JP2004506954A - ポリマ光導波管 - Google Patents

Abstract

少なくとも一部がポリマ部材で構成される少なくとも一つの長手方向に伸展する光ガイドコア領域（１１）と、ポリマ部材で構成される長手方向に伸展するコア周辺領域（１２）と、コア周辺領域の範囲内に位置する、例えばチャネル状ホールのような複数の光限定エレメント（１５）とを有する、ファイバ形態の光導波管（１０）。光限定エレメントは，コア領域の長手方向に伸展し、コア領域の周囲に分布し、光限定エレメントの少なくとも大部分が、コア周辺領域が構成されるポリマ部材の屈折率よりも、小さい屈折率を有する。光導波管の製造で利用する予備的形成品も開示される。

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、ポリマ光ファイバの形態の光導波管に関する。
【０００２】
発明の背景
ポリマ光ファイバは、低コストで、広い帯域幅を持ち、導入しやすい導波管としての、潜在的な用途を備えると認識されている。これらの特徴のため、ポリマ光ファイバは、特にＬＡＮ及び住宅向きの信号伝送適用例において、比較的長さが短く高速の伝送ラインとして利用されるのに非常に相応しい。更に、ポリマ光ファイバは、赤や赤外近傍の波長の光伝送で利用され得、そうすると、比較的廉価な光源を利用できる。
【０００３】
これらの潜在的な特性に関わらず、ポリマ光ファイバは、有意な商業レベルでは生産されていない。これはひとえに、大きい横断面光強度プロファイル（“スポットサイズ”）が求められることと、現存の製作技術により結果として課せられる制約との、ためである。大きいスポットサイズのファイバは、特にポリマ光ファイバの意図された利用例に関して、比較的単純なカップリングやコネクションのために、要求される。
【０００４】
従来の段階屈折率を有するポリマ光ファイバは、大きなスポットサイズで引き出され得る。こうすると廉価な設置が可能となる。しかしながら、かようなファイバは、非常に大きいインタモダル分散を示すことになる。
【０００５】
シングルモードポリマ光ファイバは、製造が難しく、いずれにせよ、非常に小さいモードサイズは、ファイバの利用を限定してしまう。
【０００６】
漸次変化の屈折率のポリマ光ファイバを製造するのに要求される技術は非常に複雑であり、商業レベルでファイバを製造するための生来のコストは、ひどく高い。
【０００７】
存続可能な大きいスポットサイズの、シングルモードのポリマ光ファイバは、公知の製造技術を利用して生産することは、略不可能であると思われる。
【０００８】
発明の概要
概略定義すると、本発明は以下の要素を備えるファイバ形態の光導波管を提供する。
（ａ）少なくとも一部がポリマ部材で構成される少なくとも一つの長手方向に伸展する光ガイドコア領域
（ｂ）ポリマ部材で構成される長手方向に伸展するコア周辺領域
（ｃ）コア周辺領域の範囲内に位置する複数の光限定エレメント
【０００９】
光限定エレメントは，コアの長手方向に伸展し、コアの周囲に分布し、光限定エレメントの少なくとも大部分が、コア周辺領域が構成されるポリマ部材の屈折率よりも、小さい屈折率を有する。
【００１０】
本発明は、上記定義の光導波管の製造で利用する予備的形成品を提供する。その予備的形成品は、
（ａ）少なくとも一部がポリマ部材で構成される少なくとも一つの長手方向に伸展するコア領域と、
（ｂ）ポリマ部材で構成される長手方向に伸展するコア周辺領域と、
（ｃ）コア周辺領域の範囲内に位置する複数の光限定エレメントと
を有し、
光限定エレメントはコア領域の長手方向に伸展し、コア領域の周囲に分布し、光限定エレメントの少なくとも大部分が、コア周辺領域が構成されるポリマ部材の屈折率よりも、小さい屈折率を有する。
【００１１】
発明の好適な実施の形態
コア周辺領域は、コア領域が（少なくとも一部）構成されているポリマ部材で構成されるのが好ましく、以下では、本発明はこの文脈に従って述べる。しかしながら、製造手順が許すならば、コア及びコア周辺領域は、同じ又は異なる屈折率を示す異なるポリマ部材、若しくは異なってドープ処理されたポリマ部材から構成され得る、ということが理解される。
【００１２】
