JP6084698B2 - 大有効面積を有するシングルモード光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、シングルモード光ファイバに係る。該光ファイバは、低いケーブルカットオフ波長を持ち、ベンド耐性が優れ、大有効面積を有するものであり、容量が大きく、伝送速度が高い長距離輸送システムに適用される。

光ファイバ伝送技術の発展に伴う、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）とダブリューディーエム（ＷＤＭ）は９０代中期に応用されていた。ＷＤＭシステムは、利用するコンバイナと分波器の挿入損失が大きいので、ＥＤＦＡで増幅し補償する。しかし、光量を増幅すると、光ファイバにおいての非線形効果が増加する。光非線形効果は、四光波混合と、自己位相変調と交差位相変調などを含み、光伝送の容量と距離を制限する。大容量高伝送速度輸送システムは、光ファイバの性能に対する要求が高まり、光ファイバの性能改善で非線形効果を低下する目的を満たせる。

高光量密度システムが利用される場合、非線形係数は、非線形効果によるシステム性能を評価するパラメータｎ２/Ａｅｆｆである。ｎ２は伝送光ファイバの非線形屈折率であり、Ａｅｆｆは伝送光ファイバの有効面積である。光ファイバの有効面積を増加すると、光ファイバにおいての非線形効果が低下できる。

光ファイバ有効面積は、モードフィールド分布に関して、国際電気通信連合データ通信標準化セクターＩＴＵ−Ｔの標準Ｇ．６５０．２は以下の公式を定義した。
Ａｅｆｆ＝ｋπｗ^２ （１）
ｋは修飾因子であり、異なる屈折率断面を有する光ファイバによって、ｋは異なる。ｗ＝ＭＦＤ/２、ＭＦＤは光ファイバのモードフィールド径であり、光ファイバを設計する時に、ＭＦＤを増加すると、Ａｅｆｆが上昇する。光ファイバコア層の屈折率と径を変更することにより、ＭＦＤが増える一方、他の光ファイバ性能、例えばカットオフ波長とベンド性能が悪化することは、当業者にとって明白である。

理論の上では、光ファイバベンド性能は光ファイバのモード信頼性評価基準ＭＡＣと比例関係となり、ＭＡＣ値が高ければ高いほど、ベンド性能が劣化する。ＭＡＣ値は、光ファイバのモードフィールド径とカットオフ波長との比率である。大有効面積を有する光ファイバが応用波長ウィンドウにおいてシングルモードで伝送するのを確保するには、カットオフ波長が高すぎることがいけない。例えば、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５４標準は、光ファイバのカットオフ波長が１５３０ｎｍを超えてはいけない、と推奨する。したがって、カットオフ波長を一定の数値範囲以内にすれば、ＭＦＤが増えることはＭＡＣ値を増やし、光ファイバベンド性能が劣化する。大有効面積光ファイバの設計は、各光ファイバパラメータの均衡が重要であり、各光ファイバ性能のバランスを取るべきである。

特許文献１は、１５０μｍ^２以上の有効面積を有する光ファイバを掲載した。光ファイバの光ファイバベンド性能の劣化を抑制するため、アウタークラッド層の外側に埋め込みクラッド層が追加された。埋め込みクラッド層によるベンド性能改善の程度は、埋め込みクラッド層の容積に関する。光ファイバ有効面積が大きいほど、埋め込みクラッド層の容積が大きい。ところが、埋め込みクラッド層の容積増加はカットオフ波長を増やし、該発明はカットオフ波長の制限を緩和し、実施例には多数の光ファイバサンプルのカットオフ波長が１５３０ｎｍ以上になり、さらには１８００ｎｍ以上になった。明らかに、これらの光ファイバは１５５０ｎｍ応用波長ウィンドウを満たさない。

