(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の屈折率分布を有するコア領域と、
前記コア領域の半径方向外側にあって該コア領域に比較して低く且つ均一な屈折率を有する第一のクラッド領域と、
前記第一クラッド領域の半径方向外側に該第一クラッド領域と間隔をおいて設けられ前記コア領域に比較して低く且つ均一な屈折率を有する第二クラッド領域と、
前記第一クラッド領域と前記第二クラッド領域の間に設けられた間隙に光の伝搬方向に沿って延びる間隙調整要素を複数配設してなる緩衝領域と
から構成され、
前記間隙調整要素が、円柱状に形成され均一な屈折率を有する石英ガラスであり、
前記円柱状石英ガラスの半径及び本数が、所望の間隙占有率に応じて設定される
ことを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記コア領域及び前記第一クラッド領域により主たる光の導波構造が形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
請求項１に記載の光ファイバの製造方法において、
コア領域及び第一クラッド領域を形成する第一の工程と、
第一の工程で形成された前記第一クラッド領域の外周に所定の半径及び本数の円柱状石英ガラスを配設し緩衝領域を形成する第二の工程と、
第二クラッド領域を構成する中空の円筒状石英ガラスに第一の工程及び第二の工程で形成された前記コア領域、前記第一クラッド領域及び前記緩衝領域を挿入する第三の工程と、
第一の工程、第二の工程及び第三の工程で形成された前記コア領域、前記第一クラッド領域、前記緩衝領域及び前記第二クラッド領域を溶融延伸する第四の工程と
からなる
ことを特徴とする光ファイバの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号伝搬に供する光ファイバ及びその製造方法に関し、特に光通信における伝送媒体として用いられる光ファイバ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバの伝送特性は、光ファイバを構成するコア領域及びクラッド領域に相互に異なる屈折率を付与し、光ファイバの半径方向に対して屈折率分布を変化させることにより制御される。一般的に、屈折率分布の設定は、純石英ガラスにゲルマニウムやフッ素（以下、添加材料という）を添加し、該添加材料が添加された部分の屈折率を変化させることにより行われる。しかしながら、上記添加材料の添加により実現可能な屈折率の変化量は、光ファイバ母材の製造性や伝送損失の増加抑制等の観点から純石英ガラスの屈折率に対して概ね−３％から＋３％の範囲に制限される。
【０００３】
一方、例えば非特許文献１には、光ファイバを構成する石英ガラスに対し、軸心の周囲に、長手方向、換言すると光の伝搬方向に沿って延び、長手方向に直交する断面内に規則的に配置されてその領域の実効屈折率を低減する空孔領域を設けることにより、光の導波構造を実現する技術が開示されている。非特許文献１に開示された光ファイバによれば、上記空孔領域を設けることにより１０％以上に及ぶ屈折率変化を実現することが可能となる。このため、当該空孔領域を有する光ファイバでは伝送特性の設計領域を飛躍的に拡大することが可能となる。
【０００４】
【非特許文献１】T.A.Birks, et al.「Endlessly single-mode photonic crystalfiber」、OPTICS LETTERS、1997年7月1日、p.961-963
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１に開示された空孔領域を有する光ファイバでは、当該空孔領域を形成するために長手方向に沿って延びる中空の石英ガラス管を積層する、もしくは光ファイバを構成する円柱状の石英ガラスに対し長手方向に沿って延びる空孔を周期的に形成する等、製造上の煩雑な工程が必要になるという問題があった。また、空孔領域に形成された空孔の半径方向における位置の周期性及び直径等、光の伝搬方向、並びに半径方向における空孔のばらつきが、空孔領域を有する光ファイバの伝送特性に影響を与えるといった課題があった。更には、空孔が形成された中空構造を有する石英ガラスを用いることにより、製造可能な光ファイバの母材の容量に制限が生じ、大量生産を行うためには不向きであるといった課題もあった。
【０００６】
以上のような背景に鑑み、本発明では伝送特性の制御性に優れた光ファイバ、並びに当該光ファイバの簡単な製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するための第１の発明に係る光ファイバは、任意の屈折率分布を有するコア領域と、前記コア領域の半径方向外側にあって該コア領域に比較して低く且つ均一な屈折率を有する第一のクラッド領域と、前記第一クラッド領域の半径方向外側に該第一クラッド領域と間隔をおいて設けられ前記コア領域に比較して低く且つ均一な屈折率を有する第二クラッド領域と、前記第一クラッド領域と前記第二クラッド領域の間に設けられた間隙に光の伝搬方向に沿って延びる間隙調整要素を複数配設してなる緩衝領域とから構成されることを特徴とする。これにより、従来の材料添加による屈折率分布制御に基づく光ファイバよりも優れた伝送特性の制御性を実現することができる。
