JP2005202136A

JP2005202136A - 光学部材

Info

Publication number: JP2005202136A
Application number: JP2004008088A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Fujita; 仁藤田; Yuichi Morishita; 裕一森下
Original assignee: Showa Electric Wire and Cable Co
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【解決手段】本発明の光学部材は伝送路であるシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）３ａ、３ｂの途中に配設され、光学素子１の両端に一対のフォトニック結晶ファイバ（ＰｈＣＦ）２ａ、２ｂを配置している。これらのＰｈＣＦ２ａ、２ｂはＳＭＦ３ａ、３ｂと接続される端部２ｘ、２ｙから光学素子１と接続される端部１ｘ、１ｙにかけてモードフィールド径（ＭＦＤ）が漸次拡大されるようになっている。また、ＰｈＣＦ２ａ、２ｂは一体的に形成されている。
【効果】本発明によれば、光学素子の両端にＭＦＤの設計の自由度の大きいＰｈＣＦからなる光ファイバコリメータを用い、シングルモードを維持しながらＳＭＦとの接続端部から光学素子との接続端部までのＭＦＤを漸次拡大するようにしたので、接続損失の極めて小さい光学部材を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、伝送用シングルモード光ファイバと光学素子を低損失で結合するための光学部材に関する。

近年、ＦＴＴＨ（ＦｉｂｅｒＴｏＴｈｅＨｏｍｅ）の導入が始まり各家庭での高速インターネットの利用が急速に普及してきている。このような状況において通信ネットワークをますます充実させる必要性が高まり、光ファイバの特性要求も高いものになってきている。

通信ネットワークでは通常シングルモード光ファイバ（以下、「ＳＭＦ」と称す）が用いられるが、伝送路の途中でこのＳＭＦと光アイソレータや光スイッチ等の光学素子であるいわゆるバルク型光デバイスを結合して光を伝送することがある。

このような場合、一方のＳＭＦからの光信号をバルク型光デバイスに入射して再び他方のＳＭＦに入射する必要がある。この時に一方のＳＭＦから出射した光はレンズ等により一度コリメートされた後、再びレンズで集光されて他方のＳＭＦに入射されるようになっている。

しかし上記のような構成を取るとＳＭＦのコア径が小さいので、ＳＭＦやレンズあるいはバルク型光デバイスとのアライメントが複雑になり、コストアップの要因となっていた。

そこで、従来は図５に示すように、光学素子（バルク型光デバイス）１０の両端に一対のＧＲＩＮレンズ（ＧｒａｄｉｅｎｔＩｎｄｅｘＬｅｎｓ）２０ａ、２０ｂを配置し、これらのＧＲＩＮレンズ２０ａ、２０ｂの両端にＳＭＦ３０ａ、３０ｂを配置したＧＲＩＮレンズ方式が提案されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。

また、図６に示すように、光学素子１０の両端にＳＭＦのコア径を加熱して拡大した一対のＴＥＣ（ＴｈｅｒｍａｌＥｘｐａｎｄｅｄＣｏｒｅ）ファイバ４０ａ、４０ｂを配置し、これらのＴＥＣファイバ４０ａ、４０ｂの両端にＳＭＦ３０ａ、３０ｂを配置したＴＥＣ方式も提案されている（例えば、非特許文献１、特許文献３参照）。

さらに、図７に示すように、光学素子１０の両端に一対のＧＩＦ（ＧｒａｄｅｄＩｎｄｅｘＦｉｂｅｒ）５０ａ、５０ｂを配置し、これらのＧＩＦ５０ａ、５０ｂの両端にＳＭＦ３０ａ、３０ｂを配置したＧＩＦ方式も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

その他、本出願人は図８に示すように、光学素子１０の両端に一対のフォトニック結晶ファイバ（ＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒ、以下「ＰｈＣＦ」と称す）６０ａ、６０ｂを配置し、これらのＰｈＣＦ６０ａ、６０ｂの両端に直接ＳＭＦ３０ａ、３０ｂを配置したり、あるいは一対のＧＩＦ５０ａ、５０ｂを配置し、これらのＧＩＦ５０ａ、５０ｂの両端にＳＭＦ３０ａ、３０ｂを配置した方式を提案している（特許文献４参照）。

