JP2010078701A - 光ファイバの接続構造およびシングルモードファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバ中に空孔を設けることによって耐曲げ性を向上させた光ファイバを用いた際にＭＰＩの発生を抑制する光ファイバの接続構造およびＭＰＩの発生を抑制するシングルモードファイバを提供する。
【解決手段】第２のシングルモードファイバ２０は、第２クラッドの部分に空孔２８を備えており、曲げ損失が小さい。第２のシングルモードファイバ２０の第１のシングルモードファイバ１０ａとの接続部分には、長さＬ０に亘って空孔２８が潰されて中実となっている部分がが存しており、この部分においてＬＰ１１モードの光が大きう減衰してＭＰＩの発生が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの接続構造およびシングルモードファイバに関するものである。

インターネットの普及・発展に伴い、大量の情報が通信網を通ってやり取りされており、より大量の情報をより高速に送受信することが求められている。このような情報の送受信には一般に光ファイバが用いられている。なかでも石英ガラスからなるシングルモードファイバは、情報の大容量伝送に向いており、通信用のファイバとして大量に使用されている。

通常のシングルモードファイバは、中心部に屈折率の高いコアを備え、コアの回りを屈折率が低いクラッドが覆う構造を有しており、コアの部分を基本モードのみが伝搬するファイバである。このようなシングルモードファイバは、情報の中継ポイントから各ユーザー（例えば企業や家庭）までのメインのファイバとして、送電線に沿わせるなどして引かれているが、各建物内への引き込みや中継機器内の配線に別の光ファイバが用いられており、この別のファイバとメインのファイバとはコネクタ等によって接続されている。この場合、建物内への引き込みや中継機器内の配線に用いられる光ファイバとして、メインのファイバとは異なる構造の曲げ耐性を向上させた光ファイバを使用することがある。これは、建物内や中継機器内では狭い空間において引き回しをする必要があるからである。
Journal of lightwave technology, vol.9, No.8, August 1991, pp954-958

けれども光ファイバ同士の接続において、光ファイバの接続部分でコアずれが生じていると、伝送光が入力されたファイバ内に高次モードの光が発生し、それが該ファイバ出口で基本モードと再結合する際に干渉して（多重経路干渉：ＭＰＩ（Multi Path Interference））出力変動が生じてしまうという現象が見出された。この現象はいくつかの条件が重なることで初めて問題として現れるようになってきており、メインのファイバに接続される光ファイバがファイバ中に空孔を設けることによって耐曲げ性を向上させた光ファイバであるとこのような問題が生じ易いことが明らかになった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ファイバ中に空孔を設けることによって耐曲げ性を向上させた光ファイバを用いた際にＭＰＩの発生を抑制する光ファイバの接続構造およびＭＰＩの発生を抑制するシングルモードファイバを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の光ファイバの接続構造は、第１のシングルモードファイバから第２のシングルモードファイバへ伝送光を入力させるため、両光ファイバを接続する部分の構造であって、前記第２のシングルモードファイバは、中心から順に同心円状にコア、第１クラッド及び該第１クラッドよりも前記伝送光の波長において屈折率の低い第２クラッドを有しているとともに、規格化周波数が２．４０５以上３．９以下であり、前記第２クラッドには前記コアに沿って延びる空孔が設けられており、前記第１のシングルモードファイバに接続される前記第２のシングルモードファイバの端部では、前記空孔が２ｍｍ以上３０ｍｍ以下にわたって塞がれていて前記第２クラッドが中実な状態である構成とした。ここで第２クラッドの屈折率は、空孔部分とその回りの中実部分とを合わせ、横断面における存在比率を考慮した平均の屈折率である。また第２クラッドが中実な状態であるというのは、第２クラッドがファイバ構成物質によって隙間無く充填された状態であることである。即ち、第１シングルモードファイバと接続される第２シングルモードファイバの端部の第２クラッドは、２ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲で空孔が無くファイバ構成物質によって隙間無く充填された状態である。

