WO2016152507A1 - マルチコア光ファイバ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a non-coupled multi-core optical fiber (hereinafter referred to as MCF).
- MCF non-coupled multi-core optical fiber
- Patent Document 1 discloses a technique for reducing transmission loss related to MCF in which a plurality of cores are made of pure silica glass, and Patent Document 2 reduces transmission loss by adding an alkali metal to the core.
- Technology is disclosed.
- Patent Document 3 each single-core fiber is formed by adopting glass in which an alkali metal that is easily melted by acid or the like is added to the glass that covers the outermost peripheral surface of a plurality of single-core fibers constituting the bunch fiber.
- a structure that facilitates separation is disclosed.
- Non-Patent Document 1 describes the transmission loss of MCF manufactured by the Stack & Draw method
- Non-Patent Document 2 describes the transmission loss of MCF manufactured by the rod-in collapse method.
- the addition of an alkali metal core is effective in reducing the loss.
- alkali metal elements are more easily diffused than other elements, and during spinning from the base material to the optical fiber, the alkali metal concentration in the core of the optical fiber is reduced compared to the concentration at the base material stage. . Therefore, the alkali metal concentration that can contribute to the structural relaxation of the core glass during spinning has certain limitations.
- a high concentration of alkali metal cannot be added in order to prevent crystallization of the glass region corresponding to the core.
- XT transmission loss due to crosstalk between adjacent cores
- the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an uncoupled MCF having a structure for reducing transmission loss and effectively suppressing inter-core XT. It is an object.
- the MCF according to the present embodiment is a non-coupled MCF that enables single-mode transmission in each core, and each covers a plurality of cores extending in a predetermined direction and each of the plurality of cores. And a clad.
- each of the plurality of cores contains an alkali metal at a concentration sufficient to reduce the loss.
- the core interval defined by the shortest center distance between adjacent cores among the plurality of cores is a specific core and all the remaining cores among the plurality of cores.
- the sum h_total of the power coupling coefficients with each is set to be 2.3 ⁇ 10 ⁇ 4 / km or less.
- FIG. 1A to FIG. 1C are diagrams showing cross-sectional structures, refractive index distributions, and alkali metal concentration distributions of the MCF and the base material according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a graph showing a relationship between h_total (/ km), which is the sum of power coupling coefficients, and an increase in transmission loss (dB / km) caused by inter-core XT.
- FIGS. 3A to 3G are diagrams showing various refractive index profiles applicable to the region R1 including the core and a part of the cladding around the core.
- FIGS. 5A to 5C are tables summarizing optical characteristics of each of the two samples 1 and 2 (MCF1 and MCF2) of the MCF according to the first embodiment and the comparative example (SCF).
- FIG. 6 is a graph showing the relationship between the core interval ⁇ core and the amount of reduction in transmission loss (dB / km) for the two samples 1, 2 and (MCF1, MCF2) according to the first embodiment.
- FIGS. 7A to 7C are views showing the cross-sectional structure, refractive index distribution, and alkali metal concentration distribution of the MCF and the base material according to the second embodiment.
- the MCF multi-core optical fiber
- the MCF is a non-coupled MCF, each extending along a predetermined direction, and a plurality of uncoupled cores each enabling single mode transmission. And a clad covering each of the plurality of cores.
- each of the plurality of cores contains an alkali metal at a concentration sufficient to reduce transmission loss.
- the core interval defined by the shortest center distance between adjacent cores among the plurality of cores is the specific core and all the remaining cores among the plurality of cores.
- the sum h_total of the power coupling coefficients is set to 2.3 ⁇ 10 ⁇ 4 / km or less.
- the specific core here is a core having the maximum sum h_total of power coupling coefficients.
- Each core contains one or more kinds of alkali metals selected from the group of lithium, sodium, potassium, and rubidium.
- the present invention has been completed by finding that the addition of an alkali metal core is effective in reducing transmission loss even when the cores are arranged close to each other. That is, since the MCF according to the present embodiment has a plurality of cores, the base metal core portion corresponding to these cores is used as a main alkali metal added region source, and the adjacent cores are diffused by alkali metal diffusion during spinning. Since alkali metal is supplied, it is easy to set the alkali metal concentration in the core of the spinning fiber to a value that is sufficient for low transmission loss, and the relaxation of the glass structure in the spinning fiber is promoted, resulting in low transmission. It becomes possible to obtain a loss MCF.
- the base material before spinning having a cross-sectional structure similar to the cross-sectional structure of the MCF is used.
- a plurality of alkali metal addition regions are provided to suppress a decrease in alkali metal concentration in the core during spinning. That is, the MCF includes a plurality of core portions corresponding to a plurality of cores, a clad portion corresponding to a clad, and a plurality of alkali metal-added regions each having an alkali metal added and extending along the longitudinal direction thereof. Are obtained by spinning along a predetermined direction. Note that, depending on the arrangement relationship of the plurality of alkali metal added regions, it is not necessary to set the alkali metal added regions in all the core portions.
- the core interval is preferably 45 ⁇ m or less.
- At least one alkali metal addition region is provided in a region corresponding to the clad in the base material of the MCF before spinning. Good.
- the distance ⁇ core-clad between the diffusion center position corresponding to the center position of the alkali metal addition region in the base material and the center position of the core adjacent to the diffusion center position among the plurality of cores Is preferably 45 ⁇ m or less.
- each of the plurality of cores has a SiO 2 glass in which the addition amount of GeO 2 molecules is 1% by weight or less.
- the transmission loss at a wavelength of 1550 nm of each of the plurality of cores is preferably 0.17 dB / km or less in a configuration in which fluorine is added to the cladding.
- the transmission loss of the added core at a wavelength of 1550 nm is preferably 0.18 dB / km or less.
- the average concentration of alkali metal in each of the plurality of cores is 0.2 atomic ppm or more and 50 atomic ppm It is preferable that:
- the halogen element in each region corresponding to a plurality of cores is preferably 1000 atomic ppm or more and 30000 atomic ppm or less.
- the alkali metal concentration on the surface of the cladding is preferably 1 atomic ppm or less.
- FIG. 1A shows a cross-sectional structure of a base material 100A before spinning for manufacturing the MCF 200A according to the first embodiment.
- the cross section shown in FIG. 1A is a cross section orthogonal to the central axis AX of the base material 100A (matches the longitudinal direction of the base material 100A), and the base material 100A is respectively along the central axis AX.
- the extended core part 110 and the clad part 120 which covers each of these core parts 110 are provided.
- the MCF 200A is obtained by spinning the base material 100A, and its cross-sectional structure is similar to the cross-sectional structure of the base material 100A.
- the core 210 of the MCF 200A obtained by spinning the base material 100A corresponds to the core portion 110 of the base material 100A
- the clad 220 of the MCF 200A corresponds to the clad portion 120 of the base material 100A.
- FIG. 1B shows a refractive index distribution 150A and an alkali metal concentration distribution 160A of the base material 100A along the line L (line orthogonal to the central axis AX) in FIG.
- each of the core portions 110 of the base material 100A is an alkali metal added region to which an alkali metal is added.
- FIG. 1C shows a refractive index distribution 250A and an alkali metal concentration distribution 260A of the MCF 200A according to the present embodiment obtained by spinning the base material 100A.
