JP2006154421A

JP2006154421A - シングルモード光ファイバ、光ファイバケーブル、光ファイバコード及び光ファイバの耐用年数保証方法

Info

Publication number: JP2006154421A
Application number: JP2004346053A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kuami; 寛朽網; Shoichiro Matsuo; 昌一郎松尾; Kuniharu Himeno; 邦治姫野
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-15
Also published as: US20060115224A1

Abstract

【課題】限界まで曲げられた時に伝送損失が増加することで敷設の適否を検知可能なシングルモード光ファイバの提供。
【解決手段】波長１．３１μｍ帯において実質上シングルモード伝送となるカットオフ波長を有すシングルモード光ファイバにおいて、光ファイバに加える曲げ半径と、該曲げ半径で曲げられた状態で所定年数経過後に発生する故障頻度との関係から求められた光ファイバの限界曲げ半径以下の曲げが加わった際に、曲げ損失が検出限界値より大きくなるように、クラッドに対するコアの比屈折率差が調整されていることを特徴とするシングルモード光ファイバ。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバケーブルや光ファイバコードに実装するシングルモード光ファイバに関し、特に、２０年程度の長期間にわたり高い信頼性を確保し得るシングルモード光ファイバ及びそれを用いた光ファイバケーブル、光ファイバコード及び光ファイバの耐用年数保証方法に関する。

近年、ケーブル製造の容易性や施工の容易性などの点から、曲げによる伝送損失（曲げ損失）が小さい光ファイバが開発されている。このような光ファイバは、小さく曲げても使用可能なように、例えば曲げ半径が２．５ｍｍ程度に曲げても伝送損失が０．０００８ｄＢ／ｔｕｒｎ程度しか増加せず、このような極端に小さく曲げられた状態でも、初期には使用できてしまう光ファイバが知られている（例えば、非特許文献１，２参照。）。
西岡大造他，"極小径曲げ対応ホーリーファイバの開発"，信学技法ＯＦＴ２００３−６３ Bing Yao他，"低損失ホーリーファイバの開発"，信学技法ＯＦＴ２００３−２７ Y. Mitsunaga et.al.,"Failure prediction for long length optical fiber based on proof testing", J. Appl. Phys., 53 (1982) 4847-4853

通常の伝送路に用いられる光ファイバを小さく曲げて使用すると、疲労と呼ばれる現象により光ファイバ表面に存在する亀裂が徐々に拡がり、ある年数が経過すると光ファイバが破断する可能性があることが知られている。一般に屋内の壁面内部に敷設されるケーブルは、家の建て替えまで張り替えないことが望まれていることから、通常２０年程度の寿命が必要とされている。また、屋外に敷設されるケーブルでは、敷設時に交通規制等が必要なためにやはり２０年程度の寿命が必要とされているが、線路の途中に寿命を短くするような極端に小さく曲げられた光ファイバが存在すると、ケーブルは数年で断線してしまう可能性があるという問題があった。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、光ファイバの耐久性を著しく損ねる曲げが生じた場合に直ちに検知可能なように、限界まで曲げられた時に伝送損失が増加することで敷設の適否を検知可能なシングルモード光ファイバの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、波長１．３１μｍ帯において実質上シングルモード伝送となるカットオフ波長を有すシングルモード光ファイバにおいて、光ファイバに加える曲げ半径と、該曲げ半径で曲げられた状態で所定年数経過後に発生する故障頻度との関係から求められた光ファイバの限界曲げ半径以下の曲げが加わった際に、曲げ損失が検出限界値より大きくなるように、クラッドに対するコアの比屈折率差が調整されていることを特徴とするシングルモード光ファイバを提供する。

本発明のシングルモード光ファイバにおいて、光ファイバの限界曲げ半径が、次式（１）〜（３）

（式（１）〜（３）中、
Ｆは故障頻度、
ｔ_ｚは経過時間、
Ｎ_ｐはプルーフテスト中の単位長さあたりの破断回数、
Ｌ_ｏは歪みが均一に加わっている光ファイバの全長、
ε_ｚは断面での最大歪み、
ε_ｐはプルーフテスト中の歪み、
Ｔ_ｐはプルーフテスト歪み印加時間、
ｍは光ファイバの強度分布を表すパラメータ、
ｎは疲労特性を表すパラメータ、
ｒは光ファイバのガラス部分の半径、
Ｒは曲げ半径、をそれぞれ表す。）
で算出された値であることが好ましい。

