JP2004246111A

JP2004246111A - 負分散光ファイバ及びそれを用いた波長分割多重光伝送用線路

Info

Publication number: JP2004246111A
Application number: JP2003036334A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Mukasa; 和則武笠
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】従来の線路型分散補償光ファイバは、光伝送損失や分散補償率などの点で使いづらいものであった。
【解決手段】波長１．５５μｍにおける分散が−１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下で、かつ１．５５μｍにおける光伝送損失が０．２３ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする負分散光ファイバである。このため、今回発明の負分散光ファイバ（ＲＤＦ）を、適切な正分散光ファイバ（ＳＭＦなど）に組み合わせるより、高速大容量伝送に適した低光伝送損失なＷＤＭ伝送路の構築が可能となった。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、波長分割多重（ＷＤＭ）光伝送用の負分散光ファイバ及びその光ファイバを用いたＷＤＭ光伝送路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長１．３１μｍで零分散を有するシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）は、非線形性や光伝送損失、偏波モード分散（ＰＭＤ）等の点で大変優れた線路である。しかしながら、波長１．５５μｍ帯で大きな正の分散値と分散スロープを有するため、分散を補償してやらないと、波長１．５５μｍ帯での光伝送は困難である。そこで、モジュール型の分散補償光ファイバ（ＤＣＦ）が盛んに検討されている。例えば、海底光伝送用等においては、分散補償を短い光ファイバで達成させるために、クラッドの屈折率に対するセンターコアの比屈折率差（△１）を２．０％以上に高くして、波長１．５５ μｍ帯でマイナス１００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の大きな分散補償を達成したものが開発されている。
【０００３】
しかし、短尺化を目指してきたモジュール型ＤＣＦは、設計上、一般的にセンターコアの比屈折率差△１が高い為、光伝送損失が０．３０ｄＢ／ｋｍ以上と大きくなっていた。その為、この分散補償光ファイバを線路として用いることは、光中継区間長が短かくなることから、使用に困難な面があった。また、この分散補償光ファイバは有効コア断面積Ａｅｆｆが小さく、非線形現象が起こりやすい点やＰＭＤが大きくなりやすいという点でも問題があった。
【０００４】
そこで、新しいアプローチとして、ＳＭＦと逆分散特性を有する線路型の分散補償ファイバ（ＲＤＦ）が提案された（非特許文献１）。この提案以来、様々なタイプのＲＤＦが開発されてきた。これらの光ファイバは−１５〜−６０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度の分散値を有しており、ＳＭＦと繋いで光伝送路として用いる事を目的として開発されている。
このようなＲＤＦは、ＤＣＦに比べ、光伝送損失やＰＭＤが小さく、有効コア断面積Ａｅｆｆが拡大されている為、線路として用いるには有利な特性を有している。それでも、その光伝送損失は、一般的に０．２３ｄＢ／ｋｍ以上と、従来の光伝送路と比べると、まだ大きい。
そこで、分散の絶対値を１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下にする事で、０．２３ｄＢ／ｋｍ以下の低伝送損失を有する分散補償ファイバ（Ｎ−ＭＤＦ）も提案されている（例えば非特許文献２）。しかし、一般的に広く用いられているＳＭＦは１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上の分散値を有しているため、Ｎ−ＭＤＦは、正分散ファイバも専用に設計されたものでないと、分散補償率などの点で使いづらいという面があった。
【０００５】
【非特許文献１】
ＥＣＯＣ’９７Ｖｏｌ．１Ｐ１２７
【非特許文献２】
ＥＣＯＣ’００２−４−２
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
よって、従来のＲＤＦと同程度の分散特性を有しながら、波長１．５５μｍでの光伝送損失を０．２３ｄＢ／ｋｍ以下にした負分散光ファイバの開発が望まれていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの特徴は、波長１．５５μｍ帯で−１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の分散値と０．２３ｄＢ／ｋｍ以下の光伝送損失を有する新しいタイプのＲＤＦである。このＲＤＦは、−１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の分散値を持つことから、１５−２２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度の分散値を有するＳＭＦと接続してＳＭＦの分散を補償する際に、ＳＭＦの長さ／ＲＤＦの長さ＝１以上／１で接続する事が可能であり、ＳＭＦに比べて光伝送損失やＰＭＤ、非線形性が大きいＲＤＦの条長を短くすることが可能である。
【０００８】
また、光伝送損失が０．２３ｄＢ／ｋｍ以下であることにより、光の入射パワーを抑制して非線形現象を抑制したり、中継地点間のスパン条長を長くする事等が可能である。なお、光伝送線路を構成するには、分散値が正の光ファイバと負の光ファイバとのトータルの損失が重要であるが、従来型の非零分散シフトファイバ（ＮＺ−ＤＳＦ）が０．２２ｄＢ／ｋｍ以下であることから、ＲＤＦに関しても０．２２ｄＢ／ｋｍ以下であることがより望ましい。
【０００９】
ＳＭＦの伝送損失を０．１９ｄＢ／ｋｍとして、従来の非特許文献１によるＲＤＦ（光伝送損失０．２４ｄＢ／ｋｍ）と光伝送損失０．２２ｄＢ／ｋｍのＲＤＦとを、それぞれＳＭＦと１：１の長さで繋いだ場合には、光中継区間長５０ｋｍでＳＭＦ＋ＲＤＦの光伝送損失は、それぞれ１０．７５ｄＢと１０．２５ｄＢになる、この光中継区間長当り０．５ｄＢの差は、大きな伝送特性の差を生じさせる。
【００１０】
また、１０ｄＢまでがシステムの許容限界とすると、従来型では４６．５ｋｍしか伝送できなかったものが、新型では４８．５ｋｍ伝送できることとなる。これは、１０，０００ｋｍ伝送を考えた場合は、中継器を８−９個程度少なく出来ることを意味し、大きなコストの差を生み出す。
【００１１】
もちろん、ＲＤＦには、ＷＤＭ伝送に対応するため、分散だけでなく、分散スロープも補償することが要求されるので、１．５５μｍ帯での分散スロープの値を０ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下でなければならない。０以下のいくつが最良かについては、分散補償率の指標である分散／分散スロープの値（ＤＰＳ）が対象となるＳＭＦとほぼ同レベルであるであることが望ましい。
【００１２】
表１は本発明で分散補償をする各種ＳＭＦの特性例を示すものである。もちろん、分散補償の対象となるＳＭＦは、１．５５μｍで正分散を有している光ファイバであるが、本発明は表１に列記したものに限定されるものではない。また、正分散ファイバとして、表１のＰ−ＭＤＦの様なＳＭＦよりも分散が抑制された光ファイバを用いても、構わない。また、Ａｅｆｆは従来のＤＣＦよりも大きい２０μｍ^２以上であることが、非線形現象抑制の観点から望ましい。
【００１３】
【表１】

