JP2006308828A - 光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】プリフォームロッドに精度が高い微細な空孔を設ける加工作業には、高いコストが要求される。空孔を少なくすれば加工コストが低減されるが、空孔が少な過ぎると所定の特性が得られないばかりか、光ファイバを曲げた方向によって伝送損失の大きさが異なってくる。
【解決手段】 コア１０と、コア１０の外周を包囲し当該コア１０よりも屈折率の高いクラッド１１とを有し、クラッド１１中のコア１０の外周面近傍であって、当該コア１０の中心軸と平行に、当該中心軸から略等距離に配置された５本の空孔１２を備える。これらの空孔１２は、コア１０の断面から見て略正五角形の頂点の位置に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い屈曲性が要求される用途に使用される光ファイバに関する。

インターネットなどの普及に伴って、大容量の通信インフラの整備が急務となっている。このために、幹線ケーブルのみならず、家庭内配線にまで光ファイバを使用するための工事が盛んに進められている。ここで、光ファイバは曲げ半径が小さいと伝送損失が急増する性質を持つ。これでは、家庭内配線用として不向きである。そこで、これを解決するために、コアを取り巻くクラッド部分に多数の空孔を設けた光ファイバが開発された(特許文献１）（特許文献２）。これは、ホーリーファイバと呼ばれている。
特開２００４−２２６５３９号公報 特開２００４−２２６５４０号公報

ところで、上記の技術には、次のような解決すべき課題があった。
クラッド部に空孔を有する光ファイバを製造するためには、プリフォームロッドに予め必要な数の空孔を設ける必要がある。しかしながら、プリフォームロッドに非常に精度が高い微細な空孔を設ける加工作業には、高いコストが要求される。空孔を少なくすれば加工コストが低減されるが、空孔が少な過ぎると所定の特性が得られないばかりか、光ファイバを曲げた方向によって伝送損失の大きさが異なってくるという問題がある。
本発明は以上の点に着目してなされたもので、製造コストを低減し、充分な伝送特性を備えた、クラッドに空孔を有する光ファイバを提供することを目的とする。

本発明の各実施例においては、それぞれ次のような構成により上記の課題を解決する。
〈構成１〉
コアと、上記コアの外周を包囲し当該コアよりも屈折率の高いクラッドとを有し、上記クラッド中の上記コア外周面近傍であって、当該コアの中心軸と平行に、当該中心軸から略等距離に配置された５本の空孔を、上記コア断面から見て略正五角形の頂点の位置に配置したことを特徴とする光ファイバ。

〈構成２〉
上記コアは、ステップインデックス型の屈折率分布を有することを特徴とする構成１に記載の光ファイバ。

〈構成３〉
上記コアの比屈折率は０．２％以上０．５％以下であることを特徴とする構成１または２に記載の光ファイバ。

〈構成４〉
上記コアの比屈折率は０．３％以上０．４％以下であることを特徴とする構成１または２に記載の光ファイバ。

〈構成５〉
上記クラッドの外径は、３０μｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする構成１乃至４に記載の光ファイバ。

〈構成６〉
上記空孔の外径は、３μｍ以上１１μｍ以下であることを特徴とする構成１乃至５に記載の光ファイバ。

〈構成７〉
上記空孔の外径は、６μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする構成１乃至５に記載の光ファイバ。

〈構成８〉
上記コア及びクラッドのガラス材料は石英であることを特徴とする構成１乃至７に記載の光ファイバ。

〈構成９〉
上記空孔は、断面が多角形であることを特徴とする構成１乃至８に記載の光ファイバ。

〈構成１０〉
上記クラッドは、外周断面が多角形であることを特徴とする構成１乃至８に記載の光ファイバ。

〈構成１１〉
上記コアの外径をφｃとし、コアの中心軸から空孔中心までの距離をＲとしたとき、（φｃ／Ｒ）が２以上であることを特徴とする構成１乃至９に記載の光ファイバ。

