JP3979259B2

JP3979259B2 - Single mode optical fiber

Info

Publication number: JP3979259B2
Application number: JP2002298820A
Authority: JP
Inventors: 哲也助川; 孝太郎丹; 啓介川端
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2022-10-11
Also published as: JP2004133273A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長分割多重伝送システムにおける光伝送路等として用いるのに好適な単一モード光ファイバに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大容量の情報を伝送するシステムの一つとして、波長分割多重（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）伝送システムが実用化されている。
【０００３】
ＷＤＭ伝送システムとは、波長１．５５μｍ帯の多波長の信号光を用いて光通信を行うことで、高速・大容量の情報を伝送することが可能になるシステムである。
【０００４】
このようなＷＤＭ伝送システムにおいては、波長分割多重された信号チャネル間の非線形光学現象による相互作用や信号チャネルごとの波長分散のずれなどが重要な問題となってくる。
【０００５】
従来からの標準的な光ファイバ、例えば波長１．３μｍ帯用単一モード光ファイバ（例えば、特許文献１参照。）や波長１．５５μｍ帯分散シフトファイバ（例えば、特許文献２参照。）などを伝送路として用いてもＷＤＭ伝送は可能であるが、伝送容量や伝送距離によっては光ファイバの特性に起因する制約が生じる。
【０００６】
一般にガラス中を伝搬する光のエネルギー密度が高くなると、非線形光学効果と呼ばれる様々な現象が発生する。特に、ＷＤＭ伝送においては、波長の僅かに異なる多数の信号光が同時に１本の光ファイバ中を伝搬するため、四光波混合（ＦｏｕｒＷａｖｅＭｉｘｉｎｇ：ＦＷＭ）や相互位相変調（ＣｒｏｓｓＰｈａｓｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＸＰＭ）と呼ばれる、異なる波長間の非線形相互作用の影響が顕著となり、非線形光学効果が信号伝送品質の劣化の原因になる。従って、ＷＤＭ伝送用の光ファイバとしては、この非線形性ができるだけ小さいことが望ましい。
【０００７】
光ファイバの非線形性を表す指標の一つである非線形定数は次式で定義される。
【０００８】
非線形定数＝（非線形屈折率）／（実効コア断面積）
ここで、非線形屈折率は基本的にはガラス組成に依存する物性定数である。一方、実効コア断面積は、光ファイバ中を伝搬する信号光における光強度の光ファイバ断面内での広がり具合を表すパラメータであり、光ファイバの構造に依存する。
【０００９】
この定義式から明らかなように、光ファイバの非線形性を低減するには、実効コア断面積を大きくすれば良い。
【００１０】
また、光ファイバの重要な伝送特性として波長分散特性がある。一般に、長距離高速光伝送を実現するには、信号歪みを抑えるため、信号光波長において波長分散の絶対値が小さいことが必要である。ところが、ＷＤＭ伝送においては、波長分散が小さいと、波長が僅かに異なる光信号同士の位相整合が起こりやすいために、ＦＷＭ等の非線形相互作用が発生しやすい。これを抑制するには、信号光波長域において光ファイバの波長分散の絶対値はむしろ大きい方が良いということになる。
【００１１】
更に、波長分割多重数を増加するために使用波長帯域を拡大しようとすると、帯域内の波長分散値のずれも問題になってくる。この波長分散の波長依存性を分散スロープと呼ぶ。長距離大容量のＷＤＭ伝送路としては、この分散スロープの絶対値ができるだけ小さいことも要求される。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−８２２４９号公報
【特許文献２】
特開２００２−９０５６７号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実効コア断面積を大きくすると、分散スロープの絶対値が大きくなってしまうので、従来の単一モード光ファイバは波長１．５５μｍで波長分散の絶対値が好適でないか、分散スロープの絶対値が大きいもの、または実効コア断面積の小さなものであって、高密度波長分割多重（ＤｅｎｓｅＷＤＭ：ＤＷＤＭ）伝送システムの光伝送路として用いると、非線形光学現象による信号劣化を十分に抑制することができないか、あるいは信号光波長帯域の広帯域化を図ることができない。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、非線形光学現象による信号劣化を十分に抑制することができ、かつ、信号光波長帯域の広帯域化を図ることができる単一モード光ファイバを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、コアと、このコアを覆うクラッドとからなる単一モード光ファイバにおいて、コアは最内層の第１コア層から最外層の第４コア層まで同心円状に積層された４層構造で形成されていると共に、第１コア層の屈折率分布の平均値をｎ１ａ、第２コア層の屈折率分布の平均値をｎ２ａ、第３コア層の屈折率分布の平均値をｎ３ａ、第４コア層の屈折率分布の平均値をｎ４ａ、クラッドの屈折率をｎ０とすると、クラッドの屈折率ｎ０に対する第１コア層の比屈折率差の平均値Δｎ１ａは０．３５〜０．４５％、クラッドの屈折率ｎ０に対する第２コア層の比屈折率差の平均値Δｎ２ａは０．０３０〜０．０５５％、クラッドの屈折率ｎ０に対する第３コア層の比屈折率差の平均値Δｎ３ａは０．０６〜０．０８％、クラッドの屈折率ｎ０に対する第４コア層の比屈折率差の平均値Δｎ４ａは−０．０２〜−０．０６％の範囲内にあり、かつ、コア中心ｒ０から第１コア層の外周までの半径ｒ１は３．２μｍ〜４．２μｍ、上記コア中心ｒ０から上記第２コア層の外周までの半径ｒ２は８．０μｍ〜９．０μｍ、コア中心ｒ０から上記第３コア層の外周までの半径ｒ３は１４．５μｍ〜１６．５μｍ、コア中心ｒ０から第４コア層の外周までの半径ｒ４は２４μｍ〜２６μｍの範囲内にあり、かつ波長１．