JP2016051059A - 光ファイバケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】環境温度が変化する場合であってもクロストークを抑制することができる光ファイバケーブルを提供する。
【解決手段】光ファイバケーブル１は、筒状のシース４と、シース４の空間４ｓｐ内に曲げられた状態で配置される複数の光ファイバとを備え、複数の光ファイバのうち少なくとも１つの光ファイバはマルチコアファイバ５とされ、マルチコアファイバ５のクロストークが最も悪化する曲げ半径をＲ_Pkとし、使用温度範囲における最も低温でのマルチコアファイバ５の曲げ半径をＲ_Loとし、使用温度範囲における最も高温でのマルチコアファイバ５の曲げ半径をＲ_Hiとする場合、マルチコアファイバ５は、Ｒ_Pk＜Ｒ_Lo、または、Ｒ_Hi＜Ｒ_Pkを満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、マルチコアファイバを用いた光ファイバケーブルに関し、クロストークの抑制をする場合に好適なものである。

一般に普及している光ファイバ通信システムに用いられる光ファイバは、１本のコアの外周がクラッドにより囲まれた構造をしており、このコア内を光信号が伝搬することで情報が伝送される。そして、光ファイバ通信システムの普及に伴い、伝送される情報量が飛躍的に増大している。このような伝送される情報量の増大に伴い、光ファイバ通信システムにおいては、多数の光ファイバが用いられることで、大容量の長距離光通信が行われている。また、これらの光ファイバがシース内に設けられることでケーブル化された光ファイバケーブルが用いられている。

一方、上記光ファイバ通信システムにおける光ファイバの数を低減させるため、複数のコアの外周が１つのクラッドにより囲まれたマルチコアファイバを用いて、それぞれのコアを伝搬する光により、複数の信号を伝送させることが知られている。

下記特許文献１には、このようなマルチコアファイバを複数本束ねてケーブル化した光ファイバケーブルが記載されている。一般にマルチコアファイバでは、それぞれのコアを伝搬する光信号同士が互いに干渉するクロストークが生じ易い傾向がある。このクロストークは、マルチコアファイバの曲げ半径に依存し、所定の曲げ半径において最大となることが知られている。そこで、特許文献１では、クロストークを低減させるため、所定の式で与えられる曲げ半径Ｒ_ｔｈが最も小さな値となるようにマルチコアファイバに曲げ構造を付加することとしている。

特開２０１１−１９７６６１号公報

しかし、上記特許文献１に記載の光ファイバケーブルのようにマルチコアファイバに曲げ構造を付加する場合であっても、光ファイバケーブルが施設される環境によってはクロストークが最も悪くなる場合があることが、本発明者により見出された。

光ファイバケーブルのシースは樹脂から成り、光ファイバは通常石英から成る光ファイバ素線が樹脂から成る保護層に被覆されて成る。このため、シースと光ファイバとの熱膨張係数が互いに異なる。つまり、光ファイバケーブルが施設される環境温度の変化により、光ファイバの長さは然程変化しないが、シースの長さは光ファイバと比べて大きく変化する。このため、シース内に配置される光ファイバの曲げ半径が環境温度により変化する。この温度変化による光ファイバの曲げ半径の変化によりクロストークが最も悪くなる曲げ半径となり、上記のようにクロストークが最も悪くなる場合がある。しかし、上記特許文献１では温度変化について考察されていない。

そこで、本発明は、環境温度が変化する場合であってもクロストークを抑制することができる光ファイバケーブルを提供することを目的とする。

本発明の光ファイバケーブルは、筒状のシースと、前記シースの空間内に曲げられた状態で配置される複数の光ファイバと、を備え、前記複数の光ファイバのうち少なくとも１つの光ファイバは、複数のコアを有するマルチコアファイバとされ、前記マルチコアファイバのクロストークが最も悪化する曲げ半径をＲ_Pkとし、使用温度範囲における最も低温での前記マルチコアファイバの曲げ半径をＲ_Loとし、前記使用温度範囲における最も高温での前記マルチコアファイバの曲げ半径をＲ_Hiとする場合、前記マルチコアファイバは、
Ｒ_Pk＜Ｒ_Lo、または、Ｒ_Hi＜Ｒ_Pk
を満たすことを特徴とするものである。

