JPS6017084B2 - オメガ型単一偏波光フアイバ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はコヒーレント伝送方式に用いられる単一偏波光
フアィバに係り、特に石英系光フアイバの低損失帯であ
る１．５＆ｍ帯を含む広い波長城において材料分散と導
波路分散に基づく信号歪が最少となるオメガ型単一偏波
光フアイバに関するものである。

コヒーレント伝送方式においては、フアイバから出射す
る光の偏波面は安定に保たれなければならない。

そして、このような目的を達成するためには、光フアィ
バ内のモードの縮退を解き、ＨＥ，．ＸモードとＨＥ，
．ｙモードの伝搬定数差を大きくして、ＨＥ，．Ｘモー
ドあるいはＨＥ，．ｙモードのみを伝搬させる単一偏波
フアィバが有効であることが知られている。一方、単一
偏波フアィバの帯城はＨＥ，．１モードとＨＥ，．ｙモ
ード間のモード結合がない場合には、通常の単一モード
フアィバと同様に材料分散と導波路分散によって制限さ
れる。

従来の応力付与形単一偏波フアィバの一例の断面図を第
１図に示し説明すると、図において、１はコア、２はク
ラッド、３は応力付与部である。

このような構成の単一偏波フアィバに、ｘ方向に偏光し
た光が入射された場合、そのＨＥ，，Ｘモ−ドの伝搬定
数８ｘは８Ｘ＝ＢＸ。

十Ｋ〔ｃ，。Ｘ＋ｃ２（〇ｙ＋。Ｚ）〕・‐‐〔１１で
与えられる。

ただし、６ｘｏは応力付与部がない通常の単一モードフ
ァィバの伝搬定数、。Ｘ，ｏｙ，。ｚは応力、Ｃ，，Ｃ
２は光弾性定数であり、ｋ（＝２打／入：入は波長）は
光の波数である。また、単一偏波光フアィバの分散（導
波路分散＋材料分散）。Ｔは叶＝ウ．ｋ群（ＰＳ／Ｋｍ
／肌）．・■ で与えられる。

ただし、Ｃは光速で３×１０‐７（Ｋｍ／ＰＳ）である
。そして、上記式‘１１を式■に代入し、応力付与形単
一偏波フアィバの場合、応力による伝搬定数への寄与は
波長、すなわち、波数依存性をもたないという性質を用
いると、分散。

Ｔは。

Ｔ＝マ．ｋ等よ ．・・．・側となることがわか
る。

すなわち、応力付与形単一偏波フアィバの分散は、通常
の単一モードフアィバの分散と同じ大きさであることが
示された。ここで、コアの屈折率が第１図に屈折率分布
を示す説明図である第２図に示すように、屈折率がステ
ップ状の従来の単一偏波フアィバの分散。と光の波長＾
との関係を示せば第３図のとおりである。この第３図に
おいて、。Ｍは材料分散であり、州Ａ．帯（塔／Ｋｍ／
ｎｍ）．・・■で表わされる。

ただし、■〜‘４｝式のｄは微分記号である。一方、。
ｗは導波路分散であり、屈折率分布、比屈折率差△（＝
ｎ，２−〜２）／（幼，２）などによって変化する量で
ある。また、分散。Ｔは材料分散ひＭと導波路分散びｗ
の和で与えられ、信号の伝送帯域幅ｆはｆ＝処囚
・・……・‘５｝で与えられる。こ
の従来の単一偏波光フアイバにおける分散と光の波長と
の関係を示す説明図である第３図は、比屈折率差△＝０
．３２％，コア半径ａ＝３．０仏ｍ，コアの屈折率ｎ，
＝１．４６３１９の例であるが、同図から明らかなとお
り、従来の単一偏波フアィバにおいては、特定の波長（
同図では入ｏ ＝１．４２４〆ｍ）で分散。

