(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学導波管ファイバプリフォームであって、
長手方向軸及び有効屈折率を有するコア体と、
各々が長手方向軸を有しかつ中心部分と前記中心部分を囲繞する層とからなる複数のクラッドロッドと、からなり、
前記中心部分の屈折率は、予め選択された大きさだけ前記中心部分を囲繞する層の屈折率とは相違し、かつ前記クラッドロッドの直径は予め選択され、
前記複数のクラッドロッドは、前記コア体を囲繞するクラッドロッドの層を包含するアセンブリを形成するように前記コア体の周りに保持され、
前記前記クラッドロッド中心部分と前記クラッドロッド囲繞層との各屈折率の間の、前記予め選択された大きさの差異は、前記クラッドロッド層の有効屈折率を、前記コア体の有効屈折率より小とする、ことを特徴とする光学導波管ファイバプリフォーム。
【請求項２】
前記クラッドロッドは、前記アセンブリを囲繞するガラス管によって位置が保持されることを特徴とする請求項１記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項３】
前記ガラス管の屈折率が、前記クラッドロッド中心部分と、前記クラッドロッドの中心部分を囲繞するクラッドロッド層の両方の屈折率より小であることを特徴とする請求項２記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項４】
前記クラッドロッドの各々は、長手方向軸に垂直な断面を有し、最大断面直径が１．５ｍｍから３．０ｍｍの範囲内にあって、前記断面は、円形、楕円形、三角形、平行四辺形、及び多角形からなる群から選択された形状を有していることを特徴とする請求項１記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項５】
各クラッドロッドの前記断面は、円形であって、各クラッドロッドの前記中心部分は第１直径を有し、各クラッドロッドの前記囲繞層が第２直径を有し、前記第１直径と前記第２直径の比が約０．１から０．４の範囲にあることを特徴とする請求項４記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項６】
前記クラッドロッドの層が略六角形のパック構造に整列されていることを特徴とする請求項５記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項７】
前記クラッドロッドの層が体心立方体構造に整列されていることを特徴とする請求項５記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項８】
前記コア体は、断面に垂直な長手方向軸を有するシングルロッドであって、前記断面は、円形、楕円形、三角形、平行四辺形、及び多角形からなる群から選択された形状を有することを特徴とする請求項４記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項９】
前記シングルコアロッドの前記断面は、直径が約２ｍｍ〜３ｍｍの円形であることを特徴とする請求項８記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項１０】
前記複数のクラッドロッドは、前記コア体の長手方向軸に実質的に平行な長手方向軸を有する様に配置され、前記クラッドロッドの位置は、ランダムに配置されていることを特徴とする請求項１記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項１１】
前記複数のクラッドロッドは、前記コア体の長手方向軸に実質的に平行な長手方向軸を有する様に配置され、前記クラッドロッドの位置は、周期的に配置されていることを特徴とする請求項１記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項１２】
前記ロッドは、均質な構成材を有することを特徴とする請求項１記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項１３】
前記均質な構成材のロッドは、予め選択されたクラッドロッドパターンを形成する為の前記複数のクラッドロッドの間に配置されていることを特徴とする請求項１２記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項１４】
前記予め選択されたクラッドロッドパターンは、鏡面対称パターン、回転対称パターン、繰り返される非対称パターン及びランダムパターンからなる群から選択されることを特徴とする請求項１３記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項１５】
前記クラッドロッドパターンは、偏波保存導波管ファイバが線引きされる非対称パターンを形成することを特徴とする請求項１３記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項１６】
前記アセンブリには、前記コア体と前記アセンブリのクラッドロッドとの間に空間が含まれることを特徴とする請求項１記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項１７】
