JP3808291B2

JP3808291B2 - 分散シフト光ファイバ

Info

Publication number: JP3808291B2
Application number: JP2000224492A
Authority: JP
Inventors: 寛朽網; 昌一郎松尾
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2020-07-25
Also published as: JP2001324636A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は分散シフト光ファイバに関し、波長多重伝送に適した小さい分散スロープを有するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来検討されている１．５５μｍ帯（１４９０〜１５７０ｎｍ）用の長距離伝送および大容量伝送が可能な波長多重伝送システムにおいては、非線形光学効果を低減し、伝送損失の劣化を防ぐことが重要である。
非線形光学効果は非線形定数によってほぼ決定される。非線形定数はｎ₂／Ａｅｆｆであらわされる。ｎ₂は非線形屈折率であり、Ａｅｆｆは有効コア断面積である。ｎ₂は材料によりほぼ一定なので、Ａｅｆｆの拡大は非線形光学効果を抑制するために有効な手段である。
【０００３】
さらに、波長多重伝送システムにおいては、分散スロープ低減の要求が高まっている。分散スロープとは、波長分散値の波長依存性を示すもので、横軸に波長（ｎｍ）、縦軸に波長分散値（ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ）をプロットした際の曲線の勾配である。
波長多重伝送システムにおいて、伝送路（光ファイバ）の分散スロープが大きいと各波長間の波長分散値の差が大きくなり、各波長の光の伝送状態がばらつくため、全体の伝送特性が劣化する。
また、光通信システムの伝送路としては、実質的にシングルモードであることや、曲げ損失を１００ｄＢ／ｍ以下に保つことが最低限の条件として要求されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来提案されている分散シフト光ファイバにおいては、実質的にシングルモードであることや、曲げ損失を１００ｄＢ／ｍ以下に保つという条件下では、Ａｅｆｆの拡大と分散スロープの低減を同時に十分に満足することは困難であった。
【０００５】
例えば、特開平８−２２０３６２号公報に開示された細径解を用いたデュアルシェイプ型のものは、分散スロープが最小で０．１０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ²前後程度であったため、分散スロープの低減が厳しく要求されるシステムに適用するには不十分な場合があった。
また、特開平１１−１１９０４５号公報に開示された太径解を用いたセグメントコア型のものは、ある程度最近要求されている特性に近いものが得られる。しかしながら、セグメントコア型は、屈折率が増減する５層構造からなる屈折率分布形状であるため、各層の位置、幅、形状などによって微妙に特性が変化する。よって、製造時に各層の半径、比屈折率差などの構造パラメータの高度な制御性が要求され、製品歩留まりの向上に限界があった。
ここで、波長１．５５μｍにおいて、分散シフト光ファイバのコア径を屈折率分布形状の相似形を保ったまま拡大していくと、波長分散値が所望の値になる解が２つ以上存在していることが知られている。このとき曲げ損失やカットオフ波長などの特性が比較的実用的な範囲になる解のうち、相対的にコア径が細い解を細径解、太い解を太径解と呼んでいる。
【０００６】
また、チャンネル数（多重する波長の数）の増加に伴い、これまで用いられてきた伝送帯に、いわゆるＬバンド帯（１５７０〜１６１０ｎｍ帯）を加えた１４９０〜１６２５ｎｍに渡る広い伝送波長帯に適用できる分散シフト光ファイバが要求されるようになってきた。
従来のＡｅｆｆを拡大した分散シフト光ファイバは、１．５５μｍ帯での伝送を視野において設計されているため、Ｌバンド帯において十分な特性を有するものは提供されていなかった。特にＬバンド帯においては、曲げ損失が大きくなることが多かった。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、実質的にシングルモードであることや、曲げ損失を１００ｄＢ／ｍ以下に保つという条件下において、Ａｅｆｆの拡大と分散スロープの低減を同時に満足することができる分散シフト光ファイバを提供することを課題とする。
さらに、できるだけ簡単な構造で、安定した特性のものを効率よく製造できる分散シフト光ファイバを提供することを目的とする。
また、Ｌバンド帯を加えた１４９０〜１６２５ｎｍに渡る広い波長帯においても、実質的にシングルモードであることや、曲げ損失を１００ｄＢ／ｍ以下に保つという条件下において、Ａｅｆｆの拡大と分散スロープの低減を同時に満足することができる分散シフト光ファイバを提供することを課題とする。
