JP2008534995A - 多コア微細構造体光ファイバ - Google Patents

Abstract

マルチコア光ファイバは、アレイで配置され、各々が異なる屈折率を有する少なくとも２つの異なる材料を含む複数のクラッディング要素から形成された微細構造のクラッディング材料と、隣接するクラッディング要素（１０１）の間の隙間領域（１０）内に形成された複数のコア要素（１１）とを含む。このように形成されたファイバは、従来技術のファイバと比較すると、単位断面積当たりに多数のコアを有することができ、したがって、ファイバが、所与の必要とされるコア間隔離について、隣接するコア間に相対的に短い距離を有することを可能にする。このように形成されたファイバは、チップ間の光通信、又は、回路基板間の光通信のような、高いコア密度を必要とする多くの領域において有用性を有する。
【選択図】図４ａ、４ｂ

Description

本発明は、光ファイバの分野に関し、より具体的には、複数のコアを有するファイバに関する。

多コア（マルチコア）光ファイバは、多数の異なる技術領域において有用性を有する。通信用途に用いられるときには、単一のファイバで異なる光信号を並列して運ぶことを可能にして、通信のデータ帯域幅を増加させ、送信される情報の単位当たりの費用を潜在的に減少させる。こうした通信用途は、何百マイル、又はセンチメートルで測定されることがより一般的である距離にわたるデータ送信を含むことができる。

別の用途は、多数のコアを用いて光を像から遠隔視認位置に伝達する視像伝達の分野である。この用途においては、マルチコアファイバ、又はより一般的にはファイバ束の一端は、伝達される像がファイバのコア上に入るように配置される。コア上に入る光は、次いで、ファイバの他端に伝送され、各々のコアは次いで、遠隔視認位置における像の単一のピクセルとして作用する。例えば「Ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ｆｉｂｒｅ」Ｍａｒｔｉｊｎ Ａ．ｖａｎ Ｅｉｊｋｅｌｅｎｂｏｒｇ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ３４２、第１２巻、第２号、２００４年１月を参照されたい。

別の用途は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のようなオプトエレクトロニクス装置間の通信にある。こうした装置は、デジタルデータ流に結合して、光ファイバを用いる電子部品間のデータ転送を可能にすることができる。この用途は、プリント基板上の銅のトラックと比較すると、比較的大きい距離にわたり信頼性があり迅速なデータ転送を与える。ＶＣＳＥＬは、多くの場合、アレイで採用されて、並列データ流が、さらに大きい転送速度に採用されることを可能にする。この用途においては、ＶＣＥＳＬの代わりに、光変調器のような他の装置を光源として用いることができる。こうした光変調器は、典型的には、これらに放たれた光の偏光を保つように設計された光ファイバと併せて用いられる。

マルチコアファイバは、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９８年７月２３日、第３４巻、第１５号に開示されており、このファイバは、４つのコアをもつステップ型単一モードファイバーである。このファイバは、設計目的が「光ケーブルの密度を高めるため」である、主として通信用途のためのものである。コア密度は、明らかに、こうしたファイバにとって重要な問題である。ファイバの隣接するコア間のコア間隔は５１．８μｍである。

譲渡された米国特許第６，３０１，４２０号は、三角形マトリックスで複数の中空ケーンにより形成され、コアは中空ロッドの幾つかを中実ケーンで効率的に置き換えることにより形成された周期的なクラッディング構造体を含むマルチコア光結晶ファイバを開示する。クラッディングマトリックスにおけるコアの間隔、すなわち、周期的なクラッディング構造体のサイクル数は、隣接するコア間に望ましい隔離を実現するように選択される。多数の目的のために、特に通信分野においては、コア間に必要とされる間隔は、典型的には、好適なコアの隔離を保証するために、最短クラッディング周期の約４又は５サイクルになる。クラッディング周期の合計数は、実際には、製造工程中にプリフォームにスタックすることができるケーン数により制限されるため、このことは、実現できる単位断面積当たりのコア数に制限を課し、この制限は、ファイバを置くことができる用途を限定することになる。

米国特許第６，３０１，４２０号のようなファイバ、及び他の微細構造体ファイバは、「スタック・アンド・ドロー法」で製造することができ、クラッディング及びコアケーンは、所望の構成で互いにスタックされ、次いで、温度及び圧力が制御された環境において、ファイバに引き込まれる。

本発明の第１の態様によれば、アレイで配置され、各々が異なる屈折率を有する少なくとも２つの異なる材料で構成された複数のクラッディング要素を含む微細構造のクラッディング材料と、複数のコア要素とを含み、各々のコアは隣接する複数のクラッディング要素と関連しており、各々の隣接するクラッディング要素は、１つおきの関連する隣接するクラッディング要素と実質的に同じ場所に位置する頂点を有することを特徴とするマルチコア光ファイバが提供される。

各々の関連するクラッディング要素の頂点は、コアに隣接するクラッディング要素の２つの側からの外挿の集合点になるようにされる。

本発明は、従来技術の微細構造体ファイバと比較すると、隣接するコアの空間分離、及び隣接するコア間の周期数を減少させ、依然として隣接するコア間に首尾よい隔離を維持することを可能にする。したがって、ファイバ当たり、より大きい密度及びコア数を取得することができる。

