CN116034299A - 多芯光纤 - Google Patents

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坂本泰志
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Abstract

本发明提供一种多芯光纤，所述多芯光纤包括：M个(M为1以上的正整数)在截面内配置成直线状的N个(N为2以上的正整数)芯区域的组；包层区域，包围所述多个芯区域，折射率比所述多个芯区域低；以及包覆区域，包围所述包层区域，所述多芯光纤的特征在于，相对于在所述包层区域的中心正交的两条假想线，所述多个芯区域分别线对称地配置，所述包层区域的直径为180μm以下，所述包覆区域的直径为235μm以上、且265μm以下。

Description

多芯光纤
技术领域
本发明涉及一种具有多个芯的多芯光纤。
背景技术
光收发器的高速化、小型化快速发展，利用使用了多个光信道的并行传输。一般来说，利用多芯的光纤带芯线，但是为了更高密度化，研究了使用细径的光纤的窄间距带芯线。
此外，面向进一步的高密度化，还研究了在一根光纤中具有多个芯的多芯光纤(MCF)的应用。光收发器的激光器阵列、光电探测器阵列通过硅光子学等先进技术，发展为数十μm等级的高密度化，但是光纤的细径化存在极限，与光纤的连接需要光学转换器。另一方面，多芯光纤能够以数十μm间隔配置芯，因此能够与高密度的激光器阵列、光电探测器阵列直接连接，从而能够进行高密度、低损耗的光布线。
现有技术文献
专利文献1：日本专利公开公报6560806号
专利文献2：日本专利公开公报特开2020-115191
非专利文献1：T.Matsui,et al.,“Design of multi-core fiber in 125μmcladding diameter with full compliance to conventional SMF”,in Proc.ECOC,Valencia,Spain,Sep.2015,We.4.3.
非专利文献2：M.-J.,Li,et al.,“Multicore Fiber for Optical InterconnectApplications”,in Proc.OECC,Busan,Korea,July 2012,5E4-2.
非专利文献3：T.Hayashi et al.,“End-to-End Multi-Core FibreTransmission Link Enabled by Silicon Photonics Transceiver with GratingCoupler Array”,in Proc.ECOC,Gothenburg,Sweden,Sep.2017.
非专利文献4：https：//www.fujikura.co.jp/rd/gihou/backnumber/page s/_icsFiles/afieldfile/2017/06/06/130_R2.pdf
但是，如专利文献1、2、非专利文献1中公开的那样，一般的多芯光纤以六方紧密状配置芯，与光收发器内的激光器、光电探测器阵列的配置不同，存在的课题是需要光学转换器。非专利文献2的多芯光纤由于具有足够的芯间隔，所以包层区域的直径变得非常大，存在的课题是无法沿用现有的线缆等周边技术。非专利文献3的多芯光纤最优化为利用波长1.31μm，存在的课题是，特别是在长波长侧，损耗增大等，缺乏与现有光纤的兼容性，导致使用波段受到限制。
此外，在考虑与激光器阵列的直接耦合的情况下，如非专利文献4所示，优选光束直径足够小。但是，专利文献1、2、非专利文献1、2、3所记载的多芯光纤相对于激光器的光束直径，模场直径较大，为了得到良好的耦合特性，需要光斑尺寸变换器，在降低损耗和高密度化方面存在课题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种与激光器阵列、光电探测器阵列的连接性优异且高密度的多芯光纤。
为了达成上述目的，本发明的多芯光纤包括：
M个(M为1以上的正整数)在截面内配置成直线状的N个(N为2以上的正整数)芯区域的组；
包层区域，包围所述多个芯区域，折射率比所述多个芯区域低；以及
包覆区域，包围所述包层区域，
所述多芯光纤的特征在于，
相对于在所述包层区域的中心正交的两条假想线，所述多个芯区域分别线对称地配置，
所述包层区域的直径为180μm以下，
所述包覆区域的直径为235μm以上、且265μm以下。
根据本发明能够提供一种与激光器阵列、光电探测器阵列的连接性优异且高密度的多芯光纤。
附图说明
图1A是表示多芯光纤的截面结构的示意图。
图1B是表示多芯光纤的截面结构的示意图。
