JP2010078704A

JP2010078704A - 光ファイバの接続構造

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Publication number: JP2010078704A
Application number: JP2008244582A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Tanaka; 正俊田中; Masayoshi Hachiwaka; 正義八若; Seiro Oizumi; 晴郎大泉
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2010-04-08
Also published as: CN102144181A; CN102144181B; WO2010035399A1; US20110176767A1

Abstract

【課題】ＭＰＩの発生を抑制する光ファイバの接続構造を提供する。
【解決手段】第１のシングルモードファイバ１０ａと第２のシングルモードファイバ２０との間に規格化周波数が２．４０５未満であって２ｍｍ以上３０ｍｍ以下の仲介用光ファイバ３０に配置して、第２のシングルモードファイバ２０と仲介用光ファイバ３０とを融着する。伝送光は第１のシングルモードファイバ１０ａから第２のシングルモードファイバ２０へと入力されるが、第２のシングルモードファイバ２０において高次モードは発生しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの接続構造に関するものであり、特に第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耐曲げ性を備え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、ＭＰＩの発生を抑制する光ファイバの接続構造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の間には、規格化周波数が２．４０５未満であって長さが２ｍｍ以上３０ｍｍ以下の仲介用光ファイバが前記第２のシングルモードファイバの末端に融着されて配置されている構成とした。

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。第１クラッドと第２クラッドとの比屈折率差が小さいと曲げ損失が大きくなるからである。

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、前記仲介用光ファイバは、前記コネクタ内部に納められている構成とすることもできる。

ある実施形態において、前記仲介用光ファイバの前記第１のシングルモードファイバ側の端部には、さらに長さが２ｍｍ以上３０ｍｍ以下である第３のシングルモードファイバが融着されて配置されている。前記第３のシングルモードファイバは、前記第１のシングルモードファイバとコア径が同じである構成とすることができる。

本発明の光ファイバの接続構造は、規格化周波数が２．４０５未満の仲介用光ファイバを第２のシングルモードファイバに融着させ且つ第１及び第２のシングルモードファイバの間に配置したので、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を接続して一方のシングルモードファイバから他方のシングルモードファイバへと光を入力した場合、基本モードＬＰ０１（１）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Ｃ６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Ｃ６で高次モードであるＬＰ１１（２）がわずかに生じる。２番目のファイバ２０’が、クラッド２２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と、ＬＰ１１（２）はごく短い距離を進むうちに消滅してＬＰ０１（１）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いる。このような構造であるとＬＰ１１（２）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（２）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Ｃ３’においてＬＰ１１（２）がＬＰ０１（１）に再結合し、ＭＰＩが生じる。また、ＬＰ０１（１）とＬＰ１１（２）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Ｃ６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の及び出口側ＳＭＦ１０ａ，１０ｂ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の及び出口側ＳＭＦ１０ａ，１０ｂに比べて曲げ損失の小さい耐曲げファイバであり、第１のＳＭＦ１０ａとの接続端側には仲介用光ファイバ３０が融着接続されている。

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よりも屈折率が低く且つ第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と第３クラッド２５との比屈折率差を０．５％以上にするには、第３クラッド２５を純粋石英とし第２クラッド２４を石英にホウ素やフッ素をドープしたものとしてもよいし、第２クラッド２４の領域の一部にコアに沿って延びる空孔を設けて第２クラッド２４領域の全体の実効屈折率を下げる方法を取ってもよい。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。従って、第２クラッド２４を厚くして第３クラッド２５が無い構造としても構わない。

第１の及び出口側ＳＭＦ１０ａ、１０ｂ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の及び出口側ＳＭＦ１０ａ、１０ｂ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。

仲介用光ファイバ３０は、規格化周波数が２．４０５未満であって長さが２ｍｍ以上３０ｍｍ以下の光ファイバである。規格化周波数は、式１からわかるようにコア３１とクラッド３２との屈折率を調整することか、コア３１径を調整することで大きさを決定できる。例えば、コア３１を石英にゲルマニウムをドープしたものとし、クラッド３２を石英として両者の比屈折率差を０．３５％とし、コア径は８μｍとした光ファイバとすると規格化周波数は２．３３である。即ち、第１の及び出口側ＳＭＦ１０ａ、１０ｂとはコア径以外を同じにして、コア径を１μｍだけ小さくすると規格化周波数が２．４０５未満となる。仲介用光ファイバ３０の規格化周波数は１．０以上であることが好ましい。１．０未満であるとモードフィールド径が小さくなりすぎて接続損失が大きくなるからである。

