WO2016152507A1 - マルチコア光ファイバ - Google Patents

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WO2016152507A1
WO2016152507A1 PCT/JP2016/057209 JP2016057209W WO2016152507A1 WO 2016152507 A1 WO2016152507 A1 WO 2016152507A1 JP 2016057209 W JP2016057209 W JP 2016057209W WO 2016152507 A1 WO2016152507 A1 WO 2016152507A1
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WO
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core
cores
alkali metal
optical fiber
less
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PCT/JP2016/057209
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French (fr)
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中西　哲也
林　哲也
佐々木　隆
欣章 田村
春名　徹也
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住友電気工業株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • G02B6/036—Optical fibres with cladding with or without a coating core or cladding comprising multiple layers
    • G02B6/03616—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference
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    • G02B6/24—Coupling light guides
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    • G02B6/38—Mechanical coupling means having fibre to fibre mating means
    • G02B6/3807—Dismountable connectors, i.e. comprising plugs
    • G02B6/3873—Connectors using guide surfaces for aligning ferrule ends, e.g. tubes, sleeves, V-grooves, rods, pins, balls
    • G02B6/3885—Multicore or multichannel optical connectors, i.e. one single ferrule containing more than one fibre, e.g. ribbon type

Definitions

  • the present invention relates to a non-coupled multi-core optical fiber (hereinafter referred to as MCF).
  • MCF non-coupled multi-core optical fiber
  • Patent Document 1 discloses a technique for reducing transmission loss related to MCF in which a plurality of cores are made of pure silica glass, and Patent Document 2 reduces transmission loss by adding an alkali metal to the core.
  • Technology is disclosed.
  • Patent Document 3 each single-core fiber is formed by adopting glass in which an alkali metal that is easily melted by acid or the like is added to the glass that covers the outermost peripheral surface of a plurality of single-core fibers constituting the bunch fiber.
  • a structure that facilitates separation is disclosed.
  • Non-Patent Document 1 describes the transmission loss of MCF manufactured by the Stack & Draw method
  • Non-Patent Document 2 describes the transmission loss of MCF manufactured by the rod-in collapse method.
  • the addition of an alkali metal core is effective in reducing the loss.
  • alkali metal elements are more easily diffused than other elements, and during spinning from the base material to the optical fiber, the alkali metal concentration in the core of the optical fiber is reduced compared to the concentration at the base material stage. . Therefore, the alkali metal concentration that can contribute to the structural relaxation of the core glass during spinning has certain limitations.
  • a high concentration of alkali metal cannot be added in order to prevent crystallization of the glass region corresponding to the core.
  • XT transmission loss due to crosstalk between adjacent cores
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an uncoupled MCF having a structure for reducing transmission loss and effectively suppressing inter-core XT. It is an object.
  • the MCF according to the present embodiment is a non-coupled MCF that enables single-mode transmission in each core, and each covers a plurality of cores extending in a predetermined direction and each of the plurality of cores. And a clad.
  • each of the plurality of cores contains an alkali metal at a concentration sufficient to reduce the loss.
  • the core interval defined by the shortest center distance between adjacent cores among the plurality of cores is a specific core and all the remaining cores among the plurality of cores.
  • the sum h_total of the power coupling coefficients with each is set to be 2.3 ⁇ 10 ⁇ 4 / km or less.
  • FIG. 1A to FIG. 1C are diagrams showing cross-sectional structures, refractive index distributions, and alkali metal concentration distributions of the MCF and the base material according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a graph showing a relationship between h_total (/ km), which is the sum of power coupling coefficients, and an increase in transmission loss (dB / km) caused by inter-core XT.
  • FIGS. 3A to 3G are diagrams showing various refractive index profiles applicable to the region R1 including the core and a part of the cladding around the core.
  • FIGS. 5A to 5C are tables summarizing optical characteristics of each of the two samples 1 and 2 (MCF1 and MCF2) of the MCF according to the first embodiment and the comparative example (SCF).
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the core interval ⁇ core and the amount of reduction in transmission loss (dB / km) for the two samples 1, 2 and (MCF1, MCF2) according to the first embodiment.
  • FIGS. 7A to 7C are views showing the cross-sectional structure, refractive index distribution, and alkali metal concentration distribution of the MCF and the base material according to the second embodiment.
  • the MCF multi-core optical fiber
  • the MCF is a non-coupled MCF, each extending along a predetermined direction, and a plurality of uncoupled cores each enabling single mode transmission. And a clad covering each of the plurality of cores.
  • each of the plurality of cores contains an alkali metal at a concentration sufficient to reduce transmission loss.
  • the core interval defined by the shortest center distance between adjacent cores among the plurality of cores is the specific core and all the remaining cores among the plurality of cores.
  • the sum h_total of the power coupling coefficients is set to 2.3 ⁇ 10 ⁇ 4 / km or less.
  • the specific core here is a core having the maximum sum h_total of power coupling coefficients.
  • Each core contains one or more kinds of alkali metals selected from the group of lithium, sodium, potassium, and rubidium.
  • the present invention has been completed by finding that the addition of an alkali metal core is effective in reducing transmission loss even when the cores are arranged close to each other. That is, since the MCF according to the present embodiment has a plurality of cores, the base metal core portion corresponding to these cores is used as a main alkali metal added region source, and the adjacent cores are diffused by alkali metal diffusion during spinning. Since alkali metal is supplied, it is easy to set the alkali metal concentration in the core of the spinning fiber to a value that is sufficient for low transmission loss, and the relaxation of the glass structure in the spinning fiber is promoted, resulting in low transmission. It becomes possible to obtain a loss MCF.
