JP6095064B2 - 光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、漏洩損失の小さい光ファイバに関する。

光損失低減のため、漏洩損失の小さい光ファイバが検討されている（例えば、非特許文献１〜２参照。）。

また、伝送容量の拡大のために、複数の異なる波長の光を波長多重した光ファイバ通信システムでは、光ファイバ中で発生する非線形効果やファイバヒューズが問題となり、伝送の大容量化が制限されている。これらの制限を緩和するために、１本の光ファイバ中に複数のコアを有するマルチコアファイバが検討されている（例えば、非特許文献３〜７参照。）。

Ｙ． Ｋａｔｓｕｙａｍａ， Ｍ． Ｔｏｋｕｄａ， Ｎ． Ｕｃｈｉｄａ， ａｎｄ Ｍ． Ｎａｋａｈａｒａ， "Ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｖ−ｖａｌｕｅ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｒｅ"，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． １２， ｐｐ． ６６９−６７０， Ｄｅｃ． １９７６． 「導波光学」（１２章）、左貝 潤一著、共立出版、２００４年 Ｈ． Ｔａｋａｒａ ｅｔ ａｌ．， "１．０１−Ｐｂ／ｓ （１２ ＳＤＭ／２２２ ＷＤＭ／４５６ Ｇｂ／ｓ）Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ−ｍａｎａｇｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ９１．４−ｂ／ｓ／Ｈｚ Ａｇｇｒｅｇａｔｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ"， ｉｎ ＥＣＯＣ２０１２， ｐａｐｅｒ Ｔｈ．３．Ｃ．１ （２０１２） Ｊ． Ｓａｋａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．， "３０５ Ｔｂ／ｓ Ｓｐａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ １９−Ｃｏｒｅ Ｆｉｂｅｒ"， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ． ｖｏｌ．３１， ｐｐ．５５４−５６２ （２０１３）． Ｔ． Ｈａｙａｓｈｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａ−ｌｏｗ ｃｒｏｓｓｔａｌｋ ａｎｄ ｌｏｗ−ｌｏｓｓ ｍｕｌｔｉ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ"， Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ ｖｏｌ.１９， ｐｐ．１６５７６−１６５９２（２０１１）． Ｋ． Ｉｍａｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．， "Ｍｕｌｔｉ Ｃｏｒｅ Ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ａｅｆｆ ｏｆ １４０ μｍ２ ａｎｄ Ｌｏｗ Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ"， ｉｎ ＥＣＯＣ２０１２， ｐａｐｅｒ Ｍｏ．１．Ｆ．２ Ｔ． Ｈａｙａｓｈｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｕｎｃｏｕｐｌｅｄ ｍｕｌｔｉ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ"， Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ ｖｏｌ．２０， ｐｐ．Ｂ９４−Ｂ１０３ （２０１２）．

漏洩損失を小さくするために、コア部の中心からクラッド部の外周端までのクラッド厚を厚くすると、クラッド部の外径が大きくなるという問題がある。クラッド部の外径が大きくなると、光ファイバの曲げに対する機械的信頼性が劣化してしまう。

マルチコア光ファイバでも、漏洩損失を小さくするために、クラッド部の外周端に最も近い位置にあるコア部の中心からクラッド部の外周端までのクラッド厚を厚くすると、クラッド部の外径が大きくなるという問題がある。クラッド部の外径が大きくなると、クラッド部の断面の単位面積当たりに存在するコア部の数が低下し、空間利用効率が低下してしまう。また、光ファイバの曲げに対する機械的信頼性が劣化するだけでなく、マルチコア光ファイバ同士の接続の際、接続損失を一定以下とするために許容される角度ずれが小さくなってしまう。

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、クラッド部の外径を大きくすることなく、漏洩損失の小さい光ファイバを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、クラッド部の外周端を包囲する被覆部の屈折率を所定の範囲内の光ファイバとした。

具体的には、本発明は、
コア部と、
前記コア部を包囲し、屈折率が前記コア部の屈折率より小さいクラッド部と、
前記クラッド部の外周端を包囲し、屈折率が前記クラッド部の屈折率より大きい被覆部と、
を備え、
前記被覆部は、
光ファイバの直線状態のとき、前記コア部の導波モードの実効屈折率よりも屈折率が小さく、
光ファイバの曲げ状態のとき、前記コア部の導波モードの実効屈折率と等しい屈折率となる転移点を有することを特徴とする光ファイバ
である。
ここで、前記曲げ状態は、光ファイバの曲げ半径１４０ｍｍの状態としてもよい。
この構成によれば、クラッド部の外径を大きくすることなく、漏洩損失の小さい光ファイバを提供することが可能である。