クラッディング要素は円筒形管を含むことができる。ファイバに形成されたときには、管は、低い屈折率の内側領域を有することができ、この内側領域は、空気、又は別の気体、又は真空を含む。或いは、クラッディング内側領域材料は液体又は固体を含むことができ、屈折率は、クラッディング要素の外側材料より低い。クラッディング要素は、周期アレイを形成し、コア要素は、クラッディング構造体内の隙間位置に配置されて、クラッディングの規則性は影響されないようになっていることが好ましい。

クラッディングの外側材料は、シリカ又はいずれかの他の好適な材料から製造することができる。外側クラッディング材料の屈折率は内側クラッディング材料の屈折率より大きい。

コア材料は、クラッディング外側材料と同様な材料から製造することができる。スタックの前のコア材料に近接する外側領域のクラッディング材料は引っ張られて最終ファイバを形成し、こうした引っ張りの間、コアと融着して、コア材料の一部になる。各々のコアは、次いで、クラッディングの一部の外側領域からの材料と併せて、元のコア材料を含むようになる。各々のコアは、大部分、低い屈折率の内側クラッディング材料により取り囲まれるが、コアの一部を形成しない外側クラッディング材料の部分を含む材料のウェブにより支持される。

本発明は、コアが、クラッディング微細構造体における各々の隙間位置に形成されることを可能にする。三角形アレイにスタックされた円筒形クラッディング要素においては、所与のクラッディング要素は、６つの隙間領域を有し、その各々は本明細書に開始される方法によりコアを形成することができる。本発明は、したがって、従来技術と比較すると、単位断面積当たりのコア密度を大幅に増加させるための手段を提供する。

現行の発明のファイバにおける各々のコアは、一般に、各々のクラッディング要素の直径より、有効直径が大幅に小さいため、隣接するクラッディング要素間の隙間領域に配置することができる。

クラッディング要素は、三角形アレイに形成してもよいし、或いは正方形アレイに形成してもよい。正方向アレイは、コアを配置することができる大きい隙間領域を有する。三角形アレイにおいては、コアに隣接するクラッディング要素の各々は、そのコアに隣接するすべての他のクラッディング要素と接触する。クラッディング要素の三角形アレイは、最終ファイバにおいて、実質的にモザイク状の六角形構造体を生成する傾向があり、コア要素は、モザイクに大幅に影響を与えることなく存在することができる。コア要素は、ファイバが製造中に最初に形成される前は断面が実質的に丸いが、製造工程のために、これにかかる機械的応力及び熱応力がコアを変形させるため、わずかなふくらみをもって、クラッディングの標準的な頂点に類似するようになる。これは図１３に見ることができる。完成したファイバのコアは円形ではないが、コンピュータのモデル化工程のために、円形とみなすことができる「有効直径」を有する。

各々のコア要素は、クラッディング要素と組み込まれて、スタックが引っ張られる前に、コアがクラッディング要素の規則的な周期特性を乱すことがないようにする。完成したファイバのコアは、さらに、この場合、クラッディングアレイの規則性を乱すことはない。

本発明のコアの１つ又はそれ以上は、単一モードの伝搬において放射線を透過するように有利に製造することができる。これは、モード分散、すなわち、ファイバを通って移動する放射線の一時的な広がりを大幅に減少させることができるという既知の利点を有する。

本発明によるファイバは一連のクラッディング要素及びコア要素から形成され、結果としてしてもたらされるコアは、より正確には、光結晶ファイバではなく、微細構造体光ファイバと呼ばれる。これは、伝搬の主要な手段においては、現行の発明における光の誘導は、クラッディングにおける光結晶（すなわち、異なる屈折率のサイクルの連続）との相互作用に依存するのではなく、コアの屈折率と内側クラッディング材料の屈折率との間の差異に依存するためである。本発明によるファイバのこの方法による誘導は、したがって、屈折率導波ファイバである。

本発明は、ファイバ内の隣接するコアを互いに密接させ、依然としてこれらの間に所与の隔離を維持できる利点を提供する。対照的に、時には、こうした結合が望ましく、したがって、本発明により実現することが簡単である、特に密接な間隔は、コアがクラッディング構造体の隣接する隙間領域を占めるときに、隣接するコア間に最大までの必要な結合係数を与えるように採用される。クラッディングを形成する異なる材料の量の比率を変更する（すなわち、クラッディングの充填の割合を変える）、コア自体の大きさを変更する、又は、屈折率を変えるようにコアをドーピングするといった他の要因を用いて隣接するコア間の結合に影響を与えることができる。これらの要因のいずれかを用いて、設計範囲内で、必要な結合係数の隣接するコアを有するファイバを生成することができる。

弱い結合のマルチコアは、典型的には、１メートル当たりおよそ０．０２より低い結合定数を有することができる。このことは、三角形構成のコアをもつ１メートルのファイバにおいて、１０¹²に対しおよそ１より少ないビット誤り率を与える。高度に結合されたコアにおいては、結合定数は、１メートル当たり１００又は１０００のオーダーになるように構成することができる。

本発明は、上述の特性を有し、単一モードの伝搬で光を透過させることができるファイバを製造するのに特に適している。

ファイバにおけるコアの数は、少なくとも４、少なくとも８、少なくとも２０、少なくとも５０、少なくとも１００、少なくとも２００、少なくとも５００のように、少なくとも２とすることができる。

