JP5575422B2

JP5575422B2 - 光ファイバ

Info

Publication number: JP5575422B2
Application number: JP2009121938A
Authority: JP
Inventors: 浩小山田; 佑平浦田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2029-05-20
Also published as: US8135255B2; EP2253975B1; US20110286711A1; CN101893733B; JP2010271460A; CN101893733A; EP2253975A1

Description

本発明は、光通信用の光ファイバに係り、特に数十kmの長さを伝送する長距離線路及び光ファイバ・トウ・ザ・ホーム（FTTH）やローカル・エリア・ネットワーク（LAN）における宅内外配線用として好適な光ファイバに関する。

光ファイバは、その広帯域特性により遠距離通信に適し、数十km以上の長距離の幹線路で通信に広く用いられている。
一方、インターネットの急速な普及により、個々のパーソナルコンピュータが送受信する情報量も飛躍的に増大している。ここで、広く用いられてきた技術は、同軸ケーブルやアンシールド・ツイスト・ペア（UTP）ケーブルなどの銅線電気ケーブルである。しかしながら、電気ケーブルは帯域が狭く、また電磁波ノイズの影響を受けやすいため、膨大な情報量を伝送するのは困難である。
したがって、電話局間の長距離通信だけでなく、電話局と各ユーザーとの間の通信にも光ファイバを使い、伝送容量を増大させる技術として、FTTHが普及しつつある。FTTHでは、光ファイバの広帯域特性を利用して、ユーザーグループの近傍までは１本の光ファイバを複数のユーザーで共用することとし、そこから先は、光信号をユーザー毎に分岐して光ファイバの引き込み線を各ユーザーに分配する方式が採られている。

光ファイバには様々なタイプが存在するが、長距離通信に用いられるのは主にITU-T
G.650規格のシングルモード光ファイバである。この光ファイバは伝送損失が小さいうえ、比較的安価である。1300nm帯の光信号がシングルモードとなるように、カットオフ波長は約1300nm以下となっている。また、モードフィールド直径（MFD）は規格上約８〜10μmであるが、光学非線形性を抑制するなどの目的から、通常は約９〜10μmのMFDとなっている。

FTTHでは、これと同種のシングルモード光ファイバが用いられ、分岐点から各ユーザーの宅内まで引き込まれる。これは分岐点でMFDが大きく異なる光ファイバ同士を接続すると伝送損失の原因となるためである。ここで、宅内配線でもう一つ重要な要求特性として曲げ損失が挙げられる。これは長距離幹線ケーブルが地下ダクトなど外力の影響を受けにくい場所に敷設されるため、光ファイバ本体に加わる曲げは、端末容器内の直径60mmの巻き（高々100回）が想定されるに過ぎない。これに対して、宅内外の配線では可撓性を持たせ軽量化するために、比較的細いコード（直径数mm）の状態で配線されるため、外力の影響を受けやすく、光ファイバが受ける曲げ半径も20mm以下となることが多い。

そもそも光ファイバでは、信号光が光ファイバのコアに沿って伝播するため、光ファイバを曲げた状態でも伝送可能な特徴があるものの、曲げ半径が小さくなるにつれ、伝播しきれずにコアから漏洩する光の割合が指数関数的に増大して、伝送損失となる。これが曲げ損失である。曲げ損失を低減するには、光をよりコアに集約させるのが効果的であり、MFDを小さくすることによって改善できる。このため、通常は約６〜８μmのMFDの光ファイバが用いられることが多く、こうすることによって、例えば、直径20mmのマンドレル（円筒）に光ファイバを巻き付けた際の曲げ損失は、波長1550nmにおいて0.5dB／turn以下を実現している。

しかしながら、MFDが約６μmの光ファイバと約10μmの光ファイバとを接続すると、接続損失が大きいという問題があり、このままでは幹線系のシングルモード光ファイバとユーザー系のシングルモード光ファイバとで使い分けが必要となる。
この対応策の一つは、カットオフ波長を大きくすることである。同じMFDならば、曲げ損失は、カットオフ波長が増大するほど指数関数的に減少する。仮にITU-T G.650で定義されるファイバ・カットオフ波長が1350nmであったとしても、ケーブルカットオフ波長は、一般的に約100nm短い約1250nmとなるため、実用上は1300nm帯での使用なら問題はない。同時にMFDをG.652の下限近く約８〜９μmに設計することによって、曲げ損失は改善される。

