JP4219830B2 - 光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、低累積分散、及び、低損失を有する光ファイバに関するものである。

分散マネージメント線路で、４０Ｇｂ／ｓを越える高速大容量伝送に対応する光伝送路を得るためには、光伝送路中の累積分散を低減する必要がある。単一モードファイバ（single mode fiber:ＳＭＦ）では、分散が波長１５５０ｎｍにおいて１６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度と大きいため、伝送中の累積分散の影響により、４０Ｇｂ／ｓの高速伝送においては伝送後の波形が著しく劣化してしまう。その点、非零分散シフトファイバ（non-zero dispersion shifted fiber: ＮＺ―ＤＳＦ）では、波長１５５０ｎｍにおける分散を５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度にまで低減しており、高速伝送に適した光ファイバであると言える。しかし、このＮＺ―ＤＳＦを用いて長距離大容量伝送を行う際には、高パワーの光信号を伝送すると、四波混合（four-wave mixing：ＦＷＭ）が生じてしまうという別の問題が発生する。

そこで、分散マネージメント線路に好適に用いられる光ファイバとして、ＳＭＦとＮＺ−ＤＳＦの中間の分散を有するＭＤＦ（medial dispersion fiber）が提案され、ＦＷＭを発生することなく累積分散を低減することに成功している。このＭＤＦで、大容量化に伴い生じてくる非線形現象の影響を抑制するためには、その実効コア断面積（Ａｅｆｆ）を拡大する必要があり、また、長距離大容量伝送に必須の低損失特性も満たす必要がある。

上記要求特性を満たすべく、ＭＤＦの１つの形式として、中心に位置する第１コアの屈折率がその外周側に位置する第２コアの屈折率よりも小さい、凹ガイド型プロファイルを有する光ファイバが提案されている。特許文献１には、第１コア及び第２コアのクラッドに対する比屈折率差をそれぞれ−０．１％〜−０．４％、及び、０．６％〜０．７％とした凹ガイド型のプロファイルの光ファイバが記載されており、この構成によって、波長１５５０ｎｍにおいて、分散が８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍと小さく、かつ伝送損失が０．２１ｄＢ／ｋｍ以下である光ファイバが実現されており、低累積分散と低損失の両立に成功している。しかし、この光ファイバにおいても、波長１５５０ｎｍにおけるＡｅｆｆは、１００μｍ²程度であり、充分な非線形性は得られていない。

一方、高速大容量伝送に適した光ファイバとして、中心に位置する第１コアとその外周側に位置し、第１コアよりも低い屈折率を有する第２コアと、第２コアの外周側に位置し、第２コアよりも低い屈折率を有するクラッドから成るデュアルシェイプ型のプロファイルを有する光ファイバも検討されている（例えば、非特許文献１）。この形式の光ファイバでは、波長１５５０ｎｍにおいて、０．１９５ｄＢ／ｋｍの低損失特性と、８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの分散と、６５μｍ²のＡｅｆｆとが実現されている。しかし、この形式の光ファイバでは、伝送損失を０．１９ｄＢ／ｋｍ以下にまで低減する技術は未だ開発されていない。

特開２００３−２３２９５０号公報 ２０００年電子情報通信学会総合大会予稿集「超広帯域伝送用分散シフトファイバ（Ｃ−３−４４）」

本発明は、上記２種類の光ファイバを改良し、もって低累積分散と、低損失と、実効コア断面積の拡大とを実現できる光ファイバを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１発明に係る光ファイバは、中心から外周方向に向かって順次に配列された、最小屈折率がｎ_c1の第１コア、最大屈折率がｎ_c2の第２コア、及び、屈折率が_ncのクラッドを少なくとも有し、ｎ_c1＜ｎ_c2である光ファイバにおいて、
前記第１コアの比屈折率差Δ１が−０．６％以上で０．２％以下の範囲にあり、前記第２コアの比屈折率差Δ２が０．２％以上で０．５５％以下の範囲にあり、
波長１５５０ｎｍにおける分散が＋５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上で＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲にあり、
波長１５５０ｎｍにおける実効コア断面積（Ａｅｆｆ）が１１０μｍ²以上であり、
波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０．２３ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする。

本発明の第２発明の光ファイバは、中心から外周方向に向かって順次に配列された、最大屈折率がｎ_c1の第１コア、最小屈折率がｎ_c2の第２コア、最大屈折率がｎ_c3の第３コア、及び、屈折率がｎ_cのクラッドを有し、ｎ_c1＞ｎ_c3＞ｎ_c2であるいわゆるＷ−セグメント型プロファイルの光ファイバにおいて、
波長１５５０ｎｍにおける分散が＋５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上で＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲にあり、かつ波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０．１９ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする。