特にＬバンド帯において、曲げ損失が小さい分散シフト光ファイバを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明においては以下のような解決手段を提案する。すなわち、第１の発明は、高屈折率の中心コア部と、この中心コア部の外周上に設けられた、この中心コア部よりも低屈折率の階段コア部と、この階段コア部の外周上に設けられた、この階段コア部よりも低屈折率のクラッドからなる屈折率分布形状を有する分散シフト光ファイバにおいて、その中心コア部の半径をｒ１、階段コア部の半径をｒ２、最も外側のクラッドの屈折率を基準にしたときの、中心コア部の比屈折率差をΔ１、階段コア部の比屈折率差をΔ２としたとき、ｒ２／ｒ１が４〜１０、Δ１が０．５６〜０．６５％、Δ２／Δ１が０．０７〜０．１５であり、コア径として太径解を採用し、波長１５５０ｎｍにおいて、Ａｅｆｆが４５〜７０μｍ ^２、分散スロープが０．０５〜０．０７５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ ^２、曲げ損失が１００ｄＢ／ｍ以下、波長分散値が＋０．０５〜＋１０．０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍであり、波長１６１０ｎｍにおいて、Ａｅｆｆが４５〜７０μｍ ^２、分散スロープが０．０５〜０．０７５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ ^２、曲げ損失が１００ｄＢ／ｍ以下、波長分散値が＋０．０５〜＋１０．０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍであり、かつ、カットオフ波長が１０６６〜１３６０ｎｍであって、１４９０〜１６２５ｎｍから任意に選択される使用波長帯において、実質的にシングルモード伝搬となることを特徴とする分散シフト光ファイバである。第２の発明は、第１の発明の分散シフト光ファイバにおいて、そのクラッドが階段コア部の外周上に設けられた第一クラッドと、その外周上に設けられた第二クラッドからなり、第一クラッドの半径をｒ３、第二クラッドの屈折率を基準にしたときの、第一クラッドの比屈折率差をΔ３としたとき、Δ３が−０．１〜０％、（ｒ３−ｒ２）／ｒ１が０．２〜４．０であることを特徴とする分散シフト光ファイバである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は、本発明の分散シフト光ファイバの屈折率分布形状の第一の例を示したもので、この屈折率分布形状は、中心コア部１の外周上に階段コア部２が設けられてなるコア４と、その外周上に設けられた一律の屈折率を有する一層構造のクラッド７とから構成されているデュアルシェイプ型である。
前記中心コア部１は最も高屈折率であり、前記階段コア部２はこの中心コア部１よりも低屈折率であり、また、前記クラッド７はこの階段コア部２よりも低屈折率である。
図中符号ｒ１、ｒ２は、それぞれ、中心コア部１と階段コア部２の半径を示し、Δ１、Δ２は、それぞれ、最も外側のクラッド７の屈折率を基準にしたときの中心コア部１の比屈折率差と階段コア部２の比屈折率差を示している。
【００１０】
この例において、例えば中心コア部１と階段コア部２は屈折率を上昇させる作用を有するゲルマニウムを添加したゲルマニウム添加石英ガラス、クラッド７は純粋石英ガラスから構成されている。
なお、分散シフト光ファイバの屈折率分布形状においては、各層（中心コア部１、階段コア部２、クラッド７）の境界が明確ではなく、丸みを帯びた、いわゆるだれを生じた状態であってもよく、実効的に本発明の分散シフト光ファイバとしての特性を得ることができれば特に限定することはない。
【００１１】
図１（ｂ）は本発明の分散シフト光ファイバの屈折率分布形状の第二の例を示したものである。
この屈折率分布形状が第一の例の屈折率分布形状と異なるところは、クラッド７が、階段コア部２（コア４）の外周上に設けられた第一クラッド５と、この第一クラッド５の外周上に設けられた第二クラッド６とからなる２層構造を備えていることである。
なお、Δ１、Δ２は、最も外側の第二クラッド６の屈折率を基準としている。また、Δ３は第二クラッド６の屈折率を基準にした第一クラッド５の比屈折率差である。ｒ３は第一クラッド５の半径である。
この例において、例えば第一クラッド５は屈折率を低下させる作用を有するフッ素を添加したフッ素添加石英ガラスから形成されている。
【００１２】
本発明の分散シフト光ファイバの使用波長帯は１４９０〜１６２５ｎｍ、一般的には１４９０〜１６１０ｎｍの範囲から適度な波長幅の波長帯が選択される。例えば、光通信システムに用いる光ファイバ増幅器による増幅波長帯などによって、１４９０〜１５３０ｎｍの範囲から所定の波長幅を有する波長帯（例えば１５００〜１５２０ｎｍ）が選択される。または、１５３０〜１５７０ｎｍの範囲から所定の波長幅を有する波長帯（例えば１５４０〜１５６５ｎｍ）が選択される。または、いわゆるＬバンド帯である１５７０〜１６２５ｎｍ、一般的には１５７０〜１６１０ｎｍの範囲から所定の波長幅を有する波長帯（例えば１５７０〜１６００ｎｍ）が選択される。
このようにＬバンド帯からも使用波長帯を選択できることが本発明の特徴のひとつである。
そして、１４９０〜１６２５ｎｍ全域を使用波長帯（伝送波長帯）とすることもできる。
【００１３】
本発明の分散シフト光ファイバにおいて、波長分散値は＋０．０５〜＋１０．０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍとされる。＋０．０５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍよりも小さいと、波長分散値が零に近くなり、非線形光学効果のひとつである４光子混合が発生しやすくなるため不都合である。また、＋１０．０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍよりも大きいと、波形にひすみが生じ、伝送特性の劣化が大きくなる場合がある。
【００１４】
Ａｅｆｆは以下の式から求められるものである。
【００１５】
【数１】