本発明は、クラッド中に５本の空孔を設けたことを特徴とする。以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の光ファイバの実施例断面図である。
図に示す光ファイバ１は、コア１０とクラッド１１を備える。クラッド１１は、コア１０の外周をコア１０を中心として包囲する。クラッド１１の屈折率はコア１０の屈折率よりも高い。さらに、クラッド１１中には５本の空孔１２が配置されている。空孔１２は、コア１０の外周面近傍の所定位置に配置される。空孔１２は、コア１０の中心軸と平行に設けられた空洞である。コア１０の中心軸と各空孔１２の中心との距離は、いずれもほぼ同距離に設定されている。また、各空孔１２は、それぞれ同一円周上でほぼ等間隔に配置される。従って、コア１０の断面から見て、５本の空孔１２は、略正五角形の頂点の位置に配置されている。コア１０の中心軸の位置と各空孔１２との関係は、図２を用いて説明する。

図２は、本発明の光ファイバの製造方法説明図である。
まず、図２（ａ）に示すように、コア１０とそのコア１０の外周を包囲するクラッド１１を備えたプリフォームロッド２０を用意する。このプリフォームロッド２０に、図２（ｂ）に示すように、空孔１２を孔開け加工により形成する。空孔１２はいずれも、コア１０の中心軸１３と平行になるように形成される。その後、図の（ｃ）に示すように、プリフォームロッド２０の一端を加熱しながら右（矢印）方向に引き取りながら延伸加工することにより、光ファイバ１を得る。

以上の構成の本発明の光ファイバは、次のような特性を備える。
まず、光信号をシングルモードで伝搬させ、小半径で屈曲した場合の曲げ損失が極めて小さいという特徴を持つ。すなわち、直径１０ｍｍの曲げを加えても、０．１ｄＢ以下の損失に抑えられる特性を実現できる。コア及びクラッドのガラス材料を石英とした場合に、一般の石英系ファイバでは実現できないほど大きな、コアとクラッドの屈折率差が得られる。

また、従来の６本の空孔を持つ光ファイバでは、曲げを加えた場合に高次モードが除去し難いという問題があった。しかしながら、空孔１２を５本にすると、高次モードが除去し易くなるという効果が見いだされた。これによって、曲げが存在する部分でもシングルモードの伝搬特性に近づくことから、モードカップリングによる損失も低減される。

さらに、空孔１２の数を５本にすると、６本以上の場合に比べて、プリフォームロッドの孔開けのための加工コストが大きく低減できる。プリフォームロッドの価格に占める孔開け加工コストの割合は大きく、コスト低減効果が高い。また、延伸加工の際にＯＨ基がクラッド内部に拡散すると、伝送損失が増加する。しかしながら、空孔の本数が減少することで、多数の空孔を有する光ファイバに比べてＯＨ基の拡散量も抑制できる。従って、光ファイバの特性を維持し易くなる。なお、従来この種の空孔は、コアの周りに偶数本設け、軸対称に配置することが必要とされてきた。これは、断面構造の異方性によるＰＭＤ（偏波モード分散 (Polarization Mode Dispersion)）の増大を防ぐためである。しかしながら、本発明者等の実験によれば、５本の空孔を後で示すような条件で配置することにより、ＰＭＤ増大の影響を０．１ｐｓ／ｋｍ以下に抑制することができた。さらに、クラッド中に４本だけ空孔を設ける構造が考えられるが、これと比較した場合にも次のような効果がある。

図３は、本発明の光ファイバの効果を説明する説明図である。
図３（ａ）は、コア３１の外周を包囲するようにクラッド３２を設けた、比較用の光ファイバ３０の横断面図である。クラッド３２には、４本の空孔３３が設けられている。一方、図の（ｂ）は、本発明の光ファイバの横断面図である。ここで、（ａ）に示す光ファイバ３０を矢印Ａを含む面に沿って屈曲した場合と、矢印Ｂを含む面に沿って屈曲した場合とを考える。このとき、曲げ方向が異なると、その幾何学的構造上、曲げ損失の大きさがそれぞれ異なってくるという問題があった。空孔の本数が減少するとさらにこの傾向が著しくなる。