【００１４】
一般的に、ＲＤＦは、分散スロープを負にするため、ディプレスト層を有した屈折率プロファイルを用いることが多い。この様な屈折率プロファイルでは、曲げ光伝送損失が増大しやすく、それが、光伝送損失を大きくする一つの原因となっていた。
そこで本発明者は、従来のＲＤＦの典型値である２０ｍｍφで１０−１５ｄＢ／ｍという曲げ光伝送損失に対して、２０ｍｍφで１０ｄＢ／ｍ以下（より好ましくは５ｄＢ／ｍ以下）を目標に開発を行った。
【００１５】
最もシンプルな例として、図１の屈折率プロファイルを用い、第１サイドコア径２ｂに対するセンターコア径２ａの径比Ｒａとコア径とを調整しながら、１．５５μｍの分散値を−２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ付近にして、曲げ光伝送損失だけを変化させた場合の、１．５５μｍの特性の変化を図２に示す。なお、比屈折率差の絶対値の影響によるロスの変化を出来るだけ消すため、クラッドの屈折率に対するセンターコアの比屈折率差△１は１．１％、同じく第１サイドコアの比屈折率差△２は−０．４％に固定した。また、図１において、１はセンターコア、２は第１サイドコア、３はクラッドを示す。
【００１６】
図２から明らかなように、曲げ光伝送損失を大きくすると、光伝送損失が大きく上がっていってしまうことが分かる。すなわち、従来型のＲＤＦでも曲げ光伝送損失を抑制する事で１．５５μｍの光伝送損失をある程度、下げる事が可能であることが分かる。しかし、曲げ光伝送損失抑制の為の屈折率プロファイル変更を行うと、図２の様に、分散スロープの絶対値が小さくなってしまう（すなわち、分散補償率が悪くなってしまう）事が分かる。このように、トレードオフの関係があるため、この手法のみで解決を図るのは、難しい面があった。また、仮に、この手法を採用しても、従来型ＲＤＦでは、図２にも示すように、０．２３５ｄＢ／ｋｍ程度が限界であった。しかし、いずれにせよ、２０ｍｍφの曲げ光伝送損失を１０（より好ましくは５）ｄＢ／ｍ以下にするというのは、有効な手段である。
【００１７】
また、１．３８μｍの光伝送損失ピークは、ＯＨに起因する光伝送損失であることが知られているが、このＯＨに起因する光伝送損失が、１．５５μｍに影響を及ぼさないかを、従来型ＲＤＦを例にとって、調べてみた。結果を図３に示す。
【００１８】
ばらつきはあるものの、ＯＨによる光伝送損失が２ｄＢを越える辺りから、明らかに波長１．５５μｍにおける光伝送損失が、ＯＨによる光伝送損失の影響によって、増大してきている事が分かる。よって、ＯＨによる光伝送損失を２ｄＢ／ｋｍ以上にしないことが、１．５５μｍの光伝送損失に影響を与えないと言う観点から重要である。なお、このピークが小さければ小さいほど、より短波長でも光伝送損失の増加を起こしにくいと言うことになるので、極力、ＯＨを抑えた方が、より好ましいことは言うまでも無い事である。
【００１９】
屈折率プロファイル面からのアプローチも、また、負分散光ファイバの光伝送損失低減という観点から重要である。一般的に、ＲＤＦはＤＣＦに比べれば、センターコアの比屈折率差△１を小さく設計しているとは言え、０．２２ｄＢ／ｋｍ以下を達成している通常のＮＺ−ＤＳＦ（△１＝０．５−０．７％程度）から比べると、１．０−１．３％程度と、センターコアの比屈折率差△１が大きくなっている。
【００２０】
