JP2012203035A - マルチコアファイバおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造でクロストークを抑制できるマルチコアファイバを提供する。
【解決手段】本発明のマルチコアファイバは、クラッド１０と、クラッド中に配置されクラッドよりも屈折率の高い複数のコア２０，２１とを備え、隣り合うコア同士の間には、クラッドよりも屈折率の低い低屈折率部３０ａ，３０ｂが配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マルチコアファイバ及びその製造方法に関するものである。

近年光ファイバが通信用、エネルギー伝達など様々な用途において、大量に用いられるようになっている。なかでも大量のデータを短時間で送るための通信用のデータ導通路として光ファイバは導電線を駆逐して、使用量が飛躍的に増えてきている。

上述のように、通信用の光ファイバには、１本のファイバでより多くのデータを送受信できるようにすることが求められている。そのために、１本の光ファイバに複数のコアを入れて、各コアで別々の信号を送ることができるマルチコアファイバが検討されている。（例えば非特許文献１，２）

竹永他、2010年電子情報通信学会通信ソサエティ大会、BS-6-6(2010) M.Koshiba, et al., IEICE Electronics Express., 6,98-103(2009)

しかしながら、マルチコアファイバでは、シングルコアファイバと略同じ直径の光ファイバの中に複数のコアが入っているので、隣り合うコアの間の距離が短く、これらのコアにクロストークが生じるという問題があった。クロストークを抑制するためにはコアの間の距離を大きくすればよいのであるが、そうすると光ファイバ自体の径が大きくなってしまって現行の通信用装置や設備に適用できなくなってしまい、新たな通信用装置や設備を製造するコストが膨大になってしまう。一方、ファイバ径を現行と略同じままとする場合は１本の光ファイバに入れられるコアの数を少なくしなくてはならず、短時間での大量データ通信を行うという要望に応えることができない。

クロストークを抑制する別の方法として、隣り合う２つのコアの伝搬定数に差を設けることが研究されている（例えば非特許文献２参照）。けれども１本のファイバに入れられるコアの数が、例えば７本、１９本のように増えていった場合、伝搬定数に差を設けるだけでは十分なクロストークの抑制ができないようになってきている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構造でクロストークを抑制できるマルチコアファイバを提供することにある。

本発明のマルチコアファイバは、クラッドと、該クラッド中に配置され該クラッドよりも屈折率の高い複数のコアとを備え、隣り合う前記コア同士の間には、前記クラッドよりも屈折率の低い低屈折率部が配置されている構成を備えている。

本発明の第１のマルチコアファイバの製造方法は、柱状の石英母材に、柱の長手方向に複数の孔を開ける工程と、石英よりも屈折率の高い高屈折率部を中心軸部分に有する柱状の含コア石英ロッドを前記孔に挿入する工程と、隣り合う前記孔同士の間に位置する、前記孔と前記含コア石英ロッドとの間の隙間に柱状の低屈折率部材を挿入する工程Ｘと、前記工程Ｘの後で、前記石英母材を加熱して延伸してマルチコアファイバを形成する工程とを含んでいる。

本発明の第２のマルチコアファイバの製造方法は、柱状の石英母材に、柱の長手方向に複数の孔を開ける工程と、石英よりも屈折率の高い高屈折率部を中心軸部分に有する柱状の含コア石英ロッドを一部の前記孔に挿入する工程と、隣り合う前記含コア石英ロッドの間に位置する前記孔に柱状の低屈折率部材を挿入する工程Ｘと、前記工程Ｘの後で、前記石英母材を加熱して延伸してマルチコアファイバを形成する工程とを含んでいる。

本発明の第３のマルチコアファイバの製造方法は、円筒形の石英パイプの中空部分に、石英よりも屈折率の高い高屈折率部を中心軸部分に有する複数の柱状の含コア石英ロッドと、隣り合う前記含コア石英ロッドの間に配置される柱状の低屈折率部材と、前記含コア石英ロッドと前記低屈折率部材との間の隙間に配置される石英ロッドとを、中心軸を平行にして詰め込む工程Ｙと、前記工程Ｙの後で、前記石英パイプを加熱して延伸してマルチコアファイバを形成する工程とを含んでいる。

