JP2023003952A

JP2023003952A - 光ファイバ接続構造

Info

Publication number: JP2023003952A
Application number: JP2021105356A
Authority: JP
Inventors: 和則武笠; Kazunori Mukasa
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2023-01-17
Anticipated expiration: 2041-06-25
Also published as: JP7640382B2

Abstract

【課題】空孔コア型光ファイバの接続損失が低減された光ファイバ接続構造を提供する。【解決手段】光ファイバ接続構造１００は、長手方向に垂直な断面において略多角形状の空孔コア１１ａを有し、所定波長での有効コア断面積が８０μｍ２よりも大きい空孔コア型光ファイバ１０と、空孔コア型光ファイバに接続された、所定波長での有効コア断面積が８０μｍ２よりも大きいソリッド型光ファイバ２０と、を備え、空孔コア型光ファイバと接続される部分におけるソリッド型光ファイバのソリッドコア２１は、長手方向に垂直な断面において、空孔コアの形状に応じた略多角形状を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ接続構造に関する。

空孔コア型光ファイバは、光を伝搬するコアが、ガラス等の存在しない空孔となっている光ファイバである。空孔コア型光ファイバは、超低非線形や超低遅延など、従来のソリッド型のシリカ系光ファイバでは実現困難な新たな特性を有するファイバとして非常に注目されている。ここで、ソリッド型光ファイバとは、光を伝搬するコアが、ガラス等の固体の媒質からなる光ファイバである。

空孔コア型光ファイバの実用化に向けての課題の１つは、高次モードの制御にあったが、特許文献１や非特許文献１に開示される様な様々な検討が進み、実用化に向けての検討が加速している。一方で、空孔コア型光ファイバの実用化に向けてのもう一つの大きな課題が端末処理、および他の光ファイバとの接続機構である。端末処理や接続機構についても、特許文献２や非特許文献２などに開示されるように様々な検討が進んでいるが、従来のソリッド型光ファイバと比べると、接続損失やハンドリングなどの観点から課題がある。

国際公開第２０１３／１５２２４３号特許第３８７０７１３号公報

J. M. Fini, "Aircore microstructured fibers with suppressed higher-order modes" Opt. Express 14, pp11354-11361, (2006). . W. Nicholson et al., "Low-loss low return-loss coupling between SMF and single-mode, hollow-core fibers using connectors", CLEO Applications and Technology, paper JTu4A, (2014).

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、空孔コア型光ファイバの接続損失が低減された光ファイバ接続構造を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様は、長手方向に垂直な断面において略多角形状の空孔コアを有し、所定波長での有効コア断面積が８０μｍ^２よりも大きい空孔コア型光ファイバと、前記空孔コア型光ファイバに接続された、前記所定波長での有効コア断面積が８０μｍ^２よりも大きいソリッド型光ファイバと、を備え、前記空孔コア型光ファイバと接続される部分における前記ソリッド型光ファイバのソリッドコアは、長手方向に垂直な断面において、前記空孔コアの形状に応じた略多角形状を有する光ファイバ接続構造である。

前記空孔コアおよび前記ソリッドコアは、略六角形状であるものでもよい。

前記空孔コア型光ファイバと前記ソリッド型光ファイバとが物理的に接続されているものでもよい。

前記空孔コア型光ファイバと前記ソリッド型光ファイバとが融着接続をされているものでもよい。

前記ソリッド型光ファイバは前記所定波長にてシングルモード光ファイバであるものでもよい。

前記空孔コア型光ファイバは前記所定波長にて実効的なシングルモード光ファイバであるものでもよい。

前記空孔コア型光ファイバは前記空孔コアの高次伝搬モードと光学的にカップリングするレゾナントカップル機構を有するものでもよい。

前記空孔コア型光ファイバはフォトニックバンドギャップファイバであるものでもよい。

前記空孔コア型光ファイバは１９－ｃｅｌｌ型のフォトニックバンドギャップファイバであるものでもよい。

前記ソリッド型光ファイバの、前記空孔コア型光ファイバと接続された側とは反対側に接続された、前記ソリッド型光ファイバよりも有効コア断面積が小さい通常シングルモード光ファイバを備えるものでもよい。