複数の光ファイバがシースの空間内に曲げられて配置されることで、光ファイバケーブルは、所定の可橈性を有し適切に施設される。そして、上記のように通常の光ファイバケーブルでは、シースは主に樹脂から成り、光ファイバは主に石英から成る。石英の熱膨張係数は非常に小さいため、温度変化における長さの変化は、光ファイバよりもシースの方が大きい。従って、マルチコアファイバの曲げ半径は、使用温度範囲における最も低温において最も小さく、使用温度範囲における最も高温において最も大きい。従って、使用温度範囲における最も低温でのマルチコアファイバの曲げ半径Ｒ_LoがＲ_Pk＜Ｒ_Loを満たすことにより、使用温度範囲において温度が変化する場合であっても、マルチコアファイバの曲げ半径がＲ_Pkとなることがない。同様に、使用温度範囲における最も高温でのマルチコアファイバの曲げ半径Ｒ_HiがＲ_Hi＜Ｒ_Pkを満たすことにより、使用温度範囲において温度が変化する場合であっても、マルチコアファイバの曲げ半径がＲ_Pkとなることがない。このようにマルチコアファイバの曲げ半径が、Ｒ_Pk＜Ｒ_Lo、または、Ｒ_Hi＜Ｒ_Pkを満たすことにより、クロストークが最も悪化する状態を避けることができる。こうして本発明の光ファイバケーブルによれば、環境温度が変化する場合であってもクロストークを抑制することができる。

また、前記複数の光ファイバは、捩じられて束ねられることとしても良い。

以上のように、本発明によれば、環境温度が変化する場合であってもクロストークを抑制することができる光ファイバケーブルが提供される。

本発明の実施形態に係る光ファイバケーブルを示す断面図である。 図１のマルチコアファイバを示す断面図である。 図１の光ファイバケーブルにおいて複数のマルチコアファイバを束にした状態を示す図である。 図１の光ファイバケーブルを長手方向に垂直な方向から見る場合のマルチコアファイバの状態を示す図である。 マルチコアファイバの曲げ半径とクロストークとの関係を示す図である。 実施例における光ファイバケーブルの−３０℃，２５℃，７０℃でのクロストークを示す図である。 実施例における光ファイバケーブルのクロストークの温度依存性を示す図である。

以下、本発明に係る光ファイバケーブルの好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る光ファイバケーブルを示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の光ファイバケーブル１は、シース４及び複数のマルチコアファイバ５を備える。なお、本実施形態ではマルチコアファイバ５が７本の例を示している。

シース４は、長手方向に垂直な断面の形状が円筒状の形状をしており、当該断面における中心部は円形の空洞となっている。このシース４はにシース本体部４１と、強化部材４２とからなる。シース本体部４１は、樹脂から成り、シース４の外形を形成している。シース本体部４１を構成する樹脂としては、例えば熱可塑性樹脂を挙げることができる。この熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアミド（ＰＡ）、フッ化エチレン又はポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂を挙げることができる。強化部材４２は、金属製のワイヤから成り、光ファイバケーブル１に強度を与える部材である。強化部材４２は、例えば、銅、鉄、ニッケル、ステンレス鋼または繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等から成る。

図２は、図１のマルチコアファイバを示す断面図である。本実施形態のマルチコアファイバ５は、複数のコア要素１０と、それぞれのコア要素１０全体を包囲すると共にそれぞれのコア要素１０の間を埋めて、それぞれのコア要素１０の外周面を囲むクラッド２０と、クラッド２０の外周面を被覆する保護層３１と、保護層３１の外周面を被覆する着色層３２と、を備える。本実施形態では、１２個のコア要素１０が配置されるマルチコアファイバを例に説明する。

