JP2006317692A - 光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】 光源から出力される光信号を高い効率で光ファイバ中に送り込む光結合部を実現し、低損失で曲げ損失の少ない、ネットワーク機器間の広帯域光信号伝送用として適する光ファイバを提供する。
【解決手段】 コア１０とその外周を包囲したクラッド１１とを有し、クラッド１１中のコア外周面近傍であって当該コア１０の中心軸と平行に、複数の空孔１２を有する。コア１０は、屈折率分布定数αを１．５以上２．５以下に選定して、ＮＡ（開口数）を０．３以上１．０以下とした、ＧＩ（Graded Index）型屈折率分布を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信システムや光ローカルエリアネットワークシステムの光信号伝送に適する、ホーリーファイバ構造を持つ光ファイバに関する。

ホーリーファイバは、フォトニック結晶ファイバとホールアシストファイバの２種類のものが知られている。フォトニック結晶ファイバは、単一構造の石英ガラス等から成り、コア部を取り巻くクラッド領域に多数の空孔を最密構造で配置したものである（特許文献１）（特許文献２）。空気と石英との屈折率差が大きいことを利用して、コア部に光を閉じこめる。ホールアシストファイバは、ゲルマニウムをドープした石英ガラス製光ファイバであって、コア部を取り巻くクラッド領域の、コア部近傍に軸対称にリング状に空孔を配列する。空孔の数は６個程度である（特許文献３）（特許文献４）。いずれも、空孔には空気あるいは不活性ガスを満たす。
特表２００２−５０６５３３号公報 特開２００２−３３３５３１号公報 特表２００３−３０７６３２号公報 特表２００４−２２６５３９号公報

ここで、従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
フォトニック結晶ファイバにおいて、空孔を最密構造で配置する製法は比較的容易である。また、通常のシングルモードファイバに近い低損失で広帯域な伝送特性を実現できる。一方、マルチモード構造になるようにコア径を大きくすると、ＮＡ（開口数）が０．３５以上のものを実現できる。しかしながら、マルチモード構造では、低損失、高速、広帯域伝送が要求される用途には不向きな伝送特性になる。例えば、コアを石英として、コア径を５０μｍ以上とし、クラッドをフォトニック結晶構造にしたとき、ＮＡが０．４以上のものを実現できる。しかし、その伝送帯域は、波長が８５０ｎｍで１ＭＨｚ・ｋｍ以下となる。これは、パワー伝送用に適するものの、高速光通信用には向かない。

ホールアシストファイバは、プリフォームロッドに予め掘削方式で空孔を形成する。そのプリフォームロッドを延伸加工することにより、クラッドに空孔を備えた所望の断面構造の光ファイバを得る。コアにゲルマニウムをドープして、コア径を大きくし、ピーク比屈折率差Δを大きく選定すると、ＮＡが０．３５以上のものを実現できる。しかし、ステップインデックス疑似構造のため、低損失、高速、広帯域伝送が要求される用途には不十分な伝送特性になる。

本発明は、以上の点に着目してなされたもので、光通信システムや光ローカルエリアネットワークシステムの光信号伝送に適する光ファイバを提供することを目的とする。さらに、本発明は、光源から出力される光信号を高い効率で光ファイバ中に送り込む光結合部を実現し、低損失で曲げ損失の少ない、ネットワーク機器間の広帯域光信号伝送用として適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たクラッドとを有し、上記コアは、屈折率分布定数αを１．５以上２．５以下に選定して、ＮＡ（開口数）を０．３以上１．０以下とした、ＧＩ（Graded Index）型屈折率分布を有し、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、複数の空孔を有することを特徴とする光ファイバ。

〈構成２〉
上記コアの屈折率分布定数αを１．８以上２．２以下に選定したことを特徴とする構成１に記載の光ファイバ。

〈構成３〉
上記複数の空孔は、いずれも、上記コアを中心とする円周上に配置されてい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〉
上記複数の空孔は、４個以上あり、２以上のグループを構成し、第１グループの空孔は、上記コアを中心とする第１の円周上に配置され、第２または第３以上のグループの空孔は、上記コアを中心とする、上記第１の円周を囲む第２の円周上または第３以上の円周上に配置されてい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〉
上記複数の空孔は、いずれも、上記コアを中心とする円周上に、等間隔に配置されてい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〉
上記コアとクラッドの比屈折率差Δを０．８％以上に選定したことを特徴とする構成１乃至５のいずれかに記載の光ファイバ。