【００１６】
本発明の分散シフト光ファイバは、使用波長帯におけるＡｅｆｆが４５〜７０μｍ²であるため、非線形光学効果を抑制することができる。４５μｍ²未満の場合は非線形光学効果の低減が不十分であり、７０μｍ²をこえるとものは製造が困難である。
使用波長帯における分散スロープは０．０５０〜０．０７５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ²という非常に小さい値を実現することができる。その結果、波長多重伝送において、分散スロープに起因する伝送劣化を防ぐことができる。
【００１７】
曲げ損失は使用波長帯において曲げ直径（２Ｒ）が２０ｍｍの条件の値をいうものとする。
曲げ損失は小さい程好ましく、本発明において、１００ｄＢ／ｍ以下、好ましくは５０ｄＢ／ｍ以下とされる。１００ｄＢ／ｍをこえると、分散シフト光ファイバに加えられる僅かな曲がりなどによって伝送損失が劣化しやすく、敷設時や取り扱い時に余分な損失を生じやすくなるため不都合である。
【００１８】
また、本発明の分散シフト光ファイバはシングルモード光ファイバであるため、使用波長帯において、実質的にシングルモード伝搬を保証するカットオフ波長を有する必要がある。
通常のカットオフ波長は、ＣＣＩＴＴの２ｍ法（以下２ｍ法と記す）による値によって規定されている。しかし、実際の長尺の使用状態においては、この値が使用波長帯の下限値よりも長波長側であってもシングルモード伝搬が可能である。
したがって、本発明の分散シフト光ファイバにおいて、２ｍ法で規定されるカットオフ波長は、分散シフト光ファイバの使用長さと使用波長帯によってシングルモード伝搬可能であるように設定する。具体的には、例えば２ｍ法におけるカットオフ波長が１．８μｍであれば、５０００ｍ程度以上の長尺の状態で、上述の使用波長帯におけるシングルモード伝搬を実現することができる。
【００１９】
また、本発明においては、コア径（ｒ２×２）として太径解を用いる。具体的には、後述するように、シミュレーションによって、図１（ａ）に示した屈折率分布形状においては、ｒ２、ｒ１、Δ２、Δ１という４つの構造パラメータ、図１（ｂ）に示した屈折率分布形状においてはさらにｒ３とΔ３を加えた６つの構造パラメータを設定するにおいて、コア径が太径解になるように、かつ、上述の所望の使用波長帯において、Ａｅｆｆ、分散スロープなどの特性値を満足する設計条件を定める。なお、本発明の分散シフト光ファイバの実際の製造方法としては、ＣＶＤ法、ＶＡＤ法などの従来法を適用することができる。本発明の分散シフト光ファイバの屈折率分布形状は３層あるいは４層であり、また、階段状の比較的単純な形状であるため、構造パラメータの制御などが比較的容易である。
【００２０】
図２は、図１（ａ）に示した屈折率分布形状を有する分散シフト光ファイバの構造パラメータに関する解析結果の一例を示したグラフである。
グラフ中に示されている◇、□、△に対応する５、７、１０は、図１（ａ）に示した中心コア部１と階段コア部２の半径の比率ｒ２／ｒ１である。縦軸はＡｅｆｆ、横軸は分散スロープを示している。推定波長は１．５５μｍである。
このグラフより、ｒ２／ｒ１が大きくなる程分散スロープを低減できることがわかる。上述の好ましい数値範囲内の曲げ損失とＡｅｆｆを得るためにはｒ２／ｒ１を４以上に設定すると好ましい。４未満の場合は良好な特性を得る事が困難となる。また、１２をこえる値に設定すると製造性が低下するため、実質的な上限値は１２とされる。この条件は図１（ｂ）に示した屈折率分布形状においても同様である。
【００２１】
また、図１（ａ）、図１（ｂ）に示した屈折率分布形状において、Δ１は０．５５％〜０．７５％とされる。０．５５％未満の場合は、波長分散値を所望の範囲に設定することが困難になるとともに、曲げ損失が大きくなる傾向がある。Δ１が０．７５％をこえるとＡｅｆｆを十分に大きくすることが困難となる。
Δ２／Δ１は、０．０５〜０．１５であることが望ましい。０．０５未満の場合は曲げ損失が大きくなるため不都合であり、０．１５をこえると分散スロープが規定の範囲を超えてしまい、波長多重伝送用としては不都合である。
【００２２】
表１は、これらの条件を満足する図１（ａ）に示した屈折率分布形状を有する分散シフト光ファイバの具体的な設計例の構造パラメータと特性値を示したシミュレーション結果である。なお、推定波長は１．５５μｍである。
【００２３】
【表１】

