JPWO2006098471A1 - 光ファイバおよび導波路 - Google Patents

Abstract

ＭＦＤを大きく保ちながらさらに曲げ損失を低減させた光ファイバおよびこれを用いた導波路を提供する。本発明にかかる光ファイバ１０は、不純物がドープされたコア部１と、コア部１の周囲に層状に形成された微細構造部である複数の空孔３を有する第１クラッド部２と、第１クラッド部２の周囲に層状に形成された均質な媒質の第２クラッド部４とを有する。この場合、コア部１と第２クラッド部４との比屈折率差△１は、０．０１％以上、０．３％未満である。また、コア部１、第１クラッド部２および第２クラッド部４の総断面積に対する第１クラッド部２の空孔３の総断面積の比率は、２０％未満である。このような光ファイバ１０を用いて導波路を形成する。

Description

本発明は、微細構造を有する光ファイバおよびこの光ファイバを用いた導波路に関するものである。

一般に、光ファイバは、例えばゲルマニウムがドープされることで屈折率を高めたシリカガラスからなるコア部と、その周囲に層を形成するように取り囲み、コア部より屈折率が低いシリカガラスから成るクラッド部とから構成されている。そして、クラッド部とコア部との境界面における光の全反射の作用によりコア部内を光が導波する。しかしながら、従来、このコア部とクラッド部との比屈折率差は、大きくても３〜４％程度であった。

これに対して、近年、このような構造の光ファイバより大きな比屈折率差を得ることができる光ファイバが報告されている。例えば、特許文献１によると、クラッド部のガラス中に、空孔に代表される微細構造を長手方向に設けることによってクラッド部の平均屈折率を大きく低減させる事ができることが報告されている。即ち、この構造によれば、コア部の実効屈折率を従来の光ファイバに比べて格段に大きくすることができる。

このようなこともあり、近年、通常のシングルモード光ファイバ（以下、ＳＭＦと呼ぶ）と同等の屈折率分布構造を有する光ファイバのコア部の周囲に空孔等の微細構造を形成した構造の光ファイバが注目されている。この光ファイバの利点は、コア部周囲に微細構造を設けることで、コア部とクラッド部との比屈折率差をＳＭＦでは成し得ないほど大きくできることにある。それにより、光ファイバの曲げ損失を非常に小さくすることが可能となる。

例えば、微細構造を設けることで、１５ｍｍ径の小径曲げに対する曲げ損失を０．０４ｄＢ／ｍまで低減することができたという報告がなされている（例えば、非特許文献１参照）。さらにその後、０．０１ｄＢ／ｍ未満まで低減することができたという報告もされている（例えば、非特許文献２参照）。一方、従来、ＳＭＦとの接続を考慮して、モードフィールド径（以下、ＭＦＤと呼ぶ）を大きく保ちながら曲げ損失を低減させた光ファイバが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３３０６８４７号公報 T.Hasegawa他、Microoptics Conference(2003),K2 西岡大造 他、信学技法、OFT2003-63、P23〜 特開２００４−２２００２６号公報

このような光ファイバには高い信頼性と取り扱いの容易さが求められており、例えば、上記特許文献１で提案されているようなＭＦＤと曲げ損失であっても、実際に使用するにはまだ不十分である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＭＦＤを大きく保ちながらさらに曲げ損失を低減させた光ファイバを提供することを目的とする。そして、この光ファイバを用いて、ＳＭＦと低損失にて接続可能で且つ曲率半径の小さい屈曲部が形成されても曲げ損失を小さくすることができる導波路を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の第１の発明の光ファイバは、不純物がドープされたコア部と、コア部の周囲に層状に形成された微細構造を有する第１クラッド部と、第１クラッド部の周囲に層状に形成された均質な媒質の第２クラッド部とを有し、コア部と第２クラッド部との比屈折率差△１が０．０１％以上０．３％未満であることを特徴とする。

この発明の第２の発明の光ファイバは、上記の発明において、コア部、第１クラッド部および第２クラッド部の総断面積に対する第１クラッド部の微細構造の総断面積の比率が２０％未満であることを特徴とする。

この発明の第３の発明の光ファイバは、上記の発明において、第１クラッド部の微細構造の横断面配置形状が、中心軸に対して２回回転対称とされていることを特徴とする。

この発明の第４の発明の光ファイバは、上記の発明において、第１クラッド部の微細構造の横断面配置形状が、中心軸に対して６回回転対称とされていることを特徴とする。

この発明の第５の発明の光ファイバは、上記の発明において、第１クラッド部の微細構造の横断面配置形状が、中心軸に対して４回回転対称とされていることを特徴とする。

この発明の第６の発明の光ファイバは、上記の発明において、微細構造のうち少なくとも３つが、横断面にて同一円周上に配置されていることを特徴とする。

この発明の第７の発明の光ファイバは、上記の発明において、微細構造が、異なる２つ以上の径の同一円周上に配置されていることを特徴とする。

この発明の第８の発明の光ファイバは、上記の発明において、コア部が、ゲルマニウムおよびリンの少なくともいずれか一方が添加されたシリカガラスからなることを特徴とする。