Ｔが零になっても、他の波長においてはＯＴが急速に増
大し、上記（５）式に基づく信号帯城幅が低下する。一
方、石英ガラス系の光フアィバにおいては、光の伝送損
失が＾＝１．５〜１．＆ｍにおいて最少となることが理
論的、実験的に明らかとされており（宮、他著、Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ、Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．１５、舷．１０ １９
７９参照）、この波長城での分散。

Ｔを最少にできれ‘よ、超広帯域でかつ超長距離のコヒ
ーレント光伝送が実現する。しかしながら、従来の単一
偏波光フアィバに関するこの種の研究は、分散。

Ｔの波長特性には全く考慮がはらわれておらず、伝送す
べき波長が入ｏから外れると分散ＯＴが急激に大きくな
り、石英系フアイバの低損失波長城である＾＝１．５〜
１．６ｒｍを含む広い波長域を有利に利用することがで
きないという欠点があった。さらに、従来の単一偏波光
フアィバにおいては、分散が±ＩＰＳ／Ｋｍノｎｍ以下
になる波長幅は高々０．０かｍであり、波長多重伝送方
式等に用いようとした場合には、広い波長領域に亘つて
広帯域の信号伝送ができないという欠点があった。本発
明は以上の点に鑑み、このような問題を解決すると共に
、かかる欠点を除去すべくなされたもので、その目的は
極めて広い波長城で分散が最少でかつ偏光特性の優れた
オメガ型単一偏波光フアィバを提供することにある。

このような目的を達成するため、本発明はコアとクラツ
ドとの間にコアおよびそのクラツドより屈折率の小さい
中間層を設け、かつクラツドの一部のコァの両側の相対
する位置にクラッドの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を
有する応力付与部を設けるようにしたもので、以下、図
面に基づき本発明の実施例を詳細に説明する。

第４図ａは本発明によるオメガ型単一偏波光フアィバの
一実施例を示す断面図であり、ｂは各部の屈折率分布図
である。

図において、４は石英ガラスを主成分としたコア、５は
このコア４を包囲する同様のクラッド、６は石英ガラス
を主成分とした中間層で、この中間層６はコア４とクラ
ッド５との間に設けられている。

そして、このクラッド６の一部のコア４の両側の相対す
る位置にはクラッド５の熱通髪張係数と異なる熱膨張係
数を有する応力付与部７が配置されている。いま、ａに
示すコア４の屈折率をｂに示すｎ，．クラツド５の屈折
率をｎ２，中間層６の屈折率を〜，応力付与部７の屈折
率を〜としたとき、ｂに屈折率分布ｎを、コア４の中心
から外方へ半径ｒ（Ｘ軸方向）として示すとおり、コァ
４の屈折率ｎ，よりもクラッド５の屈折率＆が４・ごく
、中間層６の屈折率比はクラツド５の屈折率■２よりも
更に４・さく、中間層６の屈折率〜がコア４およびクラ
ツド５の屈折率ｎ，，−よりも小さいものとなっている
。

なお、応力付与部７の屈折率〜は、同部分に光が伝搬し
ないようにするために、クラツド５の屈折率−と同じか
、あるいはこれよりも小さいものとする。なお、この実
施例においては、中間層６を含むコア４の半径（以下、
コア４の半径またはコア半径と略称す）をａとするとき
、そのコア半径ａは３．亀ｍ、中間層６の厚さｔは１．
０ムｍ、応力付与部７の位置も，，ｒ２はそれぞれ５ａ
，１ ０ａ、クラッド５の外径は１２秋ｍであり、クラ
ッド５の外径がコァ４および中間層６に比して極めて大
きいため、クラッド５の外径は示されていない。また、
コア４とクラッド５との屈折率差△，および中間層６と
クラツド５との屈折率差△２はそれぞれ次式■，｛７）
によって表わされる。△．＝ｎ・気宇２×・ｏｏ（％）
‐‐‐‐‐‐‘６｝ムニヱ忌２Ｘｍｏ（％） …
…のここで、第４図に示す実施例においては、コア４の
屈折率ｎ，をクラッド５の屈折率ｎ２よりも大とするた
め、コア４において主成分の石英ガラスにゲルマニュー
ムを添加し、中間層６の屈折率ｎ３をクラッド５の屈折
率ｎ２よりも小さくさせるため、中間層６において主成
分の石英ガラスにフッ素を添加しているが、コァ４にお
ける添加物のゲルマニュームとしてＷ０２（酸化ゲルマ
ニウム）を用い、このＧｅ０２のＳｊ０２（石英ガラス
）に対する比を他ｎｏク％とし、中間層６においてはフ
ッ素の添加量を４．２ｈｏそ％としており、これに上記
（６）式の屈折率差△，は１．０％「（７’式の屈折率
差△２は−１．０％となっている。

