ノンゼロ分散シフトファイバー

Dispersion: -4.0 ps/nm•km at 1550 nm
SM Fiber with Low Attenuation
For Applications in the C-Band (1530 - 1565 nm)

DCF4

In DCF4 Fiber, the zero-dispersion wavelength is shifted to near 1550 nm for low-loss and low-dispersion operation in the C-band. The drawing above is for illustrative purposes only.

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概要
分散に関するチュートリアル
損傷閾値
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Specifications^a
Dispersion Specifications^b,c
Dispersion	-4.0 ps/nm•km
Dispersion Slope	0.12 ps/nm²•km
Polarization Mode Dispersion	≤0.1 ps/√km
General Specifications
Operating Wavelength	1530 - 1565 nm (C-Band)
Mode Field Diameter^c	8.85 to 9.60 µm
Effective Area^c	65 µm²
Cladding Diameter	125.0 ± 1.0 µm
Coating Diameter	250 ± 5 µm
Coating-Cladding Concentricity	< 12 µm
Core-Clad Concentricity	≤0.5 µm
Cutoff Wavelength	≤1500 nm
Attenuation^c	≤0.210 dB/km
Optical Return Loss	≥60 dB

こちらのファイバは水中用としては設計されておりません。
仕様は公称値です。
1550 nmで定めた仕様値。

特長

Cバンド(1530～1565 nm)用
分散:-4.0 ps/nm•kmt(1550 nmにおいて)
減衰:≤0.210 dB/km(1550 nmにおいて)

用途例

通信
分散の管理
波長分割多重(WDM)

当社のノンゼロ分散シフトファイバDCF4は、1530 nm～1565 nm(Cバンド)において減衰量が小さく、分散もゼロに近い性能を有します。標準的なシングルモードファイバと比較すると、DCF4は1550 nmにおいて-4.0 ps/nm•kmの小さな負の分散を有するため、短距離から中距離でのファイバの分散問題に対する有効な解決策を提供することができます。1550 nmにおける分散の要件が厳しいシステムでは、ファイバDCF4による分散は、1550 nmで大きな正の分散を有するほかのファイバ(SMF-28-J9など)を短尺で用いて補償します。

ゼロ分散波長がCバンドの外にシフトするため、ファイバDCF4の動作範囲での4光波混合の影響は最小に抑えられます(詳細は「分散チュートリアル」をご覧ください。このファイバの65 µm²の大きな有効面積により、著しい非線形効果を発生せずに大きな高光パワーの信号を伝送できます。

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図1:導波路分散が波長分散にオフセットを与え、ステップインデックスシングルモードファイバでは1.31 µmでゼロ分散となります。

ファイバ内での分散

波長分散は、ファイバ内を異なる波長の光が異なる速度で伝搬することにより発生します。波長分散は波長に依存し、材料分散と導波路分散(構造分散)の和で定義されます。材料分散は材料の屈折率が波長とともに変化することで発生し、それに伴って光の伝搬速度も変化します。

導波路分散はそれとは独立した現象で、ファイバの導波路構造によって発生します。導波路の特性は波長に依存します。その結果、波長が変化するとクラッドとコアを伝搬する光の配分が変化し、シングルモードファイバ内の光の伝搬に影響が表れます。
波長分散は下記の式で定義されます。

Dispersion_chromatic(λ) = Dispersion_material(λ) + Dispersion_waveguide(λ)

材料分散と導波路分散は波長に依存するため、全体の分散も波長に依存します。dD/dλで定義される分散スロープは、正、負、あるいはゼロにもできます。

図1に示すように、標準的なステップインデックスファイバにおいては、材料分散と導波路分散の和が0となる波長は1310 nm近辺なので、ゼロ分散波長は1310 nmとなります。

Dispersion-Shifted Fiber Dispersion Diagram

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図2:導波路分散がより大きくなるように設計されたファイバで、ゼロ分散波長は1.55 µmにシフトしています。

分散シフトファイバ

標準的なステップインデックスファイバにおいては、ゼロ分散波長は1310 nm近辺です。ファイバの導波路構造を変化させることで導波路分散を上下にシフトさせることができ、図2のようにゼロ分散波長を長波長側、あるいは短波長側にシフトさせることができます。ゼロ分散波長が1550 nmにシフトされたファイバは、一般に分散シフトファイバと呼ばれます。

