JP2017526003A - 極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ - Google Patents

Abstract

コア層とクラッド層を含む極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバであって、コア層の外部には、内側から外側へ順に、内部クラッド層、陥没内部クラッド層、補助的外部クラッド層、及び外部クラッド層が被覆される。コア層は、半径ｒ１が４．８〜６．５μｍであり、相対屈折率差Δｎ１が−０．０６％〜０．１０％である。内部クラッド層は、半径ｒ２が９〜１５μｍ、相対屈折率差Δｎ２が−０．４０％〜−０．１５％である。陥没内部クラッド層は、半径ｒ３が１２〜１７μｍ、相対屈折率差Δｎ３が−０．８％〜−０．３％である。補助的外部クラッド層は、半径ｒ４が３７〜５０μｍ、相対屈折率差Δｎ４が−０．６％〜−０．２５％である。外部クラッド層は、純シリカガラス層である。当該単一モード光ファイバは、低い損失係数と大きい有効面積を有するのみならず、製造コストが低く、しかも光ファイバの遮断波長、ベンド損失、色分散など総合的な性能パラメータが応用波長域で良好である。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ伝送の技術分野に関し、具体的に極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバに関する。

ＩＰネットワークデータサービスの著しい発展に伴い、伝送容量に対する通信業者の要求がますます高まり、現在のネットワークにおける単一ファイバ容量が既に限界値の１００Ｔｂｐｓに迫っている。１００Ｇ伝送システムは、商業化が開始している。１００Ｇ伝送信号に基づいて更に伝送容量を増加することは、各システムの製造業者と通信業者が注目する焦点になっている。

１００Ｇと１００Ｇ超システムの受信側において、コヒーレント受信及びデジタル信号処理技術（ＤＳＰ）により、全伝送過程で累積した色分散と偏波モード分散（ＰＭＤ）について電気領域でデジタル的に補償することができる。信号は、偏波モード多重と、ＰＭ−ＱＰＳＫ、ＰＤＭ−１６ＱＡＭ、ＰＤＭ−３２ＱＡＭ、ＰＤＭ−６４ＱＡＭ、ＣＯ−ＯＦＤＭなど各種の高次変調方式により、ボーレートが低下する。しかし、高次変調方式が非線形効果に非常に敏感であるため、光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）に対する要求が高い。低損失で大有効面積の光ファイバの導入は、システムに対し、ＯＳＮＲ向上と非線形効果低下の効果をもたらす。高電力密度システムの場合、非線形係数は、非線形効果によるシステム性能優劣を評価するパラメータであり、ｎ２／Ａ_effと定義される。ここで、ｎ２は、伝送光ファイバの非線形屈折率であり、Ａ_effは、伝送光ファイバの有効面積である。伝送光ファイバの有効面積を増やすことにより、光バイファにおける非線形効果を低下させることができる。

現在、陸地伝送路に用いられる一般的単一モード光ファイバは、その有効面積が約８０μｍ^２しかない。一方、陸地での長距離伝送システムにおいて、光ファイバの有効面積に対する要求が更に高く、通常有効面積が１００μｍ^２以上である。敷設コスト低減のために、なるべく中継器の使用を避け、例えば海底伝送システムの無中継伝送システムにおいて、伝送光ファバイバの有効面積は、１３０μｍ^２以上である方がよい。しかし、現在、大有効面積光ファイバの屈折率断面の設計において、通常、光信号伝送用の光学的コア層の径を大きくすることにより大きい有効面積を取得する。このような技術手段には、一定の設計上の難点がある。まず、光ファイバのコア層とその近隣のクラッド層は、主に光ファイバの基本的性能を決め、光ファイバ製造のコストにおいて大きな割合を占める。よって、径方向サイズが過大に設計されると、必ず光ファイバの製造コストが向上し、光ファイバの価格向上につながり、この種類の光ファイバの普及に支障を来たす。一方、一般的な単一モード光ファイバでは、光ファイバの有効面積の増加は、光ファイバの他の一部のパラメータの悪化をもたらす。例えば、光ファイバの遮断波長が大きくなる。遮断波長が過大になると、光ファイバの伝送波長域における光信号の単一モード状態の確保が難しくなる。また、光ファイバの屈折率断面の設計が不当であると、ベンド性能、色分散などのパラメータの悪化ももたらす。