- FIG. 1B FIG. It is a distribution along the line L in (a).
- the alkali metals in the core portions 110 diffuse to each other by being heated during spinning. Therefore, as shown in FIG. 1 (c), the alkali metal concentration in each core 210 in the spun MCF 200A decreases.
- the MCF 200A according to the present embodiment can reduce transmission loss. At this time, in order to efficiently diffuse the alkali metal between the cores 210, it is preferable that the distance between the cores is short.
- the inter-core XT is large, an increase in transmission loss due to the inter-core XT is increased. appear.
- FIG. 2 shows h_total (/ km) which is the sum of the power coupling coefficients of a specific core and each of all remaining cores among a plurality of cores of the MCF, and an increase in transmission loss (dB / km)).
- h is a power coupling coefficient.
- H_total used in the present embodiment is the sum of the efficiency with which optical power is combined from one other core to one core.
- the core interval ⁇ core is set to the power coupling coefficient sum h_total.
- the amount of reduction in transmission loss due to the addition of alkali metal depends on the spinning conditions, for example, the concentration of alkali metal such as potassium, a transmission loss reduction of approximately 0.01 dB / km or more can be obtained.
- the alkali metal addition concentration in the core portion 110 in the base material 100A before spinning is such that the average concentration of alkali metal in each core 210 is 0.2 atomic ppm or more and 50 atomic ppm or less in the MCF 200A after spinning. Is set as follows. This is because, since SiO 2 glass to which a high concentration of alkali metal is added promotes crystallization, if the average value of alkali metal contained in each core 210 of MCF200A after spinning is 0.2 atomic ppm or more, This is because the glass structure of the core 210 can be relaxed during spinning.
- the transmission loss at a wavelength of 1550 nm after irradiation with radiation having a cumulative absorption dose of 0.10 Gy or more is before irradiation with radiation.
- it increases by 0.02 dB / km or more, which is undesirable because it causes problems in systems that require long-term transmission loss stability such as undersea systems.
- the halogen element concentration is low in the core part 110 of the base material 100A, the effect of removing impurities by the halogen element in the base material manufacturing process cannot be obtained sufficiently, resulting in an increase in transmission loss due to absorption of impurities.
- an alkali metal halogen compound is generated and serves as a crystal nucleus, which is not desirable.
- concentration of halogen elements such as Cl and F in the range of 1000 atomic ppm to 3000 atomic ppm, an MCF with low transmission loss can be obtained without the above-mentioned problems.
- the alkali metal concentration on the glass surface (the surface of the clad 220) in the spun MCF 200A is 1 atomic ppm or less.
- the alkali metal concentration is preferably 1 atom ppm or less, more preferably 0.1 atom ppm or less, up to the glass surface of MCF200A after spinning.
- the diffusion radius depends on the potassium concentration at the base metal stage and the temperature history during spinning. Therefore, it is desirable to determine the potassium addition position with respect to the core part 110 or the clad part 120 in the cross section of the base material 100A after examining the potassium reach distance after spinning in advance.
- the average concentration of an alkali metal element (for example, potassium) added to the core part 110 of the base material 100A for reducing transmission loss is 5 atomic ppm or more, and preferably 50 atomic ppm or less. . Since the loss increase due to radiation irradiation increases as the potassium concentration increases, the upper limit of the average potassium concentration in the core part 110 at the base material stage is preferably 500 atomic ppm. Further, in the spinning process from the base material 100A to the MCF 200A, the time during which each position of the base material 100A is held at 1500 ° C. or more in the drawing furnace is 110 minutes or less, and the drawing speed (spinning speed) is 1200 m. / Min or more is preferable, and 1500 to 2300 m / min is more preferable. The diameter of the base material 100A is preferably 70 to 170 mm ⁇ , and more preferably 90 to 150 mm ⁇ .
- an alkali metal element for example, potassium
- the transmission loss at a wavelength of 1.55 ⁇ m of the spun MCF 200A is smaller. This phenomenon is considered to be due to the following reasons. That is, when the core part 110 of the base material 100A contains potassium having an average concentration of 500 atomic ppm or less, the fictive temperature of the MCF 200A obtained from the base material 100A is 1400 to 1550 ° C., and the peak temperature in the drawing furnace The diffusion of potassium proceeds in a time from (1500 ° C. or higher) to 1500 ° C.
- an alkali metal concentration of 0.2 atomic ppm or more can be suitably realized in each core 210 of the spun MCF 200A.
- the time during which each position of the base material is held at a temperature of 1500 ° C. or higher is 110 minutes or less. It is necessary that it is 70 minutes or less.
- the present embodiment can be obtained by suitably combining slow cooling drawing that can keep the MCF being spun at a certain temperature or more and promote relaxation of the glass structure.
- slow cooling drawing that can keep the MCF being spun at a certain temperature or more and promote relaxation of the glass structure.
- this embodiment and slow cooling drawing are combined, an even lower transmission loss can be obtained.
- the slow cooling drawing method those skilled in the art can obtain appropriate manufacturing conditions necessary to reduce transmission loss.
- atom ppm indicating the alkali concentration and the halogen concentration is the number of dopant atoms in one million units of SiO 2 glass.
- the ratio of the number of K atoms to the number of SiO 2 molecules is shown regardless of the bonding form in the SiO 2 glass. The same applies to Li, Na, and Rb, and Cl and F.
- FIG. 3 (a) to FIG. As indicated, various refractive index profiles are applicable.
- each core 210 an appropriate structure can be selected according to the application, but the structure of each core 210 may be uniform or may be different.
- the number of cores in the cross-section of the MCF 200A is not limited, and the cross-sectional diameter (glass diameter) of the MCF 200A and the outer diameter of the coating resin provided on the outer peripheral surface of the clad 220 are appropriately set according to the number of accommodated cores. Can be set.
- the region corresponding to the core 210 includes a step type (FIG. 3A), a ring type (FIG. 3B), and a double step. Any of a mold (FIG. 3C), a graded mold (FIG. 3D), etc. can be applied. In addition, a depressed type (FIG. 3E), a matched type (FIG. 3F), a trench type (FIG. 3G), or the like can be applied to the region corresponding to the clad 220.
- each core 210 may have a structure that presupposes a single mode operation in which the number of modes that propagate through the core is one, or a structure that presupposes a multimode operation that propagates a plurality of modes.
- the cores 210 is made of SiO 2 glass in which the addition amount of GeO 2 molecules is 1% by weight or less, and the cladding 220 is added with fluorine.
- the transmission loss at a wavelength of 1550 nm in the core 210 is preferably 0.17 dB / km or less.
- the core is composed of SiO 2 glass to which GeO 2 molecules for increasing the refractive index of the core are not substantially added, scattering due to concentration fluctuation of GeO 2 molecules can be suppressed. Therefore, the transmission loss can be suppressed to 0.17 dB / km or less.
- a more preferable transmission loss is 0.165 dB / km or less.
- the transmission loss at a wavelength of 1550 nm of each of the plurality of cores is preferably 0.18 dB / km or less.
- a core to which germanium is added generally has a higher transmission loss than an optical fiber having a pure silica core.
- scattering is reduced, and as a result, transmission loss can be reduced.
