WO2001079902A1

WO2001079902A1 - Fibre optique

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Publication number: WO2001079902A1
Application number: PCT/JP2001/003282
Authority: WO
Inventors: Takemi Hasegawa; Eisuke Sasaoka; Masayuki Nishimura; Masashi Onishi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries, Ltd.
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2001-10-25
Also published as: DE60137499D1; EP1291686B1; EP1291686A1; JP3786010B2; DK1291686T3; AU4693201A; US6526209B1; KR100816275B1; EP1291686A4; AU2001246932B2; KR20030003725A

Description

明糸田書

光ファ

技術分野

本発明は、光伝送路又は分散補償器として好適な光ファイバに関する。

背景技術

従来から、例えば、以下のような光ファイバが知られている。特開平 10— 9 5628号公報に開示されている微細構造光ファイバは、クラッド領域に囲まれた通常固体であるコア領域を有し、このクラッド領域は間隔をおいて配置された複数のクラッド特徴構造を有し、そのクラッド特徴構造はそのファイバ軸方向に長く伸び第 1のクラッド材料中に配置されたクラッド特徴構造であり、そのコア領域は、有効直径 d。及び実効屈折率 N。を有し、そのクラッド特徴構造は第 1のクラッド材料の屈折率と異なる屈折率を有し、そのクラッド領域は N。より小さい実効屈折率を有するものである。さらに、クラッド領域が、実効屈折率 N_clを有する内側クラッド領域と実効屈折率 N。。を有する外側クラッド領域（ただし、 N_cl<N_C0) を含むことにより、大きな分散が得られることが示されている。また、 OFC' 96 T e chni c a l D i ge s t, ThA3には、 W 型屈折率プロファイルを有する光ファイバが開示されており、この光ファイバにおいて、小さい（負に大きい）波長分散が実現できることが示されている。

また、 E l e c t r oni c s Le t t e r s, o l. 18, pp. 82 4- 826, ( 1982) には、コア領域の両側に空気の「サイドトンネル領域」を導入することによって、大きな複屈折率を実現すると同時に、 2つの偏波モードのカットオフ周波数差を拡大して絶対単一偏波ファイバを実現できることが開示されている。

また、 USP 5 , 907 652では、次のような空気クラヅド光ファイバが開示されている。すなわち、石英系ガラスの光ファイバであって、ファイバ中心から外周に向かって、順に、コア領域、内側クラッド領域、第 1外側クラッド領域、第 2外側クラッド領域が存在し、内側クラッド領域の屈折率がコア領域の屈折率よりも低く、第 1外側クラッド領域の実効屈折率は 1 . 3 5よりも低い。また、光ファイバの光学特性が第 2外側クラッド領域に依存しないように第 1外側クラッド領域が選ばれている。空気クラッド光ファイバは、クラッド励起光ファィバレ一ザや長周期グレ一ティングに好適であることが示されている。

発明の開示

しかしながら、特開平 1 0— 9 5 6 2 8号公報に開示されている微細構造光フアイバは、クラッド全体にわたって微細構造が分布しており、微細構造の数が多い。例えば、同公報は、「発明者らのシミュレーションによれば、少なくとも 4層の第 2の毛管特徴構造を与えなければならないことを示している。」という記載があるが、この場合、毛管特徴構造の数は、少なくとも 9 0個と多数となってしまう。微細構造の数がこのように多くなると、製造が困難になる。同公報によれば、この微細構造光ファイバの製造工程は以下の通りである。すなわち、孔の空いたシリカ管と孔の空いていないシリカロヅドを準備し、シリカロッドの周りに多数のシリカ管を配置して管束バンドルを作り、管束バンドルとォ一パクラツド管とをコラプスさせてプリフォームを作り、このプリフォームを線引する。しかし、細径のシリ力管を配列を乱さないように束ねて管束バンドルを作製する作業は手間がかかる。また、配列が乱れる可能性が高いため、再現性の良い製造は困難である。製造の困難さは、微細構造の数の増加に伴って増大する。

一方、上記の製造工程以外に、従来の不純物添加型光ファイバのプリフォームに穿孔器具によって孔をあけるという工程も考えられる。しかし、この工程を用いた場合も、従来の微細構造光ファイバは多数の微細構造を含むため、製造コストが高い。

また、同公報に開示されている光ファイバは、特に微細構造が空孔である場合、以下のような問題点を有する。第一に、空孔を含むことによって光ファイバの強度が低下するため、張力や側圧に対する強度が低くなつてしまう。第二に、空孔表面の OH基や空孔内の水蒸気による吸収損失が生じる可能性がある。そのため、製造ゃファイノ妾続の際には、空孔への水蒸気侵入の可能性を低減するための処置が必要となり、これらの作業が難しくなる。第三に、融着接続の際にガラスが融けて孔がつぶれると、コアとクラッドの間の実効屈折率差がなくなって、クラッドに漏れ出す光パワーが著しく増加するため、融着部における伝搬損失が増大する。上記第一、第二の問題点は、微細構造の数の増加に伴って影響がさらに増大する。

また、 OFC' 96 T e chni c a l D i ge s t, ThA3に閧示されている不純物添加型光ファイバでは、実現可能な屈折率差が小さい。,その結果、負分散の絶対値の大きさや、負分散スロープの絶対値の大きさや、実 ¾ίコア断面積の大きさや、曲げ損失の低さに関して、実現できる値の範囲が制限されてしまラ。

また、 E l e c t r oni c s Le t t e r s, vo l. 18， pp. 82

4- 826, ( 1982)に開示されている光ファイバでは、コアの両側に導入された空気の「サイドトンネル領域」を有するため、直線複屈折が大きい。しかし、光伝送への応用、特に既存の光伝送路の一部に組み込む応用にとっては、複屈折が小さいことが望ましい。複屈折の大きい光ファイバに入射する光の偏波状態が、ファイバの主偏波状態に一致していない場合、偏波モード分散による伝送品質劣化が生じる。そのため、入射光の偏波状態を一定にするための素子が必要となり、コストが増大してしまう。また、既存の光伝送路の大部分は、偏波選択性がなく、既存の光伝送路から出射する光の偏波状態は不定である。このように、偏波状態が不定である光の偏波状態を一定に保つことは困難である。

