JP2016012123A - 光ファイバ - Google Patents

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Abstract

【課題】Ｗ型屈折率分布を有し実使用波長帯におけるマイクロベンドロスが低減された光ファイバを提供する。【解決手段】光ファイバは、中心コアと、中心コアを取り囲み前記中心コアの屈折率より小さい屈折率を有する内クラッドと、内クラッドを取り囲み中心コアの屈折率より小さく内クラッドの屈折率より大きい屈折率を有する外クラッドと、を備え、基本モードとクラッドモードとの間の結合係数をＣ01-CLとし、基本モードと高次モードとの間の結合係数をＣ01-11とし、高次モードとクラッドモードとの間の結合係数をＣ11-CLとしたとき、Ｃtotal＝Ｃ01-CL＋Ｃ01-11Ｃ11-CLなる式で表されるＣtotalが実使用波長帯において極小値を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバに関するものである。
光通信システムにおいて信号光を伝送する光伝送路として光ファイバ伝送路が用いられる。光通信システムにおける信号光伝送（特にデジタルコヒーレント伝送）ではＯＳＮＲ（Optical Signal-to-Noise Ratio）を改善することが望まれており、その為に光ファイバの伝送損失および非線形性を低減することが要求されている。光ファイバの非線形性を低減する為には、光ファイバの実効断面積を大きくすることが有効である。例えば実効断面積が１１０μｍ２以上に拡大された光ファイバが知られている。
しかし、実効断面積が拡大された光ファイバは、コアへの伝搬光（基本モード光）の閉じ込めが弱くなり、マイクロベンドロスが増大する傾向になることから、結果的にＯＳＮＲが悪化してしまう。なお、マイクロベンドロスとは、光ファイバに対して側方から応力が加えられることで生じるランダムな微小曲げにより、コアを伝搬する基本モードがクラッドモードに結合して光が漏洩することによって伝送損失が増加する現象である。
非特許文献１にはマイクロベンドロスに関する記載がある。この文献の記載によれば、ステップ型屈折率分布を有するシングルモード光ファイバでは、マイクロベンドロスが波長に対して指数関数的に増加する特徴を持つとされている。また、トレンチ型屈折率分布を有する光ファイバでは、ランダムな微小曲げにより、基本モードが漏洩モードである高次モードと結合することで、マイクロベンドロスが波長に対して比較的一様である特徴を持つとされている。なお、トレンチ型屈折率分布は、中心から順にコア，第１クラッド，第２クラッドおよび第３クラッドを有し、第１クラッドおよび第３クラッドの屈折率よりコアの屈折率が大きく、第１クラッドおよび第３クラッドの屈折率より第２クラッドの屈折率が小さい。
Pierre Sillard, et al., "Micro-BendLosses of Trench-Assisted Single-Mode Fibers," ECOC2010 We.8.F.3
実効断面積を拡大することができる光ファイバの屈折率分布として、Ｗ型屈折率分布が知られている。Ｗ型屈折率分布は、中心コアと、中心コアを取り囲み中心コアの屈折率より小さい屈折率を有する内クラッドと、内クラッドを取り囲み中心コアの屈折率より小さく内クラッドの屈折率より大きい屈折率を有する外クラッドと、を有する。このようなＷ型屈折率分布を有する光ファイバのマイクロベンドロスの波長依存性については非特許文献１に記載されていない。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、Ｗ型屈折率分布を有し実使用波長帯におけるマイクロベンドロスが低減された光ファイバを提供することを目的とする。
光ファイバは、中心コアと、前記中心コアを取り囲み前記中心コアの屈折率より小さい屈折率を有する内クラッドと、前記内クラッドを取り囲み前記中心コアの屈折率より小さく前記内クラッドの屈折率より大きい屈折率を有する外クラッドと、を備え、波長１４００〜１７００ｎｍにおけるマイクロベンド由来のロス増の波長依存性を２次関数でフィッティングした際に、波長１５２０〜１６３０ｎｍで極小値を有する。また、基本モード（ＬＰ０１モード）とクラッドモードとの間の結合係数をＣ01-CLとし、基本モードと高次モード（ＬＰ１１モード）との間の結合係数をＣ01-11とし、高次モードとクラッドモードとの間の結合係数をＣ11-CLとしたとき、Ｃtotal＝Ｃ01-CL＋Ｃ01-11Ｃ11-CL なる式で表されるＣtotalが実使用波長帯において極小値を有する。なお、本明細書におけるマイクロベンド由来のロス増とは、直径５０μｍのワイヤーをピッチ１００μｍで織ったワイヤーメッシュで表面を覆った直径４００ｍｍのボビン上に張力８０ｇで光ファイバを巻いたときのロス増である。
