JP2013174809A

JP2013174809A - 変換素子

Info

Publication number: JP2013174809A
Application number: JP2012040411A
Authority: JP
Inventors: Hideyori Sasaoka; 英資笹岡; Takashi Sasaki; 隆佐々木; Susumu Inoue; 享井上
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2013-09-05
Also published as: WO2013129007A1

Abstract

【課題】マルチコア光ファイバと光学素子とを互いに光学的に結合する際に該マルチコア光ファイバの特性劣化を抑制することができる変換素子を提供する。
【解決手段】変換素子１０は、マルチコア光ファイバ８０と平面型光導波路９０とを互いに光学的に結合するものであって、マルチコア光ファイバ側変換素子１１および平面型光導波路側変換素子１２を含む。平面型光導波路９０の光入出射間隔（グレーティングカプラ間隔）、平面型光導波路側変換素子１２の断面におけるコア間隔、マルチコア光ファイバ側変換素子１１の断面におけるコア間隔、および、マルチコア光ファイバ８０の断面におけるコア間隔は、段階的に変化している。マルチコア光ファイバ側変換素子１１および平面型光導波路側変換素子１２それぞれは、曲げが加えられた状態で固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、変換素子に関するものである。

特許文献１に記載された発明のコア配列変換器は、共通のクラッド内に複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、複数の光入出射点を有する光学素子との間に設けられ、マルチコア光ファイバのコアと光学素子の光入出射点とを光学的に結合するものである。

また、非特許文献１には、ＣＭＯＳプロセスにより作製された平面型光導波路と光ファイバとを互いに光結合させる手段としてグレーティングカプラを用い、平面型光導波路の面方向に対して概ね垂直な方向に光軸を有する光ファイバに光を結合させる方法が記載されている。

特開２０１１−１８０１３号公報

Attila Mekis, et al, "AGrating-Coupler-Enabled CMOS Photonics Platform," IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, Vol.17, No.3,pp.597-608 (2011).

非特許文献１に記載された方法により平面型光導波路とマルチコア光ファイバとを互いに光結合させようとする場合であって、マルチコア光ファイバの取り出し方向が平面型光導波路の面方向に平行であるときには、マルチコア光ファイバの端部近傍部分に対して取り出し部分を約９０度だけ屈曲させる必要がある。平面型光導波路の面方向に対して垂直な方向に充分な大きさの空間がない場合には、マルチコア光ファイバの９０度の屈曲を小径とする必要がある。このような場合、マルチコア光ファイバの曲げ損失の増加、小径曲げによるコア間クロストークの増大、および、曲げ歪によるファイバ破断確率の増加等を招く可能性がある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、マルチコア光ファイバと光学素子とを互いに光学的に結合する際に該マルチコア光ファイバの特性劣化を抑制することができる変換素子を提供することを目的とする。

本発明の変換素子は、第１端と第２端との間に延在し各々光を伝搬させる複数のコアを有する変換素子であって、第１端および第２端それぞれにおける複数のコアの配列または間隔が互いに異なり、複数のコアが屈曲した屈曲部を有し、第１端および第２端それぞれにおける光入出射方向が互いに異なることを特徴とする。

本発明の変換素子は、第１端および第２端それぞれにおける複数のコアの配列が互いに相似であり、第１端および第２端それぞれにおける複数のコアの間隔が互いに異なるのが好適である。第１端と第２端との間で複数のコアの間隔が段階的に変化していてもよいし、第１端と第２端との間で複数のコアの間隔が連続的に変化していてもよい。共通のクラッド内に複数のコアを有する出発材を軟化させ延伸することにより、この変換素子を製造することができる。

或いは、本発明の変換素子は、第１端と第２端との間に延在し各々光を伝搬させる複数のコアを有する変換素子であって、第１端および第２端それぞれにおける複数のコアの間隔が互いに異なり、第１端と第２端との間で複数のコアの間隔が段階的に変化していることを特徴とする。