前記空間の少なくとも1部は、ガラスロッド又はガラスで形成される粒状物質で充填されていることを特徴とする請求項１６記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項１８】
前記クラッドロッドの前記中心部分又は前記中心囲繞層は、前記クラッド層の光学感度を増進する物質を含有する石英ベースのガラスであることを特徴とする請求項１記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項１９】
前記光学感度を増進する物質は、ゲルマニウム、アンチモン、ホウ素からなる群から選択されることを特徴とする請求項１８記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項２０】
前記中心部分又は前記クラッドロッドの前記中心部分囲繞層は、前記囲繞層ガラスと比較して前記中心部分の熱膨張係数を部分的に変更し、かつ偏波保存導波管ファイバを線引きするプリフォームを供給する為に前記クラッドロッドに機械的複屈折が誘導される範囲に変更するに充分な量のドーパント物質を含有する石英ベースガラスであることを特徴とする請求項１記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項２１】
前記クラッドロッドの前記中心囲繞層は、３０％から５０％の範囲の重量パーセントのドーパントゲルマニウムを含有する石英ベースのガラスであることを特徴とする請求項２０記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項２２】
前記クラッドロッドの前記中心部分が、１０％から２０％の範囲の重量パーセントのドーパントホウ素を含有する石英ベースのガラスであることを特徴とする請求項２０記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項２３】
前記クラッドロッドの前記中心囲繞層は、ゲルマニウム及びチタンからなる群から選択される物質を添加した石英ベースのガラスであることを特徴とする請求項２０記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項２４】
前記クラッドロッドの前記中心部分が、フッ素及びホウ素からなる群から選択される物質を添加した石英ベースのガラスであることを特徴とする請求項１記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項２５】
前記コア体の屈折率は、グレーテッド型に分布することを特徴とする請求項１記載の導波管ファイバプリフォーム。
【請求項２６】
請求項１から２５のうちのいずれか１つに記載されたプリフォームから線引きされることを特徴とする光学導波管ファイバ。
【請求項２７】
請求項１から２５のうちのいずれか１つに記載されたプリフォームから線引きされた光学導波管ファイバであって、
屈折率を有する物質からなるコア領域と、
前記コア領域と接触し、且つこれを囲繞するクラッド層と、からなり、
前記クラッド層は母材領域及び複数のカラムから形成される領域を含み、前記カラム領域は第１屈折率を有し、第２屈折率を有する前記母材領域中にカラムが配列として埋設されており、
前記カラム領域の屈折率は、前記コア領域の少なくとも１部分が前記クラッド層の有効屈折率よりも大きな屈折率を有するような大きさだけ、前記母材領域の屈折率とは相異する、ことを特徴とする光学導波管ファイバ。
【請求項２８】
前記配列の前記複数のカラムは、ファイバの端から端まで連続し、各カラムは、ファイバの長手方向に実質的に平行に整列された長手方向軸を有し、前記カラムの前記配列はランダムであることを特徴とする請求項２７記載の導波管ファイバ。
【請求項２９】
前記複数のカラムの前記配列は、ファイバの端から端まで連続し、各カラムは、ファイバの長手方向に実質的に平行に整列された長手方向軸を有し、前記カラムの前記配列は周期的であることを特徴とする請求項２７記載の導波管ファイバ。
【請求項３０】
前記カラムの配列の周期的なピッチは、０．４μｍから４０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項２９記載の導波管ファイバ。
【請求項３１】
ファイバの長手方向に垂直である前記コア領域の断面は、予め選択された波長領域に亘ってシングルモードを転送するファイバになるように選択された直径を有する円形であることを特徴とする請求項３０記載の導波管ファイバ。
【請求項３２】
前記波長領域が、約２００ｎｍから約１７００ｎｍであることを特徴とする請求項３１記載の導波管ファイバ。
【請求項３３】
前記複数のカラムの各直径が、１μｍから３５μｍであることを特徴とする請求項２７記載の導波管ファイバ。
【請求項３４】
前記コア領域の前記物質が、前記母材ガラスの物質と同一であることを特徴とする請求項２７記載の導波管ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願は、１９９８年１２月２１日出願の米国仮特許出願第６０／１１３，０８７号の利益を伴う。
本発明は、光学導波管ファイバに関する。特に、導波管ファイバにおけるコアとクラッドの屈折率の差異が、ファイバクラッド層中に光学結晶のような構造を包含させることによって達成される。
【０００２】
【従来技術】