非ゼロ分散シフトファイバ

ゼロ分散波長を1550 nmにシフトさせることが常にベストとは限りません。複数のチャンネルがゼロ分散に極めて近い波長で同じファイバを通過すると、4光波混合によるクロストークが生じます。これによる性能低下は著しく、分散シフトファイバは高密度WDMシステムには使用することができません。4光波混合を避けるためには、図3のようにゼロ分散波長を透過帯の外に移動させます。このような特性とCバンドにおいてゼロではない小さな分散を有するファイバを、非ゼロ分散シフトファイバと呼びます。分散は最小限に抑えられていますが、ゼロではありません。　

当社ではDCF4を非ゼロ分散シフトファイバとして、WDMシステムを含む様々な用途向けにご提供しております。主要な用途ではありませんが、DCF4を不要な分散を補償するためにシステムに組み込むことも可能です。

Dispersion-Compensating Fiber Dispersion Diagram

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図3:このグラフでは合計した分散の値のみを示しています。

分散補償ファイバ

ファイバにおいて分散は不可避であるため、分散補償ファイバを光学系に組み込むことで、標準的なシングルモードファイバの分散を相殺、または補償することができます。これらのファイバは、標準的なシングルモードファイバよりも大きい負の分散を有します。負の分散スロープにより、通常正の分散スロープを持つ標準的なファイバの分散をより広い波長範囲に渡って相殺することができます。一般に、短い分散補償ファイバを、長い標準ファイバに融着接続することで分散を補償します。

Quick Links
Damage at the Air / Glass Interface
Intrinsic Damage Threshold
Preparation and Handling of Optical Fibers

レーザによる石英ファイバの損傷

このチュートリアルではコネクタ無し(素線)ファイバ、コネクタ付きファイバ、およびレーザ光源に接続するその他のファイバ部品に関連する損傷メカニズムを詳しく説明しています。そのメカニズムには、空気/ガラス界面(自由空間結合時、またはコネクタ使用時)ならびにファイバ内における損傷が含まれます。ファイバ素線、パッチケーブル、または溶融型カプラなどのファイバ部品の場合、損傷につながる複数の可能性(例:コネクタ、ファイバ端面、機器そのもの)があります。ファイバが対処できる最大パワーは、常にそれらの損傷メカニズムの中の最小の限界値以下に制限されます。

損傷閾値はスケーリング則や一般的なルールを用いて推定することはできますが、ファイバの損傷閾値の絶対値は利用方法やユーザ定義に大きく依存します。このガイドは、損傷リスクを最小に抑える安全なパワーレベルを推定するためにご利用いただくことができます。適切な準備と取扱い方法に関するガイドラインにすべて従えば、ファイバ部品は規定された最大パワーレベルで使うことができます。最大パワーの値が規定されていない場合は、部品を安全に使用するために下表の「実用的な安全レベル」の範囲に留めてご使用ください。パワー処理能力を低下させ、ファイバ部品に損傷を与える可能性がある要因は、ファイバ結合時のミスアライメント、ファイバ端面の汚れ、あるいはファイバそのものの欠陥などですが、これらに限られるわけではありません。特定の用途におけるファイバのパワー処理能力に関するお問い合わせは当社までご連絡ください。

Power Handling Limitations Imposed by Optical Fiber

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損傷のないファイバ端

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損傷のあるファイバ端

空気/ガラス界面における損傷

空気/ガラス界面ではいくつかの損傷メカニズムが存在する可能性があります。自由空間結合の時、またはコネクタで2本のファイバを結合した時、光はこの界面に入射します。高強度の光は端面を損傷し、ファイバのパワー処理能力の低下や恒久的な損傷につながる場合があります。コネクタ付きのファイバで、コネクタがエポキシ接着剤でファイバに固定されている場合、高強度の光によって発生した熱により接着剤が焼けて、ファイバ端面に残留物が残る可能性があります。