  • the base material before spinning having a cross-sectional structure similar to the cross-sectional structure of the MCF is used.
  • a plurality of alkali metal addition regions are provided to suppress a decrease in alkali metal concentration in the core during spinning. That is, the MCF includes a plurality of core portions corresponding to a plurality of cores, a clad portion corresponding to a clad, and a plurality of alkali metal-added regions each having an alkali metal added and extending along the longitudinal direction thereof. Are obtained by spinning along a predetermined direction. Note that, depending on the arrangement relationship of the plurality of alkali metal added regions, it is not necessary to set the alkali metal added regions in all the core portions.
  • the core interval is preferably 45 ⁇ m or less.
  • At least one alkali metal addition region is provided in a region corresponding to the clad in the base material of the MCF before spinning. Good.
  • the distance ⁇ core-clad between the diffusion center position corresponding to the center position of the alkali metal addition region in the base material and the center position of the core adjacent to the diffusion center position among the plurality of cores Is preferably 45 ⁇ m or less.
  • each of the plurality of cores has a SiO 2 glass in which the addition amount of GeO 2 molecules is 1% by weight or less.
  • the transmission loss at a wavelength of 1550 nm of each of the plurality of cores is preferably 0.17 dB / km or less in a configuration in which fluorine is added to the cladding.
  • the transmission loss of the added core at a wavelength of 1550 nm is preferably 0.18 dB / km or less.
  • the average concentration of alkali metal in each of the plurality of cores is 0.2 atomic ppm or more and 50 atomic ppm It is preferable that:
  • the halogen element in each region corresponding to a plurality of cores is preferably 1000 atomic ppm or more and 30000 atomic ppm or less.
  • the alkali metal concentration on the surface of the cladding is preferably 1 atomic ppm or less.
  • FIG. 1A shows a cross-sectional structure of a base material 100A before spinning for manufacturing the MCF 200A according to the first embodiment.
  • the cross section shown in FIG. 1A is a cross section orthogonal to the central axis AX of the base material 100A (matches the longitudinal direction of the base material 100A), and the base material 100A is respectively along the central axis AX.
  • the extended core part 110 and the clad part 120 which covers each of these core parts 110 are provided.
  • the MCF 200A is obtained by spinning the base material 100A, and its cross-sectional structure is similar to the cross-sectional structure of the base material 100A.
  • the core 210 of the MCF 200A obtained by spinning the base material 100A corresponds to the core portion 110 of the base material 100A
  • the clad 220 of the MCF 200A corresponds to the clad portion 120 of the base material 100A.
  • FIG. 1B shows a refractive index distribution 150A and an alkali metal concentration distribution 160A of the base material 100A along the line L (line orthogonal to the central axis AX) in FIG.
  • each of the core portions 110 of the base material 100A is an alkali metal added region to which an alkali metal is added.
  • FIG. 1C shows a refractive index distribution 250A and an alkali metal concentration distribution 260A of the MCF 200A according to the present embodiment obtained by spinning the base material 100A.
  • FIG. 1B FIG. It is a distribution along the line L in (a).
  • the alkali metals in the core portions 110 diffuse to each other by being heated during spinning. Therefore, as shown in FIG. 1 (c), the alkali metal concentration in each core 210 in the spun MCF 200A decreases.
  • the MCF 200A according to the present embodiment can reduce transmission loss. At this time, in order to efficiently diffuse the alkali metal between the cores 210, it is preferable that the distance between the cores is short.
  • the inter-core XT is large, an increase in transmission loss due to the inter-core XT is increased. appear.
  • FIG. 2 shows h_total (/ km) which is the sum of the power coupling coefficients of a specific core and each of all remaining cores among a plurality of cores of the MCF, and an increase in transmission loss (dB / km)).
  • h is a power coupling coefficient.
  • H_total used in the present embodiment is the sum of the efficiency with which optical power is combined from one other core to one core.
  • the core interval ⁇ core is set to the power coupling coefficient sum h_total.
  • the amount of reduction in transmission loss due to the addition of alkali metal depends on the spinning conditions, for example, the concentration of alkali metal such as potassium, a transmission loss reduction of approximately 0.01 dB / km or more can be obtained.
  • the alkali metal addition concentration in the core portion 110 in the base material 100A before spinning is such that the average concentration of alkali metal in each core 210 is 0.2 atomic ppm or more and 50 atomic ppm or less in the MCF 200A after spinning. Is set as follows. This is because, since SiO 2 glass to which a high concentration of alkali metal is added promotes crystallization, if the average value of alkali metal contained in each core 210 of MCF200A after spinning is 0.2 atomic ppm or more, This is because the glass structure of the core 210 can be relaxed during spinning.
  • the transmission loss at a wavelength of 1550 nm after irradiation with radiation having a cumulative absorption dose of 0.10 Gy or more is before irradiation with radiation.
  • it increases by 0.02 dB / km or more, which is undesirable because it causes problems in systems that require long-term transmission loss stability such as undersea systems.
  • the halogen element concentration is low in the core part 110 of the base material 100A, the effect of removing impurities by the halogen element in the base material manufacturing process cannot be obtained sufficiently, resulting in an increase in transmission loss due to absorption of impurities.
  • an alkali metal halogen compound is generated and serves as a crystal nucleus, which is not desirable.
  • concentration of halogen elements such as Cl and F in the range of 1000 atomic ppm to 3000 atomic ppm, an MCF with low transmission loss can be obtained without the above-mentioned problems.
  • the alkali metal concentration on the glass surface (the surface of the clad 220) in the spun MCF 200A is 1 atomic ppm or less.