また、応力付与部７にはクラッド５の熱膨張係数と異な
る値をもたせ、かつクラッド５の屈折率いと同じ屈折率
をもたせるため、応力付与部７の主成分である石英ガラ
スにボロンとゲルマニウムを添加し、＆０３（三酸化二
ホウ素）と蛇０２のＳｉ０２に対する比を各々１８ｈｏ
そ％、４．４ｍｏ〆％としており、これによって応力付
与部７の熱膨張係数はクラッド５の熱膨張係数の３．８
％となり、応力付与部７の屈折率〜はクラッド５の屈折
率山と同じ値になっている。そして、この応力付与部７
によって生じるｘ，ｙ方向の主応圧差によりＨＥ，．Ｘ
モードＨＥ，．ｙモードの伝搬定数の間には大きな差が
生じ、その差は次式によって示される。

８ｘ‐Ｂｙ＝ｋ・（Ｃ，−Ｃ２）・（〇Ｘ−ｏｙ）．・
・．・・‘８１ここで、上記の例では、主応力差は （ｏＸ一ｏｙ）＝６．５（【９／磯） ……■であ
った。

そして、通常の光フアィバの取り扱いによって生じる曲
げ応力は、曲げ半径１弧のときに、１ｏｘ−ｏｙｌ＝０
．０３ （ｋ９／磯） …，．．００程度の値である
。

したがって、この第４図の実施例に示した単一偏波光フ
アィバは、曲げ等による外力が加わってもＨＥ，．Ｘモ
ードとＨＥ，．ｙモード間のモード結合がほとんどなく
、ＨＥ，．ＸモードあるいはＨＥ，．ｙモードのみを安
定に伝送することがわかる。つぎに、単一偏波光フアイ
バの導波路分散と屈折率分布の関係について説明する。

単一偏波光フアィバの屈折率分布としては、種々の屈折
率分布を示す説明図である第５図に示すように、種々の
ものが考えられ、ａのステップ形分布、ｂは二乗分布、
ｃはＭ形分布、ｄの０（オメガ）形分布などが想定され
るため、これらについて伝送すべき光の周波数（波長）
と導波礎分散。Ｗとの関係につき検討を行なったところ
、第６図に示す成果が得られた。ただし、この第６図は
導波路分散。

Ｗを光遠Ｃとの積による規格化導波路分散Ｃｏｗを縦軸
にとり、次式によって求める規格化周波数ｖを機軸にと
って示してある。ｖ＝等ｎ，ａノ２△・ ・…．・
（１１）また、この第６図のａ〜ｄは第５図ａ〜ｄと対
応し、第６図のｄは第４図に示すコア４とクラッド５と
の屈折率差△，と中間層６とクラッド５との屈折率差△
２とが互に等しく、かつ反対極性の中間層６を持つ○形
分布のものであり、その屈折率差△，および屈折率差△
２の値はつぎのとおりである。

