JP3814220B2 - フォトニッククリスタル光ファイバ - Google Patents
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- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
- Surface Treatment Of Glass Fibres Or Filaments (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニッククリスタル光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光ファイバは、コアと、コアを覆うと共にコアより屈折率の低いクラッドとの２層構造を有している。これらコア及びクラッドの素材は石英がベースであり、コアはクラッドよりも屈折率を高くするためゲルマニウム等の添加物を石英に添加した組成になっている。
【０００３】
この種の光ファイバにおいては、光ファイバのコアの屈折率がクラッドの屈折率よりも高いので、この屈折率差によって光ファイバに入射した光はコア内に閉じ込められて光ファイバ中を伝搬することができる。光が光ファイバ内を伝搬するとき、伝搬する光の単一モード条件を満足するためには、コアの直径を５μｍ〜１０μｍ程度にする必要がある。
【０００４】
ところが、近年、光増幅技術や波長多重（ＷＤＭ）技術の発展により光ファイバへ入射させる光のパワーが大きくなっており、種々の非線形効果現象が生じやすくなっている。例えば、非線形効果現象の１つである自己位相変調現象が生じると、光ファイバ中を伝搬するパルス信号波形が歪み伝送容量が制限されてしまう。また、同じ非線形現象の１つであるブリルアン散乱現象も生じやすくなる。このブリルアン散乱現象が生じると、光ファイバの入射パワーが飽和する。
【０００５】
このような非線形効果現象が生じると、光ファイバ中を伝搬する伝送特性の劣化を招いてしまう。また、現状の光ファイバの伝送損失は最良のものでも０．１６ｄＢ／ｋｍ程度であり、その主な要因は光が伝搬するコア及びクラッドのコア近傍の組成密度揺らぎによるレーリー散乱損失であるが、大陸間長距離伝送等に用いられる光ファイバには、より一層の低損失化が望まれている。
【０００６】
ところで、上述した光ファイバの問題点を解決した光ファイバとして、フォトニッククリスタル光ファイバ（ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ）があり、注目を集めている。このＰＣＦとは、フォトニック結晶構造がクラッドに形成された光ファイバである。フォトニック結晶構造とは、屈折率の周期構造のことであり、具体的には蜂の巣のようなハニカム構造の空間をクラッドに形成したものである。このようなハニカム構造とすることで光の禁制帯であるフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ）が発生する。例えば、Ｋｎｉｇｈｔ氏らはＳｃｉｅｎｃｅ２８２，１４７６，（１９９８）においてＰＣＧを導波原理とするＰＢＦ構造を報告している。
【０００７】
また、Ｃｒｅｇａｎ氏らはＳｃｉｅｎｃｅ２８５，１５７３，（１９９９）においてＰＣＧ構造を導波原理とする中空コアのＰＣＦの報告を行っている。中空コアのＰＣＦは光が伝搬するコアに石英媒質が無いため、損失の主要因となるレーリー散乱が非常に小さくなる超低損失光ファイバの可能性を示すものである。
【０００８】
さらに、特許第３０７２８４２号公報において、中空コアのＰＣＦについて開示されており、０．０１ｄＢ／ｋｍ程度の低損失が期待できると記載されている。
【０００９】
しかしながら、これらのＰＣＦにおいて光を伝搬させるためには、精密なＰＢＧ構造を構成する必要があるので、わずかな構造的な揺らぎがあると、光の伝搬条件を維持できなくなり、いわゆる構造不正損失を発生させる。
【００１０】
最近、完全なＰＢＧ構造を有する光ファイバではないが、従来のガラス組成の違いによる比屈折率差を有する光ファイバのクラッドのコア近傍に気孔を形成してクラッドの実効的な屈折率を低下させて、コア／クラッド間の比屈折率差を拡大することで、従来得られなかった特性を有する光ファイバが報告されている。例えば長谷川氏らはＯＦＣ２００１ＰＤ−１において、通常のシングルモード光ファイバの構造を有する光ファイバのクラッドのコア近傍に４つの空孔を形成した空孔付加型ホーリー光ファイバであり、コア／クラッド間の実効的な比屈折率差を拡大することで波長０．８μｍ帯にゼロ分散とシングルモード動作を有する光ファイバを実現した報告を行っている。
【００１１】