ここでコアは伝送光を通過させる部分であり、第１クラッドおよび第２クラッドは伝送光を閉じ込める役割を果たす部分である。なお、第１クラッドおよび第２クラッドには伝送光が少し染み出しても構わない。また、規格化周波数ｖは、
ｖ^２＝ｋ^２（ｎ1^２−ｎ0^２）ａ^２ ：式１
ｋは伝送光の波数、ｎ1はコア屈折率、ｎ0はクラッド屈折率、ａはコア半径
で表される。

前記第２のシングルモードファイバは、前記第２クラッドの外側にさらに第３クラッドを有しており、前記コアは、径が８．２μｍ以上１０．２μｍ以下であり、前記第１クラッドは、前記伝送光の波長において前記コアより屈折率が小さく且つ外径が３０μｍ以上４５μｍ以下であり、前記第２クラッドは、厚みが７．４μｍ以上であり、前記第３クラッドは、前記伝送光の波長において前記第２クラッドより屈折率が大きく且つ該第２クラッドと該第３クラッドとの比屈折率差が０．５％以上であり、前記第１クラッドと前記第２クラッドとの比屈折率差が０．５％以上であることが好ましい。

前記第１のシングルモードファイバと前記第２のシングルモードファイバとはコネクタにより接続されており、前記第２クラッドが中実な状態である第２シングルモードファイバの端部は、前記コネクタ内部に納められている構成とすることができる。

本発明のシングルモードファイバは、中心から順に同心円状にコア、第１クラッド及び第２クラッドを有しているとともに、規格化周波数が２．４０５以上３．９以下であり、前記第２クラッドには前記コアに沿って延びる空孔が設けられており、少なくとも長手方向の１箇所において、前記空孔が２ｍｍ以上３０ｍｍ以下にわたって塞がれていて前記第２クラッドが中実な状態である部分が存する構成とした。

前記第２クラッドの外側にさらに第３クラッドを有しており、前記コアは、径が８．２μｍ以上１０．２μｍ以下であり、前記第１クラッドは、前記伝送光の波長において前記コアより屈折率が小さく且つ外径が３０μｍ以上４５μｍ以下であり、前記第２クラッドは、前記伝送光の波長において前記第１クラッドより屈折率が小さく且つ厚みが７．４μｍ以上であり、前記第３クラッドは、前記伝送光の波長において前記第２クラッドより屈折率が大きく且つ該第２クラッドと該第３クラッドとの比屈折率差が０．５％以上とし、前記第１クラッドと前記第２クラッドとの比屈折率差が０．５％以上とすることができる。

前記第２クラッドが中実な状態である部分は、熱により前記空孔を潰すことにより形成されていることが好ましい。

本発明の光ファイバの接続構造は、第２クラッドに空孔を有する第２のシングルモードファイバの第１シングルモードファイバに接続する端部において空孔を所定の長さ分潰しているので、第２のシングルモードファイバにおいて高次モードの光の伝送を抑制でき、ＭＰＩを抑制できる。

本発明の実施形態を説明する前に、光ファイバ同士を接続した場合にどのようにしてＭＰＩが発生するかを図５を参照して説明する。

２本のシングルモードファイバ１０ａ’，２０’を接続して一方のシングルモードファイバ１０ａ’から他方のシングルモードファイバ２０’へ光を入力した場合、基本モードＬＰ０１が１番目のファイバ１０ａ’から２番目のファイバ２０’に入力される。ここで、両ファイバ１０ａ’、２０’の接続部分Ｃ３で双方のコア１１，２１の断面同士がぴったりと接続していなくてずれが存していると接続部分Ｃ３で高次モードであるＬＰ１１がわずかに生じる。２番目のファイバ２０’が、クラッドが１層だけである通常のシングルモードファイバである場合は、ＬＰ１１はごく短い距離を進むうちに消滅してＬＰ０１のみが伝送していく。