５５μｍにおける波長分散の絶対値が６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ〜１２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの範囲内にあるものである。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、第１コア層の屈折率分布ｎ１の最大値が０．５５〜０．６５％、第２コア層の屈折率分布ｎ２の最小値が０．０１〜０．０３％、第３コア層の屈折率分布ｎ３の最大値が０．０９〜０．１１、第４コア層の屈折率分布ｎ４の最小値が−０．０３〜−０．０９％の範囲内にあるものである。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、第１コア層から第４コア層は、正の比屈折率差を得るときにドーパントとしてゲルマニウムが用いられ、負の屈折率差を得るときにドーパントとしてフッ素が用いられ、それぞれのドーピング量が調節されて所望の比屈折率差になるように形成されているものである。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の構成に加え、波長１．５５μｍにおける分散スロープの絶対値が０．０５０ｐｓ／ｎｍ／ｎｍ／ｋｍより大きく、０．０６５ｐｓ／ｎｍ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲内にあるものである。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の構成に加え、波長１．５５μｍにおける実効コア断面積が５８μｍ² 以上のものである。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の構成に加え、ケーブルカットオフ波長が１．４５μｍより小さいものである。
【００２１】
上記請求項１〜３の構成によれば、曲げ損失特性の劣化が防止されると共に、ケーブルカットオフ波長が１．４５μｍを超えず、また分散スロープも０．０６５ｐｓ／ｎｍ／ｎｍ／ｋｍより小さく抑えられ、非線形光学現象と累計分散との相互作用等による波形劣化が抑制される。
【００２２】
上記請求項４の構成によれば、波長分割多重数を増加させることができる。
【００２３】
上記請求項５の構成によれば、非線形光学現象による信号劣化を実用に十分な程度に抑制できる。
【００２４】
上記請求項６の構成によれば、信号光波長帯域の広帯域化が図られる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２６】
図１は本発明にかかる単一モード光ファイバの断面図である。図２は図１の単一モード光ファイバの屈折率分布を示す図である。図２中、横軸は半径を示し、縦軸は屈折率を示す。
【００２７】
図１に示すように、この単一モード光ファイバは、コア１〜４と、このコア１〜４を覆う屈折率ｎ０のクラッド５とからなり、コア１〜４は最内層から最外層の順に、コア中心ｒ０から外周までの半径がｒ１で屈折率分布の平均値がｎ１ａの第１コア層１、コア中心ｒ０から外周までの半径がｒ２で屈折率分布の平均値がｎ２ａの第２コア層２、コア中心ｒ０から外周までの半径がｒ３で屈折率分布の平均値がｎ３ａの第３コア層３、コア中心ｒ０から外周までの半径がｒ４で屈折率分布の平均値がｎ４ａの第４コア層４が同心円状に積層された４層構造で形成されている。
【００２８】
また、これら第１コア層１から第４コア層４の屈折率分布の平均値は、ｎ１ａ＞ｎ２ａ、ｎ２ａ＜ｎ３ａ、ｎ３ａ＞ｎ４ａ、ｎ４ａ＜ｎ０の関係を持ち、かつｎ１ａ＞ｎ０、ｎ２ａ＞ｎ０、ｎ３ａ＞ｎ０の関係を持つ（図２参照）。
【００２９】
第１コア層１は、半径ｒ１が３．２μｍ〜４．２μｍ、クラッド５の屈折率ｎ０に対する比屈折率差の平均値Δｎ１ａが０．３５〜０．４５％、屈折率分布ｎ１の最大値が０．５５〜０．６５％の範囲内にある。
【００３０】
第２コア層２は、半径ｒ２が８．０μｍ〜９．０μｍ、クラッド５の屈折率ｎ０に対する比屈折率差の平均値Δｎ２ａが０．０３０〜０．０５５％、屈折率分布ｎ２の最小値が０．０１〜０．０３％の範囲内にある。
【００３１】
第３コア層３は、半径ｒ３が１４．５μｍ〜１６．５μｍ、クラッド５の屈折率ｎ０に対する比屈折率差の平均値Δｎ３ａが０．０６〜０．０８％、屈折率分布ｎ３の最大値が０．０９〜０．１１％の範囲内にある。
【００３２】
第４コア層４は、半径ｒ４が２４μｍ〜２６μｍ、クラッド５の屈折率ｎ０に対する比屈折率差の平均値Δｎ４ａが−０．０２〜−０．０６％、屈折率分布ｎ４の最小値が−０．０３〜−０．０９％の範囲内にある。
【００３３】
ここで、比屈折率差の平均値Δｎｉａ（ｉ＝１〜４）は、コア層１〜４の屈折率分布の平均値をｎｉａ（ｉ＝１〜４）としたとき、数１式で表される。
【００３４】
【数１】
Δｎｉａ＝（ｎｉａ²−ｎ０² ）／２ｎｉａ²
また、波長１．５５μｍにおいては、波長分散の絶対値が６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ〜１２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの範囲内にあり、分散スロープの絶対値が０．０５０ｐｓ／ｎｍ／ｎｍ／ｋｍより大きく、０．０６５ｐｓ／ｎｍ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲内にあり、実効コア断面積が５８μｍ² 以上である。
【００３５】
そして、ケーブルカットオフ波長が１．４５μｍより小さい。
【００３６】
次に、最適条件についての根拠を説明する。
【００３７】
第１コア層１の比屈折率差の平均値Δｎ１ａを０．３５〜０．４５％、最大値を０．５５〜０．６５％とするのは、平均値が０．３５％、最大値で０．５５％より小さくなると曲げ損失特性が劣化しケーブル化した際の損失増加の可能性があり、実用的でなくなるからである。また、平均値が０．４５％、最大値で０．６５％より大きくなるとケーブルカットオフ波長と呼ばれる単一モード光ファイバにとって重要な特性がＳバンド領域（１．４５μｍ〜１．５３μｍ）を超えてしまい、広帯域の伝送路として使用が不可能になるからである。
【００３８】
また、コア中心ｒ０から第１コア層１の外周までの半径ｒ１を３．２μｍ〜４．２μｍの範囲内とするのは、半径ｒ１が３．２μｍより小さくなると同様に曲げ耐性が悪くなり、４．２μｍより大きくなるとケーブルカットオフ波長が大きくなり、実用的ではないからである。