さらに、非特許文献１には、内側クラッド屈折率を小さくしたダブル・クラッド型光ファイバとすることによって、ＭＦＤを大きく設計しつつ曲げ損失が低減できるとある。このような構造で不純物による吸収損失を低減し、零分散波長を最適化した光ファイバが特許文献１に開示されており、低屈折率クラッドの比屈折率差Δを約−0.021〜−0.0007％程度にして、MFDを9.2μm程度に設計するものである。さらに、曲げ特性を改善した光ファイバが特許文献２に開示されているが、これは、低屈折率クラッドの比屈折率差Δをさらに低い−0.08〜−0.02％にしつつ、ＭＦＤをやや小さめの8.2〜9.0μmに小さく設計している。

一方、電子機器間を光ファイバで配線する技術も普及しつつあり、代表的なLAN通信規格IEEE 802.3においても、各種光ファイバが挙げられている。実のところ、波長1300nm帯で用いられるレーザー光源や受光器は比較的高価なため、この用途では安価な850nm帯の発光ダイオード（LED）や面発光レーザー（VCSEL）が用いられることが多い。このとき使用する光ファイバは、マルチモード光ファイバであり、典型的なコア径は50μmである。マルチモード光ファイバの場合、一般に、モード毎に光の伝播速度が異なるので、屈折率分布を単純なステップ形状ではなく放物線形状（α型）に設計して、モード間の光の伝播速度の差異を低減している。こうした工夫によって、伝播速度は、例えば、500MHz・kmとなっている。
また、長距離伝送路からFTTH、LAN用途まで、共通仕様の光ファイバでカバーするために、特許文献３は、コアの屈折率分布を略α形状に設計して、850nm帯におけるモード遅延を低減し、850nm帯での使用を保障している。しかしながら、直径20mm程度の小さい曲げ直径での曲げ損失については言及がない。

特開2002−47027号公報特開2006−133496号公報特表2004−508600号公報

ShojiroKawakami and Shigeo Nishida,"Characteristics of a Doubly Clad OpticalFiber with a Low-Index Inner Cladding,"IEEE Jounal of QuantumElectronics,vol.QE-10,No.12,pp.879-887,Dec.1974）

本発明は、上記従来技術に鑑み、MFDをG.652規格内、好ましくは９μm以上にしつつ同時に曲げ特性を改善した光ファイバを提供すること、及び850nm帯の光源での使用も視野に入れ、850nm帯でマルチモード伝送した際の伝送帯域が十分広い光ファイバを提供することを目的としている。

本発明の光ファイバは、中心部にコア、該コアに隣接してその外周を覆う第１クラッド、該第１クラッドに隣接してその外周を覆う第２クラッドを有する光ファイバであって、該第２クラッドの屈折率を基準にしたときの、該コアの屈折率分布の最大値に対する比屈折率差が△_１（％）、該第１クラッドの屈折率分布の最小値に対する比屈折率差が△_２（％）であり、かつコアの中心を基準として、該コアと第１クラッドとの境界の半径がａ（μm）、第１クラッドと第２クラッドとの境界の半径がｂ（μm）であるとき、0.35％≦（△_１−△_２）≦0.65％、0.30％≦△ _１ ≦0.41％、−0.20％≦△_２≦−0.05％、0.22≦ａ／ｂ≦0.34、及び4≦ｂ√|△_２|≦10を満たし、前記コアの屈折率分布形状が、中心からの半径ｒ（μm）における屈折率の第２クラッドの屈折率を基準にしたときの比屈折率差を△（ｒ）（％）とするとき、次式でフィッティングしたときの乗数αが2以上５以下であり、
△（ｒ）＝（△_１＊−△_ａ）（１−ｒ／ａ）^α＋△_ａ
ただし、△_１＊はフィッティング係数、△_ａは第２クラッドの屈折率を基準にしたときのｒ＝ａにおける屈折率に対する比屈折率差（％）であり、波長850nmにおける光伝送モードが実質的にマルチモードで、伝送帯域が500MHz・km以上であり、零分散波長が1300nm以上1324nm以下であり、直径20mmのマンドレルに光ファイバを巻きつけたときの波長1550nmにおける損失増加が0.5dB／turn以下であることを特徴としている。