ここでコア同士の接続部分がずれているというのは、２つのコアの断面が同形同大の場合は断面同士が重なり合わない部分が存している状態であり、２つのコアの断面の大きさが異なる場合は小さい方のコア断面に大きい方のコア断面と重なり合わない部分が存している状態であることをいう。

一方２番目のファイバ２０’が曲げ損失を低減させたファイバである場合は、耐曲げ性を大きくするためにクラッド２２を屈折率が異なる複数層からなるものとし、コアに接するクラッド層とそのすぐ外側のクラッド層において後者の方が前者よりも屈折率が低い構成としており、具体的にここではコア２１に隣接する第１クラッド２３の外側の２番目のクラッド部分にコア２１に沿って延びる空孔２８を設けて屈折率を下げている。このような構造であるとＬＰ１１は減衰しにくく、建物内や中継機器内で使われる距離ではＬＰ１１が出口側端部にまで伝送してしまう。２番目のファイバ２０’は出口側端部において機器側のシングルモードファイバ１０ｂ’などに接続されるが、その接続部Ｃ４においてＬＰ１１がＬＰ０１に再結合し、ＭＰＩが生じる。また、ＬＰ０１とＬＰ１１とのファイバ２０’内の伝送速度が異なるので再結合によってノイズが生じる。

このように干渉が生じた場合、光出力Ｉは非特許文献１に記載されているように、
Ｉ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ(Φ)、 Φ＝２πＬ・Δｎ／λ ：式２
Ａ，Ｂ：係数 Ｌ：ファイバ長 Δｎ：ＬＰ０１とＬＰ１１との群屈折率差 λ：伝送光の波長
と表される。式２からわかるように、温度が変動するとΔｎが変動するため、光出力Ｉが変動してしまう。

このような出力変動が生じないようにするためには、接続部Ｃ３においてコアのずれが起こらないようにすればよいのであるが、コネクタ接続ではコネクタで固定された光ファイバの端面同士をつき合わせて固定するので、現在のコネクタの機械的精度ではコア同士の端面を完全には一致させられないことおよび光ファイバそのもののコアの中心からのずれがあるために接続部のコアずれを完全に解消することはできない。顕微鏡でコアを観察して融着接続を行えばコアずれを防ぐことができるが、各建物内への引き込みや中継機器等内の配線に対して融着接続を行うとコストが大きくなり、また作業スペースの確保も困難であり、現実的には適用が非常に困難である。

本願発明者らは、上記の課題点に鑑み様々な検討を行い、本願発明を想到するに至った。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

（実施形態１）
実施形態１は、図１に示すように入力側のシングルモードファイバである第１のシングルモードファイバ（以下、第１のＳＭＦという）１０ａと出口側ＳＭＦ１０ｂとの間に第２のＳＭＦ２０を挟み込んだファイバ接続構成である。第１のＳＭＦ１０ａ及び出口側ＳＭＦ１０ｂは、クラッド１２が単一構成であって曲げ損失が大きい通常のシングルモードファイバであり、両者はコア径、クラッド径が同じである同種のファイバである。第２のＳＭＦ２０は、第１のＳＭＦ１０ａ及び出口側ＳＭＦ１０ｂに比べて曲げ損失の小さい耐曲げファイバである。

第２のＳＭＦ２０は、図２に示すようにクラッド２２が同心円状の複数層により構成されている。第２のＳＭＦ２０の構成は、中心から順に、コア２１、第１クラッド２３、第２クラッド２４、第３クラッド２５である。

コア２１は、石英にゲルマニウムをドープして作製されていて屈折率が大きく、径Ｒ１は８．２μｍ以上１０．２μｍ以下の範囲内である。第１クラッド２３はコア２１の外側を覆うように純粋石英により形成されており、コア２１よりも屈折率が低く、外径Ｒ２は３０μｍ以上４５μｍ以下の範囲内である。第２クラッド２４は第１クラッド２３の外側を覆うように形成されており、第１クラッド２３よりも実効の屈折率が低く第１クラッド２３と第２クラッド２４との比屈折率差は０．５％以上であって、厚みＬ１は７．４μｍ以上である（本実施形態では１０μｍ）。第３クラッド２５は第２クラッド２４の外側を覆うように形成されており、第２クラッド２４よりも比屈折率差が０．５％以上大きい屈折率としている。第３クラッド２５の外径は１２５μｍである。以上の屈折率は伝送光の波長における屈折率を意味している。