光ファイバコア層に埋め込み構造を導入するのは、光ファイバにおける光伝送の電界密度分布を変え、分布曲線が平板化になる。設計が合理であれば、同じモードフィールド径を前提とし、コア層に埋め込み断面構造を有する光ファイバは、普通のステップ型断面構造を有する光ファイバより、大きい有効面積を有する。上記の公式（１）によって、コア層に埋め込み断面構造を有する光ファイバはより高いｋ値を意味する、と理解してもよい。ＭＦＤの増加には限度がある場合、上記の構造は有効面積の増加に有益な効果を奏する。非特許文献１は、埋め込みコア層構造を有する非ゼロ分散ずれ光ファイバ断面を掲載した。該文献には、埋め込みコア層構造を有する光ファイバの電界強度分布は、従来のステップ型非ゼロ分散ずれ光ファイバの電界強度分布と異なり、その差異は前者の有効面積増加の主な原因になる。

特許文献２は、大有効面積光ファイバを掲載し、該光ファイバは、コア層と、埋め込み層と、クラッド層とを含む。ある実施例では、コア層の屈折率分布が放物形である。コア層の放物形分布をベースにし、その放物形がコア層の軸心から離れるように変遷した。変遷した断面は、有効面積の増加に一定の有益な効果を奏する。ところが、その実施例に挙げた光ファイバパラメータは、波長１５５０ｎｍにおいて有効面積が１３１．２μｍ^２であり小さい。

したがって、大有効面積光ファイルの設計にとって、挑戦すべきことは、合理的な光ファイバ断面の設計により、カットオフ波長とベンド性能などの間に均衡をとり、光ファイバ有効面積を可及的に向上させ、非線形効果を低減する目的を満たし、光ファイバを大容量高伝送速度輸送システムに応用させることである。

本発明の内容を説明しやすくするために、一部の用語を定義する。
光ファイバ各層の比屈折率差Δｎｉ：屈折率の変化により、光ファイバのコア軸心から最も近い層を第１サブコア層とし、光ファイバの表層であるＳiＯ_２層をアウタークラッド層とする。第１サブコア層からアウタークラッド層へ順に第１サブコア層、第２サブコア層、アウタークラッド層である。

光ファイバ各層の比屈折率差は以下の公式で定義する。
Δｎｉ＝（ｎｉ−ｎｃ）／ｎｃ×１００％
ｎｉはファイバ層の屈折率であり、ｎｃはクラッド層の屈折率、すなわち、ＳiＯ_２層の屈折率である。

光ファイバの有効面積Ａｅｆｆ：

Ｅは伝送に関する電界であり、ｒは軸心から電界分布点まで距離である。

光ケーブルのカットオフ波長λｃｃ：現在の通常規格のマルチモード光ファイバは、ＩＥＣ（国際電気標準会議）の標準６０７９３−１−４４の定義に基づき、光ケーブルのカットオフ波長λｃｃは、光信号が光ファイバにおいて２２ｍ伝送した後シングルモード信号として伝送しない波長である。測定の時にファイバを半径１４ｃｍの円１周及び半径４ｃｍの円２周巻いてデータを測定する。

中国特許出願公報第１０２３１３９２４号明細書 米国特許第６９０４２１８号明細書

「Ｎｏｎ−ｚｅｒｏ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｓｈｉｆｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｕｌｔｒａ−ｌａｒｇｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｒｅａ ａｎｄ ｌｏｗ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｓｌｏｐｅ ｆｏｒ ｔｅｒａｂｉｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ」Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ２３６ ２００４年 Ｐ６９〜Ｐ７４

本発明により解決しようとする技術問題は、大有効コア断面積を有する光ファイバを提供することである。本発明は光ファイバ屈折率断面構造の設計により、大有効面積を得て、カットオフ波長、ベンド性能などの間の均衡を取れる。

