JP6668833B2 - 結合型マルチコア光ファイバ - Google Patents
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Description
本発明は、隣り合うコア同士での光学的な結合状態を維持しつつモード分割多重伝送を可能にする結合型マルチコア光ファイバ（以下、「ＣＭＣＦ（Coupled multi-core optical fiber）」と記す）に関するものである。
特許文献１には、複数のコアが純シリカガラスで構成されたマルチコア光ファイバ（以下、単に「ＭＣＦ」と記す）に関する伝送損失の低減技術が開示されており、特許文献２には、アルカリ金属をコアに添加することで伝送損失を低減する技術が開示されている。また、特許文献３には、バンチファイバを構成する複数の単心ファイバの最外周面を覆うガラスに酸などにより溶融し易いアルカリ金属が添加されたガラスを採用することで、各単心ファイバを分離し易くした構造が開示されている。非特許文献１には、Stack & Draw法により製造されたＭＣＦの伝送損失に関して記載されており、非特許文献２には、ロッドインコラプス法で製造されたＭＣＦの伝送損失に関して記載されている。
なお、非特許文献１には、隣り合うコア同士のパワー結合係数の定義が記載されており、非特許文献２には、結合型ＭＣＦについて記載されている。さらに、非特許文献３には、結合型ＭＣＦが適用されたモード分割多重伝送の試験結果が記載されており、非特許文献４には、モード多重およびモード分割を可能にするための多入力・多出力（以下、「ＭＩＭＯ（Multi-Input-Multi-Output）」と記す）技術が記載されている。
Tetsuya Hayashi, et al., "Physical interpretation of intercore crosstalk in multicore fiber: effects of macrobend, structure fluctuation, and microbend," OPTICSEXPRESS Vol.20, No.5, pp.5401-5412 (Mar. 11, 2013)
Tetsuya Hayashi et al., "Coupled-Core Multi-Core Fiber:High-Spatial-Density Optical Transmission Fibers with Low Differential Modal Properties," ECOC2015, We.1.4.1 (2015)
R. Ryf, et al., "1705-km Transmission over Coupled-Core Fibre Supporting 6 Spatial Modes," ECOC2014, PD.3.2, Cannes-France (2014)
Beril Inan, et al., "DSP complexity of mode-division multiplexed receivers," OPTICS EXPRESS Vol.20, No.9, pp.10859-10869, (Apr. 23, 2012)
発明者は、従来のＭＣＦについて検討した結果、以下のような課題を発見した。
すなわち、アルカリ金属元素のコア添加は、低損失化に有効であることは周知である。ただし、アルカリ金属元素は、他の元素に比べ、拡散し易く、母材から光ファイバへの紡糸中、該光ファイバにおけるコア中のアルカリ金属濃度は母材段階での濃度に比べ減少してしまう。したがって、紡糸中のコアガラスの構造緩和に寄与できるアルカリ金属濃度は一定の制限が在る。特に、1つのコアのみにアルカリ金属が添加される上記従来技術の場合、コアに相当するガラス領域の結晶化を防止するため高濃度のアルカリ金属を添加することができない。複数のコアを近接配置することが可能なＭＣＦでは、アルカリ金属の拡散のし易さから低損失化には有利になるが、非結合型ＭＣＦの場合、隣り合うコア同士の中心間距離（以下、「コア間隔」と記す）が小さすぎると、コア間のクロストーク（以下、ＸＴと記す）が発生するため、伝送損失の低減にも制限があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、アルカリ金属の拡散に起因した濃度低下を抑制することにより効率的な伝送損失の低減を実現するための構造を備えたＣＭＣＦ（結合型ＭＣＦ）を提供することを目的としている。なお、ＣＭＣＦは、コア間隔を意図的に小さくすることでコアそれぞれを伝搬する信号間でＸＴ（コア間ＸＴ）を発生させているが、ＸＴが発生している信号同士は、上記非特許文献４に記載のＭＩＭＯ処理により復号される（上記非特許文献２、３参照）。そのため、当該ＣＭＣＦとＭＩＭＯ処理が組み合わされた伝送システムにより、モード分割多重伝送が可能になる。このように積極的にコア間ＸＴを発生させるＣＭＣＦは、非結合型ＭＣＦと比べ、コア間隔を狭く設計することができるため、アルカリ金属が隣り合うコア同士で相互に拡散し易くなり、アルカリ金属の拡散に起因した濃度低下の抑制が期待できる（低伝送損失の実現）。発明者らは、上述のような考察を踏まえて、ＣＭＣＦにおける、伝送損失を低減するために有効なコア間隔とその応力分布を見出した。
