JP2010271448A

JP2010271448A - 光ファイバ

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Publication number: JP2010271448A
Application number: JP2009121725A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Oyamada; 浩小山田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2029-05-20
Also published as: EP2253974B1; US8121453B2; EP2253974A1; CN101893732A; US20100296783A1; JP5478116B2; CN101893732B

Abstract

【課題】MFDを９μm以上G652規格内にしつつ同時に曲げ特性を改善し、850nm帯でマルチモード伝送した際の伝送帯域が十分広い光ファイバを提供する。
【解決手段】中心部に第１コア、その外周を覆う第２コア、その外周を覆う第３コア、及びその外周をクラッドが覆う光ファイバであって、クラッドの屈折率を基準にしたときの、該第１コアの比屈折率差を△1とし、該第２コアの比屈折率差を△2とし、該第３コアの比屈折率差を△3とし、かつ第１コアの中心を基準として、第１コアと第２コアとの境界の半径をａとし、第２コアと第３コアとの境界の半径をｂとし、第３コアとクラッドとの境界の半径をｃとするとき、0.28％≦△1≦0.4％、−0.05％≦△2≦0.05％、−1.0％≦△3≦−0.5％、さらに3.8μm≦ａ≦4.5μm、12μm≦ｂ≦21μm、1.5μm≦c−b≦10μmを満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信用の光ファイバに係り、特に数十kmの長さを伝送する長距離線路及び光ファイバ・トウ・ザ・ホーム（FTTH）やローカル・エリア・ネットワーク（LAN）における宅内外配線用として好適な光ファイバに関する。

光ファイバは、その広帯域特性により遠距離通信に適し、数十km以上の長距離の幹線線路で通信に広く用いられている。
一方、インターネットの急速な普及により、個々のパーソナルコンピュータが送受信する情報量も飛躍的に増大している。ここで、広く用いられてきた技術は、同軸ケーブルやアンシールド・ツイスト・ペア（UTP）ケーブルなどの銅線電気ケーブルである。しかしながら、電気ケーブルは帯域が狭く、また電磁波ノイズの影響を受けやすいため、膨大な情報量を伝送するのは困難である。
したがって、電話局間の長距離通信だけでなく、電話局と各ユーザーとの間の通信にも光ファイバを使い、伝送容量を増大させる技術として、FTTHが普及しつつある。FTTHでは、光ファイバの広帯域特性を利用して、ユーザーグループの近傍までは１本の光ファイバを複数のユーザーで共用することとし、そこから先は、光信号をユーザー毎に分岐して光ファイバの引き込み線を各ユーザーに分配する方式が採られている。

光ファイバには様々なタイプが存在するが、長距離通信に用いられるのは主にITU-T G.650規格のシングルモード光ファイバである。この光ファイバは伝送損失が小さいうえ、比較的安価である。1300nm帯の信号がシングルモードとなるように、カットオフ波長は約1300nm以下となっている。また、モードフィールド径（MFD）は規格上約８〜10μmであるが、光学非線形性を抑制するなどの目的から、通常は約９〜10μmのMFDとなっている。

FTTHでは、これと同種のシングルモード光ファイバが用いられ、分岐点から各ユーザーの宅内まで引き込まれる。これは分岐点でMFDが大きく異なる光ファイバ同士を接続すると伝送損失の原因となるためである。ここで、宅内配線でもう一つ重要な要求特性として曲げ損失が挙げられる。これは長距離幹線ケーブルは地下ダクトなど外力の影響を受けにくい場所に敷設されため、光ファイバ本体に加わる曲げは、端末容器内の直径60mmの巻き（高々100回）が想定されるに過ぎない。これに対して、宅内外の配線では可撓性を持たせ軽量化するために、比較的細いコード（直径数mm）の状態で配線されるため、外力の影響を受けやすく、光ファイバの受ける曲げ半径も20mm以下となることが多い。

そもそも光ファイバでは、信号光が光ファイバのコアに沿って伝播するため、光ファイバを曲げた状態でも伝送可能な特徴があるものの、曲げ半径が小さくなるにつれ、伝播しきれずにコアから漏洩する光の割合が指数関数的に増大して、伝送損失となる。これが曲げ損失である。曲げ損失を低減するには、光をよりコアに集約させるのが効果的であり、MFDを小さくすることによって改善できる。このため、通常は約６〜８μmのMFDの光ファイバが用いられることが多く、こうすることによって、例えば、直径20mmのマンドレル（円筒）に光ファイバを巻き付けた際の曲げ損失は、波長1550nmにおいて0.5dB／turn以下を実現している。

