JPH033284A - 光フアイバおよびこれを使用したデータ伝送システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光通信システムの分野に関し、特に、長距離光
通信システムに使用するのに適する改良された光フアイ
バケーブルに関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題点〕

初めてレーザーが発明されて以来、レーザービームによ
る光通信は、レーザー装置を適用すべき主な用途の１つ
となっていた。レーザーは、他の光源又はマイクロ波ア
ンテナにより発生されるビームと比較して、きわめてす
ぐれた指向性を有する光ビームを発生する。さらに１電
磁波を介して伝送できる情報の量は電磁波の帯域幅に比
例する。

レーザーの中には、非常に広い変調帯域幅をもって動作
するものもあるので、１本のレーザービームを介して刺
子ものカラーテレビジョン放送を伝送することは理論上
は可能である。帯域幅と指向性はレーザー通信システム
固有の２つの利点であるが、レーザー通信にはいくつか
の欠点もめる。

レーザー通信システムの有用性は、一般に、電気光学検
出器が必要であることや、情報をビーム自体に負わせる
ことの容易さなどの要因によって制限される。さらに、
大気条件によってレーザーの光放射が著しく減衰される
ことも６シ、また、レーザー光は物体から十分に反射さ
れず、物体を透過しない。

大気中での伝搬に代わる手段として、レーザービームを
閉込めて導く丸めに、ガラス又はプラスチックから製造
される光ファイバを使用する。光ファイバを使用すると
、利用密度の高い領域で効率良く通信を行うことができ
ると共に、電子通信には必要でめったワイヤ及び同軸ケ
ーブルの複雑なもつれ合いはなくなる。

長距離通信の場合、伝搬遅鷺の差、減衰及び雑音が原因
となって起こる光信号のひずみを修正する丸めに、光フ
アイバ束内部のチャネルごとに中継器を設けなければな
らない。しかしながら、通信システムの複数の光フアイ
バケーブルセグメントに沿って中継器を散在させるにつ
いては、中継器に、関連回路を動作させるための電力を
供給しなけれはならないので、据付はコストは著しく高
くなシ、しかも、システムの信頼性は低下する。

光ファイバにおける減衰、すなわち、出力損失は様々な
プロセスによって起こシ１．光ファイバ通信システムの
減衰を少なくするために様々な方法が試みられている。

そこで、中継器の必要性も生じたのである。のｒｅｘｈ
ａｇｅ　　［Ｉｎｆｒａｒ＠ｄ　ＱｐｔｉｅａｌＦｉｂ
ｅｒａＪ　５ｃｌｅｎｔｌｆｉｃ　Ａｍｅｒｌｃａｎ　
１９８８年１１月号、１１０ページ及びＯ’Ｓｈ＠ａ　
ｒＡｎ　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｔｏｎ　ｔｏ　Ｌａ５ｅｒ
ｓ　ａｎｄ　Ｔｈ＠ｉｒ　ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＪ
第８章、　（（Ａｄｄｉｍｏｎ−Ｗｅａｌｅｙ社よ、９
１９７昨１２月に刊行）を参照。） 以下に説明するが、本発明は従来の光フアイバケーブル
と関連する欠点を克服し、ケーブルの全長にわたって有
効にレイジングを生じさせることにより、中継器を不要
にした光フアイバケーブルを開示するものである。ケー
ブルの長さに沿ってレイジングを得るために、後述する
ように、多様なポンピングメカニズムの中の１つを使用
して、ケーブルは「ポンピング」される。

〔問題点を解決するための手段〕

光フアイバ通信システムに使用されることを特定の適用
用途とする改良された光ファイバを開示する。との光フ
ァイバは、光源と同じ波長で作用するレイジング材料を
不純物として添加した光学的に透明なコアを含む。レイ
ジング材料は、特定の通信システムのダイオードレーザ
−送信器で使用されるのと同じ種類であるのが好ましい
。レイジングドーパントはコアの中心で最大の密度を有
し、コアを包囲している光学的に透明なクラッドの中へ
外側に向かって拡散している。クラッドはコアの屈折率
より低い屈折率を有する。光ファイハハ、ファイバの内
部のレイジングドーパントカ所望の波長でレイジングし
て、ダイオードレーザ−により供給された元の光信号に
利得を与えるように１　「ポンピング」される。ファイ
バ内部のドーパント材料のレイジングの結果、ファイバ
の長さに沿って連続して光利得が得られるので、光フア
イバ通信システムに中継器を設ける必要はない。

