JPS586923B2 - 光フアイバ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は光通信用光ファイバ、特に広帯域な光ファイ
バに関するものである。

光ファイバの中心より半径方向における屈折率分布は第
１図Ａに示すようにコアの屈折率がｎ１、クラツドの屈
折率が１２で、コアとクラツドとの間で屈折率がステッ
プ的に変化するステップ形と、第１図Ｂに示すようにコ
アの中心で最大屈折率ｎ１よりクラツドに近ずくに従っ
て徐々に減少するグレーデッド形との２種類に大別され
る。

従来この種の光ファイバにおいて広い伝送帯域を得る方
法としてステップ形ではＶ＝２π／λｎ１ａ■で定義さ
れる規格化周波数Ｖを、Ｖ＜２．４０５として最低次モ
ードであるＨＥ１１モードのみを導波する、いわゆる単
一モード光ファイバとして使用することによってモード
分散をなくする方法、またグレーデッド形では多モード
領域（通常導波モード数は数百）でαを２近傍の値とし
モード分散を小さくする方法が行われている。

λは使用波長、ａはコアの半径、Δはコアとクラツド間
の比屈折方向の距離ｒにおけるコアの屈折率． （ｒ）
はｎ（ｒ）＝ｎ１〔１−２△（ｒ／ａ）α〕１／２（ｒ
≦ａ）であり、前記αはこの式のαを示す。

なおステップ形ではα＝∞である。

しかしながら前者の単一モード光ファイバではコア径が
小さくなり光ファイバの接続や光源との結合が難しいと
いう欠点があり、後者の多モード光ファイバではモード
分散をある一定値以下には小さくできないという欠点が
あった。

さらにもう一つの方法として従来のステップ形あるいは
グレーデッド形光ファイバにおいてＨＥ１１モードと第
２高次モード群（ＨＥ２１，ＴＥ０１，ＴＭ０１モード
）との群遅延時間が等しくなるＶ値で動作するようにす
ることによってモード分散を零とし、広い伝送帯域を得
、さらにコア径も単一モード光ファイバに比べて拡大で
きることが、ステップ形では特願昭５０−３６９８２、
グレーデッド形では特願昭５２−０６８５１３および特
願昭５２−１１０２４８においてそれぞれ提案されてい
る。

しかしながら特願昭５０−３６９８２で提案しているス
テップ形のものでは光ファイバ製造時に生ずるコア径あ
るいは比屈折率差の設定値からの偏差によって動作ｖ値
が設定値からずれたとき生ずるモード分散を小さく抑制
することが難しく、またコア径も特願昭５２−０６８５
１３および特願昭５２−１１０２４８で提案しているグ
レーデッド形のものに比べて拡大できないという欠点が
あった。

一方前記二つの特許願で提案しているグレーデッド形光
ファイバにおいてはいずれも動作Ｖ値を、ＨＥ１１モー
ドおよび第２高次モード群のみが導波可能な範囲に限定
しているため、コア径を十分には大きくできないという
欠点があった。

さらにいずれの前記特許願で提案している光ファイバに
おいてもその実施例で述べられている広い伝送帯域が当
該屈折率分布の値αでは全く得られないことが、最近こ
の発明者による波動理論に基づく厳密な理論計算（論文
ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ ＭｉｃｒｏｗａｖｅＴ
ｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈ．，Ｊｕｎｅ １９８０
）および実験（前記論文およびその他）によって明らか
になった。

この説明はこの発明の実施例の中で詳細に行うが、例え
ば特願昭５２−０６８５１３の第５図ｂにおいてα＝３
．９，Ｖ＝４．６における伝送帯域は∞とあるが、厳密
には１．７ＧＨｚ・ｋｍであり、また特願昭５２−１１
０２４８の第５図においてα＝５．２８，Ｖ＝４．４２
におけるＨＥ１１モードと第２高次モード群の群遅延時
間差は零とあるが、厳密には５６６ｐｓｅｃ／ｋｍであ
るなどいずれにおいてもその実施例で予想している伝送
帯域は真値と大きな差がある。

ここで述べた伝送帯域あるいは群遅延時間差の厳密な理
論計算値は波動理論から導出されるベクトル波動方程式
を解くことによって厳密に得られるものであるが、その
計算手法が複雑であるため従来は前記特許願に述べられ
ていたような近似計算法が用いられており、そのため先
に述べたような大きな誤差を生じ実用上精度の良い光フ
ァイバの構造設計が行えなかった。

