JP7036027B2 - 光ファイバ線路および光ファイバ線路製造方法 - Google Patents

光ファイバ線路および光ファイバ線路製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、光ファイバ線路および光ファイバ線路製造方法に関するものである。
非特許文献1~3に記載されているとおり、光海底ケーブルシステムなどに代表される超長距離大容量伝送(Ultra long-haul large-capacity transmission)においては、システム内の光信号対雑音比を最大化するために、伝送損失が低くかつ実効断面積(Aeff)が大きい光ファイバ(低ロス・大Aeff光ファイバ:Law-loss large-Aeff optical fiber)が用いられている。現在、波長1.55μmにおけるAeffが130~150μmである大Aeff光ファイバが光海底ケーブルシステムに採用されている。しかしながら、システム内の中継器ではフィードスルーとして、ITU-T G.652またはG.654Cに準拠したシングルモード光ファイバが一般的に使用される。
大Aeff光ファイバとシングルモード光ファイバとの典型的な融着接続による損失は、波長1550nmにおいて一接続箇所あたり0.3dBである。非特許文献4に記載されているように、容量距離積が500Pb/s×kmを超える伝送システムにおける典型的なスパン損失は10dBである。前述の接続損失は、このスパン損失と比べて無視できない大きさである。このことから、大Aeff光ファイバとシングルモード光ファイバとの間の接続損失の低減が望まれる。
大Aeff光ファイバとシングルモード光ファイバとの間に接続損失が生じる原因の一つは、これら光ファイバのモードフィールド径(MFD:Mode Field Diameter)が互いに異なることから、2つの光ファイバに跨る遷移区間(MFDが長手方向に沿って変化する区間)で全ての光パワーが基底導波モードに結合できないからである。非特許文献1には、内側の第一コアより外側の第二コアの方が高い屈折率を有する二重コア(リング型コア)構造の大Aeff光ファイバは、従来のステップ型屈折率分布を有するコア(ステップ型コア)構造の大Aeff光ファイバよりも、同じAeffに対してMFDを小さくすることができる旨が記載されている。したがって、大Aeff光ファイバとして、ステップ型コアではなくリング型コアの光ファイバを使用することにより、MFD不整合を小さくすることができる(接続損失を減少させることができる)。しかしながら、例えばAeffが波長1.55μmにおいて83μmであるシングルモード光ファイバとAeffが波長1.55μmにおいて148μmであるリング型コアの大Aeff光ファイバとの間の理論的に計算される接続損失は、0.22dBであり依然高い。
MFDが互いに異なる2つの光ファイバの端部同士の接続損失をさらに低減させる方法としては、中間のAeffを有する光ファイバを割入接続するブリッジ接続、接続点を物理的にテーパー形状にするテーパー接続、および、接続点を加熱してコアを拡大させるコア拡散接続(TEC(Thermally Expanded Core)接続)が挙げられる。
特許文献1には、超短尺ブリッジファイバを使用したブリッジ接続の方法が開示されている。ブリッジ接続は、接続点が増え、システムが複雑化する懸念がある。また、非特許文献3には、テーパー接続による損失低減方法が記載されている。なお、テーパー接続は、接続点の径を細らせていることから、機械的強度が弱くなる懸念がある。
TEC接続は、これらブリッジ接続やテーパー接続で生じる懸念がなく、光海底ケーブルシステムなどでの実用に最も値する接続方法である。TEC接続は、非特許文献5に記載されている。MFDのテーパー(長手方向に沿ってMFDが連続的に拡大または縮小する状態)を接続点周辺に作ることにより、接続点でのMFDの不整合が減少または解消される。MFDのテーパーは、一般的に光ファイバのコアに添加されたドーバントを熱により拡散させてMFDを拡大させることにより実現される。
特開2004-191998号公報 特表2007-535002号公報 特開平9-15441号公報 特開2003-14973号公報 特開2000-98171号公報 WO01/033266号公報
Y. Yamamoto, et al, "Low-Loss and Low-Nonlinearity Pure-Silica-Core Fiber for C- and L-band Broadband Transmission", Journal of Lightwave Technology, Vol.34, No.2, pp.321-326 (Jan. 2016). M. Hirano, et al, "Aeff-enlarged Pure-Silica-Core Fiber having Ring-Core Profile", OFC/NFOEC Technical Digest, OTh4I.2 (2012). S. Makovejs, et al, "Towards Superior Transmission Performance in Submarine Systems: Leveraging Ultra Low Attenuation and Large Effective Area", Journal of Lightwave Technology, Vol.34, No.1, pp.114-120 (Jan. 2016). J.-X. Cai, et al, "49.3 Tb/s Transmission Over 9100 km Using C+L EDFA and 54 Tb/s Transmission Over 9150 km Using Hybrid-Raman EDFA", Journal of Lightwave Technology, Vol.33, No.13, pp.2724-2734 (Jul. 2015). K. Shiraishi, et al, "Beam expanding fiber using thermal diffusion of the dopant", Journal of Lightwave Technology, Vol.8, No.8, pp.1151-1161 (Aug. 1990). J. Krause, et al, "Splice loss of single-mode fiber as related to fusion time, temperature, and index profile alteration", Journal of Lightwave Technology, Vol.4, No.7, pp.837-840 (Jul. 1986).
