JP6482019B2

JP6482019B2 - 細径低曲げ損失光ファイバの設計方法

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Publication number: JP6482019B2
Application number: JP2015007609A
Authority: JP
Inventors: 幸弘五藤; 中島　和秀; 和秀中島; 利雄倉嶋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2035-01-19
Also published as: JP2016133596A

Description

本発明は単一モード光通信に供する、細径低曲げ損失の単一モード光ファイバ、並びにこれを用いた光コード及び光ケーブルに関する。

Fiber To The Home（FTTH）の進展に伴い、光線路設備の建設、保守、並びに運用に関わる作業の更なる効率化が求められている。特にデータセンタや局内施設などにおいては、通信容量の増大に併せて光ファイバの心線数が増加し、取扱い性の向上による作業効率の改善が重要となっている。近年では、小曲げ径における曲げ損失を低減した光ファイバが開発・実用化されており、作業時の不慮の曲げによる通信断の防止などへの応用も検討されている（例えば、非特許文献１参照）。

しかし、光ファイバが非常に小さい径に曲げられた場合、光ファイバが物理的に破断する確率が増加する。この破断確率は光ファイバのクラッド径に大きく依存し、例えば、従来のクラッド外径125μｍにおいて、曲げ回数１回、曲げ付与時間１秒において、1.25ｍｍ未満の曲げ半径で１０^-5以下の破断確率を得ることは困難であるという課題があった。

本発明の細径低曲げ損失光ファイバでは、コア周辺に空孔を付与した、いわゆる空孔アシスト型光ファイバにおいて、クラッドの外径、コアの半径及び比屈折率差、並びに空孔の直径及び位置を好適に制御することにより、曲げ回数１回、曲げ付与時間１秒、曲げ半径0.55ｍｍにおける破断確率を１０^-5以下とし、かつ波長1625ｎｍ及び曲げ半径５ｍｍで0.45ｄＢ／１巻以下となる曲げ損失特性と、波長1310ｎｍにおいて8.6μｍから9.2μｍまでのモードフィールド径（ＭＦＤ：Mode-field diameter）特性と、1260ｎｍ以下のカットオフ波長特性と、波長1300ｎｍから1324ｎｍまでの零分散波長特性と、0.092ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下の零分散スロープ特性とを同時に実現している。

具体的には、本発明の細径低曲げ損失光ファイバでは、屈折率が均一なクラッドと、前記クラッドの中央に配置された当該クラッドよりも高い屈折率を有するコアと、前記クラッドの中央を中心とした同心円状に配置された複数の空孔とを備え、コアの半径ａを3.6μｍ〜4.1μｍの範囲、コアのクラッドに対する比屈折率差Δを0.32％〜0.38％の範囲、各空孔の内接円の半径Ｒとコアの半径ａとの比Ｒ／ａを2.8〜3.0の範囲、各空孔の外接円から各空孔の内接円を除いた領域に対して全ての空孔が占める面積の割合を示す空孔占有率Ｓを0.35〜0.40の範囲とし、クラッドの外径Ｄを55〜65μｍの範囲とすることにより、曲げ回数１回、曲げ付与時間１秒、曲げ半径0.55ｍｍにおける破断確率を１０^-5以下とし、かつ波長1625ｎｍ及び曲げ半径５ｍｍで0.45ｄＢ／１巻以下となる曲げ損失特性と、波長1310ｎｍにおいて8.6μｍから9.2μｍまでのＭＦＤ特性と、1260ｎｍ以下のカットオフ波長特性と、波長1300ｎｍから1324ｎｍまでの零分散波長特性と、0.092ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下の零分散スロープ特性とを同時に実現する手段としている。

以上説明したように、本発明によれば、コア周辺に空孔を付与した光ファイバにおいて、前述したコア構造及び空孔構造に加え、当該光ファイバのクラッド外径を好適に制御することとしたため、所望の曲げ損失特性、ＭＦＤ特性、零分散特性、並びに零分散スロープ特性を満たしつつ、半径0.55ｍｍ未満の極小曲げにおける破断確率の低減を可能とするといった効果を奏する。

