JP6181682B2 - 光デバイス - Google Patents

Description

本発明は光デバイスに関し、複数のモードの光を入出力させる場合に好適なものである。

一般に普及している光ファイバ通信システムに用いられる光ファイバは、１本のコアの外周がクラッドにより囲まれた構造をしており、このコア内を光信号が伝搬することで情報が伝送される。そして、近年、光ファイバ通信システムの普及に伴い、伝送される情報量が飛躍的に増大している。

こうした光ファイバ通信システムの伝送容量増大を実現するために、複数のコアの外周が１つのクラッドにより囲まれたマルチコアファイバを用いて、それぞれのコアを伝搬する光により、複数の信号を伝送させることが知られている。

マルチコアファイバに対する光の入出力を行う光デバイスとして、例えば下記特許文献１に開示されたものがある。この光デバイスは、キャピラリに形成される複数の空孔のそれぞれに単芯の光ファイバを一体化させると共に延伸することで作製されており、当該光ファイバが一方側から他方側に向かって縮径されている。また、それぞれの光ファイバは、コアが内側コアと内側コアを隙間なく包囲する外側コアとから成る二重の構造とされており、内側コアの屈折率が外側コアの屈折率よりも高くされ、クラッドの屈折率は外側コアよりも低い屈折率とされる。縮径されていない上記一方側では、内側コアをシングルモードの光が伝搬し易いように内側コアの直径及び内側コアと外側コアとの屈折率差が設定され、縮径された上記他方側では、光が外側コアまで広がって内側コアと外側コアとを合わせたコア全体をシングルモードの光が伝搬し易いように外側コアの外径及び外側コアとクラッドとの屈折率差が設定される。

この光デバイスにおいては、それぞれの光ファイバの一方側から他方側に伝搬するシングルモードの光は、一方側において内側コアを伝搬するが、縮径により内側コアが所定の直径よりも小さくなると、内側コアから外側コアへの光の染み出しが大きくなる。このため内側コアが所定の直径よりも小さくなってからは、光は外側コアまで広がって内側コアと外側コアとを合わせたコアを伝搬する。このためこの光デバイスでは、縮径によりコア間の距離が小さくされるにもかかわらず、それぞれのコアを伝搬する光のモードフィールド径（ＭＦＤ：Mode Field Diameter）の縮径前後での変化が抑制される。

特表２０１３−５２２６７７号公報

上記特許文献１に記載の光デバイスは、シングルモードの光を伝搬することが前提とされている。従って、この光デバイスは、シングルモードの光が上記のように伝搬するように内側コアや外側コアの屈折率や径といった条件が設定される。

ところで、光通信では、ＬＰ_０１モード（基本モード）の光に情報を重畳させると共に、ＬＰ_１１モードの光に情報を重畳させて情報通信を行うフューモード通信が知られている。そこで、フューモードの通信においても、マルチコアファイバに対する光の入出力を行う光デバイスが求められている。このようなニーズに対して、内側コアの中心部の屈折率を内側コアの外周部の屈折率よりも低くする構成が考えられる。しかし、光デバイスの構成を複雑化することなく上記ニーズを達成したいという要請がある。

そこで本発明は、構成を複雑化することなくフューモード通信においてマルチコアファイバに対して光を入出力することができる光デバイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光デバイスは、内側コア、及び、前記内側コアの屈折率よりも低い屈折率を有し前記内側コアの外周面を包囲する外側コアから成る複数のコアと、前記コアの外周面を包囲し前記外側コアの屈折率より低い屈折率とされるクラッドと、を備え、以下を特徴とする。

この光デバイスでは、前記コアの長手方向の一方側から他方側に向かって、それぞれの前記コアが縮径されると共に互いに隣り合う前記コアの間隔が小さくなるテーパ部が形成されている。

縮径された前記コアを光が伝搬する場合に、波長１．５３μｍでのＬＰ_０２モード及びＬＰ_２１モードの光の曲げ損失が半径１４０ｍｍで１．０ｄＢ／ｍ以上とされ、波長１．６２５μｍのＬＰ_１１モードの光の曲げ損失が半径３０ｍｍで０．５ｄＢ／１００turns以下とされる。

縮径前の前記内側コアの半径をｒ_１とし、縮径前の前記外側コアの半径をｒ_２とし、縮径前の前記内側コアの断面積と前記内側コアの前記クラッドに対する比屈折率差との積からなる屈折率体積をＶ_１とし、縮径前の前記外側コアの断面積と前記外側コアの前記クラッドに対する比屈折率差との積からなる屈折率体積をＶ_２とする場合に
０．５３７７×ｒ_２−７．７≦Ｖ_２／Ｖ_１≦０．５３７７×ｒ_２−５．７
３≦ｒ_２／ｒ_１≦５
を満たす。

以上を特徴とする光デバイスでは、ＬＰ_０２モードの光、ＬＰ_２１モードの光の上記曲げ損失から、それぞれのコアがＣバンド帯，Ｌバンド帯においてＬＰ_０１モードの光及びＬＰ_１１モードの光を伝搬する。このとき上記の二つの式を満たすことで、光デバイスがマルチコアファイバに接続される場合における光の接続損失を小さくできることが見出された。しかも、それぞれのコアは内側コアと外側コアとから成る２段コアであり、上記の従来の光デバイスと比べてコアの構成が複雑化しない。