また、 USP 5, 907, 652で閧示された空気クラッド光ファイバでは、負に大きな波長分散や負に大きな波長分散スロープを得ることが難しい。これは、第 1外側クラッドの実効屈折率を下げることによって第 2外側クラッド領域が光学特性に影響を及ぼさないようにすることに主眼がおかれていたためである。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小さい（負に大きい）波長分散、小さい（負に大きい）波長分散スロープ、大きい実効コア断面積、小さい曲げ損失を実現することができる光ファイバを提供することを目的とする。さらに、製造の容易化及びコストの低減、張力や側圧に対する強度の向上、空孔表面の O H基ゃ空孔内の水蒸気による吸収損失発生の可能性の低減、及び融着損失の低減が図られた光ファイバを提供することを目的とする。

上記目的を満たすため、本発明に係る光ファイバは、実質的に均一な媒質で構成されるコア領域と、コア領域を包囲する内側クラッド領域と、内側クラッド領域を包囲し、実質的に均一な媒質で構成される外側クラッド領域とを有し、コア領域、内側クラッド領域、及び外側クラッド領域は、ファイバ軸に沿って伸びると共に光学特性に影響を与える領域であり、コア領域の平均屈折率 n。と、内側クラッド領域の平均屈折率と、外側クラッド領域の平均屈折率 n ₂との間に、

！^く！^く!！。なる関係が成立し、内側クラッド領域を構成する主媒質とは異なる屈折率を有する副媒質からなりファイバ軸に沿って伸びる領域が、内側クラヅド領域に 3個以上含まれる構成を採る。

ファイバ軸に対して垂直な断面内において、コア領域の形状は実質的に円であり、内側クラッド領域と外側クラッド領域の形状は実質的に円環である。コア領域、及び内側クラッド領域、及び外側クラッド領域の平均屈折率は、領域の内半径を a (コア領域の場合は 0 )、外半径を bとして、次の n _{a v}„で与えられる。 n avg •(1)

ただし、 rと 0とは、ファイバ断面内での位置を表す極座標であり、 n ( r、 Θ ) は断面内の屈折率分布を表す。一般に、コア領域、内側クラッド領域、及び外側クラッド領域の各領域における平均屈折率は、領域の定義に依存する。「実質的に均一な媒質で構成されるコア領域と、コア領域を包囲する内側クラッド領域と、内側クラッド領域を包囲し、実質的に均一な媒質で構成される外側クラッド領域とを有し」、「コア領域の平均屈折率 n。と、内側クラッド領域の平均屈折率と、外側クラヅド領域の平均屈折率 η ₂との間に、 ii i n aく η。なる関係が成立する」とは、上記不等式が成立するような、コア領域と内側クラッド領域と外側クラッド領域の定義の仕方が存在することを意味する。なお、ファイバ強度を向上させるために、ガラスや樹脂などの材料からなるジャケット領域で外側クラッド領域を囲むこともできる。この時、ジャケット領域が光学特性に影響を及ぼすのを防ぐために、外側クラッド領域は十分な半径方向の厚みを持っていなければならない。一方、外側クラッド領域は光学特性に影響を及ぼす領域であり、内側クラッド領域の平均屈折率と厚さは、外側クラッド領域が光学特性に影響を及ぼすように選ばれる。

コア領域と外側クラッド領域は実質的に均一な媒質で構成される。これは、これらの領域を構成する材料の主成分が領域内で一様であることを意味する。このとき、不純物濃度が領域内で変化する構成を適宜採ることも可能である。例えば、コア領域は不純物として G eを含むシリカガラスであり、中心から外周に向かつて G e濃度が減少する構造を採ることができる。

主媒質とは、その媒質だけで光ファイバを構成することが現実的に可能な媒質である。また、互いに連結していない複数の主媒質領域が、 1本の光ファイバ中にあってはならない。一方、副媒質は、その媒質だけで光ファイバを構成することが現実的に不可能な媒質であってもよく、互いに連結していない複数の副媒質領域が、 1本の光ファイバ中にあってもよい。典型的な主媒質としては石英系ガラスがあり、典型的な副媒質としては気体や液体がある。

このように、本発明に係る光ファイバでは、内側クラッド領域を構成する主媒質に加えて、この主媒質と異なる屈折率を有する副媒質からなる領域（以下、副媒質領域と称する。）を内側クラッド領域に導入する。一方、外側クラッド領域は実質的に均一な媒質で構成され、副媒質領域を含まない。これは、内側クラッド領域の平均屈折率が外側クラッド領域の平均屈折率よりも低い光ファイバにおいて、負に大きな分散などの好ましい特性を得るためには、副媒質領域の導入によつて内側クラッド領域の平均屈折率を下げれば十分であり、外側クラッド領域には副媒質領域を導入する必要はない、という発明者の認識に基づいている。一方、主媒質よりも屈折率の低い副媒質からなる領域を導入することにより、内側クラッド領域の平均屈折率を副媒質領域が無い場合に比べて大きく下げることができる。その結果、従来の不純物添加型光ファイバに比べて負に大きな分散や、負に大きな分散スロープや、大きな実効コア断面積や、小さな曲げ損失といった好ましい特性を得ることができる。また、本発明の光ファイバは、空気クラッド光フアイバと異なり、負に大きな分散や、負に大きな分散スロープを実現することができる。これは、副媒質領域を含む内側クラッド領域を囲む外側クラッド領域が、光学特性、とりわけ波長分散特性に影響を及ぼすためである。さらに、外側クラッド領域が実質的に均一な媒質で構成され、副媒質領域を含まないため、導入する副媒質領域の数を、従来の微細構造光ファィバに比べて大幅に減らすことができる。その結果、シリカ管を配列する製造方法、又は穿孔器具を用いてプリフォ —ムに孔をあける製造方法のいずれを用いるにせよ、再現性よく製造することが容易となり、製造コストも低減することができる。

