JPWO2009004713A1 - 双方向光パワーモニターとその組立体 - Google Patents

Abstract

多チャンネル化しても小型化が可能で、光損失の少ない双方向光パワーモニターを開示する。双方向光パワーモニターは２本の光ファイバーを持ち、それらのコアの光軸をオフセットさせて対向してコア端面同士を融着させていて、光ファイバーの一方のコア端面の一部分が融着部で他方のコア端面からオフセットして突出している。Ｕ溝が２本の光ファイバーそれぞれのクラッド層に設けられて、Ｕ溝の側面がコア端面の突出した部分に対向している。Ｕ溝内に設けられている光ダイオードが、一方の光ファイバーのコア端面から他方の光ファイバーのクラッド層内に漏洩した光の３次もしくは４次の強め合った光を検出する。この双方向光パワーモニターは、一方の光ファイバーから他方へ伝播する光信号と、他方から一方へ伝播する光信号をともに小さい光伝播損失で測定することができる。

Description

本発明は、主に光通信分野において用いられる双方向光パワーモニターに係る。

近年、情報通信における技術革新は目覚しく、インターネットの普及による通信速度の高速化の要求および情報量の増加に対応するため、電気信号による通信から光信号による通信へと移行しつつある。多くの基幹となるケーブルは、多数の中継点から情報が集まってくるため、処理能力と処理速度から光ケーブルへと置き換わって来ている。光ケーブルとユーザー端末との間の通信が見直されるようになり、より安くより快適な情報通信環境の整備への要求は、ますます強くなってきている。

光通信網が整備されてくると、情報の授受が高速に行なわれるようになり、またそれに伴って新たな用途が拡大してくるため、光通信網を行き交う情報量が益々増加している。光ファイバーの処理できる情報量を上げるには、単位時間あたりの信号量を増大させるために高周波の信号を使用し、あるいは波長多重方式と称され異なる情報を持つ多数の波長の信号を一本の光ファイバーで同時に送信する技術が用いられている。また、緻密で信頼性の高い通信網を形成するには、多方向、多経路への接続を確保する必要があり、保守用途の観点からも複数の光ファイバーの利用が必須となっている。

多数の信号を光ファイバーで伝送する光通信回路を形成するために、波長多重した光信号を各波長に分波し、逆にそれぞれの波長の光信号を合波し、更に光信号の分岐や挿入を行なうＷａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ（以下、ＷＤＭと略す）システムが必要になる。情報量が増加すると共に、扱われる情報の重要性も高くなる。光信号の欠落に対し、どの光信号がどこで欠落したのかを迅速に把握する必要がある。光信号の接続の有無だけでなく、信号強度を確認することも必要となる。また、伝送距離が長くなると光ファイバー中を伝播するだけで光信号強度が減衰するため、光信号を増幅するためにＥｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（以下、ＥＤＦＡと略す）装置が必要になる。ＥＤＦＡでは外部から入力した光信号の強度や増幅した後外部に出射する光信号の強度を測定して、増幅比を判断する。信頼性の高い光通信システムを構築するために光伝播回路各部にモニタリング機能を備えることが不可欠となってきている。

光信号をモニタリングするために、光カプラで光信号の一部を分岐し、分岐して取り出した光信号を光ファイバーに接続された光ダイオードで検知する手法が用いられていた。この方式では、各部品を融着接続する必要があり、実装工数低減の妨げとなっていた。また、光カプラは、光ファイバーの光信号伝播部位であるコア同士を近接して光信号を分岐させる構造をしている。コア同士の近接している部分の長さが分岐量の重要なパラメーターなので、製品のサイズを小さくすることが困難であった。最近では、特に多重化する波長数を多くして、一度に伝達できる情報量を多くしている。信号検知は各波長に分波して行なわれるため、１台の装置に必要な光パワーモニターの数が多くなる。光パワーモニターに割りあてることのできる装置内の収納スペースが限られているため、光パワーモニターの小型化が必須となってきている。

小型化された光パワーモニターの一例が、特許文献１に開示されている。開示されている光パワーモニターの構造を図１２に示す。図１２（Ａ）は、複数本の光パワーモニター７０をケース６９に組込んだ光パワーモニター組立体７５の一例で、ケースの上蓋を取り除いて示す。図１２（Ｂ）は、光パワーモニター７０の縦断面図である。図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）で、２本の光ファイバー５１，５２を有するマルチキャピラリーガラスフェルール５３とＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｉｎｄｅｘ）レンズ５４とが所定の空隙５５を開けて対向している。ＧＲＩＮレンズ５４の端面にはフィルター５６が形成されており、フィルター５６でＧＲＩＮレンズ５４を通ってきた光の反射と透過を行なう。ＧＲＩＮレンズ５４を透過した光は空隙５７を通りフォトンディテクターあるいは光ダイオード５８で電気信号に変換され端子５９から取り出される。フォトンディテクター５８の電気出力で、光路の光の強度を得ることができる。マルチキャピラリーガラスフェルール５３とＧＲＩＮレンズ５４とはガラスチューブ６０、６０′で位置決めされている。ＧＲＩＮレンズは中心軸から半径方向外側に向かって放射状に連続的に屈折率が変化しているガラス製の円柱である。光が外側に向かって広がれば、光の進行方向は中心軸方向に曲げられる。