発明者らは、上述の従来技術について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、超長距離大容量伝送システムにおいて使用される光ファイバとしては、伝送損失を低減させるために一般的に純シリカコア光ファイバが採用されている。純シリカコア光ファイバを実現するため、クラッドにはSiOの屈折率を下げるドーバントとしてフッ素が添加されている。非特許文献6に記載されているとおり、フッ素の拡散係数は、通常のシングルモード光ファイバのコアに添加されているゲルマニウムの拡散係数に比べて約30倍大きい。このことから、TEC接続によりMFDの小さいシングルモード光ファイバ側にテーパーを作ろうとファイバ接続点付近で加熱を行うと、大Aeff光ファイバ側のフッ素の拡散の方が大きいので、MFD不整合がむしろ拡大してしまうという課題がある。
特許文献2~5には、MFDが互いに異なる2つの光ファイバのTEC接続に関する発明が開示されている。しかしながら、これらの文献に開示された発明は、上述の課題を解消することができない。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、フッ素を含むクラッドを有するシングルモード光ファイバと大Aeff光ファイバとをTEC接続することにより構成された、これら光ファイバ間の接続損失が低減された光ファイバ線路を提供することを目的としている。また、このような光ファイバ線路を製造する方法を提供することを目的としている。
本発明に係る光ファイバ線路は、第1光ファイバと、第2光ファイバと、第1光ファイバの端部と第2光ファイバの端部とが互いに融着接続された構造と、を備える。なお、第1光ファイバは、シリカガラスを主成分とするとともに、第1コアと該第1コアを取り囲む第1クラッドとを有する。また、第2光ファイバは、シリカガラスを主成分とするとともに、第2コアと該第2コアを取り囲む第2クラッドとを有する。当該光ファイバ線路は、第1光ファイバ側に設定された第1定常区間と、第2光ファイバ側に設定された第2定常区間と、第1および第2定常区間の間に位置する遷移区間とを含む。遷移区間は、当該光ファイバ線路の長手方向に沿ってMFD(モードフィールド径)が遷移する区間である。第1定常区間において、第1光ファイバは、波長1550nmにおいて90μm以下(一例として、好ましくは30~90μm、より好ましくは70~90μm)のAeff(実効断面積)と、長手方向に沿った変動幅が1.0μm未満であるMFDと、を有する。第1クラッドのうちコアに隣接する該第1クラッドの内側領域は、4000~15000ppm(一例として、好ましくは6000~15000ppm)のフッ素を含む。一方、第2定常区間において、第2光ファイバは、波長1550nmにおいて100~200μm(一例として、好ましくは120~170μm)のAeffと、長手方向に沿った変動幅が1.0μm未満であるMFDと、を有する。更に、遷移区間において、基底導波モードのデシベル(dB)表示での接続損失は、波長1550nmにおけるdB表示での理想突合せ損失の55%以下である。
なお、本明細書において、遷移区間は、第1および第2光ファイバが融着接続されたそれぞれの端部(接続点)を含む、当該光ファイバ線路の長手方向に沿った一定範囲を意味する。また、MFDの変動幅は、MFDの最大値と最小値との差で規定される。遷移区間における基底導波モードの接続損失とは、遷移区間の第1の端(第1光ファイバ側に位置する端部)に隣接した第1光ファイバの基底導波モードから、遷移区間の第2の端(第2光ファイバ側に位置する端部)に隣接した第2光ファイバの基底導波モードへ、遷移区間を介在させて第1および第2光ファイバが光学的に結合する際の結合損失を意味する。また、記述を簡潔にするために、遷移区間における基底導波モードの接続損失を単に接続損失と呼ぶ。
本発明によれば、フッ素を含むクラッドを有するシングルモード光ファイバと大Aeff光ファイバとをTEC接続することにより構成され、これら光ファイバ間の接続損失が低減された光ファイバ線路を提供することができる。
は、本実施形態に係る光ファイバ線路10の構成例を示す図である。 は、第1光ファイバ11の屈折率プロファイル例を示す図である。 は、比較例のシングルモード光ファイバの屈折率プロファイル例を示す図である。 は、第2光ファイバ12の屈折率プロファイル例を示す図である。 は、本実施形態に係る光ファイバ線路製造方法を説明するためのフローチャートである。 は、本実施形態のサンプルにおいて第1光ファイバとして用いられたファイバ1と、比較例において用いられた比較ファイバそれぞれの諸元を纏めた表である。 は、本実施形態のサンプルおよび比較例それぞれにおいて第2光ファイバとして用いられたファイバ2~4の諸元を纏めた表である。 は、本実施形態のサンプル1~3および比較例1~3それぞれにおける光ファイバの組合せを纏めた表である。 は、本実施形態のサンプルにおけるリファレンス測定時の実験系の例を示す図である。 は、本実施形態のサンプルにおける接続損失測定の実験系の例を示す図である。 は、比較例におけるリファレンス測定時の実験系の例を示す図である。 は、比較例における接続損失測定の実験系の例を示す図である。 は、本実施形態のサンプル2および比較例2それぞれについて、追加加熱総時間と接続損失との関係を示すグラフである。 は、本実施形態のサンプル2および比較例2それぞれについて、接続損失が極小となる追加加熱総時間における接続損失の波長依存性を示すグラフである。 は、本実施形態のサンプル2および比較例2それぞれについて、1520nmから1640nmの波長領域での接続損失の最小値と最大値の、追加加熱総時間に対する変化を示すグラフである。 は、本実施形態のサンプル2および比較例2それぞれについて、接続損失が極小となったときの長手方向位置に対する波長1.55μmにおけるMFDの変化を示すグラフである。 は、本実施形態のサンプル2および比較例2それぞれについて、追加加熱総時間と各光ファイバのMFDとの関係を示すグラフである。 は、本実施形態のサンプル1~3および比較例1~3それぞれについて、接続損失の結果を纏めた表である。 は、本実施形態のサンプル1~3および比較例1~3それぞれについて、追加加熱工程を行った場合の接続損失の結果を示すグラフである。
