JP7310906B2 - 光分岐回路作製方法及び光分岐回路作製装置 - Google Patents

Description

本開示は、光ファイバ心線の光分岐回路作製方法及び光分岐回路作製装置に関する。

光ファイバ心線を切断することなく、光ファイバ心線に光信号を入出力する光分岐技術の一つとして、光ファイバ側方入出力技術が検討されている。この光ファイバ側方入出力技術においては、既設の光ファイバ心線（現用心線）に曲げを与え、この曲げ部に側面から別の光ファイバ心線（プローブ）を対向させ、当該プローブの先端部から光信号を入射すると共に、現用心線から出射される光信号をプローブの先端部で受光する（例えば、特許文献１を参照。）。

光ファイバ側方入出力技術では、曲げを調整し曲げ損失を低く設定することで、現用心線の通信サービスを中断することなく光を分岐することができる。そのため、現用心線の一時的な光分岐や通信信号のモニタリング、線路の一時的な二重化による無瞬断切替工事など様々な用途に光ファイバ側方入出力技術応用できる。

上記で説明した光ファイバ側方入出力技術には以下の課題がある。例えば、曲げによる現用心線へのダメージのため、長期間設置すると信頼性が低下する。また、曲げ形状を変更することが難しいため、現用心線を伝搬する光のうち、分岐できる割合を自由に変更することが困難である。さらに、入出力効率は原理的に－１５ｄＢ程度（分岐比３%）が限界である。

他の光分岐技術として、２つの側面研磨した光ファイバ心線を近接させ、エバネッセント結合させる光分岐方法が検討されている（例えば、非特許文献１を参照）。

特開２０１５－０４０９１６号公報

Ｒ． Ａ． Ｂｅｒｇｈ， ｅｔ ａｌ．， "Ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ ｆｉｂｒｅ ｏｐｔｉｃ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｕｐｌｅｒ"， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２７ｔｈ Ｍａｒｃｈ １９８０， ｖｏｌ．１６， ｎｏ．７．

しかし、非特許文献１では、通信サービスに影響のないように、現用の光ファイバ心線内を伝搬する通信光の損失を低く抑えつつ、光分岐回路の分岐比を柔軟に設定できる光分岐回路の作製技術については検討されていない。

本開示は、上記課題を解決するものであって、現用の光ファイバ心線内を伝搬する通信光への影響を最小化しつつ、光分岐回路の分岐比を自由に設定できる光分岐回路作製方法及び光分岐回路作製装置を提供することを目的とする。

通信光への影響を最小化するために、現用の光ファイバ心線のコアの屈折率よりも低い屈折率の屈折率整合材を研磨面に塗布する。また、光分岐回路の分岐比を自由に設定するために、分岐比をモニタしつつ、研磨面同士を位置合わせして、所望の分岐比が得られる位置に移動させる。

具体的には、本開示の光分岐回路作製方法は、
光ファイバ心線を格納する治具に、光ファイバ心線を装着し、前記治具ごと前記光ファイバ心線のコア付近まで又はコアに達するまで研磨する工程１と、
前記工程１で研磨した治具の前記光ファイバ心線の研磨面又は予めコア付近まで又はコアに達するまで研磨された光導波回路の研磨面に、前記光ファイバ心線のコアの屈折率より低い屈折率を有する屈折率整合材を塗布し、研磨面同士を接合する工程２と、
前記工程２で接合した研磨面同士を位置合わせし、所望の分岐比が得られる位置に前記治具又は前記光導波回路を移動させる工程３と、
を備える。

具体的には、本開示の光分岐回路作製装置は、
光ファイバ心線を装着した治具ごと前記光ファイバ心線のコア付近まで又はコアに達するまで研磨する研磨部と、
前記研磨部の研磨した治具の前記光ファイバ心線の研磨面又は予めコア付近まで又はコアに達するまで研磨された光導波回路の研磨面に、前記光ファイバ心線のコアの屈折率より低い屈折率を有する屈折率整合材を塗布し、研磨面同士を接合する接合部と、
前記接合部の接合した研磨面同士を位置合わせし、所望の分岐比が得られる位置に前記治具又は前記光導波回路を移動させる調整部と、
を備える。

