JP4477555B2 - 光ファイバおよび光インターコネクションシステム - Google Patents

Description

本発明は、機器内光配線用の光ファイバに関し、特に小さな曲率半径にて曲げることができる光ファイバと、この光ファイバを用いた光インターコネクションシステムに関するものである。

機器内の信号伝送に用いられる方式としては、電気伝送方式と光インターコネクション方式の二種類がある。
近年のＣＰＵクロック周波数の高速化に伴い、電気伝送方式においては、高密度配線によるクロストークの発生が問題となり、波形成形技術等の適用が必要となってきている。この結果、機器内での信号伝送方式として電気伝送方式を適用した場合には、伝送距離１ｍ及び伝送速度１０Ｇｂｐｓ程度が伝送限界となることが分かってきている。
一方、光インターコネクション方式は、電気伝送方式と比較して遥かに広帯域な伝送を行うことが可能であるとともに、小型かつ低消費電力の光部品を使用した信号伝送システムを構築できる。このため、光インターコネクション方式は、電気伝送方式に代わる機器内信号伝送技術として注目されている。

また、光インターコネクション方式の光伝送手段のひとつとして光ファイバを用いた方式が注目されている。機器内で使用される全ての光部品はできるだけ省スペース収納可能であることが望ましいことから、光インターコネクション方式に用いる光ファイバとしては、フレキシブルな配線が可能であり、光ファイバと光ファイバ、或いは光ファイバと光源等の光部品間接続における接続損失の小さい光ファイバが望まれている。

一方、光源としては、アクセス系、イーサネット（登録商標）及びファイバーチャネル用アンクールド（uncooled）光源として、直接変調２．５Ｇｂｐｓから１０Ｇｂｐｓで動作する面発光レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser、以後、ＶＣＳＥＬと記述）が注目されている。ＶＣＳＥＬは分布帰還型（ＤＦＢ）レーザなどの端面出射型のレーザと比べ以下の特徴を持つ。

(a) レーザ光が、基板表面から垂直に出射する。
(b) 多チャンネルアレイ化が容易である。
(c) 低しきい値、低消費電力にて動作可能である。
(d) 出射面の反射率が高く、戻り光に強い（アイソレータフリー）。
(e) ビーム出射形状円形であり、ファイバとの結合率が高い（レンズフリー）。

以上のようにアイソレータ、レンズなどの部品点数を減らすことができることから、ＶＣＳＥＬはモジュールとしてコスト削減を図ることが可能なデバイスである。既にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子などを活性層として用いた波長８５０ｎｍ帯ＶＣＳＥＬは、短距離通信用レーザ素子のデファクトスタンダードとして広く普及しつつある。この場合に用いられる代表的な光ファイバとしては、マルチモードファイバ（以後、ＭＭＦと記述）の一種である石英系のグレーデッドインデックス光ファイバが挙げられる。

ＭＭＦはシングルモードファイバ（以降、ＳＭＦと記述）の１０倍程度のコア径を有し、開口数が大きい特徴を持つ。したがって、光ファイバと光ファイバ、或いは光ファイバと光源等の光部品間接続の際に高い精度を必要とせず、容易な接続が可能である。

近年、さらなる高速伝送を行うことを目的として、ＭＭＦと比較してより低損失かつ広帯域なＳＭＦの適用が検討されはじめている。この場合に用いられる光源として、石英系光ファイバの低損失帯である１．３μｍ帯（１３００±５０ｎｍ）に発振波長を有するＶＣＳＥＬが注目されており、盛んに研究開発が行われている。
しかし、ＩＴＵ−Ｔ（International Telecommunication Union Telecommunication Standard Sector）Ｇ．６５２で規定される標準ＳＭＦでは、機器内に収納する際に大きな曲げ損失が発生するので対応することができない。
また、曲げ損失を改善したＳＭＦとしては、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）に好適に用いられる光ファイバとして、標準ＳＭＦのクラッド部分にクラッドよりも低屈折率部分を有するトレンチ型屈折率プロファイルを有する光ファイバが報告されている（例えば、非特許文献１）が、光インターコネクションシステムに用いるには不十分である。

株式会社フジクラ 光電子技術研究所 光プロセス研究部 池田真挙、松尾昌一郎、姫野邦治「接続損失低減型低曲げ損失光ファイバ」電子情報信学会 信学技報 OCS2003-43,OFT2003-25(2003-8)

前述したように、光インターコネクションシステムに用いる光ファイバとしては、曲げ損失及び接続損失がともに低減され、高速光伝送を可能とし、光インターコネクションシステムを容易に構築するのに適した光ファイバの実現に対する要求がある。
また、標準ＳＭＦでは膨大な曲げ損失が生じてしまい、対応不可能となる。そこで、光ファイバの曲げ損失を低減することが必要となるが、前述した非特許文献１に記載の光ファイバをはじめとするＦＴＴＨに好適に用いられる曲げ損失を改善したＳＭＦであっても、光インターコネクションシステムに用いるには不十分である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、曲げ損失及び接続損失の両損失の低減を実現し、高速光伝送を行える光ファイバを得て、これにより容易に光インターコネクションシステムを構築することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の発明の光ファイバは、コアとクラッドを有する石英系ガラスからなる光ファイバであって、波長１３００ｎｍにおけるＭＦＤが５．４μｍ以上であり、波長１２５０ｎｍの光をシングルモード伝搬し、曲率半径１ｍｍで曲げたときの波長１３００ｎｍにおける曲げ損失が１ｄＢ／ターン以下であることを特徴とする。

