JP4543770B2

JP4543770B2 - ファイバ型光スイッチ

Info

Publication number: JP4543770B2
Application number: JP2004180619A
Authority: JP
Inventors: 太一岡; 和正大薗
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-06-18
Also published as: JP2006003683A

Description

本発明は、光の透過及び遮断の制御に使用する光スイッチに係り、特に、ホーリー光ファイバを用いたファイバ型光スイッチに関するものである。

従来の光ファイバでは得られない特性を有する光ファイバであるフォトニック結晶構造を有するフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ：Photonic Crystal Fiber）が注目されている。

フォトニック結晶構造とは、屈折率の周期構造のことであり、例えば、蜂の巣のようなハニカム構造の空間をクラッドに形成することで光の禁制帯であるフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ：Photonic Band Gap ）が発生する。非特許文献１には、ＰＢＧを導波原理としたＰＣＦについて記載されており、非特許文献２には、ＰＢＧ構造を導波原理とする中空コアのＰＣＦについて記載されている。

また、ＰＢＧ構造のみを導波原理とする光ファイバではないが、従来のガラス組成の違いによる比屈折率差をもたせた光ファイバのクラッドに空孔を形成し、クラッドの実効的な屈折率を下げて比屈折率差を大きくするホーリー光ファイバがある。これは、非特許文献３に記載されているように、通常のシングルモード光ファイバのクラッドに４個あるいは６個の空孔を形成し、実効的な比屈折率差を大きくしたホーリー光ファイバで、曲げ損失特性が通常のシングルモード光ファイバに比べて１／１００以下になる光ファイバを実現している。

また、光ファイバの光路を選択的に遮断することによりスイッチング信号を得るようにした光スイッチ装置にあたっては、対をなす電気光学素子によって投光手段及び受光手段をそれぞれ構成すると共に、各電気光学素子間を光コネクタ及び光ファイバを介して光結合する光路を形成し、上記光ファイバの途中部位に、その光路を選択的に遮断する光スイッチ部を設けることにより製造されるのが通常である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２７５５５１号公報ナイト（J.C.Knight）等，「フォトニックバンドギャップガイダンスインオプティカルファイバ（Photonic Band Gap Guidance in Optical Fibers）」，サイエンス（Science ），（米国），１９９８年１１月２０日，第２８２号，ｐ．１４７６−１４７８クレガン（R.F.Cregan）等，「シングルモードフォトニックバンドギャップガイダンスオブライトインエア（Single-Mode Photonic Band Gap Guidance of Light in Air）」，サイエンス（science ），（米国），１９９９年９月３日，第２８５号，ｐ．１５３７−１５３９姚兵等，「ホーリーファイバの実用化に関する一検討」，信学技法，社団法人電子情報通信学会，２００３年１月１６日，第１０２巻，第５８１号，ｐ．４７−５０

光スイッチ装置の動作信頼性を高める上で最も問題になるのは、光結合部分の精度であり、特に、光ファイバの光路を選択的に遮断するための構造の組立精度を十分に高める必要がある。

しかしながら、光スイッチの光結合部分の精度を高めるためには、その光結合部分の構造が複雑化してしまうという問題点があり、構造の複雑化は製造工程や歩留まりからコスト高となってしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡易構造かつ低コストのファイバ型光スイッチを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、コアと、該コアを中心とする円周上に等間隔に空孔を形成したクラッドとからなるホーリー光ファイバに、屈折率が温度特性を有し、温度変化による屈折率の変化範囲内にクラッドの屈折率を含む屈折率整合剤を前記空孔内に充填した整合剤充填部を形成し、該整合剤充填部の外部に前記屈折率整合剤の温度を制御する温度制御手段を設けたファイバ型光スイッチであって、前記温度制御手段は、前記ホーリー光ファイバを挿通するためのファイバ挿通路が形成された高熱伝導部材を有し、前記ファイバ挿通路は、前記高熱伝導部材の両端に形成され前記ホーリー光ファイバを挿通するための挿通口と該挿通口よりも低い位置に形成された挿通路底部とを有し、前記挿通路底部に位置する前記ホーリー光ファイバの前記空孔内にのみ前記屈折率整合剤を充填して前記整合剤充填部を形成し、前記ホーリー光ファイバの両端をシングルモードファイバで封止したファイバ型光スイッチである。

