(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧｅＯ２とＰ２Ｏ５とをともにドープしたＳｉＯ２であるコアを有する光ファイバを表面安定化処理する方法であって、少なくとも２時間、６５乃至１００℃の範囲の温度で重水素を含む雰囲気中で前記光ファイバを加熱し、そして不活性雰囲気中、６５乃至１００℃の範囲の温度で光ファイバを加熱する工程を含むことを特徴とするコアを有する光ファイバを表面安定化処理する方法。
【請求項２】
前記光ファイバのコアが１５モル％から３０モル％の範囲のＧｅＯ２がドープされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記Ｐ２Ｏ５の量が少なくとも２モル％であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
残りのモル％がＳｉＯ２からなることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記雰囲気が２５３乃至７６０ｈＰａの重水素からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記雰囲気が２５３乃至７６０ｈＰａの重水素、残りの雰囲気が窒素からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記光ファイバの組成が３モル％±１モル％のＰ２Ｏ５と２０モル％±３モル％のＧｅＯ２であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記光ファイバの組成が１４モル％±３モル％のＰ２Ｏ５と１３モル％±３モル％のＧｅＯ２であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記光ファイバがマルチモードファイバであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記光ファイバのコアが１０ミクロンよりも大きい直径を有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
不活性雰囲気中での前記光ファイバの加熱を、１６乃至２６時間の範囲の時間行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
不活性雰囲気が４０５±２０２ｈＰａの重水素雰囲気からなり、不活性雰囲気が３±１時間の間生じていることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記不活性雰囲気が窒素からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
不活性雰囲気中での前記光ファイバの加熱を、少なくとも１６時間行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
重水素を含む雰囲気中での前記光ファイバの加熱を、２時間乃至４時間の範囲の時間行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
不活性雰囲気中での前記光ファイバの加熱を、８２乃至９２℃の範囲の温度で行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はより広帯域にわたることはもちろん８５０ｎｍ近辺の波長においての大容量伝送のために最適化したマルチモードファイバ、およびそのファイバを用いる光ファイバ伝送システムに関する。より具体的には、水素の影響に対して多元素をドープした光ファイバの表面安定化処理の条件を決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シングルモードファイバは非常に効率よく、低損失な光波の伝送媒体であり、したがって極めて低い損失が必要条件である長距離通信などの用途に広く使われているのに対し、マルチ横断モード光ファイバ（以後、マルチモードファイバと称する）は短距離用途、および特殊ファイバに確立した地位を有している。例えば、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）での利用は伝統的に低コストのマルチモードファイバベースのシステム上に築かれている。そのようなシステムは直列伝送、信号源とファイバ端部との間の配置許容差の大きさ、接続および接合における配置許容差の大きさを活用して低コストを可能にしている。これらの用途に効果的に応じるために、産業界は最小の許容可能伝送距離、およびその距離に対する最小の光ファイバ性能の標準を定めている。現行の距離は単一の建物内光リンクに対しては３００ｍである。また、建物内光リンクは、現在使用されている光リンクの大部分を適っている。
【０００３】
データ転送速度が１０Ｇｂ／ｓにまで増加したことに伴い、これまでのグレーデッド型マルチモードファイバーの到達距離は低コストのマルチモードベースの直列システムを用いると、わずか２６から３３ｍに限定されてしまう。
【０００４】
ＩＥＥＥの１０ＧＢＡＳＥ−ＬＸ４の暫定プロトコルは１３１０ｎｍ近辺で動作する４チャンネルＷＤＭシステムであり、それは標準グレードのマルチモードファイバ上で最大３００ｍまでサポートする。この１０ＧＢＡＳＥ−ＬＸ４は光学的にたいへん複雑であり、シングルモードの許容差が厳しく、結果としてコストが高くなるので市場ではわずかに成功しただけである。