ラジウム螢光塗料などの発光材料でクラッドの外面を被
覆する方法や、ラジウムにより発生された光をクラッド
を通してコアの中へ反射させて、ポンピング効率を向上
させるために、７アイノ（の外面に反射鏡を設ける方法
を含めて、様々なボンピングの実施例を開示する。クラ
ッドの外面をエレクトロルミネセンス材料で被覆する別
の実施例も開示されるが、この場合、ファイバの長さに
沿って電圧を印加すると、エレクトロルミネセンス柱材
は光子エネルギーを発生し、コアの内部のドーパントを
ポンピングして、レイジングを起こさせる。好ましい実
施例においては、エレクトロルミネセンス材料の上にガ
ラスから成る絶縁層を設け、反射層をエレクトロルミネ
センス層から分離する。

反射層は、エレクトロルミネセンス層により発生された
光を反射して、り２ツドを通してコアの中に戻すことに
より、ボンピング効率を向上させる。

ファイバの複数の長いセグメントに沿って、絶縁層を介
するアークの発生を逼けるために１反射層を電気的に別
個の長手方向セグメントに分割し、エレクトロルミネセ
ンス層をファイバに沿った様々な長さ部分で反射層セグ
メントに電気的に短絡することにより、エレクトロルミ
ネセンス層と反射層との電圧を均等化する。

ここに開示する通シ、本発明の独特な構成はファイバの
全長に沿って光利得を達成して、中継器を不要にするの
で、水中、宇宙空間及びその他の遠隔地環境などで使用
するのに特に適している。

さらに、本発明によれば、中継器アセンブリの内部のデ
ジタル電子回路を損傷又は破壊する可能性がある放射線
の多い環境の下で、高い信頼性が得られる。

〔実施例〕

長距離光通信システムに使用されるのを特定の適用用途
とする改良された光ファイバを開示する。

以下の説明中、本発明を十分に理解させるために、便宜
上、波長、角度、材料などの数多くの事項を特定して詳
細に挙げるが、そのような特定の詳細な事項を含まずと
も本発明を実施しうろことは当業者には明白であろう。

また、場合によっては、本発明を無用にわかシにくくす
るのを避けるため、周知の構成票素、構造及び電気的処
理手段を詳細に説明しないこともある。

まず、第１図に関して説明する。第１図には、光波に対
して光導波管として作用する従来一般の光ファイバが示
されている。全体を図中符号１０で示しである光ファイ
バは、屈折率Ｎ！を有するガラスから構成されている細
い円筒形のコア１２を含む。コア１２は、コア１２の屈
折率より低い屈折率Ｎ、を有する、クラッド１４と呼ば
れる別のガラス層により包囲されている。図示されるよ
うに、コア１２からクラッド１４に、θ６　”　＊　−
１Ｎｌ／Ｎ２より大きい法線を有す硝度で入射した光線
は、全内面反射により、コア１２の内部に捕捉される。

クラッドの中へ透過した光線は、クラッド１４を包囲す
るジャケット１６により吸収される。このジャケット１
６は、通常、不透明プラスチックから構成されている。

ジャケット１４による光線吸収は、光ファイバ束の中の
他のファイバとの間の漏話を阻止する。コアとクラッド
とが別罠なっている構成のファイバにおいては、ファイ
バの光軸に対して大きな角度をもって伝搬する光線は、
小さな角度で伝搬する光線より長い伝搬時間を必要とす
る。この影響によって、遅延に差が生じるという結果が
起こるが、コア１２とクラララド１４との屈折率の差を
きわめて小さくしたファイバを構成することにより、遅
延の差を排除すれば良い。Ｎ１とＮ、との比が１に近づ
くにつれて、臨界角（Ｃ）は９０°に近づき、単一横モ
ードのみがケーブルを通って伝搬する。

