JP2012032575A - 光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】急峻な曲げ半径における曲げ損失を低減すると同時に、比較的緩やかな曲げ半径において従来の心線対照が可能な曲げ損失を実現する光ファイバを提供する。
【解決手段】コア領域１１と、コア領域を包囲するクラッド領域１２と、クラッド領域における、軸心を中心とする所定の距離に１層にて設けられた複数の空孔１３とを有し、空孔の内部は真空または空気、クラッド領域よりも屈折率の低い気体、液体または固体で満たされた光ファイバであって、波長１６２５ｎｍにおいて、曲げ半径５ｍｍにおける曲げ損失が１．０ｄＢ／ｔｕｒｎ以下であって、かつ曲げ損失α_bおよび曲げ半径Ｒの関係を次式の指数関数で近似したとき、当該指数関数における係数Ａが１０以下であり、かつ当該指数関数における係数Ｂが−０．４６以上である。

【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバおよび光伝送システムに関する。

光ファイバ通信システムでは高品質かつ高速な光伝送を可能とする単一モードファイバ（以下、ＳＭＦと呼称する）が広く用いられている。ＳＭＦの特性を決定する光学特性としては主に遮断波長、曲げ損失、モードフィールド径（以下、ＭＦＤと呼称する）、波長分散が挙げられる。

しかしながら、遮断波長の短波長化、曲げ損失の低減、ＭＦＤの拡大はトレードオフの関係にあり、使用される伝送システムによって異なる特性の光ファイバが利用される。特にアクセス系の光線路では接続性、取り扱い性が重視され、曲げ損失および接続損失の低減が重視される。

従来の光ファイバでは屈折率分布を最適化することにより、それぞれの伝送システムに対応した種々の光ファイバ構造が開発され、広く用いられている。また最近では光ファイバ中に空孔を有する空孔構造光ファイバが、従来の不純物の添加により屈折率分布を制御した光ファイバでは実現できない様々な特性を有することから、新しい光伝送媒体として高い関心を集めている。特に優れた曲げ損失特性を有する空孔構造を用いた低曲げ損失光ファイバが開発され、アクセス系光線路や屋内光配線における優位性が報告されている。

一方、光線路の工事、運用に際しては任意の光ファイバ心線を確認するために、作業現場において任意の光ファイバ心線を見つけることができることが必要となる。そのため、心線対照器（例えば、特許文献１参照）は光ファイバ中を伝搬する光の一部を取り出して、その光ファイバが所望の光ファイバであるかを確認できるため、広く用いられている。心線対照器は光ファイバに曲げを付与するとともに、曲げ部から漏れ出る光を受光することによって、その光ファイバに光が伝搬しているかどうかを判別する。

ここで低曲げ損失光ファイバが用いられている光線路の場合には、曲げ損失が従来の光ファイバと比較して極めて小さくなっていることから、従来の心線対照器を適用することが困難であり、グレーティングを用いた心線対照器や、偏波変調を用いた光ファイバ心線監視技術など、低曲げ損失光ファイバの心線対照を行う種々の技術が提案されている。

特許第４２１６６４５号

C. Fukai et al., "Relationship between optical wiring conditions and MPI degradation", OFC2010 , OWA1, 2010年3月 ＩＴＵ−Ｔ勧告Ｇ．６５２、"Characteristics of a single-mode optical fibre and cable", 2009年11月改訂 ＩＴＵ−Ｔ勧告Ｇ．６５７"Characteristics of a bending-loss insensitive single-mode optical fibre and cable for the access network", 2009年11月改訂

しかしながら、低曲げ損失光ファイバに対応した心線対照技術を用いるには新たな物品を導入する必要があることからコストの増加を招いてしまうという課題があった。

以上のことから、本発明は上述したような課題を解決するために為されたものであって、急峻な曲げ半径における曲げ損失を低減すると同時に、比較的緩やかな曲げ半径において従来の心線対照が可能な曲げ損失を実現する光ファイバを提供することを目的としている。

すなわち、上述した課題を解決する第１の発明に係る光ファイバは、
コア領域と、前記コア領域を包囲するクラッド領域と、前記クラッド領域における、軸心を中心とする所定の距離に１層にて設けられた複数の空孔とを有し、前記空孔の内部は真空または空気、前記クラッド領域よりも屈折率の低い気体、液体または固体で満たされた光ファイバであって、
波長１６２５ｎｍにおいて、曲げ半径５ｍｍにおける曲げ損失が１．０ｄＢ／ｔｕｒｎ以下であって、
かつ曲げ損失α_bおよび曲げ半径Ｒの関係を次式の指数関数で近似したとき、当該指数関数における係数Ａが１０以下であり、かつ当該指数関数における係数Ｂが−０．４６以上である

ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る光ファイバは、
第１の発明に係る光ファイバであって、
波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が８．６μｍ〜９．５μｍであり、かつ遮断波長が１２６０ｎｍ以下であり、かつ零分散波長が１３００ｎｍ〜１３２４ｎｍであり、かつ零分散波長における分散スロープが０．０９２ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る光ファイバは、
第２の発明に係る光ファイバであって、
前記コア領域の直径が７．０μｍより大きく９．０μｍ未満である
ことを特徴とする。

本発明に係る光ファイバによれば、急峻な曲げ半径における曲げ損失を低減すると同時に、比較的緩やかな曲げ半径において従来の心線対照が可能な曲げ損失を実現することができる。

本発明に係る光ファイバの断面の一例を表す概略図であって、図１（ａ）に空孔数が６個の場合を示し、図１（ｂ）に空孔数が１０個の場合を示す。 従来の光ファイバである、単一モードファイバおよび空孔アシスト光ファイバの曲げ損失を表す特性図である。 本発明に係る光ファイバにおける、曲げを用いた心線対照器による曲げ損失と受光パワーの関係を表す特性図である。 本発明に係る光ファイバにおける、ＭＦＤと曲げ半径５ｍｍおよび１０ｍｍにおける曲げ損失の関係を表す特性図である。 本発明に係る光ファイバにおける、曲げ損失の曲げ半径に対する特性の一例を表す特性図である。 本発明に係る光ファイバにおける、構造パラメータとＭＦＤ、分散特性、遮断波長、曲げ損失との関係を表す特性図である。

以下、本発明に係る光ファイバを実施するための形態について、図１〜図６を参照して具体的に説明する。

本実施形態に係る光ファイバは、空孔アシスト光ファイバ（以下、ＨＡＦと呼称する）構造であり、コア領域およびクラッド領域と、コア領域の周囲に配置される複数の空孔を有する。光ファイバが６個の空孔を有する場合には、図１（ａ）に示すように、光ファイバ１０は、光ファイバ軸心に設けられるコア領域１１と、コア領域１１を包囲するクラッド領域１２と、クラッド領域１２中に設けられた６個の空孔１３とを具備する。光ファイバが１０個の空孔を有する場合には、図１（ｂ）に示すように、光ファイバ２０は、光ファイバ軸心に設けられるコア領域２１と、コア領域２１を包囲するクラッド領域２２と、クラッド領域２２中に設けられた６個の空孔１３とを具備する。

コア領域１１，２１は屈折率ｎ１の材料で構成される。コア領域１１，２１は光ファイバ軸心方向に延在する。コア領域１１，２１は、光ファイバ軸心方向に直交する断面にて半径ａの円形状である。クラッド領域１２，２２は屈折率ｎ２（＜ｎ１）の材料で構成される。

空孔１３，２３は、光ファイバ軸心方向に直交する断面にて直径ｄの円形状である。空孔１３，２３は、光ファイバ軸心方向に延在し、且つ、光ファイバ軸心方向に直交する断面で離散的に、具体的には光ファイバの軸心を中心とした所定の距離に１層にて少なくとも３個以上設けられる。空孔１３，２３は、光ファイバ軸心を中心とする半径Ｒ１の円に外接し、且つ光ファイバ軸心を中心とする半径Ｒ２（＞Ｒ１）の円に内接する位置に設けられる。例えば、図１（ａ）に示すように、６個の空孔１３が光ファイバ軸心を中心として正六角形の角部に設けられたり、図１（ｂ）に示すように、１０個の空孔２３が円環状に設けられたりする。空孔の数量は６個や１０個に限らず、これら以外の数量を有する光ファイバであっても６個の空孔または１０個の空孔を有する光ファイバと同様な作用効果を奏する。また、空孔１３，２３の内部は空気または真空が好ましいが、クラッド領域１２，２２よりも低い屈折率を有する気体、液体または固体であっても同様の効果が得られる。

従来の光ファイバの曲げ損失特性について、図２を参照して説明する。図２にて、丸印は従来のＳＭＦについて示すものであり、黒丸印（ＳＭＦ−１）は１．３μｍ帯ゼロ分散ＳＭＦについて示し、白丸印（ＳＭＦ−２）は屈折率分布を制御して曲げ損失を低減したＳＭＦについて示すものである。また、図２にて、四角印は従来のＨＡＦについて示すものであり、黒四角印（ＨＡＦ−１）および白四角印（ＨＡＦ−２）はそれぞれ空孔構造の異なるＨＡＦについて示すものである。

