JP4677388B2 - 先細光ファイバから製造された４ポート光フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、４ポート光フィルタを対象とし、特に、２つの先細光ファイバを使用し、各先細光ファイバはループを有し、ループは集合的にリング共振器を形成する、ところの光フィルタを対象とする。当該光フィルタは、高密度波長多重のチャネルインターリーバ又は逆インターリーバのような低いＱの広帯域フィルタ応答を必要とするアプリケーションに特に有用である。

光ファイバ通信システムが、波長分割多重（ＷＤＭ）及び高密度波長多重（ＤＷＤＭ）として知られる技術を用いて、高いデータ転送速度で単一の光ファイバを経て大容量の情報を通過させる。多くの光波長を有する光すなわち「光チャネル」を、ＷＤＭ及びＤＷＤＭシステムの両方に用い、各光チャネルは、個々に大量のデータを伝送する。単一の光ファイバ内で、１つの光チャネルの光パワーが、複数の他の光チャネルと共伝搬する。

通信システムのルーティング要求及び他の理由に依存して、光チャネルを光ファイバから排除するか又は光ファイバに付加することが、しばしば必要である。この機能は、フィルタによって達成され、典型的にはドロップ／付加フィルタ又はインターリーバ／逆インターリーバ（interleaver/de-interleaver）と呼ばれる。異なる種類のドロップ／付加フィルタが、従来技術で開示されているが、その動作の一般的原理は、波長分割多重信号又は高密度波長多重信号を、フィルタの入力ポートに導入することを伴う。上述したように、信号は、複数の異なった光チャネルを含む。「ドロップ」機能を実行する際、フィルタは動作可能であり、それにより少なくとも１つの光チャネルを信号から除去してドロップポ―トへ移動させる一方、残りの信号がフィルタを通過して出力ポートへと至ることができるようにする。フィルタの「付加」機能は、１つ以上の光チャネルを有する信号を、付加ポートを通じてフィルタに導入することによって実現される。ここで、信号は、入力ポートからの他の信号とフィルタ内で結合される。結合された信号は、次に出力ポートへと伝送される。

現在用いられている光フィルタリング装置の一種が、光サーキュレータと直列に設置されたイン−ファイバブラッグ回折格子である。波長分割多重信号又は高密度波長多重信号は、サーキュレータへ入力され、且つブラッグ回折格子は、有効であり、それにより信号の特定の光チャネルの通過が可能になる一方、１つ以上の他の信号はサーキュレータに反射されて戻り、ドロップポートを通じて出力される。これらのタイプのフィルタリングシステムは、優れたスペクトル効率を有するが、大型で且つ著しいスループット損失を有する。

別の種類のフィルタリングシステムが、たとえば、Vahala他に付与された米国特許第６，５８０，８５１号明細書（特許文献１）に示される。特許文献１では、球状の共振器に結合された１つ以上の先細光ファイバを用いた４ポート光フィルタを、説明している。波長分割多重信号は、エバネッセント場結合によって、１つの光ファイバを通って球状の共振器へ入力される。共振器は以下のように有効である。１つ以上の光チャネルが信号からドロップされるか又は光チャネルが付加され、次に、共振器から同じ光ファイバ又は第２光ファイバへと出力される。この種のフィルタリングシステムは、共振器と先細光ファイバ（複数可）との間に正確な整合を要し、且つ球状の共振器は、製造することが困難である。加えて、当該システムは高い光学的Ｑ（optical Q）を有する。用語「光学的Ｑ」は、システムの共振器の品質因子を指し、且つ高いＱの共振器は、低いＱの共振器と比べてずっと狭いフィルタ応答を呈する。広帯域フィルタ応答は、高密度波長多重のチャネルインターリーバ及び逆インターリーバにおいて好ましい。
米国特許第６，５８０，８５１号明細書

本発明は、４ポート光フィルタを対象とする。

４ポート光フィルタは、２つの先細光ファイバを含み、各先細光ファイバはループを有し、ループは、リング共振器を形成するよう互いに関して配置される。当該光フィルタは、広帯域のフィルタ応答を備える低いＱを有し、高密度波長多重及び他のアプリケーションのためのチャネルインターリーバ又は逆インターリーバとして有用である。