コア及びコア周辺の両方の領域の形成のために同じポリマ部材を利用することにより、（押し出しによる、若しくは予備的形成品からの引き出しによる）ファイバの形成は、先に提示された方法に比べて単純化されており、ファイバは都合のよいことに、求められる光特性を備えて引き出しされ若しくは押し出しされ得る。しかも、従来のコア・クラッディング即ち漸次変化構成を形成する代わりとして、光限定エレメントをコア周辺領域の範囲内に設定することにより、ポリマファイバを製造する際の前述の制約は、減じられる。
【００１３】
コア周辺領域でのより低い屈折率の光限定エレメントを設定することにより、その領域は、全容域に渡りコア領域よりも小さい平均の屈折率を示し、よってコア領域に対して優越して光を制限するように機能する。
【００１４】
光導波管は、シングルの長手方向に伸展する光ガイドコア領域を備えるのが好ましく、以下では、本発明はこの文脈に従って述べる。しかしながら、多重コア構造は、複数コアがコア周辺領域を共有することにより形成され得るということが、理解される。
【００１５】
光限定エレメントは、長手方向に伸展するチャネル状のホールを含むのが好ましく、そのホールは、具体的要求に拠り、空にされ、空気に占められ、若しくは他の（液体や気体などの）流体が詰められ得る。しかしながら、光限定エレメントのうちの幾つか若しくは全ては、コア及びコア周辺領域よりも屈折率が小さい、ガラスやポリマ部材のような固体部材のフィラメントを含み得る。
【００１６】
光限定エレメントは、チャネル状のホールにおいては、どんな横断面であってもよい。それらは断面が円形でもよく、ホールのうちの幾つか若しくは全てが楕円断面やアーチ形状断面であってもよい。更に、ホールのうちの幾つか若しくは全てが多角形断面であってもよい。
【００１７】
光限定エレメントは、ある程度ランダムに分布していてもよいが、空間的に一様に若しくは対照的にコア領域に分布するのが好ましい。例えば、コア領域の軸を中心とする一つの共通円の周囲に分布されてもよく、コア領域の軸を全て中心とする複数の円の周囲に分布されてもよい。更に、断面で見られる光限定エレメントは、規則的なアレイ、例えば、多角形のハチの巣状のアレイで、幾何学的に分布してもよい。
【００１８】
光限定エレメントは、円形同心状若しくは多角形同心状のアレイでコア領域に分布してもよく、各々のエレメントにより制限される断面エリアは、コア領域の軸からの半径距離と共に増加するように形成されてもよい。
【００１９】
更に、光限定エレメントは、周期的な格子状の構造でコア領域に分布されてもよい。光限定エレメントは、コア周辺領域の少なくとも３０パーセントの容積を占めるように構成されるのが好ましく、３０パーセントから８０パーセントが最も好ましい。この場合、コア周辺領域で形成されるフォトニックバンドギャップは、利用時には、光をコア領域に限定する。
【００２０】
光限定エレメントが周期的な格子状の構造でコア領域に分布されるとき、コア領域は中空コアを組み込んでもよく、若しくは、屈折率が周辺のポリマ部材より低くなるように形成されてもよい。しかしながら、コア領域はポリマ部材で全体が構成されるのが好ましい。
【００２１】
上で限定したように、光ファイバの形態での導波管は、ポリマ部材で構成される外側保護スリーブ若しくは鞘を伴って、形成されてもよい。かような部材は、コア及びコア周辺領域の部材とは異なってもよい。
【００２２】
本発明は、発明及び光ファイバ形成の好適な方法を具体化する光ファイバの別の形態に係る以下の記述から、より完全に理解されうる。説明は、添付の図面を参照して為される。
【００２３】
発明の詳細な説明
図１に示されるように、光ファイバ１０は、長手方向に伸展する光ガイドコア領域１１、長手方向に伸展するコア周辺領域１２、及び外側保護スリーブ即ち鞘１３を含む。コア領域１１は参照上の便宜のため破線円１４により画定されて示されているが、コア領域１１は実際には明確な外側周縁を備えないということが理解されるべきである。
【００２４】
明確には画定されないとはいえ、コア領域、若しくは、より正確にはガイド光のスポットサイズは１μｍから５００μｍ（より典型的には１０μｍから２００μｍ）の範囲内の直径を備えてもよく、コア周辺領域１２は１０μｍから５０００μｍ（より典型的には１００μｍから２０００μｍ）の範囲内の直径を備えてもよい。スリーブ１３は、通常、１０から１００μｍのオーダーでの壁厚を有し得る。
