JP6558829B2 - フォトニック結晶ファイバ及び通信システム - Google Patents
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Description
本発明は、マルチモードファイバとの接続に適したフォトニック結晶ファイバ、当該フォトニック結晶ファイバを用いた通信システム、及び、フォトニック結晶ファイバとマルチモードファイバとのファイバ接続方法に関する。
通信事業者ビルとユーザ宅の間のアクセス区間を構成する光伝送システムにおいて、現在までに急速に普及したのが、１Ｇｂｐｓ及び１０Ｇｂｐｓ−Ｅｔｈｅｒｎｅｔなどの光ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）システムである。これらのシステムに、波長多重により映像配信サービスを重畳する光映像配信システムも現在普及している。
しかし、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）の規格で使用ファイバとして定められているグレーデッドインデックス（ＧＩ）型のマルチモード光ファイバでは、使用可能な伝送距離として、１Ｇｂｐｓ−Ｅｔｈｅｒｎｅｔでは５５０ｍ、１０Ｇｂｐｓ−Ｅｔｈｅｒｎｅｔでは３００ｍと短距離に定められている。この理由としては、伝送路のマルチモード光ファイバケーブル中で多モード分散により信号劣化が起こるため、伝送距離拡大が困難なためである。
伝送距離の拡大の方法として、基底モード（ＬＰ０１モード）だけを励振する励振器を使用する方法が知られており、例えば、特許文献１に示されているように、汎用のＳＭＦを励振器として用いたシステムがある。このシステムでは、ＭＭＦ伝送路の直前にＳＭＦを接続し、励振器として使用する。使用波長１．３μｍにおいて、ＭＭＦとＳＭＦの基底モードのＭＦＤがほぼ一致しているため、低い接続損失で、かつシングルモード励振が実現できる。しかし、この方法では、システムの使用波長域がＳＭＦのシングルモード波長域である１．２６μｍ以上に限定され、励振器として使用するＳＭＦによって、システムの波長域、つまり伝送容量が制限を受けてしまう。
この使用波長域を０．６μｍなどの短波長側まで拡大できれば、安価な光源・デバイスなどが利用可能となり、かつ波長多重によって伝送容量が大幅に拡大できるためメリットは大きい。これを実現するためには、原理的には短波長域を含むすべての波長域でシングルモードとなるファイバを励振器またはモードフィルタとして利用することが考えられる。この有力な候補のファイバとしてフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ−Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ）が挙げられる。
三角格子状に空孔が配置されたＰＣＦの基本構造を図１に示す。図１において、Λは空孔１２の間隔、ｄは空孔１２の径で、ＰＣＦ１の材料として一般に純石英ガラスが使用される。ｄ／Λの値を変化させることで、シングルモードとなる波長を制御できることが知られている（非特許文献１）。
しかしながら、ＭＭＦのモードフィールド径（ＭＦＤ）は、波長依存性があり長波長ほど大きくなる傾向がある。一方、ＰＣＦのＭＦＤの波長依存性は小さい。そのため、例えば０．６μｍから１．６μｍの幅広い伝送波長域を使用したＷＤＭ伝送システムにおいて、伝送路のＭＭＦと励振器のＰＣＦを接続した場合、ＭＦＤの不整合が生じるため、波長毎に接続損失が異なり、かつ基底モードの励振効率についても差が生じ、信号品質に波長による差が生まれてしまう。
この問題の具体的な方法としては、使用波長域の中心波長にてＭＦＤ値を整合させる方法が示されている（特許文献１）。任意のＭＭＦに対して、接続するＰＣＦのＭＦＤを特定の波長で整合させることは、非特許文献２に示されている方法によって、ＰＣＦの構造から、各波長のＭＦＤを理論的に計算することで実現できる。