【０００８】
また、第１の発明に係る光ファイバは、前記間隙調整要素が、円柱状に形成され均一な屈折率を有する石英ガラスであることを特徴とする。これにより、所望の分布を有する間隙を緩衝領域に容易に設けることができる。
【０００９】
また、第１の発明に係る光ファイバは、前記第一クラッド領域の半径と前記円柱状石英ガラスの半径との関係、及び前記円柱状石英ガラスの本数が、所望の間隙占有率に応じて設定されることを特徴とする。これにより、間隙占有率の制御を行うことができる。
【００１０】
第２の発明に係る光ファイバは、第１の発明において、前記コア領域及び前記第一クラッド領域により主たる光の導波構造が形成されることを特徴とする。これにより、緩衝領域内の間隙の光ファイバ断面及び長手方向における局所的な不均一性による特性変化を抑制することができる。
【００１１】
第３の発明に係る光ファイバ製造方法は、第１の発明に係る光ファイバの製造方法において、コア領域及び第一クラッド領域を形成する第一の工程と、第一の工程で形成された前記第一クラッド領域の外周に所定の半径及び本数の円柱状石英ガラスを配設し緩衝領域を形成する第二の工程と、第二クラッド領域を構成する中空の円筒状石英ガラスに第一の工程及び第二の工程で形成された前記コア領域、前記第一クラッド領域及び前記緩衝領域を挿入する第三の工程と、第一の工程、第二の工程及び第三の工程で形成された前記コア領域、前記第一クラッド領域、前記緩衝領域及び前記第二クラッド領域を溶融延伸する第四の工程とからなることを特徴とする。第一の工程から第三の工程において光ファイバ母材を形成し、第四の工程において前記コア領域、前記第一クラッド領域、前記緩衝領域及び前記第二クラッド領域を溶融延伸することにより、従来の材料添加による屈折率分布制御に基づく光ファイバよりも優れた伝送特性の制御性を有する光ファイバを簡易な方法で製造することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光ファイバによれば、複数の間隙調整要素及び間隙から構成される緩衝領域を設けたことにより、従来の材料添加に基づく光ファイバでは実現不可能な伝送特性を得ることが可能になるという効果を奏する。
【００１３】
具体的には、緩衝領域における間隙の占有率を制御することにより、従来の光ファイバにおける曲げ損失を二桁以上低減することが可能になるという効果を奏する。また、第一クラッド領域の半径を電界強度に対応させて制御することにより、従来の光ファイバと同等のモードフィールド径及び波長分散特性の保持、もしくは縮小及び可変を可能にするといった効果も奏する。
【００１４】
また、本発明に係る光ファイバの製造方法によれば、従来の光ファイバと同等のコア領域及び第一クラッド領域の形成が行えると同時に、該コア領域及び第一クラッド領域の半径方向外側に複数の円柱状石英ガラスを配設することにより緩衝領域を形成するようにしたため、従来の複数の空孔の周期的配列を有する光ファイバに比べ、空孔の加工、孔空け処理が不要となり、大量生産のための大型光ファイバ母材も形成しやすくなるといった効果も奏する。
【００１５】
更に、本発明に係る光ファイバによれば、コア領域及び第一クラッド領域により主たる光の導波構造を形成することとしたため、周期的な空孔の配置に基づき導波構造を形成する光ファイバに比べ、緩衝領域内の間隙の光ファイバ断面及び長手方向における局所的な不均一性による特性変化を受けにくいといった効果も奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図１〜図３を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は本実施形態に係る光ファイバの一例を示す断面構造図、図２は本実施形態に係る光ファイバの製造工程を示す説明図、図３は本実施形態に係る光ファイバの他の例を示す断面構造図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態に係る光ファイバ１は、材料添加に基づく任意の屈折率分布を有するコア領域１１、コア領域１１の外周に設けられコア領域１１に比較して低く且つ均一な屈折率を有する第一クラッド領域１２、第一クラッド領域１２の外周に設けられた緩衝領域１３、及び、緩衝領域１３の外周に設けられコア領域１１に比較して低く且つ均一な屈折率を有する第二クラッド領域１４から構成されている。なお、該光ファイバ１は、コア領域１１及び第一クラッド領域１２により主たる光の導波構造が形成されているものとする。
