(57)【要約】  モード分割多重化（ＭＤＭ）光伝送システムの使用に適した光ファイバリンクが開示される。光ファイバリンクは、波長１５５０  ｎｍでのＸ  ＬＰモードの光信号の伝搬および伝送をサポートするコアを有する第１の光ファイバを有し、Ｘは１より大きい２０以下の整数であって、第１の光ファイバは波長１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍにてＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの間に正の群遅延差を有する。光ファイバリンクはまた、波長１５５０  ｎｍでのＹ  ＬＰモードの光信号の伝搬および伝送をサポートするコアを有する第２の光ファイバを有し、Ｙは１より大きい２０以下の整数であって、該第２のファイバは波長１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍにてＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの間に負の群遅延差を有する。
2015515765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長１５５０  ｎｍでのＸ  ＬＰモードの光信号の伝搬および伝送をサポートするコアを有し、Ｘが１より大きい２０以下の整数であって、前記光ファイバが波長１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍにてＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの間に正の群遅延差を有する第１の光ファイバと、
波長１５５０  ｎｍでのＹ  ＬＰモードの光信号の伝搬および伝送をサポートするコアを有し、Ｙが１より大きい２０以下の整数であって、前記光ファイバが波長１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍにてＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの間に負の群遅延差を有する第２の光ファイバと、
を備えることを特徴とする光ファイバリンク。
【請求項２】
前記第１および第２のファイバの長さが、前記リンク上の前記ＬＰ０１モードと前記ＬＰ１１モードの間の群遅延差の絶対値となるように選択され、群遅延差が波長１５５０  ｎｍで約０．５  ｎｓ／ｋｍ未満であることを特徴とする請求項１の光ファイバリンク。
【請求項３】
前記第１のファイバが、１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍの波長域に渡って正のモード間群遅延差のスロープを含み、前記第２のファイバは、１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍの波長域に渡って負のモード間群遅延差のスロープを含むことを特徴とする請求項１の光ファイバリンク。
【請求項４】
前記第１のファイバが、１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍの波長域に渡って負のモード間群遅延差のスロープを含み、前記第２のファイバは、１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍの波長域に渡って正のモード間群遅延差のスロープを含むことを特徴とする請求項１の光ファイバリンク。
【請求項５】
前記第１および第２の各々のファイバの長さが、前記リンク上の前記ＬＰ０１モードと前記ＬＰ１１モードの間の群遅延差のスロープの絶対値となるように選択され、群遅延差のスロープが波長１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍの波長域に渡って約１．０  ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満であることを特徴とする請求項１の光ファイバリンク。
【請求項６】
前記第１および第２の各々のファイバの長さが、前記リンク上の前記ＬＰ０１モードと前記ＬＰ１１モードの間の群遅延差の絶対値となるように選択され、群遅延差が波長１５５０  ｎｍにて０．２５  ｎｓ／ｋｍ未満であることを特徴とする請求項１の光ファイバリンク。
【請求項７】
前記第１および第２の各々のファイバの長さが、前記リンク上の前記ＬＰ０１モードと前記ＬＰ１１モードの間の群遅延差の絶対値となるように選択され、群遅延差が波長１５５０  ｎｍにて０．１  ｎｓ／ｋｍ未満であることを特徴とする請求項１の光ファイバリンク。
【請求項８】
｜Ｒ１−Ｒ２｜が０．２  μｍより大きいことを特徴とする請求項１の光ファイバリンク。
【請求項９】
前記第１および第２がさらにトレンチを備え、前記トレンチが約２  μｍ〜約１０  μｍの半径厚さを有することを特徴とする請求項１の光ファイバリンク。
【発明の詳細な説明】
【関係出願の相互参照】
【０００１】
本願は、米国法典第３５編第１１９条に基づき、２０１２年２月２０日に提出された米国仮出願第６１／６００８２８号、並びに２０１２年３月１４日に提出された米国仮出願第６１／６１０７００号の優先権の利益を主張するものであり、その内容は、依拠され、参照により全体が本明細書に組み込まれている。