また、本発明の細径低曲げ損失光ファイバは、曲げ半径0.55ｍｍにおける光ファイバの破断確率を１０^-5以下に低減したため、当該細径低曲げ損失光ファイバを用いて構成される直径1.1ｍｍの光コードに２つ折りの状態が印加されても、光ファイバの破断による通信断が発生する確率を低減できると言った効果を奏する。

更に、本発明の細径低曲げ損失光ファイバでは、クラッド外径自身が縮小されているため、限られた空間における光配線密度の向上も可能にするといった効果も奏する。

尚、光（ファイバ）コードとは、光（ファイバ）ケーブルのうち、単心または２心程度の光ファイバ心線を含む、主として機器内（の基板間）の配線やラック間の配線に用いられるものをいい、コード型光（ファイバ）ケーブルと称されることもある。

本発明の細径低曲げ損失光ファイバの断面構造を示す概念図クラッド外径と許容曲げ半径との関係を表すグラフ空孔付き細径低曲げ損失光ファイバにおけるクラッドの外径とカットオフ波長との関係を表すグラフ LP11モード及びLP01モード間の閉じ込め損失差とLP01モードの閉じ込め損失との関係を表すグラフコア半径と比屈折率差の構造条件（Ｄ＝60μｍ，ｎ＝１０，Ｓ＝0.40）を表すグラフ（但し、(a)Ｒ／ａ＝2.6，(b)Ｒ／ａ＝2.8，(c)Ｒ／ａ＝3.0，(d)Ｒ／ａ＝3.2）コア半径と比屈折率差の構造条件（Ｄ＝60μｍ，ｎ＝１０，Ｒ／ａ＝3.0）を表すグラフ（但し、(a)Ｓ＝0.30，(b)Ｓ＝0.35）

以下では、本発明の細径低曲げ損失光ファイバの実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は本発明の細径低曲げ損失光ファイバの断面構造を示す概念図である。

本発明の細径低曲げ損失光ファイバは、屈折率が均一なクラッド１と、前記クラッド１の中央に配置された当該クラッド１よりも高い屈折率を有するコア２と、前記コア２の周辺において前記クラッド１の中央を中心とした同心円状に配置された複数の空孔３とを備える。

ここで、コア２の半径をａ、クラッド１の外径をＤ、空孔３の直径をｄ、空孔３の数をｎ、各空孔３の内接円４（図中の内側の点線）の半径をＲとし、各空孔３の外接円５（図中の外側の点線）から各空孔３の内接円４を除いた領域（図中の内側の点線と外側の点線で挟まれた領域）に対して全ての空孔３が占める面積の割合を示す空孔占有率Ｓを式（１）に定義する（非特許文献２参照）。

尚、前記空孔３の数ｎは任意の整数とすることができるが、後述する良好な曲げ損失特性を実現するため、６個以上であることが好ましく、また、偏光依存性の低減のため偶数個の空孔が等間隔に配置されることが好ましい。以下では、空孔３の数ｎを１０個とし、前記コア２のクラッド１に対する比屈折率差がΔであるステップ型の屈折率分布を有する場合について説明する。

尚、Δは前記コア２の屈折率ｎ₁、クラッド１の屈折率ｎ₂を用いて、式（２）により定義される。

図２はクラッド外径Ｄと光ファイバの許容最小曲げ半径との関係を表すグラフである。ここでは、光ファイバの寿命予測として一般的に知られているPower law theoryを用いて計算を行った（非特許文献３参照）。尚、光ファイバの許容最小曲げ半径は、プルーフレベル１％、曲げ回数１回、曲げ付与時間１秒において、破断確率が１０^-5となる曲げ半径として定義した。

図２から、クラッドの外径を縮小するにつれて、許容曲げ半径を小さくすることができることがわかる。また、許容曲げ半径を0.55ｍｍ以下とするためには、クラッドの外径Ｄを66μｍ以下とする必要があることがわかる。ここで、0.55ｍｍの曲げ半径は、直径1.1ｍｍの光コードを２つ折りした際に、内部の光ファイバに印加される実効的な曲げ半径に相当する。従って、60μｍ以下のクラッドの外径で所望の伝送特性を有する光ファイバが設計出来れば、極小曲げによる光ファイバの破断確率を低減した、高信頼かつ低曲げ損失な光ファイバコードを実現することが可能となる。