マルチコアファイバにおいて、隣り合うコア間にクラッドよりも低屈折率の低屈折率部を配置しているので、隣り合うコア間のクロストークが防止される。

図１は実施形態１に係るマルチコアファイバの端面を示す図である。 図２は実施形態１に係るマルチコアファイバの屈折率分布を示す図である。 図３は多孔パイプの端面を示す図である。 図４は実施形態１に係るファイバ母材の端面を示す図である。 図５はスタックアンドドロー方式のファイバ母材の作製途中の端面を示す図である。 図６は実施形態２に係るマルチコアファイバの端面を示す図である。 図７は実施形態３に係るマルチコアファイバの端面を示す図である。 図８は別のファイバ母材の端面を示す図である。 図９は他のファイバ母材の端面を示す図である。

本願の実施の形態について説明をする前に、クロストークについて説明を行う。

クロストークとは、１本の通信回線が他の通信回線の信号を受け取って生じる混線のことである。光ファイバでは、光信号はコア内に完全に閉じ込められることなく、クラッドに染み出しており、エバネッセント波と呼ばれる。マルチコアの光ファイバにおいては、１つのコアから染み出しているエバネッセント波が隣のコアに到達すると、摂動によりこの隣のコアに光信号が移行して、この隣のコアにおいて複数の信号が重なってしまう現象が生じるが、この現象がクロストークである。クロストークが発生すると、移行した光信号がノイズとして重畳してしまう。

従来の技術では、隣り合うコアの間の距離を大きくして漏れた光信号がコア間で十分に減衰するようにするか、隣り合う２つのコアの伝搬定数を異なる定数として染み出した光信号が隣のコアに入ってもノイズとはならないようにすることが検討されている。しかし、前者はコアの数が増えれば増えるほど必然的にファイバ径が大きくなり、後者はコア間が短くなるとクロストーク抑制が不十分となる。そこで、本願発明者らは別の方法でのクロストーク抑制を検討し、本願発明を想到するに至った。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

（実施形態１）
実施形態１に係るマルチコアファイバの端面（ファイバ軸に対して垂直な面）を図１に示す。石英からなるクラッド１０の中において、ファイバ中心軸部分にコア２０（中心軸コア）が１本、中心軸の周囲に６本のコア２１，２１，…（周辺コア）が正六角形の配置で置かれている。即ち周辺コア２１，２１，…はファイバ中心軸が６回回転軸である対称の位置に配置されている。

７本のコア２０，２１，２１，…はファイバ中心軸に沿って延びており、それぞれ同じ伝搬定数を有していてそれぞれの光学的特性が実質的に等しく（identical）、従って本実施形態のマルチコアファイバは、非特許文献２でhomogeneous multi-core fiberと呼ばれているものである。コア２０，２１，２１，…は、石英よりも高屈折率にするため石英にＧｅ等がドープされてなっており、それぞれシングルモードファイバとして光信号を伝搬させる。

本実施形態では、隣り合うコア２０，２１，２１，…同士の間に低屈折率部３０ａ，３０ｂが設けられている。低屈折率部３０ａ，３０ｂはフッ素ドープされた石英からなっていてクラッド１０よりも屈折率が低い。低屈折率部３０ａ，３０ｂはクラッド１０よりも低屈折率であるので、コア２０，２１，２１，…から漏れだした光がクラッド１０から低屈折率部３０ａ，３０ｂに到達すると、屈折率差があるためにエバネッセント波は反射されて拡がりが抑制される。このためエバネッセント波は、隣のコアへはほとんど到達しないようになる。従って、本実施形態のマルチコアファイバは簡単な構造であるがコア間のクロストークがほとんど無い。

マルチコアファイバとして、例えば図２に示すように、クラッド１０との比屈折率差が０．３％のコア２０，２１と、クラッド１０との比屈折率差が１％の低屈折率部３０ｂとが設けられ、コア２０，２１の径を９μｍ、低屈折率部３０ｂの径を１．５μｍ、コア２０又はコア２１と低屈折率部３０ｂとに挟まれたクラッド１０部分の幅を５μｍとであるファイバを用意する。このとき、中心軸コア２０の中心から周辺コア２１の中心軸側端部までの距離は１６μｍとなる。中心軸コア２０に波長１．５５μｍの光を入射させた時に光ファイバの径方向の光強度がどのような分布となるかを計算により求めた。低屈折率部３０ｂが存在する場合と存在しない場合の２つの条件で計算すると、周辺コア２１の中心軸側端部における光の強度は低屈折率部３０ｂが存在する場合は存在しない場合に比べて約１／２４００となる。そのため、低屈折率部３０ｂが存在すると周辺コア２１のクロストークは低屈折率部３０ｂが存在しない場合に比べて３桁小さくなる。