このように、フォトニッククリスタル光ファイバは、従来の光ファイバに比べて実効的な屈折率を大きくすることができるので、様々な可能性を有するが、曲げ損失を小さくできる、換言すれば小さい曲げ半径でも損失増加を抑制できることもひとつの特長である。
【００１２】
発明者らは、コア近傍に４つの気孔を形成したフォトニッククリスタル光ファイバを試作し、直径１５ｍｍのマンドレルに１ｍ巻き付けたときの損失が０．０１ｄＢという非常に良好な結果を得ている。
【００１３】
ここで、ＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ）はブロードバンドの究極形態と考えられており、普及が進みつつある。既存住宅等での宅内で光ファイバを布設する場合も増加してくるが、光ファイバは銅線と異なり曲げ径に制限があることから、銅線の布設に比べて布設が困難であったり、曲げを制限する特殊な部品を用いなければならない等の使用上の問題がある。このような場合、前述のフォトニッククリスタル光ファイバを用いれば、伝送損失の劣化が無く、曲げ半径を小さくすることができ、特殊な部品が不要で布設が容易になると考えられる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の石英系光ファイバでは、曲げ径を小さくすると、曲線部の外側にあたるガラス表面に引っ張り歪みが生じる。このため、長期間放置すると、静疲労破壊を起こすことが知られている。一般に、２５年程度の使用を考えると、曲げ半径を３０ｍｍ以上に維持する必要がある。この場合、石英系光ファイバのガラス径がΦ１２５μｍであるから、歪みは０．００２以下になる。
【００１５】
フォトニッククリスタル光ファイバも石英からなるので、曲げによる伝送損失の劣化は抑えられるものの、静疲労の問題が残ってしまうという問題があった。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、伝送損失、強度、信頼性の面で曲げに強く、かつ従来の光ファイバ用の接続部品に使用できるフォトニッククリスタル光ファイバを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、コアとクラッドとの間の実効的な比屈折率差を拡大するため上記クラッドに多数の空孔を有するフォトニッククリスタル光ファイバにおいて、上記コア及び上記クラッドのみが石英からなり、該石英からなる部分の外径を１２５μｍよりも小さくし、上記クラッドの外周に３層の樹脂被覆層を形成し、第２、第３被覆層のヤング率をそれぞれ１ＭＰａ、８００ＭＰａとし、最内層である第１被覆層のヤング率を、第２、第３被覆層のヤング率より十分大きいものとし、第３被覆層の外径が１２５μｍであることを特徴とするフォトニッククリスタル光ファイバである。
【００１９】
本発明によれば、コア及びクラッドに石英を用い、クラッドの外径を標準光ファイバの外径（１２５μｍ）よりも小さくすることにより、曲げによる引っ張り歪みを低減することができる。例えば、クラッドの外径を６０μｍにすることにより、曲げ半径を１５ｍｍと小さくしても、引っ張り歪みは０．００２となり、従来、すなわち標準の光ファイバと同等の歪みに抑えることができる。
【００２０】
一方、光ファイバを細径化すると光ファイバ同士の接続が問題となる。家庭内での配線として使用する場合は、コネクタやメカニカルスプライス等のように簡易な接続で安価に実施できることが重要であるが、これらの接続部品はいずれも外径１２５μｍの標準光ファイバを対象としたものであり、これらの接続部品を細径用に製作すると高価なものになってしまう。そこで、クラッドの外周に外径１２５μｍの樹脂被覆層を形成することにより、従来の光ファイバ用のコネクタやメカニカルスプライス等の接続部品を使用することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２２】
図１は本発明のフォトニッククリスタル光ファイバの一実施の形態を示す断面図である。
【００２３】
同図に示すフォトニッククリスタル光ファイバ１は、クラッド２のコア３近傍に多数（図では４個だけ示されているが、限定されるものではない。）の空孔４を形成することによりコア３とクラッド２との間の実効的な比屈折率差を拡大したフォトニッククリスタル光ファイバであって、クラッド２及びコア３のみが石英からなり、クラッド２の外径が標準の光ファイバの外径（１２５μｍ）よりも小さいものである。また、クラッド２の外周に３層の樹脂被覆層５、６、７が形成され、樹脂被覆層５〜７のうち最内層５は第２被覆層６よりも硬度が大きい樹脂からなり、最外層７が標準光ファイバの外径と同じになっている。
【００２４】
