JP2013007908A - 光ファイバカップラ - Google Patents

Abstract

【課題】２本の伝搬定数を同一とするとともに、結合効率の良い光ファイバカップラを提供する。
【解決手段】光ファイバカップラ１は、コア径が互いに異なる２本のフォトニックバンドギャップファイバを接合した光ファイバカップラ１であって、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１において、それぞれを構成するクラッドの格子間隔を、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１で相違させることで、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１のそれぞれの伝搬定数を同一とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバカップラに関するものである。

周知のように、光ファイバカップラは、２本の光ファイバを結合させることで、光の分配を可能とするものである（下記非特許文献１及び２参照）。ここで、２本の光ファイバの伝搬定数が相違すると、２本の光ファイバの結合効率が低くなり、光ファイバッカプラの特性を十分に生かすことができない。

一般に、単一モードの通常の光ファイバカップラにおいて、コア径の異なる光ファイバを結合する場合には、それぞれのコア部の屈折率分布を調整することで、それぞれの光ファイバの伝搬定数を同一とすることが可能となる。

"ＴＡＴＳＵＴＡ"、［online］、［平成２３年５月１８日検索］、インターネット、<URL:http://www.tatsuta.co.jp/products/electronics/optical_coupler.html> "偏波保持カプラ（固定比）"、［online］、［平成２３年５月１８日検索］、インターネット、〈URL: http://www.hanamuraoptics.com/device/cir/cirfixedcoupler904p.htm〉

ここで、フォトニックギャップファイバを２本結合する場合には、コア部の屈折率を変化させることはできない。よって、上記の方法によりそれぞれのフォトニックバンドギャップファイバの伝搬定数を同一とすることができない。

また、断面構造を比例拡大することにより、コア部及びクラッド部を拡大した場合、動作波長がずれる。クラッド部の格子間隔によりフォトニックバンドギャップファイバの波長が決まるので、使用可能な波長も長い波長側にずれてしまうので、結果として伝搬定数も変化してしまう。

よって、コア部の径を拡大するためには、コア部を構成する格子の数を増やす必要がある。しかし、この場合、格子数の増加に伴い、伝搬モードの伝搬定数が変化するために、単に格子の数を増やしただけでは、結合効率が低くなり、光ファイバッカプラの特性を生かすことができないという問題点があった。

本発明は、前述の従来技術における問題を解決し、２本の伝搬定数を同一とするとともに、結合効率の良い光ファイバカップラを提供することを課題とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明の一態様は光ファイバカップラであって、コア径が互いに異なる２本のフォトニックバンドギャップファイバを接合した光ファイバカップラであって、第一のフォトニックバンドギャップファイバと第二のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、それぞれを構成するクラッドの格子間隔を、前記第一のフォトニックバンドギャップファイバと前記第二のフォトニックバンドギャップファイバで相違させることで、前記第一のフォトニックバンドギャップファイバと前記第二のフォトニックバンドギャップファイバのそれぞれの伝搬定数を同一とする。

このような光ファイバカップラでは、コア径が互いに異なる２本のフォトニックバンドギャップファイバを接合した光ファイバカップラにおいて、それぞれのフォトニックバンドギャップファイバを構成するクラッドの格子間隔を相違させることで、２本のフォトニックバンドギャップファイバの伝搬定数を同一とすることができる。よって、伝搬定数を同一とすることにより、結合効率の良い光ファイバカップラとすることができる。

また、本発明の一態様は上記の光ファイバカップラであって、前記第一のフォトニックバンドギャップファイバ及び前記第二のフォトニックバンドギャップファイバのうち、前記コア径の小さい方の前記フォトニックバンドギャップファイバの前記格子間隔を、前記コア径の大きい方の前記フォトニックバンドギャップファイバの前記格子間隔より大きくした。

