JP3662668B2

JP3662668B2 - Optical fiber

Info

Publication number: JP3662668B2
Application number: JP12606196A
Authority: JP
Inventors: 康博小池; 則司大石
Original assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology; Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology; Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 1996-05-21
Filing date: 1996-05-21
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2016-05-21
Also published as: JPH09311241A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信用の光ファイバに関し、特にマルチモード形の光ファイバにおける伝送情報量の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信に用いられる光ファイバには、モードに関してシングルモード形とマルチモード形があり、また屈折率分布の形態に関してステップインデックス形とグラディエントインデックス形があるなど種々のタイプがあり、その各々に特徴がある。中でもマルチモード・ステップインデックス形は、例えば数百μｍ〜１ｍｍ程度のコア径とすることが可能で、光源や受光器との接続やファイバ−ファイバ間の接続などにおける取扱いが容易であり、また同じく大きなコア径が可能なグラディエントインデックス形に比べ低コストであることなどから、比較的短距離の通信や器機内でのデータ伝送手段として多用されている。
【０００３】
しかしマルチモード・ステップインデックス形の光ファイバには、伝搬する光線のモードによる伝搬速度が異なる効果、いわゆるモード分散が大きく、これによって入射光パルスの時間幅が伝搬距離の増大に応じて広がり、パルス形状が崩れ易いという現象がある。このためマルチモード・ステップインデックス形の光ファイバは、シングルモード・ステップインデックス形やグラディエントインデックス形に比べ、同じ伝送距離における伝送帯域が数百分の１程度と狭く、単位時間に伝送可能な情報量が格段に少ない。もっともマルチモード・ステップインデックス形の光ファイバでも、コアとクラッドの屈折率差を小さくすることで伝送帯域を広くさせることが可能である。しかしこのようにすることは、開口数が減少して伝送効率の悪化を招き、実用的でない。
【０００４】
ただ伝送距離が短かければモード分散による伝送帯域の低下は比較的小さいこと、またマルチモード・ステップインデックス形が多用されている近距離通信などの分野で今まで必要とされた伝送帯域があまり大きくなかったなどの理由から、上記のようなモード分散がそれほど問題にされていなかった。ところが最近における情報処理器機はその処理速度がますます高速化する傾向にあり、これに伴って近距離通信でもより広い伝送帯域が求められ、マルチモード・ステップインデックス形における伝送帯域の限界が問題になって来ている。
【０００５】
ところでグラディエントインデックス形の光ファイバは、上記のようにマルチモード・ステップインデックス形の光ファイバに比べ数百倍の伝送帯域を持ち、しかも接続などの取扱いを容易とする大きなコア径が可能である。したがってこのグラディエントインデックス形の光ファイバを用いることで、上記のような高速化に対応することができる。しかし、グラディエントインデックス形は、例えば特開平４−９７３０２号公報や特公表平５−８０８４８８号公報などで知られるように、屈折率分布用の物質を拡散させることで放物線分布の屈折率分布を与えて形成するなどのため、ステップインデックス形に比べてその製造工程などが大幅に複雑になり、コストアップを伴うという問題があること、それにその可能な伝送帯域が現在の一般的な通信システムにあっては過剰性能となることなどから、近距離通信系にグラディエントインデックス形の光ファイバを全面的に用いることは必ずしも適切な対応とはならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような事情を背景になされたのが本発明で、従来のマルチモード・ステップインデックス形の光ファイバと同様な製造の容易性や接続などについての取扱いの容易性を持ち、しかも従来のマルチモード・ステップインデックス形における伝送帯域の限界を超えて、情報処理器機の高速化により求められる伝送帯域を可能とする新たな光ファイバの提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的のために本発明では、光ファイバにおけるコアを、クラッドに内接させて設け且つクラッドより大きな屈折率を与えた円形断面形状のアウターコアと、このアウターコア内に設け且つアウターコアとは異なる屈折率を与えたインナーコアとで形成することを基本とし、これに加えて、インナーコアの断面形状を楕円形とし、このインナーコアをアウターコアと同心的に、つまりインナーコアの中心をアウターコアの中心に一致させるようにして設けて、これらアウターコアとインナーコアとでマルチモード伝送を行うようにしている。
【０００８】