【０００５】
結果として、８５０ｎｍで動作する１０ＧＢＡＳＥ−ＳＲ（短距離）垂直共振器面発光レーザベース（ＶＣＳＥＬベース）の直列トランシーバが、８５０ｎｍで最適化されたＯＭ３マルチモードファイバとともに開発された。ＯＭ３ファイバは、国際標準機構（ＩＳＯ）１１８０１指示による、有効モード帯域幅（ＥＭＢ）が８５０ｎｍにおいて２０００ＭＨｚ．ｋｍのファイバである。ＶＣＳＥＬによる光出射の出現とＯＭ３ファイバの融合が１０ＧｂｐｓＬＡＮ、あるいはＧｂｐｓのストレージ・エリア・ネットワーク（ＳＡＮ）通信に用いられる３００ｍまでの低コストな解決方法を提供し、それは２００２年にＩＥＥＥ８０２．３によって標準化された。最先端のＯＭ３準拠ファイバの一般的な到達距離は１．１ｋｍである。ＯＭ３ファイバによる１０ＧＢＡＳＥ−ＳＲは最も低コストな１０Ｇｂ／ｓの３００ｍシステムであるので、新たなファイバ設置に好ましいシステムである。
【０００６】
しかし産業界には既設の非ＯＭ３マルチモードファイバに対するコスト的に有効な解決方法がいまだにない。
【０００７】
トランスミッタ、あるいはレシーバ端に組み込まれる分散補償方式（光学的なモードフィルタリング、あるいは電気的な分散補償のいずれか）の開発に刺激されて、ＩＥＥＥは既設ベースのファイバ・ディストリビューテッド・データ・インターフェース（ＦＤＤＩ）グレード、ＯＭ２グレード、ＯＭ３グレードのファイバ上で１３００ｎｍにおける１０Ｇｂｐｓ単チャンネル通信のための８０２．３  １０ＧＢＡＳＥ−ＬＲＭ（長距離マルチモード）プロトコルを確立している。しかし、ＦＤＤＩグレード、ＯＭ２およびＯＭ３グレードのファイバのいずれも１３００ｎｍにおいてのレーザ光源との性能に対して最適化されていない。これまでのＩＥＥＥへの寄稿者によるシミュレーションにおいて、９９％の１０ＧＢＡＳＥ−ＬＲＭの到達距離はＦＤＤＩグレードに対してわずか２２０ｍであるが、電気的な分散補償とオフセット光出射条件を使用することによりＯＭ３ファイバに対して３００ｍが許容可能であることを実証している。１０ＧＢＡＳＥ−ＬＲＭのコストは１０ＧＢＡＳＥ−ＳＲよりも高いが、１０ＧＢＡＳＥ−ＬＸ４（４チャンネル多重システム）より低く、既存のマルチモードファイバ設備の市場で潜在的に発展しうると予想される。
【０００８】
マルチモードファイバ上でのより高速な通信の次の妥当な段階は４０Ｇｂｐｓであろう。もっとも有望な候補（と言われる）の２つはＯＭ３ファイバで通信距離３００ｍをサポートする４０ＧＢＡＳＥ−ＳＸ４と、ＦＤＤＩグレード、ＯＭ２、およびＯＭ３ファイバで通信距離２２０ｍをサポートする４０ＧＢＡＳＥ−ＬＲＭである。４０ＧＢＡＳＥ−ＳＸ４はＣＷＤＭ（低密度波長分割多重化）方式であって、それは不成功に終わった１０ＧＢＡＳＥ−ＬＸ４方式に類似するが、いくつかのキーとなる利点を有している。１）より低コストの８５０ｎｍＶＣＳＥＬがＤＦＢ（分布帰還）レーザの代わりに使われ、２）ＬＸ４に求められるシングルモードの許容差より１０倍も増えたマルチモードの許容差によってより低コストなパッケージングが可能になる。３）従来型の低コストのＣＭＯＳ集積回路の使用が１０ＧＨｚの周波数で動作するＳＸ−４方式で可能であり、それに対して直列４０Ｇｂ／ｓ方式に使われる４０ＧＨｚＩＣにはより高価なシリコン−ゲルマニウム材料が必要とされる。
【０００９】
ＩＥＥＥ標準に取り上げられるであろう次のイーサネット（登録商標）の速度は４０ＧｂＥではなく、むしろ１００ＧｂＥであり、それには少なくともひとつのマルチモードファイバ方式が含まれる。ひとつの方式はリボン形状のマルチモードファイバ上での１０×１０Ｇｂの並列伝送であろう。この方式は通信距離が１００ｍまでは非常に費用効率が高いが、通信距離が２００ｍを超えるとＣＷＤＭよりもより高価格であろう。低コストの利点を維持するトランスミッタと共に広帯域ファイバで多重１０Ｇｂ波長を可能にするマルチモードファイバは、１００ＧｂＥに対するもっとも魅力のある方式である。しかし、そのようなファイバは８５０ｎｍ波長における１および１０ＧｂＥ伝送に対して今日提供されるもっとも低いコスト価値を維持すべきである。
【００１０】
したがって、マルチモードファイバは少なくとも通信距離３００ｍに対応する波長、および１、１０、および１００Ｇｂ／ｓのデータ転送速度に対して適切なレーザ出射条件に設定され、広い波長範囲にわたって最適化される必要がある。目的は、８５０ｎｍ波長における１、あるいは１０Ｇｂｐｓに対する現在の低コストを維持しながら、１０および２０ＧｂｐｓＣＷＤＭ伝送のために他の波長帯域まで広げるファイバを設計することである。
【００１１】
われわれは広い波長範囲にわたる動作のために最適化された新しい種類のマルチモード光ファイバを設計した。これらは少なくとも８５０ｎｍ波長であり、通信距離が３００ｍである環境において、１、１０、および１００Ｇｂ／ｓのデータ転送速度を用いる用途を狙っている。
【００１２】
改良されたマルチモード光ファイバはアルミニウム、および／あるいはリンをドープされたコアを有する。好ましい実施例において、それらにはゲルマニウムとリン、あるいはゲルマニウムとアルミニウムがドープされる。これらの多元素をドープされたコアを有する光ファイバは短距離光ファイバリンクの新しい標準に適合するために必要な光伝送品質を備えることが示されている。これらの多元素をドープされた光ファイバの詳細は米国出願番号１１／５１１，１７４に説明されていて、参照のためここに引用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許出願第１１／５１１，１７４号