本実施形態に係るＣＭＣＦは、それぞれが所定の方向に沿って伸びた複数のコアと、前記複数のコアそれぞれを覆うクラッドとを備える。特に、複数のコアそれぞれは、伝送損失の低減に寄与する、所定の濃度のアルカリ金属を含む。また、複数のコアのうち隣り合うコア同士の光学的な結合状態を維持するため、該隣り合うコア間のパワー結合係数ｈは、１×１０−３／ｍ以上となるよう設定されている。また、顕著な伝送損失の低下を実現するため、隣り合うコア同士の中心を結ぶ線分上における応力分布の最大値σ_maxは、負の値（圧縮応力）をとる。
本実施形態によれば、アルカリ金属の濃度低下を抑制することにより効率的な伝送損失の低減を実現するＣＭＣＦ（結合型ＭＣＦ）が得られる。
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。
最初に本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。
（１）本実施形態に係るＣＭＣＦ（結合型マルチコア光ファイバ）は、それぞれが所定の方向に沿って伸びた複数のコアと、前記複数のコアそれぞれを覆うクラッドとを備える。特に、複数のコアそれぞれは、伝送損失の低減に寄与する、所定の濃度のアルカリ金属を含む。また、複数のコアのうち隣り合うコア同士の光学的な結合状態を維持するため、該隣り合うコア間のパワー結合係数ｈは、１×１０−３／ｍ以上となるよう設定されている。また、顕著な伝送損失の低下を実現するため、隣り合うコア同士の中心を結ぶ線分上における応力分布の最大値σ_maxは、負の値をとる。すなわち、隣り合うコア間に位置するクラッドには圧縮応力が残留している。ちなみに、最大値σ_maxが正の場合、隣り合うコア間に位置するクラッドには引張応力が残留していることを意味する。なお、各コアには、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウムのグループから選択された１または２以上の種類のアルカリ金属が含まれる。
上述の態様に係る光ファイバは、ＣＭＣＦであり、コアそれぞれを伝搬する信号間でＸＴ（コア間ＸＴ）が発生していてもＭＩＭＯ処理で信号それぞれを復号する伝送システムに適用される伝送媒体である。このようなＣＭＣＦには、ＭＩＭＯ処理の負荷軽減のために信号間の群遅延差（ＤＧＤ：Differential Group Delay）を小さく保つことが求められる。そのため、ＣＭＣＦでは、コア間隔を狭くすることで積極的に信号間にＸＴを発生させている。このように積極的に信号間でＸＴを発生させることで信号同士を混ぜ合わせ、結果、信号間のＤＧＤを実質的に小さくするようにＣＭＣＦは設計される（非特許文献３参照）。なお、コア間隔は、各コアの屈折率構造に依存するが、十分に信号間でＸＴを発生させるためには、隣り合うコア間のパワー結合係数hは、１×１０−３／ｍ以上に設定されるのが好ましい（非特許文献２参照）。
ここで、効率よく伝送損失を低減するためには、紡糸前の当該ＣＭＣＦの母材中に複数のアルカリ金属添加領域を設けており、該母材の紡糸中にアルカリ金属添加領域間で相互にアルカリ金属を拡散させる必要がある。この時、アルカリ金属の拡散によるコア周辺のガラスの粘性が低下し、紡糸後の当該ＣＭＣＦには圧縮応力の残留領域が形成される。例えば、当該ＣＭＣＦの母材において、複数のコア部それぞれがアルカリ金属添加領域を含む構成では、紡糸後の当該ＣＭＣＦにおいて、隣り合うコア間に位置するクラッドがアルカリ金属の拡散領域となる。このように、紡糸前の当該ＣＭＣＦの母材に複数のアルカリ金属添加領域を形成しておくことにより、紡糸中のアルカリ金属濃度の低下を防ぎ、効率よく伝送損失が低減されたＣＭＣＦが得られる。
（２）本実施形態の一態様として、応力分布の最大値σ_maxは、−２０ＭＰａ以下であるのが好ましい。
（３）本実施形態の一態様として、コア間隔Λcoreは、３５μｍ以下であるのが好ましい。
（４）本実施形態の一態様として、紡糸前の当該ＣＭＣＦの母材において、クラッドに相当する領域には少なくとも１つのアルカリ金属添加領域が設けられてもよい。この場合、紡糸後の当該ＣＭＣＦにおいて、母材におけるアルカリ金属添加領域の中心位置に相当する拡散中心位置と、複数のコアのうち該拡散中心位置に隣接するコアの中心位置との距離Λcore-cladは、４５μｍ以下であるのが好ましい。より好ましくは３０μｍ以下、さらに好ましくは２５μｍ以下である。