この発明の目的は光通信用光ファイバにおいて伝送帯域
の広帯域化とコア径の拡大とを同時に実現する光ファイ
バを得ることにある。

まず光ファイバの屈折率分布形ｎ（ｒ）を次式で定義す
る。

当該光ファイバの最低次モードであるＨＥ１１モードと
第２高次モード群（ＨＥ１１，ＴＥ０１，ＴＭ０１モー
ド）との間の群遅延時間差△τと、 ■＝２π／λｎ１ａ■で定義される規格化周波数■との
関係は波動理論から導出されるペクトル波動方程式を解
くことによって正確に得られる。

第２図にはその数値計算結果を示している。

縦軸はＶ値、横軸はαであり１ｋｍ当りの△τをパラメ
ータとしている。

なお比屈折率差△は０．３％を仮定している。

△τ＝０なる曲線上の点（Ｖ，α）においてはモード分
数が零、即ち伝送帯域が無限大となるので、あるαの値
に対してコア径ａあるいは比屈折率差△を選ぶことによ
ってｖ値を△τ＝０とするように設定することが可能で
ある。

図中の一点鎖線は第３高次モード群（ＨＥ３１，ＥＨ１
１モード）の遮断Ｖ値、Ｖｃ２を示しており なる■の範囲はＨＥ１１モードおよび第２高次モード群
のみが導波可能となる領域を意味している。

図より△τ＝０とし、さらにコア径を拡大しようとする
とαの値をできるだけ小さくすればよいことがわかる。

しかしながら△τ＝０を満足するα，■をもつ光ファイ
バにおいても第３高次モード群が導波される場合には新
たに第３高次モード群との間にモード分散が生じるため
、伝送帯域は無限大にはならず著しく劣化する。

したがってαの下限値は第３高次モード群が導波されな
いという条件から決定される。

図中の一点鎖線と△τ＝０なる曲線が交わる点Ｖ＝４．
８，α＝３．１より■が大きく、αが小さい領域では理
論上は第３高次モード群が導波可能となる。

しかしながら第３高次モード群が理論上は導波可能なＶ
＞４．８，α＜３．１の領域においても第３高次モード
群の遮断Ｖ値の近傍では当該モードの損失が極めて大き
くなり、長尺の光ファイバ伝ばん後は出力として現われ
ない。

第２図中の破線は第３高次モード群のケーブル化時に生
ずる損失が５００ｄＢ／ｍとなる曲線を示している。

光ケーブル中の長尺ファイバ、例えば１ｋｍを通常の実
用的な条件で使用する場合には破線より下の領域では第
３高次モードが完全に減衰して導波されなくなることが
実験的に確かめられており、実質的にＨＥ１１モードお
よび第２高次モード群のみが導波可能となる。

したがって△τ＝〇の曲線上でＶ値をこの破線より小さ
い値に選ぶことによってＨＥ１、モードおよび第２高次
モード群のみの極めて広帯域な伝送が可能となる。

なおＨＥ１１および第２高次モードのケーブル化による
損失は高々０．２ｄＢ／ｋｍである。

したがってαの下限値は２．２５となりこのときＶ値は
６．４５と決定される。

このように動作Ｖ値の範囲を理論上では第３高次モード
群が導波可能な領域に拡張している点においてこの発明
は全く新しいものである。

次にαの上限値はステップ形単一モード光ファイバのコ
ア径と比較したときの拡大倍率から決定される。

ステップ形単一モード光ファイバでは通常動作Ｖ値は約
２．２、比屈折率差は０．２５％でありこのときのコア
径を２倍以上拡大しようとすると、本実施例における光
ファイバは比屈折率が０．３０％であることを考慮すれ
が動作■値は４．８以上となる。

これを第２図中の△τ＝０なる曲線上で見ればα≦３．
１となる。

以上あわせてαの範囲は２．３≦α≦３．１と決定され
る。

このようにして選定された４．８≦■≦６．５，２．３
≦α≦３．１の範囲において△τ＝０を満たす点（Ｖ，
α）から決定される具体的な各種■，αとコア径２ａと
の例を次の表に示す。

ここで比屈折率差△は０．３％、使用波長は１．３μｍ
とする。

次に光ファイバ製造上生ずる屈折率分布、コア径、比屈
折率差の設計値からのずれによってαおよび■の値が△
τ＝０を満たす曲線上の点からずれたときに生ずる群遅
延時間差△τ、即ち伝送帯域の劣化について第２図を用
いて調べる。