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｋａｍｉｎｏｗ、Ｐｒｅｓｂｙ、ＡＯ、Ｖｏｌ１６、Ｎｏ．１、１０８ページ、１９７７年１月
【非特許文献２】Ｒ．Ｏｌｓｈａｎｓｋｙ、ＡＯ、Ｖｏｌ１８、Ｎｏ．５、６８３ページ、１９７９年１
【非特許文献３】ＬｕＶａｌｌｅほか、ＳＰＩＥ  Ｖ３８４８、２６０２７１ページ
【非特許文献４】Ｌｅｍａｉｒｅ、Ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、１９８１年６月、Ｖ３０、Ｎｏ６、７８１ページ、式２および３
【非特許文献５】ＬｕＶａｌｌｅほか、ＳＰＩＥ  Ｖ３８４８、２６０２７１ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、これらの光ファイバ設計は低コストで、高性能な、マルチモードファイバ用途にたいへん有効な解決策を提案するが、リン、あるいはアルミニウムをドープするいくつかの光ファイバは水素汚染に対して予想外に高い感受性を有することも見出している。したがってリンおよび／あるいはアルミニウムをドープしたファイバの長期間経過後の品質はいくつかの用途に対してこれらの光ファイバの有効性を制約する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記課題を解決するべく、本発明は、ここに概要を述べた観察、および発見に応えて、重水素による表面安定化（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）処理を用いてこれらの光ファイバを表面安定化処理することにより水素による不都合なエージングの制約を克服することを提案する。この処理は、大半の活性なガラス部分が現場でもはや反応することがないように、基本的に重水素によってガラスをあらかじめ反応させる。
【００１７】
しかし、重水素による表面安定化処理はしばしばファイバの初期減衰を増加させ、いくつかのファイバ型あるいは表面安定化処理のある形態に対して、その結果得られるファイバはその寿命の最後に未処理のファイバよりもきわめて高い減衰を示し得る。表面安定化処理および寿命までの間の水素曝露の両方によって引き起こされる損失はガラスの組成によって大きく変わるので、シングルモードファイバ、エルビウムドープファイバおよびマルチモードファイバのような商業的に重要なファイバ型はすべて異なる反応を示す。最適な表面安定化処理の条件は存在するが、欠陥表面安定化処理の理論は十分に理解されていないので、表面安定化処理条件の選択は根拠の確かなものとはなっていない。
【００１８】
重水素による表面安定化処理の技術を発展させるために、表面安定化処理による、また設置後の寿命までの間のファイバの損失の改善された予測を可能にする新しい反応速度理論が開発された。この理論は表面安定化処理のための曝露温度、曝露圧力および曝露時間の条件の最適化を可能にする。重要な観点は水素および重水素の活性度の計算、および重水素と水素との間の損失を調和させる方法である。それが光ファイバの重水素による表面安定化処理を明確にする新しい方法を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ガラスファイバ中の反応性の部位の活性化エネルギーの分布を表す図である。
【図２】時間対反応部位の増加を示す代表的なプロット表す図である。
【図３】表面安定化処理された光ファイバの反応部位中の活性化エネルギーの分布を示すプロット表す図である。
【図４】表面安定化処理されたファイバと表面安定化処理されない光ファイバを比較する、図２と類似のプロット表す図である。
【図５】重水素で表面安定化処理され、その後に長時間水素中で運用された３つの異なる仮定条件の結果を示す、損失対時間のプロット表す図である。
【図６】異なる処理時間に対するシミュレーションの比較データを示す損失対時間のプロット表す図である。
【図７】表面安定化処理されないファイバと表面安定化処理されたファイバを、運用条件を予測して加速された条件で比較した実験データ表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
添付の図を参照した以下の議論により、本発明の特徴や実施例を明らにする。なお、これらの図面中の構成要素は必ずしも寸法通りではない。
【００２１】
これまでのグレーデッド型屈折率マルチモードファイバは擬似放物線型屈折率プロファイルを持ち、ファイバのモードを同じ速度で接近して進行させ、モード分散を最小にし、特定の波長で最大の帯域幅を与える。その波長から離れると、ファイバのモードの伝播速度は異なるようになる。最適波長より長い波長では、高次モードは低次モードよりもゆっくり進行する。最適波長より短い波長では、高次モードは低次モードよりも早く進行する。モード遅延は現実のファイバのプロファイルの理想的な特性からのずれによっても異なる。よくある、いわゆる「中心部の欠陥」はマルチモードファイバの屈折率プロファイルのｒ＝０の付近に生じる。修正化学気相堆積法（ＭＣＶＤ）、プラズマ活性化学気相堆積法（ＰＣＶＤ）、あるいは外付け気相堆積法（ＯＶＤ）プロセスのすべては中空体での縮径を必要とし、そのためマルチモードファイバの中心線に沿うプロファイルは縮径プロセスの間にもたらされる屈折率のふれの影響を受けやすい。これら中心部の欠陥はファイバの中心部付近で出射されるエネルギーの高速伝送を低下させる。他の非理想的な特性としてはプロファイルの任意の位置における「ねじれ（ｋｉｎｋｓ）」、つまり段差あるいはくぼみを含み、モード遅延の急激な変動の原因となる。
