(57)【要約】      （修正有）【課題】ラマン増幅を行う光通信システムに適用可能な、ＯＳＮＲの改善と曲げ損失の抑制の両立を可能にする光ファイバを提供する。【解決手段】光ファイバ１００は、コア１１０、低屈折率の内側クラッド１２０、外側クラッド１３０により構成されたディプレスト型屈折率プロファイルを持ち、波長１５５０ｎｍにおいて１１０μｍ２以上の実効断面積Ａｅｆｆと、１．３μｍ以上、かつ、１．５３μｍ以下のファイバカットオフ波長λｃを有する石英系の光ファイバである。ディプレスト型屈折率プロファイルは、コア１１０の外径に対する内側クラッド１２０の外径の比Ｒａ＝２ｂ／２ａが２．５以上、かつ、３．５以下に設定されるとともに、外側クラッド１３０に対する内側クラッド１２０の比屈折率差Δ−が、波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が最小となる比屈折率差Δ−ｍｉｎ以上、かつ、Δ−ｍｉｎ＋０．０６％以下となる。【選択図】図２
2011197667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長１５５０ｎｍにおいて０．１９ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失と、波長１５５０ｎｍにおいて１１０μｍ２以上の実効断面積Ａｅｆｆと、１．３μｍ以上、かつ、１．５３μｍ以下のファイバカットオフ波長λｃを有する石英系の光ファイバであって、
屈折率ｎ１、外径２ａを有する純石英からなるコアと、前記コアの外周に設けられるとともに屈折率ｎ２、外径２ｂを有する内側クラッドと、前記内側クラッドの外周に設けられるとともに屈折率ｎ３を有する外側クラッドを備え、
前記屈折率ｎ３は、前記屈折率ｎ１よりも小さく、かつ、前記屈折率ｎ２よりも大きく、
前記コアの外径に対する前記内側クラッドの外径の比Ｒａ（＝２ｂ／２ａ）は、２．５以上、かつ、３．５以下であり、
使用波長上限で基底モードが漏洩開始する際の対応する基底モード遮断波長をλＦＣｕｐとするとき、基底モード遮断波長λＦＣは、λＦＣｕｐを超える波長になるように設定され、
波長１５５０ｎｍで曲げ損失が最小となる、前記外側クラッドに対する前記内側クラッドの比屈折率差Δ−（＝１００×（ｎ２−ｎ３）／ｎ３）をΔ−ｍｉｎとするとき、前記Δ−は、Δ−ｍｉｎ以上、かつ、Δ−ｍｉｎ＋０．０６％以下となるように設計されている
ことを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記Δ−は、−０．１２％以上、かつ、−０．０６％以下であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項３】
波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａｅｆｆは、１５０μｍ２以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバ。
【請求項４】
波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａｅｆｆは、１２０μｍ２以上、かつ、１４０μｍ２以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバ。
【請求項５】
基底モード遮断波長λＦＣは、２４００ｎｍを越えていることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバ。
【請求項６】
請求項１又は２記載の光ファイバを備えた光通信システム。
【請求項７】
前記光ファイバ内において、伝搬光をラマン増幅することを特徴とする請求項６記載の光通信システム。
【請求項８】
前記光ファイバは、１．４５μｍ以下のファイバカットオフ波長を有することを特徴とする請求項６記載の光通信システム。
【請求項９】
８０ｋｍ以上の中継スパンにおける２以上の箇所に布設され、それぞれがクレーム１又は２の光ファイバと同じ構造を有する複数の第１光ファイバと、
前記中継スパン及びその両端における４以上の箇所で前記第１光ファイバと接続された複数の第２光ファイバであって、それぞれが波長１５５０ｎｍにおいて８５μｍ２以下の実効断面積Ａｅｆｆを有するとともに、少なくともいずれかは、前記中継スパンの両端に布設されるか、又は、前記中継スパン中の１箇所に布設された複数の第２光ファイバと
を備えた光通信システムにおいて、
前記第１光ファイバそれぞれは、波長１５５０ｎｍにおいて０．１９ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失と、波長１５５０ｎｍにおいて１１０μｍ２以上、かつ、１５０μｍ２以下の実効断面積Ａｅｆｆと、１．３μｍ以上、かつ、１．４５μｍ以下のファイバカットオフ波長λｃを有し、
前記第１光ファイバそれぞれにおいて伝搬光をラマン増幅することを特徴とする光通信システム。
【請求項１０】
波長１６２５ｎｍ以下の光を伝送するための媒体として、波長１５５０ｎｍにおいて０．１９ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失と、波長１５５０ｎｍにおいて１１０μｍ２以上の実効断面積Ａｅｆｆと、１．３μｍ以上、かつ、１．５３μｍ以下のファイバカットオフ波長λｃを有する石英系の光ファイバであって、
屈折率ｎ１、外径２ａを有する純石英からなるコアと、前記コアの外周に設けられるとともに屈折率ｎ２、外径２ｂを有する内側クラッドと、前記内側クラッドの外周に設けられるとともに屈折率ｎ３を有する外側クラッドを備え、