Estimated Optical Power Densities on Air / Glass Interface^a
Type	Theoretical Damage Threshold^b	Practical Safe Level^c
CW (Average Power)	~1 MW/cm²	~250 kW/cm²
10 ns Pulsed (Peak Power)	~5 GW/cm²	~1 GW/cm²

すべての値はコネクタ無し(素線)の石英ファイバに対する仕様で、クリーンな状態のファイバ端面への自由空間結合に適用されます。
損傷リスク無しでファイバ端面に入射できる最大パワー密度の推定値です。これはシステムに大きく依存するため、ハイパワーで使用する前に光学系内のファイバ部品の性能ならびに信頼性の確認をお客様ご自身で実施していただく必要があります。
ほとんどの使用状態でファイバを損傷することなく端面に入射できる安全なパワー密度の推定値です。

ファイバ素線端面での損傷メカニズム

ファイバ端面での損傷メカニズムはバルクの光学素子の場合と同様なモデル化ができ、UV溶融石英(UVFS)基板の標準的な損傷閾値を石英ファイバに当てはめることができます。しかしバルクの光学素子とは異なり、光ファイバの空気/ガラス界面においてこの問題に関係する表面積やビーム径は非常に小さく、特にシングルモードファイバの場合はそれが顕著です。パワー密度が与えられたとき、ファイバに入射するパワーは、小さいビーム径に対しては小さくする必要があります。

右の表では光パワー密度に対する2つの閾値が記載されています。理論的な損傷閾値と「実用的な安全レベル」です。一般に、理論的損傷閾値は、ファイバ端面の状態も結合状態も非常に良いという条件で、損傷のリスク無しにファイバの端面に入射できる最大パワー密度の推定値を表しています。「実用的な安全レベル」のパワー密度は、ファイバ損傷のリスクが極めて小さくなる値を示しています。ファイバまたはファイバ部品をこの実用的な安全レベルを超えて使用することは可能ですが、その時は取扱い上の注意事項を適切に守り、使用前にローパワーで性能をテストする必要があります。

シングルモードの実効面積の計算
シングルモードファイバの実効面積は、モードフィールド径(MFD)、すなわちファイバ内の光が伝搬する部分の断面積によって定義されます。この面積にはファイバのコアとクラッドの一部が含まれます。シングルモードファイバとの結合効率を良くするためには、入射ビーム径をファイバのモードフィールド径に合致させなければなりません。

例として、シングルモードファイバSM400を400 nmで使用した時のモードフィールド径(MFD)は約Ø3 µmで、SMF-28 Ultraを1550 nmで使用したときのモードフィールド径(MFD)はØ10.5 µmです。これらのファイバの実効面積は下記の通り計算します。

SM400 Fiber: Area = Pi x (MFD/2)² = Pi x (1.5 µm)² = 7.07 µm²= 7.07 x 10^-8 cm² SMF-28 Ultra Fiber: Area = Pi x (MFD/2)² = Pi x (5.25 µm)² = 86.6 µm²= 8.66 x 10^-7 cm²

ファイバ端面が対応できるパワーを推定するには、パワー密度に実効面積を乗じます。なおこの計算は均一な強度プロファイルを想定しています。しかしほとんどのレーザービームでは、シングルモード内でガウス分布を示すため、ビームの端よりも中央のパワー密度が高くなります。よって、これらの計算は損傷閾値または実用的安全レベルに対応するパワーとは若干異なることを考慮する必要があります。連続光源を想定して上記のパワー密度の推定値を使用すると、それぞれのパワーは下記のように求められます。

SM400 Fiber: 7.07 x 10^-8 cm² x 1 MW/cm²= 7.1 x 10^-8 MW = 71 mW (理論的損傷閾値)
7.07 x 10^-8 cm² x 250 kW/cm² = 1.8 x 10^-5 kW = 18 mW (実用的な安全レベル)

SMF-28 Ultra Fiber: 8.66 x 10^-7 cm²x 1 MW/cm² = 8.7 x 10^-7 MW = 870 mW (理論的損傷閾値)
8.66 x 10^-7 cm² x 250 kW/cm²= 2.1 x 10^-4 kW = 210 mW (実用的な安全レベル)