製造工程の間にファイバに適正に不純物を添加すること
により、ファイバの光軸からの離間距離の関数として放
物線状に減少する屈折率を有するファイバを製造できる
ことは知られている。このような屈折率の勾配によって
、光ビームは光ファイバ１０のコア１２に閉込められる
ことになる。

従って、長い距離を進むにもかかわらず、軸方向光線が
コア１２を通過すると同時に１軸子行でない光線が光フ
ァイバ１０の終端に到達する。

次に、第２図に関して説明する。第２図には、従来一般
の光フアイバ通信システムが示されている。図示される
ように、光フアイバ通信システムは、電気信号を搬送す
る電気入力線２０の入力信号を受信し、良く知られてい
るようにダイオードレーザ−（又は発光ダイオード）、
２４を駆動する電気的ドライバ２２に、それらの信号を
結合する。

ダイオードレーザ−２４は、数キロメートルにも及ぶ光
フアイバケーブル２８にそれぞれ光学的に結合されてい
る。コア１２からクラッド１４へ光が進むことによる信
号の損失と、コア１２を構成している材料の原子に吸収
される光、材料中の不純物及び／又はファイバそれ自体
の内部における密度の変動とが原因となって、信号の減
衰、すなわち、出力の損失が起こるために、各ファイバ
に沿って進む信号を修復するように、ケーブルの長さに
沿って中継器を設けなければならない。第２図に示す通
り、各中継器３０は、それぞれの光フアイバケーブルの
終端に結合されるフォトダイオード検出器３２と、（新
たな電気）信号を修復し且つその信号を、入力信号２０
にできる限シ密接に整合する適切なデジタル形態にする
適切な電気的ドライバ／増帽器３４と、修復された信号
を光フアイバケーブルの別のセグメント４０に沿って伝
送するダイオードレーザ−３８とを含む。

光フアイバ通信システムの終端にある光受信器は、光フ
アイバケーブル４０に沿って進む光信号を受信する光検
出器４４と、全体を増幅器４８として記載している適切
な調整器、デマルチプレクサ及び復調回路とを有する出
力端末４２から構成されている。電気出力信号５０は、
周知のように、適切なデジタル通信リンクに結合される
。それぞれの中継器３０は何らかの電源（内部のバッテ
リーを介するか、又は外部電源）を具備していなければ
ならない。従って、遠隔位置に光フアイバ通信システム
を構成することは、中継器ごとに保守と、それを正しく
動作させるための電力が必要であるという点から、非常
に困難である。この遠隔位置には、荒廃した地形や、海
中、宇宙空間なども含まれると考えられる。さらに１そ
れぞれの中継器３０を構成する電気的素子が停電、ＥＭ
Ｐ核バースト又は無作為に起こる素子の故障によって故
障の発生源となシうる要素をもっていることは明白でろ
ろう。

次に、本発明の一実施例を示す第３図に関して説明する
。この実施例は、コア６２と、クラッド６４とを有する
。全体を図中符号６０で示された光フアイバケーブルを
含む。光ファイバ６０を構成するガラス繊維材料には、
第２図の光通信システムのダイオードレーザ−２４にお
いてレーザー光を発生させるために使用されたのと同じ
材料が若干量添加されている。その場合、内側のコア６
２にのみドーパントを添加し、ドーパントをクラッド６
４の中へ拡散させることにより、ドーピング密度をコア
６２の中心から光ファイバの周縁部に向かって遠ざかる
に従って小さくシ九ときに１本発明は最も有利な形で実
現されると考えられる。

このような方法によるドーピングは、光信号の強さが最
大となる励起状態材料の空乏を発生させる傾向を補正す
ると共に１コア６２の中心の利得飽和を回避すると考え
られる。

タイオードレーザー２４においてレーザー光を発生させ
るために使用されるのと同じ材料を不純物として光ファ
イバ６０に添加することにより、光ファイバ６０の長さ
をポンピングし、その結果としてファイバ材料を励起エ
ネルギー状態に高める効果がドーパント材料をレイジン
グし、ファイバの長さに沿って余すところなく光利得を
与えることは当業者には明白であろう。光ファイバ６０
の内部のドーパントはダイオードレーザ−２４で利用さ
れているのと同じドーパントであるので、光ファイバ６
０の内部でドーパントをレイジングする効果によって、
コリメーション及び位相のコヒーレンスを維持したｔま
の状態で、光信号に対するレーザー増幅器が形成される
ことＫなる。