【００３９】
第２コア層２の比屈折率差の平均値Δｎ２ａを０．０３０〜０．０５５％、最小値を０．０１〜０．０３％とするのは、平均値が０．０３０％、最小値で０．０１％より小さくなると曲げ損失特性が劣化するからである。また、平均値が０．０５５％、最小値で０．０３％より大きくなると分散スロープが０．０６５ｐｓ／ｎｍ／ｎｍ／ｋｍより大きくなり、波長分割多重数の増加にとって不利になるからである。
【００４０】
また、コア中心ｒ０から第２コア層２の外周までの半径ｒ２を８．０μｍ〜９．０μｍの範囲内とするのは、半径ｒ２が８．０μｍより小さくするとケーブルカットオフ波長が大きくなり、実用的ではないからである。また半径ｒ２が９．０μｍより大きくなると、曲げ損失特性が劣化するからである。
【００４１】
第３コア層３の比屈折率差の平均値Δｎ３ａを０．０６〜０．０８％、最大値を０．０９〜０．１１％とするのは、平均値が０．０６％、最大値で０．０９％より小さくなると分散スロープが０．０６５ｐｓ／ｎｍ／ｎｍ／ｋｍより大きくなり、波長分割多重数の増加にとって不利になるからである。平均値が０．０８％、最大値で０．１１％より大きくなるとケーブルカットオフ波長が大きくなり、実用的ではないからである。
【００４２】
また、コア中心ｒ０から第３コア層３の外周までの半径ｒ３を１４．５μｍ〜１６．５μｍの範囲内とするのは、半径ｒ３が１４．５μｍより小さくなると分散スロープが０．０６５ｐｓ／ｎｍ／ｎｍ／ｋｍより大きくなり、波長分割多重数の増加にとって不利になるからである。また、半径ｒ３が１６．５μｍより大きくなると曲げ損失特性が劣化するからである。
【００４３】
第４コア層４の比屈折率差の平均値Δｎ４ａを−０．０２〜−０．０６％、最小値を−０．０３〜−０．０９％の範囲内とするのは、本単一モード光ファイバの製造方法であるＶＡＤ法のスート堆積工程においてフッ素を添加して得られる屈折率の最大低減効果の平均値が−０．０６％、最小値で−０．０９％であるからである。平均値が−０．０２％、最小値で−０．０３％より大きくなるとケーブルカットオフ波長が大きくなり、実用的ではないからである。
【００４４】
また、コア中心ｒ０から第４コア層４の外周までの半径ｒ４を２４μｍ〜２６μｍの範囲内とするのは、半径ｒ４が２４μｍより小さくなるとケーブルカットオフ波長が大きくなり、実用的でないからである。また、半径ｒ４が２６μｍより大きくなると曲げ損失特性が劣化するからである。
【００４５】
これらの条件を総合的に平衡をとることによって、波長１．５５μｍにおける波長分散の絶対値が６〜１２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、波長１．５５μｍにおける分散スロープの絶対値が０．０５５ｐｓ／ｎｍ／ｎｍ／ｋｍより大きく０．０６５ｐｓ／ｎｍ／ｎｍ／ｋｍ以下、波長１．５５μｍにおける実効コア断面積が５８μｍ² 以上、ケーブルカットオフ波長が１．４５μｍより小さい単一モード光ファイバになる。
【００４６】
次に、図１単一モード光ファイバの作用を図３、図４を用いて説明する。
【００４７】
図３は図１に示した単一モード光ファイバの波長分散特性を示す図であり、図４は図１に示した単一モード光ファイバの波長損失特性を示す図である。
【００４８】
図１に示した単一モード光ファイバの第１コア層１から第４コア層４を形成するに際しては、正の比屈折率差を得るときにドーパントとしてゲルマニウムが用いられ、負の屈折率差を得るときにドーパントとしてフッ素が用いられ、それぞれのドーピング量が調節されて、各コア層１〜４及びクラッド５が上述した値の比屈折率差になるように形成される。
【００４９】
このようにして形成された単一モード光ファイバは、図３に示すように、波長１．５５μｍ帯における波長分散が６〜１２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍなので、ＦＷＭの影響による信号劣化の発生及び自己位相変調（ＳｅｌｆＰｈａｓｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＳＰＭ）と累積分散との相互作用等による信号劣化の発生を抑制することができる。
【００５０】
さらに分散スロープの絶対値は、０．０５０ｐｓ／ｎｍ／ｎｍ／ｋｍより大きく、０．０６５ｐｓ／ｎｍ／ｎｍ／ｋｍ以下と十分に小さいので、波長分割多重数を増加させ、信号光波長帯域を広帯域化することができる。
【００５１】
また、本実施の形態の単一モード光ファイバは、波長１．５５μｍにおける実効コア断面積が５８μｍ² 以上であるので、ＦＷＭ等の非線形光学現象による信号劣化を抑制することができる。
【００５２】
また、信号光波長帯域として、Ｃバンド（１．５３μｍ〜１．５６μｍ）、Ｌバンド（１．５６μｍ〜１．６５μｍ）に加えて、Ｓバンド（１．４５μｍ〜１．５３μｍ）を使用したＤＷＤＭ伝送の実用化も検討されているが、本実施の形態の単一モード光ファイバは、ケーブルカットオフ波長が１．４５μｍより小さく、これに適用できるので、信号光波長帯域を広帯域化することができる。
【００５３】
さらに、本実施の形態の単一モード光ファイバは、図４に示すように、ファイバ曲げ損失特性が劣化せず、ケーブル化した際に損失が増加する可能性が小さくなる。
【００５４】
【実施例】
次に、本発明のより具体的な実施例について説明する。
【００５５】
実施例の単一モード光ファイバは、図２に示した屈折率分布をもつものであり、Δｎ１の平均値＝０．４０％、最大値＝０．６０％、Δｎ２の平均値＝０．０５％、最小値＝０．０２％、Δｎ３の平均値＝０．０７％、最大値＝０．１０％、Δｎ４の平均値＝−０．０４％、最小値＝−０．０５％とし、かつ、ｒ１＝３．７μｍ、ｒ２＝８．５μｍ、ｒ３＝１５．５μｍ、ｒ４＝２５μｍとする。また、光ファイバ外径は一般には１２５μｍである。
【００５６】
この本実施例の特性を、図５から図８を用いて従来例と比較する。
【００５７】
図５は本実施例と従来技術の光出力に対するビット誤り率を示す図であり、図６は本実施例と従来技術の光出力に対するＳ／Ｎ比の良い伝送が行われることを表すＱ値を示す図である。図５、図６中、黒丸を繋いだ線は本実施例の値を示し、黒三角を繋いだ線は従来の単一モード光ファイバの値を示す。
【００５８】
尚、条件としては１０Ｇｂｐｓ、１６チャンネル、１００×４ｋｍとした。
【００５９】