前記屈折率ｎ３は、前記屈折率ｎ１よりも小さく、かつ、前記屈折率ｎ２よりも大きく、
前記外側クラッドに対する前記内側クラッドの比屈折率差Δ−（＝１００×（ｎ２−ｎ３）／ｎ３）は、−０．１２％以上、かつ、−０．０６％以下であり、
前記コアの外径に対する前記内側クラッドの外径の比Ｒａ（＝２ｂ／２ａ）は、２．５以上、かつ、３．５以下である
ことを特徴とする光ファイバ。
【請求項１１】
波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａｅｆｆは、１５０μｍ２以下であることを特徴とする請求項１０記載の光ファイバ。
【請求項１２】
波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａｅｆｆは、１２０μｍ２以上、かつ、１４０μｍ２以下であることを特徴とする請求項１０記載の光ファイバ。
【請求項１３】
基底モード遮断波長λＦＣは、２４００ｎｍを越えていることを特徴とする請求項１０記載の光ファイバ。
【請求項１４】
請求項１０記載の光ファイバを備えた光通信システム。
【請求項１５】
前記光ファイバ内において、伝搬光をラマン増幅することを特徴とする請求項１４記載の光通信システム。
【請求項１６】
前記光ファイバは、１．４５μｍ以下のファイバカットオフ波長を有することを特徴とする請求項１４記載の光通信システム。
【請求項１７】
８０ｋｍ以上の中継スパンにおける２以上の箇所に布設された複数の第１光ファイバと、
前記中継スパン及びその両端における４以上の箇所で前記第１光ファイバと接続された複数の第２光ファイバであって、それぞれが波長１５５０ｎｍにおいて８５μｍ２以下の実効断面積Ａｅｆｆを有するとともに、少なくともいずれかは、前記中継スパンの両端に布設されるか、又は、前記中継スパン中の１箇所に布設された複数の第２光ファイバと
を備えた光通信システムにおいて、
前記第１光ファイバそれぞれは、波長１５５０ｎｍにおいて０．１９ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失と、波長１５５０ｎｍにおいて１１０μｍ２以上、かつ、１５０μｍ２以下の実効断面積Ａｅｆｆと、１．３μｍ以上、かつ、１．４５μｍ以下のファイバカットオフ波長λｃを有し、
前記第１光ファイバそれぞれにおいて伝搬光をラマン増幅することを特徴とする光通信システム。
【請求項１８】
前記第１光ファイバそれぞれは、屈折率ｎ１、外径２ａを有する純石英からなるコアと、前記コアの外周に設けられるとともに屈折率ｎ２、外径２ｂを有する内側クラッドと、前記内側クラッドの外周に設けられるとともに屈折率ｎ３を有する外側クラッドを有し、
前記屈折率ｎ３は、前記屈折率ｎ１よりも小さく、かつ、前記屈折率ｎ２よりも大きく、
前記コアの外径に対する前記内側クラッドの外径の比Ｒａは、２．５以上、かつ、３．５以下であり、
使用波長上限で基底モードが漏洩開始する際の対応する基底モード遮断波長をλＦＣｕｐとするとき、基底モード遮断波長λＦＣは、λＦＣｕｐを超える波長になるように設定され、
波長１５５０ｎｍで曲げ損失が最小となる、前記外側クラッドに対する前記内側クラッドの比屈折率差Δ−（＝１００×（ｎ２−ｎ３）／ｎ３）をΔ−ｍｉｎとするとき、前記Δ−は、Δ−ｍｉｎ以上、かつ、Δ−ｍｉｎ＋０．０６％以下となるように設計されていることを特徴とする請求項１７記載の光通信システム。
【請求項１９】
前記第１光ファイバそれぞれは、波長１６２５ｎｍ以下の光を伝搬するための媒体であって、屈折率ｎ１、外径２ａを有する純石英からなるコアと、前記コアの外周に設けられるとともに屈折率ｎ２、外径２ｂを有する内側クラッドと、前記内側クラッドの外周に設けられるとともに屈折率ｎ３を有する外側クラッドを有し、
前記屈折率ｎ３は、前記屈折率ｎ１よりも小さく、かつ、前記屈折率ｎ２よりも大きく、
前記外側クラッドに対する前記内側クラッドの比屈折率差Δ−（＝１００×（ｎ２−ｎ３）／ｎ３）は、−０．１２％以上、かつ、−０．０６％以下であり、
前記コアの外径に対する前記内側クラッドの外径の比Ｒａは、２．５以上、かつ、３．５以下であることを特徴とする請求項１７記載の光通信システム。
【請求項２０】
前記実効断面積Ａｅｆｆは、１２０μｍ２以上、かつ、１４０μｍ２以下であることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか一項記載の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラマン増幅を用いた長中継距離の波長多重光通信システムにおいて、光信号雑音比（以下、ＯＳＮＲ：Optical Signal-to-Noise Ratioという）を改善する光ファイバ、及びこのような光ファイバが適用された光通信システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいては、近年、デジタルコヒーレント受信技術に代表されるように、受信機においてデジタル信号処理（ＤＳＰ）を用いて分散による波形歪を補償する技術が進展している。これに伴い、光伝送路における分散値の改善よりは、むしろＯＳＮＲの改善要求が急速に高まってきている。通信システムにおける中継器間隔を固定した状態で、信号品質を劣化させずに伝送速度を高速化するには、ＯＳＮＲを増加させなければならない。例えば、伝送速度を２倍に高速化するには、ＯＳＮＲを２倍に増加（３ｄＢ増加）させる必要がある。また、伝送速度を維持した状態で中継距離を長くする場合も、ＯＳＮＲを増加させなければならない。例えば、中継器間隔を５ｋｍ長くするには、ＯＳＮＲを１ｄＢ増加させる必要がある。