そこで、以下では、クラッドの外径を60μｍとして空孔の数ｎが１０個の細径低曲げ損失光ファイバの設計を行った。

図３は作製した空孔付き細径光ファイバのクラッドの外径Ｄと22ｍカットオフ波長λ_cとの関係を表すグラフである。作製した光ファイバのクラッドの外径は125，80及び60μｍであり、ａ，Δ，Ｒ／ａ，ｄ／２ａ及びＳはそれぞれ4.7μｍ，0.35％，2.76，0.53及び0.40である。図３より、クラッドの外径の縮小に伴い、カットオフ波長が長波長化することがわかる。従って、本発明の細径低曲げ損失光ファイバにおいて、1260ｎｍ以下の遮断波長を実現するためには、クラッドの外径Ｄの縮小によるカットオフ波長の長波長化の影響を考慮した設計が必要となる。

図４は図３に示した光ファイバの、22ｍカットオフ波長における基本（LP01）モードの閉じ込め損失と高次（LP11）モードの閉じ込め損失との差を、前記LP01モードの閉じ込め損失の関数としてプロットした図面である。尚、図４中のプロットは計算結果を、破線は前記の計算結果を一次関数で近似した線である。

図４より、LP01モードの閉じ込め損失が大きくなるにつれて、カットオフ波長におけるLP11モード及びLP01モード間の閉じ込め損失差も大きくなっていることがわかる。また、LP01モードの閉じ込め損失は、クラッドの外径Ｄの減少とともに増大することが分かる。従って、LP01モードの閉じ込め損失に応じて、実効的なカットオフ波長を与えるLP11モード及びLP01モード間の閉じ込め損失差を可変することにより、クラッドの外径Ｄを縮小した細径光ファイバにおいても、所望の1260ｎｍ以下のカットオフ波長を実現することができると考えられる。

そこで、以下の検討では、図４中の破線で示した２モード（LP11−LP10）間の閉じ込め損失差とLP01モードの閉じ込め損失との関係を用いて、細径光ファイバのカットオフ波長を設計した。尚、２モード間の閉じ込め損失差をΔα、LP01モードの閉じ込め損失をα₀₁とすると、本実施の形態におけるΔαとα₀₁の関係は式（３）により記述することができる。

図５は本発明の細径低曲げ損失光ファイバにおける、コア半径ａと比屈折率差Δの構造条件を示すグラフである。尚、図５(a),(b),(c),(d)はＳを0.40に固定し、Ｒ／ａをそれぞれ2.6，2.8，3.0，3.2とした計算結果を示す。

図中の実線は波長1310ｎｍにおけるＭＦＤが8.6μｍ〜9.2μｍの範囲を示しており、実線に囲まれた範囲で特性を満たす。ここで、8.6μｍ〜9.2μｍのＭＦＤは、現在、汎用的に使用されているクラッド外径Ｄが125μｍの単一モード光ファイバ（ＳＭＦ：Single-mode fiber）の国際規格（非特許文献４参照）の範囲内であるため、本発明の細径低曲げ損失光ファイバと従来のＳＭＦとを良好な特性で接続できるため好ましい。

また、点線はカットオフ波長λ_cが1260ｎｍとなる境界を示しており、点線より左側の領域で所望の特性が実現できる。二点鎖線は零分散波長λ₀が1324ｎｍとなる境界を示しており、二点鎖線の右側の領域で1324ｎｍ以下の零分散波長が実現できる。一点鎖線は零分散スロープｓ₀が0.092ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍとなる境界を示しており、一点鎖線の右側の領域で0.092ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下のｓ₀を実現することができる。

ここで、上述の汎用ＳＭＦにおけるλ₀及びｓ₀の国際規格（非特許文献４参照）は、それぞれ1300ｎｍ〜1324ｎｍ及び0.092ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下である。このため、本発明の細径低曲げ損失光ファイバのλ₀及びｓ₀特性を、既存の国際規格と整合するように設計することにより、容易に既存の汎用ＳＭＦと混在した光伝送路も設計できるため好ましい。