ａ〜Ｃ……△，＝１．０％ ｄ ……△，＝０．５％，△２ ＝−０．５％，ｔ＝
０．３ただし、上述のとおり、ｔは中間層６の厚さ、ａ
はコア４の半径であり、ａ〜ｃにおいては中間層６を備
えないため△，のみとなっている。

ここで、規格化導波略分散Ｃｏｗに注目するとき、第６
図のｄが最も大きくかつ負方向にも変化しており、分散
の（＝ＯＭ＋。ｗ）を材料分散。Ｍと導波路分散ｏｗと
の相殺により最少とするうえからは、第６図ｄのもの、
すなわち、第４図に示す○形分布が最も有利であること
が明らかである。第７図は○形分布の単一モード光フア
ィバにつき、伝送すべき光の波長入に対する各分散〇の
変化を示した説明図であり、入＝１．３５〜１．６７ｋ
ｍの広波長城に亘り、全分散ｏＴが±１鴨／Ｋｍ／ｎｍ
以内であることが明らかである。

第８図はコア４とクラッド５との屈折率差△，＝１．０
％の光フアィバにおける理論的伝送損失（宮、池著：Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ．戊ｔｔ，Ｖｏｌ．１５，Ｐ．１０６，
１９７９参照）Ｌ（服／Ｋｍ）のフォトンェネルギ‐Ｐ
ｅおよび光の波長入に対する変化を示す説明図で、入＝
１．３２〜１．６９ｒｍの範囲では伝送損失Ｌが０．５
旧／Ｋｍ以下に保たれる。

したがって、第４図の実施例に示す構成のものが、超広
帯域でかつ超長距離のコヒーレント光伝送方式用の単一
偏波光フアィバとして、極めて有効であることが明らか
である。

第９図〜第１１図はかかる事実に基づき、電子計算機を
用いたシミュレーションにより、屈折率差△，，△２お
よび中間層の厚さｔとコア半径ａとの比ｔ／ａの変化に
対応する全分散。

Ｔが±ＩＰＳ／Ｋｍ／ｎｍ以下となる波長範囲を求め、
波長入および対応するコア直径後を縦軸にとって示した
説明図であり、全分散。Ｔが±ＩＰＳ／Ｋｍ／ｎｍ以下
となる範囲は。ＴａおよびＯＴｄにより示され、伝送損
失が０．９旧／Ｋｍ以下となる範囲はＬｕおよびＷによ
って示されており、全分散。Ｔが±ＩＰＳ／Ｋｍ／ｎｍ
以下でかつ伝送損失が０．母Ｂ／Ｋｍ以下の条件とする
には、同図に斜線で示した範囲内であればよいことが明
らかであり、これによって使用可能な波長＾の幅が示さ
れる。ただし、第９図は△，＝１．０％、ｔ／ａ＝０．
３に固定のうえ、△２を横軸により変数とし、第１０図
は△２ ＝−１．０％、ｔ／ａ＝０．３に固定のうえ、
△，を変数とし、第１１図は△，＝１．０％、△２＝−
１．０％に固定のうえ、ｔ／ａを変数としており、これ
らの図によって各条件における△，，△２，ｔ／ａなど
が求められると共に、コア４の直径２ａを示す曲線２ａ
から具体的な直径の値が求められる。

ここで、波長多重伝送方式においては、少なくとも０．
１ｒｍ幅の波長城において、分散が土ＩＲ／Ｋｍ／ｎｍ
以下でなければならない。

この条件を満足するコアおよび中間層の屈折率差△，，
△２あるいは中間層の幅ｔとコア半径ａの比ｔ／ａは第
９図〜第１ １図より、０．５ミ△，三２．５（％），
△２ミー０．２（％），０２ミｔ／ａミ０．６でなけれ
ばならないことが解る。そして、△２は−０．２％以下
であればよいが、Ｆ（フッ素）を添加して中間層の屈折
率を小さくする場合には、屈折率差を△２ ＝−１．０
％以下にすることは困難であり、−１．０ミ△２ミ−０
．２（％） が適当である。

