JPWO2014080953A1 - 光導波路、光ファイバケーブル、および光モジュール - Google Patents
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Abstract
本発明は、複数のコア11と、クラッド12等を備えた光導波路に関する。当該光導波路は、同一構造の隣接コアの組合せ141、142を有する。同一構造の隣接コアは、該隣接コアの中心間を結ぶ第1コア間線分と曲げ容易方向とのなす鋭角の第1角度が30度未満となるよう、望ましくは、前期第1コア間線分と前期曲げ容易方向とが平行となるよう、配置されている。本発明によれば、コア間クロストークを低く保ちつつコア密度を向上させることができる。
Description
本発明は、光導波路、光ファイバケーブル、および光モジュールに関し、特に、光導波路はマルチコア光ファイバ(以下、光ファイバという)、マルチコア光導波路(以下、単に光導波路という)を含む。
複数のコアを共通のクラッド内に有する光ファイバ及び光導波路では、コア間クロストークが小さいことが要求され、また、コア密度(ファイバ断面積当たりのコア数)が大きいことが要求される。コア間クロストークは、コア間隔が小さい方が大きく、また、コア間で位相が整合している(コア間の実効屈折率差が小さい)方が大きくなる。しかし、同種コア型光ファイバや、一定曲げ半径以下の曲げが付与された異種コア型光ファイバでは、曲げと捻れに起因してコア間で位相整合が起こってしまい、コア間隔を大きくしないとクロストークを小さくすることができない。また、異種コア型光ファイバにおいて、小さな曲げ半径でも曲げと捻れに起因する位相整合が起こらないようにするためには、異種コア同士のコア構造を大きく異ならせる必要がある。なお、関連技術としては、以下の特許文献1、非特許文献1が知られている。
Proc. of SPIE, 2012, vol.8284, p.82840I-1〜I-8.
発明者は、上述の従来技術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、従来の光ファイバは、コア間クロストークを低く保ちつつコア密度を更に向上させる(コア間隔を短くする)ことは困難である。光ファイバを内蔵する光ファイバケーブルも、同様の課題を有している。
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、コア間クロストークを低く保ちつつコア密度を向上させるための構造を備えた光ファイバ、該光ファイバを含む光ファイバケーブル、光導波路、および光モジュールを提供することを目的としている。
本発明に係る光導波路は、複数のコアと、複数のコアそれぞれを覆うクラッドと、複数のコアの一方の端面が配置された第1面と、複数のコアの他方の端面が配置された第2面と、を備え、複数のコアそれぞれが所定の軸方向に沿って第1面から前記第2面に向かって延在している。また、この構成において、複数のコアは、2つの隣接するコアの組合せである第1コア組合せを含む。第1コア組合せは、第1コア組み合わせに属する2つのコアの一部または全長に亘って、所定の軸方向に垂直な断面内の特定方向に曲げ容易方向を有するか、または前記特定方向に曲げられている。第1コア組合せに属する2つのコアは、同一のコア構造を有する。さらに、第1コア組合せに属する2つのコアは、2つのコアの中心間を結ぶ第1コア間線分と特定方向とのなす鋭角の第1角度が30度未満となるよう、配置されている。なお、クラッドはコアよりも低い屈折率を有してもよいが、当該光ファイバ(マルチコア光ファイバ)は、フォトニックバンドギャップファイバ(PBGF)でもよく、クラッドの屈折率は、コアよりも低い屈折率には限定されない。また、複数のコアとクラッドは石英ガラスからなる。
本発明に係る光ファイバは、第1の態様として、それぞれが、所定方向(ファイバ長手方向)に延在する複数のコアを覆う一またはそれ以上のクラッドと、クラッドそれぞれを覆った被覆と、を備える。この第1の態様において、所定方向に直交する当該光ファイバの断面のうち被覆で占められた領域により規定される二次元図形が2回以下の回転対称性(rotational symmetry of order two or less)を有し、係る断面構造を有する被覆を備えた当該光ファイバは、その断面上における特定の曲げ方向(曲げ容易方向)に対して他の方向よりも曲がり易い構造を有する。すなわち、光ファイバの断面構造が所定方向に直交する断面上で、円対称ではなく、1回または2回の回転対称性を有し、3回以上の回転対称性を有さないことにより、当該光ファイバは、所定方向に直交する断面上での曲げ容易方向にのみ特異的に曲がり易くなる。また、当該光ファイバの断面において、クラッドそれぞれは、隣接する2つのコアの中心間を結ぶ第1コア間線分と曲げ容易方向の成す鋭角が30度未満となる第1角度条件を満たす第1のコア組合せを1つ以上有する。更に、第1角度条件を満たす第1のコア組合せの全てにおいて、隣接する2つのコアは同一構造を有する。
上記第1の態様に適用可能な第2の態様として、第1角度条件は、第1コア間線分と曲げ容易方向と成す鋭角が5度未満であるのが好ましい。また、上記第1および第2の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第3の態様として、クラッドのうち少なくとも何れかは、当該光ファイバの断面において、隣接する2つのコアの中心間を結ぶ第2コア間線分が曲げ容易方向と直角に、または、30度以上の鋭角で交差する第2角度条件を満たす第2のコア組合せを更に有してもよい。この第3の態様では、第2角度条件を満たす第2のコア組合せにおいて、隣接する2つのコアは異なる構造を有してもよい。
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、クラッドのうち少なくとも何れかは、当該光ファイバの断面において、同一構造を有する2つのコアの中心間を結ぶ第3コア間線分が曲げ容易方向と直角に、または、30度以上の鋭角で交差する第3角度条件を満たす第3のコア組合せを更に有してもよい。この第4の態様では、少なくとも第1のコア組合せと第3のコア組合せを有するクラッドにおいて、第3のコア組合せにおける第3コア間線分の最小長は、第1のコア組合せにおける第1コア間線分の最大長よりも大きいのが好ましい。
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、被覆は、樹脂であるのが好ましく、該被覆とは別に、金属、炭素などのコーティングがファイバの外周面上に施されてもよい。また、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、当該光ファイバの断面において、被覆の断面が該被覆の外周により囲まれた領域として規定されるとき、被覆の断面は、2回以下の回転対称性を有するとともに、曲げ容易方向に沿った被覆の厚みまたは長さに関する外側サイズが最も短くなる形状を有するのが好ましい。すなわち、この第6の態様において、被覆は、所定方向(ファイバ長手方向)に垂直な断面上で、円対称ではなく、1回または2回の回転対称性を有し、3回以上の回転対称性を有さず、かつ、被覆径が最も短い方向が曲げ容易方向となる断面形状を有するのが好ましい。また、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、当該光ファイバの断面において、クラッドそれぞれの断面が当該クラッドの外周により囲まれた領域として規定されるとき、クラッドのうち少なくとも何れかの断面は、2回以下の回転対称性を有するとともに、曲げ容易方向に沿ったクラッド径が最も短くなる形状を有するのが好ましい。すなわち、この第7の態様において、何れかのクラッドは、所定方向(ファイバ長手方向)に垂直な断面上で、円対称ではなく、1回または2回の回転対称性を有し、3回以上の回転対称性を有さず、かつ、クラッド径が最も短い方向が曲げ容易方向となるのが好ましい。なお、光ファイバの被覆の「長さに関する外側サイズ」とは、光ファイバの長手軸に直交する断面上での被覆の外周を1つの図形と考えたときに、当該図形の重心を通る直線と当該図形の外周とが交わる2点間の距離とする。当該図形に対する直線の角度を変化させると「外側サイズ」は変化し得る。外周形状が複雑なために、当該図形に対する直線の角度がある角度をとるときに、当該図形の重心を通る直線と当該図形の外周との交点が3つ以上ある場合は、最も離れた2つの交点間の距離を「外側サイズ」とする。ここで、「重心」は、あくまでも図形としての重心であって、光ファイバ長手軸に直交する断面上での被覆を光ファイバの重心ではない(すなわち、光ファイバの材質の密度を考慮したものではない)。