特開２００１−７５０２６号公報特開平１１−５２２９３号公報特開昭６３−３３７０６号公報 K． Shiraishi et al．， ‘Analysis and Evaluation of Graded−Index Fiber−Lenses’， J． Lightwave Technol．， Vol． 9， No． 4， 1991， P．430-435 W． L． Emkey et al．， ‘Fiber−Embedded In−Line Isolator’， J． Lightwave Technol．， Vol． LT-5， No．9， 1987， P． 1156-1164 特願２００２−２１９７０１号

ところで、上記のような従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。

即ち、特許文献１あるいは特許文献２に示すＧＲＩＮレンズ方式では、シングルモードで光学素子に光接続できるので接続損失が低く、構成部品が安価であるという利点はあるものの、レンズの作製精度を高くしなければならず、また構成が複雑であるためにアライメントに要する工程が増え、全体的にコストアップとなるという問題があった。

また、非特許文献１あるいは特許文献３に示すＴＥＣ方式では、シングルモードを維持しながらコア拡大が可能であることやＴＥＣ部分の放射損失が低いので低損失でモードフィールド径（ＭｏｄｅＦｉｅｌｄＤｉａｍｅｔｅｒ、以下「ＭＦＤ」と称す）の拡大が可能である点、さらにシングルモードで光学素子に光接続できるので接続損失が低いという利点を有するものの、ＴＥＣ処理に時間がかかり結果的に構成部品が高価になり、またＴＥＣ部分の長さの調整が困難で、光学素子との間で最適なＭＦＤで接続することが難しいという問題の他ＴＥＣファイバのＭＦＤは最大でも３０μｍ程度でしかなく、回折角を小さくするのには限界があった。

さらに、非特許文献２に示すＧＩＦ方式では、構成部品が安価であり、比屈折率差やコア径等の作製条件によりＭＦＤの大きさ、ＧＩＦの長さ等の調整は比較的容易であるが、シングルモードで光学素子と光接続できないという問題があり、また低次モード分散が発生するために光学素子から再びＳＭＦに光が入射するときに接続損失が大きくなってしまうという問題があった。

また、特許文献４に示すＰｈＣＦを用いた方式では、シングルモードで光学素子に光接続でき、ＭＦＤの大きさを自由に設計できることからシングルモードを維持しながらコア拡大が可能であるというように前記したような従来の問題点は大きく改善されているものの、ＰｈＣＦとＳＭＦとを直接接続する場合は接続損失が大きくなるという問題があり、その他ＰｈＣＦとＳＭＦとの間にＧＩＦを配置した場合は、ＧＩＦによる低次モード分散が発生するという問題点もあった。

本発明は以上の点に着目してなされたもので、光学素子とＳＭＦとの間の接続にＭＦＤが変化しているＰｈＣＦを用いることにより、ＭＦＤの大きさを自由に設計でき、かつシングルモードで光接続できるために接続損失が極めて小さい光学部材を提供することを目的とするものである。

本発明は以上の点を解決するため次のような構成からなるものである。

即ち、本発明の光学部材は、まず第１の構成としてシングルモード光ファイバからなる伝送路の途中に配設される光学部材であって、一方の側に光の入射端及び他方の側に光の出射端を有する光学素子と、この光学素子の入射端若しくは出射端にそれぞれ接続される光ファイバコリメータとからなり、この光ファイバコリメータは前記シングルモード光ファイバと接続される端部で前記シングルモード光ファイバのモードフィールド径と同等のモードフィールド径を有るとともに、他端は前記シングルモード光ファイバより大きなモードフィールドを有するフォトニック結晶ファイバであることを特徴としている。

また、第２の構成として、前記第１の構成において、前記フォトニック結晶ファイバからなる光ファイバコリメータは前記シングルモード光ファイバに接続する端部から前記光学素子に接続する端部まで一体的に形成されていることを特徴としている。