相対的なコア構成は、引っ張られたファイバイにおいて、間隔が、ＶＣＳＥＬＳ又は光変調器のような光源のアレイ、又は、レシーバのアレイの間隔と適合するように有利に適応させることができる。こうした源又はレシーバのアレイは、多くの場合、単一基板上に形成され、標準化された相対的な間隔を有する。

本発明の第２の態様によれば、各々が高い屈折率領域と低い屈折率領域とを有する複数のクラッディング要素で構成された光フィアバが提供され、前述のクラッディング要素間には隙間領域が形成されており、コア材料は複数のコア領域を形成するように複数の隙間領域に配置されていることを特徴とする。

各々の隙間領域の断面積は、各々のクラッディング要素の断面積より大幅に小さいことが好ましい。各々のコア領域は、各々のクラッディング要素の断面積より大幅に小さいことが好ましい。

本発明の第３の態様によれば、マルチコア光ファイバを製造するための方法が提供され、この方法は、
ｉ.各々が高い屈折率領域及び低い屈折率領域を有する複数のケーンをスタックに組み立て、ケーンは組み立てられたときに、その間に隙間領域を有しており、
ｉｉ．アセンブリにおける隙間領域の２つ又はそれ以上の中にコア材料を組み込み、コア材料は隣接するケーンの位置に影響を与えることはなく、
ｉｉｉ．ケーンのスタックを引っ張って、コア材料をフィアバに組み込む、
ステップを含む。

引っ張り工程の後で、ケーンはクラッディング要素のアレイとして作用し、コア材料はクラッディング要素アレイ内にコア領域を形成する。

既知の現代のファイバ引っ張り法は、微細構造体ファイバの隙間領域を実質的になくして、隙間領域を囲む材料がこれらの領域を充填するように閉じて、これらの領域は、次いで、クラッディング構造体における頂点になるように進むことを可能にする。製造段階中に、コア要素材料をクラッディング隙間領域に挿入することは、さらに、このコア要素材料の周りに二次的な隙間領域を形成することができる。引っ張り工程中、これらの二次的な隙間領域は、同じ既知の技術によりなくして、コア材料が外側クラッディング材料の一部と融着して、二次的な隙間領域のアーチファクトが実質的にない、より大きいコア領域を形成できるようにすることができる。

本明細書においては「隙間」は、引っ張られていない状態におけるファイバの隣接するクラッディング要素間の領域を指す。引っ張られたファイバの内容で用いられるときには、隙間領域が引っ張られていないファイバにおいて存在したファイバの部分を指す。

特定の用途においては、ファイバは、これを沿って通る光の偏光を保つことが有利である。このために、ファイバの製造中、構造体は、複屈折になるように構成されることが有利とすることができる。

一方の横軸と比較すると、クラッディング要素が、別の横軸において各々異なる全体寸法になるように、ファイバを形成することができる。構造体は楕円形とすることができることが好ましい。こうした構造体を形成するための１つの技術は、引っ張り工程中、ファイバを一方の軸において搾り出して、望ましい特性の楕円構造体を生成することである。或いは、ファイバは、非円形断面の要素を用いて形成して、引っ張り段階中に、いずれの付加的な成形も不要にすることができる。或いは、ファイバは、高い屈折率領域と低い屈折率領域の異なる比率、すなわち、異なる充填の割合を有するクラッディングケーンを用いて形成することができる。ファイバの断面積の異なる領域において異なる充填の割合のクラッディング材料を有するようにファイバを構成することにより、複屈折を取得することができる。

現行の発明は、従来技術に対して、通常のファイバ引っ張り機器を用いて、単位断面積当たり、より大きい数のコアを有するマルチコアファイバを製造できる点で利点を有する。さらに、隣接するコアの光隔離は、従来技術と比較すると、所与の物理的な分離に対してより大きい。このことは、本発明を、特に高い密度のファイバコアのパッキングに対してより好適なものにする。

本発明によるファイバは、いずれの好適な材料によっても製造することができる。典型的には、ファイバはシリカから製造されるが、カルコゲニド、フッ化物、又は鉛ガラスのような他の材料、又は、好適なポリマー材料もまた用いることができる。

ここで、本発明を、単なる一例に過ぎないものとして、図面を参照してより詳細に説明する。

図１は、従来技術の屈折率導波型マルチコア・ファイバの製造に用いられるファイバのプリフォームを示し、図１ａは線引き又は引っ張り工程前の状態であり、図１ｂは線引き工程後の状態の完成したファイバである。ファイバは、単一のファイバのプリフォームを機械的に４つに切断し、図示のように、４つの通常の同一のプリフォーム１を２×２ファイバのプリフォームを生成するように配置し、単一のプリフォーム１は図示のように接触させて、隙間間隙３を残しておくという工程により製造される。各々のプリフォーム１は、コアを形成する高い屈折率領域４と、クラッディングを形成する低い屈折率領域５とを含む。２×２プリフォームは、次いで、通常の方法で、必要な寸法を有するファイバに線引きされる。この線引き工程は、さらに、個々のプリフォーム１を互いに融着させ、さらに、隙間間隙３が完全に又は実質的になくなることを保証する。線引きされたファイバは図１ｂに示される。引っ張られたファイバの全体直径は、光ファイバ製造における標準的な大きさである１２５μｍであり、６２．５μｍのコアの対角線状の分離がある。

