JP5687355B2 - 曲げ耐性を有しコア径が大きく高開口数のマルチモード光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、データ伝送と光素子に用いられる曲げ耐性を有しコア径が大きく高開口数のマルチモード光ファイバに係る。該光ファイバは、ベンド耐性が優れ、ＬＥＤ光源と結合しやすい特徴を持つだけではなく、同時に非常に高い帯域幅を有するものであり、光のデータ伝送技術分野に属する。

光ファイバの実用化は、マルチモード光ファイバから始まる。近年、シングルモード光ファイバの新品種が現れ、使用上の機能が豊富となり強化され、費用性能比が高まる一方であるが、マルチモード光ファイバは、代えられることはなく、終始安定した市場シェアを維持している。その原因として、マルチモード光ファイバが、シングルモード光ファイバにない多くの特性を有し、ＬＡＮ用ファイバの要求を満たしていることがある。

長距離輸送と比較して、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）光ファイバネットワークの特徴として、伝送速度が相対的に低いこと、伝送距離が相対的に短いこと、一方ノードが多く、継ぎ目が多く、カーブが多いこと、コネクタ、結合器の使用量が大きく、全体的な使用規模が小さく、単位光ファイバ長に使用される光源の個数が多いことが挙げられる。伝送速度が低いことと伝送距離が短いことは、ちょうど、マルチモード光ファイバの帯域幅特性と伝送損失がシングルモード光ファイバより劣るという特徴を利用できる。しかし、シングルモード光ファイバ自身がより安値であり、性能がマルチモードより優れるにもかかわらず、なぜアクセスネットワークにはシングルモード光ファイバが使用されないのか。これは、このようなネットワークにはカーブが多いことから損失が大きくなり、ノードが多いことから光電力分路が頻繁になることで、光ファイバ内部に十分な光電力伝送を有することが要求されるからである。マルチモード光ファイバは、シングルモード光ファイバよりコア径が太く、開口数が大きいため、光源からより多くの光電力を結合できる。ネットワークにおいてコネクタ、結合器の使用量が大きく、シングルモード光ファイバの受動素子がマルチモード光ファイバより値段が大幅に高く、しかも相対的に精密であり、操作上マルチモード素子より便利かつ信頼可能ではない。より重要な相違は、シングルモード光ファイバには光源としてレーザデバイス（ＬＤ）しか使用できないことであり、そのレーザデバイスのコストは、マルチモード光ファイバに通常使用される発光ダイオード（ＬＥＤ）より大幅に高くなる。特にローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）に用いられる場合ネットワークの規模が小さく、単位光ファイバ長に使用される光源の個数が多いとき、シングルモード光ファイバを依然として使用し同時にシングルモード光ファイバのレーザデバイスを配置して使用するのであれば、レーザデバイスのコストは、ネットワークの全体的なコストを構成する主要なコストとなる。すると、シングルモード光ファイバ自身の価格がマルチモード光ファイバより低いものの、コストを構成する主体のレーザデバイス、コネクタの高価格は、依然として全体的なコストを大幅に上昇させる。

現在の通常規格のマルチモード光ファイバは、ＩＥＣ及びＩＴＵなど国際標準組織の推薦標準に基づき、５０uｍと６２．５uｍの二大種類に区分できる。５０uｍの種類には、帯域幅という主要パラメータの値の相違から、ＯＭ２、ＯＭ３、ＯＭ４の数タイプに区分できる。上記の該数種類の通常規格のマルチモード光ファイバの開口数は、その集光力を表すことができ、一般的に、５０ｕｍマルチモード光ファイバの開口数が０．２０であり、６２．５ｕｍマルチモード光ファイバの開口数が０．２７である。近年、光ファイバのベンド半径に対するアクセスネットワークアプリとデータセンタの需要を満足するために、通常規格のマルチモード光ファイバのベンド耐性が改良され、ベンド耐性を有するＯＭ３、ＯＭ４光ファイバが現れている。しかし、現在のマルチモード光ファイバは、データ伝送の高帯域幅要求をまだ十分に満足できない。