しかしながら、MFDが約６μmの光ファイバと約10μmの光ファイバとを接続すると、接続損失が大きいという問題があり、このままでは幹線系のシングルモード光ファイバとユーザー系のシングルモード光ファイバとで使い分けが必要となる。
この対応策の一つは、カットオフ波長を大きくすることである。同じMFDならば、曲げ損失は、カットオフ波長が増大するほど指数関数的に減少する。仮にITU-T G.650で定義されるファイバ・カットオフ波長が1350nmであったとしても、ケーブル・カットオフ波長は、一般的に約100nm短い約1250nmとなるため、実用上は1300nm帯での使用なら問題はない。同時にMFDをG652の下限近く約８〜９μmに設計することによって、曲げ損失は改善される。

さらに、非特許文献１等に報告される内側クラッド屈折率を小さくしたダブル・クラッド型光ファイバによって、MFDを大きく設計しつつ曲げ損失を低減できる。このような構造で不純物吸収損失を低減し、零分散波長を最適化した光ファイバが特許文献１に開示されており、低屈折クラッドの比屈折率差トを約−0.021〜−0.0007％程度にしてMFDを９．２μm程度に設計するものである。さらに、曲げ特性を改善した光ファイバが特許文献２に開示されているが、低屈折率クラッドをさらに低い−0.08〜−0.02％にしつつMFDをやや小さめの8.2〜9.0μmに小さく設計している。

一方、電子機器間を光ファイバで配線する技術も普及しつつあり、代表的なLAN通信規格IEEE 802.3においても、各種光ファイバが挙げられている。実のところ、波長1300nm帯で用いられるレーザー光源や受光器は比較的高価なため、この用途では安価な850nm帯の発光ダイオード（LED）や面発光レーザー（VCSEL）が用いられることが多い。このとき使用される光ファイバはマルチモード光ファイバであり、典型的なコア径は50μmである。マルチモード光ファイバの場合、一般に、モード毎に光の伝播速度が異なるので、屈折率分布を単純なステップ形状ではなく放物線形状（α型）に設計して、モード間の光の伝播速度の差異を低減している。こうした工夫によって、伝播速度は、例えば、500MHz・kmとなっている。
また、長距離伝送路からFTTH、LAN用途まで、共通仕様の光ファイバでカバーするために、特許文献３は、コアの屈折率分布を略α形状に設計して、850nm帯におけるモード遅延を低減し、850nm帯での使用を保証している。しかしながら、直径20mm程度の小さい曲げ直径での曲げ損失については言及がない。

特開2002−47027号公報特開2006−133496号公報特表2004−508600号公報

Shojiro Kawakami and Shigeo Nishida,能ochCharacteristics of a DoublyClad Optical Fiber with a Low-Index Inner Cladding,能ochIEEE Jounal of QuantumElectronics,vol.QB-10,No.12,pp.879-887,Dec.1974）

本発明は、上記の従来技術に鑑み、MFDをG652規格内、好ましくは９μm以上にしつつ同時に曲げ特性を改善した光ファイバを提供すること、及び1310nmでのシングルモード動作を可能とし、かつ伝送帯域が広い光ファイバを提供することを目的としている。

本発明の光ファイバは、中心部に第１コア、該第１コアに隣接してその外周を覆う第２コア、該第２コアに隣接してその外周を覆う第３コア、及び該第３コアに隣接してその外周をクラッドが覆う光ファイバであって、クラッドの屈折率を基準にしたときの、該第１コアの比屈折率差を△₁とし、該第２コアの比屈折率差を△₂とし、該第３コアの比屈折率差を△₃とし、かつ第１コアの中心を基準として、第１コアと第２コアとの境界の半径をａとし、第２コアと第３コアとの境界の半径をｂとし、第３コアとクラッドとの境界の半径をｃとするとき、0.28％≦△₁≦0.4％、−0.05％≦△₂≦0.05％、−1.0％≦△₃≦−0.5％、さらに3.8μm≦ａ≦4.5μm、12μm≦ｂ≦21μm、1.5μm≦c−b≦10μmを満たし、直径20mmのマンドレルに光ファイバを巻きつけたときの波長1625nmにおける損失増加が0.1dB／turn以下であることを特徴としている。

