JP4217276B2 - 光素子 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、全体的にいえば、受動光部品に関する。
背景
光ファイバおよび他の導波器を通しての信号の光通信は、個別のデバイスの中での局所的な通信と、長距離間で情報を通信するための種々の形式のネットワークのような大型のシステムの中での通信との両方において、ますます用いられている。これらのデバイスおよびシステムでは、光信号に種々の形式の操作を実行するために、いろいろな種類の光素子が必要である。このような素子の１つの例は、１個の導波器から２個の異なる導波器に光信号を伝送するための結合器である。このような結合器は、平面型導波器における多重モード干渉に基づくことができる。例えば、L.B.ソルダノ（L.B.Soldano）およびE.C.M.ペニングス（E.C.M.Pennings）の要約された論文「自己画像形成に基づく光多重モード干渉デバイス：原理と応用（Optical Multimode Interference Devices Based on Self-Imaging:Principle and Applications）」、ジャーナル・オブ・ライトウエーブ・テクノロジィ（Journal of Lightwave Technology）、第13巻、第４号、1995年４月、615頁〜627頁を参照されたい。これらのよく知られているデバイスでは、横型多重モード導波器が１つの点において励起され、それにより多数個の光モード、すなわち多数個の電磁波伝搬モードが始動される。これらのモードは、導波器の中を異なる位相速度で伝搬し、そして導波器の横断面において、これらのモードは、電磁界の分布に構成される。さらに、これらの電磁界の分布は、光導波器の縦方向の異なる位置の横断面において相互に非常に異なっている。例えば、励起分布のかなり正確な複製または反転した分布または複合分布または多重に折り返しされた分布などである。例えば、１×Ｎ結合器は、Ｎが２と20との間の値である場合、ＧａＡｓおよびＩｎＰに基づく導波器で作成されることが開示されている。このようなデバイスの考えられる欠点は、導波器の側方への反射が非常に重要であることであり、および反射における損失および／または好ましくない位相の変動を避けることが困難であることである。
特開昭60-225804号（特願昭59-083579号）に、ファイバ４の中を伝搬する光モードを選択するために、光ファイバ６、６′の一部分がそのいずれかの側において別のファイバ４にどのように結合されるかを開示している。ファイバ６、６′は、環状のコアを有し、単一モード型であり、一方、ファイバ４は、通常の多重モード型である。
前記の公開公報および欧州特許第0 387 740号において、環状コアを有する光ファイバが開示されている。これらのファイバは、単一光モードの形状で存在する光を伝送するのに用いられる。
本発明の説明
本発明の１つの目的は、多重モード干渉が用いられ、構造が簡単であり、比較的簡単な方法で製造することができる光素子を得ることである。
多重モード干渉の場合、多重モード型の光ファイバ部分が用いられる。多重モード型の光ファイバとは、目標とする波長、すなわち考察されている波長に対し、多数個の光モードが同時に伝搬することができる光ファイバである。原理的には、このような多重モード・ファイバは、平面型導波器の中と同様に多重モード干渉を起こすことができる。けれども、横方向の反射が原因で起こる複雑で厄介なことは、一切存在しない。それは、横方向の反射を起こす原因となりうる側面または表面が存在しないからである。好ましい場合には、多重モード・ファイバは、リングの形状を有するコアを備えた光ファイバ、またはそれと等価であるが管状の構造体のコアを備えた光ファイバである。このようなファイバは、平面型導波器をその縦軸のまわりに曲げて円形の管の半分を形成し、円形の管の他の同様な半分を作成することによって完全な円形の管を完成することにより、平面型導波器と同等であるということができる。環状コアの厚さは、原理的には、対応する平面型導波器のコアの厚さと同じ程度の厚さである。このような光ファイバが環状コアの１つの点またはその近傍の点が光で励起される時、異なる光伝搬モードが始動する。これらの異なる光伝搬モードの位相速度の相互間の比は、対応する平面型導波器の異なる光モードの位相速度の相互間の比と実質的に同じである。
