JP2019197101A - プローブ光ファイバ及び光ファイバ側方入出力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力効率測定やプローブ調心をすることなく高効率に光を入力できるプローブ光ファイバ及び光ファイバ側方入出力装置を提供する。【解決手段】光ファイバ側方入出力装置に配置された光ファイバ心線の曲げ部４０に先端が近接され、光ファイバ心線の曲げ部に対して光を入出力するプローブ光ファイバ５０であって、先端から出射した光が、光ファイバ心線の曲げ部において、光軸中心の光強度に対し、光軸から２０μｍ離れた位置の光強度の低下が１７．６ｄＢ未満の光強度プロファイルを持つことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本開示は、光ファイバ心線を曲げ、光ファイバの側方から光を入出力する光ファイバ側方入出力装置に関する。

光ファイバを切断することなく光信号を光ファイバに入出力する技術として、既設の光ファイバ（被入力側光ファイバ）に曲げを与え、この曲げ部位に側面から別の光ファイバ（プローブ光ファイバ）を対向させ、当該プローブ光ファイバの先端部から光信号を入射すると共に、被入力側光ファイバから出射される光信号をプローブ光ファイバの先端部で受光する光ファイバ側方入出力技術が検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０１５−０４０９１６号公報

植松他，"光ファイバ側方入力技術を用いた心線対照の曲げ損失低減に向けた検討"，２０１５年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会，Ｂ−１３−１２． 川野他，"ローカル光入出力器のプローブファイバ位置固定精度に関する検討"，信学技報，ＯＦＴ２０１４−２８，Ｏｃｔ． ２０１４． Ｔ． Ｕｅｍａｔｓｕ ｅｔ． ａｌ．， "Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｌｉｇｈｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｆｉｂｅｒ ｂｅｎｄｉｎｇ"， ＯＦＣ２０１７， Ｗ２Ａ．１５， Ｍａｒ． ２０１７． 植松他、"所外８分岐スプリッタ上部での通信光モニタに向けた光ファイバ側方出力技術の検討"、信学技報、ＯＦＴ２０１５−２２，Ａｕｇ． ２０１５．

プローブから曲げファイバへの入力効率向上のためには曲げファイバのコアへ光を結合させるため、プローブから出射するビームを絞る必要がある（例えば、非特許文献１を参照。）。しかし、ビームを絞ることで軸ずれが生じたときに入力効率が著しく低下する（非特許文献２、図６）。たとえば、１０μｍ程度の軸ずれにより入力効率が５ｄＢ程度低下する。特に、保護チューブ付光ファイバやテープファイバ心線の場合、各個体の構造上のばらつきにより数十μｍ程度の軸ずれの可能性がある。このため、これらのファイバ心線に光を入力する場合には、最も入力効率が得られる位置へプローブを調心する必要がある。

しかし、現用線として用いられている光ファイバ心線を曲げ光を入出力する場合には、曲げ部より入力された光の強度がどの程度なのかを測定すること（入力効率測定）が難しく、プローブを最適位置へ調心することが困難という課題があった。また、プローブを最適位置へ調心しようとすればプローブを機械的に動かす必要があるため構造が複雑になるという課題もある。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、入力効率測定やプローブ調心をすることなく高効率に光を入力できるプローブ光ファイバ及び光ファイバ側方入出力装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るプローブ光ファイバは、プローブ光ファイバの先端から出射する光の光強度プロファイルを緩やかな形状とした。

具体的には、本発明に係るプローブ光ファイバは、光ファイバ側方入出力装置に配置された光ファイバ心線の曲げ部に先端が近接され、前記光ファイバ心線の曲げ部に対して光を入出力するプローブ光ファイバであって、
前記先端から出射した光が、前記光ファイバ心線の曲げ部において、光軸中心の光強度に対し、光軸から２０μｍ離れた位置の光強度の低下が１７．６ｄＢ未満の光強度プロファイルを持つことを特徴とする。

従来装置では入出力用プローブ光ファイバとして単一モードファイバやダブルクラッドファイバ（例えば、非特許文献３を参照。）などが用いられている。そして、プローブ先端に接続されたレンズにより入力光（プローブ光ファイバからの出射光）を光ファイバ心線の曲げ部のコアに光を集光させ、入力効率を向上させている。光ファイバ心線の曲げ部における光の強度分布は、図１のように入力光の光軸（プローブ光ファイバの中心軸）付近でピークとなり、光軸から離れると急激に強度が低下する形状を持つ。このため、軸ずれが生じると入力効率が大幅に低下することになる。