【００１８】
本実施形態において、緩衝領域１３は第一クラッド領域１２と第二クラッド領域１４との間に設けられた円筒状の領域であり、間隙調整要素としての円柱状に形成され均一な屈折率を有する複数（図１では６０本）の石英ガラス（以下、円柱状石英ガラスという）１３１と、該円柱状石英ガラス１３１同士または該円柱状石英ガラス１３１と第一クラッド領域１２もしくは第二クラッド領域１４間に形成された複数の間隙１３２とから構成されている。本実施形態において、円柱状石英ガラス１３１は、円周方向及び半径方向に対して規則的に（図１では円周方向に沿って２０本、半径方向に対して３層）積層されている。
【００１９】
図２を用いて図１に示す本実施形態に係る光ファイバ１を製造する手順を説明する。本実施形態に係る光ファイバ１の製造方法は、まず第一の工程として、図２（ａ）に示すように、コア領域１１及び第一クラッド領域１２を一括で形成する。ここで、コア領域１１及び第一クラッド領域１２の一括形成は、従来の材料添加に基づく光ファイバ母材の製造で用いられている気相法等により行うことが可能である。
【００２０】
次に、第二の工程として、図２（ｂ）に示すように、第一の工程で形成された第一クラッド領域１２の外周に円柱状石英ガラス１３１を積層して、該円柱状石英ガラス１３１と間隙１３２とから構成される緩衝領域１３を形成する。
【００２１】
その後、第三の工程として、図２（ｃ）に示すように、第一の工程及び第二の工程において形成したコア領域１１、第一クラッド領域１２及び緩衝領域１３を第二クラッド領域１４を構成する円筒状の石英ガラスに挿入する。
【００２２】
そして、最後に第四の工程として、第三の工程において形成されたコア領域１１、第一クラッド領域１２、緩衝領域１３及び第二クラッド領域１４からなる光ファイバ母材を溶融延伸する。以上の工程によって、本実施形態に係る光ファイバ１を製造することができる。
【００２３】
なお、緩衝領域は図１に示す構造に限らず、例えば図３に示す光ファイバ２のように、図１に示し上述した緩衝領域１３に代えて、異なる半径を有する二種類の円柱状石英ガラス２３１，２３２をそれぞれ円周方向に沿って２０本、半径方向に１層ずつ積層し、該円柱状石英ガラス２３１，２３２と、これらによって形成された間隙２３３とによって構成される領域を緩衝領域２３とするなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことが可能である。
【００２４】
また、円周方向の積層数Ｎ１、並びに半径方向の積層数Ｎ２は、任意の組み合わせとすることが可能であり、図１では緩衝領域１３を形成する一層目の円柱状石英ガラス１３１が円周方向で互いに隣接する例を示したが、互いに間隙を有する状態で配置される形態であっても構わない。
【００２５】
また、間隙１３２は一般的には空気層であるが、特定の屈折率を有する液体、又は樹脂等によって充填される形態であっても構わない。また更に、コア領域１１及び第一クラッド領域１２が同等かつ均一な屈折率を有し、コア領域１１と第一クラッド領域１２と、緩衝領域１３とにより光の主たる導波構造が形成される形態であっても構わない。また、円柱状石英ガラス１３１の長手方向に直交する断面は、真円に限らず楕円等であっても構わない。
【実施例】
【００２６】
図４〜図１０を用いて本発明の一実施例を詳細に説明する。図４は本実施例に係る光ファイバの構造パラメータを示す説明図、図５は本実施例に係る光ファイバにおける円周方向の積層数Ｎ１と規格化半径ｒ２／ｒ１の関係を示すグラフ、図６は本実施例に係る光ファイバにおける間隙距離Λと規格化半径ｒ２／ｒ１の関係を示すグラフ、図７は本実施例に係る光ファイバにおける間隙占有率と規格化半径ｒ２／ｒ１の関係を示すグラフ、図８は本実施例に係る光ファイバにおける波長１５５０ｎｍでの曲げ損失と間隙占有率の関係を示すグラフ、図９は本実施例に係る光ファイバにおける波長１５５０ｎｍでのモードフィールド径（ＭＦＤ）とコア半径ａに対する規格化半径ｒ１／ａの関係を示すグラフ、図１０は本実施例に係る光ファイバにおける波長１５５０ｎｍでの波長分散とコア半径ａに対する規格化半径ｒ１／ａの関係を示すグラフである。
【００２７】
なお、本実施例に係る光ファイバは、図１に示し上述した光ファイバ１と同様の構造を有するものとし、図１に示し上述した部材と同一の部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００２８】
図４に示すように、光ファイバ１のコア領域１１の直径を２ａ、第一クラッド領域１２の半径をｒ１、緩衝領域１３を構成する円柱状石英ガラス１３１の半径をｒ２、第一クラッド領域１２と該第一クラッド領域１２の外周面に沿って隣接する二つの円柱状石英ガラス１３１とにより形成される間隙１３２の円周方向の最大長さ（以下、間隙距離という）をΛとして定義する。なお、間隙距離Λは中心角２θにおける第一クラッド領域の外周の周長と同一長さである。
