JP2006337398A - マルチモード合波器 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学手段等を用いずに、複数のマルチモード光導波路によって導波された光を合波すること
【解決手段】 複数の光導波部と１つの出射端を有する入射側光ファイバ２０と、該入射側光ファイバ２０の出射端に入射端が接続された出射側光ファイバ３とを備えたマルチモード合波器であって、複数の光導波部は、中心に何れの該光導波部も配することなしに束ねられて１つの出射端を形成し、該出射端におけるコアが、
ＮＡ_input×Ｄ_input≦ＮＡ_output×Ｄ_output
（但し、ＮＡ_inputは入射側光ファイバ２０の出射端の開口率、Ｄ_inputは入射側光ファイバ２０の出射端のコア径、ＮＡ_outputは出射側光ファイバ３の入射端の開口率、Ｄ_outputは出射側光ファイバ３の入射端のコア径）
の関係を満足する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、光源から出射された光をマルチモード光導波路を用いて合波するマルチモード合波器に関するものである。

従来、多数の発光点から出射されるレーザ光を１本のマルチモード光導波路にて合波する場合、マルチモード光ファイバから出射されたレーザ光を集光レンズ等の光学手段を用いて出射側の光ファイバの入射端面に結合させ、合波を行っていた。

また、マルチモード光ファイバを用いた合波は、ファイバレーザ用の要素技術として盛んに研究が行われている。ファイバレーザにおける励起光を合波する場合、特許文献１〜３に開示された技術のように、中心にシングルモード光ファイバを配置して該シングルモード光ファイバの周辺にファイバレーザを複数本配置して束ね、シングルモード光ファイバと複数のファイバレーザの出射端のコアを一体化（複数のコアを１つにして）して、入射されたレーザ光を合波していた。
米国特許５８６４６４４号公報 米国特許５８８３９９２号公報 米国特許６４３４３０２号公報

しかしながら、光学手段を用いてレーザ光を合波する場合、光学手段側のファイバの入出射端面が大気にさらされるため、入出射端面の汚染物付着が問題となっていた。また、光学手段のためのコストがかかっていた。

一方、特許文献１〜３に開示されているような技術を用いて合波する場合、図８に示すように中心にシングルモード光ファイバを配置してその周辺に複数のファイバレーザを配置して最密となるように束ねられるため、使用するファイバの本数Ｎは、式（１）に示す計算式で表される。

Ｎ＝１＋６×ｉ ・・・（１）
（但し、ｉは０以上の整数）
つまり、合波するために使用されるファイバの本数は、式（１）を満足するＮ＝１、７、１３、１９、・・・に限定されており、合波ポートの選択肢が少なかった。

図８において、複数のファイバを束ねた際に働く力を矢印で示している。このように、全てのファイバに均一に力がかかるのではなく、中心に配置されたファイバ９１に最も力が加わるため、出力されたレーザ光の出力強度分布が不均一になっていた。また、ファイバ９１は信号用ファイバであって、周辺に配置されたファイバ９２とは異質のファイバであり、出力されたレーザ光の中心部の強度が弱くなっていた。この点においても出力されたレーザ光の出力強度分布が不均一となる原因となっていた。更にレンズを用いた合波の場合、煩雑な洗浄処理や調整が必要となり、合波器の製造に手間がかかっていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光学手段等を用いずに、マルチモード光導波路によって光を合波するマルチモード合波器を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明のマルチモード合波器は、複数の光導波部と１つの出射端を有する第１マルチモード光導波路と、該第１マルチモード光導波路の出射端に入射端が接続された第２マルチモード光導波路とを備えたマルチモード合波器であって、前記複数の光導波部は、中心に何れの該光導波部も配することなしに束ねられて前記１つの出射端を形成し、該出射端におけるコアが、
ＮＡ_input×Ｄ_input≦ＮＡ_output×Ｄ_output
（但し、ＮＡ_inputは前記第１マルチモード光導波路の出射端の開口率、Ｄ_inputは前記第１マルチモード光導波路の出射端のコア径、ＮＡ_outputは前記第２マルチモード光導波路の入射端の開口率、Ｄ_outputは前記第２マルチモード光導波路の入射端のコア径）
の関係を満足していることを特徴とするものである。