【００２２】
コアとクラッドの境界付近でのプロファイルのずれは、脱水中にスート体中でドーパントの拡散が容易に生じるＯＶＤプロセスにおいても一般的である。
【００２３】
ファイバの光波パワーの容量はいくつかの方法で定量化できる。全モード励振伝送帯域（ＯＦＬ−ＢＷ）はレーザ出射用途のファイバを特徴付けるために限定的に利用される。（最大−最小）セントロイド遅延の値、あるいはモード遅延時間差（ＤＭＤ）の測定から導かれるマスク幅はより適切なものである。０．３３ｐｓ／ｎｍより小さいＤＭＤ０−２３ミクロンのマスク幅の値が、モードパワー分布（ＭＰＤ）がＩＥＥＥ８０２．３ａｅの１０ＧＢＡＳＥ−ＳＲ標準に適合することが必須であるＶＣＳＥＬによる通信距離３００ｍ以上の１０Ｇｂｐｓ伝送に好ましい。それと等価な目的にあるのが、ある特定のレーザ出射条件における２ＧＨｚ−ｋｍより大きいモード帯域幅である。ｒ＜４．５μｍで３０％以下、ｒ＜１９μｍで８６％以下の囲まれた線束を有するように規定される８５０ｎｍ１０Ｇｂｐｓ伝送に対して、一連の重み付け関数が、「計算上の実効モード帯域幅」あるいはＥＭＢｃを導くために高分解能ＤＭＤ測定に適用できるＴＩＡ／ＥＩＡ−４９２ＡＡＡＣ−Ａにあって開発された。所与のファイバが８０２．３ａｅ仕様に適合するいかなるトランスミッタについても１０Ｇｂｐｓの容量を備えることを保証するために、１０個の値の組の最も低いＥＭＢｃの値は２ＧＨｚ−ｋｍ以上でなければならない。
【００２４】
最適波長から急速に変化するモード遅延の影響はプロファイル分散として知られる現象を考慮することにより理解できる。プロファイル分散はドーパントの組成によって決定される。マルチモードファイバにＧｅドーパントだけが使われるとき、プロファイル分散は大きく変化し、広い波長範囲（７５０乃至１６００ｎｍ）にわたる大きな勾配を有する。Ｇｅが少なく、ＰあるいはＡｌなどの他のドーパントと混合されると、プロファイル分散はよりフラットになり、広い波長範囲にわたって帯域幅が大きいファイバを与える。
【００２５】
本発明のマルチモードファイバ設計は多重にドープされたファイバから成り、一般にＡｌあるいはＰなどのドーパントがファイバの必要な開口数（ＮＡ）を達成するために必要とされるＧｅの濃度を下げるために使われる。正の屈折率を有するドーパントの必要量を低減するためにファイバのクラッド中にフッ素が使われてもよい。ＡｌおよびＰはシリカの屈折率を高め、Ｆはシリカの屈折率を低下させる。Ｇｅをドープしたシリカの分散は一般にＡｌあるいはＰをドープしたシリカの分散よりも高く、したがって屈折率を高めるドーパントとしてＧｅＯ２をＡｌ２Ｏ３あるいはＰ２Ｏ５に置き換えるとファイバのモード分散は低くなる。一般に、Ｇｅ、ＡｌあるいはＰ酸化物など正のドーパントのドーパントプロファイルは擬似放物線になり、パラメータ「アルファ」（α）によって特徴づけられ、通常αは約２（例えば、２±０．３）である。
【００２６】
ファイバは、ドーパントがＡｌだけ、あるいはＰだけからなる、あるいはドーパントがＧｅとＡｌ、あるいはＧｅとＰ、あるいはＧｅとＡｌとＰからなる多くの組合せであるとして表現される。目標とするＮＡを達成するために必要とする屈折率を高めるためのドーパントの総量を低減するために、ファイバのクラッドがＦをドープしたガラスであってもよい。また、様々な理由からドーパントを混合することが好都合である場合がある。例えば、いずれかのドーパント単体によるよりもドーパントを混合するとよりよいモード分散を生じ、ドーパントが混合されたファイバのいくつかの場合には散乱あるいはエージング損失が改善される。
【００２７】
表１は以下に述べる望ましい特性を持つ５０ミクロンファイバの設計パラメーターを記す。
【表１】
0005506210.tif 000002
【００２８】
多重ドーパントを用いることによるマルチモード帯域幅を改善する一般的な手法は長年にわたり知られている。例えば、ＫａｍｉｎｏｗとＰｒｅｓｂｙによるＡＯ、Ｖｏｌ１６、Ｎｏ．１、１０８ページ、１９７７年１月、およびＲ．ＯｌｓｈａｎｓｋｙによるＡＯ、Ｖｏｌ１８、Ｎｏ．５、６８３ページ、１９７９年１月を参照のこと。しかし、これらのファイバは様々な理由により商業的には成功していない。高速伝送に必要なことが十分に理解されていない時期に、レーザ出射の出現に先立ち、多重ドープファイバに関する多くの研究が行なわれた。われわれは、新しい理解に基づくこれまでにないユニークな方法により多くの波長にわたって高速伝送を可能にし、ファイバと光源の具体的な組合せだけでなく、具体的なファイバ設計についても述べる。
【００２９】
マルチモードファイバのモード帯域幅は使われるレーザの出射条件に依存する。出射の要件であるレーザとファイバとの間の配置の許容差が緩くてよいときにコストが最低となる。ＶＣＳＥＬ出射に対して±約５ミクロンの許容差が１および１０Ｇｂｐｓにおける現行の８５０ｎｍトランスミッタのコストに対して極めてよい。８５０ｎｍ以外の波長におけるＶＣＳＥＬトランスミッタは８０２．３ａｅに対するモードパワー分布と同じようになるべきである。したがって、最も悪い場合のＥＭＢｃは、一連の波長にわたる本発明の広帯域マルチモードファイバの帯域幅の尺度として１０個のＴＩＡ重みづけ関数を適用することにより到達する。