（５）本実施形態の一態様として、複数のコアそれぞれは、ＧｅＯ２分子の添加量が１重量％以下であるＳｉＯ２ガラスからなり、かつ、クラッドにはフッ素が添加された構成において、複数のコアそれぞれの、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失は、０．１６ｄＢ／ｋｍ以下であるのが好ましい。より好ましくは、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失は、０．１５５ｄＢ／ｋｍ以下、さらに好ましくは０．１５０ｄＢ／ｋｍ以下である。
（６）本実施形態の一態様として、複数のコアの少なくとも何れかに所定濃度のゲルマニウムが添加された構成において、該ゲルマニウムが添加されたコアの、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失は、０．１８ｄＢ／ｋｍ以下であるのが好ましい。
（７）本実施形態の一態様として、複数のコアそれぞれにおけるアルカリ金属の平均濃度は、０．２原子ｐｐｍ以上かつ５０原子ｐｐｍ以下であるのが好ましい。
（８）本実施形態の一態様として、紡糸前の当該ＣＭＣＦの母材において、複数のコアに相当する領域それぞれにおけるハロゲン元素の平均濃度は、１０００原子ｐｐｍ以上かつ３００００原子ｐｐｍ以下であるのが好ましい。
（９）本実施形態の一態様として、クラッドの表面におけるアルカリ金属の濃度は、１原子ｐｐｍ以下であるのが好ましい。
以上、この[本願発明の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。
[本願発明の実施形態の詳細]
本願発明に係るＣＭＣＦの具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、これら例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
本願発明に係るＣＭＣＦの具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、これら例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
図１（ａ）には、第１実施形態に係るＣＭＣＦ２００Ａを製造するための紡糸前の母材１００Ａの断面構造が示されている。図１（ａ）に示された断面は、母材１００Ａの中心軸ＡＸ（当該母材１００Ａの長手方向に一致）に直交する断面であり、当該母材１００Ａは、中心軸ＡＸに沿ってそれぞれ伸びたコア部１１０と、これらコア部１１０それぞれを覆うクラッド部１２０を備え、図１（ａ）の断面には、一例として、中心軸ＡＸを取り囲むように３つのコア部１１０は配置されている。図１（ａ）に示された断面当該ＣＭＣＦ２００Ａは、母材１００Ａを紡糸することにより得られ、その断面構造は、母材１００Ａの断面構造と相似関係にある。すなわち、母材１００Ａが紡糸されることで得られるＣＭＣＦ２００Ａのコア２１０は、母材１００Ａのコア部１１０に相当しており、当該ＣＭＣＦ２００Ａのクラッド２２０が母材１００Ａのクラッド部１２０に相当している。なお、図１（ａ）にはコア配置の例として、母材１００Ａ（または当該ＣＭＣＦ２００Ａ）の中心軸ＡＸの周りに３つのコア部１１０（またはコア２１０）は配置された構造が示されているが、後述するように本実施形態には種々のコア配列が適用可能であり、図１（ａ）の例には限定されない。
図１（ａ）には、第１実施形態に係るＣＭＣＦ２００Ａを製造するための紡糸前の母材１００Ａの断面構造が示されている。図１（ａ）に示された断面は、母材１００Ａの中心軸ＡＸ（当該母材１００Ａの長手方向に一致）に直交する断面であり、当該母材１００Ａは、中心軸ＡＸに沿ってそれぞれ伸びたコア部１１０と、これらコア部１１０それぞれを覆うクラッド部１２０を備え、図１（ａ）の断面には、一例として、中心軸ＡＸを取り囲むように３つのコア部１１０は配置されている。図１（ａ）に示された断面当該ＣＭＣＦ２００Ａは、母材１００Ａを紡糸することにより得られ、その断面構造は、母材１００Ａの断面構造と相似関係にある。すなわち、母材１００Ａが紡糸されることで得られるＣＭＣＦ２００Ａのコア２１０は、母材１００Ａのコア部１１０に相当しており、当該ＣＭＣＦ２００Ａのクラッド２２０が母材１００Ａのクラッド部１２０に相当している。なお、図１（ａ）にはコア配置の例として、母材１００Ａ（または当該ＣＭＣＦ２００Ａ）の中心軸ＡＸの周りに３つのコア部１１０（またはコア２１０）は配置された構造が示されているが、後述するように本実施形態には種々のコア配列が適用可能であり、図１（ａ）の例には限定されない。
図１（ｂ）は、図１（ａ）中の線Ｌ（隣り合うコア部１１０同士の中心を通る線）に沿った母材１００Ａの屈折率分布１５０Ａとアルカリ金属濃度分布１６０Ａである。この図１（ｂ）から分かるように、本実施形態では、母材１００Ａのコア部１１０それぞれが、アルカリ金属が添加されたアルカリ金属添加領域となっている。
