JPH0820575B2 - 分散シフトファイバの接続方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、零分散波長が、1.4μｍから1.7μｍの範
囲にある単一モード光フアイバ（以下分散シフトファイ
バという）を、外部加熱源を用いて融着接続する方法に
関するものであり、特に、融着する際に生ずるコアの太
り（後記のように押込みにより生ずる）と、伝送損失と
の関係に関するものである。

［従来の技術］ ・融着接続の一般的説明： コアの太りについて説明する前に、光フアイバの融着
接続の概略を、アーク放電の場合について述べる（第2a
〜ｅ図）。

光フアイバ10をセットする（第2a図）。20は電極であ
る。

予備放電をして（第2b図）、端面をクリーニングし、
平坦化する。

光フアイバ10を突合わせる（第2c図）。

押込みながら、放電し、融着する（第2d図）。

そして接続終了となる（第2e図）。

その後、接続部分を補強して完了する。

・コアの太りについて： ところで、上記の放電融着時に、両光フアイバの間
にわずかでも隙間があると、加熱によりガラスフアイバ
が蒸発し、その結果、両方の光フアイバ10は、第３図の
ように、融着しないで離れたまま、端面が丸まってしま
う。

それを防ぐために、上記のように光フアイバ10を互い
に押付けた状態で、放電加熱するのであるが、その押付
けのために、通常、20〜100μｍの光フアイバ長に相当
するガラスが高温加熱領域に押込まれる。

そして、その結果、第４図のように、コア12の融着部
分14が太くなる。16はクラッドを示す。

このコアの太りと、各種フアイバの接続損失との関係
を、次に説明する。

・多モード光フアイバとコアの太り： 結論から先に述べると、多モード光フアイバに対して
は、コアの太りは良い働きをする。

コア径が50〜100μｍ程度、比屈折率差Δが0.8〜３％
程度の多モード光フアイバでは、コアが太った分だけモ
ードの分布が広がる。

このことは、仮に２本の光フアイバのコアの中心軸に
ズレ（いわゆるコアの偏心）が存在しても、その影響が
相対的に減じられることになる。

・通常の単一モード光フアイバとコアの太り： ここでいう通常の単一モード光フアイバというのは、
零分散波長が1.3μｍのフアイバのことである。一般に
第６図中に示すようなステップ型の屈折率分布を有し、
正規化周波数Ｖが2.4前後である。

なお、ここでいう正規化周波数Ｖは次の（１）式で表
される量である。

λは光源の波長、 ａはコアの半径、 ｎはコアの屈折率、 Δは比屈折率差 である。

この通常の単一モード光フアイバでも、押込みの結
果、コア12の融着部分14は、第５図のように（誇張して
いるが）、やはり太る。

ところで単一モード光フアイバでは、伝搬する光は、
コアだけでなく、コアからいくらかはみだして、クラッ
ド中をも伝搬する。その量は、Ｖ値に依存しているが、
伝搬光エネルギー全体の10〜30％程度といわれている。

このパワーの広がりを表わすパラメータとして、モー
ドフィールド径が用いられる。

第６図に、モードフィールド径のコア半径および比屈折
率差Δに対する依存性を示した。

なお、この場合のモードフィールド径は、ガウス・フ
ィット型の定義（半径方向にガウス分布状の強度分布を
有する光ビームでフアイバを励振するとき、最も効率良
く光が励振されるところの光ビームの1/e直径）で計算
したものである。

この図から分るように、コア径が変化しても、通常の
単一モード光フアイバでは、モードフィールド径の変化
は小さい。

たとえば、比屈折率差Δ＝0.3％のとき、コア半径の1
0％変動に対してモードフィールド径変動は４〜５％の
変動にとどまる。

また、第６図に示した波長1.3μｍ用のフアイバでは
コア半径が大きくなると、モードフィールド径も大きく
なる。

したがって、融着接続部でコア径が少し太っても、接
続特性に悪い影響のないことが分る。

事実、この1.3μｍ用の単一モード光フアイバに対し
て、アーク放電型の融着接続機を用いて、融着中の押込
み量が20〜30μｍで、平均的に、0.1dBの接続損失を得
ている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、本発明で問題としている、零分散波長を1.
4μｍ以上の領域に動かした分散シフトフアイバでは、
事情が異る。

・分散シフトフアイバについて： はじめに分散シフトフアイバについて若干説明を加え
ておく。

従来から知られているように、現在光通信に最も多く
使用されている石英系光フアイバの低損失波長領域は、
1.4〜1.7μｍの波長域（望ましくは1.5〜1.6μｍの波長
域）にある。