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、当該光ファイバの断面において、クラッドそれぞれの断面が当該クラッドの外周により囲まれた領域として規定されるとき、クラッドのうち少なくとも何れかの断面は、2回以下の回転対称性を有するとともに、当該光ファイバの断面において、クラッドは、曲げ容易方向に直交する方向に配列されているのが好ましい。すなわち、この第8の態様において、所定方向(ファイバ長手方向)に垂直な断面上で、何れかのクラッドは円対称ではなく、又は、クラッドの配置は、円対称ではなく、1回または2回の回転対称性を有し、かつ3回以上の回転対称性を有さない。曲げ容易方向に直交する方向に沿ってクラッドが配列される場合、クラッドに含まれる部分の長さの和が最も長くなる直線に垂直な方向が曲げ容易方向となる。換言すれば、所定方向(ファイバ長手方向)に垂直な断面上で、周の長さが最も短くなるように全てのクラッドを包んだ閉曲線(被覆の外周を規定する線)内側の領域幅が最も短くなる方向が、曲げ容易方向となる。
また、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、当該光ファイバは、被覆内において所定方向(ファイバ長手方向)に沿って伸び、被覆よりも高いヤング率を有する一またはそれ以上の曲げ方向制御部(例えば、コアを含まない追加剛性部材)を備えてもよい。一方、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10の態様として、クラッドそれぞれと被覆は、同一の樹脂材料で構成されてもよい。この場合、当該光ファイバは、クラッドそれぞれと被覆が一体化された樹脂領域内において所定方向(ファイバ長手方向)に沿って伸び、同一の樹脂材料よりも高いヤング率を有する一またはそれ以上の曲げ方向制御部を備えてもよい。
なお、上記第9または第10の態様に適用可能な第11の態様として、当該光ファイバの断面において、曲げ方向制御部は、曲げ容易方向に直交する方向に配列されているのが好ましい。また、上記第9の態様に適用可能な第12の態様として、曲げ制御部それぞれは、クラッドそれぞれと同等か高いヤング率を有し、曲げ制御部とクラッドは、曲げ容易方向に直交する方向に配列されてもよい。
更に、第13の態様として、本発明に係る光ファイバケーブルは、上述のような構造を有する光ファイバ(本発明に係る光ファイバ)を内蔵する光ファイバケーブルである。当該光ファイバケーブルにおいて、光ファイバは、その全長に亘って曲げを付与された状態でケーブル内に保持されている。なお、上記第13の態様に適用可能な第14の態様として、光ファイバには、曲げ半径10cm〜10mの曲げがその全長に亘って付与されているのが好ましい。
第15の態様として、本発明に係る光導波路(マルチコア光導波路)は、複数のコアと、これら複数のコアを覆ったクラッドと、を備える。当該光導波路において、クラッドは、複数のコアそれぞれの一方の端面が配置された第1入出力面と、複数のコアそれぞれの他方の端面が配置された第2入出力面と、を有する。また、複数のコアそれぞれは、その中心軸が真っ直ぐに伸びるとともに一方の端面を含む第1直線部分と、その中心軸が真っ直ぐに伸びるとともに他方の端面を含む第2直線部分と、第1直線部分と第2直線部分の間に位置するとともにその中心軸が15mm以下の曲率半径で曲げられた曲げ部を有する。複数のコアそれぞれにおいて、第1直線部分の中心軸と第2直線部分の中心軸の成す角度は、58度以上である。特に、この第15の態様において、複数のコアそれぞれの中心軸に直交し、かつ、複数のコアの曲げ部を含むクラッドの断面上で、隣接する2コアの中心間を結ぶ第1コア間線分と曲率半径と一致する方向の成す鋭角が30度未満となる第1角度条件を満たす第1のコア組合せが1つ以上存在する。このとき、第1角度条件を満たす第1のコア組合せ全てにおいて、隣接する2コアは同一構造を有する。
上記第15の態様に適用可能な第16の態様として、複数のコアそれぞれにおける曲げ部において、その中心軸は10mm以下の曲率半径で曲げられているのが好ましい。上記第15の態様に適用可能な第17の態様として、複数のコアそれぞれにおける曲げ部において、その中心軸は7.5mm以下の曲率半径で曲げられているのが好ましい。上記第15の態様に適用可能な第18の態様として、複数のコアそれぞれにおける曲げ部において、その中心軸は5mm以下の曲率半径で曲げられているのが好ましい。更に、上記第15の態様に適用可能な第19の態様として、第1角度条件は、第1コア間線分と曲率半径に一致する方向の成す鋭角が5度未満であるのが好ましい。
なお、上記第15〜第19の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第20の態様として、クラッドの断面において、隣接する2つのコアの中心間を結ぶ第2コア間線分が曲率半径に一致する方向と直角に、または、30度以上の鋭角で交差する第2角度条件を満たす第2のコア組合せが更に存在し、該第2角度条件を満たす第2のコア組合せにおいて、隣接する2つのコアが異なる構造を有してもよい。また、上記第15〜第20の態様のうち少なくとも何れかの態様に適用可能な第21の態様として、クラッドの断面において、同一構造を有する2つのコアの中心間を結ぶ第3コア間線分が曲率半径に一致する方向と直角に、または、30度以上の鋭角で交差する第3角度条件を満たす第3のコア組合せが更に存在してもよい。この場合、少なくとも第1のコア組合せと第3のコア組合せが存在するクラッドの断面において、第3のコア組合せにおける第3コア間線分の最小長は、第1のコア組合せにおける第1コア間線分の最大長よりも大きいのが好ましい。
更に、第21の態様として、本発明に係る光モジュールは、上記第15〜第20の態様のうち何れかの態様に係る光導波路と、光入出力端を有する光電子部品とが一体化された構造を備えるのが好ましい。この場合、光導波路の第1面上に配置された、複数のコアそれぞれの一方の端面が光電子部品の光入出力端と光学的に結合する。
本実施形態に係る光ファイバ、光ファイバケーブル、光導波路、および光モジュールは、コア間クロストークを低く保ちつつコア密度を向上させることができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
先ず、光ファイバのコア間クロストークの統計平均値(以下、単にクロストークという。)と曲げ半径との関係について説明する。コア間のパワー結合係数が大きいほど、コア間クロストークは大きい。また、コア間のパワー結合係数は、各コアの電界分布の重なりの大きさ、および、コア間の位相整合の大きさに依存する。すなわち、各コアの電界分布の重なりが大きいほど、また、コア間の位相整合が大きいほど、コア間のパワー結合係数は大きくなり、コア間クロストークは大きい。
図1(A)および図1(B)は、クロストークと曲げ半径との関係の一例を示すグラフである。特に、図1(A)は、隣り合う2つのコア構造が互いに異なる場合の関係を示し、図1(B)は、隣り合う2つのコア構造が互いに等しい場合の関係を示す。なお、コア構造は、コアの屈折率分布を意味する。また、図1(A)および図1(B)の出典は、文献「K. Saito et al., “Homogeneous and Heterogeneous