【技術分野】
【０００２】
本明細書は、概して、光ファイバ、より詳細には少数モードの光ファイバを採用したファイバリンクに関する。
【背景技術】
【０００３】
マルチメディアの情報通信アプリケーションの量と種類が驚異的に増大し続けていることにより、インターネットトラフィックの高速化への要求が高まり、根幹となる光ファイバ通信リンクの研究が活発になっている。コヒーレント通信および電子デジタル信号処理（ＤＳＰ）をベースにした受信機は、それらのフレキシビリティー、拡張性、ならびにファイバの非線形性等の様々な伝送障害に対する補償機能を有する理由から、近年、長距離通信システムの次世代標準として受け入れられてきている。ファイバの非線形性により実現可能なスペクトル効率が制限されるため、有効断面積（Ａｅｆｆ）が大きなシングルモードファイバ（ＳＭＦ）は、非線形性による不利益を低減させるように設計されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、有効断面積を増大させる方法では光ファイバのスペクトル効率の改善は緩徐であるため、システム容量の増大には別の解決手法が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の１つの態様は、波長１５５０  ｎｍでＸ直線偏光（ＬＰ）モードの光信号の伝搬および伝送をサポートするコアを有する第１の光ファイバから成る光ファイバリンクであり、Ｘは１より大きい２０以下の整数であって、該光ファイバは、波長１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍでＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの間に正の群遅延差を有しており、第２の光ファイバは、波長１５５０  ｎｍでＹ  ＬＰモードの光信号の伝搬と伝送をサポートするコアを有し、Ｙは１より大きい２０以下の整数であって、該光ファイバは、波長１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍでＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの間に負の群遅延差を有しており、第１および第２のファイバは、好ましくは小数モードのファイバである。第１および第２のファイバの長さは、波長１５５０  ｎｍで、約１．０  ｎｓ／ｋｍ未満、より好ましくは約０．５  ｎｓ／ｋｍ未満、さらに好ましくは約０．２５  ｎｓ／ｋｍ未満、よりさらに好ましくは約０．１  ｎｓ／ｋｍ未満の光ファイバリンク上で、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの間の群遅延差の絶対値となるように選択してもよい。さらに、所望により、第１および第２のファイバの設計、ならびに第１および第２のファイバの長さは、１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍの全波長域のあらゆる波長にて、約１．０  ｎｓ／ｋｍ未満、より好ましくは約０．５  ｎｓ／ｋｍ未満、さらに好ましくは約０．２５  ｎｓ／ｋｍ未満、よりさらに好ましくは約０．１  ｎｓ／ｋｍ未満の光ファイバリンク上で、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの間の群遅延差の絶対値となるように選択してもよい。これらの長さは、５０  ｋｍ超、より好ましくは１００  ｋｍ超、さらに好ましくは５００  ｋｍ超、よりさらに好ましくは１０００  ｋｍ超の長さの光ファイバリンク上であっても達成可能である。
【０００６】
いくつかの実施形態において、第１および第２のファイバはまた、第１のファイバが１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍの波長域に渡って、モード間に正の群遅延差スロープを呈し、第２のファイバが１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍの波長域に渡って、モード間に負の群遅延差スロープを呈するように設計してもよい。他の実施形態において、第１および第２のファイバはまた、第１のファイバが１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍの波長域に渡って、モード間に負の群遅延差スロープを呈し、第２のファイバが１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍの波長域に渡って、モード間に正の群遅延差スロープを呈するように設計してもよい。両タイプの実施形態において、該第１および第２のファイバの各々の長さは、１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍの波長域に渡って、約１．０  ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満、より好ましくは約０．５  ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満、さらに好ましくは約０．２５  ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満、よりさらに好ましくは約０．１  ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満の光ファイバリンク上で、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの間の群遅延スロープの絶対値となるように選択してもよい。これらの結果は、５０  ｋｍ超、より好ましくは１００  ｋｍ超、さらに好ましくは５００  ｋｍ超、よりさらに好ましくは１０００  ｋｍ超の長さの光ファイバリンク上であっても達成可能である。