図２から明らかなように、屈折率分布を制御することにより、ＳＭＦ−２はＳＭＦ−１に比較して曲げ損失を低減できているが、曲げ損失の曲げ半径依存性を制御することは極めて困難であることがわかる。一方、ＨＡＦに関しては、曲げ半径に対する曲げ損失の曲げ半径依存性を制御できることを示しており、ＨＡＦでは曲げ半径が小さくなるほど、伝搬光が空孔領域の影響を大きく受け、曲げ損失の低減効果をより大きく得られることに起因する。さらに、ＨＡＦではＳＭＦと比べて優れた曲げ損失を有する。したがって、ＨＡＦではコア構造および空孔構造を適切に制御することで、曲げ半径が小さな領域では小さな曲げ損失、かつ曲げ半径が大きな領域では従来と同等の曲げ損失といった、添加物を用いた従来の光ファイバでは実現困難な曲げ損失特性を実現できることがわかる。すなわち、ＨＡＦを用いることで、急峻な曲げに対しては曲げ損失を低減し、かつ従来の曲げを用いた心線対照器を適用可能な光ファイバを実現できることがわかる。

本実施形態に係る光ファイバにおける、曲げを用いた心線対照器により生じる曲げ損失と受光パワーとの関係について、図３を参照して説明する。図３にて、実線は、漏洩光の受光器に対する受光効率が−１０ｄＢの場合を表し、光ファイバ心線に対する受光効率の一例であり、１点鎖線は、漏洩光の受光器に対する受光効率が−３０ｄＢの場合を表し、光ファイバコードに対する受光効率の一例である。図３では、送信機出力を−１０ｄＢｍ、心線対照を行う地点までの光線路における損失を２０ｄＢと見積もり、入力光パワーを−３０ｄＢｍとした。また最小受光感度は−８０ｄＢｍであり、曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎ以上のとき光ファイバ心線および光ファイバコードに対する心線対照が可能であることがわかる。ここで、図２より、ＳＭＦに対して０．１ｄＢ／ｔｕｒｎ以上の曲げ損失を得るためには１０ｍｍ程度の曲げ半径の付与が必要である。したがって曲げ半径が１０ｍｍ以下において曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎ以上であれば、従来の心線対照器が利用可能であることがわかる。

本実施形態に係る光ファイバにおける、ＭＦＤと曲げ半径５ｍｍおよび１０ｍｍにおける曲げ損失の関係について、図４を参照して説明する。ここで波長は１６２５ｎｍとした。図４にて、実線は、曲げ半径Ｒ＝５ｍｍにおいて曲げ損失α_bが１．０ｄＢ／ｔｕｒｎの場合に対応し、１点鎖線は、曲げ半径Ｒ＝５ｍｍにおいて曲げ損失α_bが０．４５ｄＢ／ｔｕｒｎの場合に対応し、２点鎖線は曲げ半径Ｒ＝５ｍｍにおいて曲げ損失α_bが０．１ｄＢ／ｔｕｒｎに対応する。また、縦軸は曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍにおける、実線、１点鎖線、２点鎖線の条件下で取りうる最大の曲げ損失を表す。

ここで、９０°曲げなど柔軟な光配線を実現するためには曲げ半径Ｒ＝５ｍｍにおける曲げ損失が十分低いことが必要であり、非特許文献１より安定した伝送特性を得るには、曲げ損失が１．０ｄＢ／ｔｕｒｎ以下であることが好ましい。また、非特許文献２（Ｔａｂｌｅ１〜Ｔａｂｌｅ４）より、従来のＳＭＦの波長１３１０ｎｍにおけるＭＦＤが８．６μｍ〜９．５μｍであることを考慮し、同等のＭＦＤのとき優れた接続特性が得られ好ましい。図４において、ドットで示す領域Ａでは、ＭＦＤが８．６μｍ〜９．５μｍであり、かつ曲げ半径１０ｍｍにおける曲げ損失が０．１ｄＢ〜１．０ｄＢとなり、心線対照に必要な漏洩光強度を得ることができる。さらにＭＦＤが８．６μｍより小さい領域では実現できる曲げ損失をより大きくでき、心線対照における漏洩光強度を増大することができることから好ましい。このときの従来のＳＭＦとの接続性を考慮し、非特許文献３（Ｔａｂｌｅ７−２）よりＭＦＤは６．３μｍ以上であることが好ましい。

ここで、光ファイバの曲げ損失α_bは曲げ半径Ｒに対して、次式の指数関数の関係で表すことができる。ここで、次式の指数関数におけるＡおよびＢは任意の係数である。

本実施形態に係る光ファイバにおける、曲げ損失特性の一例について、図５を参照して説明する。図５にて、実線は、曲げ半径５ｍｍでの曲げ損失上限値と、曲げ半径１０ｍｍでの曲げ損失下限値を通る指数関数曲線であり、このとき上式における、Ａ＝１０、Ｂ＝−０．４６である。ここで、本発明で扱う低曲げ損失と心線対照に必要な条件を考えると、図中の矢印の方向の値を取ることとなる。したがって、係数Ａは１０以下であり、かつ係数Ｂは−０．４６以上である。

