JP3940069B2

JP3940069B2 - Fusion splicing method of photonic crystal fiber

Info

Publication number: JP3940069B2
Application number: JP2002361000A
Authority: JP
Inventors: 和男保苅; 信幸吉澤; 克介田嶋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: JP2004191760A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、これまでの光ファイバにない特性を有するフォトニック結晶ファイバを接続する際の融着方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、多様で広帯域なマルチメディアサービスを提供するため、低損失・広帯域という特徴を有する光ファイバが通信網に導入されている。さらに、大容量のデータを高速に伝送するため、種々の光ファイバ構造及び光ファイバシステムが提案されている。これらの中で、図１（ａ）に示すように、ガラスよりなる光ファイバの中心部付近に多数の空孔を設け、等価的に光ファイバ中心部よりも屈折率を下げることで中心部に光を閉じ込め導波させるフォトニック結晶ファイバと呼ばれる光ファイバが提案されている。
【０００３】
この光ファイバは、光ファイバの零分散波長が幅広く変化するため、可視領域での零分散、スポットサイズ制御が可能である等のこれまでの光ファイバと異なった大きな特徴を有している。したがって、これまで光通信で用いてきた１．５μｍ帯から可視領域までの広波長領域でシングルモード光ファイバとして使用できる等、使用できる波長域の拡大を図ることができる。このため、伝送容量を拡大でき、次世代の光ファイバとして期待されている。さらに、図１（ｂ）に示すように光が導波する部分もガラスではなく、空孔にするタイプのフォトニック結晶ファイバも提案されている。
【０００４】
一方、光ファイバの接続する方法としては、融着接続、メカニカルスプライス、コネクタ接続の３つが用いられている。特に、光ファイバ同士を放電により数秒から１０秒程度加熱、溶融して接続する融着接続は、低損失・低反射でかつ信頼性が高いことから光ファイバネットワークを構築する際等に広く使用されているが、フォトニック結晶ファイバを低損失で接続するために融着条件の検討がなされた結果、放電融着時間をこれまでの１／１０〜１／２０程度の０．５秒とすれば低損失で接続できることが既に報告されている。（例えば、非特許文献１参照）。しかし、同報告によれば、前記条件では反射が大きいことも合わせて報告されている。
【０００５】
【非特許文献１】
電子情報通信学会光ファイバ応用技術研究会資料 OFT2002-18 フォトニック結晶ファイバと従来ファイバの接続における巨大フレネル反射の観測とその低減方法
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
フォトニック結晶ファイバの接続にあたり、フォトニック結晶ファイバの特徴を生かして、フォトニック結晶ファイバ同士またはフォトニック結晶ファイバと従来の光ファイバとを低損失・低反射かつ高い信頼性のもとに融着接続することが望まれている。すなわち、フォトニック結晶ファイバを伝送路として用いる場合は、フォトニック結晶ファイバ同士を、低損失・低反射かつ高い信頼性のもとに接続することが要求され、フォトニック結晶ファイバを光デバイスとして用いる場合には、フォトニック結晶ファイバ同士の接続に加えてフォトニック結晶ファイバと従来の光ファイバとを低損失・低反射かつ高い信頼性をもって接続することも要求されている。
【０００７】
しかしながら、フォトニック結晶ファイバをこれまでの光ファイバ同様に融着接続装置を用いて融着接続を行うと接続損失が大きくなる。この原因は、フォトニック結晶ファイバを加熱することにより、中心部付近に設けた空孔がなくなってしまい、光ファイバの全断面で屈折率が等しくなってしまうため、導波してきた光を光ファイバ内に閉じ込めることができなくなることに起因している。
【０００８】
