JP2584151B2 - 光ファイバ - Google Patents

光ファイバ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光ファイバ通信におい
て、光源の波長の広がり（スペクトル幅）が小さく、か
つ光ファイバへの入射光の光パワーが大きい光伝送を行
う場合に、誘導ブリュアン散乱の低減を図ることができ
るようにした光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、光技術の進歩に伴い、出力の大き
な光が光増幅技術を用いて容易に得られるようになると
ともに、光源のスペクトル幅も数十ＭＨｚ以下のものが
容易に得られるようになった。また、光ファイバの伝送
損失も量産レベルで０．２０ｄＢ／ｋｍというかなり理
論値に近い石英系ガラスファイバが生産されるようにな
った。これらの結果、中継器を使用しない無中継伝距離
を３００km程度にまで延ばすことができるようになっ
た。またこのような中継網用光ファイバは、ほとんど単
一モード光ファイバが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、さらに
この距離を延ばすために、光ファイバへ入射する光の強
度を上げようとしても、入射光の強度がある程度（しき
い値）以上強くなると、ラマン散乱、誘導ブリュアン散
乱、四光子混合などの非線形光学効果が発生する。この
中で、誘導ブリュアン散乱、四光子混合は比較的低い入
力レベル観測され、光源のスペクトル幅がブリュアン帯
域幅である数百ＭＨｚよりも小さいコヒーレントな光に
対しては、非常に簡単に誘導ブリュアン散乱が観測され
る。
【０００４】誘導ブリュアン散乱は光ファイバを構成す
るガラス中の縦音響波によって光の振動数（周波数）が
僅かにずれて散乱される現象であり、入射光に対する散
乱光の位相が強め合う方向に著しく散乱される。一方、
光ファイバ中の音響波の固有振動周波数は数ＧＨｚ〜十
数ＧＨｚ程度であり、その光ファイバ中の伝搬速度も数
千ｍ／分程度であるので、入射光と音響波との相互作用
が最も大きくなる散乱波の方向は、入射光と逆方向、す
なわちファイバ中から入射端に向かって光が戻ってくる
方向になる。
【０００５】図４は誘導ブリュアン散乱による散乱光の
光量を測定することができる測定系の例である。この測
定系は信号源と光ファイバの中間に光カップラを接続し
て構成され、光ファイバから後方に散乱してきた誘導ブ
リュアン散乱光を分岐測定できるようになっている。図
中、信号光の伝搬を実線の矢印で、誘導ブリュアン散乱
光の伝搬を破線の矢印で示す。信号源からこの測定系に
入射された信号光は光増幅器で増幅された後、光カップ
ラによって分岐されて一部は光パワーメータ１にて検出
され、残りの大部分は光ファイバに入射される。この光
ファイバ中で誘導ブリュアン散乱が起こり、前方に透過
した光は光パワーメータ２にて検出され、後方に散乱さ
れた光は光カップラを通って光パワーメータ３にて検出
されるようになっている。
【０００６】このような測定系を用いて従来の光ファイ
バについて、誘導ブリュアン散乱光量を測定した。光フ
ァイバとして下記に示すような構造パラメータを有する
光ファイバを測定系に接続し、入射光量を変化させて、
光パワーメータ２にて検出される前方透過光量、および
光パワーメータ３にて検出される後方散乱光量を測定し
た。ここで、入射光量は信号光が光カップラによって常
に一定の割合で分岐されたものであるので、この入射光
量の変化の測定は光パワーメータ１にて検出された光量
をもって光ファイバの入射光量の変化とした。 （従来例） 光ファイバ外径 １２５μｍ 光ファイバのコア径 ９μｍ コア径の変動 ０．１μｍ以下 コア、クラッド間の比屈折率差の変動 ０．０１％以下 光ファイバの長さ 約４０km この従来例の測定結果を図５に破線で示す。図５にお
いて、横軸に光ファイバへの入射光量をとり、左縦軸に
前方透過光量、右縦軸に相対後方散乱光量をとって、光
ファイバへの入射光量の変化に対する前方透過光量およ
び後方散乱光量の変化を示した。
【０００７】図５より光ファイバへの入射光量の小さい
値に対しては、入射光量と後方散乱光量は比例関係にあ
り、線形領域であることが認められた。この領域では散
乱光の周波数および波長が入射光と同様であるレーリー
散乱光が認められた。一方、次第に入射光量を増加して
いくと、散乱光量が急激に増大し始める点が認められ、
周波数が入射光と僅かにずれる誘導ブリュアン散乱が認
められた。この散乱光量が急激に増加する入射光量の誘
導ブリュアン散乱しきい値は７．５ｄＢｍであった。
【０００８】このような測定を構造パラメータが異なる