本発明のシングルモード光ファイバにおいて、限界曲げ半径における曲げ損失が０．０１ｄＢ／ｔｕｒｎ以上１０ｄＢ／ｔｕｒｎ以下であることが好ましい。

本発明のシングルモード光ファイバにおいて、限界曲げ半径における曲げ損失が０．０４ｄＢ／ｔｕｒｎ以上１０ｄＢ／ｔｕｒｎ以下であることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係るシングルモード光ファイバを備えたことを特徴とする光ファイバケーブルを提供する。

また本発明は、前述した本発明に係るシングルモード光ファイバを備えたことを特徴とする光ファイバコードを提供する。

また本発明は、前述した本発明に係るシングルモード光ファイバまたは光ファイバケーブル内のシングルモード光ファイバまたは光ファイバコード内のシングルモード光ファイバの耐用年数保証方法であって、敷設状態にある前記シングルモード光ファイバの長手方向の損失をＯＴＤＲ法または光ファイバ全長の伝送損失測定によって検知し、その損失が前記シングルモード光ファイバに限界曲げ半径以下の曲げが加わった際に生じる曲げ損失よりも小さいことを確認することによって、所定の耐用年数の期間内で前記シングルモード光ファイバに生じる故障頻度が、限界曲げ半径の設定に用いた故障頻度以下であることを保証することを特徴とする光ファイバの耐用年数保証方法を提供する。

本発明のシングルモード光ファイバは、光ファイバに加える曲げ半径と、該曲げ半径で曲げられた状態で所定年数経過後に発生する故障頻度との関係から求められた光ファイバの限界曲げ半径以下の曲げが加わった際に、曲げ損失が検出限界値より大きくなるように、クラッドに対するコアの比屈折率差が調整されているものなので、敷設状態にある前記シングルモード光ファイバの長手方向の損失をＯＴＤＲ法または光ファイバ全長の伝送損失測定によって検知し、その損失が前記シングルモード光ファイバに限界曲げ半径以下の曲げが加わった際に生じる曲げ損失よりも小さいことを確認することによって、所定の耐用年数の期間内で前記シングルモード光ファイバに生じる故障頻度が、限界曲げ半径の設定に用いた故障頻度以下であることを保証することができ、耐用年数期間内は断線等のトラブルの発生が少なくなり、これを用いた光通信線路の信頼性を高めることができる。

本発明のシングルモード光ファイバ（以下、光ファイバと記す。）は、波長１．３１μｍ帯において実質上シングルモード伝送となるカットオフ波長を有し、光ファイバに加える曲げ半径と、該曲げ半径で曲げられた状態で所定年数経過後に発生する故障頻度との関係から求められた光ファイバの限界曲げ半径以下の曲げが加わった際に、曲げ損失が検出限界値より大きくなるように設定されている。

一定応力下の光ファイバのｔ_ｚ時間経過後の故障頻度Ｆは、次式（１）から算出できる（非特許文献３参照。）。

式（１）中、
Ｎ_ｐ：プルーフテスト中の単位長さあたりの破断回数、
Ｌ_ｏ：歪みが均一に加わっている光ファイバの全長、
ε_ｚ：断面での最大歪み、
ε_ｐ：プルーフテスト中の歪み、
Ｔ_ｐ：プルーフテスト歪み印加時間、
ｍ：光ファイバの強度分布を表すパラメータ、
ｎ：疲労特性を表すパラメータ、
をそれぞれ表す。

これらのパラメータは、プルーフテストの条件であるε_ｐとｔ_ｐ、歪みがかかっている光ファイバの長さＬ_ｏは任意に変更可能である。それ以外のパラメータは、光ファイバの物性値であり、製造条件等により各々異なる。

