JP4587911B2

JP4587911B2 - マルチモード光導波路の評価方法

Info

Publication number: JP4587911B2
Application number: JP2005246310A
Authority: JP
Inventors: 真司小池; 真一青笹; 正夫加藤; 匡阪本; 松浦　　徹; 生剛八木; 誠山田; 栗原　　隆; 彰夫杉田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: JP2007057492A

Description

本発明は、ファイバー・ツー・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ）を狙いとする光トランシーバモジュールに内蔵されるマルチモード光導波路をはじめとする情報通信処理装置用光部品類におけるマルチモード光部品の光学特性測定方法に関する。

ＤＶＩ(Digital
Visual Interface)規格に基づいた大画面ディスプレイの画像データとその制御コンピュータ間の光リンクの高速化や家電製品間で交信されるユビキタス通信の普及により、家庭内外で取り扱われるデータ量は、増加の一途をたどり、家庭内で必要とされる情報量が１Ｇｂｉｔ／ｓクラスの伝送容量を超えるという予測は現実感を帯びてきている（例えば、非特許文献１参照）。

これら光リンクは技術的には必ずしもシングルモード光ファイバ伝送が必要とはいい難く、集合住宅もしくは家庭内の伝送距離を考慮すると、伝送帯域としてはマルチモード光ファイバでも十分と考えられる。また、家計費に占める通信コストはほぼ横ばい傾向であることから、部品としての接続コストならびに配線工事のＤＩＹ化の可能性を考慮すれば、マルチモード光ファイバリンクは低廉化、簡易接続が期待でき、より一層のＦＴＴＨの普及を図ることが期待できる（例えば、非特許文献２参照）。

一方、ＯＮＵ等の光トランシーバモジュールに内蔵される光導波路の評価方法は、シングルモード光導波路技術が急速に進展した結果、マルチモード光導波路の測定評価技術については十分に規格化が進展していない。また、マルチモード光ファイバそのものの評価手法の適用が想定できるものの、上述のマルチモード光部品の適用領域である３００ｍ以下ではＪＩＳＣ６８６３ならびにＪＩＳＣ６８３６−０２で述べられる評価手法が必ずしも現実を反映していないと考えられる（例えば、非特許文献３参照）。

図５には上述の従来手法によるマルチモード光導波路評価方法の概要を示した。図中、８はマルチモード光ファイバ、７は励振器、９はファイバシェイカ、６は光源、１０は光検出器、３はマルチモード光導波路から構成されている。

励振器７には励振形態によって２種類有り、ＳＧＳ励振器もしくはＧＳＧ励振器がある。これらＳならびにＧはステップインデクス形（以下ＳＩ形）とグレーデッドインデクス形（以下ＧＩ形）の２種類の屈折率分布を有する光ファイバを表している。ＳＧＳ励振器では伝送ファイバ中の伝搬モードの均一なパワー分配のもとで伝送を行う形態である一様モード励振を実現できる。これに対し、ＧＳＧ励振器では伝送ファイバの伝搬モードにつき低次のモードに主にパワーが分配される伝搬形態をとり、定常モード励振が実現できる。

例えばＮＡ(開口数:Numerical
Aperture)が０．２のＧＩ形光ファイバで、０．８５μｍ光でファイバを励振する場合には、定常モード励振では２ｍ長のＧＩ形光ファイバ、２ｍ長のＳＩ形光ファイバと２ｍ長のＧＩ形光ファイバとを接続して励振器を構成する。ＬＤ光もしくはＬＥＤ光をこれに通過させた後に５００ｍ以上のファイバを伝送させることによって、ファイバ端で定常モード励振を得てマルチモード光ファイバもしくはマルチモード光導波路の特性評価が試みられている。

なお、一様モード励振ではＳＩ形＋ＧＩ形＋ＳＩ形のそれぞれ２ｍ長の光ファイバを接続させて励振器を構成させ、５００ｍ長の光ファイバを用いずにそのままマルチモード光導波路にファイバを接続して特性評価を行うことができるが、一様モード励振では、損失加算側が成立しないため、一般にマルチモード光部品評価には損失加算側が成立する定常モード励振が用いられる。

また、光源６としてレーザ光を用いた場合にはそのコヒーレンシの高さから、ファイバもしくは光導波路コア内でスペックルノイズが発生してファイバ接続部の不整合によりフォトディテクタ１０で検出されるパワーが安定しない等の問題が発生する。

