JP4913675B2 - 光ファイバケーブル - Google Patents

Description

本発明は、複数の光ファイバを並列に並べて一体化した光ファイバテープ心線を複数本集合し、実装したテープ集合型の光ファイバケーブル、特に各光ファイバにおける偏波モード分散特性を低減した光ファイバケーブルに関するものである。

図１に示すような、複数の光ファイバ（光ファイバ素線）を並列に並べて一体化した光ファイバテープ心線を複数本を集合し、実装したテープ集合型の光ファイバケーブルは、光ファイバの多心一括接続が可能であり、接続効率に優れることから、現在、基幹中継系の光伝送路から光アクセス系の光伝送路に至るまで幅広く用いられている。

光ファイバ通信において、高速・長距離伝送を行う際の信号劣化の支配的な要因の一つとして、伝送路を構成する光ファイバケーブルの偏波モード分散（ＰＭＤ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）が挙げられる。ＰＭＤは光ファイバ中を伝搬する信号光の２つの直交する偏波モード間に生じる群遅延差によって発生する現象である。このような群遅延差は、光ファイバのコアの複屈折（直交する２軸の屈折率差で与えられる）によるものであることが知られている。

前述したテープ集合型の光ファイバケーブルの製造過程において、光ファイバが複屈折性を持つ主な要因としては、（１）ガラス母材から光ファイバを製造する際に、光ファイバのコアの断面形状が楕円等になるために生じる、（２）テープ心線を製造する際に使用する被覆樹脂の硬化残留応力によってテープ心線内の光ファイバへ付加される不均一な応力によって生じる、（３）テープ心線を光ファイバケーブル内に実装した時の光ファイバに加わる曲げや引っ張り、撚りによる負荷応力によって生じる、などが挙げられる。

また、特許文献１に示されるように、光ファイバケーブル内で光ファイバに所定の捻率（ケーブル内のテープ心線の一方向の撚りの撚りピッチの逆数で与えられる）で撚りを加えることでＰＭＤが低減されることが知られている。これは、光ファイバに撚りを加え、光ファイバの直交する直線偏光間で平均化を図ることで複屈折が低減されるためである。
特開２００２−１２２７６２「光ファイバケーブル」 A. Galtarossa, C.G. Someda, A. Tommasini, B.A. Schrefler, G. Zavarise, M. Schiano, "Stress Distribution in Optical-fiber ribbons", IEEE Photonics Technology Letters, Vol.9, No.3, pp.354-356, 1997 R.E. Schuh, E.S.R. Sikora, N.G. Walker, A.S. Siddiqui, L.M. Gleeson, and D.H.O. Bebbington, "Theoretical analysis and measurement of effects of fibre twist on polarisation mode dispersion of optical fibres", Electronics Letters, Vol.31, No.20, 1995, pp.1772-1773

しかし、光ファイバに所定の捻率で撚りを加えることでＰＭＤが低減されるものの、捻率が一定以上になると、逆にＰＭＤが増加することが知られている。これは、捻率が一定以上になると、右回り円偏光と左回り円偏光との間の複屈折が逆に大きくなるためである。

また、一般に、光ファイバケーブルに実装するテープ心線を構成する各光ファイバの複屈折を制御することは難しく、ある範囲でばらついている。これは、非特許文献１に示すように、テープ心線は複数の光ファイバを並列に並べて被覆を施したものであるため、両端の光ファイバとその間の光ファイバとでは被覆樹脂による硬化残留応力の加わり方が異なっていることが大きな要因である。

このため、従来の方法を用いて光ファイバケーブル内でテープ心線に所定の捻率で撚りが加えるような構造においては、テープ心線を構成する光ファイバの複屈折の大きさによっては、ＰＭＤが十分低減される光ファイバもあれば、逆にＰＭＤが大きくなってしまう光ファイバも存在することになり、数十〜千本程皮の光ファイバを実装した光ファイバケーブルのＰＭＤの最大値が大きくなってしまうという課題があった。