現段階で好ましい一実施形態において、２つの先細光ファイバの各先細部分が、円柱ロッド周りに巻かれて、第１光ファイバにおける第１ループ及び第２光ファイバにおける第２ループを形成する。これらのループは、ロッドに沿ってリング共振器を形成するよう、互いに関して配置される。共振器は、１つ以上の光チャネルを入力信号へインタリーブするか又は付加することが可能であり、且つ他の光チャネルを出力している間、かかる信号から１つ以上の光チャネルをドロップするか又は逆インタリーブすることが可能である。
本発明の重要な１つの利点は、リング共振器が、光ファイバ自体によって形成されることであり、それゆえ、上述した従来技術において教示されたように、先細部分を、単体の球状又は他の形状の共振器に結合する問題が、解消される。加えて、先細光ファイバは従来の単一モードと容易に集積できる。何故なら、先細光ファイバは、本質的には如何なる先細ファイバの直径でも、２者の間で本質的にロスのない遷移を成すことができるからである。更に、エバネッセント場結合を先細光ファイバとともに用いても良い。光ファイバを伝搬して通る光は、光ファイバの先細部分と外部環境との間の境界によって案内されるからである。

本発明の現時点で好ましい実施形態である構造、動作及び利点が、添付の図面と併せて以下の説明を考察することで、更に明らかになるであろう。

図面を参照すると、本発明の４ポートの光フィルタ１０が、第１の先細光ファイバ１２、第２の先細光ファイバ１４、及び、一実施形態においては円柱ロッド１６を備える。各光ファイバ１２、１４は、シリカで形成され、且つロッド１６の少なくとも一部分は、光ファイバ１２、１４の屈折率より小さい屈折率を有する材料で形成され、それにより光ファイバ１２、１４とロッド１６との間の結合が抑制される。その目的を、以下で明らかにする。光ファイバ１２、１４は「先細」として特徴づけられる。何故なら、光ファイバ１２、１４は、火で熱せられた間に延伸されて、幅が狭く且つ均一な胴径を有する一部分が、光ファイバ１２、１４の全長に沿って形成されるからである。本考察のため、図１に最も良く示されているように、光ファイバ１２の「先細部分」１８とは、光ファイバ１２の全長に沿った均一な胴径領域であると考えられ、先細部分２０とは、光ファイバ１４に沿った同領域であると考えられる。

図１〜図５を詳細に参照すると、第１の光ファイバ１２の先細部分１８は、ロッド１６周りに巻かれてロッド１６に沿った第１ループ２２を形成する。光ファイバ１２は折り返されて戻り、それにより光ファイバ１２の対向する端部が、互いに対して概して平行になる。これらの端部のうち一方が、フィルタ１０の入力ポート２４を形成し、対向するもう一方の端部が、ドロップポート２６を形成する。その詳細について、以下に説明する。同様に、第２光ファイバ１４の先細部分２０が、第１光ファイバ１２とは逆方向からロッド１６周りに巻かれて、ロッド１６に沿った第２ループ２８を形成する。第２光ファイバ１４は、光ファイバ１２と同様の方法で折り返されて戻り、光ファイバ１４の対向する端部が、フィルタ１０のスルーポート３０及び付加ポート３２を形成する。用語「ループ」は、ロッド１６周りに延在する光ファイバ１２及び１４夫々の先細部分１８及び２０の一部を指す。第１ループ２２及び第２ループ２８は夫々、逆方向からロッド１６周りに約１８０°延在し、それゆえ、集合的にリングを形成する。リングは、本発明のフィルタ１０におけるリング共振器３４として機能する。

本発明の現段階で好ましい一実施形態において、各光ファイバ１２及び１４は、夫々の対向する端部で張力をかけて保持されて、ループ２２及び２８の位置をロッド１６に関して維持する。かかる張力手段（図示せず）は、したがって、第１光ファイバ１２の入力ポート２４及びドロップポート２６の両方に適用され、且つ第２光ファイバ１４のスルーポート３０及び付加ポート３２に適用される。代替的には、第１光ファイバ１２及び第２光ファイバ１４は、ループ２２及び２８の領域においてアニールされてもよく、それによりループ２２及び２８は、永続的にロッド１６の曲率半径を呈し、張力をかけて保持される必要はない。その場合、他の手段（図示せず）を設けて、ループ２２及び２８をロッド１６に沿った位置に維持する。ループ２２及び２８が張力をかけて保持されているか又はアニールされているかに拘わらず、ループ２２及び２８は、ロッド１６に沿って互いに近接して維持される。図１、図４及び図５を参照されたい。

更に、図８及び図９を参照して考えられることは、少量の流体、好ましくは水、オイル又はポリマーを、ループ２２とループ２８との間に挿入することができ、それによりメニスカス３６を形成し、したがって、以下に説明するように、両者間のモードの重複を増大させる。更に考えられることは、流体を、液体として適用することができ、後に液体は硬化して固体を形成する。図９に図示された実施形態において、符号３７で概略的に示すように、ループ２２及び２８は、１箇所以上の場所で互いに融合（fused together）されることができる。ループ２２及び２８が互いに関して固定される箇所は、ロッド１６を除去することができ且つメニスカス３６を用いないと考えられる。