そこで、ファイバシェイカ９と呼ばれる物理的にファイバを揺することによって、スペックルによる光出射強度の不均一分布を時間的に平均化処理を行う装置を用いて、光導波路３の端からの出射光強度分布測定を行っていた。このためマルチモード光導波路測定評価にあたっては装置規模が大きくなるなどの問題があった。

"ＤＶＩ光リンク"ＬＧＰ−Ｚ０００３Ａ−ＰＡ、［ｏｎｌｉｎｅ］、本多通信工業株式会社、［平成１７年８月１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｏｎｄａ−ｃｏｎｎｅｃｔｏｒｓ．ｃｏｍ／ＰＤＦ／ＮＥＷ／０１／２００５０５１８／０／２００５０５１８．ＤＩＶ．ｐｄｆ＞ＰｈｉｌｌｉｐＢｅｌｌ，"ＦｉｂｅｒＳｅｌｅｃｔｉｏｎＧｕｉｄｅｆｏｒＰｒｅｍｉｓｅｓＮｅｔｗｏｒｋｓ，"ＣｏｒｎｉｎｇＷｈｉｔｅｐａｐｅｒＷＰ１１６０Ｉｓｓｕｅｄ：Ｆｅｂｒｕａｒｙ２００５ＩＳＯ９００１ＲｅｇｉｓｔｅｒｄＪＩＳＣ６８２３−１９９９「光ファイバ損失試験方法」ＪＩＳＣ６８６３−１９９０「全プラスチックマルチモールド光ファイバ損失試験方法」Ｇ．ＴｈｏｍａｓＨｏｌｍｅｓａｎｄＲｏｂｅｒｔＭ．Ｈａｗｋ，"Ｌｉｍｉｔｅｄｐｈａｓｅ−ｓｐａｃｅａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆｌｏｗ−ｌｏｓｓｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，"ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．６，ｎｏ．２，ｐｐ．５５−５７，（１９８１）．

以上述べてきたように従来手法によるマルチモード光導波路特性測定法では、定常モード励振では５００ｍ以上の長い伝送距離を経た光ファイバを用意する必要があるため、装置規模が大きくなることに加え、今日の家庭内や、集合住宅といったマルチモード光ファイバ伝送の適用を考える領域と合致しない点、ならびにマルチモード光ファイバの材質によっては評価波長において著しく吸収損失をもたらすものもあり、使用光導波路としては十分使用に耐える伝送損失であるにも関わらず、従来測定手法によってはマルチモード光導波路としての特性評価ができない問題があった。

以上の点から、適用領域との整合性が高く再現性の良い簡易なマルチモード光導波路の光学特性評価方法が望まれていた。

本発明は、このような背景の下に行われたものであって、マルチモード光導波路への励振状態を精密にかつ簡易に規定することが可能となり、従来技術と比して種々のコアサイズ、屈折率差を有する光導波路を簡易に一元的に評価することが可能となるマルチモード光導波路の励振方法を提供することを目的とする。

本発明は、光導波路コア端面に対向して所定のＮＡ(Numerical Aperture)を持ったホーリーファイバを設置し当該ホーリーファイバ伝搬光により前記光導波路を励振することを特徴とするマルチモード光導波路の励振方法である。

このような簡単な構成により、マルチモード光導波路への励振状態を精密にかつ簡易に規定することが可能となる。

このときに、前記光導波路コア端面に対向して前記ホーリーファイバを設置するためのガイド溝が設けられ、このガイド溝が設けられた基板上に前記光導波路が形成されるようにすれば、ガイド溝と光導波路コア端面との位置決めを行う手間を省くことができるため、測定工程を簡単化することができる。

また、コア中に空孔をあけた前記ホーリーファイバに対し、その空孔数と空孔位置とを変更することによって当該ホーリーファイバのＮＡを調整することができ、所望するＮＡを容易に得ることができる。

また、前記ホーリーファイバ伝搬光の光源としてスーパールミネッセントダイオードを用いることにより、コヒーレンスの低減を図りつつ、従来のＬＥＤ光を用いる場合と比較して十分な出力を得ることができる。これにより、高Ｓ／Ｎ比により安定した測定を行うことができる。

本発明によれば、マルチモード光導波路への励振状態を精密にかつ簡易に規定することが可能となり、従来技術と比して種々のコアサイズ、屈折率差を有する光導波路を簡易に一元的に評価することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこの例のみに限定されるものではない。

