JP3683041B2 - 光ファイバ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信用の光ファイバに関し、特にマルチモード形の光ファイバにおける伝送情報量の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信に用いられる光ファイバには、モードに関してシングルモード形とマルチモード形があり、また屈折率分布の形態に関してステップインデックス形とグラディエントインデックス形があるなど種々のタイプがあり、その各々に特徴がある。中でもマルチモード・ステップインデックス形ファイバ（以下ＳＩファイバと言う）は、例えば数百μｍ〜１ｍｍ程度のコア径とすることが可能で、光源や受光器との接続やファイバ−ファイバ間の接続などにおける取扱いが容易であること、また同じく大きなコア径が可能なグラディエントインデックス形に比べ製造工程が単純であるため低コストであることなどの理由から、比較的短距離の通信や器機内でのデータ伝送手段として多用されている。
【０００３】
しかしＳＩファイバには、伝搬する光線のモードによる伝搬速度が異なる効果、いわゆるモード分散が大きく、これによって入射光パルスの時間幅が伝搬距離の増大に応じて広がり、パルス形状が崩れ易いという現象がある。このためＳＩファイバは、シングルモード・ステップインデックス形ファイバやグラディエントインデックス形ファイバに比べ、同じ伝送距離における伝送帯域が数百分の１程度と狭く、単位時間に伝送可能な情報量が格段に少ない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＳＩファイバにおける上記のような伝送帯域の問題を改善することを目的としており、特にＳＩファイバにおける上記のような製造の容易性を損なうことなく、伝送帯域を改善することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による光ファイバは、そのコアが、クラッドに内接するアウターコアと、このアウターコア内に設けられ且つアウターコアとは異なる屈折率を与えられた一つ又は複数のインナーコアとからなり、且つそのアウターコアが、伝搬途中の光線に反射角の変化を生じさせるように曲率を変化させる部分を外周面に有している。
【０００６】
曲率変化部分を有するアウターコアの外周形状の具体的態様としては様々な形状が可能である。その代表的な一つは、内側に凸である曲面部、つまり曲面的な凹部を外周面に少なくとも一つ有する形状である。他の代表的な一つは、コアの横断面における外周形状を、例えば楕円形、あるいはなめらか曲面による角部を複数有する多角形的な形状などのように、外側に凸である曲面のみからなる非円形形状とする形状である。
【０００７】
上記のような本発明による光ファイバでは、コアをアウターコアとインナーコアからなる多層構造としたことによる効果と、コアの外周面に曲率変化部分を設けたことによる効果とが協働することにより、効果的に伝送帯域を広げることができる。コアをアウターコアとインナーコアからなる多層構造としたことにより伝送帯域の改善を図れる理由は、多層構造として最も単純である図１３に示すような構造、つまり断面形状がそれぞれ真円形であるアウターコアＡとインナーコアＢを同心的に設け、且つインナーコアの屈折率をアウターコアの屈折率より高くした単純多層構造を例にして説明すると、以下の通りである。
【０００８】
光ファイバを伝搬する光線は、実質的に全てスキューレイ、つまり光ファイバの中心軸を含むメリディオナル面から外れる光線であると見なせる。図１３のような単純多層構造の光ファイバにおけるスキューレイには、光ファイバへの入射角度と入射位置とによって、屈折率の高いインナーコアに閉じ込められてインナーコアのみを伝搬する光線Ｒａのような成分、インナーコアの外側でアウターコアのみを伝搬する光線Ｒｂのような成分、それに両コアに跨がって伝搬する光線Ｒｃのような成分とがある。
【０００９】