本発明に係るプローブ光ファイバは、従来とは逆に入力光の集光を弱め、光ファイバ心線の曲げ部における光の強度分布を、入力光の光軸付近の光強度と光軸から離れた部分の光強度との差を少なくする形状としている。このため、本発明に係るプローブ光ファイバは、入力効率の軸ずれに対するトレランスを向上させることができる。従って、本発明は、入力効率測定やプローブ調心をすることなく高効率に光を入力できるプローブ光ファイバを提供することができる。

例えば、前記プローブ光ファイバは、複数のコアを有するマルチコアファイバであり、前記複数のコアで同一の光を伝搬させて前記先端から出射することを特徴とする。また、前記プローブ光ファイバは、複数の単一コアファイバを束ねたファイババンドルであり、前記複数の単一コアファイバのコアで同一の光を伝搬させて前記先端から出射することを特徴とする。

このとき、前記コアのいずれか１つが、前記光ファイバ心線の曲げ部からの漏洩する光の受光用であることが好ましい。また、断面において、前記コアが、中心に１つ配置され、前記中心の周りで正多角形の頂点の位置に配置され、前記中心に配置された前記コアが、前記光ファイバ心線の曲げ部からの漏洩する光の受光用であることがさらに好ましい。

例えば、前記プローブ光ファイバは、コアの直径が１００μｍ以上の大口径コアファイバであってもよい。

本発明に係る光ファイバ側方入出力装置は、
光ファイバ心線に対して長手方向に湾曲する凹部、及び前記曲げ部が与えられた前記光ファイバ心線に対して光を入出力する前記プローブ光ファイバを保持する保持部を有する第１治具と、
前記光ファイバ心線に対して長手方向に湾曲し、前記第１治具の凹部との間で前記光ファイバ心線を挟み込む凸部を有する第２治具と、
を備える。

本光ファイバ側方入出力装置は、前述したプローブ光ファイバを備えている。このため、本光ファイバ側方入出力装置は、入力効率の軸ずれに対するトレランスを向上させることができる。従って、本発明は、入力効率測定やプローブ調心をすることなく高効率に光を入力できる光ファイバ側方入出力装置を提供することができる。

本発明は、入力効率測定やプローブ調心をすることなく高効率に光を入力できるプローブ光ファイバ及び光ファイバ側方入出力装置を提供することができる。

従来の光ファイバ側方入出力装置が備えるプローブ光ファイバから出射される光の、光ファイバ心線の曲げ部における光強度分布を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ側方入出力装置を説明する図である。 本発明に係るプローブ光ファイバの断面図である。 本発明に係るプローブ光ファイバの構造を説明する図である。 本発明に係るプローブ光ファイバから出射する光の光強度分布を説明する図である。 本発明に係るプローブ光ファイバの断面図である。 本発明に係るプローブ光ファイバの構造を説明する図である。 本発明に係るプローブ光ファイバの断面図である。 本発明に係るプローブ光ファイバの構造を説明する図である。 本発明に係るプローブ光ファイバの断面図である。 本発明に係るプローブ光ファイバから出射する光の光強度分布を説明する図である。 本発明に係るプローブ光ファイバから出射する光の光強度分布を説明する図である。

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。

（実施形態１）
図２は、本実施形態の光ファイバ側方入出力装置を説明する図である。本光ファイバ側方入出力装置は、
光ファイバ心線１００に対して長手方向に湾曲する凹部２１、及び光ファイバ心線１００の曲げ部４０に対して光Ｌを入出力するプローブ光ファイバ５０を保持する保持部５１を有する第１治具１１と、
光ファイバ心線１００に対して長手方向に湾曲し、第１治具１１の凹部２１との間で光ファイバ心線１００を挟み込む凸部２２を有する第２治具１２と、
を備える。

