファイバは、0.06重量パーセント未満(例えば、0.05重量パーセント未満)の平均塩素濃度を有する。幾つかの例示的な実施形態では、光ファイバは、0.03重量パーセント未満(例えば、0.01重量パーセント未満)の平均塩素濃度を有する。
【0119】
例示的な実施形態では、その外半径で、中心コアは、少なくとも約3重量パーセント(例えば、3.5〜7.0重量パーセント)の最低フッ素濃度を有する。中心コアの外半径で、例示的な光ファイバは、典型的には4重量パーセント(例えば、4.5〜6.0重量パーセント)の最低フッ素濃度を有する。図6を参照されたい。
【0120】
前に述べたように、典型的な製造技術では、光ファイバに塩素が添加される。しかしながら、放射線の多い環境の状況では、本発明者は、高い塩素濃度が実際に光ファイバの減衰を大きくすることを発見した。
【0121】
図7は、(i)典型的な技術を使用して製造された比較の光ファイバと(ii)本発明による例示的な光ファイバの両方の放射線誘導減衰(即ち、誘導損失)を放射線量の関数としてグラフで示す。比較の光ファイバと例示的な光ファイバは、図2と類似の屈折率分布を有する陥没グレーデッド屈折率マルチモード光ファイバである。より明るい色(かつ上側)のプロット線は、比較の光ファイバの放射線誘導減衰を示す。より暗い色(かつ下側)のプロット線は、例示的な光ファイバの放射線誘導減衰を示す。
【0122】
図8は、放射線誘導減衰(即ち、誘導損失)を、比較の光ファイバの放射線量の関数としてグラフで示す。図9は、放射線誘導減衰(即ち、誘導損失)を、例示的な光ファイバの放射線量の関数としてグラフで示す。
【0123】
図7〜図9のプロットを作成するために、光ファイバは、0.15Gy/sの線量率と約24℃の温度でコバルト60放射線源(即ち、60Co放射線源)を使用して19時間放射線照射された。照射中、光ファイバの放射線誘導減衰は、856ナノメートルの波長と約−18dBm(即ち、約16μW)の波長で放射するLED光源を使用して測定された。図7〜図9のプロットを生成するために使用される装置及び試験手順の更なる詳細は、Jochen Kuhnhenn、Stefan Klaus Hoffgen、及びUdo Weinandによる「Quality Assurance for Irradiation Tests of Optical Fibers: Uncertainty and Reproducibility」IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol.56, No.4, August 2009, at 2160-2166の出版物に見ることができる。
【0124】
図7〜図9に示されたように、例示的な光ファイバは、放射線誘導減衰に対して、比較の光ファイバより大きい耐性を示した。実際には、例示的な光ファイバの放射線誘導減衰は、比較の光ファイバの放射線誘導減衰の2分の1〜3分の1である。
【0125】
これに関連して、856ナノメートルの波長、約24℃の温度、及び0.15Gy/sの放射線量率で、比較の光ファイバは、650グレイの放射線照射後に61.5dB/kmの放射線誘導減衰を示した。650グレイ〜1500グレイの放射線量で、比較の光ファイバの放射線誘導減衰は、約60.95dB/kmまで約0.9パーセント減少する。1500グレイ〜10,000グレイの放射線量で、比較の光ファイバの放射線誘導減衰は、67.35dB/kmまで9.5パーセント増大する。比較の光ファイバの放射線誘導減衰は、照射中に減少と増大が共にあったので、相対的に予測不能である。したがって、比較の光ファイバは、(i)高い放射線誘導減衰、(ii)高い放射線誘導減衰変化、及び(iii)予測不能な放射線誘導減衰変化を示した。
【0126】
これと対照的に、856ナノメートルの波長、約24℃の温度、及び0.15Gy/sの放射線量率で、例示的な光ファイバは、650グレイの放射線照射後に26.7dB/kmの放射線誘導減衰を示した。650グレイ〜10,000グレイの線量で、例示的な光ファイバの放射線誘導減衰は、28.7dB/kmまで5.6パーセント増大した。特に、例示的な光ファイバの放射線誘導減衰は、放射線照射の間だけ増大した。これにより、例示的な光ファイバは、(i)相対的に低い放射線誘導減衰、(ii)相対的に低い放射線誘導減衰変化、及び(iii)比較の光ファイバより予測可能な放射線誘導減衰変化を示した。
【0127】
図7の放射線試験結果は、高い塩素濃度が、特に放射線が多い環境で、光ファイバの減衰を大きくし得ることを示す。したがって、例示的な光ファイバの塩素の相対的に低い濃度は、ファイバがゲルマニウムやリンなどのドーパントを含まないということと相まって、放射線の多い環境における低いファイバ減衰値の達成を促進する。
【0128】
幾つかの例示的な実施形態では、本発明の光ファイバは、高いハロゲン比率を有する。本明細書で使用されるとき、「ハロゲン比率」の概念は、元素塩素の重量分率に対する元素フッ素の重量分率の比率を指す。例えば、ハロゲン比率は、光ファイバの特定の半径(例えば、中心コアの外半径)において表されてもよく、1つ又は複数の層にわたる平均(例えば、中心コア全体の平均)として表わされてもよい。ハロゲン比率は、光ファイバの屈折率分布を実現するために使用されるフッ素ドーパントの量と製造工程中に光ファイバに添加される塩素量との有意の比較を提供する。
【0129】
この光ファイバは、典型的には、中心コアの外半径で、約30を超える(例えば、約50〜500)のハロゲン比率を有する。光ファイバが、元素フッ素及び/又は元素塩素の濃度に関する周囲の変化を示すという点で、平均濃度を使用して、そのような半径に依存するハロゲン比率を計算してもよい。
【0130】
光ファイバのコア−クラッド平均ハロゲン比率は、光ファイバのコアと最も内側のクラッド層の中の平均ハロゲン比率である(即ち、図2と図13に示された内側クラッドや図12に示されたような埋め込みトレンチなど、中心コアと隣接したクラッド層)。例えば、中心コア、内側クラッド及び外側クラッドを有する光ファイバのコア−クラッド平均ハロゲン比率を計算するために、中心コアと内側クラッド内の平均フッ素濃度と塩素濃度が使用される。したがって、コア−クラッド平均ハロゲン比率は、典型的には、光ファイバの伝送信号が主に伝播する部分のハロゲン比率を表わす。
【0131】
従来の技術を使用して製造された光ファイバは、典型的には、約18.5未満のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。これと対照的に、光ファイバの例示的な実施形態は、典型的には、約20を超える(例えば、約22〜300の)コア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。典型的には、光ファイバは、25〜269(例えば、約48〜240)のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。より典型的には、光ファイバは、53〜200(例えば、約60〜140)のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。
【0132】
光ファイバのコア平均ハロゲン比率は、光ファイバの中心コア内の平均フッ素濃度と塩素濃度を使用して決定される。従来の技術を使用して製造された光ファイバは、典型的には、約15未満のコア平均ハロゲン比率を有する。これと対照的に、例示的な光ファイバは、典型的には、約20を超える(例えば、約30〜170の)コア平均ハロゲン比率を有する。
【0133】
ハロゲン比率が高いほど、光ファイバの放射線耐性が改善されると思われる。詳細には、高いハロゲン比率を有する光ファイバは、典型的には、低い放射線誘導減衰を示す。更に、高ハロゲン比率の光ファイバは、典型的には、光ファイバの帯域幅を損なう可能性がある放射線誘導屈折率変化に対する耐性が高い。したがって、高いハロゲン比率を有する光ファイバは、典型的には、高帯域幅を有し、放射性の多い環境で低い減衰を示す。
【0134】
例えば、図10と図11は、フッ素濃度(F)と塩素濃度(Cl)を、2つの例示的な光ファイバの半径方向オフセットの関数として示す。例示的な光ファイバは、約15ミクロンの幅を有する内側クラッドで取り囲まれた直径50ミクロンの中心コアを有する。
【0135】
それぞれの塩素濃度とフッ素濃度(即ち、重量パーセント内)は、光ファイバの半径の関数として示される。左側の縦軸と明るい色の正方形のプロット線は、特定の半径方向オフセットにおける光ファイバの塩素濃度を示す。同様に、右側の縦軸と黒い円形のプロット線は、特定の半径方向オフセットにおける光ファイバのフッ素濃度を示す。本明細書で使用されるとき、塩素濃度とフッ素濃度の列挙はそれぞれ、元素塩素又はフッ素の重量分率を指す。
【0136】
図10の光ファイバは、そのコア内に0.10重量パーセントの平均塩素濃度を有し、図11の光ファイバは、そのコア内に0.05重量パーセントの平均塩素濃度を有する。図10と図11の光ファイバは、それぞれのコア内に同等の平均フッ素濃度を有する。したがって、図11の光ファイバは、図10の光ファイバのコア平均ハロゲン比率の約2倍(即ち、2X)のコア平均ハロゲン比率を有する。
【0137】
図10と図11の光ファイバは、コバルト60放射線源(即ち、60Co放射線源)を使用して、約1.25Gy/sの線量率、約45℃の温度で、2.35MGy(即ち、2.35メガグレイ)の蓄積線量まで放射線照射された。照射後に、光ファイバの放射線誘導減衰を測定した。波長1300ナノメートルでは、図10の光ファイバは、図11の光ファイバより50パーセント多い(即ち、1.5X)放射線誘導減衰を示した。更に、波長850ナノメートルでは、図10の光ファイバは、図1Iの光ファイバより100パーセント多い(即ち、2X)放射線誘導減衰を示した。これにより、光ファイバのコア平均ハロゲン比率を高めると、光ファイバの放射線誘導減衰が減少すると考えられる。
【0138】
一実施形態によれば、本発明の光ファイバは、波長分散に関する仕様を除きITU−T推奨G.651.1に従う。したがって、50ミクロンの中心コア径(即ち、25ミクロンの中心コア半径r1)及び/又は0.2±0.015の開口数を有する。
【0139】
別の態様では、本発明は、本明細書に開示されたような光ファイバの少なくとも一部分を含むマルチモード光システムを含む。詳細には、光学システムは、少なくとも100メートル(例えば、300メートル)にわたって少なくとも10Gb/sのデータ転送速度を発揮することができる。この点で、この光学システムの例示的な実施形態は、波長分散に関するそれぞれの仕様を除き、OM3とOM4の基準に従う。
【0140】
幾つかの例示的な実施形態では、本発明の光ファイバは、中心コアと外側クラッドとの間に位置決めされた埋め込みトレンチを有する。典型的には、光ファイバの埋め込みトレンチは、内側クラッドを直接取り囲んでもよい。あるいは、光ファイバは、中心コアを直接取り囲む埋め込みトレンチを有してもよい。中心コアを直接取り囲む埋め込みトレンチを含む例示的な実施形態では、光ファイバには、中間クラッド(例えば、埋め込みトレンチと外側クラッドとの間に位置決めされた中間クラッド)があってもなくてもよい。
【0141】
埋め込みトレンチを有する例示的な実施形態の場合、埋め込みトレンチは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する。典型的には、用語「埋め込みトレンチ」は、光ファイバの、外側クラッドの屈折率よりかなり小さい屈折率を有する半径方向部分を示すために使用される。
【0142】
一般的に言って、屈折率差は、以下の式を使用してパーセントとして表すことができる。
【0143】
【数3】
【0144】
n(r)は、半径方向位置の関数としての比較の屈折率値(例えば、埋め込みトレンチの屈折率n3)であり、ncladdingは、外側クラッドの屈折率値である。当業者は、屈折率が光ファイバの所定の区間にわたって変化する場合(即ち、屈折率値が半径方向位置の関数として変化する)又は屈折率が所定の区間にわたって一定である場合に、この式を使用できることを理解するであろう。
【0145】
したがって、外側クラッドに対する一定の屈折率差を、以下の式を使用してパーセントとして表すことができる。
【0146】
【数4】
【0147】
nは、比較の屈折率値(例えば、埋め込みトレンチの屈折率n3)であり、ncladdjngは、外側クラッドの屈折率値である。
【0148】
本明細書で使用されるとき、埋め込みトレンチの体積vは、以下の式により定義される。
【0149】
【数5】
【0150】
rintとrextはそれぞれ、埋め込みトレンチの内半径と外半径であり、Δ%(r)は、パーセントで表された外側クラッドに対する埋め込みトレンチの屈折率差である。当業者は、この式が長方形トレンチと非長方形トレンチの両方に使用できることを理解するであろう。
【0151】
埋め込みトレンチが長方形形状(即ち、ステップ屈折率分布)を有する場合、式(前述)を以下の式に単純化することができる。
【0152】
【数6】
【0153】
rextとrintはそれぞれ、埋め込みトレンチの外半径と内半径であり、Δ%は、パーセントとして表された外側クラッドに対する埋め込みトレンチの屈折率差である。
【0154】
前述のように、例示的な光ファイバは、中心コアを直接取り囲む埋め込みトレンチを有してもよい。図12は、中心コアを直接取り囲む埋め込みトレンチを有する例示的な光ファイバの規定屈折率分布をグラフで示す。光ファイバは、外側クラッド(例えば、外側光クラッド)で取り囲まれた中心コアを有する。コストの理由のため、外側クラッドは、典型的には、天然シリカでは作成されるが、ドープト・シリカで作成されてもよい。図示されたように、光ファイバの中心コアは、アルファ屈折率分布(即ち、グレーデッド屈折率分布)と外半径r1を有するガラスを主成分とする中心コアである。中心コアは、典型的には、シリカの屈折率を小さくするためにフッ素がドープされる。
【0155】
中心コアのアルファ屈折率分布は、中心コアの外半径r1における外側クラッドとの屈折率差Δnendに対応する最小屈折率を有する。別の言い方をすると、中心コアは、アルファ屈折率分布と、中心コアの外半径r1における外側クラッド(例えば、外側クラッドの最も内側の部分)との屈折率差Δnendとを有する。
【0156】
中心コアのアルファ屈折率分布は、また、外側クラッド(例えば、中心コアの中心)との最大屈折率差Δn1を有する。中心コアのアルファ屈折率分布は、高帯域幅の達成を容易にする。
【0157】
典型的には、光ファイバの中心コアは、約0〜−4x10−3の最大屈折率差Δn1を有する。より典型的には、中心コアの最大屈折率差Δn1は、約−0.1x10−3〜−1.5x10−3である。中心コアの外半径r1は、典型的には、約22.5ミクロン〜27.5ミクロン(即ち、25±2.5ミクロン)である。中心コアの最小屈折率Δnendは、典型的には、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、約−17x10−3〜−19x10−3)である。より典型的には、中心コアの最小屈折率差Δnendは、約−18x10−3より大きい(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)。更に、中心コアのアルファ屈折率分布は、典型的には、約1.9〜2.1のαパラメータを有する。