【００３０】
理論的には、同じ様に許容差の緩い出射のシングルモードレーザは（ファイバが最適化される波長において）好ましい低コストの出射の選択肢である。しかし、工業的に信頼性のあるエッジ放出レーザは８５０ｎｍに対して最適化されておらず、１３００ｎｍで最適化されたファイバに結合された１０Ｇｂｐｓシングルモードで直接変調されたファブリ−ペロー（ＦＰ）あるいはＤＦＢレーザは過去において標準化団体に認められていない。それにもかかわらず、将来の広帯域ファイバ用途において低コスト伝送のために有利であるとして約９８０から１１２０ｎｍの波長範囲でエッジ放出ＩｎＰレーザを使う可能性がある。いくつかの最も低次のモードはモード遅延にわずかな差しかないので、完全な中心部出射に対して、製造に非常にコストがかかる中心部欠陥のないマルチモードファイバは本質的に広帯域である。しかし、コストを低くするために、同じように中心から出射するコネクタの効果を説明するのと同様に、緩い許容差でマルチモードファイバとシングルモードレーザとの結合を考慮することは有益である。７ミクロンオフセット付近でのふたつの最悪の場合の接続はひとつの９ミクロンオフセット出射によって近似できる。ここに述べる本発明のファイバの期待する性能のひとつの基準値として、われわれは９ミクロンシングルモードオフセット出射のモード帯域幅を使う。
【００３１】
表１に記載するＡｌドープファイバは、０−２３ミクロンマスク幅（表２）、ＶＣＳＥＬ出射の最も悪い場合のモード帯域幅（表３）、および９ミクロンシングルモードオフセット出射モード帯域幅（表４）に対して記される１０Ｇｂｐｓ伝送のための望ましい特性を有する。
【表２】
0005506210.tif 000003
【表３】
0005506210.tif 000004
【表４】
0005506210.tif 000005
【００３２】
表１に記載するＰドープファイバは、０乃至２３ミクロンマスク幅（表５）、ＶＣＳＥＬ出射の最も悪い場合のモード帯域幅（表６）、および９ミクロンシングルモードオフセット出射モード帯域幅（表７）によって記される１０Ｇｂｐｓ伝送のための望ましい特性を有する。
【表５】
0005506210.tif 000006
【表６】
0005506210.tif 000007
【表７】
0005506210.tif 000008
【００３３】
多重ドープされたファイバは、出射モードパワー分布の関数としてモード分散を均一にするために多重アルファ放物線指数によって特徴付けられ、かつ／あるいは特定のモードグループをさらに抑制するために加えられる段差、深さ、ねじれなどの鋭敏な特徴、および／あるいはモード混合効果を増すための長さ方向の周期的な構造を持つ屈折率プロファイルを有する。ファイバのサイズは、６２．５μｍ／１２５μｍ、５０μｍ／１２５μｍ、あるいはその他のサイズであってよい。損失を低減する観点からはコアのゲルマニウム濃度が少ないより小さなコアが好ましい。多重ドープされたファイバは８５０ｎｍ波長において１２００ＭＨｚ−ｋｍより大きく、１３００ｎｍ波長において５００ＭＨｚ−ｋｍより大きいＯＦＬ帯域幅を有する。
【００３４】
伝送ビットレートを上げ、伝播距離を延ばすために、トランスミッタ、あるいはレシーバ端部のいずれかに、電気的分散補償、光モードフィルタリング、および空間分割検出などの分散補償方式を使うことができる。特に１３１０ｎｍ付近で１ＧＨｚ−ｋｍより大きいモード帯域幅を持つファイバは標準のＯＭ３ファイバよりも低コストでＥＤＣによる均一化が容易である。
【００３５】
多重ドープされたガラス組成およびここに議論された光ファイバプロファイルはプリフォームを形成し、光ファイバを線引きする従来どおりの方法で処理される。
【００３６】
これらの多重ドープされた光ファイバの研究で、上記に示すファイバは非常に優れた特性を備えているが、水素汚染による劣化に関して予想された以上に影響を受けやすいことが見出されている。劣化は水素結合によって形成されるよく知られた水ピークの形成の結果として生じる。水ピーク（ＯＨ−結合）は信号の代表的な波長範囲で光を吸収する。劣化はリンおよび／あるいはアルミニウムの濃度が２モル％を越えると特に顕著になる。
【００３７】
これを克服するために、記載された組成の光ファイバは重水素の加熱雰囲気で光ファイバを処理することによって表面安定化処理される。処理条件が表面安定化処理の効果を決定する。処理条件とは基本的に処理時間、重水素の濃度、および処理温度である。
【００３８】
われわれはもっとも適切な表面安定化処理プロセスを決定できるよう、水素汚染のプロセスを詳細に解析した。
【００３９】
水素汚染は基本的に３段階のプロセスからなっている。第一に、水素は周囲の物質あるいは雰囲気からファイバの中に拡散する。次いで、この侵入した水素が欠陥を形成する反応が起こり得る活性型になる。通常、この活性型への転換は可逆的なプロセスであって、ラジカルを形成する水素分子の分離、あるいはラングミューアのアイソサームに似た吸着アイソトームのいずれかとしてモデル化できる。最終的に、活性型水素はガラス中に存在する損失の原因となる欠陥を形成する部分と反応する。今日までのデータは、反応が活性化エネルギーの広範な分布によって生じることを示している。このことが図１に示され、それは活性化エネルギー、Ｅａを持つ部分の密度分布を表している。反応の割合は比率ｅｘｐ［−Ｅａ／ｋＴ］として表されるので、最も活性化エネルギーが低い部分が最初に消費され、反応の割合は次第に遅くなる。反応は図１の影をつけた領域で表され、それはある時間ある温度にさらされたことにより当該水素と反応した欠陥の集団を表している。時間の経過とともに、より多くの部分が消費され、水素が占めることができるガラス部分は有限であるため、反応部分の集団はある漸近的な限界まで増加していく。図２に示されるように、反応の範囲、および損失を生じる欠陥の形成が時間とともに増大する。
