JP2000056183A - 多芯プラスチック光ファイバの高速通信方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラスチック光ファイバを用いた信号伝送に
おいて、より高速の通信を可能にする。 【解決手段】 複数本の芯の周囲を鞘で取り囲み、複合
紡糸してなる多芯プラスチック光ファイバを光伝送媒体
とし、レーザーダイオードを送信光源として用い、さら
に受光素子として上記ファイバの直径よりも口径の小さ
いホトダイオードを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は多芯プラスチック光
ファイバを用いた高速通信方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＥＤやＬＤを光源として、多芯プラス
チック光ファイバを伝送媒体とした信号伝送はすでに公
知である。Ｐｌａｓｔｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅ
ｒｓ＆ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎ
ｃｅ，９４，Ｐｒｏｃ．，１４８（１９９４）には１９
芯の多芯プラスチック光ファイバと単芯プラスチック光
ファイバの帯域測定のデータが記載されている。この文
献は本発明者らによるものであるが、開口数ＮＡが０．
２５の多芯プラスチック光ファイバの帯域は１００ｍあ
たり２１０ＭＨｚであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、プラスチック光
ファイバを用いた信号伝送には、より高速での通信が望
まれていた。しかしながら、現状ではプラスチック光フ
ァイバの伝送帯域には限度があり、高速通信にも限界が
あった。

【０００４】本発明の目的は、現状のプラスチック光フ
ァイバとその周辺部材を用いて実質的に従来よりも伝送
帯域を広くし、高速通信を可能にすることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、直径が２０〜
３００μｍで透明な芯樹脂からなる７本以上の芯繊維
と、各芯繊維の周りを上記芯樹脂よりも屈折率の低い鞘
樹脂でとり囲み且つ一まとめの繊維状になるように複合
紡糸法によって製造された多芯プラスチック光ファイバ
を光伝送媒体とし、レーザーダイオードを送信光源、ホ
トダイオードを受光素子とする伝送系において、該ホト
ダイオードの口径が上記多芯プラスチック光ファイバの
直径よりも小さいことを特徴とする多芯プラスチック光
ファイバの高速通信方法である。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明において光伝送媒体として
用いられる多芯プラスチック光ファイバとは、透明な芯
樹脂からなる複数の芯繊維と、その周りを鞘樹脂でとり
囲み一まとめにした多芯プラスチック光ファイバ裸線で
あり、特に好ましくは多数の芯とその周りを屈折率が段
階的に低くなる２層以上の鞘からなるものなどがあり、
それらが一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によ
って製造したものである。１本の光ファイバを構成する
芯繊維の本数は７本以上であり、好ましくは７〜１００
０本のものが使用され、芯の平均的な直径は２０μｍ〜
３００μｍである。また、芯と該芯を取り巻く鞘の屈折
率の差は０．００５〜０．２５の範囲のものが可能であ
る。さらに多芯プラスチック光ファイバの中には芯とそ
れを囲む鞘層を第３の樹脂で全体を束ねたものも含まれ
る。

【０００７】図１に、本発明で用いられる多芯プラスチ
ック光ファイバの一例の断面を模式的に示す。図中、１
は芯、２ａは第１鞘、２ｂは第２鞘、３は多芯プラスチ
ック光ファイバ裸線であり、該裸線の周囲に被覆層４を
形成してケーブル５が構成されている。通常プラスチッ
ク光ファイバは、このように被覆層によって保護してケ
ーブルとして供される。本例は、鞘を２層構成とし、芯
１の周囲を第１鞘２ａで取り囲み、さらに第１鞘２ａの
周囲を第２鞘２ｂで取り囲んだものである。上記したよ
うに、第２鞘２ｂには第１鞘２ａよりも屈折率の低い樹
脂が用いられる。尚、本発明で言うところの多芯プラス
チック光ファイバの直径とは、図１に示される多芯プラ
スチック光ファイバ裸線３の直径、即ち鞘２ｂの外径を
言う。また、多芯プラスチック光ファイバの直径が均一
でない場合（断面が真円でない場合）には、最大径と最
小径との平均をもって直径とする。

【０００８】多芯プラスチック光ファイバの通信では、
芯と鞘（多数層の鞘があるときは第１層目）の屈折率の
差を小さくした方が広帯域が得られる。即ち、一般にス
テップインデックス型光ファイバの伝送帯域は光ファイ
バの開口数ＮＡで決まる。ＮＡは芯樹脂の屈折率の２乗
と鞘樹脂の屈折率の２乗の差の平方根から求められ、通
常のプラスチック光ファイバのＮＡは０．５前後である
が、より広帯域を必要とするときにはこの値が０．１０
〜０．３５程度にまでにさげた光ファイバを用いる必要
がある。