図１に関して説明された製造技術は、より多くのコアを製造するように適応させることができるが、コアの数が増加するに伴い、困難になる。標準的なファイバ引っ張り機器は、特定の大きさのプリフォームになるように設計されたジグを含むため、引っ張りジグに適合しないプリフォームが製造された場合には、専用のジグが必要になるため、製造工程は、より費用がかかることになる。このことは、この種のファイバに組み込むことができるコアの数に対して経済的及び実際的な制限を課すが、依然として、１２５μｍの全体直径のファイバに形成することができる。

図２は、米国特許第６，３０１，４２０号に記載される光結晶ファイバを示す。このファイバは、複数のコア６を含み、各々のコア６は、複数のクラッディング要素７により囲まれる。各々のクラッディング要素７は、中空円筒形管を含む。こうした複数の管７は、図示のように三角形の構成で配置されて、クラッディングを形成する。隙間領域８は、この段階においては、隣接するクラッディング要素間に存在する。各々のコア領域６は、クラッディング管７の代わりに中実の円筒形ケーンを配置することにより形成され、このケーンは、単一のクラッディング要素の直径と等しい直径を有している。

製造中、上述のコア６及びクラッディング要素７のアセンブリはプリフォーム９を形成し、これは次いで、通常の方法により引っ張られて、望ましい大きさの微細構造体ファイバを生成する。引っ張り工程中、材料にかかる力は、クラッディング管７にもたらされる傾向があり、六角形構造体を形成して、隙間領域は、引っ張り中にファイバ上に存在する圧力のために、完全に又は実質的になくなる。隣接するコア６間の光隔離は、コアを分離するクラッディング要素の数によって決まる。ファイバの用途が、多量の隔離を必要とするものでない場合には、単位面積当たりに、より多くのコアを採用できるが、多数の用途においては、３つ又は４つのクラッディング要素の繰り返しがコア要素６の間に必要とされる。

上述のように、ファイバのプリフォームを組み立てるときに中空管を中実のコアと置き換える技術によりマルチコアファイバを生成することは、相対的に簡単である。しかし、こうしたファイバに用いることができ、依然として、隣接するコア間に必要な程度の隔離を維持する、クラッディング管に対するコアの比率には限界がある。これにより、標準的なファイバ引っ張り機械装置及び標準的な１２５μｍのファイバの全体直径を用いて実現可能なコアの最大数は、相対的にあまり多くなくなる。

図３は、図２に示すファイバの種類のコアの詳細図を示し、（図３ａにおいては）引っ張り工程前及び（図３ｂにおいては）引っ張り工程後の周囲のクラッディング構造体を示す。図示のように、ファイバは、空気充填の割合が高いファイバである。引っ張り工程中に生じるファイバ直径の大幅な減少のために、明らかに、後の図は、前の図と同じ縮尺では示されていない。図３ａは、クラッディング管７により囲まれたコア６を示し、隙間間隙８が隣接する要素間に存在している。これはプリフォームの一部を表わす。図３ｂは、同じ要素を示すが、ファイバ引っ張り工程を通った後の同じ要素を示す。コア６’は、この工程中に含まれる熱及び物理的な力のために、円形形態から六角形形態に変形した。さらに、クラッディング要素７’は、同様に、同じ理由のために、六角形構造体に変形した。図３ａにある隙間領域８は、引っ張り工程の結果として完全になくなったことに気づくであろう。

図４は、本発明の第１の実施形態を示す。図４ａは、ファイバのプリフォームの一部を示し、図４ｂは、引っ張り工程が終わった後の同じ部分を示す。ここでも、２つの部分は異なる縮尺で示される。

図４ａは、通常の方法により引っ張られたときに、第１の実施形態のマルチコアファイバをもたらすプリフォームの一部の真向きの図を示す。円形中空シリカケーン９は正三角形のアレイにスタックされて示される。各々のケーン９は、高屈折率の外側領域１０１に囲まれた、低屈折率の内側領域１００を含む。隙間領域１０は、隣接するケーン間に存在する。例えば、１１のようなこれらの隙間領域の幾つかの中に、部分的に隙間領域を充填するコア材料の中実ロッドが配置される。部分的に充填された隙間領域１１は、ファイバに引っ張られたときに、コア領域を形成する。上述のように、引っ張り工程は、実質的に、隙間領域を除去し、プリフォームの隣接する部分は互いに融着されて、ファイバを形成する。

所与のケーン直径について、プリフォームのスタックされた隣接するケーン間の隙間領域の断面積は、用いられるスタック構成によって決まる。図４のファイバは、最小の隙間面積を与える三角形のスタック構成を有する。より大きいコアを製造できるようにより大きい面積が望まれる場合には、正方形のスタック構成といった代替的なスタック構成を用いることができる。

