CN100578270C - 光传输体以及光互联系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的光传输体将光纤(10)按曲率半径为4mm以上10mm以下弯曲1/4转以上而使用，所述光纤(10)由石英系玻璃构成，包括具有渐变折射率型折射率分布的芯(12)、和形成在该芯(12)的外周的包层(13)。由此，提供一种利用了易于在设备内布线等狭小空间内实施布线且可提高光通信频带的GI型光纤的光传输体。

Description

光传输体以及光互联系统
技术领域
本发明涉及设备内光布线系统与设备内光布线所使用的光传输体。
背景技术
作为在设备内进行信号传输的方法，存在着电传输方式或光互联(interconnection)(光布线)方式两种。随着近年来CPU时钟频率的高速化，在电传输方式中产生了由高密度布线引起的串扰，需要波形成形技术等，由此判断出1m、1Gbps左右成为传输极限速度。另一方面，光互联方式能以远比电传输方式宽的频带、且小型、低耗电地进行信号传输。因此，目前作为替换电传输方式的技术而受到关注。在光互联中存在着利用了光导波电路的方法和利用了光纤的方式，但由于希望设备内所使用的所有光部件能尽量节省空间进行收纳，因此，能够采用柔软布线且可实现低损耗光通信的光纤被确定为适于光互联的光部件之一。
作为短距离光传输用的光纤，大多使用多模光纤(MMF)。通常，MMF具有单模光纤(SMF)的10倍左右的芯径。MMF具有数值孔径大的特点，在光纤与光源等光部件之间进行低损耗连接时，不像SMF那样需要高精度，可实现容易的连接。尤其是，对于将振荡波长为850nm的LED或面发光型半导体激光器(VCSEL)作为光源、将作为多模光纤的一种的渐变折射率(Graded index)光纤(下面称为石英GI型光纤)用作光传输介质的光通信方法而言，发表了很多研究报告。该石英GI型光纤是通过使芯(core)区域的折射率分布形状最佳化而抑制了模分散的影响的光纤，在短距离光通信中被频繁使用。
在ITU-T(International Telecommunication Union TelecommunicationStandard Sector)G.651中，规定石英GI型光纤的芯径大小为50±3μm。精密地控制了折射率分布形状的石英GI型光纤可实现传输速度10Gbps、距离100m以上的高速光通信(例如，参照非专利文献1)。
非专利文献1：畠山意知郎等著，“基于光I/O内置系统LSI模块的高速光互联”，光技术接触，Vol.42，No.8(2004)
当设备内布线使用了光纤时，设想在设备内的各处施加曲率半径非常小的弯曲。考虑在设计了设备内光布线系统的情况下，施加最大1转(在本说明书中，对形成了弯曲的部分(弯曲部)的数法采用“转(turn)”。例如，将按某弯曲半径绕1周的状态作为1转，将在1处弯曲部方向改变了90度的情况称为1/4转，将在1处弯曲部方向改变了180度的情况称为1/2转)左右的曲率半径为5mm左右的小直径弯曲，需要考虑由弯曲引起的对传输速率的影响和对机械可靠性的影响。
发明内容
本发明鉴于上述情况而提出，第一目的在于提供一种光传输体，其利用了易于在设备内布线等狭小空间内实施布线且可提高光通信频带的GI型光纤。而且，第二目的在于提供一种利用了由GI型光纤构成的光纤带的光传输体。此外，第三目的在于提供一种利用了这些光传输体的光互联系统。
为了解决上述课题来实现目的，本发明的利用了GI型光纤的第一光传输体的布线方法，将光纤按曲率半径为4mm以上10mm以下弯曲1/4转以上而进行布线，所述光纤由石英系玻璃构成，包括具有渐变折射率型折射率分布的芯、和形成在该芯的外周的包层，芯径在47μm以上53μm以下，包层外径在70μm以上100μm以下。
并且，本发明的利用了GI型光纤的第二光传输体的布线方法，将光纤弯曲1转以上而进行布线。