このような光ファイバカップラでは、コア径の小さい方のフォトニックバンドギャップファイバの格子間隔を、コア径の大きい方のフォトニックバンドギャップファイバの格子間隔より大きくすることで、２本のフォトニックバンドギャップファイバの伝搬定数を同一とすることができる。よって、伝搬定数を同一とすることにより、結合効率の良い光ファイバカップラとすることができる。

また、本発明の一態様は上記の光ファイバカップラであって、前記第一のフォトニックバンドギャップファイバ及び前記第二のフォトニックバンドギャップファイバのうち、少なくとも一方の前記フォトニックバンドギャップファイバをテーパー形状とする。

このような光ファイバカップラは、２本のフォトニックバンドギャップファイバのうち少なくとも一方のフォトニックバンドギャップファイバをテーパー形状にすることにより、格子間隔を徐々に小さくすることができる。よって、テーパー形状に形成されて方のフォトニックバンドギャップファイバでは格子間隔の変化に伴い伝搬定数が変化するので、もう一方のフォトニックバンドギャップファイバの伝搬定数と一致させることが可能となる。したがって、伝搬定数を同一とすることにより、結合効率の良い光ファイバカップラとすることができる。

また、本発明の一態様は上記の光ファイバカップラであって、前記第一のフォトニックバンドギャップファイバ及び前記第二のフォトニックバンドギャップファイバを構成するそれぞれの前記クラッドの材質を互いに異なるものとする。

このような光ファイバカップラは、２本のフォトニックバンドギャップファイバを構成するクラッドの材質が異なるので、それに伴いそれぞれの格子間隔も異なることとなり、結果として２本のフォトニックバンドギャップファイバの伝搬定数を同一とすることができる。よって、伝搬定数を同一とすることにより、結合効率の良い光ファイバカップラとすることができる。

また、本発明の一態様は上記の光ファイバカップラであって、前記第一のフォトニックバンドギャップファイバ及び前記第二のフォトニックバンドギャップファイバのうち、少なくとも一方の前記コアを中空とする。

このような光ファイバカップラは、少なくとも一方のコアを中空として、２本のフォトニックバンドギャップファイバの伝搬定数を同一とすることができる。よって、伝搬定数を同一とすることにより、結合効率の良い光ファイバカップラとすることができる。

本発明に係る光ファイバカップラは、２本の伝搬定数を同一とするとともに、結合効率の良くすることができる。

本発明の第一実施形態の光ファイバカップラの模式断面図である。 本発明の第一実施形態を構成するフォトニックバンドギャップファイバを示す模式断面図である。 本発明の第一実施形態を構成するフォトニックバンドギャップファイバの格子間隔と伝搬定数の関係を示すグラフである。 本発明の第一実施形態の光ファイバカップラの形成方法の研磨工程の一例を示す図である。 本発明の第一実施形態の光ファイバカップラの形成方法の接合工程の一例を示す図である。 本発明の第二実施形態の光ファイバカップラの構成を示す図である。 本発明の第二実施形態を構成するフォトニックバンドギャップファイバの格子間隔と伝搬定数の関係を示すグラフである。 本発明の第三実施形態を構成するフォトニックバンドギャップファイバの格子間隔と伝搬定数の関係を示すグラフである。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態に係る光ファイバカップラ１について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る光ファイバカップラ１は、図１に示すように、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と、第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１とを備える。そして、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と、第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１とは接合されている。

第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１は、図２（ａ）に示すように、断面視して、７個の空孔１４から構成される第一のコア１２と、第一のコア１２の周囲を包囲するとともに規則的に配列した複数の空孔１４から構成される第一のクラッド１３とを備えるとともに、図２の紙面に直交する向きである長手方向に延在している。
第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１は、図２（ｂ）に示すように、断面視して、３個の空孔２４から構成される第二のコア２２と、第二のコア２２の周囲を包囲するとともに規則的に配列した複数の空孔２４から構成される第二のクラッド２３とを備えるとともに、図２の紙面に直交する向きである長手方向に延在している。