光学結晶クラッド層を有する導波管ファイバは、文献中に既に記載されている。現在、光学結晶ファイバ（以下ＰＣＦと称する）は、多孔質クラッド層、つまりクラッド層の有効屈折率を変化させることに有用な空隙の配列を包含するクラッド層、を有しており、その結果、モードフィールド直径または全分散等の導波管ファイバの特性を変化させている。導波管にわたる光パワーの分布（モードパワー分布）は、光学導波管の特性を効果的に決定する。クラッド層の有効屈折率を変更することで、モード強度分布及び導波管ファイバ特性を変化させる。
【０００３】
上述した特徴に加え、カットオフ波長は、クラッド層のカットオフ波長により影響を受ける。多孔質クラッドＰＣＦの有効な特徴は、クラッド層中のポアサイズとポア分布を個々に選択することで、本質的に広範囲の波長を持つ信号に対して、ファイバによるシングルモード伝送を可能とする点にある。これはカットオフ波長の波長範囲が、制限されることなく広がることを意味する。この様なＰＣＦは“エンドレスシングルモード”として呼ばれている。ＰＣＦによって提供される更なる価値は、非ＰＣＦ導波管のドーパントレベルと同等若しくはそれ以下のレベルにおいても、ファイバにおけるコアとクラッド間の屈折率の差異を大きく出来る点にある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
多孔質クラッドＰＣＦの製造は、多孔性の体積及び分布をプリフォーム中で制御する必要がある為、困難である。またＰＣＦクラッド多孔性のコントロールは、プリフォームを導波管ファイバの大きさに変更する線引きの間、維持する必要がある。高速線引きは、製造コスト、つまり現在のＰＣＦ線引き工程が増大させる工場コスト、を削減する。線引きステップは超高温下で行われ、最終ファイバ直径は小さく約１２５μｍである。故に、線引き工程は、相対的に厳しい状況の下で、ポアを囲む物質の粘性力に反する圧力以内で精密に均衡を維持する必要がある。
【０００５】
多孔質クラッドＰＣＦは、ＯＨ-汚染され易いことが予想される。これは、ファイバの光輸送領域の少なくとも１部は、ＯＨ-除去ステップ後に大気中に曝される大きな表面領域を有する為である。既知の如く、ＯＨ-除去ステップは、塩素ガス等の反応性ガスによって加熱されたプリフォームを処理する工程が通常含んでいる。ＯＨ-汚染の例は、図１中の曲線２によって示す。全体の減衰は高く、８００ｎｍから１６００ｎｍの波長範囲に亘り、約２０ｄＢ／ｋｍ以上である。更に、１２５０ｎｍにおけるＯＨ-吸収ピーク４及び、広域ＯＨ-極大の特性を示す約１３９０ｎｍから１４５０ｎｍの範囲の部分極大６及び８は、許容し難いほど非常に高く、超短距離での応用の場合を除き、導波管をほとんど使用不能にする。
【０００６】
しかしながら、エンドレスシングルモード特性は、ＰＣＦ製造問題に取り組む当業者を引き付けるに充分な価値を有している。ＰＣＦに対して信頼性及び再現可能性のあるプロセスを開発する他の動機は、例えば分散補償ファイバに使用可能な、通常ではない分散特性を達成する可能性にある。分散補償ファイバは、通信リンク存在中における分散の補償をする。更にＰＣＦファイバの利点は、コアとグラッド間の有効屈折率に大きな差異が有る事を利用して大なる有効エリアの供給を可能とし、故に、転送された信号強度の非線型効果を緩和する。
【０００７】
ここに記載された導波管ファイバ及び導波管ファイバプリフォームは、ＯＨ-汚染を減少させ、従来技術の問題を効率良く乗り越えることができる。
【０００８】
【定義】
ＰＣＦプリフォーム及び線引きされたＰＣＦファイバのクラッド層の如き、第２ガラスのロッドを包含する第１ガラスの母材が有する２種類以上のコンポーネントガラス体の有効屈折率は、次の式で定義される。
【０００９】
【数１】
0004637363.tif 000002
【００１０】
式中のΨはスカラ波式の解、ｋはベクトル波、ｆはロッド部分のフィールドの分数、ｎmatrixおよびｎrodは各々クラッド層の母材とロッドガラスの屈折率を示している。
Ｚ方向での光伝達に対するスカラ波当量は、
【００１１】
【数２】
0004637363.tif 000003
【００１２】
で定義され、式中のβは伝達定数、ｋは波長数、ｎ1はコア屈折指数を示す。
有効Ｖ値は、
【００１３】
【数３】
0004637363.tif 000004
【００１４】
で定義され、式中のＬはロッドパターンのピッチであり、λは波長を示す。
【００１５】
【発明の概要】
ここに記載したＰＣＦは、クラッド層中には気体充填された孔を含まない。本願発明によるファイバのクラッド層は、母材領域及び少なくとも1つの追加領域を含んでいる。母材領域及び少なくとも１つの追加領域は各々屈折率を有しており、各々の屈折率は、互いに異なる。追加領域は、母材中に埋設される。埋設された領域の体積及び空間は、制限なく広いシングルモード動作波長範囲を有する導波管ファイバを提供するために調整される。これは、導波管がエンドレスシングルモードであることを示す。
【００１６】
母材領域及び少なくとも1つの追加領域の両方とも、予め選択された波長範囲にある光を透過する必要がある理由から、ガラス物質は良い選択である。適当なドーパント物質の使用により、ガラスの屈折率は、増減可能になる。
この様な導波管ファイバプリフォームとプリフォームから線引きされるファイバは、特に低スペクトル減衰や対称性制御に関して一様でかつ再現性を有するＰＣＦファイバに対する要件を満たす。
【００１７】
