JP4057709B2 - 多芯プラスチック光ファイバの高速通信方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多芯プラスチック光ファイバを用いた高速通信方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＥＤやＬＤを光源として、多芯プラスチック光ファイバを伝送媒体とした信号伝送はすでに公知である。Ｐｌａｓｔｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ ＆ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，９４，Ｐｒｏｃ．，１４８（１９９４）には１９芯の多芯プラスチック光ファイバと単芯プラスチック光ファイバの帯域測定のデータが記載されている。この文献は本発明者らによるものであるが、開口数ＮＡが０．２５の多芯プラスチック光ファイバの帯域は１００ｍあたり２１０ＭＨｚであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、プラスチック光ファイバを用いた信号伝送には、より高速での通信が望まれていた。しかしながら、現状ではプラスチック光ファイバの伝送帯域には限度があり、高速通信にも限界があった。
【０００４】
本発明の目的は、現状のプラスチック光ファイバとその周辺部材を用いて実質的に従来よりも伝送帯域を広くし、高速通信を可能にすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、直径が２０〜３００μｍで透明な芯樹脂からなる７本以上の芯繊維と、各芯繊維の周りを上記芯樹脂よりも屈折率の低い鞘樹脂でとり囲み且つ一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された多芯プラスチック光ファイバを光伝送媒体とし、レーザーダイオードを送信光源、ホトダイオードを受光素子とする伝送系において、多芯プラスチック光ファイバの直径が、該多芯プラスチック光ファイバに入射時の該レーザーダイオードの光スポット径よりも大きく、該ホトダイオードの口径が該光スポット径に対応する多芯プラスチック光ファイバの直径よりも小さいことを特徴とする多芯プラスチック光ファイバの高速通信方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明において光伝送媒体として用いられる多芯プラスチック光ファイバとは、透明な芯樹脂からなる複数の芯繊維と、その周りを鞘樹脂でとり囲み一まとめにした多芯プラスチック光ファイバ裸線であり、特に好ましくは多数の芯とその周りを屈折率が段階的に低くなる２層以上の鞘からなるものなどがあり、それらが一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造したものである。１本の光ファイバを構成する芯繊維の本数は７本以上であり、好ましくは７〜１０００本のものが使用され、芯の平均的な直径は２０μｍ〜３００μｍである。また、芯と該芯を取り巻く鞘の屈折率の差は０．００５〜０．２５の範囲のものが可能である。さらに多芯プラスチック光ファイバの中には芯とそれを囲む鞘層を第３の樹脂で全体を束ねたものも含まれる。
【０００７】
図１に、本発明で用いられる多芯プラスチック光ファイバの一例の断面を模式的に示す。図中、１は芯、２ａは第１鞘、２ｂは第２鞘、３は多芯プラスチック光ファイバ裸線であり、該裸線の周囲に被覆層４を形成してケーブル５が構成されている。通常プラスチック光ファイバは、このように被覆層によって保護してケーブルとして供される。本例は、鞘を２層構成とし、芯１の周囲を第１鞘２ａで取り囲み、さらに第１鞘２ａの周囲を第２鞘２ｂで取り囲んだものである。上記したように、第２鞘２ｂには第１鞘２ａよりも屈折率の低い樹脂が用いられる。尚、本発明で言うところの多芯プラスチック光ファイバの直径とは、図１に示される多芯プラスチック光ファイバ裸線３の直径、即ち鞘２ｂの外径を言う。また、多芯プラスチック光ファイバの直径が均一でない場合（断面が真円でない場合）には、最大径と最小径との平均をもって直径とする。