複数のコア要素１０とクラッド２０とからなるマルチコアファイバ素線は少なくとも一部にドーパントが添加された石英からなり、保護層３１、着色層３２は、樹脂から成る。石英は、強化部材４２に用いられる金属と比べても熱膨張係数が小さく、シース本体部４１に用いられる樹脂と比べると熱膨張係数が非常に小さい。このため、それぞれのマルチコアファイバ５は、シース４と比べて温度変化による長さの変化が非常に小さい。

それぞれのコア要素１０は、コア１１と、コア１１の外周面を囲む内部クラッド層１２と、内部クラッド層１２の外周面を囲むトレンチ層１３と、を有している。また、それぞれのコア要素１０は、互いに最短距離で隣り合うそれぞれのコア間距離（コアの中心間距離）が互いに等しく配置されている。具体的には、６つのコア要素１０が、それぞれのコア１１の中心がクラッド２０の中心を基準とした正六角形の頂点上に位置するように配置されている。他の６つのコア要素１０は、前記の正六角形よりも大きな正六角形の頂点上にコア１１の中心が位置するように配置されており、１つの外側のコア要素１０の中心と２つの内側のコア要素１０の中心とで正三角形が形成されている。本実施形態では、それぞれのコア１１の直径が互いに等しくされ、それぞれの内部クラッド層１２の外径が互いに等しくされ、それぞれのトレンチ層１３の外径が互いに等しくされている。従って、それぞれの内部クラッド層１２の厚さは、互いに等しく、さらに、それぞれのトレンチ層１３の厚さは互いに等しくされている。

また、それぞれのコア１１の屈折率は互いに等しく、それぞれの内部クラッド層１２の屈折率は互いに等しく、それぞれのトレンチ層１３の屈折率は互いに等しくされている。そして、コア１１の屈折率はクラッド２０の屈折率よりも高い。また、内部クラッド層１２の屈折率は、コア１１の屈折率よりも低くされ、トレンチ層１３の屈折率は、内部クラッド層１２の屈折率及びクラッド２０の屈折率よりも低くされている。従って、それぞれのコア要素１０を屈折率の観点から見る場合に、それぞれのコア要素１０は、トレンチ層１３が内部クラッド層１２及びクラッド２０よりも低いため、トレンチ構造を有している。なお、内部クラッド層１２の屈折率とクラッド２０の屈折率との関係は、波長分散特性の調整のために適宜設定される。

このようにトレンチ層１３の屈折率が、内部クラッド層１２の屈折率及びクラッド２０の屈折率よりも小さくされることで、光はクラッド２０側よりもコア１１に引き寄せられる。このため、コア１１への光の閉じ込め効果が大きくなり、コア１１を伝播する光がそれぞれのコア要素１０から漏えいすることを低減することができる。そして、屈折率の低いトレンチ層１３及びクラッド２０が障壁となり、互いに隣り合うコア１１同士のクロストークを低減することができる。

なお、上記とは異なり、互いに隣り合うコア１１の実効屈折率が異なるように、互いに隣り合うコア１１の直径や屈折率が互いに異なるようにされても良く、互いに隣り合う内部クラッド層１２の外径や屈折率が互いに異なるようにされても良く、互いに隣り合うトレンチ層１３の外径や屈折率が互いに異なるようにされても良い。このように互いの隣り合うコアの実効屈折率が異なることにより、互いに隣り合うコアの伝搬定数が異なり、クロストークをより低減させることができる。

