JP3909397B2

JP3909397B2 - シングルモード光ファイバ

Info

Publication number: JP3909397B2
Application number: JP2003186934A
Authority: JP
Inventors: 和正大薗; 芳宣黒沢; 兵姚; 正男立蔵
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: JP2005024623A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバに係り、特に、空孔を有するシングルモード光ファイバに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光ファイバでは得られなかった程の特性を有する光ファイバであるフォトニック結晶構造を有するフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ：Photonic Crystal Fiber）が注目されている。
【０００３】
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、例えば、蜂の巣のようなハニカム構造の空間をクラッドに形成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。非特許文献１には、ＰＢＧを導波原理としたＰＣＦについて示されており、非特許文献２には、ＰＢＧ構造を導波原理とする中空コアのＰＣＦについて示されている。
【０００４】
また、ＰＢＧ構造のみを導波原理と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もたせた光ファイバのクラッドに空孔を形成し、クラッドの実効的な屈折率を下げて比屈折率差を大きくするホーリー光ファイバがある。これは、非特許文献３に示すように、通常のシングルモード光ファイバのクラッドに４個あるいは６個の空孔を形成し、実効的な比屈折率差を大きくしたホーリー光ファイバで、曲げ損失特性が通常のシングルモード光ファイバに比べて１／１００以下になる光ファイバを実現している。
【０００５】
【非特許文献１】
ナイト（J.C.Knight）等，「フォトニックバンドギャップガイダンスインオプティカルファイバー（Photonic Band Gap Guidance in Optical Fibers ）」，サイエンス（Science），（米国），１９９８年１１月２０日，２８２巻，ｐ．１４７６−１４７８
【非特許文献２】
クレガン（R.F.Cregan）等，「シングルモードフォトニックバンドギャップガイダンスオブライトインエア（Single-Mode Photonic Band Gap Guidance of Lihgt in Air）」，サイエンス（Science），（米国），１９９９年９月３日，２８５巻，ｐ．１５３７−１５３９
【非特許文献３】
姚兵等，「ホーリーファイバの実用化に関する一検討」，信学技報，社団法人電子情報通信学会，２００３年１月１６日，第１０２巻，第５８１号，ｐ．４７−５０
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のシングル光モードファイバに空孔を形成したホーリー光ファイバにおいて、曲げ損失の特性は従来のシングルモード光ファイバに比べて格段に改善されるが、構造分散の影響で零分散波長が短波長側にシフトし、１．３１μｍで分散が生じるという問題点がある。
【０００７】
例えば、零分散波長が約１．２μｍにシフトすると、通常のシングルモード光ファイバでは零分散波長である１．３１μｍでの波長分散値が５〜６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとなり、これは現在使用されている１．３１μｍの分散値±１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍと比較して非常に大きな値になることから、波長１．３１μｍで長距離、高速伝送を行う際に分散による伝送限界が問題になる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、コアの周囲に複数の空孔を有し、かつ零分散波長を１．３１μｍにするシングルモード光ファイバを提供することにある。
