JP3863866B2

JP3863866B2 - 光ファイバの接続部及び光ファイバ接続器

Info

Publication number: JP3863866B2
Application number: JP2003189726A
Authority: JP
Inventors: 芳宣黒沢; 和正大薗; 正男立蔵; 利雄倉嶋; 栄次荒木; 克美平松
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2023-07-01
Also published as: CN101174005A; CN101174000A; CN100570416C; CN100541245C; CN101173999A; JP2005024848A; CN100541246C; CN101173998A; CN100392442C; CN1774655A; CN100541253C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コアの周囲のクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバの接続部及び光ファイバ接続器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
まず、ホーリー光ファイバ（ＨＦ）を説明する。図６に示すように、ＨＦ６１は、純粋石英にゲルマニュームが添加されたコア６２の外周に、純粋石英からなるクラッド６３を形成し、そのクラッド６３内にコア６２を取り囲むように軸方向に延びる複数の空孔６４（図６では６個）を形成したものである。詳細は示していないが、ＨＦ６１は、クラッド６３の外周に被覆層が形成された光ファイバ心線として使用される。
【０００３】
コア６２は、通常のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）のコアと同様のものである。コア径φは９μｍ、クラッド径φは１２５μｍ、空孔６４の内径φは８μｍである。コア６２の屈折率は１．４６３、クラッド６３の屈折率は１．４５８であり、コア６２のクラッド６３に対する比屈折率差は通常のＳＭＦと同様約０．３５％である。
【０００４】
ＨＦ６１の特長は、空孔６４の屈折率が約１であり、実効的な比屈折率差が約３２％と通常のＳＭＦよりはるかに大きいことから、コア６２への光の閉じ込め効果が高い点である。このため、ＨＦ６１は、例えば、ＨＦ６１を曲げた時に発生する損失が極めて小さいという特長を有する。
【０００５】
図７に示すように、従来の光ファイバの接続部７０は、被覆層を除去して端末処理したＨＦ６１の端面６１ａを、ゲル状の屈折率整合剤ｒ７を介して、被覆層を除去して端末処理したＳＭＦ７１の端面７１ａと突き合わせ接続したものである。ＳＭＦ７１は、ＨＦ６１のコア６２と同じ屈折率で同径のコア７２の外周に、ＨＦ６１のクラッド６３と同じ屈折率で同径のクラッド７３を形成したものである。
【０００６】
屈折率整合剤ｒ７は、突き合わせ接続後のＨＦ６１の端面６１ａとＳＭＦ７１の端面７１ａ間に、端末処理時の誤差によって空気層が形成されることがあるので、この空気層によって生じる屈折率差によるフレネル反射損失を低減する目的で使用される。
【０００７】
屈折率整合剤ｒ７は、例えば、図８の温度特性線８１に従う温度特性を有する。この屈折率整合剤ｒ７の屈折率は、フレネル反射損失を極力小さくするために、室温付近で図７で説明したＨＦ６１のコア６２やＳＭＦ７１のコア７２の屈折率にほぼ等しい１．４６３付近となっている。
【０００８】
また、光ファイバの接続部７０を収納した従来の光ファイバ接続器の一例として、図９に示すような単心メカニカルスプライス９１がある（例えば、特許文献１参照。）。メカニカルスプライス９１は、対向する光ファイバ同士を突き合わせて支持し位置決め調芯するためのＶ溝を有するＶ溝基板９２と、基板９２に重ね合わされ、Ｖ溝に挿入した光ファイバを押さえるための蓋部材９３と、基板９２と蓋部材９３とを挟持するための挟持部材９４とを備えている。
【０００９】