図１２（Ｂ）を参照して光の流れを説明する。光ファイバー５１から空隙５５に入った光（入力光）はＧＲＩＮレンズ５４を通りＧＲＩＮレンズ端面のフィルター５６に到達する。フィルター５６に到達した光の大部分は反射しＧＲＩＮレンズ５４と空隙５５を通り、光ファイバー５２に入り出力光となる。フィルター５６を透過した光は空隙５７を通り、フォトンディテクター５８に入り電気信号に変換され端子５９から出力される。この光の経路を実線矢印で示す。逆に、光ファイバー５２から光を入れると前述した光路と同様の経過をたどり、光ファイバー５１から光を取り出す（出力光）ことができる。この光の経路を破線矢印で示す。説明では特許文献１に記載されている名称を用いた。本発明では、フォトンディテクターを光ダイオードと称している。

図１２（Ｂ）に示した光パワーモニター７０は、光が空気中に一度は放出（放射）される。空気は光ファイバーと異なった屈折率を持つため、空気中に放射された光は拡散する。拡散した光を集光するためＧＲＩＮレンズに代表されるレンズは必須である。そこで、光パワーモニターの製品サイズがＧＲＩＮレンズやガラスチューブのサイズに依存する。そのため、図１２（Ａ）の光パワーモニター組立体７５の小型化が難しい。

導波路を用いた光パワーモニターが、特許文献２に記載されている。図１３（Ａ）にその光パワーモニターの光導波路モジュールを平面図で示し、図１３（Ｂ）の断面図で光量の測定原理を説明している。基板８１に略平行に複数の導波路９０が形成され、導波路９０を直角に横断する溝８３が設けられて、導波路９０が入力側８６と出力側８７とに分けられている。溝８３に反射フィルター８４が挿入され、反射フィルター８４の入力側８６上部に光検知器８５が配され、平面導波路型光回路８０を構成している。図１３（Ｂ）の断面図を用いて、光量測定を光の流れを使って説明する。導波路９０は、コア９２を挟んで上部クラッド層９１と下部クラッド層９３とが設けられている。コア９２を通って来た光は溝８３で空気中に放出され、ほとんどの光は反射フィルター８４を透過し出力側８７のコア９２に入る。反射フィルター８４で一部の光（破線の矢印）は反射して光検出器８５に入り、電気信号に変換され光路内の光の強度を測定することができる。

上記特許文献２の平面導波路型光回路８０は、導波路を保持する基板の厚み、光検出器の保持機構等が小型化をする上で障害になることは容易に理解できる。また、導波路と光ファイバーを接続する部位での光損失が大きいことは周知であり、低損失化を図ることは難しい。損失を低減するため、特許文献２の光導波路を光ファイバーに置き換えることは容易に考えられる。しかし、光ファイバーに置き換えたとしても、特許文献２に示された平面導波路型光回路８０と同様に入力側から入った光は一度空気中に放出される。空気中に放出された光を反射フィルターで出力側に伝わる光と光検出器に入る光とに分岐するので、光の損失を低減することが難しい。

損失が少ないと考えられる特許文献１の光パワーモニター７０においても、個別のピッグテールファイバーとＧＲＩＮレンズ、フォトンディテクターを使用し組み上げる限り、単一チャンネルの光パワーモニター７０の小型化は、３．０ｍｍ直径×２０ｍｍが限界と考えられる。図１２（Ａ）に示すように、ケース６９に収納して多チャンネル化しているので、更に製品サイズが大きくなり、小型化が難しい。

また、光信号を伝播するのに用いる光ファイバー通信回路は双方向に用いることが多い。情報をダウンロードするとともに、アップロードする必要がある。かかる用途においては双方向の光信号強度を測定する双方向光パワーモニターが要るが、特許文献２に開示された光パワーモニターでは一方向の光強度を測定するものであった。
米国特許６，６０３，９０６号公報 特開２００３−３２９８６２号公報

本発明の目的は、多チャンネル化しても小型化が可能で光伝播損失の少ない双方向光パワーモニターを提供することである。

本発明の双方向光パワーモニターは、それぞれが中心にコアを、そのコアの周りにクラッド層を持つ２本の光ファイバーであって、それらコアの光軸をオフセットさせて、それらの端面同士を融着部で対向して融着しており、それら光ファイバーそれぞれのコア端面の一部分が融着部で他方のコア端面からオフセットして突出している。その２本の光ファイバーそれぞれが、そのクラッドに形成され一方の光ファイバーコア端面の他方の光ファイバーコア端面から突出した部分がその融着部側の側面と対向しているＵ溝を持つ。Ｕ溝それぞれの中に、受光面がＵ溝の側面と対向し、一方の光ファイバーコアを伝播し、その光ファイバーのコア端面の突出した部分から他方の光ファイバーのクラッド層に漏洩し、Ｕ溝に入った光を検出するための光ダイオードが設けられている。Ｕ溝の側面が一方の光ファイバーのコア端面の突出した部分から他方の光ファイバーのクラッド層中に漏洩した光が干渉して強め合う位置に設けられている。

Ｕ溝の側面が、一方の光ファイバーのコア端面の突出した部分から他方の光ファイバーのクラッド層中に漏洩した光が干渉して強め合う３次から４次の位置に設けられているのが好ましい。

