JP4130424B2

JP4130424B2 - 空孔アシスト光ファイバ

Info

Publication number: JP4130424B2
Application number: JP2004157202A
Authority: JP
Inventors: 隆松井; 健周; 和秀中島; 泉三川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2024-05-27
Also published as: JP2005338436A

Description

本発明は、空孔アシスト光ファイバに関する。

近年の光通信サービスの需要の増加に伴い、加入者系や屋内配線のような短距離区間においても、単一モード光ファイバを利用した大容量通信に関心が集まっている。

従来、短距離光通信では、接続が容易で、取り扱いがしやすいマルチモード光ファイバが用いられている。しかし、マルチモード光ファイバではモード分散により伝送容量が制限され、伝送容量を大きくするためには、屈折率分布の最適化と精密な作製が必要となる。

単一モード光ファイバは、モード分散がないため、マルチモード光ファイバに比べて非常に大きな伝送容量を有する。しかしながら、単一モード光ファイバには、許容曲げ半径が３０ｍｍ以上という制限があり、特に屋内のような曲がりの多いところでは大きなスペースを必要とする。また、屈折率分布を工夫して許容曲げ半径を小さくすることも可能だが、モードフィールド径が小さくなったり、マルチモード化しやすくなったりするという問題がある。

これに対して、空孔アシスト光ファイバは、従来の単一モード光ファイバに空孔を設けた構造であり、空孔部によって光の閉込め効果を増強し、曲げ損失を小さくすることができる（下記、非特許文献１を参照。）。特に、その空孔の位置、大きさを最適化することによって許容曲げ半径を従来の３分の１とし、かつモードフィールド径を従来の単一モード光ファイバ並みの大きさに保った空孔アシスト光ファイバも報告されている（下記、非特許文献２を参照。）。

T.Hasegawa et al.，"Hole-assisted lightguide fiber for large anomalous dispersion and low optical loss"，Optics Express，2001年12月発行，vol.9，No.13，p.681-686 K.Nakajima et al.，"Hole-assisted fiber design for small bending and splice losses"，IEEE Photonics Technology Letters，2003年12月発行，vol.15，No.12，p.1737-1739 T.Hasegawa et al.，"Bend-insensitive single-mode holey fibre with SMF-compatibility for optical wiring applications"，ECOC 2003 Proceedings，2003年9月発行 ITU-T，勧告G.652（2003年3月改訂版）（Table 1/G.652,p.12）

しかしながら、空孔アシスト光ファイバには、空孔部による実効的な屈折率差が大きいためマルチモード伝搬しやすい、といった問題がある。空孔アシスト光ファイバは、従来の単一モード光ファイバと同様に、高屈折率コアとホストとの屈折率差による導波構造によって光の伝搬を行うが、ホストと空孔部との屈折率差による導波構造が形成されているために、高次モードがコアとホストによる導波構造で伝搬不可能であっても、ホストと空孔部による導波構造によって伝搬可能となってしまう。そのため、高次モードが励振されると、主伝搬モードとの間にモード分散を生じ、伝送特性を大きく劣化させるという課題があった。

特に、ＬＰ０２モードは、ＬＰ０１モードと近いフィールド分布を有するため、接続状態によって高次モードが励振されやすくなったり、ＬＰ０１モードとのモード結合係数が他の高次モードに比べ大きかったり、といった課題があった。

一方、主伝搬モード以外のモードの曲げ損失を大きくし、空孔アシスト光ファイバを曲げて用いることによって実効的な単一モード動作を達成した報告もある（上記、非特許文献３を参照。）。しかしこの方法では、主伝搬モード以外のモードの曲げ損失を大きくするために、２層目の空孔部を配置し、１層目と２層目の位置関係、大きさを最適化する必要があり、また、実質的にはマルチモードであるという問題があった。

本発明は上記状況に鑑みてなされたものであり、曲げ半径１０ｍｍにおける曲げ損失特性が１ｄＢ／ｍ以下であり、かつ波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が従来のＳＭＦと同等の７．９μｍから１０．２μｍであり、かつＬＰ０２モードのカットオフ波長が１５３０ｎｍ以下であり、波長１５５０ｎｍ帯において実効的に単一モード動作が可能な空孔アシスト光ファイバを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明に係る空孔アシスト光ファイバは、
コア部と、前記コア部を包囲するクラッド部と、前記クラッド部を包囲する空孔部とを有し、前記コア部の屈折率は前記クラッド部の屈折率よりも高く、前記空孔部は６個以上の空孔が配置されてなり、
波長１３１０ｎｍにおけるＬＰ０１モードのモードフィールド径が７．９μｍから１０．２μｍである空孔アシスト光ファイバにおいて、
前記空孔の直径ｄが９μｍであり、隣接する空孔間の距離Λが１６μｍであり、前記コア部の中心から前記空孔部までの距離ｃをコア部の半径ａで規格化した規格化空孔位置ｃ／ａが２．９であり、前記コア部の前記クラッド部に対する比屈折率差Δが０．３％である
ことを特徴とする空孔アシスト光ファイバである。

