JPS6215503A - 零分散単一モ−ド光フアイバ - 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］　・　　　　　　　。

現在−光ファイバを使用する通信は、はぼ実用化段階に
入り、たとえば波長１．３ＪＬ−の光を利用する数多゛
〈の通信システムが稼動してい・る。

使用する光ファイバは、石英系ガラスであるが、その伝
送損失の極小値は、一般に１．４〜１．６゜経讃の波、
長域にある。この波長帯の光源を使用する・と、１．３
・Ｂｓ＋波長の場合゛に比べて、無中継伝送距離が２倍
近くになるため、次１用代の方式として注目されている
。

゛この次世代の方式は、長距離伝送が可能であると同峙
に、大容量の情報を伝送できるものでなければならない
・。

そのため′に、伝送帯域幅の広い単一モード光ファイバ
を使用することになるが、単一モード光ファイバには、
伝送帯域幅を制限する波長分散がある。　゛ ・そのため、　１．４〜１．６　ｇ−の波長域ににおい
て波長分散が零の単一モード光ファ゛イバ・の開発が進
・められている、　・ この発明も、そのような、零波長分散の単一モード光フ
ァイバに制するものである。

なお、石英系光ファイバでは、周知のように、１．５５
ＪＬＩｌ付近の波長で最も伝送損失が小さく、ｉ。

５５ｐＬｍ零分散という表現が、よく使用される。

それに対して、本発明で、めざす波長域を１１．４〜１
．６終■とするのは１次の一理由による。

すなわち、１．・５５ｐａ＋波長に限′らず、１．４ｍ
　　以上め波長域では、現在広く使用されている１、３
ＪＬ層の波長よりも低損失になる一゛　　　　　　　′
将来、安価で安定した１、５５ｔＬ−波長の光源が使用
できれば問題はないが、もし、たとえば、　１．４μ謡
波長の格安の光源が作られ、しかも光通信システムの要
求（［１標）がそれほど高くない場合は、１．４ｍの波
長において零分散の光ファイバが必要になる。

そのような意味で波長の範囲を１．４〜１．６７を鵬と
したのである。

［零分散の原理］ 波長分散は、厳密にいえば、材料分散と構造分散とから
なる。しかし、完全に分離して議論できないので、通常
は波長分散として議論される。

−例として、ステップ型の光ファイバの波長分散を式で
示すと。

となる。

ここで、 ｋは真空中での光の位相定数で、 Ｃは真空中での光速、 βは光フアイバ中での光の伝搬定数、 Ｎ、は群居折率と呼ばれる量で、 ■は正規化周波数と呼ばれる量で、 ｖ２−１−！、ｎ１０Ｌ２へ　　　　　　（４）ｎ！は
コアの屈折率、 ａはコアの半径、 Δはコア・クラッド間の比屈折率差、 ｂは正規化伝搬定数と呼ばれる量で、 ｎ２はクラッドの屈折率である。

式（１）中の第１項が材料分散、第２項が構造分散にほ
ぼ対応している。

式（１）の計算結果の一例を第９図に示す。

材ＩＩ４分散が、１．３ｍ以」−の波長で負値をとるの
に対して、構造分散は常に正値であるため、特定の波長
において、両者の和であるところの波長分散が零となる
点がある。

したがって、比屈折率差Δやコア径２ａを適当に調整す
ることによって、１．５５＃Ｌ−の波長＋１近での波長
分散を相殺することが可能になる。

屈折率分布がステップ型以外の場合でも、Ｊｉｉ折率分
布のプロファイルがきまると、計算によって、波長分散
と比屈折率差Δとコア１（ｊ２ａとの関係を示す線図を
求めることができ、それとモードフィールド直ｆｌ　（
Ｍ　Ｆ　Ｄ　）や第２次モードの遮断波長などを考慮す
ることにより、零分散中−モード光ファイバの設計が可
能であるが、これまで必ずしもすべてのプロファイルに
対して十分な検討がきれている訳ではない。。