この発明の第９の発明の光ファイバは、上記の発明において、第２クラッド部が、純粋なシリカガラスからなることを特徴とする。

この発明の第１０の発明の光ファイバは、上記の発明において、第２クラッド部が、フッ素が添加されたシリカガラスからなることを特徴とする。

この発明の第１１の発明の光ファイバは、上記の発明において、第１クラッド部の微細構造以外の媒質は、第２クラッド部と実質的に同じ媒質であることを特徴とする。

この発明の第１２の発明の光ファイバは、上記の発明において、微細構造は、光ファイバの長手方向中心軸に平行に形成された空孔であることを特徴とする。

この発明の第１３の発明の光ファイバは、上記の発明において、所定の波長を有する導波する光が、単一モードで導波することを特徴とする。

この発明の第１４の発明の光ファイバは、上記の発明において、１５００ｎｍ以上の波長を有する導波する光が、単一モードで導波することを特徴とする。

この発明の第１５の発明の光ファイバは、上記の発明において、１２５０ｎｍ以上の波長を有する導波する光が、単一モードで導波することを特徴とする。

この発明の第１６の発明の光ファイバは、上記の発明において、波長１５５０ｎｍにおけるモードフィールド径をＡ［μｍ］、波長１５５０ｎｍにおける曲率半径７．５ｍｍにおける曲げ損失をＢ［ｄＢ／ｍ］としたとき、Ｂ≦１であり、且つ以下の（１）式が成り立つことを特徴とする。
Ａ≧ｌｏｇ₁₀Ｂ＋８ ・・・（１）

この発明の第１７の発明の光ファイバは、上記の発明において、ＡおよびＢが、以下の（２）式をさらに満たすことを特徴とする。
Ａ≧ｌｏｇ₁₀Ｂ＋９ ・・・（２）

この発明の第１８の発明の光ファイバは、上記の発明において、Ａが７μｍ〜１３μｍであることを特徴とする。

この発明の第１９の発明の光ファイバは、上記の発明において、Ａが７μｍ〜１２μｍであることを特徴とする。

この発明の第２０の発明の光ファイバは、上記の発明において、Ａが７μｍ〜１１μｍであることを特徴とする。

この発明の第２１の発明の光ファイバは、上記の発明において、Ｂが０．１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする。

この発明の第２２の発明の光ファイバは、上記の発明において、波長１５５０ｎｍにおける曲率半径７．５ｍｍの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする。

この発明の第２３の発明の光ファイバは、上記の発明において、波長１５５０ｎｍにおける曲率半径５．０ｍｍの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする。

この発明の第２４の発明の光ファイバは、上記の発明において、微細構造が空孔であって、該空孔の内部空間を密封する密封手段が設けられていることを特徴とする。

この発明の第２５の発明の光ファイバは、上記の発明において、密封手段は、空孔の両端部に設けられた隔壁であることを特徴とする。

この発明の第２６の発明の光ファイバは、上記の発明において、密封手段は、長手方向に任意の間隔をおいて複数設けられ空孔を複数に区切って密封する隔壁であることを特徴とする。

この発明の第２７の発明の光ファイバは、上記の発明において、密封手段は、接続端部の空孔に充填された屈折率整合材であり、この屈折率整合材が充填された接続端部に、他の光ファイバが接続されることを特徴とする。

この発明の第２８の発明の光ファイバは、上記の発明において、密封手段は、接続端部の空孔が潰されて密封状態とされたものであり、この潰されて密封状態とされた接続端部に、他の光ファイバが接続されることを特徴とする。

この発明の第２９の発明の導波路は、第１の発明から第２８の発明のいずれか１つの光ファイバを、曲率半径３ｍｍ以上６０ｍｍ以下の曲げを少なくとも１箇所設けて形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、ＭＦＤを大きく保ちながらさらに曲げ損失を低減させた光ファイバを得ることができ、また、この光ファイバを用いて、通常のＳＭＦと低損失にて接続可能で且つ曲率半径の小さい屈曲部が形成されても曲げ損失を小さくすることができる導波路を得ることができる、という効果を奏する。

図１は、ファイバ例１−１にて使用した光ファイバの横断面図である。 図２は、ファイバ例２−１にて使用した光ファイバの横断面図である。 図３は、ファイバ例３−１にて使用した光ファイバの横断面図である。 図４は、ファイバ例４−１にて使用した光ファイバの横断面図である。 図５は、ファイバ例５−１に低使用した光ファイバの横断面図である。 図６は、接続例１による光ファイバの接続方法を示す縦断面図である。 図７は、接続例２による光ファイバの接続方法を示す縦断面図である。 図８は、本実施例にかかる光ファイバを導波路として使用した例を示す系統図である。

符号の説明

１ コア部
２ 第１クラッド部
３ 空孔
４ 第２クラッド部
１０，２０，３０，４０，５０ 光ファイバ
６０ 被接続用光ファイバ
６１ コア部
７０ 幹線系の光ファイバ
１００ 障害物
Ａ，Ｂ 屈曲部
Ｃ１，Ｃ２接続部

以下に、本発明に係る光ファイバおよび導波路の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。以下では、本発明に係る光ファイバの構成上の特徴の概略を実施の形態として説明し、その後に実際の光ファイバおよび導波路に則したものを実施例として詳細に説明する。

［実施の形態］
従来、不純物がドープされるコア部と微細構造を有するクラッド部から構成される光ファイバのコア部と微細構造を有しないクラッド部（第２クラッド部）に対する比屈折率差はＳＭＦとほぼ同じであり、この比屈折率差△１は０．３〜０．３９％である。これに対し本実施の形態の光ファイバは、比屈折率差△１を小さくすることでＭＦＤを大きくしている。また、比屈折率差△１を従来よりも小さくしてもコアとクラッドとの屈折率差は非常に大きいため、コア部への光の閉じ込めは強く、光ファイバの曲げに対する曲げ損失もまた非常に小さくすることができる。

