JP4242903B2 - フォトニック結晶光ファイバ、光ファイバの接続方法及び光コネクタ - Google Patents

Description

本発明は、コアの周囲に複数の空孔を有する光ファイバに係り、特に、フォトニック結晶ファイバと、それよりもモードフィールド径が大きいシングルモードファイバとの接続方法及び光コネクタに関するものである。

従来、一般的に使用されている光ファイバは光を閉じ込めるコアと、そのコアより屈折率が僅かに低いクラッドがコアの円周方向に覆設された２層構造により構成され、コア、クラッド共に石英系材料で形成される。その２層構造ファイバはコアの屈折率がクラッドの屈折率より高いため、その屈折率差によって光がコアの閉じ込められ、光ファイバ内を伝搬する。

シングルモードファイバ同士の接続方法については、コネクタやメカニカルスプライスによる接続方法がある。コネクタ接続はそれぞれの光ファイバが各々の光コネクタに接着され、容易に着脱できる方法であり、メカニカルスプライスは、それに設けられたＶ字溝等において光ファイバの端面を突き合わせ、接続された両光ファイバを強固に保持するのが特徴である。通常のシングルモードファイバの接続技術は十分開発されている。

最近ではフォトニック結晶光ファイバ（ＰＣＦ：Photonic Crystal Fiber）が注目されつつある。

ＰＣＦはクラッドにフォトニック結晶構造、即ち、屈折率の周期構造を有する光ファイバである。その周期構造を光の波長ないしはその数倍程度まで小さくし、結晶中に欠陥や局所的不均一性を導入することで、光を局在させることができる。 このＰＣＦの断面構造を図５によって説明する。

ＰＣＦ４１はファイバ内の屈折率がすべて同じクラッド４２のみ形成され、その中心から多数の円柱空孔４３を六方格子状に配列し、その円柱空孔４３の長さはファイバ４１全長におよぶ。従来のコアに相当する光の閉じ込め機能を有する部材はファイバ４１中心部である結晶欠陥部４４に対応する。

具体的には、クラッド径φ１２５μｍの純粋石英ファイバで、クラッド４２に径φ３μｍの円柱空孔４３が中央から周期的に六方格子状（４周期構造）に配置され、その中心は空孔が形成されておらず（結晶欠陥）、その部分が光を閉じ込めるコア４４になる。

光閉じ込め効果の大きいＰＣＦ４１と現在長距離大容量通信に用いられるシングルモードファイバ（ＳＭＦ：Single Mode Fiber ）との接続技術は必要不可欠である。

従来のＰＣＦ４１とＳＭＦの接続方法は、ＰＣＦ４１の接続端部を加熱して円柱空孔４３を封止し、フェルールに装着する接続方法がある。（例えば、特許文献１参照）
特開２００２−２４３９７２号公報

しかしながら、従来のＰＣＦ４１の接続方法では、ファイバのコア４４がクラッド４２よりも屈折率が高い媒質で形成されたＰＣＦ４１にしか適用できない。コア４４とクラッド４２の屈折率が等しくフォトニック結晶構造によって等価的にコアとクラッドに屈折率差を設けてコアに光を閉じ込める構造のファイバにおいては、ファイバの接続端部の円柱空孔４３を融着によって封止してしまうためコア４４が存在しなくなる。よって、円柱空孔４３を封止した接続端部によって、ＰＣＦ４１とそれと接続するファイバのコア同士が距離を隔てて接続していることになり、接続損失が増大する問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、低損失で通常のシングルモード光ファイバと接続できるフォトニック結晶光ファイバ、そのフォトニック結晶光ファイバとシングルモード光ファイバの接続方法及び光コネクタを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、コアとクラッドとを同じ屈折率の石英で形成すると共に、ファイバ軸心方向に沿って複数の空孔を中央から周期的に六方格子状に配列し、前記中央に結晶欠陥を形成して前記コアとするフォトニック結晶光ファイバにおいて、
前記空孔を中央から４周期の六方格子状に配置し、前記クラッドの径を１２５μｍ、前記空孔の径を３μｍ、前記コアと前記クラッドの屈折率を１．４５８とし、接続端部近傍の空孔に含フッ素ＵＶ硬化型樹脂を充填し、該含フッ素ＵＶ硬化型樹脂の硬化後の屈折率を１．４２とすることにより、モードフィールド径を前記接続端部に接続されるシングルモード光ファイバのモードフィールド径と等しくしたフォトニック結晶光ファイバである。

請求項２の発明は、請求項１記載のフォトニック結晶光ファイバを、Ｖ溝接続器等を用いて、シングルモード光ファイバと突き合わせ、接続する光ファイバの接続方法である。

請求項３の発明は、請求項１記載のフォトニック結晶光ファイバをフェルールに装着し、端面を研磨処理した光コネクタである。

以上要するに本発明によれば、以下に示すごとく優れた効果を発揮するものである。

（１）コア、クラッドの屈折率が等しくモードフィールド径が通常のシングルモードファイバよりはるかに小さいフォトニック結晶ファイバでも、低損失で通常のシングルモードファイバとの突き合わせ接続が可能になる。