【００４０】
伝送用ファイバおよびエルビウムドープファイバなどの光ファイバは、標準的な動作温度、および長期にわたる光損失の変化が許容できない水素レベルでの反応に極めて敏感である。これを改善するために、長期間にわたってより安定しているファイバを作るために表面安定化処理が開発された。有効な表面安定化処理は活性化エネルギーがもっとも低い部分と反応し、それによって使用状態のときに引き続いて起こる反応を、許容できないレベルの初期バックグラウンド損失を生じることなく低下させる。表面安定化処理中のバックグラウンド損失の初期増加を低減するために、水素が重水素に置き換えられる。重水素は化学的に水素と類似しているので、当該ガラス部分との反応の反応速度も非常に類似している。しかし、原子量の増加のために、ガラス中の重水素種に関わる吸収スペクトルは水素とは完全に異なっている。特に、１．５５ミクロン近辺の通信領域での大部分の光損失の原因となっているシリカ中の１．３８ミクロン付近の水酸基オーバートーンは除去される。このことが重水素との反応による損失による影響を低減する。したがって重水素による表面安定化処理は信号波長の減衰をかなり小さくすることができる。
【００４１】
代表的な表面安定化処理の効果が図３および４に図示され、それは表面安定化処理の間に重水素と反応する部分の集団を示す。実際面では、発生する損失が小さく、光ファイバが使用される前に把握可能である。使用中、残存水素部分（表面安定化処理されなかった部分）は表面安定化処理の間に消費されたものより高い活性化エネルギーを有しているので、反応の割合はよりゆっくりと進行する。したがって、モル吸収はより高いにもかかわらず、稼動中のさらなる光損失は小さいはずである。このことが非表面安定化処理ファイバよりも長期間にわたりファイバをより安定にさせることになる。
【００４２】
表面安定化処理は、加速条件、つまり使用時に予測されるより高い温度およびガス圧によって本質的に活性化エネルギーが最も低い状態の部分の消費を加速させ、当該部分を比較的損失のない物質で満たす。
【００４３】
この反応は光ファイバを水素あるいは重水素にさらすことによる損失の増加が、当該欠陥部分活性化エネルギーの分布と、時間、温度および水素あるいは重水素の活性度の履歴によって影響されることを示唆している。汚染プロセスの簡単な近似モデルは、所定の温度−圧力条件に対する時間で表すと式（１）の変換を用いてひとつのマスターカーブを生成することで見積もることが出来る。
【数１】
0005506210.tif 000009
ここでＥａは活性化エネルギー、νは周波数の因数、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、［Ｈ＊］ｔはガラス中への拡散、ガラス中への水素の溶解度、および長期間にわたる水素分子の化学活性を含む統合された水素活性度の因子である（参考のためここに引用される、例えばＬｕＶａｌｌｅほかのＳＰＩＥ  Ｖ３８４８、第２６０頁乃至第２７１頁を参照のこと）。マスターカーブを作ることにより、広範囲の温度、圧力および時間にわたる加速試験の実験データの相関関係が明らかになり、温度、圧力および時間の異なる組合せでの正確な予測が可能になる。
【００４４】
これまで議論された概念は使用期間中のファイバの光損失の増加の正確な予測を可能にするために使用できる。重水素との反応は反応した欠陥の光吸収を動作波長から除去するので、重水素による表面安定化処理中に発生する損失は比較的小さい。したがって、焦点は稼動中の予想される損失の増加を計算し、適切な生涯特性を得るために表面安定化処理の妥当なレベルを決定することにある。表面安定化処理による多少の損失は比較的軽微であり必要なコストとして処理される。代表的な表面安定化処理条件は長時間の１００℃以上の温度を必要とするので、ある場合には表面安定化処理のプロセスは、処理に伴う光損失よりもむしろコーティングの劣化、あるいは単にファイバ処理のコストによって限定される。
【００４５】
しかしわれわれは従来の方法が適切な動作を確実にするためには不適切である状況を発見した。特に、これらの状況のいくつかの場合、表面安定化処理中に受ける損失は極端に高い。例えば、最近開発された、ゲルマニウムとリンを含むコア組成のマルチモードファイバ（米国特許出願第１１／５１１，１７４号を参照のこと）は非常に高い水素との反応性を示す。このことは従来のＧｅをドープされたシングルモードファイバに必要とされるよりもっと高度の表面安定化処理が必要であることを示唆する。その結果はガラス中で反応する重水素の量の大幅な増加である。さらに、対象とする動作波長範囲が広い場合、例えば８５０ｎｍから１３００ｎｍの波長に対して、その波長範囲は少なくともひとつのＯＤ−の吸収ピークを含む。その状況では、標準の表面安定化処理の間に引き起こされる損失は非表面安定化処理ファイバの損失を超えてしまう場合がある。
【００４６】
厳しい環境への曝露、あるいは高信頼性用途を想定したエルビウムドープファイバなどのファイバは同じように表面安定化処理により過度の損失を示す場合がある。これらのファイバは高濃度のアルミニウムを有することがある。