ここで、比屈折率差△１は以下の式で定義される。ｎ_core、ｎ_cladはそれぞれコア部の最大屈折率、及び第２クラッド部の屈折率である。
△＝｛（ｎ_core−ｎ_clad）／ｎ_core｝×１００ ％ （３）

また、コア部にゲルマニウムを微量にドープすることによって、融着時にコア部を容易に探し出すことができるため、調芯のずれによる接続損失の発生を回避することができる。またシングルモードファイバとの融着接続時に接続部においてゲルマニウムが拡散することから接続損失を小さくすることができる。

微細構造領域が、２０％を超えてしまうとファイバの強度が劣化してしまうため、２０％以下に設定することによって、光ファイバ自体のガラスとしての強度を保つことができる。また、微細構造の断面積が２０％を超えてしまうと、光ファイバの線引き時、光ファイバ母材から光ファイバに引き伸ばされるメニスカス部分において光ファイバ内部の微細構造近傍のガラス部分に大きな応力がかかり、断線する可能性が高くなるため好ましくない。

本発明の一実施形態の光ファイバは、光ファイバの中心軸に対し２回回転対称の微細構造を有する。このような構造をとることで光ファイバ断面において、Ｘ方向とＹ方向の屈折率分布に異方性が生じる。このためＸ軸方向とＹ軸方向の間に異方性が生じ、導波する光の偏波面を保持する効果が生じる。なお、ここでいう２回回転対称とは、２回回転についてのみに対称であるものを指し、４回回転対称、６回回転対称等は含まないものとする。

本発明の一実施形態の光ファイバは、光ファイバの中心軸に対し６回回転対称の微細構造を有する。このような構造をとることで光ファイバ断面における周方向に対する屈折率が比較的一定とすることができるので、偏波モード分散を低減させることができる。

本発明の一実施形態の光ファイバは、光ファイバの中心軸に対し４回回転対称の微細構造を有する。このような構造をとることで光ファイバ断面においてＸ方向とＹ方向の屈折率分布は等しいため、偏波モード分散を小さくすることができる。

また、各々の微細構造は光ファイバの中心軸に対し、２つ以上の異なる同一円周上に配置される。これにより光ファイバ中心軸から径方向に対して、微細構造の配置パターンにより自由に屈折率変化を設けることができる。

コア部にゲルマニウム（Ｇｅ）、リン（Ｐ）をドープする方法として、例えば、ＶＡＤ（Vapor-phase Axial Deposition）法が挙げられる。この手法を用いることで、ドープ量の微調整が可能となる。その結果、クラッド部に対するコア部の屈折率差を０．０１％刻みで調節することができる。

第２クラッド部の均質な媒質は、純粋なシリカガラス、若しくはフッ素が添加されたシリカガラスである。また、第１クラッド部の微細構造部以外の媒質は、第２クラッド部と同等であり、第１クラッド部に微細構造部を有しない場合の、第１クラッドと第２クラッドの屈折率は等しい。クラッド部を純粋なシリカガラス、若しくはフッ素が添加されたシリカガラスで構成されることで、コア部に対して屈折率差を設けることができる。

微細構造が空孔であることにより、第１クラッド部の平均屈折率を大きく低減することが可能である。また空孔であれば、例えば超音波ドリル等を用いて光ファイバ母材の長手方向に穿孔することが容易にできるため、シリカガラスと異なる屈折率を有する液体や固体を挿入する作業に比べ、低コストで製造することができる。

ここで、上述される単一モードで光伝播するとは、カットオフ波長λｃが使用波長より短いことが必要とされる。そして、本実施の形態の光ファイバは１５００ｎｍ以上の光波長において単一モードで伝播する。これにより、Ｃバンド、Ｌバンドを含む波長帯域に対して使用が可能となる。また好ましくは、光ファイバは１２５０ｎｍ以上の光波長において単一モードで伝播する。これにより、Ｓ、Ｃ、Ｌバンド、そしてＥバンド、Ｏバンドを含めた広い波長帯域に対して使用が可能となる。

ここでカットオフ波長λｃとは、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１で定義するファイバカットオフ波長λｃをいう。その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０．１またはＧ．６５０．２における定義及び測定方法に従うものとする。

本実施の形態の光ファイバはＭＦＤを拡大する微細構造を有していても、小さな曲げ損失を確保することができる。その大きさは、例えば、波長１５５０ｎｍにおいてＭＦＤが７μｍのファイバの曲げ損失は、０．１ｄＢ／ｍ以下である。この２つのファイバ特性の関係は好ましくは、上記（１）式を満たし、さらに好ましくは、上記（２）式を満たす。

波長１５５０ｎｍの光において、ＭＦＤは７〜１３μｍ、好ましくは７〜１２μｍ、さらに好ましくは７〜１１μｍである。これは、本実施の形態の光ファイバと例えばＳＭＦとの接続を想定した場合、このＭＦＤは約１０μｍであり、この値に近いＭＦＤを有していればメカニカル接続における損失も低減できるためである。また通常のシングルモードファイバとの融着を考慮した場合、同様に両者の光ファイバのＭＦＤが近い値であるため融着接続損失が小さく、融着作業もまた行い易くなる。