レイジング効果を発生させるために光ファイバ６０をポ
ンピングするメカニズムは、様々な形態をとることがで
きる。第３図に示すように、光ファイバ６０を、それを
取囲む楕円反射鏡６９′の一方の軌跡に位置させて、そ
の楕円反射鏡６９の内側に光源６８を設けることにより
、ポンピングを実行しても良い。このポンピング装置は
、構成の上では、原型のルビーロッドレーザーに使用さ
れているポンピング装置と似ている。ルビーロッドレー
ザーの場合には、光源６８は、光７アイパ釦にドーピン
グされたレイジング材料をポンピングして、ダイオード
レーザ−２４が使用する光の波長に関する所望の光利得
を得るための光エネルギーを供給する。第３図に示す実
施例は所望の結果を達成するであろうが、光ファイバ６
０と、外部光源６８とを楕円反射鏡６９の内側に包囲し
なければならないため、きわめてかさの大きな構造にな
ってしまい、地中での利用や他の広さの限定された場所
への適用には適さないことがわかるであろう。

次に、本発明の別の実施例を示す第４図に関して説明す
る。・この実施例では、コア６２及びクラッド６４の内
部のドーパントをポンビングスルタめに必要なエネルギ
ー源を形成するために、光ファイバ６０は発光材料Ｔ２
で被覆されている。利用して良い発光材料の１例は、ラ
ジウムの半減期が光ファイバ６０内部のドーパントのレ
イジングによって利得を得るための対応する半減期を成
すようなラジウム螢光塗料である。ポンピングの効率を
向上させるため、発光材料７２を包囲するように反射層
７４を設けても良く、この反射層７４は光を反射し、ク
ラッド６４を介してコア６２に戻すことにより、レイジ
ング効率を改善する（第５図を参照）。光７アイパ６０
を発光材料７２で被覆すれば、必要な光利得を得るため
に光ファイバをポンピングする補助光源を追加する必要
はなくなることがわかるであろう。また、ダイオードレ
ーザ−２４に当初印加された光信号は光フアイバケーブ
ル６０の全長にわたシ一定の利得をもって供給嘔れるの
で、本発明の光ファイバを長いセグメントとして、中継
器を配設する必要なく利用できることも明らかで６ろう
。

次に、第６図に関して説明する。第６図には、エレクト
ロルミネセンス材料層７８がクラッド６４を包囲してい
るような本発明のさらに別の実施例が示されている。図
示される通シ、エレクトロルミネセンス材料層７８を絶
縁層８０が包囲し、その絶縁層８０を反射層８２が包囲
している。絶縁層８０は、ポンピング効率がそこなわれ
るのを避けるために光学的に透明でるる別のガラス層か
ら構成されていても良く、反射層は何らかの形態の金属
（たとえば、アルミニウム）であっても良−０光フアイ
バ６０の長さに沿って電圧を印加すると、エレクトロル
ミネセンス材料層１８は光子エネルギーを発生し、その
光子エネルギーは、コア６２の内部のドーパントを所望
のレイジングが得られるようにポンピングするために使
用される。第７図に最も明瞭に示されているが、第６図
に開示する本発明の教示を利用した光フアイバ通信シス
テムにおいては、第２図に示すシステムと同じように、
電気入力信号９０はドライバ９２及びダイオードレーザ
−９４に結合される。それぞれ対応するダイオードレー
ザ−に結合される各光ファイバ９８は、第６図に示すよ
うな本発明による構造を有する。、従来のシステムの場
合と同様に、全体を図中符号１００で示されている検出
器は、従来がら知られているように１光フアイバ９８に
沿って搬送されて来た入射光信号を適切なデータ出刃信
号１１０に変換するための光検出器１０４及び何らかの
適切な回路１０６を含む。

