JP3984093B2 - 波長合分波器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、波長合分波器に関し、特に、光波長多重通信用の波長合分波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光波長多重通信システムでは、１本の光ファイバで複数の異なる波長の光信号を伝送するから、複数の波長の光を合波したり、分波したりする波長合分波回路の光部品（波長合分波器）が必要となる。
【０００３】
現在、実用化されている波長合分波器としては、ＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）がある。ＡＷＧは、図８に示されているように、入力（入射側）導波路１０１と、コリメートレンズの役目を果たす入力側スラブ導波路１０２と、アレイ導波路１０３と、集光レンズの役目を果たす出力側スラブ導波路１０４と、出力（出射側）導波路１０５とから構成されている。
【０００４】
ＡＷＧでは、１本の入力導波路１０１に入力された光信号は、入力側スラブ導波路１０２で回折されて広がり、アレイ導波路１０３を伝播した後、出力側スラブ導波路１０４で回折されて収束する。アレイ導波路１０３は隣接する導波路同士で一定の光路長差ΔＬをもって配列されているから、アレイ導波路１０３の各導波路を伝播する光は、光路長差ΔＬに相当する分だけ位相ずれを生じて出力側スラブ導波路１０４に到達する。回折角は波長に依存するから、出力側スラブ導波路１０４での収束位置、すなわち焦点位置が各波長λ１、λ２、λ３…ごとに異なり、これに応じて出力導波路１０５からは各波長λ１、λ２、λ３…ごとに分波された光信号が出力される。これにより、ＡＷＧが分波器として作用する。なお、ＡＷＧに対する光信号の入出力方向を逆にすることにより、ＡＷＧは合波器として作用する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＡＷＧは、平面光回路をなすＰＬＣ（Ｐｌａｎｅｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｎｔ）の一種であり、微細加工技術を用いて基板上に導波路を集積化して製作されるから、ＰＬＣによるＡＷＧは、量産性に優れ、高信頼性を得ることができるが、その反面、初期設備投資が大がかりなものになり、同種大量生産には向くが、多種少量生産には不向きといえる。
【０００６】
この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、高度な微細加工技術を必要とせず、大かがりな初期設備投資を要することなく簡便に生産でき、多種少量生産に適した波長合分波器を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明による波長合分波器は、複数本の導波路を束ねたものを中心軸線周りにねじってなる異長マルチコア導波路を含んでおり、波長合分波器の基本的構成として、前記異長マルチコア導波路の一端側にコリメート光学系が、前記異長マルチコア導波路の他端側に集光光学系が各々配置されている。
【０００８】
この発明による波長合分波器によれば、異長マルチコア導波路が複数本の導波路を束ねたものを中心軸線周りにねじったものであることにより、中心側の導波路より外周側の導波路へ向かうに従って光路長が長くなり、隣り合う各導波路同士の長さが異なり、各導波路を伝播する光光信号間に導波路長差に相当する位相差が生じ、合波、あるいは分波を行う。
【０００９】
この発明による波長合分波器は、前記異長マルチコア導波路の他端側に所定の空隙をおいてマルチコア導波路が配置され、前記異長マルチコア導波路と前記マルチコア導波路との対向端面が各々凹面に形成され、この凹面間に構成される空気間隙レンズが前記集光光学系をなしている。
【００１０】
この発明による波長合分波器によれば、異長マルチコア導波路とマルチコア導波路との対向端面の形状加工により、特別な光学素子を要することなく集光光学系が得られる。