図４ｂは、引っ張り工程を終えた後のファイバを示す。シリカケーンの９’の各々は、引っ張り工程中に存在する圧力及び温度のために、六角形の形態に変形されている。例えば１０のような、プリフォームに存在する隙間領域はなくなった。例えば１１のような、コアロッドを含む隙間領域は、コアロッド自体及びすぐ隣接するクラッディング材料により形成されるファイバのコア１２に形成される。その結果、放射線の誘導が可能なコア領域１２がもたらされる。こうした各々のコア領域１２は、実質的に、クラッディング材料１００’の低い屈折率領域により取り囲まれるが、各々のコア１２は、高い屈折率のクラッディング材料１０１’の一部により形成された３つの支持ウェブを有する。

元のプリフォームの各々の隙間領域はこの方法によりコアに形成することができるため、単位断面積当たりのコア密度は従来技術によるものと比べて、かなり増加させることができる。しかし、幾つかの用途においては、所与の用途に対する許容可能な限度を超える、隣接するコア間のクロストークをもたらすことがあるため、すべての可能な隙間位置をコアとして用いることが有利ではないことがある。

コアの直径及びその相対的な空間分離は、ファイバの用途によって決まる。図５は、各々が異なるコア構成を有する２つのファイバを示す。図５ａは、クラッディングを形成するケーン１０３の三角形構成を含み、ファイバ１０２におけるケーン１０３の１つおきの列において、コア１０４が一列に１つおきのケーン１０３の２つの対向する角部の隙間領域に配置されているファイバ１０２を示す。ファイバ１０２は、３．５μｍの隣接するクラッディング要素の中心間の最小距離（周期性、Λ）を有し、０．９の空気充填割合ｆを有する。（引っ張り前にクラッディング材料になるものにより作られたコアの部分を含む）合計コア直径は７４０ｎｍであり、コア分離は４μｍである。こうしたファイバは、１平方ｍｍ当たり、およそ４７０００コアのコアパッキング密度を有する。

図５ｂは単位面積当たり及びクラッディング要素１０３の数当たりに、よりまばらなコアのアレイ１０４を有する第２のファイバ１０５を示す。これもまた、列を形成するクラッディング要素１０３の三角形構成を有するが、単一のコア１０４が各々の列上の３つ毎のクラッディング要素１０３に隣接して配置されている。したがって、コアは三角形の格子構成になっている。ファイバ１０５は、９μｍの隣接するクラッディング要素の中心間の最小距離（周期性）を有し、０．６５の空気充填割合ｆを有する。（引っ張り前にクラッディング材料になるものにより作られたコアの部分を含む）合計コア直径は３．２μｍである。コア分離は、公称１５．６２５μｍであり、これは各々のクラッディング要素により形成された六角形の側部の３倍に等しい。こうしたファイバは、平方ｍｍ当たり、およそ４７３０コアのコアパッキング密度を有する。

図６から図８は、本発明の３つのさらに別の実施形態を示す。図６は、引っ張り段階の前（図６ａ）及び後（図６ｂ）の複屈折ファイバを示す。図６ａは、三角形の格子に配置されたクラッディングケーン２００のマトリックスを示し、幾つかの隙間領域２０１の中にはコア要素２０２がある。各々のクラッディングケーン２０３は、引っ張り段階の前は断面が楕円形である。非円形の断面は、完成したファイバに対してある程度の複屈折を与える。図６ｂは、引っ張り工程後の図６ａにおけるケーン２００のスタックを示す。引っ張られていないケーン２０３の楕円形の断面は引っ張ったあとには不規則な六角形２０３’になる。実際、図４に示す実施形態の格子は、１つの軸において、事実上歪曲されている。同様な効果は、製造のスタック段階中に円形ケーンを用いて、次いで、引っ張り工程中に１つの軸においてファイバを搾り出すことにより実現させることができる。図６ａにおけるコア要素２０２は、上述のように、通常の方法により引っ張られたファイバにおけるコア２０２’になる。

図６のさらに別の利点は、円形断面から適切な程度の歪曲を選択することにより、完成したファイバにおけるコアの分散が正方形の格子上になるように構成できることである。この構成は、コアを、それ自体が正方形格子上にある光源又は検出器と位置合わせするのに特に利便性がある。図６に示すコア配置においては、１つの軸における√３の割合の減少は、コアの正方形格子を与える。

図７は、本発明は、さらに別の実施形態を示す。ここでも、図７ａは、引っ張り前のケーンのスタック２０４を示し、図７ｂは、引っ張り工程後の等価ファイバ断面を示す。図７ａを参照すると、クラッディングケーン２０４は、三角形のマトリックスに構成されている。コア要素２０５、２０６、２０７は、上述のようにクラッディング要素間の隙間領域に配置される。コア要素２０５、２０６の２つは同じ大きさであるが、第３のコアは小さい直径を有する。明らかに、引っ張り工程の後は、コア２０７’は２つの他のコア２０５’、２０６’より小さくなる。この方法により異なる大きさのコアを準備することは、ファイバの設計において付加的な自由の程度を与え、コアのモード特性、隣接するコアの結合特性を変更するのに用いることができ、又は、コアの非線形の動きの特性を適応させることができる。