本発明の光ファイバは、Ｗ型屈折率分布を有し、実使用波長帯におけるマイクロベンドロスが低減されたものとされ得る。
本実施形態の光ファイバの屈折率分布を示す図である。 結合係数Ｃ01-CL，Ｃ01-11，Ｃ11-CL，Ｃtotalそれぞれの波長依存性の一例を示すグラフである。 光ファイバのマイクロベンドロスの波長依存性の一例を示すグラフである。 波長λminとケーブルカットオフ波長λccとの関係を示す図である。 実施例１〜２２それぞれの諸元および諸特性を纏めた表である。 本実施形態の変形例の光ファイバの屈折率分布を示す図である。 実施例２３〜４４それぞれの諸元および諸特性を纏めた表である。 本実施形態の光ファイバを光伝送路として備える光通信システム１の構成を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
光ファイバは、中心コアと、前記中心コアを取り囲み前記中心コアの屈折率より小さい屈折率を有する内クラッドと、前記内クラッドを取り囲み前記中心コアの屈折率より小さく前記内クラッドの屈折率より大きい屈折率を有する外クラッドと、を備え、波長１４００〜１７００ｎｍにおけるマイクロベンド由来のロス増の波長依存性を２次関数でフィッティングした際に、波長１５２０〜１６３０ｎｍで極小値を有する。また、基本モードとクラッドモードとの間の結合係数をＣ01-CLとし、基本モードと高次モードとの間の結合係数をＣ01-11とし、高次モードとクラッドモードとの間の結合係数をＣ11-CLとしたとき、Ｃtotal＝Ｃ01-CL＋Ｃ01-11Ｃ11-CL なる式で表されるＣtotalが実使用波長帯において極小値を有する。
ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０．１において定義されるケーブルカットオフ波長が１３５０ｎｍ以上１４７５ｎｍ以下であるのが好適である。波長１５５０ｎｍにおける実効断面積が１１０μｍ２以上１７５μｍ２以下であるのが好適である。さらに、１１０μｍ２以上１６５μｍ２以下であるのが好適である。さらに、１３０μｍ２以上１６５μｍ２以下であるのが好適である。前記中心コアの直径が１１.５μｍ以上１６.０μｍ以下であり、前記内クラッドに対する前記中心コアの比屈折率差が０.２５％以上０.４５％以下であり、前記中心コアの直径に対する前記内クラッドの外径の比が２.５倍以上５.０倍以下であり、前記内クラッドに対する前記外クラッドの比屈折率差が０.０１％以上０.２０％以下であるのが好適である。
光ファイバは、前記中心コアの中心に前記中心コアの屈折率より小さい屈折率を有するディプレストを含んでいてもよい。この場合、前記ディプレストの直径に対する前記中心コアの外径の比が２.０倍以上４.０倍以下であり、前記中心コアに対する前記ディプレストの比屈折率差が０.０２％以上０.２０％以下であるのが好適である。
光ファイバ伝送路は、上記の光ファイバを有し、実使用波長帯のうちの何れかの波長の信号光を前記光ファイバにより伝送する。
図１は、本実施形態の光ファイバの屈折率分布を示す図である。本実施形態の光ファイバは、中心コア、この中心コアを取り囲む内クラッド、および、この内クラッドを取り囲む外クラッドを有する。内クラッドの屈折率は、中心コアの屈折率より小さい。外クラッドの屈折率は、中心コアの屈折率より小さく、内クラッドの屈折率より大きい。同図中に示されるように、中心コアの直径を２ａとし、内クラッドの外径を２ｂとする。また、内クラッドの屈折率を基準として、中心コアの比屈折率差をΔ１とし、外クラッドの比屈折率差をΔ２とする。
この光ファイバにおいて、基本モード（ＬＰ01モード）は、高次モード（特にＬＰ11モード）に結合する場合があり、クラッドモードに結合する場合がある。また、基本モードが高次モードに結合した後、この高次モードが更にクラッドモードに結合する場合がある。なお、基本モードからＬＰ11モード以外の高次モードへの結合は充分に小さいので、高次モードとしてはＬＰ11モードのみを考慮すればよい。
