JPH09311239A - 光ファイバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のマルチモード・ステップインデックス形
の光ファイバと同様な製造の容易性や接続などについて
の取扱いの容易性を持ち、しかも従来のマルチモード・
ステップインデックス形に比べ大幅に広い伝送帯域を可
能とする光ファイバの提供。 【解決手段】コアとクラッドからなる光ファイバについ
て、そのコア１を、クラッドＣに内接するアウターコア
２と、このアウターコア内に設けられインナーコア３、
４とで形成するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、通信用の光ファイ
バに関し、特にマルチモード形の光ファイバにおける伝
送情報量の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】通信に用いられる光ファイバには、モー
ドに関してシングルモード形とマルチモード形があり、
また屈折率分布の形態に関してステップインデックス形
とグラディエントインデックス形があるなど種々のタイ
プがあり、その各々に特徴がある。中でもマルチモード
・ステップインデックス形は、例えば数百μｍ〜１ｍｍ
程度のコア径とすることが可能で、光源や受光器との接
続やファイバ−ファイバ間の接続などにおける取扱いが
容易であり、また同じく大きなコア径が可能なグラディ
エントインデックス形に比べ低コストであることなどか
ら、比較的短距離の通信や器機内でのデータ伝送手段と
して多用されている。

【０００３】しかしマルチモード・ステップインデック
ス形の光ファイバには、伝搬する光線のモードによる伝
搬速度が異なる効果、いわゆるモード分散が大きく、こ
れによって入射光パルスの時間幅が伝搬距離の増大に応
じて広がり、パルス形状が崩れ易いという現象がある。
このためマルチモード・ステップインデックス形の光フ
ァイバは、シングルモード・ステップインデックス形や
グラディエントインデックス形に比べ、同じ伝送距離に
おける伝送帯域が数百分の１程度と狭く、単位時間に伝
送可能な情報量が格段に少ない。もっともマルチモード
・ステップインデックス形の光ファイバでも、コアとク
ラッドの屈折率差を小さくすることで伝送帯域を広くさ
せることが可能である。しかしこのようにすることは、
開口数が減少して伝送効率の悪化を招き、実用的でな
い。

【０００４】ただ伝送距離が短かければモード分散によ
る伝送帯域の低下は比較的小さいこと、またマルチモー
ド・ステップインデックス形が多用されている近距離通
信などの分野で今まで必要とされた伝送帯域があまり大
きくなかったなどの理由から、上記のようなモード分散
がそれほど問題にされていなかった。ところが最近にお
ける情報処理器機はその処理速度がますます高速化する
傾向にあり、これに伴って近距離通信でもより広い伝送
帯域が求められ、マルチモード・ステップインデックス
形における伝送帯域の限界が問題になって来ている。

【０００５】ところでグラディエントインデックス形の
光ファイバは、上記のようにマルチモード・ステップイ
ンデックス形の光ファイバに比べ数百倍の伝送帯域を持
ち、しかも接続などの取扱いを容易とする大きなコア径
が可能である。したがってこのグラディエントインデッ
クス形の光ファイバを用いることで、上記のような高速
化に対応することができる。しかし、グラディエントイ
ンデックス形は、例えば特開平４−９７３０２号公報や
特公表平５−８０８４８８号公報などで知られるよう
に、屈折率分布用の物質を拡散させることで放物線分布
の屈折率分布を与えて形成するなどのため、ステップイ
ンデックス形に比べてその製造工程などが大幅に複雑に
なり、コストアップを伴うという問題があること、それ
にその可能な伝送帯域が現在の一般的な通信システムに
あっては過剰性能となることなどから、近距離通信系に
グラディエントインデックス形の光ファイバを全面的に
用いることは必ずしも適切な対応とはならない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような事情を背景
になされたのが本発明で、従来のマルチモード・ステッ
プインデックス形の光ファイバと同様な製造の容易性や
接続などについての取扱いの容易性を持ち、しかも従来
のマルチモード・ステップインデックス形における伝送
帯域の限界を超えて、情報処理器機の高速化により求め
られる伝送帯域を可能とする新たな光ファイバの提供を
目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的のために本発明
では、コアとクラッドからなる光ファイバについて、そ
のコアを、クラッドに内接させて設けられ且つクラッド
より大きな屈折率を与えられたアウターコアと、このア
ウターコア内に設けられ且つアウターコアとは異なる屈
折率を与えられたインナーコアとで形成するようにして
いる。

