JP4913686B2

JP4913686B2 - 光ファイバの接続方法

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Publication number: JP4913686B2
Application number: JP2007178454A
Authority: JP
Inventors: 正樹和氣; 和之白木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2007-07-06
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2027-07-06
Also published as: JP2009015133A

Description

本発明は、光ファイバの接続、特にホーリーファイバの接続に関するものである。

近年、大きな構造分散や低い曲げ損失特性など、従来の構造の光ファイバでは実現できなかった特性を可能にする光ファイバとして、ホーリーファイバが注目されている。ホーリーファイバとは、図１（ａ）、（ｂ）に示すような、軸方向に連続するエアホール１（空孔）が複数個、規則正しく配列された構造のクラッド２を具備する光ファイバのことである。また、エアホールが規則正しく配列されていることを捉えてフォトニッククリスタルファイバ（ＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒ）と呼ばれることもある。

本明細書では、特に、従来の光ファイバと同様、クラッド２よりも屈折率の高いコア３を有し、その周りのクラッド２の中にエアホール１を設けたホーリーファイバを空孔アシストファイバ（ＨＡＦ：Ｈｏｌｅ−ａｓｓｉｓｔｅｄｆｉｂｅｒ）と呼び（図１（ａ））、また、前述の屈折率分布は持たないが、多数のエアホール１をクラッド２に規則正しく配列し、クラッド２の実効的な屈折率を下げて、コア３（に該当する部分）との屈折率差を持たせたホーリーファイバをエアクラッドファイバ（Ａｉｒ−ｃｌａｄｆｉｂｅｒ）と呼ぶ（図１（ｂ））。

従来、これらのファイバを接続するには、特許文献１に開示されているような融着接続技術、もしくはメカニカルスプライス技術が用いられてきた。
特開２００４−５３６２５号公報 D. MARCUSE, "Loss Analysis of Single-Mode Fiber Splices", THE BELL SYSTEM TECHNICAL JOURNAL, Vol.56, No.5, 1977, American Telephone and Telegraph Company, pp.703-718

しかし、融着接続を行うためには、アーク放電を行い、高温下で光ファイバの先端部を融解させる必要がある。それに伴い、接続点の近傍でエアホールがつぶれてしまうため、ＨＡＦであれば、接続点の近傍がＳＭＦなどの従来のファイバと同様な構造になってしまい、またエアクラッドファイバでは、接続点の近傍が均質なガラスになってしまう。これにより、ＨＡＦではモードフィールド径（ＭＦＤ）の変動に伴う接続損失の発生や曲げ損失特性の劣化が生じ、エアクラッドファイバでは接続部分でコアとクラッドとの屈折率差がなくなってしまうことによって接続損失の増加などの性能劣化が生じていた。

また、接続にメカニカルスプライスを用いる場合、一般に、接続点での損失及び反射を抑制するため、接続するファイバ端面間に、伝送波長においてコアガラスとほぼ同等の屈折率を有する液体状の屈折率整合剤を塗布していた。これにより、ホーリーファイバでは微細なエアホール内に屈折率整合剤が毛細管現象によって浸潤し、エアホールによる屈折率差が接続部で失われてしまい、融着接続と同様な性能劣化が生じていた。さらに、時間の経過とともに屈折率整合剤がエアホール内部に浸潤することで、接続点での損失及び反射特性について、耐環境特性や経時的な特性の変化といった問題が生じていた。

また、毛細管現象による屈折率整合剤のファイバ内部への浸潤を防ぐための手段として、予め光硬化性樹脂をファイバの先端に浸潤させ、当該樹脂の硬化波長光を照射することで、以後の毛細管現象による屈折率整合剤のファイバ内部への浸潤を防ぐ方法があるが、手間がかかる上、浸潤部の性能劣化が発生するという問題があった。

従って、これらの問題点を解決できる低損失かつ簡易なホーリーファイバの接続技術の確立が急務となっている。

本発明では、前述した問題を解決するために、ホーリーファイバを接続する際にフィルムを用いたことを特徴とする。

具体的には、ホーリーファイバ同士もしくはホーリーファイバとそれ以外の種類の光ファイバ（以下、異種ファイバと呼ぶ。）とを、それぞれの一端が間隙を隔てて略対向するように配置し、均一の厚さを有し、その幅広面に直交する一の軸に対し高屈折率領域および低屈折率領域が該高屈折率領域を内側として同心円状に存在するフィルムを、前記各ファイバの一端同士の間に各ファイバの中心軸と前記一の軸とがほぼ一致しかつ各ファイバのそれぞれの端面とフィルムの表面とが隙間無く密着するよう配置したことを特徴とする。

