JP2006085018A

JP2006085018A - プラスチック光ファイバ

Info

Publication number: JP2006085018A
Application number: JP2004271949A
Authority: JP
Inventors: Kikue Irie; 菊枝入江; Tomoya Yoshimura; 朋也吉村
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】伝送損失を低減し、長距離伝送可能なプラスチック光ファイバを提供する。
【解決手段】コアの外周にクラッド層が同心円状に積層されてなるプラスチック光ファイバであって、前記コアが中空状であって、前記クラッド層が屈折率ｎ_１およびｎ_３の相異なる２種類の透明樹脂材料が交互に積み重ねられた多層構造からなり、前期クラッド層の厚みをそれぞれｄ_１、ｄ_３とすると、ｄ_１およびｄ_３が下記式（Ｉ）

（ただしｉ＝１または３で、θ_ｉmaxは屈折率ｎ_ｉの層を通過する光線の最大伝播角度を示す。）
からなることを特徴としたプラスチック光ファイバ。

Description

本発明は、低伝送損失なプラスチック光ファイバに関するものである。

プラスチック光ファイバ（以下、ＰＯＦと略する。）は、ガラス系光ファイバに比べて伝送損失が大きいという短所はあるものの、安価で取り扱い性が容易であるため、機器間・車内・宅内等での通信、ポイントセンサー等の光信号伝送用途として使われている。現在、製造されているＰＯＦのほとんどのものは、コアがポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、クラッドがフッ素系樹脂で構成されるステップインデックス（ＳＩ）型ＰＯＦである。

一方、近年石英系ファイバにおいて、クラッドの屈折率を周期的に変化させ、ブラッグ反射によって光がクラッドの外に漏れるのを防ぐ構造をしたフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＧＦ）が注目を集めている。例えば、N.Venkataraman et al.,"Low loss(13dB/km) air core photonic band-gap fibre," ECOC2002,PD1.1,2002（非特許文献１）、および、T.P.Hansen st al.,"Air-guidance over 345 km large-core photonic bandgap fiber,"OFC2003,PD4,2003（非特許文献２）にはこのようなＰＢＧＦが紹介されている。

N.Venkataraman et al.,"Low loss(13dB/km) air core photonic band-gap fibre," ECOC2002,PD1.1,2002 T.P.Hansen st al.,"Air-guidance over 345 km large-core photonic bandgap fiber,"OFC2003,PD4,2003

しかし、従来のＰＯＦおよびＰＢＧＦに波長６５０ｎｍ近傍の光を入射し、信号伝送用途として使用した場合、コアに用いられる材料固有の赤外吸収損失の倍音、紫外吸収損失、レーリー散乱などの発生によって伝送損失がするため、その用途は短距離の光通信用途に限られていた。

本発明は、コアの外周にクラッド層が同心円状に積層されてなるプラスチック光ファイバであって、前記コアが中空状であって、前記クラッド層が屈折率ｎ_１およびｎ_３の相異なる２種類の透明樹脂材料が交互に積み重ねられた多層構造からなり、前期クラッド層の厚みをそれぞれｄ_１、ｄ_３とすると、
ｄ_１およびｄ_３が下記式（Ｉ）

（ただしｉ＝１または３で、θ_ｉmaxは屈折率ｎ_ｉの層を通過する光線の最大伝播角度を示す。）
からなることを特徴としたプラスチック光ファイバに関する。

本発明によれば、従来のＰＯＦに比べて格段に伝送損失を低減させたプラスチック光ファイバを提供できる。

本発明の構造を持つＰＯＦを以下、ＰＢＧ−ＰＯＦと記述する。

図１は、本発明のＰＢＧ−ＰＯＦの断面の屈折率分布(図１（ｂ）)を従来のＰＯＦの屈折率分（図１（ａ））と比較したものである。すなわち本発明のＰＢＧ−ＰＯＦは、従来のＳＩ型ＰＯＦのコアに相当する部分が中空状であって、前記中空上のコアの外周部に形成されたクラッドは、屈折率の異なる２種の樹脂層が交互に同心円状に積層された構造をしている。このようなＰＢＧ−ＰＯＦでは、内部に導かれた光は、周期的な屈折率変化をするクラッドにおいてブラッグ反射を繰り返しながら、中空状のコア内部を進行していく。ここでコアは中空であるため、従来のＰＯＦのようにコア材固有の光損失は発生することがない。伝送損失の発生要因には、クラッドで発生する損失もあるものの、コアでの損失が大部分を占めるため、コアを中空とすることによって非常に長距離にわたって光を伝送することができる。

