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JP2004012685A - 正分散光ファイバ、それを用いた光伝送路 - Google Patents

正分散光ファイバ、それを用いた光伝送路 Download PDF

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JP2004012685A JP2002164382A JP2002164382A JP2004012685A JP 2004012685 A JP2004012685 A JP 2004012685A JP 2002164382 A JP2002164382 A JP 2002164382A JP 2002164382 A JP2002164382 A JP 2002164382A JP 2004012685 A JP2004012685 A JP 2004012685A
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Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

【課題】低非線形特性と低分散特性が両立している正分散光ファイバとそれを用いた光伝送路を提供する。
【解決手段】3層構造のコアを有し、波長1.55μmにおける分散が+17ps/nm/km以下であり、かつ実効断面積(Aeff)が130μm以上であり、直径20mmで曲げたときの曲げ損失が10dB/m以下である正分散光ファイバ。
【選択図】   図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、3層構造のコアを有する正分散光ファイバとそれを用いた光伝送路に関し、更に詳しくは、曲げ損失と分散特性を犠牲にすることなく、実効断面積(Effect Area:Aeff、単位μm)を大きくして、低分散特性と低非線形特性が両立するように設計されている正分散光ファイバと、それを用いることにより、偏波モード分散(Polorization Mode Dispersion:PMD)が小さい高速大容量伝送を可能とする光伝送路に関する。
【0002】
【従来の技術】
光伝送の高速大容量化が進むなかで、波長分割多重(WDM)伝送方式が注目を集めている。そして、そのことに伴い、光伝送路である光ファイバに関しては、伝送される光信号の高パワー化や信号波長間における相互作用に基づく非線形現象、例えば、自己位相変調(Self−Phase Modulation:SPM)や相互位相変調(Cross−Phase Modulation:XPM)などの新たな問題が発生している。
【0003】
このSPMやXPMが発生すると信号波形は歪んでくるが、その信号歪みΦNLは、一般に、次式:
ΦNL=(2π・n・Leff・P)/(λ・Aeff)
(ただし、nは非線形屈折率、Leffは実効長、Pは光入力パワー、λは波長、Aeffは光ファイバの有効断面積を表す)
で表示される。
【0004】
従って、SPMやXPMのような非線形現象の発現を抑制するためには、Aeffが拡大された光ファイバを用いることが有利である。
このようなことから、最近では、Aeffが80〜120μmであるAeff拡大型のシングルモードファイバ(Single Mode Fiber:SMF)が注目を集めている。
【0005】
しかも、このAeff拡大型SMFは、大きな局所分散(例えば1.55μmの波長帯域における分散が17〜22ps/nm/kmである)を有するので、他の非線形現象である四光波混合(Four Wave Mixing:FWM)も回避されやすく、更には、低損失でかつ低PMDで光伝送が可能であるという利点を備えている。
ここで、現在までに提案されているAeff拡大型SMFの特性例を表1に示す。
【0006】
【表1】
Figure 2004012685
【0007】
なお、これらのSMFは、いずれも、従来例1を除いて、コアが2層構造のものである。
表1からも明らかなように、従来のAeff拡大型SMFの多くは、そのAeffの拡大限界は120μm程度であり、1.55μm波長帯域における分散は17〜22ps/nm/kmであり、また分散スロープは0.06〜0.07ps/nm/kmである。そして、従来例5のようにAeffを150μmにすると、分散が極めて大きくなっている。
