JP3936880B2

JP3936880B2 - 光ファイバの作製方法

Info

Publication number: JP3936880B2
Application number: JP2002061224A
Authority: JP
Inventors: 寛和久保田; 悟基川西; 和宣鈴木; 繁樹小柳; 正俊田中; 盛行藤田
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2022-03-06
Also published as: JP2003255153A

Description

【０００１】
【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、製造が容易で、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、そのクラッド部に設けられた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ると、その断面は自然に六方細密構造をとることとなるが、このような状態で、光ファイバのクラッド部に相当する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ると、任意の径の空孔がクラッド部に空間的に分布した構造の光ファイバが得られる。また、一部の空孔の径を、他の空孔の径と異なるものとすることで、光ファイバの局所的な有効屈折率を変化させることも可能となる。
【０００３】
更に、フォトニック結晶構造の光ファイバは、その特性が、空気とガラスの間の大きな屈折率の差に依存するため、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】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常のフォトニック結晶構造の光ファイバは、光を導波するコア部を、その周辺部であるクラッド部を形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、コア部を拡大しようとするとクラッド部に設けられる空孔の間隔を大きくする必要が生じ、これにより、使用されるガラスロッドの分散特性が支配的となり、空孔の配置の仕方によって特性の設計が可能となるというフォトニック結晶構造の特徴を充分に生かすことが困難であるという問題があった。
【０００５】
また、このように空孔の間隔を広げた場合には、光ファイバ内での光閉じ込め効果が低下し、ファイバを湾曲させた状態でファイバ内を導光させると光が漏れ出し易くなるという問題もあった（例えば、T.A.Briks他、“Endlessly single-mode photonic crystal fiber”、Optics Letter、第２２巻、第１３号、９６１−９６３ページ（１９９７）：以下「文献１」という）。
【０００６】
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、製造が容易で、分散特性の設計自由度が高く、かつ、コア径の大きな、単一モード条件と曲げ特性の両立が可能なフォトニック結晶構造の光ファイバの作製方法を提供することにある。
【０００７】
【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、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円柱状ガラスを六方細密に配置して、複数である所定数束ね、該束ねられた所定数の円柱状ガラスの周囲に、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、前記円柱状ガラスの外径と等しい外径の円筒状ガラスを複数配置して、前記所定数の円柱状ガラスおよび前記複数の円筒状ガラスを束ねる工程と、前記束ねられた、所定数の円柱状ガラスおよび複数の円筒状ガラスを加熱、延伸する工程とを有し、前記複数の円筒状ガラスは、少なくとも２種類の内径の円筒状ガラスからなり、前記複数の円柱状空孔は、内径の異なる少なくとも２種類の円柱状空孔を六方最密に相互に略一定間隔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、該所定数の円柱状ガラス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ることを特徴とする。