  • the alkali metal concentration is preferably 1 atom ppm or less, more preferably 0.1 atom ppm or less, up to the glass surface of MCF200A after spinning.
  • the diffusion radius depends on the potassium concentration at the base metal stage and the temperature history during spinning. Therefore, it is desirable to determine the potassium addition position with respect to the core part 110 or the clad part 120 in the cross section of the base material 100A after examining the potassium reach distance after spinning in advance.
  • the average concentration of an alkali metal element (for example, potassium) added to the core part 110 of the base material 100A for reducing transmission loss is 5 atomic ppm or more, and preferably 50 atomic ppm or less. . Since the loss increase due to radiation irradiation increases as the potassium concentration increases, the upper limit of the average potassium concentration in the core part 110 at the base material stage is preferably 500 atomic ppm. Further, in the spinning process from the base material 100A to the MCF 200A, the time during which each position of the base material 100A is held at 1500 ° C. or more in the drawing furnace is 110 minutes or less, and the drawing speed (spinning speed) is 1200 m. / Min or more is preferable, and 1500 to 2300 m / min is more preferable. The diameter of the base material 100A is preferably 70 to 170 mm ⁇ , and more preferably 90 to 150 mm ⁇ .
  • an alkali metal element for example, potassium
  • the transmission loss at a wavelength of 1.55 ⁇ m of the spun MCF 200A is smaller. This phenomenon is considered to be due to the following reasons. That is, when the core part 110 of the base material 100A contains potassium having an average concentration of 500 atomic ppm or less, the fictive temperature of the MCF 200A obtained from the base material 100A is 1400 to 1550 ° C., and the peak temperature in the drawing furnace The diffusion of potassium proceeds in a time from (1500 ° C. or higher) to 1500 ° C.
  • an alkali metal concentration of 0.2 atomic ppm or more can be suitably realized in each core 210 of the spun MCF 200A.
  • the time during which each position of the base material is held at a temperature of 1500 ° C. or higher is 110 minutes or less. It is necessary that it is 70 minutes or less.
  • the present embodiment can be obtained by suitably combining slow cooling drawing that can keep the MCF being spun at a certain temperature or more and promote relaxation of the glass structure.
  • slow cooling drawing that can keep the MCF being spun at a certain temperature or more and promote relaxation of the glass structure.
  • this embodiment and slow cooling drawing are combined, an even lower transmission loss can be obtained.
  • the slow cooling drawing method those skilled in the art can obtain appropriate manufacturing conditions necessary to reduce transmission loss.
  • atom ppm indicating the alkali concentration and the halogen concentration is the number of dopant atoms in one million units of SiO 2 glass.
  • the ratio of the number of K atoms to the number of SiO 2 molecules is shown regardless of the bonding form in the SiO 2 glass. The same applies to Li, Na, and Rb, and Cl and F.
  • FIG. 3 (a) to FIG. As indicated, various refractive index profiles are applicable.
  • each core 210 an appropriate structure can be selected according to the application, but the structure of each core 210 may be uniform or may be different.
  • the number of cores in the cross-section of the MCF 200A is not limited, and the cross-sectional diameter (glass diameter) of the MCF 200A and the outer diameter of the coating resin provided on the outer peripheral surface of the clad 220 are appropriately set according to the number of accommodated cores. Can be set.
  • the region corresponding to the core 210 includes a step type (FIG. 3A), a ring type (FIG. 3B), and a double step. Any of a mold (FIG. 3C), a graded mold (FIG. 3D), etc. can be applied. In addition, a depressed type (FIG. 3E), a matched type (FIG. 3F), a trench type (FIG. 3G), or the like can be applied to the region corresponding to the clad 220.
  • each core 210 may have a structure that presupposes a single mode operation in which the number of modes that propagate through the core is one, or a structure that presupposes a multimode operation that propagates a plurality of modes.
  • the cores 210 is made of SiO 2 glass in which the addition amount of GeO 2 molecules is 1% by weight or less, and the cladding 220 is added with fluorine.
  • the transmission loss at a wavelength of 1550 nm in the core 210 is preferably 0.17 dB / km or less.
  • the core is composed of SiO 2 glass to which GeO 2 molecules for increasing the refractive index of the core are not substantially added, scattering due to concentration fluctuation of GeO 2 molecules can be suppressed. Therefore, the transmission loss can be suppressed to 0.17 dB / km or less.
  • a more preferable transmission loss is 0.165 dB / km or less.
  • the transmission loss at a wavelength of 1550 nm of each of the plurality of cores is preferably 0.18 dB / km or less.
  • a core to which germanium is added generally has a higher transmission loss than an optical fiber having a pure silica core.
  • scattering is reduced, and as a result, transmission loss can be reduced.
  • crystals are likely to be generated in the core after spinning, and thus the productivity is deteriorated.
  • alkali metal is not added directly to the core part to which germanium is added, but alkali metal is added only to the cladding part of the base material, and the alkali metal is diffused into the core during heating during spinning. It is desirable to make it.
  • FIGS. 4 (a) to 4 (c), FIGS. 5 (a) to 5 (c), and FIG. 6, the optical characteristics of the MCF 200A according to this embodiment and the comparative example are compared. Will be described in detail.
  • each of MCF 1 (sample 1) and MCF 2 (sample 2) has a cross-sectional structure including two cores as shown in FIG.
  • Each core periphery has a refractive index profile (ring-type core + trench portion) shown in FIG.
  • the comparative example is a single core optical fiber (hereinafter referred to as SCF) having one core as shown in FIG. 4B, and the periphery of the core is shown in FIG. Have a refractive index profile.