このようにコア３及びクラッド２に石英を用い、クラッド２の外径を標準の光ファイバの外径（１２５μｍ）よりも小さくすることにより、曲げによる引っ張り歪みを低減することができる。また、クラッド２の外周に外径１２５μｍの硬い樹脂被覆層５〜７が形成されているので、従来の光ファイバ用のコネクタやメカニカルスプライス等の接続部品をそのまま使用することができる。
【００２５】
【実施例】
次に具体的な数値を挙げるが、本発明は限定されるものではない。
【００２６】
クラッド２の外径を６０μｍとしてフォトニッククリスタル光ファイバ１を製作したところ、曲げ半径１５ｍｍで引っ張り歪みは０．００２と従来同様となり、静疲労は実用上問題がない。また、損失は０．０１ｄＢ以下と、低損失である。
【００２７】
また、第１、第２、第３被覆層５〜７に紫外線硬化型樹脂を被覆する。第２、第３被覆層６、７のヤング率をそれぞれ１Ｍｐａ、８００Ｍｐａとし、第１被覆層５のヤング率は第２、第３被覆層６、７のヤング率よりも十分大きいものとする。
【００２８】
以上において、本発明によれば、小さな径で曲げても、伝送損失、強度、信頼性が良好な光ファイバを得ることが可能である。また、従来の光ファイバ用接続部品を用いて安価に接続できる。さらに、本光ファイバを用いて光コードを製造することにより、宅内の配線が容易、かつ安価になる。
【００２９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、伝送損失、強度、信頼性の面で曲げに強く、かつ従来の光ファイバ用の接続部品に使用できるフォトニッククリスタル光ファイバの提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフォトニッククリスタル光ファイバの一実施の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ フォトニッククリスタル光ファイバ
２ クラッド
３ コア
４ 空孔
５ 樹脂被覆層（第１被覆層）
６ 樹脂被覆層（第２被覆層）
７ 樹脂被覆層（第３被覆層）
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニッククリスタル光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光ファイバは、コアと、コアを覆うと共にコアより屈折率の低いクラッドとの２層構造を有している。これらコア及びクラッドの素材は石英がベースであり、コアはクラッドよりも屈折率を高くするためゲルマニウム等の添加物を石英に添加した組成になっている。
【０００３】
この種の光ファイバにおいては、光ファイバのコアの屈折率がクラッドの屈折率よりも高いので、この屈折率差によって光ファイバに入射した光はコア内に閉じ込められて光ファイバ中を伝搬することができる。光が光ファイバ内を伝搬するとき、伝搬する光の単一モード条件を満足するためには、コアの直径を５μｍ〜１０μｍ程度にする必要がある。
【０００４】
ところが、近年、光増幅技術や波長多重（ＷＤＭ）技術の発展により光ファイバへ入射させる光のパワーが大きくなっており、種々の非線形効果現象が生じやすくなっている。例えば、非線形効果現象の１つである自己位相変調現象が生じると、光ファイバ中を伝搬するパルス信号波形が歪み伝送容量が制限されてしまう。また、同じ非線形現象の１つであるブリルアン散乱現象も生じやすくなる。このブリルアン散乱現象が生じると、光ファイバの入射パワーが飽和する。
【０００５】
このような非線形効果現象が生じると、光ファイバ中を伝搬する伝送特性の劣化を招いてしまう。また、現状の光ファイバの伝送損失は最良のものでも０．１６ｄＢ／ｋｍ程度であり、その主な要因は光が伝搬するコア及びクラッドのコア近傍の組成密度揺らぎによるレーリー散乱損失であるが、大陸間長距離伝送等に用いられる光ファイバには、より一層の低損失化が望まれている。
【０００６】
ところで、上述した光ファイバの問題点を解決した光ファイバとして、フォトニッククリスタル光ファイバ（ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ）があり、注目を集めている。このＰＣＦとは、フォトニック結晶構造がクラッドに形成された光ファイバである。フォトニック結晶構造とは、屈折率の周期構造のことであり、具体的には蜂の巣のようなハニカム構造の空間をクラッドに形成したものである。このようなハニカム構造とすることで光の禁制帯であるフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ）が発生する。例えば、Ｋｎｉｇｈｔ氏らはＳｃｉｅｎｃｅ２８２，１４７６，（１９９８）においてＰＣＧを導波原理とするＰＢＦ構造を報告している。
【０００７】