【0008】
このように、従来のAeff拡大型SMFは、低非線形特性を備えているので、例えば波長1.55μmで光伝送を行うと、FWMなどの非線形現象の発現は抑制されるとはいえ、分散は17〜22ps/nm/kmと高分散特性になっているので、分散に基づく信号波形の劣化が生じてきて、光伝送における大きな障害を引き起こすことが予測される。
【0009】
このような問題は、このAeff拡大型光ファイバに負分散を有する分散補償光ファイバ(Dispersion Compensation Fiber:DCF)を接続して光伝送路を構成することによって解決することができる。
例えば、特開平6−11620号公報には、1.31μm零分散SMFとDCFとを用いた光伝送システムが開示され、また、特開平9−90168号公報には、SMFと分散補償ファイバ(Inreverse Dispersion Fiber:IDF)を用いた光伝送路が開示されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来から、Aeff拡大型SMFのような低非線形特性を有するSMFとDCFやIDFを用いた光伝送システムの研究が進められている。
しかしながら、光伝送に関して、今後、更に高速大容量化が進められていく場合、光伝送システムには今まで以上に高パワーの光信号が入射されることになるため、現在のAeff拡大型SMFでは非線形現象が発現してくる可能性もある。
【0011】
そして、光伝送システムの構築において、SMFの分散を補償するために用いる分散補償ファイバは、その構造上、もともと高い非線形特性を有しているので、今まで以上に高パワーの光信号が入射したときには、SPMやXPMなどの非線形現象が発生するであろうし、また損失やPMDも高くなる傾向を示すであろうと考えられる。
【0012】
ところで、波長1.55μmの光信号をSMFと分散補償ファイバを組み合わせた光伝送路で光伝送する場合、非線形現象は、一般に、光パワーが強い箇所で顕著に発現するので、SPMやSPMなどの非線形現象に基づく波形劣化を抑制するためには、光増幅器の直後に、Aeffが80μm以上であるAeff拡大型SMFを配置し、その後段に、Aeffが20μm程度のDCF、またはAeffが25μm程度のIDFを配置することが好ましいと考えられる。
【0013】
しかしながら、上記した組み合わせであったとしても、DCFやIDFの非線形特性はSMFのそれに比べて格段に大きいので、大容量伝送を考慮した場合、その光伝送路では非線形現象に基づく光信号の波形劣化が起こる可能性がある。
その場合、前段に配置されたSMFのファイバ長を長くすることができるとするならば、低非線形特性を有するSMFが占める条長比を大きくすることができる。換言すれば、全体の光伝送路においては、高非線形特性を有し、高損失でもあり、更には高PMDでもある分散補償ファイバの条長を短くすることができる。
【0014】
その結果、後段に配置された分散補償ファイバの非線形特性の影響を抑制することが可能となり、波形劣化を抑制することができる。
ところで、SMFと分散補償ファイバは、一般に、両者を組み合わせた光伝送路における分散がゼロとなるように合わせ込むので、仮に、SMFの分散が小さければ小さいほど、SMFの条長は長くなり、そして分散補償ファイバの条長は短くなるということになる。
【0015】
前記したように、従来のAeff拡大型SMFの分散は17ps/nm/km以上になっている。
したがって、この分散を17ps/nm/km以下に抑制することができれば、そのSMFと分散補償ファイバを組み合わせた光伝送路では、分散補償ファイバの条長は従来より短くなり、その結果、分散補償ファイバでの非線形現象の発現は、従来よりも、抑制されることになる。
【0016】
しかも、分散が小さいということは、非線形現象の発現を抑制できるという効果だけではなく、分散に基づく光信号波形の歪み発生を抑制できるという効果も実現できるので、例えば、高速伝送を考えた場合には、それ自体が有利な特性になっている。
また、前記した光伝送路において、Aeff拡大型SMFは、光増幅器の直後に配置されていることを好適とするが、その場合、近年の長距離大容量伝送のために信号光強度が増大していることに対応するためには、Aeffの更なる拡大という問題が求められることになる。
【0017】
この要請に対しては、既に、Aeffが130μm以上であるAeff拡大型SMFが提案されている。
