JP7332640B2 - 光ファイバ、及び、光伝送モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、１本で双方向通信が可能な光ファイバ、及び、当該光ファイバを含む光伝送モジュールに関する。
光ファイバにおいて、光ファイバ内で光が伝搬する光路を光ファイバの導波モードとして分類できることが知られている。例えば、光ファイバのコア領域およびクラッド領域の物理的寸法、屈折率、波長、入射角度等のパラメータにより、1本の光ファイバ内に１つ以上の導波モードが出現する。複数の導波モードを有することが可能なマルチモード光ファイバにおいては、複数の導波モードのそれぞれの導波モードに信号をのせて伝送する方式をモード分割多重通信方式と称し、従来から、当該モード分割多重通信方式の技術開発が進められている。
例えば、特許文献１の光通信システムでは、１本のマルチモード光ファイバによって、上り光信号と下り光信号を伝搬角が大きく異なる低次モード群と高次モード群とに分割して搬送する、モード分割多重通信を実現している。
具体的には、低次モード群光源からの低次モード群を形成する光信号はモード合分波器の開口からマルチモード光ファイバの中心軸に沿うように放射され、マルチモード光ファイバを伝搬し、低次モード群検出器に入射する。
また、高次モード群光源からの高次モード群を形成する光信号は、二つのミラーで反射されて収束光となり、マルチモード光ファイバの端面付近で収束し、低次モード群光源からの光信号よりも中心軸に対して角度を有するようにマルチモード光ファイバに入射する。入射された高次モード群を形成する光信号は、マルチモード光ファイバの他端から、モード合分波器を介して、二つのミラーで反射されて、高次モード群検出器に入射する。
特開２０１９－１６９７８０号公報
しかしながら、従来技術では、マルチモード光ファイバの屈折率分布の種類によって、上下光信号間に干渉が発生する場合、または、高速信号を適切に伝送できない場合がある。
本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、複数の異なるコア部を適切に配置し、上下光信号の干渉を適切に低減した高速通信可能な光ファイバ、及び、当該光ファイバを含む光伝送モジュールを提供することにある。
本発明の態様に係わる光ファイバは、光を伝搬可能な第１コア部と、前記第１コア部の外周に前記第１コア部と異なる構造で形成され、前記光とは異なる他の光を伝搬可能な第２コア部と、を含み、前記第２コア部は前記第１コア部の外周を囲んで形成され、前記第２コア部の中心は前記第１コア部の領域内に位置することが好ましい。
本発明の他の態様に係わる光伝送モジュールは、光ファイバと、前記光ファイバの第１コア部を伝搬する光の第１の発光素子、及び、第１の受光素子と、前記光ファイバの第２コア部を伝搬する他の光の第２の発光素子、及び、第２の受光素子と、を含むことが好ましい。
本発明によれば、複数の異なる特性を有するコア部を適切に配置し、上下光信号の干渉を適切に低減した高速通信可能な光ファイバ、及び、当該光ファイバを含む光伝送モジュールを提供することが可能となる。
本実施形態に係わる光ファイバの縦断面を拡大した模式図である。 本実施形態に係わる光ファイバの横断面を拡大した模式図、及び、横断面の光の屈折率の分布イメージを示した模式図である。 本実施形態に係わる光伝送モジュールの概要の一例を示す模式図である。 本実施形態に係わる光伝送モジュールの詳細な構成の一例を示す模式図である。 本実施形態に係わる光ファイバの屈折率分布の詳細な構成の一例を示す模式図である。 （ａ）比較例に係わるＧＩ－ＰＯＦ：Plastic Optical Fiber）の一例を示す模式図である。（ｂ）比較例に係わるＳＩ－ＰＯＦの一例を示す模式図である。 比較例に係わるＨＰＣＦ（Hard Plastic Clad Silica Fiber）の一例の構成を示す斜視図である。
以下、本実施形態に係わる光ファイバ、及び、当該光ファイバを含む光伝送モジュールの一例について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の設置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示に限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。さらに、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる場合がある。
また、以下の実施形態及びその変形例には、同様の構成要素が含まれている場合があり、同様の構成要素には共通の符号を付与し、重複する説明を省略する。
（１）光ファイバ、及び、当該光ファイバを含む光伝送モジュールの構成の概要
図１及び図２を参照して光ファイバ１００の概要を説明する。また、図３を参照して光伝送モジュールの概要を説明する。
（１．１）光ファイバの概要
図１は、本実施形態に係わる光ファイバ１００のイメージを示す模式図である。光ファイバ１００の断面は同心円状に２重（２層）構造になっていることが好ましい。しかし、２層構造の中心軸は、必ずしも一致していなくともよい。例えば、第２コア部１０２の中心が第１コア部１０１の領域内にあればよい。光ファイバ１００の好ましくは同心円の内側にＧＩ（Graded Index Fiber）構造の第１コア部１０１が配置される。第１コア部１０１の外側にＳＩ（Step-Index Fiber）構造の第２コア部１０２が配置される。第１コア部１０１と第２コア部１０２によって上り光信号と下り光信号を光ファイバ１００内で空間分離可能とし、高速通信可能な光ファイバとする。