本発明の第１の特徴は、複数のクラッドロッドによって形成されたクラッド層に囲繞されたコア体を有する光学導波管ファイバプリフォームである。各クラッドロッドは、中央部分とその中心を囲繞された層を有している。クラッドロッドの中心部分は、その囲繞層の屈折率とは予め選択された大きさだけ異なる屈折率を有する。屈折率の差異は、中央部分と囲繞層の相対面積の差異と共にクラッド層の有効屈折率を決定し、ファイバの特性、例えばモードフィールド直径、カットオフ波長、ゼロ分散波長、及び有効面積等、に影響する。クラッド層の有効屈折率は、アセンブリが最終的に光誘導構造を形成するように、コア体の屈折率よりも低く設定すべきである。クラッドロッド直径は、多孔性のない最終光誘導構造を提供するように選択される。プリフォーム中のクラッドロッドの最大断面幅を約１．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲に設定することで、目標とするファイバ幅へプリフォームを線引きした後に、多孔性のないＰＣＦファイバが得られる。
【００１８】
クラッドロッドとコア体のアセンブリは、ガラス管等の保持体中に挿入されて共に保持され得る。発明の実施例の１つは、ガラス管を使用して、クラッドロッドの中心部分又は囲繞層のいずれよりも低い屈折率を有する。フリットを使用してプリフォーム部品を互いに溶接する方法、又は隣接する部分を加熱により互いに接着させる方法により、アセンブリを束ねる方法が１つの変形例として挙げられる。光学的に透明な粘着材が、フリット部分に代えて使用され得る。また、他の変形例として、正確な整列の下に、プリフォームアセンブリの端を束ね、ガラススートの層をアセンブリに積層する方法が挙げられる。スート密度又はスートの凝集力に主として依存して、プリフォームの線引き前又は線引き中に、スートが焼結されてガラスを形成する。
【００１９】
コア体は、中実のロッド形状のガラス物体で形成可能である。又は、コア体自身を個々のロッドの集合により構成することも可能である。これら個々のロッドにより形成されるコア体は、本質的に互いに同じ構成材から構成されるか、又は、１以上の予め選択された数の異なる構成材である個々のロッドにより形成され得る。個々のロッド構成材の選択は、ファイバの光学特性を決定する。例えば、コア体の中心部分を形成するためにアップドープされた石英ロッドの一群を使用することも可能になる。第２群の純石英ロッドが、コア体の中心アップド−プ部分を囲繞する第１層として形成可能であり、第３群のアップドープ石英ロッドが、第１層を囲繞する層を形成する為に使用できる。コア体を形成する個々のロッドの配置は、プリフォームを導波管ファイバの幅まで線引きした後のセグメント屈折率特性を有するコアを持つファイバに帰結する。セグメント屈折率特性を有するコア体は、別プロセス、つまり従来技術では既知である外付け又は内付け気相析出法等、で形成可能であり、この様に製造されたコア体がプリフォームアセンブリの中に挿入される。
【００２０】
同様に、他の実施例では、コア体はグレーデッド屈折率、つまり半径方向に対する屈折率の関係を示す関数に従う様々な屈折率、を提供する様に形成することが可能である。
このプリフォーム構造は、選択可能な構成数を本質的に制限しない。コア体を形成する個々のロッドの構成及び配置は、変更可能である。同様にクラッド層を形成するクラッドロッドの構成及び配置も変更可能である。コア体及びクラッド層の多様な組合わせにより、多様な機能特性を有する導波管ファイバをもたらす、複数の異なったプリフォーム構造を提供するのに使用されるプリフォームアセンブリを提供できる。有用なロッド配置に対する重要な制限は、以下に示す通りである。クラッドの有効屈折率は、少なくとも光を誘導する構造を持つコア部分における有効屈折率以下に設定する必要がある。加えて、ドーパントの重量パーセントは、低減衰導波管ファイバに相当するか対抗できなければならない。更に、ロッドの構成及び積層パターンにより決定されたコア体及びクラッド層の屈折率特性は、有効エリアの大きさ、低分散、分散傾斜及び正確に配されたカットオフ又はゼロ分散波長等の所望する特性のファイバを提供するように選択される。最終的に、コア体とクラッド層間の屈折率の差異は、ファイバの曲げ感度を最小にする為の実質的な制限内において大であるよう設定することが好ましい。
【００２１】
プリフォームとファイバの更なる実施例において、クラッド層を形成するクラッドロッドは、本質的に多様な断面形が形成可能であり、円形、楕円形、三角形、平行四辺形、または多角形等の形に形成可能である。クラッド層中の異なるクラッドロッド形状は、クラッドロッド中心部分とクラッドロッド囲繞層の異なる分布を提供し、それによって有効屈折率に影響を与える。つまり、クラッド層の有効屈折率がクラッドロッドの中心部分と囲繞層の相対的体積と分布に依存するのである。特定の実施例は、全て円形断面及び円形中心部分のクラッドロッドを有する。この場合、エンドレスシングルモード導波管ファイバを線引きするプリフォームを形成する為に、中心クラッドロッド部分の直径とクラッドロッドの外側の直径との比が、０．１から０．４の範囲内に有ることが好ましい。しかしながら、数モード又はマルチモード構成においてＰＣＦを使用すると、クラッドロッド全体直径とクラッドロッドの中心部分直径の有効比が０．９又はそれ以上において、有用な導波管構造を提供し得る。円形クラッドロッドの実施例は、幾種類かの異なるパターンに変更可能で、例えば六角形に近い構造又は体心正方体構造又はランダム構造等に変更できる。ランダム構造は、一定型又はグレーテッド型の特性を有するスペーサーロッドをランダムに配置して形成され得る。