【００１３】
【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。
【００１４】
図１〜６は、本発明の単一モード光ファイバの構造例を説明するためのファイバの断面図で、図１〜３は、クラッド部に空孔を配置させた構造のファイバの断面図であり、図４〜６は、クラッド部に空孔を配置させるとともに、コア部にも空孔を配置させた構造のファイバの断面図である。
【００１５】
図１〜６に示した構造のファイバのクラッド部に配置された空孔は、相互に距離Λ（Λ_１〜６）だけ離隔されて周期的に配置されており、これらの図中に斜線で示したコア部は、空孔が配置されていないコア領域を意味している。なお、これらの図に示したコア部は概ね６角形の形状を有するが、これらは例示に過ぎず他の形状であってもよい。
【００１６】
図１〜３に示した構造のファイバのクラッド部には、異なる径を有する２種類の空孔が設けられており、図１では空孔径ｄ_１及び径ｄ_１´（ｄ_１＞ｄ_１´）、図２では空孔径ｄ_２及び径ｄ_２´（ｄ_２＜ｄ_２´）、図３では空孔径ｄ_３及び径ｄ_３´（ｄ_３＜ｄ_３´）の空孔が周期的に配置されている。
【００１７】
また、図４〜５に示した構造のファイバのクラッド部には、空孔径ｄ_４（図４）、ｄ_５（図５）の空孔が周期的に配置され、コア部には、これらのクラッド部に設けられた空孔とは異なる径（δ_４（図４）、δ_５（図５））を有する空孔が設けられている。更に、図６に示した構造の光ファイバは、図４に示した構造とほぼ同じ構造を有するが、図４に示す構造が、コア部の幾何学的中心に対して互いに対向する３組の空孔の径が等しい構造を有するのに対して、このうち１組の空孔径が他の２組の空孔径と異なる構造を有する。
【００１８】
なお、径の異なる空孔相互の空間的配置関係に直目すると、図１に示した構造では、ランダムであり、図２〜５に示した構造では、ｄ_２´、ｄ_３´、δ_４、及びδ_５の径の空孔が、コア部の中心を基準として同心円状（すなわちコア部中心から等距離）に配列されている。
【００１９】
空孔間隔Λと空孔径ｄの比（ｄ／Λ）をγと定義し、コア部の面積をクラッド部に配置された空孔の内のコア部に最も近接する空孔に内接する凸多角形の面積（Ｓ）として定義すると、この面積は、単位面積（Ｓ_０：コア部に隣接する空孔の中心を結んで得られる平行四辺形の面積）に対してそれぞれ、約４（√３−γ）^２倍（図１）、約〔１＋３√３（３−γ）（２−γ）〕／２倍（図２）、約〔２＋√３（１０−３γ）（２−γ）〕／２倍（図３）の面積比ｒ（Ｓ／Ｓ_０）となる。
【００２０】
これに対し、前出の文献１に示された従来の構造の面積比ｒは（２−γ）^２倍であり、γ＝０．３の場合には、図１〜３に示した構造とすることで、面積比ｒを、各々、２．８倍、４．３倍、５．０倍とすることができ、コア面積を大きくすること（すなわちコア径の拡大）が可能となる。
【００２１】
なお、図１〜６には、コア部近傍のみのクラッド部の空孔が図示されいるにすぎず、ここに示された配置関係でクラッド部全体に渡って周期的に空孔が配置されている。
【００２２】
また、コア部の空孔の配置や数はこれらの図に示したものに限定される必要はなく、クラッド部に配置される径を異にする空孔の配置もこれらの図に示した配置に限定されるものではない。
【００２３】
このような構造の単一モード光ファイバは、コア部を形成するための円柱状ガラス棒（所望により円筒状ガラス管）とクラッド部を形成するための円筒状ガラス管の外径を等しくし、これらを束ねることにより作製可能である。
【００２４】
図７は、図４に示した構造の単一モード光ファイバを作製するために上述の円筒状ガラス管及び円柱状ガラス棒を束ねた様子を説明するための図である。これらの円柱状ガラス棒７２と円筒状ガラス管７１、７３は、１００μｍ乃至１ｍｍ程度の等しい外径を有する一方、円筒状ガラス管７１、７３は内径を異にし、クラッド部を形成するための円筒状ガラス管７１の内径はｄ_４であるのに対して、コア部の空孔を形成するための円筒状ガラス管７３の内径はδ_４である。なお、この図に示した例では、ｄ_４＜δ_４となっている。
【００２５】
