JP4331337B2 - 長距離通信用シングルモード導波路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長い中継器間隔を有し且つ高いデータ信号速度を有する長距離通信システムのためのシングルモード光導波路ファイバに関する。特に、本発明によるシングルモード導波路は、曲げ抵抗に優れており、低減衰且つ大きな有効面積Ａ_effを併せ持つものであって、海底での使用における要求を満たす。
【０００２】
【従来の技術】
大きな有効面積を有する導波路は、自己位相変調、四光波混合、クロス位相変調及び非線形散乱プロセスを含む信号のデグラデーションを生じさせ得る非線形光学効果を減じる。一般に、これらの非線形効果の数学的な記述においては、比Ｐ／Ａ_effを含む。ここで、Ｐは光出力である。例えば、非線形光学効果は、項ｅｘｐ［Ｐ×Ｌ_eff／Ａ_eff］を含む方程式によって記述することができる。ここで、Ｌ_effは、有効長さである。従って、Ａ_effの増加は、光信号のデグラデーションに対する非線形効果の寄与を減じさせるのである。
【０００３】
長距離に亘って電気的に信号を再生せず且つ大きな情報容量を有する長距離通信において、シングルモードファイバの屈折率分布設計の再評価が要求された。本発明による分割されたコア（以下、セグメントコアと称する）設計と呼ばれる屈折率分布の設計の種類は、バガバチュラ（Bhagavatula）による米国特許第4,715,679号に詳細に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明による屈折率分布の再評価の課題は、以下の如き光導波路を提供することである。
− 上記の如く、非線形効果が減じられていること。
− 1550nm近傍を動作波長範囲として、より低減衰となるように最適化されていること。
− 光増幅器としての互換性を有していること。
− 光導波路としての所望の特性、例えば高強度であって、疲労抵抗性及び曲げ抵抗性に優れる、といった特性を有していること。
【０００５】
高出力且つ長距離という限定は、ビットレート、ビットエラーレート、多重化スキームおよび光増幅器が特定された、特定の長距離通信システムの環境だけにおいて意味がある。さらに、当業界において良く知られているように、高出力且つ長距離の意味するところの影響を追加の要因として有している。しかしながら、多くの目的において高出力とは、約10mwを超える光出力である。いくつかのアプリケーションにおいて、1mW以下の信号出力レベルは、非線形効果に対して、さらに鋭敏であって、それ故に、A_effは、このような出力のシステムにおいてさらに重要である。
【０００６】
長距離とは、電気的な再生器の間隔の距離が100kmを上回ることがあり得るものである。再生器は、光増幅器を使用した中継器と区別される。特に高いデータ密度のシステムの中継器の間隔については、再生器間隔の半分未満となり得る。多重送信に適した導波路を提供するために、全分散は、ゼロであってはならないが、低い値であって、動作波長窓に亘って低い傾斜を有していなければならない。潜在的なソリトン形成の抑制が重要であるシステムにおいて、導波路ファイバの全分散は負でなければならない。それ故、線形分散は、高出力信号に対して起こる非線形自己位相変調を抑制するように作用することができない。
【０００７】
この種の導波路ファイバの典型的なアプリケーションは、海中でのシステムであって、経済的に実用可能であるように長距離に亘って再生器を有さず、波長に対して拡張された窓に亘って、高い情報速度を達成しなければならない。本発明は、これらの非常に厳しい環境において使用されるのに適した新規なファイバの屈折率分布を開示する。このようなシステムでの導波路ファイバに所望される特性は、以下に詳細に記載される。
定義
以下の定義は、当業界において一般的に使用される用法である。
− コアのセグメント半径は、屈折率に関して定義される。ある特定のセグメントは、第１と最後の屈折率位置を有している。導波路の中心線から第１の屈折率位置までの半径は、コア領域またはセグメントの内側半径である。同様に、導波路の中心線から最後の屈折率位置まで半径は、コアセグメントの外側半径である。
【０００８】