前記ソリッド型光ファイバと前記通常シングルモード光ファイバとが融着接続をされているものでもよい。

前記融着接続は熱拡散型融着接続であるものでもよい。

本発明によれは、空孔コア型光ファイバの接続損失が低減された光ファイバ接続構造を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る光ファイバ接続構造の長手方向に沿った面における模式的な断面図である。図２は、図１に示すフォトニックバンドギャップファイバの長手方向に垂直な面における模式的な断面図である。図３は、図１に示すＡｅｆｆ拡大型光ファイバの長手方向に垂直な面における模式的な断面図である。図４は、図１に示す通常シングルモード光ファイバの長手方向に垂直な面における模式的な断面図である。図５は、フォトニックバンドギャップファイバのフィールド分布の一例を示す図である。図６は、実施例における空孔コア型光ファイバとソリッド型光ファイバとの接続損失を示す図である。図７は、実施例におけるソリッド型光ファイバと通常シングルモード光ファイバとの接続損失を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。また、本明細書においては、カットオフ波長または実効カットオフ波長とは、国際通信連合（ＩＴＵ）のＩＴＵ－ＴＧ．６５０．１で定義するケーブルカットオフ波長（λｃｃ）をいう。また、その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＧ．６５０．１およびＧ．６５０．２における定義、測定方法に従うものとする。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る光ファイバ接続構造の長手方向に沿った面における模式的な断面図である。光ファイバ接続構造１００は、フォトニックバンドギャップファイバ１０と、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０と、通常シングルモード光ファイバ３０と、接続部材４０と、を備えている。フォトニックバンドギャップファイバ１０は空孔コア型光ファイバの一例であり、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０はソリッド型光ファイバの一例である。

図２は、フォトニックバンドギャップファイバ１０の長手方向に垂直な面における模式的な断面図である。図３は、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０の長手方向に垂直な面における模式的な断面図である。図４は、通常シングルモード光ファイバ３０の長手方向に垂直な面における模式的な断面図である。

フォトニックバンドギャップファイバ１０は、空孔コアである主コア１１ａと、主コア１１ａを挟む位置に配置された空孔コアであるサイドコア１１ｂ、１１ｃと、主コア１１ａおよびサイドコア１１ｂ、１１ｃの外周に形成され、規則的に配列された空孔１２ａを有するクラッド１２とを備える。クラッド１２はたとえば石英系のガラスからなるものであり、特に屈折率調整用のドーパントを含まない純石英ガラスからなるものが好ましい。

主コア１１ａおよびサイドコア１１ｂ、１１ｃは、長手方向に垂直な断面において略多角形状、具体的には略六角形状の空孔コアである。ここで、略多角形状とは、辺や角が丸みを帯びている多角形状も含むものを意味する。

フォトニックバンドギャップファイバ１０は、所定波長でフォトニックバンドギャップを形成するためのフォトニック結晶を形成するように空孔１２ａを三角格子状に配置し、かつ、その三角格子の中央部の１個の空孔１２ａおよびその周囲の１８個の空孔１２ａが配置されるべき略六角形状の領域を、結晶欠陥としての主コア１１ａとなる空孔に置き換えた基本構造を有する。所定波長はたとえば１５５０ｎｍである。フォトニックバンドギャップファイバ１０は、上記基本構造によって、主コア１１ａに光を強く閉じ込めて伝送するものである。なお、このような１９個の空孔の領域を空孔コアに置き換えた構造のものは１９－ｃｅｌｌ型のコアと呼ばれることがある。

さらに、フォトニックバンドギャップファイバ１０では、空孔１２ａのうち７個の空孔１２ａが配置されるべき略六角形状の２つの領域を、結晶欠陥としてのサイドコア１１ｂ、１１ｃとなる空孔に置き換えている。サイドコア１１ｂ、１１ｃは、７－ｃｅｌｌ型のコアである。サイドコア１１ｂ、１１ｃは、主コア１１ａにおける所定波長の高次伝搬モードと光学的にカップリングするように構成されている。これにより、主コア１１ａにおいて高次伝搬モードで伝搬する光は、サイドコア１１ｂ、１１ｃに乗り移って伝搬しながら漏洩する。その結果、主コア１１ａは所定波長において基底モードのみを低損失で伝搬するので、フォトニックバンドギャップファイバ１０は実質的にシングルモード光ファイバである。その結果、主コア１１ａを伝搬する所定波長の光のフィールド分布は径方向においてガウシアン形状である。また、サイドコア１１ｂ、１１ｃはレゾナントカップル機構の一例である。

