JP4051687B2 - 光パワーモニター - Google Patents

Description

本発明は、主に光通信分野において用いられる光パワーモニターに係るものである。

近年、情報通信における技術革新は目覚しく、インターネットの普及による通信速度の
高速化の要求および情報量の増加に対応するため、電気信号による通信から光信号による
通信へと移行しつつある。多くの基幹となるケーブルは、多数の中継点から情報が集まっ
てくるため、処理能力と処理速度から光ケーブルへと置き換わって来ている。光ケーブル
とユーザー端末との間の通信が見直されるようになり、より安くより快適な情報通信環境
の整備への要求は、ますます強くなってきている。

光通信網が整備されてくると、情報の授受が高速に行なわれるようになり、またそれに
伴って新たな用途も拡大していくため、光通信網を行き交う情報量は益々増加することに
なる。光ファイバーの処理できる情報量を上げるには、単位時間あたりの信号量を増大さ
せるために高周波の信号を使用することや、波長多重方式と称され異なる情報を持つ多数
の波長の信号を単一な光ファイバー中で同時に送信するという技術が用いられている。ま
た、緻密で信頼性の高い通信網を形成するには、多方向、多経路への接続を確保する必要
があり、保守用途の観点からも複数の光ファイバーの利用は必須となっている。

多数の信号を光ファイバーで伝送する光通信回路を形成する際には、波長多重した光信
号を各波長に分波したり、逆にそれぞれの波長の光信号を合波したり、更には、光信号の
分岐や挿入を行なうと言ったＷａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌ
ｅｘ（以下、ＷＤＭと略す）システムが必要になる。情報量が増加すると共に、扱われる
情報の重要性も高くなる。光信号が欠落した場合には、どの光信号がどこで欠落したのか
を迅速に把握する必要がある。光信号の接続の有無だけでなく、信号強度を確認すること
も必要となる。また、伝送距離が長くなると光ファイバー中を伝播するだけでも光信号強
度が減衰してしまうため、光信号を増幅するためのＥｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅ
ｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（以下、ＥＤＦＡと略す）という装置も必要になる。ＥＤＦＡは
増幅の割合を判断することを目的としており、外部から入力した光信号の強度や増幅した
後外部に出射する光信号の強度を、正確に把握することが必要となる。信頼性の高い光通
信システムを構築するためには、こうした細かいモニタリング機能を備えることが不可欠
となってきている。

光信号のモニタリング方法としては、光カプラで一部の光信号を分岐し、分岐した光信
号を光ファイバーに接続された光ダイオードで検知するという手法が用いられていた。こ
の方式では、各部品を融着接続することが必要であり、実装工数低減の妨げとなっていた
。また、光カプラは光ファイバーの光信号伝播部位であるコアを近接することで光信号を
分岐させるという構造である。コア近接部の長さが分岐量の重要なパラメーターであるこ
とから、製品のサイズを小さくすることも困難であった。最近では、特に多重化する波長
数を多くして、一度に伝達できる情報量を多くしている。信号検知は各波長に分波して行
なわれるため、１台の装置で必要となる光パワーモニターの数量が多くなる。光パワーモ
ニターに割り振られる装置内の収納スペースは限られているため、光パワーモニターの小
型化が必須となってきている。

小型化された光パワーモニターの一例が、特許文献１に開示されている。開示されてい
る構造を図１２に示す。図１２ｂ）は、光パワーモニター７０の断面図である。図１２ａ
）は、光パワーモニター７０複数本をケース６９に組込んだ光パワーモニター組立体７１
の一例で、ケースの上蓋を取り除いた状態を示す。図１２ｂ）で、２本の光ファイバー５
１，５２を有するマルチキャピラリーガラスフェルール５３とＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎ
ｔ Ｉｎｄｅｘ）レンズ５４を所定の空隙５５を開けて対向させる。ＧＲＩＮレンズの端
面にはフィルター５６が形成されており、ＧＲＩＮレンズを通ってきた光の反射と透過を
行なう。透過した光は空隙５７を通り光ダイオード５８で電気信号に変換され電極５９か
ら取り出される。光ダイオード５８の電気出力値で、光路内の光の強度値を得ることがで
きる。マルチキャピラリーガラスフェルール５３とＧＲＩＮレンズ５４はガラスチューブ
６０で位置決めされている。ＧＲＩＮレンズは中心軸から外周方向に向かって放射状に連
続的に屈折率が変化しているガラス製の円柱である。中心から外周に向かって屈折率は大
きくなっており、光が外周側に向かって広がれば広がるほど、光の進行方向は中心軸方向
に曲げられることになる。