【００２４】
いずれも本発明のＡｅｆｆ、分散スロープ、波長分散値、曲げ損失、およびカットオフ波長の好ましい数値範囲を満足し、波長多重伝送システムに適した特性が得られている。
なお、上述のような構造パラメータの数値範囲内から適当な値を選択して組み合わせたとしても、必ずしもこれらの特性値が得られるわけではなく、特性値を満足する構造パラメータの組み合わせを上述のようなグラフやシミュレーション結果から選択する必要がある。よって、本発明の分散シフト光ファイバは構造パラメータによって特定することが困難であるため、特性値によって特定することとした。
【００２５】
さらに図１（ｂ）示した屈折率分布形状においては、Δ３とｒ３を設定する。クラッド７を第一クラッド５と第二クラッド６からなる二層構造としたことにより、第１の例と比較して、構造パラメータの組み合わせ（設定）によっては、カットオフ波長をさらに短くすることができ、Ａｅｆｆをさらに拡大できるという効果がある。
【００２６】
図３（ａ）、図３（ｂ）は、図１（ｂ）に示したクラッドが２層構造からなる屈折率分布形状において、それぞれΔ３と曲げ損失の関係と、Δ３とＡｅｆｆの関係を示したものである。推定波長は１．５５μｍである。
Δ１、Δ２、ｒ１、ｒ２はいずれも共通であり、固定されている。すなわち、Δ１は０．５６％、Δ２は０．０６％である。
このグラフより、Δ３を小さくするとＡｅｆｆを大きくすることができるが、曲げ損失が大きくなってしまうことがわかる。
また、（ｒ３−ｒ２）／ｒ１によっても挙動が異なる。
したがって、これらの構造パラメータと特性との関係を考慮して、上述の特性の好ましい数値範囲を満足するように構造パラメータを設定する。
【００２７】
なお、Δ３は−０．１％以上とすると好ましい。Δ３が−０．１％より小さいと、他の構造パラメータとの組み合わせによっては伝送特性が劣化する場合があるためである。
また、（ｒ３−ｒ２）／ｒ１は、製造上、４．０以下であると望ましい。しかし、（ｒ３−ｒ２）／ｒ１が小さいと、Δ３を小さくする必要が生じるため、上述のような伝送特性の劣化をできるだけ抑制するためには、（ｒ３−ｒ２）／ｒ１は０．２以上であることが望ましい。
【００２８】
表２はこれらの条件を満足する分散シフト光ファイバの具体的な設計例の構造パラメータと特性値を示したシミュレーション結果である。
いずれも本発明の分散シフト光ファイバにおけるＡｅｆｆ、分散スロープ、波長分散値、曲げ損失、カットオフ波長の好ましい数値範囲を満足し、波長多重伝送システムに適した特性が得られている。
【００２９】
【表２】

