情報通信

極低損失純シリカコアファイバ
Ultra Low-loss Pure Silica Core Fiber
＊川口雄揮

田村欣章

山本義典

平野正晃

Yuki Kawaguchi

Yoshinori Yamamoto

春名Yoshiaki Tamura

徹也

Tetsuya Haruna

Masaaki Hirano

指数関数的に増加するインターネットトラフィックを支えるため、デジタルコヒーレント通信技術を活用した大容量伝送システムが実用化されている。このような伝送システムでの課題は、光信号対雑音比（OSNR）の改善である。このため、伝送用光ファイバには伝送損失の低減ならびに実効断面積（Aeff）の拡大が要求されている。本報告では、波長1550 nmにおける伝送損失が0.149 dB/kmと、従来の世界記録を11年ぶりに更新する純シリカコアファイバ(PSCF)の試作結果について述べる。さらに、累積25,000 kmでの平均の伝送損失が0.154 dB/kmという極低損失を有するZ-PLUS Fiber® ULL（Aeff＝112 µm2）およびZ-PLUS Fiber® 130 ULL（Aeff＝130 µm2）の開発に成功したので、その結果を紹介する。これらの光ファイバ性能指数は、今まで報告されてきた光ファイバのなかで最良値を有しており、長距離・大容量のデジタルコヒーレントシステムに最適な光ファイバであると考えている。
To keep up with the exponential growth of demand for broadband Internet traffic, large capacity transmission systems

with digital coherent technologies have started operation recently. The major challenge in such systems is to improve
optical signal-to-noise ratio (OSNR). In order to improve the OSNR, optical fibers with low transmission loss and large
effective area (Aeff) are strongly demanded. This paper reports a pure-silica-core fiber (PSCF) with the record-low loss of
0.149 dB/km, which is the first fiber having a loss less than 0.150 dB/km at 1550 nm, The paper also describes ourdevelopment of Z-PLUS Fiber® ULL (Aeff=112 µm2) and Z-PLUS Fiber® 130 ULL (Aeff=130 µm2), both of which have an
extremely low transmission loss, average loss of 0.154 dB/km. Exhibiting the highest fiber figure-of-merit, they will besuitable for high capacity and long haul transmission systems using digital coherent technologies.
キーワード：純シリカコアファイバ、低損失、実効断面積拡大、光ファイバ性能指数1.

緒言示す。当社では、1988年には0.170 dB/kmのZ Fiber®、

爆発的なスマートフォンの普及や、クラウドネットワーキ

2002年には0.168 dB/kmのZ-PLUS Fiber®、2011年にはングの進展に伴ってインターネットトラフィックは指数関数0.162 dB/kmのZ-PLUS Fiber® LLをリリースした。これら的な増加を続けている。これを支えるため、光通信システムのPSCF製品は、海底システムにおいて長年の供給実績を有にはさらなる大容量化が求められており、デジタルコヒーレしている。

ント技術※1 を用いた100 Gb/s×100チャンネルなどの大容

今後、さらなる大容量伝送を実現するためには、PSCFの量光伝送システムが、10,000kmに達する大陸間の海底伝さらなる低損失化および低非線形化が強く求められている。

送路においても導入されている。このような超長距離、大本 稿 で は、 波 長1550 nmで の 伝 送 損 失 が0.149 dB/km

容量伝送における最大の課題は、通信システムの光信号対と、従来の低伝送損失の世界記録であった0.150 dB/kmを雑音比（Optical Signal-to-Noise Ratio: OSNR）の改善である。このため、伝送用ファイバには伝送損失および非線形性の低減が求められており、これまでに様々な低損失・低非線形ファイバが提案されてきた（1）〜（3）。その中でも、純シリカコアファイバ（Pure silica core fiber: PSCF）※2 は、本
質的に伝送損失が低い光ファイバとして知られており、低損失、低非線形ファイバとして有望である。当社では、1980年代にPSCFの商用化に成功し、以降も継続して開発と提案を行っている。図1に、1980年代から現在までの波長1550nmにおけるPSCFの低損失化の進展を中空のプロットで示す。1986年には0.154 dB/km（4）、2002年には0.150 dB/km（5）という極低損失PSCFの開発に成功した。図1には、当社PSCF製品の低損失化の進展も合わせて中実のプロットで図1