另外，在本发明的利用了GI型光纤的第三光传输体的布线方法中，所述渐变折射率型光纤的包层外径在80μm以上90μm以下。
而且，在本发明的利用了GI型光纤的第四光传输体的布线方法中，所述渐变折射率型光纤具有由紫外线固化树脂以及热固化树脂的至少任一方构成的被覆，该被覆外径与包层外径之差在20μm以上，该被覆的外径在150μm以下。
并且，在本发明的利用了GI型光纤的第五光传输体的布线方法中，所述紫外线固化树脂以及热固化树脂具有阻燃性。
另外，本发明的利用了光纤带的第七光传输体的布线方法，将光纤带按曲率半径为4mm以上10mm以下弯曲1/4转以上而进行布线，所述光纤带将多根GI型光纤平行排列并相互接合而成，所述GI型光纤由石英系玻璃构成，包括具有渐变折射率型折射率分布的芯、和形成在该芯的外周的包层，芯径在47μm以上53μm以下，包层外径在70μm以上100μm以下。
此外，在本发明的利用了光纤带的第七光传输体中，所述光纤带由多根所述GI型光纤以100μm以上150μm以下的间距平行排列并相互接合而成。
而且，在本发明的利用了光纤带的第八光传输体的布线方法中，所述光纤带具有由阻燃紫外线固化树脂以及阻燃热塑性树脂的至少任一方构成的带被覆。
并且，本发明的第九光互联系统将GI型光纤按曲率半径为4mm以上10mm以下弯曲1/4转以上并进行布线，使该GI型光纤传输通信波长850nm的光信号，所述GI型光纤由石英系玻璃构成，包括具有渐变折射率型折射率分布的芯、和形成在该芯的外周的包层，芯径在47μm以上53μm以下，包层外径在70μm以上100μm以下。
另外，本发明的第十光互联系统将光纤带按曲率半径为4mm以上10mm以下弯曲1/4转以上并进行布线，所述光纤带将多根GI型光纤平行排列并相互接合而成，所述GI型光纤由石英系玻璃构成，包括具有渐变折射率型折射率分布的芯、和形成在该芯的外周的包层，芯径在47μm以上53μm以下，包层外径在70μm以上100μm以下，所述光互联系统使该光纤带传输通信波长850nm的光信号。
(发明效果)
根据本发明，可提供一种光传输体，其利用了易于在设备内布线等狭小空间内实施布线且可提高光通信频带的GI型光纤。还可提供一种利用了由该GI型光纤构成的光纤带的光传输体。进而，可提供一种利用了这些光传输体的光互联系统。由此，可实现高速光互联。
附图说明
图1是表示对石英GI型光纤(芯径50μm)施加了曲率半径为5mm的弯曲时的频带变化(850nm)的曲线；
图2是表示对石英GI型光纤施加了曲率半径为5mm的弯曲后的包层(clad)直径与弯曲损耗(850nm)的关系的曲线；
图3是表示使包层直径细径化后的故障率的变化(曲率半径为5mm)的曲线；
图4是表示在包层直径为80μm的光纤中改变被覆直径后的弯曲损耗、频带的变化(弯曲损耗是在施加了1转曲率半径为5mm的弯曲时产生的弯曲损耗)的曲线；
图5是实施例1的125μm被覆的石英GI型细径光纤的横截面图；
图6是表示在实施例1的细径石英GI型光纤中，施加了1转曲率半径为5mm的弯曲后的波长为850nm、10Gbps调制时的BER测定结果的曲线；
图7是在实施例2中试制的12芯石英GI型细径光纤带的横截面图；
图8是在实施例5和实施例6中试制的赋予了1/4转弯曲的850nm区段光互联系统构筑例的立体图；
图9是在实施例5中试制的赋予了合计1转弯曲的850nm区段光互联系统构筑例的立体图。
图中：1-LSI；2-电气布线；3-驱动IC；4-VCSEL；5-带(tape)用被覆树脂；6-连接器连接部；7-底板(back plane)；8-印刷电路板；9-PD；10-光纤；11-芯；12-包层；13-被覆树脂；20-细径12芯石英GI型阻燃光纤带。
具体实施方式