請求項２の発明は、前記空孔の数が４つ以上の偶数本である請求項１に記載のファイバ型光スイッチである。

請求項３の発明は、温度１０〜４０℃の範囲で、波長１．３１μｍにおける前記屈折率整合剤の屈折率の変化範囲は、１．４３９〜１．４５１の範囲を含む請求項１または２に記載のファイバ型光スイッチである。

本発明によれば、光を透過、遮断する光スイッチの構造が簡易になるといった優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に、ファイバ型光スイッチに用いるホーリー光ファイバ１１の断面図とそのＡ−Ａ線断面における屈折率分布を示す。

ホーリー光ファイバ１１は、コア３１と、その周囲に形成されるクラッド３２とからなる。クラッド３２には、コア３１を中心とした円周上に、円周方向に等間隔に６本の円柱状の空孔３３がファイバ長手方向にわたって形成されている。図１では、ホーリー光ファイバ１１が備える空孔３３の数は６本であるが、これに限らず、３本以上備えればよく、光ファイバの対称性を考慮すると、４本以上の偶数本が好ましい。

クラッド３２は純粋石英で形成され、その屈折率をｎ₀ とすると、コア３１にはゲルマニウムがドープされているためその屈折率ｎ₁ はｎ₀ よりわずかに高く、空孔３３は、空気またはＮ₂ ，Ｈｅ，Ａｒ等の不活性ガスであるため、その屈折率ｎ₂ は略１であり、ｎ₀ より低い。

ホーリーファイバ１１の空孔３３の任意の位置に、屈折率が温度特性を持ち、温度変化による屈折率の変化範囲内にクラッド３２の屈折率を含む屈折率整合剤を挿入し、空孔３３に屈折率整合剤の充填された部位を整合剤充填部とする。

ファイバ型光スイッチは、ホーリー光ファイバ１１内に、上記整合剤充填部を備え、整合剤充填部が、ホーリーファイバ１１を伝搬する光を透過、遮断するスイッチ機能を有するものである。

屈折率整合剤の空孔３３への挿入方法は、ホーリー光ファイバ１１を屈折率整合剤の入った容器に垂直に挿入し、毛細管現象を利用して、屈折率整合剤の液面より上昇しホーリーファイバ１１内に挿入した屈折率整合剤をそのままホーリー光ファイバ１１の空孔３３に取り込む。そして、ホーリー光ファイバ１１の片端面を吸引する、または空気を圧入することにより屈折率整合剤をホーリー光ファイバ１１の所定の位置に配することができる。

ここで、図２に、本実施の形態で用いた屈折率整合剤の温度と屈折率（波長１．３１μｍ）の関係を示す。

図２に示すように、常温（２５℃）では、クラッド３２を形成する純粋石英と同じ屈折率となり、温度が高くなると屈折率は低下し、温度が低くなると屈折率は高くなるような温度屈折率曲線を描く。より具体的には、２０℃で約１．４４７、４０℃で約１．４３９である。

本実施の形態で用いた波長１．３１μｍにおける屈折率整合剤の屈折率の変化範囲は、温度１０〜４０℃で、１．４３９〜１．４５１の範囲を含んでいる。

クラッドよりも屈折率の低い、または同じ光学材料（屈折率整合剤等）が空孔３３に充填されている場合、あたかも空孔３３のない通常の光ファイバ、または若干比屈折率差の大きい通常の光ファイバと同じ構造となり、それを導波する光は減衰することなく伝搬する。

ホーリー光ファイバ１１の優れた曲げ特性は、コア３１近傍に空孔３３が存在するためであるが、光学材料を充填すると、空孔がない通常の光ファイバと同じ構造になり、曲げ特性がやや低下する。

