CN108496100A - 光设备 - Google Patents

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Abstract

一种光设备，具备多个纤芯和包围纤芯的外周面且折射率比纤芯低的包层，各个纤芯沿着长度方向而具有大径部、锥形部以及缩径部并且折射率从外周朝向中心逐渐变高，在各个纤芯，距中心的径向上的距离r[μm]、距离r的折射率n(r)、中心相对于包层的相对折射率差Δ[％]、半径r0[μm]以及常量α满足式(1)～式(4)，在纤芯传播的光的波长λ[nm]、以及相对于纤芯的缩径后的直径的缩径前的直径R满足下述式(5)以及式(6)。n(r)＝Δ·{1‑(r/r0)‑α}(0≤r≤r0)…(1)，0.9＜Δ＜1.2…(2)，22.5＜r0＜27.5…(3)，1.9＜α＜2.2…(4)，1530≤λ≤1625…(5)，5581.5/λ＜R＜9582.4/λ…(6)。

Description

光设备
技术领域
本发明涉及光设备，在使多模的光输入输出的情况下适用。
背景技术
一般普及的光纤通信系统所使用的光纤为一根纤芯的外周被包层围起的构造，通过光信号在该纤芯内传输来传输信息。而且，近年来，伴随着光纤通信系统的普及，传输的信息量显著增大。
公知有：为了实现这样的光纤通信系统的传输容量增大，使用多个纤芯的外周被一个包层围起的多芯光纤，通过在各个纤芯传播的光，使多个信号传输。而且也公知有：为了使传输容量增大，在多芯光纤的各纤芯中使信息与LP01模(基模)的光重叠，并且使用用于进行使信息与比LP11模等的基模高阶模的光重叠而进行信息通信的多模通信的少模多芯光纤的传输。
作为进行光相对于少模多芯光纤的输入输出的光设备，例如存在公开于下述专利文献1的设备。该光设备通过使单芯的光纤分别与形成于毛细管的多个贯通孔一体化并且延伸而制成，该光纤具有从一端侧朝向另一端侧缩径的锥形部。另外，各个光纤具备：纤芯、和折射率比纤芯低且包围纤芯的包层。并且，各个纤芯具备：内侧纤芯，其具有低折射率部、和折射率比低折射率部高并包围低折射率部的高折射率部；以及外侧纤芯，其折射率比高折射率部低并包围高折射率部。
在该光设备中，从各个光纤的未缩径的一侧向缩径的另一侧传播的光首先在内侧纤芯传播，从锥形部的中途扩散直至外侧纤芯而在内侧纤芯与外侧纤芯结合形成的纤芯整体传播。此时纤芯的折射率的结构为低折射率部被高折射率部包围的结构，因此与纤芯的折射率在径向上一致的情况相比，LP01模的光的强度分布容易向纤芯的外周方向扩散。因此，LP01模的光能够伴随着纤芯的缩径，容易从在内侧纤芯传播的状态转换至在内侧纤芯与外侧纤芯结合形成的纤芯整体传播的状态。另外，其他模的光也能够伴随着纤芯的缩径，从在内侧纤芯传播的状态转换至在内侧纤芯与外侧纤芯结合形成的纤芯整体传播的状态。这样，能够抑制在纤芯缩径的状态下LP01模的光停留在内侧纤芯内，抑制光在各个模的光的模场直径有较大不同的状态下射出，从而能够抑制光的损失。
专利文献1:日本特开2015-152774号公报
在上述专利文献1所记载的光设备中，为了使光按照预期传播，需要实现上述那样的复杂的折射率分布。例如，若在各光设备的制造过程中光纤缩径的程度产生误差，则在光纤缩径的一侧的低折射率部、高折射率部以及外侧纤芯的径向的大小产生误差。即，存在在各光设备间，折射率分布产生误差的担忧。另外，在一个光设备所包含的光纤间，也存在折射率分布产生误差的担忧。而且，若产生这样的折射率分布的误差，则例如存在LP01模的光的强度分布的扩散容易度等产生差，光的传播的方式产生差别的担忧。这样，在上述专利文献1所记载的光设备中为了使光按照预期传播，需要制造抑制误差并具有复杂的折射率分布的光纤，要求高度的制造技术。