【０００８】
多芯プラスチック光ファイバの通信では、芯と鞘（多数層の鞘があるときは第１層目）の屈折率の差を小さくした方が広帯域が得られる。即ち、一般にステップインデックス型光ファイバの伝送帯域は光ファイバの開口数ＮＡで決まる。ＮＡは芯樹脂の屈折率の２乗と鞘樹脂の屈折率の２乗の差の平方根から求められ、通常のプラスチック光ファイバのＮＡは０．５前後であるが、より広帯域を必要とするときにはこの値が０．１０〜０．３５程度にまでにさげた光ファイバを用いる必要がある。
【０００９】
ところで、多芯プラスチック光ファイバの伝送帯域については単芯プラスチック光ファイバと同じものと考えるのが自然であろうが、本発明者の検討により、多芯プラスチック光ファイバはＮＡが同じでも伝送帯域が異なることを発明した。その理由としてひとつには、単芯プラスチック光ファイバが断面において芯と鞘との界面が円形であるのに対し、多芯プラスチック光ファイバは芯・鞘構造が緻密に配置され、芯と鞘との界面の形状がいびつになっているため、ＮＡが理論値よりも低くなっているのではないかと考えられる。これは特に２層鞘について言えることである。さらに多芯プラスチック光ファイバについては、単芯のプラスチック光ファイバとは異なり、通信系の中のホトダイオードの口径が伝送帯域の決定に影響があることがわかった。従来の帯域測定には、一般に、直径１．０ｍｍの大口径のアバランシェ・ホトダイオード（ＡＰＤ）が検出器として用いられていたが、最近では駆動電圧が低く安価な小口径のｐｉｎ・ホトダイオードが提供されている。
【００１０】
このような、小口径のｐｉｎ・ホトダイオードが入手可能である状況において、本発明者は、多芯プラスチック光ファイバに従来通り該ファイバの直径に対応した大口径のホトダイオードを組み合わせた場合に比較して、同じプラスチック光ファイバに該ファイバの直径よりも口径の小さいホトダイオードを受光素子として組み合わせた場合に、より高帯域が測定されることを見出し、本発明を達成した。
【００１１】
シリコンＰＤでは広帯域を出すものは直径そのものが小さくなければならないので大口径のプラスチック光ファイバの光を全部補足できないという懸念があった。単芯プラスチック光ファイバでは１本の大口径の芯に光が入射するため、該芯の中央部から入射した光は比較的ファイバの軸と入射光の角度が平行に近い低次モードの光になるのに対し、芯の外側に入射した光は入射角が最も広い高次モードの光となり、これらの混合光が１本の芯の中を透過していくために、帯域が制限されてしまう。このような単芯プラスチック光ファイバに該ファイバの直径よりも口径の小さいホトダイオードを組み合わせると、、ホトダイオードの直径の２乗の程度に光量ロスの影響が大きく、且つ低次モードの光の損失も大きい。
【００１２】
これに対し、多芯プラスチック光ファイバの場合も中央部の芯線に入射する光は平行光に近く、外側の芯線に入射する光は入射角の広い光となるが、多芯プラスチック光ファイバにおいては個々の芯線が独自のモードの光を伝送しているので、特に入射光の分布から強度の弱い外側の芯線に入る光を通信系から切り捨ててしまえば、光量ロスが小さく実質的に影響を受けない範囲でモード分布のシャープな信号伝送が可能になる。即ち、データリンクの受光素子の口径をプラスチック光ファイバの直径より小さくすることにより、多芯プラスチック光ファイバの全断面に入射する入射ＮＡ（ＬＮＡ）よりも小さな入射ＮＡに修正された通信が可能になる。しかもトランシーバの光源として、高速化のためレーザーダイオード（ＬＤ）を用いれば光源の入射ＮＡを小さくすることができ、光のスポットも０．２ｍｍ〜０．６ｍｍ程度には小さくできるので、口径の小さなｐｉｎ・ホトダイオードを用いる事が殆ど不利にならないのである。
【００１３】