【0158】
図12に示されたように、例示的な光ファイバは、中心コアを直接取り囲む埋め込みトレンチを有する。埋め込みトレンチは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する。埋め込みトレンチは、典型的には、シリカの屈折率を低下させるためにフッ素がドープされる。埋め込みトレンチは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する。例示的な実施形態では、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3は、約−15x10−3〜−36x10−3(例えば、約−18x10−3〜−34x10−3)である。典型的には、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3は、約−16x10−3〜−30x10−3(例えば、約−19x10−3〜−21x10−3)である。
【0159】
以上の内容によれば、例示的なトレンチ支援マルチモード光ファイバは、約6重量パーセント〜7重量パーセントなどの少なくとも約5重量パーセント(例えば、5.5〜6.5重量パーセント)のフッ素濃度を有する埋め込みトレンチを有してもよい。典型的には、シリカに1重量パーセントのフッ素をドープすると、純粋シリカに対して約−3x10−3の屈折率差が生じる。
【0160】
幾つかの例示的な実施形態では、埋め込みトレンチ屈折率差Δn3と中心コアの最小屈折率Δnendとの差(即ち、Δn3−Δnend)は、約−1x10−3〜−15x10−3(例えば、約−2x10−3〜−14x10−3)である。埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と中心コアの最小屈折率Δnendとの差(即ち、Δn3−Δnend)は、典型的には、約−3x10−3〜−13x10−3(例えば、約−3x10−3〜−10x10−3、又は約−4x10−3〜−12x10−3)である。より典型的には、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と中心コアの最小屈折率Δnendとの差(即ち、Δn3−Δnend)は、約−5x10−3〜−11x10−3(例えば、約−6x10−3〜−10x10−3)である。
【0161】
埋め込みトレンチの幅w3は、0.5ミクロン〜10ミクロン(例えば、約2ミクロン〜8ミクロン)でよい。典型的には、埋め込みトレンチの幅w3は、約3ミクロン〜7ミクロン(例えば、約4ミクロン〜6ミクロン)である。埋め込みトレンチの外半径r3は、典型的には、約23ミクロン〜38ミクロン(例えば、約26ミクロン〜35ミクロン)である。より典型的には、埋め込みトレンチの外半径r3は、約28ミクロン〜33ミクロン(例えば、約30ミクロン〜32ミクロン)である。幾つかの例示的な実施形態では、本発明の光ファイバは、約260%・μm2以上(例えば、約280%・μm2〜450%・μm2)の体積v3を有する埋め込みトレンチを有する。より典型的には、埋め込みトレンチは、約300%・μm2〜425%・μm2(例えば、約350%・μm2〜400%・μm2)の体積v3を有する。埋め込みトレンチは、典型的には、シリカの屈折率を下げるためにフッ素(F)がドープされる。
【0162】
図12に示されたように、r=r1の値では、光ファイバの屈折率は、中心コアの最小屈折率Δnendから埋め込みトレンチの屈折率差Δn3まで歴然とした不連続な低下がある。しかしながら、例示的な実施形態では、中心コアの外半径r1における光ファイバの屈折率の低下は、連続でもよい。例えば、中心コアのアルファ屈折率分布は、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3に対応する屈折率差Δnendを有する。
【0163】
図12の例示的な光ファイバは、また、埋め込みトレンチと外側クラッドとの間に位置決めされた中間クラッドを有する。中間クラッドは、外半径r4、幅w4、及び外側クラッドとの屈折率差Δn4を有する。中間クラッドは、典型的には、シリカの屈折率を下げるためにフッ素がドープされる。
【0164】
例示的な実施形態では、中間クラッドの屈折率差Δn4は、中心コアの最小屈折率差Δnendとほぼ等しい。しかしながら、中間クラッドの屈折率差Δn4は、中心コアの最小屈折率差Δnendより大きくても小さくてもよい。
【0165】
光ファイバの中間クラッドは、典型的には、約8ミクロン〜40ミクロン(例えば、約10ミクロン〜25ミクロン)の幅w4を有する。中間クラッドの屈折率差Δn4は、典型的には、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、約−17x10−3〜−19x10−3)である。より典型的には、中間クラッドの屈折率差Δn4は、約−20x10−3より大きい(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)。中間クラッドの外半径r4は、典型的には、約30ミクロン〜62.5ミクロン(例えば、約35ミクロン〜50ミクロン)である。
【0166】
例示的な実施形態では、中間クラッドの外半径r4は、約45ミクロン以上(例えば、約50ミクロン〜62.5ミクロン)である。本発明者は、約45ミクロンより大きい中間クラッド外半径r2を有する例示的な光ファイバが、45ミクロン未満の中間クラッド外半径を有する光ファイバより閉じ込め損失が小さいので、ファイバ長の影響を受けにくい帯域幅を示すことを発見した。
【0167】
図13は、典型的には、埋め込みトレンチを有する更に別の例示的な光ファイバの規定屈折率分布をグラフで示す。光ファイバは、外側クラッド(例えば、外側光クラッド)で取り囲まれた中心コアを有する。図示されたように、光ファイバの中心コアは、アルファ屈折率分布(即ち、グレーデッド屈折率分布)、外半径r1、最小屈折率Δnend、及び最大屈折率差Δn1を有するガラスが主成分の中心コアである。
【0168】
この例示的な実施形態では、光ファイバの中心コアは、典型的には、約0〜−5x10−3(例えば、約−0.05x10−3〜−4x10−3)の最大屈折率差Δn1を有する。より典型的には、中心コアの最大屈折率差Δn1は、約0〜−2x10−3である。中心コアの外半径r1は、約22.5ミクロン〜27.5ミクロン(即ち、25±2.5ミクロン)である。中心コアの最小屈折率Δnendは、典型的には、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、約−17x10−3〜−19x10−3)である。より典型的には、中心コアの最小屈折率差Δnendは、約−20x10−3より大きい(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)。更に、中心コアのアルファ屈折率分布は、典型的には、約1.90〜2.15のαパラメータを有する。
【0169】
図13に示されたように、例示的な光ファイバは、また、内側クラッド(例えば、リング)を有する。光ファイバの内側クラッドは、中心コアと外側クラッドとの間に位置決めされる。内側クラッドは、外半径r2、幅w2、及び外側クラッドとの屈折率差Δn2を有する。内側クラッドは、典型的には、シリカの屈折率を小さくするためにフッ素がドープされる。
【0170】
内側クラッドの屈折率差Δn2は、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、約−17xl0−3〜−19x10−3)である。より典型的には、内側クラッドの屈折率差Δn2は、約−20x10−3より大きい(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)。内側クラッドの幅w2は、約0.5ミクロン〜10ミクロン(例えば、約1ミクロン〜9ミクロン)である。より典型的には、内側クラッドの幅w2は、約2ミクロン〜7ミクロン(例えば、約4ミクロン〜6ミクロン)である。内側クラッドの外半径r2は、約23ミクロン〜38ミクロン(例えば、約26ミクロン〜35ミクロン)である。より典型的には、内側クラッドの外半径r2は、約28ミクロン〜33ミクロン(例えば、約30ミクロン〜32ミクロン)である。
【0171】
例示的な実施形態では、内側クラッドの屈折率差Δn2は、中心コアの最小屈折率差Δnendとほぼ等しい。しかしながら、内側クラッドの屈折率差Δn2は、中心コアの最小屈折率差Δnendより大きくても小さくてもよい。
【0172】
図13に示されたように、例示的な光ファイバは、内側クラッドを直接取り囲む埋め込みトレンチを有する。埋め込みトレンチは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する。例示的な実施形態では、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3が、約−15x10−3〜−36x10−3(例えば、約−18x10−3〜−34x10−3)である。典型的には、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3は、約−16x10−3〜−30x10−3(例えば、約−19x10−3〜−21x10−3)である。
【0173】
幾つかの例示的な実施形態では、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と内側クラッドの屈折率差Δn2との差(即ちΔn3−Δn2)が、約−1x10−3〜−15x10−3(例えば、約−2x10−3〜−14x10−3)である。埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と内側クラッドの屈折率差Δn2との差(即ち、Δn3−Δn2)は、典型的には、約−3x10−3〜−13x10−3(例えば、約−3x10−3〜−10x10−3、又は約−4x10−3〜−12x10−3)である。より典型的には、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と内側クラッドの屈折率差Δn2との差(即ち、Δn3−Δn2)は、約−5x10−3〜−11x10−3(例えば、約−6x10−3〜−10x10−3)である。
【0174】
埋め込みトレンチの幅w3は、約0.5ミクロン〜10ミクロン(例えば、約2ミクロン〜8ミクロン)でよい。典型的には、埋め込みトレンチの幅w3は、約3ミクロン〜7ミクロン(例えば、約4ミクロン〜6ミクロン)である。埋め込みトレンチの外半径r3は、約23ミクロン〜38ミクロン(例えば、約26ミクロン〜35ミクロン)である。より典型的には、埋め込みトレンチの外半径r3は、約28ミクロン〜33ミクロン(例えば、約30ミクロン〜32ミクロン)である。幾つかの例示的な実施形態では、本発明の光ファイバは、約260%・μm2以上(例えば、約280%・μm2〜450%・μm2)の体積v3を有する埋め込みトレンチを有する。より典型的には、埋め込みトレンチは、約300%・μm2〜425%・μm2(例えば、約350%・μm2〜400%・μm2)の体積v3を有する。埋め込みトレンチは、典型的には、シリカの屈折率を小さくするためにフッ素でドープされる。
【0175】
図13の例示的な光ファイバは、また、埋め込みトレンチと外側クラッドとの間に位置決めされた中間クラッドを有する。中間クラッドは、外半径r4、幅w4、及び外側クラッドとの屈折率差Δn4を有する。中間クラッドは、典型的には、シリカの屈折率を小さくするためにフッ素がドープされる。
【0176】
例示的な実施形態では、中間クラッドの屈折率差Δn4は、中心コアの最小屈折率差Δnendとほぼ等しい。しかしながら、中間クラッドの屈折率差Δn4は、中心コアの最小屈折率差Δnendより大きくても小さくてもよい。
【0177】
光ファイバの中間クラッドは、典型的には、約8ミクロン〜40ミクロン(例えば、約10ミクロン〜25ミクロン)の幅w4を有する。中間クラッドの屈折率差Δn4は、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、約−l7x10−3と−19x10−3)である。より典型的には、中間クラッドの屈折率差Δn4は、約−20x10−3より大きい(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)。中間クラッドの外半径r4は、典型的には、約30ミクロン〜62.5ミクロン(例えば、約35ミクロン〜50ミクロン)である。
【0178】
例示的な実施形態では、中間クラッドの外半径r4は、約45ミクロン以上(例えば、約50ミクロン〜62.5ミクロン)である。本発明者は、約45ミクロンより大きい中間クラッド外半径r2を有する例示的な光ファイバが、45ミクロン未満の中間クラッド外半径を有する光ファイバより閉じ込め損失が小さいので、ファイバ長の影響を受けにくい帯域幅を示すことを発見した。
【0179】
前述のように、光ファイバの幾つかの例示的な実施形態は、中心コアを直接取り囲む内側クラッドと、内側クラッドを直接取り囲む埋め込みトレンチとを有する。そのような光ファイバ実施形態では、内側クラッドの屈折率差Δn2は、中心コアの最小屈折率差Δnendと等しくてもよい。しかしながら、代替の実施形態では、中心コアのアルファ屈折率分布は、アルファ屈折率分布の形状を決定するために使用された最小屈折率より大きい屈折率差Δnendにおいて中断される。本明細書で使用されるとき、アルファ屈折率分布は、中心コアが最小屈折率値n0(即ち、理論上の最小屈折率値)より大きい最小屈折率値nendを有する場合に中断されると考えられる。当業者は、nendが最小屈折率値であり、Δnendが最小屈折率差であることを理解するであろう。
【0180】
いかなる特定の理論に拘束されるものではないが、本発明者は、埋め込みトレンチが、光ファイバの曲げ損失(即ち、微小曲げ損失)の減少を促進できることを発見した。これに関して、850ナノメートルの波長では、埋め込みトレンチを有する例示的な光ファイバは、15ミリメートルの曲げ半径を有する2巻で0.11dB未満(例えば、0.06dB未満)の曲げ損失、10ミリメートルの曲げ半径を有する2巻で0.10dB未満(例えば、0.9dB未満)の曲げ損失、7.5ミリメートルの曲げ半径を有する2巻で0.15dB未満(例えば、0.10dB未満)の曲げ損失、5ミリメートルの曲げ半径を有する2巻で0.18dB未満(例えば、0.15dB未満)の曲げ損失を有する。
【0181】
実際には、図14は、2つの例示的な光ファイバに関する所定の曲げ半径の2巻の850ナノメートルの波長での微小曲げ損失を示す。例示的な光ファイバの一方には、内側クラッドを直接取り囲む埋め込みトレンチがある(即ち、図13と類似の規定分布)が、他方の例示的な光ファイバには、埋め込みトレンチがない。丸で示された曲線は、埋め込みトレンチを有する例示的な光ファイバの曲げ損失を示す。三角形で示された曲線は、埋め込みトレンチのない例示的な光ファイバの曲げ損失を示す。図示されたように、埋め込みトレンチを有する例示的な光ファイバは、所定の半径において、埋め込みトレンチのない例示的な光ファイバの曲げ損失の少なくとも3分の1〜5分の1の曲げ損失を有する。
【0182】