公知の様に、センターコアの比屈折率差△１を大きくすることは、レイリー散乱による大きな光伝送損失を生じさせる。例えば、前記非特許文献１にあるようなＲＤＦのセンターコアの比屈折率差△１は１．１％程度と報告されているが、光伝送損失は０．２４ｄＢ／ｋｍ程度である。
【００２１】
上述したように、この様な高めのセンターコアの比屈折率差△１を有するＲＤＦでも、ＯＨによる光伝送損失を低減したまま、曲げ光伝送損失を抑制していけば、０．２３ｄＢ／ｋｍ以下を達成することも可能である。このような低光伝送損失化のアプローチもあると考えられるし、そのようなアプローチも、当発明の意図に、何ら反するものではない。ただし、１．３％を越えるような比屈折率差となると、上記の手法を用いても、０．２３ｄＢ／ｋｍ以下にするのが非常に難しくなるので、センターコアの比屈折率差△１は１．３％以下であることが望ましい。
【００２２】
上述したように、センターコアの比屈折率差△１の値が１．０％−１．３％でも０．２３ｄＢ／ｋｍ以下の光伝送損失を得る為の手段は講じることが出来るが、非常に厳しい曲げ光伝送損失やＯＨによる光伝送損失が要求される。そこで、センターコアの比屈折率差△１を１．０％以下にすることが有効である。
【００２３】
レイリー散乱ロスの観点からは、センターコアの比屈折率差△１を下げていけば、良好な（低い）光伝送損失特性が得られると言うことになるが、センターコアの比屈折率差△１を下げることは、曲げ光伝送損失の増大を伴うというデメリットを持つ。
【００２４】
Ｗ型プロファイルのＲＤＦで、ＤＰＳ一定（Ｇｅ−ＣＳＦと同レベルの３００に設定）になるようにして、各センターコアの比屈折率差△１で試作をした際の１．５５μｍの損失特性を図４に示す。図４から明らかなように、センターコアの比屈折率差△１を下げていくことで、ある一定値までは、光伝送損失を下げていくことが可能である。
【００２５】
しかしながら、ある一定値よりも下がって来ると、逆に光伝送損失が大きくなってくることが分かる。これは、曲げ光伝送損失の影響により、光伝送損失が増大している為である。
【００２６】
よって、図５に示すＷ−Ｓｅｇ型構造の屈折率プロファイルで、光伝送損失低減の可能性を追求してみた。Ｗ型のプロファイルであると、センターコアの比屈折率差△１を０．９％にして、ＤＰＳを３００ｎｍ程度にした場合は、曲げ光伝送損失は、２０ｍｍφで２０−３０ｄＢ／ｍ程度と大きくなってしまい損失増加を招いていた。
【００２７】
よって、センターコアの比屈折率差△１を０．９％（屈折率分布定数α＝３）のＷ型プロファイルに、第２サイドコアの非屈折率差△３＝０．２５％、ｃ／ｂ＝１．３のセグメント層を付加させたＷ−Ｓｅｇ型プロファイルで特性を調査してみた。ちなみに屈折率分布定数αとは、センタコアの形状をα乗で表した係数で、α＝１の時は三角形、α＝２の時は放物線状、α＝無限大の時は四角形を表す。第１サイドコアの非屈折率差△２とａ／ｂを変化させて、コア径をＤＰＳを３００前後に合わせ込んだ場合の、特性の変化を表２に示す。
【００２８】
なお、ＤＰＳが３００まで到達しない場合は、なるべくＤＰＳが小さくなるコア径を選択した。表２から明らかな様に、第１サイドコアの非屈折率差△２や径比を適切量に合わせ込むことにより、例えば、Ｎｏ．８や１２のシミュレーション結果のように、１０ｄＢ／ｍ以下の曲げ損失も、達成可能であることが分かった。
【００２９】
【表２】