このようなコアが円形のアウターコアと楕円形のインナーコアからなる楕円多層コア構造の光ファイバにあっては、光ファイバ端面への入射条件の異なる光線について以下のようなメカニズムにより伝搬速度の均一化を生じさせることができ、伝送帯域を広くすることができる。これによる伝搬速度の均一化効果は、例えばインナーコアを単層としてコア全体が２層となる構造の場合であれば、従来の同一開口数のステップインデックス形の光ファイバに比べ３倍強程度に伝送帯域を広げることができ、インナーコアを２層としてコア全体が３層となる構造の場合であれば５倍弱程度に伝送帯域を広げることができる。
【０００９】
光ファイバを伝搬する光線は、実質的に全てスキューレイ、つまり光ファイバの中心軸を含むメリディオナル面から外れる光線であると見なせる。そして楕円多層コア構造の光ファイバにあっては、そのコアが、円形のアウターコアの内部に楕円形のインナーコアを設けた構造であるため、スキューレイはそのほとんどが、インナーコアないしアウターコアの何れかで、屈折率が相対的に高いコアに閉じ込めれて伝搬する光と、インナーコアとアウターコアの両方を交互に通過しながら伝搬する光の何れかであり、これらは何れも伝搬途中でアウターコアとクラッドとの界面やアウターコアとインナーコアとの界面における入射・反射のパターンを非周期的つまりランダム的に変化させる。この結果、特に後者のスキューレイは、屈折率が異なることで伝搬速度の異なる領域の通過距離を１周期（１周期は、アウターコアとクラッドとの界面でのある反射から次の反射までの周期）毎にランダムに変化させることになり、ランダム的に速度変化を生じ、このランダム的な速度変化による平均化作用により、伝搬速度に効果的な均一化を生じる。
【００１０】
この形態の光ファイバの開口数は、コアにおける最も高い屈折率によって決まるため、コアにおける屈折率が低い部分の屈折率を、コアにおける屈折率が高い部分の屈折率とクラッドの屈折率とのほぼ中間の値とすることで、上記２種類の伝搬光成分による伝送帯域は同じ開口数のステップインデックスファイバの伝送帯域より極めて大きなものになる。またこの両成分の平均伝搬速度はインナーコアの形状や屈折率の調整で等しくすることが可能で、そうすることにより両成分が加え合わされた結果の伝送帯域も両成分と同程度の大きさとなる。
【００１１】
本発明による多層コア構造の光ファイバは、以上のようにして広い伝送帯域を可能とするが、同時に製造の容易性も持っている。すなわち本発明による光ファイバは、基本的には従来のステップインデックス形の光ファイバで一般的に用いられているのと同様の製造方法で製造することが可能であり、したがってコアが多層であるものの、コアの多層化程度を適当な範囲とすることで、従来のステップインデックス形の光ファイバにおけるのとそれ程変わらない条件で製造することができる。
【００１２】
このようにして伝搬速度の均一化を可能とする楕円多層コア構造は、インナーコアも多層にし、その層数を多くするほど均一化の程度を上げることができる。ただインナーコアの層数を多くするとそれだけ製造の困難性が増す。したがって求められる性能とコストの釣合いで最適なインナーコアの層数を決めることになるが、１〜３層（コア全体で２〜４層）とするのが最も効果的であり、製造が容易で大幅な帯域改善効果が得られる。特にインナーコアを２層としてコア全体を３層とする構造が好ましい。
【００１３】
コアを３層構造とするには、インナーコアをそれぞれ楕円形の断面形状を持つ第１のインナーコアと第２のインナーコアで形成し、且つ第２のインナーコアを第１のインナーコア内に第１のインナーコアと同心的に設けるようにする。
【００１４】
【実施の形態】
本発明の第１の実施形態はコアが３層構造であるものに関し、図１に示すように、本実施形態による光ファイバのコア１は、円形断面形状としてクラッドＣに内接させて設けるアウターコア２と、このアウターコア２の内部に設ける楕円形断面形状の第１のインナーコア３、及びこの第１のインナーコア３の内部に設ける同じく楕円形断面形状の第２のインナーコア４からなる３層構造である。両インナーコア３、４は、何れもアウターコア２に対し同心的にし、且つ楕円の長半径方向に関してアウターコア２の外周面と第１のインナーコア３の外周面との間隔、及び第１のインナーコア３の外周面と第２のインナーコア４の外周面との間隔を製造上で支障のない範囲で十分に狭めて設けるようにする。このようにすることにより、光ファイバを伝搬するスキューレイの伝搬路に対しこれを漏れなくカバーするように第１及び第２の両インナーコアを重ならせることができ、上記したスキューレイにおけるランダム的な速度変化による平均化作用をより効果的に得るがことができる。またこのような構造は、直交する二つの鏡面についての鏡面対称を持っているので、温度変化や吸湿による膨張、収縮量が材料によって異なることに起因するファイバの反りやねじれなどの変形の危険性を小さくできる。
【００１５】
この実施形態におけるアウターコアとインナーコアのサイズやそれぞれの屈折率についての一数値例を挙げると以下のようになる。第２のインナーコアの屈折率＝1.505 、第１のインナーコアの屈折率＝1.500 、アウターコアの屈折率＝1.495 、クラッドの屈折率＝1.490 、アウターコアの半径＝0.50mm、第１のインナーコアの短半径＝0.35mm、第１のインナーコアの長半径＝0.49mm、第２のインナーコアの短半径＝0.18mm、第２のインナーコアの長半径＝0.48mm。この数値条件における伝送帯域改善効果は、従来の同一開口数のステップインデックス形の光ファイバとの比較をモデルにしたがった計算から求めると５倍弱程度になる。
【００１６】
本発明の第２の実施形態はコアが２層構造であるものに関し、この実施形態による光ファイバは、図２に示すように、そのコア１１が、円形断面形状のアウターコア１２と楕円形断面形状のインナーコア１３からなる２層構造である。インナーコア１３は、アウターコア１２に対し第１の実施形態における第１のインナーコア３と同様にして設けるようにする。
【００１７】