本明細書で使用されるとき、「埋め込みトレンチのない」光ファイバとは、トレンチが隣接クラッド層(例えば、内側クラッド、中間クラッド又は外側クラッド)と同じ屈折率を有する材料と置き換えられることを除き、普通ならば比較される光ファイバと同一の屈折率分布を有する光ファイバを指す。
【0183】
微小曲げ損失は、IEC 60793−1−47及びIEC 61280−4−I国際規格にしたがって測定されてもよい。この点で、測定は、典型的には、小さい直径の曲がりを有するボールベアリング装置上で行なわれる。典型的には、使用される開始条件は、IEC 61280−4−1国際規格に記載されたものである。
【0184】
本明細書及び/又は図面では、本発明の典型的な実施形態を開示した。本発明は、そのような例示的な実施形態に限定されない。用語「及び/又は」の使用は、関連付けられ列挙された項目の1つ又は複数のあらゆる組み合わせを含む。図面は、概略的表現であり、したがって必ずしも一律の倍率で描かれていない。特に断らない限り、特定の用語は、包括的で説明的な意味で使用され、限定のために使用されない。
【技術分野】
【0001】
本発明は、光ファイバ、より具体的には高放射線用途の高帯域幅マルチモード光ファイバに関する。
【背景技術】
【0002】
光ファイバ(即ち、典型的には1つ又は複数の被覆層で取り囲まれたガラス繊維)は、従来から、光信号を送信しかつ/又は増幅する光ファイバ・コアと、光信号をコア内に閉じ込める光クラッドとを有する。したがって、コアの屈折率ncは、典型的には、光クラッドの屈折率ngより大きい(即ち、nc>ng)。
【0003】
光ファイバの場合、屈折率分布は、一般に、屈折率を光ファイバの半径と関連付ける関数の図形的様相にしたがって分類される。従来、光ファイバの中心までの距離rは、X軸上に示され、その屈折率(半径rにおける)と光ファイバの外側クラッド(例えば、外側光クラッド)の屈折率との差がY軸上に示される。屈折率分布は、グラフが階段状、台形、アルファ又は三角形のそれぞれの形状を有する場合に、「階段状」分布、「台形」分布、「アルファ」分布又は「三角形」分布と呼ばれる。これらの曲線は、一般に、光ファイバの理論的又は規定分布を表す。しかしながら、光ファイバの製造上の制約によって、実際の分布は僅かに異なることがある。
【0004】
一般的に言って、光ファイバには、マルチモード・ファイバとシングルモード・ファイバの2つの大きな分類がある。マルチモード光ファイバでは、所定の波長の場合、幾つかの光モードが光ファイバに沿って同時に伝播される。シングルモード光ファイバでは、信号は、ファイバ・コア内でガイドされる基本的なLP01モードで伝播し、高次モード(例えば、LP11モード)ほど強く減衰される。シングルモード又はマルチモード・ガラスファイバの典型的な直径は、125ミクロンである。マルチモード光ファイバのコアは、典型的には、約50ミクロン〜62.5ミクロンの直径を有し、それに対してシングルモード光ファイバのコアは、典型的には、約6ミクロン〜9ミクロンの直径を有する。マルチモード・システムは、マルチモード光源、コネクタ及び保守がより低コストでできるので、一般に、シングルモード・システムより安価である。
【0005】
マルチモード光ファイバは、一般に、ローカルネットワークやLAN(ローカルエリアネットワーク)などの広い帯域幅を必要とする短距離用途に使用される。マルチモード光ファイバは、ITU−T G.651.1推奨による国際標準化の対象となっており、この推奨は、特に、光ファイバ互換性の要件に関する基準(例えば、帯域幅、開口数、及びコア径)を定義している。
【0006】
更に、OM3規格は、長距離(即ち、300メートルを超える距離)にわたる高帯域幅用途(即ち、データ転送速度が1GbEより高い)の要求を満たすように採用された。高帯域幅用途の発展により、マルチモード光ファイバの平均コア径は、62.5ミクロンから50ミクロンに減少した。
【0007】
原子力発電所及び粒子加速実験室や衛星などの他の放射線の多い環境での光ファイバの使用に関心が高まってきた。例えば、光ファイバは、光データ通信リンク、分布センサ、プラズマ診断、及び計測システムで使用される。そのような用途では、光ファイバは、典型的には、雑音の多い電磁環境、高γ線量及び/又は線量率、並びに高中性子線量の中で信号を伝送する。
【0008】
光ファイバによって伝送される信号は、典型的には、光学損失(即ち、減衰)を受け、これは、移動する距離にわたって累積する。そのような透過損は、光ファイバが、β線、α線、γ線、X線などの電離放射線にさらされたときに実質的に高まる。
【0009】
一般的に言うと、放射線は、光ファイバの光学特性に2つの点で影響を及ぼす。
【0010】
第1の点は、「放射線誘導減衰」(RIA)と呼ばれ、これは、放射線によって光ファイバのシリカ内が欠陥できるときに起こる。そのような欠陥は、伝送される電磁信号を吸収する。したがって、放射線誘導吸収が、光信号が光ファイバの長さに沿って伝達されるときに光信号が受ける減衰を増大させる。
【0011】
第2の点は、放射線誘導屈折率変化と呼ばれ、これは、放射線が光ファイバの一部分の屈折率変化を引き起こすときに生じる。そのような屈折率変化は、光ファイバの帯域幅を損なう可能性があり、また光伝送システムの信頼性が損なわれる。したがって、放射線の多い環境で使用される光ファイバは、優れた放射線耐性を示さなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
したがって、高帯域幅と優れた放射線耐性を有するマルチモード光ファイバが必要とされている。より詳細には、低い放射線誘導減衰を示す高帯域幅マルチモード光ファイバが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明は、一実施形態において、マルチモード光ファイバに関し、このマルチモード光ファイバは、外側クラッドで取り囲まれた中心コアであって、(i)外半径r1、(ii)アルファ屈折率分布、(iii)前記外側クラッドに対してゼロ以下の最大屈折率差Δn1、及び(iv)前記外半径r1において、前記外側クラッドとの最小屈折率差Δnendを有する中心コアと、前記中心コアと前記外側クラッドとの間に位置決めされた内部クラッド層であって、前記外側クラッドに対して負の屈折率差を有する内部クラッド層とを有し、前記中心コアは、0.1重量パーセント以下の最大ゲルマニウム濃度を有し、前記中心コアは、0.1重量パーセント以下の平均塩素濃度を有し、前記外半径r1において、前記中心コアは、3重量パーセント以上の最小フッ素濃度を有する。
【0014】
別の実施形態では、前記内部クラッド層は、前記中心コアを直接取り囲む内側クラッドであり、前記内側クラッドは、(i)外半径r2、(ii)幅w2、及び(iii)前記外側クラッドとの負屈折率差Δn2を有する。
【0015】
更に別の実施形態では、埋め込みトレンチが、前記中心コアと前記外側クラッドとの間に位置決めされ、前記埋め込みトレンチは、(i)外半径r3、(ii)幅w3、及び(iii)Δn3<Δnendとなるような前記外側クラッドとの負屈折率差Δn3を有し、また中間クラッドは、前記埋め込みトレンチと前記外側クラッドとの間に位置決めされ、前記中間クラッドが、(i)外半径r4、(ii)幅w4、及び(iii)前記外側クラッドとの負屈折率差Δn4を有する。
【0016】
更に別の実施形態では、埋め込みトレンチは、前記中心コアと前記外側クラッドとの間に位置決めされており、前記埋め込みトレンチが、(i)外半径r3、(ii)幅w3、及び(iii)Δn3<Δnendとなるような前記外側クラッドとの負屈折率差Δn3を有し、前記内部クラッド層は、前記埋め込みトレンチと前記外側クラッドとの間に位置決めされた中間クラッドであり、前記中間クラッドが、(i)外半径r4、(ii)幅w4、及び(iii)前記外側クラッドとの負屈折率差Δn4を有する。
【0017】
更に別の実施形態では、前記中心コアは、前記中心コアのゲルマニウム濃度が0.005重量パーセント未満になるように実質的にゲルマニウム・ドーパントがない。
【0018】
更に別の実施形態では、光ファイバは、20以上、好ましくは25以上、より好ましくは48以上、最も好ましくは60以上のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。
【0019】
更に別の実施形態では、光ファイバは、中心コアの外半径r1において50〜500のハロゲン比率を有する。
【0020】
更に別の実施形態では、光ファイバは、20以上、好ましくは30〜170のコア平均ハロゲン比率を有する。
【0021】
更に別の実施形態では、前記中心コアは、0.08重量パーセント以下、好ましくは0.07重量パーセント以下、より好ましくは0.06重量パーセント以下、最も好ましくは0.05重量パーセント以下の平均塩素濃度を有する。
【0022】
更に別の実施形態では、前記中心コアの幅全体にわたって、前記中心コアの塩素濃度は、0.07重量パーセント未満、好ましくは0.08重量パーセント未満、より好ましくは0.07重量パーセント未満、最も好ましくは0.05重量パーセント未満である。
【0023】
更に別の実施形態では、前記外半径r1において、前記中心コアは、3.5重量パーセント以上、好ましくは4.0重量パーセント以上、最も好ましくは4.5重量パーセント以上の最低フッ素濃度を有する。
【0024】
更に別の実施形態では、前記中心コアの最小屈折率差Δnendは、−21x10−3以上、好ましくは−14x10−3〜−20x10−3、より好ましくは−15x10−3〜−16x10−3である。
【0025】
更に別の実施形態では、前記中心コアの最大屈折率差Δn1は、0〜−5x10−3、好ましくは−0.05x10−3〜−2x10−3である。
【0026】
更に別の実施形態では、前記埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と前記中心コアの最小屈折率Δnendとの差は、−1x10−3〜−15x10−3、好ましくは−3x10−3〜−13x10−3、より好ましくは−5x10−3〜−11x10−3、最も好ましくは−6x10−3〜−10x10−3である。
【0027】
更に別の実施形態では、前記埋め込みトレンチの体積v3は、260%・μm2以上、好ましくは280%・μm2〜450%・μm2、より好ましくは300%μm2〜425%・μm2、最も好ましくは350%・μm2〜400%・μm2である。
【0028】
したがって、一態様では、本発明は、中心コア、内部クラッド層(例えば、内側クラッド)、及び外側クラッド(例えば、外側光クラッド)を含む光ファイバを含む。典型的には、光ファイバの中心コアは、アルファ屈折率分布(即ち、グレーデッド屈折率分布)と外半径r1を有するガラスを主成分とする中心コアである。
【0029】
中心コアのアルファ屈折率分布は、中心コアの外半径r1において、外側クラッドとの最小屈折率差Δnendに対応する最小屈折率値を有する。より具体的には、中心コアは、外半径r1、アルファ屈折率分布、及び中心コアの外半径r1において、外側クラッド(例えば、外側クラッドの最も内側の部分)との屈折率差Δnendを有する。
【0030】
同様に、中心コアのアルファ屈折率分布は、(例えば、中心コアの中心において)外側クラッドとの最大屈折率差Δn1に対応する最大屈折率値を有する。典型的には、中心コアの最大屈折率差Δn1は、約0以下である。別の言い方をすると、中心コアの最大屈折率値は、典型的には、外側クラッドの屈折率値以下である。
【0031】
光ファイバの内側クラッドは、中心コアと外側クラッドとの間に位置決めされる。内側クラッドは、外半径r2、幅w2、及び外側クラッドとの屈折率差Δn2を有する。
【0032】
例示的な実施形態では、光ファイバの中心コアは、0〜−5x10−3(例えば、−0.05x10−3〜−2x10−3)の最大屈折率差Δn1を有する。
【0033】
別の例示的な実施形態では、中心コアの外半径r1は、22.5ミクロン〜27.5ミクロン(即ち、25±2.5ミクロン)である。
【0034】
更に別の例示的な実施形態では、中心コアの最小屈折率Δnendは、−14x10−3〜−21x10−3(例えば、−15x10−3〜−17x10−3)である。
【0035】
更に別の例示的な実施形態では、中心コアのアルファ屈折率分布は、1.90〜2.15のαパラメータを有する。
【0036】
更に別の例示的な実施形態では、内側クラッドの屈折率差Δn2は、−14x10−3〜−21x10−3(例えば、−15x10−3〜−16x10−3)である。
【0037】
更に別の例示的な実施形態では、内側クラッドの幅w2は、5ミクロン〜37.5ミクロン(例えば、10ミクロン〜25ミクロン)である。
【0038】
更に別の例示的な実施形態では、内側クラッドの幅w2は、20ミクロン以上である。
【0039】
更に別の例示的な実施形態では、内側クラッドの外半径r2は、30ミクロン〜62.5ミクロン(例えば、35ミクロン〜50ミクロン)である。
【0040】
更に別の例示的な実施形態では、内側クラッドの外半径r2は、45ミクロン以上(例えば、50ミクロン〜62.5ミクロン)である。
【0041】
更に別の例示的な実施形態では、内側クラッドの屈折率差Δn2は、中心コアの最小屈折率差Δnendとほぼ等しい。
【0042】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバは、0.200±0.015(即ち、0.185〜0.215)の開口数を有する。
【0043】
更に別の例示的な実施形態では、中心コアの幅全体にわたって、光ファイバの塩素濃度は、0.10重量パーセント未満である。
【0044】
更に別の例示的な実施形態では、中心コアの幅の95パーセントにわたって、光ファイバの塩素濃度は、0.08重量パーセント未満(例えば、0.07重量パーセント未満)である。
【0045】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバの平均塩素濃度は、0.06重量パーセント以下(例えば、約0.05重量パーセント未満)である。
【0046】
更に別の例示的な実施形態では、856ナノメートルの波長、約24℃の温度、及び0.15Gy/sの放射線量率で、光ファイバは、650グレイの放射線照射後に約26.7dB/km以下の放射線誘導減衰を示す。
【0047】
更に別の例示的な実施形態では、856ナノメートルの波長、約24℃の温度、及び0.15Gy/sの放射線量率で、光ファイバは、650グレイ〜10,000グレイの放射線量から約5.6パーセント以下だけ増えた放射線誘導減衰を示す。
【0048】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバは、中心コアの外半径において30を超える(例えば、50〜500)のハロゲン比率を有する。
【0049】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバは、20を超える(例えば、22〜300)のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。
【0050】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバは、25〜269(例えば、48〜240)のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。