長距離且つ大容量伝送を制限するもう１つの光ファイバの特性は、損失である。現在、一般的なＧ．６５２．Ｄ光ファイバの損失が通常０．２０ｄＢ／ｋｍであり、レーザエネルギーが長距離伝送を経て徐々に減少するため、中継方式で信号の再度増幅をする必要がある。光ファイバ／ケーブルのコストに対し、中継ステーションの関連機器と保守コストは、全リンクシステムにおいて７０％以上である。よって、低損失又は極低損失の光ファイバを設計すれば、伝送距離を効果的に増やし、敷設と保守コストを軽減することができる。計算によると、光ファイバの損失を０．２０から０．１６ｄＢ／ｋｍまでに低くすると、全リンクの敷設コストは、全体で３０％ほど下がる。

以上の記載をまとめると、極低損失で大有効面積の光ファイバの研究開発は、光ファイバ製造分野の重要課題のひとつになる。大有効面積の光ファイバの設計が提案された特許文献１では、より低いレイリー係数を取得するために、純シリコンコアの設計が採用され、コア層へのゲルマニウムとフッ素の共添加が行われず、しかもフッ素を添加したシリカを外部クラッド層とする設計になっている。このような純シリコンコアの設計の場合、光ファイバ内部での複雑な粘度マッチングが必須であり、引っ張り工程での速度を極めて低くし、高速な引っ張りによる光ファイバ内部の不備に起因する損失増加を回避することが要求され、製造工程が極めて複雑である。

特許文献２では、非純シリコンコア設計の大有効面積の光ファイバの設計が提案されており、階段状の陥没クラッド層設計が採用され、しかも純シリカの外部クラッド層構造を採用する設計があり、関連性能が大有効面積光ファイバＧ．６５４．ＢとＤの要求を満たすことができる。しかし、その設計において、フッ素を添加したクラッド層部分の最大半径が３６μｍであり、光ファイバの遮断波長が１５３０ｎｍ以下であることを保証することができるものの、比較的小さいフッ素添加半径の影響により、光ファイバのミクロとマクロのベンド性能が悪化する。従って、光ファイバのケーブリングにおいて、損失が増加し、その文献においてベンド性能に関する言及もなかった。

特許文献３では、更に大きい有効面積の光ファイバが記載されている。当該文献に記載される光ファイバの有効面積は、１５０μｍ^２以上に達したものの、通常のゲルマニウムとフッ素の共添加方式のコア層設計が採用され、且つ遮断波長の性能指標を犠牲にして実現される。光ファイバの遮断波長が１４５０ｎｍ以上であることが許容され、その実施例において、ケーブリングにおける遮断波長は、１８００ｎｍ以上にも達する。実際の応用において、遮断波長が過度に高くなると、光ファイバが応用波長域で遮断されることの保証が難しく、光信号の伝送時の単一モード状態の保証ができない。従って、このような光ファイバは、応用時に一連の実用上の問題に直面する。また、当該文献で列挙された実施例において、陥没クラッド層の外部半径ｒ_３が最小で１６．３μｍであり、同様に大きめである。当該文献では、光ファイバのパラメータ（例えば、有効面積、遮断波長など）と光ファイバの製造コストから最適な組み合わせを得ていない。

米国特許出願公開第２０１０／０２２５３３号明細書 欧州特許出願公開第２３１２３５０号明細書 中国特許出願公開第１０２３２３９２号明細書

以下は、本発明に言及される一部の用語の定義と説明である。
相対屈折率差：Δｎ_ｉ
光ファイバのコア軸線から数え、屈折率の変化に応じて、軸線に最も近い層をコア層、光ファイバの最も外の層、即ち純シリカ層を光ファイバの外部クラッド層と定義する。

光ファイバの各層の相対屈折率Δｎ_ｉは、以下の方程式により定義される。

ここで、ｎ_ｉは、コアの屈折率であり、ｎ_ｃは、クラッド層の屈折率、即ち純シリカの屈折率である。

光ファイバの有効面積Ａ_eff：

ここで、Ｅは、伝播に関連する電界であり、ｒは、軸心から電界分布点までの距離である。

ケーブルの遮断波長λ_ｃｃ：
ＩＥＣ（国際電気標準会議）標準６０７９３−１−４４の定義によると、ケーブルの遮断波長λ_ｃｃは、光信号が光ファイバの２２メートルを超える伝搬後にもはや単一モードではない波長である。テストの際に、光ファイバに対し半径１４ｃｍの１巻き、半径４ｃｍの２巻きをしてデータを取得する。