本実施形態に係る光ファイバにおける、構造パラメータと光学特性の関係について、図６を参照して説明する。図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）、図６（ｅ）は、それぞれ光ファイバのコア領域の直径（コア直径）２ａが７．０μｍ、７．５μｍ、８．０μｍ、８．５μｍ、９．０μｍにおいて前記光学特性を満たす構造を表す。また図６中の各線は次の特性を実現する設計領域を表す。
実線に挟まれる範囲：ＭＦＤが８．６μｍ〜９．５μｍである範囲
破線に挟まれる範囲：零分散波長λ₀が１３００ｎｍ〜１３２４ｎｍとなる範囲
点線より上の領域：零分散スロープＳ₀が０．０９２ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下となる領域
一点鎖線より下の領域：遮断波長λ_cが１２６０ｎｍ以下となり、かつ曲げ半径５ｍｍにおける曲げ損失が１．０ｄＢ／ｔｕｒｎ以下となる領域

これらのＭＦＤ、遮断波長、零分散波長、零分散スロープの範囲は非特許文献２で勧告される値であり、これらの特性を同時に満たすことで、従来のＳＭＦと同等の接続性、伝送特性が得られる。図６では、構造パラメータとしてコア領域の直径２ａ、コア領域のクラッド領域に対する比屈折率差Δ、空孔位置Ｒ（空孔を内接する円の半径）を用いて表現し、空孔直径ｄを用いて記載していないが、これは、ＭＦＤ、λ₀、Ｓ₀は、図６で示した３つの値のみで決定することができるためである。

また二点鎖線より下の領域は、曲げ半径Ｒ＝５ｍｍでの曲げ損失が１．０ｄＢ／ｔｕｒｎかつ曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍでの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｔｕｒｎとなる構造を表し、心線対照に必要な漏洩光強度が得られる設計領域を表す。

これら５つの領域を同時に満足する領域は、図中のドットで示す領域Ｂ（図６（ｂ）の領域Ｂ１、図６（ｃ）の領域Ｂ２、図６（ｄ）の領域Ｂ３）となる。すなわち、領域Ｂでは従来のＳＭＦと同等の接続性および伝送特性、曲げ半径５ｍｍで十分小さい曲げ損失、心線対照に必要な漏洩光強度が同時に得られる。よって、本実施形態に係る光ファイバによれば、空孔アシスト光ファイバであって、上述したように構造パラメータであるコア領域の直径、比屈折率差および空孔構造を最適に選択することにより、急峻な曲げ半径における曲げ損失を低減すると同時に、比較的緩やかな曲げ半径において従来の心線対照が可能な曲げ損失を実現することができる。これにより、低曲げ損失光ファイバが有する取扱い性の優位性を失わずに、かつ従来の曲げを用いた心線対照器を利用して心線対照が可能となり、従来の工夫を変更することなく線路の工事が可能となる。

また図６より、領域Ｂはコア領域の直径が７．０μｍおよび９．０μｍのとき存在せず、７．０μｍ＜２ａ＜９．０μｍの領域では斜線の領域が得られる。したがってコア直径を７．０μｍより大きく９．０μｍ未満の範囲とすることで、従来のＳＭＦと同等の接続性および伝送特性、曲げ半径５ｍｍで十分小さい曲げ損失、心線対照に必要な漏洩光強度が同時に得られ、好ましい。

本発明は、光伝送システムにおける伝送媒体として利用できる。

１０，２０ 光ファイバ
１１，２１ コア領域
１２，２２ クラッド領域
１３，２３ 空孔
２ａ コア領域の直径
ｄ 空孔直径
Ｒ１ 空孔が外接する円の半径
Ｒ２ 空孔が内接する円の半径

Claims (3)

1. コア領域と、前記コア領域を包囲するクラッド領域と、前記クラッド領域における、軸心を中心とする所定の距離に１層にて設けられた複数の空孔とを有し、前記空孔の内部は真空または空気、前記クラッド領域よりも屈折率の低い気体、液体または固体で満たされた光ファイバであって、
   波長１６２５ｎｍにおいて、曲げ半径５ｍｍにおける曲げ損失が１．０ｄＢ／ｔｕｒｎ以下であって、
   かつ曲げ損失α_bおよび曲げ半径Ｒの関係を次式の指数関数で近似したとき、当該指数関数における係数Ａが１０以下であり、かつ当該指数関数における係数Ｂが−０．４６以上である
   

   

   ことを特徴とする光ファイバ。
2. 波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が８．６μｍ〜９．５μｍであり、かつ遮断波長が１２６０ｎｍ以下であり、かつ零分散波長が１３００ｎｍ〜１３２４ｎｍであり、かつ零分散波長における分散スロープが０．０９２ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
3. 前記コア領域の直径が７．０μｍより大きく９．０μｍ未満である
   ことを特徴とする請求項２記載の光ファイバ。

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