さらに、第３の構成として、前記第１の構成または第２の構成において、前記フォトニック結晶ファイバからなる光ファイバコリメータは前記シングルモード光ファイバに接続する端部から前記光学素子に接続する端部にかけて外径が変化していることを特徴としている。

また、第４の構成として、前記第３の構成において、前記フォトニック結晶ファイバからなる光ファイバコリメータは前記シングルモード光ファイバに接続する端部から前記光学素子に接続する端部にかけて外径が漸次拡大していることを特徴としている。

さらに、第５の構成として、前記第１の構成から第４の構成において、前記フォトニック結晶ファイバからなる光ファイバコリメータのモードフィールド径が１〜７０μｍであることを特徴としている。

また、第６の構成として、前記第１の構成から第５の構成において、前記フォトニック結晶ファイバからなる光ファイバコリメータは前記光学素子を介して対向配置されていることを特徴としている。

さらに、第７の構成として、前記第１の構成から第６の構成において、前記光学素子は光アイソレータ、光スイッチ、光サーキュレータ、光アッテネータ若しくは光フィルタまたはこれらの組み合わせからなることを特徴としている。

また、第８の構成として、前記第１の構成から第７の構成において、前記シングルモード光ファイバは石英ガラス系ファイバ若しくはフォトニック結晶ファイバまたはこれらの組み合わせからなることを特徴としている。

光学素子とＳＭＦとの間にＭＦＤがＳＭＦのＭＦＤと同等の大きさから低回折角で大きなＭＦＤに変化するように設計したＰｈＣＦを用いたので、シングルモードで光接続でき、接続損失の極めて小さい光学部材を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について具体例を用いて説明する。

図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態を表した光学部材の縦断面図である。図１（ａ）において、本発明の光学部材は光アイソレータ、光スイッチ、光サーキュレータ、光アッテネータ、光フィルタ等またはこれらの組み合わせからなる光学素子１の両端に一対のＰｈＣＦ２ａ、２ｂが配置されている。光学素子１の端面は光の入射端若しくは出射端となり、例えば光がＰｈＣＦ２ａから伝送された場合には１ｘが入射端となり、１ｙが出射端となる。そして、これらのＰｈＣＦ２ａ、２ｂの両端にそれぞれＳＭＦ３ａ、３ｂが配置されている。なお、ＰｈＣＦ２ａ、２ｂはそれぞれコア２１ａ、２１ｂおよびその周囲のクラッド２２ａ、２２ｂを備えており、ＳＭＦ３ａ、３ｂはそれぞれコア３１ａ、３１ｂおよびその周囲のクラッド３２ａ、３２ｂを備えている。

ここで、ＳＭＦ３ａ、３ｂに接続される側のＰｈＣＦ２ａ、２ｂの端部２ｘ、２ｙのＭＦＤはＳＭＦ３ａ、３ｂのＭＦＤと同等になるように設計されており、また光学素子１に接続される側のＰｈＣＦ２ａ、２ｂの端部１ｘ、１ｙは光学素子1と低損失で光接続するように低回折角で大きなＭＦＤになるように設計されている。

通常通信ネットワークの伝送路に使用されるＳＭＦ３ａ、３ｂのＭＦＤは約１０μｍ程度であるが、低損失で光学素子1と光接続するためにＰｈＣＦのＭＦＤは２０〜７０μｍに設定するとよい。これは、光学素子1の厚みに対応するＰｈＣＦ間のギャップ間隔ロス（損失）と軸ずれロス（損失）がＭＦＤを２０〜７０μｍの範囲のいずれかに設定することで低損失化を実現できるためであり、ＰｈＣＦ２ａ、２ｂのＭＦＤは端部２ｘ、２ｙ側から端部１ｘ、１ｙ側にかけて漸次拡大しながら変化している。従って、ＰｈＣＦ２ａ、２ｂは光ファイバコリメータとして機能する。