第１端および第２端それぞれにおける複数のコアの２次元配列パターンが互いに異なるのが好適である。また、複数のコアが個々に細径光ファイバで構成されているのも好適である。第１端および第２端それぞれにおける複数のコアの径または屈折率が互いに異なるのが好適である。第１端または第２端において複数のコアのドーパントが熱拡散されてコア径または屈折率が変化しているのも好適である。また、複数のコアが複数本の光ファイバで構成されており、複数本の光ファイバの一端においてコアの残留応力が緩和されることによりコアの屈折率が変化しているのも好適である。

或いは、本発明の変換素子は、第１端と第２端との間に延在し各々光を伝搬させる複数のコアを有する変換素子であって、第１端および第２端それぞれにおける複数のコアの配列または間隔が互いに異なり、複数のコアが複数本の光ファイバで構成されており、複数本の光ファイバの一端においてコアの残留応力が緩和されることによりコアの屈折率が変化していることを特徴とする。

本発明の変換素子は、マルチコア光ファイバと光学素子とを互いに光学的に結合する際に、該マルチコア光ファイバの特性劣化を抑制することができる。

第１実施形態の変換素子１０の構成を示す図である。第２実施形態の変換素子２０の構成を示す図である。第３実施形態の変換素子３０の構成を示す図である。第４実施形態の変換素子４０の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

図１は、第１実施形態の変換素子１０の構成を示す図である。同図（ａ）に示されるように、変換素子１０は、マルチコア光ファイバ８０と平面型光導波路９０とを互いに光学的に結合するものであって、マルチコア光ファイバ側変換素子１１および平面型光導波路側変換素子１２を含む。平面型光導波路９０，平面型光導波路側変換素子１２，マルチコア光ファイバ側変換素子１１およびマルチコア光ファイバ８０の順に光学的に接続されている。

同図（ｂ）は、平面型光導波路９０の光入出射位置（すなわち、グレーティングカプラが設けられている位置）を丸印で示す。平面型光導波路９０の４つのグレーティングカプラは、一辺の長さが５０μｍである正方形の各頂点に設けられている。同図（ｃ）は、平面型光導波路側変換素子１２の断面におけるコアの位置を丸印で示す。平面型光導波路側変換素子１２の４つのコアは、一辺の長さが４８μｍである正方形の各頂点に設けられている。

同図（ｄ）は、マルチコア光ファイバ側変換素子１１の断面におけるコアの位置を丸印で示す。マルチコア光ファイバ側変換素子１１の４つのコアは、一辺の長さが４６μｍである正方形の各頂点に設けられている。同図（ｅ）は、マルチコア光ファイバ８０の断面におけるコアの位置を丸印で示す。マルチコア光ファイバ８０の４つのコアは、一辺の長さが４４μｍである正方形の各頂点に設けられている。

平面型光導波路９０の各グレーティングカプラと平面型光導波路側変換素子１２の各コアとは１対１に対応している。平面型光導波路側変換素子１２の各コアとマルチコア光ファイバ側変換素子１１の各コアとは１対１に対応している。また、マルチコア光ファイバ側変換素子１１の各コアとマルチコア光ファイバ８０の各コアとは１対１に対応している。

したがって、平面型光導波路９０の何れかのグレーティングカプラから光が出力されると、その光は、平面型光導波路側変換素子１２のコアおよびマルチコア光ファイバ側変換素子１１のコアを伝搬して、マルチコア光ファイバ８０の何れかのコアに入力される。逆に、マルチコア光ファイバ８０の何れかのコアから光が出力されると、その光は、マルチコア光ファイバ側変換素子１１のコアおよび平面型光導波路側変換素子１２のコアを伝搬して、平面型光導波路９０の何れかのグレーティングカプラに入力される。

マルチコア光ファイバ側変換素子１１および平面型光導波路側変換素子１２それぞれは、曲げが加えられた状態で固定されている。これにより、平面型光導波路９０は、平面型光導波路９０の面方向に対して概ね垂直な方向に光を入出射するのに対して、マルチコア光ファイバ８０は、平面型光導波路９０の面方向に対して平行な方向に光を入出射することができる。