- crystals are likely to be generated in the core after spinning, and thus the productivity is deteriorated.
- alkali metal is not added directly to the core part to which germanium is added, but alkali metal is added only to the cladding part of the base material, and the alkali metal is diffused into the core during heating during spinning. It is desirable to make it.
- FIGS. 4 (a) to 4 (c), FIGS. 5 (a) to 5 (c), and FIG. 6, the optical characteristics of the MCF 200A according to this embodiment and the comparative example are compared. Will be described in detail.
- each of MCF 1 (sample 1) and MCF 2 (sample 2) has a cross-sectional structure including two cores as shown in FIG.
- Each core periphery has a refractive index profile (ring-type core + trench portion) shown in FIG.
- the comparative example is a single core optical fiber (hereinafter referred to as SCF) having one core as shown in FIG. 4B, and the periphery of the core is shown in FIG. Have a refractive index profile.
- the MCF1 as the sample 1, the MCF2 as the sample 2, and the SCF of the comparative example are all based on pure silica, the relative refractive index difference ⁇ 1 is 0.05%, ⁇ 1 ′ is ⁇ 0.05%, and ⁇ 2 is ⁇ 0.5%, ⁇ 3 is ⁇ 0.25%, the core diameter 2a is 12.51 ⁇ m, and the outer diameter 2b of the trench is 34,61 ⁇ m.
- the core interval ⁇ core of MCF1 is 40.7 ⁇ m, and the core interval ⁇ core of MCF2 is 36.6 ⁇ m.
- the fiber outer diameter is 125 ⁇ m
- the spinning conditions are a spinning speed of 1500 m / min and a spinning tension of 80 to 100 g.
- FIGS. 5A to 5C show charts summarizing the optical characteristics of MCF1, MCF2 and SCF.
- FIG. 5A shows the optical characteristics of MCF1, MCF2, and SCF at the wavelength of 1550 nm, the inter-core XT (dB) at the fiber length of 100 km, the total h_total (/ km) of the power coupling coefficients, and the inter-core XT.
- the transmission loss (dB) resulting from is shown.
- FIG. 5B shows the optical characteristics of MCF1, MCF2, and SCF at the wavelength of 1625 nm due to inter-core XT (dB) at a fiber length of 100 km, the total h_total (/ km) of power coupling coefficients, and inter-core XT.
- FIG. 5C shows transmission loss (dB / km) at a wavelength of 1550 nm and transmission loss reduction amount (dB / km) at a wavelength of 1550 nm for each of MCF1, MCF2, and SCF.
- the inter-core XT (dB) at the fiber length of 100 km is an actual measurement value of the XT amount at each wavelength after propagation of 100 km, and h_total is calculated using the actual measurement value.
- the transmission loss (dB) caused by the inter-core XT is calculated from h_total.
- the amount of reduction in transmission loss (dB / km) at a wavelength of 1550 nm indicates the amount of reduction in transmission loss of MCF1 and MCF2 with respect to the SCF as a comparative example.
- the transmission loss of the SCF at the wavelength of 1550 nm was 0.161 dB.
- the transmission loss at a wavelength of 1550 nm of MCF1 manufactured under the same spinning conditions was 0.158 dB, and the transmission loss at a wavelength of 1500 nm of MCF2 was 0.157 dB.
- the transmission loss due to the inter-core XT of MCF1 and MCF2 is considered to increase by 6.9 ⁇ 10 ⁇ 5 dB / km and 9.8 ⁇ 10 ⁇ 4 dB / km, respectively.
- the transmission loss of each of MCF1 and MCF2 at the wavelength of 1550 nm is significantly lower than that of SCF as described above, and a plurality of cores added with alkali metals are arranged adjacent to each other. It was confirmed that the transmission loss reduction effect was obtained.
- FIG. 6 is a graph showing the relationship between the core interval ⁇ core and the transmission loss reduction (dB / km) for MCF1 (sample 1) and MCF2 (sample 2).
- the amount of reduction in transmission loss (dB / km) is the amount of reduction in transmission loss of each of MCF1 and MCF2 with respect to the transmission loss of the SCF of the comparative example.
- SCF can be obtained by spinning a base material having a single core part to which 25 atomic ppm of potassium element is added.
- each of MCF1 and MCF2 is obtained by spinning a base material in which potassium element is added to two core parts at an average concentration of 25 atomic ppm.
- the core interval ⁇ core is 45 ⁇ m or less, the transmission loss can be reduced as compared with the SCF. If only low transmission loss is to be achieved, the core interval ⁇ core is preferably as small as 40 ⁇ m or less, and further 35 ⁇ m or less. Note that a region R3 shown in FIG. 6 indicates a good range of the core interval ⁇ core that can sufficiently reduce transmission loss.
- the diffusion coefficient is larger than K. Therefore, if the core interval ⁇ core is 45 ⁇ m or less, the alkali metal being spun between the cores They can diffuse each other. In addition, when an alkali metal having an atomic number larger than that of potassium is used, it is desirable that the core interval ⁇ core is further smaller because the diffusion rate becomes slower. However, in this case, it is necessary to design the refractive index distribution structure of the core so that the sum h_total of the power coupling coefficients between the cores is 2.3 ⁇ 10 ⁇ 4 / km or less.
- the inter-core XT is preferably -30 dB or less in order to maintain signal quality.
- the transmission loss can be efficiently reduced as the interval between the cores to which the alkali metal is added is narrower.
- the effective XT is lowered when the signal is propagated in the opposite direction, so that the allowable value of the XT value between adjacent cores can be relaxed. That is, in order to obtain an inter-core XT of substantially -30 dB or less from the reflectance of air and glass of 4% (about -14 dB), the inter-core XT is -16 dB / km at the wavelength used and the transmission distance of the system.
- the core interval can be reduced.
- MCF2 has a relatively large inter-core XT of 16.5 dB after propagation of 100 km at a wavelength of 1550 nm.
- an error occurred. Free transmission is now possible.
- the alkali metal added to the adjacent core during spinning diffuses out of the core compared to the single-core SCF, which effectively reduces transmission loss in the common cladding. It is possible to reduce to
- FIGS. 7A to 7C are diagrams showing the cross-sectional structures, refractive index distributions, and alkali metal concentration distributions of the MCF 200B and the base material 100B according to the second embodiment.
- the clad portion sandwiched between the core portions 110 in addition to the two core portions 110.
- the alkali metal addition region 500 is also provided at 120, the configuration is the same as that of the first embodiment (FIGS. 1A to 1C).
- the base material 100 ⁇ / b> B includes a core part 110 that extends along the central axis AX, and a clad part 120 that covers each of the core parts 110.
- the MCF 200B according to the present embodiment is obtained by spinning the base material 100B, and the cross-sectional structure thereof is similar to the cross-sectional structure of the base material 100B.
- the core 210 of the MCF 200B is the core portion 110 of the base material 100B.
- the clad 220 of the MCF 200B corresponds to the clad portion 120 of the base material 100A.
- FIG. 7B shows a refractive index distribution 150B and an alkali metal concentration distribution 160B of the base material 100B along the line L in FIG.
- an alkali metal added region 500 to which an alkali metal is added is also formed in the clad portion 120 of the base material 100B.