【０００３】
光通信システムのＯＳＮＲを増加させるには、伝送媒体である光ファイバの実効断面積Ａｅｆｆを拡大すること、及び、伝送損失を低減することが効果的である。実効断面積Ａｅｆｆを大きくすることで、大きなパワーの信号光が光ファイバを伝搬しても非線形光学現象の発生を十分に抑制することができる。そのため、実効断面積Ａｅｆｆが拡大された光ファイバは、より大きな入射信号光パワーを許容することができる。入射信号光パワーが大きいと、その分、受信信号光パワーも大きいので、ＯＳＮＲを増加させることができる。
【０００４】
また、伝送損失が低いと、入射信号光パワーが同じでも受信端でより大きな信号光パワーを受信することができる。この場合も、ＯＳＮＲを増加させることができる。
【０００５】
以下の特許文献１には、１１０μｍ２以上の実効断面積Ａｅｆｆ、０．１８０ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失を有する光ファイバが開示されている。この光ファイバは、ディプレストクラッド型屈折率プロファイルを有し、光軸中心から順に、コア、内側クラッド、外側クラッドで構成されている。コア外径２ａは１１．５〜２３．０μｍ、コアに対する内側クラッドの外径比２ｂ／２ａは１．１〜７、外側クラッドに対するコアの比屈折率差Δ＋は０．１５％〜０．３０％、外側クラッドに対する内側クラッドの比屈折率差Δ−は−０．１５％〜−０．０１％である。
【０００６】
以下の非特許文献１には、１２０μｍ２の実効断面積Ａｅｆｆ、０．１８３ｄＢ／ｋｍの伝送損失を有する光ファイバが開示されている。この光ファイバは、トレンチ型屈折率プロファイルを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４２９３１５６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M. Bigot-Astruc et al., ”Trench-Assisted Profiles forLarge-Effective-Area Single Mode Fibers”, Mo.4.B.1, ECOC2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
発明者らは、上述の従来技術について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、実際の光通信システムでは、伝送用光ファイバの両端は中継器や送受信機などの機器と接続されている。機器の両端は汎用シングルモードファイバ（以下、ＳＭＦ：Single-Mode Optical Fiberという）又は非ゼロ分散シフトファイバ（以下、ＮＺＤＳＦ：Non-Zero Dispersion-Shifted Optical Fiberという）などの光ファイバで構成されており、このような光ファイバが融着やコネクタ接続などにより伝送用光ファイバに接続される。あるいは、伝送用光ファイバが、伝送路の途中で種類の異なる他の伝送用光ファイバと接続されることもある。伝送用光ファイバの実効断面積Ａｅｆｆが、機器両端の光ファイバや他の伝送用光ファイバに比べて大きすぎると、接続損失が大きくなるため、当該光通信システム全体のＯＳＮＲが劣化してしまう。
【００１０】
また、長距離光通信システムでは分布ラマン増幅がよく適用されるが、伝送用光ファイバの実効断面積Ａｅｆｆが大きいとラマン増幅効率が低下してしまう。そのため、所望のゲインを得るために巨大なポンプ光パワーが必要になってしまう。以上のことから、伝送用光ファイバの実効断面積Ａｅｆｆは、大きければ大きいほど良いのではなく、最適な値に設定されなければならない。上述の先行技術では、接続損失も考慮してＯＳＮＲを改善できるように実効断面積Ａｅｆｆを最適化した光ファイバは報告されていない。
【００１１】
一般に、光ファイバにおける実効断面積Ａｅｆｆの拡大は、曲げ損失の増加を伴う。上記特許文献１に開示された光ファイバでは、曲げ損失を抑制するためにディプレストクラッド型屈折率プロファイルを採用しているが、このプロファイルでは基底モード遮断による漏洩損失が起こらないように注意してプロファイルを設計しなければならない。上記特許文献１は、「外側クラッドに対するコアの比屈折率差Δｎ＋及び内側クラッドの比屈折率差Δｎ−それぞれの絶対値が互いに等しい場合には基底モード光が光ファイバを伝搬しない」旨、記載している（上記特許文献１の段落番号「００４７」参照）。しかしながら、これは、使用波長で基底モード遮断が起きないようにしているだけである。実際には、基底モード遮断波長よりも短い波長で基底モード伝搬光の漏洩が始まり、伝送損失が増大する。使用波長帯域全体（１５３０ｎｍ〜１６２５ｎｍ）で、基底モード遮断による漏洩損失を抑制する必要がある。
【００１２】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、機器や他種の光ファイバとの接続構造を有するとともにラマン増幅を行う光通信システムと、それに適用可能な光ファイバを提供することを目的としている。特に、目的の光ファイバは、ＯＳＮＲの改善を可能にするための構造を有する光ファイバであって、ディプレストクラッド型屈折率プロファイルを持ち、基底モード遮断による漏洩損失を回避しつつ曲げ損失も抑制可能にする。なお、当該光通信システム全体としては、デジタルコヒーレント受信技術など、受信機で分散による波形歪を補償する技術を適用することで、光ファイバの分散値の改善を考慮する必要がなくなっている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る光ファイバは、光学特性として、波長１５５０ｎｍにおいて０．１９ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失と、波長１５５０ｎｍにおいて１１０μｍ２以上の実効断面積Ａｅｆｆと、１．３μｍ以上、かつ、１．５３μｍ以下のファイバカットオフ波長λｃを有する石英系の光ファイバである。また、当該光ファイバは、ディプレストクラッド型屈折率プロファイルを実現するため、屈折率ｎ１、外径２ａを有する純石英からなるコアと、コアの外周に設けられるとともに屈折率ｎ２、外径２ｂを有する内側クラッドと、内側クラッドの外周に設けられるとともに屈折率ｎ３を有する外側クラッドを備える。