【００１１】
この発明による波長合分波器では、前記異長マルチコア導波路は、多数のコアと共有グラッディングによるマルチコア光ファイバで構成することができ、マルチコア光ファイバの軸長方向の中間部分を加熱しながら中心軸線周りにねじればよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施形態を詳細に説明する。
図１〜図３はこの発明による波長合分波器の一つの実施形態を示している。
【００１３】
波長合分波器は、図１に示す様に、入射側導波路１０と、コリメータレンズ２０と、異長マルチコア導波路３０と、出射側マルチコア導波路４０とからなり、異長マルチコア導波路３０の入射端側（一端側）に、入射導波路１０、コリメータレンズ２０が配置され、異長マルチコア導波路３０の出射端側（他端側）に出射側マルチコア導波路４０が配置されている。
【００１４】
異長マルチコア導波路３０は、複数本の導波路３１を束ねたものを、中心軸線Ａ周りに捩り角θをもってねじったものであり、捩りによって中心側の導波路３１より外周側の導波路３１へ向かうに従って光路長が長くなり、隣り合う各導波路同士の長さが異なる。
【００１５】
図３に示す様に、中心の導波路３１は、捩じれによる長さ変化が０であるが、外周に存在する導波路３１ほど捩じれ量Ｔｎが大きいから、外周に存在する導波路３１ほど長さが変化し、最外周に存在する導波路３１の捩じれ量が最大値Ｔｍａｘで、これに応じて導波路長（光路長）が最大変化する。
【００１６】
図４に模式的に図解しているように、中心基準長さ（初期長さ）をＬｃ、導波路３１の中心からの位置をｒとすると、導波路長Ｌｔは下式（１）で表される。
Ｌｔ＝√（Ｌｃ２＋ｒ２） …（１）
【００１７】
導波路径方向配置ピッチをｄとすると、径方向に隣り合う導波路同士の導波長路差ΔΔＬは下式（２）で表される。
ΔΔＬ＝√（Ｌｃ２＋ｒ２）−√｛Ｌｃ２＋（ｒ＋ｄ）２｝ …（２）
【００１８】
また、導波路３１の中心からの位置ｒの導波路３１と中心の導波路３１との導波路長差ΔＬは下式（３）で表される。
ΔＬ＝√（Ｌｃ２＋ｒ２）−Ｌｃ …（３）
【００１９】
波長多重された光信号がコリメータレンズ２０より異長マルチコア導波路３０の入射端３２に均一に入射されると、捩りによって隣り合う導波路３１同士の長さが異なることから、位相差が発生し、図２に示されているように、異長マルチコア導波路３０の出射端３３では波長毎に波面の角度（回折角）が異なることになる。
【００２０】
出射側マルチコア導波路４０は複数本の導波路４１を束ねたものであり、出射側マルチコア導波路４０の入射端４２は所定の空隙をおいて異長マルチコア導波路３０の出射端３３に対向している。
【００２１】
相対向する異長マルチコア導波路３０の出射端３３と出射側マルチコア導波路４０の入射端４２、すなわち、異長マルチコア導波路３０と出射側マルチコア導波路４０の対向端面は、各々研磨加工等によって曲率半径Ｒによる凹面（球面、非球面、回転楕円面等）をなしており、異長マルチコア導波路３０の出射端３３と出射側マルチコア導波路４０の入射端４２との間に空気間隔レンズ（エアーレンズ）５０が構成される。
【００２２】
空気間隔レンズ（エアーレンズ）５０は、導波路を構成するガラス材と空気との屈折率差により、一種の凸レンズをなし、焦点距離（曲率半径Ｒ）ｆの集光作用を有する。これにより、各波長の光が出力側導波路４０に集光されることになる。これは、分波器の作用である。
【００２３】
上述のように構成された波長合分波器の波長間隔Δλは、異長マルチコア導波路３０の出射端ピッチをｄ、導波路長差ΔＬ，空気間隔レンズ５０の焦点距離をｆ（曲率半径Ｒ）、出力側導波路間隔をΔｏとすると、下式（４）で表される。
Δλ＝（ｎｓ・ｄ・ｎｃ／ｆ・ｍ・ｎｇ）Δｏ …（４）
ｍ＝（ｎｃ・ΔＬ）／λｏ …（５）
【００２４】
ここで、ｎｓ、ｎｃ、ｎｇはそれぞれ直線導波路の実効屈折率、石英ガラスの屈折率、直線導波路の群屈折率、ｍは回折次数であり、導波路間で光の位相が何波長ずれているかを示す整数である。導波路長差ΔＬが大きい（ｍが大きい）ほど、波長間隔Δλが小さいことがわかる。