図１（ｃ）は、母材１００Ａを紡糸することにより得られた本実施形態に係るＣＭＣＦ２００Ａの屈折率分布２５０Ａおよびアルカリ金属濃度分布２６０Ａであって、図１（ｂ）と同様に、図１（ａ）中の線Ｌに沿った分布である。
さらに、図２は、図１（ｃ）に示されたＣＭＣＦ２００Ａの屈折率分布２５０Ａと応力分布２５５の関係を説明するための図である。図１（ｂ）に示されたように母材１００Ａの各コア２１０がアルカリ金属添加領域となっている場合、紡糸後に得られるＣＭＣＦ２００Ａでは、各コア２１０からアルカリ金属が拡散することにより、隣り合うコア２１０の中間においてもアルカリ金属が存在する。この時、コア２１０周辺のガラスの粘性が低下し、図２に示されたような形状の応力分布２５５が得られる。なお、本明細書において、当該ＣＭＣＦ２００Ａ中の隣り合うコア部１１０同士の中心を結ぶ線分上の応力分布の最大値をσ_maxで表す。すなわち、図２に示された応力分布２５５の最大値σ_maxは、負の値をとることから、コア２１０およびその周辺に位置するクラッド２２０には圧縮応力の残留領域が形成される。
通常、アルカリ金属がそれぞれ添加された複数のコア部１１０が設けられた母材１００Ａでは、紡糸中に加熱されることで、各コア部１１０中のアルカリ金属が相互に拡散する。そのため、図１（ｃ）に示されたように、紡糸後のＣＭＣＦ２００Ａにおける各コア２１０中のアルカリ金属濃度は低下する。しかしながら、コア間隔Λcoreが接近すると、あるコアから拡散したアルカリ金属が隣接するコアへ流入することで、アルカリ金属の濃度低下が緩和され、ガラス構造の緩和を促進させることができる。そのため、本実施形態に係るＣＭＣＦ２００Ａでは、伝送損失低減することが可能になる。また、ＳＣＦの場合と比べて伝送損失の低減が期待できる（非特許文献２参照）。この時、効率よくコア２１０相互にアルカリ金属を拡散させるためには、隣り合うコア同士は近いほうが好ましい（コア間隔Λcoreが小さい）が、一方で、非結合型ＭＣＦでは、コア間ＸＴが増大する。このようにコア間ＸＴが大きい場合、非結合型ＭＣＦでは、係るコア間ＸＴに起因した伝送損失の増加も発生し、アルカリ金属添加の効果に限界がある。
これに対し、本実施形態に係るＣＭＣＦ２００Ａは、ＭＩＭＯ処理の負荷軽減のために信号間のＤＧＤを実質的に小さくするように設計されおり、十分に信号間でＸＴを発生させるため、隣り合うコア間のパワー結合係数hは、１×１０−３／ｍ以上に設計されている。
なお、例えば上記非特許文献１に記載されているように、単位長さ辺りにコアｍからコアｎへ移動する光パワーＰｎは、以下の式（１）のように表すことができる。
ここで、ｈはパワー結合係数であり、当該ＣＭＣＦに関して言えば、隣り合うコア同士において光パワーが結合する効率を意味する（結合型コアを規定）。なお、パワー結合係数ｈは、各コアの屈折率、コア間隔、当該ＣＭＣＦの曲げ状態から計算される（非特許文献１参照）。
ここで、ｈはパワー結合係数であり、当該ＣＭＣＦに関して言えば、隣り合うコア同士において光パワーが結合する効率を意味する（結合型コアを規定）。なお、パワー結合係数ｈは、各コアの屈折率、コア間隔、当該ＣＭＣＦの曲げ状態から計算される（非特許文献１参照）。
なお、紡糸前の母材１００Ａにおけるコア部１１０のアルカリ金属の添加濃度は、紡糸後のＣＭＣＦ２００Ａにおいて、各コア２１０におけるアルカリ金属の平均濃度は、０．２原子ｐｐｍ以上かつ５０原子ｐｐｍ以下になるように設定される。これは、高濃度のアルカリ金属が添加されたＳｉＯ２ガラスは結晶化が促進されるため、紡糸後のＣＭＣＦ２００Ａの各コア２１０に含まれるアルカリ金属の平均値が０.２原子ｐｐｍ以上であれば、紡糸中にコア２１０のガラス構造の緩和を進めることができるからである。一方、紡糸後のＣＭＣＦ２００Ａにおけるコア２１０のアルカリ金属の平均濃度が５０原子ｐｐｍ以上になると、累積吸収線量０.１０Ｇｙ以上の放射線を照射した後の波長１５５０ｎｍにおける伝送損失が、放射線を照射する前と比較して０.０２ｄＢ／ｋｍ以上増加し、海底システム等の長期の伝送損失の安定性を必要とするシステムでの使用に問題が生じるため望ましくない。
また、母材１００Ａのコア部１１０においてハロゲン元素濃度が低い場合、母材製造工程におけるハロゲン元素による不純物の除去の効果が十分に得られず、不純物の吸収による伝送損失の増加を招く。一方、ハロゲン元素が多すぎる場合、アルカリ金属のハロゲン化合物が生成され結晶の生成核として働くため、望ましくない。また、Ｃｌ、Ｆ等ハロゲン元素の濃度を１０００原子ｐｐｍ〜３０００原子ｐｐｍの範囲に設定することで、上述の問題無く低伝送損失のＣＭＣＦを得ることができる。