PSCFの低損失化の進展

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45

11年ぶりに更新する極低損失を持つPSCFの実現に成功した

したが、曲げ損失などによる損失増加は見られていない。ま

結果を述べる。加えて、ファイバパラメータがOSNR改善にた表1に示すように、曲げ損失は、W型構造とすることで汎与える効果を定量的に計算する光ファイバ性能指数（Figure

用SMFと同等以下に抑えられている。

of Merit: FOM）

を用いて、実用的な海底長距離伝送（6）〜（9）※3は路においては、伝送損失はより低く、実効断面積（Aeff）110～140 µm2の範囲にあるファイバが最適であることを明

表1

波長1550 nmでの試作したPSCFの光学特性らかにする。この検討結果を基に、Aeffを112、130 µm2となるよう、PSCFを設計し、それぞれZ-PLUS Fiber® ULL（Z+ULL）、Z-PLUS Fiber® 130 ULL（Z+130 ULL）として製品化に成功した。これらは、累計の試作ファイバ長25,000 kmの平均伝送損失が0.154 dB/kmと極めて低い伝送損失特性を有し、高い信頼性および耐久性を有することを確認している。

2.

極低損失
PSCF

汎用SMF

伝送損失 [dB/km]

0.149

0.186

Aeff [µm2]13580

分散 [ps/(nm・km)]2117

分散スロープ [ps/(nm2・km)]

0.061

0.059

曲げ損失（R=10mm）[dB/m]

47

極低損失PSCFの試作結果

光ファイバの伝送損失を低減するためには、波長1550

極低損失PSCFの屈折率分布は、図3に示すように、わずnmにおける伝送損失のおよそ80％を占めるレイリー散乱損

かにフッ素（F）を添加した中心コア部と、その周囲の純SiO2失を低減することが最も重要である。レイリー散乱損失は、ガラスからなるリング型コア部と、さらにその周囲のクラッガラス材料の微小な揺らぎを原因とするが、信号光パワーがド部としてW型構造を有するFを添加したSiO2 ガラスから伝搬するコア部を添加物を含まない純シリカとすることで、なる。リング型コアにすることで、同一AeffでもMFDを小ガラスの組成揺らぎをなくすることができる。我々は、加えさくできるため、汎用SMFとの異種ファイバ間の接続損失てガラスの密度揺らぎを低減することで、レイリー散乱損失を小さくすることができる（1）。図4にAeffの異なるステップをさらに低減し、波長1550 nmにおける伝送損失が0.149型およびリング型コアファイバと汎用SMFとの融着接続損dB/kmと初めて0.150 dB/kmを下回る極低伝送損失の実現失の測定結果を示す。リング型コアは、確かにステップ型コに成功した。図2および表1に、極低損失PSCFならびに汎アに比べて汎用SMFとの接続損失が低く、例えばAeff＝130用シングルモードファイバ（SMF）の伝送損失スペクトルとµm2 では1箇所あたり0.02 dB程度接続損失を低減できる。

光学特性を示す。極低損失PSCFでは、非線形性を低減するためAeffを135 µm2 に拡大している。さらに、相互位相変調（XPM）、四光波混合（FWM）などの非線形性を改善するためには、波長分散は大きい方が良いが、PSCFの分散はシリカの材料分散22 ps/（nm・km）にほぼ近い21 ps/（nm・km）まで大きくなっている。Aeff拡大ファイバでは曲げ損失による伝送損失の増加が懸念されるが、20 kmのファイバを直径170 mmの胴径を有するボビンに巻いた状態で測定
図3

᥋⥆ᦆኻ[dB/1➃]

0.25
0.20

PSCFの屈折率分布ࢫࢸࢵࣉᆺࢥ࢔‫ࢢࣥࣜە‬ᆺࢥ࢔

0.15
0.10
0.05
110120130140150

Aeff [µm2]図246

極低損失PSCFと汎用SMFの伝送損失スペクトル

極低損失純シリカコアファイバ

図4

汎用SMFとの異種ファイバ間の接続損失のAeff依存性

3.