本発明のＰＢＧ−ＰＯＦのクラッド層であるが、図１（ｂ）においては屈折率がｎ_１およびｎ_３（ｎ_１＜ｎ_３）の２種の樹脂層が４周期にわたって繰り返されているが、この層の数は多いほどブラック反射によりコア内部に光を閉じ込める効果がより大きくなる。しかし層数が少なすぎるとファイバとして必要な機械的強度が不足してしまう。これらの点を考慮すると本発明において層数の好ましい値は１００層以上である。また、屈折率ｎ_３はｎ_１よりも低くともよい。

クラッド層を形成する２種の樹脂層の厚みであるが、屈折率ｎ_i（ｉ＝１，３）に相当する樹脂層の厚みをそれぞれｄ_ｉ（ｉ＝１，３）とすると、ｄｉの値は、伝搬させたい光線の中で最大の伝搬角度を持った光線に対して周期構造部分が効率良く働く（反射する）よう次式（ＩＩ）を満足するように設定する必要がある。

ここで、θ_i,maxはコア中での最大の伝搬角度を持つ光線の周期構造ｎ_i層における伝搬角度を表わす。通常は、通信用途で使用されるＰＯＦの場合、入射角として少なくとも０．３rad程度を考慮すればよい。

上記のクラッドに用いる２種の樹脂の組み合わせとしては、従来のプラスチック光ファイバで用いられていた樹脂をそのまま適用することができ、例えば屈折率差が０．３程度になるものを挙げると、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのメタクリレート系ポリマーと、フッ素化メタクリレート系ポリマーやフッ化ビニリデン系ポリマーなどとの組み合わせ等があるが、これらに限定されるものではない。

より屈折率の高い樹脂材料を得るには、樹脂中に高屈折率の無機物質をナノ分散させたものなどを用いてもよい。たとえば、通常ポリマー単独では、屈折率を１．８程度にすることは難しいが、屈折率が２．７程度である酸化チタンをポリマー中にナノ分散させれば、屈折率１．８程度の樹脂を得ることができる。

本発明のＰＢＧ−ＰＯＦの製造は、通常のＰＯＦの製造において従来から用いられている複合紡糸を用いれば可能である。その際、ノズルの中央部を筒状にすることによって中空部が形成される。また、クラッド部は２種類のポリマーが中で交互に配置されるような分配ノズルにより多層化して形成することが可能である。

以下に、本発明のＰＢＧ−ＰＯＦの好適な形態を示し、その伝送（漏洩）損失の大きさを下記の計算方法によって求め、その結果を示した。

〔実施例１〕
中空コア半径をａ＝２５０μｍ、クラッド樹脂の屈折率をｎ₁＝１．５０、ｎ₃＝１．８０とした。更に、ｎ₁層の厚さｄ₁、ｎ₃層の厚さｄ₃、ｎ₁層数とｎ₃層数の総和ｍをそれぞれ、ｄ₁＝０．１４μｍ、ｄ₃＝０．１１μｍ、ｍ＝１８０とした。コアは中空なのでその屈折率はｎ_air＝１．００である。ｄ₁、ｄ₃の値は、上記の式（ＩＩ）において波長λ＝０．６５μｍ、コア中の光の最大伝搬角度θ＝０．３radとして設定した。クラッドの層数の総和ｍは、漏洩損失を十分に低減でき、かつ実際に製造可能な範囲を考慮して１８０層とした。

〔伝送損失の計算方法〕
以下に伝送損失（漏洩損失）の計算手法を説明する。

本発明のようにコアが中空状のＰＯＦであっても伝送（漏洩）損失が全く発生しないわけではない。クラッドの周期的な屈折率変化によっても光が１００％は反射されないので、光はコア・クラッド境界に衝突する度にコアからクラッドへ少しずつ漏洩し、伝送損失が発生する。

ここでは発生する漏洩損失について、伝搬モードの中の軸対称モードに対応する子午光線について算出する。伝搬モードの大半は非軸対称モードであり、これに対応するのは螺旋光線である。ただし、伝搬定数が等しい軸対称モードと非軸対称モードに対応する子午光線および螺旋光線を比較した場合、後者の方が前者に比べてコア・クラッド境界面となす角度が小さく漏洩損失も小さいと予想されるため、子午光線のみを考えることとする。

図２に、ＰＢＧ−ＰＯＦ中に子午光線が伝搬する様子を示す。光線がコア・クラッド面に衝突したときの反射係数をＲとすると、一回の衝突による漏洩損失α[ｄＢ]は下記式（ＩＩＩ）

で示される。図２のようにコア半径をａ、光線の伝搬角度をθとするとき、光線がコア・クラッド境界で衝突した後、次に衝突するまでに伝搬する距離Ｌ[ｍ]は、下記式（ＩＶ）