さらに、紡糸後のＣＭＣＦ２００Ａにおけるガラス表面（クラッド２２０の表面）におけるアルカリ金属の濃度は、１原子ｐｐｍ以下である。紡糸後のＣＭＣＦ２００Ａのガラス表面までアルカリ金属が拡散すると、アルカリ金属のＳｉＯ２ガラスネットワークの切断効果により、機械的な疲労係数の大幅な低下が発生するため、実用上の問題が生じ望ましくない。この問題を回避するには、紡糸後のＣＭＣＦ２００Ａのガラス表面までアルカリ金属の濃度は１原子ｐｐｍ以下が好ましく、さらに好ましくは０．１原子ｐｐｍ以下である。アルカリ金属としてカリウムが母材１００Ａのコア部１１０に添加された場合、紡糸後、カリウムは半径１５〜５０μｍの範囲に拡散する。拡散半径は母材段階のカリウム濃度、紡糸中の温度履歴に依存する。したがって、紡糸後のカリウム到達距離を予め調べた上で、母材１００Ａの断面内において、コア部１１０またはクラッド部１２０に対するカリウム添加位置を決定することが望ましい。
具体的に、低伝送損失化のために母材１００Ａのコア部１１０中に添加されるアルカリ金属元素（例えばカリウム）の平均濃度は５原子ｐｐｍ以上であり、好適には５０原子ｐｐｍ以下である。カリウム濃度が高いほど放射線照射による損失増が高くなるので、母材段階でのコア部１１０におけるカリウム平均濃度の上限は５００原子ｐｐｍとすることが好ましい。また、母材１００ＡからＣＭＣＦ２００Ａへの紡糸工程では、線引炉内において母材１００Ａの各位置が１５００℃以上で保持される時間は１１０分以下であり、線引速度（紡糸速度）は、１２００ｍ／ｍｉｎ以上が好ましく、１５００〜２３００ｍ／ｍｉｎがより好ましい。母材１００Ａの直径は、７０〜１７０ｍｍφが好ましく、９０〜１５０ｍｍφがより好ましい。
母材１００Ａの各位置が１５００℃以上の温度で保持される時間が短いほど、紡糸後のＣＭＣＦ２００Ａの、波長１.５５μｍにおける伝送損失は小さい。この現象は以下の理由によると考えられる。すなわち、母材１００Ａのコア部１１０に平均濃度５００原子ｐｐｍ以下のカリウムが含まれる場合、該母材１００Ａから得られるＣＭＣＦ２００Ａの仮想温度は１４００〜１５５０℃であり、線引炉内でのピーク温度（１５００℃以上）から１５００℃までの時間でカリウムの拡散が進む。一方、カリウムの拡散が進み過ぎると、通信波長帯（１５５０ｎｍ帯）の光パワー分布よりカリウムが外側に広く拡散してしまう。この場合、実効的なカリウム濃度が低くなるためにガラスネットワークの構造緩和が進まず、伝送損失が低減されない。よって、カリウムの拡散がよく進むガラス温度１５００℃以上で保持される時間が短いほど、紡糸後のＣＭＣＦ２００Ａの光伝送損失は低減する。
このような条件による母材１００ＡからＣＭＣＦ２００Ａへの紡糸により、紡糸後のＣＭＣＦ２００Ａの各コア２１０において、０．２原子ｐｐｍ以上のアルカリ金属濃度が好適に実現できる。なお、実質的にコアが純シリカガラスのＣＭＣＦの場合、伝送損失０.１７０ｄＢ／ｋｍを下回るためには、母材の各位置が１５００℃以上の温度で保持される時間は、１１０分以下であることが必要であり、７０分以下がより好ましい。
さらに、本実施形態は、紡糸中のＣＭＣＦを一定以上の温度に保温してガラス構造の緩和を促進することができる徐冷線引を好適に組み合わせて得ることができる。本実施形態と徐冷線引きを組み合わせた場合には、さらに低い伝送損失を得ることができる。徐冷線引き方法については、当業者であれば伝送損失を低減するのに必要な適正な製造条件を得ることができる。
また、本明細書において、アルカリ濃度およびハロゲンの濃度を示す「原子ｐｐｍ」とは、１００万ユニットのＳｉＯ２ガラス中のドーパント原子の個数である。例えば、カリウムの場合、ＳｉＯ２ガラス中の結合形態によらず、ＳｉＯ２分子数に対するＫの原子数の比を示す。Ｌｉ、Ｎａ、Ｒｂの場合も、また、Ｃｌ、Ｆの場合も同様である。
上述のような構造を有するＣＭＣＦ２００Ａの各コア２１０および該コア２１０周辺のクラッド２２０の一部を含む領域Ｒ１（図１（ａ）参照）には、図３に示されたように、種々の屈折率分布が適用可能である。
各コア２１０の屈折率分布やそれに伴う光学特性については、用途に応じて適正な構造を選択することができるが、コア２１０それぞれの構造は均一でも良く、またそれぞれ異なった構造であってもよい。また、当該ＣＭＣＦ２００Ａの断面内におけるコア数に制限は無く、収容されるコア数に応じて当該ＣＭＣＦ２００Ａの断面直径（ガラス直径）およびクラッド２２０の外周面上に設けられる被覆樹脂の外径は適切に設定され得る。
具体的に各コア２１０を含む領域Ｒ１の屈折率分布の形状として、コア２１０に相当する領域には、ステップ型（図３（ａ））、リング型（図３（ｂ））、２重ステップ型（図３（ｃ））、グレーデッド型（図３（ｄ））等の何れも適用可能である。また、クラッド２２０に相当する領域には、ディプレスト型（図３（ｅ））、マッチド型（図３（ｆ））、トレンチ型(図３（ｇ）)等の何れも適用可能である。また、各コア２１０は、コアを伝播するモード数が一つであるシングルモード動作を前提とした構造であっても、複数モードを伝播するマルチモード動作を前提とした構造を備えてもよい。