【００２５】
なお、上述の構成による波長合分波器に対する光信号の入出力方向を逆にすることにより、波長合分波器は合波器として作用する。
【００２６】
異長マルチコア導波路３１を構成するマルチコア導波路は、図５（ｂ）に示されているように、導波路３１をなす多数のコアａを六方稠密に整列配置されてクラッドｂを共有する共有グラッディングによるマルチコア光ファイバで構成される。
【００２７】
マルチコア導波路の製造方法例としては、始めにコア・クラッドを有する光導波路母材をＶＡＤ、ＭＣＶＤの方法で作製し、これを所定の径（例えば、４００μｍ程度）に線引きし、これを所定の長さ（例えば、５００ｍｍ程度）に切断する。
【００２８】
次に、図５（ａ）、（ｂ）に示されているように、石英ガラスジャケットをなす所定の石英管（内径３６ｍｍ、外径４０ｍｍ程度）ｃに、線引き切断後の光導波路母材を、所定の本数（例えば、６０００本）、六方稠密に詰め込み、これを減圧加熱しながら再度線引きすることにより、所望の外径（例えば、ｌｍｍ程度）のマルチコア導波路を得る。
【００２９】
つぎに、これを必要長（例えば、２０ｍｍ程度）に切断し、図６に示されているように、バーナＢ等によって軸長方向の中間部分を加熱し、図7に示されているように、捩りＴによって所望の捩り角θ（例えば、３６０度）を与える。
【００３０】
捩りが完了すれば、出射端３３を凹面形状（例えば、２００Ｒ程度）に研磨する。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明による波長合分波器によれば、異長マルチコア導波路が複数本の導波路を束ねたものを中心軸線周りにねじったものであり、ねじりによって中心側の導波路より外周側の導波路へ向かうに従って光路長が長くなり、隣り合う各導波路同士の長さが異なり、各導波路を伝播する光光信号間に導波路長差に相当する位相差が生じ、合波、あるいは分波を行うものであるから、ＰＬＣの作製に必要な高度な微細加工技術を必要とせず、これに応じて大かがりな初期設備投資を要することなく、簡便に、低コストで、多種少量生産を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による波長合分波器の一つの実施形態を示す全体構成図である。
【図２】この発明の一実施形態に係わる波長合分波器の空気間隔レンズ部分の拡大図である。
【図３】この発明の一実施形態に係わる波長合分波器の異長マルチコア導波路の捩じれを説明する図である。
【図４】この発明の一実施形態に係わる波長合分波器の異長マルチコア導波路の導波路差を模式的に図解した図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）はこの発明の一実施形態に係わる波長合分波器の異長マルチコア導波路を構成するマルチコア光ファイバを示す説明図である。
【図６】この発明の一実施形態に係わる波長合分波器の異長マルチコア導波路を作製する捩り工程を示す説明図である。
【図７】この発明の一実施形態に係わる波長合分波器の異長マルチコア導波路を捩りを示す説明図である。
【図８】ＡＷＧ波長合分波器（従来例）を示す説明図である。
【符号の説明】
１０入射側導波路、２０…コリメータレンズ、３０…異長マルチコア導波路、４０…出射側マルチコア導波路、５０…空気間隔レンズ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、波長合分波器に関し、特に、光波長多重通信用の波長合分波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光波長多重通信システムでは、１本の光ファイバで複数の異なる波長の光信号を伝送するから、複数の波長の光を合波したり、分波したりする波長合分波回路の光部品（波長合分波器）が必要となる。
【０００３】