下面，根据附图，对本发明的光传输体的实施方式进行详细说明。另外，并非由该实施方式限定该发明。下面，将本发明的光传输体中使用的光纤的概略情况和特点作为实施方式进行说明，然后，说明与使用了本发明的光传输体的光互联系统相关的实施例。
[实施方式]
本实施方式的光传输体通过对石英GI型光纤施加规定的弯曲，由此除去高阶模，降低模分散的影响，提高通信频带。而且，通过缩小石英GI型光纤的包层直径，降低施加弯曲应力时的断裂概率，提高布线的柔性。
当光互联中利用了光纤时，在设备内的各处对光纤施加曲率半径非常小的弯曲。在对石英GI型光纤施加了弯曲等干扰时，会引起弯曲损耗的发生、或模变换。
在0.85μm区段石英GI型光纤中存在200个以上模，高阶模的大部分在包层区域附近具有电场分布。由于这种高阶模的大部分实效折射率低，因此在对光纤施加了弯曲时，不会封闭于导波路内，而成为弯曲损耗。
另一方面，在引起了模变换时，模分散会增大，实效频带可能会降低。图1中表示实际对包层直径为125μm、被覆直径为250μm的通常石英GI型光纤施加了弯曲时的频带变化。在图1中，横轴表示弯曲半径，纵轴表示施加了1/4转、1/2转、1转的各弯曲半径的弯曲后波长为850nm中的6dB频带。另外，本说明书中的“频带”、“芯径”是指由ITU-T G.651定义的“频带”、“芯径”。此外，本说明书中未特别定义的用语依照ITU-TG.651中的定义、测定方法。从图1可知，在曲率半径大约到5mm为止，曲率半径越小实效频带越提高，到曲率半径4mm为止可获得实效频带提高的效果。这是由于当对石英GI型光纤施加了曲率半径4mm以上的弯曲时，不会因向高阶模的变换或结合而引起实效频带降低，弯曲弱的高阶模成为放射损耗，从而通过弯曲可获得与限模(restrict mode)激励同样的效果。因此，对石英GI型光纤施加曲率半径4mm以上的弯曲虽然会发生传输损耗，但在提高通信频带的方面有效。可是，在弯曲为小于半径4mm时，通信频带会急剧下降。这是由于施加了小于曲率半径4mm的弯曲时，传播模的大部分会因弯曲而混乱，从而导致实效频带降低。而且，在使弯曲转数从1/4转变化到1转时，弯曲转数越大，越可获得频带提高效果。另一方面，在施加了1转以上的弯曲时，将无法确认大的频带提高。可以认为这是由于虽然通过增大弯曲转数，可消灭弯曲弱的高阶模，但在消灭了弯曲弱的高阶模的大部分的状态下，无法获得频带提高的效果。
图1表示了使包层直径细径化，使包层直径为80μm、被覆直径为250μm时的频带变化。从图1可知，即使在细径化后的石英GI型光纤中，当与通常125μm包层的光纤同样地对光纤施加曲率半径为4mm以上的弯曲时，也能获得提高通信频带的效果。
另一方面，若使包层直径细径化，则侧压对芯区域的影响增大，由弯曲引起的干扰的影响增大。图2是表示对石英GI型光纤施加了1转曲率半径为5mm的弯曲后的包层直径与弯曲损耗(850nm)的关系的曲线。另外，此时设被覆直径为250μm。在图2中，可判断出石英GI型细径光纤存在如下趋势：包层直径越细径化，弯曲损耗越增大。由于石英GI型细径光纤中存在着很多实效折射率低的高阶模，因此，当包层薄时无法将这些高阶模充分封闭。结果，大部分高阶模作为弯曲损耗在弯曲部位被放射。例如，在系统构筑时，假定施加1转曲率半径为5mm的弯曲。当包层直径为125μm时弯曲损耗为1dB左右，但当包层直径为80μm时弯曲损耗为4dB左右，若包层直径为60μm则产生40dB左右的弯曲损耗。当考虑了光互联系统构筑中的链路损耗预算时，在光纤传输部位允许的损耗最大为5dB左右。因此，若包层直径小于80μm，则难以构筑高速光互联系统。
若假定施加1/4转曲率半径为5mm的弯曲，则虽然弯曲损耗没有1转时那么大，但若包层直径小于70μm，则由弯曲引起的损耗增加会超过5dB。因此，在设想施加1/4转曲率半径为5mm的弯曲的系统时，包层直径需要在70μm以上。