【０００９】
【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の発明は、コア中心を軸とする円周上に、その円周方向に等間隔に少なくとも４つ以上の空孔を形成した光ファイバにおいて、そのコアとクラッドの比屈折率差を０．４５〜０．７％の範囲にし、零分散波長が１３００ｎｍ〜１３２０ｎｍの範囲であり、波長１．３１μｍ帯の分散値が±１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以内であるシングルモード光ファイバである。
【００１０】
請求項２の発明は、空孔の本数が少なくとも６つ以上の偶数本である請求項１記載のシングルモード光ファイバである。
【００１１】
請求項３の発明は、空孔の径が３μｍ〜１０μｍの範囲である請求項１または２記載のシングルモード光ファイバである。
【００１２】
請求項４の発明は、コア中心を軸とする円周上に、その円周方向に等間隔に少なくとも４つ以上の空孔を形成した光ファイバにおいて、コアが石英系ガラスからなり、クラッドが純石英からなり、コアのドープ材としてゲルマニュームを６〜９ｍｏｌ％含有するよう添加し、コアとクラッドの比屈折率差を０．４５〜０．７％にし、零分散波長が１３００ｎｍ〜１３２０ｎｍの範囲であり、波長１．３１μｍ帯の分散値が±１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以内であるシングルモード光ファイバである。
【００１３】
請求項５の発明は、前記空孔が形成するコア側の包絡面とコア中心との距離が、シングルモード光ファイバのモードフィールド径の１／２〜１倍とする請求項１〜４いずれかに記載のシングルモード光ファイバである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１５】
図１に本実施の形態のシングルモード光ファイバの断面図を示す。
【００１６】
図１に示すように、本実施の形態のシングルモード光ファイバは４穴タイプのホーリー構造をしており、以下ホーリー光ファイバ１１とする。
【００１７】
ホーリー光ファイバ１１は、コア１２とクラッド１３とから構成され、コア１２はドープ材としてゲルマニュームが添加された石英系ガラスで形成され、クラッド１３はコア１２より僅かに屈折率の低い純石英で形成されている。
【００１８】
コア１２周辺のクラッド１３には、コア１２の中心と同心円柱状に、円周方向に等間隔で空孔１４が４本形成されており、その空孔１４は長手方向にファイバ全長にわたって形成されている。空孔１４内には空気または不活性ガスが充填されており、その空孔１４の屈折率は約１である。空孔１４の位置は、全ての空孔１４によるコア側の包絡面１５とコア中心との距離がホーリー光ファイバ１１のモードフィールド径（ＭＦＤ:Mode Field Diameter）より小さくするようにし、本実施の形態では、空孔１４の中心は、コア１２の中心から半径１２μｍの円周上に位置している。また、空孔１４の径は３μｍ〜１０μｍの範囲とし、本実施の形態では７μｍとする。
【００１９】
ここで、空孔１４の径を３μｍ〜１０μｍの範囲とする理由を述べる。シングルモード光ファイバ１１のＭＦＤは、波長１．５５μｍにおいて１０μｍ程度である。４本の空孔１４のコア側包絡面１５とコア中心との距離が、ホーリー光ファイバ１１のＭＦＤの１／２〜１倍の範囲に収めるとすると、その距離がＭＦＤの１／２の場合、空孔１４の径が１０μｍを越えると２つ以上の空孔１４が重なり合い、コア１２とクラッド１３が接する部分がなくなってコア１２をファイバ中に保持できなくなる。また、その距離がＭＦＤの１／２より大きい場合は、空孔１４の径を１０μｍ以上にすることはできるが、１０μｍ程度の径で実用上十分な曲げ損失特性が得られることと、ファイバ断面積に対する空孔断面積の割合（空孔占有率）の増加によるファイバ破断強度の低下を招くこととにより、空孔１４の径は１０μｍ以下が望ましい。
【００２０】
図２は空孔１０が４本の場合における空孔径と曲げ損失の関係を示した図である。
【００２１】