図５に示すように、本実施例のビット誤り率は、光出力が−５で１．４８４１Ｅ−０９、光出力が０で４．５７９９Ｅ−２７、光出力が５で９．９９９９Ｅ−４１であるのに対して、従来技術のビット誤り率は、光出力が−５で０．００１２２５、光出力が０で１．７Ｅ−０８、光出力が５で５．８６Ｅ−１４であり、本実施例は従来技術よりも大幅にビット誤り率を低下できることが分かる。
【００６０】
また、図６に示すように、本実施例のＱ値は、光出力が−５で１７．２３８６１、光出力が０で２０．４３８８６、光出力が５で２１．５１３２４であるのに対して、従来技術のＱ値は、光出力が−５で９．５８９８７、光出力が０で１４．９５４９９、光出力が５で１７．４９０７７であり、本実施例は従来技術よりもＳ／Ｎ比の良い伝送を行えることが分かる。
【００６１】
また、図７は本実施例と従来技術の実効コア断面積に対する非線形屈折率を示す図であり、図８は本実施例と従来技術の波長に対する波長分散を示す図である。図７中、黒丸は本実施例の値を示し、黒三角は従来の単一モード光ファイバの値を示し、黒四角は従来の分散シフトファイバの値を示す。図８中、ｈは本実施例の特性を示し、ｓは従来の単一モード光ファイバの特性を示し、ｄは従来の分散シフトファイバの特性を示す。
【００６２】
図７に示すように、本実施例は実効コア断面積が６３μｍ² のもので非線形屈折率が２．３４９９、非線形定数が３．７３であるのに対して、従来の単一モード光ファイバは実効コア断面積が８４．９μｍ²のもので非線形屈折率が２．４１１１６、非線形定数が２．８４であり、また従来の分散シフトファイバは実効コア断面積が５０μｍ² のもので非線形屈折率が２．４５、非線形定数が４．９であり、本実施例は、従来技術と比べ、実効コア断面積の大きさに対する信号伝送品質の劣化が大幅に少ないことが分かる。
【００６３】
また、図８に示すように、本実施例は、波長１．５５μｍにおいて波長分散が７．９ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるのに対して、従来の単一モード光ファイバは約１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、また従来の分散シフトファイバは約０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、本実施例は、従来技術と比べ、信号劣化を十分に抑制できることが分かる。
【００６４】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、非線形光学現象による信号劣化を十分に抑制することができ、かつ、信号光波長帯域の広帯域化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す単一モード光ファイバの断面図である。
【図２】図１の単一モード光ファイバの屈折率分布を示す図である。
【図３】図１の単一モード光ファイバの波長分散特性を示す図である。
【図４】図１の単一モード光ファイバの波長損失特性を示す図である。
【図５】本実施例と従来技術の光出力に対するビット誤り率を示す図である。
【図６】本実施例と従来技術の光出力に対するＱ値を示す図である。
【図７】本実施例と従来技術の実効コア断面積に対する非線形屈折率を示す図である。
【図８】本実施例と従来技術の波長に対する波長分散を示す図である。
【符号の説明】
１第１コア層（コア）
２第２コア層（コア）
３第３コア層（コア）
４第４コア層（コア）
５クラッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a single mode optical fiber suitable for use as an optical transmission line or the like in a wavelength division multiplexing transmission system.
[0002]
[Prior art]
As one of systems that transmit large amounts of information, a wavelength division multiplexing (WDM) transmission system has been put into practical use.
[0003]
The WDM transmission system is a system that can transmit high-speed and large-capacity information by performing optical communication using signal light having multiple wavelengths in the 1.55 μm band.
[0004]
In such a WDM transmission system, the interaction due to the nonlinear optical phenomenon between the wavelength division multiplexed signal channels, the shift of chromatic dispersion for each signal channel, and the like become important problems.
[0005]
Conventional standard optical fibers such as a single mode optical fiber for a wavelength band of 1.3 μm (for example, see Patent Document 1) and a 1.55 μm band dispersion-shifted fiber (for example, see Patent Document 2) are used. Although WDM transmission is possible even if it is used as a transmission line, there are restrictions due to the characteristics of the optical fiber depending on the transmission capacity and transmission distance.