本発明の内容を説明しやすくするために、一部の用語を定義する。
石英管：チューブ形状の基底管であり、その内壁には、ＰＣＶＤ化学反応のガラス形態酸化沈積物が形成される。
コア層：光ファイバの横断面の中心部分に位置し、光ファイバの主な光誘導領域である。
インナークラッド層：光ファイバの横断面において、コア層に近隣するリング形状領域である。
埋め込みインナークラッド層：光ファイバの横断面において、インナークラッド層に近隣するリング形状領域である。
アウタークラッド層：光ファイバの横断面において、埋め込みインナークラッド層に近隣するリング形状領域である。
比屈折率差：

ｎ_ｉとｎ_０は、各対応部分と純シリカガラスの波長８５０ｎｍにおける屈折率である。
べき法則屈折率分布断面：
以下のべき指数関数（power exponential function）を満足する屈折率分布形態である。そのうち、ｎ_１は、光ファイバの軸心の屈折率であり、ｒは、光ファイバの軸心からの距離であり、ａは、光ファイバのコアの半径であり、αは分布指数であり、Δは、コア／クラッド比屈折率差である。

本発明により解決しようとする技術問題は、高い帯域幅と開口数を有するだけではなく、ベンド耐性が優れ、ＬＥＤ光源に結合しやすいという特徴を持つ、ベンド耐性を有しコア径が大きく高開口数のマルチモード光ファイバを提供することである。

本発明が、上記の提起される問題を解決するために採用する技術案は、以下である。

光ファイバは、コア層と、コア層を被覆するクラッド層とを含む。前記コア層の半径Ｒ１は、２８〜５０ミクロンであり、コア層屈折率断面は、放物線形状を呈し、αが１．９〜２．２であり、最大比屈折率差Δ１％maxが１．９％〜２．５％であり、コア層の外部のクラッド層は、内から外へと順にインナークラッド層及び／又は埋め込みインナークラッド層、アウタークラッド層であり、前記インナークラッド層の半径Ｒ２は、２８〜５５ミクロンであり、比屈折率差Δ２％が−０．１％〜０．１％であり、前記埋め込みインナークラッド層の半径Ｒ３は、２８〜６０ミクロンであり、比屈折率差Δ３％が−０．１５％〜−０．８％であることを特徴とする。

上記技術案によれば、埋め込みインナークラッド層の外部にアウタークラッド層が被覆されており、前記アウタークラッド層の半径Ｒ４は、６０〜６５ミクロンであり、アウタークラッド層の比屈折率差Δ４％が−０．１％〜０．１％である。

上記技術案によれば、埋め込みインナークラッド層の比屈折率差Δ３％は、径方向に沿って一定であるか次第に変化するものであり、前記次第に変化することは、内から外へと逓増することで次第に変化すること、又は内から外へと逓減することで次第に変化することを含む。

上記技術案によれば、前記コア層と各クラッド層は、ゲルマニウム（Ｇe）ドーピング、又はフッ素（Ｆ）ドーピング、又はゲルマニウム及びフッ素ドーピング、又は純石英の石英ガラスからなる。

上記技術案によれば、前記ゲルマニウム及びフッ素ドーピングの石英ガラスの材料成分は、ＳiＯ_２−ＧｅＯ_２−Ｆ−Ｃｌであり、前記フッ素（Ｆ）ドーピングの石英ガラスの材料成分は、ＳiＯ_２−Ｆ−Ｃｌである。

塩素（Ｃｌ）は、四塩化珪素（ＳiＣｌ_４）、四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ_４）と酸素（Ｏ_２）との反応により生成したＣｌで導入される。その含有量の変動は、光ファイバの性能への影響が大きくなく、かつ安定した工程条件においてその含有量の変動も大きくなく、設定とコントロールをしなくてもよい。