現在、実用化されている波長合分波器としては、ＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）がある。ＡＷＧは、図８に示されているように、入力（入射側）導波路１０１と、コリメートレンズの役目を果たす入力側スラブ導波路１０２と、アレイ導波路１０３と、集光レンズの役目を果たす出力側スラブ導波路１０４と、出力（出射側）導波路１０５とから構成されている。
【０００４】
ＡＷＧでは、１本の入力導波路１０１に入力された光信号は、入力側スラブ導波路１０２で回折されて広がり、アレイ導波路１０３を伝播した後、出力側スラブ導波路１０４で回折されて収束する。アレイ導波路１０３は隣接する導波路同士で一定の光路長差ΔＬをもって配列されているから、アレイ導波路１０３の各導波路を伝播する光は、光路長差ΔＬに相当する分だけ位相ずれを生じて出力側スラブ導波路１０４に到達する。回折角は波長に依存するから、出力側スラブ導波路１０４での収束位置、すなわち焦点位置が各波長λ１、λ２、λ３…ごとに異なり、これに応じて出力導波路１０５からは各波長λ１、λ２、λ３…ごとに分波された光信号が出力される。これにより、ＡＷＧが分波器として作用する。なお、ＡＷＧに対する光信号の入出力方向を逆にすることにより、ＡＷＧは合波器として作用する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＡＷＧは、平面光回路をなすＰＬＣ（Ｐｌａｎｅｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｎｔ）の一種であり、微細加工技術を用いて基板上に導波路を集積化して製作されるから、ＰＬＣによるＡＷＧは、量産性に優れ、高信頼性を得ることができるが、その反面、初期設備投資が大がかりなものになり、同種大量生産には向くが、多種少量生産には不向きといえる。
【０００６】
この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、高度な微細加工技術を必要とせず、大かがりな初期設備投資を要することなく簡便に生産でき、多種少量生産に適した波長合分波器を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明による波長合分波器は、複数本の導波路を束ねたものを中心軸線周りにねじってなる異長マルチコア導波路を含んでおり、波長合分波器の基本的構成として、前記異長マルチコア導波路の一端側にコリメート光学系が、前記異長マルチコア導波路の他端側に集光光学系が各々配置されている。
【０００８】
この発明による波長合分波器によれば、異長マルチコア導波路が複数本の導波路を束ねたものを中心軸線周りにねじったものであることにより、中心側の導波路より外周側の導波路へ向かうに従って光路長が長くなり、隣り合う各導波路同士の長さが異なり、各導波路を伝播する光光信号間に導波路長差に相当する位相差が生じ、合波、あるいは分波を行う。
【０００９】
この発明による波長合分波器は、前記異長マルチコア導波路の他端側に所定の空隙をおいてマルチコア導波路が配置され、前記異長マルチコア導波路と前記マルチコア導波路との対向端面が各々凹面に形成され、この凹面間に構成される空気間隙レンズが前記集光光学系をなしている。
【００１０】
この発明による波長合分波器によれば、異長マルチコア導波路とマルチコア導波路との対向端面の形状加工により、特別な光学素子を要することなく集光光学系が得られる。
【００１１】
この発明による波長合分波器では、前記異長マルチコア導波路は、多数のコアと共有グラッディングによるマルチコア光ファイバで構成することができ、マルチコア光ファイバの軸長方向の中間部分を加熱しながら中心軸線周りにねじればよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施形態を詳細に説明する。
図１〜図３はこの発明による波長合分波器の一つの実施形態を示している。
【００１３】
波長合分波器は、図１に示す様に、入射側導波路１０と、コリメータレンズ２０と、異長マルチコア導波路３０と、出射側マルチコア導波路４０とからなり、異長マルチコア導波路３０の入射端側（一端側）に、入射導波路１０、コリメータレンズ２０が配置され、異長マルチコア導波路３０の出射端側（他端側）に出射側マルチコア導波路４０が配置されている。
