JP4779281B2 - 光ファイバ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送路及び分散補償器として好適な光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は、従来から知られているいわゆる微細構造光ファイバの中心部分を示す断面図である。この光ファイバは、シリカガラス６１を主媒質とし、その断面内に多数のボイド６２（空孔）が設けられた構造を有する。ボイド６２が無い断面中心部分がコア領域６３であり、このコア領域６３を包囲し、ボイド６２を多数含む部分がクラッド領域６４である。
【０００３】
このような微細構造光ファイバにおける光閉じ込めの原理は、定性的には実効屈折率という概念を用いて説明される（例えば、T.A.Birksら、Optics Letters Vol.22 p.961(1997)）。厳格に考えると微細構造を有するクラッド領域６４内では、屈折率は複雑な分布を示すはずであるが、クラッド領域内を均一な媒体で置換して光導波特性を近似させることができると仮定したときのこの均一な媒体の屈折率を実効屈折率と呼ぶ。この実効屈折率ｎ_ｅｆｆは、次の不等式を満たす。
【０００４】
【数１】

ここで、ｎは屈折率、ｆは容積分率を表し、添字１は主媒質（シリカガラス）、添字２は副媒質（空気）を表す。容積分率については、ｆ₁＋ｆ₂＝１が成り立つ。通常、ｎ₁＞ｎ₂であるから、式(1)の最左辺と最右辺は、ｆ₂の増大に伴って小さくなる。従って、ボイド６２を多数含むクラッド領域６４の実効屈折率は、コア領域６３の実効屈折率よりも小さくなり、通常の光ファイバと同様に光閉じ込めが実現される。
【０００５】
また、ＵＳＰ5,802,236号には、図１４に示される光ファイバよりも大きい負分散を持つ微細構造光ファイバが、開示されている。この光ファイバは、図１５に示されるようにクラッド領域が内部クラッド領域と外部クラッド領域とによって構成され、内部クラッド領域の孔径を外部クラッド領域における孔径よりも大きくすることによって、内部クラッド領域の実効屈折率を外部クラッド領域の実効屈折率よりも小さくしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したような実効屈折率のモデルは、微細構造スケールに比べて光の波長が十分に長い場合については妥当であると考えられる。しかし、光の波長が短くなるに伴い、屈折率の高い場所に光が局在するようになるので、屈折率分布を持つ構造を均一な媒質で置換できるという仮定は妥当性を失うものと考えられる。その結果、実効屈折率に基づいた構造の記述は曖昧になることに注意すべきである。
【０００７】
従来の微細構造光ファイバでは、断面内で孔径が不均一であり、所望の特性を安定に実現するのは難しい。なぜなら、線引時にガラス表面張力および／または内部応力によって孔径は変化するが、その変化量は孔径に依存するからである。例えば、孔径が小さい場合には、表面張力が強く作用するため孔径の大きな場合に比べて収縮が起こりやすい。その結果、異なる径の孔をそれぞれ所望の径となるよう線引きするのは難しい。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、線引時に副媒質領域の断面積が変化しても所望の特性を安定して得ることが可能な副媒質領域を有する光ファイバを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光ファイバは、コアと、コアを包囲するクラッドからなり、クラッドの所定断面内にクラッドを構成する主媒質とは異なる屈折率を有する副媒質からなる複数の領域を含む光ファイバであって、少なくとも２つのクラッド領域を有し、当該クラッド領域中の単位断面積当たりの前記副媒質領域の数が前記２つのクラッド領域間で互いに異なることを特徴とする。
【００１０】
ここで、主媒質は、それだけで光ファイバを構成することが可能な素材であり、主媒質領域は互いに連結されている。一方、副媒質は単独では光ファイバを構成し得ない素材であってもよく、光ファイバ中では複数の領域に分散されている。典型的な主媒質は石英系ガラスであり、典型的な副媒質は空気や不活性気体である。
【００１１】
本発明者らの知見によれば、副媒質領域からなる領域を含む構造は、次式に示される平均屈折率を用いて曖昧さを減じて記述することが可能である。ここで、領域が、Ｍ種の副領域からなり、各領域内が均一な媒質で形成されているとすると、その平均屈折率ｎ_avgは、以下の(2)式で表すことができる。
【００１２】
【数２】

つまり、平均屈折率ｎ_avgとは、各媒質の屈折率をその媒質の容積分率で重み付けした平方自乗（Root Mean Square）平均である。ここで、ｎ_iはｉ番目の媒質の屈折率、ｆ_iはｉ番目の容積分率を表し、次式が成り立つ。