また、本発明の第２の発明の光ファイバは、第１の発明の光ファイバにおいて、クラッドの直径が５５μｍから９０μｍであることを特徴とする。

さらに、本発明の第３の発明の光ファイバは、第１または第２の発明の光ファイバにおいて、中心部に位置する第１コアのクラッドに対する比屈折率差（Δ１）が０．８％以上、α値が１．５以上であり、第１コアを取り囲む第２コアのクラッドに対する比屈折率差（Δ２）が−０．２％以下であることを特徴とする。

さらにまた、本発明の第４の発明の光ファイバは、第１または第２の発明の光ファイバにおいて、中心部に位置する第１コアのクラッドに対する比屈折率差（Δ１）が０．８％以上、α値が１．５以上であり、第１コアを取り囲む第２コアのクラッドに対する比屈折率差（Δ２）が−０．２％以下、第２コアを取り囲む第３コアのクラッドに対する比屈折率差（Δ３）が０．４％以下であることを特徴とする。

また、本発明の第５の発明の光ファイバは、第１または第２の発明の光ファイバにおいて、中心部に位置する第１コアの前記クラッドに対する比屈折率差（Δ１）が０．８％以上、α値が１．５以上であり、前記第１コアを取り囲む第２コアの前記クラッドに対する比屈折率差（Δ２）が０％、前記第２コアを取り囲む第３コアの前記クラッドに対する比屈折率差（Δ３）が−０．２％以下であることを特徴とする。

さらに、本発明の第６の発明の光ファイバは、光ファイバは紫外線硬化樹脂および熱硬化樹脂の少なくともいずれか一方でなる被覆を有し、該被覆が難燃性を有するものであることを特徴とする。

さらにまた、本発明の第７の発明の光ファイバテープは、第１から第６の発明の光ファイバのいずれか１つの光ファイバが平行に並べられて平帯状に一体化されていることを特徴とする。

また、本発明の第８の発明の光ファイバテープは、第７の発明の光ファイバテープにおいて、平帯状に一体化された複数の光ファイバは、難燃紫外線硬化樹脂および難燃熱可塑性樹脂の少なくともいずれか一方でなるテープ被覆を有することを特徴とする。

さらに、本発明の第９の発明の光インターコネクションシステムは、通信波長１．３μｍ帯の光インターコネクションシステムであって、コアとクラッドを有する石英系ガラスからなる光ファイバであって、波長１３００ｎｍにおけるＭＦＤが５．４μｍ以上であり、波長１２５０ｎｍの光をシングルモード伝搬し、曲率半径１ｍｍで曲げたときの波長１３００ｎｍにおける曲げ損失が１ｄＢ／ターン以下となる特性を有し、光信号を伝送する光ファイバと、光ファイバに波長１．３μｍ帯の光信号を入射する面発光レーザと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれは、曲げ損失及び接続損失の両損失の低減を実現し、高速光伝送を行える光ファイバを得て、これにより光インターコネクションシステムを容易に構築することができる。

以下に、本発明に係る光ファイバの実施の形態を詳細に説明する。尚、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。以下では、本発明に係る光ファイバの構成上の特徴の概略を実施の形態として説明し、その後に実際の光ファイバに則したものを実施例として詳細に説明する。

機器内光配線に石英系光ファイバを用いた場合、該光ファイバには、フレキシブルな配線が可能であって且つコンパクトに収納できることが求められる。一方、高速光インターコネクションシステムの構築を想定した場合、光ファイバの伝送損失は限りなく零であることが望ましい。つまり、光インターコネクション用光ファイバには、配線時に曲率半径の非常に小さい曲げが光ファイバに加わったとしても、曲げ損失が生じないことが要求される。実際に機器内光配線形態を想定した場合、配線後の光ファイバには最終的に曲率半径１ｍｍ程度の曲げが数箇所加わることが想定される。そこで、配線取りまわし時の局所的な曲げが加わった場合や最悪値設計の観点から必要な曲げ損失許容値を考えた場合、曲率半径１ｍｍの曲げが１ターン（本明細書では、曲げが形成されている部分（屈曲部）の数え方に「ターン」を用い、光ファイバが３６０度屈曲した場合に１ターンと数える。例えば、９０度の屈曲部が４箇所ある場合を１ターン、９０度の屈曲部が２箇所ある場合を１／２ターンというように用いる）加わった場合に曲げ損失が１ｄＢ以下であれば、十分に良好な曲げ損失特性であり、フレキシブル光配線が可能であるといえる。

通常、標準ＳＭＦにおいて、曲げ損失を低減するためには基本モードの実効屈折率を高くする必要がある。一般的に、基本モードの実効屈折率を高くする場合、光ファイバの屈折率プロファイルにおいて、コア−クラッド間の比屈折率差Δを大きくする方法が用いられる。比屈折率差Δは次式（１）で定義される。ｎ_core、ｎ_cladはそれぞれコア領域及びクラッド領域の屈折率である。

Δ＝｛（ｎ_core−ｎ_clad）／ｎ_core｝×１００ ［％］ （１）

図１は単峰型屈折率プロファイルの光ファイバにおいて、コアの比屈折率差Δ、コア径、及びコアの屈折率分布形状を表すパラメータであるα値を種々に変化させた場合の、波長１３００ｎｍにおけるモードフィールド径（以下、ＭＦＤと記述）［μｍ］と波長１３００ｎｍにおける曲げ半径１ｍｍの曲げ損失／ターン［ｄＢ／ｔｕｒｎ］の関係をシミュレーションにより求めた結果を示している。カットオフ波長は１３００ｎｍに固定している。なお、コアの屈折率分布形状を表すα値は式（２）のように定義されている。