ファイバFOMを用いたファイバ設計................（2）システム性能指数を示すQ値や伝送距離を光ファイバの光学特性から予測することが可能となれば、長距離・大容量伝送に最も適切な光学特性をもつ光ファイバを選択することが可能となる。そこで、図5に示すような伝送用ファイバ、中................（3）継器（エルビウム添加ファイバ増幅器：EDFA）、および伝送用ファイバとEDFAの接続損失からなるデジタルコヒーレン
ト伝送路を想定した際のファイバ性能指数（ファイバFOM）

ここで、C1, C2 はファイバの光学特性には無依存の係数でを解析的に算出した（7）〜（9）。使用する略語を表2にまとめる。

あり、送受信機のback-to-back特性やEDFAの雑音指数、信号光、ASEノイズ、非線形ノイズがいずれもガウシアン分変調方式や信号チャンネル数などシステムに依存するパラ布に従い、互いに干渉しないとすると、OSNRは式（1）で表メータである。したがって同一の伝送システム構成では、すことができる 。

C1, C2 はある決まった値となる。式（3）から、光ファイバの（6）伝送特性のみを抜き出した式（4）を光ファイバFOMとして定義する。
表2

略語一覧

略語単位

αdB/kmファイバ伝送損失

αl1/kmファイバ伝送損失 αL＝ 10 ln10αspan

dB

スパンロス

Leffkm実効長（={1-exp(-αlL)}/αl）

n2m2 /W

非線形屈折率1/W/km）
非線形係数（＝（2π/λ）
×（n2/Aeff）

γD.......（4）

説明
α

式（2）
、（3）および（4）を用いると、Popt 及びQmax は各々次式（5）および（6）で表すことができる。
.......................（5）ps/（nm・km） 波長分散...............................（6）αspdB

中継器とファイバとの接続損失 αsp＝10log10Asp

Asp-

中継器とファイバとの接続損失（線形）Lkm

スパン長（中継器間隔）

DTkm

総伝送距離

一方、陸上端局から海底のEDFAへ供給できる電力の制約

Ns

スパン数から、海底システムにおいて実際に用いられるEDFAのトーPchW

信号光1チャンネルあたりのスパンへの入力信号光パワー

タル出力光パワーは+16～+18 dBm程度が上限とされてpASE

W

中継器1台あたりで発生するノイズのパワー

pNLI

W

1スパンで発生する非線形ノイズのパワーチャンネルあたりのEDFA出力は-2 dBm/ch程度に制限さいる。このため、100チャンネルWDM伝送を想定すると1れる。したがって、実際に用いられる入力信号光パワーはPopt より小さくなる場合がある。実際のPch がr×Popt の時の（9）Q値（QR）は、次式（7）で表すことができる（8）、。

........................................（7）ここで、FOMR は任意のPch の時のFOMであり、次式（8）で表すことができる。

図5

検討に用いたブロックダイヤグラム...............................（8）式（4）、（8）よりFOM・FOMR はファイバの光学特性とス..........................................................（1）

パン長、入力信号光パワーによって決定されるパラメータであり、式（6）、（7）より、同じシステム構成で高いFOM・FOMR を持つファイバを用いたときのQ値または伝送距離のこれより、Q値を最大化する最適入力信号光パワーPopt お改善量を容易に予測することができる。もしくは、式（4）よよびQ値の最大値Qmax は次式（2）および（3）で表すことがでり、FOM・FOMR の高いファイバでは同じQ値と伝送距離きるに対してスパン長の延長が可能である。例えば1 dBのFOMR。

（8）
、
（9）

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の改善によりスパン長を10 km延長することができる。スに、Aeffについてはスパン長によって、最適な範囲が異なる

パン長の延長は、海底超長距離システムにおいては高価な中ことがわかった。

継器の数を削減、つまりシステムコストの改善につながるため、重要視されている。
図6にスパン長Lが（a）80 kmおよび（b）100 kmのとき

4.