〈構成７〉
上記コアと上記クラッドは、ともに石英ガラスからなることを特徴とする構成１乃至６のいずれかに記載の光ファイバ。

〈構成８〉
上記コアは、ゲルマニウムまたはリンのうちの一種または２種以上の元素をドープされた石英ガラスからなることを特徴とする構成７に記載の光ファイバ。

〈構成９〉
上記コアと上記クラッドは、ともに多成分ガラスからなることを特徴とする構成１乃至６のいずれかに記載の光ファイバ。

〈構成１０〉
上記コアと上記クラッドは、ともにフラスチックからなることを特徴とする構成１乃至６のいずれかに記載の光ファイバ。

本発明の光ファイバは、そのコアが、屈折率分布定数αを１．５以上２．５以下に選定して、ＮＡ（開口数）を０．３以上１．０以下とした、ＧＩ（Graded Index）型屈折率分布を有する。

マルチモードタイプのＧＩ（Graded Index）型屈折率分布を有する光ファイバで、ＮＡが０．３５以上のものを実現するには、ピーク比屈折率差Δが２．８％以上必要になる。このためには、コアにドープするゲルマニウムの濃度を２６ｗｔ％（重量パーセント）以上にしなければならない。これではゲルマニウム濃度が高すぎて母材の製造が困難である。

なお、比屈折率差は、下式により算出する。
Δ＝（コア部の屈折率−クラッド部の屈折率）／クラッド部の屈折率
ＧＩ型屈折率分布を有する光ファイバでは、（コア部の屈折率−クラッド部の屈折率）の最大値を求める。これが、ピーク比屈折率差である。コア部とクラッド部の屈折率差が大きいほど、光ファイバの曲げ半径を小さくすることができる。また、クラッド部に空孔を設けることにより、コア部とクラッド部の屈折率差を大きくすることができ、クラッド部の空孔の割合が大きくなるに従いＮＡが大きくなる。

一方、ＧＩ型屈折率分布を有する光ファイバで、コアの屈折率分布定数αを１．５〜２．５の範囲に選定して、波長が８５０ｎｍ帯と１３１０帯に適した構成にすると、少なくとも１００ＭＨｚ・ｋｍ以上の伝送帯域を実現できることがわかった。さらに、コアの屈折率分布定数αを２．０〜２．１の範囲に選定して、波長が８５０ｎｍ帯に適した構成にすると、１０ＧＨｚ・ｋｍ以上の伝送帯域を実現できることがわかった。これらについては、実施例で詳細に説明する。

ＧＩ型屈折率分布を有する光ファイバでは、光ファイバの軸部の屈折率が一番高く、外周部に向かうほど、屈折率が低くなる。光ファイバの半径方向の位置座標をｒとし、位置ｒにおける屈折率をN（r）、屈折率の最大値をNo、屈折率分布定数をα、コア半径をａ、比屈折率差をΔとすると、以下の関係式が成立する。
N（r）＝No｛1-２Δ（ｒ／ａ）^α｝
屈折率分布定数αが径方向に均一で、好ましくは２．０〜２．１の範囲になることで、全モードの群遅延時間が小さくなる。従って、広帯域な光ファイバが実現する。

上記の光ファイバに使用するガラスは、石英ガラス、多成分ガラスのいずれでも構わない。コアは、例えば、ゲルマニウムをドープした石英ガラスとするが、その材料は任意である。

図１は、本発明の光ファイバの実施例横断面図である。
図の光ファイバ１は、コア１０と、コア１０の外周を包囲したクラッド１１とを有する。コア１０は、屈折率分布定数αを１．５以上２．５以下に選定してある。また、コア１０のＮＡ（開口数）を０．３以上１．０以下とした。このコア１０はＧＩ（Graded Index）型屈折率分布を有する。クラッド１１中の、コア１０の外周には、複数の空孔１２が設けられている。これらの複数の空孔１２は、コア１０の中心軸と平行に形成されている。このような構成の光ファイバ１は、通常の石英系光ファイバでは達成することができない大きな比屈折率差が得られる。空気の屈折率は１である。石英の屈折率は１．４５７である。従って、比屈折率差の最大値は３０％を越える。