【０００９】ところで、多芯プラスチック光ファイバの
伝送帯域については単芯プラスチック光ファイバと同じ
ものと考えるのが自然であろうが、本発明者の検討によ
り、多芯プラスチック光ファイバはＮＡが同じでも伝送
帯域が異なることを発明した。その理由としてひとつに
は、単芯プラスチック光ファイバが断面において芯と鞘
との界面が円形であるのに対し、多芯プラスチック光フ
ァイバは芯・鞘構造が緻密に配置され、芯と鞘との界面
の形状がいびつになっているため、ＮＡが理論値よりも
低くなっているのではないかと考えられる。これは特に
２層鞘について言えることである。さらに多芯プラスチ
ック光ファイバについては、単芯のプラスチック光ファ
イバとは異なり、通信系の中のホトダイオードの口径が
伝送帯域の決定に影響があることがわかった。従来の帯
域測定には、一般に、直径１．０ｍｍの大口径のアバラ
ンシェ・ホトダイオード（ＡＰＤ）が検出器として用い
られていたが、最近では駆動電圧が低く安価な小口径の
ｐｉｎ・ホトダイオードが提供されている。

【００１０】このような、小口径のｐｉｎ・ホトダイオ
ードが入手可能である状況において、本発明者は、多芯
プラスチック光ファイバに従来通り該ファイバの直径に
対応した大口径のホトダイオードを組み合わせた場合に
比較して、同じプラスチック光ファイバに該ファイバの
直径よりも口径の小さいホトダイオードを受光素子とし
て組み合わせた場合に、より高帯域が測定されることを
見出し、本発明を達成した。

【００１１】シリコンＰＤでは広帯域を出すものは直径
そのものが小さくなければならないので大口径のプラス
チック光ファイバの光を全部補足できないという懸念が
あった。単芯プラスチック光ファイバでは１本の大口径
の芯に光が入射するため、該芯の中央部から入射した光
は比較的ファイバの軸と入射光の角度が平行に近い低次
モードの光になるのに対し、芯の外側に入射した光は入
射角が最も広い高次モードの光となり、これらの混合光
が１本の芯の中を透過していくために、帯域が制限され
てしまう。このような単芯プラスチック光ファイバに該
ファイバの直径よりも口径の小さいホトダイオードを組
み合わせると、、ホトダイオードの直径の２乗の程度に
光量ロスの影響が大きく、且つ低次モードの光の損失も
大きい。

【００１２】これに対し、多芯プラスチック光ファイバ
の場合も中央部の芯線に入射する光は平行光に近く、外
側の芯線に入射する光は入射角の広い光となるが、多芯
プラスチック光ファイバにおいては個々の芯線が独自の
モードの光を伝送しているので、特に入射光の分布から
強度の弱い外側の芯線に入る光を通信系から切り捨てて
しまえば、光量ロスが小さく実質的に影響を受けない範
囲でモード分布のシャープな信号伝送が可能になる。即
ち、データリンクの受光素子の口径をプラスチック光フ
ァイバの直径より小さくすることにより、多芯プラスチ
ック光ファイバの全断面に入射する入射ＮＡ（ＬＮＡ）
よりも小さな入射ＮＡに修正された通信が可能になる。
しかもトランシーバの光源として、高速化のためレーザ
ーダイオード（ＬＤ）を用いれば光源の入射ＮＡを小さ
くすることができ、光のスポットも０．２ｍｍ〜０．６
ｍｍ程度には小さくできるので、口径の小さなｐｉｎ・
ホトダイオードを用いる事が殆ど不利にならないのであ
る。

【００１３】このような理由で、本来多芯プラスチック
光ファイバに決められた入射ＮＡで目一杯光を入射せし
め、受光素子でその全ての光を拾った場合に定義される
伝送帯域は、同じ直径の単芯のプラスチック光ファイバ
と同じものであるが、口径がファイバの直径よりも小さ
いホトダイオードを使用することによって、悪影響を与
える多芯プラスチック光ファイバの外側心線部の光がカ
ットされ、より低い入射ＮＡに対応した高帯域が観測さ
れることになるものと考えられる。ここでホトダイオー
ドの直径はｐｉｎ・ホトダイオード、アバランシェ・ホ
トダイオードのいずれでも良く、直径が０．２〜０．７
ｍｍ程度のものが使用できるが、いずれの場合でも多芯
プラスチック光ファイバの直径よりもホトダイオードの
直径が小さいことが必要である。ホトダイオードの口径
が０．２ｍｍ未満では帯域としては良いが、光の量が少
なくなるので好ましくない。より好ましくは０．４〜
０．６ｍｍである。さらに好ましくは０．４５〜０．５
５ｍｍである。