一方、図の（ｂ）に示す本発明の光ファイバ１１では、例えば、矢印Ｃを含む面に沿って折り曲げた場合も、矢印Ｄを含む面に沿って折り曲げた場合も、その幾何学構造から伝送特性に相違が無い。すなわち、曲げ損失の大きさがほぼ等しくなる。従って、本発明の光ファイバは、５本未満の空孔を有する光ファイバに比べて充分優れた特性を有するということがわかる。

従来の、空孔を持たない高屈曲光ファイバは、コアとクラッドとの間の比屈折率差Δを１．７％、コア径を６μｍ程度にすることで、シングルモードで光信号を伝搬したとき、最大許容曲げ半径を１５ｍｍにすることが可能であった。しかしながら、ＭＦＤ（モードフィールド径）が、波長１５５０ｎｍで６〜７μｍ程度まで小さくなるから、通常のシングルモードファイバと接続したとき、モードフィールド径のミスマッチによる接続損失が大きくなる。また、シングルモードで光信号を伝搬させて、モードフィールド径を９．５μｍ程度に抑えると、許容曲げ半径が直径３０ｍｍ程度しか達成できないという問題があった。これでは、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）の家庭内配線に必要な省スペース対応として不十分なものであった。

これに対して、ゲルマニウムをドープしたシングルモードファイバのコア周辺に空孔を設けると、ステップインデックス型の高屈曲ファイバでは実現しない許容曲げ半径を有する光ファイバが実現する。空孔の屈折率が１であることから、コアとガラスクラッド間の屈折率差では実現しない光の閉じ込めが可能になる。このファイバのモードフィールド径は、コアの光の閉じ込めが強くなる影響によって、波長１３１０ｎｍで８〜９μｍ、波長が１５５０ｎｍで９．５μｍとなる。故に、通常のシングルモードファイバと接続したとき、モードフィールド径のミスマッチによる接続損失が充分小さくなる。ところが、空孔を有する光ファイバの製造には、プリフォームロッドに孔開け加工を施す工程が必要で、コストが極めて高くなるという問題があった。特に、家庭用として普及させるために、コスト低減が必要になる。本発明では、空孔の数を５本に抑えて、しかも実用に充分な特性を維持できるので、コストの安い光ファイバを提供できる。

本発明では、すなわち、コアの中心軸と平行に中心軸から略等距離に５本の空孔を配置すること、及び、コア断面から見て略正五角形の頂点の位置に空孔の中心を配置することで、上記の目的を達成している。なお、コアは、ステップインデックス型の屈折率分布を有することが好ましい。様々な既存技術で知られているように、この設計により所定の特性を達成できる。また、コアの比屈折率は、０．２％以上０．５％以下であることが好ましい。比屈折率が０．２％に満たない場合には、モードフィールド径が大きくなり過ぎ、通常のシングルモードファイバと接続したとき、モードフィールド径のミスマッチによる接続損失が大きくなる点で問題が生じる。さらに、小半径で屈曲した場合の曲げ損失が大きくなるという点でも問題が生じる。また、０．５％を越えた場合には、モードフィールド径が、小さくなりすぎ、通常のシングルモードファイバと接続したとき、モードフィールド径のミスマッチによる接続損失が大きくなる点で問題が生じる。さらに、コアの比屈折率は、０．３％以上０．４％以下であることが好ましい。この範囲にコアの比屈折率を選定することにより、良好な曲げ特性を有し、かつ、通常のシングルモードファイバと接続したとき、接続損失を十分小さくできるという顕著な効果を引き出すことができる。

また、クラッドの外径は、３０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。クラッドの外径が３００μｍ以上では、許容曲げ半径以下に曲げたときに、ガラスに強い応力が加わり機械的な破断が発生する恐れがある。一方、クラッドの外径が３０μｍ以下では、光信号がクラッドの外側に漏れてしまい、伝送損失が著しく大きくなる。すなわち、光を伝搬させることができない。また、空孔の外径は３μｍ以上１１μｍ以下であることが好ましい。空孔の外径を３μｍ以下にすると、いわゆるホーリーファイバとしての特性が得られない。また、空孔の外径が１１μｍを越えると、ファイバの実効断面積が減るため、強度が低下するとう問題がある。