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。
(1)本実施形態の一態様として、光ファイバ線路は、第1光ファイバと、第2光ファイバと、第1光ファイバの端部と第2光ファイバの端部とが互いに融着接続された構造と、を備える。なお、第1光ファイバは、シリカガラスを主成分とするとともに、第1コアと該第1コアを取り囲む第1クラッドとを有する。また、第2光ファイバは、シリカガラスを主成分とするとともに、第2コアと該第2コアを取り囲む第2クラッドとを有する。当該光ファイバ線路は、第1光ファイバ側に設定された第1定常区間と、第2光ファイバ側に設定された第2定常区間と、第1および第2定常区間の間に位置する遷移区間とを含む。遷移区間は、当該光ファイバ線路の長手方向に沿ってMFD(モードフィールド径)が遷移する区間である。第1定常区間において、第1光ファイバは、波長1550nmにおいて90μm以下(一例として、好ましくは30~90μm、より好ましくは70~90μm)のAeff(実効断面積)と、長手方向に沿った変動幅(MFDの最大値と最小値との差)が1.0μm未満であるMFDと、を有する。第1クラッドのうちコアに隣接する該第1クラッドの内側領域は、4000~15000ppm(一例として、好ましくは6000~15000ppm)のフッ素を含む。一方、第2定常区間において、第2光ファイバは、波長1550nmにおいて100~200μm(一例として、好ましくは120~170μm)のAeffと、長手方向に沿った変動幅が1.0μm未満であるMFDと、を有する。更に、遷移区間において、基底導波モードのデシベル(dB)表示での接続損失は、波長1550nmにおけるdB表示での理想突合せ損失の55%以下である。ここで、遷移区間は、より好ましくはMFDが不連続な変化位置を含み、その両側でそれぞれMFDが単調に変化しているとよい。また、第1光ファイバの波長1550nmにおけるAeffは、上述のように、90μm以下、好ましくは30~90μm、より好ましくは70~90μmである。
(2)本実施形態の一態様として、第2光ファイバの第2クラッドは、フッ素を含んでもよい。この場合、第2光ファイバにおいて、第2クラッドに対する第2コアの比屈折率差は、0.2%以上であるのが好ましい。本実施形態の一態様として、第1クラッドの内側領域におけるフッ素濃度は、第2クラッドのうち第2コアに隣接する該第2クラッドの内側領域のフッ素濃度より大きいのが好ましい。本実施形態の一態様として、第1クラッドの内側領域のフッ素濃度は、第2クラッドの内側領域のフッ素濃度の1.05倍より大きいのが好ましい。更に、本実施形態の一態様として、遷移区間のうち第1光ファイバに設定された部分に含まれる、長手方向に沿った長さ50μmの任意区間において、第2光ファイバ側に位置する該任意区間の端部におけるMFDは、第1光ファイバ側に位置する任意区間の端部におけるMFDの1.2倍以下であるのが好ましい。
(3)本実施形態の一態様として、当該光ファイバ線路の遷移区間のうち、第1光ファイバの側に位置する、長手方向に沿った長さが300μm以上の区間(例えば、第1および第2光ファイバ間の接続点を基点として、該接続点から300μm離れた第1光ファイバ側の位置までの区間)において、第1光ファイバの側から第2光ファイバの側に向かってMFDが1.0μm以上連続的に変化するのが好ましい。
(4)本実施形態の一態様として、第2光ファイバは、リングコア型の屈折率プロファイルを有するのが好ましい。また、本実施形態の一態様として、第1および第2光ファイバそれぞれにおいて、遷移区間が設定された部分における第1および第2コアそれぞれのフッ素濃度は、コア中心から半径方向に連続的に増大しているのが好ましい。本実施形態の一態様として、長手方向に沿った遷移区間の長さは、1cm以下であるのが好ましい。本実施形態の一態様として、第1光ファイバは、第1クラッドを被覆するポリイミド樹脂層を有するのが好ましい。本実施形態の一態様として、当該光ファイバ線路は、その全長に亘り200kpsi以上の強度を有するのが好ましい。
(5)本実施形態の一態様として、光ファイバ線路製造方法は、上述のような構造を有する光ファイバ線路を製造するため、配置工程と、融着工程と、追加加熱工程と、を備える。配置工程では、第1光ファイバの端部と、第2光ファイバの端部と、を互いに対向させた状態で、第1光ファイバおよび第2光ファイバが融着機に配置される。なお、第1光ファイバは、シリカガラスを主成分とするとともに、第1コアと該第1コアを取り囲む第1クラッドとを有する。また、第1光ファイバは、波長1550nmにおいて90μm以下(一例として、好ましくは30~90μm、より好ましくは70~90μm)のAeffと、当該第1光ファイバの長手方向に沿った変動量が1.0μm未満であるMFDと、を有する。更に、第1クラッドのうち第1コアに隣接する該第1クラッドの内側領域は、4000~15000ppm(一例として、好ましくは6000~15000ppm)のフッ素を含む。一方、第2光ファイバは、シリカガラスを主成分とするとともに、第2コアと該第2コアを取り囲む第2クラッドとを有する。また、第2光ファイバは、波長1550nmにおいて100~200μm(一例として、好ましくは120~170μm)のAeffと、当該第2光ファイバの長手方向に沿った変動量が1.0μm未満であるMFDと、を有する。融着工程では、第1光ファイバの端部と第2光ファイバの端部とを加熱により溶融させつつ互いに突き合わせることにより、これら第1光ファイバの端部と第2光ファイバの端部とが一体化される。追加加熱工程では、第1光ファイバの長手方向に沿って規定される該第1光ファイバの一定範囲であって、第1および第2光ファイバの接続点を含む一定範囲が、更に加熱される。ここで、第1光ファイバの波長1550nmにおけるAeffは、上述のように、30~90μmが好ましく、より好ましくは70~90μmである。
