JP2009198695A - 複合光ファイバ伝送路及び光伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】伝送損失が低く、広帯域な複合光ファイバ伝送路の提供。
【解決手段】コアとクラッドとの間の比屈折率差が高いΔ高ファイバと、比屈折率差が低いΔ低ファイバとを接続した複合光ファイバ伝送路であって、
前記Δ高ファイバとΔ低ファイバとの組み合わせが、次式（１）
【数１】

（式中、ΔＨｉｇｈはΔ高ファイバの比屈折率差、ΔＬｏｗはΔ低ファイバの比屈折率差、ｎ_ｃｏｒｅはコアの屈折率、Ｘは光ファイバ伝送路を一本のΔ低ファイバで構成した場合の全損失、Ｙは複合光ファイバ伝送路の全損失をそれぞれ表す）
の関係を満たすものであることを特徴とする複合光ファイバ伝送路。
【選択図】図１

Description

本発明は、特性が異なる２種類以上の光ファイバを組み合わせて構成する複合光ファイバ伝送路に関する。

従来、光通信などの分野で用いられている光ファイバとしては、石英ガラスコア、および、石英ガラスコアの周りにポリマーからなるクラッドで構成されたプラスチッククラッドファイバ（以下、ＰＣＦと記す。）がある。特に、ステップインデックス型（以下、ＳＩ型と記す。）屈折分布を持つＰＣＦは、ゲルマニウムなどのドーパントを添加する必要がないために、安価に製造できる利点がある。このため、ＰＣＦは、主に家庭内配線やオフィスＬＡＮ、機器内配線、車載通信などの短距離通信において使用されている。

このＳＩ型マルチモードファイバの伝送帯域、曲げ損失などの特性向上を目的として、コアを２層以上の多層にした構成（例えば、特許文献１参照。）および、コアをグレーデッドインデックス（ＧＩ）型屈折率分布にした構成（例えば、特許文献２参照。）が知られている。

さらに、伝送システムとして、マルチモード光ファイバからの出射光の低次モード成分のみ受光することで、伝送帯域を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００５−３２１６８６号公報 特開平１１−６４６６５号公報 特開平８−１２２５８６号公報

一般に、ＳＩ型屈折率分布を持つ光ファイバにおいて、伝送帯域を広くするためには、コアとクラッドとの比屈折率差（以下、Δと記す。）を小さくする必要がある。このΔは、次式により算出される。

（式中、ｎ_１はコア屈折率、ｎ_２はクラッド屈折率である。）
しかしながら、Δを小さくすると、伝送路を曲げた場合の光の漏洩（曲げ損失）が大きくなる欠点がある。
同時に、クラッド層への伝送光のしみだし量が増加することで、透過率の低いポリマークラッド層へのパワーのロスが生じ、伝送損失もまた大きくなる欠点がある。

これらの特性改善のためにコアを多層構造、あるいは、グレーデッドインデックス（ＧＩ）型構造にすることが行われているが、製造工程が複雑になるため、コストアップを招く欠点がある。
また、ポリマークラッド材の屈折率の温度依存性が石英コアのそれと比較して大きいので、使用環境によりΔが変化しやすく、伝送特性が環境温度による影響を受けやすいという欠点がある。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、伝送損失が低く、広帯域な光ファイバ伝送路の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、コアとクラッドとの間のΔが高いΔ高ファイバと、比屈折率差が低いΔ低ファイバとを接続した複合光ファイバ伝送路であって、
前記Δ高ファイバとΔ低ファイバとの組み合わせが、次式（１）

（式中、ΔＨｉｇｈはΔ高ファイバのΔ、ΔＬｏｗはΔ低ファイバのΔ、ｎ_ｃｏｒｅはコアの屈折率、Ｘは光ファイバ伝送路を一本のΔ低ファイバで構成した場合の全損失、Ｙは複合光ファイバ伝送路の全損失をそれぞれ表す）
の関係を満たすものであることを特徴とする複合光ファイバ伝送路を提供する。

