JP7352015B2 - 光ファイバ間の結合損失低減 - Google Patents

Description

［関連出願への相互参照］
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１９年８月２１日に出願された米国仮出願第６２／８８９，８８２号の利益を主張する。

ここでは、光ファイバ間の結合損失を低減するためのシステム、方法、および製品、より詳細には、中空コア光ファイバ（ＨＣＦ）とソリッドコアファイバ（ＳＣＦ）などの別のファイバとの間の結合損失を、モードフィールド直径（ＭＦＤ）ミスマッチを使用して低減するためのシステム、方法、および製品について説明する。

中空コア光ファイバは、センシング、通信、高出力光パルス伝送などの画期的な性能改善を提供する強力な技術プラットフォームである。実際には、その待ち時間は真空中の光波の伝播にほぼ等しいので、中空コア光ファイバは、データセンタ、高周波株式取引通信リンク、分散コンピューティング環境、ハイパフォーマンスコンピューティングなどのための魅力的なソリューションを提供する。例えば、株式取引アプリケーションでは、中空コア光ファイバは、取引コンピュータ間のデータ伝送時間の短縮を可能にし、取引プログラムがプログラムされた取引トランザクションをより迅速に完了できるようにすると考えられている。

中空コアファイバとは、ここでは、中空コアのような固体ではないコアを有する任意のファイバを意味し、中空コアは、真空であってもよいし、空気のような気体で満たされていてもよい。本開示では、フォトニックバンドギャップクラッドを有する中空コアファイバを例示するが、ここで説明した方法によって、任意の中空コアファイバ間の結合損失を低減することができる。典型的には、中空コアファイバは、ファイバの損失の主要な原因であるコアの端部で空気/ガラス界面と重なる光の量を低減するために、標準的なソリッドコア光ファイバよりも大きなコア直径を有する。

低レイテンシ、温度非依存性、放射硬度などの中空コアファイバの望ましい特性を利用する光学装置またはシステムでは、ＨＣＦは通常、標準的な市販のＳＣＦ用に設計された標準的な光学部品、典型的にはソリッドコアのシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に１つまたは複数の点で結合する必要がある。したがって、これらの接続は、しばしばシステムの最良の可能な性能のために重要であるため、これらの接続または接合の結合損失を最小化する必要性が当技術分野に残る。ＨＣＦの基本モードの横方向プロファイルはＳＭＦの基本モードとは実質的に異なるので、最小結合損失を達成するために両方のファイバでどれが最良のＭＦＤ比であるかは不明である。

本発明は、当技術分野のニーズに対処し、中空コア光ファイバを含む接続における結合または接合損失を低減することを目的とする。例えば、ＨＣＦとＳＭＦとの間の結合損失または接合損失は、ＨＣＦのＭＦＤよりも著しく小さいＭＦＤを有するＳＭＦを選択することによって最小化することができる。

本発明の１つ以上の実施形態によれば、複数の光ファイバ間の結合損失を低減するように構成された製造物品が本明細書に記載され、製造物品は、第１モードの伝搬を支持する中空コアファイバＨＣＦと、ＨＣＦに結合されたＳＣＦとを含む。

本発明の例示的な実施形態は、例示的なＨＣＦを、著しく小さいＭＦＤを有する例示的なＳＭＦに結合／接合すること、ＨＣＦのＭＦＤとＳＭＦのＭＦＤとの間にあるＭＦＤを持つ３番目のファイバを挿入すること、ＨＣＦを端部がテーパ加工されたＳＭＦに結合／接続すること、その端部などでドーパントの濃度が長手方向に変化するＳＭＦにＨＣＦを結合／接続すること、などの方法の形をとる。本発明の他の実施形態および態様は、以下の議論の過程において、添付図面を参照することによって明らかになる。