(6)本実施形態の一態様として、追加加熱工程において、第1光ファイバの端部は、第1クラッドが溶けずかつフッ素が拡散する放電パワーで、50秒以上の時間に亘って放電加熱されるのが好ましい。本実施形態の一態様として、追加加熱工程において、長手方向に沿った第1光ファイバの一定範囲の長さは、第1クラッドの直径の1倍以上であるのが好ましい。本実施形態の一態様として、追加加熱工程において、一定範囲と加熱部を相対的に移動させることにより、該一定範囲における加熱位置が、前記第1光ファイバの前記長手方向に沿って移動するのが好ましい。
以上、この[本願発明の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本実施形態に係る光ファイバ線路および光ファイバ線路製造方法の具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
図1は、本実施形態に係る光ファイバ線路10の構成例を示す図である。光ファイバ線路10は、それぞれの端部同士が互いに融着接続された第1光ファイバ(シングルモード光ファイバ)11と第2光ファイバ(大Aeff光ファイバ)12とを備える。第1光ファイバ11および第2光ファイバ12それぞれは、シリカガラスを主成分とし、コアと該コアを取り囲むクラッドとを有する。第1光ファイバ11および第2光ファイバ12それぞれのクラッド径は、互いに等しく125μmである。第1光ファイバ11と第2光ファイバ12との接続点(融着接続部位)13を含む長手方向の一定範囲においてTEC処理によりMFDが長手方向に沿って遷移する遷移区間14が設定されている。また、第1光ファイバ11側には、第1定常区間が設定される。一方、第2光ファイバ12側には第2定常区間が設定される。遷移区間14は、これら第1および第2定常区間の間に位置している。また、第1および第2定常区間それぞれは、必ずしも遷移区間14に接触した状態で設定される必要はない。
第1光ファイバ11は、遷移区間14を除いた第1定常区間において、そのMFDが当該第1光ファイバ11の長手方向に沿って実質的に一様である。すなわち、第1定常区間におけるMFDは、該長手方向に沿った変動量が1.0μm未満である。また、第1光ファイバ11は、波長1.55μmにおいて90μm以下のAeffを有する。第1光ファイバ11のクラッド(第1クラッド)のうちコア(第1コア)に隣接する、該クラッドの内側領域は4000~15000ppm、好ましくは6000~15000ppmのフッ素を含む。これにより、第1光ファイバ11におけるクラッドの内側領域は、純シリカガラスの屈折率より0.14%~0.53%だけ低い屈折率を有する。第2光ファイバ12は、遷移区間14を除いた第2定常区間において、そのMFDが当該第2光ファイバ12の長手方向に沿って実質的に一様である。すなわち、第2定常区間におけるMFDは、該長手方向に沿った変動幅が1.0μm未満である。また、第2光ファイバ12は、波長1.55μmにおいて100~200μmのAeffを有する。ここで、第1光ファイバ11の波長1.55μmにおけるAeffは、30~90μmが好ましく、より好ましくは70~90μmである。また、第2光ファイバ12の波長1.55μmにおけるAeffは、ケーブル状態での伝送損失増加を抑制するため、170μm以下が好ましく、より好ましくは160μm以下である。更に、第2光ファイバ12の波長1.55μmにおけるAeffは、伝送中の非線形ノイズを抑えるため、120μm以上が好ましく、より好ましくは140μm以上である。
遷移区間14において、基底導波モードのdB表示での接続損失は、波長1550nmにおけるdB表示での理想突合せ損失の55%以下である。理想突合せ損失α[dB]は、第1光ファイバ11の第1定常区間および第2光ファイバ12の第2定常区間におけるMFDの不整合のみに由来する損失であり、以下の式(1)で表される(上記非特許文献3参照)。なお、式(1)において、W12は、第2光ファイバ12の第2定常区間におけるMFDを第1光ファイバ11の第1定常区間におけるMFDで割った値である。
Figure 0007036027000001
図2は、第1光ファイバ11の屈折率プロファイル例を示す図である。第1光ファイバ11は、GeO等の屈折率を上昇させる不純物を実質的に含んでいない純シリカガラスからなるコア(第1コア)と、屈折率を低下させる不純物であるフッ素を含むシリカガラスからなるクラッド(第1クラッド)と、を有する。なお、第1光ファイバ11の屈折率プロファイルは、図2に示された形状に限定されるものではない。第1光ファイバ11の屈折率プロファイルは、例えば、当該第1光ファイバ11のクラッドが、コアを取り囲む内側領域と、該内側領域を取り囲みかつ該内側領域より高い屈折率を有する外側領域と、で構成された形状を有してもよい。
図3は、比較例のシングルモード光ファイバの屈折率プロファイル例を示す図である。比較例のシングルモード光ファイバは、屈折率を上昇させる不純物であるGeOを含むシリカガラスからなるコアと、屈折率調整のための不純物を実質的に含んでいない純シリカガラスからなるクラッドと、を有する。
比較例のシングルモード光ファイバでは、コアに含まれるゲルマニウムの熱拡散によりMFDのテーパー構造を形成して接続損失を低減する。これに対し、本実施形態における第1光ファイバ11では、該第1光ファイバ11のクラッドに含まれるフッ素がコア側へ熱拡散することによりMFDのテーパーが形成される。非特許文献6に記載されているように、フッ素の拡散係数はゲルマニウムの拡散係数より約30倍速いので、比較例のシングルモード光ファイバと比べて、本実施形態における第1光ファイバ11では、熱拡散によるMFDテーパーを容易に形成することができる。ここで、第1光ファイバ11において、クラッドのうちコアに隣接する該クラッドの内側領域は、4000~15000ppmのフッ素を含むのが好ましい。更には、フッ素の濃度が高いほど、クラッドに含まれるフッ素のコア側への拡散が早く進むので処理時間の端出が可能になる。そのため、フッ素は6000ppm以上添加されていることが望ましい。