第７図に示す通シ、それぞれの光ファイバ９８の長さに
沿ってエレクトロルミネセンス材料層７８に電圧Ｖを印
加すると、エレクトロルミネセンス材料層１８は光子エ
ネルギーを発生し、その結果、コアのドーパントはレイ
ジングする。ただし、各光ファイバ９８の長さに沿って
エレクトロルミネセンス材料層７８に電圧の降下が見ら
れることは明白で６＃）、光ファイバ９８の長さに沿っ
て流れる電流に起因するこの電圧降下は、エレクトロル
ミネセンス材料層７８を反射層８２から分離させる絶縁
層８０の破壊を回避するように十分に小さくなければな
らない。絶縁層８ｏの破壊を防ぐために、光ファイバの
長いセグメントにわたって、両面の電圧降下を均等にす
るように反射層８２とエレクトロルミネセンス材料層７
８とを短絡する。

従って、光ファイバ９８は、各セグメントの一端で反射
層８２がエレクトロルミネセンス材Ｒ層７８に短絡する
ように、複数のセグメントに分割されなければならない
。第８図に最も明瞭に示されているように、エレクトロ
ルミネセンス材料層７Ｂの長さく沿った直線的な電圧降
、下は、各セグメントの一端でエレクトロルミネセンス
材料層Ｔ８と、反射層８２とを短絡することによって、
反射層８２へ伝えられる。第８図に示す通シ、段階的関
数は、反射層８２がセグメントごとに反射するために電
圧降下が段階的になることを示す。

第６図に示し九ような本発明の教示に従った光フアイバ
通信システムを第９図に示す。図中、１２０は、第２図
及び第７図の場合と同様に適切なドライバと、ダイオー
ドレーザ−とを含な送信器である。第６図に示したファ
イバ構造を有する光ファイバ１２５は、図示する通シ、
複数のセグメント８１．Ｓ２．Ｓ３及びＳ４に分割され
ている。各セグメントの一端にはコネクタ１３５が６シ
、それぞれのコネクタ１３５はエレクトロルミネセンス
材料層７Ｂを上流側のセグメントの反射層８２に物理的
に短絡することにより、その地点で絶縁層８０の両端電
圧が等しくなるように保証している。前述のように、光
ファイバ１２５の長さに沿って電圧を印加すると、コア
６２の内部のドーパントはレイジングし、その結果、必
要な光利得が得られるので、ケーブルの長さに沿って中
継器を離間配置する必要はない。光フアイバケーブル１
２５に沿って送信され良信号を受信し、電気信号を適切
なデジタル電子回路に結合するために、電子検出器回路
１４５が設けられている。コネクタ１３５は、故障しＫ
＜＜且つ動作するために外部電力を必要としない単純な
機械的コネクタであることは明白である。あるいは、エ
レクトロルミネセンス材料層γＢを露出させるように反
射層８２と絶縁層８０の一部をエツチングし、エツチン
グされた表面をめっきして、エレクトロルミネセンス材
料層Ｔ８と、反射層８２との間に接続部を形成すること
により、エレクトロルミネセンス材料層Ｔ８を反射層８
２に短絡しても良い。

以上、信号の減衰を修正するために光ファイバの長さく
沿って中継器を離間配置する必要がない改良された光フ
ァイバを開示した。本発明においては、多様なポンピン
グ構造の中の１つと組合せて、ドーピングを行ったコア
６２と、クラット１４内部の拡散ドーパントとを利用し
ておシ、その結果、ファイバの長さに沿って光利得が得
られる。

本発明の方法は電気的中継器に依存するものではないの
で、九とえば、核プラストなどに起因するＥＭＰ要因の
影響をきわめて受けにくい。さらに、ファイバ自体がコ
ア中のドーパントのレイジングによる利得を提供するた
め、ダイオードレーザ−は低出力であって良い。

第１図から第９図に関連して本発明を説明したが、これ
らの図が単に実例を示すことのみを目的としており、本
発明を限定するものとして受取られてはならないことは
理解されるでろろう。たとえば、本発明の光ファイバの
終端セグメントにビームスプリッタを設けて、端部を儒
像関係にする。