【００３０】
このような要領で、あらゆるパラメータに関して最適化を検討した。その結果、センタコアの非屈折率差（△１）が１．０〜０．７％であっても、分散を−１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下、ＤＰＳを例えばＳＭＦと同レベルの３００ｎｍ程度にしても、２０ｍｍφによる曲げ損失を１０ｄＢ／ｍ以下に抑制することが可能であることが分かった。その時に、αを１．０〜１０．０、△２を−０．６０〜−０．３０％、△３を０．１％〜０．６％、ａ／ｂを０．３５〜０．７５、ｃ／ｂを１．１〜２．４倍の範囲に設定する事が、分散−１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、負分散スロープ、２０μｍ^２以上のＡｅｆｆ、１０ｄＢ／ｍ（２０ｍｍφ）以下の曲げ光伝送損失を全て満たすために、好ましいプロファイル範囲であることが分かった。
【００３１】
図６に本発明の低光伝送損失ＲＤＦを用いたＷＤＭ光伝送システムの一例を示す。図６において、ＴＸは光送信局、ＥＤＦＡはエルビュームドープ光ファイバによる光増幅装置、ＲＸは光受信局を示す。光伝送線路は、ＳＭＦ（あるいは他の正分散光ファイバ）とＲＤＦを縦続させることにより構成する。各光ファイバの長さを適切量に調整して接続することで、ＷＤＭ伝送用のフラットな分散特性も得られる。より低非線形なＳＭＦに最初に信号光が入射され、その後にＲＤＦに入射されるため、非線形現象も抑制することが可能である。
【００３２】
［実施例］
以下、実施例により、今回の発明の有効性を確認する。まず、上記で説明したＷ−Ｓｅｇ型プロファイルのシミュレーション結果のうち、ＤＰＳが３００ｎｍ程度で、曲げ光伝送損失も５ｄＢ／ｍ以下である屈折率プロファイルの実施例を、表３示す。
【００３３】
【表３】