また、特に副媒質領域が空孔である場合、副媒質領域の数の減少により、従来の微細構造光ファイバに比べて張力や側圧に対する強度が向上すると共に、空孔表面の 0 H基ゃ空孔内の水蒸気による吸収損失の発生の可能性が減少することによって製造や接続が容易になる。さらに、コア領域の屈折率が外側クラッド領域の屈折率よりも高いので、内側クラッドにおいて孔がつぶれた場合であっても光導波特性が失われず、融着損失を低減することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1の実施の形態に係る光ファイバの断面図である図 2は、比較対象とする従来の不純物添加型光フアイバの断面図である。図 3は、モードフィールド径と、波長 1 5 5 0 nmにおける波長分散との関係を示す図である。

図 4は、モードフィールド径と、波長 1 5 5 0 nmにおける波長分散スロープとの関係を示す図である。

図 5は、外側クラッド領域を伝搬する光パワーの割合と波長 1 5 5 O nmにおける波長分散及び波長分散スロープとの関係を示す図である。

図 6は、外側クラッド領域を伝搬する光パワーの割合とコア領域の V値との関係を示す図である。

図 7は、本発明の第 2の実施の形態に係る光ファイバの断面図である。

図 8は、本発明の第 2の実施の形態に係る光ファイバの断面図である。

図 9は、第 2の実施の形態に係る光ファイバの光波長えと、波長分散！）と、実効コア断面積 A_{e f f}との関係の計算結果を示す図である。

図 1 0は、第 2の実施の形態に係る光ファイバを負分散光ファイバとして含む光通信システムの構成図である。

図 1 1は、本発明の第 3の実施の形態に係る光ファイバのファイバ軸方向の断面図である。

図 1 2 Aは、図 1 1における光ファイバを I一 I線で切断した断面図である。図 1 2 Bは、図 1 1における光ファイバを II一 II線で切断した断面図である。図 1 3は、第 3の実施の形態に係る光ファイバの区間 a及び区間 bの波長分散特性の数値シミュレーション結果を示す図である。

図 1 4は、第 3の実施の形態に係る光ファイバにおいて、長さ 1の区間 bに対して、長さ 0 . 4 8の区間 aを組み合わせた場合の平均波長分散 D _{av g}を示す図である。

図 1 5 Aは、第 4の実施の形態に係る光ファイバの区間 aにおける断面図である o 図 15Bは、第 4の実施の形態に係る光ファイバの区間 bにおける断面図である。

図 16は、第 4の実施の形態に係る光ファイバの区間 a及び区間 bの波長分散特性の数値シミュレーション結果を示す図である。

図 17は、第 4の実施の形態に係る光ファイバにおいて、長さ 1の区間 bに対して、長さ 0. 42の区間 aを組み合わせた場合の平均波長分散 D_avgを示す図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

(第 1の実施の形態）

図 1は、第 1の実施の形態に係る光ファイバ 10Bの断面図である。この光フアイバ 10Bのコア領域 11は半径ひの円形であり、 14. 5 mo 1%の濃度の Geが添加されたシリカガラス（屈折率 n。=l. 46567) で構成され、コァ領域 11の周囲には純粋シリカガラス（屈折率 n₂=l. 44402) を材料とする外半径ァのクラッド領域 12が設けられている。クラヅド領域 1,2は、コァ領域 11を囲み、副媒質領域 13 (屈折率 n₃=l) を有する内側クラッド領域 14と、内側クラッド領域 14を囲み副媒質領域 13を含まない外側クラッド領域 15とから構成されている。内側クラヅド領域 14において、主媒質は純粋シリカガラスであり、副媒質領域 13を形成する副媒質は空気である。副媒質領域 13は、半径 rの円形であり、半径/ T の円周上に実質的に等間隔で 8個配置されている。また、外側クラヅド領域 15のさらに外側には、ガラスやポリマ一等の材料で構成されるジャケット層が被覆されている。このジャケット層は、マイク口ベンドの発生抑止やファイバの強度向上といつた機械的な性能向上を図るものであるが、外側クラッド領域 15は十分に厚く、ジャケット層が光学特性に与える影響は無視できる。内側クラッド領域 14と外側クラッド領域 15の境界は、 ? = 2 Τ — なる半径を有する円周で定義する（これは、が^' との平均であること、つまり、副媒質領域 14の中心は、内側クラッド領域 14のコァ領域 1 1との境界および外側クラッド領域 15との境界から径方向に等距離に位置していることを意味する）。

この光ファイバ 10 Bの構造パラメ一夕は、次の通りである。すなわち、 T

この式から、所定の領域中に一様な屈折率 n_mを有する主媒質中にこれと異なる屈折率 n_sを有する副媒質で形成された副媒質領域が存在する場合、領域内のそれそれの断面積を A_m、 A_sとすると、この所定領域の平均屈折率 n_avgは簡単に次式で表すことが可能である。

(2) 式と上述の各パラメ一夕から内側クラッド領域 14の平均屈折率 _ηιは 1. 4366となる。

図 2は、比較対象とする従来の不純物添加型光ファイバ 10 Aの断面図である。光ファイバ 1 OAのコア領域 1 1の材料は Ge濃度 14. 5 mo 1%のシリカ、内側クラッド領域 14の材料は F濃度 1. 1 13wt %のシリカ、外側クラッド領域 15の材料は純シリカである。

この光ファイバ 1 OAの構造パラメ一夕は、次の通りである。すなわち、 β/ =2. 88、ァ /ひ二 18. 3である。図 3〜図 6は、光ファイバ 1 OA及び 10Bにおいて、比率を一定に保ちながら寸法を変えることによってモードフィールド径を変化させたときの光学特性の変化を示す図である。図 3及び図 4における横軸はモ一ドフィ一ルド径 MFDを示し、図 3の縦軸は波長 155 Onmにおける波長分散 D₁₅₅。、図 4の縦軸は波長 155 Onmにおける波長分散スロープ Si ₅₅₀をそれそれ示す。また、図 5は、光ファイバ 10 Bにおける外側クラッド領域を伝搬する光パヮ一の割合 P o cと光学特性との関係を示す。図 5の横軸は外側クラッド領域を伝搬する光パワーの割合 P。。を示し、左縦軸及び右縦軸は波長 155 Onmにおける波長分散 D₁₅₅ 0及び波長分散スロープ S ₁₅₅₀をそれそれ示す。図 6は、光ファイバ 10Bにおける外側クラッド領域を伝搬する光パワーの割合 P 0 cとファイノ寸法との関係を示し、横軸はコアの V値、縦軸は光パワーの割合 P。。をそれそれ示す。ここで、コアの V値とは寸法に比例する値であり、コア及び外側クラッドの屈折率をそれそれ n₀及び n₂、真空中での波数を kとして、