次に複数のマルチコアファイバ５の配置について説明する。図３は、図１の光ファイバケーブルにおいて複数のマルチコアファイバ５を束にした状態を示す図である。また、図４は、図１の光ファイバケーブル１を長手方向に垂直な方向から見る場合のマルチコアファイバ５の状態を示す図である。ただし、図４では、理解の容易のため１本のマルチコアファイバ５のみを記載し、他のマルチコアファイバ５については省略している。また、以下の説明において曲げ半径と言う場合には、平均の曲げ半径を意味する。

図３に示すように、図１に示す複数のマルチコアファイバ５が仮に最密に束ねられた状態でシース４の空間４ｓｐ内に配置されると、複数のマルチコアファイバ５の外接円Ｃとシース４の内壁との間に最大の距離ａの空隙が生じる。つまり、複数のマルチコアファイバ５はシース４の空間４ｓｐ内に空間的な余裕を有して配置されており、図１に示す状態では、それぞれのマルチコアファイバ５の間に空隙が生じている。そして、図４に示すように、それぞれのマルチコアファイバ５は、シース４の空間４ｓｐ内に曲げられた状態で配置されている。ここで、常温Ｔ₀において、シース４の長さをＬ₁とし、このシース４の空間４ｓｐ内に曲げられて配置されるそれぞれのマルチコアファイバ５の長さをＬ₂とする。この場合、下記式（１）を満たす。

なお、配置されるそれぞれのマルチコアファイバ５の長さＬ₂は概ね揃っている。また、この場合、常温Ｔ₀でのマルチコアファイバ５の余長率Ｌは、下記式（２）で示される。

この場合、シース４の線膨脹率をｋとすると、光ファイバケーブルの使用温度範囲におけるある温度Ｔでの、マルチコアファイバ５の曲げ半径Ｒは、下記式（３）で示される。

この曲げ半径Ｒは、図１のようにそれぞれのマルチコアファイバ５がばらばらに配置される場合であっても、ケーブル全長部において平均的にみると、ほぼ上記式（３）から導出される曲げ半径Ｒに収束する。なお、マルチコアファイバ５の線膨脹係数は、シース４の線膨脹係数に比べて小さいため、曲げ半径Ｒへの影響が無視できるほど小さい。従って、式（３）では、マルチコアファイバ５の線膨脹係数は省略されている。

次に、マルチコアファイバの曲げ半径とクロストークとの関係について説明する。

図５は、マルチコアファイバの曲げ半径とクロストークとの関係を示す図である。マルチコアファイバにおいて、互いに隣り合うコアの一方の実効屈折率をｎ_eff1とし他方をｎ_eff2とすると、実効屈折率差Δｎ_effは、下記式（４）で示される。

マルチコアファイバを曲げる場合、その曲げ半径を変化させると、それぞれのコアの実効屈折率が変化して、図５に示すように、所定の曲げ半径Ｒ_Pkにおいてクロストークがピークとなる。そこで、これらコアのコア間距離をＤとすると、クロストークがピークとなるマルチコアファイバの曲げ半径Ｒ_Pkは、下記式（５）で示される。

上記に示される曲げ半径Ｒが使用温度範囲において変化する場合であっても、光ファイバケーブル中のマルチコアファイバ５の曲げ半径が、曲げ半径Ｒ_Pkと一致しなければ、マルチコアファイバ５のクロストークが最も悪化する状態を避けることができる。

具体的には、図５に示すように、使用温度範囲における最も低温をＴ_Loとする場合のマルチコアファイバ５の曲げ半径Ｒ_Loが曲げ半径Ｒ_Pkよりも大きくされればよい。つまり、Ｒ_Pk＜Ｒ_Loとされればよい。これを上記式（５）を用いて表すと、マルチコアファイバが下記式（６）を満たすようにシース４内に配置されることにより、マルチコアファイバ５のクロストークが最も悪化する状態を避けることができる。