【００１４】
本発明に係る光ファイバにおいて、屈折率ｎ３は、ｎ１＞ｎ３＞ｎ２（条件１）を満たすのが好ましい。外側クラッドに対する内側クラッドの比屈折率差Δ−（＝１００×（ｎ２−ｎ３）／ｎ３）は、−０．１２％≦Δ−≦−０．０６％（条件２）を満たすのが好ましい。また、コアの外径に対する内側クラッドの外径の比Ｒａ（＝２ｂ／２ａ）は、２．５≦Ｒａ≦３．５（条件３）を満たすのが好ましい。
【００１５】
なお、本発明に係る光ファイバは、波長１６２５ｎｍ以下の光を伝搬するための媒体に適用可能である。当該光ファイバは、低損失の純石英コアを有するとともに、曲げ損失に強いディプレストクラッド型屈折率プロファイルを有する。当該光ファイバは、基底モード遮断波長λＦＣとして、２４００ｎｍ以上に設定することにより、漏洩損失の低減を実現する。
【００１６】
本発明に係る光ファイバは、上記光学特性及びディプレストクラッド型屈折率プロファイルを備えるとともに、上記条件１及び条件３の他、以下の２条件を満たしてもよい。すなわち、使用波長上限での基底モードが漏洩開始する際の基底モード遮断波長をλＦＣｕｐとするとき、基底モード遮断波長λＦＣは、λＦＣｕｐを超える波長になるように設定される（条件４）。また、波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失が最小となる、外側クラッドに対する内側クラッドの比屈折率差Δ−（＝１００×（ｎ２−ｎ３）／ｎ３）をΔ−ｍｉｎとするとき、Δ−は、Δ−ｍｉｎ以上、かつ、Δ−ｍｉｎ＋０．００６％以下となるように設計される（条件５）。
【００１７】
なお、本発明に係る光ファイバにおいて、上限波長として１６２５ｎｍまでの伝送を可能にするため、波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａｅｆｆは、１５０μｍ２以下であってもよい。当該光ファイバが適用される光通信システムの中継スパンでは、少なくとも２以上の箇所での接続を想定し、かつ、この中継スパンにおいてラマン増幅を行うことを想定しており、当該光通信システム全体において１ｄＢ以上のＯＳＮＲが確保される。また、よりよいＯＳＮＲを確保するため、波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａｅｆｆは、１２０μｍ２以上、かつ、１４０μｍ２以下であってもよい。
【００１８】
本発明に係る光通信システムは、上述のような構造を備えた光ファイバ（本発明に係る光ファイバ）を備える。また、当該光通信システムは、この光ファイバ内において、伝搬光をラマン増幅する。この場合、ラマン増幅用の励起光をシングルモード伝搬させる条件として、光ファイバは、１．４５μｍ以下のファイバカットオフ波長を有するのが好ましい。
【００１９】
本発明に係る光通信システムは、複数の第１の光ファイバと複数の第２光ファイバにより、８０ｋｍ以上の中継スパン（長中継スパン）を有する光通信システムを構成し得る。この場合、複数の第１光ファイバは、８０ｋｍ以上の中継スパンにおける２以上の箇所に布設される。複数の第２光ファイバは、中継スパンにおける４以上の箇所で第１光ファイバと接続される。また、複数の第２光ファイバは、それぞれが波長１５５０ｎｍにおいて８５μｍ２以下の実効断面積Ａｅｆｆを有する。複数の第２光ファイバの少なくともいずれかは、中継スパンの両端に布設されるか、又は、中継スパン中の１箇所に布設される。すなわち、当該光通信システムでは、第１光ファイバが、小さい実効断面積Ａｅｆｆが８５μｍ２以下の第２光ファイバと４以上の箇所で接続されることを想定しており、この第１光ファイバが１１０μｍ２〜１５０μｍ２の大きな実効断面積Ａｅｆｆを有することにより、より高パワーのラマン増幅用の励起光の入力を可能にする一方、第１光ファイバが波長１５５０ｎｍにおいて０．１９ｄＢ／ｋｍ以下の低伝送損失を有することにより、長中継スパンにおける光伝送が可能になる。その結果、当該光通信システム全体において１ｄＢ以上のＯＳＮＲが達成可能になる。
【００２０】
第１光ファイバそれぞれは、波長１５５０ｎｍにおいて０．１９ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失と、波長１５５０ｎｍにおいて１１０μｍ２以上、かつ、１５０μｍ２以下の実効断面積Ａｅｆｆと、１．３μｍ以上、かつ、１．４５μｍ以下のファイバカットオフ波長λｃを有するのが好ましい。この場合、当該光通信システムは、第１光ファイバそれぞれにおいて伝搬光をラマン増幅する。
【００２１】
第１光ファイバそれぞれは、ディプレトクラッド型屈折率プロファイルを実現するため、屈折率ｎ１、外径２ａを有する純石英からなるコアと、前記コアの外周に設けられるとともに屈折率ｎ２、外径２ｂを有する内側クラッドと、前記内側クラッドの外周に設けられるとともに屈折率ｎ３を有する外側クラッドを有してもよい。また、屈折率ｎ３は、上記条件１を満たすのが好ましい。コアの外径に対する内側クラッドの外径の比Ｒａは、上記条件３を満たすのが好ましい。さらに、第１光ファイバそれぞれは、上記条件４及び条件５をともに満たすのが好ましい。