セグメント半径は多くの方法で適宜、定義することができる。これについては、図１乃至３に示した。表１から導き出された図３において示されているように、屈折率分布セグメントの半径は、以下の如く定義される。ここで、Δ%対導波路半径のチャート図を参照する。
* 中心コアセグメント半径ｒ₁は、導波路の中心軸から、ｘ軸、すなわちΔ% =０と中心屈折率分布の外挿線との交差位置までを計測したものである。
【０００９】
* 第１の環状セグメントの外側半径ｒ₂は、導波路の中心軸から、第１及び第２の環状セグメント分布の屈折率差Δ%の半分のΔ%の位置を通る垂直線と第１の環状セグメント分布との交差位置までを計測したものである。
* 第２の環状セグメントの外側半径ｒ₃は、導波路の中心軸から、第２および第３の環状セグメント分布の差Δ％の半分のΔ％の位置を通る垂直線と第２の環状セグメント分布との交差位置までを計測したものである。
【００１０】
* すべての追加の環状セグメントの外側半径は、第１および第２の環状セグメントの外側半径までと同様の計測をしたものである。
* 最後の環状セグメントの半径は、導波路の中心線からセグメントの中心位置まで計測したものである。
セグメントの幅ｗは、セグメントの内側と外側の半径の差である。セグメントの外側の半径が、次のセグメントの内側の半径に一致する。
【００１１】
他の特定の事項については、屈折率分布の幾何形状における特定の定義には属さない。なお、モデル計算の実行において、これらの定義は、以下に定義するように一貫して用いなければならない。
− 有効面積は、
Ａ_eff＝ ２π（∫Ｅ²ｒｄｒ）²／（∫Ｅ⁴ｒｄｒ）
であって、ここで、積分範囲は、０から∞であって、Ｅは、伝搬光と関連する電界である。有効面積は、波長依存性を有する。有効面積が計算される波長は、導波路ファイバが設計される動作窓の中心近傍の波長である。Ａ_eff以上の値が、数百ナノメートルのオーダーの範囲に亘って動作する導波路ファイバに割り当てられる。
− 有効直径Ｄ_effは、
Ａ_eff＝π（Ｄ_eff／２）²
と定義される。
− 相対屈折率Δ％は、方程式
Δ％＝１００×（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）／２ｎ₁ ²
によって定義される。ここで、本発明においてｎ₁は屈折率分布セグメント１の最大屈折率であり、ｎ₂はクラッド層の屈折率分布であって相対屈折率である。
− 屈折率分布項または単に屈折率分布は、Δ％または屈折率とコアの選択された部分に亘る半径との間の関係である。
− α分布の項は、Δ（ｂ）％の項で表される屈折率分布に関連し、ここでｂは、半径であって、
Δ（ｂ）％＝Δ（ｂ₀）％（１−｜ｂ−ｂ₀｜／（ｂ₁−ｂ₀）］^α）
で表される。ここでｂ₀は、屈折率が最大となる半径位置、ｂ₁はΔ（ｂ）％がゼロの位置である。ｂは、ｂｉ≦ｂ≦ｂｆの範囲にあって、デルタは、上記の如く定義される。ｂ_iは、α分布の初期位置、ｂ_fは、α分布の最終位置、そして、αは実数の指数である。
【００１２】
他の屈折率分布として、ステップ屈折率、台形屈折率および丸めステップ屈折率をも含む。ここにおいて、「丸め」は、典型的には、急激な屈折率変化領域においてドーパントを拡散させることによって形成される。
− 全分散は、導波路分散および材料分散の代数和として定義される。全分散は、当業界においてクロマチック分散とも呼ばれている。全分散の単位は、ps/nm-kmである。
− 導波路ファイバの曲げ抵抗は、所定の試験条件下で誘導される減衰で表される。標準の試験条件は、導波路ファイバを75mm直径のマンドレルの周囲に100回巻いて、32mm直径のマンドレルの周囲に１回巻くことを含む。それぞれの試験条件下で、通常、単位長さ当たりのデシベル（dB/(単位長さ)）を単位とする曲げ減衰が測定される。本発明において使用した曲げ試験は、20mm直径のマンドレルの周囲に導波路ファイバを５回巻いて行うものである。これは、さらに厳しい動作環境での導波路ファイバに対して要求される試験である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による新規なシングルモード導波路ファイバは、高性能な長距離通信システムにおける記載の如き必要条件に適合している。
