JP3920667B2 - 光ファイバの作製方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバの作製方法に関し、より詳細には、通常の単一光ファイバとの接続損失が少なく、製造が容易で、かつ、分散特性の設計自由度の高い光ファイバの作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
フォトニック結晶構造の光ファイバは、その空孔をどのように配置するかによって特性設計が可能であり、例えば、空孔を六方最密に配置した構造は、最も製造が容易な光ファイバの構造である。すなわち、同一外径の円柱を隙間なく配列させて光ファイバを製造すれば、その光ファイバの横断面は自然に六方細密構造をとることとなる。このような構造の光ファイバは、円柱状のガラス母材の中心に母線方向に所望の径の孔を設けて配列させて作製することで、任意の径の空孔が空間的に分布した構造の光ファイバが得られる。
【0003】
また、フォトニック結晶構造の光ファイバの特性は、空気とガラスの間の大きな屈折率の差を利用しているため、上述した空孔の配列を変えることで特性の波長依存性を大きく変化させることも可能である。
【0004】
図11は、従来のフォトニック結晶構造の光ファイバ中の空孔分布の様子を説明するための断面図で、フォトニック結晶中で光を導波させるコア部の周りの領域であるクラッド部には、直径dの空孔が空孔間隔Λで周期的に配置されている。このような従来のフォトニック結晶構造光ファイバは、コア部を、クラッド部を構成するために用いるガラスロッドと同じ外径の単一のガラスロッドで形成しているために、空孔の間隔を変化させるとコア部の大きさも変化してしまう。例えば、図11に示した光ファイバでは、幾何学的なコア径Wは(2Λ−d)で一義的に決定され、2Λよりも大きなコア径とすることはできない。また、一般的に、モードフィールド径(MFD)は、幾何学的なコア径よりも小さくなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フォトニック結晶構造を利用して分散を大きく変化させるためには、空孔の間隔を1〜2μmと狭くする必要があり、図11に示したような従来のフォトニック結晶構造を利用した分散フラット光ファイバや分散補償光ファイバでは、コア径が数μm以下と極めて細くなってしまうという問題があった(例えば、J.C.Knight他、“Anomalous Dispersion in Photonic Crystal Fiber”、IEEE Photonics Technology Letters、第12巻第7号807ページ、2000年)。
【0006】
また、通常の単一モード光ファイバや光部品との低損失な接続を行なうためには、MFDの差が小さいことが必要であるが、通常の単一モード光ファイバのMFDが5μm以上であるのに対して、低損失の接続を行なうためにフォトニック結晶構造光ファイバのコア径を4μm以上(すなわち、空孔間隔Λを2μm以上)とした場合にはガラスの材料分散が支配的となり、波長1.3μm帯或いは1.5μm帯において光ファイバに正常分散特性(負の分散値)をもたせることが困難となり、これらの波長帯で使用可能な分散フラット光ファイバや分散補償光ファイバを作製することができないという問題もあった。
【0007】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、通常の単一光ファイバとの接続損失が少なく、製造が容易で、かつ、分散特性の設計自由度の高い光ファイバの作製方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、コア部の周囲に、内径が略同一でファイバの伸長方向に延在する複数の円柱状空孔を周期的に配置したクラッド部を備えるフォトニック結晶構造の光ファイバの作製方法であって、前記コア部を形成するために前記伸長方向に延在する中空ガラス管を六方細密に配置して所定数束ね、該束ねられた所定数の中空ガラス管の周囲に、前記クラッド部を形成するために前記伸長方向に延在する中空ガラスを複数配置して、前記所定数の中空ガラス管および前記複数の中空ガラスを束ねる工程と、前記束ねられた、所定数の中空ガラス管および複数の中空ガラスを加熱、延伸する工程とを有し、前記加熱、延伸により、前記所定数の中空ガラス管は前記コア部となり、かつ前記複数の中空ガラスは前記クラッド部となり、前記円柱状空孔は、六方最密に配置され相互に略一定間隔(Λ)で離間して配置されており、前記コア部の幾何学的な径(W)が、前記円柱状空孔間の平均間隔(Λ)の2倍よりも大きく、前記所定数は、該所定数の中空ガラス管がコア部になる際に、前記径(W)が、前記平均間隔(Λ)の2倍よりも大きくなる数であり、前記中空ガラスの内径は、前記中空ガラス管の内径と異なることを特徴とする。