図4は、第2光ファイバ12の定常区間(第2定常区間)における屈折率プロファイル例を示す図である。第2光ファイバ12は、リングコア型の屈折率プロファイルを有し中心コアおよびリングコアからなるコア(第2コア)と、内側領域および外側領域からなるクラッド(第2クラッド)と、を有する。中心コアは、フッ素を含むシリカガラスからなる。中心コアを取り囲むリングコアは、屈折率調整のための不純物を実質的に含んでいない純シリカガラスからなり、中心コアより屈折率が高い。リングコアを取り囲むクラッドの内側領域は、フッ素を含むシリカガラスからなり、リングコアより屈折率が低い。なお、第2光ファイバ12におけるクラッドにおいて、内側領域を取り囲む外側領域は、フッ素を含むシリカガラスからなり、内側領域より屈折率が高い。
図4に示されたリングコア型の屈折率プロファイルのコアを有する光ファイバは、リングコア型でなくステップ型の屈折率プロファイルのコアを有する光ファイバと比較すると、Aeffを互いに等しくしたときにMFDを小さくすることができる。例えば、ステップ型の屈折率プロファイルの場合、波長1.55μmにおけるAeffが150.7μmであって波長1.55μmにおけるMFDが13.8μmである。これに対し、リングコア型の屈折率プロファイルの場合、波長1.55μmにおけるAeffが147.8μmであって波長1.55μmにおけるMFDが12.9μmである。したがって、ステップ型の屈折率プロファイルと比較してリングコア型の屈折率プロファイルの場合、MFDが約1μm低減される。すなわち、リングコア型の屈折率プロファイルを有する第2光ファイバ12を用いることにより、第1光ファイバ11と第2光ファイバ12との間のMFDの差異を小さくすることができる。換言すれば、第1光ファイバ11のクラッドに添加されたフッ素の熱拡散量が少なくても、第1光ファイバ11および第2光ファイバ12間の接続損失が十分に低減され得る。
好ましくは、第2光ファイバ12のクラッドはフッ素を含み、第2光ファイバ12のクラッドに対するコアの比屈折率差は0.2%以上である。この場合、第2光ファイバ12のコアのGeO濃度を低減または実質的にゼロにすることができる。すなわち、第2光ファイバ12の伝送損失および非線形屈折率の低減が可能になる。
好ましくは、第1光ファイバ11のクラッドのうちコアに隣接する内側領域のフッ素濃度C1は、第2光ファイバ12のクラッドのうちコアに隣接する内側領域のフッ素濃度C2より大きい。この場合、第1光ファイバ11のクラッドの粘性を第2光ファイバ12のクラッドの粘性より下げることができる。すなわち、第1光ファイバ11のクラッドのフッ素を第2光ファイバ12のクラッドのフッ素より速く拡散させることができる。そして、第1光ファイバ11のMFDの拡大率を第2光ファイバ12のMFDの拡大率より大きくすることができる。より好ましくは、フッ素濃度C1はフッ素濃度C2の1.05倍より大きい。
好ましくは、遷移区間14のうち当該光ファイバ線路10の長手方向に沿った50μmの任意区間において、第2光ファイバ12側に位置する該任意区間の端部におけるMFDは、第1光ファイバ11側に位置する該任意区間の端部におけるMFDの1.2倍以下である。遷移区間14において、第1光ファイバ11側に位置する300μm以上の区間(一例として、接続点13を起点として、該接続点13から300μmはなれた位置までの区間であってもよい)でMFDが1.0μm以上の連続的な変化をしている。遷移区間14において、第1光ファイバ11および第2光ファイバ12それぞれのコアのフッ素濃度は、コア中心から半径方向に連続的に増大している。遷移区間14の長手方向に沿った長さは1cm以下である。
好ましくは、第1光ファイバ11はクラッドを被覆するポリイミド樹脂層を有する。海底中継器ではフィードスルーに対しはんだ付けを行い中継器内の気密性を保つことから、フィードスルーの被覆は耐熱性を有するポリイミド樹脂が好ましい。なお、第2光ファイバ12も、クラッドを被覆する樹脂層を有する。
また、好ましくは、光ファイバ線路10は、その全長に亘り200kpsi以上の強度を有する。光ファイバ線路10は、光海底ケーブルシステムで用いられる場合、高い信頼性および高い強度を有するので好ましい。
図5は、本実施形態に係る光ファイバ線路製造方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態に係る光ファイバ線路製造方法は、上述した本実施形態の光ファイバ線路10を製造する方法であって、準備工程S1、配置工程S2、調芯工程S3、融着工程S4、追加加熱工程S5および補強工程S6を備える。
準備工程S1では、第1光ファイバおよび第2光ファイバそれぞれの端部を含む一定範囲において被覆樹脂層が除去され、ファイバクリーバを用いて第1光ファイバおよび第2光ファイバそれぞれの端部がカットされる。端面のカット角度は、好ましくは1.0°以下であり、さらに好ましくは0.5°以下である。
配置工程S2では、第1光ファイバおよび第2光ファイバそれぞれのカットされた端面を互いに対向させた状態で、第1光ファイバおよび第2光ファイバがアーク放電型融着機に配置される。
調芯工程S3では、アーク放電型融着機が有する調芯機能により、第1光ファイバと第2光ファイバとの調芯が行われる。これに際して、好ましくは、画像処理を利用したコア位置推定によるコア調心、または、パワーメーターを援用したパワーメーター調心が行われる。
