(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアと、そのコアの外周に形成される３層のクラッド層とからなる４層構造を備え、コアの比屈折率差と第２クラッド層の比屈折率差とが最外層の第３クラッド層の比屈折率差よりも大きく、第１クラッド層の比屈折率差が第３クラッド層の比屈折率差以下であり、
コアの比屈折率差分布が中心から径方向に単調に減少する分布であり、コア中心の比屈折率差が０．５７５〜０．６５５％であり、
コアの半径が３．８〜４．０μｍであり、
第１クラッド層の比屈折率差が−０．１７〜−０．１４％であり、
第１クラッド層の厚さが２．６５〜４．６５μｍであり、
第２クラッド層の比屈折率差が０．０４〜０．０６３％であり、
第２クラッド層の厚さが５．８０〜８．３μｍであり、
少なくとも波長１５５０ｎｍで、波長分散の傾きが−０．０１〜０．０１ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍ、波長分散が−５〜５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、実効断面積が４５μｍ2 以上であることを特徴とする低非線形低分散スロープ光ファイバ。
【請求項２】
コアの組成に少なくとも０．０５ｍｏｌ％以上の酸化ゲルマニウムを含む請求項１記載の記載の低非線形低分散スロープ光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長多重伝送等に用いられる光ファイバに係り、特に、コアと３層のクラッド層とからなる４層構造を備え、各層の比屈折率差と厚さを工夫して波長分散の傾き（分散スロープ）の低減化を図った低非線形低分散スロープ光ファイバに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネットを始めとするデータ通信の爆発的な増加により、光ファイバの伝送容量の飛躍的な増大が求められている。現在、１本のファイバ中にわずかに波長の異なる複数の信号光を同時に伝送させる波長多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送方式が実用化され、幹線系伝送路や海底光ケーブルに適用されている。
【０００３】
このような光ファイバ伝送路には、通常、ある間隔で中継器が設置されている。この中継器は、信号光を補償・増幅するために、信号光を一度電気信号に変換しその信号を同期再生・増幅して再び光信号に変換するといった、いわゆる再生中継器と呼ばれるものであるが、わずかに異なる波長毎に再生・増幅を行わなければならないため、波数の分だけデバイスを必要としている。このため、ＷＤＭ伝送の大容量化のための波数増加にはコスト的・実装空間的な限界がある。
【０００４】
しかし、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の登場により、信号光を一度電気信号に変換することなく、全波長の信号光を一括して光のまま増幅することができるようになった。これにより、伝送容量の大容量化が急速に進展してきたが、波数の増加と信号光のビットレートの増加により、様々な問題が生じている。例えば、本来光ファイバの持つ波長分散により使用波長帯域の両端で異なる分散を生じてしまい伝送後の波形が劣化する問題や、非線形現象である。
【０００５】
非線形現象は、伝送路を構築する光ファイバの局所的な屈折率分布変化（一般に光パワー密度に依存する）により生じる現象で、四光波混合（ＦＷＭ：Ｆｏｕｒ  Ｗａｖｅ  Ｍｉｘｉｎｇ）などがそれに当たる。これら分散や非線形現象は伝送品質を劣化させる主要な原因となりうる。特にＷＤＭ伝送のように多くの信号波長を長距離伝送させる場合には深刻である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題  】
光ファイバの波長分散による信号波形の劣化を回避するためには、使用波長帯域間の分散値をできるだけ小さくすること、すなわち、零分散波長を使用波長にシフトさせることが有効である。例えば、零分散波長が１５５０ｎｍの分散シフトファイバ（ＤＳＦ：Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  Ｓｈｉｆｔｅｄ  Ｆｉｂｅｒ）などは、陸上・海底を問わず広く適用されている。しかし、複数の信号光を伝送するＷＤＭ伝送においては、最短波長側の信号光と最長波長側の信号光が生じる分散の値が異なる、すなわち、波長分散の傾き（分散スロープ）により波数そのものが制限を受ける。したがって、この分散スロープの値をできるだけ小さくすることが伝送容量を増加させる上で重要である。このためには、光ファイバの単峰型のプロファイル（屈折率分布）を、例えばＷ型や３重クラッド型といった複雑なプロファイルに変更することで、０．０５ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍ以下といった低い分散スロープを達成することができる。