【００２２】
加えて、クラッドロッドは、例えば偏波保存導波管ファイバに見られる様な非対称パターンを形成するように変更され得る。非対称な又はランダムな又は周期的なパターンに整列したロッドの群が、非対称な又はランダム又は周期的である大きな独立したパターンを形成する為に、更にグループ化が可能である。鏡面対称及び回転対称も作成可能である。
【００２３】
よって、本発明の１つの実施例において、コア体を形成する個々のロッド又は囲繞するクラッド層を形成するクラッドロッドは、偏波保存ファイバが線引き可能なプリフォームを形成するように選択できる。例えば、コア体の独立ロッドのアセンブリが、コア領域、つまり線引きされて形成されるコア体、の最終形が楕円形になるように選択可能である。コア体を形成する独立ロッド又は囲繞クラッド層を形成するクラッドロッドの様々な配置は、所定の複屈折特性を持つプリフォームであって、所望の複屈折を持つ導波管ファイバを線引き可能なプリフォ−ムを同様に供給することが可能である。
【００２４】
様々な断面のクラッドロッドを有するプリフォーム実施例の多様性は、コア体の断面形又はコア体を形成するロッドの変更によって達成される。コア体又はコア体を形成するロッドは、クラッドロッドに関して上述した形状を取ることが可能である。
円形断面の単一ロッドのコア体であるプリフォーム（円形クラッドロッドを包むプリフォームに用いられる）の実施例において、コア体直径の好ましい範囲は約１．５ｍｍから３．０ｍｍである。コア体及びクラッド層のクラッドロッドの断面が円形である他の実施例においては、コア体直径がクラッド層のクラッドロッドとほぼ等しい。
【００２５】
プリフォーム及び線引きされて形成されるファイバの特性は、プリフォームアセンブリに存在する空隙の一部又は全てを埋めることによっても選択的に変化し得る。この目的の為に、ガラスロッド又は粒状及び粉状のガラス形成物質が使用され得る。
他のプリフォームの実施例においても、クラッドロッドは、ガラスの光感度を高めることを目的とした物質が含み得、プリフォームから線引きされるファイバの特性は、照射によって容易に変更され得る。物質としては、ゲルマニウム、アンチモン、ホウ素等が好ましい。
【００２６】
つまりプリフォームアセンブリは、ファイバ特性そのものに関しかつ特性変更の方法及び時期について柔軟性がある。
この柔軟性についての他の実施例においては、クラッドロッドが応力複屈折を生ずるに充分な重量パーセントのドーパント物質を含んでいる。この誘導応力はコア体及びクラッドロッド層間の界面に、又は各クラッドロッドの中心部分とその囲繞層の間の界面に存在可能である。石英ベースガラス中おけるゲルマニウム添加レベルが、約３０％〜５０％の範囲の重量パーセントであれば、所望の応力複屈折を生ずる為に有効であると考えられる。更に、酸化ホウ素を石英ベースのガラスに１０％から２０％の重量パーセント範囲内に添加することも有効であると考えられる。クラッドロッド配置に依存し、得られたＰＣＦは、存在する偏光状態を維持可能にし、偏光モード混合による偏光モード分散の如き影響を減少させることが可能である。
【００２７】
ここに記載された代表的な実施例を含んだプリフォームから線引きされた導波管ファイバは、母材ガラス中に配置されたガラスカラムを含有するクラッド層を有する。ここで、カラムの屈折率は、ガラス母材よりも低い。母材ガラスがクラッドロッドの囲繞層に相当し、カラムがクラッドロッドの中心部分に相当することは、容易に理解できるであろう。
【００２８】
導波管ファイバのコア部分は、ステップ型（均一組成の単一コアロッドを用いた結果による）又はセグメント屈折率プロファイル分布を有し得る。セグメント屈折率は、プリフォームアセンブリに使用された単一コアロッドに組込まれ得る。またセグメント屈折率は、プリフォームアセンブリのコア体を形成する複数のコアロッドの使用によっても形成可能である。
【００２９】
導波管のクラッド層に埋設されたガラスカラムは、幾何学的に単一、ランダム、非対称、及び周期的配列を形成し得る。高屈折率の母材に配置された周期的に埋設された石英ガラスカラムにおいて、そのピッチ、つまりカラム中心間のピッチは、０．４〜４０μｍの範囲にあり得る。非対称性は、既に記載された通り、複屈折を生成するために選択され得る。
【００３０】
導波管ファイバの実施例において、カラムと母材の間で異なる相対的な屈折率は、ガラスカラムの形と相対的な大きさと同様に、本質的に制限が無く広い波長範囲に亘るシングルモード動作を提供する為に選択される。これは、既に記載され定義された、エンドレスシングルモード状態である。ガラス母材の光学透明性の範囲は、遠距離通信の分野で特に興味深い。利用可能な全範囲は、２００ｎｍから１７００ｎｍであるが、この範囲には、現在非常に大きく興味がある二つの窓がある。第１の窓は約１３００ｎｍに中心を有し、第２の窓は１５５０ｎｍに中心を有する。
【００３１】
導波管ファイバの1つの実施例において、カラムは約１μｍから３５μｍの範囲に円形断面の直径を有する。
【００３２】
【発明の実施の形態】
ここに記載された非孔質クラッドＰＣＦ光導波の原理は、２以上の構成物質から形成されるクラッド層の特性より導かれる。この様なクラッド層における、有効屈折率は、構成物質の屈折率を組み合わせて定義される。有効屈折率がクラッド層構成材の屈折率に依存することは、構成物質の体積と全クラッド体積の比として表現される。