【0051】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバは、53〜200(例えば、60〜140)のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。
【0052】
更に別の例示的な実施形態では、光ファイバは、20を超える(例えば、30〜170)のコア平均ハロゲン比率を有する。
【0053】
別の態様では、本発明は、中心コアと内部クラッド層(例えば、内側クラッド)とを有する光ファイバを含む。典型的には、光ファイバの中心コアは、アルファ屈折率分布(即ち、グレーデッド屈折率分布)と外半径r1とを有するガラスが主成分の中心コアである。
【0054】
中心コアのアルファ屈折率分布は、中心コアの外半径r1において、純粋シリカとの最小屈折率差Δnendに対応する最小屈折率値を有する。より具体的には、中心コアは、外半径r1、及びアルファ屈折率分布を有し、また中心コアの外半径r1において、純粋シリカとの屈折率差Δnendを有する。
【0055】
同様に、中心コアのアルファ屈折率分布は、(例えば、中心コアの中心で)純粋シリカとの最大屈折率差Δn1に対応する最大屈折率値を有する。典型的には、中心コアの最大屈折率差Δn1は、約0以下である。別の言い方をすると、中心コアの最大屈折率値は、典型的には、純粋シリカの屈折率値以下である。光ファイバの内側クラッドは、中心コアのまわりに位置決めされる。内側クラッドは、外半径r2、幅w2、及び純粋シリカとの屈折率差Δn2を有する。
【0056】
更に別の態様では、本発明は、中心コア、埋め込みトレンチ、内部クラッド層(例えば、中間クラッド)、及び外側クラッド(例えば、外側光クラッド)を有する光ファイバを含む。典型的には、埋め込みトレンチは、中心コアと外側クラッド(例えば、中心コアを直接取り囲む)との間に位置決めされる。埋め込みトレンチは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する。中間クラッドは、典型的には、埋め込みトレンチと外側クラッド(例えば、埋め込みトレンチを直接取り囲む)との間に位置決めされる。中間クラッドは、外半径r4、幅w4、及び外側クラッドとの屈折率差Δn4を有する。
【0057】
更に別の態様では、本発明は、中心コア、内側クラッド、埋め込みトレンチ、中間クラッド及び外側クラッド(例えば、外側光クラッド)を有する光ファイバを含む。典型的には、内側クラッドは、中心コアと外側クラッド(例えば、中心コアを直接取り囲む)との間に位置決めされる。内側クラッドは、外半径r2、幅w2、及び外側クラッドとの屈折率差Δn2を有する。埋め込みトレンチは、典型的には、内側クラッドと外側クラッド(例えば、内側クラッドを直接取り囲む)との間に位置決めされる。埋め込みトレンチは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する。更に、中間クラッドは、典型的には、埋め込みトレンチと外側クラッド(例えば、埋め込みトレンチを直接取り囲む)との間に位置決めされる。中間クラッドは、外半径r4、幅w4、及び外側クラッドとの屈折率差Δn4を有する。
【0058】
更に別の態様では、本発明は、優れた水素耐性を示す光ファイバを含む。
【0059】
別の態様では、本発明は、前述の内容に従う光ファイバの少なくとも一部分を含む光伝送システムを含む。例示的な実施形態では、光学システムは、少なくとも100メートル(例えば、300メートル)にわたって少なくとも10Gb/sのデータ転送速度を有する。
【0060】
更に別の態様では、本発明は、光ファイバを作成する方法を含む。典型的には、この方法は、基材管の一側面に反応性ガスを供給することを含む。基材管の内部は、典型的には、従来の化学蒸着技術の約1.8倍の流量で酸素が供給される。この方法は、また、ガラス層の形成を促進するために基材管に沿った反対の2点の間でエネルギー源を往復運動させることを含む。
【0061】
例示的な実施形態では、この方法は、基材管に沿った反対の2点の間でプラズマ発生器を往復運動させることを含む。
【0062】
以上の説明のための要約並びに本発明の他の例示的な目的及び/又は利点、及びこれらを達成する方法は、以下の詳細な説明とその添付図面内で更に詳しく説明される。
【図面の簡単な説明】
【0063】
【図1】例示的なDMD測定方法及びグラフを概略的に示す図である。
【図2】本発明による例示的な光ファイバの規定屈折率分布を示すグラフである。
【図3】500キログレイの放射線にさらされる前と後の長さ300メートルの光ファイバの計算オーバーフィルド・モード帯域幅(OMBc)を示すグラフである。
【図4】500キログレイの放射線にさらされる前と後の長さ300メートルの光ファイバの計算有効モード帯域幅(EMBc)を示すグラフである。
【図5】半径方向オフセットの関数として比較の光ファイバのフッ素濃度(F)と塩素濃度(Cl)を示すグラフである。
【図6】半径方向オフセットの関数として例示的な光ファイバのフッ素濃度(F)と塩素濃度(Cl)を示すグラフである。
【図7】比較の光ファイバと例示的な光ファイバの放射線誘導減衰を放射線量の関数として示すグラフである。
【図8】比較の光ファイバの放射線誘導減衰を放射線量の関数として示すグラフである。
【図9】例示的な光ファイバの放射線誘導減衰を放射線量の関数として示すグラフである。
【図10】半径方向オフセットの関数として別の例示的な光ファイバのフッ素濃度(F)と塩素濃度(Cl)を示すグラフである。
【図11】更に別の例示的な光ファイバのフッ素濃度(F)と塩素濃度(Cl)を半径方向オフセットの関数として示すグラフである。
【図12】本発明による別の例示的な光ファイバの規定屈折率分布を示すグラフである。
【図13】本発明による更に別の例示的な光ファイバの規定屈折率分布を示すグラフである。
【図14】850ナノメートルの波長における、2つの例示的な光ファイバの所定の曲げ半径の2巻の微小曲げ損失を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0064】
本発明は、高帯域幅と低放射線誘導減衰を有するマルチモード光ファイバを含む。典型的には、光ファイバは、中心コア、内側クラッド及び外側クラッドを有する。
【0065】
光ファイバは、高帯域幅用途で適切に動作するのに十分な帯域幅を備えていなければならない。所定の波長では、光ファイバの帯域幅は、幾つかの異なる点で特徴付けられることがある。典型的には、いわゆる「オーバーフィルド・モード帯域幅」(OMB)と、いわゆる「有効モード帯域幅」(EMB)は区別される。0MB帯域幅の取得は、光ファイバの半径方向面全体にわたって均一な励振を示す光源(即ち、例えばレーザ・ダイオードや発光ダイオード(LED)を使用する全モード励振(overfilled launch)状態)を使用すると仮定する。
【0066】
VCSEL(面発光レーザ)など、高帯域幅用途で使用される最近開発された光源は、光ファイバの半径方向面にわたって不均一な励振を示す。この種の光源では、0MB帯域幅は、あまり適切な測定値ではなく、したがって、有効モード帯域幅(EMB)を使用することが望ましい。計算された有効モード帯域幅(EMBc)から、使用されるVCSELの種類と関係なくマルチモード光ファイバの最小EMBが推定される。EMBcは、異モード遅延(differential-mode-delay)(DMD)測定(例えば、FOTP−220規格に示されたような)から得られる。
【0067】
DMDを測定し有効モード帯域幅を計算する例示的な方法は、FOTP−220規格に見ることができる。この技法の更なる詳細は、P.F.KolesarとD.J.Mazzareseによる「Understanding Multimode Bandwidth and Differential Mode Delay Measurements and Their Applications」Proceedings of the 51st Int’l Wire and Cable Symposium, 2002, pp.453-460、並びにDoug ColemanとPhillip Bellによる「Calculated EMB Enhances 10GbE Performance Reliability for Laser-Optimized 50/125 μm Multimode Fiber」Corning Cable Systems Whitepaper (March 2005)の出版物に記載されている。
【0068】
図1は、TIA SCFO−6.6版(2002年11月22日)に公開されたFOTP−220規格の基準によるDMD測定の概略図を示す。図1は、光ファイバの一部(即ち、外側クラッドで取り囲まれた光学コア)を概略的に表わす。DMDグラフは、所定波長λ0の光パルスを、各連続パルス間で半径方向にオフセットされた状態で、マルチモード光ファイバに連続的に入射することによって得られる。このとき、各パルスの遅延が、ファイバの所定長Lの後で測定される。複数の同一光パルス(即ち、同じ振幅、波長及び周波数を有する光パルス)が、マルチモード光ファイバのコアの中心に対して異なる半径方向オフセットで入射される。入射光パルスは、図1では、光ファイバの光学コア上の点として示される。直径50ミクロンの光ファイバの特徴を調べるために、FOTP−220規格は、個々の測定を約2ミクロン以下の半径方向オフセット間隔で行うことを推奨している。これらの測定値から、モード分散と計算有効モード帯域幅(EMBc)を決定することができる。
【0069】
TIA−492AAAC−A規格は、イーサネット(登録商標)高帯域幅伝送ネットワーク用途で長距離に使用される直径50ミクロンのマルチモード光ファイバの性能要件を指定している。OM3規格は、850ナノメートルの波長で、少なくとも2,000MHz・kmのEMBを必要とする。OM3規格は、最大300メートルの距離まで、10Gb/s(10GbE)のデータ転送速度でのエラーなし伝送を保証する。OM4規格は、850ナノメートルの波長で、最大550メートルの距離まで10Gb/s(10GbE)のデータ転送速度でエラーなし伝送を達成するために、少なくとも4.700MHz・kmのEMBを必要とする。
【0070】
マルチモード光ファイバでは、光ファイバに沿った幾つかのモードの伝播時間(即ち、群遅延時間)の差が、光ファイバの帯域幅を決定する。詳細には、同じ伝播媒体の場合(即ち、階段状屈折率のマルチモード光ファイバでは)、様々なモードが、異なる群遅延時間を有する。群遅延時間のこの差によって、光ファイバの異なる半径方向オフセットに沿って伝播するパルス間に時間のずれが生じる。
【0071】
例えば、図1の右側のグラフに示されたように、個々のパルス間に時間のずれが見られる。この図1のグラフは、パルスが所定の長さの光ファイバを通るときに、それぞれ個々のパルスの半径方向オフセットをミクロン単位(Y軸)で、時間をナノ秒単位で(X軸)示す。
【0072】
図1に示されたように、X軸方向のピークの位置が変化し、この位置は、個々のパルス間の時間のずれ(即ち、遅延)を示す。この遅延によって、光パルスの幅が広がることになる。光パルスが広がると、パルスが後続パルスと重なる可能性が高まり、光ファイバが対応できる帯域幅(即ち、データ転送速度)が減少する。したがって、帯域幅は、光ファイバのマルチモード・コア内で伝播する光モードの群遅延時間に直接関連付けられる。これにより、広い帯域幅を保証するためには、全てのモードの群遅延時間が同一であることが望ましい。別の言い方をすると、多モード分散は、所定の波長においてゼロか又は少なくとも最小でなければならない。
【0073】
多モード分散を少なくするために、本発明の例示的なマルチモード光ファイバは、屈折率が光ファイバの中心からクラッドとの界面まで徐々に減少する(即ち、「アルファ」コア分布)を有するコアを備える。
【0074】
屈折率値nと光ファイバの中心からの距離rの関係によって、グレーデッド屈折率分布(即ち、アルファ屈折率分布)を次のように表すことができる。
【0075】
【数1】
【0076】
ここで、α≧1であり、αは、屈折率分布の形状を示す無次元パラメータであり、
n1は、光ファイバのコアの最大屈折率であり、
r1は、光ファイバのコアの半径であり、
【0077】
【数2】
【0078】
ここで、n0は、マルチモード・コアの最小屈折率である。
【0079】
したがって、グレーデッド屈折率(即ち、アルファ分布)を有する例示的なマルチモード光ファイバは、回転対称を有するコア分布を有し、その結果、屈折率の値は、光ファイバの半径方向に沿って、光ファイバのコアの中心からその周囲まで連続的に減少する。マルチモード光信号が、そのようなグレーデッド屈折率コア内を伝播するとき、様々な光モードが、異なる伝播媒体を経験する(即ち、屈折率が異なるので)。これは、各光モードの伝播速度に異なる影響を及ぼす。したがって、パラメータαの値を調整することによって、全モードで実質的に等しい群遅延時間を得ることができる。別の言い方をすると、屈折率分布を修正して多モード分散を減少させるか、更にはなくすことができる。
【0080】
図2は、本発明による例示的な光ファイバの屈折率分布をグラフで示す。光ファイバは、外側クラッド(例えば、外側光クラッド)で取り囲まれた中心コアを有する。コストの理由で、外側クラッドは、典型的には、天然シリカで作成されるが、ドープト・シリカで作成されてもよい。図示されたように、光ファイバの中心コアは、アルファ屈折率分布(即ち、グレーデッド屈折率分布)と外半径r1とを有するガラスを主成分とする中心コアである。中心コアは、典型的には、シリカの屈折率を下げるためにフッ素(F)がドープされる。
【0081】
中心コアのアルファ屈折率分布は、中心コアの外半径r1において、外側クラッドとの屈折率差Δnendに対応する最小屈折率を有する。別の言い方をすると、中心コアは、アルファ屈折率分布を有し、中心コアの外半径r1で、外側クラッド(例えば、外側クラッドの最も内側部分)との屈折率差Δnendを有する。
【0082】
中心コアのアルファ屈折率分布は、また、(例えば、中心コアの中心において)外側クラッドとの最大屈折率差Δn1を有する。中心コアのアルファ屈折率分布は、高帯域幅の達成を促進する。
【0083】
典型的には、光ファイバの中心コアは、約0〜−5x10−3(例えば、約−0.05x10−3〜−4x10−3)の最大屈折率差Δn1を有する。より典型的には、中心コアの最大屈折率差Δn1は、約0〜−2x10−3である。中心コアの外半径r1は、典型的には、約22.5ミクロン〜27.5ミクロン(即ち、25±2.5ミクロン)である。中心コアの最小屈折率Δnendは、典型的には、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、−17x10−3〜−19x10−3)である。より典型的には、中心コアの最小屈折率差Δnendは、約−20x10−3より大きい(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)。更に、中心コアのアルファ屈折率分布は、典型的には、約1.90〜2.15のαパラメータを有する。
【0084】