なお、本発明で使用する比屈折率差Δ１、Δ２、Δ３、ΔＣは以下の式（１）〜（４）により定義される。
Δ１＝[（ｎ_C1−ｎ_C）／ｎ_C1]・１００ （１）
Δ２＝[（ｎ_C2−ｎ_C）／ｎ_C2]・１００ （２）
Δ３＝[（ｎ_C3−ｎ_C）／ｎ_C3]・１００ （３）
ΔＣ＝[（ｎ_C−ｎ_g）／ｎ_C]・１００ （４）
ここで、図１に示す凹ガイド型プロファイルの光ファイバでは、ｎ_C1は第１コアの最小屈折率、ｎ_C2は第２コアの最大屈折率、ｎ_C3は第３コアの最小屈折率、ｎ_Cはクラッドの屈折率である。また、図５に示すＷ−セグメント型プロファイルの光ファイバでは、ｎ_C1は第１コアの最大屈折率、ｎ_C2は第２コアの最小屈折率、ｎ_C3は第３コアの最大屈折率、ｎ_gは純シリカの屈折率、そしてｎ_Cはクラッドの屈折率である。

また、本明細書において、カットオフ波長λｃとは、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０で定義するカットオフ波長λｃをいう。その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＩＴＵ−ＴＧ．６５０における定義、測定方法に従うものとする。

本発明の第１発明である凹ガイド型プロファイルを有する光ファイバは、少なくとも第１コア及び第２コアとクラッドとを有し、典型的には、例えば図１に示したような３層コア構造のプロファイルを採用し、第１コア及び第２コアの各比屈折率差Δ１及びΔ２がそれぞれ、−０．６％以上で０．２％以下の範囲、及び、０．２％以上で０．５５％以下の範囲としたことで、波長１５５０ｎｍにおいて、分散が＋５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上で＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲にあり、実効コア断面積（Ａｅｆｆ）が１１０μｍ²以上であり、伝送損失が０．２３ｄＢ／ｋｍ以下の特性を実現する。つまり、本発明の第１発明の光ファイバは、上記屈折率プロファイルを採用することにより、低分散を維持しながら、Ａｅｆｆを１１０μｍ²以上にまで拡大し、かつ伝送損失を０．２３ｄＢ／ｋｍ以下にまで低減できるという効果を奏する。

本発明の第２発明である、Ｗ−セグメント型プロファイルを有する光ファイバは、第１コア、第２コア及び第３コアとクラッドとを有し、典型的には、図５に示した３層コア構造のプロファイルを採用し、好ましくは、クラッドにフッ素を添加し、クラッドの純シリカに対する比屈折率差ΔＣを小さな値（例えば、−０．２％以下）に設定することで、波長１５５０ｎｍにおける分散が＋５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上で＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲にあり、かつ波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０．１９ｄＢ／ｋｍ以下の特性を実現する。つまり、本発明の第２発明の光ファイバは、Ｗ−セグメント型プロファイルを有する光ファイバにおいて、低分散を維持しながら、伝送損失を０．１９ｄＢ／ｋｍ以下にまで低減できる効果を奏する。

以下、図面を参照し、本発明の好適な実施形態例に基づいて本発明を更に説明する。図１（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の第１の実施形態例に係る光ファイバの横断面、及び、その軸方向断面における屈折率プロファイルを示す。本実施形態例の光ファイバは、同図（ａ）に示すように、中心から外周方向に向かって、第１コア１１、第２コア１２、第３コア１３、及び、クラッド１４が順次に配設される。尚、クラッド１４の外側の線は省略されている。

本発明の一実施形態例の光ファイバは、同図（ｂ）に示すような、第１コアの屈折率が第２コアの屈折率よりも低い凹ガイド型の屈折率プロファイルを有する。また、第２コア１２は、クラッド１４よりも高い屈折率を有し、従ってクラッドに対する比屈折率差Δ２が正の値を有する。本実施形態例においては、第１コア１１及び第３コア１３は、クラッド１４よりも低い屈折率を有し、従ってクラッドに対する比屈折率差Δ１及びΔ３が負の値であるが、本発明の光ファイバの屈折率プロファイルはこれに限定されるものではない。本発明の光ファイバでは、第１コア１１のクラッド１４に対する比屈折率差Δ１は、−０．６％以上で０．２％以下の範囲であればよい。また、第２コア１２のクラッド１４に対する比屈折率差Δ２は、０．２％以上で０．５５％以下の範囲であればよく、第３コアの比屈折率差Δ３は、−０．６％以上で０．２％以下の範囲であればよい。第１コア１１の比屈折率差Δ１のより好ましい範囲は、−０．３５％以上で０．０％以下である。上記屈折率プロファイルは、各コア部を構成する純シリカにフッ素（Ｆ）又はゲルマニウム（Ｇｅ）を単独あるいは供に添加することにより得られる。