該構成からなる光ファイバは、波長1310nmにおけるLP01モードのMFDが８μm以上10μm以下である。ITU-T G.650規格に定められた長さ２ｍの光ファイバで測定するファイバ・カットオフ波長は1650nm以下であり、長さ22ｍで測定したケーブル・カットオフ波長は1450nm以下である。
また、ファイバ・カットオフ波長は1430nm以下、ケーブル・カットオフ波長は1300nm以下である。ファイバ・カットオフ波長とケーブル・カットオフ波長との差が120nm以上あり、長さ１kmの光ファイバ中を伝搬した信号は実質的にシングルモードである。また、長さ１kmの光ファイバで測定した波長1310nmにおける伝送帯域測定値は２GHz・km以上である。零分散波長は1290nm以上1345nm以下である。
さらに、波長1310nmにおいて、LP01モードの信号とLP11モードの信号とが同時に伝搬する場合の、両者の伝搬時間の差は光ファイバ１ｍ当たり20ピコ秒以下であり、波長1310nmにおいてLP01モードの信号とLP02モードの信号とが同時に伝搬する場合の、両者の伝搬時間の差は光ファイバ１ｍ当たり20ピコ秒以下である。波長1383nmにおける伝送損失は0.4dB/km以下である。
なお、第１コアは、α型形状又はステップ型形状を有し、前記半径ｂはMFDの1.8倍以上とされる。

本発明の光ファイバは、上記構成としたことにより、MFDをG652規格内、特に９μm以上としつつ、同時に曲げ損失が改善され、カットオフ波長が大きいにも関わらず、1310nmでのシングルモード動作を可能とし、かつ伝送帯域が広い、さらに、所望の零分散波長を有する光ファイバを容易に得ることができる、等の優れた効果を奏する。

実施例１で作製した光ファイバの屈折率分布を説明する図である。実施例１で作製した光ファイバの、カットオフ波長とファイバ長との関係を示す図である。実施例１で作製した光ファイバの、波長と伝送損失との関係を示す図である。実施例２で作製した光ファイバの、カットオフ波長とファイバ長との関係を示す図である。インパルス応答を示す図である。実施例３で作製した光ファイバ母材の屈折率分布を示す図である。比較例１で作製した光ファイバ母材の屈折率分布を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例及び比較例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
図１に本実施例による光ファイバの屈折率分布を示す。
先ず、図に示す第１のコアをVAD法で作製し、所望の径に延伸してコア芯材とし、これに外付けして第２のコアを付加した。この上にフッ素を添加してシリカレベルより屈折率の低い第３のコアを形成し、さらに、この上にクラッドを付加して光ファイバ母材を作製した。該母材を線引きしてクラッド径125μmの光ファイバとし、ウレタンアクリレートで被覆して径250μmの光ファイバ素線を得た。
この光ファイバは、第１コアの半径ａ＝3.8μm、第２コアの半径ｂ＝18μm、屈折率の低い第３コアの半径ｃ＝27μmであり、第１コアの比屈折率差の最大値△₁は0.39％、第２コアの比屈折率差の最大値△₂は0.01％、及び第３コアの比屈折率差の最小値△₃は−0.75％であった。

このような構成からなる光ファイバは、ファイバ・カットオフ波長1417nm、ケーブル・カットオフ波長1276nmであり、ファイバ・カットオフ波長とケーブル・カットオフ波長との差は141nmで、波長1310nmにおいてシングルモード動作することを確認した。1310nmにおけるMFDは9.21μmであり、零分散波長は1321nm、零分散スロープは0.085ps／nm²・kmであった。直径20mmの円筒にこの光ファイバを巻きつけたときの損失増加は0.05dB／turnであった。

この光ファイバのカットオフ波長とファイバ長との関係を図２に示した。図から、カットオフ波長は、ファイバ長が増すにつれて短くなり、10mを超えると波長1310nmにおいてほぼシングルモード動作することが認められる。
次に、伝送損失を測定し、その結果を図３に示した。波長1383nmにおける伝送損失は0.42dB／kmであり、第２のコア層（半径ｂ）をMFDの約1.9倍の18μmとしたことにより、第３のコア層（半径ｃ）付近に含有されるOH基による損失が低減されていることが分かる。