【００２２】
さらに、本発明に係る光通信システムに適用される第１光ファイバそれぞれは、波長１６２５ｎｍ以下の光を伝搬するための媒体であって、上記ディプレストクラッド型屈折率プロファイルを有し、上記条件１、条件２及び条件３を満たすのが好ましい。この場合、第１光ファイバそれぞれの実効断面積Ａｅｆｆは、１２０μｍ２以上、かつ、１４０μｍ２以下であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ラマン増幅が行われる光通信システムにおけるＯＳＮＲが改善されるとともに、基底モード遮断による漏洩損失の回避と、曲げ損失の抑制の両立が可能になる。すなわち、光通信システム全体としては、デジタルコヒーレント受信技術など、受信端で分散による波形歪を補償する技術を適用することで、分散値の改善を目的としない、ＯＳＮＲの改善及び曲げ損失の抑制に特化した本願発明に係る光ファイバは有用となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実効断面積ＡｅｆｆとＯＳＮＲ改善量の関係を示す図である。
【図２】本発明に係る光ファイバの一実施形態の断面構造を示す図、及びその屈折率プロファイルである。
【図３】漏洩損失が発生し始める波長と基底モード遮断波長との関係を示すグラフである。
【図４】直径２０ｍｍでの曲げ損失と基底モード遮断波長との関係を示すグラフである。
【図５】本実施形態に係る光ファイバ（実施例１〜１５）と比較例に係る光ファイバの構造パラメータ及び光学特性を纏めた表である。
【図６】本実施形態に係る光ファイバの複数サンプルについて、被覆樹脂のヤング率及び実効断面積Ａｅｆｆを変えたときのマイクロベンドロスを纏めた表である。
【図７】中継スパンにおける接続状態の差に起因した、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）に対するＯＳＮＲ改善量を、実効断面積Ａｅｆｆと伝送損失の関係で示す図である。
【図８】本実施形態に係る光ファイバの構造決定動作を説明するためのフローチャートである。
【図９】本発明に係る光通信システムの各実施形態の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、この発明に係る光ファイバ及び光通信システムの各実施形態を、図１〜図９を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２６】
まず、光通信システムの伝送用光ファイバに適用可能な、本実施形態に係る光ファイバの実効断面積Ａｅｆｆの最適値について説明する。すなわち、光ファイバの特性の観点から、ＯＳＮＲは近似的に以下の式（１）で表される。
【数１】
2011197667.tif 000003
ここで、Ａｅｆｆは信号光波長における光ファイバの実効断面積、αは信号光波長における伝送損失、αＳＰは接続損失、Ｎは１中継スパン当たりの接続箇所数（中継スパンの両端の接続箇所を含む）、Ｌは１中継スパン当たりの光ファイバの長さである。
【００２７】
上記式（１）の第一項は、光ファイバ中で発生する非線形光学現象の一つである自己位相変調（ＳＰＭ：Self-Phase Modulation）による非線形位相シフト量を一定としたときの許容入射光パワーに対応している。非線形位相シフト量φＳＰＭは以下の式（２）で与えられる。
【数２】
2011197667.tif 000004
ここで、λは信号光波長、ｎ２は光ファイバの非線形屈折率、Ｌｅｆｆは光ファイバの実効長、Ｐｉｎは入射光パワーである。
【００２８】
実効長Ｌｅｆｆは、十分にファイバ長が長ければ、例えば５０ｋｍ以上であり、Ｌｅｆｆ≒１／α（１／ｋｍ）で近似できる。上記式（２）より、非線形屈折率ｎ２を一定、非線形位相シフト量φＳＰＭを一定としたときの許容入射パワーは、Ａｅｆｆ（μｍ２）×α（１／ｋｍ）に比例して大きくなる。
【００２９】
上記式（１）の第二項は、光ファイバの接続損失に対応しており、接続される二種類の光ファイバ間におけるモードフィールド径（以下、ＭＦＤ：Mode Field Diameterという）の不整合のみ考慮すると、接続損失（ｄＢ）は以下の式（３）で見積もることができる。
【数３】
2011197667.tif 000005
ここで、Ｗ１は本実施形態に係る光ファイバのＭＦＤ、Ｗ２は機器両端の光ファイバ又は他の伝送用光ファイバのＭＦＤである。
【００３０】
他種の伝送用光ファイバとしては、例えば、波長１５５０ｎｍで、Ａｅｆｆ＝８０μｍ２、ＭＦＤ＝１０．１μｍのシングルモードファイバ（ＳＭＦ：Single Mode Fiber）、又はＡｅｆｆ＝５０〜７０μｍ２、ＭＦＤ＝８〜１０μｍの分散シフトファイバ（ＤＳＦ： Dispersion-Shifted Fiber）や非ゼロ分散シフトファイバ（ＮＺＤＳＦ：Non-Zero Dispersion Shifted Fiber）が用いられる。上記式（１）の第二項より、Ａｅｆｆが機器両端の光ファイバや他の伝送用ファイバに比べて大きいとＭＦＤ不整合が大きくなり、接続損失が大きくなる。なお、上記式（１）の第三項は、光ファイバの伝送損失を示す。以下、波長に依存する特性は、特に波長を示さない限り、波長１５５０ｎｍにおけるものとする。
【００３１】
