JP4358073B2 - 低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバ - Google Patents

低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバ Download PDF

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Description

本発明は、極小な曲げ径に対しても低い曲げ損失特性が得られる低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバに関する。本発明のマルチモードファイバは、従来の光ファイバよりも曲げ損失が小さく、接続損失が小さいので、屋内(宅内)の配線などに適している。
FTTH(Fiber to the home)技術に用いられる屋内配線光ファイバは、配線の柔軟性や施工性を考慮すると、曲げ損失特性に優れることが望ましい。曲げ損失特性を向上させるためには、コア−クラッド間の比屈折率差を大きくすればよいが、比屈折率差が大きいと、高次モードの閉じ込みも強くなってしまい、高次モードのカットオフ波長が長くなってしまう恐れがある。
トレンチ型光ファイバは、ステップ状屈折率分布を有し、クラッド部より高屈折率のコア部と、その周囲のクラッド部と、コア部を囲むように設けられクラッド部より低屈折率のトレンチ層とを有し、このトレンチ層を設けることで低曲げ損失を実現している。
S.Matsuo, et al.,"Bend-insensitive and low-splice-loss optical fiber for indoor wiring in FTTH",OFC2004, ThI3, 2004 米国特許第4877304号明細書
しかしながら、従来のトレンチ型光ファイバでは、低曲げ損失を実現できるものの、曲げ損失を小さくすれば、カットオフ波長が長くなるというトレードオフを完全に克服することはできない(非特許文献1参照。)。
このことは、特に極めて小さな曲げ径(例えば、曲げ直径φ=10mm程度)で曲げた際にも小さな曲げ損失が要求される場合、光伝送路に使用される通常のシングルモードファイバ(以下、SMFと記す。)との接続において接続損失が大きくなることを犠牲にしなければ達成できないことを意味する。
本発明は前記事情に鑑みてなされ、小さい曲率での曲げが想定される屋内配線光ファイバとして好適な低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバの提供を目的とする。
前記目的を達成するため、本発明は、クラッド部より高屈折率のコア部と、その周囲のクラッド部と、コア部を囲むように設けられクラッド部より低屈折率のトレンチ層と、コア部とトレンチ層との間のクラッド部と同じ屈折率を持つトレンチ内側領域とを有し、コア部は、クラッド部より高屈折率の材料からなる中央の第1コアと、該第1コアの周りに、屈折率が第1コアより低く、かつクラッド部より高屈折率の材料からなる第2コアとからなり、
第1コアのクラッド部に対する比屈折率差Δ 、第1コアの半径r 、第2コアのクラッド部に対する比屈折率差Δ 、第2コアの半径r 、コア部中心からトレンチ層の内側エッジまでの距離r が、それぞれ、0.3%≦Δ ≦1%、0.1%≦Δ ≦0.6%、2μm≦r ≦5μm、3μm≦r ≦8μmの範囲内であり、Δ >Δ であり、r <r であり、
コア部中心からトレンチ層の内側エッジまでの距離r 、コア部中心からトレンチ層の外側エッジまでの距離r 、トレンチ層のクラッド部に対する比屈折率差Δ が、5μm≦r ≦10μm、7μm≦r ≦20μm、−1.2%≦Δ ≦−0.2%の範囲内であり、r <r であり、
次の特性、
(a)波長1.2〜1.6μmの全ての波長で2つ以上の伝搬モード(ただし、この伝搬モード数は縮退モードを重複カウントしない数である。)を有し、LP01モードとLP11モードの群屈折率差Δnの絶対値が1×10−3より小さく、かつ
(b)φ=10mmの曲げ直径に対して、曲げ損失が波長1.55μmで0.1dB/m以下である、
を有することを特徴とする低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバを提供する。
本発明の低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバにおいて、SMFと接続した時、モード分散が波長1.2〜1.6μmの全ての波長で0.5ns/km以下であることが好ましい。