第２クラッド２４にはコア２１に沿って延びる空孔２８が設けられている。空孔２８が第１クラッド２３の周りを取りまいている。第２クラッド２４の屈折率は、空孔２８部分と空孔２８周りの石英とのファイバ横断面における面積比で空気と石英との屈折率を加重平均した実効屈折率となる。また、第２のＳＭＦ２０において、第３クラッド２５は支持体としての役割を果たしており、光を閉じ込める役割は第１及び第２クラッド２３，２４が果たしている。

第１のＳＭＦ１０ａ及び出口側ＳＭＦ１０ｂと第２のＳＭＦ２０とはシングルモードファイバであるので、規格化周波数は２．４０５以上である。第２のＳＭＦ２０の規格化周波数は３．９以下であることが好ましい。

第１のＳＭＦ１０ａ及び出口側ＳＭＦ１０ｂが、例えば、コア１１を石英にゲルマニウムをドープしたものとし、クラッド１２を石英とし、両者の比屈折率差を０．３５％として、コア径を９μｍとした光ファイバであるとすると、伝送光の波長が１．３１μｍの場合、規格化周波数が２．６２となる。

第２のＳＭＦ２０の第１のＳＭＦ１０ａと接続する端部は、長さＬ０に亘って空孔２８が塞がれていて第２クラッド２４が中実な状態となっている。Ｌ０は、２ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。この長さＬ０の部分はＬＰ１１を消滅させる部分である。つまり長さＬ０の部分の規格化周波数が２．４０５以上であると、長さＬ０の間においてＬＰ１１を大きく減衰させ、長さＬ０の部分の規格化周波数が２．４０５未満であると、長さＬ０の間においてＬＰ１１を完全に遮断する。従って、第１のＳＭＦ１０ａと第２のＳＭＦ２０との接合部Ｃ１においてコアずれのため第２のＳＭＦ２０内にＬＰ１１が発生しても、ＬＰ１１モードは長さＬ０の部分で遮断又は大幅減衰されるため、第２のＳＭＦ２０と出口側ＳＭＦ１０ｂとの接合部Ｃ２においてＭＰＩは生じない又はほとんど生じない。ここでＬ０が２ｍｍ未満であると、ＬＰ１１の減衰が不十分となってＭＰＩを大きく抑制することが難しい。また３０ｍｍを越えると曲げ損失が大きい部分が相応に長くなるので、その部分を曲げから守る保護材を設ける必要が出てくる。

第２クラッド２４が中実である長さＬ０の部分は、空孔２８を潰して形成されている。空孔２８の潰し方には、空孔２８に物質を詰め込んだり、熱により構成する物質を溶かして穴を塞ぐ方法など、種々な方法がある。第２のＳＭＦ２０の端部にガスバーナー、放電あるいはレーザ等で熱を加えて空孔２８を潰す方法は、簡便であって且つ長さＬ０を容易に調節できる。

上述の光ファイバの接続は、図３に示すコネクタ６１，６２により行われる。第１のＳＭＦ１０ａに被覆を施した被覆心線１５と、第２のＳＭＦ２０に被覆を施した被覆心線２５とのそれぞれの一端にコネクタ６１，６２が取り付けられている。コネクタ６１，６２内にはフェルール６３，６４が納められており、フェルール６３，６４内に第１のＳＭＦ１０ａ及び第２のＳＭＦ２０の空孔２８が潰された部分が保持されて両ファイバの端面がフェルール６３，６４端部で露出している。二つのコネクタ６１，６２はフェルール６３，６４の端部同士を突き合わせてアダプタ６５，６６によって接続固定される。この接続固定により第１のＳＭＦ１０ａ及び第２のＳＭＦ２０の端面同士が、中心を一致させるように突き合わされて固定される。なお、光ファイバのコアは光ファイバ横断面の中心からずれる場合があること、およびコネクタ６１，６２の作製精度が現状では正確にコアの中心同士を一致させるほどの高さとなっていないこととによって第１のＳＭＦ１０ａ及び第２のＳＭＦ２０のコア１１，２１同士がずれて接続されてしまうことがある。