我れる o

図 3及び図 4は、光ファイノ 10Bが光ファイノ 1 OAに比べて絶対値の大きな負の分散及び波長分散スロープを有することをそれぞれ示している。例えば M FD二 7〃mのとき、光ファイノ 10 Aでは D ₁₅₅₀ =— 9 Op s/nm/km, S ₁₅5o = - 0. 25 p s/nm²/kmであるのに対し、光ファイノ 1 OBでは D i55o-~107 s/ nm/knis S _{1 5}5 o = ^_ 0. 84 p s Znn^Zkmである。負の分散及び波長分散スロープの絶対値が大きいことにより、正の分散及び波長分散スロープの補償に要する長さが短くて済むため、光ファイバ 10Bは光ファイバ 10 Aに比べて正分散及び波長分散スロープの補償に適しているといえる。

図 5は、外側クラッド領域を伝搬する光パワーの割合 P。。が 0. 008以上のときに、負の分散及び負の分散スロープが得られることを示している。また、外側クラッド領域を伝搬するパワーの割合 P。。が 0. 1以上のときに、特に絶対値の大きな負の分散及び負の分散スロープが得られることを示している。なお、図

6に示すように、 P。。 0. 008を実現するためには V_c。_re 1. 63、 P。。≥0. 1を実現するためには V_c。_re≤l. 34とされる。

以上説明したように、第 1の実施の形態に係る光ファイバ 10Bは、従来の空気クラッド光ファイバと異なり、小さい（負に大きい）波長分散と、小さい（負に大きい）波長分散スロープとを実現することができる。また、波長分散及び波長分散スロープは、不純物添加型の光ファイバ 1 OAに比べて負に大きい。そのため、光伝送路が有する正の波長分散や正の波長分散スロープを補償する用途に好適である。また、複屈折も小さい。さらに、従来の微細構造光ファイバと異なり、コアのガラス屈折率がクラッドでのガラス屈折率よりも高いので、融着時に孔がつぶれることによる接続損失が少ない。また、孔の数も 8と少ないため製造が容易であり、強度も高い。特に外側クラッドを伝搬するパワーの割合が 0. 1 以上の時に、絶対値の大きな負の波長分散及び負の波長分散スロープが得られる。

(第 2の実施の形態）

図 7及び図 8は、本発明の第 2の実施の形態に係る光ファイバ 10E、 1 OF 及び 10 Gの断面図である。コァ領域 30と内側クラヅド領域 31は、 Ge添カロされたシリカガラス（屈折率 n₀)によって形成され、内側クラヅド領域 31は、副媒質領域 32 (屈折率 n₃) を複数有する。内側クラッド領域 31において、主媒質は Ge添加されたシリカガラス（n。二 1. 46567) であり、副媒質領域 32を形成する副媒質は空気（n₃= 1) である。副媒質領域 32は、半径 rの円形であり、半径 T の円周上に実質的に等間隔で配置されている。内側クラッド領域の外周は半径^の円周である。コア領域 30と内側クラッド領域 31 の境界は半径 α=2 Τ — ?の円周で定義する。外側クラッド領域 33は、純粋シリカガラスで形成されている。比較対象として、図 2に示す不純物添加型光フアイノ' 1 OAを用いる。図 7に示す光ファイバ 10E及び 10 Fの構造パラメ一夕は、次の通りである。すなわち、光ファイノ 10 Eについては、ひ = 1. 02 urn β, = 1. 97 m、 r = 0. 253 zmである。このとき、内側クラッド領域 31の平均屈折率は 1. 43883となる。また、光ファイバ 10 Fについては、 α = 1. 2 5〃m、 β' = 1. 87〃m、 r = 0. 2 15〃mである。このとき、内側クラッド領域 31の平均屈折率 1 は 1. 43395となる。

また、図 8に示す光ファイバ 10 Gについては、ひ = 1. 50〃m、 β' = 1. 84〃m、 r = 0. 155 mである。このとき、内側クラヅド領域 3 1の平均屈折率 _Πιは 1. 421 1となる。

次に、以上のような構造を持つ第 2の実施の形態に係る光ファイバ 10Ε〜1 0Gの光波長えと、波長分散 Dと、実効コア断面積 A_eifとの関係の計算結果を図 9に示す。横軸が光波長え、左側縦軸が波長分散 D, 右側縦軸が実効コア断面積 A_eifとなっている。光ファイバ 10 A、 10 E 10 F及び 10Gのいずれも、波長 1550 nmにおいて、実効コア断面積 A_eif = 30 m²であるが、波長分散 Dは、光ファイバ 1 OAが一 155 p s/nm/km^ 光ファイク 10 E がー 164 p s/nm/km 光ファイノ、' 10 Fが一 208 p s/nm/km_s 光ファイバ 10G "がー 254 p s/nm/kmの順で負に大きくなつている。また、波長増加に対する実効コア断面積 A_efiの増加ペースに注目すると、光ファィバ 10E及び 10 Fの波長増加に対する実効コア断面積 A_eiiの増加ペースは、光ファイバ 1 OAの波長増加に対する実効コア断面積 A_eifの増加ペースよりも小さい。波長増加に対する実効コア断面積 A_effの増加ペースが小さいということは、光がコアに良く閉じ込められており、曲げ損失が小さいことを意味する。また、一般に、実効コア断面積 A_effを大きくすると曲げ損失も大きくなることから、曲げ損失を一定にして比較すると、光ファイノ 10E及び 1 OFは、光ファイノ 1 OAよりも大きい実効コア断面積 A_effを実現することができる。また、光ファイバ 10 E、 10 F及び 10 Gのいずれも、副媒質領域の配置が 4回回転対称性を実質的に有するので、 2つの偏波モードが縮退し、モード複屈折が小さい。