【００２５】
本発明の好適な実施形態では、コア領域１１及びコア周辺領域１２は、２つの領域間に中間面が無くそれらが同じポリマ部材から形成されているという意味において、同質である。コア及びコア周辺領域を形成するに、ポリメタクリル酸メチルやフルオロポリマを含むどの光学的に透明なポリマ部材が利用されてもよい。
【００２６】
長手方向に伸展するチャネル状ホールの形状である複数の光限定エレメント１５は、コア周辺領域１２の範囲内に配置され、光限定エレメント１５の各々は光ファイバの全体長に渡って伸展する。光限定エレメントは、光領域１１周りに（即ち、周囲に）分布し、図示されるように、コア領域の軸を中心とする２つの共有円の周囲に一様に配置される。しかしながら、ガイド光に関して要求されるファイバ及びスポット形状の要求に拠り光限定エレメント１５が、円形の対称状にて若しくは他の対称状にて配置される必要は無い、ということが理解されるべきである。光限定エレメントが光をコア領域にひとまとめにして限定するように機能するということが、理解される。
【００２７】
形成される光限定エレメント１５は、通常空気により占められる。しかしながら、別の流体が詰められるか、シリカ、ドープ処理されたシリカ若しくはポリマ部材のような固体部材のフィラメントにより構成されるならば、光限定エレメントは空気が抜かれるが、光ファイバに関して要求される光特性に依存するものである。
【００２８】
形態がどのようであろうとも、光ガイドエレメント１５の大部分は、コア及びコア周辺領域１１、１２が形成される部材よりも低い屈折率を示さなければならならない。コア周辺領域全体が、コア領域１１の屈折率よりも低い平均屈折率を全体を通して示すように、である。
【００２９】
光ガイドエレメント１５の各々は、チャネル状ホールの形態では、通常０．１μｍから１０μｍの範囲内の直径を有し、隣接するエレメント１５は、各々のホールのサイズに依存するが、通常２μｍから２０μｍのオーダーの中心間隔を有する。
【００３０】
図２及び図３は、図１に示されるのと同様な光ファイバの断面の形状を示し、よって同じ符号は同じ部分を特定するのに利用する。しかしながら、図２の光ファイバでは、チャネル状ホールの形態の光ガイドエレメント１５は、コア周辺領域１１の全体に渡って一様に分布され、同心円配列状に配置されている。同様に、図３に示される光ファイバでは、光ガイドエレメント１５はコア周辺領域１１の全体に渡って一様に分布されているが、同心六辺形配列状に配置されている。
【００３１】
図４は、ポリマ光ファイバの更なる別の形態である。コア領域に同心円配列状に光限定エレメント１５、１６、１７、１８が分布するものであり、各々の配列内のエレメントの断面エリアが、コア領域１１の軸からの半径距離と共に増大する。この構成の理由は、以下のように説明される。
【００３２】
大きいモードのエリア、シングル・モードの光ファイバは、従来のシングル・モードのファイバよりも、損失を曲げ戻すことに敏感であることが見出されており、このことは、丁度シリカファイバの場合のように少なくともポリマ光ファイバに対して何らかの効果あるべくして、利用されると予測されている。損失を曲げ戻すことは、幾何学上の配置と、力学的な撓みにより生じるストレスとから、生じる。光ファイバの力学的な撓みは、ファイバの屈折率を効果的に修正する。従って、力学的な撓みは、ファイバ部材の構成が何であっても、ファイバ部材にストレスを生じ、ニュートラルの軸の内側の部材を圧縮状に配置し、ニュートラルの軸の外側の部材には張力を与える。このことで、弾性光効果により屈折率プロファイルにて変化が生じる。ある曲率半径では、ストレスにより生じる屈折率変化は、直線状のファイバでのコアとコア周辺領域との間の屈折率の差異と、同じオーダの大きさに到達する。これは臨界的な撓み半径であり、それは、それ以下では光がもはやファイバのコア領域に適切に限定されず大きな損失を生じるという、最小限許容される撓み半径を意味する。
【００３３】