而且，公知在石英系光纤中，包层直径越大，使光纤弯曲时的变形越大，导致断裂概率增大。因此，图3中表示包层直径和施加了1/4转、1/2转、1转曲率半径为5mm弯曲时的断裂概率的仿真计算结果。计算中设屏蔽等级为1.5％，与被覆材料之间的疲劳系数为18。在系统设计上优选故障率在0.1％以下。若假定对光纤施加1转程度曲率半径为5mm左右的弯曲，则包层直径为125μm时的故障率为10％以上，不能使用。但是，使包层直径为90μm时的故障率为0.06％，满足系统的要求条件。由此可以说最大包层直径为90μm。另外，若假定施加1/4转程度曲率半径为5mm左右的弯曲，则100μm以下的包层可实现0.1％以下的故障率。从通常的光纤发生弯曲损耗的观点来看，提高由弯曲引起的断裂率的要求并不那么强烈，但当设想如光互联那样被弯曲成小直径时，降低由如上述的小直径卷绕引起的断裂率的效果大。并且，从节省空间收纳的观点出发也希望包层直径的细径化。
在光互联中利用光纤时，设想通过使光纤带(tape)化，来使光传输体多通道化，进行高速光通信。通常石英系光纤的规格是包层直径为125μm，相对于此被覆后外径为250μm，作为将多根光纤平行排列相互接合的光纤带的间距，一般是250μm。因此，在包层直径80μm的细径光纤中，由于被覆直径也细径化，因此可制作间距比现有的光纤带窄的光纤带。使用了细径光纤的窄间距的光纤带，其布线的柔性高且可节省空间收纳，是适于光互联的光部件。
但是，当减薄光纤的被覆层时，侧压对光纤的影响增大，弯曲损耗有可能增加。而且，当减薄石英GI型光纤的被覆层时，由于存在很多易受干扰影响的高阶模，因此通信频带有可能劣化。由于当光纤使用长度短时，这些光学特性劣化影响小，因此与根据由系统设计确定的光纤使用长度的相关而有时会被允许。
图4中设包层直径为80μm和90μm，表示不同的被覆外径下的弯曲损耗以及频带的关系。作为弯曲损耗，是在施加了1转曲率半径为5mm的弯曲时产生的损耗、以及通信频带为波长850nm下的6dB频带的值。
被覆层还具有光纤的外伤保护的作用，作为厚度需要在10μm以上。另一方面，当被覆层厚时，对光学特性没有影响，但从节省空间收纳的观点来看优选被覆直径在150μm以下。图4中，包层直径为80μm的光纤其被覆外径为90μm，包层直径为90μm的光纤其被覆外径为100μm，由此发生了损耗增加。均是在使被覆外径和包层外径之差为10μm时达到被覆直径细径化的极限，可知优选使被覆外径与包层外径之差在20μm以上。对于频带而言，由于被覆层越薄，高阶模越容易变换为放射模，所以，结果是被覆层越薄频带越提高。而且，单层构造和多层构造均可获得这里所说的被覆的效果。
(实施例1)
如图5所示，制作了芯11的直径D1为50μm、包层12的直径D2为80μm、被覆树脂13的外径D3为125μm的石英GI型细径光纤10。对该光纤10施加1转曲率半径为5mm的弯曲，作为光源采用振荡波长为850nm的VCSEL，进行了10Gbps直接调制时的传输特性评价。图6中表示该传输实验中的BER测定结果。在施加了1转弯曲的状态下，受光量为-7dBm，BER(Bit Error Rate)为10-9左右，判断出可进行10Gbps的光传输而不存在问题。并且，在1/4转时也可通过与1转时相同的受光能量获得大致相同的BER。可以说主要因素是1/4转与1转相比时频带的效果没有较大差异。
(实施例2)
如图7所示，将上述实施例1的石英GI型细径光纤10以间距P125μm平行排列12根，用被覆树脂5对其进行被覆，由此接合这些光纤10，制作出12芯石英GI型细径光纤带20。考虑到由被覆树脂21薄壁化引起的损耗增加量和节省空间化两要素，将被覆直径H(厚度H)设为125μm。设间距P为125μm的光纤20的尺寸为现有光纤的一半，柔性非常高，而且在设备内可实现节省空间收纳。作为被覆树脂5的材料，采用了紫外线固化树脂。
