JP5384200B2 - 海底用光ファイバ伝送システム - Google Patents

Description

本発明は改良された光ファイバ、特に長距離および中距離の海底用途に適合する光ファイバケーブルに関する。

海底用の光ファイバケーブルは多数の波長分割多重（ＷＤＭ）チャネルが極めて高い伝送容量を備える現在の形態まで多年にわたって進化してきた。この結果に到達するために、過度の分散の蓄積、四波混合のような不都合な非線形効果、増幅器間の過度の伝送損失、それぞれの増幅器段階での過度の接合損失などを避けるために、光ファイバの特性は注意深く扱われる。最新の代表的な海底ケーブルは全伝送長にわたって蓄積される分散の量をコントロールするために、分散補償ファイバ（ＤＣＦ）と交互に接続された負分散ノンゼロ分散ファイバ（ＮＺＤＦ）からなる伝送長を採用する。初期の海底ケーブルはいくつかの増幅器の径間長（スパン長）、例えば増幅器間の距離、をカバーする「ブロック」として設計された。一つのブロックはいくつかの連続した負分散伝送ファイバを有し、かなりの負分散を蓄積した地点でブロックはＤＣＦ（正分散）ファイバにより終端され、分散の蓄積を低く保持するために、これらのファイバの分散値は意図的に低くされた。

進歩した光ファイバ増幅器のプロトコルの導入により大きな負分散の蓄積が可能になった。したがって、より新しい海底ケーブルの設計は「ブロックレス」であって、一本のＤＣＦファイバと接続された一本の負分散係数伝送ファイバを交互に有する。伝送ファイバのそれぞれ互いの増加が補償されるので、蓄積する分散値をより高くすることが可能である。通常、より進歩したこれらのケーブル設計は新たな特徴である分散勾配も管理する。負分散伝送ファイバの分散勾配はわずかに負である。このことが正分散勾配を持つ補償ファイバに適合する。これらのケーブルの設計は、両方の特性−分散と分散勾配−が同時に管理されるので複雑である。これらのケーブルの製造もまたコスト増と共に複雑である。負分散で分散勾配が管理された光ファイバの有効断面積が比較的小さく、減衰が比較的大きくなることが更なる複雑さを加えている。これらの特性は伝送損失（ｄＢ／ｋｍ）および接合損失の両方にマイナスの結果をもたらす。したがって、総合的なデザインではケーブルの端から端までの損失が顕著に増加する結果になる。損失の増加に対して信号の強度を維持するためには、かなりの費用を必要とする増幅器を追加することが必要である。分散勾配を管理することが損失の増加に対する容認できる代償と期待されていた。しかし、多くの場合、そのようにはならない。

光ファイバのいろいろな特性の間のトレードオフを効果的に扱い、分散勾配を管理するより低価格の伝送容量を備える新しい海底ケーブルの設計が望まれている。

海底用途に適する光ファイバケーブルが設計され、それはケーブルに使われる光ファイバがより経済的であり、ケーブル製造の複雑さが低減される。新しい光ファイバは比較的大きな有効断面積、大きな負分散係数を有し、かつ減衰が比較的低い。それはブロックレスの海底ケーブル設計のために、経済的な標準シングルモードファイバ（ＳＳＭＦ）、あるいは超大有効断面積ファイバ（ＳＬＡ）と効果的に組み合わされる。負分散係数のファイバは、例えば、逆分散ファイバ（ＩＤＦ）よりもはるかに大きな有効断面積を有し、したがって接合損失を低減する。
本発明のよりよい理解のために、添付の図、および請求の範囲とにより以下に説明する。

本発明の伝送特性を有する光ファイバの屈折率プロファイルを示す。 コアアルファが異なる二つの屈折率プロファイルを示す。 多数の正分散ＳＬＡと逆分散ファイバＩＤＦの組合せを示す従来技術による海底ケーブル設計の分散対長さのプロットを示す。 本発明による負分散係数のファイバと組み合わされた高い正分散係数のＳＬＡ伝送ファイバを用いる本発明の海底ケーブル設計を示す、図３と同様のプロットを示す。