このような形態の光ファイバの開口数は、コアの屈折率が最も高い部分、すなわちインナーコアとクラッドの屈折率によって決まるため、アウターコアの屈折率をインナーコアとクラッドとのほぼ中間の値とすると、光線Ｒａは同じ開口数のステップインデック形スファイバのほぼ１／２の開口数を持つ導波路を伝わる光線となり、光線Ｒａの成分のみによる伝送帯域は、同じ開口数のステップインデック形スファイバのほぼ２倍である。また光線Ｒｃの成分のみによる伝送帯域も光線Ｒａと同様に同じ開口数のステップインデック形スファイバのほぼ２倍である。
【００１０】
そして光線Ｒａと光線Ｒｃとについて見れば、光線Ｒｃは光線Ｒａより平均光路長が長くなるが、一方で、インナーコアの屈折率をアウターコアのそれより大きくしてあるとすれば、光線Ｒａは屈折率が大きくて伝搬速度の遅い領域のみを伝搬し、光線Ｒｃは屈折率が小さくて伝搬速度の速い領域も伝搬する。すなわち光線Ｒａは、光路長が短いという伝搬速度を相対的に速める要素と、伝搬速度の遅い領域のみを伝搬するという伝搬速度を相対的に遅くする要素を持ち、一方光線Ｒｃは、光路長が長いという伝搬速度を相対的に遅くする要素と、伝搬速度の早い領域も伝搬するという伝搬速度を相対的に速める要素を持つ。この結果、インナーコアの径と屈折率を適当に調整することで光線Ｒａと光線Ｒｃの平均伝搬速度を等しくすることができ、伝送帯域は同じ開口数のステップインデック形スファイバより大きなものとなる。
【００１１】
このようにして得られる伝送帯域の改善効果は、モデル計算から求めると、同一開口数の従来のステップインデックス形の光ファイバに比べ、図１３のようにインナーコアを単層としてコア全体を２層とする構造の場合であれば、２倍弱程度に伝送帯域を広げることであり、インナーコアを２層としてコア全体を３層とする構造の場合であれば２倍強程度に伝送帯域を広げることである。単純多層構造タイプにおける伝送帯域の改善レベルがこの程度にとどまるのには、光線Ｒｂのような成分があることが大きく影響している。すなわちアウターコアのみを伝搬する光線Ｒｂは、屈折率の小さいアウターコアのみを通過するので平均伝搬速度が速く、光線ＲａやＲｃのように平均伝搬速度を一致させることができない。また光線Ｒｂは、アウターコアＡとクラッドＣの界面付近に沿って螺旋に近い光路で伝搬する著しく伝搬速度の遅い成分を含む。この結果、光線Ｒｂがあることにより、伝搬速度の均一化が阻害される。
【００１２】
以上の説明から理解できるように、多層コア構造の光ファイバについては、光線Ｒｂのような成分をできるだけ減少させることで、伝送帯域をより一層改善することが可能となるが、本発明による光ファイバでは以下のようにしてこのことを実現している。
【００１３】
本発明による光ファイバを伝搬する光線は、伝搬途中にアウターコアとクラッドの界面で反射する際に、アウターコアにおける凹部などの曲率が変化している部分において主に不規則的に反射角を変化させる。このため図１３における光線Ｒｂのような伝搬光路をとり続けることのできる光線はほとんどなくなり、光線の多くは図１３における光線Ｒｃのように伝搬するようになる。また光線Ｒｂの内で特に伝搬速度の遅い成分、つまり光線の進行ベクトルが繊維軸となす角度が特に大きい成分はコア外に排除される。この結果、図１３における光線Ｒｂのような成分を効果的に減少させることができる。
【００１４】
本発明におけるアウターコアの外周面に曲率変化部分を設ける構造は、このようメカニズムで伝送帯域の改善に寄与するが、この他のメカニズムでも伝送帯域の改善に寄与する。すなわち図１３における光線Ｒｃのようにインナーコアとアウターコアの両方に跨がって通過する光線は、アウターコアが外周面に曲率変化部分を有するために、伝搬途中でアウターコアとクラッドとの界面における入反射のパターンを非周期的つまりランダム的に変化させる。このため伝搬途中でランダム的に速度変化を生じ、このランダム的な速度変化による平均化作用により、伝搬速度の均一化を生じる。そしてこの結果、伝送帯域をさらに改善することができる。
【００１５】