发明内容
因此，本发明提供能够抑制光的传播的方式产生差别的光设备。
为了解决这样的课题，本发明的光设备的特征在于，具备：多个纤芯、和无间隙地包围上述纤芯的外周面且折射率低于上述纤芯的折射率的包层，各个上述纤芯具有从长度方向的一侧朝向另一侧缩径的锥形部，并且折射率从外周朝向中心逐渐变高，在将r设为距上述纤芯的中心的径向上的距离[μm]，将n(r)设为距上述纤芯的中心距离r的上述纤芯的折射率，将Δ设为上述纤芯的中心相对于上述包层的相对折射率差[％]，将r0设为上述纤芯的半径[μm]，将α设为常量时，缩径前的各个上述纤芯满足下述式(1)～式(4)，在将在上述纤芯传播的光的波长设为λ[nm]，将使上述纤芯的缩径后的直径为1时的缩径前的直径设为R时，满足下述式(5)以及式(6)。
n(r)＝Δ·{1-(r/r0)-α}(0≤r≤r0) (1)
0.9＜Δ＜1.2 (2)
22.5＜r0＜27.5 (3)
1.9＜α＜2.2 (4)
1530≤λ≤1625 (5)
5581.5/λ＜R＜9582.4/λ (6)
本发明者们发现：通过使光设备满足上述式(1)～式(6)的条件，从而在使C+L波段(1530nm～1625nm)的光传播的情况下，在缩径后的纤芯可抑制高于LP11模的高阶模的光的传播。因此，上述光设备在使用LP01模的光和LP11模的光的多模通信中适用。另外，上述光设备所包含的纤芯具有为折射率从外周朝向中心逐渐变高的单纯的折射率分布的构造，不包括从上述专利文献1所示出的内侧纤芯向外侧纤芯的迁移，因此即使纤芯缩径的程度产生稍微的差异，也可抑制在纤芯传播的光的传播的方式产生差别。以下，有时将缩径的程度称为缩径比。
然而，在光设备传播多模的光的情况下，优选模间延迟较少。在上述光设备中，纤芯构成为折射率从外周朝向中心逐渐变高。通过使纤芯像这样构成，从而由于进入纤芯的中心部的模的光通过折射率较高的部分，所以速度变慢，一边在纤芯的中心部与外周侧往返一边进入的模的光通过比折射率低的外周侧部分，所以光的速度变快。其结果，各模的速度差相对地减少。因此，在上述光设备中，可抑制模间延迟。
为了使缩径前的各个上述纤芯满足上述式(1)～式(4)，作为缩径前的上述纤芯以及上述包层，能够使用以ITU-T G.651为基准的光纤。
另外，上述光设备也可以满足下述式(7)。
3.64≤R≤5.90 (7)
另外，优选上述光设备具备：形成有多个贯通孔的毛细管，在各个上述贯通孔插入被上述包层包围的上述纤芯，并且上述包层的外周面与上述毛细管一体化，上述毛细管的折射率低于上述包层的折射率。
通过由比包层折射率低的毛细管包围包层，从而可抑制从纤芯泄漏至包层的光从包层泄漏，因此可抑制串扰。
另外，在上述光设备中，优选缩径后的上述纤芯的直径大于与缩径后的上述纤芯光学地连接的光纤的纤芯的直径。
在缩径后的纤芯主要传播LP01模的光和LP11模的光。但是，认为更高阶模的光也在纤芯传播。高阶模的光容易偏向包层、纤芯的外周侧，因此通过使与缩径后的纤芯光学地连接的光纤的纤芯的直径小于缩径后的纤芯的直径，从而容易抑制高阶模的光在与缩径后的纤芯光学地连接的光纤的纤芯传播。
如以上那样，根据本发明，可提供能够抑制光的传播的方式产生差别的光设备。
附图说明
图1是表示第一实施方式的光设备的图。
图2是表示大径部以及小径部的与光设备的长度方向垂直的截面的状况的图。
图3是表示截止波长与缩径比的关系的图。
图4是表示第二实施方式的光设备的图。
图5是表示图4的光设备的与长度方向垂直的截面的状况的图。
