JP2014016472A - 光学入出力デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】損失を低減し得る光学入出力デバイスを提供する。
【解決手段】複数本の中継用ファイバＦ１をマルチコアファイバＦ２と接続する光学入出力デバイス１であって、各中継用ファイバは、第１コアと、第１コアの屈折率よりも屈折率が低く第１コアの外周面を包囲する第２コアと、第２コアの屈折率よりも屈折率が低く前記第２コアの外周面を包囲するクラッドとを有し、光学入出力デバイス１は、複数本の中継用ファイバそれぞれを一体化し、互いの中継用ファイバ間を埋めるとともに各中継用ファイバの外周面を包囲する外周クラッド３と、複数本の中継用ファイバを一端側から他端側に向かって縮径するテーパ部３１を有する。テーパ部３１の大径端面ＥＦ１における第１コアの半径と、第２コアの半径と、クラッドに対する第１コアの比屈折率差と、クラッドに対する第２コアの比屈折率差との関係を適正化する。
【選択図】図１

Description

本発明は光学入出力デバイスに関し、マルチコアファイバの入出力デバイスに好適なものである。

マルチコアファイバは、複数のコアの外周面をクラッドで囲った構造を有し、それぞれのコアを介して信号を伝送することができる。

このようなマルチコアファイバの入出力デバイスとして、例えば、下記特許文献１に開示されたものがある。この入出力デバイスは、キャピラリに穿設される複数の空孔それぞれに単芯の光ファイバを一体化させながら延伸することで作製されており、当該光ファイバが一端側から他端側に向かって縮径している。

ＵＳ ２０１１／０２８０５１７ Ａ１

上記特許文献１のように、一端側から他端側に向かって光ファイバが縮径した場合、当該光ファイバの長さ方向におけるモードフィールド径(Mode Field Diameter)の変化の度合いが大きくなる傾向があり、伝播光における放射モードの光が増加して過剰損失が生じ易いという課題があった。

そこで、本発明は、損失をより低減し得る光学入出力デバイスを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため本発明の光学入出力デバイスは、複数本の中継用ファイバと、前記複数本の中継用ファイバそれぞれに一体化され、互いの前記中継用ファイバ間を埋めるとともに各前記中継用ファイバの外周面を包囲する外周クラッドとを備え、前記中継用ファイバは、第１コアと、前記第１コアの屈折率よりも屈折率が低く前記第１コアの外周面を隙間なく包囲する第２コアと、前記第２コアの屈折率よりも屈折率が低く前記第２コアの外周面を隙間なく包囲するクラッドとを有し、前記外周クラッドは、前記複数本の中継用ファイバを一端側から他端側に向かって縮径するテーパ部を有し、前記テーパ部の大径端面における前記第１コアの半径をｒ_１Ｓとし、前記大径端面における前記第２コアの半径をｒ_２Ｓとし、前記クラッドに対する前記第１コアの比屈折率差をΔ_１とし、前記クラッドに対する前記第２コアの比屈折率差をΔ_２とし、ｒ_１Ｓ ^２×Δ_１で表わされる前記第１コアの屈折率体積をＶ_１Ｓとし、π（ｒ_２Ｓ ^２−ｒ_１Ｓ ^２）×Δ_２で表わされる前記第２コアの屈折率体積をＶ_２Ｓとした場合に、次式

を充足することを特徴とする。

Ｖ_２Ｓ／Ｖ_１Ｓが１．０７ｒ_２Ｓ−１３．５以上１．０７ｒ_２Ｓ−１１．５以下とされる場合、中継用ファイバの延伸率等にある程度の違いが生じたとしても、テーパ部の長さ方向におけるモードフィールド径の変化の度合いを低減することができる。このことは本発明者らの実験により確認されている。
また、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓを３以上とすることで、テーパ部の大径端面側の中継用ファイバにおいて第１コアが第２コアをクラッドに見立てた導波路として有効に機能できなくなることを未然に防止することができる。一方、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓを５以下とすることで、ｒ_１Ｓが相対的に小さくなってｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓが５を超えた場合にテーパ部の大径端面側において特に生じ易くなる損失増加を、抑えることができる。また、ｒ_２Ｓが相対的に大きくなってｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓが５を超えた場合にテーパ部の小径端面側において特に生じ易くなる単一モード特性の変化を抑え、当該単一モード特性を維持することができる。
さらに、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓを−３×Δ_１／Δ_２＋１０以上とすることで、当該ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓが３以上５以下とされ、かつ、Ｖ_２Ｓ／Ｖ_１Ｓが１．０７ｒ_２Ｓ ^２−１３．５以上１．０７ｒ_２Ｓ ^２−１１．５以下とされたことが制限となって、テーパ部の大径端面側における各中継用ファイバ端面での第１コアの実効断面積が過大もしくは過小となることを未然に防ぐことができる。
このように上記（１）式を充足することで、損失をより低減し得る光学入出力デバイスが実現される。
したがって、例えば、作製上のばらつきなどに起因して中継用ファイバの延伸率等にある程度の違いが生じたとしても、損失をより低減し得る光学入出力デバイスが実現される。