図１に示す本実施形態のマルチコアファイバは、中心軸コア２０は低屈折率部３０ｂに取り囲まれているが、隣り合う低屈折率部３０ｂ，３０ｂの間に隙間がある。即ち中心軸コア２０の全周囲が低屈折率部に囲繞されているのではなく、隙間ができている。このような隙間が存しているために、中心軸コア２０の伝搬モードにおいて、高次のモードは低屈折率部で漏洩することとなり、基本モードのみが伝搬可能となって、シングルモードとすることができる。

本実施形態のマルチコアファイバを製造するには様々な方法があるが、例えば、円柱形の石英からなるファイバ母材として、図３に示すように円柱の中心軸に沿って横断面円形の複数の孔３を開けた多孔パイプ２を利用する方法がある。この方法では、多孔パイプ２の孔３に屈折率の高いコア部を中心に備えた円柱形のコア母材を挿入した後、加熱、線引きをして光ファイバを作製する。

本実施形態では、図４に示すように、２種類のコア母材４ａ，４ｂを用いる。多孔パイプ２の中心軸部分の孔３に挿入される中心軸用コア母材４ｂは石英の円柱の中心軸部分にコア部５（高屈折率部）を備えたものである。一方、中心軸の周りに正六角形の配置で６つ開けられた孔３に挿入される周辺用コア母材４ａは、中心軸用コア母材４ｂの一部を切り欠いた形状を有している。即ち周辺用コア母材４ａ円柱側壁の一部を中心軸に平行に２箇所切り欠いており、横断面において円の一部を２つの直線で切り取って２つの直線の一端同士が共通であり、弧が長い扇形の形状となっている。

そして、この２つの直線の一方がこの周辺用コア母材４ａのコア部５と中心軸用コア母材４ｂのコア部５との間に位置し、もう一方の直線が隣の周辺用コア母材４ａとの間に位置するように多孔パイプ２の孔３に周辺用コア母材４ａが挿入される。多孔パイプ２の孔３と直線部分との間の隙間部分には、低屈折率部材としてフッ素ドープ石英からなる低屈折率石英ロッド６が挿入される。こうして図４に示すファイバ母材が出来上がる。

このファイバ母材を加熱して線引きし、本実施形態のマルチコアファイバが出来上がる。低屈折率石英ロッド６が低屈折率部３０ａ，３０ｂとなる。このように簡単な方法でクロストークがほとんど無いマルチコアファイバを作製することができる。

本実施形態の変形例として、低屈折率部３０ａ，３０ｂをフッ素ドープした石英に替えて空孔部としたマルチコアファイバを挙げることができる。即ち、隣り合うコアの間にファイバ軸に沿って延びる空孔を配置したマルチコアファイバであっても、空孔部によってコアから染み出した光を大きく減衰させることができ、クロストークを抑制できる。空孔は１つでもよいし、複数でもよい。この変形例のマルチコアファイバを製造するには、上述の製造プロセスにおいて、低屈折率部材として、低屈折率石英ロッドの替わりに中空の石英キャピラリを用いればよい。この石英キャピラリは両端を封止して用いる。両端を封止して中空部分を外部空間とは絶縁した状態とすることにより、線引き時にファイバ母材に空気が残らないように空気を抜き出すことが行われても、中空部分が潰れることなくマルチコアファイバに残って空孔部となる。

なお、上述のマルチコアファイバを作製するのに、円筒形の石英パイプの中に円柱形のコア母材と石英ロッドと低屈折率石英ロッドとを詰め込む、単孔パイプ使用のスタックアンドドロー方式で行ってもよい。図５に示すように、円筒形の石英パイプ１０１の中空部分に、石英よりも屈折率の高い高屈折率部１０５を中心軸部分に有する複数の柱状の石英からなるコア母材１０４と、隣り合うコア母材１０４同士の間に配置された石英よりも屈折率の低い柱状の低屈折率ロッド１０６と、石英パイプ１０１の中空部分の隙間を埋める石英ロッド１１０とを、中心軸を平行にして詰め込み、それから、石英パイプ１０１を加熱し延伸してマルチコアファイバを形成する。図５では石英パイプ１０１の中空部分に隙間があるが、この隙間に石英ロッド１１０をさらに詰め込んでから線引きを行う。また、図５では複数の低屈折率ロッド１０６を１本のコア母材１０４の周囲に配置しているが、隣り合うコア母材１０４，１０４の高屈折率部１０５間に１本だけ低屈折率ロッド１０６を配置し、他の部分は石英ロッド１１０としてもよい。