このような理由で、本来多芯プラスチック光ファイバに決められた入射ＮＡで目一杯光を入射せしめ、受光素子でその全ての光を拾った場合に定義される伝送帯域は、同じ直径の単芯のプラスチック光ファイバと同じものであるが、口径がファイバの直径よりも小さいホトダイオードを使用することによって、悪影響を与える多芯プラスチック光ファイバの外側心線部の光がカットされ、より低い入射ＮＡに対応した高帯域が観測されることになるものと考えられる。ここでホトダイオードの直径はｐｉｎ・ホトダイオード、アバランシェ・ホトダイオードのいずれでも良く、直径が０．２〜０．７ｍｍ程度のものが使用できるが、いずれの場合でも多芯プラスチック光ファイバの直径よりもホトダイオードの直径が小さいことが必要である。ホトダイオードの口径が０．２ｍｍ未満では帯域としては良いが、光の量が少なくなるので好ましくない。より好ましくは０．４〜０．６ｍｍである。さらに好ましくは０．４５〜０．５５ｍｍである。
【００１４】
また、ホトダイオードの口径は、好ましくは、多芯プラスチック光ファイバの直径に対して０．３〜０．９倍であるものを選択する。
【００１５】
現在市場で調達出来るｐｉｎ・ホトダイオードでは２００Ｍｂｐｓ〜４００Ｍｂｐｓ程度だと０．８ｍｍφ程度のＰＤが利用でき、５００Ｍｂｐｓ程度では０．６ｍｍφ度のＰＤが、１Ｇｂｐｓになると０．４〜０．５ｍｍφ程度のｐｉｎ・ホトダイオードが利用できると思われる。
【００１６】
前記したように、本発明においては、多芯プラスチック光ファイバの直径よりも口径の小さい、好ましくは０．３〜０．９倍の口径のホトダイオードを組み合わせて用いるが、当該組み合わせにおいて、多芯プラスチック光ファイバをより大きな直径のものに代えて用いることが好ましい。つまり、必要以上に直径の大きな多芯プラスチック光ファイバを用いることが好ましい。これは多芯プラスチック光ファイバの直径がＬＤ光の光スポット径よりも大きい事を意味するが、多芯プラスチック光ファイバの直径を大きくすることにより、光ファイバの取り扱い性が非常に容易であることと、外側の芯が中央部の実質通信に関わる芯を機械的に保護し、熱的にも化学的にも保護する役割を果たし、信頼性の高い多芯プラスチック光ファイバを構成することができるからである。尚、必要以上に直径の大きなファイバを用いた場合、通信に関わらない外側の芯を除き、ＬＤ光の光スポット径に対応する直径をもって、本発明にかかるファイバの直径とする。
【００１７】
本発明に用いられる多芯プラスチック光ファイバの直径としては裸線として０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度であり、通常０．６〜１．１ｍｍ程度である。かかる多芯プラスチック光ファイバは複合紡糸によって多数の芯が同時に複合紡糸されて製造されるものであり、複合紡糸法で製造することにより各芯線の長さを実質的に均一にすることができる。そのため芯線間の信号に遅延差を生じない。唯一芯線間に長さの差が生じるケースは、多芯プラスチック光ファイバが捩じれて生産された時であるが、通常多芯プラスチック光ファイバの捩じれは２ｍ〜２０ｍで１回転以下にすることができる。仮に２ｍで１回捩じれると仮定すると此の場合の中央の芯の長さと外側の芯の長さの違いは５０ｍあたり０．２５ｍｍにしか過ぎず、遅延時間としては０．８ピコ秒にしか過ぎない。従って、この程度の捻じれであれば、本発明にはほとんど影響せず、用いることが可能である。
【００１８】
本発明の高速通信方法は、多芯プラスチック光ファイバの長さ×伝送帯域が１５０００ＭＨｚ・ｍ〜７５０００ＭＨｚ・ｍ程度の用途に特に好ましい。即ち、５０ｍあたり３００ＭＨｚ〜１．５ＧＨｚに相当する帯域のファイバとして用いる用途に相応しい。
【００１９】
本発明に用いるプラスチック光ファイバの開口数ＮＡは０．１〜０．８程度に適用できるが、特に好ましくは０．１５〜０．４であり、より好ましくは０．１５〜０．３５である。
【００２０】
【実施例】
（実施例）