图6是表示计算得出能够在实施例1的光设备的缩径后的纤芯传播的模的结果的图。
图7是表示模场直径存在差的情况下的轴偏离量与连接损失的关系的计算值的图。
图8是表示计算得出能够在比较例1的光设备的缩径后的纤芯传播的模的结果的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的光设备的优选的实施方式详细地进行说明。
(第一实施方式)
图1是表示本发明的第一实施方式的光设备的图。如图1所示，本实施方式的光设备1作为主要的构成要素而具备多个中继光纤10和毛细管20。此外，在本例子中，中继光纤10的数量为七根。
中继光纤10从毛细管20的一端至另一端插入毛细管20内，中继光纤10与毛细管20成为一体。另外，中继光纤10的未插入毛细管20内的部分露出。
对于毛细管20而言，截面的形状成为圆形，沿着长度方向而形成有大径部21、锥形部22以及小径部23。这样的形状通过以下工艺形成。首先，准备形成有数目与插入的中继光纤的数目相同的贯通孔且粗细恒定的毛细管，中继光纤分别独立地插入各个贯通孔。其后，通过加热使毛细管与中继光纤成为一体，毛细管与中继光纤的一体物熔融延伸。通过该延伸而形成锥形部22和小径部23。因此，在毛细管20的锥形部22内，各个中继光纤10也伴随着毛细管20的缩径而缩径，在小径部23内，各个中继光纤10也小径化。
图2是表示光设备1的包含毛细管20的位置的与长度方向垂直的截面的状况的图。具体而言，图2的(A)示出该截面的构造的状况，图2的(B)示出该截面的X-X线的折射率分布的状况。此外，在本例的情况下，只要是与毛细管的长度方向垂直的截面，毛细管20的外径与中继光纤10的外径之比在大径部21、锥形部22、小径部23的任何位置均相同。因此，不需要确定是毛细管20的哪一个位置的剖视图。
如上述那样本实施方式的中继光纤10的数量为七根，一根中继光纤10配置于毛细管20的中心，在配置于该中心的中继光纤10的周围配置有六根中继光纤10。在该状态下，连接各个中继光纤10的中心的线成为三角格子状，各个彼此相邻的中继光纤10的中心间距离相等。
如图1、图2的(A)所示，各个中继光纤10是具有纤芯13、和无间隙地包围纤芯13的外周面的包层15的单芯的光纤。另外，如上述那样各个中继光纤10相对于毛细管20的外径的直径的比率在大径部21、锥形部22以及小径部23的任意位置均不变。因此，各个中继光纤10在锥形部22从大径部21侧朝向小径部23侧缩径。因此，中继光纤10的纤芯13以及包层15保持维持各个径的比率的状态而从大径部21侧朝向小径部23侧缩径。
另外，如图2的(B)所示，纤芯13随着从外周朝向中心而折射率逐渐变高，纤芯13的折射率高于包层15的折射率，包层15的折射率高于毛细管20的折射率。
各个纤芯13以及包层15的折射率具体而言在缩径前的状态下满足下述式(1)～式(4)的条件。
n(r)＝Δ·{1-(r/r0)-α}(0≤r≤r0) (1)
0.9＜Δ＜1.2 (2)
22.5＜r0＜27.5 (3)
1.9＜α＜2.2 (4)
此处，r是距纤芯13的中心在径向的距离[μm]，n(r)是距纤芯13的中心距离r的纤芯13的折射率，Δ是纤芯13相对于包层15的中心的相对折射率差[％]，r0是纤芯13的半径[μm]，α是常量。
作为具有满足上述式(1)～式(4)的纤芯13以及包层15的光纤，可举出：以ITU-TG.651为基准的多模光纤。
另外，在纤芯13传播的光的波长λ[nm]满足下述式(5)的条件时，为了在缩径后的纤芯13使LP01模的光以及LP11模的光传播，另一方面抑制高于LP11模的高阶模的光的传播，满足下述式(6)的条件即可。