［従来の技術］ １．５５．■零分散光ファイバとして、従来検討されて
きたものを示す。

（１）高屈折率差ステップ型（第１Ｏ図（ａ））比屈折
率差Δとコア半径ａを変えたとき、１．５５川履におけ
る波長分散がどのようになるかの計算結果をｔ５１１図
に示す。

この図から、比屈折率差Δを０．７ｚ以上、コア半径ａ
を２．３　μｍ前後に設定すると、１．５５ｇ＋ａにお
ける波長分散を零にできることが分る。

なおこの場合、コア半径ａ＜２％鵬、および比屈折率差
Δ＜０．６％においては、コア中への光の閉じ込め効果
が弱＜　（ＭＦＤが過大）実際的な光ファイバとして使
用不能であるため、たとえ波長分散値が小さくても、考
慮されない。

（２）三角プロファイル型（第１Ｏ図（ｂ））比屈折率
差Δとコア半径ａを変えたとき、１．５５１Ｌ１１にお
ける波長分散がどのようになるかを、第１２図に示す。

この図から、比屈折率差Δを０−８％以」：、コア半径
ａを３．３　ｐ−ｒａ前後に設定すると、１．５５ｇｏ
＋における波長分散を零にできることが分る。

またこの場合も、コア半径ａ＜２．５ｐ園、および比屈
折率差Δ＜０．８％においては、コア中への光の閉じ込
め効果が弱くて、安定な光ファイバにならない。

（３）台角プロファイル型（第１Ｏ図（Ｃ））上記三角
プロファイル型の中心の高屈折率部分を除去して１作り
易くしたもので、特性は三角プロファイル型と、はぼ同
じであると言われている。

（４）二重クラッド型（第１Ｏ図（ｄ））１．５５ＪＬ
園を含む広い波長領域で、波長分散を小Ｓくする試みを
した光ファイバである。この場合の、コア半径ａを変え
たとき、波長分散が零になる波長がどのようになるかを
第１３図に示す。

比屈折率差Δを０．８５％　、コア半径ａを３．０５μ
閣に設定すると、　１．５５ＪＬ鵬における波長分散を
零にすることができる。

［発明が解決しようとする問題点１ （１）高屈折率差ステップ型（第１０図（ａ））の場合 ｌ）第１１図から分るように、比屈折率差Δ＝０．８％
の場合、１．５５ｐｍの分散イめが±３ｐｓ／ｋｍ／ｎ
ｍ以内に収まるコア半径ａは、２．２〜２．４　ｌＬｍ
で、許容幅は、±５ｚ程度しか、ない。

すなわち、コア半径ａが目標値から、わずかに外れても
、波長分散値が大きく変化する。したがって、コア径の
非常に高い制御性が要求され、製造が難しくなる。

なお、実際の製造において、プリフォームの線引き前に
調整可能な唯一のパラメータはコア径である。もし、コ
ア径を目標値にするために、光ファイバのクラツド径（
光フアイバ外径）が設定値を外れるようであれば、プリ
フォームを同心円筒状に削ったり、別途用意した石英ガ
ラス管をかぶせるなどして、クラツド径を調整すること
ができる。　　　　　　　。

しかし、上記のように、線引き後のコア半径の寸法の許
容幅が±５ｚ程度の場合は、非常に高精度の制御が必要
になる。

２）高比屈折率差Δにするために１通常、多量のＧｅＯ
２をコアの全域にわたってドープしている。そのためも
あって、レーリー散乱が高くなりやすく、また、コア、
クラッド境界での屈折率ゆらぎの影響による散乱を生じ
やすい。

（２）三角プロファイル型（第１Ｏ図（ｂ））の場合 上記の高屈折率差ステップ型で問題になった点は大幅に
改善されているが、コア中心の屈折率がかなり高いので
、必ずしも製造しやすいとは言い難い。

台角プロファイル型（第１θ図（Ｃ））では、その点が
改善されているが、後で述べるように。

ＶＡＤ法による製造困難の問題は残る。

（３）二重クラッド型（第１θ図（ｄ））の場合 第１３図からも知られるように、コア半径ａがわずかに
変化すると、波長分散値および零分散の波長が大きく変
化する。したがって、ｔＡ造時におけるコア径の制御が
困難である。