【００４７】
このような場合、表面安定化処理および運用による損失の組合せを最小化するためにバランスを取った対処が望ましい。これを達成するために、基本的な反応力学が理解され、活用されねばならない。
【００４８】
上に議論された表面安定化処理の影響に対する解析は、所与の量の反応部分がガス圧、曝露温度、および曝露時間の無限の組合せによる、水素あるいは重水素との反応によってなされていることを示唆している。例えば、固定された水素圧力で短時間高い温度に保持されたファイバは長時間低い温度に保持されたファイバと同じだけの光損失を招く。このことは、ただひとつである反応部分の集団がひとつの活性化エネルギーの分布に従い、同等の処理が同じ集団の反応性のガラス部分を消費するために生じる。この反応はいくつかのガラスのタイプについて立証されている。
【００４９】
ある場合には、この反応はひとつ以上の当該部分の集団があり、その集団が異なる分布の活性化エネルギーを持っていると適用されない。われわれは複雑なガラスシステムのイオン化出射の影響の研究中にそのような状況を発見している。
【００５０】
反応部分の同様な集団は前処理および運用の複数の組合せによって対処され得るが、最終的な光損失は、水素によってもたらされる光損失が重水素によるものよりもはるかに大きいという事実を考慮しなければならない。したがって、反応部分がひとつだけの集団が効果的に存在するガラスおよび化学的な機構について、上記の議論は、もし運用が終わるまでの期間および条件が決められているなら、終了時の光損失の量を最小にするために表面安定化処理の条件が最適化されるということを暗示している。このことが図５に例示され、それは重水素による表面安定化処理の後、長時間水素中で運用されるという二つの異なる仮想条件の結果を示している。曲線（ａ）で、ファイバは低温で処理され、表面安定化処理中の初期損失は少なかったが、長期間の稼働の後、全減衰はかなり大きくなっている。曲線（ｂ）はより積極的な（例えば、より高温での）表面安定化処理を示し、その結果、より多く表面安定化処理による損失が生じる結果となっているが、しかしその後の反応は十分に低くなり、したがって長時間の稼動の後の全発生損失は曲線（ａ）よりも低い。曲線（ｃ）のさらにより積極的な不導体化は稼動中の品質低下に対してまったく安定しているが、大きな表面安定化処理時の損失を埋め合わせず、寿命末期の損失は曲線（ｂ）よりも高い。したがって、表面安定化処理のプロセスはまったく穏やかである場合もあり、またきわめて厳しくなる場合もある。一般的に、効果的な表面安定化処理のプロセスは表面安定化処理の閾値を決定することだけが必要であると見なされるが、先に述べた理解が、最適な表面安定化処理の条件は最小と同じく最大をも持っているということを立証する。したがって、重水素による表面安定化処理プロセスを設計するときに、プロセス条件の下限だけでなく、同様に上限をも計算することが望ましい。
【００５１】
重水素および水素に起因する光損失の大きさ、およびスペクトルの違いに加えて、ポリマおよびガラスクラッドを経る分子種の拡散の度合いは顕著に異なっている。対照的に、重水素と水素との間の動的反応の違いは比較的小さい。これらの違いはそれぞれ適当な尺度を用いてマスターカーブに盛り込むことが出来る。一般的な手順では、マスターカーブを決定するために温度、圧力、および時間の加速条件を用いる一連の実験的な試験を実施することで、そこから［Ｈ＊］ｔ関数が決定される。したがって、寿命末期の損失を最小にするために、［Ｈ＊］ｔ関数を使って重水素による表面安定化処理のための温度−圧力−時間の条件を決定することが出来る。
【００５２】
温度および圧力の関数として［Ｈ＊］ｔがわかると、ファイバが現場でさらされる水素濃度を逆算するために測定された光損失の変化を使うことが出来る。これは装置の問題、あるいは差し迫った障害を検知するためにファイバの設置、あるいは機器を監視するための有用なツールとなり得る。
【００５３】
本発明のひとつの観点は［Ｈ＊］ｔを決定するための実験的な手順である。温度および圧力の関数としてシリカ中のＨ２の拡散定数および溶解度は文献から得られる（例えば、Ｌｅｍａｉｒｅの「Ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」、１９８１年６月、Ｖ３０、Ｎｏ６、７８１ページ、式２および３）。こうして、われわれはファイバ中のＨ２の局部的な濃度を知ることが出来、実験的に測定した長期間の損失増を使って水素の活性度が決定出来る。
【００５４】
われわれは水素の化学活性がガラスの組成に強く依存していることを見出している。周期律表のＩＩＩＡ列成分の大量ドープにともない、活性度は水素ラジカル中への水素の解離によって強くなる。例えば、アルミニウムのドーピングは解離のための活性化エネルギーを４．４８ｅＶから〜１ｅＶに低減する。この触媒作用はおそらく３重結合を形成するために（ボロンのように）空の軌道を越えて混成するアルミニウムの能力の結果である。
【００５５】
それに対して、ＩＩＩＡ成分のないファイバでは主要な活性は水素−水素結合の分割へとつながる、損失を発生する部分への直接的なＨ２の吸着である。この場合、その活性は吸着アイソサームの形をとり、その一般形は、
【数２】
0005506210.tif 000010
であって、［Ｈ２］は拡散および溶解度から直接決定され、ＡおよびＢは実験的に測定される。
【００５６】