【0009】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光ファイバの作製方法において、前記中空ガラス管の外径と、前記中空ガラスの外径とは等しいことを特徴とする。
【0010】
また、請求項3に記載の発明は、コア部の周囲に、内径が略同一でファイバの伸長方向に延在する複数の円柱状空孔を周期的に配置したクラッド部を備えるフォトニック結晶構造の光ファイバの作製方法であって、前記コア部を形成するために前記伸長方向に延在する中空ガラス管を六方細密に配置して所定数束ね、該束ねられた所定数の中空ガラス管の周囲に、前記クラッド部を形成するために前記伸長方向に延在する中空ガラスを複数配置して、前記所定数の中空ガラス管および前記複数の中空ガラスを束ねる工程と、前記束ねられた、所定数の中空ガラス管および複数の中空ガラスを加熱、延伸する工程とを有し、前記加熱、延伸により、前記所定数の中空ガラス管は前記コア部となり、かつ前記複数の中空ガラスは前記クラッド部となり、前記円柱状空孔は、六方最密に配置され相互に略一定間隔(Λ)で離間して配置されており、前記コア部の幾何学的な径(W)が、前記円柱状空孔間の平均間隔(Λ)の2倍よりも大きく、前記所定数は、該所定数の中空ガラス管がコア部になる際に、前記径(W)が、前記平均間隔(Λ)の2倍よりも大きくなる数であり、前記中空ガラスの外径および内径はそれぞれ、前記中空ガラス管の外径および内径と異なることを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
(実施例1)
図1は、本発明の分散フラット光ファイバ内部の様子を説明するための断面図で、フォトニック結晶中で光を導波させるコア部の周りの領域であるクラッド部には、直径dの空孔が空孔間隔Λで周期的に配置され、幾何学的なコア径Wが2Λよりも大きなコア部が形成されている。このような構造の分散フラット光ファイバは、外径が等しい円柱ガラス棒と中空ガラス管とを束ねることにより作製することが可能である。
【0015】
図2は、図1の構成の分散フラット光ファイバを作製するために、外径が等しい円柱ガラス棒と中空ガラス管とを束ねた様子を説明するための図で、コア部を形成するための7本の円柱ガラス棒21と、クラッド部を形成するための中空ガラス管22は、共に外径100μm〜1mm程度の同一の外径を有し、これらの円柱ガラス棒21と中空ガラス管22を束ねた状態で加熱・延伸すると、中空ガラス管22の相互に存在する隙間が延伸過程において消滅し、図1に示した分散フラット光ファイバが得られる。
【0016】
図3は、このようにして得られた分散フラット光ファイバの、有効屈折率の波長依存性を説明するための図で、横軸は空孔間隔Λを波長λで除した値であり、空孔径dと空孔間隔Λの比を0.1、0.3、及び、0.5とした分散フラット光ファイバの各々について有効屈折率をプロットしている。この図から、波長に対する有効屈折率の変化率は、空孔間隔Λの波長λに対する比が0.7から7.0の範囲で大きく、空孔間隔Λをこの範囲に設定することとすれば、分散フラット光ファイバが有効に設計することが可能となることがわかる。特に、空孔径dと空孔間隔Λの比が0.1の場合には、空孔間隔Λの波長λに対する比を1.0から7.0の範囲とすることが有効である。
【0017】
図4は、図1に示した構造をもち、空孔間隔Λが1.5μmで空孔径dと空孔間隔Λの比(d/Λ)が0.3の場合における、分散フラット光ファイバの分散の波長依存性を説明するための図である。なお、この場合の幾何学的コア径は4.75μmである。
【0018】
光通信に使用されるSバンド〜Lバンド(波長λ=1460〜1625nm)における分散値の変動量は、1.8ps/km/nmであり、この変動量から算出される平均分散スロープは0.012ps/km/nm2であり、分散フラット光ファイバとして優れた特性が得られる。
【0019】
(実施例2)
図5は、本発明の分散補償光ファイバ内部の様子を説明するための断面図で、フォトニック結晶中で光を導波させるコア部の周りの領域であるクラッド部には、直径dの空孔が空孔間隔Λで周期的に配置され、幾何学的なコア径Wが2Λよりも大きなコア部が形成されており、このコア部には、直径δ(<d)の空孔が配置されている。このような構造の分散平坦化光ファイバは、外径が等しい中空ガラス管を束ねることにより作製することが可能である。
【0020】
図6は、図5の構成の分散補償光ファイバを作製するために、外径が等しい中空ガラス管を束ねた様子を説明するための図で、コア部を形成するための7本の中空ガラス管61と、クラッド部を形成するための中空ガラス管61よりも内径の大きな中空ガラス管62は、共に外径100μm〜1mm程度の同一の外径を有し、これらの中空ガラス管61と中空ガラス管62を束ねた状態で加熱・延伸すると、中空ガラス管61、62の相互に存在する隙間が延伸過程において消滅し、図5に示した分散補償光ファイバが得られる。