【００３３】
クラッド層の有効屈折率値とコア体の屈折率値は、コア体と該コア体に近接したクラッド層中の光パワー分布状況を決定する。
当業者により知られているように、導波管中の光パワー分布が、導波管のほとんど全ての光学特性を決定する。
ＰＣＦのクラッド層は、ロッドのアセンブリであるプリフォームを形成する為に、コア体を囲むように配置された複数のクラッドロッドから形成される。そしてこのアセンブリは、ＰＣＦに線引きされる。副構成材、つまりコア体を形成するクラッドロッド及び個々のロッド、の使用により、ＰＣＦのパラメータの設定における大なる柔軟性を許容する。
【００３４】
ここに記載されたＰＣＦにおいて、図８中の５８で示すクラッド層は、有効屈折率を提供する。なぜならば、クラッド層５８が、異なる屈折率を有する２つのコンポーネントを有するからである。
プリフォーム１８の第１実施例の断面が図３Ａに示されている。この例において、クラッドロッド１０は、中心部分１２を有し、中心部分１２は囲繞層２２と比較して屈折率が低い。クラッドロッド１０は、円形断面を有し、全てのロッドは、互いに実質的に同一である。クラッドロッド１２は、コア体１４を囲繞する様に配置され、クラッドロッドとコア体を包むアセンブリを形成する。コア体１４中に示されているロッド１６は、独立したロッドである小さなサブユニットによりコア体が形成され得ることを示している。ここに示された例においては、アセンブリコンポーネント１０及び１４は、管１８により、互いに位置決めされる。アセンブリは、公知の、幾つかの締め付け方法、掴み方法、包み込み方法又は他の保持方法の使用により束ねられ得る。加えて、ガラスフリットは、該コンポーネントを互いに接合する為に使用される。該コンポーネントを一時的に保持しておいて、該コンポーネントが互いに接着する温度までアセンブリを加熱することも出来る。アセンブリの隙間を埋める為のガラスフィラーロッド又は粒状ガラスが形成する粉体の使用は、点又は小さな円の集合２０によって示されている。
【００３５】
プリフォーム又は導波管１８の側面図（図はプリフォームと線引きされた導波管を共に示している）が、図３Ｂに示されている。プリフォーム又はファイバ２４の端から端に伸長したコア体１４と典型的なクラッドロッドが示されている。コア体１４が、導波管としての機能を構成する為に、ファイバ又はプリフォームの端から端へ伸長しているものの、クラッドの有効屈折率がプリフォーム又は導波管の実質的に全長に亘るコア体の少なくとも一部よりも低い限り、クラッドロッド１２は不連続であっても良い。
【００３６】
図４の２つのクラッドロッド１４は、カラム半径とクラッドロッド配列のピッチの定義を示したものである。カラム直径２８は、カラム体１２の側面から側面への広がりとして示されている。ピッチ２６は、クラッドロッド１４の中心部分の対応する位置の間の直線距離である。これらの定義は、プリフォームアセンブリクラッド層と導波管ファイバクラッド層の両方が関係する。
【００３７】
クラッドロッドの変形実施例が図５に示されている。多くの有益な形の内の３種類が、三角形３０、六角形３２、長方形３４として表されている。各実施例において、クラッドロッドの中心部分は、円形部分１２として示されている。しかしながら、中心部分の形は、変更可能であることは理解できる。なぜならば、形状変更は容易であり、また希望するＰＣＦ特性は、形状よって達成されるからである。図５の形状は、コア体の形状の変形例を表すことも可能である。この様な形状変更は、ＰＣＦ導波管の重要な機能的特性を決定する特定のモードパワー分布を提供するものとして企図されている。
【００３８】
他のコア体の実施例を図６に示す。この実施例でのコアロッドは、中心セグメント３６、並びに第１及び第２環状セグメント３８及び４０を有する様にデザインされたセグメントコアである。セグメント３６、３８、４０の形状、半径、及び屈折率関係の選択は、セグメントコアを包含する導波管の機能特性を決定する。セグメントコアの原理及び特性は、幾つかの文献や、例えばスミス（Smith）氏に付与された米国特許第５７４８８２４号等の特許において検討され、これは本明細書に組み入れられ、これ以上記載しない。
【００３９】
円柱形状クラッドロッドの実施例は、もしロッドが予め選択されたパターン、つまり図７Ａ及び７Ｂに示された様な２つのパターン、に配置されれば、異なる導波管機能の提供を可能にする。六角形スタックパターンは、図７Ａ中のアセンブリ４２に示されており、体心立方体パターンは図７Ｂ中のアセンブリ４４に示されている。この後者のパターンは、実質的な清澄性の損失のない、面心立方構造と呼ばれる。
【００４０】
円柱形状クラッドロッド実施例は、重要な導波管ファイバ特性の計算する為に、コンピュータモデルを使用して更に研究されている。計算された特性が、図２中の曲線４６，４８，５０、５２、５４に示されている。各曲線については以下において更に説明されている。
【００４１】
【実施例１】
図８を参照すると、プリフォーム５２は、管４６の中にクラッドロッド４８とコアロッド５０の挿入により形成された。クラッドロッド４８は、コアロッド５０の周囲に周期的に配置されている。コアロッド及びクラッドロッドの外直径は、約２．４ｍｍであった。クラッドロッドの中心部分５４の直径は、約０．９５ｍｍであった。周期的配置のピッチ５６は、約２．４ｍｍであった。プリフォームの外直径は約５０ｍｍであった。
【００４２】