基板９２と蓋部材９３の重ね合わせ部には、その側端部にくさび挿入部９５が形成され、その両端にガイド穴９６が形成される。筐体９７は、基板９２と蓋部材９３とで構成される。
【００１０】
メカニカルスプライス９１では、予め光ファイバの突き合わせ位置（基板９２および蓋部材９３の内面中央部）に図７および図８で説明した屈折率整合剤ｒ７を充填しておき、くさび挿入部９５にくさびを挿入して基板９２と蓋部材９３間に隙間を形成し、ガイド穴９６からこの隙間に端末処理したＨＦ６１およびＳＭＦ７１を挿入してＶ溝内で突き合わせた後、くさびを抜き去り、ＨＦ６１とＳＭＦ７１を基板９２と蓋部材９３とで把持して固定・接続する。
【００１１】
これにより、メカニカルスプライス９１の筐体９７内に図７で説明した光ファイバの接続部７０が収納され、ＨＦ６１とＳＭＦ７１が突き合わせ接続される。
【００１２】
このように、メカニカルスプライス９１を用いてＨＦ６１とＳＭＦ７１を接続する場合も、ＨＦ６１のクラッド径がＳＭＦ７１のクラッド径と等しいので、通常のＳＭＦ同士の接続と全く同様に行える。
【００１３】
【特許文献１】
特開２０００−２４１６６０号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光ファイバの接続部７０では、ＨＦ６１を屈折率整合剤ｒ７を介してＳＭＦ７１と突き合わせ接続しているので、毛細管現象により、ＨＦ６１の各空孔６４内に屈折率整合剤ｒ７が端面６１ａから数百μｍの深さにわたって侵入する。
【００１５】
クラッド６３の屈折率は１．４５８であり、各空孔６４の屈折率は１であるが、各空孔６４内に室温下での屈折率が１．４６３の屈折率整合剤ｒ７が侵入すると、中央部の本来のコア６２の周囲に擬似的な６個のコアが形成されることになる。
【００１６】
このため、接続後のＨＦ６１の実効的なコア径は、言い換えれば光が伝播しうる直径（モードフィールド径：ＭＦＤ）は、実質的に接続前の９μｍより大きくなる。その結果、ＳＭＦ７１とのＭＦＤの差が発生し、ＨＦ６１とＳＭＦ７１との接続損失が大きくなるという問題がある。
【００１７】
例えば、図９で説明したメカニカルスプライス９１を用いてＨＦ６１とＳＭＦ７１を接続すると、波長が１．５５μｍでの室温付近における接続損失は約０．８５ｄＢと大きくなってしまう。ちなみに、コア径が等しい通常のＳＭＦ同士の接続損失は０．１ｄＢ前後である。
【００１８】
ここで、図１０に、接続後のメカニカルスプライス９１の温度範囲が−３０〜＋７０℃における接続損失の温度特性を示す。図１０に示すように、接続直後の室温での接続損失は０．８ｄＢを超えているが、温度上昇に伴って接続損失が０．１ｄＢ前後まで回復した。
【００１９】
高温域で接続損失が回復するのは、図８の温度特性線８１に示したように、屈折率整合剤ｒ７は高温になるにつれて屈折率が低下し、６０℃付近でクラッド６３と屈折率が等しくなって光を閉じ込める効果が消滅し、通常のＳＭＦ同士と同等の接続損失を示すからである。
【００２０】
一方、低温域では、図８の温度特性線８１に示したように、逆に屈折率整合剤ｒ７は屈折率が大きくなるので、クラッド６３との屈折率差が拡大し、光の閉じ込め効果が増大した。そのため、本来のコア６２と屈折率整合剤ｒ７が侵入した６個の空孔６４とで形成される実質的なコアの光の閉じ込め効果も増大し、室温時に比べてＭＦＤがさらに大きくなり、対向するＳＭＦ７１とのＭＦＤ差が拡大した。−３０〜１０℃における接続損失は１ｄＢ前後と非常に高かった。
【００２１】
したがって、従来のメカニカルスプライス９１は、接続損失の温度特性変化が大きく、特に低温域で接続損失が増加するという問題がある。
【００２２】
そこで、本発明の目的は、接続損失が小さく、接続損失の温度特性変化が小さい光ファイバの接続部及び光ファイバ接続器を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、コアの周囲の純粋石英からなるクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバを、他の光ファイバと接続した光ファイバの接続部において、上記光ファイバを、実使用上の最低温度である−３０℃における屈折率が上記クラッドより低く、かつ温度範囲が−３０〜＋７０℃における屈折率の平均温度係数が−８．０×１０ ^-4 ／℃以上、０／℃未満である屈折率整合剤を介して上記他の光ファイバと突き合わせ接続した光ファイバの接続部である。