マルチモードの実効面積
マルチモードファイバの実効面積は、そのコア径によって定義されますが、一般にシングルモードファイバのMFDよりもはるかに大きくなります。当社では最適な結合を得るためにコア径のおよそ70～80%にビームを集光することをお勧めしています。マルチモードファイバでは実効面積が大きくなるほどファイバ端面でのパワー密度は下がるので、より大きな光パワー(通常キロワットオーダ)を入射しても損傷は生じません。

フェルール・コネクタ付きファイバに関する損傷メカニズム

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コネクタ付きシングルモード石英ファイバに入力可能なパワー処理限界値(概算)を示したグラフ。各線はそれぞれの損傷メカニズムに応じたパワーレベルの推定値を示しています。入力可能な最大パワーは、損傷メカニズムごとに制限されるパワーのうちの一番小さな値(実線で表示)によって制限されます。

コネクタ付きファイバのパワー処理能力に関しては、ほかにも考慮すべき点があります。ファイバは通常、エポキシ接着剤でセラミック製またはスチール製のフェルールに取り付けられています。光がコネクタを通してファイバに結合されると、コアに入射せずにファイバを伝搬する光は散乱されてファイバの外層からフェルール内へ、さらにフェルール内でファイバを保持する接着剤へと伝搬します。光の強度が大きいとエポキシ接着剤が焼け、それが蒸発して残留物がコネクタ端面に付着します。これによりファイバ端面に局所的に光を吸収する部分ができ、それに伴って結合効率が減少して散乱が増加するため、さらなる損傷の原因となります。

エポキシ接着剤に関連する損傷は、いくつかの理由により波長に依存します。一般に、光の散乱は長波長よりも短波長で大きくなります。短波長用のMFDの小さなシングルモードファイバへの結合時には、ミスアライメントに伴ってより多くの散乱光が発生する可能性があります。

エポキシ樹脂が焼損するリスクを最小に抑えるために、ファイバ端面付近のファイバとフェルール間にエポキシ接着剤の無いエアギャップを有するファイバーコネクタを構築することができます。当社の高出力用マルチモードファイバーパッチケーブルでは、このような設計のコネクタを使用しております。

複数の損傷メカニズムがあるときのパワー処理限界値を求める方法

ファイバーケーブルまたはファイバ部品において複数の損傷要因がある場合(例：ファイバーパッチケーブル)、入力可能なパワーの最大値は必ずファイバ部品構成要素ごとの損傷閾値の中の一番小さな値により決まります。この値が一般的にはパッチケーブルの端面に入射可能な最大のパワーを表します(出力パワーではありません)。　

右のグラフは、シングルモードパッチケーブルにおけるファイバ端面での損傷とコネクタでの損傷に伴うパワー処理限界の推定値を例示しています。ある波長におけるコネクタ付きファイバの総合的なパワー処理限界値は、その波長に対する2つの制限値の小さい方の値(実線)によって制限されます。488 nm付近で使用しているシングルモードファイバは主にファイバ端面の損傷(青い実線)によって制限されますが、1550 nmで使用しているファイバはコネクタの損傷(赤い実線)によって制限されます。

マルチモードファイバの実効面積はコア径で定義され、シングルモードファイバの実効面積より大きくなります。その結果、ファイバ端面のパワー密度が小さくなり、大きな光パワー(通常キロワットオーダ)を入射してもファイバに損傷は生じません(グラフには表示されていません)。しかし、フェルール・コネクタの損傷による限界値は変わらないため、マルチモードファイバが処理できる最大パワーはフェルールとコネクタによって制限されることになります。

上記の値は、取り扱いやアライメントが適切で、それらによる損傷が生じない場合のパワーレベルです。また、ファイバはここに記載されているパワーレベルを超えて使用されることもあります。しかし、そのような使い方をする場合は一般に専門的な知識が必要で、まずローパワーでテストして損傷のリスクを最小限に抑える必要があります。その場合においても、ハイパワーで使用するファイバ部品は消耗品と捉えた方が良いでしょう。

ファイバ内の損傷閾値

空気/ガラス界面で発生する損傷に加え、ファイバのパワー処理能力はファイバ内で発生する損傷メカニズムによっても制限されます。この制限はファイバ自体が本質的に有するもので、すべてのファイバ部品に適用されます。ファイバ内の損傷は、曲げ損失による損傷とフォトダークニングによる損傷の2つに分類されます。