【００１３】
【数３】

これにより、領域さえ決定すれば平均屈折率は一意に定まることとなる。言い換えると、平均屈折率は領域の設定に依存することを意味する。本発明に係る光ファイバにおいては、副媒質領域が所定の円環領域内で、かつ、その中心がコア中心を中心とする所定の円周上に位置するように配置される。そのため、各円環領域の平均屈折率を設定することが容易であり、光ファイバは所望の光学特性を得られる。
【００１４】
コア中心を中心とする円周上に配置される副媒質領域は、中心に関する四回回転対称性（four-fold rotational symmetry）を有するよう配置することができる。この構成は、モード複屈折および偏波モード分散を低減するのに好ましい。
【００１５】
これらの副媒質からなる領域の断面積または屈折率の少なくとも一方を軸方向に変化させることで、副媒質を含む円環領域の平均屈折率が軸方向に変化することになる。したがって、光学特性が軸方向に沿って変化している光ファイバを容易に実現できる。
【００１６】
また、所定波長における波長分散を長手方向で変化させてることにより、波長分散特性が異なる複数種類のファイバ区間からなる波長分散マネジメントファイバを実現し、単一のファイバ区間からなる光ファイバでは実現が困難又は不可能である光学特性を実現することができる。例えば、累積波長分散の絶対値が広い波長帯域にわたって小さいという特性や、局所波長分散の絶対値が大きく、累積波長分散の絶対値が小さいという特性を実現することができる。
【００１７】
また、所定波長における波長分散が正の第１種区間と、同一波長に対する波長分散が負の第２種区間とを備えることで、大容量光通信のための伝送路として好適な光ファイバが得られる。なぜなら、異なる波長の光信号間での非線形光学現象による伝送品質劣化を小さくすることができるからである。
【００１８】
この所定波長における波長分散が第１種区間では、1ps/nm/kmより大きく、第２種区間では-1ps/nm/kmより小さく、かつ、波長分散の絶対値が1ps/nm/kmを下回るファイバ区間の長さが全長の1/10以下に設定することで、累積波長分散による光パルスの歪みを小さくすることができる。その結果、異なる波長の光信号間での非線形光学現象による伝送品質劣化と、累積波長分散による光パルスの歪みが小さく、大容量光通信のための伝送路としてより好適な光ファイバを実現できる。
【００１９】
この所定波長における波長分散スロープが第１種区間と第２種区間とで異符号であることが好ましい。このように設定すると、所定波長帯域で累積波長分散スロープの絶対値が所定の値よりも小さい光ファイバが得られる。その結果、広い波長範囲にわたって累積波長分散の絶対値を小さくすることができ、伝送可能な光信号の容量を増大させることができる。
【００２０】
さらに、所定波長に対する波長分散スロープは第１種区間で負、第２種区間で正であることが好ましい。これにより、所定の長さ以上のファイバ区間において局所波長分散がゼロとなる局所零分散波長が使用波長帯域よりも長波長側に存在する光ファイバを実現できる。局所零分散波長の近傍の波長帯域は、異なる波長の光信号の間で生ずる非線形光学現象による伝送品質の劣化のために、波長多重伝送に使用できないが、局所零分散波長から離れた波長帯域は、適切な分散補償器を併用することによって使用可能である。本発明によれば、従来技術では、実現できなかった使用波長帯域の短波長側に局所零分散波長を持たない光ファイバを実現でき、短波長側への使用波長帯域の拡張を可能にする。
【００２２】
また、副媒質領域それぞれの断面積は、各円環領域の横断面において実質的に均一であることが好ましい。このようにすると、所望の光学特性の実現が容易となる。通常、副媒質の面積分率−所定領域において副媒質領域が占める面積割合−は、線引時に変化する。この変化は、各副媒質領域の面積に依存するが、円環領域内では実質的に一様である。したがって、円環領域内での副媒質領域の面積を均一とすることにより、副媒質面積分率の変化が均一となる。その結果、ある副媒質領域が所望の面積分率を有するように線引条件等を調整すれば、円環領域内の他の副媒質領域も所望の面積分率を達成することが可能となる。
【００２３】
さらに、副媒質領域の断面積は、光ファイバの横断面においてすべて均一であることが好ましい。このようにすると、ある副媒質領域が所望の面積分率を有するよう製造条件を調整するだけで同時に各円環領域の平均屈折率を所望の値に調整することができ、所望の特性を有する光ファイバの容易かつ安定した製造が可能になる。
【００２４】