従って、第 2の実施の形態に係る光ファイバ 1 0 E〜1 0 Gは、図 2に示す不純物添加型光ファイバ 1 O Aに比べて、小さい（負に大きい）波長分散と、小さい曲げ損失と、大きい実効コア断面積とを実現することができる。波長分散が負に大きいため、正分散の補償に必要な長さが短く、かつ実効コア断面積が大きい。そのため、図 1 0に示すような、光送信器 5 0と、光受信器 5 1と、正分散光フアイノ 5 2と、負分散光ファイバ 5 3を含む光通信システムにおいて、第 2の実施の形態に係る光ファイバを負分散光ファイバとして用いれば、負分散光フアイバにおける非線型光学効果による伝送路品質劣化を抑制し、大容量の光通信システムを実現することができる。

本発明に係る光ファイバでは、内側クラッド領域を構成する主媒質に加えて、この主媒質と異なる屈折率を有する副媒質からなる領域を内側クラッド領域に導入する。一方、外側クラッド領域は実質的に均一な媒質で構成され、副媒質領域を含まない。主媒質よりも屈折率の低い副媒質からなる領域を導入することにより、内側クラッド領域の平均屈折率を副媒質領域が無い場合に比べて大きく下げることができる。その結果、従来の不純物添加型光ファイバに比べて負に大きな分散や、負に大きな分散スロープや、大きな実効コア断面積や、小さな曲げ損失といった好ましい特性を得ることができる。また、本発明の光ファイバは、空気クラッド光ファイバと異なり、負に大きな分散や、負に大きな分散スロープを実現することができる。これは、副媒質領域を含む内側クラッド領域を囲む外側クラッド領域が、光学特性、とりわけ波長分散特性に影響を及ぼすためである。さらに、外側クラッド領域が実質的に均一な媒質で構成され、副媒質領域を含まないため、導入する副媒質領域の数を、従来の微細構造光ファイバに比べて大幅に減らすことができる。そのため、シリカ管を配列する製造方法、又は穿孔器具を用いてプリフォームに孔をあける製造方法のいずれを用いるにせよ、再現性良く製造することが容易となり、製造コストも低減することができる。

また、特に副媒質領域が空孔である場合、副媒質領域の数の減少により、従来の微細構造光ファイバに比べて張力や側圧に対する強度が向上すると共に、空孔表面の 0 H基ゃ空孔内の水蒸気による吸収損失の発生の可能性が減少することによって製造や接続が容易になる。さらに、コア領域の屈折率が外側クラッド領域の屈折率よりも高いので、内側クラッドにおいて孔がつぶれた場合であっても光導波特性が失われず、融着損失を低減することができる。

なお、副媒質領域は、ファイバ軸を中心とする 4回回転対称性が実質的に成立するように配置されていても良い。これにより、 2つの偏波モードを実質的に縮退させ、複屈折を小さくすることができる。また、ファイバ軸を中心とする 1個以上の同心円の円周上に実質的に等間隔で配置されていても良い。これにより、 2つの偏波モードを実質的に縮退させ、複屈折を小さくすることができる。また、円周に沿つて副媒質領域を配置することにより、この円周を含む円環領域の屈折率を一様に変化させたのと同等の効果を得ることができる。このため、従来の不純物添加型光フアイバと同様に、半径方向の屈折率プロファイルに基づく設計が可能となる。従って、系統的な設計が容易となる。また、ファイバ軸を中心とする円の円周上に実質的に等間隔で配置されていても良い。 2つの偏波モードを実質的に縮退させ、複屈折を小さくすることができる。また、系統的な設計が容易となる。さらに、副媒質領域の数を最小限に抑えることにより、製造の容易性、高い強度、高い信頼性を実現することが可能となる。

また、本実施の形態に係る光ファイバは、波長 1 5 5 0 n mにおける外側クラヅド領域を伝搬する光パワーの割合を 0 . 0 0 8以上（より好ましくは 0 . 1以上）とすることができる。そのため、外側クラヅド領域を単なる機械的強度の向上等のための領域ではなく、光ファイバの光学特性（とりわけ波長分散特性）に現実的に影響を及ぼす領域とすることができる。特に、外側クラッド領域を伝搬する光パワーの割合が 0 . 0 0 8以上であることにより、小さい（負に大きい）波長分散スロープを実現できる。また、外側クラッド領域を伝搬する光パワーの割合が 0 . 1以上であることにより、小さい（負に大きい）波長分散を実現できる。 - さらに、コア領域の媒質と、内側クラッド領域の主媒質と、外側クラッド領域の媒質とは、不純物が添加される場合がある石英系ガラスであり、内側クラッド領域における副媒質領域を形成する副媒質は気体又は真空である構成を採っても良い。これにより、伝送損失を低く抑えると共に、内側クラッドの平均屈折率を大きく低下させて、従来の不純物添加型光ファイバに比べて負に大きな分散などの好ましい特性を実現することが可能となる。

(第 3の実施の形態）

図 1 1は、本発明の第 3の実施の形態に係る光ファイバ 1 0 Hのファイバ軸方向の断面図である。また、図 1 2 Aは、図 1 1における光ファイバを I一 I線で切断した断面図であり、図 1 2 Bは、図 1 1における光ファイバを Π— II線で切断した断面図である。第 3の実施の形態に係る光ファイバ 1 0 Hは、ファイバ軸方向に区間 aと区間 bとが交互に配置されており、区間 aでは内側クラッド領域 4 4に空孔 4 3を含むが、区間 bでは空孔 4 3を含まない。区間 aと区間 bの間には、遷移区間 cが存在し、遷移区間 cでは空孔断面積がファイバ幅方向に変化している。区間 aと区間 bの長さは、典型的には 1 0 O m以上である。一方、遷移区間 cの長さは l m以下とすることができる。この時、遷移区間 cの光学特性が光ファイバ全体の光学特性に及ぼす影響は無視できる。コア領域 4 1の直径は 2 αであり、区間 a及び区間 bにおいて同一の値である。図 1 2 Aに示すように、区間 aでは、ファイバ軸を中心とする半径/ T の円周上に 8個の空孔 4 3 (半径 r ) が等間隔で配置されている。区間 aにおける屈折率分布は、空孔 4 3を含む円環領域であるディプレスト部を有する屈折率分布に相当し、区間 bにおける屈折率分布は、ディプレスト部を有さない屈折率分布に相当する。また、第 1及び第 2の実施の形態と同様に、内側クラッド領域 4 4の外半径は/? = 2 ^，一 αとし、外側クラッド領域 45の外半径はァとする。