図２、図３、図６及び図７を参照すると、フィルタ１０の動作が、概略的に示される。かかる図面において、高密度波長多重信号３８が、矢印によって示される。考察のため、信号３８は、光波長又は光チャネルλ１、λ２及びλ３を含むものと仮定する。信号３８は、第１光ファイバ１２を通って伝搬し、先細部分１８に到達するまでかかるファイバ１２の境界内に閉じこめられる。光ファイバ１２の先細部分１８の場所で直径が短くなることから、信号３８の光エネルギーの小部分が、光ファイバ１２の内部から抜けだし、エバネッセント場を形成するその境界に沿って移動する。エバネッセント場は、図２及び図３の符号４０により示される。第１光ファイバ１２の先細部分１８の境界にある外部環境が選ばれて、モード数を決定する。モード数は、先細胴、すなわち先細部分１８の直径によってサポートされる。共振器３４に到達したとき、第１光ファイバ１２に沿って作成されたエバネッセント場４０内にある信号３８の光エネルギーが、第２光ファイバ１４の第２ループ２８へ結合する。すなわち、第１光ファイバ１２からの光エネルギーの小部分が、ループ２２及び２８の夫々の領域において第２光ファイバ１４へと移動される。これらのループ２２及び２８は、ロッド１６周りの光エネルギーの再循環経路を提供する。こうして、以下の関係式に従い、フリースペクトルレンジだけ離れた複数の共振周波数を有する共振器３４を形成する。

ここで、
Ｆ＝フリースペクトルレンジ
Ｃ＝光速
ｎ_ｅｆｆ＝先細胴の基本モードの実効屈折率
Ｌ＝共振器の周囲長
である。

光ファイバ１２の先細胴は、空気中では単一モードではないが、ループ２２及び２８の曲げ半径は十分に大きく、且つモード分散は、十分に大きいので、高次モードへの結合が共振器３４内で起こらない。加えて、ロッド１６の少なくとも一部分が、光ファイバ１２及び１４の屈折率より少ない屈折率を有し、それにより共振器３４内を循環する光パワーとロッド１６との間の結合を抑制する。特に、エバネッセント場へ露出されたロッド１６の表面の少なくとも一部分（エバネッセント場のロッド１６内への貫通深さを含む）が、光ファイバ１２及び１４の屈折率より低い屈折率を有する必要がある。

上述したように、本発明のフィルタ１０は、４ポートフィルタであり、第１光ファイバ１２によって形成された入力ポート２４及びドロップポート２６並びに第２光ファイバ１４によって形成されたスルーポート３０及び付加ポート３２を含む。図６は、フィルタ１０が、ドロップ又は逆インターリーバ機能を実行する概略的な描写であり、光チャネルの１つであるλ２が、信号３８の残余から除去される図である。信号３８の光エネルギーの小部分が、共振器３４へと伝送される。上述したように、共振器３４は、ループ２２及び２８によってエバネッセント場結合により形成される。共振器３４は、１つの共振周波数を有し、その共振周波数は、複数であろう共振周波数のうちの１つであり、対象である光チャネルλ２に対応する。したがって光チャネルλ２が、共振器３４によって第１光ファイバ１２のドロップポート２６へ伝送される一方、他の光チャネルλ１及びλ３が、共振器３４を通過して第２光ファイバ１４のスルーポート３０内へと至ることが許可される。

フィルタ１０の「付加」機能を、図７に示す。この動作のモードにおいて、信号４２が、光チャネルλ１及びλ３を有する第１光ファイバの入力ポート２４を通って入力されると仮定され、且つ第３の光チャネルλ２を付加するか又はインタリーブすることが望まれる。信号４２は、上述した方法と同じ方法で、共振器３４へ結合される。光チャネルλ２を運ぶ別の信号４４が、同じくエバネッセント場結合によって第２光ファイバ１４の付加ポート３２を通じて共振器３４へと入力される。そのエバネッセント場結合は、図２及び図３において符号４１で示される。信号４２及び４４は、共振器３４内に加えられるか又はインタリーブされ、次に３つの光チャネルλ１、λ２及びλ３全てを有する信号３８を出力する。図６及び図７に示す描写は、例示のみを目的とし、種々の高密度波長多重信号が、所望に応じてより多くの光チャネルを含有していてもよいことを理解されたい。

図２、図３、図１０及び図１１を参照すると、第１光ファイバ１２の入力ポート２４から第２光ファイバ１４のスルーポート３０までの透過係数が、τ_１と表示され、符号４６によって特定されたループ２２及び２８の接触ポイント間の結合効率と等しいと考えられる。同様に、結合は、符号４８のようなロッド１６の対向面上のループ２２と２８との間で起こってもよく、図２及び図３における結合係数τ_２によって指定される。結合力は、夫々の光ファイバ１２及び１４の各先細部分１８、２０におけるモード場の重複、及び干渉領域の長さによって決定される。干渉領域の長さとは、たとえばループ２２及び２８の重複部分の長さである。結合係数の大きさに影響を及ぼす要素は、先細部分１８、２０の直径、ロッド１６の半径、及び周囲の屈折率を含む。結合は、上述し且つ図８に示すように、ループ２２とループ２８との間のメニスカス３６を導入することによって強化することができ、それによりモードの重複を増加させる。