また、前記クラッドに対する前記外周クラッドの比屈折率差は、−０．１％以上０．１％以下の範囲内とされることが好ましい。

クラッドに対する外周クラッドの比屈折率差が−０．１％未満となる場合、外周クラッドに対して当該クラッドを導波するモードが発生する可能性が大きくなる。
一方、クラッドに対する外周クラッドの比屈折率差が０．１％を超える場合、特定の中継用ファイバを複数本の中継用ファイバが囲む配置関係では、特定の中継用ファイバで生じた高次モードの光が、当該特定の中継用ファイバの周りの中継用ファイバにおけるクラッドの存在によって逃げづらくなり、特定の中継用ファイバの基本モードの光に結合する可能性が大きくなる。
したがって、クラッドに対する外周クラッドの比屈折率差が−０．１％以上０．１％以下とされることで、上記可能性に起因する多光路干渉を低減し、その分だけ損失を抑えることができる。

また、前記外周クラッドの外周面を隙間なく包囲する最外周クラッドをさらに備え、前記最外周クラッドの屈折率は、前記外周クラッドの屈折率よりも高いことが好ましい。

このようにすれば、外周クラッドの外周面付近の高次モードの吸収効率を高めることができ、当該高次モードに起因する多光路干渉を低減し、より一段と損失を抑えることができる。

以上のように本発明によれば、損失をより低減し得る光学入出力デバイスすることを提供することができる。

第１実施形態における光学入出力デバイスを示す図である。 光学入出力デバイスの長さ方向に垂直となる断面の様子を示す図である。 中継用ファイバに関するパラメータを示す図である。 中継用ファイバにおける大径側端面と小径側端面とでの光の分布の様子を示す図である。 第２実施形態における光学入出力デバイスを、図２と同じ視点で示す図である。 他の実施形態における光学入出力デバイスを、図１と同じ視点で示す図である。 中継用ファイバの延伸率を１／３．４とした場合におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフである。 中継用ファイバの延伸率を１／３．５とした場合におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフである。 中継用ファイバの延伸率を１／３．６とした場合におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフである。 中継用ファイバの延伸率を１／３．７とした場合におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフである。 中継用ファイバの延伸率を１／３．８とした場合におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフである。 中継用ファイバの延伸率を１／３．９とした場合におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフである。 図７〜図１２に示すグラフを得た数値実験を行ったときの第２コアの半径ｒ_２と、Ｖ_２／Ｖ_１との関係を示すグラフである。 比較例におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフである。 他の比較例におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフである。

（第１実施形態）
本発明に好適な第１実施形態について図面を用いながら詳細に説明する。

図１は、第１実施形態における光学入出力デバイス１を示す図である。図１に示すように、本実施形態の光学入出力デバイス１は、複数本の中継用ファイバ２と、外周クラッド３とを主な構成要素として備える。

各中継用ファイバ２は、単芯光ファイバＦ１のコアとマルチコアファイバＦ２における１つのコアとの間を中継するための光ファイバであり、外周クラッド３から露出される露出部位２Ａを有している。

この露出部位２Ａにおける各中継用ファイバ２は互いに空隙を隔てて配置され、当該中継用ファイバ２の端面は単芯光ファイバＦ１の一端面と融着接続すべき部位とされる。

図２は、光学入出力デバイス１の長さ方向に垂直となる断面の様子を示す図である。具体的に図２の（Ａ）は図１のテーパ部３１における大径端面ＥＦ１の断面を示し、図２の（Ｂ）は図２の（Ａ）のＸ−Ｘ線における屈折率分布を示している。

図２の（Ａ）に示すように、本実施形態における中継用ファイバ２の本数は７本とされる。そして、１つの中継用ファイバ２が中心とされ、６つの中継用ファイバ２が中心の中継用ファイバ２から等距離となる関係で配置される。また、各中継用ファイバ２の中心間距離は等しい距離とされる。

このように配置される７本の中継用ファイバ２は、当該中継用ファイバ２の配置に起因する光学的性質が均質となるよう、外周クラッド３の軸に対して対称とされる。

また、中継用ファイバ２は、第１コア２１と、当該第１コア２１の外周面を隙間なく包囲する第２コア２２と、当該第２コア２２の外周面を隙間なく包囲するクラッド２３とを有する構造とされる。