平面型光導波路９０のグレーティングカプラ間隔（５０μｍ）とマルチコア光ファイバ８０のコア間隔（４４μｍ）とが大きく異なるため、平面型光導波路９０とマルチコア光ファイバ８０とが直接に光学的に接続されると、当該結合部での損失が大きい。しかし、本実施形態では、平面型光導波路９０とマルチコア光ファイバ８０とが変換素子１０を介して光学的に接続され、コア間隔が段階的に変化していることから、各結合部での損失が低減され得る。変換素子における複数のコア径は、結合損失の観点から適宜好ましい径に設定されれば良く、本実施形態の場合では、１０μｍとしている。また、変換素子１０は曲げが加えられた状態で固定されているので、マルチコア光ファイバ８０に小径曲げを加えることなく、マルチコア光ファイバ８０を平面型光導波路９０の面に平行な方向に取り出すことが可能となる。

なお、マルチコア光ファイバ側変換素子１１および平面型光導波路側変換素子１２それぞれにおいて、各コアの周囲にトレンチ部や空孔部を付与する等の手段により、曲げ損失や曲げによるコア間クロストーク劣化を低減することも可能となる。また、マルチコア光ファイバ側変換素子１１および平面型光導波路側変換素子１２それぞれのクラッド径は必ずしもマルチコア光ファイバ８０のクラッド径と一致させる必要はなく、マルチコア光ファイバ側変換素子１１および平面型光導波路側変換素子１２それぞれのクラッド径をマルチコア光ファイバ８０のクラッド径より小さくすることにより、マルチコア光ファイバ側変換素子１１および平面型光導波路側変換素子１２それぞれにおいて、曲げによるクラッド表面での歪を低減させて、曲げ印加時の歪による光ファイバ破断の可能性を低減させることも可能である。

（第２実施形態）

図２は、第２実施形態の変換素子２０の構成を示す図である。変換素子２０は、以下のようにして作製される。同図（ａ）に示されるように、４つのコアを有するマルチコア光ファイバ２１の長手方向の一部範囲において被覆層を除去してガラス２２を露出する。同図（ｂ）に示されるように、マイクロバーナや電気ヒータ等の熱源を用いて、露出したガラス２２を加熱し軟化させて上でテーパ状に延伸する。同図（ｃ）に示されるように、加熱によりガラス２２のテーパ部分を軟化させたままの状態で、ガラス２２のテーパ部分の細径部に約９０度の曲げを加える。

そして、同図（ｄ）に示されるように、曲げを加えたテーパ部分を切り出し、これを樹脂等によりモールドした上で端面に研磨加工を行う。以上のようにして変換素子２０を作製することができる。この作製された変換素子２０は、片端のコア間隔がマルチコア光ファイバ８０のコア間隔と整合し、他端のコア間隔が平面型光導波路９０のグレーティングカプラ間隔と整合し、かつ、約９０度の曲げを有する。

この変換素子２０は、テーパ状に延伸されて作製されることで、片端から他端にかけてコア間隔が連続的に変化しているので、コア間隔が異なるマルチコア光ファイバ８０と平面型光導波路９０とを低損失で結合させることが可能となる。さらに、この変換素子２０は、軟化した状態でテーパ部に曲げが加えられ、曲げが加わった状態で硬化しているので、曲げに起因する表面歪を実質的に無くすことも可能となる。

なお、マルチコア光ファイバ２１において、各コアの周囲にトレンチ部や空孔部を付与する等の手段により、曲げ損失や曲げによるコア間クロストーク劣化を低減することも可能となる。また、マルチコア光ファイバ２１において曲げを加えた部分では、テーパ状に延伸されて細径となっているので、万一曲げ歪が発生した場合でも、表面に生じる歪は延伸されていない部分に対して相対的に小さくなるので、曲げに起因する光ファイバの破断確率を低減させる上でも有効である。

（第３実施形態）

図３は、第３実施形態の変換素子３０の構成を示す図である。変換素子３０は、マルチコア光ファイバ８０と平面型光導波路９０とを互いに光学的に結合するものであって、８本の細径光ファイバ３１およびチューブ３２を含む。