また、Ｃｒｅｇａｎ氏らはＳｃｉｅｎｃｅ２８５，１５７３，（１９９９）においてＰＣＧ構造を導波原理とする中空コアのＰＣＦの報告を行っている。中空コアのＰＣＦは光が伝搬するコアに石英媒質が無いため、損失の主要因となるレーリー散乱が非常に小さくなる超低損失光ファイバの可能性を示すものである。
【０００８】
さらに、特許第３０７２８４２号公報において、中空コアのＰＣＦについて開示されており、０．０１ｄＢ／ｋｍ程度の低損失が期待できると記載されている。
【０００９】
しかしながら、これらのＰＣＦにおいて光を伝搬させるためには、精密なＰＢＧ構造を構成する必要があるので、わずかな構造的な揺らぎがあると、光の伝搬条件を維持できなくなり、いわゆる構造不正損失を発生させる。
【００１０】
最近、完全なＰＢＧ構造を有する光ファイバではないが、従来のガラス組成の違いによる比屈折率差を有する光ファイバのクラッドのコア近傍に気孔を形成してクラッドの実効的な屈折率を低下させて、コア／クラッド間の比屈折率差を拡大することで、従来得られなかった特性を有する光ファイバが報告されている。例えば長谷川氏らはＯＦＣ２００１ＰＤ−１において、通常のシングルモード光ファイバの構造を有する光ファイバのクラッドのコア近傍に４つの空孔を形成した空孔付加型ホーリー光ファイバであり、コア／クラッド間の実効的な比屈折率差を拡大することで波長０．８μｍ帯にゼロ分散とシングルモード動作を有する光ファイバを実現した報告を行っている。
【００１１】
このように、フォトニッククリスタル光ファイバは、従来の光ファイバに比べて実効的な屈折率を大きくすることができるので、様々な可能性を有するが、曲げ損失を小さくできる、換言すれば小さい曲げ半径でも損失増加を抑制できることもひとつの特長である。
【００１２】
発明者らは、コア近傍に４つの気孔を形成したフォトニッククリスタル光ファイバを試作し、直径１５ｍｍのマンドレルに１ｍ巻き付けたときの損失が０．０１ｄＢという非常に良好な結果を得ている。
【００１３】
ここで、ＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ）はブロードバンドの究極形態と考えられており、普及が進みつつある。既存住宅等での宅内で光ファイバを布設する場合も増加してくるが、光ファイバは銅線と異なり曲げ径に制限があることから、銅線の布設に比べて布設が困難であったり、曲げを制限する特殊な部品を用いなければならない等の使用上の問題がある。このような場合、前述のフォトニッククリスタル光ファイバを用いれば、伝送損失の劣化が無く、曲げ半径を小さくすることができ、特殊な部品が不要で布設が容易になると考えられる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の石英系光ファイバでは、曲げ径を小さくすると、曲線部の外側にあたるガラス表面に引っ張り歪みが生じる。このため、長期間放置すると、静疲労破壊を起こすことが知られている。一般に、２５年程度の使用を考えると、曲げ半径を３０ｍｍ以上に維持する必要がある。この場合、石英系光ファイバのガラス径がΦ１２５μｍであるから、歪みは０．００２以下になる。
【００１５】
フォトニッククリスタル光ファイバも石英からなるので、曲げによる伝送損失の劣化は抑えられるものの、静疲労の問題が残ってしまうという問題があった。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、伝送損失、強度、信頼性の面で曲げに強く、かつ従来の光ファイバ用の接続部品に使用できるフォトニッククリスタル光ファイバを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、コアとクラッドとの間の実効的な比屈折率差を拡大するため上記クラッドに多数の空孔を有するフォトニッククリスタル光ファイバにおいて、上記コア及び上記クラッドのみが石英からなり、該石英からなる部分の外径を１２５μｍよりも小さくし、上記クラッドの外周に３層の樹脂被覆層を形成し、第２、第３被覆層のヤング率をそれぞれ１ＭＰａ、８００ＭＰａとし、最内層である第１被覆層のヤング率を、第２、第３被覆層のヤング率より十分大きいものとし、第３被覆層の外径が１２５μｍであることを特徴とするフォトニッククリスタル光ファイバである。
【００１９】
本発明によれば、コア及びクラッドに石英を用い、クラッドの外径を標準光ファイバの外径（１２５μｍ）よりも小さくすることにより、曲げによる引っ張り歪みを低減することができる。例えば、クラッドの外径を６０μｍにすることにより、曲げ半径を１５ｍｍと小さくしても、引っ張り歪みは０．００２となり、従来、すなわち標準の光ファイバと同等の歪みに抑えることができる。
【００２０】