クラッドロッドは、石英コア部分５８とチタンを含有する石英のクラッド層６０で構成され、
【００４３】
【数４】
0004637363.tif 000005
【００４４】
で示される約１％のΔ％を有した。
ｎ1で表示される屈折率は、Δ％値を持つガラス領域の屈折率であり、ｎ2は、この場合石英であるが、ベースガラスの屈折率として通常使用される参照屈折率を示す。
該プリフォームは、ファイバの終端の写真を示した図９に示した様なＰＣＦ導波管に線引きされた。
【００４５】
【実施例２】
図３Ａ中の円柱クラッド２２又は図８中の４９と、図３Ａ中の円柱クラッドロッド中心部分１２又は図８中の５８と、を有するＰＣＦ導波管２４は、クラッドロッドの相対屈折率を２％とする囲繞層を形成するように設計される。構造の相対屈折率％は、Δ％＝（ｎ1−ｎ2）／ｎ1で定義され、式中のｎ1は考慮中のガラス部分の最大屈折率を示し、ｎ2は参照屈折率を示し、この例においては石英の値を使用する。クラッドロッドを使用したプリフォームを線引きして導波管ファイバにした場合、周囲のクラッドガラス層は、ファイバクラッドの母材ガラスを形成し、クラッドロッドの中心部分は、母材中に配されたガラスカラムを形成する。実施例中のガラスカラムは、石英が選択されている。
【００４６】
クラッドロッドは、例えば図８中の５６の様なピッチＬを有する周期的な配置を形成するコア体として組み合せられる。ガラスカラムの直径は、ｄで表示される。導波管が維持できるモードの数を示したＶeffは、プリフォームから線引きされたファイバ中で測定されるｄ／L比の各値に対して計算される。
図２のグラフは、Ｖeffを配列ピッチに広じた光波長の逆数Ｌ／λの関数で示している。曲線４６と４８は、ｄ／Ｌの比で０．２及び０．４を示しており、対応するＶ値は、波長が短くなるに従い各々約２．５及び４に近づく。例示的な導波管ファイバの第２モードカットオフＶ値が約４である故、曲線４６及び４８は、基本的に全波長において、シングルモードの導波管であることを示す。つまり、エンドレスシングルモード状態である。導波管ファイバ中の幾何学的的配列は、数ミクロン単位のピッチが適当であるといえる。つまり１５５０ｎｍの動作波長では、１．５μｍから３９μｍである。カラム直径はピッチに従属し、１５５０ｎｍの波長においては、約１．４μｍから３６μｍの範囲にある。ｄ／Ｌ比が０．６、０．８、０．９と増加するに従い、Ｖeff依存性は、曲線５０、５２、５４に示される様に変化する。導波管がシングルモードである波長範囲が減少することは、ｄ／Ｌ比の選択を導波管ファイバ能力についてのトレードオフとする。例えばアセンブリが１０μｍのピッチ、カラム直径が９μｍと仮定すると、第２モードカットオフは約４μｍであり、これは通信システムの好ましい動作範囲を超えている。
【００４７】
しかし、ピッチが１０μｍ、カラム直径が６μｍであれは、１５３０ｎｍから１５７０ｎｍの範囲に亘って動作するシングルモードを提供する。１０μｍのピッチと動作波長の範囲では、図２中における曲線５０に相当するクラッドを構成することが可能である。エンドレスシングルモード状態にする為に、曲線４８に従うように設定するには、カラム直径を４μｍにする必要がある。
【００４８】
この実施例は、エンドレスシングルモード構成における非孔質ＰＣＦ導波管ファイバの実例を示している。プリフォームとこれから線引きされたＰＣＦは、エンドレスシングルモード構成に限定されないことは理解されるであろう。
プリフォームの線引きステップ、つまり要求される制御機構に関して非常に複雑である操作、の間における圧力調整の必要性は除去される。
【００４９】
原理的なＰＣＦ調整ステップは、プロセス中の初期及び複雑なステップのない初期段階に移動する。つまりクラッドロッドを作るステップである。
従って、プロセス中において制御が容易かつ低コストの時点において制御ステップが発生する。
既知の如く、案内構造を透過する透過光は、マックスウエル方程式に支配される。本発明の場合、該方程式は、導波管が形成される誘電性物質及びクラッドロッドのサイズと配置を包含するクラッド層の構造を含めて記載されている。
【００５０】
以下の記述は、ここに記載された導波管ファイバ及びプリフォームが有する特性であり、マックスウエル方程式（ＭＥ）から導かれる特性を示した。
マックスウエル方程式（ＭＥ）をこのＰＣＦへ適用した結果であるＶ値は、所定数のモードを転送する導波管の波長範囲を決定する。特に重要なことは、導波管がシングルモードを透過するＶ値以下にあることである。
【００５１】
本願記載の導波管構造に関して、有効Ｖ値は、Ｖeff＝２πＬ／λ（ｎMatrix2−ｎeff2）1/2で定義され、式中のＬは、クラッド層中に含まれるカラムのピッチであり、λは伝搬した光波長を示す。
エンドレスシングルモードになる導波管のＶeff値を発現する為に、カラムピッチと透過された波長の比が非常に大きくなる値に対してもＶeffグラフが描かれる。つまりＶeff値の限界は、Ｌ／λが無限大に導くことで規定される。もし、Ｌ／λ比が大きくなるに従いＶeffの限界の一定値に近づくのであれば、Ｖeffは透過された光波長には依存しない。Ｖeff値が伝達された光波長に独立する現象は、エンドレスシングルモードファイバの明確な特性である。これは、フィールドΨにおいてＶeff値の従属性による効果であり、フィールドパワーがクラッド層のカラム又は母材部分のいずれかの内側又は外側に移動することを単純に明らかにすることでは、説明不可能である。
【００５２】