フォトニックバンドギャップファイバ１０の主コア１１ａにおける所定波長での有効コア断面積（Ａｅｆｆ）は、８０μｍ^２より大きいことが好ましく、１００μｍ^２より大きいことがより好ましい。８０μｍ^２とは、たとえばＩＴＵ－ＴＧ．６５２の規定に準拠する通常シングルモード光ファイバの有効コア断面積の典型的な大きさである。フォトニックバンドギャップファイバ１０では、有効コア断面積が大きい方が、コア界面での光強度を減らすことが可能であり、伝送損失を低減しやすいので好ましい。

図５は、フォトニックバンドギャップファイバのフィールド分布の一例を示す図である。ただし、図５は７－ｃｅｌｌ型の空孔コアの例である。図５に示すように、この種のフォトニックバンドギャップファイバのフィールド分布は、空孔コアの形状に応じた略六角形状である。また、図５のフォトニックバンドギャップファイバはシングルモード光ファイバとなっているため、フィールドの径方向での分布はガウシアン形状である。

Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０は、端面２３にてフォトニックバンドギャップファイバ１０に接続されている。Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０とフォトニックバンドギャップファイバ１０とは、熱で溶かす工程を行わずに物理的に接続されており、フィジカルコンタクトの状態にある。Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０の端面２３には反射防止膜が形成されていてもよい。反射防止膜は、反射損失が－３０ｄＢ以下になるように設けることが好ましい。

Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０とフォトニックバンドギャップファイバ１０とは接続部材４０にて互いに固定されている。接続部材４０はたとえば紫外線硬化樹脂やゾルゲル法により形成されたガラスなどからなり、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０とフォトニックバンドギャップファイバ１０との繋ぎ目を跨るように設けられている。なお、接続部材４０は熱収縮チューブでもよい。

Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０は、石英系ガラスからなり、コア２１と、コア２１の外周を取り囲むクラッド２２とを備える。コア２１は、長手方向においてコア径が略一定の定径部２１ａと、定径部２１ａに接続し、定径部２１ａから端面２４に向かって徐々に拡径する拡径部２１ｂとを有している。なお、図３に示すコア２１の断面は、定径部２１ａの断面である。図３に示すように、定径部２１ａの断面は略六角形状を有する。コア２１はソリッドコアの一例である。

Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０の定径部２１ａにおける所定波長での有効コア断面積は、８０μｍ^２より大きいことが好ましく、１００μｍ^２より大きいことがより好ましい。Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０の有効コア断面積が大きければ、フォトニックバンドギャップファイバ１０との接続損失を低減する上で好ましい。

通常シングルモード光ファイバ３０は、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０の端面２４に接続されている。通常シングルモード光ファイバ３０は、石英系ガラスからなり、コア３１と、コア３１の外周を取り囲むクラッド３２とを備える。コア３１は、長手方向においてコア径が略一定の定径部３１ａと、定径部３１ａに接続し、定径部３１ａからＡｅｆｆ拡大型光ファイバ２０の端面２４に向かって徐々に拡径する拡径部３１ｂとを有している。なお、図４に示すコア３１の断面は、定径部３１ａの断面である。図４に示すように、定径部３１ａの断面は略円形状を有する。

通常シングルモード光ファイバ３０は、たとえばＩＴＵ－ＴＧ．６５２の規定に準拠するソリッド型の光ファイバである。通常シングルモード光ファイバ３０の有効コア断面積は、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０の有効コア断面積よりも小さく、たとえば８０μｍ^２である。通常シングルモード光ファイバ３０は、通信用の光ファイバとして広く用いられているため、取り扱い性が良く、かつ他の機器や伝送ケーブルなどに用いられている光ファイバとの接続性がよい。