- the alkali metal concentration distribution is not shown in one of the core portions 110, but naturally, in this embodiment, the alkali metal added region is formed in all the core portions 110.
- FIG. 7C shows a refractive index distribution 250B and an alkali metal concentration distribution 260B of the MCF 200B according to the present embodiment obtained by spinning the base material 100B.
- FIG. It is a distribution along the line L in (a).
- ⁇ core-clad shown in FIG. 7C is the distance between the diffusion center position of the alkali metal addition region 500 provided in the cladding portion 120 of the base material 100B and the center position of each core 210 of the MCF 200B after spinning. Indicates.
- transmission loss can be reduced more efficiently by adding an alkali metal to the cladding part 120 in addition to the core part 110 of the base material 100B.
- the alkali metal does not diffuse into the core during spinning, and the effect of reducing transmission loss cannot be obtained.
- the distance ⁇ core-clad between the center of the core 210 and the diffusion center position corresponding to the center of the alkali metal added region 500 in the spun MCF 200B Needs to be 45 ⁇ m or less. More preferably, the distance ⁇ core-clad is 40 ⁇ m or less, and more preferably 35 ⁇ m or less.
- an alkali metal is added to the core portion 110 of the base material 100B, crystals are easily generated in the spinning core, and impurities other than the alkali metal are added to the core portion 110 in the step of adding the alkali metal to the core portion 110.
- transmission loss increases due to mixing. Therefore, at the base material stage, the alkali metal is not added directly to the core part 110, but the alkali metal added to the clad part 120 in the spinning process (alkali metal addition region 500) is diffused into the spinning core to crystallize.
- low transmission loss can be obtained without fear of excessive loss due to the mixing of impurities and reduction in production yield.
- the alkali metal added region is in the core material longitudinal direction (central axis AX) in both the core part 110 and its intermediate region. Extending along. With this configuration, even if the core interval ⁇ core is increased so as not to worry about the problem of inter-core XT, the transmission loss of the obtained MCF can be reduced.
- the alkali metal concentration on the surface of the cladding 220 of the MCF 200B is preferably 1 atom ppm or less.
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Abstract
本実施形態は、伝送損失を低減するとともにコア間XTを効果的に抑制するための構造を備えた低伝送損失のMCFに関する。当該非結合型MCFは、複数のコアそれぞれが伝送損失の低減に寄与する、所定の濃度のアルカリ金属を含むとともに、複数のコアのうち特定のコアと残りの全コアそれぞれとのパワー結合係数の総和h_totalが2.3×10-4/km以下となるようにコア間隔が設定されている。
Description
本発明は、非結合型のマルチコア光ファイバ(以下、MCFと記す)に関するものである。
特許文献1には、複数のコアが純シリカガラスで構成されたMCFに関する伝送損失の低減技術が開示されており、特許文献2には、アルカリ金属をコアに添加することで伝送損失を低減する技術が開示されている。また、特許文献3には、バンチファイバを構成する複数の単心ファイバの最外周面を覆うガラスに酸などにより溶融し易いアルカリ金属が添加されたガラスを採用することで、各単心ファイバを分離し易くした構造が開示されている。非特許文献1には、Stack & Draw法により製造されたMCFの伝送損失に関して記載されており、非特許文献2には、ロッドインコラプス法で製造されたMCFの伝送損失に関して記載されている。
I. Ishida, et al., "Possibility of Stack and Draw process as Fabrication Technology for Multi-Core Fiber", OFC2013, OTu2G.1
Katsunori Imamura, et al., "Trench Assisted Multi-Core Fiber with Large Aeff over 100μm2 and Low Attenuation Loss", ECOC2011,Mo.1.LeCervin.1
Tetsuya Hayashi, et al., "Multi-Core Fibers and Their Crosstalk Characteristics", OFC2012, TuC4.1
発明者らは、従来のMCF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、アルカリ金属元素のコア添加は、低損失化に有効であることは周知である。ただし、アルカリ金属元素は、他の元素に比べ、拡散し易く、母材から光ファイバへの紡糸中、該光ファイバにおけるコア中のアルカリ金属濃度は母材段階での濃度に比べ減少してしまう。したがって、紡糸中のコアガラスの構造緩和に寄与できるアルカリ金属濃度は一定の制限が在る。特に、1つのコアのみにアルカリ金属が添加される上記従来技術の場合、コアに相当するガラス領域の結晶化を防止するため高濃度のアルカリ金属を添加することができない。加えて、複数のコアを持つMCFの場合、複数のコアが近接配置されるため、隣接コア間のクロストーク(以下、XTと記す)に起因した伝送損失も抑制する必要がある。