例えば、非特許文献３において報告されているように、図１に示した構造のＰＣＦにおいて、波長０．６０−１．５５μｍにおいて汎用のＧＩ型ＭＭＦとのＭＦＤを整合させることを考える。図２に、ＭＭＦ及びＰＣＦのＭＦＤの波長依存性の一例を示す。ＰＣＦ１は、ｄ＝５．２μｍ、Λ＝１１．７μｍの構造を有するＰＣＦである。図２に示すように、波長１．３３μｍにおいてＭＭＦとＰＣＦのＭＦＤを整合し、かつシングルモード励振器として用いることが可能である。
しかし、０．６０μｍと１．５５μｍにおけるＭＦＤの変化量は、ＰＣＦでは０．３μｍと小さいことに対し、ＭＭＦは５．８μｍと大きく変化する。このため、ＭＦＤ整合した波長よりも短波長あるいは長波長側になるにつれ、接続損失が大きくなり、基底モードの励振効率が低下するという課題がある。
Ｋｕｎｉｍａｓａ Ｓａｉｔｏｈ， Ｙｕｋｉｈｉｒｏ Ｔｓｕｃｈｉｄａ， Ｍａｓａｎｏｒｉ Ｋｏｓｈｉｂａ ａｎｄ Ｎｉｅｌｓ Ａｓｇｅｒ Ｍｏｒｔｅｎｓｅｎ， "Ｅｎｄｌｅｓｓｌｙ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｈｏｌｅｙ ｆｉｂｅｒｓ： ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｒｅ ｄｅｓｉｇｎ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｖｏｌ． １３， Ｎｏ． ２６， ｐｐ． １０８３３−１０８３９， （２００５）．
Ｋｕｎｉｍａｓａ Ｓａｉｔｏｈ ａｎｄ Ｍａｓａｎｏｒｉ Ｋｏｓｈｉｂａ， "Ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｓｉｍｐｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒｓ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｖｏｌ． １３， Ｎｏ． １， ｐｐ． ２６７−２７４， （２００５）．
Ｌｉｎ Ｍａ， Ｎｏｂｕｔｏｍｏ Ｈａｎｚａｗａ， Ｋｙｏｚｏ Ｔｓｕｊｉｋａｗａ ａｎｄ Ｙｕｊｉ Ａｚｕｍａ， "Ｌａｕｎｃｈ ｄｅｖｉｃｅ ｕｓｉｎｇ ｅｎｄｌｅｓｓｌｙ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ＰＣＦ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ−ｗｉｄｅｂａｎｄ ＷＤＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ｇｒａｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ" Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｖｏｌ． ２０， Ｎｏ． ２２， ｐｐ． ２４９０３−２４９０９， （２０１２）．
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＭＭＦを伝送路にＰＣＦを励振器またはモードフィルタに用いたＷＤＭシステムにおいて、ＭＭＦとＰＣＦとの接続損失の波長依存性を低減することである。
前述の課題を解決するために、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）におけるＭＭＦとの接続端面の空孔内に屈折率調整部材を充填する。
本発明に係るフォトニック結晶ファイバは、
複数の空孔が母材に設けられたフォトニック結晶ファイバであって、