Multi-core fibers,” IEEE Summer Topical s2012, TuC4.4.」である。
Multi-core fibers,” IEEE Summer Topical s2012, TuC4.4.」である。
異種コア間では、図1(A)に示されたように、曲げ半径が小さくなると或る曲げ半径で急激にクロストークは大きくなり、更に曲げ半径が小さくなるとクロストークは徐々に小さくなる。異種コア間クロストークが急激に変化する閾値曲げ半径はRpkとして表される(文献「T. Hayashi et al., “Cross talk variation of multi-core fibre due to fibre bend,” ECOC2010, We.8.F.6.」を参照)。一方、同種コア間では、図1(B)に示されたように、曲げ半径が小さくなるとクロストークは単調に減少していく。広い範囲の曲げ半径でクロストークをより小さくできるのは異種コア間の場合である。しかし、光ファイバ実使用時にクロストークの劣化が生じないように閾値曲げ半径Rpkを十分小さくする為には、伝送特性に影響が出るほどコア間の構造差を大きくする必要がある。
光ファイバのクロストークが図1(A)および図1(B)に示されるような挙動を示すのは、光ファイバが長手方向の軸周りにランダムに、或いは意図されて捻れていることが原因である。これについて図を用いて説明する。光ファイバに曲げが付与されると、各コアの曲げ径が僅かに異なることにより、各コアの光路長が僅かに変化する。この光路長の変化は、直線状の光ファイバにおける屈折率の変化で等価的に表される。この変化した屈折率を等価屈折率と呼ぶ。
図2(A)〜図2(F)は、光ファイバに曲げが付与されたときの等価屈折率を説明する図である。特に、図2(A)は、各パラメータの定義を説明するための図である。図2(B)は、角度θ(ラジアン)と実効屈折率の関係を示すグラフである。図2(C)〜図2(F)は、θ=0、θ=π/2、θ=3π/4、θ=πにおける屈折率分布を示す。中心に位置するコアmの等価実効屈折率neqeff,mは一定である。これに対して、コアmから距離Dnm離れたコアnの等価実効屈折率neqeff,nは、実際の実効屈折率neff,n、曲げ半径Rb、および、ファイバ断面上でのコアnの極座標位置(rn,θn)を用いて、下記(1)式で表される。図2(C)〜図2(F)に示されたように、コア間で実際の実効屈折率が互いに異なっていても、曲げと捻れによってはコア間で等価実効屈折率が互いに等しくなる場合がある。これは、曲げ半径Rbが下記(2)式で表されるときに起こる。コア間で位相が整合することは、換言すれば、コア間で等価実効屈折率が互いに等しくなる(或いは極めて近くなる)ことであるので、異種コア間での位相整合は、このような小さな曲げ半径では大きくなり、クロストークが大きくなる。
同種コア間では、どんな曲げ半径でもθ=±π/2で必ずコア間の位相が整合するので、異種コア間よりクロストークが下がりにくい。しかし、同種コア間では、曲げ半径を小さくすると、実際の実効屈折率と等価実効屈折率との差が大きくなり、位相整合の“量”は少なくなる(つまり、コア間で等価実効屈折率が極めて近くなることが少なくなる)ので、クロストークは徐々に小さくなる。
本実施形態は、光ファイバ断面におけるコア配置が曲げに対して捻れにくい構造の光ファイバ、および、それを内蔵する光ファイバケーブルに関する。本実施形態では、捻れにくいことで、捻れに起因するコア間の位相整合が生じにくく、従来より低いクロストークや高いコア密度(短いコア間隔)を実現することができる。
以下に説明する各実施形態の光ファイバは、ファイバ長手方向に延在する複数のコアがクラッドにより覆われ、該クラッドが樹脂により被覆された光ファイバであって、ファイバ長手方向に垂直な断面上での構造が円対称ではなく、1回または2回の回転対称性を有し、かつ、3回以上の回転対称性を有さないことにより、ファイバ長手軸に直交する断面上での特定方向(曲げ容易方向)にのみ特異的に曲がりやすい(すなわち、曲げ容易方向が特異的に曲げ径方向になりやすい)。更に、各実施形態に係る光ファイバは、ファイバ長手軸に直交する断面上で、隣接する2コアの中心間を結ぶ線分(第1コア間線分)が曲げ容易方向と成す鋭角が30度未満となる第1角度条件を満たす組合せ(第1コア組合せ)が1つ以上あり、その全ての組合せにおいて、隣接する2つのコア構造が同一である。なお、「隣接する2つのコア構造が同一、同種、等しい」とは、隣接する2つのコア間での上記(2)式中のRpkが50cm以上であることを意味し、「隣接する2つのコア構造が異種、異なる」とは、隣接する2つのコア間での上記(2)式中のRpkが50cm未満であることを意味する。
以下では、説明を容易にする為に、ファイバ長手軸に直交する断面上で、隣接する2コアの中心間を結ぶ線分が曲げ容易方向と成す鋭角が30度未満である組合せである為に、隣接する2つのコア構造が同一となる一連のコアの集まりをコアグループと呼び説明を行う。曲げ容易方向と曲げ径方向に若干のズレが生じる場合を考えると、隣接する2コアの中心間を結ぶ線分が曲げ容易方向と成す鋭角が30度未満である2コア間において、隣接する2コアの中心間を結ぶ線分が曲げ容易方向と成す鋭角が15度未満であることが更に望ましく、隣接する2コアの中心間を結ぶ線分が曲げ容易方向と成す鋭角が5度未満であることが更に望ましく、隣接する2コアの中心間を結ぶ線分が曲げ容易方向に対して平行であることが更に望ましい。
図3は、第1実施形態に係る光ファイバ1の断面図である。光ファイバ1は、8本のコア11とこれらコア11それぞれを覆うクラッド12で構成された、石英ガラスからなる裸ファイバを含み、該クラッド12が被覆(樹脂)13により覆われている。光ファイバ1の断面の被覆形状は凡そ矩形形状を有しており、被覆径及びクラッド径が最も短い曲げ容易方向は同図における縦方向である。光ファイバ1は、4本のコア11で構成されるコアグループ141と、他の4本のコア11で構成されるコアグループ142とを備える。1つのコアグループに含まれる隣接するコア11同士は、同一構造を有し、前述の通り、ファイバ長手軸に直交する断面上で、その中心間を結ぶ線分が曲げ容易方向と成す鋭角が30度未満である。コアグループ141〜142のそれぞれに含まれるコア11は、曲げ容易方向の同一軸上に配列されている。
図4は、第2実施形態に係る光ファイバ2の断面図である。光ファイバ2は、8本のコア21がクラッド22により覆われ、該クラッド22が被覆(樹脂)23により覆われている。光ファイバ2の断面の被覆形状は凡そ楕円形状を有しており、被覆径及びクラッド径が最も短い曲げ容易方向は同図における縦方向である。光ファイバ2は、4本のコア21で構成されるコアグループ241と、他の4本のコア21で構成されるコアグループ242とを備える。コアグループ241〜242のそれぞれに含まれる4本のコア21は曲げ容易方向の同一軸上に配列されている。前述の通り、コアグループ141〜142のそれぞれは、互いに等しい構造のコア21のみによって構成されている。
図5は、第3実施形態に係る光ファイバ3の断面図である。光ファイバ3は、8本のコア31がクラッド32により覆われ、該クラッド32が被覆(樹脂)33により覆われている。光ファイバ3の断面の被覆形状において、被覆径及びクラッド径が最も短い曲げ容易方向は同図における縦方向である。光ファイバ3は、4本のコア31で構成されるコアグループ341と、他の4本のコア31で構成されるコアグループ342とを備える。コアグループ341〜342のそれぞれに含まれる4本のコア31は曲げ容易方向の同一軸上に配列されている。前述の通り、コアグループ341〜342のそれぞれは、互いに等しい構造のコア31のみによって構成されている。