【０００７】
本開示の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載しており、その一部は当業者であれば容易に理解でき、以下の詳細な説明、請求項、添付図面等を含む本明細書に記載される実施形態を実施することによって認識されるであろう。請求項は、以下に記載する詳細な説明に組み込まれており、その一部を成している。
【０００８】
前述の全般的な説明および以下の詳細な説明はいずれも、様々な実施形態について記載したものであり、権利請求される主題の性質および特徴を理解するための概要または枠組みの提供を意図したものであることを理解しておくべきである。添付の図面は、実施形態の更なる理解を得るために盛り込まれたものであり、本明細書の一部に組み込まれると共に本明細書の一部をなすものである。図面は、本明細書に記載の様々な実施形態を例示するものであり、本明細書の記載と共に実施形態の原理を説明するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本明細書に記載の実施形態に従う遅延を管理された少数モードの光ファイバリンクの断面の側面図である。
【図２Ａ】少数モードファイバの屈折率プロファイルを示している。
【図２Ｂ】代替的な少数モードファイバの屈折率プロファイルを示している。
【図３】異なるコアアルファを有する種々の光ファイバにおけるコア半径の関数としてのモード間群遅延差を示している。
【図４】異なるコアアルファを有する種々の光ファイバにおけるコア半径の関数としてのモード間群遅延差スロープを示している。
【図５】２本の例示的なファイバおよびそれらの組合せにおけるモード間群遅延差を描いている。
【図６】数本の例示的な光ファイバの屈折率プロファイルを示している。
【図７】図６に示されるファイバのモード遅延を示している。
【図８】図６および図７のファイバを組み合わせることで可能な遅延補償効果を示している。
【図９】代替的な少数モードファイバの屈折率プロファイルを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここで、添付の図面にその例が示された、遠距離通信ファイバとして用いられる光ファイバの実施形態の詳細について参照する。可能な限り、同一または類似の部分を指す場合は、全図面を通して同じ参照番号が用いられている。
【００１１】
用語
以下の用語は、本明細書において光ファイバを説明する場合に、種々の例示的な実施形態との関連で導入されかつ以下に定義されるパラメータのいくつかとともに用いられる。
【００１２】
本明細書で用いる「屈折率プロファイル」という用語は、屈折率または相対屈折率とファイバの半径との関係を指す。
【００１３】
本明細書で用いる「相対屈折率」という用語は、次式のように定義される。
【００１４】
【数１】
2015515765.tif 000003
【００１５】
式中、ｎ（ｒ）は、別段の記載がない限り、半径ｒでの屈折率である。相対屈折率は、別段の記載がない限り、１５５０  ｎｍと定義される。参照屈折率ｎＲＥＦは、クラッドの屈折率であり、好ましい実施形態では、波長１５５０  ｎｍで屈折率約１．４４４の純シリカを含んだものである。本明細書で使用する場合、相対屈折率はΔで表示され、その値は、別段の記載がない限り、「％」単位で示される。一領域の屈折率が参照屈折率ｎＲＥＦより小さい場合、相対屈折率は負となり、陥没領域を有する、または屈折率が小さいと称され、別段の記載がない限り、相対屈折率が最も負となる地点で、最小相対屈折率を計算する。一領域の屈折率が参照屈折率ｎＲＥＦより大きい場合、相対屈折率は正となり、その領域は、屈折率が高い、あるいは正の屈折率を有すると言うことができる。
【００１６】
本明細書で使用する場合、光ファイバの「有効断面積」Ａｅｆｆとは、光が伝搬する領域であり、次式のように定義される。
【００１７】
【数２】
2015515765.tif 000004
【００１８】
式中、Ｅはファイバを伝搬する光と関連する電界であり、ｒはファイバの半径である。有効断面積Ａｅｆｆは、別段の記載がない限り、波長１５５０  ｎｍでのＬＰ０１モードについて決定される。
【００１９】
モードフィールド径（ＭＦＤ）は、シングルモードファイバを伝搬する光のスポットサイズまたはビーム幅を測定した値である。モードフィールド径は、光源の波長、ファイバのコア半径およびファイバの屈折率プロファイルの関数である。モードフィールド径は、Ｐｅｔｅｒｍａｎ  ＩＩ法を用いて測定され、
【００２０】
【数３】
2015515765.tif 000005
【００２１】
式中、Ｅはファイバ内の電場分布であり、ｒはファイバの半径である。モードフィールド径は、別段の記載がない限り、波長１５５０  ｎｍでのＬＰ０１モードについて決定される。