（４）製造法との関係について 上記第１θ図に示した各光ファイバはどれもＭＣＶＤ法
゛で試作されたものであり、我が国で発展をみところの
ＶＡＤ法では、あまり試みられていない（ただし同図（
ａ）のステップ型については若干の報告あり）。

ＭＣＶＤ法を使用した場合には、同図で示したようなプ
ロファイル形状を多層で近似するため、かなり複雑な屈
折率分布にも対応できる。

しかし、ＶＡＤ法・では、原理的にあまり複雑なプロフ
ァイルに対応することができな□い。

しかし、１８８０年以後の光ファイバ、特に石英系光フ
ァイバの低損失化の歴史が示すように、損失面からはＶ
ＡＤ法は常に他の製法よりも優れていると言える。また
、１本のプリフォームから得られるファイバ長が長いな
どの点は、この種のファイバが海底光フアイバケーブル
に使われる可能性が高いことなどを考えると、ＶＡＤ法
を１．５５井鵬零分散ファイバに適用できるようにする
ことは、時代の要請とでも言うべきものである。

第１４図にＶＡＤ法の一例を示す。

コア形成用バーナー・２０およびクラッド形成用バーナ
ー３０から、それぞれガラスとなるべき原料ガス２２．
’３’２が火炎中に投入され、発生したガラス微粉末が
焼結体４０として集められる。

５０は排気管である。

コア形成相バーナー２０の燃焼条ヂｌ−や論埴条件、ガ
ラス微粉末焼結体４０の底面の温度分布などを調整する
ことにより、コアの屈折十分４ｊを制御するのであるが
、火炎の大きさはガラス微粉末焼結体４０と比べて必ず
しも大きくないので、ステップ状の屈折率変化をつける
ことは得意でない。

［発明の目的］ この発明は、以−１−説明してきたような、ｌ）プロフ
ァイルによって異なる波長分散制御性、すなわち、コア
径や比屈折率差Δが目標値がずれたときの波長分散値の
変化や、 ２）製造法からみたプロファイルの制御性、すなわち、
ＶＡＤ法による作りやすさ、 などの点を考慮してなされたものであり、１．５５ｐｍ
を中心とする波長域、具体的には、従来使用されてきた
１、３１Ｌ脂帯よりも長いところの、１．４〜ｔ、ｓ　
ｇ■の波長域において、波長分散の小さい光ファイバを
、製造性よく提供することを目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ この発明は、コアの半径方向の屈折率分布のプロファイ
ルを、従来のように角張ったものにしないで、第１〜３
図のように、ＶＡＤ法が得意とする、概略、ガウス分布
にすることを特徴とするものである。

［その説明］ （１）ガウス分布について： その典型的な形は、第１図のようになっている。それを
数式で示せば、 となる。

なお、コア半径ａは、クラッドからみた比屈折率差Δが
ｌ／ｅ２に減じられる半径で定義している。

また、実際の製造に当っては、無限遠まで屈折率の変化
する光ファイバを作ることは不可能であるから、有限の
半径、具体的には２ａ以上で屈折車受化が終了し、平坦
なＦｆ、折率部分（クラッドの一部）に入って十分であ
る。

（２）概略、ガウス分布ということについて二本発明の
光ファイバは、必ずしも（６）式通りでなくて、部分的
にガウス分Ｉｌｉから外れていても。

所期の効果を得ることができる。

第２図に、その例を示す。

・　（ａ）は頭部Ａが平らの場合、 ・　（ｂ）は頭部Ａが平らで、それに統〈Ｂの部分がガ
ウス曲線に添って下り、クラッドとの境界のＣで直線状
に変化する場合、 ・　（Ｃ）はＡ、Ｂ、Ｃの３層程度の多層で、ガウス分
布に近似させた場合、 である。