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、伝送損失を低減するとともにコア間XTを効果的に抑制するための構造を備えた非結合型のMCFを提供することを目的としている。
本実施形態に係るMCFは、個々のコアにおけるシングルモード伝送を可能にする非結合型のMCFであって、それぞれが所定の方向に沿って伸びた複数のコアと、該複数のコアそれぞれを覆うクラッドとを備える。特に、複数のコアそれぞれは、低損失化に十分な濃度のアルカリ金属を含む。また、所定の方向に直交する当該MCFの横断面において、複数のコアのうち隣接するコアの最短中心間距離で規定されるコア間隔は、該複数のコアのうち特定のコアと残りの全コアそれぞれとのパワー結合係数の総和h_totalが2.3×10-4/km以下となるように設定されている。
本実施形態によれば、各コアにおける伝送損失の低減と隣接するコア間のXTの低減の両立が可能になる。
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態を列記して説明する。
最初に本願発明の実施形態を列記して説明する。
(1)本実施形態に係るMCF(マルチコア光ファイバ)は、非結合型のMCFであって、それぞれが所定の方向に沿って伸び、それぞれにおいてシングルモード伝送を可能にする複数の非結合型コアと、これら複数のコアそれぞれを覆うクラッドとを備える。特に、第1の態様として、複数のコアそれぞれは、伝送損失を低減させるのに十分な濃度のアルカリ金属を含む。また、所定の方向に直交する当該MCFの横断面において、複数のコアのうち隣接するコアの最短中心間距離で規定されるコア間隔は、複数のコアのうち特定のコアと残りの全コアそれぞれとのパワー結合係数の総和h_totalが2.3×10-4/km以下となるように設定されている。ここでいう特定のコアとは、パワー結合係数の総和h_totalが最大となるコアである。なお、各コアには、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウムのグループから選択された1または2以上の種類のアルカリ金属が含まれる。
本発明は、アルカリ金属のコア添加が、コア同士が近接配置された場合においても、低伝送損失化に有効であることを見出したことにより完成されたものである。すなわち、本実施形態に係るMCFは、複数のコアを有するため、これらコアに相当する母材コア部を主たるアルカリ金属添加領域源とことで、紡糸中のアルカリ金属の拡散により隣接するコア相互にアルカリ金属が供給されるため、紡糸中ファイバにおけるコア内のアルカリ金属濃度を低伝送損失化に十分な値以上に設定しやすく、紡糸中ファイバにおけるガラス構造の緩和が促進されることにより、低伝送損失のMCFを得ることが可能になる。
また、本実施形態では、当該MCFにおける複数のコアそれぞれに低伝送損失化に十分な濃度のアルカリ金属を残留させるため、当該MCFの断面構造と相似な断面構造を有する紡糸前の母材には複数のアルカリ金属添加領域が設けられ、紡糸中のコア内におけるアルカリ金属濃度の低下が抑制されている。すなわち、当該MCFは、複数のコアにそれぞれ相当する複数のコア部と、クラッドに相当するクラッド部と、それぞれにアルカリ金属が添加されるとともにその長手方向に沿って延びた複数のアルカリ金属添加領域と、を有する母材を、所定の方向に沿って紡糸することにより得られる。なお、複数のアルカリ金属添加領域の配置関係によっては、全てのコア部にアルカリ金属添加領域が設定される必要はない。
(2)上記第1に適用可能な第2の態様として、コア間隔は、45μm以下であるのが好ましい。
(3)上記第1または第2の態様に適用可能な第3の態様として、紡糸前の当該MCFの母材において、クラッドに相当する領域には少なくとも1つのアルカリ金属添加領域が設けられてもよい。この場合、紡糸後の当該MCFにおいて、母材におけるアルカリ金属添加領域の中心位置に相当する拡散中心位置と、複数のコアのうち前記拡散中心位置に隣接するコアの中心位置との距離Λcore-cladは、45μm以下であるのが好ましい。
(4)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、複数のコアそれぞれは、GeO2分子の添加量が1重量%以下であるSiO2ガラスからなり、かつ、クラッドにはフッ素が添加された構成において、複数のコアそれぞれの、波長1550nmにおける伝送損失は、0.17dB/km以下であるのが好ましい。
(5)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、複数のコアの少なくとも何れかに所定濃度のゲルマニウムが添加された構成において、該ゲルマニウムが添加されたコアの、波長1550nmにおける伝送損失は、0.18dB/km以下であるのが好ましい。
(6)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、複数のコアそれぞれにおけるアルカリ金属の平均濃度は、0.2原子ppm以上かつ50原子ppm以下であるのが好ましい。
(7)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、紡糸前の当該MCFの母材において、複数のコアに相当する領域それぞれにおけるハロゲン元素の平均濃度は、1000原子ppm以上かつ30000原子ppm以下であるのが好ましい。
(8)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、クラッドの表面におけるアルカリ金属の濃度は、1原子ppm以下であるのが好ましい。
(9)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、複数のコアのうち隣接するコア間における、所定波長の光を一定長伝播させたときのXT(クロストーク)は、-16dB以下であるのが好ましい。
[本願発明の実施形態の詳細]
本願発明に係るMCFの具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。また、本発明は、これら例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。
本願発明に係るMCFの具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。また、本発明は、これら例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。
(第1実施形態)
図1(a)には、第1実施形態に係るMCF200Aを製造するための紡糸前の母材100Aの断面構造が示されている。図1(a)に示された断面は、母材100Aの中心軸AX(当該母材100Aの長手方向に一致)に直交する断面であり、当該母材100Aは、中心軸AXに沿ってそれぞれ伸びたコア部110と、これらコア部110それぞれを覆うクラッド部120を備える。当該MCF200Aは、母材100Aを紡糸することにより得られ、その断面構造は、母材100Aの断面構造と相似関係にある。すなわち、母材100Aが紡糸されることで得られるMCF200Aのコア210は、母材100Aのコア部110に相当しており、当該MCF200Aのクラッド220が母材100Aのクラッド部120に相当している。
図1(a)には、第1実施形態に係るMCF200Aを製造するための紡糸前の母材100Aの断面構造が示されている。図1(a)に示された断面は、母材100Aの中心軸AX(当該母材100Aの長手方向に一致)に直交する断面であり、当該母材100Aは、中心軸AXに沿ってそれぞれ伸びたコア部110と、これらコア部110それぞれを覆うクラッド部120を備える。当該MCF200Aは、母材100Aを紡糸することにより得られ、その断面構造は、母材100Aの断面構造と相似関係にある。すなわち、母材100Aが紡糸されることで得られるMCF200Aのコア210は、母材100Aのコア部110に相当しており、当該MCF200Aのクラッド220が母材100Aのクラッド部120に相当している。