光ファイバーは、光ファイバー中心に位置するコアとコアの周りを覆うクラッド層とから成り、光ファイバーコア中を伝播する光が屈折率の大きなコアと屈折率の小さなクラッド層との境界面であるコア外周面で全反射を起こし、コア内のみを光が伝播する。２本の光ファイバーの端面同士をそれらのコア光軸を互いに数μｍオフセットさせて融着すると、融着部の大部分をコア端面同士の接続とクラッド層端面同士の接続が占める。コア端面同士が接続しているところでは、光は上流側光ファイバーコアから下流側光ファイバーコアに伝播する。一方、上流側光ファイバーのコア端面の一部が下流側光ファイバーのクラッド層端面に融着接続しているところでは、上流側光ファイバーコア中を伝播して融着面に到達した光が対向している下流側光ファイバークラッド層に漏洩する。漏洩した光はそのまま前方に進行するが、コアとクラッド層との間に屈折率の差があり、またコア端面のクラッド層端面に融着されている部分が三日月の形をしているので、コア端面のその部分から漏洩した光がクラッド層中で放射状に広がる。クラッド層中に放射状に広がった光はクラッド層の外周面で反射を繰返しながらクラッド層内を伝播する。反射した光が互いに干渉を起こし、クラッド層内を伝播する途中に光が互いに強め合ったり弱め合ったりしながら進行する。反射を繰返しながらクラッド層内を伝播した光が、コア端面のその部分に対向してクラッド層内に設けられたＵ溝の側面を透過してＵ溝に入る。Ｕ溝内に光ダイオードが受光面をＵ溝の側面に対向して設けられているので、Ｕ溝に入った光が光ダイオードで検出されて、光ダイオードで光を電流に変換し光量に比例した電気信号を得ることができる。

一方の光ファイバーのコア端面と他方の光ファイバーのコア端面とは互いに数μｍオフセットして接合されているので、光伝播下流側から光ファイバーのコア接合部を見ると、上流側コア断面の下流側コアから突出した部分が三日月形に見える。三日月の最も太い幅がオフセット量に相当する。融着部の縦断面の形は、融着前の接合状態では、光ファイバーの中心軸に対しコア端面が略垂直になっており、略垂直の端面同士が数μｍオフセットしている。光ファイバー端面を加熱融着するとコア端面の角が表面張力によって曲率を持ってコア端面同士が融着する。クラッド層端面の角にも同様に曲率が生じる。

コアの融着面が光ファイバー縦断面で曲率を持つ三日月形をしている。曲率を持つ面内、すなわちオフセット面（２本の光ファイバー光軸を含む面）と平行にコア端面から下流側クラッド層に出た光は、融着によって生じたコア端面の曲率のために出る光のコア光軸に対する角度が変わり、クラッド層内で反射した光同士が干渉し合って強め合いあるいは弱め合う。好ましくは、３次から４次の強め合った光をＵ溝の側面のところで光ダイオードで検出する。このため融着部にある光ファイバーコア断面のうち突出した部分がＵ溝の側面とある角度を持って対向していることが重要である。言い換えると、光ファイバーコアの光軸に対し融着部が垂直でまたＵ溝の側面も垂直となっていて、上流側コア端面のうち突出した部分とＵ溝の側面とが平行に対向している。オフセット面ではコアの融着した端面とＵ溝の側面とはオフセット面内である角度を持っているので、融着部にある突出した部分とＵ溝の側面は所定の角度を持って対向する。一方、オフセット面と垂直な面内で上流側コア端面の突出した部分から出た光は、光ファイバーのオフセット面に関して対称に進みクラッド層外周面で反射するため、干渉を起こさない。

オフセット面内で、コア端面の外周上で融着部曲率が最も小さく、すなわち曲率半径が最も大きくなる、そして反対に、オフセット面内で、２本のコア端面同士が接しているところでは融着部曲率が最も大きく、すなわち曲率半径が最も小さくなっていることが実験的に判明している。また、融着部曲率と光の出射角との関係も実験的に判明している。上流側コア端面の外周部分では光のコア光軸に関する出射角θｕは５°から１５°で、下流側コア端面外周と接している上流側コア端面の部分では光の出射角θｄは２°から１２°である。オフセットして融着した光ファイバーコア端面では、θｕがθｄよりも大きく、θｕとθｄとの差が約３°から約６°である。光の出射角が融着部の場所によって異なるために、上流側コア端面の外周近くからクラッド層内に放射した光がクラッド層内で反射を繰り返す周期と、下流側コア端面の外周に近い上流側コア端面の部分から放射した光がクラッド層内で反射を繰り返す周期とに差があるので、それらの光は干渉を起こし周期的に強め合うところと弱め合うところが生じる。最初に強め合うところを１次とすると、３次もしくは４次の強め合うところに、Ｕ溝の側面を設けることで、融着部の上流側コア端面から下流側光ファイバークラッド層内に漏洩した光を最も効率よくＵ溝の側面に集光することができる。

本発明の双方向光パワーモニターは、Ｕ溝とＵ溝に設けた光ダイオードを持つ光ファイバーをケースに納めた単一チャンネル双方向光パワーモニターとすることができる。また、複数個の双方向光パワーモニターを並列に並べて、多チャンネル双方向光パワーモニター組立体とすることもできる。複数個並べた光ダイオードに代えて、単一の多チャンネルの光ダイオードを用いると、組立体をより小型化することが可能である。本発明の双方向光パワーモニターは、光ファイバーを伝播する光の一部を融着部で上流側コア端面から下流側クラッド層に漏洩させて、漏洩した光を下流側光ファイバーのクラッド層に形成したＵ溝に設けた光ダイオードで検出して電気信号に変換する。クラッド層から空気中に出た光を検出するので、隣接する光ファイバーから出た光や、ケースの外から入る光がノイズとなることがある。そのため、隣接する光ファイバー間の遮光とケースの遮光は必須である。

本発明の双方向光パワーモニターでは、光ファイバークラッド層内に設けたＵ溝の融着部側にある側面が光ファイバーに沿って融着部から下流に４．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下離れた位置にあることが好ましい。

融着部のコア端面から下流側光ファイバークラッド層に漏洩する光の出射角度は、融着部にあるコア端面の各部の曲率に依存するため計算で求めることは容易ではない。数多くの実験から、３次もしくは４次の強め合う位置にＵ溝の側面を設けると受光感度が高くなることが判った。Ｕ溝の側面の位置は、使用する光の波長に依存するが、オフセット融着部から光ファイバーに沿って４．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下離れたところである。