ｎ²（ｒ）＝ｎ_core ²×｛１−２×（Δ／１００）×（２ｒ／ａ）＾α｝
（但し、０＜ｒ＜ａ／２） （２）

ここで、ｒは光ファイバの中心からの半径方向の位置を示し、ｎ（ｒ）は位置ｒにおける屈折率、ａはコアの直径を表し、記号「＾」はべき乗を表している。図１より、比屈折率差Δを高くすることによって曲げ損失を低減することができることがわかる。また、α値を変化させても、曲げ損失とＭＦＤの関係は変化しないことがわかる。つまり、単峰型屈折率プロファイルにおいて曲げ損失とＭＦＤの関係は、第１コアの屈折率分布形状に依存せず一定である。また、同図より曲げ損失１．０ｄＢ／ターン以下を実現するためには、約１．３％以上の比屈折率差Δが必要であることが分かる。

一方、曲げ損失が小さくなるほど、ＭＦＤは小さくなる。例えば、Δ＝１．３％、α＝２．０の単峰型屈折率プロファイルの場合、曲げ損失は０．７ｄＢ／ターンとなるが、ＭＦＤは５．０μｍ程度まで減少する。

光インターコネクションによる機器内通信システムを構築する場合、光ファイバやＶＣＳＥＬなどの光部品間の接続は空間結合によって接続されることが想定される。通常、光導波路を空間結合によって接続する場合、接続損失が生じる。この接続損失Ｔは結合効率ηによって決まり、次式（３）から（５）に示されるように理論的に計算することができる。

Ｔ＝−１０×ｌｏｇη （３）
η＝κ×ｅｘｐ×｛−κ×［（１／ｗ₁ ²＋１／ｗ₂ ²）×ｘ₀ ²／２］｝ （４）
κ＝４／｛（ｗ₁／ｗ₂＋ｗ₂／ｗ₁）²＋（(λ×ｚ／(π×ｗ₁×ｗ₂）²｝ （５）

ｗ₁、ｗ₂は接続する各光ファイバのＭＦＤ、ｘ₀は接続ファイバ間の光軸ずれ量（以下、軸ずれ量と記載）、λは使用波長、ｚは光ファイバ端面間距離を表している。上式の場合、両ファイバの光軸は平行であると仮定している。

上式によって求めた同種光ファイバ同士の空間接続において、軸ずれ量と波長１３００ｎｍにおける接続損失の関係を図２に示す。図２はＭＦＤにおける同種光ファイバ接続時の軸ずれ量と接続損失の関係を示すグラフであるである。横軸は同種光ファイバ接続時の軸ずれ量［μｍ］を示し、縦軸は同種光ファイバ接続時の接続損失［ｄＢ］を示している。
計算は接続光ファイバ端面間距離ｚを零としている。図２より、軸ずれ量が大きくなるのにしたがって、接続損失が増大することが分かる。また、接続する光ファイバのＭＦＤが小さいほど軸ずれ量に対する接続損質増加傾向が大きくなることが分かる。軸ずれ量及びＭＦＤは光ファイバとＶＣＳＥＬ等の光源、光ファイバとＰＤ等の受光部、または光ファイバ同士の接続時に重要なパラメータとなる。現状での製造誤差による軸ずれの最大値は１．０μｍ程度になり得るため、最悪値設計の観点から１．０μｍの軸ずれを許容できるよう考慮した損失設計が必要である。

例えば、ＶＣＳＥＬ−ＰＤ間を光ファイバで接続した高速光インターコネクションシステムの構築を想定する。ＶＣＳＥＬの光出力値としては、高温動作時において出力が低下する傾向があることを考慮に入れ、−１０ｄＢｍ程度とし、ＰＤの最低受光感度は−１６ｄＢｍとする。この場合、光リンクロスバジェットとしては６ｄＢ程度しか確保されない。ここで、具体的な光配線形態を考える。光ファイバ−ＶＣＳＥＬ間接続が１箇所、光ファイバ同士の接続が５箇所、光ファイバ−ＰＤ間接続が１箇所存在し、各接続点において最悪値設計の観点から１．０μｍの軸ずれが存在していると仮定する。前記接続箇所の中で、ＶＣＳＥＬ−光ファイバ間及び、光ファイバ−ＰＤ間において、両部品のＭＦＤを４から６μｍ、角度ずれ量が３°存在するとした場合、合計３．０ｄＢ程度の接続損失が生じる。そのため、光ファイバ−光ファイバ間の許容接続損失としては３ｄＢ以下、即ち一接続箇所あたり接続損失０．６ｄＢ以下にすることが必要となる。この条件を満足させるためには、ＭＦＤは最低５．４μｍ必要である。上記の曲げ損失を低減したΔ＝１．３％、α＝２．０の単峰型屈折率プロファイルの場合、ＭＦＤは５．０μｍ程度であるため、１接続箇所あたり最大０．７０ｄＢもの接続損失が生じる。したがって、この場合の総接続損失は３．５ｄＢ程度となり、高速光インターコネクションシステムの構築が難しいということになる。

以上のように光ファイバ屈折率プロファイルの設計において、曲げ損失を低減させるため比屈折率差Δを高くした場合、ＭＦＤが低下し、接続損失が増加してしまう。すなわち、曲げ損失と接続損失の間にはトレードオフの関係が存在している。また、図１に示すように単峰型屈折率プロファイルにおいては、第１コアの屈折率分布形状を変化させても、前記トレードオフの関係は全く改善されない。

本実施の形態の光ファイバは、コアの屈折率プロファイルを、２層構造のＷ型屈折率プロファイル或いは３層構造のＷセグメント型屈折率プロファイル、擬似Ｗ型屈折率プロファイルとし、さらにこれらの構造パラメータを最適化することで、曲げ損失−接続損失のトレードオフの関係を改善する。