マルチモードファイバと接続される当該フォトニック結晶ファイバの端面の前記空孔に、前記母材の屈折率より低屈折率の屈折率調整部材が充填され、
前記複数の空孔の直径及び間隔は、使用する波長帯域内の所望の波長において当該フォトニック結晶ファイバのモードフィールド径が前記マルチモードファイバのモードフィールド径に整合するように調整され、
前記屈折率調整部材の屈折率は、前記マルチモードファイバと当該フォトニック結晶ファイバとのモードフィールド径の差異を、前記使用する波長帯域の最短波長において最小とする値である。
ここで、前記屈折率調整部材の屈折率は、例えば１．２５〜１．４２の範囲である。
複数の空孔が母材に設けられたフォトニック結晶ファイバであって、
マルチモードファイバと接続される当該フォトニック結晶ファイバの端面の前記空孔に、前記母材の屈折率より低屈折率の屈折率調整部材が充填され、
前記複数の空孔の直径及び間隔は、使用する波長帯域内の所望の波長において当該フォトニック結晶ファイバのモードフィールド径が前記マルチモードファイバのモードフィールド径に整合するように調整され、
前記屈折率調整部材の屈折率は、前記マルチモードファイバと当該フォトニック結晶ファイバとのモードフィールド径の差異を、前記使用する波長帯域の最短波長において最小とする値である。
ここで、前記屈折率調整部材の屈折率は、例えば１．２５〜１．４２の範囲である。
本発明に係る通信システムは、
マルチモードファイバを伝送路の少なくとも一部に含む通信システムであって、
前記マルチモードファイバのうちのシングルモード状態で信号光が入射される一端に、シングルモードの光を励振する励振器又はマルチモードの光に含まれる高次モードを除去するモードフィルタとして、本発明に係るフォトニック結晶ファイバが接続されている。
マルチモードファイバを伝送路の少なくとも一部に含む通信システムであって、
前記マルチモードファイバのうちのシングルモード状態で信号光が入射される一端に、シングルモードの光を励振する励振器又はマルチモードの光に含まれる高次モードを除去するモードフィルタとして、本発明に係るフォトニック結晶ファイバが接続されている。
本発明に係るファイバ接続方法は、
複数の空孔が母材に設けられたフォトニック結晶ファイバをマルチモードファイバと接続するに際し、
前記マルチモードファイバと接続される前記フォトニック結晶ファイバの端面の前記空孔に、前記母材の屈折率より低屈折率の屈折率調整部材を充填した状態で、前記端面を前記マルチモードファイバの端面と接続し、
前記複数の空孔の直径及び間隔は、使用する波長帯域内の所望の波長において当該フォトニック結晶ファイバのモードフィールド径が前記マルチモードファイバのモードフィールド径に整合するように調整され、
前記屈折率調整部材の屈折率は、前記マルチモードファイバと前記フォトニック結晶ファイバとのモードフィールド径の差異を、前記使用する波長帯域の最短波長において最小とする値とする。
複数の空孔が母材に設けられたフォトニック結晶ファイバをマルチモードファイバと接続するに際し、
前記マルチモードファイバと接続される前記フォトニック結晶ファイバの端面の前記空孔に、前記母材の屈折率より低屈折率の屈折率調整部材を充填した状態で、前記端面を前記マルチモードファイバの端面と接続し、
前記複数の空孔の直径及び間隔は、使用する波長帯域内の所望の波長において当該フォトニック結晶ファイバのモードフィールド径が前記マルチモードファイバのモードフィールド径に整合するように調整され、
前記屈折率調整部材の屈折率は、前記マルチモードファイバと前記フォトニック結晶ファイバとのモードフィールド径の差異を、前記使用する波長帯域の最短波長において最小とする値とする。