こうして本発明の光デバイスによれば、構成を複雑化することなくフューモード通信においてマルチコアファイバに対して光を入出力することができる。

縮径前の前記外側コアの半径ｒ_２が１５μｍ以上とされても良い。縮径前の前記外側コアの半径ｒ_２が２０μｍ以上とするとさらに良い。

また、前記テーパ部の長さが４ｍｍ以上で、縮径後の前記コアの長さが２ｍｍ以上とされることが好ましい。

このような構成とされることで、互いに隣り合うコアのＬＰ_１１モードの光のクロストークを−３０ｄＢ以下とすることができる。

さらに、前記テーパ部の長さが６ｍｍ以上とされることが好ましい。

このような構成とされることで、互いに隣り合うコアのＬＰ_１１モードの光のクロストークを−４０ｄＢ以下とすることができる。

また、縮径後の前記内側コアの断面積と前記内側コアの前記クラッドに対する比屈折率差との積からなる屈折率体積をＶ_１’とし、縮径後の前記外側コアの断面積と前記外側コアの前記クラッドに対する比屈折率差との積からなる屈折率体積をＶ_２’とする。さらに、縮径された前記複数のコアのそれぞれと接続される複数のコアを有するマルチコアファイバにおいて、当該コアの断面積と当該コアの外周面を包囲するクラッドに対する当該コアの比屈折率差との積からなる屈折率体積をＶ_ｔとする。この場合に、
（Ｖ_１’＋Ｖ_２’）／Ｖ_ｔ≧１
を満たすことが好ましい。

さらに、ＬＰ_０１モードの光の前記マルチコアファイバとの接続損失がＬＰ_１１モードの光の前記マルチコアファイバとの接続損失以上とされることが好ましい。

以上のように本発明によれば、構成を複雑化することなくフューモード通信においてマルチコアファイバに光を入出力することができる光デバイスが提供される。

第１実施形態における光デバイスを示す図である。 図１に示す光デバイスのキャピラリ含む位置における長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。 中継ファイバのコアをＬＰ_０１モードの光及びＬＰ_１１モードの光が伝搬する様子を示す図である。 第２実施形態における光デバイスを示す図である。 図４の光デバイスの長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。 実施例１における接続損失等を示す図である。 図６において○印となる光デバイスのコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失、ＬＰ_１１モードの光の接続損失を示す図である。 図６において△印となる光デバイスのコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失、ＬＰ_１１モードの光の接続損失を示す図である。 図６において□印となる光デバイスのコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失、ＬＰ_１１モードの光の接続損失を示す図である。 図６において□印となる光デバイスのテーパ部の長さを５ｍｍとした場合に、コアを伝搬する光のＬＰ_０１モードの光の実効断面積、及び、ＬＰ_１１モードの光の実効断面積の変化の様子を示す図である。 図６において□印となる光デバイスのテーパ部の長さを１０ｍｍとした場合に、コアを伝搬する光のＬＰ_０１モードの光の実効断面積、及び、ＬＰ_１１モードの光の実効断面積の変化の様子を示す図である。 図６において□印となる光デバイスの小径部の長さを変化させる場合に、互いに隣り合うコアを伝搬するＬＰ_０１モードの光のクロストークの大きさを示す図である。 図６において□印となる光デバイスの小径部の長さを変化させる場合に、互いに隣り合うコアを伝搬するＬＰ_１１モードの光のクロストークの大きさを示す図である。 実施例２における接続損失等を示す図である。 図１４において△印となる光デバイスのコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失、ＬＰ_１１モードの光の接続損失を示す図である。 実施例３における接続損失等を示す図である。 図１６において○印となる光デバイスのコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失、ＬＰ_１１モードの光の接続損失を示す図である。 図１６において△印となる光デバイスのコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失、ＬＰ_１１モードの光の接続損失を示す図である。 図１６において□印となる光デバイスのコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失、ＬＰ_１１モードの光の接続損失を示す図である。 図６、図１４、図１６における○印、△印、□印のそれぞれについて、大径部での外側コアの半径と、内側コアの比屈折率差体積と外側コア１２の比屈折率差体積との比の値との関係を示す図である。

以下、本発明に係る光デバイスの好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における光デバイスを示す図である。図１に示すように、本実施形態の光デバイス１は、複数の中継ファイバ１０と、キャピラリ２０とを主な構成として備える。なお、本例では中継ファイバ１０の数が７本とされる。

中継ファイバ１０は、キャピラリ２０の一方から他方までキャピラリ２０内に挿入されており、中継ファイバ１０とキャピラリ２０とが隙間なく一体とされている。中継ファイバ１０の一方側はキャピラリ２０の一方側の端部から露出しており、中継ファイバ１０の他方側の端部はキャピラリ２０の他方側の端部と面一とされている。従って、キャピラリ２０を他方側から見る場合に中継ファイバ１０の他方側の端部が見える。

キャピラリ２０は、断面の形状が円形とされ、長手方向に沿って大径部２１とテーパ部２２と小径部２３とが形成されている。テーパ部２２は、キャピラリ２０の一方側から他方側にかけて縮径されている。このような形状は次の様に形成される。まず、挿入される中継ファイバ１０の数と同様の貫通孔が形成され、太さが一定のキャピラリを準備して、中継ファイバ１０がそれぞれの貫通孔に個別に挿入される。その後、加熱によりキャピラリと中継ファイバ１０とが一体とされて、キャピラリと中継ファイバとの一体物が溶融延伸される。この延伸によりテーパ部２２と小径部２３とが形成される。従って、キャピラリ２０のテーパ部２２内では、上記一方側から他方側にかけて、それぞれの中継ファイバ１０もキャピラリ２０の縮径に伴い縮径すると共に、互いに隣り合う中継ファイバ１０の間隔が小さくなる。また、小径部２３内では、それぞれの中継ファイバ１０も大径部における中継ファイバ１０と比べて小径化しており、互いに隣り合う中継ファイバ１０の間隔も大径部における中継ファイバ１０と比べて小さくされている。

図２は、光デバイス１のキャピラリ２０含む位置における長さ方向に垂直な断面の様子を示す図である。具体的に図２の（Ａ）は当該断面における構造の様子を示し、図２（Ｂ）は当該断面におけるＶ−Ｖ線での屈折率分布の様子を示す。なお、本例の場合、キャピラリ２０の外径と中継ファイバ１０の外径との比は、キャピラリの長手方向に垂直な断面であれば、大径部２１、テーパ部２２、小径部２３の何れであっても同じである。従って、キャピラリ２０のどの位置における断面図かは特定する必要がない。