［実施例２］
実施例１で作製した光ファイバ母材の表面を削り、これを線引きしてクラッド径125μｍの光ファイバを作製した。さらに、ウレタンアクリレートで被覆して径250μmの光ファイバ素線とした。
作製した光ファイバの各コアの比屈折率差△₁、△₂、△₃は、実施例１と同一であったが、各コアの半径は1.15倍となっていた。すなわち、第１のコアの半径ａ＝4.4μm、第２コアの半径ｂ＝21μm、及び第３コアの半径ｃ＝31μmであった。
図４に、ファイバ長とカットオフ波長との関係を示した。図から、ファイバ・カットオフ波長は1625nm、ケーブル・カットオフ波長は1430nmであり、ファイバ・カットオフ波長とケーブル・カットオフ波長との差は195nmであった。

波長1310nmにおける伝送帯域を、長さ５kmの光ファイバで測定したところ、3000MHz・kmであり、インパルス応答は図５に示す通りであった。これは波長1310nmでシングルモード動作していることを示している。さらに、1310nmにおけるMFDは9.74μｍであり、零分散波長は1301nm、零分散スロープは0.087ps／nm²・kmであった。さらに、直径20mmの円筒にこの光ファイバを巻きつけたときの損失増加は0.01dB／turnであった。波長1383nmにおける伝送損失は0.345dB／kmであった。
なお、クラッド厚をさらに精密に調整して実施例１と実施例２との中間にすることによって、零分散波長を、例えば、1310nmに設計することも可能である。

［実施例３］
第１のコアならびに第２のコアの一体化した多孔質ガラス母材をVAD法で作製し、これを透明ガラス化し、さらに所望の径に延伸してコア芯材とした。この上に多孔質ガラスを外付けしてフッ素を添加し、シリカレベルより屈折率の低い第３のコアを形成し、さらに、この上にクラッドを付加して光ファイバ母材を作製した。図６は、該母材の屈折率分布を市販のプリフォームアナライザで計測した結果である。
該母材を線引きしてクラッド径125μmの光ファイバとし、ウレタンアクリレートで被覆して径250μmの光ファイバ素線を得た。このようにして得られた光ファイバは、母材と相似形を保ちつつ縮径されるので、その屈折率分布は、半径方向の寸法を除いて母材と同一となる。

この光ファイバは、第１コアの半径ａ＝4.2μm、第２コアの半径ｂ＝12.5μm、屈折率の低い第３コアの半径ｃ＝14.3μmであり、第１コアの比屈折率差の平均値△₁は0.28％、第２コアの比屈折率差の平均値△₂は−0.05％、及び第３コアの比屈折率差の最小値△₃は−0.88％であった。なお、△₁は第１コアの屈折率が最大になる半径位置よりも内側の屈折率を平均して求め、△₂は第２コアのａｂ間の屈折率を平均して求め、△₃は第３コアのｂｃ間の屈折率を半径方向に平均して求めた。また、ａは第１コアの△₁に対する半値幅の位置とし、ｂは第２コアと第３コアの境界の屈折率分布が最も急峻になる位置とし、ｃは第３コアとクラッドの境界の屈折率が最も急峻になる位置とした（図６参照）。

この光ファイバのファイバ・カットオフ波長は1310nm、ケーブル・カットオフ波長は1269nmであるので、1310nmでは実質的にシングルモード動作をする。さらに、1310nmにおけるMFDは9.61μmであり、零分散波長は1308nm、零分散スロープは0.089ps／nm²・kmであった。さらに、直径20mmの円筒にこの光ファイバを巻きつけたときの損失増加は波長1625nmにおいて0.055dB／turnであった。なお、波長1383nmにおける伝送損失は0.342dB／kmであった。

［比較例１］
第１のコアならびに第２のコアの一体化した多孔質ガラス母材をVAD法で作製し、これを透明ガラス化し、さらに所望の径に延伸してコア芯材とした。この上に多孔質ガラスを外付けしてフッ素を添加し、シリカレベルより屈折率の低い第３のコアを形成し、さらに、この上にクラッドを付加して光ファイバ母材を作製した。図７は、該母材の屈折率分布を市販のプリフォームアナライザで計測した結果である。
該母材を線引きしてクラッド径125μmの光ファイバとし、ウレタンアクリレートで被覆して径250μmの光ファイバ素線を得た。このようにして得られた光ファイバは、母材と相似形を保ちつつ縮径されるので、その屈折率分布は、半径方向の寸法を除いて母材と同一となる。

