JP2000506999A - 光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光素子は、リング状構造体または管状構造体の形状のコア１’を有する多重モード型の光ファイバ部分１３の中における多重モード干渉を利用する。このようなファイバ１３は、そのコアからいくらか離れた距離に配置された縦軸のまわりにコアが曲げられている平面型導波器と比較することができる。このような光ファイバは、単一モード・ファイバ１”からの結合により、環状コア１’の上または環状コア１’の位置における１つの点の中の励起中心を有して、光で励起することができる。この時、例えば、ファイバ部分１３の適切な長さに対し、このファイバ部分の入力端部に供給される光強度の近似的に反射像である光強度がファイバ部分１３の他の端部に得られるように、異なる光伝搬モードがそれらの位相速度の間の近似的に規則正しい関係を有して励起される。このような光素子は、例えば、フィルタまたは１×Ｎ結合器として用いることができる。後者の場合、供給される光強度のＮ重像がファイバ部分の出力端部に得られるように、ファイバ部分の長さが適合される。

Description

【発明の詳細な説明】 光素子 技術分野 本発明は、全体的にいえば、受動光部品に関する。 背景 光ファイバおよび他の導波器を通しての信号の光通信は、個別のデバイスの中 での局所的な通信と、長距離間で情報を通信するための種々の形式のネットワー クのような大型のシステムの中での通信との両方において、ますます用いられて いる。これらのデバイスおよびシステムでは、光信号に種々の形式の操作を実行 するために、いろいろな種類の光素子が必要である。このような素子の１つの例 は、１個の導波器から２個の異なる導波器に光信号を伝送するための結合器であ る。このような結合器は、平面型導波器における多重モード干渉に基づくことが できる。例えば、L.B.ソルダノ(L.B.Soldano)およびE.C.M.ペニングス（E.C.M.P ennings）の要約された論文「自己画像形成に基づく光多重モード干渉デバイス ：原理と応用（Optical Multimode Interference Devices Based on Self-Imagi ng:Principle and Applications）」、ジャーナル・オブ・ライトウエーブ・テ クノロジィ(Journal of Lightwave Technology)、第13巻、第４号、1995年４月 、615頁〜627頁を参照されたい。これらのよく知られているデバイスでは、横型 多重モード導波器が１つの点において励起され、それにより多数個の光モード、 すなわち多数個の電磁波伝搬モードが始動される。これらのモードは、導波器の 中を異なる位相速度で伝搬し、そして導波器の横断面において、これらのモード は、電磁界の分布に構成される。さらに、これらの電磁界の分布は、光導波器の 縦方向の異なる位置の横断面において相互に非常に異なっている。例えば、励起 分布のかなり正確な複製または反転した分布または複合分布または多重に折り返 しされた分布などである。例えば、ｌ×Ｎ結合器は、Ｎが２と２０との間の値で ある場合、ＧａＡｓおよびＩｎＰに基づく導波器で作成されることが開示されて いる。このようなデバイスの考えられる欠点は、導波器の側方への反射が非常に 重要で あることであり、および反射における損失および／または好ましくない位相の変 動を避けることが困難であることである。 特開昭60-225804号（特願昭59-083579号）に、ファイバ４の中を伝搬する光モ ードを選択するために、光ファイバ６、６’の一部分がそのいずれかの側におい て別のファイバ４にどのように結合されるかを開示している。ファイバ６、６’ は、環状のコアを有し、単一モード型であり、一方、ファイバ４は、通常の多重 モード型である。 前記の公開公報および欧州特許第0 387 740号において、環状コアを有する光 ファイバが開示されている。これらのファイバは、単一光モードの形状で存在す る光を伝送するのに用いられる。 本発明の説明 本発明の１つの目的は、多重モード干渉が用いられ、構造が簡単であり、比較 的簡単な方法で製造することができる光素子を得ることである。 多重モード干渉の場合、多重モード型の光ファイバ部分が用いられる。