上記のように本実施形態の中継ファイバ１０の数は７本とされ、１本の中継ファイバ１０がキャピラリ２０の中心に配置され、当該中心に配置された中継ファイバ１０の周囲に６本の中継ファイバ１０が配置される。この状態で、それぞれの中継ファイバ１０の中心を結ぶ線が三角格子状とされ、それぞれの中継ファイバ１０の中心間距離は等しくされる。

図１、図２（Ａ）に示すように、それぞれの中継ファイバ１０は、コア１３とコア１３の外周面を隙間なく包囲するクラッド１５とを有する単芯の光ファイバであり、コア１３は、内側コア１１と外側コア１２とから成る。また、上記のようにそれぞれの中継ファイバ１０はテーパ部２２において大径部２１側から小径部２３側に向かって縮径されている。このため、中継ファイバ１０のコア１３を構成する内側コア１１、外側コア１２及びクラッド１５は、それぞれの径の比率が維持されたまま大径部２１側から小径部２３側に向かって縮径されている。なお、図２（Ａ）に示すように、以後の説明において、縮径前である大径部２１における内側コア１１の半径をｒ_１とし外側コアの半径をｒ_２とし、縮径後である小径部２３における内側コア１１の半径をｒ_１’とし外側コアの半径をｒ_２’とする。

図２（Ｂ）に示すように、内側コア１１の屈折率は、外側コア１２の屈折率よりも高くされる。また、クラッド１５の屈折率は、外側コア１２の屈折率よりも低くされる。また、本実施形態では、キャピラリ２０の屈折率は、クラッド１５の屈折率と同等とされる。なお、図２（Ｂ）に示すように、以後の説明において、内側コア１１のクラッド１５に対する比屈折率差をΔ_１とし、外側コアのクラッド１５に対する比屈折率差をΔ_２とする。

また、大径部２１における内側コア１１の断面積と内側コア１１のクラッド１５に対する比屈折率差Δ_１との積からなる屈折率体積をＶ_１とし、大径部２１における外側コア１２の断面積と外側コア１２のクラッド１５に対する比屈折率差Δ_２との積からなる屈折率体積をＶ_２とする場合に、それぞれのコア１３は、下記式（１）を満たす。
０．５３７７×ｒ_２−７．７≦Ｖ_２／Ｖ_１≦０．５３７７×ｒ_２−５．７ ・・・（１）

ところで、一般的な光ファイバのクラッドの外径は１２５μｍである、一方、マルチコアファイバ５のコア間距離は３０μｍ以上５０μｍ以下程度が一般的である。そこで、大径部２１では中継ファイバ１０の外径が一般的な光ファイバの外径と同等とされ、小径部２３ではコア間距離が一般的なマルチコアファイバのコア間距離とされることが好ましい。また、縮径前におけるキャピラリ２０の貫通孔間の壁厚は、強度を確保しながら小型化する観点から１０μｍ以上２５μｍ以下であることが好ましい。そうすると、縮径後である小径部２３のキャピラリ２０の外径を１とする場合に縮径前である大径部２１のキャピラリ２０の外径、すなわち大径部２１と小径部２３との延伸比は、（１２５＋（１０〜２５））／（３０〜５０）＝３〜５より、３以上５以下とされることが好ましい。この延伸比はコア１３の延伸比とおおよそ同じになる。そこで、大径部２１において光が伝搬する内側コア１１と、小径部２３において光が伝搬する外側コア１２との径を揃えるため、下記式（２）を満たす。
３≦ｒ_２／ｒ_１≦５ ・・・（２）

なお、内側コア１１の径と外側コア１２の径との比は、光デバイス１の長手方向のどこであっても同じであるため上記式（２）は、下記式（３）とされても良い。
３≦ｒ_２ ^’／ｒ_１’≦５ ・・・（３）

このような光デバイス１のそれぞれのコア１３には次のように光が伝搬する。図３は、それぞれの中継ファイバ１０のコア１３をＬＰ_０１モードの光及びＬＰ_１１モードの光が伝搬する様子を示す図である。具体的には図３（Ａ）は大径部２１側と小径部２３側のコア１３の様子を示し、図３（Ｂ）は、大径部２１側と小径部２３側におけるＬＰ_０１モードの光とＬＰ_１１モードの光の電界の様子を示している。

図３に示すように中継ファイバ１０が縮径されていない大径部２１においては、外側コア１２が内側コア１１に対するクラッドとして機能し、それぞれのモードの光は、内側コア１１を伝搬する。このように光が伝搬するには、使用される光の波長帯域が１．５３０μｍから１．６２５μｍ（Ｃバンド帯域及びＬバンド帯域）である場合に、例えば、大径部２１における内側コア１１の半径ｒ_１が６．４７μｍとされ、内側コア１１のクラッド１５に対する比屈折率差Δ_１と外側コア１２のクラッドに対する比屈折率差Δ_２との差Δ_１２が０．４５％とされれば良い。

内側コア１１を伝搬する光が大径部２１側から小径部２３側に進むと、テーパ部２２において、コア１３が縮径する。このため、内側コア１１を伝搬するそれぞれのモードの光は、内側コア１１から外側コア１２への光の染み出しが大きくなる。従って、小径部２３側においては、それぞれの光が外側コア１２まで広がって、内側コア１１と外側コア１２とを合わせたコア１３全体を伝搬する。ただし、ＬＰ_０１モードの光とＬＰ_１１モードの光とがテーパ部２２の同じ場所において外側コア１２まで広がるわけではなく、少なくとも小径部２３に達するまでにそれぞれのモードの光が外側コア１２まで広がって、内側コア１１と外側コア１２とを合わせたコア１３を伝搬するのである。