本発明の複合光ファイバ伝送路において、Δ低ファイバは、石英ガラスファイバであることが好ましい。

本発明の複合光ファイバ伝送路において、Δ低ファイバは、ＰＣＦ又はプラスチックファイバであってもよい。

また本発明は、本発明に係る前記複合光ファイバ伝送路を使用したことを特徴とする光伝送システムを提供する。

本発明の複合光ファイバ伝送路は、Δ高ファイバとΔ低ファイバとを接続して複合伝送路としたので、伝送損失を低く、且つ、広帯域な複合伝送路を構築することができる。ＰＣＦでは、ポリマークラッド材料を変えるだけで、容易にΔ高ファイバとΔ低ファイバの２種類のファイバを作り分けることができるので、安価に製造することができる。
本発明によれば、Δ高ファイバに求められるΔ算出方法を確立したので、伝送損失と接続損失の配分がわかるため、適切なΔ高ファイバを選択することができる。
本発明の複合光ファイバ伝送路において、Δ低ファイバ部分に石英ガラスファイバ、特に石英ガラス大口径ファイバを用いることで、コア・クラッドが同程度の屈折率の温度係数となり、温度によるΔ変動が少なく、伝送特性の変動を抑えることができる。
本発明の光伝送システムは、前述した複合光ファイバ伝送路を使用したものなので、伝送路全体の損失を低く抑えることができ、光源のパワーも最低限にすることができ、システム全体を安価にすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の複合光ファイバ伝送路の第１実施形態を示す概略構成図であり、この図中符号１はΔ高ファイバ、２はΔ低ファイバ、３は接続点、４は光源、５はディテクタである。
ここで、Δ高ファイバ１とは、コアとクラッドとの比屈折率差Δが、Δ低ファイバ２より大きい光ファイバをいう。

本実施形態の複合光ファイバ伝送路は、Δ高ファイバ１と、Δ低ファイバ２とを接続点３で直列に接続した複合光ファイバ伝送路であって、前記Δ高ファイバ１とΔ低ファイバ２との組み合わせが、前述した式（１）の関係を満たしている。本実施形態において、ディテクタ５の直近のファイバとしてΔ低ファイバ２が配置されている。

本実施形態の複合光ファイバ伝送路において、Δ高ファイバ１と、Δ低ファイバ２とのコア径ａを同一としている。このような光ファイバを組み合わせることで、伝送路中では、接続される双方のファイバのコア径ａが同一であるので、接続損失を抑えることができる。また、Δ高ファイバ１を使用し、伝送損失が低く、曲げ損失の低い特性を発揮させ、ディテクタ５直前ではΔ低ファイバ２を使用して広帯域特性を発揮させている。

本発明に係る複合光ファイバ伝送路における光ファイバの選定方法を以下に示す。伝送路を１本のＰＣＦ（ここでは、Δ低ファイバ２のみを想定し、伝送路長をＬとする）で構成した場合の全損失をＸとする。全損失Ｘは、曲げ損失がないとした場合の伝送路の伝送損失と曲げ損失の最大値の和で表す。上記曲げ損失の最大値とは、曲げ損失が伝送システムとして想定している温度範囲内での屈折率の変化により最も大きくなった損失値をいう。

一方、複合光ファイバ伝送路の全損失Ｙは、伝送路長を、Δ低ファイバ２の長さをＬＬｏｗ、Δ高ファイバ１の長さをＬＨｉｇｈとした（Ｌ＝ＬＬｏｗ＋ＬＨｉｇｈ）場合、Δ低ファイバ２の単位長さ当りの損失：ＹＬｏｗ×ＬＬｏｗ＋Δ高ファイバ１の単位長さ当りの損失：ＹＨｉｇｈ×ＬＨｉｇｈで表される伝送損失と、Δ高ファイバ１にかかる屈折率の温度依存性に起因する曲げ損失の最大値との和で表す。ここで、Δ低ファイバ２は、前記伝送路を１本のＰＣＦで構成すると想定したファイバと同様のファイバとし、曲げ損失は生じない構成とする。なお、上記全損失Ｙにおいて、接続損失は０であるとしている。