本発明による高い負分散係数のファイバは以下の特性を有する。

大面積（ＬＡ）、および大きな負分散（ＬＮＤ）の組合せがこの光ファイバ設計の特徴であって、ＬＡＬＮＤと称する。

光ファイバの共通の目的はいわゆる三重クラッド形態（ｔｒｉｐｌｅ ｃｌａｄ ｓｈａｐｅ）を有する屈折率プロファイルを持つファイバである。広範囲な光伝送特性が複雑な屈折率プロファイルを用いて実現できるが、単純に三重クラッドプロファイルを使って上記の表の伝送特性を有する光ファイバを生成することは簡単ではない。この形態は主にドープしないシリカよりも大きい屈折率を有するシリカからなる中心部コアを含む。通常、この領域の高い屈折率はシリカにゲルマニウムをドープすることにより達成される。コアの形態はよく知られたアルファプロファイルによって記述できるが、しかし、一般にプリフォーム製造プロセスに関連する問題によって生じる軸上の「屈折率のくぼみ」を含むこともある。コアのアルファパラメータは通常１よりも大きいが、約２０よりは小さいか等しい。中心部のコアはドープしないシリカの屈折率よりも小さい屈折率の環状領域に囲まれている。この「溝」領域内の屈折率は半径の関数としてほぼ一定であるが、半径に対する屈折率の傾きがゼロに近くない内側および外側の半径領域における屈折率の遷移する領域であってもよい。通常、溝領域内の低い屈折率はフッ素をドープしたシリカを用いて形成される。溝領域はリング領域と言われる屈折率が高い他の環状領域によって囲まれている。リング領域は、領域の境界付近を除いてほぼ一定の屈折率を有する。通常、リング領域はドープしないシリカよりも屈折率を高くするためにゲルマニウムをドープされる。リングの外側半径よりも大きな半径の領域はクラッド領域と言われる。クラッド領域は一般にドープしないシリカによって形成されるが、屈折率を下げた領域を含んでもよい。クラッド領域内の屈折率を下げた層はフッ素のドープ、あるいはシリカ中の空隙の存在によって達成される。

三重クラッド屈折率形態を有し、標準的な製造技術を用いる、上記の伝送特性を有する光ファイバが図１に示される。これらのプロファイルはコア領域のアルファパラメータが約２０のときに望ましい形となる。図１のプロファイルの例はステップインデックス型のコア形態を用い、一般に２０よりも大きいコアアルファを有する。多くの場合、約１から約１０の範囲にあるアルファの値を持つ「アルファプロファイル」形態で記述されるグレーデッド型屈折率のコアを有するファイバを作ることが望ましい。アルファプロファイルが使われるとき、通常、コア半径はより大きく、コアデルタの最大値は一般に同等の伝送特性を持つステップインデックス型ファイバよりも高い。上に述べられた同様の望ましい伝送特性はこれらのより小さいコアアルファの値によって得られる。一般に、より小さい値のコアアルファによって実現される同等の伝送特性を有するファイバについて、コア半径はわずかに大きく、例えば３−５ミクロンであり、かつ、コアの屈折率の最大値は図示のプロファイルと比較するとわずかに高い。

図２は、上にリストアップした範囲内の伝送特性を達成する光ファイバの屈折率プロファイルの例を示している。実線のカーブはコアアルファが２０に等しいステップインデックス型のプロファイルを示す。点線のカーブはコアアルファが６に等しいグレーデッドインデックス型のプロファイルを示す。

これら既に述べたことに加えて、他の関心ある光ファイバ特性は偏波モード分散（ＰＭＤ）である。最新のケーブルの許容限界内のＰＭＤはまさに議論した特性および屈折率プロファイルを有する光ファイバに一般的に見られる。これらの光ファイバのＰＭＤの有用な仕様は０．０４ｐｓ／ｋｍ^０．５、あるいはそれより小さい。