図１及び図２の（Ａ）に示すように、外周クラッド３は、複数本の中継用ファイバ２それぞれの途中位置から他端までの部位２Ｂに一体化され、互いの中継用ファイバ部位間を埋めるとともに各中継用ファイバ部位の外周面を包囲する。また、外周クラッド３は、各中継用ファイバ２を一端側から他端側に向かって縮径するテーパ部３１を有している。

本実施形態の場合、テーパ部３１における大径端面ＥＦ１の逆側となる小径端面ＥＦ２には、当該小径端面ＥＦ２の径と同程度の径で延在する細径部３２が一体形成される。この細径部３２の端面はマルチコアファイバＦ２の一端面と融着接続すべき部位とされる。

このような光学入出力デバイス１は、キャピラリに穿設される複数の空孔それぞれに中継用ファイバ２を挿入し、キャピラリ全体を加熱して各中継用ファイバ２に融着させながら、当該キャピラリが縮径されるようにキャピラリの一端を延伸することで作製される。

次に、光学入出力デバイス１における屈折率等のパラメータに関して説明する。図２の（Ｂ）に示すように、中継用ファイバ２における第２コア２２の屈折率ｎ_２は第１コア２１の屈折率ｎ_１よりも低く、クラッド２３の屈折率ｎ_３は第２コア２２の屈折率ｎ_２よりも低くされる。つまり、中継用ファイバ２の屈折率は、中継用ファイバ２の中心に位置する第１コア２１が最も高く、当該中心位置から段階的に第２コア２２、クラッド２３の順序で低くなっている。さらに、屈折率ｎ_４の外周クラッド３を有する。

なお、Δ_１はクラッド２３に対する第１コア２１の比屈折率差を示し、Δ_２はクラッド２３に対する第２コア２２の比屈折率差を示し、Δ_４はクラッド２３に対する外周クラッド３の比屈折率差を示している。

図３は、中継用ファイバ２に関するパラメータを示す図である。具体的に図３の（Ａ）は第１コア２１に関するパラメータを示し、図３の（Ｂ）は第２コア２２に関するパラメータを示している。

図３に示すように、テーパ部３１の大径端面ＥＦ１（図１）における第１コア２１の半径をｒ_１Ｓとし、当該大径端面ＥＦ１における第２コア２２の半径をｒ_２Ｓとし、クラッド２３に対する第１コア２１の比屈折率差をΔ_１とし、クラッド２３に対する第２コア２２の比屈折率差をΔ_２とした場合、第１コア２１の屈折率体積Ｖ_１Ｓは、πｒ_１Ｓ ^２×Δ_１で表わされる。また、第２コア２２の屈折率体積Ｖ_２Ｓは、π（ｒ_２Ｓ ^２−ｒ_１Ｓ ^２）×Δ_２で表わされる。これら屈折率体積Ｖ_１Ｓ及びＶ_２Ｓは、伝搬光を第１コア２１又は第２コア２２内に閉じ込めておく能力を示す指標となるものである。

本実施形態の場合、第１コア２１の半径をｒ_１Ｓに対する第２コア２２の半径ｒ_２Ｓの比ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓと、第１コア２１の屈折率体積Ｖ_１Ｓに対する第２コア２２の屈折率体積Ｖ_２Ｓの比Ｖ_２Ｓ／Ｖ_１Ｓとは、上記（１）式を充足する。すなわち、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓは３以上５以下かつ−３×Δ_１／Δ_２＋１０以上とされ、Ｖ_２Ｓ／Ｖ_１Ｓは１．０７ｒ_２Ｓ−１３．５以上１．０７ｒ_２Ｓ−１１．５以下とされる。

また本実施形態の場合、クラッド２３に対する外周クラッド３の比屈折率差Δ_４は、−０．１％以上０．１％以下とされる。

以上説明したように、本実施形態の光学入出力デバイス１では、複数本の中継用ファイバ部位２Ｂそれぞれが外周クラッド３と一体化され、当該外周クラッド３によって、中継用ファイバ部位２Ｂ間が埋められるとともに各中継用ファイバ部位２Ｂの外周面が包囲される。そして、これら中継用ファイバ部位２Ｂは、外周クラッド３のテーパ部３１によって、一端側から他端側に向かって縮径される。

したがって、光学入出力デバイス１は、テーパ部３１の大径端面ＥＦ１側となる中継用ファイバ２の端面それぞれに融着接続される単芯光ファイバＦ１のコアを、テーパ部３１の小径端面ＥＦ２側となる細径部３２端面に融着接続されるマルチコアファイバＦ２のコアとして結合することができる。