光ファイバを曲げた場合、ε_ｚとＬ_ｏは、次式（２）及び（３）で与えられる。

式（２）及び（３）中、ｒは光ファイバのガラス部分の半径、Ｒは曲げ半径をそれぞれ表す。

すなわち、光ファイバの曲げ半径が小さいほど、光ファイバは故障確率が大きくなる。また光ファイバのガラス部分の半径が小さいほど、故障確率は小さくなるが、一般に光ファイバは４ＧＰａ程度の応力がかかると破断してしまうため、伝送線路などに用いられるような施工時に強い引っ張り力がかかることが想定される光ファイバでは、ガラス部分の直径８０μｍ程度までが限界と考えられている。
またプルーフ時の歪みを大きくすると故障確率は小さくなる。

図１に、様々なクラッド径を有する光ファイバの２０年後の故障頻度と曲げ半径の関係を示す。プルーフレベルは大きいほど故障確率を低くできるが、この計算では高信頼性を必要とする海底ケーブル用光ファイバに印加される２％で計算した。また、Ｎ_ｐ＝０．０１５回／ｋｍ、Ｔ_ｐ＝１Ｓ、ｍ＝３、ｎ＝２３として計算した。

図１に示す計算結果から、光ファイバに加わる曲げ半径が小さいほど故障頻度が大きくなり、ガラス部分の直径は８０μｍの光ファイバでも半径３ｍｍ以下に曲げた場合に２０年後の故障頻度が１ｐｐｍを超えることが分かる。

光ファイバの耐用年数と故障頻度の上限値は、敷設される形態や用途によって異なるが、光ファイバの長手方向に小さな曲げが入ると、耐用年数における故障頻度の上限を超えて故障してしまう。以下の記述において、光ファイバ耐用年数における故障頻度の上限を超えてしまうほどの小さな曲げ半径を「限界曲げ半径」と呼ぶ。この限界曲げ半径は、光ファイバのクラッド径などによって決まる機械的強度について定義されるものであり、伝送特性の観点による曲げ限界を示す用語「許容曲げ半径」とは異質なものである。

小さく曲げても使用可能な小さな許容曲げ半径を有する光ファイバは、適切な設計をしないと限界曲げ半径以下に曲げられても伝送損失が増加せず、限界を超えた曲げの存在を判断できない場合がある。そこで本発明では、限界曲げ半径を超えて曲げられた場合には直ちに大きな損失増加を生じることにより、このような急な曲げが入ったことを直ちに検知できる光ファイバを提供する。

光ファイバ全長の伝送損失の平均値から、曲げによる局所的な損失増加を異常として検出することは困難であるため、限界曲げ半径以下の曲げによる損失増加の検出には、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）を用いる必要がある。このために限界曲げ半径での曲げ損失は、ＯＴＤＲの検出限界以上である必要があることから、限界曲げ半径での曲げ損失は０．０１ｄＢ／ｔｕｒｎ以上であることが必要である。具体的には、許容曲げ半径での曲げ損失は実用上問題ないレベルに低減されているが、限界曲げ半径以下の曲げが加わった時には、０．０１ｄＢ／ｔｕｒｎ以上、好ましくは０．０４ｄＢ／ｔｕｒｎ以上の大きな曲げ損失を生じるように設計することが好ましい。このような光ファイバは、光ファイバ耐用年数において十分に低い故障頻度を保証することが可能となる。

本発明において、光ファイバとしては、波長１．３１μｍ帯で実質上シングルモード伝送となるカットオフ波長を有し、光ファイバの限界曲げ半径以下の曲げが加わった際に、曲げ損失が検出限界値より大きくなるような曲げ損失特性を有していればよく、これらの条件を満たすことができれば、クラッド径、モードフィールド径、コア径、屈折率分布形状などの各構造パラメータは特に限定されない。