図１２ｂ）を用いて光の流れを説明する。光ファイバー５１から空隙５５に入った光（
入力光）はＧＲＩＮレンズ５４を通りＧＲＩＮレンズ端面のフィルター５６に到達する。
フィルター５６に到達した光の大部分は反射しＧＲＩＮレンズ５４と空隙５５を通り、光
ファイバー５２に入り出力光となる。フィルター５６を透過した光は空隙５７を通り、光
ダイオード５８に入り電気信号に変換され、電極５９から電気信号として出力される。こ
れら一連の光の経路を実線の矢印で示している。逆に、光ファイバー５２から光を入れる
と前述した光路と同様の経過をたどり、光ファイバー５１から光を取り出す（出力光）こ
とができる。これら一連の光の経路を破線の矢印で示している。

米国特許 ６，６０３，９０６ Ｂ２ 図３

図１２ｂ）に示した光パワーモニターの光は、空気中に一度は放出（放射）される構造
である。空気は光ファイバーと異なる屈折率を有するため、空気中に放射された光は拡散
してしまう。拡散した光を集光するためＧＲＩＮレンズに代表されるレンズは必須の部品
である。このため、光パワーモニターの製品サイズがＧＲＩＮレンズやガラスチューブの
サイズに依存することになる。そのため、図１２ａ）の光パワーモニター組立体７１の小
型化も難しいものである。

導波路を用いた光パワーモニターが、特許文献２に記載されている。図１３ａ）に光導
波路モジュールの平面図を、図１３ｂ）に光量の測定原理を示す。基板８１に略平行に複
数の導波路８２が形成され、導波路８２を直角に横断する溝８３が設けられて、導波路が
入力側と出力側に分断される。溝８３には反射フィルター８４が挿入され、反射フィルタ
ー８４の入力側に光検知器８５が配され、平面導波路型光回路８０を構成している。図１
３ｂ）の断面図を用いて、光量測定方法を光の流れを使って説明する。導波路８２は、コ
ア８７を挟むように上部クラッド８６と下部クラッド８８が設けられている。コア８７を
通った光は溝８３の空気中に放出され、殆んどの光は反射フィルター８４を透過し出力側
のコア８７に入る。反射フィルター８４で一部の光（破線の矢印）は反射して光検出器８
５に入り、電気信号に変換され光路内の光の強度値を得ることができる。

特開２００３−３２９８６２号公報 図１、図２

特許文献２の平面導波路型光回路８０は、導波路を保持する基板の厚み、光検出器の保
持機構等が小型化をする上で障害になることは容易に理解できる。また、導波路と光ファ
イバーを接続する部位での光損失が大きいことは周知であり、低損失化を図ることは難し
い。損失を低減するため、特許文献２の光導波路を光ファイバーに置き換えることは容易
に着想できるものである。しかし、特許文献２と同様に入力側から入った光は一度空気中
に放出されることになる。空気中に放出された光を反射フィルターで出力側に入る光と光
検出器に入る光に分岐するため、光の損失を低減することも難しい。

損失が少ないと考えられる特許文献１の光パワーモニター７０でも、単一チャンネルの
光パワーモニター７０の小型化は、個別のピッグテールファイバーとＧＲＩＮレンズ、光
ダイオードを使用し組み上げる限り、φ３．０ｍｍ×２０ｍｍが限界と考えられる。図１
２ａ）のように、多チャンネル化するとケース６９に収納する分だけ、更に製品サイズが
大きくなり、小型化が難しいという問題がある。

本願特許の目的は、多チャンネル化しても小型化が可能であり、光損失の少ない光パワ
ーモニターを提供することである。

本願発明の光パワーモニターは、２本の光ファイバーの中心軸をオフセットさせて融着
し、融着部のコア部から伝播光の一部を、光伝播方向前方側光ファイバーのクラッド部に
漏洩させ、漏洩した光は光伝播方向前方側光ファイバーの融着部より前方側に設けられた
切欠き部の融着側の切欠き面で反射させ、反射した光は切欠き部の反対側のクラッドを透
過して光ファイバー外に放射し、放射された光を光ダイオードで検出し、伝播光の光量を
測定する光パワーモニターであって、融着部から切欠き部の融着側の切欠き面の光反射部
位が、クラッド部に漏洩した光が干渉して強め合う位置にあることが好ましい。

融着部から切欠き部の融着側の切欠き面の光反射部位が、クラッド部に漏洩した光が干
渉して３次から４次の強め合う位置にあることが、より好ましい。

光ファイバーは、軸中心に位置するコアと外周部を覆うクラッドから成り、屈折率の大
きなコアと屈折率の小さなクラッドの境界面であるコア外周面で全反射を起こし、コア内
のみを光が伝播する構造である。２本の光ファイバーの中心軸を数μｍオフセットさせて
融着すると、融着部の大部分がコア同士、もしくはクラッド同士が接続することになる。
コア同士が接続している部分では、光はそのままコアの中を伝播する。一方、コアの一部
がクラッドと融着接続した部分は、融着面に到達した光がクラッド部に漏洩する。漏洩光
はそのまま前方に進行するが、コアとクラッドでは屈折率が異なり、また融着面は三日月
状の形態をしているため、漏洩光は放射状に広がることになる。更に、クラッドの外周面
にて反射を繰返しながらクラッド内を伝播する。反射した光は干渉を起こすため、伝播途
中で光を強め合ったり弱め合ったりしながら進行する。クラッド内で反射を繰返しながら
伝播した光は、クラッドに設けた切欠き部における融着側の切欠き面で反射し、その進行
方向を変えて光ファイバー外に光を放射する。放射光の進行方向の延長線上に光ダイオー
ドを配置することにより、光量を電流に変換し、光量に比例した電気信号が得られるもの
である。