芯樹脂として、屈折率が１．４９２、メルトフローインデックスが２３０℃、荷重３．８Ｋｇ、オリフィスの直径２ｍｍ、長さ８ｍｍの条件で、１．５ｇ／１０分であるポリメチルメタクリレート樹脂を用いた。第１鞘としては、１７ＦＭＡ（ヘプタデカフルオロデシルメタクリレート）１４重量％、４ＦＭ（テトラフルオロプロピルメタクリレート）６重量％、３ＦＭＡ（トリフルオロエチルメタクリレート）６重量％、ＭＭＡ（メチルメタクリレート）７４重量％をキャスト重合して、２３０℃、３．８Ｋｇ荷重におけるメルトフローインデックスが２５ｇ／１０分、屈折率が１．４７の樹脂を用いた。ＮＡは０．２６であった。第２鞘としてビニリデンフロライド８０モル％とテトラフロロエチレン２０モル％の共重合体で、上記第１鞘樹脂と同条件で測定したメルトフローインデックスが３０ｇ／１０分の樹脂を用いた。屈折率は１．４０２であった。複合紡糸ダイとしては、３７芯を有し、各々芯を第１鞘と第２鞘が二層に被覆する構造のものを用いた。この複合紡糸ダイに、芯樹脂の容積と第１鞘樹脂と第２鞘樹脂の容積の比率が８０対１０対１０になるように供給し、ダイから排出されるストランドを収束し、２倍に延伸して、直径１．００ｍｍの２鞘多芯プラスチック光ファイバ裸線を製造した。さらにこの裸線に黒色ポリエチレンで被覆し、２．２ｍｍの２鞘構造多芯プラスチック光ファイバケーブルを得た。この多芯プラスチック光ファイバの伝送損失は６５０ｎｍの波長で、入射ＮＡ０．１５で測定し１４０ｄＢ／ｋｍであった。
【００２１】
尚、ここで伝送帯域の測定は、パルス法によるもので６５０ｎｍのＬＤを用いて、図２の測定系によって求めた。図中、１１はドライバ、１２は送信光源であるレーザーダイオード、１３は入射ＮＡ設定光学系、１４は測定するプラスチック光ファイバ、１５は受光素子であるホトダイオード、１６はバイアス、１７は増幅器、１８はサンプリングオシロスコープ、１９は中央演算器（ＣＰＵ）、２０はパルス発生器、２１はディレイジェネレイターである。本実施例では、ホトダイオード１５として、０．５ｍｍの直径のｐｉｎ・ホトダイオードを用いて測定した。入射ＮＡは０．２５でおこなった。その結果、０．５ｍｍφのＰＤでは長さ５０ｍの多芯プラスチック光ファイバで測定した帯域が９００ＭＨｚであった。
【００２２】
（比較例１）
芯樹脂として、屈折率が１．４９２で、メルトフローインデックスが２３０℃、荷重３．８Ｋｇ、オリフィスの直径２ｍｍ、長さ８ｍｍの条件で、１．５ｇ／１０分であるポリメチルメタクリレート樹脂を用いた。鞘には、１７ＦＭＡ１４重量％、４ＦＭ６重量％、３ＦＭＡ６重量％、ＭＭＡ７４重量％をキャスト重合して、２３０℃、３．８Ｋｇ荷重におけるメルトフローインデックスが２５ｇ／１０分で屈折率が１．４７の樹脂を用いた。ＮＡは０．２６であった。複合紡糸ダイとしては、１９芯を有し、各々芯が鞘に取り囲まれた構造のものを用いた。該複合紡糸ダイに、芯樹脂と鞘樹脂の容積の比率が８０対２０になるように供給し、ダイから排出されるストランドを収束し、２倍に延伸して、直径１．００ｍｍの多芯プラスチック光ファイバ裸線を製造した。さらにこの裸線を黒色ポリエチレンで被覆し、直径が２．２ｍｍの多芯プラスチック光ファイバケーブルを得た。この多芯プラスチック光ファイバの伝送損失は６５０ｎｍの波長で、入射ＮＡ０．１５で測定して１３５ｄＢ／ｋｍであった。
【００２３】
尚、ここで帯域の測定はパルス法によるもので、図２の測定系によって求めた。ホトダイオードとしては、直径が１．０ｍｍのアバランシェ・ホトダイオードを用いた。入射ＮＡは０．２５で行なった。その結果、長さ５０ｍの多芯プラスチック光ファイバで測定した帯域は３９０ＭＨｚであった。
【００２４】
（比較例２）