上記課題を解決することのできる本発明に係る光ファイバケーブルは、複数の光ファイバを並列に並べて一体化した光ファイバテープ心線を複数本集合し、これらにそれぞれ一方向の撚りを加えて実装した光ファイバケーブルにおいて、前記複数本の光ファイバテープ心線を構成する全ての光ファイバの撚られていない状態におけるテープ心線の固有複屈折の最大値がＢ１、最小値がＢ２（単位はｒａｄ／ｍ、いずれも正の実数）であるとき、前記一方向の撚りの撚りピッチＰ（単位はｍ、正の実数）を

に設定したことを特徴とする。

あるいは、複数の光ファイバを並列に並べて一体化した光ファイバテープ心線を複数本集合し、これらにそれぞれ一方向の撚りを加えて実装した光ファイバケーブルにおいて、前記一方向の撚りの撚りピッチをＰ（単位はｍ、正の実数）としたとき、前記複数本の光ファイバテープ心線として、撚られていない状態におけるテープ心線の固有複屈折の値が

の関係を満たす任意の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２（単位はｒａｄ／ｍ、いずれも正の実数）の間に収まる光ファイバのみから構成される光ファイバテープ心線を選定したことを特徴とする。

本発明によれば、光ファイバテープ心線を構成する全ての光ファイバの複屈折の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２が共に等しく小さな値であるＢｃａｂｌｅとなるように、光ファイバテープ心線に加える一方向の撚りの撚りピッチＰを設定する、もしくは、光ファイバテープ心線に加える一方向の撚りの撚りピッチＰにおける複屈折の値が共に等しく小さな値であるＢｃａｂｌｅとなる任意の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２の間に収まる光ファイバのみから構成される光ファイバテープ心線を選定することにより、光ファイバケーブル内の全ての光ファイバの複屈折ｘが常にｘ≦Ｂｃａｂｌｅとなるため、各光ファイバのＰＭＤのばらつきを小さく、かつその最大値を小さくした光ファイバケーブルを実現でき、係る光ファイバケーブルを用いて光伝送路を構築することで、ＰＭＤによる伝送制限を緩和することができ、光ファイバ通信の一層の高速化・長距離化を実現することができる。

以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

図１は本発明に用いる光ファイバケーブルの代表的な構造を示すもので、同図（Ａ）はスロットロッドを用いた構造の断面図、同図（Ｂ）はスロットレス構造の断面図である。

即ち、図１（Ａ）の構造では、表面に１以上の溝（スロット）が設けられたスロットロッド１の溝内に、複数の光ファイバを並列に並べて一体化した光ファイバテープ心線２が複数本積層されて収納され、さらにその周囲に押さえ巻きテープ３および外被４が施されて構成されている。また、図１（Ｂ）の構造では、複数の光ファイバを並列に並べて一体化した光ファイバテープ心線２が複数本積層（ここでは縦横の両方向に積層）され、その周囲が充填剤５で保持・固定され、さらにその周囲に押さえ巻きテープ３および外被４が施されて構成されている。なお、図１（Ａ）（Ｂ）において、符号６で示されているのは抗張力体である。

ここで、図１（Ａ）に示す光ファイバケーブルでは、スロットロッド１の溝が螺旋状に形成されており、それによって該溝に収納された光ファイバテープ心線２に一方向の撚りを加える如くなっている。また、図１（Ｂ）に示す光ファイバケーブルでは、積層された光ファイバテープ心線２自体が一方向に撚りを加えられた状態で充填剤５により保持・固定される如くなっている。

＜第１の実施の形態＞
光ファイバケーブルに実装する前の５本のテープ心線を構成する各光ファイバ（１本のテープ心線当たり４本の光ファイバを含むため合計２０本）の複屈折を測定した結果、最大値は３．１４ｒａｄ／ｍ、最小値は０．２４ｒａｄ／ｍであった。

前述したテープ心線を光ファイバケーブルに実装して一方向の撚りを加えた場合の、複屈折の最大値および最小値（以下、テープ心線の固有複屈折の最大値および最小値と呼び、それぞれＢ１およびＢ２で表す。）の撚りピッチ（Ｐ）に対する変化の計算結果を図２に示す。