【００１４】
異長マルチコア導波路３０は、複数本の導波路３１を束ねたものを、中心軸線Ａ周りに捩り角θをもってねじったものであり、捩りによって中心側の導波路３１より外周側の導波路３１へ向かうに従って光路長が長くなり、隣り合う各導波路同士の長さが異なる。
【００１５】
図３に示す様に、中心の導波路３１は、捩じれによる長さ変化が０であるが、外周に存在する導波路３１ほど捩じれ量Ｔｎが大きいから、外周に存在する導波路３１ほど長さが変化し、最外周に存在する導波路３１の捩じれ量が最大値Ｔｍａｘで、これに応じて導波路長（光路長）が最大変化する。
【００１６】
図４に模式的に図解しているように、中心基準長さ（初期長さ）をＬｃ、導波路３１の中心からの位置をｒとすると、導波路長Ｌｔは下式（１）で表される。
Ｌｔ＝√（Ｌｃ２＋ｒ２） …（１）
【００１７】
導波路径方向配置ピッチをｄとすると、径方向に隣り合う導波路同士の導波長路差ΔΔＬは下式（２）で表される。
ΔΔＬ＝√（Ｌｃ２＋ｒ２）−√｛Ｌｃ２＋（ｒ＋ｄ）２｝ …（２）
【００１８】
また、導波路３１の中心からの位置ｒの導波路３１と中心の導波路３１との導波路長差ΔＬは下式（３）で表される。
ΔＬ＝√（Ｌｃ２＋ｒ２）−Ｌｃ …（３）
【００１９】
波長多重された光信号がコリメータレンズ２０より異長マルチコア導波路３０の入射端３２に均一に入射されると、捩りによって隣り合う導波路３１同士の長さが異なることから、位相差が発生し、図２に示されているように、異長マルチコア導波路３０の出射端３３では波長毎に波面の角度（回折角）が異なることになる。
【００２０】
出射側マルチコア導波路４０は複数本の導波路４１を束ねたものであり、出射側マルチコア導波路４０の入射端４２は所定の空隙をおいて異長マルチコア導波路３０の出射端３３に対向している。
【００２１】
相対向する異長マルチコア導波路３０の出射端３３と出射側マルチコア導波路４０の入射端４２、すなわち、異長マルチコア導波路３０と出射側マルチコア導波路４０の対向端面は、各々研磨加工等によって曲率半径Ｒによる凹面（球面、非球面、回転楕円面等）をなしており、異長マルチコア導波路３０の出射端３３と出射側マルチコア導波路４０の入射端４２との間に空気間隔レンズ（エアーレンズ）５０が構成される。
【００２２】
空気間隔レンズ（エアーレンズ）５０は、導波路を構成するガラス材と空気との屈折率差により、一種の凸レンズをなし、焦点距離（曲率半径Ｒ）ｆの集光作用を有する。これにより、各波長の光が出力側導波路４０に集光されることになる。これは、分波器の作用である。
【００２３】
上述のように構成された波長合分波器の波長間隔Δλは、異長マルチコア導波路３０の出射端ピッチをｄ、導波路長差ΔＬ，空気間隔レンズ５０の焦点距離をｆ（曲率半径Ｒ）、出力側導波路間隔をΔｏとすると、下式（４）で表される。
Δλ＝（ｎｓ・ｄ・ｎｃ／ｆ・ｍ・ｎｇ）Δｏ …（４）
ｍ＝（ｎｃ・ΔＬ）／λｏ …（５）
【００２４】
ここで、ｎｓ、ｎｃ、ｎｇはそれぞれ直線導波路の実効屈折率、石英ガラスの屈折率、直線導波路の群屈折率、ｍは回折次数であり、導波路間で光の位相が何波長ずれているかを示す整数である。導波路長差ΔＬが大きい（ｍが大きい）ほど、波長間隔Δλが小さいことがわかる。
【００２５】
なお、上述の構成による波長合分波器に対する光信号の入出力方向を逆にすることにより、波長合分波器は合波器として作用する。
【００２６】
異長マルチコア導波路３１を構成するマルチコア導波路は、図５（ｂ）に示されているように、導波路３１をなす多数のコアａを六方稠密に整列配置されてクラッドｂを共有する共有グラッディングによるマルチコア光ファイバで構成される。
【００２７】
マルチコア導波路の製造方法例としては、始めにコア・クラッドを有する光導波路母材をＶＡＤ、ＭＣＶＤの方法で作製し、これを所定の径（例えば、４００μｍ程度）に線引きし、これを所定の長さ（例えば、５００ｍｍ程度）に切断する。
【００２８】