図6は、第4実施形態に係る光ファイバ4の断面図である。光ファイバ4は、4本のコア41がクラッド(クラッド要素)421により覆われ、4本のコア41がクラッド(クラッド要素)422により覆われ、8本のコア41がクラッド(クラッド要素)423により覆われ、4本のコア41がクラッド(クラッド要素)424により覆われ、これら4つのクラッド421〜424が被覆(樹脂)43により覆われている。光ファイバ4の断面の被覆形状は凡そ矩形形状を有する。曲げ容易方向は、被覆径が最も短い方向であり、かつ、ファイバ長手方向に垂直な断面上でクラッドに含まれる部分の長さの和が最も長くなる直線に垂直な方向である(図6における縦方向)。
光ファイバ4は、コアグループ441,442,443A,443B,444を備える。コアグループ441は、クラッド421により覆われている4本のコア41で構成される。コアグループ442は、クラッド422により覆われている4本のコア41で構成される。コアグループ443Aは、クラッド423により覆われている4本のコア41で構成される。コアグループ443Bは、クラッド423により覆われている他の4本のコア41で構成される。コアグループ444は、クラッド424により覆われている4本のコア41で構成される。
コアグループ441,442,443A,443B,444のそれぞれに含まれる4本のコア41は曲げ容易方向の同一軸上に配列されている。前述の通り、コアグループ441,442,443A,443B,444のそれぞれは、互いに等しい構造のコア41のみによって構成されている。
図7は、第5実施形態に係る光ファイバ5の断面図である。光ファイバ5は、8本のコア51がクラッド(クラッド要素)521により覆われ、14本のコア51がクラッド(クラッド要素)522により覆われ、16本のコア51がクラッド(クラッド要素)523により覆われ、28本のコア51がクラッド(クラッド要素)524により覆われ、これら4つのクラッド521〜524が被覆(樹脂)53により覆われている。光ファイバ5の断面の被覆形状は凡そ矩形形状を有する。曲げ容易方向は、被覆径が最も短い方向であり、かつ、ファイバ長手方向に垂直な断面上で、クラッドに含まれる部分の長さの和が最も長くなる直線に垂直な方向である(図7における縦方向)。
光ファイバ5は、コアグループ541A,541B,542A,542B,542C,542D,543A,543B,543C,543D,544A,544B,544C,544D,544E,544F,544Gを備える。
コアグループ541Aは、クラッド521により覆われている4本のコア51で構成される。コアグループ541Bは、クラッド521により覆われている他の4本のコア51で構成される。
コアグループ542Aは、クラッド522により覆われている3本のコア51で構成される。コアグループ542Bは、クラッド522により覆われている他の4本のコア51で構成される。コアグループ542Cは、クラッド522により覆われている他の4本のコア51で構成される。コアグループ542Dは、クラッド522により覆われている他の3本のコア51で構成される。
コアグループ543Aは、クラッド523により覆われている4本のコア51で構成される。コアグループ543Bは、クラッド523により覆われている他の4本のコア51で構成される。コアグループ543Cは、クラッド523により覆われている他の4本のコア51で構成される。コアグループ543Dは、クラッド523により覆われている他の4本のコア51で構成される。
コアグループ544Aは、クラッド524により覆われている4本のコア51で構成される。コアグループ544Bは、クラッド524により覆われている他の4本のコア51で構成される。コアグループ544Cは、クラッド524により覆われている他の4本のコア51で構成される。コアグループ544Dは、クラッド524により覆われている他の4本のコア51で構成される。コアグループ544Eは、クラッド524により覆われている他の4本のコア51で構成される。コアグループ544Fは、クラッド524により覆われている他の4本のコア51で構成される。コアグループ544Gは、クラッド524により覆われている他の4本のコア51で構成される。
コアグループ541A〜541B,542A〜542D,543A〜543D,544A〜544Gのそれぞれに含まれる複数本のコア51は曲げ容易方向の同一軸上に配列されている。コアグループ541A〜541B,542A〜542D,543A〜543D,544A〜544Gのそれぞれは、互いに等しい構造のコア51のみによって構成されている。
コアグループ543A〜543Dのうち、コアグループ543A,543Cと、コアグループ543B,543Dとの間で、コア構造が互いに異なる。コアグループ544A〜544Gのうち、コアグループ544A,544D,544Gと、コアグループ544B,544Eと、コアグループ544C,544Fとの間で、コア構造が互いに異なる。
これらの光ファイバ1〜5それぞれは、曲げ容易方向に特異的に曲がり易く、その場合、全長に亘って、曲げ径方向と曲げ容易方向の複数個のコア配列方向とが互いにほぼ平行となり、曲げ径方向に対するコア配置がほぼ固定された状態を容易に実現することができる。したがって、光ファイバ1〜5それぞれは、適切な曲げさえ付与すれば(例えば、曲げ半径10cm〜10mの範囲)、簡単にコアグループ内のコア間の等価実効屈折率差を全長に亘って一定以上の大きさに維持することができる。
光ファイバに含まれるコアグループは1つであってもよいし複数であってもよい。光ファイバが複数のコアグループを備える場合には、より多数のコアをファイバ断面上に配置できて有効活用できるので望ましい。本実施形態の光ファイバは、曲げ容易方向の同一軸上に配列された複数のコアで構成されるコアグループを曲げ容易方向に垂直な方向の異なる位置に複数備えるのが望ましい。
光ファイバに含まれる全てのコアグループは、一体のクラッドにより覆われていても良く、また、それぞれ個別のクラッドに覆われていてもよい。
光ファイバは、各々のコアグループに含まれる複数のコアが互いに等しい構造であることが望ましい。これにより、光ファイバが曲げ容易方向のどちら側に曲がったとしても、コア間の等価実効屈折率差と曲げ半径との関係が同様になり、曲げ方向(曲げ容易方向のどちら側に曲げるか)に対するクロストークの依存性がなくなる。
図3〜図6に示される光ファイバのように、曲げ容易方向に配列された複数のコアで構成されるコアグループが幅方向の異なる位置に複数設けられるのが望ましい。ファイバ長手軸に直交する断面上で、隣接する2コアの中心間を結ぶ線分が曲げ容易方向と成す鋭角が30度未満である組合せである隣接コア同士で構成される一連のコアの集まりが、複数設けられるのが望ましい。
図3〜図6に示される光ファイバの各コアグループや、図7のクラッド521中のコアグループ541A,541Bや、クラッド523中のコアグループ543A,543Cや543B,543Dのように、2つのコアグループの間で曲げ容易方向に垂直な同一軸上に存在する等しい構造のコア同士の間隔は、同一コアグループ内での隣接コアの曲げ容易方向間隔より大きいのが望ましい。すなわち、ファイバ長手軸に直交する断面上で、構造が同一である2コアの中心間を結ぶ線分(第3コア間線分)が曲げ容易方向と成す角が、直角又は30度以上の鋭角となる第3角度条件を満たす組合せ(第3コア組合せ)における、前記2コア同士の中心間距離の最小値は、ファイバ長手軸に直交する断面上で、構造が同一である隣接2コアの中心間を結ぶ線分(第1コア間線分)が曲げ容易方向と成す鋭角が30度未満となる第1角度条件を満たす組合せ(第1コア組合せ)における、前記隣接2コア同士の中心間距離の最大値よりも、大きいのが望ましい。本発明の光ファイバでは、曲げ容易方向に垂直な同一軸上に存在する等しい構造のコア同士では位相整合が大きくなってしまうので、コアグループ間でのコア間の電界分布の重なりは小さくすることで、コアグループ間でのコア間クロストークを小さくできる。