【０００８】このようなコアがアウターコアとインナー
コアからなる多層コア構造の光ファイバにおける多層化
のタイプには、アウターコアの断面形状を円形とすると
共に、これと同様に円形の断面形状を持つようにインナ
ーコアを形成し、このインナーコアをアウターコアに対
し、アウターコアの中心とインナーコアの中心を一致さ
せて同心的に設ける完全回転対称タイプつまり無限の回
転対称次数の回転対称性を持つタイプと、回転対称性を
適当に破るタイプつまり回転対称次数が有限である回転
対称性を持つタイプとが可能である。

【０００９】完全回転対称タイプにあっては、インナー
コアの屈折率がアウターコアの屈折率より高い構成にお
いて、以下のようなメカニズムにより、光ファイバ端面
への入射条件の異なる光線について伝搬速度の均一化を
生じさせることができ、伝送帯域を広くすることができ
る。

【００１０】光ファイバを伝搬する光線は、実質的に全
てスキューレイ、つまり光ファイバの中心軸を含むメリ
ディオナル面から外れる光線であると見なせる。このス
キューレイには、完全対称タイプの多層コアにあっては
光ファイバへの入射角度と入射位置とによって、図９に
示すように、屈折率の高いインナーコアに閉じ込められ
てインナーコアのみを伝搬する光線Ｒａと、インナーコ
アの外側でアウターコアのみを伝搬する光線Ｒｂと、両
コアに跨がって伝搬する光線Ｒｃとがある。

【００１１】このような形態の光ファイバの開口数は、
コアの屈折率が最も高い部分、すなわちインナーコアと
クラッドの屈折率によって決まるため、アウターコアの
屈折率をインナーコアとクラッドとのほぼ中間の値とす
ると、光線Ｒａは同じ開口数のステップインデック形ス
ファイバのほぼ１／２の開口数を持つ導波路を伝わる光
線となり、光線Ｒａの成分のみによる伝送帯域は、同じ
開口数のステップインデック形スファイバのほぼ２倍で
ある。またこのとき光線Ｒｃの成分のみによる伝送帯域
も光線Ｒａと同様に同じ開口数のステップインデック形
スファイバのほぼ２倍である。

【００１２】そして光線Ｒａと光線Ｒｃとについて見れ
ば、光線Ｒｃは光線Ｒａより平均光路長が長くなるが、
一方で、インナーコアの屈折率をアウターコアのそれよ
り大きくしてあるとすれば、光線Ｒａは屈折率が大きく
て伝搬速度の遅い領域のみを伝搬し、光線Ｒｃは屈折率
が小さくて伝搬速度の速い領域も伝搬する。すなわち光
線Ｒａは、光路長が短いという伝搬速度を相対的に速め
る要素と、伝搬速度の遅い領域のみを伝搬するという伝
搬速度を相対的に遅くする要素を持ち、一方光線Ｒｃ
は、光路長が長いという伝搬速度を相対的に遅くする要
素と、伝搬速度の早い領域も伝搬するという伝搬速度を
相対的に速める要素を持つ。この結果、インナーコアの
径と屈折率を適当に調整することで光線Ｒａと光線Ｒｃ
の平均伝搬速度を等しくすることができ、伝送帯域は同
じ開口数のステップインデック形スファイバより大きな
ものとなる。

【００１３】このようにして完全回転対称タイプで得ら
れる伝送帯域の改善効果は、モデルにしたがって計算か
ら求めると、同一開口数の従来のステップインデックス
形の光ファイバに比べ、例えばインナーコアを単層とし
てコア全体を２層とする構造の場合であれば２倍弱程度
に伝送帯域を広げることであり、インナーコアを２層と
してコア全体を３層とする構造の場合であれば２倍強程
度に伝送帯域を広げることである。完全回転対称タイプ
における伝送帯域の改善レベルがこの程度にとどまるの
は、これを伝搬する光線に上記のように光線Ｒａ、Ｒ
ｂ、Ｒｃの３種類があることが影響していると同時に、
特に光線Ｒｂがあることによる影響が大きい。すなわち
光線Ｒｂについては、上記のような伝搬速度の均一化を
生じさせるメカニズムは余り効果的でなく、逆に屈折率
が小さい領域のみを伝搬することによる影響が大きくな
り過ぎるために、光線Ｒａと光線Ｒｃにおける伝搬速度
の均一化を阻害する要素となる。ただ完全回転対称タイ
プは、対称性が高いので製造し易いという利点があり、
また接続に際してコアの向きを考慮する必要がないの
で、接続の作業性に優れるという利点もある。