光ファイバ１００の直径は５００～１０００μｍであることが好ましいが、この値に限定されるわけではない。すなわち、光ファイバ１００の直径は５００μｍよりも細く、または、１０００μｍよりも太い構造であってもよい。第１コア部１０１に入射された光信号ｂ１は、ＧＩ構造の第１コア部１０１の内部の中心軸Ｃ１の周りに第１コア部１０１の側面の間を蛇行または直進して伝送される。第１コア部１０１の図示しない外周部にはクラッド層が形成される場合があり、光信号ｂ１は第１コア部１０１の内部に留まる。第２コア部１０２に入射された光信号ｂ２は、ＳＩ構造の第２コア部１０２の内部の中心軸Ｃ１の周りに第２コア部１０２の側面の間を反射して伝送される。第２コア部１０２の図示しない外周側および内周側にはクラッド層が形成され、光信号ｂ２は第２コア部１０２の内部に留まる。このように、上り光信号／下り光信号を光ファイバ１００内で空間分離することが可能となる。また、光ファイバ１００のコア部およびクラッド部の材質はプラスチック等の透明度が高く、光伝搬損失が低い部材で構成されることが好ましいが、プラスチックに限定されるわけではない。透明度が高く、光伝搬損失が低く、屈折率の制御が可能な任意の材料を光ファイバ１００のコア部およびクラッド部に採用することも可能である。また、第１コア部１０１と第２コア部１０２を異なる材料で構成することも可能である。
また、使用する光源は半導体発光素子を使用することにより、システム全体を小型化し、低消費電力化することが可能になる。例えば、光信号ｂ１には数Ｇｂｐｓ以上の高速信号を伝送可能な半導体発光素子を使用することが可能である。一例として、高周波数で動作可能な半導体発光素子にはＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）である垂直共振器面発光レーザを光信号ｂ１の光源として使用可能である。また、ＶＣＳＥＬを使用することで光学レンズ系の構成を比較的単純に形成することが可能になる場合がある。
また、例えば、光信号ｂ２にはＶＣＳＥＬよりも低速の数Ｍｂｐｓ程度の中速信号を伝送可能な半導体発光素子を使用することが可能である。一例として、中速信号を伝送可能な半導体発光素子にはＬＥＤ（light emitting diode）があり、光信号ｂ２の光源として使用可能である。これらの光源を使用することによって、上り光信号／下り光信号の光信号干渉を防ぎ、それぞれの伝送帯域に対応したコア特性を有するコアを光信号が伝搬することによって、帯域制限による信号減衰を防ぐことが可能な場合がある。なお、第１コア部１０１に第２コア部１０２で伝送される光信号ｂ１が混入する可能性は低い。
図２の上部は、図１に示される光ファイバ１００の横断面を模式的に示した図であり、図２の下部は、図１に示される光ファイバ１００の横断面の光の屈折率分布を模式的に示した概要図である。図２の上部および下部の各部分の寸法および屈折率の相対的な寸法関係および屈折率関係は、実際の光ファイバの相対的な寸法関係および屈折率関係とは異なる場合がある。
図２の上部は、図１に示される光ファイバ１００の横断面を模式的に示し、光ファイバ１００の中心領域にＧＩ構造の第１コア部１０１があり、第１コア部１０１の外周側にＳＩ構造の第２コア部１０２があることが示されている。また、図２の下部は、図２の上部の光ファイバ１００の横断面を直径方向に移動した場合に、光の屈折率値の変化を模式的に示した図である。屈折率の詳細については、図５において詳細に説明するが、図２の下部において、屈折率の変化の概要を示す。
第２コア部１０２はＳＩ構造を形成するコア部であり、第２コア部１０２の領域においては、屈折率が略一定であり、屈折率値は第１コア部１０１の屈折率値の最大値よりも大きい。第２コア部１０２の外周には、ＳＩ構造の外周に配置されるクラッド部があり、第２コア部１０２の内周には、ＳＩ構造の内周に配置されるクラッド部がある。第２コア部１０２の外周に配置されるクラッド部の屈折率値は略一定であり、第１コア部１０１の屈折率値の最大値よりも大きい。また、第２コア部１０２の内周に配置されるクラッド部の屈折率値は略一定であり、第１コア部１０１の屈折率値の最低値よりも小さい。
第１コア部１０１はＧＩ構造を形成し、屈折率分布は第１コア部１０１の中心軸に対して対称な曲面を有する。第１コア部１０１の領域には、ＧＩ構造の外周部のクラッド部が含まれてもよいし、含まれなくともよい。ＧＩ構造のコア部の屈折率分布は既知の技術であるために本明細書では詳細に説明しない。なお、第１コア部１０１および第２コア部１０２の材料は、全フッ素化ポリマー等のポリマーであってもよいが、本実施形態においては、これに限定されるわけではない。第１コア部１０１および第２コア部１０２の材料は、第１コア部１０１および第２コア部１０２を伝搬する光の伝送帯域の特性を満足する材料であることができる。
（１．２）光伝送モジュールの概要
図３は、図１の光ファイバ１００の両端に、ＦＯＴ（Fiber Optical Transceiver）を設けた光伝送モジュール３００の概要を示すイメージ図である。
第１コア部１０１を通過する光信号ｂ１によって高速伝送を可能にするために、光信号ｂ１の送信側に第１の送信ＦＯＴ部２００ａ１を配置する。また、第１コア部１０１を通過する光信号ｂ１によって高速伝送を可能にするために、光信号ｂ１の受信側に第１の受信ＦＯＴ部２００ｂ１を配置する。第１の送信ＦＯＴ部２００ａ１には発光素子とレンズ等の光学素子が含まれる。また、第１の受信ＦＯＴ部２００ｂ１には受光素子とレンズ等の光学素子が含まれる。第１の送信ＦＯＴ部２００ａ１および第１の受信ＦＯＴ部２００ｂ１の詳細については後述する。