本発明に係る光ファイバは、コアと、コアを包囲するクラッドからなり、クラッドの所定断面内にクラッドを構成する主媒質とは異なる屈折率を有する副媒質からなる複数の領域を有している光ファイバであって、少なくとも２つのクラッド領域を有し、当該クラッド領域中の単位断面積当たりの副媒質領域の数が２つのクラッド領域間で互いに異なるものでもよい。
【００２５】
この光ファイバにおいては、当該クラッド領域中の単位断面積当たりの副媒質領域の数を制御することによって光ファイバ断面内での平均屈折率の分布を変更することが可能となる。すなわち、従来技術に比べて、副媒質領域の種類が少ない場合でも、所望の平均屈折率分布を実現できる。線引中に副媒質領域の断面積は変化し易いのに対し、その個数は容易には変化しないので、線引きの制御が容易になり、安定した製品製造が可能となる。
【００２６】
例えば、主媒質よりも低い（高い）屈折率を持つ副媒質からなる領域の数を多く（少なく）すれば平均屈折率を下げることができ、その逆の領域数変化を行えば平均屈折率を高めることができるため、実現可能な平均屈折率の範囲を広くすることができる。
【００２７】
ここで、同一ファイバ断面内での副媒質からなる領域の断面積の最大値は、最小値の１０倍以下であることが好ましい。副媒質領域によって断面積を変える場合、線引時の副媒質の面積分率の変化は、断面積に依存するため、最大断面積と最小断面積の差が大きすぎると、所望の断面積、従って所望の光学特性の実現が難しくなるからである。
【００２８】
より好ましくは、同一ファイバ断面内での副媒質領域の断面積はすべて均一であるほうがよい。同一ファイバ断面内での副媒質領域の断面積をすべて均一にすることで、副媒質領域全ての面積を所望の値にすることが、そのうちの一つの面積を所望の値にすることで可能となる。その結果、所望の光学特性を有する光ファイバを容易かつ安定して製造することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００３０】
図１は、本発明に係る光ファイバの好適な実施形態の断面図である。図１に示されるように本実施形態の光ファイバ１０は、コア領域１とこのコア領域を包囲するクラッド領域２とから構成されている。ここで、各領域はシリカガラスで構成されており、クラッド領域２内は主媒質であるシリカガラス領域３中に副媒質としての多数の空孔４が配置されている。
【００３１】
これらの空孔４の横断面はいずれも円形であって、コア領域１の中心（以下、コア中心と呼ぶ）を中心とする複数ｍ個の同心円周上にそれぞれ複数個（Ｎ_i個、ｉは層の番号を表す）ずつ並べられている。具体的には、コア中心を中心とするそれぞれ半径がＲ₁、Ｒ₂・・・Ｒ_mの円の円周上にＮ₁、Ｎ₂、・・・Ｎ_m個の空孔４の中心が配置されている。以下の説明では、空孔４の孔径はすべて等しいものとするが、異なる孔径を有する空孔４を適宜配置する方法を採ることも可能である。この結果、クラッド領域２はそれぞれ内部に円孔４が配置されている複数（ｍ層）の円環領域２_１〜２_ｍと外側クラッド領域２ａから構成されているとみることができる。円環領域２_ｉと２_ｉ＋１（１≦ｉ≦ｍ−１とする）の境界は、コア中心を中心とする半径（Ｒ_ｉ＋Ｒ_ｉ＋１）／２の円周であり、コア領域１と円環領域２_１の境界は半径Ｒ₁／２の円周であり、円環領域２_ｍと外側クラッド領域２ａとの境界は半径（３Ｒ_ｍ−Ｒ_ｍ−１）／２である。なお、外側クラッド領域２ａを設けない構造もまた可能である。
【００３２】
次に、この光ファイバ１０の図１に示される断面における平均屈折率分布について説明する。ここでは、空孔４の分布の異なる７つの実施例（実施例１〜実施例７と呼ぶ）について平均屈折率分布を調べた。実施例１〜７において、空孔４の存在する円環領域の個数、すなわち層数ｍは８で同一であり、空孔４の直径ｄはすべての空孔４で同一である。そして、各空孔４の中心が配置される同心円周の半径であるＲ_１〜Ｒ_８は、Ｒ_１＝３．８４２ｄ、Ｒ_ｋ−Ｒ_ｋ−１＝３．０１７ｄ（２≦ｋ≦ｍ）である。各円環領域２_１〜２_８における空孔４の個数Ｎ１〜Ｎ８は各実施例１〜７で表１に示されるように設定した。
【００３３】
【表１】

【００３４】
ここで、ｋ番目の円環領域の平均屈折率ｎ_avg,kは、空孔４における屈折率をｎ_sub、シリカガラス領域の屈折率をｎ_main、領域の内側半径をＲ_i,k、外側半径をＲ_o,kとすると、次式で与えられる。
【００３５】
【数４】

空孔４の屈折率ｎ_subは１、シリカガラス領域３の屈折率ｎ_mainは１．４４４であるから、各実施例１〜７における円環領域２_１〜２_８の平均屈折率分布は次の表２に示す通りになった。
【表２】

【００３６】
