JP5524655B2

JP5524655B2 - ローカル信号光ファイバカプリング方法及びローカル信号光ファイバカプリング装置

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Publication number: JP5524655B2
Application number: JP2010050971A
Authority: JP
Inventors: 郁昭田中; 一貴納戸; 健辻村; 耕一吉田; 裕司東
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-03-08
Also published as: JP2011186172A

Description

本発明は、光ファイバケーブルの建設・保守時に、通信光や試験光を光線路設備に対して自在に入出力させる技術に関する。

光通信サービスを安定提供していくためには、光ファイバケーブルの保守業務が重要であり、光パルス試験や光損失試験あるいは心線対照といった光線路の特性評価やハンドリングに関する技術は欠かせない。しかしながら、近年、経済的な光ネットワークを構築するために１本の光線路を光スプリッタによって複数本の線路に分岐するＰＯＮ（ＰａｓｓｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋ）通信システムが主流となっている。このシステムにおいては１本の光線路側（所内）から試験光を入力した場合、光スプリッタにより全ての分岐線路にその試験光が分配されるため、前述した試験や対照が全く実行できないという問題がある。この場合、作業者は分岐線路の接続部を一時的に抜き取って（サービスを一時的に停止して）、光線路の保守業務を遂行している。

また、所外の光線路設備に対して、道路の拡幅工事や橋の架け替え工事、あるいは他の設備工事（電気や水道などの新設・修理）によって、通信ルートの変更を余儀なく強いられる工事がしばしば発生している（以後、支障移転工事と称する）。この支障移転工事に対して、光線路の切替接続時間をできる限り短縮させ、通信復旧時間をできる限り短くするための技術が商用化された（例えば、特許文献１を参照。）。しかしながら、本技術は光コネクタをもつ設備であることが大前提であり、ルート変更の範囲と光コネクタ設置箇所が一致しない場合は、大規模な工事になることは免れていない。

上記課題に対して、光線路の任意の場所から自由に通信光や試験光を入出力する技術がこれまでにも要望されており、光ファイバの側面から信号光を入出力する技術として、ローカルインジェクション／ディテクション技術を用いた光線路切替技術（例えば、特許文献２を参照。）がある。

特許第３５７３６０６号特開昭６１−７７０１９号公報

しかしながら、特許文献１や２のような装置は、信号光を受光する効率が光コネクタで接続した場合より３５〜４５ｄＢ低い。このため、特許文献１や２のような装置を通信サービスや通信設備の試験へ適用した場合、その受光効率の低さから光アンプを利用したとしても各種試験装置に求められる最低受光レベルに達せず、実用化に課題があった。

そこで、上記課題を解決するために、本発明は、光ファイバ側面における信号光の入出射効率を向上させるローカル信号光ファイバカプリング方法及びローカル信号光ファイバカプリング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング方法及びローカル信号光ファイバカプリング装置は、第１光ファイバの結合部のコア径を小さくし、第１光ファイバの結合部に近接させた第２光ファイバの端面と結合部とを屈折率整合剤で覆うこととした。

具体的には、本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング方法は、第１光ファイバの結合部のコア径が他の部分のコア径より小さくなるように前記第１光ファイバを延伸する第１手順と、前記第１光ファイバの前記結合部を弧状に曲げ、前記結合部の中心の略接線方向から第２光ファイバの端面を前記結合部へ近接させる第２手順と、前記第１光ファイバのクラッドの屈折率に略等しい屈折率整合剤を前記第１光ファイバの前記結合部から前記第２光ファイバ端面に至る範囲に塗布する第３手順と、を順次実行し、前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとを光学的に接続する。

本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング方法は、前記第１光ファイバを伝搬する第１信号光の一部を前記結合部でクラッド伝搬させ、前記結合部のクラッドから出射する前記第１信号光を前記第２光ファイバの端面に受光させることを特徴とする。

本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング装置は、弧状であり、且つ他の部分より小さいコア径の結合部を有する第１光ファイバと、前記第１光ファイバの前記結合部の中心の略接線方向から端面を前記結合部へ近接するように配置された第２光ファイバと、前記第１光ファイバのクラッドの屈折率に略等しく、前記第１光ファイバの前記結合部から前記第２光ファイバ端面に至る範囲に塗布された屈折率整合剤と、を備える。

本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング装置の前記第１光ファイバは、伝搬する第１信号光の一部を前記結合部でクラッド伝搬し、前記第２光ファイバは、前記結合部のクラッドから出射する前記第１信号光を端面で受光することを特徴とする。