[0006]
In general, when the energy density of light propagating in glass increases, various phenomena called nonlinear optical effects occur. In particular, in WDM transmission, a large number of signal lights having slightly different wavelengths propagate through one optical fiber at the same time, so four-wave mixing (FWM) or cross-phase modulation (XPM) is performed. The effect of nonlinear interaction between different wavelengths, which is called, becomes significant, and the nonlinear optical effect causes deterioration in signal transmission quality. Therefore, it is desirable that this nonlinearity be as small as possible for an optical fiber for WDM transmission.
[0007]
A nonlinear constant, which is one of the indexes representing the nonlinearity of the optical fiber, is defined by the following equation.
[0008]
Nonlinear constant = (nonlinear refractive index) / (effective core area)
Here, the nonlinear refractive index is a physical constant that basically depends on the glass composition. On the other hand, the effective core cross-sectional area is a parameter that represents the degree of spread in the optical fiber cross section of the light intensity of the signal light propagating in the optical fiber, and depends on the structure of the optical fiber.
[0009]
As is clear from this definition, the effective core area can be increased to reduce the nonlinearity of the optical fiber.
[0010]
Further, there is a chromatic dispersion characteristic as an important transmission characteristic of an optical fiber. In general, in order to realize long-distance high-speed optical transmission, it is necessary that the absolute value of chromatic dispersion is small at the signal light wavelength in order to suppress signal distortion. However, in WDM transmission, when chromatic dispersion is small, optical signals having slightly different wavelengths are likely to be phase-matched, so that nonlinear interactions such as FWM are likely to occur. In order to suppress this, it is better that the absolute value of the chromatic dispersion of the optical fiber is rather large in the signal light wavelength region.
[0011]
Furthermore, when trying to expand the wavelength band to be used in order to increase the number of wavelength division multiplexing, a shift in the chromatic dispersion value within the band becomes a problem. This wavelength dependency of chromatic dispersion is called a dispersion slope. A long-distance and large-capacity WDM transmission line is required to have an absolute value of the dispersion slope as small as possible.
[0012]
[Patent Document 1]
JP 2002-82249 A [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-90567
[Problems to be solved by the invention]
However, if the effective core cross-sectional area is increased, the absolute value of the dispersion slope increases. Therefore, the conventional single mode optical fiber has a wavelength of 1.55 μm and the absolute value of chromatic dispersion is not suitable, or the absolute value of the dispersion slope. When it is used as an optical transmission line of a high-density wavelength division multiplexing (Dense WDM: DWDM) transmission system, it can sufficiently suppress signal degradation due to nonlinear optical phenomena. Or the signal light wavelength band cannot be widened.
[0014]
Accordingly, an object of the present invention has been made to solve the above-described problems, and can sufficiently suppress signal deterioration due to a nonlinear optical phenomenon and can broaden a signal light wavelength band. It is to provide a single mode optical fiber.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of claim 1 is a single mode optical fiber comprising a core and a clad covering the core, wherein the core is from the innermost first core layer to the outermost fourth core layer. It is formed by a concentric four-layer structure, the average value of the refractive index distribution of the first core layer is n1a, the average value of the refractive index distribution of the second core layer is n2a, and the refractive index of the third core layer When the average value of the refractive index distribution is n3a, the average value of the refractive index distribution of the fourth core layer is n4a, and the refractive index of the cladding is n0, the average value Δn1a of the relative refractive index difference of the first core layer with respect to the refractive index n0 of the cladding. Is 0.35 to 0.45%, the average value Δn2a of the relative refractive index difference of the second core layer relative to the refractive index n0 of the cladding is 0.030 to 0.055%, and the third core layer relative to the refractive index n0 of the cladding is The average value Δn3a of the relative refractive index difference is 0.06 to 0.08%, the average value Δn4a of the relative refractive index difference of the fourth core layer with respect to the refractive index n0 of the cladding is in the range of −0.02 to −0.06%, and from the core center r0 to the first core layer The radius r1 from the core center r0 to the outer periphery of the second core layer is 8.0 μm to 9.0 μm, and the radius r1 from the core center r0 to the outer periphery of the third core layer is 3.2 μm to 4.2 μm. The radius r3 to the outer periphery is 14.5 μm to 16.5 μm, the radius r4 from the core center r0 to the outer periphery of the fourth core layer is in the range of 24 μm to 26 μm, and the absolute value of chromatic dispersion at a wavelength of 1.55 μm is It is in the range of 6 ps / nm / km to 12 ps / nm / km.
[0016]
According to a second aspect of the invention, in addition to the structure according to claim 1, the maximum value of 0.55 to 0.65% of the refractive index distribution n1 of the first core layer, a minimum of the refractive index distribution n2 of the second core layer The value is 0.01 to 0.03%, the maximum value of the refractive index distribution n3 of the third core layer is 0.09 to 0.11, and the minimum value of the refractive index distribution n4 of the fourth core layer is −0.03. It is in the range of -0.09%.
[0017]
In addition to the structure of claim 1 or 2 , the invention of claim 3 uses germanium as a dopant when the first core layer to the fourth core layer obtain a positive relative refractive index difference, and negative refraction. Fluorine is used as a dopant when obtaining the difference in rate, and each doping amount is adjusted so that a desired relative refractive index difference is obtained.
[0018]
In addition to the structure according to any one of claims 1 to 3 , the invention of claim 4 has an absolute value of a dispersion slope at a wavelength of 1.55 μm greater than 0.050 ps / nm / nm / km, and 0.065 ps / nm. / Nm / km or less.
[0019]
According to a fifth aspect of the present invention, in addition to the structure according to any one of the first to fourth aspects, the effective core area at a wavelength of 1.55 μm is 58 μm ² or more.
[0020]
According to a sixth aspect of the present invention, in addition to the configuration according to any one of the first to fifth aspects, the cable cutoff wavelength is smaller than 1.45 μm.