空孔部における空孔の位置、および大きさを最適化して、ＬＰ０２モードのカットオフ波長を１２６０ｎｍ以下とする。

本発明によれば、空孔アシスト光ファイバの空孔位置および大きさを最適化することにより、１０ｍｍの曲げ半径で１２６０ｎｍから１６５０ｎｍの範囲内における曲げ損失を１ｄＢ／ｍ以下に維持しながら、かつ完全に単一モード動作が可能な設計をしたので、モードフィールド径の大きな光ファイバ・光源などとの接続時や、外乱によるモード結合によってマルチモード伝搬が発生することのない、実効的に単一モードな空孔アシスト光ファイバを提供することができる。

また、波長１３１０ｎｍにおけるモードフィールド径が従来のＳＭＦと同等の７．９μｍから１０．２μｍであり、かつＬＰ０２モードのカットオフ波長が１５３０ｎｍ以下であり、波長１５５０ｎｍ帯において実効的に単一モード動作が可能な空孔アシスト光ファイバを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る空孔アシスト光ファイバの概略断面図、図１（ｂ）は、当該空孔アシスト光ファイバの屈折率分布を示す図である。

図１（ａ）に示すように、実施形態に係る空孔アシスト光ファイバ１０は、コア部１１と、コア部１１を包囲するクラッド部１２と、クラッド部１２を包囲する空孔部１３とによって構成される。

コア部１１は半径ａの断面円形であり、クラッド部１２は断面環状であり、空孔部１３は内周半径ｃの断面環状である。また、クラッド部１２及び空孔部１３の中心軸は、コア部１１の中心軸と同一（各構造が同軸に形成されている）である。

コア部１１の屈折率はｎ₁、クラッド部１２の屈折率はｎ₂である。空孔部１３は、直径ｄの空孔１４が複数個（図中は６個）、円周に沿って間隔Λで形成されてなり、ホスト部分（空孔部１３における空孔１４以外の部分）の屈折率と複数の空孔１４の屈折率とにより調整されて、実効的な屈折率がｎ₃となっている。

図１（ｂ）に示すように、コア部１１の屈折率ｎ₁は、従来の単一モード光ファイバと同様に、クラッド部１２の屈折率ｎ₂よりも高くなるように、添加剤の種類とその添加量により調整されており、コア部１１とクラッド部１２により主たる光の導波構造が形成されている。なお、コア部１１の屈折率分布は、従来の単一モード光ファイバと同様に、任意の形状の屈折率分布を用いることが可能である。

本実施形態では、ホストを純石英（屈折率：約１．４５）として、ホストにゲルマニウムを添加することによりコア部１１を形成し、ホストをそのまま利用してクラッド部１２（屈折率ｎ₂：約１．４５）とし、空孔１４（空気）の屈折率を１．０とした場合の、空孔アシスト光ファイバの特性について説明する。

なお、クラッド部１２の屈折率ｎ₂をフッ素などの添加剤により、純石英の屈折率よりも低くし、コア部１１の屈折率ｎ₁を純石英と同等、もしくはそれ以下の屈折率として設計することも可能である。

以下、上記非特許文献１および非特許文献２における要求条件を満たした空孔アシスト光ファイバについて述べる。

上記非特許文献１によれば、高屈折率コア部とホストとの屈折率差によって形成される導波構造が従来の単一モード光ファイバの要求条件を満たすためには、波長１３１０ｎｍ帯におけるＬＰ０１モードのモードフィールド径が７．９μｍから１０．２μｍの範囲内である必要がある。

また、非特許文献２によれば、従来の単一モード光ファイバと良好な接続を維持すると共に、波長１２６０ｎｍから１６５０ｎｍの動作波長帯において曲げ半径１０ｍｍにおける曲げ損失特性を１．０ｄＢ／ｍ以下とするためには、コア部１１の中心から空孔部１３の内周までの距離ｃをコア部１１の半径ａで規格化した規格化空孔位置ｃ／ａを２．０から４．５（すなわち、距離ｃがコア部半径ａの２．０倍から４．５倍）、かつ空孔１４の直径ｄを隣接する空孔間の距離Λで規格化した規格化空孔直径ｄ／Λを０．１以上とする必要がある。