水素によって引き起こされる黒化の一般形は式（２）のシステムによって記述できる。
【数３】
0005506210.tif 000011
ここで
【数４】
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ここで［Ｈ＆］は水素ラジカルの濃度、νの項はアレニウスの関係の周波数因子、κはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、［Ｌλ］は波長λにおける単位長さあたりの光損失、Ｄｉ項は最終的に損失が多くなるガラスの部分の集団を表す。時間０におけるＤｉ項の濃度が活性化エネルギーの分布における活性化エネルギーの重み付けをする。パラメーターＰが活性の二つの形態の相対的な影響力を表すことを可能にする。
【００５７】
上記のモデルは活性を評価するための適当な実験による実験データによく適合している。長期間の予測の精度を改善するために引き続き実験を行なうことが活性を詳細に把握するために有用である。
【００５８】
実施例
上に述べた概念の効果的な応用を実証するために、Ｇｅ−Ｐをドープしたコアを持つマルチモードファイバが作られた。光ファイバは窒素を混合された重水素雰囲気の加熱炉の中で処理された。全体の公称圧力は１０１３ｈＰａ（１気圧）であった。水素と重水素の活性、および上記の式（１）のνの適正値を決定するためにいくつかの実験が行なわれた後、いろいろ異なる時間で７２℃、１０１３ｈＰａの重水素による表面安定化処理後のファイバの寿命末期の性能を予測するシミュレーションが行なわれた。４、８、および１２時間の曝露に対する結果が図６にプロットされている。稼動時の条件は、運用期間を１０年間とし、２５℃で水素は１０．１３Ｐａ（１０ー４気圧）と仮定された。短時間（４時間）の表面安定化処理は十分な集団の反応部分を反応させるには不十分であり、長時間（１２時間）の表面安定化処理は過剰である。最小の寿命末期損失は８時間の表面安定化処理であることがわかる。
【００５９】
この実験、およびその他の実験に基づき、３つの処理パラメーターの最適範囲が確立された。好ましい処理は加熱重水素中での最初の処理と、それに続く、例えば窒素などの不活性ガス中への引き込み式アニールからなる。最初の処理で、重水素は不活性ガスで所望の重水素圧まで薄められてもよい。不活性ガスへの引き込みはファイバを経て吸収された重水素の拡散を可能にし、所望の反応が生じることを可能にする。重水素の圧力は好ましくは２５３．３ｈＰａから７５９．９ｈＰａ（０．２５気圧から０．７５気圧）で、好ましい全体の処理時間は１８時間から３０時間であり、そのうち重水素の処理時間は２時間から６時間である。対応する処理温度の範囲は６５から１００℃である。
【００６０】
現実的な商業生産、およびその他考慮すべきことの観点から推奨するプロセス条件は、３±１時間、４０５．３±２０２．７ｈＰａ（０．４±０．２気圧）の重水素で、それに続く８２乃至９２℃の温度範囲の不活性ガス中での２１±５時間の加熱である。
【００６１】
図７は７０℃、３０４ｈＰａ（０．３気圧）の水素の加速条件により、１３１０ｎｍで測定された非表面安定化処理ファイバと表面安定化処理ファイバについて測定されたデータを示す。光ファイバの組成は１４モル％Ｐ２Ｏ５、１３モル％ＧｅＯ２、基本的に７３モル％ＳｉＯ２であった。横軸は加速条件の時間軸で、単位は時間である。縦軸はキロｍあたりの損失増加で、単位はｄＢである。４０℃、３５年間、１０．１ｈＰａ（０．０１気圧）の水素への曝露の寿命末期に対応する加速条件における概略の推定時間は約５時間である。それぞれのファイバの寿命末期の損失の推定値が凡例に示されている。測定誤差のある低い部分を過ぎると、表面安定化処理しないファイバ（三角記号△）は完全に表面安定化処理ファイバの上にあるので表面安定化処理の効果が明らかに見られる。
【００６２】
ここに述べられたプロセスにより処理される光ファイバのドーピングのレベルは大幅に変わってもよい。本来の関心のある組成、および重水素による表面安定化処理による過剰な損失の影響をたいへん受けやすい組成はＧｅＯ２およびＰ２Ｏ５をともにドープされたシリカベースの光ファイバである。一般に、Ｐ２Ｏ５に対するＧｅＯ２のモル比は大幅に、例えば、０．５から１０まで変化してもよい。全体としてドーパント濃度は通常１５から３２モル％変化し、残りがＳｉＯ２となる。リンの含有量は一般に２モル％から２０モル％の範囲にある。関心のある具体的な組成はＧｅＯ２が２０モル％±３モル％でＰ２Ｏ５が３モル％±１モル％、ＧｅＯ２が１３モル％±３モル％でＰ２Ｏ５が１４モル％±３モル％である。
【００６３】
これまでの記述の主題であるマルチモードファイバは、一般にかなり大きい、通常は１０ミクロンより大きいコア径を持つと認識されている。この特性が、一般に６ミクロンあるいはそれより小さいコア径を有するシングルモード光ファイバとこのファイバとの違いを示している。
【００６４】
詳細な記述の最後に、本発明の理論から本質的に逸脱することなく、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ることに注目されるべきである。そのような変形、修正、および類似することのすべては請求の範囲に説明されるように、本発明の範囲であるとしてここに含まれるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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