本発明によれば、ＰＣＦの端面の空孔に屈折率調整部材を充填することで、ＰＣＦのＭＦＤの波長依存性がＭＭＦに近くなるため、ＭＭＦとＰＣＦとの接続損失の波長依存性を低減することができる。これによって、ＭＭＦとＰＣＦのＭＦＤの波長整合が広い波長域で可能となるため、接続損失の低減と基底モードの励振効率の向上を、広い波長域で実現することができる。したがって、本発明は、ＭＭＦを伝送路にＰＣＦを励振器またはモードフィルタに用いたＷＤＭシステムにおいて、伝送波長毎に異なるＭＭＦとＰＣＦとの接続損失の波長依存性を低減することが可能となる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
（実施形態１）
本実施形態は、伝送路のＭＭＦと、励振器またはモードフィルタであるＰＣＦとの接続方法に関する。ＰＣＦは、図１に示すように、複数の空孔１２が母材であるクラッド部１１に設けられている光ファイバである。
本実施形態は、伝送路のＭＭＦと、励振器またはモードフィルタであるＰＣＦとの接続方法に関する。ＰＣＦは、図１に示すように、複数の空孔１２が母材であるクラッド部１１に設けられている光ファイバである。
図３に、本実施形態に係るＰＣＦの断面図の一例を示す。本実施形態は、クラッド部１１の屈折率より低屈折率の屈折率調整部材１３をＰＣＦ２の端面の空孔１３に充填することにより、ＰＣＦ２とＭＭＦ間の接続損失の波長依存性を低減する。本実施形態に係るファイバ接続方法は、ＰＣＦをＭＭＦと接続するに際し、本実施形態に係るＰＣＦ２を用いる。具体的には、ＭＭＦと接続されるＰＣＦ２の端面の空孔１２に、クラッド部１１の屈折率より低屈折率の屈折率調整部材１３を充填した状態で、当該端面をＭＭＦの端面と接続する。接続方法は任意であるが、例えば、融着接続を用いることができる。
図３では、一例として、ＰＣＦ２の端面の全ての空孔１２に屈折率調整部材１３が充填されている。屈折率調整部材１３の屈折率は、ＰＣＦ２のクラッド部１１の屈折率よりも低い。例えば、波長０．８５μｍでのクラッド部１１の屈折率が１．４５２である場合、波長０．８５μｍでの屈折率調整部材１３の屈折率を１．４２２にする。
この屈折率調整部材１３をすべての空孔１２内に充填し、ｄ及びΛを調整して、波長１．３３μｍのＭＦＤをＭＭＦの値（約１４．６μｍ）に整合させた。そして、ＰＣＦ２について、ＭＦＤの波長依存性を評価した。なお、屈折率調整部材１３は、ＰＣＦ１の屈折率の値より小さいものを選択すればよく、本実施形態にて使用する屈折率１．４２２は、フッ化物成分など含有する屈折率調整部材で実現可能な屈折率である。
図４に、ＰＣＦ１及びＰＣＦ２のＭＦＤの波長依存性の一例を示す。図３では、波長１．３３μｍのＭＦＤを１としたときの波長０．６０μｍ、０．８５μｍ及び１．５５μｍにおけるＭＦＤの変化の割合を示す。空孔１２に屈折率調整部材１３を充填しないＰＣＦ１と比較して、屈折率調整部材１３を充填したＰＣＦ２はＭＦＤの波長依存性が緩和する。
ＭＦＤの不整合によるＭＭＦとＰＣＦとの接続損失ηは以下の式で表される。ここで、Ｗ１及びＷ２は、それぞれ、ＭＭＦ及びＰＣＦのＭＦＤ値である。
図５に、ＰＣＦ１及びＰＣＦ２の接続損失ηの比較例を示す。ＰＣＦ２の接続損失ηは波長０．６０−１．５５μｍにおいて接続損失が１．０ｄＢ以下に抑えられている。特に、ＭＭＦとＰＣＦのＭＦＤの整合がとれている波長１．３３μｍよりも短波長側において、ＰＣＦ１よりもＰＣＦ２の接続損失ηが低減されている。これにより、ＰＣＦ２は、ＭＦＤを整合することで基底モードの励振効率をＰＣＦ１よりも向上することが可能となるため、大きな信号品質の劣化を生じることなく、広い波長域のＷＤＭ伝送システムを構築することが可能となる。
図６に、屈折率調整部材１３の屈折率と接続損失ηの関係の一例を示す。図５では、波長１．３３μｍの短波長側の波長の一例として、波長が０．８５μｍである場合を示す。屈折率調整部材の屈折率は波長０．８５μｍでの値である。接続損失ηは、波長０．８５μｍにおけるＭＭＦとＰＣＦとの接続損失ηである。