上記の高い負分散係数の光ファイバは海底伝送ケーブル用、特にいわゆるブロックレス設計で正および負分散係数ファイバを組合せて用いる用途向けに設計される。しかし、これら独特の伝送特性を有する光ファイバについてその他の用途があり得ることが理解されるべきである。

海底で使われる増幅器が陸上のケーブルに使われるものよりもかなり頑丈に設計する必要があるという事実により、海底ケーブルの設計は複雑である。例として、集中型増幅器は海底で使用されていない。したがって海底ケーブルの増幅器は高価格であり、それが損失のわずかな低減であっても、伝送信号のパワー損失を低減する光ファイバ設計は長尺の海底ケーブルに対して大きなコストインパクトを持ち得る。増幅器の間のスパンは一般に８０−１００ｋｍである。太平洋横断海底ケーブルは数十個の増幅器を有する。最近報じられた「単一」太平洋横断ケーブルは長さが１０，０００ｋｍある。

最近開発された最新の海底ケーブル設計は、径間（スパン）にＳＬＡおよびＩＤＦファイバを対にして使う分散管理設計である。一般に「ブロック化された」分散マップは、おおよそ１０の伝送増幅器径間について一つの補償ファイバ増幅器径間を配して、それぞれの伝送ファイバ増幅器の平均分散が２−４ｐｓ／ｎｍ−ｋｍになるように構成される。このいわゆるブロック化された設計は蓄積された分散と分散勾配の両方を管理する。ＳＬＡファイバは比較的小さい正の分散勾配を持ち、ＩＤＦファイバは比較的小さい負の分散勾配を持つ。また、分散の値は符号が反対である。このことが、一つの増幅器径間で使われて、波長分散が小さいだけでなく、分散の蓄積が低くなるようにこれらのファイバの組合せを可能にする。

図３の分散マップにおいて、海底の伝送距離対蓄積された分散のプロットが示される。図示の分散マップは従来技術によって分散、および分散勾配を管理されたケーブルについて示されている。ＳＬＡファイバは実線（１１）で示され、対になったＩＤＦファイバは点線（１２）で示される。増幅器は１４に示される。通常、適合するファイバの対を用いて組み立てられたケーブルは、図３に示されるように、長い伝送距離にわたって負分散を蓄積する。蓄積された分散を低減するために適当な長さのＤＣＦが周期的な間隔で挿入され、その配列順序は必要な伝送路の長さに応じて継続される。図示の伝送長は多くの島嶼間（ｉｎｔｅｒ−ｉｓｌａｎｄ）、あるいは沖合いでの用途に適している。大陸間ケーブル用途では図３に示されるケーブル長が数回繰り返して使用される。

図３の伝送ケーブルは増幅器の径間が約１００ｋｍであることが観察されている。そのため、海底距離を１０００ｋｍ以上に延ばすには１０台の増幅器を必要とする。

図３には示されていないが、増幅器の部分でのケーブル接合に加えて、ファイバ長１１および１２が接続されるところで更なるファイバの接合がある。これらの接続点でいっしょに接合される光ファイバはＩＤＦ光ファイバに接合されるＳＬＡ光ファイバである。ＩＤＦ光ファイバは、希望通りの負分散勾配を有するが、同時にその有効断面積は比較的小さい。従来のＩＤＦ光ファイバの有効断面積は約３０μｍ^２である。このことによる結果の一つはＩＤＦファイバがＳＬＡファイバに接合されるとき、接合損失は大きく、一般に０．３ｄＢであるということである。同じく図３には示されないが、一般にＩＤＦファイバ間に生じる接合がある。これらもＳＬＡファイバ間の接合あたりの損失０．０４ｄＢと比較すると比較的大きな結合損失であり、一般的には０．１１ｄＢの接合損失を持つ。ＩＤＦファイバを使うことに起因する接合損失の増加に加えて、ＩＤＦファイバの伝送損失（減衰）も比較的高く、通常０．２３ｄＢ、あるいはもっと高い。