【０００７】
しかし一方では、波数の増加に伴いファイバに入射する光パワー密度が増加し、上述した非線形現象が問題となってきている。例えば、上述したＦＷＭにより零分散波長近傍のＷＤＭ信号光が増幅を受け、信号伝送特性を著しく劣化させることも、近年の研究により明らかとなってきている。
【０００８】
この非線形現象を防ぎつつ信号光波数を増加させるため、図１０に示すように、増幅器直後（区間前半）の光密度の高い部分で実効断面積（Ａｅｆｆ）の大きいファイバ１０１を用い、その後（区間後半）で前半に生じた累積分散や分散スロープを補償するファイバ１０２を用いたハイブリッド伝送路も提案されており、実用化間近である。この伝送路では、線路全体で分散が非零に設計され、使用波長帯域において分散スロープがほぼ零である。
【０００９】
しかしこのハイブリッド伝送路も、ある一定の分散・分散スロープ補償率を確保するために極めて厳密な条長管理や計算が必要な上、ファイバプロファイルの異なるファイバ１０１，１０２同士を融着接続する際の接続損失が無視できないほど大きい、といった問題も内包している。このため必然的に接続箇所が増加せざるを得ない陸上系光伝送路の構築は極めて困難である。
【００１０】
こうした背景から比較的大きな実効断面積を有し、使用波長帯で分散フラットな単一のファイバを用いて伝送路を構築する提案がなされている。このような従来の光ファイバとして、例えば、４重クラッド構造を備え、波長１５５０ｎｍで、Ａｅｆｆ（実効断面積）が５０μｍ2 以上、分散が±５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、分散スロープが±０．０１ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍといったファイバがある。
【００１１】
しかしながら、従来の４重クラッド構造によるファイバプロファイルは、複雑であるため、ファイバ状態で直径５０μｍの領域まで広がっている。例えば、ＭＣＶＤ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法でコアプリフォームを製造する場合、ＣＶＤ堆積直径を１５ｍｍとすれば、通常のシングルモードファイバはファイバ状態でコアの直径が１０μｍであるので、全合成完了時のプリフォームの直径は、１５×１２５／１０＝１８７．５ｍｍ、４重クラッド構造のファイバの場合は、１５×１２５／５０＝３７．５ｍｍとなる。つまり、同じ堆積直径のプリフォームから得られるファイバは、４重クラッド構造のファイバの場合、シングルモードファイバの２５分の１程度でしかなく、生産性が低いといった問題がある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、波長多重伝送に使用される低非線形で、かつ波長１５５０ｎｍを中心とした信号波長帯で分散スロープが極めて小さく、ノンハイブリッド伝送路が構築可能で生産性に優れた低非線形低分散スロープ光ファイバを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、コアと、そのコアの外周に形成される３層のクラッド層とからなる４層構造を備え、コアの比屈折率差と第２クラッド層の比屈折率差とが最外層の第３クラッド層の比屈折率差よりも大きく、第１クラッド層の比屈折率差が第３クラッド層の比屈折率差以下であり、
コアの比屈折率差分布が中心から径方向に単調に減少する分布であり、コア中心の比屈折率差が０．５７５〜０．６５５％であり、
コアの半径が３．８〜４．０μｍであり、
第１クラッド層の比屈折率差が−０．１７〜−０．１４％であり、
第１クラッド層の厚さが２．６５〜４．６５μｍであり、
第２クラッド層の比屈折率差が０．０４〜０．０６３％であり、
第２クラッド層の厚さが５．８０〜８．３μｍであり、
少なくとも波長１５５０ｎｍで、波長分散の傾きが−０．０１〜０．０１ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍ、波長分散が−５〜５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、実効断面積が４５μｍ2 以上である低非線形低分散スロープ光ファイバである。
【００２０】
請求項２の発明は、コアの組成に少なくとも０．０５ｍｏｌ％以上の酸化ゲルマニウムを含む請求項１記載の記載の低非線形低分散スロープ光ファイバである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２２】
図１は、本発明の好適実施の形態である低非線形低分散スロープ光ファイバの屈折率分布を示す図である。図１では、コア中心を原点とし、横軸をコア中心からの距離にとり、縦軸を純粋石英に対する比屈折率差にとって示している。
【００２３】