しかしながら、そのSMFは、たしかにAeffは従来に比べて大きくなっているとはいえ、分散が17ps/nm/km以上と大きく、分散が犠牲にされているものである。そのため、光伝送路の構築において、後段に配置される分散補償ファイバの長さは長くなるため、その非線形現象の発現を抑制するという機能は備えていない。
【0018】
本発明は上記した問題を想定して設計された正分散光ファイバとそれを用いた光伝送路であって、とりわけ、分散を犠牲にすることなくAeffが拡大されているので、低分散特性と低非線形特性が両立している正分散光ファイバの提供を目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、
3層構造のコアを有し、波長1.55μmにおける分散が+17ps/nm/km以下であり、かつ実効断面積(Aeff)が130μm以上であることを特徴とする正分散光ファイバ(第1光ファイバという)が提供される。
【0020】
そして、その第1光ファイバは、直径20mmで曲げたときの曲げ損失が10dB/m以下であり、また波長1.55μm帯域における分散スロープが0.08ps/nm/km以下であるため、分散補償ファイバと組み合わせて光伝送路を構築したときに、広い波長範囲で分散補償を実現させることができる。
そして、この第1光ファイバは、前記コアの屈折率分布において、センタコアとして配置される第1層の比屈折率差(Δ)が0.25〜0.65%であり、また、前記第1層の外側にサイドコアとして配置される第2層の比屈折率差(Δ)が−0.30〜0.10%であり、かつ、前記第2層の外側にセグメントコアとして配置される第3層の比屈折率差(Δ)が0.25〜0.65に設計されており、前記第3層の外径に対する前記第1層の直径の比が0.2〜0.4であり、かつ前記第3層の外径に対する前記第2層の外径の比が0.5〜0.8であり、前記第1層の屈折率分布パラメータ(α)の値が2以上になっている。
【0021】
また、本発明において、前記コアの屈折率分布において、第1層であるセンタコアの比屈折率差(Δ)が−1.0〜−0.1%であり、前記第1層の外側にサイドコアとして配置される第2層の比屈折率差(Δ)が0〜0.40%であり、前記第2層の外側にセグメントコアとして配置される第3層の比屈折率差(Δ)が0.45〜0.80%に設計されていて、更には、前記第3層の外径に対する前記第1層の直径の比が0.20〜0.50であり、かつ前記第3層の外径に対する前記第2層の外径の比が0.55〜0.80になっている正分散光ファイバ(第2光ファイバという)が提供される。
【0022】
また、本発明においては、上記した第1光ファイバまたは第2光ファイバと、少なくとも1本の他の光ファイバ、例えば分散補償ファイバを接続して成ることを特徴とする光伝送路が提供される。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明の正分散光ファイバは、コアが3層構造になっている。その場合、第1光ファイバは、図1で示したような屈折率分布のプロファイルを有し、第2光ファイバは、図2で示したような屈折率分布のプロファイルを有している。
最初に第1光ファイバAについて説明する。
【0024】
この第1光ファイバAは、直径が2・aのセンタコアである第1層と、その外側に円環領域として配置され、その外径が2・bのサイドコアである第2層2と、更に第2層2の外側に円環領域として配置され、その外径が2・cのセグメントコアである第3層3とから成るコアを有し、そのコアの外側にクラッド4が配置された断面構造になっている。
【0025】
そして、このプロファイルにおいて、第1層の比屈折率差(Δ)、第2層の比屈折率差(Δ)、第3層の比屈折率差(Δ)が、それぞれ、後述する値となるように設計され、また、第3層の外径(2・c)に対する第1層の直径(2・a)の比(Ra=a/c)と、第3層の外径(2・c)に対する第2層の外径(2・b)の比(Ra=b/c)が、それぞれ、後述する値となるように設計されている。
【0026】
まず、分散を17ps/nm/km以下にし、かつ、Aeffを130μm以上にするための上記した各設計因子の最適化の手順に関して説明する。
(1)従来から提案されている2層構造のコアを有するAeff拡大型SMFにおいて、第1層であるセンタコアの比屈折率差(Δ)は、そのSMFのAeffや分散特性を大きく左右する重要な因子であることが知られている。
