JP2005250068A

JP2005250068A - 単一モード／マルチモード共用光ファイバ

Info

Publication number: JP2005250068A
Application number: JP2004059802A
Authority: JP
Inventors: Takashi Matsui; 隆松井; Takeshi Shu; 健周; Kazuhide Nakajima; 和秀中島; Izumi Mikawa; 泉三川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】それぞれの環境に応じてＳＭＦまたはＭＭＦとして動作可能な単一モード／マルチモード共用光ファイバを提供すること。
【解決手段】屈折率が均一な第１のコア部１の周囲に、空孔６が複数個形成され、第１のコア部１よりも実効的に低い屈折率であるクラッド部２を配置し、第１のコア部１内に、第１のコア部１よりも高い屈折率である第２のコア部３を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光伝送に好適な単一モード／マルチモード共用光ファイバに関するものである。

近年の高度情報化から、文字、静止画、動画および音声等あらゆる情報を高速に伝送できる通信システムが望まれており、高速で大容量な通信網を構築する伝送媒体として光ファイバが注目されている。

光ファイバには、要求される伝送距離や伝送品質に応じて単一モード光ファイバ（本明細書では、「ＳＭＦ」とも呼ぶ）とマルチモード光ファイバ（本明細書では、「ＭＭＦ」とも呼ぶ）とが利用されている。

ＭＭＦは、モード分散に起因する伝送波形の劣化が無視できず伝送距離や伝送容量が制限される。一方、接続を容易にできることや安価な光源が利用できるといった種々の利点を有する。ＭＭＦは、宅内や構内ＬＡＮ等といった比較的短距離から中距離の光伝送で広く利用されている。特に、上述のモード分散を低減し伝送容量を向上するためにコア部の屈折率分布をべき乗分布とした、グレーデッドインデックス型ＭＭＦが最も広く利用されている。また、最近では、上述の屈折率分布を用いないＭＭＦとして、クラッド部に形成される空孔の大きさ・配置等を適切に設計することによって上述のモード分散を制御するフォトニック結晶ファイバ型ＭＭＦも注目を集めつつある（非特許文献１参照）。

一方、ＳＭＦには、コア径が小さく接続が困難である等のデメリットがある。一方で、ＭＭＦで発生するようなモード分散がなく、低損失な波長帯で長距離・大容量な光伝送が可能であり、現在では用途に合わせて改良された種々のＳＭＦが考案され、非常に広く用いられている。

しかしながら、ＭＭＦを用いた大容量な光伝送を行うには、上述のようにモード分散を低減するために、その導波構造を最適化する等の工夫が必要であり、事実上ＳＭＦと同質な光伝送を行うことは非常に困難である。一方、ＳＭＦで安価なマルチモード光源等を用いる場合、モードフィールド、モード数が大きく異なることによる接続損失が非常に大きくなるという問題がある。そのため、光ファイバの適用する領域や用いる光源といった環境に応じてＳＭＦとＭＭＦとから適切なものを選別して使わなければならない、という課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的は、それぞれの環境に応じてＳＭＦまたはＭＭＦとして動作可能な単一モード／マルチモード共用光ファイバを提供することにある。

Ｎ．Ａ．Ｍｏｒｔｅｎｓｅｎ等、「Ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒｓｆｏｒＶＣＳＥＬｂａｓｅｄｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ」、ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ、２００３年８月、ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．１７、ｐ．１９５３−１９５９

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、均一な屈折率の分布を有する第１のコア部と、前記第１のコア部の周囲に配置され、前記第１のコア部の中心から第１の距離で配置された直径の空孔が複数個形成される領域であり、前記第１のコア部の屈折率よりも実効的に低い屈折率を有するクラッド部と、前記第１のコア部内に配置され、前記第１のコア部の屈折率よりも高い屈折率を有する第２のコア部とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の前記第１のコア部は純石英であり、前記第２のコア部は、ゲルマニウムを純石英に添加したものであることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の前記第１のコア部は、純石英にフッ素を添加したものであることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の前記第２のコア部は、純石英であることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の前記空孔内は真空であることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の前記空孔内は前記第１のコア部の屈折率よりも低い気体、液体または固体のいずれかであることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の前記第１の距離は、１７μｍから４６μｍの範囲内であることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の前記クラッド部に形成された空孔は６個以上であり、前記直径と前記クラッド部に形成された複数の空孔のうちの隣り合う空孔間の第２の距離との比（直径）／（第２の距離）を０．５８から１．０未満とすることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の前記クラッド部に形成された空孔は１２個以上であり、前記直径と前記クラッド部に形成された複数の空孔のうちの隣り合う空孔間の第２の距離との比（直径）／（第２の距離）を０．３２から１．０未満とすることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、屈折率が均一な第１のコア部の周囲に、空孔が複数個形成された第１のコア部よりも実効的に低い屈折率であるクラッド部を配置し、第１のコア部内に、第１のコア部よりも高い屈折率である第２のコア部を配置したので、光源の励振条件によって選択的に単一モード動作またはマルチモード動作する光ファイバを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の一実施形態は、光ファイバにおいて、単一モード動作が可能な導波構造領域とマルチモード動作が可能な導波構造領域とを同時に有する。