【００１４】次に、回転対称性を破るタイプにあって
は、以下のようなメカニズムにより、光ファイバ端面へ
の入射条件の異なる光線について伝搬速度の均一化を生
じさせることができ、伝送帯域を広くすることができ
る。これによる伝搬速度の均一化効果は、上記の完全回
転対称タイプにおけるそれよりも大きい。例えば、イン
ナーコアを１つとしてコア全体を２層とする構造の場合
であれば、従来の同一開口数のマルチモード・ステップ
インデックス形の光ファイバに比べ2.5 〜３倍強程度に
伝送帯域を広げることができ、インナーコアを２層とし
てコア全体を３層構造とするかあるいは２つのインナー
コアを互いに離して設けて全体を海島構造とする場合で
あれば５倍弱程度に伝送帯域を広げることができる。

【００１５】回転対称性を破るタイプによると、上記の
光線Ｒｂを実質的になくすことが可能で、このことによ
り完全回転対称タイプの場合よりも伝搬速度の均一化を
向上させることができる。また回転対称性を破るタイプ
では、例えば楕円形のような非円形の形状をインナーコ
アの断面形状として選択することで、上記の光線Ｒａに
関して伝搬速度が特に遅い成分を効果的に除去すること
ができ、このことによっても伝搬速度の均一化を向上さ
せることができる。

【００１６】さらに回転対称性を破るタイプでは、スキ
ューレイがそれぞれ屈折率の異なるアウターコアとイン
ナーコアを交互に通過しながらコア中を伝搬すると共
に、伝搬途中でアウターコアとクラッドとの界面やアウ
ターコアとインナーコアとの界面における入射・反射の
パターンを非周期的つまりランダム的に変化させる。こ
の結果、伝搬途中のスキューレイは、屈折率が異なる領
域の通過距離を１周期（１周期は、アウターコアとクラ
ッドとの界面でのある反射から次の反射までの周期）毎
にランダムに変化させることになり、したがって伝搬途
中でランダム的に速度変化を生じる。そしてこの伝搬途
中でのランダム的な速度変化による平均化作用により、
スキューレイの伝搬速度に効果的な均一化を生じさせる
ことができる。このメカニズムは、クラッドとアウター
コア、それにアウターコアとインナーコアの各界面への
スキューレイの入射角度をランダム的に変化させること
ができるような配置又は断面形状をインナーコア１与え
ることにより、さらに有効に機能させることができる。
このようにすることはまた、コア中に光線を閉じ込める
条件を厳しくし、伝搬速度の遅い光線をコア外に逃して
カットすることに働くことでも伝搬速度の均一化に寄与
する。

【００１７】このような回転対称性を破るタイプには、
回転対称性の破り方について幾つかのタイプが可能であ
る。例えばインナーコアの断面形状を円形とし、このイ
ンナーコアをアウターコア内で、アウターコアの中心に
対しインナーコアの中心をシフトさせて非同心的に配置
するタイプがある。またインナーコアの断面形状を例え
ば楕円形のような非円形の形状あるいは凹凸のある形状
とし、このインナーコアをアウターコアに対し同心的
に、あるいは非同心的に配置するタイプがある。さらに
断面形状を円形又は非円形としたインナーコアを複数、
それぞれが重なることのないようにして離散的に設ける
タイプも可能である。ただインナーコアの断面形状を非
円形とする場合には、アウターコアとインナーコアの界
面に不連続な曲折部、つまり鋭角的な曲折部を含むと伝
送損失を増大させることになるので、インナーコアの外
面形状は滑らかな連続曲面のみからなるようにすること
が望ましい。

【００１８】これらの各タイプについては、アウターコ
アとクラッドの界面での反射を伴うスキューレイの伝搬
路と重ならせるようにインナーコアを配置するのが特に
好ましい。すなわちこのようにすることで、実質的に全
てのスキューレイにインナーコアを通過させる状態が得
られ、上記したアウターコアのみを伝搬する光線Ｒｂを
効果的に排除できるし、また実質的に全てのスキューレ
イについて伝搬途中で入射角度をランダム的に変化させ
ることができ、アウターコアとクラッドとの界面やアウ
ターコアとインナーコアとの界面におけるスキューレイ
の入射・反射パターンの非周期性をより高めることもで
き、伝搬速度の均一化をより向上させることができる。

【００１９】本発明による多層コア構造の光ファイバ
は、以上のようにして広い伝送帯域を可能とするが、同
時に製造の容易性も持っている。すなわち本発明による
光ファイバは、基本的には従来のステップインデックス
形の光ファイバで一般的に用いられているのと同様の製
造方法で製造することが可能であり、したがってコアが
多層であるものの、コアの多層化程度を適当な範囲とす
ることで、従来のステップインデックス形の光ファイバ
におけるのとそれ程変わらない条件で製造することがで
きる。