図２は、本発明の実施形態に係る空孔アシスト光ファイバに存在しうる、全てのモードの分散関係を示す特性図である。同図には、コア部１１の半径ａを４μｍ、規格化空孔位置ｃ／ａを２．９、空孔１４の直径ｄを９μｍ、隣接する空孔間の距離Λを１６μｍ（規格化空孔直径ｄ／Λ＝０．５６）、コア部１１のクラッド部１２に対する比屈折率差Δを０．３％、として計算した結果を示してある。

図２から分かるように、本実施形態に係る空孔アシスト光ファイバの構造では、波長１４００ｎｍ以下でＬＰ０２モードがカットオフとなる。したがって、この構造では、１５５０ｎｍ帯においてＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードが存在するが、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとのモード結合係数は非常に小さいため、実効的にＬＰ０１モードのみの単一モード動作が得られる。

上述したＬＰ０２モードのように、その実効屈折率がホストの屈折率以下となるモード（図２を参照。）は、ホストと空孔部１３との屈折率差によって形成される導波構造によって伝搬可能となるモードであり、そのエネルギーの多くはホスト領域（クラッド部１２）を伝搬する。このモード（ＨＧモード）の特性は空孔１４の位置、大きさによって制御可能であり、カットオフ波長も空孔１４の位置・大きさによって制御することができる。

図３は、本発明の実施形態に係る空孔アシスト光ファイバのＬＰ０２モードのカットオフ波長が１２６０ｎｍ以下または１５３０ｎｍ以下となる設計領域を、規格化空孔位置ｃ／ａおよび規格化空孔直径ｄ／Λをパラメータとして、示した特性図である。同図において、２つの実線はそれぞれ、ＬＰ０２モードのカットオフ波長が１２６０ｎｍとなるとき（波長１３１０ｎｍ帯で利用する場合）と、１５３０ｎｍとなるとき（１５５０ｎｍ帯で利用する場合）を示している。

ここで、カットオフ波長が１２６０ｎｍとなる実線は、下記式（５）で近似して表すことができる。

また、カットオフ波長が１５３０ｎｍとなる実線は、下記式（６）で近似して表すことができる。

なお、上述する曲げ特性による条件から、規格化空孔位置ｃ／ａを２．０から４．５とし、規格化空孔直径ｄ／Λを０．１以上とする必要がある。

以上より、１２６０ｎｍ以下で単一モード動作を得るためには、下記式（７），（８）を満たす必要がある。

また、１５３０ｎｍ以下で単一モード動作を得るためには、下記式（９），（１０）を満たす必要がある。

本発明の実施形態に係る空孔アシスト光ファイバの概略断面図（ａ）、当該空孔アシスト光ファイバの屈折率分布を示す図（ｂ）である。本発明の実施形態に係る空孔アシスト光ファイバに存在しうる、全てのモードの分散関係を示す特性図である。本発明の実施形態に係る空孔アシスト光ファイバのＬＰ０２モードのカットオフ波長が１２６０ｎｍ以下または１５３０ｎｍ以下となる設計領域を、規格化空孔位置ｃ／ａおよび規格化空孔直径ｄ／Λをパラメータとして、示した特性図である。

符号の説明

１０空孔アシスト光ファイバ
１１コア部
１２クラッド部
１３空孔部
１４空孔
ａコア部の半径
ｃコア部の中心から空孔部の内周までの距離
Λ 隣接する空孔間の距離
ｄ空孔の直径
ｎ₁ コア部の屈折率
ｎ₂ クラッド部の屈折率
ｎ₃ 空孔部の屈折率

Claims

コア部と、前記コア部を包囲するクラッド部と、前記クラッド部を包囲する空孔部とを有し、前記コア部の屈折率は前記クラッド部の屈折率よりも高く、前記空孔部は６個以上の空孔が配置されてなり、
波長１３１０ｎｍにおけるＬＰ０１モードのモードフィールド径が７．９μｍから１０．２μｍである空孔アシスト光ファイバにおいて、
前記空孔の直径ｄが９μｍであり、隣接する空孔間の距離Λが１６μｍであり、前記コア部の中心から前記空孔部までの距離ｃをコア部の半径ａで規格化した規格化空孔位置ｃ／ａが２．９であり、前記コア部の前記クラッド部に対する比屈折率差Δが０．３％である
ことを特徴とする空孔アシスト光ファイバ。