第１光ファイバの結合部ではコア径が小さくなっているので、第１信号光は強度プロファイルが広がりクラッド伝搬する。さらに、第１光ファイバの結合部は弧状であり、屈折率整合剤が塗布されているため、クラッド伝搬する第１信号光は、屈折率整合剤へ伝搬し、屈折率整合剤中に配置された第２光ファイバの端面に結合することができる。このため、本発明は、第１信号光が第１光ファイバから第２光ファイバの端面へ到達するまでの反射や屈折による損失を低減することができる。

一方、本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング方法は、前記第２光ファイバを伝搬してきた第２信号光を前記第２光ファイバの端面から前記第１光ファイバの前記結合部へ出射させ、前記第１光ファイバの前記結合部でクラッド伝搬した前記第２信号光を前記第１光ファイバの他の部分でコアへ導くことを特徴とする。

本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング装置の前記第２光ファイバは、伝搬してきた第２信号光を端面から前記第１光ファイバの前記結合部へ出射し、前記第１光ファイバは、前記結合部に入射された前記第２信号光を前記結合部でクラッド伝搬し、他の部分のコアへ導くことを特徴とする。

第２光ファイバの端面から出射された第２信号光は、屈折率整合剤を伝搬して第１光ファイバの結合部のクラッドに結合し、第１光ファイバの結合部をクラッド伝搬する。第１光ファイバの他の部分はコア径が大きいため、クラッド伝搬した第２信号光はコアに導かれる。このため、本発明は、第２信号光が第２光ファイバの端面から第１光ファイバへ到達するまでの反射や屈折による損失を低減することができる。

従って、本発明は、光ファイバ側面における信号光の入出射効率を向上させるローカル信号光ファイバカプリング方法及びローカル信号光ファイバカプリング装置を提供することができる。

本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング方法は、前記第２光ファイバの端面における光軸方向と前記第１光ファイバの前記結合部の中心における接線方向との角度が１０°以上２０°以下であることを特徴とするが好ましい。

本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング装置の前記第２光ファイバの端面における光軸方向と前記第１光ファイバの前記結合部の中心における接線方向との角度が１０°以上２０°以下であることを特徴とするが好ましい。

第２光ファイバを第１光ファイバの結合部に近接させる角度を上記の範囲に設定することで、入出射効率を向上させることができる。

本発明は、光ファイバ側面における信号光の入出射効率を向上させるローカル信号光ファイバカプリング方法及びローカル信号光ファイバカプリング装置を提供することができる。さらに本発明は、光線路設備の任意の場所から自由に通信光や試験光を入出射させられるため、光線路設備に制約されずローカル信号光を入出力技術を提供することができる。

本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング方法を説明する図である。（ａ）は、第１手順を説明する図である。（ｂ）は、第２手順を説明する図である。（ｃ）は、第３手順を説明する図である。本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング方法における信号光の流れや強度のイメージ図である。（ａ）は、第１手順でのイメージ図である。（ｂ）は、第２手順でのイメージ図である。（ｃ）は、第３手順でのイメージ図である。本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング方法の第１手順を説明する図である。本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング装置を説明する図である。本発明に係るローカル信号光ファイバカプリング装置で発生する結合損失を説明する図である。（ａ）は、光源の送出パワーを測定する系を説明する図である。（ｂ）は、第２光ファイバから第１光ファイバへ信号光が結合される際の結合損失の測定を説明する図である。（ｃ）は、第１光ファイバから第２光ファイバへ信号光が結合される際の結合損失の測定を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１は、本実施形態のローカル信号光ファイバカプリング方法を説明する図である。ローカル信号光ファイバカプリング方法は、第１光ファイバ４の結合部６のコア径が他の部分のコア径より小さくなるように第１光ファイバ４を延伸する第１手順（図１（ａ））と、第１光ファイバ４の結合部６を弧状に曲げ、結合部６の中心の略接線方向から第２光ファイバ７の端面７ａを結合部６へ近接させる第２手順（図１（ｂ））と、第１光ファイバ４のクラッドの屈折率に略等しい屈折率整合剤８を第１光ファイバ４の結合部６から第２光ファイバ７の端面７ａに至る範囲に塗布する第３手順（図（ｃ））と、を順次実行し、第１光ファイバ４と第２光ファイバ７とを光学的に接続する。また、１はストッパ、２はＶ溝ブロック、３は放電針、５は延伸機である。

まず、図１（ａ）に示すように第１光ファイバ４をＶ溝ブロック２に設置し、その側面を放電針３によってアーク放電させ、光ファイバ製造時と同程度のガラス転移温度（約１２００℃）に加熱しながら、延伸機５によって第１光ファイバ４のコア径が細くなるように延伸する。ここで、加熱手段としてアーク放電以外にもセラミックヒータや赤外線レーザ等の熱源でもよい。