光ファイバ側方入出力装置は、第１治具１１と第２治具１２とで光ファイバ心線１００を挟み込む。そして、光ファイバ側方入出力装置は、第２治具１２に押圧力を加えて第２治具１２を第１治具１１へ近づけ、凸部２２で光ファイバ心線１００を第１治具１１の凹部２１に沿うように曲げて曲げ部４０を形成する。一方、光ファイバ側方入出力装置は、押圧力を解放することで、第１治具１１と第２治具１２とを離し、光ファイバ心線１００の曲げを解消する。

プローブ光ファイバ５０はＢからの光を先端から光ファイバ心線１００の曲げ部４０へ出射し、当該光は曲げ部４０から光ファイバ心線１００に入り、Ａ方向へ伝搬する。また、Ａの方向から光ファイバ１００を伝搬する光の一部は、曲げ部４０から漏洩する。プローブ光ファイバ５０は先端でこの漏洩した光を受光し、Ｂの方向へ伝搬する。例えば、プローブ光ファイバ５０の先端と曲げ部４０との距離は、１〜２ｍｍ程度である。

（実施形態２）
図３は、プローブ光ファイバ５０の断面図である。プローブ光ファイバ５０は、複数のコアを有するマルチコアファイバであり、前記複数のコアで同一の光を伝搬させて前記先端から出射することを特徴とする。図３は７コアのマルチコアファイバの例である。例えば、図４のように、プローブ光ファイバ５０は、複数の単一コアファイバ５３からの光をマルチコアファイバの各コアに入出力するためにマルチコアファイバファンイン５２を用いてもよい。図４はプローブ光ファイバ５０が７コアのマルチコアファイバの例である。

プローブ光ファイバ５０は、全てのコアを光ファイバ心線１００に対する光の入出力用としてもよい。一方、プローブ光ファイバ５０は、いずれかのコアを光ファイバ心線１００からの漏洩光を受光する出力用としてもよい。例えば、出力用コアに対応する単一コアファイバ５３にサーキュレータなどを設置すれば、当該コアを入出力用として使用可能である。

図５は、マルチコアファイバのプローブ光ファイバ５０の先端から出射され、光ファイバ心線１００の曲げ部４０へ入力される光の強度分布を説明する図である。本評価ではコア数を７とし、コアの配置は図３の通りである。図５において、横軸は図３のプローブ光ファイバ５０の中心を基準としたｘ軸である。ここで、各コアの直径は８μｍ、開口数は０．１４、波長は１５５０ｎｍである。また、プローブ光ファイバ５０の先端から光ファイバ心線１００の曲げ部４０までの距離は２ｍｍである。非特許文献２に記載の単一コアのプローブ光ファイバと同様に、プローブ光ファイバ５０の先端に屈折率分布型レンズが接続されたものを用いた。

本評価では、プローブ光ファイバ５０のコア間隔を２０、３０、４０μｍとした場合の強度分布を示している。また比較として、非特許文献２に記載の単一コアのプローブ光ファイバから出射された入力光の強度分布も示す（一点鎖線）。なお、図５ではＸ軸方向の強度分布を示しているが、プローブ光ファイバ断面に対して水平方向の軸であればどの軸でも同等の結果となる。

単一コアのプローブ光ファイバの場合と比較して、プローブ光ファイバ５０のほうが広範囲のＸに対して高い強度分布が得られている。具体的には、プローブ光ファイバ５０は、先端から出射した光が、２ｍｍ離れた光ファイバ心線１００の曲げ部４０において、光軸中心の光強度に対し、光軸から２０μｍ離れた位置の光強度の低下が１７．６ｄＢ未満の光強度プロファイルを持つ。

このような光強度プロファイルは、プローブ光ファイバ５０が最適位置に調心されておらず軸ずれが生じていても入力効率の低下が小さいことを意味する。また、コア間隔を大きくするほど光強度分布が広がり、軸ずれに対するトレランスが向上していることがわかる。

（実施形態３）
図６は、プローブ光ファイバ５０の断面図である。プローブ光ファイバ５０は、複数の単一コアファイバ５３を束ねたファイババンドルであり、複数の単一コアファイバ５３のコアで同一の光を伝搬させて前記先端から出射することを特徴とする。例えば、図７のように、プローブ光ファイバ５０は、７本の単一コアファイバ５３を一端側でまとめ、プローブ光ファイバ５０としたものである。単一コアファイバ５３の他端はまとめない状態としておき、光源や受光器に接続する。