上記のような本発明による光ファイバについては、インナーコアにもアウターコアと同様に、伝搬途中の光線に反射角の変化を生じさせるように曲率を変化させる部分をその外周面に設けることができる。このようにすると、インナーコアに閉じ込められる光線にも含まれる図１３の（ａ）に示す光線Ｒｄのような成分、つまりインナーコアとアウターコアとの界面付近を螺旋的に伝搬する成分を上記と同様にして効果的に減少させることができるし、またインナーコアに閉じ込められる光線の割合を小さくすることができる。この結果、各光線についての伝搬速度の均一化の程度をより向上させることができる。
【００１６】
本発明による光ファイバは、以上のように、コアをアウターコアとインナーコアからなる多層構造としたことによる効果と、アウターコアの外周面を曲率変化部分などにより変形させて非真円形としたことによる効果とが協働することで効果的に伝送帯域を広げることができる。モデル計算によると、コアが２層である場合で、同じ開口数の従来のＳＩファイバに比べ約３倍の伝送帯域を実現可能である。
【００１７】
本発明による光ファイバは、以上のようにして広い伝送帯域を可能とするが、同時に製造の容易性も持っている。すなわち本発明による光ファイバは、基本的には従来のステップインデックス形の光ファイバで一般的に用いられているのと同様の製造方法で製造することが可能であり、したがってコアが多層であるものの、コアの多層化程度を適当な範囲、例えばインナーコアを一つか二つとすることで、一般的な近距離通信で望まれる伝送帯域を満足させ、しかも従来のステップインデックス形の光ファイバにおけるのとそれ程変わらない条件で製造することができる。
【００１８】
ここで、以上の説明では、アウターコアの屈折率がインナーコアのそれより小さく屈折率が順方向で分布することを前提にしていたが、アウターコアの屈折率をインナーコアのそれより大きくする逆方向分布も可能である。この場合には、インナーコアに閉じ込められる光線はなくせるが、その一方でアウターコアに閉じ込められる光線が生じる。そのため、伝送帯域の改善効果は、順方向分布の場合とほぼ同一である。
【００１９】
上記のような本発明による光ファイバについては、クラッドの厚みを均一にし、且つこのクラッドに外接する保護層を設けるようにするのがより好ましく、この保護層の外周形状を円形とすることで、以下のような実用上の要求を満足させることができる。
【００２０】
本発明による光ファイバは、そのコアが上記のように外周面に凹部を有する外周形状や外側に凸である曲面のみからなる非円形の外周形状を有する。このため、実用上で好ましい円形の形状を光ファイバの外周に与えると、クラッドに厚みの異なる部分を生じることになり、またクラッドの平均的な厚さも厚くなる。このことは、温度変化や湿度変化によるコアとクラッドの界面への影響を増大させる原因となる。したがってクラッドの厚みを均一にすると共にファイバの外周を円形とすることが望まれるが、上記のようにすることでこの要求を満足させることができる。
【００２１】
またこのような構造は、以下のような付加的な利点ももたらす。すなわち保護層は、屈折率や透明性についての特別な要件を必要としない。したがって保護層については自由に材料を選択することができ、特に耐熱性や撥水性あるいは難燃性などに優れた材料で保護層を形成することにより、ファイバに新たな機能を付加することが可能となる。また保護層を設けることでクラッドを全体として薄くすることができ、クラッド用の材料の使用量を少なくすることが可能となる。しかもファイバとしての物理的強度や耐久性をコアと保護層に負担させることができる、つまりクラッドに対する物理的強度や耐久性などの要件を緩和でき、このためクラッド材の選択幅を広くすることができる。
【００２２】
【実施の形態】
以下本発明の好ましい実施形態について説明する。図１〜図７に示す各実施形態は、何れもアウターコアが外周面に複数の凹部を有するタイプに関し、図８及び図９に示す各実施形態は、何れもアウターコアが外側に凸である曲面のみからなる外周形状を有するタイプに関し、図１０に示す実施形態は、保護層を有するタイプに関し、図１１及び図１２に示す各実施形態は、何れもインナーコアが二つである３層構造のタイプに関する。ここで図１〜図１２における符号Ｃｄ₁ 〜Ｃｄ₁₂は各実施形態による光ファイバのクラッドを示し、符号Ｃｒ₁ 〜Ｃｒ₁₂は各実施形態による光ファイバのコアを示している。