図1(b)は、図1(a)中の線L(中心軸AXに直交する線)に沿った母材100Aの屈折率分布150Aとアルカリ金属濃度分布160Aである。この図1(b)から分かるように、本実施形態では、母材100Aのコア部110それぞれが、アルカリ金属が添加されたアルカリ金属添加領域となっている。
図1(c)は、母材100Aを紡糸することにより得られた本実施形態に係るMCF200Aの屈折率分布250Aおよびアルカリ金属濃度分布260Aであって、図1(b)と同様に、図1(a)中の線Lに沿った分布である。
通常、アルカリ金属がそれぞれ添加された複数のコア部110が設けられた母材100Aでは、紡糸中に加熱されることで、各コア部110中のアルカリ金属が相互に拡散する。そのため、図1(c)に示されたように、紡糸後のMCF200Aにおける各コア210中のアルカリ金属濃度は低下する。しかしながら、コア間隔Λcoreが接近すると、あるコアから拡散したアルカリ金属が隣接するコアへ流入することで、アルカリ金属の濃度低下が緩和され、ガラス構造の緩和を促進させることができる。そのため、本実施形態に係るMCF200Aでは、伝送損失低減することが可能になる。この時、効率よくコア210相互にアルカリ金属を拡散させるためには、コア間距離が近い方が好ましいが、一方で、コア間XTが大きい場合、係るコア間XTに起因した伝送損失の増加が発生する。
図2は、MCFが有する複数のコアのうち特定のコアと残りの全コアそれぞれとのパワー結合係数の総和であるh_total(/km)と、コア間XTに起因した伝送損失増加量(dB/km)との関係を示すグラフである。なお、例えば上記非特許文献3に記載されているように、単位長さ辺りにコアmからコアnへ移動する光パワーPnは、以下の式(1)のように表すことができる。
ここで、hはパワー結合係数である。本実施形態で用いるh_totalは、一つのコアへ他の全てのコアから光パワーが結合する効率の総和とする。
この図2から分かるように、各コア間のパワー結合係数の総和h_totalを2.3×10-4/kmとなるようにコア間隔を設定することで、あるコアから他のコアへのXTに起因した漏洩損失を0.001dB/km以下に抑制できる。すなわち、図2中に示された領域R2がコア間XTの増加を効果的に抑制可能なパワー結合係数の総和h_totalの良好範囲を示し、さらに好ましくは、コア間隔Λcoreをパワー結合係数の総和h_totalが1.2×10-4/km以下になるよう設定すれば、コアから他のコアへのコア間XTに起因した漏洩損失を0.0005dB/km以下に抑制することが可能になる。なお、この場合、アルカリ金属添加による伝送損失の低減量は、紡糸条件、例えばカリウムなどのアルカリ金属の濃度に依存するが、概ね0.01dB/km以上の伝送損失低下が得られる。
なお、紡糸前の母材100Aにおけるコア部110のアルカリ金属の添加濃度は、紡糸後のMCF200Aにおいて、各コア210におけるアルカリ金属の平均濃度は、0.2原子ppm以上かつ50原子ppm以下になるように設定される。これは、高濃度のアルカリ金属が添加されたSiO2ガラスは結晶化が促進されるため、紡糸後のMCF200Aの各コア210に含まれるアルカリ金属の平均値が0.2原子ppm以上であれば、紡糸中にコア210のガラス構造の緩和を進めることができるからである。一方、紡糸後のMCF200Aにおけるコア210のアルカリ金属の平均濃度が50原子ppm以上になると、累積吸収線量0.10Gy以上の放射線を照射した後の波長1550nmにおける伝送損失が、放射線を照射する前と比較して0.02dB/km以上増加し、海底システム等の長期の伝送損失の安定性を必要とするシステムでの使用に問題が生じるため望ましくない。
また、母材100Aのコア部110においてハロゲン元素濃度が低い場合、母材製造工程におけるハロゲン元素による不純物の除去の効果が十分に得られず、不純物の吸収による伝送損失の増加を招く。一方、ハロゲン元素が多すぎる場合、アルカリ金属のハロゲン化合物が生成され結晶の生成核として働くため、望ましくない。また、Cl、F等ハロゲン元素の濃度を1000原子ppm~3000原子ppmの範囲に設定することで、上述の問題無く低伝送損失のMCFを得ることができる。
さらに、紡糸後のMCF200Aにおけるガラス表面(クラッド220の表面)におけるアルカリ金属の濃度は、1原子ppm以下である。紡糸後のMCF200Aのガラス表面までアルカリ金属が拡散すると、アルカリ金属のSiO2ガラスネットワークの切断効果により、機械的な疲労係数の大幅な低下が発生するため、実用上の問題が生じ望ましくない。この問題を回避するには、紡糸後のMCF200Aのガラス表面までアルカリ金属の濃度は1原子ppm以下が好ましく、さらに好ましくは0.1原子ppm以下である。アルカリ金属としてカリウムが母材100Aのコア部110に添加された場合、紡糸後、カリウムは半径15~50μmの範囲に拡散する。拡散半径は母材段階のカリウム濃度、紡糸中の温度履歴に依存する。したがって、紡糸後のカリウム到達距離を予め調べた上で、母材100Aの断面内において、コア部110またはクラッド部120に対するカリウム添加位置を決定することが望ましい。
具体的に、低伝送損失化のために母材100Aのコア部110中に添加されるアルカリ金属元素(例えばカリウム)の平均濃度は5原子ppm以上であり、好適には50原子ppm以下である。カリウム濃度が高いほど放射線照射による損失増が高くなるので、母材段階でのコア部110におけるカリウム平均濃度の上限は500原子ppmとすることが好ましい。また、母材100AからMCF200Aへの紡糸工程では、線引炉内において母材100Aの各位置が1500℃以上で保持される時間は110分以下であり、線引速度(紡糸速度)は、1200m/min以上が好ましく、1500~2300m/minがより好ましい。母材100Aの直径は、70~170mmφが好ましく、90~150mmφがより好ましい。
母材100Aの各位置が1500℃以上の温度で保持される時間が短いほど、紡糸後のMCF200Aの、波長1.55μmにおける伝送損失は小さい。この現象は以下の理由によると考えられる。すなわち、母材100Aのコア部110に平均濃度500原子ppm以下のカリウムが含まれる場合、該母材100Aから得られるMCF200Aの仮想温度は1400~1550℃であり、線引炉内でのピーク温度(1500℃以上)から1500℃までの時間でカリウムの拡散が進む。一方、カリウムの拡散が進み過ぎると、通信波長帯(1550nm帯)の光パワー分布よりカリウムが外側に広く拡散し手しまう。この場合、実効的なカリウム濃度が低くなるためにガラスネットワークの構造緩和が進まず、伝送損失が低減されない。よって、カリウムの拡散がよく進むガラス温度1500℃以上で保持される時間が短いほど、紡糸後のMCF200Aの光伝送損失は低減する。
このような条件による母材100AからMCF200Aへの紡糸により、紡糸後のMCF200Aの各コア210において、0.2原子ppm以上のアルカリ金属濃度が好適に実現できる。なお、実質的にコアが純シリカガラスのMCFの場合、伝送損失0.170dB/kmを下回るためには、母材の各位置が1500℃以上の温度で保持される時間は、110分以下であることが必要であり、70分以下がより好ましい。
さらに、本実施形態は、紡糸中のMCFを一定以上の温度に保温してガラス構造の緩和を促進することができる徐冷線引を好適に組み合わせて得ることができる。本実施形態と徐冷線引きを組み合わせた場合には、さらに低い伝送損失を得ることができる。徐冷線引き方法については、当業者であれば伝送損失を低減するのに必要な適正な製造条件を得ることができる。
また、本明細書において、アルカリ濃度およびハロゲンの濃度を示す「原子ppm」とは、100 万ユニットのSiO2ガラス中のドーパント原子の個数である。例えば、カリウムの場合、SiO2ガラス中の結合形態によらず、SiO2分子数に対するKの原子数の比を示す。Li、Na、Rbの場合も、また、Cl、Fの場合も同様である。
上述のような構造を有するMCF200Aの各コア210および該コア210周辺のクラッド220の一部を含む領域R1(図1(a)参照)には、図3(a)~図3(g)に示されたように、種々の屈折率分布が適用可能である。