予備成形製造中に、典型的には、中心コアのアルファ屈折率分布は、約1000〜2000層(例えば、1400〜1700層)のガラス層を付着させることによって作成される。この点に関して、中心コアのアルファ屈折率分布は、典型的には、個別の層(例えば、屈折率が階段状に低下する約3〜200層)を使用する階段状近似よりも真のグレーデッド屈折率分布に類似している。真のグレーデッド・アルファ屈折率分布の中心コアと類似の規定アルファ屈折率分布を有する光ファイバは、典型的には、中心コアがアルファ屈折率分布の階段状近似を有する光ファイバより高い帯域幅を示す。
【0085】
図2に示されたように、例示的な光ファイバは、また、内側クラッドを含む。光ファイバの内側クラッドは、中心コアと外側クラッドとの間に位置決めされる。内側クラッドは、外半径r2、幅w2、及び外側クラッドとの屈折率差Δn2を有する。内側クラッドは、典型的に、シリカの屈折率を小さくするためにフッ素(F)がドープされる。光ファイバの内側クラッドは、一般に、中心コア内に光信号を閉じ込める。
【0086】
内側クラッドの屈折率差Δn2は、典型的には、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)である。内側クラッドの幅w2は、典型的には、約5ミクロン〜37.5ミクロン(例えば、約10ミクロン〜25ミクロン)である。例示的な実施形態では、内側クラッドの幅w2は、約20ミクロン以上である。内側クラッドの外半径r2は、典型的には、約30ミクロン〜62.5ミクロン(例えば、35ミクロン〜50ミクロン)である。
【0087】
例示的な実施形態では、内側クラッドの外半径r2は、約45ミクロン以上(例えば、約50ミクロン〜62.5ミクロン)である。本発明者は、約45ミクロンを超える内側クラッド外半径r2を有する例示的な光ファイバが、45ミクロン未満の内側クラッド外半径を有する光ファイバと比較して閉じ込め損失が小さいので、ファイバ長の影響をあまり受けない帯域幅を示すことを発見した。
【0088】
例示的な実施形態では、内側クラッドの屈折率差Δn2は、中心コアの最小屈折率差Δnendとほぼ等しい。しかしながら、内側クラッドの屈折率差Δn2は、中心コアの最小屈折率差Δnendより大きくても小さくてもよい。
【0089】
図2は、外側クラッドに対して一定の屈折率差を有する内側クラッド層を示す。しかしながら、本発明による例示的な光ファイバは、半径方向位置の関数(例えば、台形、三角形、又はアルファ分布)として変化する1つ又は複数の屈折率差を有してもよい。一定でない屈折率を有するクラッド層の場合、それぞれの屈折率差(例えば、内側クラッドの屈折率差Δn2)は、絶対値で表したクラッド層と外側クラッド層との最大屈折率差を指す。
【0090】
更に、当業者は、典型的には外側クラッドが一定の屈折率を有することを理解するであろう。しかしながら、外側クラッドが一定でない屈折率を有する場合、屈折率差は、典型的には、外側クラッドの最も内側の部分(即ち、外側クラッドの、中心コアに最も近く光ファイバ内の光信号の伝播に影響を及ぼすことがある部分)に対して測定される。
【0091】
したがって、例示的な製造されたマルチモード光ファイバは、クラッド層で取り囲まれたグレーデッド屈折率中心コアを有する。コアとクラッドの境界面は、コアのアルファ屈折率分布を中断する。したがって、マルチモード光ファイバのコアは、理論的に完全なアルファ分布(即ち、アルファ規定分布)に対応しない。外側クラッドは、より低次のモードに対してより高次のモードを加速する。この現象は、「クラッド効果(cladding effect)」として知られる。DMD測定では、最も高い半径方向位置(即ち、外側クラッドに最も近い)の得られた応答は、複数のパルスを示し、その結果、応答信号が自覚的に拡大する。したがって、このクラッド効果によって帯域幅が縮小する。
【0092】
光ファイバのクラッド効果は、外側マスクにより取得された異モード遅延測定値を使用して評価されてもよい。例えば、50ミクロンの中心コアの場合(即ち、中心コア径が50±3ミクロンで、半径が25±1.5ミクロン)、FOTP−220規格の方法を使用することによって、外側マスク0〜23ミクロンでの異モード遅延値を得ることができる。この関連で、中心コアの中心(即ち、0ミクロン)から23ミクロンまでの半径方向オフセットにわたって、DMD法を使用して、外側マスク0〜23ミクロンでの異モード遅延値(即ち、DMDout、外側DMD(0〜23ミクロン))が測定される。換言すると、光ファイバの外側DMD値を計算するとき、23ミクロンを超える半径方向オフセット値の信号は考慮されない。
【0093】
当業者は、より大きいか又は小さいコア径を有する光ファイバのために外側マスクの寸法が修正されてもよいことを理解されよう。例えば、より大きい寸法(例えば、より大きい内半径及び外半径)を有するマスクは、直径62.5ミクロンのコアを有するマルチモード光ファイバに対して使用されてもよい。同様に、50ミクロン未満のコアを有するマルチモード光ファイバに対しては、もっと小さい寸法(例えば、より小さい内半径と外半径)を有するマスクが使用されてもよい。
【0094】
外側DMDは、光ファイバの長さ(例えば、750メートルの光ファイバ)にわたって測定されたDMDのプロットから生じる。使用される光源は、850ナノメートルで放射するチタン・サファイア・パルス・レーザでよい。光源は、4分の1の高さで40ピコ秒未満のパルスを放射し、RMS(二乗平均)のスペクトル幅は、0.1ナノメートル未満である。
【0095】
内側マスクによって得られた異モード遅延測定値を使用して、光ファイバの異モード遅延の他の態様を評価することができる。FOTP−220規格の方法を使用することにより、内側マスク5〜18ミクロン上の異モード遅延値を得ることができる。これに関連して、中心コアの中心から5ミクロン乃至中心コアの中心から18ミクロンの半径方向オフセット範囲にわたって、DMD法を使用することにより、内側5〜18マスク・ミクロン(即ち、DMDin、内側DMD(5〜18ミクロン))の異モード遅延値が測定される。
【0096】
FOTP−220規格の方法によるスライド・マスクにより得られた異モード遅延測定値を使用することにより、光ファイバの異モード遅延の更に他の態様を評価することができる。7ミクロン〜19ミクロン(即ち、DMDslid又はスライドDMD(7〜19ミクロン))の半径方向オフセット位置の任意の6ミクロン期間にわたる最大DMDマスク幅を決定するために、スライド・マスクDMD測定が行なわれる。
【0097】
前述のように、典型的な光ファイバに対して、コアncの屈折率は、典型的には、光クラッドngの屈折率より大きい(即ち、nc>ng)。しかしながら、図2の例示的な光ファイバは、陥没中心コア(例えば、フッ素がドープされたシリカ・コア)を有する。これに関して、中心コアの最大屈折率差Δn1は、約0以下である。別の言い方をすると、中心コアの最大屈折率値は、外側クラッドの屈折率値以下である。
【0098】
例示的な実施形態では、中心コアの最大屈折率差Δn1は負である。当業者は、全体コアが、外側クラッドに対して負の屈折率を有する光ファイバの実施形態の場合、中心コアと外側クラッドとの最大屈折率差が、中心コアの最も外側の部分で生じることを理解するであろう。換言すると、絶対値で表した中心コアと外側クラッドの最大屈折率差は、中心コアのアルファ屈折率分布の端で生じる。これと反対に、絶対値で表した中心コアと外側クラッドの最小屈折率差は、中心コアのアルファ屈折率分布の中心で生じる。
【0099】
前に述べたように、外側クラッドは、典型的には、純粋シリカで作成される。しかしながら、幾つかの例示的な実施形態では、光ファイバは、純粋シリカの外側クラッドを含まない。例えば、光ファイバは、光ファイバの最も外側の半径まで延在するフッ素ドープト・クラッド(例えば、内側クラッド)で取り囲まれた中心コアを有してもよい。そのような実施形態では、屈折率差は、典型的には、約1.456の屈折率値を有する純粋シリカに対して測定される。フッ素ドープト・クラッドで取り囲まれた中心コアを有する例示的な光ファイバは、フッ素をドープした基材管を使用するPCVD蒸着により製造されてもよい。あるいは、例示的な光ファイバは、蒸着後に機械的技法又はエッチング技法によって除去される純粋シリカ蒸着管を使用して製造されてもよい。
【0100】
ゲルマニウム及び/又はリンの存在は、放射線誘導減衰を促進する傾向がある。それにもかかわらず、同一出願人による米国特許出願公報第2012/0039361号は、ゲルマニウム・ドーピングが光ファイバの水素誘導減衰を減少させることができることを示している。したがって、この光ファイバは、多少のゲルマニウム・ドーピングによって製造される陥没中心コア(及び/又は内部クラッド層)を有してもよい。幾つかの例示的なマルチモード光ファイバは、0.1重量パーセント以下の最大ゲルマニウム濃度(例えば、約0.01〜0.05重量パーセントのゲルマニウム)を有するゲルマニウム・ドープト中心コアを有してもよい。換言すると、中心コアの幅全体にわたって、ゲルマニウム濃度は、0.1重量パーセントを超えない。
【0101】
水素が豊富な環境では、約200℃を超える温度(例えば、250℃)で、光ファイバの中心コア内のゲルマニウムの存在が、水素誘導減衰を促進できることが確認された。したがって、陥没中心コア(例えば、フッ素ドープト・シリカのアルファ屈折率コア)を得るために、光ファイバの規定分布は、典型的には、ゲルマニウム・ドーピング又はリン・ドーピングなしに製造される。代わりに、中心コアのアルファ屈折率分布は、フッ素ドーピングを使用して中心コアの屈折率を外側クラッドの屈折率より小さくすることによって達成される。
【0102】
例示的なマルチモード光ファイバは、通常、中心コア内のゲルマニウムの濃度が0.005重量パーセント未満(即ち、50ppm未満)となるように実質的にゲルマニウム・ドーパントがない中心コアを有する。換言すると、そのような光ファイバは、意図的にドープされず、極微量のゲルマニウムは不純物と見なされる。
【0103】
例示的な光ファイバの中心コア内にゲルマニウムとリンがないと、光ファイバの性能特性の2つの態様が改善される。中心コアにゲルマニウムとリンを含まなくすることによって、光ファイバ全体の減衰が減少する。更に、前述したように、中心コア内にゲルマニウム又はリンがないと、光ファイバの放射線に対する耐性が改善される。
【0104】
陥没コア光ファイバの改善された放射線耐性の一態様を説明するために、図3と図4はそれぞれ、放射線照射前と後の300メートルの光ファイバ・サンプルの計算オーバーフィルド・モード帯域幅(OMBc)と計算有効モード帯域幅(EMBc)をグラフで示す。図3と図4のデータを生成するために使用された光ファイバは、陥没アルファ屈折率コアと、35ミクロンの外半径を有する内側クラッドとを有し、したがって図2の例示的な光ファイバと類似の屈折率分布を有する。グラフには2本のバーがある。影付きの左側バーは、照射前の光ファイバの帯域幅(即ち、OMBc又はEMBc)を示す。これに対応する影のない右側バーは、500キログレイの放射線量にさらされた後の光ファイバの帯域幅を示す。
【0105】
典型的には、ゲルマニウム・ドープト中心コアを有する標準マルチモード光ファイバに関して、計算オーバーフィルド・モード帯域幅と計算有効モード帯域幅は両方とも、放射線照射後に500キログレイの累積線量までの実質的にゼロであり、その理由は、放射線が、光ファイバの減衰を数百dB/kmまで高めるからである。
【0106】
図3と図4にそれぞれ示されたように、300メートルの陥没アルファ屈折率コア光ファイバの場合、500キログレイの放射線は、光ファイバの計算オーバーフィルド・モード帯域幅に影響を及ぼさず、光ファイバの計算有効モード帯域幅を僅かに小さくしただけである。したがって、例示的な光ファイバの中心コア内のゲルマニウムとリンの不在は、帯域幅の放射線誘導減衰に対する光ファイバの耐性を改善する。
【0107】
例示的な光ファイバの陥没アルファ屈折率コアの更なる利点は、表1(下)を参照してよりよく理解されるであろう。表1は、図3と図4の光ファイバに行なわれた測定の結果を示す。この場合も、測定は、光ファイバが500キログレイの放射線にさらされる前と後で行なわれた。
【0108】
表1の第1列は、光ファイバの長さを示す。第2列と第7列はそれぞれ、照射前と後の光ファイバの外側DMD(DMDout)値を示す。第3列と第8列はそれぞれ、照射前と後の光ファイバの内側DMD(DMDin)値を示す。第4列と第9列はそれぞれ、照射前と後の光ファイバのスライドDMD(DMDslid)値を示す。第5列と第10列はそれぞれ、照射前と後の光ファイバの計算有効モード帯域幅(EMBc)を示す。第6列と第11列はそれぞれ、照射前と後の光ファイバの計算オーバーフィルド・モード帯域幅(OMBc)を示す。各測定は、850ナノメートルの波長で行なわれた。
【0109】
【表1】
【0110】
表1に示されたように、光ファイバのDMD及び帯域幅特性は、放射線によって著しい影響を受けない。表1のEMBc及びOMBcデータは、図3と図4にグラフで示された。これにより、表1は、また、例示的な光ファイバの中心コア内のゲルマニウムとリンの不在が、光ファイバの帯域幅の放射線誘導劣化に対する耐性を改善することを示す。
【0111】
PCVDによる光ファイバの製造中、典型的には光ファイバに塩素(Cl)が添加される。例えば、図5は、典型的な塩素濃度を使用して製造された比較の陥没グレーデッド屈折率マルチモード光ファイバの化学組成をグラフで示す。比較の光ファイバは、約10ミクロンの幅を有する内側クラッドで取り囲まれた直径50ミクロンの中心コアを有する。
【0112】
それぞれの塩素濃度とフッ素(F)濃度(即ち、重量パーセント)は、光ファイバの半径の関数として示される。中心に位置決めされた縦軸と黒い菱形のプロット線は、特定の半径方向オフセットにおける光ファイバのフッ素(F)濃度を提供する。同様に、右側の縦軸と明るい正方形のプロット線は、特定の半径方向オフセットにおける光ファイバの塩素(Cl)濃度を示す。本明細書で使用されるとき、塩素濃度又はフッ素濃度の列挙はそれぞれ、元素塩素又はフッ素の重量分率を指す。
【0113】
図5に示されたように、比較の光ファイバの塩素濃度は、中心コアの幅の約95パーセントにわたって0.10重量パーセントより大きい。更に、比較の光ファイバの平均塩素濃度は、約0.15重量パーセントである。
【0114】
これと対照的に、本発明の例示的な光ファイバは、典型的には、低い塩素濃度を有する。例えば、例示的な光ファイバは、図5の比較の光ファイバの2分の1〜3分の1の平均塩素濃度を有する。図6は、本発明による陥没グレーデッド屈折率マルチモード光ファイバの例示的な実施形態の化学組成をグラフで示す。示された例示的な光ファイバは、約10ミクロンの幅を有する内側クラッドで取り囲まれた直径50ミクロンの中心コアを有する。
【0115】
この場合も、塩素濃度とフッ素濃度は、光ファイバの半径の関数として示される。中心に位置決めされた縦軸と黒い菱形のプロット線は、特定の半径方向オフセットにおける光ファイバのフッ素濃度を示す。右側の縦軸と明るい正方形のプロット線は、特定の半径方向オフセットにおける光ファイバの塩素濃度を示す。
【0116】
図6に示されたように、中心コアの幅全体にわたって、例示的な光ファイバの塩素濃度は、0.10重量パーセント未満である(即ち、中心コアは、0.10重量パーセントより小さい最大塩素濃度を有する)。更に、中心コアの幅の95パーセントにわたって、例示的な光ファイバの塩素濃度は、0.07重量パーセント未満でないにしても、0.08重量パーセント未満である。更に、示された例示的な光ファイバの平均塩素濃度は、約0.06重量パーセントである。