本開示の光分岐回路作製方法又は光分岐回路作製装置によれば、通信光への影響を最小化しつつ、光分岐回路の分岐比を自由に設定できる。

光分岐回路作製方法 光分岐回路の構成 屈折率整合材の屈折率に対する挿入損失 Ｙ軸方向のオフセットに対する伝搬率 Ｚ軸方向のオフセットに対する伝搬率 シミュレーションによる光分岐回路の電磁界分布

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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。

本開示の光分岐回路作製方法を図１で説明する。図１において、１０は光分岐回路、１１は光ファイバ心線、１２は治具、１３は研磨面、１４は屈折率整合材、１５は光導波回路、１６は光導波路である。

本開示の光分岐回路作製方法は、光ファイバ１１心線を格納する治具１２に、光ファイバ心線１１を装着し、治具１２ごと光ファイバ心線１１のコア付近まで又はコアに達するまで研磨する工程１と、工程１で研磨した治具の光ファイバ心線１１の研磨面又は予めコア付近まで又はコアに達するまで研磨された光導波回路１５の研磨面に、光ファイバ心線１１のコアの屈折率より低い屈折率を有する屈折率整合材１４を塗布し、研磨面同士を接合する工程２と、工程２で接合した研磨面同士を位置合わせし、所望の分岐比が得られる位置に治具１２又は光導波回路１５を移動させる工程３と、を備える。

本開示の光分岐回路作製装置は、光ファイバ心線１１を装着した治具１２ごと光ファイバ心線１１のコア付近まで又はコアに達するまで研磨する研磨部（不図示）と、研磨部の研磨した治具の光ファイバ心線１１の研磨面又は予めコア付近まで又はコアに達するまで研磨された光導波回路１５の研磨面に、光ファイバ心線１１のコアの屈折率より低い屈折率を有する屈折率整合材１４を塗布し、研磨面同士を接合する接合部（不図示）と、接合部の接合した研磨面同士を位置合わせし、所望の分岐比が得られる位置に治具１２又は光導波回路１５を移動させる調整部（不図示）と、を備える。

光ファイバ心線１１を格納する治具１２に、光ファイバ心線１１を装着し、固定する（図１（ａ））。固定するには接着剤などを利用すればよい。接着剤などで固定した後、治具ごと光ファイバ心線１１のコア付近又はコアに達するまで研磨する（図１（ｂ））。図１（ａ）に示す工程及び図１（ｂ）に示す工程で工程１を構成する。工程１は研磨部（不図示）が実施してもよい。

工程１で研磨した治具１２の研磨面１３に屈折率整合材１４を塗布する（図１（ｃ））。屈折率整合材１４は、光ファイバ心線１１のコアの屈折率より低い屈折率を有する。予めコア付近まで又はコアに達するまで研磨された光導波回路１５を準備しておく。光導波回路１５は、工程１で作製した光ファイバを研磨した治具でもよい。この場合、光導波路１６は光ファイバ心線であり、光ファイバ心線のコア又はコアに達するまで研磨しておくことになる。また、平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）でもよい。この場合、光導波路１６がコアとなる。治具１２の研磨面１３と光導波回路１５の研磨面とを、屈折率整合材１４を介して接合する（図１（ｄ））。図１（ｃ）では、治具１２の研磨面１３に屈折率整合材１４を塗布したが、光導波回路１５の研磨面に屈折率整合材１４を塗布してもよいし、両方の研磨面に屈折率整合材１４を塗布してもよい。図１（ｃ）に示す工程及び図１（ｄ）に示す工程で工程２を構成する。工程２は接合部（不図示）が実施してもよい。

工程２で接合した研磨面同士を位置合わせし、光導波路１６又は光ファイバ心線１１からの光出力をモニタしつつ、光導波路１６又は光ファイバ心線１１への所望の分岐比が得られる位置に、治具１２又は光導波回路１５を移動させる（図１（ｅ））。図１（ｅ）に示す工程で工程３を構成する。工程３は調整部（不図示）が実施してもよい。