すなわち、長距離無中継伝送を行うにはこの波長域が
適しており、光源として10mWの出力を有するレーザダイ
オードを用いて250kmの無中継伝送が可能であることが
示されている。

一方、伝送速度についてみると、いわゆる波長分散に
よる伝送波形の歪の影響がある。

これまで最も良く使用されてきた単一モード光フアイ
バ（第６図中に示すような、コア径約10μｍ、比屈折率
差Δ＝0.3％のもの）では、波長分散は、第７図の実線
で示すように、波長1.3μｍで零となり、それ以上の波
長では大きい値を持つ。

たとえば、伝送損失がもっとも小さくなる波長1.55μ
ｍにおいては、波長分散値は、約17〜20ps/km/nμｍと
なり、光源のスペクトル幅が4nm、1000km伝送のとき、
せいぜい60Mbit/sec程度の情報伝送しかできない。

そこで、これを改善するために考えられたのが分散シ
フトフアイバで、波長分散曲線を第７図の一点鎖線で示
すようにシフトさせたものである。

この分散シフトフアイバでは、零分散波長を1.5μｍ
付近にシフトさせるために、屈折率分布に工夫をこら
し、たとえば第８図のような分布にしている。

ところで、一般に、光ファイバの波長分散は、材料
分散と導波路分散との和で表わされるが、材料分散は
光フアイバの屈折率分布にあまり左右されない。

そこで、第９図のように、1.55μｍ付近において、導
波路分散が、材料分散と異符号でかつ絶対値が等しくな
るようにして、波長分散を零としている。

そしてそのためには、光フアイバの比屈折率差Δを0.
65％もしくはそれ以上にして、十分に大きい導波路分散
を得る必要があり、第８図の屈折率分布をとる光フアイ
バにおいても、同様なパラメータとしている。

・分散シフトフアイバのコアの変動とモードフィールド
径： 第10図は、いわゆるガウス型の屈折率分布を有する光
フアイバ（第11図）のモードフィールド径の、コア径お
よび比屈折率差Δに対する依存性を示している。なお、
この場合のコア半径ａは、クラッドから見た比屈折率差
がピークの比屈折率差Δの1/eに減じられる半径であ
る。

この図から分るように、分散シフトフアイバにおいて
は、コア径が太くなると、急激にモードフィールド径が
減少する。

たとえば、零分散波長が1.55μｍの場合、コア半径が
10％増大すると、モードフィールド径は20〜30％も減少
する領域があることが分る。この減少は、分散シフトフ
アイバに特有の現象である。

この点について定性的な説明を加えれば、次のように
なる。

すでに説明したように、分散シフトフアイバでは、零
分散波長を長波長側にシフトするため、導波路分散を大
きくして、材料分散と相殺している。材料分散は、光フ
アイバ材料であるガラスの屈折率が波長依存性を持つた
めに生じるものであるので、酸化物型ガラスであれば、
それほど大きい差は生じない。

一方、導波路分散が大きいということは、定性的にい
えば、光フアイバを伝搬する光のモードの広がり（すな
わちモードフィールド径）が波長の変化に対して、非常
に敏感になっていることである。

ところが、光の波長とコア径とは、（１）式からも分
るように、相対的なものであり、波長変化に対してモー
ドフィールド径が敏感な光フアイバは、コア径の変化に
対してもモードフィールド径が非常に敏感であるという
ことができる。

その結果、分散シフトフアイバのコア径が、光フアイ
バの長さ方向に変動すると、モードフィールド径も大き
く変化するのである。

・分散シフトフアイバを従来の押込み法で接続するとど
うなるか： 通常の単一モードフアイバの場合と同様に、融着部分
14においてコア12の径は太る（第５図参照）。コア径が
太ると、第10図のように、モードフィールド径は逆に小
さくなる。

通常光フアイバには、小さいながらもコアの偏心が存
在する。そのため。モードフィールド径が小さくなる
と、偏心量がモードフィールド径に対して相対的に大き
くなり、接続損失が増大する方向に動く。

別の見方をすれば、伝送損失の安定性からみて、光フ
アイバの長さ方向にコア径の変動がないことが望ましい
ことになる。

なお、参考データとして、モードフィールド径をMf
d、２本の光フアイバ10の軸ずれ量をｄとするときの、
接続損失Ljを次式に示す。

これを図示すると、第12図のようになる。

この図から、たとえば、モードフィールド径10μｍの
光フアイバを接続したとき、軸ずれｄが１μｍあれば、
接続損失が0.17dBになることが分る。

［問題点を解決するための手段］ この発明は、以上のように、分散シフトフアイバにお
いては、コア径が太くなると、急激にモードフィールド
径が減少するという特有の現象があり、モードフィール
ド径が小さくなると、接続するフアイバのコアの間に軸
ずれがあると接続損失が増大する方向に動く、という自
然現象に対する新しい認識にもとづくものである。