図１は、実効断面積ＡｅｆｆとＯＳＮＲ改善量の関係を示す図である。なお、図１には、１中継スパン中の接続箇所数Ｎが０、２、４箇所の各接続構成のＯＳＮＲを示すグラフが示されている。図１において、縦軸は、伝送用ファイバとしてＳＭＦ（Ａｅｆｆ＝８０μｍ２、伝送損失＝０．１９０ｄＢ／ｋｍ）を使用した場合に対するＯＳＮＲの改善量を示す。なお、図１では、実効断面積ＡｅｆｆがＯＳＮＲ改善量に与える影響を評価するため、伝送損失は全てＳＭＦと同じにしてある。また、上記式（３）のＷ２は、ＳＭＦのＭＦＤであって、具体的には１０．１μｍである。
【００３２】
図１より、接続箇所が無い場合（Ｎ＝０）、実効断面積Ａｅｆｆが大きいほどＯＳＮＲを改善させることができる。次に、１中継スパンの両端に接続箇所が２箇所存在する場合（Ｎ＝２）は、伝送用ファイバの両端の中継器などの機器内の光ファイバが接続されている状態にあたる（図９（ａ）参照）。この場合、実効断面積Ａｅｆｆが１５０μｍ２以上のときＯＳＮＲ改善量はほぼ飽和する。そのため、これ以上実効断面積Ａｅｆｆを拡大してもＯＳＮＲ改善効果は小さい。また、分布ラマン増幅のポンプ光パワーを実用的な範囲内（数ワット以下）に抑えるためには、実効断面積Ａｅｆｆは１５０μｍ２以下としなければならない。したがって、ＯＳＮＲ改善量を１ｄＢ以上にするには、実効断面積Ａｅｆｆが１１０〜１５０μｍ２の範囲にするのがよい。１中継スパンにおける接続箇所が４箇所存在する場合は、さらに、中継スパンの途中で当該伝送用光ファイバと他種の伝送用ファイバとの接続が２箇所存在する場合に相当する（図９（ｂ）参照）。この場合、ＯＳＮＲ改善量は、実効断面積Ａｅｆｆが１３５μｍ２のとき最大値となる。また、ＯＳＮＲ改善量が１ｄＢ以上となるのは、実効断面積Ａｅｆｆが１１０〜１５０μｍ２の範囲である。これはラマン増幅のポンプ光パワーが実用的な範囲内である。
【００３３】
図２は、本発明に係る光ファイバの一実施形態の断面構造を示す図、及びその屈折率プロファイルである。本実施形態に係る光ファイバ１００は、図２（ａ）に示すように、所定軸に沿って伸びた、屈折率ｎ１、外径２ａを有するコア１１０と、コア１１０の外周に設けられた、屈折率ｎ２（＜ｎ１）、外径２ｂを有する内側クラッド１２０と、内側クラッド１２０の外周に設けられた、屈折率ｎ３（＜ｎ１、＞ｎ２）を有する外側クラッド１３０と、外側クラッド１３０の外周に設けられた被覆樹脂１４０を備える。なお、被覆樹脂１４０は、外側クラッド１４０の外周に設けられたプライマリ被覆樹脂１４１と、プライマリ被覆樹脂１４１の外周に設けられたセカンダリ被覆樹脂１４２から構成されている。
【００３４】
また、図２（ｂ）には、図２（ａ）に示された光ファイバ１００のうちガラス領域の屈折率プロファイル１５０が示されている。この屈折率プロファイル１５０において、領域１５１はコア１１０の屈折率を示し、領域１５２は内側クラッド１２０の屈折率を示し、領域１５３は外側クラッド１３０の屈折率を示す。
【００３５】
このような屈折率プロファイル１５０の特徴として、同じ実効断面積Ａｅｆｆを有する光ファイバ間であれば、屈折率プロファイル１５０を有する光ファイバの方がステップインデックス型屈折率プロファイルを有する光ファイバよりも曲げ損失を低く抑えることができる。ところが、屈折率プロファイル１５０を有する光ファイバでは、波長が長くなると基底モード光がコアからクラッドへと漏洩し始め、ある波長で基底モード遮断を起こすことが知られている。なお、ステップインデックス型屈折率プロファイルを有する光ファイバでは、基底モード遮断は無いが、曲げ損失が大きい。
【００３６】
図３は、漏洩損失が発生し始める波長λＬＫ（ｎｍ）と基底モード遮断波長λＦＣ（ｎｍ）との関係を示すグラフである。ここで、波長λＬＫは、基底モードの漏洩損失が、ステップインデックス型屈折率プロファイルを有するとともに中心コアが実質的に純シリカである光ファイバにおける伝送損失（ｄＢ／ｋｍ）の２０％以上となる波長と定義する。光通信に利用されるＣバンド〜Ｌバンド（１５３０〜１６２５ｎｍ：本実施形態に係る光通信システムにおける使用波長帯域）の波長帯全てで漏洩損失を起こさないようにする（波長λＬＫを１６２５ｎｍ以上にする）ためには、図３より、規定モード遮断波長λＦＣを少なくとも２４００ｎｍ以上にする必要がある。なお、図３中に示された＃１は、後述する図５の表中に示された比較例を示す。また、図３に示すように、伝送損失が実用的に低い領域で、漏洩損失が発生し始める波長と基底モード遮断波長との関係は、本願明細書において初めて特定されたものである。従来、基底モード遮断波長を長くする方が漏洩損失を回避するのに良いことは知られていたが、実際に漏洩損失がいくらの波長から出始めるかは、ファイバを作ってみないと分からなかった。これに対して本願発明によれば、使用波長範囲を設定した時に、具体的に基底モード遮断波長をいくら以上にすればよいかを特定できたので、従来と比較してファイバ設計が容易になったと言える。
【００３７】
図４は、直径２０ｍｍでの曲げ損失と基底モード遮断波長との関係を示すグラフである。具体的には、外側クラッド１３０に対する内側クラッド１２０の比屈折率差Δ−、コア１１０の外径に対する内側クラッド１２０の外径の比（２ｂ／２ａ）を変えたときの、基底モード遮断波長λＦＣ（ｎｍ）と直径２０ｍｍでの曲げ損失との関係が示されている。この図４では、内側クラッド１２０に対するコア１１０の比屈折率差Δ＋及びコア１１０の外径２ａは、実効断面積Ａｅｆｆが１３５μｍ２、ＬＰ１１モードのカットオフ波長λｃが１３５０ｎｍとなるように調整されている。
【００３８】