この光ファイバ 10 Hの構造パラメ一夕は、次の通りである。すなわち、ひ = 1. 7 p〃m、 β' =2. 74〃m、 r二 0. 2 5〃mである。コア領域 4 1は、 Ge濃度 12mo 1%のシリカ、内側クラヅド領域 44の主媒質は G e濃度 5. Omo l%のシリカ、外側クラッド領域 45は純シリカである。区間 aでは空孔

43を含むのに対し、区間 bでは空孔 43を含まないため、内側クラッド領域 4 4の平均屈折率 _{η ι}は、区間 aにおいて 1. 435、区間 bにおいて 1. 4 52 であり、ファイバ軸方向に変化した状態となっている。

図 13は、光ファイノ 10Hの区間 a及び区間 bの波長分散特性の数値シミュレ一シヨン結果を示す図である。ここでは、図 13'に示すように、波長範囲を 1 5 1 Onmから 1 60 O nmとした。区間 aでは、負の波長分散と負の波長分散スロープとを有し、区間 bでは、正の波長分散と正の波長分散スロープとを有する。特に、波長 1 55 O nmにおける波長分散 D及び波長分散ロープ Sは、区間 aでは、

D二— 12. 8 p s/nm/km、

5 = -0. 1 29 p s/nmVkmであり、

区間 bでは、

D = +6. 1 6 p s/n / k m、

S = + 0. 0 6 5 p s/nm²Zkmである。

また、 1 5 5 O nmにおいて、外側クラッド領域を伝搬する光パワーの割合 P ocは 0. 048である。

図 14は、長さ 1の区間 bに対して、長さ 0. 48の区間 aを組み合わせた場合の平均波長分散 D_avgを示す図である。ここで、波長分散 Di、長さのファィバ区間 i (i = l , 2, · · · n) が連結されているとき、連結されたファイノ区間全体の平均波長分散 D_avgを次式で定義する。また、連結されたファイバ区間全体の長さを Lとして、累積波長分散を！) _avgLで定義する。

同様にして、波長分散スロープ Si、長さのファイバ区間 i (i = 1, 2，·· n) が連結されているとき、連結されたファイバ区間全体の平均波長分散スロブ S_avgを次式で定義する。また、累積波長分散スロープを S_av„Lで定義する,

波長分散が一定であるとみなすことができるファイバ区間における波長分散を局所波長分散と呼ぶ。これは、このようなファイバ区間が複数接続された伝送路全体での累積波長分散と区別するためである。

図 14に示されるように、平均波長分散！） _avg及び平均波長分散スロープ S_av _gは、波長 15 50 nmにおいて実質的にゼロとなる。そのため、上記の比率で区間 a及び区間 bを有する光ファイバ伝送路では、 151 Onmから 1600 η mの広い波長帯域において平均波長分散の絶対値が 0. 4 p sZnm/km以下となる。一方、図 13に示されるように局所波長分散の絶対値は 4p sZnm/ km以上と大きい。また、遷移区間に含まれる一部のファイバ区間においては局所波長分散の絶対値が小さくなるが、このようなファイバ区間の長さは短く（例えば、 lm以下）できるので、遷移区間における非線形光学現象の影響は無視できる大きさである。従って、累積分散による光パルス広がりと、異なる波長の光信号間の非線形光学現象による伝送品質劣化を同時に抑制することができる。このように、第 3の実施の形態に係る光ファイバでは、ファイバ断面内の屈折率分布をファイノ軸方向に大きく変化させることができるため、波長分散の対波長特性をファイバ軸方向に大きく変化させることができる。そのため、 1種類のファイバ区間からなる光ファイバでは実現が困難又は不可能である波長分散特性を実現することができる。特に、局所波長分散の絶対値が大きく、累積波長分散の絶対値が小さいという特性を実現することができる。

また、本実施の形態に係る光ファイバでは、従来の分散マネジメントファイバに比べて、ファイバ断面内の屈折率分布をファイバ軸方向に大きく変化させることによって、波長分散の対波長特性をファイバ軸方向に大きく変化させることができる。そのため、 1 5 1 Ο ηπ！〜 1 6 0 0 nmの波長帯における波長分散が一 1 0 p s ZnmZkmより小さいファイバ区間 aと、その波長帯における波長分散が + 5 p s Zrim/k mより大きいファイバ区間を bとを有し、その波長帯における平均波長分散の絶対値が 0 . A p s ZnmZkmよりも小さく、その波長帯においてファイバ区間 aの波長分散スロープが負であると共にファイバ区間 b の波長分散ス口一プが正である光ファイバを実現することができる。その結果、従来技術に比べて、累積波長分散の絶対値が所定の値よりも小さくなる波長範囲を拡大し、伝送容量を拡大することができる。

さらに、本実施の'形態に係る光ファイバは、空孔を含まない複数の区間 bがフアイバ軸方向に間隔をおいて配置されている。その結果、区間 bにおいて光ファィバをクリーブし、他の光ファイバと融着接続できる。この時、従来の微細構造光ファイバと異なり、融解による副媒質領域の変形 ·消失や、副媒質領域によるコアの認識の妨害の問題が起こらないので、従来の微細構造光ファイバに比べて融着接続が容易になる。また、端面において外気に対して開いた空孔がなく、汚染物質が空孔に侵入しない。そのため、屈折率マッチング液を用いて低損失の機械的接続を実現することができる。さらに、一部のファイバ区間 aにおいて側面が損傷し、空孔内に水などの汚染物質が侵入した場合も汚染物質はフアイバ全体には行き渡らないため、損傷に対する耐性が従来の微細構造光ファイバに比べて高い。 ' (第 4の実施の形態）