本発明の解決しようとする技術問題は、製造コストが低く、極低損失で大有効面積で、ケーブリングにおける遮断波長が１５３０ｎｍより小さく、且つ優れたベンド損失と色分散性能を有する光ファイバを設計することである。

本発明は、以上の問題を解決するために、以下の技術手段を採用する。

コア層とクラッド層を含む極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバであって、コア層は、半径ｒ_１が４．８〜６．５μｍであり、相対屈折率差Δｎ_１が−０．０６％〜０．１０％であり、コア層の外部には、内側から外側へ順に、半径ｒ_２が９〜１５μｍ、相対屈折率差Δｎ_２が−０．４０％〜−０．１５％である内部クラッド層、半径ｒ_３が１２〜１７μｍ、相対屈折率差Δｎ_３が−０．８％〜−０．３％である陥没内部クラッド層、半径ｒ_４が３７〜５０μｍ、相対屈折率差Δｎ_４が−０．６％〜−０．２５％である補助的外部クラッド層、及び純シリカガラス層である外部クラッド層が被覆される。

上記技術手段において、光ファイバのコア層は、ゲルマニウムとフッ素を共添加したシリカガラス層であるか、ゲルマニウムを添加したシリカガラス層であり、ゲルマニウムの添加寄与量が０．０２％〜０．１０％である。

上記技術手段において、内部クラッド層の相対屈折率差Δｎ_２は−０．３２％〜−０．２１％である。

上記技術手段において、光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける有効面積が１００〜１４０μｍ^２であり、好適な条件では１１９〜１４０μｍ^２である。

上記技術手段において、光ファイバは、ケーブリングにおける遮断波長が１５３０ｎｍ以下である。

上記技術手段において、光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける色分散が２３ｐｓ／ｎｍ＊ｋｍ以下であり、波長１６２５ｎｍにおける色分散が２７ｐｓ／ｎｍ＊ｋｍ以下である。

上記技術手段において、光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける減衰が０．１８５ｄＢ／ｋｍ以下であり、好適な条件では０．１７５ｄＢ／ｋｍ以下である。

上記技術手段において、光ファイバは、波長１７００ｎｍにおけるミクロベンド損失が５ｄＢ／ｋｍ以下である。

上記技術手段において、光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて、ベンド半径Ｒ１５ｍｍ、１０巻きの場合のマクロベンド損失が０．２５ｄＢ以下であり、ベンド半径Ｒ１０ｍｍ、１巻きの場合のマクロベンド損失が０．７５ｄＢ以下である。

本発明の利点は、以下の通りである。１）ゲルマニウムを添加したコア層設計により、光ファイバ内部の粘度マッチングが合理的に設計され、光ファイバ製造過程の不備を減少し、光ファイバの損失パラメータを低下させる。２）合理的な光ファイバのフッ素添加の陥没構造が設計され、光ファイバの各コア層断面の合理的設計により、光ファイバが１００μｍ^２以上の有効面積を有し、好適なパラメータ範囲内に、１３０μｍ^２以上、１４０μｍ^２以上の有効面積を達成することができる。３）本発明の遮断波長、ベンド損失、色分散などの総合的性能パラメータは、応用波長域で優れており、十分に小さいケーブリング遮断波長により、当該種類の光ファイバのＣ波長域伝送応用で光信号の単一モード状態が保証され、光ファイバ断面に多層階段状の陥没クラッド層構造を採用することで、広幅の陥没クラッド構造を有することによりベースモード漏洩が抑止され、光ファイバのベンド損失に優れた改良作用を有する。４）最も外部の層の外部クラッド層構造に純シリカの設計を採用し、フッ素添加ガラスの光ファイバでの割合を低下させることで、光ファイバの生産コストを低減させる。

本発明の１つの実施例における屈折率断面構造分布図である。

以下、実施例を参照して詳細に記載する。

ゲルマニウムとフッ素を共添加したシリカガラス層であるか、ゲルマニウムを添加したシリカガラス層であるコア層とクラッド層を含み、コア層の外部には、内側から外側へ順に、内部クラッド層、陥没内部クラッド層、補助的外部クラッド層、及び外部クラッド層が被覆される。