また、図４は、本実施形態に適用可能なコア配置の種々の例を示すＣＭＣＦの断面図である。すなわち、本実施形態に適用可能なコア配置としては、例えば図４（ａ）〜図４（ｃ）のそれぞれに示されたように、当該ＣＭＣＦ２００Ａの中心軸ＡＸに対して軸対称となるようにコア２１０が配置された構造が採用されてもよい。また、図４（ｄ）に示されたように、それぞれが複数のコア要素で構成された複数のコア群が、当該ＣＭＣＦ２００Ａの中心軸ＡＸの周りに円環配置された構造が採用されてもよい。
上述のような屈折率分布において、コア２１０の少なくともいずれかは、ＧｅＯ２分子の添加量が１重量％以下であるＳｉＯ２ガラスからなり、かつ、クラッド２２０にフッ素が添加された構成が適用された場合、コア２１０における波長１５５０ｎｍでの伝送損失は、０．１６ｄＢ／ｋｍ以下であるのが好ましい。一般的に、コアの屈折率を上昇させるためのＧｅＯ２分子が実質的に添加されていないＳｉＯ２ガラスによりコアが構成されている場合、ＧｅＯ２分子の濃度揺らぎに起因した散乱が抑制され得るので、伝送損失を０．１６ｄＢ／ｋｍ以下に抑制することが可能になる。伝送損失は、０．１５５ｄＢ／ｋｍ以下であるのが好ましく、更に好ましくは０．１５０ｄＢ／ｋｍ以下である。
また、上述のような屈折率分布において、コア２１０の少なくとも何れかには、ゲルマニウムが添加された構造が採用されてもよい。この場合、複数のコアそれぞれの、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失は、０．１８ｄＢ／ｋｍ以下であるのが好ましい。ゲルマニウムが添加されたコアは、一般に純シリカコアを有する光ファイバに比べ伝送損失が高い。しかしながら、コアにアルカリ金属を共添加することで散乱が低減され、結果的に伝送損失を低減することが可能になる。ただし、母材段階でゲルマニウムに添加されたコア部にアルカリ金属が添加されると紡糸後のコア内に結晶が発生し易くなるため、製造性が劣化する。そのため、母材製造工程では、ゲルマニウムが添加されたコア部にはアルカリ金属を直接添加せず、母材のクラッド部のみにアルカリ金属を添加し、紡糸時の加熱時によりアルカリ金属をコアへ拡散させることが望ましい。
次に、図５および図６を用いて、本実施形態に係るＣＭＣＦ２００Ａの複数サンプルと比較例の光学特性当を詳細に説明する。
用意された本実施形態に係るＣＭＣＦ２００Ａのサンプルとして、ＣＭＣＦ１〜ＣＭＣＦ３それぞれは、図１（ａ）に示されたように３つのコアを備えた断面構造を有し、各コア周辺は、図３（ａ）に示された屈折率分布（ステップ型）を有する。また、ＣＭＣＦ［１〜ＣＭＣＦ３それぞれにおけるコア配置は、図１（ａ）に示されたように、中心軸ＡＸの周りに３つのコア２１０は配置された構造が採用されている。一方、比較例は、１つのコアを有するＳＣＦであって、図３（ａ）に示されたような屈折率分布を有する。
サンプル１のＣＭＣＦ１、サンプル２のＣＭＣＦ２、サンプル３のＣＭＣＦ３、および比較例のＳＣＦの何れも、純シリカを基準として、クラッドを基準としたコア中心の比屈折率差Δが０．３２％、コア直径２ａが１１．１μｍである。また、ＣＭＣＦ１のコア間隔Λcoreは２８μｍであり、パワー結合係数ｈは１．１×１０−２／ｍである。ＣＭＣＦ２のコア間隔Λcoreは３２μｍであり、パワー結合係数ｈは１．０×１０−３／ｍである。ＣＭＣＦ３のコア間隔Λcoreは３８μｍであり、パワー結合係数ｈは８．５×１０−６／ｍである。なお、ＣＭＣＦ１、ＣＭＣＦ２、ＣＭＣＦ３、および比較例ＳＣＦの何れも、ファイバ外径は１２５μｍであり、紡糸条件は、紡糸速度が１３００ｍ／ｍｉｎ、紡糸張力が８０〜１００ｇである。また、ＣＭＣＦ１、ＣＭＣＦ２、ＣＭＣＦ３、およびＳＣＦ、それぞれの母材の各コア部には、アルカリ金属添加物としてカリウムが添加されている。
図５は、これらＣＭＣＦ１、ＣＭＣＦ２、ＣＭＣＦ３、およびＳＣＦそれぞれの光学特性をまとめた表である。
すなわち、以上のように作成されたＳＣＦの、波長１５５０ｎｍにおける平均実効断面積Ａｅｆｆは１１０μｍ２であった。また、ＣＭＣＦ１（Λcore＝２８μｍ）の、各コアの波長１５５０ｎｍにおける平均実効断面積Ａｅｆｆは１０７μｍ２であり、コア間における応力最大値σ_maxは−２８ＭＰａ（圧縮応力）であった。ＣＭＣＦ２（Λcore＝３２μｍ）の、各コアの波長１５５０ｎｍにおける平均実効断面積Ａｅｆｆは１０９μｍ２であり、コア間における応力最大値σ_maxは−２０ＭＰａ（圧縮応力）であった。ＣＭＣＦ３（Λcore＝３８μｍ）の、各コアの波長１５５０ｎｍにおける平均実効断面積Ａｅｆｆは１０５μｍ２であり、コア間における応力最大値σ_maxは１ＭＰａ（引張応力）であった。
また、波長１５５０ｎｍにおける比較例のＳＣＦの伝送損失は０．１６１ｄＢであった。同一の紡糸条件において、波長１５５０ｎｍにおけるＣＭＣＦ１の伝送損失は０．１４８ｄＢ、波長１５５０ｎｍにおけるＣＭＣＦ２の伝送損失は０．１５３ｄＢ、波長１５５０ｎｍにおけるＣＭＣＦ３の伝送損失は０．１５８ｄＢであり、ＳＣＦの伝送損失と比べた場合の伝送損失の低下量は、ＣＭＣＦ１が−０．０１３ｄＢ／ｋｍ、ＣＭＣＦ２が−０．００８ｄＢ／ｋｍ、ＣＭＣＦ３が−０．００３ｄＢ／ｋｍであった。