ここで、図２（ａ）はＭＦＤが２０μｍおよび５０μｍのときのギャップ間隔とロスの関係を示したものである。ギャップ間隔は光学素子の厚さに対応している。ＭＦＤが２０μｍのとき、２００μｍの厚さの光学素子を使用した場合、ＭＦＤが２０μｍ未満では接続ロスが１ｄＢ以上発生する。また、図２（ｂ）はＭＦＤが２０μｍおよび５０μｍのときの軸ずれ量とロスの関係を示したものである。ＭＦＤが２０μｍのとき、軸ずれ量が１０μｍ発生したとき接続ロスが約２ｄＢ発生することがわかる。即ち、ＰｈＣＦの光学素子との結合端部におけるＭＦＤが小さいほど接続損失が増大することになるので、ＰｈＣＦの光学素子との結合端部におけるＭＦＤを大きくすると低損失で接続できることがわかる。

以上より、光学素子１と接続するＰｈＣＦ端部のＭＦＤを２０μｍ〜７０μｍとするのは、ＰｈＣＦと光学素子１を接続するとき、ＰｈＣＦのＭＦＤが２０μｍ未満では接続損失が大きくなり、ＰｈＣＦのＭＦＤが７０μｍを超えるとＳＭＦのＭＦＤからの変化が大きくなり過ぎるため無視できないロスが発生するからである。

ＰｈＣＦ２ａ、２ｂは図３に示すように、コア２１ａ（２１ｂ）に相当する石英ガラス等の中実部材の周囲にクラッド２２ａ（２２ｂ）に相当する石英ガラス管を多数束ねてプリフォームロッドとし、このプリフォームロッドを線引きして形成するもので、ガラス管の部分はエアホールとなっている。

このようなＰｈＣＦ２ａ、２ｂは、クラッド２２ａ（２２ｂ）に相当するガラス管の穴径や穴間距離を調整することにより通常のＳＭＦに比べて有効屈折率差やコア径を自由に設計することが可能であるので、光学素子に応じて光接続を効率よく行うことができる。

ＰｈＣＦ２ａ、２ｂは、前記したようにＳＭＦ３ａ、３ｂに接続される側の端部２ｘ、２ｙから光学素子に接続される側の端部１ｘ、１ｙにかけて漸次ＭＦＤが拡大しているが、これらＰｈＣＦ２ａ、２ｂがシングルモードを維持するための種々の条件からクラッドもある領域を確保する必要があるため、ＭＦＤの拡大に伴ってＰｈＣＦ２ａ、２ｂの外径も漸次拡大しながら変化している。従って本実施の形態では、ＳＭＦ３ａ、３ｂに接続される側の端部２ｘ、２ｙ部分の外径はＳＭＦ３ａ、３ｂと同一外径となっており、光学素子に接続される側の端部１ｘ、１ｙの外径は光学素子１と接続するべき外径と同一となっている。

そして、これらＰｈＣＦ２ａ、２ｂはＳＭＦ３ａ、３ｂに接続される側の端部２ｘ、２ｙから光学素子に接続される端部１ｘ、１ｙまでそれぞれ一体的に形成されている。このように一体的に形成されることにより、途中に接続部を含まないので接続損失の発生のない効率的な伝送が可能な光ファイバコリメータを実現することができる。

ここで、ＰｈＣＦ２ａ、２ｂのＭＦＤは１〜７０μｍが好ましい。これは１μｍ未満ではＳＭＦ３ａ、３ｂと光軸を合わせるのが困難になるためであり、７０μｍを超える場合は前述した光学素子との接続において不都合が生じるからである。

次に、本実施の形態におけるＭＦＤの状況について説明する。図１（ｂ）に示すように、まず伝送路のＳＭＦ３ａを伝送してきたある大きさのＭＦＤ３３ａを有するシングルモード光は端部２ｘからＰｈＣＦ２ａに入射し、シングルモードを維持しながらＭＦＤが３４ａ、３５ａと漸次拡大されて端部１ｘから光学素子１に入射する。光学素子１に入射した光はやはりシングルモードを維持しながらＭＦＤ３５ｂ（３５ａと同等ＭＦＤ）で端部１ｙからＰｈＣＦ２ｂに入射し、今度は漸次ＭＦＤが３５ｂ、３４ｂと縮小されながら端部２ｙからＳＭＦ３ｂに入射する。この時このシングルモード光は前記のＳＭＦ３ａを伝送してきた光と同等の大きさのＭＦＤ３３ｂとなり伝送路ＳＭＦ３ｂを伝送してゆく。