図２は、上記の光ファイバの製造方法を示す説明図である。
図（ａ）のように、プリフォームロッド２０はコア１０に相当する部分とクラッド１１に相当する部分を有する。このクラッド１１に相当する部分に、多数の空孔１２を形成する。その後、図（ｂ）に示すように、プリフォームロッド２０の右端部分を加熱して、矢印２１方向に延伸加工する。なお、実際には、プリフォームロッド２０を垂直にして、下方に向かって延伸加工をする。そして、所望の太さの光ファイバを得る。

図１に示した光ファイバの、ＮＡを好ましくは０．３以上１．０以下、コア１０の屈折率分布定数αを、好ましくは１．５以上２．５以下、さらに好ましくは、１．８以上２．２以下、に選定することが好ましい。これにより、波長に寄らず光ファイバの帯域を１００ＭＨｚ・ｋｍ以上の広帯域にすることが可能になる。屈折率分布定数αが１．５未満だったり、２．５を超えたりすると、帯域が１ＭＨｚ・ｋｍ以下に低下してしまう。特に、屈折率分布定数αを１．８以上２．２以下に選定すると、波長０．８５ミクロンメータで、１０ＭＨｚ・ｋｍ以上、波長１．３１ミクロンメータで、５０ＭＨｚ・ｋｍ以上と、きわめて優れた帯域特性を実現できる。また、ＮＡ（開口数）を０．３未満にすると、本発明の優れた効果は得られず、また、ＮＡが１．０を超えると、クラッド部に過大な空孔を設ける必要があり、強度的に実用が困難である。

上記の複数の空孔は、いずれも、コア１０を中心とする円周上に配置されていることが好ましい。上記複数の空孔１２は４個以上が好ましい。複数のグループを構成するために必要な数である。上記の実施例では、２グループとした。クラッド１１には、コア１０を中心とする第１の円周１５と、第１の円周１５を囲む第２の円周１６とを設けた。第１グループの空孔は、第１の円周上に配置される。第２グループの空孔は、第２の円周上に配置されることが好ましい。なお、さらに、空孔を３グループ以上に構成して、第３の円周、第４の円周を設けて配置して構わない。なお、複数の空孔は、いずれも、コアを中心とする円周上に、等間隔に配置されることが好ましい。以上のような構成にすると、光ファイバのコアを中心とする、断面から見て軸対称な屈折率分布が実現する。

上記のコアとクラッドの比屈折率差Δを０．８％以上に選定することが好ましい。これにより、小さな曲げ半径で布設をした場合でも、実用上損失が無視できる光ファイバが実現する。コアとクラッドは、ともに石英ガラスからなり、そのコアは、ゲルマニウムまたはリンのうちの一種または２種以上の元素をドープされたものであることが好ましい。石英ガラス系の光ファイバとして、最も実用性の高いものが実現する。なお、コアとクラッドは、ともに多成分ガラスからなるものでもよい。また、コアとクラッドは、ともにプラスチックからなるものでもよい。

一般の石英系（ＳｉＯ₂）マルチモードＧＩ型光ファイバは、低損失で高速、広帯域伝送を実現できる。しかし、石英クラッドとゲルマニウム（Ｇｅ）ドープコアを使用した光ファイバのピーク比屈折率差Δは最大２．４％であって、ＮＡは最大０．３２程度にしかならない。また、フッ素（Ｆ）や硼素（Ｂ）を石英中にドープしたクラッドを有する光ファイバでも、ＮＡが最大０．３５程度のものしか実現できない。

一方、多成分ガラスを使用したマルチモード光ファイバでは、屈折率のコア対クラッド比を、（例えば、２００／２３０）とすれば、ＮＡが最大０．５程度を実現できる。しかし、多成分ガラスを使用したマルチモード光ファイバは、石英ガラスを用いた光ファイバと比較して伝送損失が大きく、高速、広帯域伝送には不向きである。例えば、多成分ガラス光ファイバの帯域は、屈折率のコア対クラッド比を、（例えば、１００／１４０）とすれば、１０ＭＨｚ・ｋｍとなる。また、屈折率のコア対クラッド比を、（例えば、２００／２３０）とすれば、５ＭＨｚ・ｋｍとなる。

なお、ＰＣＦ（ポリマークラッドファイバ）は、ガラスコアに樹脂クラッドを有するから、高いＮＡを実現できる。しかしながら、切断時にガラスコアを傷付ける作業が必要で、熟練者でないと光ファイバを損傷してしまうという問題があった。また、その切断部では光結合損失が大きく、システム全体の効率を低下させ、信頼性にも問題があった。