図２及び図３は、本発明の光ファイバの屈折率分布を例示する図である。
図２は、通常用いられているステップインデックス型の屈折率分布を持つ光ファイバ１を示している。この光ファイバ１は石英系ガラスからなり、屈折率の高いコア２とその外周のクラッド３とから構成されている。
また図３は、トレンチ型の屈折率分布を持つ光ファイバ１０を示している。この光ファイバ１０は石英系ガラスからなり、屈折率の高い中心コア部１１と、その外周の内側クラッド部１２と、その外周の屈折率の低いトレンチ部１３と、その外周のクラッド１４とから構成されている。

本発明において、光ファイバの限界曲げ半径以下の曲げが加わった際に、曲げ損失が検出限界値より大きくなるようにするために、光ファイバの構造パラメータのうち、特にクラッドに対するコアの比屈折率差（以下、コアΔと記す。）を調整することが好ましい。一定のクラッド径を有し、及び一定のカットオフ波長をもつように設計された光ファイバにおいて、コアΔを変動すると、一定の曲げ半径での曲げ損失も変動する。

図２及び図３に示す屈折率分布を有する光ファイバ１，１０において、クラッド径及びカットオフ波長が一定の条件下でコアΔを変動させた場合、コアΔが小さくなるに従って、限界曲げ半径での曲げ損失は大きくなり、コアΔが大きくなるに従って、限界曲げ半径での曲げ損失は小さくなる傾向にある。前述した通り、限界曲げ半径での曲げ損失は、例えばＯＴＤＲ法を用いて光ファイバ長手方向の損失を測定した場合に、その検出限界である０．０１ｄＢ／ｔｕｒｎ以上あることが必要であり、０．０４ｄＢ／ｔｕｒｎ以上であることがより望ましい。従って、本発明の光ファイバは、限界曲げ半径における曲げ損失が０．０１ｄＢ／ｔｕｒｎ以上、好ましくは０．０４ｄＢ／ｔｕｒｎ以上１０ｄＢ／ｔｕｒｎ以下となるように、光ファイバのコアΔを設定したものであることが好ましい。

前述した光ファイバは、本発明の耐用年数保証方法によって評価される。本発明の耐用年数保証方法は、敷設状態にある前記光ファイバの長手方向の損失をＯＴＤＲ法または光ファイバ全長の伝送損失測定によって検知し、その損失が前記シングルモード光ファイバに限界曲げ半径以下の曲げが加わった際に生じる曲げ損失よりも小さいことを確認することによって、所定の耐用年数の期間内で前記シングルモード光ファイバに生じる故障頻度が、限界曲げ半径の設定に用いた故障頻度以下であることを保証することを特徴としている。

本発明に係る光ファイバは、光ファイバケーブルや光ファイバコードとして利用することが好ましい。本発明に係る光ファイバを備える光ファイバケーブルや光ファイバコードは、屋内・屋外に敷設され、その敷設状態において、前述した本発明の耐用年数保証方法によって光ファイバの長手方向の損失をＯＴＤＲ法または光ファイバ全長の伝送損失測定によって検知し、その損失が光ファイバに限界曲げ半径以下の曲げが加わった際に生じる曲げ損失よりも小さいことを確認することによって、所定の耐用年数の期間内で光ファイバに生じる故障頻度が、限界曲げ半径の設定に用いた故障頻度以下であることを保証することができる。

前述したように、本発明の光ファイバ及び該光ファイバを備えた光ファイバケーブルや光ファイバコードは、所定の耐用年数の期間内で光ファイバに生じる故障頻度が、限界曲げ半径の設定に用いた故障頻度以下であることを保証することができるので、耐用年数期間内は断線等のトラブルの発生が少なくなり、信頼性を高めることができる。

［実施例１］
図２に示すような通常用いられているステップインデックス型の屈折率分布を有する、クラッド径１２５μｍの光ファイバ１において、ファイバカットオフを１．２６ｍｍに設定し、クラッド３に対するコア２の比屈折率差であるコアΔを適宜変更した場合のモードフィールド直径と曲げ損失を計算した結果を表１に示す。

この光ファイバの耐用年数を２０年とし、故障頻度を１ｐｐｍ以下とすると、クラッド径が１２５μｍであるために、光ファイバの限界曲げ半径は５．５ｍｍとなることが図１より分かる。