本実施形態例の光ファイバは、上記凹ガイド型屈折率プロファイルを有することにより、波長１５５０ｎｍにおいて、分散が＋５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上で＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲にあり、実効コア断面積（Ａｅｆｆ）が１１０μｍ²以上であり、且つ、伝送損失が０．２３ｄＢ／ｋｍ以下を実現している。

本発明の第１発明の光ファイバの好ましい態様では、この光ファイバを直径２０ｍｍで曲げたとき、波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下であり、波長１５５０ｎｍにおける偏波分散（polarization mode dispersion: PＭＤ）が０．１ｐｓ／ｋｍ^1/2以下である。また、波長１５５０ｎｍにおける分散スロープが０．０８ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下である。

また、第３コア１３の直径（２ｃ）に対する第１コア１１の直径（２ａ）の比（Ｒａ１＝２ａ／２ｃ）は、０．２以上で０．４５以下の範囲にある。また、第３コア１３の直径（２ｃ）に対する第２コア１２の直径（２ｂ）の比（Ｒａ２＝２ｂ／２ｃ）は０．７以上で０．９以下の範囲にある。なお、本発明では、凹ガイド型プロファイルを有する光ファイバの各部の直径を以下のように定義する。図１において、第１コアの直径２ａは、第１コアと第２コアの境界領域で（Δ２−Δ１）の１／２の比屈折率差を有し、且つ中心を挟んで対向する２つの位置を結ぶ線の長さである。第２コアの直径２ｂは、第２コアと第３コアの境界領域でΔ２の１／２の比屈折率差を有し、且つ中心を挟んで対向する２つの位置を結ぶ線の長さである。第３コアの直径２ｃは、第３コアとクラッドの境界領域でΔ３の１／２の比屈折率差を有し、且つ中心を挟んで対向する２つの位置を結ぶ線の長さである。

以上、説明したように、本実施形態例の光ファイバによると、４０Ｇｂ／ｓを超える高速大容量伝送路に対応するために、図１に示すようなΔ２＞Δ１である凹ガイド型プロファイルを用いて、波長１５５０ｎｍにおいて、分散が＋５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上で＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、実効コア断面積（Ａｅｆｆ）が１１０μｍ²以上であり、且つ、伝送損失が０．２３ｄＢ／ｋｍ以下である光ファイバが実現できる。

図５（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の第２の発明に係る一実施形態例である、Ｗ−セグメント型プロファイルを有する光ファイバの横断面、及び、軸方向断面での屈折率プロファイルを示す。本実施形態例の光ファイバは、中心から外周方向に向かって、第１コア２１、第２コア２２、第３コア２３、及び、クラッド２４を有する。尚、クラッド２４の外側の線は省略されている。
クラッド２４は、フッ素（Ｆ）がドープされて、純シリカ（ＳｉＯ₂）よりも低い屈折率を有する。このようにクラッド２４を純シリカ（ＳｉＯ₂）よりも低い屈折率とすることにより、第１コアに添加するゲルマニウム（Ｇｅ）の量を少なくすることができることから、低損失の光ファイバが実現できる。
また、本実施形態例の光ファイバでは、第１〜第３コアの屈折率が全て純シリカの屈折率よりも低い値に設定してあるが、本発明の光ファイバの屈折率プロファイルはこれに限定されるものではない。

上記構成により、本実施形態例に係る光ファイバでは、波長１５５０ｎｍにおける分散が＋８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上で＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の範囲にある。また、この光ファイバを直径２０ｍｍで曲げたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下であり、波長１５５０ｎｍにおけるＰＭＤが０．１ｐｓ／ｋｍ^1/2以下である。更に、波長１５５０ｎｍにおける分散スロープが０．０８ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下である。

本発明の第２発明の光ファイバの好ましい態様では、第１コア２１の比屈折率差Δ１は、０．３５％以上で０．６％以下の範囲にある。第２コア２２の比屈折率差Δ２は、−０．４０％以上で０．２０％以下の範囲にある。第３コア２３の比屈折率差Δ３は、０．１％以上で０．３％以下の範囲にある。クラッド２４の純シリカ（屈折率ｎ_g）に対する比屈折率差ΔＣは、低損失を得るために−０．２％以下が好ましく、さらに好ましくは−０．３％以下である。