コネクタ６１，６２は、アダプタ６５，６６およびそれに続く保護カバー６７，６８の部分において、内部の光ファイバの曲げ半径が小さくならないように曲げが制限されている。そして空孔２８が潰された長さＬ０の部分はこの部分（アダプタ６２および保護カバー６８、これらを合わせてコネクタ６２とする）に納められており、過度の曲げから保護されている。この曲げから保護されている部分の長さＬ３はコネクタの種類によって異なるが３０〜６０ｍｍである。空孔２８が潰された長さＬ０の部分はこの保護されている部分（コネクタ内部）に納められており、曲げから守られている。従って曲げによる損失は生じない。さらに、空孔２８が潰された長さＬ０の部分がフェルール６４内に全て納められていると、曲げから確実に守られるため好ましい。

第２のＳＭＦ２０と出口側ＳＭＦ１０ｂとの接続にも同様にコネクタを用いることが好ましい。

以上より、本実施形態では第１のＳＭＦ１０ａに接続する第２のＳＭＦ２０の端部において、空孔２８を潰して第２のクラッド２４を長さＬ０に亘って中実にしているので、ＭＰＩの発生を抑止できる。従って、伝送する情報に加わるノイズを低減することができ、温度変化に伴う出力変動・ノイズ変化も低減でき、伝送品質（エラーレートなど）を向上させることができる。また、空孔２８を潰す長さＬ０は２〜３０ｍｍと短いので、第２のＳＭＦ２０の設計の自由度を低下させず、コネクタ内部に納められるので、曲げから守られて曲げ損失をほぼ０とすることができる。なお、第２クラッドが中実な部分の規格化周波数は２．４０５未満であることが好ましい。

（実施形態２）
実施形態２は、第２のＳＭＦに関する実施形態である。第１のＳＭＦとの接続部分ではなく、第２のＳＭＦの任意の部分にＭＰＩの発生を抑制する構造を設けている点が実施形態１とは異なっているので、実施形態１と異なっている部分を以下に説明する。

図４に示すように、本実施形態の第２のＳＭＦ２７は、長さ方向の端部ではなく中央部分に空孔２８を長さＬ０に亘って潰して中実とした部分を有している。空孔２８を潰した部分の長さ方向での位置は任意の位置である。長さＬ０は、２ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。空孔２８を潰す方法は、実施形態１と同じ方法を用いればよい。

本実施形態の第２のＳＭＦ２７を実施形態１の第１のＳＭＦ１０ａとコネクタによって接続をすると、接続部分でコアずれが存在した場合、ＬＰ１１モードの光が発生する。ＬＰ１１モードの光は、空孔２８が存している区間では減衰率が小さいので、あまり減衰せずに伝送していくが、空孔２８を長さＬ０に亘って潰した部分においてはＬＰ１１モードの光の減衰率が大きくこの部分でＬＰ１１モードの光は全てあるいはほとんど消滅してしまう。従って、第２のＳＭＦ２７の光の出口側の端部では、ＭＰＩは全くあるいはほとんど生じない。

本実施形態の第２のＳＭＦ２７は、ＭＰＩの発生を抑止でき、伝送信号のノイズを低減することができる。また。空孔２８を潰す部分は任意の位置でよいので、光ファイバの設計の自由度が十分確保される。

（その他の実施形態）
上記の実施形態は本発明の例示であり、本発明はこれらの例に限定されない。例えば、空孔２８を潰した部分は、１本の第２のＳＭＦにおいて複数形成してもよい。実施形態１において、第２のＳＭＦ２０の両端に空孔２８を潰した部分を形成してもよい。