光ファイバのマイクロベンドロスは、光ファイバのランダムな微小曲げに因り生じるモード間の光結合によるものである。或る第１モードと他の第２モードとの間の結合係数Ｃ1-2は下記（１）式で表される。ここで、第１モードおよび第２モードそれぞれは、基本モード（ＬＰ01モード），高次モード（ＬＰ11モード）およびクラッドモードの何れかである。λは波長である。β１は第１モードの伝搬定数である。Ψ１は第１モードの界分布である。β２は第２モードの伝搬定数である。Ψ２は第２モードの界分布である。ｒは光ファイバの中心軸からの径方向の距離を表す変数である。θは光ファイバの中心軸周りの位置を表す変数である。Ｋおよびｐはフィッティングパラメータである。例えば、Ｋ＝２．８、ｐ＝２．８である。
Figure 2016012123
基本モード（ＬＰ01モード）とクラッドモードとの間の結合係数をＣ01-CLとし、基本モード（ＬＰ01モード）と高次モード（ＬＰ11モード）との間の結合係数をＣ01-11とし、高次モード（ＬＰ11モード）とクラッドモードとの間の結合係数をＣ11-CLとする。これらの結合係数Ｃ01-CL，Ｃ01-11，Ｃ11-CLは、上記（１）式で表され、波長の関数である。光ファイバのランダムな微小曲げによって、光ファイバを伝搬する基本モードは、直接にクラッドモードとなって漏洩する場合の他、高次モードを経てクラッドモードとなって漏洩する場合がある。したがって、基本モードから直接または間接にクラッドモードに結合することを考慮した場合の基本モードとクラッドモードとの間の結合係数Ｃtotalは下記（２）式で表される。
Figure 2016012123
図２は、結合係数Ｃ01-CL，Ｃ01-11，Ｃ11-CL，Ｃtotalそれぞれの波長依存性の一例を示すグラフである。同図中で、１０００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長範囲が４つの波長領域(I)〜(IV)に区分されている。
波長領域(I)（同図中で凡そ１１７０ｎｍ以下の領域）では、基本モードとクラッドモードとの間の結合係数Ｃ01-CLは無視できるほど小さく、高次モードとクラッドモードとの間の結合係数Ｃ11-CLも小さい。したがって、マイクロベンドロスは非常に小さい。
波長領域(II)（同図中で凡そ１１７０ｎｍ以上１３００ｎｍ以下の領域）では、高次モードとクラッドモードとの間の結合係数Ｃ11-CLが急激に大きくなるので、マイクロベンドロスが急激に増加する。
波長領域(III)（同図中で凡そ１３００ｎｍ以上１５５０ｎｍ以下の領域）では、高次モードの実効屈折率が外クラッドの屈折率より低くなり、すべての高次モードがクラッドモードとなって漏洩する。しかし、基本モードと高次モードとの間の結合係数Ｃ01-11は小さくなるので、マイクロベンドロスは減少する。
波長領域(IV)（同図中で凡そ１５５０ｎｍ以上の領域）では、基本モードとクラッドモードとの間の結合係数Ｃ01-CL が大きくなるので、マイクロベンドロスは増加する。
したがって、結合係数Ｃtotalは、波長領域(III)と波長領域(IV)との境界で極小値を持つ。
図３は、光ファイバのマイクロベンドロスの波長依存性の一例を示すグラフである。同図に示されように、マイクロベンドロスの波長依存性は、図２中に示された結合係数Ｃtotalの波長依存性と同様の傾向を有している。結合係数Ｃtotalが極小となる波長でマイクロベンドロスが極小となる。ここで、マイクロベンドロスが極小値となる波長をλminとする。また、図３中に示されたマイクロベンドロスの波長依存性において、波長１４００ｎｍ〜１７００ｎｍにおけるマイクロベンド由来のロス増の波長依存性を２次関数でフィッティングした際に、フィッティング関数の極小値をとる波長をλmin.fitとする。λmin（＝１５６０ｎｍ）とλmin.fit（＝１５４０ｎｍ）との差は２０ｎｍと小さく、λminとλmin.fitはほぼ等しいということができる。
なお、マイクロベンドロスの測定は以下のようにして行われた。直径５０μｍのワイヤーをピッチ１００μｍで織ったワイヤーメッシュで表面を覆った直径４００ｍｍのボビンを用意した。このボビンに張力８０ｇで光ファイバを巻いたときのロス増としてマイクロベンドロスを測定した。本測定方法により測定されるマイクロベンドロスは１.０ｄＢ／ｋｍ以下であることが望ましい。