【００２９】
図５及び図６に示すように、規格化半径ｒ２／ｒ１、即ち、第一クラッド領域１２の半径ｒ１に対する円柱状石英ガラス１３１の半径ｒ２の値が大きくなるに従って円周方向に沿って積層される円柱状石英ガラス１３１の数は減少し、間隙距離Λは増加する。
【００３０】
そして、図７に示すように、規格化半径ｒ２／ｒ１が大きくなるに従って、緩衝領域１３において間隙１３２が占める割合である間隙占有率は増加する。なお、図７に示す実線、破線、及び一点鎖線は、それぞれ円柱状石英ガラス１３１の半径方向の積層数Ｎ２が１層、２層、及び３層の場合における値である。図５〜図７から、規格化半径ｒ２／ｒ１と、円柱状石英ガラス１３１の円周方向の積層数Ｎ１及び半径方向の積層数Ｎ２の組み合わせにより間隙占有率を制御することができることがわかる。
【００３１】
以下、一例として、図１に示す光ファイバ１が、コア領域１１の屈折率が第一クラッド領域１２の屈折率に対し０．３５％の比屈折率差を有するステップ型の屈折率分布を有する場合について説明する。なお、第一クラッド領域１２、第二クラッド領域１４、並びに円柱状石英ガラス１３１を形成する石英ガラスの屈折率は純石英ガラスの屈折率とした。また、緩衝領域１３に設けられた間隙１３２は空気により満たされるものとした。更に、コア領域１１の直径２ａは９μｍとした。
【００３２】
図８に示す縦軸は、半径５ｍｍの曲げを１０ターン加えた場合の曲げ損失（損失増加量）である。なお、間隙占有率が零となる条件は、緩衝領域が存在しない、即ち、従来の材料添加に基づくコア領域とクラッド領域のみが存在する場合に相当する。
【００３３】
図８に示すように、本実施例において、曲げ損失は間隙占有率の増加に伴い指数関数的に低減されることが分かる。これは、本実施例の光ファイバ１において、緩衝領域１３における実効屈折率が複数の間隙１３２の存在により低減され、光ファイバ１中の電界分布の第二クラッド領域１４より内側への閉じ込めが向上されることによるものであり、その作用効果は間隙１３２の形状や個数に依存しない。また、当該作用効果は緩衝領域１３全体における実効屈折率の低減により実現されるため、光ファイバ１の長手方向、もしくは長手方向に直交する断面内における局所的な間隙１３２の不均一性にも依存しない。即ち、規格化半径ｒ２／ｒ１及び緩衝領域１３に配設される円柱状石英ガラス１３１の本数を所望の値に設定することによって間隙占有率を制御することができる。
【００３４】
本実施例においては、例えば、３０％以上の間隙占有率を実現することにより、従来の光ファイバに比べ曲げ損失を二桁以上改善することが可能となる。なお、図１に示した光ファイバ１の構造を用いる場合、図７から、規格化半径ｒ２／ｒ１及び半径方向積層数Ｎ２を好適に組み合わせることにより３０％以上の間隙占有率を容易に実現できることが分かる。
【００３５】
また、図９に示すように、規格化半径ｒ１／ａ、即ち、コア領域１１の半径ａに対する第一クラッド領域１２の半径ｒ１の値が大きくなるに従ってモードフィールド径（ＭＦＤ）は指数関数的に増加している。ここで、図９に示す横軸において無限大として示す規格化半径ｒ１／ａは、緩衝領域が存在しない、即ち、従来の材料添加に基づくコア領域とクラッド領域のみが存在する場合に対応する。
【００３６】
図９より、規格化半径ｒ１／ａが２以下の領域ではモードフィールド径（ＭＦＤ）が急激に減少することが分かる。これは、緩衝領域１３の付与に伴い、電界分布のコア領域１１および第一クラッド領域１２内への閉じ込めが向上されることによるものである。
【００３７】
ここで、図１１に従来の材料添加に基づくコア領域及びクラッド領域のみを有する光ファイバ、即ち本発明の緩衝領域が存在しない光ファイバにおける規格化電界強度とコア半径に対する規格化半径ｒ１／ａの関係を示す。図１１に示す特性は、波長１５５０ｎｍにおける電界分布である。図１１より、例えば規格化半径ｒ１／ａが１．５の地点では、規格化電界強度は２０％以下に減衰することが分かる。即ち、第一クラッド領域の半径ｒ１をコア領域の半径ａの１．５倍とした場合、第一クラッド領域の円周では約２０％の規格化電界強度が存在することとなる。
【００３８】
図１１に示すように、規格化半径ｒ１／ａが２の領域における従来の光ファイバにおける規格化電界強度は約８％となる。従って、本実施例の光ファイバ１において、第一クラッド領域１２の半径ｒ１を、コア領域１１及び第一クラッド領域１２において形成される電界分布の強度が８％以下となる領域に設定することにより、従来の光ファイバと同等のフィールド径（ＭＦＤ）特性を保持することが可能となる。また逆に、第一クラッド領域１２の半径ｒ１を、コア領域１１及び第一クラッド領域１２において形成される電界分布の強度が８％以上となる領域に設定することにより、電界分布のコア領域近傍への閉じ込めを実現することも可能となる。
【００３９】