本発明の双方向光パワーモニターでは、Ｕ溝の融着部側にある側面がＵ溝を持つ光ファイバーのコア光軸に対して９０°±４０°の角度であることが好ましい。

クラッド層内を伝播してきた光がそのクラッド層内に設けられたＵ溝の融着部側にある側面を透過してその側面の直ぐ内側にある光ダイオードで検出される。その側面がＵ溝を持つ光ファイバーコア光軸に対して垂直であるとほぼ１００％の光が透過する。側面が垂直から±４０°以内の角度であるときは実験的にはほぼ１００％の光が透過する。Ｕ溝の側面がＵ溝内に傾いているとＵ溝の加工が困難で、さらに光ダイオードあるいは光検出器をＵ溝に取り付けるのが難しい。そこで、側面のコア光軸に対する角度は９０°＋４０°／−２０°であることがより好ましい。なお、ここで９０°＋４０°はＵ溝の開口が底面よりも広くなるようにＵ溝の側面が傾いており、９０°−２０°は逆に側面が傾いていることを意味する。

本発明の双方向光パワーモニターは、Ｕ溝の底とＵ溝の設けられた光ファイバーコア外周との距離が０．５μｍから８μｍであることが好ましい。

上流側コア内を伝播してきた光の一部を上流側コア端面の突出した部分から下流側光ファイバークラッド層内に漏洩させて、Ｕ溝の融着部側にある側面を透過させて光ダイオードで検知するため、光をＵ溝の側面に確実に照射することが重要である。Ｕ溝が浅くなる、つまり融着部側にあるＵ溝の側面の面積が小さくなると、光の全てがＵ溝の側面に当たらず、クラッド層のコア近傍にある部分を伝播する光が多くなる。そのため、下流側光ファイバーコア外周とＵ溝の底との距離を８μｍ以下にすることが好ましい。一方、光ファイバーはコア内を光が伝播する構造をしているものの、厳密な境界が存在する訳ではないので、クラッド層のコア近傍の部分に漏洩して伝播する光が存在する。Ｕ溝が深くなり、コア外周とＵ溝の底との距離が０．５μｍよりも小さくなると、クラッド層のコア近傍にある部分を伝播する光及びコア内を伝播する光がＵ溝に漏洩し伝播損失が大となる。このため、Ｕ溝の底とコア外周との距離が０．５μｍから８μｍであることが好ましい。

本発明の双方向光パワーモニターでは、２本の光ファイバーコア光軸間のオフセットが光ファイバーのコア径の０．０５倍以上で０．３２倍以下であることが好ましい。

オフセットを変化させると、クラッド層へ漏洩する光の量を変えることができる。コア内の光の強度分布は、ガウス分布に従うため、オフセットが大きくなるに従い光量変化が大きくなる。一般的に用いられているシングルモード光ファイバーでは、コア径は９．２μｍ（波長１３１０ｎｍ）である。２．５μｍのオフセットでコア端面同士を融着した時に、受光感度は１００ｍＡ／Ｗ程度である。受光感度は、光ダイオードに入る光の強さ（Ｗ）当たりの光ダイオードの出力電流（ｍＡ／Ｗ）で表わす。

本発明による双方向光パワーモニター組立体は、平行に並べて一面（上面）に形成した複数のＶ溝と、その面で複数のＶ溝と直交して形成した第一溝と、その面と対向した面（下面）に第一溝から所定距離はなれて、第一溝に平行に形成した第二溝を持つＶブロックと、その複数のＶ溝それぞれの中に固定した上述の双方向光パワーモニターを持つ。そして、複数のＶ溝と直交して形成した第一溝と第二溝それぞれに、複数のＶ溝それぞれに入れられた複数の双方向光パワーモニターすべてに延びた光検出器が設けられている。複数の双方向光パワーモニターそれぞれの光ファイバークラッド層に形成されたＵ溝が、Ｖブロックの複数のＶ溝と直交した第一溝あるいは第二溝内に位置している。光検出器が、複数の双方向光パワーモニターそれぞれのＵ溝内にその双方向光パワーモニターの光ダイオードを持つ。

ＶブロックのＶ溝内に双方向光パワーモニターの光ファイバーが入っていて、共通の光検出器が各双方向光パワーモニターのＵ溝に設けられているので、双方向光パワーモニター組立体のなかで、ある双方向光パワーモニターに隣り合った双方向光パワーモニターから漏れた光、あるいは外部から入ってきた光がその双方向光パワーモニターの光ダイオードで検出されることが防がれる。しかも、ＶブロックのＶ溝の間隔を狭くすると双方向光パワーモニター組立体を小さくすることができる。

なお、第一溝と第二溝との距離は、融着部と一方のＵ溝側面との距離の２倍とする。

本発明による双方向光パワーモニター組立体において、複数のＶ溝の形成されたＶブロックの面（上面）に設けられた第一溝に取り付けた光検出器が、第一溝の深さよりも大きな高さをしていて、複数のＶ溝の形成されたＶブロックの面（上面）と反対のＶブロックの面（下面）に設けられた第二溝に取り付けた光検出器が、第二溝の深さよりも小さな高さをしていることが好ましい。

双方向光パワーモニターの２本の光ファイバーがＶブロックの上面に近いところに設けられていると、上面から形成した第一溝の深さを光検出器の高さよりも小さくすることができる。その２本の光ファイバーがＶブロックの下面から遠くに離れて下面から形成した第二溝を、光検出器をその中に収容できるだけの深さとすることで、Ｖブロックをケースの内底面に安定して設けることができる。

