JP2013250495A

JP2013250495A - 光部品位置調整方法

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Publication number: JP2013250495A
Application number: JP2012126819A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Kubota; 寛和久保田; Hidehiko Takara; 秀彦高良; Hiroshi Takahashi; 浩高橋; Manabu Oguma; 学小熊
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2032-06-04
Also published as: JP5411318B2

Abstract

【課題】従来の光部品位置調整方法では変動量１％以下という微小な光パワーの変化を検出する必要があるため、要求される位置決め精度を安定して得ることは困難であった。
【解決手段】本発明の光部品位置調整方法は、高次モードの光を光部品１０に入射して当該光部品１０を通過後の当該高次モードの光のパワーを測定し、測定されるパワーが最大となるように光部品１０を光軸と略垂直な面上で移動させるか、或いは、高次モードの光を光部品１０に入射して当該光部品１０を通過後の基底モードの光のパワーを測定し、測定されるパワーが最小となるように光部品１０を光軸と略垂直な面上で移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のモードを有する光部品の位置調整方法に関し、特に、光部品同士の接続又は光部品と光ファイバを接続する際の光部品位置調整方法に関する。

近年、情報通信分野において、高速なデータ通信を可能とする光通信技術が広く採用されている。従来の大容量光通信技術では単一モード光ファイバを伝送媒体として用いてきた。さらなる通信容量拡大のために、２ないし１０個の複数の伝搬モードをもつ光ファイバ（数モードファイバ）を用い、おのおのの伝搬モードに異なった情報を乗せるモード多重伝送方式の研究が進んでいる。モード多重伝送方式においては使用する光部品も複数の伝搬モードをもつものが使用される。複数のモードをもつ光部品相互、複数の伝搬モードをもつ光ファイバ相互、複数の伝搬モードをもつ光部品と複数の伝搬モードをもつ光ファイバ間の接続においては、接続位置のずれがモードクロストークを発生させるため、光部品の位置調整が従来の単一モードの光部品・光ファイバを使用する場合に比べて重要になる（例えば、非特許文献１参照。）。

ＷＯ２０１０／０７９７６１

ＨｉｒｏｋａｚｕＫｕｂｏｔａａｎｄＴｏｓｈｉｏＭｏｒｉｏｋａ， "Ｆｅｗ−ＭｏｄｅＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒｆｏｒＭｏｄｅ−ＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ"，ＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１７（２０１１）ｐｐ．４９０−４９４ "Ｔｗｏ−ＭｏｄｅＦｉｂｒｅＳｐａｔｉａｌ−ＭｏｄｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒＵｓｉｎｇＰｅｒｉｏｄｉｃＣｏｒｅＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ"，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１７，ｐ．１４３７（１９９４）．

図１に光部品の接続の模式図を示す。前述の通り、複数のモードをもつ光部品・光ファイバ間の接続においては、接続位置のずれがモードクロストークを発生させるため、光部品の位置調整が従来の単一モードの光部品・光ファイバを使用する場合に比べて重要となり、非特許文献１の図８によれば光部品のクロストーク量を１％以内に抑えるためには、位置調整精度はコア径の５％以下（２０μｍのコアであれば１μｍ以下）で調整する必要がある。この位置決めは接続部での接続損失が最小、言い換えると透過光パワーが最大となるように調整している。同図によれば、上記精度を実現する透過光パワーの変化は１％以下であるため、要求される位置決め精度を安定して得ることは困難であり、歩留まりの低減要因となっている。

そこで、本発明は、鋭敏に位置ずれを検出することの可能な光部品位置調整方法の提供を目的とする。

本発明の光部品位置調整方法は、光部品同士を接続する際の当該光部品の位置調整方法であって、高次モードの光を一方の光部品に入射して両方の光部品を通過後の当該高次モードの光のパワーを測定し、測定されるパワーが最大となるように、前記光部品の光軸と略垂直な面上で前記光部品のいずれかを移動させる。

高次モードは従来用いられている基底モードに比較し、空間的に微細な構造を持っているため、位置の変化に対する透過光パワーの変動が大きい。本発明の光部品位置調整方法は、高次モードの透過パワー変化を用いて位置決めを行っているため、鋭敏に位置ずれを検出することができる。したがって、本発明の光部品位置調整方法は、高精度の位置決めが可能となる。

本発明の光部品位置調整方法では、前記光部品の少なくとも一方は石英光導波路であり、前記石英光導波路に入射する前記高次モード或いは両方の光部品を通過後に前記石英光導波路から出射された前記高次モードは、Ｅ１２モード又はＥ２１モードであってもよい。