通常、光素子が備えられる。光素子の主要な部品は、光ファイバである。通常の構造体では、光ファイバは、実質的に従来の型の光ファイバである。したがって、ファイバは、実質的に円柱型のコアとそれを取り囲む実質的に円筒型のクラッドとを有する。さらに、ファイバ部分の端部の位置に光源に対する接続部が備えられ、それにより光源から放射された光がファイバ部分の中を通って進む。ファイバ部分の中を透過した光を出力デバイスが受け取り、この光が他のいくつかの光デバイス、例えば受信デバイス、検出デバイスまたは評価デバイスに供給される。特に、ファイバ部分は、多重モード型でなければならなく、光源に結合される時、多数の光モードがこのファイバ部分の中に励起されるように、その接続を行わなければならない。
さらに、出力デバイスにおけるファイバ部分の端部表面の位置の横断面において、この端部表面に存在する異なるモードに対応して、入力端部の横断面に存在するモード・ピクチャの実質的に真の像または再生像であるモード・ピクチャ、すなわち光強度分布が存在するように、このファイバ部分が設計されなければならなく、特に、その長さがこのように適合または選定されなければならない。この条件は、注入された光に対し、または注入された光の波長間隔領域に対する少なくともいくつかの周波数／波長に対して満たされなければならない。例えば、端部表面の横断面に存在するモード・ピクチャは、入力端部の横断面に存在するモード・ピクチャの実質的に多重像である。
好ましい場合には、リングの形状または管の形状のコアがファイバ部分の中に備えられる。この時、考察される波長領域に対し、ファイバ部分がその縦軸に関して、このファイバ部分の円周方向において多重モード型であるように、コアの外径および内径が選定されると、利点が得られる。さらに、ファイバ部分は、半径方向には、すなわちファイバ部分の軸に垂直な方向には単一モードでなければならない。
このような光素子は、例えば、フィルタまたはセンサまたはスイッチとして用いることができる。後者の場合、出力デバイスは、単一モード型の光ファイバを有する。一定の波長間隔領域の中の波長を有する光のみが出力デバイスにより受け取られることができるように、その接続部および出力デバイスが設計され、始動位置の中のファイバ部分の長さおよび形状が適合される。ファイバ部分の長さおよび／または形状の初期状態からの変化に対し、一定の波長間隔領域の波長を有する光のモード・ピクチャが変化する。それにより、この間隔領域の中の光は、出力デバイスにより変更された強度で受け取られる。好ましい場合には、出力デバイスの横断面における強度は、大幅に小さくなり、場合によってはほとんどゼロになることが可能である。
１×Ｎ結合器のような光素子を用いる時、接続部は、単一モード型の１個の光ファイバを有し、出力デバイスは、単一モード型のＮ個の光ファイバを有する。この場合、後者の光ファイバのコアは、接続部における端部表面のファイバ部分のコアの上の異なる位置に接続される。それを１×２結合器として用いる時、出力デバイスは、単一モード型の２個のＤ型ファイバを有することが好ましい。この場合、その平坦な表面は、相互に対面し、接触するように配置される。
図面の説明
添付図面の実施例を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。しかし、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されることを意味するものではない。
図１は、標準型の多重モード光ファイバの一部分の立体概要図。
図２は、環状コアを有する多重モード光ファイバの一部分の立体概要図。
図３は、標準型の単一モード光ファイバに結合された環状コアを有する多重モード光ファイバの一部分の立体概要図。
図４は、光強度分布を概略的に示した端部表面の部分図。
図５は、多重モード・ファイバが別の標準型の単一モード・ファイバに結合された場合の図３と同様の図。
図６は、センサとして動作するために接続された図５のファイバの図。
図７は、１個の多重モード・ファイバと２個の単一モード型のＤ型光ファイバで組み立てられた１×２結合器の正面概要図。
図８は、図７による結合器の断面図。
図９は、１×４結合器の断面図。
好ましい実施例の説明
図１は、多重モード型の光ファイバの一部分の図である。この光ファイバは、中心に配置されたコア１を有する。通常、コア１は、円柱型の対称性を有し、通信に用いられる通常の導波器の場合には、その直径は、例えば20μｍと100μｍとの間にある。コア１は、クラッド３により取り囲まれる。クラッド３は、円柱型の外側表面を有し、クラッド３の材料の屈折率は、コア１の材料の屈折率よりも少し小さい。