すなわち、単峰型プロファイルを有するＳＭＦでは、コア径を変化させてカットオフ波長を決定すると、コア形状に殆ど依存することなく、ＭＦＤが同程度の光ファイバは同程度の曲げ損失を示す。しかし、第１コアの外周に第２コアとしてディプレスト層を設けたＷ型プロファイルなどにおいては、単峰型プロファイルと同等の曲げ損失、カットオフ波長でＭＦＤを変化させることができる。これは、ディプレスト層を設けることで、中央コアの比屈折率差（Δ）を大きくしてもカットオフ波長が長波長にシフトせず、コア径を小さくする必要が無いからである。また、第２コアとしてディプレスト層を設けた場合、第１コアの形状がＭＦＤに大きく影響する。第１コアの屈折率分布の形状を表すα値が小さい程光の閉じ込め効果が小さくなり、ＭＦＤが大きくなる。一方、ＭＦＤは、ディプレスト層の比屈折率差Δの大きさ、幅には敏感には影響されない。

一方、機器内光配線形態を想定した場合、コンパクトに収納されることが要求され、機器内の様々な箇所で、前述した曲げ半径１ｍｍ程度の曲げ以外に、配線のたわみ等による曲げ半径５ｍｍ程度の曲率半径の小さい曲げが加わることが考えられる。曲げ半径１ｍｍ程度の曲げが加えられる箇所に関しては、熱処理等が施され、歪を開放させる処置がとられるが、機器内の様々な箇所で発生する曲げ半径５ｍｍ程度の曲げに対しては、そのような処置がとられない。したがって、光ファイバに曲げ半径５ｍｍ程度の曲げが加えられる箇所において曲率半径の小さい曲げを加えた場合、曲げ部位に生じる応力歪みによって光ファイバが破断してしまうことが懸念される。したがって、曲げによる破断確率を低減する必要がある。

なお、曲げ損失は曲げ半径により異なり、曲げ半径が１ｍｍから５ｍｍまで拡大すると曲げ損失は２ケタ程度低減され、曲げ半径１ｍｍで１０ｄＢ／ターンの光ファイバでも曲げ半径５ｍｍでは０．１ｄＢ／ターン程度まで改善される。したがって曲げ半径１ｍｍで１ｄＢ／ターンを満たしていれば、光ファイバの配線時に半径５ｍｍ程度の曲げが加わってもロス変化は誤差の範囲である。

一般的にクラッド径が大きいほど、光ファイバを曲げた時の歪が大きくなり、破断確率が大きくなる。例えば、光ファイバを用いた光インターコネクションシステムを構築した場合、光ファイバには曲げ半径ｒ＝５ｍｍ程度１ターン相当の曲げが存在することを想定する。この場合の光ファイバのクラッド径とファイバ破断確率のシミュレーションによって求めた関係を図３に示す。

図３は曲げ半径５ｍｍ、１ターン、寿命５年とした場合の破断確率とクラッド径の関係を示すグラフである。縦軸は破断確率［％］を示し、横軸はクラッド径［μｍ］を示している。このシミュレーションにおいては、スクリーニングレベルを１．５％、被覆材との間の疲労係数を１８、製品寿命を５年とした。光ファイバのクラッド径１２５μｍの場合の光ファイバの破断確率は５年以内に１００％に達してしまい、システム構築が不可能となる。しかしクラッド径を９０μｍにした場合のファイバ破断確率は０．９％となり、１２５μｍの場合の０．３％程度にまで低減できる。システム設計上、破断確率は１．０％以下になることが好ましい。通常の光ファイバは曲げロスの発生という観点において曲げによる破断率を向上させる要求はそれほど強くないが、光インターコネクションのように小径に曲げられる場合、上記のような小径巻きつけによる破断率を低減させることによる効果は大きい。

一方、ＳＭＦでは、ＭＦＤに対して約１０倍程度までのクラッド領域が伝送損失に影響を与えると言われている。このため５．４μｍ以上のＭＦＤを有する本用途のファイバでは少なくとも５５μｍ以上のクラッド径は最低限必要であると言える。
すなわち、本実施の形態の光ファイバは、クラッド径を縮小させて５５μｍから９０μｍとすることにより、曲げ応力が加わった際の破断確率が低減され、かつ配線のフレキシビリティが向上している。

図４に示すようなＷ型屈折率プロファイルを有する石英系ガラスからなるクラッド径８０μｍの光ファイバの特性をシミュレーションにより求めた。本実施例の光ファイバにおいては、中心部に位置し、ゲルマニウムをドープした第１コア１１（直径ａ）が設けられ、この第１コア１１を取り囲むフッ素をドープした第２コア１２（直径ｂ）が設けられている。そして、第２コア１２を取り囲む純粋な石英からなるクラッド１５が設けられている。図４に示すＷ型屈折率プロファイルを有する光ファイバにおいて各パラメータ値を変化させたシミュレーション結果を図５のファイバＡ１からＡ１２に示す。

比屈折率差Δ１及び比屈折率差Δ２は、それぞれ、クラッド１５に対する第１コア１１の比屈折率差、及びクラッド１５に対する第２コア１２の比屈折率差であり、下記式（６）及び（７）で示される。

Δ１＝｛（ｎ_c1−ｎ_c）／ｎ_c｝×１００ ［％］ （６）
Δ２＝｛（ｎ_c2−ｎ_c）／ｎ_c｝×１００ ［％］ （７）

ここで、ｎ_c1は第１コア１１（第１層）の最大屈折率、ｎ_c2は第２コア１２（の最小屈折率、ｎ_cはクラッド１５の屈折率である。
また、Ｗ型屈折率プロファイルにおいて、第１コア１１の直径ａは、第１コア１１と第２コア１２の境界においてクラッド１５と同じ屈折率を有する位置での径とし、第２コア１２の直径ｂは、第２コア１２とクラッド１５の境界において後述する比屈折率差Δ２の１／２の比屈折率差を有する位置での径とする。