図１に示すように、本発明に係る低非線形低分散スロープ光ファイバ１０は、主として波長多重伝送用として使用されるものであり、コア１と、そのコア１の外周に形成される３層のクラッド層２〜４とからなる４層構造を備えたものである。
【００２４】
光ファイバ１０の最外層である第３クラッド層４は、厚さ（ｒ４−ｒ３）が、例えば４５．５５〜５０．２５μｍ、望ましくは、４８．０３μｍとなるように形成されている。光ファイバ１０の外径（２×ｒ４）は、通常１２５μｍなので、第３クラッド層４の厚さ（ｒ４−ｒ３）は、後述するｒ１，ｒ２，ｒ３の値で一つに定まる。この第３クラッド層４は、純粋石英に対する比屈折率差（比屈折率差）Δｎ４が０である。第３クラッド層４は、例えば、純粋石英または純粋石英に塩素を添加したものからなっている。
【００２５】
コア１は、光ファイバ１０の中心部に、コア半径がｒ１が、例えば３．８〜４．０μｍ、望ましくは３．８５μｍとなるように形成されている。コア中心１ｃの比屈折率差Δｎ１は正であり、例えば０．５７５〜０．６５５％、望ましくは０．６１％となるようにしている。コア１の比屈折率差分布は、コア中心１ｃでの比屈折率差Δｎ１からコア半径ｒ１での比屈折率差０にかけて単調に減少する分布、すなわち、２乗分布形状となるようにしている。コア１の組成には、屈折率を上げるために、例えば、純粋石英に少なくとも０．０５ｍｏｌ％以上の酸化ゲルマニウムが含まれるようにしている。
【００２６】
第１クラッド層２は、コア１の外周に、厚さ（ｒ２−ｒ１）が、例えば２．６５〜４．６５μｍ、望ましくは２．５８μｍとなるように形成されている。第１クラッド層２の比屈折率差Δｎ２は０以下の一定値であり、例えば−０．１７〜−０．１４％、望ましくは−０．１６％となるようにしている。第１クラッド層２の組成には、屈折率を下げるために、例えば、純粋石英にフッ素が含まれるようにしている。
【００２７】
第２クラッド層３は、第１クラッド層２の外周に、厚さ（ｒ３−ｒ２）が、例えば５．８０〜８．３μｍ、望ましくは８．０４μｍとなるように形成されている。第２クラッド層３の比屈折率差Δｎ３は正の一定値であり、例えば０．０４〜０．０６３％、望ましくは０．０６％となるようにしている。第２クラッド層３の組成には、屈折率を上げるために、例えば、純粋石英に酸化ゲルマニウムが含まれるようにしている。
【００２８】
本発明に係る低非線形低分散スロープ光ファイバ１０は、半径ｒ４が６２．５μｍであり、波長１５５０ｎｍで、波長分散の傾き（分散スロープ）が−０．０１〜０．０１ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍ、波長分散が−５〜５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、実効断面積が４５μｍ2 以上である。
【００２９】
次に、上述した各数値を裏付けるべく、コンピュータによりシミュレーションを行って理論検証した結果を図２〜図７を用いて説明する。
【００３０】
図２は、コア半径と波長分散および分散スロープとの関係を示す図である。図２では、横軸をコア半径ｒ１（μｍ）、左縦軸を波長分散（ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）、右縦軸を分散スロープ（ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍ）にとって、コア半径と分散の関係を実線の曲線ａ、コア半径と分散スロープの関係を点線の曲線ｂで示している。
【００３１】
図２に示すように、コア半径ｒ１を３．８〜４．０μｍとするのは、波長分散と分散スロープの双方を十分小さくするためであり、具体的には、波長分散を−５〜５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、分散スロープを−０．０１〜０．０１ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍの値にするためである。
【００３２】
図３は、コア中心の比屈折率差と曲げ損失および分散スロープとの関係を示す図である。図３では、横軸をコア中心の比屈折率差Δｎ１（％）、左縦軸を曲げ損失（ｄＢ／ｍ）、右縦軸を分散スロープ（ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍ）にとって、コア中心の比屈折率差と曲げ損失の関係を実線の曲線ｃ、コア中心の比屈折率差と分散スロープの関係を点線の曲線ｄで示している。
【００３３】
図３に示すように、コア中心の比屈折率差Δｎ１を０．５７５〜０．６５５％にするのは、曲げ損失と分散スロープの双方を十分小さくするためであり、具体的には、曲げ損失を４０ｄＢ／ｍ以下、分散スロープを−０．０１〜０．０１ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍの値にするためである。
【００３４】