図１は、本発明の一実施形態に係る単一モード／マルチモード共用光ファイバの実施の形態の構成例を示す断面図と、屈折率分布とを示す図である。図１の（Ａ）は、クラッド部に形成される空孔数が６個の場合についての断面図である。図１の（Ｂ）は、クラッド部に形成される空孔数が１２個の場合についての断面図である。また、図１の（Ｃ）は、実効的な屈折率分布のイメージを示す図である。

図１に示す、本発明の一実施形態に係る単一モード／マルチモード共用光ファイバは、屈折率が均一な第１のコア部１と、第１のコア部の中心からｒ１（第１のコア部の半径）の距離で周囲に配置された空孔を含む領域であるクラッド部２と、第１のコア部１の領域内に配置され第１のコア部１より高い屈折率である半径ｒ２の第２のコア部３とを含んで構成される。ここで、符号Λは、クラッド部に形成される空孔間の距離である。なお、クラッド部２の屈折率は、第１のコア部１の屈折率よりも実効的（材料と空孔の平均）に低くすることは言うまでもない。

マルチモード動作が可能な導波構造領域
図１の（Ｃ）に示されるように、第１のコア部１に相当する矢印の範囲４の屈折率ｎ_０（すなわち、ｎ_０は、第１のコア部１の屈折率）は、従来のフォトニック結晶ファイバと同様に、クラッド部２の実効的な屈折率ｎ_ｃｌよりも高くなっている。従って、第１のコア部１とクラッド部２とによって、マルチモード動作が可能な導波構造（本明細書では、「ＭＭコア」とも呼ぶ）領域が形成される。

ＭＭコアの導波特性は、クラッド部２に形成された空孔の直径ｄの大きさや空孔の配置等によって制御することができる。

単一モード動作が可能な導波構造領域
また、図１の（Ｃ）に示されるように、第２のコア部３に相当する矢印の範囲５の屈折率ｎ_１（すなわち、ｎ_１は、第２のコア部３の屈折率）は、従来の単一モード光ファイバと同様に、第１のコア部１に相当する矢印の範囲４の屈折率ｎ_０よりも高くなっている。従って、第１のコア部１は第２のコア部３に対して実効的なクラッドの役割を果たすことになり、第１のコア部１と第２のコア部３とによって、単一モード動作が可能な導波構造（本明細書では、「ＳＭコア」とも呼ぶ）領域が形成される。

なお、第２のコア部３の屈折率分布は、従来の単一モード光ファイバと同様な屈折率分布を用いることができる。また、第２のコア部３は、第１のコア部１の材料に、第１のコア部１の屈折率よりも高くなるように、添加量が調整された添加材料を添加することによって作成しても良いし、第１のコア部１の材料と異なる材料であっても良い。

以下、第１のコア部１の屈折率を純石英により約１．４５とし、クラッド部２に形成される空孔の屈折率を空気（真空）により約１．０とし、第２のコア部３の屈折率を純石英にゲルマニウムを添加して第１のコア部１の屈折率（約１．４５）よりも高くなるようにして形成するときの、単一モード／マルチモード共用光ファイバについて説明する。

本発明の一実施形態では、第１のコア部１の屈折率ｎ_０をフッ素等の添加により純石英よりも低くし、第２のコア部３の屈折率ｎ_１を純石英と同等、もしくはそれ以下の屈折率として設計することができる。すなわち、第２のコア部３の屈折率が第１のコア部１の屈折率よりも高く、かつ第１のコア部１の屈折率がクラッド部２およびそれに形成される空孔の屈折率よりも高いことが重要であって、各要素の屈折率がこのような関係にあれば、各要素の材料はいずれの材料であっても良い。

なお、ゲルマニウムを純石英に添加する場合、その添加量がいずれの量でも添加量に比例して屈折率は高くなる。また、フッ素を純石英に添加する場合、その添加量がいずれの量でも添加量に比例して屈折率は低くなる。