【００２０】上記のようにして伝搬速度の均一化を可能
とする多層コア構造は、インナーコアを多層にしたり二
つ以上設け、その層数や個数を多くするほど均一化の程
度を上げることができる。ただインナーコアの層数や個
数を多くするとそれだけ製造の困難性が増す。したがっ
て求められる性能要求に応じてインナーコアの層数や個
数を選定することになるが、例えば一般的な近距離通信
で望まれる伝送帯域を可能とするには、２〜３（コア全
体で３〜４層）とするのが適当で、特にインナーコアの
層数や個数を２としてコア全体を３層構造とするのが実
用上で適している。

【００２１】

【実施の形態】本発明の第１の実施形態による光ファイ
バは、図１に示すような断面形状を持つ。これから分か
るように、コア１は、円形にしてクラッドＣに内接させ
たアウターコア２と、このアウターコア２の内部に設け
る楕円形の第１のインナーコア３、及びこの第１のイン
ナーコア３の内部に設ける楕円形の第２のインナーコア
４からなる３層構造である。両インナーコア３、４は、
何れもアウターコア２に対し同心的にし、且つ楕円の長
半径方向に関してアウターコア２の外周面と第１のイン
ナーコア３の外周面との間隔、及び第１のインナーコア
３の外周面と第２のインナーコア４の外周面との間隔を
製造上で支障のない範囲で十分に狭めて設けるようにす
る。このような形状と配置とすることにより、光ファイ
バ伝搬するスキューレイの伝搬路に対しこれを漏れなく
カバーするように第１及び第２の両インナーコアを重な
らせることができる。この実施形態の光ファイバは、回
転対称性を破るタイプであるが、１８０°の回転対称
（回転対称次数が２）を残しており、また直交する二つ
の鏡面について鏡面対称を持つ。このタイプは、温度変
化や吸湿による膨張、収縮量が材料によって異なること
に起因するファイバの反りやねじれなどの変形の危険性
を小さくできるという利点があり、また比較的製造し易
いという利点もある。

【００２２】本発明の第２の実施形態による光ファイバ
は、図２に示すように、そのコア１１が、円形のアウタ
ーコア１２と楕円形のインナーコア１３からなる２層構
造である。インナーコア１３は、アウターコア１２に対
し第１の実施形態における第１のインナーコア３と同様
にして設けるようにする。したがってこの実施形態で
も、第１の実施形態と同様に、スキューレイの伝搬路に
対しインナーコアを重ならせることができ、また１８０
°の回転対称と直交する二つの鏡面についての鏡面対称
を持っている。

【００２３】本発明の第３の実施形態による光ファイバ
は、図３に示すように、そのコア２１が、円形のアウタ
ーコア２２と、このアウターコア２２の内部に設ける円
形の第１のインナーコア２３、及びこの第１のインナー
コア２３の内部に設ける同じく円形の第２のインナーコ
ア２４からなる３層構造である。両インナーコア２３、
２４は、何れもアウターコア２２に対し非同心的に、且
つ各々についても非同心的に設ける。また両インナーコ
ア２３、２４は、上記各実施形態と同様に、これらをス
キューレイの伝搬路に対し重ならせることができるよう
に、両インナーコア２３、２４それぞれの外周面とアウ
ターコア２２の外周面との間隔を製造上で支障のない範
囲で十分に狭めて設けるようにする。この実施形態では
さらに回転対称性が破れ、一つの鏡面による鏡面対称性
のみを残す。

【００２４】本発明の第４の実施形態による光ファイバ
は、図４に示すように、そのコア３１が、円形のアウタ
ーコア３２と円形のインナーコア３３からなる２層構造
である。インナーコア３３は、アウターコア３２に対し
第３の実施形態における第１のインナーコア２３と同様
にして設けるようにする。この実施形態における対称性
は第３の実施形態と同じである。

【００２５】本発明の第５の実施形態による光ファイバ
は、図５に示すように、何れも楕円形の断面形状に形成
した第１のインナーコア４１と第２のインナーコア４２
を互いに重ならないように分離させて離散状とし且つ対
称配置にして円形のアウターコア４３に設けた３層構造
のコア４４を持つ。この場合にも上記各実施形態と同様
に、スキューレイの伝搬路に対し両インナーコア４１、
４２を重ならせることができるように、両インナーコア
４１、４２それぞれの外周面とアウターコア４３の外周
面との間隔を製造上で支障のない範囲で十分に狭めて設
けるようにする。この実施形態は、両インナーコア４
１、４２が屈折率の異なる材料からなるため、一つの鏡
面による鏡面対称性を持つ。