本発明のマルチモード光ファイバの製造方法は、以下のとおりである。
純石英ガラス管をプラズマ化学気相成長（ＰＣＶＤ）装置に固定してドーピングと堆積を行い、反応気体の四塩化珪素（ＳiＣｌ_４）と酸素（Ｏ_２）に対して、フッ素を含有する気体を入れ、フッ素（Ｆ）ドーピングを導入する。四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ_４）を入れてゲルマニウム（Ｇｅ）ドーピングを導入する。マイクロ波によって管内の反応気体をプラズマ化してプラズマ体にし、最終的にガラスの形態で管の内壁に堆積させる。上記光ファイバ導波路構造のドーピング要求に基づいて、混合気体におけるドーピング気体の流量を変えることにより、各クラッド層とコア層を順に堆積する。堆積終了後、電気加熱炉で堆積管を中実のコア棒につぶさせる。それからフッ化水素酸（ＨＦ）を採用し、必要に応じてコア棒に対して部分的な腐食を行う。それから合成の純石英ガラス又はフッ素ドーピング石英ガラスをチューブとしてＲＩＴ工程で光ファイバプレフォームを作製し、又は、ＯＶＤかＶＡＤ被覆堆積工程でコア棒の外部にアウタークラッド層を堆積することにより光ファイバプレフォームを作製する。光ファイバプレフォームを線引塔に置き光ファイバに延ばし、光ファイバの表面に内外二層の紫外線で硬化したポリアクリル酸樹脂を塗布することで得る。

上記技術案によれば、前記フッ素含有気体は、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＦ_４、ＳiＦ_４、ＳＦ_６のうちのいずれか一つ又は複数である。

本発明の光ファイバは、波長８５０ｎｍにおいて２００ＭＨｚ‐ｋｍか２００ＭＨｚ‐ｋｍより大きい帯域幅を有し、ひいては５００ＭＨｚ‐ｋｍか５００ＭＨｚ‐ｋｍより大きい帯域幅に達する。光ファイバの開口数は０．２９〜０．３３である。波長１３００ｎｍにおいて２００ＭＨｚ‐ｋｍか２００ＭＨｚ‐ｋｍより大きい帯域幅を有し、ひいては５００ＭＨｚ‐ｋｍか５００ＭＨｚ‐ｋｍより大きい帯域幅に達する。

本発明の光ファイバは、波長８５０ｎｍにおいて、７．５ｍｍのベンド半径で２周巻き取ることによるベンド付加損失が０．３５ｄＢ以下であり、１５ｍｍのベンド半径で２周巻き取ることによるベンド付加損失が０．２ｄＢ以下であり、３０ｍｍのベンド半径で１００周巻き取ることによるベンド付加損失が０．２ｄＢ以下である。

本発明により取得する有益な効果は以下のとおりである。第一に、大きめのコア径の光ファイバと特定な導波路構造を設計することにより、マルチモード光ファイバの帯域幅と開口数をさらに高め、光ファイバの集光力を大きく強化させ、ＬＥＤ光源との結合をより容易にする。第二に、光ファイバのコア層の外に埋め込みクラッド層を設置することにより、光ファイバのマクロベンド付加減衰を著しく低減させ、光ファイバのベンド耐性を向上させる。第三に、本発明の構造上の設計が合理であり、使用上の性能が優れており、製造方法が簡単であり、光電力伝送と光データ伝送が高められると同時にローカルエリアネットワークの配置コストをさらに低下させており、大規模の生産と普及に適している。

本発明の一実施例の光ファイバ屈折率断面図である。 本発明の別実施例の光ファイバ屈折率断面図である。 本発明の一実施例の光ファイバ径方向断面構造図である。

以下、詳細な実施例を挙げて本発明をさらに説明する。
実施例におけるマクロベンド付加損失と満注入帯域幅の測定について以下に説明する。
マクロベンド付加損失は、ＦＯＴＰ−６２（ＩＥＣ−６０７９３−１−４７）方法に基づいて測定して得る。測定される光ファイバは、一定の径（例えば１５ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍなど）でｎ周巻き取り、それから繰り出し、巻き取る前後の光電力の変化を測定して、これを光ファイバのマクロベンド付加損失とする。測定時に、エンサークルドフラックス（Encircled Flux）光注入条件を採用する。エンサークルドフラックス（Encircled Flux）光注入条件は、以下の方法によって取得できる。測定される光ファイバの前端に長さ２メートルでコア径５０マイクロ・メートルの普通のマルチモード光ファイバを溶接し、該光ファイバの中部に径２５ｍｍで１周巻き取り、全モード励振（OFL）状態の光が該光ファイバに注入するときに、測定される光ファイバがエンサークルドフラックス（Encircled Flux）光注入となる。