【0027】
(2)そこで、本発明の3層構造のコアの場合につき、下記のような条件設定をして、センタコア1の比屈折率差(Δ)と、第1光ファイバAにおける分散およびAeffとの関係を計算した。
条件設定に関しては、この第1光ファイバAを直径20mmで曲げたときの曲げ損失が5dB/mと一定値になる場合のコアのプロファイルに関する諸因子を選定した。
【0028】
すなわち、センタコア1の屈折率分布パラメータ(α)値を5、サイドコア2の比屈折率差(Δ)をクラッド4のレベルと同一、すなわち0%、セグメントコア3の比屈折率差(Δ)を0.5%、Ra値を0.3、Ra値を0.6とした。
計算結果を図3に示す。
また、上記した設定条件下において、センタコア1の比屈折率差(Δ)と、第1光ファイバAにおける分散スロープおよびカットオフ波長(λc)との関係も計算し、その結果を図4に示す。
【0029】
(3)まず、図3から明らかなように、Δ=0.55%付近で分散は最大となっている。そして、その位置から、Δを小さくした場合であっても、また大きくした場合であっても、分散は17ps/nm/kmより小さくなっていく。
しかしながら、Δを大きくしていくと、Aeffは小さくなっていく。逆に、Δを小さくしていくと、Aeffは大きくなっていく。
【0030】
したがって、この第1光ファイバAにおいて、Δを小さくすることは、Aeffが大きくなり、同時に分散も小さくなって、非線形特性と低分散特性を実現させるためには有効な手段であるということがわかる。
しかしながら、図4から明らかなように、Δを小さくすると、他方ではカットオフ波長(λc)と分散スロープが増大していく。
【0031】
そして、例えばλcが1700nm以上になると、λcに条長依存性があるとはいえ、使用波長(例えば1.55μm)におけるシングルモード条件を満たすことが困難になることが知られている。そして、図4から明らかなように、Δが0.35%以下になると、λcが1700nm以上に増大してしまう。
このようなことから、この屈折率分布のプロファイルの場合は、分散が17ps/nm/km以下、Aeffが130μm以上を満足するΔの範囲は、図3における斜線で囲った領域内であるということが判断される。
【0032】
(4)そして、曲げ損失を5dB/mと一定にした状態で、Δ,Δ、Ra,Raの各因子を変動させて同様の解析を行ったところ、分散を17ps/nm/km以下、Aeffを少なくとも130μm以上にするためには、Δは、0.25〜0.65%に設定することが必要であることが判明した。
すなわち、Δを0.25%より小さくすると、他の因子を最適化したとしても、λcは1700nm以上に増大してしまい、またΔを0.65%より大きくすると、Aeffをもはや130μm以上にすることはできなかった。
【0033】
(5) なお、ここで、コアのプロファイルに関する各因子を変化させたときの分散、分散スロープ、Aeff、λcの変化傾向を表2に示す。
【0034】
【表2】
Figure 2004012685
【0035】
Δを上記した範囲内のある値に設定した状態で、Δ,Δ、Ra,Raの各因子についても同様の解析を行ってそれぞれの最適化を求めた。
結果は以下のとおりである。
Δを−0.10%より小さくすると、その第1光ファイバAはシングルモード条件を満たすことが困難となり、しかも分散スロープも増大し、またΔを0.10%より大きくすると、Aeffの拡大は不充分で、しかも分散が大きくなる。
【0036】
このようなことから、Δは−0.10〜0.10%に設定されるべきである。Δを0.25%より小さくすると、やはりシングルモード条件を満たすことが困難であり、かつ分散も増大する。またΔを0.65%より大きくすると、Aeffの拡大は不充分となる。このようなことから、Δは0.25〜0.65%に設定されるべきである。
【0037】
Raが0.2より小さい場合は、シングルモード条件を満たすことが困難で、かつ分散スロープは増大し、また0.4より大きくすると、Aeffの拡大は不充分で、分散も大きくなってしまう。このようなことから、Raは0.2〜0.4に設定されるべきである。
Raが0.5より小さい場合は、Aeffを130μm以上にすることが困難で、しかも分散も17ps/nm/kmより大きくなってしまい、また0.8より大きい場合は、シングルモード条件を満たすことが困難で、しかも分散が大きくなる。このようなことから、Raは0.5〜0.8に設定されるべきである。