【００１４】また、ホトダイオードの口径は、好ましく
は、多芯プラスチック光ファイバの直径に対して０．３
〜０．９倍であるものを選択する。

【００１５】現在市場で調達出来るｐｉｎ・ホトダイオ
ードでは２００Ｍｂｐｓ〜４００Ｍｂｐｓ程度だと０．
８ｍｍφ程度のＰＤが利用でき、５００Ｍｂｐｓ程度で
は０．６ｍｍφ度のＰＤが、１Ｇｂｐｓになると０．４
〜０．５ｍｍφ程度のｐｉｎ・ホトダイオードが利用で
きると思われる。

【００１６】前記したように、本発明においては、多芯
プラスチック光ファイバの直径よりも口径の小さい、好
ましくは０．３〜０．９倍の口径のホトダイオードを組
み合わせて用いるが、当該組み合わせにおいて、多芯プ
ラスチック光ファイバをより大きな直径のものに代えて
用いることが好ましい。つまり、必要以上に直径の大き
な多芯プラスチック光ファイバを用いることが好まし
い。これは多芯プラスチック光ファイバの直径がＬＤ光
の光スポット径よりも大きい事を意味するが、多芯プラ
スチック光ファイバの直径を大きくすることにより、光
ファイバの取り扱い性が非常に容易であることと、外側
の芯が中央部の実質通信に関わる芯を機械的に保護し、
熱的にも化学的にも保護する役割を果たし、信頼性の高
い多芯プラスチック光ファイバを構成することができる
からである。尚、必要以上に直径の大きなファイバを用
いた場合、通信に関わらない外側の芯を除き、ＬＤ光の
光スポット径に対応する直径をもって、本発明にかかる
ファイバの直径とする。

【００１７】本発明に用いられる多芯プラスチック光フ
ァイバの直径としては裸線として０．５ｍｍ〜１．５ｍ
ｍ程度であり、通常０．６〜１．１ｍｍ程度である。か
かる多芯プラスチック光ファイバは複合紡糸によって多
数の芯が同時に複合紡糸されて製造されるものであり、
複合紡糸法で製造することにより各芯線の長さを実質的
に均一にすることができる。そのため芯線間の信号に遅
延差を生じない。唯一芯線間に長さの差が生じるケース
は、多芯プラスチック光ファイバが捩じれて生産された
時であるが、通常多芯プラスチック光ファイバの捩じれ
は２ｍ〜２０ｍで１回転以下にすることができる。仮に
２ｍで１回捩じれると仮定すると此の場合の中央の芯の
長さと外側の芯の長さの違いは５０ｍあたり０．２５ｍ
ｍにしか過ぎず、遅延時間としては０．８ピコ秒にしか
過ぎない。従って、この程度の捻じれであれば、本発明
にはほとんど影響せず、用いることが可能である。

【００１８】本発明の高速通信方法は、多芯プラスチッ
ク光ファイバの長さ×伝送帯域が１５０００ＭＨｚ・ｍ
〜７５０００ＭＨｚ・ｍ程度の用途に特に好ましい。即
ち、５０ｍあたり３００ＭＨｚ〜１．５ＧＨｚに相当す
る帯域のファイバとして用いる用途に相応しい。

【００１９】本発明に用いるプラスチック光ファイバの
開口数ＮＡは０．１〜０．８程度に適用できるが、特に
好ましくは０．１５〜０．４であり、より好ましくは
０．１５〜０．３５である。