逆に小径部２３から大径部２１に向かって、光がコア１３を伝搬する場合、小径部２３においては、ＬＰ_０１モードの光及びＬＰ_１１モードの光は、内側コア１１と外側コア１２とを合わせたコア１３全体を伝搬する。テーパ部２２では、小径部２３側から大径部２１側に向かって徐々にコア１３の径が広がるため、テーパ部２２において、それぞれのモードの光は内側コア１１を伝搬するようになる。このため、大径部２１では、外側コア１２がクラッドとして機能して、それぞれのモードの光は内側コア１１を伝搬する。このように光が伝搬するには、上記のように使用される光の波長帯域がＣバンド帯域及びＬバンド帯域である場合、例えば、小径部２３における外側コア１２の半径ｒ２が６．６３７μｍとされ、外側コア１２のクラッド１５に対する比屈折率差Δ_２が０．４４５％とされれば良い。

また、小径部２３におけるそれぞれの中継ファイバ１０のコア１３を光が伝搬する場合に、波長１．５３μｍの光におけるＬＰ_０２モード及びＬＰ_２１モードの光の曲げ損失が半径１４０ｍｍで１．０ｄＢ／ｍ以上とされる。さらに、小径部２３におけるそれぞれの中継ファイバ１０は、波長１．６２５μｍのＬＰ_１１モードの光の曲げ損失が半径３０ｍｍで０．５ｄＢ／１００turns以下とされる。従って、それぞれの中継ファイバ１０は、Ｃバンド帯域及びＬバンド帯域において、実質的にＬＰ_０１モード及びＬＰ_１１モードの光を伝搬し、それ以上高次のモードの光の伝搬が抑制されたフューモード光ファイバとされる。

この光デバイス１は、図１に示すように、小径部２３がマルチコアファイバ５に接続されて使用される。マルチコアファイバ５は、複数のコア５３とそれぞれのコア５３の外周面を隙間なく包囲するクラッド５５とを備える。それぞれのコア５３の屈折率はクラッド５５の屈折率よりも高くされる。また、光デバイス１の中継ファイバ１０の数とマルチコアファイバ５のコア５３の数とは同じとされ、小径部２３におけるそれぞれの中継ファイバ１０のコア１３の相対的位置はマルチコアファイバ５におけるそれぞれのコア５３の相対的位置と同じとされる。そして、光デバイス１の小径部２３におけるそれぞれのコア１３とマルチコアファイバ５の一方側の端部におけるそれぞれのコア５３とが対向した状態で、光デバイス１とマルチコアファイバ５とが接続されて使用される。従って、光デバイス１のそれぞれのコア１３を大径部２１側から小径部２３側に向かって上記のように伝搬する光は、マルチコアファイバ５のそれぞれのコア５３に入射して当該コア５３を伝搬する。逆にマルチコアファイバ５のそれぞれのコア５３を光デバイス１に向かって伝搬する光は、光デバイス１のそれぞれのコア１３に入射して当該コア１３を小径部２３から大径部２１に向かって上記のように伝搬する。つまり、光デバイス１は、マルチコアファイバ５に対する光の入出力デバイスとして用いられる。

このように光デバイス１がマルチコアファイバ５に接続され、マルチコアファイバ５のそれぞれのコア５３に対して光が入出力する場合、本実施形態では、光デバイス１とマルチコアファイバ５との接続点において、ＬＰ_０１モードの光の接続損失がＬＰ_１１モードの光の接続損失以上とされることが好ましい。

ここで、小径部２３の内側コア１１の断面積と内側コア１１のクラッド１５に対する比屈折率差Δ_１との積からなる屈折率体積をＶ_１’とし、小径部２３の外側コア１２の断面積と外側コア１２のクラッド１５に対する比屈折率差Δ_２との積からなる屈折率体積をＶ_２’とする。更に、マルチコアファイバ５において、それぞれのコア５３の断面積とクラッド５５に対するコア５２の比屈折率差Δ_ｔとの積からなる屈折率体積をＶ_ｔとする場合に、下記式（４）を満たすことが好ましい。
（Ｖ_１’＋Ｖ_２’）／Ｖ_ｔ≧１ ・・・（４）
この式（４）を満たすことで、光デバイス１とマルチコアファイバ５とを行き来する光の接続損失を小さくすることができる。

以上説明したように本実施形態の光デバイス１では、ＬＰ_０２モードの光、ＬＰ_２１モードの光の上記曲げ損失から、それぞれのコアが少なくともＣバンド帯，Ｌバンド帯においてＬＰ_０１モードの光及びＬＰ_１１モードの光を伝搬する。このとき上記式（１）及び式（２）を満たすことで、光デバイス１がマルチコアファイバ５に接続される場合における光の接続損失を小さくできることが見出された。しかも、それぞれのコア１３は内側コア１１と外側コア１２とから成る２段コアであり、コアの構成が複雑化しない。従って、本実施形態の光デバイス１によれば、構成を複雑化することなくフューモード通信においてマルチコアファイバ５に対して光を入出力することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。

図４は、本発明の第２実施形態に係る光デバイスを示す図であり、図５は、図４の光デバイス２の長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。図４、図５に示すように本実施形態の光デバイス２は、コア１３の外周面が第１実施形態のキャピラリ２０と同様のガラス体でなるクラッド２５で隙間なく包囲されており、コア１３がクラッド２５内にのみ位置している点において、第１実施形態の光デバイスと異なる。すなわち、本実施形態の光デバイス２は、第１実施形態の光デバイス１において、中継ファイバ１０のキャピラリ２０から露出している部分を除去して、それぞれのクラッド１５を除去して、クラッド１５が除去されることで生じる空間をキャピラリ２０で埋めたものと同等である。

このような光デバイス２は、断面の構造が図５のようにされ、大径部２１と同じ太さのマルチコアファイバを作成し、作成したマルチコアファイバを溶融延伸してテーパ部２２及び小径部２３を形成すれば良い。