なお、異種ファイバとは、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）、分散シフトファイバ（ＤＳＦ）など、エアホールが無く、材料の屈折率差による導波構造を有する光ファイバ全般を指す。

本発明による接続方法を用いることで、ホーリーファイバのエアホールが接続点の近傍でつぶれたり、屈折率整合剤で塞がれたりすることがなくなり、ホーリーファイバ同士もしくはホーリーファイバと異種ファイバとの接続を低損失かつ簡易に行うことが可能となる。

即ち、従来の融着技術や屈折率整合剤に対する毛細管現象によって発生していた接続特性劣化の問題をフィルム、例えば自己形成光導波路技術によって形成した樹脂フィルムを用いて接続することで回避できる。この理由は、フィルム状に硬化させた光硬化性樹脂は液体の屈折率整合剤と違い、固体であるために毛細管現象を引き起こさないことによる。また、使用する樹脂の硬化後の屈折率は広い値の範囲で比較的自由に制御できるという利点も併せ持つ。以上により、フィルム状に硬化させた光硬化性樹脂を用いることで毛細管現象によるファイバ内への浸潤を低減させ、樹脂が光学特性に影響を及ぼさない状態にファイバを保つことができる。

＜実施の形態１＞
図２は本発明の光ファイバの接続方法の実施の形態１（但し、特許請求の範囲には含まれない。）、ここではホーリーファイバ同士を均一なフィルムを用いて接続する場合の例を示すもので、図中、４−１，４−２はホーリーファイバ、５は樹脂フィルムである。

樹脂フィルム５は、均一の厚さと均一の屈折率を有する、正確には所望の接続損失の許容値を満足する所定の均一の厚さおよびファイバのコアに対する所定の均一の屈折率比を有するもので、以下に説明するように、光硬化性樹脂を用いて予め用意しておくものとする。

光硬化性樹脂を、その厚さを任意に設定し、硬化後の屈折率を任意に設定してフィルム状に硬化させると、前記設定した厚さおよび屈折率に応じて、接続損失はそれぞれ図３，４に示す計算結果のように変化する。

図３はｍａｒｃｕｓｅの式（非特許文献１参照）において各ファイバ間の間隙をフィルムの厚さとし、フィルム／コアの屈折率比を１として設定した結果である。図３より、接続点として用いるための許容損失値を０．５ｄＢとすると、フィルムの厚さは６０μｍ以下でなければならないことが分かる。

同様に、図４はｍａｒｃｕｓｅの式にファイバ端面間のフレネル損失を加味し、各ファイバ間の間隙（フィルム厚）を３０μｍとして計算した結果であるである。図４より、フィルムの厚さを３０μｍとした場合、フィルムと接続するファイバのコアの屈折率比は約１．９以下であることが望ましい。

以上より、（１）許容損失値、（２）フィルム厚、（３）屈折率比は相関関係があり、実行上は（１）、（２）、（３）の順に数値を決定し、作成する樹脂フィルムのパラメータを決定する。

前述の方法によりパラメータを決定した樹脂フィルムを均一な厚さで作成し、図２に示すようにホーリーファイバ４−１，４−２を、それぞれの一端が間隙を隔てて略対向するように配置し、前記樹脂フィルム５をホーリーファイバ４−１，４−２の一端同士の間に各ファイバのそれぞれの端面とフィルムの表面とが隙間無く密着するよう配置することにより、屈折率整合剤を用いた場合と同程度の損失により接続することが可能であり、かつ液体成分がないため毛細管現象によるエアホールへの液体浸潤が無くなり、懸案であった光学特性の劣化を引き起こさずに接続することができる。

なお、樹脂フィルム５は硬度が低く、かつ弾性変形するため、各ホーリーファイバ４−１，４−２をフィルムの両側から押さえつける、例えば周知の光コネクタを用いてホーリーファイバ４−１，４−２を接続する際にプラグ同士の端面間に樹脂フィルム５を挟むことによって、各ホーリーファイバ４−１，４−２と樹脂フィルム５との間を隙間無く密着させることが可能である。

＜実施の形態２＞
図５は本発明の光ファイバの接続方法の実施の形態２（但し、特許請求の範囲には含まれない。）、ここではホーリーファイバと異種ファイバとを均一なフィルムを用いて接続する場合の例を示すもので、図中、実施の形態１と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、４はホーリーファイバ、５は樹脂フィルム、６は異種ファイバである。