【００２０】

【実施例】（実施例）芯樹脂として、屈折率が１．４９
２、メルトフローインデックスが２３０℃、荷重３．８
Ｋｇ、オリフィスの直径２ｍｍ、長さ８ｍｍの条件で、
１．５ｇ／１０分であるポリメチルメタクリレート樹脂
を用いた。第１鞘としては、１７ＦＭＡ（ヘプタデカフ
ルオロデシルメタクリレート）１４重量％、４ＦＭ（テ
トラフルオロプロピルメタクリレート）６重量％、３Ｆ
ＭＡ（トリフルオロエチルメタクリレート）６重量％、
ＭＭＡ（メチルメタクリレート）７４重量％をキャスト
重合して、２３０℃、３．８Ｋｇ荷重におけるメルトフ
ローインデックスが２５ｇ／１０分、屈折率が１．４７
の樹脂を用いた。ＮＡは０．２６であった。第２鞘とし
てビニリデンフロライド８０モル％とテトラフロロエチ
レン２０モル％の共重合体で、上記第１鞘樹脂と同条件
で測定したメルトフローインデックスが３０ｇ／１０分
の樹脂を用いた。屈折率は１．４０２であった。複合紡
糸ダイとしては、３７芯を有し、各々芯を第１鞘と第２
鞘が二層に被覆する構造のものを用いた。この複合紡糸
ダイに、芯樹脂の容積と第１鞘樹脂と第２鞘樹脂の容積
の比率が８０対１０対１０になるように供給し、ダイか
ら排出されるストランドを収束し、２倍に延伸して、直
径１．００ｍｍの２鞘多芯プラスチック光ファイバ裸線
を製造した。さらにこの裸線に黒色ポリエチレンで被覆
し、２．２ｍｍの２鞘構造多芯プラスチック光ファイバ
ケーブルを得た。この多芯プラスチック光ファイバの伝
送損失は６５０ｎｍの波長で、入射ＮＡ０．１５で測定
し１４０ｄＢ／ｋｍであった。

【００２１】尚、ここで伝送帯域の測定は、パルス法に
よるもので６５０ｎｍのＬＤを用いて、図２の測定系に
よって求めた。図中、１１はドライバ、１２は送信光源
であるレーザーダイオード、１３は入射ＮＡ設定光学
系、１４は測定するプラスチック光ファイバ、１５は受
光素子であるホトダイオード、１６はバイアス、１７は
増幅器、１８はサンプリングオシロスコープ、１９は中
央演算器（ＣＰＵ）、２０はパルス発生器、２１はディ
レイジェネレイターである。本実施例では、ホトダイオ
ード１５として、０．５ｍｍの直径のｐｉｎ・ホトダイ
オードを用いて測定した。入射ＮＡは０．２５でおこな
った。その結果、０．５ｍｍφのＰＤでは長さ５０ｍの
多芯プラスチック光ファイバで測定した帯域が９００Ｍ
Ｈｚであった。

【００２２】（比較例１）芯樹脂として、屈折率が１．
４９２で、メルトフローインデックスが２３０℃、荷重
３．８Ｋｇ、オリフィスの直径２ｍｍ、長さ８ｍｍの条
件で、１．５ｇ／１０分であるポリメチルメタクリレー
ト樹脂を用いた。鞘には、１７ＦＭＡ１４重量％、４Ｆ
Ｍ６重量％、３ＦＭＡ６重量％、ＭＭＡ７４重量％をキ
ャスト重合して、２３０℃、３．８Ｋｇ荷重におけるメ
ルトフローインデックスが２５ｇ／１０分で屈折率が
１．４７の樹脂を用いた。ＮＡは０．２６であった。複
合紡糸ダイとしては、１９芯を有し、各々芯が鞘に取り
囲まれた構造のものを用いた。該複合紡糸ダイに、芯樹
脂と鞘樹脂の容積の比率が８０対２０になるように供給
し、ダイから排出されるストランドを収束し、２倍に延
伸して、直径１．００ｍｍの多芯プラスチック光ファイ
バ裸線を製造した。さらにこの裸線を黒色ポリエチレン
で被覆し、直径が２．２ｍｍの多芯プラスチック光ファ
イバケーブルを得た。この多芯プラスチック光ファイバ
の伝送損失は６５０ｎｍの波長で、入射ＮＡ０．１５で
測定して１３５ｄＢ／ｋｍであった。

【００２３】尚、ここで帯域の測定はパルス法によるも
ので、図２の測定系によって求めた。ホトダイオードと
しては、直径が１．０ｍｍのアバランシェ・ホトダイオ
ードを用いた。入射ＮＡは０．２５で行なった。その結
果、長さ５０ｍの多芯プラスチック光ファイバで測定し
た帯域は３９０ＭＨｚであった。