1530≤λ≤1625 (5)
5581.5/λ＜R＜9582.4/λ (6)
此处，R是使纤芯13的缩径后的直径成为1时的缩径前的直径。即，R是缩径比。
上述式(6)通过下述步骤求出。此处，图3示出基于使用了以ITU-T G.651为基准的光纤的模拟的、相对于缩径比R的LP11模的截止波长与LP21模的截止波长的关系。在图3中，◆表示LP21模的截止波长，■表示LP11模的截止波长。另外，若以近似式表示LP21模的截止波长的模拟结果则成为下述式(8)，若以近似式表示LP11模的截止波长的模拟结果则成为下述式(9)。
LP21-calc＝5581.5/R (8)
LP11-calc＝9582.4/R (9)
因此，可知：为了以LP01模的光以及LP11模的光能够在纤芯13传播另一方面可抑制高于LP11模的高阶模的光的传播的方式构成纤芯13，满足下述式(10)即可。
LP21-calc(R)＜λ＜LP11-calc(R) (10)
而且，根据上述式(8)～式(10)，获得上述式(6)。
此外，可知：在波长λ为上述式(5)的范围的情况下，根据上述式(6)，缩径比R至少满足下述式(7)即可。
3.64≤R≤5.90 (7)
另外，如图1所示，光设备1在大径部21侧的端部且在各个纤芯13光学地连接有单芯的少模光纤30。并且，光设备1的小径部23侧的端部与包含光学地连接于各个纤芯13的纤芯43的少模多芯光纤40连接。缩径后的纤芯13的直径大于纤芯43的直径。
光如以下那样在这样的光设备1的各个纤芯13传播。首先，在大径部21侧的端部，光从少模光纤30传播至纤芯13。在少模光纤30传播的光主要是LP01模的光以及LP11模的光，从少模光纤30传播至纤芯13的光主要是LP01模的光以及LP11模的光。但是，缩径前的纤芯13的直径足够大，因此能够传播数百模的光。因此，认为在纤芯13也传播高于LP11模的高阶模的光。但是，通过使纤芯13以及包层15满足上述的条件，从而可抑制在缩径后的纤芯13中传播高于LP11模的高阶模的光，该高阶模的光成为损失。然后，在小径部23侧的端部，主要有LP01模的光以及LP11模的光从各个纤芯13传播至少模多芯光纤40的各个纤芯43。此处，高阶模的光容易偏向包层15、纤芯13的外周侧，因此通过使缩径后的纤芯13的直径大于少模多芯光纤40的纤芯43的直径，从而可容易地抑制高于LP11模的高阶模的光传播至纤芯43。
如以上说明的那样根据本实施方式的光设备1，通过满足上述式(1)～式(6)的条件，从而在使C+L波段(Band)(1530nm～1625nm)的光传播的情况下，在缩径后的纤芯13可抑制高于LP11模的高阶模光的传播。因此，光设备1适用于使用LP01模的光和LP11模的光的多模通信。另外，光设备1所包括的纤芯13具有：成为折射率从外周朝向中心逐渐变高的单纯的折射率分布的构造，不包含上述专利文献1所示出的从内侧纤芯向外侧纤芯的迁移，因此即使纤芯13的缩径比产生微小的差异也可以抑制在纤芯13传播的光的传播的方式产生差别。
另外，在光设备1中，构成为纤芯13从外周朝向中心而折射率逐渐变高，由此进入纤芯13的中心部的模的光由于通过折射率高的部分所以速度变慢，一边在纤芯13的中心部与外周侧往返一边进入的模的光由于通过折射率低的外周侧部分，所以光的速度变快。其结果，相对地减少各模的光的速度差。因此，在光设备1中，可抑制模间延迟。
另外，在光设备1中，通过由比包层15折射率低的毛细管20包围包层15，从而可抑制从纤芯13泄漏至包层15的光从包层15泄漏，因此可抑制串扰。
(第二实施方式)