  • the MCF1 as the sample 1, the MCF2 as the sample 2, and the SCF of the comparative example are all based on pure silica, the relative refractive index difference ⁇ 1 is 0.05%, ⁇ 1 ′ is ⁇ 0.05%, and ⁇ 2 is ⁇ 0.5%, ⁇ 3 is ⁇ 0.25%, the core diameter 2a is 12.51 ⁇ m, and the outer diameter 2b of the trench is 34,61 ⁇ m.
  • the core interval ⁇ core of MCF1 is 40.7 ⁇ m, and the core interval ⁇ core of MCF2 is 36.6 ⁇ m.
  • the fiber outer diameter is 125 ⁇ m
  • the spinning conditions are a spinning speed of 1500 m / min and a spinning tension of 80 to 100 g.
  • FIGS. 5A to 5C show charts summarizing the optical characteristics of MCF1, MCF2 and SCF.
  • FIG. 5A shows the optical characteristics of MCF1, MCF2, and SCF at the wavelength of 1550 nm, the inter-core XT (dB) at the fiber length of 100 km, the total h_total (/ km) of the power coupling coefficients, and the inter-core XT.
  • the transmission loss (dB) resulting from is shown.
  • FIG. 5B shows the optical characteristics of MCF1, MCF2, and SCF at the wavelength of 1625 nm due to inter-core XT (dB) at a fiber length of 100 km, the total h_total (/ km) of power coupling coefficients, and inter-core XT.
  • FIG. 5C shows transmission loss (dB / km) at a wavelength of 1550 nm and transmission loss reduction amount (dB / km) at a wavelength of 1550 nm for each of MCF1, MCF2, and SCF.
  • the inter-core XT (dB) at the fiber length of 100 km is an actual measurement value of the XT amount at each wavelength after propagation of 100 km, and h_total is calculated using the actual measurement value.
  • the transmission loss (dB) caused by the inter-core XT is calculated from h_total.
  • the amount of reduction in transmission loss (dB / km) at a wavelength of 1550 nm indicates the amount of reduction in transmission loss of MCF1 and MCF2 with respect to the SCF as a comparative example.
  • the transmission loss of the SCF at the wavelength of 1550 nm was 0.161 dB.
  • the transmission loss at a wavelength of 1550 nm of MCF1 manufactured under the same spinning conditions was 0.158 dB, and the transmission loss at a wavelength of 1500 nm of MCF2 was 0.157 dB.
  • the transmission loss due to the inter-core XT of MCF1 and MCF2 is considered to increase by 6.9 ⁇ 10 ⁇ 5 dB / km and 9.8 ⁇ 10 ⁇ 4 dB / km, respectively.
  • the transmission loss of each of MCF1 and MCF2 at the wavelength of 1550 nm is significantly lower than that of SCF as described above, and a plurality of cores added with alkali metals are arranged adjacent to each other. It was confirmed that the transmission loss reduction effect was obtained.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the core interval ⁇ core and the transmission loss reduction (dB / km) for MCF1 (sample 1) and MCF2 (sample 2).
  • the amount of reduction in transmission loss (dB / km) is the amount of reduction in transmission loss of each of MCF1 and MCF2 with respect to the transmission loss of the SCF of the comparative example.
  • SCF can be obtained by spinning a base material having a single core part to which 25 atomic ppm of potassium element is added.
  • each of MCF1 and MCF2 is obtained by spinning a base material in which potassium element is added to two core parts at an average concentration of 25 atomic ppm.
  • the core interval ⁇ core is 45 ⁇ m or less, the transmission loss can be reduced as compared with the SCF. If only low transmission loss is to be achieved, the core interval ⁇ core is preferably as small as 40 ⁇ m or less, and further 35 ⁇ m or less. Note that a region R3 shown in FIG. 6 indicates a good range of the core interval ⁇ core that can sufficiently reduce transmission loss.
  • the diffusion coefficient is larger than K. Therefore, if the core interval ⁇ core is 45 ⁇ m or less, the alkali metal being spun between the cores They can diffuse each other. In addition, when an alkali metal having an atomic number larger than that of potassium is used, it is desirable that the core interval ⁇ core is further smaller because the diffusion rate becomes slower. However, in this case, it is necessary to design the refractive index distribution structure of the core so that the sum h_total of the power coupling coefficients between the cores is 2.3 ⁇ 10 ⁇ 4 / km or less.
  • the inter-core XT is preferably -30 dB or less in order to maintain signal quality.
  • the transmission loss can be efficiently reduced as the interval between the cores to which the alkali metal is added is narrower.
  • the effective XT is lowered when the signal is propagated in the opposite direction, so that the allowable value of the XT value between adjacent cores can be relaxed. That is, in order to obtain an inter-core XT of substantially -30 dB or less from the reflectance of air and glass of 4% (about -14 dB), the inter-core XT is -16 dB / km at the wavelength used and the transmission distance of the system.
  • the core interval can be reduced.
  • MCF2 has a relatively large inter-core XT of 16.5 dB after propagation of 100 km at a wavelength of 1550 nm.
  • an error occurred. Free transmission is now possible.
  • the alkali metal added to the adjacent core during spinning diffuses out of the core compared to the single-core SCF, which effectively reduces transmission loss in the common cladding. It is possible to reduce to
  • FIGS. 7A to 7C are diagrams showing the cross-sectional structures, refractive index distributions, and alkali metal concentration distributions of the MCF 200B and the base material 100B according to the second embodiment.
  • the clad portion sandwiched between the core portions 110 in addition to the two core portions 110.
  • the alkali metal addition region 500 is also provided at 120, the configuration is the same as that of the first embodiment (FIGS. 1A to 1C).