極低伝送損失PSCFの量産製造性の検証のファイバの伝送損失とAeffに対するFOM・FOMR の等高4−1

極低伝送損失PSCFの量産試作線をそれぞれ点線と実線で示す。ここではD＝+21 ps/nm/

極低損失PSCFの量産製造性を検証するため、累積ファkm、n2 ＝2.2×10-20 m2/Wで あ るPSCFを 仮 定 し、EDFAイバ長25,000 kmの試作を行った。ここでは、Aeffが112との接続損失（αsp）はPSCFと汎用シングルモードファイバµm2 のZ-PLUS Fiber® ULLおよび130 µm2 のZ-PLUS Fiber®

（SMF）とのモードフィールド径（MFD）の不整合から算出し130 ULLの2種類のファイバを試作した。表3に、それぞれた値を用いた（1）、（10）。EDFAの出力制限を-2 dBm/chとしたの極低損失PSCFの平均的な光学特性を示す。図7に、伝送際、式（2）よりPopt が-2 dBm/chを超える時はPch は-2 dBm/損失の分布を示す。平均伝送損失は0.154 dB/kmと非常にchで一定として式（8）からFOMR を算出し、Popt が-2 dBm/低損失であることを確認した。さらに、伝送損失の分布形状chを超えない場合、Pch ＝Popt（r＝1）として式（4）からFOMR

はほぼ正規分布に従っており、標準偏差（σ）は0.002 dB/を計算した。また、100 Gb/s DP-QPSK DWDM伝送実験km未満と十分に小さいことを確認した。またAeff、波長分（11）の結果からC1 を-6.6 dBm/chとした（8）、（9）。さらに、2章

散、分散スロープについても高い安定性を有していることをで示した極低損失PSCFのAeffならびに伝送損失の点を中実確認した。

点で示し、これまでに報告されているファイバ（1）〜（3）、（5）を中空点で示す。
図6から明らかなように、FOMRの改善量は主にファイバの表3

伝送損失の低減に依存している。一方、Aeffについては、ス25,000 km試作したPSCFの波長1550 nmにおける平均的な光学特性
Z-PLUS Fiber®
ULL

Z-PLUS Fiber®
130 ULL

伝送損失[dB/km]

0.154

0.154

Aeff [µm2]112130波長分散[ps/(nm・km)]

20.6

20.7

分散スロープ[ps/(nm2・km)]

0.061

0.061

パン長80 kmではAeffが120〜140 µm2 、スパン長100 km
では110〜130 µm2が最適であると考えられる。このよう

図74−2

累積長25,000 kmの伝送損失分布

マイクロベンドロス特性

一般的に、Aeffを拡大したファイバではマイクロベンドロ
図648(a)スパン長80 km、(b)100 kmとしたときの伝送損失とAeffに対するFOMR の等高線

極低損失純シリカコアファイバ

ス※4 が増加することが知られており、マイクロベンドロスの低減が海底ケーブルシステムへの実導入における重要な課題と言える。そこで我々は、良好なマイクロベンドロス特ファイバとして十分な信頼性と耐久性を有することを確認し性を実現するために低ヤング率のプライマリ被覆を採用した。一例として、図9に温度85℃、湿度85％、30日間の高た（12）。低ヤング率のプライマリ被覆を用いたファイバと、温高湿試験の結果を示すが、Z+ ULL、Z+ 130 ULL共に、従来のプライマリ被覆を用いたファイバの波長1550 nmに有意な伝送損失の変動は観察されなかった。