第２コア部１０２を通過する光信号ｂ２によって中速または低速伝送を可能にするために、光信号ｂ２の送信側に第２の送信ＦＯＴ部２００ｂ２を配置する。また、第２コア部１０２を通過する光信号ｂ２によって中速または低速伝送を可能にするために、光信号ｂ２の受信側に第２の受信ＦＯＴ部２００ａ２を配置する。第２の送信ＦＯＴ部２００ｂ２には発光素子とレンズ等の光学素子が含まれる。また、第２の受信ＦＯＴ部２００ａ２には受光素子とレンズ等の光学素子が含まれる。第２の送信ＦＯＴ部２００ｂ２および第２の受信ＦＯＴ部２００ａ２の詳細については後述する。なお、第２の受信ＦＯＴ部２００ａ２は、光ファイバ１００の端面から広い角度に放射された光信号ｂ２を受光する様子を示すために、サイズを拡大して示している。また、第２の送信ＦＯＴ部２００ｂ２は、光ファイバ１００の端面に光源からの光信号ｂ２を集光する様子を示すために、サイズを拡大して示している。
本実施形態においては、一本の光ファイバ１００によって、双方向通信を可能にするための第１の送信ＦＯＴ部２００ａ１及び第２の受信ＦＯＴ部２００ａ２を総称して第１のＦＯＴ部２００ａと総称する場合がある。また、第１の受信ＦＯＴ部２００ｂ１及び第２の送信ＦＯＴ部２００ｂ２を総称して第２のＦＯＴ部２００ｂと総称する場合がある。したがって、第１のＦＯＴ部２００ａ及び第２のＦＯＴ部２００ｂは、それぞれ光ファイバ１００の両端で図示しない光ファイバコネクタに含まれる構成になる場合がある。
上述したように、第１の送信ＦＯＴ部２００ａ１には、例えば、数Ｇｂｐｓ以上の高速信号を伝送可能な半導体発光素子を使用することが可能である。一例として、高周波数で動作可能な半導体発光素子にはＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）である垂直共振器面発光レーザが挙げられる。また、上述したように、第２の送信ＦＯＴ部２００ｂ２には、例えば、ＶＣＳＥＬよりも低速の数Ｍｂｐｓ程度の中速信号を伝送可能な半導体発光素子を使用することが可能である。一例として、中速信号を伝送可能な半導体発光素子にはＬＥＤ（light emitting diode）が挙げられる。なお、それぞれの受光素子には、フォトダイオード、フォトトランジスタ等の受光半導体素子が挙げられる。また、それぞれの受光素子は、光信号ｂ１または光信号ｂ２の伝送レートに対応した伝送帯域を有する受光素子を使用することによって、最適なコストを有する光伝送モジュールを構成することが可能になる。
（２）光ファイバ、及び、光伝送モジュールの詳細
図５を参照して光ファイバ１００の詳細を説明する。また、図４を参照して光伝送モジュールの詳細を説明する。
（２．１）光ファイバの詳細
図５は光ファイバ１００の屈折率の分布状態の一例を示す図である。第１コア部１０１はＧＩ構造であり、第２コア部１０２はＳＩ構造であることはすでに説明した。すなわち、ＳＩ構造の光ファイバの中にＧＩ構造を保有する光ファイバによって、１本の光ファイバで２種類の信号を伝送することが可能になる。また、波長を分離して送受信できるＦＯＴを使用する場合には、光信号の波長の選択範囲を広げることが可能になる。なお、図５において、第１コア部１０１、第１クラッド部１０３ａ、第２クラッド部１０３ｂ、第１コア部１０１、第３クラッド部１０３ｃは、中心軸Ｃ１を囲むように形成される。しかし、便宜上、図５における前述した各領域は中心軸Ｃ１の半径方向部分だけを図示して説明する。
例えば、通信速度が非対称な伝送システムにおいて、ＧＩ構造を有する第１コア部１０１には光源としてＬＥＤ（λ＝６６０ｎｍ）を使用する場合が想定できる。また、ＳＩ構造を有する第２コア部１０２には光源としてＶＣＳＥＬ（λ＝８５０ｎｍのシングルモード発振）である垂直共振器面発光レーザを使用する場合を想定できる。第１コア部１０１および第２コア部１０２には、使用する光源である発光素子の波長に対して透過率が高い、例えば、透過率９０％以上の材料を選択して使用する。または、第１コア部１０１および第２コア部１０２の材料として選択した材料に対して透過率が高い、例えば、透過率９０％以上の波長を有する発光素子を選択して使用することも可能である。第１コア部１０１および第２コア部１０２の一例には、プラスチック等の樹脂、石英ガラス等のガラスが挙げられるが、これらの材料に限定されるわけではない。また、第１コア部１０１と第２コア部１０２とで、材料が異なっていてもよい。なお、第１コア部１０１及び第２コア部１０２は、フッ素化ポリマーが使用されてもよい。
以下の説明においては、第１コア部１０１はλ＝８５０ｎｍに対して、透過率９０％以上の材料を使用する。また、第２コア部１０２はλ＝６６０ｎｍに対して、透過率９０％以上の材料を使用する。ＧＩ構造の第１コア部１０１の光ファイバに対して開口数（ＮＡ）＝０．２またはそれ以上を目指す場合には、第１コア部１０１の比屈折率差Δは０．０１１１程度またはそれ以上に設定する必要がある。すなわち、図５のＧＩ構造の第１コア部１０１において、最も屈折率が高い部分と、最も屈折率が低い部分の屈折率の比を０．０１１１程度またはそれ以上に設定する必要があることを意味する。
また、石英系光ファイバにおいては、曲げに脆弱であり、切断・破断面から破片の危険性、光ファイバの接続に高精度が要求されることがあるので、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ：Plastic Optical Fiber）を中心に想定する。ＰＯＦは、樹脂の有する柔軟性によって、しなやかで折り曲げに強く、また、材料が安価であり、光ファイバの接続精度が石英系に比べて容易である。また、フッ素化ポリマーを使用することによって、石英系を上回る高速通信も可能になる。