多重モ ード型の光ファイバとは、目標とする波長、すなわち考察されている波長に対し 、多数個の光モードが同時に伝搬することができる光ファイバである。原理的に は、このような多重モード・ファイバは、平面型導波器の中と同様に多重モード 干渉を起こすことができる。けれども、横方向の反射が原因で起こる複雑で厄介 なことは、一切存在しない。それは、横方向の反射を起こす原因となりうる側面 または表面が存在しないからである。好ましい場合には、多重モード・ファイバ は、リングの形状を有するコアを備えた光ファイバ、またはそれと等価であるが 管状の構造体のコアを備えた光ファイバである。このようなファイバは、平面型 導波器をその縦軸のまわりに曲げて円形の管の半分を形成し、円形の管の他の同 様な半分を作成することによって完全な円形の管を完成することにより、平面型 導波器と同等であるということができる。環状コアの厚さは、原理的には、対応 する平面型導波器のコアの厚さと同じ程度の厚さである。このような光ファイバ が環状コアの１つの点またはその近傍の点が光で励起される時、異なる光伝搬モ ードが始動する。これらの異なる光伝搬モードの位相速度の相互間の比は、対応 する平面型導波器の異なる光モードの位相速度の相互間の比と実質的に同じであ る。 通常、光素子が備えられる。光素子の主要な部品は、光ファイバである。通常 の構造体では、光ファイバは、実質的に従来の型の光ファイバである。したがっ て、ファイバは、実質的に円柱型のコアとそれを取り囲む実質的に円筒型のクラ ッドとを有する。さらに、ファイバ部分の端部の位置に光源に対する接続部が備 えられ、それにより光源から放射された光がファイバ部分の中を通って進む。フ ァイバ部分の中を透過した光を出力デバイスが受け取り、この光が他のいくつか の光デバイス、例えば受信デバイス、検出デバイスまたは評価デバイスに供給さ れる。特に、ファイバ部分は、多重モード型でなければならなく、光源に結合さ れる時、多数の光モードがこのファイバ部分の中に励起されるように、その接続 を行わなければならない。 さらに、出力デバイスにおけるファイバ部分の端部表面の位置の横断面におい て、この端部表面に存在する異なるモードに対応して、入力端部の横断面に存在 するモード・ピクチャの実質的に真の像または再生像であるモード・ピクチャ、 すなわち光強度分布が存在するように、このファイバ部分が設計されなければな らなく、特に、その長さがこのように適合または選定されなければならない。こ の条件は、注入された光に対し、または注入された光の波長間隔領域に対する少 なくともいくつかの周波数／波長に対して満たされなければならない。例えば、 端部表面の横断面に存在するモード・ピクチャは、入力端部の横断面に存在する モード・ピクチャの実質的に多重像である。 好ましい場合には、リングの形状または管の形状のコアがファイバ部分の中に 備えられる。この時、考察される波長領域に対し、ファイバ部分がその縦軸に関 して、このファイバ部分の円周方向において多重モード型であるように、コアの 外径および内径が選定されると、利点が得られる。さらに、ファイバ部分は、半 径方向には、すなわちファイバ部分の軸に垂直な方向には単一モードでなければ ならない。 このような光素子は、例えば、フィルタまたはセンサまたはスイッチとして用 いることができる。後者の場合、出力デバイスは、単一モード型の光ファイバを 有する。一定の波長間隔領域の中の波長を有する光のみが出力デバイスにより受 け取られることができるように、その接続部および出力デバイスが設計され、始 動位置の中のファイバ部分の長さおよび形状が適合される。ファイバ部分の長さ および／または形状の初期状態からの変化に対し、一定の波長間隔領域の波長を 有する光のモード・ピクチャが変化する。それにより、この間隔領域の中の光は 、出力デバイスにより変更された強度で受け取られる。好ましい場合には、出力 デバイスの横断面における強度は、大幅に小さくなり、場合によってはほとんど ゼロになることが可能である。 １×Ｎ結合器のような光素子を用いる時、接続部は、単一モード型の１個の光 ファイバを有し、出力デバイスは、単一モード型のＮ個の光ファイバを有する。 この場合、後者の光ファイバのコアは、接続部における端部表面のファイバ部分 のコアの上の異なる位置に接続される。それを１×２結合器として用いる時、出 力デバイスは、単一モード型の２個のＤ型ファイバを有することが好ましい。