【００２３】
第１の実施形態（図１）；本実施形態による光ファイバのアウターコア１は、内側に凸な曲面部である凹部２を外周面に２個有する。２個の凹部２は、何れも同じ大きさで同じ形状とし、鏡面対称となるように配置する。またインナーコア３は、外側に凸な曲面部である凸部４を外周面に２個有する。この２個の凸部４も凹部２と同様に、何れも同じ大きさで同じ形状とし、鏡面対称となるように配置する。そしてさらにコア全体でも鏡面対称を持つような関係をアウターコア１とインナーコア３に与える。このようにすることにより、温度変化や湿度変化に対する耐久性を高めることができる。
【００２４】
第２の実施形態（図２）；本実施形態による光ファイバは、そのアウターコア１とインナーコア３の関係が９０°回転している点を除いて、基本的には第１の実施形態と同じである。
【００２５】
第３の実施形態（図３）；本実施形態は、第１の実施形態と同様の凹部２を３個有するアウターコア５に第１の実施形態と同様の凸部４を３個有するインナーコア６を組み合わせたタイプで、この場合にも凹部２や凸部４に関して鏡面対称を持つようにする。
【００２６】
第４の実施形態（図４）；本実施形態による光ファイバは、そのアウターコア５とインナーコア６の関係が６０°回転している点を除いて、基本的には第３の実施形態と同じである。
【００２７】
第５の実施形態（図５）；本実施形態による光ファイバのアウターコア７は、外周面に凹部８を１２個有しており、上記各実施形態における各アウターコアに比べ凹凸の変化周期が小さい。このためアウターコア７の断面形状は比較的真円に近い形状となる。またそのインナーコア８は、外周面に凸部９を６個有し、同様にその断面形状は比較的真円に近い形状となっている。このようにアウターコアやインナーコアの形状が真円に近いことは、ファイバ同士を接続する場合のコアの重なりロスを少なくできるという利点がある。このことは凹部の個数を選択する上で一つの要件となる。したがって凹部の個数は、この要件と例えば製造性などの他の要件とを総合的に考慮して適宜に選択するのが好ましい。
【００２８】
第６の実施形態（図６）；本実施形態による光ファイバは、第５の実施形態におけるのと同様のアウターコア７に断面形状が真円形であるインナーコア１０を組み合わせたタイプである。
【００２９】
第７の実施形態（図７）；本実施形態は、外周面に凹部１１を６個有するアウターコア１２に楕円形のインナーコア１３を組み合わせたタイプである。
【００３０】
第８の実施形態（図８）；本実施形態による光ファイバは、そのアウターコア１４の外周形状が外側に凸である曲面のみからなる楕円形をしており、そのインナーコア１５も同様に楕円形である。
【００３１】
第９の実施形態（図９）；本実施形態による光ファイバは、そのアウターコア１６がなめらかな曲面による角部を３個有する三角形的な形状の外周形状を有し、そのインナーコア１７は真円形である。
【００３２】
第１０の実施形態（図１０）；本実施形態は、クラッドＣｄ₁₀の外周に保護層１８を有するタイプである。この場合にはそのクラッドＣｄ₁₀は、厚みを均一とし、伝搬光の全反射のための機能を損なわない範囲で全体として薄くする。本実施形態では一例として凹部１９を６個有するアウターコア２０と凸部２１を６個有するインナーコア２２の組み合わせとしているが、上記及び下記各実施形態におけるアウターコアとインナーコアの組み合わせなどについても同様に保護層を設けることが可能である。
【００３３】
第１１の実施形態（図１１）；本実施形態では、第１の実施形態におけるのと同様なアウターコア１の中に第１のインナーコア２３と第２のインナーコア２４を入れ子式に設け、そのコアＣｒ₁₁を３層構造としている。そしてアウターコア２２の外周面に第１の実施形態と同様な凹部２を２個設け、第１のインナーコア２３の外周面に凹部２と凸部４を２個ずつ設け、第２のインナーコア２４の外周面に凸部４を２個設けている。
【００３４】
第１２の実施形態（図１２）；本実施形態の光ファイバは、第１１の実施形態と同様にそのコアＣｒ₁₂が３層構造で、第３の実施形態におけるのと同様なアウターコア５の中に外周面に凹部２５と凸部２６を３個ずつ有する第１のインナーコア２７と第３の実施形態におけるインナーコアと同様な第２のインナーコア２８を入れ子式に設けている。