（２）光ファイバの強度劣化や伝送損失の増加を防止できる。

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。

本発明に係るＰＣＦの構造図を図１に示す。

まず、本発明に係るＰＣＦ１１は図５で説明したＰＣＦ４１と同じであり、その詳細は省略するが、光ファイバはクラッドの周囲がＵＶ樹脂からなる被覆層により被覆されているファイバ心線の状態で用いられ、フェルールやその他接続器との接続部分はその被覆層を剥がして使用する。

図１に示すように、ＰＣＦ１１の接続端近傍１２の空孔１３には、屈折率が石英より低いＵＶ硬化型樹脂１４が、充填材として充填されている。ＵＶ硬化型樹脂１４は使用前は常温液体であり、紫外線を照射させることで硬化する。本実施の形態で使用するＵＶ硬化型樹脂は、硬化後の屈折率が１．４２に調整されたエポキシ系の含フッ素ＵＶ硬化型樹脂１４である。

本実施形態のＰＣＦ１１に充填するＵＶ硬化型接着剤１４の屈折率は１．４２であり、ＰＣＦ１１を形成する石英ガラスの屈折率は１．４５８である。空孔１３へ充填する材料の最適屈折率は、屈折率１．４５８より小さい事は必須であるが、ＰＣＦ１１の空孔径、空孔数、空孔間隔（密度）により異なるので条件が変わる毎に、選定が必要である。充填材料の屈折率が石英ガラスの屈折率より低くても最適屈折率に比べて大きい場合、小さい場合それぞれ次のような原因によって接続損失が大きくなる。

充填材の屈折率が最適値より大きい場合、充填された空孔１３とコア（石英）の比屈折率差が小さくなるので、中心コアへの光の閉じ込め効果が弱くなり、接続端近傍１２でのモードフィールド径（ＭＦＤ：Mode Field Diameter ）が大きくなる。よって、ＰＣＦ１１とＳＭＦにＭＦＤの不具合が生じ、接続損失が大きくなってしまう。

一方、充填材の屈折率が最適値より小さい場合、充填された空孔１３とコアの比屈折率差は比較的大きくなるので、中心コアへの光の閉じ込め効果が強くなり、接続端近傍１２でのＭＦＤが小さくなる。よって接続先のＳＭＦのＭＦＤよりもＰＣＦ１１のＭＦＤが小さくなり、同様に、ＭＦＤの不具合による接続損失が大きくなる。

したがって、円柱空孔１３にＵＶ硬化型樹脂１４を充填した後、ＰＣＦ１１とＳＭＦの各モードフィールド径が等しくなるように充填材の屈折率を選定する必要がある。

次に、ＰＣＦ１１の作製手順を説明する。

まずＰＣＦ１１の被覆部１５を数ｍｍ剥がし、端末部１６をファイバカッターで切断面が垂直になるよう切断し、ＵＶ硬化型接着剤１４を端面１６に塗布する。端面１６に塗布されたＵＶ硬化型接着剤１４は数秒ないし数分程度で毛細管現象により、円柱空孔１３に浸透する。浸透している間、そのＰＣＦ１１を保持する時間は接着剤１４の粘度、表面張力と空孔径に大きく依存する。端面１６を研磨等で削り込む場合は、その分を考慮して接着剤１４の浸透長を確保する必要があり、ＰＣＦ１１の切断面をそのまま接続端面１６とする場合で１００μｍ以上あれば十分である。

次に、端面１６に付着している余剰接着剤１４をガーゼ等で払拭して、ＰＣＦ１１側面から紫外線照射装置等でＵＶ光を照射し、空孔１３内に浸透したＵＶ型硬化接着剤１４を硬化させ、完成となる。

次に、Ｖ溝接続器を用いてＰＣＦ１１とシングルモードファイバ（ＳＭＦ：Single Mode Fiber ）２１を接続する方法について説明する。

図２（ａ）に示すように、Ｖ溝接続器２０は両ファイバ１１，２１の端面を突き合わせる突き合わせＶ溝２２と、その両端に各々のファイバ１１，２１を保持する被覆保持部２３と、端面を突き合わせた両ファイバを上から押さえるための押さえ蓋２４から構成される光ファイバ接続器である。

まず、図２（ｂ）に示すように、石英系ＳＭＦ２１の被覆部２５を剥がし、端面２６をファイバカッターで切断する。そのＳＭＦ２１の端面２６とＰＣＦ１１の端面１６をＶ字型溝２２において突き合わせる。このとき、ＰＣＦ１１とＳＭＦ２１は各々被覆保持部２３で固定される。

最後に、図２（ｃ）に示すように、押さえ蓋２４を突き合わせＶ字型溝２２の上から押さえ、それにより、両ファイバ１１，２１が固定され、接続完了となる。

本実施形態の作用について述べる。

ＰＣＦ１１は、ＰＣＦ１１の接続端近傍１２において、複数の微小な空孔１３にクラッドより屈折率の低いＵＶ硬化型接着剤１４を充填させ、それを紫外線照射により硬化させることで空孔１３を封止しているので、コアとクラッドが同じ屈折率で形成されたＰＣＦ１１の接続端近傍１２においてもフォトニック結晶構造が形成され、光をＰＣＦ１１の中心に閉じ込めることが可能になる。