図４は、テーパ部３１における中継用ファイバ２の大径端面側と小径端面側とでの光の分布の様子を示す図である。

図４に示すように、中継用ファイバ部位２Ｂはテーパ部３１によって一端側から他端側に向かって縮径されているため、中継用ファイバ部位２Ｂの大径端面側では、第２コア２２がクラッドに見立てた導波路として機能し、伝搬光は主に第１コア２１に閉じ込められる。これに対し、中継用ファイバ部位２Ｂの小径端面側では、クラッド２３に対して第２コア２２がコアとなる導波路として機能し、伝搬光は主に第２コア２２に閉じ込められる。

ところが、光学入出力デバイス１における作製上のばらつき等に起因して、中継用ファイバ部位２Ｂの伸長率あるいは中継用ファイバ部位２Ｂの長さ方向に対する第１コア２１又は第２コア２２の縮径の度合いなどが相違し易い傾向がある。

このような相違があると、第１コア２１及び第２コア２２での光閉じ込め能の減少の度合いが、中継用ファイバ部位２Ｂの長さ方向においてばらつき、この結果、当該長さ方向におけるモードフィールド径の変化の度合いが大きくなる。

この点、本実施形態の光学入出力デバイス１では、上記（１）式に示したように、第１コア２１の屈折率体積Ｖ_１Ｓに対する第２コア２２の屈折率体積Ｖ_２Ｓの比Ｖ_２Ｓ／Ｖ_１Ｓが、１．０７ｒ_２Ｓ−１３．５以上１．０７ｒ_２Ｓ−１１．５以下とされる。

このような条件を充足することで、中継用ファイバ２における延伸率等にある程度の違いが生じたとしても、中継用ファイバ部位２Ｂの長さ方向におけるモードフィールド径の変化の度合いを低減することができる。このことは本発明者らの実験により確認されている。

また、本実施形態の光学入出力デバイス１では、上記（１）式に示したように、第１コア２１の半径ｒ_１Ｓに対する第２コア２２の半径ｒ_２Ｓの比ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓが、３以上５以下とされる。

ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓが３よりも小さい場合、外周クラッド３から露出される中継用ファイバ部位２Ａやテーパ部３１の大径端面側において第２コア２２がクラッドに見立てた導波路として有効に機能せず、第２コア２２が外周クラッド３に対して作用する伝搬が支配的となる。このため、単心コアファイバＦ１とのモードフィールド径に極端な差が生じ、過大な接続損失が発生する。また、外周クラッド３に対して、第２コア２２はマルチモードとなるために、単心コアファイバＦ１と中継用ファイバ部位２Ａとの軸ずれにより高次モードが発生する可能性が高くなる。発生した高次モードはテーパ部３１において、隣接コアに結合しクロストーク発生要因となるため好ましくない。したがって、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓを３以上とすることで、挿入損失が小さくクロストークが良好なデバイスを得ることができる。

一方、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓにおけるｒ_１Ｓが相対的に小さくなってｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓが５を超えた場合、テーパ部３１の大径端面側において損失が増加する傾向が特に生じ易い。また、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓにおけるｒ_２Ｓが相対的に大きくなってｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓが５を超えた場合、テーパ部３１の小径端面側において単一モード特性が維持できなくなる傾向が特に生じ易い。したがって、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓを５以下とすることで、テーパ部３１の大径端面側における損失の増加を抑えるとともに、当該テーパ部３１の小径端面側において単一モード特性を維持することができる。

ところで、光学入出力デバイス１の挿入損失を低減するには、当該光学入出力デバイス１両端の実効断面積もしくはモードフィールド径と、単心光ファイバＦ１及びマルチコアファイバＦ２それぞれの実効断面積もしくはモードフィールド径との差を小さくすることが、好ましい。

コアを伝播する光のモードフィールド径が互いに異なる２つの光ファイバのコアを伝播する光のモードフィールド径をそれぞれＭＦＤ_１，ＭＦＤ_２とすると、それぞれの光ファイバを接続する場合に発生する光の損失ａは、次式

で示される。

例えば、２つの光ファイバのコアを伝播する光のモードフィールド径を、それぞれ９μｍ、及び、８．４μｍとした場合、接続損失ａは上記（２）より０．０４ｄＢとなる。このような接続損失であれば、２つの光ファイバは実用的に問題なく接続することができる。また、それぞれの光ファイバのモードフィールド径の差が１μｍである場合、接続損失ａは０．０６ｄＢとなり、この場合のおいても、２つの光ファイバは実用的に問題なく接続することができる。

したがって、テーパ部３１の大径端面側となる各中継用ファイバ端面のモードフィールド径と、当該端面に接続すべき単心コアファイバＦ１端面のモードフィールド径との差を１μｍ以内とし、テーパ部３１の小径端面側となる各中継用ファイバ端面のモードフィールド径と、当該端面に接続すべきマルチコアファイバＦ２における各ファイバ端面のモードフィールド径との差が１μｍ以内とした場合、実用的に問題の無い接続損失となる。