本発明の光部品位置調整方法では、前記光部品の少なくとも一方は石英光導波路であり、前記石英光導波路に入射する前記高次モード或いは両方の光部品を通過後に前記石英光導波路から出射された前記高次モードは、Ｅ１３モード又はＥ３１モードであってもよい。

本発明の光部品位置調整方法では、前記光部品の少なくとも一方は石英系光ファイバであり、両方の光部品を通過後に前記石英系光ファイバから出射された高次モード或いは前記石英系光ファイバに入射する高次モードはＬＰ１１モード又はＬＰ２１モードであってもよい。

本発明の光部品位置調整方法は、光部品同士を接続する際の当該光部品の位置調整方法であって、高次モードの光を一方の光部品に入射して両方の光部品を通過後の基底モードの光のパワーを測定するか、或いは、基底モードの光を一方の光部品に入射して両方の光部品を通過後の高次モードの光のパワーを測定し、測定されるパワーが最小となるように、前記光部品の光軸と略垂直な面上で前記光部品のいずれかを移動させる。

異なるモードは数学的にいうと直交している。このため、入力側を高次モードにして出力側を基底モードにするか、或いは入力側を基底モードにして出力側を高次モードにすると、原理的には位置ずれがない場合には透過光は検出されなくなる。本発明の光部品位置調整方法は、異なるモード間での結合を用いて位置決めを行っているため、鋭敏に位置ずれを検出することができる。したがって、本発明の光部品位置調整方法は、高精度の位置決めが可能となる。

本発明の光部品位置調整方法では、前記光部品の少なくとも一方は石英光導波路であり、両方の光部品を通過後に前記石英系光ファイバから出射された高次モード或いは前記石英系光ファイバに入射する高次モードはＬＰ１１モード又はＬＰ２１モードであってもよい。

本発明によれば、本発明の光部品位置調整方法は、鋭敏に位置ずれを検出できるため高精度の位置決めが可能となる。

実施形態に係る光部品の接続の模式図である。本実施形態に係る基底モードと高次モードの電界分布を示した図である。接続部におけるモードの重なりの様子を示した図である。実施形態１に係る光部品位置調整方法に関し、基底モードを使用した場合と高次モードを使用した場合の位置ずれに対する光透過強度の変化を計算した図である。実施形態２に係る光部品位置調整方法に関し、基底モードと高次モードを使用した場合の位置ずれに対する光透過強度の変化を計算した図である。実施形態３に係る光部品位置調整方法に関し、基底モードと高次モードを使用した場合の位置ずれに対する光透過強度の変化を計算した図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１は、光部品の接続の模式図である。本実施形態の光部品１０は、複数モードの光を伝搬することの可能な光部品であり、例えば、光ファイバ又は光導波路である。クラッド部１２の寸法は、光ファイバの場合は０．１ｍｍ、石英導波路の場合は幅数ｍｍないし数ｃｍ、厚さ１０μｍないし数百μｍである。コア部１１の寸法は、光ファイバ及び石英光導波路共に１０μｍ前後である。図２は、本発明に係る基底モードと高次モードの電界分布を示した図であり、光部品１０が石英導波路である場合と光ファイバである場合のそれぞれについて基底モードと高次モードを示している。

本実施形態に係る光部品位置調整方法は、高次モードの透過パワー変化を用いて調整することを特徴としている。高次モードの発生方法にはマルチモード導波路の中心からずれた位置あるいは、角度を垂直からずらして光を入射させるオフセット入射法があるが、選択的に１つの高次モードを発生させる事は難しい。また周期構造をもったマルチモード導波路を使用してモード変換を行う方法は、設計により１００％近い変換効率を得られることも報告されており、よく利用される方法である（例えば、非特許文献２参照。）。また、複数の高次モードを選択的に発生させる方法として平面光波回路（ＰＬＣ）を用いたモード変換方法がある（例えば、特許文献１参照。）。

また、特定の高次モードの光強度のみを測定するためには、モード弁別のためのモードフィルタが必要になる。単一モードファイバは高次モードを伝搬させないため、基底モードのみを弁別するモードフィルタとして使用することができる。また、前述のＰＬＣを用いた方法は高次モードを弁別するモードフィルタとして使用することもできる。図３は、接続部におけるモードの重なりの様子を示した図である。

（実施形態１）
本実施形態に係る光部品位置調整方法は、光部品１０同士を接続する際の光部品１０の位置調整方法であって、高次モードの光を光部品１０に入射して両方の光部品１０を通過後の当該高次モードの光のパワーを測定し、測定されるパワーが最大となるように、光部品１０のいずれかを光部品１０の光軸と略垂直な面上で移動させる。