なお、端部２ｘ、２ｙは融着接続やコネクタ等による機械的接続あるいは光学的接着剤やマッチングオイルを用いて接続されている。また、端部１ｘ、１ｙは特に限定されるものではないが通常コネクタ等による機械的接続が施される。

上記したように光学素子１の両端にＭＦＤが変化している一対のＰｈＣＦを光学素子１を介して対向配置してＳＭＦと接続するので、シングルモードを維持しながら光学素子とＳＭＦを接続できるため接続損失を極めて小さくすることができる。

図４は本発明の第２の実施の形態を表した光学部材の外観図で、ＰｈＣＦをフェルールに挿入した例である。なお、本図において図１と共通する箇所には同一の番号を付して詳細な説明を省略している。

図４において、ＰｈＣＦ２ａ（２ｂ）はフェルール４に挿入されてコネクタハウジング５に収納されている。このフェルール４の外径は例えばＭＵ（ＭｉｎｉａｔｕｒｅＵｎｉｔｃｏｕｐｌｉｎｇ）コネクタのフェルールの外径１．２５ｍｍと同一にされている。またＰｈＣＦ２ａ（２ｂ）はＳＭＦ３ａ（３ｂ）と光学的に接続されている。このようなＰｈＣＦ２ａ（２ｂ）を光学素子１とコネクタ接続したり、アダプタを介してＭＵコネクタ同士で接続することもできる。また、ＦＣ、ＳＣ、ＳＴ、ＬＣ等の通常用いられるコネクタ用のフェルールを使用してもよい。

なお、ＳＭＦ３ａ、３ｂは通常の石英ガラス光ファイバの他、分散シフトファイバ
（ＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎＳｈｉｆｔＦｉｂｅｒ、以下「ＤＳＦ」と称す）、高ＮＡ
（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｐｅｒｔｕｒｅ）−ＳＭＦ、ＥＤＦ（Ｅｒｂｉｕｍ
ＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒ）、光減衰用ファイバ、ＳＭ−ＮＳＰ（Ｓｉｎｇｌｅ
Ｍｏｄｅ−ＮｏｎＳｔｒｉｐｐａｂｌｅＰｒｉｍａｒｙｃｏａｔｉｎｇ）ファイバ、ＰｈＣＦ等を用いることができ、特に限定されない。

図１の実施の形態の構成を有し、光学素子１として光アイソレータを使用した。なお、ＳＭＦ３ａ、３ｂは通常の石英ガラス系シングルモード光ファイバで、ＭＦＤは１０μｍであった。ここで本実施例で用いられた光学素子1の厚さが１０００μｍであるので、１ｄＢ以下の接続損失でＳＭＦと光学素子とを接続するにはＰｈＣＦのＭＦＤは４５μｍとするのが適当であったため、ＰｈＣＦ２ａ、２ｂはＭＦＤが１０μｍから４５μｍまで漸次拡大するように設計した。この時の端部２ｘ、２ｙにおける接続損失は波長１５５０ｎｍで０．５ｄＢ、アイソレーションは４５ｄＢで極めて良好な特性を示した。

図１の実施の形態の構成を有し、光学素子１として光アッテネータ（可変減衰器）を使用した。なお、ＳＭＦ３ａ、３ｂはＤＳＦで、ＭＦＤは８μｍであった。ここで本実施例で用いられた光学素子1の厚さが４５０μｍであるので、１ｄＢ以下の接続損失でＳＭＦと光学素子とを接続するにはＰｈＣＦのＭＦＤは３０μｍとするのが適当であったため、ＰｈＣＦ２ａ、２ｂはＭＦＤが８μｍから３０μｍまで漸次拡大するように設計した。この時の波長１５５０ｎｍにおける可変減衰量は駆動電圧０〜１０Ｖの間で０．５〜２５ｄＢとなり、極めて良好な特性を示した。