【００２６】本発明の第６の実施形態による光ファイバ
は、完全な回転対称性を持つタイプで、図６に示すよう
に、そのコア５１が、円形のアウターコア５２と、この
アウターコア５２の内部に設ける円形の第１のインナー
コア５３、及びこの第１のインナーコア５３の内部に設
ける同じく円形の第２のインナーコア５４からなる３層
構造であり、両インナーコア５３、５４は、何れもアウ
ターコア５２に対し同心的に設けるようにする。

【００２７】本発明の第７の実施形態による光ファイバ
は、同じく完全な回転対称性を持つタイプで、図７に示
すように、そのコア６１が、円形のアウターコア６２と
円形のインナーコア６３からなる２層構造であり、イン
ナーコア６３をアウターコア６２に対し同心的に設ける
ようにする。

【００２８】以上の各実施形態におけるアウターコアと
インナーコアのサイズやそれぞれの屈折率についての一
数値例と、この数値条件における伝送帯域改善効果を図
８としたテーブルに示す。このテーブルにおけるｎ₁ は
最内の層である第２のインナーコア又はインナーコアの
屈折率、ｎ₂ は内から２番目の層である第１のインナー
コアの屈折率、ｎ₃ はアウターコアの屈折率、ｎ_c はク
ラッドの屈折率、Ｒはアウターコアの半径、Ｒ_1xは第１
のインナーコアの短半径、Ｒ_1yは第１のインナーコアの
長半径、Ｒ_2xは第２のインナーコアの短半径、Ｒ_2yは第
２のインナーコアの長半径、ｄｘ₁ はアウターコアの中
心に対する第１のインナーコアの中心の偏心距離、そし
てｄｘ₂ はアウターコアの中心に対する第２のインナー
コアの中心の偏心距離であり、半径と偏心距離の単位は
ｍｍである。またＢＷは伝送帯域改善効果であり、同一
開口数の従来のステップインデックス形の光ファイバと
の比較をモデルにしたがった計算から求めて示してあ
る。

【００２９】ここで以上の各実施形態では、全て内側か
ら外側に向けて屈折率を小さくする順方向分布としてい
るが、完全な回転対称性を破るタイプについては、例え
ば内側から外側に向けて屈折率を高くする分布や、その
他の分布とすることも可能である。このようなものはし
ばしば順方向分布タイプより高い伝送帯域改善効果を示
すが、形態によっては若干伝送損失が大きくなることが
ある。

【００３０】また以上の各実施形態にあっては、インナ
ーコアの断面形状を円又は楕円としているが、この他に
例えば滑らかな連続曲面による凹凸を有する形状をイン
ナーコアの断面形状として与えることも可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきた如く、本発明による
と、従来のステップインデックス形光ファイバとほぼ同
様な条件で製造することが可能で、しかも従来のステッ
プインデックス形光ファイバに比べ大幅に伝送帯域を広
くすることのできる光ファイバを提供することができ、
光ファイバを用いる通信システムの機能向上に大きく寄
与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態による光ファイバの断面図。

【図２】第２の実施形態による光ファイバの断面図。

【図３】第３の実施形態による光ファイバの断面図。

【図４】第４の実施形態による光ファイバの断面図。

【図５】第５の実施形態による光ファイバの断面図。

【図６】第６の実施形態による光ファイバの断面図。

【図７】第７の実施形態による光ファイバの断面図。

【図８】各実施形態における数値例と伝送帯域改善効果
についてのテーブル図。

【図９】多層コア構造の光ファイバ中を伝搬するスキュ
ーレイについての説明図。

【符号の説明】

1,11,21,31,44,51,61 …… コア 2,12,22,32,43,52,62 …… アウターコア 3,4,13,23,24,33,41,42,53,54,63 …… インナーコア Ｃ …… クラッド

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コアとクラッドからなる光ファイバにお
   いて、前記コアは、クラッドに内接させて設けられ且つ
   クラッドより大きな屈折率を与えられたアウターコア
   と、このアウターコア内に設けられ且つアウターコアと
   は異なる屈折率を与えられたインナーコアとからなるこ
   とを特徴とする光ファイバ。
2. 【請求項２】 アウターコアとクラッドとの界面での反
   射を伴うスキューレイの伝搬路に重ならせるようにイン
   ナーコアを設けた請求項１に記載の光ファイバ。