ここで、フォトニックバンドギャップファイバ１０と接続される部分におけるＡｅｆｆ拡大型光ファイバ２０のコア２１（定径部２１ａ）は、長手方向に垂直な断面において、フォトニックバンドギャップファイバ１０の主コア１１ａの形状に応じた略多角形状であり、具体的には略六角形状を有する。その結果、フォトニックバンドギャップファイバ１０の光のフィールドとＡｅｆｆ拡大型光ファイバ２０の光のフィールドとが整合性が高くなるので、接続損失が低減される。

たとえば、非特許文献２の技術では、コアの断面が円形であり有効コア断面積が１６５μｍ^２のソリッド型光ファイバと、コアの断面が略六角形状であり有効コア断面積が２００μｍ^２のフォトニックバンドギャップファイバとをＦＣ／ＰＣコネクタでコネクタ接続した場合の接続損失は０．３ｄＢ程度であり、物理的接続をした場合には０．２５ｄＢであった。これに対して、本実施形態に係る光ファイバ接続構造１００では、接続損失として後述するように０．０５ｄＢ程度以下とでき、大幅に低減された接続損失を実現できる。

なお、好ましい低接続損失を実現するためには、フォトニックバンドギャップファイバ１０の有効コア断面積とＡｅｆｆ拡大型光ファイバ２０の定径部２１ａでの有効コア断面積との差は２０％程度以内であることが好ましい。

また、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０と通常シングルモード光ファイバ３０とは、融着接続をされている。具体的には、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０と通常シングルモード光ファイバ３０とは、熱拡散型融着接続をされている。Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０の拡径部２１ｂと、通常シングルモード光ファイバ３０の拡径部３１ｂとは、熱拡散型融着接続の過程で定径部２１ａまたは３１ａが拡径して形成された部分である。このように、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０と通常シングルモード光ファイバ３０とが熱拡散型融着接続をされている結果、両者の有効コア断面積が近づくとともに、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０の端面２４における拡径部２１ｂの断面形状は円形に近くなるので、接続損失が低減され、具体的な例としては、後述するように０．０５ｄＢ程度以下となる。

以上説明したように、本実施形態に係る光ファイバ接続構造１００は、接続損失が低減されており、かつ取り扱い性が良い。

（実験例）
従来公知の方法を用いて実施形態と同様の構造のフォトニックバンドギャップファイバを作製した。なお、作製したフォトニックバンドギャップファイバは、波長１５５０ｎｍにおける有効コア断面積が約２００μｍ^２であり、シングルモード伝搬特性を有していた。

また、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバについては、以下のように作製した。まず、ＶＡＤ（Vapor-phase Axial Deposition）法を用いてゲルマニアを含むコア母材を作製し、このコア母材を六角柱状に加工した。つづいて、加工したコア母材の外周にクラッドとなるシリカガラスをＶＡＤ法を用いて形成して光ファイバ母材を形成した。つづいて、光ファイバ母材から線引きをしてＡｅｆｆ拡大型光ファイバを作製した。作製したＡｅｆｆ拡大型光ファイバはステップ型の屈折率プロファイルを有し、コアのクラッドに対する比屈折率差は０．１６％であり、長手方向に垂直な断面における略六角形状のコアの対角の長さは１５．５μｍであり、有効コア断面積は１９８μｍ^２であり、カットオフ波長は１４７８ｎｍであった。すなわちＡｅｆｆ拡大型光ファイバは波長１５５０ｎｍでシングルモード光ファイバであった。

つぎに、端面に反射防止膜を形成したＡｅｆｆ拡大型光ファイバを、治具によってフォトニックバンドギャップファイバと物理的に接続した後、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバとフォトニックバンドギャップファイバとに跨るように紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線硬化させて固定した。これにより、接続部において反射損失は－３０ｄＢ以下となった。

このような物理的な接続および固定を行った際の接続損失の測定を１０回行う実験をしたところ、図６に示す結果が得られた。図６によれば、接続損失の１０回の平均値は０．０４８ｄＢと極めて低い値であった。また、多くの場合で０．０５ｄＢの接続損失が得られた。

つぎに、作製したＡｅｆｆ拡大型光ファイバと、ＩＴＵ－ＴＧ．６５２の規格に準拠する通常シングルモード光ファイバとの熱拡散型融着接続を行い、接続損失の測定を１０回行う実験をしたところ、図７に示す結果が得られた。図７によれば、接続損失の１０回の平均値は０．０４１ｄＢと極めて低い値であった。また、多くの場合で０．０５ｄＢ以下の接続損失が得られた。