種々の光ファイバに対して行った。その結果、多モード
光ファイバよりも、単一モード光ファイバの方が、コア
に入射される光のパワー密度が高くなるため、しきい値
が小さく、小さい入射光量で誘導ブリュアン散乱が起こ
った。また、コア、クラッド間の比屈折率差が大きく、
コア径の小さい光ファイバの方が同様にしきい値が小さ
かった。
【０００９】通常、長距離の伝送には単一モードファイ
バが多く使用され、その比屈折率差もより大きく形成さ
れるが、スペクトル幅が１００ＭＨｚ以下の光源では、
このような単一モード光ファイバに数ｄＢｍ以上の光を
入射すると入射方向とは逆方向、すなわち光ファイバ中
から光ファイバの入射端に向かって光が散乱されて戻っ
てくる。例えば、約２０ｄＢｍの光を入射しても約１
９．５ｄＢｍ程度の光が入射端に散乱されて戻ってく
る。このように光ファイバに高いレベルの光を入射して
も、これを伝送することができず、無中継伝送距離をさ
らに延ばすことが困難であった。
【００１０】この発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、スペクトル幅が小さく、高パワーの光を入射する際
に発生する誘導ブリュアン散乱を抑制して、高パワーの
入射光を伝送することができるようにし、無中継伝送距
離の長大化を図ることができるようにした光ファイバの
提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の光ファイバは、そのコア径を、光ファイバの長手方向
に変化せしめて、誘導ブリュアン散乱を低減したことを
前記課題の解決手段とした。また、請求項２に記載の光
ファイバはそのコアの屈折率を、光ファイバの長手方向
に周期的に変化せしめて、誘導ブリュアン散乱を低減し
たことを前記手段の解決手段とした。また、請求項３に
記載の光ファイバはそのコアに残留する歪みを、光ファ
イバの長手方向に変化せしめて、誘導ブリュアン散乱を
低減したことを前記課題の解決手段とした。
【００１２】以下、この発明を詳しく説明する。誘導ブ
リュアン散乱は光ファイバを構成するガラス中の縦音響
波によって光の振動数（周波数）が僅かにずれて散乱さ
れる現象である。この誘導ブリュアン散乱による周波数
の変化と周波数幅の変化を調べた。測定光として、スペ
クトル幅（周波数の幅）が数ＭＨｚ以下と十分小さい光
を光ファイバに入射し、得られた散乱光の周波数および
利得周波数幅を観測した。結果を図６に示す。図６は横
軸に周波数をとり、光ファイバへの入射光、および誘導
ブリュアン散乱によって得られる散乱光の、周波数の変
化と周波数幅の変化を示したものである。散乱光の周波
数（図中、ｆBで表す）は入射光の周波数（図中、ｆ0で
表す）よりも音響波の周波数だけシフトして小さくなっ
た。ここで、周波数のシフト量（以下ブリュアン・シフ
ト周波数と記載し、図中ΔｆBで表す）は数十ＧＨｚ
で、通常、光通信で使用される光の周波数である数百Ｔ
Ｈｚと比べると非常に小さいものであった。また、得ら
れた散乱光の利得周波数幅（図中、ГBで示す）は数十
ＭＨｚであった。
【００１３】このような観測を種々の光ファイバに対し
て行った。ブリュアン・シフト周波数ΔｆBはコア径、
コアの屈折率、ファイバ径、ガラス組成、コアに残留す
る歪み等の構造パラメータを変化させることによって、
その値の変化を生じた。また利得周波数幅ГBは、各構
造パラメータが光ファイバの長手方向に非常に均一に製
造された光ファイバを長尺で使用した場合には、かなり
狭くなることが認められた。このように、光ファイバを
構成するガラス中の縦音響波によって発生する誘導ブリ
ュア散乱は、光ファイバの各構造パラメータおよびその
均一性に依存することが認められた。
【００１４】本発明の光ファイバは、その構造パラメー
タを長手方向に一定とせずに適宜変化せしめたものであ
る。尚、ここで、構造パラメータとはコア径、コアの屈
折率、コアに残留する歪み、ファイバ径、ガラス組成
等、光ファイバの構造を決定するパラメータであって、
光ファイバ中を伝搬する光や音響波等の電磁波の伝搬状
態に影響を与えうるパラメータをいう。これらの構造パ
ラメータの変化は、１種類の構造パラメータを変化せし
めても、あるいは２種以上の構造パラメータを同時に変
化せしめてもよく、これらのパラメータの種類やその変
化状態を適宜設定することができる。
【００１５】また、このような長手方向の構造パラメー
タの変化は光ファイバに一端から他端に向かって一方向
的に変化させてもよいが、これを周期的に変化させるこ
とによって光ファイバの長尺化に対応することができ
る。さらに、コアに残留する歪みの周期変化を概矩形波
状あるいは三角波状とすることもできる。