【００３４】
上記の屈折率プロファイルのうち、センタコアの非屈折率差△１＝０．９０％のシミュレーション結果を参考にして光ファイバの試作を行った。試作はＶＡＤ法によって光ファイバ母材を製造することで行ったが、石英スートのガラス化時にＣｌ_２ガスを全ガス圧に対して１％付加することで、十分に脱水を行い、ＯＨ光伝送損失も２ｄＢ／ｋｍ以上にならないように注意した。試作の結果を表４に示す。
【００３５】
【表４】

【００３６】
−１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の分散と３００ｎｍ程度のＤＰＳ（ＳＭＦと接続した場合に、１５５０ｎｍの分散スロープをほぼ０ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍにする事が可能な特性）を維持しながら、曲げ光伝送損失を２０ｍｍφで５ｄＢ／ｍ以下に抑制し、１．５５μｍで０．２２ｄＢ／ｋｍ以下の超低光伝送損失特性を得ている。よって、本発明のＲＤＦを用いることで、従来、負分散光ファイバ（ＤＣＦ、ＲＤＦ）において達成不可能であった光伝送損失を達成できることが分かった。また、Ａｅｆｆの値も３０μｍ^２以上と、ＤＣＦはもちろんのこと、従来ＲＤＦに比べても、さらに拡大されており、低非線形性が達成されていることが分かる。ＰＭＤ、カットオフ波長等の他の値も、非常に良好なものであった。
【００３７】
上述したように、光伝送損失は、Ｎｏ．０１、Ｎｏ．０２共に０．２２ｄＢ／ｋｍ以下であり、試作結果、Ｎｏ．０２では０．２０５ｄＢ／ｋｍを得た。さらに、波長１．５５μｍでの光伝送損失だけでなく、曲げ光伝送損失が５ｄＢ／ｍ以下と小さいため、広帯域にわたって、低光伝送損失も得られた。Ｎｏ．０２のＲＤＦの波長損失特性を図７に示す。１５２０ｎｍ−１６２０ｎｍの１００ｎｍにわたり、０．２３ｄＢ／ｋｍ以下の超低光伝送損失が達成されており、広帯域ＷＤＭ伝送に適用可能であることが分かる。
【００３８】
今回、発明を行った表４のＮｏ．２のＲＤＦと、表１の中で最も光伝送損失が低いＡｅｆｆ拡大型ＳＭＦ２（分散２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）とを条長比０．５２４：０．４７６で組み合わせた場合のトータル線路の特性を、表５に示す。
【００３９】
【表５】

【００４０】
このことから、従来のＳＭＦをさらに下回る超低光伝送損失特性が達成されていることが分かる。接続損失を考慮しても、ＳＭＦと同レベル程度の光伝送損失が期待される。分散スロープ、ＰＭＤ等の他の特性も良好であり、４０ｋｍを仮定した場合の最大累積分散も４００ｐｓ／ｎｍ程度と、まずまずの値が得られている。よって、この光伝送路が高速大容量伝送に適した線路であることが確認できた。
【００４１】
【効果】
本発明のＲＤＦは上述のように、波長１．５５μｍにおける分散が−１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下で、かつ１．５５μｍにおける光伝送損失が０．２３ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする。このため、今回発明の負分散光ファイバ（ＲＤＦ）を、適切な正分散光ファイバ（ＳＭＦなど）に組み合わせるより、高速大容量伝送に適した低光伝送損失なＷＤＭ伝送路の構築が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例で用いたＷ型構造の屈折率プロファイル。
【図２】ＲＤＦの曲げ損失を変化させたときの光伝送損失及び分散勾配を示す特性図。
【図３】ＲＤＦのＯＨによる光伝送損失と波長１．５５μｍにおける光伝送損失との関係図。
【図４】ＲＤＦのセンタコアの比屈折率差△１と波長１．５５μｍにおける光伝送損失との関係図。
【図５】本発明の他の実施例で用いたＷ−Ｓｅｇ型構造の屈折率プロファイル。
【図６】本発明のＲＤＦとＳＭＦとで構成されるシステムの一実施例を示す構成図。
【図７】本発明の一実施例による波長に対する光伝送損失の特性図。

Claims

波長１．５５μｍにおける分散が−１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下で、かつ１．５５μｍにおける光伝送損失が０．２３ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする負分散光ファイバ。
波長１．５５ μｍにおける光伝送損失が０．２２ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の負分散光ファイバ。
波長１．５５μｍにおける分散スロープが０ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下で、有効コア断面積Ａｅｆｆが２０μｍ^２以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の負分散光ファイバ。
波長１．５５ μｍにおける２０ｍｍφでの曲げ光損失が１０ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載の負分散光ファイバ。
波長１．３８μｍ付近のＯＨに起因する光伝送損失が２．０ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１に記載の負分散光ファイバ。
クラッドの屈折率に対するセンターコアの比屈折率差（△１）が０．７〜１．３％である事を特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１に記載の負分散光ファイバ。
クラッドの屈折率に対するセンターコアの比屈折率差（△１）が０．７〜１．０％、第１サイドコアの比屈折率差（Δ２）が−０．６０〜−０．３０％、第２サイドコアの比屈折率差（Δ３）を０．１〜０．６％、第１サイドコア径に対するセンターコア径比が０．３５〜０．７５、第１サイドコア径に対する第２サイドコア径比が１．１〜２．４であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１に記載の負分散光ファイバ。
正分散ファイバと上記請求項１乃至請求項６のいすれか１に記載の負分散光ファイバを接続して、１４００ｎｍ〜１６５０ｎｍ帯の任意の一波長における分散を低分散に抑えたことを特徴とする波長分割多重光伝送線路。