接下来，对本发明的第二实施方式进行说明。此外，对与第一实施方式相同或者同等的构成要素，标注相同的参照附图标记，除去特别进行说明的情况，省略重复的说明。
图4是表示本发明的第二实施方式的光设备的图，图5的(A)是表示图4的光设备2的与长度方向垂直的截面的状况的图，图5的(B)是表示该截面的X-X线的折射率分布的状况的图。如图4、图5所示，本实施方式的光设备2与第一实施方式的光设备不同之处在于，纤芯13的外周面被由与构成第一实施方式的包层15的玻璃相同的玻璃构成的包层25无间隙地包围，且纤芯13仅位于包层25内。即，本实施方式的光设备2等同于在第一实施方式的光设备1中，将从中继光纤10的毛细管20露出的部分除去，各个包层15以及毛细管20通过由与构成包层15的玻璃相同的玻璃构成的包层25而构成的结构。
这样的光设备2例如通过如下步骤制成：制作具有图5所示的构造并且具有与大径部21相同粗细的多芯光纤，使该多芯光纤熔融延伸而形成锥形部22以及小径部23。
此外，本实施方式的光设备2与第一实施方式的光设备1同样满足上述式(1)～式(6)的条件。
对于使用了这样的多芯光纤的光设备2而言，也能够与第一实施方式的光设备1同样地传播多模的光。
至此，以上述实施方式为例对本发明进行了说明，但本发明不限定于此。
例如，第一实施方式的中继光纤10的数量、第二实施方式的纤芯13的数量能够适当地变更。
另外，在第一实施方式中，毛细管20的折射率低于包层15的折射率，不过毛细管20的折射率与包层15的折射率也可以彼此相等。
另外，在第一实施方式中，缩径后的纤芯13的直径大于与缩径后的纤芯13光学地连接的少模多芯光纤40的纤芯43的直径，但纤芯13的直径可以与纤芯43的直径相同，也可以小于纤芯43的直径。
实施例
以下，列举实施例以及比较例对本发明更具体地进行说明，但本发明不限定于以下的实施例。
(实施例1)
如下述那样制成了上述实施方式的光设备1。首先，作为成为中继光纤10的光纤，准备七根以ITU-T G.651为基准的Future Guide-MM50多模光纤(株式会社藤仓制，FutureGuide为注册商标。)，还准备了形成有七个贯通孔的毛细管。构成毛细管的玻璃相对于上述光纤的包层的相对折射率差为-0.35％。另外，形成于毛细管的贯通孔的中心间距离为153μm，该贯通孔的直径为135μm。在该毛细管的贯通孔插入上述光纤并且进行加热而使包层与毛细管一体化，以缩径后的纤芯间距离成为30μm(缩径比4.77)的方式延伸。图6中示出计算得出能够在这样制成的光设备的缩径后的纤芯进行传播的模的结果。
由图6可见，在使波长为1.55μm的光传播的情况下，在实施例1的光设备中，LP01模的光以及LP11模的光传播，更高的高阶模的光未传播。此外，在实施例1中，所使用的光纤满足上述式(1)～式(4)的条件，缩径比满足上述式(6)的条件。
另外，使LP01模的光以及LP11模的光从以上述条件制成的光设备的未缩径的一侧入射，对另一端的近场模式(NFP)进行观察。结果确认：在所有的纤芯都抑制了多余的高阶模的光的传播，并使LP01模的光以及LP11模的光传播。另外，确认：缩径后的纤芯的LP01模的光的有效截面积以及模场直径(MFD)作为计算值分别为38μm2、7.0μm，而根据LP01模的光的分布，几乎获得如计算那样的MFD。另外，此时，对于配置于中心的纤芯的插入损失而言，LP01模的光为0.33dB，LP11模的光为0.98dB。此处，将插入损失定义为入射的各模的光的功率与射出端的所有光功率之比。