そこで、上記のように放電融着時間を０．５秒程度とし、低損失での接続を実現したとしても、この条件では反射が大きいという問題が残る。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、フォトニック結晶ファイバを接続する際、フォトニック結晶ファイバの特徴を生かし、低損失・低反射でかつ信頼性のある接続方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１の発明では、ファイバ端面を斜めに光ファイバの軸と直交する方向に対して５．５度以上の角度で切断し、接続する互いの光ファイバの端面の角度を合わせた状態で軸合わせを行い、融着に際して、放電融着する時間と放電電流の積を、外径１２５μｍのフォトニック結晶ファイバに対して３．０ｍＡ・ｓ〜６．５ｍＡ・ｓとすることを特徴とするフォトニック結晶ファイバの融着接続方法をもって解決手段とする。
【００１３】
請求項１の発明によると、フォトニック結晶ファイバ同士またはフォトニック結晶ファイバと従来の光ファイバを低損失・低反射かつ高い信頼性で融着接続ができるため、低損失・低反射な伝送路の実現または伝送距離の拡大を図ることができるとともに、フォトニック結晶ファイバの性能を大いに活用できるため、伝送容量の拡大を図ることができる。また、光デバイスとしても低損失・低反射で高信頼性をもったものを実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
請求項１の発明における数値限定の根拠について、図２に示す実験結果を用いて説明する。なお、図２が示す実験では、融着接続装置は従来のものを用い、図１（ａ）に示す断面構造を持つフォトニック結晶ファイバを用いて行った。フォトニック結晶ファイバは、中心部付近に約６０個の空孔を設けた外径１２５μｍと１８０μｍの外径の異なる２種類のフォトニック結晶ファイバを用い、フォトニック結晶ファイバ同士を融着する時間及び融着する際の放電電流を変えて接続し、その時の接続損失を測定した。なお、図１において、１０はフォトニック結晶ファイバ本体、１１は空孔、１２は光が導波する部分を示す。図１（ｂ）では、光が導波する部分１２も空孔である。
【００１５】
融着時間が長い場合や融着する際の放電電流が大きい場合（図２の接続損失が大きくなる領域）には、前述したように放電融着加熱した際の熱によりガラスが融け、フォトニック結晶ファイバ１０の空孔１１がつぶれてしまい、これによって伝搬する光を光ファイバ中心部に閉じ込めることができなくなるため、接続損失の増加をまねく。
【００１６】
一方、融着時間が短い場合や融着する際の放電電流が小さい場合（図２の十分な引張強度が得られない領域）には、フォトニック結晶ファイバ１０の空孔１１がつぶれてしまうことはないが、十分な放電加熱が行われず溶解が不十分なために、所望の強度を得ることができない。また、融着接続後に融着接続装置は、約２００ｇｆで接続部のプルーフテストを行うが、３．０ｍＡ・ｓ以下で接続したものは、このプルーフテスト時に接続部が破断してしまう等、所望の強度が得られない。このため、融着後の接続部取り扱いを慎重にしなければならず、取り扱い時間を要するにもかかわらず高い信頼性を得ることはできない。
【００１７】
しかしながら、図２の実験結果によると、光ファイバの外径が１２５μｍのときは、放電電流×時間の値が６．５ｍＡ・ｓ付近を境にして接続損失が急増しており、光ファイバの外径が１８０μｍのときは、放電電流×時間の値が８．０ｍＡ・ｓ付近を境にして接続損失が急増している。グラフは両光ファイバとも下に凸であり、接続損失の減少部分では、前記接続損失の急増部分の接続損失値は、放電電流×時間の値が３．０ｍＡ・ｓ付近と一致している。したがって、図２から、光ファイバの外径が１２５μｍのときは、放電電流×時間の値が３．０ｍＡ・ｓ〜６．５ｍＡ・ｓ、光ファイバの外径が１８０μｍのときは、放電電流×時間の値が３．０ｍＡ・ｓ〜８．０ｍＡ・ｓであれば、フォトニック結晶ファイバの低損失な接続ができ、所望の強度を得ることができると言える。
【００１８】