なお、本実施形態の光デバイス２においても、上記式（１）及び式（２）を満たす。

このようなマルチコアファイバを用いた光デバイス２であっても、第１実施形態の光デバイス１と同様にしてフューモード通信においてマルチコアファイバ５に対して光を入出力することができる。

以上、本発明について、上記実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

例えば、第１実施形態における中継ファイバ１０の数や第２実施形態におけるコア１３の数は適宜変更可能である。

また第１実施形態において、クラッド１５の屈折率とキャピラリ２０の屈折率とが互いに等しくされたが、クラッド１５の屈折率とキャピラリ２０の屈折率とが互いに異なるようにされても良い。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。なお、以下の実施例及び比較例は有限要素法を用いた計算機シミュレーションによるものである。

（実施例１）
第１実施形態の光デバイス１をマルチコアファイバ５に接続したモデルでシミュレーションを行った。

本モデルでは、マルチコアファイバ５において、コア５３の半径ｒ_ｔを６．４７μｍとし、コア間距離を４４．１μｍとし、クラッド５５に対するコア５３の比屈折率差Δ_ｔを０．４５％とした。また、クラッド５５の直径を１７６．３μｍとした。この場合、マルチコアファイバ５のそれぞれのコア５３を伝搬する波長１．５５μｍの光のモードフィールド径（ＭＦＤ）は１１．３μｍであり、実効断面積Ａ_ｅｆｆは、１１０μｍ^２となる。また、それぞれのコア５３の断面積と比屈折率差Δ_ｔとの積からなる屈折率体積をＶ_ｔは、５９．１７９となる。

また、光デバイス１において、大径部２１での内側コア１１の半径ｒ_１をコア５３の半径と同じ６．４７μｍとし、大径部２１でのコア間距離を１７６．４μｍとした。また、内側コア１１のクラッドに対する比屈折率差Δ_１と外側コア１２のクラッドに対する比屈折率差Δ_２との差Δ_１２をコア５３のクラッド５５に対する比屈折率差と同じ０．４５％とした。更に、延伸比を４として、大径部２１における外側コアの半径ｒ_２及び外側コアのクラッドに対する比屈折率差Δ_２を変化させた。

この光デバイス１のそれぞれのコア１３とマルチコアファイバ５のそれぞれのコア５３とを伝搬する波長１．５５μｍの光の接続損失を図６に示す。図６において、実線はＬＰ_０１モードの光の接続損失を示し、破線はＬＰ_１１モードの光の接続損失を示す。それぞれの線の近傍に記載されている数字が損失を示し単位はｄＢである。なお、シミュレーションは、中継ファイバ１０側に光ファイバを接続するモデルで計算したが、当該光ファイバと中継ファイバ１０との接続損失が０となるようにした。そのため、本実施例での接続損失の主要因は、光デバイス１とマルチコアファイバ５との接続損失となる。

また、図６の一点鎖線は、波長１．５３μｍでのＬＰ_０２モードの光の曲げ損失が半径１４０ｍｍで１．０ｄＢ／ｍとなる線である。この一点鎖線以下の領域であれば、波長が１．５３μｍ以上の波長帯域（Ｃバンド、Ｌバンド）において、実質的にＬＰ_１１モードよりも高次のモードの光の伝搬を抑制することができる。なお、本実施例の場合、波長１．５３０μｍにおいてＬＰ_２１モードの光は上記一点鎖線よりも上側に位置する。従って、ＬＰ_２１モードの光よりもＬＰ_０２モードの光が励起するため、本実施例ではＬＰ_２１モードの光を示す線を記載していない。

また、図６の二点鎖線は、波長１．６２５μｍのＬＰ_１１モードの光の曲げ損失が半径３０ｍｍで０．５ｄＢ／１００turnsとなる線である。従って、この二点鎖線以上の領域であれば、Ｃバンド帯，Ｌバンド帯でのＬＰ_０１モードの光、及び、ＬＰ_１１モードの光を低損失で伝搬することができる。

つまり、図６において、一点鎖線以下で二点鎖線以上の領域であれば、Ｃバンド帯，Ｌバンド帯において、ＬＰ_０１モードの光、及び、ＬＰ_１１モードの光を伝搬し、それ以上高次のモードの光の伝搬を抑制するフューモード通信が可能となる。図６に記載のこのような領域では、ＬＰ_０１モードの光の光デバイス１とマルチコアファイバ５との接続損失がＬＰ_１１モードの光の光デバイス１とマルチコアファイバ５との接続損失以上となる結果となった。

図６において、○印、△印、□印は、このようなフューモード通信が可能な代表的な点を示す。○印は、大径部２１における外側コア１２の半径ｒ_２が約２６．５４７μｍ（小径部２３における外側コア１２の半径ｒ_２’が約６．６３７μｍ）で、外側コア１２のクラッドに対する比屈折率差Δ_２が約０．４４５％の点を示す。また、△印は、大径部２１における外側コア１２の半径ｒ_２が約２８．０６９μｍ（小径部２３における外側コア１２の半径ｒ_２’が約７．０１７μｍ）で、外側コア１２のクラッドに対する比屈折率差Δ_２が約０．４０９％の点を示す。また、□印は、大径部２１における外側コア１２の半径ｒ_２が約２９．５９２μｍ（小径部２３における外側コア１２の半径ｒ_２’が約７．３９８μｍ）で、外側コア１２のクラッドに対する比屈折率差Δ_２が約０．３７３％の点を示す。なお、上記条件から小径部２３における内側コア１１の半径ｒ_１’は、１．５７５となる。