コア領域１の屈折率は、１．４４４であり、どの実施形態においてもいずれの円環領域２_１〜２_８の平均屈折率よりも高い。実施例１においては円環領域２_１〜２_８の平均屈折率がほぼ等しい。平均屈折率がクラッド領域２内で一様とみなせるから、実施例１を均一クラッド構造と呼ぶ。実施例２〜７は、均一クラッド構造に変更を加えたものである。孔径ｄはファイバ断面内で一様であるが、実施例２〜７では、円環領域２_１、円環領域２_２において空孔４の数、すなわち、単位断面積当たりの副媒質領域の数を変えることにより、所定の平均屈折率分布を実現した。
【００３７】
図２は、実施例１と実施例２についての構造分散と実効コア断面積の計算結果を示している。実施例２は、実施例１に比べて円環領域２_１の平均屈折率を高めた構造である。図２において、左側の縦軸は、構造分散Ｄ_wg[ps/nm/km]、右側の縦軸は実効コア断面積Ａ_eff[μｍ^２]、横軸は光の波長λ[μｍ]を示す。
【００３８】
実施例１、２とも、波長１５５０ｎｍにおいて、実効コア断面積Ａ_eff＝１６μｍ²となるように空孔４の寸法、配置が選択されており、空孔４の直径ｄが実施例１については、０．４４μｍ、実施例２については、０．４０μｍに設定されている。
【００３９】
実施例２は、実施例１に比べて、波長変化に対する構造分散Ｄ_wgの変化が小さい。このことは、ピッチなどの構造パラメータ変動に対する構造分散Ｄ_wgの感度が小さいことを示す。また、実施例２は、実施例１に比べて実効コア断面積の波長に対する増加ペースｄＡ_eff／ｄλが小さい。実効コア断面積の波長に対する増加ペースが小さいということは、コアへの光閉じ込めの度合いが高く、曲げ損失が小さいことを意味する。また、曲げ損失が小さいということは、同じ曲げ損失で大きな実効コア断面積を実現できることを意味する。
【００４０】
従って、均一クラッド構造と比較して最も内側のクラッド領域である円環領域２_１における平均屈折率を上昇させることにより、構造パラメータ変動に対する分散特性の感度を低くし、大きな実効コア断面積を実現すると共に、低い曲げ損失を実現することが可能となることがわかる。
【００４１】
次に、上記表の実施例１、３、４についての構造分散と実効コア断面積の計算結果を図３に示す。実施例３及び実施例４は、実施例１に比べて第１クラッド領域の平均屈折率を低下させた構造である。実施例１、３、４は、図２の場合と同様に、すべて波長１５５０ｎｍにおいて実効コア断面積Ａ_eff＝１６μｍ²となるように空孔４の寸法、配置が選択されており、空孔４の直径ｄが実施例１については、０．４４μｍ、実施例３については、０．４９μｍ、実施例４については、０．５１μｍに設定されている。
【００４２】
波長１５５０ｎｍにおける構造分散Ｄ_wgは、実施例１、３、４の順で負に大きくなる。また、波長１４２０ｎｍ付近でこれら３つの構造の構造分散Ｄ_wgがほぼ等しくなっているが、このときの構造分散スロープｄＤ_wg／ｄλは、実施例１、３、４の順で負に大きくなる。実施例４では、波長１５５０ｎｍにおいて、−２２４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの構造分散Ｄ_wgが得られているが、波長１５５０ｎｍにおけるシリカガラスの材料分散は２２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるから、この光ファイバの波長分散は、およそ−２０２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍと予想される。通常の零分散波長１．３μｍのシングルモード光ファイバの波長分散が１５５０ｎｍにおいて、およそ２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるから、実施例４の光ファイバによってこのシングルモード光ファイバの分散補償をするために必要な長さは、このシングルモード光ファイバの１／１０の長さで足りることとなる。さらに、このシングルモードファイバにおける波長分散スロープは通常正であるから、実施例４の光ファイバの負の分散スロープによって、これを補償することができる。
【００４３】
このように、均一クラッド構造を有する光ファイバと比較して、最内周クラッド領域である円環領域２_１の平均屈折率を低下させることによって、負に大きな波長分散、及び負に大きな波長分散スロープを実現することができることがわかる。
【００４４】
次に、実施例１、５、６についての構造分散Ｄ_wgと実効コア断面積Ａ_effの計算結果を図４に示す。実施例５、実施例６は、実施例１に比べて円環領域２_２の平均屈折率を高めた構造である。ここでは、実施例１、５、６のすべてについて、波長１５５０ｎｍにおける実効コア断面積Ａ_eff＝２２μｍ²となるように空孔４の寸法、配置が選択されており、空孔４の直径ｄが実施例１については、０．３８μｍ、実施例５については、０．４１μｍ、実施例６については、０．５１μｍに設定されている。
【００４５】