図５のＡ及びＡ１からＡ１２において、波長１３００ｎｍにおけるＭＦＤが５．４μｍ以上となり、波長１２５０ｎｍの光をシングルモード伝搬し、かつ半径１ｍｍで曲げたときの曲げ損失が１ｄＢ／ターン以下であるのは、Ａ２、Ａ３、Ａ５、及びＡ７からＡ１２である。従って、これらのシミュレーション結果から、図４に示すようなＷ型プロファイルを有する光ファイバに関しては、第１コア１１の比屈折率差（Δ１）を０．８％以上、α値を１．５以上とし、第２コア１２の比屈折率差（Δ２）を−０．２％以下とすることにより、所望の特性を持つ本発明の光ファイバが得られることが分かった。

なお、本明細書におけるカットオフ波長とはＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０．１に規定されたファイバカットオフ波長λｃとする。その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。

図６に示すようなＷセグメント型プロファイルを有するクラッド径８０μｍの石英系ガラスからなる光ファイバの特性をシミュレーションにより求めた。本実施例の光ファイバにおいては、中心部に位置し、ゲルマニウムをドープした第１コア２１（直径ａ）が設けられている。この第１コア２１を取り囲み、フッ素をドープした第２コア２２（直径ｂ）が設けられている。そしてさらに、この第２コア２２を囲み、ゲルマニウムをドープした第３コア２３（直径ｃ）が設けられている。そして、第３コア２３を取り囲み、純粋な石英からなるクラッド１５が設けられている。比屈折率差Δ３はクラッドに対する第３コア２３の比屈折率差であり、下記式（８）で示される。

Δ３＝｛（ｎ_c3−ｎ_c）／ｎ_c｝×１００ ［％］ （８）

ここで、ｎ_c3はＷセグメント型プロファイルにおける第３コア２３の最大屈折率である。なお、Ｗセグメント型屈折率プロファイルにおいて、第１コア２１の直径ａは、第１コア２１と第２コア２２の境界においてクラッド１５と同じ屈折率を有する位置での径とする。第２コア２２の直径ｂは、第２コア２２と第３コア２３の境界において比屈折率差Δ２の１／２の比屈折率差を有する位置での径とする。第３コア２３の直径ｃは第３コア２３とクラッド１５の境界において比屈折率差Δ３の１／１０の比屈折率差を有する位置での径とする。

図６に示す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各パラメータ値を変化させたシミュレーション結果を図７のファイバＢ１からＢ１１に示す。
図７のＢ１からＢ１１において、波長１３００ｎｍにおけるＭＦＤが５．４μｍ以上となり、１２５０ｎｍの光をシングルモード伝搬し、かつ、半径１ｍｍで曲げたときの曲げ損失が１ｄＢ／ターン以下であるのは、Ｂ２、Ｂ４、及びＢ６からＢ１０である。従って、これらのシミュレーション結果から、図６に示すような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は、第１コア２１の比屈折率差（Δ１）を０．８％以上、α値を１．５以上とし、第２コア２２の比屈折率差（Δ２）を−０．２％以下、第３コア２３の比屈折率差（Δ３）を０．４％以下とすることにより、所望の特性を持つ光ファイバが得られることが分かった。

図８に示すようなクラッド径８０μｍの擬似Ｗ型プロファイルを有する石英系ガラスからなる光ファイバの特性をシミュレーションにより求めた。本実施例の光ファイバにおいては、中心部に位置し、ゲルマニウムをドープした第１コア３１（直径ａ）が設けられている。この第１コア３１（第１層）を取り囲み、純粋なシリカガラスからなる第２コア３２（直径ｂ）が設けられている。そしてさらに、この第２コア３２を取り囲み、ゲルマニウムをドープした第３コア３３（直径ｃ）が設けられている。そして、第３コア３３を取り囲み、クラッド１５が設けられている。ここで、ｎ_c3はＷセグメント型プロファイルにおける第３コア３３の最大屈折率である。比屈折率差Δ３はクラッドに対する第３コア３３の比屈折率差であり、下記式（９）で示される。

Δ３＝｛（ｎ_c3−ｎ_c）／ｎ_c｝×１００ ［％］ （９）

ここで、ｎ_c3は擬似Ｗ型プロファイルにおける第３コア３３の最小屈折率である。なお、擬似Ｗ型屈折率プロファイルにおいて、第１コア３１の直径ａは、第１コア３１と第２コア３２の境界において比屈折率差Δ１の１／１０の比屈折率差を有する位置での径とする。第２コア３２の直径ｂは、第２コア３２と第３コア３３の境界において比屈折率差Δ３の１／２の比屈折率差を有する位置での径とする。第３コア３３の直径ｃは第３コア３３とクラッド１５の境界において比屈折率差Δ３の１／２の比屈折率差を有する位置での径とする。

図９に示す擬似Ｗ型屈折率プロファイルを有する光ファイバにおいて各パラメータ値を変化させたシミュレーション結果を図９のファイバＣ１からＣ９に示す。この図９のＣ１からＣ９において、波長１３００ｎｍにおけるＭＦＤが５．４μｍ以上となり、１２５０ｎｍの光をシングルモード伝搬し、かつ半径１ｍｍで曲げたときの曲げ損失が１ｄＢ／ターン以下であるのは、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ５、及びＣ７からＣ９である。従って、これらのシミュレーション結果から、図９に示すような擬似Ｗ型屈折率プロファイルを有する光ファイバにおいては、コアの屈折率分布において、第１コア３１の比屈折率差（Δ１）を０．８％以上、α値を１．５以上とし、第２コア３２の比屈折率差（Δ２）を０％、第３コア３３の比屈折率差（Δ３）を−０．２％以下とすることにより、所望の特性を持つ本発明の光ファイバが得られることが分かった。