次に、図１（ｂ）に示すようにアーク放電させた結合部６を含む第１光ファイバ４に対して光ファイバの通過損失が１〜２ｄＢとなる半径２７ｍｍ程度の曲げを形成し、その接線方向から第２光ファイバ７の端面７ａを近づける。ここで、第２光ファイバ７を、接線方向から１０°〜２０°の角度をつけて設置するとよい。

続いて、図１（ｃ）に示すように弧状の結合部６の外側と第２光ファイバ７の端面７ａとを包み込むように屈折率整合剤８を塗布する。

図２（ａ）〜（ｃ）は、図１（ａ）〜（ｃ）における第１光ファイバ４と第２光ファイバ７を通過する信号光の流れや強度をイメージしたものである。

９は第１信号光の強度プロファイル（コア伝搬状態）、１０は第１信号光の強度プロファイル（クラッド伝搬状態）、１１は第１信号光（結合部６通過前）、１２は結合部６通過中の第１信号光（整合剤塗布前）、１３は漏洩する第１信号光（整合剤塗布前）、１３’は漏洩する第１信号光（整合剤塗布後）、１４は結合部６通過後の第１信号光（整合剤塗布前）、１５は第２信号光、１６は漏洩する第２信号光（整合剤塗布前）、１７は結合部６通過後の第２信号光（整合剤塗布前）、１７’は結合部６通過後の第２信号光（整合剤塗布後）、１８は結合部６通過後の第１信号光（整合剤塗布前）、１８’は結合部６通過後の第１信号光（整合剤塗布後）、１９は第２光ファイバから出射された第２信号光、５０はクラッド、５１はコア、である。なお、図２（ｂ）と図２（ｃ）に記載の矢印の大きさは、各信号光の強度を表している。

まず、図２（ａ）は、第１手順によって形成された結合部６を通過する第１信号光の強度プロファイルの変化を表している。コア５１に閉じ込められた状態で伝搬してきた第１信号光が、結合部６で一時的にクラッド５０と空気を境界面とするクラッド伝搬に変化し、当該部６を通過後、再びコア伝搬する様子を示している。この時、第１光ファイバ４が直線状態にあるため、曲げに伴う第１信号光１２の強度低下は生じない。但し、第１信号光１２は結合部６でその強度プロファイルに広がりが生じる。

次に、図２（ｂ）は、手段２における結合部６付近の第１信号光１１および第２信号光１５の進行方向とその透過強度の変化を表している。第２手順では、結合部６を含む第１光ファイバ４を曲げているため、結合部６のクラッド５０から第１信号光１１が漏洩する（整合剤塗布前の第１信号光１３）。しかしながら、結合部６はクラッド５０と空気との比屈折率差が３０％超えており、曲げ半径２７ｍｍ程度では、その境界面において完全反射となるため、漏洩する第１信号光（整合剤塗布前）１３は僅かである。一方、第２光ファイバ７の端面７ａから送出された第２信号光１９は結合部６を経由して、第１光ファイバ４のコア５１に向けて入射される。しかしながら、第２信号光１９は、結合部６において比屈折率差が３０％超える境界面への入射となる。例えば、第２信号光１９を結合部６の接線方向から１０°で入射した場合（入射角は８０°）、第２信号光１９は、結合部６の接線方向から約４７°（屈折角は約４３°）の角度で屈折され、コア５１に進むことになる。これは、コア５１中をシングルモード伝搬させるために必要な入射角（約８５°）から大きく逸脱しており、結果としてコア５１の外に放射される（整合剤塗布前の漏洩する第２信号光１６）。従って、第２手順の段階では、第１信号光も第２信号光も、第１光ファイバ４の側面と第２光ファイバ７の端面７ａとの間で入出力するまでには至らない。

ここで、前述した屈折角が約４３°であること、及びシングルモード伝搬させるために必要な入射角が約８５°であることの根拠について説明する。

まず、屈折角が約４３°については、光線学における反射と屈折の法則（スネルの法則）によって定義されており、次式［数１］によって求められる。
ｎ_ａｉｒ・ｓｉｎ（φ_１）＝ｎ_ｃｌａｄ・ｓｉｎ（φ_２）・・・［数１］
ｎ_ａｉｒは空気の屈折利率、ｎ_ｃｌａｄはクラッド５０の屈折率、φ_１は第２光ファイバ７から出射された第２信号光１９が結合部６で入射さる際に法線方向となす角度（入射角）、φ_２は第２光ファイバ７から出射された第２信号光１９が結合部６で入射後に法線方向となす角度（屈折角）を表している。一般的に、空気の屈折利率ｎ_ａｉｒは１、クラッド５０の屈折率ｎ_ｃｌａｄは１．４５であり、いま、入射角φ_１＝８０°で入射したことから、それらを［数１］に代入すると、屈折角φ_２として４２．８°（約４３°）が算出される。