一方、クラッドよりも屈折率の高い光学材料が充填された場合、クラッドよりも屈折率の高い部分が、本来のコア以外にも生じるので、コアが複数存在する状態になる。すなわち、ホーリー光ファイバのコアと空孔、空孔同士の間隔が光の波長オーダーで接近しているとき、光のカップリング現象が生じ、本来のコアを伝搬してきた光が空孔に乗り移ってしまう。乗り移った光は、光学材料がある空孔を伝搬するが、光学材料が充填されていない空孔では、光は伝搬されないので、非常に大きな損失が生じ、光が遮断される。

以上より、本実施の形態のファイバ型光スイッチ１０は、温度により空孔に充填された屈折率整合剤の屈折率が変化し、その屈折率がクラッドの屈折率より高い場合、スイッチに導波された光を遮断し、クラッドの屈折率より低い、または同じ場合は、光を透過させる作用を持つ。

本実施の形態のファイバ型光スイッチ１０は、外部温度に反応してファイバ伝搬光を透過又は遮断できるため、温度感知システムのセンサ等に利用できる。

また、用いる屈折率整合剤は、使用する際の環境温度と、ホーリー光ファイバ１１のクラッド材により、その仕様を換えてもよい。

次に、図３に、他の実施の形態として温度制御手段を用いたファイバ型光スイッチ１０の斜視図を示す。

温度制御手段は、ペルチェ素子１４と銅ブロック１５ａ，１５ｂと断熱材１６及び電源１７とで構成される。

ホーリーファイバ１１には、空孔の形成されていない石英系シングルモード光ファイバ１２をホーリーファイバ１１の両接続端１３にそれぞれ融着接続されている。ホーリー光ファイバ１１の空孔３３には、屈折率整合剤を挿入しており、空孔３３がシングルモード光ファイバ１２，１２で封止された状態にある。ホーリーファイバ１１は、後述するファイバ挿通路を形成した高熱伝導材である２枚の銅ブロック１５ａ，１５ｂで挟み込まれている。銅ブロック１５ａ，１５ｂは、ペルチェ素子１４上に接して設けられ、銅ブロック１５ａ，１５ｂの上面及び全ての側面は断熱材１６で覆われている。ペルチェ素子１４には、電源１７が接続されている。

図４に、高熱伝導部材である銅ブロック１５ａの断面図を示す。

図４に示すように、銅ブロック１５ａにはホーリーファイバ１１を挿通させる半割ファイバ挿通路が形成される。同様に、銅ブロック１５ｂにも半割ファイバ挿通路が形成され、銅ブロック１５ａ及び銅ブロック１５ｂを接合して、各々銅ブロック１５ａ、１５ｂに形成された半割ファイバ挿通路が対向して合わさり、ファイバ挿通路２１が形成される。ファイバ挿通路２１は、ファイバ挿通路２１の端である挿通口２４、２４より低く形成される挿通路底部２２を備えたＵ字状に形成される。

ホーリー光ファイバ１１は、ファイバ挿通路２１に挿通され、ファイバ挿通路２１の底部２２に位置するホーリー光ファイバ１１の空孔３３に屈折率整合剤が充填され、整合剤充填部２３が形成される。ファイバ挿通路２１の形状は、ファイバ長手方向がＵ字状に限らず、Ｖ字状でもよく、空孔３３内に挿入された屈折率整合剤が、空孔３３内の所定の位置で留まる形状に形成されればいずれでもよい。

他の実施の形態では、図３に示したファイバ型光スイッチ１０において、ホーリーファイバ１１の長さは０．３ｍ、融着接続したシングルモード光ファイバ１２の長さはそれぞれ０．６ｍにした。また、図４に示した銅ブロック１５ａ，１５ｂに形成されたファイバ挿通路２１の大きさは径１３０μｍにした。

他の実施の形態であるファイバ型光スイッチ１０の作用について説明する。

ペルチェ素子１４は、異種の金属の接触面を通じて弱い電流が流れたとき、熱の発生や吸収が起こるペルチェ効果を利用した素子である。電源１７でペルチェ素子１４に電流を流すと、銅ブロック１５ａ，１５ｂが加熱され、整合剤充填部２３の屈折率整合剤の温度が上昇する。一方、それとは逆方向の電流をペルチェ素子１４に流すと銅ブロック１５ａ，１５ｂが冷却され、整合剤充填部２３の屈折率整合剤の温度が低下する。また、断熱材１６は、銅ブロック１５、１５の温度を外部と遮断するために設けられている。