融着工程S4では、アーク放電型融着機におけるアーク放電により、第1光ファイバおよび第2光ファイバそれぞれの端部を加熱により溶融させつつ互いに突き合わせることにより、これら第1光ファイバの端部と第2光ファイバの端部が一体化される。
追加加熱工程S5では、アーク放電型融着機におけるアーク放電により、第1光ファイバのうち接続点を含む長手方向の一定範囲が更に加熱される。これに際して、既に一体化されている第1光ファイバおよび第2光ファイバで構成された線路の一端に光源を光学的に接続するとともに他端にパワーメーターを光学的に接続し、パワーメーターによる光パワー測定値に基づいて接続損失の変化が確認される。そして、10秒間の追加加熱が断続的に行われる。追加加熱の終了条件としては、前回の10秒間の追加加熱と今回の10秒間の追加加熱との接続損失の変化量が0.01dB以下(好ましくは0.005dB以下)となったところで、接続損失が極小になったと判断し、追加加熱工程S5が終了する。
追加加熱工程S5において、好ましくは、第1光ファイバの端部(遷移区間となる領域)が50秒以上加熱される。クラッド径の1倍以上の長手方向の一定範囲が加熱される。該加熱される一定範囲と加熱部とを相対的に移動させることにより、一定範囲における加熱位置が長手方向に沿って移動する。また、第1光ファイバ部のクラッドが融けずかつフッ素が拡散する放電パワーでの放電により、該第1光ファイバの端部(一定範囲)が加熱される。例えば、特許文献6では、最高加熱温度が1300°以上1800°以下となる放電パワーに設定されている。
補強工程S6では、補強スリーブまたはリコートによりガラスが被覆される。この工程によって、ファイバ全長(第1および第2光ファイバで構成された線路の全長)において200kpsi以上の張力に耐える強度を有することができる。リコート材は、好ましくはウレタンアクリレート樹脂またはポリイミド樹脂である。
次に、本実施形態のサンプルおよび比較例について説明する。
図6は、本実施形態のサンプルにおいて第1光ファイバとして用いられたファイバ1および比較例において用いられた比較ファイバそれぞれの諸元を纏めた表である。この表には、波長1550nmでのAeff、波長1550nmでのMFD、コアのGeO濃度、第1クラッドのF濃度およびコア形状が示されている。ファイバ1は、図2に示された屈折率プロファイルを有し、クラッドに添加物が含まれている。比較ファイバは、図3に示された屈折率プロファイルを有し、コアに添加物が含まれている。
図7は、本実施形態のサンプルおよび比較例それぞれにおいて第2光ファイバとして用いられたファイバ2~4の諸元を纏めた表である。この表には、波長1550nmでのAeff、波長1550nmでのMFDおよびコア形状が示されている。ファイバ2~4は、図4に示されたリングコア型屈折率プロファイルおよび添加物を有する。
図8は、本実施形態のサンプル1~3および比較例1~3それぞれにおける光ファイバの組合せを纏めた表である。サンプル1は、ファイバ1およびファイバ2で構成されている。サンプル2は、ファイバ1およびファイバ3で構成されている。サンプル3では、ファイバ1およびファイバ4で構成されている。比較例1は、比較ファイバおよびファイバ2で構成されている。比較例2は、比較ファイバおよびファイバ3で構成されている。比較例3は、比較ファイバおよびファイバ4で構成されている。
図9は、本実施形態のサンプルにおけるリファレンス測定時の実験系の例を示す図である。図9の実験系は、光源、シングルモード光ファイバ、ファイバ1、シングルモード光ファイバおよびパワーメーターが順に光学的に接続された構成を有する。
図10は、本実施形態のサンプルにおける接続損失測定の実験系の例を示す図である。図10の実験系は、光源、シングルモード光ファイバ、ファイバ1、ファイバ2~4の何れか、ファイバ1、シングルモード光ファイバおよびパワーメーターが順に光学的に接続された構成を有する。
図11は、比較例におけるリファレンス測定時の実験系の例を示す図である。図11の実験系は、光源、シングルモード光ファイバ、比較ファイバ、シングルモード光ファイバおよびパワーメーターが順に光学的に接続された構成を有する。
図12は、比較例における接続損失測定の実験系の例を示す図である。図12の実験系は、光源、シングルモード光ファイバ、比較ファイバ、ファイバ2~4の何れか、比較ファイバ、シングルモード光ファイバおよびパワーメーターが順に光学的に接続された構成を有する。
なお、図9~図12に示された実験系において、記号「V」はファイバ間のV溝接続(V溝を利用した突合せ接続)を示す。すなわち、図9~図12に示された実験系において、シングルモード光ファイバとファイバ1とは、V溝において突き合わせ接続されている。シングルモード光ファイバと比較ファイバとは、V溝において突き合わせ接続されている。また、図9~図12に示された実験系において、記号「X」はファイバ間の融着接続を示す。すなわち、図9~図12に示された実験系において、ファイバ1とファイバ2~4とは融着接続されている。比較ファイバとファイバ2~4とは融着接続されている。融着接続後、更に、追加加熱工程において、ファイバ1および比較ファイバそれぞれのうち接続点を含む長手方向の200μm以上の範囲がアーク放電により加熱された。
本実施形態のサンプルおよび比較例それぞれにおける接続損失は、リファレンス測定時のパワーメーター測定値と接続損失測定のパワーメーター測定値との差の1/2を計算することで求められた。
図13は、本実施形態のサンプル2および比較例2それぞれについて、追加加熱総時間と接続損失との関係を示すグラフである。なお、図13において、グラフG1310は、サンプル2についての追加加熱総時間と接続損失との関係を示し、グラフG1320は、比較例2についての追加加熱総時間と接続損失との関係を示す。追加加熱総時間の増加に従って、接続損失は、当初は単調に減少し、或る時間で極小となり、その後に単調に増加する。サンプル2の接続損失は、比較例2よりも3倍以上の長い追加加熱総時間で極小となる。サンプル2の接続損失の極小値(local minimum value)は、比較例2の接続損失の極小値よりも低い。これは、第1光ファイバに形成されたMFDのテーパーによって解消されたMFD不整合の量が、比較例2と比べるとサンプル2の方が大きいからである。