図４は、第１クラッド層の厚さとカットオフ波長および分散スロープとの関係を示す図である。図４では、横軸を第１クラッド層の厚さ（ｒ２−ｒ１）（μｍ）、左縦軸をカットオフ波長（μｍ）、右縦軸を分散スロープ（ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍ）にとって、第１クラッド層の厚さとカットオフ波長の関係を実線の曲線ｅ、第１クラッド層の厚さと分散スロープの関係を点線の曲線ｆで示している。
【００３５】
図４に示すように、第１クラッド層の厚さ（ｒ２−ｒ１）を２．６５〜４．６５μｍにするのは、カットオフ波長と分散スロープの双方を十分小さくするためであり、具体的には、カットオフ波長を１．５μｍ以下、分散スロープを−０．０１〜０．０１ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍの値にするためである。
【００３６】
図５は、第１クラッド層の比屈折率差と分散スロープとの関係を示す図である。図５では、横軸を第１クラッド層の比屈折率差Δｎ２（％）、縦軸を分散スロープ（ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍ）にとって曲線ｇで示している。図５に示すように、第１クラッド層の比屈折率差Δｎ２を−０．１７％〜−０．１４％にするのは、分散スロープを十分小さくするためであり、具体的には、分散スロープを−０．０１〜０．０１ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍの値にするためである。
【００３７】
図６は、第２クラッド層の厚さと分散スロープおよびカットオフ波長との関係を示す図である。図６では、横軸を第２クラッド層の厚さ（ｒ３−ｒ２）（μｍ）、左縦軸を分散スロープ（ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍ）、右縦軸をカットオフ波長（μｍ）にとって、第２クラッド層の厚さと分散スロープの関係を実線の曲線ｈ、第２クラッド層の厚さとカットオフ波長の関係を点線の曲線ｉで示している。
【００３８】
図６に示すように、第２クラッド層の厚さ（ｒ３−ｒ２）を５．８〜８．３μｍにするのは、分散スロープとカットオフ波長の双方を十分小さくするためであり、具体的には、分散スロープを−０．０１〜０．０１ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍ、カットオフ波長を１．５μｍ以下の値にするためである。
【００３９】
図７は、第２クラッド層の比屈折率差と分散スロープおよびカットオフ波長との関係を示す図である。図７では、横軸を第２クラッド層の比屈折率差Δｎ３（％）、左縦軸を分散スロープ（ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍ）、右縦軸をカットオフ波長（μｍ）にとって、第２クラッド層の比屈折率差と分散スロープの関係を実線の曲線ｊ、第２クラッド層の比屈折率差とカットオフ波長の関係を点線の曲線ｋで示している。
【００４０】
図７に示すように、第２クラッド層の比屈折率差Δｎ３を０．０４〜０．０６３％にするのは、分散スロープとカットオフ波長を十分小さくするためであり、具体的には、分散スロープを−０．０１〜０．０１ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍ、カットオフ波長を１．５μｍ以下の値にするためである。
【００４１】
このように、本発明に係る低非線形低分散スロープ光ファイバは、従来のハイブリッド伝送路における条長による厳密な補償率の計算の必要がなく、所望の波長分散と分散スロープに合わせて各層の比屈折率差と厚さを決定すればよいので、簡易な分散設計が可能となり、単一ファイバでの伝送路構築を実現することができる。
【００４２】
また、比較的大きい実効断面積と極めて低い分散スロープにより、ＷＤＭ伝送の大容量化に必要不可欠な使用波長帯域の拡大を可能とする。
【００４３】
さらに、３層のクラッド層からなる３重クラッド構造を備えているため、従来の４重クラッド型構造のファイバに比べて簡単な構造であり、生産性に優れている。
【００４４】
次に、本発明に係る低非線形低分散スロープ光ファイバの製造方法の一例を説明する。
【００４５】
製造する光ファイバは、例えば、半径ｒ４が６２．５μｍ、コア半径ｒ１が３．８５μｍ、コア中心１ｃの比屈折率差Δｎ１が０．６１％、第１クラッド層２の厚さ（ｒ２−ｒ１）が２．５８μｍ、第１クラッド層２の比屈折率差Δｎ２が−０．１６％、第２クラッド層３の厚さ（ｒ３−ｒ２）が８．０４μｍ、第２クラッド層３の比屈折率差Δｎ３が０．０６％、第３クラッド層４の厚さ（ｒ４−ｒ３）が４５．５５〜５０．２５μｍのものである。
【００４６】
図８は、本発明に係る低非線形低分散スロープ光ファイバ用のコアロッドを、ＭＣＶＤ法（内付け法）により製造する方法を説明する図である。
【００４７】