  • the base material 100 ⁇ / b> B includes a core part 110 that extends along the central axis AX, and a clad part 120 that covers each of the core parts 110.
  • the MCF 200B according to the present embodiment is obtained by spinning the base material 100B, and the cross-sectional structure thereof is similar to the cross-sectional structure of the base material 100B.
  • the core 210 of the MCF 200B is the core portion 110 of the base material 100B.
  • the clad 220 of the MCF 200B corresponds to the clad portion 120 of the base material 100A.
  • FIG. 7B shows a refractive index distribution 150B and an alkali metal concentration distribution 160B of the base material 100B along the line L in FIG.
  • an alkali metal added region 500 to which an alkali metal is added is also formed in the clad portion 120 of the base material 100B.
  • the alkali metal concentration distribution is not shown in one of the core portions 110, but naturally, in this embodiment, the alkali metal added region is formed in all the core portions 110.
  • FIG. 7C shows a refractive index distribution 250B and an alkali metal concentration distribution 260B of the MCF 200B according to the present embodiment obtained by spinning the base material 100B.
  • FIG. It is a distribution along the line L in (a).
  • ⁇ core-clad shown in FIG. 7C is the distance between the diffusion center position of the alkali metal addition region 500 provided in the cladding portion 120 of the base material 100B and the center position of each core 210 of the MCF 200B after spinning. Indicates.
  • transmission loss can be reduced more efficiently by adding an alkali metal to the cladding part 120 in addition to the core part 110 of the base material 100B.
  • the alkali metal does not diffuse into the core during spinning, and the effect of reducing transmission loss cannot be obtained.
  • the distance ⁇ core-clad between the center of the core 210 and the diffusion center position corresponding to the center of the alkali metal added region 500 in the spun MCF 200B Needs to be 45 ⁇ m or less. More preferably, the distance ⁇ core-clad is 40 ⁇ m or less, and more preferably 35 ⁇ m or less.
  • an alkali metal is added to the core portion 110 of the base material 100B, crystals are easily generated in the spinning core, and impurities other than the alkali metal are added to the core portion 110 in the step of adding the alkali metal to the core portion 110.
  • transmission loss increases due to mixing. Therefore, at the base material stage, the alkali metal is not added directly to the core part 110, but the alkali metal added to the clad part 120 in the spinning process (alkali metal addition region 500) is diffused into the spinning core to crystallize.
  • low transmission loss can be obtained without fear of excessive loss due to the mixing of impurities and reduction in production yield.
  • the alkali metal added region is in the core material longitudinal direction (central axis AX) in both the core part 110 and its intermediate region. Extending along. With this configuration, even if the core interval ⁇ core is increased so as not to worry about the problem of inter-core XT, the transmission loss of the obtained MCF can be reduced.
  • the alkali metal concentration on the surface of the cladding 220 of the MCF 200B is preferably 1 atom ppm or less.

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Abstract

　本実施形態は、伝送損失を低減するとともにコア間ＸＴを効果的に抑制するための構造を備えた低伝送損失のＭＣＦに関する。当該非結合型ＭＣＦは、複数のコアそれぞれが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とともに、複数のコアのうち特定のコアと残りの全コアそれぞれとのパワー結合係数の総和ｈ_totalが２．３×１０－４／ｋｍ以下となるようにコア間隔が設定されている。

Description