コアの融着部の形状は、光伝播方向前方側より光ファイバーのコア部の接合部を見ると
、コアは数μｍオフセットして接合されているので、光伝播方向後方側のコア断面が三日
月状に見える。三日月の最も太い部分がオフセットした値となる。融着部の横断面の形状
は、融着前の接合状態では、光ファイバーの中心軸に対しコア面は略垂直になっており、
略垂直面同士が数μｍオフセットしているが、加熱融着することでコアの接合部は自然な
曲率を持って接合することになる。クラッド部も同様である。

融着面は三日月形と自然な曲率を持っている。自然な曲率を有する方向に出た光は、曲
率によって出る光の角度が変わるため、クラッド内で反射した光は干渉し合い、光は強め
合ったり弱め合ったりする。好ましくは、３次から４次で強め合った光を切欠き部の融着
側の切欠き面で反射させて、反射させた光を光ダイオードで検出する。このため融着部の
自然な曲率を有する面と切欠き部の融着側の切欠き面が所定の角度を持って対向している
ことが重要である。言い換えると、光ファイバーの中心軸に対し融着部は直交し、また切
欠き部も直交しているので融着部と切欠き部は平行となる。融着部と切欠き部はそれぞれ
光ファイバー直角断面に対し所定の角度を持っているので、融着部の自然な曲率を有する
面と切欠き部の融着側の切欠き面は所定の角度を持って対向することになる。一方、自然
な曲率と平行方向に出た光は、光ファイバーの中心軸に対して対称に出てクラッドで反射
するため、干渉を起こすことはない。

融着部の自然な曲率は、オフセットした方向（光伝播方向後方側のコア断面が三日月状
に見える方向の三日月の外側の弧の頂点方向）には曲率半径は大きく、オフセットと逆方
向（光伝播方向後方側のコア断面が三日月状に見える方向の三日月の内側の弧の頂点方向
）には曲率半径が小さくなることが、多くの実験、作業結果より判っている。判り易くす
るため曲率ではなく傾き角度に置き換えて説明する。傾き角度は、融着温度や突合せる力
等の融着条件でばらつくが、５度以上１５度以下に入り、オフセット方向と逆方向の角度
には、３度から６度の差があることが判っている。傾き角度が異なるため、オフセットし
た方向に放射した光が反射を繰り返す周期と、オフセットと逆方向に放射した光が反射を
繰り返す周期にズレが生じ、干渉を起こし周期的に強め合うところと弱め合うところが発
生する。最初に強め合うところを１次とすると、３次もしくは４次の強め合うところに、
切欠き部の融着側の切欠き面を配置することで、融着部のコアからクラッドに漏洩した光
を最も効率よく切り欠き面に集光することができる。

以 上

本願発明の光パワーモニターは、切欠き部を設けた光ファイバーと光ダイオードをケー
スに納めた単一チャンネルの光パワーモニターとすることができる。また、複数個を並列
に並べて、多チャンネルの構成にすることもできる。光ダイオードを複数個並べることな
く、１個の多チャンネルの光ダイオードを用いることで、より小型化が可能となる。本願
発明の光パワーモニターは、光ファイバーを伝播する光の一部を融着部でコアからクラッ
ドに漏洩させて、漏洩した光を光ファイバーに設けた切り欠き面で略９０度方向を変え、
切り欠き面と反対側のクラッドから光を空気中に出力し、その光を光ダイオードで電気信
号に変換するものである。クラッドから空気中に出た光を検出するので、隣接する光ファ
イバーから出た光や、ケースの外から入る光はノイズとなる。そのため、隣接する光ファ
イバー間の遮光とケースの遮光は必須である。

本願発明の光パワーモニターは、融着部と切欠き部の融着側の切欠き面の光反射部位が
、４．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下の距離であることが好ましい。

融着部のコアからクラッドに漏洩した光の出射角度は、融着部の自然な曲率の形状に依
存するため計算で求めることは容易ではない。数多くの実験によって得られた結果より、
３次もしくは４次の強め合う位置に切欠き面を設けると受光感度が高くなることが判った
。これは、使用する光の波長から、オフセット融着部位から４．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以
下離れた位置である。主流の通信用波長帯域は、１５２０ｎｍから１６２０ｎｍである。
波長によって３次もしくは４次の強め合う位置も異なるが、切欠き面の長さは十分に長い
ため、波長１００ｎｍの差は全く無視して良いものである。