图2A是表示多芯光纤的芯区域的折射率分布的图。
图2B是表示多芯光纤的芯区域的折射率分布的图。
图3是表示多芯光纤的MFD与芯区域的关系的图。
图4是表示多芯光纤的芯间隔与XT的关系的图。
图5是表示多芯光纤的MFD与芯区域的关系的图。
图6是表示多芯光纤的芯间隔与XT的关系的图。
图7是说明多芯光纤的芯结构的图。
图8是表示多芯光纤的包层厚度与限制损耗的关系的图。
图9是表示多芯光纤的芯间隔与XT的关系的图。
图10是表示多芯光纤的相对于芯区域的组的数M的最小包层直径的图。
图11是表示多芯光纤的相对于配置成直线状的芯的数N的最小包层直径的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，本发明不限于以下所示的实施方式。这些实施例仅为例示，本发明能够以基于本领域技术人员的知识进行了各种变更、改良的方式实施。另外，在本说明书和附图中，附图标记相同的构成要素表示相互相同的构成要素。
(实施方式1)
图1A和图1B示出表示本发明的多芯光纤的截面结构的示意图。在图1A、图1B中，11是芯区域，12是包层区域，13是包覆区域。
在图1A、图1B中，多芯光纤包括芯区域11、包层区域12、包覆区域13。包层区域12包围芯区域11，折射率比芯区域11低。包覆区域13包围包层区域12。
在图1A中，多芯光纤包括一个在截面内在通过包层区域的中心的直线上的N个(N为2以上的正整数)芯区域的组。图1B包括M个(M为1以上的正整数)在多芯光纤的截面内配置成直线状的N个芯区域的组。在图1A、图1B中，两条点划线是在包层区域的中心正交的两条假想线。任意的多个芯区域相对于两条假想线线对称地配置。
激光器阵列、光电探测器阵列配置成直线状，或者直线状的阵列配置成层状。通过图1A、图1B的芯配置，能够将本发明的多芯光纤与激光器阵列、光电探测器阵列直接连接。
包覆区域的直径为235μm以上、且265μm以下，包层的直径为180μm以下。通过使包覆区域的直径为235μm以上、且265μm以下，成为与现有光纤相同的标准，能够将本发明的多芯光纤应用于现有光缆。此外，如果考虑相对于包层区域的直径125μm，包覆区域的直径为180μm以上、且220μm以下的光纤，则包覆的厚度至少为27.5μm以上即可。另一方面，如果考虑本发明的光纤的包覆区域的直径的下限为235μm，为了使包覆的厚度为27.5μm以上，只要使包层区域的直径为180μm以下即可。
此外，如果包层区域的直径为125±1μm，则与现有光纤的包层区域的直径相等，是更优选的。此时，包覆区域的直径除了是一般的235μm以上、且265μm以下，也可以是如上所述180μm以上、且220μm以下。
如以上说明的那样，本发明的多芯光纤能够提供一种与激光器阵列、光电探测器阵列的连接性优异且高密度的多芯光纤。
(实施方式2)
图2A、图2B表示本发明的多芯光纤的芯区域的折射率分布。图2A是阶跃型的折射率分布，具有半径a、相对折射率差Δ的中心芯。图2A所示的多芯光纤的结构在光纤的制造性、稳定性方面优异。图2B是沟槽型的折射率分布，在半径a的中心芯的周围，在从中心离开a1的位置具有宽度d、比包层区域低相对折射率差Δt的沟槽。在图2B所示的多芯光纤的结构中，光的限制效果优异，能够实现多芯光纤中的XT(CrossTalk，串扰)降低、高密度的芯配置。
如果图2A、图2B所示的各芯的光学特性与现有光纤兼容，则能够以与现有光纤相同的方式对本发明的多芯光纤进行布线。
图3表示本发明的多芯光纤的模场直径(MFD：Mode Field Diameter)与芯区域的关系。在图3中，横轴是波长1.31μm处的MFD，纵轴是包层厚度(OCT：Outer CladdingThickness)或芯区域的中心间距离(芯间隔Λ)。OCT是指从最接近包层区域的芯区域的中心到包层区域的最短距离。在此，各芯的折射率分布为阶跃型，以截止波长成为1.26μm以下的方式设定芯结构。实线是对于各MFD的限制损耗在波长1.625μm处为0.01dB/km以下的OCT。
如果OCT为实线以上的值，则能够在整个通信波段中充分地抑制附加损耗。虚线和点线是对于满足OCT的条件时的N＝4，在包层区域的直径180μm以下分别实现M＝1和M＝2的芯配置所需的芯间隔。通用的单模光纤的MFD在波长1.31μm处为8.6μm至9.2μm，因此考虑与单模光纤的连接性，如果MFD为8.6μm以上，则从图3可知，对于M＝1，芯区域的中心间距离需要为36.2μm以下，对于M＝2，芯区域的中心间距离需要为34.5μm以下。
图4表示本发明的多芯光纤的芯间隔与XT的关系。在图4中，横轴表示芯区域的中心间距离(芯间隔Λ)，纵轴表示XT。在此，芯结构为阶跃型，在波长1.31μm处，MFD为8.6μm，截止波长为1.26μm以下。图中的实线、虚线、点线分别是波长1.625、1.55、1.31μm。