図３は従来の光ファイバを示しており、３０は光ファイバ本体、３１はクラッド、３２はコアである。図３に示すような従来の光ファイバ３０の融着接続では、融着時間×融着する際の放電電流の値は７０ｍＡ・ｓ〜１００ｍＡ・ｓ程度であり、前記値よりも１桁以上大きいことがわかる。したがって、これまでの融着接続を微小電流によりフォトニック結晶ファイバに適用するのが効果的であることは想定し難いであろう。
【００１９】
さらに、フォトニック結晶ファイバと図３に示す従来の光ファイバとを接続する場合でも、フォトニック結晶ファイバ同士を接続するのと同様に、融着時間が長いときや融着する際の放電電流が大きいときには、融着加熱した際の熱によりガラスが融けた際にフォトニック結晶ファイバの空孔がつぶれ、接続損失の増加をまねく。
【００２０】
一方、融着時間が短い場合や融着する際の放電電流が小さい場合には、フォトニック結晶ファイバが十分に溶融せず、十分な強度をえることができないため、融着後の接続部が取り扱いにくく、かつ高い信頼性を得ることができない。
【００２１】
しかしながら、本発明は、フォトニック結晶ファイバと図３に示すような従来の光ファイバを接続する場合でも適用可能である。
【００２２】
一方、反射を低減するためには、光ファイバを斜めに切断し、前記の融着条件を満足しながら融着接続を行えば、反射光が光ファイバ外に放出されるため、低損失・低反射で融着接続を行うことができる。
【００２３】
光ファイバの軸と直交する方向に対する切断角度と反射減衰量の関係は、空気の屈折率ｎ₀、光ファイバの屈折率ｎ₁、スポットサイズω、伝搬光の波長λ、光ファイバの軸と直交する方向に対する切断角度θ（度）を用いて、
【００２４】
【数１】

【００２５】
のように表される。図４は、波長が１．３μｍの場合と１．５５μｍの場合の与式を用いた反射減衰量の計算結果をグラフにしたものである。図４からわかるように、反射減衰量は、光ファイバの軸と直交する方向に対する切断角度が大きくなるほど小さくなり、ある任意の角度においては、波長の短い方が反射減衰量は小さい。これは、光ファイバが突き合わされた状態での計算であるが、１．５μｍ帯における１．５５μｍの場合では、光ファイバの切断角度が５．５度のとき反射減衰量が４０ｄＢとなり、光信号伝送時に問題ないレベルにあると言える。したがって、光ファイバの端面の角度を５．５度以上とし、さらに、光ファイバの外径が１２５μｍのときは、放電電流×時間の値が３．０ｍＡ・ｓ〜６．５ｍＡ・ｓ、光ファイバの外径が１８０μｍのときは、放電電流×時間の値が３．０ｍＡ・ｓ〜８．０ｍＡ・ｓを満たして融着接続を行うと、１．５μｍ帯から可視領域までの広波長領域において、低損失・低反射のシングルモード光ファイバを実現することができる。尚、反射減衰量は、光ファイバの外径及び放電電流×放電時間の値とは非従属関係にある。
【００２６】
本発明は、図１（ａ）のタイプのフォトニック結晶ファイバだけでなく、図１（ｂ）に示す構造のフォトニック結晶ファイバにも適用することが可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フォトニック結晶ファイバ同士またはフォトニック結晶ファイバと従来の光ファイバとを低損失・低反射でかつ高い信頼性を保ちながら融着接続を行えるため、低損失な伝送路の実現または伝送距離の拡大を図ることができるとともに、フォトニック結晶ファイバの性能を大いに活用できるため、伝送容量の拡大を図ることができる。また、フォトニック結晶ファイバを光デバイスとして用いる際にも、低損失・低反射で高い信頼性を有したものを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フォトニック結晶ファイバの断面構造を示した図
【図２】本発明に至った実験結果を示した図
【図３】従来の光ファイバの断面構造を示した図
【図４】光ファイバと反射減衰量の関係の計算結果を示した図
【符号の説明】
１０…フォトニック結晶ファイバ、１１…空孔、１２…光が導波する部分、３０…従来の光ファイバ、３１…クラッド、３２…コア。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fusion method for connecting photonic crystal fibers having characteristics not found in conventional optical fibers.