【0021】
図7は、図5に示した構造をもち、d/Λ=0.48及びδ/Λ=0.42とした場合の分散補償光ファイバの分散の波長依存性を説明するための図で、ここでは、空孔間隔Λが、1.5μm、2.0μm、2.5μmの場合について示している。
【0022】
Λ=2.0μmの分散補償光ファイバは、波長λ=1.5μm付近において、−50ps/km/nmの大きな分散特性を示し、かつ、その傾きが負である。通常の単一モード光ファイバは、1.5μmの波長帯において約16ps/km/nmの分散値をもち、かつ、その傾きは正であることを考慮すると、Λ=2.0μm付近の本発明の分散補償光ファイバは1.5μmの波長帯の分散補償光ファイバとして有効であることが判る。なお、この分散補償光ファイバの幾何学的なコア径は約6μmである。
【0023】
また、Λ=1.5μmの分散補償光ファイバは、波長λ=1.3μm付近において、−130ps/km/nmの大きな分散特性を示し、かつ、その傾きが負である。この結果は、1.3μm帯において1ps/km/nmの分散を示す単一モード光ファイバの分散補償を行なう場合に、その単一モード光ファイバの僅か130分の1の長さで補償することが可能であることを意味する。また、分散の傾きが負であるため、分散スロープも僅かに減少させることができる。
【0024】
このように、Λ=1.5μm付近の本発明の分散補償光ファイバは1.3μmの波長帯の分散補償光ファイバとして有効であることが判る。更に、従来構造のフォトニック結晶光ファイバや従来構造の偏波保持フォトニック結晶光ファイバを伝送用光ファイバとして使用する場合には、1.3μm波長帯において10〜数10ps/km/nmの異常分散特性を有するため、その分散補償光ファイバとしても有効である。
【0025】
更に、Λ=2.5μmの分散補償光ファイバは、波長λ=1.5μm付近において、−数ps/km/nmの分散をもち、かつ、その傾きが−0.05ps/km/nm2程度である。このような分散特性は、通常の単一モード光ファイバ及び非ゼロ分散シフトファイバとは逆の分散特性であることから、Λ=2.5μm付近の分散補償光ファイバは、1.5μm波長帯の逆分散光ファイバ(ある光ファイバとほぼ1対1の長さ比で用いられることで分散と分散スロープを共に補償する分散補償光ファイバ)として有効である。なお、この分散補償光ファイバの幾何学的なコア径は約7.5μmである。
【0026】
(実施例3)
図8は、本発明の分散フラット光ファイバ及び分散補償光ファイバの内部の様子を説明するための断面図で、フォトニック結晶中で光を導波させるコア部の周りの領域であるクラッド部には、直径dの空孔が空孔間隔Λで周期的に配置され、コア部には、直径δ(<d)の14の空孔が配置されて幾何学的なコア径Wのコア部が形成されており、これによりコア径の拡大が図られている。このような構造の光ファイバは、コア部とクラッド部に外径及び内径が異なる中空ガラス管を束ねることにより作製することが可能である。
【0027】
図9は、図8に示した構成の光ファイバを作製するために、上述したような中空ガラス管を束ねた様子を説明するための図で、この図では、コア部を形成するために31本の中空ガラス管91と、中空ガラス管91よりも外径及び内径の大きな、クラッド部を形成するための中空ガラス管92が束ねられ、この状態で加熱・延伸すると、中空ガラス管91、92の相互に存在する隙間が延伸過程において消滅し、コア部に31の空孔が配置された光ファイバが得られることになる。
【0028】
図10は、図8に示した構造をもち、d/Λ=0.5及びδ/Λ=0.4とした場合の光ファイバの分散の波長依存性を説明するための図で、ここでは、空孔間隔Λが、1.75μm及び2.5μmの場合について示している。
【0029】
Λ=2.5μmの光ファイバは、波長λ=1460〜1625nmの領域における平均の分散スロープは0.019ps/km/nm2であり、分散フラット光ファイバとして優れた特性を示す。なお、この光ファイバの幾何学的なコア径は約11μmである。
【0030】
また、Λ=1.75μmの光ファイバは、1.3μm波長帯において−60ps/km/nm、1.5μm波長帯において−65ps/km/nmの大きな分散特性を示し、これらの波長帯で用いる分散補償光ファイバとして有効であることが判る。なお、この光ファイバの幾何学的なコア径は約7.5μmであり、分散補償ファイバとしての使用法は実施例2で説明した使用方法と同じである。
【0031】
本実施例では、コア部を形成するために7本ではなく14本の中空ガラス管を用いた例について説明したが、所望するコア径に応じた任意の本数の中空ガラス管でコア部を形成することが可能である。
【0032】
また、以上実施例1〜3においては、光ファイバを作製する方法の例として中空のガラス管を束ねる方法を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、塊状のガラスに孔を設ける等の他の方法により上記と同様の構造の光ファイバを作製することとしてもよい。