こ の場合、その平坦な表面は、相互に対面し、接触するように配置される。 図面の説明 添付図面の実施例を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。しかし、 本発明の範囲がこれらの実施例に限定されることを意味するものではない。 図１は、標準型の多重モード光ファイバの一部分の立体概要図。 図２は、環状コアを有する多重モード光ファイバの一部分の立体概要図。 図３は、標準型の単一モード光ファイバに結合された環状コアを有する多重モ ード光ファイバの一部分の立体概要図。 図４は、光強度分布を概略的に示した端部表面の部分図。 図５は、多重モード・ファイバが別の標準型の単一モード・ファイバに結合さ れた場合の図３と同様の図。 図６は、センサとして動作するために接続された図５のファイバの図。 図７は、１個の多重モード・ファイバと２個の単一モード型のＤ型光ファイバ で組み立てられた１×２結合器の正面概要図。 図８は、図７による結合器の断面図。 図９は、１×４結合器の断面図。 好ましい実施例の説明 図１は、多重モード型の光ファイバの一部分の図である。この光ファイバは、 中心に配置されたコア１を有する。通常、コア１は、円柱型の対称性を有し、通 信に用いられる通常の導波器の場合には、その直径は、例えば20μｍと100μｍ との間にある。コア１は、クラッド３により取り囲まれる。クラッド３は、円柱 型の外側表面を有し、クラッド３の材料の屈折率は、コア１の材料の屈折率より も少し小さい。 ファイバの１つの端部５に光が入射する時、光波は、このファイバ部分に沿っ て伝搬することができる。半径方向の異なる境界表面に関するファイバ部分の特 定の条件により、すなわち、ファイバ部分の幾何学的軸から外側に向かって進む 時の屈折率の変化により、光は、明確に定まったモードで伝搬することになる。 適切な波長と適切に設計されたファイバ部分の場合、多数個のこのようなモード を励起することができる。異なるモードは、いくらか異なる伝搬速度を有する。 これらの伝搬速度の相互間の一般的な比は、適切な境界条件に対して波動方程式 を用いることにより決定することができる。密に配置されて存在する多数個の光 モードは、全体的にいえば、光ファイバの中を同時に伝搬する。このように光モ ードは、半径方向と円周方向すなわち方位角方向との両方に付随して得られる。 可能な光モードの数を減らす１つの方法は、１つの方向のモードの数を制限す る光ファイバまた別の構成のコアを用いることである。このことは、図２に概略 的に示されているような環状コアを有する光ファイバにより適切に達成される。 このようなファイバのコア１’の外径は、典型的な場合には、図１の多重モード ・ファイバのコアの外径と同じであり、一方、この光ファイバが半径方向に単一 モードであるように、その内径が選定される。したがって、円筒型コア１’の厚 さは、標準型の単一モード・ファイバのコア直径と同じ程度の大きさを有し、も ちろん、波長の程度または波長の範囲の程度であると通常考えられる。コア１’ の内側の円柱型の内部領域は、環状コア１’の外側の領域と原理的に同じ屈折率 および組成を有する。 細長い長方形の形状の横断面を有する薄い導波器コアを備えた平面型の場合に は、異なるモードの相互に関する伝搬速度の一般的な比、すなわち位相速度の一 般的な比は、通常ほぼ規則的である。このことについては、L.B.ソルダノ(L.B.S oldano)の前記文献を参照されたい。さらに、この規則性の結果、横断面５に注 入されるモード・ピクチャは、この第１端部表面から一定の距離にあるファイバ 部分の横断面に、すなわち横断面７に多少近似的に現れる。図２では、横断面７ は、このファイバ部分の他の端部である。したがって、この場合、入力横断面の 光分布に近似的に等しい光分布が横断面にわたって得られる。実際の場合には、 図２に示された導波器部分は、数センチメートルの長さを有する。この図および 下記の図は、正しい尺度で描かれてはいない。細部を明確に示すために、ファイ バは、非常に大きな直径を有するように描かれている。 さらに、このファイバ部分の端部表面５と端部表面７との間の中央に位置する 横断面９には、入力端部表面５のモード・ピクチャの近似的に鏡映像または反射 像であるモード・ピクチャが得られる。