前述のとおり、ＰＣＦ１の屈折率は１．４５２であるため、屈折率が１．４５２の付近では接続損失ηが高い。図６より、波長が０．８５μｍである場合、空孔１２に充填する屈折率調整部材１３の屈折率は、１．２５〜１．４２であることが好ましい。このように、屈折率調整部材１３の屈折率の値には、ＰＣＦの構造にもよるが、接続損失を低減するのに適した屈折率範囲があることが分かる。典型的には、１．２５〜１．４２程度の範囲が好適である。
図２に示すように、ＭＭＦとＰＣＦのＭＦＤを整合させた波長１．３３μｍの場合を一例とすると、ＭＭＦとＰＣＦとのＭＦＤの差は、短波長になるほど大きい。このため、ＭＭＦとＰＣＦとの接続損失ηは、波長帯域における最短波長で最大となる。そこで、屈折率調整部材１３の屈折率は、波長帯域における最短波長での接続損失が最低となる値であることが好ましい。
屈折率調整部材１３としては、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂などを選択し、屈折率の調整にはフッ素化合物などの成分を適宜ドープすることにより、実現することができる。ただし、屈折率調整部材１３は樹脂には限定されず、低融点・低粘度のガラス材料やその他の有機材料を用いても良い。ＰＣＦ２に対し、毛細管現象にてファイバの長手方向に１〜２ｍｍ程度樹脂を浸透させた。浸透後にＭＦＤ測定を行った結果、理論計算の値とよく一致したため、屈折率調整部材１３を充填するＰＣＦ２の端面からの長さは１〜２ｍｍが適当であると考えられる。
ここでは、ＷＤＭ波長域を０．６０−１．５５μｍとしたが、この範囲をさらに拡大すれば、ＭＦＤの波長依存性の小さなＰＣＦ１に比べ、屈折率調整部材１３を用いることで、ＭＦＤの波長依存性を拡大したＰＣＦ２の優位性はさらに大きなものとなる。
なお、本設計例は一例であり、使用するＭＭＦのＭＦＤ特性にあわせてＰＣＦの構造は適宜、変更することが可能である。また、本実施形態では、全ての空孔１２を屈折率調整部材１３で充填する例を示したが、屈折率調整部材１３で充填する空孔１２は一部であってもよい。
（実施形態２）
本実施形態は、シングルモードファイバ及びマルチモードファイバを伝送路に用いた通信システムに関する。図７に、本実施形態に係る通信システムの一例を示す。本実施形態に係る通信システムは、送信装置９３と受信装置９４が伝送路８１で接続され、ＭＭＦを伝送路８１に用いた光波長分割多重通信システムにおいて、本実施形態に係る接続方法を用いたＰＣＦを励振器またはモードフィルタに用いる。
本実施形態は、シングルモードファイバ及びマルチモードファイバを伝送路に用いた通信システムに関する。図７に、本実施形態に係る通信システムの一例を示す。本実施形態に係る通信システムは、送信装置９３と受信装置９４が伝送路８１で接続され、ＭＭＦを伝送路８１に用いた光波長分割多重通信システムにおいて、本実施形態に係る接続方法を用いたＰＣＦを励振器またはモードフィルタに用いる。
送信装置９３は、波長の異なる複数の光源３１と、光合波器３２を備える。光合波器３２で合波された信号光が伝送路８１で伝送される。受信装置９４は、光分波器４２と、波長ごとに異なる光受光回路４１を備える。光分波器４２が伝送路８１で伝送された信号光を波長ごとに分波し、受光回路４１が各波長の信号光を受光する。
伝送路８１は少なくとも一部にＭＭＦを含み、当該ＭＭＦの一端に信号光がシングルモード状態で入射される。屈折率調整部材１３が充填されたＰＣＦ２の端面は、信号光がシングルモード状態で入力されるＭＭＦの当該一端に接続される。
ＰＣＦ２にシングルモードの光が入射されると、ＰＣＦ２は励振器として機能する。この場合、ＰＣＦ２は、シングルモードの光を励振し、マルチモードファイバに出射する。
マルチモードファイバからＰＣＦ２にマルチモードの光が入射されると、ＰＣＦ２はモードフィルタとして機能する。この場合、ＰＣＦ２は、マルチモードの光に含まれる高次モードを除去する。