図7のクラッド522中のコアグループ542A〜542Dのように、隣接する2つのコアグループの間では、曲げ容易方向に垂直な方向に平行な位置にコアが存在しないと更に望ましい。これにより、隣接コアグループ間での位相整合を防ぐことができる。隣接コアグループではない十分離れた(電界分布の重なりの小さい)コアグループ間では、曲げ容易方向に垂直な方向に平行な位置にコアが存在してもよい。
図7のクラッド523中のコアグループ543A〜543Dのように、隣接する2つのコアグループの間でコア構造が互いに異なるのが望ましい。すなわち、ファイバ長手軸に直交する断面上で、隣接する2コアの中心間を結ぶ線分(第2コア間線分)が曲げ容易方向と成す角が、直角又は30度以上の鋭角となる第2角度条件を満たす組合せ(第2コア組合せ)において、隣接する2つのコア構造が異なることが望ましい。本発明の光ファイバの曲げ方向は、曲げ容易方向に限定されるので、隣接するコアグループ間で曲げ容易方向に垂直な方向に平行な位置の異なる構造のコア同士では、曲げや捻れに起因する位相整合を抑えることができ、クロストークを小さくできる。
図7のクラッド524中のコアグループ544A〜544Gのように、3種類以上の異種型コアを用いて、隣接する2つのコアグループの間では、コアグループ毎にコア構造が異なり、かつ、隣接コアグループ間で幅方向に平行な位置にコアが存在しない構成にすると、幅に平行な位置に存在する同種コア同士の間隔を非常に大きくでき、異なるコアグループ間でのコア間クロストークを小さくすることができる。
光ファイバにおいて、クロストークを小さくすることができるということは、クロストークを一定に保つとしたら従来の光ファイバよりコア間隔を短くできる(コア密度を高められる)ということに他ならない。
本発明に係る光ファイバの実施形態としては、上記の形態の他に、以下のような様々な形態も適用可能である。
図8は、変形例に係る光ファイバ6Aの断面図である。光ファイバ6Aでは、同一構造を有する4本のコア61がクラッド62により覆われ、該クラッド62が被覆(樹脂)63により覆われている。クラッド62の断面形状は円形であり、被覆63の断面形状は略楕円形である。被覆63の断面形状は、円対称ではなく、1回または2回の回転対称性を有し、かつ、3回以上の回転対称性を有さない。被覆径が最も短い方向が曲げ容易方向となる。その曲げ容易方向に4本のコア61が配列されている。
図9は、変形例に係る光ファイバ6Bの断面図である。光ファイバ6Bでは、同一構造を有する4本のコア61がクラッド62により覆われ、該クラッド62が被覆(樹脂)63により覆われている。クラッド62の断面形状は円形であり、被覆63の断面形状は略長方形である。被覆63の断面形状は、円対称ではなく、1回または2回の回転対称性を有し、かつ、3回以上の回転対称性を有さない。被覆径が最も短い方向が曲げ容易方向となる。その曲げ容易方向に4本のコア61が配列されている。
図10は、変形例に係る光ファイバ6Cの断面図である。光ファイバ6Cでは、同一構造を有する4本のコア61がクラッド62により覆われ、該クラッド62が被覆(樹脂)63により覆われている。クラッド62の断面形状は略楕円形であり、被覆63の断面形状は円形である。クラッド62の断面形状は、円対称ではなく、1回または2回の回転対称性を有し、かつ、3回以上の回転対称性を有さない。クラッド径が最も短い方向が曲げ容易方向となる。その曲げ容易方向に4本のコア61が配列されている。
図11は、変形例に係る光ファイバ6Dの断面図である。光ファイバ6Dでは、同一構造を有する4本のコア61がクラッド62により覆われ、該クラッド62が被覆(樹脂)63により覆われている。クラッド62の断面形状は略長方形であり、被覆63の断面形状は円形である。クラッド62の断面形状は、円対称ではなく、1回または2回の回転対称性を有し、かつ、3回以上の回転対称性を有さない。クラッド径が最も短い方向が曲げ容易方向となる。その曲げ容易方向に4本のコア61が配列されている。
図12は、変形例に係る光ファイバ7Aの断面図である。光ファイバ7Aでは、同一構造を有する4本のコア71がクラッド(クラッド要素)72により覆われており、2つのクラッド72それぞれの断面形状が円形であり、これら2つのクラッド72が被覆(樹脂)73により一体的に覆われている。2つのクラッド72の配置は、円対称ではなく、1回または2回の回転対称性を有し、かつ、3回以上の回転対称性を有ささない。ファイバ長手方向に垂直な断面上で、クラッドに含まれる部分の長さの和が最も長くなる直線に垂直な方向が曲げ容易方向となる。その曲げ容易方向に複数のコア71が各クラッド72内で配列されている。
図13は、変形例に係る光ファイバ7Bの断面図である。光ファイバ7Bでは、同一構造を有する2本のコア71がクラッド(クラッド要素)72により覆われており、4つのクラッド72それぞれの断面形状が略楕円形であり、これら4つのクラッド72が被覆(樹脂)73により一体的に覆われている。クラッド72の断面形状は、円対称ではなく、1回または2回の回転対称性を有し、かつ、3回以上の回転対称性を有さない。ファイバ長手方向に垂直な断面上で、クラッドに含まれる部分の長さの和が最も長くなる直線に垂直な方向が曲げ容易方向となる。その曲げ容易方向に複数のコア71が各クラッド72内で配列されている。
図14は、変形例に係る光ファイバ7Cの断面図である。光ファイバ7Cでは、同一構造を有する2本のコア71がクラッド(クラッド要素)72により覆われており、4つのクラッド72それぞれの断面形状が円形であり、これら4つのクラッド72が被覆(樹脂)73により一体的に覆われている。4つのクラッドの配置は、円対称ではなく、1回または2回の回転対称性を有し、かつ、3回以上の回転対称性を有さない。ファイバ長手方向に垂直な断面上で、周の長さが最も短くなる様に全てのクラッドを包んだ閉曲線C内側の領域幅が最も短くなる方向が、曲げ容易方向となる。その曲げ容易方向に複数のコア71が各クラッド72内で配列されている。
図15は、変形例に係る光ファイバ8Aの断面図である。光ファイバ8Aでは、同一構造を有する4本のコア81がクラッド82により覆われ、該クラッド82が2つの曲げ方向制御部85とともに被覆(樹脂)83により覆われている。2つの曲げ方向制御部85それぞれは、被覆83内にファイバ長手軸に沿って伸び、被覆83より高いヤング率を有する。ファイバ長手方向に垂直な断面上で、曲げ方向制御部85に含まれる部分の長さの和が最も長くなる直線に垂直な方向が曲げ容易方向となる。その曲げ容易方向に4本のコア81が配列されている。なお、クラッド82と被覆83は同一樹脂材料で構成されてもよい。この場合、クラッド82と被覆83が一体化した同一樹脂材料からなる樹脂領域が、コア81よりも低い屈折率を有するクラッドとなる。また、曲げ方向制御部を有さない上述の各実施形態に係る光ファイバのように、曲げ容易方向が特定可能な断面形状を有する光ファイバの場合、クラッドと被覆が同一樹脂材料で構成されてもよい。
図16は、変形例に係る光ファイバ8Bの断面図である。光ファイバ8Bでは、同一構造を有する4本のコア81がクラッド82により覆われ、該クラッド82が2つの曲げ方向制御部85とともに被覆(樹脂)83により覆われている。2つの曲げ方向制御部85それぞれは、被覆83内にファイバ長手軸に沿って伸び、被覆83より高いヤング率を有する。ファイバ長手方向に垂直な断面上での、周の長さが最も短くなる様に全ての曲げ方向制御部85を包んだ閉曲線C内側の領域幅が最も短くなる方向が曲げ容易方向となる。その曲げ容易方向に4本のコア81が配列されている。
図17は、変形例に係る光ファイバ8Cの断面図である。光ファイバ8Cでは、同一構造を有する4本のコア81がクラッド82により覆われ、該クラッド82が1つの曲げ方向制御部85とともに被覆(樹脂)83により被覆されている。曲げ方向制御部85は、被覆83内にファイバ長手軸に沿って伸び、被覆83と同等のヤング率を有する。ファイバ長手方向に垂直な断面上で、曲げ方向制御部85とクラッド82に含まれる部分の長さの和が最も長くなる直線に垂直な方向が曲げ容易方向となる。その曲げ容易方向に4本のコア81が配列されている。