表１に示すように、コアΔが０．８０％より大きいと、曲げ半径が限界の５．５ｍｍになっても、曲げによって生じる損失が０．０１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下となり、ＯＴＤＲを使った計測は困難である。
コアΔが０．７５％以下であれば、５．５ｍｍまで曲げたときの曲げ損失は０．０１４ｄＢ／ｔｕｒｎ以上となる。一般にＯＴＤＲの検出限界は０．０１ｄＢ／ｐｏｉｎｔであることから、耐用年数である２０年経過後の故障頻度が１ｐｐｍ以上となる曲げの有無を検知可能である。さらに望ましくはコアΔが０．７％以下であれば５．５ｍｍまで曲げたときの曲げ損失が０．０４４ｄＢ／ｔｕｒｎ以上となり、さらに検知が容易となる。
コアΔが０．５０％以下では、曲げ半径５．５ｍｍまで曲げた場合の波長１５５０ｎｍでの曲げ損失が１ｄＢ／ｔｕｒｎ以上となり、ＯＴＤＲを使わずに光ファイバ全長の伝送損失平均でも損失の異常を検知できるために比較的安全である。
また、コアΔが０．３５％以下では、曲げ半径５．５ｍｍまで曲げた場合の波長１５５０ｎｍでの曲げ損失が１０ｄＢ／ｔｕｒｎ以上となり、実質上使用が困難である。このために、限界曲げ半径を超えて曲げられることはなく安全である。

本発明では、限界曲げ半径以下の曲げにより生じる損失増加量が、ＯＴＤＲで検出可能な光ファイバを提供することが目的であり、測定波長は１５５０ｎｍに限定する必要はない。一般に使用されるＯＴＤＲは、波長１３１０ｎｍもしくは１５５０ｎｍの光源を備えていることが多いため、前述した例では波長１５５０ｎｍでの測定を例示しているが、より長波長側の測定波長の方が曲げに対する損失増加量が大きくなることから、曲げによる損失増加の検出がより容易になる。例えば、表１中に併せて記載した通り、波長１６２５ｎｍで測定した場合には、コアΔが０．８５％の光ファイバでも限界曲げ半径における曲げ損失が０．０１ｄＢ／ｔｕｒｎあり、曲げを検出可能である。

［実施例２］
図３に示すようなトレンチ型屈折率分布を有する光ファイバ１０を用いた実施例を示す。中心コア部１１の半径をｒ１、内側クラッド部１２の半径をｒ２、内側クラッド部１２の外周に設けられ内側クラッド部１２より低い屈折率を有するトレンチ部１３の半径をｒ３とし、またクラッド１４に対する、中心コア部１１の比屈折率差をコアΔ、内側クラッド部１２の比屈折率差をΔ２、トレンチ部１３の比屈折率差をΔ３とする。クラッド径１２５μｍのシングルモード光ファイバにおいて、ファイバカットオフを１．２６μｍに設定し、ｒ２／ｒ１＝３．５、ｒ３／ｒ１＝５．５、Δ２＝０％、Δ３＝−０．２５０％となるように設計し、コアΔを適宜変更した場合のモードフィールド直径と曲げ損失を計算した結果を表２に示す。

このような屈折率分布形状を有する光ファイバでは、コアΔが０．７％以上の光ファイバでは、限界曲げ半径の５．５ｍｍで曲げても、損失がＯＴＤＲの検出限界の０．０１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下となるため、ＯＴＤＲによる検出が難しい。
コアΔが０．６５％以下であれば、限界曲げ半径の５．５ｍｍで曲げたときの曲げ損失は０．０２ｄＢ／ｔｕｒｎ以上となり、ＯＴＤＲによる検出限界０．０１ｄＢ／ｔｕｒｎ以上の曲げ損失増加となる。この場合、曲げがＯＴＤＲで十分に検知可能であることから、耐用年数２０年後の破断頻度を１ｐｐｍ未満に保証することができる。そのために光ファイバのコアΔは０．６５％以下であることが望ましい。さらにコアΔが０．６％以下であれば、曲げ損失が０．０４ｄＢ／ｔｕｒｎ以上となり、さらに検知容易となる。