マルチコア光ファイバ
　本発明は、非結合型のマルチコア光ファイバ（以下、ＭＣＦ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ＭＣＦ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。
特開２０１１－２０９７０２号公報 日本国特許第５５４５２３６号 特開昭６０－１７６００４号公報
　発明者らは、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。加えて、複数のコアを持つＭＣＦの場合、複数のコアが近接配置されるため、隣接コア間のクロストーク（以下、ＸＴと記す）に起因した伝送損失も抑制する必要がある。
　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、伝送損失を低減するとともにコア間ＸＴを効果的に抑制するための構造を備えた非結合型のＭＣＦを提供することを目的としている。
　本実施形態に係るＭＣＦは、個々のコアにおけるシングルモード伝送を可能にする非結合型のＭＣＦであって、それぞれが所定の方向に沿って伸びた複数のコアと、該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、低損失化に十分な濃度のアルカリ金属を含む。また、所定の方向に直交する当該ＭＣＦの横断面において、複数のコアのうち隣接するコアの最短中心間距離で規定されるコア間隔は、該複数のコアのうち特定のコアと残りの全コアそれぞれとのパワー結合係数の総和ｈ_totalが２．３×１０－４／ｋｍ以下となるように設定されている。
　本実施形態によれば、各コアにおける伝送損失の低減と隣接するコア間のＸＴの低減の両立が可能になる。
図１（ａ）～図１（ｃ）は、第１実施形態に係るＭＣＦと母材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２は、パワー結合係数の総和であるｈ_total（／ｋｍ）と、コア間ＸＴに起因した伝送損失増加量（ｄＢ／ｋｍ）との関係を示すグラフである。 図３（ａ）～図３（ｇ）は、コアと該コア周辺のクラッドの一部を含む領域Ｒ１に適用可能な種々の屈折率分布を示す図である。 図４（ａ）～図４（ｃ）は、第１実施形態に係るＭＣＦの２つのサンプル１、２（ＭＣＦ１、ＭＣＦ２）と、その比較例（ＳＣＦ）のそれぞれについて、コアとコア周辺のクラッドの一部を含む領域Ｒ１の屈折率分布および断面構造を示す図である。 図５（ａ）～図５（ｃ）は、第１実施形態に係るＭＣＦの２つのサンプル１、２（ＭＣＦ１、ＭＣＦ２）と比較例（ＳＣＦ）のそれぞれについて、光学特性をまとめた図表である。 図６は、第１実施形態に係る２つのサンプル１、２、（ＭＣＦ１、ＭＣＦ２）について、コア間隔Λcoreと伝送損失の低下量（ｄＢ／ｋｍ）の関係を示すグラフである。 図７（ａ）～図７（ｃ）は、第２実施形態に係るＭＣＦと母材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。
　[本願発明の実施形態の説明]
  最初に本願発明の実施形態を列記して説明する。
　（１）本実施形態に係るＭＣＦ（マルチコア光ファイバ）は、非結合型のＭＣＦであって、それぞれが所定の方向に沿って伸び、それぞれにおいてシングルモード伝送を可能にする複数の非結合型コアと、これら複数のコアそれぞれを覆うクラッドとを備える。特に、第１の態様として、複数のコアそれぞれは、伝送損失を低減させるのに十分な濃度のアルカリ金属を含む。また、所定の方向に直交する当該ＭＣＦの横断面において、複数のコアのうち隣接するコアの最短中心間距離で規定されるコア間隔は、複数のコアのうち特定のコアと残りの全コアそれぞれとのパワー結合係数の総和ｈ_totalが２．３×１０－４／ｋｍ以下となるように設定されている。ここでいう特定のコアとは、パワー結合係数の総和h_totalが最大となるコアである。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。
　本発明は、アルカリ金属のコア添加が、コア同士が近接配置された場合においても、低伝送損失化に有効であることを見出したことにより完成されたものである。すなわち、本実施形態に係るＭＣＦは、複数のコアを有するため、これらコアに相当する母材コア部を主たるアルカリ金属添加領域源とことで、紡糸中のアルカリ金属の拡散により隣接するコア相互にアルカリ金属が供給されるため、紡糸中ファイバにおけるコア内のアルカリ金属濃度を低伝送損失化に十分な値以上に設定しやすく、紡糸中ファイバにおけるガラス構造の緩和が促進されることにより、低伝送損失のＭＣＦを得ることが可能になる。
　また、本実施形態では、当該ＭＣＦにおける複数のコアそれぞれに低伝送損失化に十分な濃度のアルカリ金属を残留させるため、当該ＭＣＦの断面構造と相似な断面構造を有する紡糸前の母材には複数のアルカリ金属添加領域が設けられ、紡糸中のコア内におけるアルカリ金属濃度の低下が抑制されている。すなわち、当該ＭＣＦは、複数のコアにそれぞれ相当する複数のコア部と、クラッドに相当するクラッド部と、それぞれにアルカリ金属が添加されるとともにその長手方向に沿って延びた複数のアルカリ金属添加領域と、を有する母材を、所定の方向に沿って紡糸することにより得られる。なお、複数のアルカリ金属添加領域の配置関係によっては、全てのコア部にアルカリ金属添加領域が設定される必要はない。
　（２）上記第１に適用可能な第２の態様として、コア間隔は、４５μｍ以下であるのが好ましい。
　（３）上記第１または第２の態様に適用可能な第３の態様として、紡糸前の当該ＭＣＦ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ＭＣＦ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以下であるのが好ましい。
　（４）上記第１～第３の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第４の態様として、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、０．１７ｄＢ／ｋｍ以下であるのが好ましい。
　（５）上記第１～第４の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第５の態様として、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。
　（６）上記第１～第５の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第６の態様として、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。
　（７）上記第１～第６の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第７の態様として、紡糸前の当該ＭＣＦ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。
　（８）上記第１～第７の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第８の態様として、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。
　（９）上記第１～第８の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第９の態様として、複数のコアのうち隣接するコア間における、所定波長の光を一定長伝播させたときのＸＴ（クロストーク）は、－１６ｄＢ以下であるのが好ましい。
　[本願発明の実施形態の詳細]
  本願発明に係るＭＣＦ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、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。また、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、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。
　（第１実施形態）