[0021]
According to the configurations of the first to third aspects, the deterioration of the bending loss characteristic is prevented, the cable cutoff wavelength does not exceed 1.45 μm, and the dispersion slope is smaller than 0.065 ps / nm / nm / km. Waveform deterioration due to interaction between nonlinear optical phenomenon and cumulative dispersion is suppressed.
[0022]
According to the configuration of the fourth aspect, the number of wavelength division multiplexing can be increased.
[0023]
According to the configuration of the fifth aspect , signal deterioration due to the nonlinear optical phenomenon can be suppressed to a practically sufficient level.
[0024]
According to the configuration of the sixth aspect , the signal light wavelength band can be widened.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0026]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a single mode optical fiber according to the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a refractive index profile of the single mode optical fiber of FIG. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the radius, and the vertical axis indicates the refractive index.
[0027]
As shown in FIG. 1, this single mode optical fiber includes cores 1 to 4 and a clad 5 having a refractive index n0 covering the cores 1 to 4, and the cores 1 to 4 are in order from the innermost layer to the outermost layer. A first core layer 1 having a radius r1 from the core center r0 to the outer periphery and an average value of refractive index distribution n1a, and a second core having a radius r2 from the core center r0 to the outer periphery and an average value of refractive index distribution n2a. Layer 2, the third core layer 3 whose radius from the core center r0 to the outer periphery is r3 and the average value of the refractive index distribution is n3a, and whose radius from the core center r0 to the outer periphery is r4 and whose average value of the refractive index distribution is n4a The four-core layer 4 is formed in a four-layer structure in which concentric circles are stacked.
[0028]
The average values of the refractive index distributions of the first core layer 1 to the fourth core layer 4 have a relationship of n1a> n2a, n2a <n3a, n3a> n4a, n4a <n0, and n1a> n0, n2a>. There is a relationship of n0, n3a> n0 (see FIG. 2).
[0029]
The first core layer 1 has a radius r1 of 3.2 μm to 4.2 μm, an average relative refractive index difference Δn1a of the cladding 5 with respect to the refractive index n0 of 0.35 to 0.45%, and a maximum value of the refractive index distribution n1. Is in the range of 0.55 to 0.65%.
[0030]
The second core layer 2 has a radius r2 of 8.0 μm to 9.0 μm, an average value Δn2a of a relative refractive index difference with respect to the refractive index n0 of the cladding 5 of 0.030 to 0.055%, and a minimum value of the refractive index distribution n2. Is in the range of 0.01 to 0.03%.
[0031]
The third core layer 3 has a radius r3 of 14.5 μm to 16.5 μm, an average relative refractive index difference Δn3a of the cladding 5 with respect to the refractive index n0 of 0.06 to 0.08%, and a maximum value of the refractive index distribution n3. Is in the range of 0.09 to 0.11%.
[0032]
The fourth core layer 4 has a radius r4 of 24 μm to 26 μm, an average relative refractive index difference Δn4a of the cladding 5 with respect to the refractive index n0 of −0.02 to −0.06%, and a minimum value of the refractive index distribution n4 of −4. It exists in the range of 0.03-0.09%.
[0033]
Here, the average value Δnia (i = 1 to 4) of the relative refractive index difference is expressed by Equation 1 when the average value of the refractive index distribution of the core layers 1 to 4 is set to nia (i = 1 to 4). Is done.
[0034]
[Expression 1]
Δnia = (nia ² −n0 ² ) / 2nia ²
At a wavelength of 1.55 μm, the absolute value of chromatic dispersion is in the range of 6 ps / nm / km to 12 ps / nm / km, and the absolute value of the dispersion slope is greater than 0.050 ps / nm / nm / km, It is in the range of 0.065 ps / nm / nm / km or less, and the effective core area is 58 μm ² or more.
[0035]
The cable cutoff wavelength is smaller than 1.45 μm.
[0036]
Next, the basis for the optimum condition will be described.
[0037]
The average value Δn1a of the relative refractive index difference of the first core layer 1 is 0.35 to 0.45% and the maximum value is 0.55 to 0.65% because the average value is 0.35% and the maximum value. If the ratio is less than 0.55%, the bending loss characteristics deteriorate and there is a possibility of increasing the loss when the cable is formed, which is not practical. Also, when the average value is 0.45% and the maximum value is larger than 0.65%, an important characteristic for a single mode optical fiber called a cable cutoff wavelength exceeds the S-band region (1.45 μm to 1.53 μm). This is because it cannot be used as a broadband transmission line.
[0038]
Further, the reason why the radius r1 from the core center r0 to the outer periphery of the first core layer 1 is within the range of 3.2 μm to 4.2 μm is that bending resistance is similarly deteriorated when the radius r1 is smaller than 3.2 μm. This is because if it exceeds 4.2 μm, the cable cutoff wavelength increases, which is not practical.
[0039]
The average value Δn2a of the relative refractive index difference of the second core layer 2 is 0.030 to 0.055%, and the minimum value is 0.01 to 0.03%. The average value is 0.030% and the minimum value. This is because the bending loss characteristics deteriorate when the content is smaller than 0.01%. Further, when the average value is 0.055% and the minimum value is larger than 0.03%, the dispersion slope becomes larger than 0.065 ps / nm / nm / km, which is disadvantageous for the increase in the number of wavelength division multiplexing.
[0040]
In addition, the radius r2 from the core center r0 to the outer periphery of the second core layer 2 is set within the range of 8.0 μm to 9.0 μm. If the radius r2 is smaller than 8.0 μm, the cable cutoff wavelength increases. This is because it is not practical. Further, when the radius r2 is larger than 9.0 μm, the bending loss characteristic is deteriorated.