或いは、図５に示すように、使用温度範囲における最も高温をＴ_Hiとする場合のマルチコアファイバ５の曲げ半径Ｒ_Hiが曲げ半径Ｒ_Pkよりも小さくされればよい。つまり、Ｒ_Hi＜Ｒ_Pkとされればよい。これを上記式（５）を用いて表すと、マルチコアファイバが下記式（７）を満たすようにシース４内に配置されることにより、マルチコアファイバ５のクロストークが最も悪化する状態を避けることができる。

マルチコアファイバ５が式（６）或いは式（７）を満たせばよい理由は次による。すなわち、光ファイバケーブル１が低温の状態と高温の状態とを比べると、熱膨張係数が大きなシース４の長さＬ₁は低温の状態と高温の状態と大きく異なる。しかし、マルチコアファイバ５はシース４と比べると熱膨張係数が非常に小さいため、マルチコアファイバ５の長さＬ₂は、シース４の長さＬ₁と比べて温度変化による変化が非常に小さい。従って、光ファイバケーブル１内のマルチコアファイバ５の余長率Ｌは、低温の状態よりも高温の状態の方が小さくなる。このため、マルチコアファイバ５の曲げ半径Ｒは、低温の状態よりも高温の状態の方が大きくなる。このため、上記のようにマルチコアファイバ５がシース４内に配置されることで、光ファイバケーブル１内のマルチコアファイバ５の曲げ半径が、曲げ半径Ｒ_Pkと一致することを防止できるのである。

以上説明したように本実施形態の光ファイバケーブル１は、筒状のシース４と、シース４の空間４ｓｐ内に曲げられた状態で配置される複数のマルチコアファイバ５とを備え、マルチコアファイバ５は、Ｒ_Pk＜Ｒ_Lo、または、Ｒ_Hi＜Ｒ_Pkを満たす。このような光ファイバケーブル１によれば、複数のマルチコアファイバ５がシース４の空間４ｓｐ内に曲げられて配置されることで、光ファイバケーブル１は、所定の可橈性を有し適切に施設される。そして、シース４は主に樹脂から成り、マルチコアファイバ５は主に石英から成る。このため、温度変化における長さの変化は、マルチコアファイバ５よりもシース４の方が大きい。従って、マルチコアファイバ５の曲げ半径Ｒは、使用温度範囲における最も低温Ｔ_Loにおいて最も小さく、使用温度範囲における最も高温Ｔ_Hiにおいて最も大きい。従って、温度Ｔ_Loでのマルチコアファイバ５の曲げ半径Ｒ_LoがＲ_Pk＜Ｒ_Loを満たすことにより、使用温度範囲において温度が変化する場合であっても、マルチコアファイバ５の曲げ半径ＲがＲ_Pkとなることがない。同様に、温度Ｔ_Hiでのマルチコアファイバ５の曲げ半径Ｒ_HiがＲ_Hi＜Ｒ_Pkを満たすことにより、使用温度範囲において温度が変化する場合であっても、マルチコアファイバの曲げ半径ＲがＲ_Pkとなることがない。このようにマルチコアファイバの曲げ半径Ｒが、Ｒ_Pk＜Ｒ_Lo、または、Ｒ_Hi＜Ｒ_Pkを満たすことにより、クロストークが最も悪化する状態を避けることができる。従って、本実施形態の光ファイバケーブル１によれば、環境温度が変化する場合であってもクロストークを抑制することができる。

以上、本発明について、実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、シース４内に配置される光ファイバは全てマルチコアファイバ５とされたが、少なくとも１つの光ファイバがマルチコアファイバ５とされれば良く、マルチコアファイバ５以外の光ファイバが入っていても良い。

また、上記実施形態では、図１に示すようにシース４内に配置されるマルチコアファイバ５が束ねられていない状態とされたが、図３に示すようにシース４内に配置されるマルチコアファイバ５は束ねられていても良い。このようにマルチコアファイバ５が束ねられるには、複数のマルチコアファイバ５が捩じられることで束ねられればよい。このように複数のマルチコアファイバ５が束ねられて捩じられる場合、捩じりのピッチは大きいため捩じりによるマルチコアファイバ５の曲げ半径Ｒへの影響は非常に小さいため無視できる。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものでは無い。