【0033】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フォトニック結晶構造光ファイバ中の空孔の配置を工夫し、空孔の配置の仕方により光学特性設計が可能であると共にコア径を拡大し得る構成としたので、通常の単一光ファイバとの接続損失が少なく、製造が容易で、かつ、分散特性の設計自由度の高い光ファイバの作製方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の分散フラット光ファイバ内部の様子を説明するための断面図である。
【図2】図1に示した構成の分散フラット光ファイバを作製するために、外径が等しい中空管を束ねた様子を説明するための図である。
【図3】本発明の分散フラット光ファイバの、有効屈折率の波長依存性を説明するための図である。
【図4】図1に示した構造をもち、空孔間隔Λが1.5μmで空孔径dと空孔間隔Λの比(d/Λ)が0.3の場合における、分散フラット光ファイバの分散の波長依存性を説明するための図である。
【図5】本発明の分散補償光ファイバ内部の様子を説明するための断面図である。
【図6】図5の構成の分散補償光ファイバを作製するために、外径が等しい中空ガラス管を束ねた様子を説明するための図である。
【図7】図5に示した構造をもち、d/Λ=0.48及びδ/Λ=0.42とした場合の分散補償光ファイバの分散の波長依存性を説明するための図である。
【図8】本発明の分散フラット光ファイバ及び分散補償光ファイバの内部の様子を説明するための断面図である。
【図9】図8の構成の光ファイバを作製するために、中空ガラス管を束ねた様子を説明するための図である。
【図10】図8に示した構造をもち、d/Λ=0.5及びδ/Λ=0.4とした場合の光ファイバの分散の波長依存性を説明するための図である。
【図11】従来のフォトニック結晶構造光ファイバ内部の空孔分布の様子を説明するための断面図である。
【符号の説明】
21 円柱ガラス棒
22、61、62、91、92 中空ガラス管
Claims (3)
- コア部の周囲に、内径が略同一でファイバの伸長方向に延在する複数の円柱状空孔を周期的に配置したクラッド部を備えるフォトニック結晶構造の光ファイバの作製方法であって、
前記コア部を形成するために前記伸長方向に延在する中空ガラス管を六方細密に配置して所定数束ね、該束ねられた所定数の中空ガラス管の周囲に、前記クラッド部を形成するために前記伸長方向に延在する中空ガラスを複数配置して、前記所定数の中空ガラス管および前記複数の中空ガラスを束ねる工程と、
前記束ねられた、所定数の中空ガラス管および複数の中空ガラスを加熱、延伸する工程とを有し、
前記加熱、延伸により、前記所定数の中空ガラス管は前記コア部となり、かつ前記複数の中空ガラスは前記クラッド部となり、
前記円柱状空孔は、六方最密に配置され相互に略一定間隔(Λ)で離間して配置されており、
前記コア部の幾何学的な径(W)が、前記円柱状空孔間の平均間隔(Λ)の2倍よりも大きく、
前記所定数は、該所定数の中空ガラス管がコア部になる際に、前記径(W)が、前記平均間隔(Λ)の2倍よりも大きくなる数であり、
前記中空ガラスの内径は、前記中空ガラス管の内径と異なることを特徴とする光ファイバの作製方法。 - 前記中空ガラス管の外径と、前記中空ガラスの外径とは等しいことを特徴とする請求項1記載の光ファイバの作製方法。
- コア部の周囲に、内径が略同一でファイバの伸長方向に延在する複数の円柱状空孔を周期的に配置したクラッド部を備えるフォトニック結晶構造の光ファイバの作製方法であって、
前記コア部を形成するために前記伸長方向に延在する中空ガラス管を六方細密に配置して所定数束ね、該束ねられた所定数の中空ガラス管の周囲に、前記クラッド部を形成するために前記伸長方向に延在する中空ガラスを複数配置して、前記所定数の中空ガラス管および前記複数の中空ガラスを束ねる工程と、
前記束ねられた、所定数の中空ガラス管および複数の中空ガラスを加熱、延伸する工程とを有し、
前記加熱、延伸により、前記所定数の中空ガラス管は前記コア部となり、かつ前記複数の中空ガラスは前記クラッド部となり、
前記円柱状空孔は、六方最密に配置され相互に略一定間隔(Λ)で離間して配置されており、
前記コア部の幾何学的な径(W)が、前記円柱状空孔間の平均間隔(Λ)の2倍よりも大きく、
前記所定数は、該所定数の中空ガラス管がコア部になる際に、前記径(W)が、前記平均間隔(Λ)の2倍よりも大きくなる数であり、
前記中空ガラスの外径および内径はそれぞれ、前記中空ガラス管の外径および内径と異なることを特徴とする光ファイバの作製方法。
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