仲介用光ファイバ３０と第２のＳＭＦ２０とは、接合部Ｃ２において融着接続されている。この融着接続は、顕微鏡で観察しながら両方のファイバのコアの端部同士がずれがないように接合部分でのコア位置調整を行っているため、コアずれが生じていない。このように接合部Ｃ２においてはコア同士がずれ無しで融着されているため、仲介用光ファイバ３０から第２のＳＭＦ２０に伝送光が入力する際にＬＰ１１モードは発生しない。また、仲介用光ファイバ３０は規格化周波数が２．４０５未満であるので、第１のＳＭＦ１０ａと仲介用光ファイバ３０との接続部分Ｃ１においてコアずれのためにＬＰ１１モードが発生しても、ＬＰ１１モードは仲介用光ファイバ３０内で遮断されて伝送されないため、第２のＳＭＦ２０との接合部Ｃ２ではＬＰ０１モードのみが存することになる。即ち、第２のＳＭＦ２０にはＬＰ１１モードの影響を受けていないＬＰ０１モードの光のみが入力し、接合部Ｃ２においてＬＰ１１モードは発生しないため、第２のＳＭＦ２０と出口側ＳＭＦ１０ｂとの接合部Ｃ３においてＭＰＩは生じない。さらに接合部Ｃ２では、熱拡散によりドーパントの相互拡散が生じて接続損失を抑制している。

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及び仲介用光ファイバ３０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及び仲介用光ファイバ３０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及び仲介用光ファイバ３０のコア１１，３１同士がずれて接続してしまうことがあるが、工場出荷時に光ファイバにコネクタを取り付けておくことで、ファイバ接続の現場において簡単にかつ短時間でファイバ接続を行うことができる。

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。そして仲介用光ファイバ３０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。仲介用光ファイバ３０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、仲介用光ファイバ３０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。なお、仲介用光ファイバ３０は１ｍｍ以上の長さであればＬＰ１１モードを除去できるが、融着作業等のやりやすさから考えると、２ｍｍ以上であることが好ましい。

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、本実施形態では仲介用光ファイバ３０を第１のＳＭＦ１０ａと第２のＳＭＦ２０との間に配置して、第２のＳＭＦ２０と融着接続しているので、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化・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、仲介用光ファイバ３０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。

（実施形態２）
実施形態２は、第２のＳＭＦ２０の第１のＳＭＦ１０ａとの接続部分の構造が実施形態１とは異なっており残りは実施形態１と同じであるので、実施形態１とは異なっている部分を説明する。

図４に示すように、仲介用光ファイバ３０の第２のＳＭＦ２０に融着されている端部とは反対側の端部に第３のＳＭＦ４０が融着接続されている。接合部Ｃ５は実施形態１で説明した顕微鏡を用いた融着接合により融着されている。第３のＳＭＦ４０は第１のＳＭＦ１０ａと同種のファイバでも良いし、第２のＳＭＦ２０と同種のファイバでも良く、別の種類のＳＭＦでもよい。第３のＳＭＦ４０のコア４１の径は第１のＳＭＦ１０ａのコア１１と同じ径である。

本実施形態においては、第３のＳＭＦ４０と仲介用光ファイバ３０とがコネクタ内部に納められている。第３のＳＭＦ４０の長さは、２ｍｍ以上３０ｍｍ以内である。

本実施形態では、第３のＳＭＦ４０のコア４１の径が第１のＳＭＦ１０ａのコア１１の径と同じであるので、接続部Ｃ４における接続損失を実施形態１に比べて小さくすることができる。その他、実施形態１と同じ効果が本実施形態においても発揮される。

（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、第２のＳＭＦ２０と出力側ＳＭＦ１０ｂとの間にも仲介用光ファイバ３０を配置しても構わない。第１乃至第３のＳＭＦ１０ａ，２０，４０および仲介用光ファイバ３０の構造は上記の例に限定されず、本発明の趣旨を損なわないＳＭＦを用いることができる。

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模式図である。（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接続模式図である。ＭＰＩの説明のための３本の光ファイバの接続模式図である。

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
３０仲介用光ファイバ
４０第３のシングルモードファイバ
４１コア
６１，６２コネクタ

Claims

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の間には、規格化周波数が２．４０５未満であって長さが２ｍｍ以上３０ｍｍ以下の仲介用光ファイバが前記第２のシングルモードファイバの末端に融着されて配置されている、光ファイバの接続構造。
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。
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、
前記仲介用光ファイバは、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。
請求項１から３のいずれか一つに記載されている光ファイバの接続構造であって、
前記仲介用光ファイバの前記第１のシングルモードファイバ側の端部には、さらに長さが２ｍｍ以上３０ｍｍ以下である第３のシングルモードファイバが融着されて配置されている、光ファイバの接続構造。
請求項４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３のシングルモードファイバは、前記第１のシングルモードファイバとコア径が同じである、光ファイバの接続構造。