空孔１４の径が３μｍ以上の領域において、曲げ損失特性が１ｄＢ／ｍ以下となる。この１ｄＢ／ｍという値は、従来の光ファイバでは成し得ない特性であり、ケーブル化や光ファイバの敷設を考慮したときに、実用上の利点が顕れる値である。
【００２２】
よって、空孔１４径の最大値は１０μｍ、最小値は３μｍが望ましい。
【００２３】
次に、ホーリー光ファイバ１１において、零分散波長を１．３１μｍにするための原理について説明する。
【００２４】
まず、通常のシングルモード光ファイバの零分散波長は１．３１μｍであるが、クラッド１３に空孔１２を有するホーリー光ファイバ１１の場合、その零分散波長が約１．２μｍへと約０．１μｍ短波長側にシフトする。なぜなら、空孔１４の存在により実効的な屈折率が石英と空気の平均となっているクラッドのコア周辺部１６とその周りの石英のみのクラッド１３からなる構造をしており、そのような屈折率分布が構造分散の値を変化させるからである。
【００２５】
ここで、比屈折率差Δを高くすることで、空孔の形成されていないシングルモード光ファイバのもつ零分散波長を長波長側に０．１μｍシフトさせ、高Δの媒質で作製したシングルモード光ファイバに空孔１４を形成することで、長波長側の分散シフトと短波長側への分散シフトとが互いに補償され、零分散波長のシフトしないホーリー光ファイバ１１が得られる。
【００２６】
零分散波長を長波長側へシフトさせるには、屈折率差を大きくする材料を用いるか、ファイバの構造の変化による屈折率分布の変化を利用すればよいが、ホーリー光ファイバ１１はクラッド１３に空孔１４を有するファイバであるため、ファイバ構造は変えられないので、コア１２にドープ材を添加することで、比屈折率差Δを変化させる。
【００２７】
図３に、本実施形態のシングルモード光ファイバの屈折率分布を示す。通常のシングルモード光ファイバの比屈折率差Δは０．３〜０．４％程度であるが、本実施形態のホーリー光ファイバ１１の比屈折率差Δは０．４５％とする。
【００２８】
また、波長分散特性を長波長側にシフトさせるためには、比屈折率差Δを高くすればよいが、カットオフ波長はコアとクラッドとの比屈折率差Δとコアの径に依存しており、比屈折率差Δが高くなると、カットオフ波長が長波長側へシフトするので、シングルモードでの伝搬をさせるには、カットオフ波長のシフトを抑制するために、コア径を細くしなければならない。
【００２９】
以上より、カットオフ波長を１．３μｍ帯以下に保持し、空孔１４がないシングルモード光ファイバで零分散波長を１．４μｍ付近までシフトさせるためには、比屈折率差Δが０．４５％以上必要である。
【００３０】
また、比屈折率差Δを０．４５％以上にすれば、空孔１４のない光ファイバの零分散波長は１．４μｍ以上の解をもつが、比屈折率差Δを高くし過ぎて零分散波長が長波長側にシフトし過ぎても良くないので、比屈折率差Δは０．４５〜０．７％の範囲が適している。そして、比屈折率差Δをその範囲に収めるには、コア１２のドープ材としてゲルマニュームを濃度６〜９ｍｏｌ％で含有するように添加する。
【００３１】
よって、比屈折率差Δが０．４５％の媒質を用いることで長波長側へ０．１μｍ、ファイバに空孔を形成することで短波長側へ０．１μｍ、各々シフトするので波長分散が補償され、比屈折率差Δが０．４５％で空孔１４を有するシングルモードファイバの零分散波長はシフトせず、１．３１μｍ帯において分散がほどんどない（±１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以内）。
【００３２】
次にホーリー光ファイバ１１の製造方法を説明する。
【００３３】
まず、ファイバ部材となる石英プリフォームをＶＡＤ法（Vapor-phase Axial Deposition；気相軸付法）により作製する。ＶＡＤ法は、図示はしないが、回転している石英棒の下方から酸、水素炎と共に原料ガスを吹き付けて多孔質母材を作製し、石英棒を回転させながら上方に引き上げ、加熱してガラス化し、石英プリフォームを作製する方法である。この方法の特徴としては、多孔質母材の作製と透明ガラス化を連続して行え、量産性に優れていることである。
【００３４】
ここでは、通常のシングルモード光ファイバと同様に、コアに石英の屈折率をあげるドープ材としてゲルマニュームを添加している。作製されたプリフォームを塩素等の脱水効果のある雰囲気中で焼結して外径６０ｍｍ、長さ４０ｃｍの高純度透明ガラス化プリフォームが得られる。