図14は、本実施形態のサンプル2および比較例2それぞれについて、1550nmにおける接続損失が極小となったときの接続損失の波長依存性を示すグラフである。なお、図14において、グラフG1410は、サンプル2についての接続損失の波長依存性を示し、グラフG1420は、比較例2についての接続損失の波長依存性を示す。比較例2は、波長が短波になるにつれて接続損失が増加する傾向にあるが、サンプル2は、CバンドとLバンド帯において比較例2に比べて波長依存性が小さい。
図15は、本実施形態のサンプル2および比較例2について、1520nmから1640nmの波長領域での接続損失の最大値と最小値の変化を示すグラフである。なお、図15において、グラフG1510は、サンプル2についての接続損失の最小値変化(1520nm~1640nm)を示し、グラフG1520は、サンプル2についての接続損失の最大値変化(1520nm~1640nm)を示し、グラフG1530は、比較例2についての接続損失の最小値変化(1520nm~1640nm)を示し、グラフG1540は、比較例2についての接続損失の最大値変化(1520nm~1640nm)を示す。
図15から分かるように、追加加熱総時間が0秒において、サンプル2と比較例2の接続損失の最大値から最小値を引いた値はほぼ同じである。サンプル2における接続損失の最大値から最小値を引いた値は追加放電総時間に対して減少し、追加加熱総時間が0秒の時の値の半分以下まで減少している。すなわち、比較例2に比べて、サンプル2は広帯域で接続損失を均一に下げることができ、波長多重光通信に適している。
図16は、本実施形態のサンプル2および比較例2それぞれについて、接続損失が極小となったときの長手方向位置に対するMFDの変化を示すグラフである。なお、図16の横軸において、MFDの不連続な変化位置を位置0とし、位置0より左のマイナス側を第1光ファイバ側とし、接続点より右のプラス側を第2光ファイバ側としている。サンプル2に関して、波長1.55μmにおけるMFDの変化は、ファイバ1側(第1光ファイバ側)の長手方向に沿った長さ300μmに対して1.5μm以上変化している。一方、比較例2に関して、波長1.55μmにおけるMFDの変化は、比較ファイバ側(第1光ファイバ側)の長手方向に沿った長さ300μmに対して0.3μm以上変化している。この明らかな違いは、サンプル2が、第1光ファイバとして、ゲルマニウムより拡散係数が約30倍速いフッ素がクラッドに添加されたファイバ1を使用していることに由来する。また、遷移区間におけるMFDの遷移は、第1光ファイバおよび第2光ファイバの全体で最大でも1cm以下とするとよい。
図17は、本実施形態のサンプル2および比較例2それぞれについて、追加加熱総時間と各光ファイバのMFDとの関係を示すグラフである。なお、図17において、グラフG1710はサンプル2の第1光ファイバ(ファイバ1)の追加加熱総時間-MFDの関係を示し、グラフG1720はサンプル2の第2光ファイバ(ファイバ3)の追加加熱総時間-MFDの関係を示し、グラフG1730は比較例2の第1光ファイバ(比較ファイバ)の追加加熱総時間-MFDの関係を示し、グラフG1740は比較例2の第2光ファイバ(ファイバ3)の追加加熱総時間-MFDの関係を示す。ここで、各光ファイバのMFDは、位置0から25μmだけ離れた位置での測定値である。比較例2に関して、追加加熱総時間の増加に対するファイバ3のMFDは増加し続ける。逆に、追加加熱総時間60秒を境に比較ファイバのMFDはほとんど増加しなくなる。一方、サンプル2に関して、追加加熱総時間の増加に対するファイバ1およびファイバ3の双方のMFDは、何れも増加し続ける。この結果からも分かるように、クラッドへのフッ素添加は、接続区間におけるMFD不整合が解消され易くすること、すなわち、接続損失を低下させる効果があることを示している。
図18は、本実施形態のサンプル1~3および比較例1~3それぞれについて、接続損失の結果を纏めた表である。また、図19は、本実施形態のサンプル1~3および比較例1~3それぞれについて、追加加熱工程を行った場合の接続損失の結果を示すグラフである。同じAeffを有する第2光ファイバを用いた本実施形態のサンプル例と比較例とを比較すると、追加加熱工程がない場合では、両者の間で有意な接続損失の差はなかった。しかしながら、追加加熱工程がある場合では、本実施形態のサンプルにおける接続損失は、比較例の半分以下まで低減することができた。
更に、それぞれの例で追加加熱工程の有無それぞれの場合で接続損失を比べると、第1光ファイバとしてファイバ1が用いられたサンプルでは、追加加熱工程により接続損失が33%以下(1/3以下)にまで低下した。一方、第1光ファイバとして比較ファイバが用いられた比較例では、追加加熱工程により接続損失は65%から85%の間に低下した。この結果からも分かるように、フッ素が添加されたクラッドには追加加熱工程を通じて接続損失をさらに下げる効果があると言える。
また、図19中に示された点線は、dB表示における理想突合せ損失の55%を示す。実用上、dB表示での理想突合せ損失の55%より低い接続損失は有意に低い接続損失と見なすことができ、本発明に係る製造方法により接続損失が有意に低減された光ファイバ線路が実現可能となる。
なお、上記非特許文献3には、GeOを含むコアを有するシングルモード光ファイバと、ステップ型のコア形状を有するとともに波長1.55μmにおいて150.7μmのAeffを有する大Aeff光ファイバとが接続された場合、接続損失が0.30dBであると報告されている。この報告に対応するのは比較例2の結果であるが、比較例2の接続損失は、追加加熱工程なしでも0.23dBであり、非特許文献3の結果よりも0.07dB小さい。これは、比較例2では第2光ファイバとしてリングコア型屈折率プロファイルを有する大Aeff光ファイバを用いた効果である。