【００１６】また、光ファイバとしては単一モード光フ
ァイバでも多モード光ファイバでもよいが、誘導ブリュ
アン散乱が小さいしきい値で起こる単一モードファイバ
に対して、この散乱のより大きな抑制効果が得られる。
ここで単一モード光ファイバというのは、実質的に単一
モード伝送が可能なファイバであり、仮に二次モードが
理論的に伝送可能であっても、比較的短い距離、例えば
１km以下程度の距離で減衰してしまい、実質的に単一モ
ード伝送と見なして構わないファイバをいう。
【００１７】このような光ファイバのコア径を変化せし
める方法としては、光ファイバ母材の形成条件を適宜変
化せしめる方法、また、コアの屈折率を変化せしめる方
法としては、ガラスにドープするドーパントの種類やド
ープ量を適宜変化せしめる方法等がある。
【００１８】また、コアに残留する歪みを変化せしめる
方法の例としては、光ファイバ母材を線引きして単一モ
ード光ファイバを形成する際に、線引張力が光ファイバ
中に残留するように光ファイバを形成する方法がある。
【００１９】図７（Ａ）に光ファイバの紡糸装置の概略
構成図を示す。まず、コア−クラッド構造の光ファイバ
母材１を加熱炉２に挿入して、約２０００℃程度の高温
で加熱溶融する。次いで、この溶融状態にある光ファイ
バ母材１を引取機４で引き取りつつその先端部を延伸し
て細経化する。この高温状態において、コア５を形成す
るガラスの粘度がクラッド６を形成するガラスの粘度よ
りも大きくなるようにドーパントの種類や添加量を設定
する。さらに、図７（Ｂ）に拡大図を示すように、細径
化された光ファイバ母材１は所望の径となって固化され
光ファイバ３とされる。このとき、コア５およびクラッ
ド６を形成するガラスの粘度の差によってコア５が先に
固化され、これにやや遅れてクラッド６が完全に固化さ
れる。
【００２０】このようにして得られる単一モード光ファ
イバのコア５は、その断面積がクラッド６の０．５〜
１．０％と非常に小さいので、コア５が固化されかつク
ラッド６が固化されない軟化状態にある状態では、この
光ファイバ３を線引する張力はコア５に選択的に印加さ
れ、コア５が引っぱられた状態となる。続いて、その周
上のクラッド６が固化されると、コア５は引っぱられた
状態で光ファイバ３となる。よって得られた光ファイバ
３のコア５は、その長手方向に線引張力による引っぱり
歪みが残留するものとなる。さらに、線引速度あるいは
加熱炉２の温度を連続的にあるいは周期的に変化させる
ことによって、線引張力を変化させることができ、光フ
ァイバ３に残留する歪みを光ファイバの長手方向に変化
させることができる。またこの方法によって理論的に予
想される光ファイバコア５の歪み量は下記数式（Ｉ）で
与えられ、この歪みによるブリュアン・シフト周波数Δ
ｆBは下記数式（II）で与えられる。
【００２１】
【数１】
【００２２】このようにコア径、コアの屈折率、コアに
残留する歪み、ファイバ径、ガラス組成等の構造パラメ
ータを光ファイバの長手方向に適宜変化せしめることに
よって、ブリュアン・シフト周波数ΔｆBを制御し、誘
導ブリュアン散乱を抑制することができる。
【００２３】あるいは、光ファイバのコアを構成するガ
ラス材料として、比較的熱膨張率の大きな材料を使用
し、その添加量を長さ方向に変化させることにより、光
ファイバのコアを伝搬する音響波の伝搬速度を変化させ
ることができ、この結果、ブリュアン・シフト周波数Δ
ｆBを制御して誘導ブリュアン散乱を制御することもで
きる。
【００２４】
【実施例】
（実施例１）光ファイバの構造パラメータのうち、コア
径を長手方向に変化させた。図１は本実施例の光ファイ
バのコア径の変化の状態を示したもので、横軸はファイ
バ長、縦軸はコア径を表す。通常のＶＡＤ法を用いて光
ファイバを形成する際に、ガラス微粒子の堆積条件を制
御することによって、コア径を光ファイバの長手方向に
正弦波状に変化させた石英ガラス系単一モード光ファイ
バを形成した。また、この光ファイバの構造パラメータ
は下記のように形成した。 光ファイバ外径 １２５μｍ 光ファイバのコア径 ９±１μｍ 光ファイバのコア径の変動周期 約４〜６km コア、クラッド間の比屈折率差 ０．３７％ コアガラスの組成 ゲルマニウム添加石英ガラス クラッドガラスの組成 添加物を含まない石英ガラス 光ファイバの長さ 約４０km 得られた光ファイバに対して、図４に示す測定系を用
いて誘導ブリュアン散乱を測定したところ、しきい値は
約９ｄＢｍであった。
【００２５】（実施例２）光ファイバの構造パラメータ
のうち、コアに残留する歪みを光ファイバの長手方向に
変化させた。図２は本実施例の光ファイバのコアに印加
される線引張力の変化の状態を示したもので、横軸はフ