Δ高ファイバ１の選定は、許容される接続損失によって決められる。伝送路全体を１本のＰＣＦで構成した場合の全損失Ｘより、複合光ファイバ伝送路の全損失Ｙ＋接続損失の損失が小さくないと、複合光ファイバ伝送路にするメリットが無いためである。このため、複合光ファイバ伝送路に許容される接続損失はＸ−Ｙとなる。次に、接続点３の接続損失について説明する。Δ高ファイバ１及びΔ低ファイバ２がマルチモードファイバである場合には、接続損失は、コア断面積と角度比とによって決まると近似することができる。さらに、Δ高ファイバ１とΔ低ファイバ２のコア断面積を同一であるとした場合には、接続損失は角度比のみによって決まると近似できる。ここで、角度比とは、θ_Ｌｏｗ／θ_Ｈｉｇｈ（ただし、θ_ＬｏｗはΔ低ファイバ２の受入角の１／２であり、θ_ＨｉｇｈはΔ高ファイバ１の受入角の１／２である）の比である。したがって、Δ高ファイバ１は、前記式（１）の条件を満たすように選定される。

式（１）のΔＨｉｇｈを満たせば、損失の面で複合光ファイバ伝送路にした利点が生じることになる。さらに、Δ低ファイバ２では、高次モードが制限されているため、Δ低ファイバ２からの出射光を全て受光しても、高次モード光が混入していないため伝送帯域に制限が加わることはない。このため、接続点３のアライメントに要求される制限は、Δ高ファイバからの光を受光する場合と比較して低いという利点がある。

図２は、本発明の複合光ファイバ伝送路の第２実施形態を示す概略構成図である。本実施形態の複合光ファイバ伝送路は、前述した第１実施形態の複合光ファイバ伝送路と同じ構成要素を備えており、さらに本実施形態では、Δ低ファイバ２の一部又は全部をケース６に収容している。このケース６内は、温度制御され、Δ低ファイバ２を一定温度に保持できるようになっている。

このように、Δ低ファイバ２を一定温度に保持することにより、コア・クラッド間のΔが変化せず、一定の伝送特性を維持できる。また、Δ低ファイバ２を温度制御する代わりに、Δ低ファイバ２のコアとクラッドとを屈折率の温度係数の同一の材料で構成すれば、温度変化による屈折率変化が一定であるため、Δも変化せず、一定の伝送特性を維持できる。

以下に示す実施例及び比較例では、伝送路長５０ｍの光ファイバを使用し、この間に４００ＭＨｚの伝送速度で信号を伝送するシステムを利用して、特性の評価を行った。この伝送システムにおける光源とディテクターとの受発光許容レベル差は、１０ｄＢ以下であるとした。また、伝送路としての動作保証温度範囲は、−４０℃〜＋８５℃とした。この伝送システムにおいて、［１］伝送損失（曲げ損失が生じていない場合、以後曲げ無しと記述する）、［２］−４０℃〜＋８５℃の温度範囲（φ１０ｍｍ×１０ターン曲げ有り）における常温（２０℃）を基準とした場合の増加損失の最大値、［３］−４０℃〜＋８５℃の温度範囲（曲げ無し）での伝送帯域の評価を行った。この評価条件における曲げの有無は、常に最悪値を想定した場合の条件を選択している。すなわち、伝送損失は光ファイバを曲げた場合の方が曲げ損失の影響で悪くなり、伝送帯域は、曲げ有りの場合が高次モードが漏洩するため、良くなることから最も特性が悪くなる場合の特性を評価した。

（実施例１）
実施例１の伝送システムにおいて、Δ高ファイバとΔ低ファイバを接続した複合光ファイバ伝送路を採用して評価を行った。Δ高ファイバとしてΔ＝１．８６％のＰＣＦ、Δ低ファイバとしてΔ＝０．７５％のＰＣＦを使用した。また、このときに式（１）から最大ΔＨｉｇｈを算出すると、２．４９％となるが、用いたΔ高ファイバは式（１）を満たしている。なお、Δ低ファイバは、常温に維持した。この時の伝送路としての［１］の伝送損失は、４．６５（接続損失含む）ｄＢ、［２］の温度特性損失は、４．０ｄＢ、［３］の温度特性帯域は４５０ＭＨｚであった。
以上から、この伝送システムは、全損失≦１０ｄＢ、帯域≧４００ＭＨｚを満たしている、良好な伝送特性を得ることができた。