よって、ＰＣＦ１１よりＭＦＤの大きい光ファイバとの突き合わせ接続が可能になる。上記で説明したＶ溝接続器２０でＰＣＦ１１とＳＭＦ２１を接続したときの接続損失は、０．５５ｄＢと低損失であった。

また、ＰＣＦ１１の接続端近傍１２の空孔１３を封止した構造は、ＰＣＦ端面１６を研磨する際の研磨粉や水分、その他異物の侵入を防ぐことができる。

他の実施形態として、本発明に係るのＰＣＦ１１をＦＣコネクタ用フェルールに接続した場合について説明する。

図３は、ＰＣＦ１１を接続したときのＦＣコネクタ用フェルール３０の断面図である。

図３に示すように、フェルール３０は光コネクタを構成する要素部品であり、被覆部１５を剥がしたＰＣＦ１１を固定する固定部３１と、ＰＣＦ１１の被覆部１５を装着するファイバ保持部３２からなる。単心光コネクタで利用する場合、ＦＣコネクタ用フェルール３０は円筒型をしている。ＰＣＦ１１は、フェルール３０と接着剤で保持部３１に固定され、さらにＰＣＦ１１を装着したフェルール３０は、光コネクタに接続され、ＦＣコネクタの場合、ねじや押圧ばね等の締結部３３により光コネクタに固定される。

ＵＶ硬化型樹脂１４が充填されたＰＣＦ１１は、その接続端近傍１２がフェルール３０の固定部３１に固定され、ファイバ心線１５が保持部３２で接着され、その後、接続部の端面１６が研磨される。光コネクタに接続するフェルール３０では、ＰＣＦ１１の接続端近傍１２の空孔１３が、ＵＶ硬化型樹脂１４で充填されているため、研磨時にでる研磨粉や水分、その他異物の侵入がなく、それに伴う伝送損失の増加が抑えられ、また、ファイバ強度の疲労劣化が通常より速く進行するのを抑えられる。

本発明に係るＰＣＦ１１の接続端近傍１２の空孔１３に充填する充填材は、ＵＶ硬化型樹脂１４に限定されるものではなく、ガラス等の光透過性物質にも適用できる。

本発明に係るＰＣＦ１１は、上記説明で述べたメカニカルスプライス等のＶ溝接続器２０やＦＣコネクタ用フェルール３０に限定されるものではなく、キャピラリー型接続器やその他市販のコネクタ類にも適用できる。

また、本実施の形態で用いたコアとクラッドの屈折率が同じＰＣＦ１１だけでなく、コアとクラッドの屈折率が異なるＰＣＦや、図４にその断面構造を示す、ホーリー光ファイバ３４でも適用できる。ホーリー光ファイバ３４とは、コア３５の周囲に複数の空孔３６を有する光ファイバで、曲げや捻りへの耐性が強く、曲げによる伝送損失の増加が抑えられるため、径の小さいカールを形成する光ファイバカールコードに用いられるような光ファイバである。

本発明の好適実施の形態を示す構造図である。 図２（ａ）は、Ｖ溝接続器の斜視図であり、図２（ｂ）は、図１の光ファイバとシングルモードファイバとの接続の一工程を示す斜視図であり、図２（ｃ）は、図１の光ファイバとシングルモードファイバをＶ溝接続器で接合した斜視図である。 図１の光ファイバを装着したＦＣコネクタ用フェルールの断面図である。 ホーリー光ファイバの断面図である。 本発明に係るフォトニック結晶光ファイバの断面図である。

符号の説明

１１ フォトニック結晶光ファイバ
１２ 接続端近傍
１３ 空孔
１４ ＵＶ硬化型樹脂

Claims (3)

1. コアとクラッドとを同じ屈折率の石英で形成すると共に、ファイバ軸心方向に沿って複数の空孔を中央から周期的に六方格子状に配列し、前記中央に結晶欠陥を形成して前記コアとするフォトニック結晶光ファイバにおいて、
   前記空孔を中央から４周期の六方格子状に配置し、前記クラッドの径を１２５μｍ、前記空孔の径を３μｍ、前記コアと前記クラッドの屈折率を１．４５８とし、接続端部近傍の空孔に含フッ素ＵＶ硬化型樹脂を充填し、該含フッ素ＵＶ硬化型樹脂の硬化後の屈折率を１．４２とすることにより、モードフィールド径を前記接続端部に接続されるシングルモード光ファイバのモードフィールド径と等しくしたことを特徴とするフォトニック結晶光ファイバ。
2. 請求項１記載のフォトニック結晶光ファイバを、Ｖ溝接続器等を用いて、シングルモード光ファイバと突き合わせ、接続することを特徴とする光ファイバの接続方法。
3. 請求項１記載のフォトニック結晶光ファイバをフェルールに装着し、端面を研磨処理したことを特徴とする光コネクタ。

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