本発明による双方向光パワーモニター組立体の製造方法では、まず中心にコアを、そのコアの周りにクラッド層を持つ２本の光ファイバーをそれらコアの光軸をオフセットしてそれらの端面同士を対向して融着し、一方の光ファイバーコア端面を他方の光ファイバーコア端面から突出した部分を持つ複数の光ファイバー融着体を準備し、別途、平行に並べて一面（上面）に形成した複数のＶ溝を持つＶブロックを準備する。そして、Ｖブロックの複数のＶ溝それぞれに光ファイバー融着体を入れて光ファイバー融着体を各Ｖ溝に接着固定する。Ｖブロックの複数のＶ溝と直交するように複数の光ファイバー融着体のクラッド層とＶブロックに共通の第一溝をＶブロックの複数のＶ溝のある面（上面）に機械加工する。次にＶブロックの複数のＶ溝がある面（上面）と反対の面（下面）に、第一溝から所定距離はなれて第一溝と平行に第二溝を機械加工する。複数の光ダイオードを持ち、複数の光ファイバー融着体すべてに延びている光検出器を第一溝と第二溝に入れて、光検出器の各光ダイオードが各光ファイバー融着体にある光ファイバーコア端面を他の光ファイバーコア端面から突出させた部分と対向する位置で固定する。そのようにして組み立てたものをケースに入れて固定する。

光ダイオードは、湿度により光を電流に変換する特性の経時変化が起こることが知られている。そこで、本発明の双方向光パワーモニターの密封ケース内に乾燥窒素や乾燥アルゴンを充填することが好ましい。

本発明の双方向光パワーモニターでは、Ｕ溝を持つ２本の光ファイバーを互いにオフセットして端面を対向して融着しているので、光ファイバー中を伝わる光信号の一部を取り出して光信号強度を測定することができる。そのために、小型で光伝播損失の少ない双方向光パワーモニターを実現することができた。

図１は本発明の双方向光パワーモニター組立体を上蓋を外して示す平面図で、 図２は本発明の双方向光パワーモニター組立体の縦断面図で、 図３は図１の一部の横断面を説明する模式図で、 図４（Ａ）は２本の光ファイバー間の融着部と光ファイバーのクラッド層にあるＵ溝を説明する拡大縦断面図、図４（Ｂ）は２本の光ファイバー間の融着部を説明するオフセット面における縦断面図、そして図４（Ｃ）は融着部を説明する横断面図で、 図５（Ａ）と図５（Ｂ）とは本発明の双方向光パワーモニターで融着部のコアからクラッド層に漏洩した光の進行を説明する模式図で、 図６は実施例２で説明するＵ溝側面における透過光比率と反射光比率をＵ溝側面のコア光軸に対する角度との関係で示すグラフで、 図７は実施例３で説明する受光感度と融着部からＵ溝側面までの距離Ｌ（ｍｍ）との関係を示すグラフで、 図８は実施例４で説明する受光感度とオフセットｈ／コア直径ｋとの関係を示すグラフで、 図９は実施例４で説明する伝播損失とオフセットｈ／コア直径ｋとの関係を示すグラフで、 図１０は実施例５で説明する受光感度と伝播損失とに対するＵ溝の底とコア外周との距離ｄ（μｍ）の関係を示すグラフで、 図１１（Ａ）から図１１（Ｆ）は実施例６で説明する本発明における双方向光パワーモニター組立体の製造を説明する斜視図で、 図１２は従来の光パワーモニター組立体を示し、図１２（Ａ）は斜視図で図１２（Ｂ）はそのうち１個の光パワーモニターを縦断面図で示す、そして 図１３は従来の平面導波路型光パワーモニターを示し、図１３（Ａ）は平面図で図１３（Ｂ）は縦断面図である。

符号の説明

２，３ 光ファイバー
４ Ｖブロック
５ 融着部
６，６′ Ｕ溝
７，７′ 光検出器
１４，１４′ 側面
１５，１６ 光軸
１８ 突出した部分
４１ Ｖ溝
４２ 第一溝
４２′ 第二溝
７１，７１′ 光ダイオード

以下、図面を参照しながら実施例に基づいて本発明の双方向光パワーモニターを詳細に説明する。説明を判り易くするため、同一の部品、部位には同じ符号を用いている。

図１は本発明の双方向光パワーモニター組立体を上蓋を外して示す平面図で、図２は双方向光パワーモニター組立体の縦断面図で、図３はその一部の横断面で、図４（Ａ）は２本の光ファイバー間の融着部と光ファイバーにあるＵ溝を説明する拡大縦断面図で、図４（Ｂ）は２本の光ファイバー間の融着部を説明するオフセット面における縦断面図で、図４（Ｃ）は融着部を説明する横断面図で、図５（Ａ）と図５（Ｂ）とは融着部のコアからクラッド層に漏洩した光の進行を説明する模式図である。

図１、図２および図３を参照しながら本発明の双方向光パワーモニター組立体１の構造について詳細に説明する。図１は８組の双方向光パワーモニターをケース９に組込んだ８チャンネル光パワーモニター組立体１である。ケース９から保護チューブ８、８′を介して光ファイバー２と３を外部に引き出した。樹脂(図示せず)で上蓋１１をケース９の上に接着し、乾燥窒素ガスを充填している。ケース９の側壁から光ダイオード７１、７１′の電極１０を取り出している。ケース９内を通る光ダイオード７１、７１′と電極１０間の配線は省略した。ケース９の内底面にＶブロック４を接着剤で固定している。Ｖブロック４には光ファイバーの間隔を精度良く保つため８個のＶ溝４１を有し、Ｖ溝４１に光ファイバー２，３が樹脂で接着されている。光ダイオード７１を持つ光検出器７を光ファイバー３のＵ溝６内に、光ダイオード７１′を持つ光検出器７′を光ファイバー２のＵ溝６′内に配置した。Ｖブロック４の上面に互いに平行に形成されている８本のＶ溝４１に直交してＶブロック４に第一溝４２が形成されていて、下面に第一溝４２から所定距離はなれて第一溝４２と平行に第二溝４２′が形成されている。第一溝４２とＵ溝６とが同じ位置にあり、第二溝４２′とＵ溝６′とが同じ位置にある。融着された２本の光ファイバー２、３を、以下の説明では特に断りのない限りまとめて「光ファイバー」と呼ぶことがある。また、一方の光ファイバーが光伝播上流にあって、他方の光ファイバーが下流にあるときには、それぞれを上流側光ファイバー、下流側光ファイバーと呼ぶことがある。光ファイバーがＶブロックの各Ｖ溝内に設けられているので、光ファイバー間の光の干渉を防ぐことができる。