ファイバの１つの端部５に光が入射する時、光波は、このファイバ部分に沿って伝搬することができる。半径方向の異なる境界表面に関するファイバ部分の特定の条件により、すなわち、ファイバ部分の幾何学的軸から外側に向かって進む時の屈折率の変化により、光は、明確に定まったモードで伝搬することになる。適切な波長と適切に設計されたファイバ部分の場合、多数個のこのようなモードを励起することができる。異なるモードは、いくらか異なる伝搬速度を有する。これらの伝搬速度の相互間の一般的な比は、適切な境界条件に対して波動方程式を用いることにより決定することができる。密に配置されて存在する多数個の光モードは、全体的にいえば、光ファイバの中を同時に伝搬する。このように光モードは、半径方向と円周方向すなわち方位角方向との両方に付随して得られる。
可能な光モードの数を減らす１つの方法は、１つの方向のモードの数を制限する光ファイバまた別の構成のコアを用いることである。このことは、図２に概略的に示されているような環状コアを有する光ファイバにより適切に達成される。このようなファイバのコア１′の外径は、典型的な場合には、図１の多重モード・ファイバのコアの外径と同じであり、一方、この光ファイバが半径方向に単一モードであるように、その内径が選定される。したがって、円筒型コア１′の厚さは、標準型の単一モード・ファイバのコア直径と同じ程度の大きさを有し、もちろん、波長の程度または波長の範囲の程度であると通常考えられる。コア１′の内側の円柱型の内部領域は、環状コア１′の外側の領域と原理的に同じ屈折率および組成を有する。
細長い長方形の形状の横断面を有する薄い導波器コアを備えた平面型の場合には、異なるモードの相互に関する伝搬速度の一般的な比、すなわち位相速度の一般的な比は、通常ほぼ規則的である。このことについては、L.B.ソルダノ（L.B.Soldano）の前記文献を参照されたい。さらに、この規則性の結果、横断面５に注入されるモード・ピクチャは、この第１端部表面から一定の距離にあるファイバ部分の横断面に、すなわち横断面７に多少近似的に現れる。図２では、横断面７は、このファイバ部分の他の端部である。したがって、この場合、入力横断面の光分布に近似的に等しい光分布が横断面にわたって得られる。実際の場合には、図２に示された導波器部分は、数センチメートルの長さを有する。この図および下記の図は、正しい尺度で描かれてはいない。細部を明確に示すために、ファイバは、非常に大きな直径を有するように描かれている。
さらに、このファイバ部分の端部表面５と端部表面７との間の中央に位置する横断面９には、入力端部表面５のモード・ピクチャの近似的に鏡映像または反射像であるモード・ピクチャが得られる。この鏡映操作は、このファイバ部分の縦軸を通り注入された光分布の対称面に垂直な面の中で行われる。同じ方法で、前記で説明した橋部表面の間の図１の１１のような横断面では、入力端部におけるモード・ピクチャの二重像、すなわち再生像であるモード・ピクチャを得ることができる。この二重像の角度方向の位置は、この場合、入力表面におけるモード・ピクチャの前記対称面により定められる。
図３は、環状コアを有し、標準型の単モード光ファイバ１５に結合された光ファイバの一部分１３を示した図である。このように、標準型ファイバ１５は、小さな直径を備えたコア１″を有する。標準型ファイバ１５が環状コアを有するファイバ部分１３に接続される。この接続は、標準型ファイバ１５の中心が、したがって、そのコア１″が、ファイバ部分１３の環状コア１′の一部分に連結されるように行われる、すなわち、環状コア１′の一部分に対向して配置されるように行われる。光が標準型光ファイバ１５の中を伝搬する時、光は、環状コアを有するファイバ部分１３の中に連続して入っていき、環状コアに沿って伝搬する。したがって、もしファイバ部分１３が適切な長さを有するならば、入力表面の光強度の鏡映像または反射像を得ることができる。このことが図４の拡大図に示されている。図４では、光分布は強く輝いた領域、すなわち、明るい領域１７として概略的に示されている。
図５に示されているように図３の構造体は、さらに、単一モード型また別の光ファイバ１９に接続することができる。この結合は、環状コアを有するファイバ部分１３の端部表面の適切な位置において行われる。例えば、このモード・ピクチャが入力表面のモード・ピクチャの鏡像である横断面において行われる。もし光が標準型の第１光ファイバ１５から供給されるならば、この光を単一モード型の第２光ファイバ１９にさらに放射することができるが、しかし、一定の波長間隔領域の光に対してだけ行うことができる。したがって、図５に示されたデバイスは、フィルタ特性を有する。このフィルタ作用の性能をさらに強化するために、環状コアの間に適切な結合が得られるように環状コアを有する多数のファイバ部分１３を相互にわずかにずらして配置することができる。