また、本発明のマルチモード合波器は、複数の光導波部と１つの出射端を有する第１マルチモード光導波路と、該第１マルチモード光導波路の出射端に入射端が接続された第２マルチモード光導波路とを備えたマルチモード合波器であって、前記複数の光導波部は、中心に何れの該光導波部も配することなしに束ねられて前記１つの出射端を形成し、前記第２マルチモード光導波路の入射端におけるコアが、
ＮＡ_input×Ｄ_input≦ＮＡ_output×Ｄ_output
（但し、ＮＡ_inputは前記第１マルチモード光導波路の出射端の開口率、Ｄ_inputは前記第１マルチモード光導波路の出射端のコア径、ＮＡ_outputは前記第２マルチモード光導波路の入射端の開口率、Ｄ_outputは前記第２マルチモード光導波路の入射端のコア径）
の関係を満足していることを特徴とするものであってもよい。

尚、本発明のマルチモード合波器において、前記第１マルチモード光導波路は３の倍数の本数の前記光導波部が最密に束ねられた構成とされることが望ましい。或いは、本発明のマルチモード合波器において、前記第１マルチモード光導波路は４の倍数の本数の前記光導波部が最密に束ねられた構成とされることが望ましい。

中心に光導波部を配することなく複数の光導波部を束ねて第１マルチモード光導波路を形成し、第２マルチモード光導波路と接続してマルチモード合波器を形成することによって、光導波部を束ねた際に光導波部の各々に均一に力が加わるため、チャンネル間の特性の均一化、合波光の光強度分布の均一化を実現することができる。

そして、第１マルチモード光導波路の出射端と第２マルチモード光導波路の入射端が、ＮＡ_input×Ｄ_input≦ＮＡ_output×Ｄ_output（但し、ＮＡ_inputは第１マルチモード光導波路の出射端の開口率、Ｄ_inputは第１マルチモード光導波路の出射端のコア径、ＮＡ_outputは第２マルチモード光導波路の入射端の開口率、Ｄ_outputは第２マルチモード光導波路の入射端のコア径）を満足するようにマルチモード合波器を形成することによって、合波光の損失を抑えることができる。

また、光学手段を用いて光を合波せず、マルチモード合波器を構成するファイバ内で合波が行われるため、安定な合波光を得ることができ、光学手段にかかるコストを削減することができる。更に、合波部分が大気にさらされないため、洗浄を簡略化することができる。

更に、第１マルチモード光導波路の光導波部の本数を３の倍数又は４の倍数から選択してマルチモード合波器を構成することができるため、従来に比べて光源を入射する光導波部の本数の選択肢を増やすことができる。

以下、図面を参照して本発明のマルチモード合波器について説明する。尚、複数の光導波部と１つの出射端を有するマルチモード光ファイバを入射側光ファイバ（第１マルチモード光導波路）、入射側光ファイバから出射された光を入射するマルチモード光ファイバを出射側光ファイバ（第２マルチモード光導波路）と表記する。また、以下では光導波路として光ファイバを適用した場合について説明するが、コア・クラッド構造で光を導波するものであれば、これに限らない。また、マルチモード合波器に入射する光の光源は、半導体レーザ、固体、ガス等のレーザ、発光ダイオード等を用いる。

まずマルチモード合波器の作製方法について説明する。入射側光ファイバ及び出射側光ファイバは何れもマルチモード光ファイバであり、その材料は石英、ガラス、プラスチックの何れでもよい。

最初にマルチモード光ファイバ１０の所定の領域の被覆１１を除去し（図１（１））、マルチモード光ファイバ１０を中心に配することなしに最密となるように複数本束ねる。尚、マルチモード光ファイバ１０の本数、配置方法については後ほど詳述する。次に被覆１１を除去した領域を加熱によって軟化させる。この加熱処理により複数のマルチモード光ファイバ１０の各コアが一体化されて１つのコアとなる。

そして複数のマルチモード光ファイバ１０の両端を引っ張って、軟化部分を伸延させる（図１（２））。この伸延処理によってマルチモード光ファイバ１０の軟化部分が細径化され、マルチモード光ファイバ１０の両端のファイバ径より軟化部分のファイバ径が細いテーパ構造となる。このようにファイバが細径化すると導波する光の閉じ込めが弱くなるため、モード径を広げることができる。ここで、マルチモード光ファイバ１０を加熱により軟化する領域は３ｍｍ長程度でよいが、３〜２０ｍｍ長の領域を軟化させることにより、マルチモード光ファイバ１０の出射端側が一体化される際に緩やかなテーパ構造となる。これにより、合波光の損失を低減させることができる。

次に、マルチモード光ファイバ１０の細径化された領域のうち、
ＮＡ_input×Ｄ_input≦ＮＡ_output×Ｄ_output ・・・（４）
の式を満足する位置でマルチモード光ファイバ１０を切断し、加熱融着等の方法で出射側光ファイバ３と接続する（図１（３）及び（４））。尚、ＮＡ_inputは出射端１３の開口率、Ｄ_inputは出射端１３のコア径、ＮＡ_outputは出射側光ファイバ３の入射端の開口率、Ｄ_outputは出射側光ファイバ３の入射端のコア径である。以下各マルチモード光ファイバ１０のうちコアが一体化されていない部分を光導波部１と記す。切断面は入射側光ファイバ２０の出射端１３となる。