曲げ損失
ファイバが鋭く曲げられると、コア内を伝搬する光がコア/クラッド界面において反射する際に、その反射角が全反射臨界角よりも大きくなります。曲げ損失は、このように内部全反射ができなくなることにより生じる損失です。このような状況下では、光はファイバから局所的に漏れだします。漏れる光のパワー密度は一般に大きく、ファイバのコーティングや補強チューブが焼損する可能性があります。

特殊ファイバに分類されるダブルクラッドファイバは、コアに加えてファイバのクラッド(2層目)も導波路として機能するため、曲げ損失による損傷のリスクが抑えられます。クラッドと被覆の界面の臨界角をコアとクラッドの界面の臨界角より大きくすることで、コアから漏れた光はクラッド内に緩く閉じ込められます。その後、光はセンチメートルからメートルオーダーの距離に渡って漏れ出しますが、局所的ではないため損傷リスクは最小に留められます。当社ではメガワットレベルの大きなパワーにも対応するNA 0.22のダブルクラッドマルチモードファイバを製造、販売しております。

フォトダークニング
もう1つのファイバ内の損傷メカニズムとして、特にコアにゲルマニウムが添加されたファイバをUVや短波長の可視光で使用した時に起こるフォトダークニングまたはソラリゼーションがあります。これらの波長で使用されたファイバは時間の経過とともに減衰量が増加します。フォトダークニングが発生するメカニズムはほとんど分かっていませんが、その現象を緩和するファイバはいくつか開発されています。例えば、水酸イオン(OH)が非常に低いファイバはフォトダークニングに耐性があることが分かっています。またフッ化物などのほかの添加物もフォトダークニングを低減させる効果があります。

しかし、上記の対応をとったとしても、UV光や短波長に使用したファイバはいずれフォトダークニングが生じます。よってこれらの波長で使用するファイバは消耗品としてお考えください。

光ファイバの準備ならびに取扱い方法

一般的なクリーニングならびに操作ガイドライン
この一般的なクリーニングならびに操作ガイドラインはすべてのファイバ製品向けにお勧めしております。さらに付属資料やマニュアルに記載された個々の製品に特化したガイドラインも遵守してください。損傷閾値の計算は、すべてのクリーニングおよび取扱い手順に適切に従ったときにのみ適用することができます。

(コネクタ付き、またはファイバ素線に関わらず)ファイバを設置または組み込む前に、すべての光源はOFFにしてください。これにより、損傷の可能性のあるコネクタまたはファイバの脆弱な部分に集光されたビームが入射しないようにすることができます。
ファイバやコネクタ端面の品質がファイバのパワー処理能力に直結します。ファイバを光学系に接続する前に必ずファイバ端を点検してください。端面はきれいで、入射光の散乱を招く汚れや汚染物質があってはなりません。ファイバ素線は使用前にクリーブし、クリーブの状態が良好であることを確認するためにファイバ端面の点検をしてください。
ファイバを光学系に融着接続する場合、ハイパワーで使用する前にまずローパワーで融着接続の状態が良いことを確認してください。融着接続の品質が良くないと接続面での散乱が増え、ファイバ損傷の原因となる場合があります。
システムのアライメントや光結合の最適化などの作業はローパワーで行ってください。これによりファイバの(コア以外の)他の部分の露光が最小に抑えられます。ハイパワーのビームがクラッド、被覆またはコネクタに集光された場合、散乱光による損傷が発生する可能性があります。

ハイパワーでファイバを使用するための要点
光ファイバやファイバ部品は一般には安全なパワー限界値内で使用する必要がありますが、アライメントや端面のクリーニングがとても良い理想的な条件下では、ファイバ部品のパワー限界値を上げることができる場合があります。入力または出力パワーを増加させる前に、システム内のファイバ部品の性能と安定性を確認し、またすべての安全ならびに操作に関する指示に従わなければなりません。下記はファイバ内またはファイバ部品内の光パワーをの増大させること加を検討していするときに役立つご提案です。