[0041]
The average value Δn3a of the relative refractive index difference of the third core layer 3 is 0.06 to 0.08%, the maximum value is 0.09 to 0.11%, the average value is 0.06%, the maximum value This is because the dispersion slope becomes larger than 0.065 ps / nm / nm / km and becomes disadvantageous for the increase in the number of wavelength division multiplexing. This is because if the average value is 0.08% and the maximum value is greater than 0.11%, the cable cutoff wavelength increases, which is not practical.
[0042]
Also, the radius r3 from the core center r0 to the outer periphery of the third core layer 3 is in the range of 14.5 μm to 16.5 μm because the dispersion slope is 0.065 ps / nm when the radius r3 is smaller than 14.5 μm. This is because it becomes larger than / nm / km, which is disadvantageous for an increase in the number of wavelength division multiplexing. Further, when the radius r3 is larger than 16.5 μm, the bending loss characteristics deteriorate.
[0043]
The average value Δn4a of the relative refractive index difference of the fourth core layer 4 is in the range of −0.02 to −0.06%, and the minimum value is in the range of −0.03 to −0.09%. This is because the average value of the maximum reduction effect of the refractive index obtained by adding fluorine in the soot deposition process of the VAD method, which is a mode optical fiber manufacturing method, is -0.06%, and the minimum value is -0.09%. is there. This is because if the average value is -0.02% and the minimum value is larger than -0.03%, the cable cutoff wavelength increases, which is not practical.
[0044]
Also, the reason why the radius r4 from the core center r0 to the outer periphery of the fourth core layer 4 is in the range of 24 μm to 26 μm is that when the radius r4 is smaller than 24 μm, the cable cutoff wavelength increases, which is not practical. . Further, when the radius r4 is larger than 26 μm, the bending loss characteristic is deteriorated.
[0045]
By comprehensively balancing these conditions, the absolute value of chromatic dispersion at a wavelength of 1.55 μm is 6 to 12 ps / nm / km, and the absolute value of the dispersion slope at a wavelength of 1.55 μm is 0.055 ps / nm / nm. Is a single mode optical fiber greater than / km and 0.065 ps / nm / nm / km or less, an effective core area of 58 μm ² or more at a wavelength of 1.55 μm, and a cable cutoff wavelength of less than 1.45 μm.
[0046]
Next, the operation of the single mode optical fiber of FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
[0047]
3 is a diagram showing the chromatic dispersion characteristics of the single mode optical fiber shown in FIG. 1, and FIG. 4 is a diagram showing the wavelength loss characteristics of the single mode optical fiber shown in FIG.
[0048]
In forming the first core layer 1 to the fourth core layer 4 of the single-mode optical fiber shown in FIG. 1, germanium is used as a dopant when obtaining a positive relative refractive index difference, and a negative refractive index difference is obtained. Fluorine is used as a dopant when obtaining the above, the respective doping amounts are adjusted, and the core layers 1 to 4 and the clad 5 are formed to have a relative refractive index difference of the above-described value.
[0049]
As shown in FIG. 3, the single-mode optical fiber formed in this way has a wavelength dispersion of 6 to 12 ps / nm / km in the 1.55 μm wavelength band. It is possible to suppress the occurrence of signal deterioration due to the interaction between modulation (Self Phase Modulation: SPM) and cumulative dispersion.
[0050]
Furthermore, the absolute value of the dispersion slope is sufficiently smaller than 0.050 ps / nm / nm / km and 0.065 ps / nm / nm / km or less, so the number of wavelength division multiplexing is increased and the signal light wavelength band is widened. Can be
[0051]
In addition, since the single-mode optical fiber of the present embodiment has an effective core area of 58 μm ² or more at a wavelength of 1.55 μm, signal degradation due to nonlinear optical phenomena such as FWM can be suppressed.
[0052]
In addition to the C band (1.53 μm to 1.56 μm) and the L band (1.56 μm to 1.65 μm), the DWDM using the S band (1.45 μm to 1.53 μm) as the signal light wavelength band Although the practical use of transmission is also being studied, the single mode optical fiber of the present embodiment has a cable cut-off wavelength smaller than 1.45 μm and can be applied to this, so that the signal light wavelength band can be widened. it can.
[0053]
Furthermore, as shown in FIG. 4, the single mode optical fiber according to the present embodiment does not deteriorate the fiber bending loss characteristic, and the possibility that the loss increases when the cable is formed becomes small.
[0054]
【Example】
Next, more specific examples of the present invention will be described.
[0055]
The single mode optical fiber of the example has the refractive index distribution shown in FIG. 2, and the average value of Δn1 = 0.40%, the maximum value = 0.60%, and the average value of Δn2 = 0.05. %, Minimum value = 0.02%, average value of Δn3 = 0.07%, maximum value = 0.10%, average value of Δn4 = −0.04%, minimum value = −0.05%, and R1 = 3.7 μm, r2 = 8.5 μm, r3 = 15.5 μm, r4 = 25 μm. The outer diameter of the optical fiber is generally 125 μm.
[0056]
The characteristics of this embodiment will be compared with those of the conventional example with reference to FIGS.
[0057]
FIG. 5 is a diagram showing a bit error rate with respect to the optical output of the present embodiment and the prior art, and FIG. 6 is a Q value indicating that transmission with a good S / N ratio is performed for the optical output of the present embodiment and the prior art. FIG. In FIG. 5 and FIG. 6, the line connecting the black circles shows the value of this embodiment, and the line connecting the black triangles shows the value of the conventional single mode optical fiber.
[0058]
The conditions were 10 Gbps, 16 channels, 100 × 4 km.
[0059]
As shown in FIG. 5, the bit error rate of this embodiment is 1.4841E-09 when the optical output is -5, 4.5799E-27 when the optical output is 0, and 9.9999E-41 when the optical output is 5. On the other hand, the bit error rate of the prior art is 0.001225 when the optical output is -5, 1.7E-08 when the optical output is 0, and 5.86E-14 when the optical output is 5. It can be seen that the example can significantly lower the bit error rate than the prior art.