本発明の低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバにおいて、SMFと接続し、光源のRMSスペクトル幅5nm以下の時、波長分散とモード分散からなる全分散によるパルス幅の劣化が波長1.2〜1.6μmの全ての波長で1ns/km以下であることが好ましい。
本発明の低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバにおいて、ステップ状屈折率分布を持つSMFとの融着接続損失が波長1.55μmで0.2dB以下、メカニカル接続損失が0.4dB以下となり、かつ反射減衰量が40dB以上となることが好ましい。
本発明の低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバにおいて、同じファイバを接続した時、融着接続損失が波長1.55μmで0.2dB以下、メカニカル接続損失が0.4dB以下となり、かつ反射減衰量が40dB以上となることが好ましい。
本発明の低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバは、シンプルな構成で非常に低い曲げ損失を有し、かつ光伝送路に使用される通常のSMFと非常に低い接続損失で接続できることから、配線の柔軟性や施工性が要求される屋内配線に適用し、光通信性能を向上させることができる。
本発明の低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバ(以下、MMFと略記する。)は、主に短距離の信号伝送に用いることを想定し、極小数のマルチモード伝搬を許容するように構成されている。ただし、極力マルチモード伝搬によるモード分散を小さくし、実質的に信号伝送に影響を与えないようにする。また、その代わりに非常に低い曲げ損失が達成でき、かつ通常のSMFと接続する際に非常に低い接続損失を達成できるようになっている。少数のモードが伝搬する光ファイバは既に提案されているが(特許文献1参照。)、極小の曲げ径でも低曲げ損失を有するように設計されていない。
本発明のMMFは、従来のトレンチ型光ファイバに対して、コア部を単純なステップ状屈折率分布ではなく、図1に示すように2段ステップ状屈折率分布としている。
図1は本発明のMMFの屈折率分布の一例を示す図であり、図中符号1はコア部、2はクラッド部、3はトレンチ層、4は第1コア、5は第2コア、6はクラッド部のトレンチ内側領域である。
このMMFは、石英系ガラスからなり、クラッド部2より高屈折率のコア部1と、その周囲のクラッド部2と、コア部1を囲むように設けられクラッド部2より低屈折率のトレンチ層3とからなり、コア部1は、屈折率が最も高い中央の第1コア4と、該第1コアの周りに設けられ、屈折率が第1コアより低くクラッド部2より高い第2コア5とからなり、次の特性、
(a)波長1.2〜1.6μmの間で2つ以上の伝搬モード(ただし、この伝搬モード数は縮退モードを重複カウントしない数である。)を有し、LP01モードとLP11モードの群屈折率差Δnの絶対値が1×10−3より小さく、かつ
(b)φ=10mmの曲げ直径に対して、曲げ損失が波長1.55μmで0.1dB/m以下である、
を有することを特徴としている。
前記群屈折率差Δnの絶対値が1×10−3よりも大きいと、マルチモード伝搬によるモード分散が大きくなり、信号伝送に影響が生じて信号の品質を劣化させるおそれがある。
またφ=10mmの曲げ直径に対して、曲げ損失が波長1.55μmで0.1dB/mを超えると、屋内(宅内)配線光ファイバのような小さな曲げ径で小さな曲げ損失が要求される用途に適用し難くなる。
このMMFにおいて、2段ステップ状屈折率分布を持つコア部1は、第1コア4のクラッド部2に対する比屈折率差Δ、第1コア4の半径r、第2コア5のクラッド部2に対する比屈折率差Δ、第2コア5の半径rが、それぞれ、0.3%≦Δ≦1%、0.1%≦Δ≦0.6%、2μm≦r≦5μm、3μm≦r≦8μm(ただし、r<r)の範囲内であることが好ましい。
また、トレンチ層3は、コア部1中心からトレンチ層3の内側エッジまでの距離r、コア部1中心からトレンチ層3の外側エッジまでの距離r、トレンチ層3のクラッド部2に対する比屈折率差Δが、5μm≦r≦10μm、7μm≦r≦20μm(ただし、r<r)、−1.2%≦Δ≦−0.2%の範囲内とすることが好ましい。