波長１５５０ｎｍの光において、曲率半径７．５ｍｍ、好ましくは曲率半径５．０ｍｍの曲げに対する曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下である。このように曲げに対する光損失が小さいことで、屋内・ビル等における局所位置に曲率半径が小さい状態で敷設することが可能となる。

光ファイバ両端部の全ての空孔に対して壁を設けることにより、空孔内部への汚染物質の浸入を抑制することができる。これにより、空孔内汚染による伝送損失増加を抑えることができる。

さらに、汚染浸入を防ぐ隔壁を空孔一つ一つにおいて任意の位置に設けることにより、隔壁を設けたことによる長手方向における光ファイバ断面の構造変化が少ない。このため、光を伝送させた際の隔壁設置部におけるＭＦＤの形状変動も少なくて済み、これに伴う伝送損失もまた少ない。

また、空孔端部に屈折率整合材を挿入することにより、本発明の光ファイバ端部とＳＭＦとの接合において、光ファイバ同士のＭＦＤを近似することが可能となり、接合端における接続損失を低減することができる。これにより、既存のＳＭＦ導波路に本発明の光ファイバを組み込むときに生じる、接続損失を抑えることができる。

従来の光ファイバは曲げ損失を小さくすべく、曲率半径が大きい曲げ径で光伝送媒体に使用されていたが、本発明の構造を有する光ファイバでは、曲げ損失が非常に小さい。そのため本発明の光ファイバの曲率半径を３ｍｍ以上６０ｍｍ以下の径に屈曲した状態で光導波路に組み込んでも、伝送損失は小さく、例えば屋内における狭いスペースに配設することが可能である。

［ファイバ例１−１］
図１はファイバ例１−１にて使用した光ファイバの横断面図である。図１において、光ファイバ１０は、コア部１と、このコア部の周囲に層状に形成された第１クラッド部２と、この第１クラッド部２の周囲に層状に形成された第２クラッド部４とを有している。第１クラッド部２には、微細構造として空孔３が多数形成されている。コア部１は、ゲルマニウムがドープされたシリカガラスにて作製されている。当該コア部１の純粋なシリカガラスに対する比屈折率差は０．２８％である。一方、第１クラッド部２の空孔３以外の部分および第２クラッド部４は、純粋なシリカガラスにて作製されている。複数の空孔３は、光ファイバ１０の長手中心軸方向に夫々平行に貫通している。また、空孔３の断面形状の長手中心軸方向の変化率は、面積比１０％以下程である。断面における各空孔３相互の間隔は、空孔間隔Λ＝６．０〜１１．０μｍである。さらに、光ファイバ断面積に対する１８個の空孔３の総断面積比は１０〜１９％である。

尚、図１に示されるように、１８個の空孔３はファイバ中心に対して、それぞれ６個ずつ３つの同心円上に形成されている。つまり、一番中心に近い同心円上に形成された空孔３ａが、２番目の同心円上に空孔３ｂが、３番目の同心円上に空孔３ｃがそれぞれ形成されている。

光ファイバ１０の特性を調べたところ、波長１５５０ｎｍにおけるＭＦＤは７．０〜１０．０μｍであり、曲げ損失は、波長１５５０ｎｍ、曲率半径７．５ｍｍの曲げ径において０．００１８ｄＢ／ｍであった。また、カットオフ波長は１１００〜１２４０ｎｍであった。尚、このファイバの波長１５５０ｎｍ、曲率半径５ｍｍの曲げ径における曲げ損失は０．０８５ｄＢ／ｍであった。

また、光ファイバ１０の空孔３の横断面配置形状は、中心軸に対し６回回転対称の位置に配置されている。このような配置形状をとることにより、偏波モード分散は０．５ｐｓ／ｋｍ^1/2以下の値を得ることができた。

［ファイバ例１−２］
上記ファイバ例１−１と同様に純粋なシリカガラスに対する比屈折率差が０．２２〜０．２７％となるようにゲルマニウムがドープされたコア部１と、図１の断面構造を有するクラッド部（第１クラッド部２および第２クラッド部４）から構成される光ファイバを作製した。第２クラッド部４は、純粋なシリカガラスからなる。ここで、空孔間隔Λは６．０〜１０．０μｍであり、ファイバ断面内における１８箇所の空孔３の総断面積比は１０〜１８％である。この光ファイバの波長１５５０ｎｍにおけるＭＦＤは７．０〜７．６μｍであり、曲げ損失は波長１５５０ｎｍ、曲率半径７．５ｍｍの曲げ径において０．００２ｄＢ／ｍである。カットオフ波長は１１５０〜１４９０ｎｍである。また、この光ファイバの波長１５５０ｎｍ、曲率半径５ｍｍの曲げ径における曲げ損失は、０．０１〜０．０９ｄＢ／ｍである。

［ファイバ例１−３］
図１に示される微細構造を有する第１クラッド部２に、純粋なシリカガラスに対する比屈折率差が−０．１％となるようにフッ素をドープし、コア部１の第２クラッド部４に対する比屈折率差が０．２８％になるようゲルマニウムのドーパント量を調整した光ファイバを作製した。この場合も上記ファイバ例１−１のものとカットオフ波長、ＭＦＤ、曲げ損失がほとんど変わらないことを確認した。