図18は、変形例に係る光ファイバ8Dの断面図である。光ファイバ8Dでは、同一構造を有する4本のコア81がクラッド82により覆われ、該クラッド82が1つの曲げ方向制御部85とともに被覆(樹脂)83により覆われている。曲げ方向制御部85は、被覆83内にファイバ長手軸に沿って伸び、被覆83と同等のヤング率を有する。ファイバ長手方向に垂直な断面上での、周の長さが最も短くなる様に全ての曲げ方向制御部85とクラッド82を包んだ閉曲線C内側の領域幅が最も短くなる方向が曲げ容易方向となる。その曲げ容易方向に4本のコア81が配列されている。
ファイバ長手方向に垂直な断面上で、被覆径が最も短い曲げ容易方向と直交する方向での被覆径は、前記曲げ容易方向での被覆径の、1.2倍以上であり、より望ましくは1.5倍以上、更に望ましくは2倍以上である。クラッド径が最も短い曲げ容易方向と直交する方向での被覆径は、前記曲げ容易方向での被覆径の、1.2倍以上であり、より望ましくは1.5倍以上、更に望ましくは2倍以上である。クラッドに含まれる部分の長さの和が最も長くなる直線上の前記長さの和は、前記直線に垂直な直線上でクラッドに含まれる部分の長さの和の極大値の、1.2倍以上であり、より望ましくは1.5倍以上、更に望ましくは2倍以上である。周の長さが最も短くなる様に全てのクラッドを包んだ閉曲線内側の領域幅の最大値は、前記閉曲線内側の領域幅の最小値の、1.2倍以上であり、より望ましくは1.5倍以上、更に望ましくは2倍以上である。曲げ方向制御部に含まれる部分の長さの和が最も長くなる直線上の前記長さの和は、前記直線に垂直な直線上で曲げ方向制御部に含まれる部分の長さの和の極大値の、1.2倍以上であり、より望ましくは1.5倍以上、更に望ましくは2倍以上である。周の長さが最も短くなる様に全ての曲げ方向制御部を包んだ閉曲線内側の領域幅の最大値は、前記閉曲線内側の領域幅の最小値の、1.2倍以上であり、より望ましくは1.5倍以上、更に望ましくは2倍以上である。曲げ方向制御部とクラッドに含まれる部分の長さの和が最も長くなる直線上の前記長さの和は、前記直線に垂直な直線上で曲げ方向制御部とクラッドに含まれる部分の長さの和の極大値の、1.2倍以上であり、より望ましくは1.5倍以上、更に望ましくは2倍以上である。周の長さが最も短くなる様に全ての曲げ方向制御部とクラッドを包んだ閉曲線内側の領域幅の最大値は、前記閉曲線内側の領域幅の最小値の、1.2倍以上であり、より望ましくは1.5倍以上、更に望ましくは2倍以上である。このようにすることで、本実施形態の光ファイバは、より安定して曲げ容易方向を曲げ径方向として曲がりやすくなる。
ところで、シリコンフォトニクスチップにより光トランシーバを実現した伝送リンク(図19)を考える。図19に示された伝送リンク100では、光ファイバ400を介して光トランシーバ200と光トランシーバ300とが双方向光通信をすることができる。光トランシーバ200では、電気信号線240を経て到達した電気信号はシリコンフォトニクスチップ(光電子部品)210により光信号に変換され、その光信号は光導波路220および接続用治具230を経て光ファイバ400へ送出される。光トランシーバ300では、光ファイバ400を経て到達した光信号は接続用治具330および光導波路320を経てシリコンフォトニクスチップ(光電子部品)310に入力されて電気信号に変換され、その電気信号は電気信号線340へ送出される。これとは逆の方向の信号伝送も可能である。光ファイバ400の途中に、コネクタや、融着、端面の突き合わせによる光ファイバ同士の接続箇所があってもよい。なお、光トランシーバ200には、シリコンフォトニクスチップ210と光導波路220が一体化された光モジュールが採用されてもよい。同様に、光トランシーバ300も、光導波路320とシリコンフォトニクスチップ310とが一体化された光モジュールが採用されてもよい。
各光トランシーバにおいて、シリコンフォトニクスチップ,光導波路および接続用治具は筐体内に収納される。図19に示されたように、複数のコア221がクラッド222に覆われた光導波路220を用意するとともに、複数のコア321がクラッド322に覆われた光導波路320を用意して、シリコンフォトニクスチップと光導波路とを互いに接続し、光導波路で光の伝搬方向を小さな曲率半径でほぼ90度曲げて、そして接続用治具を介して光導波路と光ファイバとを接続することで、光トランシーバ筐体の高さを抑えコンパクトなサイズを実現することができる。これによって、光ファイバに小さな曲率半径の曲げを付与することなく、光の進行方向を曲げることができるので、曲げ応力による光ファイバの破断の可能性を低減することができる。
図20は、光導波路220の構成を示す斜視図である。図21は、光導波路220の一端面(第1平面223または第2平面224)を示す図である。図22および図23は、異なる構造の光導波路220の断面図(図20のI-I線に沿った断面)の2つの例である。以下では光導波路220について説明するが、光導波路320についても同様である。光導波路220は、同一構造の複数のコア221と、これら複数のコア221を覆うクラッド222と、クラッド222を覆う樹脂とを有する。コア221の屈折率よりクラッド222の屈折率が低い。光導波路220は、第1平面(第1光入出力面)223と第2平面(第2光入出力面)224との間で各コア221により光を導光することができる。
コア221は小さい曲率半径の曲げ部を有する。この曲げ部により、第1平面223および第2平面224それぞれにおけるコア221の中心軸II、IIIのなす角度γ(図22参照)は、曲げ補角であり、58度乃至90度であることが好適であり、74度乃至90度であることが更に好適である。第1平面223及び第2平面224とコア221とのなす角度α,β(図22参照)は、鋭角が74度以上であるか直角であることが好適であり、鋭角が80度乃至84度であることが更に好適である。曲げ部におけるコア221中心軸の曲率半径は、15mm以下であることが望ましく、10mm以下であることが更に望ましく、7.5mm以下であることが更に望ましく、5mm以下であることが更に望ましく、4mm以下であることが更に望ましい。
曲げ部において、コアの中心軸に直交する断面上で、隣接する2コアの中心間を結ぶ線分(第1コア間線分)がコアの曲げ径方向と成す鋭角が30度未満となる第1角度条件を満たす組合せ(第1コア組合せ)が1つ以上あり、その全ての組合せにおいて、隣接する2つのコア構造が同一であることが、該隣接する2コア間のクロストークを低下できる為に、望ましい。
曲げ部において、コアの中心軸に直交する断面上で、隣接する2コアの中心間を結ぶ線分がコアの曲げ径方向と成す鋭角が30度未満となる第1角度条件を満たす上記組合せにおいて、2コアの中心間を結ぶ線分とコアの曲げ径方向とが成す鋭角は、15度未満であることが更に望ましく、5度未満であることが更に望ましく、2コアの中心間を結ぶ線分とコアの曲げ径方向とが平行であることが更に望ましい。
曲げ部において、コアの中心軸に直交する断面上で、隣接する2コアの中心間を結ぶ線分(第2コア間線分)がコアの曲げ径方向と成す角が、直角又は鋭角で30度以上となる第2角度条件を満たす組合せ(第2コア組合せ)において、隣接する2つのコア構造が異なることが望ましい。
曲げ部において、コアの中心軸に直交する断面上で、構造が同一である2コアの中心間を結ぶ線分(第3コア間線分)がコアの曲げ径方向と成す角が、直角又は鋭角で30度以上となる第3角度条件を満たす組合せ(第3コア組合せ)における2コア同士の中心間距離の最小値は、コアの中心軸に直交する断面上で、構造が同一である隣接2コアの中心間を結ぶ線分(第1コア間線分)がコアの曲げ径方向と成す鋭角が30度未満となる第1角度条件を満たす組合せ(第1コア組合せ)における隣接2コア同士の中心間距離の最大値よりも大きいことが望ましい。
コア数やコア配置は図の例に限らない。本発明の光導波路をシリコンフォトニクスチップおよび光ファイバに接着する際に紫外線硬化接着剤を用いることができる様に、本発明の光導波路は紫外線を10%以上透過することが好適である。