【００２２】
色分散すなわちファイバの分散は、材料分散、導波路分散、およびモード間分散の合計である。
【００２３】
カットオフ波長は、それを超えるとモードが伝搬しなくなる最小波長である。カットオフ波長は、光ファイバが１つの伝搬モードのみをサポートする最小波長である。シングルモードファイバのカットオフ波長は、高次のモードにおける最も高いカットオフ波長に対応している。シングルモードファイバでは、最も高いカットオフ波長は、一般的にＬＰ１１モードのカットオフ波長に対応している。Ｘ  ＬＰモードを波長λで伝搬させる少数モードのファイバでは、すべてのＸ  ＬＰモードが、λより大きいカットオフ波長を有する。カットオフ波長の数学的定義は、Ｊｅｕｎｈｏｍｍｅ（著）「Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ（シングルモードファイバ光学）」Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ出版、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ（１９９０年）の３９頁〜４４頁に見つけることができ、そこでは、理論上のファイバカットオフ値を、モードの伝搬定数が外側クラッドにおける平面波の伝搬定数と等しくなる波長と説明している。この理論上の波長は、直径が変動しない、無限長の完全に真っ直ぐなファイバに適したものである。
【００２４】
ケーブルファイバの有効カットオフ波長は、理論上のカットオフ波長よりも小さく、ＥＩＡ−４５５−１７０  Ｃａｂｌｅ  Ｃｕｔｏｆｆ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｏｆ  Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ  ｂｙ  Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ  Ｐｏｗｅｒ，  ｏｒ  “ＦＯＴＰ−１７０”（送信電力によるシングルモードファイバのＥＩＡ−４５５−１７０ケーブルカットオフ波長、すなわち「ＦＯＴＰ−１７０」）に記載される、２２  ｍのケーブルを用いたカットオフテストによって近似値が得られる。ケーブルカットオフ（波長）とは、本明細書で用いる場合、近似テストを用いて求められる値を意味する。いずれのＬＰモードでもケーブルカットオフ波長は、一般的に、理論上のカットオフ波長より１００  ｎｍ〜３００  ｎｍ小さい。
【００２５】
本明細書で使用する場合、「少数モードのファイバ」という用語は、シングルモードファイバよりは多数であるが通常のマルチモードファイバよりは少数のモードの伝搬をサポートしているファイバを意味する。任意の屈折率プロファイルを有する円柱対称光ファイバにおける伝搬モードの数と特徴は、スカラー波動方程式の解より求められる（例えば、Ｔ．Ａ．Ｌｅｎａｈａｎ著「Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｏｄｅｓ  ｉｎ  ａｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｆｉｎｉｔｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ  ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  ＥＩＳＰＡＣＫ（有限要素法とＥＩＳＰＡＣＫを使う光ファイバにおけるモードの計算）」、Ｂｅｌｌ  Ｓｙｓｔ．Ｔｅｃｈ．Ｊ．出版，  第６２巻１号（１９８３年２月）の２６６３頁を参照のこと）。光ファイバまたは他の誘電体導波路を伝搬する光は、通常、ＬＰ（直線編波）モードと称されるハイブリッド型のモードを形成する。ＬＰＯｐモードは２つの偏光自由度を有して、二重に縮退しており、ＬＰ１ｐモードは四重に縮退しており、ｍが１より大きい（ｍ  ＞  １）ＬＰｍｐモードは、四重に縮退している。ファイバを伝搬するＬＰモードの数を指定する場合、これらの縮退は含めない。例えば、ＬＰ０１モードのみが伝搬する光ファイバは、ＬＰ０１モードで２種類の偏光が可能であっても、シングルモードファイバである。ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードが伝搬する少数モードの光ファイバは、ＬＰ１１モードが二重に縮退しており、さらに各モードで２種類の偏光が可能であることで、計６種類のモードが生じるため、３つの空間モードをサポートしている。したがって、ファイバが２つのＬＰモードを有すると言われる場合は、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードのすべての伝搬をサポートしていることを意味している。
【００２６】
本明細書で使用する場合、「光学的ファイバリンク」という用語は、例えば、屈折率プロファイル、コア半径、光学的性質等の一部の態様が異なる少なくとも２本のファイバを意味しており、２本のファイバは、相互に連通して接続されていることで、２つ以上のＬＰモードの伝搬を同時にサポートしている。この少数モードのファイバシステムでは、少なくとも２本のファイバの好ましくは少なくとも１本が、Ｘ  ＬＰモードの伝搬をサポートしており、Ｘは１より大きい２０以下の整数であって、少なくとも２本のファイバのもう一方が、Ｙ  ＬＰモードの伝搬をサポートしており、Ｙは１より大きい２０以下の整数である。いくつかの好ましい実施形態では、Ｘ＝Ｙである。