波長１５５０ｎｍにおける波長に対する実効コア断面積Ａ_effの増加ペースｄＡ_eff／ｄλは、実施例１、５、６の順で小さくなる。実効コア断面積Ａ_effの波長に対する増加ペースが小さいということは、構造パラメータ変動に対する感度が小さいということと、光閉じ込めが良好で、かつ、曲げ損失が小さいことを意味する。また、曲げ損失が小さいことは、同じ曲げ損失である場合はより大きな実効コア断面積Ａ_effを実現できることを意味する。また、負の構造分散の絶対値は、実施例１、５、６の順で小さくなる。
【００４６】
このように、均一クラッド構造を有する光ファイバと比較して内側から２番目の円環領域２_２の平均屈折率を上昇させることにより、大きな実効コア断面積及び低い曲げ損失を実現することが可能となることがわかった。
【００４７】
次に、実施例３、４、７についての構造分散と実効コア断面積の計算結果を図５に示す。実施例３、４が実施例１に比べて、円環領域２_１の平均屈折率を低下させた構造であるのに対し、実施例７は、実施例１に比べて、円環領域２_１の平均屈折率を低下させて、円環領域２_２の平均屈折率を高めた構造である。ここでは、実施例３、４、７は、すべて波長１５５０ｎｍにおいて構造分散Ｄ_wg＝−１２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとなるように空孔４の寸法、配置が選択されており、空孔４の直径ｄが実施例３については、０．５０μｍ、実施例４については、０．５３μｍ、実施例７については、ｄ＝０．５４μｍに設定されている。
【００４８】
実施例７は、実施例４と比較して波長１５５０ｎｍにおける実効コア断面積Ａ_effの波長に対する増加ペースｄＡ_eff／ｄλが小さい。実効コア断面積Ａ_effの波長に対する増加ペースが小さいということは、構造パラメータ変動に対する感度が小さいこと、及び光閉じ込めが良好で、かつ曲げ損失が小さいことを意味する。また、実施例７は、実施例３に比べて、波長１５５０ｎｍにおける構造分散のスロープが負に大きい。
【００４９】
従って、均一クラッド構造を有する光ファイバと比較して最内周側の円環領域２_１の平均屈折率を低下させた構造において、さらにそれに隣接する円環領域２_２の平均屈折率を上昇させることにより、負に大きな構造分散を維持したまま、低い曲げ損失と、負に大きな構造分散のスロープを実現することが可能となることがわかった。
【００５０】
次に、本発明に係る光ファイバの第二の実施形態について説明する。図６は、本発明に係る光ファイバ１０ａのファイバ軸方向断面図（縦断面図）である。また、図７、図８は、この光ファイバ１０ａの図６におけるVII−VII線、VIII−VIII線のそれぞれにおける横断面図である。
【００５１】
この光ファイバ１０ａは、コア領域１と、このコア領域１を包囲するクラッド領域２とを備えている。コア領域１は、Ｇｅ添加されたシリカガラスで形成される。クラッド領域２は、主媒質である純粋シリカガラス中に、軸方向において後述する区間Ａとそれを挟む遷移区間Ｃ部分に軸方向に沿って開口している空孔４が断面内にコア領域１の中心を中心とする円周上に複数のＮ個（図７においては、８個）配置されている。空孔４内の媒質（以下、副媒質と呼ぶ。）は空気である。
【００５２】
図６に示されるように、光ファイバ１０ａは、ファイバ軸方向に区間Ａと区間Ｂとが交互に配置されており、区間Ａではクラッド領域２に空孔４が配置されているが、区間Ｂではクラッド領域２は主媒質からなり、空孔４を含まない。区間Ａと区間Ｂの間には、遷移区間Ｃが存在し、遷移区間Ｃでは空孔断面積が区間Ａ側から区間Ｂ側へ向かってファイバ幅方向で漸減している。区間Ａと区間Ｂの長さは、典型的には１００ｍ以上である。一方、遷移区間Ｃの長さは１ｍ以下とすることが好ましい。このように遷移区間Ｃの長さを区間Ａ、区間Ｂの長さに比べて短くすることで、遷移区間Ｃの光学特性が光ファイバ１０ａ全体の光学特性に及ぼす影響を無視することができる。
【００５３】
コア領域１の直径は２ａ（例えば、ａ＝１．７４μｍ）であり、区間Ａ及び区間Ｂにおいて同一の値である。図７に示すように、区間Ａでは、ファイバ軸を中心とする半径ｂ（例えば、ｂ＝２．８１μｍ）の円周上に８個の半径ｒ（例えば、ｒ＝０．３９μｍ）の空孔４が等間隔で配置されている。コア領域１、クラッド領域２の主媒質領域３、及び空孔４のそれぞれの屈折率ｎ₀、ｎ₁、ｎ₂は、例えばｎ₀＝１．４６５（Ｇｅ添加量１４ｍｏｌ％）、ｎ₁＝１．４４４、ｎ₂＝１．０である。区間Ａにおける横断面の屈折率分布は、空孔４を含む円環領域２_１（外側半径２ｃ）をディプレスト部とする屈折率分布に相当し（図９Ａ参照）、区間Ｂにおける横断面の屈折率分布は、空孔４を有しないことからディプレスト部を有さない屈折率分布に相当する（図９Ｂ参照）。ここで、円環領域２_１の平均屈折率をｎ_３とすると、