第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１を比較すると、図１に示すように、第一のコア１２の径Ｌ１と第二のコア２２の径Ｌ２は互いに相違し、第一のコア１２の径Ｌ１の方が、第二のコア２２の径Ｌ２より大きく設けられている。
また、第一のクラッド１３を構成する空孔１４の間隔である第一の格子間隔Ｍ１は、第二のクラッド２３を構成する空孔２４の間隔である第二の格子間隔Ｍ２より小さく設けられている。

ここで、図３は、１．５５μｍの波長における第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１、及び第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１のクラッドの格子間隔と伝搬モードの伝搬定数の関係を示すグラフである。横軸にクラッドの格子間隔、縦軸に伝搬定数を表し、伝搬定数は等価屈折率に換算しているため無名数で表している（以下同じ）。
本グラフより、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１においては、同一の格子間隔では伝搬係数が異なることが分かる。例えば、格子間隔が３．４μｍの場合、第一フォトニックバンドギャップファイバの伝搬定数は０．９９２であり、第二フォトニックバンドギャップファイバの伝搬定数は０．９８５である。すなわち、コア径の大きい第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１の方が、コア径の小さい第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１より伝搬係数が大きい。
また、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１及び第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１では、格子間隔が大きくなるにしたがって、伝搬定数も大きくなることが分かる。
そして、一致線が示す伝搬定数近傍にて、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１の伝搬定数は同一となることが分かる。例えば、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１の格子間隔（第一の格子間隔Ｍ１）が３．３μｍ、及び第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１の格子間隔（第二の格子間隔Ｍ２）が３．９μｍの場合に、伝搬定数はともに０．９９１である。
すなわち、コア径の大きいフォトニックバンドギャップファイバの格子間隔を、コア径の小さいフォトニックバンドギャップファイバの格子間隔より小さくすることにより、２本のフォトニックバンドギャップファイバの伝搬定数を一致させることができる。言い換えれば、コア径の小さいフォトニックバンドギャップファイバの格子間隔を、コア径の大きいフォトニックバンドギャップファイバの格子間隔より大きくすることにより、２本のフォトニックバンドギャップファイバの伝搬定数を一致させることができる。

このように構成された光ファイバカップラ１では、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１で伝搬定数を同一とすることでできるので、結合効率の良い光ファイバカップラ１とすることができる。

また、第一のコア１２及び第二のコア２２が中空であるので、ガラスを材料とする場合と比較して、光の吸収、散乱等の不都合を低減させることが可能となる。

なお、本実施形態では、第一のコア１２は７個の空孔１４から構成され、第二のコア２２は３個と空孔２４から構成されるものとしているが、本個数に限定されるものではない。第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１の伝搬係数と、第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１の伝搬定数を同一とすることができれば、任意の数でよい。

ここで、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１が互いに接合されて構成される光ファイバカップラ１の形成方法について説明する。

まず、研磨工程を実施する。
すなわち、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１、第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１のそれぞれについて研磨工程を実施する。ここでは、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１を例に挙げて説明する。
図４に示すように、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１の一方の端面に、光源１０１より発射された参照光を入力し、他方の端面より出力した光のパワーをパワーメータ１０２で測定する。

この状態で、モールドした接着剤からなる固定部材１０６の一面を研磨板１０３で研磨し、固定部材１０６及び第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１の側面の一部を取り除いていく。このとき、研磨板１０３の上には、紙ヤスリのように研磨材１０４の研磨粉が塗布されていてよい。研磨が進んでいくと第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１の側面が削られて、第一のコア１２近くの第一のクラッド１３が研磨されるようになる。そうすると、第一のコア１２を伝搬する光の一部が漏れ出して、パワーメータ１０２の出力が低下する。この研磨の深さとパワーメータ１０２の出力低下の間には一定の関係があり、パワーメータ１０２の出力の低下をモニタすることにより、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１の側面の研磨深さを正確に知ることができる。そして、パワーメータ１０２で測定される参照光に対応する出力光の光強度が、所定の値の強度まで低下したときに研磨を終了する。