本実施例は、図３に示すように、マルチモード光導波路コア４の端面に対向して０．１から０．６までのＮＡを持ったホーリーファイバ１を設置し当該ホーリーファイバ伝搬光によりマルチモード光導波路３を励振するマルチモード光導波路の励振方法である。図３の例では、マルチモード光導波路コア４の端面に対向してホーリーファイバ１を設置するためのガイド溝１５が設けられ、このガイド溝１５が設けられた基板５上にマルチモード光導波路３が形成される。

また、コア中に空孔をあけたホーリーファイバ１に対し、その空孔数と空孔位置とを変更することによって当該ホーリーファイバ１のＮＡを調整する。

さらに、ホーリーファイバ伝搬光の光源としてスーパールミネッセントダイオードを用いる。

ここで、ＮＡを０．１から０．６までとした理由を説明する。シングルモードファイバからの出射光はガウシアンビームで近似できることが一般的に知られている。ガウシアンビームの広がり角（半角）は次のように定義される。広がり（半角）角をｓとし、波長をλとし、ガウシアンビームのスポットサイズをωとすると、
ｓ＝λ／（π・ω）
として表すことができる。また、開口数ＮＡはビームの最大広がり角（半角）ｓを用いて
ＮＡ＝ｎ₀ｓｉｎ（ｓ）（ただし、ｎ₀は光が出る側の屈折率）
により定義される。

一方、マルチモード光導波路のＮＡ値は多種多様であり、車などに用いられているプラスチック光ファイバなどでは０．４５のＮＡを持つものがある。また、最近ではＬＡＮ系でルキナ（登録商標）などでは０．１８５程度のＮＡを持つ。

これらのマルチモード光ファイバを用いたマルチモード光導波路を評価するには一般にオーバーフィルドラウンチング技術といって被測定対象となるマルチモード光導波路が有するＮＡよりもホーリーファイバの有するＮＡを少し大きめにし（１割増しか２割増しかはそのものにより異なる）、被測定対象となるマルチモード光導波路を当該ホーリーファイバ伝搬光により励振させることがマルチモード光ファイバの特性評価上好ましいと言われている。

このことから、現状よく市場に出回っているマルチモードプラスチック光ファイバとして０．４５まであるのであればＮＡの範囲を０．１から０．６としておけば測定法として十分であると推定できる。

また、本実施例では、光源としてスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた。ＳＬＤを用いることにより、コヒーレンスの低減を図りつつ、従来のＬＥＤ光を用いる場合と比較して十分な出力が得られるため、高Ｓ／Ｎ比で安定した測定を行うことができる。

（実施例）
本発明実施例では石英硝子円柱材中に空孔をあけて形成されてなるホーリーファイバの孔数を増やすことによって、ファイバＮＡ値に変更をかけ光ファイバの伝送媒体を実現する手法を説明している。図１中に示すようにファイバ中心からＲ離れた位置を中心位置としてその中心位置に半径ｒの空孔を設けてホーリーファイバの形成を行う。これに際して、光ファイバコア内の空孔数、空孔位置、ファイバ半径に変更をかけることによってファイバの比屈折率差を形成する構造となっている。

図２には図１で示したファイバ構造に具体的な寸法を与えてファイバからの出射光スポットサイズを解析によって求めた結果を示している。図２にはシングルモード条件を満たす空孔数を検討するために、規格化周波数Ｖ値と空孔数との関係を求め、シングルモード条件を満たす空孔数を確認した後、空孔数とスポットサイズωとの関係を求めた。図２（ａ）のファイバとしてコア材屈折率ｎ_c＝１．４５、半径Ｒ＝０．８５μｍ、半径ｒ＝０．１μｍと設定した。この結果、空孔数３個に設定した場合において、スポットサイズωとして０．９５μｍの値を示した。また、図２（ｂ）ファイバとしてコア材屈折率ｎ_c＝１．４５、半径Ｒ＝１．２μｍ、半径ｒ＝０．０６μｍと設定した。この結果、空孔数２個に設定した場合において、スポットサイズωとして１．８μｍの値を示した。

ここで、本発明のマルチモード光導波路の励振方法により、図２で示した解析結果を用いて製作を行ったホーリーファイバを用いてマルチモード光導波路の測定評価を行った。その測定サンプル形状を図３に示す。図中にはマルチモード光導波路コア４、マルチモード光導波路３、ホーリーファイバ１、ガイド溝付基板５から構成されている。ガイド溝付基板５上に形成されたマルチモード光導波路ガイド溝１５にホーリーファイバ１を溝中に搭載する。これによりホーリーファイバコア中心位置とマルチモード光導波路コア中心位置とは同一位置になる測定サンプル形状とした。