[0002]
[Prior art]
Currently, in order to provide various and wide-band multimedia services, optical fibers having the characteristics of low loss and wideband have been introduced into communication networks. Furthermore, various optical fiber structures and optical fiber systems have been proposed to transmit large volumes of data at high speed. Among these, as shown in FIG. 1A, a large number of holes are provided near the center of an optical fiber made of glass, and the refractive index is equivalently lower than that of the center of the optical fiber, so that An optical fiber called a photonic crystal fiber that confines and guides light has been proposed.
[0003]
This optical fiber has major features different from those of the conventional optical fibers, such as zero dispersion in the visible region and spot size control because the zero dispersion wavelength of the optical fiber varies widely. Therefore, the usable wavelength range can be expanded, for example, it can be used as a single mode optical fiber in a wide wavelength range from the 1.5 μm band to the visible range, which has been used in optical communication. For this reason, transmission capacity can be expanded and it is expected as a next-generation optical fiber. Furthermore, as shown in FIG. 1B, a photonic crystal fiber of a type in which a portion where light is guided is not glass but a hole is also proposed.
[0004]
On the other hand, there are three methods for connecting optical fibers: fusion connection, mechanical splice, and connector connection. In particular, fusion splicing, in which optical fibers are heated and melted for a few seconds to 10 seconds by discharge, is widely used when constructing an optical fiber network because of its low loss, low reflection, and high reliability. However, as a result of the examination of the fusing conditions in order to connect the photonic crystal fiber with low loss, if the discharge fusing time is 0.5 seconds, which is about 1/10 to 1/20 of the conventional time. It has already been reported that connection can be made with low loss. (For example, refer nonpatent literature 1). However, according to the report, it is also reported that reflection is large under the above conditions.
[0005]
[Non-Patent Document 1]
IEICE Technical Report on Optical Fiber Application Technology OFT2002-18 Observation of Giant Fresnel Reflection at Photonic Crystal Fiber and Conventional Fiber Connection and its Reduction Method [0006]
[Problems to be solved by the invention]
When connecting photonic crystal fibers, utilizing the characteristics of photonic crystal fibers, photonic crystal fibers or photonic crystal fibers and conventional optical fibers are fused with low loss, low reflection, and high reliability. It is desired to connect. That is, when using a photonic crystal fiber as a transmission line, it is required to connect the photonic crystal fibers with low loss, low reflection, and high reliability, and the photonic crystal fiber is used as an optical device. In some cases, in addition to the connection between the photonic crystal fibers, it is also required to connect the photonic crystal fiber and the conventional optical fiber with low loss, low reflection, and high reliability.
[0007]
However, if the photonic crystal fiber is fusion spliced using a fusion splicing device in the same manner as the conventional optical fiber, the connection loss increases. This is because, when the photonic crystal fiber is heated, the holes provided in the vicinity of the central portion disappear, and the refractive index becomes equal across the entire cross section of the optical fiber. This is due to the fact that it cannot be confined inside.
[0008]
Therefore, even if the discharge fusion time is set to about 0.5 seconds as described above and the connection with low loss is realized, the problem that reflection is large under these conditions remains.
[0009]
The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to make use of the characteristics of the photonic crystal fiber when connecting the photonic crystal fiber, and to have low loss, low reflection and reliability. It is to provide a connection method.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the fiber end faces are cut at an angle of 5.5 degrees or more obliquely with respect to the direction orthogonal to the axis of the optical fiber, and the end faces of the connected optical fibers are connected. Axis alignment is performed in a state where the angles are matched, and during fusion, the product of discharge fusion time and discharge current is 3.0 mA · s to 6.5 mA · s for a photonic crystal fiber having an outer diameter of 125 μm. A solution means is a fusion splicing method for photonic crystal fibers.