作製された光分岐回路の構成を図２に示す。図２において、１０は光分岐回路、１１は光ファイバ心線、１２は治具、１４は屈折率整合材、１５は光導波回路、１６は光導波路である。図２では、光分岐回路１０の各ポートの名称とそのポートでの入力又は出力の光強度（カッコ内）を、それぞれ光導波路１６の入力側をＰｉｎ１（Ｐｉｎ）、光ファイバ心線１１の入力側をＰｉｎ２、光導波路１６の出力側をＰｏｕｔ１（Ｐｏｕｔ１）、光ファイバ心線１１の出力側をＰｏｕｔ２（Ｐｏｕｔ２）としている。

図２では、屈折率整合材１４の塗布された研磨面に水平で、かつ光ファイバ心線１１に垂直な方向をＹ軸とし、屈折率整合材１４の塗布された研磨面に水平で、かつ光ファイバ心線１１の長手方向をＺ軸としている。

屈折率整合材の屈折率に対するポートＰｉｎ２からポートＰｏｕｔ２への挿入損失を図３に示す。図３では、屈折率整合材の屈折率を横軸に、図２に示すポートＰｉｎ２からポートＰｏｕｔ２への挿入損失を縦軸に表示している。光ファイバ心線１１のコアの屈折率は、破線で示すように１．４５である。図３より、屈折率整合材の屈折率を光ファイバ心線１１のコアの屈折率１．４５よりも小さくすると、挿入損失をゼロとできることが分かる。このため、本開示の光分岐回路１０では、屈折率整合材の屈折率を光ファイバ心線１１のコアの屈折率１．４５よりも小さく設定した。このような設定により、通信光が光ファイバ心線１１内を伝搬していても、通信光への影響を最小化できる。

図２におけるＹ軸方向のオフセットに対するポートＰｉｎ１からポートＰｏｕｔ２への伝搬率（光強度比）Ｐｏｕｔ２／Ｐｉｎ及びポートＰｉｎ１からポートＰｏｕｔ１への伝搬率（光強度比）Ｐｏｕｔ１／Ｐｉｎを図４に示す。図４では、図２におけるＺ軸方向のオフセットはゼロとしている。

図２におけるＺ軸方向のオフセットに対するポートＰｉｎ１からポートＰｏｕｔ２への伝搬率（光強度比）Ｐｏｕｔ２／Ｐｉｎ及びポートＰｉｎ１からポートＰｏｕｔ１への伝搬率（光強度比）Ｐｏｕｔ１／Ｐｉｎを図５に示す。図５では、図２におけるＹ軸方向のオフセットはゼロとしている。

図４及び図５から分かるように、ポートＰｉｎ１からポートＰｏｕｔ２あるいはＰｏｕｔ１への伝搬率をモニタしつつ、研磨面同士を位置合わせして、所望の伝搬率が得られる位置に移動させれば、光分岐回路１０の分岐比を自由に設定することができる。

前述した工程２を実施する際に、光ファイバ心線１１のコアの中心軸の位置と光導波回路１５のコアの中心軸の位置とが所定の距離以上となるように、研磨面同士を接合する。例えば、図４では、Ｙ軸方向のオフセットを１０μｍ以上とすれば、伝搬率Ｐｏｕｔ２／Ｐｉｎはゼロに近い値となる。伝搬率Ｐｏｕｔ２／Ｐｉｎがゼロに近ければ、ポートＰｉｎから試験光を入力しても、ポートＰｏｕｔ２に分岐されることはなく、光ファイバ心線が現用通信に使用されていても、試験光の入力が現用通信へ影響することを最小化できる。また、伝搬率Ｐｏｕｔ２／Ｐｉｎがゼロに近いということは、ポートＰｉｎ２からポートＰｏｕｔ２へ伝搬する現用通信光の損失もゼロに近い値であることを意味するため、光ファイバ心線１１が現用通信に使用されていても、光分岐回路１０の挿入が現用通信へ影響することを最小化できる。なお、図５では、Ｚ軸方向のオフセットを１０００μｍとしても伝搬率Ｐｏｕｔ２／Ｐｉｎは減少しないため、１０００μｍより十分大きなオフセット量を確保すれば、現用通信への影響を最小化できる。