この実施形態における一数値例を挙げると以下のようになる。インナーコアの屈折率＝1.505 、アウターコアの屈折率＝1.498 、クラッドの屈折率＝1.490 、アウターコアの半径＝0.50mm、インナーコアの短半径＝0.20mm、インナーコアの長半径＝0.49mm。この数値条件における伝送帯域改善効果は、従来のステップインデックス形の光ファイバとの比較をモデルにしたがった計算から求めると、３倍強程度になる。
【００１８】
ここで以上の各実施形態では、内側から外側に向けて屈折率を小さくする順方向分布としているが、例えば内側から外側に向けて屈折率を高くする分布や、その他の分布とすることも可能である。このようなものはしばしば順方向分布タイプより高い伝送帯域改善効果を示すが、形態によっては若干伝送損失が大きくなることがある。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明してきた如く、本発明によると、従来のステップインデックス形光ファイバとほぼ同様な条件で製造することが可能で、しかも従来のステップインデックス形光ファイバに比べ大幅に伝送帯域を広くすることのできる光ファイバを提供することができ、光ファイバを用いる通信システムの機能向上に大きく寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態による光ファイバの断面図。
【図２】第２の実施形態による光ファイバの断面図。
【符号の説明】
１ …… コア
2,12 …… アウターコア
３ …… 第１のインナーコア
４ …… 第２のインナーコア
１３ …… インナーコア
Ｃ …… クラッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical fiber for communication, and more particularly to an improvement in the amount of transmission information in a multimode optical fiber.
[0002]
[Prior art]
There are various types of optical fibers used for communication, including a single mode type and a multimode type in terms of modes, and a step index type and a gradient index type in terms of the refractive index profile. . In particular, the multi-mode step index type can have a core diameter of, for example, about several hundred μm to 1 mm, and is easy to handle in connection with a light source or a light receiver or between a fiber and a fiber. Because of its low cost compared to a gradient index type capable of a large core diameter, it is frequently used as a relatively short-distance communication and data transmission means in equipment.
[0003]
However, multimode step index type optical fiber has a large effect of different propagation speed depending on the mode of propagating light beam, so-called mode dispersion is large, so that the time width of the incident light pulse is increased as the propagation distance is increased. There is a phenomenon that the shape tends to collapse. For this reason, multimode step index type optical fibers have a narrow transmission bandwidth of about one hundredth over the same transmission distance compared to single mode step index type and gradient index type, and the amount of information that can be transmitted per unit time. There is much less. However, even in a multimode step index type optical fiber, it is possible to widen the transmission band by reducing the difference in refractive index between the core and the clad. However, this is not practical because the numerical aperture decreases and the transmission efficiency deteriorates.