図８に示すように、コアロッド製造装置８０のバブラ８１から純粋酸素でバブリングした原料ガスＧを、回転導入端子８２を通じて周方向に回転する出発石英管８３の内部に導入する。原料ガスＧは、例えばＳｉＣｌ4 、ＧｅＣｌ4 、Ｏ2 Ｈｅ、Ｃｌ2 、Ｃ2 Ｆ6 等である。
【００４８】
この原料ガスＧを石英管８３外側から、石英管８３長手方向に動く酸水素バーナ８４で加熱すると、化学反応によりスート粒子８５が生成される。このスート粒子８５は、一部が石英管８３内面に付着・堆積し、残りは排気管８６を通りスートボックス８７に排出される。内面に付着したスート粒子８５は再度、酸水素バーナ８４で加熱されて透明ガラス化する。
【００４９】
以上の工程を必要なだけ繰り返し、上述したコアと３層のクラッド層からなる４層構造を形成する。堆積・透明ガラス化が終了した後、中心の残った空間を閉鎖するために酸水素バーナ８４の火力を増加させ、石英管８３の表面張力で中実化させる。
【００５０】
こうしてできたコアロッドを、例えばＶＡＤ（Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ａｘｉａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（軸付け法）により純粋石英のスートを外付け、焼結して線引母材とする。この母材を、例えば、線引き速度４００ｍ／ｍｉｎ、張力１４０ｇで線引きすると、ファイバ長が約１２０ｋｍの図１で説明した光ファイバ１０が完成する。
【００５１】
こうして製造した光ファイバの特性を測定した結果、波長１５５０ｎｍでの伝送損失が０．２０５ｄＢ／ｋｍ、実効断面積が４７．１μｍ2 、波長分散が−３．１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、分散スロープが−０．００１７ｐｓ／ｎｍ2 ／ｋｍと良好な特性を得た。
【００５２】
製造した光ファイバの分散の波長依存性を図９に示す。図９に示すように、本発明に係る低非線形低分散スロープ光ファイバは、波長１５５０ｎｍ（１．５５μｍ）付近だけではなく、波長１．４６〜１．６４μｍの広い範囲に亘り、波長分散が約−３．７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ〜−３．１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとほぼ一定（分散フラット）であり、分散スロープが極めて低いことがわかる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００５４】
（１）従来のハイブリッド伝送路における条長による厳密な補償率の計算の必要がなく、簡易な分散設計が可能となり、単一ファイバでの伝送路構築を実現することができる。
【００５５】
（２）比較的大きい実効断面積と極めて低い分散スロープにより、ＷＤＭ伝送の大容量化に必要不可欠な使用波長帯域の拡大を可能とする。
【００５６】
（３）３重クラッド構造を備えているため、従来の４重クラッド型構造のファイバに比べ生産性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施の形態である低非線形低分散スロープ光ファイバの屈折率分布を示す図である。
【図２】コア半径と分散および分散スロープとの関係を示す図である。
【図３】コア中心の比屈折率差と曲げ損失および分散スロープとの関係を示す図である。
【図４】第１クラッド層の厚さとカットオフ波長および分散スロープとの関係を示す図である。
【図５】第１クラッド層の比屈折率差と分散スロープとの関係を示す図である。
【図６】第２クラッド層の厚さと分散スロープおよびカットオフ波長との関係を示す図である。
【図７】第２クラッド層の比屈折率差と分散スロープおよびカットオフ波長との関係を示す図である。
【図８】本発明に係る低非線形低分散スロープ光ファイバ用のコアロッドの製造方法を説明する図である。
【図９】本発明に係る低非線形低分散スロープ光ファイバの分散の波長依存性を示す図である。
【図１０】従来の光ファイバを使用した波長多重伝送時のハイブリッド伝送路における各波長の累積分散を示す図である。
【符号の説明】
１  コア
１ｃ  コア中心
２  第１クラッド層
３  第２クラッド層
４  第３クラッド層
１０  低非線形低分散スロープ光ファイバ
ｒ１  コア半径
ｒ４  光ファイバの半径
ｒ２−ｒ１  第１クラッド層の厚さ
ｒ３−ｒ２  第２クラッド層の厚さ
ｒ４−ｒ３  第３クラッド層の厚さ
Δｎ１  コア中心の比屈折率差
Δｎ２  第１クラッド層の比屈折率差
Δｎ３  第２クラッド層の比屈折率差
Δｎ４  第３クラッド層の比屈折率差
【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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【図１０】
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