図 1 5 A及び図 1 5 は、それそれ本発明の第 4の実施の形態に係る光フアイバ 1 0 Iの区間 a及び区間 bにおける断面図である。第 4の実施の形態に係る光ファイバ 1 0 1は、第 3の実施の形態に係る光ファイバ 1 0 Hと同様に、フアイバ軸方向に区間 aと区間 bとが交互に配置されており、区間 aでは内側クラッド領域 5 4に空孔 5 3を含むが、区間 bでは空孔 5 3を含まない。区間 aと区間 b の間には、遷移区間 cが存在し、遷移区間 cでは空孔断面積がファイバ幅方向に変化している。区間 aと区間 bの長さは、典型的には 1 0 0 m以上である。一方、遷移区間 cの長さは l m以下とすることができる。この時、遷移区間 cの光学特性が光ファイバ全体の光学特性に及ぼす影響は無視できる。コア領域 5 1の直径は 2ひであり、区間 a及び区間 bにおいて同一の値である。図 1 5 Aに示すように、区間 aでは、ファイバ軸を中心とする半径/ Tの円周上に 8個の空孔 5 3 (半径 r ) が等間隔で配置されている。区間 aにおける屈折率分布は、空孔 5 3を含む円環領域であるディプレスト部を有する屈折率分布に相当し、区間 bにおける' 屈折率分布は、ディプレスト部を有さない屈折率分布に相当する。また、第 1〜第 3の実施の形態と同様に、内側クラッド領域 5 4の外半径は/? = 2 T — αとする。

この光ファイバ 1 0 Iの構造パラメ一夕は、次の通りである。すなわち、ひ = 1 . 7 4〃m、 β ' = 2 . 8 1

r二 0 . 3 9〃mである。コア領域 5 1は、 G e濃度 1 4 m o 1 %のシリカ（屈折率 n ₀ = 1 . 4 6 5 )、内側クラヅド領域 5 4の主媒質及び外側クラッド領域 5 5は純シリカ（屈折率 n ₂及び n ₃ = 1 . 4 4 4 ) である。区間 aでは空孔 4 3を含むのに対し、区間 bでは空孔 4 3を含まないため、内側クラッド領域 5 4の平均屈折率は、ファイバ軸方向に変化した状態となっている。

図 1 6は、光ファイバ 1 0 Iの区間 a及び区間 bの波長分散特性の数値シミュレ一シヨン結果を示す図である。ここでは、図 1 6に示すように、波長範囲を 1 51 Onmから 160 Onmとした。区間 aでは、正の波長分散と負の波長分散スロープとを有'し、区間 bでは、負の波長分散と正の波長分散スロープとを有する。特に、波長 155 Onmにおける波長分散 D及び波長分散ロープ Sは、区間 aでは、

S =— 0. 079 p s/nmVkmであり、

区間 bでは、 D二— 12. 4 p s/nm/kms

S二 + 0. 033 p s/nm²/kmである。

また、 155 Onmにおいて、外側クラヅドを伝搬する光パワーの割合 P _ocは 0. 0081である。

図 17は、長さ 1の区間 bに対して、長さ 0. 42の区間 aを組み合わせた場合の平均波長分散 D_avgを示す図である。平均波長分散 D_avg及び平均波長分散スロープ S_avgは、波長 1550 nmにおいて実質的にゼロとなる。そのため、上記の比率で区間 a及び区間 bを有する光ファイノ伝送路では、 15 1 Onmから 1600 nmの広い波長帯域において平均波長分散の絶対値が 1 p s/nm/ km以下となる。一方、図 16に示されるように局所波長分散の絶対値は 1 Op s/nm/km以上と大きい。従って、累積分散による光パルス広がりと、異なる波長の光信号間の非線形光学現象による伝送品質劣化を同時に抑制することができる。

このように、第 4の実施の形態に係る光ファイバでも、ファイバ断面内の屈折率分布をフアイバ軸方向に大きく変化させることができるため、波長分散の対波長特性をファイバ軸方向に大きく変化させることができる。そのため、 1種類のファイバ区間からなる光ファイバでは実現が困難又は不可能である波長分散特性を実現することができる。特に、局所波長分散の絶対値が大きく、累積波長分散の絶対値が小さいという特性を実現することができる。

また、波長分散の対波長特性のファイバ軸方向における変化を適切に設計することにより、 1 5 1 0 nn！〜 1 6 0 0 nmの波長帯における波長分散が 2 O p s Znm/k mより大きいファイバ区間 aと、その波長帯における波長分散が一 1 0 s /nmZkmより小さいファイバ区間 bとを有し、その波長帯における平均波長分散の絶対値が 1 p s ZnmZkmよりも小さくなる光ファイバを実現することができる。本実施の形態に係る光ファイバでは、従来の分散マネジメントフアイバに比べてフアイバ断面内の屈折率分布をファィバ軸方向に大きく変化させることによって、波長分散の対波長特性をファイバ軸方向に大きく変化させることができるので、各区間における局所波長分散の絶対値を従来技術よりも大きくすることができる。その結果、累積波長分散による光パルス広がりを抑制すると同時に、異なる波長の光信号間での非線形光学現象による伝送品質劣化を従来技術よりも小さくすることができる。

さらに、本実施の形態に係る光ファイバでは、従来の分散マネジメントフアイバに比べて、ファイバ断面内の屈折率分布をファイバ軸方向に大きく変化させることによって、波長分散の対波長特性をファイノ軸方向に大きく変化させることができる。そのため、 1 5 1 Ο ηπ！〜 1 6 0 0 nmの波長帯における波長分散が 2 0 p s /nmZkmより大きいファイバ区間 aと、その波長帯における波長分散が一 1 O p s /nm/k mより小さいファイバ区間を bとを有し、その波長帯における平均波長分散の絶対値が 1 p s /nm/k mよりも小さく、その波長帯においてファイバ区間 aの波長分散スロープが負であると共にファイバ区間 bの波長分散スロープが正である光ファイバを実現することができる。その結果、従来技術に比べて、累積波長分散の絶対値が所定の値よりも小さくなる波長範囲を拡大し、伝送容量を拡大することができる。