本発明の一実施形態による、６つの外側コア（シャント）を有する例示的な１９セルＨＣＦにおける基本モードを示す図である。 種々のＳＭＦ ＭＦＤのスプライス損失に対するモードミスマッチ寄与に基づく、図１の例示的ＨＣＦのモード特性の波長依存性を示す図である。 図１の例示的ＨＣＦのＭＦＤに基づく、図１の例示的ＨＣＦのモード特性の波長依存性を示す図である。 例示的なＨＣＦの最適ＭＦＤ比対正規化コアサイズの関係を示す図である。 本発明の一実施形態による例示的ＨＣＦの最適ＳＭＦ ＭＦＤ対ＨＣＦコアサイズの関係を示す図である。

以下に詳細に説明するように、本発明は、結合損失を最小化するために、中空コア光ファイバと他のファイバとの間の種々のタイプの結合および接合の特性を評価することに関する。例えば、（中空コアファイバの種々の構成の場合のように）「空気」コアに沿った光信号光の伝送は、標準的なシリカコア光ファイバに関連する伝送速度よりも３０％大きい伝送速度を提供する。上述の通り、この特徴は、低遅延通信リンクに依存する高頻度取引企業に特に適用される。低レイテンシは、数千台のサーバを相互接続するために数百キロメートルの光ケーブルが使用されるデータセンタ／スーパーコンピュータのアプリケーションにも適用される。上述したように、本発明の一実施形態は、ＨＣＦのＭＦＤよりも著しく小さいＭＦＤを有するＳＭＦを選択することによって、ＨＣＦとＳＭＦとの間の結合損失または接合損失を最小化することを可能にする。さらに、本発明のさらなる実施形態によれば、全体での結合損失を最小化するために、ここではモードフィールド適応ファイバ（ＭＦＡＦ）と呼ばれる第３のファイバの短いセクションをＳＭＦとＨＣＦとの間に追加することが有利であり得る。

対数（デシベル）スケールでは、ＨＣＦとＳＭＦの間のトータルの結合損失または接合損失ａ＜（ｄＢ）＞は、以下の数式における２つの項の合計である。

第１の項

は、複数の有効なインデックスが大幅に異なるため、避けられないフレネル反射である。
１５５０ｎｍの波長では、通常、

につながる

と

が存在する可能性がある。

フレネル反射光がファイバに沿って後方に伝搬されてシステムに不要なノイズが生じるのを避けるために、スプライスをファイバ断面に対して角度付けすることができる。
第２項

（図２Ａ参照）は、２つのファイバの基本モードの不一致によるものであり、対称的な半双線型（ｓｅｓｑｕｉｌｉｎｅａｒ）形式の表記を使用して、ＨＣＦの（電気）場Ｅ_ＨＣＦとＳＭＦのＥ_ＳＭＦの横方向重複積分、すなわち、典型的にはファイバ断面である横断面積Ａ上の２つのベクトル場Ｕ、Ｖの式

で近似される。

結合損失を最小にするために、ＳＭＦの基本モードは、ＨＣＦのコア壁領域との重複が比較的小さくてもよい。図１は、６つの外側コア（例えばシャント）を有する例示的な１９セルＨＣＦにおける基本モードのプロット１００を示す。矢印は電界の局所的な方向を示し、陰影は光強度の平方根を示す。図１で使用される例示的なＨＣＦは、１９セルＨＣＦであるが、本発明の代替の実施形態は、この構造に限定されず、任意の数のセルおよび外側コアを使用する種々のＨＣＦであってもよいが、これに限定されず、外側コアを有さない場合、すなわち、単一コアＨＣＦであってもよい。ＨＣＦの基本モードの電場（及び磁場）の方向は、ＨＣＦのこのコア壁領域（図１参照）において強く位置依存することに注目することが重要である。これに対し、典型的なＳＭＦは、通常、より均一に配向された電場（および磁場）を有する基本モードを有し得る。ＳＭＦがＨＣＦのＭＦＤよりも小さいＭＦＤを有する場合、コア壁領域とのこのようなオーバーラップの低減が達成される。