なお、一般的に広く用いられているシングルモードファイバは、ＩＴＵ−T Ｇ．６５２（２００９年１１月版）として勧告化されており、そのモードフィールド径のトーレランスは±０．６μｍと規定されている。また、海底線路などの長距離伝送線路用ファイバは、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５４（２００６年１２月）として勧告化されており、そのモードフィールド径のトーレランスは±０．７μｍと規定されている。これらのトーレランスは、軸ずれも含めた接続損失の観点から定められたものである。従って、上記のようにモードフィールド径の差を１μｍ以内とすれば国際勧告にも準拠した十分に低い接続損失が確保できる。

一方、光ファイバを伝播する光のモードフィールド径ＭＦＤと、このときのコアの実効断面積Ａ_ｅｆｆとの関係は、次式

で表わされる。なお、上記（３）式のｋはコアの屈折率分に依存する係数である。

この係数ｋは、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０．２， Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｄｉａ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ − Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｒｅ ｃａｂｌｅｓ（２００７年７月版）によると、一般的な光ファイバでは概ね０．９６０〜０．９８５の値をとる。モードフィールド径が１０μｍの場合、コアの実効断面積Ａ_ｅｆｆは上記（３）式より７５μｍ^２〜７７μｍ^２となる。モードフィールド径ＭＦＤが、ＭＦＤ_１からＭＦＤ_２へと変化する場合に、その変化量をΔとすると、コアの実効断面積Ａ_ｅｆｆの変化量ΔＡ_ｅｆｆは、次式

で与えられる。なお、上記（４）式におけるＡ_ｅｆｆ１は、モードフィールド径がＭＦＤ_１である場合の実効断面積を示し、上記（４）式におけるＡ_ｅｆｆ２は、モードフィールド径がＭＦＤ_２である場合の実効断面積を示す。

例えば、モードフィールド径が１０μｍから１１μｍへ１μｍ変化した場合、コアの実効断面積は、１５．８μｍ^２〜１６．２μｍ^２の変化となる。したがって、コアの実効断面積が中心値に対しておおむね±１５μｍ^２の範囲に収まっていれば、十分に低い損失で接続できる。さらに±１０μｍ^２に収まっていれば更に低い損失での接続が期待できる。

本実施形態の光学入出力デバイス１では、接続損失低減の観点から、テーパ部３１の大径端面側における各中継用ファイバ端面での第１コア２１の実効断面積Ａ_ｅｆｆが、単心光ファイバＦ１端面でのコアの実効断面積Ａ_ｅｆｆに対して設計中心値±１５μｍ^２にある必要があり、かつ、テーパ部３１の小径端面側における各中継用ファイバ端面での第２コア２２の実効断面積Ａ_ｅｆｆが、マルチコアファイバＦ２端面でのコアの実効断面積Ａ_ｅｆｆに対して設計中心値±１５μｍ^２にある必要がある。また、テーパ部３１の大径端面側における各中継用ファイバ端面での第１コア２１と、当該テーパ部３１の小径端面側における各中継用ファイバ端面での第２コア２２との実効断面積Ａ_ｅｆｆのばらつきが±１０μｍ^２であればさらに望ましい。

このような要件を満たすためには、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓが−３×Δ_１／Δ_２＋１０以上とされる必要がある。

ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓが−３×Δ_１／Δ_２＋１０を下回ると、テーパ部３１の小径端面側における各中継用ファイバ端面での第２コア２２の実効断面積Ａ_ｅｆｆが小さくなりすぎる。しかしながら、上記（１）式における上段及び中段の条件が制限となって、テーパ部３１の大径端面ＥＦ１側における各中継用ファイバ端面での第１コア２１の実効断面積Ａ_ｅｆｆが過大となることは防ぐことができる。

このように上記（１）式を充足することで、損失をより低減し得る光学入出力デバイス１が実現される。したがって、例えば、作製上のばらつきなどに起因して中継用ファイバ２の延伸率等にある程度の違いが生じたとしても、損失をより低減し得る光学入出力デバイス１が実現される。

また、本実施形態の場合、クラッド２３に対する外周クラッド３の比屈折率差は、−０．１％以上０．１％以下とされる。

クラッド２３に対する外周クラッド３の比屈折率差が―０．１％未満となる場合、当該クラッド２３において生じた高次モードの光が外周クラッド３へ伝搬せず、当該高次モードの光が基本モードの光に結合する可能性が大きくなる。