本願発明の光パワーモニターは、切欠き部の融着側の切欠き面は光伝播方向前方側光フ
ァイバー光軸に対し、３８度以上４５度以下であることが好ましい。

切欠き部の融着側切欠き面は、クラッド内を伝播してきた光の進行方向を略９０度変え
る機能を果すため、切欠き面の角度Θ１は３８度以上４５度以下が好ましい。３８度より
小さいときは融着側切欠き面で光は反射するが、反射した光の方向が光ファイバー外周に
対して垂直ではなく、斜めに傾いた方向になる。つまり、大部分の光はクラッド外部へ放
射されるが、クラッド外周面で反射してクラッド内に戻ってくる光の量が多くなってしま
う。これは、クラッド外周面に対し３８度以下の斜めに光が入ってくるためである。逆に
、融着側切欠き面の角度が４５度を越えると、切欠き面を透過する割合が増大し受光感度
が低下してしまう。切欠き部の融着側切欠き面が３８度以上４５度以下の角度を有するこ
とで、良好な特性が得られるものである。

融着側切欠き面と反対側の切欠き面は、漏洩光の反射に対しては何の影響も及ぼさない
ため、どのような形状であっても構わないものである。また、切欠き部の底部の形状も特
に規定する必要はない。切欠き部は、研削加工で形成するのが容易である。光ファイバー
に加工応力を残さないため、切欠き部の断面形状は左右対称形が好ましく、特にくさび形
状が好ましい。融着側切欠き面の角度が正確に得られれば、研削加工に限定されることは
なく、イオンミリングの様なドライエッチング技術を用いて形成しても良い。

本願発明の光パワーモニターは、切欠き部の底部とコア部外周面との間隔ｄは０．５μ
ｍ以上８μｍ以下の間隔を有することが好ましい。

コア内の光の一部をクラッド内に漏洩させて、融着側切欠き面で反射させ光ダイオード
で検知するため、光を切欠き面に確実に当てることが重要である。切欠き部の深さが浅く
なる、つまり融着側切欠き面の面積が小さくなると、光の全てが切欠き面に当たらず、コ
ア近傍のクラッド内を伝播する光の割合が大きくなってしまう。そのため、コア部外周面
と切欠き部の底面（切欠き面のコア側端面）との間隔は、８μｍ以下に抑えることが重要
である。一方、光ファイバーはコア内を光が伝播する構造になっているものの、厳格な境
界が存在する訳ではないので、コア近傍のクラッドに漏洩して伝播して行く光が存在する
。切欠き部の深さが深くなり、コア部外周面と切欠き部の底面との間隔が０．５μｍ以下
になると、コア近傍のクラッドを伝播している光及びコア内を伝播している光が漏洩し損
失になってしまう。このため、切欠き部の底部とコア部外周面との間隔は、０．５μｍ以
上８μｍ以下であることが好ましい。

融着部のコアからクラッドに漏洩しクラッドで反射しながら、干渉で強め合った光が融
着側切欠き面に当たり略９０度光の方向を変える。光は切欠き面側のクラッドを通り、更
にコアと切欠き部と反対側のクラッドを通り、光ファイバーの外に出て光ダイオードに入
る。

本願発明の光パワーモニターは、２本の光ファイバーの中心軸間の距離をオフセット量
ｈとし、オフセット量ｈを変えることで光伝播方向前方側光ファイバーのクラッド部に漏
洩させる光量を決め、オフセット量ｈは光ファイバーのコア径ｋの０．０５ｋ以上０．３
２ｋ以下であることが好ましい。

オフセット量ｈを変化させると、クラッドへ漏洩する光の量を変えることができる。コ
ア内の光の強度分布は、ガウス分布に従うため、オフセット量が大きくなるに従い光量変
化は大きくなる。一般的に用いられているシングルモード光ファイバーでは、コア径ｋは
９．２μｍ（波長１３１０ｎｍ）である。２．５μｍのオフセット量で融着させた時に、
受光感度は１００ｍＡ／Ｗ程度となる。受光感度は、光ダイオードに入る光の強さ（Ｗ）
当たりの光ダイオードの出力電流（ｍＡ）で、（ｍＡ／Ｗ）で表している。

本願発明の光パワーモニターは、切欠き部の融着側の切欠き面の光反射部位の面粗さＲ
ａは、２ｎｍ以下であることが好ましい。

クラッド内を伝播した光は切欠き部の融着側の切欠き面で反射するが、この反射面の面
粗さによって、光ダイオードに入る光量が変化する、つまり受光感度が変化することにな
る。面粗さが粗くなると、光散乱により反射光が広がるため、光ダイオードに入射する光
が弱くなってしまう。Ｒａが２ｎｍ以下であれば、高い受光感度が得られる。Ｒａは、Ｊ
ＩＳ Ｂ０６０１に従い測定した値である。また、使用する光の波長が１５５０ｎｍ近傍
の長波長であるので、表面粗さＲａだけでなく表面のうねりを規定するのも光反射率の低
減に効果がある。ＪＩＳ Ｂ０６３１に従い包絡うねり曲線から粗さモチーフの平均長さ
ＡＲを求め、ＡＲが使用する波長の１／２以下であることが好ましい。うねりの平均長さ
を使用する波長より小さくすることで、光の反射効果を上げることが可能となる。