第１のＳＭＦ１０ａ及び出口側ＳＭＦ１０ｂや第２のＳＭＦ２０，２７のファイバ構造は、上記説明した光ファイバとしての機能を有する限り上記実施形態とは異なっていても構わない。

以上説明したように、本発明に係る光ファイバの接続構造は、ＭＰＩの発生を抑止し、光通信における光ファイバの接続部分の構造等として有用である。

実施形態１に係る光ファイバの接続部分の模式的な断面図である。 （ａ）は第２のシングルモードファイバの横断面模式図であり、（ｂ）は屈折率の分布図である。 コネクタの模式図である。 実施形態に２に係る光ファイバの模式的な断面図である。 実施形態との比較のための光ファイバの接続部分の模式的な断面図である。

符号の説明

１０ａ 第１のシングルモードファイバ
１１ コア
２０、２７ 第２のシングルモードファイバ
２１ コア
２２ クラッド
２３ 第１クラッド
２４ 第２クラッド
２５ 第３クラッド
２８ 空孔
６１，６２ コネクタ

Claims (6)

1. 第１のシングルモードファイバから第２のシングルモードファイバへ伝送光を入力させる光ファイバの接続構造であって、
   前記第２のシングルモードファイバは、中心から順に同心円状にコア、第１クラッド及び該第１クラッドよりも前記伝送光の波長において屈折率の低い第２クラッドを有しているとともに、規格化周波数が２．４０５以上３．９以下であり、
   前記第２クラッドには前記コアに沿って延びる空孔が設けられており、
   前記第１のシングルモードファイバに接続される前記第２のシングルモードファイバの端部では、前記空孔が２ｍｍ以上３０ｍｍ以下にわたって塞がれていて前記第２クラッドが中実な状態である、光ファイバの接続構造。
2. 請求項１に記載されている光ファイバの接続構造であって、
   前記第２のシングルモードファイバは、前記第２クラッドの外側にさらに第３クラッドを有しており、
   前記コアは、径が８．２μｍ以上１０．２μｍ以下であり、
   前記第１クラッドは、前記伝送光の波長において前記コアより屈折率が小さく且つ外径が３０μｍ以上４５μｍ以下であり、
   前記第２クラッドは、厚みが７．４μｍ以上であり、
   前記第１クラッドと前記第２クラッドとの比屈折率差が０．５％以上である、光ファイバの接続構造。
3. 請求項１または２に記載されている光ファイバの接続構造であって、
   前記第１のシングルモードファイバと前記第２のシングルモードファイバとはコネクタにより接続されており、
   前記第２クラッドが中実な状態である第２シングルモードファイバの端部は、前記コネクタ内部に納められている、光ファイバの接続構造。
4. 中心から順に同心円状にコア、第１クラッド及び第２クラッドを有しているとともに、規格化周波数が２．４０５以上３．９以下であり、
   前記第２クラッドには前記コアに沿って延びる空孔が設けられており、
   少なくとも長手方向の１箇所において、前記空孔が２ｍｍ以上３０ｍｍ以下にわたって塞がれていて前記第２クラッドが中実な状態である部分が存する、シングルモードファイバ。
5. 請求項４に記載されているシングルモードファイバであって、
   前記第２クラッドの外側にさらに第３クラッドを有しており、
   前記コアは、径が８．２μｍ以上１０．２μｍ以下であり、
   前記第１クラッドは、前記伝送光の波長において前記コアより屈折率が小さく且つ外径が３０μｍ以上４５μｍ以下であり、
   前記第２クラッドは、前記伝送光の波長において前記第１クラッドより屈折率が小さく且つ厚みが７．４μｍ以上であり、
   前記第１クラッドと前記第２クラッドとの比屈折率差が０．５％以上である、シングルモードファイバ。
6. 請求項４または５に記載されているシングルモードファイバであって、
   前記第２クラッドが中実な状態である部分は、熱により前記空孔を潰すことにより形成されている、シングルモードファイバ。

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