これらの円柱状ガラス棒７２と円筒状ガラス管７１、７３を図７に示すように束ねて母材とし、これを加熱・延伸すると、円柱状ガラス棒７２と円筒状ガラス管７１及び円筒状ガラス管７３相互の隙間が延伸過程で消失し、その結果、図４で示した断面構造を有する単一モード光ファイバが得られることとなる。
【００２６】
なお、図１〜６で示す断面構造を有する単一モード光ファイバも、コア部の幾何学的な径とクラッド部（所望によりコア部）の空孔配列に応じて、円柱状ガラス棒と円筒状ガラス管の本数及び外内径を適当に選択することにより、上述したのと同様の方法で作製可能である。
【００２７】
例えば、図１〜４に示す構造の単一モード光ファイバを作製するに際しては、クラッド部の空孔配置に応じた円筒状ガラス管を選択すると共に、コア部の形成のために、各々、７本（図１）、１２本（図２）、１４本（図３）、及び、１３本（図４）の円柱状ガラス棒を用いるといった具合であるが、勿論、他の本数であってもよい。更に、これらの図で示したコア部を形成するに際して、円柱状ガラス棒の一部を円筒状ガラス管に置き換えて空孔をコア部にも配置させた単一モード光ファイバを作製することとしてもよい。
【００２８】
（実施例１）
図８（ａ）及び（ｂ）は、図４に示した構造の単一モード光ファイバ中を光が導波する場合の電界分布を、ＦＤＴＤ法により求めた結果を説明するための図であり、図８（ａ）は基本モードの電界分布、図８（ｂ）は２次モードの電界分布を示している。なお、この光ファイバは、クラッド部の空孔間隔Λが３μｍ、空孔径ｄが０．６μｍ、コア部の空孔径δが２．４μｍであるとし（ｄ／Λ＝０．２、δ／Λ＝０．８）、コア部の幾何学的な径は約１５μｍであり、この光ファイバ中を、波長λ＝８５０ｎｍの光を導光させるものとして計算している。
【００２９】
これらの図から、基本モードの電界分布より求めたモードフィールド径（ＭＦＤ）は約９μｍであり、図８（ｂ）に示す２次モードは漏れモードであることから、単一モード光ファイバとなっていることが理解できる。また、基本モードと２次モードの有効屈折率は、各々、１．４４８０及び１．４４５２であり、比屈折率差は約０．２％である。なお、この条件では、δ／Λは０．７以上であればよく、１以上であってもよい。
【００３０】
なお、Λ＝４μｍ、ｄ＝０．８μｍ、δ＝３．２μｍ（ｄ／Λ＝０．２、δ／Λ＝０．８）とした場合には、基本モードの電界分布から求めたＭＦＤは約１２μｍであり、比屈折率差は約０．１３％である。
【００３１】
（実施例２）
図９（ａ）及び（ｂ）は、図５に示した構造の単一モード光ファイバ中を光が導波する場合の電界分布を、ＦＤＴＤ法により求めた結果を説明するための図であり、図９（ａ）は基本モードの電界分布、図９（ｂ）は２次モードの電界分布を示している。なお、この光ファイバは、クラッド部の空孔間隔Λが１０μｍ、空孔径ｄが２μｍ、コア部の空孔径δが４μｍであるとし（ｄ／Λ＝０．２、δ／Λ＝０．４）、コア部の幾何学的な径は約３２μｍであり、この光ファイバ中を、波長λ＝１５００ｎｍの光を導光させるものとして計算している。
【００３２】
これらの図から、基本モードの電界分布より求めたモードフィールド径（ＭＦＤ）は約２５μｍであり、基本モードと２次モードの比屈折率差は、約０．１％である。なお、この条件では、δ／Λは０．３以上であればよく、１以上であってもよい。
【００３３】
（実施例３）
図５に示した構造の光ファイバにおいて、クラッド部の空孔間隔Λが５μｍ、クラッド部の空孔径ｄが１．２５μｍ、コア部の空孔径δが１．２５μｍであるとし、クラッド部とコア部の空孔径を同一とした場合（ｄ／Λ＝０．２５、δ／Λ＝０．２５）に、この光ファイバ中を波長λ＝１５００ｎｍの光を導光させるものとしてＦＤＴＤ法によるシミュレーションを行なうと、この波長の光に対してマルチモード光ファイバとして作用することが分った。
【００３４】
ここで、δ／Λを０．３にするようにコア部の空孔径を拡大すると単一モード光ファイバとして作用するようになる。なお、この構造の光ファイバを単一モード光ファイバとして作用させるには、δ／Λは０．３以上であればよく、１以上であってもかまわない。
【００３５】
（実施例４）
図６に示した構造の光ファイバは、コア部の幾何学的中心に対して互いに対向する３組の空孔の径が等しい構造を有するが、このうち１組の空孔径が他の２組の空孔径と異なる。このような構造では、３回以上の高い回転対称性をもたせなくすることが可能となり、偏波依存性をもたせることが可能となる。