また、ITU-T G.650規格に定められた長さ２ｍの光ファイバで測定するファイバ・カットオフ波長が1350nm以下、同様に長さ22ｍの光ファイバで測定するケーブル・カットオフ波長が1260nm以下とされる。
さらに、850nmにおける損失増加は、直径20mmのマンドレルに光ファイバを巻きつけたときの測定で0.5dB／turn以下である。また、波長1310nmでのモードフィールド径は9μm以上10μm以下であり、波長1383nmでの伝送損失は0.4dB／km以下である。

本発明の光ファイバは、上記構成としたことによりMFDを9.0〜10.0μmとし、同時に曲げ損失が改善され、さらに、伝送損失が小さく、波長850nmにおけるマルチモード伝送帯域が十分広い等の特性を有し、長距離伝送から短距離用途までカバーでき、宅内外での過酷な曲げ応力に対する耐力を備え、同時に、850nm帯での使用が可能である、等の優れた効果を奏する。

波長と伝送損失との関係を示すグラフである。

本発明の光ファイバは、中心部のコアを覆うように第１クラッド、これに隣接して第２クラッドを有し、コアの屈折率分布の最大値に対する比屈折率差△_１（％）が0.30％≦△_１≦0.55％、第１クラッドの屈折率分布の最小値に対する比屈折率差△_２（％）が−0.20％≦△_２≦−0.05％、前記△_１（％）と前記△_２（％）との差が0.35％≦（△_１−△_２）≦0.65％であり、さらに、コアと第１クラッドとの境界のコア中心からの半径ａ（μm）と、第１クラッドと第２クラッドとの境界のコア中心からの半径ｂ（μm）との比が0.22≦ａ／ｂ≦0.34、及び4≦ｂ√|△_２|≦10の範囲とするものであり、これにより、MFDが８〜10μm、カットオフ波長が1350nm以下となり、さらに、直径20mmのマンドレルに巻きつけたときの曲げ損失が0.5dB／turn以下に低減されている。なお、前記比屈折率差△_１、△_２は第２クラッドの屈折率を基準にしている。

本発明の光ファイバにおいて、コアの屈折率分布形状はα乗型であり、コア中心からの半径ｒ（μm）における屈折率に対する比屈折率差△（ｒ）（％）は、次式でフィッティングされる。
△（ｒ）＝（△_１＊−△_ａ）（１−ｒ／ａ）^α＋△_ａ
なお、△_１＊はフィッティング係数、△_ａはｒ＝ａにおける屈折率に対する比屈折率差（％）であり、比屈折率差はいずれも第２クラッドの屈折率を基準にしている。また、αは２以上５以下とされる。これにより零分散波長は、1300〜1324nmに収まり、850nmにおける伝送帯域を500MHz・km以上としている。

本発明の光ファイバは、ITU-T G.650規格に定められた長さ２ｍの光ファイバで測定するファイバ・カットオフ波長が1350nm以下、同様に長さ22ｍの光ファイバで測定するケーブル・カットオフ波長が1260nm以下である。さらに、波長850nmにおける光伝送モードは実質的にマルチモードであり、該波長における損失増加は、直径20mmのマンドレルに光ファイバを巻きつけたときで0.5dB／turn以下、波長850nmにおける伝送帯域は500MHz・km以上であり、さらに、零分散波長は1300nm以上1324nm以下であり、波長1310nmでのモードフィールド径は8.0μm以上10.0μm以下であり、波長1383nmでの伝送損失は0.4dB／km以下である。
これらの特性が得られたことにより、本発明の光ファイバは、長距離伝送から短距離用途までカバーすることができ、宅内外での過酷な曲げ応力に対する耐力を備え、同時に、850nm帯での使用が可能となった。