さらに、空孔の外径は、６μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。この範囲に空孔の外径を設定すると、後で説明するように、曲げ損失と強度の点で最適な特性を得ることができる。なお、空孔は、断面が多角形であっても構わない。また、クラッドは、外周断面が多角形であっても構わない。いずれの場合においても、所望の伝送特性を満足することが実証された。具体的には空孔やクラッドの外径形状が三角形、四角形、六角形といった構造であっても構わない。なお、対称性を要求することから、正三角形、正四角形、正六角形であることが好ましい。また、コアの外径をφｃとし、コアの中心軸らか空孔中心までの距離をＲとしたとき、（φｃ／Ｒ）が２以上であることが好ましい。これにより、空孔内のＯＨ基による伝送損失増加が有効に防止でき、かつ、モードフィールド径が適正範囲となるため、通常のシングルモードファイバとの接続損失が小さくできるという効果がある。

図４と図５を用いて本発明の光ファイバの具体的な特性を説明する。
図４は、本発明の光ファイバの横断面図である。図５は、具体的なファイバ構造とその特性を示す説明図である。
図に示すように、コア径をφｃとする。空孔径をΦとする。コアの中心軸から空孔１２の中心までの距離をＲとする。また、隣接する空孔間の距離をΛとする。図に示すように、実施例１−４の光ファイバには、ゲルマニウムをドープした石英コアであって、その比屈折率が０．３４のものを使用した。クラッドは、純石英で、外径がそれぞれ異なる４種類のものを用意した。空孔径は外径に応じて異なる。空孔の数はいずれも５本である。中心軸から空孔中心までに距離Ｒは、外径に応じて若干異なる。空孔間の距離Λも同様である。

これらの実施例１−４の光ファイバについて、それぞれ伝送損失と曲げ損失とＰＭＤと、通常のシングルモードファイバと接続した場合の接続損失とを図に示している。この図に示すように、空孔の配置が五角形となり、軸方向の対称性が失われるために、ＰＭＤの発生が懸念されたが、実際には波長１５５０ｎｍ付近でＰＭＤを０．２ＰＳ／ｋｍ以下に抑えることができた。すなわち、家庭用などの短距離での使用については、充分に実用性の高い特性の光ファイバを得ることができた。このように、特性上は、６本の空孔を有する光ファイバと遜色の無いものとなった。同時に、プリフォームロッドの空孔形成コストが６分の５に削減できた。また、空孔が４本以下の光ファイバに比較すると、曲げ方向による損失の相違を充分に低くすることができた。

本発明の光ファイバの実施例断面図である。 本発明の光ファイバの製造方法説明図である。 本発明の光ファイバの効果を説明する説明図である。 本発明の光ファイバの横断面図である。 実施例のファイバ構造とその特性を示す説明図である。

符号の説明

１ 光ファイバ
１０ コア
１１ クラッド
１２ 空孔

Claims (11)

1. コアと、前記コアの外周を包囲し当該コアよりも屈折率の高いクラッドとを有し、
   前記クラッド中の前記コア外周面近傍であって、当該コアの中心軸と平行に、当該中心軸から略等距離に配置された５本の空孔を、前記コア断面から見て略正五角形の頂点の位置に配置したことを特徴とする光ファイバ。
2. 前記コアは、ステップインデックス型の屈折率分布を有することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記コアの比屈折率は０．２％以上０．５％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
4. 前記コアの比屈折率は０．３％以上０．４％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
5. 前記クラッドの外径は、３０μｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４に記載の光ファイバ。
6. 前記空孔の外径は、３μｍ以上１１μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５に記載の光ファイバ。
7. 前記空孔の外径は、６μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５に記載の光ファイバ。
8. 前記コア及びクラッドのガラス材料は石英であることを特徴とする請求項１乃至７に記載の光ファイバ。
9. 前記空孔は、断面が多角形であることを特徴とする請求項１乃至８に記載の光ファイバ。
10. 前記クラッドは、外周断面が多角形であることを特徴とする請求項１乃至８に記載の光ファイバ。
11. 前記コアの外径をφｃとし、コアの中心軸から空孔中心までの距離をＲとしたとき、（φｃ／Ｒ）が２以上であることを特徴とする請求項１乃至９に記載の光ファイバ。

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