【0117】
より一般に、中心コアの幅の95パーセントにわたって、例示的な光ファイバは、典型的には、0.10重量パーセント未満(例えば、0.09重量パーセント未満)の塩素濃度を有する。幾つかの実施形態では、中心コアの幅全体にわたって、例示的な光ファイバの塩素濃度は、0.08重量パーセント未満(例えば、0.07重量パーセント未満)である。例えば、中心コアの幅全体にわたって、例示的な光ファイバの塩素濃度は、0.06重量パーセント未満(例えば、0.05重量パーセント未満)でよい。
【0118】
更に、例示的な実施形態では、光ファイバは、約0.10重量パーセント未満(例えば、約0.09重量パーセント未満)の平均塩素濃度を有する。例示的な光ファイバは、典型的には約0.08重量パーセント未満(例えば、0.07重量パーセント未満)の平均塩素濃度を有する。より典型的には、例示的な光ファイバは、0.06重量パーセント未満(例えば、0.05重量パーセント未満)の平均塩素濃度を有する。幾つかの例示的な実施形態では、光ファイバは、0.03重量パーセント未満(例えば、0.01重量パーセント未満)の平均塩素濃度を有する。
【0119】
例示的な実施形態では、その外半径で、中心コアは、少なくとも約3重量パーセント(例えば、3.5〜7.0重量パーセント)の最低フッ素濃度を有する。中心コアの外半径で、例示的な光ファイバは、典型的には4重量パーセント(例えば、4.5〜6.0重量パーセント)の最低フッ素濃度を有する。図6を参照されたい。
【0120】
前に述べたように、典型的な製造技術では、光ファイバに塩素が添加される。しかしながら、放射線の多い環境の状況では、本発明者は、高い塩素濃度が実際に光ファイバの減衰を大きくすることを発見した。
【0121】
図7は、(i)典型的な技術を使用して製造された比較の光ファイバと(ii)本発明による例示的な光ファイバの両方の放射線誘導減衰(即ち、誘導損失)を放射線量の関数としてグラフで示す。比較の光ファイバと例示的な光ファイバは、図2と類似の屈折率分布を有する陥没グレーデッド屈折率マルチモード光ファイバである。より明るい色(かつ上側)のプロット線は、比較の光ファイバの放射線誘導減衰を示す。より暗い色(かつ下側)のプロット線は、例示的な光ファイバの放射線誘導減衰を示す。
【0122】
図8は、放射線誘導減衰(即ち、誘導損失)を、比較の光ファイバの放射線量の関数としてグラフで示す。図9は、放射線誘導減衰(即ち、誘導損失)を、例示的な光ファイバの放射線量の関数としてグラフで示す。
【0123】
図7〜図9のプロットを作成するために、光ファイバは、0.15Gy/sの線量率と約24℃の温度でコバルト60放射線源(即ち、60Co放射線源)を使用して19時間放射線照射された。照射中、光ファイバの放射線誘導減衰は、856ナノメートルの波長と約−18dBm(即ち、約16μW)の波長で放射するLED光源を使用して測定された。図7〜図9のプロットを生成するために使用される装置及び試験手順の更なる詳細は、Jochen Kuhnhenn、Stefan Klaus Hoffgen、及びUdo Weinandによる「Quality Assurance for Irradiation Tests of Optical Fibers: Uncertainty and Reproducibility」IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol.56, No.4, August 2009, at 2160-2166の出版物に見ることができる。
【0124】
図7〜図9に示されたように、例示的な光ファイバは、放射線誘導減衰に対して、比較の光ファイバより大きい耐性を示した。実際には、例示的な光ファイバの放射線誘導減衰は、比較の光ファイバの放射線誘導減衰の2分の1〜3分の1である。
【0125】
これに関連して、856ナノメートルの波長、約24℃の温度、及び0.15Gy/sの放射線量率で、比較の光ファイバは、650グレイの放射線照射後に61.5dB/kmの放射線誘導減衰を示した。650グレイ〜1500グレイの放射線量で、比較の光ファイバの放射線誘導減衰は、約60.95dB/kmまで約0.9パーセント減少する。1500グレイ〜10,000グレイの放射線量で、比較の光ファイバの放射線誘導減衰は、67.35dB/kmまで9.5パーセント増大する。比較の光ファイバの放射線誘導減衰は、照射中に減少と増大が共にあったので、相対的に予測不能である。したがって、比較の光ファイバは、(i)高い放射線誘導減衰、(ii)高い放射線誘導減衰変化、及び(iii)予測不能な放射線誘導減衰変化を示した。
【0126】
これと対照的に、856ナノメートルの波長、約24℃の温度、及び0.15Gy/sの放射線量率で、例示的な光ファイバは、650グレイの放射線照射後に26.7dB/kmの放射線誘導減衰を示した。650グレイ〜10,000グレイの線量で、例示的な光ファイバの放射線誘導減衰は、28.7dB/kmまで5.6パーセント増大した。特に、例示的な光ファイバの放射線誘導減衰は、放射線照射の間だけ増大した。これにより、例示的な光ファイバは、(i)相対的に低い放射線誘導減衰、(ii)相対的に低い放射線誘導減衰変化、及び(iii)比較の光ファイバより予測可能な放射線誘導減衰変化を示した。
【0127】
図7の放射線試験結果は、高い塩素濃度が、特に放射線が多い環境で、光ファイバの減衰を大きくし得ることを示す。したがって、例示的な光ファイバの塩素の相対的に低い濃度は、ファイバがゲルマニウムやリンなどのドーパントを含まないということと相まって、放射線の多い環境における低いファイバ減衰値の達成を促進する。
【0128】
幾つかの例示的な実施形態では、本発明の光ファイバは、高いハロゲン比率を有する。本明細書で使用されるとき、「ハロゲン比率」の概念は、元素塩素の重量分率に対する元素フッ素の重量分率の比率を指す。例えば、ハロゲン比率は、光ファイバの特定の半径(例えば、中心コアの外半径)において表されてもよく、1つ又は複数の層にわたる平均(例えば、中心コア全体の平均)として表わされてもよい。ハロゲン比率は、光ファイバの屈折率分布を実現するために使用されるフッ素ドーパントの量と製造工程中に光ファイバに添加される塩素量との有意の比較を提供する。
【0129】
この光ファイバは、典型的には、中心コアの外半径で、約30を超える(例えば、約50〜500)のハロゲン比率を有する。光ファイバが、元素フッ素及び/又は元素塩素の濃度に関する周囲の変化を示すという点で、平均濃度を使用して、そのような半径に依存するハロゲン比率を計算してもよい。
【0130】
光ファイバのコア−クラッド平均ハロゲン比率は、光ファイバのコアと最も内側のクラッド層の中の平均ハロゲン比率である(即ち、図2と図13に示された内側クラッドや図12に示されたような埋め込みトレンチなど、中心コアと隣接したクラッド層)。例えば、中心コア、内側クラッド及び外側クラッドを有する光ファイバのコア−クラッド平均ハロゲン比率を計算するために、中心コアと内側クラッド内の平均フッ素濃度と塩素濃度が使用される。したがって、コア−クラッド平均ハロゲン比率は、典型的には、光ファイバの伝送信号が主に伝播する部分のハロゲン比率を表わす。
【0131】
従来の技術を使用して製造された光ファイバは、典型的には、約18.5未満のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。これと対照的に、光ファイバの例示的な実施形態は、典型的には、約20を超える(例えば、約22〜300の)コア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。典型的には、光ファイバは、25〜269(例えば、約48〜240)のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。より典型的には、光ファイバは、53〜200(例えば、約60〜140)のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する。
【0132】
光ファイバのコア平均ハロゲン比率は、光ファイバの中心コア内の平均フッ素濃度と塩素濃度を使用して決定される。従来の技術を使用して製造された光ファイバは、典型的には、約15未満のコア平均ハロゲン比率を有する。これと対照的に、例示的な光ファイバは、典型的には、約20を超える(例えば、約30〜170の)コア平均ハロゲン比率を有する。
【0133】
ハロゲン比率が高いほど、光ファイバの放射線耐性が改善されると思われる。詳細には、高いハロゲン比率を有する光ファイバは、典型的には、低い放射線誘導減衰を示す。更に、高ハロゲン比率の光ファイバは、典型的には、光ファイバの帯域幅を損なう可能性がある放射線誘導屈折率変化に対する耐性が高い。したがって、高いハロゲン比率を有する光ファイバは、典型的には、高帯域幅を有し、放射性の多い環境で低い減衰を示す。
【0134】
例えば、図10と図11は、フッ素濃度(F)と塩素濃度(Cl)を、2つの例示的な光ファイバの半径方向オフセットの関数として示す。例示的な光ファイバは、約15ミクロンの幅を有する内側クラッドで取り囲まれた直径50ミクロンの中心コアを有する。
【0135】
それぞれの塩素濃度とフッ素濃度(即ち、重量パーセント内)は、光ファイバの半径の関数として示される。左側の縦軸と明るい色の正方形のプロット線は、特定の半径方向オフセットにおける光ファイバの塩素濃度を示す。同様に、右側の縦軸と黒い円形のプロット線は、特定の半径方向オフセットにおける光ファイバのフッ素濃度を示す。本明細書で使用されるとき、塩素濃度とフッ素濃度の列挙はそれぞれ、元素塩素又はフッ素の重量分率を指す。
【0136】
図10の光ファイバは、そのコア内に0.10重量パーセントの平均塩素濃度を有し、図11の光ファイバは、そのコア内に0.05重量パーセントの平均塩素濃度を有する。図10と図11の光ファイバは、それぞれのコア内に同等の平均フッ素濃度を有する。したがって、図11の光ファイバは、図10の光ファイバのコア平均ハロゲン比率の約2倍(即ち、2X)のコア平均ハロゲン比率を有する。
【0137】
図10と図11の光ファイバは、コバルト60放射線源(即ち、60Co放射線源)を使用して、約1.25Gy/sの線量率、約45℃の温度で、2.35MGy(即ち、2.35メガグレイ)の蓄積線量まで放射線照射された。照射後に、光ファイバの放射線誘導減衰を測定した。波長1300ナノメートルでは、図10の光ファイバは、図11の光ファイバより50パーセント多い(即ち、1.5X)放射線誘導減衰を示した。更に、波長850ナノメートルでは、図10の光ファイバは、図1Iの光ファイバより100パーセント多い(即ち、2X)放射線誘導減衰を示した。これにより、光ファイバのコア平均ハロゲン比率を高めると、光ファイバの放射線誘導減衰が減少すると考えられる。
【0138】
一実施形態によれば、本発明の光ファイバは、波長分散に関する仕様を除きITU−T推奨G.651.1に従う。したがって、50ミクロンの中心コア径(即ち、25ミクロンの中心コア半径r1)及び/又は0.2±0.015の開口数を有する。
【0139】
別の態様では、本発明は、本明細書に開示されたような光ファイバの少なくとも一部分を含むマルチモード光システムを含む。詳細には、光学システムは、少なくとも100メートル(例えば、300メートル)にわたって少なくとも10Gb/sのデータ転送速度を発揮することができる。この点で、この光学システムの例示的な実施形態は、波長分散に関するそれぞれの仕様を除き、OM3とOM4の基準に従う。
【0140】
幾つかの例示的な実施形態では、本発明の光ファイバは、中心コアと外側クラッドとの間に位置決めされた埋め込みトレンチを有する。典型的には、光ファイバの埋め込みトレンチは、内側クラッドを直接取り囲んでもよい。あるいは、光ファイバは、中心コアを直接取り囲む埋め込みトレンチを有してもよい。中心コアを直接取り囲む埋め込みトレンチを含む例示的な実施形態では、光ファイバには、中間クラッド(例えば、埋め込みトレンチと外側クラッドとの間に位置決めされた中間クラッド)があってもなくてもよい。
【0141】
埋め込みトレンチを有する例示的な実施形態の場合、埋め込みトレンチは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する。典型的には、用語「埋め込みトレンチ」は、光ファイバの、外側クラッドの屈折率よりかなり小さい屈折率を有する半径方向部分を示すために使用される。
【0142】
一般的に言って、屈折率差は、以下の式を使用してパーセントとして表すことができる。
【0143】
【数3】
【0144】
n(r)は、半径方向位置の関数としての比較の屈折率値(例えば、埋め込みトレンチの屈折率n3)であり、ncladdingは、外側クラッドの屈折率値である。当業者は、屈折率が光ファイバの所定の区間にわたって変化する場合(即ち、屈折率値が半径方向位置の関数として変化する)又は屈折率が所定の区間にわたって一定である場合に、この式を使用できることを理解するであろう。
【0145】
したがって、外側クラッドに対する一定の屈折率差を、以下の式を使用してパーセントとして表すことができる。
【0146】
【数4】
【0147】
nは、比較の屈折率値(例えば、埋め込みトレンチの屈折率n3)であり、ncladdjngは、外側クラッドの屈折率値である。
【0148】
本明細書で使用されるとき、埋め込みトレンチの体積vは、以下の式により定義される。
【0149】
【数5】
【0150】
rintとrextはそれぞれ、埋め込みトレンチの内半径と外半径であり、Δ%(r)は、パーセントで表された外側クラッドに対する埋め込みトレンチの屈折率差である。当業者は、この式が長方形トレンチと非長方形トレンチの両方に使用できることを理解するであろう。
【0151】
埋め込みトレンチが長方形形状(即ち、ステップ屈折率分布)を有する場合、式(前述)を以下の式に単純化することができる。
【0152】
【数6】
【0153】
rextとrintはそれぞれ、埋め込みトレンチの外半径と内半径であり、Δ%は、パーセントとして表された外側クラッドに対する埋め込みトレンチの屈折率差である。
【0154】
前述のように、例示的な光ファイバは、中心コアを直接取り囲む埋め込みトレンチを有してもよい。図12は、中心コアを直接取り囲む埋め込みトレンチを有する例示的な光ファイバの規定屈折率分布をグラフで示す。光ファイバは、外側クラッド(例えば、外側光クラッド)で取り囲まれた中心コアを有する。コストの理由のため、外側クラッドは、典型的には、天然シリカでは作成されるが、ドープト・シリカで作成されてもよい。図示されたように、光ファイバの中心コアは、アルファ屈折率分布(即ち、グレーデッド屈折率分布)と外半径r1を有するガラスを主成分とする中心コアである。中心コアは、典型的には、シリカの屈折率を小さくするためにフッ素がドープされる。
【0155】
中心コアのアルファ屈折率分布は、中心コアの外半径r1における外側クラッドとの屈折率差Δnendに対応する最小屈折率を有する。別の言い方をすると、中心コアは、アルファ屈折率分布と、中心コアの外半径r1における外側クラッド(例えば、外側クラッドの最も内側の部分)との屈折率差Δnendとを有する。
【0156】