ＳＬＡ−ＩＤＦの対に対する（増幅器間の）径間あたりの全損失は、それぞれのＳＬＡ長に一つのＳＬＡとＳＬＡの接合（０．０４ｄＢ）、それぞれのＩＤＦ長に一つのＩＤＦとＩＤＦの接合（０．１１ｄＢ）、および一つのＳＬＡとＩＤＦ接合（０．３ｄＢ）と仮定し、ＳＬＡファイバの伝送損失量０．１８５、ＩＤＦファイバに対して０．２３５、そして分散勾配を整合した対でＳＬＡ対ＩＤＦの長さの比を３４／６６とすると、径間あたりの損失は、
伝送損失 ： （６６×０．１８５）＋（３４×０．２３５）＝２１．８ｄＢ
接合損失 ： ０．０４＋０．１１＋０．３＝０．４５ｄＢ
径間あたりの全損失 ＝ ２２．２５ｄＢ

ここに議論されたＩＤＦファイバのかわりに本発明の負分散光ファイバ（ＬＡＬＮＤ）による同様の海底ケーブル設計が図４に示される。実線２１がＳＬＡファイバを表し、点線２２がＬＡＬＮＤを表す。この図で、分散の値が負になる量が少なく、ＳＬＡ対ＬＡＬＮＤの長さの比はより等しく、ＳＬＡについて２０／１４、ＳＳＭについて１７／１４であることが明白である。増幅器は２４で示される。蓄積分散をゼロ以下に進めるために、分散マップは一組合せあたりやや過剰な負分散を示す。分散マップの全体としての傾きはＳＬＡ対ＬＡＬＮＤの選択した長さの比に依存する設計上の選択である。

ＬＡＬＮＤファイバを使うことによる低い伝送損失、および低い接合損失の利点は図４で明らかである。ファイバ間の径間長が増えるので、増幅器は１０００ｋｍあたり９個だけ必要である。それは１０，０００ｋｍの海底ケーブルで１０個の増幅器を節約でき、コスト面の著しい利点である。

上記のことによる損失計算が以下に示される。ＳＬＡとＳＬＡの接合損失は（以前のように）０．０４である。ＳＬＡとＬＡＬＮＤとの接合損失は約０．１２である（ＬＡＬＮＤファイバの有効断面積が大きいのでＳＬＡとＩＤＦの接合損失から低減される）。ＬＡＬＮＤとＬＡＬＮＤとの接合損失は０．０５である（これもまた、主としてＬＡＬＮＤファイバの大きな有効断面積による）。

伝送損失はＳＬＡについて（以前のように）０．１８５ｄＢ／ｋｍであり、ＬＡＬＮＤについて０．２ｄＢ／ｋｍである。分散はＳＬＡについて２０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ、ＬＡＬＮＤについて−１４ｐｓ／ｎｍ−ｋｍである。（やや負の）低い蓄積分散を生ずるためのＳＬＡ対ＬＡＬＮＤの長さの比は４対３である。１００ｋｍあたりの総合径間損失は、
伝送損失 ： （５７×０．１８５）＋（４３×０．２）＝１９．１ｄＢ
接合損失 ： ０．０４＋０．０５＋０．１２＝０．２１ｄＢ
径間１００ｋｍあたりの全損失＝１９．３１ｄＢ

ＳＬＡ／ＩＤＦの組合せの径間あたりの損失２２．２５ｄＢと比較すると総合損失で１３％の改善を示す。

上記の比較研究で使われた例はＳＬＡファイバを用いる組合せである。通常、このファイバは比較低大きな正の分散係数、つまり１８ｐｓ／ｎｍ−ｋｍを有する。本発明のＬＡＬＮＤファイバが正分散係数の光ファイバと対にされる海底用の場合、正の係数は少なくとも１０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ、あるいはそれよりも大きいことが望ましい。このことは正対負分散係数ファイバの比が少なくとも１、あるいは１に近いことを可能にし、大きな有効断面積を持つ傾向があり、特殊な負分散係数ファイバよりもコストが低い傾向がある比較的長い正分散係数ファイバの使用を可能にする。先に示されたように、ＳＳＭＦは正分散係数ファイバとして特に適している。それは正の係数が通常は少なくとも１６ｐｓ／ｎｍ−ｋｍである。