図２及び３は、入射側光ファイバの光導波部１の配置を説明するための図であり、光導波路１の長さ方向に対して直交する方向から見た図である。尚、１つの二重丸は１つの光導波部１の断面図であり、各図において１つの二重丸にのみ符号を付して、その他の光導波部の対する符号の付与は省略する。図２及び２に示すように、複数の光導波部１の配置構成は、光導波部１の長さ方向に対して直交する方向の中心に光導波部１を配置することなしに束ねられて構成される。従って、光導波部１の本数Ｎは、式（２）又は（３）によって決定される。

Ｎ＝３×ｊ ・・・（２）
Ｎ＝４×ｊ ・・・（３）
ここで、ｊは１以上の整数とする。図２は光導波部１の本数が３の倍数のとき、図３は４の倍数のときを示している。光導波部１の本数を３の倍数又は４の倍数とすることで、中心に光導波部１を配することなしに最密に束ねた構成とすることができる。

このように、中心に光導波部１を配置しない構成とすることにより、マルチモード光ファイバ１０の加熱軟化プロセスの際に全てのファイバに均一に力が加わるようになるため、合波光の出力強度分布を均一にすることができる。また信号用のファイバを用いず、全て同質のファイバを用いて合波を行うため、この点においても合波光の出力強度分布を均一にすることができる。

また、従来は式（１）で表された本数の光ファイバを束ねて合波を行っていたが、本実施の形態では光導波部の本数を３の倍数又は４の倍数から選択してマルチモード合波器を構成することができるため、光源を入射する光導波部の本数の選択肢を広げることができる。

上述した方法で入射側光ファイバ２０と出射側光ファイバ３を接続して作製されたマルチファイバ合波器４の長さ方向の断面図を図４に示す。図４において点線Ａの位置におけるマルチファイバ合波器４の長さ方向と直交した方向の断面図を図５（Ａ）、点線Ｂの位置における断面図を図５（Ｂ）、点線Ｃの位置における断面図を図５（Ｃ）、点線Ｄの位置における断面図を図５（Ｄ）に示す。

位置Ａにおいては、入射側光ファイバ２０のコアとクラッドの境界はステップ状に変化するステップインデックスと呼ばれる境界面となる。加熱・伸延処理の行われた部分（位置Ｂ及びＣ）はコアとクラッドの境界面のドーパントが熱拡散し、なだらかな屈折率分布となる。更に位置Ｃのようにファイバ外径が小さくなると、ファイバのほぼ全域に光が導波される状態となる。

上述した方法で作製したマルチモード合波器の損失を測定した。出射端の開口率がＮＡ_input＝０．１５、コア径Ｄ_input＝５０［μｍ］のマルチモード光ファイバを６本束ねて出射端のコアを一体化させて形成した入射側光ファイバに、開口率ＮＡ_output＝０．２２、コア径Ｄ_output＝１８５［μｍ］の出射側光ファイバを接続したとき、合波光の損失が５％以下となった。同仕様のマルチモード光ファイバを９本束ねて入射側光ファイバを形成し、同仕様の出射側光ファイバを接続した場合、合波光の損失が１５％以下となった。同仕様のマルチモード光ファイバを１２本束ねて入射側光ファイバを形成し、同仕様の出射側光ファイバを接続した場合、合波光の損失３０％以下となった。

このように、中心にマルチモード光ファイバ１０を配することなく複数のマルチモード光ファイバ１０を束ね、加熱・伸延処理などによって各コアを一体化し、切断して出射端１３を形成し、出射端１３に出射側光ファイバ３を接続してマルチモード合波器４を形成することによって、光導波部１を束ねた際に光導波路１の各々に均一に力が加わり、チャンネル間の特性の均一化、合波光の光強度分布の均一化を実現することができる。更に、複数のマルチモード光ファイバを１０のコアを軟化・伸延処理によって一体化し、コアが一体化した領域のうち、式（４）を満足する位置で切断して出射側ファイバ３と接続することにより、合波光の損失を抑えることができる。

また、光学手段を用いて光を合波せず、マルチモード合波器４を構成するファイバ内で合波が行われるため、安定な合波光を得ることができ、光学手段にかかるコストを削減することができる。更に、光学手段を用いた際に大気にさらされるファイバの入出射端面の汚染による性能劣化を防ぐことができる。