一般に、光ファイバに撚りを加えた状態における、光ファイバの複屈折の大きさＢｔは、非特許文献２で示されているように、以下の式で与えられる。

ここで、Ｂは撚りを加える前の光ファイバの複屈折の大きさ、Ｔは捻率（撚りピッチＰの逆数；Ｔ＝１／Ｐ）、Ｂω＝ｄＢ／ｄω、Ｂｃ＝ｇＴ（ｇは回転係数）、Ｂｃω＝ｄＢｃ／ｄωである。

この際、光ファイバの光弾性効果の波長依存性を無視できるものと仮定すると、Ｂω＝Ｂ／ω、Ｂｃω＝Ｔ×ｄｇ／ｄωと表すことが出来る。さらに、通信用波長の１５５０ｎｍ帯の波長で一般的な石英系光ファイバを用いることを考えると、ｇ＝０．１６、ω＝２π×ｖ／（１５５０×１０＾−９）（ｖは真空中の光速＝３．０×１０＾８）、ω／ｇ×ｄｇ／ｄω＝０．０９となる。

以上の関係を用いて、テープ心線の固有複屈折の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２（単位はｒａｄ／ｍ）をそれぞれ有する光ファイバが光ファイバケーブルに実装され、所定の撚りピッチＰ（単位はｍ）の一方向の撚りが加えられた時、前記光ファイバが等しく小さな複屈折Ｂｔを有するためには、上記（１）式のＢに最大値Ｂ１および最小値Ｂ２をそれぞれ代入した際に得られるＢｔが等しくなる必要があるため、次式の関係を導くことができる。

図２における複屈折の最大値Ｂ１の変化を見ても分かるように、撚りピッチが短くなっていくと、ある捻率で複屈折は０となり、それ以上撚りピッチが短い領域では再び大きくなる。これは、ある捻率以上になると、右回り円偏光と左回り円偏光との間の複屈折が逆に大きくなるためである。なお、複屈折が０となる撚りピッチは、テープ心線の固有複屈折の大きさによって異なる。

従って、テープ心線の固有複屈折の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２を有する光ファイバに対してのみ、図２のように撚りが加えられた場合の複屈折の変化を把握することで、複屈折ｘがＢ２≦ｘ≦Ｂ１の範囲にある他の光ファイバは、常に図２中の網掛けで示した範囲に収まることが分かる。

さらに、ここでテープ心線の固有複屈折の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２の変化で与えられる２つの曲線の交点、即ち前述した等しく小さな複屈折Ｂｔ（以下、Ｂｃａｂｌｅで表す。）が与えられる撚りピッチ約４６０ｍｍにおいて、約０．１２ｒａｄ／ｍの小さな複屈折の最大値を有することが分かる。

そこで、本発明の第１の実施の形態では、テープ心線の固有複屈折の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２であるとき、前記一方向の撚りの撚りピッチＰを上記（２）式で求められる値に設定することとする。これにより、光ファイバケーブル内の全ての光ファイバの複屈折のばらつきを小さくすることができ、かつ最大の複屈折も小さくすることが可能である。

図３は本発明を適用した光ファイバケーブルにおける各光ファイバのＰＭＤの測定結果と、本発明を適用しなかった光ファイバケーブルにおける各光ファイバのＰＭＤの測定結果とを、横軸をＰＭＤ、縦軸を出現頻度として比較して示したものである。いずれの光ファイバケーブルも撚りピッチは同じ５００ｍｍであり、前記Ｂｃａｂｌｅが与えられる撚りピッチ約４６０ｍｍに近い値となっている。本発明を適用しなかった光ファイバケーブルでは、テープ心線の固有複屈折を把握していないため、光ファイバケーブルに実装することで、ＰＭＤが大きくばらついていることが分かる。一方、本発明を適用した光ファイバケーブルでは、ＰＭＤが小さく、ばらつきも小さいことが分かる。