図８は、上述の例に示される三角形の格子のクラッディング構造体に対する代替的技術の例を示す。ここでは、クラッディング要素２０８は、四角形の格子に構成されている。この構成は、より大きい隙間領域２０９を与え、したがって、クラッディングの周期性を乱すことなく、より大きいコア要素２１０を用いることを可能にする。図８ａは、引っ張り前のスタックを示し、図８ｂは、引っ張り後に結果としてもたらされるファイバを示す。図７ｂ及び図８ｂは、ほぼ同様の縮尺で示され、明らかに、図８ｂのコア２１０’直径は図７ｂのコア直径より大きいことがわかる。もちろん、三角形のクラッディング構成に関して上述されたように、異なる大きさのコアを本実施形態の正方形構成と併せて用いることができる。したがって、コアの大きさのより大きい変形態様がこのクラッディング構成により可能になる。図８の実施形態のさらに別の差異は、三角形のクラッディング格子を有するファイバに存在する３つのウェブと比較すると、各々のコアは、ここでは、４つのウェブがコアを支えていることである。

現行の発明の光ファイバは、既知のモデル化技術を用いてモデル化することができる。図２に示すもののような従来技術のＰＣＦファイバは、多くの場合、スカラー理論により与えられる近似等価クラッディング屈折率をもつステップ型ファイバモデルを用いてモデル化される。例えば、Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ２００３年、Ｂｊａｒｋｌｅｖ他による本「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｒｅｓ」のセクション３．２を参照されたい。所与の構造体において、周期性Λ及び空気充填の割合ｆという２つの主要なパラメータが与えられると、コアにより支持されるモード数、さらに、隣接するコア間の結合を計算することが可能である。コア間の最大隔離においては、一般に、所与の動作波長に対する周期性に上限を課す単一モード送信が望ましい。送信モードが変更されないままでいる場合には、コア間の結合は、コア間の距離に伴い指数関数的に逆にスケール変更される。

上述の技術を用いてモデル化された特定の従来技術のＰＣＦファイバは、およそ０．２の空気充填の割合に対して、６．２５μｍの周期性の５つの周期がコア間に必要とされる、十分に小さい結合をもつコアを必要とする。低い空気充填の割合に対しては、この種のＰＣＦファイバのクラッディングの等価屈折率は、動作波長が変化するに伴い変わって、単一モード送信を維持する。このことは、さらに、構造体（コアの大きさ及び周期性）の大きさがスケール変更された場合には、送信モードはほとんど変化しないままでいることを意味する。しかし、コア間の結合は、構造体のスケールと同じままでいることはない。したがって、従来技術のファイバのスケールを減らすことは、隣接するコア間の結合を増加させる傾向になる。したがって、従来技術のファイバは、ファイバ特性に対する望ましくない作用を有することなく、スケール変更によりコア密度を増加させることはできない。スケールを減らすことは、したがって、コア間の周期数を増加させることを意味し、又は、より多くのモード制限を生成するように空気充填の割合を増加させることを意味する。

図９は、このことをグラフ形態で示し、影付き領域は、単一モード送信が生じることができる場所を示している。少なくとも５つのクラッディング周期が隣接するコア間に必要であるが、周期性を減少できるように、空気充填の割合を適応させるのに幾らかの融通性もあることがわかる。しかし、こうしたファイバが単一モードのままでいる周期性の範囲は狭まるため、製造が困難になる。図は、８５０ｎｍの動作波長において、１ｍの長さにわたり、１０^-12のビット誤り率を有するように設計されたＰＣＦ従来技術ファイバを表わす。

図１０は、同様なグラフを示すが、ここでは本発明によるファイバについてのものである。図５ｂのファイバは、従来技術に用いられたものと同様な技術を用いてモデル化された。コア直径は、コアを形成するのに用いられた隙間ロッドの直径になるようにされ、シリカブリッジの厚さに加えられた。このことは、およそ（１．１６−√ｆ）Λのコア直径を与える。したがって、コアの大きさは、空気充填の割合によって決まり、より小さいコアはより高い値になる。従来技術のファイバにおいては、単一モード送信は、コア間に最小の量の結合を与えて、図示されるように、周期性に対する上限となる。しかし、本発明のコアは、クラッディング周期性に関して小さいため、図１０に示すように、周期性の２倍より少ないコア間の距離をもつ必要な光隔離を実現することができる。空気充填の割合を増加させることは、隣接するコア間の周期数が少ない、より小さいコアを可能にする。

分析及びモデル化の等価屈折率モデルは、依然として、ＰＣＦ従来技術又は現行の発明の厳密な分析を提供できていない。良好にモデル化しないものの１つは、各々のコアを支持するウェブである。しかし、本発明のファイバの予測される性能に関して良好な指示を提供するのには十分に精密である。

本発明のマルチコアファイバは、コアの光学的特性を変更する材料でドープされたコアを組み込むことができる。具体的には、ドーパントは、コア材料の通常の屈折率を改変させるために用いてもよいし、又は、コアの非線形特性を高めるために用いてもよい。コアのドーピングは、プリフォームの組み立て前にコアロッド（図４ａの１１）をドーピングすることにより都合よく行うことができる。

この方法によりドープされた１つ又はそれ以上のコアを有するファイバは、ファイバの用途を広くする。高い空気充填の割合及び小さいコアをもつＰＣＦファイバは、例えば、白色光を生成するために、非線形及びソリトン物理学において用いることができる。このことは、ゼロ群の速度分散をポンプ波長の近くに位置決めすることを必要とする。この設計は、視認可能な波長において、こうした用途に利点を有することができる。コアの多様性により、コア間でエネルギーの伝達を可能にするのに必要とされる精度をもった結合を誘起させることが可能になる。