尚、マルチモード合波器の作製方法は上述した方法に限らず、以下の方法でもよい。上記した方法と同様にして複数のマルチモード光ファイバの出射端のコアを一体化し、コアが一体化した領域のうち、出射側光ファイバの出射端のコア径より大きいコア径の位置で切断し、入射側光ファイバを形成する。そして、入射側光ファイバの出射端と出射側光ファイバの入射端を加熱融着等により接続する。接続された部分は合波光の損失を抑えるために、滑らかな接続部となるように加熱や放電等によって処理が施される。このような方法で作製されたマルチモード合波器４ａの長さ方向の断面図を図６に示す。図６に示す部分Ｐが加熱や放電等によって接続部のコアが滑らかになるように処理された部分である。このように、出射側光ファイバの出射端のコア径より大きいコア径の位置で入射側光ファイバの出射端側を切断して、該出射端に出射側光ファイバを接続することによって、接続損失を低減させることができる。

その他のマルチモード合波器の作製方法として、上記した方法と同様にして複数のマルチモード光ファイバの出射端のコアを一体化し、コアが一体化した領域のうち、出射側光ファイバの出射端のコア径より大きいコア径の位置で切断し、入射側光ファイバを形成する。そして出射側光ファイバの入射端側のコア径を熱拡散等の方法で拡張する。この際、入射側光ファイバの出射端と出射側光ファイバの入射端が式（４）を満足するように、出射側光ファイバの入射端側のコア径が拡張される。これにより合波光の損失を抑えることができる。そして、入射側光ファイバの出射端と出射側光ファイバの入射端を加熱融着等により接続し、マルチモード合波器を形成する。このような方法で作製されたマルチモード合波器４ｂの長さ方向の断面図を図７に示す。図７に示す部分Ｑがコア径の拡張された部分である。このように、出射側光ファイバの出射端のコア径より大きいコア径の位置で入射側光ファイバの出射端側を切断して、該出射端にコア径を拡張した出射側光ファイバを接続することによって、接続時の軸ズレに対する公差が大きくなり、安定したマルチモード合波器４ｂを実現することができる。

入射側光ファイバの作製方法を説明するための図 本数が３の倍数の時の入射側光ファイバの配置を説明するための図 本数が４の倍数の時の入射側光ファイバの配置を説明するための図 マルチファイバ合波器の長さ方向の断面図 マルチファイバ合波器の各位置における断面図 マルチファイバ合波器の長さ方向の断面図 マルチファイバ合波器の長さ方向の断面図 光ファイバの従来の配置を説明するための図

符号の説明

１ 光導波部
３ 出射側光ファイバ
４ マルチモード合波器
１０ マルチモード光ファイバ
１１ 被膜
１３ 出射端
２０ 入射側光ファイバ

Claims (4)

1. 複数の光導波部と１つの出射端を有する第１マルチモード光導波路と、該第１マルチモード光導波路の出射端に入射端が接続された第２マルチモード光導波路とを備えたマルチモード合波器であって、
   前記複数の光導波部は、中心に何れの該光導波部も配することなしに束ねられて前記１つの出射端を形成し、該出射端におけるコアが、
   ＮＡ_input×Ｄ_input≦ＮＡ_output×Ｄ_output
   （但し、ＮＡ_inputは前記第１マルチモード光導波路の出射端の開口率、Ｄ_inputは前記第１マルチモード光導波路の出射端のコア径、ＮＡ_outputは前記第２マルチモード光導波路の入射端の開口率、Ｄ_outputは前記第２マルチモード光導波路の入射端のコア径）
   の関係を満足していることを特徴とするマルチモード合波器。
2. 複数の光導波部と１つの出射端を有する第１マルチモード光導波路と、該第１マルチモード光導波路の出射端に入射端が接続された第２マルチモード光導波路とを備えたマルチモード合波器であって、
   前記複数の光導波部は、中心に何れの該光導波部も配することなしに束ねられて前記１つの出射端を形成し、前記第２マルチモード光導波路の入射端におけるコアが、
   ＮＡ_input×Ｄ_input≦ＮＡ_output×Ｄ_output
   （但し、ＮＡ_inputは前記第１マルチモード光導波路の出射端の開口率、Ｄ_inputは前記第１マルチモード光導波路の出射端のコア径、ＮＡ_outputは前記第２マルチモード光導波路の入射端の開口率、Ｄ_outputは前記第２マルチモード光導波路の入射端のコア径）
   の関係を満足していることを特徴とするマルチモード合波器。
3. 前記第１マルチモード光導波路は、３の倍数の本数の前記光導波部が最密に束ねられて構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチモード合波器。
4. 前記第１マルチモード光導波路は、４の倍数の本数の前記光導波部が最密に束ねられて構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチモード合波器。

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