そして、その問題解決のために、コア径が太らない程
度に、光フアイバの押込み量を最小限度にとどめる、と
いう手段をとるようにしたものである。

［その説明］ （１）すでに述べたように、融着を確実に開始するに
は、第1a図のように、押込み作業を省略することができ
ない。

しかしながら、その量をできる限り少なくすることが
望ましい。

すなわち、押込み量が零であれば、光フアイバは融着
しない（第３図参照）し、従来のように、押込み量を20
〜100μｍ程度にすると、コアの太りが生じる。したが
って、その中間に、コアの太りを生じない押込み量があ
る。

種々の検討を行った結果、10μｍ以下の押込み量が、
良い結果を与えることが分った。特に望ましい状態は、
５μｍ以下であった。

（２）いったん融着状態を達成したら、放電のみを持続
して光フアイバの押込みを停止するようにする。

全放電時間は、0.5〜5secの範囲が良い。

ただし、この放電（加熱）時間があまり短いと、接続
点の機械的強度が低くなる。

これは、いずれにしても最終的に必要な光伝送システ
ムに対して決定すべきことであろう。たとえば海底光ケ
ーブルのように光フアイバの許容歪が大きい場合には、
放電時間の注意が必要である。

（３）最終的に得らにれる融着接続部の形状は、第1b図
のように、くびれ18の生じることが多い。しかし内部の
コア12の形状はほぼ均一径であり、不整はほとんどなく
なる。

［実験例］ 零分散波長1.54μｍ、モードフィールド径８μｍ、サ
ンプル数30点の光フアイバに対して、接続損失は、平均
値0.10dB、最悪値0.28dBであった。

ちなみに、従来法では、平均値0.25dB、最悪値0.95dB
であった。

［発明の効果］ 光フアイバの押込み量を、コア径が太らない程度の最
小限度にとどめるので、次の効果がある。

すなわち、分散シフトファイバの場合は、上記のよう
に、 コア径が太ると、モードフィールド径が急に減少する、
という通常の単一モード光ファイバの場合とは反対の現
象が起き、 そのために、上記のように、接続損失増大の恐れが多分
にあるのであるが、 それが回避される。

【図面の簡単な説明】

第1a図はアーク放電による融着接続の説明図、 第1b図は本発明による光フアイバの接続部の説明図、 第2a図〜第2e図は、アーク放電による融着接続を工程順
に示した説明図、 第３図は、押込みがないとき光フアイバが融着されない
ことの説明図、 第４図は、従来法による多モード光フアイバの融着部の
説明図、 第５図は、従来法による通常の単一モード光フアイバの
融着部の説明図、 第６図は通常の単一モード光フアイバのモードフィール
ド径とコア半径との関係を示す図、 第７図は、通常の単一モード光フアイバと分散シフトフ
アイバの、波長分散および伝送損失の、波長に対する依
存性を示す図、 第８図は各種の分散シフトフアイバの屈折率分布図、 第９図は波長分散を零にするための原理の説明図、 第10図は分散シフトフアイバのモードフィールド径のコ
ア半径および比屈折率差Δに対する依存性を示す図、 第11図はガウス型屈折率分布の説明図、 第12図は、分散シフトフアイバの正規化された軸ずれ量
と接続損失との関係の図。 10:光フアイバ、12:コア 14:融着部分、16:クラッド

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】零分散波長が、1.4μｍから1.7μｍの範囲
   にある２本の単一モード分散シフトファイバの端面を整
   形し、突合せ、互いに押付け、かつ相対的に押込む状態
   で、外部加熱源を用いて融着接続し、引続き加熱を行い
   完全に融着する方法において、 融着の後、コア径が太らない程度に、前記光フアイバの
   押込み量を最小限度にとどめることを特徴とする、分散
   シフトファイバの接続方法。
2. 【請求項２】外径が125μｍの２本の光フアイバの端面
   を、突合わせた状態から計算して、前記押込み量が10μ
   ｍ以下になるように押し付けることにより、コア径が太
   らないようにすることを特徴とする、特許請求の範囲第
   １項に記載の分散シフトファイバの接続方法。
3. 【請求項３】端面を整形してから、突合せ、かつ互いに
   押付けるまでの間に、光フアイバの端面のクリーニング
   を行うための加熱工程を追加したことを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項に記載の分散シフトファイバの接続
   方法。
4. 【請求項４】加熱源として、酸素水素火炎・炭酸ガス
   レーザ・アーク放電のいずれかを用いることを特徴とす
   る、特許請求の範囲第１項に記載の分散シフトファイバ
   の接続方法。