以上のように、本発明を用いることで、光ファイバケーブル内の各光ファイバの複屈折のばらつきを小さくすることができ、かつ最大の複屈折も小さくすることが可能となるため、ＰＭＤを低減した光ファイバケーブルが実現できる。

＜第２の実施の形態＞
図４は撚りピッチ５００ｍｍでテープ心線を実装した光ファイバケーブルにおいて、前記Ｂｃａｂｌｅが与えられるテープ心線の固有複屈折の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２の組合せを示したものである。ここで、テープ心線の固有複屈折の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２の組合せは、撚りピッチＰ（単位はｍ）と、テープ心線の固有複屈折の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２（単位はｒａｄ／ｍ、いずれも正の実数）とを用いて、次式の関係を満たす範囲となる。

図４中の実線上の任意の一点より、テープ心線の固有複屈折の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２を算出することができる。例えば、図４において、点Ａは（Ｂ１，Ｂ２）＝（２．８，０．５）であり、０．５≦ｘ≦２．８の範囲から光ファイバケーブルに実装するテープ心線を選定する必要がある。なお、図４中の点ＡがＢ１＝Ｂ２の直線に近づくほど、テープ心線の固有複屈折の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２の幅が小さくなり、光ファイバケーブルに実装するテープ心線を選定することが難しくなるため、図４中の実線上の任意の一点はＢ１＝Ｂ２の直線から離れた点を選ぶことが好ましい。

本発明の第２の実施の形態では、前述のように、図４中の実線上の任意の一点より与えられる、テープ心線の固有複屈折の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２に基づいて、光ファイバケーブルに実装するテープ心線を選定する、言い換えれば、光ファイバケーブルにより加えられる一方向の撚りの撚りピッチをＰとしたとき、複屈折の値が上記（３）式の関係を満たす任意の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２の間に収まる光ファイバのみから構成される光ファイバテープ心線を選定することで、光ファイバケーブル内の光ファイバの複屈折のばらつきを小さくすることができ、かつ最大の複屈折も小さくすることが可能となり、ＰＭＤを低減した光ファイバケーブルが実現できる。

なお、上記（２）、（３）式は、テープ心線を構成する光ファイバが一般的な石英系光ファイバであることを前提としているが、通信波長としては１５５０ｎｍ帯だけでなく、１３１０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯等も同様に利用可能である。

本発明に用いる光ファイバケーブルの代表的な構造を示す断面図 テープ心線の固有複屈折の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２の撚りピッチに対する変化の計算結果を表す図 本発明を適用した光ファイバケーブルおよび本発明を適用しなかった光ファイバケーブルにおけるＰＭＤの分布を示す図 撚りピッチ５００ｍｍの光ファイバケーブルにおいてＢｃａｂｌｅが与えられるテープ心線の固有複屈折の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２の組合せを示す図

符号の説明

１：スロットロッド、２：光ファイバテープ心線、３：押さえ巻きテープ、４：外被、５：充填剤、６：抗張力体。

Claims (2)

1. 複数の光ファイバを並列に並べて一体化した光ファイバテープ心線を複数本集合し、これらにそれぞれ一方向の撚りを加えて実装した光ファイバケーブルにおいて、
   前記複数本の光ファイバテープ心線を構成する全ての光ファイバの撚られていない状態におけるテープ心線の固有複屈折の最大値がＢ１、最小値がＢ２であるとき、前記一方向の撚りの撚りピッチＰを
   

   

   に設定した
   ことを特徴とする光ファイバケーブル。
2. 複数の光ファイバを並列に並べて一体化した光ファイバテープ心線を複数本集合し、これらにそれぞれ一方向の撚りを加えて実装した光ファイバケーブルにおいて、
   前記一方向の撚りの撚りピッチをＰとしたとき、前記複数本の光ファイバテープ心線として、撚られていない状態におけるテープ心線の固有複屈折の値が
   

   

   の関係を満たす任意の最大値Ｂ１および最小値Ｂ２の間に収まる光ファイバのみから構成される光ファイバテープ心線を選定した
   ことを特徴とする光ファイバケーブル。

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