さらに、ポートＰｉｎ１に入力する試験光の光強度Ｐｉｎを十分に低く設定すれば、現用通信への影響を一層低減できる。例えば、光強度ＰｉｎをポートＰｏｕｔ１で試験光を受光する受光素子の最小受光感度程度とする。具体例として、最小受光感度＋１０ｄＢとすればよい。

治具１２ごと光ファイバ心線１１を研磨する際、及び光導波回路１５を研磨する際、それぞれコア付近まで研磨するとクラッドが残る。それぞれコアに達するまで研磨するとクラッドが残らず、コアが露出する。一方又は両方のクラッドを残す場合は、光ファイバ心線１１のコアを伝搬する光の所定量がエバネッセント結合して、光導波路１６のコアに分岐するよう、一方又は両方のクラッドの厚さと屈折率整合材１４の厚さとの和を調整する。両方ともクラッドを残さず、コアを露出させる場合は、光ファイバ心線１１のコアを伝搬する光の所定量がエバネッセント結合して、光導波路１６のコアに分岐するよう、屈折率整合材１４の厚さを調整する。

工程３では、光ファイバ心線１１のコアを伝搬する光のうち、光導波回路１５のコアへエバネッセント結合し分岐した光の強度が所望の値となる位置へ、治具１２又は光導波回路１５を移動させた後に、研磨面同士を固定することになる。

図２において、ポートＰｉｎ１から光強度Ｐｉｎの光を入力し、ポートＰｏｕｔ２から光強度Ｐｏｕｔ２の光が出力されるとき、分岐比Ｘは、Ｘ＝Ｐｏｕｔ２／Ｐｉｎで表される。この分岐比は、ポートＰｉｎ１から光強度Ｐｉｎの光を入力し、ポートＰｏｕｔ１から光強度Ｐｏｕｔ１の光が出力されるとき、分岐比Ｘは、Ｘ＝１－Ｐｏｕｔ１／Ｐｉｎと表してもよい。

工程３では、この分岐比Ｘが所望の値となる位置へ治具１２又は光導波回路１５を移動させることが望ましい。ポートＰｏｕｔ２から出力される光の光強度を測定することなく、所望の分岐比Ｘを実現することができる。

図４は、図２におけるＹ軸方向に治具１２又は光導波回路１５を移動させたときの伝搬率の変化を示している。図５は、図２におけるＺ軸方向に治具１２又は光導波回路１５を移動させたときの伝搬率の変化を示している。図５では、Ｚ軸方向にオフセットを大きくとっても、伝搬率は大きくは変化しない。例えば、Ｚ軸方向に治具１２又は光導波回路１５をオフセット０から１０００μｍ移動させても、光強度の比率Ｐｏｕｔ２／Ｐｉｎは１から０．９程度の変化である。しかし、図４では、Ｙ軸方向にオフセットを少しとっただけで、伝搬率は大きく変化する。例えば、Ｙ軸方向に治具１２又は光導波回路１５をオフセット０から１０μｍ移動させると、光強度の比率Ｐｏｕｔ２／Ｐｉｎは１から０まで変化する。

そこで、工程３では、まず、Ｙ軸方向、即ち、研磨面１３に水平でかつ光ファイバ心線１１に垂直となる方向に、治具１２又は光導波回路１５を移動させ、分岐比Ｘが所望の値となった場合に、移動を終了させ、研磨面同士の相対位置関係が変わらないよう固定する。分岐比Ｘが所望の値に達しない場合は、さらにＺ軸方向、即ち、研磨面１３に水平でかつ光ファイバ心線１１の長手方向に、治具１２又は光導波回路１５を移動させ、分岐比Ｘが所望の値となった場合に、移動を終了させ、研磨面同士の相対位置関係が変わらないよう、治具１２と光導波回路１５とを固定する。