図６（ａ）は、上述のように作成されたサンプル１〜３（ＣＭＣＦ１〜ＣＭＣＦ３）を含む種々のＣＭＣＦサンプルそれぞれについて、隣接コア間における応力分布の最大値σ_max（ＭＰａ）と伝送損失の低下量（ｄＢ／ｋｍ）の関係を示すグラフである。
この図６（ａ）から分かるように、応力最大値σ_maxが負の値、すなわち圧縮応力が維持できているサンプル（ＣＭＣＦ１、ＣＭＣＦ２を含む）では、顕著な伝送損失の低下が確認できる。より好ましくは、応力最大値σ_maxを−２０ＭＰａ以下とすることで、伝送損失を更に低減することができる。更に好ましくは、応力最大値σ_maxは−３０ＭＰａ以下である。
また、図６（ｂ）は、上述のように作成されたサンプル１〜３（ＣＭＣＦ１〜ＣＭＣＦ３）を含む種々のＣＭＣＦサンプルそれぞれについて、コア間隔Λcore（μｍ）と伝送損失の低下量（ｄＢ／ｋｍ）の関係を示すグラフである。
この図６（ｂ）から分かるように、ＣＭＣＦ３のように、コア間隔Λcoreが３５μｍを超えるサンプルの場合、送損失の低下量は０．００５ｄＢ／ｋｍ未満となる。一方、ＣＭＣＦ１、ＣＭＣＦ２のように、コア間隔Λcoreが３５μｍ以下のサンプルの場合、伝送損失の低下量は０．００５ｄＢ／ｋｍ以上となる。なお、コア間隔Λcoreは、３０μｍ以下がより好ましく、更に好ましくは２５μｍ以下である。
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係るＣＭＣＦ２００Ｂと母材１００Ｂそれぞれの断面構造、屈折率分布、およびアルカリ金属濃度分布を示す図である。図７に示された第２実施形態では、ＣＭＣＦ２００Ｂを製造するための母材１００Ｂにおいて、２つのコア部１１０の他、コア部１１０間に挟まれたクラッド部１２０にもアルカリ金属添加領域５００が設けられている点を除き、第１実施形態の構成（図１（ａ））と同様である。なお、図７（ａ）の例では、線Ｌ上において隣り合うコア部１１０の中間位置が、アルカリ金属添加領域の拡散中心位置Ｏに設定されている。
図７は、第２実施形態に係るＣＭＣＦ２００Ｂと母材１００Ｂそれぞれの断面構造、屈折率分布、およびアルカリ金属濃度分布を示す図である。図７に示された第２実施形態では、ＣＭＣＦ２００Ｂを製造するための母材１００Ｂにおいて、２つのコア部１１０の他、コア部１１０間に挟まれたクラッド部１２０にもアルカリ金属添加領域５００が設けられている点を除き、第１実施形態の構成（図１（ａ））と同様である。なお、図７（ａ）の例では、線Ｌ上において隣り合うコア部１１０の中間位置が、アルカリ金属添加領域の拡散中心位置Ｏに設定されている。
すなわち、図７（ａ）において母材１００Ｂは、中心軸ＡＸに沿ってそれぞれ伸びたコア部１１０と、これらコア部１１０それぞれを覆うクラッド部１２０を備え、図７（ａ）の断面上には、一例として、中心軸ＡＸを取り囲むように３つのコア部１１０が配置されている。本実施形態に係るＣＭＣＦ２００Ｂは、母材１００Ｂを紡糸することにより得られ、その断面構造は、母材１００Ｂの断面構造と相似関係にあり、当該ＣＭＣＦ２００Ｂのコア２１０は、母材１００Ｂのコア部１１０に相当しており、当該ＣＭＣＦ２００Ｂのクラッド２２０が母材１００Ａのクラッド部１２０に相当している。また、図７（ｂ）は、図７（ａ）中の線Ｌに沿った母材１００Ｂの屈折率分布１５０Ｂとアルカリ金属濃度分布１６０Ｂである。この図７（ｂ）から分かるように、本実施形態では、母材１００Ｂのクラッド部１２０にもアルカリ金属が添加されたアルカリ金属添加領域５００が形成されている。また、図７（ｂ）には、コア部１１０の一方においてアルカリ金属濃度分布が示されていないが、当然のことながら本実施例においても全てのコア部１１０にアルカリ金属添加領域が形成されてもよい。図７（ｃ）は、母材１００Ｂを紡糸することにより得られた本実施形態に係るＣＭＣＦ２００Ｂの屈折率分布２５０Ｂおよびアルカリ金属濃度分布２６０Ｂであって、図７（ｂ）と同様に、図７（ａ）中の線Ｌに沿った分布である。図７（ｃ）に示されたΛcore-cladは、母材１００Ｂのクラッド部１２０に設けられたアルカリ金属添加領域５００の拡散中心位置Ｏと、紡糸後のＣＭＣＦ２００Ｂの各コア２１０の中心位置との距離を示す。
本実施形態によれば、母材１００Ｂのコア部１１０以外に、クラッド部１２０にもアルカリ金属を添加することで、より効率よく伝送損失を低減することができる。ただし、アルカリ金属が添加された領域とコア部１１０の距離が遠い場合、紡糸中にアルカリ金属がコアへ拡散せず、伝送損失の低減効果を得ることができない。したがって、アルカリ金属として例えばカリウム（Ｋ）の原子番号以下の物質を用いた場合、紡糸後のＣＭＣＦ２００Ｂにおいて、コア２１０の中心とアルカリ金属添加領域５００の中心に相当する拡散中心位置Ｏとの距離Λcore-cladは、４５μｍ以下である必要がある。より好ましくは、距離Λcore-cladは３０μｍ以下、さらに好ましくは２５μｍ以下である。