本実施形態に係る光ファイバ、及び、光導波路において、コアおよびクラッドは、ガラスや樹脂が好適であり、純粋な又は添加物を含む石英ガラスがより望ましい。コアがガラスで、クラッドが樹脂でもよい。コアとクラッドの間に、クラッドよりも屈折率の低いトレンチ層を備えることが、更にクロストークの低減やコア間隔の短縮を図る上で、好適。前記トレンチ層は、クラッドよりも屈折率の低いガラスや樹脂で固体の層として実現するのが好適であり、また、複数の空孔をコア周囲に配置することで、周方向で平均的に屈折率をクラッドよりも低くした層として実現することが好適。コアとトレンチ層の間に、コアよりも屈折率が低く、トレンチ層よりも屈折率が高い、内側クラッド層を備えることが好適。内側クラッド層は、ガラス又は樹脂が好適である。本発明の光ファイバにおいて、曲げ方向制御部は、ガラスや金属、カーボンファイバが好適である。クラッドは樹脂により一体に被覆されていることが好適である。また、1つのクラッドには、樹脂被覆とは別に、金属コーティング又は炭素コーティングが施されるのが好適である。
ここで、本実施形態に係る光ファイバにおけるクロストーク低減の効果、または、所定のクロストークを基準とした場合のコア間隔短縮の効果について説明する。コア-クラッド間の比屈折率差Δが0.42%前後であってコア直径が8.4μm前後であるステップインデックスコアを備える光ファイバについて、コア間隔およびクロストーク係数(単位長さ当たりのクロストーク増加率)を計算した結果を図24および図25に示す。
図24は、ファイバ曲げ半径5cmのときのコア間隔と波長1.31μmに於けるクロストーク係数との関係を示すグラフである。図24において、グラフG2410は、コア配置が曲げ方向にランダムであり、かつ、同種コア同士(コア間での実効屈折率同士の比屈折率差Δneff=0%)である場合(比較例の光ファイバ)、グラフG2420は、コア配置が曲げ方向にランダムであり、かつ、異種コア同士(Δneff=0.05%)である場合(比較例の光ファイバ)、グラフG2440は、コア配置が曲げ方向に平行であり、かつ、異種コア同士(Δneff=0.05%)である場合(比較例の光ファイバ)、および、グラフG2430は、コア配置が曲げ方向に平行であり、かつ、同種コア同士(Δneff=0%)である場合(実施形態の光ファイバ)それぞれについて、コア間隔とクロストーク係数との関係を示している。
図24から分かるように、1m以上の長さの光ファイバでクロストークを−30dB以下に抑える場合、実施形態の光ファイバ(コア配置は曲げ方向に平行Δneff=0%)は、最もクロストークを抑圧できており、小さなコア間隔を実現できる。例えば、100mの光ファイバでクロストーク−30dB以下を実現する為には、比較例の光ファイバでは少なくとも27μm以上のコア間隔が必要なのに対し、実施形態の光ファイバでは22μm以上のコア間隔で良く、大幅なコア間隔低減が実現できる。数cmから数十m程度までの長さの短距離通信の用途を考えれば、光ファイバの大部分がこの様な小さな半径で曲げられることは十分に有り得る。
図25は、ファイバ曲げ半径80cmのときのコア間隔と波長1.55μmに於けるクロストーク係数との関係を示すグラフである。図25において、グラフG2510は、コア配置が曲げ方向にランダムであり、かつ同種コア同士(コア間での実効屈折率同士の比屈折率差Δneff=0%)る場合(比較例の光ファイバ)、グラフG2520は、コア配置が曲げ方向にランダムであり、かつ、異種コア同士(Δneff=0.005%)である場合(比較例の光ファイバ)、G2540は、コア配置が曲げ方向に平行であり、かつ、異種コア同士(Δneff=0.005%)である場合(比較例の光ファイバ)、および、グラフG2530は、コア配置が曲げ方向に平行であり、かつ、同種コア同士(Δneff=0%)である場合(実施形態の光ファイバ)それぞれについて、コア間隔とクロストーク係数との関係を示している。
図25から分かるように、100km以上の長さの光ファイバ伝送リンクでクロストークを−30dB以下に抑える場合、実施形態の光ファイバ(コア配置は曲げ方向に平行Δneff=0%)は、最もクロストークを抑圧できており、小さなコア間隔を実現できる。100kmの光ファイバでクロストーク−30dB以下を実現する為には、比較例の光ファイバでは少なくとも44.5μm以上のコア間隔が必要なのに対し、実施形態の光ファイバでは41μm以上のコア間隔で良く、コア間隔低減が実現できる。
図26(A)は、実施形態に係る光ファイバケーブル9の断面図であり、図26(B)は、光ファイバケーブル9の一部を構成するスペーサ92の斜視図である。光ファイバケーブル9は、中心軸に沿って設けられた抗張力体91と、その抗張力体91の周囲に溝付きスペーサ92とを備え、溝付きスペーサ92の外周面上にスロット93が設けられ、そのスロット93に光ファイバ94が入れられていて、これら全体がケーブル被覆樹脂95により被覆されている。光ファイバケーブル9は、スペーサ92のスロット93の中に光ファイバ94が収納されている。光ファイバ94は、リボン状で、リボンの幅方向に直交する方向が曲げ容易方向である。光ファイバ94は、曲げ容易方向に沿ってスロット93内に積層されている。本実施形態では、スペーサ92のスロット93が抗張力体91の外周にらせん状に配置されている。光ファイバ94は、スペーサ92のらせん状のスロット93内に配置されることで、曲げ容易方向に一定曲率半径で曲げられることになる。また、本実施形態の光ファイバ94は、当該光ファイバ94が曲げ容易方向に曲げられてもクロストークの影響を受けにくい構造となっている。そのため、光ファイバケーブル9に本実施形態の光ファイバ94が適用された構成では、通常のマルチコア光ファイバが適用された場合と比較して、コア密度を増加させることが可能になる。さらに、スロット93は、撚り方向が一方向のみのらせん状にスペーサ92の表面に形成されても、また、交互に撚り方向が反転するSZ撚りのらせん状にスペーサ92の表面に形成されてもよい。ケーブル構造に適用されるスペーサとしては、図26(B)に示されたようなマルチスロットスペーサに限定されず、それぞれが1つのスロットのみを有する複数のシングルスペーサをらせん状に集合させたスペーサ集合体であってもよい。また、ケーブル構造には、上述のようなスペーサに代えて、複数の光ファイバの曲げ容易方向を揃えて、該複数の光ファイバを一体化する構造を有する光ファイバユニットが採用されてもよい。
光ファイバケーブル9は、スロット93に入れられた光ファイバ94として上記実施形態の光ファイバを内蔵し、この光ファイバは適切な曲げ半径の曲げを全長に亘り付与された状態でケーブル内に保持されている。光ファイバケーブル9中で、光ファイバは、自然と曲げ容易方向が曲げ方向となると考えられるが、曲げ容易方向を曲げ方向として保持されていることが、より望ましい。スロット93がケーブル長手方向軸周りに捻れる構造を採用することにより、ケーブル中の光ファイバを、ケーブル長手方向軸を中心軸とする螺旋状に保持することができて、光ファイバに適切な曲げ半径を付与し続けることができる。
ケーブル化時の製造の容易さなどを考えると、適切な曲げ半径は10cm以上であることが望ましい。また、曲げ容易方向で最も近い距離で隣接するコア同士の間隔をDminとすると、隣接するコア間の等価実効屈折率同士の比屈折率差Δeqは下記(3)式で表される。また、コア間の実効屈折率差がファイバ長手に一定である場合は、コア間の実効屈折率差は比屈折率差で0.005%以上であることが望ましい(文献「M. Koshiba et al.,“Heterogeneous multi-core fibers: proposal and design principle,” IEICE Electron. Express, vol. 6, no. 2, pp. 98-103, Jan. 2009.」を参照)。これらのことから、下記(4)式を満たす曲げ半径であることが望ましい。ここで、DminおよびRbそれぞれの単位は同じである。