本願発明の光パワーモニターは、切欠き部の少なくとも融着側の切欠き面に、光反射率
の高い膜を形成することができる。

切欠き面に高光反射膜を設けることは、受光感度を上げるうえで有効である。高光反射
膜は反射する際の光散乱を抑える効果と、反射面での透過を抑える効果により、光反射効
率を上げることができるものである。膜材質としては、光反射率の高い金（Ａｕ）や銀（
Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）が望ましい。酸化しやすいＡｇやＡｌ、Ｃｕ
より、酸化し難いＡｕを用いることが経時的安定性の面から好ましいものである。成膜は
、蒸着やスパッタリングを用いることができる。光反射膜は融着側切欠き面だけに設ける
のではなく、光ダイオードと対向する部位以外の光ファイバー外周面と切欠き部に設ける
こともできる。光ダイオードと対向する部位以外を光反射膜で被うことにより、外部光の
影響を抑える効果が得られる。

光ダイオードは、湿度により光を電流に変換する特性の経時変化が起こることが知られ
ている。そのため、本願発明の光パワーモニターの密封ケース内は、乾燥窒素や乾燥アル
ゴンを充填することが好ましいものである。

２本の光ファイバーの中心軸をオフセット融着して、コアからクラッド内に光を漏洩さ
せ、漏洩した光の３次もしくは４次の強め合った光をクラッドに設けた切欠き面で反射さ
せ、略９０度光の進行方向を変えてクラッド外に放射させた後、光ダイオードで検知する
ことで、多チャンネル化しても小型化が可能であり、光伝播損失の少ない光パワーモニタ
ーを提供することが可能になった。

以下、本願発明を図面を参照しながら実施例に基づいて詳細に説明する。説明を判り易
くするため、同一の部品、部位には同じ符号を用いている。

図１に本願発明の上蓋を外した光パワーモニターの平面図、図２に図１のｊ−ｊ’断面
図、図３に融着部と切欠き部の拡大断面図、図４に融着部のコアからクラッドに漏洩した
光の進行状況の説明図を示す。

図１と図２を参照しながら本願発明の光パワーモニター組立体１の構造について詳細に
説明する。図１は８組の光パワーモニター構成部材を一つのケース９に組込んだ８チャン
ネル型光パワーモニター１である。ケース９から保護チューブ８を介して光伝播方向後方
側光ファイバー２と光伝播方向前方側光ファイバー３を外部に引き出し、乾燥窒素ガスを
充填して樹脂（図示せず）で上蓋１１を接着した。ケース９の外側側面から光ダイオード
７の電極１０を取り出している。ケース９内を通る光ダイオード７と電極１０の配線の図
示は省略した。ケース９の内底には、２個の光ファイバー固定ブロック４と光ダイオード
７を接着剤で固定した。光ファイバー固定ブロック４は、光ファイバーの間隔を精度良く
保つため８個のＶ型溝を有している。光ファイバー固定ブロック４のＶ溝に光ファイバー
を樹脂で固着した。光ダイオード７は８チャンネルで、光ファイバーの切欠き部６に対応
した位置に配した。本願では融着された光伝播方向後方側光ファイバー２と光伝播方向前
方側光ファイバー３を、特に断りのない限り単に光ファイバーと称している。また、光フ
ァイバー間の光の干渉を防ぐため、光ファイバー間には遮光板３０を設けている。

図３を用いて、各部の寸法や光の流れ等に付いて説明する。図３ａ）に示すように、光
伝播方向後方側光ファイバー２の中心軸１５と光伝播方向前方側光ファイバー３の中心軸
１６を、２μｍのオフセット量ｈで融着した。融着は融着機のオフセット融着モードを使
用した。所定のオフセット量ｈを入力すると、光伝播方向後方側光ファイバー２をオフセ
ット量ｈの距離ステッピングモーターで移動した後、加熱して融着を行なった。オフセッ
ト融着を行った光ファイバーの融着部から６．８０ｍｍ離れた位置に、研削加工でＶ形状
の切欠き部６の光反射部位１４が来るように切欠き部６を形成した。切欠き部６の深さを
５５．０μｍとしたので、切欠き部底部１２とコア外周部との間隔ｄは２．９μｍとなっ
た。切欠き部６の融着側の切欠き面の中心軸に対する角度Θ１は４０．５度、切欠き部の
面粗さはＲａで１．２ｎｍ、包絡うねり曲線からの求めた粗さモチーフの平均長さＡＲは
５８０ｎｍであった。参考までに、切欠き部６の融着側と反対側の切欠き面の角度Θ２は
、４５．２度であった。切欠き部の融着側の面には金の光反射膜２０を、０．０３μｍの
厚みに真空蒸着で形成した。