また、母材１００Ｂのコア部１１０にアルカリ金属を添加すると紡糸中のコア内に結晶が発生し易くなるとともに、コア部１１０へのアルカリ金属の添加工程において、アルカリ金属以外の不純物がコア部１１０へ混入にすることによる伝送損失増加が発生する場合がある。そのため、母材段階ではコア部１１０にはアルカリ金属を直接添加せず、紡糸工程においてクラッド部１２０に添加されたアルカリ金属（アルカリ金属添加領域５００）紡糸中のコアへ拡散させることで、結晶化、不純物の混入による過剰損失の懸念、生産歩留の低下無く、低伝送損失を得ることができる。
なお、母材１００Ｂにおいて、コア部１１０およびクラッド部１２０中のアルカリ金属添加領域の配置については、両方のコア部１１０とその中間領域にアルカリ金属添加領域が母材長手方向（中心軸ＡＸ）に沿って延在している。この構成により、隣り合うコア部１１０それぞれをアルカリ金属添加領域に設定した第１実施形態と比較してコア間隔Λcoreを大きくしても、得られるＣＭＣＦの低伝送損失化が可能になる。ただし、クラッド外周に近い領域にアルカリ金属が設けられた場合、紡糸中の拡散によりファイバ外周のアルカリ金属の濃度上昇を招き、得られるＣＭＣＦ２００Ｂの機械強度が低下するため望ましくない。したがって、ＣＭＣＦ２００Ｂのクラッド２２０の表面におけるアルカリ金属の濃度は、１原子ｐｐｍ以下が好ましい。
１００Ａ、１００Ｂ…母材、１１０…コア部（アルカリ金属添加領域を含む）、１２０…クラッド部、１５０Ａ、１５０Ｂ、２５０Ａ、２５０Ｂ…屈折率分布、１６０Ａ、１６０Ｂ、２６０Ａ、２６０Ｂ…アルカリ金属濃度分布、２００Ａ、２００Ｂ…ＣＭＣＦ、２１０…コア、２２０…クラッド、２５５…応力分布、５００…アルカリ金属添加領域。
Claims (8)
- それぞれが所定の方向に沿って伸びた複数のコアと、前記複数のコアそれぞれを覆うクラッドとを備えた結合型マルチコア光ファイバであって、
前記複数のコアそれぞれは、伝送損失の低減に寄与する、所定の濃度のアルカリ金属を含み、
前記複数のコアのうち隣り合うコア間のパワー結合係数ｈが１×１０−３／ｍ以上であり、かつ、前記隣り合うコア同士の中心を結ぶ線分上における応力分布の最大値σ_maxが負の値をとり、
前記クラッドは、アルカリ金属の濃度が極大値をとる拡散中心位置を含み、
前記拡散中心位置と、前記複数のコアのうち前記拡散中心位置に隣接するコアの中心位置との距離Λcore−cladは、４５μｍ以下であることを特徴とする結合型マルチコア光ファイバ。 - 前記応力分布の最大値σ_maxは、−２０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の結合型マルチコア光ファイバ。
- 前記隣り合うコア同士の中心間距離Λcoreは、３５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の結合型マルチコア光ファイバ。
- 前記複数のコアそれぞれは、ＧｅＯ２分子の添加量が１重量％以下であるＳｉＯ２ガラスからなり、
前記クラッドには、フッ素が添加され、
前記複数のコアそれぞれの、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失は、０．１６ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の結合型マルチコア光ファイバ。 - 前記複数のコアの少なくとも何れかには、所定の濃度のゲルマニウムが添加されており、
前記ゲルマニウムが添加されたコアの、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失は、０．１８ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の結合型マルチコア光ファイバ。 - 前記複数のコアそれぞれにおけるアルカリ金属の平均濃度は、０．２原子ｐｐｍ以上かつ５０原子ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の結合型マルチコア光ファイバ。
- 紡糸前の当該結合型マルチコア光ファイバの母材において、前記複数のコアに相当する領域それぞれにおけるハロゲン元素の平均濃度は、１０００原子ｐｐｍ以上かつ３００００原子ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の結合型マルチコア光ファイバ。
- 前記クラッドの表面におけるアルカリ金属の濃度は、１原子ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の結合型マルチコア光ファイバ。
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