［ファイバ例２−１］
図２はファイバ例２−１の光ファイバの横断面図である。図２に示す光ファイバ２０においても、ファイバ例１−１の光ファイバ１０と同様に、コア部１はゲルマニウムがドープされたシリカガラスからなり、第１クラッド部２の空孔３以外の部分および第２クラッド部４は、純粋なシリカガラスにて作製されている。当該コア部１の純粋なシリカガラスに対する比屈折率差は０．２８％である。図２に示される光ファイバ２０は、中心軸に対して空孔３が２回回転対称の横断面配置形状となっている。つまり、一番中心に近い同心円上に形成された大空孔３ｅと小空孔３ｄの配置が線対称の関係にある。２番目の同心円上に６個の小空孔３ｆが形成され、３番目の同心円上に６個の小空孔３ｇが形成されている。このファイバ２０の特徴として、長手中心軸方向をＺ軸方向とした場合に、ファイバ断面においてＸ軸方向とＹ軸方向の屈折率分布が大きく異なり、導波する光の偏波面を保持する作用が発生する。

［ファイバ例２−２］
ファイバ例２−１と同様、図２に示される微細構造を有する光ファイバを作製した。ファイバ例１−１の光ファイバ１０と同様に、コア部１はゲルマニウムがドープされたシリカガラスからなり、第１クラッド部２の空孔３以外の部分および第２クラッド部４は、純粋なシリカガラスにて作製されている。当該コア部１の純粋なシリカガラスに対する比屈折率差は０．２８％である。また、コア部１と大空孔部３ｅとの間隔は０．５μｍ以下と非常に近い距離に位置する。このときのモード複屈折は２．０×１０^-4であった。

［ファイバ例３−１］
図３はファイバ例３−１の光ファイバの横断面図である。図３に示す光ファイバ３０においても、ファイバ例１−１の光ファイバ１０と同様に、コア部１はゲルマニウムがドープされたシリカガラスからなり、第１クラッド部２の空孔３以外の部分および第２クラッド部４は、純粋なシリカガラスにて作製されている。当該コア部１の純粋なシリカガラスに対する比屈折率差は０．２８％である。光ファイバ３０は、空孔３の配置を図３に示されるように中心軸に対し、４回回転対称の位置に配置した。つまり、一番中心に近い同心円上に４個の空孔３ａが、４個の空孔３ａに対して９０度回転した位置にて、２番目の同心円上に４個の空孔３ｂがそれぞれ形成され、さらに９０度回転し、中心に対して空孔３ａの放射線上の３番目の同心円上に４個の空孔３ｃが形成されている。このような配置形状の光ファイバ３０においては、偏波モード分散は０．３ｐｓ／ｋｍ^1/2以下の値が得られた。

［ファイバ例４−１］
図４はファイバ例４−１の光ファイバの横断面図である。図４に示す光ファイバ４０は、コア部１と、このコア部１の周囲に層状に形成された第１クラッド部２と、この第１クラッド部２の周囲に層状に形成された第２クラッド部４とを有している。第１クラッド部２には、微細構造部として空孔３が多数形成されている。コア部１は、ゲルマニウムがドープされたシリカガラスにて作製されている。ここで作製した２通りの光ファイバにおける、コア部１の純粋なシリカガラスに対する比屈折率差Δ１はそれぞれ０．２８％、０．２９％であり、コア部１の直径は７．４μｍである。一方、第１クラッド部２の空孔３以外の部分および第２クラッド部４は、純粋なシリカガラスにて作製されている。複数の空孔３は、光ファイバ４０の長手中心軸方向に平行に貫通している。また、空孔３の断面形状の長手中心軸方向の変化率は、面積比５％以下である。また、光ファイバ断面積に対する１２個の空孔３の総断面積比は８．６７％である。

複数の空孔３は、ファイバ断面においてそれぞれ、ほぼ円形で、全ての空孔３の断面積は同じであり、そして各々の空孔３の直径ｄは６．８μｍである。第１クラッド部２において中心に近い同心円上に４個の空孔３aが配置され、各空孔３ａの中心から光ファイバの断面中心の距離（Ｌ１）が７．７μｍであり、それぞれ空孔３ａが４回回転対称の位置関係にある。また、第1クラッド部２において光ファイバの中心から外側には８個の空孔３ｂが配置され、それぞれの空孔３ｂは、空孔部の中心から光ファイバの断面中心の距離（Ｌ２）が１６．４３５μｍであり、かつ第１クラッド部２の内側に配置される、隣り合う２つの空孔３ａを結ぶ直線上に位置する。

この例に示される光ファイバの作製方法は以下のとおりである。まず、ＶＡＤ法によりゲルマニウムドープされたコア部を含むシリカガラスを作製する。次に、このシリカガラスの外側に純シリカ層をＯＶＤ法により外付けし、外径４０ｍｍ、コア径が３．７ｍｍである母材を作製した。この母材に対し機械式ドリルにより、仕上がり直径が３．4ｍｍに形成されるよう穿孔し、そして空孔内面の研磨を行った。そしてこの母材をファイバクラッド外径が８０μｍとなるよう線引きした。上記の方法で作製した光ファイバ、Sample.１及びSample.２の特性を表１に示す。

表１に示すように、カットオフ波長λｃは、何れも１２００ｎｍ以下であり、波長１．３μｍ帯域（１２８０〜１３３０ｎｍ）及び１．５５μｍ帯域（１５３０〜１５６５ｎｍ）においてシングルモード動作する。波長１５５０ｎｍにおけるＭＦＤは７．０μｍ以上であり、一般的なＳＭＦとのメカニカル接続において、その接続損失は小さい。また、ファイバ内で生じる非線形現象も小さく抑えられる。波長１５５０ｎｍ、曲率半径７．５ｍｍにおけるマクロベンディングロスは０．１ｄＢ／ｍ以下であり、小径曲げ環境に充分適したファイバであるといえる。また、上述したように、この光ファイバ４０の空孔３の横断面配置形状は４回回転対称であり、偏波モード分散は０．１ｐｓ／ｋｍ^1/2以下の値が得られた。