エンドレスシングルモード状態を作る適当なＶeff値を明確にする他の方法は、以下の通りである。プリフォーム（及び線引きされた導波管）中のクラッド層等の２以上のコンポーネントガラス物質の有効屈折率は、真空波長数、すなわち、ｎeff=βFSM／Kにより分割された基本空間充填光モードの伝搬定数として定義される。伝搬定数βは、マックスウエル方程式（ＭＥ）の解から導かれ、ｋは１／λであって、ここで、λは透過光の波長である。マックスウエル方程式（ＭＥ）は、光を運搬しないクラッド層の最外部分を想定して解かれる。基本空間充填モード（ＦＳＭ）は、ファイバからコア体を取り除いた場合のＰＣＦの基本モードである。更に、βFSMは、クラッド中に認められる最大伝搬定数βを示す。有効導波管Ｖeff値は、Ｖeff＝（２πＬ／λ）（ｎ02−ｎeff2）1/2と定義可能である。ここでＬはピッチ、λは波長、ｎ0はコア屈折率、ｎeffは前述の式で定義したＰＣＦクラッドの有効屈折率である。閾値以下のＶeff値に対して、ファイバは、図２中で見られるようなシングルモードを維持している。ｎeffとＶeff値は、完全解からマックスウエル方程式（ＭＥ）へと導いて計算されることが可能であり、これによって、検討される多くのＰＣＦ構造に対して解かれる。その計算結果が図２の如く示される。（コンピュータを使用して導かれた）簡単な計算によってｎeffとＶeff値は近似することが可能であり、制限される作用は、以下のスカラ波式を用いて分析される。図２で見られるが如く、Ｖeff対Ｌ／λの図は、短波長（大なるＬ／λ値）において平坦であり、全波長に対してカットオフ値を約４．１以下に設定することも可能になる。
【００５３】
これは以下の理由による。短波長制限において、ＦＳＭは、クラッド層の低屈折率部分にほとんど浸透しない。フィールドは、高屈折率クラッド層部分（例えばゲルマニウム／シリコン）において、非ゼロのみであるため、フィールドは、一定屈折率のクラッド部分に効果的に閉じ込められるからである。この様なフィールドに対する数学的表現は、ＰＣＦカラムにおける波長又は屈折率とは独立な標準座標の一般的な関数であり、クラッド構造のピッチ（中心と中心空間）に依存する。
【００５４】
フィールドに対する数学的表現は、
【００５５】
【数５】
0004637363.tif 000006
【００５６】
で示される。
この式は、スカラ波式中に変換され、
【００５７】
【数６】
0004637363.tif 000007
【００５８】
で示される。ｎeff2は、ｎeff2＝ｎ02−ｇ2／（ｋ2Ｌ2）で定義され、ｇは、波動方程式の解になる。つまり導波管での短波長の限界におけるＶeff＝ｇ＝定数は、短波長においてシングルモードを残存させる。
この理論は、ここに記載されたのＰＣＦの機能を支持する。現象に対する妥当な説明は、しっかりした物理原理が基礎となっている。有効Ｖ値及び有効屈折率のいずれの解釈の妥当性は、ここに記載した発明の範囲又は有効性に影響を与えないことを理解すべきである。
【００５９】
発明の様々な実施例がここに記載されたものの、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】  従来技術におけるスペクトル減衰図である。
【図２】  有効Ｖ値と波長の逆数の関係を、本発明のピッチに対するカラム直径の比の幾つかの選択について示す図である。
【図３Ａ】  本発明によるプリフォームを示す断面図である。
【図３Ｂ】  本発明によるプリフォーム、又は線引きされたファイバの側面図である。
【図４】  プリフォーム又はファイバ中の直径とピッチの定義を示す図である。
【図５】  コア又はクラッドロッドに対する様々なロッドの形を示す図である。
【図６】  コアが３つのセグメントを持つように構成されたセグメントコアを示す図である。
【図７Ａ】  六角形パックしたクラッドロッド層を示す図である。
【図７Ｂ】  体心正方体クラッドロッド層を示す図である。
【図８】  円形クラッドロッドの層により囲繞された単一均質ロッドを構成するコア体を有するプリフォーム配置の実施例を示す図である。
【図９】  図８のプリフォームから線引きされたファイバの導波管の終端を写した図である。
【符号の説明】
２  伝送損失曲線
４、6、８  ＯＨ-汚染によるピーク
４６、４８、５０、５２、５４  Ｖeff曲線
１０  クラッドロッド
１２  クラッドロッド中心
１４  コア体
１６  ロッド
１８  ガラス管
２０  フリット
２２  囲繞層
２４  プリフォーム又はファイバ
２６  ピッチ
２８  カラム直径
３６、３８、４０  セグメント
４６  管
４９  クラッドロッド
５０  コア体
５２  プリフォーム
５４  クラッドロッド中心部分直径
５６  ピッチ
【図１】
0004637363.tif 000008
【図２】
0004637363.tif 000009
【図３Ａ】
0004637363.tif 000010
【図３Ｂ】
0004637363.tif 000011
【図４】
0004637363.tif 000012
【図５】
0004637363.tif 000013
【図６】
0004637363.tif 000014
【図７Ａ】
0004637363.tif 000015
【図７Ｂ】
0004637363.tif 000016
【図８】
0004637363.tif 000017
【図９】
0004637363.tif 000018