上記研磨工程を、第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１に対しても行うことにより、正確な研磨深さで側面が除去され、所定の光パワーを有する２本のフォトニックバンドギャップファイバを用意することができる。２本のフォトニックバンドギャップファイバが、所定の光パワーを有するので、これらから所定の結合比を有する光ファイバカップラ１を形成することが可能となる。

また、上記の研磨工程により、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１及び第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１には、それぞれ側面の一部が除去されて形成された図５に示す除去面１１１が形成される。

次に、接合工程を実施する。
すなわち、図５に示すように、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１及び第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１を、それぞれの除去面１１１を対向させて結合させる。これにより、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１及び第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１の結合した箇所では結合部１１２が形成される。
ここで、第一のクラッド１３、第二のクラッド２３における除去面１１１は、それぞれ第一のコア１２、第二のコア２２付近まで除去されている。よって、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１及び第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１の除去面１１１同士を接合することにより第一のコア１２と第二のコア２２が接近する構造となるので、２本のフォトニックバンドギャップファイバが有効に結合された光ファイバカップラ１を形成することが可能となる。

ここで、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１の接合固定は、例えば、固定部材１０６同士を接合することにより行うようにしてもよい。第一のコア１２付近の第一のクラッド１３及び第二のコア２２付近の第二のクラッド２３は、必ずしも強い接合力を有する訳ではない。よって、このような場合には、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１、第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１をそれぞれ固定している固定部材１０６同士を接合することにより、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１を接合固定することができる。
なお、固定部材１０６同士は、接着剤を用いて接合するようにしてもよいし、その他の手法や手段によってもよい。例えば、固定部材１０６が、加熱することにより複数回接着力を発揮する性質を有する接着剤であれば、該性質を有する接着剤を用いて、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１を接合固定するようにしてもよい。また、ガラス基板等の基板を固定部材１０６とし、基板で両側から対向する第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１を挟み、基板同士を固定又は接合する構成としてもよい。

上記の研磨工程及び接合工程を行うことにより、同一の伝搬定数からなる第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１を結合して、結合効率の良い光ファイバカップラ１を形成することが可能となる。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態について説明する。
この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
本実施形態に係る光ファイバカップラ１Ｘは、図６に示すように、第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１Ｘは、光の入射側５１から出射側５２に向かうに従って、先細りとなるテーパー形状を形成している。よって、出射側５２に向かうに従って、第二の格子間隔ＭＸ２は徐々に狭くなる構成となっている。

ここで、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１又は第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１Ｘをテーパー形状にするには、テーパー線引き方法により可能である。または、作成済みの第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１又は第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１Ｘを再度加熱延伸することでも可能である。

このように構成された光ファイバカップラ１Ｘでは、第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１Ｘを光の入射側５１から出射側５２に向けてテーパー形状とすることで、第二の格子間隔ＭＸ２が徐々に小さくなる。そして、図７から分かるように、第二の格子間隔ＭＸ２の減少にともない、第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１Ｘの伝搬定数も減少する。よって、第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１Ｘの伝搬定数が徐々に減少する間において、必ず第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１の伝搬定数と一致する位置が存在する。例えば、第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１Ｘの入射側５１の格子間隔が３．９５μｍ、出射側５２の格子間隔が３．７５μｍの場合に、格子間隔が変化するにしたがって、第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１Ｘの伝搬定数と第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１の伝搬定数が一致する位置が存在するのが分かる。
よって、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１の伝搬定数と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１Ｘの伝搬定数を、確実に一致させることが可能となるので、結合効率の良い光ファイバカップラ１Ｘとすることができる。