［ファイバ例４−２］
図４に示すファイバ例４−１のサンプル例に対し、空孔位置及び空孔径を変えたSample.３、４をシミュレーションにより検討した。尚、ファイバ例４−１にて実際に製造したSample.１、２の光ファイバに関して本シミュレーションを行った結果は、実際に得られた光ファイバの特性とほぼ一致することを確認している。

コア径及びコア部と空孔との間の距離は、コア径＝７．６μｍ、内側に位置する空孔３ａの中心とコア中心との距離Ｌ１＝１１μｍ、外側に位置する空孔３ｂの中心とコア中心との距離Ｌ２＝２２μｍとした。本検討における空孔３の直径ｄ（すなわち空孔径）は１０．４μｍ、ファイバ外径は９０μｍであり、光ファイバ断面積に対する１２個の空孔３の総断面積比は１６％である。この検討結果を表２に示す。

表２に示すように、カットオフ波長は１３５０ｎｍ以下であり、曲げ損失も十分に小さく、波長１．５５μｍ帯域（１５３０〜１５６５ｎｍ）での耐曲げ対応ファイバとして充分に機能する特性を有する。そしてまたＭＦＤは８．０μｍ以上であり、一般的なシングルモードファイバとの接続を考えた場合、ＭＦＤミスマッチが非常に小さく、低損失でのメカニカル接続が可能である。また、ＭＦＤを拡大したことで上記ファイバ例４−１に対して非線形性を大幅に抑制することができる。

［ファイバ例４−３］
図４に示される微細構造を有する第１クラッド部２に、純粋なシリカガラスに対する比屈折率差が−０．１％となるようにフッ素をドープし、コア部１の第２クラッド部４に対する比屈折率差が０．２８％になるようゲルマニウムのドープ量を調整した光ファイバを作製した。この場合も上記ファイバ例１のSample.１とカットオフ波長、ＭＦＤ、曲げ損失がほとんど変わらないことを確認した。

［ファイバ例５−１］
図５はファイバ例５−１の光ファイバの横断面図である。図５において、光ファイバ５０は、光ファイバ１０と同様にコア部１と、このコア部１の周囲に層状に形成された第１クラッド部２と、この第１クラッド部２の周囲に層状に形成された第２クラッド部４とを有している。第１クラッド部２には、微細構造部として空孔３が多数形成されている。コア部１は、ゲルマニウムがドープされたシリカガラスにて作製されている。ここで作製した２通りの光ファイバにおける、コア部１の純粋なシリカガラスに対する比屈折率差Δ１はそれぞれ０．２８％、０．２９％であり、コア径は７．４μｍである。一方、第１クラッド部２の空孔３以外の部分および第２クラッド部４は、純粋なシリカガラスにて作製されている。複数の空孔３は、光ファイバ長手中心軸方向に平行に貫通している。また、空孔３の断面形状の長手中心軸方向の変化率は、面積比５％以下である。また、光ファイバ断面積に対する１２個の空孔３の総断面積比は６．８％である。

ここで、第１クラッド部２に配置される空孔３の断面形状は、ほぼ真円である。図５において第１クラッド部２の内側の内部領域に配置される、比較的断面積の小さな空孔３ａの直径をｄ１、第１クラッド部２の外側の内部領域に含まれる比較的断面積の大きな空孔部３ｂの直径をｄ２とすると、それぞれ、ｄ１＝３μｍ、ｄ２＝８μｍである。また、各々同径の空孔部は同一円周上に配置され、比較的断面積の小さな空孔３ａの中心部とファイバ断面中心部との距離をＬ１とするとＬ１＝６μｍであり、また、これらの隣り合う位置に配置される各空孔中心の間隔は６μｍである。また、比較的断面積の大きな空孔３ｂの中心部とファイバ断面中心部との距離をＬ２とするとＬ２＝１３．１５μｍであり、これらの隣り合う位置に配置される各空孔中心の間隔は１３．１５μｍである。また、各々同一径を有する空孔３ａ，３ｂは、それぞれファイバ断面中心に対して６回回転対称に配置される。そして最も近くに配置される比較的断面積の小さな空孔３ａと比較的断面積の大きな空孔３ｂとの位置は、ファイバ断面中心と第１クラッド部２の内側の内部領域に配置される空孔３ａの中心部とを結ぶ直線と、ファイバ断面中心と第１クラッド部の外側の内部領域に配置される空孔３ｂの中心部とを結ぶ直線とが３０度の角度を成す。この光ファイバ作製方法はファイバ例１−１と同様であり、実際に作製したSample.５及びSample.６の特性を表３に示す。

表３に示すように、カットオフ波長は、それぞれ１３１０ｎｍ及び１３２０ｎｍである。したがって、光ファイバ５０は、波長１．５５μｍ帯域（１５３０〜１５６５ｎｍ）においてシングルモード動作する。また、波長１５５０ｎｍにおけるＭＦＤは７．０μｍ以上であり、一般的なＳＭＦとのメカニカル接続において、その接続損失は小さい。さらに、光ファイバ５０の内部で生じる非線形現象も小さく抑えられる。波長１５５０ｎｍ、曲率半径７．５ｍｍにおけるマクロベンディングロスは０．１ｄＢ／ｍ以下であり、小径曲げ環境に十分適したファイバであるといえる。また、上述したように、この光ファイバ５０の空孔３ａ及び３ｂの横断面配置形状はそれぞれ６回回転対称であり、偏波モード分散は０．３ｐｓ／ｋｍ^1/2以下の値が得られた。