上記点を踏まえ、第１コア部１０１の屈折率を１．３５０から１．３４２程度、第１コア部１０１の半径を２５μｍから５０μｍ程度で形成することが好ましい。第１コア部１０１の外周には第１コア部１０１の最外周と同程度の屈折率を有する厚さ０μｍから２．０μｍの図示しない第１クラッド部１０３ａを設けることが好ましい。以下、ＧＩ構造の第１コア部１０１及び第１クラッド部１０３ａによってＧＩ－ＰＯＦ構造が形成される場合を想定して説明する。
上述したように、第１コア部１０１の外周には第１コア部１０１の最外周と同程度の屈折率を有する厚さ０μｍから２．０μｍの図示しない第１クラッド部１０３ａを設けることが好ましい。第１クラッド部１０３ａの外周には、第１コア部１０１および第２コア部１０２を通過する光の波長に対して、ＧＩ構造およびＳＩ構造が機能するように、第２クラッド部１０３ｂを設ける。第２クラッド部１０３ｂと第１クラッド部１０３ａとの比屈折率差Δは、第１コア部１０１と第１クラッド部１０３ａとの比屈折率差Δの１／２以上とする。一例として、第２クラッド部１０３ｂと第１クラッド部１０３ａとの比屈折率差Δは、０．００５５以上とすることが好ましい。すなわち、第２クラッド部１０３ｂと第１コア部１０１の最外周部分との比屈折率差Δは、０．００５５以上とすることが好ましい。なお、第１クラッド部１０３ａは、第１コア部１０１の半径、及び、ガラスや樹脂等の材質によらずに、材質を変更する必要はない。
光ファイバ１００の偏心度を考慮して、第２クラッド部１０３ｂの厚さは２．０μｍから６．５μｍ程度であることが好ましい。第２クラッド部１０３ｂの厚さは、第１コア部１０１および第１クラッド部１０３ａの半径、及び、ガラスや樹脂等の材質によらずに、変更する必要はない。
第２クラッド部１０３ｂの外周には、第２コア部１０２及び第３クラッド部１０３ｃが形成され、これらによって、ＳＩ構造光ファイバが形成される。第３クラッド部１０３ｃの屈折率は、第１コア部１０１の屈折率より大きい必要がある。また、第３クラッド部１０３ｃと第２コア部１０２とを組み合わせたときの第２コア部１０２の開口数ＮＡは０．５以上になるように比屈折率差を決定する必要がある。一例として、第２コア部１０２の屈折率と第３クラッド部１０３ｃとの比屈折率差Δは０．０５５９以上とすることが好ましい。したがって、第２コア部１０２の屈折率は１．５５７以上、第２コア部１０２の半径は約２４５μｍから約５００μｍ程度で形成されることが好ましい。また、第３クラッド部１０３ｃの屈折率は１．３５程度とすることが好ましい。第３クラッド部１０３ｃの外周には光ファイバ１００の内部を保護するための保護材料が設けられてもよい。
光ファイバ１００に使用される材料は、室温から８５℃８５％の環境、または、１０５℃の環境に変化した場合において、当該材料の特性に変化が生じないことが好ましい。また、光ファイバ１００を曲げた場合に、ＳＩ－ＰＯＦ構造部の光はＧＩ構造部に抜けることが無いので、ＳＩ構造部を通過する光がＧＩ構造部へ混入することは無い。
上記の構造を有する光ファイバ１００によれば、光通信速度が非対称な通信システムにおいて、非対称な光通信速度を有する光信号を一本の光ファイバ１００によって、光信号間の干渉を発生させることなく、それぞれの光信号を適切に伝送することが可能になる。
また、上記の構造を有する光ファイバ１００によれば、光通信速度が非対称な通信システムにおいて、中・低速度の光信号が必要な光通信経路において、オーバースペックとなるような光通信経路を形成してしまうことがなくなる。したがって、光ファイバ及び通信システムのコストを低減することも可能になる。
さらに、上記の構造を有する光ファイバ１００によれば、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）通信を適切に使用することが可能になる。すなわち、光ファイバ１００によれば、空間的に波長を分離することができるので、波長フィルタを用いる必要がなくなり、コストを低減することができるだけではなく、選択する波長の範囲を広げることが可能になる。
さらに、上記の構造を有する光ファイバ１００によれば、選択する波長の範囲を広げることが可能になるので、低伝搬損失となる波長を選択することが可能になり、通信システムの信頼性を向上させることが可能になる。
（２．２）光伝送モジュールの詳細
図４は光伝送モジュール３００の機能ブロック図の一例を示す図である。
第１の発光素子２０ａから放射された光信号ｂ１は光学素子を介して光ファイバ１００の第１コア部１０１の中を直進、または、蛇行して光学素子を介して第１の受光素子２０ｂに入射される。また、第２の発光素子３０ｂから放射された光信号ｂ２は光学素子を介して光ファイバ１００の第２コア部１０２の中を反射して進み、光学素子を介して第２の受光素子３０ａに入射される。
最初に、第１の発光素子２０ａから放射された光信号ｂ１が光ファイバ１００の第１コア部１０１に入射される光路について説明する。（図３の光ファイバ１００の左側部分）
第１の発光素子２０ａから放射された光が入射する第１レンズ１１は、光を集光するレンズである。第１レンズ１１は、第１の発光素子２０ａと光ファイバ１００の端面との間に設けられ、第１の発光素子２０ａにより放射された光信号ｂ１を集光する。そして、第１レンズ１１は、集光した光信号ｂ１を光ファイバ１００の端面に出射し、光ファイバ１００の第１コア部１０１に集光した光信号ｂ１を入射させる。この場合に、光信号ｂ１は第２レンズ１２の中央に設けられた第２開口部１２ａを通過して、光ファイバ１００の第１コア部１０１に入射する。