各コア210の屈折率分布やそれに伴う光学特性については、用途に応じて適正な構造を選択することができるが、コア210それぞれの構造は均一でも良く、またそれぞれ異なった構造であってもよい。また、当該MCF200Aの断面内におけるコア数に制限は無く、収容されるコア数に応じて当該MCF200Aの断面直径(ガラス直径)およびクラッド220の外周面上に設けられる被覆樹脂の外径は適切に設定され得る。
具体的に各コア210を含む領域R1の屈折率分布の形状として、コア210に相当する領域には、ステップ型(図3(a))、リング型(図3(b))、2重ステップ型(図3(c))、グレーディド型(図3(d))等の何れも適用可能である。また、クラッド220に相当する領域には、ディプレスト型(図3(e))、マッチド型(図3(f))、トレンチ型(図3(g))等の何れも適用可能である。また、各コア210は、コアを伝播するモード数が一つであるシングルモード動作を前提とした構造であっても、複数モードを伝播するマルチモード動作を前提とした構造を備えてもよい。
上述のような屈折率分布において、コア210の少なくともいずれかは、GeO2分子の添加量が1重量%以下であるSiO2ガラスからなり、かつ、クラッド220にフッ素が添加された構成が適用された場合、コア210における波長1550nmでの伝送損失は、0.17dB/km以下であるのが好ましい。一般的に、コアの屈折率を上昇させるためのGeO2分子が実質的に添加されていないSiO2ガラスによりコアが構成されている場合、GeO2分子の濃度揺らぎに起因した散乱が抑制され得るので、伝送損失を0.17dB/km以下に抑制することが可能になる。さらに好ましい伝送損失は、0.165dB/km以下である。
また、上述のような屈折率分布において、コア210の少なくとも何れかには、ゲルマニウムが添加された構造が採用されてもよい。この場合、複数のコアそれぞれの、波長1550nmにおける伝送損失は、0.18dB/km以下であるのが好ましい。ゲルマニウムが添加されたコアは、一般に純シリカコアを有する光ファイバに比べ伝送損失が高い。しかしながら、コアにアルカリ金属を共添加することで散乱が低減され、結果的に伝送損失を低減することが可能になる。ただし、母材段階でゲルマニウムに添加されたコア部にアルカリ金属が添加されると紡糸後のコア内に結晶が発生し易くなるため、製造性が劣化する。そのため、母材製造工程では、ゲルマニウムが添加されたコア部にはアルカリ金属を直接添加せず、母材のクラッド部のみにアルカリ金属を添加し、紡糸時の加熱時によりアルカリ金属をコアへ拡散させることが望ましい。
次に、図4(a)~図4(c)、図5(a)~図5(c)、および図6を用いて、本実施形態に係るMCF200Aの複数サンプルと比較例の光学特性当を詳細に説明する。
用意された本実施形態に係るMCF200Aのサンプルとして、MCF1(サンプル1)およびMCF2(サンプル2)それぞれは、図4(c)に示されたような2つのコアを備えた断面構造を有し、各コア周辺は、図4(a)に示された屈折率分布(リング型コア+トレンチ部)を有する。一方、比較例は、図4(b)に示されたような1つのコアを有する単一コア光ファイバ(以下、SCFと記す)であって、コア周辺は、図4(a)に示された屈折率分布を有する。
サンプル1であるMCF1、サンプル2であるMCF2、および比較例のSCFの何れも、純シリカを基準として、比屈折率差Δ1が0.05%、Δ1’が-0.05%、Δ2が-0.5%、Δ3が-0.25%、コア直径2aが12.51μm、トレンチ部の外径2bが34,61μmである。また、MCF1のコア間隔Λcoreは40.7μmであり、MCF2のコア間隔Λcoreは36.6μmである。なお、MCF1、MCF2、比較例SCFの何れも、ファイバ外径は125μmであり、紡糸条件は、紡糸速度が1500m/min、紡糸張力が80~100gである。
以上のように作成されたMCF1(Λcore=40.7μm)、MCF2(Λcore=36.6μm)、およびSCFそれぞれについて、各コアの波長1550nmにおける平均実効断面積Aeffは110μm2であった。また、紡糸後の各コア内における平均カリウム濃度は1原子ppmであった。
これらMCF1、MCF2、およびSCFそれぞれの光学特性をまとめた図表が図5(a)~図5(c)に示されている。なお、図5(a)は、MCF1、MCF2、SCFそれぞれの波長1550nmにおける光学特性として、ファイバ長100kmでのコア間XT(dB)、パワー結合係数の総和h_total(/km)、およびコア間XTに起因する伝送損失(dB)を示す。図5(b)は、MCF1、MCF2、SCFそれぞれの波長1625nmにおける光学特性として、ファイバ長100kmでのコア間XT(dB)、パワー結合係数の総和h_total(/km)、およびコア間XTに起因する伝送損失(dB)を示す。図5(c)は、MCF1、MCF2、SCFそれぞれの波長1550nmにおける伝送損失(dB/km)と波長1550nmにおける伝送損失低下量(dB/km)を示す。ここで、なお、ファイバ長100kmでのコア間XT(dB)は、100km伝播後の各波長におけるXT量の実測値であり、本実測値を用いてh_totalが算出されている。また、コア間XTに起因する伝送損失(dB)はh_totalから算出されている。波長1550nmにおける伝送損失の低下量(dB/km)は、比較例であるSCFに対するMCF1、MCF2の伝送損失の低下量を示す。
図5(a)~図5(c)から分かるように、波長1550nmにおけるSCFの伝送損失は0.161dBであった。一方、同一の紡糸条件において製造されたMCF1の波長1550nmにおける伝送損失は0.158dB、MCF2の波長1500nmにおける伝送損失は0.157dBであった。また、波長1550nmにおいて、MCF1、MCF2のコア間XTに起因する伝送損失は、それぞれ6.9×10-5dB/km、9.8×10-4dB/km増加していると考えられるが、波長1550nmにおけるMCF1、MCF2それぞれの伝送損失は、上述のようにSCFに対して有意に低下しており、それぞれにアルカリ金属が添加された複数のコアが隣接して配置されることにより、コア間における伝送損失低減効果が得られていることが確認できた。
図6は、MCF1(サンプル1)、MCF2(サンプル2)について、コア間隔Λcoreと伝送損失の低下量(dB/km)の関係を示すグラフである。具体的に伝送損失の低下量(dB/km)は、比較例のSCFの伝送損失に対する、MCF1とMCF2それぞれの伝送損失の低下量である。SCFは、コア部に25原子ppmのカリウム元素が添加された単一のコア部を有する母材を紡糸することで得られる。一方、MCF1、MCF2それぞれは、2つのコア部にカリウム元素が平均濃度でそれぞれ25原子ppm添加された母材を紡糸することで得られる。
上述のように各コア部にアルカリ金属が添加された母材を紡糸しても、得られたMCFにおける各コアの距離が遠い場合、紡糸中にアルカリ金属がコア間で相互に拡散せず、効率よく伝送損失を低減することができない。図6に示されたように、コア間隔Λcoreが45μm以下となると、SCFに比べ伝送損失が低減可能であることが確認できる。低伝送損失化だけであれば、コア間隔Λcoreは40μm以下、さらに35μm以下と、小さいことが好ましい。なお、図6中に示された領域R3が伝送損失を十分に低減可能なコア間隔Λcoreの良好範囲を示す。一方、アルカリ金属としてカリウム(K)の原子番号以下の物質を用いた場合は、拡散係数はKよりも大きいため、コア間隔Λcoreはやはり45μm以下とすれば、紡糸中のアルカリ金属がコア間で相互に拡散させることができる。また、カリウムより原子番号が大きいアルカリ金属を用いた場合は、拡散速度が遅くなるため、コア間隔Λcoreはさらに小さいことが望ましい。ただし、この場合コア間のパワー結合係数の総和h_totalが2.3×10-4/km以下になるようにコアの屈折率分布構造を設計する必要が有る。
なお、一般的な伝送システムでは信号品質を保つため、コア間XTは-30dB以下であることが望ましい。一方、図6に示されたように、アルカリ金属が添加されたコアの間隔が狭いほど、伝送損失を効率良く低減することができる。同方向へ信号伝播した場合に比べ、対向伝播させた場合は、実効的なXTが低くなるため、隣接コア間のXT値の許容値が緩和することができる。すなわち、空気とガラスの反射率4%(約-14dB)から、実質的に-30dB以下のコア間XTを得るためには、システムの使用波長、及び伝送距離においてコア間XTは-16dB/kmであればよく、コア間隔の緩和が可能になる。