図４を用いて、各部の寸法や光の流れ等について説明する。図４（Ａ）に示すように、光ファイバー２のコア光軸１５と光ファイバー３のコア光軸１６の間のオフセット量ｈを２μｍにして、それら光ファイバー端面同士を融着した。オフセット融着を行った２本の光ファイバーの融着部５から光ファイバー３に沿って６．８０ｍｍの距離Ｌ離れた位置に、Ｕ溝６の融着部側の側面１４が来るように研削加工でＵ溝６が形成されている。また融着部５から光ファイバー２に沿って同じ距離Ｌ離れた位置に、Ｕ溝６′の融着部側の側面１４′が来るように研削加工でＵ溝６′が形成されている。Ｕ溝６、６′の深さが５５．０μｍでＵ溝底１２とコア外周との間隔ｄは２．９μｍであった。Ｕ溝６の融着部側の側面１４がコア光軸１６に対してほぼ９０°の角度θであった。Ｕ溝６′はＵ溝６と同じ構造でＵ溝６と対称に形成した。側面１４,１４′とほぼ接するように受光面を持つ光ダイオード７１，７１′をそれぞれのＵ溝６、６′に設けた。

光ファイバー２のコア内を伝播してきた光（実線矢印）が融着部５で光ファイバー３のクラッド層に漏れた光（破線矢印）と光ファイバー３のコアに入る光（実線矢印）とに分かれる。光ファイバー３のコアに入った光は、一度も空気中に出ることなくコア内を通過する。従来の光パワーモニターでは、測定部で一度は空気中に出てから光ファイバーもしくは光導波路に戻っていた。光ダイオードに入る漏洩光以外の光は、一度も空気中に出ないことが本発明の光パワーモニターの特徴の一つであり、これが低伝播損失の得られる理由の一つである。融着部５でクラッド層に漏洩した光のうち、クラッド層内で反射を繰り返し干渉で強め合った３次もしくは４次の光がＵ溝６の側面１４を通って光ダイオード７１に入り、電気信号に変換される。また、光ファイバー３のコア内を伝播してきた光が融着部５で光ファイバー２のクラッド層に漏れた光と光ファイバー２のコアに入る光とに分かれる。光ファイバー２のコアに入った光は一度も空気中に出ることなくコア内を通過する。融着部５で光ファイバー２のクラッド層に漏洩した光のうち、クラッド層内で強め合った光がＵ溝６′の側面１４′を通って光ダイオード７１′で検出される。

図４（Ａ）でサークルＡの部分にあるコアのオフセット融着部５を、図４（Ｂ）と図４（Ｃ）を用いてより詳細に説明する。図４（Ｂ）は融着部５のオフセット面における縦断面図である。２本の光ファイバー２、３のコアの接合部は、溶融したコアが作り出すカーブ面１７を持って一体化されている。このカーブ面１７を通過して光ファイバー３のクラッド層に漏洩した光は、種々の角度を持ってクラッド層内に入りクラッド層外周で反射を繰り返しながら進む。反射を繰返した光は干渉を起こし、光を強め合ったり弱め合ったりする。カーブ面１７は光ファイバー２のコアから種々の角度で光を光ファイバー３のクラッド層に出射するので、光の干渉を起こさせると言う重要な働きを担う。図４（Ｃ）に、光ファイバー３から見た融着部５のコア断面を示している。光ファイバー２のコア端面が光ファイバー３のコアから一部突出した部分１８を形成している。図４（Ａ）で、光ファイバー３のコアの下の部分が光ファイバー２のコアから突出して、上で説明したのと同様に突出した部分が形成されているがその働きを繰り返す必要はないであろう。

上流側コア端面の下流側コアから突出した部分１８から下流側光ファイバークラッド層に漏洩した光の流れを図５に模式図で示す。図５（Ａ）に、オフセット面における光ファイバー３のクラッド層内の光の流れを示す。コア端面の突出した部分１８から出た漏洩光は、カーブ面で光の出る方向が分かれる。破線矢印で示すように角度θｕで出た光と実線矢印で示すように角度θｄで出た光とはクラッド層の外周境界で反射を繰返してクラッド層内を進む。このため、破線矢印と実線矢印が先端で接近した部分が光の強め合った部分である。最初に強め合ったところを１次とし、三度目（３次）もしくは四度目（４次）の強め合う位置にＵ溝６の側面１４を設ける。側面１４を通過した光が光ダイオード７１に入る。強め合う部分と弱め合う部分は交互に現れる。図５（Ｂ）に、オフセット面に垂直な断面における光の流れを示す。コア端面の突出した部分１８から出た光はコア光軸１６（図５（Ｂ）ではそれはオフセット面に一致する。）に関して対称なので、光の干渉は生じずクラッド層外周で反射を繰返して進み側面に達する。この実施例では、θｕは１４．０°、θｄは９．６°であった。