本発明が、上記の提起される問題を解決するために採用する技術案は、以下である。コア層とアウタークラッド層とを含む大有効面積を有する光ファイバは、該光ファイバはコア層を被覆するインナークラッド層とインナークラッド層を被覆する埋め込みクラッド層とを含み、コア層は第１サブコア層と第２サブコア層とを含み、第１サブコア層の半径ｒ１は１．５μｍ〜５μｍであり、比屈折率差Δｎ１が０．０５％〜０．２２％であり、第２サブコア層の径方向の片側における径方向幅ｒ２−ｒ１は１．５μｍ〜５μｍであり、比屈折率差Δｎ２が０．１５％〜０．３４％であり、第１サブコア層の比屈折率差Δｎ１は第２サブコア層の比屈折率差Δｎ２より小さく、Δｎ１＜Δｎ２であり、該インナークラッド層の径方向の片側における径方向幅ｒ３−ｒ２は２．５μｍ〜６μｍであり、比屈折率差Δｎ３が−０．１０％〜０．１０％であり、該埋め込みクラッド層の径方向の片側における径方向幅ｒ４−ｒ３は２．５μｍ〜１０μｍであり、比屈折率差Δｎ４が−１．５％〜−０．２％であることを特徴とする大有効面積を有する光ファイバ。

上記技術案によれば、前記アウタークラッド層はＳiＯ_２層である。

上記技術案によれば、前記第１サブコア層の半径ｒ１は２．５μｍ〜４μｍである。

上記技術案によれば、前記第２サブコア層の径方向の片側における径方向幅ｒ２−ｒ１は２μｍ〜４．５μｍであり、好ましくは２．５μｍ〜４μｍである。

上記技術案によれば、光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて有効面積が１２０μｍ^２〜１５０μｍ^２であり、好ましくは１５０μｍ^２〜１８０μｍ^２である。

上記技術案によれば、前記光ファイバからなる光ケーブルは、波長が１５３０ｎｍ以下である。

上記技術案によれば、光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて分散値が２２ｐｓ/ｎｍ＊ｋｍ以下で、分散スロープが０．０７０ｐｓ/ｎｍ^２＊ｋｍ以下である。

上記技術案によれば、光ファイバは、波長１６２５ｎｍにおいて、３０ｍｍのベンド半径で、ベンド付加損失が０．０５ｄＢ以下である。

上記技術案によれば、コーティングしていない裸光ファイバの外径は１２５μｍである。

本発明により取得する有益な効果は以下のとおりである。第一に、光ファイバ屈折率断面構造の設計により、光ファイバにおいて光伝送の電界密度分布が平板化になり、有効面積を大きくする効果があり、作製した光ファイバの有効面積が１２０μｍ^２以上であり、適宜なパラメータの範囲以内であれば、該光ファイバの有効面積は１５０μｍ^２以上に達せる。大有効面積の光ファイバは、伝送光ファイバにおいての非線形効果を効果的に低減できる。
第二に、使用帯域において、本発明の光ファイバのカットオフ波長、ベンド減衰、分散値などの総合性能パラメータはよく、ケーブルのカットオフ波長は十分に小さく、光ファイバが伝送に応用される場合光信号のシングルモード状態を確保できる。
第三に、本発明の光ファイバは、大有効面積を有する同時に、比較的に低いベンド損失を有する。
第四に、本発明の光ファイバは、容量が大きく、伝送速度が高い長距離輸送システムおよび長距離中継システムに適用される。

本発明の光ファイバの屈折率断面構造分布図である。

以下、詳細な実施例を挙げて本発明をさらに説明する。光ファイバは、コア層と、クラッド層と、アウタークラッド層とを含む。コア層は第１サブコア層と第２サブコア層とを含む。該クラッド層は、インナークラッド層と埋め込みクラッド層とを含む。クラッド層は、内から外へと順に第１サブコア層、第２サブコア層、インナークラッド層、埋め込みクラッド層とアウタークラッド層である。第１サブコア層は半径がｒ１で、比屈折率差がΔｎ１で、第２サブコア層は半径がｒ２で、比屈折率差がΔｎ２で、インナークラッド層は半径がｒ３で、比屈折率差がΔｎ３で、埋め込みクラッド層は半径がｒ４で、比屈折率差がΔｎ４で、アウタークラッド層はＳiＯ_２層である。