次に、光ファイバ１００の第１コア部１０１から出射される、第１の発光素子２０ａから放射された光信号ｂ１が第１の受光素子２０ｂに入射される光路について説明する。（図３の光ファイバ１００の右側部分）
第１コア部１０１から出射された光信号ｂ１は、第３開口部１３ａを通過して、第４レンズ１４に入射する。第４レンズ１４は、光を集光するレンズである。第４レンズ１４は、第１の受光素子２０ｂと光ファイバ１００の他の端面との間に設けられ、第１の発光素子２０ａにより放射された光信号ｂ１を集光する。そして、第４レンズ１４は、集光した光信号ｂ１を第１の受光素子２０ｂの受光面に入射させる。第１の受光素子２０ｂの受光面に入射した光信号ｂ１は電気信号に変換される。なお、第３開口部１３ａは第３レンズ１３の略中央部に設けられ、第１コア部１０１から出射された光信号ｂ１を通過させる。
次に、第２の発光素子３０ｂから放射された光信号ｂ２が光ファイバ１００の第２コア部１０２に入射される光路について説明する。（図３の光ファイバ１００の右側部分）
第２の発光素子３０ｂから放射された光信号ｂ２は、第１の反射ミラー１５に入射し、第３レンズ１３方向に反射する。第１の反射ミラー１５は、例えば、平板状に形成され、光を反射する第１反射面１５ａと、第４開口部１５ｂとを有している。第４開口部１５ｂは、第１の反射ミラー１５の略中央に設けられている。第４開口部１５ｂには、第４レンズ１４が配置されている。第１の反射ミラー１５は、第１反射面１５ａが所定の角度を有して第２の発光素子３０ｂに対向して設けられ、第２の発光素子３０ｂから放射された光信号ｂ２を第３レンズ１３に向けて反射する。また、第１の反射ミラー１５は、上述したように、第１コア部１０１から出射された光信号ｂ１を第４開口部１５ｂに設けられた第４レンズ１４に入射させることで、当該光信号ｂ１が第１の受光素子２０ｂの受光面に集光するようにする。
第３レンズ１３は、光信号ｂ２の進行方向を変更しながら集光するレンズである。第３レンズ１３は、第４レンズ１４と光ファイバ１００との間に設けられ、第１の反射ミラー１５により反射された光信号ｂ２を第２コア部１０２に集光し、入射させる。また、第３レンズ１３は、第１コア部１０１から出射された光信号ｂ１を第３開口部１３ａに通すことで、当該光信号ｂ１が第３レンズ１３を通過し、第４レンズ１４に入射するようにする。なお、第２コア部１０２に入射する光信号ｂ２の入射角度及び入射位置は、第３レンズ１３の曲面、屈折率等のパラメータを適切に設計することにより任意の角度および位置にすることが可能である。すなわち、第２コア部１０２への光信号ｂ２の入射角度及び入射位置は、第３レンズ１３および第１の反射ミラー１５によって決定されることが可能である。
次に、光ファイバ１００の第２コア部１０２から出射される、第２の発光素子３０ｂから放射された光信号ｂ２が第２の受光素子３０ａに入射される光路について説明する。（図３の光ファイバ１００の左側部分）
光ファイバ１００の第２コア部１０２から出射される光信号ｂ２は第２レンズ１２に入射し、第２レンズ１２は光信号ｂ２の進行方向を変更しながら第２の反射ミラー１６に光信号ｂ２を集光する。第２レンズ１２は、第１レンズ１１と光ファイバ１００との間に設けられ、第２コア部１０２から出射された光信号ｂ２を第２の反射ミラー１６に集光し、入射させる。第２の反射ミラー１６は、光を反射するミラーである。第２の反射ミラー１６は、例えば、平板状に形成され、光を反射する第２反射面１６ａと、第１開口部１６ｂとを有している。第１開口部１６ｂは、第２の反射ミラー１６の略中央に設けられている。第１開口部１６ｂには、第１レンズ１１が配置されている。第２の反射ミラー１６は、第２反射面１６ａが所定の角度を有して第２の受光素子３０ａに対向して設けられ、光信号ｂ２が第２の受光素子３０ａの受光面に集光する。
第１支持部１７は、第２の反射ミラー１６及び第２レンズ１２を支持し、第２支持部１８は、第３レンズ１３及び第１の反射ミラー１５を支持する。
以上のような構成によれば、第１コア部１０１を通過する光信号ｂ１を送受信し、第２コア部１０２を通過する光信号ｂ２を送受信する光伝送モジュールを構成することが可能になる。例えば、第１コア部１０１を通過する光信号ｂ１の伝送方向と、第２コア部１０２を通過する光信号ｂ２の伝送方向とが異なる双方向の光伝送モジュールを構成することが可能になる。
（変形例１）
上記実施形態における説明では、第１コア部１０１の信号の伝送速度を１Ｇｂｐｓ程度または１Ｇｂｐｓ以上にするために、第１の発光素子２０ａとしてＶＣＳＥＬを利用する場合を中心に説明したが、第１の発光素子２０ａはＶＣＳＥＬに限定されるわけではない。例えば、ギガＨｚ帯の周波数帯域を有するレーザであれば任意のレーザを第１の発光素子２０ａとして使用することも可能な場合がある。また、第２の発光素子３０ｂとしてＬＥＤを利用する場合を中心に説明したが、第２の発光素子３０ｂはＬＥＤに限定されるわけではない。例えば、メガＨｚ帯の周波数帯域を有する発光素子であれば任意の発光素子を第２の発光素子３０ｂとして使用することも可能な場合がある。
（変形例２）
上記の実施形態において、第１コア部１０１について、ＧＩ構造のマルチモード光ファイバであることを中心に説明した。しかし、第１コア部１０１は、ＧＩ構造のマルチモード光ファイバに限定されるわけではない。例えば、第１コア部１０１は、シングルモード光ファイバであってもよい。この場合に、第２コア部１０２は、ＳＩ構造のマルチモード光ファイバであることが好ましい。第１コア部１０１が、シングルモード光ファイバである場合にも、第１コア部１０１の信号の伝送速度を、第２コア部１０２の信号の伝送速度よりも速くすることが可能になる。