表１は、本発明の好適な実施例における屈折率断面パラメータであり、ΔＧｅは、コア層におけるＧｅの添加量である。
表２は、表１に記載する光ファイバに対応する光伝送特性を示す。

［付記］
［付記１］
コア層とクラッド層を含む極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバであって、
前記コア層は、半径ｒ_１が４．８〜６．５μｍであり、相対屈折率差Δｎ_１が−０．０６％〜０．１０％であり、
前記コア層の外部には、内側から外側へ順に、
半径ｒ_２が９〜１５μｍ、相対屈折率差Δｎ_２が−０．４０％〜−０．１５％である内部クラッド層、
半径ｒ_３が１２〜１７μｍ、相対屈折率差Δｎ_３が−０．８％〜−０．３％である陥没内部クラッド層、
半径ｒ_４が３７〜５０μｍ、相対屈折率差Δｎ_４が−０．６％〜−０．２５％である補助的外部クラッド層、及び、
純シリカガラス層である外部クラッド層、
が被覆されることを特徴とする極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。

［付記２］
前記光ファイバの前記コア層は、ゲルマニウムとフッ素を共添加したシリカガラス層であるか、ゲルマニウムを添加したシリカガラス層であり、ゲルマニウムの添加寄与量が０．０２％〜０．１０％であることを特徴とする付記１に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。

［付記３］
前記光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける有効面積が１００〜１４０μｍ^２であることを特徴とする付記１又は２に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。

［付記４］
前記光ファイバは、ケーブリングにおける遮断波長が１５３０ｎｍ以下であることを特徴とする付記１又は２に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。

［付記５］
前記光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける色分散が２３ｐｓ／ｎｍ＊ｋｍ以下であり、波長１６２５ｎｍにおける色分散が２７ｐｓ／ｎｍ＊ｋｍ以下であることを特徴とする付記１又は２に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。

［付記６］
前記光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける減衰が０．１８５ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする付記１又は２に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。

［付記７］
前記光ファイバは、波長１７００ｎｍにおけるミクロベンド損失が５ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする付記１又は２に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。

［付記８］
前記光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて、ベンド半径Ｒ１５ｍｍ、１０巻きの場合のマクロベンド損失が０．２５ｄＢ以下であり、ベンド半径Ｒ１０ｍｍ、１巻きの場合のマクロベンド損失が０．７５ｄＢ以下であることを特徴とする付記１又は２に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。

Claims (8)

1. コア層とクラッド層を含む極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバであって、
   前記コア層は、半径ｒ_１が４．８〜６．５μｍであり、相対屈折率差Δｎ_１が−０．０６％〜０．１０％であり、
   前記コア層の外部には、内側から外側へ順に、
   半径ｒ_２が９〜１５μｍ、相対屈折率差Δｎ_２が−０．４０％〜−０．１５％である内部クラッド層、
   半径ｒ_３が１２〜１７μｍ、相対屈折率差Δｎ_３が−０．８％〜−０．３％である陥没内部クラッド層、
   半径ｒ_４が３７〜５０μｍ、相対屈折率差Δｎ_４が−０．６％〜−０．２５％である補助的外部クラッド層、及び、
   純シリカガラス層である外部クラッド層、
   が被覆されることを特徴とする極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。
2. 前記光ファイバの前記コア層は、ゲルマニウムとフッ素を共添加したシリカガラス層であるか、ゲルマニウムを添加したシリカガラス層であり、ゲルマニウムの添加寄与量が０．０２％〜０．１０％であることを特徴とする請求項１に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。
3. 前記光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける有効面積が１００〜１４０μｍ^２であることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。
4. 前記光ファイバは、ケーブリングにおける遮断波長が１５３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。
5. 前記光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける色分散が２３ｐｓ／ｎｍ＊ｋｍ以下であり、波長１６２５ｎｍにおける色分散が２７ｐｓ／ｎｍ＊ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。
6. 前記光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおける減衰が０．１８５ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。
7. 前記光ファイバは、波長１７００ｎｍにおけるミクロベンド損失が５ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。
8. 前記光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて、ベンド半径Ｒ１５ｍｍ、１０巻きの場合のマクロベンド損失が０．２５ｄＢ以下であり、ベンド半径Ｒ１０ｍｍ、１巻きの場合のマクロベンド損失が０．７５ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低損失で大有効面積の単一モード光ファイバ。

Images