ここで、小径部２１の内側コア１１の断面積と内側コア１１のクラッド１５に対する比屈折率差Δ_１との積からなる屈折率体積をＶ_１’とすると、屈折率体積Ｖ_１’は、○印において７．３５７μｍ^２％となり、△印において７．０６２μｍ^２％となり、□印において６．７６７μｍ^２％となる。また、縮径後の外側コア１２の断面積と外側コア１２の比屈折率差Δ_２との積からなる屈折率体積をＶ_２’とすると、屈折率体積Ｖ_２’は、○印において５７．９３１μｍ^２％となり、△印において５９．９３９μｍ^２％となり、□印において６１．１１３μｍ^２％となる。従って、○印、△印、□印の何れにおいても、上記式（４）を満たす。

これらの点において、波長１．５５μｍの光が伝搬する場合に、大径部２１でのＬＰ_０１モードの光の実効断面積Ａ_eff-LP01-21、及び、大径部２１での波長ＬＰ_１１モードの光の実効断面積Ａ_eff-LP11-21、及び、大径部２１でのモードフィールド径ＭＦＤ_２１、及び、小径部２３でのＬＰ_０１モードの光の実効断面積Ａ_eff-LP01-23、及び、小径部２３での波長ＬＰ_１１モードの光の実効断面積Ａ_eff-LP11-23、及び、小径部２３でのモードフィールド径ＭＦＤ_２３を表１に示す。また、波長１．５５μｍの光がそれぞれのコアを伝搬する場合において、それぞれのコアの光デバイス１とマルチコアファイバ５との接続点でのＬＰ_０１モードの光の接続損失ＣＬ_０１、ＬＰ_１１モードの光の接続損失ＣＬ_１１を表１に示す。なお、表１には、上記に加えて、延伸比ＴＲ、大径部２１での内側コア１１の半径ｒ_１、大径部２１での外側コア１２の半径ｒ_２、小径部２３での内側コア１１の半径ｒ_１’、小径部２３での外側コア１２の半径ｒ_２’、比屈折率差Δ_１と比屈折率差Δ_２との差Δ_１２、比屈折率差Δ_２、屈折率体積をＶ_１’、屈折率体積Ｖ_１’が記載されている。

図７は、○印となる光デバイス１のコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失ＣＬ_０１、ＬＰ_１１モードの光の接続損失ＣＬ_１１を示す図である。また、図８は、△印となる光デバイス１のコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失ＣＬ_０１、ＬＰ_１１モードの光の接続損失ＣＬ_１１を示す図である。また、図９は、□印となる光デバイス１のコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失ＣＬ_０１、ＬＰ_１１モードの光の接続損失ＣＬ_１１を示す図である。なお、図7〜図９において、実線は接続損失ＣＬ_０１を示し、破線は接続損失ＣＬ_１１を示す。

図７〜図９に示すように、○印、△印、□印で示す状態の光デバイスであれば、Ｃバンド帯，Ｌバンド帯の光通信において、接続損失を０．２ｄＢ以下に抑えられることが分かる。

図１０は、□印となる光デバイス１のテーパ部２２の長さＬ_ｔを５ｍｍとした場合において、コア１３を伝搬する光のＬＰ_０１モードの光の実効断面積Ａ_eff-LP01、及び、ＬＰ_１１モードの光の実効断面積Ａ_eff-LP11変化の様子を示す図である。また、図１１は、□印となる光デバイス１のテーパ部２２の長さＬ_ｔを１０ｍｍとした場合において、コア１３を伝搬する光のＬＰ_０１モードの光の実効断面積Ａ_eff-LP01、及び、ＬＰ_０１モードの光の実効断面積Ａ_eff-LP11変化の様子を示す図である。なお、図１０、図１１において、実線がＬＰ_０１モードの光の実効断面積Ａ_eff-LP01を示し、破線がＬＰ_１１モードの光の実効断面積Ａ_eff-LP11を示す。また、図１０、図１１において、横軸はテーパ部２２と大径部２１との境界からの距離を示す。従って、横軸の０はテーパ部２２と大径部２１との境界であり、図１０における横軸の５はテーパ部２２と小径部２３との境界であり、図１１における横軸の１０はテーパ部２２と小径部２３との境界である。

図１０、図１１より、テーパ部２２の長さＬ_ｔが１０ｍｍ以上であれば、コア１３を伝搬する光がＬＰ_１１モードより高次モードの光と結合することを抑制することができる。

図１２は、□印となる光デバイス１の小径部２３の長さＬ_ｓを変化させる場合において、互いに隣り合うコア１３を伝搬するＬＰ_０１モードの光のクロストークの大きさを示す図である。また、図１３は、□印となる光デバイス１の小径部２３の長さＬ_ｓを変化させる場合において、互いに隣り合うコア１３を伝搬するＬＰ_１１モードの光のクロストークの大きさを示す図である。なお、図１２、図１３では、テーパ部２２の長さＬ_tが、４．０ｍｍ，６．０ｍｍ，８．０ｍｍ，１０．０ｍｍの場合について上記クロストークを示している。

図１２、図１３に示すように、ＬＰ_０１モードの光のクロストークの大きさは−５０ｄＢ以下となった。また、テーパ部２２の長さＬ_ｔが４．０ｍｍ以上で、小径部２３の長さＬ_ｓが２ｍｍ以上であれば、ＬＰ_１１モードの光のクロストークの大きさを−３０ｄＢ以下にすることができ、さらに、テーパ部２２の長さＬ_ｔが６．０ｍｍ以上であれば、当該クロストークの大きさを−４０ｄＢ以下にすることができる結果となった。

（実施例２）
マルチコアファイバ５において、コア５３の半径ｒ_ｔを６．６３μｍとし、クラッド５５に対するコア５３の比屈折率差Δ_ｔを０．４５％とし、コア間距離を４５．５μｍとし、クラッド５５の直径を１８１．８μｍとした。この場合、マルチコアファイバ５のそれぞれのコア５３を伝搬する波長１．５５μｍの光のモードフィールド径（ＭＦＤ）は１１．５μｍであり、実効断面積Ａ_ｅｆｆは１１３．８μｍ^２となる。また、それぞれのコア５３の断面積と比屈折率差Δ_ｔとの積からなる屈折率体積をＶ_ｔは、６２．１４３となる。