おけるマイクロベンドロスのAeff依存性を図8に示す。こ海底用ケーブルのような厳しい環境下でファイバを用いこで、マイクベンドロスは巻き付け張力が80 gfのワイヤーる場合、長期信頼性として、耐水素特性が優れていることもメッシュボビン試験（13）により評価を行った。図8に示すよう重要である。そこで、耐水素特性を検証するため、海底ケーに、低ヤング率プライマリ被覆では従来被覆に比べてマイクブルの実環境よりも厳しい条件での加速劣化試験として室温ロベンドロスを大幅に低減できることがわかった。海底ケー（23℃）
、水素分圧：0.01 atmの雰囲気下に4000時間曝露
Cバンドの信号波長帯を含む1400～1600 nmにおいて有意は同等のマイクロベンドロス特性を有しており、海底ケーブな伝送損失の増加がなく、優れた耐水素特性を有することをルとして実用に耐えるものと考えている。

確認した。

ఏ㏦ᦆኻቑ [dB/km]

した後の伝送損失の変化を測定した。結果を図10に示す。

Fiber® と、低ヤング率プライマリ被覆を用いたZ+130 ULL(Ỉ⣲ฎ⌮ᚋ-Ỉ⣲ฎ⌮๓)

ブルとして長年の使用実績がある従来被覆を用いたZ-PLUS

0.03
0.02
0.01
0.00
-0.01-0.02
1400

図84−3

図10

低ヤング率プライマリ被覆および従来被覆を用いたファイバのマイクロベンドロス特性

極低伝送損失PSCFの耐環境性と強度特性

5.

結

1450

1500
Ἴ㛗 [nm]

1550

1600

耐水素特性の評価結果（室温、水素分圧：0.01 atm、時間：4000 h）

言

耐 環 境 性 お よ び 機 械 強 度 を 評 価 す る た め、 国 際 規 格リ ン グ コ ア 型 屈 折 率 プ ロ フ ァ イ ル を 有 す るAeff拡 大IEC60793-2-50に基づき評価した。高温高湿試験、高温試

PSCFを試作し、波長1550 nmにおける世界記録を更新す

験、温度サイクル試験、浸水試験、強度試験、耐応力腐食性

る0.149 dB/kmの極低損失の実現に成功した。さらに本試験、ファイバ曲がり評価試験、プルーフ試験を実施した

PSCFは、長距離システムに対して最適化したAeffを有してが、全試験において、良好な特性を示し、海底ケーブル用光おり、これまでの報告で最も高い性能指数を有する光ファイバである。さらに、累積ファイバ長25,000 kmの試作を実施し、平均0.154 dB/kmと極めて低い伝送損失を有することを確認した。また、十分な耐環境特性と機械強度も有しており、これら結果は、0.15 dB/km級の極低伝送損失を有するファイバの実用が可能となったことを意味する。今回開発したZ-PLUS Fiber® ULLおよびZ-PLUS Fiber® 130 ULLは、海底伝送システムにおいてさらなる高品質伝送の実現に貢献できるものと強く期待されている。

図9

高温高湿試験の結果（温度:85℃、湿度:85％）

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用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

デジタルコヒーレント技術

光の強度および位相を用いた通信方式であり、受信端で光信号を電気信号に変換し、信号処理を行う。従来の強度のみを用いた直接検波方式では、光信号が歪むと信号の判別ができなくなるが、デジタルコヒーレント通信方式では電気処理によって歪みを等化できる。そのため直接検波方式と比較して大容量通信が可能である。
※2

純シリカコアファイバ（PSCF）

純シリカ（SiO2）のコアを持つ光ファイバ。クラッドには屈折率を下げるためにフッ素（F）が添加されている。信号光パ
ワーの大部分が伝搬するコアに添加物を含まないことから、GeO2 添加コア、純シリカクラッドを持つ汎用的なシングルモードファイバに比べて、低損失性、低非線形性など優れた性能を持つ。
※3実効断面積（Aeff）