励振器またはモードフィルタとしてのＰＣＦ２の伝送路における配置例として、光波長分割多重通信システムにおいて、送信装置９３中の光合波器３２の後段、又はＭＭＦケーブル伝送路の前段もしくは途中、又は受信装置９４中の光分波器４２の前段等が考えられる。
例えば、伝送路８１がＭＭＦであり、送信装置９３は励振器として機能するＰＣＦを備える。この場合、光合波器３２と伝送路８１の間に、ＰＣＦが接続されるか、或いはシングルモードファイバ及びＰＣＦが順に接続される。
例えば、伝送路８１がＭＭＦであり、受信装置９４はモードフィルタとして機能するＰＣＦを備える。この場合、伝送路８１と光分波器４２の間に、ＰＣＦが接続されるか、或いはＰＣＦ及びシングルモードファイバが順に接続される。
伝送路８１がＭＭＦである場合に、ＭＭＦの接続点に、励振器及びモードフィルタとして機能するＰＣＦを接続してもよい。これにより、伝送劣化を防ぐことができる。さらに、状況に応じて、励振器又はモードフィルタとして機能するＰＣＦを、伝送路８１における任意の位置に複数個設置してもよい。
なお、伝送路８１は、少なくとも一部にＭＭＦが含まれていればよく、ＳＭＦ、ＭＭＦ及びＰＣＦなどの信号光を伝送可能な任意の媒体が含まれていてもよい。
本発明は情報通信産業に適用することができる。
１、２：ＰＣＦ
１１：クラッド
１２：空孔
１３：屈折率調整部材
３１：光源
３２：光合波器
４１：受光回路
４２：光分波器
８１：伝送路
９３：送信装置
９４：受信装置
１１：クラッド
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９４：受信装置
Claims (4)
- 複数の空孔が母材に設けられたフォトニック結晶ファイバであって、
マルチモードファイバと接続される当該フォトニック結晶ファイバの端面の前記空孔に、前記母材の屈折率より低屈折率の屈折率調整部材が充填され、
前記複数の空孔の直径及び間隔は、使用する波長帯域内の所望の波長において当該フォトニック結晶ファイバのモードフィールド径が前記マルチモードファイバのモードフィールド径に整合するように調整され、
前記屈折率調整部材の屈折率は、前記マルチモードファイバと当該フォトニック結晶ファイバとのモードフィールド径の差異を、前記使用する波長帯域の最短波長において最小とする値である、
フォトニック結晶ファイバ。 - 前記屈折率調整部材の屈折率は、１．２５〜１．４２の範囲である、
請求項１に記載のフォトニック結晶ファイバ。 - マルチモードファイバを伝送路の少なくとも一部に含む通信システムであって、
前記マルチモードファイバのうちのシングルモード状態で信号光が入射される一端に、シングルモードの光を励振する励振器又はマルチモードの光に含まれる高次モードを除去するモードフィルタとして、請求項１または２に記載のフォトニック結晶ファイバが接続されている、
通信システム。 - 複数の空孔が母材に設けられたフォトニック結晶ファイバをマルチモードファイバと接続するに際し、
前記マルチモードファイバと接続される前記フォトニック結晶ファイバの端面の前記空孔に、前記母材の屈折率より低屈折率の屈折率調整部材を充填した状態で、前記端面を前記マルチモードファイバの端面と接続し、
前記複数の空孔の直径及び間隔は、使用する波長帯域内の所望の波長において当該フォトニック結晶ファイバのモードフィールド径が前記マルチモードファイバのモードフィールド径に整合するように調整され、
前記屈折率調整部材の屈折率は、前記マルチモードファイバと前記フォトニック結晶ファイバとのモードフィールド径の差異を、前記使用する波長帯域の最短波長において最小とする値とする、
ファイバ接続方法。
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