【0038】
なお、以上の結果は、α値が5の場合のときであるが、このα値は2以上であれば、良好な結果を得ることができた。
ここで、図1で示した第1光ファイバAにおいて、曲げ損失を5dB/mと一定とし、各因子を変動させたときのシミュレーション結果を表3に示す。
【0039】
【表3】
Figure 2004012685
【0040】
表3から明らかなように、いずれのシミュレーション結果においても、Aeffは130μmに拡大されており、同時に分散も17ps/nm/km以下になっている。そして、λcは1700nmより小さく、結果2〜結果4の場合は、いずれも1600nmより小さくなる。また分散スロープは0.08ps/nm/km以下の値に抑制されていて、あらゆる特性において優れていることが判明した。
【0041】
次に、図2で示した第2光ファイバBの場合についても、分散17ps/nm/km以下、Aeff130μm以上、分散スロープ0.08ps/nm/km以下を目標特性にして同様の最低化設計を行った。
曲げ損失を5dB/mと一定にした条件下で、プロファイルの各因子を大きくした場合の各目標特性の変化を表4に示す。
【0042】
【表4】
Figure 2004012685
【0043】
表4の傾向を示す第2光ファイバBに関し、Aeffは130μm以上、分散は17ps/nm/km以下、分散スロープは0.08ps/nm/km以下、λcは1700nmより小さいという特性を同時に満たすプロファイルの各因子を求めた。
その結果、Δは−1.00〜−0.10%、Δは0〜0.40%、Δは0.45〜0.80%、Raは0.20〜0.50、Raは0.55〜0.80であることが必要であった。
【0044】
この第2光ファイバBについても、第1光ファイバAの場合と同様に、曲げ損失を5dB/mと一定にした状態で、各因子を変動させたときのシミュレーション結果を表5に示す。
【0045】
【表5】
Figure 2004012685
【0046】
表5から明らかなように、この第2光ファイバBの場合は、表2で示した第1光ファイバAに比べてAeffは若干小さいが、分散は8〜12ps/nm/kmと更に小さい値になっている。
本発明の光伝送路は、上記した正分散光ファイバに分散補償ファイバを接続して構成される。
【0047】
その光伝送路は、既に説明した特性を有する正分散光ファイバの作用で、SPM,XPM,FWMなどの非線形現象の発現を抑制する低非線形特性を備え、分散フラットネス、低い曲げ損失特性を実現している。
このように、低非線形特性、低曲げ損失、低分散スロープという特性を備えた光伝送路は、WDM伝送方式における光伝送路として最適である。
【0048】
【実施例】
実施例1〜3
図1で示した第1光ファイバAを製造した。目標特性は表2の結果2〜結果4とし、それぞれの場合につき、屈折率分布のプロファイルの各因子を表6で示したように設定した。得られた第1光ファイバAの特性を実測し、その結果を表6に示した。
【0049】
【表6】
Figure 2004012685
【0050】
表6から明らかなように、製造した光ファイバのAeffは全て130μm以上の値になっていて、充分に、SPMやXPMなどの非線形現象に基づく波形歪みの抑制が期待できる。また、分散も従来のSMFに比べれば小さいので、これらの光ファイバに分散補償ファイバを接続して光伝送路を構成したときに、当該分散補償ファイバの条長を短くすることができ、その非線形特性の発現を相対的に抑制することができる。
【0051】
また、その1.55μm帯域における分散は、従来のDSFに比べれば充分に大きいので、FWMに基づく信号ノイズの発生を抑制できることが予測される。更に、分散スロープは0.07ps/nm/km程度の値であり、充分に、分散補償ファイバの補償可能な水準になっている。
なお、実施例の光ファイバは、いずれも、ファイバ長2mにおけるλcの測定値は1600nm以下である。そして、ファイバ長22mにおけるλcの測定時には1400nm以下の値を示していた。
【0052】
そして、損失、曲げ損失も小さい値に抑制されているので、実施例の光ファイバは、いずれも実使用可能であると判断することができる。
【0053】
実施例4〜6
図2で示した第2光ファイバBを製造した。目標特性は表5の結果5、結果6、および結果8とし、それぞれの場合につき、屈折率分布のプロファイルの各因子を表7で示したように設定した。