芯樹脂として、屈折率が１．４９２、メルトフローインデックスが２３０℃、荷重３．８Ｋｇ、オリフィスの直径２ｍｍ、長さ８ｍｍの条件で、１．５ｇ／１０分であるポリメチルメタクリレート樹脂を用いた。第１鞘としては、１７ＦＭＡ１４重量％、４ＦＭ６重量％、３ＦＭＡ重量６％、ＭＭＡ７４重量％をキャスト重合して、２３０℃、３．８Ｋｇ荷重におけるメルトフローインデックスが２５ｇ／１０分、屈折率が１．４７の樹脂を用いた。ＮＡは０．２６であった。第２鞘としては、ビニリデンフロライド８０モル％とテトラフロロエチレン２０モル％の共重合体で、第１鞘と同条件で測定したメルトフローインデックスが３０ｇ／１０分の樹脂を用いた。屈折率は１．４０２であった。複合紡糸ダイとしては、単芯で第１鞘と第２鞘が二層に被覆する構造のものを用いた。この複合紡糸ダイに、芯樹脂の容積と第１鞘樹脂と第２鞘樹脂の容積の比率が９４対３対３になるように供給し、ダイから排出されるストランドを収束し、２倍に延伸して、直径１．００ｍｍの２鞘単芯プラスチック光ファイバ裸線を製造した。さらにこの裸線に黒色ポリエチレンで被覆し、２．２ｍｍの２鞘構造の単芯プラスチック光ファイバケーブルを得た。この単芯プラスチック光ファイバの伝送損失は６５０ｎｍの波長で、入射ＮＡ０．１５で測定し１３０ｄＢ／ｋｍであった。
【００２５】
上記単芯プラスチック光ファイバケーブルの伝送帯域を実施例１と同様にして測定した。ホトダイオード１５としては０．５ｍｍの直径のｐｉｎ・ホトダイオードを用いて測定した。入射ＮＡは０．２５でおこなった。その結果、０．５ｍｍφのＰＤでは長さ５０ｍの単芯プラスチック光ファイバで測定した帯域が３５０ＭＨｚであった。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、多芯プラスチック光ファイバに該ファイバの直径よりも口径の小さいホトダイオードを受光素子として組み合わせることにより、実質的に該ファイバの伝送帯域を広くすることができ、より高速の通信に対応することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いられる多芯プラスチック光ファイバの一例の断面模式図である。
【図２】本発明の実施例において多芯プラスチック光ファイバの帯域測定に用いた測定系を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 芯
２ａ 第１鞘
２ｂ 第２鞘
３ 多芯プラスチック光ファイバ裸線
４ 被覆層
５ 多芯プラスチック光ファイバケーブル
１１ ドライバ
１２ レーザーダイオード
１３ 入射ＮＡ設定光学系
１４ プラスチック光ファイバ
１５ ホトダイオード
１６ バイアス
１７ 増幅器
１８ サンプリングオシロスコープ
１９ 中央演算器（ＣＰＵ）
２０ パルス発生器
２１ ディレイジェネレイター

Claims (4)

1. 直径が２０〜３００μｍで透明な芯樹脂からなる７本以上の芯繊維と、各芯繊維の周りを上記芯樹脂よりも屈折率の低い鞘樹脂でとり囲み且つ一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された多芯プラスチック光ファイバを光伝送媒体とし、レーザーダイオードを送信光源、ホトダイオードを受光素子とする伝送系において、多芯プラスチック光ファイバの直径が、該多芯プラスチック光ファイバに入射時の該レーザーダイオードの光スポット径よりも大きく、該ホトダイオードの口径が該光スポット径に対応する多芯プラスチック光ファイバの直径よりも小さいことを特徴とする多芯プラスチック光ファイバの高速通信方法。
2. 上記多芯プラスチック光ファイバが、上記芯繊維の周りを、芯樹脂よりも屈折率の低い樹脂からなる第１鞘で取り囲み、さらに、該第１鞘の周りを上記第１鞘の樹脂よりも屈折率の低い樹脂からなる第２鞘で取り囲み一まとめの繊維状になるように複合紡糸法によって製造された請求項１記載の多芯プラスチック光ファイバの高速通信方法。
3. 上記ホトダイオードの口径が多芯プラスチック光ファイバの直径の０．３〜０．９倍である請求項１または２記載の多芯プラスチック光ファイバの高速通信方法。
4. 上記ホトダイオードの口径が０．３〜０．６ｍｍである請求項１〜３いずれかに記載の多芯プラスチック光ファイバの高速通信方法。

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