【００３５】
以上の各実施形態による光ファイバにおいて、外周面を曲率変化部分などにより変形させてアウターコアの形状を非真円形としたことで伝送帯域が改善される理由は、第１の実施形態による光ファイバと第２の実施形態による光ファイバを例にとると、以下の通りである。クラッドとコアの界面に沿うような状態の光線Ｒｅ（図１）があっても、この光線Ｒｅは、凹部２で反射する際にその反射方向を変化させてコアの中心近辺を通過するよううな光線Ｒｆとなるか、あるいはクラッド側に透過して外部に排除される光線Ｒｇとなる。この結果、図１３における光線Ｒｂのような成分は実質的に存在しなくなり、これに応じて伝送帯域を改善できる。
【００３６】
またこのようにして本発明による光ファイバを伝搬する光線は、インナーコアの屈折率がアウターコアのそれより大きい場合であれば、インナーコアとアウターコアの両方に跨がって通過する光線とインナーコアに閉じ込められる光線の何れかとなるが、前者の光線は、図２に示す光線Ｒｈのように、伝搬途中でアウターコアとクラッドとの界面やアウターコアとインナーコアとの界面における入反射のパターンを非周期的に変化させる。この結果、各光線について伝搬速度を効果的に均一化させることができる。
【００３７】
さらに光線Ｒｅについて説明した現象は、凸部や凹部を有するインナーコアでも生じ、これによりインナーコアとアウターコアの界面付近を螺旋的な伝搬光路で伝搬する伝搬速度の遅い光線を減少させることができると共に、インナーコアに閉じ込められそうな光線が図１の光線Ｒｋのようにしてインナーコアから抜け出す機会を得ることでインナーコアに閉じ込められる光線を減少させることができ、このことも伝搬速度の均一化に寄与する。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明してきた如く、本発明によると、実質的なコストアップ要因を伴うことなくマルチモード・ステップインデックス形ファイバの伝送帯域を改善することができ、マルチモード・ステップインデックス形ファイバの有用性をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態による光ファイバの横断面図。
【図２】第２の実施形態による光ファイバの横断面図。
【図３】第３の実施形態による光ファイバの横断面図。
【図４】第４の実施形態による光ファイバの横断面図。
【図５】第５の実施形態による光ファイバの横断面図。
【図６】第６の実施形態による光ファイバの横断面図。
【図７】第７の実施形態による光ファイバの横断面図。
【図８】第８の実施形態による光ファイバの横断面図。
【図９】第９の実施形態による光ファイバの横断面図。
【図１０】第１０の実施形態による光ファイバの横断面図。
【図１１】第１１の実施形態による光ファイバの横断面図。
【図１２】第１２の実施形態による光ファイバの横断面図。
【図１３】従来のＳＩファイバの横断面図。
【符号の説明】
Ｃｄ₁ 〜Ｃｄ₁₂……クラッド
Ｃｒ₁ 〜Ｃｒ₁₂……コア
2,8,11,19 ……凹部（曲率変化部分）
4,9,21,26 ……凸部（曲率変化部分）
１８……保護層

Claims (2)

1. コアとこれに外接するクラッドとを有する光ファイバにおいて、
   前記コアは、クラッドに内接するアウターコアと、このアウターコア内に設けられ且つアウターコアとは異なる屈折率を与えられた一つ又は複数のインナーコアとからなり、且つそのアウターコアは、伝搬途中の光線に反射角の変化を生じさせるように曲率を変化させる部分を外周面に有し、前記クラッドは、その厚みが均一とされて前記アウターコアに外接し、そして、このクラッドに外接する保護層を設けたことを特徴とする光ファイバ。
2. インナーコアも伝搬途中の光線に反射角の変化を生じさせるように曲率を変化させる部分を外周面に有している請求項１に記載の光ファイバ。

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