もし環状コアを有する図５のファイバ部分１３がなんらかの方法で機械的に変形を受けるならば、例えば矢印２０で示されているような曲げを受けることにより機械的に変形されるならば、このことによりファイバ部分の中の光モードの伝搬が妨げられ、それににより単一モード型の他の標準的ファイバ１９に対する通信が減少することが可能である。このように、センシング操作が達成される。図６は、センサ装置の中に、このような構成体を用いた図である。このセンサ装置１５は、一定の波長の光を単一モード光ファイバ１５に放射する光源２１を有する。第２単一モード・ファイバ１９からの光は、光検出器２３により検出される。多重モード型のファイバ部分１３が曲げのようななんらかの機械的影響を受ける場合、光の透過度が変化することができ、このことが検出器２３により検知され、その時に警報信号を出力することができる。
図７は、受動１×２結合器を示した図である。この場合、単一モード型の光ファイバ１５が備えられる。単一モード型の光ファイバ１５は、図３および図５に示されているように、環状コアを有するファイバ部分１３′に結合される。ここでファイバ部分１３′の長さは、光ファイバ１５の入力表面におけるモード・ピクチャがファイバ部分１３′の他の端部表面における二重像を提供するように選定される。この端部表面において、単一モード型の２個のＤ型光ファイバ２０は、それらの平坦な表面が相互に向き合って配置されるように構成される。Ｄ型ファイバ２７のコアは、ファイバ部分１３の環状コアの寸法に対応する距離だけ相互にずれて配置される。それにより、ファイバ部分１３′から２個のＤ型ファイバ２７への光の結合が得られる。図８の断面図が参照される。この時、Ｄ型ファイバ２７の１つの中のコア１″′は、それから光が供給される単一モード型の光ファイバ１５のコアに実質的に対向して配置される。他のＤ型ファイバのコアは、ファイバ部分１３′との関係で分かるように、直径の反対の位置を有する。このように、Ｄ型ファイバ２７のコア１″′は、環状コアの反対の領域に配置される。この反対の領域は、環状コア・ファイバ１３′の直径に沿って配置される。
対応する方法で、受動１×４結合器を作成することができる。Ｄ型ファイバ２７の代わりに、近似的に四分円形状の横断面を有するファイバ２９、すなわち円の４分の１の形状を近似的に有するファイバ２９が用いられる。この場合、このようなファイバのそれぞれのコアは、図９に示されているように、この四分円の中心点の近傍に配置される。

Claims (4)

1. ほぼ円柱形のコアおよびこのコアを包囲するほぼ円筒形のクラッドを有する光ファイバ部分であって、入力端と出力端を有する当該光ファイバ部分と、
   光ファイバ部分の出力端において光ファイバ部分を透過した光を受けおよび／または検出する出力装置を含む、光素子であって、
   光ファイバ部分のコアは、環状のコアであり、
   光ファイバ部分は、入力端において光源に接続され、光源から所定の波長の光を受けるとき、円周方向にマルチ・モード・タイプとなり、円周方向は、光ファイバ部分の長さ方向の軸を中心とした円により定まり、
   光ファイバ部分は、入力端において光源に接続され、光源から所定の波長の光を受けるとき、前記軸に垂直な方向に放射状に単一モード・タイプとなり、
   光ファイバ部分の長さは、光ファイバ部分の初期の幾何学的状態に対して、および光ファイバ部分が入力端において光源に接続され、光源から所定の波長の光を受けるとき、当該所定の波長に含まれる特定の区間の波長を有する光に対してのみ、光ファイバ部分の出力端における端表面の断面において、入力端の断面に存する光のモード画像である光のモード画像が存し、
   出力装置は、前記光ファイバ部分の長さおよび／または形状の初期の幾何学的状態からの変化に対して前記特定の区間の波長を有する光が大幅に変化した強度で当該出力装置により受光されるよう、単一モード・タイプの光ファイバを含み、
   光素子は、前記光ファイバ部分の長さおよび／または形状の初期の幾何学的状態からの変化を受けたときに、前記特定の区間の波長を有する光を伝送するブレイカとして動作することを特徴とする光素子。