［比較例１］
単峰型屈折率プロファイルを有する光ファイバと上述実施例１から３の光ファイバとの光学特性比較をするため、曲げ損失を低減させた単峰型屈折率プロファイルの光学特性シミュレーションを行った。この結果を図１１に示す。

光ファイバＤ１においては、曲げ損失は０．７ｄＢとなり、十分に低減されてはいるものの、ＭＦＤは５．０μｍと小さな値を示している。一方、光ファイバＤ２においてはＭＦＤが５．５μｍであるものの、曲げ損失は２．３ｄＢ／ターンとなり曲げ損失特性が悪くなっている。これらの結果と、Ｗ型屈折率プロファイルを有する実施例１のＡ１２（ＭＦＤ＝５．５μｍ、曲げ損失＝０．３ｄＢ／ターン）との特性比較を行った結果、実施例１の光ファイバは、単峰型屈折率プロファイルの光ファイバでは実現不可能な光学特性を有していることが分かった。

光インターコネクションに光ファイバを用いる場合、光ファイバをテープ化することで光伝送体をマルチチャンネル化し、高速光通信を行うことが想定される。通常石英系光ファイバの仕様はクラッド径１２５μｍに対し、被覆後外径２５０μｍであり、光ファイバを複数本平行に並べて相互に接合した光ファイバテープのピッチとしては、２５０μｍであるのが一般的である。光ファイバの外径を細くした細径光ファイバにおいては、被覆径も細径化するので、従来の光ファイバテープよりも狭いピッチの光ファイバテープ作製が可能となる。したがって、前述したクラッド径５５〜９０μｍの細径光ファイバを用いることが好ましい。細径光ファイバを用いた狭いピッチの光ファイバテープは、配線のフレキシビリティが高く、かつ省スペース収納が可能であり、光インターコネクションに適した光部品となる。

上述した実施例１から３における計算結果に示されるように、本発明の光ファイバは１．３μｍ帯におけるシングルモード光伝搬を可能とし、かつ、１．３μｍ帯における曲げ損失特性及び接続損失特性に優れている。このような本発明の光ファイバを伝送媒体として適用し、光源として発振波長１．３μｍ帯のＶＣＳＥＬを使用した光インターコネクションシステムの構成例を図１０に示す。

図１０に示すような光インターコネクションシステム５０を構築した。図１０において、バックプレーン４７の一面に、２枚のプリント基板４８ａ，４８ｂが一辺を支持されて立設している。２枚のプリント基板４８ａ，４８ｂは、所定の間隔を空けて対向している。一方のプリント基板４８ａの対向面に、ドライバＩＣ４３上に実装されたＶＣＳＥＬ４４とＬＳＩ４１とが設けられている。ＬＳＩ４１とＶＣＳＥＬ４４とは電気配線４２で電気的に接続されている。また、他方のプリント基板４８ｂの対向面にＰＤ４９が設けられている。そして、ＶＣＳＥＬ４４とＰＤ４９とが、上述実施例１から３にて示された複数の光ファイバが平帯状に一体化されてなる光ファイバテープ４０にて電気的に接続されている。光ファイバテープ４０は、まず、一方のプリント基板４８ａの主面に沿って延び、第１のコネクタ４６ａによって略直角に折れ曲がり、バックプレーン４７上を這った後、第２のコネクタ４６ｂを介して略直角に折れ曲がり、他方のプリント基板４４８ｂの主面に沿って延びＰＤ４９に至っている。

このような光ファイバの引き回しにより、光ファイバテープ４０には、曲率半径１ｍｍ程度の屈曲部Ａが１／４ターンずつ４箇所加えられている。また、図示しない光ファイバのたわみ等で、曲げ半径５ｍｍ程度の曲げ１ターン程度が存在するが、問題なく動作可能である。なお、光ファイバ１０として、図１２に示すように、クラッド１５の径が８０μｍ、１次被覆樹脂５２の外径が１０５μｍ、２次被覆樹脂５３の外径が１２５μｍのファイバＡ３の光ファイバを用いた。さらに、光ファイバテープ４０は図１３に示すように、光ファイバをピッチＰ１２５μｍにて１２本平行に並べてこれを被覆樹脂５４にて覆うことによりこれら光ファイバ１０を接合して形成されている。

被覆樹脂５２，５３が薄肉化されることによる損失増加量と、省スペース化の両要素を考慮に入れ被覆径Ｈ（厚さＨ）を１７０μｍとした。ピッチＰが１２５μｍとされた光ファイバテープ４０は従来の半分のサイズであり、非常にフレキシビリティが高く、また機器内において省スペース収納が可能である。被覆樹脂５２，５３の材料としては紫外線硬化樹脂を用いている。
ピッチＰはクラッド１５の径が５５μｍ、被覆外径とクラッド外径との差を２０μｍの細径光ファイバ１０を用いれば７５μｍまで小さくすることができる。

光ファイバテープ４０の仕上がり寸法は、幅Ｗが１．５５ｍｍ、厚さＨが０．１７ｍｍ
となった。接続相手となる光源のＶＣＳＥＬをピッチ１２５μｍ、１２チャンネルにアレイ化することで、作製したファイバテープ２０による一括光接続が可能となる。この構成においては、ＶＣＳＥＬを直接変調することで、１００Ｇｂｐｓを超える超高速光通信が実現される。