MCF2は、波長1550nmにおける100km伝播後のコア間XTがー16.5dBと比較的大きいが、隣り合うコア間の伝送方向が逆になっている状態でNRZの40Gbps信号を伝播させた結果、エラーフリー伝送が可能となった。このことからも、1コア構造のSCFに比べ、マルチコア構造のMCFでは、紡糸中の隣接するコアに添加されたアルカリ金属がコア外へも拡散するため、共通クラッド部での伝送損失を効率的に低減することが可能になっている。
(第2実施形態)
図7(a)~図7(c)は、第2実施形態に係るMCF200Bと母材100Bそれぞれの断面構造、屈折率分布、およびアルカリ金属濃度分布を示す図である。図7(a)~図7(c)に示された第2実施形態では、MCF200Bを製造するための母材100Bにおいて、2つのコア部110の他、コア部110間に挟まれたクラッド部120にもアルカリ金属添加領域500が設けられている点を除き、第1実施形態の構成(図1(a)~図1(c))と同様である。
図7(a)~図7(c)は、第2実施形態に係るMCF200Bと母材100Bそれぞれの断面構造、屈折率分布、およびアルカリ金属濃度分布を示す図である。図7(a)~図7(c)に示された第2実施形態では、MCF200Bを製造するための母材100Bにおいて、2つのコア部110の他、コア部110間に挟まれたクラッド部120にもアルカリ金属添加領域500が設けられている点を除き、第1実施形態の構成(図1(a)~図1(c))と同様である。
すなわち、図7(a)において母材100Bは、中心軸AXに沿ってそれぞれ伸びたコア部110と、これらコア部110それぞれを覆うクラッド部120を備える。本実施形態に係るMCF200Bは、母材100Bを紡糸することにより得られ、その断面構造は、母材100Bの断面構造と相似関係にあり、当該MCF200Bのコア210は、母材100Bのコア部110に相当しており、当該MCF200Bのクラッド220が母材100Aのクラッド部120に相当している。また、図7(b)は、図7(a)中の線Lに沿った母材100Bの屈折率分布150Bとアルカリ金属濃度分布160Bである。この図7(b)から分かるように、本実施形態では、母材100Bのクラッド部120にもアルカリ金属が添加されたアルカリ金属添加領域500が形成されている。また、図7(b)には、コア部110の一方においてアルカリ金属濃度分布が示されていないが、当然のことながら本実施例においても全てのコア部110にアルカリ金属添加領域が形成されてもよい。図7(c)は、母材100Bを紡糸することにより得られた本実施形態に係るMCF200Bの屈折率分布250Bおよびアルカリ金属濃度分布260Bであって、図7(b)と同様に、図7(a)中の線Lに沿った分布である。図7(c)に示されたΛcore-cladは、母材100Bのクラッド部120に設けられたアルカリ金属添加領域500の拡散中心位置と、紡糸後のMCF200Bの各コア210の中心位置との距離を示す。
本実施形態によれば、母材100Bのコア部110以外に、クラッド部120にもアルカリ金属を添加することで、より効率よく伝送損失を低減することが出来る。ただし、アルカリ金属が添加された領域とコア部110の距離が遠い場合、紡糸中にアルカリ金属がコアへ拡散せず、伝送損失の低減効果を得ることができない。したがって、アルカリ金属としてカリウム(K)の原子番号以下の物質を用いた場合、紡糸後のMCF200Bにおいて、コア210の中心とアルカリ金属添加領域500の中心に相当する拡散中心位置との距離Λcore-cladは、45μm以下である必要がある。より好ましくは、距離Λcore-cladは40μm以下、さらに好ましくは35μm以下である。
また、母材100Bのコア部110にアルカリ金属を添加すると紡糸中のコア内に結晶が発生し易くなるとともに、コア部110へのアルカリ金属の添加工程において、アルカリ金属以外の不純物がコア部110へ混入にすることによる伝送損失増加が発生する場合がある。そのため、母材段階ではコア部110にはアルカリ金属を直接添加せず、紡糸工程においてクラッド部120に添加されたアルカリ金属(アルカリ金属添加領域500)紡糸中のコアへ拡散させることで、結晶化、不純物の混入による過剰損失の懸念、生産歩留の低下無く、低伝送損失を得ることができる。
なお、母材100Bにおいて、コア部110およびクラッド部120中のアルカリ金属添加領域の配置については、両方のコア部110とその中間領域にアルカリ金属添加領域が母材長手方向(中心軸AX)に沿って延在している。この構成により、コア間XTの問題を気にせずにすむほどコア間隔Λcoreを大きくしても、得られるMCFの低伝送損失化が可能になる。ただし、クラッド外周に近い領域にアルカリ金属が設けられた場合、紡糸中の拡散によりファイバ外周のアルカリ金属の濃度上昇を招き、得られるMCF200Bの機械強度が低下するため望ましくない。したがって、MCF200Bのクラッド220の表面におけるアルカリ金属の濃度は、1原子ppm以下が好ましい。
100A、100B…母材、110…コア部(アルカリ金属添加領域を含む)、120…クラッド部、150A、150B、250A…屈折率分布、160A、160B、260A、260B…アルカリ金属濃度分布、200A、200B…MCF、210…コア、220…クラッド、500…アルカリ金属添加領域。
Claims (9)
- それぞれが所定の方向に沿って伸びた複数のコアと、前記複数のコアそれぞれを覆うクラッドとを備えた非結合型のマルチコア光ファイバであって、
前記複数のコアそれぞれは、伝送損失の低減に寄与する、所定の濃度のアルカリ金属を含み、
前記複数のコアのうち特定のコアと残りの全コアそれぞれとのパワー結合係数の総和h_totalが2.3×10-4/km以下となるようにコア間隔が設定されていることを特徴とするマルチコア光ファイバ。 - 前記コア間隔は、45μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のマルチコア光ファイバ。
- 紡糸前の当該マルチコア光ファイバの母材において、前記クラッドに相当する領域には少なくとも1つのアルカリ金属添加領域が設けられており、
当該マルチコア光ファイバにおいて、前記母材における前記アルカリ金属添加領域の中心位置に相当する拡散中心位置と、前記複数のコアのうち前記拡散中心位置に隣接するコアの中心位置との距離Λcore-cladは、45μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のマルチコア光ファイバ。 - 前記複数のコアそれぞれは、GeO2分子の添加量が1重量%以下であるSiO2ガラスからなり、
前記クラッドには、フッ素が添加され、
前記複数のコアそれぞれの、波長1550nmにおける伝送損失は、0.17dB/km以下であることを特徴とする請求項1に記載のマルチコア光ファイバ。 - 前記複数のコアの少なくとも何れかには、所定の濃度のゲルマニウムが添加されており、
前記ゲルマニウムが添加されたコアの、波長1550nmにおける伝送損失は、0.18dB/km以下であることを特徴とする請求項1に記載のマルチコア光ファイバ。 - 前記複数のコアそれぞれにおけるアルカリ金属の平均濃度は、0.2原子ppm以上かつ50原子ppm以下であることを特徴とする請求項1~5の何れか一項に記載のマルチコア光ファイバ。
- 紡糸前の当該マルチコア光ファイバの母材において、前記複数のコアに相当する領域それぞれにおけるハロゲン元素の平均濃度は、1000原子ppm以上かつ30000原子ppm以下であることを特徴とする請求項1に記載のマルチコア光ファイバ。
- 前記クラッドの表面におけるアルカリ金属の濃度は、1原子ppm以下であることを特徴とする請求項1に記載のマルチコア光ファイバ。
- 前記複数のコアのうち隣接するコア間における、所定の波長の光を一定長伝播させたときのクロストークは、-16dB以下であることを特徴とする請求項1に記載のマルチコア光ファイバ。
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