スタックアンドドロー方式の場合も、低屈折率ロッド１０６の替わりに両端が封止された石英キャピラリを用いてもよい。

低屈折率部３０ａ，３０ｂはクラッド１０よりも低屈折率であるのでクロストークを防止できるのであるが、例えばボロンドープ石英のように屈折率は石英よりも低くてもファイバ内において周囲に応力を付与してしまう部材は、その応力によって各コアの光伝送特性が変わってしまう。従って本願では、クラッドよりも低屈折率であっても応力付与して光伝送特性を大きく変化させる部材は、低屈折率部として用いないことが好ましい。

また、低屈折率部３０ａ，３０ｂもファイバ中心軸が６回回転軸である対称の位置に配置されている。そして、図４，５に示すように、ファイバ母材における低屈折率部材もファイバ中心軸が６回回転軸である対称の位置に配置されている。低屈折率部３０ａ，３０ｂの具体な形状は、隣合うコア同士を結ぶ線に垂直な板状である。

（実施形態２）
実施形態２に係る光ファイバは、図６に示す４本のコア２２，２２，…を有するマルチコアファイバである。４つのコア２２，２２，…は矩形の各頂点の位置に配置されていて、隣のコア２２，２２同士の間にクラッド１０よりも低屈折率である低屈折率部３１が設けられている。互いに矩形の対角線上にあるコア２２，２２同士の間にも低屈折率部３１を設けているが、これらのコア２２，２２間に十分に距離があって低屈折率部３１がなくてもコア２２から染み出す光が大きく減衰してクロストークがほとんど無ければ、低屈折率部３１をこれらのコア２２，２２間に設けなくてもよい。低屈折率部３１の具体な形状は、隣合うコア同士を結ぶ線に垂直な板状である。

本実施形態のマルチコアファイバは実施形態１と同様の方法で作製することができる。本実施形態のマルチコアファイバは実施形態１と同じ効果を奏する。

（実施形態３）
実施形態３に係る光ファイバは、図７に示す１９本のコア２３，２３，…を有するマルチコアファイバである。１９本のコア２３，２３，…は全体で正六角形の形状となっており、実施形態１の図１に示すマルチコアファイバの７本のコアの外側に六角形に１２本のコア２３，２３，…が配置された形状である。ファイバ中心軸に配置されたコア以外のコア２３，２３，…はファイバ中心軸が６回回転軸である対称の位置に配置されている。そして、隣のコア２３，２３同士の間にクラッド１０よりも低屈折率である低屈折率部３３が設けられている。低屈折率部３３もファイバ中心軸が６回回転軸である対称の位置に配置されていて、中央の７つのコア２３，２３，…の周囲を正六角形に囲んでおり、さらに最外周の１２本のコア２３，２３，…の隣り合うコア２３，２３間に配置されている。低屈折率部３３の具体な形状は、隣合うコア同士を結ぶ線に垂直な板状である。

本実施形態のマルチコアファイバは実施形態１と同様の方法で作製することができる。本実施形態のマルチコアファイバは実施形態１と同じ効果を奏する。

（その他の実施形態）
上記の実施形態は本発明の例示であって、本発明はこれらの例に限定されない。ファイバ内のコアの数は４，７，１９に限定されず、これ以外の複数の数であってもよい。

マルチコアファイバの製造方法として、図８に示すように、多孔パイプ２に開けられた複数の孔３，３，…に、コア部５を中心軸部分に備えたコア母材６，６，…を挿入し、コア母材６と孔３との間の隙間に複数の埋込用ロッド８を挿入してファイバ母材としてもよい。この場合、埋込用ロッド８はコア母材６よりも小径であって、コア母材６の周囲を取り囲むように配置されている。そして、隣り合う２つのコア母材６，６のコア部５，５同士の間に存している埋込用ロッド８を低屈折率部材である低屈折率ロッドあるいはキャピラリとする。隣り合うコア部５，５の間以外に置かれた埋込用ロッド８は石英からなるロッドにしてよい。

上記の場合、隣り合う２つのコア母材６，６の双方の周囲に埋込用ロッド８が配置されているが、一方のコア母材６を取りまいている埋込用ロッド８だけを低屈折率部材とすればよい。低屈折率部材とすべき埋込用ロッド８の配置は、図４に示す低屈折率石英ロッド６と同様の位置の配置とすればよい。この場合は、低屈折率部材である埋込用ロッド８は、ファイバ母材の中心軸が６回回転軸である対称の位置に配置されていることとなる。なお、ファイバ母材の中心軸部分の孔３に挿入された埋込用ロッド８の一部も低屈折率部材とする場合は、低屈折率部材である埋込用ロッド８をファイバ母材の中心軸が６回回転軸である対称の位置に配置することも可能であるし、ファイバ母材の中心軸が３回回転軸である対称の位置に配置することもできる。