2. ほぼ円柱形のコアおよびこのコアを包囲するほぼ円筒形のクラッドを有する光ファイバ部分であって、入力端と出力端を有する当該光ファイバ部分と、
   光ファイバ部分の入力端において光ファイバ部分に光を送る入力装置と、
   光ファイバ部分の出力端において光ファイバ部分を透過した光を受けおよび／または検出する出力装置を含む、光素子であって、
   光ファイバ部分のコアは、環状のコアであり、
   光ファイバ部分は、入力端において光源に接続され、光源から所定の波長の光を受けるとき、円周方向にマルチ・モード・タイプとなり、円周方向は、光ファイバ部分の長さ方向の軸を中心とした円により定まり、
   光ファイバ部分は、入力端において光源に接続され、光源から所定の波長の光を受けるとき、前記軸と垂直な方向に放射状に単一モード・タイプとなり、
   光ファイバ部分の長さは、光ファイバ部分が入力端において光源に接続され、光源から所定の波長の光を受けるとき、当該所定の波長に含まれる特定の区間の波長の光に対してのみ、光ファイバ部分の出力端における端表面の断面において、入力端の断面に存する光のモード画像である光のモード画像が存し、
   入力装置は、所定の波長の光に対して単一モード・タイプであり、コアを有する第１の光ファイバを含み、単一モード・タイプの第１の光ファイバのコアは、入力端の端表面で露出した光ファイバ部分の環状コアの第１の位置に接続され、
   出力装置は、出力端の端表面の断面で露出した光ファイバ部分の環状コアの第２の位置に接続されたコアを有する単一モード・タイプの第２の光ファイバを含み、第１および第２の位置は、光ファイバの長さ軸方向から見て相互に異なり、
   光素子は、光学フィルタとして第１および第２の位置の適当な選択により動作し、所定の波長の光を第１のファイバから第２のファイバに通過させることを特徴とする光素子。
3. ほぼ円柱形のコアおよびこのコアを包囲するほぼ円筒形のクラッドを有する光ファイバ部分であって、入力端と出力端を有する当該光ファイバ部分と、
   光ファイバ部分の出力端において光ファイバ部分を透過した光を受けおよび／または検出する出力装置を含み、
   光ファイバ部分のコアは、環状のコアであり、
   光ファイバ部分は、入力端において光源に接続され、光源から所定の波長の光を受けるとき、円周方向にマルチ・モード・タイプとなり、円周方向は、光ファイバ部分の長さ方向の軸を中心とした円により定まり、
   光ファイバ部分は、入力端において光源に接続され、光源から所定の波長の光を受けるとき、前記軸に垂直な方向に放射状に単一モード・タイプとなり、
   光ファイバ部分の長さは、光ファイバ部分が入力端において光源に接続され、光源から所定の波長の光を受けるとき、特定の区間の波長の光に対して、終了端における端表面の断面において光のモード画像は、入力端の端面の断面に存する光のモード画像のほぼＮ倍の画像であり、
   出力装置は、出力端の端表面の断面において光ファイバ部分の環状コアの異なる位置に接続されたコアを有する単一モード・タイプのＮ個の第２の光ファイバを含み、
   光素子は、１ｘＮカプラとして動作することを特徴とする光素子。
4. ほぼ円柱形のコアおよびこのコアを包囲するほぼ円筒形のクラッドを有する光ファイバ部分であって、入力端と出力端を有する当該光ファイバ部分と、
   光ファイバ部分の出力端において光ファイバ部分を透過した光を受けおよび／または検出する出力装置を含む、光素子であって、
   光ファイバ部分のコアは、環状のコアであり、
   光ファイバ部分は、入力端において光源に接続され、光源から所定の波長の光を受けるとき、円周方向にマルチ・モード・タイプとなり、円周方向は、光ファイバ部分の長さ方向の軸を中心とした円により定まり、
   光ファイバ部分は、入力端において光源に接続され、光源から所定の波長の光を受けるとき、前記軸に垂直な方向に放射状に単一モード・タイプとなり、
   光ファイバ部分の長さは、光ファイバ部分が入力端において光源に接続され、光源から所定の波長の光を受けるとき、特定の区間の波長の光に対して、終了端における端表面の断面における光のモード画像は、入力端の端面の断面に存するモード画像のほぼ２倍の画像であり、
   出力装置は、単一モード・タイプの２つの光Ｄファイバを含み、
   光素子は、１ｘ２カプラとして動作することを特徴とする光素子。

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