根据图3，在芯区域的中心间距离为36.2μm、34.5μmm以下的情况下，XT在波长1.625μm处分别为-11dB/km以上、-6dB/km以上。在IM-DD(Intensity Modulation-DirectDetection，强度调制-直接探测)方式中，如果考虑允许-15dB左右的XT，则可知在全频带中对于M＝1、2能够分别应用于最大300m、100m左右的传输距离。在此，如图4所示，在比1.625μm短波长侧，得到更低的XT，例如，在波长1.31、1.55μm处，即使是数km以上的传输距离，也能够忽略XT的影响。
图5表示本发明的多芯光纤的MFD与芯区域的关系。在图5中，横轴是波长1.31μm处的MFD，纵轴是包层厚度(OCT)或芯区域的中心间距离(芯间隔Λ)。在此，各芯的折射率分布为沟槽型，以截止波长成为1.26μm以下的方式设定芯结构。将图2B中的a1/a设为2.5，将d/a设为1，将Δt设为-0.7％。实线是相对于各MFD的限制损耗在波长1.625μm处为0.01dB/km以下的包层厚度(OCT)。
如果OCT为实线以上的值，则能够在整个通信波段中充分地抑制附加损耗。虚线和点线是对于满足OCT的条件时的N＝4，在包层区域的直径180μm以下分别实现M＝1和M＝2的芯配置所需的芯区域的中心间距离(芯间隔Λ)。从图5可知，对于M＝1，芯区域的中心间距离(芯间隔Λ)需要为38.5μm以下，对于M＝2，芯区域的中心间距离(芯间隔Λ)需要为36.5μm以下。
图6表示本发明的多芯光纤的芯间隔与XT的关系。在图6中，横轴表示芯区域的中心间距离(芯间隔Λ)，纵轴表示XT。在此，芯结构为沟槽型，在波长1.31μm处MFD为8.6μm，截止波长为1.26μm以下。
根据图5，在芯区域的中心间距离为38.5μm以下、36.5μm以下的情况下，XT在波长1.625μm处分别为-45dB/km以上、-39dB/km以上。如果考虑在比波长1.625μm短波长侧得到更低的XT，则在使用沟槽型的情况下，即使是10km以上的传输距离，也能够忽略XT的影响。
如以上说明的那样，本发明的多芯光纤能够提供一种与激光器阵列、光电探测器阵列的连接性优异且高密度的多芯光纤。此外，如果利用本发明的多芯光纤，则能够实现低损耗的光互连。
(实施方式3)
利用图7说明本发明的多芯光纤的芯结构。在图7中，横轴是芯半径a，纵轴是芯与包层区域的相对折射率差Δ。实施方式3所示的本发明的多芯光纤的芯区域的折射率分布是阶跃型的。
在板内等数十cm左右的较短的光互连中，设想直接连接激光器阵列和布线用光纤来进行布线。根据非专利文献4，如果光纤的MFD为4μm左右或这以下，则能够与激光器阵列进行高效率的耦合。
在图7中，实线是在波长1.31μm处MFD为4μm的芯结构，在比实线靠向左上的区域中，MFD为4μm以下。虚线是截止波长为1.26μm的芯结构，在比虚线靠向左下的区域中，在通信波段(波长1.26μm以上、且1.625μm以下)中得到单模动作。因此，在由实线和虚线包围的左上的区域中能够使MFD为4μm以下，并且得到上述通信波段中的单模动作。详细地说，成为由图7的●标记(黒圆标记)包围的多边形的内侧的区域。
即，如果将芯结构设为由图7的实线和虚线包围的图中左上的区域、特别是a为1.9μm以下、Δ为1.8％以上，则能够提高与激光器阵列的耦合效率。
图8表示本发明的多芯光纤的包层厚度与限制损耗的关系。横轴是包层厚度(OCT)，纵轴是限制损耗。芯结构是MFD成为4μm的、a＝1.9μm、Δ＝1.8％，波长为1.625μm。从图8可知，随着OCT的增加，限制损耗减少。在此，如果限制损耗为0.01dB/km以下，则可以认为与光纤固有的损耗相比足够小。因此，根据图8，OCT需要为18μm以上。在此，由于越是短波长，限制损耗越小，所以根据上述条件，在全通信波段中得到低的限制损耗。此外，由于MFD越小，限制损耗越小，所以通过使OCT为18μm以上，在MFD小于4μm时，得到与图8同等以下的限制损耗。
图9表示本发明的多芯光纤的芯间隔与XT的关系。在图9中，横轴表示芯区域的中心间距离(芯间隔Λ)，纵轴表示XT。芯结构和波长与图8相同。
XT随着芯间隔的扩大而线性减少。在此，如果设想使用本发明的光纤的光互连的传输距离在板内为数十cm左右，则XT优选为-30dB/km以下，根据图9，芯间隔需要为约16μm以上。在此，由于越是短波长，XT越减少，所以在通信波段中要求更小的XT。此外，由于MFD越小，芯间的干扰越小、XT也越小，所以如果芯间隔为16μm以上，则在MFD为4μm以下时，得到与图9同等以下的XT特性。此外，如果芯间隔为20μm以上，则即使在1km以下，也能够忽略XT的影响。