（比較例）
図６（ａ）は比較例に係わるＧＩ－ＰＯＦ構造の一本の光ファイバの一例を示す模式図であり、図６（ｂ）は比較例に係わるＳＩ－ＰＯＦ構造の一本の光ファイバの一例を示す模式図である。図７は比較例に係わるＨＰＣＦ（Hard Plastic Clad Silica Fiber）構造の一本の光ファイバの一例を示す模式図である。
最初に、図６（ａ）のＧＩ－ＰＯＦ構造の一本の光ファイバについて説明する。図６（ａ）のＧＩ構造は、光ファイバのコアの中心部の屈折率が最も大きく、光ファイバの外周側に行くにつれて非線形に屈折率が低減する。屈折率が大きいコアの中心部を進む光は、屈折率が小さいコアの周辺部を進む光よりも遅く進み、屈折率が小さいコアの周辺部を進む光は、屈折率が大きいコアの中心部を進む光よりも速く進む。したがって、光のモード間の到達時間差を低減することが可能になるので、伝送帯域は、図６（ｂ）のＳＩ－ＰＯＦに比べて広げられる。その結果、ＧＩ－ＰＯＦはＳＩ－ＰＯＦに比べて伝送帯域が広く、高速通信を実行可能な構造を実現することが可能になる。一例として、ＧＩ－ＰＯＦにおいて伝送される光信号の伝送レートは数Ｇｂｐｓ以上を達成可能である場合がある。
また、上述したように、ＳＩ－ＰＯＦの場合には、光のモード間の到達時間差がＧＩ－ＰＯＦよりも大きく、光ファイバの終端へ到達する時間が異なるために、伝搬光パルスの幅が広がり、光パルスが高速になると、前後のパルスの分離が難しくなる場合がある。したがって、ＳＩ－ＰＯＦはＧＩ－ＰＯＦに比べて伝送帯域が狭いので、中・低速通信を実行可能な構造に適した構造となり得る。一例として、ＳＩ－ＰＯＦにおいて伝送される光信号の伝送レートは数Ｍｂｐｓから数十Ｍｂｐｓを達成可能である場合がある。
図７のＨＰＣＦ構造の一本の光ファイバの一例であり、コア部２１が石英ガラス、クラッド部２２が低屈折率・高硬度プラスチック樹脂、被覆材２３が強度を高めるフッ素系樹脂等から構成されている光ファイバである。ガラス製光ファイバーケーブルに比較して、コア部が大口径なので、光源との結合やファイバ間の接続の際に高い位置決め精度を要求されることが無く、取り扱いが容易である。一例として、ＨＰＣＦにおいて伝送される光信号の伝送レートは数百Ｍｂｐｓを達成可能である場合がある。
上述したように、ＧＩ－ＰＯＦ、ＳＩ－ＰＯＦ、ＨＰＣＦのそれぞれにおいて、伝送帯域は上述したように概略決定されている。したがって、上り信号と下り信号の伝送速度が異なる伝送システムにおいて課題が発生する。例えば、上り信号が数Ｍｂｐｓ程度、下り信号が数Ｇｂｐｓ程度以上である一般の非対称双方向通信では、上記光ファイバでは信頼性の高い伝送システムを一本の光ファイバで適切に構築することが困難である。ＳＩ－ＰＯＦでは伝送帯域が不足し、下り信号を伝送できない状況も発生する。ＧＩ－ＰＯＦ、ＨＰＣＦでは、上述した上り信号および下り信号を伝送することは可能であるが、上り信号と下り信号との間に干渉を発生させずに、信頼性の高い伝送システムを構築するためには、２本の光ファイバが必要となる。また、２本の光ファイバの両端にＦＯＴが必要となり、伝送システムの複雑化、高コスト化が想定される。
しかし、本実施形態の光ファイバおよび光伝送システムによれば、ＳＩ構造光ファイバの中にＧＩ構造光ファイバを適切に設計・配置した光ファイバの両端に波長を分離して送受信できるＦＯＴを設けることで、上記課題を解決することが可能になる。
以下に、本実施形態に係わる光ファイバ１００および光ファイバ１００を含む光伝送モジュール３００の特徴について記載する。
本開示の第１の態様に係わる光ファイバ１００は、光を伝搬可能な第１コア部１０１と、第１コア部１０１の外周に第１コア部１０１と異なる構造で形成され、当該光とは異なる他の光を伝搬可能な第２コア部１０２と、を含むことが好ましい。第２コア部１０２は第１コア部１０１の外周を囲んで形成され、第２コア部１０２の中心は第１コア部１０１の領域内に位置することが好ましい。
上記構成によれば、複数の異なる特性を有するコア部を適切に配置し、上下光信号の干渉を適切に低減した高速通信が可能となる。
本開示の第２の態様に係わる光ファイバ１００の第２コア部１０２の光の屈折率は、第１コア部１０１の光の屈折率よりも大きいことが好ましい。
上記構成によれば、複数の異なる特性を有するコア部を適切に配置し、コア部の間で上下光信号の干渉を適切に低減することが可能となるので、信頼性の高い高速通信を達成することが可能となる。
本開示の第３の態様に係わる光ファイバ１００は、第１コア部１０１の最外周の光の屈折率よりも小さい光の屈折率を有する第２クラッド部１０３ｂを、第１コア部１０１の最外周と第２コア部１０２の最内周との間に形成することが好ましい。
上記構成によれば、異なる特性を有するコア部を適切に配置し、内周側のコア部と外周側のコア部の間に適切な屈折率を有するクラッド部を設けるので、上下光信号間の干渉を適切に低減することが可能となり、信頼性の高い高速通信を達成することが可能となる。
本開示の第４の態様に係わる光ファイバ１００の第２コア部１０２の外周には、第２コア部１０２の光の屈折率よりも小さく、第１コア部１０１の最大の光の屈折率よりも大きい光の屈折率を有する第３クラッド部１０３ｃが形成されることが好ましい。
上記構成によれば、異なる特性を有するコア部を適切に配置し、外周側のコア部のさらに外周に適切な屈折率を有するクラッド部を設けるので、外周側のコア部の内部において適切に光信号を反射させることが可能となる。したがって、信頼性の高い高速通信を達成することが可能となる。