また、第３コア２３の直径（２ｃ）に対する第１コア２１の直径（２ａ）の比（Ｒａ１＝２ａ／２ｃ）は、０．３５以上で０．６以下の範囲にあり、第３コア２３の直径（２ｃ）に対する第２コア２２の直径（２ｂ）の比（Ｒａ２＝２ｂ／２ｃ）は、０．６以上で０．９以下の範囲にある。なお、本発明では、Ｗ−セグメント型プロファイルを有する光ファイバの各部の直径は以下のように定義する。図５において、第１コア２１の直径２ａは、第１コア２１にあってクラッドと等しい屈折率を有し、且つ中心を挟んで対向する２つの位置を結ぶ線の長さである。第２コア２２の直径２ｂは、第２コア２２と第３コア２３との境界領域でクラッド２４と等しい屈折率を有し、且つ中心を挟んで対向する２つの位置を結ぶ線の長さである。第３コア２３の直径２ｃは、第３コア２３とクラッド２４の境界領域でΔ３の１／１０の比屈折率差を有し、且つ中心を挟んで対向する２つの位置を結ぶ線の長さである。

本実施形態例の光ファイバよると、４０Ｇｂ／ｓを超える高速大容量伝送路に対応するために、図５に示すようなＷ−セグメント型プロファイルを用いて、波長１５５０ｎｍにおける分散が＋５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、かつ伝送損失が０．１９ｄＢ／ｋｍ以下である光ファイバが実現できる。なお、入射光の高パワー化に伴うＦＷＭ発生を考慮すると、波長１５５０ｎｍにおける分散が＋８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であることがより好ましい。

凹ガイド型プロファイルを有する光ファイバでは、各コアの比屈折率差Δ１〜Δ３及び直径比率Ｒａ１、Ｒａ２を含むパラメータを変化させたときの、分散、分散スロープ（ｓｌｏｐｅ）、実効コア断面積（Ａｅｆｆ）、カットオフ波長（λｃ）に及ぼす影響は、表１に示すとおりである。

ここで、各パラメータとしては、分散は例えば＋５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上で＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度以下が好ましく、分散スロープは小さい方が好ましく、Ａｅｆｆは大きい方が好ましく、λｃは使用波長より小さいことが好ましい。

表１に示したパラメータのうちでも、特に、第２コアの比屈折率比Δ２は、Ａｅｆｆや、分散、伝送損失に大きく影響を及ぼす因子である。そこで、第２コアの比屈折率差Δ２と、波長１５５０ｎｍにおけるＡｅｆｆ、分散及び伝送損失との関係を調べるために、他のパラメータを固定し、Δ２のみを変えて、上記実施形態例の凹ガイド型プロファイルを有する光ファイバを試作した。他のパラメータとしては、Δ１を−０．１％、Δ３を−０．３％、Ｒａ１（＝２ａ／２ｃ）を０．４、Ｒａ２（＝２ｂ／２ｃ）を０．８程度に設定した。また第３コアの直径２ｃは直径２０ｍｍで曲げたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下になるように調整した。

試作品から得られた、Δ２とＡｅｆｆ及び分散との関係を図２のグラフに示す。同図から、図１に示した凹ガイド型プロファイルで、波長１５５０ｎｍにおいて、分散を＋５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上で＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下に維持しながらＡｅｆｆを１１０μｍ²以上に拡大するためには、Δ２を０．５５％以下にする必要があることが判る。ここで、他のパラメータを最適化することにより、分散を所望の範囲に維持しながらＡｅｆｆをさらに拡大するプロファイルを選択することも可能であるが、伝送損失や曲げ損失を同時に維持することが難しい。

図３に、上記試作品で得られた、Δ２と波長１５５０ｎｍにおける伝送損失との関係を示す。同図から、低損失特性を維持しながらＡｅｆｆを拡大するためには、Δ２を０．５５％以下に設定する必要がある。他の各パラメータに関しても、同様に試作品の特性を測定することにより、表２に示すような主要因及び副要因に基づいて、同表に示す好ましい下限及び上限が決定された。