光ファイバ中を伝搬する光パワー分布の拡がりを表すパラ（7） V. Carri, A. Carena, G. Bosco, P. Poggiolini, M. Hirano, Y. Yamamoto,and F. Forghieri,“Fiber figure of merit based on maximum
reach," OFC/NFOEC2013, OTh3G.2, Anaheim, CA, USA（Mar.
2013）（8） M. Hirano, Y. Yamamoto, V.A.J.M Sleiffer, and T. Sasaki,“AnalyticalOSNR formulation validated with 100G-WDM experiments andoptimal subsea fiber proposal," OFC/NFOEC2013, OTu2B.6,Anaheim, CA, USA（Mar. 2013）（9） 山本義典、平野正晃、V.A.J.M. Sleiffer、佐々木隆、「解析的なOSNRの導出と海底伝送に適したファイバの提案」、 信 学 技 報 vol.13、no.156、pp.23-28（July 2013）（10） D. Marcuse,“Loss analysis of single-mode fiber splices," Bell Syst.
Tech. J., vol.56, no.5, pp.703-718（May-June 1977）（11） V.A.J.M. Sleiffer, Z. Maalej, D. van den Borne, M. Kuschnerov,
V. Veljanovski, M. Hirano, Y. Yamamoto, T. Sasaki, S.L. Jansen,A. Napoli, and H. de Waardt,“A comparison between SSMF
and large-Aeff Pure-Silica core fiber for ultra long-haul 100G
transmission," Opt. Express, vol.19, no.26, pp.B710-B715（Dec.
2011）（12） S. Ohnuki, T. Kawano, M. Hirano, T. Haruna, Y. Yamamoto, andY. Koyano,“Manufacturing of Aeff enlarged pure silica core fiberwith ultra-low loss of 0.154dB/km," SubOptic2013, EC11, Paris,France（Apr. 2013）（13） J. F. Libert, J.L. Lang, and L. Chesnoy,“The new 160 Gigabit
WDM challenge for submarine cable systems," IWCS1998,
pp.375-384（Nov. 1998）

メータ。Aeffが大きいほど伝搬光のパワー密度が低減し、非線形効果を抑制することができる。
執※4マイクロベンドロス

筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------川口雄 揮＊ ：光通信研究所
情報科学博士田村欣 章 ：光通信研究所

春名徹 也 ：光通信研究所

主査

山本義 典 ：光通信研究所

主査

平野正 晃 ：光通信研究所

グループ長

光ファイバをケーブル化した際、光ファイバに外部から応力がかかり、微小に曲がるために光信号パワーの一部が漏えいすることにより生じる損失。Aeff拡大ファイバでは、光パワー分布が広がっているため、マイクロベンドロスが増加する傾向にある。

参 考 文 献（1） M. Hirano, Y. Yamamoto, Y. Tamura, T. Haruna, and T. Sasaki,“Aeff-enlarged Pure-Silica-Core Fiber having ring core profile,"
OFC/NFOEC2012, OTh4I.2 Los Angeles, CA, USA（Mar. 2012）（2） S. Ohnuki, K. Kuwahara, K. Morita, and Y. Koyano,“Furtherattenuation improvement of a pure silica core fiber with large
effective area," SubOptic2010, THU3A03, Yokohama, Japan（May2010）（3） S. Bickham,“Ultimate limit of effective area and attenuation forhigh data rate fibers," OFC/NFOEC2011, OWA5, Los Angeles,CA, USA（Mar. 2011）（4） H. Kanamori, H. Yokota, G. Tanaka, M. Watanabe, Y. Ishiguro,
I. Yoshida, T. Kakii, S. Itou, Y. Asano, and S. Tanaka,“Transmissioncharacteristics and reliability of pure-silica-core single-modefibres," J. Lightwave Technol., vol. LT-4, no. 8, pp. 1144–1150（Aug. 1986）（5） K. Nagayama, M. Kakui, M. Matsui, T. Saitoh, and Y. Chigusa,“Ultra-low-loss（0.1484dB/km）pure silica core fiber andextension of transmission distance," Electon. Lett., vol.38, no.20,
pp.1168-1169（Sep. 2002）（6） P. Poggiolini,“The GN model of non-linear propagation in
uncompensated coherent optical systems," J. Lightwave Technol.,vol.30, no.24, pp.3857-3879（Dec. 2012）50

極低損失純シリカコアファイバ---------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者