ファイバースプライサを使用してファイバ部品をシステムに融着接続すると、空気/ファイバ界面での損傷の可能性を最小化できます。品質の高い融着接続が実現されるよう、すべて適切なガイドラインに則って実施する必要があります。融着接続の状態が悪いと、散乱や融着接続面での局所的な加熱などが発生し、ファイバを損傷する可能性があります。
ファイバまたはファイバ部品の接続後、ローパワーでシステムのテストやアライメントを実施してください。システムパワーを必要な出力パワーまで徐々に上昇させ、その間、定期的にすべての部品が適切にアライメントされ、結合効率が入力パワーによって変動していないことを確認します。
ファイバを鋭く曲げると曲げ損失が発生し、ファイバのストレスを受けた部分から光が漏れる可能性があります。ハイパワーで使用している時は、大量の光が小さな局所領域(歪みのある領域)から流出すると局所的に加熱され、ファイバが損傷する可能性があります。使用中はファイバの曲げが生じないよう配慮し、曲げ損失を最小限に抑えてください。
また、用途に適したファイバを選ぶことも損傷防止に役立ちます。例えば、ラージモードエリアファイバは、標準的なシングルモードファイバをハイパワー光用として用いる場合の良い代替品となります。優れたビーム品質を有しながらMFDも大きいため、空気/ファイバ界面でのパワー密度は小さくなります。
ステップインデックスシングルモード石英ファイバは、一般にUV光やピークパワーの大きなパルス光には使用しませんが、これはその用途に伴う空間パワー密度が大きいためです。

Posted Comments:

perter lee (posted 2022-11-23 14:16:33.707)

what is dispersion at wavelength 1030 nm? Is there dispersion curve(v.s wavelength) of this fiber? any information of dispersion is helpful!thanks!

jgreschler (posted 2022-11-23 10:55:21.0)

Thank you for reaching out to Thorlabs. Additional data and specs can be requested by contacting techsupport@thorlabs.com. I have reached out to you directly to discuss this application.

Tobias Tieß (posted 2022-02-16 02:15:28.39)

I have just received 50m of DCF4 fiber. I checked the spec sheets and i didnt find any information on whether this fiber is also complying to any ITU-T Telecommunication Norm of G.655 standard. Do you have any information on that? Thanks and BR Tobias

cdolbashian (posted 2022-02-18 05:03:59.0)

Thank you for reaching out to us Tobias. After looking into the ITU guidelines which outline requirements for G.655 standards, it appears that the DCF4 does not satisfy a few of the requirements. I have reached out to you directly to discuss possible alternatives.

Lawrence Trask (posted 2021-06-03 17:14:11.083)

Hi, I was wondering if this DCF was doped with fluorine or not. Or if typical splice loss to SMF28 is known.

YLohia (posted 2021-06-04 02:25:03.0)

Hello, thank you for contacting Thorlabs. We have performed several splices between the DCF4 and SMF-28 and the estimated splice loss was within the industry standard of <0.1 dB. Please note that the actual splice loss will depend on the settings for the alignment accuracy in the splicer, so we cannot provide a formal spec for this due to the variables outside our control. I have reached out to you directly to discuss the doping.

Shailendra Varshney (posted 2019-11-01 08:56:55.367)

Could you please share the dispersion data of NZ-DSF as it is needed to decide on the the fiber

YLohia (posted 2019-11-01 10:29:13.0)

The dispersion and dispersion slope values at 1550nm are given in the specsheet. Using this, the dispersion in the 1530 - 1565 nm range can be estimated.

Hee Su Park (posted 2019-10-08 12:59:00.14)

Do you have measurement results of the group refractive index of DCF4? In addition, what is the zero-dispersion wavelength of DCF4? Is it 1518.3 nm (calculated from the numbers in the datasheet)?

YLohia (posted 2019-10-15 10:25:48.0)

Hello, thank you for contacting Thorlabs. The effective index of refraction is 1.4690. The zero dispersion wavelength will be 1550 nm + (Dispersion @ 1550nm)/(Dispersion slope @ 1550nm) = 1583.33 nm. Please note that the dispersion and the slope values are typical, so the zero dispersion wavelength could vary.