（実施例２）
実施例２の伝送システムにおいて、実施例１と同じΔ高ファイバとΔ低ファイバを接続した複合光ファイバ伝送路を採用して評価を行った。Δ高ファイバとしてΔ＝１．８６％のＰＣＦを使用し、実施例２では実施例１と異なりΔ低ファイバとしてΔ＝０．７５％のガラスファイバを使用した。このときに式（１）から算出した最大ΔＨｉｇｈは、２．３４％となるが、今回用いたΔ高ファイバの式（１）を満たしている。なおΔ低ファイバ部の温度維持は無しとした。この伝送システムの評価を行った結果、［１］の伝送損失は、４．５０（接続損失含む）ｄＢ、［２］の温度特性損失は、４．０ｄＢ、［３］の温度特性帯域は４５０ＭＨｚであった。
以上から、この伝送システムは、全損失≦１０ｄＢ、帯域≧４００ＭＨｚを満たしている、良好な伝送特性を得ることができた。また、実施例２ではΔ低ファイバとして、コア、クラッド共にガラスで構成されているガラスファイバを用いた。このガラスファイバは、屈折率の温度依存性がコア、クラッドで同程度であるため、温度を一定とする制御をすることなく、良好な温度特性を維持することができた。

（実施例３）
実施例３の伝送システムにおいて、実施例１と同じΔ高ファイバとΔ低ファイバを接続した複合光ファイバ伝送路を採用して評価を行った。Δ高ファイバとしてΔ＝１．８６％のＰＣＦを使用し、実施例３では実施例１と異なりΔ低ファイバとしてΔ＝０．７５％のプラスチックファイバ（以下ＰＯＦ）を使用した。このときに式（１）から算出した最大ΔＨｉｇｈは、２．８４％となるが、今回用いたΔ高ファイバの式（１）を満たしている。Δ低ファイバ部の温度維持は無しとした。この伝送システムの評価を行った結果、［１］の伝送損失は、４．９５（接続損失含む）ｄＢ、［２］の温度特性損失は、４．０ｄＢ、［３］の温度特性帯域は４５０ＭＨｚであった。
以上から、この伝送システムは、全損失≦１０ｄＢ、帯域≧４００ＭＨｚを満たす、良好な伝送特性を得ることができた。また、実施例３ではΔ低ファイバとして、コア、クラッド共にプラスチックで構成されているＰＯＦを用いた。このＰＯＦは、屈折率の温度依存性がコア、クラッドで同程度であるため、温度を一定とする制御をすることなく、良好な温度特性を維持することができた。

（実施例４）
実施例４の伝送システムにおいて、実施例１と同様にΔ高ファイバとΔ低ファイバを接続した複合光ファイバ伝送路を採用して評価を行った。実施例４では実施例１と異なりΔ高ファイバとしてΔ＝４．４９％のＰＣＦを使用し、Δ低ファイバとして実施例１と同じΔ＝０．７５％のＰＣＦを使用した。このときに式（１）から算出した最大ΔＨｉｇｈは、４．４９％となり、今回用いたΔ高ファイバの式（１）を満たしている。Δ低ファイバ部の温度維持は無しとした。この伝送システムの評価を行った結果、［１］の伝送損失は、６．５（接続損失含む）ｄＢ、［２］の温度特性損失は、３．５ｄＢ、［３］の温度特性帯域は４５０ＭＨｚであった。
以上から、この伝送システムは、全損失≦１０ｄＢ、帯域≧４００ＭＨｚを満たす、良好な伝送特性を得ることができた。

（比較例１）
比較例１の伝送システムにおいて、Δ低ファイバ単体の伝送路を採用して評価を行った。Δ低ファイバとして、Δ＝０．７５％のＰＣＦを使用した。この伝送システムの評価を行った結果、［１］の伝送損失は、１０ｄＢ、［２］の温度特性損失は、−４０℃においてΔが０になり、光を導波させることができなかった。［３］の温度特性帯域は前記同様−４０℃では光が導波せず評価不能であった。
以上から、比較例１の伝送システムは、低温時に伝送路が成り立たず、機能することができなかった。