以上説明したように、本発明に係る光ファイバは、実質的に均一な媒質で構成されるコア領域と、コア領域を包囲する内側クラッド領域と、内側クラッド領域を包囲し、実質的に均一な媒質で構成される外側クラッド領域とを有し、コア領域、内側クラッド領域、及び外側クラッド領域は、ファイバ軸に沿って伸び、コァ領域の平均屈折率 n。と、内側クラッド領域の平均屈折率と、外側クラッド領域の平均屈折率 n ₂との間に、 n i n s n。なる関係が成立する光ファイバにおいて、内側クラヅド領域を構成する主媒質とは異なる屈折率を有する副媒質からなりファイバ軸に沿って伸びる副媒質領域が、内側クラッド領域に 3個以上含まれる構成を採る。

このような構成により、内側クラッド領域の平均屈折率を、副媒質領域が無い場合に比べて大きく下げることができるため、従来の不純物添加型光ファイバに比べて大きな負分散、大きな負分散スロープ、大きな実行コア断面積、及び小さな曲げ損失を実現することが可能となる。また、従来の空気クラッド光ファイバと異なり、外側クラッド領域が光学特性に影響を及ぼす結果、従来の空気クラッド光ファイバに比べて大きな負分散及び大きな負分散スロープを実現できる。また、導入する副媒質領域の数を大幅に減らすことができるため、再現性良く製造することが容易となり、製造コストも低減できる。また、従来の微細構造光ファィバに比べて張力や側圧に対する強度が向上すると共に、空孔表面の O H基や空孔内の水蒸気による吸収損失の発生の可能性が減少することによつて製造や接続が容易になる。さらに、コア領域の屈折率が外側クラッド領域の屈折率よりも高いので、内側クラッドの孔がつぶれた場合であっても光導波特性が失われず、融着損失を低減させることができる。産業上の利用可能性

本発明に係る光フアイバは、光伝走路あるいは分散補償ファイバとして好適に使用できる

Claims

言青求の範囲

1 . 実質的に均一な媒質で構成されるコア領域と、前記コア領域を包囲する内側クラッド領域と、前記内側クラッド領域を包囲し、実質的に均一な媒質で構成される外側クラッド領域とを有し、前記コア領域、前記内側クラッド領域、及び前記外側クラッド領域は、フアイバ軸に沿って伸びると共に光学特性に影響を与える領域であり、前記コア領域の平均屈折率 n。と、前記内側クラッド領域の平均屈折率 _{η ι}と、前記外側クラッド領域の平均屈折率 n ₂との間に、

n ₁ < n ₂ < n ₀

なる関係が成立し、

前記内側クラッド領域を構成する主媒質と異なる屈折率を有する副媒質からなりファイバ軸に沿って伸びる領域が、前記内側クラッド領域に 3個以上含まれることを特徴とする光ファイバ。

2 . 所定波長における前記外側クラッド領域を伝搬する光パワーの全光パヮ —に対する割合が 0 . 0 0 8以上であることを特徴とする請求項 1記載の光ファィバ。

3 . 所定波長における前記外側クラッド領域を伝搬する光パワーの全光パヮ一に対する割合が 0 . 1以上であることを特徴とする請求項 2記載の光ファイバ。

4 . 前記内側クラッド領域に含まれる副媒質からなる領域が 5 0個以下であることを特徴とする請求項 2記載の光ファイバ。

5 . 前記副媒質からなる領域がフアイバ軸を中心とする 4回回転対称性が実質的に成立するように配置されていることを特徴とする請求項 2記載の光フアイパ。

6 . 前記副媒質からなる領域が、ファイバ軸を中心とする 1個以上の同心円の円周上に実質的に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項 5記載の光

7 . 前記副媒質からなる領域が、ファイバ軸を中心とする円の円周上に実質的に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項 6記載の光ファイバ。

8 . 所定の波長における基底モ一ドの波長分散が、一 1 0 0 p s /n m/k mよりも小さいことを特徴とする請求項 2記載の光ファイバ。

9 . 所定の波長において正の波長分散を有すると共に負の波長分散スロープを有することを特徴とする請求項 2記載の光ファイバ。

1 0 . 前記コア領域の媒質と、前記内側クラッド領域の主媒質と、前記外側クラッド領域の媒質は、不純物が添加される場合がある石英系ガラスであり、前記内側クラッド領域の副媒質は気体又は真空であることを特徴とする請求項 2記載の光ファイバ。

1 1 . 光送信器と、光ファイバ伝送路と、光受信器からなる光通信システムにおいて、前記光ファイバ伝送路が、請求項 2記載の光ファイバと、前記光ファィバと異なる符号の波長分散を持つ光ファイバを含むことを特徴とする光フアイバ通信システム.

1 2 . 前記副媒質からなる領域の断面積及び屈折率の少なくとも一方が前記ファイバ軸方向に変化していることを特徴とする請求項 2記載の光ファイバ。

1 3 . 所定の波長における波長分散が所定の正の値より大きい第 1種フアイバ区間と、前記波長における波長分散が所定の負の値より小さい第 2種フアイノ' 区間とを有する請求項 1 2記載の光ファイバ。

1 4 . 前記第 1種ファイバ区間では、所定の波長における波長分散が + 1 p s /nm/k mより大きいと共に、前記第 2種ファイバ区間では、前記波長における波長分散が— 1 p s /nmZkmより小さく、前記波長における波長分散の絶対値が 1 p s /nmZkmを下回るファイバ区間の長さの合計が光ファイバ全長の 1 Z 1 0以下であることを特徴とする請求項 1 3記載の光ファイバ。

1 5 . 前記第 1種ファイバ区間の前記波長における波長分散スロープと、前記第 2種ファイバ区間の前記波長における波長分散スロープが、符号を異にすることを特徴とする請求項 1 3記載の光：

16. 前記副媒質を含まない複数のフ rィバ区間が、ファイバ軸方向に間隔を置いて配置されていることを特徴とする請求項 2記載の光ファイバ。