【００２７】
「α−プロファイル」すなわち「アルファプロファイル」という用語は、本明細書で用いる場合、相対屈折率プロファイルを意味しており、「％」単位でΔによって表され、この時ｒは半径であり、下記の方程式に従う。
【００２８】
【数４】
2015515765.tif 000006
【００２９】
式中、Δ０は最大相対屈折率であり、ｒ０は、コアの半径であり、ｒは、ｒｉ以上、ｒｒ以下（ｒｉ  ≦  ｒ  ≦  ｒｒ）の範囲であり、Δは、上記定義の通りであり、ｒｉは、α−プロファイルの初期点であり、ｒｒは、α−プロファイルの最終点であって、αは、実数の指数である。ステップインデックスプロファイルでは、アルファ値は１０以上である（１０あるいはそれより大きい）。グレーデッドインデックスプロファイルでは、アルファ値は１０より小さい。「放射状」という用語は、本明細書で使用する場合、α＝２の実質的に放射状に形成された屈折率プロファイル、ならびにコアの１箇所以上の地点での曲率がα＝２とは僅かに異なるプロファイル、例えばセンターラインディップを有するプロファイルを含む。コア半径および最大相対屈折率が異なる形態は、デルタ（Δ）の基本的な定義に影響を及ぼすことなく以下の例で用いられている点に留意しておく。
【００３０】
本明細書において別段の指定がない限り、本明細書において開示され、以下で考察される上記で参照した光ファイバの特性は、１５５０  ｎｍでモデル化または測定されている。
【００３１】
以下の考察では、光ファイバのコア以外のいずれかの部分が、クラッドの一部と考えられる。また、ファイバ１０の所与の領域Ｙの相対屈折率は、概して、半径Δγ（ｒ）の関数として記載され、ある特定の場合において、最大値ΔＹＭＡＸおよび／または最小値ΔＹＭＩＮを有することができる。Δγ（ｒ）が定数の例では、Δγ（ｒ）  ＝  ΔＹＭＡＸ  ＝  ΔＹＭＩＮとなり、Δγと称される。
【００３２】
図１は、モード間群遅延差補償を用いる光学的ファイバリンク１０の概略図を示している。図１において、ファイバリンク１０は少なくとも２本の小数モードのファイバ１１および１２を含み、一方は正のモード間群遅延差を有し、もう一方は負のモード間群遅延差を有している。ファイバリンク１０ならびに光ファイバ１１および１２の種々の例示的な実施形態を、以下に記載する。信号は、マルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ）技術を用いて、少数モードファイバ（ＦＭＦ）の１種類以上の空間伝搬モードで伝送することが可能である。計算はモード数が増加するほど複雑になり、またマルチパス干渉（ＭＰＩ）によってビットエラーレートペナルティが生じ得るモード混合のリスクは、少数モードのみを利用することにより低減するため、少数モードファイバは、本用途にはとりわけ魅力的である。光ファイバ通信システムにこれまで提案されてきた少数モードの光ファイバは、ステップインデックス型か放射状のいずれかのコアを有し、基本的なＬＰ０１モードに加えてＬＰ１１モードの伝搬をもサポートしている。これまでの設計では、１５５０  ｎｍ帯の１つ以上の波長において、基本的なＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの間に大幅な遅延差が存在する。これらの大幅な遅延差は、ＭＩＭＯを用いた時間領域での光信号の逆多重化を困難にしている。本明細書に開示される実施形態は、この難題を解決している。
【００３３】
基本的なＬＰ０１モードとより高次なＬＰｍｎモードとの群遅延差は、次式のように定義される。
【００３４】
【数５】
2015515765.tif 000007
【００３５】
Δτｍｎが正の場合、ファイバは正のモード間群遅延差を有すると言われ、Δτｍｎが負の場合は、ファイバは負のモード間群遅延差を有すると言われる。別段の記述がない限り、本明細書で使用する場合、モード遅延時間差は、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの間のモード遅延差を意味する。光ファイバのモード間群遅延差のスロープは、次式のように定義される。
【００３６】
【数６】
2015515765.tif 000008
【００３７】
別段の記述がない限り、本明細書で使用する場合、モード遅延時間差のスロープは、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの間の遅延差のスロープを意味する。
【００３８】
広範な波長域でモード間群遅延差を補償するために、２本のファイバのモード間群遅延差とモード間群遅延差のスロープは、相反する兆候を示すことが好ましい。適切なモード間群遅延差とモード間群遅延差のスロープを有する２本のファイバを設計し、適切なファイバ長を選択することにより、モード間群遅延差が極めて小さいファイバリンクを構築することができる。例えば、本明細書で開示される方法を用いて、モード間群遅延差が補償された光ファイバリンクを組み合わせることで、光ファイバリンク１０上でＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの間の正味のモード間群遅延差の絶対値を、ＷＤＭ（波長分割多重通信）の波長域が、例えば、１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍ、特に１５５０  ｎｍの波長で、約０．５  ｎｓ／ｋｍ未満、より好ましくは０．２５  ｎｓ／ｋｍ未満、さらに好ましくは５０  ｐｓ／ｋｍ未満、よりさらに好ましくは１０  ｐｓ／ｋｍ未満、なお一層好ましくは５  ｐｓ／ｋｍ未満とすることができる。