【００２６】
請求項２の発明は、請求項１に記載された光ファイバの接続部を筐体内に収納した光ファイバ接続器である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２８】
図１は、本発明の好適実施の形態を示す構造図である。
【００２９】
図１に示すように、本実施の形態に係る光ファイバの接続部１は、図６および図７で説明したホーリー光ファイバ（ＨＦ）６１およびシングルモードファイバ７１と同じものを用いて、被覆層を除去して端末処理したＨＦ６１の端面６１ａを、実使用上の最低温度である−３０℃における屈折率がＨＦ６１のコア６２およびＳＭＦ７１のコア７２より低い屈折率整合剤ｒを介して、被覆層を除去して端末処理したＳＭＦ７１の端面７１ａと突き合わせ接続したものである。
【００３０】
屈折率整合剤ｒは、突き合わせ接続後のＨＦ６１の端面６１ａとＳＭＦ７１の端面７１ａ間に、端末処理時の誤差によって空気層が形成されることがあるので、この空気層によって生じる屈折率差によるフレネル反射損失を低減する目的で使用される。
【００３１】
屈折率整合剤ｒは、例えば、高分子ポリマー系、シリコーン系、紫外線硬化型樹脂からなる。屈折率整合剤ｒとしては、例えば、温度が−３０℃下の波長が１．３〜１．５５μｍ帯の光の屈折率が１．４５８以下であり、かつ温度範囲が−３０〜＋７０℃における屈折率の平均温度係数が−８．０×１０^-4／℃以上、０／℃未満であるものを用いる。
【００３２】
ここで、屈折率の平均温度係数とは、ある温度範囲内における１℃あたりの屈折率の変化量のことをいう。
【００３３】
本例では、図２に示すように、横軸を温度（℃）にとり、縦軸を屈折率にとった温度特性線２１に従う温度特性を有するゲル状のシリコーン系屈折率整合剤ｒを使用した。温度特性線２１は、より詳細には、−３０℃での屈折率が１．４５５、２０℃での屈折率が１．４３５、７０℃での屈折率が１．４１７であり、温度範囲が−３０〜＋７０℃における屈折率の平均温度係数は約−４．０×１０^-4／℃である。
【００３４】
温度が−３０℃における波長が１．３〜１．５５μｍ帯の光の屈折率が１．４５８以下の屈折率整合剤ｒを用いるのは、接続後のＨＦ６１の空孔６４に侵入した屈折率整合剤ｒが疑似コアを形成することを防止し、接続後のＨＦ６１の実効的なＭＦＤの広がりを防止するためである。
【００３５】
数値範囲を上記のように限定したのは、以下の点を考慮したからである。一般に、屈折率整合剤ｒとしては高分子ポリマー系からなるものが用いられるが、その屈折率は温度が上昇すると低下する傾向を示す。−３０℃は実使用上の最低温度であり、屈折率整合剤ｒの−３０℃での屈折率がクラッド６３と同等以下であれば、−３０℃以上の温度域では疑似コアが形成されることはない。最も普及している石英系光ファイバのクラッドは純粋石英であるため、その屈折率１．４５８を考慮して、温度が−３０℃における光の屈折率を１．４５８以下とした。また、一般に石英系光ファイバを伝送する光の波長は１．３〜１．５５μｍである。
【００３６】
温度範囲が−３０〜＋７０℃における屈折率の平均温度係数が−８．０×１０^-4／℃以上、０／℃未満の屈折率整合剤ｒを用いるのは、高温域での接続部における反射減衰量を低減するためである。
【００３７】
数値範囲を上記のように限定したのは、以下の点を考慮したからである。＋７０℃は実使用上の最高温度であり、このような高温域では、屈折率整合剤ｒの屈折率低下による接続部における反射特性の劣化が懸念される。そこで、実使用上の反射減衰量のリミットを３０ｄＢｍ以上とした。ここで、反射減衰量はコア６２および屈折率整合剤ｒの屈折率の差によって決まる量である。フレネル反射の式によれば、コア６２の屈折率をｎ₁ 、屈折率整合剤ｒの屈折率をｎ₂ とすると、反射減衰量Ｌｒは以下の式によって求められる。
【００３８】