また、光デバイス１において、大径部２１での内側コア１１の半径ｒ_１を６．３０μｍとし、大径部２１でのコア間距離を１４４．２μｍとした。また、内側コア１１のクラッドに対する比屈折率差Δ_１と外側コア１２のクラッドに対する比屈折率差Δ_２との差Δ_１２が０．５０％とした。更に、延伸比を３．１７として、大径部２１における外側コアの半径ｒ_２及び外側コアのクラッドに対する比屈折率差Δ_２を変化させた。

この光デバイス１のそれぞれのコア１３とマルチコアファイバ５のそれぞれのコア５３とを伝搬する波長１．５５μｍの光の接続損失を図６と同様にして図１４に示す。なお、図１４において、点線は、波長１．５３μｍでのＬＰ_２１モードの光の曲げ損失が半径１４０ｍｍで１．０ｄＢ／ｍとなる線である。

実施例１と同様に本実施例においても、一点鎖線以下で二点鎖線以上の領域であれば、Ｃバンド帯，Ｌバンド帯において、ＬＰ_０１モードの光、及び、ＬＰ_１１モードの光を伝搬し、それ以上高次のモードの光の伝搬を抑制するフューモード通信が可能となる。本実施例においても実施例１と同様にＬＰ_０１モードの光の光デバイス１とマルチコアファイバ５との接続損失がＬＰ_１１モードの光の光デバイス１とマルチコアファイバ５との接続損失以上となる結果となった。

図１４において、△印は、このようなフューモード通信が可能な代表的な点を示し、大径部２１における外側コア１２の半径ｒ_２が約２１．４３５４μｍ（小径部２３における外側コア１２の半径ｒ_２’が約６．７６２μｍ）で、外側コア１２のクラッドに対する比屈折率差Δ_２が約０．３９９％の点を示す。なお、上記条件から小径部２３における内側コア１１の半径ｒ_１’は、１．９８７となる。

ここで、実施例１と同様に屈折率体積をＶ_１’を求めると、屈折率体積をＶ_１’は△印において１１．１５３となる。また、実施例１と同様に屈折率体積Ｖ_２’を求めると、屈折率体積をＶ_２’は△印において５２．３３７となる。図１４の△印おいて、上記式（４）を満たす。△点について、上記表１と同様の内容を表２に示す。

図１５は、△印となる光デバイス１のコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失ＣＬ_０１、ＬＰ_１１モードの光の接続損失ＣＬ_１１を図７〜図９と同様にして示す図である。図１５に示すように、△印で示す状態の光デバイスであれば、Ｃバンド帯，Ｌバンド帯の光通信において、接続損失を０．４５ｄＢ以下に抑えられることが分かる。

（実施例３）
光デバイス１において、延伸比を４．０１としたこと以外は、実施例２と同様の構成とした。

この光デバイス１のそれぞれのコア１３とマルチコアファイバ５のそれぞれのコア５３とを伝搬する波長１．５５μｍの光の接続損失を図６と同様にして図１６に示す。図１６における点線は図１４における点線と同じ意味である。

実施例１、２と同様に本実施例においても、一点鎖線以下で二点鎖線以上の領域であれば、Ｃバンド帯，Ｌバンド帯において、ＬＰ_０１モードの光、及び、ＬＰ_１１モードの光を伝搬し、それ以上高次のモードの光の伝搬を抑制するフューモード通信が可能となる。本実施例においても実施例１と同様にＬＰ_０１モードの光の光デバイス１とマルチコアファイバ５との接続損失がＬＰ_１１モードの光の光デバイス１とマルチコアファイバ５との接続損失以上となる結果となった。

図１６において、○印、△印、□印は、このようなフューモード通信が可能な代表的な点を示す。○印は、大径部２１における外側コア１２の半径ｒ_２が約２６．９２１μｍ（小径部２３における外側コア１２の半径ｒ_２’が約６．７３０μｍ）で、外側コア１２のクラッドに対する比屈折率差Δ_２が約０．４３６％の点を示す。また、△印は、大径部２１における外側コア１２の半径ｒ_２が約２７．９３８μｍ（小径部２３における外側コア１２の半径ｒ_２’が約６．９６７μｍ）で、外側コア１２のクラッドに対する比屈折率差Δ_２が約０．４０９％の点を示す。また、□印は、大径部２１における外側コア１２の半径ｒ_２が約２８．８８８μｍ（小径部２３における外側コア１２の半径ｒ_２’が約７．２０４μｍ）で、外側コア１２のクラッドに対する比屈折率差Δ_２が約０．３８３％の点を示す。なお、上記条件から小径部２３における内側コア１１の半径ｒ_１’は、１．５７１となる。

ここで、実施例１と同様に屈折率体積をＶ_１’を求めると、屈折率体積Ｖ_１’は○印において７．２６１となり、△印において７．０４７となり、□印において６．８５０となる。また、実施例１と同様に屈折率体積をＶ_２’を求めると、屈折率体積Ｖ_２’は○印において５８．４１２となり、△印において５９．１６０となり、□印において５９．５４２となる。従って、○印、△印、□印の何れにおいても、上記式（４）を満たす。これらの点において、上記表１と同様の内容を表３に示す。

図１７は、○印となる光デバイス１のコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失ＣＬ_０１、ＬＰ_１１モードの光の接続損失ＣＬ_１１を示す図である。また、図１８は、△印となる光デバイス１のコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失ＣＬ_０１、ＬＰ_１１モードの光の接続損失ＣＬ_１１を示す図である。また、図１９は、□印となる光デバイス１のコアを伝搬する光の波長が変化する場合におけるＬＰ_０１モードの光の接続損失ＣＬ_０１、ＬＰ_１１モードの光の接続損失ＣＬ_１１を示す図である。なお、図１７〜図１９は、図７〜図９と同様の方法で示されている。