得られた第2光ファイバBの特性を実測し、その結果を表7に示した。
【0054】
【表7】
Figure 2004012685
【0055】
表7から明らかなように、実施例4〜6の光ファイバは、表6で示した実施例1〜3の光ファイバに比べて分散が更に小さくなっているので、分散補償ファイバと組み合わせた光伝送路においては、全体として、より一層の低非線形特性の実現が予測される。
【0056】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の正分散光ファイバは、低非線形特性と低分散特性が両立するように設計されたSMFである。また、損失やPMDも低い。したがって、高パワーの光信号が入射した場合であっても、分散を犠牲にすることなく、SPMやXPMなどに基づく非線形現象の発現を抑制することができる。
【0057】
そして、本発明の光ファイバは、従来のAeff拡大型SMFに比べて分散が小さいので、分散補償ファイバと組み合わせて光伝送路を構成したときに、分散補償ファイバの短尺化を実現することができ、光伝送路全体としては更なる低非線形特性の実現を可能にすることができる。
したがって、本発明の正分散光ファイバを用いた光伝送路は、WDM伝送路として好適であり、高速大容量伝送に適合した光伝送路としてその工業的価値は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光ファイバにおける屈折率分布を示すプロファイルである。
【図2】本発明の光ファイバにおける別の屈折率分布を示すプロファイルである。
【図3】図1のプロファイルにおけるΔと、分散、Aeffとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図4】図2のプロファイルにおけるΔと、λc、分散スロープとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1   センタコア(第1層)
2   サイドコア(第2層)
3   セグメントコア(第3層)
4   クラッド

Claims (11)

  1. 3層構造のコアを有し、波長1.55μmにおける分散が+17ps/nm/km以下であり、かつ実効断面積(Aeff)が130μm以上であることを特徴とする正分散光ファイバ。
  2. 直径20mmで曲げたときの曲げ損失が10dB/m以下である請求項1の正分散光ファイバ。
  3. 波長1.55μm帯域における分散スロープが0.08ps/nm/km以下である請求項1または2の正分散光ファイバ。
  4. 前記コアの屈折率分布において、センタコアとして配置される第1層の比屈折率差(Δ)が0.25〜0.65%である請求項1〜3のいずれかの正分散光ファイバ。
  5. 前記コアの屈折率分布において、前記第1層の外側にサイドコアとして配置される第2層の比屈折率差(Δ)が−0.30〜0.10%であり、かつ、前記第2層の外側にセグメントコアとして配置される第3層の比屈折率差(Δ)が0.25〜0.65である請求項4の正分散光ファイバ。
  6. 前記第3層の外径に対する前記第1層の直径の比が0.2〜0.4であり、かつ前記第3層の外径に対する前記第2層の外径の比が0.5〜0.8である請求項4または5の正分散光ファイバ。
  7. 前記第1層の屈折率分布パラメータ(α)の値が2以上である請求項4〜6のいずれかの正分散光ファイバ。
  8. 前記コアの屈折率分布において、第1層であるセンタコアの比屈折率差(Δ)が−1.0〜−0.1%である請求項1〜3のいずれかの正分散光ファイバ。
  9. 前記コアの屈折率分布において、前記第1層の外側にサイドコアとして配置される第2層の比屈折率差(Δ)が0〜0.40%であり、前記第2層の外側にセグメントコアとして配置される第3層の比屈折率差(Δ)が0.45〜0.80%である請求項8の正分散光ファイバ。
  10. 前記第3層の外径に対する前記第1層の直径の比が0.20〜0.50であり、かつ前記第3層の外径に対する前記第2層の外径の比が0.55〜0.80である請求項8または9の正分散光ファイバ。
  11. 請求項1〜10のいずれかの正分散光ファイバと、少なくとも1本の他の光ファイバを接続して成ることを特徴とする光伝送路。
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