若使用芯11的直径D1为50μm、包层12的直径D2为80μm、被覆外径与包层外径之差为20μm的石英GI型细径光纤10，则间距P可减小至100μm。另一方面，从节省空间收纳的观点出发，优选间距P在150μm以下。
光纤带20的完成尺寸是宽度W为1.55mm、厚度H是0.17mm。通过使成为连接对象的光源VCSEL以间距125μm阵列化为12通道，从而可实现由制作出的光纤带20进行的汇总光连接。在该构成中，通过直接调制VCSEL，可实现超过100Gbps的超高速光通信。
(实施例3)
在本实施例中，成为被覆树脂5的材料的紫外线固化树脂，使用了阻燃性紫外线固化型氨基甲酸酯树脂，制作出阻燃带心线。这里使用的阻燃性紫外线固化型氨基甲酸酯树脂例如可如下制作。在树脂中添加溴、氯等卤素系添加剂，进而添加三氧化锑、三苯基锑等锑化合物、氢氧化铝或氢氧化镁等金属水合物，还添加磷酸酯等磷化合物，或者用溴或氯使构成紫外线固化树脂的预聚物或丙烯酸单体本身卤化，进而包含磷等，由此研究了紫外线固化树脂的阻燃性。在这些方法中，添加溴系阻燃剂的方法对阻燃化特别有效。
这样，可认为作为通过改变组成来实现阻燃化的理由在于，由分解反应的生成物覆盖树脂的表面、或在燃烧时产生的分解气体与空气之间形成遮断层。还可认为是由于来自含有卤素的化合物的自由基会阻止继续燃烧、或通过交联使树脂三维化等。
将利用包括溴系阻燃剂的紫外线固化型氨基甲酸酯树脂作为带化用的紫外线固化树脂而获得的光纤带，通过JIS C3005标准60度倾斜燃烧试验进行了评价。结果，在光纤中燃烧的火焰平均在3.2秒左右自然熄灭，由此可满足标准。
(实施例4)
研究了通过使光纤被覆树脂以及带被覆树脂均为阻燃紫外线固化树脂来获得高阻燃性的情况。结果，两树脂均利用包括溴系阻燃剂的紫外线固化型氨基甲酸酯树脂而获得的光纤带，表现出最高的阻燃性。在JISC3005标准60度倾斜燃烧试验中，点燃的火焰平均在2.6秒左右自然熄灭，由此可满足标准。
而且，进行了UL1581标准垂直燃烧试验的结果是，火焰平均在5.7秒内自然熄灭。并且，没有燃烧着的滴落物，由此可满足所述UL标准。另外，在以绳股的状态下进行垂直燃烧试验的结果是，火焰平均在7.6秒内自然熄灭，在心线的状态下也具有充分的阻燃性。
(实施例5)
构筑了如图8所示的0.85μm区段光互联系统30。图8中，在底板7的一面上竖立设置有印刷电路板8，该印刷电路板8的一边被支承。在印刷电路板8上，设置有安装在驱动IC3上的VCSEL4和LSI1。LSI1和VCSEL4通过电气布线2而电连接。而且，在底板7上设置有PD9。并且，VCSEL4和PD9通过石英GI型光纤带20连接。光纤带20首先在与VCSEL4的结合部以曲率半径5mm左右弯曲成近似直角来构成1/4转的弯曲部A，并且在沿底板7布线之后到达底板7上的PD9。
光纤带20采用了设包层直径为80μm、被覆后外径为125μm的石英GI型光纤带。
使用图8的装置，研究了通过对光纤带20设置弯曲部A而引起的传输速率的变化。为了进行比较，对于在将光纤带与VCSEL4结合后不设置曲率半径在5mm以下的弯曲部A地与PD9连接时的传输速率也进行了研究。结果，在不设置弯曲部的情况下，可实现最大6.8Gbps的调制，相对于此，在设置弯曲部A来构筑系统时，可实现最大10.6Gbps的高速传输。并且，如图9所示，对光纤带20以曲率半径5mm左右施加4处1/4转合计1转的弯曲而使用的0.85μm区段光互联系统30，也可获得与图8所示的1/4转时同样的传输特性。
该系统用于实现有效运用了光通信技术的高速信号处理，实现了通过电信号目前难以实现的10Gbps以上的传输速率。在不对光纤施加弯曲的状态下也能进行千兆(G)位的光传输，但如本实施例所示，通过利用对石英GI型光纤施加了弯曲的光传输体，可进一步提高通信频带，从而能够实现高速光互联。而且，通过缩小包层直径，降低了由弯曲引起的断裂概率。
(实施例6)