[0004]
However, if the transmission distance is short, the decrease in the transmission band due to mode dispersion is relatively small, and the transmission band required so far in fields such as near field communication where multi-mode step index type is frequently used is too large. For example, the mode dispersion as described above was not so much a problem. However, recent information processing devices tend to have higher processing speeds, and as a result, a wider transmission band is required even in short-distance communication, and the limitation of the transmission band in the multi-mode step index type is a problem. It is becoming.
[0005]
By the way, the gradient index type optical fiber has a transmission band several hundred times that of the multimode step index type optical fiber as described above, and can have a large core diameter that facilitates connection and the like. Therefore, by using this gradient index type optical fiber, it is possible to cope with the increase in speed as described above. However, the gradient index shape gives a refractive index distribution of a parabolic distribution by diffusing a material for refractive index distribution, as is known, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 4-97302 and Japanese Patent Publication No. 5-808488. The manufacturing process, etc. is significantly more complicated than the step index type, and there is a problem that the cost is increased. Therefore, it is not always appropriate to use a gradient index type optical fiber for the short-range communication system.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
This is the background to the present invention, which has the same ease of manufacturing and handling as the conventional multimode step index optical fiber, and the conventional multimode. The purpose is to provide a new optical fiber that enables the transmission band required by the speeding up of the information processing device beyond the limit of the transmission band in the step index type.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
For the above purpose, in the present invention, the core in the optical fiber is provided in contact with the clad and has an outer core having a circular cross section having a refractive index larger than that of the clad, and the outer core provided in the outer core. In addition to this, the inner core is formed with an inner core having a different refractive index. In addition, the inner core has an elliptical cross section, and the inner core is concentric with the outer core, that is, the center of the inner core is outer. It is provided so as to coincide with the center of the core, and multimode transmission is performed between the outer core and the inner core .
[0008]
In such an optical fiber having an elliptical multi-layer core structure consisting of a circular outer core and an elliptical inner core, the propagation speed is uniform by the following mechanism for light beams with different incident conditions on the optical fiber end face. The transmission band can be widened. For example, in the case of a structure in which the inner core is a single layer and the entire core is two layers, the effect of equalizing the propagation speed is about three times that of a conventional step index optical fiber having the same numerical aperture. In the case of a structure in which the inner core has two layers and the entire core has three layers, the transmission band can be expanded to about 5 times.
[0009]
Light rays propagating through the optical fiber can be regarded as substantially all skew rays, that is, light rays that deviate from the meridional plane including the central axis of the optical fiber. In an optical fiber having an elliptical multilayer core structure, the core is a structure in which an elliptical inner core is provided inside a circular outer core. Either one of the light confined in the core having a relatively high refractive index and the light propagating while alternately passing through both the inner core and the outer core, both of which are in the middle of propagation The pattern of incidence / reflection at the interface between the outer core and the clad and the interface between the outer core and the inner core is changed aperiodically, that is, randomly. As a result, in particular, the latter skew ray has a one-cycle pass distance in a region having a different propagation speed due to a difference in refractive index (one cycle is a period from one reflection to the next reflection at the outer core / cladding interface). ) At random, resulting in a random speed change, and an equalizing effect on the propagation speed due to the averaging effect of this random speed change.
[0010]
Since the numerical aperture of this form of optical fiber is determined by the highest refractive index in the core, the refractive index of the portion having a low refractive index in the core is approximately equal to the refractive index of the portion having a high refractive index in the core and the refractive index of the cladding. By setting the intermediate value, the transmission band of the two kinds of propagation light components becomes extremely larger than the transmission band of the step index fiber having the same numerical aperture. Also, the average propagation speed of both components can be made equal by adjusting the shape of the inner core and the refractive index, so that the transmission band resulting from the addition of both components is as large as both components. .
[0011]
The optical fiber having a multilayer core structure according to the present invention enables a wide transmission band as described above, but at the same time has ease of manufacture. That is, the optical fiber according to the present invention can basically be manufactured by the same manufacturing method as that generally used in the conventional step index type optical fiber, and thus the core has a multilayer structure. By making the degree of multilayering of the core within an appropriate range, it is possible to manufacture under the same conditions as in the conventional step index type optical fiber.
[0012]
In the elliptical multilayer core structure that enables uniform propagation speed in this way, the inner core can be multilayered, and the degree of uniformity can be increased as the number of layers is increased. However, increasing the number of inner core layers increases the difficulty of manufacturing. Therefore, the optimum number of inner core layers is determined by the balance between required performance and cost. However, it is most effective to use 1 to 3 layers (2 to 4 layers for the entire core), and manufacturing is easy. A significant band improvement effect can be obtained. In particular, a structure in which the inner core has two layers and the entire core has three layers is preferable.