また、本発明の光ファイバは、前記コア部の中心から前記クラッド部の外周端までのクラッド厚が３５μｍ以下としてもよい。
この構成によれば、漏洩損失が小さく、クラッド厚の薄い光ファイバを提供することが可能である

また、本発明の光ファイバは、前記コア部を複数有してもよい。
この構成によれば、クラッド部の外径を大きくすることなく、漏洩損失が小さいマルチコア光ファイバを提供することが可能である。

また、本発明の光ファイバは、前記複数のコア部のうち、前記クラッド部の外周端に最も近い位置にあるコア部の中心から前記クラッド部の外周端までのクラッド厚が３５μｍ以下としてもよい。
この構成によれば、漏洩損失が小さく、クラッド厚の薄いマルチコア光ファイバを提供することが可能である

本発明の光ファイバは、クラッド部の外径を大きくすることなく、漏洩損失を小さくすることができる。

本発明の光ファイバの断面構造を示す概略図である。 本発明のマルチコア光ファイバの断面構造を示す概略図である。 波長１５５０ｎｍにおける被覆部の屈折率に対する漏洩損失の変化を示した図である。 Δｃｏａｔ＞Δｎｅｆｆの場合の転移点の変化に関する概念図である。 Δｃｏａｔ＜Δｎｅｆｆの場合の転移点の変化に関する概念図である。 波長１６２５ｎｍにおける被覆部の屈折率に対する漏洩損失の変化を示した図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

本発明の光ファイバの断面構造を示す概略を図１に示す。図１において、コア部１１の周囲にクラッド部１２が配置され、クラッド部１２の周囲が被覆部１３で覆われている。コア部１１、クラッド部１２及び被覆部１３の屈折率は、それぞれ、ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３である。クラッド厚は、コア部１１の中心からクラッド部１２の外周端までの距離ＣＴで定義される。

また、本発明のマルチコア光ファイバの断面構造を示す概略を図２に示す。図２において、複数のコア部１１の周囲にクラッド部１２が配置され、クラッド部１２の周囲が被覆部１３で覆われている。コア部１１、クラッド部１２及び被覆部１３の屈折率は、それぞれ、ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３である。クラッド厚は、コア部１１のうち、クラッド部１２の外周端に最も近い位置にあるコア部１１の中心からクラッド部１２の外周端までの距離ＣＴで定義される。

以下の説明は、図１に示す光ファイバ及び図２に示すマルチコア光ファイバに共通する。

ここで、コア部１１のクラッド部１２に対する比屈折率差Δｃｏｒｅ及び被覆部１３のクラッド部１２に対する比屈折率差Δｃｏａｔは以下の式であらわされる。
Δ_ｃｏｒｅ＝（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）／（２ｎ_１ ^２） （１）
Δ_ｃｏａｔ＝（ｎ_３ ^２−ｎ_２ ^２）／（２ｎ_３ ^２） （２）
上記式（１）、式（２）において、ｎ_１＞ｎ_２であり、被覆部１３の屈折率を１．５程度にすれば、コア部１１の比屈折率差は高くても１％程度であることから、ｎ_３＞ｎ_１＞ｎ_２の関係を実現できる。

なお、ｎ_１＞ｎ_２の条件は、コア部１１及びクラッド部１２の材料を純石英ガラス、またはゲルマニウム（Ｇｅ）やアルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）などの屈折率を増加させる不純物や、フッ素（Ｆ）、ボロン（Ｂ）などの屈折率を低減させる不純物を添加した石英ガラスを用いることで実現できる。

被覆部１３の比屈折率差に対する漏洩損失の関係を計算したものを図３に示す。図３では、コア部１１の中心からクラッド部１２の外周端までの距離であるクラッド厚ＣＴを２０〜４０μｍの範囲で変化させている。波長については１５５０ｎｍであり、コア部１１の半径は４．５μｍ、Δｃｏｒｅは０．３５％、漏洩損失は光ファイバの曲げ半径１４０ｍｍのときの損失としている。この光ファイバの構造においては、コア部１１の導波モードの実効屈折率ｎｅｆｆは、クラッド部１２に対する導波モードの比屈折率差Δｎｅｆｆが０．１６９％となる値である。

ここで、曲げ半径１４０ｍｍとした理由は、非特許文献１に記載の通り遮断波長の測定に曲げ半径１４０ｍｍが用いられており、光ケーブル敷設時に光ファイバが受ける曲げの実効的な半径が１４０ｍｍとなるからである。