另外，图7中示出MFD存在差的情况下的轴偏离量与连接损失的关系的计算值。在图7中，“MFD 7-5μm”表示在实施例1的光设备的缩径的一侧连接具有LP01模的MFD为5μm的纤芯的少模多芯光纤的情况。另外，“MFD 7-7μm”表示在该光设备的缩径的一侧连接具有LP01模的MFD为7μm的纤芯的少模多芯光纤的情况，“MFD 7-10μm”表示在该光设备的缩径的一侧连接具有LP01模的MFD为10μm的纤芯的少模多芯光纤的情况。由图7的曲线可见，若假定为能够将实施例1的光设备的纤芯、与连接于该光设备的少模多芯光纤的纤芯的轴偏离量抑制为0.5μm以下，则只要连接对象的光纤的纤芯的MFD为5μm～10μm(通过有效截面积换算为20μm2～80μm2)的范围，由于轴偏离造成的损失最大为0.6dB左右。因此，可见通过使用实施例1的光设备，包括以轴偏离为起因的损失以及上述的插入损失在内，LP01模的光的合计损失被抑制为1dB以下。
(比较例1)
除了以使延伸后的纤芯间距离成为40μm(缩径比3.58)的方式延伸以外，采用与实施例1同样的方式制成光设备。图8中示出计算得出能够在这样制成的光设备的缩径后的纤芯进行传播的模的结果。
由图8可见，在使波长为1.55μm的光传播的情况下，比较例1的光设备除了LP01模的光以及LP11模的光之外，还传播有LP02模的光以及LP21模的光。此外，比较例1的缩径比不满足上述式(6)的条件。
本发明的光设备可抑制光的传播的方式产生差别，该光设备能够在处理多芯光纤的工业中利用。
附图标记的说明
1、2...光设备；10...中继光纤；13...纤芯；15...包层；20...毛细管；21...大径部；22...锥形部；23...小径部；25...包层。

Claims (5)

1.一种光设备，其特征在于，具备：
多个纤芯、和包围所述纤芯的外周面且折射率低于所述纤芯的折射率的包层，
各个所述纤芯具有从长度方向的一侧朝向另一侧缩径的锥形部，并且折射率从外周朝向中心逐渐变高，
在将r设为距所述纤芯的中心的径向上的距离，单位为μm，将n(r)设为距所述纤芯的中心为距离r的所述纤芯的折射率，将Δ设为所述纤芯的中心相对于所述包层的相对折射率差，单位为％，将r0设为所述纤芯的半径，单位为μm，将α设为常量时，缩径前的各个所述纤芯满足下述式(1)～式(4)，
在将在所述纤芯传播的光的波长设为λ，单位为nm，将使所述纤芯的缩径后的直径为1时的缩径前的直径设为R时，满足下述式(5)以及式(6)，
n(r)＝Δ·{1-(r/r0)-α}，其中，0≤r≤r0 (1)
0.9＜Δ＜1.2 (2)
22.5＜r0＜27.5 (3)
1.9＜α＜2.2 (4)
1530≤λ≤1625 (5)
5581.5/λ＜R＜9582.4/λ (6)。
2.根据权利要求1所述的光设备，其特征在于，
缩径前的所述纤芯以及所述包层由以ITU-T G.651为基准的光纤构成。
3.根据权利要求1或2所述的光设备，其特征在于，
满足下述式(7)，
3.64≤R≤5.90 (7)。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光设备，其特征在于，
具备形成有多个贯通孔的毛细管，
在各个所述贯通孔插入被所述包层包围的所述纤芯，并且所述包层的外周面与所述毛细管一体化，
所述毛细管的折射率低于所述包层的折射率。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光设备，其特征在于，
缩径后的所述纤芯的直径大于与缩径后的所述纤芯光学地连接的光纤的纤芯的直径。
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