一方、クラッド２３に対する外周クラッド３の比屈折率差が０．１％を超える場合、外周クラッド３の軸上にある中継用ファイバ２で生じた高次モードの光が、当該中継用ファイバ２の周りの中継用ファイバ２におけるクラッド２３の存在によって逃げづらくなる。この結果、高次モードの光が、外周クラッド３の軸上にある中継用ファイバ２における基本モードの光に結合する可能性が大きくなる。

したがって、クラッド２３に対する外周クラッド３の比屈折率差が−０．１％以上０．１％以下とされることで、上記可能性に起因する多光路干渉を低減し、その分だけ損失を抑えることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明に好適な第２実施形態について図面を用いながら詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。

図５は、第２実施形態における光学入出力デバイスを、図２と同じ視点で示す図である。図５の（Ａ）に示すように、本実施形態の光学入出力デバイスは、外周クラッド３の外周面を隙間なく包囲する最外周クラッド４を新たに有する点において、第１実施形態の光学入出力デバイス１と相違する。

図５の（Ｂ）に示すように、最外周クラッド４の屈折率ｎ_５は、外周クラッド３の屈折率ｎ_４よりも高い屈折率とされる。本実施形態の場合、最外周クラッド４の屈折率ｎ_５は、第１コア２１、第２コア２２、クラッド２３及び外周クラッド３の中で最も高い第１コア２１の屈折率ｎ_１よりも高くされる。

したがって、外周クラッド３の外周面付近における高次モードの吸収効率を高めることができ、当該高次モードに起因する多光路干渉を低減し、より一段と損失を抑えることができる。

なお、外周クラッド３の外周面と、外周クラッド３の軸上に配置される中継用ファイバ２の周囲にある中継用ファイバ２の外周面との間の距離は、単芯光ファイバにおけるコアとクラッドとの間の距離に比べると一般的には小さくなる。したがって、外周クラッド３の外周面付近における高次モードの吸収効率を高めることは、複数本の中継用ファイバ２が外周クラッド３に包囲される光学入出力デバイス１では、特に有意となる。

上記実施形態が一例として説明されているが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、テーパ部３１における小径端面ＥＦ２に細径部３２が一体形成されたが、当該細径部３２が省略されていても良い。また、図６に示す光学入出力デバイスのように、テーパ部３１における大径端面ＥＦ１に、当該端面ＥＦ１の径と同程度の径で延在する太径部３３が一体形成されていても良い。要するに、外周クラッド３は、複数本の中継用ファイバ２を一端側から他端側に向かって縮径するテーパ部を有していれば良い。

また、上記実施形態では、中継用ファイバ２の一部が露出部位２Ａとして外周クラッド３から露出されたが、当該露出部位２Ａは省略されても良い。なお、外周クラッド３の大径端面ＥＦ１側における中継用ファイバ２の端面それぞれに単芯光ファイバＦ１を簡易に融着接続する観点では、中継用ファイバ２の一部が露出部位２Ａとして外周クラッド３から露出されるほうが好ましい。

また、上記実施形態では、中継用ファイバ２の本数が７本とされたが、２〜６本のいずれかとされても良く、８本以上とされても良い。要するに、２本以上であれば様々な本数を適用することができる。なお、中継用ファイバ２の配置に起因する光学的性質を均質とする観点では、外周クラッド３の軸に対して対称に配置可能な本数を適用することが好ましい。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例）
光学入出力デバイス１におけるテーパ部３１の長さを５ｍｍで固定とし、第１コア２１の半径ｒ_１Ｓ及び比屈折率差Δ_１と第２コアの比屈折率差Δ_２とを所定値で固定とし、当該第２コアの半径ｒ_２Ｓと中継用ファイバ２の延伸率とを可変したときの中継用ファイバ部位２Ｂのコアの実効断面積（有効コア断面積）について数値実験を行った。なお、この数値実験において中継用ファイバ部位２Ｂに入射される光の波長は１５５０ｎｍとしている。

図７は、中継用ファイバ２の延伸率を１／３．４とした場合におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフであり、図８は、中継用ファイバ２の延伸率を１／３．５とした場合におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフである。また、図９は、中継用ファイバ２の延伸率を１／３．６とした場合におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフであり、図１０は、中継用ファイバ２の延伸率を１／３．７とした場合におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフである。さらに、図１１は、中継用ファイバ２の延伸率を１／３．８とした場合におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフであり、図１２は、中継用ファイバ２の延伸率を１／３．９とした場合におけるコアの実効断面積の変化を示すグラフである。