以上の結果から、実施形態に係る光ファイバ接続構造１００において、トータルの接続損としては０．１ｄＢ以下の接続損失を実現できることが確認された。

なお、上記実施形態では、空孔コア型光ファイバはフォトニックバンドギャップファイバ１０であるが、Bragg型やアンチレゾナント型の空孔コア型光ファイバでもよい。

また、上記実施形態では、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０とフォトニックバンドギャップファイバ１０とは物理的に接続されているが、融着接続してもよい。ただし、融着接続の場合は、融着接続条件の最適化等によって、フォトニックバンドギャップファイバ１０の空孔構造の構造乱れが起きないように最適化をすることが望ましい。空孔構造の構造乱れが起きると、接続損失が増加する場合があるからである。

また、上記実施形態において、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０とフォトニックバンドギャップファイバ１０とが接続される端面を斜め端面とし、反射損失を低減してもよい。

また、上記実施形態では、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０のコア２１とフォトニックバンドギャップファイバ１０の主コア１１ａとがいずれも略六角形状であるが、四角形状や八角形状などの他の多角形状であってもよい。

また、上記実施形態において、Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ２０とフォトニックバンドギャップファイバ１０との接続部にフェルールやコネクタを設けてもよい。

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１０：フォトニックバンドギャップファイバ
１１ａ：主コア
１１ｂ、１１ｃ：サイドコア
１２、２２、３２：クラッド
１２ａ：空孔
２０：Ａｅｆｆ拡大型光ファイバ
２１、３１：コア
２１ａ、３１ａ：定径部
２１ｂ、３１ｂ：拡径部
２３、２４：端面
３０：通常シングルモード光ファイバ
４０：接続部材
１００：光ファイバ接続構造

Claims

長手方向に垂直な断面において略多角形状の空孔コアを有し、所定波長での有効コア断面積が８０μｍ^２よりも大きい空孔コア型光ファイバと、
前記空孔コア型光ファイバに接続された、前記所定波長での有効コア断面積が８０μｍ^２よりも大きいソリッド型光ファイバと、
を備え、
前記空孔コア型光ファイバと接続される部分における前記ソリッド型光ファイバのソリッドコアは、長手方向に垂直な断面において、前記空孔コアの形状に応じた略多角形状を有する
光ファイバ接続構造。
前記空孔コアおよび前記ソリッドコアは、略六角形状である
請求項１に記載の光ファイバ接続構造。
前記空孔コア型光ファイバと前記ソリッド型光ファイバとが物理的に接続されている
請求項１または２に記載の光ファイバ接続構造。
前記空孔コア型光ファイバと前記ソリッド型光ファイバとが融着接続をされている
請求項１または２に記載の光ファイバ接続構造。
前記ソリッド型光ファイバは前記所定波長にてシングルモード光ファイバである
請求項１～４のいずれか一つに記載の光ファイバ接続構造。
前記空孔コア型光ファイバは前記所定波長にて実効的なシングルモード光ファイバである
請求項１～５のいずれか一つに記載の光ファイバ接続構造。
前記空孔コア型光ファイバは前記空孔コアの高次伝搬モードと光学的にカップリングするレゾナントカップル機構を有する
請求項６に記載の光ファイバ接続構造。
前記空孔コア型光ファイバはフォトニックバンドギャップファイバである
請求項１～７のいずれか一つに記載の光ファイバ接続構造。
前記空孔コア型光ファイバは１９－ｃｅｌｌ型のフォトニックバンドギャップファイバである
請求項８に記載の光ファイバ接続構造。
前記ソリッド型光ファイバの、前記空孔コア型光ファイバと接続された側とは反対側に接続された、前記ソリッド型光ファイバよりも有効コア断面積が小さい通常シングルモード光ファイバを備える
請求項１～９のいずれか一つに記載の光ファイバ接続構造。
前記ソリッド型光ファイバと前記通常シングルモード光ファイバとが融着接続をされている
請求項１０に記載の光ファイバ接続構造。
前記融着接続は熱拡散型融着接続である
請求項１１に記載の光ファイバ接続構造。