本開示の第５の態様に係わる光ファイバ１００の第１コア部１０１はＧＩ（Graded Index Fiber）構造のコア部を含み、第２コア部１０２はＳＩ（Step-Index Fiber）構造のコア部であることが好ましい。
上記構成によれば、ＳＩ構造のコア部をＧＩ構造のコア部の外周に配置するので、光ファイバを曲げた場合にも、ＳＩ構造のコア部を通過する光が、ＧＩ構造のコア部へ混入する可能性を低減することが可能になる。その結果、当該光ファイバにおいて信頼性の高い光通信を達成することが可能になる。
本開示の第６の態様に係わる光ファイバ１００の第１コア部１０１と第２クラッド部１０３ｂとの間には、以下の構成の第１クラッド部１０３ａが形成されることが好ましい。第１クラッド部１０３ａは、第１コア部１０１の最外周の光の屈折率を有し、厚さが０μｍよりも大きい値から２．０μｍ以下の値を有することが好ましい。
上記構成によれば、第１コア部１０１にＧＩ構造のコア部を適切に配置することが可能になり、第１コア部１０１において数Ｇｂｐｓ以上の高速通信を容易に達成することが可能になる。
本開示の第７の態様に係わる光ファイバ１００の第１コア部１０１の最外周の光の屈折率と第２クラッド部１０３ｂの光の屈折率との比屈折率差は、第１コア部１０１のＧＩ構造の最大屈折率と最小屈折率との比屈折率差の１／２以上であることが好ましい。
第１コア部１０１をＧＩ構造、第２コア部１０２をＳＩ構造とみなすためには、第１コア部１０１のＧＩ構造の最大屈折率と最小屈折率との比屈折率差の１／２以上の比屈折率差を有する第２クラッド部が必要とされる。したがって、上記構成によれば、第１コア部１０１をＧＩ構造、第２コア部１０２をＳＩ構造とみなすための一部の条件を満たすことが可能になる。
本開示の第８の態様に係わる光ファイバ１００の第２コア部１０２の光の屈折率と、第１コア部１０１の最大の光の屈折率との比屈折率差は、０．０５５９以上であることが好ましい。
上記構成によれば、第２コア部１０２をＳＩ構造としたプラスチック光ファイバにおいて、第２コア部１０２の屈折率を適切に選択することによって、第２コア部１０２の開口数を０．５程度もしくはそれ以上とすることが可能になる。例えば、上記構成において、第２コア部１０２の屈折率を１．５５７程度とすることによって、第２コア部１０２の開口数を０．５程度もしくはそれ以上とすることが可能になる。
本開示の第９の態様に係わる光ファイバ１００の第１コア部１０１を伝搬する光の波長領域、及び、第２コア部１０２を伝搬する他の光の波長領域は光通信で使用される波長領域であることが好ましい。第２コア部１０２を伝搬する他の光の波長は第１コア部１０１を伝搬する光の波長よりも短く、当該光はコヒーレント光であり、当該他の光は非コヒーレント光であることが好ましい。
上記構成によれば、上りの信号と下りの信号の伝送速度が異なる通信システムにおいて、ＳＩ構造の中にＧＩ構造を有する一本の光ファイバによって、適切、且つ、安価に双方向通信を実行することが可能になる。例えば、第１コア部を伝搬する高速な光の光源に適切なレーザ光源を選択し、第２コア部を伝搬する低・中速な光通信の光源に適切なＬＥＤ光源を選択できるので、伝送速度の違いに対応したシステムを安価に構築することが可能になる。さらに、一例として、レーザ光源の波長を８５０ｎｍとし、ＬＥＤ光源の波長を６６０ｎｍとすれば、安価な市販品を使用して信頼性の高いシステムを構築することが可能になる。
本開示の第１０の態様に係わる光伝送モジュール３００は、第１の態様から第９の態様のいずれかの光ファイバ１００と、光ファイバ１００の第１コア部１０１を伝搬する光の第１の発光素子２０ａ及び第１の受光素子２０ｂとを含むことが好ましい。また、光伝送モジュール３００は、光ファイバ１００の第２コア部１０２を伝搬する他の光の第２の発光素子３０ｂ及び第２の受光素子３０ａと、を含むことが好ましい。
上記構成によれば、上りの信号と下りの信号の伝送速度が異なる通信システムにおいて、ＳＩ構造の中にＧＩ構造を有する一本の光ファイバによって、適切に双方向通信を実行することが可能になる。
上記いずれの構成によっても、複数の異なるコアを適切に配置し、コアを伝送する光の特性をコアの特性に対して適切に選択することによって、上下光信号の伝送速度を適切に設定することが可能な光ファイバ及び光伝送モジュールを実現することが可能になる。
（実施形態の補足）
上述した実施形態の説明に用いたブロック構成図は、機能単位のブロックを示している。各機能ブロックを実現する方法は、特に限定されない。例えば、各機能ブロックは、物理的または論理的に結合した１つのデバイスを用いて実現されてもよいし、物理的または論理的に分離した２つ以上のデバイスを直接的または間接的に接続し、これら複数のデバイスを用いて実現されてもよい。
本明細書で説明した各態様、変形例／実施形態の処理手順、シーケンス、フローチャート等は、矛盾の無い限り、順序を入れ替えてもよい。例えば、本開示において説明した方法については、例示的な順序を用いて様々なステップの要素を提示しており、提示した特定の順序に限定されない。
また、本開示において説明した情報、パラメータなどは、絶対値を用いて表されてもよいし、所定の値からの相対値を用いて表されてもよいし、対応する別の情報を用いて表されてもよい。
上述したパラメータに使用する名称はいかなる点においても限定的な名称ではない。さらに、これらのパラメータを使用する数式等は、本開示で明示的に開示したものと異なる場合もある。様々な名称は、いかなる点においても限定的な名称ではない。
「接続された(connected)」、「結合された(coupled)」という用語、又はこれらのあらゆる変形は、２又はそれ以上の要素間の直接的又は間接的なあらゆる接続又は結合を意味する。また、互いに「接続」又は「結合」された２つの要素間に１又はそれ以上の中間要素が存在することを含むことができる。要素間の結合又は接続は、物理的なものであっても、論理的なものであっても、或いはこれらの組み合わせであってもよい。