図１７〜図１９に示すように、○印、△印、□印で示す状態の光デバイスであれば、Ｃバンド帯，Ｌバンド帯の光通信において、接続損失を０．２５ｄＢ以下に抑えられることが分かる。

次に図６、図１４、図１６における○印、△印、□印で示す光デバイス１について、内側コア１１の比屈折率差体積Ｖ_１と外側コア１２の比屈折率差体積Ｖ_２との比Ｖ_１／Ｖ_２を求めた。内側コア１１の比屈折率差体積Ｖ_１は、大径部２１での内側コア１１の断面積と内側コア１１の比屈折率差Δ_１との積で示される。また、外側コア１２の比屈折率差体積Ｖ_２は、大径部２１での外側コア１２の断面積と外側コア１２の比屈折率差Δ_２との積で示される。なお、上記比Ｖ_１／Ｖ_２を求める場合、大径部２１、テーパ部２２、小径部２３における何処の断面で求めても、当該比Ｖ_１／Ｖ_２は同じ値となる。

次に図６、図１４、図１６における○印、△印、□印のそれぞれについて、大径部２１での外側コアの半径ｒ_２と上記で求めた比Ｖ_１／Ｖ_２の値との関係を図２０において、四角形で示す。

図２０に示すように、図６、図１４、図１６における○印、△印、□印のそれぞれについて、大径部２１での外側コアの半径ｒ_２と比Ｖ_１／Ｖ_２との間に相関があることが分かった。図２０より、求めたそれぞれの比Ｖ_１／Ｖ_２は、０．５３７７×ｒ_２−７．７と０．５３７７×ｒ_２−５．７との間に位置していることが分かった。従って、図６、図１４、図１６における○印、△印、□印のそれぞれにおいて、上記の式（１）が成り立つことが分かった。

また、図６、図１６において小径部２３での外側コアの半径ｒ_２’が約３．７５μｍである場合や、図１４において小径部２３での外側コアの半径ｒ_２’が約４．７μｍである場合、大径部２１での外側コアの半径ｒ_２は約１５μｍとなる。この場合、接続損失は、０．５ｄＢ程度以上になると考えられる。さらに、大径部２１での外側コアの半径ｒ_２は約１５μｍとなる場合、接続損失は０．５ｄＢ程度に抑えることができる。

以上より、上記の式（１）が成り立つことで、マルチコアファイバ５との接続損失と抑えられることが示された。

本発明に係る光デバイスは、構成を複雑化することなくフューモード通信においてマルチコアファイバに光を入出力することができ、マルチコアファイバを用いる光通信の分野等で利用することができる。

１，２・・・光デバイス
５・・・マルチコアファイバ
１０・・・中継ファイバ
１１・・・内側コア
１１ａ・・・低屈折率部
１１ｂ・・・高屈折率部
１２・・・外側コア
１３・・・コア
１５・・・クラッド
２０・・・キャピラリ
２１・・・大径部
２２・・・テーパ部
２３・・・小径部
２５・・・クラッド
５３・・・コア
５５・・・クラッド

Claims (6)

1. 内側コア、及び、前記内側コアの屈折率よりも低い屈折率を有し前記内側コアの外周面を包囲する外側コアから成る複数のコアと、
   前記コアの外周面を包囲し前記外側コアの屈折率より低い屈折率とされるクラッドと、
   を備え、
   前記コアの長手方向の一方側から他方側に向かって、それぞれの前記コアが縮径されると共に互いに隣り合う前記コアの間隔が小さくなるテーパ部が形成され、
   縮径された前記コアを光が伝搬する場合に、波長１．５３μｍでのＬＰ_０２モード及びＬＰ_２１モードの光の曲げ損失が半径１４０ｍｍで１．０ｄＢ／ｍ以上とされ、波長１．６２５μｍのＬＰ_１１モードの光の曲げ損失が半径３０ｍｍで０．５ｄＢ／１００turns以下とされ、
   縮径前の前記内側コアの半径をｒ_１とし、縮径前の前記外側コアの半径をｒ_２とし、縮径前の前記内側コアの断面積と前記内側コアの前記クラッドに対する比屈折率差との積からなる屈折率体積をＶ_１とし、縮径前の前記外側コアの断面積と前記外側コアの前記クラッドに対する比屈折率差との積からなる屈折率体積をＶ_２とする場合に
   ０．５３７７×ｒ_２−７．７≦Ｖ_２／Ｖ_１≦０．５３７７×ｒ_２−５．７
   ２１．４３５≦ｒ _２ ≦２９．５９２
   ３≦ｒ_２／ｒ_１≦５
   を満たす
   ことを特徴とする光デバイス。
2. 縮径前の前記外側コアの半径ｒ_２が１５μｍ以上とされる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記テーパ部の長さが４ｍｍ以上で、縮径後の前記コアの長さが２ｍｍ以上とされる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。
4. 前記テーパ部の長さが６ｍｍ以上とされる
   ことを特徴とする請求項３に記載の光デバイス。
5. 縮径後の前記内側コアの断面積と前記内側コアの前記クラッドに対する比屈折率差との積からなる屈折率体積をＶ_１’とし、縮径後の前記外側コアの断面積と前記外側コアの前記クラッドに対する比屈折率差との積からなる屈折率体積をＶ_２’とし、
   縮径された前記複数のコアのそれぞれと接続される複数のコアを有するマルチコアファイバにおいて、当該コアの断面積と当該コアの外周面を包囲するクラッドに対する当該コアの比屈折率差との積からなる屈折率体積をＶ_ｔとする場合に、
   （Ｖ_１’＋Ｖ_２’）／Ｖ_ｔ≧１
   を満たす
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光デバイス。
6. ＬＰ_０１モードの光の前記マルチコアファイバとの接続損失がＬＰ_１１モードの光の前記マルチコアファイバとの接続損失以上とされる
   ことを特徴とする請求項５に記載の光デバイス。

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