【００３９】
光ファイバのモード間群遅延差とモード間群遅延差のスロープは、光ファイバの屈折率プロファイルの設計、例えば、コアアルファまたはコア半径を変更することにより、正または負に修正することができる。図２（ａ）は、単純なグレーテッドインデックス型またはグラジエントインデックス型のアルファプロファイルの設計を利用した光ファイバの屈折率プロファイルの概略図である。図２Ａの例は、コア２０とコアを囲むクラッディング３０を有している。コアデルタΔ１は、０．３％〜０．８％、より好ましくは０．３％〜０．６％の範囲である。コア半径Ｒ１は、６  μｍ〜２２  μｍ、より好ましくは８  μｍ〜２０  μｍ、さらに好ましくは１０  μｍ〜２０  μｍの範囲である。コアの屈折率変化は、アルファ関数によって記述可能である。
【００４０】
【数７】
2015515765.tif 000009
【００４１】
１のアルファは、三角形プロファイルに対応しており、２のアルファは、放射状のプロファイルを描いている。アルファが２０より大きい場合、プロファイルは実質的にステップインデックスプロファイルとなる。
【００４２】
モード数の調整、モード群遅延の変更、および曲げ損失の改善を図るために、内側クラッド２２、低屈折率トレンチ領域２４、およびアップドープされたクラッド３０を、図２（ｂ）に示すように、ファイバ１１および／またはファイバ１２のコアの単純な設計に追加することができる。例示の実施形態において、内側クラッド領域２２と外側クラッドとの屈折率差は、Δ３である。Δ３は、−０．１％〜０．０５％である。低屈折率トレンチ２４は、開始半径Ｒ２と終了半径Ｒ３を有する内側クラッドの隣に配置される。低屈折率トレンチは、屈折率変化がΔ２であり、リング幅はＲ３−Ｒ２である。Δ２は、好ましくは−０．１〜−０．７％であり、より好ましくは−０．２〜−０．５％である。トレンチ幅２４は、好ましくは２  μｍ〜８  μｍであり、より好ましくは３  μｍ〜６  μｍである。いくつかの実施形態において、トレンチ２４はコアに隣接しており、Ｒ２−Ｒ１は０．５  μｍより小さい。他の実施形態では、トレンチはコアから間隔を置いて配置されており、Ｒ２−Ｒ１は０．５  μｍより大きく１０  μｍより小さい。さらに、トレンチ２４は矩形で示されるが、ファイバの設計においてさらになるモードフィールド制御を行うために、三角形や放射状のような他の形状とすることもできる。
【００４３】
いくつかの実施形態において、第１のファイバ１１は、曲率α１によって特徴付けられるグレーデッドインデックスコアの屈折率プロファイルで構成されてもよく、第２のファイバは、曲率α２によって特徴付けられるグレーデッドインデックスコアの屈折率プロファイルで構成されてもよく、｜α１−α２｜は０．２より大きく、α１およびα２はいずれも１．５〜３．０である。いくつかの代替的な実施形態において、第１のファイバは、曲率αｉと半径Ｒ１ｉによって特徴付けられるグレーデッドインデックスコアの屈折率プロファイルで構成されてもよく、第２のファイバは、曲率αｊと半径Ｒ１ｊによって特徴付けられるグレーデッドインデックスコアの屈折率プロファイルで構成されてもよく、その場合｜αｉ−αｊ｜は０．４より小さく、｜Ｒ１ｉ−Ｒ１ｊ｜は０．１  μｍより大きいが、より好ましくは、｜αｉ−αｊ｜は０．２より小さく、｜Ｒ１ｉ−Ｒ１ｊ｜は０．２  μｍより大きい。いくつかの代替的な実施形態において、第１のファイバは、曲率αｉによって特徴付けられるグレーデッドインデックスコアの屈折率プロファイルで構成されてもよく、第２のファイバは、曲率αｊによって特徴付けられるグレーデッドインデックスコアの屈折率プロファイルで構成されてもよく、αｉは２．０より大きく、αｊより小さい。
【００４４】
コアプロファイルの設計を変更することにより、正および負の遅延の両方が実現可能である。図３は、アルファ値が１．８、２．０、２．２である３つのモデル化されたアルファプロファイルのコア半径の関数としての群遅延差を示している。この３つのプロファイルすべてにおいて、コアデルタΔ１は０．５％である。図３に示すように、アルファ値とコア半径の一方または両方を変更することで、群遅延差を、正、負、またはゼロにすることができる。図４は、アルファ値が１．８、２．０、２．２である３つのアルファプロファイルに関して、コア半径の関数としてのモード間群遅延差のスロープを描いている。図４で示すように、正、負またはゼロのモード間群遅延差のスロープは、適切なプロファイルパラメータを選択することで設計可能である。
【００４５】