10…光ファイバ線路、11…第1光ファイバ、12…第2光ファイバ、13…接続点、14…遷移区間。

Claims (13)

  1. 第1光ファイバと、
    前記第1光ファイバの端部に融着接続された端部を有する第2光ファイバと、
    を備えた光ファイバ線路であって、
    前記第1光ファイバは、シリカガラスを主成分とするとともに、第1コアと前記第1コアを取り囲む第1クラッドとを有する一方、前記第2光ファイバは、シリカガラスを主成分とするとともに、第2コアと前記第2コアを取り囲む第2クラッドとを有し、
    当該光ファイバ線路は、前記第1光ファイバ側に設定された第1定常区間と、前記第2光ファイバ側に設定された第2定常区間と、前記第1および第2定常区間の間に位置し、当該光ファイバ線路の長手方向に沿ってモードフィールド径MFDが遷移する遷移区間と、を含み、
    前記第1定常区間において、前記第1光ファイバは、波長1550nmにおいて90μm以下の実効断面積Aeffと、前記長手方向に沿った変動幅が1.0μm未満であるモードフィールド径MFDと、を有し、
    前記第1クラッドのうち前記第1コアに隣接する前記第1クラッドの内側領域は、4000~15000ppmのフッ素を含み、
    前記第2定常区間において、前記第2光ファイバは、前記波長1550nmにおいて100~200μmの実効断面積Aeffと、前記長手方向に沿った変動幅が1.0μm未満であるモードフィールド径MFDと、を有し、
    前記遷移区間において、基底導波モードのデシベル表示での接続損失は、前記波長1550nmにおけるデシベル表示での理想突合せ損失の55%以下であ
    前記第2光ファイバは、リングコア型の屈折率プロファイルを有する、
    光ファイバ線路。
  2. 前記第2クラッドは、フッ素を含み、
    前記第2光ファイバにおいて、前記第2クラッドに対する前記第2コアの比屈折率差は、0.2%以上である、
    請求項1に記載の光ファイバ線路。
  3. 前記第1クラッドの前記内側領域におけるフッ素濃度は、前記第2クラッドのうち前記第2コアに隣接する前記第2クラッドの内側領域のフッ素濃度より大きい、
    請求項2に記載の光ファイバ線路。
  4. 前記第1クラッドの前記内側領域のフッ素濃度は、前記第2クラッドの前記内側領域のフッ素濃度の1.05倍より大きい、
    請求項3に記載の光ファイバ線路。
  5. 前記遷移区間のうち前記第1光ファイバに設定された部分に含まれる、前記長手方向に沿った長さ50μmの任意区間において、前記第2光ファイバ側に位置する前記任意区間の端部におけるモードフィールド径MFDは、前記第1光ファイバ側に位置する前記任意区間の端部におけるモードフィールド径MFDの1.2倍以下である、
    請求項1~4の何れか一項に記載の光ファイバ線路。
  6. 前記遷移区間における前記第1および第2コアそれぞれのフッ素濃度は、コア中心から半径方向に連続的に増大している、
    請求項1~の何れか一項に記載の光ファイバ線路。
  7. 前記長手方向に沿った前記遷移区間の長さは、1cm以下である、
    請求項1~の何れか一項に記載の光ファイバ線路。
  8. 前記第1光ファイバは、前記第1クラッドを被覆するポリイミド樹脂層を有する、
    請求項1~の何れか一項に記載の光ファイバ線路。
  9. 全長に亘り200kpsi以上の強度を有する、
    請求項1~の何れか一項に記載の光ファイバ線路。
  10. 請求項1~の何れか一項に記載の光ファイバ線路を製造する光ファイバ線路製造方法であって、
    第1光ファイバの端部と第2光ファイバの端部とを互いに対向させた状態で、前記第1光ファイバおよび前記第2光ファイバを融着機に配置する工程であって、前記第1光ファイバは、シリカガラスを主成分とし、第1コアと前記第1コアを取り囲む第1クラッドとを有し、波長1550nmにおいて90μm以下の実効断面積Aeffおよび当該第1光ファイバの長手方向に沿った変動量が1.0μm未満であるモードフィールド径MFDを有し、前記第1クラッドのうち前記第1コアに隣接する内側領域は、4000~15000ppmのフッ素を含み、第2光ファイバは、シリカガラスを主成分とし、第2コアと前記第2コアを取り囲む第2クラッドとを有し、波長1550nmにおいて100~200μmの実効断面積Aeffおよび当該第2光ファイバの長手方向に沿った変動量が1.0μm未満であるモードフィールド径MFDを有する、配置工程と、
    前記第1光ファイバの端部と前記第2光ファイバの端部とを加熱により溶融させつつ互いに突き合わせることにより、前記第1光ファイバの端部と前記第2光ファイバの端部を一体化する融着工程と、
    前記第1光ファイバの長手方向に沿って規定される前記第1光ファイバの一定範囲であって、前記第1および第2光ファイバの接続点を含む一定範囲を、更に加熱する追加加熱工程と、
    を備えた光ファイバ線路製造方法。
  11. 前記追加加熱工程において、前記第1光ファイバの端部は、前記第1クラッドが溶けずかつフッ素が拡散する放電パワーで、50秒以上の時間に亘って放電加熱される、
    請求項10に記載の光ファイバ線路製造方法。
  12. 前記追加加熱工程において、前記第1光ファイバの前記長手方向に沿った前記一定範囲の長さは、前記第1クラッドの直径の1倍以上である、
    請求項10または11に記載の光ファイバ線路製造方法。
  13. 前記追加加熱工程において、前記一定範囲と加熱部を相対的に移動させることにより、前記一定範囲における加熱位置は、前記第1光ファイバの前記長手方向に沿って移動する、
    請求項10~12の何れか一項に記載の光ファイバ線路製造方法。
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