全モード励振帯域幅は、ＦＯＴＰ‐２０４方法に基づいて測定して得る。測定には全モード励振条件を採用する。

（実施例１）
コア層と各クラッド層の設計は、図１、３に示される。本発明による製造方法を用いてプレフォームを一組製造し、６００メートル／分の線引速度で線引する。光ファイバの構造と主要性能パラメータは、表１を参照する。

（実施例２）
コア層と各クラッド層の設計は、図２に示される。本発明による製造方法を用いてプレフォームを一組製造し、６００メートル／分の線引速度で線引する。光ファイバの構造と主要性能パラメータは、表２を参照する。

Claims (7)

1. コア層と、コア層を被覆するクラッド層とを含む曲げ耐性を有しコア径が大きく高開口数のマルチモード光ファイバにおいて、前記コア層の半径Ｒ１は、２８〜５０マイクロ・メートルであり、コア層屈折率断面は、放物線形状を呈し、αが１．９〜２．２であり、最大比屈折率差Δ１％maxが２．１５％〜２．５％であり、コア層の外部のクラッド層は、内から外へと順にインナークラッド層及び／又は埋め込みインナークラッド層、アウタークラッド層であり、前記インナークラッド層の半径Ｒ２は、２８〜５５マイクロ・メートルであり、比屈折率差Δ２％が−０．１％〜０．１％であり、前記埋め込みインナークラッド層の半径Ｒ３は、２８〜６０マイクロ・メートルであり、比屈折率差Δ３％が−０．１５％〜−０．８％であり、光ファイバの開口数は０．３０４〜０．３３であることを特徴とする曲げ耐性を有しコア径が大きく高開口数のマルチモード光ファイバ。
2. 埋め込みインナークラッド層の外部にアウタークラッド層が被覆されており、前記アウタークラッド層の半径Ｒ４は、６０〜６５マイクロ・メートルであり、アウタークラッド層の比屈折率差Δ４％が−０．１％〜０．１％であることを特徴とする請求項１に記載の曲げ耐性を有しコア径が大きく高開口数のマルチモード光ファイバ。
3. 埋め込みインナークラッド層の比屈折率差Δ３％は、径方向に沿って一定であるか次第に変化するものであり、前記次第に変化することは、内から外へと逓増することで次第に変化すること、又は内から外へと逓減することで次第に変化することを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の曲げ耐性を有しコア径が大きく高開口数のマルチモード光ファイバ。
4. 前記コア層と各クラッド層は、ゲルマニウムドーピング、又はフッ素ドーピング、又はゲルマニウム及びフッ素ドーピング、又は純石英の石英ガラスからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の曲げ耐性を有しコア径が大きく高開口数のマルチモード光ファイバ。
5. 光ファイバは、波長８５０ｎｍにおいて２００ＭＨｚ‐ｋｍか２００ＭＨｚ‐ｋｍより大きい帯域幅を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の曲げ耐性を有しコア径が大きく高開口数のマルチモード光ファイバ。
6. 光ファイバは、波長１３００ｎｍにおいて２００ＭＨｚ‐ｋｍか２００ＭＨｚ‐ｋｍより大きい帯域幅を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の曲げ耐性を有しコア径が大きく高開口数のマルチモード光ファイバ。
7. 光ファイバは、波長８５０ｎｍにおいて、７．５ｍｍのベンド半径で２周巻き取ることによるベンド付加損失が０．３５ｄＢ以下であり、１５ｍｍのベンド半径で２周巻き取ることによるベンド付加損失が０．２ｄＢ以下であり、３０ｍｍのベンド半径で１００周巻き取ることによるベンド付加損失が０．２ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の曲げ耐性を有しコア径が大きく高開口数のマルチモード光ファイバ。

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