平面型光導波路９０のグレーティングカプラと光学的に結合される変換素子３０の片端では、変換素子３０の８つのコア（すなわち、８本の細径光ファイバ３１）は、平面型光導波路９０の８つのグレーティングカプラの配置に合わせて、２行４列に二次元配列されて固定されている。マルチコア光ファイバ８０のコアと光学的に結合される変換素子３０の他端では、変換素子３０の８つのコア（すなわち、８本の細径光ファイバ３１）は、マルチコア光ファイバ８０の８つのコアの配置に合わせて、同一円周上に等間隔で配置されて固定されている。変換素子３０において、８本の細径光ファイバ３１はチューブ３２内に収納されている。変換素子３０の両端では８本の細径光ファイバ３１はチューブ３２とともに固定されている。

この変換素子３０は、片端が平面型光導波路９０のグレーティングカップラ配列とコア配列が一致し、他端がマルチコア光ファイバ８０とコア配列が一致しているので、平面型光導波路９０とマルチコア光ファイバ８０とを低損失で結合させることが可能となる。さらに、図３に示したように変換素子３０に曲げを加えた状態においても、曲げられるのは細径光ファイバ３１であるので、光ファイバ３１表面に発生する歪は通常径の光ファイバの場合と比較して相対的に小さくなり、曲げに起因する光ファイバ３１の破断確率を低減させる上でも有効である。なお、各細径光ファイバ３１において、コアの周囲にトレンチ部や空孔部を付与する等の手段により、この光ファイバ３１の曲げ損失を低減することも可能となる。

（第４実施形態）

図４は、第４実施形態の変換素子４０の構成を示す図である。変換素子４０は、マルチコア光ファイバ８０と平面型光導波路９０とを互いに光学的に結合するものであって、８本の細径光ファイバ４１およびチューブ４２を含む。

平面型光導波路９０のグレーティングカプラと光学的に結合される変換素子４０の片端では、変換素子４０の８つのコア（すなわち、８本の細径光ファイバ４１）は、平面型光導波路９０の８つのグレーティングカプラの配置に合わせて、２行４列に二次元配列されて固定されている。マルチコア光ファイバ８０のコアと光学的に結合される変換素子４０の他端では、変換素子４０の８つのコア（すなわち、８本の細径光ファイバ４１）は、マルチコア光ファイバ８０の８つのコアの配置に合わせて、同一円周上に等間隔で配置されて固定されている。変換素子４０において、８本の細径光ファイバ４１はチューブ４２内に収納されている。変換素子４０の両端では８本の細径光ファイバ４１はチューブ４２とともに固定されている。

本実施形態では、平面型光導波路９０のグレーティングカプラと光学的に結合される変換素子４０の片端において、８本の細径光ファイバ４１それぞれは、マイクロバーナや電気ヒータ等の熱源により一定時間加熱されてコアの添加物が熱拡散されることで、コア直径が拡大され、コア部分のピーク屈折率が低減されている。或いは、８本の細径光ファイバ４１それぞれは、コア部分に引っ張り応力を残留させる条件で線引が行われ、マルチコア光ファイバ８９と光学的に結合される変換素子４０の他端において、マイクロバーナや電気ヒータ等の熱源により一定時間加熱されてコア部分の残留応力が低減されることで、コア部分のピーク屈折率が増大されている。

この変換素子４０は、片端が平面型光導波路９０のグレーティングカップラ配列とコア配列が一致し、他端がマルチコア光ファイバ８０とコア配列が一致しているので、平面型光導波路９０とマルチコア光ファイバ８０とを低損失で結合させることが可能となる。また、平面型光導波路９０のグレーティングカップラとマルチコア光ファイバ８０のコアとの間でスポット径や光の広がり角が互いに異なる場合でも、それぞれに対応する変換素子の端部でのスポット径や広がり角を整合させることも可能となる。さらに、図４に示したように変換素子４０に曲げを加えた状態においても、曲げられるのは細径光ファイバ４１であるので、光ファイバ４１表面に発生する歪は通常径の光ファイバの場合と比較して相対的に小さくなり、曲げに起因する光ファイバ４１の破断確率を低減させる上でも有効である。なお、各細径光ファイバ４１において、コアの周囲にトレンチ部や空孔部を付与する等の手段により、この光ファイバ４１の曲げ損失を低減することも可能となる。