采用与上述实施例5的图8同样的构成，将光纤带替换为其他物体来构筑了0.85μm区段光互联系统。本实施例的光纤带20采用了设包层直径为125μm、被覆后外径为250μm的石英GI型光纤。为了便于布线，施加了1/4转左右曲率半径为7.5mm的弯曲。并且，该情况下由弯曲部A的光纤断裂引起的故障率为0.07％左右，与对利用了包层直径为90μm的石英GI型光纤的光纤带设置1转曲率半径为5mm的弯曲时的断裂概率相同。
与实施例5同样，将对光纤带20设置了弯曲部A的情况与未设置弯曲部A的情况作比较进行试验，当未设置弯曲部A时，可实现最大5.1Gbps的调制，相对于此，在设置了弯曲部A时，可实现最大7.5Gbps的高速传输。
在不对光纤施加弯曲的状态下也能进行千兆位的光传输，但如本实施例所示，通过利用对石英GI型光纤施加了弯曲的光传输体，可进一步提高通信频带，从而可实现高速光互联。
(工业上的可利用性)
如上所述，本发明所涉及的GI型光纤以及利用了光纤带的光传输体，适用于在受限的空间内使光纤迂回的例如光互联中，尤其适用于设备内光布线用的光纤。

Claims (10)

1.一种光传输体的布线方法，将渐变折射率型光纤按曲率半径为4mm以上10mm以下弯曲1/4转以上而进行布线，所述渐变折射率型光纤由石英系玻璃构成，包括具有渐变折射率型折射率分布的芯、和形成在该芯的外周的包层，芯径在47μm以上53μm以下，包层外径在70μm以上100μm以下。
2.根据权利要求1所述的光传输体的布线方法，其特征在于，
将所述渐变折射率型光纤弯曲1转以上而进行布线。
3.根据权利要求2所述的光传输体的布线方法，其特征在于，
所述渐变折射率型光纤的包层外径在80μm以上90μm以下。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的光传输体的布线方法，其特征在于，
所述渐变折射率型光纤具有由紫外线固化树脂以及热固化树脂的至少任一方构成的被覆，该被覆外径与包层外径之差在20μm以上，该被覆的外径在150μm以下。
5.根据权利要求4所述的光传输体的布线方法，其特征在于，
所述紫外线固化树脂以及热固化树脂具有阻燃性。
6.一种光传输体的布线方法，将光纤带按曲率半径为4mm以上10mm以下弯曲1/4转以上而进行布线，所述光纤带将多根渐变折射率型光纤平行排列并相互接合而成，所述渐变折射率型光纤由石英系玻璃构成，包括具有渐变折射率型折射率分布的芯、和形成在该芯的外周的包层，芯径在47μm以上53μm以下，包层外径在70μm以上100μm以下。
7.根据权利要求6所述的光传输体的布线方法，其特征在于，
所述光纤带由多根所述渐变折射率型光纤以100μm以上150μm以下的间距平行排列并相互接合而成。
8.根据权利要求6或7所述的光传输体的布线方法，其特征在于，
所述光纤带具有由阻燃紫外线固化树脂以及阻燃热塑性树脂的至少任一方构成的带被覆。
9.一种光互联系统，将渐变折射率型光纤按曲率半径为4mm以上10mm以下弯曲1/4转以上进行布线，使该渐变折射率型光纤传输通信波长850nm的光信号，所述渐变折射率型光纤由石英系玻璃构成，包括具有渐变折射率型折射率分布的芯、和形成在该芯的外周的包层，芯径在47μm以上53μm以下，包层外径在70μm以上100μm以下。
10.一种光互联系统，将光纤带按曲率半径为4mm以上10mm以下弯曲1/4转以上进行布线，所述光纤带将多根渐变折射率型光纤平行排列并相互接合而成，所述渐变折射率型光纤由石英系玻璃构成，包括具有渐变折射率型折射率分布的芯、和形成在该芯的外周的包层，芯径在47μm以上53μm以下，包层外径在70μm以上100μm以下，
所述光互联系统使该光纤带传输通信波长850nm的光信号。
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