また、クラッド径を８０μｍとしているため、曲げによる破断確率を低減でき、製品寿命である５年を経過してもほとんど破断することがない。

本実施例では、実施例４の被覆樹脂５２，５３の材料となる紫外線硬化樹脂として難燃性紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂を用いて、難燃テープ心線を作製した。ここで用いた難燃性紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂は、例えば次のように作製した。樹脂中に臭素、塩素などのハロゲン系添加剤、さらに三酸化アンチモン、トリフェニルアンチモンなどのアンチモン化合物、水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウムといった金属水和物、またリン酸エステルなどのリン化合物を加えることや、紫外線硬化樹脂を構成するプレポリマや、アクリルモノマー自体を臭素や塩素でハロゲン化し、さらにリンを含ませるなどして紫外線硬化樹脂の難燃化を検討した。これらの方法のなかで、臭素系難燃剤を加える方法が特に難燃化に有効であった。

このようにして組成変更することにより難燃化が実現する理由としては、分解反応による生成物が樹脂の表面を覆うとか、燃える際に発生する分解ガスが空気との間に遮断層を形成するためと考えられる。また、ハロゲン含有化合物からのラジカルが燃焼の継続を阻止することや、さらに、架橋により樹脂が３次元化することなどが考えられる。

テープ化用の紫外線硬化樹脂として難燃剤として水酸化アルミニウムを含む紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂をもちいて得られた光ファイバテープを、ＪＩＳ Ｃ３００５規格６０度傾斜燃焼試験により評価した。その結果、ファイバに着火した炎は平均３．２秒程度で自然に消火し、規格を満足することができた。本実施例では難燃紫外線硬化樹脂を用いたが、難燃紫外線硬化樹脂の代わりに難燃熱可塑性樹脂を用いることもできる。

実施例４の被覆樹脂５２，５３のすべてまたは一部、及びテープ被覆樹脂５４を難燃紫外線硬化樹脂にすることで高い難燃性を得ることを検討した。その結果、少なくとも光ファイバのセカンダリ樹脂とテープ用樹脂に難燃剤を含む紫外線硬化型ウレタンアクリレート樹脂を用いて得られた光ファイバテープにより、ＪＩＳ Ｃ３００５規格６０度傾斜燃焼試験において、着火した炎は平均２．６秒程度で自然に消火し、規格を満足することができた。

また、ＵＬ１５８１規格垂直燃焼試験を行った結果、炎は平均５．７秒で自然に消火した。また、燃焼している滴下物もなく、前記ＵＬ規格を満足することができた。また、素線の状態で垂直燃焼試験を行った結果、炎は平均７．６秒で自然に消火し、素線、テープ心線の両方の状態で充分な難燃性を有していた。本実施例では難燃紫外線硬化樹脂を用いたが、難燃紫外線硬化樹脂の代わりに難燃熱可塑性樹脂を用いることもできる。

単峰型屈折率プロファイルにおける曲げ損失とＭＦＤの関係（曲げ半径は１ｍｍ、カットオフ波長１３００ｎｍに設定）を示すグラフである。 各ＭＦＤにおける同種光ファイバ接続時の軸ずれ量と接続損失の関係を示すグラフである。 曲げ半径５ｍｍ、１ターン、寿命５年とした場合の破断確率とクラッド径の関係を示すグラフである。 実施例１のＷ型屈折率プロファイルを示す図である。 実施例１のＷ型屈折率プロファイルを有する光ファイバにおける各パラメータ変化時の特性一覧を示す図表である（ＭＦＤ、曲げ損失、分散値は、波長１３００ｎｍにおける値である）。 実施例２のＷセグメント型屈折率プロファイルを示す図である。 実施例２のＷセグメント型屈折率プロファイルを有する光ファイバにおける各パラメータ変化時の特性一覧を示す図表である（ＭＦＤ、曲げ損失、分散値は、波長１３００ｎｍにおける値である）。 実施例３の疑似Ｗ型屈折率プロファイルを示す図である。 実施例３の疑似Ｗ型屈折率プロファイルを有する光ファイバにおける各パラメータ変化時の特性一覧を示す図表である（ＭＦＤ、曲げ損失、分散値は、波長１３００ｎｍにおける値である）。 通信波長１．３μｍ帯光インターコネクションシステム構築例を示す斜視図である。 比較例の単峰型屈折率プロファイルを有する光ファイバの光学特性を示す図表である（ＭＦＤ、曲げ損失、分散値は、波長１３００ｎｍにおける値、曲げ損失における曲げ半径は１ｍｍである）。 実施例４にて試作した細径光ファイバの横断面図である。 実施例４にて試作した１２心細径光ファイバテープの横断面図である。

符号の説明

１０ 光ファイバ
１１ 第１コア
１２ 第２コア
１５ クラッド
２１ 第１コア
２２ 第２コア
２３ 第３コア
３１ 第１コア
３２ 第２コア
３３ 第３コア
４０ 光ファイバテープ
４１ ＬＳＩ
４２ 電気配線
４３ ドライバＩＣ
４４ ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）
４６ａ，４６ｂ コネクタ接続部
４７ バックプレーン
４８ａ，４８ｂ プリント基板
４９ ＰＤ
５２ １次被覆樹脂
５３ ２次被覆樹脂
５４ テープ用被覆樹脂

Claims (8)