本発明における第１の態様は、少なくとも２つのセグメントに分割されたコアを有するシングルモード光導波路ファイバであって、コアは、クラッドガラス層によって囲まれている。導波路ファイバは、約１５３０ｎｍから１５７０ｎｍの波長範囲に亘って、６０μｍ²よりも大きい有効面積、好ましくは６５μｍ²よりも大きい有効面積を有し、１５５０ｎｍで０．２５ｄＢ／ｋｍ未満の減衰、好ましくは０．２２ｄＢ／ｋｍ未満の減衰を有しており、約１５６５ｎｍから１６００ｎｍの範囲で零分散波長を有し、１５６０ｎｍで約−０．５ ｐｓ／ｎｍ−ｋｍよりも負の分散を与え、好ましくは約−２ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの分散を与える分散傾斜を有する。典型的には、この傾斜は、約０．１０から０．１４ｐｓ／ｎｍ²−ｋｍである。導波路ファイバの全分散は、１５３０ｎｍで約−７．２から−３．９ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの範囲である。モードフィールド直径は、１５３０ｎｍから１５７０ｎｍの波長範囲に亘って、約７．９から９．７５μｍの範囲である。
【００１４】
これらの特性は、優れた曲げ抵抗を維持しており、例えば、約２０ｍｍマンドレルに５回巻きしても約５ｄＢ／ｍ以下の誘導曲げ損失にすぎない。また、ケーブルを形成した状態でのファイバのカットオフ周波数は、約１２８５ｎｍから１５００ｎｍの範囲に維持される。さらなる利点は、約０．０７６ｐｓ／（ｋｍ）^1/2未満、典型的には約０．０４ｐｓ／（ｋｍ）^1/2未満の偏波モード分散である。
【００１５】
個々のセグメントの屈折率分布型は、α分布、ステップ屈折率分布及び台形分布を含む、上記の如く定義されたいずれであってもよい。特別なステップがプロセスに挿入されない限り、屈折率分布は、屈折率が鋭く変化する点を丸めてもよい。この丸めは、ベースガラスの屈折率を変化させるドーパント材料を拡散によるものである。故に、いずれの屈折率分布であっても、特定の点で丸め得る。例えば、正のΔ%を有するステップ屈折率分布は、典型的には、上下の角を丸められている。
【００１６】
本発明の一つの実施例において、コアセグメントは、正のΔ%を有する。他の実施例において、コアは３つのセグメントからなり、第１のセグメントはα分布、第２のセグメントはステップ型、第３のセグメントは丸めステップ型である。この実施例は、以下の表１に記載した。
本発明の他の実施例において、コア領域は、３つのセグメントを有し、中心部は、ドーパントを拡散することによって補償されている。故に、導波路ファイバの中心線上若しくはその近傍での屈折率は、中心部の屈折率分布以外の部分に対して相対的に減じられていない。このような中心線の補償の例を図４に示す。ここでは、ドーパントは、ゲルマニウムである。偏光モード分散において、拡散補償された実施例は、比較例としての補償されていない導波路ファイバの分布と比較して、およそ５因子分だけ平均して改善されている。新規な導波路ファイバの偏光モード分散は、0.08ps/(km)^1/2未満、典型的には約0.04ps/(km)^1/2未満である。
【００１７】
３つのセグメントからなる実施例において、導波路の中心を１としてセグメントを番号付けした。セグメントコアは、以下のパラメータによって記載される。− 約0.75から1.25の範囲のΔ₁%
− 約1.5から4.0μmの範囲のｒ₁
− 約0.00から0.15%の範囲のΔ₂ %
− 約0.2から0.7の範囲のΔ₃ %
− 約4から8μmの範囲の半値半径ｒ₃
− 約0.5から3μmの範囲の第３セグメントの幅。
【００１８】
好適な範囲は、以下の通りである。
− 約0.85から1.20の範囲のΔ₁%
− 約2.0から3.5μmの範囲のｒ₁
− 約0.00から0.08%の範囲のΔ₂ %
− 約0.3から0.7の範囲のΔ₃ %
− 約5から7.5μmの範囲の半値半径ｒ₃
− 約0.8から2.0μmの範囲の第３セグメントの幅。
【００１９】
さらに好適な実施例は、以下の通りである。
− 約0.95から1.15の範囲のΔ₁%
− 約2.5から3.0μmの範囲のｒ₁
− 約0.00から0.04%の範囲のΔ₂ %
− 約0.3から0.7の範囲のΔ₃ %
− 約5から7.5μmの範囲の半値半径ｒ₃
− 約0.8から1.5μmの範囲の第３セグメントの幅。
【００２０】