これらの考え方の基本は、−１−記ＦｆＳ２図（Ｃ）に
特に現れているように、コア中心からプロファイル曲線
に添ってその傾きをながめるとき、中心付近の比較的平
らな部分Ａと、それに続く変化の急激な部分Ｂと、クラ
ッドとの境界付近のプロファイル変化のゆるやかな部分
Ｃとで構成されること、を要件とするものである。

また、上記の要件は、その変化のカーブに若干の不整な
どが重なる場合をも含むものである。

すなわち、第３図の。

−（ａ）のように中心部に乱れのある場合（ＶＡＤ法で
生じやすい）、 ・　（ｂ）のように中心部に落込みのある場合（ＭＣＶ
Ｄ法で生じやすい）、 ・　（Ｃ）のように、二重クラッド型との組合せ、など
の場合である。

（３）　１．５５ｐＬｍでの波長分散について：第４図
に、（８）式で表される屈折率分布のときに、波長分散
がどのようになるかの計算結果を示す。

コア径の変化に対して波長分散の変化は、上記の三角プ
ロファイル型と同程度に小さい。

たとえば、比屈折率差Δ＝　０．８％の場合、波長１．
５５．腸の分散値が±３ＰＳ／に票／ｎＩ以内に収まる
コア半径ａは、１．８〜２．３　＃Ｌｔｓであり、±１
２１が許容される。

また、比屈折率差Δの変化に如する１、５５μ層の分散
値の変化も、わずかである。

したがって、製造時のコア径の制御が容易になる。

（４）ＭＦＤについてニ ガウス状分布の伝搬モードのＭＦＤを第５図に示す、Ｍ
ＦＤが大き過ぎると、必要とされる高純度ガラスクラッ
ドは厚くなり、曲ぷり損を受は易くなるので、好ましく
ない。

同図より、たとえば、ＭＦＤを１０ＪＬ’ｌｌ以下にす
る比屈折率差Δは、コア半径ａ＝２　ＪＬ脂のときは０
．８ｚ以上、コア半径ａ＝２．５μｍに対しては０．６
８２以上が必要である。

（５）遮断波長について： 第２次モードであるＬＰ、モードの遮断波長を第６図に
示す、比屈折率差Δが０．６５Ｘ以上で、かつコア半径
ａが３．５ｐｍ以上の場合は１本発明の目標とする１、
４＃Ｌ厘以上の波長において、単一モードでなくなる。

したがって、これらの遮断波長や、ＭＦＤを考えに入れ
て、比屈簀率差Δやコア半径ａの適正範囲を設計する必
要がある。

（６）ガウス形屈折率分布の単一モード光ファイバにつ
いて： マルチモード光フ乎イバにおいては、モード分散をなく
すために、グレーデッド形の屈折率分布をと□る。

しかし、箪−ド分散のない単一モード光ファイバにおい
ては、屈折率分布の基本的プロファイルはステップ形で
ある。

従来の１．３ｇｍの波長帯においては、比屈折率差Δが
０．４ｚ以下で、コア径がｌθμ腸程度の、ステップ形
単−モード光ファイバの波長分散は、はぼ零分散（少な
くとも±３ｐｓ／ｋｍ／ｎｉ＋以内）である。

１．５５ＪＬｍ波長における零分散の開発も、上記第１
θ図（ａ）ｍように、ステップ形の比屈折率差Δを非常
に高くすることからスタートした。それは、だいたい１
８８０年頃、英、日、米の各国においてである。

その後、英国における、同図（ｂ）の三角プロファイル
形、および、その変形、などへと進んだ。

しかし、これらの屈折率分布のプロファイルは、すべて
ステップ形およびその変形で、コアとクラッドとの境界
のハツキリしたプロファイルを持つものであった。また
、それはＭＣＶＤ法の得意とするものであった。

そして、今まで、ガウス形プロファイルの屈折率分布を
持つ単一モード光ファイバは試みられることがなかった
のである。

［実施例Ｊ 第１４図に示したものと類似の系を用いて、ガラス微粉
末焼結体４０を作袈した。ただし、十分なりラッド径を
得るため、クラッド形成用バーナー３０は４本使用した
。コアおよびクラッド形成用バーナー２０．３０の構造
は、どれも４層同心多重管である。