図２は、単一モード／マルチモード共用光ファイバに存在するモードフィールド分布（光の強度分布）を示す図である。なお、図２の計算例では、クラッド部２に形成される空孔の数（本明細書では、「空孔数」とも呼ぶ）を１２個、距離ｒ１を２０μｍ、空孔直径ｄを７μｍ、半径ｒ２を４μｍとし、第２のコア部３の第１のコア部１に対する比屈折率差Δを０．３％とした。ここで、図２の（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれＭＭコアにおける基本モードおよび高次モードを表し、図２の（Ｃ）は、ＳＭコアにおける基本モードを表している。

図２に示すように、ＭＭコアを伝播する複数のモード（本明細書では、「Ｏｕｔモード」とも呼ぶ）とＳＭコアを伝播するモード（本明細書では、「Ｉｎモード」とも呼ぶ）が存在していることがわかる。従って、光源の励振条件によりＩｎモードまたはＯｕｔモードを励振することによって、適用領域に応じてＳＭＦとしてもＭＭＦとしても利用することが可能になる。

以下で、Ｏｕｔモードによるマルチモード動作について説明する。

図３は、光源の波長が８５０ｎｍにおけるｄ／Λ（規格化空孔直径）とＯｕｔモードの実行的な規格化周波数Ｖ_ｅｆｆとの関係を示す図である。ここで、図３の実線は空孔数６の場合を、また破線は空孔数が１２個の場合を表している。なお、図３の計算例では、規格化周波数Ｖ_ｅｆｆを、第１のコア部１の最低次モードの実行屈折率ｎ_ｃｏ、波長λを用いて式（１）により定義した。

図３において、点線で示したＶ_ｅｆｆ＝２．４以上の領域がマルチモード動作領域である。従って、空孔数が６個の場合はｄ／Λを０．５８以上に、また空孔数が１２個の場合はｄ／Λを０．３２以上にすることでマルチモード動作をすることが可能となる。すなわち、空孔数が６個以上の場合は、ｄ／Λを０．５８以上にすれば、マルチモード動作が確保され、さらに、空孔数が１２個以上の場合は、ｄ／Λを０．３２以上にすれば、マルチモード動作が確保できるのである。

なお、ｄ／Λは、空孔の直径と空孔間隔との比であるので、１未満であるのは言うまでもない。

図４は、空孔数を１２個とし、ｄ／Λを０．６とした単一モード／マルチモード共用光ファイバで、波長８５０ｎｍにおける距離ｒ１とＯｕｔモードとの伝送帯域の関係を表した図である。なお、図４において、伝送帯域Ｂは、基本モードの群速度ｖ_０および最高次モードの群速度ｖ_ｇを用いて式（２）により推定した。

図４より、距離ｒ１を１７μｍ以上とすることで、伝送帯域の要求条件である２００ＭＨｚ・ｋｍを満足することができる。

図５は、上述の伝送帯域およびマルチモード化条件について、クラッド直径の制限によって決められる、距離ｒ１とｄ／Λとの関係を表す図である。図５において、実線５１は空孔数が６個の場合についての、また実線５２は空孔数が１２個の場合についての、単一モード／マルチモード共用光ファイバのクラッド直径を、標準的な光ファイバのクラッド直径である１２５μｍ以下とするための条件である。この条件について具体的に説明すると、クラッド直径を１２５μｍ以下にするためには、クラッド部２が直径１２５μｍの円の内部に含まれていれば良い。その条件は、幾何学的に求めることができ、空孔数が６個の場合は、クラッド部２の半径（３Λ／２）が上述の円の半径１２５／２μｍ以下とすることによって、

となり、空孔数１２個の場合は、クラッド部２の半径（５Λ／２）が上述の円の半径１２５／２μｍ以下とすることによって、

となる。式（３）および（４）がそれぞれ図５の実線５１および５２に対応している。

図５より、それぞれの空孔数について、距離ｒ１およびｄ／Λの双方とも、実線より低い領域であれば、上述のクラッド直径は、１２５μｍ以下となる。

また、図５より、クラッド直径が１２５μｍを超えないようにするためには、距離ｒ１を４６μｍ以下とする必要がある。

上述した伝送帯域による制限とクラッド直径の制限とを考慮すると、距離ｒ１は、１７μｍ〜４６μｍの範囲にすれば良い。

次に、Ｉｎモードによる単一モード動作について説明する。

図６は、光源の波長が１３１０ｎｍである場合の、距離ｒ１とＩｎモードのモードフィールド径（本明細書では、「ＭＦＤ」とも呼ぶ）の関係を示す図である。図６において、実線は空孔数が６個の場合についての、および破線は空孔数が１２個の場合についての距離ｒ１とＭＦＤとの関係であり、ならびに点線は空孔数が０個、すなわち従来のＳＭＦの場合についての距離ｒ１とＭＦＤとの関係である。