したがって、波長入＝１．５〜１．６ムｍ近傍の光を主
として伝送するには、第９図〜第１１図から△，，△２
，ｔ／ａを求め、これに応じて２，ｔを定めればよく、
これによって広い波長城で分散が最少でかつ偏波面の安
定した単一偏波光フアィバ力乳得られる。

なお、許容全分散ＯＴを±ＩＰＳ／Ｋｍ／ｎｍより大と
し、かつ許容伝送損失Ｌも０．母Ｂ／Ｋｍより大とすれ
ば、より広波長域光伝送が行なわれることは勿論である
。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、石英
系光フアィバの伝送損失が最少となる１．５秋ｍ近傍の
波長を含む広い波長城において全分散を±１偽／Ｋｍ／
ｎｍ以下にすることができ、かつコアに非対称な応力を
付与することによってＨＥ，．ＸモードとＨＥ，．ｙモ
ード間の伝搬定数差を大となし、両モード間のモード結
合を抑制し、ＨＥ，．ＸモードあるいはＨＥ，．ｙモー
ドのみを伝送させることができるため、波長多重コヒー
レント伝送方式において非常に大きな利点を有するので
、実用上の効果は極めて大である。

また、クラツドよりも屈折率の４・さし、中間層を備え
ているため、クラッド側への光の漏洩が少ないと共に、
光フアィバの轡曲による曲げ損失およびマイクロベンデ
ング損失が減少する等の利点を有し、各種の光伝送用と
して顕著な効果を呈するという点においても極めて有利
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の単一偏波光フアィバの一例を示す断面図
、第２図は第１図のコアの屈折分布を示す説明図、第３
図は従来の単一偏波光フアィバにおける分散と光の波長
との関係を示す説明図、第４図は本発明によるオメガ型
単一偏波光フアィバの一実施例を示す断面図および屈折
率分布図、第５図は種々の屈折率分布を示す説明図、第
６図は第５図に示すものの導波路分散と規格化周波数と
の関係を示す説明図、第７図は第４図に示す実施例にお
ける各分散と光の波長との関係を示す説明図、第８図は
計算による伝送損失と光の波長およびフオトンェネルギ
ーとの関係を示す説明図、第９図、第１０図、第１１図
はシミュレーションによって求めたコァおよび中間層の
屈折率差ならびに中間層の幅とコア半径の比ｔ／ａと分
散が±ＩＰＳ／Ｋｍ／ｎｍ以下および損失が０．母旧／
Ｋｍ以下となる波長範囲との関係を示す説明図である。 ４……コア、５・・・…クラツド、６・・…・中間層、
７・・・・・・応力付与部、△，，△２・・・・・・屈
折率差、ａ・・・・・・中間層を含むコア半径、ｔ・・
・・・・中間層の幅。第１図第２図 第３図 第５図 第４図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コアとクラツドの間に該コアおよびクラツドよりも
   屈折率の小さい中間層を設けると共に、前記クラツドの
   一部のコアの両側の相対する位置にクラツドの熱膨張係
   数と異なる熱膨張係数を有する応力付与部を配置し、前
   記コアとクラツドの屈折率差を０．５〜２．５％とし、
   前記中間層とクラツドとの屈折率差を−０．２〜１．０
   ％とし、かつ波長１．５５μｍ近傍の少なくとも０．１
   μｍ幅の波長域において全分散が±１ＰＳ／Ｋｍ／ｎｍ
   以下となるように前記屈折率差に応じた直径および幅の
   前記コアおよび前記中間層を備えるようにしたことを特
   徴とするオメガ型単一偏波光フアイバ。 ２ 中間層を含むコア半径をａとし、中間層の幅をｔと
   するとき、前記中間層の幅のコア半径に対する比ｔ／ａ
   が０．２〜０．６であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のオメガ型単一偏波光フアイバ。