一般に海底ケーブルの光ファイバの数は広く異なり、さまざまである。長距離の接続路では、多対の利用可能なファイバを有する。短距離用では、数対が一般的である。最小の構成でも一つの利用可能なファイバー対と一スペア対がいずれの海底用にも期待されている。

本発明の一部分ではないが、説明かつ図示されている増幅器は通常はエルビウムをドープしたファイバ増幅器であるがその他の選択肢もありえる。

当業者には本発明のいろいろ追加的な修正があろう。技術の進歩が拠ってたつ理論およびそれと同等のものに基本的に拠っているこの明細書の具体的な教示から外れるすべてのことは説明され、請求の範囲に主張されるように本発明の範囲内であると適切に考慮されるべきである。

１１ ＳＬＡファイバ
１２ ＩＤＦファイバ
１４ 増幅器
１５ 分散補償ファイバ（ＤＣＦ）
２１ ＳＬＡファイバ
２２ ＬＡＬＮＤ
２４ 増幅器

Claims (12)

1. ガラスコア、およびガラスクラッドからなり、コア部、溝部及びリング部を含む三重クラッド屈折率プロファイルを有する海底ケーブル用のステップインデックス型の光ファイバであって、伝送特性が、
   分散係数 ： −８から−１７ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ、
   分散勾配 ： ＋０．０３から＋０．０７ｐｓ／ｎｍ^２−ｋｍ、
   有効断面積 ： ４０μｍ^２から６０μｍ^２、
   コアアルファ： ２０以上、
   であることを特徴とする光ファイバ。
2. 前記有効断面積が４５から５５μｍ^２であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
3. 偏波モード分散が０．０４ｐｓ／ｋｍ^０．５、あるいはそれより小さいことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
4. 少なくとも二対の光ファイバ伝送経路を含む海底ケーブル用光ファイバケーブルであって、前記伝送経路の各々は、増幅器に接続され、そして負分散係数の光ファイバに結合された正分散係数の光ファイバを含み、前記負分散係数の光ファイバは、コア部、溝部及びリング部を含む三重クラッド屈折率プロファイルを有するステップインデックス型の光ファイバであって、伝送特性が、
   分散係数 ： −８から−１７ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ、
   分散勾配 ： ＋０．０３から＋０．０７ｐｓ／ｎｍ^２−ｋｍ、
   有効断面積 ： ４０μｍ^２から６０μｍ^２、
   コアアルファ： ２０以上、
   である、海底ケーブル用光ファイバケーブル。
5. 前記正分散係数の光ファイバが少なくとも１０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの正分散係数を有することを特徴とする請求項４に記載の海底ケーブル用光ファイバケーブル。
6. 前記正分散係数の光ファイバが少なくとも１８ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの正分散係数を持つ光ファイバであることを特徴とする請求項５に記載の海底ケーブル用光ファイバケーブル。
7. 前記正分散係数の光ファイバが少なくとも１６ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの正分散係数を持つ光ファイバであることを特徴とする請求項５に記載の海底ケーブル用光ファイバケーブル。
8. 前記正分散係数の光ファイバと前記負分散係数の光ファイバとを結合した全体の長さが少なくとも８０ｋｍの長さを有することを特徴とする請求項４に記載の海底ケーブル用光ファイバケーブル。
9. 前記負分散係数の光ファイバケーブルが光ファイバ増幅器の入力部に結合されていることを特徴とする請求項８に記載の海底ケーブル用光ファイバケーブル。
10. 前記正分散係数の光ファイバケーブルが光ファイバ増幅器の出力部に結合されていることを特徴とする請求項８に記載の海底ケーブル用光ファイバケーブル。
11. 減衰が０．２ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
12. 前記分散係数が−１２から−１５ｐｓ／ｎｍ−ｋｍであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。

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