なお、図７〜図１２の（Ａ）は、それぞれ、第１コア２１の半径ｒ_１Ｓを４．５μｍ、比屈折率差Δ_１を０．５５％、第２コアの比屈折率差Δ_２を０．２０％で固定とし、第２コアの半径ｒ_２Ｓを１４μｍ〜１７μｍの値にそれぞれ可変している。図７〜図１２の（Ｂ）は、それぞれ、第１コア２１の半径ｒ_１Ｓを４．５μｍ、比屈折率差Δ_１を０．６０％、第２コアの比屈折率差Δ_２を０．２５％で固定とし、第２コアの半径ｒ_２Ｓを１６μｍ〜１９μｍの値にそれぞれ可変している。図７〜図１２の（Ｃ）は、それぞれ、第１コア２１の半径ｒ_１Ｓを４．５μｍ、比屈折率差Δ_１を０．６５％、第２コアの比屈折率差Δ_２を０．３０％で固定とし、第２コアの半径ｒ_２Ｓを１８μｍ〜２１μｍの値にそれぞれ可変している。図７〜図１２の（Ｄ）は、それぞれ、第１コア２１の半径ｒ_１Ｓを４．５μｍ、比屈折率差Δ_１を０．７０％、第２コアの比屈折率差Δ_２を０．３５％で固定とし、第２コアの半径ｒ_２Ｓを１９μｍ〜２２μｍの値にそれぞれ可変している。

図７〜図１２に示すとおり、いずれの場合においても、中継用ファイバ部位２Ｂの長さ方向におけるコアの実効断面積は、７０μｍ^２〜１００μｍ^２の範囲に収まっている。このことは、中継用ファイバ部位２Ｂの長さ方向におけるモードフィールド径の変化が小さいことを表している。

また、図７〜図１２に示すグラフを得た数値実験を行ったときの第２コアの半径ｒ_２Ｓと、Ｖ_２Ｓ／Ｖ_１Ｓとの関係を図１３に示す。

図１３に示すとおり、中継用ファイバ部位２Ｂの長さ方向におけるコアの実効断面積が７０μｍ^２〜１００μｍ^２の範囲に収まっているときのＶ_２Ｓ／Ｖ_１Ｓについては、１．０７ｒ_２Ｓ−１３．５以上１．０７ｒ_２Ｓ−１１．５以下の範囲に収まっていることが分かる。

（比較例）
第１コア２１の半径ｒ_１Ｓを４．５μｍ、第２コア２２の半径ｒ_２Ｓを２２μｍ、第１コア２１の比屈折率差Δ_１を０．５５％、第２コア２２の比屈折率差Δ_２を０．２０％、中継用ファイバ２の延伸率を１／３．６と設定した場合の特性を比較例として数値実験を行った。なお、この数値実験において中継用ファイバ部位２Ｂに入射される光の波長は１５５０ｎｍとしている。

この場合、上記（１）式におけるｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓは４．７となり、 Δ_１／Δ_２は２．７５となり、Ｖ_２Ｓ／Ｖ_１Ｓは７．５６となり、１．０７ｒ_２Ｓ−１３．５は８．９７となるため、上記(１)式の中段の条件を充足していない。この場合のコアの実効断面積の変化を図１４に示す。

図１４に示すとおり、中継用ファイバ部位２Ｂの長さ方向におけるコアの実効断面積は、上記実施例の図７〜図１２と異なり、７０μｍ^２〜１００μｍ^２の範囲をこえている。また、テーパ部３１の小径端面におけるコアの実効断面積Ａ_ｅｆｆは１００μｍ^２を超えており、コアの実効断面積Ａ_ｅｆｆが８０μｍ^２のファイバとの接続の点からも不適切である。

また、第１コア２１の半径ｒ_１Ｓを４．５μｍ、第２コアの半径ｒ_２Ｓを１６μｍ、第１コア２１の比屈折率差Δ_１を０．７０％、第２コア２２の比屈折率差Δ_２を０．３５％、中継用ファイバ２の延伸率を１／３．６と設定した場合の特性を比較例として数値実験を行った。なお、この数値実験において中継用ファイバ部位２Ｂに入射される光の波長は１５５０ｎｍとしている。

この場合、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓは３．５６となり、Δ_１／Δ_２は２．０となり、Ｖ_２Ｓ／Ｖ_１Ｓは５．８２となり、上記(１)式の下段の条件を充足していない。この場合のコアの実効断面積の変化を図１５に示す。

図１５に示すとおり、中継用ファイバ部位２Ｂの長さ方向におけるコアの実効断面積は、上記実施例の図７〜図１２と異なり、７０μｍ^２〜１００μｍ^２の範囲をこえている。また、テーパ部３１の小径端面におけるコアの実効断面積Ａ_ｅｆｆは６５μｍ^２を下回っており、コアの実効断面積Ａ_ｅｆｆが８０μｍ^２のファイバとの接続の点からも不適切である。