ァイバ長、縦軸は基準張力を原点として相対線引張力を
表す。通常の方法で形成した光ファイバ母材を線引きし
て単一モード光ファイバを形成する際に、線引張力を概
矩形波状に変化させて、光ファイバ中に残留するように
光ファイバを形成した。また光ファイバの各構造パラメ
ータは下記のように形成した。 光ファイバ外径 １２５μｍ コア径 ９μｍ コア、クラッド間の比屈折率差 ０．３８％ コアガラスの組成 添加物を含まない石英ガラス クラッドガラスの組成 フッ素添加石英ガラス モードフィールド径 約１０μｍ 光ファイバの伝送損失 約０．１７８ｄＢ／ｋｍ ファイバ長 約５０km 線引張力変動幅 ４０ｇ 得られた光ファイバに対して、図４に示す測定系を用い
て誘導ブリュアン散乱を測定した。結果を図５に実線で
示す。この例の光ファイバの誘導ブリュアン散乱しきい
値は１１．５ｄＢｍであった。
【００２６】（実施例３）実施例２において線引張力を
図３に示ように三角波状に変化させた他は同様にして光
ファイバを形成した。得られた光ファイバに対して、図
４に示す測定系を用いて誘導ブリュアン散乱を測定した
ところ、しきい値は約２０ｄＢｍであった。
【００２７】以上のように光ファイバこの構造パラメー
タをその長手方向に変化せしめることによって誘導ブリ
ュアン散乱しきい値が従来の光ファイバのしきい値であ
る７．５ｄＢｍよりも向上した。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したようにこの発明の光ファイ
バは、そのコア径、コアの屈折率、コアに残留する歪等
の構造パラメータを光ファイバの長手方向に変化せしめ
て誘導ブリュアン散乱を低減したものである。したがっ
て、光ファイバに高レベルの光を入射しても、誘導ブリ
ュアン散乱のような縦音響波に起因する非線形効果を低
減させることができる。よって、３００kmを越える無中
継長距離伝送をスペクトル幅が小さい光源を用いて行う
ことができる。あるいは本発明の光ファイバを光ファイ
バの入射側に接続して用い、２０ｄＢｍ程度の非常に高
レベルの光を入射、伝送できる。また、このようなスペ
クトル幅が小さい光源を用いてコヒーレント伝送を行う
なうことによって、強調変調・直接検波方式に比べて２
０ｄＢ程度の信号／雑音比の改善が可能となり、高精度
の長距離伝送を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１の光ファイバのコア径の変化を示し
た図である。
【図２】 実施例２のコアに印加される線引張力の変化
を示した図である。
【図３】 実施例３のコアに印加される線引張力の変化
を示した図である。
【図４】 誘導ブリュアン散乱光量の測定系の例を示す
概略構成図である。
【図５】 入射光量の変化に対する前方透過光量および
後方散乱光量の変化を示すグラフである。
【図６】 誘導ブリュアン散乱による周波数および周波
数幅の変化を模式的に示した図である。
【図７】 （Ａ）光ファイバ紡糸装置の概略構成図であ
る。（Ｂ）紡糸された光ファイバの拡大図である。
【符号の説明】
３…光ファイバ、５…コア
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 大一郎 千葉県佐倉市六崎1440番地 藤倉電線株 式会社 佐倉工場内 (72)発明者 酒井 哲弥 千葉県佐倉市六崎1440番地 藤倉電線株 式会社 佐倉工場内 (56)参考文献 特開 平３−5709（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−10204（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−160101（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−162502（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光ファイバのコア径を、光ファイバの長
    手方向に変化せしめて、誘導ブリュアン散乱を低減した
    ことを特徴とする光ファイバ。
  2. 【請求項２】 光ファイバのコアの屈折率を、光ファイ
    バの長手方向に周期的に変化せしめて、誘導ブリュアン
    散乱を低減したことを特徴とする光ファイバ。
  3. 【請求項３】 光ファイバのコアに残留する歪みを、光
    ファイバの長手方向に変化せしめて、誘導ブリュアン散
    乱を低減したことを特徴とする光ファイバ。
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