【００２４】（比較例２）芯樹脂として、屈折率が１．
４９２、メルトフローインデックスが２３０℃、荷重
３．８Ｋｇ、オリフィスの直径２ｍｍ、長さ８ｍｍの条
件で、１．５ｇ／１０分であるポリメチルメタクリレー
ト樹脂を用いた。第１鞘としては、１７ＦＭＡ１４重量
％、４ＦＭ６重量％、３ＦＭＡ重量６％、ＭＭＡ７４重
量％をキャスト重合して、２３０℃、３．８Ｋｇ荷重に
おけるメルトフローインデックスが２５ｇ／１０分、屈
折率が１．４７の樹脂を用いた。ＮＡは０．２６であっ
た。第２鞘としては、ビニリデンフロライド８０モル％
とテトラフロロエチレン２０モル％の共重合体で、第１
鞘と同条件で測定したメルトフローインデックスが３０
ｇ／１０分の樹脂を用いた。屈折率は１．４０２であっ
た。複合紡糸ダイとしては、単芯で第１鞘と第２鞘が二
層に被覆する構造のものを用いた。この複合紡糸ダイ
に、芯樹脂の容積と第１鞘樹脂と第２鞘樹脂の容積の比
率が９４対３対３になるように供給し、ダイから排出さ
れるストランドを収束し、２倍に延伸して、直径１．０
０ｍｍの２鞘単芯プラスチック光ファイバ裸線を製造し
た。さらにこの裸線に黒色ポリエチレンで被覆し、２．
２ｍｍの２鞘構造の単芯プラスチック光ファイバケーブ
ルを得た。この単芯プラスチック光ファイバの伝送損失
は６５０ｎｍの波長で、入射ＮＡ０．１５で測定し１３
０ｄＢ／ｋｍであった。

【００２５】上記単芯プラスチック光ファイバケーブル
の伝送帯域を実施例１と同様にして測定した。ホトダイ
オード１５としては０．５ｍｍの直径のｐｉｎ・ホトダ
イオードを用いて測定した。入射ＮＡは０．２５でおこ
なった。その結果、０．５ｍｍφのＰＤでは長さ５０ｍ
の単芯プラスチック光ファイバで測定した帯域が３５０
ＭＨｚであった。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、多芯プラスチック
光ファイバに該ファイバの直径よりも口径の小さいホト
ダイオードを受光素子として組み合わせることにより、
実質的に該ファイバの伝送帯域を広くすることができ、
より高速の通信に対応することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いられる多芯プラスチック光ファイ
バの一例の断面模式図である。

【図２】本発明の実施例において多芯プラスチック光フ
ァイバの帯域測定に用いた測定系を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

１ 芯 ２ａ 第１鞘 ２ｂ 第２鞘 ３ 多芯プラスチック光ファイバ裸線 ４ 被覆層 ５ 多芯プラスチック光ファイバケーブル １１ ドライバ １２ レーザーダイオード １３ 入射ＮＡ設定光学系 １４ プラスチック光ファイバ １５ ホトダイオード １６ バイアス １７ 増幅器 １８ サンプリングオシロスコープ １９ 中央演算器（ＣＰＵ） ２０ パルス発生器 ２１ ディレイジェネレイター

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直径が２０〜３００μｍで透明な芯樹脂
   からなる７本以上の芯繊維と、各芯繊維の周りを上記芯
   樹脂よりも屈折率の低い鞘樹脂でとり囲み且つ一まとめ
   の繊維状になるように複合紡糸法によって製造された多
   芯プラスチック光ファイバを光伝送媒体とし、レーザー
   ダイオードを送信光源、ホトダイオードを受光素子とす
   る伝送系において、該ホトダイオードの口径が上記多芯
   プラスチック光ファイバの直径よりも小さいことを特徴
   とする多芯プラスチック光ファイバの高速通信方法。
2. 【請求項２】 上記多芯プラスチック光ファイバが、上
   記芯繊維の周りを、芯樹脂よりも屈折率の低い樹脂から
   なる第１鞘で取り囲み、さらに、該第１鞘の周りを上記
   第１鞘の樹脂よりも屈折率の低い樹脂からなる第２鞘で
   取り囲み一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によ
   って製造された請求項１記載の多芯プラスチック光ファ
   イバの高速通信方法。
3. 【請求項３】 上記ホトダイオードの口径が多芯プラス
   チック光ファイバの直径の０．３〜０．９倍である請求
   項１または２記載の多芯プラスチック光ファイバの高速
   通信方法。
4. 【請求項４】 上記ホトダイオードの口径が０．３〜
   ０．６ｍｍである請求項１〜３いずれかに記載の多芯プ
   ラスチック光ファイバの高速通信方法。