なお、本実施形態では第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１Ｘをテーパー形状としたが、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１をテーパー形状としてもよく、又第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１及び第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１Ｘの両方をテーパー形状としてもよい。
また、出射側５２、入射側５１の格子間隔を逆転させて、出射側５２から入射側５１に向けて先細りのテーパー形状であってもよい。

（第三実施形態）
以下、本発明の第三実施形態について説明する。
本実施形態は、第一実施形態と材質が異なるものであるので、図１を用いて説明する。
また、本実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
本実施形態に係る光ファイバカップラ１は、屈折率２．１の高屈折率ガラスからなる第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と、屈折率１．４５の石英ガラスからなる第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１とを備える。

ここで、図８（ａ）は屈折率１．４５の石英ガラスからなるフォトニックバンドギャップファイバ、（ｂ）は屈折率２．１の高屈折率ガラスからなるフォトニックバンドギャップファイバにおいて、それぞれクラッドの格子間隔と伝搬定数の関係を示すグラフである。
本グラフより、高屈折率ガラスからなる第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１の伝搬定数と、石英ガラスからなる第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１の伝搬定数が一致線近傍において一致していることが分かる。

このように構成された光ファイバカップラ１では、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１の材質又は屈折率を互いに異なるものとすることにより、第一の格子間隔Ｍ１と第二の格子間隔Ｍ２が異なることとなる。よって、結果として、第一のフォトニックバンドギャップファイバ１１と第二のフォトニックバンドギャップファイバ２１で伝搬定数を同一とすることでできるので、結合効率の良い光ファイバカップラ１とすることができる。

また、フォトニックバンドギャップファイバにおいては、バンドギャップの波長等は電磁界解析により求める。よって、電磁界解析により光ファイバカップラを形成するのに必要なクラッドの格子間隔を求めることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない限り、これらに限定されることはなく、多少の設計変更等も可能である。

１…光ファイバカップラ
１１…第一のフォトニックバンドギャップファイバ
２１…第二のフォトニックバンドギャップファイバ
Ｌ１、Ｌ２…第一のコアの径、第二のコアの径
Ｍ１、Ｍ２…第一の格子間隔、第二の格子間隔

Claims (5)

1. コア径が互いに異なる２本のフォトニックバンドギャップファイバを接合した光ファイバカップラであって、
   第一のフォトニックバンドギャップファイバと第二のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、それぞれを構成するクラッドの格子間隔を、前記第一のフォトニックバンドギャップファイバと前記第二のフォトニックバンドギャップファイバで相違させることで、前記第一のフォトニックバンドギャップファイバと前記第二のフォトニックバンドギャップファイバのそれぞれの伝搬定数を同一とする光ファイバカップラ。
2. 請求項１に記載の光ファイバカップラにおいて、
   前記第一のフォトニックバンドギャップファイバ及び前記第二のフォトニックバンドギャップファイバのうち、前記コア径の小さい方の前記フォトニックバンドギャップファイバの前記格子間隔を、前記コア径の大きい方の前記フォトニックバンドギャップファイバの前記格子間隔より大きくした光ファイバカップラ。
3. 請求項１または請求項２に記載の光ファイバカップラにおいて、
   前記第一のフォトニックバンドギャップファイバ及び前記第二のフォトニックバンドギャップファイバのうち、少なくとも一方の前記フォトニックバンドギャップファイバをテーパー形状とする光ファイバカップラ。
4. 請求項１乃至請求項３に記載の光ファイバカップラにおいて、
   前記第一のフォトニックバンドギャップファイバ及び前記第二のフォトニックバンドギャップファイバを構成するそれぞれの前記クラッドの材質を互いに異なるものとする光ファイバカップラ。
5. 請求項１乃至請求項４に記載の光ファイバカップラにおいて、
   前記第一のフォトニックバンドギャップファイバ及び前記第二のフォトニックバンドギャップファイバのうち、少なくとも一方の前記コアを中空とする光ファイバカップラ。

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