【００３６】
なお、図１〜６に示した構造の光ファイバにおいて、Λ、ｄ、δ、及び、コア部とクラッド部の空孔の配置を種々変更することとすれば、様々なコア径とＭＦＤをもつ光ファイバを作製することが可能となる。
【００３７】
また、コア部の内部にも空孔を配置させることとすれば、コア部の有効屈折率を自由に変えることが可能となり、設計の自由度を向上させることができる。
【００３８】
更に、図８及び図９に示したように、これらの構造の単一モード光ファイバ中の電界分布を求めると、電界は僅かにではあるが空孔内にしみ出していることが分る。この空孔内への「電界のしみだし」のため、光ファイバ内での光の吸収を小さく押さえるためには、空孔内は、真空、乃至、導波させる波長の光に対して透明な物質で充填されていることが重要である。具体的には、例えば、波長１．５μｍの光に対しては、空孔内が、乾燥窒素や乾燥空気等の気体で充填されていることが必要である。また、その屈折率は、光ファイバの材質がもつ屈折率に比較して低いことも重要である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コア部を、複数本のガラスロッドを用いて形成することとしたので、コア径の拡大が可能となり、更に、コア部の形成に使用するガラスロッドとクラッド部の形成に使用するガラス管の外形を等しくすることにより、配列の乱れが少なく、均一な特性を有する光ファイバの作製方法を得ることが可能となる。
【００４０】
また、クラッド部に備えられる空孔の一部を、他の空孔の径と異なる径とすることにより、大きなＭＦＤを保ちつつ特性を向上させることが可能となる。
【００４１】
更に、互いに対向する１組又は複数組の空孔の径を拡大又は縮小することにより、良好な偏波保存特性を有する単一モード光ファイバを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単一モード光ファイバの第１の構造例を説明するためのファイバの断面図である。
【図２】本発明の単一モード光ファイバの第２の構造例を説明するためのファイバの断面図である。
【図３】本発明の単一モード光ファイバの第３の構造例を説明するためのファイバの断面図である。
【図４】本発明の単一モード光ファイバの第４の構造例を説明するためのファイバの断面図である。
【図５】本発明の単一モード光ファイバの第５の構造例を説明するためのファイバの断面図である。
【図６】本発明の単一モード光ファイバの第６の構造例を説明するためのファイバの断面図である。
【図７】図４に示した構造の単一モード光ファイバを作製するために円筒状ガラス管及び円柱状ガラス棒を束ねた様子を説明するための図である。
【図８】図４に示した構造の単一モード光ファイバ中を光が導波する場合の電界分布を、ＦＤＴＤ法により求めた結果を説明するための図であり、（ａ）は基本モードの電界分布、（ｂ）は２次モードの電界分布を示す図である。
【図９】図５に示した構造の単一モード光ファイバ中を光が導波する場合の電界分布を、ＦＤＴＤ法により求めた結果を説明するための図であり、（ａ）は基本モードの電界分布、（ｂ）は２次モードの電界分布を示す図である。
【符号の説明】
７１、７３円筒状ガラス管
７２円柱状ガラス棒

Claims

コア部の周囲に、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円柱状ガラスを六方細密に配置して、複数である所定数束ね、該束ねられた所定数の円柱状ガラスの周囲に、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、前記円柱状ガラスの外径と等しい外径の円筒状ガラスを複数配置して、前記所定数の円柱状ガラスおよび前記複数の円筒状ガラスを束ねる工程と、
前記束ねられた、所定数の円柱状ガラスおよび複数の円筒状ガラスを加熱、延伸する工程とを有し、
前記複数の円筒状ガラスは、少なくとも２種類の内径の円筒状ガラスからなり、
前記複数の円柱状空孔は、内径の異なる少なくとも２種類の円柱状空孔を六方最密に相互に略一定間隔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、該所定数の円柱状ガラス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ることを特徴とする光ファイバの作製方法。