原料ガスは、５ｉ０２発生用に５ｆＣ１４，コアへのド
ーパントとしてはＧｅＣ１４を用いた。

また燃焼ガスは水素、助燃ガスは酸素である。

流量は、コア用のＳ　ｉＣ１４については、１１００ｃ
ｃ／ｓｉｎ、　：ＩアあドーパントＧｅＣｌ４番こつい
ては２０　ｃｃ／ｓｉｎ、クラッド用の５ｉＣ１４につ
いては、各バーナーとも約２００〜４００　ｃｃ／ｓｉ
ｎの範囲で設定した。

得られたガラス微粉末焼結体４０を約１４５０°Ｃの最
高加熱温度を有する電気炉内で、微量のＳＯＢ　ｒ２を
加えつつ、Ｈｅ雰囲気中で透明ガラス化した。

得られたプリフォームの屈折率分布は、第７図に示すよ
うに、概略ガウス分布であった。

このプリフォームを、外径１０■■になるように加熱延
伸した後、さらに別途用意した透明石英ガラス管を被覆
した。その結果、最終的なプリフォームは、外径３８ｍ
ｇ＋　、コア径！、２５龍となった。

それを、約１２５０６Ｃの最高加熱温度を有する電気炉
で紡糸し、外径１２５＃Ｌｍ、コア径約４．１に腸の光
ファイバを得た。

その光ファイバの伝送損失を測定したところ、今着目し
ている１、５５Ｉｉ、■の波長において、０．２２ｄＢ
／ｋｍであった。

また、ＹＡＧレーザーでポンプされたラマン２アイバを
用いて波長分散特性を測定したところ、第８図の特性が
得られた。零分散をグーえる波長は１．５６　ル購であ
った。

この光ファイバの損失からみて、１１００ｋ以上の無中
継かつＩ　Ｇｂｉｔ／ｓ以−Ｌの高速伝送が、１．５５
ｐｍ帯で実現可能である。

Ｅ発明の効果】 コアの半径方向のＷ折率分布のプロファイルを、概略、
ガウス分４１としたため１、（１）上記のように、コア
径や比屈折率差Δの変化に対する波長分散の変化が小さ
い。

したがって、製造時のコア径の制御が容易になる。

（２）屈折率分布のプロファイルの形状のなめらかさか
ら、プリフォーム製造中にドーパントの拡散壷揮散壷移
動の生じやすいところのガラス微粉末を中間生成体とし
て形成する製法に向いており、我が国で発展したＶＡＤ
法で作りやすい。

【図面の簡単な説明】

第１〜８図は本発明の光ファイバに関するもので、 第１図は屈折率分布の典型的なプロファイルの説明図、 第２図と第３図の各（ａ）、（ｂ）（ｃ）は、その若干
変形したものの説明図、 第４図は、波長分散の特性図、 第５図はＭＦＤの特性図。 第６図は第２次モードの遮断波長の特性図、第７図は実
施例における最Ｎ／ｉ７材の屈折率分布図、 第８図は実施例の光ファイバの波長分散特性図である。 第９図は波、長分散を零にすることのできる原理の説明
図、 第ｉｏ図（７）（ａ）　〜（ｄ）は、従来ｃｙ）１．５
５ｇｍ零分散単一モード光ファイバの異なる例の説明図
、第１１図と第１２図と第１３図は従来の１．５５井扉
零分散中−千−ド光ファイバの異なる例の波長分散特性
図、 第１４図はＶ　Ａ　Ｄ　Ｉノ、の説明図である。 ２０：コア形成用バーナー ３０：クラッド形成用バーナー ４０ニガラス微粉末焼結体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．４〜１．６μｍの波長域において、波長分散が零で
   ある単一モード光ファイバにおいて、 コアの半径方向の屈折率分布のプロファイルが、概略、
   ガウス分布であることを特徴とする、零分散単一モード
   光ファイバ。