図５(a)〜(d)より、Ｒ／ａが2.6及び3.2の場合、ＭＦＤ、λ_c、λ₀及びｓ₀の全ての条件を満足するａとΔの設計領域が確保できないことが分かる。一方、Ｒ／ａが2.8及び3.0の場合は、ＭＦＤ、λ_c、λ₀及びｓ₀の全ての特性を満たすａとΔの設計領域が得られることがわかる。従って、本発明の細径低曲げ損失光ファイバでは、Ｒ／ａを2.8〜3.0の範囲で設定することが好ましい。

次に、本発明の細径低曲げ損失光ファイバの曲げ損失α_b特性について説明する。

一般に、複数の空孔を付与した光ファイバでは、Ｒ／ａの低減、もしくはＳの増加によりα_b特性を改善できることが知られている（非特許文献２参照）。従って、本発明の細径低曲げ損失光ファイバでは、Ｒ／ａを上限の3.0とした場合に、α_bの特性改善が最も困難になると考えられる。一方、非特許文献２では、Ｓを0.4より大きな値に設定すると、1260ｎｍ以下の遮断波長を実現することが困難となることも指摘されている。

そこで、Ｒ／ａを3.0に固定し、Ｓを0.3，0.35と変化させた場合のａ及びΔの構造条件を図６(a)，(b)に示す。

図中の実線は波長1310ｎｍにおけるＭＦＤが8.6μｍ〜9.2μｍとなる範囲を示しており、実線に囲まれた範囲で特性を満たす。点線はカットオフ波長λ_cが1260ｎｍとなる境界を示しており、点線より左側の領域で所望の特性が実現できる。二点鎖線は零分散波長λ₀が1324ｎｍとなる境界を示しており、二点鎖線の右側の領域で1324ｎｍ以下の零分散波長が実現できる。

一点鎖線は零分散スロープｓ₀が0.092ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍとなる境界を示しており、一点鎖線の右側の領域で0.092ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下のｓ₀を実現することができる。破線は曲げ損失α_bが波長1625ｎｍ及び曲げ半径５ｍｍにおいて0.45ｄＢ／１巻となる境界を示しており、破線の上側の領域で、波長1625ｎｍ及び曲げ半径５ｍｍにおけるα_bを0.45ｄＢ／１巻以下とすることが可能になる。

ここで、クラッド外径Ｄが125μｍで曲げ損失特性を改善した低曲げ損失光ファイバの国際規格では、波長1625ｎｍ及び曲げ半径５ｍｍにおける曲げ損失を0.45ｄＢ／１巻以下とすることが定められている（非特許文献５参照）。従って、本発明の細径低曲げ損失光ファイバも、既存のクラッド外径Ｄが125μｍの低曲げ損失光ファイバと同等のα_b特性を満たすことにより、良好な取扱い性が得られるものと考えられる。

図６より、Ｓの低減に伴いカットオフ波長の制限が緩和されることがわかる。また、Ｓの低減によりα_bによる設計領域の制限が顕在化し、Ｓが0.3の場合には、ＭＦＤ、λ_c、λ₀、ｓ₀及びα_bの全ての条件を満足するａとΔの設計領域が得られないことが分かる。

一方、Ｓが0.35の場合には、曲げ損失による制限が緩和され、ＭＦＤ、λ_c、λ₀、ｓ₀及びα_bの全ての条件を満足するａとΔの設計領域が十分に得られることがわかる。尚、Ｒ／ａが3.0でＳが0.4の時の計算結果は図５(c)に示した通りである。

ここで、曲げ損失による構造境界は、図５(c)横軸の下限よりも更にコア半径の小さい領域に存在しており、図５(c)に示したハッチングの設計領域では、波長1625ｎｍ及び曲げ半径５ｍｍにおける曲げ損失を0.45ｄＢ／１巻よりも十分小さく低減できる。

従って、本発明の細径低曲げ損失光ファイバのＲ／ａは2.8〜3.0の範囲に、Ｓは0.35〜0.40の範囲に設定することが望ましいことがわかる。また、図５及び図６からコア半径ａは3.55〜4.07μｍの範囲、比屈折率差Δは0.32〜0.38％の範囲で設定することが望ましいことがわかる。