図６より、距離ｒ１が１７μｍ以上では空孔による影響は非常に小さく、Ｉｎモードは従来のＳＭＦの伝播モードと同じ伝送特性を示すことが分かる。従って、光源の波長が１３１０ｎｍである場合におけるＭＦＤが７．９μｍから１０．２μｍとし、かつＬＰ１１モードの理論遮断波長を１２６０ｎｍ以下になるよう、半径ｒ２および第２のコア部３の第１のコア部１に対する比屈折率差Δを従来のＳＭＦと全く同様に設計することにより、ＳＭコアにおいて従来のＳＭＦにおける要求条件を満足することができる。

本発明の一実施形態を説明したが、本発明に係るクラッド部２の空孔の個数、光ファイバの材質等は上述した実施形態に限らない。特許請求の範囲の記載の範囲内であれば、その変更、修正、置換等は本発明の一実施形態に含まれる。また、クラッド部２の空孔の中は空気（真空）に限らず、第１のコア部１よりも屈折率の低い気体、液体ないし固体で満たされていても良い。

本発明の一実施形態に係る単一モード／マルチモード共用光ファイバの断面構造を示し、それぞれ（Ａ）は空孔数６個、（Ｂ）は空孔数１２個の例を示す概略断面図であり、（Ｃ）は屈折率分布を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る単一モード／マルチモード共用光ファイバに存在しうるモードを示し、（Ａ）は第１のコア部とクラッド部との屈折率差で伝播する基本モード、（Ｂ）は第１のコア部とクラッド部との屈折率差で伝播する高次モード、（Ｃ）は第２のコア部と第１のコア部との屈折率差で伝播するモードのモードフィールド分布を示す特性図である。本発明の一実施形態に係る単一モード／マルチモード共用光ファイバの、波長８５０ｎｍにおけるマルチモード伝送での、距離ｒ１に対する伝送帯域の関係を示す特性図である。本発明の一実施形態に係る単一モード／マルチモード共用光ファイバの、波長８５０ｎｍにおけるマルチモード伝送での、規格化空孔直径ｄ／Λに対する、実効的な規格化周波数Ｖ_ｅｆｆの関係を示す特性図である。本発明の一実施形態に係る単一モード／マルチモード共用光ファイバの、伝送帯域、マルチモード化条件、クラッド直径の条件によって得られる、距離ｒ１と規格化空孔直径ｄ／Λの関係を示す特性図である。本発明の一実施形態に係る単一モード／マルチモード共用光ファイバの、波長１３１０ｎｍにおける単一モード伝送での、距離ｒ１に対するモードフィールド径の関係を示す図である。

符号の説明

１第１のコア部
２クラッド部
３第２のコア部
ｒ１第１のコア部の半径
ｒ２第２のコア部の半径
ｄクラッド部の空孔の直径
Λ クラッド部領域内の隣り合う空孔間の距離

Claims

均一な屈折率の分布を有する第１のコア部と、
前記第１のコア部の周囲に配置され、前記第１のコア部の中心から第１の距離で配置された直径の空孔が複数個形成される領域であり、前記第１のコア部の屈折率よりも実効的に低い屈折率を有するクラッド部と、
前記第１のコア部内に配置され、前記第１のコア部の屈折率よりも高い屈折率を有する第２のコア部と
を備えることを特徴とする単一モード／マルチモード共用光ファイバ。
前記第１のコア部は純石英であり、前記第２のコア部は、ゲルマニウムを純石英に添加したものであることを特徴とする請求項１記載の単一モード／マルチモード共用光ファイバ。
前記第１のコア部は、純石英にフッ素を添加したものであることを特徴とする請求項１記載の単一モード／マルチモード共用光ファイバ。
前記第２のコア部は、純石英であることを特徴とする請求項３記載の単一モード／マルチモード共用光ファイバ。
前記空孔内は真空であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の単一モード／マルチモード共用光ファイバ。
前記空孔内は前記第１のコア部の屈折率よりも低い気体、液体または固体のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の単一モード／マルチモード共用光ファイバ。
前記第１の距離は、１７μｍから４６μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の単一モード／マルチモード共用光ファイバ。
前記クラッド部に形成された空孔は６個以上であり、前記直径と前記クラッド部に形成された複数の空孔のうちの隣り合う空孔間の第２の距離との比（直径）／（第２の距離）を０．５８から１．０未満とすることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の単一モード／マルチモード共用光ファイバ。
前記クラッド部に形成された空孔は１２個以上であり、前記直径と前記クラッド部に形成された複数の空孔のうちの隣り合う空孔間の第２の距離との比（直径）／（第２の距離）を０．３２から１．０未満とすることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の単一モード／マルチモード共用光ファイバ。