図３に示す計算結果から、漏洩損失は被覆部１３の屈折率が大きい領域ではほとんど変化せず、ある値を閾値として漏洩損失が下がる。このコア部１１においては、導波モードの実効屈折率をｎｅｆｆとし、クラッド部１２に対する導波モードの比屈折率差は次式で表される。
Δ_ｎｅｆｆ＝（ｎ_ｎｅｆｆ ^２−ｎ_２ ^２）／（２ｎ_ｎｅｆｆ ^２） （３）
前述のように、比屈折率差Δｎｅｆｆが０．１６９％であったが、計算の結果、図３の閾値がこのΔｎｅｆｆに対応することがわかった。つまり、被覆部１３の屈折率ｎ_３がコア部１１の導波モードの実効屈折率ｎｅｆｆより大きい領域では漏洩損失は変化しないが、被覆部１３の屈折率ｎ_３が導波モードの実効屈折率ｎｅｆｆより小さくなると漏洩損失が低減されることがわかった。

これは、図４に示すようにΔｃｏａｔ＞Δｎｅｆｆの場合、転移点ｒ_ｃ（被覆の屈折率がｎｅｆｆを上回る位置）はΔｃｏａｔに依存しないため、曲げ損失の値は、クラッド厚ＣＴが一定であればΔｃｏａｔに依存しないが、図５に示すようにΔｃｏａｔ＜Δｎｅｆｆの場合、Δｃｏａｔが小さくなるほど転移点ｒ_ｃは大きくなり、クラッド厚ＣＴが一定であれば、Δｃｏａｔの値が小さいほど曲げ損失の値は小さくなるからである。非特許文献２に記載の通り、転移点を超えた位置の電界は振動特性を示し、放射成分となる。転移点がファイバ中心からクラッド部１２の側に移動することで、転移点以降に存在する電界強度が小さくなり、放射する電界パワーの量が小さくなるためである。

また、被覆部１３の屈折率差ｎ_３がクラッド部１２の屈折率ｎ_２より小さくなると、クラッド部１２をコアとし、被覆部１３をクラッドとした多数の伝搬モードが発生し、マルチモード化することから好ましくない。

０％＜Δｃｏａｔ＜Δｎｅｆｆ、つまり屈折率で表現して、ｎ_２＜ｎ_３＜ｎｅｆｆとすることで、クラッド厚ＣＴの減少に伴う漏洩損失の増加を抑圧することができ、従来の光ファイバよりクラッド厚ＣＴを低減可能である。マルチコア光ファイバの場合は、小さな外径のクラッド部１２に多数のコア部１１を配置することができ、空間利用効率を向上させることができる。

同様に、波長１６２５ｎｍにおける被覆の比屈折率差に対する漏洩損失の関係を計算したものを図６に示す。波長以外の条件は、図３と同様である。この光ファイバの構造においては、コア部１１の導波モードの実効屈折率ｎｅｆｆは、クラッド部１２に対する導波モードの比屈折率差Δｎｅｆｆが０．１５９％となる値である。一般的には、波長が長くなると漏洩損失が増加するため、１５５０ｎｍの時の計算結果より漏洩損失が大きくなっているが、Δｎｅｆｆを境に漏洩損失が下がる傾向は同じである。

ＩＴＵ−Ｔのファイバ勧告Ｇ．６５２において、光損失の上限が０．４ｄＢ／ｋｍと規定されており、波長１６２５ｎｍにおいて０．４ｄＢ／ｋｍ以下であれば、一般的に用いられている１６２５ｎｍ以下の通信波長帯で漏洩損失を０．４ｄＢ／ｋｍ以下とすることができる。被覆部１３の屈折率を制限しない場合、つまりｎ_３＞ｎ_１＞ｎ_２の関係にある時にはＣＴ＞３５μｍとしなければならないが、被覆部１３の屈折率を０％＜Δｃｏａｔ＜Δｎｅｆｆとすることで、ＣＴ＜３５μｍの領域においても漏洩損失を０．４ｄＢ／ｋｍ以下とすることができる。

本発明は、光通信システムの伝送媒体として適用することができるため、光通信システムに利用することができる。

１１：コア部
１２：クラッド部
１３：被覆部

Claims (3)

1. コア部と、
   前記コア部を包囲し、屈折率が前記コア部の屈折率より小さいクラッド部と、
   前記クラッド部の外周端を包囲し、屈折率が前記クラッド部の屈折率より大きい被覆部と、
   を備え、
   前記被覆部は、
   光ファイバの直線状態のとき、前記コア部の導波モードの実効屈折率よりも屈折率が小さく、
   光ファイバの曲げ半径１４０ｍｍの状態のとき、前記コア部の導波モードの実効屈折率と等しい屈折率となる転移点を有することを特徴とする光ファイバ。
2. 前記コア部を複数有することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記複数のコア部のうち、前記クラッド部の外周端に最も近い位置にあるコア部の中心から前記クラッド部の外周端までのクラッド厚が３５μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ。

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