２０個の完成した双方向光パワーモニター組立体１に、波長１５５０ｎｍで光強度１．２ｍＷの光を入射し、光パワーモニター特性を評価した。８チャンネル組立体を２０個用いたので総計１６０チャンネルの特性を測定し、測定値の平均をとった。伝播損失は−０．７２ｄＢで受光感度は６４．４ｍＡ／Ｗと良好な値が得られた。光ファイバーをＶブロックのＶ溝に入れることで、クロストークは−４８．３ｄＢまで低下させることができた。保護チューブ８、８′と電極１０を除いたケース９と上蓋１１の外形寸法は２３ｍｍＬ×１７ｍｍＷ×２．６ｍｍＨで従来の図１２（Ａ）の光パワーモニター組立体に比べ、体積で１／５と大幅に小型化ができた。

図６にＵ溝の側面における透過光比率と反射光比率をＵ溝の側面の下流側光ファイバーコア光軸に対する角度θとの関係でグラフに示す。Ｕ溝の側面１４の角度θは図４（Ａ）に示した角度である。側面の角度θをコア光軸に対して９０°から大きくしていくと１３０°まで透過光比率がほぼ１００％に保たれている。角度θが１３０°を超えると反射光比率が大きくなり透過光比率が急激に低下する。角度θを９０°から小さくしていくと５０°まではほぼ１００％であるが、５０°よりも小さくなると透過光比率が急激に低下する。このことから、Ｕ溝の側面の角度θが９０°±４０°であるのが好ましいことが理解されるであろう。しかし、角度θが７０°未満になるとＵ溝の形成が困難となるとともに、光ダイオードをＵ溝に挿入するのも困難となるので、角度θが７０°から１３０°の範囲にあるのがより好ましい。

図７に、光ダイオードの受光感度（ｍＡ／Ｗ）と融着部からＵ溝の側面までの距離Ｌ(ｍｍ)との関係をグラフに示す。融着部からＵ溝の側面までの距離Ｌを０．８ｍｍから９．０ｍｍまで変えて、受光感度を測定した。距離Ｌ以外の、Ｕ溝の形状（角度）、寸法等は実施例１と同じとした。融着部からＵ溝の側面までの距離Ｌが、約１ｍｍ，約３ｍｍ，約５ｍｍ，約７ｍｍ，約９ｍｍで受光感度が大きく約２ｍｍ，約４ｍｍ，約６ｍｍ，約８ｍｍで受光感度が小さくなっているのが判る。受光感度が大きくなっているところが光の干渉で強め合ったところで、受光感度が小さくなっているところが光の干渉で弱め合ったところになる。約１ｍｍのところが１次の干渉で光が強め合ったところになる。次数が大きくなるにつれて受光感度も高くなり、３次と４次で最も高い受光感度を示した。３次もしくは４次の干渉光を使うことで、高い受光感度を有する光パワーモニターが得られることが実証できた。

図８は、受光感度（ｍＡ／Ｗ）とオフセットｈ／コア直径ｋとの関係をグラフに示す。オフセットｈ／コア直径ｋの比を、０．０２から０．３２まで変えて光パワーモニターを製作した。受光感度の測定方法、Ｕ溝の位置と角度等は実施例１と同じとした。オフセットｈ／コア直径ｋが大きくなるに従い、受光感度が大きくなっている。オフセットｈが大きくなると下流側クラッド層に漏れる光が多くなるため、Ｕ溝に入射する光量が多くなる。このため、光ダイオードに入射する光量が増え、受光感度が高い値を示した。受光感度が高いことは、光ファイバー内を伝播する光強度が小さくなっても、正確なモニターが可能になることを意味する。しかしこれは、光ファイバー内を伝播する光から高い割合で光を取り出すことを意味しており、伝播損失という観点からは不利になる。

図９に、伝播損失（−ｄＢ）とオフセットｈ／コア直径ｋとの関係をグラフに示す。オフセットｈ／コア直径ｋの比が大きくなると、伝播損失が大きくなることが判る。これは、光ファイバー内の伝播光の光強度が低下する割合が大きくなることを意味している。受光感度と伝播損失とのバランスから、光パワーモニターの性能が決まる。オフセットｈ／コア直径ｋを、０．０５以上０．３２以下とすることで、高い受光感度で伝播損失の小さい高性能な光パワーモニターが得られた。

図１０に受光感度（ｍＡ／Ｗ）及び伝播損失（−ｄＢ）とＵ溝の底とコア外周との距離ｄ（μｍ）との関係をグラフに示す。距離ｄを０．２μｍから１５μｍまで変えて光パワーモニターを製作した。距離ｄ以外の条件は実施例１と同じであった。距離ｄが０．５μｍから８μｍの範囲では、受光感度がほとんど変化しない。しかし、距離ｄが８μｍよりも大きくなると、Ｕ溝の側面の面積が小さくなるため、受光感度が徐々に減少している。反対に、距離ｄが０．５μｍより小さくなると、Ｕ溝の底がコアに非常に接近する。光ファイバーでは主にコア中を光が伝播するが、実際はコア近傍では若干の光がクラッド層に漏洩しており、この漏洩した光がＵ溝に入りモニターされる。そのため、距離ｄが０．５μｍより小さいときは、受光感度は上がるが伝播損失も大きくなっている。距離ｄが０．５μｍから８μｍの範囲で、受光感度及び伝播損失の変化が少ない安定した光パワーモニターが得られることが実証できた。