光伝播方向後方側光ファイバー２入った光（実線の矢印）は、融着部５でクラッド側に
漏れる光（破線の矢印）と光伝播方向前方側光ファイバー３に入る光（実線の矢印）に分
かれる。光伝播方向前方側光ファイバー３に入る光は、一度も空気中に出ることなくコア
内を通過していく。従来の光パワーモニターでは、一度は空気中に出てから光ファイバー
もしくは光導波路に戻るものであった。光ダイオードに入る漏洩光以外の光は、一度も空
気中に出ない点が本願光パワーモニターの特徴の一つであり、これが低伝播損失が得られ
る理由の一つである。融着部５でクラッド側に漏洩した光は、クラッド内で反射を繰り返
し３次もしくは４次の干渉で強め合い、切欠き部６の光反射部位１４で略９０度光路が曲
げられ、クラッド−コア−クラッドを通り空気中に出て光ダイオード７に入り、電気信号
に変換される。

図３ａ）のＡ部のコアのオフセット融着部を、図３ｂ）図３ｃ）を用いてより詳細に説
明する。図３ｂ）は融着部を図３ｃ）のＸ方向から見た断面図である。光伝播方向後方側
光ファイバー２のコア部と光伝播方向前方側光ファイバー３のコア部の接合部は、溶融し
たコア部が作り出す自然の曲率１７で一体化される。この自然の曲率１７を通過した漏洩
光は、種々の角度を持ってクラッド内に入り反射を繰り返す。反射を繰返した光は干渉を
起こし、光を強め合ったり弱め合ったりする。自然の曲率１７は光の干渉を起こさせると
言う重要な働きを担うものである。図３ｃ）に、光伝播方向前方側光ファイバー３から見
た融着部のコアを示している。光伝播方向後方側光ファイバー２は、三日月形コア部１８
を形成している。

図３ｃ）のＸ方向、Ｙ方向から見た漏洩光の流れを図４に示す。図４ａ）に、Ｘ方向か
ら見た光の流れを示す。三日月形コア部１８から出た漏洩光は、自然な曲率１７の部位で
光の出る方向が分かれる。Θｕの角度で出た光（破線の矢印）とΘｄの角度で出た光（実
線の矢印）は、クラッドの外周部で反射を繰返して進む。このため、破線と実線の矢印が
先端が接近した部分が光の強め合った部分となる。最初に強め合ったのを１次とし、３次
もしくは４次が切欠き部６の光反射部位１４に当たり、略９０度方向を変えて光ダイオー
ド７に入る。強め合う部分と弱め合う部分は交互に現れる。図４ｂ）に、Ｙ方向から見た
光の流れを示す。三日月形コア部から出た光は左右対称であるので、光の干渉は起こさず
クラッド外周部で反射を繰返して進み切欠き部に達するものである。本実施例では、Θｕ
は１４．０度、Θｄは９．６度であった。

２０個の完成した光パワーモニター１に、波長１５５０ｎｍで光強度１．２ｍＷの光を
入射し、光パワーモニター特性を評価した。８チャンネルで２０個であるので総計１６０
チャンネルの特性を測定し、これらの平均値をとった。伝播損失は０．７２（−ｄＢ）で
受光感度は６４．４（ｍＡ／Ｗ）と良好な値が得られた。光ファイバー間に遮光板を入れ
ることで、クロストークは４８．３（−ｄＢ）まで低下させることができた。保護チュー
ブ８と電極１０を除いたケース９と上蓋１１の外形寸法は、２３ｍｍＬ×１７ｍｍＷ×２
．６ｍｍｈと従来の図１１ａ）の光パワーモニター組立体に比べ、体積で１／５と大幅に
小型化ができた。

図５に、融着部から切欠き部までの距離Ｌと光ダイオードの受光感度の関係を示す。融
着部から切欠き部までの距離Ｌを０．８ｍｍから９．０ｍｍまで変化させて、受光感度を
測定した。距離Ｌ以外の、切欠き部の形状（角度）や寸法、光反射膜等は実施例１と同じ
である。融着部から切欠き部までの距離Ｌが、約１，３，５，７，９ｍｍで受光感度が大
きく約２，４，６，８ｍｍで受光感度が小さくなっているのが判る。受光感度が大きくな
っているところが光の干渉で強め合ったところで、受光感度が小さくなっているところが
光の干渉で弱め合ったところになる。約１ｍｍのところが１次の干渉で光を強め合ったと
ころになる。次数が大きくなるにつれて受光感度も高くなり、３次と４次で最も高い受光
感度を示した。３次もしくは４次の干渉光を使うことで、高い受光感度を有する光パワー
モニターが得られることが実証できた。