しかし、ＳＭＦのＭＦＤを小さくしすぎると、結合損失が増加することもある。一例として、図２Ａのグラフ２００は、図１のガウスモード形状を有するＳＭＦからＨＣＦへのモードミスマッチ損失（接合または結合損失マイナスフレネル反射損失（ｓｐｌｉｃｉｎｇ ｏｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｌｏｓｓ ｍｉｎｕｓ Ｆｒｅｓｎｅｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｌｏｓｓ））を示す。１５５０ｎｍの波長で、約１５ｐｍのＭＦＤをもつＳＭＦを用いることにより、約０．２９ｄＢの最小モードミスマッチ損失が達成され得る。これは、１５５０ｎｍで約１８ｍｍであるＨＣＦのＭＦＤの約８３％に過ぎない（図２Ｂのグラフ２５０参照）。これに対し、１５５０ｎｍで１８ｍｍのＭＦＤを有するＳＭＦが選択された場合（図２Ａの太線）、モードミスマッチ損失は約０．５ｄＢであり、すなわち、最適損失よりも０．２１ｄＢ高い。本発明の一実施形態によれば、例示的なＳＭＦのＭＦＤは、例示的なＨＣＦのＭＦＤの８５％を超えてはならない。本発明の代替の実施形態によれば、例示的なＳＭＦのＭＦＤは、例示的なＨＣＦのＭＦＤの９０％を超えてはならない。

最適ＳＭＦ ＭＦＤがＨＣＦのＭＦＤよりも著しく小さいという事実は、ＨＣＦコア直径の広い範囲、さらには異なるＨＣＦ設計にさえも当てはまる。例えば、図３のグラフ３００は、ＨＣＦの相対的なコアサイズｄ_{ｃｏｒｅ，ｒｅｌ}の関数としての最適なＭＦＤ比（最適なＳＭＦ ＭＦＤをＨＣＦのＭＦＤで割ったもの）を示し、これは、当業者は既知の通り、絶対的なコア直径ｄｃｏｒｅおよびミクロ構造のピッチＰと共に

として定義される。２本のファイバＨＣＦ１とＨＣＦ２は、例えば、空気充填率、ｄｃｏｒｅ、製造日等の多くの特徴が異なるが、いずれの場合も、最適なＭＦＤ比は常に８３％程度である。

そこで、図３では、測定が困難なＨＣＦのモード特性、すなわちＭＦＤに関してＳＭＦの最適ＭＦＤを正規化している。また、図４は、コア直径の測定が容易であるという観点から正規化したものである。図４のグラフ４００は、ＳＭＦ ＭＦＤとＨＣＦコアサイズとの関係を示している。これらのユニットでは、ＳＭＦの最適ＭＦＤはＨＣＦ１とＨＣＦ２の両方に対して、ＨＣＦのコア直径の広い範囲にわたってＨＣＦのコア直径の約５６％である。本発明の一実施形態によれば、例示的なＳＭＦのＭＦＤは、例示的なＨＣＦのコア直径の５８％を超えてはならない。本発明の別の実施形態によれば、例示的なＳＭＦのＭＦＤは、例示的なＨＣＦのコア直径の６１％を超えてはならない。

上述のように、結合損失または接合損失をさらに低減するために、例示的なＳＭＦと例示的なＨＣＦとの間に第３のファイバ（典型的には短いセクション）を使用することが有利であり得る。したがって、ＭＦＤの１つの変更を、ＭＦＤの２つの小さな変更に置き換えることができる。より一般的には、ＭＦＤのさらに緩やかな変化を達成するために、ＳＭＦとＨＣＦとの間に１つ以上のファイバまたは導波路（典型的には短いセクション）を使用することができる。代替の実施形態によれば、テーパは、その長さに沿ってＭＦＤの連続的な変化と共に使用されてもよい。

モードミスマッチおよび接合損失または結合損失をさらに低減するために、種々のドーパントおよびドーピングプロファイル（例えば、屈折率の変化）を、例示的なＳＭＦの先端で使用することができる。これと同時にまたは別個に、ガス、液体、または固体を、例示的なＨＣＦのコアまたはクラッディングセルに含めることができる。