他の実施例において、1560nmでの全分散は、約−1ps/nm-kmよりも負である。
また、他の実施例において、中心線での拡散は、補償されていないか又は部分的に補償されている。中心線上の屈折率の凹部は、Δ₁%の約0.20よりも大きくない最小Δ%を有する。この凹部は、典型的には、逆円錐形であり、すなわち円錐の頂点が下方へ位置している。そして、円錐の最も広い部分での半径は、約0.4μm以下である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
新規なシングルモード光導波路は、上記の如き、特殊な特性を有する組合せを与えるセグメントコアの設計によって特徴づけられる。これらの特性は、各々のセグメントに対して適切な屈折率分布型を選択し且つセグメント毎に固有の相対屈折率デルタΔ_i%及び放射状の範囲ｒ_ｉを選択することによって達成される。ここで、分布パラメータは、相関し合うことが良く知られている。例えば、αが約１である中心領域のα分布では、台形の屈折率分布を有する中心領域とは異なった半径を有することによって、実質的に同一の特性を有するファイバを与えることができるのである。
【００２２】
ここで使用される半径の定義は、図３に示されている。中心セグメントの半径ｒ₁は、コア中心線から、外挿線14と水平軸との交点までの距離によって示される。セグメントの外側半径ｒ₂は、コア中心線から、相対屈折率がΔ₂ %とΔ₃ %との差の半値、すなわちセグメント16の相対屈折率とセグメント20の相対屈折率との差の半値の屈折率を示す位置18から垂直線を降ろした位置までの距離である。最後の環状セグメント20の半径ｒ₃は、コア中心線からセグメント20の中心位置26までの距離である。最後のセグメントの幅ｗが選択されて、幾何形状が完全に特定されるのである。この幅ｗは、位置18及び22との間の距離として図示されており、位置18は、それぞれセグメント16と20との間での屈折率差の半値、位置22は、セグメント20とクラッド24との間の屈折率差の半値である。中心線凹部の半径は、距離30として図示され、距離30は、逆円錐状の凹部の最も広い位置において中心線から水平に引かれた距離である。
【００２３】
コンピュータによって作製された３つの分布２、４及び６を図１に示す。中心セグメント及びこれに関連する外側の環状セグメントは、理解されやすいように対応した数を付した。各分布は、中心線上に逆円錐状の凹部を有している。
セグメントコアの屈折率分布の全体的な形が与えられると、そのセグメントコアを有する導波路ファイバの特性を計算することができる。図１において、分布４は所望のファイバ特性を与える。
【００２４】
図２は、さらなる３つのセグメントコア分布８、１０及び１２を示す。この図において、分布１０は所望のファイバ特性を与える。
図４に示される分布は、本発明による屈折率分布を有する導波路ファイバの計測された分布である。表１は、本実施例のコアの屈折率分布パラメータを与える。中心線の拡散は、本設計において補償されている。
表１
実際の分布
Δ₁％ １．１５
中心線上のΔ％ ０
Δ₂％ ０．０５
Δ₃％ ０．５
ｒ₁μｍ ２．５
ｒ₂μｍ ５．５
ｗμｍ（最外周の環状セグメント） １
目標として表１のパラメータを使用して製造された多数の導波路ファイバの平均特性値を以下に示す。
− １５５０ｎｍで０．２０４ｄＢ／ｋｍの減衰
− モードフィールド直径９．２９μｍ
− １５５０ｎｍで７０．９μｍ²の有効面積
− １５７６ｎｍの零分散波長
− １５３０ｎｍで−５．５６５ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの全分散
− １５６０ｎｍで−１．８９２ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの全分散
− ケーブルを形成したときに１４２９．６ｎｍのカットオフ波長
− ０．３７ｐｓ／（ｋｍ）^1/2の偏波モード分散。
【００２５】
したがって、この製造結果は、海底長距離通信ケーブルにおける如き厳しい環境においても、あらゆる点で使用され得る導波路ファイバであることを与えている。この製造結果は、コンピュータモデルを確認することにも役立つ。