この光ファイバは、第１コアの半径ａ＝3.5μm、第２コアの半径ｂ＝9.6μm、屈折率の低い第３コアの半径ｃ＝14.2μmであり、第１コアの比屈折率差の平均値△₁は0.32％、第２コアの比屈折率差の平均値△₂は−0.05％、及び第３コアの比屈折率差の最小値△₃は−0.42％であった。なお、△₁は第１コアの屈折率が最大になる半径位置よりも内側の屈折率を平均して求め、△₂は第２コアのａｂ間の屈折率を平均して求め、△₃は第３コアのｂｃ間の屈折率を半径方向に平均して求めた。また、ａは第１コアの△₁に対する半値幅の位置とし、ｂは第２コアと第３コアの境界の屈折率分布が最も急峻になる位置とし、ｃは第３コアとクラッドの境界の屈折率が最も急峻になる位置とした（図７参照）。

この光ファイバのファイバ・カットオフ波長は1205nm、ケーブル・カットオフ波長は1115nmであり、1310nmにおいてシングルモード動作をする。さらに、1310nmにおけるMFDは8.87μmであり、零分散波長は1327nmとなり、G652規格よりも大きくなっている。零分散スロープは0.087ps／nm²・kmであった。さらに、直径20mmの円筒にこの光ファイバを巻きつけたときの損失増加は波長1625nmにおいて0.15dB／turnであり、やや曲げ損失が大きいと云える。なお、波長1383nmにおける伝送損失は0.964dB／kmであった。

本発明の光ファイバを使用することで、通信特性を向上させることができる。

Claims

中心部に第１コア、該第１コアに隣接してその外周を覆う第２コア、該第２コアに隣接してその外周を覆う第３コア、及び該第３コアに隣接してその外周をクラッドが覆う光ファイバであって、クラッドの屈折率を基準にしたときの、該第１コアの比屈折率差を△₁とし、該第２コアの比屈折率差を△₂とし、該第３コアの比屈折率差を△₃とし、かつ第１コアの中心を基準として、第１コアと第２コアとの境界の半径をａとし、第２コアと第３コアとの境界の半径をｂとし、第３コアとクラッドとの境界の半径をｃとするとき、0.28％≦△₁≦0.4％、−0.05％≦△₂≦0.05％、−1.0％≦△₃≦−0.5％、さらに3.8μm≦ａ≦4.5μm、12μm≦ｂ≦21μm、1.5μm≦c−b≦10μmを満たし、直径20mmのマンドレルに光ファイバを巻きつけたときの波長1625nmにおける損失増加が0.1dB／turn以下であることを特徴とする光ファイバ。
波長1310nmにおけるLP01モードのモードフィールド径が８μm以上10μm以下である請求項１に記載の光ファイバ。
ITU-T G.650規格に定められた長さ２ｍの光ファイバで測定するファイバ・カットオフ波長が1650nm以下である請求項１又は２に記載の光ファイバ。
ITU-T G.650規格に定められた長さ22ｍの光ファイバで測定するケーブル・カットオフ波長が1450nm以下である請求項１又は２に記載の光ファイバ。
ファイバ・カットオフ波長が1430nm以下である請求項１乃至４のいずれかに記載の光ファイバ。
ケーブル・カットオフ波長が1300nm以下である請求項１乃至５のいずれかに記載の光ファイバ。
ファイバ・カットオフ波長とケーブル・カットオフ波長との差が120nm以上である請求項１乃至６のいずれかに記載の光ファイバ。
長さ１kmの光ファイバ中を伝搬した信号が実質的にシングルモードである請求項１乃至７のいずれかに記載の光ファイバ。
長さ１kmの光ファイバで測定した波長1310nmにおける伝送帯域測定値が２GHz・km以上である請求項８に記載の光ファイバ。
零分散波長が1290nm以上1345nm以下である請求項１乃至９のいずれかに記載の光ファイバ。
波長1310nmにおいて、LP01モードの信号とLP11モードの信号とが同時に伝搬する場合の、両者の伝搬時間の差が光ファイバ１ｍ当たり20ピコ秒以下である請求項１乃至１０のいずれかに記載の光ファイバ。
波長1310nmにおいてLP01モードの信号とLP02モードの信号とが同時に伝搬する場合の、両者の伝搬時間の差が光ファイバ１ｍ当たり20ピコ秒以下である請求項１乃至１０のいずれかに記載の光ファイバ。
前記第１コアがα型形状を有する請求項１乃至１２のいずれかに記載の光ファイバ。
前記第１コアがステップ型形状を有する請求項１乃至１２のいずれかに記載の光ファイバ。
前記半径ｂがモードフィールド径の1.8倍以上である請求項１に記載の光ファイバ。
波長1383nmにおける伝送損失が0.4dB/km以下である請求項１乃至１５のいずれかに記載の光ファイバ。