ファイババンドルは従来の光ファイバを束ねて構成されるため、実施形態２のマルチコアファイバの場合と比較してマルチコアファイバファンインが不要で低コストである。また、プローブ光ファイバ５０は、いずれのコアを漏洩光の受光用、及び光ファイバ心線への入力用にするかが単一コアファイバの選択で可能なため、設定が容易である。

本実施形態のプローブ光ファイバ５０の光強度分布も図５の通りである。軸ずれに対するトレランスに影響があるコア間隔は単一コアファイバ５３の直径によって決まる。一般的な単一モードファイバなどではコア間隔は１２５μｍとなる。また、細径ファイバを用いればコア間隔をさらに小さくできる（たとえば８０μｍ）。

（実施形態４）
実施形態２や３で説明したプローブ光ファイバ５０において、前記コアのいずれか１つが、光ファイバ心線１００の曲げ部４０からの漏洩する光の受光用であってもよい。図８は、実施形態３で説明したファイババンドルのプローブ光ファイバ５０において中心に配置した単一コアファイバ５４をダブルクラッドファイバなどの大口径ファイバとしたものである。大口径ファイバを用いることで曲げ部４０からの漏洩光を多く取り込むことができ、図６のプローブ光ファイバ５０と比較して受光効率（結合効率）が向上する。このため、図９のように光源と受光素子を接続することが好ましい。
本実施形態ではプローブ光ファイバ５０がファイババンドルの場合で説明したが、プローブ光ファイバ５０がマルチコアファイバの場合でも同様である。

（実施形態５）
実施形態２や３で説明したプローブ光ファイバ５０において、断面において、前記コアが、中心に１つ配置され、前記中心の周りで正多角形の頂点の位置に配置され、前記中心に配置された前記コアが、光ファイバ心線１００の曲げ部４０からの漏洩する光の受光用であってもよい。

図１０は、曲げ部４０からの漏洩光を受光するコア（中心コア）を中心に配し、その周りに曲げ部４０へ光を入射するコア（外側コア）を正多角形の頂点の位置に配置したプローブ光ファイバ５０の断面図である。図１０Ａは外側コアを正６角形の頂点（六方最密構造）に、図１０Ｂは外側コアを正５角形の頂点に、図１０Ｃは外側コアを正４角形の頂点に、図１０Ｄは外側コアを正３角形の頂点に、配したプローブ光ファイバ５０の断面図である。

ファイバ（コア）の配置については図１０のように中心コアに対して外側コアが対称となるように（ｎ個のコアの場合、正ｎ−１角形になるように）配置することが望ましい。この配置により、外側コアから出射された光が重なり合い、光ファイバ心線への入射ビームの強度分布の中心軸がプローブ光ファイバ５０の中心軸と一致するため、入射ビームと漏洩光受光とで最適なプローブ調心位置が一致し、入力および出力の両方で最大の入出力効率が得られる。

図１０Ａのように、六方最密構造とし、中心コアを漏洩光受光用とした構造が望ましい。この構造とすることで、外側の６コアから出射された入射ビームが重なり合い、７コアすべてのコアから出射した場合と同等の入射ビームが得られるためである．図１１は、六方最密構造のプローブ光ファイバ５０において外側の６コアから出射され、光ファイバ心線１００へ入力される光の強度分布を説明する図である。横軸はプローブ光ファイバ５０の中心を基準としたｘ軸である．ここで、コア直径は８μｍ、開口数は０．１４である。実線がコア間隔１２５μｍ、破線がコア間隔８０μｍの場合の光強度分布である。比較として従来の単一コアのプローブ光ファイバの光強度分布も一点鎖線で示している。

図１１より、六方最密構造のプローブ光ファイバ５０は、中心付近では従来プローブ光ファイバより光強度が低下するものの、広範囲のＸにおいて光強度の低下を回避でき、入力効率が維持できることがわかる。したがって、軸ずれに対するトレランスが大幅に向上することがわかる。また、出力効率に関しては、中心コアを出力用として使用し、非特許文献４に記載のような大口径コアファイバを用いることで、高い出力効率が得られるとともに軸ずれに対して高いトレランスが得られる。以上より、六方最密構造のプローブ光ファイバ５０は、光ファイバ心線１００への入力と光ファイバ心線１００からの出力において軸ずれに対して高いトレランスを実現できる。