反射減衰量：Ｌｒ＝−１０×ｌｏｇＲ（ｄＢｍ）
ただし、Ｒ＝（ｎ₁ −ｎ₂ ）² ／（ｎ₁ ＋ｎ₂ ）²
この式により、コア６２の屈折率を１．４６３とした場合、３０ｄＢｍ以上の反射減衰量を確保するためには、屈折率整合剤ｒの屈折率は１．３９以上必要であることがわかる。−３０〜＋７０℃の温度差は１００℃であり、屈折率整合剤ｒに要求される平均温度係数は−８．０×１０^-4／℃以上、０／℃未満となる。
【００３９】
本実施の形態の作用を説明する。
【００４０】
光ファイバの接続部１では、ＨＦ６１を屈折率整合剤ｒを介してＳＭＦ７１と突き合わせ接続しているので、毛細管現象により、ＨＦ６１の各空孔６４内に屈折率整合剤ｒが端面６１ａから数百μｍの深さにわたって侵入する。
【００４１】
ここで、屈折率整合剤ｒの屈折率は、図２の温度特性線２１に示したように、温度が高くなるにつれて徐々に下がり、実使用上の最低温度である−３０℃で１．４５５であり、実使用上の最高温度である＋７０℃では１．４１７である。
【００４２】
したがって、屈折率整合剤ｒの屈折率は−３０℃以上の温度域ではＨＦ６１のコア６２（本例では、クラッド６３）の屈折率よりも常に低いので、各空孔６４内に屈折率整合剤ｒが侵入しても、中央部の本来のコア６２の周囲に擬似コアが形成されることはない。
【００４３】
このため、光ファイバの接続部１は、接続後のＨＦ６１の実効的なコア径が、すなわち、モードフィールド径（ＭＦＤ）が接続前後で変わらないので、ＨＦ６１とＳＭＦ７１との接続損失が小さい。
【００４４】
上記実施の形態では、ＨＦ６１とＳＭＦ７１を接続した例で説明したが、ＨＦ６１同士を接続してもよい。また、クラッド６３よりコア６２の屈折率が高いＨＦ６１の代わりに、コアとクラッドの屈折率が互いに等しいＨＦを用いてもよい。これらの場合にも、上述と同様の作用効果が得られる。
【００４５】
さらに、ＨＦ６１の代わりに、図５に示すようなフォトニック結晶光ファイバ（ＰＣＦ）５１を使用しても、上述と同様の作用効果が得られる。ＰＣＦ５１は、コア５２の周囲にクラッド５３を形成し、そのクラッド５３内にコア５２を取り囲むようにコア５２の軸方向に延びる複数の空孔５４をハニカム（蜂巣）状に配列形成し、フォトニックバンドギャップ構造の回折格子を構成したものである。
【００４６】
本実施の形態に係る光ファイバの接続部１は、使用するＨＦやＰＣＦの空孔の個数や、クラッド内に分布する空孔分布直径に限定されない。
【００４７】
次に、光ファイバの接続部１を収納した突き合わせ型の光ファイバ接続器の一例を説明する。
【００４８】
図３に示すように、本実施の形態に係る単心メカニカルスプライス３１は、図１および図２で説明した屈折率整合剤ｒを用いる点を除き、図９で説明したメカニカルスプライス９１と同じ構成である。
【００４９】
すなわち、メカニカルスプライス３１は、対向する光ファイバ同士を突き合わせて支持し位置決め調芯するためのＶ溝を有するＶ溝基板３２と、基板３２に重ね合わされ、Ｖ溝に挿入した光ファイバを押さえるための蓋部材３３と、基板９３と蓋部材３３とを挟持するための挟持部材３４とを備えている。
【００５０】
基板３２と蓋部材３３の重ね合わせ部には、その側端部にくさび挿入部３５が形成され、その両端にガイド穴３６が形成される。筐体３７は、基板３２と蓋部材３３とで構成される。
【００５１】
メカニカルスプライス３１では、予め光ファイバの突き合わせ位置（基板３２および蓋部材３３の内面中央部）に図１および図２で説明した屈折率整合剤ｒを充填しておき、くさび挿入部３５にくさびを挿入して基板３２と蓋部材３３間に隙間を形成し、ガイド穴３６からこの隙間に端末処理したＨＦ６１およびＳＭＦ７１を挿入してＶ溝内で突き合わせた後、くさびを抜き去り、ＨＦ６１とＳＭＦ７１を基板３２と蓋部材３３とで把持して固定・接続する。
【００５２】
これにより、メカニカルスプライス３１の筐体３７内に図１で説明した光ファイバの接続部１が収納され、ＨＦ６１とＳＭＦ７１が突き合わせ接続される。
【００５３】
このメカニカルスプライス３１は、接着剤や融着による永久接続方法を用いた光ファイバ接続器とは異なり、繰り返し使用可能である。メカニカルスプライス３１の波長が１．５５μｍでの室温付近における接続損失は約０．０８ｄＢであった。