で表されるので、式(ＩＩＩ)、（ＩＶ）より、単位長当たりの漏洩損失γ[ｄＢ/ｋｍ]は次式（Ｖ）で計算される。

ここで、光線がコア・クラッド面に衝突したときの反射係数Ｒの計算方法を説明する。光が境界面に斜めに入射する場合の反射率は、偏波面の方向によって反射率が異なる。入射面に平行な電界を持つ光線をＲａｙ−ｒで表し、入射面に垂直な電界を持つ光線をＲａｙ−φで表す。光ファイバ中での伝搬を考えたとき、Ｒａｙ−ｒは電界が半径方向、磁界が周回方向の成分を持つ光線に相当し、ＴＭモードに対応する。一方、Ｒａｙ−φは電界が周回方向、磁界が半径方向の成分を持つ光線に相当し、ＴＥモードに対応する。

図３は、光が境界面に入射する場合の光線を含む面内での反射の様子を表したものである。図３において、中央の媒質（屈折率ｎ_２）から上部媒質（屈折率ｎ_１）に向かって光が進むときの境界面Ａ-Ａ’における反射率Ｒ_Ａは次式（ＶＩ）で表される。

ただし、z_i（i＝１,２）は次式（ＶＩＩ）
で与えられる。

スネルの法則より、θ₁とθ₂の間には次の関係式（ＶＩＩＩ）が成り立つ。

次に、光線が下部媒質（屈折率ｎ₁）から中央の媒質（屈折率ｎ₂）に向かって進むときの境界面Ｂ-Ｂ’における反射率について考える。境界面Ａ-Ａ’がなく、中央の媒質（屈折率n₂）が上方に無限に広がっているときの反射率Ｒ_Bは次式（ＩＸ）で求められる。

境界面Ａ-Ａ’があると、図３に示したように境界面Ａ-Ａ’とＢ-Ｂ’の間で多重反射が起きるが、この効果も含めた反射率Ｒ_B ^dは次式（Ｘ）で計算される。

ただし、

ここで、λは真空における光波長である。

式(Ｘ)は、図３の境界面Ａ-Ａ’の上方に更に境界面がある場合にも適用可能である。この場合の境界面Ａ-Ａ’における反射率Ｒ_Ａを式(Ｘ)と同様の式を使って求め、これを式(Ｘ)に代入することで求められる。このように、式(Ｘ)を繰り返し使用することによって、任意の周期構造からの反射率を計算することが可能であり、その結果を式(ＩＩＩ)、（ＩＶ）、（Ｖ）に代入して漏洩損失を計算することができる。

図４はＲａｙ−r（ＴＭモード対応）に関して、周期構造ｎ₁層とｎ₃層の境界における多重反射を含まない反射率をコア中での伝搬角度の関数として計算した結果である。また、このときの漏洩損失を伝搬角度の関数として計算した結果が図５である。１８０層の周期構造を設けることによってＲａｙ−ｒの漏洩損失は伝搬角度０〜０．３radにおいて１０[ｄＢ/ｋｍ]以下に抑えることができる。

図６はＲａｙ−φ（ＴＥモード対応）に関して、周期構造ｎ₁層とｎ₃層の境界における多重反射を含まない反射率をコア中での伝搬角度の関数として計算した結果である。このときの損失は伝搬角度０〜０．５rad.において１[ｄＢ/ｋｍ]以下であった。

以上のように本発明のＰＢＧ−ＰＯＦの伝送損失は、従来のＰＯＦと比較して格段に伝送損失を下げることができ、その結果、光伝送距離を格段に伸ばすことができる。

光ファイバの屈折率分布。(ａ)従来の光ファイバ。(ｂ)中空コア型ＰＢＳ−ＰＯＦ

ＰＢＳ−ＰＯＦ中の子午光線の伝搬図。

反射率の計算説明図。

中空コア型ＰＢＳ−ＰＯＦの周期構造ｎ_１層とｎ_３層の境界面におけるＲａｙ−ｒの反射率の計算結果。

中空コア型ＰＢＳ−ＰＯＦにおけるＲａｙ−ｒの漏洩損失の計算結果。

中空コア型ＰＢＳ−ＰＯＦの周期構造ｎ_１層とｎ_３層の境界面におけるＲａｙ−φの反射率の計算結果。

Claims

コアの外周にクラッド層が同心円状に積層されてなるプラスチック光ファイバであって、前記コアが中空状であって、前記クラッド層が屈折率ｎ_１およびｎ_３の相異なる２種類の透明樹脂材料が交互に積み重ねられた多層構造からなり、前期クラッド層の厚みをそれぞれｄ_１、ｄ_３とすると、
ｄ_１およびｄ_３が下記式（Ｉ）

（ただしｉ＝１または３で、θ_ｉmaxは屈折率ｎ_ｉの層を通過する光線の最大伝播角度を示す。）
からなることを特徴としたプラスチック光ファイバ。