本発明では、限界曲げ半径以下の曲げにより生じる損失増加量が、ＯＴＤＲで検出可能な光ファイバを提供することが目的であり、測定波長は１５５０ｎｍに限定する必要はない。一般に使用されるＯＴＤＲは、波長１３１０ｎｍもしくは１５５０ｎｍの光源を備えていることが多いため、前述した例では波長１５５０ｎｍでの測定を例示しているが、より長波長側の測定波長の方が曲げに対する損失増加量が大きくなることから、曲げによる損失増加の検出がより容易になる。例えば、表２中に併せて記載した通り、波長１６２５ｎｍで測定した場合には、コアΔが０．７５％の光ファイバでも限界曲げ半径における曲げ損失が０．０１ｄＢ／ｔｕｒｎあり、曲げを検出可能である。

光ファイバの曲げ半径と故障頻度の関係を示すグラフである。光ファイバのステップ型屈折率分布を例示するグラフである。光ファイバのトレンチ型屈折率分布を例示するグラフである。

符号の説明

１，１０…光ファイバ（シングルモード光ファイバ）、２…コア、３…クラッド、１１…中心コア部、１２…内側クラッド部、１３…トレンチ部、１４…クラッド。

Claims

波長１．３１μｍ帯において実質上シングルモード伝送となるカットオフ波長を有すシングルモード光ファイバにおいて、
光ファイバに加える曲げ半径と、該曲げ半径で曲げられた状態で所定年数経過後に発生する故障頻度との関係から求められた光ファイバの限界曲げ半径以下の曲げが加わった際に、曲げ損失が検出限界値より大きくなるように、クラッドに対するコアの比屈折率差が調整されていることを特徴とするシングルモード光ファイバ。
光ファイバの限界曲げ半径が、次式（１）〜（３）

（式（１）〜（３）中、
Ｆは故障頻度、
ｔ_ｚは経過時間、
Ｎ_ｐはプルーフテスト中の単位長さあたりの破断回数、
Ｌ_ｏは歪みが均一に加わっている光ファイバの全長、
ε_ｚは断面での最大歪み、
ε_ｐはプルーフテスト中の歪み、
Ｔ_ｐはプルーフテスト歪み印加時間、
ｍは光ファイバの強度分布を表すパラメータ、
ｎは疲労特性を表すパラメータ、
ｒは光ファイバのガラス部分の半径、
Ｒは曲げ半径、をそれぞれ表す。）
で算出された値であることを特徴とする請求項１に記載のシングルモード光ファイバ。
限界曲げ半径における曲げ損失が０．０１ｄＢ／ｔｕｒｎ以上１０ｄＢ／ｔｕｒｎ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のシングルモード光ファイバ。
限界曲げ半径における曲げ損失が０．０４ｄＢ／ｔｕｒｎ以上１０ｄＢ／ｔｕｒｎ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のシングルモード光ファイバ。
請求項１〜４のいずれかに記載のシングルモード光ファイバを備えたことを特徴とする光ファイバケーブル。
請求項１〜４のいずれかに記載のシングルモード光ファイバを備えたことを特徴とする光ファイバコード。
請求項１〜４のいずれかに記載のシングルモード光ファイバまたは請求項５に記載の光ファイバケーブル内のシングルモード光ファイバまたは請求項６に記載の光ファイバコード内のシングルモード光ファイバの耐用年数保証方法であって、
敷設状態にある前記シングルモード光ファイバの長手方向の損失をＯＴＤＲ法または光ファイバ全長の伝送損失測定によって検知し、その損失が前記シングルモード光ファイバに限界曲げ半径以下の曲げが加わった際に生じる曲げ損失よりも小さいことを確認することによって、所定の耐用年数の期間内で前記シングルモード光ファイバに生じる故障頻度が、限界曲げ半径の設定に用いた故障頻度以下であることを保証することを特徴とする光ファイバの耐用年数保証方法。