銅ブロック１５ａ，１５ｂの温度変化により、整合剤充填部２３に温度変化が生じると、空孔３３に充填された屈折率整合剤は、図２に示す屈折率温度特性を持つため、シングルモード光ファイバ１２より入射されてファイバ型スイッチ１０を伝搬する光は、屈折率整合剤の屈折率がクラッドより低いまたは同じ場合は、整合剤充填部２３を透過し、屈折率整合剤の屈折率がクラッドより、高い場合は、整合剤充填部２３において遮断される。

図５はファイバ型光スイッチ１０の温度と伝送損失の関係を示す図である。

図５に示すように、屈折率整合剤の温度が２０℃から４０℃の温度内にあるときの伝送損失は０．５ｄＢであり、損失が殆どなく光を透過している。屈折率整合剤２３の温度が１０℃の時の伝送特性は１０．６ｄＢであり、光を遮断している。

以上、ファイバ型光スイッチ１０は、ホーリー光ファイバ１１の任意の位置で空孔３３内に屈折率整合剤を充填したものであり、それを外部に設けた温度制御手段で屈折率整合剤の温度を制御し、整合剤充填部２３を伝搬する光の透過、遮断を制御したものである。

ここで、温度制御手段は、ペルチェ素子１４、銅ブロック１５ａ，１５ｂ、断熱材１６，電源１７を用いたが、これに限らず、他のヒータ等を用いてもよい。ただし、発熱と冷却の両方できる機能を有する素子が望ましい。また、高熱伝導部材は銅に限らず、熱伝導性を有すればいずれの金属で形成してもよい。

また、上述の実施の形態では、波長１．３１μｍの光を透過、遮断させる光スイッチについて説明したが、これに限らず、導波させる光の波長帯により、屈折率整合剤を代替してもよい。

本実施の形態に係るファイバ型光スイッチに用いるホーリー光ファイバの断面図及び屈折率分布図である。図１のファイバ型光スイッチに用いる屈折率整合剤の屈折率−温度特性を表す図である。温度制御手段を用いたのファイバ型光スイッチの斜視図である。図３における銅ブロックのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図３のファイバ型光スイッチの整合剤充填部の伝送損失−温度特性を表す図である。

符号の説明

１０ファイバ型光スイッチ
１１ホーリー光ファイバ
１２シングルモード光ファイバ
１４ペルチェ素子
１５ａ，１５ｂ銅ブロック
２１ファイバ挿通路
２３整合剤充填部
３１コア
３２クラッド
３３空孔

Claims

コアと、該コアを中心とする円周上に等間隔に空孔を形成したクラッドとからなるホーリー光ファイバに、屈折率が温度特性を有し、温度変化による屈折率の変化範囲内にクラッドの屈折率を含む屈折率整合剤を前記空孔内に充填した整合剤充填部を形成し、該整合剤充填部の外部に前記屈折率整合剤の温度を制御する温度制御手段を設けたファイバ型光スイッチであって、
前記温度制御手段は、前記ホーリー光ファイバを挿通するためのファイバ挿通路が形成された高熱伝導部材を有し、
前記ファイバ挿通路は、前記高熱伝導部材の両端に形成され前記ホーリー光ファイバを挿通するための挿通口と該挿通口よりも低い位置に形成された挿通路底部とを有し、
前記挿通路底部に位置する前記ホーリー光ファイバの前記空孔内にのみ前記屈折率整合剤を充填して前記整合剤充填部を形成し、前記ホーリー光ファイバの両端をシングルモードファイバで封止したことを特徴とするファイバ型光スイッチ。
前記空孔の数が４つ以上の偶数本である請求項１に記載のファイバ型光スイッチ。
温度１０〜４０℃の範囲で、波長１．３１μｍにおける前記屈折率整合剤の屈折率の変化範囲は、１．４３９〜１．４５１の範囲を含む請求項１または２に記載のファイバ型光スイッチ。