次に、図５（ａ）、（ｂ）に示されているように、石英ガラスジャケットをなす所定の石英管（内径３６ｍｍ、外径４０ｍｍ程度）ｃに、線引き切断後の光導波路母材を、所定の本数（例えば、６０００本）、六方稠密に詰め込み、これを減圧加熱しながら再度線引きすることにより、所望の外径（例えば、ｌｍｍ程度）のマルチコア導波路を得る。
【００２９】
つぎに、これを必要長（例えば、２０ｍｍ程度）に切断し、図６に示されているように、バーナＢ等によって軸長方向の中間部分を加熱し、図7に示されているように、捩りＴによって所望の捩り角θ（例えば、３６０度）を与える。
【００３０】
捩りが完了すれば、出射端３３を凹面形状（例えば、２００Ｒ程度）に研磨する。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明による波長合分波器によれば、異長マルチコア導波路が複数本の導波路を束ねたものを中心軸線周りにねじったものであり、ねじりによって中心側の導波路より外周側の導波路へ向かうに従って光路長が長くなり、隣り合う各導波路同士の長さが異なり、各導波路を伝播する光光信号間に導波路長差に相当する位相差が生じ、合波、あるいは分波を行うものであるから、ＰＬＣの作製に必要な高度な微細加工技術を必要とせず、これに応じて大かがりな初期設備投資を要することなく、簡便に、低コストで、多種少量生産を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による波長合分波器の一つの実施形態を示す全体構成図である。
【図２】この発明の一実施形態に係わる波長合分波器の空気間隔レンズ部分の拡大図である。
【図３】この発明の一実施形態に係わる波長合分波器の異長マルチコア導波路の捩じれを説明する図である。
【図４】この発明の一実施形態に係わる波長合分波器の異長マルチコア導波路の導波路差を模式的に図解した図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）はこの発明の一実施形態に係わる波長合分波器の異長マルチコア導波路を構成するマルチコア光ファイバを示す説明図である。
【図６】この発明の一実施形態に係わる波長合分波器の異長マルチコア導波路を作製する捩り工程を示す説明図である。
【図７】この発明の一実施形態に係わる波長合分波器の異長マルチコア導波路を捩りを示す説明図である。
【図８】ＡＷＧ波長合分波器（従来例）を示す説明図である。
【符号の説明】
１０入射側導波路、２０…コリメータレンズ、３０…異長マルチコア導波路、４０…出射側マルチコア導波路、５０…空気間隔レンズ。
Claims (1)
- 複数本の導波路を束ねたものを中心軸線周りにねじってなる異長マルチコア導波路を含み、前記異長マルチコア導波路の一端側にコリメート光学系が、前記異長マルチコア導波路の他端側に集光光学系が各々配置され、前記異長マルチコア導波路の他端側に所定の空隙をおいてマルチコア導波路が配置され、前記異長マルチコア導波路と前記マルチコア導波路との対向端面が各々凹面に形成され、この凹面間に構成される空気間隙レンズが前記集光光学系をなすことを特徴とする波長合分波器。
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| JP2002110946A JP3984093B2 (ja) | 2002-04-12 | 2002-04-12 | 波長合分波器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2003302537A JP2003302537A (ja) | 2003-10-24 |
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| JP2002110946A Expired - Fee Related JP3984093B2 (ja) | 2002-04-12 | 2002-04-12 | 波長合分波器 |
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