本発明の特定の実施例がここにおいて開示されて、記載されたが、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるモデル化された屈折率分布を示すΔ％と半径についてのチャート図である。
【図２】 本発明によるモデル化された屈折率分布を示すΔ％と半径についてのチャート図である。
【図３】 本発明の半径と幅の定義を示すΔ％と半径についてのチャート図である。
【図４】 本発明による実施例を示すΔ％と半径についてのチャート図である。
【主要部分の符号の説明】
2、4、6、8、10、12 セグメントコア分布
14 外挿線
16、20 環状セグメント
18、22 半値位置

Claims (5)

1. 中心線及び３つのセグメントを有するセグメントコアと、前記セグメントコアに隣接してこれを包囲し且つ屈折率ｎ_Cを有するクラッド層と、からなるシングルモード光導波路ファイバであって、
   前記３つのセグメントのすべての屈折率分布型は、α分布、ステップ屈折率分布、丸められた角部を有する丸めステップ屈折率分布及び台形屈折率分布からなるグループから選択され、
   前記３つのセグメントのうち、第１のセグメントは前記中心線近傍を起点として且つαが約１であるα分布を有し、第２のセグメントは前記第１のセグメントと隣接しており且つステップ屈折率分布を有し、第３のセグメントは前記第２のセグメントと隣接しており且つ丸めステップ屈折率分布を有し、
   前記３つのセグメントの各々は、セグメント数をｉとすると、半径ｒ_i、及び正の相対屈折率パーセントΔ_i％を有しており、
   前記ｒ_i及び前記Δ_i％は、
   １５５０ｎｍで０．２５ｄＢ／ｋｍ以下の減衰と、
   約１５６５ｎｍから１６００ｎｍの範囲内にある零分散波長と、
   １５６０ｎｍで約−３．５から−０．５ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの範囲内にある全分散と、
   １５５０ｎｍで６０μｍ²よりも大きい有効面積と、
   ケーブルを形成したときに約１２８５ｎｍから１５００ｎｍの範囲内にあるカットオフ周波数と、を与えるように選択され、
   前記第１のセグメントは、約０．７５から１．２５の範囲内にあるΔ ₁ ％を有し、半径ｒ ₁ は、約１．５から４．０μｍの範囲内にあって、
   前記第２のセグメントは、約０．００から０．１５％の範囲内にあるΔ ₂ ％を有し、
   前記第３のセグメントは、約０．２から０．７の範囲内にあるΔ ₃ ％を有し且つ半値半径ｒ ₃ は、４から８μｍの範囲内にあって且つ幅は、約０．５から３μｍの範囲内にある、ことを特徴とするシングルモード光導波路ファイバ。
2. 偏波モード分散は、約０．０８ｐｓ／（ｋｍ）^1/2以下であることを特徴とする請求項１記載のシングルモード光ファイバ。
3. 前記第１のセグメントは、約０．８５から１．２０の範囲内にあるΔ₁％を有し且つ半径ｒ₁は、約２．０から３．５μｍの範囲内にあって、
   前記第２のセグメントは、約０．００から０．０８％の範囲内にあるΔ₂％を有し、
   前記第３のセグメントは、約０．３から０．７までの範囲内にあるΔ₃％を有し且つ半値半径ｒ₃は、約５から７．５μｍの範囲内にあって且つ幅は、約０．８から２．０μｍの範囲内にある、ことを特徴とする請求項１記載のシングルモード光ファイバ。
4. 前記第１のセグメントは、約０．９５から１．１５の範囲内にあるΔ₁％を有し且つ半径ｒ₁は、約２．５から３．０μｍの範囲内にあって、
   前記第２のセグメントは、約０．００から０．０４％の範囲内にあるΔ₂％を有し、
   前記第３のセグメントは、約０．３から０．７までの範囲内にあるΔ₃％を有し且つ半値半径ｒ₃は、約５から７．５μｍの範囲内にあって且つ幅は、約０．８から２．０μｍの範囲内にある、ことを特徴とする請求項１記載のシングルモード光ファイバ。
5. 前記中心線上には相対屈折率の凹部を含み、前記凹部は、約０．２０Δ％を超えず、Δ₁％よりも小さい逆円錐形状を有し且つ約０．４μｍよりも大きくない逆円錐の底辺の半径を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちの１に記載のシングルモードモード光ファイバ。

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