例えば、Dminが15μmであるとすると適切な曲げ半径は3m以下である。Dminが20μmであるとすると適切な曲げ半径は4m以下である。Dminが25μmであるとすると適切な曲げ半径は4m以下である。Dminが30μmであるとすると適切な曲げ半径は6m以下である。Dminが35μmであるとすると適切な曲げ半径は7m以下である。Dminが40μmであるとすると適切な曲げ半径は8m以下である。Dminが45μmであるとすると適切な曲げ半径は9m以下である。また、Dminが50μmであるとすると適切な曲げ半径は10m以下である。
1〜8…光ファイバ、9…光ファイバケーブル、11…コア、12…クラッド、13…被覆(樹脂)、141〜142…コアグループ、21…コア、22…クラッド、23…被覆(樹脂)、241〜242…コアグループ、31…コア、32…クラッド、33…被覆(樹脂)、341〜342…コアグループ、41…コア、421〜424…クラッド、43…被覆(樹脂)、441,442,443A,443B,444…コアグループ、51…コア、521〜524…クラッド、53…被覆(樹脂)、541A〜541B,542A〜542D,543A〜543D,544A〜544G…コアグループ、61…コア、62…クラッド、63…被覆(樹脂)、71…コア、72…クラッド、73…樹脂、81…コア、82…クラッド、83…樹脂、85…曲げ方向制御部、91…抗張力体、92…溝付きスペーサ、93…スロット、94…光ファイバ、95…ケーブル被覆樹脂、100…伝送リンク、200…光トランシーバ、210…シリコンフォトニクスチップ、220…光導波路、221…コア、222…クラッド、230…接続用治具、240…電気信号線、300…光トランシーバ、310…シリコンフォトニクスチップ、320…光導波路、321…コア、322…クラッド、330…接続用治具、340…電気信号線、400…光ファイバ。
図17は、変形例に係る光ファイバ8Cの断面図である。光ファイバ8Cでは、同一構造を有する4本のコア81がクラッド82により覆われ、該クラッド82が1つの曲げ方向制御部85とともに被覆(樹脂)83により被覆されている。曲げ方向制御部85は、被覆83内にファイバ長手軸に沿って伸び、被覆83よりも高いヤング率を有する。ファイバ長手方向に垂直な断面上で、曲げ方向制御部85とクラッド82に含まれる部分の長さの和が最も長くなる直線に垂直な方向が曲げ容易方向となる。その曲げ容易方向に4本のコア81が配列されている。
図18は、変形例に係る光ファイバ8Dの断面図である。光ファイバ8Dでは、同一構造を有する4本のコア81がクラッド82により覆われ、該クラッド82が1つの曲げ方向制御部85とともに被覆(樹脂)83により覆われている。曲げ方向制御部85は、被覆83内にファイバ長手軸に沿って伸び、被覆83よりも高いヤング率を有する。ファイバ長手方向に垂直な断面上での、周の長さが最も短くなる様に全ての曲げ方向制御部85とクラッド82を包んだ閉曲線C内側の領域幅が最も短くなる方向が曲げ容易方向となる。その曲げ容易方向に4本のコア81が配列されている。
Claims (13)
- 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、前記複数のコアの一方の端面が配置された第1面と、前記複数のコアの他方の端面が配置された第2面と、を備え、前記複数のコアそれぞれが所定の軸方向に沿って前記第1面から前記第2面に向かって延在している光導波路であって、
前記複数のコアは、2つの隣接するコアの組合せである第1コア組合せを含み、
前記光導波路の曲げ容易方向または前記コアの曲げ方向が、前記コアの全長の少なくとも一部において、前記所定の軸方向に垂直な断面内での特定方向であり、
前記第1コア組合せに属する2つのコアは、同一のコア構造を有するとともに、該2つのコアの中心間を結ぶ第1コア間線分と前記特定方向とのなす鋭角の第1角度が30度未満となるよう、配置されている光導波路。 - 前記第1角度が5度未満である請求項1に記載の光導波路。
- 前記複数のコアは、2つの隣接するコアの組合せである第2コア組合せを含み、
前記第2コア組合せに属する2つのコアは、異なるコア構造を有するとともに、該2つのコアの中心間を結ぶ第2コア間線分と前記特定方向とがなす第2角度が30度以上の鋭角または直角となるよう、配置されている請求項1または2に記載の光導波路。 - 前記複数のコアは、2つの隣接するコアの組合せである第3コア組合せを含み、
前記第3コア組合せに属する2つのコアは、前記2つのコアの中心間を結ぶ第3コア間線分と前記特定方向とがなす第3角度が30度以上の鋭角または直角となるよう、配置されており、
前記第3コア組合せにおける前記第3コア間線分の最小長は、前記第1コア組合せにおける前記第1コア間線分の最大長よりも大きい請求項1〜3の何れか一項に記載の光導波路。 - 前記光導波路は、前記断面内に前記複数のコアの配列構造を有する光ファイバであり、
前記光ファイバは、前記光ファイバの構成に起因する曲げ剛性により、前記特定方向に曲げ容易方向を有する請求項1〜4の何れか一項に記載の光導波路。 - 前記光ファイバの外周面が被覆により覆われるとともに、
第1構成は、
前記特定方向に沿った前記クラッドの厚さが、前記特定方向に直交する方向に沿った前記クラッドの厚さよりも小さいことにより規定され、
第2構成は、
前記特定方向に沿った前記被覆の厚さまたは長さに関する外側サイズが、前記特定方向に直交する方向に沿った前記被覆の厚さまたは外側サイズよりも小さいことにより規定され、
第3構成は、
前記クラッドが、それぞれの外周面が前記被覆により覆われた複数のクラッド要素から構成され、かつ、
前記複数のクラッド要素が、前記被覆に覆われた状態で、前記特定方向とおおむね直交する方向に沿って配置されていることにより規定され、
第4構成は、
前記被覆が、前記クラッドとともに追加剛性部材を覆い、かつ、
前記クラッドと前記追加剛性部材とが、前記被覆内において、前記特定方向とおおむね直交する方向に沿って配置されていることにより規定され、
前記光ファイバは、前記曲げ剛性を許容する構成として、前記第1〜第4構成のうち少なくとも何れかの構成を有する請求項5に記載の光導波路。 - 前記被覆は、樹脂からなる請求項5または6に記載の光導波路。
- 請求項5〜7の何れか一項に記載の光導波路としての前記光ファイバを内蔵する光ファイバケーブルであって、
前記光ファイバが、前記特定方向に曲げを付与された状態でケーブル内に保持されている光ファイバケーブル。 - 前記複数のコアそれぞれは、15mm以下の曲率半径で前記特定方向に沿って曲げられた曲げ部と、前記第1面およびその近傍に位置する第1直線部と、前記第2面およびその近傍に位置する第2直線部と、を有し、
前記第1および第2直線部がなす鋭角の第4角度が58度以上である請求項1〜4の何れか一項に記載の光導波路。 - 前記曲げ部における曲率半径が、10mm以下、7.5mm以下、5mm以下のいずれかである請求項9に記載の光導波路。
- 前記複数のコアそれぞれの前記第1直線部と前記第1面との角度のうち、前記曲げ部における曲率半径の中心が存在する側の角度が、74度以上90度以下である請求項9または10に記載の光導波路。
- 前記複数のコアそれぞれの前記第2直線部と前記第2面とのなす角度のうち、前記曲げ部における前記曲率半径の中心が存在する側の角度が、74度以上90度以下である請求項9〜11の何れか一項に記載の光導波路。
- 請求項1〜4、9〜12の何れか一項に記載の光導波路と、光入出力端を有する光電子部品とが一体化された光モジュールであって、
前記光導波路の前記第1面上に配置された、前記複数のコアそれぞれの一方の端面が前記光電子部品の光入出力端と光学的に結合している光モジュール。
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