上述のファイバ例１〜５にて使用した光ファイバに対し、ファイバ両端を加熱することでクラッド部分を溶かし、空孔部分を潰して、隔壁を設けた。また、同様にファイバ長手の任意位置の空孔に対し選択的に加熱することによっても隔壁を設けた。これにより、空孔内部への汚染物質等の浸入を防ぐことができる。

［ファイバ接続例］
ファイバ例１−１にて図１により示した波長１５５０ｎｍでのＭＦＤが約７〜８μｍの光ファイバ１０と、波長１５５０ｎｍでのＭＦＤが１０．４μｍであるＳＭＦの被接続用光ファイバ（ＩＴＵ規格Ｇ．６５２準拠の光ファイバ；以下、非接続光ファイバ６０と呼ぶ。）とを以下の３つの方法によって接続した。そしてこれらの接続部における波長１５５０ｎｍの光による接続損失を測定した。

［接続例１］
図６は接続例１による光ファイバの接続方法を示す縦断面図である。本接続例においては、光ファイバ１０の空孔３端部の空隙内に、屈折率整合剤１３を充填した。その後、この屈折率整合剤１３を充填した状態の光ファイバ１０と被接続用光ファイバ６０とを、各々のコア部１、６１の中心軸が一致するように突合せて接続した。ここで、屈折率整合剤１３は、波長１５５０ｎｍの光に対する屈折率が約１．４４である粘性が高いグリスである。

このように光ファイバ１０の空孔３内に屈折率整合剤１３を充填することによって、光ファイバ１０の端部において、第１クラッド部２の屈折率が第２クラッド部４の屈折率に近づく。これにより光ファイバ１０のＭＦＤが広がり、被接続用光ファイバ６０のＭＦＤの値に近づく。また、ファイバ接続端部においてクラッド部の屈折率がほぼ一様になるため、フレネル反射による接続損失も抑えることができる。ここで、光ファイバ接続端部における、接続損失を測定してみたところ０．１ｄＢ以下であった。

［接続例２］
図７は接続例２による光ファイバの接続方法を示す縦断面図である。本接続例においては、光ファイバ１０の端部の空孔３が熱によって潰されて、被接続用光ファイバ６０と、コア部１、６１の中心軸が一致するように突合せて接続した。

空孔３が潰されることによって閉塞部１６が形成され、光ファイバ１０端部の第１クラッド部２の屈折率が第２クラッド部４の屈折率とほぼ等しくなる。そのため、接続例１と同様な効果が得られた。光ファイバ端部に対し何も処理をせずに突合せ接続をした場合に比べ、接続損失が幾らか低減した。上記接続例２による光ファイバ接続端部と同様に接続損失を測定してみたところ０．１ｄＢ以下であった。

［接続例３］
接続例２に示されるように光ファイバ１０の端部の空孔を潰しつつ、被接続用光ファイバ６０と融着により接続を行った。融着条件に関して、急激に強いパワーで放電すると空孔が膨張し、時には破裂して、融着部に大きな空洞や欠損部分が生じてしまう。そのため、本接続例においては、放電強度をかなり弱く、放電時間を長めに設定して、空孔を徐々に潰して融着を行った。

ここで、接続部における屈折率分布は、上記接続例と同様にほぼ一様になった。そして接続部におけるＭＦＤは大きくなり、被接続用光ファイバのＭＦＤに近づいた。また、融着することにより、双方の光ファイバのコア部に夫々ドープされたゲルマニウムが相互に拡散するため、上記接続例１、２に比べ、接続部における両光ファイバＭＦＤは互いに近づく結果となり接続損失はさらに小さくなった。上記接続例と同様に、上記接続例３によるファイバ接続端部の接続損失を測定してみたところ０．０５ｄＢ以下であった。

［ファイバ使用例］
図８は本発実施例にかかる光ファイバを導波路として使用した例を示す系統図である。図８において、［ファイバ例１］にて示した光ファイバ１０は、前端と後端の両接続部Ｃ１、Ｃ２に、それぞれ格Ｇ．６５２の幹線系の光ファイバ７０、７０が接続されている。本使用例は、障害物１００によって系統の２箇所にて直角に曲がらなければならない場合を想定している。２箇所の屈曲部Ａ、Ｂは、それぞれ曲率半径７．５ｍｍに曲げられている。

図８に示される系統を幹線系の光ファイバ７０のみを使用して敷設した場合、屈曲部Ａ、Ｂの２箇所で約１０ｄＢと大きな曲げ損失が生じ、幹線系トータルでの伝送損失が非常に大きくなってしまった。

しかしながら、図８に示されるように障害物１００に上述の光ファイバ１０を使用したところ、屈曲部Ａ、Ｂに生じる曲げ損失は非常に小さく抑えられ、この場合、その損失は０．１ｄＢ以下であった。また、光ファイバ１０のＭＦＤは従来の空孔を有する曲げに強い光ファイバよりも大きく、上記接続例の手段を用いれば、接続部１箇所に生じる損失は０．１ｄＢ以下であった。以上を考慮すると、幹線系ファイバのみを敷設した場合に比べ、幹線系トータルでの伝送損失を非常に小さく抑えることができた。