ラマン増幅の場合、励起光波長の場合でもシングルモードを実現するためには、ファイバカットオフ波長は１．４５μｍ以下であることが好ましい。曲げ損失は、比２ｂ／２ａが３．０のときに最小となっており、曲げ損失をＳＭＦと同等以下の２０ｄＢ／ｋｍ以下に抑えるには、比２ｂ／２ａを２．５〜３．５とし、比屈折率差Δ−を−０．０６％以下にする必要がある。また、基底モード遮断波長λＦＣを２４００ｎｍ以上にするためには、比２ｂ／２ａが３．０のとき、比屈折率差Δ−を−０．１２％以上にする必要がある。なお、従来、漏洩が発生する波長は、ファイバを作ってみないと分からなかった。これに対して本願発明によれば、基底モード遮断波長（計算値）で特定することができるようになったので、従来と比較してファイバ設計が容易になった。
【００３９】
図５は、本実施形態に係る光ファイバ（実施例１〜１５）と比較例に係る光ファイバの構造パラメータ及び光学特性を纏めた表である。この図５の表に示された比較例では、基底モード遮断波長λＦＣは２２６３ｎｍと信号光波長よりも長いが、漏洩損失は１４４１ｎｍ（＝λＬＫ）から発生しており、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失も０．３２ｄＢ／ｋｍと高い。一方、実施例１〜１５は、何れも光通信波長帯で漏洩損失は発生していない。また、実施例１の実効断面積Ａｅｆｆは１３４μｍ２、曲げ損失は８．０ｄＢ／ｍと良好である。他の実施例２〜１５も比較例と比べてより良好な曲げ損失を有する。
【００４０】
また、実効断面積Ａｅｆｆの拡大には、マイクロベンドロスの増加も伴う。図６は、本実施形態に係る光ファイバの複数サンプルについて、被覆樹脂のヤング率及び実効断面積Ａｅｆｆを変えたときのマイクロベンドロスを纏めた表である。この図６には、ガラス径（外側クラッド１３０の外径）、プライマリ被覆樹脂１４１のヤング率及び外径、セカンダリ被覆樹脂１４１のヤング率及び外径、光ファイバのＡｅｆｆ、λｃに対するマイクロベンドロスが示されている。ここで、マイクロベンドロスは、直径５０μｍ、間隔１００μｍのワイヤーメッシュで表面を覆われた直径４００ｍｍのボビンに、光ファイバを張力８０ｇで巻いた時の損失増加量で表す。
【００４１】
図６に示されたサンプル１〜３とサンプル４〜６との比較から、プライマリ被覆樹脂１４１のヤング率を小さくすることで、同じ実効断面積Ａｅｆｆを有する光ファイバ間であれば、サンプル４〜６の光ファイバの方がマイクロベンドロスを低減することができることが分かる。また、サンプル５とサンプル７との比較から、セカンダリ被覆樹脂１４２のヤング率を大きくすることで同じ実効断面積Ａｅｆｆを有する光ファイバ間であれば、サンプル７の光ファイバの方がマイクロベンドロスを低減することができることが分かる。
【００４２】
一般的に、プライマリ被覆樹脂１４１のヤング率が低く、かつ、セカンダ被覆樹脂１４２のリヤング率が高い光ファイバの方が、マイクロベンドロスは低くなる。具体的には、プライマリ被覆樹脂１４１のヤング率は０．３〜０．６ＭＰａ、セカンダリ被覆樹脂１４２のヤング率は７００〜１５００ＭＰａの範囲で選定されるのが好ましい。
【００４３】
マイクロベンドロスを低減する手段として、ガラス径又は被覆樹脂１４０（プライマリ被覆樹脂１４１及びセカンダリ被覆樹脂１４２を含む）の外径を拡大する手法もあるが、一般的に使用されている光ファイバ（ガラス径：１２５μｍ、被覆外径：２４５μｍ）との差が大きくなるため、実用的でない。そこで、本実施形態に係る光ファイバでは、ガラス径として１２５±１μｍ、セカンダリ被覆樹脂１４２の外径として２４０〜２５０μｍを想定している。
【００４４】
図７は、中継スパンにおける接続状態の差に起因した、ＳＭＦに対するＯＳＮＲ改善量を、実効断面積Ａｅｆｆと伝送損失の関係で示す図である。特に、図７（ａ）は、ＳＭＦとの接続箇所を有しない伝送用光ファイバで構成された８０ｋｍの中継スパン構成における、ＳＭＦに対するＯＳＮＲ改善量を、実効断面積Ａｅｆｆ（μｍ２）と伝送損失（ｄＢ／ｋｍ）の関係を示し、図７（ｂ）は、ＳＭＦと２箇所で接続された伝送用光ファイバを含む８０ｋｍの中継スパン構成における、ＳＭＦに対するＯＳＮＲ改善量を、実効断面積Ａｅｆｆ（μｍ２）と伝送損失（ｄＢ／ｋｍ）の関係を示し、図７（ｃ）は、ＳＭＦと４箇所で接続された伝送用光ファイバを含む８０ｋｍの中継スパン構成における、ＳＭＦに対するＯＳＮＲ改善量を、実効断面積Ａｅｆｆ（μｍ２）と伝送損失（ｄＢ／ｋｍ）の関係を示す。
【００４５】
なお、上述のように、図７（ａ）〜図７（ｃ）は、１中継スパン中、本実施形態に係る伝送用光ファイバとＳＭＦとの接続箇所が０、２、４箇所存在する場合のＯＳＮＲ改善量を、実効断面積Ａｅｆｆと伝送損失に対して等高線で示したグラフである。１中継スパンの長さは８０ｋｍであり、上記式（３）のＷ２として、ＳＭＦのＭＦＤは１０．１μｍとした。また、ＯＳＮＲ改善量は伝送用ファイバとしてＳＭＦを使用した場合を基準としている。
【００４６】
図７（ａ）〜図７（ｃ）から、実効断面積Ａｅｆｆが１１０〜１５０μｍ２、伝送損失が０．１９ｄＢ／ｋｍ以下であれば、１中継スパン中の接続箇所が０〜４箇所存在する場合もＯＳＮＲ改善量を１ｄＢ以上とすることができることが分かる。さらに、実効断面積Ａｅｆｆが１２０〜１４０μｍ２、伝送損失が０．１８ｄＢ／ｋｍ以下であれば、１中継スパン中の接続箇所が０箇所又は２箇所存在する場合にＯＳＮＲ改善量を２ｄＢ以上とすることができる。さらに、実効断面積Ａｅｆｆが１２０〜１４０μｍ２、伝送損失が０．１７ｄＢ／ｋｍ以下であれば、１中継スパン中に接続箇所が４箇所存在する場合でもＯＳＮＲ改善量を２ｄＢ以上とすることができる。
【００４７】