Ｙ軸方向に治具１２又は光導波回路１５を移動させるだけでは、精密に分岐比Ｘが所望の値となるような調整が難しい場合、Ｙ軸方向に治具１２又は光導波回路１５を移動させる粗調整の後、Ｚ軸方向に治具１２又は光導波回路１５を移動させて微調整で分岐比Ｘを所望の値とすることでもよい。

治具１２と光導波回路１５とを固定するには、屈折率整合材１４に紫外線硬化機能を持たせ、分岐比Ｘが所望の値となったときに、紫外線を照射してもよい。紫外線硬化樹脂を屈折率整合材として用いるときは、治具１２又は光導波回路１５は紫外線に対して透明であることが望ましい。治具１２と光導波回路１５とを固定するには、機械的に治具１２と光導波回路１５が動かないようにクリップ止めやクランプを利用してもよい。

３次元ビーム伝搬法を用いたシミュレーションによる光分岐回路１０の電磁界分布を図６に示す。図６は、現用通信光がポートＰｉｎ２からポートＰｏｕｔ１又はＰｏｕｔ２へ伝搬する場合である。図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）は、図４におけるＹオフセットをそれぞれ８μｍ、５μｍ、０μｍとした場合である。ポートＰｉｎ２からポートＰｏｕｔ１への分岐比は、シミュレーション結果から、それぞれ０．１、０．５、１．０が得られた。図６の電磁界分布はこの結果を良く表している。図６から、光分岐回路１０は、Ｙオフセットを調整することで、所望の分岐比が得られることが分かる。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

１０：光分岐回路
１１：光ファイバ心線
１２：治具
１３：研磨面
１４：屈折率整合材
１５：光導波回路
１６：光導波路

Claims (10)