なお、本実施形態ではファイババンドルのプローブ光ファイバ５０で説明したが、マルチコアファイバのプローブ光ファイバ５０でも同様である。また、外側コアの数を７以上としても、コアの配置を変えても、あるいはファイバアレイを用いても同様である。

（実施形態６）
本実施形態のプローブ光ファイバ５０は、コアの直径が１００μｍ以上の大口径コアファイバである。実施形態２から５で説明したプローブ光ファイバ５０は、マルチコアファイバやファイババンドルである場合であって、各コアからの出力光が重ねあわされた光を光ファイバ心線１００への入力光として用いていた。実施形態２から５で説明したプローブ光ファイバ５０の重ね合わされた強度分布に相当する光を、一つの大口径コアのファイバ（大口径コアファイバ）を用いても出力可能である。

図１２は、大口径コアファイバのコア直径に対するプローブ光ファイバ５０から出力される光の強度分布を説明する図である。一点鎖線はコア径１００μｍ、実線はコア径２００μｍ、破線はコア径３００μｍの光強度分布である。図１２のように、コア直径を大きくすることで光強度分布が広がり、入力効率の軸ずれトレランスが向上することがわかる。

（発明の効果）
本発明に係るプローブ光ファイバは、複数のコアから光を出射することで、従来の単一コアファイバから出射する光より光強度プロファイルをなだらかにすること（トータルの開口数を大きくすること）で、入力効率の軸ずれに対するトレランスを向上し、常に安定的な入出力効率が得られる光ファイバ側方入出力装置を実現できる。
本発明に係るプローブ光ファイバは、構造上のばらつきにより数十μｍ程度の軸ずれが避けられない光ファイバ心線（保護チューブ付光ファイバやテープ心線など）へ調心することなく高効率に入出力することができる。

１１：第１治具
１２：第２治具
２１：凹部
２２：凸部
４０：曲げ部
５０：プローブ光ファイバ
５１：保持部
５２：マルチコアファイバファンイン
５３：単一コアファイバ
５４：単一コアファイバ
１００：光ファイバ心線

Claims (7)

1. 光ファイバ側方入出力装置に配置された光ファイバ心線の曲げ部に先端が近接され、前記光ファイバ心線の曲げ部に対して光を入出力するプローブ光ファイバであって、
   前記先端から出射した光が、前記光ファイバ心線の曲げ部において、光軸中心の光強度に対し、光軸から２０μｍ離れた位置の光強度の低下が１７．６ｄＢ未満の光強度プロファイルを持つことを特徴とするプローブ光ファイバ。
2. 前記プローブ光ファイバは、複数のコアを有するマルチコアファイバであり、前記複数のコアで同一の光を伝搬させて前記先端から出射することを特徴とする請求項１に記載のプローブ光ファイバ。
3. 前記プローブ光ファイバは、複数の単一コアファイバを束ねたファイババンドルであり、前記複数の単一コアファイバのコアで同一の光を伝搬させて前記先端から出射することを特徴とする請求項１に記載のプローブ光ファイバ。
4. 前記コアのいずれか１つが、前記光ファイバ心線の曲げ部からの漏洩する光の受光用であることを特徴とする請求項２又は３に記載のプローブ光ファイバ。
5. 断面において、前記コアが、中心に１つ配置され、前記中心の周りで正多角形の頂点の位置に配置され、
   前記中心に配置された前記コアが、前記光ファイバ心線の曲げ部からの漏洩する光の受光用であることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のプローブ光ファイバ。
6. 前記プローブ光ファイバは、コアの直径が１００μｍ以上の大口径コアファイバであることを特徴とする請求項１に記載のプローブ光ファイバ。
7. 光ファイバ心線に対して長手方向に湾曲する凹部、及び前記曲げ部が与えられた前記光ファイバ心線に対して光を入出力する請求項１から６のいずれかに記載のプローブ光ファイバを保持する保持部を有する第１治具と、
   前記光ファイバ心線に対して長手方向に湾曲し、前記第１治具の凹部との間で前記光ファイバ心線を挟み込む凸部を有する第２治具と、
   を備える光ファイバ側方入出力装置。

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