[0060]
In addition, as shown in FIG. 6, the Q value of the present embodiment is 17.23861 when the optical output is -5, 20.43886 when the optical output is 0, and 21.51324 when the optical output is 5. The Q value of the prior art is 9.5987 for an optical output of −5, 14.95499 for an optical output of 0, and 17.49077 for an optical output of 5. This embodiment has an S / N ratio higher than that of the prior art. It can be seen that good transmission can be performed.
[0061]
FIG. 7 is a diagram showing the nonlinear refractive index with respect to the effective core area of the present embodiment and the prior art, and FIG. 8 is a diagram showing wavelength dispersion with respect to the wavelength of the present embodiment and the prior art. In FIG. 7, the black circles indicate the values of this example, the black triangles indicate the values of the conventional single mode optical fiber, and the black squares indicate the values of the conventional dispersion-shifted fiber. In FIG. 8, h represents the characteristics of this example, s represents the characteristics of a conventional single mode optical fiber, and d represents the characteristics of a conventional dispersion-shifted fiber.
[0062]
As shown in FIG. 7, this example has an effective core area of 63 μm ² , a nonlinear refractive index of 2.3499, and a nonlinear constant of 3.73, whereas a conventional single mode optical fiber has The effective core area is 84.9 μm ² , the nonlinear refractive index is 2.41116, the nonlinear constant is 2.84, and the conventional dispersion-shifted fiber has an effective core area of 50 μm ² and a nonlinear refractive index. The non-linear constant is 2.45 and the non-linear constant is 4.9, and it can be seen that the signal transmission quality with respect to the size of the effective core area is significantly less in the present embodiment than in the conventional technique.
[0063]
In addition, as shown in FIG. 8, in this example, the wavelength dispersion is 7.9 ps / nm / km at a wavelength of 1.55 μm, whereas the conventional single mode optical fiber is about 17 ps / nm / km. In addition, the conventional dispersion-shifted fiber is about 0 ps / nm / km, and it can be seen that the present embodiment can sufficiently suppress the signal deterioration as compared with the conventional technique.
[0064]
【The invention's effect】
In short, according to the present invention, signal degradation due to nonlinear optical phenomena can be sufficiently suppressed, and the signal light wavelength band can be widened.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a single mode optical fiber showing an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a refractive index profile of the single mode optical fiber of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating chromatic dispersion characteristics of the single mode optical fiber of FIG. 1;
4 is a diagram showing wavelength loss characteristics of the single mode optical fiber of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a bit error rate with respect to the optical output of the present embodiment and the prior art.
FIG. 6 is a diagram illustrating a Q value with respect to an optical output according to the present embodiment and the prior art.
FIG. 7 is a diagram showing a nonlinear refractive index with respect to the effective core area of this example and the prior art.
FIG. 8 is a diagram showing chromatic dispersion with respect to the wavelength of this example and the prior art.
[Explanation of symbols]
1 First core layer (core)
2 Second core layer (core)
3 Third core layer (core)
4 Fourth core layer (core)
5 Cladding

Claims

In a single mode optical fiber composed of a core and a clad covering the core, the core is formed in a four-layer structure in which concentric layers are laminated from the innermost first core layer to the outermost fourth core layer. In addition, the average value of the refractive index distribution of the first core layer is n1a, the average value of the refractive index distribution of the second core layer is n2a, the average value of the refractive index distribution of the third core layer is n3a, and When the average value of the refractive index distribution is n4a and the refractive index of the cladding is n0, the average value Δn1a of the relative refractive index difference of the first core layer with respect to the refractive index n0 of the cladding is 0.35 to 0.45%. The average value Δn2a of the relative refractive index difference of the second core layer with respect to the refractive index n0 of the cladding is 0.030 to 0.055%, and the average value of the relative refractive index difference of the third core layer with respect to the refractive index n0 of the cladding. Δn3a is 0.06 to 0.08%, above The average value Δn4a of the relative refractive index difference of the fourth core layer with respect to the refractive index n0 of the rad is in the range of −0.02 to −0.06%, and the outer periphery of the first core layer from the core center r0. The radius r1 is 3.2 μm to 4.2 μm, the radius r2 from the core center r0 to the outer periphery of the second core layer is 8.0 μm to 9.0 μm, and the outer periphery of the third core layer is from the core center r0. The radius r3 from 14.5 μm to 16.5 μm, the radius r4 from the core center r0 to the outer periphery of the fourth core layer is in the range from 24 μm to 26 μm, and the absolute value of chromatic dispersion at a wavelength of 1.55 μm Is in a range of 6 ps / nm / km to 12 ps / nm / km.

The maximum value of the refractive index distribution n1 of the first core layer is 0.55 to 0.65%, the minimum value of the refractive index distribution n2 of the second core layer is 0.01 to 0.03%, and the third core claim the maximum value of the refractive index distribution n3 layers 0.09 to 0.11, the minimum value of the refractive index distribution n4 of the fourth core layer is in the range of -0.03～-0.09% 1 Single mode optical fiber as described in 1.

In the first core layer to the fourth core layer, germanium is used as a dopant when obtaining a positive relative refractive index difference, and fluorine is used as a dopant when obtaining a negative refractive index difference. the single-mode optical fiber according to claim 1 or 2 but are regulated is formed to a desired relative refractive index difference.

The absolute value of the dispersion slope at a wavelength of 1.55μm is 0.050ps / nm / nm / greater than km, single according to any one of claims 1 to 3 in the 0.065ps / nm / nm / km in the range One mode optical fiber.

The single-mode optical fiber according to any of claims 1-4 effective core area at the wavelength of 1.55μm is 58 .mu.m ² or more.

The single mode optical fiber according to any one of claims 1 to 5 , wherein a cable cutoff wavelength is smaller than 1.45 µm.