【００５４】
【数５】

が成立する。この光ファイバ１０ａにおいて、円環領域２_１の外側半径ｃを２ｂ−ａとすると、ｎ_３＝１．４０５となる。
【００５５】
図１０は、この光ファイバ１０ａの区間Ａ及び区間Ｂの波長分散特性の数値シミュレーション結果を示す図であり、波長範囲１５１０ｎｍから１６００ｎｍについての結果を示している。図から明らかなように区間Ａでは、正の波長分散Ｄと負の波長分散スロープＳ＝ｄＤ／ｄλとを有し、区間Ｂでは、負の波長分散Ｄと正の波長分散スロープＳとを有する。区間Ａでの波長1550nmにおける波長分散Ｄは、+29.7ps/nm/km、波長分散スロープＳは-0.079ps/nm²/kmであり、一方、区間Ｂでの波長1550nmにおける波長分散Ｄは、-12.4ps/nm/km、波長分散スロープＳは+0.033ps/nm²/kmであった。そして、局所零分散波長が、使用波長帯域1510nm〜1600nmの長波長側に存在するため、使用波長帯域の短波長側への拡張が可能である。
【００５６】
図１１は、長さ１の区間Ｂに対して、長さ０．４２の区間Ａを組み合わせた場合の平均波長分散Ｄ_avgを示す図である。平均波長分散Ｄ_avg及び平均波長分散スロープＳ_avgは、波長1550nmにおいて実質的にゼロとなる。そして、上記の比率で区間Ａ及び区間Ｂを有する光ファイバ伝送路では、1510nmから1600nmの広い波長帯域において平均波長分散の絶対値が1ps/nm/km以下となる。一方、図１０に示されるように局所波長分散の絶対値は10ps/nm/km以上と大きい。また、遷移区間Ｃに相当する一部のファイバ区間においては局所波長分散の絶対値が小さく（例えば、1ps/nm/km以下）なるが、このようなファイバ区間の長さは短く（例えば、１ｍ以下）して、ファイバ全体に占める比率を無視できるほど小さくできるので、遷移区間Ｃにおける非線形光学現象の影響は無視できる。従って、累積分散による光パルスの歪みと、異なる波長の光信号間の非線形光学現象による伝送品質劣化を同時に抑制することができる。
【００５７】
このように、本実施形態の光ファイバ１０ａでは、ファイバ断面内の屈折率分布をファイバ軸方向に大きく変化させることができるため、波長分散の対波長特性をファイバ軸方向に大きく変化させることができる。そのため、１種類のファイバ区間からなる光ファイバでは実現が困難又は不可能である波長分散特性を実現することができる。特に、局所波長分散の絶対値が大きく、累積波長分散の絶対値が小さいという特性を実現することができる。
【００５８】
また、波長分散の対波長特性のファイバ軸方向における変化を適切に設計することにより、1510nm〜1600nmの波長帯における波長分散が10ps/nm/kmより大きいファイバ区間Ａと、その波長帯における波長分散が-10ps/nm/kmより小さいファイバ区間Ｂとを有し、その波長帯における平均波長分散の絶対値が1ps/nm/kmよりも小さくなる光ファイバを実現することができる。本実施形態の光ファイバ１０ａでは、従来の分散マネジメントファイバに比べてファイバ断面内の屈折率分布をファイバ軸方向に大きく変化させることによって、波長分散の対波長特性をファイバ軸方向に大きく変化させることができるので、各区間における局所波長分散の絶対値を従来技術よりも大きくすることができる。その結果、累積波長分散による光パルスの歪みを抑制すると同時に、異なる波長の光信号間での非線形光学現象による伝送品質劣化を従来技術よりも小さくすることができる。
【００５９】
本実施形態の光ファイバ１０ａでは、従来の分散マネジメントファイバに比べて、ファイバ断面内の屈折率分布をファイバ軸方向に大きく変化させることによって、波長分散の対波長特性をファイバ軸方向に大きく変化させることができる。そのため、1510nm〜1600nmの波長帯における波長分散が10ps/nm/kmより大きいファイバ区間Ａと、その波長帯における波長分散が-10ps/nm/kmより小さいファイバ区間Ｂとを有し、その波長帯における平均波長分散の絶対値が1ps/nm/kmよりも小さく、その波長帯においてファイバ区間Ａの波長分散スロープが負であると共にファイバ区間Ｂの波長分散スロープが正である光ファイバを実現することができる。その結果、従来技術に比べて、累積波長分散の絶対値が所定の値よりも小さくなる波長範囲を拡大し、伝送容量を拡大することができる。
【００６０】