なお、ファイバカットオフ波長λｃは１．３〜１．５３μｍの範囲内にするのが好ましい。この範囲を下回ると、曲げ損失が大きくなる。逆にこの範囲を上回ると、Ｃバンド(１５３０〜１５６５ｎｍ)で信号光がシングルモードとならない。さらに、ファイバカットオフ波長λｃが１４５０ｎｍ以下だとより好ましい。分布ラマン増幅で用いられるポンプ光の波長は１４５０ｎｍ程度であるため、ポンプ光がシングルモードとなり、その結果、励起効率が劣化しないからである。
【００４８】
本実施形態に係る光ファイバ１００において、信号光パワーの大部分が伝搬するコア１１０は、実質的に不純物を含まない純シリカであることが、伝送損失を低くできるので、より好ましい。ただし、コア１１０には、伝送損失を増加させない程度の微量の添加物が含まれてもよい。例えば、微量のハロゲン元素やアルカリ金属元素がコア１１０に含まれてもよい。具体的には、コア１１０は、２ｍｏｌ％以下の塩素Ｃｌ、１ｍｏｌ％以下のフッ素Ｆ、０．１ｍｏｌ％以下のカリウムＫを含んでもよい。
【００４９】
また、純シリカコアを有する光ファイバは、非線形屈折率ｎ２が低く、非線形位相シフト量φＳＰＭを一定としたときの許容入射パワーをより大きくできる。そのため、ＯＳＮＲをさらに増加させることができる。なお、コア１１０にＧｅが添加されたＳＭＦの非線形屈折率ｎ２は２．３５×１０−２０（ｍ２／Ｗ）であるのに対し、純シリカコアを有する光ファイバファイバの非線形屈折率ｎ２は２．２０×１０−２０（ｍ２／Ｗ）である。
【００５０】
次に、本実施形態に係る光ファイバの構造決定動作を、図８を用いて詳細に説明する。なお、図８は、本実施形態に係る光ファイバの構造決定動作を説明するためのフローチャートである。
【００５１】
光ファイバ１００の構造決定では、まず、コア１１０の材質を決める（ステップＳＴ１）。実質的に純シリカコアがより望ましい。内側クラッド１２０及び外側クラッド１３０は、フッ素添加が好ましい（純シリカコアで、伝送損失低減が低く、非線形屈折率ｎ２も低い）。
【００５２】
ステップＳＴ２では、上記式（１）及び式（２）から、所望のＯＳＮＲを改善するための実効断面積Ａｅｆｆが決定される。また、ステップＳＴ３では、使用波長帯でシングルモードとなるように、かつ曲げ損失が大きくならないようにλｃが決定される。ステップＳＴ４では、以上のように決定されたＡｅｆｆ及びλｃとなるように、内側クラッド１２０に対するコア１１０の比屈折率差Δ＋及びコア１１０の外径２ａが決定される。
【００５３】
一方、ステップＳＴ５では、図３においてλＬＫが使用波長帯よりも長くなるようにλＦＣが決定される。また、ステップＳＴ６では、目標とする曲げ損失が決定される。ステップＳＴ７では、以上のように決定されたλＦＣ、曲げ損失となるように、図４から外側クラッド１３０に対する内側クラッド１２０の比屈折率差Δ−、比２ｂ／２ａが決定され、更に、ステップＳＴ８において、マイクロベンドロスを低く抑えられるよう、プライマリ被覆樹脂１４１及びセカンダリ被覆樹脂１４２が決定される。
【００５４】
図９は、本発明に係る光通信システムの各実施形態の構成を示す図である。なお、図９（ａ）は、１中継スパン中にＳＭＦとの接続箇所が２箇所存在する光伝送システムの構成を示す。また、図９（ｂ）は、１中継スパン中にＳＭＦとの接続箇所が４箇所存在する光伝送システムの構成を示す。
【００５５】
具体的には、図９（ａ）に示された光通信システム２００Ａは、信号光を出力する送信器２１０と、信号光を受信する受信器２２０を備え、これら送信器２１０と受信器２２０との間の伝送経路上に複数の中継器２３０Ａ、２３０Ｂが配置されている。中継スパンは、これら中継器２３０Ａ、２３０Ｂ間の光伝送区間であり、当該光通信システム２００Ａでは、この中継スパンが１本の伝送用光ファイバ１００（本実施形態に係る光ファイバ）を含む。この伝送用光ファイバ１００の両端は、それぞれ中継器２３０Ａ、２３０Ｂの端部の他種の伝送用光ファイバ（図示せず）に接続されており、この図９（ａ）の光通信システム２００Ａにおいて、１中継スパン中には２箇所の接続箇所Ａ１、Ａ２が存在する。
【００５６】
一方、図９（ｂ）に示された光通信システム２００Ｂも、信号光を出力する送信器２１０と、信号光を受信する受信器２２０を備え、これら送信器２１０と受信器２２０との間の伝送経路上に複数の中継器２３０Ａ、２３０Ｂが配置されている。中継スパンは、これら中継器２３０Ａ、２３０Ｂ間の光伝送区間であり、当該光通信システム２００Ｂでは、さらに、この中継スパンが２本の伝送用光ファイバ１００（本実施形態に係る光ファイバ）と他種の伝送用光ファイバ３００を含む。この中継スパンは、中継器２３０Ａ、２３０Ｂの端部との接続箇所Ｂ１、Ｂ４を含め、４箇所の接続箇所Ｂ１〜Ｂ４を含む。すなわち、図９（ｂ）の光通信システム２００Ｂでは、１中継スパン中に４箇所の接続箇所Ｂ１〜Ｂ４が存在している。
【００５７】
なお、何れの光通信システム２００Ａ、２００Ｂにおいても、中継器２３０Ａ、２３０Ｂ両端の光ファイバ２３１は、標準的なＳＭＦ（一般的には、波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａｅｆｆは８０μｍ２だが、８５μｍ２もある。他種の伝送用光ファイバ３００の実行断面積Ａｅｆｆは標準的なＳＭＦの実効断面積Ａｅｆｆ（例えば、８５μｍ２）より小さい。
【符号の説明】
【００５８】
１００、１００Ａ、１００Ｂ…光ファイバ、１１０…コア、１２０…内側クラッド、１３０…外側クラッド、１４０…被覆樹脂、１４１…プライマリ被覆樹脂、１４２…セカンダリ被覆樹脂、２００Ａ、２００Ｂ…光通信システム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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