上記実施例の数値実験を基に、下記表１に示す構造の光学入出力デバイスを試作した。

上記表１に示す構造の光学入出力デバイスでは、第１コア２１の屈折率体積Ｖ_１Ｓが３５．０％μｍ^２であり、第２コア２２の屈折率体積Ｖ_２Ｓが１１０．４％μｍ^２である。したがって、Ｖ_２Ｓ／Ｖ_１Ｓは３．１５となり、１．０７ｒ_２Ｓ−１３．５は１．４８となり、１．０７ｒ_２Ｓ−１１．５は３．４８となる。この結果、Ｖ_２Ｓ／Ｖ_１Ｓは、上記(１)式の上段及び中段の条件を満足する。また、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓは３．１１となり、Δ_１／Δ_２は２．７５となり、−３×Δ_１／Δ_２＋１０は１．７５となるため、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓは、上記(１)式の下段の条件も充足する。

このように試作された光学入出力デバイスにおける平均クロストークは−５０ｄＢ以下となり、平均挿入損失は０．５ｄＢとなり、クラッドに光が漏れる過剰損失が非常に小さいことが確認された。なお、挿入損失とは、大径端面における通常のシングルコアファイバとの接続損失、小径端面におけるマルチコアファイバとの接続損失および本デバイス中の構造変化の過程で発生する損失をすべて含んだ損失である。

また、上記実施例の数値実験を基に、下記表２に示す構造の光学入出力デバイスを試作した。

上記表２に示す構造の光学入出力デバイスは、上記第２実施形態に相当するものである。この試作では、第１コア２１の屈折率体積Ｖ_１Ｓが３５．０％μｍ^２となり、第２コア２２の屈折率体積Ｖ_２Ｓが１１０．４％μｍ^２となり、Ｖ_２Ｓ／Ｖ_１Ｓは３．１５となり、１．０７ｒ_２Ｓ−１３．５は１．４８となり、１．０７ｒ_２Ｓ−１１．５は３．４８となる。この結果、Ｖ_２Ｓ／Ｖ_１Ｓは、上記(１)式の上段及び中段の条件を充足する。また、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓは３．１１となり、Δ_１／Δ_２は２．７５となり、−３×Δ_１／Δ_２＋１０は１．７５となるため、ｒ_２Ｓ／ｒ_１Ｓは、上記(１)式の下段の条件も充足する。

このように試作された光学入出力デバイスにおける中継用ファイバ部位２Ｂ間の平均クロストークは−５５ｄＢ以下となり、平均挿入損失は０．５ｄＢとなり、クラッドに光が漏れる過剰損失が非常に小さいことが確認された。

本発明に係る光学入出力デバイスは、マルチコアファイバを取り扱う産業上分野において利用可能性がある。

１・・・光学入出力デバイス
２・・・中継用ファイバ
２１・・・第１コア
２２・・・第２コア
２３・・・クラッド
３・・・外周クラッド
３１・・・テーパ部
３２・・・細径部
３３・・・太径部
４・・・最外周クラッド

Claims (3)

1. 複数本の中継用ファイバと、
   前記複数本の中継用ファイバそれぞれに一体化され、互いの前記中継用ファイバ間を埋めるとともに各前記中継用ファイバの外周面を包囲する外周クラッドと
   を備え、
   前記中継用ファイバは、第１コアと、前記第１コアの屈折率よりも屈折率が低く前記第１コアの外周面を隙間なく包囲する第２コアと、前記第２コアの屈折率よりも屈折率が低く前記第２コアの外周面を隙間なく包囲するクラッドとを有し、
   前記外周クラッドは、前記複数本の中継用ファイバを一端側から他端側に向かって縮径するテーパ部を有し、
   前記テーパ部の大径端面における前記第１コアの半径をｒ_１Ｓとし、前記大径端面における前記第２コアの半径をｒ_２Ｓとし、前記クラッドに対する前記第１コアの比屈折率差をΔ_１とし、前記クラッドに対する前記第２コアの比屈折率差をΔ_２とし、ｒ_１Ｓ ^２×Δ_１で表わされる前記第１コアの屈折率体積をＶ_１Ｓとし、π（ｒ_２Ｓ ^２−ｒ_１Ｓ ^２）×Δ_２で表わされる前記第２コアの屈折率体積をＶ_２Ｓとした場合に、次式
   

   

   を充足することを特徴とする光学入出力デバイス。
2. 前記クラッドに対する前記外周クラッドの比屈折率差は、−０．１％以上０．１％以下とされる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学入出力デバイス。
3. 前記外周クラッドの外周面を隙間なく包囲する最外周クラッド
   をさらに備え、
   前記最外周クラッドの屈折率は、前記外周クラッドの屈折率よりも高い
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学入出力デバイス。

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