[0013]
According to the first aspect of the present invention, the photonic crystal fibers or between the photonic crystal fibers and the conventional optical fiber can be fusion-bonded with low loss, low reflection and high reliability. The realization or the transmission distance can be increased and the performance of the photonic crystal fiber can be greatly utilized, so that the transmission capacity can be increased. Also, an optical device with low loss and low reflection and high reliability can be realized.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The grounds for numerical limitation in the invention of claim 1 will be described using the experimental results shown in FIG. In the experiment shown in FIG. 2, a conventional fusion splicer was used, and a photonic crystal fiber having a cross-sectional structure shown in FIG. The photonic crystal fiber uses two types of photonic crystal fibers having different outer diameters of 125 μm and 180 μm having approximately 60 holes in the vicinity of the center, and a time for fusing the photonic crystal fibers and Connections were made by changing the discharge current when fusing, and the connection loss at that time was measured. In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a photonic crystal fiber main body, 11 denotes a hole, and 12 denotes a portion where light is guided. In FIG. 1B, the portion 12 through which light is guided is also a hole.
[0015]
When the fusion time is long or when the discharge current during fusion is large (in the region where the connection loss in FIG. 2 is large), the glass melts due to the heat during the discharge fusion heating as described above, and the photonic Since the holes 11 of the crystal fiber 10 are crushed, the propagating light cannot be confined in the central portion of the optical fiber, resulting in an increase in connection loss.
[0016]
On the other hand, when the fusion time is short or when the discharge current at the time of fusion is small (a region where sufficient tensile strength in FIG. 2 cannot be obtained), the holes 11 of the photonic crystal fiber 10 are crushed. However, since sufficient discharge heating is not performed and dissolution is insufficient, a desired strength cannot be obtained. Also, after the fusion splicing, the fusion splicing device performs a proof test of the connection portion at about 200 gf. However, if the connection portion is 3.0 mA · s or less, the connection portion breaks during the proof test. The strength of can not be obtained. For this reason, it is necessary to handle the connecting portion after fusing carefully, and high reliability cannot be obtained in spite of handling time.
[0017]
However, according to the experimental results of FIG. 2, when the outer diameter of the optical fiber is 125 μm, the connection loss rapidly increases around the discharge current × time value of around 6.5 mA · s. When the diameter is 180 μm, the connection loss rapidly increases with the discharge current × time value around 8.0 mA · s. The graph is convex downward for both optical fibers, and in the connection loss decreasing portion, the connection loss value of the connection loss rapidly increasing portion coincides with the discharge current × time value of around 3.0 mA · s. Accordingly, from FIG. 2, when the outer diameter of the optical fiber is 125 μm, the value of discharge current × time is 3.0 mA · s to 6.5 mA · s, and when the outer diameter of the optical fiber is 180 μm, the discharge current × If the time value is 3.0 mA · s to 8.0 mA · s, it can be said that the photonic crystal fiber can be connected with low loss and desired strength can be obtained.
[0018]
FIG. 3 shows a conventional optical fiber, in which 30 is an optical fiber body, 31 is a cladding, and 32 is a core. In the fusion splicing of the conventional optical fiber 30 as shown in FIG. 3, the value of the discharge current at the time of fusion time × fusion is about 70 mA · s to 100 mA · s, which is one digit or more larger than the above value. I understand that. Therefore, it would be difficult to assume that it is effective to apply the conventional fusion splicing to the photonic crystal fiber with a minute current.
[0019]
Furthermore, even when the photonic crystal fiber and the conventional optical fiber shown in FIG. 3 are connected, the discharge current when the fusion time is long or when the fusion time is long, as in the case of connecting the photonic crystal fibers to each other. When it is large, the holes of the photonic crystal fiber are crushed when the glass is melted by the heat of the fusion heating, resulting in an increase in connection loss.