1. コアとクラッドを有する石英系ガラスからなる光ファイバであって、
   前記コアは中心部に位置する第１コアと該第１コアを取り囲む第２コアとからなり、
   前記第１コアの最大屈折率をｎ_c１とし前記クラッドの屈折率をｎ_cとしたときに｛（ｎ_c１−ｎ_c）／ｎ_c｝×１００［％］で定義される比屈折率差（Δ１）が０．８％以上１．２％以下、α値が１．５以上８．０以下であり、前記第２コアの最小屈折率をｎ_c２とした場合に｛（ｎ_c２−ｎ_c）／ｎ_c｝×１００［％］で定義される比屈折率差（Δ２）が−０．６％以上−０．２％以下であり、前記第１コアの直径をａ［μｍ］、前記第２コアの直径をｂ［μｍ］としたときに、ｂ／ａが１．６以上２．０以下であり、７．２≦ａ≦９．５であり、
   波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が５．４μｍ以上６．２μｍ以下であり、波長１２５０ｎｍの光をシングルモード伝搬し、曲率半径１ｍｍで曲げたときの波長１３１０ｎｍにおける曲げ損失が１ｄＢ／ターン以下である
   ことを特徴とする光ファイバ。
   ここで、α値は、以下の式におけるαで定義される。
   ｎ²（ｒ）＝ｎ_core ²×｛１−２×（Δ／１００）×（２ｒ／ａ）＾α｝
   （但し、０＜ｒ＜ａ／２）
   ｒは光ファイバの中心からの半径方向の位置を示し、ｎ（ｒ）は位置ｒにおける屈折率、ａは前記第１コアの直径を表し、記号「＾」はべき乗を表す。
2. コアとクラッドを有する石英系ガラスからなる光ファイバであって、
   前記コアは中心部に位置する第１コアと該第１コアを取り囲む第２コアと該第２コアを取り囲む第３コアとからなり、
   前記第１コアの最大屈折率をｎ_c１とし前記クラッドの屈折率をｎ_cとしたときに｛（ｎ_c１−ｎ_c）／ｎ_c｝×１００［％］で定義される比屈折率差（Δ１）が０．８％以上１．２％以下、α値が１．５以上６．０以下であり、前記第２コアの最小屈折率をｎ_c２とした場合に｛（ｎ_c２−ｎ_c）／ｎ_c｝×１００［％］で定義される比屈折率差（Δ２）が−０．５％以上−０．２％以下、前記第３コアの最大屈折率をｎ_c３とした場合に｛（ｎ_c３−ｎ_c）／ｎ_c｝×１００［％］で定義される比屈折率差（Δ３）が０．２％以上０．４％以下であり、前記第１コアの直径をａ［μｍ］、前記第２コアの直径をｂ［μｍ］、前記第３コアの直径をｃ［μｍ］としたときに、ｂ／ａが１．５以上１．９以下であり、ｃ／ａが１．８以上２．５以下であり、７．３≦ａ≦８．１であり、
   波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が５．４μｍ以上５．９μｍ以下であり、波長１２５０ｎｍの光をシングルモード伝搬し、曲率半径１ｍｍで曲げたときの波長１３１０ｎｍにおける曲げ損失が１ｄＢ／ターン以下である
   ことを特徴とする光ファイバ。
   ここで、α値は、以下の式におけるαで定義される。
   ｎ²（ｒ）＝ｎ_core ²×｛１−２×（Δ／１００）×（２ｒ／ａ）＾α｝
   （但し、０＜ｒ＜ａ／２）
   ｒは光ファイバの中心からの半径方向の位置を示し、ｎ（ｒ）は位置ｒにおける屈折率、ａは前記第１コアの直径を表し、記号「＾」はべき乗を表す。
3. コアとクラッドを有する石英系ガラスからなる光ファイバであって、
   前記コアは中心部に位置する第１コアと該第１コアを取り囲む第２コアと該第２コアを取り囲む第３コアとからなり、
   前記第１コアの最大屈折率をｎ_c１とし前記クラッドの屈折率をｎ_cとしたときに｛（ｎ_c１−ｎ_c）／ｎ_c｝×１００［％］で定義される比屈折率差（Δ１）が０．８％以上１．２％以下、α値が１．５以上８．０以下であり、前記第２コアの屈折率をｎ_c２とした場合に｛（ｎ_c２−ｎ_c）／ｎ_c｝×１００［％］で定義される比屈折率差（Δ２）が０％、前記第３コアの最小屈折率をｎ_c３とした場合に｛（ｎ_c３−ｎ_c）／ｎ_c｝×１００［％］で定義される比屈折率差（Δ３）が−０．５％以上−０．２％以下であり、前記第１コアの直径をａ［μｍ］、前記第２コアの直径をｂ［μｍ］、前記第３コアの直径をｃ［μｍ］としたときに、ｂ／ａが１．１以上１．２以下であり、ｃ／ａが１．４以上１．６以下であり、６．４≦ａ≦８．５であり、
   波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が５．４μｍ以上６．０μｍ以下であり、波長１２５０ｎｍの光をシングルモード伝搬し、曲率半径１ｍｍで曲げたときの波長１３１０ｎｍにおける曲げ損失が１ｄＢ／ターン以下である
   ことを特徴とする光ファイバ。
   ここで、α値は、以下の式におけるαで定義される。
   ｎ²（ｒ）＝ｎ_core ²×｛１−２×（Δ／１００）×（２ｒ／ａ）＾α｝
   （但し、０＜ｒ＜ａ／２）
   ｒは光ファイバの中心からの半径方向の位置を示し、ｎ（ｒ）は位置ｒにおける屈折率、ａは前記第１コアの直径を表し、記号「＾」はべき乗を表す。
4. 前記クラッドの直径が５５μｍから９０μｍである
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
5. 前記光ファイバは紫外線硬化樹脂および熱可塑性樹脂の少なくともいずれか一方でなる被覆を有し、該被覆が難燃性を有するものである
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光ファイバ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光ファイバが平行に並べられて平帯状に一体化されている
   ことを特徴とする光ファイバテープ。
7. 前記平帯状に一体化された複数の光ファイバは、難燃紫外線硬化樹脂および難燃熱可塑性樹脂の少なくともいずれか一方でなるテープ被覆を有する
   ことを特徴とする請求項６記載の光ファイバテープ。
8. 通信波長１．３μｍ帯の光インターコネクションシステムであって、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の光ファイバと、
   前記光ファイバに波長１．３μｍ帯の光信号を入射する面発光レーザと、
   を備えたことを特徴とする光インターコネクションシステム。

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