従って、クラッド外径Ｄを60μｍにし、コア半径ａを3.6〜4.1μｍの範囲、比屈折率差Δを0.32〜0.38％の範囲、Ｒ／ａを2.8〜3.0の範囲、Ｓを0.35〜0.40の範囲として制御することにより、1260ｎｍ以下のカットオフ波長特性と、1324ｎｍ以下の零分散波長特性と、0.092ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下の零分散スロープ特性と、波長1310ｎｍにおいて8.6〜9.2μｍのＭＦＤ特性と、波長1625ｎｍ及び曲げ半径５ｍｍにおいて0.45ｄＢ／１巻以下の曲げ損失特性とを有する細径低曲げ損失光ファイバを実現することが可能となる。

上記実施の形態に示した設計条件に基づき、ａ、Δ、Ｒ／ａ及びＳが、それぞれ3.85μｍ、0.35％、2.9及び0.38の光ファイバについて検討を行った。尚、規格化空孔直径ｄ／２ａは0.52とした。本構造を用い、クラッド外径Ｄが55、60及び65μｍの細径低曲げ損失光ファイバを作製した。表１に作製した本発明の光ファイバの諸元を示す。

表１より、何れのクラッド外径においても、所望のＭＦＤ、λ_c、λ₀、ｓ₀及びα_b特性が実現されていることが分かる。従って、実施の形態に示した、コア半径、比屈折率差、Ｒ／ａ及びＳの条件を用いることにより、クラッド外径を55〜65μｍに縮小した細径低曲げ損失光ファイバを実現することが可能となる。

１：クラッド、２：コア、３：空孔、４：内接円、５：外接円。

S. Aozasa，et al.，"Highly reliαｂle optical fiber distribution facilities in central office employing single-mode hole-assisted fiber cord"，Proc.，IWCS 59th，pp. 126-132，2010. K. Nakajima，et al.，"Bending-loss insensitive fiber with hole-assisted structure"，Trans. Coｍｍun.，vol. E94-B，No. 3，2011. M. Tachikura，et al.，"Improved theoretical estimation of mechanical reliαｂility of optical fibers"，Proc. SPIE，vol. 5623，pp. 622 - 629，2005. ITU-T Recoｍｍendation G.652，2009 - 11. ITU-T Recoｍｍendation G.657，2012 - 10.

Claims

屈折率が均一なクラッドと、前記クラッドの中央に配置された当該クラッドよりも高い屈折率を有するコアと、前記クラッドの中央を中心とした同心円状に配置された複数の空孔とを備える細径低曲げ損失光ファイバの設計方法であって、
コアの半径ａを3.6μｍ〜4.1μｍの範囲、コアのクラッドに対する比屈折率差Δを0.32％〜0.38％の範囲、各空孔の内接円の半径Ｒとコアの半径ａとの比Ｒ／ａを2.8〜3.0の範囲、各空孔の外接円から各空孔の内接円を除いた領域に対して全ての空孔が占める面積の割合を示す空孔占有率Ｓを0.35〜0.40の範囲、クラッドの外径Ｄを55〜65μｍの範囲とし、
カットオフ波長は、LP11モード−LP10モード間の閉じ込め損失差の計算結果Δα、及びLP01モードの閉じ込め損失の計算結果α ₀₁ が、下記数式の関係を満たす波長とする
ことを特徴とする細径低曲げ損失光ファイバの設計方法。
前記空孔の数は１０個とすることを特徴する請求項１に記載の細径低曲げ損失光ファイバの設計方法。
前記細径低曲げ損失光ファイバは、
1260ｎｍ以下のカットオフ波長特性と、波長1310ｎｍで8.6μｍから9.2μｍまでのモードフィールド径特性と、1300ｎｍから1324ｎｍまでの零分散波長特性と、0.092ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下の零分散スロープ特性と、波長1625ｎｍ及び曲げ半径５ｍｍで0.45ｄＢ／１巻以下の曲げ損失特性とを有する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の細径低曲げ損失光ファイバの設計方法。