実施例１は、先ず、得ようとする光ファイバの各パラメータの数値を設定し、これに合わせて原料供給条件及び堆積条件を適宜設定し、コア領域と該コアに隣接してその外周を覆う第１クラッドを有するコア材をVAD法で作製した。該コア材を延伸して所望の径とした後、この上に第２クラッド部を外付けした。得られたガラス母材をクラッド径が125μmとなるように線引きし、さらに、クラッドの外周をウレタンアクリレートで被覆して長さ250mmの光ファイバ素線を得た。
このようにして作製した光ファイバの各パラメータは、次の通りであった。
（１）コアの屈折率分布の最大値に対する比屈折率差△_１；0.37（％）
（２）第１クラッドの屈折率分布の最小値に対する比屈折率差△_２；−0.11（％）
（３）コア径の半径ａと第１クラッド径の半径ｂとの比ａ／ｂ；0.304
（４）ｂ√|△_２|；7.14
（５）α値；2.5

得られた光ファイバの特性を測定し、その結果を以下の実施例、比較例とともに表１にまとめて示した。なお、表中のカットオフ波長は、ITU-T G.650規格に定められた長さ２ｍの光ファイバで測定したものであり、曲げ損失は、直径20mmのマンドレルに巻きつけて測定したものである。
図１は、該実施例１で得られた光ファイバの波長分光特性を示したものであり、1385nmのOHピークが0.347dB／kmとなっている。

実施例２〜４は、各パラメータを、請求項１に規定の範囲内でそれぞれ変化させたものであり、比較例１〜６は、少なくとも１つのパラメータが規定外にあるように作製したものである。
表１において実施例１〜４は、いずれもMFDがほぼ９μm以上で、カットオフ波長が1350nm以下になっているのが認められる。さらに、巻径20mmの曲げ損失は極めて小さく0.1dB／turn以下となっている。また、零分散波長は1300〜1324nmに収まっている。さらに850nmにおける伝送帯域も十分広く、500MHz・km以上となっている。
これに対して、少なくとも１つの規定外のパラメータを有する比較例１〜６は、特に850nmにおける伝送帯域が狭いものとなっている。

本発明の光ファイバを使用することで、通信特性を向上させることができる。

Claims

中心部にコア、該コアに隣接してその外周を覆う第１クラッド、該第１クラッドに隣接してその外周を覆う第２クラッドを有する光ファイバであって、該第２クラッドの屈折率を基準にしたときの、該コアの屈折率分布の最大値に対する比屈折率差が△_１（％）、該第１クラッドの屈折率分布の最小値に対する比屈折率差が△_２（％）であり、かつコアの中心を基準として、該コアと第１クラッドとの境界の半径がａ（μm）、第１クラッドと第２クラッドとの境界の半径がｂ（μm）であるとき、0.35％≦（△_１−△_２）≦0.65％、0.30％≦△ _１ ≦0.41％、−0.20％≦△_２≦−0.05％、0.22≦ａ／ｂ≦0.34、及び4≦ｂ√|△_２|≦10を満たし、前記コアの屈折率分布形状が、中心からの半径ｒ（μm）における屈折率の第２クラッドの屈折率を基準にしたときの比屈折率差を△（ｒ）（％）とするとき、次式でフィッティングしたときの乗数αが2以上５以下であり、
△（ｒ）＝（△_１＊−△_ａ）（１−ｒ／ａ）^α＋△_ａ
ただし、△_１＊はフィッティング係数、△_ａは第２クラッドの屈折率を基準にしたときのｒ＝ａにおける屈折率に対する比屈折率差（％）であり、波長850nmにおける光伝送モードが実質的にマルチモードで、伝送帯域が500MHz・km以上であり、零分散波長が1300nm以上1324nm以下であり、直径20mmのマンドレルに光ファイバを巻きつけたときの波長1550nmにおける損失増加が0.5dB/turn以下であることを特徴とする光ファイバ。
ITU-T G.650規格に定められた長さ２ｍの光ファイバで測定するファイバ・カットオフ波長が1350nm以下である請求項１に記載の光ファイバ。
ITU-T G.650規格に定められた長さ22ｍの光ファイバで測定するケーブル・カットオフ波長が1260nm以下である請求項１又は２に記載の光ファイバ。
直径20mmのマンドレルに光ファイバを巻きつけたときの、波長850nmにおける損失増加が0.5dB／turn以下である請求項１に記載の光ファイバ。
波長1310nmにおいてモードフィールド径が9μm以上10μm以下である請求項1乃至４のいずれかに記載の光ファイバ。
波長1383nmにおける伝送損失が0.4dB／km以下である請求項1乃至５のいずれかに記載の光ファイバ。