このように、マイクロベンドロスの波長依存性は、基本モード，高次モードおよびクラッドモードの間の結合に依存する。高次モードの漏洩損失が大きくなり、伝搬できなくなる波長がケーブルカットオフ波長であることから、ケーブルカットオフ波長を適切に設計することで、波長λmin.fitおよびλminを実使用波長帯内とすることができ、マイクロベンドロスを低減することができる。すなわち、本実施形態の光ファイバは、実使用波長帯においてマイクロベンドロスが極小値となるような構造を持つ。なお、実使用波長帯とは、光通信において通常用いられる波長帯であり、例えば、Ｃバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）またはＬバンド（１５６５ｎｍ〜１６０５ｎｍ）である。
図４は、波長λminとケーブルカットオフ波長λccとの関係を示す図である。同図から判るように、波長λminを実使用波長帯内とするには、ケーブルカットオフ波長λccは１３５０ｎｍ〜１４７５ｎｍの範囲であることが好ましい。
図５は、実施例１〜２２それぞれの諸元および諸特性を纏めた表である。これらの実施例１〜２２の各光ファイバは、図１に示された屈折率分布を有する。この表には、内クラッドに対する中心コアの比屈折率差Δ１、内クラッドに対する外クラッドの比屈折率差Δ２、中心コアの直径２ａ、中心コアの直径に対する内クラッドの外径の比ｂ／ａ、波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａeff、ケーブルカットオフ波長λcc、マイクロベンドロスが極小値となる波長λmin.fitおよびλmin、波長１５５０ｎｍにおけるマイクロベンドロス、および、曲げ半径Ｒを１０ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失、が順に記載されている。Ｒ＝１０ｍｍにおける曲げ損失は２０ｄＢ／ｍ以下であることが好ましい。数値計算から算出されるλminと、測定によって決定されるλmin.fitとの差は、±２０ｎｍ以下であり、両者はほぼ等しい。したがって、実用上はλmin.fitが使用波長帯域内にあればよい。
波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａeffは１１０μｍ２以上１７５μｍ２以下、さらには１１０μｍ２以上１６５μｍ２以下であるのが好ましい。さらに、１３０μｍ２以上１６５μｍ２以下であるのが好ましい。また、中心コアの直径２ａが１１.５μｍ以上１６.０μｍ以下であり、中心コアの比屈折率差Δ１が０.２５％以上０.４５％以下であり、中心コアの直径に対する内クラッドの外径の比ｂ／ａが２.５倍以上５.０倍以下であり、外クラッドの比屈折率差Δ２が０.０１％以上０.２０％以下であるのが好ましい。
図６は、本実施形態の変形例の光ファイバの屈折率分布を示す図である。図１に示された屈折率分布と比べて、同図に示される光ファイバは、コアの中心にディプレストを含む点で相違する。ディプレストの屈折率は、リング状のコアの屈折率より小さい。同図中に示されるように、ディプレストの直径を２ｄとし、中心コアの屈折率を基準として、ディプレストの比屈折率差をΔ１’とする。このような屈折率分布を有する光ファイバにおいても、マイクロベンドロスが実使用波長帯において極小値を有することができる。また、このような屈折率分布を有する光ファイバは、実効断面積Ａeffを大きくしつつ、モードフィールド径ＭＦＤを比較的小さくすることができ、他の光ファイバ（例えばＩＴＵ-Ｔ Ｇ.６５２に準拠した光ファイバ）との接続損失を低減することが可能である。
図７は、実施例２３〜４４それぞれの諸元および諸特性を纏めた表である。これらの実施例２３〜４４の各光ファイバは、図６に示された屈折率分布を有する。この表には、内クラッドに対するコアの比屈折率差Δ１、内クラッドに対する外クラッドの比屈折率差Δ２、中心コアに対するディプレストの比屈折率差Δ１’、コアの外径２ａ、コアの外径に対する内クラッドの外径の比ｂ／ａ、ディプレストの直径に対するコアの外径の比ａ／ｄ、波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａeff、ケーブルカットオフ波長λcc、マイクロベンドロスが極小値となる波長λmin.fitおよびλmin、波長１５５０ｎｍにおけるマイクロベンドロス、および、曲げ半径Ｒを１０ｍｍとしたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失、が順に記載されている。ディプレストの直径に対するコアの外径の比ａ／ｄが２.０倍以上４.０倍以下であり、ディプレストの比屈折率差Δ１’が０.０２％以上０.２０％以下であるのが好ましい。