照明源の強さが、ファイバ内の材料を十分に励起させるのに十分なだけ高い場合には、ファイバ内の非線形反応をドーピングなしで誘起させることができる。例えば、「白色光
」又は超連続体の発生は、ファイバ内の光の強さが、材料特性により定められたしきい値より大きい場合に生じることができる。四光波混合もまた同様な方法により行うことができる。コア間の結合は、上述のように多数の方法を用いて、高い程度まで制御することができるため、本発明は、非線形反応を必要とする用途に特に適している。結合に影響を与える設計の自由度は、隣接するコアの間隔、コアの大きさ、コアのドーパント、及びクラッディング材料を構成する異なる材料の量の比率を含む。

ファイバは、さらに、本発明により、ファイバ断面の異なる領域における異なるコア密度をもって製造することができる。このことは、同じファイバを異なる目的のために用いることを可能にする。例えば、ファイバの一部を非線形モードに用いて、別の部分を、相対的に高度に隔離されたチャネルに沿ってデータを転送するのに用いることができる。

図１１は、本発明のさらに別の実施形態を示す。微細構造体ファイバは、上述の技術により形成される。クラッディング要素及びコア要素を含むスタックが生成される。しかし、本発明における差異は、コア要素の少なくとも１つが単一モードファイバを含むことである。このファイバは、以前のように隙間領域に配置されるが、その領域におけるコア要素に取って換わる。単一モードファイバを組み込むスタックは、次いで、図１１に示すものと同様な構造体を形成するように、先細様式で下方に線引きされる。ここでは、ファイバ２１２が概略的に断面で示される。ファイバ２１２は、大きい直径の端部２１３から小さい直径の端部２１４まで先細になる直径を有する。この先細部は、通常、ファイバの長さに沿って線形ではない。より幅広い端部２１３はクラッディング要素及びコア要素における高い及び低い屈折率の領域に対応する領域２１５、２１６を有する。１つのこうした低い屈折率領域は、隙間領域２１７である。それ自体が、ドープされた領域２１９により定義されるコアを有する屈折率導波型ファイバのような通常の単一モードファイバ２１８は、製造中に、隙間領域２１７に配置される。ファイバに沿って先細部を生成するように適応された引っ張り工程は、ファイバの小さい端部２１４が、実質的に、図４ないし図８に関連して上述されたようなファイバになるように実行される。単一モードの通常ファイバ２１８は、微細構造のファイバ構造体２１３の端面から突出し、その点では標準的な単一モードファイバであり、既知の方法により、光源に結合することができ、又は、別のファイバに継ぎ合わせることができる。このことは、他の種類の接続のための通常のフォーマットではないことがある源又はレシーバに対して都合のよい結合を可能にする。ファイバの先細部分２２０は、断熱曲線状に先細になるように構成されて、コア２１９に入る光がファイバ２１２に沿った通過中に単一モードのまま残ることを保証する。先細部の後で、ファイバ２１８は、図４ないし図８に関連して上述されたように、本発明によるコアとして作用する。ファイバの端部２１４の断面２２１は、図５の構造体と同様なコア及びクラッディング構造体を有するように示される。ファイバ２１２には１つの通常の単一モードファイバだけが組み入れられて示されたが、通常は、より多くのファイバがあるため、そこからのファイバ２１２の他端２１４の隙間領域に形成された複数のコアとの通常の結合構成を可能にする。通常の光結晶ファイバに適用されるこの技術のさらなる詳細は、Ｌｅｏｎ−Ｓａｖａｌ他によるＯｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１．７．０５、第３０巻、第１３号「Ｓｐｌｉｃｅ−ｆｒｅｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｉｎｇ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｒｅｓ」に見出すことができる。

図１２は先細ファイバの別の実施形態を示す。ここでファイバ２２２は、上述の図４ａに関連して説明された方法により形成されるが、ファイバ２２２は、図１１に関連して上述された先細様式で引っ張られる。ファイバ２２２の幅狭の直径端部２２３は、図４ｂに関連して上述されたものであり、大きい直径端部２２４は、例えば、２２５のような各々のコア領域が、通常の単一モードファイバ２２６に都合よく結合できる大きさである直径を有する。こうしたファイバ２２２は、標準的な単一モードファイバに対する都合のよい結合を可能にし、さらに、光信号処理用途において用途を有するという利点がある。例えば、「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｉｂｒｅ Ａｒｒａｙ ｆｏｒＲＦ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第４２巻、第５号を参照されたい。

図１３は、本発明により製造されたファイバの端面の一部のＳＥＭを示す。ファイバは、完全にシリカから製造され、六角形格子に配置されたクラッディング要素２２７を有し、クラッディングの周期性は９μｍである。引っ張られたファイバにおける六角形格子は、もちろん、引っ張られていないファイバにおける三角形格子と等しい。コア２２８は、通常のアレイにおける格子全体にわたり種々の点に配置されて、各々は、隣接するコアから公称１５．６２５μｍだけ離間されている。本実施形態においては、すべてのコア２２８は同じ大きさである。