本開示において使用する「第１の」、「第２の」、「第１」、「第２」などの呼称を使用した要素へのいかなる参照も、それらの要素の量又は順序を全般的に限定しない。これらの呼称は、２つ以上の要素間を区別する便利な方法として本開示において使用され得る。したがって、第１及び第２の要素への参照は、２つの要素のみが採用され得ること、又は何らかの形で第１の要素が第２の要素に先行しなければならないことを意味しない。
上記の各装置の構成における「部」を、「手段」、「デバイス」等に置き換えてもよい。
本開示において、「含む（include）」、「含んでいる（including）」及びそれらの変形が使用されている場合、これらの用語は、用語「備える（comprising）」と同様に、包括的であることが意図される。さらに、本開示において使用されている用語「又は（or）」は、排他的論理和ではないことが意図される。
本開示において、例えば、英語でのa,an及びtheのように、翻訳により冠詞が追加された場合、本開示は、これらの冠詞の後に続く名詞が複数形であることを含んでもよい。
本開示において、「ＡとＢが異なる」という用語は、「ＡとＢが互いに異なる」ことを意味してもよい。なお、当該用語は、「ＡとＢがそれぞれＣと異なる」ことを意味してもよい。「離れる」、「結合される」などの用語も、「異なる」と同様に解釈されてもよい。
本開示において説明した各態様／実施形態は単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよいし、実行に伴って切り替えて用いてもよい。
実施形態につき、図面を参照して詳細に説明したが、以上の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、上記に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、上記に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
１１ 第１レンズ
１２ 第２レンズ
１３ 第３レンズ
１４ 第４レンズ
１５ 第１の反射ミラー
１６ 第２の反射ミラー
２０ａ 第１の発光素子
２０ｂ 第１の受光素子
３０ａ 第２の受光素子
３０ｂ 第２の発光素子
１００ 光ファイバ
１０１ 第１コア部
１０２ 第２コア部
１０３ａ 第１クラッド部
１０３ｂ 第２クラッド部
１０３ｃ 第３クラッド部
３００ 光伝送モジュール

Claims (8)

  1. 光を伝搬可能な第１コア部と、
    前記第１コア部の外周に前記第１コア部と異なる構造で形成され、前記光とは異なる他の光を伝搬可能な第２コア部と、を含み、
    前記第２コア部は前記第１コア部の外周を囲んで形成され、前記第２コア部の中心は前記第１コア部の領域内に位置し、
    前記第２コア部の光の屈折率は、前記第１コア部の光の屈折率よりも大きく、
    前記第２コア部の外周には、前記第２コア部の光の屈折率よりも小さく、前記第１コア部の最大の光の屈折率よりも大きい光の屈折率を有する第３クラッド部が形成され、
    前記第２コア部と前記第３クラッド部とは、前記第２コア部の開口数が０．５以上になる比屈折率差を生じる光の屈折率を有する光ファイバ。
  2. 前記第１コア部の最外周の光の屈折率よりも小さい光の屈折率を有する第２クラッド部を、前記第１コア部の最外周と前記第２コア部の最内周との間に形成する請求項１に記載の光ファイバ。
  3. 前記第１コア部はＧＩ（Graded Index Fiber）構造のコア部を含み、前記第２コア部はＳＩ（Step-Index Fiber）構造のコア部である請求項１または請求項２に記載の光ファイバ。
  4. 前記第１コア部と前記第２クラッド部との間には、前記第１コア部の最外周の光の屈折率を有し、厚さが０μｍよりも大きい値から２．０μｍ以下の値を有する第１クラッド部が形成される請求項２に記載の光ファイバ。
  5. 前記第１コア部の最外周の光の屈折率と前記第２クラッド部の光の屈折率との比屈折率差は、前記第１コア部のＧＩ構造の最大屈折率と最小屈折率との比屈折率差の１／２以上である請求項２または請求項４に記載の光ファイバ。
  6. 前記第２コア部の光の屈折率と、前記第１コア部の最大の光の屈折率との比屈折率差は、０．０５５９以上である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光ファイバ。
  7. 前記第１コア部を伝搬する光の波長領域、及び、前記第２コア部を伝搬する他の光の波長領域は光通信で使用される波長領域であり、前記第２コア部を伝搬する前記他の光の波長は前記第１コア部を伝搬する前記光の波長よりも短く、前記光はコヒーレント光であり、前記他の光は非コヒーレント光である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光ファイバ。
  8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の光ファイバと、
    前記光ファイバの前記第１コア部を伝搬する光の第１の発光素子、及び、第１の受光素子と、
    前記光ファイバの前記第２コア部を伝搬する他の光の第２の発光素子、及び、第２の受光素子と、を含む光伝送モジュール。
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