図６に、切欠き面の角度Θ１と受光感度の関係を示す。融着部から切欠き部までの距離
Ｌは６．８０ｍｍとし４次の干渉光を用いた。切欠き面の角度Θ１を２８度から６０度ま
で変化させて光パワーモニターを製作した。受光感度の測定方法や光反射膜等は、実施例
１と同じとした。切欠き面の角度Θ１が３８度から４５度の間では、いずれも、受光感度
は６０ｍＡ／Ｗよりも大きな値を示しているが、３８度以下と４５度以上の角度では急激
に受光感度が低下している。受光感度低下の原因は、３８度より小さいと融着側切欠き面
で光は反射するが、反射した光の方向が光ファイバー外周に対して垂直ではなく斜めに傾
いた方向になる。つまり、大部分の光はクラッド外部へ放射されるが、クラッド外周面で
反射してクラッド内に戻ってくる光の量が多くなってしまう。これは、クラッド外周面に
３８度以下の斜めに光が入って来ためと考えられる。逆に、融着側切欠き面の角度が４５
度を越えると、切欠き面を透過する割合が増大し、受光感度が低下してしまうためと考え
られる。

図７は、オフセット量ｈ／コア径ｋと受光感度の関係を示す。オフセット量ｈ／コア径
ｋの値を、０．０２から０．３２まで変化させて光パワーモニターを製作した。受光感度
の測定方法や切欠き部の位置や角度、光反射膜等は実施例１と同じとした。オフセット量
ｈ／コア径ｋが大きくなるに従い、受光感度が大きくなっていることが判る。オフセット
量ｈが大きくなるとクラッド側に漏れる光が大きくなるため、切欠き部に入る光量が多く
なる。このため、光ダイオードに入射する光量が増え、受光感度が高い値を示したもので
ある。受光感度が高いということは、光ファイバー内を伝播する光強度が小さくなっても
、正確なモニターが可能になると言うことである。しかしこれは、光ファイバー内を伝播
する光の多くを抽出することを意味することであり、伝播損失という観点からは不利にな
る。

図８に、オフセット量ｈ／コア径ｋと伝播損失の関係を示す。オフセット量ｈ／コア径
ｋの割合が大きくなると、伝播損失が大きくなることが判る。これは、光ファイバー内の
伝播光の光強度が低下する割合が大きくなることを意味している。受光感度と伝播損失の
両方の特性から、光パワーモニターの性能が決まるものである。オフセット量ｈ／コア径
ｋを、０．０５ｋ以上０．３２ｋ以下とすることで、高い受光感度で伝播損失の小さい高
性能な光パワーモニターが得られた。受光感度と伝播損失に求められる値は、光通信装置
がネットワークのどの部分で使用されるか、また、光強度の増幅を行なっているアンプが
どのように配置されるかに依存するため、光通信装置の装置設計によって決まるものであ
る。

図９に、切欠き面の面粗さと受光感度の関係を示す。切欠き面の面粗さＲａを０．１ｎ
ｍから１０．０ｎｍまで変化させて光パワーモニターを製作した。面粗さは、ダイアモン
ド砥石の粒度を変えて実現した。尚、面粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１に従い、触針式
の表面粗さ計で測定した値である。面粗さ測定は同時に切欠き部の加工を行った、光ファ
イバーを切欠き部で折って測定した。切欠き部には光反射膜として金を真空蒸着した。光
はクラッド材と金の光反射膜の界面で反射するので、面粗さが粗いと乱反射を起こし易く
なる。２ｎｍを超えると、乱反射が起こったためか急激に受光感度が低下することが確認
できた。

図１０に、切欠き面の包絡うねり曲線から求めた粗さモチーフの平均長さＡＲと受光感
度の関係を示す。ＡＲは、１００ｎｍから２８００ｎｍまで変化させて光パワーモニター
を製作した。面粗さＲａは１．２ｎｍとし、他は実施例１と同じとした。ＡＲの測定は、
ＪＩＳ Ｂ０６３１に従い、面粗さの測定と同様に同時加工を行った光ファイバーを切欠
き部で折って測定した。粗さモチーフの平均長さＡＲが大きくなると、切欠き面のうねり
の周期が光ファイバー内を伝播している光の波長に近くなるため、面の影響を受けやすく
なる。切欠き面で反射した光が反射光間で干渉を起こし、受光感度の低下がみられたので
ある。粗さモチーフの平均長さＡＲは略８００ｎｍ以下が良いことが確認できた。この８
００ｎｍは使用する光の波長の約１／２に相当する。

図１１に、切欠き部の底部とコア部外周面との距離ｄと受光感度及び伝播損失の関係を
示す。距離ｄを０．２μｍから１５μｍまで変化させて光パワーモニターを製作した。距
離ｄ以外は、実施例１と同じとした。ｄが０．５μｍから８μｍの範囲では、受光感度変
化は非常に小さい。しかし、ｄが大きくなると、切欠き面の面積が小さくなるため、受光
感度は徐々に減少している。一方、ｄが０．５μｍより小さくなると、切欠き部の底部は
コア部に非常に接近した状態となる。光ファイバーでは主にコア部を光が伝播するが、実
際はコア近傍では若干の光がクラッドに漏洩しており、この漏洩した光が切欠き部で反射
されてモニターされることになる。そのため、ｄが０．５μｍより小さいときは、受光感
度は上がるが伝播損失も大きくなってしまっている。ｄは０．５μｍから８μｍの範囲で
、受光感度及び伝播損失の変化が少ない安定した光パワーモニターが得られることが実証
できた。