図８は、本実施形態の光ファイバを光伝送路として備える光通信システム１の構成を示す図である。光通信システム１は、送信機１０から中継器２０を経て受信機３０へ信号光を伝送する。送信機１０と初段の中継器２０との間、或る中継器２０と次段の中継器２０との間、および、最終段の中継器２０と受信機３０との間には、信号光を伝送する光伝送路として本実施形態の光ファイバ４０が敷設されている。
光伝送路として用いられる本実施形態の光ファイバは、図１または図６に示される屈折率分布を有するものであって、マイクロベンドロスが実使用波長帯において極小値を有しており、実使用波長帯におけるマイクロベンドロスが低減されたものとなっている。非線形性を低減するためにＡｅｆｆを拡大したファイバではマイクロベンドロスが大きくなる傾向があるため、本発明における光ファイバの伝送特性が有効であり、光通信システム１は、ＯＳＮＲが優れた光通信を行うことができる。
１…光通信システム、１０…送信機、２０…中継器、３０…受信機、４０…光ファイバ伝送路。

Claims (10)

  1. 中心コアと、前記中心コアを取り囲み前記中心コアの屈折率より小さい屈折率を有する内クラッドと、前記内クラッドを取り囲み前記中心コアの屈折率より小さく前記内クラッドの屈折率より大きい屈折率を有する外クラッドと、を備え、
    波長１４００〜１７００ｎｍにおけるマイクロベンド由来のロス増の波長依存性を２次関数でフィッティングした際に、波長１５２０〜１６３０ｎｍで極小値を有する、光ファイバ。
  2. 基本モードとクラッドモードとの間の結合係数をＣ01-CLとし、基本モードと高次モードとの間の結合係数をＣ01-11とし、高次モードとクラッドモードとの間の結合係数をＣ11-CLとしたとき、Ｃtotal＝Ｃ01-CL＋Ｃ01-11Ｃ11-CL なる式で表されるＣtotalが実使用波長帯において極小値を有する、請求項１に記載の光ファイバ。
  3. ケーブルカットオフ波長が１３５０ｎｍ以上１４７５ｎｍ以下である請求項１または２に記載の光ファイバ。
  4. 波長１５５０ｎｍにおける実効断面積が１１０μｍ２以上１７５μｍ２以下である請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ。
  5. 波長１５５０ｎｍにおける実効断面積が１１０μｍ２以上１６５μｍ２以下である請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ。
  6. 波長１５５０ｎｍにおける実効断面積が１３０μｍ２以上１６５μｍ２以下である請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ。
  7. 前記中心コアの直径が１１.５μｍ以上１６.０μｍ以下であり、
    前記内クラッドに対する前記中心コアの比屈折率差が０.２５％以上０.４５％以下であり、
    前記中心コアの直径に対する前記内クラッドの外径の比が２.５倍以上５.０倍以下であり、
    前記内クラッドに対する前記外クラッドの比屈折率差が０.０１％以上０.２０％以下である、
    請求項１〜６の何れか１項に記載の光ファイバ。
  8. 前記中心コアの中心に前記中心コアの屈折率より小さい屈折率を有するディプレストを含む請求項７に記載の光ファイバ。
  9. 前記ディプレストの直径に対する前記中心コアの外径の比が２.０倍以上４.０倍以下であり、
    前記中心コアに対する前記ディプレストの比屈折率差が０.０２％以上０.２０％以下である、
    請求項８に記載の光ファイバ。
  10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の光ファイバを有し、
    実使用波長帯のうちの何れかの波長の信号光を前記光ファイバにより伝送する、
    光ファイバ伝送路。
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