  図１（ａ）には、第１実施形態に係るＭＣＦ２００Ａ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を備える。当該ＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦ２００Ａのコア２１０は、母材１００Ａのコア部１１０に相当しており、当該ＭＣＦ２００Ａのクラッド２２０が母材１００Ａのクラッド部１２０に相当している。
　図１（ｂ）は、図１（ａ）中の線Ｌ（中心軸ＡＸに直交する線）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ＭＣＦ２００Ａ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。
　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ＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦ２００Ａでは、伝送損失低減することが可能になる。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、コア間距離が近い方が好ましいが、一方で、コア間ＸＴが大きい場合、係るコア間ＸＴに起因した伝送損失の増加が発生する。
　図２は、ＭＣＦが有する複数のコアのうち特定のコアと残りの全コアそれぞれとのパワー結合係数の総和であるｈ_total（／ｋｍ）と、コア間ＸＴに起因した伝送損失増加量（ｄＢ／ｋｍ）との関係を示すグラフである。なお、例えば上記非特許文献３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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、ｈはパワー結合係数である。本実施形態で用いるｈ_totalは、一つのコアへ他の全てのコアから光パワーが結合する効率の総和とする。
　この図２から分かるように、各コア間のパワー結合係数の総和h_totalを２．３×１０－４／ｋｍとなるようにコア間隔を設定することで、あるコアから他のコアへのＸＴに起因した漏洩損失を０．００１ｄＢ／ｋｍ以下に抑制できる。すなわち、図２中に示された領域Ｒ２がコア間ＸＴの増加を効果的に抑制可能なパワー結合係数の総和h_totalの良好範囲を示し、さらに好ましくは、コア間隔Λcoreをパワー結合係数の総和h_totalが１．２×１０－４／ｋｍ以下になるよう設定すれば、コアから他のコアへのコア間ＸＴに起因した漏洩損失を０．０００５ｄＢ／ｋｍ以下に抑制することが可能になる。なお、この場合、アルカリ金属添加による伝送損失の低減量は、紡糸条件、例えばカリウムなどのアルカリ金属の濃度に依存するが、概ね０．０１ｄＢ／ｋｍ以上の伝送損失低下が得られる。
　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ＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦを得ることができる。
　さらに、紡糸後のＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦ２００Ａ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手しまう。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ＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦ２００Ａへの紡糸により、紡糸後のＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦ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ＭＣＦ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ＭＣＦ２００Ａ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（ａ）～図３（ｇ）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ＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦ２００Ａ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））、グレーディド型（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。
　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、０．１７ｄＢ／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０．１７ｄＢ／ｋｍ以下に抑制することが可能になる。さらに好ましい伝送損失は、０．１６５ｄＢ／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４（ａ）～図４（ｃ）、図５（ａ）～図５（ｃ）、および図６を用いて、本実施形態に係るＭＣＦ２００Ａ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ＭＣＦ２００Ａのサンプルとして、ＭＣＦ１（サンプル１）およびＭＣＦ２（サンプル２）それぞれは、図４（ｃ）に示されたような２つのコアを備えた断面構造を有し、各コア周辺は、図４（ａ）に示された屈折率分布（リング型コア＋トレンチ部）を有する。一方、比較例は、図４（ｂ）に示されたような１つのコアを有する単一コア光ファイバ（以下、ＳＣＦと記す）であって、コア周辺は、図４（ａ）に示された屈折率分布を有する。
　サンプル１であるＭＣＦ１、サンプル２であるＭＣＦ２、および比較例のＳＣＦの何れも、純シリカを基準として、比屈折率差Δ１が０．０５％、Δ１’が－０．０５％、Δ２が－０．５％、Δ３が－０．２５％、コア直径２ａが１２．５１μｍ、トレンチ部の外径２ｂが３４，６１μｍである。また、ＭＣＦ１のコア間隔Λcoreは４０．７μｍであり、ＭＣＦ２のコア間隔Λcoreは３６．６μｍである。なお、ＭＣＦ１、ＭＣＦ２、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１５００ｍ／ｍｉｎ、紡糸張力が８０～１００ｇである。
　以上のように作成されたＭＣＦ１（Λcore＝４０．７μｍ）、ＭＣＦ２（Λcore＝３６．６μｍ）、およびＳＣＦそれぞれについて、各コアの波長１５５０ｎｍにおける平均実効断面積Ａｅｆｆは１１０μｍ２であった。また、紡糸後の各コア内における平均カリウム濃度は１原子ｐｐｍであった。
　これらＭＣＦ１、ＭＣＦ２、およびＳＣＦそれぞれの光学特性をまとめた図表が図５（ａ）～図５（ｃ）に示されている。なお、図５（ａ）は、ＭＣＦ１、ＭＣＦ２、ＳＣＦそれぞれの波長１５５０ｎｍにおける光学特性として、ファイバ長１００ｋｍでのコア間ＸＴ（ｄＢ）、パワー結合係数の総和ｈ_total（／ｋｍ）、およびコア間ＸＴに起因する伝送損失（ｄＢ）を示す。図５（ｂ）は、ＭＣＦ１、ＭＣＦ２、ＳＣＦそれぞれの波長１６２５ｎｍにおける光学特性として、ファイバ長１００ｋｍでのコア間ＸＴ（ｄＢ）、パワー結合係数の総和ｈ_total（／ｋｍ）、およびコア間ＸＴに起因する伝送損失（ｄＢ）を示す。図５（ｃ）は、ＭＣＦ１、ＭＣＦ２、ＳＣＦそれぞれの波長１５５０ｎｍにおける伝送損失（ｄＢ／ｋｍ）と波長１５５０ｎｍにおける伝送損失低下量（ｄＢ／ｋｍ）を示す。ここで、なお、ファイバ長１００ｋｍでのコア間ＸＴ（ｄＢ）は、１００ｋｍ伝播後の各波長におけるＸＴ量の実測値であり、本実測値を用いてｈ_totalが算出されている。また、コア間ＸＴに起因する伝送損失（ｄＢ）はｈ_totalから算出されている。波長１５５０ｎｍにおける伝送損失の低下量（ｄＢ／ｋｍ）は、比較例であるＳＣＦに対するＭＣＦ１、ＭＣＦ２の伝送損失の低下量を示す。