本願発明の光パワーモニターの上蓋を外した平面図である。 本願発明の光パワーモニターの断面図である。 本願発明の光パワーモニターの、融着部と切欠き部の拡大断面図である。 本願発明の光パワーモニターの、融着部のコアからクラッドに漏洩した光の進行状況の説明図である。 本願発明の実施例２の、融着部から切欠き部までの距離Ｌと光ダイオードの受光感度の関係を示す図である。 本願発明の実施例３の、切欠き部角度Θ１と受光感度の関係を示す図である。 本願発明の実施例４の、オフセット量ｈ／コア径ｋと受光感度の関係を示す図である。 本願発明の実施例４の、オフセット量ｈ／コア径ｋと伝播損失の関係を示す図である。 本願発明の実施例５の、切欠き面の面粗さと受光感度の関係を示す図である。 本願発明の実施例６の、切欠き面の包絡うねり曲線から求めた粗さモチーフの平均長さＡＲと受光感度の関係を示す図である。 本願発明の実施例７の、切欠き部の底部とコア部外周面との距離ｄと受光感度の関係を示す図である。 従来の光パワーモニターの図である。 従来の平面導波路型光パワーモニターの図である。

符号の説明

１ パワーモニター、２ 光伝播方向後方側光ファイバー、
３ 光伝播方向前方側光ファイバー、４ 光ファイバー固定ブロック、
５ 融着部、６ 切欠き部、
７ 光ダイオード、８ 保護チューブ、
９ ケース、１０ 電極、
１１ 上蓋、１２ 切欠き部底部、
１３ コア外周部、１４ 光反射部位、
１５ 中心軸ａ、１６ 中心軸ｂ、
１７ 自然な曲率、１８ 三日月形コア部、
２０ 光反射膜、３０ 遮光板、
５１ 光ファイバー、５２ 光ファイバー、
５３ マルチキャピラリーガラスフェルール、５４ ＧＲＩＮレンズ、
５５ 空隙、５６ フィルター、
５７ 空隙、５８ 光ダイオード、
５９ 電極、６０ ガラスチューブ、
６９ ケース、７０ 光パワーモニター、
７１ 光パワーモニター組立体、８０ 平面導波路型光回路、
８１ 基板、８２ 導波路、
８３ 溝、８４ 反射フィルター、
８５ 光検出器、８６ 上部クラッド、
８７ コア、８８ 下部クラッド。

Claims (7)

1. ２本の光ファイバーの光軸をオフセットさせて融着し、融着部のコア部から伝播光の一
   部を、光伝播方向前方側光ファイバーのクラッド部に漏洩させ、漏洩した光は光伝播方向
   前方側光ファイバーの融着部より前方側に設けられた切欠き部の融着側の切欠き面で反射
   させ、反射した光は切欠き部の反対側のクラッドを透過して光ファイバー外に放射し、放
   射された光を光ダイオードで検出し、伝播光の光量を測定する光パワーモニターであって
   、融着部から切欠き部の融着側の切欠き面の光反射部位が、３次から４次のクラッド部に
   漏洩した光が干渉して強め合う位置にあることを特徴とする光パワーモニター。
2. 融着部から切欠き部の融着側の切欠き面の光反射部位が、４．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以
   下であることを特徴とする請求項１に記載の光パワーモニター。
3. 切欠き部の融着側の切欠き面は光伝播方向前方側光ファイバー光軸に対し、３８度以上
   ４５度以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光パワーモニター。
4. 切欠き部の底部とコア部外周面とは、０．５μｍ以上８μｍ以下の間隔を有することを
   特徴とする請求項１から３いずれかに記載の光パワーモニター。
5. ２本の光ファイバーの中心軸間の距離をオフセット量ｈとし、オフセット量ｈを変える
   ことで光伝播方向前方側光ファイバーのクラッド部に漏洩させる光量を決め、オフセット
   量ｈは光ファイバーのコア径ｋの０．０５ｋ以上０．３２ｋ以下である事を特徴とする請
   求項１から４いずれかに記載の光パワーモニター。
6. 切欠き部の融着側の切欠き面の光反射部位の面粗さＲａは、２ｎｍ以下であることを特
   徴とする請求項１から５いずれかに記載の光パワーモニター。
7. 切欠き部の少なくとも融着側の切欠き面に、光反射率の高い膜を形成したことを特徴と
   する請求項１から６いずれかに記載の光パワーモニター。
   以 上
   

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