【００５４】
ここで、図４に、接続後のメカニカルスプライス３１の温度範囲が−３０〜＋７０℃における接続損失の温度特性を示す。図４では、横軸を時間にとり、左縦軸を温度（℃）にとり、右縦軸を接続損失（ｄＢ）にとって、所定時間ごとに５℃ずつ変化させた温度を黒四角プロットで、そのときの接続損失を黒菱形プロットで示した。
【００５５】
図４に示すように、接続後のメカニカルスプライス３１の接続損失は、全ての温度範囲で０．１ｄＢ未満と安定していた。このような屈折率が低い屈折率整合剤ｒを用いた場合に懸念されるのは、高温域で屈折率整合剤ｒの屈折率がさらに低下した際の接続部での反射減衰量であるが、メカニカルスプライス３１の＋７０℃での反射減衰量は３７ｄＢｍであり、実使用上の反射減衰量のリミットである３０ｄＢｍ以上を満足していた。
【００５６】
このように、メカニカルスプライス３１は、屈折率整合剤ｒが予め充填されているので、ＨＦ６１とＳＭＦ７１を低損失で接続できる。接続損失値は通常のＳＭＦ同士の接続損失値と同等である。
【００５７】
また、メカニカルスプライス３１は、屈折率整合剤ｒが予め充填されているので、接続後の接続損失の温度特性が安定する。接続損失値の変動幅は通常のＳＭＦ同士の接続損失の変動幅と同等である。つまり、メカニカルスプライス３１は、接続損失の温度特性変化が小さく、特に低温域でも接続損失が低い。
【００５８】
上記実施の形態では、ＨＦ６１とＳＭＦ７１をメカニカルスプライス３１を用いて接続する例で説明したが、ＨＦ６１同士、ＰＣＦ５１とＳＭＦ６１、ＰＣＦ５１同士をメカニカルスプライス３１を用いて接続してもよい。これらの場合にも、上述と同様の作用効果が得られる。
【００５９】
突き合わせ型の光ファイバ接続器としては、Ｖ溝型のメカニカルスプライス３１を使用した例で説明したが、その他のＶ溝接続器、キャピラリ型接続器など、全ての突き合わせ型の光ファイバ接続器を使用できる。
【００６０】
さらに、繰り返し使用可能なこれらの光ファイバ接続器以外にも、エポキシ系紫外線硬化型接着剤が屈折率整合剤ｒを兼ねる永久接続方法を用いた光ファイバ接続器を使用してもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、接続損失が小さいという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施の形態を示す構造図である。
【図２】図１に示した屈折率整合剤の屈折率の温度特性を示す図である。
【図３】本実施の形態に係る光ファイバ接続器の一例を示す斜視図である。
【図４】図３に示した光ファイバ接続器の接続損失の温度特性を示す図である。
【図５】フォトニック結晶光ファイバの一例を示す横断面図である。
【図６】ホーリー光ファイバの一例を示す横断面図である。
【図７】従来の光ファイバの接続部を示す構造図である。
【図８】図７に示した屈折率整合剤の屈折率の温度特性を示す図である。
【図９】従来の光ファイバ接続器の一例を示す斜視図である。
【図１０】図９に示した光ファイバ接続器の接続損失の温度特性を示す図である。
【符号の説明】
１光ファイバの接続部
６１ホーリー光ファイバ（ＨＦ）
６２ＨＦのコア
６３ＨＦのクラッド
６４空孔
７１シングルモードファイバ（ＳＭＦ）
７２ＳＭＦのコア
７３ＳＭＦのクラッド
ｒ屈折率整合剤

Claims

コアの周囲の純粋石英からなるクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバを、他の光ファイバと接続した光ファイバの接続部において、上記光ファイバを、実使用上の最低温度である−３０℃における屈折率が上記クラッドより低く、かつ温度範囲が−３０〜＋７０℃における屈折率の平均温度係数が−８．０×１０ ^-4 ／℃以上、０／℃未満である屈折率整合剤を介して上記他の光ファイバと突き合わせ接続したことを特徴とする光ファイバの接続部。
請求項１に記載された光ファイバの接続部を筐体内に収納したことを特徴とする光ファイバ接続器。