これに対して、以上説明した本発明の光ファイバは、ＮＡが０．３５以上になるように設計をすることができる。このため、光信号伝送帯域を２０ＭＨｚ・ｋｍ以上にすることができる。なお、図１の例では、空孔の断面形状が円形であった。しかしながら、断面が三角形、四角形、六角形としても構わない。また、光ファイバの断面形状も円形であった。しかしながら、これも、断面が三角形、四角形、六角形としても構わない。

図３と図４を用いて本発明の光ファイバの具体的な実施例の特性を説明する。
図３は、本発明の光ファイバの各部の寸法を示す横断面図である。図４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３に示すように、コア１０の径をφｃとする。空孔１２の径をΦとする。コア１０の中心軸から空孔１２の中心までの距離をＲ１、Ｒ２とする。Ｒ１＜Ｒ２の関係にある。図４に示すように、実施例１−３の光ファイバには、ゲルマニウムをドープした石英コアを使用した。比較例１の光ファイバには、純石英コアを使用した。クラッドは、純石英で、いずれも外径が１２５μｍのものを用意した。

実施例１では、αの値が１．９２のとき、ＮＡは、３．６で、波長０．８５μｍで伝送損失は３．５ｄＢ／ｋｍ、波長１．３１μｍで伝送損失は１．５ｄＢ／ｋｍであった。また、波長０．８５μｍで帯域は１００ＭＨｚ・ｋｍで、波長１．３１μｍで帯域は１５０ＭＨｚ・ｋｍであった。実施例２では、αの値が２．０４のとき、ＮＡは、３．８で、波長０．８５μｍで伝送損失は３．３ｄＢ／ｋｍ、波長１．３１μｍで伝送損失は１．２ｄＢ／ｋｍであった。また、波長０．８５μｍで帯域は５０ＭＨｚ・ｋｍで、波長１．３１μｍで帯域は１００ＭＨｚ・ｋｍであった。実施例３では、αの値が１．９５のとき、ＮＡは、３．３で、波長０．８５μｍで伝送損失は３．７ｄＢ／ｋｍ、波長１．３１μｍで伝送損失は１．８ｄＢ／ｋｍであった。また、波長０．８５μｍで帯域は３０ＭＨｚ・ｋｍで、波長１．３１μｍで帯域は７０ＭＨｚ・ｋｍであった。

一方、比較例１では、ＮＡは、３．３で、波長０．８５μｍで伝送損失は３．９ｄＢ／ｋｍ、波長１．３１μｍで伝送損失は２．０ｄＢ／ｋｍであった。また、波長０．８５μｍで帯域は２０ＭＨｚ・ｋｍで、波長１．３１μｍで帯域は５０ＭＨｚ・ｋｍであった。以上の各実施例の伝送損失や帯域特性は、当初の目的を十分に達成する値を実証するものである。

本発明の光ファイバの実施例横断面図である。 上記の光ファイバの製造方法を示す説明図である。 本発明の光ファイバの各部の寸法例を示す横断面図である。 具体的な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
１５ 第１の円周
１６ 第２の円周

Claims (10)

1. コアと、前記コアの外周を包囲したクラッドとを有し、
   前記コアは、屈折率分布定数αを１．５以上２．５以下に選定して、ＮＡ（開口数）を０．３以上１．０以下とした、ＧＩ（Graded Index）型屈折率分布を有し、
   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、複数の空孔を有することを特徴とする光ファイバ。
2. 前記コアの屈折率分布定数αを１．８以上２．２以下に選定したことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記複数の空孔は、いずれも、前記コアを中心とする円周上に配置されてい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. 前記複数の空孔は、４個以上あり、２以上のグループを構成し、第１グループの空孔は、前記コアを中心とする第１の円周上に配置され、第２または第３以上のグループの空孔は、前記コアを中心とする、前記第１の円周を囲む第２の円周上または第３以上の円周上に配置されてい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. 前記複数の空孔は、いずれも、前記コアを中心とする円周上に、等間隔に配置されてい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. 前記コアとクラッドの比屈折率差Δを０．８％以上に選定したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光ファイバ。
7. 前記コアと前記クラッドは、ともに石英ガラスからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光ファイバ。
8. 前記コアは、ゲルマニウムまたはリンのうちの一種または２種以上の元素をドープされた石英ガラスからなることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ。
9. 前記コアと前記クラッドは、ともに多成分ガラスからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光ファイバ。
10. 前記コアと前記クラッドは、ともにフラスチックからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光ファイバ。

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