表１は、モード間群遅延差補償を達成するために組み合わせ得る、モデル化された２本の例示的な光ファイバに関する屈折率プロファイルのパラメータと関連の特性を表している。特に、下記表にはファイバごとに、コアデルタパーセント、マイクロメートル単位のコア半径、コアアルファ、ＬＰ０２の理論上のカットオフ波長、ＬＰ１１の理論上のカットオフ波長、１５５０  ｎｍでのＬＰ０１およびＬＰ１１の分散、１５５０  ｎｍでの有効断面積、１５５０  ｎｍでのモードフィールド径、および１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍの波長域に渡るモード間群遅延差のスロープについて記載している。２本のファイバの波長の関数としてのモード間群遅延差は、図５に描かれている。２本のファイバは逆方向の遅延および遅延スロープを有している。２本のファイバのファイバ長の比を１．２：１とすることで、遅延がほぼゼロのファイバリンクを構築することができる。例えば、実施例１の４８０  ｋｍのファイバと実施例２の４００  ｋｍのファイバを組み合わせることで、図５に描かれる正味の遅延となる。１．５  μｍ〜１．６  μｍの全波長域上の個々の波長での正味のモード間群遅延差は、０．５  ｐｓ／ｋｍ未満であり、モード間群遅延差スロープの絶対値は、０．５  ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満である。
【００４６】
【表１】
2015515765.tif 000010
【００４７】
図６は、モード間群遅延差を補償するために組み合わせることができる３本の実際に描かれた光ファイバ（実施例３、４、５）の屈折率プロファイルを示している。図６に示される３本の例示的な光ファイバに関して、屈折率プロファイルのパラメータおよび関連の特性は、下記表２に列記している。特に、下記表にはファイバごとに、コアデルタパーセント、マイクロメートル単位のコア半径、コアアルファ、ＬＰ０２のカットオフ波長、ＬＰ１１のカットオフ波長、１５５０  ｎｍでのＬＰ０１およびＬＰ１１の分散、１５５０  ｎｍでの有効断面積、１５５０  ｎｍでのモードフィールド径、および１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍの波長域に渡るモード間群遅延差のスロープについて記載している。図７は、３本のファイバのモード間群遅延差の測定値を示している。例示的なファイバ３は、負のモード間群遅延差スロープを伴う正のモード間群遅延差を有し、例示的なファイバ４および５は、負のモード間群遅延差スロープと正のモード間群遅延差スロープを有する。図７は、３２．５  ｋｍの例示的なファイバ３と、２２．５  ｋｍの例示的なファイバ４と、４９  ｋｍの例示的なファイバ５から成る長さ１０４  ｋｍの光ファイバリンクの正味のモード間群遅延差を表している。正味の遅延は、１５３０  ｎｍ〜１５７０  ｎｍのすべての波長域で３  ｐｓ／ｋｍ未満である。
【００４８】
【表２】
2015515765.tif 000011
【００４９】
本明細書に示し記載する実施形態において、コア２０は、ガラスコアの屈折率を純石英ガラスや非ドープ石英ガラスより増大させる１種類以上のドーパントを含む純石英ガラス（ＳｉＯ２）または石英ガラスから成る。コアの屈折率を増大させるための適切なドーパントには、これらに限定されるものではないが、ＧｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５および／またはこれらの組合せがある。
【００５０】
ファイバ１〜５のＬＰ０１モードの有効断面積Ａｅｆｆは、１２０  μｍ２〜２６０  μｍ２、より好ましくは１４０  μｍ２〜２４０  μｍ２であってもよい。１つの例において、ＬＰ０２モードの理論上のカットオフ波長は、３０００  ｎｍ未満であり、別の例では２４００  ｎｍ未満であり、さらに別の例では２１００  ｎｍ未満である。これらの例では、ＬＰ０２モードのケーブルカットオフ波長はＬＰ０２モードの理論上のカットオフ波長より約３００  ｎｍ小さい。１つの例において、ＬＰ１１モードの理論上のカットオフ波長は、２０００  ｎｍより大きく、別の例では２４００  ｎｍより大きく、さらに別の例では２８００  ｎｍより大きい。１つの例において、ＬＰ０１モードの減衰は０．２１  ｄＢ／ｋｍ未満、別の例では０．２０  ｄＢ／ｋｍ未満、さらに別の例では０．１９  ｄＢ／ｋｍ未満である。１つの例において、ＬＰ１１モードの減衰は０．２５  ｄＢ／ｋｍ未満、別の例では０．２３  ｄＢ／ｋｍ未満、さらに別の例では０．２１  ｄＢ／ｋｍ未満である。これらの光学的性質は、別段の指示がない限り、すべて１５５０  ｎｍの波長でモデル化される。
【００５１】
表３は、５つのインデックスプロファイルの属性を示しており、その属性により、半径およびコアのアルファパラメータの変動が、モード間群遅延差とモード間群遅延差スロープの兆候を変化させている。例６において、トレンチは、グレーデッドインデックスコアに隣接しているが、例７〜１０では、オフセットＲ２−Ｒ１の量だけ、コアから間隔を空けて配置されている。実施例９ｃの屈折率プロファイルは、図９に描かれている。実施形態６〜１０の各々は、所定の寸法に従って作成する場合、モード間群遅延差が極めて小さくなる。ファイバ６〜１０のＬＰ０１の有効断面積Ａｅｆｆは、１２０  μｍ２より大きく、より好ましくは１２０  μｍ２〜２００  μｍ２である。１つの例において、ＬＰ０２モードの理論上のカットオフ波長は、２４００  ｎｍ未満であり、別の例では２０００  ｎｍ未満、さらに別の例では１８００  ｎｍ未満である。これらの例では、ＬＰ０２モードのケーブルカットオフ波長はＬＰ０２モードの理論上のカットオフ波長より約３００  ｎｍ小さい。１つの例において、ＬＰ１１モードの理論上のカットオフ波長は、２０００  ｎｍより大きく、別の例では２２００  ｎｍより大きく、さらに別の例では２４００  ｎｍより大きい。１つの例において、ＬＰ０１モードの減衰は０．２１  ｄＢ／ｋｍ未満、別の例では０．２０  ｄＢ／ｋｍ未満、さらに別の例では０．１９  ｄＢ／ｋｍ未満である。１つの例において、ＬＰ１１モードの減衰は０．２５  ｄＢ／ｋｍ未満、別の例では０．２３  ｄＢ／ｋｍ未満、さらに別の例では０．２１  ｄＢ／ｋｍ未満である。これらの光学的性質は、別段の指示がない限り、すべて１５５０  ｎｍの波長でモデル化されている。