入力ポート２４からスルーポート３０へのフィルタ１０の透過率は、以下の関係式によって与えられる。

入力ポート２４からドロップポート２６へのフィルタの透過率は、以下の関係式によって与えられる。

ここで、
τ_１＝入力ポートからスルーポートへの透過係数
τ_２＝入力ポートからドロップポートへの透過係数
ｅ^−αＬ＝結合領域における伝播損失及び過剰損失を考慮した共振器の光路中での光学透過率（round trip transmission）
Ｌ＝共振器の周囲長
ｎ_ｅｆｆ＝先細胴の基本モードの実効屈折率
λ＝波長
である。

図１０及び図１１は、広範囲、たとえば０．３から０．９の結合係数値における、周波数に対する透過率の変化をプロットするグラフである。ただし光路中での光学損失（α＝０）は無視している。入力ポート２４からスルーポート３０までの透過率を、図１０に示し、入力ポート２４からドロップポート２６までの透過率を、図１１に示す。図１０及び図１１においてモデルとなった共振器３４の直径は、２３０μｍである。かかる複数の図面から明らかなように、狭帯域フィルタ特徴を達成するには、均一に近い結合係数が必要とされる。

本発明のフィルタの斜視図である。 図１に示すフィルタの平面図である。 図２のフィルタの円形部分の拡大図である。 図１に示すフィルタの側面図である。 図４の円形部分の拡大図である。 本発明のフィルタのドロップ又は逆インターリーバ機能の概略的な表現である。 本明細書におけるフィルタの付加又はインターリーバ機能以外は、図６と同様の図である。 図１に示す円柱リング及び光ファイバの断面図であり、ファイバ間に配置されたメニスカスを示す。 ファイバがロッドなしで融合された状態を示す、図８と同様の図である。 幾つかの結合係数のフィルタの入力ポートからフィルタのスルーポートへの光パワーの透過を示すグラフ描写である。 幾つかの結合係数のフィルタの入力ポートからフィルタのドロップポートへの光パワーの透過を示すグラフ描写である。

符号の説明

１０ ４ポート光フィルタ
１２ 第１光ファイバ
１４ 第２光ファイバ
１６ ロッド
１８、２０ 先細部分
２２、２８ ループ
２４ 入力ポート
２６ ドロップポート
３０ スルーポート
３２ 付加ポート
３４ 共振器
３６ メニスカス
３７ ループ２２及び２８が互いに関して固定される箇所
３８、４２ 信号
４０、４１ エバネッセント場
４６、４８ ループ２２と２８との間

Claims (9)

1. 第１ループを形成する先細部分を有する第１光ファイバと；
   第２ループを形成する先細部分を有する第２光ファイバと；
   を有し、
   前記第１ループ及び前記第２ループはともに共振器を形成するよう互いに対して位置づけられ、前記の第１及び第２光ファイバのうち一方の中を伝搬する光パワーがエバネッセント場結合により前記共振器へ入力され、
   前記第１光ファイバの前記先細部分は、円柱ロッド周りを折り返して前記第１ル―プを形成し、
   前記第２光ファイバの前記先細部分は、前記円柱ロッド周りを折り返して前記第２ル―プを形成する、
   光デバイス。
2. 前記円柱ロッドの少なくとも一部分は前記の各第１及び第２光ファイバの屈折率より少ない屈折率を有する、
   請求項１記載の光デバイス。
3. 前記第１及び第２光ファイバの前記先細部分は、前記円柱ロッドに対して張力をかけて保持される、
   請求項１記載の光デバイス。
4. 前記第１光ファイバの前記先細部分はアニールされて前記第１ル―プを形成し、前記第１ループは前記円柱ロッド周りに位置づけられている、
   請求項２記載の光デバイス。
5. 前記第２光ファイバの前記先細部分はアニールされて前記第２ル―プを形成し、前記第２ループは前記円柱ロッド周りに位置づけられている、
   請求項２記載の光デバイス。
6. 前記の第１及び第２ループは融合される、
   請求項１記載の光デバイス。
7. 前記第１ループと前記第２ループとの間にメニスカスが配置される、
   請求項１記載の光デバイス。
8. 前記メニスカスは流体によって形成される、
   請求項７記載の光デバイス。
9. 前記メニスカスは液体によって形成され、前記液体はその後硬化して固体を形成する、
   請求項７記載の光デバイス。
   
   

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