[0020]
On the other hand, if the fusion time is short or the discharge current at the time of fusion is small, the photonic crystal fiber is not sufficiently melted and sufficient strength cannot be obtained. It is difficult to handle and high reliability cannot be obtained.
[0021]
However, the present invention is applicable even when a photonic crystal fiber is connected to a conventional optical fiber as shown in FIG.
[0022]
On the other hand, in order to reduce reflection, if the optical fiber is cut obliquely and fusion splicing is performed while satisfying the above-mentioned fusion conditions, the reflected light is emitted outside the optical fiber. Fusion splicing can be performed by reflection.
[0023]
The relationship between the cutting angle and the return loss with respect to the direction orthogonal to the optical fiber axis is as follows: air refractive index n ₀ , optical fiber refractive index n ₁ , spot size ω, propagation light wavelength λ, optical fiber axis orthogonal Using the cutting angle θ (degrees) relative to the direction to
[0024]
[Expression 1]

[0025]
It is expressed as FIG. 4 is a graph showing the calculation result of the return loss using the given equation when the wavelength is 1.3 μm and when the wavelength is 1.55 μm. As can be seen from FIG. 4, the return loss decreases as the cutting angle with respect to the direction orthogonal to the axis of the optical fiber increases. At a given angle, the return loss decreases with shorter wavelengths. This is a calculation in a state where the optical fibers are abutted, but in the case of 1.55 μm in the 1.5 μm band, the return loss becomes 40 dB when the optical fiber cutting angle is 5.5 degrees, and the optical signal It can be said that there is no problem at the time of transmission. Therefore, when the angle of the end face of the optical fiber is 5.5 degrees or more and the outer diameter of the optical fiber is 125 μm, the value of discharge current × time is 3.0 mA · s to 6.5 mA · s, and the optical fiber When the outer diameter of the electrode is 180 μm, when the fusion current is connected with the value of discharge current × time satisfying 3.0 mA · s to 8.0 mA · s, in a wide wavelength region from the 1.5 μm band to the visible region. A single-mode optical fiber with low loss and low reflection can be realized. The return loss is not dependent on the outer diameter of the optical fiber and the value of discharge current × discharge time.
[0026]
The present invention can be applied not only to the photonic crystal fiber of the type shown in FIG. 1 (a) but also to the photonic crystal fiber having the structure shown in FIG. 1 (b).
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to perform fusion splicing between photonic crystal fibers or between photonic crystal fibers and a conventional optical fiber with low loss, low reflection and high reliability. A lossy transmission line can be realized or a transmission distance can be increased, and the performance of the photonic crystal fiber can be greatly utilized, so that the transmission capacity can be increased. In addition, when a photonic crystal fiber is used as an optical device, it is possible to realize a highly reliable fiber with low loss and low reflection.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a photonic crystal fiber. FIG. 2 is a diagram showing an experimental result leading to the present invention. FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional structure of a conventional optical fiber. Figure showing the calculation result of the relationship between fiber and return loss 【Explanation of symbols】
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Photonic crystal fiber, 11 ... Hole, 12 ... The part where light guides, 30 ... Conventional optical fiber, 31 ... Cladding, 32 ... Core.

Claims

In a fusion splicing method in which a photonic crystal fiber provided with a large number of holes near the center of an optical fiber is heated, melted and connected by discharge,
Cut the fiber end face obliquely at an angle of 5.5 degrees or more with respect to the direction orthogonal to the axis of the optical fiber, align the angles of the end faces of the connected optical fibers, and align the axes.
In the fusion, the product of the discharge fusion time and the discharge current is set to 3.0 mA · s to 6.5 mA · s for a photonic crystal fiber having an outer diameter of 125 μm. Fusion splicing method.