さらに、本開示の別の実施形態によれば、ＨＣＦとＳＭＦとの間に角度接合があって、リターン損失を増加させることができる。

本発明のさらなる態様は、例示的なＨＣＦおよびＳＭＦのような、光ファイバ間の結合損失または接合損失を低減する方法に関する。これらの例示的な方法は、例示的なＨＣＦを、著しく小さいＭＦＤを有する例示的なＳＭＦに結合／接合することと、ＨＣＦのＭＦＤとＳＭＦのＭＦＤとの間にあるＭＦＤを持つ第３のファイバを挿入して、ＨＣＦをＳＭＦに結合／接続することと、その端部がテーパ加工されたＳＭＦにＨＣＦを結合／接続することと、その端部でドーパントの濃度を長手方向に変化させることができるＳＭＦにＨＣＦを結合／接続することと、その端部で屈折率を長手方向に変化させることとを含むことができるが、これに限定されるものではない。本明細書全体に記載される例示的な実施形態は、ＨＣＦに適用されるだけでなく、他のタイプの微細構造ファイバにも適用することができ、さらに一般的には、典型的なＳＭＦの基本モードの横方向の形状とは異なる横方向の形状を有する基本モードを有するファイバにも適用することができる。

本明細書において、「ＳＭＦ」という用語は、中実コアＳＭＦを指す場合がある。しかしながら、当業者は、ＳＭＦが、例えば、中空コア単一モードファイバのような、異なるタイプのＳＭＦを指すこともあることを理解するであろう。

本開示は、その例示的な実施形態を参照して説明された。本開示に開示されるすべての例示的な実施形態および条件付き例示は、本開示が関係する当業者による本開示の原理および概念の理解を助けることを意図して記載されているしたがって、本開示が関係する当業者には、本開示が、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、修正された形態で実施され得ることが理解されるであろう。様々な特徴を有する多数の実施形態が本明細書に記載されてきたが、本明細書に記載されていない他の組み合わせにおけるそのような様々な特徴の組み合わせは、本開示の実施形態の範囲内で企図される。

Claims (5)

1. 第１のモードフィールド直径（ＭＦＤ）を有する中空コアファイバ（ＨＣＦ）と、
   前記ＨＣＦに結合され、前記第１のＭＦＤの９０％以下である第２のＭＦＤを有する追加のファイバと、
   前記第１のＭＦＤから前記第２のＭＦＤへの緩やかな移行を提供するテーパ加工された部分とを含む、
   複数の光ファイバ間の結合損失を低減するように構成された物品。
2. 第３のＭＦＤを有し、前記ＨＣＦと前記追加のファイバとの間に位置する短いファイバをさらに含み、前記第３のＭＦＤは、前記第１のＭＦＤより小さく、前記第２のＭＦＤより大きい、請求項１に記載の物品。
3. リターン損失を増加させるために、ＨＣＦと前記追加のファイバとの間に角度接合をさらに含む、請求項１に記載の物品。
4. 第１のモードフィールド直径（ＭＦＤ）、コア、およびコア壁領域を持つ中空コアファイバ（ＨＣＦ）と、
   第２のＭＦＤを有する追加のファイバであって、前記ＨＣＦに結合され、前記ＨＣＦの前記コア壁領域の直径の６１％以下である領域において基本モードを伝搬する追加のファイバと、
   前記第１のＭＦＤから前記第２のＭＦＤへの緩やかな移行を提供するテーパ加工された部分とを含む、
   複数の光ファイバ間の結合損失を低減するように構成された物品。
5. 第１のモードフィールド直径（ＭＦＤ）、コアと、およびコア壁領域を持つ中空コアファイバ（ＨＣＦ）と、
   第２のＭＦＤを有する追加のファイバであって、前記ＨＣＦに結合され、前記ＨＣＦの前記コア壁領域の直径の６１％以下である領域において基本モードを伝搬する追加のファイバと、
   第３のＭＦＤを有し、前記ＨＣＦと前記追加のファイバとの間に位置する短いファイバとを含み、
   前記第３のＭＦＤは、前記第１のＭＦＤより小さく、前記第２のＭＦＤより大きい、
   複数の光ファイバ間の結合損失を低減するように構成された物品。