[0013]
In order to make the core have a three-layer structure, the inner core is formed of a first inner core and a second inner core each having an elliptical cross-sectional shape, and the second inner core is formed in the first inner core. Provided concentrically with the first inner core.
[0014]
Embodiment
The first embodiment of the present invention relates to a core having a three-layer structure. As shown in FIG. 1, the core 1 of the optical fiber according to the present embodiment is an outer layer provided in contact with the clad C as a circular cross-sectional shape. The core 2 includes a first inner core 3 having an elliptical cross-sectional shape provided inside the outer core 2, and a second inner core 4 having the same elliptical cross-sectional shape provided inside the first inner core 3. It has a three-layer structure. The inner cores 3 and 4 are both concentric with the outer core 2 and the distance between the outer peripheral surface of the outer core 2 and the outer peripheral surface of the first inner core 3 in the major radius direction of the ellipse, and the first The distance between the outer peripheral surface of the inner core 3 and the outer peripheral surface of the second inner core 4 is provided so as to be sufficiently narrow as long as there is no problem in manufacturing. By doing so, the first and second inner cores can be overlapped so as to cover the propagation path of the skew ray propagating through the optical fiber without leakage. It is possible to more effectively obtain an averaging effect due to a typical speed change. In addition, such a structure has mirror symmetry about two mirror surfaces that are perpendicular to each other, so there is a risk of deformation such as warping and twisting of the fiber due to the change in temperature and expansion / contraction due to moisture absorption depending on the material. Can be reduced.
[0015]
An example of the numerical values of the outer core and inner core sizes and the respective refractive indexes in this embodiment is as follows. The refractive index of the second inner core = 1.505, the refractive index of the first inner core = 1.500, the refractive index of the outer core = 1.495, the refractive index of the cladding = 1.490, the radius of the outer core = 0.50 mm, the first inner core Short radius = 0.35 mm, first inner core long radius = 0.49 mm, second inner core short radius = 0.18 mm, second inner core long radius = 0.48 mm. The transmission band improvement effect under these numerical conditions is about five times less when calculated from a model based on a comparison with a conventional step index optical fiber having the same numerical aperture.
[0016]
The second embodiment of the present invention relates to a core having a two-layer structure. As shown in FIG. 2, the optical fiber according to this embodiment includes an outer core 12 having a circular cross section and an elliptical cross section. It is a two-layer structure consisting of a shaped inner core 13. The inner core 13 is provided on the outer core 12 in the same manner as the first inner core 3 in the first embodiment.
[0017]
A numerical example in this embodiment is as follows. The refractive index of the inner core = 1.505, the refractive index of the outer core = 1.498, the refractive index of the cladding = 1.490, the radius of the outer core = 0.50mm, the short radius of the inner core = 0.20mm, and the long radius of the inner core = 0.49mm. The transmission band improvement effect under these numerical conditions is about three times or more when calculated from a calculation based on a comparison with a conventional step index type optical fiber.
[0018]
Here, in each of the embodiments described above, the forward distribution in which the refractive index decreases from the inside to the outside is used. However, for example, a distribution in which the refractive index increases from the inside to the outside, or other distributions may be used. It is. Such a thing often shows a higher transmission band improvement effect than the forward distribution type, but the transmission loss may be slightly increased depending on the form.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the optical fiber can be manufactured under substantially the same conditions as a conventional step index optical fiber, and the transmission band can be greatly widened as compared with the conventional step index optical fiber. The optical fiber which can be provided can be provided, and it can contribute greatly to the function improvement of the communication system using an optical fiber.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical fiber according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an optical fiber according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
1 …… Core
2,12 ... Outer core 3 ... First inner core 4 ... Second inner core 13 ... Inner core C ... Cladding

Claims

Light in which a core is formed by an outer core having a circular cross-sectional shape provided in contact with the clad and giving a refractive index larger than that of the clad, and an inner core provided in the outer core and given a refractive index different from that of the outer core A fiber,
An optical fiber characterized in that the inner core has an elliptical cross section, the inner core is provided concentrically with the outer core, and multimode transmission is performed between the outer core and the inner core .

The inner core is formed of a first inner core and a second inner core each having an elliptical cross-sectional shape, and the second inner core is concentrically with the first inner core in the first inner core. The optical fiber according to claim 1 provided.