中心コアのアルファ屈折率分布は、また、外側クラッド(例えば、中心コアの中心)との最大屈折率差Δn1を有する。中心コアのアルファ屈折率分布は、高帯域幅の達成を容易にする。
【0157】
典型的には、光ファイバの中心コアは、約0〜−4x10−3の最大屈折率差Δn1を有する。より典型的には、中心コアの最大屈折率差Δn1は、約−0.1x10−3〜−1.5x10−3である。中心コアの外半径r1は、典型的には、約22.5ミクロン〜27.5ミクロン(即ち、25±2.5ミクロン)である。中心コアの最小屈折率Δnendは、典型的には、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、約−17x10−3〜−19x10−3)である。より典型的には、中心コアの最小屈折率差Δnendは、約−18x10−3より大きい(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)。更に、中心コアのアルファ屈折率分布は、典型的には、約1.9〜2.1のαパラメータを有する。
【0158】
図12に示されたように、例示的な光ファイバは、中心コアを直接取り囲む埋め込みトレンチを有する。埋め込みトレンチは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する。埋め込みトレンチは、典型的には、シリカの屈折率を低下させるためにフッ素がドープされる。埋め込みトレンチは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する。例示的な実施形態では、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3は、約−15x10−3〜−36x10−3(例えば、約−18x10−3〜−34x10−3)である。典型的には、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3は、約−16x10−3〜−30x10−3(例えば、約−19x10−3〜−21x10−3)である。
【0159】
以上の内容によれば、例示的なトレンチ支援マルチモード光ファイバは、約6重量パーセント〜7重量パーセントなどの少なくとも約5重量パーセント(例えば、5.5〜6.5重量パーセント)のフッ素濃度を有する埋め込みトレンチを有してもよい。典型的には、シリカに1重量パーセントのフッ素をドープすると、純粋シリカに対して約−3x10−3の屈折率差が生じる。
【0160】
幾つかの例示的な実施形態では、埋め込みトレンチ屈折率差Δn3と中心コアの最小屈折率Δnendとの差(即ち、Δn3−Δnend)は、約−1x10−3〜−15x10−3(例えば、約−2x10−3〜−14x10−3)である。埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と中心コアの最小屈折率Δnendとの差(即ち、Δn3−Δnend)は、典型的には、約−3x10−3〜−13x10−3(例えば、約−3x10−3〜−10x10−3、又は約−4x10−3〜−12x10−3)である。より典型的には、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と中心コアの最小屈折率Δnendとの差(即ち、Δn3−Δnend)は、約−5x10−3〜−11x10−3(例えば、約−6x10−3〜−10x10−3)である。
【0161】
埋め込みトレンチの幅w3は、0.5ミクロン〜10ミクロン(例えば、約2ミクロン〜8ミクロン)でよい。典型的には、埋め込みトレンチの幅w3は、約3ミクロン〜7ミクロン(例えば、約4ミクロン〜6ミクロン)である。埋め込みトレンチの外半径r3は、典型的には、約23ミクロン〜38ミクロン(例えば、約26ミクロン〜35ミクロン)である。より典型的には、埋め込みトレンチの外半径r3は、約28ミクロン〜33ミクロン(例えば、約30ミクロン〜32ミクロン)である。幾つかの例示的な実施形態では、本発明の光ファイバは、約260%・μm2以上(例えば、約280%・μm2〜450%・μm2)の体積v3を有する埋め込みトレンチを有する。より典型的には、埋め込みトレンチは、約300%・μm2〜425%・μm2(例えば、約350%・μm2〜400%・μm2)の体積v3を有する。埋め込みトレンチは、典型的には、シリカの屈折率を下げるためにフッ素(F)がドープされる。
【0162】
図12に示されたように、r=r1の値では、光ファイバの屈折率は、中心コアの最小屈折率Δnendから埋め込みトレンチの屈折率差Δn3まで歴然とした不連続な低下がある。しかしながら、例示的な実施形態では、中心コアの外半径r1における光ファイバの屈折率の低下は、連続でもよい。例えば、中心コアのアルファ屈折率分布は、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3に対応する屈折率差Δnendを有する。
【0163】
図12の例示的な光ファイバは、また、埋め込みトレンチと外側クラッドとの間に位置決めされた中間クラッドを有する。中間クラッドは、外半径r4、幅w4、及び外側クラッドとの屈折率差Δn4を有する。中間クラッドは、典型的には、シリカの屈折率を下げるためにフッ素がドープされる。
【0164】
例示的な実施形態では、中間クラッドの屈折率差Δn4は、中心コアの最小屈折率差Δnendとほぼ等しい。しかしながら、中間クラッドの屈折率差Δn4は、中心コアの最小屈折率差Δnendより大きくても小さくてもよい。
【0165】
光ファイバの中間クラッドは、典型的には、約8ミクロン〜40ミクロン(例えば、約10ミクロン〜25ミクロン)の幅w4を有する。中間クラッドの屈折率差Δn4は、典型的には、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、約−17x10−3〜−19x10−3)である。より典型的には、中間クラッドの屈折率差Δn4は、約−20x10−3より大きい(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)。中間クラッドの外半径r4は、典型的には、約30ミクロン〜62.5ミクロン(例えば、約35ミクロン〜50ミクロン)である。
【0166】
例示的な実施形態では、中間クラッドの外半径r4は、約45ミクロン以上(例えば、約50ミクロン〜62.5ミクロン)である。本発明者は、約45ミクロンより大きい中間クラッド外半径r2を有する例示的な光ファイバが、45ミクロン未満の中間クラッド外半径を有する光ファイバより閉じ込め損失が小さいので、ファイバ長の影響を受けにくい帯域幅を示すことを発見した。
【0167】
図13は、典型的には、埋め込みトレンチを有する更に別の例示的な光ファイバの規定屈折率分布をグラフで示す。光ファイバは、外側クラッド(例えば、外側光クラッド)で取り囲まれた中心コアを有する。図示されたように、光ファイバの中心コアは、アルファ屈折率分布(即ち、グレーデッド屈折率分布)、外半径r1、最小屈折率Δnend、及び最大屈折率差Δn1を有するガラスが主成分の中心コアである。
【0168】
この例示的な実施形態では、光ファイバの中心コアは、典型的には、約0〜−5x10−3(例えば、約−0.05x10−3〜−4x10−3)の最大屈折率差Δn1を有する。より典型的には、中心コアの最大屈折率差Δn1は、約0〜−2x10−3である。中心コアの外半径r1は、約22.5ミクロン〜27.5ミクロン(即ち、25±2.5ミクロン)である。中心コアの最小屈折率Δnendは、典型的には、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、約−17x10−3〜−19x10−3)である。より典型的には、中心コアの最小屈折率差Δnendは、約−20x10−3より大きい(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)。更に、中心コアのアルファ屈折率分布は、典型的には、約1.90〜2.15のαパラメータを有する。
【0169】
図13に示されたように、例示的な光ファイバは、また、内側クラッド(例えば、リング)を有する。光ファイバの内側クラッドは、中心コアと外側クラッドとの間に位置決めされる。内側クラッドは、外半径r2、幅w2、及び外側クラッドとの屈折率差Δn2を有する。内側クラッドは、典型的には、シリカの屈折率を小さくするためにフッ素がドープされる。
【0170】
内側クラッドの屈折率差Δn2は、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、約−17xl0−3〜−19x10−3)である。より典型的には、内側クラッドの屈折率差Δn2は、約−20x10−3より大きい(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)。内側クラッドの幅w2は、約0.5ミクロン〜10ミクロン(例えば、約1ミクロン〜9ミクロン)である。より典型的には、内側クラッドの幅w2は、約2ミクロン〜7ミクロン(例えば、約4ミクロン〜6ミクロン)である。内側クラッドの外半径r2は、約23ミクロン〜38ミクロン(例えば、約26ミクロン〜35ミクロン)である。より典型的には、内側クラッドの外半径r2は、約28ミクロン〜33ミクロン(例えば、約30ミクロン〜32ミクロン)である。
【0171】
例示的な実施形態では、内側クラッドの屈折率差Δn2は、中心コアの最小屈折率差Δnendとほぼ等しい。しかしながら、内側クラッドの屈折率差Δn2は、中心コアの最小屈折率差Δnendより大きくても小さくてもよい。
【0172】
図13に示されたように、例示的な光ファイバは、内側クラッドを直接取り囲む埋め込みトレンチを有する。埋め込みトレンチは、幅w3、外半径r3、及び外側クラッドとの屈折率差Δn3を有する。例示的な実施形態では、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3が、約−15x10−3〜−36x10−3(例えば、約−18x10−3〜−34x10−3)である。典型的には、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3は、約−16x10−3〜−30x10−3(例えば、約−19x10−3〜−21x10−3)である。
【0173】
幾つかの例示的な実施形態では、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と内側クラッドの屈折率差Δn2との差(即ちΔn3−Δn2)が、約−1x10−3〜−15x10−3(例えば、約−2x10−3〜−14x10−3)である。埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と内側クラッドの屈折率差Δn2との差(即ち、Δn3−Δn2)は、典型的には、約−3x10−3〜−13x10−3(例えば、約−3x10−3〜−10x10−3、又は約−4x10−3〜−12x10−3)である。より典型的には、埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と内側クラッドの屈折率差Δn2との差(即ち、Δn3−Δn2)は、約−5x10−3〜−11x10−3(例えば、約−6x10−3〜−10x10−3)である。
【0174】
埋め込みトレンチの幅w3は、約0.5ミクロン〜10ミクロン(例えば、約2ミクロン〜8ミクロン)でよい。典型的には、埋め込みトレンチの幅w3は、約3ミクロン〜7ミクロン(例えば、約4ミクロン〜6ミクロン)である。埋め込みトレンチの外半径r3は、約23ミクロン〜38ミクロン(例えば、約26ミクロン〜35ミクロン)である。より典型的には、埋め込みトレンチの外半径r3は、約28ミクロン〜33ミクロン(例えば、約30ミクロン〜32ミクロン)である。幾つかの例示的な実施形態では、本発明の光ファイバは、約260%・μm2以上(例えば、約280%・μm2〜450%・μm2)の体積v3を有する埋め込みトレンチを有する。より典型的には、埋め込みトレンチは、約300%・μm2〜425%・μm2(例えば、約350%・μm2〜400%・μm2)の体積v3を有する。埋め込みトレンチは、典型的には、シリカの屈折率を小さくするためにフッ素でドープされる。
【0175】
図13の例示的な光ファイバは、また、埋め込みトレンチと外側クラッドとの間に位置決めされた中間クラッドを有する。中間クラッドは、外半径r4、幅w4、及び外側クラッドとの屈折率差Δn4を有する。中間クラッドは、典型的には、シリカの屈折率を小さくするためにフッ素がドープされる。
【0176】
例示的な実施形態では、中間クラッドの屈折率差Δn4は、中心コアの最小屈折率差Δnendとほぼ等しい。しかしながら、中間クラッドの屈折率差Δn4は、中心コアの最小屈折率差Δnendより大きくても小さくてもよい。
【0177】
光ファイバの中間クラッドは、典型的には、約8ミクロン〜40ミクロン(例えば、約10ミクロン〜25ミクロン)の幅w4を有する。中間クラッドの屈折率差Δn4は、約−14x10−3〜−21x10−3(例えば、約−l7x10−3と−19x10−3)である。より典型的には、中間クラッドの屈折率差Δn4は、約−20x10−3より大きい(例えば、約−15x10−3〜−16x10−3)。中間クラッドの外半径r4は、典型的には、約30ミクロン〜62.5ミクロン(例えば、約35ミクロン〜50ミクロン)である。
【0178】
例示的な実施形態では、中間クラッドの外半径r4は、約45ミクロン以上(例えば、約50ミクロン〜62.5ミクロン)である。本発明者は、約45ミクロンより大きい中間クラッド外半径r2を有する例示的な光ファイバが、45ミクロン未満の中間クラッド外半径を有する光ファイバより閉じ込め損失が小さいので、ファイバ長の影響を受けにくい帯域幅を示すことを発見した。
【0179】
前述のように、光ファイバの幾つかの例示的な実施形態は、中心コアを直接取り囲む内側クラッドと、内側クラッドを直接取り囲む埋め込みトレンチとを有する。そのような光ファイバ実施形態では、内側クラッドの屈折率差Δn2は、中心コアの最小屈折率差Δnendと等しくてもよい。しかしながら、代替の実施形態では、中心コアのアルファ屈折率分布は、アルファ屈折率分布の形状を決定するために使用された最小屈折率より大きい屈折率差Δnendにおいて中断される。本明細書で使用されるとき、アルファ屈折率分布は、中心コアが最小屈折率値n0(即ち、理論上の最小屈折率値)より大きい最小屈折率値nendを有する場合に中断されると考えられる。当業者は、nendが最小屈折率値であり、Δnendが最小屈折率差であることを理解するであろう。
【0180】
いかなる特定の理論に拘束されるものではないが、本発明者は、埋め込みトレンチが、光ファイバの曲げ損失(即ち、微小曲げ損失)の減少を促進できることを発見した。これに関して、850ナノメートルの波長では、埋め込みトレンチを有する例示的な光ファイバは、15ミリメートルの曲げ半径を有する2巻で0.11dB未満(例えば、0.06dB未満)の曲げ損失、10ミリメートルの曲げ半径を有する2巻で0.10dB未満(例えば、0.9dB未満)の曲げ損失、7.5ミリメートルの曲げ半径を有する2巻で0.15dB未満(例えば、0.10dB未満)の曲げ損失、5ミリメートルの曲げ半径を有する2巻で0.18dB未満(例えば、0.15dB未満)の曲げ損失を有する。