コア部1における比屈折率差Δ、Δ、半径r、rを前記範囲内とするとともに、トレンチ層の位置rと幅(r−r)及び比屈折率差Δを前記範囲とすることにより、このMMFは前述した特性(a)、(b)を満たすことができるとともに、光伝送路に使用される通常のSMFと非常に低い接続損失で接続できる。このMMFは、ステップ状屈折率分布を持つ通常のSMFと接続した場合、融着接続損失が波長1.55μmで0.2dB以下、それぞれのファイバ端に光コネクタを成端して突き合わせ接続した場合のメカニカル接続損失が0.4dB以下となり、かつ反射減衰量が40dB以上となる。また、このMMF同士を接続した場合には、融着接続損失が波長1.55μmで0.2dB以下、メカニカル接続損失が0.4dB以下となる。
また、このMMFを通常のSMFと接続した時、モード分散が波長1.2〜1.6μmの間で0.5ns/km以下となり、かつ光源のRMS(Root mean aquared)スペクトル幅5nm以下の時、波長分散とモード分散からなる全分散によるパルス幅の劣化が波長1.2〜1.6μmの間で1ns/km以下となる。
本発明のMMFにおいて、コア部1とトレンチ層3との間のトレンチ内側領域6は、図1に示すように、トレンチ層3の外側のクラッド部2と同じ屈折率として構成してもよいし、このトレンチ内側領域6をクラッド部2と異なる屈折率で構成してもよい。後者の場合、トレンチ内側領域6のクラッド部2に対する比屈折率差Δ´を、−0.2%≦Δ´≦0.2%の範囲内とすることが好ましい。
このMMFは、シンプルな構成で非常に低い曲げ損失を有し、かつ光伝送路に使用される通常のSMFと非常に低い接続損失で接続できることから、配線の柔軟性や施工性が要求される屋内配線に適用し、光通信性能を向上させることができる。
[実施例1]
図1に示す屈折率分布を有し、r=3μm、r=6μm、Δ=0.5%、Δ=0.3%のコア部を有し、トレンチ層の位置と幅は一定とし(r=8μm、r=14μm)、トレンチ層の比屈折率差Δを0〜−0.8%の間で変え、得られるMMFの特性を計算した。波長1.55μmにおける光学特性を表1に示す。
Figure 0004358073
表1からわかるように、トレンチ層の比屈折率差Δを変えても、Δn(Δn=ngf−ngh)を除く各特性はほとんど変わらない。ただし、ngfとnghはファイバの基本モード(LP01)と高次モード(LP11)の等価群屈折率を表す。また、トレンチ層の比屈折率差Δが−0.7%〜−0.2%の範囲では、|Δn|≦5×10−4となる。
マルチモード伝搬のモード分散によるパルス信号のパルス増加の上限は、次式(1)
Figure 0004358073
(式中、Lは伝搬距離、cは光速を表す。)で評価できる。|Δn|≦5×10−4である場合、モード分散による信号の劣化は最大1.7ns/kmになるが、実際のファイバはSMFと接続して使用するので、その際に高次モードがほとんど励振されず、実際のモード分散による信号の劣化は0.3ns/km以下である。
図1に示す屈折率分布を有し、r=3μm、r=6μm、Δ=0.5%、Δ=0.3%のコア部を有し、トレンチ層の幅と比屈折率差Δは一定とし(r−r=6μm、Δ=−0.4%)、トレンチ層の位置、すなわちコア部中心からトレンチ層の内側エッジまでの距離rを6μm〜10μmの間で変え、得られるMMFの特性を計算した。波長1.55μmにおける光学特性を表2に示す。
Figure 0004358073
表2からわかるように、トレンチ層の位置を変えても、Δnを除く各特性はほとんど変わらない。また、rが6.5μm〜9.5μmの範囲では、|Δn|≦5×10−4となる。
図1に示す屈折率分布を有し、r=3μm、r=6μm、Δ=0.5%、Δ=0.3%のコア部を有し、トレンチ層の位置と比屈折率差Δは一定とし(r=8μm、Δ=−0.4%)、トレンチ層の幅(r−r)を2μm〜10μmの間で変え、得られるMMFの特性を計算した。波長1.55μmにおける光学特性を表3に示す。
Figure 0004358073
表3からわかるように、トレンチ層の幅を変えても、Δnを除く各特性はほとんど変わらない。また、トレンチ層の幅(r−r)が4.0μm〜10.0μmの範囲では、|Δn|≦1×10−4となる。
以上の結果より、r=3μm、r=6μm、Δ=0.5%、Δ=0.3%のコア部に対して、トレンチ層の位置、幅又は比屈折率差を変えることにより、MMFの光学特性を大幅に変えることなく、モード分散を支配する|Δn|及び曲げ損失を調整することができる。