この鏡映操作は、このファイバ部分の縦 軸を通り注入された光分布の対称面に垂直な面の中で行われる。同じ方法で、前 記で説明した橋部表面の間の図１の１１のような横断面では、入力端部における モード・ピクチャの二重像、すなわち再生像であるモード・ピクチャを得ること ができる。この二重像の角度方向の位置は、この場合、入力表面におけるモード ・ピクチャの前記対称面により定められる。 図３は、環状コアを有し、標準型の単一モード光ファイバ１５に結合された光 ファイバの一部分１３を示した図である。このように、標準型ファイバ１５は、 小さな直径を備えたコア１”を有する。標準型ファイバ１５が環状コアを有する ファイバ部分１３に接続される。この接続は、標準型ファイバ１５の中心が、し たがって、そのコア１”が、ファイバ部分１３の環状コア１’の一部分に連結さ れるように行われる、すなわち、環状コア１’の一部分に対向して配置されるよ うに行われる。光が標準型光ファイバ１５の中を伝搬する時、光は、環状コアを 有するファイバ部分１３の中に連続して入っていき、環状コアに沿って伝搬する 。したがって、もしファイバ部分１３が適切な長さを有するならば、入力表面の 光強度の鏡映像または反射像を得ることができる。このことが図４の拡大図に示 されている。図４では、光分布は強く輝いた領域、すなわち、明るい領域１７と して概略的に示されている。 図５に示されているように図３の構造体は、さらに、単一モード型また別の光 ファイバ１９に接続することができる。この結合は、環状コアを有するファイバ 部分１３の端部表面の適切な位置において行われる。例えば、このモード・ピク チャが入力表面のモード・ピクチャの鏡像である横断面において行われる。もし 光が標準型の第１光ファイバ１５から供給されるならば、この光を単一モード型 の第２光ファイバ１９にさらに放射することができるが、しかし、一定の波長間 隔領域の光に対してだけ行うことができる。したがって、図５に示されたデバイ スは、フィルタ特性を有する。このフィルタ作用の性能をさらに強化するために 、環状コアの間に適切な結合が得られるように環状コアを有する多数のファイバ 部分１３を相互にわずかにずらして配置することができる。 もし環状コアを有する図５のファイバ部分１３がなんらかの方法で機械的に変 形を受けるならば、例えば矢印２０で示されているような曲げを受けることによ り機械的に変形されるならば、このことによりファイバ部分の中の光モードの伝 搬が妨げられ、それににより単一モード型の他の標準的ファイバ１９に対する通 信が減少することが可能である。このように、センシング操作が達成される。図 ６は、センサ装置の中に、このような構成体を用いた図である。このセンサ装置 は、一定の波長の光を単一モード光ファイバ１５に放射する光源２１を有する。 第２単一モード・ファイバ１９からの光は、光検出器２３により検出される。多 重モード型のファイバ部分１３が曲げのようななんらかの機械的影響を受ける場 合、光の透過度が変化することができ、このことが検出器２３により検知され、 その時に警報信号を出力することができる。 図７は、受動１×２結合器を示した図である。この場合、単一モード型の光フ ァイバ１５が備えられる。単一モード型の光ファイバ１５は、図３および図５に 示されているように、環状コアを有するファイバ部分１３’に結合される。ここ でファイバ部分１３’の長さは、光ファイバ１５の入力表面におけるモード・ピ クチャがファイバ部分１３’の他の端部表面における二重像を提供するように選 定される。この端部表面において、単一モード型の２個のＤ型光ファイバ２０は 、それらの平坦な表面が相互に向き合って配置されるように構成される。Ｄ型フ ァイバ２７のコアは、ファイバ部分１３の環状コアの寸法に対応する距離だけ相 互にずれて配置される。それにより、ファイバ部分１３’から２個のＤ型ファイ バ２７への光の結合が得られる。図８の断面図が参照される。この時、Ｄ型ファ イ バ２７の１つの中のコア１”’は、それから光が供給される単一モード型の光フ ァイバ１５のコアに実質的に対向して配置される。他のＤ型ファイバのコアは、 ファイバ部分１３’との関係で分かるように、直径の反対の位置を有する。この ように、Ｄ型ファイバ２７のコア１”’は、環状コアの反対の領域に配置される 。この反対の領域は、環状コア・ファイバ１３’の直径に沿って配置される。 