図１から図３に示した双方向光パワーモニター組立体１の製造を図１１を参照して説明する。図１１（Ａ）に示すように、２本の光ファイバー２，３をそれらのコア光軸をオフセットしてそれらの端面同士を対向して融着して、必要な数の光ファイバー融着体２ａを準備する。別途、一面に複数のＶ溝４１を形成したＶブロック４を準備しておく。Ｖブロック４はアルミナなどのセラミックで作ることができる。Ｖ溝４１は平行に形成されていて、光ファイバー融着体２ａが十分に入る深さを持つ。図１１（Ｂ）に示すように、Ｖブロック４のＶ溝４１それぞれに光ファイバー融着体２ａをその融着部が一直線になるように並べて入れる。各光ファイバー融着体２ａの一方のコア端面の突出した部分を上に、他方のコア端面の突出した部分を下にして、Ｖブロック４のＶ溝４１それぞれに光ファイバー融着体２ａを固定する。このとき、一方のコア端面の突出した部分を下に、他方のコア端面の突出した部分を上にして、各光ファイバー融着体２ａをＶブロック４のＶ溝４１に固定してもよい。どちらにしても、すべての光ファイバー融着体が同じ向きとなっている必要がある。光ファイバー融着体を接着したＶブロック４に、図１１（Ｃ）に示すように、Ｖ溝４１と直角方向に第一溝４２を機械加工して、各光ファイバー３にＵ溝６を形成する。Ｕ溝６はその側面が融着部から所定距離の位置に形成し、その側面が光ファイバー２のコア端面の突出した部分と光ファイバー３のクラッド層を介して対向するように形成する。次に、図１１（Ｄ）に示すように、Ｖブロック４の下面から第二溝４２′を機械加工して、各光ファイバー２の下側にＵ溝を形成する。Ｕ溝は、その側面が融着部から所定距離の位置に形成し、その側面が光ファイバー３のコア端面の突出した部分と光ファイバー２のクラッド層を介して対向するように形成する。上面に形成した第一溝４２と下面に形成した第二溝４２′おのおのに、すべての光ファイバー融着体２ａをカバーする長さをした光検出器７，７′を光検出器の各光ダイオードがＵ溝の側面に対向するように取り付けて固定する（図１１（Ｅ）参照）。図１１（Ｆ）で、多チャンネル組立体をケース９に入れてＶブロック４の底面をケース底に接着して、上蓋１１を取り付ける。このように簡単に光パワーモニター組立体１の組立を行うことができる。

本発明では小型で光伝播損失の少ない双方向光パワーモニターが実現できた。この双方向光パワーモニターは、光通信回路に用いることができる。

Claims (8)

1. それぞれが中心にコアを、そのコアの周りにクラッド層を持つ２本の光ファイバーであって、それらコアの光軸をオフセットさせて、それらの端面同士を融着部で対向して融着しており、それら光ファイバーそれぞれのコア端面の一部分が前記融着部で他方のコア端面からオフセットして突出しているものと、
   その２本の光ファイバーそれぞれのクラッド層に形成されて、一方の光ファイバーコア端面の前記他方の光ファイバーコア端面から突出した部分がその融着部側の側面と対向しているＵ溝と、
   それら２本の光ファイバーそれぞれのクラッド層に形成された前記Ｕ溝内に設けられていて、その受光面がＵ溝の前記側面と対向し、前記一方の光ファイバーコアを伝播し、前記一方の光ファイバーのコア端面の突出した前記部分から前記他方の光ファイバーのクラッド層に漏洩し、Ｕ溝に入った光を検出するための光ダイオードとを有し、
   Ｕ溝の前記側面が、前記一方の光ファイバーのコア端面の突出した前記部分から前記他方の光ファイバーのクラッド層中に漏洩した光が干渉して強め合う位置に設けられている双方向光パワーモニター。
2. Ｕ溝の前記側面が、前記一方の光ファイバーのコア端面の突出した前記部分から前記他方の光ファイバーのクラッド層中に漏洩した光が干渉して強め合う３次から４次の位置に設けられている請求項１記載の双方向光パワーモニター。
3. Ｕ溝の前記側面が、融着部から光ファイバーに沿って４．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下離れた位置にある請求項２記載の双方向光パワーモニター。
4. Ｕ溝の前記側面が、前記他方の光ファイバーコア光軸に対して９０°±４０°の角度である請求項１記載の双方向光パワーモニター。
5. 前記Ｕ溝の底と前記他方の光ファイバーのコア外周との距離が０．５μｍから８μｍである請求項１記載の双方向光パワーモニター。
6. 前記２本の光ファイバーのコア光軸間のオフセットが、光ファイバーのコア径の０．０５倍以上で０．３２倍以下である請求項１記載の双方向光パワーモニター。
7. 平行に並べて一面に形成した複数のＶ溝と、その面で前記複数のＶ溝と直交して形成した第一溝と、その面と反対の面に前記第一溝から所定距離はなれて、第一溝に平行に形成した第二溝を持つＶブロックと、
   前記複数のＶ溝それぞれのなかに固定した請求項１記載の複数の双方向光パワーモニターと、
   前記複数のＶ溝に直交して形成した前記第一と第二溝それぞれに設けられて、前記複数の双方向光パワーモニターすべてに延びている光検出器を有し、
   前記複数の双方向光パワーモニターそれぞれの光ファイバークラッド層に形成されたＵ溝が、前記複数のＶ溝に直交して形成した前記第一あるいは第二溝に位置しており、
   前記光検出器が、前記複数の双方向光パワーモニターそれぞれのＵ溝内に入った部分に当該双方向光パワーモニターの光ダイオードを持つ
   双方向光パワーモニター組立体。
8. 複数のＶ溝の形成されたＶブロックの面に設けられた第一溝に取り付けた光検出器が、第一溝の深さよりも大きな高さをしており、
   複数のＶ溝の形成されたＶブロックの面と反対のＶブロックの面に設けられた第二溝に取り付けた光検出器が、第二溝の深さよりも小さな高さをしている請求項７記載の双方向光パワーモニター組立体。

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