图10表示本发明的多芯光纤的相对于芯区域的组的数M的最小包层区域的直径。根据图8和图9，将OCT和芯间隔Λ分别设为18μm、20μm。在此，芯间隔Λ、OCT和包层区域的直径D相对于图1A、图1B的芯区域的数N和芯区域的组的数M成为以下的关系。
[数学式1]
Figure BDA0004113543310000081
在将N和M设为任意数时，需要使OCT和Λ分别为18μm、20μm以上的范围、D为180μm以下。另外，如果D为125±1μm，则成为与现有光纤相同的包层区域的直径，是更优选的。在此，在图10中，N＝4。此时，可知在M为7以下，包层区域的直径成为180μm以下。此外，可知如果M为4以下，则能够以包层区域的直径125μm配置N＝4的芯区域。
图11表示本发明的多芯光纤的相对于配置成直线状的芯的数N的最小包层区域的直径。在图11中，横轴是配置成直线状的芯的数N，纵轴是最小的必要包层区域的直径。
在图11中，OCT和芯间隔Λ与图10相同，M＝1。从图11可知，在M＝1时，在D为180μm以下，最大八个芯能够配置在直线上。此外，可知在D为125μm的情况下，能够将最大五个芯配置在直线上。
如以上说明的那样，本发明的多芯光纤能够提供一种与激光器阵列、光电探测器阵列的连接性优异且高密度的多芯光纤。此外，如果利用本发明的多芯光纤，则能够实现低损耗的光互连。
工业实用性
本发明能够应用于信息通信产业。
附图标记说明
11：芯区域，12：包层区域，13：包覆区域

Claims (8)

1.一种多芯光纤，包括：
M个在截面内配置成直线状的N个芯区域的组，M为1以上的正整数，N为2以上的正整数；
包层区域，包围所述多个芯区域，折射率比所述多个芯区域低；以及
包覆区域，包围所述包层区域，
所述多芯光纤的特征在于，
相对于在所述包层区域的中心正交的两条假想线，所述多个芯区域分别线对称地配置，
所述包层区域的直径为180μm以下，
所述包覆区域的直径为235μm以上、且265μm以下。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
所述多个芯区域的折射率分布为阶跃型，
所述N为4、且所述M为1，
所述多个芯区域的中心间距离为36.2μm以下，
波长1.31μm处的模场直径为8.6μm以上、且9.2μm以下，
截止波长为1.26μm以下。
3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
所述多个芯区域的折射率分布为阶跃型，
所述N为4、且所述M为2，
所述多个芯区域的中心间距离为34.5μm以下，
波长1.31μm处的模场直径为8.6μm以上、且9.2μm以下，
截止波长为1.26μm以下。
4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
所述多个芯区域的折射率分布为沟槽型，
所述N为4、且所述M为1，
所述多个芯区域的中心间距离为38.5μm以下，
波长1.31μm处的模场直径为8.6μm以上、且9.2μm以下，
截止波长为1.26μm以下。
5.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
所述多个芯区域的折射率分布为沟槽型，
所述N为4、且所述M为2，
所述多个芯区域的中心间距离为36.5μm以下，
波长1.31μm处的模场直径为8.6μm以上、且9.2μm以下，
截止波长为1.26μm以下。
6.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，
所述多个芯区域的折射率分布为阶跃型，
所述多个芯区域的芯半径为1.9μm以下，并且所述多个芯区域相对于所述包层区域的相对折射率差为1.8％以上，
在所述多个芯区域中，从最接近所述包层区域的端部的芯区域的中心到所述包层区域的端部的最短距离为18μm以上，
所述多个芯区域的中心间距离为16μm以上，并且
[数学式2]
Figure FDA0004113543300000021
其中，
OCT表示从最接近所述包层区域的端部的芯区域的中心到所述包层区域的端部的最短距离，
Λ表示所述多个芯区域的中心间距离。
7.根据权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述N为4、且所述M为7以下。
8.根据权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述M为1、且所述N为8以下。
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