特に大きいモードのエリアの場合に、シングル・モード伝播を達成するためには、コア領域とコア周辺領域との有効屈折率にて、非常に小さい差異が要求される。このことで、撓み損失に対してファイバは脆弱になってしまう。
【００３４】
最も好適な形態の本発明は、シングル・モード伝播の維持のためのものであり、大きいモードのエリアの利用を選択でき、ファイバが撓み損失に対して脆弱になることがない。
【００３５】
従って、図４に示されるように、光限定エレメント１５の第１のリングは、非常に小さい直径のチャネル形状ホールで構成され、ホールサイズは、チャネル状ホールに関し、順次より大きい（同心の）リング１６、１７、１８で増大する。このことで、ファイバのコア領域１１内にて、要求される微弱な屈折率差異によるガイドが為され、シングル・モード伝播を確実に為し、一方、（より大きい屈折率差異をもたらす）より大きいホールの外側のリングはファイバが曲げられたときのリーケージを防ぐ。従って、これは、漸次変化屈折率シングル・モード光ファイバの空気ポリマ微小構造バージョンと、みなしてもよい。
【００３６】
撓み損失を減らすため、図４に示される構成の利用以外に、光限定エレメントを構成するチャネル状空気ホールの形状及び大きさが、力学ストレスを減少させ、同時にファイバ部材内で漸次変化するテーラー屈折率を減少させるために、利用され得る。通常、チャネル状のホールは、即座にホールを包囲する部材よりもずっと大きい伸縮性を備える媒体（例えば、真空、空気若しくは他の気体）に占められる。従って、光ファイバの撓みによる力学的ストレスは、ホールの変形により和らげられる。このことで、ファイバ部材にて、ストレスが生じさせる屈折率変化は減少し、よって撓み損失も減少する。
【００３７】
図５及び図６の断面で示される光ファイバは、図４で示されるもののバリエーションを図示し、差異要求に合致するという特性を与える。図５に示されるファイバの場合、円形断面のチャネル形ホール１５の最も内側のリングが配置されるが、これは楕円形チャネル状ホール１９、２０、２１の同心のリングに囲まれている。しかしながら、構成は未だ円形対称を示す。
【００３８】
図５に示される構成と対照的に、図６に示されるものはＸ−Ｘ及びＹ−Ｙ軸に関し異なる対称性を示す。この場合、コア領域１１は、光限定エレメント１５、１６の２つの同心のリングにより囲まれ、外側リング１６は、チャネル状ホール１７の不完全なリングにより部分的に囲まれる。更に、２つの楕円ホール２０の配置に加えて、２つのアーチ形のチャネル状ホール２２がコア周辺領域１２の範囲内に配置される。
【００３９】
図７は、本発明の特性を具現する更なる光ファイバ１０を示し、図示される構成は図４に示されるものと外面上の類似性を備える。しかしながら、図７に示される光ファイバの場合、２つのコア領域１１Ａ、１１Ｂが配置され、その各々がコア周辺領域１２に囲まれる。更に、コア領域１１Ａ、１１Ｂの各々は光ガイドエレメント１５、１６の内側リングに囲まれ、チャネル状ホールの形状の更なる光ガイドエレメント１７、１８が、共通のコア周辺領域１２の範囲内に配置されてコア領域１１Ａと１１Ｂの両方に共有される。
【００４０】
種々の図面で記述され図示される種種の光ファイバが、種々の形態で形成され得る。例えば、部材の中に芯を抜かれたホールを伴うシングルポリマ部材から製造される予備的形成品からも、引き出され得る。更に、光ファイバは、押し出しプロセスの一部として要求されるホールの形成を為すべく構成される押し出しダイからも、引き出され得る。
【００４１】
他の変更及び修正も、添付の請求項に定義されるように本発明の範囲から乖離することなく、変動の形態として光ファイバに関して為され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の種々の形態を組み込む光ファイバの横断面を概略示す。
【図２】本発明の種々の形態を組み込む光ファイバの横断面を概略示す。
【図３】本発明の種々の形態を組み込む光ファイバの横断面を概略示す。
【図４】本発明の種々の形態を組み込む光ファイバの横断面を概略示す。
【図５】本発明の種々の形態を組み込む光ファイバの横断面を概略示す。
【図６】本発明の種々の形態を組み込む光ファイバの横断面を概略示す。
【図７】本発明の種々の形態を組み込む光ファイバの横断面を概略示す。