1. 光ファイバ心線を格納する治具に、既設の光ファイバ心線を装着し、治具ごと前記光ファイバ心線のコア付近まで又はコアに達するまで研磨する工程１と、
   前記工程１で研磨した治具の前記光ファイバ心線の研磨面又は予めコア付近まで又はコアに達するまで研磨された光導波回路の研磨面に、屈折率が１．４５より低い屈折率整合材を塗布し、研磨面同士を接合する工程２と、
   前記工程２で接合した研磨面同士を位置合わせし、所望の分岐比が得られる位置で前記研磨面同士を固定する工程３と、
   を備え、
   前記工程３において、
   前記研磨面に水平でかつ前記光ファイバ心線に垂直となる方向において、前記光導波回路の研磨面と前記光ファイバ心線の研磨面とを１０μｍ以上のＹオフセット量で配置し、
   前記研磨面に水平でかつ前記光ファイバ心線の長手方向において、前記光導波回路の研磨面と前記光ファイバ心線の研磨面とを１０００μｍより大きなＺオフセット量で配置し、
   前記光導波回路の前記コアの一端に受光素子を接続し、前記受光素子の最小受光感度よりも１０ｄＢ高い光強度の試験光を前記光導波回路の前記コアの他端に入力し、前記受光素子で得られた前記試験光の光強度を測定することで、前記研磨面における分岐比を取得し、
   前記Ｙオフセット量を調整することで、前記位置合わせを行うことを特徴とする光分岐回路作製方法。
2. 前記工程２において、
   前記光ファイバ心線のコアの中心軸の位置と前記光導波回路のコアの中心軸の位置とが、所定の距離以上となるように前記研磨面同士を接合させることを特徴とする請求項１に記載の光分岐回路作製方法。
3. 前記工程３において、
   前記光ファイバ心線のコアを伝搬する光のうち前記光導波回路のコアへエバネッセント結合し分岐した光の強度が所望の値となる位置へ前記治具又は前記光導波回路を移動させた後に、前記研磨面同士を固定することを特徴とする請求項１又は２に記載の光分岐回路作製方法。
4. 前記工程３において、
   前記光導波回路の一方のポートに光強度Ｐｉｎの光を入力し、前記光強度Ｐｉｎの光に起因し前記光導波回路の他方のポートから出力された光の光強度Ｐｏｕｔから光分岐回路の分岐比Ｘ
   Ｘ＝１－Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ
   を算出し、前記分岐比が所望の値となる位置へ前記治具又は前記光導波回路を移動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の光分岐回路作製方法。
5. 前記研磨面に水平でかつ前記光ファイバ心線に垂直となる方向に前記治具又は前記光導波回路を移動させ、前記分岐比が所望の値となった場合に、移動を終了させた後に固定し、
   前記分岐比が所望の値に達しない場合には、前記分岐比が所望の値となるまで、前記研磨面に水平でかつ前記光ファイバ心線の長手方向に前記治具又は前記光導波回路を移動させた後に固定することを特徴とする請求項４に記載の光分岐回路作製方法。
6. 既設の光ファイバ心線を装着した治具ごと前記光ファイバ心線のコア付近まで又はコアに達するまで研磨する研磨部と、
   前記研磨部の研磨した治具の前記光ファイバ心線の研磨面又は予めコア付近まで又はコアに達するまで研磨された光導波回路の研磨面に、屈折率が１．４５より低い屈折率整合材を塗布し、研磨面同士を接合する接合部と、
   前記接合部の接合した研磨面同士を位置合わせし、所望の分岐比が得られる位置に前記治具又は前記光導波回路を移動させる調整部と、
   を備え、
   前記光導波回路の前記コアの一端に受光素子を接続し、前記受光素子の最小受光感度よりも１０ｄＢ高い光強度の試験光を前記光導波回路の前記コアの他端に入力し、前記受光素子で得られた前記試験光の光強度を測定することで、前記研磨面における分岐比を取得し、
   前記調整部は、
   前記研磨面に水平でかつ前記光ファイバ心線に垂直となる方向において、前記光導波回路の研磨面と前記光ファイバ心線の研磨面とを１０μｍ以上のＹオフセット量で配置し、
   前記研磨面に水平でかつ前記光ファイバ心線の長手方向において、前記光導波回路の研磨面と前記光ファイバ心線の研磨面とを１０００μｍより大きなＺオフセット量で配置し、
   前記Ｙオフセット量を調整することで、前記位置合わせを行うことを特徴とする光分岐回路作製装置。
7. 前記接合部は、前記光ファイバ心線のコアの中心軸の位置と前記光導波回路のコアの中心軸の位置とが、所定の距離以上となるように前記研磨面同士を接合させることを特徴とする請求項６に記載の光分岐回路作製装置。
8. 前記調整部は、前記光ファイバ心線のコアを伝搬する光のうち前記光導波回路のコアへエバネッセント結合し分岐した光の強度が所望の値となる位置へ前記治具又は前記光導波回路を移動させた後に、前記研磨面同士を固定することを特徴とする請求項６又は７に記載の光分岐回路作製装置。
9. 前記調整部は、前記光導波回路の一方のポートに光強度Ｐｉｎの光を入力し、前記光強度Ｐｉｎの光に起因し前記光導波回路の他方のポートから出力された光の光強度Ｐｏｕｔから光分岐回路の分岐比Ｘ
   Ｘ＝１－Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ
   を算出し、前記分岐比が所望の値となる位置へ前記治具又は前記光導波回路を移動させることを特徴とする請求項６又は７に記載の光分岐回路作製装置。
10. 前記研磨面に水平でかつ前記光ファイバ心線に垂直となる方向に前記治具又は前記光導波回路を移動させ、前記分岐比が所望の値となった場合に、移動を終了させた後に固定し、
    前記分岐比が所望の値に達しない場合には、前記分岐比が所望の値となるまで、前記研磨面に水平でかつ前記光ファイバ心線の長手方向に前記治具又は前記光導波回路を移動させた後に固定することを特徴とする請求項９に記載の光分岐回路作製装置。

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