前述したように、光硬化性樹脂を、その厚さを任意に設定し、硬化後の屈折率を任意に設定してフィルム状に硬化させると、前記設定した厚さおよび屈折率に応じて、接続損失はそれぞれ図３，４に示した計算結果のように変化する。但し、本実施の形態では、樹脂フィルムとホーリーファイバのコアとの屈折率比、および樹脂フィルムと異種ファイバのコアとの屈折率比という２種類の屈折率比が存在し、図４の計算結果も実際には傾きの異なる２つの曲線となるため、両者を勘案して屈折率比を決定する必要がある。また、本実施の形態のように接続しようとする２本の光ファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）が異なる場合、ｍａｒｃｕｓｅの式において結合損失が発生するため、実施の形態１の場合よりもフィルムの厚さや屈折率比における要求条件が厳しくなると考えられる。

実施の形態１の場合と同様に、（１）許容損失値、（２）フィルム厚、（３）屈折率比は相関関係があり、実行上は（１）、（２）、（３）の順に数値を決定し、作成する樹脂フィルムのパラメータを決定する。

前述の方法によりパラメータを決定した樹脂フィルムを均一な厚さで作成し、図５に示すようにホーリーファイバ４と異種ファイバ６とを、それぞれの一端が間隙を隔てて略対向するように配置し、前記樹脂フィルム５をホーリーファイバ４および異種ファイバ６の一端同士の間に各ファイバのそれぞれの端面とフィルムの表面とが隙間無く密着するよう配置することにより、屈折率整合剤を用いた場合と同程度の損失により接続することが可能であり、かつ液体成分がないため毛細管現象によるエアホールへの液体浸潤が無くなり、懸案であった光学特性の劣化を引き起こさずに接続することができる。

なお、樹脂フィルム５は硬度が低く、かつ弾性変形するため、ホーリーファイバ４および異種ファイバ６をフィルムの両側から押さえつける、例えば周知の光コネクタを用いてホーリーファイバ４および異種ファイバ６を接続する際にプラグ同士の端面間に樹脂フィルム５を挟むことによって、ホーリーファイバ４および異種ファイバ６と樹脂フィルム５との間を隙間無く密着させることが可能である。

＜実施の形態３＞
図６は本発明の光ファイバの接続方法の実施の形態３、ここではホーリーファイバ同士を屈折率構造が異なる領域を有するフィルムを用いて接続する場合の例を示すもので、図中、実施の形態１と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、４−１，４−２はホーリーファイバ、７は樹脂フィルムである。

樹脂フィルム７は、均一の厚さを有し、図７に示すように、その幅広面に直交する一の軸に対し高屈折率領域７ａおよび低屈折率領域７ｂが該高屈折率領域７ａを内側として同心円状（但し、低屈折率領域７ｂは高屈折率領域７ａの径に対して後述するようなＭＦＤを実現可能な幅を備えていれば良く、その周囲の形状は任意（図示例では正方形）である。）に存在するもので、以下に説明するように、光硬化性樹脂を用いて予め用意しておくものとする。

即ち、硬化後の屈折率が異なる第１および第２の光硬化性樹脂を用いて周知の自己形成光導波路技術により、一の軸に対し高屈折率領域および低屈折率領域が該高屈折率領域を内側として同心円状に存在する樹脂ブロックを形成し、これを前記一の軸と直交する方向に均一の厚さにカットしてフィルム状とすることにより作成する。

このような構造により、光は樹脂フィルム７内を前記一の軸方向に全反射により導波されるが、この際、フィルム自体の損失を無視すれば、接続損失はフィルムの厚さに依存しない。さらに、それぞれの領域の屈折率、比屈折率差、高屈折率領域７ａの径および低屈折率領域７ｂの幅は任意であるが、接続しようとするファイバ中を伝播する光の波長において、当該ファイバのＭＦＤとフィルムのＭＦＤを同程度にする必要がある。

本実施の形態の場合、ファイバ−フィルム−ファイバにおいて発生する損失は、図８に示すＭＦＤの不整合が支配的な要因となる。図８より、フィルムおよびファイバのＭＦＤ比を１〜１．３の間にした場合、０．５ｄＢ以下の損失値で接続できることがわかる。なお、図８においてＷ₁，Ｗ₂は光ファイバおよびフィルムのＭＦＤ（但し、値の大きい方をＷ₁、小さい方をＷ₂とする。）である。