図１の実施の形態の構成を有し、光学素子１として光スイッチを使用した。なお、ＳＭＦ３ａ、３ｂは高ＮＡ−ＳＭＦで、ＭＦＤは６μｍであった。ここで本実施例で用いられた光学素子1の厚さが２００μｍであるので、１ｄＢ以下の接続損失でＳＭＦと光学素子とを接続するにはＰｈＣＦのＭＦＤは２０μｍとするのが適当であったため、ＰｈＣＦ２ａ、２ｂはＭＦＤが６μｍから２０μｍまで漸次拡大するように設計した。この時の波長１５５０ｎｍにおける減衰量は駆動電圧０Ｖ及び１０Ｖで０．５ｄＢ及び２５ｄＢとなり、極めて良好な特性を示した。

図１の実施の形態の構成を有し、光学素子１として光アイソレータを使用した。なお、ＳＭＦ３ａ、３ｂはＳＭ−ＮＳＰで、ＭＦＤは１０μｍであった。ここで本実施例で用いられた光学素子1の厚さが２５００μｍであるので、１ｄＢ以下の接続損失でＳＭＦと光学素子とを接続するにはＰｈＣＦのＭＦＤは７０μｍとするのが適当であったため、ＰｈＣＦ２ａ、２ｂはＭＦＤが１０μｍから７０μｍまで漸次拡大するように設計した。なお、この時の端部２ｘ、２ｙはＶ溝上にＳＭ−ＮＳＰ及びＰｈＣＦを配置し、各端面にマッチングオイルを塗布して機械的に接続した。この時の波長１５５０ｎｍにおける接続損失は１ｄＢ、アイソレーションは４２ｄＢで極めて良好な特性を示した。

本発明の第１の実施の形態を表した図で、図１（ａ）は本発明の光学部材の縦断面図、図１（ｂ）はＭＦＤの変化の状況を説明する図である。ギャップ間隔とロス及び軸ずれ量とロスの関係を説明する図である。フォトニック結晶ファイバを説明する図である。本発明の第２の実施の形態を表した図である。従来の光学部材の縦断面図である。従来の光学部材の縦断面図である。従来の光学部材の縦断面図である。従来の光学部材の縦断面図である。

符号の説明

１・・・光学素子
２ａ、２ｂ・・・光ファイバコリメータ
３ａ、３ｂ・・・シングルモード光ファイバ
４・・・フェルール
５・・・コネクタハウジング

Claims

シングルモード光ファイバからなる伝送路の途中に配設される光学部材であって、一方の側に光の入射端及び他方の側に光の出射端を有する光学素子と、この光学素子の入射端若しくは出射端にそれぞれ接続される光ファイバコリメータとからなり、この光ファイバコリメータは前記シングルモード光ファイバと接続される端部で前記シングルモード光ファイバのモードフィールド径と同等のモードフィールド径を有るとともに、他端は前記シングルモード光ファイバより大きなモードフィールドを有するフォトニック結晶ファイバであることを特徴とする光学部材。
前記フォトニック結晶ファイバからなる光ファイバコリメータは前記シングルモード光ファイバに接続する端部から前記光学素子に接続する端部まで一体的に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学部材。
前記フォトニック結晶ファイバからなる光ファイバコリメータは前記シングルモード光ファイバに接続する端部から前記光学素子に接続する端部にかけて外径が変化していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光学部材。
前記フォトニック結晶ファイバからなる光ファイバコリメータは前記シングルモード光ファイバに接続する端部から前記光学素子に接続する端部にかけて外径が漸次拡大していることを特徴とする請求項３記載の光学部材。
前記フォトニック結晶ファイバからなる光ファイバコリメータのモードフィールド径が１〜７０μｍであることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかの請求項に記載の光学部材。
前記フォトニック結晶ファイバからなる光ファイバコリメータは前記光学素子を介して対向配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかの請求項に記載の光学部材。
前記光学素子は光アイソレータ、光スイッチ、光サーキュレータ、光アッテネータ若しくは光フィルタまたはこれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかの請求項に記載の光学部材。
前記シングルモード光ファイバは石英ガラス系ファイバ若しくはフォトニック結晶ファイバまたはこれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれかの請求項に記載の光学部材。