本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明に変形および修正がなされることは、当業者にとって明白である。例えば、ＰＣＶＤ、ＭＣＶＤ、ＯＶＤ、ＶＡＤ、ＡＰＶＤなど工程で本発明の屈折率断面構造特徴を有する光ファイバプレフォームを作製する。引抜加工または線引法の工程で、ファイバプレフォームから光ファイバを作製する。ゲルマニウム素ドープ材料、フッ素ドープ材料、ゲルマニウム素とフッ素を共ドープする材料などのドーピング材料で、本発明の屈折率断面分布を得られる。

本発明の屈折率断面パラメータは、表１を参照する。表１に示される光ファイバサンプルの性能パラメータは、表２を参照する。

ＭＦＤは波長１５５０ｎｍにおける光ファイバのモードフィールド径で、Ａｅｆｆは波長１５５０ｎｍにおける光ファイバの実効断面積で、λｃｃは光ケーブルのカットオフ波長で、Ｄは波長１５５０ｎｍにおける分散値で、Ｄｓは波長１５５０ｎｍにおける分散スロープで、Ａｔｔは波長１５５０ｎｍにおける減衰量で、Ｂは波長１６２５ｎｍにおけるマクロベンディングロスである。本発明において、光ファイバマクロベンディングロスは、径６０ｍｍの円筒にファイバを１００周巻き付けた後に測定した付加的な減衰である。

Claims (8)

1. コア層とアウタークラッド層とを含む大有効面積を有する光ファイバにおいて、該光ファイバは該コア層を被覆するインナークラッド層と該インナークラッド層を被覆する埋め込みクラッド層とを含み、該コア層は第１サブコア層と第２サブコア層とを含み、該第１サブコア層の半径ｒ１は１．５μｍ〜５μｍであり、該第１サブコア層の比屈折率差Δｎ１が０．０５％〜０．２２％であり、該第２サブコア層の径方向の片側における径方向幅ｒ２−ｒ１は１．５μｍ〜５μｍであり、該第２サブコア層の比屈折率差Δｎ２が０．１５％〜０．３４％であり、該第１サブコア層の比屈折率差Δｎ１は該第２サブコア層の比屈折率差Δｎ２より小さく、Δｎ１＜Δｎ２であり、該インナークラッド層の径方向の片側における径方向幅ｒ３−ｒ２は２．５μｍ〜６μｍであり、該インナークラッド層の比屈折率差Δｎ３が−０．１０％〜０．１０％であり、該埋め込みクラッド層の径方向の片側における径方向幅ｒ４−ｒ３は２．５μｍ〜１０μｍであり、該埋め込みクラッド層の比屈折率差Δｎ４が−１．５％〜−０．２％であることを特徴とする大有効面積を有する光ファイバ。
2. 前記アウタークラッド層はＳiＯ_２層であることを特徴とする請求項１に記載の大有効面積を有する光ファイバ。
3. 前記第１サブコア層の半径ｒ１は２．５μｍ〜４μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の大有効面積を有する光ファイバ。
4. 前記第２サブコア層の径方向の片側における径方向幅ｒ２−ｒ１は２μｍ〜４．５μｍであることを特徴とする請求項３に記載の大有効面積を有する光ファイバ。
5. 波長１５５０ｎｍにおいて有効面積が１２０μｍ^２〜１５０μｍ^２であることを特徴とする請求項１又は２に記載の大有効面積を有する光ファイバ。
6. 前記光ファイバからなる光ケーブルは、カットオフ波長が１５３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の大有効面積を有する光ファイバ。
7. 波長１５５０ｎｍにおいて分散値が２２ｐｓ/ｎｍ＊ｋｍ以下であり、分散スロープが０．０７０ｐｓ/ｎｍ^２＊ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の大有効面積を有する光ファイバ。
8. 波長１６２５ｎｍにおいて、径６０ｍｍの円筒にファイバを１００周巻き付けた後に測定した光ファイバマクロベンディングロスであるベンド付加損失が０．０５ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の大有効面積を有する光ファイバ。

Images