さらに、パラメータΔ１を種々に変え、他のパラメータを固定して、第１の実施形態例の光ファイバを試作した。他のパラメータとしては、Δ２を０．５％、Δ３を−０．３％、Ｒａ１（＝２ａ／２ｃ）を０．４，Ｒａ２（２ｂ／２ｃ）を０．８程度に設定した。また第３コアの直径２ｃは直径２０ｍｍで曲げたときの波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下になるように調整した。試作品から、図４に示す、Δ１と波長１５５０ｎｍにおける伝送損失との関係が得られた。同図から、Δ１には伝送損失に関して最適領域が存在することが判明した。すなわち、凹ガイド型プロファイルを有する光ファイバで、より低損失特性を得るためには、Δ１が−０．３５％〜０．０％の間の領域に設定されることが好ましい。

本発明の第２実施形態例のＷ−セグメント型プロファイルを有する光ファイバについて、Δ１〜Δ３及びＲａ１，Ｒａ２から成る各パラメータを変化させたときの、分散、分散スロープ、Ａｅｆｆ、λｃに及ぼす影響は、表３に示すとおりである。

種々のパラメータを有する試作品を製作して、その特性を調べた。それらの特性から、各パラメータの最適範囲（下限及び上限）は、表４に示すような主要因、副要因により、同表に示したように決定された。

表２及び表４に示した範囲で各パラメータの値の幾つかを選択して製作された、上記各実施形態例に係る凹ガイド型プロファイル及びＷ−セグメント型プロファイルを有する光ファイバの試作品の構成及びその特性を示す。

尚、表５、表６における分散、分散スロープ（ｓｌｏｐｅ）、Ａｅｆｆ、２０ｍｍで曲げたときの損失（曲げ＠２０Φ）、伝送損失（損失）、及び、ＰＭＤは全て波長１５５０ｎｍにおける値である。
試作品は、分散、分散スロープ、Ａｅｆｆ、λｃ、２０ｍｍで曲げたときの損失、伝送損失、及び、ＰＭＤの何れの特性においても、良好な値が得られた。

（ａ）は本発明の第１の実施形態例に係る、凹ガイド型プロファイルを有する光ファイバの断面図、（ｂ）はその軸方向断面で見た屈折率分布を示すグラフ。 図１の光ファイバのΔ２と、Ａｅｆｆ及び分散との関係を示すグラフ。 図１の光ファイバのΔ２と損失との関係を示すグラフ。 図１の光ファイバのΔ１と損失との関係を示すグラフ。 （ａ）は本発明の第２の実施形態例に係る、Ｗ−セグメント型プロファイルを有する光ファイバの断面図、（ｂ）はその軸方向断面で見た屈折率分布を示すグラフ。

符号の説明

１１：第１コア
１２：第２コア
１３：第３コア
１４：クラッド
２１：第１コア
２２：第２コア
２３：第３コア
２４：クラッド

Claims (4)

1. 中心から外周方向に向かって順次に配列された、最小屈折率がｎ_c1の第１コア、最大屈折率がｎ_c2の第２コア、最小屈折率がｎ _c3 の第３コア、及び、屈折率がｎ_cのクラッドを少なくとも有し、ｎ_c1＜ｎ_c2である光ファイバであって、
   前記第１コアのクラッドに対する比屈折率差Δ１が−０．６％以上で０．２％以下の範囲にあり、前記第２コアのクラッドに対する比屈折率差Δ２が０．２％以上で０．５５％以下の範囲にあり、前記第３コアのクラッドに対する比屈折率差Δ３が−０．６％以上で０．２％以下の範囲にあり、
   前記第３コアの直径（２ｃ）に対する前記第１コアの直径（２ａ）の比（２ａ／２ｃ）が０．２以上で０．４５以下の範囲にあり、かつ前記第３コアの直径（２ｃ）に対する前
   記第２コアの直径（２ｂ）の比（２ｂ／２ｃ）が０．７以上で０．９以下の範囲にあり、
   波長１５５０ｎｍにおける分散が＋５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上で＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ
   以下の範囲にあり、
   波長１５５０ｎｍにおける実効コア断面積（Ａｅｆｆ）が１１０μｍ²以上であり、
   波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が０．２３ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする光ファイバ。
2. 直径２０ｍｍで曲げたとき、波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が１０ｄＢ／ｍ以下であり、波長１５５０ｎｍにおける偏波分散（ＰＭＤ）が０．１ｐｓ／ｋｍ^1/2以下である、請求項１に記載の光ファイバ。
3. 波長１５５０ｎｍにおける分散スロープが０．０８ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下である請求項１又は２に記載の光ファイバ。
4. 前記第１コアのクラッドに対する比屈折率差Δ１が−０．３５％以上で０．０％以下の範囲にある、請求項１〜３の何れか一に記載の光ファイバ。

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