また、主媒質のみからなり空孔を含まない複数の区間Ｂがファイバ軸方向に間隔をおいて配置されているので、区間Ｂにおいて光ファイバを切断し、他の光ファイバと融着接続できる。この時、従来の微細構造光ファイバと異なり、融解による副媒質領域の変形・消失や、副媒質領域によるコアの認識の妨害の問題が起こらないので、従来の微細構造光ファイバに比べて融着接続が容易になる。また、端面において外気に対して開いた空孔がなく、汚染物質が空孔内に侵入しない。そのため、屈折率マッチング液を用いて低損失の機械的接続を実現することができる。さらに、一部のファイバ区間Ａにおいて側面が損傷し、空孔内に水などの汚染物質が侵入した場合も汚染物質はファイバ全体には行き渡らないため、損傷に対する耐性が従来の微細構造光ファイバに比べて高い。
【００６１】
さらに、本実施形態の光ファイバにおいては、区間Ａ、遷移区間Ｃ、区間Ｂ、及びもう一つの遷移区間Ｃがこの順で並んで構成する単位ファイバ区間が、ファイバ軸方向に複数個並んだ構成を採ることができる。この構成においては、空孔の屈折率はファイバ軸方向に一定であり、その断面積はファイバ軸方向に周期的に変化する。その結果、局所波長分散がファイバ軸方向に周期的に変化する光ファイバを実現できる。このような光ファイバでは、単位ファイバ区間の長さの整数倍の長さでファイバ長を変化させても、光ファイバ全体での累積波長分散がゼロとなる波長は変化しない。そのため、伝送路長の変化に伴う伝送路の波長分散特性の変化を低減できるので、伝送路長の変更が容易となる。
【００６２】
この単位ファイバ区間の長さを１ｍ以上とすれば、伝搬モードと放射モードの結合によって生じる過剰な伝送損失を低減できると共に、単位長の光ファイバに含まれる、モード間結合が生じるファイバ区間の個数を減らせるので、伝送損失を低減できる。
【００６３】
また、遷移区間Ｃの長さを０．５ｍ以上とした場合、空孔の屈折率はファイバ軸方向に一定であり、その断面積はファイバ軸方向に連続的に変化しているが、その変化は光波長（通常１５５０ｎｍ）に比べて十分緩やかである。その結果、遷移区間におけるモード結合による損失を低減し、光ファイバの伝送損失を低減することができる。
【００６４】
本実施形態の光ファイバ１０ａは、シリカガラスを主媒質とし、空気を副媒質とする。そのため、線引時において、炉内温度や空孔内圧力を調整することで、空孔断面積をファイバ軸方向に容易に変化させることができる。そして、シリカガラスと空気の比屈折率差が約３５％と大きいため、空孔断面積を僅かに変化させるだけで、波長分散特性を大きく変えることができる。この結果、従来の分散マネジメントファイバに比べて、波長分散特性をファイバ軸方向に沿って大きく変えることができる。また、シリカガラスと空気の透明度が高いため、光ファイバの伝送損失を低く抑えることも可能である。
【００６５】
本実施形態の光ファイバ１０ａの変形形態として、区間Ａのみからなる光ファイバを構成することも可能である。この光ファイバは、所定波長帯域において正の波長分散と負の波長分散スロープを有する光ファイバを実現できる。
【００６６】
このような光ファイバは、この所定波長帯域において負の波長分散と正の波長分散スロープを有する光ファイバの波長分散と波長分散スロープを補償するために好適である。フッ素などをドーピングして屈折率を変調する従来技術においては、屈折率変化幅が小さいため、本変形形態のように正の波長分散と負の波長分散スロープとを有する光ファイバを実現することは困難であった。本発明では、副媒質の導入によって大きな屈折率変化を等価的に形成することが可能であり、このような光ファイバを容易に実現することができるので、広帯域の光伝送路を実現することができる。
【００６７】
ここでは、空孔４を含む円環領域が一層の場合を例に説明してきたが、これを多層として第一の実施形態において説明したように単位断面積当たりの副媒質領域の数の調整により横断面内の屈折率分布を調整することも可能である。
【００６８】
次に、本発明に係る光ファイバの第三、第四の実施形態について、図１２Ａ、１２Ｂ、１３を用いて説明する。図１２Ａは本発明に係る光ファイバの第三の実施形態を、図１２Ｂは本発明に係る光ファイバの第四の実施形態を、図１３は従来の微細構造光ファイバをそれぞれ示す横断面図である。
【００６９】
図１３に示される従来の微細構造光ファイバ１０ｆは、光ファイバを構成する主媒質中に多数の空孔４が均一なピッチＬで六方格子状にｍ層配置されており、中心部の空孔４が形成されていない領域がコア領域１として機能し、周囲の空孔４を含む領域がクラッド領域２として機能する。この従来の微細構造光ファイバ１０ｆは、前述の第一の実施形態の実施例１と同様に均一クラッド構造を有する光ファイバである。
【００７０】
これに対して、図１２Ａに示される第三の実施形態の光ファイバ１０ｄは、最内周側の空孔４_１の配列ピッチＬ_１を、外側の空孔４_２〜４_ｍの配列ピッチＬ_２より長く採っていることを特徴とする。このような空孔４の配置をとり、最内周クラッド領域の単位断面積当たりの副媒質領域の個数を低下させることで、前述の第一の実施形態における実施例２と同様に、最内周クラッド領域の平均屈折率を増加させて、構造パラメータ変動に対する分散特性の感度を低くし、大きな実効コア断面積を実現すると共に、低い曲げ損失を実現することができる。