次に、シングルモード伝搬させるために必要な入射角（約８５°）については、次の伝搬モードの条件式［数２］より求めることができる。
２π／λ・ｎ_ｃｌａｄ・ｓｉｎ（θ）・ａ−φ＝Ｎ・π ・・・［数２］
λは第２信号光１５の波長、ｎ_ｃｌａｄはクラッド５０の屈折率、θはコア伝搬時の反射角、ａは結合部６の半径、φは空気とクラッド５０との境界面で全反射するときのグース・ヘンシェンシフト量、Ｎは整数である。いま、第２信号光１５の波長を１．３１μｍ、コア５１の屈折率ｎ_ｃｌａｄを１．４６、結合部６の半径ａを４μｍ、シングルモード伝搬する時のＮは‘０’であり、グース・ヘンシェンシフト量φはπで近似されることから、これらを［数２］に代入してクラッド伝搬時の反射角θを求めると約６．４°となり、これを法線方向に対する入射角に換算すると約８５°（≒９０°−６．４°）となる。

図２（ｃ）は、第３手順における結合部６付近の第１信号光１１および第２信号光１５の進行方向とその透過強度の変化を表している。第３手順では第２手順の構成および配置を維持したまま結合部６と第２光ファイバ７の端面７ａとの間をクラッド５０と同程度の屈折率の屈折率整合剤８で充填している。これにより、第２手順での結合部６におけるクラッド５０と空気を境界面とする完全反射が消失し、屈折率整合剤８側へ多くの第１信号光１３’（整合剤塗布後）が透過する。そして、第１信号光（整合剤塗布後）１３’は、結合部６および屈折率整合剤８を介して第２光ファイバ７のコア５１へ入力される。一方、第２信号光１５は、屈折率整合剤８が塗布されることによりクラッド５０から第２光ファイバ７のコア５１に至るまでの屈折率がほぼ同じになるため、その間ではほぼ直進することになる。これにより、第１光ファイバ４をシングルモード伝搬させるための入射角（８５〜９０°）が得られる。従って、第１信号光及び第２信号光は、第３手順で、第１光ファイバ４の側面と第２光ファイバ７の端面７ａとの間で入出力することができる。

（実施例）
図３は、アーク放電で第１手順を実行した様子である。本実施例では結合部６のクラッド径を第１光ファイバ４の他の部分のクラッド径の約３分の１に細径化している。この時、第１光ファイバ４を曲げず、結合部６に屈折率整合剤８を塗布しない状態で第１光ファイバ４を通過する第１信号光の通過損失は１．１ｄＢであった。また、結合部６に屈折率整合剤８を塗布した状態での第１信号光の通過損失（以後、これを整合剤付き通過損失と呼ぶ）は２．３ｄＢであった。これは、結合部６に屈折率整合剤８を塗布したことで、第１光ファイバ４の結合部６においてクラッド伝搬している第１信号光が屈折率整合剤８の方へ漏洩したためである。

図４は、第１手順後さらに第２手順と第３手順を順次実行したときの様子を説明する図である。すなわち、図４は、弧状であり、且つ他の部分より小さいコア径の結合部６を有する第１光ファイバ４と、第１光ファイバ４の結合部６の中心の略接線方向から端面７ａを結合部６へ近接するように配置された第２光ファイバ７と、第１光ファイバ４のクラッドの屈折率に略等しく、第１光ファイバ４の結合部６から第２光ファイバ７の端面７ａに至る範囲に塗布された屈折率整合剤８と、を備えるローカル信号光ファイバカプリング装置である。２０は入光治具である。第１光ファイバ４の結合部６に屈折率整合剤８を塗布すると同時に、第１光ファイバ４を半径２７ｍｍで曲げた。この結果、第１信号光の整合剤付き通過損失は１６ｄＢまで増加した。この形状を保ちながら第２光ファイバ７の端面７ａを入光治具２０で結合部６付近にセットし、第１信号光が第１光ファイバ４から第２光ファイバ７へ、および第２信号光が第２光ファイバ７から第１光ファイバ４へローカル的にカプリングさせる際に生じる結合損失を測定した。