当業者であれば、本発明の範囲内の他の実施形態を想起することができ、したがって、本発明は、上述された実施形態に限定されるべきではないことがわかるであろう。

図１ａ、ｂは、従来技術のマルチコア光ファイバを概略的に示す。 光結晶クラッディング構造体を採用する、従来技術の第２のマルチコア光ファイバを概略的に示す。 図３ａ、ｂは、引っ張り工程前及び後の両方の従来技術の光結晶ファイバのクラッディング及びコアの詳細図を概略的に示す。 図４ａ、ｂは、現行の発明の第１の実施形態のプリフォーム、最終コア、及びクラッディング構造体を概略的に示し、この図はファイバの横断面図を示す。 図５ａ、ｂは、異なるコアの配置を示す、本発明の２つの実施形態を概略的に示す。 図６ａ、ｂは、ファイバが複屈折を示すように配置された、本発明の実施形態を概略的に示す。 図７ａ、ｂは、ファイバが異なる大きさのコアを有するように配置された、本発明の実施形態を概略的に示す。 図８ａ、ｂは、ファイバのクラッディング構造体が正方形構成に配置された、本発明の実施形態を概略的に示す。 「等価屈折率」法によりモデル化された、単一モードのままでいるために、従来技術のＰＣＦがもたなければならない物理特性の範囲を示すグラフを示す。 「等価屈折率」法によりモデル化された、単一モードのままでいるために、図５に示す現行の発明のファイバがもたなければならない物理特性の範囲を示すグラフを示す。 製造中に、単一モードファイバが隙間領域に配置され、ファイバがその縦方向軸に沿って先細形状を有するように構成された本発明の実施形態を概略的に示す。 ファイバの大きい直径端部が、通常の単一モードファイバに対する都合のよ１結合を可能にする大きさのコアを有するように構成された、本発明による先細ファイバの別の実施形態を概略的に示す。 本発明のファイバの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。

Claims (22)

1. 微細構造のクラッディング材料を有するマルチコア光ファイバであって、アレイで配置された複数のクラッディング要素と、複数のコア要素と、を含み、各クラッディング要素は、各々が異なる屈折率を有する少なくとも２つの異なる材料で構成され、前記各々のコアは隣接する複数のクラッディング要素と関連しており、これら隣接するクラッディング要素の各々は、他の全ての関連する隣接するクラッディング要素と同じ場所に位置する頂点を有することを特徴とするマルチコア光ファイバ。
2. 前記各々のコア要素は、前記クラッディング構造体内の隙間位置を占めることを特徴とする請求項１に記載のマルチコアファイバ。
3. 前記各々のクラッディング要素は内側領域及び外側領域を含み、前記内側領域は前記外側領域に対して異なる屈折率を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマルチコアファイバ。
4. 前記内側領域は、気体、真空、及び液体の１つを含むことを特徴とする請求項３に記載のマルチコアファイバ。
5. 前記各々のクラッディング要素の前記外側領域は前記内側領域より高い屈折率を有することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のマルチコアファイバ。
6. 前記コア材料は、高い屈折率を有する前記クラッディング材料の屈折率と実質的に同様な屈折率を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
7. 前記クラッディング材料は円筒形管を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
8. 前記少なくとも１つのコア要素はドーパントを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
9. 前記コア要素は、前記クラッディングのアレイの規則性に影響を与えない大きさであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
10. 前記クラッディング要素は、一方の横軸と比較して、別の横軸において異なる全体寸法であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
11. 前記ファイバは複屈折であることを特徴とする請求項１０に記載のマルチコアファイバ。
12. 特定のクラッディング要素は、他のクラッディング要素と比較して、異なる材料の相対量を有するように構成されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
13. 少なくとも１つのコア要素は隣接するコア要素に対して異なる大きさであることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
14. ２つの隣接するコアの間の結合係数は必要とされる設計値より大きくないように構成されることをことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
15. ２つの隣接するコアの間の結合係数は必要とされる設計値より小さくないように構成されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
16. 前記少なくとも１つのコア要素は単一モードファイバを含むことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
17. 前記ファイバは、その長さに沿って直径が先細になるように適応されることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のマルチコアファイバ。
18. マルチコア光ファイバを製造するための方法であって、
    ｉ.各々が高い屈折率領域及び低い屈折率領域を有する複数のケーンをスタックに組み立て、前記ケーンは組み立てられたときに、その間に隙間領域を有しており、
    ｉｉ．アセンブリにおける前記隙間領域の２つ又はそれ以上の中にコア材料を組み込み、前記コア材料は隣接するケーンの位置に影響を与えることはなく、
    ｉｉｉ．前記ケーンのスタックを引っ張って、前記コア材料をフィアバに組み込む、
    ステップを含むことを特徴とする方法。
19. 前記ケーンのスタックを引っ張る間、圧力が一方の横軸に適用されて、完成ファイバが、一方の横軸と比較すると、別の横軸において、異なる全体寸法のクラッディング要素を有するようにすることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記ケーンは、一方の横軸と比較すると、別の横軸にわたり、異なる全体寸法を有することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
21. 前記コア材料はそれ自体が光ファイバであることを特徴とする請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 前記ケーンのスタックを引っ張るステップは、結果としてもたらされるファイバが、前記ファイバの長さの少なくとも一部に沿って先細になる直径を有するように、前記スタックを引っ張るように適応されることを特徴とする請求項１８乃至２１のいずれか１項に記載の方法。