図４は基底モード（Ｅ１１モード）または高次モード（Ｅ２１モードまたはＥ３１モード）を使用した場合の水平方向の位置ずれに対する光透過強度の変化を計算したグラフである。光部品１０の両方が石英光導波路であり、コア部１１の寸法は１８×１２μｍとしている。位置ずれ量が少ない領域の拡大図を同時に示している。

前出の基準にしたがって、Ｅ１１モードの光強度が１％減少する位置ずれ量のところを点線で図示している。この位置ずれ量において、Ｅ２１モードを使用した場合は４％の光強度変化があり、基底モードを使用した場合に比較して、４倍鋭敏に位置ずれを検出できている。また、Ｅ３１モードを使用した場合には８．５％の光強度変化があり、基底モードを使用した場合に比較して、８倍以上鋭敏に位置ずれを検出できている。

このように、高次モードを用いることで、基底モードよりも鋭敏に位置ずれを検出できている。特に、Ｅ３１モード又はＥ１３モードは光強度変化が大きいため、位置ずれの検出に適している。また、Ｅ２１モード又はＥ１２モードはシングルモードファイバ程度のコア寸法の小さな光部品に好適である。

さらに、図２に示すように、Ｅ３１モード及びＥ２１モードでは水平方向に微細構造を有するため、水平方向の位置ずれを検出することができる。一方、Ｅ１３モード及びＥ１２モードでは垂直方向に微細構造を有するため、垂直方向の位置ずれを検出することができる。このため、水平方向に微細構造を有するモードと垂直方向に微細構造を有するモードの両方のモードでの位置ずれを検出することで、光軸と略垂直な面上での光部品の位置調整を行うことができる。

なお、本実施形態では、光部品１０の両方が石英光導波路である場合について説明したが、これに限られない。例えば、光部品１０の一方を石英光導波路にし、光部品１０の他方を光ファイバにしてもよい。この場合、ＬＰ１１モードやＬＰ２１モードなどの高次モードの光を光ファイバに入射するか、或いは、光ファイバから出射されたＬＰ１１モードやＬＰ２１モードなどの高次モードの光のパワーを測定する。これにより、基底モードよりも鋭敏に位置ずれを検出することができる。

（実施形態２）
異なるモードは数学的にいうと直交しているため、完全に位置ずれがない場合にはそれらのモード間では結合が生じない。すなわち、入力側には高次モードを入射し、出力側では基底モードの光強度を検出して調整することで、高精度の光部品の位置調整を実現する。結合部での光伝搬は相反的であるため、入力と出力の関係は逆にしても同等の効果が得られることは自明である。

そこで、本実施形態に係る光部品位置調整方法は、光部品１０同士を接続する際の光部品１０の位置調整方法であって、高次モードの光を光部品１０に入射して両方の光部品１０を通過後の基底モードの光のパワーを測定し、測定されるパワーが最小となるように、光部品１０のいずれかを光部品１０の光軸と略垂直な面上で移動させる。

図５は基底モード（Ｅ１１モード）、と高次モード（Ｅ２１モードおよびＥ３１モード）を入射モードとし、出射モードを基底モード（Ｅ１１モード）で検出した場合の位置ずれにたいする光透過強度の変化を計算したグラフである。実施形態１と同様に、光部品１０の両方が石英光導波路であり、コア部１１の寸法は１８×１２μｍとしている。また、Ｅ１１モードを入射としＥ１１モードの光強度変化を検出した場合に、光強度が１％減少する位置ずれ量のところを点線で図示している。

高次モードを入射した場合の特徴は、ずれがゼロの位置で出力光強度がゼロとなることである。ゼロ位置にあわせる方法は一般にゼロ点法、ヌル点法等とよばれる。光強度の変化は微小であるが検出器の感度をあげることができ、検出感度の向上すなわち調整精度を高くすることができる。

具体的には、図５では、Ｅ２１モードの強度変化は０．８％と基底モードの強度変化１％より小さいが、検出器の感度を１２５倍にすれば、検出器での変化量は１００倍となり、大幅に高感度に調整をすることができる。このように、高次モードの光を入射して基底モードの光のパワーを測定することで、鋭敏に位置ずれを検出できる。

特に、高次モードは、位置ずれがあるときのＥ１１モードとの結合が大きく、かつ、位置ずれがなくなったときのＥ１１モードとの結合が大きなモードが好ましい。本実施形態では、Ｅ３１モードは位置ずれがあるときのＥ１１モードとの結合が小さいため、位置ずれがあるときのＥ１１モードとの結合が大きなＥ２１モードを使うことが好適である。

さらに、図２に示すように、Ｅ２１モードでは水平方向に微細構造を有するため、水平方向の位置ずれを検出することができる。一方、Ｅ１２モードでは垂直方向に微細構造を有するため、垂直方向の位置ずれを検出することができる。このため、Ｅ２１モード及びＥ１２モードの両方のモードでの位置ずれを検出することで、光軸と略垂直な面上での光部品の位置調整を行うことができる。