実際に、図1に示す屈折率分布を有し、r=3μm、r=6μm、Δ=0.5%、Δ=0.3%のコア部と、r=8μm、r=14μm、Δ=−0.4%のトレンチ層をもつMMFを作製した。このMMFの基本モード(LP01)と高次モード(LP11)の等価群屈折率を測定した結果を図2に示す。図示のように、両モード間の群屈折率差|Δn|は波長1.2〜1.6μmで2×10−4以下である。
また、このMMFの基本モード(LP01)のモードフィールド径(Mode-field diameter;MFD)と波長との関係を図3に示す。このMMFのMFDは、光伝送路に使用される通常のSMFのそれとほぼ同じであることから、通常のSMFと低い接続損失で接続できる。
また、このMMFの基本モード(LP01)の波長分散特性を図4に示す。波長分散によるパルス信号のパルス幅増加は、次式(2)
Figure 0004358073
(式中、Lは伝搬距離、Dは波長分散、δλは光源のスペクトル幅を表す。)で評価できる。ここで波長1.55μmの光源はδλ=5nmとすると、波長分散による信号の劣化は約0.1ns/kmとなる。
試作したMMFは、波長1.55μmで曲げ直径φ=10mmにおける曲げ損失が0.02dB/m、モード分散による信号の劣化は0.1ns/km以下であり、波長分散による信号の劣化と同程度となる。また、このMMFは、光伝送路に使用される通常のSMFと接続した場合、波長1.55μmにおいて、融着接続損失が0.02dB、それぞれのファイバ端に光コネクタを成端して突き合わせ接続した場合のメカニカル接続損失が0.05dBと低損失で接続できた。
[実施例2]
図1に示す屈折率分布を有し、r=2.7μm、r=5.4μm、Δ=0.6%、Δ=0.4%のコア部を有し、トレンチ層の位置と幅は一定とし(r=8μm、r=16μm)、トレンチ層の比屈折率差Δを0〜−1.0%の間で変え、得られるMMFの特性を計算した。波長1.55μmにおける光学特性を表4に示す。
Figure 0004358073
表4からわかるように、トレンチ層の比屈折率差Δを変えても、Δnを除く各特性はほとんど変わらない。また、トレンチ層の比屈折率差Δが−1.0%〜−0.2%の範囲では、|Δn|≦5×10−4となる。
図1に示す屈折率分布を有し、r=2.7μm、r=5.4μm、Δ=0.6%、Δ=0.4%のコア部を有し、トレンチ層の幅と比屈折率差Δは一定とし(r−r=8μm、Δ=−0.5%)、トレンチ層の位置、すなわちコア部中心からトレンチ層の内側エッジまでの距離rを6μm〜10μmの間で変え、得られるMMFの特性を計算した。波長1.55μmにおける光学特性を表5に示す。
Figure 0004358073
表5からわかるように、トレンチ層の位置を変えても、Δnを除く各特性はほとんど変わらない。また、rが7.0μm〜9.5μmの範囲では、|Δn|≦5×10−4となる。
図1に示す屈折率分布を有し、r=2.7μm、r=5.4μm、Δ=0.6%、Δ=0.4%のコア部を有し、トレンチ層の位置と比屈折率差Δは一定とし(r=8μm、Δ=−0.5%)、トレンチ層の幅(r−r)を2μm〜10μmの間で変え、得られるMMFの特性を計算した。波長1.55μmにおける光学特性を表6に示す。
Figure 0004358073
表6からわかるように、トレンチ層の幅を変えても、Δnを除く各特性はほとんど変わらない。また、トレンチ層の幅(r−r)が3.0μm〜10.0μmの範囲では、Δn|≦1×10−4となる。
以上の結果より、r=2.7μm、r=5.4μm、Δ=0.6%、Δ=0.4%のコア部に対して、トレンチ層の位置、幅又は比屈折率差を変えることにより、MMFの光学特性を大幅に変えることなく、モード分散を支配する|Δn|及び曲げ損失を調整することができる。
実際に、図1に示す屈折率分布を有し、r=2.7μm、r=5.4μm、Δ=0.6%、Δ=0.4%のコア部と、r=8μm、r=16μm、Δ=−0.5%のトレンチ層をもつMMFを作製した。このMMFの基本モード(LP01)と高次モード(LP11)の等価群屈折率を測定した結果を図5に示す。図示のように、両モード間の群屈折率差|Δn|は波長1.2〜1.6μmで1×10−4以下である。
また、このMMFの基本モードのMFDと波長との関係を図6に示す。このMMFのMFDは、光伝送路に使用される通常のSMFのそれよりもやや小さくなっているが、通常のSMFと低い接続損失で接続できる。