例えばα＝２．５においてＶ値が設定値５．６から５％
ずれた場合にも△τは１１０ｐｓｅｃ／ｋｍであり、伝
送帯域に換算すると６ＧＨｚ・ｋｍと極めて広帯域が確
保できる。

またαの設定値からのずれに対しても同様に伝送帯域劣
化は小さいことがわかる。

上記の光ファイバ構造設計例に基づいて試作した光ファ
イバのＨＥ１１モードと第２高次モード群との間の群遅
延時間差を波長可変パルス光源であるファイバラマンレ
ーザを用いて測定した結果を次に示す。

この試作光ファイバはケーブル化前の素線であり、αが
２．６５と上記αの範囲を満たしおり比屈折率差は０．
３１％、コア径は２１μｍである。

第３図Ａ，ＢおよびＣはそれぞれ波長１．１８μｍ、１
．４５μｍおよび１．６０μｍにおける２．４５ｋｍ伝
ばん後の出力パルス波形である。

図の横軸は時間、縦軸はパルス振幅を示している。

同図Ａの波長１．１８μｍでは第３高次モード群１，Ｈ
Ｅ１１モード２、第２高次モード群３と順次遅れて現わ
れており、同図Ｂの波長１．４５μｍではＨＥ１１モー
ドおよび第２高次モード群の遅延時間は一致しており、
さらに同図Ｃの波長１．６０μｍではＨＥ１１モード２
が第２高次モード群３に対して遅れている。

同図Ａの波長１．１８μｍでは第３高次モード群１も導
波しているが、同図ＢおよびＣの波長１．４５μｍおよ
び１．６０μｍでは理論上は第３高次モード群が存在し
ているにもかかわらず減衰が大きく出力端では観察され
なかった。

第３図のパルス波形から読み取った△τを第４図に示す
。

縦軸は△τ、横軸は使用波長および■を併記している。

白丸が測定値であり、破線は第２図と同様の方法で求め
た理論計算値である。

実線は白丸を結んだものである。

同図からも明らかなように測定値と理論値とは極めて良
く一致しており、この理論に基づく当該光ファイバの構
造設計が極めて正確であることが実験によっても検証さ
れた。

次に第３高次モード群の損失についてみると、第４図中
に示すようにＶ＜６．１では第３高次モード群は２．４
５ｋｍ伝ぱん後の出力端で観察されなかった。

このＶ＝６．１なる値は１ｋｍ伝ばん後の値でみればや
や小さくなるが、ケーブル中の光ファイバではケーブル
化によって光ファイバに生ずる微小曲り等の影響をうけ
てＶ値は大きくなることを考え合せると、第２図の破線
で実験光ファイバのα＝２．６５からＶを読み取るとＶ
＝６．１とほぼ一致する。

このことがらαの下限値（＝２．３）の設定方法も正し
いことが実験的にも確められたといえる。

以上説明したようにこの発明によれば光ファイバにおい
て屈折率分布を２．３≦α≦３．１の範囲に設定し、使
用波長に対してコア径、比屈折率差等を選定することに
よってＶ値をＨＥ１１モードと第２高次モード群の群遅
延時間をほぼ等しくなるような値４．８〜６．５にする
ものであり、極めて広い伝送帯域が得られ、また従来の
単一モード光ファイバに比べてコア径を２倍以上拡大で
きる。

したがって光源との結合および光ファイバ接続が容易に
なるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は光ファイバの屈折率分布を示す図、第２図はＶ
およびαに対する群遅延時間差△τを示す図、第３図は
試作ファイバの伝送パルス特性波形図、第４図は試作フ
ァイバの△τとＶおよびλの関係を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コア半径をａ、コア中心の屈折率をｎｌ、クラツド
   の屈折率をｎ２、コアとクラツド間の屈折の距離をｒと
   し、コアにおける屈折率分布ｎ（ｒ）ｎ（ｒ）＝ｎ１〔
   １−２△（ｒ／ａ）α〕１／２（但しｒ≦ａ）とし、使
   用波長をλ、規格化周波数■をとしたとき上記αは２．
   ３と３．１の間の値とされ、使用波長λに対して当該光
   ファイバの最低次モードであるＨＥ１１モードと、第２
   高次モード群であるＨＥ０１，ＴＢ０１，ＴＭ０１モー
   ドとの群遅延時間がほぼ等しくなるようなＶ値４．８〜
   ６．５をもつことを特徴とする光ファイバ。