　図５（ａ）～図５（ｃ）から分かるように、波長１５５０ｎｍにおけるＳＣＦの伝送損失は０．１６１ｄＢであった。一方、同一の紡糸条件において製造されたＭＣＦ１の波長１５５０ｎｍにおける伝送損失は０．１５８ｄＢ、ＭＣＦ２の波長１５００ｎｍにおける伝送損失は０．１５７ｄＢであった。また、波長１５５０ｎｍにおいて、ＭＣＦ１、ＭＣＦ２のコア間ＸＴに起因する伝送損失は、それぞれ６．９×１０－５ｄＢ／ｋｍ、９．８×１０－４ｄＢ／ｋｍ増加していると考えられるが、波長１５５０ｎｍにおけるＭＣＦ１、ＭＣＦ２それぞれの伝送損失は、上述のようにＳＣＦに対して有意に低下しており、それぞれにアルカリ金属が添加された複数のコアが隣接して配置されることにより、コア間における伝送損失低減効果が得られていることが確認できた。
　図６は、ＭＣＦ１（サンプル１）、ＭＣＦ２（サンプル２）について、コア間隔Λcoreと伝送損失の低下量（ｄＢ／ｋｍ）の関係を示すグラフである。具体的に伝送損失の低下量（ｄＢ／ｋｍ）は、比較例のＳＣＦの伝送損失に対する、ＭＣＦ１とＭＣＦ２それぞれの伝送損失の低下量である。ＳＣＦは、コア部に２５原子ｐｐｍのカリウム元素が添加された単一のコア部を有する母材を紡糸することで得られる。一方、ＭＣＦ１、ＭＣＦ２それぞれは、２つのコア部にカリウム元素が平均濃度でそれぞれ２５原子ｐｐｍ添加された母材を紡糸することで得られる。
　上述のように各コア部にアルカリ金属が添加された母材を紡糸しても、得られたＭＣＦにおける各コアの距離が遠い場合、紡糸中にアルカリ金属がコア間で相互に拡散せず、効率よく伝送損失を低減することができない。図６に示されたように、コア間隔Λcoreが４５μｍ以下となると、ＳＣＦに比べ伝送損失が低減可能であることが確認できる。低伝送損失化だけであれば、コア間隔Λcoreは４０μｍ以下、さらに３５μｍ以下と、小さいことが好ましい。なお、図６中に示された領域Ｒ３が伝送損失を十分に低減可能なコア間隔Λcoreの良好範囲を示す。一方、アルカリ金属としてカリウム（Ｋ）の原子番号以下の物質を用いた場合は、拡散係数はＫよりも大きいため、コア間隔Λcoreはやはり４５μｍ以下とすれば、紡糸中のアルカリ金属がコア間で相互に拡散させることができる。また、カリウムより原子番号が大きいアルカリ金属を用いた場合は、拡散速度が遅くなるため、コア間隔Λcoreはさらに小さいことが望ましい。ただし、この場合コア間のパワー結合係数の総和ｈ_totalが２．３×１０－４／ｋｍ以下になるようにコアの屈折率分布構造を設計する必要が有る。
　なお、一般的な伝送システムでは信号品質を保つため、コア間ＸＴは－３０ｄＢ以下であることが望ましい。一方、図６に示されたように、アルカリ金属が添加されたコアの間隔が狭いほど、伝送損失を効率良く低減することができる。同方向へ信号伝播した場合に比べ、対向伝播させた場合は、実効的なＸＴが低くなるため、隣接コア間のＸＴ値の許容値が緩和することができる。すなわち、空気とガラスの反射率４％（約－１４ｄＢ）から、実質的に－３０ｄＢ以下のコア間ＸＴを得るためには、システムの使用波長、及び伝送距離においてコア間ＸＴは－１６ｄＢ／ｋｍであればよく、コア間隔の緩和が可能になる。
　ＭＣＦ２は、波長１５５０ｎｍにおける１００ｋｍ伝播後のコア間ＸＴがー１６．５ｄＢと比較的大きいが、隣り合うコア間の伝送方向が逆になっている状態でＮＲＺの４０Ｇｂｐｓ信号を伝播させた結果、エラーフリー伝送が可能となった。このことからも、１コア構造のＳＣＦに比べ、マルチコア構造のＭＣＦでは、紡糸中の隣接するコアに添加されたアルカリ金属がコア外へも拡散するため、共通クラッド部での伝送損失を効率的に低減することが可能になっている。
　（第２実施形態）
  図７（ａ）～図７（ｃ）は、第２実施形態に係るＭＣＦ２００Ｂ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（ａ）～図７（ｃ）に示された第２実施形態では、ＭＣＦ２００Ｂ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）～図１（ｃ））と同様である。
　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を備える。本実施形態に係るＭＣＦ２００Ｂ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ＭＣＦ２００Ｂのコア２１０は、母材１００Ｂのコア部１１０に相当しており、当該ＭＣＦ２００Ｂ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ＭＣＦ２００Ｂ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の拡散中心位置と、紡糸後のＭＣＦ２００Ｂ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出来る。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ＭＣＦ２００Ｂ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４０μｍ以下、さらに好ましくは３５μｍ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、コア間ＸＴの問題を気にせずにすむほどコア間隔Λcoreを大きくしても、得られるＭＣＦ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ＭＣＦ２００Ｂの機械強度が低下するため望ましくない。したがって、ＭＣＦ２００Ｂ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…屈折率分布、１６０Ａ、１６０Ｂ、２６０Ａ、２６０Ｂ…アルカリ金属濃度分布、２００Ａ、２００Ｂ…ＭＣＦ、２１０…コア、２２０…クラッド、５００…アルカリ金属添加領域。

Claims (9)

  1. 　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非結合型の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特定のコアと残りの全コアそれぞれとのパワー結合係数の総和ｈ_totalが２．３×１０－４／ｋｍ以下となるようにコア間隔が設定されていることを特徴とするマルチコア光ファイバ。
  2. 　前記コア間隔は、４５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のマルチコア光ファイバ。
  3. 　紡糸前の当該マルチコア光ファイバの母材において、前記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おり、
    　当該マルチコア光ファイバにおいて、前記母材における前記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、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請求項１に記載のマルチコア光ファイバ。
  4. 　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、０．１７ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のマルチコア光ファイバ。
  5. 　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に記載のマルチコア光ファイバ。
  6. 　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マルチコア光ファイバ。
  7. 　紡糸前の当該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に記載のマルチコア光ファイバ。
  8. 　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に記載のマルチコア光ファイバ。
  9. 　前記複数のコアのうち隣接するコア間における、所定の波長の光を一定長伝播させたときのクロストークは、－１６ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載のマルチコア光ファイバ。
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