対応する方法で、受動１×４結合器を作成することができる。Ｄ型ファイバ２ ７の代わりに、近似的に四分円形状の横断面を有するファイバ２９、すなわち円 の４分の１の形状を近似的に有するファイバ２９が用いられる。この場合、この ようなファイバのそれぞれのコアは、図９に示されているように、この四分円の 中心点の近傍に配置される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ (72)発明者 アウグストソン，トルステン スウェーデン国エス―194 61 ウップラ ンドス バスビイ，ヤクトベーゲン 48 (72)発明者 グランバーグ，マッツ スウェーデン国エス―163 58 スパンガ, セルビンス ベーグ 12 エイ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 実質的に円柱型であるコアと実質的に円筒型であるクラッドとを一緒に有 する光ファイバ部分と、光源から放射された光が前記光ファイバ部分を透過する ように光源に対する接続部と、さらに前記光ファイバ部分を透過した光を受け取 り、前記光を別の光デバイスに供給するための出力デバイスとを有する光素子で あって 前記ファイバ部分が多重モード型であること、および光源に接続される時、光 の多数個の光モードが前記ファイバ部分の中に励起されるように前記接続部が作 成されることと、 供給される光の少なくともいくつかの周波数において、入力端部の横断面に存 在するモード・ピクチャの実質的に像であるモード・ピクチャが端部表面の横断 面に存在するように前記ファイバ部分の長さが適合されていることと、 を特徴とする前記光素子。 2. 請求項１記載の光素子において、端部表面の横断面におけるモード・ピク チャが入力端部の横断面に存在するモード・ピクチャの実質的に多重像であるこ とを特徴とする前記光素子。 3. 光ファイバ部分と、光源から放射された光が前記光ファイバ部分を透過す るように光源に対して接続された接続部と、さらに前記光ファイバ部分を透過し た光を受け取るおよび／または検出する出力デバイスとを有する光素子であって 、 前記光ファイバ部分が多重モード型であることと、 前記光ファイバ部分が環状コアを有することと、 を特徴とする前記光素子。 4. 請求項３記載の光素子において、前記光ファイバ部分の軸に垂直な円によ り円方向が定められ、および前記円の中心が前記軸の上に配置されているとして 、前記ファイバ部分が円周方向において、すなわち円方向において多重モード型 であることと、前記ファイバ部分が半径方向において、すなわち前記ファイバ部 分の軸に垂直な方向において単一モード型であることとを特徴とする前記光素子 。 5. フィルタとして用いられ、および多数個の波長を有する光を供給する光源 に接続されることを意図した請求項１−４のいずれかに記載された光素子におい て、一定の波長間隔領域の中だけの波長を有する光が前記出力デバイスにより受 け取ることができるように、前記接続部および前記出力デバイスが配置され、お よび前記光ファイバ部分の長さが適合されることを特徴とする前記光素子。 6. センサまたはスイッチとして用いられる請求項１−５のいずれかに記載さ れた光素子において、前記出力デバイスが単一モード型の光ファイバを有するこ とと、一定の波長間隔領域の中の波長を有する光だけが前記出力デバイスにより 受け取ることができるように、前記接続部および前記出力デバイスが配置され、 および初期状態における前記光ファイバ部分の長さおよび形状が適合されること と、一方、前記光ファイバ部分の長さおよび／または形状の初期状態からの変化 に対し、一定の波長間隔領域の中の波長を有する光が前記出力デバイスにより変 更された強度で、特に前記強度が大幅に減少するように受け取られることとを特 徴とする前記光素子。 7. １×Ｎ結合器として用いられる請求項１−６のいずれかに記載された光素 子において、前記接続部が単一モード型の光ファイバ部分を有することと、前記 出力デバイスが単一モード型の光ファイバを有することと、後者のファイバのコ アが端部表面における前記光ファイバ部分のコアの異なる位置に接続されること とを特徴とする前記光素子。 8. １×２結合器として用いられる請求項７記載の光素子において、前記出力 デバイスが単一モード型の２個のＤ型光ファイバを有することを特徴とする前記 光素子。