【符号の説明】
１０・・・光導波管、１１・・・コア領域、１２・・・コア周辺領域、１３・・・スリーブ、１５・・・光限定エレメント。

Claims (24)

1. 少なくとも一部がポリマ部材で構成される少なくとも一つの長手方向に伸展する光ガイドコア領域と、
   ポリマ部材で構成される長手方向に伸展するコア周辺領域と、
   コア周辺領域の範囲内に位置する複数の光限定エレメントとを有する光ファイバの形状の光導波管であって、
   光限定エレメントはコアの長手方向に伸展し、コアの周囲に分布し、
   光限定エレメントの少なくとも大部分が、コア周辺領域が構成されるポリマ部材の屈折率よりも、小さい屈折率を有する、
   光導波管。
2. コア周辺領域が、コア領域の少なくとも一部が構成されているポリマ部材と同じもので構成される、請求項１に記載の光導波管。
3. 光限定エレメントが長手方向に伸展するチャネル状ホールを含む、請求項１又は請求項２に記載の光導波管。
4. 光限定エレメントの少なくとも一部が、円形断面を有する、請求項３に記載の光導波管。
5. ホールの少なくとも一部が楕円断面を有する、請求項３又は請求項４に記載の光導波管。
6. ホールの少なくとも一部がアーチ状断面を有する、請求項３乃至請求項５のうちのいずれか一つに記載の光導波管。
7. ホールの少なくとも一部が多角形断面を有する、請求項３乃至請求項６のうちのいずれか一つに記載の光導波管。
8. 光限定エレメントがコア領域周囲に対称性をもって分布される、先行する請求項のうちのいずれか一つに記載の光導波管。
9. 光限定エレメントがコア領域の軸を同心とする共通円の周囲に分布される、請求項８に記載の光導波管。
10. 光限定エレメントがコア領域周囲に円形同心配列状で分布され、各々のエレメントにより境界付けされる断面エリアはコア領域の軸からの半径距離と共に増加する、
    先行する請求項のうちのいずれか一つに記載の光導波管。
11. 光限定エレメントがコア領域周囲に多角形同心配列状で分布され、各々のエレメントにより境界付けされる断面エリアはコア領域の軸からの半径距離と共に増加する、
    先行する請求項のうちのいずれか一つに記載の光導波管。
12. 光限定エレメントがコア領域周囲に周期的な格子状構造で分布される、請求項１乃至請求項９のうちのいずれか一つに記載の光導波管。
13. 光限定エレメントが、コア周辺領域の容積の少なくとも３０パーセントを占める、請求項１２に記載の光導波管。
14. 光限定エレメントが、コア周辺領域の容積の３０パーセントから８０パーセントを占める、請求項１２に記載の光導波管。
15. 周期的な格子状構造がコア周辺領域にてフォトニックバンドギャップを形成するように構成される、請求項１２乃至請求項１４のうちのいずれか一つに記載の光導波管。
16. コア領域が、コア周辺のポリマ部材より低い屈折率で形成される、請求項１５に記載の光導波管。
17. コア領域が中空コアを含む、請求項１６に記載の光導波管。
18. コア領域がポリマ部材で全体が構成される、請求項１６に記載の光導波管。
19. ポリマ部材が、コア周辺領域が形成されるものと同じである、請求項１６に記載の光導波管。
20. 導波管が、外側保護スリーブ即ち鞘で形成される、先行する請求項のうちのいずれか一つに記載の光導波管。
21. 外側保護スリーブ即ち鞘が、コア周辺領域が形成される部材と異なる部材で構成される、請求項２０に記載の光導波管。
22. 光導波管の製造で利用される予備的形成品であって、
    少なくとも一部がポリマ部材で構成される少なくとも一つの長手方向に伸展するコア領域と、
    ポリマ部材で構成される長手方向に伸展するコア周辺領域と、
    コア周辺領域の範囲内に位置する複数の光限定エレメントとを有し、
    光限定エレメントはコア領域の長手方向に伸展し、コア領域の周囲に分布し、
    光限定エレメントの大部分が、コア周辺領域が構成されるポリマ部材の屈折率よりも、小さい屈折率を有する、
    予備的形成品。
23. 添付の図面を参照して本明細書に実質的に記載される光導波管。
24. 請求項１乃至請求項２０のうちのいずれか一つに記載の導波管の製造で利用される予備的形成品。