また、このMMFの基本モード(LP01)の波長分散特性を図7に示す。波長分散によるパルス信号(波長1.55μmの光源はδλ=5nmとする)の劣化は、約0.1ns/kmとなる。
試作したMMFは、波長1.55μmで曲げ直径φ=10mmにおける曲げ損失が0.006dB/m、モード分散による信号の劣化は0.1ns/km以下であった。また、このMMFは、光伝送路に使用される通常のSMFと接続した場合、波長1.55μmにおいて、融着接続損失が0.05dB、それぞれのファイバ端に光コネクタを成端して突き合わせ接続した場合のメカニカル接続損失が0.07dBと低損失で接続できた。
本発明に係るMMFの屈折率分布を例示するグラフである。 本発明に係る実施例1で試作したMMFの波長と等価群屈折率の関係を示すグラフである。 本発明に係る実施例1で試作したMMFの波長とMFDの関係を示すグラフである。 本発明に係る実施例1で試作したMMFの波長と分散の関係を示すグラフである。 本発明に係る実施例2で試作したMMFの波長と等価群屈折率の関係を示すグラフである。 本発明に係る実施例2で試作したMMFの波長とMFDの関係を示すグラフである。 本発明に係る実施例2で試作したMMFの波長と分散の関係を示すグラフである。
符号の説明
1…コア部、2…クラッド部、3…トレンチ層、4…第1コア、5…第2コア、6…トレンチ内側領域。

Claims (5)

  1. クラッド部より高屈折率のコア部と、その周囲のクラッド部と、コア部を囲むように設けられクラッド部より低屈折率のトレンチ層と、コア部とトレンチ層との間のクラッド部と同じ屈折率を持つトレンチ内側領域とを有し、コア部は、クラッド部より高屈折率の材料からなる中央の第1コアと、該第1コアの周りに、屈折率が第1コアより低く、かつクラッド部より高屈折率の材料からなる第2コアとからなり、
    第1コアのクラッド部に対する比屈折率差Δ 、第1コアの半径r 、第2コアのクラッド部に対する比屈折率差Δ 、第2コアの半径r 、コア部中心からトレンチ層の内側エッジまでの距離r が、それぞれ、0.3%≦Δ ≦1%、0.1%≦Δ ≦0.6%、2μm≦r ≦5μm、3μm≦r ≦8μmの範囲内であり、Δ >Δ であり、r <r であり、
    コア部中心からトレンチ層の内側エッジまでの距離r 、コア部中心からトレンチ層の外側エッジまでの距離r 、トレンチ層のクラッド部に対する比屈折率差Δ が、5μm≦r ≦10μm、7μm≦r ≦20μm、−1.2%≦Δ ≦−0.2%の範囲内であり、r <r であり、
    次の特性、
    (a)波長1.2〜1.6μmの全ての波長で2つ以上の伝搬モード(ただし、この伝搬モード数は縮退モードを重複カウントしない数である。)を有し、LP01モードとLP11モードの群屈折率差Δnの絶対値が1×10−3より小さく、かつ
    (b)φ=10mmの曲げ直径に対して、曲げ損失が波長1.55μmで0.1dB/m以下である、
    を有することを特徴とする低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバ。
  2. シングルモードファイバと接続した時、モード分散が波長1.2〜1.6μmの全ての波長で0.5ns/km以下であることを特徴とする請求項1に記載の低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバ。
  3. シングルモードファイバと接続し、光源のRMSスペクトル幅5nm以下の時、波長分散とモード分散からなる全分散によるパルス幅の劣化が波長1.2〜1.6μmの全ての波長で1ns/km以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバ。
  4. ステップ状屈折率分布を持つシングルモードファイバとの融着接続損失が波長1.55μmで0.2dB以下、メカニカル接続損失が0.4dB以下となり、かつ反射減衰量が40dB以上となることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバ。
  5. 同じファイバを接続した時、融着接続損失が波長1.55μmで0.2dB以下、メカニカル接続損失が0.4dB以下となり、かつ反射減衰量が40dB以上となることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の低曲げ損失トレンチ型マルチモードファイバ。
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