（変形例）

上記の第１〜第４の各実施形態においては変換素子に約９０度の曲げが付与されていたが、変換素子の使い方としては、グレーティングカップラ等の手段により平面型光導波路の平面に略垂直方向以外の方向に光を結合する場合も考えられる。一例として、平面型光導波路の端部において光を結合する場合も考えられ、この場合には、曲げを付与しない変換素子を使用することも考えられる。この場合、変換素子の１端または他端において、複数のコアのドーパントが熱拡散されてコア径または屈折率が変化する構成が考えられる。これにより、変換素子の入力端及び出力端で、モードフィールド径の調整を行うことができる。前記実施形態では各コアがシングルモード動作することを前提として記載しているが、本発明はマルチモード動作をするコアに適用することも可能である。

１０…変換素子、１１…マルチコア光ファイバ側変換素子、１２…平面型光導波路側変換素子、２０…変換素子、３０…変換素子、３１…細径光ファイバ、３２…チューブ、４０…変換素子、４１…細径光ファイバ、４２…チューブ、８０…マルチコア光ファイバ、９０…平面型光導波路。

Claims

第１端と第２端との間に延在し各々光を伝搬させる複数のコアを有する変換素子であって、
前記第１端および前記第２端それぞれにおける前記複数のコアの配列または間隔が互いに異なり、
前記複数のコアが屈曲した屈曲部を有し、
前記第１端および前記第２端それぞれにおける光入出射方向が互いに異なる、
ことを特徴とする変換素子。
前記第１端および前記第２端それぞれにおける前記複数のコアの配列が互いに相似であり、
前記第１端および前記第２端それぞれにおける前記複数のコアの間隔が互いに異なる、
ことを特徴とする請求項１に記載の変換素子。
前記第１端と前記第２端との間で前記複数のコアの間隔が段階的に変化していることを特徴とする請求項２に記載の変換素子。
前記第１端と前記第２端との間で前記複数のコアの間隔が連続的に変化していることを特徴とする請求項２に記載の変換素子。
共通のクラッド内に複数のコアを有する出発材を軟化させ延伸することにより請求項４に記載の変換素子を製造することを特徴とする変換素子製造方法。
第１端と第２端との間に延在し各々光を伝搬させる複数のコアを有する変換素子であって、
前記第１端および前記第２端それぞれにおける前記複数のコアの間隔が互いに異なり、
前記第１端と前記第２端との間で前記複数のコアの間隔が段階的に変化している、
ことを特徴とする変換素子。
前記第１端および前記第２端それぞれにおける前記複数のコアの２次元配列パターンが互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の変換素子。
前記複数のコアが個々に細径光ファイバで構成されていることを特徴とする請求項７に記載の変換素子。
前記第１端および前記第２端それぞれにおける前記複数のコアの径または屈折率が互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の変換素子。
前記第１端または前記第２端において前記複数のコアのドーパントが熱拡散されてコア径または屈折率が変化していることを特徴とする請求項９に記載の変換素子。
前記複数のコアが複数本の光ファイバで構成されており、前記複数本の光ファイバの一端においてコアの残留応力が緩和されることによりコアの屈折率が変化している、ことを特徴とする請求項９に記載の変換素子。
第１端と第２端との間に延在し各々光を伝搬させる複数のコアを有する変換素子であって、
前記第１端および前記第２端それぞれにおける前記複数のコアの配列または間隔が互いに異なり、
前記複数のコアが複数本の光ファイバで構成されており、前記複数本の光ファイバの一端においてコアの残留応力が緩和されることによりコアの屈折率が変化している、
ことを特徴とする変換素子。