図５は、上記カプリング時に生じる結合損失を測定する実験系を表す。２１は１．４９μｍ光源、２２は光パワーメータ、２３は無反射器、２４は信号光である。

まず、図５（ａ）は、結合損失の測定に用いる１．４９μｍ光源２１の送出パワーＰ_０を光パワーメータ２２で測定する系を説明する図である。この時の送出パワーＰ_０は＋１．３ｄＢｍであった。図５（ｂ）は、光源２１から信号光２４を第２光ファイバ７へ入力し、第２光ファイバ７から第１光ファイバ４へ通過する信号光２４の受光パワーＰ_１を光パワーメータ２２で測定する様子を説明する図である。この時の受光パワーＰ_１は−１６．３ｄＢｍであった。図５（ｃ）は、光源２１から信号光２４を第１光ファイバ４へ入力し、第１光ファイバ４から第２光ファイバ７へ通過する信号光２４の受光パワーＰ_２を測定する様子を説明する図である。この時の受光パワーＰ_２は−１６．７ｄＢｍであった。ここで、第１光ファイバ４と第２光ファイバ７の各々に３０ｍの長さをもたせたのは、クラッドを伝搬した信号光２４を減衰させ、シングルモード伝搬する信号光２４以外の光をパワーメータ２２で検出しないようにするためである。

上述の結果から、第２光ファイバ７から第１光ファイバ４へ通過する際の結合損失として１７．６ｄＢ（＝Ｐ_０−Ｐ_１）、また、第１光ファイバ４から第２光ファイバ７へ通過する際の結合損失として１８．０ｄＢ（＝Ｐ_０−Ｐ_２）が得られた。これは、第１手順を実行せず、第２手順での光ファイバ曲げ（曲げ半径が２７ｍｍ）、かつ、第３手順での屈折率整合剤８の塗布のみの整合剤付き通過損失と比較すると、約４０ｄＢ向上した。

本発明は、光線路の建設、保守に実施する光パルス試験、心線対照、支障移転時の現用信号光のルート切替に利用することができる。

１：ストッパ
２：Ｖ溝ブロック
３：放電針
４：第１光ファイバ
５：延伸機
６：結合部（加熱部）
７：第２光ファイバ
８：屈折率整合剤
９：第１信号光の強度プロファイル（コア伝搬状態）
１０：第１信号光の強度プロファイル（クラッド伝搬状態）
１１：第１信号光（結合部６通過前）
１２：結合部６通過中の第１信号光（整合剤塗布前）
１３：漏洩する第１信号光（整合剤塗布前）
１３’：漏洩する第１信号光（整合剤塗布後）
１４：結合部６通過後の第１信号光（整合剤塗布前）
１５：第２信号光
１６：漏洩する第２信号光（整合剤塗布前）
１７：結合部６通過後の第２信号光（整合剤塗布前）
１７’：結合部６通過後の第２信号光（整合剤塗布後）
１８：結合部６通過後の第１信号光（整合剤塗布前）
１８’：結合部６通過後の第１信号光（整合剤塗布後）
１９：第２光ファイバから出射された第２信号光
２０：入光治具
２１：１．４９μｍ光源
２２：光パワーメータ
２３：無反射器
２４：信号光
５０：クラッド
５１：コア

Claims

現用光線路である第１光ファイバの任意箇所を結合部として加熱し、前記結合部のコア径が他の部分のコア径より小さくなるように前記第１光ファイバを延伸する第１手順と、
前記第１光ファイバの前記結合部を弧状に曲げ、前記弧状の外側且つ前記結合部の中心の接線と１０°以上２０°以下の角度をなす方向からルート切替用の第２光ファイバの端面を前記結合部へ近接させて設置する第２手順と、
前記第１光ファイバのクラッドの屈折率に略等しい屈折率整合剤を前記第１光ファイバの前記結合部から前記第２光ファイバ端面に至る範囲に塗布する第３手順と、
を順次実行し、前記第１光ファイバの前記結合部で前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとを光学的に接続するローカル信号光ファイバカプリング方法。
前記第１光ファイバを伝搬する第１信号光の一部を前記結合部でクラッド伝搬させ、前記結合部のクラッドから出射する前記第１信号光を前記第２光ファイバの端面に受光させることを特徴とする請求項１に記載のローカル信号光ファイバカプリング方法。
前記第２光ファイバを伝搬してきた第２信号光を前記第２光ファイバの端面から前記第１光ファイバの前記結合部へ出射させ、前記第１光ファイバの前記結合部でクラッド伝搬した前記第２信号光を前記第１光ファイバの他の部分でコアへ導くことを特徴とする請求項１又は２に記載のローカル信号光ファイバカプリング方法。