【００３０】
なお、表１、表２に示した分散シフト光ファイバの特性の推定波長は１．５５μｍである。
推定波長を１．６１μｍに設定して同様のシミュレーションを行った結果を表３、表４に示す。表１〜４のいずれにおいても本発明の数値範囲を満足する特性値が得られている。したがって、表１〜４に示した分散シフト光ファイバは、いずれも１．５５μｍ帯のみならず、１５７０〜１６２５ｎｍを加えた広い波長帯（例えば１４９０〜１６１０ｎｍ）においても、波長分散が小さく、曲げ損失が小さく、シングルモード伝送を保証することができるとともに、Ａｅｆｆの拡大により、非線形光学効果が抑制でき、かつ小さい分散スロープにより、波長多重伝送における伝送劣化を抑制できる。
したがって、Ｌバンド帯を加えた広い波長域に適用する波長多重伝送システムにおいても、伝送特性の向上を図ることができる。
【００３１】
【表３】

【００３２】
【表４】

【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の分散シフト光ファイバにおいては、以下のような効果が得られる。
すなわち、実質的にシングルモードであることや、曲げ損失を１００ｄＢ／ｍ以下に保つという条件下において、Ａｅｆｆの拡大による非線形効果の抑制と分散スロープの低減を同時に満足することができ、良好な伝送特性が得られる。この特性は特に波長多重伝送において有効である。
また、階段状の比較的簡単な構造であるため、製造時の構造パラメータの制御が容易で、安定した特性のものを効率よく製造できる。
また、Ｌバンド帯を加えた１４９０〜１６２５ｎｍに渡る広い波長帯においても、上述の特性を維持することができ、波長多重システムの長距離化および大容量化に対応することができる。
特にＬバンド帯において、実用可能な曲げ損失を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、本発明の分散シフト光ファイバの屈折率分布形状の第一の例と第二の例を示した図である。
【図２】図１（ａ）で示した屈折率分布形状を用いた場合の解析例を示したグラフである。
【図３】図３（ａ）と図３（ｂ）はそれぞれ図１（ｂ）に示した第二の例の屈折率分布形状を用いた場合の曲げ損失とＡｅｆｆのΔ３と（ｒ３−ｒ２）／ｒ１の組み合わせによる変化を示したグラフである。
【符号の説明】
１…中心コア部、２…階段コア部、４…コア、５…第一クラッド、６…第二クラッド、７…クラッド。

Claims

高屈折率の中心コア部と、この中心コア部の外周上に設けられた、この中心コア部よりも低屈折率の階段コア部と、この階段コア部の外周上に設けられた、この階段コア部よりも低屈折率のクラッドからなる屈折率分布形状を有する分散シフト光ファイバにおいて、
その中心コア部の半径をｒ１、階段コア部の半径をｒ２、最も外側のクラッドの屈折率を基準にしたときの、中心コア部の比屈折率差をΔ１、階段コア部の比屈折率差をΔ２としたとき、ｒ２／ｒ１が４〜１０、Δ１が０．５６〜０．６５％、Δ２／Δ１が０．０７〜０．１５であり、
コア径として太径解を採用し、
波長１５５０ｎｍにおいて、Ａｅｆｆが４５〜７０μｍ ^２、分散スロープが０．０５〜０．０７５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ ^２、曲げ損失が１００ｄＢ／ｍ以下、波長分散値が＋０．０５〜＋１０．０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍであり、
波長１６１０ｎｍにおいて、Ａｅｆｆが４５〜７０μｍ ^２、分散スロープが０．０５〜０．０７５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ ^２、曲げ損失が１００ｄＢ／ｍ以下、波長分散値が＋０．０５〜＋１０．０ｐｓ／ｋｍ／ｎｍであり、かつ、
カットオフ波長が１０６６〜１３６０ｎｍであって、１４９０〜１６２５ｎｍから任意に選択される使用波長帯において、実質的にシングルモード伝搬となることを特徴とする分散シフト光ファイバ。
請求項１に記載の分散シフト光ファイバにおいて、そのクラッドが階段コア部の外周上に設けられた第一クラッドと、その外周上に設けられた第二クラッドからなり、第一クラッドの半径をｒ３、第二クラッドの屈折率を基準にしたときの、第一クラッドの比屈折率差をΔ３としたとき、Δ３が−０．１〜０％、（ｒ３−ｒ２）／ｒ１が０．２〜４．０であることを特徴とする分散シフト光ファイバ。