【００３５】
次に、その高純度ガラス化プリフォームに空孔１４を形成し、空孔１４内にある汚れやゴミ等を除去し、最後に空孔１４が潰れないように線引を行い、クラッド１３に空孔１４を有するホーリー光ファイバ１１が得られる。
【００３６】
次に本実施形態の作用を述べる。
【００３７】
ホーリー光ファイバ１１の伝搬損失は波長１．３１μｍで０．４１ｄＢ／ｋｍ、波長１．５５μｍで０．２５ｄＢ／ｋｍである。その損失の要因は主に、ＯＨ基吸収による損失と構造不整合損失である。波長１．８３３μｍのＯＨ吸収損失は３．０ｄＢ／ｋｍであり、通常のシングルモード光ファイバより少し高いレベルではあるが、実用上問題はない。構造不整損失が０．０５ｄＢ／ｋｍであり、この構造不整損失は光ファイバの製造に際して、プリフォームの加工精度によるもので、加工法の改良により改善可能ではある。
【００３８】
ホーリー光ファイバ１１の曲率半径２０ｍｍの曲げ損失は、波長１．５５μｍで０．０５ｄＢ／ｍであり、通常のシングルモード光ファイバ（波長１．３１μｍ）に比べ１／１００以下と非常に低損失であった。
【００３９】
また、零分散波長は１．３１μｍであり、通常のシングルモード光ファイバと同等であった。さらに、カットオフ波長及び波長１．３１μｍでのＭＦＤを測定すると、それぞれ１．２５μｍ、８．４μｍであり実用上問題ない値であった。
【００４０】
ワイブル強度は６０〜７０Ｎ、ファイバ動疲労係数は２１であり、通常のファイバと同レベルの破断強度をもち、これも実用上の問題はない。
【００４１】
以上より、空孔１４を形成することで良好な曲げ特性を有するホーリー光ファイバ１１は、屈折率分布を変化させるゲルマニュームのドープ量とコア１２の径を適正化することで、ホーリー光ファイバ構造に起因する零分散波長シフトを制御し、波長１．３１μｍでの分散値を±１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以内に抑えられる。
【００４２】
なお、本実施の形態のシングルモード光ファイバは、クラッドに４本の空孔が形成されたホーリー光ファイバについて述べたが、これに限らず、空孔の数が５本以上のホーリー光ファイバであってもよい。しかし、コア中心を対称軸とした線対称性を考慮すると、空孔の数は偶数本が好ましく、空孔の数が６本、あるいはそれ以上の偶数本のホーリー光ファイバでもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、クラッドに空孔を有するシングルモードファイバにおいて波長１．３μｍ帯の分散値を±１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以内に抑えるといった優れた効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシングルモード光ファイバの好適な実施形態を示す断面図である。
【図２】図１のシングルモード光ファイバにおける空孔径と曲げ損失の関係を示す図である。
【図３】図１のシングルモード光ファイバの屈折率分布を示す図である。
【符号の説明】
１１ホーリー光ファイバ（シングルモード光ファイバ）
１２コア
１３クラッド
１４空孔
１５コア側包絡面

Claims

コア中心を軸とする円周上に、その円周方向に等間隔に少なくとも４つ以上の空孔を形成した光ファイバにおいて、前記空孔の径が３μｍ〜１０μｍの範囲であるとともに前記空孔が形成するコア側の包絡面とコア中心との距離が、シングルモード光ファイバの波長１．５５μｍにおけるモードフィールド径の１／２〜１倍であり、そのコアとクラッドの比屈折率差を０．４５〜０．７％の範囲にし、零分散波長が１３００ｎｍ〜１３２０ｎｍの範囲であり、波長１．３１μｍ帯の分散値が±１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以内であることを特徴とするシングルモード光ファイバ。
空孔の本数が少なくとも６つ以上の偶数本である請求項１記載のシングルモード光ファイバ。
コアとクラッドが石英系ガラスからなり、コアのドープ材としてゲルマニュームを６〜９ｍｏｌ％含有するよう添加し、コアとクラッドの比屈折率差を０．４５〜０．７％にした請求項１または２記載のシングルモード光ファイバ。