以上のように、本発明にかかる光ファイバおよび導波路は、引き回し時に屈曲部が形成される系統の光ファイバケーブルに用いられて有用なものであり、特にオフィスや家庭或いはマンションへの光ファイバケーブルの導入時等に用いられるドロップ光ファイバケーブル、インドア光ファイバケーブル、及び宅内配線用光ファイバケーブル等の光ファイバケーブルに最適なものである。

以上のように、本発明にかかる光ファイバおよび導波路は、ＳＭＦに接続する際に生じる接続損失の低減と曲率半径の小さい屈曲部が形成された際に生じる曲げ損失の低減との両立に有用であり、特に、オフィスや家庭或いはマンションへの光ファイバケーブルの導入時等に用いられるドロップ光ファイバケーブル、インドア光ファイバケーブル、及び宅内配線用光ファイバケーブル等の各種光ファイバケーブルおよびこれを用いて形成される導波路に適している。

Claims (29)

1. 不純物がドープされたコア部と、前記コア部の周囲に層状に形成された微細構造を有する第１クラッド部と、前記第１クラッド部の周囲に層状に形成された均質な媒質の第２クラッド部とを有し、前記コア部と第２クラッド部との比屈折率差△１が０．０１％以上０．３％未満であることを特徴とする光ファイバ。
2. 前記コア部、前記第１クラッド部および前記第２クラッド部の総断面積に対する前記第１クラッド部の前記微細構造の総断面積の比率が２０％未満であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
3. 前記第１クラッド部の前記微細構造の横断面配置形状が、中心軸に対して２回回転対称とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
4. 前記第１クラッド部の前記微細構造の横断面配置形状が、中心軸に対して６回回転対称とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
5. 前記第１クラッド部の前記微細構造の横断面配置形状が、中心軸に対して４回回転対称とされていることを特徴とする、請求項１または２に記載の光ファイバ。
6. 前記微細構造のうち少なくとも３つが、横断面にて同一円周上に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
7. 前記微細構造が、異なる２つ以上の径の同一円周上に配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光ファイバ。
8. 前記コア部が、ゲルマニウムおよびリンの少なくともいずれか一方が添加されたシリカガラスからなることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光ファイバ。
9. 前記第２クラッド部が、純粋なシリカガラスからなることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光ファイバ。
10. 前記第２クラッド部が、フッ素が添加されたシリカガラスからなることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光ファイバ。
11. 前記第１クラッド部の微細構造以外の媒質は、前記第２クラッド部と実質的に同じ媒質であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光ファイバ。
12. 前記微細構造は、光ファイバの長手方向中心軸に平行に形成された空孔であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の光ファイバ。
13. 所定の波長を有する導波する光が、単一モードで導波することを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の光ファイバ。
14. １５００ｎｍ以上の波長を有する導波する光が、単一モードで導波することを特徴とする請求項１３に記載の光ファイバ。
15. １２５０ｎｍ以上の波長を有する導波する光が、単一モードで導波することを特徴とする請求項１３に記載の光ファイバ。
16. 波長１５５０ｎｍにおけるモードフィールド径をＡ［μｍ］、波長１５５０ｎｍにおける曲率半径７．５ｍｍにおける曲げ損失をＢ［ｄＢ／ｍ］としたとき、Ｂ≦１であり、且つ以下の（１）式が成り立つことを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
    Ａ≧ｌｏｇ₁₀Ｂ＋８ ・・・（１）
17. 前記ＡおよびＢが、以下の（２）式をさらに満たすことを特徴とする請求項１６に記載の光ファイバ。
    Ａ≧ｌｏｇ₁₀Ｂ＋９ ・・・（２）
18. 前記Ａが７μｍ〜１３μｍであることを特徴とする請求項１６または１７に記載の光ファイバ。
19. 前記Ａが７μｍ〜１２μｍであることを特徴とする請求項１６または１７に記載の光ファイバ。
20. 前記Ａが７μｍ〜１１μｍであることを特徴とする請求項１６または１７に記載の光ファイバ。
21. 前記Ｂが０．１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１６または１７に記載の光ファイバ。
22. 波長１５５０ｎｍにおける曲率半径７．５ｍｍの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
23. 波長１５５０ｎｍにおける曲率半径５．０ｍｍの曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
24. 前記微細構造が空孔であり、該空孔の内部空間を密封する密封手段が設けられていることを特徴とする請求項１から２３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
25. 前記密封手段は、前記空孔の両端部に設けられた隔壁であることを特徴とする請求項２４に記載の光ファイバ。
26. 前記密封手段は、長手方向に任意の間隔をおいて複数設けられ前記空孔を複数に区切って密封する隔壁であることを特徴とする請求項２４に記載の光ファイバ。
27. 前記密封手段は、接続端部の前記空孔に充填された屈折率整合材であり、該屈折率整合材が充填された接続端部に、他の光ファイバが接続されることを特徴とする請求項２４に記載の光ファイバ。
28. 前記密封手段は、接続端部の前記空孔が潰されて密封状態とされたものであり、該潰されて密封状態とされた接続端部に、他の光ファイバが接続されることを特徴とする請求項２４に記載の光ファイバ。
29. 請求項１から２８のいずれか１項に記載の光ファイバを、曲率半径３ｍｍ以上６０ｍｍ以下の曲げを少なくとも１箇所設けて形成することを特徴とする導波路。

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