すなわち、ループ形にすることにょシ、７アイパは、慣
性航法装置において機上で適用するのに有用であるリン
グレーザ−を形成するでらろうと考えられる。ファイバ
は軽量でるるため、この種のリングレーザ−は、機械部
品と、中実ガラスとから製造された同様のリングレーザ
−よりさらに軽くなるであろう。さらに、本発明のレー
ザーファイバはごく狭い波長範囲でのみ利得を有するの
で、発光ダイオードなどのより帯域の広い送信装置から
の光波を狭い波長範囲で選択的に増幅するためのフィル
タとして使用されても良い。すな゛わち、レーザーダイ
オード送信器の代わシに１低コストで帯域の広い発光ダ
イオードのような送信器を利用することができ、しかも
、本発明の狭帯域増幅ファイバをある長さだけ通過した
後には狭帯域信号が得られると考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の典型的な光フアイバケーブルの概略的
横断面図、第２図は、半導体レーザーを採用した従来の
３チャネル光ファイバ通信システムを示す図、第３図は
、レイジングを目的として、ドーピングしたファイバケ
ーブルをボンピングする九めに外部光源を使用する本発
明の一実施例を示す図、第４図は、ドーピングしたファ
イバをボンピングするために発光材料を使用するという
本発明の教示に従った光フアイバケーブルの横断面図、
第５図は、ボンピング効率を向上させるために反射被覆
膜を使用する別の実施例を示す本発明の教示に従った光
フアイバケーブルの横断面図。 第６図は、ドーピングしたファイバをエレクトロルミネ
センス光源によってポンピングするという本発明の教示
に従った光フアイバクープルの横断面図、第７図は、本
発明の教示を利用した概念上の光フアイバ通信システム
の概略図、第８図は、エレクトロルミネセンス材料層Ｔ
８と、反射層８２とを各セグメントの一端で互いに短絡
することにより反射層８２へ伝達される。エレクトロル
ミネセンス材料層７８の長さに沿った直線的な電圧降下
を示すグラフ、第９図は、光ファイバが複数のセグメン
トに分割されている光フアイバ通信システムの概念概略
図である。 ６０・・・・光、７アイパケープル、６２・・・・コア
、６４・骨・・クラッド、６８・・・・光源、６９・・
・・楕円反射鏡、７２拳・−・発光材料、７４１１・−
ｅ反射層、７８・・１１＋１工レクトロルミネセンス材
料層、８０９・・・絶縁層、８２・・ｅ・反射層、９０
・・−舎人力信号、９２６６・・ドライバ、９４−・・
・ダイオードレーザ−９８・・・・光コアイノ＜、１０
０−・拳・検出器、１１０・５ｅ１１デ一タ出力信号、
１２０−−・送信器、１２５・・・・光コアイノ）ケー
ブル、１３５φ・ｅ・コネクタ、１４５＠・・・検出器
回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光信号を搬送する改良された光ファイバにおいて
   、 第１の屈折率を有し、レイジング材料が不純物として添
   加されている光学的に透明なコアと、前記コアを包囲し
   、前記第１の屈折率より低い第２の屈折率を有する光学
   的に透明なクラッドと、前記レイジング材料が所望の波
   長でレイジングし、前記光信号に対し利得を与えるよう
   に、前記クラッドを介して前記コアの内部へ光を供給す
   るポンピング手段とを具備し、 前記光信号は前記レイジングにより利得を与えられる、
   改良された光ファイバ。
2. （２）光信号を伝送する改良されたデータ伝送システム
   において、 所定の波長を有し、前記光信号を形成するレーザー光を
   発生するレーザー光発生手段と；第１の屈折率を有し、
   レイジング材料が不純物として添加されている光学的に
   透明なコア、前記コアを包囲し、前記第１の屈折率より
   低い第２の屈折率を有する光学的に透明なクラッド、及
   び 前記クラッドを包囲し、前記レイジング材料が前記レー
   ザー光発生手段により発生される前記レーザー光と同じ
   波長でレイジングし、前記光信号に対し利得を与えるよ
   うに、前記クラッドを介して前記コアの中へ光を供給す
   るポンピング手段を含み； 第１の端部及び第２の端部を有し、前記第１の端部が前
   記レーザー光発生手段に結合されている光ファイバと； 前記光ファイバの前記第２の端部に結合されて、前記光
   信号を受信する受信手段とを具備し、前記光信号は前記
   レイジング材料のレイジングにより利得を与えられる、
   改良されたデータ伝送システム。