図１０に示すように、本実施例においては、規格化半径ｒ１／ａが大きくなるに従って波長分散は指数関数的に減少している。ここで、横軸において無限大として示す規格化半径ｒ１／ａは、緩衝領域が存在しない、即ち、従来の材料添加に基づくコア領域とクラッド領域のみが存在する場合に対応する。
【００４０】
図１０より規格化半径ｒ１／ａが２．５以下の領域では波長分散が急激に増加することが分かる。これは、緩衝領域１３の付与に伴い、電界分布の第一クラッド領域１２内側への閉じ込めが発生し、導波路分散特性が影響を受けることによるものである。
【００４１】
また、図１１よりｒ１／ａが２．５の領域における従来の光ファイバにおける規格化電界強度は約３％となる。従って、本実施例の光ファイバ１において、第一クラッド領域１２の半径ｒ１を、コア領域１１及び第一クラッド領域１２において形成される電界分布の強度が３％以下となる領域に設定することにより、従来の光ファイバと同等の波長分散特性を保持することが可能となる。また逆に、第一クラッド領域１２の半径ｒ１を、コア領域１１及び第一クラッド領域１２において形成される電界分布の強度が３％以上となる領域に設定することにより、波長分散特性を可変することも可能となる。
【００４２】
特に、本実施例によって得られる、波長１５５０ｎｍにおける３０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍ以上の波長分散特性は、屈折率変化の可変量に対する制約により従来の材料添加に基づく光ファイバにおいては実現不可能な特性であり、本実施例の光ファイバ１において緩衝領域１３を付与したことに伴う作用効果の一つとして考えられる。
【００４３】
以上に説明したように、本実施例に係る光ファイバ１によれば、従来、空孔付光ファイバにおいて作製されていた空孔と間隙調整要素との関係を反転させ、従来空孔であった部分を間隙調整要素とし、従来間隙調整要素であった部分を空隙、つまり間隙として緩衝領域１３を構成するとともに、該緩衝領域１３を、第一クラッド領域１２と第二クラッド領域１４との間に配し、更に、該緩衝領域１３における間隙１３２の占有率を制御する構成としたことにより、伝送特性の制御性を向上し、且つ曲げに強い光ファイバを実現することが可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、光信号伝搬に供する光ファイバ及びその製造方法に関し、特に光通信における伝送媒体として用いられる光ファイバ及びその製造方法に適用して好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態に係る光ファイバの断面構造図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光ファイバの製造工程を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係る他の光ファイバの断面構造図である。
【図４】本発明の実施例に係る光ファイバの構造パラメータを示す説明図である。
【図５】本発明の実施例に係る光ファイバにおける円周方向の積層数Ｎ１と規格化半径ｒ２／ｒ１の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例に係る光ファイバにおける間隙距離Λと規格化半径ｒ２／ｒ１の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例に係る光ファイバにおける間隙占有率と規格化半径ｒ２／ｒ１の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例に係る光ファイバにおける波長１５５０ｎｍの光に対する曲げ損失と間隙占有率の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例に係る光ファイバにおける波長１５５０ｎｍの光に対するモードフィールド径（ＭＦＤ）とコア半径に対する規格化半径ｒ１／ａの関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例に係る光ファイバにおける波長１５５０ｎｍの光に対する波長分散とコア半径に対する規格化半径ｒ１／ａの関係を示すグラフである。
【図１１】従来の材料添加に基づくコア領域及びクラッド領域のみを有する光ファイバにおける規格化電界強度とコア半径に対する規格化半径ｒ１／ａの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１  光ファイバ
１１  コア領域
１２  第一クラッド領域
１３，２３  緩衝領域
１３１，２３１，２３２  円柱状石英ガラス
１３２，２３３  間隙
１４  第二クラッド領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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