図２で示したファイバ２種類をマルチモード光導波路に対して励振モード量測定評価を行った結果を図４に示す。図２で示されるホーリーファイバのモードフィールド径は波長８５０ｎｍにおいてω＝１μｍとω＝１．８μｍであり、この２種類のファイバを用いてマルチモード光導波路の測定評価を行った。マルチモード光導波路の測定に用いた光導波路試料はコア断面サイズとして５００μｍ×５００μｍ、コア屈折率１．５１２、ならびにクラッド屈折率１．５３１の光導波路構成を持つ。また、測定評価にともなう、励振モードのパラメータとして、ＥＭＶ(Effective
Mode Volume)値を用いた（例えば、非特許文献４参照）。

ＥＭＶ値は評価すべき光学ビーム近視野像で得られる１／ｅ²全幅と遠視野像で得られる１／ｅ²幅半値を角度とするｓｉｎの値の積として表し、これによって励振されるモード量として規格化される。

前述のとおり図３で示した評価サンプル形態にて２種類のホーリーファイバを用いてマルチモード光導波路の評価を行った。入力モードフィールド径値を変更し、６ｃｍ長の光導波路からの出力側のＥＭＶ_output値の変化を調べた。図に示すようにモードフィールド径ω＝１μｍにおいてはＥＭＶ_output＝１１．５×１０³μｍ²の値を示した。また、ω＝１．８μｍにおいては励振されたＥＭＶ_output＝４．０×１０³μｍ²の値を示した。

一方、図５で述べたＪＩＳ６８６３全プラスチック光ファイバ損失測定法に記された定常モード励振方法に従い、プラスチック光ファイバ端面での励振状態ならびにその定常モードで上記と同一光導波路でＨｅＮｅレーザ光を用いて励振を行った。その結果、そのＥＭＶ値は入力側ＥＭＶ_input＝４３．３×１０³μｍ²、ＥＭＶ_output＝１５．０×１０³μｍ²の値を示し、出力側ＥＭＶ_outputでみた場合に、今回得られた結果とほぼ同一のモード規模の励振が本発明によるホーリーファイバによる励振によっても実現できていることが明らかとなり、本手法の有効性が確認された。

本発明によれば、装置規模が小さく簡易であり、今日の家庭内や、集合住宅といったマルチモード光ファイバ伝送の適用を考える領域と合致するマルチモード光導波路の光学特性評価方法を実現することができる。

ホーリーファイバの断面図。ホーリーファイバ出力光のスポットサイズに対する空孔数依存性を説明するための図。ホーリーファイバを用いてマルチモード光導波路の測定評価を行う測定サンプル形状を示す図。図２で示したファイバ２種類をマルチモード光導波路に対して励振モード量測定評価を行った結果を示す図。従来技術による光導波路励振方法を示す図。

符号の説明

１ホーリーファイバ
２空孔
３マルチモード光導波路
４マルチモード光導波路コア
５マルチモード光導波路を搭載するガイド溝付基板
６光源（レーザもしくはダイオード）
７励振器
８マルチモード光ファイバ
９ファイバシェイカ
１０光検出器
１５ガイド溝

Claims

被測定対象のマルチモード光導波路のコア端面に対向して前記マルチモード光導波路が有するＮＡ（開口数：Numerical Aperture）より大きいＮＡ値を持ったホーリーファイバを設置し、
当該ホーリーファイバ伝搬光を前記マルチモード光導波路に導入して励振し、被測定対象のマルチモード光導波路の励振状態を測定評価する
ことを特徴とするマルチモード光導波路の評価方法。
前記導波路コア端面に対向して前記ホーリーファイバを設置するためのガイド溝が設けられ、
このガイド溝が設けられた基板上に前記光導波路が形成された請求項１記載のマルチモード光導波路の評価方法。
ファイバ中心から距離Ｒ離れた円周上に半径ｒ（Ｒ＞ｒ）の複数の空孔をあけた前記ホーリーファイバに対し、シングルモード条件を満たす範囲で空孔数と空孔位置と変更することによって当該ホーリーファイバのＮＡを調整する請求項１または２記載のマルチモード光導波路路の評価方法。
前記ホーリーファイバ伝搬光の光源としてスーパールミネッセントダイオードを用いる請求項１ないし３のいずれかに記載のマルチモード光導波路の評価方法。