図２にしめすコア要素が１２個のマルチコアファイバを１０本準備した。これらのマルチコアファイバは、クラッドの外径が２３０μｍであり、着色層の外径が３７０μｍであった。次に、これら複数のマルチコアファイバを図１に示すシースの空間内に配置した。ケーブルの常温での長さＬ₁は２０００ｍであった。このような光ファイバケーブルの使用温度範囲は、−３０℃〜７０℃とされる。シース内のマルチコアファイバ５の使用温度範囲における最も高温での曲げ半径Ｒ_Hiは、クロストークが最も悪化する曲げ半径Ｒ_Pkよりも小さかった。つまり、本実施例では、マルチコアファイバの曲げ半径が上記のようになるように、シースの内径を設計している。

次に、作製した光ファイバケーブルについて、−３０℃〜７０℃の温度サイクル試験を行い、波長１５５０ｎｍの光を入射して、−３０℃，２５℃，７０℃でのクロストークを測定した。同様にして、波長１６２５ｎｍの光を入射して、−３０℃，２５℃，７０℃でのクロストークを測定した。その結果を図６に示す。また、この結果より求めた光ファイバケーブルのクロストークの温度依存性を図７に示す。図６、図７に示すように最も大きいクロストークであっても、約−５０ｄＢであり、良好なクロストークが維持されていることが分かった。

以上より、本発明の光ファイバケーブルによれば、環境温度が変化する場合であってもクロストークを抑制することができることが分かった。

以上説明したように、本発明によれば環境温度が変化する場合であってもクロストークを抑制することができる光ファイバケーブルが提供され、光通信等の分野において利用することができる。

１・・・光ファイバケーブル
４・・・シース
５・・・マルチコアファイバ
１０・・・コア要素
１１・・・コア
１２・・・内部クラッド層
１３・・・トレンチ層
２０・・・クラッド
３１・・・保護層
３２・・・着色層
４１・・・シース本体部
４２・・・強化部材

Claims (4)

1. 筒状のシースと、
   前記シースの空間内に曲げられた状態で配置される複数の光ファイバと、
   を備え、
   前記複数の光ファイバのうち少なくとも１つの光ファイバは、複数のコアを有するマルチコアファイバとされ、
   前記マルチコアファイバのクロストークが最も悪化する曲げ半径をＲ_Pkとし、使用温度範囲における最も低温での前記マルチコアファイバの曲げ半径をＲ_Loとし、前記使用温度範囲における最も高温での前記マルチコアファイバの曲げ半径をＲ_Hiとする場合、前記マルチコアファイバは、
   Ｒ_Pk＜Ｒ_Lo、または、Ｒ_Hi＜Ｒ_Pk
   を満たす
   ことを特徴とする光ファイバケーブル。
2. 前記複数の光ファイバを束とする場合に前記束と前記シースの内壁とのクリアランスの平均の大きさをａとし、前記複数の光ファイバの前記シース内における余長率をＬとし、前記シースの線膨脹係数をｋとし、常温をＴ₀とし、前記使用温度範囲における最も低温をＴ_Loとする場合、前記マルチコアファイバは、
   

   

   を満たす
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバケーブル。
3. 前記複数の光ファイバを束とする場合に前記束と前記シースの内壁とのクリアランスの平均の大きさをａとし、前記複数の光ファイバの前記シース内における余長率をＬとし、前記シースの線膨脹係数をｋとし、常温をＴ₀とし、前記使用温度範囲における最も高温をＴ_Hiとする場合、前記マルチコアファイバは、
   

   

   を満たす
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバケーブル。
4. 前記複数の光ファイバは、捩じられて束ねられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバケーブル。
   
   
   
   

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