（比較例２）
比較例２の伝送システムにおいて、Δ低ファイバ単体の伝送路を採用して評価を行った。Δ低ファイバとして、Δ＝０．７５％のガラスファイバを使用した。Δ低ファイバ部の温度維持は無しとした。この伝送システムの評価を行った結果、［１］の伝送損失は、３ｄＢ、［２］の温度特性損失は、８．０ｄＢ、［３］の温度特性帯域は４５０ＭＨｚであった。
以上から、比較例２の伝送システムは、帯域≧４００ＭＨｚは満たしているものの、全損失≦１０ｄＢを満たすことができないため、良好な伝送特性を得ることができなかった。

（比較例３）
比較例３の伝送システムにおいて、Δ低ファイバ単体の伝送路を採用して評価を行った。Δ低ファイバとして、Δ＝０．７５％ＰＯＦを使用した。Δ低ファイバ部の温度維持は無しとした。この伝送システムの評価を行った結果、［１］の伝送損失は、２５ｄＢ、［２］の温度特性損失は、８．０ｄＢ、［３］の温度特性帯域は４５０ＭＨｚであった。
以上から、比較例３の伝送システムは、帯域≧４００ＭＨｚは満たしているものの、全損失≦１０ｄＢを満たすことができないため、良好な伝送特性を得ることができなかった。

（比較例４）
比較例４の伝送システムにおいて、Δ高ファイバとΔ低ファイバを接続した複合光ファイバ伝送路を採用して評価を行った。Δ高ファイバとしてΔ＝５．０％のＰＣＦ、Δ低ファイバとしてΔ＝０．７５％のＰＣＦを使用した。このΔ高ファイバのΔは、式（１）の関係を満たしていない。Δ低ファイバは常温に維持した。この伝送システムの評価を行った結果、［１］の伝送損失は、６．６５（接続損失含む）ｄＢ、［２］の温度特性損失は、３．４ｄＢ、［３］の温度特性帯域は４５０ＭＨｚであった。
以上から、比較例４の伝送システムは、帯域≧４００ＭＨｚは満たしているものの、全損失≦１０ｄＢを満たすことができないため、良好な伝送特性を得ることができなかった。

（比較例５）
伝送路として、Δ高ファイバ単体の伝送路とした。Δ高ファイバとして、Δ＝１．８６％のガラスファイバを使用した。Δ高ファイバ部の温度維持は無しとした。この伝送システムの評価を行った結果、［１］の伝送損失は、２．４５ｄＢ、［２］の温度特性損失は、４．０ｄＢ、［３］の温度特性帯域は１６０ＭＨｚであった。
以上から、伝送システムとして、全損失≦１０ｄＢは満たしているものの、帯域≧４００ＭＨｚを満たすことができないため、良好な伝送特性を得ることができなかった。

表１に、前記実施例１〜４及び比較例１〜５の結果をまとめて記す。

本発明の複合光ファイバ伝送路の第１実施形態を示す概略構成図である。 本発明の複合光ファイバ伝送路の第２実施形態を示す概略構成図である。

符号の説明

１…Δ高ファイバ、２…Δ低ファイバ、３…接続点、４…光源、５…ディテクタ、６…ケース。

Claims (5)

1. コアとクラッドとの間の比屈折率差が高いΔ高ファイバと、比屈折率差が低いΔ低ファイバとを接続した複合光ファイバ伝送路であって、
   前記Δ高ファイバとΔ低ファイバとの組み合わせが、次式（１）
   

   

   （式中、ΔＨｉｇｈはΔ高ファイバの比屈折率差、ΔＬｏｗはΔ低ファイバの比屈折率差、ｎ_ｃｏｒｅはコアの屈折率、Ｘは光ファイバ伝送路を一本のΔ低ファイバで構成した場合の全損失、Ｙは複合光ファイバ伝送路の全損失をそれぞれ表す）
   の関係を満たすものであることを特徴とする複合光ファイバ伝送路。
2. Δ低ファイバが石英ガラスファイバであることを特徴とする請求項１に記載の複合光ファイバ伝送路。
3. Δ低ファイバがプラスチッククラッドファイバであることを特徴とする請求項１に記載の複合光ファイバ伝送路。
4. Δ低ファイバがプラスチックファイバであることを特徴とする請求項１に記載の複合光ファイバ伝送路。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の複合光ファイバ伝送路を使用したことを特徴とする光伝送システム。

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