なお、本実施形態では、高次モードの光を入射したが、入力側と出力側を入れ替えてもよい。石英光導波路の接続部における光の伝搬は相反的であるため、入力側と出力側を入れ替えても特性が同じであることは自明である。すなわち、基底モードの光を光部品１０に入射して両方の光部品１０を通過後の高次モードの光のパワーを測定しても、同様の効果を得ることができる。

（実施形態３）
本実施形態では、実施形態２において、コアの寸法が異なる場合について説明する。
図６はコアの寸法が異なる場合の計算例である。入力側の導波路のコア部１１の寸法を１８×１２μｍとし、出力側の導波路のコア部１１の寸法を１４×１２μｍとして計算している。横軸の位置ずれ量は入力・出力両コア寸法の平均をもとに計算している。この場合も図５と同様にＥ２１モードを使うことが好適であり、検出器の感度を高めることで大幅に高感度に調整をすることができる。

なお、入力・出力のコア寸法が異なる場合には、位置ずれがゼロであっても透過率は１００％にはならないため、位置ずれゼロの場合に同じモード同士で測定した場合の光強度を１とし、それに対する相対的な光強度を透過率としている。例えば、Ｅ２１モードを入射してＥ２１モードの出射光パワーを測定し、この測定値を１として規格化する。

また、光部品１０が光ファイバの場合は、コア径が異なる石英導波路として扱うことができる。この場合、入力・出力のコア寸法が異なる光部品と接続した際に、位置ずれがあると基底モードと結合しないＬＰ１１やＬＰ２１などの非対称のモードを用いることが好ましい。例えば、石英光導波路がＥ１１モードのときには光ファイバはＬＰ１１又はＬＰ２１モードを用い、石英光導波路がＥ２１モードのときには光ファイバはＬＰ０１モードを用いる。このように、光部品１０が光ファイバであっても、本実施形態の位置調整方法を用いて高精度に光部品の位置調整を行うことができる。

モード多重伝送用光部品の位置調整は単一モードの光部品以上に高精度で行う必要があるため、本発明を用いることで、高精度な位置調整を行うことができる。また、光部品の位置調整が不十分な光部品は不良品となることから、光部品製造時の歩留まり向上が期待できる。

１０：光部品
１１：コア部
１２：クラッド部

Claims

光部品同士を接続する際の当該光部品の位置調整方法であって、
高次モードの光を一方の光部品に入射して両方の光部品を通過後の当該高次モードの光のパワーを測定し、測定されるパワーが最大となるように、前記光部品の光軸と略垂直な面上で前記光部品のいずれかを移動させる光部品位置調整方法。
前記光部品の少なくとも一方は石英光導波路であり、
前記石英光導波路に入射する前記高次モード或いは両方の光部品を通過後に前記石英光導波路から出射された前記高次モードは、Ｅ１２モード又はＥ２１モードであることを特徴とする請求項１に記載の光部品位置調整方法。
前記光部品の少なくとも一方は石英光導波路であり、
前記石英光導波路に入射する前記高次モード或いは両方の光部品を通過後に前記石英光導波路から出射された前記高次モードは、Ｅ１３モード又はＥ３１モードであることを特徴とする請求項１に記載の光部品位置調整方法。
前記光部品の少なくとも一方は石英系光ファイバであり、
両方の光部品を通過後に前記石英系光ファイバから出射された高次モード或いは前記石英系光ファイバに入射する高次モードはＬＰ１１モード又はＬＰ２１モードであることを特徴とする請求項１に記載の光部品位置調整方法。
光部品同士を接続する際の当該光部品の位置調整方法であって、
高次モードの光を一方の光部品に入射して両方の光部品を通過後の基底モードの光のパワーを測定するか、或いは、基底モードの光を一方の光部品に入射して両方の光部品を通過後の高次モードの光のパワーを測定し、測定されるパワーが最小となるように、前記光部品の光軸と略垂直な面上で前記光部品のいずれかを移動させる光部品位置調整方法。
前記光部品の少なくとも一方は石英光導波路であり、
前記石英光導波路に入射する前記高次モード或いは両方の光部品を通過後に前記石英光導波路から出射された前記高次モードは、Ｅ１２モード又はＥ２１モードであることを特徴とする請求項５に記載の光部品位置調整方法。
前記光部品の少なくとも一方は石英光導波路であり、
両方の光部品を通過後に前記石英系光ファイバから出射された高次モード或いは前記石英系光ファイバに入射する高次モードはＬＰ１１モード又はＬＰ２１モードであることを特徴とする請求項５に記載の光部品位置調整方法。