【００７１】
一方、図１２Ｂに示される第四の実施形態の光ファイバ１０ｅは、最内周側の空孔４_１の配列ピッチＬ_１を、外側の空孔４_２〜４_ｍの配列ピッチＬ_２より短く採っていることを特徴とする。このような空孔４の配置をとり、最内周クラッド領域の単位断面積当たりの副媒質領域の個数を増加させることで、前述の第一の実施形態における実施例３、４と同様に、最内周クラッド領域の平均屈折率を低下させて、負に大きな波長分散、及び負に大きな波長分散スロープを実現することができる。
【００７２】
空孔を第一の実施形態に見られるように同心円状に配置するのではなく、このように六方格子状に配列したり、他の配列形態を用いる場合でも、領域によってその単位断面積当たりの副媒質領域の数を変えることで所望の平均屈折率分布を得ることが可能であり、それにより、所望の光学特性を有する光ファイバを実現することができる。所望の単位断面積当たりの副媒質領域の個数を得るために、領域によって配列方式を異ならせてもよい（図１２Ａ参照）。
【００７３】
以上の各実施形態では、主媒質に石英ガラス、副媒質に空気を用いる例を説明してきたが、主媒質、副媒質はこれらに限られるものではない。主媒質にはガラスのほか、プラスチック等も利用可能であり、副媒質には各種気体や液体、主媒質と異なる光学特性を有する固体を利用することができ、さらに空孔内を真空状態としてもよい。副媒質領域自体を複数の媒質で構成することもまた可能である。この場合には、副媒質領域内の各媒質の比率を調整することで副媒質領域の屈折率を例えば軸方向に調整することが可能となる。
【００７４】
また、副媒質領域の断面積を各領域あるいは領域内で異ならせることも可能であるが、少なくとも単位断面積当たりの副媒質領域の個数が同一の副媒質領域についてはその形状、寸法を統一したほうが設計、製造が容易になるという利点があり、より好ましくは同一横断面中ではすべての副媒質領域の形状、寸法を統一することが望ましい。副媒質領域の寸法、形状を異ならせて断面積を異ならせる場合であっても、その最大面積と最小面積の比が１０を越えると、線引時の副媒質の面積分率の変化の大きさが、副媒質領域の間で大きく異なるようになり、また、最小値をとる副媒質領域が小さくなりすぎてその安定した製造が困難になるという問題が生ずるので好ましくない。したがって、断面積を異ならせる場合であっても、その最大面積と最小面積の比は１０以内とすることが好ましい。
【００７５】
【産業上の利用可能性】
本発明に係る光ファイバは、大容量光通信のための光伝送路や広帯域波長多重伝送のための分散補償器に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る光ファイバの第一の実施形態を示す横断面図である。
【図２】 第一の実施形態の実施例１、２の構造分散と実効コア断面積の計算結果を示す図である。
【図３】 第一の実施形態の実施例１、３、４の構造分散と実効コア断面積の計算結果を示す図である。
【図４】 第一の実施形態の実施例１、５、６の構造分散と実効コア断面積の計算結果を示す図である。
【図５】 第一の実施形態の実施例３、４、７の構造分散と実効コア断面積の計算結果を示す図である。
【図６】 本発明に係る光ファイバの第二の実施形態を示す縦断面図である。
【図７】 図６のVII−VII線断面図である。
【図８】 図６のVIII−VIII線断面図である。
【図９】 図７、図８の位置における屈折率プロファイルを説明する図である。
【図１０】 第二の実施形態における波長分散特性の数値シミュレーション結果を示す図である。
【図１１】 第二の実施形態における平均波長分散の数値シミュレーション結果を示す図である。
【図１２】 本発明に係る光ファイバの第三、第四の実施形態を示す横断面図である。
【図１３】 従来の微細構造光ファイバをそれぞれ示す断面図である。
【図１４】 従来の微細構造光ファイバをそれぞれ示す断面図である。
【図１５】 従来の微細構造光ファイバをそれぞれ示す断面図である。

Claims (2)

1. コアと、コアを包囲するクラッドからなり、前記クラッドの所定断面内にクラッドを構成する主媒質とは異なる屈折率を有する副媒質からなる複数の領域を有している光ファイバであって、
   少なくとも２つのクラッド領域を有し、当該クラッド領域中の単位断面積当たりの前記副媒質領域の数が前記２つのクラッド領域間で互いに異なる光ファイバ。
2. 同一ファイバ断面内での前記副媒質からなる領域の断面積は同一ファイバ断面内ではすべて均一である請求項１記載の光ファイバ。

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