【0181】
実際には、図14は、2つの例示的な光ファイバに関する所定の曲げ半径の2巻の850ナノメートルの波長での微小曲げ損失を示す。例示的な光ファイバの一方には、内側クラッドを直接取り囲む埋め込みトレンチがある(即ち、図13と類似の規定分布)が、他方の例示的な光ファイバには、埋め込みトレンチがない。丸で示された曲線は、埋め込みトレンチを有する例示的な光ファイバの曲げ損失を示す。三角形で示された曲線は、埋め込みトレンチのない例示的な光ファイバの曲げ損失を示す。図示されたように、埋め込みトレンチを有する例示的な光ファイバは、所定の半径において、埋め込みトレンチのない例示的な光ファイバの曲げ損失の少なくとも3分の1〜5分の1の曲げ損失を有する。
【0182】
本明細書で使用されるとき、「埋め込みトレンチのない」光ファイバとは、トレンチが隣接クラッド層(例えば、内側クラッド、中間クラッド又は外側クラッド)と同じ屈折率を有する材料と置き換えられることを除き、普通ならば比較される光ファイバと同一の屈折率分布を有する光ファイバを指す。
【0183】
微小曲げ損失は、IEC 60793−1−47及びIEC 61280−4−I国際規格にしたがって測定されてもよい。この点で、測定は、典型的には、小さい直径の曲がりを有するボールベアリング装置上で行なわれる。典型的には、使用される開始条件は、IEC 61280−4−1国際規格に記載されたものである。
【0184】
本明細書及び/又は図面では、本発明の典型的な実施形態を開示した。本発明は、そのような例示的な実施形態に限定されない。用語「及び/又は」の使用は、関連付けられ列挙された項目の1つ又は複数のあらゆる組み合わせを含む。図面は、概略的表現であり、したがって必ずしも一律の倍率で描かれていない。特に断らない限り、特定の用語は、包括的で説明的な意味で使用され、限定のために使用されない。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
マルチモード光ファイバにおいて、
外側クラッドで取り囲まれた中心コアであって、(i)外半径r1、(ii)アルファ屈折率分布、(iii)前記外側クラッドに対するゼロ以下の最大屈折率差Δn1、及び(iv)前記外半径r1において、前記外側クラッドとの最小屈折率差Δnendを有する中心コアと、
前記中心コアと前記外側クラッドとの間に位置決めされ、前記外側クラッドとの負屈折率差を有する内部クラッド層とを有し、
前記中心コアは、0.1重量パーセント以下の最大ゲルマニウム濃度を有し、
前記中心コアは、0.1重量パーセント以下の平均塩素濃度を有し、
前記外半径r1において、前記中心コアは、3重量パーセント以上の最小フッ素濃度を有するマルチモード光ファイバ。
【請求項2】
前記内部クラッド層は、前記中心コアを直接取り囲む内側クラッドであり、前記内側クラッドは、(i)外半径r2、(ii)幅w2、及び(iii)前記外側クラッドとの負屈折率差Δn2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】
前記マルチモード光ファイバは、
前記中心コアと前記外側クラッドとの間に位置決めされた埋め込みトレンチであって、(i)外半径r3、(ii)幅w3、及び(iii)Δn3<Δnendとなるように前記外側クラッドとの負屈折率差Δn3を有する埋め込みトレンチと、
前記埋め込みトレンチと前記外側クラッドとの間に位置決めされた中間クラッドであって、(i)外半径r4、(ii)幅w4、及び(iii)前記外側クラッドとの負屈折率差Δn4を有する中間クラッドとを有する、請求項2に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項4】
前記マルチモード光ファイバは、
前記中心コアと前記外側クラッドとの間に位置決めされた埋め込みトレンチであって、(i)外半径r3、(ii)幅w3、及び(iii)Δn3<Δnendになるような前記外側クラッドとの負屈折率差Δn3を有する埋め込みトレンチを有し、
前記内部クラッド層は、前記埋め込みトレンチと前記外側クラッドとの間に位置決めされた中間クラッドであり、前記中間クラッドは、(i)外半径r4、(ii)幅w4、及び(iii)前記外側クラッドとの負屈折率差Δn4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5】
前記中心コアは、前記中心コアのゲルマニウム濃度が0.005重量パーセント未満にであり、実質的にゲルマニウム・ドーパントがない、請求項1〜4のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項6】
前記マルチモード光ファイバは、20以上、好ましくは25以上、好ましくは48以上、最も好ましくは60以上のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する、請求項1〜5のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項7】
前記マルチモード光ファイバは、前記中心コアの外半径r1において50〜500のハロゲン比率を有する、請求項1〜6のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項8】
前記マルチモード光ファイバは、20以上、好ましくは30〜170のコア平均ハロゲン比率を有する、請求項1〜7のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項9】
前記中心コアは、0.08重量パーセント以下、好ましくは0.07重量パーセント以下、より好ましくは0.06重量パーセント以下、最も好ましくは0.05重量パーセント以下の平均塩素濃度を有する、請求項1〜8のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項10】
前記中心コアの幅全体にわたって、前記中心コアの塩素濃度が、0.1重量パーセント未満、好ましくは0.08重量パーセント未満、より好ましくは0.07重量パーセント未満、最も好ましくは0.05重量パーセント未満である、請求項1〜9のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項11】
前記外半径r1において、前記中心コアが、3.5重量パーセント以上、好ましくは4.0重量パーセント以上、最も好ましくは4.5重量パーセント以上の最小フッ素濃度を有する、請求項1〜10のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項12】
前記中心コアの最小屈折率差Δnendが、−21x10−3以上、好ましくは−14x10−3〜−20x10−3、より好ましくは−15x10−3〜−16x10−3である、請求項1〜11のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項13】
前記中心コアの最大屈折率差Δn1が、0〜−5x10−3、好ましくは−0.05x10−3〜−2x10−3である、請求項1〜12のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項14】
前記埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と前記中心コアの最小屈折率Δnendとの差が、−1x10−3〜−15x10−3、好ましくは−3x10−3〜−13x10−3、より好ましくは−5x10−3〜−11x10−3、最も好ましくは−6x10−3〜−10x10−3である、請求項3〜13のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項15】
前記埋め込みトレンチの体積v3が、260%・μm2以上、好ましくは280%・μm2〜450%・μm2、より好ましくは300%・μm2〜425%・μm2、最も好ましくは350%・μm2〜400%・μm2である、請求項3〜14のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項1】
マルチモード光ファイバにおいて、
外側クラッドで取り囲まれた中心コアであって、(i)外半径r1、(ii)アルファ屈折率分布、(iii)前記外側クラッドに対するゼロ以下の最大屈折率差Δn1、及び(iv)前記外半径r1において、前記外側クラッドとの最小屈折率差Δnendを有する中心コアと、
前記中心コアと前記外側クラッドとの間に位置決めされ、前記外側クラッドとの負屈折率差を有する内部クラッド層とを有し、
前記中心コアは、0.1重量パーセント以下の最大ゲルマニウム濃度を有し、
前記中心コアは、0.1重量パーセント以下の平均塩素濃度を有し、
前記外半径r1において、前記中心コアは、3重量パーセント以上の最小フッ素濃度を有するマルチモード光ファイバ。
【請求項2】
前記内部クラッド層は、前記中心コアを直接取り囲む内側クラッドであり、前記内側クラッドは、(i)外半径r2、(ii)幅w2、及び(iii)前記外側クラッドとの負屈折率差Δn2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】
前記マルチモード光ファイバは、
前記中心コアと前記外側クラッドとの間に位置決めされた埋め込みトレンチであって、(i)外半径r3、(ii)幅w3、及び(iii)Δn3<Δnendとなるように前記外側クラッドとの負屈折率差Δn3を有する埋め込みトレンチと、
前記埋め込みトレンチと前記外側クラッドとの間に位置決めされた中間クラッドであって、(i)外半径r4、(ii)幅w4、及び(iii)前記外側クラッドとの負屈折率差Δn4を有する中間クラッドとを有する、請求項2に記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項4】
前記マルチモード光ファイバは、
前記中心コアと前記外側クラッドとの間に位置決めされた埋め込みトレンチであって、(i)外半径r3、(ii)幅w3、及び(iii)Δn3<Δnendになるような前記外側クラッドとの負屈折率差Δn3を有する埋め込みトレンチを有し、
前記内部クラッド層は、前記埋め込みトレンチと前記外側クラッドとの間に位置決めされた中間クラッドであり、前記中間クラッドは、(i)外半径r4、(ii)幅w4、及び(iii)前記外側クラッドとの負屈折率差Δn4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5】
前記中心コアは、前記中心コアのゲルマニウム濃度が0.005重量パーセント未満にであり、実質的にゲルマニウム・ドーパントがない、請求項1〜4のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項6】
前記マルチモード光ファイバは、20以上、好ましくは25以上、好ましくは48以上、最も好ましくは60以上のコア−クラッド平均ハロゲン比率を有する、請求項1〜5のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項7】
前記マルチモード光ファイバは、前記中心コアの外半径r1において50〜500のハロゲン比率を有する、請求項1〜6のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項8】
前記マルチモード光ファイバは、20以上、好ましくは30〜170のコア平均ハロゲン比率を有する、請求項1〜7のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項9】
前記中心コアは、0.08重量パーセント以下、好ましくは0.07重量パーセント以下、より好ましくは0.06重量パーセント以下、最も好ましくは0.05重量パーセント以下の平均塩素濃度を有する、請求項1〜8のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項10】
前記中心コアの幅全体にわたって、前記中心コアの塩素濃度が、0.1重量パーセント未満、好ましくは0.08重量パーセント未満、より好ましくは0.07重量パーセント未満、最も好ましくは0.05重量パーセント未満である、請求項1〜9のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項11】
前記外半径r1において、前記中心コアが、3.5重量パーセント以上、好ましくは4.0重量パーセント以上、最も好ましくは4.5重量パーセント以上の最小フッ素濃度を有する、請求項1〜10のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項12】
前記中心コアの最小屈折率差Δnendが、−21x10−3以上、好ましくは−14x10−3〜−20x10−3、より好ましくは−15x10−3〜−16x10−3である、請求項1〜11のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項13】
前記中心コアの最大屈折率差Δn1が、0〜−5x10−3、好ましくは−0.05x10−3〜−2x10−3である、請求項1〜12のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項14】
前記埋め込みトレンチの屈折率差Δn3と前記中心コアの最小屈折率Δnendとの差が、−1x10−3〜−15x10−3、好ましくは−3x10−3〜−13x10−3、より好ましくは−5x10−3〜−11x10−3、最も好ましくは−6x10−3〜−10x10−3である、請求項3〜13のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【請求項15】
前記埋め込みトレンチの体積v3が、260%・μm2以上、好ましくは280%・μm2〜450%・μm2、より好ましくは300%・μm2〜425%・μm2、最も好ましくは350%・μm2〜400%・μm2である、請求項3〜14のいずれかに記載のマルチモード光ファイバ。
【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14】
【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14】
【公開番号】特開2013−33214(P2013−33214A)
【公開日】平成25年2月14日(2013.2.14)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2012−99273(P2012−99273)
【出願日】平成24年4月24日(2012.4.24)
【出願人】(507112468)ドラカ・コムテツク・ベー・ベー (39)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成25年2月14日(2013.2.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−99273(P2012−99273)
【出願日】平成24年4月24日(2012.4.24)
【出願人】(507112468)ドラカ・コムテツク・ベー・ベー (39)
【Fターム(参考)】
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