なお、コア部材６の周囲の埋込用ロッド８を全て低屈折率部材とすると、ファイバ曲げに対する光損失が少ない光ファイバとなる。

低屈折率部は、図９に示すように石英のファイバ母材にコア母材６用の孔３と、隣り合うコア母材６同士の間に孔３ａを開けた多孔パイプ２ａを用意し、そこに低屈折率石英ロッド７や石英キャピラリを差し込むことによって作製してもよい。

複数のコアを全て同じ伝搬特性とする必要はない。また、一つのファイバに配置する低屈折率部もすべて同じ構成とする必要はなく、例えば一つのファイバの中にフッ素ドープされた部分と空孔とを混在させても構わない。

以上説明したように、本発明に係るマルチコアファイバは、クロストークがほとんどなく、データ送受信用の光ファイバ等として有用である。

２，２ａ 多孔パイプ
３ 孔
３ａ 孔
４ａ 周辺用コア母材
４ｂ 中心軸用コア母材
５ コア部（高屈折率部）
６ コア母材
７ 低屈折率石英ロッド
８ 埋込用ロッド
１０ クラッド
２０ 中心軸コア
２１ 周辺コア
２２ コア
２３ コア
３０ａ 低屈折率部
３０ｂ 低屈折率部
３１ 低屈折率部
３３ 低屈折率部
１０１ 石英パイプ
１０４ コア母材
１０５ 高屈折率部（コア部）
１０６ 低屈折率ロッド
１１０ 石英ロッド

Claims (9)

1. クラッドと、該クラッド中に配置され該クラッドよりも屈折率の高い複数のコアとを備え、
   隣り合う前記コア同士の間には、前記クラッドよりも屈折率の低い低屈折率部が配置されている、マルチコアファイバ。
2. 前記クラッドは石英を主成分とし、
   前記低屈折率部は、フッ素を含有した石英又は前記コアに沿って延びる空孔からなっている、請求項１に記載されているマルチコアファイバ。
3. 前記コアは、ファイバの中心軸と、該中心軸が６回回転軸である対称の位置に配置されている、請求項２に記載されているマルチコアファイバ。
4. ファイバの中心軸に配置されている前記コアとそれ以外の前記コアとの間に設けられた前記低屈折率部は、ファイバの中心軸に配置されている前記コアよりも、それ以外の前記コアに近い位置に設けられている、請求項３に記載されているマルチコアファイバ。
5. 柱状の石英母材に、柱の長手方向に複数の孔を開ける工程と、
   純粋石英よりも屈折率の高い高屈折率部を中心軸部分に有する柱状の含コア石英ロッドを前記孔に挿入する工程と、
   隣り合う前記孔同士の間に位置する、前記孔と前記含コア石英ロッドとの間の隙間に柱状の低屈折率部材を挿入する工程Ｘと、
   前記工程Ｘの後で、前記石英母材を加熱して延伸してマルチコアファイバを形成する工程と
   を含む、マルチコアファイバの製造方法。
6. 柱状の石英母材に、柱の長手方向に複数の孔を開ける工程と、
   純粋石英よりも屈折率の高い高屈折率部を中心軸部分に有する柱状の含コア石英ロッドを一部の前記孔に挿入する工程と、
   隣り合う前記含コア石英ロッドの間に位置する前記孔に柱状の低屈折率部材を挿入する工程Ｘと、
   前記工程Ｘの後で、前記石英母材を加熱して延伸してマルチコアファイバを形成する工程と
   を含む、マルチコアファイバの製造方法。
7. 円筒形の石英パイプの中空部分に、石英よりも屈折率の高い高屈折率部を中心軸部分に有する複数の柱状の含コア石英ロッドと、隣り合う前記含コア石英ロッドの間に配置される柱状の低屈折率部材と、前記含コア石英ロッドと前記低屈折率部材との間の隙間に配置される石英ロッドとを、中心軸を平行にして詰め込む工程Ｙと、
   前記工程Ｙの後で、前記石英パイプを加熱して延伸してマルチコアファイバを形成する工程と
   を含む、マルチコアファイバの製造方法。
8. 前記低屈折率部材は、石英よりも屈折率の低い低屈折率ロッドまたは両端が封止された石英キャピラリである、請求項５から７のいずれか一つに記載されているマルチコアファイバの製造方法。
9. 前記低屈折率ロッドはフッ素含有石英からなる、請求項８に記載されているマルチコアファイバの製造方法。

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