【００５２】
【表３】
2015515765.tif 000012
【００５３】
表４は、実施例９の屈折率プロファイルの４種類の変動を示しており、半径およびコアのアルファパラメータの変動が、モード間群遅延差とモード間群遅延差スロープの兆候を変化させている。図９は、実施例９ｃの屈折率プロファイルを示している。実施形態９ａ−９ｄの各々は、所定の寸法に従って作成する場合、モード間群遅延差が極めて小さくなる。実施例９ａと９ｄは類似のアルファ値を有し、｜αｉ−αｊ｜は０．２より小さく、コア半径は僅かに相違し、｜Ｒ１ｉ−Ｒ１ｊ｜は０．２  μｍより大きい。実施例９ａでは、モード間群遅延差スロープが負の場合、１５３０  ｎｍ、１５５０  ｎｍ、１５６５  ｎｍでモード間群遅延差は負となり、モード間群遅延差スロープが正の場合は、１５３０  ｎｍ、１５５０  ｎｍ、１５６５  ｎｍでモード間群遅延差は正となる。これらの２本のモデル化されたファイバの例をほぼ１：１の長さ比で組み合わせることにより、モード間群遅延差とモード間群遅延差スロープがほぼゼロとなる範囲が生じる。実施例９ｂでは、モード間群遅延差スロープが負の場合、１５３０  ｎｍ、１５５０  ｎｍ、１５６５  ｎｍでモード間群遅延差は正となり、実施例９ｃでは、モード間群遅延差スロープが正の場合、１５３０  ｎｍ、１５５０  ｎｍ、１５６５  ｎｍでモード間群遅延差は負となる。これらの２本のモデル化されたファイバの例をほぼ１：１の長さ比で組み合わせることにより、モード間群遅延差とモード間群遅延差スロープがほぼゼロとなる範囲が生じる。
【００５４】
【表４】
2015515765.tif 000013
【００５５】
表５は、追加の６つのインデックスプロファイルの属性を示しており、その属性のために、半径およびコアのアルファパラメータの変動が、モード間群遅延差とモード間群遅延差スロープの兆候を変化させている。実施形態１１〜１６において、トレンチは、オフセットＲ２−Ｒ１の量だけ、コアから間隔を空けて配置されている。実施形態１１〜１６の各々は、所定の寸法に従って作成する場合、モード間群遅延差が極めて小さくなる。ファイバ６〜１０のＬＰ０１の有効断面積Ａｅｆｆは、１２０  μｍ２より大きく、より好ましくは１２０  μｍ２〜２００  μｍ２である。１つの例において、ＬＰ０２モードの理論上のカットオフ波長は、２４００  ｎｍ未満であり、別の例では２０００  ｎｍ未満、さらに別の例では１８００  ｎｍ未満である。これらの例では、ＬＰ０２モードのケーブルカットオフ波長はＬＰ０２モードの理論上のカットオフ波長より約３００  ｎｍ小さい。１つの例において、ＬＰ１１モードの理論上のカットオフ波長は、２０００  ｎｍより大きく、別の例では２２００  ｎｍより大きく、さらに別の例では２４００  ｎｍより大きい。１つの例において、ＬＰ０１モードの減衰は０．２１  ｄＢ／ｋｍ未満、別の例では０．２０  ｄＢ／ｋｍ未満、さらに別の例では０．１９  ｄＢ／ｋｍ未満である。１つの例において、ＬＰ１１モードの減衰は０．２５  ｄＢ／ｋｍ未満、別の例では０．２３  ｄＢ／ｋｍ未満、さらに別の例では０．２１  ｄＢ／ｋｍ未満である。これらの光学的性質は、別段の指示がない限り、すべて１５５０  ｎｍの波長でモデル化されている。
【００５６】
【表５】
2015515765.tif 000014
【００５７】
当業者であれば、特許請求される主題の精神および範囲を逸脱することなく、本明細書に記載の実施形態に様々な修正および変更することが可能であることは明らかである。よって、本明細書に記載の様々な実施形態の修正例および変更例の仕様は、それら修正例および変更例が、添付の請求項およびその等価物の範囲内となることを意図している。
【図１】
2015515765.tif 000015
【図２Ａ】
2015515765.tif 000016
【図２Ｂ】
2015515765.tif 000017
【図３】
2015515765.tif 000018
【図４】
2015515765.tif 000019
【図５】
2015515765.tif 000020
【図６】
2015515765.tif 000021
【図７】
2015515765.tif 000022
【図８】
2015515765.tif 000023
【図９】
2015515765.tif 000024
【国際調査報告】
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2015515765.tif 000026
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