一方、光ファイバを細径化すると光ファイバ同士の接続が問題となる。家庭内での配線として使用する場合は、コネクタやメカニカルスプライス等のように簡易な接続で安価に実施できることが重要であるが、これらの接続部品はいずれも外径１２５μｍの標準光ファイバを対象としたものであり、これらの接続部品を細径用に製作すると高価なものになってしまう。そこで、クラッドの外周に外径１２５μｍの樹脂被覆層を形成することにより、従来の光ファイバ用のコネクタやメカニカルスプライス等の接続部品を使用することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２２】
図１は本発明のフォトニッククリスタル光ファイバの一実施の形態を示す断面図である。
【００２３】
同図に示すフォトニッククリスタル光ファイバ１は、クラッド２のコア３近傍に多数（図では４個だけ示されているが、限定されるものではない。）の空孔４を形成することによりコア３とクラッド２との間の実効的な比屈折率差を拡大したフォトニッククリスタル光ファイバであって、クラッド２及びコア３のみが石英からなり、クラッド２の外径が標準の光ファイバの外径（１２５μｍ）よりも小さいものである。また、クラッド２の外周に３層の樹脂被覆層５、６、７が形成され、樹脂被覆層５〜７のうち最内層５は第２被覆層６よりも硬度が大きい樹脂からなり、最外層７が標準光ファイバの外径と同じになっている。
【００２４】
このようにコア３及びクラッド２に石英を用い、クラッド２の外径を標準の光ファイバの外径（１２５μｍ）よりも小さくすることにより、曲げによる引っ張り歪みを低減することができる。また、クラッド２の外周に外径１２５μｍの硬い樹脂被覆層５〜７が形成されているので、従来の光ファイバ用のコネクタやメカニカルスプライス等の接続部品をそのまま使用することができる。
【００２５】
【実施例】
次に具体的な数値を挙げるが、本発明は限定されるものではない。
【００２６】
クラッド２の外径を６０μｍとしてフォトニッククリスタル光ファイバ１を製作したところ、曲げ半径１５ｍｍで引っ張り歪みは０．００２と従来同様となり、静疲労は実用上問題がない。また、損失は０．０１ｄＢ以下と、低損失である。
【００２７】
また、第１、第２、第３被覆層５〜７に紫外線硬化型樹脂を被覆する。第２、第３被覆層６、７のヤング率をそれぞれ１Ｍｐａ、８００Ｍｐａとし、第１被覆層５のヤング率は第２、第３被覆層６、７のヤング率よりも十分大きいものとする。
【００２８】
以上において、本発明によれば、小さな径で曲げても、伝送損失、強度、信頼性が良好な光ファイバを得ることが可能である。また、従来の光ファイバ用接続部品を用いて安価に接続できる。さらに、本光ファイバを用いて光コードを製造することにより、宅内の配線が容易、かつ安価になる。
【００２９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、伝送損失、強度、信頼性の面で曲げに強く、かつ従来の光ファイバ用の接続部品に使用できるフォトニッククリスタル光ファイバの提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフォトニッククリスタル光ファイバの一実施の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ フォトニッククリスタル光ファイバ
２ クラッド
３ コア
４ 空孔
５ 樹脂被覆層（第１被覆層）
６ 樹脂被覆層（第２被覆層）
７ 樹脂被覆層（第３被覆層）
Claims (1)
- コアとクラッドとの間の実効的な比屈折率差を拡大するため上記クラッドに多数の空孔を有するフォトニッククリスタル光ファイバにおいて、上記コア及び上記クラッドのみが石英からなり、該石英からなる部分の外径を１２５μｍよりも小さくし、上記クラッドの外周に３層の樹脂被覆層を形成し、第２、第３被覆層のヤング率をそれぞれ１ＭＰａ、８００ＭＰａとし、最内層である第１被覆層のヤング率を、第２、第３被覆層のヤング率より十分大きいものとし、第３被覆層の外径が１２５μｍであることを特徴とするフォトニッククリスタル光ファイバ。
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| Publication Number | Publication Date |
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2002
- 2002-04-17 JP JP2002114985A patent/JP3814220B2/ja not_active Expired - Fee Related
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