前述のＭＦＤを調節した屈折率構造が異なる領域を有する樹脂フィルムを均一な厚さで作成し、図６に示すようにホーリーファイバ４−１，４−２を、それぞれの一端が間隙を隔てて略対向するように配置し、前記樹脂フィルム７をホーリーファイバ４−１，４−２の一端同士の間に各ファイバの中心軸と前記一の軸とがほぼ一致しかつ各ファイバのそれぞれの端面とフィルムの表面とが隙間無く密着するよう配置することにより、屈折率整合剤を用いた場合に比べて低損失で接続することが可能であり、かつ液体成分がないため毛細管現象によるエアホールへの液体浸潤が無くなり、懸案であった光学特性の劣化を引き起こさずに接続することができる。

なお、樹脂フィルム７は樹脂フィルム５と同様、硬度が低く、かつ弾性変形するため、各ホーリーファイバ４−１，４−２をフィルムの両側から前述した如くして押さえつけることによって、各ホーリーファイバ４−１，４−２と樹脂フィルム７との間を隙間無く密着させることが可能である。

＜実施の形態４＞
図９は本発明の光ファイバの接続方法の実施の形態４、ここではホーリーファイバと異種ファイバとを屈折率構造が異なる領域を有するフィルムを用いて接続する場合の例を示すもので、図中、実施の形態１と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、４はホーリーファイバ、６は異種ファイバ、７は樹脂フィルムである。

実施の形態３の場合と同様にして、ＭＦＤを調節した屈折率構造が異なる領域を有する樹脂フィルムを均一な厚さで作成し、図９に示すようにホーリーファイバ４と異種ファイバ６とを、それぞれの一端が間隙を隔てて略対向するように配置し、前記樹脂フィルム７をホーリーファイバ４および異種ファイバ６の一端同士の間に各ファイバの中心軸と前記一の軸とがほぼ一致しかつ各ファイバのそれぞれの端面とフィルムの表面とが隙間無く密着するよう配置することにより、屈折率整合剤を用いた場合に比べて低損失で接続することが可能であり、かつ液体成分がないため毛細管現象によるエアホールへの液体浸潤が無くなり、懸案であった光学特性の劣化を引き起こさずに接続することができる。

但し、第２の実施の形態の場合と同様、本実施の形態では、樹脂フィルムとホーリーファイバのコアとのＭＦＤ比、および樹脂フィルムと異種ファイバのコアとのＭＦＤという２種類のＭＦＤ比が存在し、図８の計算結果も実際には傾きの異なる２つの曲線となるため、両者を勘案してＭＦＤ比を調節する必要がある。

なお、樹脂フィルム７は樹脂フィルム５と同様、硬度が低く、かつ弾性変形するため、ホーリーファイバ４および異種ファイバ６をフィルムの両側から前述した如くして押さえつけることによって、ホーリーファイバ４および異種ファイバ６と樹脂フィルム７との間を隙間無く密着させることが可能である。

ホーリーファイバの断面図本発明の光ファイバの接続方法の実施の形態１を示す構成図フィルム厚と接続損失との関係を示す説明図屈折率比と接続損失との関係を示す説明図本発明の光ファイバの接続方法の実施の形態２を示す構成図本発明の光ファイバの接続方法の実施の形態３を示す構成図屈折率が異なる構造を有するフィルムを示す説明図ＭＦＤ比と接続損失との関係を示す説明図本発明の光ファイバの接続方法の実施の形態４を示す構成図

符号の説明

１：エアホール、２：クラッド、３：コア、４，４−１，４−２：ホーリーファイバ、５，７：樹脂フィルム、６：異種ファイバ、７ａ：高屈折率領域、７ｂ：低屈折率領域。

Claims

ホーリーファイバ同士もしくはホーリーファイバと異種ファイバとを接続する方法であって、
ホーリーファイバ同士もしくはホーリーファイバと異種ファイバとを、それぞれの一端が間隙を隔てて略対向するように配置し、
均一の厚さを有し、その幅広面に直交する一の軸に対し高屈折率領域および低屈折率領域が該高屈折率領域を内側として同心円状に存在するフィルムを、前記各ファイバの一端同士の間に各ファイバの中心軸と前記一の軸とがほぼ一致しかつ各ファイバのそれぞれの端面とフィルムの表面とが隙間無く密着するよう配置した
ことを特徴とする光ファイバの接続方法。
請求項１に記載の光ファイバの接続方法において、
前記フィルムは、接続しようとする光ファイバ中を伝播する光の波長におけるＭＦＤが各ファイバと同程度である
ことを特徴とする光ファイバの接続方法。
請求項１に記載の光ファイバの接続方法において、
前記フィルムは、前記高屈折率領域および低屈折率領域を自己形成光導波路技術によって形成した樹脂ブロックを前記一の軸と直交する方向に均一の厚さにカットして形成した
ことを特徴とする光ファイバの接続方法。